JP4485773B2 - Optical deflection device and image display device - Google Patents
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Description
本発明は、液晶を用いた光偏向装置、及び、この光偏向装置を備えた画像表示装置に関する。 The present invention relates to an optical deflecting device using liquid crystal and an image display device including the optical deflecting device.
液晶材料を用いた光偏向素子である光学素子については、従来、各種提案がなされている(特許文献1〜3を参照)。
Various proposals have heretofore been made for optical elements that are light deflection elements using liquid crystal materials (see
また、ピクセルシフト素子に関しても、従来、各種提案がなされている(特許文献4〜7を参照)。
Various proposals have been made regarding pixel shift elements (see
光偏向素子に関する技術について、まず、特許文献1では、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。
Regarding the technology relating to the optical deflection element, first, in
また、特許文献2には、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。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。
特許文献1の技術においては、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。また、特許文献2の技術においては、スメクチックA相強誘電液晶を用いて電傾効果によるスイッチングを提案しているが、電傾効果は、温度依存性が高く安定したシフトが望めない。
In the technique of
そこで、特許文献3においては、光学的に透明な共通電極を有する第1窓と、電気的に束ねた平行ストライプ形状をした多数の透明導電電極を有する第2窓と、第1窓と第2窓の中間に設けられた液晶分子層とを含む光学要素を備え、光学装置は、光学ビームが第1窓に入射して第2窓により反射又は透過されるように位置決めされ、さらに、制御信号を各セルの外側の電極に個々に印加する手段を備えることにより、接合電極に沿い、また、セル領域を通して直線情報の電圧傾度を発生させ、それにより、LCの電子光学特性の直線又は非直線部分により液晶層に屈折率の局部的な変化を生ぜしめす様に構成されていることを特徴とする光学ビームを波面変調する装置を提案している。また、その請求項4において、0度と3度間の予め定めた傾斜角度でCL層のLC電子光学特性の直線部分内からの電圧で活性区域をアドレスすることにより、透過又は反射光学波面からなるブレーズ効果をもつ相特性を発生することによって光学ビームを偏向するのに使用される事を特徴とする装置を提案している。
Therefore, in
この特許文献3の技術によれば、液晶としてやはりネマチック液晶を使用しているため、特許文献1のものと同様、高速応答性を必要とする用途には適さない。また、特許文献3においては、平行ストライプ形状をした透明導電電極について記載されているが、この構造においては、本発明の課題として述べている電界の局所的な変動が発生する可能性があり、均一な光偏向量を得にくい。
According to the technique of
次に、ピクセルシフト素子に関する技術について、まず、特許文献4には、表示素子に表示された画像を投写光学系によりスクリーン上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1個以上と複屈折効果を有する透明素子を少なくとも1個以上を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開示されている。
Next, regarding the technology related to the pixel shift element, first, in
この特許文献4においては、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1個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1個以上を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合せて使用するため、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等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(KDP),NH4H2PO4(ADP),LiNbO3,LiTaO3,GaAs,CdTeなど、第1次電気光学効果(ポッケルス効果)の大きな材料を使用した場合、顕著である。
In
また、特許文献5に開示されてい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素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。
In the projector disclosed in
ところが、特許文献5においては、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、可動部の精度や耐久性が要求され、振動や音が問題となる。
However,
さらに、特許文献6に開示の技術によれば、LCD等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、見掛け上、向上させるため、縦方向及び横方向に配列された複数個の画素の各々が、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、観測者又はスクリーンとの間に、光路をフィールド毎に変更する光学部材を配し、また、フィールド毎に、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毎に、交互に、画像表示装置と観測者又はスクリーンとの間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。
Furthermore, according to the technique disclosed in
特許文献6の技術においては、光路を変更する手段として、電気光学素子と複屈折材料の組合せ機構、レンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等が記述されており、上記旋光素子と複屈折素子を組合せてなる方式の他に、ボイスコイル、圧電素子等によりレンズ、反射板、複屈折板等の光学素子を変位(平行移動、傾斜)させ光路を切り替える方式が提案されているが、この方式においては、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。
In the technique of
また、特許文献7の技術によれば、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難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。
Further, according to the technique of
この技術では、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等、前述の特許文献6の場合と同様の問題点がある。
In this technique, a method has been 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, but a relatively large transparent piezoelectric element is required, There are the same problems as in the case of
上述した従来技術の課題を整理すると、従来のピクセルシフト素子において問題となっているのは、
1.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、ゴースト等の光学ノイズ又は解像度低下
2.特に可動部を有する構成の場合の位置精度や耐久性、振動や音の問題
3.ネマチック液晶などにおける応答速度
である。
When the above-mentioned problems of the prior art are arranged, the problem with the conventional pixel shift element is that
1. 1. High cost due to the complicated structure, optical equipment size increase, light loss, ghost and other optical noise or
そこで、本発明者らは特許文献8において、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、を備える光偏向素子を提案している。
Therefore, in
この光偏向素子によれば、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、従前の光偏向素子に比して、構成が複雑であることに伴う高製造コスト、装置の大型化、光量損失、光学ノイズなどの不具合を改善でき、かつ、従来のスメクチックA液晶や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る。 According to this optical deflecting element, liquid crystal composed of a chiral smectic C phase is used. Therefore, compared with the conventional optical deflecting element, the manufacturing cost is increased due to the complicated structure, the size of the apparatus is increased, and the amount of light is increased. Problems such as loss and optical noise can be improved, and dullness of response in conventional smectic A liquid crystals and nematic liquid crystals can be improved, and high-speed response is possible.
特許文献8の光偏向素子では、キラルスメクチックC相の螺旋軸に直角方向、すなわちスメクチック層の水平方向に電界を印加すると、液晶分子がスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動すると考えられる。このとき、液晶層の螺旋ピッチや自発分極などの特性に応じて、同一方向に配向する液晶分子の割合が変化し、液晶分子の平均的配向方向に対応した液晶層の光学軸の傾斜方向が変化する。十分に大きな電界が印加された場合、各スメクチック層内の液晶分子の配向方向は揃い、螺旋が解けた状態となる。電界方向を反転させると液晶層の光学軸の傾斜方向も反転するため、動的な複屈折板として機能し、光偏向素子などに応用できることになる。
In the optical deflecting element of
本発明の目的は、光偏向素子を画像表示に用いる場合にコントラストを改善でき、光利用効率を向上させることができるようにすることである。 An object of the present invention is to improve contrast and improve light utilization efficiency when a light deflection element is used for image display.
本発明は、透明な一対の基板間にキラルスメクチックC相からなりホメオトロピック配向をなす液晶を含む液晶層を設け、前記液晶層に対して前記基板の板面方向の電界を印加する電極が形成されてなり、前記液晶層を透過する光の光路を偏向する光偏向素子と、前記電極に交流電圧を印加して前記電界を発生させて前記液晶を駆動し、この電界の方向の変化により前記偏向の方向が切替わる間の時間である光偏向方向切替時間の少なくとも一部と当該切替え後の前記偏向の方向を維持している間の時間である光偏向状態保持時間とで前記印加する電圧の値の絶対値が前者の方が後者より大きい液晶駆動装置と、を備え、前記光偏向素子は、前記液晶が誘電分散緩和周波数以上の周波数領域で正の誘電異方性を有し、前記液晶駆動装置は、前記光偏向方向切替時間のときの前記印加する電圧に前記交流電圧より周波数の高い交流電圧を重畳し、前記液晶駆動装置は、前記光偏向方向切替時間のときの前記印加する電圧に、前記交流電圧より周波数の高い交流電圧であって前記誘電分散緩和周波数以上の交流電圧を重畳する光偏向装置である。 In the present invention, a liquid crystal layer including a liquid crystal composed of a chiral smectic C phase and having homeotropic alignment is provided between a pair of transparent substrates, and an electrode for applying an electric field in the plate surface direction of the substrate to the liquid crystal layer is formed. And an optical deflecting element that deflects an optical path of light transmitted through the liquid crystal layer, an AC voltage is applied to the electrode to generate the electric field, and the liquid crystal is driven. The voltage to be applied by at least a part of the optical deflection direction switching time that is the time during which the deflection direction is switched and the optical deflection state holding time that is the time during which the deflection direction after the switching is maintained A liquid crystal driving device in which the absolute value of the former is greater than that of the latter, and the optical deflection element has a positive dielectric anisotropy in a frequency region in which the liquid crystal has a dielectric dispersion relaxation frequency or higher, LCD drive device Superimposing said high AC voltage frequency than the AC voltage voltage applied when the light deflection direction switching time, the liquid crystal driving device, the voltage to be the application time of the light deflection direction switching time, the AC an optical deflecting device for superimposing an AC voltage of more than the dielectric dispersion relaxation frequency to a higher AC voltage frequency than the voltage.
本発明によれば、光偏向方向切替時間には印加電圧の絶対値を大きくすることで液晶の高速動作が可能となるため、画像表示装置に光偏向素子を応用してピクセルシフト画像解像度を向上させる場合などに、光偏向方向切替時間の過渡散乱を低減でき、かつ、偏向の方向の切換え速度を向上させることができるので、画像表示のコントラストを改善でき、光利用効率を向上させることができる。また、光スイッチに応用した場合、切換え速度向上により平均通信速度を改善できる。 According to the present invention, since the liquid crystal can be operated at high speed by increasing the absolute value of the applied voltage during the optical deflection direction switching time, the pixel shift image resolution is improved by applying the optical deflection element to the image display device. In such a case, it is possible to reduce the transient scattering of the light deflection direction switching time and to improve the deflection direction switching speed, so that the contrast of the image display can be improved and the light utilization efficiency can be improved. . When applied to an optical switch, the average communication speed can be improved by improving the switching speed.
[定義]
以下では、本明細書で用いる主要な用語について説明する。
[Definition]
Hereinafter, main terms used in the present specification will be described.
(1)光偏向素子
「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。この説明において、平行シフトによる光偏向に対してそのシフトの大きさを「シフト量」と呼び、回転による光偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶものとする。「光偏向デバイス」とは、このような光偏向素子を含み、光の光路を偏向させるデバイスを意味する。
(1) Optical deflection element An "optical deflection element" is a device that deflects the optical path of light by an external electric signal, that is, shifts outgoing light parallel to incident light or rotates it with a certain angle. Alternatively, it means an optical element capable of switching the optical path by combining both. In this description, the magnitude of the shift is referred to as “shift amount” with respect to the light deflection due to the parallel shift, and the rotation amount is referred to as “rotation angle” with respect to the light deflection due to rotation. The “light deflection device” means a device that includes such a light deflection element and deflects the optical path of light.
(2)光偏向方向切替時間
光偏向方向切替時間とは、光路切替えに要する時間であり、液晶スイッチング時間に相当する時間である。
(2) Light deflection direction switching time The light deflection direction switching time is the time required for switching the optical path and is the time corresponding to the liquid crystal switching time.
(3)サブフィールド
通常液晶プロジェクタ等の画像表示装置においては、ある周期で画像を順次書き換え表示している。その1枚当たりの画像をフィールドと呼ぶ。本発明においては、前記の通り時分割で光路シフトを行うことで画素を倍増して表示するが、その時分割され表示される画像をサブフィールドと呼ぶ。従って例えば分割数を2、すなわち光路シフトを2つの位置でスイッチングする場合は、2つのサブフィールドで1フィールドの画像を形成することになる。
(3) Subfield Normally, in an image display device such as a liquid crystal projector, images are sequentially rewritten and displayed at a certain cycle. The image per sheet is called a field. In the present invention, as described above, the optical path shift is performed in a time division manner so that the pixels are doubled and displayed. An image that is time division and displayed is called a subfield. Therefore, for example, when the number of divisions is 2, that is, when the optical path shift is switched at two positions, an image of one field is formed by two subfields.
サブフィールド切替時は光路をシフトさせている時間であり、サブフィールド表示時は光路シフトが完了し、1つのサブフィールドを表示する時間である。 At the time of subfield switching, it is the time for shifting the optical path, and at the time of displaying the subfield, it is the time for completing the optical path shift and displaying one subfield.
(4)ピクセルシフト素子
「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デバイスを光偏向手段として応用することが可能といえる。
(4) Pixel Shift Element “Pixel shift element” means 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 display element An optical member for observing the image pattern displayed on the optical field, and an optical deflecting means for deflecting an 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. Light 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 subfield by the deflecting unit, thereby multiplying the apparent number of pixels of the image display element. Means deflection means. Therefore, basically, it can be said that the optical deflection element and the optical deflection device defined above can be applied as the optical deflection means.
[本発明を実施するための最良の形態]
本発明を実施するための最良の一形態について説明する。
[Best Mode for Carrying Out the Invention]
The best mode for carrying out the present invention will be described.
図1(a)は、本実施の形態である光偏向装置10の説明図である。光偏向装置10は、光偏向素子1と液晶駆動装置7とから構成される。
Fig.1 (a) is explanatory drawing of the optical deflection |
光偏向素子1は、まず、一対の透明な基板2,3が対向配置させて設けられている。そして、少なくとも一方、ここでは基板2側内面には配向膜4が形成されており、この配向膜4と他方の基板3との間には、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックC相よりなる強誘電液晶の液晶層5が充填されている。
The
このような一対の基板2,3及び液晶層5からなる光偏向素子1には、目的とする光偏向方向に対応させて液晶に電界を印加する為の一対の電極6a,6bが設けられ、液晶駆動装置7に接続されている。電極6a,6bは、基板2,3の板面方向の電界を液晶層5に印加するため、光偏向素子1の液晶回転軸に対して略垂直方向に電界ベクトルが向くように設置されている。これは、基板2,3と一体化させて設けても、分離させて設けても良い。また、液晶層5の膜厚を規定するためのスペーサを電極に兼用することも可能である。
The
図1(b)は、光偏向素子1の別の構成例の説明図である。図1(b)において、図1(a)の構成との相違点は電極構造であり、この例では、電極は基板2,3の板面方向の電界を液晶層5に印加する複数のライン電極6dから構成される透明電極群6cによりなる。それぞれのライン電極6dは光偏向素子1の光路外に設けられ、直列に配列された複数の抵抗7aの各抵抗端に接続され、隣接するライン電極6d間で電位勾配が発生し、電界が印加されるように構成されている。
FIG. 1B is an explanatory diagram of another configuration example of the
ここで、液晶層5を構成する液晶に関して説明する。「スメクチック液晶」は、液晶分子の長軸方向を層状に配列してなる液晶分子である。このような液晶に関し、上記層の法線方向(層法線方向)と液晶分子の長軸方向とが一致している液晶を「スメクチックA相」、法線方向と一致していない液晶を「キラルスメクチックC相」と呼んでいる。キラルスメクチックC相よりなる強誘電液晶層5は、一般的に外部電界が働かない状態において各層毎に液晶分子方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとり、キラルスメクチックC相反強誘電液晶は各層毎に液晶分子が対向する方向を向く。これらのキラルスメクチックC相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Psと外部電界Eにより定まる方向に液晶分子が再配列することで光学特性が制御される。なお、本例では、液晶層5の用いる液晶として強誘電液晶を例として光偏向素子1の説明を行うが、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。
Here, the liquid crystal constituting the
キラルスメクチックC相よりなる強誘電液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部などよりなる。主鎖構造としてはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシエチレンなどが利用可能である。スペーサは分子回転を担う骨格、結合部、キラル部を主鎖と結合させるためのものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選ばれる。また、カイラル部とビフェニル構造など剛直な骨格とを結合する結合部には−COO−結合等が選ばれる。 The structure of a ferroelectric liquid crystal composed of a chiral smectic C phase is composed of a main chain, a spacer, a skeleton, a bonding part, a chiral part, and the like. As the main chain structure, polyacrylate, polymethacrylate, polysiloxane, polyoxyethylene and the like can be used. The spacer is for linking a skeleton, a bonding part, and a chiral part responsible for molecular rotation to the main chain, and a methylene chain having an appropriate length is selected. In addition, a —COO— bond or the like is selected as a bond portion that bonds the chiral portion and a rigid skeleton such as a biphenyl structure.
本実施の形態の光偏向素子1においては、キラルスメクチックC相よりなる強誘電液晶層5は配向膜4により基板2,3面に垂直に分子螺旋回転の回転軸が向いており、いわゆるホメオトロピック配向をなす。このようなホメオトロピック配向のための配向法としては、周知の方法を適用することができる。即ち、1.ずり応力法、2.磁場配向法、3.温度勾配法、4.SiO斜法蒸着法、5.光配向法、等が挙げられる(例えば、竹添、福田著の「強誘電性液晶の構造と物性」(コロナ社刊)の235頁を参照)。
In the
本光偏向素子1の特徴の1つは、キラルスメクチックC相がネマチック液晶に比較して極めて高速な応答性を有しており、サブmsでのスイッチングが可能である点にある。また、電界方向に対して液晶分子方向が一義的に決定され、ある電界強度以上でダイレクタの方向が固定されるため、電界強度に比例したダイレクタ角度をとる電傾効果を利用したスメクチックA相よりなる液晶に比べ、ダイレクタ方向の制御が容易であり扱いやすい。
One of the features of the present
また、ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックC相よりなる液晶層5は、ホモジニアス配向(液晶分子が基板面に平行に配向している状態)をとる場合に比べて、液晶分子の動作が基板2,3からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の制御が行いやすく、必要電界が低いという利点を有する。また、液晶分子がホモジニアス配向している場合、電界方向だけでなく基板面に液晶分子が強く依存するため、光偏向素子の設置についてより位置精度が求められることになる。逆に、本実施の形態のようなホメオロトピック配向の場合は、光偏向に対して光偏向素子1のセッティング余裕度が増す。これらの特徴を活かす上で、厳密に螺旋軸を基板面に垂直に向ける必要はなく、或る程度傾いていても差し支えない。例えば、螺旋構造をなす側面の一部が基板2,3に垂直であって螺旋軸そのものは基板法線方向から傾いている状態であっても、液晶分子が基板2,3からの規制力を受けずに2つの方向を向くことが可能であればよい。
In addition, the
次に、本光偏向素子1の動作原理について図2及び図3を参照して説明する。図2は、図1に示した構成における液晶配向を模式的に示した説明図である。ただし、図1では電界が上下方向に印加されるように描いているが、図2では便宜上紙面表裏方向に印加されるように描いており、電界は紙面表裏方向に発生するものとする。また、電界方向は目的とする光の偏向方向に対応して液晶駆動装置7により切換えられる。図2における電極6a,6bは、上述したように基板2,3と一体化してもまた分離して設けてもよい。
Next, the operation principle of the present
また、当該光偏向素子1に対する入射光は直線偏光であり、その偏光方向は図2中で上下の矢印に示す通り上下方向であって(光偏向素子1の入射光は白抜きの矢印で偏向方向を示す矢印に重ねて示している)、その偏光方向に電界方向が直交するように電極6a,6bは対向配置される。また、液晶層5の膜厚を規定するためのスペーサを電極に兼用することも可能である。何れの場合においても、電極6a,6bからの漏洩電界が当該光偏向素子1周辺の機器に悪影響を及ぼさないように電磁シールドを設けるのが望ましい。模式的に図示している液晶分子8は、印加される電界方向によって前述のとおり螺旋的に配向方向をとることが可能であり、図2にはそのとり得る配向状態をコーン状に示している。
In addition, the incident light with respect to the
図2において、XYZ直交座標系を図示するとおりにとったときの液晶層5内のXZ断面を図3に示す。図3に示すように、液晶分子8は、十分大きな電界であれば、その電界方向によって第1の配向状態又は第2の配向状態の何れかの状態(図3(b)参照)をとって分布する。θは液晶回転軸からの液晶分子8のチルト角であり、以後、単に「チルト角」と呼ぶ。液晶層5の自発分極Psが正であり、Y軸正方向(紙面上向き)に電界Eがかかっているものとすると、液晶分子8は液晶回転軸が略基板垂直方向であるため、図3(b)に示す第1の配向方向と一致する。
FIG. 3 shows an XZ cross section in the
ここで、液晶層5の長軸方向の屈折率をne、短軸方向の屈折率をnoとすると、入射光として、偏光方向をY軸方向に持つ直線偏光を選び、X軸正方向に入射光が進むとき、光は液晶層5内で常光として屈折率noを受け直進し、図3(a)中の矢印a方向に進む。即ち、光偏向は受けない。
Here, when the refractive index in the major axis direction of the
一方、偏光方向がZ軸方向である直線偏光が入射するとき、入射方向の屈折率は液晶分子8の方向及び屈折率no,neの両者から求められる。より詳しくは、屈折率no,neを主軸に持つ屈折率楕円体において楕円体中心を通過する光の方向との関係から求められるが、ここでは詳細は省略する。光は屈折率no,ne及び液晶分子8の方向(チルト角θ)に対応した偏向を受け、図3(a)中の矢印b(第1の配向状態の場合)に示す方向にシフトする。
On the other hand, when linearly polarized light whose polarization direction is the Z-axis direction is incident, the refractive index in the incident direction is obtained from both the direction of the
今、液晶層5の厚み(ギャップ)をdとするとき、シフト量Sは以下の式で表される(これについては、例えば、「結晶光学」(応用物理学会、光学懇話会編)の198頁を参照)。
Now, assuming that the thickness (gap) of the
S=[(1/no)2-(1/ne)2]sin(2θ・d)/[2((1/ne)2sin2θ
+(1/no)2cos2θ)] … (1)
また、電界方向を反転させた時、液晶分子8は図3においてX軸を中心とした線対称の配置(第2の配向状態)を取り、偏光方向がZ軸方向である直線偏光の進行方向は、図3(a)中の矢印b´に示す通りとなる。
S = [(1 / no) 2- (1 / ne) 2 ] sin (2θ · d) / [2 ((1 / ne) 2 sin 2 θ
+ (1 / no) 2 cos 2 θ)]… (1)
Further, when the electric field direction is reversed, the
従って、この直線偏光に対して液晶層5に作用させる電界方向を制御することで、矢印bと矢印b´との2位置、即ち、2S分の光偏向が可能となる。
Therefore, by controlling the direction of the electric field applied to the
ここで、液晶層5の材料の代表的物性値(no=1.6,ne=1.8)に対して得られる光偏向量について光偏向量Sを計算した結果を、図4に示す。図4において、θ=45°付近が最も光偏向量が大きい。仮に、液晶分子8のチルト角θが22.5°のとき、“2S=5(μm)”の偏向量を得るためには、ここに示される通り液晶の厚みを32μm厚に設定すれば良い。また、ホメオトロピック配向強誘電液晶において、約700V/cmの電界に対して0.1msの応答速度が報告されており(Ozaki他、J.J.Appl.Physics、Vol.30、No.9B、2366〜2368頁(1991)を参照)、サブmsオーダの十分高速な応答速度が得られる。
また、キラルスメクチックC相よりなる液晶においては、チルト角θは温度Tにより変化し、相転移点をTcとすると、“θ∝(T−Tc)β”なる関係がある。βは材料により異なるが0.5程度の値をとる。この特性を利用した温度制御で光偏向量を制御することも可能である。
Here, the result of calculating the light deflection amount S with respect to the light deflection amount obtained with respect to the representative physical property values (no = 1.6, ne = 1.8) of the material of the
Further, in a liquid crystal composed of a chiral smectic C phase, the tilt angle θ changes with temperature T, and there is a relationship of “θ− (T−Tc) β” where the phase transition point is Tc. β varies depending on the material, but takes a value of about 0.5. It is also possible to control the amount of light deflection by temperature control utilizing this characteristic.
例えば、仮にチルト角θとして上記の22.5°を設定し、これに対応する温度を“Tθ=22.5°”とすれば、“T>Tθ=22.5°”では“θ<22.5°”であり、“T<Tθ=22.5°”では“θ>22.5°”であるため、温度によりチルト角θを制御でき、これによって光偏向量を制御できることとなる。また、位置制御に関しては、電界による微調を同様に行うことができ、温度、電界或いはその両者の組合せにより適切な光偏向を達成できる。 For example, if the above-mentioned 22.5 ° is set as the tilt angle θ and the corresponding temperature is “Tθ = 22.5 °”, “θ <22” when “T> Tθ = 22.5 °”. .5 ° ”and“ θ <22.5 ° ”when“ T <Tθ = 22.5 ° ”, the tilt angle θ can be controlled by the temperature, and thereby the amount of light deflection can be controlled. As for position control, fine adjustment by an electric field can be performed in the same manner, and appropriate light deflection can be achieved by temperature, electric field, or a combination of both.
以上は、電界強度がEs以上で螺旋構造が解けてチルト角θが光学軸の傾斜角に等しい場合について説明したが、電界強度がEs以下の場合には、上記θを液晶分子方向を平均化した光学軸の傾斜角として扱えば良い。 The above describes the case where the electric field strength is Es or higher and the spiral structure is dissolved and the tilt angle θ is equal to the tilt angle of the optical axis. However, when the electric field strength is equal to or lower than Es, θ is averaged in the liquid crystal molecular direction. It can be handled as the tilt angle of the optical axis.
図5は、図1のような構成の光偏向素子1に対し、液晶駆動装置7で印加する電界発生用の印加電圧とそれにともなう光偏向量の変化の一例を対比して示すグラフである。印加電圧は矩形波状の交流電圧であり、偏向の方向が切替わる間の時間(光偏向方向切替時間)も偏向の方向の切替え後に偏向の方向を維持している間の時間(光偏向方向保持時間)も同一の電圧値を印加している。図1(a)及び(b)いずれの光偏向素子構成においても、この電圧印加により液晶層内部に所定方向の電界が発生する。電圧の切替え直後に液晶分子の回転が発生し、液晶物性や発生電界により決まる光偏向方向切替時間後、光偏向量が一定となる。この偏向方向は光偏向方向保持時間の間は変化しない。
FIG. 5 is a graph showing an example of changes in the applied voltage for generating an electric field applied by the liquid
図5に示す印加電圧に対し、本実施の形態では、以下に説明するような電圧を光偏向素子1に印加して液晶駆動を行う。この印加電圧の特徴やその印加電圧を生成する装置の構成などについて次に説明する。
In contrast to the applied voltage shown in FIG. 5, in the present embodiment, a voltage as described below is applied to the
図6は、光偏向素子1の印加電圧の波形の例を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing an example of the waveform of the voltage applied to the
図6において、(a)の波形は図5のものと同様である、これに対し、(b)〜(h)は、本実施の形態で光偏向素子1に液晶駆動装置7で印加する駆動電圧の波形の様々な例を示している。(b)〜(h)の各例はいずれも交流電圧であり、その電圧値は、光偏向方向切替時間と光偏向状態保持時間とで異なる値に設定している。そして、(b)は光偏向方向切替時間の電圧絶対値V1を、光偏向状態保持時間の電圧絶対値V2より大きく設定していて、(a)の場合と比較して液晶の高速動作が可能となる。
In FIG. 6, the waveform of (a) is the same as that of FIG. 5, whereas (b) to (h) are driving applied to the
ここで設定する電圧値は、(b)に示すように光偏向方向切替時間のすべての時間内で同一の電圧値に設定してもよいが、(c)に示すように、光偏向方向切替時間中のごく一部の期間の間のみ電圧値V1を印加し、残り光偏向方向切替時間中は光偏向状態保持時間の電圧V2を印加するようにしてもよい。この場合には、液晶分子の動き始める瞬間に強い電界を加え、一旦動き始めてからは電圧値を正常に戻すことで、液晶がドメイン状に配向方向を変えてしまうような不具合が防げる。この効果を高める為に、さらに(d)に示すように、光偏向方向の切替終了の間際に、一旦電圧値を光偏向状態保持時間の電圧V2より低い電圧V3まで低下させるようにしてもよい。 The voltage value set here may be set to the same voltage value within the entire optical deflection direction switching time as shown in (b), but the optical deflection direction switching as shown in (c). The voltage value V1 may be applied only during a very short period of time, and the voltage V2 of the light deflection state holding time may be applied during the remaining light deflection direction switching time. In this case, by applying a strong electric field at the moment when the liquid crystal molecules start to move, and once starting to move, the voltage value is returned to normal, thereby preventing a problem that the liquid crystal changes the orientation direction in a domain shape. In order to enhance this effect, as shown in (d), the voltage value may be once lowered to a voltage V3 lower than the voltage V2 of the light deflection state holding time just before the end of switching of the light deflection direction. .
図7は、光偏向方向切替時間の電圧絶対値を、光偏向状態保持時間の電圧絶対値より大きく設定する為の、電極6a、6bに付与する電圧を制御する液晶駆動装置7の構成例を示す。液晶駆動装置7は2組の異なる電圧発生器7a,7b及びこれら電圧発生器7a,7bの電圧の出力タイミングを制御する信号発生器7cを備えている。信号発生器7cは必要に応じてさらに外部(後述の画像表示制御回路20)の制御を受けるように構成してもよい。電圧発生器7aは、光偏向方向状態保持時間に印加すべき電圧(図6(b)における電圧V2)を発生し、電圧発生器7bは図6(b)における電圧V1とV2の差分の電圧を発生して、光偏向方向切替時間の全時間(図6(b)の場合)あるいは一部の時間(図6(c)の場合)だけ、電圧発生器7aの出力電圧に電圧発生器7bの出力電圧を重畳して光偏向素子1に印加するように、信号発生器7cが電圧発生器7a,7bを制御する。図6(c)の場合は、電圧発生器をさらに一台増やして3種類の電圧を生成し、これらを所定のタイミングで重畳するようにすればよい。
FIG. 7 shows a configuration example of the liquid
図6(e)〜(g)は、光偏向方向切替時間における印加電圧値または光偏向状態保持時間における印加電圧値の少なくとも一方に、図6(a)の矩形波交流電圧より周波数の高い交流電圧を重畳した、光偏向素子1の駆動電圧の波形を示しており、この交流電圧の重畳により、光路偏向のスイッチング時に発生する過渡散乱現象を低減させることが可能となる。
6 (e) to 6 (g) show an alternating current having a frequency higher than that of the rectangular wave alternating voltage in FIG. 6 (a) at least one of the applied voltage value in the light deflection direction switching time or the applied voltage value in the light deflection state holding time. The waveform of the drive voltage of the
この液晶に対して交流電圧を重畳する効果は、液晶分子の誘電率異方性に起因する。光偏向素子1においてはキラルスメクチックC相よりなる液晶が用いられるが、この液晶の誘電率は2軸性であり、一般的には分子長軸方向の誘電率ε3、分子長軸と垂直でキラルスメクチック層と平行な方向の誘電率ε2、及び、それらと垂直な方向の誘電率ε3で表される。ただし単純に螺旋軸方向の誘電率ε||及びそれと垂直な方向の誘電率ε⊥であらわされることも多く、ここでも後者を用いて考察する。
The effect of superimposing an alternating voltage on the liquid crystal is due to the dielectric anisotropy of the liquid crystal molecules. In the
液晶分子の誘電率は、液晶層厚、電界強度、周波数に強く依存する。キラルスメクチックC液晶の場合、周波数に関しては一般的に低周波領域では誘電異方性、すなわち“ε||−ε⊥”が負であり、前述の通り電界方向に対して垂直な方向を向く。しかし高周波になるにつれて誘電異方性は0に近づき、代表的なカイラルスメクチックC液晶であるDOBAMBC,DOBACPCなど、材料によっては正をとるものもある(竹添・福田著、「強誘電性液晶の構造と物性」(第1版)、コロナ社刊、の310頁を参照)。つまり、高周波の交流電圧を重畳することで、垂直方向、すなわち螺旋軸方向の誘電率を相対的に増大させることが可能となり、液晶分子の螺旋軸回りの動きにともなう揺らぎを規制し、液晶分子の回転の安定化を図ることができる。従って、例えば、光偏向方向切替時間の電圧に当該高周波電圧を重畳させることで、配向不良や過渡散乱を低減させることが可能となる。この効果は、誘電分散緩和周波数以上の周波数領域で正の誘電異方性を有するキラルスメクチックC液晶において、より顕著である。 The dielectric constant of liquid crystal molecules strongly depends on the liquid crystal layer thickness, electric field strength, and frequency. For chiral smectic C liquid crystal, typically a dielectric anisotropy in the low frequency region with respect to frequency, i.e. "ε || -ε ⊥" is negative, toward a direction perpendicular to the previously described electric field direction. However, as the frequency increases, the dielectric anisotropy approaches zero, and some materials, such as DOBAMBC and DOBACPC, which are typical chiral smectic C liquid crystals, are positive (Takezoe and Fukuda, “Structure of ferroelectric liquid crystals”. And physical properties "(first edition), published by Corona, page 310). In other words, by superimposing a high-frequency AC voltage, it is possible to relatively increase the dielectric constant in the vertical direction, that is, in the direction of the helical axis, and control fluctuations associated with movement of the liquid crystal molecules around the helical axis. The rotation can be stabilized. Therefore, for example, by superimposing the high-frequency voltage on the voltage of the light deflection direction switching time, it becomes possible to reduce alignment defects and transient scattering. This effect is more remarkable in the chiral smectic C liquid crystal having positive dielectric anisotropy in a frequency region equal to or higher than the dielectric dispersion relaxation frequency.
この時の駆動波形は、図6(e)に示される。光偏向素子1の光偏向方向の切替え時に重畳させる高周波として緩和周波数以上であることが望ましく、例えば前述のDOBAMBC,DOBACPCにおいては、20kHz以上となる。振幅としては液晶層5の厚さ、それに加える周波数等に応じて適宜定められるべきものであるが、例えば、0.1〜10V/mmなどの強度が選ばれる。
The drive waveform at this time is shown in FIG. The high frequency to be superimposed when switching the light deflection direction of the
高周波重畳は、電界に対する液晶分子の応答性を制御する上で、光偏向方向保持時間において重畳させることも有効であり、この場合、図6(f)に示すように振幅を変化させたり、又は、図6(g)に示す通り重畳前の電圧波形を光偏向方向切替時間と光偏向方向保持時間とで変化させることで、前述の高速応答性を損なわずに液晶配向性を高める効果が得られる。 In order to control the responsiveness of the liquid crystal molecules to the electric field, it is also effective to superimpose the high frequency superposition during the optical deflection direction holding time. In this case, the amplitude is changed as shown in FIG. As shown in FIG. 6 (g), by changing the voltage waveform before superposition between the light deflection direction switching time and the light deflection direction holding time, the effect of improving the liquid crystal alignment can be obtained without impairing the high-speed response described above. It is done.
図8には、図6(e)に示す駆動電圧を生成する液晶駆動装置71の構成例を示す。電極6a,6bに印加する電圧を制御する液晶駆動装置71は、2組の互いに異なる電圧を発生する電圧発生器71a,71b及びこれら電圧発生器71a,71bの電圧出力のタイミングを制御する信号を生成する信号発生器71cよりなる。信号発生器は必要に応じてさらに外部(後述の画像表示制御回路)から制御される構成としてもよい。電圧発生器71aは、光偏向方向保持時間に印加すべき電圧(図6(a)に示す矩形波交流電圧)を発生し、電圧発生器71bにおいて、この矩形波交流電圧に重畳する当該矩形波交流電圧より高周波の交流電圧を生成し、後者の電圧は光偏向方向切替時間内の一定期間だけ出力されて前者の電圧に重畳するように制御される。図6(f)の電圧を生成するには、さらに光偏向方向保持時間に重畳する高周波電圧を生成する電圧発生器も用意するようにすればよい。なお、図6(g)の波形は、図6(b)の波形で光偏向方向切替時間に高周波電圧を重畳した例を示し、図6(h)の波形は、図6(b)の波形で光偏向方向切替時間、光偏向方向保持時間の両方に高周波電圧を重畳した例を示す。
FIG. 8 shows a configuration example of the liquid
図9は、光偏向方向切替時間を検知するために光偏向素子1からの出射光の一部をとり込んで検出する光検出装置80を備え、光検出装置80の検出信号に基づいて光偏向方向切替時間を調節する制御する液晶駆動装置7を有する光偏向装置10の一例を示す説明図である。
FIG. 9 includes a
図9は、光偏向装置10では、光偏向素子1の出射光の一部を別光路にとりこむ為の、ハーフミラー等よりなる分光素子81が設けられている。矢印b及びb´は、光偏向素子1で光路偏向されて光路が切り替えられる際の2つの光路を示している。光検出装置80は、この切替えられた2つの光路の光をそれぞれ独立に受光する2つの開口部を備えたフォトダイオード、フォトマルチプリファイア、CCDなどの受光素子を備えている。そして、2つの受光素子の1つで受光終了した時点から他の受光素子で受光開始するまでの時間を液晶駆動装置7が所定のカウンタでカウントして、光偏向方向切替時間を測定する(測定手段)。そして、液晶駆動装置7は、この測定した光偏向方向切替時間に基づいて、図7、図8などに例示する回路を制御し(具体的には電圧発生器71b,71bで生成する電圧の出力タイミングを制御する)(制御手段)、図6(b)〜(h)の波形における光偏向方向切替時間が測定した値になるように、光偏向素子1に印加する駆動電圧の波形を調整する。
In FIG. 9, the
図10は、光偏向装置10の他の装置構成例を示す概念図である。図10において、符号11は、照明用の光源であり、白色あるいは任意の色の光を高速にON、OFFできるものであるならば、いかなる種類や型の光源であっても利用することができる。たとえば、LEDランプやレーザ光源、あるいは、白色のランプ光源などを2次元アレイ状に配列して、かかる光源に対して高速動作するシャッタを組合せたものなどを照明用の光源として用いることができる。
FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating another device configuration example of the
符号12は、光源から出た光を均一に画像表示素子13に照射させるための照明装置であり、拡散板12a、コンデンサレンズ12bなどから構成される。
符号13は、照明装置12から入射した均一の照明光を、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに、画像情報に基づいて空間光変調して、画像光として出射する画像表示素子である。画像表示素子13としては、透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブ、DMD素子などを用いることができる。
符号14は、前記画像サブフィールドごとに、画像表示素子13から出射される画像光の光路を偏向して、偏向画像光として出射する光偏向素子である。該光偏向素子14により、画像サブフィールドごとの光路の偏向量に応じて、スクリーン16上に投射される画像表示位置がずらされる状態となる画像パターンを表示させることが可能となり、画像表示素子3の実際の画素数を見かけ上増倍した画素数として、画像表示させることができる。
Reference numeral 14 denotes an optical deflecting element that deflects the optical path of the image light emitted from the
符号15は、画像表示素子13に表示された画像パターンを観察するための光学部材であり、符号5は投射レンズ、符号6はスクリーンである。さらに、符号17は光源11を駆動するための光源駆動手段であり、符号18は画像表示素子13を駆動するための表示駆動回路であり、符号19は光偏向素子1を駆動するための光偏向駆動回路である。また、符号20は、光源駆動回路17、表示駆動回路18、光偏向駆動回路19などを含め画像表示装置の全体を制御するための画像表示制御回路である。前述の液晶駆動装置7は、光偏向駆動回路19に設けられている。
次に、図10に示す画像表示装置の基本的な動作について説明する。光源駆動回路17で制御されて光源11から放射された光は、拡散板12aにより均一化された照明光となり、コンデンサレンズ12bにより、光源駆動回路17と同期して動作する表示駆動回路18により制御されている画像表示素子13をクリティカルに照明する。ここでは、画像表示素子13の例として、透過型液晶パネル、すなわち、透過型液晶ライトバルブを用いている。透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子13により空間光変調された照明光は、画像光として光偏向素子1に入射され、光偏向素子1から出射された出射光は、偏向画像光として、投射レンズ15で拡大された後、スクリーン16に投射される。すなわち、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子13の画像光の出射側に配置されている光偏向素子1によって、画像光は、光偏向駆動回路19からの駆動信号に応じて、画素の配列方向に任意の距離だけシフト(偏向)された偏向画像光として出射されて、投射レンズ15を介して、スクリーン16上に投射される。
Next, the basic operation of the image display apparatus shown in FIG. 10 will be described. The light emitted from the light source 11 under the control of the light source driving circuit 17 becomes illumination light made uniform by the
なお、図10においては、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子13の直後に、光偏向素子1を配置しているが、光偏向素子1の配置位置はかかる場合に限定されるものではなく、スクリーン16の直前などに配置することとしても良い。ただし、スクリーン16付近に配置する場合、光偏向素子1を形成する光偏向素子の大きさや、更には、光偏向素子を形成する透明電極の配設ピッチなどを、光偏向素子1の配置位置における画面サイズや画素サイズに応じて設定することが必要になる。
In FIG. 10, the
しかし、いかなる配置位置に光偏向素子14を配置する場合であっても、前記偏向画像光の光路のシフト(偏向)量は、画素ピッチの整数分の1であることが望ましい。すなわち、画素の配列方向に対して2倍の画素増倍を行なう場合は、偏向画像光の光路のシフト量は、画素ピッチの1/2とし、配列方向に対して3倍の画素増倍を行なう場合は、画素ピッチの1/3とすることが望ましい。また、光偏向素子4の構成によって、偏向画像光の光路のシフト量が画素ピッチよりも大きくなる場合には、光路のシフト量を画素ピッチの(整数倍+整数分の1)の距離に設定してもよい。
However, it is desirable that the amount of shift (deflection) of the optical path of the deflected image light is 1 / integer of the pixel pitch, regardless of the arrangement position of the light deflection element 14. That is, when the pixel multiplication is performed twice in the pixel arrangement direction, the shift amount of the optical path of the deflected image light is ½ of the pixel pitch, and the pixel multiplication is three times in the arrangement direction. When performing, it is desirable to set to 1/3 of the pixel pitch. Further, when the shift amount of the optical path of the deflected image light is larger than the pixel pitch due to the configuration of the
この光偏向素子1を画素配列方向の縦横2次元に用いることにより、例えば2倍の画像増倍を行なう光偏向素子を2枚用いることにより、見かけ上の画素4倍の効果が得られ、使用した透過型液晶ライトバルブの解像度以上の高精細な画像を表示することができる。また、光偏向素子1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、画素のシフト位置に対応したサブフィールドの画像信号で透過型液晶ライトバルブである画像表示素子13を駆動する。
By using this optical deflecting
なお、図10では、単板の透過型液晶ライトバルブと単色LEDランプを用いた単色の画像表示装置を示したが、3原色の光源11と、照明装置12と、3枚の画像表示素子13とを用いて、3原色の画像を混合してフルカラー画像を表示させることもできる。また、単板の画像表示素子13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でもフルカラー画像を表示することができる。この場合、三色の光源11からの光路をクロスプリズムで混合して照明しても良いし、白色ランプ光源11と回転カラーフィルターの組合せで、時間順次の三原色光を生成してもよい。
In FIG. 10, a single-color image display device using a single-plate transmissive liquid crystal light bulb and a single-color LED lamp is shown, but the three primary color light sources 11, the
図11は、この画像表示装置のフィールド、サブフィールド、光路偏向素子1の駆動信号(光偏向素子駆動信号)及び画像表示素子13の駆動信号(ライトバルブ画像信号)などの関係を示す概略図である。基準クロックをもとにフィールドパルス(FP)及びサブフィールドパルス(SFP)が画像表示制御回路20で生成される。なお、本例ではサブフィールドが2つの場合を示している。サブフィールド表示時間(第1SF、第2SF)に先立ち、サブフィールド切り替え時間が設定され、このサブフィールド切り替え時間に画像表示素子13の書き換え信号が更新され、画像表示素子13の表示が書き換えられる。光偏向素子1における光偏向切替えは、このサブフィールド切替時間と一致して実行するのが、光利用効率上、さらに画像のコントラスト上において望ましい。前述のように液晶駆動装置7で生成されて光偏向素子1に印加される光偏向素子駆動信号は、この例では、所定電圧を極性を切替えながら印加する2値制御の例(図6(a)の波形)を示しているが、この光路偏向手段駆動信号を前述の図6(b)〜(h)に示す駆動信号とすることで、より高精細な画像が得られることとなる。
FIG. 11 is a schematic diagram showing the relationship among the field, subfield, drive signal of the optical path deflection element 1 (light deflection element drive signal), drive signal of the image display element 13 (light valve image signal), and the like of this image display device. is there. The image
本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described.
[実施例1]
光偏向素子1の作製及びその電界印加について実施例を説明する。大きさ30mm×40mm、厚さ3mmのガラス基板の中央領域表面に0.1mmピッチで0.01mm幅のインジウム酸化スズ(ITO)よりなる100本のライン電極6dをスパッタにより形成して電極6cとした。この表面を100μmの厚さの透明誘電体層で覆い、さらに、この表面をシランカップリング剤で処理して垂直配向膜を形成した。これを液晶用基板2,3とし、同条件で作製した2枚の液晶用基板2,3を、ITOを半ピッチずらした状態で重ね、空セルを形成した。なお両基板2,3のギャップを調整する為のスペーサは基板端部に配置し、この部分を接着剤で固定した。基板2,3を約90度に加熱した状態で、この二枚の基板間2,3に強誘電性液晶(チッソ社製のCS1029及びDOBAMBC)を毛管法にて注入して液晶層5とした。冷却後、液晶の封止を行った後、各ライン電極6dを、フレキシブル基板(FPC)状に形成した電極に異方性導電膜を介して接続した。
[Example 1]
An embodiment will be described regarding the fabrication of the
FPCの電極は、図1(b)に示す通り抵抗7aと接続した。その各抵抗値は100kΩに設定した。抵抗7aからなる抵抗回路の両端は高電圧電源と接続した。上下基板2,3のライン電極6dで電位勾配が発生し,一方向の電界が液晶層5に印加される。
The FPC electrode was connected to the
このように作成した光偏向素子1の入射面側に24.5μm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、ライン電極6dの長手方向と同一に設定した。光偏向素子1の温度が25℃の状態で、マスクパターンを透過した光を,光偏向素子1を通して顕微鏡で観察した。この観察にはサンプリングレート25μsのハイスピードCCDカメラを使用した。電圧発生器としての高電圧電源により、各ライン電極6d間が±10Vとなるよう、16.7ms周期の矩形電圧を印加したところ、素子1の中央部ではマスクパターンが平行に約8μmシフトして観測された。マスクパターンや光偏向素子1、顕微鏡は機械的に静止しているので、電気光学的に光路シフトすることが確認出来た。光偏向方向切替時間としては、シフト前後の10%〜90%変化に要する時間をとった。この光偏向方向切替時間は1.2msであった。また,シフトの間、マスクパターン画像がぼやける散乱現象が確認された。この電圧の形状は図6(a)に相当するものである。
A mask pattern having a line / space width of 24.5 μm was provided on the incident surface side of the
引き続いて同周期で光偏向方向切替時間内の0.6msの期間は±15Vとなるよう高電圧を作用させた。この電圧を作用させる為に、電圧発生器を2台用意し、図7に示す液晶駆動装置7の構成をとった。なお2台の電圧発生器はTTLレベルのトリガ電圧により制御でき、電圧発生タイミングを制御する信号発生器として任意波形発生器を利用した。
Subsequently, a high voltage was applied so as to be ± 15 V in a period of 0.6 ms within the light deflection direction switching time in the same cycle. In order to apply this voltage, two voltage generators were prepared and the configuration of the liquid
この電圧作用によって、光偏向素子1の光路シフトはやはり約8μm発生し、光偏向方向切替時間間は0.9msに短縮した。これは、図6(c)に相当する波形形状である。
Due to this voltage action, the optical path shift of the
この実施例1の比較例として、図6(a)のような矩形状の電圧波形形状で±15Vを印加したところ、液晶配向の不良が生じ、良好な光偏向特性を得ることができなかった。 As a comparative example of Example 1, when ± 15 V was applied in a rectangular voltage waveform shape as shown in FIG. 6A, liquid crystal alignment failure occurred, and good light deflection characteristics could not be obtained. .
[実施例2]
別の実施例として、実施例1の光偏向素子1を用いて光偏向方向切替時間間の0.6msの間、高周波を印加した。電圧発生器として実施例1に示す電源の一つを20kHzの交流印加が可能なものに置き換えた。そして、周波数20kHz、振幅0.5Vを印加したところ、光偏向切替時間は同等であったが、光路シフトの間にマスクパターン画像がぼやける現象、すなわち過渡散乱が低下した。この電圧波形は、図6(e)に示すものに相当するものである。
[Example 2]
As another example, a high frequency was applied for 0.6 ms during the optical deflection direction switching time using the
[実施例3]
実施例1の光偏向素子1を用いて光偏向方向切替時間間の0.6msの間、電圧を増加させさらに高周波を印加した。電圧発生器として実施例1に示す電源の一つを20kHzの交流印加が可能なものに置き換え、さらに、この交流電源のバイアス電圧付加機能により5V分のバイアス電圧を発生させた。20kHz、振幅0.5Vを印加したところ、光偏向切替時間は0.8msに短縮し、さらに光路シフトの間にマスクパターン画像がぼやける現象、すなわち過渡散乱が低下した。この電圧波形は図6(g)に示すものに相当するものである。
[Example 3]
Using the
[実施例4]
図9に示す光偏向素子1からの出射光の一部をとり込み、光偏向方向切替時間を検知する光検出装置80及びこの検出信号によって電圧印加時間を制御する液晶駆動装置7を有する光偏向装置10を構成した。出射光の一部を別光路にとりこむ為の、分光素子81にはハーフミラーを用いた。光検出装置80としては、切替えられた光をそれぞれ独立に受光する開口部を持ったフォトダイオードを用いた。光偏向切替えの為の実施例1に示すトリガ信号を基準とし、光偏向によってフォトダイオードで検知される光量が増加するが、その変化量が50μs毎のサンプリングで1%以下となった時に光偏向が終了したと見なした。このフォトダイオードによる検知は、前述のCCDカメラによる測定と相関がとれ、この光偏向方向切替時間を検知することで前記電圧制御のタイミングを得ることが可能となることを確認した。
[Example 4]
Optical deflection having a
[実施例5]
実施例1の光偏向素子1を用いて画像評価を行った。画像表示は図10に示す画像表示素子13を用いた。フレーム周波数は60Hzとした。この時サブフィールド時間は8.3msに相当する。図6(a)に示す矩形形状の電圧印加で±10Vを印加したところ、ピクセルシフトによる画像高精細化の効果は確認できたものの、特に空間周波数の高い画像においてピクセルシフト時間における画像切替えにともなうコントラスト低下が見られた。また、実施例3に示す駆動電圧を与えたところ、上記コントラスト低下は改善し、良好な画像を表示することが可能であることを確認した。
[Example 5]
Image evaluation was performed using the
1 光偏向素子
2,3 基板
5 液晶層
6a,6b,6c 電極
7,71 液晶駆動装置
7a.7b,71a,71b 電圧発生器
7c、71c 信号発生器
10 光偏向装置
13 画像表示素子
80 受光素子
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記電極に交流電圧を印加して前記電界を発生させて前記液晶を駆動し、この電界の方向の変化により前記偏向の方向が切替わる間の時間である光偏向方向切替時間の少なくとも一部と当該切替え後の前記偏向の方向を維持している間の時間である光偏向状態保持時間とで前記印加する電圧の値の絶対値が前者の方が後者より大きい液晶駆動装置と、を備え、
前記光偏向素子は、前記液晶が誘電分散緩和周波数以上の周波数領域で正の誘電異方性を有し、
前記液晶駆動装置は、前記光偏向方向切替時間のときの前記印加する電圧に前記交流電圧より周波数の高い交流電圧を重畳し、
前記液晶駆動装置は、前記光偏向方向切替時間のときの前記印加する電圧に、前記交流電圧より周波数の高い交流電圧であって前記誘電分散緩和周波数以上の交流電圧を重畳する光偏向装置。 A liquid crystal layer including a liquid crystal composed of a chiral smectic C phase and having a homeotropic alignment is provided between a pair of transparent substrates, and an electrode for applying an electric field in the plate surface direction of the substrate to the liquid crystal layer is formed. An optical deflection element for deflecting an optical path of light transmitted through the liquid crystal layer;
An AC voltage is applied to the electrode to generate the electric field to drive the liquid crystal, and at least a part of a light deflection direction switching time which is a time during which the deflection direction is switched by a change in the direction of the electric field; A liquid crystal driving device in which the absolute value of the voltage to be applied is larger than the latter in the optical deflection state holding time, which is the time during which the direction of the deflection after the switching is maintained,
The light deflection element has a positive dielectric anisotropy in a frequency region where the liquid crystal is at least a dielectric dispersion relaxation frequency,
The liquid crystal driving device, by superimposing an alternating current high voltage frequency than the AC voltage voltage to the applied time of the light deflection direction switching time,
The liquid crystal driving device, the voltage to be the application time of the light deflection direction switching time, the optical deflecting device for superimposing an AC voltage of more than the dielectric dispersion relaxation frequency to a higher AC voltage frequency than the AC voltage.
この画像表示素子と同期し前記光路の偏向により前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する請求項1に記載の光偏向装置と、
を備えている画像表示装置。
An image display element that spatially modulates illumination light based on image information and emits it as image light for each of a plurality of image subfields obtained by further subdividing the image field in time;
An apparent pixel of the image display element by deflecting the optical path of the image light incident from each pixel of the image display element driven for each image subfield by the deflection of the optical path in synchronization with the image display element The optical deflecting device according to claim 1, wherein the optical deflecting device displays the number multiplied.
An image display device comprising:
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