(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な一対の基板と、その一対の基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすカイラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、少なくとも前記液晶層に対して前記基板主面と平行な方向の電界（平行電界）を発生させる電極とを有する液晶素子において、
前記液晶層が、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相である相系列を有するベース液晶材料に、少なくとも下記一般式（IV）のカイラル化合物、下記一般式（V）のカイラル化合物、下記一般式(VI)のカイラル化合物および下記一般式(VII)のカイラル化合物を含有し、
前記液晶層中に含有されるカイラル化合物の比率が２４重量％以上、４０重量％以下であることを特徴とする液晶素子。
【化１】
0005261881.tif 000026
（式中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。またＭ１はメソゲニック芳香族単位(メソゲン基)であり、式（ｃ）から選択される基を示す。）
【化２】
0005261881.tif 000027
【化３】
0005261881.tif 000028
（式中、ｎは３から１２の整数である。またＭ１は前記式(IV)と同じ定義であり、式(IV)と同じであっても異なってもよい。）
【化４】
0005261881.tif 000029
（式中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。なお、式(IV)から式(VI)でのnとｍとは互いに独立した数値でも良い。またＭ１は前記式(IV)と同じ定義であり、式(IV)または式（V）と同じであっても異なってもよい。）
【化５】
0005261881.tif 000030
（式中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。またＭ２はメソゲニック芳香族単位(メソゲン)であり、式（ｄ）から選択される基を示す。）
【化６】
0005261881.tif 000031
【請求項２】
請求項１に記載の液晶素子において、前記ベース液晶材料が少なくともフェニルピリミジン化合物を含有することを特徴とする液晶素子。
【請求項３】
電気信号に応じて光の光路を偏向する光路偏向素子であって、
請求項１または２に記載の液晶素子から成り、該液晶素子への入射光を直線偏光とし、該直線偏光の偏光面を素子内の平行電界の印加方向に対して直交する方向に設定することで、入射光路に対する出射光路の位置を平行にシフトすることを特徴とする光路偏向素子。
【請求項４】
画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次元的に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及び照明装置と、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装置と、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で形成する表示駆動手段と、各画素からの出射光の光路を偏向する光路偏向素子を有し、前記光路偏向素子によるサブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示位置がずれた状態に対応する画像パターンを前記画像表示素子に表示することで、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する画像表示装置において、
前記光路偏向素子として、請求項３に記載の光路偏向素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号によって一軸性物質の光学軸の傾斜方向を変える液晶素子、及び、その液晶素子からなり電気信号によって光の光路を偏向する光路偏向素子、及び、前記光路偏向素子を備えた画像表示装置に関する。光路偏向素子は、プロジェクタ、ヘッドマウントディスプレイ、光スイッチ、撮像光学系などに用いられる。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の説明に先立って、本明細書で用いる用語を定義しておく。
「光路偏向素子」とは、外部からの電気信号により光の光路を偏向、即ち、入射光に対して出射光を平行にシフトさせるか、或る角度を持って回転させるか、あるいは、その両者を組合せて光路を切換えることが可能な光学素子を意味する。この説明において、平行シフトによる光路偏向に対してそのシフトの大きさを「シフト量」と呼び、回転による光路偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶものとする。「光路偏向装置」とは、このような光路偏向素子を含み、光の光路を偏向させるデバイスを意味する。
【０００３】
また、「ピクセルシフト素子（画素ずらし素子）」とは、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を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、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画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光路偏向手段とを有し、該光路偏向手段によるサブフィールド毎の光路の偏向状態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させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示する画像表示装置における前記光路偏向手段を意味する。従って、基本的には、上記定義による光路偏向素子や光路偏向装置を光路偏向手段（ピクセルシフト素子（画素ずらし素子））として応用することが可能といえる。
【０００４】
従来、液晶材料を用いた光路偏向素子（または光偏向素子）やピクセルシフト素子、これらを用いた画像表示装置等に関する技術が種々提案されている（例えば、特許文献１〜６参照）。しかし、従来の光路偏向素子やピクセルシフト素子においては、
・構成が複雑であることに伴う高コスト、装置の大型化、光量損失、ゴースト等の光学ノイズまたは解像度低下、
・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、
・ネマチック液晶などにおける応答速度の問題、
など種々の問題点がある。
【０００５】
そこで、本出願人は先に、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、装置の大型化、光量損失、光学ノイズ等の問題を改善し、構成が簡単で小型であり、光量損失、光学ノイズ、解像度低下が少なく、低コスト化を図ることができる光路偏向素子や装置の提供を目的として、新規な構成の光路偏向素子を提案した（特許文献７参照）。
【０００６】
この光路偏向素子１は、透明な一対の基板２，３と、この一対の基板２，３の少なくとも一方に設けた配向膜４と、一対の基板２，３間に充填されたホメオトロピック配向をなすカイラルスメクチックＣ相よりなる液晶５と、この液晶５に電界を作用させる少なくとも１組の電極６ａ，６ｂからなる電極対６とを備え、該電極対６を電源７に接続して液晶層５に電界を印加する構成としたものである。この光路偏向素子１は、カイラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を利用しているので、従来の光路偏向素子に比して、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、光学ノイズの問題を改善でき、かつ、従来のスメクチックＡ液晶やネマチック液晶などにおける応答性の鈍さも改善でき、高速応答が可能となるようにしたものである。
【０００７】
このような光路偏向素子で数μｍから数十μｍ程度の実用的な光路シフト量を得るためには、液晶層の厚みを数十μｍから数百μｍと非常に厚く設定する必要がある(非特許文献1参照)。一般に液晶層が厚くなると、液晶層の中央部では基板表面からの配向規制力の影響が少なくなるため、液晶層全体の均一配向性を維持することが困難になる。例えば液晶層中央部での配向が乱れ、白濁などが生じる場合がある。したがって、上記のような光路偏向素子では、液晶層全体の均一な配向状態を形成・維持することが最重要課題である。
【０００８】
そこで本出願人は先に、液晶層が、カイラルスメクチックＣ相より高温においてスメクチックＡ相を形成しない液晶材料で構成されている光路偏向素子(特許文献８参照)や、液晶層に高分子材料のモノマー等を含ませ、液晶層がスメクチックＡ相を形成する温度に保持して分子配向を整え、光重合を行って高分子材料から成る繊維状あるいは網目状の組織を形成した後、カイラルスメクチックＣ相を形成する温度まで冷却する方法(特許文献９参照)などを提案している。しかしながら、特許文献８では液晶材料の選択の幅が限定されることや、特許文献９では高分子組織の存在による応答速度や光学特性への影響など、ある程度の副作用が生じる場合がある。
【０００９】
また、自発分極が大きく配向性の優れた強誘電液晶混合物および表示素子として、カイラル化合物の添加量やカイラル化合物の種類の数と相対濃度、混合物のネマチック（Ｎ＊）相のらせんピッチなどを調整する方法などが提案されている(特許文献１０参照)。本文献では平面配向の表面安定型強誘電液晶を用いた表示素子を対象としている。
【００１０】
一般に表面安定型強誘電液晶素子では、その配向均一性（単一平面配向：らせんがほどけたモノドメイン配向）、高速応答、及び良好なコントラストを得るために液晶厚みを約２μｍ程度に設定し、特に単一平面配向を実現するために、ネマチック（Ｎ＊）相中での螺旋ピッチを液晶層の厚さの約５倍以上、すなわち約１０μｍ以上にする必要があることが明記されている。また、そのような条件を満たすためのドーピング剤の添加方法について例示されている。さらに通常よりも更に厚い層、例えばゲスト・ホストモードで作動される表示装置の場合には、螺旋ピッチが相対的に更に大きくならなければならないことが記載されており、本文献の混合物による螺旋ピッチを大きくする効果の有効性が示されている。また、表面安定型素子の使用温度範囲では、厚みに比べて螺旋ピッチが十分に大きいため、スメクチックＣ相での螺旋ピッチの大小が素子の動作に影響することは殆ど無い。
【００１１】
一方、本発明の光路偏向素子として用いる液晶素子のように、カイラルスメクチックＣ相が垂直配向（らせんのほどけていない配向）しており、その液晶層の厚みが数十μｍ程度と非常に厚い液晶素子の場合、上記のような表面安定型用の液晶材料の設計思想は当てはまらない。
【００１２】
すなわち、特許文献１０のように単にネマチック（Ｎ＊）相の螺旋ピッチの調整による配向性向上や自発分極増大の効果だけでは不十分であり、実使用温度範囲でのスメクチックＣ相の螺旋ピッチの最適化による素子特性の向上が重要である。例えば、ネマチック（Ｎ＊）相の螺旋ピッチが十分長い液晶混合物を用いた場合、スメクチックＣ相での螺旋ピッチも長くなる傾向がある。このような材料で液晶層の厚みが数十μｍ程度と非常に厚い垂直配向液晶素子を構成すると、必ずしも配向均一性がとれず、また、動作時に液晶ドメインが発生しやすくなるため、ドメイン壁での光散乱による特性劣化を生じる。
【００１３】
【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】特許第２９３９８２６号公報
【特許文献４】特開平５−３１３１１６号公報
【特許文献５】特開平６−３２４３２０号公報
【特許文献６】特開平１０−１３３１３５号公報
【特許文献７】特開２００２−３２８４０２号公報
【特許文献８】特開２００３−２８００４１号公報
【特許文献９】特開２００４−１８４５２２号公報
【特許文献１０】特許第３０３４０２４号公報
【非特許文献１】「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、ｐ１９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、配向性に優れ、低電界で光学軸の駆動が可能であり、また応答性及び／又は光学特性に優れた液晶素子を提供し、該液晶素子からなり高速に透過光路を平行シフトさせる光路偏向素子を提供することを目的とする。また、前記光路偏向素子を備えることにより、画素数の少ない画像表示素子を用いながら、高精細表示が可能な画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するために提供する本発明は、透明な一対の基板と、その一対の基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすカイラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、少なくとも前記液晶層に対して前記基板主面と平行な方向の電界（平行電界）を発生させる電極とを有する液晶素子において、前記液晶層が、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相である相系列を有するベース液晶材料に、少なくとも下記一般式（IV）のカイラル化合物、下記一般式（V）のカイラル化合物、下記一般式(VI)のカイラル化合物および下記一般式(VII)のカイラル化合物を含有し、前記液晶層中に含有されるカイラル化合物の比率が２４重量％以上、４０重量％以下であることを特徴とする液晶素子である。
【００２３】
【化６】
0005261881.tif 000002
（式中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。またＭ１はメソゲニック芳香族単位(メソゲン基)であり、式（ｃ）から選択される基を示す。）
【００２４】
【化７】
0005261881.tif 000003
【００２５】
【化８】
0005261881.tif 000004
（式中、ｎは３から１２の整数である。またＭ１は前記式(IV)と同じ定義であり、式(IV)と同じであっても異なってもよい。）
【００２６】
【化９】
0005261881.tif 000005
（式中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。なお、式(IV)から式(VI)でのnとｍとは互いに独立した数値でも良い。またＭ１は前記式(IV)と同じ定義であり、式(IV)または式（V）と同じであっても異なってもよい。）
【００２８】
【化１０】
0005261881.tif 000006
（式中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。またＭ２はメソゲニック芳香族単位(メソゲン)であり、式（ｄ）から選択される基を示す。）
【００２９】
【化１１】
0005261881.tif 000007
【００３４】
また、前記課題を解決するために提供する本発明は、上記に記載の液晶素子において、前記ベース液晶材料が少なくともフェニルピリミジン化合物を含有することを特徴とする液晶素子である。
【００３５】
前記課題を解決するために提供する本発明は、電気信号に応じて光の光路を偏向する光路偏向素子であって、上記に記載の液晶素子から成り、該液晶素子への入射光を直線偏光とし、該直線偏光の偏光面を素子内の平行電界の印加方向に対して直交する方向に設定することで、入射光路に対する出射光路の位置を平行にシフトすることを特徴とする光路偏向素子である。
【００３６】
前記課題を解決するために提供する本発明は、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次元的に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及び照明装置と、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装置と、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で形成する表示駆動手段と、各画素からの出射光の光路を偏向する光路偏向素子を有し、前記光路偏向素子によるサブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示位置がずれた状態に対応する画像パターンを前記画像表示素子に表示することで、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する画像表示装置において、前記光路偏向素子として、上記に記載の光路偏向素子を備えたことを特徴とする画像表示装置である。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の効果として、本発明によれば、液晶層が厚い垂直配向の液晶素子でも配向欠陥が無い液晶層が得られ、光散乱が防止できる。また、光学軸チルト角の飽和電界強度が比較的小さな液晶層が得られ、低電界でも十分な光学軸のチルト角が得られる。また本発明によれば、液晶層が厚い垂直配向の液晶素子でも配向欠陥が無い液晶層が得られ、光散乱が防止できる。また、光学軸チルト角の飽和電界強度が比較的小さく、かつ、応答性に優れた液晶素子が得られる。さらに本発明によれば、カイラル化合物比率を２４重量％以上にすることで自発分極が大きくなり、応答時間が０．５ｍｓ以下と高速にできる。また、４０重量％以下にすることで相分離による白濁発生などの光学特性の悪化を防止することが出来る。またさらに本発明によれば、液晶層が厚い垂直配向の液晶素子でも配向欠陥が無い液晶層が得られ、光散乱が防止できる。また、液晶層の自発分極を大きくすることが出来、応答性に非常に優れた液晶素子が得られる。
また本発明によれば、液晶層が厚い垂直配向の液晶素子でも配向欠陥が無い液晶層が得られ、光散乱が防止できる。また、光学軸チルト角の飽和電界強度が非常に小さく、かつ、応答性に非常に優れた液晶素子が得られる。特に、メソゲン基として２，５−ジフェニルピリミジン基を用いた場合、飽和電界が小さくなる効果が顕著である。
また本発明によれば、液晶層が厚い垂直配向の液晶素子でも配向欠陥が無い液晶層が得られ、光散乱が防止できる。また、光学軸チルト角の飽和電界強度が非常に小さく、かつ、電界駆動時のＭＴＦ特性が非常に優れた液晶素子が得られる。さらに本発明によれば、カイラル化合物比率を２４重量％以上にすることで自発分極が大きくなり、応答時間が０．５ｍｓ以下と高速にできる。また、４０重量％以下にすることで相分離による白濁発生などの光学特性の悪化を防止することが出来る。
また本発明によれば、液晶層が厚い垂直配向の液晶素子でも配向欠陥が無い液晶層が得られ、光散乱が防止できる。また、応答時間が非常に短く、かつ、電界駆動時のＭＴＦ特性が非常に優れた液晶素子が得られる。特に、式（VII）のメソゲン基として２，５−ジフェニルピリミジン基を用いた場合、垂直配向性と応答性が向上する効果が顕著である。
また本発明によれば、室温付近で安定なスメクチック相を形成し、低粘性で高速応答性の液晶層が得られる。
また本発明によれば、液晶層の光学軸チルト角の傾斜方向反転動作に伴って透過する光路が平行にシフトする。前述の強誘電性液晶材料を用いるので、光学軸の反転動作が速く、高速な光路シフトを行うことができる。
また本発明によれば、配向性が良好で高速応答性に優れた光路偏向素子を用いているので、サブフィールド画像に対応して、高速な光路の偏向が可能になり、見かけ上高精細な画像表示が可能となる。また、高速応答性によりサブフィールド画像の切換え時間が短くできるので、時間的な光利用効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に、本発明の構成について説明する。
まず、本発明の液晶素子の形態について、図１に基づいて説明する。
図１は、液晶素子の断面を模式的に示した図である。同図において、符号１は液晶素子、２は基板、３は垂直配向膜、４は電極、５はスメクチックＣ相からなる液晶層である。
【００３９】
本発明の液晶素子１は、一対の透明な基板２が対向配置させて設けられている。透明な基板２としては、ガラス、石英、プラスチックなどを用いることが出来るが複屈折性の無い透明材料が好ましい。基板２の厚みは数十μｍ〜数ｍｍのモノが用いられる。
【００４０】
基板２の内側面（お互いが対向する面）には垂直配向膜３が形成されている。垂直配向膜３は基板２表面に対して液晶分子を垂直配向（ホメオトロピック配向）させる材料ならば特に限定されないが、液晶ディスプレイ用の垂直配向剤やシランカップリング剤、ＳｉＯやＳｉＯ２の蒸着膜などを用いることが出来る。なお、本発明で言う垂直配向（ホメオトロピック配向）とは、基板面対して液晶分子が垂直に配向した状態だけではなく、数十度程度までチルトした配向状態も含む。
【００４１】
両基板２の間隔をスペーサを挟んで規定し、基板２間に電極４と液晶層５を形成する。スペーサとしては数μｍから数ｍｍ程度の厚みを持つシート部材あるいは同程度の粒径の粒子、などが用いられ、素子の有効領域外に設けられることが好ましい。電極４としてはアルミ、銅、クロムなどの金属、ＩＴＯなどの透明電極などが用いられるが、液晶層５内に均一な水平電界を印加するためには、液晶層厚みと同程度の厚みを持つ金属シートを用いることが好ましく、素子の有効領域外に設けられる。図１ではより好ましい例として、スペーサ部材と金属シート部材が共通であり、金属シート部材の厚みにより液晶層厚みが規定される。
【００４２】
液晶層５としては、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相である相系列を有するベース液晶材料にカイラル化合物を添加し、実用温度領域でカイラルスメクチックＣ相を形成する液晶材料が用いられる。上記の電極４間に電圧を印加することで、液晶層の水平方向に電界が印加される。
【００４３】
また、より大面積に均一な水平電界を印加するために、図５および図６のように基板面上に複数本のライン状の透明電極４Ｌを設け、各透明電極４Ｌに順次変化する電圧値を印加して水平方向に強制的に電位勾配を形成し、均一な水平電界を形成しても良い。さらに基板２のライン状の透明電極を設けた面と液晶層５との間に透明な誘電体層６を設けても良い。各透明電極４Ｌに順次変化する電圧値を印加する方法としては、各透明電極４Ｌを抵抗体８で直列に接続することが好ましい。図５および図６のような構成では液晶素子１０の有効面積を数センチ角程度まで大きくすることが出来、画像表示装置のように比較的大面積が必要な用途に適用する場合に好ましい。
【００４４】
ここで、カイラルスメクチックＣ相を形成する液晶層５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(スメクチック層)に配列してなる液晶層である。このような液晶に関し、上記層の法線方向（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「スメクチックＣ相」と呼んでいる。スメクチックＣ相よりなる強誘電液晶は、一般的に外部電界が働かない状態において各スメクチック層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとり、「カイラルスメクチックＣ相」と呼ばれる。また、カイラルスメクチックＣ相反強誘電液晶は各層毎に液晶ダイレクタが対向する方向を向く。これらのカイラルスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有するカイラル化合物を含み、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。なお、本実施の形態等では、液晶層として強誘電液晶を例にとり液晶素子及び光路偏向素子の説明を行うが、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。
【００４５】
本発明の液晶素子の動作原理について図２を参照して説明する。
図２は、図１に示した構成に関して電界方向と液晶分子の傾斜方向を模式的に示したものである。液晶分子５ａの幅が広く描いてある側が紙面上側、幅が狭く描かれている側が紙面下側に傾いている様子を示している。また、液晶の自発分極（記号Ｐｓで記す）を矢印で示してある。電界Ｅの向きが反転すると、略垂直配向した液晶分子５ａのチルト角の方向が反転する。ここでは、自発分極が正の場合について電界印加方向と液晶分子のチルト方向の関係を図示している。ここで、チルト角の方向が反転する際、図２（ｂ），（ｄ）の斜視図に示したような仮想的なコーン状の面内を回転運動すると考えられる。
【００４６】
ここで、図３にカイラルスメクチックＣ相の液晶分子配列のモデルを示す。チルト角θを有する分子層が互いズレながら重なって螺旋構造を形成している。電界Ｅ＝０では図３(ａ)のように左右対称な螺旋構造によって液晶ダイレクタ方向は空間的に平均化される。液晶層５の平均化された光学軸は層法線方向を向いており、この光学軸に平行な入射光に対しては光学的に等方的である。このような無電界下のカイラルスメクチックＣ相の液晶層に対して層法線方向から偏光顕微鏡によるコノスコープ像を観察すると、十字像が中央部に位置しており、一軸性光学軸を有していることが確認できる。次に、液晶層の水平方向に比較的小さな電界０＜Ｅ＜Ｅsを印加すると、自発分極Ｐｓへの電界Ｅの作用で液晶分子に回転モーメントが生じるために、図３(ｂ)のように螺旋構造が歪んで非対称となり、平均的な光学軸が一方向に傾く。この時、電界強度の増加と共に歪みが大きくなって平均的な光学軸の傾斜角も大きくなる。これは、コノスコープ像の十字像の位置が移動することから確認できる。さらに電界強度を増加させると、ある閾値電界Ｅｓ以上で図３(ｃ)のように螺旋構造が消失して一様な配向状態となる。この時の光学軸の傾斜角は液晶ダイレクタのチルト角θと等しくなる。さらに電界を増加させてもチルト角θは変化せず、光学軸の傾斜角も一定となる。
【００４７】
図４は、液晶素子１内での液晶分子５ａの配向状態を模式的に示したものであり、垂直配向膜３、スペーサ、電極４は省略してある。図４では便宜上紙面表裏方向に電圧印加されるように描き、電界Ｅは紙面表裏方向に作用する。電界方向は目的とする光の偏向方向に対応して図示しない電源により切換えられる。
【００４８】
図４（ａ）のように紙面手前側への電界が印加された場合、液晶分子５ａの自発分極が正ならば液晶ダイレクタが図右上に傾斜した分子数が増加し、液晶層５としての平均的な光学軸も図右上方向に傾斜して複屈折板として機能する。カイラルスメクチックＣ相のらせん構造が解ける閾値電界(以後、飽和電界Ｅｓと呼ぶ)以上では、すべての液晶ダイレクタがチルト角θを示し、この液晶素子５ａは光学軸が上側に角度θで傾斜した複屈折板として機能する。例えば、この液晶素子５ａの図中左側から異常光として入射した直線偏光Ｌ０は図中上側に平行シフトする。ここで、液晶分子５ａの長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏ、液晶層５の厚み(ギャップ)をｄとする光路の平行シフト量Ｓは以下の式（１）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）。
【００４９】
Ｓ＝[(１／ｎｏ)2−(１／ｎｅ)2]sin(２θ)×ｄ
÷[２((１／ｎｅ)2sin2θ＋(１／ｎｏ)2cos2θ)]    ………式（１）
【００５０】
同様に図４（ｂ）のように電極４への印加電圧を反転して紙面奥側への電界Ｅが印加された場合、液晶分子５ａの自発分極が正ならば液晶ダイレクタは図右下に傾斜し、この液晶素子１は光学軸が下側に角度θで傾斜した複屈折板として機能する。同様に液晶素子１の図中左側から異常光として入射した直線偏光Ｌ０は図中下側に平行シフトする。したがって、この液晶素子１内に印加する電界方向の反転によって、２Ｓ分の光路シフト量が得られる。例えば、式（１）でｎｏ＝１．５５、ｎｅ＝１．７０、ｄ＝３０μｍ、θ＝３５°の場合、２Ｓ＝５(μｍ)の光路シフト量が得られる。このように一般的なカイラルスメクチック液晶の場合、数μｍから数十μｍ程度の光路シフト量を得るためには、液晶層の厚みを数十μｍから数百μｍと非常に厚く設定する必要がある。
【００５１】
また、本発明で用いるホメオロトピック配向のカイラルスメクチックＣ相よりなる液晶層５は、ホモジニアス配向（液晶ダイレクタが基板面に平行に配向している状態）をとる場合に比べて、液晶ダイレクタの動作が配向膜３からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光軸方向の制御が行いやすく、必要電界が比較的低いという利点を有する。一方、液晶層５が厚くなると、液晶層５の中央部では基板表面の配向膜３からの配向規制力も小さくなるため、液晶層５全体の均一配向性を維持することが困難になる。例えば液晶層５中央部での配向が乱れや白濁などが生じ易くなる。そこで、本発明では、ベース液晶材料に添加する種々のカイラル化合物の組合せを検討した結果、液晶層５の厚みが十分大きくても垂直配向性に優れ、かつ、応答性や光学特性にも優れた液晶素子を得ることが出来た。
【００５２】
以下に、本発明に係る液晶素子の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態では、少なくとも下記一般式（Ｉ）のカイラル化合物および一般式（II）のカイラル化合物を含有することを特徴とする。
【００５３】
【化１３】
0005261881.tif 000008
【００５４】
式（Ｉ）中、Ｒ１は炭素数が３から１２の直鎖状のアルキル基あるいはアルコキシ基を表し、Ｒ２は炭素数が３から１２の直鎖状のアルキル基を表す。なお、式中の＊はカイラル中心を表す。また、ｈ、ｊは０か１か２、ｉ、ｋは０か１、ｌは０か１か２、ただしｈとｊが同時もしくは片方が０の時ｉは０、ｌが０の時ｋは０、またｈ ＋ ｊ ＋ ｌは２もしくは３である。特にＲ２の炭素数は３から５が好ましい。
また、式中Ａ１，Ａ２は式（ａ）から選択される基を示し、Ａ３は式（ｂ）から選択される基を示す。また、Ｂ１，Ｂ２は-ＣＯ-Ｏ-、 -Ｏ-ＣＯ-、 -ＣＨ２Ｏ-、ＯＣＨ２-である。
【００５５】
【化１４】
0005261881.tif 000009
【００５６】
【化１５】
0005261881.tif 000010
【００５７】
【化１６】
0005261881.tif 000011
【００５８】
式（II）中、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌは前記式(Ｉ)と同じ定義であり、それぞれ独立に式(Ｉ)と同じであっても異なっても良く、Ｒ３は炭素数が３から１２の直鎖状のアルキル基あるいはアルコキシ基を表し、Ｒ４およびＲ５は炭素数が３から５の直鎖状のアルキル基、もしくは末端同士が結合した六員環以上の環状構造のアルキル基を表す。特に、Ａ１、Ａ２、Ａ３のいずれかがピリミジン環であり、ｉ、ｋが０であることが好ましい。
【００５９】
また、ベース液晶として、骨格的に粘度が低く、高速応答を示すと考えられ、また、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックA相、スメクチックＣ相、結晶相の相系列を有し、特に、室温付近で安定したスメクチックＣ相を示すフェニルピリミジン化合物等を用いるのが好ましい。
【００６０】
前記式(Ｉ)のエポキシドエステル基は、カイラル中心はＲ配置で、シス体である。プラスの自発分極を誘起し、ネマチック（Ｎ＊）相において右巻きの螺旋方向を誘起する性質を有する。同様な構造のトランス体は自発分極の発現効果が比較的小さく、シス体の方が、効果が大きく、より好ましい。
【００６１】
一方、式(II)のジオキソランエーテル基は、カイラル中心はＳ配置で、トランス体である。プラスの自発分極を誘起し、ネマチック（Ｎ＊）相において左巻きの螺旋方向を誘起する性質を有する。すなわち、式(II)の添加は式(Ｉ)の螺旋を巻こうとする効果を打ち消す効果があるが、自発分極の極性は同一であるため、式(Ｉ)と式(II)の添加量の比率を適宜調整することで、大きな自発分極を維持したまま、ネマチック（Ｎ＊）相での螺旋ピッチを短めから長めまで調整することができる。
【００６２】
ネマチック（Ｎ＊）相での螺旋ピッチは、液晶素子作製時の配向性に影響すると考えられ、各素子の特性にあわせて最適なピッチを設定することで、確実に配向性に優れた液晶素子が得られる。また、式(Ｉ)と式(II)の組合せよってカイラルスメクチックＣ相での螺旋ピッチも調整することが出来る。カイラルスメクチックＣ相での螺旋ピッチが短いと、液晶素子を駆動状態から停止した状態での液晶層にドメイン構造が発生し難くなるが、光学軸チルト角の飽和電界強度が大きくなる傾向がある。一方、カイラルスメクチックＣ相での螺旋ピッチが長いと、光学軸チルト角の飽和電界強度が小さくなる傾向があるが、液晶素子を駆動状態から停止した状態での液晶層にドメイン構造が発生し易くなる。
【００６３】
本発明の液晶素子では、配向の安定性を確保するために、カイラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチが液晶層厚みよりも短いことが好ましい。各素子の特性にあわせて最適なピッチを設定することで、配向の安定性に優れ、光学軸チルト角の飽和電界強度が比較的小さな液晶層が得られ、低電界でも十分な光学軸のチルト角が得られる。
【００６４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、前記第１の実施形態の液晶素子において、液晶層にさらに下記一般式（III）のカイラル化合物を添加する。
【００６５】
【化１７】
0005261881.tif 000012
【００６６】
式（III）中、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌは前記式（Ｉ）と同じ定義であり、それぞれ独立に式(Ｉ)または式（II）と同じであっても異なっても良く、Ｒ６は炭素数が３から１２の直鎖状のアルキル基あるいはアルコキシ基または前記Ｙ基であり、Ｒ７は炭素数が３から１２の直鎖状のアルキル基を表す。特にＲ７の炭素数は３から５が好ましい。
【００６７】
式(III)のＹ基で示したエポキシドエーテル基は、カイラル中心はＳ配置で、トランス体である。プラスの自発分極を誘起し、ネマチック（Ｎ＊）相において左巻きの螺旋方向を誘起する性質を有する。したがって、上記式(Ｉ)との組合せにおいて、特にネマチック（Ｎ＊）相での螺旋ピッチ調整用として効果がある。この構造では、自発分極の発現効果は比較的小さいが、式(Ｉ)のようなシス体のエステル系と式(III)のようなトランス体のエーテル系の組合せによって、他の物性値の変化を少なくしたまま、ネマチック（Ｎ＊）相での螺旋ピッチの調整が可能となる。式(Ｉ)と式(II)のカイラル化合物に更に式(III)のカイラル化合物を添加することで、自発分極が大きく応答性に優れ、配向性に優れた液晶素子が得られる。
【００６８】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、前記第２の実施の形態の液晶素子において、一般式（Ｉ）のカイラル化合物が下記式（IV）であり、かつ、一般式（II）のカイラル化合物が下記式（V）であり、かつ、一般式(III)のカイラル化合物が下記式(VI)である。
【００６９】
【化１８】
0005261881.tif 000013
【００７０】
【化１９】
0005261881.tif 000014
【００７１】
【化２０】
0005261881.tif 000015
【００７２】
式（IV）中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。また、式（V）中、ｎは３から１２の整数である。さらに、式(VI)中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。なお、式(IV)から式(VI)でのnとｍと互いに独立した数値でも良い。また式（IV），（V），（VI）中、Ｍ１はメソゲニック芳香族単位(メソゲン基)であり、下記式（ｃ）から選択される基を示す。
【００７３】
【化２１】
0005261881.tif 000016
【００７４】
式(IV)のメソゲン基としてフェニルピリミジン基を用い、特にベース液晶材料のピリミジン環の向きと同一のものを用いると、比較的相溶性が良くなり、結晶化防止など液晶層の安定性向上に効果があると考えられる。また、式(V)ではカイラル部位の末端がシクロヘキサン構造であることが特徴である。分子構造との関連は明らかではないが、この式(V)の使用によって垂直配向性の向上と維持に効果がある。さらに式(VI)ではカイラル中心を２つ有するため大きな自発分極を誘発する効果がある。したがって、自発分極を更に大きくすることが出来、応答性に非常に優れた液晶素子が得られる。
【００７５】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、前記第３の実施の形態の液晶素子において、一般式（Ｉ）の別なカイラル化合物として式（VII）の化合物をさらに添加する。
【００７６】
【化２２】
0005261881.tif 000017
【００７７】
式（VII）中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。またＭ２はメソゲニック芳香族単位(メソゲン基)であり、下記式（ｄ）から選択された基を示す。
【００７８】
【化２３】
0005261881.tif 000018
【００７９】
式(VII)はメソゲン基が三環構造であり、一般には添加により相転移温度を向上させる効果がある。本発明では、特に、式(VII)のメソゲン基として、２，５−ジフェニルピリミジン基を用いた場合、飽和電界が小さくなる効果が顕著である。この原因は明らかではないが、他のカイラル化合物との相互作用による特異的な効果であると考えられる。これにより、光学軸チルト角の飽和電界強度が非常に小さく、かつ、応答性に非常に優れた液晶素子が得られる。
【００８０】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、前記第２の実施の形態の液晶素子において、一般式（Ｉ）のカイラル化合物が前記の式（IV）であり、かつ、一般式(II)のカイラル化合物が前記の式(V)であり、ここまでは前述の第３の形態と類似しているが、一般式（III）のカイラル化合物が下記式（VIII）であることが特徴である。
【００８１】
【化２４】
0005261881.tif 000019
【００８２】
式（VIII）中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。なお、式(IV)から式(VIII)でのnとｍと互いに独立した数値でも良い。Ｍ１はメソゲン基であり、前述したメソゲン基と同じものを用いることが出来る。
【００８３】
式(VIII)は、前述の式(VI)の構造と比べると、カイラル中心部が1つである点が異なる。そのため自発分極を誘発する効果は比較的小さいが、特に、式(VIII)のメソゲン基としてフェニルピリミジン基を用いた場合、他のカイラル化合物やベース液晶材料と類似した構造であるため、相溶性が良く、配向性が向上する効果がある。特に、液晶素子を駆動中の光学特性であるＭＴＦ特性(Modulation Transfer Function:変調伝達関数)が向上する効果がある。
【００８４】
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態では、前記第５の実施の形態の液晶素子において、一般式（Ｉ）の別なカイラル化合物として前記の式（VII）をさらに添加する。この式（VII）中、ｎおよびｍは３から１２の整数である。ｎとｍは同一数値でも良い。Ｍ２はメソゲン基であり、前述したものを用いることが出来る。
【００８５】
式(VII)はメソゲン基が三環構造であり、一般には添加により相転移温度を向上させる効果がある。本発明では、特に、式（VII）のメソゲン基として２，５−ジフェニルピリミジン基を用いた場合、垂直配向性と応答性が向上する効果が顕著である。配向性の向上の原因は明らかではないが、自発分極増加の効果により応答性が非常に向上したと考えられる。但し、前述の第４の実施形態での効果とは反対に飽和電界が大きくなる傾向が見られた。この原因は明らかではないが、他のカイラル化合物との相互作用が効いているため、同一の化合物を添加しても異なる効果が生じていると考えられる。垂直配向性が良好で、かつ応答時間が非常に短く、かつ、電界駆動時のＭＴＦ特性が非常に優れた液晶素子が得られる。
【００８６】
（第７の実施の形態）
第７の実施の形態では、前記第１の実施の形態から第６の実施の形態の液晶素子において、液晶層中に含有されるカイラル化合物の比率が１５重量％以上、４０重量％以下である。
【００８７】
前述のようなカイラル化合物比率が１５重量％未満の場合、すなわちベース液晶が８５重量％以上の場合、自発分極が小さくなり、応答時間が１．０ｍｓｅｃ以上に低下しまう。応答時間が１．０ｍｓｅｃよりも長いのでは強誘電性液晶材料の特徴を活かしていない。そこでカイラル化合物比率を１５重量％以上すなわちベース液晶が８５重量％未満にすることで、自発分極が４０ｎＣ/ｃｍ２程度よりも大きくなり、液晶素子の応答時間が１．０ｍｓ以下と高速にできる。しかし、高速化のためにカイラル化合物を増やし過ぎると相分離や結晶化による白濁などの副作用が発生してしまう。そこで、カイラル４０重量％以下にすることで白濁発生などの、液晶素子の光学特性の悪化を防止することが出来る。
【００８８】
また、更に好ましくは液晶層中に含有されるカイラル化合物の比率が２４重量％以上、４０重量％以下である。カイラル化合物比率を２４重量％以上にすることで、自発分極が更に大きくなり、液晶素子の応答時間が０．５ｍｓ以下と高速にできる。
【００８９】
（第８の実施の形態）
第８の実施の形態では、前記第１の実施の形態から第７の実施の形態の液晶素子において、ベース液晶材料が少なくともフェニルピリミジン化合物を含有する。
【００９０】
フェニルピリミジン化合物は、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相、結晶相の相系列を有し、特に、室温付近でスメクチックＣ相を示す。これにより使用温度領域で安定した強誘電性液晶層を形成する液晶素子を提供することができる。
【００９１】
ここで、好ましいフェニルピリミジン骨格を有する化合物の例としては下記式（ｅ），（ｆ）のようなものがあげられる。
【００９２】
【化２５】
0005261881.tif 000020
【００９３】
【化２６】
0005261881.tif 000021
【００９４】
式（ｅ）中、Ｒ４、Ｒ５は炭素数３から１５の直鎖あるいは分岐したアルキルまたはアルケニル基であり、少なくとも一つのＨがＦかＣｌで置換されていてもよい。また、ＣＨ２基が−Ｏ−，−ＣＯ−，−Ｏ−ＣＯ−，−ＣＯ−Ｏ，−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−であってもよい。
【００９５】
本発明に係る光路偏向素子は電気信号に応じて光の光路を偏向するものであって、前記第１の実施の形態〜第８の実施の形態のいずれかの液晶素子からなり、該液晶素子への入射光を直線偏光とし、該直線偏光の偏光面を素子内の平行電界の印加方向に対して直交する方向に設定することで、入射光路に対する出射光路の位置を平行にシフトすることを特徴とする光路偏向素子である。すなわち、液晶層５の光学軸チルト角の傾斜方向反転動作に伴って透過する光路が平行にシフトするものである。前述の図４のように強誘電性液晶材料を用いるので、光学軸の反転動作が速く、高速な光路シフトを行うことができる。
【００９６】
つぎに、本発明に係る画像表示装置について説明する。
本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が二次元的に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及び照明装置と、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装置と、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で形成する表示駆動手段と、各画素からの出射光の光路を偏向する前述した本発明の光路偏向素子を備え、前記光路偏向素子によるサブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示位置がずれた状態に対応する画像パターンを前記画像表示素子に表示することで、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示するものである。
【００９７】
図７に、画像表示装置の構成例を示す。図７において、２１はＬＥＤランプを２次元アレイ状に配列した光源であり、この光源２１からスクリーン２６に向けて発せられる光の進行方向には拡散板２２、コンデンサレンズ２３、画像表示素子としての透過型液晶パネル２４、画像パターンを観察するための光学部材としての投射レンズ２５が順に配設されている。２７は光源２１に対する光源ドライブ部、２８は透過型液晶パネル２４に対するドライブ部である。
【００９８】
ここに、透過型液晶パネル２４と投射レンズ２５との間の光路上にはピクセルシフト素子として機能する光路偏向素子２０が介在されており、ドライブ部３０に接続されている。このような光路偏向素子２０として、前述したような液晶素子が用いられている。
【００９９】
光源ドライブ部２７で制御されて光源２１から放出された照明光は、拡散板２２により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ２３により液晶ドライブ部２８で照明光源と同期して制御されて透過型液晶パネル２４を照明する。この透過型液晶パネル２４で空間光変調された照明光は、画像光として光路偏向素子２０に入射し、この光路偏向素子２０によって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。光路偏向素子２０を透過した光は投射レンズ２５で拡大されスクリーン２６上に投射される。
【０１００】
ここで、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シフト位置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させることで、透過型液晶パネル２４の見掛け上の画素数を増倍して表示する。このように光路偏向素子２０によるシフト量は透過型液晶パネル２４の画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行うことから、画素ピッチの１／２に設定される。シフト量に応じて透過型液晶パネル２４を駆動する画像信号をシフト量分だけ補正することで、見掛け上高精細な画像を表示することができる。この際、配向性が良好で高速応答性に優れた光路偏向素子を用いているので、サブフィールド画像に対応して、高速な光路の偏向が可能になり、見かけ上高精細な画像表示が可能となる。また、高速応答性によりサブフィールド画像の切換え時間が短くできるので、時間的な光利用効率が向上する。
【実施例】
【０１０１】
以下、本発明を実際に実施した例を説明する。
なお、本実施例では、液晶材料として添加するカイラル化合物は下記表１の化合物から選択して使用した。また、実施例１〜３、５、６は本発明の範囲に属しない参考例に相当する試験例である。
【０１０２】
【表１】
0005261881.tif 000022
【０１０３】
（実施例１）
(１)液晶素子の作成
つぎの手順で液晶素子を作成した。
まず厚さ１.１ｍｍのガラス基板の表面に幅１０μｍの透明電極ラインを平行に１００μｍピッチで４００本形成した。透明電極ラインの長さは有効長さが１０ｍｍとした。この透明電極ライン群の有効面積は４０ミリ角であり、この上に厚み１５０μｍのガラスを紫外線硬化接着剤によって張り合わせた。接着剤の厚みは１０μｍ程度とした。これにより図５の液晶素子断面図のように透明ガラスの内部に透明ライン電極４Ｌが埋め込まれている形となり、これを基板２とした。
【０１０４】
この基板表面に厚み０．０６μｍのポリイミド化合物の垂直(ホメオトロピック)配向膜３を形成した。ポリイミド配向膜は、ポリアミック酸溶液をスピンコートにより塗布し、約１８０℃に加熱処理よるイミド化処理によりポリイミド膜を得た。ついで５０μｍのスペーサーシートを有効面積外に挟んで、二枚の基板を対向させて、セルを作成した。この時、上下基板の有効面積内のそれぞれの透明電極ラインが上から見て互いに交互の位置になるように貼り合わせた。つぎにこのセルを約９５℃に加熱した状態で、基板間の空間に後述する液晶材料を毛管法にて注入した。冷却後、接着剤で封止し、液晶厚み７０μｍ、有効面積４ｃｍ角の液晶素子１０を作成した。
【０１０５】
なお、図６のように基板２の各透明電極ライン４Ｌが直接接続されるようにＣｒＳｉＯ蒸着膜による抵抗体８を成膜している。抵抗体８の両端部にパルスジェネレータと高速アンプとからなる電源を接続することで、抵抗アレイに電流が流れて電圧が分配され、有効面積内部に電位分布が形成されるようになる。
【０１０６】
(２)液晶材料
本実施例では液晶材料として次の化合物を混合して用いた。
・下記表２に示した組成比で混合したベース液晶          ：８７ｗｔ％
・式(Ｉ)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ａ：  ４ｗｔ％
および  化合物Ｂ：  ５ｗｔ％
・式(II)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｅ：  ４ｗｔ％
【０１０７】
【表２】
0005261881.tif 000023
【０１０８】
なお、この液晶材料の相転移温度は、結晶／スメクチックＣ相：−１７℃、スメクチックＣ相／スメクチックＡ相：７５℃、スメクチックＡ相／ネマチック相：８５℃、ネマチック相／等方相：９０℃であった。また、ＳＳＦＬＣ素子による自発分極を測定した結果は、＋３５ｎＣ/ｃｍ２であった。
【０１０９】
（３）液晶素子の特性評価
液晶素子サンプル作成後、目標観察および偏光顕微鏡観察により、初期状態での垂直配向性を評価した。評価はランク評価とし、評価基準は下記の通りとした。
本実施例の液晶素子の配向性は、ランク２で実用範囲内であった。
【０１１０】
（配向性評価基準）
・ランク１：光が透過しないような配向欠陥が存在する。
・ランク２：透過率は良好であるが僅かに白濁している。電界駆動により白濁が解消し、実用可能。
・ランク３：透過率は良好で白濁無し。但し、数十から数百μｍサイズのドメインが観察される。
・ランク４：透過率は良好で、ドメインも殆ど観察されず広範囲で均一な配向状態。
【０１１１】
次に、図８に示す装置を用いて液晶素子の各種特性を測定した。
光源４１からの光を、照明角度を設定する光学系（ＮＤフィルタ４２、拡散板４３、Ｆ４．１  ５０ｍｍレンズ４４）と偏光板４５を通して、空間周波数１００周期／ｍｍ（１０μｍピッチ）の正弦波状濃度分布を有するＭＴＦチャート４６に照明した。そして、カメラ４７として顕微鏡付き高速度カメラあるいは高精細ＣＣＤカメラでＭＴＦチャート４６からの透過光が液晶素子１０を通ってくる光を観察した。
【０１１２】
このとき、液晶素子１０の駆動周波数を１００Ｈｚとした矩形波交流電圧を印加することによって液晶層５の光軸切換えによる光路シフト現象が生じ、ＭＴＦチャート４６のパターン（ＭＴＦパターン）の位置が変位する様子が観察された。このパターンの変位を高速度カメラ４７で撮影し、画像を解析することで、応答時間を測定した。なお、最大変位量に対して１０％から９０％まで変位する時間を応答時間と定義し、電界強度が１５０Ｖ/ｍｍでの応答時間で比較した。
【０１１３】
また、高速度カメラに代えて高精細ＣＣＤカメラを用いた場合、ＣＣＤカメラのフレーム周波数と液晶素子１０の駆動周波数の違いにより、ＣＣＤカメラの画像上ではＭＴＦパターンが比較的ゆっくりと動いて見える。この場合、ＭＴＦパターンが片側方向にシフトして静止している状態の画像をコンピュータに取り込み、液晶素子のＭＴＦ値を求めた。またＭＴＦ値をリファレンス素子によるＭＴＦ値で規格化することによって、液晶層５の部分に起因するＭＴＦ比を求めた。
【０１１４】
さらに、ＭＴＦパターンの両側の静止位置の比較から光路シフト量を求めた。さらに電界強度を増加させた時、光路シフト量が一定値に飽和する時点の電界から光学軸の飽和電界強度を求めた。
【０１１５】
本実施例の液晶素子の評価結果を以下に示す。
・応答時間  ：１．２ｍｓｅｃ (電界Ｅ＝１５０Ｖ／ｍｍ時)
・飽和電界  ：４５Ｖ
・ＭＴＦ比  ：０．６（１００Ｈｚ駆動時）
【０１１６】
本実施例の液晶は飽和電界が４５Ｖと小さい点が優れている。しかし、配向性はランク２とやや劣り、応答時間も１．２ｍｓと比較的遅めであった。しかし、垂直配向強誘電性液晶素子として実用的な性能を備えている。
【０１１７】
（実施例２）
実施例１において、液晶材料として以下の組成のものを用い、それ以外は実施例１と同様な方法で液晶素子を作製した。
・表２に示した組成のベース液晶：８２ｗｔ％
・式(Ｉ)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ａ：  ５ｗｔ％
および  化合物Ｂ：  ５ｗｔ％
・式(II)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｅ：  ３ｗｔ％
・式(III)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｃ：  ５ｗｔ％
【０１１８】
なお、この液晶材料の相転移温度は、結晶／スメクチックＣ相：−１７℃、スメクチックＣ相／スメクチックＡ相：７７℃、スメクチックＡ相／ネマチック相：８７℃、ネマチック相／等方相：９３℃であった。また、ＳＳＦＬＣ素子による自発分極を測定した結果は、＋６０ｎＣ/ｃｍ２であった。
【０１１９】
また、本実施例の液晶素子の配向性はランク３で比較的良好であった。
また、液晶素子の特性評価結果は以下の通りであった。
・応答時間（ＶＡＦＬＣ素子）：０．６ｍｓｅｃ (電界Ｅ＝１５０Ｖ／ｍｍ時)
・飽和電界（ＶＡＦＬＣ素子）：４０Ｖ
・ＭＴＦ比（ＶＡＦＬＣ素子）：０．８５（１００Ｈｚ駆動時）
この実施例２の液晶素子は、飽和電界が４０Ｖと小さく、更に応答時間が０．６ｍｓに改善された。
【０１２０】
（比較例）
実施例１において、液晶材料として以下の組成のものを用い、それ以外は実施例１と同様な方法で液晶素子を作製した。
・表２に示した組成のベース液晶：８２ｗｔ％
・式(Ｉ)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ａ：  ６ｗｔ％
および  化合物Ｂ：  ６ｗｔ％
・式(II)のカイラル化合物は含まない。
・式(III)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｃ：  ６ｗｔ％
【０１２１】
なお、この液晶材料の相転移温度は、結晶／スメクチックＣ相：−１７℃、スメクチックＣ相／スメクチックＡ相：８０℃、スメクチックＡ相／ネマチック相：８６℃、ネマチック相／等方相：９３℃であった。また、ＳＳＦＬＣ素子による自発分極を測定した結果は、＋７７ｎＣ/ｃｍ２であった。
【０１２２】
また、本比較例の液晶素子の配向性は、有効部の一部に配向欠陥による白濁部が発生し、ランク１と判断した。これは式(II)の化合物を含まないために垂直配向性が劣化したためと考えられる。自発分極測定用のＳＳＦＬＣ素子では良好な配向性を示していたことから、この現象は比較的セル厚みが大きな垂直配向の素子に特有な現象であると考えられる。白濁発生のため、その他の評価は行わなかった。
【０１２３】
（実施例３）
実施例１において、液晶材料として以下の組成のものを用い、それ以外は実施例１と同様な方法で液晶素子を作製した。
・表２に示した組成のベース液晶：７０ｗｔ％
・式(IV)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｈ：１３ｗｔ％
・式(V)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｅ：  ４ｗｔ％
・式(VI)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｃ：１３ｗｔ％
【０１２４】
なお、この液晶材料の相転移温度は、結晶／スメクチックＣ相：−１７℃、スメクチックＣ相／スメクチックＡ相：６７℃、スメクチックＡ相／ネマチック相：８２℃、ネマチック相／等方相：８９℃であった。また、ＳＳＦＬＣ素子による自発分極を測定した結果は、＋６７ｎＣ/ｃｍ２であった。
【０１２５】
また、本実施例の液晶素子の配向性はランク３で比較的良好であった。
また、液晶素子の特性評価結果は以下の通りであった。
・応答時間（ＶＡＦＬＣ素子）：０．４ｍｓｅｃ (電界Ｅ＝１５０Ｖ／ｍｍ時)
・飽和電界（ＶＡＦＬＣ素子）：７０Ｖ
・ＭＴＦ比（ＶＡＦＬＣ素子）：０．８０（１００Ｈｚ駆動時）
この実施例３の液晶素子は、応答時間が０．４ｍｓと非常に高速になった。しかし、光学軸チルト角の飽和電界は７０Ｖと比較的大きめであった。
【０１２６】
（実施例４）
実施例１において、液晶材料として以下の組成のものを用い、それ以外は実施例１と同様な方法で液晶素子を作製した。
・表２に示した組成のベース液晶：７２ｗｔ％
・式(IV)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｈ：  ８ｗｔ％
・式(VII)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｂ：  ４ｗｔ％
・式(V)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｅ：  ４ｗｔ％
・式(VI)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｃ：  ８ｗｔ％
【０１２７】
なお、この液晶材料の相転移温度は、結晶／スメクチックＣ相：−１７℃、スメクチックＣ相／スメクチックＡ相：７７℃、スメクチックＡ相／ネマチック相：９２℃、ネマチック相／等方相：９５℃であった。また、ＳＳＦＬＣ素子による自発分極を測定した結果は、＋９４ｎＣ/ｃｍ２であった。
【０１２８】
また、本実施例の液晶素子の配向性はランク３で比較的良好であった。
また、液晶素子の特性評価結果は以下の通りであった。
・応答時間（ＶＡＦＬＣ素子）：０．４ｍｓｅｃ (電界Ｅ＝１５０Ｖ／ｍｍ時)
・飽和電界（ＶＡＦＬＣ素子）：３０Ｖ
・ＭＴＦ比（ＶＡＦＬＣ素子）：０．８５（１００Ｈｚ駆動時）
この実施例４の液晶素子は、応答時間が０．４ｍｓと短く、かつ、光学軸チルト角の飽和電界が３０Ｖと小さくなった。一方、ＭＴＦは０．８５と十分ではあるが更なる向上が望まれる。
【０１２９】
（実施例５）
実施例１において、液晶材料として以下の組成のものを用い、それ以外は実施例１と同様な方法で液晶素子を作製した。
・下記表３に示した組成のベース液晶：７０ｗｔ％
・式(IV)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｈ：１３ｗｔ％
・式(V)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｅ：  ４ｗｔ％
・式(VIII)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｉ：１３ｗｔ％
【０１３０】
【表３】
0005261881.tif 000024
【０１３１】
なお、この液晶材料の相転移温度は、結晶／スメクチックＣ相：−１０℃、スメクチックＣ相／スメクチックＡ相：６８℃、スメクチックＡ相／ネマチック相：９０℃、ネマチック相／等方相：９６℃であった。また、ＳＳＦＬＣ素子による自発分極を測定した結果は、＋５０ｎＣ/ｃｍ２であった。
【０１３２】
また、本実施例の液晶素子の配向性はランク３で比較的良好であった。
また、液晶素子の特性評価結果は以下の通りであった。
・応答時間（ＶＡＦＬＣ素子）：０．５ｍｓｅｃ (電界Ｅ＝１５０Ｖ／ｍｍ時)
・飽和電界（ＶＡＦＬＣ素子）：３５Ｖ
・ＭＴＦ比（ＶＡＦＬＣ素子）：０．９０（１００Ｈｚ駆動時）
この実施例５の液晶素子は、光学軸チルト角の飽和電界が３５Ｖと小さく、かつ、電界駆動時のＭＴＦが０．９と非常に良好になった。すなわち、化合物Ｉの使用によってＭＴＦ特性が向上した。応答時間は０．５ｍｓと僅かに遅くなったが、実用上は問題無い特性である。
【０１３３】
（実施例６）
実施例１において、液晶材料として以下の組成のものを用い、それ以外は実施例１と同様な方法で液晶素子を作製した。
・表２に示した組成のベース液晶：６６ｗｔ％
・式(IV)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｈ：１３ｗｔ％
・式(VII)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｂ：  ４ｗｔ％
・式(V)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｅ：  ４ｗｔ％
・式(VIII)のカイラル化合物の例として、表１に示した化合物Ｉ：１３ｗｔ％
【０１３４】
なお、この液晶材料の相転移温度は、結晶／スメクチックＣ相：−１７℃、スメクチックＣ相／スメクチックＡ相：６９℃、スメクチックＡ相／ネマチック相：８８℃、ネマチック相／等方相：８９℃であった。また、ＳＳＦＬＣ素子による自発分極を測定した結果は、＋８６ｎＣ/ｃｍ２であった。
【０１３５】
また、本実施例の液晶素子の配向性はランク４で非常に良好であった。
また、液晶素子の特性評価結果は以下の通りであった。
・応答時間（ＶＡＦＬＣ素子）：０．３ｍｓｅｃ (電界Ｅ＝１５０Ｖ／ｍｍ時)
・飽和電界（ＶＡＦＬＣ素子）：７０Ｖ
・ＭＴＦ比（ＶＡＦＬＣ素子）：０．９０（１００Ｈｚ駆動時）
この実施例６の液晶素子は、初期配向ランクが４と良好で、応答時間が０．３ｍｓと速く、かつ、電界駆動時のＭＴＦが０．９と非常に良好であった。すなわち、化合物Ｂの添加によって初期配向性が向上した。但し、光学軸チルト角の飽和電界は７５Ｖと僅かに大きくなったが、実用上は問題無い特性である。
【０１３６】
表４に、実施例１〜６の評価結果を示す。
【０１３７】
【表４】
0005261881.tif 000025
【０１３８】
（実施例７）
本実施例では、種々のカイラル化合物の組合せでの合計濃度と応答時間の相関を調査した。具体的には、実施例１において、表１に示すカイラル化合物のうち、化合物Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅの組合せ（記号●）、化合物Ａ，Ｂ，Ｅの組合せ（記号○）、化合物Ｈ，Ｂ，Ｉ，Ｅの組合せ（記号▲）、化合物Ｈ，Ｂ，Ｃ，Ｅの組合せ（記号△）、化合物Ｈ，Ｃ，Ｅの組合せ（記号×）、化合物Ｈ，Ｉ，Ｅの組合せ（記号□）ごとに合計濃度を変化させて、表２または表３に示した組成のベース液晶と混合した液晶材料を用いて、それ以外は実施例１と同様な方法で液晶素子を作製し、それぞれの液晶素子の電界Ｅ＝１５０Ｖ／ｍｍ時の応答時間を測定した。
【０１３９】
図９に、表２または表３に示すベース液晶に対する、前記種々のカイラル化合物の組合せでの合計濃度と応答時間の相関を示す。
カイラル化合物の組合せが異なっても合計の添加量に対する応答時間の変化はほぼ類似した特性を示す。前述のようなカイラル化合物比率が１５重量％未満の場合、すなわちベース液晶が８５重量％以上の場合、自発分極が小さくなり、応答時間が１．０ｍｓｅｃ以上に低下しまう。応答時間が１．０ｍｓｅｃよりも長いのでは強誘電性液晶材料の特徴を活かしていない。そこでカイラル化合物比率を１５重量％以上すなわちベース液晶が８５重量％未満にすることで、自発分極が４０ｎＣ／ｃｍ２程度よりも大きくなり、液晶素子の応答時間が１．０ｍｓ以下と高速にできる。更に好ましくは、カイラル化合物比率を２０重量％以上にすることで、自発分極が更に大きくなり、液晶素子の応答時間が０．５ｍｓ以下と高速にできる。
【０１４０】
次に、前記カイラル化合物の組合せごとに合計濃度を変化させて作製した液晶素子について、ＭＴＦ比を測定した。
図１０にその結果を示す。カイラル化合物の組合せによってバラツキはあるものの、合計濃度の増加と共にＭＴＦ比が悪化する傾向がある。特に４０重量％より多いと急激に低下するが、これはカイラル化合物の相分離および結晶化によるもの考えられる。
【０１４１】
以上のことから、本発明の液晶素子においては液晶層中に含有されるカイラル化合物の比率は１５重量％以上、４０重量％以下が好ましく、２０重量％以上、４０重量％以下であることがより好ましい。
【０１４２】
（実施例８）
実施例６の液晶素子を光路偏向素子として、図７に示す画像表示装置を作成した。画像表示素子（透過型液晶パネル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液晶ライトバルブを用いた。このとき、画素ピッチは縦横ともに約１８μmであり、画素の開口率は約５０％である。また、画像表示素子（透過型液晶パネル２４）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。本実施例では、光源としてＲＧＢ三色のＬＥＤ光源を用い、上記の一枚の液晶パネル２４に照射する光の色を高速に切換えてカラー表示を行う、いわゆるフィールドシーケンシャル方式を採用した。
【０１４３】
本実施例では、画像表示のフレーム周波数を６０Ｈｚ、ピクセルシフトによる４倍の画素増倍のためのサブフィールド周波数を４倍の２４０Ｈｚとした。また一つのサブフレーム内をさらに３色分に分割するため、各色に対応した画像を７２０Ｈｚで切換えた。液晶パネルの各色の画像の表示タイミングに合わせて、対応した色のＬＥＤ光源をＯＮ／ＯＦＦすることで、観察者にはフルカラー画像が見えるようになる。
【０１４４】
本実施例では、実施例６の液晶素子を光路偏向素子２０として二組用い、入射側を第一の光路偏向素子、出射側を第二の光路偏向素子とし、互いのライン電極の方向が直交し、画像表示素子（透過型液晶パネル２４）の画素の配列方向に一致するように配置した。
【０１４５】
また本実施例では液晶ライトバルブからの出射光が既に直線偏光であり、その偏光方向が第一の光路偏向素子の光路偏向方向と一致するように配置されているが、光路偏向素子への入射光の偏光度を確実にするために、光路偏向素子２０の入射面側に偏光方向制御手段として直線偏光板を設けた。これにより、第一の光偏向素子で偏向されずに直進してしまうノイズ光の発生が防止できる。
【０１４６】
さらに、第一および第二の光路偏向素子の間に偏光面回転素子を設けた。偏光面回転素子は、つぎのように作成した。すなわち、薄いガラス基板（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ０．１５ｍｍ）上にポリイミド系の配向材料をスピンコートし、約０．１μｍの配向膜を形成した。ガラス基板のアニール処理後、ラビング処理を行う。二枚のガラス基板の間の周辺部に８μｍ厚のスペーサを挟み、ラビング方向が直交するように上下基板を張り合わせて空セルを作製する。このセルの中に、誘電率異方性が正のネマチック液晶にカイラル材を適量混合した材料を常圧下で注入し、液晶分子の配向が９０度捻じれたＴＮ液晶セルを作成し、これを偏光面回転素子とした。このセルには電極を設けていないため、単なる偏光回転素子として機能する。
【０１４７】
偏光面回転素子の配置に当っては、第一の光路偏向素子から出射した光の偏光面と偏光回転素子の入射面のラビング方向が一致するように、二つの光路偏向手段の間に挟んで配置した。この偏光面回転素子により第一の光路偏向素子からの出射光の偏光面が９０度回転し、第二の光路偏向素子の偏向方向に一致するようになる。このようにして作製した第一の光路偏向素子、偏光面回転素子、第二の光路偏向素子からなるピクセルシフト素子を画像表示素子（透過型液晶パネル２４）の直後に設置した。
【０１４８】
本実施例では、ピクセルシフト素子を駆動する矩形波電圧の電圧を±６ｋＶ、周波数を６０Ｈｚとし、二枚の縦と横の位相を９０度ずらして、４方向に画素シフトするように駆動タイミングを設定した。この条件での光偏向素子のシフト量は９μｍであった。
【０１４９】
本実施例では画像表示素子に表示するサブフィールド画像を２４０Ｈｚで書き換えることで、縦横二方向に見かけ上の画素数が４倍に増倍した高精細画像が表示できた。光路偏向素子の切換え時間は約０．３ｍｓｅｃであり、充分な光利用効率が得られた。また、フリッカーなどは観測されなかった。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明に係る液晶素子の構成を示す断面図である。
【図２】図１の液晶素子において電界方向と液晶分子の傾斜方向を示す模式図である。
【図３】カイラルスメクチックＣ相の液晶分子配列のモデル図である。
【図４】液晶分子の配向状態と光路偏向の原理を示すも模式図である。
【図５】本発明に係る液晶素子の別の構成を示す断面図である。
【図６】図５の液晶素子の透明ライン電極の配列及び接続状態を示す図である。
【図７】本発明に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図８】液晶素子の特性評価を行う装置の構成を示す概略図である。
【図９】液晶層のカイラル化合物添加量と応答時間の相関図である。
【図１０】液晶層のカイラル化合物添加量とＭＴＦ比の相関図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１，１０    液晶素子
２    基板
３    垂直配向膜
４    電極
４Ｌ    透明ライン電極
５    液晶層
５ａ    液晶分子
６    誘電体層
７    スペーサ
８    抵抗体
２０    光路偏向素子
２１    光源
２２    拡散板
２３    コンデンサレンズ
２４    透過型液晶パネル
２５    投射レンズ
２６    スクリーン
２７    光源ドライブ部
２８    ドライブ部
３０    光路偏向素子ドライブ部
４１    ランプ
４２    ＮＤフィルタ
４３    拡散板
４４    Ｆ１．４  ５０ｍｍレンズ
４５    偏光板
４６    ＭＴＦチャート
４７    顕微鏡カメラ（ＣＣＤカメラ）
Ｃ    仮想コーン
Ｅ    電界
Ｌ０    入射直線偏光
Ｐｓ    自発分極
【図１】
0005261881.tif 000032
【図２】
0005261881.tif 000033
【図３】
0005261881.tif 000034
【図４】
0005261881.tif 000035
【図５】
0005261881.tif 000036
【図６】
0005261881.tif 000037
【図７】
0005261881.tif 000038
【図８】
0005261881.tif 000039
【図９】
0005261881.tif 000040
【図１０】
0005261881.tif 000041