(57)【要約】【課題】従来の液晶素子を使った旋光成分の濃度測定装置においては、旋光用液晶素子全体に電圧を徐々に印加することによって旋光物質の濃度を測定することができる。しかし、この方法により微小濃度を測定する場合は、電圧印加のステップ幅を微小にしなければならない。また、液晶がそのステップ幅に応じた微小旋光特性を示すことは困難となる。さらに、温度による影響によって液晶の特性が変化する。【解決手段】本発明における液晶素子はそれぞれ独立に駆動可能電極を設け、最初に各電極全てに電圧を印加し、その後一本づつｏｆｆにする。すなわち、電極１本１本に加わるＯＮ−ＯＦＦの電圧印加のステップ幅は大である。光照射領域に複数の電極を有する旋光用液晶素子２６に加わる全電極に対する印加電圧を調節した後、各電極１本１本に加わる印加電圧をＯＮ−ＯＦＦする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と第２の基板との間に液晶を介して構成された液晶素子に光照射して光変調を行う光変調装置であって、光照射される領域内に、前記第１の基板に形成された複数の電極を備え、該複数の電極と対向する前記第２の基板に形成された電極間の電位差によって前記液晶素子を駆動する光変調装置。
【請求項２】
前記複数の電極には、同相同電位の信号が印加される領域があることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項３】
前記複数の電極には、異相同電位の信号が印加される領域があることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項４】
前記複数の電極には、同相異電位の信号が印加される領域があることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項５】
前記複数の電極には、異相異電位の信号が印加される領域があることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項６】
前記複数の電極のなかで任意の電極に印加される電圧のタイミングチャートには、同相同電位の信号が印加される期間および異相同電位の信号が印加される期間とがあることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項７】
前記複数の電極のなかで任意の電極に印加される電圧のタイミングチャートには、同相同電位の信号が印加される期間および同相異電位の信号が印加される期間とがあることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項８】
前記複数の電極のなかで任意の電極に印加される電圧のタイミングチャートには、同相同電位の信号が印加される期間および異相異電位の信号が印加される期間とがあることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項９】
前記複数の電極が、データ出力集積回路によって信号が印加されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光変調装置。
【請求項１０】
前記第２の基板に形成された電極が、単一電極であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光変調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶素子を光変調素子として使用する場合における、光変調特性の安定性と分解能に関する。特に旋光性を利用した濃度測定装置に対して有効である。例えば尿糖測定や非侵襲の血糖値計を想定した場合、検出分解能としては１０ｍｇ／ｄｌ程度が要求される。本発明は光変調装置に関し、特に上記上記製品に採用される液晶素子の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
旋光のための液晶素子自体については、液晶素子とλ／４板を組み合わせたセナーモント旋光器の発展系として、可変電圧印加可能な３つの液晶素子を光照射方向に対して直列に配置させ、より自由度の高い光変調が可能になる装置の発明がある（例えば、特許文献１参照。）。また、液晶素子の旋光性を用いた濃度測定装置としては、従来の機械的な動作部が無いことを特徴としている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
図９は特許文献２における動作原理を表す図を示す。図中、直線偏光光源手段４４はレーザーダイオード４１、偏光子４３から構成されており、光源駆動回路４２によって駆動されるレーザーダイオード４１から発生される光を、偏光子４３により直線偏光とする機能を有する。電気光学的な光旋光手段５３である旋光用液晶素子４５は４５°捻ったツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶素子である。旋光用液晶素子駆動回路４６は旋光用液晶素子４５を駆動する機能を持つ。試料４９は指や耳などの血液保持部分を意味する。電気光学的な光位相変調素子５４である位相用液晶素子４７は楕円偏光を直線偏光に位相変調するための素子であり、捻りのない（平行配向）ＴＮ液晶を用いている。光位相変調素子駆動回路４８は光位相変調素子４７を駆動するための回路である。光強度検出手段５５は偏光子５０、受光素子５１および受光回路５２から構成されており、偏光子５０によって特定方向の光成分強度を受光素子５１の光検出電流として検出し、受光回路５２によって光検出電流を増幅して電圧に変換される。制御回路６０は光源駆動回路４２、旋光用液晶素子駆動回路４６および光位相変調素子駆動回路４８を駆動し、受光回路５２からの信号を受けて制御する。
【０００４】
まず、試料４９が無い場合を考える。旋光用液晶素子に電圧が印加されていない状態では直線偏光光源手段４４からの楕円偏光になると同時に右に４５°旋光される。位相用液晶素子４７によって直線偏光になった光の方向が、偏光子５０の透過方向と直交となるように偏光子５０を回転させておく。この状態で、旋光用液晶素子４５に電圧を徐々に印加すると、直線偏光光源手段４４からの直線偏光は、旋光用液晶素子４５に印加される実効値に応じて楕円偏光になると共に所定の方向に徐々に旋光される。位相変調用液晶素子４７によって旋光された直線光の方向は、偏光子５０の透過方向とは直交では無くなるために徐々に光強度は強くなる。
次に、旋光性物質を含む試料４９が途中にあった場合を考える。旋光用液晶素子４５に電圧が印加されていない状態では直線偏光光源手段４４からの直線光は、楕円偏光になると同時に右に４５°旋光され、試料４９内の旋光用液晶素子４５に電圧印加された場合の所定の旋光方向とは反対方向の旋光特性を持つ試料により旋光される。位相用液晶素子４７によって直線偏光になった光は、試料によって旋光された分だけ偏光子５０の透過方向とは直交ではなくなる。
この状態で、旋光用液晶素子４５に電圧を徐々に印加すると、直線偏光光源手段４４からの直線偏光は旋光用液晶素子４５に印加される実効値に応じて楕円偏光になると同時に徐々に旋光される。位相用液晶素子４７によって直線偏光になった光の方向は偏光子５０の透過方向と直交になるまで、徐々に光強度は弱くなる。さらに旋光用液晶素子４５に電圧を徐々に印加すると、直線偏光光源手段４４からの直線偏光は旋光用液晶素子４５に印加される実効値に応じて楕円偏光になると同時に徐々に旋光される。位相変換用液晶素子４７によって直線偏光になった光の方向は偏光子５０の透過方向と直交ではなくなるので、徐々に光強度は強くなる。検出される光の方向が偏光子５０の透過方向と直交になるために要する旋光用液晶素子４５に加わる電圧は、試料中の旋光性物質の濃度に依存する。すなわち、光検出強度の旋光用液晶素子への印加電圧依存性を測定し、極小点を検出することによって濃度を測定できることとなる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２１８８８９号公報（図３）
【特許文献２】
特開２００１−３５６０８９号公報（図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の通りの原理で測定する場合、例えば尿糖測定や非侵襲の血糖値計を想定した場合、検出分解能としては１０ｍｇ／ｄｌ程度が要求される。しかしながら、従来の方法により微小濃度を測定する場合は、電圧印加のステップ幅を微小にしなければならない。また、液晶が微小ステップ幅に応じた微小旋光特性を示すことは困難となる。本発明では、液晶素子に印加するステップ幅が大きくても、微小濃度を測定できる具体的な構造と駆動を提案し、これらの製品に採用する液晶素子の安定性と分解能を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光変調装置は、下記記載の手段を採用する。
第１の基板と第２の基板の間に液晶を介して構成された液晶素子に光照射して光変調を行う光変調装置において、光照射された領域に第１の基板に複数の電極を備え、複数の電極と対向する第２の基板に形成された電極間の電位差によって液晶を駆動する。
光変調装置の複数の電極には、同相同電位の信号が印加される領域がある場合もあり、異相同電位の信号が印加される領域がある場合もあり、同相異電位の信号が印加される領域がある場合もあり、異相異電位の信号が印加される領域がある場合もある。
また、光変調装置の複数の電極には、同相同電位の信号が印加される期間と異相同電位の信号が印加される領域がある期間を有する場合もあり、同相同電位の信号が印加される期間と同相異電位の信号が印加される期間がある場合もあり、同相同電位の信号が印加される期間と異相異電位の信号が印加される期間がある場合もある。
光変調装置の複数の電極は、データ出力集積回路によって信号が印加されるのが好ましい。
第２の基板に形成された電極が、単一電極であることが好ましい。
【０００８】
［作用］
従来の光変調装置においては液晶旋光素子全体に電圧を徐々に印加することによって旋光物質の濃度を測定することができる。しかし、この方法により微小濃度を測定する場合は、電圧印加のステップ幅を微小にしなければならない。さらに、液晶がそのステップ幅に応じた微小旋光特性を示すことは困難となる。
本発明における液晶素子はそれぞれ独立に駆動可能電極を設け、最初に各電極全てに電圧を印加し、その後一本づつｏｆｆにする。すなわち、電極１本１本に加わるＯＮ−ＯＦＦの電圧印加のステップ幅は大である。
本発明の実施の形態としては、図６に示すごとく使用したい液晶特性領域付近に液晶素子全体の印加電圧を調節した後、電極１本１本に加わる各々の電位を調節する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の光変調装置における最適な実施形態を説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施の形態におけるシステムブロック図を示す。図中、直線偏光光源手段４４はレーザーダイオード４１、偏光子４３、光学系８２から構成されている。ここで、光学系８２は光照射領域を所定の領域にするためのレンズとスリットから構成されている。光源駆動回路４２によって駆動されるレーザーダイオード４１から発生される光を、光学系８２により光照射領域を規定し、偏光子４３により直線偏光とする機能を有する。電気光学的な光旋光手段７９は旋光用液晶素子２６とλ／４板６３からなり、直線偏光光源手段４４からの直線偏光光を旋光し、直線光として通過させる。ここで、旋光用液晶素子２６は平行配向のツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶素子であり、旋光用液晶素子２６は旋光用液晶駆動回路８０によって駆動される電極を１本づつ独立に駆動できる機能を持つ。λ／４板６３は旋光用液晶素子２６と共に用いることにより、入射した直線光を直線偏光で出射するための素子である。光強度検出手段５３は偏光子５０、受光素子５１および受光回路５２から構成されており、偏光子５０によって特定方向の光成分強度を受光素子５１の光検出電流として検出し、受光回路５２によって光検出電流を増幅して電圧に変換される。制御回路６５は光源駆動回路４２、旋光用液晶素子駆動回路８０を駆動し、受光回路５２からの信号を受けて制御する。
すなわち、レーザーダイオード４１から出力され光学系を通過した光を、偏光板４３により直線偏光とし、旋光用液晶素子２６、λ／４板６３、試料６８、偏光板５０を通過して受光素子５１でその光強度を検出する。動作は従来例と同様に消光点を検出するのであるが、従来の旋光用液晶素子４５（図８）の代わりに旋光用液晶素子２６を駆動する点が異なる。
【００１１】
次に旋光用液晶素子２６の具体的な構造について説明する。図２は本発明の液晶素子の配線を含む構造を示す。
制御回路１はデータ用集積回路（データドライバ）２５を駆動するのに必要な同期信号および同期信号群を発生し、各々同期信号群線３および同期信号群線４に伝達する。電源回路２は制御回路１の電力とデータドライバ２５内のロジック部を駆動するための電力をロジック電源線５に伝達し、データドライバ２５内の液晶に電圧印加するための電力を液晶駆動電源線６に伝達し、グランド電源をグランド線７に伝達する。
【００１２】
旋光用液晶素子２６はデータ基板１０と上基板１１の間に液晶を注入して光変調素子として使用する。データ基板１０は透明電極配線が形成してあり、データドライバ２５を搭載している。上基板１２は全面透明導電膜が形成されている。フレキシブルプリンテッドサーキット（ＦＰＣ）８はデータドライバ２５の駆動に必要な電源を伝達するためのロジック電源線５Ｆ、液晶駆動電源線６Ｆおよびグランド線７Ｆを設け、データ信号群をデータドライバに伝達するためのデータ信号群線３Ｆを設け、同期信号群を伝達するための同期信号群線４Ｆを設け、データドライバ２５の１列目の出力である上基板１１に形成された全面透明電極の電位を決定するための上基板信号を伝達するための上基板信号伝達線９を備える。
データ基板１０に形成された透明列電極１４は、データドライバ２５の第２列目の出力を伝達し、順次２４０列目の出力を伝達する透明列電極２４までの電極が形成されている。光照射領域１３は濃度測定装置において光が照射される領域を示す。
【００１３】
図３は光照射領域を拡大した図である。図中、電極１６、電極１７、電極１８、電極１９、電極２０、電極２１は光照射領域内の透明電極である。これらの電極をＯＮ−ＯＦＦまたは中間調にすることによって照射領域における総合旋光量が変化する。
【００１４】
次に駆動について説明する。駆動手順は、まず旋光用液晶素子２６中の全電極を使用液晶特性領域付近にまで電圧印加し、次に電極を１本ずつＯＦＦする。図４は旋光用液晶素子２６の全電極を使用液晶特性領域付近にまで電圧印加した時の状態を表すタイミングチャートである。図４（ａ）は電圧印加が小さい時を示し、旋光用液晶素子２６内の液晶は、上基板１１に印加される電位２９とデータ基板１０に形成された全電極に印加される電位２８の電位差による実効値３０に依存して光学特性を示す。ここで、電位２９は上基板信号伝達線９によって伝達されるデータドライバ２５の１列目の出力の電位である。図４（ｂ）は電圧印加が中程度の時を示し、旋光用液晶素子２６内の液晶は、上基板１１に印加される電位３２とデータ基板１０に形成された全電極に印加される電位３１の電位差による実効値３３に依存して光学特性を示す。図４（ｃ）は電圧印加が大きい時を示し、旋光用液晶素子２６内の液晶は、上基板１１に印加される電位３５とデータ基板１０に形成された全電極に印加される電位３４の電位差による実効値３６に依存して光学特性を示す。
このステップにより、旋光用液晶素子２６中の全電極を使用液晶特性領域付近の電圧を決定する。ここでは、使用液晶特性領域付近の電圧が図４（ｂ）に示す中程度の電圧であったとする。
【００１５】
次のステップとして、図４（ｂ）に示す中程度の電圧である場合の各電極の操作について説明する。図５は照射領域１３内の各電極のタイミングチャートを示す。図５（ａ）は電極１６のタイミングチャートを示し、図５（ｂ）は電極１７のタイミングチャートを示し、図５（ｃ）は電極１８のタイミングチャートを示し、図５（ｄ）は電極１９のタイミングチャートを示し、図５（ｅ）は電極２０のタイミングチャートを示し、図５（ｆ）は電極２１のタイミングチャートを示す。
図５（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｆ）に示されるとおり電極１６、電極１８、電極１９、電極２１領域の旋光用液晶素子２６内の液晶は、上基板１１に印加される電位３２とデータ基板１０に形成された上記４本の電極に印加される電位３１の電位差による実効値３３に依存して光学特性を示す。一方、図５（ｂ）および（ｅ）に示されるとおり電極１７、電極２０領域の旋光用液晶素子２６内の液晶は、上基板１１に印加される電位３２とデータ基板１０に形成された上記２本電極に印加される電位３２と同じ電位の電位５８および電位６１の電位差が無くなり、電圧印加されない場合の液晶光学特性を示す。すなわち、極性が反対で同振幅である信号と、位相が同じで同振幅である信号とによって光照射領域内にＯＮ領域とＯＦＦ領域が存在することとなる。
以上によって旋光用液晶素子２６を駆動できる。
【００１６】
次に、上記２つのステップによる液晶特性変化の意味を図６で説明する。図中、縦軸である透過光強度は受光素子７１で受光する光強度を示し、横軸である実効値は旋光用液晶素子２６に印加する実効値を示す。印加電圧範囲９３は図４（ａ）で示した電圧印加が小さい時を示し、印加電圧範囲９４は図４（ｂ）で示した電圧印加が中程度時を示し、印加電圧範囲９５は図４（ｃ）で示した電圧印加が大きい時を示す。
図６の印加電圧範囲９３、印加電圧範囲９４、印加電圧範囲９５の途中の区切りは各電極のＯＮ−ＯＦＦによる変化量を示す。
液晶特性の極小領域９９を検出するためには印加電圧９３では電圧駆動範囲が足りない。また、印加電圧範囲９５では大きすぎて各電極によるステップ幅が大きすぎて粗い。適度な印加電圧９４にし、各電極のＯＮ−ＯＦＦによって最適な電圧印加範囲が得られる。ここで、図５のとおりのタイミングチャートであれば、旋光用液晶素子２６は実効値１００に従った光学特性を示すこととなる。
【００１７】
さらに微細ステップ幅にするためには、各電極をＯＮ−ＯＦＦではなく中間実効値にすることも考えられる。図７はパルス幅変調方式による電圧印加タイミングチャートを示す。図７（ａ）はデータ基板１０に形成された任意の電極に印加される電圧のタイミングチャート示し、図７（ｂ）は上基板１１に形成された全面電極に印加される電圧を示す。図７（ｃ）は電極間に加わる電圧と、上記電圧の差によって生じる実効値４１を示すタイミングチャートである。  すなわち、各電極の振幅は同じで位相が異なることによって中間実効値を変化させることにより、液晶光学特性をさらに微細に制御することができる。
【００１８】
また、同相で電位が異なる例を図８に示す。図８（ａ）はデータ基板１０に形成された任意の電極に印加される電圧のタイミングチャート１０１を示し、図８（ｂ）は上基板１１に形成された全面電極に印加される電圧のタイミングチャート１０２を示す。電圧のタイミングチャート１０１は所定の電位１０４を中心に比較的大きめの振幅であり、電圧のタイミングチャート１０２は所定の電位１０４を中心に比較的小さめの振幅である。図８（ｃ）は電極間に加わる電圧と、上記電圧の差によって生じる実効値１０３を示すタイミングチャートである。  すなわち、各電極の位相が同じであるが電位が異なる信号の差によって、液晶光学特性をさらに微細に制御することができる。
【００１９】
以上、実施形態を示したが光変調素子として平行配向液晶素子とλ／４板の組合せを用いたが、何度か捻った（ツイストした）液晶を用いても良い。光照射領域を説明の簡単のため長方形としたが、円形など形が異なっても同様である。光照射領域内の電極を６本としたが、本数には制限が無く本数が多い方が微細な光変調を行える。また、対向電極の入力信号としてデータドライバの１出力信号としたが、別途信号を発生する回路により入力しても良い。勿論、上記の各種駆動を組み合わせることは可能であり、各領域を別々の駆動にすることも可能である。また、実施形態では対向電極の入力として交流信号としたが、グランドを含む所定の電位の直流信号でも良い。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光変調装置によれば使用したい液晶素子の光学特性付近にまで光変調を行い、液晶素子中の部分領域においてステップ幅の大きな光学特性変化にすることによって、確実で安定した測定が可能となる。また、各電極の光学的特性のステップ幅を大きくすることができるため、液晶素子の温度等の外部環境変化の影響を受けにくい。特に、各電極をＯＮとＯＦＦの２値で駆動する場合は、液晶光学特性の安定領域を使用するため外部環境変化に対して安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光変調装置の実施の形態を説明するためのシステムブロック図面である。
【図２】本発明の光変調装置の実施の形態を説明するための液晶素子を含むシステム図である。
【図３】本発明の光変調装置の実施の形態を説明するための液晶画素である。
【図４】本発明の光変調装置の実施の形態を説明するための印加電圧タイミングチャートである。
【図５】本発明の光変調装置の実施の形態を説明するための電極別タイミングチャートである。
【図６】本発明の光変調装置の実施の形態を説明するための光学特性を示す図である。
【図７】本発明の光変調装置の実施の形態を説明するための位相差駆動タイミングチャートである。
【図８】本発明の光変調装置の実施の形態を説明するための電位差駆動タイミングチャートである。
【図９】従来の光変調装置における構成を説明するためのシステムブロック図面である。
【符号の説明】
２６  旋光用液晶素子
６３  λ／４板
６５  ＣＰＵ
６６  オフセット用液晶素子
６８  試料
【図１】
2004294753.tif 000003
【図２】
2004294753.tif 000004
【図３】
2004294753.tif 000005
【図４】
2004294753.tif 000006
【図５】
2004294753.tif 000007
【図６】
2004294753.tif 000008
【図７】
2004294753.tif 000009
【図８】
2004294753.tif 000010
【図９】
2004294753.tif 000011