JP4295054B2 - 光偏向装置、画像表示装置、光書き込み装置及び画像形成装置 - Google Patents

光偏向装置、画像表示装置、光書き込み装置及び画像形成装置 Download PDF

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Description

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を用いた光偏向装置、この光偏向装置を利用した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等の画像表示装置、かかる光偏向素子を備え、画像形成エンジンとして発光体アレイ等を用いた光書込み装置及びこの光書込み装置を用いた複写機、ファクシミリ、プリンタ等あるいはこれらの複合機すなわちＭＦＰ等の画像形成装置に関する。
〔定義〕
本明細書及び特許請求の範囲において、「光偏向素子」とは、外部からの電気信号により光の光路を偏向、即ち、入射光に対して出射光の光軸を平行にシフトさせるか、或る角度を持って回転させるか、或いは、その両者を組合せて光路を切換えることが可能な光学素子を意味する。また、「光偏向量」とは光路あるいは光軸を平行シフトさせた場合あるいは回転させた場合の移動量の大きさである。特に、平行シフトの光偏向動作に対してそのシフトの大きさを「光路シフト量」あるいは単に「シフト量」と呼び、回転による光偏向動作に対してその回転量を「光路回転角」あるいは単に「回転角」と呼ぶものとする。「光偏向装置」とは、このような光偏向素子を含み、入射した光路を平行シフトあるいは回転させる装置一式を意味する。
また、「ピクセルシフト素子」とは、少なくとも画像情報に従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毎に画像表示素子と光学部材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、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍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。従って、基本的には、上記定義による光偏向素子や光偏向装置を光偏向手段として応用することが可能といえる。
〔背景技術〕
電気信号によって光の方向を変える光偏向素子を用いた光偏向装置については従来より種々のものが開示されており、またかかる光偏向装置を利用した画像表示装置、かかる光偏向素子を備えた光書込み装置についても従来より種々のものが開示されている。その例として、以下、〔特許文献１〕ないし〔特許文献６〕を説明する。
〔特許文献１〕においては、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。構成としては、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。
しかしこのような構成においては、大きな偏向角を得るにはセルギャップを大きくする必要があり、大きなセルギャップで液晶の配向を安定させることは難しいといった課題がある。
〔特許文献２〕においては、光路方向と電場方向を非平行とすることによって、偏向角の大きさと動作電圧との相関性を排除している構成の、低電圧駆動、高速応答な光偏向器を提案している。具体的には、予め一定方向に配向させたスメクチックＡ相の強誘電性液晶を用い、適当な透明基板間に封入する。駆動時の電場は光路方向と垂直方向に印加するようにし、その電場によって液晶の配向方向を変化させて入射光が感じる液晶の屈折率を変化させる。すなわち、入射光の偏光の状態を保存しつつ液晶の屈折率を変化させることで、光偏向作用を引き起こすことができる。
このとき、電場発生に寄与する電極の形状は三角形、台形、またはレンズ形状としており、この電極形状から偏向作用、集光作用をもたらす構成としている。
このような構成において、微小領域では低電界駆動での偏向作用をもたらすことが可能であるが、大面積になると低電圧で駆動することはできない。また大面積にすると、場所によって電界強度に高低差が発生し、均一な偏向作用をもたらすことができないといった課題がある。
〔特許文献３〕においては、複数の入射光ビームに対し光ビームの伝搬方向を個々に偏向することが可能な光偏向器が提案されている。これは透明基板に鋸歯形状の溝を形成した基板を用い、予め一定方向に配向させたネマチック液晶を鋸歯形成基板と平坦基板簡に封入し、各鋸歯形状に対応する分割した電極により、電場を印加して液晶の屈折率を変化させる構成としており、各鋸歯形状に入射した光を個々偏向させることが可能である。
しかしこのような構成においては、各鋸歯形状に対応した駆動手段が必要となり、実現するためには構成が複雑となりコストが高くなる。また用いている液晶はネマチック液晶であるため応答性が非常に遅いといった課題がある。
〔特許文献４〕においては、離散的な画素により形成されている表示画像を、ウォブリングにより高解像度表示するための手段として、キラルスメクチックＣ相または電傾効果を有するスメクチックＡ相を示す強誘電性液晶セルと複屈折媒体を組み合わせた構成とした光変調素子及びこれを有する画像表示装置が提案されている。これは高速応答性を示す強誘電性液晶により偏光方向を９０°回転させて、複屈折媒体により出射光の光軸を所定の方向にずらす構成としている。
しかしながら、このような画像表示装置には、以下のような課題がある。
（１）複屈折板として機能する光学結晶は一般に高価であり、コストが高くなる。
（２）光複屈折板中を直進する光路と斜めに進む光路を切換えるため、両光路には光路長差が生じて焦点位置がずれる。
（３）光路の移動量は光学結晶の複屈折性と厚みで決まってしまうため、光路の移動量は固定化されている。
〔特許文献５〕においては、低い解像度の発光素子アレイを使用しながらも、偏光面を９０度回転させる強誘電性液晶セルと複屈折板とを組み合わせることによって、電気光学的に露光位置を変化させる結像位置制御手段を用いることで、高い解像度で印刷することができるようにした光書込み装置が提案されている。
具体的には、一対の透明な基板上に一対の透明電極と水平配向膜とが形成され、二枚の基板の間にはキラルスメクチックＣ相からなる強誘電性液晶からなる液晶層が挟まれている。この液晶セルの後に複屈折板を設けておくと、複屈折板に対して常光成分となる偏光面の時に光は直進し、異常光成分となる偏光面の時に光は平行にシフトする光路シフト手段が構成できる。
この際、光路のシフト量は、複屈折板の光学軸の方向や厚みによって決まり、このようにして構成されている光路シフト手段を発光体アレイと記録体との間に介在させることで光書込み装置が実現できる。したがって、この光書込み装置を画像形成装置に用いることで、低い解像度の発光体アレイを使用しても、高い解像度で印刷することができる。この構成で用いている強誘電性液晶は、比較的高速スイッチングが可能である。
しかしながら、このような光書込み装置には、以下のような課題がある。
（１）表面安定型強誘電性液晶セルは、セルギャップの制御が高精度に要求されるため、発光体アレイの大きさに対応した面積での作製が困難である。
（２）複屈折板として機能する光学結晶は一般に高価であり、発光体アレイの大きさに対応した面積の光学結晶を用いることはコストが高くなる。
（３）光複屈折板中を直進する光路と斜めに進む光路を切換えるため、両光路には光路長差が生じて焦点位置がずれる。
（４）光路の移動量は光学結晶の複屈折性と厚みで決まってしまうため、光路の移動量は固定化されている。
〔特許文献６〕においては、透明な一対の基板と、基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、この液晶に電界を作用させる少なくとも１組以上の電界印加手段とを備える構成としている。また別の構成として、透明な一対の基板と、基板間に充填されたホモジニアス配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、この液晶に電界を作用させる少なくとも１組以上の電界印加手段とを備え、液晶を挟む基板の少なくとも一方が鋸歯形状をなしている構成としている。
このような構成では、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、従来の光偏向素子に比べて、構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、光学ノイズを改善でき、かつ、従来のネマチック液晶などにおける応答性の鈍さも改善でき、高速応答が可能となっている。
しかし、大面積でも均一な偏向量が得られ、高速応答性がさらに向上することが望まれている。
特開平９−１３３９０４号公報 特許第２５７９４２６号公報 特開平７−９２５０７号公報 特開平７−２０４１７号公報 特開平８−１１８７２６号公報 特開２００２−３２８４０２号公報
上述した従来技術の課題を整理すると次のようになる。
1.応答速度高速化
2.大面積化に伴う偏向量の均一性
3.構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化
そこで、本発明は、応答性が高く、大面積でも均一な偏向量を得ることを可能とし、比較的簡単な構成で実現でき、複雑構成による高コスト、装置大型化を防止した、小型で低コストの光偏向素子を用いた光偏向装置、この光偏向装置を利用した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等の画像表示装置、かかる光偏向素子を備え、画像形成エンジンとして発光体アレイ等を用いた光書込み装置及びこの光書込み装置を用いた複写機、ファクシミリ、プリンタ等あるいはこれらの複合機すなわちＭＦＰ等の画像形成装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、互いに対向する一対の基板と、キラルスメクチックＡ相によって構成され上記基板の間に位置する液晶層と、この液晶層を形成する液晶分子を上記基板に水平配向させる配向膜と、互いにほぼ平行に配設され、上記基板の配設面に対してほぼ平行な方向に長い複数の電極とを有する光偏向素子と、上記電極により上記配設面に対してほぼ平行な方向に電界を形成するための電界形成手段とを有し、上記電界形成手段による電界形成が行なわれていない状態の上記液晶分子の配向方向と上記電極の延設方向とがほぼ平行であり、上記電界形成手段により形成される電界の強度及び／又は向きを変化させることにより上記光偏向素子を透過する直線偏光の光を偏向させる光偏向装置にある。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光偏向装置において、上記液晶分子の配向方向が、上記光偏向素子を透過する光の直線偏光の方向とほぼ平行であることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の光偏向装置において、上記電界形成手段が、上記電極のそれぞれの間に配設され、上記電極のそれぞれの間の電界の強度を、上記電極のうち一方の端部側に位置する電極から他方の端部側に位置する電極に向かう方向において、漸増又は漸減させるための抵抗素子を有することを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の光偏向装置において、上記抵抗素子の抵抗値が、上記電極のうち一方の端部側に位置する電極から他方の端部側に位置する電極に向かう方向において周期的に変化することを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか１つに記載の光偏向装置において、上記基板の少なくとも一方が、他方に対向する側に、断面が鋸歯形状となる面を有することを特徴とする。
請求項６記載の発明は、互いに対向する一対の基板と、キラルスメクチックＡ相によって構成され上記基板の間に位置する液晶層と、この液晶層を形成する液晶分子を上記基板に水平配向させる配向膜と、互いにほぼ平行に配設され、上記基板の配設面にほぼ平行な電極とを有する光偏向素子と、上記電極により上記配設面に対してほぼ垂直な方向に電界を形成するための電界形成手段とを有し、上記基板の少なくとも一方が、他方に対向する側に、断面が鋸歯形状となる面を有し、上記電界形成手段により形成される電界の強度及び／又は向きを変化させることにより上記光偏向素子を透過する直線偏光の光を偏向させる光偏向装置にある。
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか１つに記載の光偏向装置において、上記光偏向素子の温度を検知する温度検知手段を有することを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の光偏向装置において、上記温度検知手段により検知した温度に基づいて、上記光偏向素子の温度を制御する温度制御手段を有することを特徴とする。
請求項９記載の発明は、複数の画素が２次元的に配設された画像表示素子と、上記画像表示素子に表示した画像を観察するための光学部材と、この光学部材と上記画像表示素子との間に配設された請求項１ないし８の何れか１つに記載の光偏向素子と、上記画像表示素子に画像を表示させるタイミングに同期して上記偏向素子による光の偏向を変化させることで、上記光学部材によって観察される画像の見かけ上の画素数を増加させるための画像表示制御手段とを有する画像表示装にある。
請求項１０記載の発明は、所定の間隔で配列され書き込み位置に向けて光を出射する複数の発光部材と、これら発光部材から出射されたそれぞれの光を、同発光部材の配列された方向に偏向させ、書き込み位置における光の間隔を上記所定の間隔よりも小さくするための請求項１ないし８の何れか１つに記載の光偏向素子とを有する光書き込み装置にある。
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の光書き込み装置において、上記光偏向素子が、上記発光部材のそれぞれに対応して配設されていることを特徴とする。
請求項１２記載の発明は、請求項１０又は１１記載の光書き込み装置を有する画像形成装置にある。
本発明は、互いに対向する一対の基板と、キラルスメクチックＡ相によって構成され上記基板の間に位置する液晶層と、この液晶層を形成する液晶分子を上記基板に水平配向させる配向膜と、互いにほぼ平行に配設され、上記基板の配設面に対してほぼ平行な方向に長い複数の電極とを有する光偏向素子と、上記電極により上記配設面に対してほぼ平行な方向に電界を形成するための電界形成手段とを有し、上記電界形成手段による電界形成が行なわれていない状態の上記液晶分子の配向方向と上記電極の延設方向とがほぼ平行であり、上記電界形成手段により形成される電界の強度及び／又は向きを変化させることにより上記光偏向素子を透過する直線偏光の光を偏向させる光偏向装置にあるので、電極による印加電界が液晶分子の配向方向とほぼ直交し、液晶分子の光学軸を効率よく傾斜させることができ、応答性が高く、電傾効果によるアナログ変調が可能であり、ライン電極構造による横電界駆動といった構成から、大面積でも均一な偏向量を得ることが可能であり、従来の複屈折媒体と組み合わせた光偏向装置と比べ、比較的簡単な構成で実現でき、複雑構成による高コスト、装置大型化を改善し、小型で低コストの光偏向装置を提供することができる。
液晶分子の配向方向が、光偏向素子を透過する光の直線偏光の方向とほぼ平行であることとすれば、電界制御による液晶層の平均的な屈折率変化を効率よく利用することができ、応答性が高く、電傾効果によるアナログ変調が可能な光偏向装置を提供することができる。
電界形成手段が、電極のそれぞれの間に配設され、電極のそれぞれの間の電界の強度を、電極のうち一方の端部側に位置する電極から他方の端部側に位置する電極に向かう方向において、漸増又は漸減させるための抵抗素子を有することとすれば、電極間の電界強度を、液晶の屈折率分布を変化させ、所望の光偏向方向を得るようにすることができ、可変プリズムと同様の効果をもたらすことができ、応答性が高く、電傾効果によるアナログ変調が可能な光偏向装置を提供することができる。
抵抗素子の抵抗値が、電極のうち一方の端部側に位置する電極から他方の端部側に位置する電極に向かう方向において周期的に変化することとすれば、光偏向を回折現象により機能させることができ、そのため屈折率分布から発生する回折光は全て偏向光として利用できるため光利用効率が高く、また応答性が高く、電傾効果によるアナログ変調が可能な光偏向装置を提供することができる。
基板の少なくとも一方が、他方に対向する側に、断面が鋸歯形状となる面を有することとすれば、鋸歯形状のピッチ及び深さを調整することで光偏向角を容易に設定することができ、基板間のギャップが狭くても広偏向角を得ることができ、また応答性が高く、さらには基板間のギャップが小さくとも大きな偏向角が得られるため、小型化に適した光偏向装置を提供することができる。
本発明は、互いに対向する一対の基板と、キラルスメクチックＡ相によって構成され上記基板の間に位置する液晶層と、この液晶層を形成する液晶分子を上記基板に水平配向させる配向膜と、互いにほぼ平行に配設され、上記基板の配設面にほぼ平行な電極とを有する光偏向素子と、上記電極により上記配設面に対してほぼ垂直な方向に電界を形成するための電界形成手段とを有し、上記電界形成手段により形成される電界の強度及び／又は向きを変化させることにより上記光偏向素子を透過する直線偏光の光を偏向させる光偏向装置にあるので、応答性が高く、ライン電極構造による横電界駆動といった構成から、大面積でも均一な偏向量を得ることが可能であり、従来の複屈折媒体と組み合わせた光偏向装置と比べ、比較的簡単な構成で実現でき、複雑構成による高コスト、装置大型化を改善し、小型で低コストの光偏向装置を提供することができる。
光偏向素子の温度を検知する温度検知手段を有することとすれば、光偏向素子の温度を検知することで、液晶の温度が、安定した光偏向量すなわち一定の光偏向量を得られる適正な温度範囲にあるか否かを検知することができ、液晶の温度が適正な温度範囲外にあるときに発生する不具合を防止することを可能とする光偏向装置を提供することができる。
温度検知手段により検知した温度に基づいて、光偏向素子の温度を制御する温度制御手段を有することとすれば、液晶の温度を、常に、安定した光偏向量すなわち一定の光偏向量を得られる適正な温度範囲内に保つことができ、液晶の温度が適正な温度範囲外にあるときに発生する不具合の防止を確実に行うことができる光偏向装置を提供することができる。
本発明は、複数の画素が２次元的に配設された画像表示素子と、上記画像表示素子に表示した画像を観察するための光学部材と、この光学部材と上記画像表示素子との間に配設された請求項１ないし９の何れか１つに記載の光偏向素子と、上記画像表示素子に画像を表示させるタイミングに同期して上記偏向素子による光の偏向を変化させることで、上記光学部材によって観察される画像の見かけ上の画素数を増加させるための画像表示制御手段とを有する画像表示装置にあるので、上述の各効果を奏する光偏向装置を有し、大面積でも均一な画像を得ることが可能であり、使用した画像表示素子の解像度以上の高精細でコントラストの良い画像を表示することができ、また、スメクチックＡ相の液晶を用いた光偏向装置を用いているので、光偏向動作の応答速度が非常に速いため、応答速度の遅い光偏向を行う際に問題となるちらつき、フリッカー等が発生せず、高精細でコントラスト低下の少なく、また、比較的簡単な構成で実現でき、複雑構成による高コスト、装置大型化を改善し、小型で低コスト、かつ高速で高解像度、高画質の画像表示装置を提供することができる。
本発明は、所定の間隔で配列され書き込み位置に向けて光を出射する複数の発光部材と、これら発光部材から出射されたそれぞれの光を、同発光部材の配列された方向に偏向させ、書き込み位置における光の間隔を上記所定の間隔よりも小さくするための請求項１ないし９の何れか１つに記載の光偏向素子とを有する光書き込み装置にあるので、上述の各効果を奏する光偏向装置を有し、電界の極性を電極のスイッチング動作によって高速で切り替えながら行うとともに、光偏向装置がスメクチックＡ相の液晶を用いているので、光偏向動作の応答速度が非常に速く、さらに、発光部材間のピッチが補完された光照射を行うことができ、これにより解像度の低い発光部材を用いても、高解像度の光照射を行うことができ、またこれらを比較的簡単な構成で実現でき、複雑構成による高コスト、装置大型化を改善し、小型で低コスト、かつ高速で高解像度、高画質の光書き込み装置を提供することができる。
光偏向素子が、発光部材のそれぞれに対応して配設されていることとすれば、各発光部材から放射される光の位置がずれた場合であっても、光偏向装置の駆動制御により等間隔で画素ピッチ間を補完することができるから、経時劣化などによる影響を抑え、経時的にも常に安定した高解像度、高画質の光書き込み装置を提供することができる。
本発明は、請求項１０又は１１記載の光書き込み装置を有する画像形成装置にあるので、上述の各効果を奏する光書き込み装置を有し、高解像度かつ高速で画像形成を行うことができる画像形成装置を提供することができる。
図１又は図２に示すように、本発明の第１の実施の形態にかかる光偏向装置３０は、透過する光２０を偏向させる液晶セルである光偏向素子２１と、光偏向素子２１に電界を印加させるための電界形成手段としての電界印加手段２２とを有している。光偏向素子２１は、互いに対向する一対の基板である２枚の透明な基板１１と、キラルスメクチックＡ相によって構成され各基板１１の間に位置する液晶層１２と、液晶層１２を形成する液晶分子１３を各基板１１に水平配向させる水平配向膜としての配向膜１４と、互いに平行に配設され、矢印Ａで示すその延設方向が、基板１１の配設面すなわち図に示した座標系（以下、単に「座標系」と記載する。）におけるＹＺ平面にほぼ平行であり、矢印Ｂで示す液晶分子１３の初期配向の配向方向とほぼ平行に長い、複数のライン状の電極１５と、各基板１１の間隔を規制する一対のスペーサー１６とを有している。
各基板１１は平板状をなしている。液晶層１２は、キラルスメクチックＡ相を示す強誘電性液晶が充填されることにより形成されている。配向膜１４は、各基板１１の内側、すなわち一方の基板１１が他方の基板１１に対向する側に配設されている。各スペーサー１６は、 各配向膜１４の内側に位置している。各電極１５は、一方の基板１１の内側に、座標系におけるＺ軸方向に延設され、配向膜１４によって覆われている。各電極１５には、電界印加手段２２が接続されている。電界印加手段２２は、各電極１５により各基板１１の配設面にほぼ平行な電界を形成するためのものであり、交流又はこれに類する電圧を印加する電源１７と、各電極１５間に等しい大きさの抵抗を与える抵抗素子１８とを有している。これにより、各電極１５相互間には、電界印加手段２２により、座標系におけるＹ軸方向に、互いに等しい大きさの電界が形成されている。
配向方向Ｂは、電界印加手段２２による電界形成が行われてない状態での液晶分子１３の長軸方向すなわち液晶ダイレクタ方向（適宜「液晶ダイレクタ」ともいう）を示している。配向膜１４は、液晶分子１３を配向方向Ｂに配向させるため、配向方向Ｂに平行な方向であるＣ方向へのラビング処理を施されている。図２に示すように、光偏向素子２１には、直線偏光した光２０が透過するようになっている。直線偏光の向きは、座標系におけるＺ軸方向であり、図２（ａ）においては紙面に垂直な方向であり、図２（ｂ）、（ｃ）においては矢印Ｄで示す方向である。方向Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、すべて互いにほぼ平行であり、座標系におけるＺ軸方向にほぼ一致しているとともに、各基板１１の配設面に平行であり、また、各電極１５のうち、基板１１の一方の端部側に位置するものから他方の端部側に位置するものに向かう方向すなわち座標系におけるＹ軸方向に直交している。
本形態において、電極１５は片方の基板１１のみに形成しているが、上述した水平電界が印加可能であれば両基板１１に形成してもよい。電極１５の本数、ピッチ、幅は偏向させたい光束の幅、所望の偏向角などによって適宜設定される。本形態では便宜上ライン本数を４本としている。電極１５の材料としては透明性が高いもの、ライン状のパターン形成のしやすいものが好ましく、一般的に使われているＩＴＯを用いることができる。しかしこれに限定はせず、例えばＣｒ等の金属電極であっても、ライン幅が非常に細く透過光量が多ければ問題なく使用できる。
配向膜１４は両基板１１の内面に形成しているが、液晶ダイレクタを基板１１の配設面と水平に配向できれば、片方の基板１１のみに形成するだけでもよい。配向膜１４の材料としては、ＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶等に用いられるポリイミド等の一般的な配向膜が利用できる。液晶ダイレクタの配向を一定方向に配向させるためには、ラビング処理とともに、又はラビング処理に換えて光配向処理を加えて施すことが好ましい。スペーサー１６には所望の間隔の大きさをしたビーズ、リブを利用することができる。
液晶材料に関して説明する。「スメクチック液晶」とは液晶分子の長軸方向をほぼ揃えており、長軸方向を揃えたまま層状に配列してなる液晶相である。このような液晶に関し、液晶分子の長軸方向が液晶分子によって構成されるスメクチック層の法線方向すなわち層法線方向と一致している液晶相を「スメクチックＡ相」と呼ぶ。また、液晶分子の長軸方向が層法線方向に一致せずに傾斜している液晶相を「スメクチックＣ相」と呼んでいる。
ここで電傾効果について説明する。電傾効果とは、電場によって液晶分子の配向ベクトルの傾きが誘起される現象であり、液晶分子の長軸方向が層法線方向と一致しているスメクチックＡ相において、層法線方向に対して分子が傾いているスメクチックＣ*相への相転移を起こす温度領域での前駆現象である。電傾効果のモデルを図３に示す。まず液晶分子がキラルでその垂直方向に双極子モーメントを持つ非ラセミ体液晶のスメクチックＡ相を考える。
図３（ａ）に示すように、電場Ｅ＝０のとき、液晶分子３１はスメクチック層３２に垂直に向いており、スメクチック層３２の法線方向Ｆと平行な長軸３３の回りに自由回転している。この状態から、図３（ｂ）に示すように、スメクチック層３２と平行な方向に電場（＋Ｅ）を印加すると、液晶分子３１は、自由回転が抑制され、自発分極Ｐが誘起され、方向Ｆから＋θ傾斜する。また、図３（ｃ）に示すように、電場の極性を変え、スメクチック層３２と平行な方向に電場（−Ｅ）を印加すると、傾き方向は逆転し、電場に対する１次の効果を示す。
傾斜方向は電場の方向と垂直であり、液晶分子３１の傾斜角θは
θ＝（ε⊥ ＊-ε⊥ ０）ε０Ｅ
で表され電場の大きさに比例するが、転移点近傍では上式からずれ飽和する傾向にある。この付近ではＥ１／３に比例することがエネルギー最小の条件から理論的に説明されている。ε⊥ ＊、ε⊥ ０はそれぞれ光学活性物質およびそのラセミ体の比誘電率でありε０は真空の誘電率である。また分極Ｐと傾斜角θは電傾効果係数κを用いて
Ｐ＝κθ
で表される比例関係にある。κはエレクトロクリニック係数と呼ばれており、ここでは詳細については省略する。応答性について特徴的なのは、応答速度は電場強度に依存せず、およそ１０Ｖ／μｍの電界強度で数μｓｅｃ〜数十μｓｅｃの高速応答が得られている。
本発明ではこのような電傾効果を利用して、液晶ダイレクタの傾斜角を電界により制御することで光偏向動作をなすものである。
ここで、光偏向動作について説明する。光偏向装置３０への入射光２０の偏光方向が一定であるため、入射光２０が感じる屈折率は、液晶ダイレクタ、言い換えると液晶配向に依存する。
例えば、（＋Ｅ）の電界が印加されたときは、液晶分子１３の液晶ダイレクタは、図４（ａ）において実線で示すように、座標系における＋Ｙ軸方向に液晶分子１３を貫く図示しない軸を中心に、入射光２０の進行方向に向かって＋Ｚ軸方向に傾いた状態となり、出射光は座標系における＋Ｚ軸方向に偏向される。（−Ｅ）の電界が印加されたときは、液晶分子１３の液晶ダイレクタは、図４（ｂ）において実線で示すように、座標系における−Ｙ軸方向に液晶分子１３を貫く図示しない軸を中心に、入射光２０の進行方向に向かって−Ｚ軸方向に傾いた状態となり、出射光は座標系における−Ｚ軸方向に偏向される。
よって、電界を制御することにより、電傾効果により、初期の水平配向すなわちホモジニアス配向からホメオトロピック配向に近づき、液晶ダイレクタが傾斜し、液晶層の平均的な光学軸が傾斜するので、液晶層１２の屈折が変化し、一軸性結晶と同様の作用により、直線偏光した光の光偏向動作をなすことができる。光偏向方向は液晶ダイレクタの傾きにより設定できるため、電界印加手段２２により形成される電界の強度及び／又は電界の向きを変化させることで液晶ダイレクタの傾きを設定し、偏向を行うことができ、電界の強度をアナログ変調すれば、アナログ光偏向を行うことができる。
スメスチックＡ層は自発分極を有し非常に高速な応答性を示すため、高速かつアナログ光偏向動作が可能な光偏向装置３０が実現されている。また、本形態は複数のライン状の電極１５を平行配置して基板１１の配設面に対して水平電界を発生させる構成としているので、大面積においても電界強度を均一に印加することができ、大面積で均一な光偏向動作が可能となる。
また各電極１５の延設方向Ａを、これによって印加される電界の方向が液晶分子１３の配向方向Ｂと直交する方向となるようにしたため、たとえば電界の方向が方向Ｂに対して４５°傾くように方向Ａを定めた場合等に比して、電傾効果による液晶分子１３の光学軸の傾斜を効率よく行うことができる。また入射光２０の、直線偏光の方向Ｄが液晶分子１３の配向方向Ｂと平行であり、方向Ｄが液晶分子１３を基板１１の配設面上に投影してなる方向と平行であるため、方向Ｄは液晶ダイレクタ方向と一致し、液晶ダイレクタの傾斜による屈折率の変化を効率よく利用することが可能となっている。
図５に、本発明の第２の実施の形態にかかる光偏向装置４０を示す。本形態の説明は、第１の実施の形態と異なる部分について行い、その余は同形態と同じ符号を付するに留め、同形態の説明を本形態の説明に代える。本形態の光偏向素子４１は、図５（ｃ）に示されているように、電極１５が配設された基板１１に対向する基板４２が平板状をなしておらず、基板４２は、その内側に、座標系におけるＸＺ断面が鋸歯形状となる面４３を有している。基板４２の配設面は基板１１の配設面と平行である。面４３上に形成された配向膜４４は、面４３の形状に合わせた鋸歯形状をなしている。
基板４２の鋸歯形状の形成法としては、基板４２をフォトリソによりエッチングする方法、切削・研削などにより直接形状加工する方法などがある。また、このような方法により鋸歯形状を形成した金型品を用いて、透明プラスチック材料を射出成形等し、転写して基板４２とするといった方法もある。電極１５は平滑な基板１１のみに形成しているが、基板１１、４２の配設面に対して水平電界が印加可能であれば、基板４２のみ、または両基板１１、４２に形成してもよい。電極１５の本数、ピッチ、幅等は偏向させたい光束の幅、所望の偏向角などによって適宜設定される。また、鋸歯形状をスペーサー１６の代わりに利用することもできる。その際にはショートしないように、接触する電極面のエッチング、絶縁膜を設けるなどの処理を施すことが好ましい。
本形態では、鋸歯形状の基板４２を用いているので、液晶層１２と基板４２との屈折率の差を用いた屈折により偏向を行うため、平板状の場合に比べて大きな偏向角を得ることができる。光偏向角は鋸歯形状のピッチや深さにより容易に設定される。また、両基板１１、４２のギャップが小さくとも、大きな偏向角が得られるため、光偏向素子４１は小型化に適している。鋸歯形状は、水平電界が得られるのであれば、基板１１、４２の少なくとも一方に設けられれば良く、電極１５を備えた基板に形成しても良いし、両基板に形成しても良い。
なお、鋸歯形状を有する場合、液晶分子１３は、鋸歯形状を構成している、基板４２の配設面に傾斜した面に沿っても配向する。しかし、この場合にも、入射光２０の直線偏光の方向は、液晶分子１３を基板４２の配設面上に投影してなる方向と平行である。本明細書及び特許請求の範囲においては、この場合を含めて、液晶分子の配向方向が直線偏光の方向とほぼ平行である旨記載している。
図６に、本発明の第３の実施の形態にかかる光偏向装置５０を示す。本形態の説明は、第１の実施の形態と異なる部分について行い、その余は同形態と同じ符号を付するに留め、同形態の説明を本形態の説明に代える。本形態の電界印加手段５１は、各電極１５のそれぞれの間に配設され、各電極１５間に互いに異なる大きさの抵抗を与え、各電極１５のそれぞれの間の電界の強度を異ならせる抵抗素子５２、５３、５４を、この順で、座標系における＋Ｙ軸方向に有している。
抵抗素子５２、５３、５４の抵抗値は、この順で、各電極１５のうち、一方の端部側、すなわち座標系において最も−Ｙ側に位置するものから、他方の端部側、すなわち座標系において最も＋Ｙ側に位置するものに向かう方向すなわち＋Ｙ軸方向において、段階的に漸増するようになっている。具体的には、抵抗素子５３の抵抗値は抵抗素子５２の抵抗値の２倍、抵抗素子５４の抵抗値は抵抗素子５２の抵抗値の３倍になっており、抵抗値が等差で漸増するようになっている。
したがって、図７において符号Ｅで示すように、各電極１５間の電界は、＋Ｙ軸方向において等差で漸増しており、図６に示すように、液晶分子１３の傾きも、＋Ｙ軸方向において漸増している。これにより、液晶層１２の屈折率分布を、Ｙ軸方向における所望の光偏向方向を得るように近似的に変化させることができる。図７において符号ｎで示すような屈折率分布を得ることが可能となり、可変プリズムと同様の効果をもたらすことができる。抵抗素子の抵抗値は、各電極のうち、一方の端部側に位置するものから他方の端部側に位置するものへ向けて漸減するようにしてもよい。
図８に、本発明の第４の実施の形態にかかる光偏向装置６０を示す。本形態の説明は、第１の実施の形態と異なる部分について行い、その余は同形態と同じ符号を付するに留め、同形態の説明を本形態の説明に代える。本形態の光偏向素子６１は、電極１５を座標系におけるＹ方向に１０本備えている。また電界印加手段６２は、各電極１５間に抵抗を与える抵抗素子６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６５ａ、６５ｂ、６５ｃを、この順で、座標系における＋Ｙ軸方向に有している。
抵抗素子６３ａ、６４ａ、６５ａの抵抗値は互いに等しく、抵抗素子６３ｂ、６４ｂ、６５ｂの抵抗値は互いに等しく、抵抗素子６３ｃ、６４ｃ、６５ｃの抵抗値は互いに等しい。抵抗素子６３ｂ、６４ｂ、６５ｂの抵抗値は、抵抗素子６３ａ、６４ａ、６５ａの抵抗値の２倍であり、抵抗素子６３ｃ、６４ｃ、６５ｃの抵抗値は抵抗素子６３ａ、６４ａ、６５ａの抵抗値の３倍である。
したがって、抵抗素子６３ａ、６３ｂ、６３ｃの抵抗値と、抵抗素子６４ａ、６４ｂ、６４ｃの抵抗値と、抵抗素子６５ａ、６５ｂ、６５ｃの抵抗値とはそれぞれ、この順で、各電極１５のうち、一方の端部側、すなわち座標系において最も−Ｙ側に位置するものから、他方の端部側、すなわち座標系において最も＋Ｙ側に位置するものに向かう方向すなわち＋Ｙ軸方向において、段階的に漸増するようになっているとともに、抵抗素子６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６５ａ、６５ｂ、６５ｃの抵抗値は、この順で＋Ｙ軸方向において周期的に変化している。
すなわち、＋Ｙ軸方向において抵抗値が漸増する抵抗素子を１つの単位としてみたとき、これを＋Ｙ軸方向において３つ備えたごときものとなっている。この１つの単位は、第３の実施の形態と同様の構成であり、したがって、各単位における各電極１５間の電界の強度とその変化、向き、液晶分子１３の傾きも第３の実施の形態と同様となっている。
したがって、図９に示すように、液晶層１２の屈折率分布が、＋Ｙ軸方向において等差で漸増する部分が、＋Ｙ軸方向において周期的に３回繰り返されており、周期的な屈折率分布を得ている。ここで、抵抗素子６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６５ａ、６５ｂ、６５ｃとしては、電子ボリューム等の電気信号による可変抵抗を使用することができ、全体の電圧を調整する電位差調整器を設けていることが好ましい。全体の電圧を増倍させる方法としてはオペアンプのような増幅器を用いることができる。
このような構成によれば、光偏向を回折現象により機能させることができる。そのため屈折率分布から発生する回折光は全て偏向光として利用できるため光利用効率がよくなる。例えばプリズムのような屈折率分布により光を偏向させる場合、完全にブロードな分布をつくることが理想であるが、これは実際には難しく、屈折率分布は階段状になってしまい、この階段状の分布から回折がおこるため光利用効率は悪くなる。しかし、本構成では、回折を利用して光偏向機能を達成することで光利用効率が向上している。なお、抵抗素子の抵抗値は、各電極のうち、一方の端部側に位置するものから他方の端部側に位置するものへ向けて漸減するようにし、これを周期的に配設したごとき構成としてもよい。
図１０に、本発明の第５の実施の形態にかかる光偏向装置７０を示す。本形態の説明は、第１の実施の形態と異なる部分について行い、その余は同形態と同じ符号を付するに留め、同形態の説明を本形態の説明に代える。本形態の光偏向素子７１は、平板状の基板１１に対向する透明な基板７２が平板状をなしておらず、その内側に、座標系におけるＸＹ断面が鋸歯形状となる面７３を有している。基板７２の配設面は基板１１の配設面と平行である。
基板１１の、基板７２に対向する側の面には、ライン状でなく、基板１１の形状に合わせた平面状の電極７４が配設されている。基板７２上にも、面７３の形状に合わせた鋸歯形状の電極７５が配設されている。電極７４、７５上にはそれぞれ、電極７４、７５の形状に合わせた配向膜７６、７７が配設されている。電界印加手段７８は、各電極７４、７５に電圧を印加している。入射光２０の偏光方向Ｇは座標系におけるＹ軸方向とほぼ平行である。
基板７２の鋸歯形状の形成法としては、基板７２をフォトリソによりエッチングする方法、切削・研削などにより直接形状加工する方法などがある。また、このような方法により鋸歯形状を形成した金型品を用いて、透明プラスチック材料を射出成形等し、転写して基板４２とするといった方法もある。電極７４、７５はそれぞれ、基板１１、７２全面に形成されたベタ電極構造であり、電極の材料としては透明性が高いものが好ましく、一般的に使われているＩＴＯを用いることができる。また、鋸歯形状をスペーサー１６の代わりに利用することもできる。その際にはショートしないように、接触する電極面のエッチング、絶縁膜を設けるなどの処理を施すことが好ましい。
このような構成の光偏向装置７０においても、電傾効果を利用して、液晶ダイレクタの傾斜角を電界により制御することで光偏向動作をなすことができる。
ここで、図１１に沿って光偏向動作について説明する。光偏向装置７０への入射光２０の偏光方向が一定であるため、入射光２０が感じる屈折率は、液晶ダイレクタに依存する。
例えば、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示すように、（−Ｅ）の電界が印加されたときは、液晶分子１３の液晶ダイレクタは、図１０（ａ）に示すようになり、入射光２０の感じる屈折率は常光成分ｎｏとなり、基板７２の屈折率と常光成分の屈折率ｎｏが一致する場合、出射光２５は直進する。また図１１（ｃ）、図１１（ｄ）に示すように、（＋Ｅ）の電界が印加されたときは、液晶分子１３の液晶ダイレクタは、図１１（ｃ）に示すようになり、入射光２０の感じる屈折率は異常光成分ｎｅとなり、基板７２の屈折率と異常光成分の屈折率ｎｅが一致しない場合、出射光２５は座標系における＋Ｙ軸方向に偏向する。なおここでは、基板７２の屈折率と常光成分の屈折率とを一致させているが、異常光成分の屈折率を基板７２の屈折率と一致させて、常光成分の屈折率ｎｏを感じるときに偏向作用をもたらす構成としてもよい。
よって、電界を制御することにより、電傾効果により、初期の水平配向すなわちホモジニアス配向の液晶ダイレクタが基板７２の配向面において傾斜することで、入射光２０の感じる液晶層１２の屈折率を変化させて、直線偏光した光の光偏向動作をなすことができる。これは、液晶分子１３の傾斜する方向は常に基板１１、７２の配設面と平行であるため、入射光２０の直線偏光の方向が液晶分子１３の配向方向に平行であっても垂直であっても、入射光２０の感じる平均的な屈折率は電界制御により変化するためである。
光偏向方向は鋸歯形状のピッチ、深さ等により設定でき、このような構成では２値方向の光偏向動作となる。液晶層１２の駆動電圧はセルギャップに依存するが、光偏向素子７１では液晶層１２のギャップが比較的狭いため、低電圧駆動で光偏向動作を実現できる。スメスチックＡ層は自発分極を有し非常に高速な応答性を示すため、高速かつアナログ光偏向動作が可能な光偏向装置７１が実現されている。鋸歯形状は、基板１１、７２の少なくとも一方に設けられれば良く、基板１１に形成しても良いし、両基板１１、７２に形成しても良い。
以上、本発明の第１ないし第５の実施の形態にかかる光偏向装置を説明した。
ここで、電傾効果の説明において記載したように、電傾効果はスメクチックＡ相からスメクチックＣ相へ転移する温度領域でおこる現象であり、この温度範囲外では光偏向量が変化したり、光偏向機能を示さなかったりするといった不具合が発生する可能性がある。
そこで、図１２に示すように、本発明の実施の形態にかかる光偏向装置３０は、光偏向素子の温度を検知する温度検知手段２６を設け、電傾効果が得られるような適正な温度領域にあるかどうか、動作温度を検知することとしている。また、適正温度範囲外にあるときには動作を停止させる図示しない停止手段などを併せて設けることで、温度上昇に伴う破損などを未然に防ぐことができる。
温度検知手段２６は、図示を省略するが、温度検知素子としての温度センサーと、温度測定手段としての温度測定回路とを有しており、温度検知素子としては例えば、サーミスタ、熱電対などを用いることができる。特に熱電対は、熱起電力が大きく、特性のバラツキが小さく互換性がある。また、熱に対し安定で寿命が長いなどの特徴があり信頼性が高い。材質としては例えば、ＪＩＳ規格に規定されているＫ（クロメルーアルメル）、Ｊ（鉄−コンスタタン）、Ｔ（銅−コンスタンタン）、Ｅ（クロメル−コンスタンタン）、Ｎ（ナイクロシル−ナイシル）または、ＪＩＳ規格外の（ニッケル−ニッケル１８％モリブデン）、（タングステン５％レニウム−タングステン２６％レニウム）などを用いることができる。
温度検知の精度をさらに向上させるためには光路中にも温度検知手段を設置することが好ましい。ただし、光路中に設置した温度検知手段が入射光を遮り、全体の光利用効率を低下させることを防止するため、透明抵抗体よりなる材料を用いることが好ましい。この抵抗体としては、ＳｎＯ２やＩＮ２Ｏ３などを用いることができる。その形成法としては、真空蒸着法、スパッタリング法などにより光偏向素子を構成する基板に直接形成することができる。このような抵抗体の抵抗値の温度特性から温度を検知することができる。
光偏向装置３０は、温度検知手段２６のみならず、温度検知手段２６により検知した温度に基づいて、光偏向素子２１の温度を制御する温度制御手段２７を有している。温度制御手段２７は、温度検知手段２６に接続されたＣＰＵ等の温度制御回路としての駆動制御手段１９と、光偏向素子２１の外部において光偏向素子２１の両端に光偏向素子２１と一体に設けられ駆動制御手段１９によって通電を制御される加熱手段としての一対の加熱ヒーター２８と、各加熱ヒーター２８の間に配設され、入射光２０を透過させる光透過用窓２９とを有している。ただし、温度制御手段２７に備えられる加熱手段は、小型化のために、光偏向素子２１の内部または表面に接して抵抗線を形成し、これに電流を流すことで得られるジュール熱を利用するのが好ましい。なお、図示を省略するが、冷却手段すなわち冷却源としてペルチェ素子等を備え駆動制御手段１９により駆動することができる。
温度検知手段２６を有することで、光偏向装置３０においては、光偏向素子２１の温度を、常に安定した光偏向量が得られる適正な温度範囲内にあるかどうか検知することができ、例えば検知した温度がかかる適正な温度範囲に基づいて定められた設定温度範囲の外のある場合には運転不可とする上述したような停止手段を設けることで、光偏向素子２１の温度が適正な温度範囲外にある場合に発生する不具合を防止することが可能となる。
また光偏向装置３０は温度検知手段２６と併せて、温度制御手段２７を有することで、光偏向装置３０においては、光偏向素子２１の温度を、上述した停止手段を用いることなく、常に安定した光偏向量が得られる適正な温度範囲内にあるように制御することができる。すなわち常に安定した光偏向量、言い換えると一定の光偏向量を得ることができるようになっている。ここで、液晶材料の温度特性すなわち相転移点は材料により異なるため、適正温度範囲は使用する材料によって適宜設定される。なお、光偏向装置３０は、本発明の第１の実施の形態にかかるものであるが、他の実施の形態にかかる光偏向装置においても同様に、ここに述べた温度検知手段、温度制御手段等を設けることができる。
これらの光偏向装置は、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等の画像表示装置に搭載され、かかる画像表示装置に備えられた透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子等の画像表示素子の画素数を、見かけ上増加させることに用いられる。このような画像表示装置を以下説明する。
図１３に示すように、かかる画像表示装置８０は、白色ランプにシャッターを組合わせた、高速にＯＮ／ＯＦＦできる光源８１と、光源８１をＯＮ／ＯＦＦさせる光源駆動手段８２と、光源８１から出た光を均一化する照明装置８３と、照明装置８３から入射した均一な照明光を空間光変調して出射する、複数の画素が２次元的に配設された画像表示素子８４と、画像表示素子８４を駆動して所定の画像を表示させる表示駆動手段８５と、画像表示素子８４による表示画像を縮小する縮小光学素子８６とを有している。
画像表示装置８０はまた、縮小光学素子８６からの光が入射しこの光を偏向させる、上述したもののうちの何れかの光偏向装置１と、光偏向装置１において印加する電圧を制御するための光偏向電圧制御手段８７と、光偏向装置１によって偏向された光を拡大し画像光とする投射レンズ８８と、投射レンズ８８を透過した光が投射される光学部材としてのスクリーン８９と、光源駆動手段８２と表示駆動手段８５と光偏向電圧制御手段８７とを制御し、スクリーン８９によって観察される画像の見かけ上の画素数を増加させるための制御手段としての画像表示制御回路９０とを有している。
光源８１は、ＬＥＤランプやレーザー光源、白色のランプ光源にシャッターを組合わせたもの等、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦできるものであればどのようなものでも良い。光源駆動手段８２による光源８１のＯＮ／ＯＦＦは画像表示駆動制御回路９０によって制御され、光源８１は画像表示素子８４を照明する。照明装置８３は、拡散板９１と、コンデンサレンズ９２等を有しているが、フライアイレンズ等を用いることができる。画像表示素子８４は、画像表示駆動制御回路９０からの画像情報に従って表示駆動手段８５によって駆動されることで光を制御可能なものであり、カラーフィルターを組み合わせた透過型液晶ライトバルブを用いているが、カラーフィルターの組み合わせは任意であり、また透過型液晶ライトバルブの代わりに反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができる。
縮小光学素子８６は、マイクロレンズ、コリメートレンズなどから構成される。その縮小量は画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。光偏向装置１の配設位置は画像表示素子８４とスクリーン８９との間の、画像表示装置から表示される画素のデフォーカス位置であり、表示画像の解像度を劣化させない構成とする。光偏向装置１は画像表示素子８４及び縮小光学素子８６の後方に配置され、画像表示制御回路９０によって制御される光偏向電圧制御手段８７により、上述したもののうち何れかの電界印加手段による印加電圧を制御することで、画像光を画素の配列方向に任意の距離だけシフトする。
光偏向装置１による光のシフト量は、縮小量と同様に画素ピッチの整数分の１であることが好ましく、シフト量と縮小量が等しい場合シフトした画素が重なることはない。そのため、画素シフト効果により解像度をおとすこともない。また、シフト量と縮小量が異なる場合にはシフトした画素は重なる、あるいは画素間が広がるなどして解像度をおとす原因となるが、表示画像に問題がない程度であれば、シフト量と縮小量は等しくなくてもよい。画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行う場合は画素ピッチの１／２にし、３倍の画素増倍を行う場合は画素ピッチの１／３にする。また、光路偏向電圧制御手段の構成によってシフト量が大きくなる場合には、シフト量、画素縮小量を画素ピッチの(整数倍＋整数分の１)の距離に設定しても良い。
いずれの場合も、画像表示制御回路９０による制御によって、画素のシフト位置に対応した、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の画像信号で画像表示素子８４を駆動し、かかるサブフィールド毎に画像表示素子８４とスクリーン８９との間の光路が光偏向装置１により偏向される。したがって、画像表示制御回路９０による制御により、光源８１から放出された光は、拡散板９１により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ９２により画像表示素子８４をクリティカル照明され、画像表示素子８４で空間光変調された照明光は、画像光として投射レンズ８８で拡大されスクリーン８９に投射され、スクリーン８９に投射された画像は、見かけ上の画素数が増加した状態で観察される。
よって使用した画像表示素子８４の解像度以上の高精細でコントラストの良い画像を表示することが出来る。例えば、図１４に示すように、画像表示素子８４の画素ピッチＨに対し、シフト量をＩとすることで、スクリーン８９上における見かけ上の画素ピッチがＪとなっており、見かけ上の画素増倍効果が得られているから、使用した画像表示素子８４の解像度以上の高精細でコントラストの良い画像を表示することが出来る。また、スメクチックＡ相の液晶を用いた光偏向装置１を用いているので、光偏向動作の応答速度が非常に速いため、応答速度の遅い光偏向を行う際に問題となるちらつき、フリッカー等が発生せず、高精細でコントラスト低下の少ない、高解像度、高画質の画像表示装置となっている。
画像表示装置８０は、光源８１に白色のランプを用い、画像表示素子８４にカラーフィルターを組み合わせた透過型液晶ライトバルブを用いることで、カラーの画像表示を行うことが可能となっている。フルカラーの画像表示は、単板の画像表示素子を時間順次に三原色光で照明するフィールドシーケンシャル方式によって行うこともできる。この時、白色ランプ光源と回転カラーフィルターを組み合わせて時間順次の三原色光を生成しても良い。
図１５に、画像表示装置８０に適用可能な光偏向素子の配置の一例を示す。この光偏向素子９３は、光偏向装置１に備えられるものである。光偏向素子９３、光偏向装置１はそれぞれ、図５に示した本発明の第２の実施の形態にかかる光偏向素子４１、光偏向装置４０に対応するものである。光偏向素子９３の鋸歯形状は、矢印Ｋで示す方向に平行なその稜線が、図１５における紙面の左右方向に向けて並ぶように、アレイ状に形成され、鋸歯アレイとなっている。画像表示素子８４を出射する光９４は、矢印Ｌで示す、図１５における紙面の左右方向に偏光した直線偏光である。Ｋ方向は、図５における座標系のＹ軸方向に対応しており、Ｌ方向は、図５における座標系のＺ軸方向に対応している。
よって光偏向素子９３を備えた画像表示装置では、光９４の全体を、矢印Ｍで示すように、図１５における紙面の左右方向に画素シフトさせることができ、スクリーン８９上に画素が倍増した観察画像を得ることができる。この例では矢印Ｍで示す１方向において画素数が増加した状態で観察される。なお、Ｍ方向は、図５における座標系のＺ軸方向に対応している。このような遮光部を設けた光偏向素子９３を用いることで、画面の横方向シフトすなわちＫ方向に直交するＭ方向へのシフトにおいて、上述のように高精細でコントラスト低下の少ない等の効果を奏する画像表示装置が実現される。
このような画像表示装置に搭載可能な、上述した種々の光偏向装置はまた、画像形成エンジンとして発光体アレイ等を用いた光書込み装置に搭載され、かかる発光体アレイに備えられ所定の間隔で配列された発光部材から放射された光の照射位置の間隔を、かかる所定の間隔よりも小さくさせることに用いられる。さらには、かかる光偏光装置は、かかる光書き込み装置に搭載された状態で、この光書込み装置を用いた複写機、ファクシミリ、プリンタ等あるいはこれらの複合機すなわちＭＦＰ等の画像形成装置に搭載されることが可能なものである。そこで、かかる光書き込み装置を以下説明する。
図１６は、かかる光書き込み装置９５がかかる画像形成装置に搭載された場合を示しており、記録体αはかかる画像形成装置に備えられた、感光体等の像担持体に相当するものである。光書き込み装置９５は、かかる画像形成装置に一般的に搭載されている、ポリゴンミラー等を用いた光書き込み装置であるが、ポリゴンミラー等、図１６に示した構成以外の構成は本発明の本質に大きな影響を与えるものではないので、その説明は省略する。同様の理由で、かかる画像形成装置の構成についてもその説明は省略する。
図１６に示すように、光書き込み装置９５は、複数個の発光部材としての発光体９６を、予め決められた所定の間隔すなわち画素ピッチＱでＲ方向に配列した状態で備えている発光体アレイ９７と、発光体アレイ９７に近接して配設され各発光体９６が出射し放射したそれぞれの光４５を集光して発光スポットの輝度分布を変化させ、記録体α上での書き込みスポット形状を制御するための図示しないマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイを透過した光４５を記録体α上に集束させる図示しないレンズと、このレンズを透過した光４５を発光体９６の配列方向Ｒとほぼ平行なＳ方向に電気的にシフト可能な光路シフト手段２とを有している。
光路シフト手段２は、発光体アレイ９７から記録体αに向かう光４５の光路上に配置されており、図示を省略するが、上述したもののうちの何れかの光偏向装置を、発光体９６のそれぞれに対応して、間隔ＱでＲ方向に配設した状態で有している。発光体９６としては、ＬＥＤすなわち発光ダイオード、レーザダイオードすなわち半導体レーザ等の光源を用いることができ、またこのような光源と液晶シャッターを組み合わせたもの、かかる光源とマイクロミラーを組み合わせたものなどを用いることができる。
発光体９６は、記録体α上での高精細な画素露光を行なうためには、その面積が小さく、放射する光４５の指向性が高いことが好ましい。また、発光体９６から放射される光４５の波長は、発光材料やフィルタの特性より設計可能であり、書き込み装置９５により書き込みが行われる記録体αの分光感度に応じて適宜設定される。発光体アレイ９７はこれらの発光体９６を一次元あるいは二次元状に複数個配列した状態で有している。
マイクロレンズアレイとしては液晶マイクロレンズアレイを用いることができ、電界による可変焦点機能により記録体α上での露光スポットサイズを可変としても良い。発光体９６が放射した光を記録体α上に集束させるレンズとしては、球面レンズ、非球面レンズ、屈折率分布型レンズアレイなどを用いることが出来るが、光学系の小型化のためには物体像面間距離が短くできる屈折率分布型レンズアレイすなわちセルフォックレンズアレイが好ましい。このレンズの一部に液晶層を設けて液晶レンズとし、電界による可変焦点機能により記録体α上での露光スポットサイズを可変としても良い。
ここで、発光体９６の画素ピッチＱすなわち配列ピッチＱがＰμｍであるとすると、光路を、光路シフト手段２によって、記録体α上において、発光体９６の配列方向ＲにＰ／２μｍの距離だけ高速にシフトすることで、画素間を補間した２倍の画素密度の露光が可能となる。
このような構成の光書込み装置９５では、発光体アレイ９７に所定のピッチＱで配列された発光体９６が画像形成装置において形成すべき画像に対応した画像信号に応じて駆動され、発光体９６から光が放射される。発光体９６から放射された光４５は、図示しないレンズを透過することにより記録体α上において収束される状態とされ、次にマイクロレンズアレイを透過することにより記録体α上における露光スポットが制御された状態とされ、さらに光路シフト手段２を透過することにより光４５の光路がＲ方向にシフトされて、記録体α上の、破線で示す矢印の位置又は鎖線で示す矢印の位置の何れかに集束され、これによって、記録体αが露光される。
ただし、光路シフト手段２によるかかるシフトは電界の極性をスイッチング動作によって高速で切り替えられながら行われるため、記録体α上の、破線で示す矢印の位置又は鎖線で示す矢印の位置は、ほぼ一直線上に位置する。このような高速の切り替えは、光路シフト手段２に備えられた光偏向装置がスメクチックＡ相の液晶を用いており、光偏向動作の応答速度が非常に速いという利点によって実現されている。このような光路シフト機能を発揮する光路シフト手段２により、発光体アレイ９７からの光４５が記録体αに対して相対的に移動することで、二次元の画像情報が記録体α上に露光される。
露光のピッチＴに関しては、光書込み装置９５は、光路シフト手段２に備えられた光偏向装置を電界駆動制御することにより発光体９６から記録体α上の書き込み位置に向けて放射された光４５をシフトさせ、これによって記録体α上の書き込み位置における光の間隔Ｔを画素ピッチＱよりも小さくすることで、画素ピッチＱ間が補完された光照射を記録体αに対して行なう。したがって、解像度の低い発光体アレイを用いても、高解像度の画像露光が可能である。
光路シフト手段２は、発光体アレイ９７に備えられた各発光体９６のそれぞれに対応して光偏向装置を有しているため、各発光体９６から放射される光の位置がずれた場合においても、光偏向装置の駆動制御により等間隔で画素ピッチ間を補完することができる。すなわち、経時劣化などによる影響も抑えることができ、常に安定した高解像度の画像露光が可能である。
以下、上述した形態の光偏向装置、画像表示装置、光書き込み装置の何れかに対応する、光偏向装置、画像表示装置、光書き込み装置の実施例を説明する。ただし、かかる光偏向装置、画像表示装置、光書き込み装置の利点を明らかにすべく、その説明に入る前に、従来の光偏向装置の例を、比較例として説明し、その後、各実施例について説明する。
（比較例）
この例は、本発明にかかる光偏向装置と異なり、本発明にかかる光偏向装置においてスペーサーが配設されている部分に、電極が配設されているものである。この光偏向装置は、大きさ３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１．１ｍｍのガラス基板の表面にポリイミド系の液晶水平配向剤をスピンコートにより塗布し、１２０℃の高温槽に入れてベーク処理をし、配向膜を形成したものである。その後、ラビング処理を施し液晶の配向方向を一定方向に規制するようにした。
厚さ１０μｍ、幅１ｍｍ、長さ３ｃｍの２本のアルミ電極シートをラビング方向と平行にし、スペーサーとして、配向膜を内面にして二枚のガラス基板を張り合わせた。２本のアルミ電極シートは平行で、その間隔は２ｍｍとした。基板を加熱した状態で、二枚の基板間にスメクチックＡ−Ｃ相の相転移を有する強誘電性液晶を毛管法にて注入し、冷却後、ＵＶ接着剤により封止した。
このようにして作製した光偏向素子の入射面側に５μｍ幅のライン／スペースのマスクパターンを設け、このマスクパターン側からコリメートした直線偏光で照明した。直線偏光の向きは、アルミ電極シートの長手方向と同一に設定した。マスクパターンを透過した光を光偏向素子の２本のアルミ電極シートの間を通して顕微鏡で観察した。パルスジェネレータと高速パワーアンプを用い矩形電圧を印加したところ、マスクパターンが平行にシフトして観測された。
しかし電極付近と電極間中心付近ではシフト量は異なっていた。これは場所によって、電界強度にムラがあるためと思われる。電極をスペーサーとしたため電極間の距離が大きく、電極付近の電界は強く、電極間の中心付近では電界が弱いため、電界の強度に傾斜が依存する液晶分子の傾きが、電界を印加したときに、電極付近では大きく、電極間中心付近では小さくなるため、電極付近においては光のシフト量が十分であるのに対し、電極間中心では光のシフトが不十分となっていると考えられるからである。
（実施例１）
本実施例は、第３の実施の形態にかかる光偏向装置５０に対応するものである。この光偏向装置は、大きさ３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１．１ｍｍのガラス基板の表面に、ＩＴＯ蒸着によって、ライン幅１０μｍ、ラインピッチ１００μｍ、ライン長さ２ｃｍの電極であって、幅２ｍｍの中に２０本のＩＴＯ電極ラインを形成したものである。ラインの一端は電源からの接点を得るために幅とピッチを大きく作成した。ＩＴＯ電極ライン上および電極の無い基板にポリイミド系の液晶水平配向剤をスピンコートにより塗布し、１２０℃の高温槽に入れてベーク処理をした。その後、ライン電極線方向にラビング処理を施し、液晶分子を一定方向に水平配向させるようにした。
基板間のスペーサーは厚さ１０μｍのマイラーシートを２本用いて、配向膜を内面にしてライン電極有りと無しの二枚のガラス基板を張り合わせた。２本のマイラーシートは平行で、その間隔はライン電極間の２ｍｍとした。基板を加熱した状態で、二枚の基板間にスメクチックＡ−Ｃ相の相転移を有する強誘電性液晶を毛管法にて注入し、冷却後、ＵＶ接着剤により封止した。このようにして第３の実施の形態にかかる光偏向装置５０に備えられた光偏向素子２１に類似の光路偏向素子を作製した。
作製した光偏向素子をクロス二コル下に設置して温度を調節し、電傾効果による傾き角、応答速度を測定したところ、測定温度２９℃において、電場：５Ｖ／μｍのとき傾き角：８°であり、電場：１５Ｖ／μｍのとき傾き角：１２°であり、電場：２５Ｖ／μｍのとき傾き角：１３°であった。また、測定温度３８℃においては、電場：5Ｖ/μｍのとき傾き角：３°、電場：１５Ｖ／μｍのとき傾き角：６．５°、電場：２５Ｖ／μｍのとき傾き角：１０°であり、傾き角は温度、電場に依存した。応答速度は５０μｓｅｃ以下と高速応答であった。
光偏向動作を確認するために、作製した光偏向素子の光入射面側に５μｍ幅のライン／スペースのマスクパターンを設け、このマスクパターンを通して直線偏光で照明した。マスクパターンを透過した光を光偏向素子のＩＴＯ電極ラインの間を通して顕微鏡で観察した。無電界時にはマスクパターンがそのまま観察された。ここで、２０本のＩＴＯ電極ラインの一端に導線を接続し、光偏向素子面の電界強度が段階的になるように、それぞれ抵抗値が異なる抵抗素子を図６に示した第３の実施の形態にかかる光偏向装置５０に備えられた電界印加手段５１と類似の態様で各電極間に接続した。直列抵抗素子の両端にパルスジェネレータと高速パワーアンプを用いて、±２００Ｖの矩形波電圧を印加したところ、素子中心部付近でマスクパターンがシフトしている動作が確認できた。観察位置を変化させたところ、比較例で観察されたようなシフト量のムラは確認されず、均一なシフトが得られていた。これは、ライン電極を用いたことにより電界が安定して印加されたことによると考えられる。また電圧値によってシフト量は変化した。
（実施例２）
本実施例は、シフト量について、入射する直線偏光の偏向方向と液晶分子の初期配向の配向方向との関係を確認するためのものである。すなわち、本実施例では、実施例１と同様にして、光偏向素子の作製および光偏向動作の確認をし、その際に、入射する直線偏光の方向を回転させて光偏向動作を観察した。そうすると、直線偏光方向がラビング方向と一致しているときに光路シフト量が一番大きくなり、ラビング方向と直交するときには光偏向動作は確認されなかった。このことは、入射光の偏光方向が液晶分子の初期配向と一致しているときに、効率よく光偏向動作が行われていることを示している。
（実施例３）
本実施例は、第５の実施の形態にかかる光偏向装置７０に対応するものである。この光偏向装置は、大きさ３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１ｍｍのガラス基板をドライエッチング法により、傾き角が約１°、ピッチ１００μｍの鋸歯形状を１ｃｍ×１ｃｍの面積に形成した後、鋸歯状面にＩＴＯ電極を１５００Åの厚さでスパッタした。次にポリイミド配向剤を約８００Åの厚さに塗布し、その基板表面を、ホモジニアス方向の安定方向が傾斜領域の傾斜方向に垂直な方向になるような条件でラビング法により配向処理を行った。すなわち鋸歯形状の刻線方向に配向処理を行った。
平滑な面のＩＴＯ電極付きガラス基板を対向基板として、液晶層厚の小さい部分が３μｍになるようにビーズを混入した接着剤を用いて貼り合わせた。その後、基板を加熱した状態で、２枚の基板間にスメクチックＡ−Ｃ相の相転移を有する強誘電性液晶を毛管法にて注入し、冷却後、ＵＶ接着剤により封止した。このようにして第５の実施の形態にかかる光偏向装置７０に備えられた光偏向素子７１に類似の光路偏向素子を作製した。作製した光偏向素子の傾き角、応答速度の特性は実施例１とほぼ同様であった。
ここで、作製した光偏向素子に電圧を印加して駆動させた。印加電圧はファンクションジェネレイターを用いて±２０Ｖの矩形波電圧を印加した。素子への入射光は約１ｍｍ径の白色レーザー光を用い、波長選択フィルター（５８８ｎｍ）を通過させて入射光の波長を設定した。さらに素子とレーザー装置の間に偏光板を設置し、直線偏光の方向を鋸歯刻線方向から１５°傾けて設定し、鋸歯形状アレイ位置へ入射させた。このようにして素子を動作させ、素子を通過する透過光をＣＣＤカメラにより観察した。ＣＣＤカメラは素子からおよそ１ｍ離した距離に設置した。その結果、電圧の切り換えによって透過光が偏向することが確認できた。本実施例では、基板間隔が小さいため、実施例１に比べて低電圧化することができた。
（実施例４）
本実施例は、光偏向素子については、第２の実施の形態にかかる光偏向装置４０に備えられた光偏向素子４１に対応するものであり、電界印加手段については、第３の実施の形態にかかる光偏向装置５０に備えられた電界印加手段５１に対応するものである。この光偏向装置は、光偏向素子に備えられる鋸歯状基板に関しては、実施例３と同様にしてドライエッチング法により作製した。またこの鋸歯状基板に対向するもう１つの基板である平滑基板には、実施例１と同様のＩＴＯライン電極を形成した。
この２枚の基板面にポリイミド配向剤を塗布し、ラビング処理を施した。ラビング方向はライン電極の線方向とし、配向処理の施している面が対向するように３μｍの大きさのビーズを混入した接着剤を用いて基板を貼り合わせた。その際、鋸歯形状の刻線方向とライン電極の線方向が平行となるように張り合わせた。貼り合せ後、基板を加熱した状態で、二枚の基板間にスメクチックＡ−Ｃ相の相転移を有する強誘電性液晶を毛管法にて注入し、冷却後、ＵＶ接着剤により封止した。このようにして第２の実施の形態にかかる光偏向装置４０に備えられた光偏向素子４１に類似の光路偏向素子を作製した。
実施例１と同様にして、光路偏向素子の入射面側に５μｍ幅のライン／スペースのマスクパターンを設け、このマスクパターンを通して直線偏光で照明した。マスクパターンを透過した光を光路偏向素子のＩＴＯ電極ラインの間の中央部近傍を通して顕微鏡で観察した。無電界時にはマスクパターンがそのまま観察された。ここで、２０本のＩＴＯ電極ラインの一端に導線を接続し、光偏向素子面の電界強度が段階的になるように、それぞれ抵抗値が異なる抵抗素子を図６に示した第３の実施の形態にかかる光偏向装置５０に備えられた電界印加手段５１と類似の態様で各電極間に接続した。直列抵抗素子の両端にパルスジェネレータと高速パワーアンプを用いて、±２００Ｖの矩形波電圧を印加したところ、素子中心部付近でマスクパターンがシフトしている動作が確認できた。このシフト量は、本実施例では鋸歯状基板を用いているため、実施例１に比べて大きかった。
（実施例５）
本実施例は、第４の実施の形態にかかる光偏向装置６０に対応するものである。この光偏向装置は、光偏向素子に関しては、実施例１と同様にして作製した。ここで、２０本のＩＴＯ電極ラインの一端に導線を接続し、光偏向素子面の電界強度が段階的かつ周期的になるように、図８に示した第４の実施の形態にかかる光偏向装置６０に備えられた電界印加手段６２と類似の態様で、直列抵抗を各電極間に、各抵抗素子の抵抗値が周期的になるように接続した。
この状態で直列抵抗素子の両端にパルスジェネレータと高速パワーアンプを用いて、矩形波電圧を印加したところ、素子中心部付近でマスクパターンがシフトしている動作が確認できた。このときのシフト量は周期的に設定した抵抗値のピッチから計算される値とほぼ一致しており、光偏向動作は回折によるもであった。本実施のようにして光偏向動作をしたとき、観察されたマスクパターンは実施例１と比べてゴーストが少なく、はっきりとしたものであった。これは光偏向作用が全て回折により偏向されているためと推測できる。
（実施例６）
本実施例は、第３の実施の形態にかかる光偏向装置５０に備えられた光偏向素子２１に対応する、実施例１と同様にして作製した光偏向素子に、図１２に示して説明した温度検知手段２６及び温度制御手段２７に対応する温度制御装置を取り付けたものである。ここで用いている強誘電性液晶は、２５℃から４０℃程度の範囲で電傾効果を示し、測定温度２９℃において、電場：５Ｖ／μｍのとき傾き角：８°であり、電場：１５Ｖ／μｍのとき傾き角：１２°であり、電場：２５Ｖ／μｍのとき傾き角：１３°であった。また、測定温度３８℃においては、電場：５Ｖ／μｍのとき傾き角：３°であり、電場：１５Ｖ／μｍのとき傾き角：６．５°であり、電場：２５Ｖ／μｍのとき傾き角：１０°であった。
光偏向素子の温度制御装置は、温度制御手段２７に相当する、加熱手段としての加熱ヒーターおよび駆動制御手段１９に相当する温度制御回路を有するとともに、温度検知手段２６に相当する、温度検知素子としての温度センサーおよび温度測定手段としての温度測定回路を有するものとした。温度制御装置としてＬＩＮＫＡＭ社製液晶セル加熱装置ＴＨ６００と安立計器製デジタル温度計を改造して使用した。図１２に沿って説明した構成と同様、加熱ヒーターの間には透過窓があるため光路を遮ることは無い。図１２に沿って説明した例では加熱ヒーターが光偏向素子の一方の面に接しているため光偏向素子の表面と裏面で温度差が生じるので、本実施例では温度センサーを素子の両面に配置し、両者の平均値を光偏向素子の温度として検出するように設定した。
ここで、温度制御装置の設定温度を電傾効果を示さない温度領域５０℃から６０℃に設定したところ、実施例１と同様にして電圧印加により駆動しても光偏向動作は確認できなかった。そこで温度制御装置の設定温度を２５℃から４０℃の範囲に制御し、電圧印加により駆動したところ、安定した光路シフト量を制御することが出来た。
（実施例７）
本実施例は、第３の実施の形態にかかる光偏向装置５０に備えられた光偏向素子２１に対応する、実施例１と同様にして作製した光偏向素子に、実施例６と同様に温度制御装置を取り付け、これを２組用いて光偏向装置を構成し、図１３に示して説明した画像表示装置８０に対応する画像表示装置に適用したものである。この画像表示装置は、画像表示素子として対角０．９インチＸＧＡ（１０２４×７６８ドット)のポリシリコンＴＦＴ液晶ライトバルブを用いたものである。かかる画像表示素子の画素ピッチは縦横ともに約１８μｍである。画素の開口率は約５０％である。また、画像表示素子の光源側にマイクロレンズアレイを設けて照明光の集光率を高める構成とした。
本実施例では、光源としてＲＧＢ三色のＬＥＤ光源を用い、上記の一枚の液晶パネルに照射する光の色を高速に切換えてカラー表示を行う、いわゆるフィールドシーケンシャル方式を採用している。本実施例では、画像表示のフレーム周波数が６０Ｈｚ、ピクセルシフトによる４倍の画素増倍のためのサブフィールド周波数が４倍の２４０Ｈｚとする。一つのサブフレーム内をさらに３色分に分割するため、各色に対応した画像を７２０Ｈｚで切換える。液晶パネルの各色の画像の表示タイミングに合わせて、対応した色のＬＥＤ光源をＯＮ／ＯＦＦすることで、観察者にはフルカラー画像が見える。
各光偏向素子の基本構成は実施例１と同様であるがライン電極の有効領域を１８ｍｍとした。また、加熱ヒーターとして透明フィルムヒーター(帝人製Ｔ−ＣＯＡＴタイプＦ)を用いた。透明ヒーター面を光偏向素子基板に密着させて配置した。光偏向素子のガラス基板の大きさと透明ヒーターの大きさは３ｃｍ×４ｃｍとした。透明ヒーターの表面抵抗値は５００Ω／□であり、１５Ｖの電圧を印加したところ、ヒーターの表面は一分間に１２℃昇温した。
このヒーター付きの素子を２組用い、入射側を第１の光偏向素子、出射側を第２の光偏向素子とし、互いの透明電極ラインの方向が直交し、画像表示素子の画素の配列方向に一致するように配置した。本実施例では液晶ライトバルブからの出射光が既に直線偏光であり、その偏光方向が第１の光路偏向素子の光路偏向方向と一致するように配置されているが、光路偏向素子への入射光の偏光度を確実にするために、光路偏向素子の入射面側に偏光方向制御手段として直線偏光板を設けた。このことにより、第１の光偏向素子で偏向されずに直進してしまうノイズ光の発生が防止できた。
さらに、第１の光路偏向素子および第２の光路偏向素子の間に偏光面回転素子を設けた。偏光面回転素子は、薄いガラス基板（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ０．１５ｍｍ）上にポリイミド系の配向材料をスピンコートし、約０．１μｍの配向膜を形成したもので、ガラス基板のアニール処理後、ラビング処理を行った。２枚のガラス基板の間の周辺部に８μｍ厚のスペーサーを挟み、ラビング方向が直交するように上下基板を張り合わせて空セルを作製した。このセルの中に、誘電率異方性が正のネマチック液晶にカイラル材を適量混合した材料を常圧下で注入し、液晶分子の配向が９０度捻じれたＴＮ液晶セルを作成した。このセルには電極を設けていないため、単なる偏光回転素子として機能する。
第１の光路偏向素子から出射した光の偏光面と偏光回転素子の入射面のラビング方向が一致するように、２つの光路偏向手段の間に挟んで配置した。偏光面回転素子により第１の光路偏向素子からの出射光の偏光面が９０度回転し、第２の光路偏向素子の偏向方向に一致する。第１の光偏向素子、偏光面回転素子、第２の光偏向素子を備えた光偏向装置を構成し、液晶ライトバルブの直後に設置した。
光偏向素子の温度を３０度に設定し、光偏向素子を駆動する矩形波電圧の電圧を±５ｋＶ(平均電界は±２８０Ｖ／ｍｍ)、周波数を１２０Ｈｚとし、２枚の縦と横の位相を９０度ずらして、４方向に画素シフトするように駆動タイミングを設定した。最終的な画像表示素子に表示するサブフィールド画像を２４０Ｈｚで書き換えることで、縦横２方向に見かけ上の画素数が４倍に増倍した高精細画像が表示できた。
（実施例８）
本実施例は、第３の実施の形態にかかる光偏向装置５０に備えられた光偏向素子２１に対応する、実施例１と同様にして作製した光偏向素子を、図１６に示して説明した光書き込み装置９５に対応する光書き込み装置に適用したものである。発光体アレイは発光体としてのＬＥＤをアレイ状にしたものであり、画素ピッチは３０μｍとした。光書き込み装置は記録体上に光を集束させるためにマイクロレンズアレイを有している。このような構成の光書き込み装置を用いて、記録体に画像を露光した。光偏向素子を駆動せずに露光した画像は発光体アレイの画素ピッチと同様のピッチであった。光偏向素子を駆動して露光したところ、記録された画像は発光体アレイの画素ピッチより細かくなっており、高精細なものであった。
以上、本発明を適用した種々の構成例を説明したが、電界形成手段は、所望の偏向を得るための所望の電界を形成できるよう、電界の強度と向きとのうち少なくとも一方を変化させるようにすることができるものである。また、実施例４に説明したように、基板の少なくとも一方が鋸歯形状をなす光偏向素子に、抵抗値が漸増又は漸減する態様で抵抗素子を配設した電界形成手段によって電界を形成させる構成としても良いし、基板の少なくとも一方が鋸歯形状をなす光偏向素子に、抵抗値が周期的に変化する態様で抵抗素子を配設した電界形成手段によって電界を形成させる構成としても良い。また、実施例７に説明したように、光偏向装置が複数の光偏向素子を備えていても良い。実施例７、図１６を用いて説明した例等のように、複数の光偏向素子を備えている場合には、これに電界を形成するための電源を共通化するなど、電界形成手段の一部を共通化することができる。
本発明の第１の実施の形態にかかる光偏向装置の概略を示す図である。 図１に示した光偏向素子の平面図、正面図及び側面図である。 電計効果を説明するためのモデル図である。 図２に示した光偏向素子に電界を印加した際の液晶分子の様子を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる光偏向装置の概略とその平面図及び側面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる光偏向装置の概略を示す図である。 図６に示した光偏向素子における電界強度及び屈折率分布のモデル図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる光偏向装置の概略を示す図である。 図８に示した光偏向素子における屈折率分布のモデル図である。 本発明の第５の実施の形態にかかる光偏向装置の概略を示す図である。 図１０に示した光偏向素子に電界を印加した際の液晶分子及び光の偏向の様子を示す平面図である。 図１に示した光偏向装置に温度検知手段及び温度制御手段を配設した構成を示す概念図である。 本発明を適用した光偏向装置を備えた画像表示装置の構成を示す概念図である。 図１３に示した画像表示装置により表示される画像の様子を示す概念図である。 図１３に示した画像表示装置であって、基板が鋸歯状とされている光偏向素子を備えた光偏向装置を搭載した画像表示装置において、かかる光偏向素子による光の直線偏光の方向及び偏向方向を示す概念図である。 本発明を適用した光偏向装置を備えた光書き込み装置の構成を示す概念図である。
符号の説明
１，３０，４０，５０，６０，７０ 光偏向装置
１１，４２，７２ 基板
１２ 液晶層
１３ 液晶分子
１４，４４，７６，７７ 配向膜
１５，７４，７５ 電極
２０，４５，９４ 光
２１，４１，６１，７１，９３ 光偏向素子
２２，５１，６２，７８ 電界形成手段
２６ 温度検知手段
２７ 温度制御手段
４３ 鋸歯形状となる面
５２，５３，５４ 電極間の電界を漸増させる抵抗素子
６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６５ａ、６５ｂ、６５ｃ 電極間の電界を周期的に変化させる抵抗素子
８４ 画像表示素子
８９ 光学部材
９０ 画像表示制御手段
９６ 発光部材
Ａ 電極の延設方向
Ｂ 液晶分子の配向方向
Ｄ 光の直線偏光の方向
Ｒ 発光部材の配列された方向

Claims (12)

  1. 互いに対向する一対の基板と、キラルスメクチックＡ相によって構成され上記基板の間に位置する液晶層と、この液晶層を形成する液晶分子を上記基板に水平配向させる配向膜と、互いにほぼ平行に配設され、上記基板の配設面に対してほぼ平行な方向に長い複数の電極とを有する光偏向素子と、
    上記電極により上記配設面に対してほぼ平行な方向に電界を形成するための電界形成手段とを有し、
    上記電界形成手段による電界形成が行なわれていない状態の上記液晶分子の配向方向と上記電極の延設方向とがほぼ平行であり、
    上記電界形成手段により形成される電界の強度及び／又は向きを変化させることにより上記光偏向素子を透過する直線偏光の光を偏向させることを特徴とする光偏向装置。
  2. 請求項１記載の光偏向装置において、上記液晶分子の配向方向が、上記光偏向素子を透過する光の直線偏光の方向とほぼ平行であることを特徴とする光偏向装置。
  3. 請求項１または２記載の光偏向装置において、上記電界形成手段が、上記電極のそれぞれの間に配設され、上記電極のそれぞれの間の電界の強度を、上記電極のうち一方の端部側に位置する電極から他方の端部側に位置する電極に向かう方向において、漸増又は漸減させるための抵抗素子を有することを特徴とする光偏向装置。
  4. 請求項３記載の光偏向装置において、上記抵抗素子の抵抗値が、上記電極のうち一方の端部側に位置する電極から他方の端部側に位置する電極に向かう方向において周期的に変化することを特徴とする光偏向装置。
  5. 請求項１ないし４の何れか１つに記載の光偏向装置において、上記基板の少なくとも一方が、他方に対向する側に、断面が鋸歯形状となる面を有することを特徴とする光偏向装置。
  6. 互いに対向する一対の基板と、キラルスメクチックＡ相によって構成され上記基板の間に位置する液晶層と、この液晶層を形成する液晶分子を上記基板に水平配向させる配向膜と、互いにほぼ平行に配設され、上記基板の配設面にほぼ平行な電極とを有する光偏向素子と、
    上記電極により上記配設面に対してほぼ垂直な方向に電界を形成するための電界形成手段とを有し、
    上記基板の少なくとも一方が、他方に対向する側に、断面が鋸歯形状となる面を有し、
    上記電界形成手段により形成される電界の強度及び／又は向きを変化させることにより上記光偏向素子を透過する直線偏光の光を偏向させることを特徴とする光偏向装置。
  7. 請求項１ないし６の何れか１つに記載の光偏向装置において、上記光偏向素子の温度を検知する温度検知手段を有することを特徴とする光偏向装置。
  8. 請求項７記載の光偏向装置において、上記温度検知手段により検知した温度に基づいて、上記光偏向素子の温度を制御する温度制御手段を有することを特徴とする光偏向装置。
  9. 複数の画素が２次元的に配設された画像表示素子と、上記画像表示素子に表示した画像を観察するための光学部材と、この光学部材と上記画像表示素子との間に配設された請求項１ないし８の何れか１つに記載の光偏向素子と、上記画像表示素子に画像を表示させるタイミングに同期して上記偏向素子による光の偏向を変化させることで、上記光学部材によって観察される画像の見かけ上の画素数を増加させるための画像表示制御手段とを有することを特徴とする画像表示装置。
  10. 所定の間隔で配列され書き込み位置に向けて光を出射する複数の発光部材と、これら発光部材から出射されたそれぞれの光を、同発光部材の配列された方向に偏向させ、書き込み位置における光の間隔を上記所定の間隔よりも小さくするための請求項１ないし８の何れか１つに記載の光偏向素子とを有することを特徴とする光書き込み装置。
  11. 請求項１０記載の光書き込み装置において、上記光偏向素子が、上記発光部材のそれぞれに対応して配設されていることを特徴とする光書き込み装置。
  12. 請求項１０又は１１記載の光書き込み装置を有する画像形成装置。
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