JPS6239822A - 液晶光変調素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プリンターヘッド等に用いられる液晶光変調
素子に関する。

〔従来の技術〕

液晶素子は従来、直視型の表示素子として精力的に研究
開発が行なわれ、現在では広く用いられている。一方で
液晶を用いた光変調素子もいくつか知られている。例え
ば、スクリーン上への投写光を光変調素子を用いて空間
的に強度変調することによって投写型の表示装置が得ら
れる。この目的に用いられる液晶光変調素子は特に液晶
ライトバルブと呼ばれる。また感光体への照射光を光変
調素子を用いて強度変調し、この結果得られる感光体上
の潜像をトナーを用いて普通紙上に現像する方式のプリ
ンターも知られており、光源や光変調素子および結像光
学系等金倉めた部分はプリンターヘッドと呼ばれている
。前述の液晶ライトバルブ、あるいはプリンターヘッド
に用いられる液晶光変調素子は液晶光シャッターとして
機能する。

この他にも液晶光変調素子は光学論理素子等に広く応用
されるが、いずれも入射光強度を空間的に変調する機能
を用いるものであり、その要求されを特性は同様である
ので、以下では液晶光変調素子をプリンターヘッドに′
用いる場合を例に挙げて説明する。近年、プリンターに
対しては高速・高解像度・低価格・低騒音・コンパクト
さ等の要求が高まシつつあシ、それに答えてレーザビー
ムプリンター等のノンインパクトプリンターが広く使わ
れつつある。そのような状況において液晶シャッターア
レイを用いた液晶プリンターは特にその低価格性の故に
大きな需要が見込まれ、活発に開発が進められている。

従来、液晶はその応答速度がせいぜい数ミリ秒であシ、
これではＡ４版で１分間に数枚程度しかプリントできず
、実用とはほど遠いものであったが、近年、例えば特開
昭５６−９４３７７号公報に開示されているように誘電
分散型の液晶を用いて二周波駆動を行なう方法、すなわ
ち、液晶の立上９時には液晶が正の誘電異方性を示すよ
うな低周波数の交流電圧を印加し、液晶の立下シ時には
液晶が負の誘電異方性を示すような高周波数の交流電圧
を印加する方法や、あるいは第２９回応用物理学関係連
合講演会講演予を作用させ、液晶の立下り時には横方向
の電界を作用させる方法など、液晶の立上多時および立
下り時に共に電界を作用させて液晶配向に強制変化を生
じさせる方法によって高速応答を得る方法が提案され、
液晶プリンターも実用化の域に近づきつつある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、これらの高速駆動法をもってしても、立
上少時間・立下り時間は共に０．５　ミ＋）秒程度が最
高であり、更に感光体の露光時間を加えると１ライン当
シ１．５ミリ程度必要となシ、実用的な１２ライン／ミ
リメートルの解像度でＡ４版（約３０ミリメートル長）
をプリントする場合、その速度は１０枚／分程度が限度
である。これはレーザープリンター等と比べると速度は
半分以下であり、液晶プリンターは低価格であるが性能
面では劣るというのが現状であった。近年、強誘電性液
晶という名称で知られている新しい動作モードの液晶を
用いた液晶プリンターヘッドも報告されているが、この
高速動作モードを用いても上述］）、 の立上ヤ時間・立下り時間は共に０．２５　＃　１７秒
が現状での最高値であシ、やけシレーザープリンター等
と比べると速度が遅いという欠点を克服するには至って
いない。勿論、液晶プリンターでも、原理的には光源強
度を増すことによって露光時間の短縮は可能であるが、
この方法では消費電力の他に発熱による問題が生じ、冷
却機構のために装置の大型化・高価格化・一層の大消費
電力化といった結果となシ、結局は総合的に上述の速度
が液晶プリンターの限界と言わざるを得ないのが現状で
あった。

本発明の目的は、例えばプリンターヘッドに用いると高
速のプリントが可能であるような光利用効率の高い液晶
光変調素子を提供することにある。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明の液晶光変調素子は、入射光を２本の偏光ビーム
に分割する偏光ビームスプリッタ−と、前記偏光ビーム
それぞれが入射され互いに同一の配列の画素を有する一
対の液晶素子と、この液晶板と、この偏光板からの光を
受け一対の前記液晶素子の前記画素の像が互いに重なる
ように結像する光学系とを含んで構成される。

〔作用・原理〕

本発明の詳細な説明するために、まず強誘電性液晶を用
いた液晶素子の動作について説明する。

強誘電性液晶の高速応答動作を最初に確認したのはノー
エル・ニー・クラーク　（Ｎｏｅｌ　Ａ、Ｃ１ａｒｋ）
とスベン・チー・ラゲルバル（Ｓｖｅｎ　Ｔ、Ｌａｅｒ
ｗａｌｌ）であるとされており、その内容はアプライド
・ンイジクス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）の第３６巻、第１１号（１９８
０年発行）の８９９頁から９０１頁にかけて掲載された
彼らの論文に記載されている。すなわち、強誘電性を示
すカイラルスメクチック液晶は、第３図に示すように自
発分極１２１をもった液晶分子２２が層構造をとると同
時にらせん構造を形成している。このままでは自発分極
１２１はらせん軸１２３のまわシに均一に分布して打消
しあっているが、このようなかつその間隙、すなわち液
晶の厚さを少なくともらせん構造のピッチ長以下に薄く
すると、液晶分子は自発分極１２１が基板に対して垂直
となるようガ２つの配向状態のいずれかに強制的に配向
させられる。第４図はその様子を示す図であシ領域Ａは
自発分極１２１が下側の基板１３１に向いた状態、領域
Ｂは自発分極１２１が上側の基板１３２に向いた状態で
ある。第５図は、基板の上面からみた図であり、領域Ａ
と領域Ｂとでは液晶分子１４１．１４２で示すように液
晶分子が異なる配向状態をとっている。例えば、このよ
うな状態を２枚の互いに偏光力向か直交する偏光板で挾
み、かつ１枚の偏光板の偏光方向１４３會液晶分子１４
１の方向に一致させて観察すると、領域Ａは暗くみえ、
領域Ｂは明るくみえる。領域Ｂが最も明るくみえるのは
液晶分子１４２の方向が２枚の偏光板の偏光力向（互い
に直交）の中間方向、すなわちいずれかの偏光力向から
４５″すれた場合であることは容易にわかる。φのよう
に、強防篭、、”、、、、、、、’１ 性を示すカイラルスメクチ夛１り液晶を極めて間隙・こ
−・ の挾い２枚の基板で挾むと、液晶分子は光学的に識別さ
れる２つの配向状態のいずれかをとるようになる。しか
も、強誘電性液晶はその自発分極が外部電界と直接的に
応答して、電界力向に配向する。従って、外部から基板
と直交する方向の直流電界を印加して、その向きを反転
すると、それに応じて自発分極の向きが反転する。すな
わち、第５図の領域Ａと領域Ｂとが電気的にスイ　テン
グされる訳で、これは２枚の基板の内面に訪明電極の類
を形成しておくことによって容易に実現できる。しかも
、この電気的スイッチング現象が自発分極と外部電界と
の直接的な応答によるものであるために極めて高速であ
り、前述の論文によるとマイクロ秒台の応答速度が！超
されている。

さて、このような強誘電性液晶を用いた液晶素子と２枚
の偏光板とによる電気光学効果は、液晶としては速い応
答性を示すだめにプリンターヘッドとして有効であるが
、前述のように入射光は最初の偏光板を通過した後に直
線偏光となシ、この　　。

透過直線偏光と直交する成分の直線偏光は通常の偏光板
においては吸収されてしまいその結果、入射光のうち半
分はこの段階で無効となってしまう。

しかるに、本発明の液晶光変調素子においては入射光は
最初に偏光ビームスプリッタ−に入射し、一方の直線偏
光成分はこれを透過し、この直線偏光成分と直交する直
線偏光成分は偏光ビームスプリッタ−によ逆反射される
。透過した第１の偏光ビームは第１の液晶素子とその後
に置かれた偏光板とによって前述のように電界の極性に
応じて透過あるいは遮断される１、一方、前述の偏光ビ
ームスプリ、ターによ逆反射された第２の偏光ビームは
例えばミラー等で第２の液晶素子とその後に置かれた偏
光板とによってやはシミ界の極性に応じて透過あるいは
遮断される。第１および第２の偏光ビームの透過・遮断
状態と電界の極性との対応関係は、両ビームの偏光方向
が９０°異なるために、相対的に同じ液晶素子と偏光板
とを用いれは一致する。未だ、第２の偏光ビームは液晶
素子と偏光板とを通過した後にミラー等で所望の方向に
導く等の方法をとっても本発明の作用に差異はない。こ
のようにして同様に強度変調された２本の出射偏光ビー
ムは、結像光学系によって結像される。この時、液晶光
変調素子は通常は画素（開口部）配列形状を有している
ので、２個の液晶素子は同一の画素配列形状としておき
、２本の出射光の結像時に両液晶素子における画素配列
が重なるように結像させる。なお、この結像光学系の開
口数は、上述の２本の出射光のなす角度よｐも大きくし
ておくことが必要であることは言うまでもない。このよ
うな構成によって入射光は偏光ビームスプリッタ−で分
割された２本の直線偏光ビームが共に同様に強度変調を
受けだ後に再合成される形で全て有効に利用されるため
に、本発明の液晶光変調素子は前述の電力の直線偏光成
分だけを利用する液晶光変調素子と較べて光利用効率が
倍近く大きくなる１、この結果、本発明の液晶光変調素
子を例えばプリンターに利用すると、同一消費電力で同
一光源を用いても感光体に照射する光量が倍近くになり
、露光時間の短縮すなわち高速化という効果を得るに至
る。ま久、本発明の液晶光変−１−ｏ；ｔ 調素子の別の利用例をあげれば投写型表示装置のライト
バルブとして用いた場合に従来と較べて倍近くの高輝度
画面が得られることは同じ作用原理に基づいて容易に理
解できる。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の液晶光変調素子の一実施例の構成を示
す図、第２図は第１図の構成で用いられる２個の強誘電
性液晶を用いた液晶素子における画素配列形状を示す平
面図（画素を斜線で示す。）である。第１図において放
物面ミラー１２を背後に有する直線状螢光ランプ１１か
ら発し、集光レンズ１３によって集光された光２は偏光
ビームスプリッタ−３に入射する。偏光ビームスプリッ
タ−３は紙面に平行な偏波面を有する直線偏光（Ｐ偏光
）２１を透過し、Ｐ偏光２１は第１の液晶素子４１およ
びその背後に設けた偏光板５１に入射する。ここで、偏
光板５１の偏光軸は紙面に垂直に設置されているので、
強誘電性液晶の分子が、光軸に平行になるような極性（
ここでは正）の電界が印加された画素を出射した偏光２
１は、偏光板５１でさえぎられてしまう。また、反対の
極性（ここでは負）の電界が印加された画素においては
、強誘電性液晶の分子の配向方向が概略４５゜回転して
、直線偏光２１の偏光軸およびそれと直交する偏光板５
１の偏光軸のいずれとも概略４５゜の角度をなすように
なるので、この状態の画素を出射した偏光２１は一部、
偏光板５１を透過する。

このような電界印加・切換えは、第２図にその一部を示
したように、１枚の基板６１上に形成した透明電極群６
２と、液晶を挾んで対向する他の１枚の基板７１上に形
成した２本の透明電極７２によって行なわれるので、第
２図において斜線で示した部分８０が１個の画素となる
。本実施例では第２図のように画素は千鳥状の配列をと
っている。

さて、第１図において偏光ビームスプリッタ−３は入射
光２のうち、紙面に垂直な偏波面を有する直線偏光（Ｓ
偏光）２２を反射し、８偏光２２はミラー６で反射され
て第か液晶素子４２およ・０ びその背後に設けた偏光板５２に入射する。ここで、偏
光板５２の偏光軸は紙面に平行に設置されているので、
前述の第１の液晶素子４１によるのと同様に、正の極性
の電界を印加した画素に入射した光は偏光板５２でさえ
ぎられ、負の極性の電界を印加した画素に入射した光は
偏光板５２を透過する。２個の液晶素子４１および４２
は、ともに第２図に示した画素配列を有しておシ、第１
図において偏光板５１および５２を透過した光を結像光
学系７によって画素配列が重なるように結像させること
ができる。このように結像された光は上述の説明から明
らかなように、光源からの出射光の２つの直線偏光成分
の両方を利用しているため、前述のように偏光ビームス
プリッタ−３の代シに一方の直線偏光成分を吸収する方
式の偏光板を用いる場合と比べて２倍程度の光量を有し
ている。このように光利用率の高い液晶光変調素子を用
いて、例えば感光ドラム上に光導電効果を利用して潜像
を書込む方式あるいは、直接に感光紙上にホトク”ミ・
り効果を利愚して画像を書込む方−１１箋９ 式のプリンタを構成すると露光時間を短縮することがで
き、高速のプリントが可能となる。また、液晶光変調素
子からの出射光をスクリーン上に結像して観る方式の投
写型ディスプレイを構成すると、高輝度のディスプレイ
が可能となる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば応答が速く、かつ
分割された２本の直線偏光ビームが共に同様に強度変調
を受けたのち再合成される形で全て有効に利用されるた
め、光源からの出射光の利用効率の高い液晶光変調素子
が得られ、例えば本発明の液晶光変調素子をプリンタへ
、ドに用い高速のプリントを可能とする効果を有するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液晶光変調素子の一実施例の構成図、
第２図は第１図に示す２つの液晶素子４１．４２におけ
る画素配列を示す平面図、第３図は強誘電性液晶分子の
らせん配列状態を示す模゛！１４− 成因、第４図および第５図は２枚の基板間の強誘電性液
晶分子の配向状態を模式的に示す側面図および平面図で
ある。 図において１１は光源、１２は放物面ミラー、１３は集
光レンズ、２は光線、３は偏光ビームスプリッタ−１２
１および２２は光線２の２つの直線偏光成分、６はミラ
ー、４１．４２は強誘電性液晶を用いた２個の液晶素子
、５１．５２は偏光板、７は結像光学系である。６１．
７１は２板の基板、６２および７２はそれぞれの基板に
設けられた電極、８０は画素、１２１け自発分析、１２
２は液晶分子、１２３はらせん軸、１３１，１３２は基
板である。 第　１　図 第　２　図 第　４　図 茅　５ＷＪ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 入射光を２本の偏光ビームに分割する偏光ビームスプリ
   ッターと、前記偏光ビームそれぞれが入射され互いに同
   一の配列の画素を有する一対の液晶素子と、この液晶素
   子それぞれの出射光側に設けられた一対の偏光板と、こ
   の偏光板からの光を受け一対の前記液晶素子の前記画素
   の像が互いに重なるように結像する光学系とを含むこと
   を特徴とする液晶光変調素子。