(57)【要約】【課題】波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができるようにする【解決手段】透明な一対の基板２間には、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を含む液晶層５が充填されている。ライン電極６は、一対の基板２のうち少なくとも一方に基板２の板幅方向に間隔をあけて並べて複数本設けられている。誘電体層４は、液晶層５とライン電極６との間に設けられている。充填材３は、ライン電極６間に充填され、ライン電極６の回折を低減する。ライン電極６の厚みをｄ、波長５４６ｎｍでの屈折率をｎｅｌとし、充填材３の屈折率をｎｆｌとしたときに、“｜（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ｜＜０．１１（μｍ）”である。【選択図】    図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な一対の基板と、
この基板間に充填された液晶層と、
前記一対の基板のうち少なくとも一方に当該基板の板幅方向に間隔をあけて並べて設けられた複数本の電極と、
前記電極間に充填され前記電極の回折を低減する充填材と、
を備え、
前記電極の厚みをｄ、波長５４６ｎｍでの屈折率をｎｅｌとし、前記充填材の屈折率をｎｆｌとしたときに、
｜（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ｜＜０．１１（μｍ）
である、光学素子。
【請求項２】
前記液晶層と前記電極との間に設けられた誘電体層をさらに備え、
この誘電体の屈折率をｎｄｅとしたときに、
｜ｎｅｌ−ｎｄｅ｜＜０．５６
である、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
透明な一対の基板と、
この基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を含む液晶層と、
前記一対の基板のうち少なくとも一方に当該基板の板幅方向に間隔をあけて並べて設けられた複数本の電極と、
前記電極間に充填され前記電極の回折を低減する充填材と、
前記各電極に対して隣接する電極間で段階的に大きさの異なる電圧を印加することで光を偏向させる電圧印加手段と、
を備え、
前記電極の厚みをｄ、波長５４６ｎｍでの屈折率をｎｅｌとし、前記充填材の屈折率をｎｆｌとしたときに、
｜（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ｜＜０．１１（μｍ）
である、光偏向素子。
【請求項４】
前記液晶層と前記電極との間に設けられた誘電体層をさらに備えている、請求項３に記載の光偏向素子。
【請求項５】
前記誘電体の屈折率をｎｄｅとしたときに、
｜ｎｅｌ−ｎｄｅ｜＜０．５６
である、請求項４に記載の光偏向素子。
【請求項６】
前記電極は、その屈折率ｎｅｌが、
１．５＜ｎｅｌ＜２．０
である、請求項３〜５のいずれかの一に記載の光偏向素子。
【請求項７】
前記電極は、酸化亜鉛・アンチモン又は酸化スズ・アンチモンを含んでなる、請求項３〜６のいずれかの一に記載の光偏向素子。
【請求項８】
前記充填材は、光硬化又は熱硬化型樹脂である、請求項３〜７のいずれかの一に記載の光偏向素子。
【請求項９】
前記誘電体層は、ガラス材である、請求項４に記載の光偏向素子。
【請求項１０】
前記誘電体層は、光硬化又は熱硬化型樹脂であって前記充填材を兼ねている、請求項４又は９に記載の光偏向素子。
【請求項１１】
前記誘電体層は、その前記液晶側の表面に透明な無機材料よりなるハードコート層が形成されている、請求項４，９又は１０に記載の光偏向素子。
【請求項１２】
前記充填材は、透明な無機材料よりなる、請求項３，４〜７，９のいずれかの一に記載の光偏向素子。
【請求項１３】
前記充填材は、酸化シリコンによりなる、請求項３，４〜７，９，１２のいずれかの一に記載の光偏向素子。
【請求項１４】
前記複数の電極の電極幅は不揃いである、請求項３〜１３のいずれかの一に記載の光偏向素子。
【請求項１５】
前記複数の電極は、その隣接する３本が形成する２つの電極の中心線間距離が異なる値に設定されている、請求項１４に記載の光偏向素子。
【請求項１６】
前記複数の電極は、電極厚が不揃いである、請求項３〜１５のいずれかの一に記載の光偏向素子。
【請求項１７】
画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、
この画像表示素子と同期し、前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する請求項３〜１６のいずれかの一に記載の光偏向素子と、
を備えている画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶を用いた光学素子、及び光偏向素子、並びにこの光偏向素子を備えた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶材料を用いた光偏向素子である光学素子については、従来、各種提案がなされている（特許文献１〜３を参照）。
【０００３】
また、ピクセルシフト素子に関しても、従来、各種提案がなされている（特許文献４〜７を参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１８９４０号公報
【特許文献２】
特開平９−１３３９０４号公報
【特許文献３】
特開平１０−２２１７０３号公報
【特許文献４】
特許第２９３９８２６号公報
【特許文献５】
特開平５−３１３１１６号公報
【特許文献６】
特開平６−３２４３２０号公報
【特許文献７】
特開平１０−１３３１３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光偏向素子に関する技術について、まず、特許文献１では、光空間スイッチの光の損失を低減することを目的に、人工複屈折板からなる光ビームシフタが提案されている。内容的には、２枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間に液晶層を挟んだ光ビームシフタ、及びマトリクス形偏向制御素子の後面に前記光ビームシフタを接続した光ビームシフタが提案され、併せて、２枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間にマトリクス駆動が可能で、入射光ビームを半セルシフトする液晶層を挟んだ光ビームシフタを半セルずらして多段接続した光ビームシフタが提案されている。
【０００６】
また、特許文献２には、大きな偏向を得ることが可能で、偏向効率が高く、しかも、偏向角と偏向距離とを任意に設定することができる光偏向スイッチが提案されている。具体的には、２枚の透明基板を所定の間隔で対向配置させ、対向させた面に垂直配向処理を施し、透明基板間にスメクチックＡ相の強誘電性液晶を封入し、前記透明基板に対して垂直配向させ、スメクチック層と平行に交流電界を印加できるように電極対を配置し、電極対に交流電界を印加する駆動装置を備えた液晶素子である。即ち、スメクチックＡ相の強誘電性液晶による電傾効果を用い、液晶分子の傾斜による複屈折によって、液晶層に入射する偏光の屈折角と変位する方向を変化できるようにしたものである。
【０００７】
特許文献１の技術においては、液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブミリ秒にまで速めることは困難であり、高速なスイッチングが必要な用途には用いることはできない。また、特許文献２の技術においては、スメクチックＡ相強誘電液晶を用いて電傾効果によるスイッチングを提案しているが、電傾効果は、温度依存性が高く安定したシフトが望めない。
【０００８】
そこで、特許文献３においては、光学的に透明な共通電極を有する第１窓と、電気的に束ねた平行ストライプ形状をした多数の透明導電電極を有する第２窓と、第１窓と第２窓の中間に設けられた液晶分子層とを含む光学要素を備え、光学装置は、光学ビームが第１窓に入射して第２窓により反射又は透過されるように位置決めされ、さらに、制御信号を各セルの外側の電極に個々に印加する手段を備えることにより、接合電極に沿いまたセル領域を通して直線情報の電圧傾度を発生させ、それにより、ＬＣの電子光学特性の直線又は非直線部分により液晶層に屈折率の局部的な変化を生ぜしめす様に構成されていることを特徴とする光学ビームを波面変調する装置を提案している。また、その請求項４において、０度と３度間の予め定めた傾斜角度でＣＬ層のＬＣ電子光学特性の直線部分内からの電圧で活性区域をアドレスすることにより、透過又は反射光学波面からなるブレーズ効果をもつ相特性を発生することによって光学ビームを偏向するのに使用される事を特徴とする装置を提案している。
【０００９】
この特許文献３の技術によれば、液晶としてやはりネマチック液晶を使用しているため、特許文献１のものと同様、高速応答性を必要とする用途には適さない。また、特許文献３においては、平行ストライプ形状をした透明導電電極について記載されているが、この構造においては、本発明の課題として述べている電界の局所的な変動が発生する可能性があり、均一な光偏向量を得にくい。
【００１０】
次に、ピクセルシフト素子に関する技術について、まず、特許文献４には、表示素子に表示された画像を投写光学系によりスクリーン上に拡大投影する投影表示装置において、前記表示素子から前記スクリーンに至る光路の途中に透過光の偏光方向を旋回できる光学素子を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子を少なくとも１個以上を有してなる投影画像をシフトする手段と、前記表示素子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各画素の投影領域が前記スクリーン上で離散的に投影される手段と、を備えた投影表示装置が開示されている。
【００１１】
この特許文献４においては、偏光方向を旋回できる光学素子（旋光素子と呼ぶ）を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子（複屈折素子と呼ぶ）を少なくとも１個以上を有してなる投影画像シフト手段（ピクセルシフト手段）によりピクセルシフトを行っているが、問題点として、旋光素子と複屈折素子とを組合せて使用するため、光量損失が大きいこと、光の波長によりピクセルシフト量が変動し解像度が低下しやすいこと、旋光素子と複屈折素子との光学特性のミスマッチから本来画像が形成されないピクセルシフト外の位置に漏れ光によるゴースト等の光学ノイズが発生しやすいこと、素子化のためのコストが大きいことが挙げられる。特に、複屈折素子に前述したような、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ），ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（ＡＤＰ），ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３，ＧａＡｓ，ＣｄＴｅなど、第１次電気光学効果（ポッケルス効果）の大きな材料を使用した場合、顕著である。
【００１２】
また、特許文献５に開示されている投影機においては、制御回路により、画像蓄積回路に蓄積した本来表示すべき画像を市松状に画素選択回路へサンプリングして順次空間光変調器に表示し、投影させ、さらに、制御回路により、この表示に対応させてパネル揺動機構を制御して空間光変調器の隣接画素ピッチ距離を整数分の一ずつ移動させることで、本来表示すべき画像を時間的な合成により再現するようにしている。これにより、空間光変調器の画素の整数倍の分解能で画像を表示可能にするとともに、画素の粗い空間光変調器と簡単な光学系を用いて安価に投影機を構成可能としている。
【００１３】
ところが、特許文献５においては、画像表示用素子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に揺動させるピクセルシフト方式が記載されており、この方式では、光学系は固定されているので諸収差の発生が少ないが、画像表示素子自体を正確かつ高速に平行移動させる必要があるため、可動部の精度や耐久性が要求され、振動や音が問題となる。
【００１４】
さらに、特許文献６に開示の技術によれば、ＬＣＤ等の画像表示装置の画素数を増加させることなく、表示画像の解像度を、見掛け上、向上させるため、縦方向及び横方向に配列された複数個の画素の各々が、表示画素パターンに応じて発光することにより、画像が表示される画像表示装置と、観測者又はスクリーンとの間に、光路をフィールド毎に変更する光学部材を配し、また、フィールド毎に、前記光路の変更に応じて表示位置がずれている状態の表示画素パターンを画像表示装置に表示させるようにしている。ここに、屈折率が異なる部位が、画像情報のフィールド毎に、交互に、画像表示装置と観測者又はスクリーンとの間の光路中に現れるようにすることで、前記光路の変更が行われるものである。
【００１５】
特許文献６の技術においては、光路を変更する手段として、電気光学素子と複屈折材料の組合せ機構、レンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等が記述されており、上記旋光素子と複屈折素子を組合せてなる方式の他に、ボイスコイル、圧電素子等によりレンズ、反射板、複屈折板等の光学素子を変位（平行移動、傾斜）させ光路を切り替える方式が提案されているが、この方式においては、光学素子を駆動するために構成が複雑となりコストが高くなる。
【００１６】
また、特許文献７の技術によれば、回転機械要素を不要化でき、全体の小型化、高精度・高分解能化を実現でき、しかも外部からの振動の影響を受け難い光ビーム偏向装置が提案されている。具体的には、光ビームの進行路上に配置される透光性の圧電素子と、この圧電素子の表面に設けられた透明の電極と、圧電素子の光ビーム入射面Ａと光ビーム出射面Ｂとの間の光路長を変化させて光ビームの光軸を偏向させるために電極を介して圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。
【００１７】
この技術では、透光性の圧電素子を透明の電極で挟み、電圧を印加することで厚みを変化させて光路をシフトさせる方式が提案されているが、比較的大きな透明圧電素子を必要とし、装置コストがアップする等、前述の特許文献６の場合と同様の問題点がある。
【００１８】
上述した従来技術の課題を整理すると、従来のピクセルシフト素子において問題となっているのは、
１．構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、ゴースト等の光学ノイズ又は解像度低下
２．特に可動部を有する構成の場合の位置精度や耐久性、振動や音の問題
３．ネマチック液晶などにおける応答速度
である。
【００１９】
そこで、これらの課題を解決するため、本出願人は、電界を印加するための、基板上の光路を含む領域に所望の光路シフト方向に対して略平行に配置された複数本の電極ライン群を有している光偏向素子を提案している（特願２００１−２８７９０７を参照）。
【００２０】
しかしながら、例えば、このような光偏向素子において、前述の課題の解決のために必要な電極や誘電体の詳細な構造や物性などについては知られていなかった。
【００２１】
本発明の目的は、光学素子、光偏向素子において、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができるようにすることである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、透明な一対の基板と、この基板間に充填された液晶層と、前記一対の基板のうち少なくとも一方に当該基板の板幅方向に間隔をあけて並べて設けられた複数本の電極と、前記電極間に充填され前記電極の回折を低減する充填材と、を備え、前記電極の厚みをｄ、波長５４６ｎｍでの屈折率をｎｅｌとし、前記充填材の屈折率をｎｆｌとしたときに、
｜（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ｜＜０．１１（μｍ）
である、光学素子である。
【００２３】
したがって、電極が周期構造を持つ場合に光の回折が生じ、本来の結像位置とは異なる位置に結像することを防止して、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。本光学素子を、ピクセルシフト技術を取り入れた画像表示装置に使用した場合は、スクリーン上でのＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を改善することができ、光メモリに適用した場合では、媒体上のビーム形状を改善でき記録時のピット形状の改善、読み出し時のＳ／Ｎの改善が可能となり、光スイッチに適用した場合においても、Ｓ／Ｎを改善できる。
【００２４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学素子において、前記液晶層と前記電極との間に設けられた誘電体層をさらに備え、この誘電体の屈折率をｎｄｅとしたときに、
｜ｎｅｌ−ｎｄｅ｜＜０．５６
である。
【００２５】
したがって、液晶に印加する電界の局所的な変動を抑制する誘電体層をかかる条件のものとすることで、電極が周期構造を持つ場合に回折が生じ、本来の結像位置とは異なる位置に結像することを防止して、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、透明な一対の基板と、この基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を含む液晶層と、前記一対の基板のうち少なくとも一方に当該基板の板幅方向に間隔をあけて並べて設けられた複数本の電極と、前記電極間に充填され前記電極の回折を低減する充填材と、前記各電極に対して隣接する電極間で段階的に大きさの異なる電圧を印加することで光を偏向させる電圧印加手段と、を備え、前記電極の厚みをｄ、波長５４６ｎｍでの屈折率をｎｅｌとし、前記充填材の屈折率をｎｆｌとしたときに、
｜（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ｜＜０．１１（μｍ）
である、光偏向素子である。
【００２７】
したがって、電極が周期構造を持つ場合に回折が生じ、本来の結像位置とは異なる位置に結像することを防止して、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【００２８】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光偏向素子において、前記液晶層と前記電極との間に設けられた誘電体層をさらに備えている。
【００２９】
したがって、液晶層に印加する電界の局所的な変動を抑制することができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光偏向素子において、前記誘電体の屈折率をｎｄｅとしたときに、
｜ｎｅｌ−ｎｄｅ｜＜０．５６
である。
【００３１】
したがって、液晶に印加する電界の局所的な変動を抑制する誘電体層をかかる条件のものとすることで、電極が周期構造を持つ場合に回折が生じ、本来の結像位置とは異なる位置に結像することを防止して、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【００３２】
請求項６に記載の発明は、請求項３〜５のいずれかの一に記載の光偏向素子において、前記電極は、その屈折率ｎｅｌが、
１．５＜ｎｅｌ＜２．０
である。
【００３３】
したがって、一般に使用されている基板や誘電体層の材料との屈折率差が大きくなって、界面反射量が増加し、回折光量が増加することを防止して、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【００３４】
請求項７に記載の発明は、請求項３〜６のいずれかの一に記載の光偏向素子において、前記電極は、酸化亜鉛・アンチモン又は酸化スズ・アンチモンを含んでなる。
【００３５】
したがって、透明性に優れ、表面抵抗値も液晶に印加する電界を発生する上で問題のない値に制御でき、屈折率も従来一般的に使用されていた酸化インジウム・スズに比較して小さく制御できるため、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【００３６】
請求項８に記載の発明は、請求項３〜７のいずれかの一に記載の光偏向素子において、前記充填材は、光硬化又は熱硬化型樹脂である。
【００３７】
したがって、光硬化型樹脂を透明充填材として用いた場合、樹脂充填から硬化まで短時間に行えるので製造時間を短縮でき、熱硬化型樹脂を透明充填材として用いた場合、光硬化型樹脂を用いる場合に比べ光による劣化が発生しないため、通常白色照明下で製造作業が行えて作業性に優れる。また、いずれの樹脂においても十分な光透過性を確保でき、良好な光学特性が得られる。
【００３８】
請求項９に記載の発明は、請求項４に記載の光偏向素子において、前記誘電体層は、ガラス材である。
【００３９】
したがって、所望の厚みに制御でき、また、請求項８の充填材を介して電極を有する基板と貼り合せた後、光学研磨を行うことで、きわめて平滑性に優れた表面を得ることができ、かつ光の回折、散乱等を抑えることが可能となる。
【００４０】
請求項１０に記載の発明は、請求項４又は９に記載の光偏向素子において、前記誘電体層は、光硬化又は熱硬化型樹脂であって前記充填材を兼ねている。
【００４１】
したがって、製造工程を短縮でき、請求項９の構造に比べて界面を減らすことができるため、光学性能の劣化を低減できる。
【００４２】
請求項１１に記載の発明は、請求項４，９又は１０に記載の光偏向素子において、前記誘電体層は、その前記液晶側の表面に透明な無機材料よりなるハードコート層が形成されている。
【００４３】
したがって、液晶の配向膜を形成する際に用いられる溶剤によって、光硬化又は熱硬化型樹脂よりなる誘電体層が変質することを防ぎ、誘電体層の変質による光学劣化を防止できる。
【００４４】
請求項１２に記載の発明は、請求項３，４〜７，９のいずれかの一に記載の光偏向素子において、前記充填材は、透明な無機材料よりなる。
【００４５】
したがって、請求項８の充填材に比べて、組成による屈折率の選択自由度が大きく、電極との屈折率差を小さくすることができる。
【００４６】
請求項１３に記載の発明は、請求項３，４〜７，９，１２のいずれかの一に記載の光偏向素子において、前記充填材は、酸化シリコンによりなる。
【００４７】
したがって、透過率が高く、組成により屈折率を調整できるため、電極との屈折率差を小さくできる。また、請求項７の電極に用いた場合、液晶層、電極、充填材がほぼ等しい屈折率に設定できるため、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【００４８】
請求項１４に記載の発明は、請求項３〜１３のいずれかの一に記載の光偏向素子において、前記複数の電極の電極幅は不揃いである。
【００４９】
したがって、所定の方向とは異なる方向に進行するノイズ光を低減し、電極の配列に起因する光の回折が低減できる。
【００５０】
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の光偏向素子において、前記複数の電極は、その隣接する３本が形成する２つの電極の中心線間距離が異なる値に設定されている。
【００５１】
したがって、所定の方向とは異なる方向に進行するノイズ光を低減し、電極の配列に起因する光の回折が低減できる。
【００５２】
請求項１６に記載の発明は、請求項３〜１５のいずれかの一に記載の光偏向素子において、前記複数の電極は、電極厚が不揃いである。
【００５３】
したがって、所定の方向とは異なる方向に進行するノイズ光を低減し、電極の配列に起因する光の回折が低減できる。
【００５４】
請求項１７に記載の発明は、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、この画像表示素子と同期し、前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する請求項３〜１６のいずれかの一に記載の光偏向素子と、を備えている画像表示装置である。
【００５５】
したがって、コントラスト、光利用効率を改善し、より高精細画像を得ることができる画像表示装置を提供することができる。
【００５６】
【発明の実施の形態】
［定義］
以下では、本明細書で用いる主要な用語について説明する。
【００５７】
（１）光偏向素子
「光偏向素子」とは、外部からの電気信号により光の光路を偏向、即ち、入射光に対して出射光を平行にシフトさせるか、或る角度を持って回転させるか、或いは、その両者を組合せて光路を切換えることが可能な光学素子を意味する。この説明において、平行シフトによる光偏向に対してそのシフトの大きさを「シフト量」と呼び、回転による光偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶものとする。「光偏向デバイス」とは、このような光偏向素子を含み、光の光路を偏向させるデバイスを意味する。
【００５８】
（２）光偏向切替時間
光偏向方向切替時間とは、光路切替えに要する時間であり、液晶スイッチング時間に相当する時間である。
【００５９】
（３）サブフィールド
通常液晶プロジェクタ等の画像表示装置においては、ある周期で画像を順次書き換え表示している。その１枚当たりの画像をフィールドと呼ぶ。本発明においては、前記の通り時分割で光路シフトを行うことで画素を倍増して表示するが、その時分割され表示される画像をサブフィールドと呼ぶ。従って例えば分割数を２、すなわち光路シフトを２つの位置でスイッチングする場合は、２つのサブフィールドで１フィールドの画像を形成することになる。
【００６０】
サブフィールド切替時は光路をシフトさせている時間であり、サブフィールド表示時は光路シフトが完了し、１つのサブフィールドを表示する時間である。
【００６１】
（４）ピクセルシフト素子
「ピクセルシフト素子」とは、少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光偏向手段とを有し、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示する画像表示装置における光偏向手段を意味する。従って、基本的には、上記定義による光偏向素子や光偏向デバイスを光偏向手段として応用することが可能といえる。
【００６２】
［発明の実施の形態］
本発明の一実施の形態について説明する。
【００６３】
まず、本実施の形態である光偏向素子１の基本的な構成と動作について説明する。
【００６４】
図１は、光偏向素子１の全体構成の説明図である。図１の光偏向素子１は、本発明の光学素子、光偏向素子を実施するもので、まず、一対の透明な基板２が対向配置されて設けられている。そして、少なくとも一方の基板２の内面に配向膜（図１において図示せず）を形成するのが、液晶層５を良好に配向させる上で好ましい。この配向膜と他方の基板２との間にはキラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶なる液晶層５が充填されている。
【００６５】
このような一対の基板２及び液晶層５を有する液晶パネルに対して、目的とする光偏向方向に対応させて液晶層５に電界を印加するための、電界印加手段である複数のライン電極６が配置され、電圧制御手段である電源７に接続されている。それぞれのライン電極６は、光路外に設けられ、直列に配列された抵抗７ａの各抵抗端に接続され、隣接する透明電極６間で電位勾配が発生し、電界が印加されるように構成されている。
【００６６】
次に、液晶層５に関して説明する。「スメクチック液晶」は、液晶分子の長軸方向を層状に配列してなる液晶分子である。このような液晶に関し、上記層の法線方向（層法線方向）と液晶分子の長軸方向とが一致している液晶を「スメクチックＡ相」、法線方向と一致していない液晶を「キラルスメクチックＣ相」と呼んでいる。
【００６７】
キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶は、一般的に外部電界が働かない状態において各層毎に液晶分子方向が螺旋的に回転している、いわゆる螺旋構造をとり、キラルスメクチックＣ相反強誘電液晶は各層毎に液晶分子が対向する方向を向く。これらのキラルスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Ｐｓと外部電界Ｅにより定まる方向に液晶分子が再配列することで、光学特性が制御される。なお、以下では、液晶層５として強誘電液晶を例にとって光偏向素子１の説明を行うが、本発明はこれに限定されるものではなく、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。
【００６８】
キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部などよりなる。主鎖構造としてはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシエチレンなどが利用可能である。スペーサは分子回転を担う骨格、結合部、キラル部を主鎖と結合させるためのものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選ばれる。また、カイラル部とビフェニル構造など剛直な骨格とを結合する結合部には−ＣＯＯ−結合等が選ばれる。
【００６９】
本実施の形態の光偏向素子１においては、キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶層５は配向膜により基板２の面に垂直に分子螺旋回転の回転軸が向いており、いわゆるホメオトロピック配向をなす。このようなホメオトロピック配向のための配向法としては、周知の技術を適用することができる。即ち、▲１▼ずり応力法、▲２▼磁場配向法、▲３▼温度勾配法、▲４▼ＳｉＯ斜法蒸着法、▲５▼光配向法等が挙げられる（これらについての詳細は、例えば、竹添、福田「強誘電性液晶の構造と物性」コロナ社、ｐ２３５を参照）。
【００７０】
本光偏向素子１は、キラルスメクチックＣ相がネマチック液晶に比較して極めて高速な応答性を有しており、サブｍｓでのスイッチングが可能である。また、電界方向に対して液晶分子方向が一義的に決定され、ある電界強度以上でダイレクタの方向が固定されるため、電界強度に比例したダイレクタ角度をとる電傾効果を利用したスメクチックＡ相よりなる液晶に比べ、ダイレクタ方向の制御が容易であり扱いやすい。
【００７１】
また、ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層５は、ホモジニアス配向（液晶分子が基板面に平行に配向している状態）をとる場合に比べて、液晶分子の動作が基板２からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の制御が行いやすく、必要電界が低いという利点を有する。また、液晶分子がホモジニアス配向している場合、電界方向だけでなく基板面に液晶分子が強く依存するため、光偏向素子の設置についてより位置精度が求められることになる。逆に、本実施の形態のようなホメオロトピック配向の場合は、光偏向に対して光偏向素子１のセッティング余裕度が増す。これらの特徴を活かす上で、厳密に螺旋軸を基板面に垂直に向ける必要はなく、或る程度傾いていても差し支えない。例えば、螺旋構造をなす側面の一部が基板２に垂直であって螺旋軸そのものは基板法線方向から傾いている状態であっても、液晶分子が基板２からの規制力を受けずに２つの方向を向くことが可能であればよい。
【００７２】
次に、本光偏向素子１の基本的な動作原理について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、図１に示した構成に関して液晶分子配向状態を模式的に示したものである。図２では、ライン電極６は、光偏向素子１の両側の図示しない基板に設けられており、ライン電極６は、その片側基板のみに形成するのでも良いが、液晶層５に効率的に横方向の電界を付与するためには両側に形成していた方が望ましい。
【００７３】
また、光偏向素子１に対する入射光は直線偏光であり、その偏光方向は、図２中で矢印に示すように上下方向であって（以後、同様に偏光方向については上下或いは左右の矢印で入射光に重ねて示す）、その偏光方向に電界方向が直交するようにライン電極６は対向配置され、該ライン電極群の隣接する各ライン電極に対して段階的に異なる電圧値が設定される。なお、電極６からの漏洩電界が光偏向素子１の周辺の機器に悪影響を及ぼさないように、電磁シールドを設けるのが好ましい。液晶分子８は、印加される電界方向によって前述のとおり螺旋状に配向方向をとることが可能であり、図２には、そのとり得る配向状態をコーン状に示している。
【００７４】
図２において、ＸＹＺ直交座標系を図示するようにとったときの液晶層５内のＸＺ断面を図３に示す。図３に示すように、液晶分子８は、十分大きな電界であれば、その電界方向によって第１の配向状態又は第２の配向状態の何れかの状態（図３（ｂ）参照）をとって分布する。θは液晶回転軸からの液晶分子８のチルト角であり、以後、単に「チルト角」と呼ぶ。液晶層５の自発分極Ｐｓが正であり、Ｙ軸正方向（紙面上向き）に電界Ｅがかかっているものとすると、液晶分子８は液晶回転軸が略基板垂直方向であるため、図３（ｂ）に示す第１の配向方向と一致する。
【００７５】
液晶層５の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとすると、入射光として、偏光方向をＹ軸方向に持つ直線偏光を選び、Ｘ軸正方向に入射光が進むとき、光は液晶層５内で常光として屈折率ｎｏを受けて直進し、図３（ａ）中のａ方向に進む。即ち、光偏向は受けない。
【００７６】
一方、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光が入射するとき、入射方向の屈折率は液晶分子  の方向及び屈折率ｎｏ，ｎｅの両者から求められる。より詳しくは、屈折率ｎｏ，ｎｅを主軸に持つ屈折率楕円体において楕円体中心を通過する光の方向との関係から求められるが、ここでは詳細は省略する。光は屈折率ｎｏ，ｎｅ及び液晶分子８の方向（チルト角θ）に対応した偏向を受け、図３（ａ）中のｂ（第１の配向状態の場合）に示す方向にシフトする。
【００７７】
今、液晶層５の厚み（ギャップ）をｄとするとき，シフト量Ｓは、以下の式１で表される（例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、ｐ１９８を参照）。
【００７８】
2004286961.tif 000003
また、電界方向を反転させた時、液晶分子８は図３においてＸ軸を中心とした線対称の配置（第２の配向状態）を取り、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光の進行方向は、図３（ａ）中のｂ´に示す通りとなる。
【００７９】
従って、この直線偏光に対して液晶層５に作用させる電界方向を制御することで、ｂとｂ´との２位置、即ち、２Ｓ分の光偏向が可能となる。
【００８０】
液晶層５の材料の代表的物性値（ｎｏ＝１．６，ｎｅ＝１．８）に対して得られる光偏向量について，光偏向量Ｓを計算した結果を図４に示す。図４に明らかなように、θ＝４５°付近が最も光偏向量が大きい。仮に、液晶分子８のチルト角θが２２．５°のとき、２Ｓ＝５（μｍ）の偏向量を得るためには、ここに示される通り、液晶の厚みを３２μｍ厚に設定すれば良い。また、ホメオトロピック配向強誘電液晶において、約７００Ｖ／ｃｍの電界に対して，０．１ｍｓの応答速度が報告されており（Ｏｚａｋｉ他、Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．９Ｂ、ｐｐ２３６６−２３６８（１９９１）を参照）、サブｍｓオーダの十分高速な応答速度が得られる。
【００８１】
また、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶においては、チルト角θは温度Ｔにより変化し、相転移点をＴｃとすると、θ∝（Ｔ−Ｔｃ）βなる関係がある。βは材料により異なるが、０．５程度の値をとる。この特性を利用した温度制御で光偏向量を制御することも可能である。
【００８２】
例えば、仮にチルト角θとして上記の２２．５°を設定し、これに対応する温度をＴθ＝２２．５°とすれば、Ｔ＞Ｔθ＝２２．５°では，θ≦２２．５°であり、Ｔ≦Ｔθ＝２２．５°ではθ＞２２．５°であるため、温度によりチルト角θを制御でき、これによって光偏向量を制御できることとなる。また、位置制御に関しては、電界による微調を同様に行うことができ、温度、電界あるいはその両者の組合せにより適切な光偏向を達成できる。
【００８３】
以上は、電界強度がＥｓ以上で螺旋構造が解けてチルト角θが光学軸の傾斜角に等しい場合について説明したが、電界強度がＥｓ以下の場合には、上記θを液晶分子８の方向を平均化した光学軸の傾斜角として扱えば良い。
【００８４】
図５は、電界発生用の印加電圧とそれにともなう光偏向量の変化を示すグラフである。印加電圧は一般的には矩形波状である。図１及び図２の光偏向素子１の構成において、この電圧印加により液晶層５の内部に所定方向（±Ｙ方向）の電界が発生する。電圧の切替え直後に液晶分子８の回転が発生し、液晶物性や発生電界により決まる時間（光偏向方向切替時間）後、光偏向量が一定となる。この偏向方向は電圧値を保持する間は変化しない（光偏向方向保持時間）。
【００８５】
次に、本光偏向素子１のさらに詳細な構成や、その作用効果について説明する。
【００８６】
図６は、本実施の形態の光偏向素子１におけるライン電極６周辺の断面構造を説明するための模式図である。図６において、基板２上の隣接するライン電極６間には、透明な充填材３が充填されている。また、液晶層５と基板２上のライン電極６との間には誘電体層４が設けられている。なお、液晶層５と対向する側の基板２、ライン電極６等は図示を省略している。
【００８７】
また、ライン電極６として透明材料を用いることで、光利用効率を高め信号品質を向上させることができる。この場合、透明なライン電極６としては、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化亜鉛・アンチモン（ＺｎＯ・Ｓｂ２０５）、酸化スズ・アンチモン（ＡＴＯ）などを用いることができる。
【００８８】
これらを形成する場合、ライン電極６の形状の開口マスクを重ねた状態で、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法などの方法で直接基板２上に所定形状の膜を成長させる方法や、塗布法、浸漬法、ゾルゲル法などで基板全面に成膜させた後、所定のマスキングを施した上で、塩酸系エッチャントなどによりウェットエッチングさせ、あるいはドライエッチングする方法がある。
【００８９】
中でも、酸化亜鉛・アンチモン及び酸化スズ・アンチモンよりなるライン電極６の材料は、透明性に優れ、表面抵抗値も液晶に印加する電界を発生する上で問題のない値に制御でき、さらに、屈折率も従来多く使用されていた酸化インジウム・スズ（屈折率１．８〜２．０）に比較して小さく制御できるため、透明充填材との屈折率差を低くでき有用である。
【００９０】
これらのライン電極６を基板２上に形成する場合、回折を低減するため、隣接するライン電極６の電極幅を異なる値に設定したり、隣接する３本のライン電極６において形成される２つのライン電極６間の距離（ライン電極の中心線間距離）を異なる値に設定したり、隣接するライン電極６の電極厚を異なる値に設定したり、電極６の断面形状に曲線を持たせたりすることが有効である。ライン電極６の電極幅やライン電極間距離としては、光路内のライン電極６の形成面に周期構造が発生しないように、ランダマイズするのが好ましい。ただし、その構造によって、液晶層５に印加される電界が局所的に変動しない範囲に設定する必要がある。
【００９１】
具体的構造を、図７を参照して説明する。図７は、基板２、ライン電極６などの正面図（部分図）である。図７において、ライン電極６に番号（（ｉ−１）〜（ｉ＋３））をつけ、各ライン電極の幅をＷ、電極間距離をＤとした場合、
Ｗｉ≠Ｗｉ＋１，Ｗｉ＋１≠Ｗｉ＋２，Ｄｉ／（ｉ＋１）≠Ｄ（ｉ＋１）／（ｉ＋２）
を満たすように設定する。
【００９２】
図８は、基板２及びライン電極６の側面図（部分図）である。ライン電極６の電極厚は、図８に示すように、
ｔｉ≠ｔｉ＋１
とする。
【００９３】
透明な充填材３は、無機系であれば、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、窒化チタン（ＴｉＮｘ）、酸化ジルコニア（ＺｒＯｘ）、窒化ジルコニア（ＺｒＮｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、ホウ素添加酸化シリコン（ＳｉＢＯｘ）、ホウ素添加窒化シリコン（ＳｉＢＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化シリコン−硫化亜鉛（ＳｉＯｘ−ＺｎＳ）、炭化シリコン−硫化亜鉛（ＳｉＣ−ＺｎＳ）などを用いることができる。これらは、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、塗布法、浸漬法、ゾルゲル法などで、基板２の全面にライン電極６の膜厚以上に成膜させた後、ＣＭＰ（化学機械的研磨）により平坦化するのが望ましい。
【００９４】
透明な充填材３として有機系材料を用いる場合、光硬化又は熱硬化型樹脂が利用可能である。これらは、プレポリマー状態で基板２上にスピンコート、ディッピング、バーコートなどの塗布法や、スクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷等の印刷法で形成可能である。基板２上の隣接するライン電極６間に充填するため、あらかじめ離型可能な平滑面と基板２とを光硬化又は熱硬化型樹脂を介して圧接し、硬化処理後、平滑面を剥離してもよい。
【００９５】
本実施の形態において、透明な充填材３はライン電極６の回折を低減させる目的で設けられるため、その屈折率はライン電極６の屈折率に極力近いことが望ましい。後述の実施例で示す通り、本出願人が検討したところ、該ライン電極６の厚みをｄ、屈折率（波長５４６ｎｍでの値、以下同様）をｎｆｌとしたとき、
“｜（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ｜”が、０．１１μｍ未満、さらに望ましくは０．０７μｍ未満のときに優れた光学特性を示した。
【００９６】
特に、透明な一対の基板２と、基板２間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層５と、少なくとも一方の基板２上の光路を含む領域に配置された複数本のライン電極６と、基板２上の隣接するライン電極６間に充填された透明な充填材３と、を備え、ライン電極群の隣接する各ライン電極６に対して段階的に異なる電圧値を設定することで光を偏向させる光偏向素子１において、上記屈折率の関係を満たすことで、所定偏向位置と異なる位置に形成される回折光のビームスポットを抑えることができ有用である。
【００９７】
図９は、光偏向素子１の別の構成例におけるライン電極６周辺の断面構造を説明するための模式図である。図９において、前述の図９の構成の光偏向素子１と異なるのは、まず、液晶層５と基板２上のライン電極６との間に誘電体層４設けられている点である。なお、図９の例においても、液晶層５と対向する側の基板２、ライン電極６等は図示を省略している。この構成においても、透明な充填材３には前述の無機系あるいは有機系材料を用いることが可能である。特に有機系材料の場合、上記離型可能な平滑面に変え誘電体層４をそのまま使用してもよい。当然ながらこの場合は剥離の必要はない。また、有機材料を用いて誘電体層４と透明な充填材３を一体に成形することも可能である。この場合、上述の離型可能な平滑面を利用し、誘電体層４の厚みと透明充電材３の厚みの和に相当するギャップをあらかじめ確保した状態で、ライン電極６側の基板表面と平滑面を対向させ、硬化前のプレポリマーを充填させた後硬化させればよい。
【００９８】
有機材料によって透明な充填材３を形成し、誘電体層４を設けない場合、又は、誘電体層４が有機材料によって構成される場合、その液晶層５側表面に溶剤によって変質しないハードコートを形成するのが望ましい。特に、液晶層５を配向させるための配向膜として、溶剤に溶解しているタイプの物を用いる場合は、その形成時に溶剤が上記誘電体層４や透明な充填材３を変質させる恐れがあるため、ハードコートを形成するのは極めて有用である。
【００９９】
ハードコート層は溶剤に汚染されない無機材料が好ましく、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、窒化チタン（ＴｉＮｘ）、酸化ジルコニア（ＺｒＯｘ）、窒化ジルコニア（ＺｒＮｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、ホウ素添加酸化シリコン（ＳｉＢＯｘ）、ホウ素添加窒化シリコン（ＳｉＢＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化シリコン−硫化亜鉛（ＳｉＯｘ−ＺｎＳ）、炭化シリコン−硫化亜鉛（ＳｉＣ−ＺｎＳ）などを用いることができる。特に液晶の屈折率と近い酸化シリコン（ＳｉＯ２）が界面反射を低減する上で優れている。
【０１００】
誘電体層４の機能は、液晶層５に印加する電界の局所的な変動を抑制することであり、光学的には、内部吸収、界面反射、回折等極力発生しないよう構成するのが望ましい。特に、界面反射については反射光がノイズ光となり結像性能を劣化させるので小さく抑える必要がある。誘電体層４としては、透明で電気的に絶縁性を有し、耐候性が高く、しかも複屈折性の小さいものが望ましく、無機材料であればガラス、有機材料であればポリカーボネート、アクリルなどを好適に用いることができる。特にガラスは複屈折がなく、変形が少ないことから有用である。
【０１０１】
後述の実施例で示す通り、本発明者が検討したところ、誘電体層４の屈折率をｎｄｅとするとき、
｜ｎｅｌ−ｎｄｅ｜＜０．５６
さらに望ましくは、
｜ｎｅｌ−ｎｄｅ｜＜０．４６
であるときに、反射光によるコントラスト劣化が小さく、好適であることが確認できた。
【０１０２】
特に、透明な一対の基板２と、基板２間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層５と、少なくとも一方の基板２上の光路を含む領域に配置された複数本のライン電極６と、基板２上の隣接するライン電極６間に充填された透明な充填材３と、を備え、ライン電極群の隣接する各ライン電極６に対して段階的に異なる電圧値を設定することで光を偏向させるようにした光偏向素子１において、これをピクセルシフト技術に応用した場合、光利用効率改善、コントラスト改善が図れて有用である。
【０１０３】
図１０は、光偏向素子１を用いた画像表示装置の概要を示す概念図である。図１０において、符号１１は、照明用の光源であり、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ、ＯＦＦできるものであるならば、いかなる種類や型の光源であっても利用することができる。たとえば、ＬＥＤランプやレーザ光源、あるいは、白色のランプ光源などを２次元アレイ状に配列して、かかる光源に対して高速動作するシャッタを組合せたものなどを照明用の光源として用いることができる。
【０１０４】
符号１２は、光源から出た光を均一に画像表示素子１３に照射させるための照明装置であり、拡散板１２ａ、コンデンサレンズ１２ｂなどから構成される。
【０１０５】
符号１３は、照明装置１２から入射した均一の照明光を、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに、画像情報に基づいて空間光変調して、画像光として出射する画像表示素子である。画像表示素子１３としては、透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができる。
【０１０６】
符号１４は、前記画像サブフィールドごとに、画像表示素子１３から出射される画像光の光路を偏向して、偏向画像光として出射する光偏向素子である。該光偏向素子１４により、画像サブフィールドごとの光路の偏向量に応じて、スクリーン１６上に投射される画像表示位置がずらされる状態となる画像パターンを表示させることが可能となり、画像表示素子３の実際の画素数を見かけ上増倍した画素数として、画像表示させることができる。
【０１０７】
符号１５は、画像表示素子１３に表示された画像パターンを観察するための光学部材であり、符号５は投射レンズ、符号６はスクリーンである。さらに、符号１７は光源１１を駆動するための光源駆動手段であり、符号１８は画像表示素子１３を駆動するための表示駆動回路であり、符号１９は光偏向素子１を駆動するための光偏向駆動回路である。また、符号２０は、光源駆動回路１７、表示駆動回路１８、光偏向駆動回路１９などを含め画像表示装置の全体を制御するための画像表示制御回路である。
【０１０８】
次に、図１０に示す画像表示装置の基本的な動作について説明する。光源駆動回路１７で制御されて光源１１から放射された光は、拡散板１２ａにより均一化された照明光となり、コンデンサレンズ１２ｂにより、光源駆動回路１７と同期して動作する表示駆動回路１８により制御されている画像表示素子１３をクリティカルに照明する。ここでは、画像表示素子１３の例として、透過型液晶パネル、すなわち、透過型液晶ライトバルブを用いている。透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子１３により空間光変調された照明光は、画像光として光偏向素子１に入射され、光偏向素子１から出射された出射光は、偏向画像光として、投射レンズ１５で拡大された後、スクリーン１６に投射される。すなわち、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子１３の画像光の出射側に配置されている光偏向素子１によって、画像光は、光偏向駆動回路１９からの駆動信号に応じて、画素の配列方向に任意の距離だけシフト（偏向）された偏向画像光として出射されて、投射レンズ１５を介して、スクリーン１６上に投射される。
【０１０９】
なお、図１０においては、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子１３の直後に、光偏向素子１を配置しているが、光偏向素子１の配置位置はかかる場合に限定されるものではなく、スクリーン１６の直前などに配置することとしても良い。ただし、スクリーン１６付近に配置する場合、光偏向素子１を形成する光偏向素子の大きさや、更には、光偏向素子を形成する透明電極の配設ピッチなどを、光偏向素子１の配置位置における画面サイズや画素サイズに応じて設定することが必要になる。
【０１１０】
しかし、いかなる配置位置に光偏向素子１４を配置する場合であっても、前記偏向画像光の光路のシフト（偏向）量は、画素ピッチの整数分の１であることが望ましい。すなわち、画素の配列方向に対して２倍の画素増倍を行なう場合は、偏向画像光の光路のシフト量は、画素ピッチの１／２とし、配列方向に対して３倍の画素増倍を行なう場合は、画素ピッチの１／３とすることが望ましい。また、光偏向素子４の構成によって、偏向画像光の光路のシフト量が画素ピッチよりも大きくなる場合には、光路のシフト量を画素ピッチの（整数倍＋整数分の１）の距離に設定してもよい。
【０１１１】
この光偏向素子１を画素配列方向の縦横２次元に用いることにより、例えば２倍の画像増倍を行なう光偏向素子を２枚用いることにより、見かけ上の画素４倍の効果が得られ、使用した透過型液晶ライトバルブの解像度以上の高精細な画像を表示することができる。また、光偏向素子１の構成によってシフト量が大きくなる場合には、シフト量を画素ピッチの（整数倍＋整数分の１）の距離に設定しても良い。いずれの場合も、画素のシフト位置に対応したサブフィールドの画像信号で透過型液晶ライトバルブである画像表示素子１３を駆動する。
【０１１２】
なお、図１０では、単板の透過型液晶ライトバルブと単色ＬＥＤランプを用いた単色の画像表示装置を示したが、３原色の光源１１と、照明装置１２と、３枚の画像表示素子１３とを用いて、３原色の画像を混合してフルカラー画像を表示させることもできる。また、単板の画像表示素子１３を時間順次に三原色光で照明するフィールドシーケンシャル方式でもフルカラー画像を表示することができる。この場合、三色の光源１１からの光路をクロスプリズムで混合して照明しても良いし、白色ランプ光源１１と回転カラーフィルターの組合せで、時間順次の三原色光を生成してもよい。
【０１１３】
【実施例】
本発明の一実施例について説明する。
【０１１４】
以下では、前述の図９を参照して説明した光偏向素子１を作成し、さまざまな条件で検証している。
【０１１５】
［実施例１］
大きさ３０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ３ｍｍのガラス製の基板２の中央領域表面に０．１ｍｍピッチ、０．０１ｍｍ幅、０．２μｍ厚の酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）よりなる１００本のライン電極６を、高周波マグネトロンスパッタリング法により形成した。そのピッチと幅は、フォトリソ工程により、あらかじめレジスト材料でライン電極６の形成部以外をカバリングし、成膜後、レジストをリフトオフすることで所定値を得た。このＩＴＯの屈折率をエリプソメータにより測定したところ、波長５４６ｎｍにおいて２．００であった（以後の屈折率測定値もすべて同波長による）。その後、レジストを洗浄除去した後、市販のＵＶ硬化樹脂を基板上に滴下し、１５０μｍ厚の誘電体（硼珪酸ガラス）をその上から重ね、加圧した状態で紫外線露光し、樹脂を硬化させた。このＵＶ硬化樹脂と硼珪酸ガラスの屈折率は、それぞれ１．６３、１．４７であった。この誘電体の表面に、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）に溶解したポリアミック酸を塗布して焼結させることで、ポリイミドよりなる垂直配向膜を形成した。これを基板２とし、同条件で作製した２枚の基板２を、ＩＴＯを半ピッチずらした状態で重ね、空セルを形成した。なお両基板２のギャップを調整するためのスペーサは、基板２の端部に配置し、この部分を接着剤で固定した。基板２を約９０度に加熱した状態で、二枚の基板２間に強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ１０２９）を毛管法にて注入した。冷却後の液晶層５は透明であり、コノスコープ像観察から基板に垂直に配向していることが確認できた。
【０１１６】
図１１に示すように、この液晶サンプル２１に、レーザ光源２２により波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを照射した。レーザはビームエキスパンダ２３で電極６の形成部（１０ｍｍ幅）近傍まで広げて照射した。透過した光はコリメートレンズ２４で集光させた。集光面２５上には、０次光のビームスポットが形成され、近傍にかすかに回折光が発生していたものの、利用可能なレベルであった。
【０１１７】
本サンプル２１を図１０に示す画像表示装置の光偏向素子１の位置に挿入し、画像表示素子１３に対して、縦方向に１画素幅からなる白黒の周期的な線を形成させた。この周期的な線の数本分をＣＣＤカメラで撮影して、その画像をコンピュータに採り込み、画像処理ソフトウエアで幅方向の輝度分布を計算した。輝度の最高値Ｉｍａｘ（白部）と最低値Ｉｍｉｎ（黒部）を用いて、以下の式によりコントラストＣを低量化した。
【０１１８】
Ｃｓａｍｐｌｅ＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）
このサンプル２１に使用しているガラス基板２と同じ屈折率で、サンプル全体２１の厚さとほぼ等しい厚さのガラス基板を用意し、同様にコントラストＣｒｅｆｅｒｅｎｃｅを測定・計算した。両者の比Ｃｓａｍｐｌｅ／Ｃｒｅｆｅｒｅｎｃｅ（コントラスト比）は７５％であり、多重反射や回折による画像劣化は少ないことが判明した。そして、
（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ
を計算したところ、０．０７４であった。
【０１１９】
［比較例１］
実施例１の比較例として、実施例１のＵＶ硬化樹脂に代えて屈折率１．４２のＵＶ硬化樹脂を用い、その他は実施例１と同様の条件で、サンプルの作製、その評価を実施した。これによると、数次の回折光がはっきり現れ、コントラスト比は５０％であり、良好な特性ではなかった。そして、
（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ
を計算したところ、０．１１６であった。
【０１２０】
［比較例２］
実施例１の別の比較例として、実施例１のＵＶ硬化樹脂に代えて屈折率１．５２のＵＶ硬化樹脂を用い、その他は実施例１と同様の条件で、サンプル２１作製、その評価を実施した。その結果、数次の回折光がわずかに現れ、コントラスト比は６５％であった。光学特性としては、実施例１と比較例１の中間のものであるが使用可能なレベルであった。そして、
（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ
を計算したところ、０．０９６であった。
【０１２１】
［実施例２］
大きさ３０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ３ｍｍのガラス製の基板２の中央領域表面に０．１ｍｍピッチ、０．０１ｍｍ幅、０．２μｍ厚の酸化亜鉛・アンチモン（ＺｎＯ−Ｓｂ２０５）よりなる１００本のライン電極６を形成した。酸化亜鉛・アンチモン微粒子をアルコール溶剤に分散させ、これを基板２にスピンコーティングした。その後、これを２００℃で加熱し固着させた。電極６のピッチと幅は、フォトリソ工程によりレジスト材料でライン電極形成部以外をカバリングした後、酸化亜鉛・アンチモンをドライエッチングした。そして、この酸化亜鉛・アンチモンの屈折率をエリプソメータにより測定したところ、波長５４６ｎｍにおいて１．６０であった。その後のデバイス化及び評価の工程を、比較例２と同様に実施した。すなわち、Ｈｅ−Ｎｅレーザを照射したところ、回折はまったく発生していなかった。コントラスト比は８０％であった。比較例２に比べて光学特性が向上していた。
【０１２２】
［実施例３］
実施例１，２、比較例１，２のサンプル構成で、ライン電極６、透明な充填材３の種類、厚みを変化させて、サンプル２１を作製し、上記回折とコントラストにかかる光学特性を評価した。
【０１２３】
結果を表１に示す。表１中、光学特性で、○は一次回折光が全く確認できないか、コントラスト比が７０％以上のものである。  △のものは、一次回折光がわずかに確認できるか、コントラスト比が７０％以下６０％以上のものである。×は、一次回折光がはっきり認識できるか、コントラスト比が６０％以下のものである。実施例１に示す条件は表中△で示される。
【０１２４】
【表１】
2004286961.tif 000004
【０１２５】
この表から、光学特性は、透明ライン電極群の厚みｄ、屈折率ｎｅｌ、および透明充填材の屈折率をｎｆｌに依存し、
｜（ｎｅｌ−ｎｆｌ）・ｄ｜＜０．１１（μｍ）
を満たす場合に有用であることが判明した。
【０１２６】
また透明な充填材３の材料や厚みを選択する上で、ライン電極６の材料として酸化亜鉛・アンチモンが一般的な透明な充填材３の屈折率に近く、有用であることが判明した。酸化亜鉛・アンチモンに代えて、酸化スズ・アンチモンにて構成した場合も同様の結果が得られた。
【０１２７】
［実施例４］
比較例２と同様のサンプル２１の構成で、誘電体層４の種類を変化させてサンプル２１を作製し、上記と同様にコントラストにかかる光学特性を評価した。
【０１２８】
ライン電極材料の屈折率ｎｅｌと誘電体層屈折率ｎｄｅとの関係を表２に示す。２種の屈折率の異なる酸化インジウム・スズは酸化インジウムと酸化スズの配合比を変化させ得た。ここでの光学特性判定は、実施例１に示すコントラスト比に基づいて実施した。
【０１２９】
【表２】
2004286961.tif 000005
【０１３０】
本実施例から、
｜ｎｅｌ―ｎｄｅ｜＜０．５６
さらに望ましくは、
｜ｎｅｌ―ｎｄｅ｜≦０．４６
であるときに、反射光によるコントラスト劣化が小さく、望ましいことが確認できた。
【０１３１】
また、ライン電極６の材料の屈折率として、基板２の材料や誘電体層４の材料の材料選択幅を広く持つ意味から、２．１０以下が望ましいといえる。
【０１３２】
［実施例５］
比較例２のＵＶ硬化樹脂に代えて、市販の２液性の熱硬化樹脂（屈折率１．５２）を使用した。硬化は，熱硬化樹脂を基板２上に塗布し、１５０μｍ厚の誘電体（硼珪酸ガラス）をその上から重ね、加圧した状態で一昼夜放置して硬化させた。その後，比較例２と同様にデバイス化し、光学特性を評価したところ、比較例２に示すＵＶ硬化樹脂と同程度の性能であり、使用可能な品質が得られた。
【０１３３】
［実施例６］
比較例２で形成したライン電極６を有する基板２に対して、３０ｍｍ長の短冊状マイラーフィルム（厚み１５０μｍ）を基板２の短辺側両端に配置し、その内部にポリカーボネート系のＵＶ硬化樹脂を滴下した。これは平滑なテフロン樹脂（テフロンは登録商標である（以下同様））で、その上から加圧し、ＵＶ照射することで硬化させた。テフロンを外して厚みを測定したところ、ほぼ１５０μｍの樹脂層（誘電体層４）が得られた。硬化後の樹脂層の屈折率は１．５８であった。その後ＳｉＯ２膜をスパッタリング法で０．２μｍ形成した後、比較例２と同様にデバイス化し、光学特性を評価したところ、比較例２に示すＵＶ硬化樹脂よりも回折が少なく、コントラスト比に優れた特性が得られた。
【０１３４】
なお，ＳｉＯ２を形成せずにＩＰＡ溶液を塗布したところ、樹脂よりなる誘電体層４の表面が劣化した。従って，無機透明材料よりなるハードコート層が有用であることが確認された。
【０１３５】
［実施例７］
実施例２と同様の方法で、酸化亜鉛・アンチモンよりなるライン電極６を形成した。その後、スパッタリング法でＳｉＯ２膜を基板全面に２０００Å形成し、ＣＭＰによりこのＳｉＯ２膜表面を研磨、平坦化した。ＳｉＯ２膜の屈折率は１．４７であった。これに配向膜を形成し，以後の工程を実施例１と同様に行った。そして、光学特性を評価したところ、回折のないコントラスト比に優れた特性が得られた。
【０１３６】
［実施例８］
比較例２におけるライン電極６のパターン（０．１ｍｍピッチ、０．０１ｍｍ幅）に代え、表３に示すパターンを形成した。表３において、数値が範囲で示されている部分は、乱数によって各寸法を求めていった。その他の条件は比較例２と同様にデバイス化し、評価を行った。表３中に示すとおり、光学特性は比較例２に比較して性能が向上した。これは、比較例２でわずかに観察された１次回折光が、低減又は消滅したためである。従って、隣接するライン電極６の電極幅を異なる値に設定し、あるいは、隣接する３本のライン電極６において形成される２つの電極間距離（ライン電極６の中心線間距離）を異なる値に設定することの効果が確認できた。
【０１３７】
【表３】
2004286961.tif 000006
【０１３８】
［実施例９］
大きさ３０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ３ｍｍのガラス製の基板２の全面に酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）を高周波マグネトロンスパッタリング法により形成した。一方、フォトリソ工程用の露光マスクとして、ＩＴＯ以外の部分を光が完全透過し、ＩＴＯ部分は、隣接するライン電極６毎に透過率が異なるものを用意した。ポジ型レジストを、上記ＩＴＯを全面に形成した基板２に塗布し、前記の露光マスクをＩＴＯ面に密着させ露光した。露光条件として、洗浄時に、ＩＴＯ以外の部分のレジストが完全に除去され、ＩＴＯ部分のレジストが、透過率に依存した厚みで残存するようにした。この状態でドライエッチングを行い、ライン電極６を形成した。各電極６は前記レジスト厚に依存し、その膜厚が変化している。この膜厚は０．１５μｍ〜０．２μｍとなるようにエッチング条件を設定した。その他の条件は、比較例２と同様にしてデバイス化し、その評価を行った。表１〜３中に示すとおり、光学特性は比較例２に比較して性能が向上した。これは、比較例２でわずかに観察された１次回折光が低減したためである。従って、隣接するライン電極６の電極厚を異なる値に設定することの効果が確認できた。
【０１３９】
［実施例１０］
比較例２の光偏向素子１の各ライン電極６を、異方性導電ペーストを介在させ、対応する金属線を有するフレキシブル基板と接続した。金属線の逆側には図１に示す抵抗回路７ａを接続し、抵抗回路７ａに電圧を印加することで、各ライン電極６に電位勾配が発生するようにした。このときの電位勾配は１００Ｖ／ｍｍとなるように電圧を選んだ。この電圧を印加しながら、図１０の装置を用いて画像表示を行った。この場合、電圧の方向を切り替えることで、画像表示素子１３の半ピッチ分の光路シフトがなされることを確認した。この場合の画像表示のフレーム周波数は６０Ｈｚとした。この時、サブフィールド時間は８．３ｍｓに相当する。
【０１４０】
表１に示す各サンプル２１に同様の実装を施し、画像表示装置内に装填し、ピクセルシフト画像を形成した。表１〜３中、○がついているサンプルではコントラストに優れた画像が得られた。一方、×がついているサンプル２１ではコントラストが低く画像品質が低下していた。
【０１４１】
このように、本発明の光学素子を用いることで、極めて良好な画像が得られる事を確認した。
【０１４２】
【発明の効果】
請求項１〜５に記載の発明は、電極が周期構造を持つ場合に光の回折が生じ、本来の結像位置とは異なる位置に結像することを防止して、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【０１４３】
請求項６に記載の発明は、請求項３〜５のいずれかの一に記載の発明において、一般に使用されている基板や誘電体層の材料との屈折率差が大きくなって、界面反射量が増加し、回折光量が増加することを防止して、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【０１４４】
請求項７に記載の発明は、請求項３〜６のいずれかの一に記載の発明において、透明性に優れ、表面抵抗値も液晶に印加する電界を発生する上で問題のない値に制御でき、屈折率も従来一般的に使用されていた酸化インジウム・スズに比較して小さく制御できるため、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【０１４５】
請求項８に記載の発明は、請求項３〜７のいずれかの一に記載の発明において、光硬化型樹脂を透明充填材として用いた場合、樹脂充填から硬化まで短時間に行えるので製造時間を短縮でき、熱硬化型樹脂を透明充填材として用いた場合、光硬化型樹脂を用いる場合に比べ光による劣化が発生しないため、通常白色照明下で製造作業が行えて作業性に優れる。また、いずれの樹脂においても十分な光透過性を確保でき、良好な光学特性が得られる。
【０１４６】
請求項９に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、所望の厚みに制御でき、また、請求項８の充填材を介して電極を有する基板と貼り合せた後、光学研磨を行うことで、きわめて平滑性に優れた表面を得ることができ、かつ光の回折、散乱等を抑えることが可能となる。
【０１４７】
請求項１０に記載の発明は、請求項４又は９に記載の発明において、製造工程を短縮でき、請求項９の構造に比べて界面を減らすことができるため、光学性能の劣化を低減できる。
【０１４８】
請求項１１に記載の発明は、請求項４，９又は１０に記載の発明において、液晶の配向膜を形成する際に用いられる溶剤によって、光硬化又は熱硬化型樹脂よりなる誘電体層が変質することを防ぎ、誘電体層の変質による光学劣化を防止できる。
【０１４９】
請求項１２に記載の発明は、請求項３，４〜７，９のいずれかの一に記載の発明において、請求項８の充填材に比べて、組成による屈折率の選択自由度が大きく、電極との屈折率差を小さくすることができる。
【０１５０】
請求項１３に記載の発明は、請求項３，４〜７，９，１２のいずれかの一に記載の発明において、透過率が高く、組成により屈折率を調整できるため、電極との屈折率差を小さくできる。また、請求項７の電極に用いた場合、液晶層、電極、充填材がほぼ等しい屈折率に設定できるため、波面収差を改善し、シャープな結像を得ることができる。
【０１５１】
請求項１４に記載の発明は、請求項３〜１３のいずれかの一に記載の発明において、所定の方向とは異なる方向に進行するノイズ光を低減し、電極の配列に起因する光の回折が低減できる。
【０１５２】
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の発明において、所定の方向とは異なる方向に進行するノイズ光を低減し、電極の配列に起因する光の回折が低減できる。
【０１５３】
請求項１６に記載の発明は、請求項３〜１５のいずれかの一に記載の発明において、所定の方向とは異なる方向に進行するノイズ光を低減し、電極の配列に起因する光の回折が低減できる。
【０１５４】
請求項１７に記載の発明は、コントラスト、光利用効率を改善し、より高精細画像を得ることができる画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である光偏向素子の全体構成の説明図である。
【図２】光偏向素子の液晶分子配向状態を模式的に示した説明図である。
【図３】光偏向素子の液晶分子配向状態を模式的に示した説明図である。
【図４】光偏向素子の液晶配向角と光軸シフト量との関係を示すグラフである。
【図５】光偏向素子の電圧と光偏向量の時間変化を示すグラフである。
【図６】光偏向素子におけるライン電極の周辺の断面構造を説明するための模式図である。
【図７】基板、ライン電極などの正面図である。
【図８】基板及びライン電極の側面図である。
【図９】光偏向素子の別の構成例におけるライン電極の周辺の断面構造を説明するための模式図である。
【図１０】本発明の一実施の形態である画像表示装置の概要を示す概念図である。
【図１１】本発明の一実施例を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  光学素子、光偏向素子
２  基板
３  充填層
４  誘電体層
５  液晶層
６  電極
１３  画像表示素子
【図１】
2004286961.tif 000007
【図２】
2004286961.tif 000008
【図３】
2004286961.tif 000009
【図４】
2004286961.tif 000010
【図５】
2004286961.tif 000011
【図６】
2004286961.tif 000012
【図７】
2004286961.tif 000013
【図８】
2004286961.tif 000014
【図９】
2004286961.tif 000015
【図１０】
2004286961.tif 000016
【図１１】
2004286961.tif 000017