JPH06160890A

JPH06160890A - 光変調素子

Info

Publication number: JPH06160890A
Application number: JP33816192A
Authority: JP
Inventors: Toshiyasu Eguchi; 稔康江口
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1992-11-25
Filing date: 1992-11-25
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】極めて優れた高速応答特性を有する光変調素
子を提供する。【構成】基板２ａには透明電極３ａ，液晶分子配向層
６ａが積層され、基板２ｂには透明電極３ｂ，光導電層
４，光反射層５，液晶配向層６ｂが積層され、基板２
ａ，２ｂの間にはスペーサ８ａ，８ｂによって液晶層７
が封入されている。液晶層７は、厚さｄ（μｍ）と屈折
率異方性Δｎとの積Δｎ．ｄが０．４５μｍ〜０．７５
μｍの範囲内であり、液晶分子配向層６ａ上の液晶分子
のティルト角が８０度〜９０度の範囲内であり、かつ液
晶配向層６ｂ上の液晶分子のティルト角が０度〜１０度
の範囲内であり、さらに、その厚さ方向に４０度〜５０
度の範囲内で捩れた螺旋構造を有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投写型表示装置等に用
いられる応答特性の極めて優れた光変調素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】表示装置には直視型の装置と投写型の装
置とがあり、投写型の装置としては液晶を使った光変調
素子を用いるものが既に実用化されている。図９は光変
調素子を用いた投写型表示装置の原理図である。図９に
おいて、光変調素子１には書込み光学系から発せられる
書込み光９によって像が書込まれる。一方、光源１０よ
り発せられた光はコンデンサレンズ１１により平行光と
された後、ポラライザ１２に入射し、その入射光の内の
Ｐ偏光成分はダイクロイックミラー１３をそのまま透過
することにより、読出し光１８として光変調素子１に入
射する。

【０００３】ここで、光変調素子１の液晶層に像が描か
れていると、光変調素子１で反射された反射光中には液
晶層の像の濃淡に応じて局部的にＳ偏光成分が含まれる
ようになる。この反射光中のＳ偏光成分のがダイクロイ
ックミラー１３で進行方向が直角に曲げられてアナライ
ザ１４を通過し、投写レンズ１５を介してスクリーン１
６上に像が投写されるのである。

【０００４】図８はこの投写型表示装置に用いられる従
来の光変調素子１の一例の構造を示す図である。図８に
おいて、液晶層７の周りにはスペーサ８ａ，８ｂが配さ
れ、液晶層７の両面には液晶配向層６ａ，６ｂが設けら
れている。液晶配向層６ｂ上には誘電体からなる光反射
層５が積層され、この光反射層５上には例えばアモルフ
ァスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる光導電層４が積
層されている。そして、液晶配向層６ａ及び光導電層４
の外側には酸化スズ（ＳｎＯ₂）や酸化インジウム（Ｉ
ｎ₂Ｏ₃）からなる透明電極３ａ，３ｂが配され、基板
２ａ，２ｂによって封止された構造となっている。

【０００５】このような構造の光変調素子１において、
透明電極３ａ，３ｂ間には矩形波の交流駆動電圧が印加
され、書込み側から書込み光９が照射されていない状態
での光導電層４の内部インピーダンスを液晶層７のそれ
よりも十分大きい値に設定しておくことにより、駆動電
圧は主に光導電層４に印加されることになる。そして、
書込み光９が照射され、その書込み光９によって光導電
層４上に像を描くときには、光導電層４の内部インピー
ダンスが像の濃淡に応じて局部的に低下するため、その
低下部分に隣接する液晶層７には透明電極３ａ，３ｂ間
の駆動電圧が像の濃淡に応じて空間変調されて印加され
るようになって像が書込まれることになる。

【０００６】ここで、従来の光変調素子１に用いられる
液晶層７の液晶分子の配列方向，偏光軸方向について、
米国特許第４０１９８０７号明細書には、４５度ツイス
ト配向の液晶層によるハイブリッド電界効果モードを用
いた光変調素子が開示されている。液晶層７の液晶分子
はその分子長軸が基板２ａ，２ｂに平行になるよう配列
している。さらに、液晶層７の液晶分子は液晶配向層６
ａ，６ｂ上でそれぞれが平行に配向されている。４５度
ツイスト配向状態を実現するには、液晶配向層６ａ，６
ｂ上での液晶配向方向が互いに４５度をなすようにすれ
ば、液晶層７の内部では液晶分子軸は連続的に捩れる。
このツイスト配向と液晶の複屈折により直線偏光の光が
入射したとき、その偏光方向はツイスト角だけ回転す
る。

【０００７】このような４５度ツイスト配向の液晶層７
を有する光変調素子１を図９に示す投写型表示装置に用
い、光変調素子１と読出し光源１０との間のポラライザ
１２の偏光軸を入射側の液晶層７の液晶分子長軸と平行
になるように配置すると、直線偏光された入射光は液晶
層７を通過することによりその偏光方向が４５度回転す
るが、光反射層５により反射して再び液晶層７を通過す
る際には逆方向に４５度回転して入射光と同方向の偏光
に戻るので、ポラライザ１２の偏光軸と直交する偏光軸
を有するアナライザ１４により遮光される。これに対
し、光変調素子１の透明電極３ａ，３ｂ間に電界を印加
していくと、正の誘電率異方性を持つ液晶分子は基板２
ａ，２ｂに垂直に近づくような傾斜した配列になる。こ
のような基板２ａ，２ｂに対して傾斜する分子軸方向で
は、分子の複屈折性により光の偏光に影響を及ぼすこと
になり、光反射層５で反射した後に光変調素子１から出
射する光は入射時の直線偏光でなくなり、アナライザ１
４を透過する光となり、スクリーン１６上に像が投写さ
れることとなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の光変調
素子１の一例の条件を表１に示す。

【０００９】

【表１】

【００１０】表１に示す条件の従来の光変調素子１に電
界を印加した際の応答特性を図１０に示す。図１０にお
いて、横軸は電界印加後の経過時間、縦軸は入射光量
（図９中のポラライザ１２に入射する光）と出射光量
（図９中のアナライザ１４を出射する光）との比である
出射光量／入射光量（Ｒと記す）を示している。前述の
ように、光変調素子１に電界を印加すると、液晶層７の
液晶分子は基板２ａ，２ｂとのなす角を増大してある傾
斜に達するが、電界の印加からコントラスト比を最大に
とれる所望の傾斜に至る時間、即ち書込み時間が図１０
に示すように３２ｍｓ程度かかり、動画等を表示させる
場合に追従できなくなるという問題点があった。そこで
本発明はこのような問題点に鑑み、従来の光変調素子と
は異なった液晶分子の配列方向をとることによって極め
て優れた高速応答特性を有する光変調素子を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した従来
の技術の課題を解決するため、第１及び第２の液晶配向
層に挟装された液晶層と前記第２の液晶配向層上に光反
射層を介して積層された光導電層とを対向する１対の透
明電極間に挟装してなり、前記光導電層側より書込み光
を照射して像を書込み、前記第１の液晶配向層側より読
出し光を照射して前記書込まれた像を読出す光変調素子
において、前記液晶層は、前記読出し光の偏光軸あるい
は吸収軸が前記液晶層における前記第１の液晶配向層上
の液晶分子の配列方向に対して０度〜±５度の範囲内の
角度にあるとき、正の誘電率異方性を有するネマティッ
ク液晶が前記液晶層の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δ
ｎとの積Δｎ・ｄが０．４５μｍ〜０．７５μｍの範囲
内にあるものであり、前記液晶層における前記第１及び
第２の液晶配向層の内の一方の液晶配向層上の液晶分子
のティルト角が８０度〜９０度の範囲内であり、かつ他
方の液晶配向層上の液晶分子のティルト角が０度〜１０
度の範囲内であり、前記液晶層の厚さ方向に４０度〜５
０度の範囲内で捩れた螺旋構造を有するものであること
を特徴とする光変調素子を提供するものである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の光変調素子について、添付図
面を参照して説明する。図１は本発明の光変調素子の一
実施例の構造を示す図、図２は本発明の光変調素子にお
ける液晶分子の配列方向を説明するための図、図３は液
晶分子のティルト角と出射光量／入射光量との関係を示
す図、図４は液晶分子の捩れ角と出射光量／入射光量と
の関係を示す図、図５は入射光の偏光軸，吸収軸と出射
光量／入射光量との関係を示す図、図６は液晶層の厚さ
ｄと屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄと出射光量／入射
光量との関係を示す図、図７は本発明の光変調素子の応
答特性を示す図である。なお、図１において、図８と同
一部分には同一符号が付してある。

【００１３】本発明の光変調素子１は従来の光変調素子
１と基本的構造は同一であるが、液晶層における液晶分
子の配列方向が異なっている。液晶分子の配列方向につ
いては後に詳述することとする。本発明の光変調素子１
は、図１に示すように、透明な基板２ａ，２ｂが略均等
な間隔で平行に対向しており、この基板２ａの基板２ｂ
に対向する側には透明電極３ａが、基板２ｂの基板２ａ
に対向する側には透明電極３ｂが設けられている。そし
て、この透明電極３ｂ上には、書込み光９の光強度で比
抵抗が変化する光導電層４が積層形成され、さらに、光
導電層４上には光反射層５が積層形成されている。ま
た、透明電極３ａ上には液晶配向層６ａが、光反射層５
上には液晶配向層６ｂが設けられている。このように、
基板２ａには透明電極３ａ，液晶分子配向層６ａが積層
して設けられ、基板２ｂには透明電極３ｂ，光導電層
４，光反射層５，液晶配向層６ｂが積層して設けられ、
これら基板２ａ，２ｂの間には、従来の液晶層７とは異
なる液晶分子の配列方向を有する液晶層１７が挟装され
ている。なお、８ａ及び８ｂは上記と同様、基板２ａ，
２ｂの間に所定間隔を保って液晶を封入させるためのス
ペーサである。

【００１４】ここで、基板２ａ，２ｂは本実施例では例
えば透明なガラス板を用いているが、透明な樹脂板を用
いることもできる。また、透明電極３ａ，３ｂは、一般
に酸化インジウム膜または酸化スズ膜等で形成する。透
明電極３ｂ上に形成される光導電層４は、アモルファシ
リコン等の各種の光導電物質を単独に、または複合化し
て用いることができる。光導電層４上に積層される光反
射層５はＺｎＳ（硫化亜鉛）：ＭｇＦ₂（フッ化マグネ
シウム）多層膜，ＳｉＯ（酸化ケイ素）：ＳｉＯ₂（二
酸化ケイ素）多層膜等の誘電体多層膜を用いる。

【００１５】さらに、液晶配向層６ａ，６ｂは、これま
でに知られている液晶表示素子の液晶配向層を用いるこ
とができ、どのような液晶分子をどうのように配列させ
るかにより適宜選択して用いればよく、本実施例では上
側基板２ａの液晶配向層６ａには予めＳｉＯ，ＳｉＯ₂
の斜方蒸着やスパッタによりプレティルト角を付与した
後、液晶分子が垂直配列となる長鎖アルコールやシラン
カップリング剤やクロム錯体等を用い、下側基板２ｂの
液晶配向層６ｂには液晶分子が水平配列となるポリイミ
ドやポリビニル等の高分子膜を用いて形成している。

【００１６】次に、本発明の光変調素子１における液晶
層１７について詳細に説明する。液晶層１７の液晶材料
は、正の誘電率異方性を有するネマティック液晶を用い
る。これは、フッソ系，シッフ系，アゾ系，アゾキシ
系，エステル系，ビフェニル系，ターフェニル系，シク
ロヘキサン系，ピリミジン系，ジオキサン系等の各種の
液晶物質を単独に、または混合して用いることができ
る。

【００１７】さらに、液晶層１７における液晶分子の配
列方向について図２を用いて説明する。図２（Ａ）にお
いて、液晶層１７における液晶配向層６ａに接した部分
の液晶分子を液晶配向層６ａ上の液晶分子１７ａと表現
し、液晶層１７における液晶配向層６ｂに接した部分の
液晶分子を液晶配向層６ｂ上の液晶分子１７ｂと表現す
ると、液晶配向層６ａ上の液晶分子１７ａの長軸と基板
２ａ（液晶配向層６ａ）の基板面とがなすティルト角θ
１は８０度〜９０度の範囲内で配列しており、液晶配向
層６ｂ上の液晶分子１７ｂの長軸と基板２ｂ（液晶配向
層６ｂ）の基板面とがなすティルト角θ２は０度〜１０
度の範囲内で配列し、液晶分子１７ａ，１７ｂは液晶配
向層６ａ，６ｂ上でそれぞれが平行に配向されている。
なお、図２中のＸは入射光の偏光軸方向、Ｙは出射光の
偏光軸方向である。

【００１８】図３（Ａ）はティルト角θ１と前述の出射
光量／入射光量（Ｒ）との関係を、図３（Ｂ）はティル
ト角θ２と前述の出射光量／入射光量（Ｒ）との関係
を、それぞれ電界を印加したとき（オン）と印加してい
ないとき（オフ）について示している。これより、一方
の基板面に対するティルト角θ１は８０度〜９０度の範
囲内で、他方の基板面に対するティルト角θ２は０度〜
１０度の範囲内であるとき、コントラスト比を十分大き
くとれることが分かる。なお、ティルト角θ１が０度〜
１０度の範囲内で、ティルト角θ２が８０度〜９０度の
範囲内としても同様の結果が得られる。また、一方の基
板面に対するティルト角θ１が９０度に近付くほど、他
方の基板面に対するティルト角θ２が０度に近付くほど
コントラスト比は大きくなるが、応答速度の低下や、液
晶分子の配列のディスクリネーション（反転）が生じや
すくなるのという問題点がある。

【００１９】図２（Ｂ）には、液晶配向層６ａ上の液晶
分子１７ａと液晶配向層６ｂ上の液晶分子１７ｂとの捩
れ角φを示している。また、図４には捩れ角φと前述の
出射光量／入射光量（Ｒ）との関係を電界がオンとオフ
の場合について示している。この図４より、捩れ角φは
４０度〜５０度の範囲内でコントラスト比を最も大きく
とれることが分かる。液晶分子の捩れ角φを４０度〜５
０度とするためには、液晶配向層６ａ（基板２ａ）と液
晶配向層６ｂ（基板２ｂ）とを液晶配向層６ａ，６ｂ上
での液晶配向方向が互いに４０度〜５０度をなすように
すれば、液晶層１７の内部では液晶分子軸は連続的に捩
れる。液晶分子の捩れ角φは液晶に添加される旋光性物
質の種類と量によって安定な状態とすることができる。
なお、液晶分子の捩れ角φは光の散乱及びコントラスト
等によって制限され、上限が５０度、下限が４０度程度
である。

【００２０】また、本発明の光変調素子１に入射する光
の偏光軸あるいは吸収軸は、読出し光１８が入射する上
側基板２ａ側の液晶配向層６ａ上の液晶分子１７ａに対
し、明るさ及び色等を考慮すると、平行であることが望
ましく、０度〜±５度の範囲内に設定する。図５には偏
光軸あるいは吸収軸と前述の出射光量／入射光量（Ｒ）
との関係を電界がオンとオフの場合について示してい
る。この図５より、光変調素子１に入射する光の偏光軸
あるいは吸収軸は０度〜±５度の範囲内でコントラスト
比を最も大きくとれることが分かる。さらに、図６には
液晶層１７の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの積
Δｎ・ｄと、前述の出射光量／入射光量（Ｒ）との関係
を電界がオンとオフの場合について示している。この図
６より、本発明の光変調素子１は液晶層１７の厚さｄ
（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄに顕著な依
存性を示しており、コントラスト比，明るさ，色の点か
ら、０．４５μｍ〜０．７５μｍの範囲内で良好な結果
を示すことが分かる。

【００２１】このように、入射光（読出し光１８）の偏
光軸あるいは吸収軸が液晶層１７における液晶配向層６
ａ上の液晶分子１７ａの配列方向に対して０度〜±５度
の範囲内の角度にあるとき、正の誘電率異方性を有する
ネマティック液晶が液晶層１７の厚さｄ（μｍ）と屈折
率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄが０．４５μｍ〜０．７５
μｍの範囲内であり、液晶層１７における液晶配向層６
ａ，６ｂの内の一方の液晶配向層上の液晶分子１７ａ
（１７ｂ）のティルト角θ１が８０度〜９０度の範囲内
であり、かつ他方の液晶配向層上の液晶分子１７ｂ（１
７ａ）のティルト角θ２が０度〜１０度の範囲内であ
り、液晶層１７の厚さ方向に４０度〜５０度の範囲内で
捩れた螺旋構造を有する液晶層１７を備えた本発明の光
変調素子１は、図９に示すような投写型表示装置の画像
作成要素として利用される。

【００２２】この投写型表示装置においては、例えばＣ
ＲＴ画面から発せられる光を書込み光９として光変調素
子１に入射し画像を書き込む。一方、光源１０より発せ
られた光はコンデンサレンズ１１により平行光とされた
後、ポラライザ１２及びダイクロイックミラー１３を介
して光変調素子１に照射される。光変調素子１の光反射
層５で反射される空間変調された光はダイクロイックミ
ラー１３で反射され、アナライザ１４及び投写レンズ１
５を介してスクリーン１６上に結像する。

【００２３】さらに、本発明の光変調素子１の動作につ
いて説明する。透明電極３ａ，３ｂ間には図示せぬ外部
電源が接続され、電圧が１〜５Ｖ程度で、周波数が２０
〜１００Ｈｚ程度の間で最適に設定されたに矩形波の交
流駆動電圧が印加される。ここで、書込み側から書込み
光９が照射されていない状態での光導電層４の内部イン
ピーダンスは液晶層７のそれよりも十分大きい値に設定
してあるので、駆動電圧は主に光導電層４に印加される
ことになる。そして、書込み光９が照射され、その書込
み光９によって光導電層４上に像を描くときには、光導
電層４の内部インピーダンスが像の濃淡に応じて局部的
に低下するため、その低下部分に隣接する液晶層１７に
は透明電極３ａ，３ｂ間の駆動電圧が像の濃淡に応じて
空間変調されて印加され、液晶層１７における印加され
る電圧が増大した部分の液晶分子は配列状態を変える。

【００２４】印加される電圧が増大すると、正の誘電率
異方性を有する液晶分子の捩れ角φは、予め与えられた
４０度〜５０度の角度を維持しながら液晶分子の長軸方
向は基板に垂直に近付くような傾斜した配列となる。即
ち、液晶配向層６ａ上の液晶分子１７ａの長軸方向は予
め与えられたティルト角θ１が８０度〜９０度と大きい
ので電圧が印加されてもティルト角θ１の変化は小さい
が、液晶配向層６ｂ上の液晶分子１７ｂの長軸方向は予
め与えられたティルト角θ２が０度〜１０度と小さいの
で、電圧が印加されたときのティルト角θ２の変化は大
きい。このような状態での光変調素子１は、初期の旋光
能を著しく弱め、液晶分子の複屈折性による影響が増大
することにより、光反射層５で反射した後に出射する光
は、もはや入射時の直線偏光にはならず、アナライザ１
４を透過する光が得られるようになる。

【００２５】そして、この光変調素子１は、入射される
書込み光９による光導電層４の内部インピーダンスの変
化に対応して液晶層１７の液晶分子の配列状態が可逆的
に遷移することを利用しているため、書込み光９が照射
されなくなれば自動的に初期の配向状態に戻ることか
ら、蓄積された像は時間遅れを伴って消去される。

【００２６】表１には従来の光変調素子１の一例の条件
と併せて、本発明の光変調素子１の一例の条件をに示し
ている。そして、表１に示す条件の本発明の光変調素子
１に電界を印加した際の応答特性を図７に示す。図７は
図１０と同様、横軸は電界印加後の経過時間、縦軸は出
射光量／入射光量（Ｒ）である。この図７より、電界の
印加からコントラスト比を最大にとれる所望の傾斜に至
る時間、即ち書込み時間は１１ｍｓ程度であり、本発明
の光変調素子１は著しく高速の応答特性を有しているこ
とが分かる。

【００２７】以上説明した本実施例では、液晶層１７に
おける液晶分子の螺旋構造の捩れ方向を反時計回りとし
て説明したが、時計回りの捩れ方向の場合でも全く同じ
効果が得られることは勿論である。このように、本発明
の光変調素子１は本発明の要旨を逸脱しない範囲におい
て種々変更可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の光
変調素子は、入射光（読出し光）の偏光軸あるいは吸収
軸が液晶層における液晶配向層上の液晶分子の配列方向
に対して０度〜±５度の範囲内の角度にあるとき、正の
誘電率異方性を有するネマティック液晶が液晶層の厚さ
ｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄが０．４
５μｍ〜０．７５μｍの範囲内であり、液晶層における
液晶配向層の内の一方の液晶配向層上の液晶分子のティ
ルト角θ１が８０度〜９０度の範囲内であり、かつ他方
の液晶配向層上の液晶分子のティルト角θ２が０度〜１
０度の範囲内であり、液晶層の厚さ方向に４０度〜５０
度の範囲内で捩れた螺旋構造を有する液晶層を備えて構
成したので、極めて優れた高速応答特性を有し、これに
より像の書込み時間を短くすることができるので動画等
を表示する際に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光変調素子の一実施例の構造を示す図
である。

【図２】本発明の光変調素子における液晶分子の配列方
向を説明するための図である。

【図３】液晶分子のティルト角と出射光量／入射光量と
の関係を示す図である。

【図４】液晶分子の捩れ角と出射光量／入射光量との関
係を示す図である。

【図５】入射光の偏光軸，吸収軸と出射光量／入射光量
との関係を示す図

【図６】液晶層の厚さｄと屈折率異方性Δｎとの積Δｎ
・ｄと出射光量／入射光量との関係を示す図である。

【図７】本発明の光変調素子の応答特性を示す図であ
る。

【図８】従来の光変調素子の一例の構造を示す図であ
る。

【図９】光変調素子を用いた投写型表示装置の原理図で
ある。

【図１０】従来の光変調素子の応答特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１光変調素子２ａ，２ｂ基板３ａ，３ｂ透明電極４光導電層５光反射層６ａ，６ｂ液晶配向層７液晶層８ａ，８ｂスペーサ

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【手続補正書】

【提出日】平成５年３月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】光変調素子

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【従来の技術】表示装置には直視型の装置と投写型の装
置とがあり、投写型の装置としては液晶を使った光変調
素子を用いるものが既に実用化されている。図９は光変
調素子を用いた投写型表示装置の原理図である。図９に
おいて、光変調素子１０には書込み光学系から発せられ
る書込み光１１によって像が書込まれる。一方、光源１
３より発せられた光はコンデンサレンズ１４により平行
光とされた後、偏光ビームスプリッタ１５に入射し、そ
の入射光の内のＳ偏光成分は進行方向が接合面で反射し
直角に曲げられることにより、読出し光１２として光変
調素子１０に入射する。

【０００３】ここで、光変調素子１０の液晶層に像が描
かれていると、光変調素子１０で反射された反射光中に
は液晶層の像の濃淡に応じて変調を受け、Ｐ偏光成分が
含まれるようになる。この反射光中のＰ偏光成分は偏光
ビームスプリッタ１５をそのまま通過し、投写レンズ１
６を介してスクリーン１７上に像が投写される。従っ
て、光変調素子１０に書込まれている像がスクリーン１
７へ投写されることになる。

【０００４】図８はこの投写型表示装置に用いられる従
来の光変調素子１０の一例の構造を示す図である。図８
において、液晶層９の周りにはスペーサ８ａ，８ｂが配
され、液晶層９の両面には液晶配向層６ａ，６ｂが設け
られている。液晶配向層６ｂの外側には誘電体からなる
光反射層５が積層され、この光反射層５の外側には例え
ば非晶質水素化シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる光導
電層４が積層されている。そして、液晶配向層６ａ及び
光導電層４の外側には酸化スズ（ＳｎＯ_２）や酸化イン
ジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）からなる透明電極３ａ，３ｂが配
され、透明基板２ａ，２ｂによって封止された構造とな
っている。

【０００５】このような構造の光変調素子１０におい
て、透明電極３ａ，３ｂ間には交流駆動電圧が印加さ
れ、書込み側から書込み光１１が照射されていない状態
での光導電層４の内部インピーダンスを液晶層９のそれ
よりも十分大きい値に設定しておくことにより、駆動電
圧は主に光導電層４に印加されることになる。そして、
書込み光１１が照射され、その書込み光１１によって光
導電層４上に像を描くときには、光導電層４の内部イン
ピーダンスが像の濃淡に応じて局部的に低下するため、
その低下部分に隣接する液晶層９には透明電極３ａ，３
ｂ間の駆動電圧が像の濃淡に応じて空間変調されて印加
されるようになって像が書込まれることになる。

【０００６】ここで、従来の光変調素子１０に用いられ
る液晶層９の液晶分子の配列方向，読出し光の偏光方向
について、米国特許第４０１９８０７号明細書には、４
５度ツイスト配向の液晶層によるハイブリッド電界効果
モードを用いた光変調素子が開示されている。液晶層９
の液晶分子はその分子長軸が基板２ａ，２ｂにわずかな
プレティルト角を有し、略平行になるよう配列してい
る。さらに、液晶層９の液晶分子は液晶配向層６ａ，６
ｂ上でそれぞれが平行に配向されている。４５度ツイス
ト配向状態を実現するには、液晶配向層６ａ，６ｂ上で
の液晶配向方向が互いに４５度をなすようにすれば、液
晶層９の内部では液晶分子軸は連続的に捩れる。このツ
イスト配向が有する旋光能により直線偏光の光が入射し
たとき、その偏光方向はツイスト角だけ回転する。

【０００７】このような４５度ツイスト配向の液晶層９
を有する光変調素子１０を図９に示す投写型表示装置に
用い、光変調素子１０と読出し光源１３との間の偏光ビ
ームスプリッタ１５の偏光軸を入射側の液晶層９の液晶
分子軸と平行になるように配置すると、直線偏光された
入射光は液晶層９を通過することによりその偏光方向が
４５度回転するが、光反射層５により反射して再び液晶
層９を通過する際には逆方向に４５度回転して入射光と
同方向の偏光に戻るので、偏光ビームスプリッタ１５に
より進行方向が接合面で反射し直角に曲げられることに
より、光源１３に戻る。これに対し、光変調素子１０の
透明電極３ａ，３ｂ間に電界を印加していくと、正の誘
電率異方性を持つ液晶分子は基板２ａ，２ｂに垂直に近
づくような傾斜した配列になる。このように、基板２
ａ，２ｂに対して分子軸方向が変化すると共に実効的な
屈折率異方性は変化するので、複屈折性により光の偏光
に影響を及ぼすことになり、光反射層５で反射した後に
光変調素子１０から出射する光は入射時の直線偏光でな
くなり、偏光ビームスプリッタ１５を透過する光の強度
が変化し、スクリーン１７上に像が投写されることとな
る。

【０００８】上述した従来の光変調素子１０の一例の条
件を表１に示す。

【０００９】

【表１】

【００１０】表１に示す条件の従来の光変調素子１０に
電界を印加した際の応答特性を図１０に示す。図１０に
おいて、横軸は電界印加後の経過時間、縦軸は入射光量
（図９中の偏光ビームスプリッタ１５に入射する光）と
出射光量（図９中の偏光ビームスプリッタ１５を出射す
る光）との比である出射光量／入射光量を示している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、光変調
素子１０に電界を印加すると、液晶層９の液晶分子は基
板２ａ，２ｂとのなす角を増大してある傾斜に達する
が、電界の印加からコントラスト比を最大にとれる所望
の傾斜に至る時間、即ち書込み時間が図１０に示すよう
に３２ｍｓ程度かかり、動画等を表示させる場合に追従
できなくなるという問題点があった。そこで本発明はこ
のような問題点に鑑み、従来の光変調素子とは異なった
液晶分子の配列方向をとることによって極めて優れた高
速応答特性を有する光変調素子を提供することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した従来
の技術の課題を解決するため、第１及び第２の液晶配向
層に挟装された液晶層と前記第２の液晶配向層上に光反
射層を介して積層された光導電層とを対向する１対の透
明電極間に挟装してなり、前記光導電層側より書込み光
を照射して像を書込み、前記第１の液晶配向層側より読
出し光を照射して前記書込まれた像を読出す光変調素子
において、前記液晶層は、前記読出し光の偏光方向が前
記液晶層における前記第１の液晶配向層上の液晶分子の
配列方向に対して０度〜±５度の範囲内の角度にあると
き、正の誘電率異方性を有するネマティック液晶が前記
液晶層の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ
・ｄが０．４５μｍ〜０．７５μｍの範囲内にあるもの
であり、前記液晶層における前記第１及び第２の液晶配
向層の内の一方の液晶配向層上の液晶分子のティルト角
が８０度〜９０度の範囲内であり、かつ他方の液晶配向
層上の液晶分子のティルト角が０度〜１０度の範囲内で
あり、前記液晶層の厚さ方向に４０度〜５０度の範囲内
で捩れた螺旋構造を有するものであることを特徴とする
光変調素子を提供するものである。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の光変調素子について、添付図
面を参照して説明する。図１は本発明の光変調素子の一
実施例の構造を示す図、図２は本発明の光変調素子にお
ける液晶分子の配列方向を説明するための図、図３は液
晶分子のティルト角と出射光量／入射光量との関係を示
す図、図４は液晶分子の捩れ角と出射光量／入射光量と
の関係を示す図、図５は読出し光の偏光方向に対する読
出し光が入射される側の液晶配向層上の液晶分子の配列
方向と出射光量／入射光量との関係を示す図、図６は液
晶層の厚さｄと屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄと出射
光量／入射光量との関係を示す図、図７は本発明の光変
調素子の応答特性を示す図である。なお、図１におい
て、図８と同一部分には同一符号が付してある。

【００１４】本発明の光変調素子１は従来の光変調素子
１０と基本的構造は同一であるが、液晶層における液晶
分子の配列方向が異なっている。液晶分子の配列方向に
ついては後に詳述することとする。本発明の光変調素子
１は、図１に示すように、透明な基板２ａ，２ｂが略均
等な間隔で平行に対向しており、この基板２ａの基板２
ｂに対向する側には透明電極３ａが、基板２ｂの基板２
ａに対向する側には透明電極３ｂが設けられている。そ
して、この透明電極３ｂ上には、書込み光１１の光強度
で比抵抗が変化する光導電層４が積層形成され、さら
に、光導電層４上には光反射層５が積層形成されてい
る。また、透明電極３ａ上には液晶配向層６ａが、光反
射層５上には液晶配向層６ｂが積層して設けられてい
る。このように、基板２ａには透明電極３ａ，液晶配向
層６ａが積層して設けられ、基板２ｂには透明電極３
ｂ，光導電層４，光反射層５，液晶配向層６ｂが積層し
て設けられ、これら基板２ａ，２ｂの間には、従来の液
晶層９とは異なる液晶分子の配列方向を有する液晶層７
が挟装されている。なお、８ａ及び８ｂは上記と同様、
基板２ａ，２ｂの間に所定間隔を保って液晶を封入させ
るためのスペーサである。

【００１５】ここで、基板２ａ，２ｂは本実施例では例
えば透明なガラス板を用いているが、透明な樹脂板を用
いることもできる。また、透明電極３ａ，３ｂは、一般
に酸化インジウム膜または酸化スズ膜等で形成する。透
明電極３ｂ上に形成される光導電層４は、非晶質水素化
シリコン，セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ），硫化鉛
（ＰｂＳ）等の各種の光導電物質を単独に、または複合
化して用いることができる。光導電層４上に積層される
光反射層５は硫化亜鉛（ＺｎＳ）：フッ化マグネシウム
（ＭｇＦ_２）多層膜，酸化ケイ素（ＳｉＯ）：二酸化ケ
イ素（ＳｉＯ_２）多層膜等の誘電体多層膜を用いる。

【００１６】さらに、液晶配向層６ａ，６ｂは、これま
でに知られている液晶表示素子の液晶配向層を用いるこ
とができ、どのような液晶分子をどのように配列させる
かにより適宜選択して用いればよく、本実施例では上側
基板２ａの液晶配向層６ａには予めＳｉＯ，ＳｉＯ_２の
斜方蒸着やスパッタによりプレティルト角を付与した
後、液晶分子が垂直配列となる長鎖アルコールやシラン
カップリング剤やクロム錯体等を用い、下側基板２ｂの
液晶配向層６ｂには液晶分子が水平配列となるポリイミ
ド，ポリアミドやポリビニル等の高分子膜を用いて形成
している。

【００１７】次に、本発明の光変調素子１における液晶
層７について詳細に説明する。液晶層７の液晶材料は、
正の誘電率異方性を有するネマティック液晶を用いる。
これは、フッソ系，シッフ系，アゾ系，アゾキシ系，エ
ステル系，ビフェニル系，ターフェニル系，シクロヘキ
サン系，ピリミジン系，ジオキサン系等の各種の液晶物
質を単独に、または混合して用いることができる。

【００１８】さらに、液晶層７における液晶分子の配列
方向について図２を用いて説明する。図２（Ａ）におい
て、液晶層７における液晶配向層６ａに接した部分の液
晶分子を液晶配向層６ａ上の液晶分子７ａと表現し、液
晶層７における液晶配向層６ｂに接した部分の液晶分子
を液晶配向層６ｂ上の液晶分子７ｂと表現すると、液晶
配向層６ａ上の液晶分子７ａの長軸と基板２ａ（液晶配
向層６ａ）の基板面とがなすティルト角θ１は８０度〜
９０度の範囲内で配列しており、液晶配向層６ｂ上の液
晶分子７ｂの長軸と基板２ｂ（液晶配向層６ｂ）の基板
面とがなすティルト角θ２は０度〜１０度の範囲内で配
列し、液晶分子７ａ，７ｂは液晶配向層６ａ，６ｂ上で
それぞれが平行に配向されている。なお、図２中のＸは
偏光ビームスプリッタ１５の偏光軸（または偏光軸と直
交する）方向、Ｙは偏光ビームスプリッタ１５の偏光軸
と直交する（または偏光軸）方向である。

【００１９】図３（Ａ）はティルト角θ１と前述の出射
光量／入射光量との関係を、図３（Ｂ）はティルト角θ
２と前述の出射光量／入射光量との関係を、それぞれ電
界を印加したとき（オン）と印加していないとき（オ
フ）について示している。これより、一方の基板面に対
するティルト角θ１は８０度〜９０度の範囲内で、他方
の基板面に対するティルト角θ２は０度〜１０度の範囲
内であるとき、コントラスト比を十分大きくとれること
が分かる。なお、ティルト角θ１が０度〜１０度の範囲
内で、ティルト角θ２が８０度〜９０度の範囲内として
も同様の結果が得られる。また、一方の基板面に対する
ティルト角θ１が９０度に近付くほど、他方の基板面に
対するティルト角θ２が０度に近付くほどコントラスト
比は大きくなるが、応答速度の低下や、液晶分子の配列
のディスクリネーション（反転）が生じやすくなるのと
いう問題点がある。

【００２０】図２（Ｂ）には、液晶配向層６ａ上の液晶
分子７ａと液晶配向層６ｂ上の液晶分子７ｂとの捩れ角
φを示している。また、図４には捩れ角φと前述の出射
光量／入射光量との関係を電界がオンとオフの場合につ
いて示している。この図４より、捩れ角φは４０度〜５
０度の範囲内でコントラスト比を大きくとれることが分
かる。液晶分子の捩れ角φを４０度〜５０度とするため
には、液晶配向層６ａ（基板２ａ）と液晶配向層６ｂ
（基板２ｂ）とを液晶配向層６ａ，６ｂ上での液晶配向
方向が互いに４０度〜５０度をなすようにすれば、液晶
層７の内部では液晶分子軸は連続的に捩れる。液晶分子
の捩れ角φは液晶に添加される旋光性物質の種類と量に
よって安定な状態とすることができる。なお、液晶分子
の捩れ角φは光の散乱及びコントラスト等によって制限
され、上限が５０度、下限が４０度程度である。

【００２１】また、本発明の光変調素子１に入射する光
の偏光方向は、読出し光１２が入射する上側基板２ａ側
の液晶配向層６ａ上の液晶分子７ａに対し、コントラス
ト比及び色等を考慮すると、平行であることが望まし
く、０度〜±５度の範囲内に設定する。図５には読出し
光１２の偏光方向に対する液晶配向層６ａ上の液晶分子
７ａの配列方向と前述の出射光量／入射光量との関係を
電界がオンとオフの場合について示している。なお、本
明細書中で用いている偏光方向とは、電界方向及び磁界
方向両方を言う。この図５より、光変調素子１に入射す
る読出し光１２の偏光方向に対する液晶配向層６ａ上の
液晶分子７ａの配列方向は０度〜±５度の範囲内でコン
トラスト比を大きくとれることが分かる。さらに、図６
には液晶層７の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの
積Δｎ．ｄと、前述の出射光量／入射光量との関係を電
界がオンとオフの場合について示している。この図６よ
り、本発明の光変調素子１は液晶層７の厚さｄ（μｍ）
と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄに顕著な依存性を示
しており、コントラスト比，明るさの点から、０．４５
μｍ〜０．７５μｍの範囲内で良好な結果を示すことが
分かる。

【００２２】このように、入射光（読出し光１２）の偏
光方向が液晶層７における液晶配向層６ａ上の液晶分子
７ａの配列方向に対して０度〜±５度の範囲内の角度に
あるとき、正の誘電率異方性を有するネマティック液晶
が液晶層７の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの積
Δｎ．ｄが０．４５μｍ〜０．７５μｍの範囲内であ
り、液晶層７における液晶配向層６ａ，６ｂの内の一方
の液晶配向層上の液晶分子７ａ（７ｂ）のティルト角θ
１が８０度〜９０度の範囲内であり、かつ他方の液晶配
向層上の液晶分子７ｂ（７ａ）のティルト角θ２が０度
〜１０度の範囲内であり、液晶層７の厚さ方向に４０度
〜５０度の範囲内で捩れた螺旋構造を有する液晶層７を
備えた本発明の光変調素子１は、図９に示すような投写
型表示装置の画像作成要素として利用される。

【００２３】この投写型表示装置においては、例えばＣ
ＲＴ画面から発せられる光を書込み光１１として光変調
素子１に入射し画像を書き込む。一方、光源１３より発
せられた光はコンデンサレンズ１４により平行光とされ
た後、偏光ビームスプリッタ１５を介して光変調素子１
に照射される。光変調素子１の光反射層５で反射される
空間変調された光は偏光ビームスプリッタ１５と透過
し、投写レンズ１６を介してスクリーン１７上に結像す
る。ここで、光変調素子１は、電界を印加し、液晶分子
の全体が一様に傾いた状態で、上側基板２ａ側の液晶配
向層６ａ上の液晶部分子７ａの軸方向に対し偏光ビーム
スプリッタ１５の偏光軸とのなす角を０度〜±５度の範
囲内になるように配置される。

【００２４】さらに、本発明の光変調素子１の動作につ
いて説明する。図１において、透明電極３ａ，３ｂ間に
は図示せぬ外部電源が接続され、最適に設定された交流
駆動電圧が印加される。ここで、書込み側から書込み光
１１が照射されていない状態での光導電層４の内部イン
ピーダンスは液晶層７のそれよりも十分大きい値に設定
してあるので、駆動電圧は主に光導電層４に印加される
ことになる。そして、書込み光１１が照射され、その書
込み光１１によって光導電層４上に像を描くときには、
光導電層４の内部インピーダンスが像の濃淡に応じて局
部的に低下するため、その低下部分に隣接する液晶層７
には透明電極３ａ，３ｂ間の駆動電圧が像の濃淡に応じ
て空間変調されて印加され、液晶層７における印加され
る電圧が増大した部分の液晶分子は配列状態を変える。

【００２５】印加される電圧が増大すると、正の誘電率
異方性を有する液晶分子の捩れ角φは、予め与えられた
４０度〜５０度の角度を維持しながら液晶分子の長軸方
向は基板２ａ，２ｂに垂直に近付くような傾斜した配列
となる。即ち、液晶配向層６ａ上の液晶分子７ａの長軸
方向は予め与えられたティルト角〜θ１が８０度〜９０
度と大きいので電圧が印加されてもティルト角θ１の変
化は小さいが、液晶配向層６ｂ上の液晶分子７ｂの長軸
方向は予め与えられたティルト角θ２が０度〜１０度と
小さいので、電圧が印加されたときのティルト角θ２の
変化は大きい。このような状態での光変調素子１は、液
晶分子の軸方向が変化すると共に初期の旋光能を著しく
弱め、複屈折性による影響が増大することにより、光反
射層５で反射して再び液晶層７を透過した後に出射する
光は、もはや偏光ビームスプリッタ１５で進行方向が直
角に曲げられて液晶層７に入射するときの直線偏光には
ならず、偏光ビームスプリッタ１５を透過する光が得ら
れるようになる。

【００２６】そして、この光変調素子１は、入射される
書込み光１１による光導電層４の内部インピーダンスの
変化に対応して液晶層７の液晶分子の配列状態が可逆的
に遷移することを利用しているため、書込み光１１が照
射されなくなれば自動的に初期の配向状態に戻ることか
ら、蓄積された像は時間遅れを伴って消去される。

【００２７】表１には従来の光変調素子１０の一例の条
件と併せて、本発明の光変調素子１の一例の条件を示し
ている。そして、表１に示す条件の本発明の光変調素子
１に電界を印加した際の応答特性を図７に示す。図７は
図１０と同様、横軸は電界印加後の経過時間、縦軸は出
射光量／入射光量である。この図７より、電界の印加か
らコントラスト比を最大にとれる所望の傾斜に至る時
間、即ち書込み時間は１１ｍｓ程度であり、本発明の光
変調素子１は著しく高速の応答特性を有していることが
分かる。

【００２８】以上説明した本実施例では、液晶層７にお
ける液晶分子の螺旋構造の捩れ方向を反時計回りとして
説明したが、時計回りの捩れ方向の場合でも全く同じ効
果が得られることは勿論である。このように、本発明の
光変調素子１は本発明の要旨を逸脱しない範囲において
種々変更可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の光
変調素子は、入射光（読出し光）の偏光方向が液晶層に
おける液晶配向層上の液晶分子の配列方向に対して０度
〜±５度の範囲内の角度にあるとき、正の誘電率異方性
を有するネマティック液晶が液晶層の厚さｄ（μｍ）と
屈折率異方性Δｎとの積Δｎ．ｄが０．４５μｍ〜０．
７５μｍの範囲内であり、液晶層における液晶配向層の
内の一方の液晶配向層上の液晶分子のティルト角が８０
度〜９０度の範囲内であり、かつ他方の液晶配向層上の
液晶分子のティルト角が０度〜１０度の範囲内であり、
液晶層の厚さ方向に４０度〜５０度の範囲内で捩れた螺
旋構造を有する液晶層を備えて構成したので、極めて優
れた高速応答特性を有し、これにより像の書込み時間を
短くすることができるので動画等を表示する際に有効で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図５】読出し光の偏光方向に対する読出し光が入射さ
れる側の液晶配向層上の液晶分子の配列方向と出射光量
／入射光量との関係を示す図である。

【図７】本発明の光変調素子の応答特性を示す図であ
る。

【図８】従来の光変調素子の一例の構造を示す図であ
る。

【図１０】従来の光変調素子の応答特性を示す図であ
る。

【符号の説明】１，１０光変調素子２ａ，２ｂ基板３ａ，３ｂ透明電極４光導電層５光反射層６ａ，６ｂ液晶配向層７液晶層８ａ，８ｂスペーサ

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図４】

【図５】

【図７】

【図３】

【図６】

【図８】

【図１０】

【図９】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１及び第２の液晶配向層に挟装された液
晶層と前記第２の液晶配向層上に光反射層を介して積層
された光導電層とを対向する１対の透明電極間に挟装し
てなり、前記光導電層側より書込み光を照射して像を書
込み、前記第１の液晶配向層側より読出し光を照射して
前記書込まれた像を読出す光変調素子において、前記液晶層は、前記読出し光の偏光軸あるいは吸収軸が
前記液晶層における前記第１の液晶配向層上の液晶分子
の配列方向に対して０度〜±５度の範囲内の角度にある
とき、正の誘電率異方性を有するネマティック液晶が前
記液晶層の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの積Δ
ｎ・ｄが０．４５μｍ〜０．７５μｍの範囲内にあるも
のであり、前記液晶層における前記第１及び第２の液晶配向層の内
の一方の液晶配向層上の液晶分子のティルト角が８０度
〜９０度の範囲内であり、かつ他方の液晶配向層上の液
晶分子のティルト角が０度〜１０度の範囲内であり、前記液晶層の厚さ方向に４０度〜５０度の範囲内で捩れ
た螺旋構造を有するものであることを特徴とする光変調
素子。