(57)【要約】【課題】２次元方向への平行偏向が可能な上に、高速動作が可能な光軸方向に小型の光偏向デバイスを提供する。【解決手段】各々の傾斜領域１１Ｘａ，１１Ｙａ、１１Ｘｂ，１１Ｙｂの最大傾斜方向が略直交するように少なくとも２つの光偏向要素１Ｘａ，１Ｙａ、１Ｘｂ，１Ｙｂを組合せた２組の光偏向素子２１ａ，２１ｂを備え、これらの２組の光偏向素子２１ａ，２１ｂを素子間で各々の光偏向要素の対応する方向の傾斜領域１１Ｘａ，１１Ｘｂ、１１Ｙａ，１１Ｙｂ同士の最大傾斜方向が略平行となるように共通の光軸上で所定距離離間させて対向配置させ、光偏向素子２１ａで偏向動作を２次元的に行わせ、その後、光偏向素子２１ｂの各々の傾斜領域１Ｘｂ，１Ｙｂにより２次元的に入射光に平行な光に戻して出射させることで、偏向に必要な光軸方向の素子間隔を２次元方向で共有できるようにした。【選択図】　　　　図６
2004029393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極膜を有して対向配置された透明な一対の基板と、これらの基板により形成される隙間に充填されて前記電極膜に対する電圧印加により屈折率が変化する屈折率変化物質とが設けられ、前記屈折率変化物質が接触する基板面の一部に基板間隔が非平行となるように傾斜角度を持たせた配置により傾斜領域が形成された複数の光偏向要素を有し、各々の前記傾斜領域の最大傾斜方向が略直交するように少なくとも２つの前記光偏向要素を組合せた２組の光偏向素子を備え、
一方の組の前記光偏向素子に入射し各々の前記傾斜領域により２次元的に偏向された光を他方の組の前記光偏向素子の各々の前記傾斜領域により２次元的に入射光に平行な光に戻して出射させるようにこれらの２組の前記光偏向素子を共通の光軸上で所定距離離間させて対向配置させた光偏向デバイス。
【請求項２】
透明電極膜を有して対向配置された透明な一対の基板と、これらの基板により形成される隙間に充填されて前記電極膜に対する電圧印加により屈折率が変化する屈折率変化物質とが設けられ、前記屈折率変化物質が接触する基板面の一部に基板間隔が非平行となるように傾斜角度を持たせた配置により傾斜領域が形成された複数の光偏向要素を有し、各々の前記傾斜領域の最大傾斜方向が略直交するように少なくとも２つの前記光偏向要素を組合せた２組の光偏向素子を備え、
これらの２組の前記光偏向素子を前記光偏向素子間で各々の前記光偏向要素の対応する方向の傾斜領域同士の最大傾斜方向が略平行となるように共通の光軸上で所定距離離間させて対向配置させた光偏向デバイス。
【請求項３】
２組の前記光偏向素子は、各々の対応する方向の傾斜領域間の距離が異なるように設定されている請求項２記載の光偏向デバイス。
【請求項４】
前記光偏向素子が有する２つの前記光偏向要素は、互いの一対の基板の一方を共用して一体化されている請求項１ないし３の何れか一記載の光偏向デバイス。
【請求項５】
２組の前記光偏向素子の少なくとも一方は、２つの前記光偏向要素を少なくとも二対以上有し、選択的に稼動自在である請求項１ないし４の何れか一記載の光偏向デバイス。
【請求項６】
前記各光偏向要素は、一対の前記基板のうちの一方の前記基板の対向面側に断面鋸歯形状の周期構造が形成され、前記傾斜領域の傾斜面は、前記周期構造をなす鋸歯形状の複数の斜辺により分割形成されている請求項１ないし５の何れか一記載の光偏向デバイス。
【請求項７】
前記屈折率変化物質が、単安定性の強誘電性液晶である請求項１ないし６の何れか一記載の光偏向デバイス。
【請求項８】
当該デバイスの出射側に偏光板を備える請求項７記載の光偏向デバイス。
【請求項９】
前記強誘電性液晶が、前記基板間に配向膜を介して充填され、この配向膜によりホモジニアス配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶であり、安定状態の方向と非安定状態の方向とが前記傾斜領域内で同一平面内で略直角をなすように存在する単安定状態に液晶がホモジニアス配向され、入射する直線偏光の方向が前記安定状態の方向と前記非安定状態の方向との何れかの方向に平行となるように設定されている請求項７記載の光偏向デバイス。
【請求項１０】
前記屈折率変化物質が、高分子分散型液晶である請求項１ないし６の何れか一記載の光偏向デバイス。
【請求項１１】
画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を２次元的に配列した画像表示素子と、
この画像表示素子を照明する照明装置と、
前記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装置と、
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で形成する表示駆動手段と、
前記画像表示素子の各画素からの出射光の光路を前記サブフィールド毎に偏向する請求項１ないし１０の何れか一記載の光偏向デバイスを有する光路偏向装置と、
を備える画像表示装置。
【請求項１２】
一方の基板の対向面側に形成された断面鋸歯形状の周期構造に沿う方向に液晶を注入する液晶注入工程を含む請求項６記載の光偏向デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光偏向デバイス、画像表示装置及び光偏向デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光偏向素子なる光学素子として、従来から、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）の大きな材料や、ＫＴＮ，ＳｒＴｉＯ３，ＣＳ２，ニトロベンゼン等の第２次電気光学効果の大きな材料を用いた電気光学デバイスや、ガラス、シリカ、ＴｅＯ２などの材料を用いた音響光学デバイスが知られている（例えば、青木昌治編；「オプトエレクトロニックデバイス」、昭晃堂）。これらの場合、一般的に、十分大きな光偏向量を得るためには光路長を長く取る必要があり、また、材料が高価であるため用途が制限されている。
【０００３】
一方で、液晶材料を用いた光偏向素子なる光学素子も各種提案されており、その数例を挙げると、以下に示すような提案例がある。
【０００４】
例えば、特開平６−１８９４０号公報によれば、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。
【０００５】
また、特開平９−１３３９０４号公報によれば、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。
【０００６】
前者の特開平６−１８９４０号公報例においては、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ｍｓ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。
【０００７】
また、後者の特開平９−１３３９０４号公報例においては、スメクチックＡ相の強誘電液晶を用いているが、スメクチックＡ相は自発分極を持たないため、高速動作は望めない。
【０００８】
さらに、特開２００１−３５６３１６公報では、偏光により屈折率の変化するネマチック液晶を微小プリズムの形成されている基板に注入した素子であり、電界により液晶を基板に平行に配向させたり垂直に配向させたりすることで偏光に対する屈折率を変化させスネルの法則により光を偏向させることが記載されている。
【０００９】
しかし、この場合にもネマチック液晶を用いているため高速な応答は望めない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、これらの従来例によると、１次元方向だけでなく、さらに光（光路）を例えばＸ，Ｙ方向なる２次元方向に偏向させようとする場合には、高速動作を望めないのは明らかである。
【００１１】
このような点を考慮すると、２次元方向への偏向が可能な上に、高速動作が可能な光偏向素子ないしは光偏向デバイスの提案が待たれる。
【００１２】
このようなことから、本出願人によれば、透明な一対の基板と、これらの基板間に充填されたホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、一対の前記基板と前記液晶との間に形成された電極対による電圧印加手段とを備え、前記液晶を挟む両基板面が光偏向方向に対応して傾斜して対向する光偏向素子を光進行方向上に所定距離を隔てて２組備える光偏向デバイスが提案されている。
【００１３】
さらには、上記提案のように基板間隔が非平行である場合の液晶の均一配向性を考慮した提案も本出願人によりなされている。
【００１４】
即ち、透明電極膜と液晶配向膜とを有する２枚の基板と、液晶配向膜上で液晶分子が所定の向きに配向している液晶層を基板間に封入した液晶セルとを備える光学素子であって、前記液晶セルは、２枚の基板が所定の傾斜角度をもって配置される傾斜領域を有し、前記液晶層は、前記傾斜領域で２方向への双安定なホモジニアス配向状態をとるキラルスメクチックＣ相を有し、前記傾斜領域内で各液晶配向膜上の液晶分子の配向方向が同一平面内にある光学素子を、入射直線偏光の進行方向を偏向できるようにした光偏向素子が提案されている。特に、このような光偏向素子を一対有する光偏向デバイスであって、入射光の進行方向に対して第１の光偏向素子の前記屈折領域で屈折された光が、一定間隔をおいて設置された第２の光偏向素子の前記傾斜領域に入射し、当該第２の光偏向素子の傾斜領域で再度屈折されて出射する際に、前記ホモジニアス配向の各々の配向方向に応じて出射する偏向光が平行光として出射するように、第１の傾斜領域での光路の偏向を行う基板面及び第２の傾斜領域で光路の偏向を行う基板面の入射光に対する配設角度が設定された光偏向デバイスも提案されている。
【００１５】
ところが、光を平行に或る距離分だけシフトさせるためには、入射光を偏向させる傾斜領域と偏向された光を入射光に対して平行となるように戻す傾斜領域とを或る間隔をあけて設置しなければならず、大きなシフト量が必要な場合や、屈折率変化物質の屈折率変化が小さい場合には、対応する傾斜領域間の間隔も大きくしなければならない。ここで、２つの光偏向素子を用いて２次元の垂直なＸ、Ｙ方向にシフトを行うことを考えた場合、Ｘ，Ｙ方向の各々の方向についてシフトさせる２つの光偏向素子を単純に直列的に並べたのでは２方向分の距離が必要となり、１方向のみの素子と比較しさらに大きな素子となってしまう。特に、屈折率変化が小さい液晶やシフト量を大きくしようとした場合には移動距離をとるために光路を長くとらなくてはならず素子が大きくなってしまい、装置の小型化を図る上で大変不利となる。
【００１６】
例えば、１方向のみの平行シフトを考えたとき、傾斜角が１度で、屈折率変化が０．２の屈折率変化物質を用いた場合、５μｍの平行シフトに必要な偏向用の傾斜領域から再屈折により平行化させるための平行化用の傾斜領域までの距離は１．５ｍｍ程度だが、５００μｍの平行シフトには１５０ｍｍも必要となる。また、傾斜角が１度で、屈折率変化が小さく０．０２の屈折率変化物質を用いた場合、５μｍのシフトであっても必要な偏向用の傾斜領域から再屈折により平行化させるための平行化用の傾斜領域までの距離は１５ｍｍとなってしまう。このように、大きな平行シフトを必要とする場合や屈折率変化が小さい場合には偏向用の傾斜領域から再屈折により平行化させるための平行化用の傾斜領域までの距離を大きくとらなければならず、少しでもコンパクトな光学素子が必要な場合、大変不利となってしまう。
【００１７】
特に、上記提案例による場合、２つの光偏向素子を傾斜領域の最大傾斜方向が垂直となるように配置することにより、２方向にシフトさせる素子構成の場合には上述の傾斜領域間の距離が２倍必要となり、かなりのスペースが必要となってしまう。
【００１８】
本発明は、２次元方向への平行偏向が可能な上に、高速動作が可能な光軸方向に小型の光偏向デバイスを提供することを目的とする。
【００１９】
本発明は、上記目的を実現する上で、大面積での光路偏向が可能な光偏向デバイスを提供する。
【００２０】
本発明は、上記目的を実現する上で、２次元における各々の方向の光路偏向量に変化をつけることが可能な光偏向デバイスを提供する。
【００２１】
本発明は、上記目的を実現する上で、配向制御が容易で光利用効率を向上させ得る光偏向デバイスを提供する。
【００２２】
本発明は、上記目的を実現する上で、ノイズ光を出射することなく光偏向動作のコントラストを向上させ得る光偏向デバイスを提供する。
【００２３】
本発明は、上記目的を実現する上で、偏光依存性のない光偏向デバイスを提供する。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の光偏向デバイスは、透明電極膜を有して対向配置された透明な一対の基板と、これらの基板により形成される隙間に充填されて前記電極膜に対する電圧印加により屈折率が変化する屈折率変化物質とが設けられ、前記屈折率変化物質が接触する基板面の一部に基板間隔が非平行となるように傾斜角度を持たせた配置により傾斜領域が形成された複数の光偏向要素を有し、各々の前記傾斜領域の最大傾斜方向が略直交するように少なくとも２つの前記光偏向要素を組合せた２組の光偏向素子を備え、一方の組の前記光偏向素子に入射し各々の前記傾斜領域により２次元的に偏向された光を他方の組の前記光偏向素子の各々の前記傾斜領域により２次元的に入射光に平行な光に戻して出射させるようにこれらの２組の前記光偏向素子を共通の光軸上で所定距離離間させて対向配置させた。
【００２５】
従って、一方の組の光偏向素子で偏向動作を２次元的に行わせ、その後、他方の組の光偏向素子で入射光に対して平行光となるように２次元的に戻して出射させることで、偏向に必要な光軸方向の素子間隔を２次元方向で共有できるため、スペースを有効に活用でき、２次元方向への平行偏向が可能な上に、光軸方向のサイズを１次元方向の偏向素子の場合と同等程度に小型化することができる。
【００２６】
請求項２記載の発明の光偏向デバイスは、透明電極膜を有して対向配置された透明な一対の基板と、これらの基板により形成される隙間に充填されて前記電極膜に対する電圧印加により屈折率が変化する屈折率変化物質とが設けられ、前記屈折率変化物質が接触する基板面の一部に基板間隔が非平行となるように傾斜角度を持たせた配置により傾斜領域が形成された複数の光偏向要素を有し、各々の前記傾斜領域の最大傾斜方向が略直交するように少なくとも２つの前記光偏向要素を組合せた２組の光偏向素子を備え、これらの２組の前記光偏向素子を前記光偏向素子間で各々の前記光偏向要素の対応する方向の傾斜領域同士の最大傾斜方向が略平行となるように共通の光軸上で所定距離離間させて対向配置させた。
【００２７】
従って、一方の組の光偏向素子で偏向動作を２次元的に行わせ、その後、各々の光偏向要素の対応する方向の傾斜領域同士の最大傾斜方向が略平行となるように配置させた他方の組の光偏向素子に入射させることで、入射光に対して平行光となるように２次元的に戻して出射させることができ、この結果、偏向に必要な光軸方向の素子間隔を２次元方向で共有できるため、スペースを有効に活用でき、２次元方向への平行偏向が可能な上に、光軸方向のサイズを１次元方向の偏向素子の場合と同等程度に小型化することができる。
【００２８】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の光偏向デバイスにおいて、２組の前記光偏向素子は、各々の対応する方向の傾斜領域間の距離が異なるように設定されている。
【００２９】
従って、２次元的な偏向動作に関して、方向毎に異なる偏向量を設定することが可能となる。
【００３０】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の光偏向デバイスにおいて、前記光偏向素子が有する２つの前記光偏向要素は、互いの一対の基板の一方を共用して一体化されている。
【００３１】
従って、請求項１ないし３の何れか一記載の発明を実現する上で、より一層の構造の簡素化及び光軸方向の小型化を図ることが可能となる。
【００３２】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の光偏向デバイスにおいて、２組の前記光偏向素子の少なくとも一方は、２つの前記光偏向要素を少なくとも二対以上有し、選択的に稼動自在である。
【００３３】
従って、光偏向要素対の選択により、偏向量を変えることができ、その選択操作によっては偏向位置の多値化も可能となる。
【００３４】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の光偏向デバイスにおいて、前記各光偏向要素は、一対の前記基板のうちの一方の前記基板の対向面側に断面鋸歯形状の周期構造が形成され、前記傾斜領域の傾斜面は、前記周期構造をなす鋸歯形状の複数の斜辺により分割形成されている。
【００３５】
従って、傾斜領域の傾斜面を、一方の基板の対向面側に形成された断面鋸歯形状の周期構造における鋸歯形状の複数の斜辺により分割形成することにより、素子の厚みを制限した状態で巨視的に連続した傾斜領域の形成が可能となり、大面積での光路シフトが可能な光偏向デバイスを提供できる。
【００３６】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一記載の光偏向デバイスにおいて、前記屈折率変化物質が、単安定性の強誘電性液晶である。
【００３７】
従って、単安定性の強誘電性液晶によれば、大きな傾き角を持ち、配向制御が容易なため、配向性を向上させて光利用効率を上げることができる。
【００３８】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の光偏向デバイスにおいて、当該デバイスの出射側に偏光板を備える。
【００３９】
従って、当該デバイスから出射される光には偏向量が異なり偏光面も揃っていない光成分がノイズ光として含まれ得るが、偏光板を通すことによりこのようなノイズ光を除去でき、光偏向動作のコントラストが向上し、高精度な偏向動作を行わせることが可能となる。
【００４０】
請求項９記載の発明は、請求項７記載の光偏向デバイスにおいて、前記強誘電性液晶が、前記基板間に配向膜を介して充填され、この配向膜によりホモジニアス配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶であり、安定状態の方向と非安定状態の方向とが前記傾斜領域内で同一平面内で略直角をなすように存在する単安定状態に液晶がホモジニアス配向され、入射する直線偏光の方向が前記安定状態の方向と前記非安定状態の方向との何れかの方向に平行となるように設定されている。
【００４１】
従って、ホモジニアス配向における安定方向と非安定方向との２方向間の角度を略直角とし、入射する直線偏光の方向が、ホモジニアス配向の一方の方向と平行となるように配置することで、偏光方向が液晶分子の長軸屈折率と短軸屈折率の方向と一致し、より効率の良い光偏向が可能となる。即ち、液晶分子が安定方向と非安定方向との配向方向間をスイッチングして切換わることにより、傾斜領域の基板界面での屈折率差に応じて光の進行方向を変えることができ、光偏向デバイスと受光部との距離を適切に選ぶことで所望の偏向量を得ることができる。
【００４２】
請求項１０記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一記載の光偏向デバイスにおいて、前記屈折率変化物質が、高分子分散型液晶である。
【００４３】
従って、高分子分散型液晶は屈折率変化が偏光に依存していないため、偏光に依存しない光偏向デバイスを提供でき、また、通常、高分子分散型液晶では屈折率変化が小さいため従来構成では光進行方向の素子サイズが大きくなると言う不具合があるが、本発明の構成により光軸方向の小型化が達成される。
【００４４】
請求項１１記載の発明の画像表示装置は、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を２次元的に配列した画像表示素子と、この画像表示素子を照明する照明装置と、前記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装置と、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で形成する表示駆動手段と、前記画像表示素子の各画素からの出射光の光路を前記サブフィールド毎に偏向する請求項１ないし１０の何れか一記載の光偏向デバイスを有する光路偏向装置と、を備える。
【００４５】
従って、請求項１ないし１０の何れか一記載の光偏向デバイスを有する光路偏向装置を、画素数の少ない画像表示素子を用いて、見掛け上高精細で光利用効率の高い画像表示装置に適用することで、従来に比べ光偏向素子の配向不良に基づく画像劣化が発生しづらく、安定した画像品質を得ることができる。
【００４６】
請求項１２記載の発明は、請求項６記載の光偏向デバイスの製造方法であって、一方の基板の対向面側に形成された断面鋸歯形状の周期構造に沿う方向に液晶を注入する液晶注入工程を含む。
【００４７】
従って、一方の基板の対向面側に断面鋸歯形状の周期構造を有する請求項６記載の光偏向デバイスを作製する上で、断面鋸歯形状の周期構造に沿う方向に液晶を注入することにより、液晶を効率的に注入でき、注入時間を短縮でき、かつ、余分な液晶を注入することがなく製造コストのダウンを図れる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図７に基づいて説明する。
【００４９】
まず、本実施の形態の光偏向デバイスは、２組の光偏向素子を組合せることにより構成されるが、各々の光偏向素子の構成要素となる単一の光偏向要素１の原理的な構成及びその偏向作用等について図１及び図２を参照して説明する。図１（ａ）は単一の光偏向要素１の原理的構成例を示す断面図である。本実施の形態の光偏向要素１は、対向配置させた透明な一対の基板２，３と、これらの基板２，３の内面側に設けられたＩＴＯ等の透明電極膜４，５と、これらの透明電極膜４，５上に設けられた配向膜６，７と、基板２，３間に配向膜６，７を介して充填され、配向膜６，７により液晶分子８がホモジニアス配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる屈折率変化物質としての液晶層９と、を備えて構成されている。ここに、一対の基板２，３は、両基板２，３間の少なくとも一部に傾斜角度θを持たせて対向配置させることにより、両基板２，３間には断面的（側面的）に見て傾斜面１０を有する傾斜領域１１が形成されている。この結果、液晶分子８はこの傾斜領域１１に充填されるため、液晶層９の形状も傾斜領域１１に倣う形状となる。このような基板２，３間の傾斜角度θを規制するためのスペーサ１２が光路と重ならない位置（基板端部）に配設されている。
【００５０】
このような光偏向要素１の透明電極膜４，５間に極性を反転させた電圧を選択的に印加して液晶層９に電界を付与する矩形電圧電源による電圧印加手段１３が接続されている。
【００５１】
ここに、偏向角度を大きく設定可能とするためには液晶配向切換え時の屈折率変化が大きいことが好ましい。強誘電性液晶の特性としては、分子長軸と短軸との屈折率差Δｎが大きいことや、スメクチックＣ相のチルト角（スメクチック層法線に対する液晶分子の傾斜角度）が大きく、コーン角（電界反転時の配向切換え角度＝チルト角の２倍）が大きいことが好ましい。
【００５２】
また、光路シフトを正確に行うためには、傾斜領域１１を持つ基板２，３間に充填する強誘電性液晶層が欠陥のないホモジニアス配向状態を形成する必要がある。そのための配向処理の方向を検討した。一般に、コーン角の大きい強誘電性液晶はスメクチックＡ相を通らない相転移系列である場合が多く、前述したようにスメクチックＣ相で双安定状態を取り得る均一配向状態を形成することは難しい。ちなみに、従来の表示素子用表面安定化型強誘電性液晶セルのように、上下基板上の液晶分子配列を液晶材料のコーン角程度の開き角を持って交差する方向に施して配向状態を制御しよう試みたが、良好な配向状態は得られなかった。また、傾斜面に対しての分子配列方向を何れかの方向に処理を施した場合でも配向欠陥の程度は同じであった。
【００５３】
本実施の形態の強誘電性液晶層９では、双安定ではなく、図１（ｂ）に示すように、安定状態の方向と非安定状態の方向とが存在する単安定状態に液晶分子８を配向させることで、双安定な状態に配向させる場合に比較し、極めて容易に均一な配向状態を得ることができるようにしたものである。
【００５４】
光偏向要素１を製造する上で、このような単安定状態のホモジニアス配向のための配向処理法としては、等方相又はコレステリック相からの冷却過程において降温速度を適当にコントロールした上で電圧をセル（当該光偏向要素１）の透明電極膜４，５間に印加し、所定極性の電界を作用させる配向処理工程を含ませればよい。この結果、液晶分子８中のカルボニル基などの双極子に電界が作用して液晶層９全体の自発分極の方向が一致するようにスメクチック層の配向方向が決まるため、均一なホモジニアス配向状態を形成することができる。
【００５５】
ここに、単安定なホモジニアスの配列の安定状態の方向は、液晶長軸（液晶ダイレクタ）がほぼ配向処理方向（ラビング方向）に沿う形で発生する。この方向が安定状態の方向であり、無電界時或いはセル作製時と同一の極性方向の電界を印加した場合には、この安定状態の方向に液晶ダイレクタが配向する。一方、液晶セル（当該光偏向要素１）の透明電極膜４，５間に印加する電圧の極性を反転させて電界の極性を切換えると、液晶ダイレクタの方向が変化する。この状態は配向処理方向（ラビング方向）とは異なっているので非安定状態である。つまり、非安定状態の方向は、透明電極膜４，５間に電圧を印加した場合にのみその印加電圧に応じて液晶分子８の長軸方向が配向する方向であり、無電界時或いはセル作製時と同一の極性方向の電界に反転させた場合には、安定状態の方向に切換えられる。従って、電界の極性を切換えることで、図１（ｂ）に示すように安定状態の方向と非安定状態の方向とをスイッチングできる。また、安定状態の方向と非安定状態の方向とはセル作製時のラビング方向を変えることにより、逆になる。
【００５６】
ところで、２方向（安定状態の方向と非安定状態の方向）への液晶ダイレクタの切換えで光路シフトを行うためには、入射光の直線偏光の偏光方向に対して、２方向の各々が非対称な位置になるようにその方向を設定する必要がある。
【００５７】
図２を用いて傾斜面１０での屈折率変化による偏向動作について説明する。液晶分子８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、入射した直線偏光は屈折率ｎｏ，ｎｅ及び液晶ダイレクタの方向に対応した実効的な屈折率差に応じて偏向を受けシフトする。図２（ａ）に示すように液晶分子８の長軸方向が入射光の偏光方向に比較的近い場合、光は液晶層９内の屈折率を大きく感じるため、液晶層９と基板３との傾斜界面（傾斜面１０）で比較的大きく屈折し、角度θｅで出射する。一方、図２（ｂ）に示すように液晶分子８の短軸方向が入射光の偏光方向に比較的近い場合、光は液晶層９内の屈折率を小さく感じるため、液晶層９と基板３との傾斜界面（傾斜面１０）で比較的小さく屈折し、角度θｏで出射する。
【００５８】
この２つの状態での角度の差θｅ−θｏが偏向角度となる。本実施の形態では、安定状態の方向と非安定状態の方向との配向状態の屈折角度の差を偏向角度として利用するので、必ずしも液晶分子８の屈折率ｎｅ或いはｎｏと基板２，３或いは配向膜６，７の屈折率ｎｇとが一致している必要はない。入射する直線偏光の偏光方向に対して、安定状態の方向と非安定状態の方向との配向状態での屈折率差が生じるように構成されていれば良い。逆にいえば、入射する直線偏光の位置を中心軸とした場合にこの中心軸に対して対称となる位置に安定状態の方向と非安定状態の方向とが設置されていては、２方向間で切換えを行っても屈折率差が発生せず光路シフトの機能が得られないためである。
【００５９】
また、光偏向要素１としての偏向角度を大きく得るためには基板２，３間の傾斜角度θが大きくなるので、液晶層９の厚い部分と薄い部分との差が大きくなる。一般に、傾斜領域１１での液晶層９の厚みが大きくなると、液晶層９の中間部分では配向処理の規制力が弱まり、液晶分子８の配向欠陥が発生し易くなる。また、初期の配向状態は良好でも、継続的な使用には信頼性の低下が懸念される。しかしながら、本実施の形態の光偏向要素１は、表面安定型強誘電性液晶セルのようにメモリ性を必ずしも必要とせず、常時電界を印加して配向状態を維持することができる。従って、表面安定型セルに比べて液晶層９を比較的厚く設定することができ、設計上、有利となる。
【００６０】
また、光偏向要素１として適切な液晶層９の厚みは使用する強誘電性液晶材料の螺旋ピッチなどの特性値によっても異なるが、０．５μｍ以上から２０μｍ以下の範囲が好ましい。具体的には、厚い部分において６μｍ以下に抑えるのがよく、好ましくは３μｍ、更に好ましくは２．５μｍ以下である。また、あまり薄すぎるとコーン角が小さくなるため薄い部分において０．５μｍ以上、好ましくは１μｍ以上である。これ以上に厚い部分では液晶に白濁が発生する場合があり、これ以下に薄い部分では配向規制力が強すぎて切換え角度が小さくなってしまう場合がある。さらに好ましくは、基板２，３間のギャップを形成し易い１μｍ以上で、キラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチ以下の厚みにすることが好ましい。キラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチ以下の厚みにすると表面安定化型の強誘電性液晶セルと同様になり、配向安定性の向上と応答速度の高速化が期待できる。
【００６１】
ところで、単安定なホモジニアスの配列方向はどの方向でも良いが、安定した液晶分子８の動作をさせるためには、図１（ｂ）に示すように、液晶分子８の非安定状態の方向（又は、ラビング方向を破線で示す方向とした場合の安定状態の方向）が傾斜領域１１内での安定な位置とされる傾斜方向に垂直な方向に配向処理をするのが好ましい。処理方向の設定は、用いる液晶材料のコーン角によって配向処理の方向が容易に決定できる。
【００６２】
図１（ｂ）に示すように液晶分子８の非安定状態の方向（又は、安定状態の方向）が基板３の傾斜面１０の傾斜方向に垂直な方向となるように形成した光偏向要素１で、より効率の良い光偏向を行うためには、入射する直線偏光の方向が、ホモジニアス配向の安定状態の方向又は非安定状態の方向と一致するように設定することが好ましい。このような配置関係により、液晶分子８の長軸方向と直線偏光の偏光方向とを一致させることで、光利用効率が向上し、高効率な光偏向要素１となる。
【００６３】
もっとも、図１に示した構成の場合も、液晶分子８の長軸方向と入射光の偏光方向とが水平（平行）或いは垂直（直交）なる関係にない場合、即ち、液晶分子８のコーン角が９０°ではなく、安定状態の方向と非安定状態の方向とに対して斜めに直線偏光が入射する条件では、偏向されないノイズ光成分が発生する。また、このようなノイズ光は偏光面が回転している。このようなノイズ光を除去するためには出射光側に偏光板１５（図１参照）を設けることで、ノイズ光成分をカットする効果が得られ、確実に光路シフトを行うことができ、より高精度な光偏向要素１となる。
【００６４】
もっとも、図３に示すように、基板２，３間にはほぼ直角のコーン角を持つ強誘電性液晶が安定状態の方向と非安定状態の方向との配列方向を取るように配向処理をし充填させてもよい。図３は光偏向要素１の液晶層９を入射光側から見た正面図である。入射する直線偏光の偏光方向は、単安定なホモジニアス配向における非安定状態の方向と一致するように設定されている。
【００６５】
図３に示すような構成において、電圧印加手段１３により透明電極膜４，５間に液晶分子８の長軸が非安定状態の方向を向くように電圧を印加して電界を作用させると、入射光は異常光屈折率ｎｅに応じた出射角で透過する。一方、電圧印加手段１３による印加電圧の極性を反転させて、反転された電界を作用させ液晶分子８の長軸が安定状態の方向を向くようにした時、傾斜領域１１に沿って傾斜した液晶分子８内を通過する直線偏光は常光屈折率ｎｏに応じた出射角で透過する。これらの出射角度の差が偏向角となる。この場合、液晶分子８の複屈折を最大限利用しているので、光利用効率が極めて向上し、高効率な光偏向要素１となる。
【００６６】
ここで、２方向（安定状態の方向と非安定状態の方向）の切換え角度の許容範囲について説明する。液晶分子８の長軸と短軸との屈折率差を最大限に利用するためにはコーン角が直角（９０°）の液晶を用いて配向方向の切換え角度を９０°にすることが好ましいが、実際には図２により前述したように液晶層９の厚みが薄い部分では切換え角度は数度程度小さくなる場合がある。また、温度上昇と共に切換え角度は小さくなる傾向がある。切換え角度が９０°よりも小さくなっていくと、偏向されない光の成分が発生してノイズ光となり、Ｓ／Ｎ比が低下する。このようなノイズ光は偏光面が回転するので、偏光板を透過する光量を測定することで、理想的な配向方向からのズレ角度とノイズ光量との関係を測定することができる。
【００６７】
図４に、直交した２枚の偏光板の間に上述したような単安定型のホメオトロピック配向した強誘電性液晶セルを挟み、液晶配向方向が一方の偏光板の偏光方向と一致した状態を０°として、そこからのズレ角に対する透過率の変化を示す。縦軸の値を１００倍するとパーセント表示となる。透過率の増加は漏れ光、即ち、上述のノイズ光量に比例する。ここでは、液晶層９の厚みが３μｍのセルを用いている。ズレ角が０°でもわずかに漏れ光が観測されるが、これは配向処理方向の不均一性や偏光板の特性によるものと考えられる。ズレ角が５°までは透過率は３パーセント以下で波長依存性も少なく、実用上問題ないと考えられる。ズレ角が１０°になると１０パーセント近いノイズ光が発生し無視できない。従って、ズレ角が５°以下、即ち、配向方向の切換え角度αが９０±５°の範囲であれば実用上問題なく、本発明で言う直角の範囲に含まれる。なお、この９０±５°という数値は直角の設計思想を表す一例に過ぎず、この数値に限定されない。
【００６８】
また、図３に示すような光偏向要素１によれば、液晶層９内を通過した光の偏光回転が起こらないので、出射異常光を除去するための偏光板１５を設けなくても良いという利点もある。
【００６９】
また、図３に示す例にあっても、安定状態の方向と非安定状態の方向とは傾斜領域１１に対してどの角度で配置されていても高効率な光偏向要素１となり得るが、より安定に動作させるために、図１で説明した場合と同様に、液晶分子８の一方の配向方向（例えば、非安定状態の方向）が傾斜領域１１内での安定な位置とされる傾斜方向に垂直な方向となるように配置することが好ましい。
【００７０】
ところで、このような構成の光偏向要素１を２つ組合せて同一光軸上に対向配置させれば、基本的に、入射光に対して出射光を平行シフトさせて出射させることができる。参考として、その原理的構成例を図５に示す。即ち、第１の光偏向要素１ａと第２の光偏向要素１ｂとをそれらの傾斜領域１１ａ，１１ｂの傾斜面１０ａ，１０ｂ同士が平行に対向するように（傾斜領域１１ａ，１１ｂ同士の最大傾斜方向が略平行となるように）同一光軸上に配置させたものである。なお、図示例では、基板３ａと基板２ｂとが同一基板１６により共用する構成例とされている。この基板１６は傾斜領域１１ａ，１１ｂ間を所定距離分だけ離間させる板厚に設定されている。なお、この図５では、簡単化させるため、透明電極膜、配向膜、スペーサ、電源等は図示を省略してあり、また、液晶層９ａ，９ｂ単安定状態の配向状態等は前述した場合と同様である。
【００７１】
このような構成の光偏向素子１７によれば、第１の傾斜領域１１ａの第１の傾斜面１０ａで屈折された光が、一定間隔をおいて配設された第２の傾斜領域１１ｂに入射し、その第２の傾斜面１０ｂで再度屈折されるが、第１，２の傾斜面１０ａ，１０ｂは平行であるため、出射光は入射光と平行な状態で出射する。このようにして、光路を一方向に平行シフトさせることが可能になる。また、両傾斜領域１１ａ，１１ｂの間隔を基板１６の厚みにより調整することで、平行シフト量を調整することもできる。なお、図５に示す参考例では、２つの傾斜領域１１ａ，１１ｂに対して共通の基板１６を用いているが、この中間基板１６に代えて基板３ａ，２ｂを別個に用意して、第１，２の傾斜領域１１ａ，１１ｂを個別に有する２つの光偏向要素１ａ，１ｂとして構成し、これらの２つの光偏向要素１ａ，１ｂを空間を介して所定間隔隔てて対向配置させるようにしてもよい。
【００７２】
ところが、この参考例に示すような構成の場合、２次元的な光の平行シフトを可能にするには、このような光偏向素子１７を２組用意し、同一光軸上に偏向方向が直交するように向きを設定して直列に配置させる必要があり、前述したように、傾斜領域間の距離が２倍必要となり、かなりのスペースが必要となってしまう。
【００７３】
そこで、本実施の形態では、図６に示すように、少なくとも４つの光偏向要素１Ｘａ，１Ｘｂ，１Ｙａ，１Ｙｂを備え、Ｘ，Ｙ方向なる２次元方向のうちでＸ方向に偏向作用を示す光偏向要素１ＸａとＹ方向に偏向作用を示す光偏向要素１Ｙａとを組合せて第１の光偏向素子２１ａを構成し、同様に、２次元方向のうちでＸ方向に偏向作用を示す光偏向要素１ＸｂとＹ方向に偏向作用を示す光偏向要素１Ｙｂとを組合せて第２の光偏向素子２１ｂを構成し、これらの第１，２の光偏向素子２１ａ，２１ｂを同一光軸上で所定距離離間させて配置させることにより光偏向デバイス２２が構成されている。なお、この図６では、図示を簡単化させるため、透明電極膜、配向膜、スペーサ、電源等は図示を省略してあり、各光偏向要素を一対の基板及び傾斜領域のみで略図的に図示している。
【００７４】
より詳細に説明すると、第１の光偏向素子２１ａは入射光をＸ，Ｙ方向なる２次元方向に偏向させるためのものであり、光偏向要素１Ｘａ，１Ｙａの各々の傾斜領域１１Ｘａ，１１Ｙａの最大傾斜方向をなす傾斜面１０Ｘａ，１０Ｙａが直交するように対向配置させることにより構成されている。なお、これらの光偏向要素１Ｘａ，１Ｙａ間には光偏向要素１Ｘａ側から光偏向要素１Ｙａ側に入射する光の偏光方向を９０°回転させる偏光方向切換手段２３ａが介在されている。
【００７５】
第２の光偏向素子２１ｂは第１の光偏向素子２１ａ側から出射されて入射する光を再度屈折偏向させることにより出射光が入射光に対して平行光となるようにする平行化用の素子であり、光偏向要素１Ｘｂ，１Ｙｂの各々の傾斜領域１１Ｘｂ，１１Ｙｂの最大傾斜方向をなす傾斜面１０Ｘｂ，１０Ｙｂが直交するように対向配置させることにより構成されている。なお、これらの光偏向要素１Ｘｂ，１Ｙｂ間には光偏向要素１Ｘｂ側から光偏向要素１Ｙｂ側に入射する光の偏光方向を９０°回転させる偏光方向切換手段２３ｂが介在されている。
【００７６】
これらの２組の第１，２の光偏向素子２１ａ，２１ｂは、これらの光偏向素子２１ａ，２１ｂ間で各々の光偏向要素の対応する方向の傾斜領域同士、即ち、Ｘ方向用の光偏向要素１Ｘａ，１Ｘｂの傾斜領域１１Ｘａ，１１Ｘｂ同士の最大傾斜方向が略平行となり、Ｙ方向用の光偏向要素１Ｙａ，１Ｙｂの傾斜領域１１Ｙａ，１１Ｙｂ同士の最大傾斜方向が略平行となるように共通の光軸上で所定距離離間させて対向配置されている。
【００７７】
なお、光偏向素子２１ａ，２１ｂ間（光偏向要素１Ｘｂの入射側）にも、光偏向要素１Ｙａ側から光偏向要素１Ｙａ側に入射する光の偏光方向を９０°回転させる偏光方向切換手段２４が介在されている。これらの偏光方向切換手段としては、水晶や雲母からなる半波長板等を用いることができる。もっとも、光偏向要素１Ｘｂ，１Ｙｂの順番を入替えた構成の場合には、偏光方向切換手段２４は不要である。また、偏向方向切換手段２３ａ，２３ｂに関しても、屈折率変化物質が偏光依存性を有しない場合には、必須ではない。
【００７８】
また、屈折率変化物質が偏光依存性を有しない場合には、光偏向素子を構成する光偏向要素中で隣接する基板同士を共用させる構成（３枚の基板構成）としてもよい。
【００７９】
このような構成の光偏向デバイス２２によれば、一方の組の光偏向素子２１ａで偏向動作をＸ，Ｙ方向に２次元的に行わせ、その後、各々の光偏向要素の対応する方向の傾斜領域同士の最大傾斜方向が略平行となるように配置させた他方の組の光偏向素子２１ｂに入射させることで、入射光に対して平行光となるようにＸ，Ｙ方向に２次元的に戻して出射させることができる。この際、偏向に必要な光軸方向の素子２１ａ，２１ｂ間隔をＸ，Ｙ方向なる２次元方向で共有できるため、スペースを有効に活用でき、Ｘ，Ｙ方向なる２次元方向への平行偏向が可能な上に、光軸方向のサイズを１次元方向の偏向素子の場合と同等程度に小型化することができる。この際、光偏向素子２１ａ，２１ｂ間の距離により２次元平行シフトのシフト量を規定することができる。
【００８０】
もっとも、光偏向素子２１ａ，２１ｂ間の距離について、各々対応する光偏向要素１Ｘａ，１Ｘｂ間の距離と光偏向要素１Ｙａ，１Ｙｂ間の距離とが異なるように設定すれば、Ｘ方向とＹ方向とでシフト量を異ならせた２次元平行シフトが可能となる。このためには、各々の光偏向素子２１ａ，２１ｂ内で光偏向要素間の距離を異ならせてもよく、或いは、光偏向要素１Ｘａ，１Ｙａ，１Ｙｂ，１Ｘｂの如く、その配列順序を変更させるようにしてもよい。
【００８１】
さらには、２組の光偏向素子２１ａ，２１ｂに関して、各々一対の光偏向要素のみの組合せに限らず、複数対の光偏向要素の組合せで構成してもよい。図７はその一例を略図で示すものであり、光偏向素子２１ａを二対の光偏向要素１Ｘａａ，１Ｙａａ，１Ｘａｂ，１Ｙａｂの組合せで構成し、何れか一方の光偏向要素１Ｘａａ，１Ｙａａの対又は光偏向要素１Ｘａｂ，１Ｙａｂの対を選択的に稼動させるようにしてもよい。何れの光偏向要素の対を選択するかにより光偏向素子２１ｂ側との距離が異なるため、その選択に応じて２次元平行シフト量を切換えることが可能となる。この原理によれば、さらに複数の光偏向要素対を選択稼動自在に備えれば、２次元平行シフト位置の多値化も可能となる。
【００８２】
なお、各々の光偏向要素の傾斜領域に充填される屈折率変化物質としては、液晶（強誘電性液晶等）や、液晶を含むポリマー等が挙げられるが、それらに限定されず、要は、透明電極膜等による電圧印加で屈折率が変化する材料であれば特に限定されない。強誘電性液晶、液晶を含むポリマーの場合には、ネマチック液晶と比較し高速な応答速度が達成できる。さらに、電圧によって屈折の変化量を調整できるのでシフト量を電圧によりコントロールできる。液晶を含むポリマーとしては、高分子安定化液晶、高分子分散液晶、ナノサイズ高分子分散液晶等が挙げられるがこれらの場合には配向処理が必要なく、偏光に依存しない光路シフトが期待できる等のメリットがある。
【００８３】
ナノサイズ高分子分散型液晶は、基本的には高分子分散液晶と同じ構造であるが、液晶の粒子の大きさが、高分子分散液晶では１μｍから数μｍであるのに対し、ナノサイズ高分子分散型液晶では１００ｎｍから１５０ｎｍと小さく、電圧の印加、無印加に関わらず、透明である。また、ナノサイズ高分子分散型液晶の基本的な材料及び製造方法は、高分子分散液晶と同じであるが、固化する際の紫外線の強度を１桁強くし、転移温度よりも数℃温度を高くすることによって、液晶の粒子を１００ｎｍ程度まで小さくすることができる。
【００８４】
ナノサイズ高分子分散型液晶に電圧を印加することによって、偏光無依存で屈折率を変化させることができる（Ｓ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，　Ｍ．Ｈｏｕｌｂｅｒｔ，　Ｔ．Ｈａｙａｓｈｉ　ａｎｄ　Ｋ．Ｋｕｂｏｄｅｒａ，　“Ｆｉｎｅ　ｄｒｏｐｌｅｔｓ　ｏｆ　ＬＣｓ　ｉｎ　ａ　ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ”，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．，　ｖｏｌ．６９（８），　ｐｐ．１０４４参照）。また、その応答速度は、通常の液晶より３倍速く、ナノサイズ高分子分散型液晶に電圧を印加すると、屈折率が約１％変化する。このように、ナノサイズ高分子分散液晶を用いた場合には、偏光無依存で高速応答であるので、ＤＭＤ等の偏光を使わない表示素子にも応用でき光利用効率を大幅に上げることができる。
【００８５】
本発明の第二の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態は、大面積対応の２次元平行シフト可能な光偏向デバイスへの適用例を示す。
【００８６】
大面積対応の光偏向素子デバイスを作製する場合でも基本的には前述した実施の形態の如く作製すればよいが、大面積化すればするほど、傾斜領域１１の拡開側の液晶層厚が極めて厚くなってしまう。そこで、本実施の形態では、光偏向デバイスを構成する上でその構成要素となる光偏向要素３１では、対向する一対の基板２，３のうちの一方、ここでは、基板３の対向面側について断面鋸歯形状の周期構造３２を形成し、傾斜領域１１の傾斜面１０をこの周期構造３２をなす鋸歯形状の複数の斜辺３２ａにより分割形成するようにしたものである。即ち、傾斜領域１１の傾斜面１０は、周期構造３２における鋸歯形状の複数の斜辺３２ａにより分割形成することにより、素子の厚みを制限した状態で巨視的に連続した傾斜面として形成されていることとなる。なお、図８では説明を簡略化するため、透明電極膜、配向膜等は省略してある。また、基板２，３の内面側には配向膜が、図８（ｂ）に示す方向にラビング処理され液晶分子８の安定状態の方向が鋸歯形状の傾斜方向に対して垂直な方向に設定されている。また、液晶層９の厚みは最大部で２０μｍ程度よりも薄くなるようにスペーサ１２により制御されている。配向欠陥部分を生じないようにするためには、液晶層９の厚みの差が５μｍ以下になるような鋸歯形状の周期構造３２に形成するのが好ましい。鋸歯形状の周期構造３２を形成する方法としてはガラス基板をエッチングするか透明プラスチック材料を射出成形等により加工しても良い。このように鋸歯形状の周期構造３２を利用して巨視的に連続した傾斜領域１１を形成することで、大面積での光偏向が可能な光偏向要素３１となる。
【００８７】
従って、このような光偏向要素３１を前述の光偏向要素１に代えて複数個用意して２組の光偏向素子を形成し、これらの光偏向素子を図６の場合と同様に組合せて光偏向デバイスを構成すれば（例えば、後述する実施例１及び図１２参照）、大面積対応の２次元平行シフト可能な光偏向デバイスとなる。
【００８８】
また、このような鋸歯形状の周期構造３２を含む光偏向要素３１を製造する工程としては、後述するように、液晶の注入方向を鋸歯形状の周期構造３２に沿うように設定して注入することにより、効率的に注入でき、注入時間の短縮化、無駄となる過剰液晶の少量化が可能となる。
【００８９】
本発明の第三の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態は、ピクセルシフト方式の画像表示装置８１への適用例を示す。図９において、８２はＬＥＤランプを２次元アレイ状に配列した照明装置用の光源であり、この光源８２からスクリーン８３に向けて発せられる光の進行方向には拡散板８４、コンデンサレンズ８５、画像表示素子としての透過型液晶パネル８６、画像パターンを観察するための光学装置としての投射レンズ８７とが順に配設されている。８８は光源８２に対する光源ドライブ部、８９は透過型液晶パネル８６に対する表示駆動手段としての液晶ドライブ部である。
【００９０】
ここに、透過型液晶パネル８６と投射レンズ８７との間の光路上にはピクセルシフト素子として機能する光偏向装置９０の光偏向デバイス９１が介在されている。この光偏向装置９０中に含まれる光偏向デバイス９１は各実施の形態で前述したようなＸ，Ｙ方向なる２次元方向に平行シフト可能な光偏向デバイスであり、電圧印加手段１３がドライブ制御部９２として接続されている。
【００９１】
光源ドライブ部８８で制御されて光源８２から放出された照明光は、拡散板８４により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ８５により液晶ドライブ部８９で照明光源と同期して制御されて透過型液晶パネル８６をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル８６で空間光変調された照明光は、画像光として光偏向装置９０に入射し、この光偏向装置９０によって画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトされる。この光は投射レンズ８７で拡大されスクリーン８３上に投射される。
【００９２】
ここに、光偏向装置９０により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、透過型液晶パネル８６の見掛け上の画素数を増倍して表示する。このように光偏向装置９０によるシフト量は透過型液晶パネル８６の画素の配列方向に対してＸ，Ｙ両方向（上下左右方向）に各々２倍（＝合計４倍）の画像増倍を行うことから、画素ピッチの１／２に設定される。シフト量に応じて透過型液晶パネル８６を駆動する画像信号をシフト量分だけ補正することで、見掛け上高精細な画像を表示することができる。この際、光偏向デバイス９１として、前述した各実施の形態のような光偏向デバイスを用いているので、ただ単にＸ方向とＹ方向との偏向が可能な光偏向素子を直列に配設させた場合と比較しデバイスが小さくなり、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を提供できる。
【００９３】
なお、画像表示装置９３としては画像表示素子に透過型液晶パネル８６を用いるタイプに限らず、例えば、図１０に示すように反射型液晶パネル９４を用いるタイプにも同様に適用できる。この場合、図９に示した画像表示装置８１に比較して偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）９５が付加され、照明系からの光はＰＢＳ９５により反射型液晶パネル９４側に折り返され、光偏向装置９０を介して反射型液晶パネル９４に照射される。この反射型液晶パネル９４に入射した照明光は、液晶パネル背面に配した反射板（図示せず）によって反射されながら画像に対応した空間変調を受け画像光として出射する。その後、光偏向装置９０に入射し、この光偏向装置９０によって画像光が画素の配列方向に所定距離だけシフトされる。その後の経路は図９に示した透過型液晶パネル８６の場合と同様である。
【００９４】
【実施例】
［実施例１］
大きさ３ｃｍ×３ｃｍ、厚さ１ｍｍの石英ガラス基板をドライエッチングして、傾き角が約０．５°、ピッチ１００μｍの鋸歯形状を１ｃｍ×１ｃｍの面積に形成した後、鋸歯状面にＩＴＯを２０００Åの厚さにスパッタした。次に、ポリイミド配向剤ＡＬ３０４６を約８００Åの厚さに塗布し、その基板表面を、ホモジニアス方向の安定方向が傾斜領域の傾斜方向に垂直な方向になるような条件でラビング法により配向処理を行った。平滑な面のＩＴＯ付きガラス基板を対向基板として、液晶層厚の小さい部分が１．５μｍになるようにビーズを混入した接着剤を用いて貼り合わせた。基板を９０℃に加熱した状態で２枚の基板間に強誘電性液晶（クラリアント製Ｒ５００２、Δｎ＝約０．２）を毛管法で注入方向が鋸歯形状に沿うように図１１に示すように注入し、７０℃から５５℃までを１０Ｖ／μｍの直流電圧を印加した状態で冷却後に封止した。配向状態を観察したところ、鋸歯形状の１ｃｍ×１ｃｍの部分はほぼ均一な配向状態であった。
【００９５】
このようなセル（光偏向要素３１に相当する）を光偏向要素３１Ｘａ，３１Ｙａ，３１Ｘｂ，３１Ｙｂとして４つ作製し、図１２に示すように、光偏向要素３１Ｘａ，３１Ｙａを対として第１の光偏向素子４１ａを形成し、光偏向要素３１Ｘｂ，３１Ｙｂを対として第２の光偏向素子４１ｂを形成し、これらの光偏向素子４１ａ，４１ｂを光軸方向に離間配置させて光偏向デバイス４２を構成した。ただし、光偏向要素３１Ｘａの傾斜領域１１Ｘａの最大傾斜方向と光偏向要素３１Ｙａの傾斜領域１１Ｙａの最大傾斜方向とは略直交するように配置され、光偏向要素３１Ｘｂの傾斜領域１１Ｘｂの最大傾斜方向と光偏向要素３１Ｙｂの傾斜領域１１Ｙｂの最大傾斜方向とは略直交するように配置されている。また、光偏向要素３１Ｘａの傾斜領域１１Ｘａの最大傾斜方向と光偏向要素３１Ｘｂの傾斜領域１１Ｘｂの最大傾斜方向とは平行に対向し、かつ、光偏向要素３１Ｙａの傾斜領域１１Ｙａの最大傾斜方向と光偏向要素３１Ｙｂの傾斜領域１１Ｙｂの最大傾斜方向とは平行に対向するように配置されている。なお、図１２では、分かりやすくするため、液晶層、対向基板等は図示を省略し、略図的に示している。
【００９６】
デバイス全体の光路に沿った長さを３０ｃｍとし、３０ｃｍの範囲で最大のシフト量を得るために、光偏向要素３１Ｘａ，３１Ｙａ、光偏向要素３１Ｘｂ，３１Ｙｂ各々密着させて光偏向素子４１ａ，４１ｂを形成し、かつ、光偏向要素３１Ｘａ，３１Ｘｂの傾斜領域間、光偏向要素３１Ｙａ，３１Ｙｂの傾斜領域間の距離が各々最大となるようにした。
【００９７】
このように作製された光偏向デバイス４２に、レーザ光を入射し、±１０Ｖで各々の傾斜領域に挟まれた液晶分子のスイッチングを行って出射側のＣＣＤ面でのシフト量を測定した。入射光の偏光方向を液晶の安定方向に配置したところ、光路シフトは２次元の垂直な２方向に０．５ｍｍのシフトが得られたものである。
【００９８】
［比較例１］
実施例１と同様にして、光偏向要素３１Ｘａ，３１Ｘｂ，３１Ｙａ，３１Ｙｂを４つ作製し、図１３に示すように、光の入射側よりこの順序で配置させた。ただし、光偏向要素３１Ｘａの傾斜領域１１Ｘａの最大傾斜方向と光偏向要素３１Ｙａの傾斜領域１１Ｙａの最大傾斜方向とは略直交するように配置され、光偏向要素３１Ｘｂの傾斜領域１１Ｘｂの最大傾斜方向と光偏向要素３１Ｙｂの傾斜領域１１Ｙｂの最大傾斜方向とは略直交するように配置されている。また、光偏向要素３１Ｘａの傾斜領域１１Ｘａの最大傾斜方向と光偏向要素３１Ｘｂの傾斜領域１１Ｘｂの最大傾斜方向とは平行に対向し、かつ、光偏向要素３１Ｙａの傾斜領域１１Ｙａの最大傾斜方向と光偏向要素３１Ｙｂの傾斜領域１１Ｙｂの最大傾斜方向とは平行に対向するように配置されている。なお、図１２では、分かりやすくするため、液晶層、対向基板等は図示を省略し、略図的に示している。
【００９９】
デバイス全体の光路に沿った長さを実施例１と同じように３０ｃｍとし、最大のシフト量を得るために、光偏向要素３１Ｘｂ，３１Ｙａを密着させ、かつ、光偏向要素３１Ｘａ，３１Ｘｂの傾斜領域間、光偏向要素３１Ｙａ，３１Ｙｂの傾斜領域間の距離が各々最大となるようにした。
【０１００】
このように作製されたデバイスに、レーザ光を入射し、±１０Ｖで各々の傾斜領域に挟まれた液晶分子のスイッチングを行って出射側のＣＣＤ面でのシフト量を測定した。入射光の偏光方向を液晶の安定方向に配置したところ、光路シフトは２次元の垂直な２方向に０．２５ｍｍのシフトしか得られなかったものである。逆にいえば、実施例１と同じシフト量を得るためには、光路に沿った長さを２倍にする必要があるといえる。
【０１０１】
［比較例２］
実施例１において冷却時に直流電圧を加えない以外は全く同様な処理により液晶の配向を行った場合には、単一ドメインの均一配向が全く得られなかったものである。
【０１０２】
［実施例２］
実施例１と同様の構成で、出射光側に偏光板を設置した。光路シフト量は変化がなかったが、ノイズ光成分が除去され、コントラストが向上したものである。ただし、偏光板の設置により光量が僅かに減少した。
【０１０３】
［実施例３］
実施例１と同様な構成で、強誘電性液晶をナノサイズ高分子分散液晶としたところ０．０２の屈折率変化が得られた。この場合には、強誘電性液晶の場合と異なり、シフト量が偏光に依存しないので、入射光を偏光板等で直線偏光とする必要がなく、実施例１と比較し光源からの光量を２倍に上げることができたものである。
【０１０４】
ちなみに、ナノサイズ高分子分散液晶は、ネマチック液晶（メルク社、ＺＬＩ−２４７１）と紫外線硬化樹脂ＯＰＭ５５（ＡＤＥＬＬ社製）を１：１で混合し、毛管法により基板間に注入し、３５ｍＷ／ｃｍ２の光強度で紫外線を照射して作製した。
【０１０５】
［比較例３］
実施例１において、液晶の注入方向を図１４に示すように鋸歯形状の周期構造に対して垂直となるように設定して注入を行い、それ以外は同様にして素子を作製した。この場合には液晶の注入時間が２倍以上かかり、さらに注入ムラが発生し均一な配向ができなかったものである。
【０１０６】
［実施例４］
実施例１と同様な方法で、６つの光偏向要素１Ｘａａ，１Ｙａａ，１Ｘａｂ，１Ｙａｂ，１Ｙａ，１Ｙｂを作製し、これらを図７に示したように光偏向素子２１ａを二対の光偏向要素１Ｘａａ，１Ｙａａ，１Ｘａｂ，１Ｙａｂの組合せで構成し、何れか一方の光偏向要素１Ｘａａ，１Ｙａａの対又は光偏向要素１Ｘａｂ，１Ｙａｂの対を選択的に稼動させるようにした。ただし、光偏向要素１Ｘａａの傾斜領域の最大傾斜方向と光偏向要素１Ｙａｂの傾斜領域の最大傾斜方向とが略直交するように配置し、光偏向要素１Ｘａａ，１Ｘａｂ、光偏向要素１Ｙａａ，１Ｙａｂの傾斜領域の最大傾斜方向は各々平行となるように対向配置させた。また、偏向要素１Ｘａａ，１Ｘａｂ，１Ｘｂ、光偏向要素１Ｙａａ，１Ｙａｂ，ＩＹｂの傾斜領域の最大傾斜方向は各々平行となるように対向配置させた。
【０１０７】
また、光偏向要素１Ｘａａ，１Ｙａａ、光偏向要素１Ｘａｂ，１Ｙａｂ、光偏向要素１Ｘｂ，１Ｙｂは各々密着させ、各々の間を３０ｃｍずつ間隔をあけて配置させた。
【０１０８】
このように作製された光偏向デバイスに、レーザ光を入射し、±１０Ｖで各々の傾斜領域に挟まれた液晶分子のスイッチングを行って出射側のＣＣＤ面でのシフト量を測定した。光偏向要素１Ｘａａ，１Ｙａａに電圧を印加し駆動させた時と、光偏向要素１Ｘａｂ，１Ｙａｂに電圧を印加し駆動させた時で、入射光の光路シフト量の違いを測定したところ、光偏向要素１Ｘａａ，１Ｙａａを駆動させた時は、１ｍｍのシフト、光偏向要素１Ｘａｂ，１Ｙａｂを駆動させた時は、０．５ｍｍのシフトが得られ、各々異なるシフト量となったものである。
【０１０９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の光偏向デバイスよれば、一方の組の光偏向素子で偏向動作を２次元的に行わせ、その後、他方の組の光偏向素子で入射光に対して平行光となるように２次元的に戻して出射させるようにしたので、偏向に必要な光軸方向の素子間隔を２次元方向で共有できるため、スペースを有効に活用でき、２次元方向への平行偏向が可能な上に、光軸方向のサイズを１次元方向の偏向素子の場合と同等程度に小型化することができる。
【０１１０】
請求項２記載の発明の光偏向デバイスによれば、一方の組の光偏向素子で偏向動作を２次元的に行わせ、その後、各々の光偏向要素の対応する方向の傾斜領域同士の最大傾斜方向が略平行となるように配置させた他方の組の光偏向素子に入射させることで、入射光に対して平行光となるように２次元的に戻して出射させることができ、この結果、偏向に必要な光軸方向の素子間隔を２次元方向で共有できるため、スペースを有効に活用でき、２次元方向への平行偏向が可能な上に、光軸方向のサイズを１次元方向の偏向素子の場合と同等程度に小型化することができる。
【０１１１】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の光偏向デバイスにおいて、２次元的な偏向動作に関して、方向毎に異なる偏向量を設定することができる。
【０１１２】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の発明を実現する上で、より一層の構造の簡素化及び光軸方向の小型化を図ることができる。
【０１１３】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし４の何れか一記載の光偏向デバイスにおいて、光偏向要素対の選択により、偏向量を変えることができ、その選択操作によっては偏向位置の多値化も図ることができる。
【０１１４】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の光偏向デバイスにおいて、傾斜領域の傾斜面を、一方の基板の対向面側に形成された断面鋸歯形状の周期構造における鋸歯形状の複数の斜辺により分割形成したので、素子の厚みを制限した状態で巨視的に連続した傾斜領域の形成が可能となり、大面積での光路シフトが可能な光偏向デバイスを提供することができる。
【０１１５】
請求項７記載の発明よれば、請求項１ないし６の何れか一記載の光偏向デバイスにおいて、単安定性の強誘電性液晶は、大きな傾き角を持ち、配向制御が容易なため、配向性を向上させて光利用効率を上げることができる。
【０１１６】
請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の光偏向デバイスにおいて、当該デバイスから出射される光には偏向量が異なり偏光面も揃っていない光成分がノイズ光として含まれ得るが、偏光板を通すことによりこのようなノイズ光を除去でき、光偏向動作のコントラストが向上し、高精度な偏向動作を行わせることができる。
【０１１７】
請求項９記載の発明によれば、ホモジニアス配向における安定方向と非安定方向との２方向間の角度を略直角とし、入射する直線偏光の方向が、ホモジニアス配向の一方の方向と平行となるように配置したので、偏光方向が液晶分子の長軸屈折率と短軸屈折率の方向と一致し、より効率の良い光偏向を行わせることができる。
【０１１８】
請求項１０記載の発明によれば、請求項１ないし６の何れか一記載の光偏向デバイスにおいて、高分子分散型液晶は屈折率変化が偏光に依存していないため、偏光に依存しない光偏向デバイスを提供することができ、また、通常、高分子分散型液晶では屈折率変化が小さいため従来構成では光進行方向の素子サイズが大きくなると言う不具合があるが、本発明の構成により光軸方向の小型化を達成することができる。
【０１１９】
請求項１１記載の発明の画像表示装置によれば、請求項１ないし１０の何れか一記載の光偏向デバイスを有する光路偏向装置を、画素数の少ない画像表示素子を用いて、見掛け上高精細で光利用効率の高い画像表示装置に適用したので、従来に比べ光偏向素子の配向不良に基づく画像劣化が発生しづらく、安定した画像品質を得ることができる。
【０１２０】
請求項１２記載の発明によれば、一方の基板の対向面側に断面鋸歯形状の周期構造を有する請求項６記載の光偏向デバイスを作製する上で、断面鋸歯形状の周期構造に沿う方向に液晶を注入することにより、液晶を効率的に注入でき、注入時間を短縮でき、かつ、余分な液晶を注入することがなく製造コストのダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光偏向デバイスの構成要素となる光偏向要素を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】その偏向動作の原理を示す模式図である。
【図３】光偏向要素の安定方向と非安定方向との角度を規定した一例を示す正面図である。
【図４】切換え角度の９０°からのズレ角をパラメータとして波長と透過率との関係を示す特性図である。
【図５】参考例を示す正面図である。
【図６】本実施の形態の光偏向デバイスの構成例を略図的に示す斜視図である。
【図７】その変形例となる光偏向デバイスの構成例を略図的に示す斜視図である。
【図８】本発明の第二の実施の形態の光偏向デバイスの構成要素となる光偏向要素を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は正面図である。
【図９】本発明の第三の実施の形態の画像表示装置の構成例を示す概略側面図である。
【図１０】その変形例を示す概略側面図である。
【図１１】実施例における鋸歯形状の周期構造に対する液晶の注入方向を示す斜視図である。
【図１２】実施例における光偏向デバイスの構成例を略図的に示す斜視図である。
【図１３】比較例における光偏向デバイスの構成例を略図的に示す斜視図である。
【図１４】比較例における鋸歯形状の周期構造に対する液晶の注入方向を示す斜視図である。
【符号の説明】
１Ｘａ，１Ｘｂ，１Ｙａ，１Ｙｂ，１Ｘａａ，１Ｘａｂ，１Ｙａａ，１Ｙａｂ
光偏向要素
２，３　　　基板
４，５　　　透明電極膜
９　　　屈折率変化物質、強誘電性液晶
１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂ　　　傾斜領域
１５　　　偏光板
２１ａ，２１ｂ　　　光偏向素子
２２　　　光偏向デバイス
３１Ｘａ，３１Ｘｂ，３１Ｙａ，３１Ｙｂ　　　光偏向要素
３２　　　周期構造
３２ａ　　斜辺
４１ａ，４１ｂ　　　光偏向素子
４２　　　光偏向デバイス
８２　　　照明装置
８６　　　画像表示素子
８７　　　光学装置
８９　　　表示駆動手段
９０　　　光偏向装置
９１　　　光偏向デバイス
９４　　　画像表示素子
【図１】
2004029393.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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004029393.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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