JPH0643516A - 液晶演算装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶セルを利用した多機能多用途の液晶演算
装置を提供する。 【構成】 液晶演算装置は、所定の偏光面を有する透過
光に対して一対の液晶セルを重ねて配置した構造を有す
る。第１の液晶セル１は第１のデータに応じて電圧を印
加する電極手段８，９と、該印加電圧に応じて該偏光面
を回転させる液晶層７を備えている。第２の液晶セル２
は、第２のデータに応じて電圧を印加する電極手段１
３，１４と、該印加電圧に応じて該偏光面をさらに回転
させる液晶層１２を備えている。偏光面の回転角の加法
性に基き第１のデータ及び第２のデータを光学的に加算
処理する事ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶演算装置に関する。
より詳しくは、液晶セルを光学変調素子として利用し画
像情報の加算処理等を行なう２次元の光学演算装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図４に、従来の液晶セルからなる光学変
調素子を簡潔に説明する。この光学変調素子は液晶セル
７１を前後から一対の偏光板７２及び７３で挟んだ構成
を有している。この例では偏光板７２と偏光板７３の偏
光軸は互いに直交しておりクロスニコルの関係にある。
液晶セル７１は所定の間隙を介して離間配置された一対
の透明基板７４，７５の間にツイスト配向された液晶層
７６が封入されている。一方の基板７４の内表面にはス
トライプ状にパタニングされた行電極７７が形成されて
いる。他方の透明基板７５の内表面には同じくストライ
プ状にパタニングされた列電極７８が形成されている。
行電極７７と列電極７８は互いに直交配置されており所
謂単純マトリクス型液晶セルを構成する。即ち、行電極
７７と列電極７８の交差部に画素が規定される。この例
では個々の画素に対応してＲＧＢ三原色のカラーフィル
タが他方の透明基板７５の内表面に設けられている。行
電極７７と列電極７８との間に交流電圧を印加する事に
よりマトリクス状に配列された画素が時分割駆動され
る。電圧無印加状態にある画素７９では、液晶層７６は
ツイスト配向を保っている。一方、電圧印加状態にある
画素８０では、液晶分子が立ち上がっておりツイスト配
向状態が消失する。

【０００３】一方の偏光板７２に入射した無偏光の白色
光は直線偏光になる。その偏光面を電気ベクトルで表わ
している。電圧無印加状態にある画素７９に進入した直
線偏光はその電気ベクトルが９０°回転する。従って、
他方の偏光板７３を通過する事ができる。一方、電圧印
加状態にある画素８０に進入した直線偏光はその電気ベ
クトルが回転しないので、他方の偏光板７３により遮断
される。この様に、図４に示す光学変調素子は、駆動電
圧に応じて画素毎に透過制御を行ない２次元的な光学変
調が実現できる。かかる２次元光学変調素子はディスプ
レイや光弁として用いられる。

【０００４】本発明の背景を明らかにする為に、さらに
図５を参照して光学変調動作を簡潔に説明する。図５は
１画素部分を切り取って示した模式図であり、左側の部
分は電圧無印加状態を示し、右側の部分は電圧印加状態
を示す。上側の透明基板１０１の外表面に貼着された偏
光板１０２の偏光軸と、下側のガラス基板１０３に貼着
された偏光板１０４の偏光軸は互いに直交している。上
下一対の基板１０１，１０３に挟持された液晶層の液晶
分子１０５はツイスト配向しており、直線偏光の偏光面
を９０°回転させる旋光能を有している。電圧無印加状
態では、上側の偏光板１０２を通過した入射直線偏光１
０６はその偏光面が９０°回転された後下側の偏光板１
０４を通過し、画素は白点となる。

【０００５】一方図５の右側に示す様に、電圧を印加し
た場合には液晶分子１０５が電界方向に立ち上がり旋光
能が失われる。従って、入射直線偏光１０６は偏光面の
回転を受ける事なく下側の偏光板１０４に向って進行す
る。しかしながら、この直線偏光は下側の偏光板１０４
を通過できないので画素は黒点となる。又、印加される
駆動電圧のレベルを変化させる事により液晶分子１０５
の立ち上がり姿勢を制御でき、電界強度に応じた透過率
が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した様に、マトリ
クス型の液晶セルを用いた光学変調素子は、印加電圧を
画素毎に変化させる事により、入射光の透過率を制御で
き２次元的な光学変調が行なえる。しかしながら、この
様な光学変調素子は用途が限られておりディスプレイや
ライトバルブ等にしか利用できない。単純な光学変調に
加えて、より複雑な光学演算の可能なデバイスが広範囲
の分野に渡って要求されており、解決すべき課題となっ
ている。そこで、本発明は液晶セルを利用した２次元光
学演算装置を提供する事を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し本
発明の目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち、
本発明にかかる液晶演算装置は、所定の偏光面を有する
透過光に対して一対の液晶セルを重ねて配置した構造を
有する。第１の液晶セルは第１の入力データに応じて電
圧を印加する電極手段と該印加電圧に応じて該偏光面を
回転させる液晶層とを備えている。第２の液晶層も同様
な構成を有しており、第２の入力データに応じて電圧を
印加する電極手段と該印加電圧に応じて該偏光面をさら
に回転させる液晶層とを備えている。第１の液晶セルに
より与えられた偏光面の回転角と第２の液晶セルにより
与えられた回転角の間には加法性が成立し、結果として
第１のデータ及び第２のデータは光学的に加算処理され
た事になる。この加算結果に応じて透過光量が制御され
る。

【０００８】好ましくは、前記一対の液晶セルは共通の
中間基板を介して互いに積層されており、一体型の液晶
演算装置が得られる。

【０００９】さらに好ましくは、第１の液晶セルに設け
られた電極手段はマトリクス状に分割されている。個々
の分割単位毎に第１のデータに応じて２次元的に異なる
電圧を液晶層に印加する。かかる構成により、画像デー
タ等の２次元データを一括演算する事ができる。この様
に分割化された電極手段を有する液晶セルとしては、例
えば単純マトリクス型やアクティブマトリクス型を用い
る事ができる。

【００１０】一方、第２の液晶セルの電極手段は、例え
ば連続的な電極面を有しており第２の一定データに応じ
て２次元的に一様なオフセット電圧を液晶層に印加する
様になっている。かかる構成によれば、光学的に第１の
データに所定のオフセット量を加えるという演算処理が
行なえる。あるいは、第２の液晶セルに設けられた電極
手段は、第１の液晶セルの電極手段と同様にマトリクス
状に分割化されたものであっても良い。この場合には第
２のデータに応じて分割単位毎に異なる電圧を液晶層に
印加する事ができる。従って、分割単位毎に第１のデー
タと第２のデータの光学的な演算処理が行なえ、より高
度な機能が得られる。

【００１１】

【作用】第１のデータは第１の液晶セルによって偏光面
の回転角に変換される。又、第２のデータは第２の液晶
セルによって偏光面の回転角に変換される。両回転角に
は加法性が成立し、最終的な透過光強度は加算された回
転角に応じて制御される。従って、第１のデータと第２
のデータは互いに光学的に加算処理された事になる。例
えば、第１のデータが画像データであり、第２のデータ
が他の画像データである場合には、両画像データを互い
に演算処理した画像データがそのまま透過光強度の２次
元分布として得られる。あるいは、第１及び第２のデー
タが所定のアナログ量を表わしている場合には、加算さ
れたアナログ量が透過光強度として得られる。この光学
的な出力を光電変換する事により演算結果を表わすアナ
ログ量が得られる。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる液晶演算装置の
第一実施例を示す模式的な部分断面図である。本液晶演
算装置は、第１の液晶セル１と第２の液晶セル２とを互
いに積層した構造を有している。かかる積層構造の両面
には一対の偏光板３，４が貼着されている。一対の偏光
板３，４の偏光軸は互いに直交しており所謂クロスニコ
ルの関係にある。

【００１３】第１の液晶セル１は互いに所定の間隙を介
して離間配置された一対の透明基板５及び６とから構成
されている。両基板５，６の間には９０°ツイスト配向
された液晶層７が充填封入されている。なお、ツイスト
角は９０°に限られるものではなく、液晶演算装置の機
能や用途に応じて所望のツイスト角に設定する事ができ
る。一方の透明基板５の内表面にはストライプ状にパタ
ニングされた行電極８が形成されている。他方の透明基
板６の内表面にも、ストライプ状にパタニングされた列
電極９が形成されている。これらの行電極８及び列電極
９は互いにマトリクス状に直交配列しており、個々の交
差部毎に分割化された電極手段を構成している。この電
極手段には駆動回路１０が接続されており、入力された
第１のデータに基き行電極８及び列電極９を時分割的に
駆動し、データに応じた電圧を分割単位毎に液晶層７に
印加する。

【００１４】第２の液晶セル２は、前述した透明基板６
に対して所定の間隙を介し離間配置された第３の透明基
板１１により構成されている。即ち、第１の液晶セル１
と第２の液晶セル２の中間に位置する透明基板６は両者
に共用されている。互いに対向する一対の基板６，１１
の間には液晶層１２が充填封入されており、やはり同様
に９０°ツイスト配向されている。この液晶層１２と接
する透明基板６の表面には連続的な平面電極（所謂ベタ
電極）１３が形成されている。同様に、他方の基板１１
の内表面にも連続的な平面電極１４が形成されている。
これら一対の平面電極１３，１４が第２の液晶セル２に
設けられた電極手段を構成している。この電極手段は駆
動回路１８に接続されている。この駆動回路１８は入力
された第２のデータに応じて所定のオフセット電圧を互
いに対向する平面電極１３，１４の間に印加する。

【００１５】次に本液晶演算装置の動作を詳細に説明す
る。図示の例では、第１の液晶セル１において、ある分
割単位１５は電圧印加状態にあり、液晶層７の旋光能は
失われている。又、他のある分割単位１６は電圧無印加
状態にあり液晶層７は旋光能を保存している。一方の偏
光板３に入射した白色無偏光は直線偏光に変換される。
この偏光面を電気ベクトル１７で表わす。電圧の印加さ
れた分割単位１５に進入した直線偏光は旋光作用を受け
ないので電気ベクトル１７は回転されずにそのまま第２
の液晶セルに進入する。図示の状態では、第２の液晶セ
ル２は電圧無印加状態になっており、基板全面に渡って
液晶層１２は旋光能を保存している。従って、分割単位
１５を通過する直線偏光はこの液晶層１２によりその電
気ベクトル１７が９０°回転される。この結果、他方の
偏光板４を通過する事ができる。この様に、第１の液晶
セル１により与えられた回転角０°と第２の液晶セル２
によって与えられた回転角９０°は互いに加算され、そ
の結果はフルレベルの透過光強度として光学的に出力さ
れる。

【００１６】一方、電圧無印加状態にある分割単位１６
に進入した直線偏光の電気ベクトルは第１の液晶セル１
によって９０°回転される。さらに、第２の液晶セル２
によって９０°回転される。この結果、加算された回転
角は１８０°となる。この為、電気ベクトルは他方の偏
光板４の偏光軸に直交する為通過できない。従って、９
０°＋９０°の加算結果は０レベルの透過光強度として
光学的に出力される。

【００１７】上述した液晶演算装置は例えば二値データ
の論理処理に適用できる。この論理処理を以下の表１及
び表２を参照して説明する。

【表１】

【表２】

【００１８】表１に示す様に、分割単位１５に関し、第
１の液晶セル１は電気ベクトルの回転角が０°であるの
で第１のデータは０であるとする。一方、分割単位１６
については第１の液晶セルの回転角が９０°であるので
第１のデータとして１が書き込まれているとする。又、
第２の液晶セル２は何れの分割単位においても９０°の
回転角が与えられるので、第２のデータはともに１が書
き込まれているものとする。前述した様に、分割単位１
５から出力される透過光強度は高いレベルにあるので出
力データが１となる。一方、分割単位１６から出力され
る透過光強度は低いレベルにあるので出力データは０に
なる。表１から明らかな様に、この演算処理は第１のデ
ータの反転処理である事がわかる。

【００１９】表２は第２のデータを一斉に０に切り換え
た場合を示している。第１のデータはそのまま出力デー
タとして得られる。この様に、第２のデータの論理レベ
ルを切り換える事により第１のデータの選択的な反転処
理を行なう事ができる。

【００２０】上述した液晶演算装置は画像データ処理に
も応用できる。例えば、第２の液晶セルに印加される駆
動電圧を適当に制御する事により、分割単位全体に渡っ
て電気ベクトルの回転角を制御できる。従って、出力透
過光強度のレベルを全体的に調整できる。例えば、透過
光強度を下げる事により第１の液晶セルに書き込まれた
画像データの特に明るい部分のみを強調する事ができ
る。逆に、出力透過光強度のレベルを全体的に高めると
第１の液晶セルに書き込まれた画像データの特に明度の
低い部分を強調できる。この様に、本液晶演算装置は画
像データの強調処理あるいはフィルタリング処理を行な
う事が可能である。

【００２１】図２は、本発明にかかる液晶演算装置の第
二実施例を示す模式的な断面図である。基本的に、図１
に示した第一実施例と同一の構造を有しており、対応す
る部分には対応する参照番号を付して理解を容易にして
いる。異なる点は、第２の液晶セル２が第１の液晶セル
１と同様に単純マトリクス型になっている事である。即
ち、透明基板６の内表面にはストライプ状にパタニング
された行電極１３が形成されており、他方の基板１１の
内表面にもストライプ状にパタニングされた列電極１４
が形成されている。これら行電極１３及び列電極１４の
交差部には分割化された電極手段が形成され、第１の液
晶セル１の分割単位と一対一に整合している。本実施例
によれば、分割単位毎に第１のデータと第２のデータの
演算処理が行なえるという特徴がある。本実施例は、例
えば分割単位毎の２次元並列演算処理を行なう事ができ
る。一般に、回転角と印加電圧の間には略比例する領域
がある。従って、各分割単位毎に、第１のアナログデー
タを第１の液晶セルの回転角として書き込み、第２のア
ナログデータを第２の液晶セルの回転角として書き込
む。このリニアな領域では、両回転角を加算した結果に
応じた出力透過光強度が得られる。これを各分割単位に
整合した受光アレイ等により光電変換する事により加算
結果がアナログデータとして得られる。即ち、アナログ
データあるいは多値データの２次元並列演算を光学的な
手段により極めて高速に行なう事ができる。

【００２２】本実施例はさらに画像データの処理に応用
する事もでき、様々な特殊画像効果が得られる。例え
ば、第１の液晶セル１に書き込まれた画像データに対し
て、第２の液晶セル２により分割単位でマスクをかける
事が可能になり、所謂ぼかしやディザー等の特殊画像効
果が得られる。

【００２３】上述した実施例においては分割単位毎の演
算処理を行なう為に単純マトリクス型の液晶セルを利用
した。しかしながら、本発明はこれに限られるものでは
なく例えばアクティブマトリクス型の液晶セルを利用す
る事もできる。このアクティブマトリクス型液晶セルを
図３に基き簡潔に説明する。下側の透明基板５１の内表
面にはマトリクス状に配列された複数の画素（分割単
位）が形成されている。個々の画素は透明な導電膜から
なる画素電極５２と駆動用の薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）５３とから構成されている。ＴＦＴ５３のドレイン
電極には画素電極５２が接続され、ソース電極にはデー
タ線５４が接続され、ゲート電極には走査線５５が接続
されている。一方上側の透明基板５６の内表面にはＲＧ
Ｂ三原色セグメントを有するカラーフィルタ膜５７及び
対向電極５８が形成されている。各セグメントは画素に
対応している。上下一対の透明基板５１，５６の間隙に
は液晶層５９が封入充填されている。又、上側の透明基
板５６の外表面には偏光板６１が貼着されている。

【００２４】各走査線５５を介して線順次で選択された
ＴＦＴ５３にデータ線５４から画像データが供給され、
対応する画素電極５２に書き込まれる。画素電極５２と
対向電極５８の間に印加される電圧に応答して、液晶層
５９の液晶分子配向が変化する。即ち、液晶層５９の旋
光能が印加電圧に応じて変化するので前述した単純マト
リクス型液晶セルと同様に光学的な変調を行なう事がで
きる。単純マトリクス型液晶セルに比べ、アクティブマ
トリクス型液晶セルは極めて微細且つ高精細な画素（分
割単位）を包含しており、より密度の高い２次元光学演
算を実現できる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、２
枚の液晶セルを重ねて光学的な演算装置を構成してい
る。第１の液晶セルは第１のデータに応じて電圧を印加
する電極手段と該印加電圧に応じて該偏光面を回転させ
る液晶層を備えている。第２の液晶セルも同様に、第２
のデータに応じて電圧を印加する電極手段と該印加電圧
に応じて該偏光面をさらに回転させる液晶層とを備えて
いる。かかる構成により偏光面の回転角の加法性に基き
第１のデータ及び第２のデータを光学的に加算処理する
事ができる。さらに、電極手段をマトリクス状に細分化
する事により２次元的な演算処理を行なう事ができる。
かかる構成を有する液晶演算装置は様々な用途に利用で
き、例えば画像データの反転処理、強調処理、フィルタ
リング処理、ディザー処理等を行なう事ができ、多種多
様な画像特殊効果が得られる。又、二値データのデジタ
ル演算や多値データのアナログ演算を光学的に実行でき
演算速度の高速化が可能になるとともに、細分化された
単位毎に並列処理を実行する事により演算容量を飛躍的
に増大できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる液晶演算装置の第一実施例を示
す模式的な部分断面図である。

【図２】本発明にかかる液晶演算装置の第二実施例を示
す模式的な部分断面図である。

【図３】本発明にかかる液晶演算装置に利用される液晶
セルの他の例を示す模式的な斜視図である。

【図４】従来の液晶セルを利用した光学変調素子を示す
部分断面図である。

【図５】図４に示した光学変調素子の動作説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 第１の液晶セル ２ 第２の液晶セル ３ 偏光板 ４ 偏光板 ６ 中間基板 ７ 液晶層 ８ 行電極 ９ 列電極 １０ 駆動回路 １２ 液晶層 １３ 平面電極 １４ 平面電極 １８ 駆動回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の偏光面を有する透過光に対して一
   対の液晶セルを重ねて配置した構造を有し、 第１の液晶セルは第１のデータに応じて電圧を印加する
   電極手段と該印加電圧に応じて該偏光面を回転させる液
   晶層を備え、 第２の液晶セルは第２のデータに応じて電圧を印加する
   電極手段と該印加電圧に応じて該偏光面をさらに回転さ
   せる液晶層を備え、 該偏光面の回転角の加法性に基き第１のデータ及び第２
   のデータを光学的に加算処理する事を特徴とする液晶演
   算装置。
2. 【請求項２】 前記一対の液晶セルは共通の中間基板を
   介して互いに積層されている事を特徴とする請求項１記
   載の液晶演算装置。
3. 【請求項３】 第１の液晶セルの電極手段はマトリクス
   状に分割されており第１のデータに応じて２次元的に異
   なる電圧を液晶層に印加する事を特徴とする請求項１記
   載の液晶演算装置。
4. 【請求項４】 第１の液晶セルは単純マトリクス型であ
   る事を特徴とする請求項３記載の液晶演算装置。
5. 【請求項５】 第１の液晶セルはアクティブマトリクス
   型である事を特徴とする請求項３記載の液晶演算装置。
6. 【請求項６】 第２の液晶セルの電極手段は連続的な電
   極面を有しており第２の一定データに応じて２次元的に
   一様なオフセット電圧を液晶層に印加する事を特徴とす
   る請求項３記載の液晶演算装置。
7. 【請求項７】 第２の液晶セルの電極手段は第１の液晶
   セルの電極手段と同様にマトリクス状に分割されており
   第２のデータに応じて２次元的に異なる電圧を液晶層に
   印加する事を特徴とする請求項３記載の液晶演算装置。