(57)【要約】　　　（修正有）【課題】光偏向素子において、液晶の配向欠陥に起因するノイズ光の発生を防止し、耐久性を向上させる。【解決手段】少なくとも一方に傾斜面９ａを有する一対の透明基板５ａ，５ｂを対向配置させ、この透明基板５ａ，５ｂ間に充填されるキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層６中に高分子材料を含有させた。これにより、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶を用いることで自発分極による光偏向制御を高速化した場合にも、駆動による液晶分子６ａの配向状態の乱れから発生する配向欠陥を高分子材料によって抑制することが可能になる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置される一対の透明基板と、
前記一対の透明基板間に充填されてキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、
前記液晶層に対して電界を発生させる一対の透明電極と、
少なくとも一方の前記透明基板の前記液晶層に対向する面に設けられて、この面とは反対側の面に対して傾斜する傾斜面と、
前記液晶層に含有される高分子材料と、
を有する光偏向素子。
【請求項２】
前記高分子材料は、モノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方を重合硬化剤によって重合硬化することにより形成されている請求項１記載の光偏向素子。
【請求項３】
前記重合硬化剤は、光硬化型である請求項２記載の光偏向素子。
【請求項４】
前記高分子材料は、液晶性骨格を部分構造として有する請求項２または３記載の光偏向素子。
【請求項５】
前記モノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方の前記液晶層の構成材料に対する混合比は、２ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下の範囲である請求項１ないし４のいずれか一に記載の光偏向素子。
【請求項６】
対向配置される一対の透明基板と、前記一対の透明基板間に充填されてキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、少なくとも一方の前記透明基板の前記液晶層に対向する面に設けられて、この面とは反対側の面に対して傾斜する傾斜面と、を有する光偏向素子の作製方法において、
前記一対の透明基板間に、モノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方を含有する前記液晶層を形成する液晶材料を充填する充填ステップと、
前記光偏向素子の無電解状態において定められる液晶配向方向に液晶を配向せしめるように電界を印加した状態で、前記モノマーまたは前記プレポリマーの少なくとも一方を硬化させて高分子を形成する高分子形成ステップと、
を具備することを特徴とする光偏向素子の作製方法。
【請求項７】
前記光偏向素子の無電解状態において定められる液晶配向方向は、前記透明基板面に平行な方向であることを特徴とする請求項５記載の光偏向素子の作製方法。
【請求項８】
前記光偏向素子の無電解状態において定められる液晶配向方向は、前記傾斜面およびこの傾斜面とは反対側の面に対して平行な方向であることを特徴とする請求項６または７記載の光偏向素子の作製方法。
【請求項９】
請求項１ないし５のいずれか一に記載の光偏向素子が、光進行方向に直列に２個以上配置されている光偏向デバイス。
【請求項１０】
請求項１ないし５のいずれか一に記載の光偏向素子または請求項９記載の光偏向デバイスと、
前記光偏向素子または前記光偏向デバイスの光偏向素子が有する一対の透明電極に対して駆動電圧を印加する電圧印加手段と、
を具備する光偏向装置。
【請求項１１】
前記電圧印加手段は、前記一対の透明電極に対して３０Ｖ／μｍ以下の駆動電圧を印加する請求項１０記載の光偏向装置。
【請求項１２】
前記電圧印加手段が印加する駆動電圧を段階的に調整する電圧調整手段を具備する請求項１０または１１記載の光偏向装置。
【請求項１３】
前記電圧調整手段は、入射する直線偏光の偏光方向に対して液晶のダイレクタ方向が平行または垂直となる駆動電圧を基準駆動電圧とし、この基準駆動電圧に対して駆動電圧を段階的に増減させる請求項１２記載の光偏向装置。
【請求項１４】
前記基準駆動電圧における液晶のダイレクタ方向は、請求項１ないし５のいずれか一に記載の光偏向素子または請求項９記載の光偏向デバイスの光偏向素子が有する傾斜面およびこの傾斜面とは反対側の面に対して平行な方向である請求項１３に記載の光偏向装置。
【請求項１５】
２次元的に配列された複数の画素を有し、表示フレームを複数に分割したサブフレーム単位で各画素の光学特性を選択的に変化させることにより画像を切り替え表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子に表示され前記照明手段によって照明される画像光を被照射体に投射する観察光学部材と、
前記画像光路上に設けられた請求項１０ないし１４のいずれか一に記載の光偏向装置と、
前記画像表示素子での表示の切り替えに対応させて前記光偏向装置の電圧印加手段を動作させる偏向制御手段と、
を具備する画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光偏向素子、光偏向素子作製方法、光偏向デバイス、光偏向装置および画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入射光を偏向して出射する光偏向素子として、従来より、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等の各種光学素子が知られている（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）。このような光学素子は、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、液晶材料を用いて入射光を偏向させる光学素子（光偏向素子）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。該公報には、互いに逆向きに配置した２枚のくさび形の透明基板間に液晶層を挟んだ光ビームシフタ、この光ビームシフタをマトリクス形偏向制御素子の後面に接続した光ビームシフタ、互いに逆向きに配置した併せて２枚のくさび形の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開示されている。
【０００５】
しかしながら、該公報に開示された技術によれば、透過光ビーム幅を広く取るためにはくさび型透明基板の厚みを大きく取る必要があるため、光学系が大きくなったり、光利用効率が低下してしまったりするなどの不具合を生じる。このような不具合は、特に照明光が平行光線でない場合に、顕著に発生する。
【０００６】
また、特開平９−１３３９０４号公報には、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透明電極対を配置し、透明電極対に交流電界を印加する駆動装置を備えた光偏向スイッチが開示されている。該公報に開示された技術によれば、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の屈折角と変位する方向を変化させることができ、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。
【０００７】
しかしながら、該公報に開示された技術では、一対の透明電極によって電界を発生させているため、透明電極間隔を広く取った場合に電界強度分布が透明電極からの位置によって大きく変化してしまい、偏向量の位置依存が発生してしまう不具合がある。このため、透過させることが可能な光線幅が限定されてしまっている。また、該公報に開示された技術では、スメクチックＡ相による電傾効果を用いているため、スメクチックＣ相等の自発分極を利用したスイッチングに比較して高速化が望めない。
【０００８】
他に、特開平５−２０４００１号公報には、一方に鋸歯状格子が形成された一対の透明基板間に、鋸歯状格子の刻線方向にホモジニアス配向して複屈折性を有する液晶を保持し、液晶の長軸あるいは短軸のいずれかの屈折率が鋸歯状格子を形成する材料の屈折率と一致するようにした光偏向装置が開示されている。
【０００９】
しかしながら、該公報に開示された技術によれば、低電圧で駆動でき、２次元化、小型化を図ることができるが、上述した特開平６−１８９４０号公報と同様に、入射光を偏光回転させる偏光回転装置を用いる必要があるため、装置が複雑化大型化する不具合があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
これに対し、本出願人は、上記の従来技術の不具合点を解消すべく、特開平１３−０１４３２１号公報においてキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を用いた光偏向素子および光偏向デバイスを提供している。
【００１１】
該光偏向素子によればキラルスメクチックＣ相を形成する液晶を用いることで、光偏向動作の高速化を図ることが可能であるが、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶は配向制御が難しく、特に基板間隔が非平行の場合には困難である。
【００１２】
また、光偏向動作に際しては、液晶中にスジ状の欠陥が発生することがあり、この欠陥はコントラスト低下の要因となっている。
【００１３】
加えて、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶が安定する配向状態は、一般的に２値のみを取るため、液晶の配向状態を多値とする場合に安定した配向状態を得ることが困難であり、光量調整が困難である。
【００１４】
本発明の目的は、高速な光偏向制御が可能な光偏向素子における光偏向動作に際しての配向安定性を向上させ、光偏向素子の耐久性を向上させることである。
【００１５】
本発明の目的は、高速な光偏向制御が可能な光偏向素子における光偏向動作による配向欠陥に起因するノイズ光の発生を防止することである。
【００１６】
本発明の目的は、高速な光偏向制御が可能な光偏向素子における光量調整を可能とすることである。
【００１７】
【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素子は、対向配置される一対の透明基板と、前記一対の透明基板間に充填されてキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、前記液晶層に対して電界を発生させる一対の透明電極と、少なくとも一方の前記透明基板の前記液晶層に対向する面に設けられて、この面とは反対側の面に対して傾斜する傾斜面と、前記液晶層に含有される高分子材料と、を有する。
【００１８】
したがって、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶を用いることで自発分極による光偏向制御を高速化するとともに、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶を用いた場合にも光偏向動作による液晶分子の配向状態の乱れから発生する配向欠陥を高分子材料によって抑制することが可能になる。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光偏向素子において、前記高分子材料は、モノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方を重合硬化剤によって重合硬化することにより形成されている。
【００２０】
したがって、熱や光などの重合硬化条件のコントロールにより、光偏向素子の作製に際しては、液晶材料とともにモノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方を透明基板間へ注入した後でモノマーまたはプレポリマーを重合硬化させ、液晶層中で容易に高分子材料を形成することが可能になる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の光偏向素子において、前記重合硬化剤は、光硬化型である。
【００２２】
したがって、光硬化型の重合硬化剤を用いることにより、光強度や硬化時間のコントロールにより、簡易な重合硬化条件で液晶層中で高分子材料を形成することが可能になる。
【００２３】
請求項４記載の発明は、請求項２または３記載の光偏向素子において、前記高分子材料は、液晶性骨格を部分構造として有する。
【００２４】
したがって、液晶層に含有される高分子材料には液晶性の置換基が付いているため、高分子材料が配向性を有して、電圧の印加／非印加による屈折率変化を大きくすることができる。また、高分子材料に液晶性の置換基を付けることにより、液晶層中でのモノマーまたはプレポリマー硬化時に白濁のない透明な素子を得ることができる。
【００２５】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか一に記載の光偏向素子において、前記モノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方の前記液晶層の構成材料に対する混合比は、２ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下の範囲である。
【００２６】
したがって、重合硬化させるモノマーまたはプレポリマーの液晶層の構成材料に対する混合比を調整することで、耐久性、配向性を実用上、確実に向上させることが可能になる。
【００２７】
請求項６記載の発明の光偏向素子の作製方法は、対向配置される一対の透明基板と、前記一対の透明基板間に充填されてキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、少なくとも一方の前記透明基板の前記液晶層に対向する面に設けられて、この面とは反対側の面に対して傾斜する傾斜面と、を有する光偏向素子の作製方法において、前記一対の透明基板間に、モノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方を含有する前記液晶層を形成する液晶材料を充填する充填ステップと、前記光偏向素子の無電解状態において定められる液晶配向方向に液晶を配向せしめるように電界を印加した状態で、前記モノマーまたは前記プレポリマーの少なくとも一方を硬化させて高分子を形成する高分子形成ステップと、を具備する。
【００２８】
したがって、液晶層における液晶分子は、高分子材料によって光偏向素子の無電界状態において定められる液晶配向方向に配向するように規制される。この無電界状態において定められる液晶の配向方向は、基板にラビング処理を施した場合はラビング方向であり、ラビング処理、光配向処理などの初期配向方向である。この初期配向方向に配向するように電界を印加することで、液晶の配向は存在し得る２方向のドメインを常に１方向のみにすることができ、面内で均一な配向状態をつくることができる。このような均一配向状態で、高分子構造を形成することで、均一な配向安定状態を長く保つことができる。ここで、本発明の光偏向素子を、例えば、請求項１０に記載の発明のように、光偏向素子が有する一対の透明電極に対して駆動電圧を印加する電圧印加手段を備える光偏向装置へ適用した場合には、繰り返しスイッチングにおける液晶の配向欠陥の発生を防止できる効果もある。
【００２９】
請求項７記載の発明は、請求項５記載の光偏向素子の作製方法において、前記光偏向素子の無電解状態において定められる液晶配向方向は、前記透明基板面に平行な方向である。
【００３０】
したがって、液晶分子の長軸方向が透明基板面と平行になるため、液晶分子の配向安定性を向上させるとともに、透明基板間のギャップ（セルギャップ）を小さくすることが可能になる。また、光偏向動作に際しては、透明基板面に対して液晶分子が大きく回転するため、光偏向素子へ入射する光の直線偏光の偏光方向によって光偏向動作に際しての屈折率の変化を大きくすることが可能になる。
【００３１】
請求項８記載の発明は、請求項６または７記載の光偏向素子の作製方法において、前記光偏向素子の無電解状態において定められる液晶配向方向は、前記傾斜面およびこの傾斜面とは反対側の面に対して平行な方向である。
【００３２】
したがって、無電解状態における液晶分子の配向方向を傾斜面およびこの傾斜面とは反対側の面に対して平行な方向とすることにより、光偏向動作に際しては、液晶分子が傾斜面に沿って回転される。
【００３３】
請求項９記載の発明の光偏向デバイスは、請求項１ないし５のいずれか一に記載の光偏向素子が、光進行方向に直列に２個以上配置されている。
【００３４】
したがって、直進する入射光に対して１つ目の光偏向素子で屈折した光を、２つ目以降の光偏向素子で再度屈折させることで、光偏向素子に対する入射光に対して略平行光として出射することが可能になる。また、光偏向素子を２個以上配置することにより、鋸歯形間の間隔を調整することが可能になる。
【００３５】
請求項１０記載の発明の光偏向装置は、請求項１ないし５のいずれか一に記載の光偏向素子または請求項９記載の光偏向デバイスと、前記光偏向素子または前記光偏向デバイスの光偏向素子が有する一対の透明電極に対して駆動電圧を印加する電圧印加手段と、を具備する。
【００３６】
したがって、請求項１ないし５のいずれか一に記載または請求項９記載の発明の作用を有する光偏向装置を得ることができる。
【００３７】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の光偏向装置において、前記電圧印加手段は、前記一対の透明電極に対して３０Ｖ／μｍ以下の駆動電圧を印加する。
【００３８】
したがって、実用上、高分子材料が破壊されない程度の駆動電圧で駆動して、高分子材料を壊れ難くすることが可能になる。
【００３９】
請求項１２記載の発明は、請求項１０または１１記載の光偏向装置において、前記電圧印加手段が印加する駆動電圧を段階的に調整する電圧調整手段を具備する。
【００４０】
したがって、駆動電圧を段階的に調整することによって、高分子材料、液晶分子の自発分極、配向処理などの液晶分子に相互作用する固定的な配向規制力から階調機能を得ることが可能になる。
【００４１】
請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の光偏向装置において、前記電圧調整手段は、入射する直線偏光の偏光方向に対して液晶のダイレクタ方向が平行または垂直となる駆動電圧を基準駆動電圧とし、この基準駆動電圧に対して駆動電圧を段階的に増減させる。
【００４２】
したがって、電圧調整手段によって基準駆動電圧に対して駆動電圧を段階的に増減させることにより、入射する直線偏光の偏光方向に対する液晶のダイレクタ方向を任意に設定することが可能になり、入射する直線偏光の偏光方向を基準として、出射光を直進光成分と偏向光成分とに光量分配（光量調整）することが可能になる。
【００４３】
請求項１４記載の発明は、請求項１３に記載の光偏向装置において、前記基準駆動電圧における液晶のダイレクタ方向は、請求項１ないし５のいずれか一に記載の光偏向素子または請求項９記載の光偏向デバイスの光偏向素子が有する傾斜面およびこの傾斜面とは反対側の面に対して平行な方向である。
【００４４】
したがって、基準駆動電圧における液晶ダイレクタの方向を液晶分子が比較的安定して配向する方向に平行とすることにより、光量分配（光量調整）するとともに、基準駆動電圧印加時における配向安定性の向上を図ることが可能になる。
【００４５】
請求項１５記載の発明の画像表示装置は、２次元的に配列された複数の画素を有し、表示フレームを複数に分割したサブフレーム単位で各画素の光学特性を選択的に変化させることにより画像を切り替え表示する画像表示素子と、前記画像表示素子に表示され前記照明手段によって照明される画像光を被照射体に投射する観察光学部材と、前記画像光路上に設けられた請求項１０ないし１４のいずれか一に記載の光偏向装置と、前記画像表示素子での表示の切り替えに対応させて前記光偏向装置の電圧印加手段を動作させる偏向制御手段と、を具備する。
【００４６】
したがって、表示フレームを複数に分割したサブフレーム単位で画像表示素子に切り替え表示されて照明手段によって照明される画像光の被照射体への光路上で、光偏向デバイスおよび偏向制御手段によって画像光路を平行にシフトさせることにより、被照射体上に表示される画像の表示位置をサブフレーム毎にずらして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が可能になる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態について図１ないし図５を参照して説明する。本実施の形態は、光偏向デバイスへの適用例を示す。
【００４８】
図１は、本実施の形態の光偏向デバイスを示す断面図である。本実施の形態の光偏向デバイス１は、２つの光偏向素子２（２ａ，２ｂ）（図２参照）を、中間基板３を間にして、光進行方向に沿って直列に配設することで構成されている。本実施の形態の光偏向デバイス１は、後述する電極７への電圧の印加／非印加に応じて、出射光の光路を平行シフト量ｘだけ平行シフトさせることができ、平行シフトに際して、光偏向素子２ａにより屈折させた入射光を光偏向素子２ｂで再度屈折させることで、入射光に対して平行な出射光を出射することを可能としている。
【００４９】
次に、光偏向素子２について図２を参照して説明する。図２は、光偏向素子２の概略構成を示す断面図である。本実施の形態の光偏向素子２は、一対の透明基板５（５ａ，５ｂ）、一対の透明基板５ａ，５ｂ間に狭持された液晶層６、電圧印加手段としての電圧制御手段１０によって電圧を印加することにより液晶層６に電界を発生させる透明電極７（７ａ，７ｂ）、液晶層６における液晶分子６ａを配向させる配向膜８（８ａ，８ｂ）を備えている。本実施の形態では、光偏向素子２および電圧制御手段１０によって光偏向装置が実現されている。
【００５０】
透明基板５の材質としては、ガラス、プラスチック等を使用することができ、例えば、ＩＴＯ等が利用できる。
【００５１】
一対の透明基板５の少なくとも一方の透明基板５ａ上には、他方の透明基板５ｂに対向する面に、鋸歯形状部９が形成されている。鋸歯形状部９は、透明基板５ａの液晶層６に対向する面（図２中透明基板５ａの右側面）に設けられて、この面とは反対側の平坦な面（図２中透明基板５ａの左側面）に対して一定の角度で連続して傾斜する複数の傾斜面９ａを有する。傾斜面９ａの傾斜状態は、図３に示すように、入射光の法線方向に対して全て一定の傾きθをなすように設定されている。鋸歯形状部９は、ドライエッチングやフォトプロセスあるいは機械的切削加工等により透明基板５ａの表面に直接加工してもよいし、もしくは、金型を用いた射出成形法などにより透明プラスチックや樹脂などを鋸歯形状に成形した後、転写法などにより透明基板５ａに転写するようにしてもよい。
【００５２】
なお、本実施の形態では、複数の傾斜面９ａを有する鋸歯形状部９としたが、これに限るものではなく、単一の傾斜面であってもよい。本実施の形態のように、連続する複数の傾斜面９ａとすることにより、入射光の入射方向に対する光偏向素子２ａ，２ｂの厚みを小さくすることができ、光偏向素子２ａ，２ｂおよび光偏向デバイス１の小型化を図ることができる。
【００５３】
光偏向デバイス１における光偏向素子２ａ，２ｂは、光偏向素子２ａ，２ｂが有する鋸歯形状部９を互いに対向させるようにして配置されている。
【００５４】
一対の透明基板５ａ，５ｂ間に狭持される液晶層６は、キラルスメクチックＣ相を形成し、初期配向状態が透明基板５ａ，５ｂの平坦面に平行なホモジニアス配向を取っている。
【００５５】
ここで、一般に、液晶層６における液晶分子６ａの無電解状態における初期配向状態には、透明基板５の平坦面に平行なホモジニアス配向を取る場合と透明基板５の平坦面に垂直なホメオトロピック配向を取る場合とが考えられるが、ホメオトロピック配向を取る場合、セルギャップが厚くなり、鋸歯形状部９の傾斜部分において配向安定性が悪い。また、ホメオトロピック配向を取る場合、基板平面に対して略平行な電界を印加する必要があり、大面積において均一な水平電界を印加することは困難である。さらに、ホメオトロピック配向における液晶のコーン角は一般的に最大６０°程度であり、光偏向素子へ入射する直線偏光の偏光方向の違いによる屈折率変化は小さく、大きな偏向角を得ることはできない。
【００５６】
これに対し、本実施の形態のように、液晶層６における液晶分子６ａの初期配向状態を透明基板５の平坦面に平行となるようなホモジニアス配向とすることで、液晶層６における液晶分子６ａの配向安定性を向上させ、セルギャップを小さくすることができる。また、ホモジニアス配向とすることで基板平面に対して垂直な電界を印加すれば良く、大面積においても容易に均一な電界を印加することができる。さらに、ホモジニアス配向における液晶のコーン角は最大９０°程度であり、液晶分子６ａが大きく回転するため、光偏向素子２へ入射する直線偏光の偏光方向によって、屈折率変化を大きくし、大きな偏向角を得ることができる。
【００５７】
液晶分子６ａのダイレクタの向きは、鋸歯形状部９の刻線方向（図１，２中紙面表裏方向）に配向されている。このように、液晶分子６ａのダイレクタの向きを鋸歯形状部９の刻線方向に配向させることで、液晶層６における液晶分子６ａの配向安定性をさらに向上させることができる。例えば、ラビング処理により液晶層６における液晶分子６ａのダイレクタの向きを決定する場合には、鋸歯形状部９の刻線方向にラビング処理を行なえばよい。このような処理は、光偏向素子２の作製時に、液晶材料を毛細管法などで注入する場合に効率的に注入でき、注入時間の短縮化、過剰に注入することにより無駄となる液晶材料の少量化といった効果も望める。
【００５８】
透明電極７（７ａ，７ｂ）は、一対の透明基板５ａ，５ｂと液晶層６との間に、それぞれ設けられている。透明電極７の材質としては、透明であることが好ましく、本実施の形態の透明電極７は、透明基板５ａ，５ｂと液晶層６との間一面に設けられた透明ベタ透明電極である。鋸歯形状部９が形成されている透明基板５ａにおいては、鋸歯形状部９上に透明電極が設けられている。透明電極７ａ，７ｂ間には、電圧制御手段１０の制御によって所定の電圧が印加される。透明電極７ａ，７ｂ間に電圧が印加されることにより、ホモジニアス配向している液晶分子６ａのダイレクタに直交する方向、すなわち、液晶分子６ａのダイレクタの自発分極方向に電界が発生する。
【００５９】
なお、本実施の形態では、一対の透明基板５ａ，５ｂ間に配向膜８ａ，８ｂを設けるようにしたが、これに限るものではなく、例えば、使用する透明基板５の材質などによって鋸歯形状部９自身が導電性を有している場合は、透明基板５、鋸歯形状部９を透明電極としても利用することができる。また、透明電極７の表面に、絶縁膜（図示せず）を設けても良い。
【００６０】
配向膜８は、一対の透明電極７ａ，７ｂと液晶層６との間にそれぞれ設けられており、液晶層６における液晶分子６ａに配向機能を付与する。液晶層６における液晶分子６ａへの配向機能の付与は、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８を利用することができる。配向膜８には、ラビング処理や光配向処理を施すことが好ましい。
【００６１】
液晶層６における液晶分子６ａは、透明電極７ａ，７ｂ間に印加する電圧の印加条件を設定することによって配向状態が変化し、透明電極７ａ，７ｂ間に印加される電圧によって生じる電界方向に応じて、例えば、図３に示すように、第１の配向状態および第２の配向状態の２つの配向状態を取ることが可能になる。本実施の形態では、液晶分子６ａのダイレクタがＺ軸方向を向くような配向状態を第１の配向状態とし、液晶分子６ａのダイレクタが第１の配向状態と直交する方向を向くような配向状態を第２の配向状態とする。
【００６２】
このように、透明電極７ａ，７ｂ間に印加する電圧の印加条件を変化させて液晶分子６ａのダイレクタの配向状態を変化させることにより、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶層６では、液晶分子６ａの配向状態の変化に伴って屈折率が変化する。
【００６３】
ここで、液晶層６の屈折率と液晶層６を挟持する透明基板５の屈折率とが等しい場合には、液晶分子６ａの配向状態が第１の配向状態となるように透明電極７ａ，７ｂに電圧を印加して、光偏向素子２に対して、直線偏光の偏光方向がＹ軸方向となるように操作した入射光を入射させると、入射光は常光として振る舞い、偏向することなくそのまま通過する。
【００６４】
一方、透明電極７ａ，７ｂに電圧を印加して電界印加方向を反転させ、液晶分子６ａの配向状態を第２の配向状態とすることで、液晶層６の屈折率と液晶層６を挟持する透明基板５の屈折率とを異ならせた場合には、光偏向素子２に対して、直線偏光の偏光方向がＹ軸方向となるように操作した入射光を入射させると、入射光は異常光として振る舞い界面との屈折率差により偏向される。
【００６５】
このように、液晶分子６ａのダイレクタの配向方向を制御することによって、入射光に対して出射光を回転移動させることが可能である。また、第１の配向状態における液晶分子６ａの配向方向と、第２の配向状態における液晶分子６ａの配向状態とを、略直交する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できる。
【００６６】
ところで、光偏向素子２ａで偏向されて出射される出射光は、透明基板５の平坦面に対して垂直ではなく偏向角度がついた状態で出射される。このような光偏向素子２では、入射光に対する出射光の角度を偏向することはできるが、光偏向素子からの出射光には基板面に対して偏向角度が付いているため、例えば、単一のフレームを構成する複数のサブフレーム単位で表示位置をずらした画像をスクリーンに投影する画像表示装置に本実施の形態の光偏向素子２を１つ適用し、光偏向素子２によって表示位置をずらす場合、光偏向素子２からスクリーンまでの距離によって偏向量が変化してしまい、光学系設計自由度が低下する。
【００６７】
これに対し、本実施の形態では、２つの光偏向素子２ａ，２ｂを用いた光偏向デバイス１とすることで、光偏向素子２ａによって透明基板５面に対して偏向角度が付いて出射される出射光を、光偏向素子２ｂによって再屈折させることができ、入射光に対して略並行な光を出射することができる。これによって、上述した画像表示装置に適用した場合にも、光偏向素子２からスクリーンまでの距離によって偏向量が変化することなく、光学系設計自由度を向上させることができる。
【００６８】
なお、偏向されずに出射される光の出射位置から偏向されて出射された光の出射位置までが、平行シフト量ｘとなる。この平行シフト量ｘは、光偏向素子２と受光部との距離を適切に選ぶことで所望の平行シフト量ｘを得ることができる。光偏向デバイス１における平行シフト量ｘは、光偏向素子２ａ，２ｂの間に配設された中間基板３の厚さＬ１を調整することにより容易に調整することができる。
【００６９】
ところで、本実施の形態の液晶層には、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶層６に加えて、高分子材料Ｐ（図４参照）が含有されている。高分子材料Ｐは、鎖状または３次元網目状の形状を有しており、液晶層６に均一に分散されている。これにより、スメクチック層間の規制力を高めることができる。
【００７０】
また、高分子材料Ｐは、スメクチック層間の規制力を高めるとともに、液晶層６における液晶分子６ａに対して、液晶分子６ａのスイッチング動作に支障を来たすことはなく、かつ、後述するような配向規制力を作用させる程度に長い分子鎖を有している。
【００７１】
さらに、高分子材料Ｐは、液晶層６に含有させたモノマーに対して、液晶分子６ａを所望の配向状態にして紫外線を照射する等によって該モノマーを重合させたものを含む。このモノマーは、液晶性を示し、液晶骨格にメチレンスペーサーを有するものと有さないものとのどちらも含むものとする。
【００７２】
なお、液晶層６中で重合硬化させて高分子材料Ｐを形成する前駆体は、モノマーに限るものではなく、プレポリマー等であってもよい。
【００７３】
高分子材料Ｐの分子量は、重合硬化可能なモノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方が数個程度結合したポリマーの前駆体程度に設定されている。なお、重合数については、液晶材料の組み合わせにより適宜調整される。
【００７４】
本実施の形態の高分子材料Ｐは、少なくとも重合硬化剤によって重合硬化されている。本実施の形態では、一対の透明基板５ａ，５ｂの間に、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶材料と、重合硬化可能なモノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方との混合系を充填し、充填後に該モノマーまたはプレポリマーを重合硬化することにより形成されている。
【００７５】
液晶層６中に含有させるモノマーまたはプレポリマーとしては、光偏向素子２の形成しやすさ、および、材料選択幅の広さの点で光硬化型のものが優れている。光硬化型のモノマーまたはプレポリマーは、硬化時の条件に自由度があり、熱硬化型に比べ高速化設計に適している。光硬化型のモノマーまたはプレポリマーを用いることにより、一対の透明基板５ａ，５ｂによって形成されるセルに対して液晶材料を注入した後、このセルに対して光を照射するのみで高分子材料Ｐを含有する液晶層６を作製することができる。また、光硬化型のモノマーまたはプレポリマーを用いることにより、光強度、硬化時間をコントロールすることで、高速化に適した高分子材料Ｐを液晶層６中で容易に形成することができるため、熱硬化型のモノマーまたはプレポリマーによって形成される高分子材料と比較し格段の高速化が望める。
【００７６】
ここで、図４は、本発明に適用可能な液晶層６のモデルを示す模式図である。モノマーまたはプレポリマーによって形成される高分子材料Ｐは、高分子骨格に液晶性の置換基（液晶性要素）を部分構造として有する。液晶層６では、図４に示すように、液晶要素が高分子骨格中に存在する高分子材料Ｐと、強誘電性の液晶分子６ａとがともに配向した状態となっている。高分子骨格に液晶性の置換基（液晶性要素）が付いている高分子材料Ｐを用いることにより、液晶層６中では高分子骨格部分も配向する。これにより、液晶層６に対して電圧を印加した場合と印加しない場合とで、液晶分子６ａとともに高分子材料Ｐの配向状態が変化するので、屈折率変化を大きくすることができる。また、液晶性の置換基が付いた高分子材料Ｐを用いることにより、モノマーまたはプレポリマーの硬化時に白濁がない透明な素子を作製することができる。
【００７７】
高分子材料Ｐは、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶層６における液晶分子６ａが、所望の配向状態で維持されるように形成されている。本実施の形態では、外部から電圧を印加する等によって、無電解状態において定められる配向方向に液晶分子６ａを強制的に配向させた状態で、光硬化型のモノマーまたはプレポリマーを光硬化させることにより高分子材料Ｐを形成するようにした。
【００７８】
ところで、無電界状態における液晶分子は、初期配向において２方向のドメインを発生する場合がある。このとき、初期配向と同方向に液晶が配向するように電界を印加してドメインを常に１方向とすることで、面内において均一な配向状態をつくることができる。本実施の形態では、この均一な配向状態で高分子構造を形成することにより、高分子材料Ｐの規制力によって均一な配向状態を保つことができる。
【００７９】
なお、本実施の形態の無電解状態は、全く電圧を付与しない状態に限るものではなく、液晶配向方向を変化させる閾値電圧以上の電圧を印加していない状態も無電解状態とし、例えば、高速スイッチングのためのバイアス電圧を印加している状態等を無電解状態としてもよい。
【００８０】
ここで、前述した液晶性骨格を部分構造として有する光硬化型の高分子材料Ｐのプレポリマーとしては、例えば、図５に示すような化合物が挙げられる。なお、本発明に適用可能な高分子材料Ｐを形成する光硬化型のプレポリマーとしては、図５に示す化合物に限定されるものではない。
【００８１】
例えば、モノマーとしてメチレンスペーサーのない液晶性モノアクリレート（図５（ａ）、（ｄ）参照）を用いた場合、このモノマーは、分子端に２重結合を含むとともに、液晶分子と同様、剛直で細長い分子構造を有し、室温で自ら分子配向する性質を有するため、このモノマーに光重合開始剤を微量添加しておくことで、紫外光を照射することにより光開始剤を励起させて不対電子をもったフリーラジカルに変化させ、このフリーラジカルによってモノマーの２重結合を次々と開くことで、複数の分子を連鎖的に結合させ、液状のモノマーを硬化させた高分子材料Ｐを形成することができる。
【００８２】
従来の光偏向素子２では、光偏向動作に際して液晶分子６ａをスイッチングさせることにより、液晶分子６ａの配向状態が乱れ、スジ状の欠陥が発生することがある。この欠陥は、コントラスト低下の要因となっている。
【００８３】
これに対し、本実施の形態の光偏向素子２では、液晶分子６ａを無電界状態の方向に配向させた状態で形成された高分子材料Ｐを液晶層６中に含有するため、液晶層６における液晶分子６ａのダイレクタの配向状態を無電界状態において定められる配向方向に配向させるように規制する規制力を高分子材料Ｐによって作用させることができる。これにより、液晶層６における液晶分子６ａに対して、無電界状態において定められる配向方向に配向させる配向規制力が増し、液晶層６において均一な配向安定状態を長く保つことができる。
【００８４】
これによって、光偏向デバイス１の駆動によって液晶分子６ａの配向状態が乱れることを抑制して、液晶層６の耐久性を向上させ、繰り返しスイッチングにおける液晶の配向欠陥の発生を防止することができるので、駆動による液晶分子６ａの配向状態および液晶層６の構造の乱れから発生する欠陥を防止することができる。また、液晶分子６ａの配向状態の欠陥によってノイズ光（偏向面が揃っていない光成分）が発生することを抑制することができる。
【００８５】
光偏向素子２では、液晶材料中における重合硬化可能なモノマーまたはプレポリマーの含有量を２ｗｔ％以上とする。これにより、液晶分子６ａの配向安定性を向上させ、スイッチング時のスジ状の欠陥を発生抑制することができる。
【００８６】
しかし、液晶材料中におけるモノマーまたはプレポリマーの含有量を５０ｗｔ％よりも多くすると、重合後の高分子材料Ｐによる液晶分子６ａの動きの束縛が強くなり、材料特性のコーン角２θが小さくなることに加えて駆動に高い電界強度が必要になる。
【００８７】
このため、液晶材料中におけるモノマーまたはプレポリマーの含有量は、２ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下とすることが好ましい。
【００８８】
また、光偏向素子２では、光偏向動作に際して、液晶層６に３０Ｖ／μｍ以上の電界強度を作用させた場合、高分子材料（ポリマー構造）が乱れて光の散乱等による不具合が発生する。このため、光偏向素子２を駆動する電圧は、３０Ｖ／μｍ以下とする。これにより、液晶層６における高分子材料（ポリマー構造）を壊れにくくして、耐久性に優れ、ノイズ光の少ない光偏向デバイス１を提供することができる。
【００８９】
なお、本実施の形態によれば、一対の透明電極７ａ，７ｂに対して、偏向周波数の交流電圧を印加してキラルスメクチックＣ相の液晶層６に形成される電界方向の切り替えにより光偏向動作を行なうため、構成を容易化した光偏向素子２であってもキラルスメクチックＣ相における液晶分子６ａの自発分極を利用して光偏向動作の高速化を図ることができる。
【００９０】
なお、本実施の形態では、図１に示すように、中間基板３を間にして光偏向素子２ａ，２ｂを入射光路上に配設するようにしたが、これに限るものではなく、例えば、図６に示すように、光偏向素子２ａ，２ｂを距離Ｌ２だけ離間させて入射光路上に配設するようにしてもよい。
【００９１】
いずれの場合にも、鋸歯形状部９で屈折した光をこの鋸歯形状部９とは異なる鋸歯形状部で再度屈折して略平行光として出射するように、２つ以上の鋸歯形状部９を対向配置することで、光路を一方向に平行シフトｘさせるものであればよい。
【００９２】
次に、本発明の第２の実施の形態について図７および図８を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。
【００９３】
本実施の形態では、電圧制御手段１０の制御によって透明電極７ａ，７ｂ間に印加する電圧値を可変することができる。これにより、本実施の形態では、電圧制御手段１０によって電圧調整手段が実現される。
【００９４】
電圧制御手段１０の制御によって、例えば、電圧を印加しない状態（無電解状態）、閾値より小さい電圧を印加する状態、閾値以上電圧を印加する状態のように、電圧の印加条件を段階的に増減させることにより、図７に示すように、液晶分子６ａは３つの配向状態を取ることが可能になる。
【００９５】
本実施の形態では、電圧を印加しない状態（無電解状態）の液晶分子６ａは鋸歯形状部９の刻線方向に平行（刻線方向に対して０°）な第１の配向状態を取り、閾値以上の電圧を印加する状態の液晶分子６ａは鋸歯形状部９の刻線方向に垂直（刻線方向に対して９０°）な第３の配向状態を取る。閾値より小さい電圧を印加する状態の液晶分子６ａは、ダイレクタ方向が第１の配向状態と第３の配向状態との中間（刻線方向に対して４５°）となる第２の配向状態を取る。液晶分子６ａが刻線方向に平行となる第１の配向状態とする電圧を基準駆動電圧とすると、本実施の形態では、０Ｖが基準駆動電圧となる。また、本実施の形態では、第１の配向状態における液晶層６での屈折率は、透明基板５の屈折率と同じとなるように設定されている。
【００９６】
このような光偏向素子２に対して、直線偏光の偏光方向が鋸歯形状部９の刻線方向と直交する入射光を入射させると、第１の配向状態では、入射光は偏向されずに出射され、図８に示すように、偏向光成分が０となって光量が最小となる。
【００９７】
一方、電圧制御手段１０の制御によって透明電極７ａ，７ｂ間に印加する電圧値を、液晶分子６ａを閾値より大きい電圧とし、液晶分子６ａの配向状態を第３の配向状態とすると、図８に示すように、偏向光成分は１となって光量が最大となる。
【００９８】
また、電圧制御手段１０の制御によって透明電極７ａ，７ｂ間に印加する電圧値を、液晶分子６ａを閾値より小さい電圧とし、液晶分子６ａの配向状態を第２の配向状態とすると、図８に示すように、偏向光成分は０．５となる。
【００９９】
ところで、一般的に、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶が安定する配向状態は、２値のみを取るため、液晶の配向状態を多値とする場合に安定した配向状態を得ることが困難であり、従来の光偏向素子では光量調整が困難であった。
【０１００】
これに対し、本実施の光偏向デバイス１の光偏向素子２は、電圧制御手段１０の制御によって透明電極７ａ，７ｂ間に印加する電圧値を段階的に変化させることで、入射光の光量分配を行なうことができ、出射光量を調整することができる。
【０１０１】
このとき、液晶層６中には、高分子材料Ｐが含有されているため、光偏向動作を行なうことによる液晶分子６ａの配向状態の乱れを抑制して、繰り返し使用による劣化を抑制することができ、出射光量を調整して階調表示を行なうことができる光偏向デバイス１の耐久性の向上を図ることができる。
【０１０２】
本実施の形態では、液晶分子６ａのダイレクタ方向は鋸歯形状部９の刻線方向と平行であるため、偏向方向が鋸歯形状部９の刻線方向に平行な入射光を入射させるとともに刻線方向を基準として光量分配を行なうことで、光量調整可能な光偏向デバイス１の配向安定性の向上を図ることができる。
【０１０３】
なお、初期状態として、所定電圧０すなわち無電解状態における液晶分子６ａのダイレクタが、入射光の偏向方向と垂直となるよう配置してもよい。
【０１０４】
次に、本発明の第３の実施の形態について図９ないし１１を参照して説明する。本実施の形態は、上述した光偏向デバイス１を用いた画像表示装置への適用例であり、その構成を図９に示す。本実施の形態の画像表示装置２０は、白色光を出射する光源２１、光源２１から出射した光を均一化する照明装置２２、表示画像に応じて入射光を空間光変調した画像光を生成する画像表示素子２３、画像表示素子２３で生成した画像光を縮小する縮小光学素子２４、光偏向デバイス１、および、縮小光学素子２４が縮小した画像光を拡大してスクリーンに投射させる観察光学部材としての投射レンズ２５等を備えている。
【０１０５】
光源２１のＯＮ／ＯＦＦは、光源駆動回路２６によって駆動制御される。光源２１としては、白色あるいは任意の色の照明を出射し、そのＯＮ／ＯＦＦを高速に行なうことが可能であるならばいずれの光源２１を用いてもよい。例えば、光源２１として、ＬＥＤランプ、レーザー光源、白色のランプ光源に色選択性を有するシャッタを組み合わせたものなど用いることができる。
【０１０６】
照明装置２２は、フライアイレンズ（図示せず）、拡散板２７、コンデンサレンズ２８などから構成されて、光源２１から出射した照明光を均一化して画像表示素子２３に照射する。照明装置２２は、光源２１から出射された照明光を拡散板２７によって均一化し、コンデンサレンズ２８によって画像表示素子２３をクリティカル照明する。
【０１０７】
画像表示素子２３は、表示駆動手段２９によって駆動制御され、照明装置２２で均一化されて入射された照明光を、空間光変調して出射する。このとき、画像表示素子２３は、空間光変調する画像を、表示フレームを複数に分割したサブフレーム単位で切り替える。画像表示素子２３としては、例えば、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。本実施の形態では、画像表示素子２３として、カラーフィルターを組み合わせた透過型液晶ライトバルブを用いている。
【０１０８】
縮小光学素子２４は、マイクロレンズ、コリメートレンズ（いずれも図示せず）などから構成され、画像表示素子２３が光変調した表示画像を縮小する。縮小光学素子２４による縮小量は、画素ピッチの整数分の１であることが好ましい（図１１参照）。
【０１０９】
光偏向デバイス１は、図１０に示すように、縮小光学素子２４よりもスクリーン３０側に配置され、偏向制御手段としての光偏向電圧制御回路３１によって駆動制御されて画像表示素子２３で光変調され縮小光学素子２４で縮小された画像光路をシフトさせる。ここで、符号Ｓは、スクリーン３０上に投射される画像光のイメージを示している。光偏向デバイス１は、表示画像の解像度を劣化させないために、画像表示素子２３で光変調した画像光のデフォーカス位置に配置されている。光偏向デバイス１によるシフト量は、縮小光学素子２４による縮小量と同じく、画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。例えば、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光偏向デバイス１によるシフト量を画素ピッチの１／２にし、３倍の画素増倍を行なう場合は光偏向デバイス１によるシフト量を画素ピッチの１／３にする。
【０１１０】
光源駆動回路２６、表示駆動回路２９および光偏向電圧制御回路３１は、画像表示制御回路によって駆動制御される。これによって、光源２１、画像表示素子２３および光偏向デバイス１の動作タイミングを合わせることができる。
【０１１１】
このような構成において、画像表示素子２３における光変調画像のサブフレーム毎の切り替えにタイミングを合わせて、光偏向デバイス１に対して印加する駆動電圧を変化させると、画像光がシフトされて、シフトされた画像光が投射レンズ２５で拡大されスクリーン３０に投射される。本実施の形態では、光偏向デバイス１によって画像光をシフトさせることにより、図１１に示すように、各画素を紙面左右方向にずらした表示画像が表示される。
【０１１２】
このとき、光偏向デバイス１によるシフト量を、画素ピッチの整数分の１として、縮小光学素子２４による縮小量と等しくしているため、シフトした画像光がスクリーン上で重なることが防止され、画素シフト効果を行なうことによって解像度が低下することを防止することができる。
【０１１３】
スクリーン３０上に投射される表示画像の表示位置をサブフレーム毎にずらすことにより、スクリーン３０上に投射される表示画像の見かけ上の画素数を増倍することができ、これによって画像表示素子２３の画素数を増倍させることなく表示画像の高精細化を図ることができる。
【０１１４】
ここで、本実施の形態では、耐久性の高い光偏向デバイス１によって画像光をシフトさせているので、従来に比べ光偏向素子２の液晶層６における液晶分子６ａの配向不良に基づく画像劣化が発生し難く、画像品質の安定化を図ることができる。
【０１１５】
なお、シフト量と縮小量とが異なる場合、シフトした画像光がスクリーン上で重なったり、あるいは、シフトした画像光の画素間が広がったりするため、解像度を低下する原因となるが、表示画像に問題がない程度であればシフト量と縮小量とは等しくなくてもよい。
【０１１６】
また、本実施の形態では、光偏向デバイス１によるシフト量を縮小光学素子２４による縮小量と同じ画素ピッチの整数分の１としたが、これに限るものではなく、光偏向電圧制御回路３１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、縮小光学素子２４による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よい。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画像表示素子２３を駆動することで、図１１に示すように、見かけ上の画素増倍効果が得られ、使用した画像表示素子２３の解像度以上の高精細でコントラストの良い画像を表示することができる。
【０１１７】
加えて、本実施の形態では、画像表示素子２３として、カラーフィルターを組み合わせた透過型液晶ライトバルブを用いたが、これに限るものではなく、例えば、単板の画像表示素子２３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。
【０１１８】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、比較例１，２の光偏向素子と、実施例１，２，３の光偏向素子とを作製し、各種特性を検証した。
【０１１９】
（比較例１）
まず、比較例１について説明する。比較例１の光偏向素子の液晶セルは、図１と同様の構成を有している。比較例１では、まず、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することで、傾き角が約０．５°、ピッチ１００μｍの鋸歯形状を１ｃｍ×１ｃｍの面積に形成することで鋸歯形状部９を有する石英ガラス基板（透明基板５ａ）を形成した。そして、この鋸歯形状部９側の面に、透明電極７ａとしてＩＴＯをスパッタにより２０００Åの厚さに形成し、続いて、配向膜８としてＡＬ３０４６−Ｒ３１（ＪＳＲ社製）をスピンコートにより約８００Åの厚さに形成した後、その石英ガラス基板（透明基板５ａ）の表面を、ホモジニアス方向の安定方向が鋸歯形状部９の刻線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。
【０１２０】
この石英ガラス基板（透明基板５ａ）の鋸歯形状部５側の面に対して、透明電極７ｂとしてのＩＴＯ透明電極が平滑な面に設けられたガラス基板（透明基板５ｂ）を対向させ、ビーズを混入した接着剤を用いて、液晶層の厚さとなる間隔の最も小さい部分が１．５μｍになるように貼り合わせた。
【０１２１】
続いて、貼り合わせた透明基板５ａ，５ｂ（セル）を９０℃に加熱した状態で、液晶層として強誘電性液晶（クラリアント製Ｒ５００２）を２枚の透明基板５ａ，５ｂ間に注入した。注入に際しては、毛管法を用いて、注入方向が鋸歯形状に沿うように注入した。そして、７０℃から５５℃までの間、１０Ｖ／μｍの直流電圧を印加した状態とし、冷却後に封止することにより比較例１の光偏向素子２を作製した。
【０１２２】
比較例１の光偏向素子２の液晶層６における液晶分子６ａの配向状態を光学顕微鏡により観察したところ、１ｃｍ×１ｃｍの鋸歯形状部分における液晶分子６ａは、ほぼ均一な配向状態であった。
【０１２３】
この光偏向素子に対して、周波数１００Ｈｚ、±１０Ｖ／μｍの矩形波信号を入力し、液晶のスイッチングを行ったところ、図１２（ａ）に示すようなスジ状の欠陥が発生した。
【０１２４】
（実施例１）
次に、実施例１について説明する。実施例１では、比較例１と同様にして作製したセルに対して、液晶性骨格を部分構造として有する光硬化高分子のプレポリマーを混合した強誘電性液晶（クラリアント製Ｒ５００２）を液晶材料として注入した。
【０１２５】
液晶性骨格を部分構造として有する光硬化型高分子のプレポリマーとしては、図５の（Ａ）、（Ｄ）及び（Ｇ）の混合物を用い、それぞれの割合をＡ：Ｄ：Ｇ＝４８：４８　：４　とした。また、上記重合性の混合液晶に対して、光重合開始剤（ＩＲＧ−６５１　、チバガイギー社）を１ｗｔ％の割合で混合し、この状態の液晶層６における液晶分子６ａの配向状態が良好であることを確認した後、室温および無電界の状態で２０ｍＷ／ｃｍの強度の紫外線を１分間照射してプレポリマーを高分子化することにより光偏向素子２を作製した。
【０１２６】
同様にして、比較例１で作製したセルを用いて、液晶に対するプレポリマーの含有割合を０〜２０ｗｔ％の間で変化させた光偏向素子２を作製し、それぞれの光偏向素子２に対して周波数１００Ｈｚ、±１０Ｖ／μｍの矩形波信号を入力し、液晶スイッチング時の配向状態を光学顕微鏡で観察した。その結果を表１に示す。
【０１２７】
【表１】
2004038038.tif 000003
【０１２８】
表１に示すように、液晶に対するプレポリマーの含有割合が２ｗｔ％以上の場合には、図１２（ｂ）に示すように、スジ状の欠陥が発生しなかった。
【０１２９】
続いて、図１３に概略的に示す構成の測定装置４０を用いて、比較例１、実施例１で作製した光偏向素子２に対してレーザー光（６３３ｎｍ）を入射し、±１０Ｖの電圧を印加して液晶分子のスイッチングを行った。測定装置４０は、レーザー光を出射するレーザー光源４１と、レーザー光源から出射したレーザー光の直線偏光の偏光方向を調整する偏光板４４と、偏向量を観察するＣＣＤ４２と、レーザー光源４１とＣＣＤ４２との間に比較例１、実施例１で作製されて鋸歯形状部９がＣＣＤ４２側となるように配置される光偏向素子２に対して電圧を印加する電源４３とを備える。測定装置４０は、光偏向素子２に対して、偏光方向を鋸歯形状部９の刻線方向に平行な方向とした光を入射させる。
【０１３０】
このような測定装置４０を用いて、出射側に設置したＣＣＤ面での偏向角を測定したところ、鋸歯形状部分を対角に５点測定したところ偏向角は１°であり、光偏向特性は得られていた。
【０１３１】
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。実施例１において、上記液晶層６の材料における光硬化型プレポリマーの含有量を４ｗｔ％に固定して作製したセルを±１０〜４０Ｖ／μｍで駆動し、液晶層６における液晶分子６ａの配向状態を顕微鏡で観察した。その結果を表２に示す。
【０１３２】
【表２】
2004038038.tif 000004
【０１３３】
表２からも判るように、３０Ｖ／μｍより大きな電界ではポリマー構造が乱れ、散乱が発生していることが判った。これにより、光偏向素子２を駆動する電圧を３０Ｖ／μｍ以下に設定することが極めて有効であることが確認された。
【０１３４】
（実施例３）
次に、実施例３について説明する。実施例３の光偏向素子２は、比較例１と同様にしてセルを作製し、液晶性骨格を部分構造として有す光硬化高分子のプレポリマーを混合した強誘電性液晶（クラリアント製Ｒ５００２）を液晶材料として用い、図５に示す（Ａ）、（Ｄ）および（Ｇ）の混合物を液晶性骨格を部分構造として有する光硬化型高分子のプレポリマーとして用いた。このとき、（Ａ）、（Ｄ）および（Ｇ）のそれぞれの割合を、Ａ：Ｄ：Ｇ＝４８：４８：４とし、液晶材料に対するプレポリマーの割合を２０ｗｔ％とした。また、上記重合性の混合液晶に対して、光重合開始剤（ＩＲＧ−６５１、チバガイギー社）を１ｗｔ％の割合で混合した。セル封止後、光学顕微鏡観察により配向状態が良好であることを確認し、室温、無電界状態で、プレポリマーに対して２０ｍＷ／ｃｍの強度の紫外線を１分間照射して高分子化した光偏向素子２を作製した。このセルをサンプル１とする。
【０１３５】
同様に、上記光硬化高分子のプレポリマーに代えて、液晶骨格を持たない通常の光硬化型高分子であるＯＰＭ５５（ＡＤＥＬＬ社製）を用い、このプレポリマーが液晶層材料の２０ｗｔ％となるように混合し、上記サンプル１と同様に高分子化した光偏向素子２を作製した。このセルをサンプル２とする。
【０１３６】
上記サンプル１とサンプル２との透過率を測定したところ、サンプル１の透過率は９０％であったがサンプル２の透過率は６０％となり、光が散乱していることが判った。これにより、重合硬化された高分子が液晶性骨格を部分構造として有する光硬化型高分子であることが有効であることが示された。
【０１３７】
（実施例４）
次に、実施例４について説明する。実施例４の光偏向素子は、比較例１のセル作製において、強誘電性液晶（クラリアント製Ｒ５００２）に対し、液晶性骨格を部分構造として有する光硬化高分子のプレポリマーを４ｗｔ％混合した液晶材料（実施例１参照）を用い、セル封止後、光学顕微鏡観察により配向状態が良好であることを確認し、液晶分子６ａが鋸歯形状の刻線方向に向くように電圧印加した室温状態で、プレポリマーに対して２０ｍＷ／ｃｍ＿の強度の紫外線を１分間照射して高分子化した光偏向素子２を作製した。
【０１３８】
作製した光偏向素子２に周波数１００Ｈｚ、±１０Ｖ／μｍの矩形波信号を入力して駆動して透過率を測定した結果、透過率は９５％であった。また、高分子化する際に電圧を印加しないで上記と同様に作製した光偏向素子２の透過率は９０％であった。これにより、液晶分子６ａが鋸歯形状部９の刻線方向に向くように電圧を印加して高分子化することで、液晶分子６ａのスイッチング動作が安定することが判る。
【０１３９】
（実施例５）
次に、実施例５について説明する。実施例５では、実施例３で作製した光偏向素子２を偏光子と検光子で挟み、４Ｖ／μｍ、１５Ｖ／μｍの電圧を印加し、それぞれの透過率を測定した。
【０１４０】
この結果、４Ｖ／μｍと１５Ｖ／μｍの透過率の比は７：１０であった。これにより、光量変調が可能であることが判る。
【０１４１】
（実施例６）
次に、実施例６について説明する。実施例６では、図９に示すような画像表示装置２０を作製した。この画像表示装置２０における画像表示素子２３としては、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２３の光源２１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２１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２４を構成し、液晶ライトバルブの直後に設置して、画素位置との位置合わせを調整した。
【０１４２】
実施例６では、実施例３で作製したサンプル１を２つ用い、図６に示す構成を有する光偏向デバイス１を用いたした。光偏向デバイス１は、シフト量が９μｍになるように光偏向素子２間の間隔Ｌ２を調整して、縮小光学素子２４の後に設置した。加えて、光偏向素子２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、この状態で得られる表示画像を観察した。
【０１４３】
この結果、横方向の画素密度が２倍で、ちらつきが無く、コントラストが良好で高精細な画像が得られた。
【０１４４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の光偏向素子によれば、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶を用いることで自発分極による光偏向制御を高速化するとともに、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶を用いた場合にも光偏向動作による液晶分子の配向状態の乱れから発生する配向欠陥を高分子材料によって抑制することが可能になるので、液晶における配向安定性を向上させ、液晶の配向欠陥に起因するノイズ光の発生を防止し、耐久性を向上させることができる。
【０１４５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の光偏向素子において、熱や光などの重合硬化条件のコントロールにより、光偏向素子の作製に際しては、液晶材料とともにモノマーまたはプレポリマーの少なくとも一方を透明基板間へ注入した後でモノマーまたはプレポリマーを重合硬化させ、液晶層中で容易に高分子材料を形成することが可能になるので、請求項１記載の発明の効果を奏する光偏向素子の作製の容易化を図ることができる。
【０１４６】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の光偏向素子において、光硬化型の重合硬化剤を用いることにより、光強度や硬化時間のコントロールにより、簡易な重合硬化条件で液晶層中で高分子材料を形成することが可能になるので、光偏向素子の作製のより一層の容易化を図ることができる。
【０１４７】
請求項４記載の発明によれば、請求項２または３記載の光偏向素子において、液晶層に含有される高分子材料には液晶性の置換基が付いているため、高分子材料が配向性を有して、無電解状態での屈折率変化を大きくするとともに、高分子材料に液晶性の置換基を付けることにより、液晶層中でのモノマーまたはプレポリマー硬化時に白濁のない透明な素子を得ることができる。
【０１４８】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし４のいずれか一に記載の光偏向素子において、重合硬化させるモノマーまたはプレポリマーの液晶層の構成材料に対する混合比を調整することで、耐久性、配向性を実用上、確実に向上させることができる。
【０１４９】
請求項６記載の発明の光偏向素子の作製方法によれば、液晶層における液晶分子を、高分子によって光偏向素子の無電解状態において定められる液晶配向方向に配向するように規制することできる。この無電界状態において定められる液晶の配向方向は、基板にラビング処理を施した場合はラビング方向であり、ラビング処理、光配向処理などの初期配向方向である。この初期配向方向に配向するように電界を印加することで、液晶の配向は存在し得る２方向のドメインを常に１方向のみにすることができ、面内で均一な配向状態をつくることができる。このような均一配向状態で、高分子構造を形成することで、均一な配向安定状態を長く保つことができる。ここで、本発明の光偏向素子を、例えば、請求項１０に記載の発明のように、光偏向素子が有する一対の透明電極に対して駆動電圧を印加する電圧印加手段を備える光偏向装置へ適用した場合に、繰り返しスイッチングにおける液晶の配向欠陥の発生を防止することができる。
【０１５０】
請求項７記載の発明によれば、請求項５記載の光偏向素子の作製方法において、液晶分子の長軸方向が透明基板面と平行になるため、液晶分子の配向安定性を向上させるとともに、透明基板間のギャップ（セルギャップ）を小さくすることができ、また、光偏向動作に際しては、透明基板面に対して液晶分子が大きく回転するため、光偏向素子へ入射する光の直線偏光の偏光方向によって光偏向動作に際しての屈折率の変化を大きくすることができる。
【０１５１】
請求項８記載の発明によれば、請求項６または７記載の光偏向素子の作製方法において、無電解状態における液晶分子の配向方向を傾斜面およびこの傾斜面とは反対側の面に対して平行な方向とすることにより、光偏向動作に際しては液晶分子が傾斜面に沿って回転するので、光偏向動作に際しての液晶分子の配向安定性を向上させ、より信頼性の高い光偏向素子を得ることができる。
【０１５２】
請求項９記載の発明の光偏向デバイスによれば、直進する入射光に対して１つ目の光偏向素子で屈折した光を、２つ目以降の光偏向素子で再度屈折させることで、光偏向素子に対する入射光に対して略平行光として出射することが可能になるので光路を平行シフトさせることができ、また、光偏向素子を２個以上配置することにより、傾斜面間の間隔を調整することが可能になるので、平行シフト量を調整することができる。
【０１５３】
請求項１０記載の発明の光偏向装置によれば、請求項１ないし５のいずれか一に記載または請求項９記載の発明の効果を奏する光偏向装置を得ることができる。
【０１５４】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１０記載の光偏向装置において、実用上、高分子材料が破壊されない程度の駆動電圧で駆動して、高分子材料を壊れ難くすることが可能になるので、耐久性に優れ、ノイズ光の少ない光偏向装置を提供することができる。
【０１５５】
請求項１２記載の発明によれば、請求項１０または１１記載の光偏向装置において、駆動電圧を段階的に調整することによって、高分子材料、液晶分子の自発分極、配向処理などの液晶分子に相互作用する固定的な配向規制力から階調機能を得ることが可能になるので、一般的に、安定状態が２値のみを得るため安定状態の多値化が困難なキラルスメクチックＣ相を形成する液晶を用いた場合にも、光偏向制御の高速性を維持したまま、光量調整可能な光偏向装置を提供することができる。
【０１５６】
請求項１３記載の発明によれば、請求項１２記載の光偏向装置において、電圧調整手段によって基準駆動電圧に対して駆動電圧を段階的に増減させることにより、入射する直線偏光の偏光方向に対する液晶のダイレクタ方向を任意に設定することが可能になり、入射する直線偏光の偏光方向を基準として、出射光を直進光成分と偏向光成分とに光量分配（光量調整）することができる。
【０１５７】
請求項１４記載の発明によれば、請求項１３に記載の光偏向装置において、基準駆動電圧における液晶ダイレクタの方向を液晶分子が比較的安定して配向する方向に平行とすることにより、光量調整可能な光偏向装置の基準駆動電圧印加時における配向安定性の向上を図ることができる。
【０１５８】
請求項１５記載の発明の画像表示装置によれば、表示フレームを複数に分割したサブフレーム単位で画像表示素子に切り替え表示されて照明手段によって照明される画像光の被照射体への光路上で、光偏向デバイスおよび偏向制御手段によって画像光路を平行にシフトさせることにより、被照射体上に表示される画像の表示位置をサブフレーム毎にずらして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が可能になるので、画素数を増倍させることなく表示画像の高精細化を図るとともに、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難く、画像品質の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光偏向デバイスを示す断面図である。
【図２】光偏向素子の概略構成を示す断面図である。
【図３】光偏向素子の一部を示す拡大図であり、（ａ）はＸＺ断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】本発明に適用可能な液晶層のモデルを示す模式図である。
【図５】本発明に適用可能な高分子を形成する光硬化型のプレポリマーを示す説明図である。
【図６】別の実施の形態の光偏向デバイスを示す断面図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態の光偏向デバイスにおけるＡ−Ａ’線断面図である。
【図８】液晶分子のダイレクタ角度と偏向光成分との関係を示す相関図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態の画像表示装置を示す概略図である
【図１０】
光偏向デバイスの配置状態を示す説明図である。
【図１１】
スクリーン上における表示画像の画素増倍状態を示す説明図である。
【図１２】
本発明の実施例における液晶スイッチング時の配向状態を示す説明図である。
【図１３】
測定装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１　　　　光偏向デバイス
２　　　　光偏向素子
２，１０　光偏向装置
５　　　　透明基板
６　　　　液晶層
９ａ　　　傾斜面
１０　　　　電圧印加手段，電圧調整手段
２０　　　　画像表示装置
２３　　　　画像表示素子
２５　　　　観察光学部材
３１　　　　偏向制御手段
Ｐ　　　　高分子材料
【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】
2004038038.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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