(57)【要約】【課題】光シフト量のずれを抑える。【解決手段】液晶層５を挟む基板３，４の液晶層５側に、基板３の入射面９に対して傾斜角度θ［ｄｅｇ］をなす互いに平行な一対の屈折面１０ａ，１０ｂを形成し、入射光を屈折面１０ａで屈折させた後に屈折面１０ｂで再度屈折させて出射光とする際に出射光を入射光に対して平行とすることで光路を平行移動させる構成とする。入射光に対する液晶層５の液晶分子の屈折率変化をΔｎ、入射面９へ入射面９の法線方向から入射する入射光に対する光路の平行移動量をｘ［μｍ］としたとき、基板３の入射面９へ入射する入射光の入射面９の法線に対する入射角度α［ｄｅｇ］が、α≦｜ａθ＋ｂ｜、ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５、ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９、の関係を満たすようにする。【選択図】　　図１
2004004167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の透明な基板と、
前記基板間に挟まれて電界により入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、
前記基板間に設けられて前記液晶層の液晶分子を配向させる配向膜と、
前記液晶層に対して電界を発生させる一対の電極と、
光が入射される一方の前記基板の入射面に対して角度θ［ｄｅｇ］（０≦θ＜９０）をなして前記基板の前記液晶層側に形成された一対の平行な屈折面を有し、入射光を一方の前記屈折面で屈折させた後に他方の前記屈折面で再度屈折させて出射光とする際に、出射光を入射光に対して平行とすることで光路を平行移動させる屈折部と、
を備え、
入射光に対する前記液晶層の前記液晶分子の屈折率変化をΔｎ、一方の前記基板の前記入射面へ前記入射面の法線方向から入射する入射光に対する光路の平行移動量をｘ［μｍ］（ｘ＞０）としたとき、一方の前記基板の前記入射面へ入射する入射光の前記入射面の法線に対する入射角度α［ｄｅｇ］が、
α≦｜ａθ＋ｂ｜
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
の関係を満たす光偏向デバイス。
【請求項２】
一対の透明な基板と、
前記基板間に挟まれて電界により入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、
前記基板間に設けられて前記液晶層の液晶分子を配向させる配向膜と、
前記液晶層に対して電界を発生させる一対の電極と、
光が入射される一方の前記基板の入射面に対して角度θ［ｄｅｇ］（０≦θ＜９０）をなして前記基板の前記液晶層側に形成された一対の平行な屈折面を有し、入射光を一方の前記屈折面で屈折させた後に他方の前記屈折面で再度屈折させて出射光とする際に、出射光を入射光に対して平行とすることで光路を平行移動させる屈折部と、
を備え、
一方の前記基板の前記入射面へ入射する入射光の前記入射面の法線に対する入射角度をα［ｄｅｇ］、入射光に対する前記液晶層の前記液晶分子の屈折率変化をΔｎ、一方の前記基板の前記入射面へ前記入射面の法線方向から入射する入射光に対する光路の平行移動量をｘ［μｍ］（ｘ＞０）としたとき、前記角度θが、
θ≦−（α＋ｂ）／ａ
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
の関係を満たす光偏向デバイス。
【請求項３】
前記液晶層は、表面安定化強誘電性液晶により形成されている請求項１又は２記載の光偏向デバイス。
【請求項４】
前記液晶層は、周波数に応じて誘電異方性が正または負に変化する２周波駆動液晶により形成されている請求項１又は２記載の光偏向デバイス。
【請求項５】
前記液晶層は、高分子分散型液晶により形成されている請求項１又は２記載の光偏向デバイス。
【請求項６】
画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、
この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、
前記画像表示素子と前記光学部材との間の光路上に配置された請求項１，２，３，４又は５記載の光偏向デバイスと、
前記光偏向デバイスを駆動して、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毎に前記画像表示素子と前記光学部材との間の光路を偏向する光路偏向制御手段と、
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、電気信号によって光の方向を変える光偏向デバイス及びこの光偏向デバイスを利用した画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光偏向素子である光学素子として、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，ニトロベンゼンなどの第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。
【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】
他に光偏向素子を用いた例では、特開平５−２０４００１号公報に低電圧で駆動でき、２次元化、小型化が可能な光偏向装置が提案されている。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構成である。この光偏向装置と似たような構成なものが特開平９−１３３９３１号公報に開示されている。これは、２枚の透明な基板を有し、これらの基板の一方の面に鋸歯状格子がそれぞれ形成されている。これらの鋸歯状格子は、同一形状、同一の屈折率をもって形成され、それらの鋸歯状格子を各々反対方向を向くように配置して光偏向装置を構成している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術において、光が偏向する原理としては、主に液晶材料の複屈折性、素子基板に対する傾斜角度に起因して光を偏向しており、光偏向素子を通過した出射光は受光部においてシフト効果を得る。しかし、入射光線が角度分布を有している場合や、照明光の照明角度が大きな場合、狙いの入射角度からずれた光のシフト量が変化するため、全体としてシフト後の光線や画像光がボケて解像度が劣化するという不具合がある。
【０００８】
本発明の目的は、光シフト量のずれを抑えることである。
【０００９】
【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、一対の透明な基板と、前記基板間に挟まれて電界により入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、前記基板間に設けられて前記液晶層の液晶分子を配向させる配向膜と、前記液晶層に対して電界を発生させる一対の電極と、光が入射される一方の前記基板の入射面に対して角度θ［ｄｅｇ］（０≦θ＜９０）をなして前記基板の前記液晶層側に形成された一対の平行な屈折面を有し、入射光を一方の前記屈折面で屈折させた後に他方の前記屈折面で再度屈折させて出射光とする際に、出射光を入射光に対して平行とすることで光路を平行移動させる屈折部と、を備え、入射光に対する前記液晶層の前記液晶分子の屈折率変化をΔｎ、一方の前記基板の前記入射面へ前記入射面の法線方向から入射する入射光に対する光路の平行移動量をｘ［μｍ］（ｘ＞０）としたとき、一方の前記基板の前記入射面へ入射する入射光の前記入射面の法線に対する入射角度α［ｄｅｇ］が、
α≦｜ａθ＋ｂ｜
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
の関係を満たす。
【００１０】
したがって、一対の屈折面で屈折して平行移動した光路の目標の平行移動量からのずれ量が、目標の平行移動量の１０％以内に抑えられる。
【００１１】
請求項２記載の発明の光偏向デバイスは、一対の透明な基板と、前記基板間に挟まれて電界により入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、前記基板間に設けられて前記液晶層の液晶分子を配向させる配向膜と、前記液晶層に対して電界を発生させる一対の電極と、光が入射される一方の前記基板の入射面に対して角度θ［ｄｅｇ］（０≦θ＜９０）をなして前記基板の前記液晶層側に形成された一対の平行な屈折面を有し、入射光を一方の前記屈折面で屈折させた後に他方の前記屈折面で再度屈折させて出射光とする際に、出射光を入射光に対して平行とすることで光路を平行移動させる屈折部と、を備え、一方の前記基板の前記入射面へ入射する入射光の前記入射面の法線に対する入射角度をα［ｄｅｇ］、入射光に対する前記液晶層の前記液晶分子の屈折率変化をΔｎ、一方の前記基板の前記入射面へ前記入射面の法線方向から入射する入射光に対する光路の平行移動量をｘ［μｍ］（ｘ＞０）としたとき、前記角度θが、
θ≦−（α＋ｂ）／ａ
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
の関係を満たす。
【００１２】
したがって、一対の屈折面で屈折して平行移動した光路の目標の平行移動量からのずれ量が、目標の平行移動量の１０％以内に抑えられる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の光偏向デバイスにおいて、前記液晶層は、表面安定化強誘電性液晶により形成されている。
【００１４】
したがって、強誘電性液晶は自発分極を有しているので電界によって駆動力が生じる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の光偏向デバイスにおいて、前記液晶層は、周波数に応じて誘電異方性が正または負に変化する２周波駆動液晶により形成されている。
【００１６】
したがって、周波数を切り替えることで液晶の配向状態を制御することが可能である。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項１又は２記載の光偏向デバイスにおいて、前記液晶層は、高分子分散型液晶により形成されている。
【００１８】
したがって、電圧制御により液晶の複屈折性を制御でき、無偏向の光をシフトさせることが可能である。また、高分子の規制力で液晶の配向を制御することが可能である。
【００１９】
請求項６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二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、前記画像表示素子と前記光学部材との間の光路上に配置された請求項１，２，３，４又は５記載の光偏向デバイスと、前記光偏向デバイスを駆動して、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毎に前記画像表示素子と前記光学部材との間の光路を偏向する光路偏向制御手段と、を備える。
【００２０】
したがって、光偏向デバイス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が表示され、画像表示素子の見掛け上の画素数が増倍して表示される。また、請求項１，２，３，４又は５記載の光偏向デバイスを用いることにより、光偏向デバイスでの光路移動量のずれを少なく抑えることが可能であり、光路移動量のずれによる画素の重なりなどによる表示画像の劣化を抑えることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の光偏向デバイスの一実施の形態を図１ないし図１０に基づいて説明する。図１は光偏向デバイスの一実施の形態を示す断面図である。図１に示すように、光偏向デバイス１は、２つの光偏向素子２ａ，２ｂを光進行方向上に配設させて構成され、光路を平行移動（以降、平行シフトという）させるものである。
【００２２】
光偏向素子２（２ａ，２ｂ）の基本構成及び光偏向動作原理について図２及び図３に基づいて説明する。図２は光偏向素子２をその部分拡大図と併せて示す断面図、図３は光偏向素子２の一部を拡大して示し、（ａ）はＸＺ面による断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ’−Ａ線断面図である。
【００２３】
光偏向素子２は、図２に示すように、一対の透明な基板３，４、これらの基板３，４間に挟まれて電界によって配向状態の制御が可能な液晶層５、液晶層５に対して電界を発生させる透明な一対の電極６，７、電極６，７への電圧印加状態を変化させる光偏向電圧制御手段（図示せず）、基板３，４の液晶層５側の表面に形成された配向膜（図示せず）などを備えている。
【００２４】
一方の基板３の液晶層５側には、鋸歯形状の鋸歯部８が形成されている。鋸歯部８は、光源（図示せず）から出射された光が入射される基板３の入射面９に対して角度θ［ｄｅｇ］（以降、傾斜角度θという）をなす屈折面１０を有している。ここで、光偏向素子２ａ，２ｂの屈折面１０をそれぞれ屈折面１０ａ，１０ｂとする。この鋸歯部８の形成方法としては、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などにより加工するといったものがある。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ている。
【００２５】
液晶層５は、表面安定化強誘電性液晶により形成されている。この液晶は、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。なお、液晶としては、電界印加条件によって液晶の配向状態が変化し、それに伴って屈折率が変化するものであればよく、ネマティック液晶であってもよい。そして、一対の電極６，７に電圧が印加されることによりより、液晶層５において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、液晶ダイレクタの自発分極方向に電界が印加される構成とされている。
【００２６】
ここで、光偏向素子２における液晶の配向状態の変化を図３に基づいて説明する。図３に示すように、液晶ダイレクタは、電極６，７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２においては、液晶の配向を図３（ｂ）に示す通り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可能となる。即ち、図３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２に入射させたとき、液晶ダイレクタがＺ軸方向を向く（第１の配向状態）ように電極６，７対によって電界を印加した場合、このような状態で液晶の屈折率と液晶を挟持する基板３，４の屈折率とが等しいときは、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。一方、電界印加方向を反転させて液晶ダイレクタがそれと直交する方向を向く（第２の配向状態）ようにした場合、このような状態で液晶の屈折率と液晶を挟持する基板３，４の屈折率が異る場合は、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。
【００２７】
液晶の配向を直交する方向に規制するために、両基板３，４の表面に形成される配向膜に対して液晶配向に対応する方向にラビング処理を行っており、ラビング方向に依存した向きに液晶ダイレクタの方向が強く規制される。配向処理には、ＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶などに用いられるポリイミドなどの通常の配向膜が利用できる。また、ラビング処理や光配向処理を施すことが好ましい。
【００２８】
このような構成の光偏向素子２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２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。
【００２９】
光偏向デバイス１は、このような光偏向素子２ａ，２ｂが互いの屈折面１０ａ，１０ｂが平行になるように配置されており、入射光を屈折面１０ａで屈折させた後に屈折面１０ｂで再度屈折させて出射光とする際に、出射光を入射光に対して平行とすることで光路を平行シフトさせる構成とされている。ここに、光偏向素子２ａ，２ｂの屈折面１０ａ，１０ｂが互いに平行な一対の屈折面として機能し、これらの屈折面１０ａ，１０ｂにより屈折部１１が構成されている。そして、光偏向デバイス１では、光偏向素子２ａ，２ｂ間の距離Ｌ１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光路シフト量（偏向量）を得ることができる。これによって、光路シフト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１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Ｌ２の中間基板１２を介して１つの光偏向デバイス１３内に２層の液晶層５ａ，５ｂを設けてもよい。
【００３０】
図２に示すような光偏向素子２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液晶の屈折率ｎｏ，ｎｅ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液晶の屈折率ｎｏと屈折率ｎｅ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。今、液晶の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとし、光進行方向に対して液晶の手前側界面の法線方向が光偏向方向となす角（＝傾斜角度θ）がψ１、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３，４を配置する。また、液晶と接する光学部材（基板３，４）は屈折率ｎｏのものを選ぶ。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＝（ｎｏ／ｎｅ）ｓｉｎψ１
より求まり、また、基板４に入射する光線の基板４の法線方向からの光偏向角ψ３は、
ψ３＝ψ１−ψ２
基板４に入射した光線の基板４内での光偏向角ψ４は、
ｓｉｎψ４＝（ｎｅ／ｎｏ）ｓｉｎψ３
より求まる。
【００３１】
また、図４に示したように中間基板１２を設けて光路の平行シフトを行なう場合、中間基板１２の厚みをＬ２とすると、光路シフト量ｘμｍを得るために必要な厚みＬ２は、
Ｌ２・ｔａｎψ４＝ｘ（μｍ）より、
Ｌ２＝ｘ／ｔａｎψ４　（μｍ）
となる。
【００３２】
このようにして、光偏向方向は主に基板３の屈折面１０の傾斜角度θと液晶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５の厚さ、基板３，４の厚さなどによって調整することが可能である。
【００３３】
光路の平行シフトを行なう場合において、所望の光路シフト量ｘを得るように鋸歯部８の傾斜角度θ、液晶分子の実効的な屈折率変化Δｎを規定し、光偏向素子２への入射面９法線方向からの光の入射角度αを変化させて、スネルの法則により光路の平行移動量である光路シフト量ｘを算出したところ、図６に示すように光の入射角度αによって光路シフト量ｘにずれが生じた。ここで、入射角度αは、基板３の入射面９へ入射する入射光の入射面９の法線に対する角度である。また、光の入射角度αは実質的光偏向に寄与する成分を示しており、入射光源の散乱成分、外光成分などは含めないものとする。
【００３４】
これを図７に示すようなモデルで説明する。このモデルは、一対の透明な基板３ａ，４ａ、これらの基板３ａ，４ａ間に配置された中間基板１２ａ、基板３ａ，４ａと中間基板１２ａとの間に挟まれた２つの液晶層５などから構成されている光偏向デバイス１４である。中間基板１２ａの基板３ａ，４ａに対向する面には、鋸歯部８が形成されており、この光偏向デバイス１４は、光偏向デバイス１と同様な機能を有する。
【００３５】
この光偏向デバイス１４を用いて、例えば、光偏向素子２へ開口部１５を通して光を照射し、そのラインプロファイルにより光路シフト量ｘを観察する。このとき照射する光の強度分布は理想的に均一な強度分布を持っているものとする。まず、はじめに光の入射角度α＝０のときは、図７（ａ）に示すように狙いの光路シフト量ｘだけ光路がシフトする。しかし、図７（ｂ）に示すように照明光の光の入射角度αがα１のときには、偏向された光の光路シフト量ｘは、狙いの光路シフト量ｘに比べてｘ１ずれる。また、照明光の光の入射角度αがα２（＞α１）のときには、図７（ｃ）に示すように、偏向された光の光路シフト量ｘは、狙いの光路シフト量ｘに比べてｘ２（＞ｘ１）ずれる。このようなシフト量のずれは、受光部側においてコントラスト低下の原因となる。光路シフト量のずれとしては、視認的に問題が無い程度ならばよく、狙いのシフト量の１０％以内に抑えることが好ましい。
【００３６】
そこで、このような光の入射角度αと光路シフト量ｘとの関係を、図６に示すように、傾斜角度θによって調べ、この図６に示す結果から狙いの光路シフト量ｘからのずれが狙いの光路シフト量の１０％となるような、傾斜角度θと光の入射角度αとの関係を調べたところ図８に示すように、
α＝ａθ＋ｂ
のような関係にあった。前式の傾きａは、図９に示すように液晶分子の実効的屈折率変化Δｎに関係し、
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
という関係式が成り立つ。また、切片ｂは、図１０に示すように光路シフト量ｘに関係し、
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
という関係式が成り立った。そこで光の入射角度αが、
α≦｜ａθ＋ｂ｜　　式（１）
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
を満たすことで、光路シフト量ｘのずれを狙いの光路シフト量ｘの１０％以内に抑えることができる。
【００３７】
また、同様にして傾斜角度θが、
θ≦−（α＋ｂ）／ａ　　式（２）
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
を満たすことで、光路シフト量ｘのずれを狙いの光路シフト量ｘの１０％以内に抑えることができる。本実施の形態の光偏向デバイス１，１３は、式（１）及び式（２）を満たすように各部が設定されている。
【００３８】
このような構成により、本実施の形態の光偏向デバイス１，１３は、光路シフト量ｘのずれを狙いの光路シフト量ｘの１０％以内に抑えることができる。
【００３９】
また、液晶層５が表面安定化強誘電性液晶により形成されているので、高速応答を可能にすることができる。高速応答の要因としては、強誘電性液晶は自発分極を有しているため電界によって駆動力が発生する。また良好な配向状態を得るには光偏向素子２のギャップを小さくする必要があり、このことも一定電圧で電界強度が大きくなり速い応答速度を得る要因になる。良好な配向状態を得るには、光偏向素子２のギャップは液晶材料のピッチ以下であることが好ましい。ここで前述したような偏向作用にスメクチックＣ相を用いる場合、強誘電性液晶は双安定型、単安定型のどちらでも良く、配向状態により２値をとることが出来ればよい（入射する直線偏光に対して屈折率変化が起こればよい）。また、コーン角は偏向効率から９０°に近い方が好ましい。コーン角が小さい場合、偏向光は楕円偏光になり、コントラストが低下する。そのため不用光をカットするために出射側に偏光板を入れることが好ましい。
【００４０】
なお、出射手段として、式（１）及び式（２）を満たすように配置された光源を例に説明したが、これに限るものではなく、出射手段としては、例えば、光源から出射された光を式（１）及び式（２）を満たすように光偏向素子２に導く部材であってもよい。
【００４１】
次に、本実施の形態の第１の変形例を説明する。この変形例は、液晶層５が、周波数に対応して誘電異方性が正または負に変化する２周波駆動液晶により形成されている。例えば、液晶に対して誘電率異方性が正の周波数の電圧により電界を印加すると電界方向に液晶分子の長軸が向き、液晶に対して誘電異方性が負の周波数の電圧により電界を印加すると電界方向に液晶分子の短軸が向く。このような性質をもつ材料を用いることで液晶の配向状態が２つ周波数によって変化する。液晶材料としてはこのような特徴を有するものであれば、シアノ系、フッ素系、塩素系などのいずれの液晶でも用いることができる。入力信号の周波数は初めどちらに設定しておいてもよい。この液晶は電気的な規制力で液晶の配向状態を変化させているため応答速度が速くなる。またこのような駆動を行なう場合は液晶分子の配向はラビングにほとんど寄与しない。そのためラビング処理、初期配向電極が不要になり、素子作製が簡略化できるといった効果も望める。
【００４２】
次に、本実施の形態の第２の変形例を説明する。この変形例は、液晶層５が、高分子マトリクス中に液晶材料を分散保持した液晶／高分子複合体（以下、液晶／高分子複合体と記す）を有する高分子分散型液晶により形成されている。偏向理論は前述と同様であり液晶／高分子複合体の屈折率が変化すると偏向角が変化し、すなわち光路がシフトする。液晶／高分子複合体は光路に対して垂直に電界を印加する場合には入射光の偏光状態に依存せずに高速で屈折率を変えることができるといった特徴をもつ。液晶／高分子複合体としては、例えば液晶材料を高分子被膜で包含した微小なカプセルをバインダー樹脂を用いて接合したものや、液晶材料と高分子材料（あるいはその前駆体）との混合体から液晶材料を相分離させた、いわゆる高分子分散液晶などがある。いずれにしてもその構造は液晶ドロップレットを高分子マトリクス中に分散したものとなり、その応答速度は液晶ドロップレットの粒径を小さくするにつれて速くなる。特に入射光の波長程度以下の粒径にすることが、散乱が減少し光透過率が高くなる、すなわち光損失が著しく小さくなることから好ましい。
【００４３】
次に、本発明の画像表示装置の一実施の形態を図１１ないし図１３に基づいて説明する。図１１は本発明の画像表示装置の一実施の形態を概略的に示す側面図、図１２は画像表示装置を一部省略して示す斜視図、図１２は画像表示装置による見かけ上の画素増倍を説明する説明図である。なお、前述した実施の形態と同一又は相当する部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。
【００４４】
画像表示装置２１は、図１１に示すように、光源２２、照明装置２３、画像表示素子２４、縮小光学素子２５、光偏向デバイス２６、光学部材としての投射レンズ２７、スクリーン２８などを備え、それらが光源２２から発せられる光の経路（光路）上に順に配設されている。さらに、画像表示装置２１は、光源２２を駆動するための光源駆動手段２９、画像表示素子２４を駆動する表示駆動手段３０、光偏向デバイス２６を駆動する光路偏向制御手段である光偏向電圧制御手段３１、及び、これらの光源駆動手段２９、表示駆動手段３０、光偏向電圧制御手段３１などを含め画像表示装置２１全体を制御するための画像表示制御回路３２を備えている。
【００４５】
光源２２としては、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦできるものならばいかなる種類や型の光源であっても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み合わせたものなどを用いることができる。本実施の形態では、光源２２として、白色ランプが用いられている。
【００４６】
照明装置２３は、光源２２から出射された光を均一に画像表示素子２４に照射するものであり、フライアイレンズ（図示せず）、拡散板３３、コンデンサレンズ３４などから構成される。
【００４７】
画像表示素子２４は、照明装置２３から入射した均一照明光を、画像フィールドを時間的に分割した複数個の画像フィールド毎に、画像情報に基づいて空間光変調して、画像光として出射するものである。画像表示素子２４としては、透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができ、本実施の形態では、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が用いられている。
【００４８】
縮小光学素子２５は、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子２４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。
【００４９】
光偏向デバイス２６は、画像表示素子２４から出射される画像光を偏向（シフト）して偏向画像として出射する。光偏向デバイス２６としては、前述したような光偏向デバイス１，１３が用いられている。光偏向デバイス２６の鋸歯形状は、図１２に示すように、紙面の左右方向にアレイ状に形成されている。これにより、画像表示素子２４を出射した光が紙面に上下方向の直線偏光の場合、画像表示素子２４から入射された光を紙面の左右方向にシフトさせることができる。この光偏向デバイス２６による光路のシフト量に応じて、スクリーン２８上に投射される画像表示位置がずらされ、画像表示素子２４の実際の画素数を見かけ上増倍した画素数として画像表示させることができる。
【００５０】
ここで、本実施の形態では、前述した実施の形態での式（１）、式（２）を満たすように画像表示装置２１の各部が配置されている。
【００５１】
このような画像表示装置２１の動作について説明する。光源駆動手段２９によって制御された光源２２から出射された光は、拡散板３３に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、光源駆動手段２９と同期して動作する表示駆動手段３０により制御されている画像表示素子２４をクリティカルに照明する。画像表示素子２４により空間光変調され縮小光学素子２５を通過した照明光は、画像光として、光偏向デバイス２６に入射される。光偏向デバイス２６から出射された出射光は、偏向画像光として、投射レンズ２７で拡大された後、スクリーン２８に投射される。すなわち、画像表示素子２４のスクリーン２８側に配置された光偏向デバイス２６への印加電圧を光偏向電圧制御手段３１により制御することで、画像光は画素の配列方向に任意の距離だけシフトされた偏向画像光として出射され、投射レンズ２７を介して、スクリーン２８に投射される。ここで、光偏向デバイス２６は、画像表示素子２４によって表示される画素のデフォーカス位置に配置され、これにより、表示画像の解像度を劣化させない構造とされている。
【００５２】
ここに、光偏向電圧制御手段３１により、光偏向デバイス２６を画像表示素子２４と同期させて駆動して、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毎に光路をシフトさせて、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、図３に示すように、画像表示素子２４の見掛け上の画素数を増倍して表示する。これにより、使用した画像表示素子２４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。
【００５３】
ここで、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おとすこともない。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、などして解像度をおとす原因となるが、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。
【００５４】
画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行う場合は、偏向画像光の光路のシフト量を画素ピッチの１／２にし、画素の配列方向に対して３倍の画素増倍を行う場合は、偏向画像光の光路のシフト量を画素ピッチの１／３にする。また、光偏向デバイス２６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画像表示素子２４を駆動する。
【００５５】
このように、本実施の形態の画像表示装置２１は、前述した実施の形態での式（１）、式（２）を満たすように画像表示装置２１の各部が配置されているので、光路シフト量のずれが１０％以下になり、画面の横方向シフトにおいて高精細となりコントラスト低下を抑えることができる。
【００５６】
なお、本実施の形態は、光源２２として白色ランプ、画像表示素子２４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カラー画像を表示する構成とされているが、単板の画像表示素子２４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、三原色の生成方法としては、白色ランプ光源と回転カラーフィルターとを組み合わせて時間順次の三原色光を生成しても良い。
【００５７】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００５８】
［実施例１］
基板３の入射面９に対する鋸歯部８の屈折面１０の傾斜角度θを１°、液晶分子の実効的な屈折率変化Δｎ＝０．１２、０．１７、０．２２とし、光路シフト量ｘが５μｍとなるように中間基板１２の厚さを調整した光路平行シフト可能な光偏向デバイス１３において、前記条件からこの光偏向デバイス１３へ照明する光の入射角度αを次式より求めた結果を表１に示す。
α≦｜ａθ＋ｂ｜
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
【００５９】
【表１】
2004004167.tif 000003
【００６０】
また、スネルの法則により光路シフト量ｘを求めた結果を表２に示す。
【００６１】
【表２】
2004004167.tif 000004
【００６２】
表２より狙いの光路シフト量ｘ＝５μｍに対して光路シフト量ｘのずれが１０％以内の照明光の入射角度αはどれも１６°以内である。表１より算出された結果と表２とを比較すると表１の算出結果は光路シフト量ｘのずれが１０％以内の条件を満たしていることがわかる。
【００６３】
［実施例２］
光偏向素子２へ照明する光の入射光の入射角度αを１６°、液晶分子の実効的な屈折率変化Δｎ＝０．１２、０．１７、０．２２とし、光路シフト量ｘが５μｍとなるように中間基板１２の厚さを調整した光路平行シフト可能な光偏向デバイス１３において、前記条件からこの光偏向デバイス１３の基板３の入射面９に対する屈折面１０の傾斜角度θ°を次式より求めた結果を表３に示す。
θ≦−（α＋ｂ）／ａ
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
【００６４】
【表３】
2004004167.tif 000005
【００６５】
また、スネルの法則により光路シフト量ｘを求めた結果を表４に示す。
【００６６】
【表４】
2004004167.tif 000006
【００６７】
表３より狙いの光路シフト量ｘ＝５μｍに対して光路シフト量ｘのずれが１０％以内の屈折面１０の傾斜角度θはどれも３°以内である。表３より算出された結果と表４とを比較すると表３の算出結果は光路シフト量ｘのずれが１０％以内の条件を満たしていることがわかる。
【００６８】
［実施例３］
大きさ３ｃｍ×３ｃｍ、厚さ１ｍｍの石英ガラス基板３をドライエッチングして、傾斜角度θが約０．５°、ピッチ１００μｍの鋸歯部を１ｃｍ×１ｃｍの面積に形成した後、鋸歯部８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（ＪＳＲ製）を約８００Åの厚さに塗布し、その基板３の表面を、ホモジニアス方向の安定方向が傾斜部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付きガラス基板を基板４として、液晶層５の厚さの小さい部分が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３，４を９０℃に加熱した状態で２枚の基板３，４間に強誘電性液晶（クラリアント製Ｒ５００２）を毛管法で注入方向が鋸歯部８に沿うように注入し、７０℃から５５℃までを２０Ｖ／μｍの直流電圧を印可した状態で冷却後に封止して、光偏向素子２を作製した。
【００６９】
この光偏向素子２に、電界強度が１０Ｖ／μｍとなるように電圧を印加して応答速度を測定したところ０．４ｍｓｅｃの応答速度を得た。これは液晶材料としてネマチック液晶（メルク製ＺＬＩ−２４７１）を用いた場合に比べ１／３の応答速度を得た。
【００７０】
［実施例４］
液晶材料としてネマティック液晶（メルク製　ＢＬ２４）を紫外線硬化性プレポリマー（ノーランド社　ＮＯＡ８１）に溶解（液晶重量濃度４５％）し、紫外線（４００ｍＷ／ｃｍ２）を照射したもの（液晶ドロップレットの平均粒径は約６０ｎｍ）を用い、液晶層５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セルギャップを調整し、実施例３と同様にして光偏向素子２を作製した。
【００７１】
この光偏向素子２に電界強度が１３Ｖ／μｍとなるように電圧を印加し応答速度を測定した。高分子分散液晶における液晶ドロップレットの大きさは、プレポリマーの組成、液晶の混合濃度、硬化時の紫外線強度などを変えることによって変化させることができる。ここで、図１４は液晶ドロップレットサイズと応答速度との関係を示したものである。図１４より応答速度はドロップレットサイズが小さくなるに従って速くなり、０．０１ｍｓｅｃという高速応答を実現した。
【００７２】
また、光偏向作用としては、無偏向のレーザ光（Ｈｅ−Ｎｅレーザ：波長０．６３２８μｍ）を光偏向素子２に入射したところ、電界を印加していないときには、偏向角は０．５７°であり、３００Ｖの電圧（平均電界強度２０Ｖ／μｍ）を印加したときには屈折角が０．５４°となり、電界のオン・オフで０．０３°の光路偏向を行うことができた。さらに、偏光子を使って入射光を偏光とし、偏光方向を様々な方向に変えて入射させても、無偏光光を入射させた場合と同様に光路偏向を行うことができた。
【００７３】
［実施例５］
画像表示装置２１を以下のように作製した。画像表示素子２４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２４の光源２２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２２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２５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。
【００７４】
ここで、光偏向デバイス２６としては、実施例３で用いた光偏向素子２を２つ用いて、図１５のように、それぞれの基板３が対向するように２つの光偏向素子２を配置して、光路平行シフト可能な光偏向デバイス４１を構成し、縮小光学素子２５のスクリーン２８側に設置した。２つの光偏向素子２間にマッチングオイル４２を挟み、これにより、光路シフト量ｘが９μｍになるように調整した。また、この光偏向デバイス４１の光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、横方向の画素密度が２倍の高精細でコントラストのよい画像が得られた。
【００７５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の光偏向デバイスによれば、一対の透明な基板と、前記基板間に挟まれて電界により入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、前記基板間に設けられて前記液晶層の液晶分子を配向させる配向膜と、前記液晶層に対して電界を発生させる一対の電極と、光が入射される一方の前記基板の入射面に対して角度θ［ｄｅｇ］（０≦θ＜９０）をなして前記基板の前記液晶層側に形成された一対の平行な屈折面を有し、入射光を一方の前記屈折面で屈折させた後に他方の前記屈折面で再度屈折させて出射光とする際に、出射光を入射光に対して平行とすることで光路を平行移動させる屈折部と、を備え、入射光に対する前記液晶層の前記液晶分子の屈折率変化をΔｎ、一方の前記基板の前記入射面へ前記入射面の法線方向から入射する入射光に対する光路の平行移動量をｘ［μｍ］（ｘ＞０）としたとき、一方の前記基板の前記入射面へ入射する入射光の前記入射面の法線に対する入射角度α［ｄｅｇ］が、
α≦｜ａθ＋ｂ｜
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
の関係を満たすことにより、一対の屈折面で屈折して平行移動した光路の目標の平行移動量からのずれ量を、目標の平行移動量の１０％以内に抑えることができる。
【００７６】
請求項２記載の発明の光偏向デバイスによれば、一対の透明な基板と、前記基板間に挟まれて電界により入射光に対する屈折率の制御が可能な液晶層と、前記基板間に設けられて前記液晶層の液晶分子を配向させる配向膜と、前記液晶層に対して電界を発生させる一対の電極と、光が入射される一方の前記基板の入射面に対して角度θ［ｄｅｇ］（０≦θ＜９０）をなして前記基板の前記液晶層側に形成された一対の平行な屈折面を有し、入射光を一方の前記屈折面で屈折させた後に他方の前記屈折面で再度屈折させて出射光とする際に、出射光を入射光に対して平行とすることで光路を平行移動させる屈折部と、を備え、一方の前記基板の前記入射面へ入射する入射光の前記入射面の法線に対する入射角度をα［ｄｅｇ］、入射光に対する前記液晶層の前記液晶分子の屈折率変化をΔｎ、一方の前記基板の前記入射面へ前記入射面の法線方向から入射する入射光に対する光路の平行移動量をｘ［μｍ］（ｘ＞０）としたとき、前記角度θが、
θ≦−（α＋ｂ）／ａ
ａ＝−０．７Δｎ＋０．３５
ｂ＝（１１．６／ｘ）−１９
の関係を満たすことにより、一対の屈折面で屈折して平行移動した光路の目標の平行移動量からのずれ量を、目標の平行移動量の１０％以内に抑えることができる。
【００７７】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の光偏向デバイスにおいて、前記液晶層は、表面安定化強誘電性液晶により形成されていることにより、配向変化において応答速度を速くすることができる。
【００７８】
請求項４記載の発明によれば、請求項１又は２記載の光偏向デバイスにおいて、前記液晶層は、周波数に応じて誘電異方性が正または負に変化する２周波駆動液晶により形成されていることにより、周波数を切り替えることで液晶の配向状態を制御することができ、ラビングの弱い規制力で配向状態を初期配向状態に戻すよりも速い応答速度で配向状態を初期配向状態に戻すことができる。
【００７９】
請求項５記載の発明によれば、請求項１又は２記載の光偏向デバイスにおいて、前記液晶層は、高分子分散型液晶により形成されていることにより、電圧制御により液晶の複屈折性を制御でき、無偏向の光をシフトさせることができる。また、高分子の規制力で液晶の配向を制御することができるので、配向変化において速い応答速度を得ることができる。
【００８０】
請求項６記載の発明の画像表示装置によれば、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、この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、前記画像表示素子と前記光学部材との間の光路上に配置された請求項１，２，３，４又は５記載の光偏向デバイスと、前記光偏向デバイスを駆動して、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毎に前記画像表示素子と前記光学部材との間の光路を偏向する光路偏向制御手段と、を備えることにより、光偏向デバイス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が表示され、画像表示素子の見掛け上の画素数が増倍して表示させる上で、請求項１，２，３，４又は５記載の光偏向デバイスを用いることにより、光偏向デバイスでの光路移動量のずれを少なく抑えることができ、光路移動量のずれによる画素の重なりなどによる表示画像の劣化を抑えることができ、高精細でコントラストの良い表示画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光偏向デバイスの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】光偏向素子をその部分拡大図と併せて示す断面図である。
【図３】光偏向素子の一部を拡大して示し、（ａ）はＸＺ面による断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ’−Ａ線断面図である。
【図４】光偏向デバイスの変形例を示す断面図である。
【図５】光偏向素子の一部を拡大して示す断面図である。
【図６】光の入射角度αと光路シフト量ｘとの関係を示すグラフである。
【図７】光の入射角度αによる光路シフト量ｘのずれを示し、（ａ）は入射角度α＝０のときの光路シフト量ｘを示す説明図、（ｂ）は入射角度α＝α１のときの光路シフト量ｘを示す説明図、（ｃ）は入射角度α＝α２のときの光路シフト量ｘを示す説明図である。
【図８】光の入射角度αと屈折面の傾斜角度θとの関係を示すグラフである。
【図９】傾きａと液晶分子の実効的な屈折率変化Δｎとの関係を示すグラフである。
【図１０】切片ｂと光路シフト量ｘとの関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の画像表示装置の一実施の形態を概略的に示す側面図である。
【図１２】画像表示装置を一部省略して示す斜視図である。
【図１３】画像表示装置による見かけ上の画素増倍を説明する説明図である。
【図１４】実施例４の液晶ドロップサイズと応答速度との関係を示すグラフである。
【図１５】実施例５の光偏向デバイスを示す断面図である。
【符号の説明】
１　　　　　光偏向デバイス
３，４　　　基板
５　　　　　液晶層
５ａ，５ｂ　液晶層
６，７　　　電極
９　　　　　入射面
１０　　　　屈折面
１０ａ，１０ｂ　　屈折面
１１　　　　屈折部
１２　　　　基板（中間基板）
１３　　　　光偏向デバイス
２１　　　　画像表示装置
２２　　　　光源
２４　　　　画像表示素子
２６　　　　光偏向デバイス
２７　　　　光学部材（投射レンズ）
３１　　　　光路偏向制御手段（光偏向電圧制御手段）
４１　　　　光偏向デバイス
【図１】
2004004167.tif 000007
【図２】
2004004167.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004004167.tif 000012
【図７】
2004004167.tif 000013
【図８】
2004004167.tif 000014
【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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【図１４】
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【図１５】
2004004167.tif 000021