JP4773649B2 - Optical deflection apparatus and image display apparatus - 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装置及び該光偏向装置利用した画像表示装置に関し、例えば、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に適用して好適なものである。
【0002】
最初に、本明細書において使用する用語について定義する。
本明細書において、「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。
【0003】
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。
【0004】
【従来の技術】
光偏向素子なる光学素子として、従来より、KH2PO4(KDP),NH42PO4(ADP),LiNbO3,LiTaO3,GaAs,CdTeなど第1次電気光学効果(ポッケルス効果)の大きな材料や、KTN,SrTiO3,CS2,ニトロベンゼン等の第2次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。
【0005】
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。
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。
【0006】
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。
【0007】
前記特開平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。
また、前記特開平9−133904号公報例においては、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。
【0008】
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。
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向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ある。
【0009】
前記特許第2939826号においては、偏向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),NH42PO4(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。
【0010】
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。
【0011】
ところが、前記特開平5−313116号公報例においては、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色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。
【0012】
さらに、特開平6−324320号公報によれば、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。
【0013】
前記特開平6−324320号公報例においては、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)させて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。
【0014】
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と光ビーム出射面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。
【0015】
前記特開平10−133135号公報例では、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等、前述の特開平6−324320号公報の場合と同様の問題点がある。
【0016】
更に、本出願人は、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、キラルスメクチックC相よりなる液晶を利用することにより、従来の光偏向素子における、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ようにした「光偏向素子、光偏向デバイス及び画像表示装置」について提案していた。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
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の低下、
(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低応答速度、
等である。
【0018】
(3)の応答速度に関し、画像表示装置におけるピクセルシフトに必要な光偏向の速度は以下のように見積ることができる。画像フィールド(時間tField)を時間的にn分割し、各n個のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材との間の光路を偏向してピクセルシフトのシフト位置をn箇所に定めた場合、1つのサブフィールドの時間tSF
SF=tField/n
で表される。この時間tSFの期間中に光偏向がなされるが、その時間をtshiftとすると、このtshiftの期間は表示が行えないため、この期間に相当する分だけ光利用効率が低下する。
【0019】
光利用効率Eは以下の式で表される。
E=(tSF−tshift)/tSF
仮に、ピクセルシフト位置nが4、画像フィールドtFieldが16.7msである場合に、光利用効率Eを90%以上確保するためには、
0.9<(16.7/4−tshift)/(16.7/4)より
shift<0.42(ms)
となり、光偏向を0.42msで行う必要がある。通常のネマチック液晶は応答速度が数ms以上であるため、ここに示すような高速ピクセルシフトのための光学素子としては使用することはできない。
【0020】
特開平6−18940号公報に記載の発明においては、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、ピクセルシフトに用いることはできない。一方、キラルスメクチックC相よりなる強誘電液晶ではその応答速度は十分0.42ms以下に設定することが可能である。
また、特開平9−133904号公報に記載の発明においては、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、キラルスメクチックC相に見られるような高速動作はやはり望めない。
【0021】
そこで、本発明は、基本的には、従来の光偏向素子における問題点、即ち、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、光学ノイズを改善し、構成が簡単で、小型であり、光量損失、光学ノイズ、解像度低下が少なく、低コスト化を図ることができる光偏向装置およびこれらを備える画像表示装置を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、透明な一対の基板と、両基板間で液晶分子をホメオトロピック配向させる配向膜と、無電界下でキラルスメクチックC相を形成する液晶層と、両基板間で液晶層の厚さを規制する少なくとも2つ以上のスペーサと、前記液晶層に対して略平行な方向に電界を発生させる少なくとも2つ以上の電極とを有する光路偏向素子と、前記電極間の電界方向を切換え可能とする電圧印加手段とを有し、電界の印加方向を切換えることによって液晶層法線方向と電界方向の両者に略直交する方向に透過光の光路を偏向する光偏向装置において、前記スペーサの内、少なくとも2つの対向したスペーサが導電性材料からなり、該スペーサが対向する面が、光路を偏向する方向に対して略平行に配置された電極であることを特徴とし、簡単な構成の光偏向素子を提供するものである。
【0023】
請求項2の発明は、透明な一対の基板と、両基板間で液晶分子をホメオトロピック配向させる配向膜と、無電界下でキラルスメクチックC相を形成する液晶層と、両基板間で液晶層の厚さを規制する少なくとも2つ以上のスペーサと、前記液晶層に対して略平行な方向に電界を発生させる少なくとも2つ以上の電極とを有する光路偏向素子と、前記電極間の電界方向を切換え可能とする電圧印加手段とを有し、電界の印加方向を切換えることによって液晶層法線方向と電界方向の両者に略直交する方向に透過光の光路を偏向する光偏向装置において、前記光路偏向素子は、少なくとも一方の基板上の光路を含む領域に、所望の光路シフト方向に対して略平行に配置された複数本の電極ライン群を有し、前記電圧印加手段が、ある時刻における各電極ラインに印加する電圧値を段階的に異なる値に設定することを特徴とし、光路の実効的な断面積が大きな場合でも、光路全体を比較的均一に偏向することが可能な光偏向装置を提供するものである。
【0024】
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記光路偏向素子は、両基板上の光路を含む領域に、所望の光路シフト方向に対して略平行に配置された複数本の電極ライン群を有していることを特徴とし、光路の実効的な断面積が大きな場合でも、光路全体を比較的均一で効率良く偏向することが可能な光偏向装置を提供するものである。
【0025】
請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記電極ラインが透明電極材料から成り、各基板上での透明電極ラインの位置が光路から見て交互に配置され、ある時刻における各透明電極ラインに印加する電圧値が、両基板間で交互に段階的に異なる値に設定されることを特徴とし、光路の実効的な断面積が大きな場合でも、光路全体の偏向量の均一性を更に高めるようにしたものである。
【0026】
請求項5の発明は、請求項2乃至4のいずれかの発明において、前記スペーサは光路の領域外に設けた導電性材料からなる2つの電極対であり、前記光路偏向素子の平面方向に対して該電極対の間に前記電極ライン群が設けてあり、前記電圧印加手段が、ある時刻における該電極対の一方には電極ライン群に印加された最大電圧値以上の電圧値を印加し、該電極対の他方には電極ライン群に印加された最低電圧値以下の電圧値を印加することを特徴とし、光路の実効的な断面積が大きな場合でも、光路全体を均一に偏向することが可能な光偏向装置を提供するようにしたものである。
【0027】
請求項6の発明は、請求項2乃至5のいずれかの発明において、前記電極ライン群を形成した基板面の上に誘電体層を設け、該誘電体層と液晶層の間に配向膜を設けたことを特徴とし、光路偏向素子の面積が大きい場合でも、液晶層内の平面方向での電界強度を均一化し、均一な光路偏向効果を得ることができるようにしたものである。
【0028】
請求項7の発明は、請求項6の発明において、前記誘電体層が前記配向膜であることを特徴とし、光路偏向素子の面積が大きい場合でも、比較的簡単な層構成で、液晶層内の平面方向での電界強度を均一化し、均一な光路偏向効果を得ることができるようにしたものである。
【0029】
請求項8の発明は、請求項1乃至7のいずれかの発明において、前記光路偏向素子への入射光の偏方向を光路の偏向方向と一致させる偏方向制御手段を有することを特徴とし、入射光が無偏向の光であっても確実に光路を偏向するようにしたものである。
【0030】
請求項9の発明は、請求項8の発明において、前記光路偏向素子の出射光の偏光面を略直角に回転させる偏光面回転手段と、偏光面回転後の出射光を入射光とする第二の光路偏向素子を有し、前記光路偏向素子と該第二の光路偏向素子の液晶層法線方向が略一致し、両光路偏向素子の電界方向が略直交するように配置されてなることを特徴とし、光路を二次元方向に偏向可能としたものである。
【0031】
請求項10の発明は、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が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および照明装置と、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装置と、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で形成する表示駆動手段と、各画素からの出射光の光路を偏向する前記請求項1から9に記載の光偏向装置とを有し、サブフィールド毎の光路の偏向状態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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とし、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ようにしたものである。
【0032】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第一の実施の形態を説明するための図で、図1(A)は上面図、図1(B)は平面図、図1(C)は側断面図(図1(A)のC−C線断面図)で、図中、1は光偏向素子を示す。この光偏向素子1においては、まず、図1(C)の側面図に示すように、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との間にはキラルスメクチックC相よりなる強誘電液晶なる液晶層5が充填されている。
【0033】
このような一対の基板2,3及び液晶層5を有する構造体に対して、目的とする光偏向方向に対応させて、図1(B)の正面図に示すように、電極6a,6bによる一対の電極対が配置され、図1(C)に示すように、電源7に接続されている。電極対6a,6bは図1(A)の上面図に示すように、電界印加手段および液晶層の厚さを規制するスペーサとしても機能するもので、光路と重ならない位置で当該光偏向素子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る。光偏向による光の進行方向を3方向以上に振りたい場合は、入射光L1の偏向方向をその偏向方向に対応させて回転させるとともに、電極対6a,6bをやはりそれらに対応させ複数設ければよい。入射光L1は、電極対6a,6bより形成される電界の方向(図1(A)において、白抜き矢印)によって偏向を受け、第1の出射光Lo1若しくは第2の出射光Lo2の何れかの光路をとる。
【0034】
ここで、液晶層5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層である。このような液晶に関し、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「スメクチックC相」と呼んでいる。スメクチックC相よりなる強誘電液晶は、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ダイレクタ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」と呼ばれる。また、キラルスメクチックC相反強誘電液晶は各層毎に液晶ダイレクタ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、本実施の形態等では、液晶層5として強誘電液晶を例にとり光偏向素子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。
【0035】
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(キラル)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。
【0036】
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、従来より行われている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「強誘電性液晶の構造と物性」コロナ社、p235参照)。
【0037】
本実施の形態の光偏向素子1の特徴の1つは、構成が簡単で製造コストが抑制できる点にある。また、キラルスメクチックC相はスメクチックA相やネマチック液晶と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も特徴である。特に、電界方向に対して液晶ダイレクタ方向が一義的に決定されるため、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。
【0038】
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(液晶ダイレクタ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、液晶ダイレクタの動作が基板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、液晶ダイレクタ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ダイレクタ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。液晶ダイレクタが基板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。
【0039】
次に、図2及び図3を参照して、本実施の形態の光偏向素子1の動作原理について説明する。図2は、図1に示した構成に関して液晶分子の配向状態を模式的に示したものである。図2では、便宜上紙面表裏方向に電圧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電源7により切換えられる。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、その偏向方向は図2中上下の矢印に示す通り上下方向であって、スペーサ兼電極6a,6bは、その偏向方向に電界方向が直交するように、対向配置されている。また、図示しないが、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好ましい。
【0040】
図2において、XYZ直交座標系を、図示の通りにとったとき、液晶層5内のXZ断面において、図3に示すように、液晶ダイレクタ8は、その電界方向によって第1の配向状態81又は第2の配向状態82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ダイレクタ8の傾き角であり、以後、単に「傾き角」と呼ぶ。液晶分子の自発分極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、液晶ダイレクタ8は液晶回転軸が略基板垂直方向であるためXZ面内にある。液晶分子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、偏向方向を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を受けて直進し、図3(A)中のa方向に進む。即ち、光偏向は受けない。
【0041】
一方、偏向方向が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ダイレクタ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及び液晶ダイレクタ8の方向(傾き角θ)に対応した偏向を受け、図3(A)中のb(第1の配向状態の場合)に示す方向にシフトする。
【0042】
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(例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、p198参照)。
S=[(1/no)2−(1/ne)2]sin(2θ・d)
÷[2((1/ne)2sin2θ+(1/no)2cos2θ)] ………式1
また、電界方向を反転させた時、液晶ダイレクタ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、偏向方向がZ軸方向である直線偏光の進行方向は、図3(A)中のb′に示す通りとなる。
従って、この直線偏光に対して液晶5に作用させる電界方向を制御することで、bとb′との2位置、即ち、2S分の光偏向が可能となる。
【0043】
例えば、液晶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を計算した場合、液晶ダイレクタ8の傾き角θが22.5°、液晶の厚みが32μmのとき、2S=5(μm)の偏向量が得られる。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、pp2366−2368(1991)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、傾き角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。
【0044】
例えば、仮に、傾き角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、温度により傾き角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。
【0045】
図1では、電極6aから6bの向きに電界が印加されると第一の出射光Lo1となり、電極6bから6aの向きに電界が印加されると第二の出射光Lo2となる。交流電源7により電界の向きを高速に切換えることで、光路をシフトすることが出来る。また、液晶層の厚さを規制するスペーサの対向面を光路を偏向する方向に対して平行に配置し、このスペーサが液晶層に平面方向に電界を印加する電極を兼ねているので、比較的簡単な構成の光偏向素子を実現できる。
【0046】
上記の構成では、素子の両端部にのみ電極を設けているため、素子の有効面積が大きくなり電極間距離が大きくなると、電極の幅に比べて電極間の距離が十分に大きくなるため、液晶層内に均一な電界強度を印加することが困難になる。したがって、液晶層平面方向での電界強度が不均一となり、素子内で均一な光路偏向を得ることが困難になる。
【0047】
図4は、本発明の第二の実施の形態を説明するための図で、図4(A)は上面図、図4(B)は正面図、図4(C)は側断面図(図3(A)のC−C線断面図)で、図1の構成に比べて素子の幅を大きく設定し、少なくとも一方の基板表面に電極ライン9を設けている。この場合、素子両端部のスペーサ10が電極を兼ねている必要は無い。また、電極ライン9を設けた基板面上にも配向膜4を設けても良い。図4では、8本の電極ライン9を設けているが、図中、左端の電極ラインから印加電圧が段階的に増加あるいは減少していくように電圧印加手段11が構成されている。例えば、電源7から供給される電圧を7つの抵抗12によって分割し、各抵抗間を各電極ライン9に接続することで、段階的な電圧値を印加することが出来る。段階的な電圧印加方法は、この構成に限らず、複数の電源を各電極に直接接続する構成などでも良い。また、電極ラインの本数やライン幅、ライン間隔、各電極ライン間の電位差などは所望の光路サイズや光路偏向量などに基づき適宜設定される。この構成では、比較的幅の広い液晶層の内部に強制的に電位勾配を作るので、巨視的には素子の全面で比較的均一な電界強度を得ることが出来る。
【0048】
しかしながら、電極ライン幅の部分は電位が等しいことから、微視的にみると電極ライン近傍では所望の電位勾配は得らず、所望の光路偏向効果が得られない。したがって、本構成では電極ライン近傍以外を有効領域とする光路偏向素子が得られる。この場合、電極付近を透過する光を遮断する遮光部材を設けるか、入射光が予め有効領域に対応して分されていることが好ましい。例えば、画像表示装置に応用する場合、画素ピッチと電極ラインピッチを一致させ、電極ライン部分を画素間に対応させることが好ましい。図4では7本の光路を電極ライン間に対応して入射させ、電圧印加手段により電界の方向を切換えることで、7本の光路を同時に同一方向にシフトさせることが出来る。
【0049】
従って、図4に示した例では、光路偏向素子の所望の光が透過する光路領域に複数本の電極ラインを設け、各電極ラインに印加する電圧値を端部側から段階的に変化させ、光路の実効的な断面積が大きな場合でも、電極ライン群の領域全体に渡って液晶層内の平面方向に巨視的に緩やかな電位勾配を作ることが出来る。したがって、光路領域全体に渡って液晶層内に所望の電界強度を形成した有効部分を少なくとも離散的に得ることが出来る。この有効部分のみを利用することで、断面積の大きな光路全体を比較的均一に偏向することが出来る。
【0050】
図4に示した例では、構成の簡略化のため、一方の基板上にのみ電極ラインを設けているが、この構成では液晶層の膜厚方向に電界が生じる場合がある。液晶層5の膜厚方向の電界が大きくなると、液晶ダイレクタ方向が液晶層の厚さ方向で不均一になり、液晶膜厚に対して所望の光路偏向量が得られなくなる。そこで、図5に示すような形態を提案する。
【0051】
図5は、本発明の第三の実施の形態を説明するための図で、図5では、両基板上の光路を含む領域に、電極ライン9が向かい合うように設けられている。ここでは、配向膜4が両基板上に設けられているが、片面でも良い。図示しない電圧印加手段により、端部の電極ライン9から段階的に電圧を印加する。この時、正対する電極対には同電位が印加されるように設定される。液晶層の上下界面に同電位が印加されるので、液晶層の膜厚方向での電位分布すなわち電界強度が小さくなり、液晶層全域に渡って所望の液晶分子の傾きが得られ、効率の良い光路偏向が行える。すなわち、両側の基板に電極ラインを有しているので、光路の実効的な断面積が大きな場合でも、液晶層の厚さ方向の電位分布が比較的均一になり、液晶層厚さ方向の電界強度を小さく出来るので、電界印加時の液晶分子のダイレクター方向が液晶層の厚さ方向で比較的均一になり、光路全体を比較的均一で効率よく偏向することができる。
【0052】
上記の例では、電極ライン本数が比較的少ないが、比較的大きな面積の光路偏向素子で、より均一な電界強度分布を得ようとする場合には、電極ラインの幅を出来る限り細くし、ラインピッチも狭くすることが好ましい。しかし、ライン本数自体が多くなり、段階的な電圧印加手段が複雑になり、基板からの配線の取出しが困難になるという問題も生じる。したがって、一枚の基板上でのライン本数を少なくすることが好ましい。そこで、実用的にはラインピッチの間隔を広めに設定する事になるが、ラインピッチ間隔が広くなると、ライン間の中間付近に両ラインの各設定電位よりも低い電位部分が発生する場合がある。すなわち、ライン間の一部に逆方向の電界が作用してしまう部分が発生してしまう。
【0053】
図6は、本発明の第四の実施の形態を説明するための図で、図6(A)は上面図、図6(B)は正面図で、図6の構成では、電極ライン群が両基板上に形成され、各基板上での電極ライン9の位置が交互に配置されている。そして、図6(B)に示す正面図中の左端の電極ラインから印加電圧が段階的に増加あるいは減少していくように、両基板間で交互に段階的に異なる値に設定する電圧印加手段11が構成される。図6では、図4と同様に、直列抵抗12による方式を示しているが、この方式に限られない。本構成では、片側の電極ライン間の中間付近での所望の電位を他方の基板の電極ラインで強制的に印加しているので、前述したような逆電界の発生を防止できる。また、電極ライン近傍でも反対側基板付近の電極ライン間での電位差によって電界が発生するため、電極ライン部も光路偏向効果を得ることが出来る。そこで、本実施の形態では、電極ラインをITOなどの透明電極材料で形成することが好ましい。透明電極ライン上も光路偏向領域として機能できるので、断面積の大きな光路を比較的均一に偏向することが出来る。また、一枚の基板上でのライン本数を少なく設計出来るので、配線の接続などが比較的容易になる。
【0054】
上述のように、電極ラインの間隔が広いと、ライン間の中間付近に電位が低い部分が発生し、逆方向の電界が作用してしまうが、上下の基板上で電極ラインを交互に配置し、電圧値も交互に変化するように印加することで、光路の実効的な断面積が大きな場合でも、液晶層内の面方向での電位変化が比較的均一になり、逆方向電界の発生を低減でき、更には、電極を透明材料とすることで、電極ライン上も光路偏向領域として機能できる。したがって、断面積の大きな光路を比較的均一に偏向することが出来る。
【0055】
図7は、本発明の第五の実施の形態を説明するための図で、図7では図4の構成のスペーサを導電性材料からなる電極対13a,13bとし、このスペーサ兼電極対13a,13bの一方には電極ライン群に印加された最大電圧値以上の電圧値を印加し、電極対の他方には電極ライン群に印加された最低電圧値以下の電圧値を印加する。図7の例では、両端のスペーサ兼用の電極に接続する電源7bを独立して設けているが、電極ライン群に接続する電源7aと共通でも良い。両端に印加する電圧値は素子周辺部への漏れ電界などの影響を考慮して設定される。極性の切換えタイミングは、電極ライン9への印加電圧の極性切換えに同期される。電極ライン群による液晶層内平面方向での電位勾配が不均一となるような設定であっても、両端のスペーサ兼用の電極間に補助的な電圧を印加することで、液晶層内平面方向での電位勾配が滑らかになるので、断面積の大きな光路を比較的均一に偏向することが出来る。なお、電極ライン上も光路偏向領域として機能させるために、透明電極ラインであることが好ましい。
【0056】
このように、光路領域内の電極ラインによる段階的な電位印加に加えて、光路領域外部のスペーサ部材を兼ねた電極により、光路の実効的な断面積が大きな場合でも、補助的な電圧を印加して液晶層内平面方向での電位勾配を滑らかにするので、断面積の大きな光路を比較的均一に偏向することが出来る。
【0057】
図8は、本発明の第六の実施の形態を説明するための図で、図示のように、電極ライン群を形成した基板2,3の上に誘電体層14を設け、誘電体層14と液晶層5の間に配向膜4を設けたもので、誘電体層14としては、ガラスや樹脂など透明性の高いものを用いることが出来る。また、誘電体層14と液晶層5の間にホメオトロピック配向用の配向膜を設けるため、配向膜の形成時に誘電体層を劣化させないような形成方法を設定することが好ましい。特に、誘電体層および配向膜が樹脂の場合、両者の塗布溶媒などを最適化しておく必要が有る。電極ライン9の形成面と液晶層5との間に誘電体層14を挟むことで、電極ライン9に印加した不連続な電位分布が鈍り、液晶層内の平面方向での電位勾配が均一になる。
【0058】
したがって、液晶層内平面方向への電界強度分布が均一になり、均一な光路偏向を得ることが出来る。本構成でもスペーサを導電性材料からなる電極対13a,13bとすることが好ましい。なお、電極ライン上も光路偏向領域として機能させるために、透明電極ラインであることが好ましい。但し、本構成では、素子の作成プロセスが複雑になるという問題がある。
【0059】
図9は、本発明の第七の実施の形態を説明するための図で、図9では電極ラインを設けた基板上に比較的厚めの配向膜4を設け、配向膜4に前記誘電体層の機能を持たせるようにしている。素子の層構成が簡単なため、製造プロセスを簡略化できる。なお、電極ライン上も光路偏向領域として機能させるために、透明電極ラインであることが好ましい。
【0060】
以上に説明した第一から第七の実施の形態では、光路の偏向方向、すなわち電界印加時の液晶分子の傾斜方向に平行な偏向方向の直線偏光のみが光路の偏向を受け、これに直交した直線偏光は直進したままである。したがって、無偏光の光を入射した場合、出射光には偏向を受けない成分を含むため、光路偏向の有無に対するコントラストが低下してしまう。
【0061】
そこで、本発明の第八の実施の形態では、光路偏向素子への入射光の偏方向を光路の偏向方向と一致させる偏方向制御手段を設ける。偏方向制御手段としては、直線偏光板を用いることが出来る。直線偏光板の偏向方向を透明電極ラインあるいはスペーサ兼用電極の長手方向に平行に合わせて、素子の入射面側に設置する。入射光が無偏光の場合でも、液晶分子の傾斜による光路偏向作用を受けない光成分をカットするので、確実に光路偏向による光スイッチングを行うことが出来る。光路の偏向方向、すなわち電界印加時の液晶分子の傾斜方向に平行な偏向方向の光のみを入射するので、偏向されない光の発生を防止し、確実な光路偏向を実現できる。
【0062】
図10は、本発明の第九の実施の形態を説明するための図で、図10に示す実施の形態は、前述した実施の形態のように構成された2つの光偏向素子1A,1Bと1/2波長板15とを組合わせて構成された光偏向素子16に関する。図10では、スペーサや透明電極ライン、配向膜などは省略してある。光偏向素子1A,1Bは各々の電極対6a,6bによる電界発生方向を直交させて光進行方向に直列に配列されており、これらの光偏向素子1A,1B間に1/2波長板15が配設されている。1/2波長板15は通常市販されている可視光用のものをそのまま適用できる。この光偏向素子に入射する光は、図10に示す通り、Z軸方向に偏向方向を有しており、光進行方向に対して前段側の光偏向素子1Aにおいて上下方向(Z軸方向)に偏向を受けた後、1/2波長板15によって偏向方向を90°回転させてY軸方向の偏向方向とすることで、後段の光偏向素子1Bで左右方向(Y軸方向)の偏向を受ける。このような光偏向素子16によれば、光偏向素子1Aにおいて上下方向(Z軸方向)に2位置、光偏向素子1Bにおいて左右方向(Y軸方向)に2位置の光シフトが行われるため、素子全体としては合計4位置に光をシフトさせることが可能となる。
【0063】
図11は、本発明の第十の実施の形態を説明するための図で、本実施の形態は、画像表示装置への適用例を示す。図11において、21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21からスクリーン26に向けて発せられる光の進行方向には拡散板22、コンデンサレンズ23、画像表示素子としての透過型液晶パネル24、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25が順に配設されている。27は光源21に対する光源ドライブ部、28は透過型液晶パネル24に対するドライブ部である。ここに、透過型液晶パネル24と投射レンズ25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偏向手段30が介在されており、ドライブ部31に接続されている。このような光偏向手段30として、前述したような光偏向素子1が用いられている。
【0064】
光源ドライブ部27で制御されて光源21から放出された照明光は、拡散板22により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ23により液晶ドライブ部28で照明光源と同期して制御されて透過型液晶パネル24をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル24で空間光変調された照明光は、画像光として光偏向手段30に入射し、この光偏向手段30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25で拡大されスクリーン26上に投射される。
【0065】
ここに、光偏向手段30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24の見掛け上の画素数を増倍して表示する。このように光偏向手段30によるシフト量は透過型液晶パネル24の画素の配列方向に対して2倍の画像増倍を行うことから、画素ピッチの1/2に設定される。シフト量に応じて透過型液晶パネル24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、光偏向手段30として、前述した各実施の形態のような光偏向素子を用いているので、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。光偏向位置制御を、当該光偏向素子1における電極対6a、6bによる電界印加方向及び電界強度により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。
【0066】
(実施例1)
大きさ3cm×4cm、厚さ3mmのガラス基板の表面をシランカップリング剤(東レ・ダウコーニング・シリコーン製AY43−021)で処理して垂直配向膜を形成した。厚さ50μm、幅1mm、長さ3cmの二本のアルミ電極シートをスペーサとして、垂直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1mmとした。基板を約90度に加熱した状態で、二枚の基板間に強誘電性液晶(チッソ製CS1029)を毛管法にて注入した。冷却後、接着剤で封止し、図1に類似の光路偏向素子を作成した。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。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。
【0067】
マスクパターンを透過した光を光路偏向素子の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。無電界時にはマスクパターンがそのまま観察された。二本のアルミ電極シートの一方を接地し、もう一方に+100Vの電圧を印加したところ、ライン/スペースパターンがアルミ電極シートの長手方向に約2.5μmシフトして観察された。マスクパターンや光路偏向素子、顕微鏡は機械的に静止しているので、電気的に光路シフトすることが確認できた。もう一方に−100Vの電圧を印加したところ、逆方向に約2.5μmシフトした。パルスジェネレータと高速パワーアンプを用いて、±100Vの矩形波電圧を印加したところ、ピーク対ピークで約5μmの光路シフトが確認できた。ライン/スペースの幅が5μmであるため、あたかもラインとスペースの明暗が反転するように観察された。すなわち、5μm幅のスペース部分をライトバルブのピクセルとすれば、簡単な構成の光路偏向素子により、一つピクセルが見かけ上2つのピクセルに増倍することを確認できた。
【0068】
また、素子の温度を約40℃に加熱して応答速度を測定した結果、約0.3msecであり、ネマチック液晶に比べて充分速いことを確認した。なお、応答速度の確認は、直線偏光板のクロスニコル中に素子の電極方向を45度回転させ、かつ、素子を光路に対して10度程度傾斜させた状態で、透過光量の時間変化を測定して求めた。
【0069】
また、この素子の液晶層内の平面方向での電位分布および電界分布を差分法による二次元電界シミュレーションで求めた。計算のメッシュサイズは縦横10μmとし、液晶層の比誘電率を10、ガラス基板の比誘電率を8とした。計算上、配向膜の存在は省略した。液晶層中央部の電位分布を図12に、液晶層中央部の横方向の電界強度を図13に示す。両端の電極付近では電界強度が大きいが、中央付近は比較的均一な電界強度が得られている。
【0070】
(比較例1)
二本のアルミ電極シートの間隔を2mmとし、印加電圧を200Vとした以外は実施例1と同様にした。その電極間の平均的な電界強度は100V/mmで実施例1と同様であるが、接地側のライン電極から0.5mm付近での光路シフト量が3μm程度と少なかった。その部分では応答速度も約0.5msecと遅かった。ここで、実施例1と同様な計算条件で二次元電界シミュレーションを行った結果、図14のように液晶層中央部での横方向の電界強度の不均一性がより一層大きくなっており、特に接地電極から0.5mm付近で小さくなっていることが分かった。実施例1の構成では、電極間の距離が大きな場合には不利であることが分かった。
【0071】
(実施例2)
大きさ3cm×4cm、厚さ3mmのガラス基板の表面にアルミ蒸着による電極ラインを作成した。ライン幅10μm、ラインピッチ100μm、ライン長さ2cmとし、幅2mmの中に20本のアルミ電極ラインを形成した。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。アルミ電極ライン上および電極の無い基板をシランカップリング剤(東レ・ダウコーニング・シリコーン製AY43−021)で処理して垂直配向膜を形成した。厚さ50μm、幅1mm、長さ3cmのマイラーシートをスペーサとして、垂直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2mmとした。基板を約90度に加熱した状態で、二枚の基板間に強誘電性液晶(チッソ製CS1029)を毛管法にて注入した。冷却後、接着剤で封止し、図4に類似の光路偏向素子を作成した。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。直線偏光の向きは、アルミ電極ラインの長手方向と同一に設定した。
【0072】
マスクパターンを透過した光を光路偏向素子のアルミ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。20本のアルミ電極ラインの一端に導線を接続し、図4のような直列抵抗の各抵抗間に接続した。各抵抗値は1MΩとし、19個を直列に接続した。直列抵抗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、ピーク対ピークで約4.5μmの光路シフトが確認できた。全てのアルミ電極ライン間でも同様な光路シフト量と約0.35msecの応答速度が確認できた。
【0073】
実施例1と同様な計算条件で二次元電界シミュレーションを行った結果、液晶層中央部では図15および図16に示す電位分布および電界分布が得られた。図16では、電界強度の強弱が見られるが、上記構成では電界強度の強い部分のみを光路として用いているため、2mm幅の領域の中で離散的ではあるが、均一な光路偏向領域を得ることが出来たと考えられる。
【0074】
(実施例3)
図5に示したように、上下両基板に20本のアルミ電極ラインを設け、両基板のアルミ電極ラインが光路方向に一致させた以外は実施例2と同様にした。正対するアルミ電極ラインには同一電位が印加されるように、両基板のアルミ電極ラインからの配線を19個の直列抵抗間に接続した。直列抵抗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、全てのアルミ電極ライン間でほぼ均一な約5μmの光路シフト量と約0.3msecの応答速度が確認できた。
【0075】
実施例2と同様な計算条件で二次元電界シミュレーションを行った結果、液晶層中央部では図17に示す電界分布が得られた。これは、図16の横方向で電界分布とほぼ同様であるが、膜厚方向での電位および電界の均一性が向上したために、実施例2に比べて光路シフト量が大きく、応答速度が大きくなった。
【0076】
(実施例4)
両基板上の電極ラインをITO透明電極材料に変更し、図6に示したように、両基板の透明電極ラインが光路方向に交互に配置した以外は実施例3と同様にセルを作成した。
実施例3で用いた抵抗値の半分の抵抗を用い、二倍の38個を直列に接続し、各抵抗間に両基板の透明電極ラインからの配線を交互に接続した。直列抵抗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、2mm幅の光路偏向素子部の両端部から約0.2mm以外の領域では、透明電極ライン上でも約5μmの光路シフト量と約0.3msecの応答速度が確認できた。この構成では、透明電極ライン間だけでなく、ライン上でも光路シフト効果が得られた。
【0077】
実施例4と同様な計算条件で二次元電界シミュレーションを行った結果、液晶層中央部では図18および図19に示す電圧分布および電界分布が得られた。この構成では、スペーサ近傍で低電界あるいは逆電界が発生していることが分かった。しかし、それ以外では、電界強度の振幅が見られるものの、平均的には比較的均一な電界強度が得られていることが分かった。
【0078】
(実施例5)
マイラーシートのスペーサ部材を実施例1と同様なアルミ電極シートにして、図7に示したように、電圧を印加可能とした以外は実施例4と同様にした。直列抵抗の両端およびアルミ電極シートに、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、2mm幅の光路偏向素子部の全領域で約5μmの光路シフト量と約0.3msecの応答速度が確認できた。
【0079】
実施例5と同様な計算条件で二次元電界シミュレーションを行った結果、液晶層中央部では図20および図21に示す電圧分布および電界分布が得られた。この構成では、スペーサ近傍でも比較的均一な電界が発生していることが分かった。
【0080】
(実施例6)
実施例5と同様な基板を用いて、ITO透明電極ラインの形成面にハードコート処理を施した厚さ50μmのマイラーシートを接着した。マイラーシート上に市販の垂直配向液晶用の配向膜を塗布して基板を得た。実施例5と同様にセルを作成し、各ITO透明電極ラインを直列抵抗に接続した。直列抵抗の両端およびアルミ電極シートに、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、2mm幅の光路偏向素子部の全領域で約5μmの光路シフト量と約0.3msecの応答速度が確認できた。
【0081】
マイラーシートの比誘電率を3.0とし実施例5と同様な計算条件で二次元電界シミュレーションを行った結果、液晶層中央部では図22および図23に示す電圧分布および電界分布が得られた。この構成では、スペーサ近傍で電界強度かの増加が見られるものの、素子の中央付近では非常に均一な横方向電界が発生していることが分かった。
【0082】
(実施例7)
図11に示したような画像表示装置を作成した。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液晶パネルを用いた。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。
【0083】
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。
【0084】
光偏向素子の基本構成は実施例6と同様であるが、透明電極ラインの本数を10倍の200本とし、有効領域幅も10倍の20mmとした。スペーサ兼用アルミ電極シートの厚さを100μmとして、光路シフト量が約9μmになるように設定した。また、直列抵抗の数も10倍にし、直列抵抗の両端およびアルミ電極シートに、パルスジェネレータと高速パワーアンプを用いて、±2000Vの矩形波電圧を印加可能とした。この素子を2枚用い、入射側を第一の光路偏向素子、出射側を第二の光路偏向素子とした。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。
【0085】
さらに、第一および第二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。ガラス基板のアニール処理後、ラビング処理を行った。二枚のガラス基板の間の周辺部に8μm厚のスペーサを挟み、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、単なる偏光面回転素子として機能する。
【0086】
第一の光路偏向素子から出射した光の偏光面と偏光面回転素子の入射面のラビング方向が一致するように、二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一の光路偏向素子からの出射光の偏光面が90度回転し、第二の光路偏向素子の偏向方向に一致する。第一偏向素子、偏光面回転素子、第二偏向素子からなる光路偏向装置を液晶ライトバルブの直後に設置した。また、本実施例では液晶表示素子からの出射光が既に直線偏光であり、その偏向方向が第一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直線偏光板を設けた。
【0087】
光路偏向素子を駆動する矩形波電圧の周波数を120Hzとし、二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。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、縦横二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。光路偏向素子の切換え時間は約0.4msecであり、充分な光利用効率が得られた。また、フリッカーなどは観測されなかった。
【0088】
【発明の効果】
本発明によると、液晶層の厚さを規制するスペーサの対向面を光路を偏向する方向に対して平行に配置し、このスペーサが液晶層に平面方向に電界を印加する電極を兼ねるようにすることにより、比較的簡単な構成の光偏向素子を実現できる。
【0089】
光路偏向素子の所望の光が透過する領域(光路領域)に複数本の電極ラインを設け、各電極ラインに印加する電圧値を端部側から段階的に変化させ、電極ライン群の領域全体に渡って液晶層内の平面方向に巨視的に緩やかな電位勾配を作るようにすることにより、光路領域全体に渡って液晶層内に所望の電界強度を形成した有効部分を少なくとも離散的に得ることが出来、更には、この有効部分のみを利用することで、断面積の大きな光路を比較的均一に偏向することが出来る。
【0090】
両側の基板に電極ラインを有することにより、液晶層の厚さ方向の電位分布が比較的均一になる。すなわち、液晶層厚さ方向の電界強度を小さく出来るので、電界印加時の液晶分子のダイレクター方向が液晶層の厚さ方向で比較的均一になり、効率的な光路偏向が行える。
【0091】
電極ラインの間隔が広いと、ライン間の中間付近に電位が低い部分が発生し、逆方向の電界が作用してしまうが、上下の基板上で電極ラインを交互に配置し、電圧値も交互に変化するように印加することで、液晶層内の面方向での電位変化が比較的均一になり、逆方向電界の発生を低減できる。また、電極を透明材料とすることで、電極ライン上も光路偏向領域として機能でき、したがって、断面積の大きな光路を比較的均一に偏向することが出来る。
【0092】
光路領域内の電極ラインによる段階的な電位印加に加えて、光路領域外部のスペーサ部材を兼ねた電極により、補助的な電圧を印加して液晶層内平面方向での電位勾配を滑らかにするので、断面積の大きな光路を比較的均一に偏向することが出来る。
【0093】
電極ライン群の近傍に周期的な電位勾配の変化が生じる場合、液晶層との間に誘電体層を挟むことで、液晶層内の平面方向での電位勾配の変化量が小さくなるので、均一な電界強度分布を得ることが出来る。
【0094】
誘電体層が配向膜を兼ねることにより、素子の製造プロセスが簡略化できる。また、光路の偏向方向すなわち電界印加時の液晶分子の傾斜方向に平行な偏向方向の光のみを入射することにより、偏向されない光の発生を防止し、確実な光路偏向を実現できる。
【0095】
一方向への偏向が可能な光路偏向素子を二枚組み合わせ、両者の電界印加方向を90度回転させて配置し、入射側の光路偏向素子から出射した光の偏光面を90度回転させて、第二の光路偏向素子に入射させることで、確実に二次元方向への光路偏向が可能となる。
【0096】
強誘電性液晶分子の基板面に対する傾斜方向の切換えを利用した光路偏向装置を用いているので、サブフィールド画像に対応して、高速な光路偏向が可能になり、見かけ上高精細な画像表示が可能となる。また、高速応答性によりサブフィールド画像の切換え時間が短くできるので、時間的な光利用効率が向上する等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第一の実施の形態を説明するための図である。
【図2】 液晶分子の配向状態を模式的に示した図である。
【図3】 本発明による光偏向素子の動作原理を説明するための図である。
【図4】 本発明の第二の実施の形態を説明するための図である。
【図5】 本発明の第三の実施の形態を説明するための図である。
【図6】 本発明の第四の実施の形態を説明するための図である。
【図7】 本発明の第五の実施の形態を説明するための図である。
【図8】 本発明の第六の実施の形態を説明するための図である。
【図9】 本発明の第七の実施の形態を説明するための図である。
【図10】 本発明の第九の実施の形態を説明するための図である。
【図11】 本発明の第十の実施の形態を説明するための図である。
【図12】 電圧分布を示す図である。
【図13】 1mm幅セルの電界分布を示す図である。
【図14】 2mm幅セルの電界分布を示す図である。
【図15】 片面ライン電極での電位分布を示す図である。
【図16】 片面ライン電極での電界分布を示す図である。
【図17】 両面正対ライン電極での電界分布を示す図である。
【図18】 両面交互ライン電極の電位分布を示す図である。
【図19】 両面交互ライン電極の電界分布を示す図である。
【図20】 スペーサ電極兼用での電位分布を示す図である。
【図21】 スペーサ電極兼用での電界分布を示す図である。
【図22】 誘電体積層タイプの電位分布を示す図である。
【図23】 誘電体積層タイプの電界分布を示す図である。
【符号の説明】
1…光偏向素子、2,3…基板、4…配向膜、5…液晶層、6a,6b…電極対、7…電源、9…電極ライン、10…スペーサ、11…電圧印加手段、12…抵抗、13a,13b…スペーサ兼電極対、14…誘電体層、15…波長板、16…光偏向素子、21…光源、22…拡散板、23…コンデンサレンズ、24…透過型液晶パネル、25…投射レンズ、26…スクリーン、27…光源ドライブ部、28…ドライブ部、30…光偏向手段、31…ドライブ部。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an optical deflection device that changes the direction of light according to an electric signal, and the optical deflection device.TheThe used image display device is suitable for application to an electronic display device such as a projection display or a head mounted display.
[0002]
First, terms used in this specification will be defined.
In this specification, “light deflecting element” refers to whether the optical path of light is deflected by an external electric signal, that is, the outgoing light is shifted in parallel to the incident light, or is rotated at a certain angle. Alternatively, it means an optical element capable of switching the optical path by combining both of them. 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.
[0003]
The “pixel shift element” 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 displayed on the image display element. An optical member for observing the pattern, and a light deflecting means for deflecting the optical path between the image display element and the optical member for each of a plurality of subfields obtained by dividing the image field in time. Means light deflecting means in an image display device that displays an image pattern in which the display position is shifted according to the deflection of the optical path for each field, thereby increasing the apparent number of pixels of the image display element. To do. 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.
[0004]
[Prior art]
Conventionally, KH has been used as an optical element as a light deflection element.2POFour(KDP), NHFourH2POFour(ADP), LiNbOThree, LiTaOThree, GaAs, CdTe, and other materials having a large primary electro-optic effect (Pockels effect), KTN, SrTiOThree, CS2, Electro-optic devices using materials with large secondary electro-optic effect such as nitrobenzene, 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.
[0005]
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.
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 half a cell There has been proposed a light beam shifter in which multiple stages are shifted by half a cell.
[0006]
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.
[0007]
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 and cannot be used for applications that require high-speed switching. .
In the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 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.
[0008]
Next, several techniques that have been conventionally proposed for the pixel shift element will be described.
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 onto a screen 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 a projection image having at least one optical element capable of turning in the deflection direction and 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.
[0009]
In Japanese Patent No. 2939826, at least one optical element (referred to as an optical rotatory element) capable of rotating the deflection direction and at least one transparent element (referred to as a birefringent element) having a birefringence effect are included. The pixel shift is performed by the projection image shift means (pixel shift means) as described above. However, since the optical rotation element and the birefringence element are used in combination, there is a large loss of light amount, and the pixel shift amount depends on the light wavelength. The resolution tends to decrease and optical noise such as ghost due to leaked light is likely to occur at positions outside the pixel shift where the image is not originally formed due to mismatch in optical characteristics between the optical rotator and the birefringent element, and elementization It is mentioned that the cost for is large. In particular, the KH as described above for the birefringent element2POFour(KDP), NHFourH2POFour(ADP), LiNbOThree, LiTaOThreeThis is remarkable when a material having a large primary electro-optic effect (Pockels effect) such as, GaAs, CdTe is used.
[0010]
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 in the pixel selection circuit by the control 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.
[0011]
However, in the example of Japanese Patent Laid-Open No. 5-313116, 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. Therefore, the occurrence of chromatic aberration is small, but since the image display element itself needs to be translated accurately and at high speed, the accuracy and durability of the movable part is required, and vibration and sound become a problem.
[0012]
Further, according to Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320, 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, they are arranged in the vertical and horizontal directions. Each of the plurality of pixels emits light according to the display pixel pattern, and an optical member that changes the optical path for each field is disposed between the image display device on which the image is displayed and the observer or the screen. In addition, for each field, a display pixel pattern whose display position is shifted in accordance with the change of the optical path is displayed on the image display device. Here, the optical path is changed by causing the 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. It is.
[0013]
In the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-324320, 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 above-mentioned system that combines the optical rotatory element and the birefringent element, the optical path is switched by displacing (translating, tilting) the optical elements such as a lens, a reflecting plate, and a birefringent plate by a voice coil, a piezoelectric element, However, in this method, since the optical element is driven, the configuration becomes complicated and the cost increases.
[0014]
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 hardly affected by external vibrations. Has been proposed. Specifically, a translucent piezoelectric element disposed on the light beam traveling path, a transparent electrode provided on the surface of the piezoelectric element, and a light beam incident surface and a light beam emitting surface 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.
[0015]
In the example of Japanese Patent Laid-Open No. 10-133135, a method is proposed in which a light-transmitting piezoelectric element is sandwiched between transparent electrodes and a thickness is changed by applying a voltage to shift an optical path. There are the same problems as in the case of the above-mentioned JP-A-6-324320, such as requiring a transparent piezoelectric element and increasing the cost of the apparatus.
[0016]
Further, the applicant of the present invention has previously described a pair of transparent substrates, a liquid crystal comprising a chiral smectic C phase having a homeotropic orientation filled between the substrates, and at least one set of electric fields that cause an electric field to act on the liquid crystals. By using a liquid crystal composed of a chiral smectic C phase, the high cost, large equipment, light loss, and optical noise associated with the complicated structure of conventional optical deflection elements are improved. In addition, “light deflecting elements, light deflecting devices, and image display devices” that can improve the dullness of responsiveness in conventional smectic A liquid crystal, nematic liquid crystal, and the like and enable high-speed response have been proposed.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
When the above-mentioned problems of the prior art are arranged, the problem with the conventional pixel shift element is that
(1) High cost due to the complicated structure, large equipment, loss of light quantity, optical noise such as ghost, etc. or reduction in resolution,
(2) In particular, positional accuracy and durability in the case of a structure having a movable part, problems of vibration and sound,
(3) Low response speed in nematic liquid crystal, etc.
Etc.
[0018]
Regarding the response speed of (3), the speed of light deflection required for pixel shift in the image display device can be estimated as follows. Image field (time tField) In terms of time, and the optical path between the image display element and the optical member is deflected for each of n subfields to determine the pixel shift shift positions at n locations. Time tscience fictionIs
tscience fiction= TField/ N
It is represented by This time tscience fictionThe light is deflected during the period of time t.shiftThen, this tshiftSince the display cannot be performed during this period, the light use efficiency is reduced by an amount corresponding to this period.
[0019]
The light utilization efficiency E is expressed by the following formula.
E = (tscience fiction-Tshift) / Tscience fiction
If the pixel shift position n is 4, the image field tFieldIn order to ensure the light use efficiency E of 90% or more in the case of 16.7 ms,
0.9 <(16.7 / 4-tshift) / (16.7 / 4)
tshift<0.42 (ms)
Therefore, it is necessary to perform light deflection in 0.42 ms. Since a normal nematic liquid crystal has a response speed of several ms or more, it cannot be used as an optical element for high-speed pixel shift as shown here.
[0020]
In the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-18940, nematic liquid crystal is used as the liquid crystal material. Therefore, it is difficult to increase the response speed to sub-milliseconds, and it cannot be used for pixel shift. On the other hand, the response speed of a ferroelectric liquid crystal composed of a chiral smectic C phase can be sufficiently set to 0.42 ms or less.
In the invention described in JP-A-9-133904, a smectic A-phase ferroelectric liquid crystal is used. However, since the smectic A-phase does not have spontaneous polarization, a high speed such as that seen in a chiral smectic C-phase is used. I still can't expect the action.
[0021]
Therefore, the present invention basically improves the problem in the conventional optical deflection element, that is, the high cost, the size of the apparatus, the light loss, and the optical noise due to the complicated configuration, and the configuration is simple. An object of the present invention is to provide an optical deflecting device that is small in size, has little light loss, optical noise, resolution reduction, and can be reduced in cost, and an image display device including these.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The invention of claim 1 includes a pair of transparent substrates, an alignment film that homeotropically aligns liquid crystal molecules between the substrates, a liquid crystal layer that forms a chiral smectic C phase under no electric field, and a liquid crystal layer between the substrates. An optical path deflection element having at least two or more spacers that regulate the thickness of the liquid crystal layer, and at least two or more electrodes that generate an electric field in a direction substantially parallel to the liquid crystal layer, and an electric field direction between the electrodes. In the optical deflecting device, which has a voltage applying means capable of switching, and deflects the optical path of transmitted light in a direction substantially perpendicular to both the normal direction of the liquid crystal layer and the electric field direction by switching the direction of application of the electric field, the spacer Of these, at least two opposed spacers are made of a conductive material, and the surfaces opposed to the spacers are electrodes arranged substantially parallel to the direction of deflecting the optical path. There is provided a light deflector configuration.
[0023]
The invention of claim 2 comprises a pair of transparent substrates, an alignment film for homeotropic alignment of liquid crystal molecules between the substrates, a liquid crystal layer for forming a chiral smectic C phase under no electric field, and a liquid crystal layer between the substrates. An optical path deflection element having at least two or more spacers that regulate the thickness of the liquid crystal layer, and at least two or more electrodes that generate an electric field in a direction substantially parallel to the liquid crystal layer, and an electric field direction between the electrodes. An optical deflecting device for deflecting an optical path of transmitted light in a direction substantially perpendicular to both the normal direction of the liquid crystal layer and the electric field direction by switching an application direction of the electric field. The deflecting element has a plurality of electrode line groups arranged substantially parallel to a desired optical path shift direction in a region including the optical path on at least one substrate, and the voltage applying means An optical deflecting device capable of deflecting the entire optical path relatively uniformly even when the effective cross-sectional area of the optical path is large, wherein the voltage value applied to the electrode line is set to a different value stepwise. It is to provide.
[0024]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the optical path deflecting element is a group of a plurality of electrode lines arranged substantially parallel to a desired optical path shift direction in a region including the optical paths on both substrates. The present invention provides an optical deflecting device capable of deflecting the entire optical path relatively uniformly and efficiently even when the effective cross-sectional area of the optical path is large.
[0025]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the electrode lines are made of a transparent electrode material, and the positions of the transparent electrode lines on each substrate are alternately arranged as viewed from the optical path, and each transparent electrode at a certain time The voltage value applied to the line is set to a different value stepwise alternately between the two substrates, and even when the effective cross-sectional area of the optical path is large, the uniformity of the deflection amount of the entire optical path is further increased. It is intended to increase.
[0026]
According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the second to fourth aspects, the spacer is a pair of two electrodes made of a conductive material provided outside the region of the optical path, and the planar direction of the optical path deflecting element is The electrode line group is provided between the electrode pairs, and the voltage applying means applies a voltage value equal to or higher than the maximum voltage value applied to the electrode line group to one of the electrode pairs at a certain time, A voltage value equal to or lower than the lowest voltage value applied to the electrode line group is applied to the other of the electrode pairs, and even when the effective cross-sectional area of the optical path is large, the entire optical path can be uniformly deflected. An optical deflecting device that can be used is provided.
[0027]
According to a sixth aspect of the present invention, in any of the second to fifth aspects of the present invention, a dielectric layer is provided on the substrate surface on which the electrode line group is formed, and an alignment film is provided between the dielectric layer and the liquid crystal layer. The present invention is characterized in that even when the area of the optical path deflecting element is large, the electric field strength in the plane direction in the liquid crystal layer is made uniform, and a uniform optical path deflecting effect can be obtained.
[0028]
The invention of claim 7 is characterized in that, in the invention of claim 6, the dielectric layer is the alignment film, and the liquid crystal layer has a relatively simple layer structure even when the area of the optical path deflecting element is large. The electric field strength in the plane direction is made uniform, and a uniform optical path deflection effect can be obtained.
[0029]
  The invention of claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 7, wherein the polarization of incident light to the optical path deflecting element is changed.lightDeviation that matches the direction of the optical pathlightIt is characterized by having a direction control means, and the optical path is surely deflected even when the incident light is unpolarized light.
[0030]
  According to a ninth aspect of the present invention, in the eighth aspect of the invention, the polarization plane rotating means for rotating the polarization plane of the outgoing light of the optical path deflecting element at a substantially right angle, and the outgoing light after the polarization plane rotation is used as the incident light. The optical path deflection elementelementAnd the second optical path deflectionelementThe normal direction of the liquid crystal layer is almost the same, and both optical path deflectionselementIn other words, the optical path can be deflected in a two-dimensional direction.
[0031]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided 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 and an illumination device for illuminating the image display element, and an image pattern displayed on the image display element The light according to any one of claims 1 to 9, wherein an optical device for observing light, display drive means formed by a plurality of subfields obtained by dividing an image field in time, and light paths of emitted light from each pixel are deflected. And displaying an image pattern in which the display position is shifted in accordance with the deflection state of the optical path for each subfield, thereby multiplying and displaying the apparent number of pixels of the image display element. The present invention is characterized by providing 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.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (A) is a top view, FIG. 1 (B) is a plan view, and FIG. 1 (A) is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. In this optical deflection element 1, first, as shown in the side view of FIG. 1C, a pair of transparent substrates 2 and 3 are provided so as to face each other. An alignment film 4 is formed on at least one of the inner surfaces of the substrate 2 here, and a liquid crystal layer 5 made of a ferroelectric liquid crystal composed of a chiral smectic C phase is formed between the alignment film 4 and the other substrate 3. Filled.
[0033]
With respect to the structure having such a pair of substrates 2 and 3 and the liquid crystal layer 5, as shown in the front view of FIG. A pair of electrodes is arranged and connected to a power source 7 as shown in FIG. As shown in the top view of FIG. 1A, the electrode pair 6a, 6b also functions as a spacer for regulating the thickness of the electric field applying means and the liquid crystal layer, and the light deflection element 1 is located at a position not overlapping the optical path. It is installed so that the electric field vector faces in a direction substantially perpendicular to the liquid crystal rotation axis. When it is desired to swing the traveling direction of light by light deflection in three or more directions, the incident light L1And a plurality of electrode pairs 6a and 6b may be provided corresponding to these deflection directions. Incident light L1Is deflected by the direction of the electric field formed by the electrode pairs 6a and 6b (the white arrow in FIG. 1A), and the first outgoing light Lo1Alternatively, the second outgoing light Lo2Any one of the optical paths is taken.
[0034]
Here, the liquid crystal layer 5 will be described. A “smectic liquid crystal” is a liquid crystal layer in which the long axis directions of liquid crystal molecules are arranged in layers. For such liquid crystals, the liquid crystal in which the normal direction of the layer (layer normal direction) and the major axis direction of the liquid crystal molecules coincide with each other is “smectic A phase”, and the liquid crystal that does not coincide with the normal direction is “smectic”. It is called “Phase C”. A ferroelectric liquid crystal composed of a smectic C phase generally has a so-called spiral structure in which the liquid crystal director direction is spirally rotated for each layer in the state where an external electric field does not work, and is called a “chiral smectic C phase”. In addition, the chiral smectic C reciprocal ferroelectric liquid crystal faces the direction in which the liquid crystal directors face each other. Since the liquid crystal composed of these chiral smectic C phases has an asymmetric carbon in the molecular structure and is spontaneously polarized by this, the liquid crystal molecules are rearranged in a direction determined by the spontaneous polarization Ps and the external electric field E. Optical properties are controlled. In the present embodiment and the like, the light deflection element 1 will be described by taking a ferroelectric liquid crystal as an example of the liquid crystal layer 5, but the same can be used for an antiferroelectric liquid crystal.
[0035]
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 connects a chiral (chiral) portion and a rigid skeleton such as a biphenyl structure.
[0036]
In the optical deflecting element 1 of the present embodiment, the ferroelectric liquid crystal 5 made of a chiral smectic C phase is oriented so that the rotation axis of the molecular helix rotation is perpendicular to the surfaces of the substrates 2 and 3 by the alignment film 4, so-called homeotropic alignment. Make. As an alignment method for such homeotropic alignment, a conventionally performed method can be applied. That is, (1) shear stress method, (2) magnetic field orientation method, (3) temperature gradient method, (4) SiO oblique deposition method, (5) photo-alignment method, etc. (for example, Takezoe, Fukuda “strong” Structure and physical properties of dielectric liquid crystal "(see Corona, p235).
[0037]
One of the features of the optical deflection element 1 of the present embodiment is that the configuration is simple and the manufacturing cost can be suppressed. In addition, the chiral smectic C phase has an extremely high speed response compared to the smectic A phase and nematic liquid crystal, and is characterized in that switching at sub ms is possible. In particular, since the liquid crystal director direction is uniquely determined with respect to the electric field direction, control of the director direction is easier and easier to handle than a liquid crystal composed of a smectic A phase.
[0038]
The liquid crystal layer 5 made of a chiral smectic C phase forming homeotopic alignment is more effective in the operation of the liquid crystal director than in the case where the liquid crystal director is in a homogeneous alignment (the liquid crystal director is aligned parallel to the substrate surface). Therefore, it is easy to control the light deflection direction by adjusting the direction of the external electric field, and has the advantage that the required electric field is low. Further, when the liquid crystal directors are homogeneously oriented, the liquid crystal directors strongly depend not only on the direction of the electric field but also on the substrate surface, so that more positional accuracy is required for the installation of the light deflection element. Conversely, in the case of homeotopic orientation as in the present embodiment, the setting margin of the optical deflection element 1 increases with respect to optical deflection. In making use of these features, it is not necessary that the spiral axis be strictly oriented perpendicular to the substrate surface, and it may be tilted to some extent. It suffices if the liquid crystal director can face two directions without receiving the regulating force from the substrates 2 and 3.
[0039]
Next, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, the operation principle of the optical deflection element 1 of the present embodiment will be described. FIG. 2 schematically shows the alignment state of the liquid crystal molecules with respect to the configuration shown in FIG. In FIG. 2, for the sake of convenience, a voltage is applied in the front and back direction of the paper, and the electric field is generated in the front and back direction of the paper. The electric field direction is switched by the power source 7 in accordance with the target light deflection direction. Further, the incident light with respect to the light deflection element 1 is linearly polarized light, and its deflection direction is the vertical direction as shown by the upper and lower arrows in FIG. 2, and the spacer / electrodes 6a and 6b have an electric field direction in the deflection direction. Oppositely arranged so as to be orthogonal. Although not shown, it is preferable to provide an electromagnetic shield so that the leakage electric field from the electrodes 6a and 6b does not adversely affect the devices around the optical deflection element 1.
[0040]
In FIG. 2, when the XYZ orthogonal coordinate system is taken as shown, in the XZ section in the liquid crystal layer 5, as shown in FIG.1Or second orientation state 82Any one of the states (see FIG. 3B) is distributed. θ is the tilt angle of the liquid crystal director 8 from the liquid crystal rotation axis, and is simply referred to as “tilt angle” hereinafter. Assuming that the spontaneous polarization Ps of the liquid crystal molecules is positive and the electric field E is applied in the positive Y-axis direction (upward on the paper surface), the liquid crystal director 8 is in the XZ plane because the liquid crystal rotation axis is substantially perpendicular to the substrate. When the refractive index in the major axis direction of the liquid crystal molecule is ne and the refractive index in the minor axis direction is no, as the incident light, the linearly polarized light having the deflection direction in the Y axis direction is selected, and when the incident light advances in the X axis positive direction, The light travels straight in the liquid crystal layer 5 as a normal light upon receiving the refractive index no, and proceeds in the direction a in FIG. That is, no light deflection is received.
[0041]
On the other hand, when linearly polarized light whose deflection direction is the Z-axis direction is incident, the refractive index in the incident direction is obtained from both the direction of the liquid crystal director 8 and the refractive indexes no and ne. More specifically, the refractive index ellipsoid having the refractive indexes no and ne as main axes is obtained from the relationship with the direction of light passing through the center of the ellipsoid, but the details are omitted here. The light is deflected corresponding to the refractive indexes no and ne and the direction of the liquid crystal director 8 (inclination angle θ), and shifted in the direction shown in FIG. 3A (in the case of the first alignment state).
[0042]
When the thickness (gap) of the liquid crystal layer 5 is d, the shift amount S is expressed by the following equation (see, for example, “Crystal Optics” Applied Physics Society, Optical Society, p198).
S = [(1 / no)2− (1 / ne)2] sin (2θ ・ d)
÷ [2 ((1 / ne)2sin2θ + (1 / no)2cos2θ)] ……… Equation 1
When the electric field direction is reversed, the liquid crystal director 8 takes a linearly symmetrical arrangement (second alignment state) about the X axis in FIG. 3 and linearly polarized light whose deflection direction is the Z axis direction. The traveling direction is as shown by b 'in FIG.
Therefore, by controlling the direction of the electric field applied to the liquid crystal 5 with respect to this linearly polarized light, it is possible to deflect light at two positions b and b ′, that is, 2S.
[0043]
For example, when the light deflection amount S is calculated for the light deflection amount obtained with respect to the representative physical property values (no = 1.6, ne = 1.8) of the material of the liquid crystal 5, the tilt angle θ of the liquid crystal director 8 is When 22.5 ° and the liquid crystal thickness is 32 μm, a deflection amount of 2S = 5 (μm) is obtained. Further, in homeotropic alignment ferroelectric liquid crystal, a response speed of 0.1 ms is reported with respect to an electric field of about 700 V / cm (Ozaki et al., JJ Appl. Physics, Vol. 30, No. 9B, pp 2366-2368 (1991)), a sufficiently high response speed of sub ms order is obtained.
Further, in a liquid crystal composed of a chiral smectic C phase, the tilt angle θ varies with temperature T, and θ∝ (T−Tc) where Tc is the phase transition point.βThere is a relationship. 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.
[0044]
For example, suppose that the above-mentioned 22.5 ° is set as the inclination angle θ, and the temperature corresponding to this is set to Tθ = 22.5 °Then, T> Tθ = 22.5 °Then, θ <22.5 ° and T <Tθ = 22.5 °Since θ> 22.5 °, the inclination angle θ can be controlled by temperature, and the amount of light deflection can be controlled by this. 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.
[0045]
In FIG. 1, when an electric field is applied in the direction of the electrodes 6a to 6b, the first outgoing light Lo1When the electric field is applied in the direction from the electrodes 6b to 6a, the second outgoing light Lo2It becomes. The optical path can be shifted by switching the direction of the electric field at high speed by the AC power source 7. In addition, the opposing surface of the spacer that regulates the thickness of the liquid crystal layer is arranged in parallel to the direction of deflecting the optical path, and this spacer also serves as an electrode that applies an electric field to the liquid crystal layer in the plane direction. An optical deflecting element having a simple configuration can be realized.
[0046]
In the above configuration, since the electrodes are provided only at both ends of the element, if the effective area of the element is increased and the distance between the electrodes is increased, the distance between the electrodes is sufficiently larger than the width of the electrode. It becomes difficult to apply a uniform electric field strength within the layer. Therefore, the electric field strength in the plane direction of the liquid crystal layer becomes non-uniform, and it becomes difficult to obtain uniform optical path deflection within the element.
[0047]
4A and 4B are diagrams for explaining a second embodiment of the present invention. FIG. 4A is a top view, FIG. 4B is a front view, and FIG. In FIG. 3A, a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 3A, the width of the element is set larger than that of the configuration of FIG. 1, and an electrode line 9 is provided on at least one substrate surface. In this case, it is not necessary that the spacers 10 at both ends of the element also serve as electrodes. The alignment film 4 may also be provided on the substrate surface on which the electrode lines 9 are provided. Although eight electrode lines 9 are provided in FIG. 4, the voltage application means 11 is configured so that the applied voltage increases or decreases stepwise from the leftmost electrode line in the figure. For example, by dividing the voltage supplied from the power supply 7 by the seven resistors 12 and connecting the resistors to the electrode lines 9, a stepwise voltage value can be applied. The stepwise voltage application method is not limited to this configuration, and may be a configuration in which a plurality of power supplies are directly connected to each electrode. The number of electrode lines, the line width, the line interval, the potential difference between the electrode lines, and the like are appropriately set based on the desired optical path size, optical path deflection amount, and the like. In this configuration, since a potential gradient is forcibly created inside a relatively wide liquid crystal layer, it is possible to obtain a relatively uniform electric field strength macroscopically over the entire surface of the device.
[0048]
However, since the potentials of the electrode line width portions are equal, when viewed microscopically, a desired potential gradient cannot be obtained in the vicinity of the electrode line, and a desired optical path deflection effect cannot be obtained. Therefore, in this configuration, an optical path deflecting element having an area other than the vicinity of the electrode line can be obtained. In this case, it is preferable to provide a light blocking member that blocks light transmitted through the vicinity of the electrode, or incident light is divided in advance corresponding to the effective area. For example, when applied to an image display device, it is preferable to match the pixel pitch and the electrode line pitch so that the electrode line portion corresponds between the pixels. In FIG. 4, seven optical paths are incident correspondingly between the electrode lines, and the direction of the electric field is switched by the voltage application means, so that the seven optical paths can be simultaneously shifted in the same direction.
[0049]
Therefore, in the example shown in FIG. 4, a plurality of electrode lines are provided in the optical path region through which desired light of the optical path deflecting element is transmitted, and the voltage value applied to each electrode line is changed stepwise from the end side, Even when the effective cross-sectional area of the optical path is large, a macroscopically gradual potential gradient can be created in the plane direction in the liquid crystal layer over the entire region of the electrode line group. Therefore, it is possible to obtain at least discrete effective portions in which a desired electric field strength is formed in the liquid crystal layer over the entire optical path region. By using only this effective portion, the entire optical path having a large cross-sectional area can be deflected relatively uniformly.
[0050]
In the example shown in FIG. 4, electrode lines are provided only on one substrate for the sake of simplification of the configuration. However, in this configuration, an electric field may be generated in the film thickness direction of the liquid crystal layer. When the electric field in the film thickness direction of the liquid crystal layer 5 increases, the liquid crystal director direction becomes nonuniform in the thickness direction of the liquid crystal layer, and a desired optical path deflection amount cannot be obtained with respect to the liquid crystal film thickness. Therefore, a form as shown in FIG. 5 is proposed.
[0051]
FIG. 5 is a view for explaining a third embodiment of the present invention. In FIG. 5, the electrode lines 9 are provided so as to face each other in the region including the optical path on both substrates. Here, the alignment film 4 is provided on both substrates, but it may be a single side. A voltage is applied stepwise from the electrode line 9 at the end by voltage application means (not shown). At this time, it is set so that the same potential is applied to the electrode pair directly facing. Since the same potential is applied to the upper and lower interfaces of the liquid crystal layer, the potential distribution in the film thickness direction of the liquid crystal layer, that is, the electric field strength is reduced, and a desired inclination of the liquid crystal molecules can be obtained over the entire liquid crystal layer, which is efficient. Optical path deflection can be performed. That is, since the electrode lines are provided on the substrates on both sides, the potential distribution in the thickness direction of the liquid crystal layer becomes relatively uniform even when the effective cross-sectional area of the optical path is large, and the electric field in the thickness direction of the liquid crystal layer Since the strength can be reduced, the director direction of the liquid crystal molecules when an electric field is applied becomes relatively uniform in the thickness direction of the liquid crystal layer, and the entire optical path can be deflected relatively uniformly and efficiently.
[0052]
In the above example, the number of electrode lines is relatively small, but in order to obtain a more uniform electric field intensity distribution with a relatively large area optical path deflecting element, the width of the electrode lines should be as narrow as possible. It is preferable to narrow the pitch. However, the number of lines themselves increases, the stepwise voltage application means becomes complicated, and it becomes difficult to take out the wiring from the substrate. Therefore, it is preferable to reduce the number of lines on one substrate. Therefore, in practice, the line pitch interval is set to be wide, but if the line pitch interval is wide, a potential portion lower than the set potentials of both lines may be generated near the middle between the lines. . That is, a part where an electric field in the opposite direction acts on a part between the lines is generated.
[0053]
FIG. 6 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention. FIG. 6 (A) is a top view, FIG. 6 (B) is a front view, and in the configuration of FIG. Formed on both substrates, the positions of the electrode lines 9 on each substrate are alternately arranged. Then, voltage application means for alternately setting different values stepwise between both substrates so that the applied voltage gradually increases or decreases from the leftmost electrode line in the front view shown in FIG. 6B. 11 is configured. FIG. 6 shows a method using the series resistor 12 as in FIG. 4, but is not limited to this method. In this configuration, since the desired potential in the vicinity of the middle between the electrode lines on one side is forcibly applied to the electrode lines on the other substrate, the generation of the reverse electric field as described above can be prevented. In addition, since an electric field is generated in the vicinity of the electrode line due to a potential difference between the electrode lines near the opposite substrate, the electrode line portion can also obtain an optical path deflection effect. Therefore, in the present embodiment, it is preferable to form the electrode line with a transparent electrode material such as ITO. Since the transparent electrode line can also function as an optical path deflection region, an optical path having a large cross-sectional area can be deflected relatively uniformly. In addition, since the number of lines on a single substrate can be designed to be small, wiring connection and the like are relatively easy.
[0054]
As described above, when the distance between the electrode lines is wide, a portion with a low potential occurs near the middle between the lines, and an electric field in the reverse direction acts. However, the electrode lines are alternately arranged on the upper and lower substrates. By applying the voltage value alternately, even if the effective cross-sectional area of the optical path is large, the potential change in the surface direction in the liquid crystal layer becomes relatively uniform, and the generation of a reverse electric field is generated. Furthermore, by using a transparent material for the electrode, the electrode line can also function as an optical path deflection region. Therefore, the optical path having a large cross-sectional area can be deflected relatively uniformly.
[0055]
FIG. 7 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention. In FIG. 7, the spacer having the configuration of FIG. 4 is an electrode pair 13a, 13b made of a conductive material. A voltage value equal to or higher than the maximum voltage value applied to the electrode line group is applied to one of 13b, and a voltage value equal to or lower than the lowest voltage value applied to the electrode line group is applied to the other electrode pair. In the example of FIG. 7, the power source 7b connected to the electrodes serving as spacers at both ends is provided independently. However, the power source 7a connected to the electrode line group may be shared. The voltage value applied to both ends is set in consideration of the influence of the leakage electric field on the periphery of the element. The polarity switching timing is synchronized with the polarity switching of the voltage applied to the electrode line 9. Even if the potential gradient in the plane direction in the liquid crystal layer due to the electrode line group is set to be non-uniform, by applying an auxiliary voltage between the electrodes serving as spacers at both ends, Therefore, the optical path having a large cross-sectional area can be deflected relatively uniformly. In addition, in order to make an electrode line function also as an optical path deflection | deviation area | region, it is preferable that it is a transparent electrode line.
[0056]
As described above, in addition to the stepwise potential application by the electrode line in the optical path region, an auxiliary voltage is applied even when the effective cross-sectional area of the optical path is large by the electrode also serving as a spacer member outside the optical path region. Since the potential gradient in the plane direction in the liquid crystal layer is smoothed, the optical path having a large cross-sectional area can be deflected relatively uniformly.
[0057]
FIG. 8 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention. As shown in the figure, a dielectric layer 14 is provided on substrates 2 and 3 on which electrode line groups are formed, and the dielectric layer 14 is provided. An alignment film 4 is provided between the liquid crystal layer 5 and the dielectric layer 14 can be made of a highly transparent material such as glass or resin. In addition, since an alignment film for homeotropic alignment is provided between the dielectric layer 14 and the liquid crystal layer 5, it is preferable to set a formation method that does not deteriorate the dielectric layer when forming the alignment film. In particular, when the dielectric layer and the alignment film are made of resin, it is necessary to optimize the coating solvent for both. By sandwiching the dielectric layer 14 between the formation surface of the electrode line 9 and the liquid crystal layer 5, the discontinuous potential distribution applied to the electrode line 9 becomes dull, and the potential gradient in the plane direction in the liquid crystal layer is uniform. Become.
[0058]
Therefore, the electric field intensity distribution in the plane direction in the liquid crystal layer becomes uniform, and uniform optical path deflection can be obtained. Also in this configuration, the spacer is preferably the electrode pair 13a, 13b made of a conductive material. In addition, in order to make an electrode line function also as an optical path deflection | deviation area | region, it is preferable that it is a transparent electrode line. However, in this configuration, there is a problem that the element creation process becomes complicated.
[0059]
FIG. 9 is a diagram for explaining a seventh embodiment of the present invention. In FIG. 9, a relatively thick alignment film 4 is provided on a substrate provided with electrode lines, and the dielectric layer is formed on the alignment film 4. It is trying to have the function of. Since the layer structure of the element is simple, the manufacturing process can be simplified. In addition, in order to make an electrode line function also as an optical path deflection | deviation area | region, it is preferable that it is a transparent electrode line.
[0060]
In the first to seventh embodiments described above, only the linearly polarized light in the deflection direction of the optical path, that is, the polarization direction parallel to the tilt direction of the liquid crystal molecules when the electric field is applied receives the deflection of the optical path and is orthogonal thereto. Linearly polarized light remains straight. Therefore, when non-polarized light is incident, since the outgoing light includes a component that is not deflected, the contrast with respect to the presence or absence of optical path deflection is lowered.
[0061]
  Therefore, in the eighth embodiment of the present invention, the polarization of incident light on the optical path deflecting element is reduced.lightDeviation that matches the direction of the optical pathlightDirection control means is provided. sidelightA linear polarizing plate can be used as the direction control means. The linear polarizing plate is set on the incident surface side of the element so that the deflection direction of the linear polarizing plate is aligned parallel to the longitudinal direction of the transparent electrode line or the spacer electrode. Even when the incident light is non-polarized light, the light component that is not subjected to the optical path deflection action due to the tilt of the liquid crystal molecules is cut, so that the optical switching by the optical path deflection can be surely performed. Since only the light in the deflection direction of the optical path, that is, the light in the deflection direction parallel to the tilt direction of the liquid crystal molecules at the time of applying an electric field is incident, generation of light that is not deflected can be prevented, and reliable optical path deflection can be realized.
[0062]
FIG. 10 is a diagram for explaining a ninth embodiment of the present invention. The embodiment shown in FIG. 10 includes two optical deflection elements 1A and 1B configured as in the above-described embodiment. The present invention relates to an optical deflection element 16 configured by combining a half-wave plate 15. In FIG. 10, spacers, transparent electrode lines, alignment films, and the like are omitted. The light deflection elements 1A and 1B are arranged in series in the light traveling direction with the electric field generation directions by the respective electrode pairs 6a and 6b orthogonal to each other, and a half-wave plate 15 is interposed between these light deflection elements 1A and 1B. It is arranged. As the half-wave plate 15, a commercially available one for visible light can be applied as it is. As shown in FIG. 10, the light incident on this light deflection element has a deflection direction in the Z-axis direction, and in the vertical direction (Z-axis direction) in the light deflection element 1A on the preceding stage with respect to the light traveling direction. After receiving the deflection, the deflection direction is rotated by 90 ° by the half-wave plate 15 to obtain the deflection direction in the Y-axis direction, so that the subsequent optical deflection element 1B receives the deflection in the left-right direction (Y-axis direction). . According to such an optical deflection element 16, the optical deflection is performed at two positions in the vertical direction (Z-axis direction) in the optical deflection element 1A and at two positions in the horizontal direction (Y-axis direction) in the optical deflection element 1B. As a whole element, light can be shifted to a total of four positions.
[0063]
FIG. 11 is a diagram for explaining a tenth embodiment of the present invention, and this embodiment shows an example applied to an image display apparatus. In FIG. 11, reference numeral 21 denotes a light source in which LED lamps are arranged in a two-dimensional array. In the traveling direction of light emitted from the light source 21 toward the screen 26, a diffusion plate 22, a condenser lens 23, and an image display element are used. A transmissive liquid crystal panel 24 and a projection lens 25 as an optical member for observing the image pattern are sequentially arranged. Reference numeral 27 denotes a light source drive unit for the light source 21, and reference numeral 28 denotes a drive unit for the transmissive liquid crystal panel 24. Here, on the optical path between the transmissive liquid crystal panel 24 and the projection lens 25, the light deflecting means 30 functioning as a pixel shift element is interposed and connected to the drive unit 31. As such an optical deflection means 30, the optical deflection element 1 as described above is used.
[0064]
The illumination light that is controlled by the light source drive unit 27 and emitted from the light source 21 becomes illumination light that is made uniform by the diffuser plate 22, and is controlled by the condenser lens 23 in synchronization with the illumination light source by the liquid crystal drive unit 28 to be a transmission type. The liquid crystal panel 24 is critically illuminated. The illumination light spatially modulated by the transmissive liquid crystal panel 24 enters the light deflector 30 as image light, and the image light is shifted by an arbitrary distance in the pixel arrangement direction by the light deflector 30. This light is magnified by the projection lens 25 and projected onto the screen 26.
[0065]
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 light deflecting unit 30 is displayed. The number of apparent pixels is multiplied and displayed. Thus, the amount of shift by the light deflecting means 30 is set to ½ of the pixel pitch because image multiplication is performed twice as much as the pixel arrangement direction of the transmissive liquid crystal panel 24. By correcting the image signal for driving the transmissive liquid crystal panel 24 by the shift amount according to the shift amount, an apparently high-definition image can be displayed. At this time, since the light deflecting element as in each of the above-described embodiments is used as the light deflecting means 30, the light use efficiency is improved and the observer is brighter and higher quality without increasing the load on the light source. Can provide images. By performing the optical deflection position control based on the electric field application direction and the electric field intensity by the electrode pairs 6a and 6b in the optical deflection element 1, an appropriate pixel shift amount can be maintained and a good image can be obtained.
[0066]
Example 1
The surface of a glass substrate having a size of 3 cm × 4 cm and a thickness of 3 mm was treated with a silane coupling agent (AY43-021 made by Toray, Dow Corning, Silicone) to form a vertical alignment film. Using two aluminum electrode sheets having a thickness of 50 μm, a width of 1 mm, and a length of 3 cm as spacers, two glass substrates were bonded together with the vertical alignment film as the inner surface. The two aluminum electrode sheets were parallel and the interval was 1 mm. In a state where the substrate was heated to about 90 degrees, ferroelectric liquid crystal (CS1029 manufactured by Chisso) was injected between the two substrates by a capillary method. After cooling, it was sealed with an adhesive to produce an optical path deflecting element similar to FIG. A line / space mask pattern having a width of 5 μm was provided on the incident surface side of the optical path deflecting element, and illumination was performed with linearly polarized light through this mask pattern. The direction of linearly polarized light was set to be the same as the longitudinal direction of the aluminum electrode sheet.
[0067]
The light transmitted through the mask pattern was observed with a microscope through the two aluminum electrode sheets of the optical path deflecting element. The mask pattern was observed as it was when no electric field was applied. When one of the two aluminum electrode sheets was grounded and a voltage of +100 V was applied to the other, the line / space pattern was observed with a shift of about 2.5 μm in the longitudinal direction of the aluminum electrode sheet. Since the mask pattern, the optical path deflecting element, and the microscope are mechanically stationary, it has been confirmed that the optical path shifts electrically. When a voltage of −100 V was applied to the other side, it shifted about 2.5 μm in the reverse direction. When a square wave voltage of ± 100 V was applied using a pulse generator and a high-speed power amplifier, an optical path shift of about 5 μm was confirmed from peak to peak. Since the width of the line / space was 5 μm, it was observed as if the brightness of the line and space were reversed. That is, if the space portion having a width of 5 μm is used as a light valve pixel, it can be confirmed that one pixel is apparently multiplied to two pixels by an optical path deflecting element having a simple configuration.
[0068]
Further, as a result of measuring the response speed by heating the temperature of the device to about 40 ° C., it was about 0.3 msec, which was confirmed to be sufficiently faster than the nematic liquid crystal. The response speed is confirmed by measuring the change in the amount of transmitted light over time while the electrode direction of the element is rotated 45 degrees during the crossed Nicols of the linear polarizer and the element is tilted about 10 degrees with respect to the optical path. And asked.
[0069]
In addition, the potential distribution and electric field distribution in the plane direction in the liquid crystal layer of this element were obtained by two-dimensional electric field simulation by the difference method. The calculation mesh size was 10 μm in length and width, the relative dielectric constant of the liquid crystal layer was 10, and the relative dielectric constant of the glass substrate was 8. In the calculation, the presence of the alignment film was omitted. FIG. 12 shows the potential distribution at the center of the liquid crystal layer, and FIG. 13 shows the electric field strength in the lateral direction at the center of the liquid crystal layer. The electric field strength is large near the electrodes at both ends, but a relatively uniform electric field strength is obtained near the center.
[0070]
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the distance between the two aluminum electrode sheets was 2 mm and the applied voltage was 200 V. The average electric field strength between the electrodes was 100 V / mm, which was the same as in Example 1. However, the optical path shift amount in the vicinity of 0.5 mm from the line electrode on the ground side was as small as about 3 μm. In that part, the response speed was also slow, about 0.5 msec. Here, as a result of performing a two-dimensional electric field simulation under the same calculation conditions as in Example 1, the nonuniformity of the electric field strength in the lateral direction at the center of the liquid crystal layer is further increased as shown in FIG. It turned out that it became small at 0.5 mm vicinity from the ground electrode. In the structure of Example 1, it turned out that it is disadvantageous when the distance between electrodes is large.
[0071]
(Example 2)
An electrode line by aluminum deposition was formed on the surface of a glass substrate having a size of 3 cm × 4 cm and a thickness of 3 mm. The line width was 10 μm, the line pitch was 100 μm, the line length was 2 cm, and 20 aluminum electrode lines were formed in the width of 2 mm. One end of the line was made larger in width and pitch to get contact from the power source. A substrate having no electrode on the aluminum electrode line was treated with a silane coupling agent (AY43-021 made by Toray Dow Corning Silicone) to form a vertical alignment film. Using a Mylar sheet having a thickness of 50 μm, a width of 1 mm, and a length of 3 cm as a spacer, two glass substrates with and without a line electrode were bonded together with the vertical alignment film as the inner surface. The two mylar sheets were parallel and the distance between them was 2 mm. In a state where the substrate was heated to about 90 degrees, ferroelectric liquid crystal (CS1029 manufactured by Chisso) was injected between the two substrates by a capillary method. After cooling, it was sealed with an adhesive to produce an optical path deflecting element similar to FIG. A line / space mask pattern having a width of 5 μm was provided on the incident surface side of the optical path deflecting element, and illumination was performed with linearly polarized light through this mask pattern. The direction of linearly polarized light was set to be the same as the longitudinal direction of the aluminum electrode line.
[0072]
The light transmitted through the mask pattern was observed with a microscope through the vicinity of the center between the aluminum electrode lines of the optical path deflecting element. The mask pattern was observed as it was when no electric field was applied. Conductive wires were connected to one end of the 20 aluminum electrode lines, and connected between the series resistors as shown in FIG. Each resistance value was 1 MΩ, and 19 resistors were connected in series. When a square wave voltage of ± 200 V was applied to both ends of the series resistor using a pulse generator and a high-speed power amplifier, an optical path shift of about 4.5 μm was confirmed from peak to peak. The same optical path shift amount and a response speed of about 0.35 msec were confirmed between all the aluminum electrode lines.
[0073]
As a result of performing a two-dimensional electric field simulation under the same calculation conditions as in Example 1, the potential distribution and electric field distribution shown in FIGS. 15 and 16 were obtained in the central portion of the liquid crystal layer. In FIG. 16, the strength of the electric field strength is observed. However, in the above configuration, only a portion with a strong electric field strength is used as the optical path, so that a uniform optical path deflection region is obtained although it is discrete within the 2 mm width region. It is thought that it was possible.
[0074]
(Example 3)
As shown in FIG. 5, the same procedure as in Example 2 was performed except that 20 aluminum electrode lines were provided on both the upper and lower substrates and the aluminum electrode lines on both substrates were aligned with the optical path direction. The wires from the aluminum electrode lines on both substrates were connected between 19 series resistors so that the same potential was applied to the directly facing aluminum electrode lines. When a square wave voltage of ± 200V is applied to both ends of the series resistor using a pulse generator and a high-speed power amplifier, the optical path shift amount is almost uniform between all aluminum electrode lines and the response speed is about 0.3 msec. Was confirmed.
[0075]
As a result of performing a two-dimensional electric field simulation under the same calculation conditions as in Example 2, the electric field distribution shown in FIG. 17 was obtained at the center of the liquid crystal layer. This is almost the same as the electric field distribution in the horizontal direction of FIG. 16, but the uniformity of the electric potential and electric field in the film thickness direction is improved, so that the optical path shift amount is larger and the response speed is larger than in Example 2. became.
[0076]
Example 4
The electrode lines on both substrates were changed to ITO transparent electrode material, and as shown in FIG. 6, cells were prepared in the same manner as in Example 3 except that the transparent electrode lines on both substrates were alternately arranged in the optical path direction.
Using resistors having half the resistance value used in Example 3, 38 doubles were connected in series, and wirings from the transparent electrode lines of both substrates were alternately connected between the resistors. When a square wave voltage of ± 200 V is applied to both ends of the series resistor using a pulse generator and a high-speed power amplifier, the area other than about 0.2 mm from the both ends of the 2 mm wide optical path deflecting element is on the transparent electrode line. However, an optical path shift amount of about 5 μm and a response speed of about 0.3 msec were confirmed. With this configuration, an optical path shifting effect was obtained not only between the transparent electrode lines but also on the lines.
[0077]
As a result of performing a two-dimensional electric field simulation under the same calculation conditions as in Example 4, the voltage distribution and electric field distribution shown in FIGS. 18 and 19 were obtained in the central part of the liquid crystal layer. In this configuration, it was found that a low electric field or a reverse electric field was generated near the spacer. However, other than that, although the amplitude of the electric field strength was observed, it was found that a relatively uniform electric field strength was obtained on average.
[0078]
(Example 5)
The spacer member of the Mylar sheet was made the same aluminum electrode sheet as in Example 1, and as shown in FIG. When a square wave voltage of ± 200 V is applied to both ends of the series resistor and the aluminum electrode sheet using a pulse generator and a high-speed power amplifier, an optical path shift amount of about 5 μm is obtained in the entire region of the optical path deflecting element portion having a width of 2 mm. A response speed of 0.3 msec was confirmed.
[0079]
As a result of performing a two-dimensional electric field simulation under the same calculation conditions as in Example 5, the voltage distribution and electric field distribution shown in FIGS. 20 and 21 were obtained in the central portion of the liquid crystal layer. In this configuration, it was found that a relatively uniform electric field was generated even near the spacer.
[0080]
(Example 6)
Using a substrate similar to that of Example 5, a 50 μm thick Mylar sheet subjected to a hard coat treatment was bonded to the formation surface of the ITO transparent electrode line. A commercially available alignment film for vertical alignment liquid crystal was applied on a mylar sheet to obtain a substrate. A cell was prepared in the same manner as in Example 5, and each ITO transparent electrode line was connected to a series resistor. When a square wave voltage of ± 200 V was applied to both ends of the series resistor and the aluminum electrode sheet using a pulse generator and a high-speed power amplifier, an optical path shift amount of about 5 μm was obtained in the entire region of the optical path deflecting element having a width of 2 mm. A response speed of 0.3 msec was confirmed.
[0081]
As a result of conducting a two-dimensional electric field simulation under the same calculation conditions as in Example 5 with the relative permittivity of the Mylar sheet being 3.0, the voltage distribution and electric field distribution shown in FIGS. 22 and 23 were obtained at the center of the liquid crystal layer. . In this configuration, although an increase in the electric field strength was observed in the vicinity of the spacer, it was found that a very uniform lateral electric field was generated near the center of the element.
[0082]
(Example 7)
An image display device as shown in FIG. 11 was produced. A 0.9-inch diagonal XGA (1024 × 768 dots) polysilicon TFT liquid crystal panel was used as the image display element. The pixel pitch is about 18 μm both vertically and horizontally. The aperture ratio of the pixel is about 50%. Further, a microlens array is provided on the light source side of the image display element to increase the collection rate of illumination light. In this embodiment, an RGB three-color LED light source is used as a light source, and a so-called field sequential method is adopted in which color display is performed by switching the color of light applied to the one liquid crystal panel at a high speed.
[0083]
In this embodiment, it is assumed that the frame frequency of image display is 60 Hz, and the subfield frequency for quadruple pixel multiplication by pixel shift is 240 Hz which is four times. In order to further divide one subframe into three colors, an image corresponding to each color is switched at 720 Hz. A full color image can be seen by an observer by turning ON / OFF the LED light source of the corresponding color in accordance with the display timing of each color image on the liquid crystal panel.
[0084]
The basic configuration of the optical deflecting element is the same as that in Example 6, but the number of transparent electrode lines was 200 times 200, and the effective area width was 10 times 20 mm. The thickness of the aluminum electrode sheet serving as a spacer was set to 100 μm, and the optical path shift amount was set to about 9 μm. Also, the number of series resistors was increased 10 times, and a square wave voltage of ± 2000 V could be applied to both ends of the series resistors and the aluminum electrode sheet using a pulse generator and a high-speed power amplifier. Two of these elements were used, the incident side being the first optical path deflection element and the exit side being the second optical path deflection element. The transparent electrode lines are arranged so that the directions of the transparent electrode lines are orthogonal to each other and coincide with the pixel arrangement direction of the image display element.
[0085]
Further, a polarization plane rotating element is provided between the first and second optical path deflecting elements. The polarization plane rotating element was formed by spin-coating a polyimide alignment material on a thin glass substrate (3 cm × 4 cm, thickness 0.15 mm) to form an alignment film of about 0.1 μm. A rubbing treatment was performed after the annealing treatment of the glass substrate. An empty cell was fabricated by sandwiching an 8 μm thick spacer between the two glass substrates and pasting the upper and lower substrates so that the rubbing directions were orthogonal. Into this cell, a nematic liquid crystal having a positive dielectric anisotropy and an appropriate amount of a chiral material mixed was injected under normal pressure to produce a TN liquid crystal cell in which the orientation of liquid crystal molecules was twisted by 90 degrees. Since this cell is not provided with an electrode, it functions as a simple polarization plane rotation element.
[0086]
The polarizing plane of the light emitted from the first optical path deflecting element and the rubbing direction of the incident plane of the polarizing plane rotating element are arranged so as to be sandwiched between the two optical path deflecting means. The polarization plane of the light emitted from the first optical path deflection element is rotated by 90 degrees by the polarization plane rotation element, and coincides with the deflection direction of the second optical path deflection element. An optical path deflecting device comprising a first deflecting element, a polarization plane rotating element, and a second deflecting element was installed immediately after the liquid crystal light valve. In this embodiment, the light emitted from the liquid crystal display element is already linearly polarized light, and the deflection direction thereof is arranged to coincide with the optical path deflection direction of the first optical path deflection element. In order to ensure the degree of polarization of incident light, a linearly polarizing plate was provided on the incident surface side of the optical path deflecting element.
[0087]
The frequency of the rectangular wave voltage for driving the optical path deflecting element was 120 Hz, the vertical and horizontal phases of the two sheets were shifted by 90 degrees, and the drive timing was set so as to shift the pixels in four directions. By rewriting the subfield image to be displayed on the image display device at 240 Hz, a high-definition image in which the apparent number of pixels in the vertical and horizontal directions was multiplied by 4 could be displayed. The switching time of the optical path deflecting element was about 0.4 msec, and sufficient light utilization efficiency was obtained. Also, no flicker was observed.
[0088]
【The invention's effect】
According to the present invention, the opposing surface of the spacer that regulates the thickness of the liquid crystal layer is disposed in parallel to the direction of deflecting the optical path, and this spacer also serves as an electrode that applies an electric field to the liquid crystal layer in a planar direction. Thus, an optical deflecting element having a relatively simple configuration can be realized.
[0089]
A plurality of electrode lines are provided in a region (optical path region) where desired light is transmitted through the optical path deflecting element, and the voltage value applied to each electrode line is changed stepwise from the end side so that the entire region of the electrode line group is provided. By creating a macroscopically gradual potential gradient across the plane in the liquid crystal layer, it is possible to at least discretely obtain an effective portion in which the desired electric field strength is formed in the liquid crystal layer over the entire optical path region. Furthermore, by using only this effective portion, it is possible to relatively uniformly deflect an optical path having a large cross-sectional area.
[0090]
By having the electrode lines on both substrates, the potential distribution in the thickness direction of the liquid crystal layer becomes relatively uniform. That is, since the electric field strength in the thickness direction of the liquid crystal layer can be reduced, the director direction of the liquid crystal molecules when the electric field is applied becomes relatively uniform in the thickness direction of the liquid crystal layer, and efficient optical path deflection can be performed.
[0091]
If the distance between the electrode lines is wide, a portion with a low potential is generated near the middle between the lines, and an electric field in the opposite direction acts. However, the electrode lines are alternately arranged on the upper and lower substrates, and the voltage values are also alternated. By applying the voltage so as to change in the direction, the potential change in the surface direction in the liquid crystal layer becomes relatively uniform, and the generation of the reverse electric field can be reduced. In addition, by making the electrode a transparent material, the electrode line can also function as an optical path deflection region, and therefore, an optical path having a large cross-sectional area can be deflected relatively uniformly.
[0092]
In addition to the stepwise potential application by the electrode line in the optical path region, an auxiliary voltage is applied by the electrode also serving as a spacer member outside the optical path region to smooth the potential gradient in the plane direction in the liquid crystal layer. The optical path having a large cross-sectional area can be deflected relatively uniformly.
[0093]
When periodic potential gradient changes occur in the vicinity of the electrode line group, the amount of change in potential gradient in the plane direction in the liquid crystal layer is reduced by sandwiching the dielectric layer between the liquid crystal layer, and therefore uniform. An electric field strength distribution can be obtained.
[0094]
Since the dielectric layer also serves as the alignment film, the device manufacturing process can be simplified. In addition, by entering only light in the deflection direction of the optical path, that is, in the direction of polarization parallel to the tilt direction of the liquid crystal molecules when an electric field is applied, generation of light that is not deflected can be prevented, and reliable optical path deflection can be realized.
[0095]
Two optical path deflecting elements capable of deflecting in one direction are combined, the electric field application directions of both are rotated by 90 degrees, the polarization plane of the light emitted from the incident side optical path deflecting element is rotated by 90 degrees, By making the light incident on the second optical path deflecting element, the optical path can be reliably deflected in a two-dimensional direction.
[0096]
Since the optical path deflecting device using the change of the tilt direction of the ferroelectric liquid crystal molecules with respect to the substrate surface is used, high-speed optical path deflection is possible corresponding to the subfield image, and apparently high-definition image display is possible. It becomes possible. Further, since the switching time of the subfield image can be shortened by the high-speed response, there is an advantage that the temporal light use efficiency is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing the alignment state of liquid crystal molecules.
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of operation of an optical deflection element according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram for explaining a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram for explaining a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating a voltage distribution.
FIG. 13 is a diagram showing an electric field distribution of a 1 mm wide cell.
FIG. 14 is a diagram showing an electric field distribution of a 2 mm wide cell.
FIG. 15 is a diagram showing a potential distribution at a single-sided line electrode.
FIG. 16 is a diagram showing an electric field distribution at a single-sided line electrode.
FIG. 17 is a diagram showing an electric field distribution on a double-sided line electrode.
FIG. 18 is a diagram showing a potential distribution of double-sided alternating line electrodes.
FIG. 19 is a diagram showing an electric field distribution of double-sided alternating line electrodes.
FIG. 20 is a diagram illustrating a potential distribution also used as a spacer electrode.
FIG. 21 is a diagram showing an electric field distribution also used as a spacer electrode.
FIG. 22 is a diagram showing a potential distribution of a dielectric laminate type.
FIG. 23 is a diagram showing an electric field distribution of a dielectric laminate type.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical deflecting element, 2, 3 ... Substrate, 4 ... Alignment film, 5 ... Liquid crystal layer, 6a, 6b ... Electrode pair, 7 ... Power supply, 9 ... Electrode line, 10 ... Spacer, 11 ... Voltage application means, 12 ... Resistance, 13a, 13b ... Spacer and electrode pair, 14 ... Dielectric layer, 15 ... Wave plate, 16 ... Light deflection element, 21 ... Light source, 22 ... Diffuser plate, 23 ... Condenser lens, 24 ... Transmission type liquid crystal panel, 25 ... Projection lens, 26... Screen, 27. Light source drive unit, 28... Drive unit, 30.

Claims (10)

透明な一対の基板と、両基板間で液晶分子をホメオトロピック配向させる配向膜と、無電界下でキラルスメクチックC相を形成する液晶層と、両基板間で液晶層の厚さを規制する少なくとも2つ以上のスペーサと、前記液晶層に対して略平行な方向に電界を発生させる少なくとも2つ以上の電極とを有する光路偏向素子と、前記電極間の電界方向を切換え可能とする電圧印加手段とを有し、電界の印加方向を切換えることによって液晶層法線方向と電界方向の両者に略直交する方向に透過光の光路を偏向する光偏向装置において、前記スペーサの内、少なくとも2つの対向したスペーサが導電性材料からなり、該スペーサが対向する面が、光路を偏向する方向に対して略平行に配置された電極であることを特徴とする光偏向装置。  A pair of transparent substrates, an alignment film for homeotropic alignment of liquid crystal molecules between both substrates, a liquid crystal layer for forming a chiral smectic C phase under no electric field, and at least regulating the thickness of the liquid crystal layer between the two substrates An optical path deflecting element having two or more spacers and at least two or more electrodes for generating an electric field in a direction substantially parallel to the liquid crystal layer, and a voltage applying means capable of switching the electric field direction between the electrodes And an optical deflection device that deflects the optical path of transmitted light in a direction substantially perpendicular to both the normal direction of the liquid crystal layer and the electric field direction by switching the direction in which the electric field is applied. An optical deflecting device, wherein the spacer is made of a conductive material, and a surface facing the spacer is an electrode arranged substantially parallel to a direction in which the optical path is deflected. 透明な一対の基板と、両基板間で液晶分子をホメオトロピック配向させる配向膜と、無電界下でキラルスメクチックC相を形成する液晶層と、両基板間で液晶層の厚さを規制する少なくとも2つ以上のスペーサと、前記液晶層に対して略平行な方向に電界を発生させる少なくとも2つ以上の電極とを有する光路偏向素子と、前記電極間の電界方向を切換え可能とする電圧印加手段とを有し、電界の印加方向を切換えることによって液晶層法線方向と電界方向の両者に略直交する方向に透過光の光路を偏向する光偏向装置において、前記光路偏向素子は、少なくとも一方の基板上の光路を含む領域に、所望の光路シフト方向に対して略平行に配置された複数本の電極ライン群を有し、前記電圧印加手段が、ある時刻における各電極ラインに印加する電圧値を段階的に異なる値に設定することを特徴とする光偏向装置。  A pair of transparent substrates, an alignment film for homeotropic alignment of liquid crystal molecules between both substrates, a liquid crystal layer for forming a chiral smectic C phase under no electric field, and at least regulating the thickness of the liquid crystal layer between the two substrates An optical path deflecting element having two or more spacers and at least two or more electrodes for generating an electric field in a direction substantially parallel to the liquid crystal layer, and a voltage applying means capable of switching the electric field direction between the electrodes And deflecting the optical path of the transmitted light in a direction substantially orthogonal to both the normal direction of the liquid crystal layer and the electric field direction by switching the application direction of the electric field, wherein the optical path deflecting element comprises at least one of the optical path deflecting elements A plurality of electrode line groups arranged substantially parallel to a desired optical path shift direction in a region including the optical path on the substrate, wherein the voltage applying means applies to each electrode line at a certain time That the voltage value light deflecting device and sets the stage for a different value. 請求項2において、前記光路偏向素子は、両基板上の光路を含む領域に、所望の光路シフト方向に対して略平行に配置された複数本の電極ライン群を有していることを特徴とする光偏向装置。  3. The optical path deflecting element according to claim 2, wherein the optical path deflecting element has a plurality of electrode line groups arranged substantially parallel to a desired optical path shift direction in a region including the optical paths on both substrates. Light deflection device. 請求項3において、前記電極ラインが透明電極材料から成り、各基板上での透明電極ラインの位置が光路から見て交互に配置され、ある時刻における各透明電極ラインに印加する電圧値が、両基板間で交互に段階的に異なる値に設定されることを特徴とする光偏向装置。  4. The electrode line according to claim 3, wherein the electrode lines are made of a transparent electrode material, the positions of the transparent electrode lines on each substrate are alternately arranged as viewed from the optical path, and the voltage value applied to each transparent electrode line at a certain time is both An optical deflecting device which is set to different values alternately in steps between substrates. 請求項2乃至4のいずれかにおいて、前記スペーサは光路の領域外に設けた導電性材料からなる2つの電極対であり、前記光路偏向素子の平面方向に対して該電極対の間に前記電極ライン群が設けてあり、前記電圧印加手段が、ある時刻における該電極対の一方には電極ライン群に印加された最大電圧値以上の電圧値を印加し、該電極対の他方には電極ライン群に印加された最低電圧値以下の電圧値を印加することを特徴とする光偏向装置。  5. The spacer according to claim 2, wherein the spacer is a pair of electrodes made of a conductive material provided outside a region of the optical path, and the electrode is interposed between the pair of electrodes with respect to the planar direction of the optical path deflecting element. A line group is provided, and the voltage applying means applies a voltage value greater than or equal to a maximum voltage value applied to the electrode line group to one of the electrode pairs at a certain time, and an electrode line to the other of the electrode pairs. An optical deflecting device that applies a voltage value equal to or lower than a minimum voltage value applied to the group. 請求項2乃至5のいずれかにおいて、前記電極ライン群を形成した基板面の上に誘電体層を設け、該誘電体層と液晶層の間に配向膜を設けたことを特徴とする光偏向装置。  6. The optical deflection according to claim 2, wherein a dielectric layer is provided on a substrate surface on which the electrode line group is formed, and an alignment film is provided between the dielectric layer and the liquid crystal layer. apparatus. 請求項6において、前記誘電体層が前記配向膜であることを特徴とする光偏向装置。 The light deflecting device according to claim 6, wherein the dielectric layer is the alignment film . 請求項1乃至7のいずれかにおいて、前記光路偏向素子への入射光の偏方向を光路の偏向方向と一致させる偏方向制御手段を有することを特徴とする光偏向装置。In any one of claims 1 to 7, the optical deflection apparatus characterized by having a polarization direction control means to match the polarization direction of the optical path of the polarization direction of the incident light to the optical path deflecting element. 請求項8において、前記光路偏向素子の出射光の偏光面を略直角に回転させる偏光面回転手段と、偏光面回転後の出射光を入射光とする第二の光路偏向素子を有し、前記光路偏向素子と該第二の光路偏向素子の液晶層法線方向が略一致し、両光路偏向素子の電界方向が略直交するように配置されてなることを特徴とする光偏向装置。The polarization path rotating means for rotating the polarization plane of the outgoing light of the optical path deflecting element substantially at right angles, and the second optical path deflecting element that uses the outgoing light after the polarization plane rotation as incident light. the liquid crystal layer normal direction of the optical path deflecting element and said second optical path deflecting element is substantially coincident, optical deflecting device, wherein the electric field direction of Ryohikariro deflection elements arranged so as to be substantially orthogonal. 画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が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および照明装置と、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装置と、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で形成する表示駆動手段と、各画素からの出射光の光路を偏向する前記請求項1から9に記載の光偏向装置とを有し、サブフィールド毎の光路の偏向状態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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とする画像表示装置。  Image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information are two-dimensionally arranged, a light source and an illumination device for illuminating the image display element, and an optical device for observing an image pattern displayed on the image display element And display driving means formed by a plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field, and the light deflecting device according to any one of claims 1 to 9, which deflects an optical path of light emitted from each pixel, An image display characterized by multiplying the apparent number of pixels of the image display element by displaying an image pattern in which the display position is shifted according to the deflection state of the optical path for each subfield. apparatus.
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