(57)【要約】【課題】高速応答可能な上に多値の光路偏向も可能な光路偏向デバイスを提供する。【解決手段】キラルスメクティックＣ相よりなる強誘電性液晶による液晶層５を有する光路偏向素子１Ａ，１Ｂを利用して光路偏向を行わせることで高速応答動作が可能な上に、目的とする光路偏向方向に関与する複数のこのような光路偏向素子１Ａ，１Ｂを、それらの液晶分子８の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設して光路偏向デバイス１１として構成することで、各々の光路偏向素子１Ａ，１Ｂによる光路偏向の組合せにより多値の光路シフトが可能となる。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた配向膜と、前記基板間に前記配向膜を介して充填されて前記配向膜により層法線が基板法線に平行になるように配向したキラルスメクティックＣ相よりなる液晶層と、この液晶層に対して当該液晶層に平行な方向に電界を作用させるように電圧印加手段により電圧が印加される一対の電極とを有し、これらの電極間への電圧の印加により前記液晶層中の液晶分子を光軸に対して傾斜させて前記液晶層に入射する直線偏光の光路を偏向する複数個の光路偏向素子を備え、
目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子を、それらの液晶分子の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設した光路偏向デバイス。
【請求項２】
前記各光路偏向素子は、対応する個々の前記電極間に印加する電圧の電圧値及びその極性の制御により、基板法線に対して逆向きの角度を含んで前記液晶分子の傾斜角が制御され、複数の前記光路偏向素子の前記液晶分子の傾斜角の組合せにより目的とする光路偏向方向の光路偏向量が規定される請求項１記載の光路偏向デバイス。
【請求項３】
光路偏向量を規定する複数の前記光路偏向素子の前記液晶分子の傾斜角の組合せは、前記各光路偏向素子の前記電極による前記液晶層への電圧印加状態のみの組合せである請求項２記載の光路偏向デバイス。
【請求項４】
前記液晶層への電圧印加状態のみの組合せは、前記液晶分子の傾斜角が飽和する電圧以上の印加電圧による電圧印加の組合せである請求項３記載の光路偏向デバイス。
【請求項５】
目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子による個々の光路偏向量が全て等しい請求項１ないし４の何れか一記載の光路偏向デバイス。
【請求項６】
目的とする光路偏向方向に関与するｎ個の前記光路偏向素子のうちで最大光路偏向量をｄｍａｘとしたとき、ｎ個の前記光路偏向素子はｄｍａｘ／ｎの整数倍の光路偏向量を持つ組合せとされている請求項１ないし４の何れか一記載の光路偏向デバイス。
【請求項７】
目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子のうちで最大光路偏向量をｄｍａｘとしたとき、ｄｍａｘ＊（１／２）ｍ（ｍは０以上の整数）なる光路偏向量を持つ組合せとされている請求項１ないし４の何れか一記載の光路偏向デバイス。
【請求項８】
目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子の数をｎとしたとき、ｄｍａｘ＊（１／２）ｍ（ｍは０≦ｍ≦ｎ−１なる整数）なる光路偏向量を持つ組合せとされている請求項７記載の光路偏向デバイス。
【請求項９】
前記各光路偏向素子の光路偏向量は、各々の液晶層の液晶材料のチルト角により規定される請求項１ないし８の何れか一記載の光路偏向デバイス。
【請求項１０】
前記各光路偏向素子の光路偏向量は、各々の液晶層の層厚により規定される請求項１ないし８の何れか一記載の光路偏向デバイス。
【請求項１１】
目的とする光路偏向方向が方向を異ならせて複数設定され、各々の光路偏向方向毎に関与する複数の前記光路偏向素子を、それらの液晶分子の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設し、光路偏向方向の異なる素子群間に偏光方向切換手段を備える請求項１ないし１０の何れか一記載の光路偏向デバイス。
【請求項１２】
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前記画像表示素子と前記光学部材の間の光路を偏向する請求項１ないし１１の何れか一記載の光路偏向デバイスと、
を備える画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路偏向デバイス及び画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光偏向素子或いは光路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路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】
次に、ピクセルシフト素子に関して従来提案されている技術を数例挙げて説明する。
【０００９】
例えば、特許第２９３９８２６号公報に示されるように、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ある。
【００１０】
同公報例においては、偏光方向を旋回できる光学素子（旋光素子）を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子（複屈折素子）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。
【００１１】
また、特開平５−３１３１１６号公報に示され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。
【００１２】
ところが、同公報例においては、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。
【００１３】
さらに、特開平６−３２４３２０号公報によれば、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偏向する光学部材を配し、また、フィールド毎に、前記光路の偏向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、前記光路の偏向が行われるものである。
【００１４】
同公報例においては、光路を偏向する手段として、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）させ光路を切換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。
【００１５】
また、特開平１０−１３３１３５号公報によれば、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。
【００１６】
同公報例では、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、前述の特開平６−３２４３２０号公報の場合と同様の問題点がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１８】
▲３▼の応答速度に関し、画像表示装置におけるピクセルシフトに必要な光偏向の速度は以下のように見積ることができる。画像フィールド（時間ｔＦｉｅｌｄ）を時間的にｎ分割し、各ｎ個のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材との間の光路を偏向してピクセルシフトのシフト位置をｎ箇所に定めた場合、１つのサブフィールドの時間ｔＳＦは、
ｔＳＦ＝ｔＦｉｅｌｄ／ｎ
で表される。この時間ｔＳＦの期間中に光偏向がなされるが、その時間をｔｓｈｉｆｔとするとこのｔｓｈｉｆｔの期間は表示が行えないため、この期間に相当する分だけ光利用効率が低下する。
【００１９】
光利用効率Ｅは以下の式で表される。
【００２０】
Ｅ＝（ｔＳＦ−ｔｓｈｉｆｔ）／ｔＳＦ
仮にピクセルシフト位置ｎがｎ＝４、画像フィールドｔＦｉｅｌｄが１６．７ｍｓである場合に、光利用効率Ｅを９０％以上確保するためには、
０．９＜（１６．７／４−ｔｓｈｉｆｔ）／（１６．７／４）
ｔｓｈｉｆｔ＜０．４２（ｍｓ）
となり、光偏向を０．４２ｍｓで行う必要がある。通常のネマチック液晶は応答速度が数ｍｓ以上であるため、ここに示すような高速ピクセルシフトのための光学素子としては使用することはできない。
【００２１】
特開平６−１８９４０号公報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、ピクセルシフトに用いることはできない。一方、キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶ではその応答速度は十分０．４２ｍｓ以下に設定することが可能である。
【００２２】
また、特開平９−１３３９０４号公報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、キラルスメクチックＣ相に見られるような高速動作はやはり望めない。
【００２３】
このような点を考慮すると、従来の光路偏向素子における問題点、即ち、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、光学ノイズを改善し、構成が簡単で、高速応答可能な光路偏向素子ないしは光路偏向デバイスの提案が待たれる。
【００２４】
このようなことから、本出願人によれば、垂直配向（ホメオトロピック配向）させた強誘電性液晶を用いることで、簡便な構造で、高速応答可能な光路偏向素子が提案されている。即ち、透明な一対の基板と、基板間に充填されたキラルスメクチックＣ相強誘電性液晶よりなる光偏向素子であって、２方向以上に時間的に切換えて電界を印加することにより、光透過率をほぼ一定に保ったまま光偏向方向を制御できるようにした光路偏向素子である。この場合、キラルスメクチックＣ相強誘電性液晶の層法線方向が基板法線方向と略平行なホメオトロピック配向とされている。また、光路偏向素子に対する電界付与手段は、当該光路偏向素子の液晶層における層法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を発生させることが可能で、当該光路偏向素子の外部に配設された少なくとも１組以上の電極対とされている。
【００２５】
ところが、このような提案例による場合、強誘電性液晶を用いているために高速な応答が実現できるものの、多値のシフト特性を得るためには課題がある。即ち、液晶分子の傾斜角（チルト角）が飽和するような印加電圧をＶｓａｔとしたとき、＋Ｖｓａｔ又は−Ｖｓａｔの電圧を印加した際には十分に高速な応答速度が得られ、対応するチルト角＋θｓａｔ、−θｓａｔの間で高速にスイッチングを行わせることができるが、電圧がＶｓａｔに満たない場合には応答速度が不十分となるという問題がある。特に、電圧無印加状態を含む低電圧域では特に遅く、例えばＶｓａｔ→０Ｖでは１秒以上の応答速度となってしまう。これは、例えば３値以上の光路シフト（光路偏向）特性を持たせる場合においては大きな問題となる。
【００２６】
本発明は、高速応答可能な上に多値の光路偏向も可能な光路偏向デバイス及びこれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。
【００２７】
本発明は、上記目的を実現する上で、より一層の光路偏向の多値化を図れる光路偏向デバイスを提供する。
【００２８】
本発明は、上記目的を実現する上で、より一層の光路偏向の多値化及び光路偏向量の適正化を図れる光路偏向デバイスを提供する。
【００２９】
本発明は、上記目的を実現する上で、多値化された光路偏向の２次元化を図れる光路偏向デバイスを提供する。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の光路偏向デバイスは、透明な一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた配向膜と、前記基板間に前記配向膜を介して充填されて前記配向膜により層法線が基板法線に平行になるように配向したキラルスメクティックＣ相よりなる液晶層と、この液晶層に対して当該液晶層に平行な方向に電界を作用させるように電圧印加手段により電圧が印加される一対の電極とを有し、これらの電極間への電圧の印加により前記液晶層中の液晶分子を光軸に対して傾斜させて前記液晶層に入射する直線偏光の光路を偏向する複数個の光路偏向素子を備え、目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子を、それらの液晶分子の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設した。
【００３１】
従って、キラルスメクティックＣ相よりなる強誘電性液晶による液晶層を有する光路偏向素子を利用して光路偏向を行わせることで高速応答動作が可能な上に、目的とする光路偏向方向に関与する複数のこのような光路偏向素子を、それらの液晶分子の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設してデバイス構成しているので、各々の光路偏向の組合せにより多値の光路シフトが可能となる。
【００３２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光路偏向デバイスにおいて、前記各光路偏向素子は、対応する個々の前記電極間に印加する電圧の電圧値及びその極性の制御により、基板法線に対して逆向きの角度を含んで前記液晶分子の傾斜角が制御され、複数の前記光路偏向素子の前記液晶分子の傾斜角の組合せにより目的とする光路偏向方向の光路偏向量が規定される。
【００３３】
従って、各光路偏向素子間で互いに逆向きとなる液晶分子の傾斜方向の組合せを含むことで、可能な光路偏向の組合せが増え、効率よく光路シフトの多値化を図れる。即ち、光路偏向素子間での光路偏向の打ち消し合いの組合せを含むことで、より多くの光路シフトレベルを実現できる。
【００３４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の光路偏向デバイスにおいて、光路偏向量を規定する複数の前記光路偏向素子の前記液晶分子の傾斜角の組合せは、前記各光路偏向素子の前記電極による前記液晶層への電圧印加状態のみの組合せである。
【００３５】
従って、この種の液晶の場合、電圧印加状態から電圧無印加状態のホメオトロピック配向への配向変化は非常に遅いが、このような電圧無印加状態を含まず電圧印加状態のみの組合せで光路偏向を行わせることで、高速に光路偏向を行わせることができる。
【００３６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の光路偏向デバイスにおいて、前記液晶層への電圧印加状態のみの組合せは、前記液晶分子の傾斜角が飽和する電圧以上の印加電圧による電圧印加の組合せである。
【００３７】
従って、電界強度が大きいほど応答速度が速く、同時に、液晶分子の傾斜角も大きくなるので、液晶分子の傾斜角が飽和する電圧以上の印加電圧による電圧印加の組合せで光路偏向を行わせることで、より一層高速に光路偏向を行わせることができる。
【００３８】
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路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子による個々の光路偏向量が全て等しい。
【００３９】
従って、多値の光路偏向の設定が容易な上に、各種用途において、より適用性・汎用性を持たせることもできる。
【００４０】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の光路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向に関与するｎ個の前記光路偏向素子のうちで最大光路偏向量をｄｍａｘとしたとき、ｎ個の前記光路偏向素子はｄｍａｘ／ｎの整数倍の光路偏向量を持つ組合せとされている。
【００４１】
従って、各光路シフトレベル間のシフト量を同一とするための、好適な一例が提供される。
【００４２】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の光路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子のうちで最大光路偏向量をｄｍａｘとしたとき、ｄｍａｘ＊（１／２）ｍ（ｍは０以上の整数）なる光路偏向量を持つ組合せとされている。
【００４３】
従って、各光路シフトレベル間のシフト量を同一とするための、好適な一例が提供される。
【００４４】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の光路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子の数をｎとしたとき、ｄｍａｘ＊（１／２）ｍ（ｍは０≦ｍ≦ｎ−１なる整数）なる光路偏向量を持つ組合せとされている。
【００４５】
従って、請求項７記載の発明を実現する上で、最もレベル数の多い光路偏向を可能にする好適な一例が提供される。
【００４６】
請求項９記載の発明は、請求項１ないし８の何れか一記載の光路偏向デバイスにおいて、前記各光路偏向素子の光路偏向量は、各々の液晶層の液晶材料のチルト角により規定される。
【００４７】
従って、強誘電性液晶の場合、そのチルト角は用いる液晶材料によりほぼ定まるので、適当な液晶材料を選択してチルト角を適宜設定することで、その光路偏向量を適正に規定することができる。
【００４８】
請求項１０記載の発明は、請求項１ないし８の何れか一記載の光路偏向デバイスにおいて、前記各光路偏向素子の光路偏向量は、各々の液晶層の層厚により規定される。
【００４９】
従って、光路偏向素子による光路偏向量はその液晶層の層厚に比例するので、各々の液晶層の層厚を適宜設定することにより、その光路偏向量を適正に規定することができる。
【００５０】
請求項１１記載の発明は、請求項１ないし１０の何れか一記載の光路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向が方向を異ならせて複数設定され、各々の光路偏向方向毎に関与する複数の前記光路偏向素子を、それらの液晶分子の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設し、光路偏向方向の異なる素子群間に偏光方向切換手段を備える。
【００５１】
従って、多値化された光路偏向の２次元化を適正に図れる。
【００５２】
請求項１２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前記画像表示素子と前記光学部材の間の光路を偏向する請求項１ないし１１の何れか一記載の光路偏向デバイスと、を備える。
【００５３】
従って、請求項１ないし１１の何れか一記載の光路偏向デバイスを備えることで、画像表示素子の表示可能な画素数に対して、光路偏向デバイスが可能なシフトレベル倍の画素数の表示が行え、極めて高精細な表示画可能な画像表示装置を提供できる。
【００５４】
【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６に基づいて説明する。
【００５５】
まず、本実施の形態の光路偏向デバイスの構成要素となる単一の光路偏向素子１の原理的な構成及びその偏向作用について図１ないし図３を参照して説明する。図１は、光路偏向素子１の原理的構成例を示す断面図である。この光路偏向素子１においては、まず、一対の透明な基板２，３が対向配置させて設けられている。そして、少なくとも一方、ここでは基板２側内面には配向膜４が形成されており、この配向膜４と他方の基板３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を充填させた液晶層５が形成されている。
【００５６】
このような一対の基板２，３及び液晶層５を有する構造体に対して、目的とする光路偏向方向に対応させて一対の電極６ａ，６ｂが配置され、電圧印加手段としての電源７に接続されている。電極６ａ，６ｂは、光路と重ならない位置で当該光路偏向素子１の液晶回転軸に対して略垂直方向に電界ベクトルが向くように（当該液晶層５に平行な方向に電界を作用させるように）設置されている。電極６ａ，６ｂは、基板２，３と一体化させて設けても、分離させて設けても良い。また、液晶層５の膜厚を規定するためのスペーサを電極に兼用することも可能である。さらに、光偏向による光の進行方向を３箇所以上に振りたい場合は、入射光の偏光面をその偏向方向に対応させて回転させるとともに、電極対をやはりそれらに対応させ複数設ければよい。
【００５７】
ここで、液晶層５の液晶に関して説明する。「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、上述の層の法線方向（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。キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶層５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。
【００５８】
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。
【００５９】
本実施の形態の光路偏向素子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４により基板２，３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、従来より行われている方法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（例えば、竹添、福田「強誘電性液晶の構造と物性」コロナ社、ｐ２３５　参照）。
【００６０】
このような光路偏向素子１の特徴は、素子の光が透過する部分の層構成が極めて簡単であり光損失が少ない点と製造コストを抑制できる点である。さらに複雑な電極をパタニングすることなく１つの素子であらゆる方向に光路を偏向させることが可能である点である。また、キラルスメクチックＣ相はスメクチックＡ相や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点が特徴である。特に、電界方向に対して液晶ダイレクタ方向が一義的に決定されるため、スメクティックＡ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。
【００６１】
次に、このような光路偏向素子１の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配向を模式的に示したものである。ただし、図１では電界が上下方向に印加されるように描いているが、図２では便宜上紙面表裏方向に印加されるように描いており、電界は紙面表裏方向に発生するものとする。また、電界方向は目的とする光路の偏向方向に対応して電源７により切換えられる。図２における電極６ａ，６ｂは、上述したように基板２，３と一体化してもまた分離して設けてもよい。
【００６２】
図２においてＸＹＺ直交座標系を図示する通りにとったときの液晶層５内のＸＺ断面を図３に示す。液晶層５内のＸＺ断面において液晶ダイレクタ（液晶分子）８は図３に示す通り分布する。θは液晶回転軸からの液晶ダイレクタ８の傾き角である（以後、単に「傾き角」と呼ぶ）。液晶の自発分極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、液晶ダイレクタ８は液晶回転軸が略基板垂直方向であるためＸＺ面内にある。液晶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、偏光面を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、光は液晶内で常光として屈折率ｎｏを受け直進し、図３中、ａ方向に進む。即ち、光偏向は受けない。
【００６３】
一方、偏光面が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ダイレクタ方向及びｎｏ，ｎｅ両者から求められる。より詳しくは、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ｎｏ，ｎｅ及びダイレクタ方向θに対応した偏向を受け、図３中、ｂに示す方向にシフトする。
【００６４】
今、液晶層５の厚み（ギャップ）をｄとするとき、シフト量（光路偏向量）Ｓは以下の（１）式で表される（例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、ｐ１９８参照）。
【００６５】
Ｓ＝［（１／ｎｏ）２−（１／ｎｅ）２］ｓｉｎ（２θ・ｄ）
÷［２（（１／ｎｅ）２ｓｉｎ２θ＋（１／ｎｏ）２ｃｏｓ２θ）］　……（１）
電界方向を反転させた時、液晶ダイレクタ８は図３においてＸ軸を中心とした線対称の配置を取り、偏光面がＺ軸方向である直線偏光の進行方向は図３中にｂ′に示す通りとなる。
【００６６】
従って、この直線偏光に対して、電界方向を制御することで、ｂとｂ′との２位置、即ち、２Ｓなる光路偏向量の光路偏向が可能となる。
【００６７】
液晶材料の代表的物性値（ｎｏ＝１．６，ｎｅ＝１．８）に対して得られる光路偏向量について計算すると、液晶ダイレクタ８の傾き角が２２．５°のとき、２Ｓ＝５（μｍ）の偏向量を得るためには液晶の厚みを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））、サブｍｓオーダの十分高速な応答速度が得られる。
【００６８】
つづいて、このような構成及び作用を示す複数個、例えば、２個の光路偏向素子１Ａ，１Ｂを用いて構成される光路偏向デバイス１１の原理的な構成及び作用について図４を参照して説明する。まず、電極６ａに対して＋電圧印加時、光路偏向素子１Ａは図示のような傾斜角と光軸（光軸は基板法線に平行）を含む面内で光軸に垂直に振動する光に対して、図中に示すようにｄ１（＋）の光路シフト（光路偏向）を誘起される。また、電極６ａに対して−電圧印加時にはｄ１（−）の光路シフト（光路偏向）を誘起される。同様に、光路偏向素子１Ｂにおいては、印加する電圧の極性に応じてｄ２（＋）又はｄ２（−）の光路シフト（光路偏向）を誘起される。一般に、ｎ個の光路偏向素子１の組合せにおいて、光路シフト量（光路偏向量）ｓは、
ｓ＝ｄ１＋ｄ２＋…＋ｄｎ
と表される。垂直配向の強誘電性液晶ではｄｍは印加電圧の極性によって正負の値を取り得るので、これらの動作状態の組合せによって多値の表示を行わせることができる。
【００６９】
即ち、図４（ａ）に示す例は、液晶分子８の傾斜方向が光路偏向素子１Ａ，１Ｂともに同一方向に傾斜した組合せであり、ｄ１（＋）＋ｄ２（＋）の光路シフト量が得られる。図４（ｃ）に示す例は、液晶分子８の傾斜方向が光路偏向素子１Ａ，１Ｂともに同一方向（図４（ａ）の場合とは逆方向）に傾斜した組合せであり、ｄ１（−）＋ｄ２（−）の光路シフト量（ただし、ｄ１（−），ｄ２（−）＜０）が得られる。また、図４（ｂ）に示す例は、液晶分子８の傾斜方向を光路偏向素子１Ａ，１Ｂ間で逆方向に組合せた例であり、ｄ１（＋）＋ｄ２（−）（ただし、ｄ２（−）は負）のシフト量となる。
【００７０】
このように、液晶分子８の傾斜方向が同じ面内にある２つ以上の光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…を組合せて光路偏向デバイス１１を構成し、各々の電極間に印加する電圧値や極性を制御して図４（ａ）〜（ｃ）に示すような動作を行わせることで、上下方向に３種の光路シフトを実現することができる。液晶分子８の傾斜方向は光軸と入射偏光の振動面との作る面内にある必要がある。これ以外の場合には、解像度の低下や隣接画素とのクロストークを生じてしまうからである。
【００７１】
ところで、このような複数の光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…の組合せからなる本実施の形態の光路偏向デバイス１１を動作させる際には、これらの複数の光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…の傾斜角の組合せによって定まる当該光路偏向デバイス１１の作用状態が、液晶に電圧が印加された状態のみの組合せからなることが特に好ましい。キラルスメクチックＣ相のような強誘電性液晶は例えば図５（ａ）に示すように（図４（ａ）と同じ）電圧印加時には印加電界と自発分極の相互作用により強い回転トルクを生じ、高速で動作させることができるが、図５（ｂ）の光路偏向素子１Ｂに示すように電圧印加状態から電圧無印加状態のホメオトロピック配向への配向変化は非常に遅いため、上述のように液晶に電圧が印加された状態のみの組合せとすることで特に高速の応答性を実現することができる。
【００７２】
また、本実施の形態の光路偏向デバイス１１をさらに高速で動作させるためには、十分な電圧を印加された状態間で動作させることが好ましい。図６は印加電界強度と液晶分子８の傾斜角及び応答速度との関係を図示したものである。電界強度が大きいほど応答速度が速くなることが分かる。また同時に液晶分子８の傾斜角も大きくなる。傾斜角の電界依存が大きい領域、例えば５０Ｖ／ｍｍ以下では１ｍｓ以上の応答速度となってしまう。これに対して、傾斜角が飽和し出す５０Ｖ／ｍｍ以上の電界強度では１ｍｓ以下の応答速度を得ることができる。図６の関係は、液晶材料や液晶層厚によって変化するが、上述のように液晶分子８の傾斜角がほぼ飽和する電圧以上であれば、所望の応答速度を得ることができる。ここで、本発明における「傾斜角が飽和する電圧（飽和電圧）」とは、傾斜角の変化量が９０％以上となる電圧と定義する。
【００７３】
さらに、複数の光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…の傾斜角の組合せとしては、図４（ｂ）に示すような、基板法線に対して互いに逆向きの傾斜角、即ち、±の組合せを含むことが好ましい。同じ向きの傾斜角だけの場合、例えば、図４に示すような２つの光路偏向素子１Ａ，１Ｂの組合せ例によると、飽和電圧印加状態間のスイッチングでは、図４（ａ）及び図４（ｃ）の２つの状態の間の切換えしかできない。これに対して、図４（ｂ）に示すような傾斜角が互いに逆向きとなるような作用状態を含む場合には、３値の光路偏向が可能となる。なお、図４では光路偏向素子１Ａと光路偏向素子１Ｂとの光路シフト量（光路偏向量）が同じ場合を図示している。この場合、１つの光路偏向素子による光路シフト量をｄとすれば、＋２ｄ，０，−２ｄのシフト量間での光路変調が可能である。一般的には、第ｎ番目の光路偏向素子のシフト量をｄｎとすれば、光路偏向デバイス全体のシフト量Ｄは±ｄｎ（＋又は−は各光路偏向素子の液晶分子の傾斜方向によって何れかをとる）のｎに対する総和となる。
【００７４】
このような光路偏向デバイス１１を画像表示素子と拡大光学系とを含む拡大表示装置に適用した場合、光路偏向デバイスと画像データの更新を同期させることで、元画像の画素数にシフトのレベル数を乗じた高精細の表示が可能となる。このような用途の場合、各シフトレベル間の光路シフト量（光路偏向量）は全て同一であることが好ましい。また、本発明による光路偏向デバイス１１は、光通信、光データ処理等にも好ましく用いられ、応用範囲は広いが、何れの場合にも各シフトレベル間の光路シフト量（光路偏向量）が同一である方が適用性・汎用性は広い。
【００７５】
ここに、本実施の形態の光路偏向デバイス１１において、各シフトレベル間の光路シフト量（光路偏向量）を全て同一とするための構成の第一の好適例としては、各光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…の光路シフト量を全て同一とする構成例が挙げられる。この場合の光路シフト量（光路偏向量）ｄ１，ｄ２，…とＤとの関係を２素子、３素子、４素子の構成について各々表１〜表３に示す。表では、簡略化のために各光路偏向素子の光路シフト量を±１とした。表１〜表３から分かるように、２素子の場合で３値、３素子で４値、４素子で５値と（素子数＋１）の光路シフトレベルを等間隔で実現することができる。
【００７６】
【表１】
2004021098.tif 000003
【００７７】
【表２】
2004021098.tif 000004
【００７８】
【表３】
2004021098.tif 000005
【００７９】
また、本実施の形態の光路偏向デバイス１１において、各シフトレベル間の光路シフト量（光路偏向量）を全て同一とするための構成の第二の好適例としては、光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…のうちで最大シフト量（最大光路偏向量）をｄｍａｘとし、光路偏向素子の数をｎとしたとき、ｄｍａｘ／ｎの整数倍の光路シフト量を有する光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…により構成する例が挙げられる。この場合のシフト量をｄｍａｘ＝ｄ１＝１の場合であって、２素子から４素子の場合について例示すると表４〜表８のようになる。表４では４値、表５では６値、表６では８値、表７、表８では９値と表１〜表３の構成で実現できるシフトレベル数よりも、より大きいシフトレベル数を実現することができる。
【００８０】
【表４】
2004021098.tif 000006
【００８１】
【表５】
2004021098.tif 000007
【００８２】
【表６】
2004021098.tif 000008
【００８３】
【表７】
2004021098.tif 000009
【００８４】
【表８】
2004021098.tif 000010
【００８５】
さらに、本実施の形態の光路偏向デバイス１１において、各シフトレベル間の光路シフト量（光路偏向量）を全て同一とするための構成の第三の好適例としては、光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…のうちで最大シフト量（最大光路偏向量）をｄｍａｘとしたとき、ｄｍａｘ＊（１／２）ｍ（ｍは０以上の整数）なるシフト量を有する光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…により構成する例が挙げられる。同様にして、ｄｍａｘ＝ｄ１＝１の場合について、好適な例を２素子から４素子の場合について例示すると表９〜表１３のようになる。各々４レベル、５レベル、６レベル、６レベル、７レベルとシフト量が同一の表１〜表３に比べて高いシフトレベル数を実現することができる。
【００８６】
【表９】
2004021098.tif 000011
【００８７】
【表１０】
2004021098.tif 000012
【００８８】
【表１１】
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【００８９】
【表１２】
2004021098.tif 000014
【００９０】
【表１３】
2004021098.tif 000015
【００９１】
なお、第三の好適例において、光路偏向素子の数をｎとしたとき、ｄｍａｘ＊（１／２）ｍなる光路シフト量（ｍは０＜ｍ＜ｎ−１の整数）の光路偏向素子の組合せにより構成することがより好ましい。これについても、ｄｍａｘ＝ｄ１＝１の場合について、好適な例を２素子から４素子の場合について例示すると表１４〜表１６のようになる。この方法によっては２ｎの光路シフトレベルが得られ、特に大きなシフトレベルが得られることから最も好ましい。
【００９２】
【表１４】
2004021098.tif 000016
【００９３】
【表１５】
2004021098.tif 000017
【００９４】
【表１６】
2004021098.tif 000018
【００９５】
なお、これらの例では先頭の光路偏向素子の光路シフト量ｄ１が最も大きい場合を例にとり説明したが、最も光路シフト量が大きい光路偏向素子はどれであってもよく、また、順番にも依存しない。
【００９６】
ところで、各光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…について、各々の光路シフト量を上述のように規定する方法としては、各々の液晶材料のチルト角制御による方法を好適例として挙げることができる。即ち、強誘電性液晶のチルト角は用いる液晶材料によってほぼ定まるため、適当な材料を選択することで光路シフト量を制御し所望の値に規定することが可能である。
【００９７】
また、各光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…について、各々の光路シフト量を上述のように規定する方法としては、各々の液晶層５の層厚制御による方法を好適例として挙げることができる。即ち、光路偏向デバイス１１を構成する各々の光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…の光路シフト量は、液晶層５の厚さに比例する。よって、必要な光路シフト量に合わせて液晶層厚を異ならせた光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…を作製し、これらを図４等のように配置することで実現可能である。この方法は、液晶材料を変えるのに比べて、光路シフト量制御が容易であることから、より好ましい。
【００９８】
なお、上述の説明では、光路偏向デバイス１１を構成する光路偏向素子１Ａ，１Ｂ，…の数を２〜４個の例で説明したが、５個以上の組合せであってもよい。数が多ければ多いだけより多くのシフトレベル及び大きな光路シフト量が制御可能となる。上限数は、多数枚化することによる光量損失によって制約されるが、これは用いられる用途によって異なる。
【００９９】
本発明の第二の実施の形態を図７に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。第一の実施の形態では、目的とする光路偏向方向が１方向のみのデバイス構成例で説明したが、本実施の形態では、目的とする光路偏向方向を２方向とし、２次元の光路偏向を可能とした光路偏向デバイス２１への適用例を示す。
【０１００】
図７はこの光路偏向デバイス２１の原理的構成を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）はその平面図である。この光路偏向デバイス２１は一方の光路偏向方向に関与する複数個の光路偏向素子１ａ，１ｂ，１ｃをそれらの液晶分子８の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設して第１の素子群２２Ａを構成し、同様に、他方の光路偏向方向に関与する複数個の光路偏向素子１ｄ，１ｅ，１ｆをそれらの液晶分子８の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設して第２の素子群２２Ｂを構成し、これらの第１，２の素子群２２Ａ，２２Ｂ間に、第１の素子群２２Ａ側から出射され第２の素子群２２Ｂ側に入射する光の偏光面の偏光方向を切換える偏光方向切換手段２３を備えることにより構成されている。
【０１０１】
即ち、図７を参照すれば、第１の素子群２２Ａは図７（ａ）において紙面上下方向に偏光した入射光の光路を紙面上下方向に偏向させるためのもので、ここでは、光路シフト量の異なる３層の光路偏向素子１ａ，１ｂ，１ｃにより構成されている。同様に、第２の素子群２２Ｂは図７（ａ）において紙面表裏方向に偏光した光の光路を紙面表裏方向に偏向させるためのもので、ここでは、光路シフト量の異なる３層の光路偏向素子１ｄ，１ｅ，１ｆにより構成されている。偏光方向切換手段２３としては位相差板などが用いられ、第１の素子群２２Ａによって紙面上下方向（図７（ａ））に光路偏向された光の偏向方向を、紙面表裏方向（図７（ａ））の偏光面を持つ偏光に変換して、第２の素子群２２Ｂに入射させる。第２の素子群２２Ｂに入射した光の光路は、紙面表裏方向（図７（ａ））に偏向され、結果として２次元的な光路変調が行われる。各々３層構成の第１，２の素子群２２Ａ，２２Ｂの光路シフトレベルは上述したように３層構成では最大１６であるので、第１，２の素子群２２Ａ，２２Ｂの組合せで１６＊１６＝２５６レベルの光路変調が可能となる。
【０１０２】
なお、本実施の形態では、異なる方向への偏向として、直交する方向への光路シフトについて例示したが、直交方向に限らず、中間的な角度方向に偏向させることも、偏光方向切換手段２３の選択によって可能である。
【０１０３】
本発明の第三の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような光路偏向デバイスを用いた画像表示装置への適用例を示す。即ち、前述したような光路偏向デバイス１１，２１等は、その高速性と光路シフトの多値制御性から光通信や光演算などの光情報伝送に好適に用いられるが、特に拡大表示装置に用いた場合には、きわめて高精細な表示を行わせることができ好ましい。
【０１０４】
図８は画像表示装置の概略を示す構成図である。図８において、３１は光源であり、３２、３３はフライアイレンズアレイであり、光源光を均一化するために設けられたインテグレータ光学系を構成している。３４は照明光を画像表示素子３５に集光、照明するためのコンデンサレンズである。これらの部材３１〜３４により画像表示素子３５を照明する照明装置３６が構成されている。画像表示素子３５としては、例えば反射型液晶パネルが用いられている。また、画像表示素子３５・スクリーン３７間の光路上には光学部材としての投射レンズ３８が配設されている。また、画像表示素子３５の前段にはこの画像表示素子３５に対する照明光と画像表示素子３５から出射される画像光とを分離するための偏光ビームスプリッタ３９が配設されている。
【０１０５】
そして、この偏光ビームスプリッタ３９（画像表示素子３５）と投射レンズ３８と間の光路上に、光路偏向デバイス４０が配設されている。この光路偏向デバイス４０は前述した実施の形態の光路偏向デバイス１１，２１等によるものである。
【０１０６】
なお、画像表示素子３５、光路偏向デバイス４０に対しては各々制御回路４１，４２が接続されている。
【０１０７】
このような構成において、光源３１から放出された照明光は、インテグレータ照明系より均一化された照明光となり、コンデンサレンズ３４により画像表示素子３５を照明する。この画像表示素子３５により空間光変調された照明光は、画像光として光路偏向デバイス４０に入射し、光路偏向デバイス４０によって画像光が画素の配列方向に設定されたシフト量だけ光路シフトされる。この光は投射レンズ３８で拡大されスクリーン３７に投射される。光路シフト量は画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行う場合は画素ピッチの１／２にし、４倍の画素増倍を行う場合は画素ピッチの１／４にすることが好ましい。何れの場合も、シフトレベル数に応じて量に応じて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構成し、各サブフィールド毎に光路偏向デバイス４０を作用させ、光路偏向デバイス４０の作用状態に応じた表示位置に対応する画像情報を画像表示素子３５に表示させることで、見掛け上高精細な画像を表示することができる。
【０１０８】
なお、本実施の形態では、画像表示素子３５として反射型液晶パネルを用いた構成例で説明したが、透過型液晶パネルやマイクロミラーなどの光学素子を２次元的に配列し、該光学素子を動作させることで表示を行う画像表示素子であってもよい。
【０１０９】
【実施例】
上述した実施の形態に準ずる具体的な実施例を以下に列挙する。
【０１１０】
［実施例１］
図９に示すように、ガラス基板５１，５２の表面をシランカップリング剤で処理して垂直配向膜（図示せず）を形成した。厚さ２０μｍ、アルミシート５３，５４をスペーサ兼電圧印加用電極として基板５１，５２間に配置した。両電極５３，５４は平行となるよう配置し、その間隔は２ｍｍとした。基板５１，５２間の空隙にはチルト角が２５°である強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ１０２４）を注入し、液晶層５５を形成し、これを、第１の光路偏向素子とした。５６は外周シール用の接着剤である。同様にして作製した第２の光路偏向素子を第１の光路偏向素子に重ね合わせ、図４等で説明した光路偏向デバイス１１を構成した。
【０１１１】
このように構成された光路偏向デバイスの入射面側に２４．５μｍ幅のライン／スペースのマスクパターンを設け、このマスクパターン側からコリメートされた直線偏光で光路偏向デバイスを照明した。直線偏光の向きは、アルミ電極５３，５４の長手方向と同一に設定した。素子の温度が２５℃の状態で、マスクパターンを透過した光を光路偏向デバイスを通して顕微鏡で観察した。
【０１１２】
各々の光路偏向素子の電極５３，５４間に液晶のチルト角がほぼ完全に飽和する±２００Ｖの矩形電圧を印加したところ、２つのセルの同じ位置の電極に同極性の電圧を印加した場合には、±２．５μｍの２値の光路シフトが観察された。さらに、２つのセルの同じ位置の電極に逆極性の電圧を印加し、２つの光路偏向素子の液晶分子の傾斜方向を逆向きとした場合には、光路シフトは観察されず、電圧の印加方法によって３種のシフトレベルが得られることが確認できた。光路偏向の速さは高速度カメラで撮影したところ、０．４ｍｓ以下であり、高速の光路変調機能が確認できたものである。
【０１１３】
［実施例２］
実施例１において、印加電圧を透過率変化が９０％である±１００Ｖの電圧を印加したところ、同様に３値の光路シフトレベルが得られた。応答速度は１ｍｓと実施例１に比べて遅くなったが、光路偏向デバイスとしては十分な性能を示したものである。
【０１１４】
［実施例３］
実施例１において、さらに同一構成の光路偏向素子を積層し、３層構成の光路偏向デバイスとした。このような光路偏向デバイスの各光路偏向素子に対する印加電圧の極性の組合せを変えて実施例１と同様にして評価したところ、±７．５μｍ，±２．５μｍの４値の光路シフトが０．４ｍｓ以下の応答速度で行えたものである。
【０１１５】
［実施例４］
実施例３において、さらに同一構成の光路偏向素子を積層し、４層構成の光路偏向デバイスとした。このような光路偏向デバイスの各光路偏向素子に対する印加電圧の極性の組合せを変えて実施例１と同様にして評価したところ、±１０μｍ，±５μｍ，０μｍの５値の光路シフトが０．４ｍｓ以下の応答速度で行えたものである。
【０１１６】
［実施例５］
実施例３において、第１の光路偏向素子の液晶層の厚さを４０μｍ、第２，３の光路偏向素子の液晶層の厚さを１３μｍに各々制御し、各々±２．５μｍ，±０．８μｍ，±０．８μｍの光路シフトを行えるように光路偏向デバイスを構成した。このような光路偏向デバイスの各光路偏向素子に対する印加電圧の極性の組合せを変えて実施例１と同様にして評価したところ、±４．１μｍ，±２．５μｍ，±０．８μｍの６値の光路シフトが０．４ｍｓ以下の応答速度で行え、実施例３の場合よりさらに多くのシフトレベルが得られたものである。
【０１１７】
［実施例６］
実施例１において、第１の光路偏向素子の液晶層の厚さを４０μｍ、第２の光路偏向素子の液晶層の厚さを２０μｍとし、各々単独で２．５μｍ、１．２５μｍの光路シフト量が得られるように光路偏向デバイスを構成した。このような光路偏向デバイスの各光路偏向素子に対する印加電圧の極性の組合せを変えて実施例１と同様にして評価したところ、±３．７５μｍ、±１．２５μｍの４値の光路シフトが０．４ｍｓ以下の応答速度で行え、実施例１の場合よりさらに多くのシフトレベルが得られたものである。
【０１１８】
［実施例７］
３層構成の実施例３において、第１の光路偏向素子の液晶層の厚さを４０μｍ、第２，３の光路偏向素子の液晶層の厚さを２０μｍとし、各々単独で±２．５μｍ、±１．２５μｍの光路シフト量が得られるように光路偏向デバイスを構成した。このような光路偏向デバイスの各光路偏向素子に対する印加電圧の極性の組合せを変えて実施例１と同様にして評価したところ、±５μｍ、±２．５μｍ，０μｍの５値の光路シフトが０．４ｍｓ以下の応答速度で行え、実施例３の場合よりさらに多くのシフトレベルが得られたものである。
【０１１９】
［実施例８］
実施例３において、第１の光路偏向素子の液晶層の厚さを６０μｍ、第２，３の光路偏向素子の液晶層の厚さを３０μｍ，１５μｍとし、各々単独で±３．７５μｍ、±１．８８μｍ，±０．９４μｍのシフト量が得られるように光路偏向デバイスを構成した。このような光路偏向デバイスの各光路偏向素子に対する印加電圧の極性の組合せを変えて実施例１と同様にして評価したところ、±６．５６μｍ、±４．６９μｍ，±２．８１μｍ，±０．９４μｍの８値の光路シフトが０．４ｍｓ以下の応答速度で行え、実施例３及び実施例７の場合よりさらに多くのシフトレベルが得られたものである。
【０１２０】
［実施例９］
実施例６の４値のシフト特性を有する素子群をもう１組作製し、これらの第１，２の素子群を両者の液晶分子の傾斜方向が直交するように配設し、さらに、これらの第１，２の素子群間に第１の素子群による光の偏光面を９０°回転させる１／２波長板を設けて光路偏向デバイスを構成した。このような光路偏向デバイスの各光路偏向素子に対する印加電圧の極性の組合せを変えて実施例１と同様にして評価したところ、ｘ方向に±３．７５μｍ、±１．２５μｍの４値の光路シフトが、ｙ方向にも同様にして４値の光路シフトが観察され、両者を同時に動作させることで２次元的に１６レベルの光路シフトが制御可能となったものである。
【０１２１】
［実施例１０］
本実施例では、図８に示したような光学系の投射装置を構成した。光源３１には１２０Ｗの高圧水銀ランプを使用し、反射板には５０ｍｍ径の回転放物面反射鏡を用いた。インテグレータ照明系には８＊８のフライアイレンズを用いた。画像表示素子３５には１０２４＊７６８画素、画素ピッチが１５μｍの強誘電性液晶を用いた液晶パネルを用いた。光路偏向デバイス４０には、実施例９に相当する光学特性の素子であって、変調有効領域の広いものを作製して用いた。強誘電性液晶パネル３５の入射側基板には画素と対応させたマイクロレンズ（図８参照）を設け、各画素が集光された光で照明するよう構成した。
【０１２２】
表示フレームは６４Ｈｚの基本フレームを１６分割し、４ｍｓのサブフレームに分割した。各表示サブフレームに同期させて光路偏向デバイスを動作させ、１６通りの光路を切換えた。駆動電圧は±３００Ｖ／ｍｍとし、これによって０．２ｍｓの応答速度を実現した。各サブフレームに対応させた画像データを表示素子に書き込むことで、４０９６＊３０７２画素の表示をスクリーン３７上に行わせることができたものである。
【０１２３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の光路偏向デバイスによれば、キラルスメクティックＣ相よりなる強誘電性液晶による液晶層を有する光路偏向素子を利用して光路偏向を行わせることで高速応答動作が可能な上に、目的とする光路偏向方向に関与する複数のこのような光路偏向素子を、それらの液晶分子の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設してデバイス構成したので、各々の光路偏向の組合せにより多値の光路シフトを行わせることができる。
【０１２４】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の光路偏向デバイスにおいて、各光路偏向素子間で互いに逆向きとなる液晶分子の傾斜方向の組合せを含むようにしたので、同一方向のみの組合せの場合よりも可能な光路偏向の組合せが増え、効率よく光路シフトの多値化を図ることができる。
【０１２５】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の光路偏向デバイスにおいて、この種の液晶の場合、電圧印加状態から電圧無印加状態のホメオトロピック配向への配向変化は非常に遅いが、このような電圧無印加状態を含まず電圧印加状態のみの組合せで光路偏向を行わせるようにしたので、高速に光路偏向を行わせることができる。
【０１２６】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の光路偏向デバイスにおいて、電界強度が大きいほど応答速度が速く、同時に、液晶分子の傾斜角も大きくなることから、液晶分子の傾斜角が飽和する電圧以上の印加電圧による電圧印加の組合せで光路偏向を行わせるようにしたので、より一層高速に光路偏向を行わせることができる。
【０１２７】
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路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子による個々の光路偏向量が全て等しいようにしたので、多値の光路偏向の設定が容易な上に、各種用途において、より適用性・汎用性を持たせることもできる。
【０１２８】
請求項６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路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向に関与するｎ個の前記光路偏向素子のうちで最大光路偏向量をｄｍａｘとしたとき、ｎ個の前記光路偏向素子はｄｍａｘ／ｎの整数倍の光路偏向量を持つ組合せとされているので、各光路シフトレベル間のシフト量を同一とするために好適な一例を提供することができる。
【０１２９】
請求項７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路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子のうちで最大光路偏向量をｄｍａｘとしたとき、ｄｍａｘ＊（１／２）ｍ（ｍは０以上の整数）なる光路偏向量を持つ組合せとされているので、各光路シフトレベル間のシフト量を同一とするために好適な一例を提供することができる。
【０１３０】
請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の光路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向に関与する複数の前記光路偏向素子の数をｎとしたとき、ｄｍａｘ＊（１／２）ｍ（ｍは０≦ｍ≦ｎ−１なる整数）なる光路偏向量を持つ組合せとされているので、請求項７記載の発明を実現する上で、最もレベル数の多い光路偏向を可能にする好適な一例を提供することができる。
【０１３１】
請求項９記載の発明によれば、請求項１ないし８の何れか一記載の光路偏向デバイスにおいて、強誘電性液晶の場合、そのチルト角は用いる液晶材料によりほぼ定まることから、適当な液晶材料を選択してチルト角を適宜設定することで、その光路偏向量を適正に規定することができる。
【０１３２】
請求項１０記載の発明によれば、請求項１ないし８の何れか一記載の光路偏向デバイスにおいて、光路偏向素子による光路偏向量はその液晶層の層厚に比例することから、各々の液晶層の層厚を適宜設定することにより、その光路偏向量を適正に規定することができる。
【０１３３】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１ないし１０の何れか一記載の光路偏向デバイスにおいて、目的とする光路偏向方向が方向を異ならせて複数設定され、各々の光路偏向方向毎に関与する複数の前記光路偏向素子を、それらの液晶分子の傾斜方向が同じ面内となるように光軸方向に配設し、光路偏向方向の異なる素子群間に偏光方向切換手段を備えることにより、多値化された光路偏向の２次元化を適正に図ることができる。
【０１３４】
請求項１２記載の発明の画像表示装置によれば、請求項１ないし１１の何れか一記載の光路偏向デバイスを備えるので、画像表示素子の表示可能な画素数に対して、光路偏向デバイスが可能なシフトレベル倍の画素数の表示を行うことができ、極めて高精細な表示画可能な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】本発明の第一の実施の形態のデバイス構成要素をなす光路偏向素子の原理的構成例を示す断面図である。
【図２】図１に示す構成に関して配向特性を模式的に示す説明図である。
【図３】液晶分子の傾斜状態を模式的に示すＸＺ平面による断面図である。
【図４】本実施の形態の光路偏向デバイスの原理的な構成例を図３対応形式で示す模式図である。
【図５】電圧印加状態と電圧無印加状態とを対比させて示す模式図である。
【図６】電界と応答時間及び傾斜角との関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態の光路偏向デバイスの原理的な構成例を図３対応形式で示し、（ａ）は模式的な側面図、（ｂ）は模式的な平面図である。
【図８】本発明の第三の実施の形態の画像表示装置の概略を示す構成図である。
【図９】実施例１に関する単一の光路偏向素子を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１ａ〜１ｆ　　　光路偏向素子
２，３　　　基板
４　　　配向膜
５　　　液晶層
６ａ，６ｂ　　　電極
７　　　電圧印加手段
８　　　液晶分子
１１　　　光路偏向デバイス
２１　　　光路偏向デバイス
２２Ａ　　　第１の素子群
２２Ｂ　　　第２の素子群
２３　　　偏光方向切換手段
３５　　　画像表示素子
３６　　　照明装置
３８　　　光学部材
４０　　　光路偏向デバイス
【図１】
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【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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