JP4282263B2 - Optical path switching device and image display device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号によって光の方向を変える光偏向素子、光路切替デバイスおよび該光偏向素子又は光路切替デバイスを用いた画像表示装置に関し、プロジェクションディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどの電子ディスプレイ装置に応用可能な光路切替装置および画像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気信号などの外部からの信号により光の光路を偏向、すなわち入射光に対して出射光の光軸を平行にシフトさせるか、ある角度をもって回転させるか、あるいはその両者を組み合わせて光路を切り替えることが可能な光偏向素子として、従来、KH2PO4(KDP),NH4H2PO4(ADP),LiNbO3,LiTaO3,GaAs,CdTeなど1次の電気光学効果(ポッケルス効果)の大きな材料や、KTN,SrTiO3,CS2,ニトロベンゼン等の2次の電気光学効果の大きな材料を用いた電気光学デバイスや、ガラス、シリカ、TeO2などの材料を用いた音響光学デバイスが知られている(例えば、青木昌治編;「オプトエレクトロニックデバイス」、昭晃堂)。これらは、一般的に、十分大きな光偏向量を得るためには光路長を長く取る必要があり、また、材料が高価であるため用途が制限されている。
一方で、液晶材料を用いた光偏向素子なる光学素子も各種提案されており、その数例を挙げると、以下に示すような提案例がある。
【0003】
例えば、特開平6−18940号公報によれば、光空間スイッチの光の損失を低減することを目的に、人工複屈折板からなる光ビームシフタが提案されている。内容的には、2枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間に液晶層を挟んだ光ビームシフタ、及びマトリクス形偏向制御素子の後面に前記光ビームシフタを接続した光ビームシフタが提案され、併せて、2枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間にマトリクス駆動が可能で、入射光ビームを半セルシフトする液晶層を挟んだ光ビームシフタを半セルずらして多段接続した光ビームシフタが提案されている。
しかし上記特開平6−18940号公報例においては、液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブミリ秒にまで速めることは困難であり、高速なスイッチングが必要な用途には用いることはできない。
【0004】
また、特開平9−133904号公報によれば、大きな偏向を得ることが可能で、偏向効率が高く、しかも、偏向角と偏向距離とを任意に設定することができる光偏向スイッチが提案されている。具体的には、2枚の透明基板を所定の間隔で対向配置させ、対向させた面に垂直配向処理を施し、透明基板間にスメクチックA相の強誘電性液晶を封入し、前記透明基板に対して垂直配向させ、スメクチック層と平行に交流電界を印加できるように電極対を配置し、電極対に交流電界を印加する駆動装置を備えた液晶素子である。即ち、スメクチックA相の強誘電性液晶による電傾効果を用い、液晶分子の傾斜による複屈折によって、液晶層に入射する偏光の屈折角と変位する方向を変化できるようにしたものである。
しかし上記特開平9−133904号公報の例においては、スメクチックA相の強誘電液晶を用いているが、スメクチックA相は自発分極を持たないため、高速動作は望めない。
【0005】
次にピクセルシフト素子に関して従来提案されている技術を数例挙げて説明する。ここでいうピクセルシフト素子とは、少なくとも画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールドごとに画像表示素子と光学部材との間の光路を偏向する光偏向手段とを有し、光偏向手段によりサブフィールドごとの光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見かけの画素数を倍増して表示する画像表示装置における光偏向手段を意味する。
【0006】
例えば、特許第2939826号に示されるように、表示素子に表示された画像を投影光学系により、スクリーン状に拡大投影する投影表示装置において、前記表示素子から前記スクリーンに至る光路の途中に透過光の偏光方向を旋回できる光学素子を少なくとも一つ以上と、複屈折効果を有する透明素子を少なくとも一つ以上有してなる投影画像をシフトする手段と、前記表示素子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各画素の投影領域が前記スクリーン上で離散的に投影される手段とを備えた投影表示装置がある。
【0007】
同公報の例では、偏光方向を旋回できる光学素子(旋光素子と呼ぶ)を少なくとも一つ以上と複屈折効果を有する透明素子(複屈折素子と呼ぶ)を少なくとも一つ以上有してなる投影画像シフト手段(ピクセルシフト手段)によりピクセルシフトを行っているが、問題点として、旋光素子と複屈折素子とを組み合わせて使用するため、光量損失が大きいこと、光の波長によりピクセルシフト量が変動し解像度が低下しやすいこと、旋光素子と複屈折素子との光学特性のミスマッチから、本来、画像が形成されないピクセルシフト外の位置に漏れ光によるゴーストなどの光学ノイズが発生しやすいこと、素子化のためのコストが大きいことが挙げられる。特に、複屈折素子に前述したようなKH2PO4(DKP)、NH4H2PO4(ADP)、LiNbO3、LiTaO3、GaAs、CdTeなど一次の電気光学効果(ポッケルス効果)の大きな材料を使用した場合に顕著である。
【0008】
また、特開平5−313116号公報に示される投影機においては、制御回路により、画像蓄積回路に蓄積した本来表示すべき画像を市松状に画像選択回路へサンプリングして順次空間光変調器に表示し、投影させ、さらに、制御回路により、この表示に対応させてパネル揺動機構を制御して空間光変調器の隣接画素ピッチ距離を整数分の一ずつ移動させることで、本来表示すべき画像を時間的な合成により再現するようにしている。これにより、空間光変調器の画素の整数倍の分解能で画像を表示可能にするとともに、画素の粗い空間光変調器と簡単な光学系を用いて安価に投影機を構成可能としている。
【0009】
ところが、同公報の例では、画像表示用素子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に揺動させるピクセルシフト方式が記載されており、この方式では、光学系は固定されているので諸収差の発生が少ないが、画像表示素子自体を正確かつ高速に平行移動させる必要があるため、可動部の制度や耐久性が要求され、振動や音が問題となる。
【0010】
さらに、特開平6−324320号公報によれば、LCDなどの画像表示装置の画素数を増加させることなく、表示画像の解像度を見かけ上向上させるため、縦方向および横方向に配列された複数個の画素のおのおのが、表示画素パターンに応じて発光することにより画像が表示される画像表示装置と、観測者またはスクリーンとの間に光路をフィールドごとに変更する光学部材を配し、また、フィールドごとに、前記光路の変更に応じて表示位置がずれている状態の表示画素パターンを画像表示装置に表示させるようにしている。ここに、屈折率が異なる部位が画像情報のフィールドごとに交互に画像表示装置と観測者又はスクリーンとのあいだの光路中に現れるようにすることで、前記光路の変更が行われるものである。
【0011】
同公報の例では、光路を変更する手段として、電気光学素子と複屈折材料との組み合わせ機構、レンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラスなどが記述されており、上記旋光素子と複屈折素子を組み合わせてなる方式の他に、ボイスコイル、圧電素子などによりレンズ、反射板、複屈折板などの光学素子を変位(平行移動または傾斜)させて光路を切り替える方式が提案されているが、この方式では、光学素子を駆動するために構成が複雑となり、コストが高くなる。
【0012】
また、特開平10−133135号公報によれば、回転機械要素を不要化でき、全体の小型化、高精度・高分解能化を実現でき、しかも外部からの振動の影響を受けにくい光ビーム偏向装置が提案されている。具体的には光ビームの進行路上に配置される透光性の圧電素子と、この圧電素子の表面に設けられた透明の電極と、圧電素子の光ビーム入射面Aと光ビーム出射面Bとの間の光路長を変化させて光ビームの光軸を偏向させるために電極を介して圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。
【0013】
同公報の例では、透光性の圧電素子を透明の電極で挟み、電圧を印加することで厚みを変化させて光路をシフトさせる方式が提案されているが、比較的大きな透明圧電素子を必要とし装置コストがアップするなど、前述の特開平6−324320号公報の場合と同様の問題点がある。
【0014】
上記の従来技術では不充分であった高速性を改善し、構成の簡素化と低コスト化を目的に、本発明者らは先に透明な一対の基板と、これら基板間に充填されたホモジニアス配向されたキラルスメクチックC相よりなる液晶とを、一対手の前記基板と前記液晶との間に形成された電極対による電界印加手段とを備え、光の入射方向が基板面法線方向と異なる方向に設定されている光偏向素子および、透明な一対の基板と、これらの基板間に充填されたキラルスメクチックC相よりなる液晶と、少なくとも一組以上の電界印加手段とを備え、前記液晶を挟む前記両基板面が光偏向方向に対応して傾斜して対向する光偏向素子および、光進行方向上に所定距離を隔てて上記の光偏向素子を二組備える光路切替デバイスを提供した。
【0015】
上記本発明者らが提出した光偏向素子および光路切替デバイスでは、液晶材料としてキラルスメクチックC相の液晶を用いているので上記従来技術と比べて高速なスイッチングが可能であるが、入射光として偏光を使わなければならないため、偏光変換が必要となって素子およびデバイスの大型化やコストアップとなってしまう。また、キラルスメクチックC相は均一な配向が難しく、とくに基板間隔が非平行の場合には困難である。さらにキラルスメクチックC相の液晶は高速動作するとはいえ、その動作速度はサブミリ秒(数100μs)であり、充分でない場合がある。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解決し、高速な光路切替装置および光路切替装置を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。より具体的には、光路を直交する二方向にシフトさせることができる光路切替装置を提供すること、および画素数の少ない画像表示素子を用いて、見かけ上高精細で光利用効率の高い画像表示装置を提供すること、をその目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、電気信号によって入射光の光路を切り替える光路切替装置であって、該光路切替装置は、液晶/高分子複合体の屈折率の変化に応じて入射光に対する出射光の偏向角度が変化する光偏向素子をそれぞれ二つ備えた第一の光路切替デバイスと第二の光路切替デバイスとを有し、前記各光路切替デバイスが備える各前記光偏向素子は、高分子マトリクス中に液晶材料を分散保持した液晶/高分子複合体と、該液晶/高分子複合体の屈折率を変化させるための電圧を印加する光透過性の電極とを有し、該液晶/高分子複合体の屈折率の変化に応じて入射光に対する出射光の偏向角度が変化する光偏向素子であって、前記液晶/高分子複合体は、光路上で対向する二面において、一方の面が他方の面に対して所定の角度で傾斜する傾斜領域を有し、前記電極は、前記対向する二面の表面に配され、各前記光路切替デバイスは、第一の光偏向素子で偏向された光が、一定間隔をおいて設置された第二の光偏向素子によって入射光と平行になるように該第一の光偏向素子および該第二の光偏向素子が配置され、第一の光路切替デバイスの前記傾斜領域の最大傾斜方向と、第二の光路切替デバイスの前記傾斜領域の最大傾斜方向とが直交するように配置されてなることを特徴としたものである。
【0018】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記液晶は、入射光の波長以下の粒径を有するドロップレットであることを特徴としたものである。
【0019】
請求項3の発明は、請求項1または2の発明において、前記液晶/高分子複合体における全ての液晶分子が電圧無印加時に一方向に配列していることを特徴としたものである。
【0020】
請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれか1の発明において、前記傾斜領域は、断面が鋸歯形状の周期構造を有することを特徴としたものである。
【0021】
請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれか1の発明において、前記液晶/高分子複合体の対向する二面の表面に保持基板を設けることを特徴としたものである。
【0023】
請求項6の発明は、請求項5の発明において、前記第一の光偏向素子の出射側保持基板と前記第二の光偏向素子の入射側保持基板とが一枚の基板によって一体に構成されていることを特徴としたものである。
【0024】
請求項7の発明は、請求項1の発明において、入射光の波長に応じて前記第一の光偏向素子と前記第二の光偏向素子とに印加する電圧を制御する電圧制御機構を有することを特徴としたものである。
【0027】
請求項8の発明は、少なくとも、画像情報にしたがって光を制御することが可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールドごとに前記画像表示素子と前記光学部材との間の光路を偏向する請求項1ないし7のいずれか1に記載の光路切替装置による光路切替手段を備えることを特徴としたものである。
【0028】
【発明の実施の形態】
(構成・動作)
本発明の特徴は、高分子マトリクス中に液晶材料を分散保持した液晶/高分子複合体(以下、液晶/高分子複合体と記す)の対向する二面が所定の角度で対向するような傾斜領域を有し、前記対向する二面の表面に光を透過する電極を設けることを特徴とする光偏向素子にある。
【0029】
光が液晶/高分子複合体の所定の角度(αとする)で対向する二面のうちの一面(入射面と記す)から入射して、対向する面(出射面と記す)から出射するとすると、この二面は所定の角度で対向しているので、入射光は液晶/高分子複合体の屈折率と空気の屈折率および入射時の入射角で決まる角度だけ偏向する。いま、入射光が入射面に垂直に入射する場合を考えると、次の式(1)の関係がある。
n・sinα=sin(θ+α) (1)
【0030】
ここでnは液晶/高分子複合体の屈折率、θは入射光に対する出射光の偏向角である。式(1)からわかるように、液晶/高分子複合体の屈折率が変化すると偏向角θが変化する。後述するように、液晶/高分子複合体は光路に対して垂直に電界を印加する場合には入射光の偏光状態に依存せずに高速で屈折率を変えることができる。
【0031】
液晶/高分子複合体としては、例えば液晶材料を高分子被膜で包含した微小なカプセルをバインダー樹脂を用いて接合したものや、液晶材料と高分子材料(あるいはその前駆体)の混合体から液晶材料を相分離させた、いわゆる高分子分散液晶などがある。いずれにしてもその構造は液晶ドロップレットを高分子マトリクス中に分散したものとなり、その応答速度は液晶ドロップレットの粒径を小さくするにつれて速くなることが実験的にわかっており、特に入射光の波長程度以下の粒径にすることが、散乱が減少し光透過率が高くなる、すなわち光損失が著しく小さくなることから好ましい。
【0032】
電圧無印加時に全ての液晶分子が一方向に配列していてもよい。この方向を電圧印加時に液晶分子が揃う方向(電界方向)とほぼ直交させることにより大きな屈折率差が得られる。このとき入射光の偏光方向によって屈折率差の依存性が生じるが、入射光の偏光方向を電圧無印加時の液晶分子の配列方向と一致させることで、大きな偏向角変化を得ることが可能となる。
【0033】
前記の傾斜領域は、断面が鋸歯形状の周期構造であることが望ましい。これにより、傾斜領域が大きくなっても入射面と出射面との面間隔がほぼ一定となるので、大面積の光偏向素子を形成することが容易となる。
【0034】
さらに、光路となる前記液晶/高分子複合体の対向する二面の表面に保持基板を設けることで液晶/高分子複合体の保持性および表面の面精度が向上したり、液晶/高分子複合体が保護されるため、高信頼性が得られる。
【0035】
本発明の別の形態は、上記の光偏向素子を二つ用いて、第一の光偏向素子で偏向された光が一定間隔を置いて設置された第二の光偏向素子に入射し、第二の光偏向素子を出射した光が元の入射光と平行になるように第一の光偏向素子と第二の光偏向素子が配置されている光路切替デバイスを備えた光路切替装置にある。これによって光路を平行に切り替えることが可能となる。
【0036】
さらに、上記光路切替デバイスのうち、保持基板を設けた光偏向素子を用いた光路切替デバイスにおいて、第一の光偏向素子の出射側保持基板と第二の光偏向素子の入射側保持基板とが一枚の基板で一体的に構成されていることを特徴としている。これにより低コストな光路切替デバイスを備えた光路切替装置を提供することができる。
【0037】
また、別の形態は、上記光路切替デバイスで、入射光の波長に応じて第一の光偏向素子と第二の光偏向素子に印加する電圧を制御する電圧制御機構を有することを特徴としている。これにより、入射光の波長が変化しても一定の光路シフト量が得られる光路切替デバイスを備えた光路切替装置を提供することができる。
【0038】
さらにべつの形態では、上記光路切替デバイスで、入射光の波長に応じて前記第一の光偏向素子と前記第二の光偏向素子との間隔を変動させる変動機構を有することを特徴としている。これにより、入射光の波長が変化しても一定の光路シフト量が得られる光路切替デバイスを備えた光路切替装置を提供することができる。
【0039】
本発明のさらに別の形態は、上記の光路切替デバイスを二つ用いて、第一の光路切替デバイスの傾斜領域の最大傾斜方向と、第二の光路切替デバイスの傾斜領域の最大傾斜方向とがおおむね直交するように配置されてなることを特徴とする光路切替装置である。これにより直交する二方向に独立に光路を切り替えることが可能となる。
【0040】
さらに、二次元の画像表示素子の画像を、上記の光路切替デバイスまたは光路切替装置を用いて、画像フィールドを時間分割した複数のサブフィールドごとに光路切替を行うことで、画像表示素子の画素数以上の画像を形成することが可能となる。画像表示素子は画素数が多くなると歩留まりその他の問題などで、製作することが困難となってくる。しかし、本発明を用いることで、比較的容易に画素数を増大することが可能となる。
【0041】
実施の形態1
図1は、本発明の第一の実施形態を説明するための図である。
入射面11および出射面12が所定の角度αをもって対向している液晶/高分子複合体14の入射面11に光線20を入射する。前述の式(1)に示したように、光線20は出射面12で液晶/高分子複合体14の屈折率nとその周りの雰囲気(通常は空気)の屈折率および入射面11と出射面12とのなす角αで決まる角度θだけ、入射光に対して偏向される。液晶/高分子複合体の屈折率が変化するとそれに応じて偏向角θが変化する。液晶/高分子複合体の屈折率を変化させるために、入射面11および出射面12には光透過性の電極13が設けられている。
【0042】
本発明の液晶/高分子複合体14は、液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶/高分子複合体であり、より具体的には図2に示すように液晶ドロップレット15をポリマー16中に分散した高分子分散液晶である。以下に高分子分散液晶についてさらに詳しく述べる。
【0043】
液晶材料としてはネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶等を用いることができ、単一もしくは2種類以上の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。高分子マトリクス材料としては透明なポリマーが好ましく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂のいずれであってもよい。高分子分散液晶の製法としては、(1)液晶と熱あるいは光硬化(重合)性モノマーやオリゴマーもしくはプレポリマーで溶液を作り、重合によって相分離させる重合相分離法、(2)液晶と高分子と溶剤で溶液を作り、溶剤を蒸発させることによって相分離させる溶媒蒸発相分離法、(3)液晶と熱可塑性高分子を加熱溶解させた後、冷却によって相分離させる熱相分離法などを用いることができる。
【0044】
ポリマーとしては、製造工程の容易さ、液晶相との分離性等の点から紫外線硬化型の樹脂を用いるのが好ましい。具体的な例として紫外線硬化性アクリル系樹脂が例示され、特に紫外線照射によって重合硬化するアクリルモノマー、アクリルオリゴマーを含有するものが好ましい。このようなモノマーまたはオリゴマーとしては(ポリ)エステルアクリレート、(ポリ)ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリブタジエンアクリレート、シリコーンアクリレート、メラミンアクリレート、(ポリ)ホスファゼンメタクリレート等がある。その他の例として、チオール−エン系も光硬化速度が速いことから好適に使用できる。
【0045】
重合を速やかに行うために光重合開始剤を用いてもよく、この例としてジクロロアセトフェノンやトリクロロアセトフェノン等のアセトフェノン類、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンゾイル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、モノサルファイド、チオキサントン類、アゾ化合物、ジアリルヨードニウム塩、トリアリルスルフォニウム塩、ビス(トリクロロメチル)トリアジン化合物等を挙げることができる。また光透過性電極は、金属の薄膜蒸着膜やITOなど公知の材料を用いることができる。
【0046】
図2に示すように、電界を印加していない場合には、液晶/高分子複合体14中の液晶ドロップレット15は、液晶分子のダイレクタがランダムな方向を向いており、全体としては無配向の状態、すなわち屈折率は等方的となっている。図2(B)に示すように電界17を印加すると、液晶ドロップレット15中の液晶分子のダイレクタはほぼ一方向に配列する。図では電界方向に配列する液晶の例を示している。このとき屈折率は液晶ダイレクタの配向した方向には大きく、液晶ダイレクタと垂直な方向には小さくなる。いま、電界と平行に光路を取るとすると、光路に垂直な面内の屈折率は等方的に小さくなる。以上のように、電界と平行な方向に光路を取ると、液晶/高分子複合体に電界を印加することで、光の偏向に依存することなく屈折率を変化させることができる。液晶/高分子複合体の成形は、紫外線透過性の型に充填して紫外線を照射することで、型の形状を転写してもよいし、後加工で所望の形状に加工しても構わない。
【0047】
高分子分散液晶における液晶ドロップレットの大きさは、プレポリマーの組成、液晶の混合濃度、硬化時の紫外線強度等を変えることによって変化させることができる。図3は、液晶ドロップレットサイズと応答速度との関係の一例を示したグラフを示すものである。液晶材料として、E7およびBL24(メルク社)、プレポリマーとして、NOA60,65および81(ノーランド社)を適宜用いた。
【0048】
図4は、高分子分散液晶の応答速度を測定するための装置の構成例を示す図で、図中、31はレーザ、32は偏光子、33はレンズ、34は試料、35はAu電極、36は高分子分散液晶層、37はSi基板、38はレンズ、39は検光子、40はパワーメータである。応答速度の測定については、図4に示す装置を用いて、試料34にパルス電圧(200V)を印加した時の光出力の立ち上がり時間(Ton)と立ち下がり時間(Toff)を測定した。ただし、図3には、液晶ドロップレットのサイズの影響をより顕著に受ける立ち下がり時間(電圧をオンからオフにしたときの時間)だけを示している。立ち上がり時間(電圧をオフからオンにした時の時間)は主に電界強度に依存し、本光偏向素子を駆動する電界強度では立ち上がり時間は立ち下がり時間よりも速いため、立ち下がり時間で本光偏向素子の応答特性を表すことができる。なお、試料34は高分子分散液晶層36の厚さを20μm、光路長を1mmとした。
【0049】
高分子分散液晶層36に電界が印加されていない時と印加されている時の様子は前述したように図2に示すとおりである。電界が印加されていない時には液晶ドロップレットの向きはランダムであるので、x軸、y軸、z軸方向の屈折率はどれも等しく、層全体が光学的に等方な媒体になっている。z方向に電界を印加すると、液晶分子の分子軸がこの方向にそろうため、z軸方向の屈折率は大きくなり、x軸およびy軸方向の屈折率はお互いに等しいまま、その大きさが小さくなる。図4のように光が電界方向とは垂直のx方向から入射される場合、yz平面に複屈折が生じるために偏光状態を変化させることができ、検光子を通した光出力が変化する。本発明ではこのような複屈折現象は利用しないが、電界印加時の液晶分子の挙動とそれに伴う屈折率変化を利用するので、図3の応答速度は本発明においても同様に適用できる。図3から液晶ドロップレットサイズが小さくなるにつれて応答速度が速くなることがわかる。
【0050】
さらには、液晶ドロップレットの粒径を入射光の波長程度以下、より望ましくは1/2以下にすることが光透過率の観点から好ましい。以下にレイリー散乱理論から光透過率を計算した結果を示す。体積Vの球形散乱体が数密度Nで存在する場合、厚さLの媒体の光透過率Tは下記式(2)のように表される。
T=exp(−NRL),R=24π3((m2−1)/(m2+2))2V2/λ4…(2)
【0051】
ここで、Rは散乱断面積、mは散乱体の屈折率と媒体の屈折率の比、λは使用する光の波長である。m=1.05、L=3μmとした時の透過率Tを散乱体すなわち液晶ドロップレットの粒径d、体積分率(=NV)および波長λをパラメータとして計算した。式(2)からわかるようにdが大きくなる(すなわちVが大きくなる)ほど、またλが小さくなるほどTが減少する。また、透過率としては、80%(T=0.8)以上であることが光利用効率の点から好ましい。図5はT=0.8となる粒径を体積分率が10%(d(0.1))、30%(d(0.3))および50%(d(0.5))の場合について、波長に対してプロットしたものである。体積分率が小さいと屈折率変化量が小さく偏向角が小さくなるので、体積分率は10%以上が好ましく、30〜50%程度がより好ましい。これ以上の体積分率では作製が極めて困難になる。この観点から、図5より、光偏向素子として適用される可視〜赤外領域の波長に対しては、dが波長λ程度以下であるのが好ましく(d(0.1)の時)、λ/2以下であることがより好ましい(d(0.5)の時)ことがわかる。なお、この計算ではmおよびLを固定したが、実デバイスにおいてはこれより小さい値であると考えられるため、上記の粒径範囲であれば問題はない。
【0052】
具体的な例を示す。ネマチック液晶BL24(no=1.513,ne=1.717,メルク社)を紫外線硬化性プレポリマーNOA81(ノーランド社)に溶解(液晶重量濃度45%)し、紫外線(400mW/cm2)を照射したもの(液晶ドロップレットの平均粒径は約60nm)を用いて、液晶/高分子複合体の厚さは薄いところで3μm、厚いところで6μm、入射面と出射面とのなす角が1°の光偏向素子を形成した。無偏向のレーザ光(He−Neレーザ:波長0.6328μm)を入射したところ、電界を印加していないときには、偏向角は0.57°であり、300Vの電圧(平均電界強度20V/μm)を印加したときには屈折角が0.54°となり、電界のオン・オフで0.03°の光路偏向を行うことができた。また、このとき光路偏向に要した時間は10μsのオーダーであり、非常に高速に光路偏向を行うことができた。さらに、偏光子を使って入射光を偏光とし、偏光方向を様々な方向に変えて入射させても、無偏光光を入射させた場合と同様に光路偏向を行うことができた。
【0053】
図6は、本発明の第二の実施形態を説明するための図である。
液晶/高分子複合体14中の液晶ドロップレット15に含まれる液晶分子が概略一方向に配列している(図6(A))。この配列方向は電界印加時(図6(B)の時)に液晶分子が揃う方向(電界方向)とほぼ直交する方向にする。図6(A)では光路に垂直で紙面に平行な方向に配向させている(図6のz方向)。このとき液晶/高分子複合体14の屈折率は光路に垂直な方向に大きく、光路方向には小さい値となる。電界を印加すると(図6(A)の時)液晶分子は電界方向(図6のx方向)に配向する。このときの液晶/高分子複合体14の屈折率は光路方向に大きく、光路に垂直な方向には小さくなる。したがって、入射光を直線偏光とし、偏光方向を電圧を印加していないときの液晶分子の配向方向(図6のz方向)にすると、電界のオン・オフによる入射光に対する屈折率変化は実施の形態1の場合よりも大きな値となるので、偏向角θの変化量を大きくすることができる。具体的な例を示す。第一の実施形態と同じ材料および処方の高分子液晶を用いて、紫外線を照射して重合するときに図6のz方向に電界を印加することで図6(A)のように液晶ドロップレット15内の液晶分子を配向させた。z方向に偏光したレーザ光(He−Neレーザ、波長0.6328μm)を入射したところ、電界を印加していないときには偏向角は0.61°であり、300Vの電圧(平均電界強度20V/μm)を印加したときには偏向角が0.54°となり、電界のオン・オフによって0.07°の光路偏向を行うことができた。
【0054】
実施の形態3
図7は、本発明の第三の実施形態を説明するための図で、光偏向素子の異なる構成例を各々図7(A),図7(B)に示すものである。ここでは、光偏向素子の入射面11に対して傾斜して設けられる出射面12により形成される領域を傾斜領域とする。入射面11を基準としたとき、基準面と傾斜面とのなす角をα、基準面と平行な方向における傾斜面の長さをL、傾斜面における基準面からの距離の差の最大値を最大段差dとするとき、傾斜領域を形成する方法として図7(A)に示したように一つの斜面で形成する場合には、最大段差dはLtanαとなり、傾斜領域の長さLが長くなると最大段差dも大きくなってしまう。液晶/高分子複合体に電界を印加する電極は液晶/高分子複合体表面に設けているため、最大段差dが大きくなると電界強度が低くなり液晶/高分子複合体の屈折率変化量が小さくなって屈折率変化量が不足する。あるいは充分な屈折率変化を得るために非常に高電圧を印加しなければならなくなる。また、電極間隔が場所によって変わるので、印加電界の強度が場所によって変わってしまい、屈折率変化に分布が発生してしまう。そこでより低電圧で均一に電界を印加するために図7(B)に示すように断面が鋸歯形状の周期構造を設ける。これにより大面積になっても最大段差dを小さくすることができるので、低電圧で駆動することが可能となる。
【0055】
具体例を示す。実施の形態1と同様の材料および方法で厚い部分が2μm、薄い部分が1μm、鋸歯形状のピッチが57μm、入射面と出射面のなす角が1°の光偏向素子を形成した。印加電圧が0Vおよび30V(平均電界強度20V/μm)で実施の形態1と同様に0.03°の光路偏向を行うことができた。
【0056】
実施の形態4
図8は、本発明の第四の実施形態を説明するための概略構成図である。
光偏向素子50は、液晶/高分子複合体14の入射面11および出射面12の表面に保持基板18を設けて構成されている。これにより液晶/高分子複合体14の保持性が向上し、入射面11および出射面12の面精度が向上して光線の方向性が安定する。また、液晶/高分子複合体14を保護することにもなるので、信頼性が向上する。
【0057】
具体例を示す。光学ガラスBK7(屈折率:nd=1.517)の表面を深さ(段差d)=1μm、傾斜角(α)=1°、ピッチ(p)=57μmの鋸歯形状にエッチングした。その後、鋸歯形状の表面にITOを蒸着し、1μmのスペーサーで周辺部を保持して別のITO付きBK7の平板と張り合わせた。内部にできた空間に実施の形態1と同様の材料を注入し、実施の形態1の条件で紫外線を照射して光偏向素子を形成した。0Vおよび30Vの電圧印加によって0.03°の光路偏向を確認した。保持基板が設けられているので、取り扱いが容易で、光路の偏向量の信頼性も実施の形態2の場合に較べて良好であった。
【0058】
実施の形態5
図9は、本発明の第五の実施形態について説明するための図で、本発明の光偏向素子を用いた光路切替デバイスの構成例を示すものである。
光路切替デバイス60は、実施の形態4で示した光偏向素子を二つ用意し(光偏向素子50a,50b)、第一の光偏向素子50aに入射して偏向された光が第二の光偏向素子50bを通ることで、第一の偏向素子50aへの入射光と平行に出射するように、第二の光偏向素子50bを配置して構成する。具体的には第二の光偏向素子50bは、入射面が第一の光偏向素子50aとは逆の面(例えば、第一の光偏向素子50aが平面側を入射面に取った場合には第二の光偏向素子50bは鋸歯形状側を入射面とする)で、傾斜領域の傾斜方向が第一の光偏向素子50aと同じ方向(第一及び第二の光偏向素子の傾斜面が互いに平行)になるように設ける。二つの光偏向素子間の距離は、必要な光路シフト量が得られるように設定する。光路シフト量をΔ、第一の光偏向素子50aの傾斜領域と第二の光偏向素子50bの傾斜領域との平均距離をD、第一の光偏向素子50aでの液晶/高分子複合体の屈折率変化に応じた偏向角をθ1およびθ2とすると次の式のようになる。
Δ=D(tanθ2−tanθ1) (3)
【0059】
偏向角θ1およびθ2は式(1)によって液晶/高分子複合体14の屈折率と関係づけられているので、式(1)および式(3)によって必要な光路シフト量Δから各光偏向素子50a,50bの間隔を決めることが可能となる。以上のように構成した光路切替デバイス60は第一の光偏向素子50aと第二の光偏向素子50bの両方に同時に同じ電圧を印加する。これによって第一の光偏向素子50aで偏向された光が、第二の光偏向素子50bを通ることで入射光と平行になり、平行な光路シフト素子を実現できる。
具体例を示す。実施の形態3の光偏向素子を図8の配置でD=19mmとなるように設置した。二つの光偏向素子に同時に0Vまたは30Vの電圧を印加することで、10μmの光路シフトが得られた。
【0060】
実施の形態6
図10は、本発明の第六の実施形態について説明する図で、光路切替デバイスの他の構成例を示すものである。光路切替デバイス60’は、液晶/高分子複合体14は実施の形態4と同様に設けられているが、実施の形態4に示されている第一の光偏向素子50aと第二の光偏向素子50bに対応する液晶/高分子複合体14間に一つの中間基板19が一体的に設けられている。このときの光路シフト量をΔ、中間基板19の長さをD’、第一の光偏向素子部(入射側の液晶/高分子複合体14と中間基板19との間の偏向角)での偏向角をθ1およびθ2とすると次の式のようになる。
Δ=D’(tanθ2−tanθ1) (4)
偏向角θ1およびθ2は式(1)によって液晶/高分子複合体の屈折率と関係づけられているので、式(1)および式(4)によって必要な光路シフト量から中間基板19の厚さを決めることが可能となる。
【0061】
具体例を示す。厚さ29μmの光学ガラスBK7(屈折率:nd=1.517)の板の両面を図10に示す中間基板19の形状(深さ(d)1μm、傾斜角(α)1°、ピッチ(p)57μmの鋸歯形状)となるようにエッチングした。その後、鋸歯形状の表面にITOを蒸着して電極13を形成し、1μmのスペーサーで周辺部を保持して別のITO付きBK7の平板を中間基板19の両面に張り合わせた。内部にできた空間に実施の形態1と同様の材料を注入し、実施の形態1の条件で紫外線を照射して光路切替デバイス60’を形成した。二つの液晶/高分子複合体14に同時に0Vまたは30Vの電圧を印加することで、10μmの光路シフトが得られた。
【0062】
実施の形態7
図11は、本発明の第七の実施形態を説明するための図で、光路切替デバイスの更に他の構成例を示すものである。本実施の形態では、入射光の波長に応じて電圧を制御できる電圧制御機構61を介して、実施の形態5に示した光路切替デバイス60’に電圧を印加する。一般に液晶/高分子複合体や保持基板、空気などはその屈折率が光の波長によって異なるので、実施の形態4に示した構成では入射光の波長が変化すると偏向角が変化し、そのため光路シフト量Δが波長によって変わってしまうおそれがある。電圧制御機構61はこの波長による光路シフト量Δのずれを補正するほうに液晶/高分子複合体14の屈折率を制御することで、常に一定の光路シフト量Δが得られるようにする。
【0063】
実施の形態8
図12は、本発明の第八の実施形態を説明するための図で、光路切替デバイスの更に他の構成例を示すものである。本実施形態では、実施の形態5に示した光路切替デバイス60で、第一の光偏向素子50aに、第一の光偏向素子50aと第二の光偏向素子50bとの間隔Dを変動させるための変動機構62を設けている。この変動機構62は、入射光20の波長に応じて第一の光偏向素子50aと第二の光偏向素子50bとの間隔Dを変化させる。変動機構62はこの波長による光路シフト量Δのずれを補償するように光偏向素子間隔Dを変動させることで、常に一定の光路シフト量が得られるようにする。偏向機構62としては、静電気力による方式、磁気による方式、電歪や磁歪による方式など様々な既存の方法を挙げることができる。
【0064】
実施の形態9
図13は、本発明の第九の実施形態について説明するための図で、光路切替装置の構成例を示すものである。上述の光路切替デバイス60’を二つ用意し(光路切替デバイス60’a,60’b)、第一の光路切替デバイス60’aの傾斜領域の最大傾斜方向と、第二の光路切替デバイス60’bの傾斜領域の最大傾斜方向とがおおむね直交するように配置する。入射光20は、第一の光路切替デバイス60’aによって、縦方向の光路シフトを受け、第二の光路切替デバイス60’bによって、横方向の光路シフトを受ける。これによってX、Y両方向の光路シフトを実現できる。
【0065】
具体例を示す。実施の形態6の光路切替デバイス60’を二つ、図13に示すように配置し(光路切替デバイス60’a,60’b)、図14に示すシーケンスで各光路切替デバイスに電圧を印加する。このとき、図中のA〜Dのタイミングでは図15に示すような光路シフトが行われ、二次元の光路シフトが実現できた。
【0066】
実施の形態10
図16は、本発明の第十の実施形態を説明するための図で、本発明の光路切替デバイスを用いた画像表示装置の構成例を示すものである。画像表示装置70において、71はLEDランプを2次元アレイ状に配列した光源であり、この光源71からスクリーン76に向けて発せられる光の進行方向には拡散板72、コンデンサレンズ73、画像表示素子としての透過型液晶パネル74、画像パターンを観察するための光学部材としての投射レンズ75が順に配設されている。また図中、77は光源71に対する光源ドライブ部、78は透過型液晶パネル74に対する液晶ドライブ部である。
【0067】
ここに、透過型液晶パネル74と投射レンズ75との間の光路上にはピクセルシフト素子として機能する光路切替手段80が介在されており、ドライブ部79に接続されている。このような光路切替手段80としては、前述の実施の形態で例示したような光路切替デバイスもしくは光路切替装置が用いられる。
【0068】
光源ドライブ部77で制御されて光源71から放出された照明光は、拡散板72により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ73により液晶ドライブ部78で照明光源と同期して制御されて透過型液晶パネル74をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル74で空間光変調された照明光は、画像光として光路切替手段80に入射し、この光路切替手段80によって画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトされる。この光は投射レンズ75で拡大されスクリーン76上に投射される。
【0069】
ここに、光路切替手段80により画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、透過型液晶パネル74の見掛け上の画素数を増倍して表示する。このように光路切替手段80によるシフト量は透過型液晶パネル74の画素の配列方向に対して2倍の画素増倍を行うことから、画素ピッチの1/2に設定される。光路シフト量に応じて透過型液晶パネル74を駆動する画像信号をシフト量分だけ補正することで、見掛け上高精細な画像を表示することができる。この際、光路切替手段80として、前述した各実施の形態のような光路切替デバイスまたは光路切替装置を用いているので、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を提供できる。
【0070】
また、入射光として無偏光光を用いることができる構成の場合には、画像表示素子として上述の透過型液晶パネルに限らず、光散乱型液晶パネルやDMD(デジタルマイクロミラーデバイス)など、あらゆる画像表示素子をそのまま利用することも可能となる。
【0071】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば光路切替デバイスを2つ有し、第一の光路切替デバイスの傾斜領域の最大傾斜方向と、第二の光路切替デバイスの傾斜領域の最大傾斜方向とがおおむね直交するように配置することにより、光路を直交する二方向にシフトさせることができる光路切替装置を提供することができる。また、本発明によれば、高分子マトリクス中に液晶材料を分散保持した液晶/高分子複合体の対向する二面が所定の角度で対向するような傾斜領域を有し、前記対向する二面の表面に光透過性の電極を設けることにより、光偏向素子を、偏光依存性がなく、高速で動作する簡易な構成とすることができる。また、液晶を入射光の波長程度以下の粒径を有するドロップレットとすることにより、上記に加えて、さらに、光偏向素子を高速で動作させることができる。
【0072】
また、電圧無印加時に全ての液晶分子が一方向に配列しているようにすることにより、光偏向素子の偏向角の変化量を大きくすることができる。
【0073】
また光偏向素子の傾斜領域を、断面が鋸歯形状の周期構造とすることにより、上記に加えて大面積でも光路シフトが可能であり、光偏向素子を低電圧で駆動可能とすることができる。また液晶/高分子複合体の対向する二面の表面に保持基板を設けることにより、光偏向素子の安定性を高くすることができる。
【0074】
光偏向素子を二つ有し、第一の光偏向素子で偏向された光が、一定間隔をおいて設置された第二の光偏向素子によって入射光と平行になるように第一の光偏向素子および第二の光偏向素子が配置することにより、光路切替デバイスの光路を平行に偏向させることができる。
【0075】
また保持基板を設けた光偏向素子を前記第一の光偏向素子と前記第二の光偏向素子として用い、第一の光偏向素子の出射側保持基板と第二の光偏向素子の入射側保持基板とを一枚の基板で一体的に構成することにより、光路切替デバイスを低コストにすることができる。
【0076】
また入射光の波長に応じて第一の光偏向素子と第二の光偏向素子に印加する電圧を変化させる電圧制御機構を有することにより、光路切替デバイスを、入射光の波長が変化しても一定の光路シフト量が得られるようにすることができる。また、入射光の波長に応じて第一の光偏向素子と第二の光偏向素子との間隔を変動させる変動機構を設けることにより、光路切替デバイスを、入射光の波長が変化しても一定の光路シフト量が得られるようにすることができる。
【0078】
また少なくとも、画像情報にしたがって光を制御することが可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールドごとに前記画像表示素子と前記光学部材の間の光路を偏向する本発明の光路切替装置による光路切替手段とを備えることにより、画素数の少ない画像表示素子を用いて、見かけ上高精細で光利用効率の高い画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第一の実施形態を説明するための図である。
【図2】 液晶/高分子複合体として用いる高分子分散液晶について概念的に示す図である。
【図3】 液晶ドロップレットサイズと応答速度との関係の一例を示したグラフを示すものである。
【図4】 高分子分散液晶の応答速度を測定するための装置の構成例を示す図である。
【図5】 透過率が80%となる粒径を波長に対してプロットしたグラフである。
【図6】 本発明の第二の実施形態を説明するための図である。
【図7】 本発明の第三の実施形態を説明するための図である。
【図8】 本発明の第四の実施形態を説明するための概略構成図である。
【図9】 本発明の第五の実施形態について説明するための図である。
【図10】 本発明の第六の実施形態について説明する図である。
【図11】 本発明の第七の実施形態を説明するための図で、光路切替デバイスの更に他の構成例を示すものである。
【図12】 本発明の第八の実施形態を説明するための図で、光路切替デバイスの更に他の構成例を示すものである。
【図13】 本発明の第九の実施形態について説明するための図で、光路切替装置の構成例を示すものである。
【図14】 光路切替デバイスに印加する電圧のシーケンスの例を示す図である。
【図15】 図14のシーケンスに対応する光路シフトについて説明するための図である。
【図16】 本発明の第十の実施形態を説明するための図である。
【符号の説明】
11…入射面、12…出射面、13…電極、14…液晶/高分子複合体、15…液晶ドロップレット、16…ポリマー、17…電界、18…保持基板、19…中間基板、20…光線、31…レーザ、32…偏光子、33…レンズ、34…試料、35…Au電極、36…高分子分散液晶層、37…Si基板、38…レンズ、39…検光子、40…パワーメータ、50,50a,50b…光偏向素子、60,60’…光路切替デバイス、60’a…第一の光路切替デバイス、60’b…第二の光路切替デバイス、61…電圧制御機構、62…変動機構、70…画像表示装置、71…光源、72…拡散板、73…コンデンサレンズ、74…透過型液晶パネル、75…投射レンズ、76…スクリーン、77…光源ドライブ部、78…液晶ドライブ部、79…ドライブ部、80…光路切替手段。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical deflection element that changes the direction of light according to an electric signal, an optical path switching device, and an image display apparatus using the optical deflection element or optical path switching device, and can be applied to electronic display devices such as projection displays and head mounted displays. The present invention relates to an optical path switching device and an image display device.
[0002]
[Prior art]
The optical path of light is deflected by an external signal such as an electrical signal, that is, the optical axis of the outgoing light is shifted in parallel to the incident light, rotated at a certain angle, or a combination of both to switch the optical path. As an optical deflection element capable of2POFour(KDP), NHFourH2POFour(ADP), LiNbOThree, LiTaOThree, GaAs, CdTe, and other materials having a large primary electro-optic effect (Pockels effect), KTN, SrTiOThree, CS2, Nitrobenzene and other electro-optic devices using large secondary electro-optic effects, glass, silica, TeO2Acoustooptic devices using materials such as these are known (for example, Shoji Aoki; “Optoelectronic Device”, Shosodo). In general, in order to obtain a sufficiently large amount of light deflection, it is necessary to take a long optical path length, and the use is limited because the material is expensive.
On the other hand, various types of optical elements, which are light deflecting elements using a liquid crystal material, have been proposed, and several examples thereof are as follows.
[0003]
For example, according to Japanese Patent Laid-Open No. 6-18940, a light beam shifter made of an artificial birefringent plate is proposed for the purpose of reducing the light loss of the optical space switch. In detail, a light beam shifter in which two wedge-shaped transparent substrates are arranged in opposite directions, a liquid crystal layer is sandwiched between the transparent substrates, and the light beam shifter is connected to the rear surface of a matrix type deflection control element. A beam shifter has been proposed. At the same time, two wedge-shaped transparent substrates are arranged in opposite directions, matrix drive is possible between the transparent substrates, and a light beam shifter sandwiching a liquid crystal layer that shifts the incident light beam by a half cell is provided. There has been proposed a light beam shifter in which multiple stages are shifted by half a cell.
However, in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-18940, nematic liquid crystal is used as the liquid crystal material, so it is difficult to increase the response speed to sub-milliseconds. Can not.
[0004]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-133904 proposes an optical deflection switch that can obtain a large deflection, has a high deflection efficiency, and can arbitrarily set a deflection angle and a deflection distance. Yes. Specifically, two transparent substrates are arranged opposite to each other at a predetermined interval, a vertical alignment process is performed on the opposed surfaces, and a smectic A phase ferroelectric liquid crystal is sealed between the transparent substrates. The liquid crystal element includes a driving device that is vertically aligned with respect to the electrode pair, the electrode pair is arranged so that an AC electric field can be applied in parallel with the smectic layer, and the AC electric field is applied to the electrode pair. In other words, the refraction angle and the direction of displacement of the polarized light incident on the liquid crystal layer can be changed by the birefringence due to the inclination of the liquid crystal molecules by using the electroclinic effect of the smectic A phase ferroelectric liquid crystal.
However, in the example of the above-mentioned JP-A-9-133904, a smectic A-phase ferroelectric liquid crystal is used. However, since the smectic A-phase does not have spontaneous polarization, high-speed operation cannot be expected.
[0005]
Next, several techniques that have been conventionally proposed for the pixel shift element will be described. The pixel shift element here is an image display element in which a plurality of pixels that can control light according to image information is two-dimensionally arranged, a light source that illuminates the image display element, and an image pattern displayed on the image display element And an optical deflector for deflecting the optical path between the image display element and the optical member for each of a plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field. It means an optical deflecting means in an image display device that displays an image pattern in which the display position is shifted in accordance with the deflection of the optical path for each field, thereby doubling the apparent number of pixels of the image display element.
[0006]
For example, as shown in Japanese Patent No. 2939826, in a projection display apparatus that enlarges and projects an image displayed on a display element into a screen shape by a projection optical system, transmitted light is transmitted in the middle of an optical path from the display element to the screen. Means for shifting the projected image comprising at least one optical element capable of rotating the polarization direction of the light, at least one transparent element having a birefringence effect, and effectively reducing the aperture ratio of the display element And a projection display device provided with means for discretely projecting the projection area of each pixel of the display element on the screen.
[0007]
In the example of the publication, a projected image having at least one optical element (referred to as an optical rotatory element) capable of rotating the polarization direction and at least one transparent element (referred to as a birefringent element) having a birefringence effect. The pixel shift is performed by the shift means (pixel shift means). However, since the optical rotation element and the birefringence element are used in combination, the problem is that the light loss is large and the pixel shift amount varies depending on the wavelength of light. Due to the low resolution, optical mismatch between optical rotator and birefringent element, optical noise such as ghost due to leaked light is likely to occur at positions outside the pixel shift where no image is originally formed. It is mentioned that the cost for this is large. In particular, the KH as described above for the birefringent element2POFour(DKP), NHFourH2POFour(ADP), LiNbOThreeLiTaOThreeThis is remarkable when a material having a large primary electro-optic effect (Pockels effect) such as GaAs, CdTe, or the like is used.
[0008]
In the projector disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-313116, the image to be originally displayed stored in the image storage circuit is sampled in a checkered pattern by the control circuit to the image selection circuit and sequentially displayed on the spatial light modulator. Then, the control circuit controls the panel rocking mechanism in correspondence with the display and moves the adjacent pixel pitch distance of the spatial light modulator by an integer by one. Is reproduced by temporal synthesis. As a result, an image can be displayed with a resolution that is an integral multiple of the pixels of the spatial light modulator, and a projector can be constructed at low cost by using a spatial light modulator with coarse pixels and a simple optical system.
[0009]
However, in the example of this publication, a pixel shift method is described in which the image display element itself is swung at a high speed by a distance smaller than the pixel pitch. In this method, the optical system is fixed, and various aberrations are thus eliminated. Although the occurrence is small, since the image display element itself needs to be translated accurately and at high speed, the system and durability of the movable part are required, and vibration and sound become a problem.
[0010]
Further, according to Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320, a plurality of pixels arranged in the vertical direction and the horizontal direction are provided in order to improve the resolution of a display image apparently without increasing the number of pixels of an image display device such as an LCD. An optical member that changes an optical path for each field is disposed between an image display device that displays an image by emitting light according to a display pixel pattern and an observer or a screen, Every time, a display pixel pattern in which the display position is shifted in accordance with the change in the optical path is displayed on the image display device. Here, the optical path is changed by causing portions having different refractive indexes to appear alternately in the optical path between the image display device and the observer or the screen for each field of the image information.
[0011]
In the example of this publication, as a means for changing the optical path, a combination mechanism of an electro-optic element and a birefringent material, a lens shift mechanism, a vari-angle prism, a rotating mirror, a rotating glass, and the like are described. In addition to the method of combining refracting elements, a method of switching optical paths by displacing (translating or tilting) optical elements such as lenses, reflectors, and birefringent plates by means of voice coils, piezoelectric elements, etc. has been proposed. In this method, since the optical element is driven, the configuration becomes complicated and the cost increases.
[0012]
Further, according to Japanese Patent Laid-Open No. 10-133135, a light beam deflecting device that can eliminate the need for a rotating machine element, can achieve overall downsizing, high accuracy and high resolution, and is less susceptible to external vibrations. Has been proposed. Specifically, a translucent piezoelectric element disposed on the traveling path of the light beam, a transparent electrode provided on the surface of the piezoelectric element, a light beam incident surface A and a light beam emitting surface B of the piezoelectric element, Voltage applying means for applying a voltage to the piezoelectric element through the electrode in order to change the optical path length between them and deflect the optical axis of the light beam.
[0013]
In the example of this publication, a method is proposed in which a light-transmitting piezoelectric element is sandwiched between transparent electrodes, and the thickness is changed by applying a voltage to shift the optical path. However, a relatively large transparent piezoelectric element is required. There is a problem similar to the case of the above-mentioned JP-A-6-324320.
[0014]
In order to improve the high speed, which was insufficient with the above-described conventional technology, and to simplify the structure and reduce the cost, the present inventors previously made a pair of transparent substrates and a homogeneous filled between these substrates. The liquid crystal comprising an aligned chiral smectic C phase is provided with an electric field applying means using an electrode pair formed between the one-handed substrate and the liquid crystal, and the incident direction of light is different from the normal direction of the substrate surface An optical deflecting element set in a direction, a pair of transparent substrates, a liquid crystal composed of a chiral smectic C phase filled between the substrates, and at least one set of electric field applying means. The present invention provides an optical deflection element in which the both substrate surfaces sandwiched are inclined to face each other in accordance with the optical deflection direction, and an optical path switching device including two sets of the above optical deflection elements at a predetermined distance in the optical traveling direction.
[0015]
In the optical deflecting element and the optical path switching device submitted by the present inventors, a chiral smectic C phase liquid crystal is used as the liquid crystal material, so that switching can be performed at a higher speed than in the prior art. Therefore, polarization conversion is required, which increases the size and cost of elements and devices. Further, the chiral smectic C phase is difficult to be uniformly oriented, particularly when the substrate spacing is non-parallel. Furthermore, although the chiral smectic C-phase liquid crystal operates at high speed, its operation speed is sub-millisecond (several hundred μs), which may not be sufficient.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves the above-mentioned problems and achieves high speed.LightRoad switchingapparatusAndLightRoad switchingapparatusAn object of the present invention is to provide an image display device using the. More specifically,lightProvided is an optical path switching device capable of shifting a path in two orthogonal directions.AndUsing an image display element with a small number of pixels, it is possible to provide an image display device that apparently has high definition and high light utilization efficiency.When,Is the purpose.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The invention of claim 1An optical path switching device that switches an optical path of incident light according to an electrical signal, the optical path switching device changing an angle of deflection of outgoing light with respect to incident light in accordance with a change in refractive index of a liquid crystal / polymer composite The first optical path switching device and the second optical path switching device each having two, each of the optical deflection element provided in each of the optical path switching device,A liquid crystal / polymer composite in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix; and a light transmissive electrode for applying a voltage for changing the refractive index of the liquid crystal / polymer composite. An optical deflection element in which the deflection angle of outgoing light with respect to incident light changes in accordance with the change in the refractive index of the polymer composite, wherein the liquid crystal / polymer composite is one of two surfaces facing each other on the optical path. And the electrode is disposed on the surfaces of the two opposing surfaces.Each of the optical path switching devices is configured so that the light deflected by the first light deflecting element is parallel to the incident light by the second light deflecting element installed at a constant interval. Element and the second light deflection element are arranged so that the maximum inclination direction of the inclined region of the first optical path switching device and the maximum inclination direction of the inclined region of the second optical path switching device are orthogonal to each other Be doneIt is characterized by that.
[0018]
According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the liquid crystal is a droplet having a particle size equal to or smaller than the wavelength of incident light.
[0019]
The invention of claim 3 is characterized in that in the invention of
[0020]
The invention of claim 4 is the invention according to any one of
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects of the present invention, a holding substrate is provided on the two opposite surfaces of the liquid crystal / polymer composite.
[0023]
Claim6The invention of claim5In the invention of,in frontThe exit-side holding substrate of the first light deflection element and the incident-side holding substrate of the second light deflection element are integrally formed by a single substrate.
[0024]
Claim7The invention of claim1The present invention is characterized by having a voltage control mechanism for controlling a voltage applied to the first light deflection element and the second light deflection element in accordance with the wavelength of incident light.
[0027]
Claim8According to the invention, at least an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light in accordance with image information are two-dimensionally arranged, a light source that illuminates the image display element, and the image display element are displayed. The optical member for observing the image pattern and the optical path between the image display element and the optical member are deflected for each of a plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field.1 to 7The optical path switching described in any one ofapparatusBy optical path switching handStepIt is characterized by having.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Configuration / Operation)
A feature of the present invention is that the two opposing surfaces of a liquid crystal / polymer composite (hereinafter referred to as a liquid crystal / polymer composite) in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix are inclined at a predetermined angle. An optical deflecting element having a region and provided with an electrode that transmits light on the two surfaces facing each other.The
[0029]
When light is incident from one surface (denoted as an incident surface) of two surfaces facing each other at a predetermined angle (referred to as α) of the liquid crystal / polymer composite, and emitted from the opposite surface (denoted as an exit surface). Since the two surfaces face each other at a predetermined angle, incident light is deflected by an angle determined by the refractive index of the liquid crystal / polymer composite, the refractive index of air, and the incident angle at the time of incidence. Considering the case where incident light is incident perpendicularly to the incident surface, there is a relationship of the following equation (1).
n · sin α = sin (θ + α) (1)
[0030]
Here, n is the refractive index of the liquid crystal / polymer composite, and θ is the deflection angle of the outgoing light with respect to the incident light. As can be seen from the equation (1), when the refractive index of the liquid crystal / polymer composite changes, the deflection angle θ changes. As will be described later, the liquid crystal / polymer composite can change the refractive index at high speed without depending on the polarization state of incident light when an electric field is applied perpendicularly to the optical path.
[0031]
Examples of the liquid crystal / polymer composite include a liquid crystal material in which a microcapsule including a polymer film is joined using a binder resin, or a mixture of a liquid crystal material and a polymer material (or a precursor thereof). There are so-called polymer-dispersed liquid crystals in which materials are phase-separated. In any case, the structure is obtained by dispersing liquid crystal droplets in a polymer matrix, and it has been experimentally found that the response speed increases as the particle size of the liquid crystal droplets decreases. It is preferable to use a particle size of about the wavelength or less because scattering is reduced and light transmittance is increased, that is, light loss is significantly reduced.Yes.
[0032]
All liquid crystal molecules may be aligned in one direction when no voltage is applied. A large refractive index difference can be obtained by making this direction substantially orthogonal to the direction in which liquid crystal molecules are aligned (electric field direction) when a voltage is applied. At this time, the refractive index difference depends on the polarization direction of the incident light, but it is possible to obtain a large change in the deflection angle by matching the polarization direction of the incident light with the alignment direction of the liquid crystal molecules when no voltage is applied. NaThe
[0033]
The inclined region is preferably a periodic structure having a sawtooth cross section. This makes it easy to form a large-area optical deflecting element because the spacing between the entrance surface and the exit surface is substantially constant even when the inclined region is large.The
[0034]
Furthermore, by providing a holding substrate on the two opposite surfaces of the liquid crystal / polymer composite as an optical path, the retention of the liquid crystal / polymer composite and the surface accuracy of the surface can be improved. Because the body is protected, high reliability is obtained.The
[0035]
According to another aspect of the present invention, the two light deflection elements described above are used, and the light deflected by the first light deflection element is incident on the second light deflection element installed at a constant interval. The first light deflection element and the second light deflection element are arranged so that the light emitted from the second light deflection element is parallel to the original incident light.LightRoute switching deviceIn the optical path switching device equipped withAhTheAs a result, the optical paths can be switched in parallel.
[0036]
Further, in the optical path switching device using the optical deflection element provided with the holding substrate among the optical path switching devices, the emission side holding substrate of the first optical deflection element and the incident side holding substrate of the second optical deflection element are: It is characterized by being composed of a single board.TheThis enables a low-cost optical path switching deviceOptical path switching device withCan be provided.
[0037]
Another embodiment is characterized in that the optical path switching device has a voltage control mechanism for controlling a voltage applied to the first light deflection element and the second light deflection element in accordance with the wavelength of incident light.TheAs a result, an optical path switching device capable of obtaining a constant optical path shift amount even when the wavelength of incident light changes.Optical path switching device withCan be provided.
[0038]
Further, in another embodiment, the optical path switching device includes a fluctuation mechanism that varies a distance between the first light deflection element and the second light deflection element according to a wavelength of incident light.TheAs a result, an optical path switching device capable of obtaining a constant optical path shift amount even when the wavelength of incident light changes.Optical path switching device withCan be provided.
[0039]
Still another embodiment of the present invention uses two optical path switching devices described above, and the maximum inclination direction of the inclined area of the first optical path switching device and the maximum inclination direction of the inclined area of the second optical path switching device are An optical path switching device characterized by being arranged so as to be substantially orthogonal.TheThis makes it possible to switch the optical path independently in two orthogonal directions.
[0040]
Furthermore, the number of pixels of the image display element is obtained by switching the optical path of the image of the two-dimensional image display element for each of a plurality of subfields obtained by time-dividing the image field using the optical path switching device or the optical path switching device. It becomes possible to form the above imageTheAs the number of pixels increases, it becomes difficult to manufacture an image display element due to yield and other problems. However, by using the present invention, the number of pixels can be increased relatively easily.
[0041]
Embodiment1
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
A
[0042]
The liquid crystal /
[0043]
As the liquid crystal material, nematic liquid crystal, smectic liquid crystal, cholesteric liquid crystal, or the like can be used, and a single or two or more kinds of liquid crystal compounds or a mixture containing substances other than liquid crystal compounds may be used. The polymer matrix material is preferably a transparent polymer, and may be any of a thermoplastic resin, a thermosetting resin, and a photocurable resin. The polymer-dispersed liquid crystal can be produced by (1) a polymer phase separation method in which a solution is made from a liquid crystal and a heat or photocurable (polymerization) monomer, oligomer or prepolymer, and phase separation is carried out by polymerization. (2) liquid crystal and polymer Solvent evaporation phase separation method in which a solution is made with a solvent and the solvent is evaporated, phase separation is performed by evaporating the solvent, and (3) a thermal phase separation method in which liquid crystal and thermoplastic polymer are dissolved by heating and then phase separation is performed by cooling. be able to.
[0044]
As the polymer, it is preferable to use an ultraviolet curable resin from the viewpoints of the ease of the production process and the separability from the liquid crystal phase. Specific examples include ultraviolet curable acrylic resins, and those containing acrylic monomers and acrylic oligomers that are polymerized and cured by ultraviolet irradiation are particularly preferred. Examples of such a monomer or oligomer include (poly) ester acrylate, (poly) urethane acrylate, epoxy acrylate, polybutadiene acrylate, silicone acrylate, melamine acrylate, and (poly) phosphazene methacrylate. As another example, a thiol-ene system can be suitably used because of its high photocuring speed.
[0045]
Photopolymerization initiators may be used for rapid polymerization, and examples include acetophenones such as dichloroacetophenone and trichloroacetophenone, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, benzophenone, Michler ketone, benzoyl, benzoin alkyl ether, benzyldimethyl ketal. And monosulfide, thioxanthones, azo compounds, diallyl iodonium salts, triallyl sulfonium salts, bis (trichloromethyl) triazine compounds, and the like. For the light transmissive electrode, a known material such as a metal thin film deposition film or ITO can be used.
[0046]
As shown in FIG. 2, when no electric field is applied, the
[0047]
The size of the liquid crystal droplets in the polymer-dispersed liquid crystal can be changed by changing the composition of the prepolymer, the mixed concentration of the liquid crystal, the ultraviolet intensity during curing, and the like. FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the liquid crystal droplet size and the response speed. E7 and BL24 (Merck) were used as liquid crystal materials, and
[0048]
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of an apparatus for measuring the response speed of the polymer dispersed liquid crystal, in which 31 is a laser, 32 is a polarizer, 33 is a lens, 34 is a sample, 35 is an Au electrode, 36 is a polymer dispersed liquid crystal layer, 37 is a Si substrate, 38 is a lens, 39 is an analyzer, and 40 is a power meter. Regarding the measurement of the response speed, the rise time (Ton) and the fall time (Toff) of the optical output when the pulse voltage (200 V) was applied to the
[0049]
The state when the electric field is not applied to the polymer dispersed
[0050]
Furthermore, it is preferable from the viewpoint of light transmittance that the particle size of the liquid crystal droplets is about equal to or less than the wavelength of incident light, and more desirably 1/2 or less. The result of calculating the light transmittance from the Rayleigh scattering theory is shown below. When a spherical scatterer having a volume V is present at a number density N, the light transmittance T of a medium having a thickness L is expressed by the following formula (2).
T = exp (−NRL), R = 24πThree((M2-1) / (m2+2))2V2/ ΛFour... (2)
[0051]
Here, R is the scattering cross section, m is the ratio of the refractive index of the scatterer to the refractive index of the medium, and λ is the wavelength of the light used. The transmittance T when m = 1.05 and L = 3 μm was calculated using the particle size d, volume fraction (= NV) and wavelength λ of the scatterer, ie, liquid crystal droplets, as parameters. As can be seen from equation (2), T decreases as d increases (that is, V increases) and as λ decreases. In addition, the transmittance is preferably 80% (T = 0.8) or more from the viewpoint of light utilization efficiency. FIG. 5 shows particle diameters for which T = 0.8 with volume fractions of 10% (d (0.1)), 30% (d (0.3)) and 50% (d (0.5)). The case is plotted against wavelength. If the volume fraction is small, the amount of change in the refractive index is small and the deflection angle is small. Therefore, the volume fraction is preferably 10% or more, more preferably about 30 to 50%. If the volume fraction is higher than this, the production becomes extremely difficult. From this point of view, as shown in FIG. 5, it is preferable that d is less than or equal to the wavelength λ for the wavelength in the visible to infrared region applied as the light deflection element (when d (0.1)), λ It can be seen that the ratio is more preferably / 2 or less (when d (0.5)). In this calculation, m and L are fixed. However, since it is considered that the actual device has a smaller value, there is no problem as long as the particle size is within the above range.
[0052]
A specific example is shown. Nematic liquid crystal BL24 (no = 1.513, ne = 1.717, Merck) was dissolved in UV curable prepolymer NOA81 (Norland) (liquid crystal weight concentration 45%), and UV (400 mW / cm2) (The average particle size of the liquid crystal droplets is about 60 nm), the thickness of the liquid crystal / polymer composite is 3 μm where it is thin, 6 μm where it is thick, and the angle between the entrance surface and the exit surface is 1 A light deflection element of ° was formed. When an unpolarized laser beam (He-Ne laser: wavelength 0.6328 μm) is incident, when no electric field is applied, the deflection angle is 0.57 ° and a voltage of 300 V (average electric field strength 20 V / μm) Was applied, the refraction angle became 0.54 °, and an optical path deflection of 0.03 ° could be performed by turning the electric field on and off. At this time, the time required for the optical path deflection was on the order of 10 μs, and the optical path deflection could be performed at a very high speed. Furthermore, even if the incident light is polarized using a polarizer and the polarization direction is changed in various directions, the light path can be deflected in the same manner as when non-polarized light is incident.
[0053]
FIG. 6 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
The liquid crystal molecules contained in the
[0054]
Embodiment3
FIG. 7 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention, and shows a different configuration example of the optical deflection element in FIGS. 7A and 7B, respectively. Here, a region formed by the
[0055]
A specific example is shown. An optical deflecting element having a thick portion of 2 μm, a thin portion of 1 μm, a sawtooth-shaped pitch of 57 μm, and an angle between the incident surface and the exit surface of 1 ° was formed by the same material and method as in the first embodiment. Optical path deflection of 0.03 ° could be performed in the same manner as in the first embodiment with applied voltages of 0 V and 30 V (average electric field strength of 20 V / μm).
[0056]
Embodiment4
FIG. 8 is a schematic configuration diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention.
The
[0057]
A specific example is shown. The surface of the optical glass BK7 (refractive index: nd = 1.517) was etched into a sawtooth shape having a depth (step d) = 1 μm, an inclination angle (α) = 1 °, and a pitch (p) = 57 μm. Thereafter, ITO was vapor-deposited on the sawtooth-shaped surface, and the peripheral part was held with a 1 μm spacer and bonded to another flat plate of BK7 with ITO. A material similar to that in the first embodiment was injected into a space formed inside, and an optical deflection element was formed by irradiating ultraviolet rays under the conditions of the first embodiment. An optical path deflection of 0.03 ° was confirmed by applying voltages of 0V and 30V. Since the holding substrate is provided, the handling is easy, and the reliability of the deflection amount of the optical path is better than that in the second embodiment.
[0058]
Embodiment5
FIG. 9 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention, and shows a configuration example of an optical path switching device using the optical deflection element of the present invention.
The optical
Δ = D (tan θ2−tan θ1(3)
[0059]
Deflection angle θ1And θ2Is related to the refractive index of the liquid crystal /
A specific example is shown. The light deflection element of the third embodiment was installed so that D = 19 mm in the arrangement of FIG. An optical path shift of 10 μm was obtained by simultaneously applying a voltage of 0 V or 30 V to the two optical deflection elements.
[0060]
Embodiment6
FIG. 10 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention and shows another configuration example of the optical path switching device. In the optical
Δ = D ′ (tan θ2−tan θ1(4)
Deflection angle θ1And θ2Is related to the refractive index of the liquid crystal / polymer composite by the equation (1), the thickness of the
[0061]
A specific example is shown. Both surfaces of a 29 μm-thick optical glass BK7 (refractive index: nd = 1.517) are formed on the
[0062]
Embodiment7
FIG. 11 is a diagram for explaining the seventh embodiment of the present invention, and shows still another configuration example of the optical path switching device. In the present embodiment, a voltage is applied to the optical
[0063]
Embodiment8
FIG. 12 is a diagram for explaining the eighth embodiment of the present invention and shows still another configuration example of the optical path switching device. In this embodiment, in the optical
[0064]
Embodiment9
FIG. 13 is a diagram for explaining a ninth embodiment of the present invention and shows a configuration example of an optical path switching device. Two optical
[0065]
A specific example is shown. Two optical
[0066]
FIG. 16 is a view for explaining the tenth embodiment of the present invention, and shows a configuration example of an image display apparatus using the optical path switching device of the present invention. In the
[0067]
Here, on the optical path between the transmissive
[0068]
The illumination light that is controlled by the light
[0069]
An image pattern in which the display position is shifted in accordance with the deflection of the optical path for each of the plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field by the optical
[0070]
Further, in the case of a configuration in which non-polarized light can be used as incident light, the image display element is not limited to the above-described transmissive liquid crystal panel, and any image such as a light scattering liquid crystal panel or a DMD (digital micromirror device). The display element can be used as it is.
[0071]
【The invention's effect】
As is clear from the above explanation,According to the present invention, two optical path switching devices are provided, and the maximum inclination direction of the inclined area of the first optical path switching device and the maximum inclination direction of the inclined area of the second optical path switching device are arranged so as to be substantially orthogonal to each other. By doing so, an optical path switching device capable of shifting the optical path in two orthogonal directions can be provided. Also,Main departureClearlyAccording to the present invention, the liquid crystal / polymer composite in which the liquid crystal material is dispersed and held in the polymer matrix has an inclined region where the two opposing surfaces face each other at a predetermined angle, and light is transmitted through the surfaces of the two opposing surfaces. By providing the electrodeThe light deflection element,Simple configuration that does not depend on polarization and operates at high speedWhencan do. In addition to the above, by making the liquid crystal a droplet having a particle size equal to or smaller than the wavelength of incident light,Optical deflection elementOperates at high speedLetCan.
[0072]
Also, by ensuring that all liquid crystal molecules are aligned in one direction when no voltage is applied,Optical deflection elementChange in deflection angleThebigThecan do.
[0073]
In addition to the above, the optical path can be shifted even in a large area by making the inclined region of the optical deflection element a periodic structure with a sawtooth cross section.Optical deflection elementCan be driven at low voltageWhencan do. Also, by providing a holding substrate on the two opposite surfaces of the liquid crystal / polymer composite,Optical deflection elementStabilityTheHighDullCan.
[0074]
lightThe first light deflecting element has two deflecting elements, and the light deflected by the first light deflecting element is parallel to the incident light by the second light deflecting element installed at a predetermined interval. And by arranging the second light deflection element,Optical path switching deviceDeflect the optical path in parallelRukoYou can.
[0075]
An optical deflection element provided with a holding substrate is used as the first optical deflection element and the second optical deflection element, and the emission side holding substrate of the first optical deflection element and the incident side holding of the second optical deflection element. By integrally configuring the substrate with a single substrate,Optical path switching devicelow costIncan do.
[0076]
In addition, by having a voltage control mechanism that changes the voltage applied to the first light deflection element and the second light deflection element according to the wavelength of the incident light,Optical path switching deviceEven if the wavelength of incident light changes, a certain amount of optical path shift can be obtained.likecan do. Also, by providing a variation mechanism that varies the distance between the first light deflection element and the second light deflection element according to the wavelength of the incident light,Optical path switching deviceEven if the wavelength of incident light changes, a certain amount of optical path shift can be obtained.likecan do.
[0078]
At least an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information are two-dimensionally arranged, a light source that illuminates the image display element, and an image pattern displayed on the image display element The present invention deflects the optical path between the image display element and the optical member for each of an optical member for observation and a plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field.Light ofBy providing the optical path switching means by the path switching device, it is possible to provide an image display device that apparently has high definition and high light utilization efficiency using an image display element having a small number of pixels.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram conceptually showing a polymer-dispersed liquid crystal used as a liquid crystal / polymer composite.
FIG. 3 is a graph showing an example of a relationship between a liquid crystal droplet size and a response speed.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of an apparatus for measuring the response speed of a polymer dispersed liquid crystal.
FIG. 5 is a graph in which the particle diameter at which the transmittance is 80% is plotted against the wavelength.
FIG. 6 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram for explaining a seventh embodiment of the present invention and shows still another configuration example of the optical path switching device.
FIG. 12 is a view for explaining an eighth embodiment of the present invention and shows still another configuration example of the optical path switching device.
FIG. 13 is a view for explaining a ninth embodiment of the present invention and shows a configuration example of an optical path switching device.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a sequence of voltages applied to an optical path switching device.
15 is a diagram for explaining an optical path shift corresponding to the sequence of FIG. 14;
FIG. 16 is a diagram for explaining a tenth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
該光路切替装置は、液晶/高分子複合体の屈折率の変化に応じて入射光に対する出射光の偏向角度が変化する光偏向素子をそれぞれ二つ備えた第一の光路切替デバイスと第二の光路切替デバイスとを有し、
前記各光路切替デバイスが備える各前記光偏向素子は、高分子マトリクス中に液晶材料を分散保持した液晶/高分子複合体と、該液晶/高分子複合体の屈折率を変化させるための電圧を印加する光透過性の電極とを有し、該液晶/高分子複合体の屈折率の変化に応じて入射光に対する出射光の偏向角度が変化する光偏向素子であって、前記液晶/高分子複合体は、光路上で対向する二面において、一方の面が他方の面に対して所定の角度で傾斜する傾斜領域を有し、前記電極は、前記対向する二面の表面に配され、
各前記光路切替デバイスは、第一の光偏向素子で偏向された光が、一定間隔をおいて設置された第二の光偏向素子によって入射光と平行になるように該第一の光偏向素子および該第二の光偏向素子が配置され、
第一の光路切替デバイスの前記傾斜領域の最大傾斜方向と、第二の光路切替デバイスの前記傾斜領域の最大傾斜方向とが直交するように配置されてなることを特徴とする光路切替装置。 An optical path switching device that switches an optical path of incident light by an electrical signal,
The optical path switching device includes a first optical path switching device and a second optical path switching device each including two optical deflecting elements that change the deflection angle of outgoing light with respect to incident light in accordance with a change in refractive index of the liquid crystal / polymer composite. An optical path switching device,
Each of the optical deflection elements provided in each of the optical path switching devices includes a liquid crystal / polymer composite in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix, and a voltage for changing the refractive index of the liquid crystal / polymer composite. A light deflecting element that changes a deflection angle of outgoing light with respect to incident light in accordance with a change in refractive index of the liquid crystal / polymer composite. The composite has an inclined region where one surface is inclined at a predetermined angle with respect to the other surface on two surfaces facing each other on the optical path, and the electrode is disposed on the surfaces of the two facing surfaces ,
Each of the optical path switching devices includes a first optical deflecting element so that the light deflected by the first optical deflecting element is parallel to the incident light by the second optical deflecting element installed at a predetermined interval. And the second light deflection element is disposed,
And the maximum inclination direction of the inclined region of the first optical path switching device, the second optical path switching device and the maximum inclination direction of the inclined region of the optical path switching device is characterized by comprising arranged to be orthogonal.
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JP2001400240A JP4282263B2 (en) | 2001-12-28 | 2001-12-28 | Optical path switching device and image display device |
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