(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素となる透明導電性電極、光電変換素子、透明導電性電極と配線電極を形成して、さらに液晶配向膜を配置した一方の透明絶縁性基板と画素となる透明導電性電極と配線電極を形成して、さらに液晶配向膜を配置した他方の透明絶縁性基板間に強誘電性液晶を充填した液晶セルを２枚の偏光子によって挟み、前記２枚の偏光子は偏光軸が平行あるいは垂直になっていて、前記液晶配向膜は前記液晶セルに充填されている前記強誘電性液晶が双安定状態スイッチングが行われるように配向処理されており、双安定状態の一方の安定状態における前記強誘電性液晶の分子の長軸が前記２枚の偏光子のどちらかの偏光軸に一致することと、透明導電性電極によって形成される画素電極が占める領域内に電極と光電変換素子と透明導電性電極と波長選択機能を持つ膜と偏光機能を持つ膜により画像シフト用の光センサーが構成されており、前記光センサーは透明な絶縁性の膜によって前記画素電極とは電気的には遮断されていることと、前記光電変換素子を挟んでいる電極と透明導電性電極の一方は配線電極に結合しており、他方は前記画素電極に近傍に位置する画素電極のいずれか１つと結合していることと、画像シフトが波長選択機能を持つ膜に適合する光が照射されている時に前記双安定状態の一方の安定状態における強誘電性液晶をオン（一方の安定状態）あるいはオフ状態（他方の安定状態）とすることの出来る電圧が前記液晶セルの全画素に印加されることによって液晶セル全面の画素のオンあるいはオフ状態がデジタルにシフトすることを特徴とする液晶画像シフト素子。
【請求項２】
請求項１に記載の液晶画像シフト素子において、前記光センサ−を構成する波長選択機能を持つ膜の選択波長が異なり、偏光機能を持つ膜の偏光方向が互いに垂直となる様な光センサ−が１組となり、１つの画素電極内に２組以上配置されている
ことを特徴とする液晶画像シフト素子。
【請求項３】
請求項１に記載の液晶画像シフト素子において、前記光センサ−から他の画素電極に延びている電極は複数の画素電極に結合していて、２番目以降の画素に行く際には画素毎に光電変換素子が挿入されており、それぞれの光電変換素子は画素電極内に位置していて、画素電極とは電気的に絶縁されていることを特徴とする液晶画像シフト素子。
【請求項４】
請求項１に記載の液晶画像シフト素子において、前記光センサ−を構成する波長選択機能を持つ膜を取り除いたことを特徴とする液晶画像シフト素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、メモリ−機能を持つ強誘電性液晶を用いることによって、液晶セルの画素に書き込まれた画像を全画素に渡って１度にシフトするので、画素間演算等の処理を飛躍的に高速処理する事を可能にする。すなわちデジタルフィルタリングなどの画像処理及び記号処理を含めた広範囲な光処理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来における技術は、光処理と電子処理がある。光処理においてはグレ−ティング、プウリズム、ミラ−などの光学系を用いるものがある。グレ−ティングとプリズムはそのサイズによってシフト量が限定されてしまう。ミラ−においてはシフト量は角度の設定によって任意に設定できるが、可変にする場合には機械的な操作を必要とする事で、振動の発生により全体の光学系への影響が生じてしまう。一般的に光学系を用いると全体の構成が大がかりなものになってしまう上に、高い精度での位置設定が要求されるので振動等に影響され易いという欠点がある。これは装置を構成する上でのコンパクト性や動作の信頼性における問題点である。また電子処理においては逐次処理になるので、画素数が多くなると処理時間が膨大なものになってしまうという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するために創案されたものであり、シフト量をディジタル的に任意に設定でき、全画素に渡って１度に処理できる。さらにコンパクトな構成が可能で、振動にも影響されず、高い信頼性での処理が得られることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の１局面によれば、画素となる透明導電性電極、光電変換素子、透明導電性電極と配線電極を形成して、さらに液晶配向膜を配置した一方の透明絶縁性基板と画素となる透明導電性電極と配線電極を形成して、さらに液晶配向膜を配置した他方の透明絶縁性基板間に強誘電性液晶を充填した液晶セルを２枚の偏光子によって挟み、前記２枚の偏光子は偏光軸が平行あるいは垂直になっていて、前記液晶配向膜は前記液晶セルに充填されている前記強誘電性液晶が双安定状態スイッチングが行われるように配向処理されており、双安定状態の一方の安定状態における前記強誘電性液晶の分子の長軸が前記２枚の偏光子のどちらかの偏光軸に一致することと、透明導電性電極によって形成される画素電極が占める領域内に電極と光電変換素子と透明導電性電極と波長選択機能を持つ膜と偏光機能を持つ膜により画像シフト用の光センサ−が構成されており、前記光センサ−は透明な絶縁性の膜によって前記画素電極とは電気的には遮断されていることと、前記光電変換素子を挟んでいる電極と透明導電性電極の一方は配線電極に結合しており、他方は前記画素電極に近傍に位置する画素電極のいずれか１つと結合していることと、画像シフトが波長選択機能を持つ膜に適合する光が照射されている時に前記強誘電性液晶をオンあるいはオフ状態とする電圧が印可されることによって液晶セル全面の画素のオンあるいはオフ状態がデジタルにシフトすることを特徴とする液晶画像シフト素子が提供される。
【０００５】
そして前記光センサ−を構成する波長選択機能を持つ膜の選択波長が異なり、偏光機能を持つ膜の偏光方向が互いに垂直となる様な光センサ−が１組となり、１つの画素電極内に２組以上配置することによって１方向ばかりではなく、上下左右、さらには斜め方向へのデジタルな画像シフトが可能となる。
【０００６】
さらに前記光センサ−から他の画素電極に延びている電極は複数の画素電極に結合していて、２番目以降の画素に行く際には画素毎に光電変換素子が挿入されており、それぞれの光電変換素子は画素電極内に位置していて、画素電極とは電気的に絶縁されている。この様に画像シフト用の光センサ−を連結してその間に光電変換素子を挿入することにより、１画素分に限らず、数画素分の画像シフトが可能となる。
【０００７】
そして用いる強誘電性液晶や光源の単色性によっては光センサ−を構成する波長選択機能を持つ膜を取り除いても十分に画像シフト処理が行えるような液晶画像シフト素子が提供される。
【０００８】
【作用】
本発明は、図１（ａ）の様に画像情報の書き込み用の光センサ−２とは別の画像シフト用の光センサ−３を１画素内に設け、さらに画像シフト用の光センサ−３は別の画素に連結している。そして画像シフト用の光センサ−３の構造を図１（ｂ）の様にすることにより画素１の強誘電性液晶の状態を画素２の強誘電性液晶の状態に反映することができる。つまり画素１の強誘電性液晶の状態により偏光機能を持つ膜を通ってくる光量が決まり、更に波長選択機能を持つ膜によりある特定の波長の光のみに限定されている。これによって光電変換素子６に照射される光量が画素１の強誘電性液晶の状態により大きく左右されることになる。従って多くの光が当たるような状態に画素１の強誘電性液晶がなっている時に光電変換素子に電圧を印可すると、画素１の強誘電性液晶の状態が画素２の強誘電性液晶の状態に反映できる。この作用を利用することにより、１つの液晶セル内で全ての画素に対して１度に画像シフト処理を行うことが可能となる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の１実施例を図によって詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の典型的な構成を示している。図１（ａ）は画素と各光センサ−の配置に関するものである。１は画素電極である透明導電性電極でインジウム−スズの酸化物の膜（ＩＴＯ）等を用いることができる。２は画像情報を書き込み用光センサ−であり、光電変換素子を透明導電性電極で挟むことなどで構成される。３は画像シフト用の光センサ−である。４は配線電極で銀（Ａｇ）やアルミ（Ａｌ）などの材料が考えられる。
【００１１】
次に図１（ａ）の画像シフト用の光センサー３の構成は図１（ｂ）に示したので、それについて説明する（図１（ａ）のＡ−Ａの部分）。まず５は液晶セルを構成するガラスなどの透明絶縁性基板である。その上に順次各層を積層していく。４は配線電極と同じ材料の電極であり、配線電極に結合されていて、この材料は光を遮断する働きが必要となる。なぜならば６の光電変換素子には１方向からの光にしか動作しないようにする必要があるからである。つまり液晶層を通過する光のみにしか動作しないようにする為である。その理由として、強誘電性液晶は図３に示したように２枚の偏光子に挟まれた場合に、その双安定状態のスイッチング（ＯＮ−ＯＦＦ）によって光を透過させるか、光を遮断させるかの機能を発揮するために、強誘電性液晶の状態、すなわち画素の状態の情報を持たない光によって６の光電変換素子が誤動作させない対策である。６の光電変換素子には水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）等の光伝導体やそれのｐ−ｉ−ｎ構造のフォトダイオードなどを用いることができる。そして光電変換素子６の上には透明導電性電極１が積層されていて、これは画素２の画素電極である透明導電性電極１に結合している。次に波長選択機能を持つ膜７を積層する。これにはカラーフィルターや誘電体の多層膜を用いることができる。更にその上の偏光機能を持つ膜８には金属膜のグレーティングやポリビニールアルコール（ＰＶＡ）の延伸フィルムなどを用いることができる。波長選択機能を持つ膜７と偏光機能を持つ膜８の積層順序はこの逆でも良い。また波長選択機能を持つ膜７は積層せずに液晶セルを構成している対向基板の方に付けても、その機能が画像シフト用の光センサー３に及ぶのならかまわない。更に言及するならば、用いる強誘電性液晶材料によってはそれ自身の波長特性（透過特性）を利用できる場合も考えられるので、そのような場合は波長選択機能を持つ膜７が無くても画像シフト用の光センサー３の動作には差し障りがない場合があるので、そのような場合は省いてもかまわない。そして更にそれらの上には透明な絶縁層９が積層されている。この透明な絶縁層９にはシリコンなどの酸化物を用いることができる。この透明な絶縁層９はその上の画素電極を構成する透明導電性電極１と光電変換素子６とを完全に絶縁する為に設けられていて、大変重要である。しかし、その下の波長選択機能を持つ膜７などが十分な絶縁特性を持つならば積層する必要はない。一番上に積層されているのは強誘電性液晶を配向させるための液晶配向膜１０である。この液晶配向膜１０にはポリビニールアルコール（ＰＶＡ）などを用いることができる。そして図１（ａ）の画像情報の書き込み用の光センサー２にもその光電変換素子を動作させることが出来る波長の光を照射すればよい。配線４は初期段階に液晶セルに情報を書き込む為の画像情報の書き込み用の光センサー２と画像シフト用の光センサー３とでは図１（ａ）のように別系統であるので、画像情報を書き込む時と画像情報をシフト処理する時はそれぞれの系統で強誘電性液晶をスイッチング出来る電圧（一般的に用いられている電圧波形）を印加すれば良い。
【００１２】
図２は図１（ａ）のＢ−Ｂの部分についての液晶セルの断面構造を示す。大体のものはすでに説明したのでここでは省く。付け加えることは、１１は強誘電性液晶であり、１２はガラスビ−ズなどのスペ−サであり、液晶セルのセル厚を一定に保つためのものである。さらに画像情報の書き込み用の光センサ−２の構造は、光電変換素子６が透明導電性電極１により挟まれていることにより構成されていることも示してある。
【００１３】
図３は偏光子１３によって液晶セル１４が挟まれている様子を示してある。図３（ａ）は偏光子の偏光軸が互いに平行になっている場合であり、図３（ｂ）は偏光子の偏光軸が互いに垂直になっている場合である。一般的に強誘電性液晶の透過率Ｔはそれぞれ次のように示される。図３（ａ）の場合は数１であり、図３（ｂ）の場合は数２である。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
【数２】
0003557746.tif 000003
【００１６】
式中、Ｉ０は入射光強度、Ｉは透過光強度、θはスイッチング角、Δｎは屈折率異方性、λは入射光の波長、ｄは強誘電性液晶が充填されるセル厚である。さて、一方の安定状態にある時の強誘電性液晶の分子の長軸が、一方の偏光子の偏光軸に一致する場合をθ＝０度として、他方の安定状態にある時をθ＝４５度とする。この様な場合、図３（ａ）ではθ＝０度の時はオン状態となり、透過率は数３で表され、θ＝４５度の時はオフ状態となり、透過率は数５で表される。また図３（ｂ）ではθ＝０度の時はオフ状態となり、透過率は数４で表され、θ＝４５度の時はオン状態となり、透過率は数６で表される。
【００１７】
【数３】
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【００１８】
【数４】
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【００１９】
【数５】
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【００２０】
【数６】
0003557746.tif 000007
【００２１】
以上、数３から数６までの特性を用いることによって、照射光の波長が決定され、画像シフトが行われる。
【００２２】
次に図４と図５により画像シフトの原理について説明する。まず図１に対して、図４は偏光機能を持つ膜の偏光方向が互いに垂直となっている画像シフト用の光センサー３が２つで１組として１画素内に配置されている。一方の画像シフト用の光センサー３の偏光方向が液晶セルの偏光子の偏光方向に一致していることが重要である。つまり液晶セルは図３のように２枚の偏光子によって挟まれているので、画素内の光センサー３上の偏光子の方向は強誘電性液晶方向にある液晶セルを挟む偏光子に対して平行か垂直にならなければならない。そして波長選択機能を持つ膜の波長は偏光方向が上を向いているものが波長λ１に設定されており、偏光方向が横を向いているものは波長λ２に設定されている。互いに違う波長に設定されることによって１画素内に二つの画像シフト用の光センサーが配置されていても、照射する光の波長を選択することによって動作させる画像シフト用光センサーを選択できることになる。電圧印加に関しては、図１（ｂ）を用いて説明する。照射される光が波長選択機能を持つ膜７の波長に一致した波長の光であることと、強誘電性液晶が偏光機能を持つ膜８に対してＯＮ状態ならば、液晶セル外部から照射された光は、液晶セルを挟む一方の偏光子、強誘電性液晶、画像シフト用光センサーの偏光機能を持つ膜８、波長選択機能を持つ膜７を経て光電変換素子６をＯＮ状態とする。この時、配線４によって印加された電圧（一般的に用いられている波形で良い）は、光電変換素子６のみを経て透明導電性電極１に印加されるので、強誘電性液晶を駆動（ＯＮまたはＯＦＦ）できることになる。ここで付け加えるならば、図１（ｂ）の液晶配向膜１０に接する透明導電性電極１と光電変換素子６に接する透明導電性電極は断面Ａ−Ａの部分以外で接触させてある。またこの様な構造および配置されている時に、どの様にして画像シフトが行われるかを図５にて説明する。正方形で示されているのが画素で、丸の中の矢印がその方向に偏光方向が設定されている画像シフト用の光センサーである。偏光方向が互いに異なる図４の２つで一組の画像シフト用光センサーを便宜的に丸の中の互いに垂直な矢印で表してある。そして画素内の矢印は強誘電性液晶の状態を示している。強誘電性液晶はメモリ機能を有するので２つの安定状態の内のどちらかの安定状態を保持できる。今、矢印が上の方向を向いているものがオン状態で、矢印が横を向いているものがオフ状態とする。そして画像シフト用の光センサーの偏光方向と強誘電性液晶の状態の矢印方向が一致している時に、画像シフト用の光センサーは波長選択機能を持つ膜７の波長に一致した光を照射されると動作できる。
【００２３】
図３と数式１から６を用いて、２値性を示す強誘電性液晶の光の透過特性を説明したので、それを元にシフト処理の原理を説明する。また波長λ１の時は偏光機能を持つ膜８の偏光方向が上向きの画像シフト用光センサー３が動作し、波長λ２の時は偏光機能を持つ膜８の偏光方向が横向きの画像シフト用光センサー３が動作するものとする。図５（ａ）において、強誘電性液晶がオン状態になっているのは画素３と画素４である。この時にλ１の光を照射して、強誘電性液晶がオン状態となる電圧を印加すると、画素３と画素４の偏光方向が上向きに設定されている画像シフト用の光センサーが動作する。つまり画素４と画素５に強誘電性液晶がオン状態となる電圧が印加されることになる。この時、画素４はもともとオン状態だったので、そのままオン状態のままであるが、画素５はオフ状態だったものがオン状態となる。それが図５（ｂ）である。ここで、光の照射時間や電圧印加時間を調節しないと、画素５がオン状態になった理由で画素６もオン状態になってしまう。双安定状態を有する強誘電性液晶の駆動は一般的にスイッチングに十分な時間（数百μＳ程度）の時間しか電圧を印加しないので、画素６がもう一方の安定状態であるＯＮ状態にならないような電圧印加および波長λ１の光照射の時間設定が十分可能である。そして次にλ２の光を照射して強誘電性液晶がオフ状態となる電圧を印加すると画素１と画素２と画素６の偏光機能を持つ膜の偏光方向が横に設定してある画像シフト用の光センサーが動作する。従ってこの時に強誘電性液晶をオフ状態にする電圧が印加されるのは、画素２と画素３である。画素２はもともとオフ状態だったのでそのままであるが、画素３はオン状態からオフ状態になる。それが図５（ｃ）である。もちろんλ２の光照射及び電圧印加時間は強誘電性液晶の双安定状態をスイッチング出来るのに十分な時間だけなので、画素３のみがオフ状態となり、画素４、５がオン状態のままであるように設定する。ここで図５（ａ）と図５（ｃ）を比較すると右に１画素分シフトしていることが分かる。これによって画像シフトが達成されたことになる。ここでは手順を示すために段階を追って処理したが、図４の様にオン状態にする配線とオフ状態にする配線を別々にして、波長λ１とλ２の光を同時に照射すれば、オフ状態の画素をオン状態にする処理とオン状態をオフ状態にする処理を同時に行うので、１度に画像シフトが行えることになる。
【００２４】
図４の構成では右だけのシフト操作のみであるが、図６の様な構成にすれば上下左右のシフトを行うことが可能である。図６の画像シフト用の光センサー３は図４における偏光機能を持つ膜８の偏光方向が互いに垂直な２つのセンサーを一組としている。つまり、図４の画像シフト用の光センサーが１組となって、それが４組付いていることになるので、１組づつがそれぞれ上下左右の方向を担当することになる。右なら右方向に一斉にシフト処理を行えば、液晶セルとしては、それに書き込まれている画像が右方向にシフトしたことになる。電圧印加法については図５の場合と同様に行えばよい。更に組数を増やせば、斜め方向への画像シフトも可能となる。
【００２５】
図７はシフト量を２画素以上にする為の構成である。各画素の画像シフト用の光センサーの画素電極に結合する部分を連結して、各画素毎に光電変換素子を挿入するのである。光電変換素子は画素電極内に配置されているが、画素電極とは絶縁されている。今までの構成ではシフト量は１画素分であった。従って２画素分以上の画像シフトは、すでに説明した方法を繰り返すことによって行うことができる。しかしそれではシフト量を多くするほど時間がそれだけ必要になる。そこで図７の様な構成にすると１度に複数の画素分だけ画像シフトできるので、より高速な画像シフト処理が可能となる。但し、２値情報が１画素毎に異なるような情報処理には適さないが（元の情報が書き換えられてしまう為）、液晶セルの中にｎ画素以上の距離で情報が書かれている場合は、その（ｎ−１）画素未満（ｎ：３以上の整数、例：隣同士の情報が５画素以上の距離で書き込まれている場合は３画素までのシフトならば隣の情報を書き換えずにすむ）のシフト処理はまとめて行う方が効率的である。
【００２６】
その原理を図８にて説明する。さて、強誘電性液晶層の抵抗をＲ０、画像シフト用の光センサー３の光電変換素子の抵抗をＲ１、画素内に設けられた光電変換素子６の抵抗をＲ２とする。この時画素１の画像シフト用の光センサー（画素１の左隣の画素内にある）に印加された電圧をＶ０とすると、画素１から数えてｎ番目の画素の強誘電性液晶層に印加される電圧は式７の様になる。
【００２７】
【式７】
Ｖｎ＝Ｖ０・Ｒ０／（Ｒ０＋Ｒ１＋（ｎ−１）・Ｒ２）
【００２８】
遠くの画素ほど印加される電圧が小さくなるが、照射する光量（抵抗Ｒ１を小さくする働きを持つ）や印加電圧の大きさを適当に選ぶことによってｎ番目の画素の強誘電性液晶のオン、オフ状態を変えられるだけの電圧Ｖｎが印加できる。すなわち１度にｎ画素先の複数個の画素分だけの画像シフトが達成される。
【００２９】
以上、本発明の１実施例を示したが、これらの操作に用いられる光源はコヒーレントな光源でもインコヒーレントな光源でもどちらでも良い。つまり、強誘電性液晶のスイッチング状態を経て光電変換素子の抵抗を変化させられれば良いのである。また１画素内の２つの画像シフト用の光センサー３の構造を簡単にする為の手段として、波長選択機能を持つ膜７を省くとしたら、波長λ１と波長λ２のそれぞれの波長で最適な動作をする設定を考えた場合に、強誘電性液晶の透過特性の利用が考えられるので、できるだけ単色性が強い光を用いれば良い。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、液晶画像シフト素子において、１画素電極が占める領域内に他の画素電極と連結している画像シフト用の光センサ−を設けることにより、１枚の液晶セル内でのデジタルな画像シフトが可能となる。従って画像処理システムなどをコンパクトな構成で作る事が可能となる。更に密接させるような構成を画像処理システムに持たせることが可能であるので、振動などに強く、それだけ動作の信頼性が高まることになる。またその画像シフトは全画素に渡って１度に行われるので画素数が多くなればなるほど逐次処理の電子処理に対して有利になる。従って画像処理などの各画素に対する繰り返し演算が行われる従来の電子処理に対して、１度に全画素に渡って画像シフトが行われる本発明を用いた場合は非常に高速な処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の典型的な構成を示す構成図。
【図２】液晶セルの断面図。
【図３】液晶セルと偏光子の配置を示す図。
【図４】画像シフト用の光センサ−の偏光方向と偏光子の偏光方向の関係を示す図。
【図５】画像シフトの原理を説明するための模式図。
【図６】上下左右の画像シフトを行うための画像シフト用の光センサ−の配置図。
【図７】数画素分の画像シフトを行うための画像シフト用の光センサ−の構成図。
【図８】数画素分の画像シフトを行う原理を説明するための回路図。
【符号の説明】
１  透明導電性電極
２  画像情報の書き込み用の光センサ−
３  画像シフト用の光センサ−
４  配線電極
５  透明絶縁性基板
６  光電変換素子
７  波長選択機能を持つ膜
８  偏光機能を持つ膜
９  透明な絶縁層
１０  液晶配向膜
１１  強誘電性液晶
１２  スペ−サ
１３  偏光子
１４  液晶セル
【数７】0003557746.tif 000008
【図１】
0003557746.tif 000009
【図２】
0003557746.tif 000010
【図３】
0003557746.tif 000011
【図４】
0003557746.tif 000012
【図５】
0003557746.tif 000013
【図６】
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【図７】
0003557746.tif 000015
【図８】
0003557746.tif 000016