(57)【要約】【課題】光偏向動作における光の偏向方向を入射光軸と対称にし、かつ偏向角を一致させるような構成とすることで、光路長差による収差を少なくすることができる光偏向素子を提供する。【解決手段】本発明は、一対の透明基板２，３と、該基板間に挟まれ電圧印加によって配向を制御することにより入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層４と、該液晶層４に電圧を印加することが可能な電圧印加制御手段５とを備え、一対の基板２，３のうち、少なくとも一方の基板２は、液晶層側の面に光偏向方向に対応して傾斜している鋸歯形状部２ａを形成してなる鋸歯形状基板である光偏向素子において、前記液晶層４で偏向されて出射される光の偏向角が入射光軸に対して対称であることを特徴とする。【選択図】              図１
2004233659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の透明基板と、該基板間に挟まれ電圧印加によって配向を制御することにより入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、該液晶層に電圧を印加することが可能な電圧印加制御手段とを備え、前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板は、液晶層側の面に光偏向方向に対応して傾斜している鋸歯形状部を形成してなる鋸歯形状基板である光偏向素子において、
前記液晶層で偏向されて出射される光の偏向角が入射光軸に対して対称であることを特徴とする光偏向素子。
【請求項２】
一対の透明基板と、該基板間に挟まれ電圧印加によって配向を制御することにより入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、該液晶層に電圧を印加することが可能な電圧印加制御手段とを備え、前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板は、液晶層側の面に光偏向方向に対応して傾斜している鋸歯形状部を形成してなる鋸歯形状基板である光偏向素子において、
入射光波長における前記鋸歯形状基板の屈折率をｎｇ、液晶駆動（光偏向動作）時に入射光が感じる液晶の実効的な屈折率をｎ１（＝ｎｅ）、ｎ２（＝ｎｏ）（ｎ１＞ｎ２）とするとき、
ｎ１＞ｎｇ＞ｎ２
の関係を満たすことを特徴とする光偏向素子。
【請求項３】
請求項２記載の光偏向素子において、
入射光波長における前記鋸歯形状基板の屈折率をｎｇ、液晶駆動（光偏向動作）時に入射光が感じる液晶の実効的な屈折率をｎ１（＝ｎｅ）、ｎ２（＝ｎｏ）（ｎ１＞ｎ２）とするとき、
０．９９・［（ｎ１＋ｎ２）／２］＜ｎｇ＜１．０１・［（ｎ１＋ｎ２）／２］
の関係を満たすことを特徴とする光偏向素子。
【請求項４】
請求項２または３記載の光偏向素子において、
前記鋸歯形状基板のアッベ数が液晶の異常光（ｎ１＝ｎｅ）、常光（ｎ２＝ｎｏ）におけるアッベ数の平均から±１０％以内のズレであることを特徴とする光偏向素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一つに記載の光偏向素子において、
前記液晶層がネマチック液晶であることを特徴とする光偏向素子。
【請求項６】
請求項５記載の光偏向素子において、
前記ネマチック液晶の初期配向方向と入射光の偏光方向が前記鋸歯形状基板の鋸歯刻線方向と一致することを特徴とする光偏向素子。
【請求項７】
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が二次元配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源と、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、該光学部材の間の光路を偏向する光偏向素子を有し、該光偏向素子は請求項１〜６のいずれか一つに記載の光偏向素子からなることを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
請求項７記載の画像表示装置において、
前記光偏向素子は、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の一対の傾斜領域を有し、第一の傾斜領域で屈折された光が、一定間隔をおいて設置された第二の傾斜領域に入射し、第二の傾斜領域で再度屈折されて略平行光として出射するように、第一の傾斜領域と第二傾斜領域が対向して配置された光偏向素子からなり、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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
請求項７記載の画像表示装置において、
前記光偏向素子は、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の傾斜領域を有し、該傾斜領域で屈折された光が偏向光として出射するような光偏向素子からなり、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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれかに記載の光偏向素子を複数用い、前記光偏向素子が多段に配置されてなることを特徴とする光偏向装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の光偏向装置において、
前記光偏向素子として、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の一対の傾斜領域を有し、第一の傾斜領域で屈折された光が、一定間隔をおいて設置された第二の傾斜領域に入射し、第二の傾斜領域で再度屈折されて略平行光として出射するように、第一の傾斜領域と第二傾斜領域が対向して配置され、出射偏向光の偏向角が基板面の法線方向に対して対称であることを特徴とする光偏向素子を複数用い、前記光偏向素子が多段に配置されてなることを特徴とする光偏向装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の光偏向装置において、
前記光偏向素子は対向して配置された一対の傾斜領域の間に中間基板を有し、多段に配置された複数の光偏向素子の中間基板厚ｄを、それぞれ入射光側から順にｄ１、ｄ２、ｄ３、・・・  とする場合、
ｄｍ＝ｄｍ−１／２ｍ−１  （ｍ＝１，２，３，・・・、但しｄ０＝ｄ１）
の関係を満たすことを特徴とする光偏向装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号によって光の方向を変える光偏向素子及び光偏向装置、及び光偏向素子を利用した画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光偏向素子として用いられる光学素子として、従来より、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ），ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（ＡＤＰ），ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３，ＧａＡｓ，ＣｄＴｅ等の第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、非特許文献１参照）。これらは、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。
例えば、下記の特許文献１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。
【０００４】
また、下記の特許文献２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。
【０００５】
この他に光偏向素子を用いた例では、低電圧で駆動でき２次元化、小型化を目的とした光偏向装置が提案されている（特許文献３参照）。これは一対の透明基板間に複屈折性を有する液晶を保持しており、該透明基板の一方に鋸歯状格子が形成されている。保持されている液晶は鋸歯状格子の刻線方向にホモジニアス配向しており、液晶の長軸あるいは短軸のいずれかの屈折率は鋸歯状格子を形成する材料の屈折率と一致している。入射光は偏向回転装置の制御に応じて偏光方向が９０°回転でき、入射光の偏光状態に応じて出射光の方向を切り替えることが可能なものである。また、似たような構成として、基板の一方の面に鋸歯状格子が形成されている２枚の透明基板を有し、それら鋸歯状格子は各々反対方向を向き、同一形状、同一の屈折率をもっている光偏向装置（特許文献４参照）などがある。
【０００６】
【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５−２０４００１号公報
【特許文献４】
特開平９−１３３９３１号公報
【非特許文献１】
青木昌治編；「オプトエレクトロニックデバイス」、昭晃堂
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術において、光が偏向する原理としては、主に液晶材料の複屈折性と、入射光に対する基板の傾斜が起因している。
例えば特許文献１に記載の従来技術によれば、傾斜方向が逆向きに配置された２枚のくさび型基板間に液晶材料が封入されており、液晶の配向は基板面に対してホモジニアス配向している。基板間に電圧を印加すると、基板間の液晶の配向（液晶分子のダイレクタ方向）は変化し、その方向は基板面に対してホメオトロピック配向をする。ここで入射光の偏光方向がホモジニアス配向の方向と同一方向である場合、入射光が感じる液晶層の実効的な屈折率は、液晶の配向がホモジニアス配向のときには異常光として感じ、また、液晶の配向がホメオトロピック配向のときには常光として感じる。ここで異常光または常光として感じる屈折率を基板の屈折率と一致させることで、素子への入射光はそのまま直進する光と偏向する光の２通りを選択することが可能となり、光偏向機能が実現される。尚、光偏向機能とは光路の平行シフトを含むものとする。
しかし、上記従来技術では、直進光と偏向光では光路長に差が生じるため、光路長差に起因して光偏向した出射光の収差が大きくなるといった問題がある。また、くさび型の基板を用いた構成では基板厚さを厚くする必要があり、素子全体が大きくなるといった問題もある。
【０００８】
特許文献２に記載の従来技術では、２枚の透明基板を対向配置し、基板間にスメクチックＡ相の強誘電性液晶を基板面に対してホメオトロピック配向させ、スメクチック層と平行に交流電界を印加するといった構成としている。これはスメクチック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向角を変化することが可能であり、光偏向時の光路長差を小さくすることができる。しかし、電傾効果を得るためにスメクチック層と平行に電界を印加しなければならない。即ち、基板端に電極を設け基板面に対して水平電界を発生させなければならない。このような水平電界ではデバイスの位置により電界強度が異なる。そのため、デバイスの電極近傍と電極間の中間位置においては光偏向量（光路シフト量）が異なり、実用的には信頼性に欠けるといった問題がある。
【０００９】
特許文献３，４に記載の従来技術では、基板表面を鋸歯形状にすることで小型化を実現している。しかし、光偏向機能としては特許文献１と同様であり、直進する光と偏向する光により光偏向するため、出射光を受光する位置までの光路長には大きな差ができてしまい、かつ出射角が異なるため、光偏向動作において出射偏向光は大きな収差を含んでしまうといった問題がある。また、従来の光偏向素子を画像表示装置などに応用する場合、結像位置が異なってしまい表示画像がボケて劣化するという問題がある。
【００１０】
本発明は上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、光偏向動作における光の偏向方向を入射光軸と対称にし、かつ偏向角を一致させるような構成とすることで、光路長差による収差を少なくすることができる光偏向素子を提供することを目的とし、さらには、その光偏向素子を用いた光偏向装置や、画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１１】
より具体的には、請求項１〜３に係る発明は、出射偏向光において光路長差のない光偏向素子を提供することを目的とし、請求項４に係る発明は、前記目的に加えて、広波長帯域において出射偏向光の波長依存性が少ない光偏向素子を提供することを目的とし、請求項５，６に係る発明は、前記目的に加えて、出射偏向光において光路長差がなく、かつ偏向角を多値に選択できる光偏向素子を提供することを目的とする。
また、請求項７〜９に係る発明は、前記光偏向素子を用い、収差の少ない高精細画像を表示する画像表示装置を提供することを目的とする。
さらに、請求項１０〜１２に係る発明は、前記光偏向素子を用い、出射光の収差が少なく、入射光軸から任意の位置に光路シフトが可能な光偏向装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、一対の透明基板と、該基板間に挟まれ電圧印加によって配向を制御することにより入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、該液晶層に電圧を印加することが可能な電圧印加制御手段とを備え、前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板は、液晶層側の面に光偏向方向に対応して傾斜している鋸歯形状部を形成してなる鋸歯形状基板である光偏向素子において、前記液晶層で偏向されて出射される光の偏向角が入射光軸に対して対称であることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、一対の透明基板と、該基板間に挟まれ電圧印加によって配向を制御することにより入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、該液晶層に電圧を印加することが可能な電圧印加制御手段とを備え、前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板は、液晶層側の面に光偏向方向に対応して傾斜している鋸歯形状部を形成してなる鋸歯形状基板である光偏向素子において、入射光波長における前記鋸歯形状基板の屈折率をｎｇ、液晶駆動（光偏向動作）時に入射光が感じる液晶の実効的な屈折率をｎ１（＝ｎｅ）、ｎ２（＝ｎｏ）（ｎ１＞ｎ２）とするとき、
ｎ１＞ｎｇ＞ｎ２
の関係を満たすことを特徴とするものである。
また、請求項３に係る発明は、請求項２記載の光偏向素子において、入射光波長における前記鋸歯形状基板の屈折率をｎｇ、液晶駆動（光偏向動作）時に入射光が感じる液晶の実効的な屈折率をｎ１（＝ｎｅ）、ｎ２（＝ｎｏ）（ｎ１＞ｎ２）とするとき、
０．９９・［（ｎ１＋ｎ２）／２］＜ｎｇ＜１．０１・［（ｎ１＋ｎ２）／２］
の関係を満たすことを特徴とする。
さらに、請求項４に係る発明は、請求項２または３記載の光偏向素子において、前記鋸歯形状基板のアッベ数が液晶の異常光（ｎ１＝ｎｅ）、常光（ｎ２＝ｎｏ）におけるアッベ数の平均から±１０％以内のズレであることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光偏向素子において、前記液晶層がネマチック液晶であることを特徴とするものである。
また、請求項６に係る発明は、請求項５記載の光偏向素子において、前記ネマチック液晶の初期配向方向と入射光の偏光方向が前記鋸歯形状基板の鋸歯刻線方向と一致することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項７に係る発明は、画像表示装置であり、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が二次元配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源と、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、該光学部材の間の光路を偏向する光偏向素子を有し、該光偏向素子は請求項１〜６のいずれか一つに記載の光偏向素子からなることを特徴とするものである。
また、請求項８に係る発明は、請求項７記載の画像表示装置において、前記光偏向素子は、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の一対の傾斜領域を有し、第一の傾斜領域で屈折された光が、一定間隔をおいて設置された第二の傾斜領域に入射し、第二の傾斜領域で再度屈折されて略平行光として出射するように、第一の傾斜領域と第二傾斜領域が対向して配置された光偏向素子からなり、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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項９に係る発明は、請求項７記載の画像表示装置において、前記光偏向素子は、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の傾斜領域を有し、該傾斜領域で屈折された光が偏向光として出射するような光偏向素子からなり、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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とするものである。
【００１７】
請求項１０に係る発明は、光偏向装置であり、請求項１〜６のいずれかに記載の光偏向素子を複数用い、前記光偏向素子が多段に配置されてなることを特徴とするものである。
また、請求項１１に係る発明は、請求項１０記載の光偏向装置において、前記光偏向素子として、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の一対の傾斜領域を有し、第一の傾斜領域で屈折された光が、一定間隔をおいて設置された第二の傾斜領域に入射し、第二の傾斜領域で再度屈折されて略平行光として出射するように、第一の傾斜領域と第二傾斜領域が対向して配置され、出射偏向光の偏向角が基板面の法線方向に対して対称であることを特徴とする光偏向素子を複数用い、前記光偏向素子が多段に配置されてなることを特徴とするものである。
さらに請求項１２に係る発明は、請求項１１記載の光偏向装置において、前記光偏向素子は対向して配置された一対の傾斜領域の間に中間基板を有し、多段に配置された複数の光偏向素子の中間基板厚ｄを、それぞれ入射光側から順にｄ１、ｄ２、ｄ３、・・・  とする場合、
ｄｍ＝ｄｍ−１／２ｍ−１  （ｍ＝１，２，３，・・・、但しｄ０＝ｄ１）
の関係を満たすことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作及び作用に関して詳細に説明する。
まず、光偏向動作原理及び光偏向素子の基本構成について説明する。図１は本発明に係る光偏向素子の基本構成例を示すものであり、この光偏向素子１は、少なくとも一方の基板に鋸歯形状部（傾斜領域）が形成されている一対の透明基板２，３と、一対の基板間に挟まれ電圧印加条件によって配向状態の制御が可能な液晶層４と、液晶層４へ電界を印加する透明電極５と、透明電極５への電圧印加状態を変化させる印加電圧制御手段（図示せず）とを有している。図１の例では、一対の透明基板２，３のうち一方の基板２は、液晶層４側の面に光偏向方向に対応して傾斜している鋸歯形状部（傾斜領域）２ａを形成してなる鋸歯形状基板であり、他方の基板３は対向基板である。鋸歯形状基板２に形成される鋸歯の形状、アレイ数は特に限定しないが、所望の偏向量、偏向方向になるように形成される。前記液晶層４は電圧印加条件によって液晶分子４ａの配向状態が変化するので、電圧印加条件を設定することによって、例えば図２に示すように、液晶分子４ａは２つの配向状態をとり得る。この光偏向素子１における液晶の配向状態の変化を図２により説明する。基本的にはホモジニアス配向されたネマチック液晶を用いる光偏向素子に準ずる構成のものであるが、電圧印加条件によって液晶の配向状態が変化し、それに伴って入射光に対する屈折率が変化するものであればよい。例えば、スメクチックＣ相よりなる強誘電性液晶も同様の構成で用いることができる。
【００１９】
ここで、液晶の初期配向を規制するために、両基板２，３の表面に形成される配向膜（図示せず）に対してラビング処理を行なう（図２では図示していないがラビング方向はＹ軸方向としている）。液晶のダイレクタ方向はラビング処理の方向に依存して強く規制される。このような配向処理用の材料としては、ＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶等に用いられるポリイミド等の通常の配向膜が利用できる。配向処理としてはラビング処理や光配向処理を施すことが好ましい。また、液晶の配向は電圧印加条件によって変化するため、一対の透明電極５による電極対が一対の基板２，３の液晶層側表面に電圧印加手段として形成されている。この電極対により、ホモジニアス配向している液晶ダイレクタに直交する方向、即ち、基板面内方向に電界が印加される構成としている。さらには、鋸歯形状基板２側の面が入射光の法線方向に対して傾きψ１をなすように傾斜状態が設定されている。鋸歯形状基板２の作製方法としては、ガラス基板、透明プラスチック基板などをエッチングまたは切削加工して、鋸歯形状部（傾斜領域）２ａを形成するといった方法がある。また、透明プラスチック材料は射出成形により加工するといった方法もある。どのような作製方法においても、鋸歯形状基板２に用いる材料は複屈折性がないものが好ましい。
【００２０】
図２に示すように、液晶ダイレクタは初期配向または電極からの電界方向に対応して２方向に配向される（第１の配向状態及び第２の配向状態）。このような構成の光偏向素子において、液晶の配向を図２に示す通り基板面に対して水平方向と垂直方向に規制することで、入射光を効率良く偏向させることが可能となる。即ち、図２において入射光の直線偏光方向がＹ軸方向になるよう入射光を操作してこの光偏向素子に入射させたとき、基板間に電界が発生しないような状態では液晶ダイレクタは初期配向によりＹ軸方向を向く（第１の配向状態）。
一方、基板面に対して垂直方向に向くように電界を印加するような状態では、液晶ダイレクタは電界方向、即ち初期配向と直交する方向を向く（第２の配向状態）。
【００２１】
このような第１の配向状態（初期配向＝ホモジニアス配向）における液晶の屈折率をｎ１  、第２の配向状態（電圧印加時の配向＝ホメオトロピック配向）における液晶の屈折率をｎ２  、液晶を挟持する基板の屈折率をｎｇとする場合、ｎｇ≠ｎ１≠ｎ２であれば入射光は第１の配向状態及び第２の配向状態において界面との屈折率差により偏向される。
【００２２】
このような構成の光偏向素子の特徴は、入射光に対する出射光が液晶ダイレクタの制御によって、回転移動可能な点である。従って、当該光偏向素子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。例えば図３に示すように、図１に示した構成の光偏向素子１を２つ用い、このような２つの光偏向素子を光進行方向上に配設させて光偏向デバイスを構成し、配設した素子間の距離Ｘを適切に選ぶことで入射光と出射光を平行に保ったまま必要な偏向量を得ることができる。これによって、偏向量を外部から簡単に調整することができ、利便性に優れた光偏向デバイスを構成することができる。
また、光偏向量が一定であれば、図４に示すように、厚さＬの中間基板６を介して１つの光偏向素子内に２層の液晶層４と２つの対向する鋸歯形状部（傾斜領域）を設けてもよい。
【００２３】
図１に示すような光偏向素子の構成における光の進行方向を求める場合、厳密には、入射光進行方向に対する液晶ダイレクタの方向及び屈折率ｎ１，ｎ２の両者から屈折率楕円体を基に各方向における屈折率が求められ、それを基に光偏向方向が求められる。しかし、ここでは簡単に液晶の配向状態によって屈折率ｎ１と屈折率ｎ２とが切り替わるものと仮定し、図５に示すようにスネルの法則に従うと仮定すれば、光偏向方向（以後、光偏向角と呼ぶ場合もある）を求めることが可能である。
【００２４】
図５において、液晶４の長軸方向の屈折率をｎ１  、短軸方向の屈折率をｎ２  とし、光進行方向に対して液晶４の手前側界面の法線方向が光偏向方向となす角がψ１（≠０）、後方側界面の法線が入射光方向となす角が０°となるよう基板２，３を配置する。また、液晶と接する光学部材（鋸歯形状基板２）は屈折率ｎｇ  のものを選ぶ。ここで、入射光の直線偏光方向が液晶の長軸方向と一致する場合、液晶の屈折率はｎ１  であり、スネルの法則によって手前側液晶界面での界面法線方向からの光偏向角ψ２  は、
ｓｉｎψ２＝（ｎｇ／ｎ１）ｓｉｎψ１
より求まり、また、液晶４を挟んだ対向基板３に入射する光線の対向基板の法線方向からの光偏向角ψ３  は、
ψ３＝ψ１−ψ２
より求まり、対向基板３に入射した光線の基板内での光偏向角ψ４  は、
ｓｉｎψ４＝（ｎ１／ｎｇ）ｓｉｎψ３
より求まる。
【００２５】
また、入射光の直線偏光方向が液晶の短軸方向と一致する場合は液晶の屈折率はｎ２  であり、この場合においても前記と同様にしてスネルの法則から光偏向角が求められる。
【００２６】
ここで、図４に示したように、中間基板６を設けて平行シフトを行なう場合、中間基板６の厚みをＬとすると、シフト量ｘ（μｍ）を得るために必要な厚みＬは、
Ｌ・ｓｉｎψ４＝ｘ（μｍ）
より、
Ｌ＝ｘ／ｓｉｎψ４  （μｍ）
となる。
【００２７】
このようにして、光偏向方向は主に鋸歯形状基板２の鋸歯傾斜角ψ１  と液晶４の屈折率異方性に起因して変化し、光偏向量は受光面までの距離、または液晶層厚さ、基板厚さなどによって調整することが可能である。
【００２８】
光偏向動作原理としては前述した通りであるが、後述のようにしても光偏向機能は得られる。例えば、光偏向素子の鋸歯形状基板２の屈折率ｎｇ  が液晶の屈折率に一致する場合、基板と液晶層では屈折率差がないので入射光は基板の傾斜面を感じない。そのため、入射光はスネルの法則には従わずにそのまま直進する。このように基板の屈折率ｎｇ  が液晶の長軸方向の屈折率、または短軸方向の屈折率のどちらか一方の屈折率に一致する際の光偏向動作は図６（ここでは、液晶の短軸方向の屈折率＝基板の屈折率としている）のようになる。つまり直進光と偏向光により光偏向機能を実現することもできる。ここで、出射光の光路長は受光面までの距離によって決定されるため、図６では明らかに光路長が異なる。光路長が異なると、それに伴なって結像位置がずれ、出射光は収差を含んでしまう。そこで、図１に示すように光偏向方向を入射光軸に対して対称にすることで、出射光の光路長差を小さくすることができる（請求項１）。
【００２９】
光偏向方向を入射光軸に対して対称にするには、前記鋸歯形状基板２の屈折率をｎｇ  、液晶層４の長軸方向の屈折率をｎ１（＝ｎｅ）、液晶層４の短軸方向の屈折率をｎ２（＝ｎｏ）（ｎ１＞ｎ２）とするとき、各屈折率をｎ１＞ｎｇ＞ｎ２の関係になるように設定すればよい。つまり、鋸歯形状基板２の屈折率、または液晶材料の複屈折率を前記関係になるよう選択することで、光偏向素子１からの出射偏向光は入射光軸に対して対称方向に出射され、設定される受光面位置において偏向光の光路長差をなくすことができる（請求項２）。
【００３０】
また、基板硝材と液晶の複屈折率の関係を、
０．９９・［（ｎ１＋ｎ２）／２］＜ｎｇ＜１．０１・［（ｎ１＋ｎ２）／２］
に設定することで更に精度よく入射光軸に対して対称方向に出射される。その精度は光路長差による影響を受けない程度あればよく、その対称性のズレは偏向角の平均から±１０％以下であることが好ましい。ｎｇとして、
０．９９・［（ｎ１＋ｎ２）／２］＜ｎｇ＜１．０１・［（ｎ１＋ｎ２）／２］
なる関係を満たす硝材を用いることで±１０％以下とすることができ、特にレーザー等の偏向方向制御に適用した場合、ビーム形状の劣化が少なく良好な出射光を得ることが可能となる（後述の実施例２参照）（請求項３）。
【００３１】
一般的に液晶は、可視光の波長範囲で屈折率は波長が短くなるとともに大きくなるという正常分散特性を示す。また、基板として用いることができる光学材料も屈折率の波長分散特性を示し、そのイメージを図７に示す。波長分散を定量的に表すものとしては次式で定義されるアッベ数が一般的に用いられ、図７のようにアッベ数が大きいと分散は小さく、アッベ数が小さいと分散が大きいといった特性となる。
【００３２】
ここで、鋸歯形状基板２の屈折率ｎｇ  の波長特性と、液晶の各屈折率ｎ１（＝ｎｅ）、ｎ２（＝ｎｏ）（ｎ１＞ｎ２）の波長特性を、下記の式よりアッベ数として規定する。
νｄ＝（ｎｄ−１）／（ｎｆ−ｎｃ）
尚、ｎｄ、ｎｆ、ｎｃはそれぞれＤ線（５８７．６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（６３６．３ｎｍ）各々の波長における屈折率である。
【００３３】
そこで、鋸歯形状基板のアッベ数を液晶の異常光成分屈折率ｎ１（＝ｎｅ）、常光成分屈折率ｎ２（＝ｎｏ）におけるアッベ数の平均から±１０％以内のズレになるように設定することで、比較的広域の波長帯域において波長依存性を少なくすることができる。基板としてはアッベ数の高い低分散硝材のクラウン（Ｋ）ガラス、逆に数値の低い高分散硝材のフリント（Ｆ）などが使用でき、例えばＢＫ７、Ｂａｋ４、ＬＬＦ１、Ｆ２、ＳＦ８などを用いることができる。また、複屈折性がなく透明であれば、アクリル、ポリカーボネイトなどのプラスチック材料も用いることができる（請求項４）。
【００３４】
液晶の特性としては他にも電圧依存特性などがあり、特にネマチック液晶の場合、電圧と透過率特性にはリニアリティがある。これは液晶のダイレクタ方向が電圧により多値に制御できることを示しており、液晶の実効的な屈折率も多値に制御可能となる。つまり基板と液晶の屈折率の差によって、光偏向方向は可変することができるため、印加する電圧の制御により、出射光の偏向角を多値に選択することが可能になる（請求項５）。
【００３５】
ここで液晶の初期配向の方向について示す。ネマチック液晶の初期配向の方向は、例えば図８に示すように、鋸歯形状の刻線方向と刻線とは異なった方向に分けられる。液晶の初期配向が鋸歯の刻線方向とは異なる方向に配向する場合、刻線部分による配向の乱れが顕著になる。また、液晶は鋸歯の傾斜部分に沿って配向するため、液晶ダイレクタ方向は鋸歯傾斜方向になる。しかし、鋸歯形状の形成されていない基板では、液晶ダイレクタ方向は入射光軸に対して垂直であり、液晶ダイレクタの方向は傾斜方向と垂直方向（入射光軸に対して）の２方向となる。つまり、入射光が感じる液晶の屈折率は傾斜方向と垂直方向の２方向の平均となり、ばらつきが生じる。
【００３６】
そこで、液晶の初期配向の方向を鋸歯形状基板の鋸歯刻線方向と一致するようにし、かつ、入射光の偏光方向を鋸歯形状基板の鋸歯刻線方向と一致させることで、液晶の配向乱れを少なくでき、かつ液晶の異常光成分（液晶の長軸方向の屈折率）に起因する実効的な屈折率のばらつきが少なくできる（請求項６）。
【００３７】
次に、本発明の光偏向素子を用いた画像表示装置について詳細に説明する。図９に画像表示装置の構成例を示す。この画像表示装置は、光源１０、光源駆動手段２０、照明装置１１、画像表示素子１４、表示駆動手段２１、縮小光学素子１５、光偏向素子１６、光偏向電圧制御手段２２、画像表示制御回路１９、投射レンズ１７、スクリーン１８などから成る。光源１０としては、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦできるものならば全て用いることができる。例えば、ＬＥＤランプやレーザー光源、白色のランプ光源にシャッターを組合わせたものなど用いることができる。照明装置１１は光源１０から出た光を均一に画像表示素子１４に照射するものであり、拡散板１２、コンデンサレンズ１３、あるいはフライアイレンズなどから構成される。画像表示素子１４は、入射した均一照明光を空間光変調して出射するもので、透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）素子などを用いることができる。図９に示す構成例では、光源駆動手段２０で制御されて光源１０から放出された光は、照明装置１１の拡散板１２により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ１３により画像表示素子１４をクリティカル照明する。ここでは、画像表示素子１４の一例として透過型液晶ライトバルブを用いている。この液晶ライトバルブで空間光変調された照明光は、画像光として投射レンズ１７で拡大されスクリーン１８に投射される。
【００３８】
縮小光学素子１５はライトバルブの表示画素を縮小するもので、マイクロレンズ、コリメートレンズなどから構成される。その縮小量は画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。
ここで、液晶ライトバルブ１４と縮小光学素子１５の後方に配置された光偏向素子１６を電圧制御手段２２により印加電圧を制御することで、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。
【００３９】
光偏向素子１６としては、前述の構成の光偏向素子が用いられる（請求項７）。この光偏向素子１６の配置位置は画像表示素子１４から表示される画素のデフォーカス位置に配置し、表示画像の解像度を劣化させない構成とする。シフト量は縮小量と同様に画素ピッチの整数分の１であることが好ましく、シフト量と縮小量が等しい場合、シフトした画素が重なることはない。そのため、画素シフト効果により解像度を落とすこともない。また、シフト量と縮小量が異なる場合にはシフトした画素は重なる、あるいは画素間が広がるなどして解像度を落とす原因となるが、表示画像に問題がない程度であれば、シフト量と縮小量は等しくなくてもよい。
【００４０】
具体的には、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、３倍の画素増倍を行う場合は画素ピッチの１／３にする。また、光偏向電圧制御手段２２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、画素縮小量を画素ピッチの「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液晶ライトバルブ１４を駆動すれば、図１０に示すように見かけ上の画素増倍効果が得られ、使用したライトバルブの解像度以上の高精細画像を表示することができる。
【００４１】
図９に示す構成の画像表示装置では、透過型液晶ライトバルブにカラーフィルターを組み合わせた画像表示素子１４を用い、光源１０に白色ランプを用いることによりカラーの画像表示装置とすることができる。また、単板の画像表示素子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。この時、白色ランプ光源と回転カラーフィルターを組み合わせて時間順次の三原色光を生成しても良い。
【００４２】
次に図１１に画像表示装置における光偏向素子の配置の概略を示す。光偏向素子１６の鋸歯形状は紙面の上下方向にアレイ状に形成されている。画像表示素子１４を出射した光が紙面の上下方向の直線偏光の場合、光偏向素子１６により画像表示素子１４からの画像の全体を紙面の左右方向に画素シフトさせることができる。
【００４３】
ここで、光偏向素子１６の構成は、例えば図３に示すような２つの光偏向素子１を配設した構成とする。即ち、この例の画像表示装置では、光偏向素子１６は、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の一対の傾斜領域（鋸歯形状部）を有し、第一の傾斜領域（第一の光偏向素子の鋸歯形状部）で屈折された光が、一定間隔をおいて設置された第二の傾斜領域（第二の光偏向素子の鋸歯形状部）に入射し、第二の傾斜領域で再度屈折されて略平行光として出射するように、第一の傾斜領域と第二傾斜領域が対向して配置された光偏向素子からなり、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することで、画像表示素子１４の見かけ上の画素数を増倍して表示する。この場合、光路シフト量は、図３に示すように光偏向素子１間の距離Ｘによって設定され、画素ピッチの１／２となるように設定する。光偏向動作において光偏向素子１６からの出射光の光路長は常に同じであるため、表示画面の横方向シフトにおいて高精細で収差のない画像表示装置が実現できる（請求項８）。
【００４４】
また、別の例として、光偏向素子１６の構成を図１のような構成とする。即ち、この例の画像表示装置では、光偏向素子１６は、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の傾斜領域（鋸歯形状部）を有し、該傾斜領域（鋸歯形状部）で屈折された光が偏向光として出射するような光偏向素子からなり、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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する。この場合、光路シフト量は光偏向素子１６からの距離により、画素ピッチの１／２だけシフトする位置に結像位置を設定するように光学系を組む。光偏向動作において、光偏向素子１６からの偏向角は入射光軸に対して対称であるため、出射光の光路長は常に同じである。即ち、前述の素子構成に比べて、比較的簡単な素子構成で表示画面の横方向シフトにおいて高精細で収差のない画像表示装置が実現できる（請求項９）。
【００４５】
次に、本発明の光偏向素子を用いた光偏向装置について詳細に説明する。
本発明の光偏向装置は、前述した構成の光偏向素子を複数用い、前記光偏向素子が多段に配置されてなる構成である（請求項１０）。
より詳しく述べると、本発明の光偏向装置は、光偏向素子として、例えば図３に示すように、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の一対の傾斜領域（鋸歯形状部）を有し、第一の傾斜領域（第一の光偏向素子の鋸歯形状部）で屈折された光が、一定間隔をおいて設置された第二の傾斜領域（第二の光偏向素子の鋸歯形状部）に入射し、第二の傾斜領域で再度屈折されて略平行光として出射するように、第一の傾斜領域と第二傾斜領域が対向して配置され、出射偏向光の偏向角が基板面の法線方向に対して対称であることを特徴とする光偏向素子を複数用い、前記光偏向素子が多段に配置されてなる構成である（請求項１１）。
【００４６】
さらに具体的に説明すると、本発明の光偏向装置は、図３に示すような２つの光偏向素子１を配設した構成の光偏向素子を複数用い、この複数の光偏向素子▲１▼，▲２▼，▲３▼，・・・を図１２に示すように多段（図１２では３段）に配置し、複数の光偏向素子▲１▼，▲２▼，▲３▼を選択的に駆動することで、入射光は任意の位置へ出力可能になる。例えば、入射光を出力位置［２］に出力する場合、光偏向素子▲１▼をＯＮにし、光偏向素子▲２▼はＯＦＦ、光偏向素子▲３▼をＯＦＦにすることで出力位置［２］に出力することができる（出力位置［２］に出力するために駆動する光偏向素子の選択は他にもある。例えば、光偏向素子▲１▼をＯＦＦにし、光偏向素子▲２▼はＯＦＦ、光偏向素子▲３▼をＯＮなど）。
このようにして複数の光偏向素子▲１▼，▲２▼，▲３▼を選択的に駆動することで、入射光は任意の位置へ出力可能になる。さらにここでは、偏向角が入射光軸に対して対称な光偏向素子を用いることで、出射位置での光の歪み、つまり出射光における収差は少なくできる。
【００４７】
また、光偏向装置の別の例として、図４に示すように、対向して配置された一対の傾斜領域（鋸歯形状部）の間に中間基板６を有する構成の光偏向素子を複数用い、この複数の光偏向素子▲１▼，▲２▼，▲３▼，・・・を図１３に示すように多段（図１３では３段）に配置し、複数の光偏向素子▲１▼，▲２▼，▲３▼，・・・の中間基板厚ｄを、それぞれ入射光側から順にｄ１、ｄ２、ｄ３、・・・とする場合、
ｄｍ＝ｄｍ−１／２ｍ−１（ｍ＝１，２，３，・・・、但しｄ０＝ｄ１）
の関係を満たすことで、図１３に示すように、３段の光偏向素子▲１▼，▲２▼，▲３▼を通過する光路のシフト量は素子を通過する度に半分になる。そのため複数の光偏向素子▲１▼，▲２▼，▲３▼を選択的に駆動することで出射光は等間隔の位置に光路シフトすることができ、出力位置は倍増する（請求項１２）。
【００４８】
【実施例】
次に本発明の具体的な実施例について説明する。
まず、光偏向素子の作製方法について説明する。
大きさ３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１ｍｍのガラス基板（白板）をドライエッチングして、傾き角が約１°、ピッチ１００μｍの鋸歯形状を１ｃｍ×１ｃｍの面積に形成した鋸歯形状基板２を形成した後、鋸歯形状基板２の鋸歯形状面に透明電極５としてＩＴＯを１５００Åの厚さにスパッタした。次にポリイミド配向剤ＡＬ３０４６−Ｒ３１（ＪＳＲ）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（鋸歯形状の刻線方向）でラビング法により配向処理を行った。次に平滑な面のＩＴＯ付きガラス基板を対向基板３として、液晶層厚の小さい部分が３μｍ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。その後、２枚の基板間に液晶４を毛管法で注入方向が鋸歯形状に沿うようにして注入し、紫外線（ＵＶ）硬化接着剤により封止をした。このようにして図１に示す構成の光偏向素子１を作製した。
【００４９】
（比較例１）
前記した光偏向素子の作製方法において、液晶として屈折率がｎｅ＝１．７５、ｎｏ＝１．５２であるネマチック液晶（Ｅ７  メルク）を注入した。この素子をサンプル１とする。また、基板の屈折率はｎｇ＝１．５２である。
【００５０】
（実施例１）
前記した光偏向素子の作製方法において、液晶として屈折率がｎｅ＝１．５８、ｎｏ＝１．４８であるネマチック液晶（ＺＬＩ−４７９２  メルク）を注入した。この素子をサンプル２とする。また、基板の屈折率はｎｇ＝１．５２である。
【００５１】
ここで、作製した光偏向素子に電圧を印加して動作させる。印加電圧はファンクションジェネレイターを用いて±１５Ｖの電圧を印加した。入力波形は矩形波とし、電圧値はテスターで確認した。光偏向素子への入射光は約１ｍｍ径の白色レーザー光を用い、波長選択フィルター（５８８ｎｍ）を通過させて入射光の波長を設定した。さらに光偏向素子とレーザー装置の間に偏光板を設置し、直線偏光の方向を鋸歯刻線方向に設定し、鋸歯形状アレイ位置へ入射させた。
【００５２】
このようにして光偏向素子を動作させ、光偏向素子を通過する透過光をＣＣＤカメラにより観察した。ＣＣＤカメラは素子から１ｍ離した距離に設置した。その結果、電圧によって透過光が偏向することが確認できた。この光偏向動作は比較例１に対しても確認することできた。しかし、光偏向時に観察したレーザー光の光偏向光による像は実施例１に比べて比較例１ではボケていた。そこで、光偏向光におけるＣＣＤカメラの位置までの光路長差を計算し、光路長差の計算結果と表示画像の観察結果を下記の表１にまとめたところ、光路長差の大きな比較例１は像がボケていたが、光路長差の少ない実施例１では像がぼけていなかった。
光路長差は液晶の屈折率と基板の屈折率により設定されるため、実施例１のように液晶と基板の屈折率がｎｅ＞ｎｇ＞ｎｏの関係を満たすことで収差のない表示像が得られることが分かる。
【００５３】
【表１】
2004233659.tif 000003
【００５４】
（実施例２）
前記した光偏向素子の作製方法において、液晶として屈折率がｎｅ＝１．６２、ｎｏ＝１．５０であるネマチック液晶（ＺＬＩ−２４７１  メルク）を注入した。この素子をサンプル３とする。また、基板の屈折率はｎｇ＝１．５２である。
ここで実施例１と同様にして電圧を印加し、素子を駆動させて光偏向動作をＣＣＤカメラにより観察した。その結果、光偏向動作は確認できたが観察像は少しボケていた。
【００５５】
光偏向時の光路長差を計算した結果を実施例１の結果とともに下記の表２に示す。表２から光路長差が大きくなると像がボケるということが分かる。また、光路長差は液晶の屈折率と基板の屈折率により設定されるため、ｎｅ＞ｎｇ＞ｎｏかつ、０．９９・［（ｎ１＋ｎ２）／２］＜ｎｇ＜１．０１・［（ｎ１＋ｎ２）／２］の関係を満たすことで収差のない表示像が得られることが分かる。
【００５６】
【表２】
2004233659.tif 000004
【００５７】
（実施例３）
実施例１と同様にして作製した光偏向素子（サンプル２）を用いて、駆動する印加電圧を±０〜±１５Ｖと可変にしたところ、印加電圧の大きさによって光偏向量は多値に異なっていた。また、キラルスメクチックＣ相からなる強誘電性液晶（Ｒ５００２  クラリアント）を用いて同様に光偏向素子を作製し、印加電圧を±０〜２０Ｖまで可変に設定したところ、光偏向量は一定の値しかとらなかった。つまり、ネマチック液晶のリニアな電界依存性により、多値の光偏向が可能になることが分かった。
【００５８】
（実施例４）
実施例１の光偏向素子（サンプル２）をモデルとして短波長（Ｆ線）側と長波長（Ｃ線）側における光偏向動作時の光路長差（素子とディテクタの距離は１ｍとした）を計算した。この時の基板の硝材はＬＬＦ１またはＢＫ７とした。下記の表３，４に計算結果および液晶と硝材のＤ線（５８７．６ｎｍ）、Ｃ線（６３６．３ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）に対する屈折率とアッベ数を示す。また、図１４に、液晶（ＺＬＩ−４７９２）の常光、異常光の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）及びＬＬＦ１の屈折率の波長特性を示す（図中のａは液晶の常光の屈折率ｎｏ、ｂは液晶の異常光の屈折率ｎｅ、ｃはＬＬＦ１の屈折率である）。
計算結果からＦ線での光路長差とＣ線での光路長差の差（Ｆ線−Ｃ線）は異なっており、ＬＬＦ１の方がその差が小さいためＦ線とＣ線における波長依存性が少ないことが分かる。
【００５９】
ここで、下記の表３に示す液晶（ＺＬＩ−４７９２）のｎｏとｎｅのアッベ数の平均は４２．６となり、この平均から±１０％ズレた範囲は３８．４〜４６．９である。硝材のアッベ数を比較すると、ＬＬＦ１は前記範囲内にあるが、ＢＫ７は範囲外にある。すなわち、硝材のアッベ数が液晶のｎｏとｎｅのアッベ数の平均から±１０％ズレた範囲内にあることで波長依存性は少なくなる。
【００６０】
【表３】
2004233659.tif 000005
【００６１】
【表４】
2004233659.tif 000006
【００６２】
（実施例５）
次に図９に示すような構成の画像表示装置を作製した。画像表示素子１４として対角０．９インチＸＧＡ（１０２４×７６８ドット）のポリシリコンＴＦＴ液晶パネル（液晶ライトバルブ）を用いた。画素ピッチは縦横ともに約１８μｍである。画素の開口率は約５０％である。また、画像表示素子１４の光源側にマイクロレンズアレイを設けて照明光の集光率を高める構成とした。光源１０としては白色ランプを用い、カラーフィルターを各画素表面に設けた透過型液晶ライトバルブ１４により、カラー表示を行なった。また、マイクロレンズ、コリメートレンズを用いて縮小光学素子１５を構成し、液晶ライトバルブ１４の直後に設置して、画素位置との位置合わせを調整した。光偏向素子１６として実施例１で作製した素子を用い、縮小光学素子１５の後に設置した。投射光学系の結像位置はシフト量が９μｍになるように調整した。また、液晶セルの出射側に薄い拡散層を有する拡散板を合わせて、出射面での拡散光を拡大し、表示画像を観察した結果、比較例１の素子を用いた場合の表示画像に比べて、ボケが少なく横方向の画素密度が二倍の高精細な表示画像が得られた。
【００６３】
（実施例６）
次に図３のように、２つの光偏向素子１を用い、傾斜領域面（鋸歯形状部）が互いに対向するように配置した構成の光偏向素子を作製する。そして図３のように構成したペアの光偏向素子を複数用い、図１２に示すように光偏向素子▲１▼，▲２▼，▲３▼を３つ並べて光偏向装置を作製した。この光偏向素子を構成するペアの光偏向素子１は全て実施例１と同様にして作製したものである。各光偏向素子に電圧を印加して駆動するための電源を３台用意し、各ペアの光偏向素子がそれぞれ駆動できるように設置した。ここで、ペアの光偏向素子は同一の電源で駆動するように配線した。
【００６４】
入射光には実施例１と同様のレーザー光を使用し、光を入射する前に各ペアの光偏向素子▲１▼，▲２▼，▲３▼の駆動のＯＮ、ＯＦＦを選択しておく。選択肢としては数通りあるが、ここでは下記の表５のように４通りの選択肢について実験した。その結果、各ペアの光偏向素子の駆動のＯＮ、ＯＦＦを選択することで、任意の出力位置に光を出射することができた。このときの出射光の像をＣＣＤカメラで観察したところ、ビーム形状に歪みはなかった。
【００６５】
【表５】
2004233659.tif 000007
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明では、一対の透明基板と、該基板間に挟まれ電圧印加によって配向を制御することにより入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、該液晶層に電圧を印加することが可能な電圧印加制御手段とを備え、前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板は、液晶層側の面に光偏向方向に対応して傾斜している鋸歯形状部を形成してなる鋸歯形状基板である光偏向素子において、出射偏向光の偏向角が入射光軸に対して対称であるため、設定される受光面位置において偏向光の光路長差をなくすことができる。
【００６７】
請求項２に係る発明では、一対の透明基板と、該基板間に挟まれ電圧印加によって配向を制御することにより入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、該液晶層に電圧を印加することが可能な電圧印加制御手段とを備え、前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板は、液晶層側の面に光偏向方向に対応して傾斜している鋸歯形状部を形成してなる鋸歯形状基板である光偏向素子において、入射光波長における前記鋸歯形状基板の屈折率をｎｇ、液晶駆動（光偏向動作）時に入射光が感じる液晶の実効的な屈折率をｎ１（＝ｎｅ）、ｎ２（＝ｎｏ）（ｎ１＞ｎ２）とするとき、ｎ１＞ｎｇ＞ｎ２の関係を満たすように各屈折率を設定することで、光偏向素子からの出射偏向光は入射光軸に対して対称方向に出射され、設定される受光面位置において偏向光の光路長差をなくすことができる。
【００６８】
請求項３に係る発明では、請求項２記載の光偏向素子において、入射光波長における前記鋸歯形状基板の屈折率をｎｇ、液晶駆動（光偏向動作）時に入射光が感じる液晶の実効的な屈折率をｎ１（＝ｎｅ）、ｎ２（＝ｎｏ）（ｎ１＞ｎ２）とするとき、
０．９９・［（ｎ１＋ｎ２）／２］＜ｎｇ＜１．０１・［（ｎ１＋ｎ２）／２］
の関係を満たすように各屈折率を設定することで、光偏向素子からの出射偏向光は入射光軸に対して対称方向に出射され、設定される受光面位置において、精度よく偏向光の光路長差をなくすことができる。
【００６９】
請求項４に係る発明では、請求項２または３記載の光偏向素子において、前記鋸歯形状基板のアッベ数が液晶の異常光（ｎ１＝ｎｅ）、常光（ｎ２＝ｎｏ）におけるアッベ数の平均から±１０％以内のズレであることを特徴とし、液晶における屈折率の波長特性と基板における屈折率の波長特性のズレが小さくなるように前記鋸歯形状基板のアッベ数を規定することで、広波長帯域における波長依存性を低減することができる。
【００７０】
請求項５に係る発明では、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光偏向素子において、前記液晶層がネマチック液晶であるため、印加電圧によって液晶の実効的な屈折率を段階的に変化させることができる。
また、請求項６に係る発明では、請求項５記載の光偏向素子において、前記ネマチック液晶の初期配向方向と入射光の偏光方向が前記鋸歯形状基板の鋸歯刻線方向と一致するため、液晶の配向は傾斜面の影響を受けずに均一に配向することができる。さらに、入射光の偏光方向を鋸歯形状基板の鋸歯刻線方向と一致させることで、液晶の異常光成分（液晶ダイレクタの長軸）に起因する実効的な屈折率のばらつきを少なくできる。
【００７１】
請求項７に係る発明では、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が二次元配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源と、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、該光学部材の間の光路を偏向する光偏向素子を有する画像表示装置であり、光偏向素子は請求項１〜６のいずれか一つに記載の光偏向素子からなることにより、請求項１〜６の効果が得られ、収差の少ない高精細画像を表示する画像表示装置を実現することができる。
【００７２】
請求項８に係る発明では、請求項７記載の画像表示装置において、前記光偏向素子は、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の一対の傾斜領域を有し、第一の傾斜領域で屈折された光が、一定間隔をおいて設置された第二の傾斜領域に入射し、第二の傾斜領域で再度屈折されて略平行光として出射するように、第一の傾斜領域と第二傾斜領域が対向して配置された光偏向素子からなり、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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とするので、前記光偏向素子の印加電圧を切換えることで光路をシフトすることができる。また、光偏向時の偏向方向は入射光軸に対して対称であるため、出射偏向光の光路長差は小さい。即ち、表示画像の画素数を増倍し、収差の少ない表示画像を得ることができる。
【００７３】
請求項９に係る発明では、請求項７記載の画像表示装置において、前記光偏向素子は、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の傾斜領域を有し、該傾斜領域で屈折された光が偏向光として出射するような光偏向素子からなり、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することで、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とするので、素子構成が簡単な光偏向素子の印加電圧を切換えることで光路をシフトすることができる。また、光偏向時の偏向方向は入射光軸に対して対称であるため、出射偏向光の光路長差は小さい。即ち、表示画像の画素数を増倍し、収差の少ない表示画像を得ることができる。
【００７４】
請求項１０に係る発明では、請求項１〜６のいずれかに記載の光偏向素子を複数用い、前記光偏向素子が多段に配置されてなることを特徴とするので、多段に配置した複数の光偏向素子を選択的に駆動することで、出射光を任意の位置に光路シフトすることが可能となる。
請求項１１に係る発明では、請求項１０記載の光偏向装置において、前記光偏向素子として、入射光の進行方向に対して、基板間隔が非平行で傾斜角度ψが一定の一対の傾斜領域を有し、第一の傾斜領域で屈折された光が、一定間隔をおいて設置された第二の傾斜領域に入射し、第二の傾斜領域で再度屈折されて略平行光として出射するように、第一の傾斜領域と第二傾斜領域が対向して配置され、出射偏向光の偏向角が基板面の法線方向に対して対称であることを特徴とする光偏向素子を複数用い、前記光偏向素子が多段に配置されてなることを特徴とするので、多段に配置した複数の光偏向素子を選択的に駆動することで、出射光を任意の位置に光路シフトすることができる。また、出射偏向光の偏向角が入射光軸に対して対称であるため、出射光における収差を少なくすることができる。
【００７５】
請求項１２に係る発明では、請求項１１記載の光偏向装置において、前記光偏向素子は対向して配置された一対の傾斜領域の間に中間基板を有し、多段に配置された複数の光偏向素子の中間基板厚ｄを、それぞれ入射光側から順にｄ１、ｄ２、ｄ３、・・・  とする場合、
ｄｍ＝ｄｍ−１／２ｍ−１  （ｍ＝１，２，３，・・・、但しｄ０＝ｄ１）
の関係を満たすことを特徴とするので、光偏向素子を通過する光路シフト量は素子を通過する度に半分になる。そのため複数の光偏向素子を選択的に駆動することで出射光は等間隔の位置に光路シフトすることができ、出力位置は倍増する。また、出射偏向光の偏向角が入射光軸に対して対称であるため、出射光における収差を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光偏向素子の基本構成例を示す図である。
【図２】図１に示す光偏向素子の液晶配向状態の変化の説明図である。
【図３】本発明の光偏向素子の別の構成例を示す図である。
【図４】本発明の光偏向素子の別の構成例を示す図である。
【図５】本発明の光偏向素子における偏向理論の説明図である。
【図６】本発明の光偏向素子の別の構成例を示す図である。
【図７】液晶の屈折率及び基板硝材の屈折率の波長特性を示す図である。
【図８】鋸歯形状基板を用いた場合の液晶の初期配向状態の例を示す説明図である。
【図９】本発明に係る画像表示装置の概略構成例を示す図である。
【図１０】光偏向素子を用いた場合の見かけ上の画素倍増の様子を示す図である。
【図１１】画像表示装置における光偏向素子の配置の概略を示す図である。
【図１２】本発明に係る光偏向装置の概略構成例を示す図である。
【図１３】本発明に係る光偏向装置の別の概略構成例を示す図である。
【図１４】液晶（ＺＬＩ−４７９２）の常光、異常光の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）及びＬＬＦ１の屈折率の波長特性を示す図である。
【符号の説明】
１：光偏向素子
２：鋸歯形状基板
２ａ：鋸歯形状部（傾斜領域）
３：対向基板
４：液晶層（液晶）
４ａ：液晶分子
５：透明電極
６：中間基板
１０：光源
１１：照明装置
１２：拡散板
１３：コンデンサレンズ
１４：画像表示素子（透過型液晶ライトバルブ）
１５：縮小光学素子
１６：光偏向素子
１７：投射レンズ
１８：スクリーン
２０：光源駆動手段
１９：画像表示制御回路
２１：表示駆動手段
２２：光偏向電圧制御手段
▲１▼，▲２▼，▲３▼：光偏向素子
【図１】
2004233659.tif 000008
【図２】
2004233659.tif 000009
【図３】
2004233659.tif 000010
【図４】
2004233659.tif 000011
【図５】
2004233659.tif 000012
【図６】
2004233659.tif 000013
【図７】
2004233659.tif 000014
【図８】
2004233659.tif 000015
【図９】
2004233659.tif 000016
【図１０】
2004233659.tif 000017
【図１１】
2004233659.tif 000018
【図１２】
2004233659.tif 000019
【図１３】
2004233659.tif 000020
【図１４】
2004233659.tif 000021