(57)【要約】【課題】構成が簡便で信頼性に優れた光学シフト素子および表示装置を提供する。【解決手段】対向して配置される一対の透明電極と、一対の透明電極上それぞれに互いに対向して配置され、かつ互いに略反平行の配向方向を有する一対の配向膜と、一対の配向膜の間に配置されるネマティック液晶層と、からなる液晶構造体によって、光学シフト素子を構成する。【選択図】図１
2006284852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置される一対の透明電極と、前記一対の透明電極上それぞれに互いに対向して配置され、かつ互いに略反平行の配向方向を有する一対の配向膜と、前記一対の配向膜の間に配置されるネマティック液晶層と、からなる液晶構造体
を具備することを特徴とする光学シフト素子。
【請求項２】
積層して配置される複数の前記液晶構造体
を具備することを特徴とする請求項１記載の光学シフト素子。
【請求項３】
前記ネマティック液晶層に対する液晶ダイレクタの角度が、４５°以上９０°以下の範囲で動作することを特徴とする請求項１記載の光学シフト素子。
【請求項４】
前記液晶ダイレクタの第１の角度θ１に対応する第１の電圧Vθ１の第１の信号と、前記液晶ダイレクタの第１の角度θ１より大きい第２の角度θ２に対応する第２の電圧Vθ２の第２の信号と、を交互に切り換えて、前記一対の透明電極に出力する駆動回路
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の光学シフト素子。
【請求項５】
前記第１の角度θ１が５０°以上６５°以下で、前記第２の角度θ２が略９０°である
ことを特徴とする請求項４記載の光学シフト素子。
【請求項６】
前記駆動回路が、前記第２の信号から前記第１の信号へと出力を切り換える際に、前記第１、第２の電圧Vθ１、Vθ２のいずれよりも絶対値の小さい第３の電圧Vθ３の第３の信号を経由する
ことを特徴とする請求項４記載の光学シフト素子。
【請求項７】
前記ネマティック液晶層を構成する液晶材料の複屈折率Δｎが0.20以上である
ことを特徴とする請求項１記載の光学シフト素子。
【請求項８】
前記ネマティック液晶層を構成する液晶材料の粘性パラメータγ１が200ｍPa・s以下である
ことを特徴とする請求項１記載の光学シフト素子。
【請求項９】
画像を表示する表示素子と、
前記表示素子から出射される光に所定方向の偏光性を付与する偏光手段と、
前記偏光手段から出射される偏光光の光軸をシフトする光学シフト素子であって、対向して配置される一対の透明電極と、前記一対の透明電極上それぞれに互いに対向して配置され、互いに略反平行であって、かつ前記偏光光の偏光方向と略直交の配向方向を有する一対の配向膜と、前記一対の配向膜の間に配置されるネマティック液晶層と、からなる液晶構造体を備える光学シフト素子と、
を具備することを特徴とする表示装置。
【請求項１０】
前記表示素子の画像信号の切換と同期して、前記光学シフト素子を駆動する駆動信号を切り換えて出力する駆動回路
をさらに具備することを特徴とする請求項９記載の表示装置。
【請求項１１】
前記駆動回路が、前記画像信号の切換タイミングとずらしたタイミングで、前記光学シフト素子を駆動する駆動信号を切り換える
ことを特徴とする請求項１０記載の表示装置。
【請求項１２】
前記光学シフト素子が、前記表示素子からの出射光の光路に対して、０°より大きく５０°以下傾いて配置される
ことを特徴とする請求項９記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光の光軸を光学的にシフトさせる光学シフト素子および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示装置において、表示画像の高解像度化が進められている。高解像度化の手法として、表示装置が表示する画素のサイズを小さくすることが考えられる。この他に、光学シフト素子を用いて表示装置を高解像度化することが検討されている。
即ち、表示装置の前面に光学シフト素子を取り付け、表示装置からの出射光の光軸を周期的にシフトする。この光軸の周期的なシフトによって、本来の画素の間に見かけ上画素を配置することが可能となり、解像度が高い高品位の画像の提供が可能となる。
ここで、偏光方向を制御するための液晶素子と、光の進行方向を変えるための複屈折板と、を組み合わせた光学シフト素子が開示されている（特許文献１，２参照）。また、平板プリズムを用いた光学シフト素子（特許文献３参照）や、垂直配向強誘電液晶を用いた光学シフト素子（非特許文献１参照）も開示されている。
【特許文献１】特開平７−６４０４８号
【特許文献２】特開２００４−２７２１７０号
【特許文献３】特開平１１−２９８８９２号
【非特許文献１】The 11th International Display Workshops(IDW'04) PP1663-1667(2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１，２に記載の光学シフト素子は、水晶やLiNbO3結晶等の複屈折板を必要とするため、素子が高価になる。また、特許文献３に記載の平板プリズムによる光学シフト素子は、表示装置に対して傾いて挿入され、また高速回転させるため、表示装置の小型化が困難となる。さらに、非特許文献１に記載の垂直配向強誘電性液晶による光学シフト素子は強誘電性液晶の配向制御が難しく、また液晶の配向破壊が起こりやすい。このため、長期に安定した光学シフト素子を得ることが困難である。
上記に鑑み、本発明は、構成が簡便で信頼性に優れた光学シフト素子および表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様に係る光学シフト素子は、対向して配置される一対の透明電極と、前記一対の透明電極上それぞれに互いに対向して配置され、かつ互いに略反平行の配向方向を有する一対の配向膜と、前記一対の配向膜の間に配置されるネマティック液晶層と、からなる液晶構造体を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、構成が簡便で信頼性に優れた光学シフト素子および表示装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る光学シフト素子について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光学シフト素子１０を表す断面図である。
光学シフト素子１０は、透明基板１１〜１６、透明導電膜（透明電極ともいう）２１〜２５，３１〜３５、配向膜４１〜４５、５１〜５５、スペーサー６１，シール材６２、及び外部信号入力部６３、６４、液晶層７１〜７５を備える。
【０００７】
透明基板１１〜１６は、光学的に透明な材料、例えば、ガラス板を用いて構成できる。透明基板１１〜１６には、光学的に透明であれば、ガラスの他に、例えば、プラスチック、フィルムを用いることができる。
なお、最上層、最下層の透明基板１１、１６は、外界に対応して光学シフト素子１０の形状を保持する関係から、ある程度の厚さがある方が好ましい。これに対して、透明基板１２〜１５は、この必要性が薄いので、透明基板１１、１６より薄くても良い。
【０００８】
透明基板１１，１６それぞれの片面に透明導電膜２１，３５が形成されている。透明基板１２〜１５それぞれの両面に透明導電膜３１〜３４，２２〜２５が形成されている。
透明導電膜２１〜２５，３１〜３５の表面に配向処理されたポリイミド等からなる配向膜４１〜４５，５１〜５５が設けられる。
即ち、透明基板１１，１６それぞれの片面に透明導電膜２１，３５および配向膜４１，５５が配置され、透明基板１２〜１５それぞれの両面に透明導電膜３１〜３４，２２〜２５、配向膜５１〜５４，４２〜４５が配置される。
配向膜５１〜５５と配向膜４１〜４５とは、互いの配向方向が略反平行になるように対向して配置される。
【０００９】
透明基板１１〜１６は、例えば、直径数μｍ程度のスペーサー６１により所定のギャップを保って対向して配置される。透明基板１１〜１６間に液晶材料が注入されて液晶層７１〜７５が形成され、周辺に塗布されたエポキシ系のシール材６２によって封止される。対向する配向膜５１〜５５と配向膜４１〜４５の配向方向が互いに略反平行のため、注入された液晶材料はパラレル配向（平行配向）となる。
【００１０】
なお、スペーサー６１として、球状、柱状等種々の形状を用いることができる。透明基板１１〜１６の間隔を保つことができれば、スペーサー６１の形状は問わない。また、透明基板１１〜１６の中央付近にスペーサー６１を配置せず、シール材６２に添加されたスペーサーのみによって透明基板１１〜１６の間隔を保つことも可能である。
【００１１】
外部信号入力部６３，６４はそれぞれ、透明導電膜２１〜２５および透明導電膜３１〜３５に接続される電気配線であり、液晶層７１〜７５それぞれへの駆動信号の印加に用いられる。
外部信号入力部６３，６４は、電極取り出し部６５によって、透明導電膜２１〜２５，３１〜３５と接続できる。電極取り出し部６５は、透明基板１１〜１６を互いにずらすことで、対向基板１１〜１６から突き出された透明導電膜２１〜２５，３１〜３５の領域上（例えば、透明基板１１〜１６の４辺）に適宜に配置される。
なお、外部信号入力部６３，６４によって液晶層７１〜７５に一括して電圧（駆動用信号）を印加するのに替えて、液晶層７１〜７５で個別に駆動用信号を入力しても良い。
【００１２】
液晶層７１〜７５はそれぞれ、対向する配向膜４１〜４５および配向膜５１〜５５によって配向され、対向する透明導電膜２１〜２５および透明導電膜３１〜３５によって電圧が印加される。
これら液晶層７１〜７５、対向する配向膜４１〜４５、５１〜５５、対向する透明導電膜２１〜２５、３１〜３５から積層された複数の液晶構造体を観念することができる。例えば、液晶層７１、対向する配向膜４１、５１、対向する透明導電膜２１、３１によって、１つの液晶構造体を構成できる。なお、本実施形態では、５層の液晶構造体（５層の液晶層７１〜７５）によって光学シフト素子１０を構成しているが、この層数は５つに限られず、4以下あるいは６以上と適宜に変更可能である。
【００１３】
後に説明するように、この液晶構造体はそれぞれ、入射光の光軸をシフトすることが可能であり、積層することで入射光のシフト量を大きくしている。複数の液晶構造体（液晶層）によって光学シフト素子１０を構成することで、その動作速度の向上が可能となる。
【００１４】
（光学シフト素子１０の動作）
Ａ．光学シフト素子１０の動作原理
次に、光学シフト素子１０の動作を説明する。
図２は、光学シフト素子１０の動作原理を表す模式図である。
図２（Ａ）は、液晶層８１に電圧を印加しない（印加電圧が閾電圧より小さい）状態を表す。図２（Ｂ）は、液晶層８１に十分大きな電圧を印加した（印加電圧が飽和電圧より大きい）状態を表す。図２（Ｃ）は、液晶層８１に中間的な電圧を印加した（印加電圧が閾電圧と飽和電圧の間にある）状態を表す。
【００１５】
互いに略反平行の配向方向を有する配向膜によって平行に配向される液晶層８１に駆動信号が印加されることで、液晶層８１の面（基板の主面）に対する液晶ダイレクタ８２の角度θが変化する。なお、液晶ダイレクタ８２は、液晶層８１の中央付近の液晶分子の向きを表すベクトルに対応する。
ここでいう液晶層８１は、光学シフト素子１０の液晶層７１〜７５それぞれ、または液晶層７１〜７５の総和としての液晶層のいずれとしても差し支えない。このどちらでも、入射光の光軸のシフトが可能である。
【００１６】
図２（Ａ）では、液晶ダイレクタ８２が液晶層８１の面（基板面）と平行となっている（液晶ダイレクタ８２の角度θ＝０°）。また、図２（Ｂ）では、液晶が層方向に印加された電圧によって層方向を向き、液晶ダイレクタ８２が液晶層８１の面と垂直となっている（角度θ＝９０°）。図２（C）では、液晶ダイレクタ８２が液晶層８１の面に対して傾いている（０°＜角度θ＜９０°）。
【００１７】
光８５，８６が液晶層８１に入射、通過して、光８７，８８となって出射する。入射光８５、８６はそれぞれ紙面の垂直方向および上下方向に偏光する偏光光であり、出射光８７，８８はそれぞれ入射光８５，８６に対応する。
図２（Ａ），（Ｃ）に示すように、液晶ダイレクタ８２が液晶層８１に対して平行（θ＝０°）および、垂直（θ＝９０°）の場合、入射光８５，８６はいずれも直進する。一方、図２（Ｂ）に示すように、液晶ダイレクタ８２が液晶層８１に対して傾いているときは、入射光８５は直進するが、入射光８６は液晶の光軸（光学的異方性（通常、一軸の異方性）の軸であり、液晶ダイレクタ８２に対応）に沿って斜めに進み、本来の出射光の位置から距離ｄずれた位置から出射する。即ち、入射光８６は距離ｄだけ光軸（光路）がシフトされる。
【００１８】
入射光８５，８６で光路のシフトの有無が異なるのは、入射光８５、８６それぞれが液晶の光軸からみて常光および異常光に相当するからである。入射光８５（常光）の偏光方向は、液晶の光軸と直交することから、液晶の光軸と垂直な方向の屈折率ｎｏの影響のみを受け、液晶の光軸と平行な方向の屈折率ｎｅの影響を受けない。即ち、液晶ダイレクタ８２の傾きによって常光の光路は変化しない。一方、入射光８６（異常光）の偏光方向は、液晶の光軸と平行な成分を有することから、液晶の光軸と垂直および平行な方向の屈折率ｎｏ、ｎｅ双方の影響を受ける。即ち、液晶ダイレクタ８２の傾きに応じて、屈折角等が異なることで、異常光の光路が変化する。
【００１９】
以上から判るように、液晶の光軸（液晶ダイレクタ８２に対応）を電圧により制御することで、光学シフト素子１０に入射された異常光（液晶層８１の配向方向と垂直な偏光方向の入射光８６）の進行方向を制御できる。
【００２０】
Ｂ．光学シフト素子１０の特性
光学シフト素子１０でのシフト量ｄは液晶層８１の厚さｔと、液晶ダイレクタ８２と液晶層８１（基板面）のなす角度θと、液晶材料の屈折率ｎe、ｎo、駆動信号の電圧等に依存する。
【００２１】
（１）液晶層の層数の影響
液晶層８１の層数が光学シフト素子１０の特性に与える影響につき説明する。
液晶層の厚さｔを厚くすると、光路シフト量ｄも大きくなる。従って、光路シフト量ｄをある程度大きくするためには、液晶層の厚さｔが厚いことが好ましいことになる。
しかしながら、液晶層８１の厚さｔを厚くすると、光学シフト素子１０の応答速度が遅くなる。例えば、液晶表示装置のＴＮ液晶での通常の厚さに比べて、液晶層８１の厚さｔを極端に厚くすると、液晶表示装置の表示の変化に光学シフト素子１０の変化が追随できなくなる可能性がある。
【００２２】
本実施形態では、光路シフト量ｄと応答速度とを両立するために、液晶層７１〜７５を複数積層している。その結果、１層当たりの厚さｔを薄くして応答速度を確保し、しかも液晶層全体の厚さＴ（＝Ｎ・ｔ、Ｎ：液晶層の層数）を大きくして光路シフト量ｄを確保している。即ち、光路シフト量と応答速度の関係から、液晶層８１の厚さを決定する。必要な応答速度が得られるよう、１層の液晶層の厚さｔを求め、必要な光学シフト量が得られる液晶層全体の厚さＴまで、液晶層を積層する。
【００２３】
（２）液晶層の個別駆動
以上は、光学シフト素子１０の液晶層７１〜７５に同時に信号を印加することを前提としている。
これに対して、液晶層７１〜７５を個別に駆動することも可能である。この場合、液晶層７１〜７５で個別的にシフト制御することで、シフト量を段階的に変化させることが容易となる。
【００２４】
後述するように、液晶ダイレクタ８２の角度θが第１の角度（例えば、５０°）、第２の角度（例えば、９０°）となる第１、第２の電圧の駆動信号を液晶層８１に印加することで、光学シフト素子１０が駆動される。
【００２５】
液晶層７１〜７５それぞれでのシフト量ｄが第1の電圧でｄ０、第２の電圧で０とすると、光学シフト素子１０全体でのシフト量Ｄを０〜５・ｄ０まで、ｄ０刻みで変化させることができる。また、液晶層７１〜７５それぞれでのシフト量ｄを異ならせることで（例えば、液晶層７１〜７５の厚さを異ならせる）、光学シフト素子１０全体でのシフト量Ｄをよりきめ細かく制御することが容易になる。
【００２６】
このシフト量の調節は、液晶層７１〜７５それぞれを２値制御することを前提としている。言うまでもなく、液晶層７１〜７５に段階的に電圧を印加することで、シフト量を段階的に制御できる。しかし、印加電圧の段階的な制御は光学シフト素子１０の応答速度の低下を招く可能性がある（応答速度が印加電圧に依存するため）。これに対して、複数の液晶層７１〜７５の２値制御の組み合わせによってシフト量を段階的に制御すると、応答速度のシフト量依存性を低減することが可能となる。なお、シフト量の調節の応用例については後述する。
【００２７】
（３）液晶層を構成する液晶材料の影響
液晶層を構成する液晶材料が光学シフト素子１０の特性に与える影響につき説明する。
液晶材料の複屈折率Δｎ（＝ｎｅ−ｎｏ）が大きくなると、光路シフト量ｄも大きくなる。従って、光路シフト量ｄをある程度大きくするためには、複屈折率Δｎがある程度大きいこと（例えば、Δｎが０．２以上）が好ましい。なお、複屈折率Δｎは、例えば、液晶基礎編（培風館）ｐ２１３以下に記載された方法により測定できる。
【００２８】
次に液晶材料の粘性の影響を考える。
液晶ダイレクタ８２の角度θを５０°から９０°へと動かす場合、液晶層８１に飽和電圧値以上の電圧を印加する。このとき、液晶層８１に印加する電圧が高いほど、応答特性が速くなる。一方、角度θを９０°から５０°に戻す場合、応答速度は液晶材料の粘性パラメータと弾性定数、液晶層８１の厚さに依存する。
従い、応答速度を向上するには、液晶層８１の厚さが小さく、液晶の粘性パラメータが小さいことが望ましい。液晶材料の粘性パラメータγ１が、例えば、２００ｍPa・s以下であることが好ましい。なお、粘性パラメータγ１は、例えば、液晶基礎編（培風館）ｐ２２０以下に記載された方法により測定できる。
【００２９】
（４）液晶ダイレクタの角度範囲の影響
次に液晶ダイレクタの角度範囲が光学シフト素子１０の特性に与える影響につき説明する。
図３は、液晶層８１（基板面）に対して液晶ダイレクタ８２のなす角度θと、シフト量ｄとの関係を表すグラフである。ここでは、液晶材料として、一般的なネマティック液晶材料を用い、シミュレーションで角度θとシフト量ｄの関係を導出している。即ち、電圧印加による液晶層８１の配向分布を電気・力学的シミュレーションにより算出し、この液晶層８１を通過する光のシフト量ｄを光学的シミュレーションにより算出する。
【００３０】
図３に示すように、液晶ダイレクタの角度θが４５°より幾分大きい５０°のときに、シフト量ｄが最大値をとり、角度θが０°と９０°のときのシフト量ｄは０となる。即ち、液晶ダイレクタの角度θの範囲が０°〜５０°および５０°〜９０°いずれかで光学シフト素子１０を動作させることで、液晶ダイレクタの角度θに応じたシフト量ｄを得ることができる。このときに、シフト量ｄの変化が最大となる。
【００３１】
光学シフト素子１０では、液晶ダイレクタ８２の角度θの範囲を５０°〜９０°とする方が０°〜５０°とするより応答特性上有利である。即ち、液晶ダイレクタθを５０°以上で動作させることにより、１層の液晶層の厚さを厚くし、積層数を減らすことができる。角度θを５０°〜９０°の範囲とする方が、０°〜５０°の範囲とするより、印加する駆動電圧を大きくすることができるからである（印加する電圧を大きくすると液晶の応答速度も大きくなる）。
【００３２】
図４は、光学シフト素子１０の応答特性の一例を示すグラフである。このグラフでは、横軸を時間、縦軸を輝度変化としている。図５に示すように、光源９１から出射した光ビームの光路を光学シフト素子１０でシフトし、受光素子９２で受光したときの輝度変化（受光面９３に入射した光量の変化）を測定する。
このグラフの縦軸の輝度変化は、光学シフト素子１０でのシフト量ｄの変化に対応する。
図４の時刻ｔ０以下および時刻ｔ２以上の範囲において、光学シフト素子１０に飽和電圧を越える第２の電圧が印加される（電圧ＯＮ）。一方、時刻ｔ０〜ｔ２の範囲において、光学シフト素子１０に電圧が印加されない（電圧ＯＦＦ）。
【００３３】
図３に示す対応関係から判るように、図４での時刻ｔ０以下では液晶ダイレクタ８２の角度θは９０°である。時刻ｔ０で電圧をＯＦＦとしたことで液晶ダイレクタ８２の角度θは９０°から０°に向かって減少してゆく。このとき、時刻ｔ０〜ｔ１の間で輝度が増加し、時刻ｔ１で最大となり、その後減少してゆく。輝度が最大となる時刻ｔ１においてはシフト量ｄも最大である。図３の対応関係に示されるように、このときの液晶ダイレクタ８２の角度θは約５０°であると考えられる。即ち、液晶ダイレクタの角度θは時刻ｔ０で９０°、時刻ｔ１で５０°である。
【００３４】
液晶ダイレクタ８２の角度θは時刻ｔ１〜ｔ２の間に５０°から０°に向かって減少してゆくが、時刻ｔ２では０°には到達していない（時刻ｔ２では輝度が時刻Ｏのときと比べて大きい）。時刻ｔ２の瞬間での輝度変化の値は４０％程度であり、輝度変化とシフト量ｄとが比例すると仮定すると、このときの液晶ダイレクタの角度θは１３°程度となる。
【００３５】
液晶ダイレクタ８２の角度θが９０°から５０°になるまでの応答時間Ｔ１は、図４での（ｔ１−ｔ０）で表される。これに対して、角度θが５０°から約１３°になるまでの応答時間Ｔ２は、図４での（ｔ２−ｔ１）で表される。
以上から判るように、液晶層に印加した電圧をＯＦＦとして、液晶ダイレクタの角度θが９０°から５０°になるまでの時間は、液晶ダイレクタの角度θが５０°から０°になるまでの時間と比べて小さい。
【００３６】
液晶ダイレクタ８２の角度θの変化範囲を５０°〜９０°よりも狭めることで、応答速度を向上することができる。即ち、角度θの下限値を５０°よりも大きくする。このようにすることで、光学シフト素子１０の応答時間を低減し、例えば、液晶ダイレクタ８２の角度θが９０°から５０°になるまでの時間Ｔ１の例えば、５０％とすることが可能である。但し、このときには光学シフト量ｄが小さくなる。
【００３７】
図６は、液晶ダイレクタ角度θの下限値を変化させたときのシフト量と応答時間の関係を表す表である。
液晶ダイレクタ角度θの下限値がほぼ６５°まではシフト量の変化が小さく、応答速度の変化は大きい。従って、液晶ダイレクタの角度の下限値を５０°から６５°へと増加させることがシフト量と応答時間を両立する上で有効である。
【００３８】
（５）駆動信号の影響
光学シフト素子１０に印加する電圧波形を調節することで、光学シフト素子１０の高速化を図ることができる。
光学シフト素子１０に印加される波形は、例えば、方形波である（周波数として、例えば、３０〜１２０Ｈｚ）。液晶ダイレクタの角度θを下限値θ１（例えば、５０°〜６５°）と上限値θ２（例えば、９０°）で切り換えることを考える。この切換の際には、下限値θ１、下限値θ２それぞれに対応した電圧Ｖθ１（θをθ１にするときの印加電圧、例えば、閾電圧と飽和電圧の中間の電圧）、電圧Ｖθ２（θをθ２にするときの印加電圧、例えば、飽和電圧より大きい電圧）が光学シフト素子１０に印加される。即ち、液晶ダイレクタの角度θを下限値θ１、上限値θ２のいずれに設定するかに応じて、光学シフト素子１０に電圧Ｖθ１または電圧Ｖθ２が印加される。
【００３９】
液晶ダイレクタの角度θを上限値θ２から下限値θ１へ動作させる場合、単純に考えると電圧値をＶθ２からＶθ１に切替えることになる。
しかしながら、Ｖθ２からＶθ１へと切り換えるよりも、その間に下限値θ１よりも絶対値が小さい電圧を挿入することで応答速度を向上できる。例えば、０Ｖを挿入することで、１０〜２０％程度の応答速度の向上が可能である。
【００４０】
図７は、液晶ダイレクタの角度θを上限値θ２から下限値θ１へ動作させる場合に光学シフト素子１０に印加する電圧波形の一例を表すグラフである。液晶ダイレクタの角度θが上限値θ２となる電圧Ｖθ２の方形波が時間Ｔθ２印加される。その後、電圧を印加しない期間（時間Ｔ０）を経由して、液晶ダイレクタの角度θが下限値θ１となる電圧Ｖθ１の方形波が所定時間印加され、全体で時間Ｔθ１が経過する。
電圧を印加しない（０Vを挿入する）時間Ｔ０は、液晶ダイレクタの角度θが上限値θ２から下限値θ１に戻るまでの応答時間τoffとすると、次の式（１）のような範囲とすることが好ましい。
0.1×τoff≦Ｔ０≦τoff    …  式（１）
【００４１】
電圧無印加時間Ｔ０をこのように設定するのは、電圧無印加時間Ｔ０が応答時間τoffに対して小さすぎると応答速度の向上が小さく、電圧無印加時間Ｔ０が応答時間τoffと同程度以上だと実質的な応答速度が却って低下することになるからである。
【００４２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態を説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る表示装置１００を表す模式図である。
表示装置１００は、表示素子１１０と光学シフト素子１０とを組み合わせて構成される。表示素子１１０は、ドットの集積で画像を表示するもの、例えば、液晶表示素子、プラズマ表示素子、ＣＲＴである。光学シフト素子１０は、表示素子１１０の前面に取り付けられる。
【００４３】
駆動される液晶ダイレクタ８２１，８２２に応じて、表示素子１１０からの出射光８８１，８８２のシフト量が変化する。即ち、光学シフト素子１０に所定の電圧を印加し、液晶ダイレクタを基板に対して傾けると（液晶ダイレクタ８２１）、光学シフト素子１０に入射した光の光路は、液晶ダイレクタ８２１の方向にシフトする。液晶ダイレクタの角度が基板に対して９０°の場合（液晶ダイレクタ８２２）、光路はシフトせずに直進する。
【００４４】
（１）偏光手段
表示素子１１０から光学シフト素子１０に入射する光は、所定の方向に振動する偏光とする必要がある。
表示素子１１０が偏光手段を有しない場合は、表示素子１１０と光学シフト素子１０との間に偏光板などの偏光手段を配置する。また、偏光手段の偏光方向と光学シフト素子１０の液晶の配向方向とが垂直になるように光学シフト素子１０を配置する。
表示素子１１０が液晶表示素子の場合、出てくる光は偏光であるため、通常は偏光手段を追加する必要はない。しかし、液晶表示素子の偏光方向と、光学シフト素子１０の液晶配向方向とが対応しない場合には、偏光方向を液晶配向方向に対応させる手段（例えば、偏光方向を回転させるための素子）を設ける必要がある。
【００４５】
（２）画像信号との同期
表示素子１１０の画像信号に同期して、光学シフト素子１０を駆動することで、表示装置の解像度を上げることができる。例えば、表示素子１１０がインターレースで駆動している場合には、プログレッシブで駆動するのと同等の解像度を得ることができる。即ち、光学シフト素子１０で光路をシフトしない複数の画素の間に、光学シフト素子１０で光路をシフトした画素を配置することで、見かけ上の解像度を向上することができる。
【００４６】
図９は、表示素子１１０と光学シフト素子１０の切換タイミングを表すタイミングチャートである。表示素子１１０では、フレーム１とフレーム２とが交互に切り換え、表示される。光学シフト素子１０は、フレーム１の画像をシフトせず（液晶ダイレクタの角度θが最大値θ２、例えば、９０°）、フレーム２の画像をシフトする（液晶ダイレクタの角度θが最小値θ１、例えば、５０°）。このため、フレーム１に対応して光学シフト素子１０に電圧Ｖθ２が印加され、フレーム２に対応して光学シフト素子１０に電圧Ｖθ１が印加される。
【００４７】
フレーム１の開始とほぼ同時に光学シフト素子１０に電圧Ｖθ２が印加される。これに対して、フレーム２の開始時点から時間Ｔ００だけ先んじて、光学シフト素子１０に電圧Ｖθ１が印加される。
光学シフト素子１０の応答速度は、電圧を上げるときは速く、電圧を下げるときには遅い。このため、表示信号と同じタイミングで電圧を変化させる場合、シフトされる画像とシフトされない画像で、応答時間が変化する。
このとき、光学シフト素子１０の応答時間の１／２だけタイミングをシフトして電圧を印加することが好ましい。シフトされる画像とされない画像の時間変化が等しくなり、より良好な画像を得ることができる。
なお、応答速度τは、光学シフト素子１０への印加電圧がＶθ１からＶθ２、あるいはＶθ２からＶθ１へと変化してから、入射された光が所定のシフト位置へ移動するまでの時間に対応する。
【００４８】
（３）シフト量の段階的制御
第１の実施形態で複数の液晶層の個別駆動によるシフト量の段階的制御を説明した。
このシフト量の段階的制御は、例えば、インターレース縞の発生防止に利用することができる。
動画の場合、画像の動きに対して目が追従運動することに起因して、インターレース縞（ライン状の抜け）が認識され、解像度が劣化する可能性がある。このとき、光学シフト素子１０のシフト量を動画の動きに応じて段階的に変化させることで、インターレース縞を見えにくくすることができる
【００４９】
図１０は、時間的に変動する画像（動画）が表示された状態を表す模式図である。ここで、（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、光学シフト素子１０によるシフトをしない場合、２値でシフトする場合（シフト有り／無し）、および段階的に（多値で）シフトする場合に対応する。
この画像には、方向Ｄｍへの動きがある。即ち、時刻ｔ１に表示されるラインＬ１が、時刻ｔ２〜ｔ４への時刻の変化に応じて、ラインＬ２〜Ｌ４へと移動する。また、（Ｂ）、（Ｃ）では、光学シフト素子１０による光軸のシフトの結果、ラインＬ２〜Ｌ４の間それぞれに、1本のライン（ラインＬ１１〜Ｌ３１），および３本のライン（ラインＬ１２〜Ｌ１４、Ｌ２２〜Ｌ２４、Ｌ３２〜Ｌ３４）が配置される。なお、（Ｃ）では３段階（シフトしないものも含めると４段階）で光軸をシフトしているが、この段階の数は場合に応じて適宜に定めることが可能である。
【００５０】
（Ａ）では、ラインＬ１〜Ｌ４間にライン状の抜け、即ち、インタレース縞が認識される。一方、（Ｂ）、（Ｃ）では、光学シフト素子１０によって光軸をシフトすることで、インタレース縞の発生が低減される。
ここで、画像の動きが速い場合には、目の追従運動も速くなり、ライン状の抜けをより感じやすくなる。このため、速い動きの映像に関しては、２値でシフトとするよりも（図１０（Ｂ））、段階的にシフトすることで、ライン状の抜け（インターレース縞）をより見えにくくして、映像の精細感を向上できる（図１０（Ｃ））。
【００５１】
（第２の実施形態の変形例）
図１１は、本発明の第２の実施形態の変形例に係る表示装置１００ａを表す模式図である。
表示装置１００ａは、表示素子１１０と光学シフト素子１０とを組み合わせて構成される。ここで、光学シフト素子１０は、表示シフト素子１０に対して斜め（角度δ）に配置され、光学シフト素子１０と表示素子１１０の間に三角プリズム１２０が配置されている。この三角プリズム１２０は光学シフト素子１０の固定（角度の設定）のために設けられている。
なお、三角プリズム１２０と光学シフト素子１０と表示素子１１０間を光学的に密着させるか、その間にマッチングオイル等を塗布することで、その間での反射を低減することができる。
【００５２】
表示素子１１０からの出射光８６２は光学シフト素子１０に対して角度δだけ斜めに入射する。このようにすると、角度θが０°の液晶ダイレクタ８２３と角度θが９０°の液晶ダイレクタ８２４の双方で光学シフトｄ１，ｄ２が発生し、しかもその変化方向が逆となる。
【００５３】
入射光が直入射の場合には、液晶ダイレクタの角度θを０〜９０°の範囲で変化させても、液晶ダイレクタの角度θが５０°程度のときにシフト量が最大となり、その後低減する。
これに対して、入射光が斜め入射の場合には、液晶ダイレクタの角度θが０〜９０°の範囲全域でシフト量が単調に変化（増加または減少）し、液晶ダイレクタの角度θとしてより広い範囲を用いることができる。即ち、液晶ダイレクタの動作角度が広がるので、液晶層の厚さを低減することができる。例えば、光学シフト素子１０の角度δを４０°〜５０°の範囲とすると、表示装置に対して水平に配置した場合に比べて、２倍の光学シフト量が得られる。
【００５４】
以下、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
全面にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の薄膜（膜厚約５０ｎｍ）が形成された対角約７５ｍｍ（３インチ）、厚さ０．７ｍｍのガラス基板を２枚用意した。また、両面にＩＴＯが形成された同サイズで厚さ０．５ｍｍのガラス基板を８枚用意した。
１０枚の基板を洗浄した後、スピンコートを用いて、液晶配向膜用ポリイミドＡＬ１０５１を塗布した。その後、約２００℃１時間、クリーンオーブン中で焼成し、膜厚が約５０〜１００ｎｍのポリイミド膜を得た。
次にラビングによる配向処理を行った。両面にポリイミド膜を塗布した基板は、片側をラビングした後、ラビング面の周辺を枠で保護して反対側の面をラビングした。このラビングによって、ポリイミド膜に液晶配向性が付与される（配向膜の形成）。
【００５５】
次に、片面が配向処理された基板に、エポキシ系シール剤（三井化学製ストラクトボンド）をシールディスペンサーにより塗布した。両面を配向処理した一枚の基板には、反対側の配向処理面が破壊されないように保護しながら、スペーサーとなる４．５μｍのミクロパール（積水化学）を散布した。この両面配向処理された基板と、先にシールを塗布した基板を貼り合せて、第１層目の液晶層を形成するためのセルを得た。
【００５６】
次にこの貼り合せた基板の配向処理された面にエポキシ系シール剤を塗布し、２枚目の両面配向処理基板上には同様にスペーサーを散布した。これらの基板を貼り合せ、2層目の液晶層を形成するためのセルを得た。同様にして、残りすべての基板を組み合わせ、９層の液晶層を形成するためのセルを得た。
【００５７】
その後、１００℃のオーブン中で約１時間加熱してシール剤を硬化させた。作製した液晶セルに液晶Ｅ６３（メルクジャパン）を注入した。
最後に、液晶セルに電極を取り付けた。作製した光学シフト素子に電圧３０Ｖ印加すると、入射光の光軸が５．５μmシフトすることを、光学顕微鏡で確認した。
この光学シフト素子を、液晶プロジェクタの表示素子（液晶素子）と投射レンズの間に装着し、表示素子の画像信号に同期して駆動させた。このとき、光学シフト素子の液晶ダイレクタの動作範囲を５０°と９０°とした。この結果、画素エッジ部にはっきり表示されていた不連続なパターン（ジャギー）が、改善されていることが確認された。
【００５８】
（実施例２）
実施例１の光学シフト素子で、表示素子の画像信号に対して、光学シフト素子をその応答速度の１／２タイミングをずらして駆動させた。その結果、実施例１よりもジャギーが見えにくく、滑らかな画面が得られた。
即ち、表示素子の表示切り替えタイミングより、光学シフト素子の信号切換タイミングを早めることで、光学シフト素子での表示変化と光学シフト素子でのシフト量変化のタイミングをより一致できることが確認された。
【００５９】
（実施例３）
実施例１と同様の方法で、液晶層のギャップが７μm、積層数を６層とした光学シフト素子を作製した。実施例１と同様に、プロジェクタに光学シフト素子を装着し、液晶の動作範囲を６５°、９０°として駆動させた。その結果、ジャギーが解消され滑らかな画面が得られた。
即ち、液晶層のギャップを実施例１での４．５μｍから７μmとしたことで応答速度の低下が発生するが、液晶ダイレクタの角度θの変化範囲を狭めることで、十分な応答速度を得ることができる。
【００６０】
<比較例１>
実施例３の光学シフト素子を液晶の動作範囲５０°、９０°で動作させたところ、応答速度が不足し、画面の不連続感が十分解消されなかった。
即ち、液晶層のギャップを実施例１での４．５μｍから７μmへの変更によって応答速度の低下が発生している。
【００６１】
（実施例４）
実施例３の光学シフト素子を液晶ダイレクタの角度θを９０°から５０°に切り換える際に、印加電圧を０Ｖとする時間帯を応答速度の５０％の時間だけ挿入した。その結果、０Ｖを挿入しないときに比べて（実施例３）、応答時間が２０％程度速くなった。
液晶プロジェクタに装着して駆動させたとき、表示される画面のジャギーが良好に解消されていることが確認できた。
【００６２】
（実施例５）
実施例１と同様の工程で、液晶の厚さ８．５μm、積層数が５層とした光学シフト素子を作製した。但し、液晶材料としてＺＬＩ５０４９を使用した。
この光学シフト素子を、ＤＬＰプロジェクタに取り付けて駆動させた。なお、ＤＬＰプロジェクタは、ミクロンサイズの超微小な鏡(マイクロミラー)を数十万程度敷き詰め、これにランプ光を反射させてスクリーンに映し出す方式のプロジェクタである。
【００６３】
ＤＬＰプロジェクタは変更手段を有しない。このため、ＤＬＰ素子と光学シフト素子との間に偏光板を取り付け、偏光板の偏光軸に対して垂直に液晶ダイレクタが配置するようにした。ＤＬＰ素子の画像信号に合わせて光学シフト素子を動作させた。この結果、光学シフト素子を動作させない場合に比べて滑らかな画像が得られた。
このように、表示素子が変更手段を有しない場合でも、偏光板等を付加することで光学シフト素子を用いることができる。
【００６４】
（実施例６）
実施例５において、プロジェクタに動画を表示させ、複数の液晶層を一括して駆動させたときと、液晶層を個別に駆動して、シフト量を段階的に変化させたときとを比較した。
光学シフトのない画像に対して、複数の液晶層を一括して駆動させて光軸をシフトした場合、画像に発生するインターレース縞の見え方が少なくなった。さらに、複数の液晶層を個別的に駆動して、シフト量を段階的に変化させることで、インターレース縞がほとんど見えなくなり、より滑らかな動画像が表示された。
【００６５】
（実施例７）
実施例３と同様の工程で、液晶層のギャップが５μm、積層数が４とした光学シフト素子を作製した。この光学シフト素子では、全体の液晶層の厚さが実施例３の半分となる。この光学シフト素子を表示装置に対して角度４０°傾けて取り付けた。
液晶ダイレクタが基板に対して１０°〜９０°の範囲で動作させたところ、実施例３と同等に画像の解像度が改善された良好な表示が得られた。
【００６６】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）例えば、透明基板はガラス基板に限定されず、プラスチック基板、フィルム基板などを用いてもよい。特に両面が配向処理される中間基板をフィルム基板とすることで、丈夫で薄い光学シフト素子が得られる。
【００６７】
（２）光学シフト素子は、個々に作製した液晶セルを積層してもよい。その場合は、積層するセルの基板間には、反射を防ぐマッチングオイルのようなものを設けるとより透過率の高い素子を得ることができる。
（３）用いる基板の透明導電膜がパターニングされていても良い。取り付ける表示素子のサイズに合わせた領域のみに透明導電膜が形成されていればよく、さらに言えば、滑らかな画像を表示したい領域のみに透明導電膜が形成されていればよい。
【００６８】
（４）また、積層される液晶層の厚さはすべて同一でなくてもかまわない。
（５）電極の取り出しについても、トランスファを用いて上下透明基板のいずれか一方のみを取り出し口とする方法としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光学シフト素子を表す断面図である。
【図２】光学シフト素子の動作原理を表す模式図である。
【図３】液晶層に対して液晶ダイレクタのなす角度θと、シフト量ｄとの関係を表すグラフである。
【図４】光学シフト素子の応答特性の一例を示すグラフである。
【図５】図４の結果を得る実験構成を表す模式図である。
【図６】液晶ダイレクタ角度θの下限値を変化させたときのシフト量と応答時間の関係を表す表である。
【図７】液晶ダイレクタの角度θを上限値θ２から下限値θ１へ動作させる場合に光学シフト素子１０に印加する電圧波形の一例を表すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る表示装置を表す模式図である。
【図９】表示素子と光学シフト素子の切換タイミングを表すタイミングチャートである。
【図１０】時間的に変動する画像（動画）が表示された状態を表す模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の変形例に係る表示装置を表す模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…光学シフト素子、１１-１６…透明基板、２１-２５，３１-３５…透明導電膜、４１-４５，５１-５５…配向膜、６１…スペーサー、６２…シール材、６３，６４…外部信号入力部、７１-７５…液晶層
【図１】
2006284852.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006284852.tif 000009
【図８】
2006284852.tif 000010
【図９】
2006284852.tif 000011
【図１０】
2006284852.tif 000012
【図１１】
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