(57)【要約】【課題】光学素子を形成する際の材料選択の自由度を残したまま回折の影響をより低減する。【解決手段】基板２と低屈折率層３とライン電極４と抵抗膜５と接着層６及び誘電体基板７を有する光学素子１の基板２とライン電極４の間に、ライン電極４の屈折率ｎ１と接着層６の屈折率ｎ２の中間の屈折率ｎ３を有する低屈折率層３を設け、ライン電極４の屈折率ｎ１と接着層６の屈折率ｎ２の差による影響を小さくして、投下する光の回折を抑制する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板の少なくとも一方の面に形成された屈折率調整部層と該屈折率調整部に重畳された電極とを有する電極形成部と、電極非形成部とを有する光学素子であって、
前記電極の屈折率をｎ１、電極非形成部の屈折率をｎ２、屈折率調整部層の屈折率をｎ３としたとき、ｎ１＜ｎ３＜ｎ２を満足する屈折率調整部層が形成されたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記電極の厚さをｄ１、屈折率調整部層の厚さをｄ２、電極非形成部の厚さをｄ３としたとき、屈折率調整部と電極非形成部の屈折率差で生じる光路差（ｎ３−ｎ２）×ｄ２が、
0.6×(ｎ１−ｎ２)×ｄ１ ＜｜(ｎ３−ｎ２)×ｄ２｜＜1.4×(ｎ１−ｎ２)×ｄ１
を満たす屈折率と厚さの電極非形成部が設けられた請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記屈折率調整部は、前記基板をエッチングして形成されている請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記電極非形成部は、接着層で形成された請求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記電極非形成部は、誘電体膜で形成された請求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記誘電体膜を複数層に形成した請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光学素子を１対有し、前記１対の光学素子の前記ライン電極が形成された面を一定間隔で対向させて配置した間隔内にキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層を設けたことを特徴とする光偏向素子。
【請求項８】
請求項６記載の光学素子を１対有し、前記１対の光学素子の前記ライン電極が形成された面を一定間隔で対向させて配置し、前記複数層の誘電体膜うち最上層の誘電体膜を配向膜とし、配向膜とした誘電体膜の間にキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層を設けたことを特徴とする光偏向素子。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の光偏向素子を有する画像表示装置であって、
画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が２次元的に配列した画像表示素子と、前記画像表示素子を照明する照明光学系と、前記光偏向素子と、前記画像表示素子から出射された画像光を投影する投影光学系とを有し、前記光偏向素子が前記画像表示素子と投影光学系との間に配置されている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】
この発明は、複数のパターン電極に電気信号を印加して光を変調する光学素子と、それを使用して光の方向を変える光偏向素子及び光偏向素子を使用したプロジェクションディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶分子の配列を電極基板面内に沿って生じる電界により変化させて光を偏向させる光偏向素子が、例えば特許文献１等に開示されている。この光偏向素子は、液晶層を挟んだ透明基板の一方の基板表面にだけ複数の平行な透明ライン電極を設け、外部には電源から供給される電圧を分割する複数の抵抗を設け、各抵抗間を各ライン電極に接続し、各ライン電極に段階的な電圧値を印加して各ライン電極間の電位差により各ライン電極間に基板面内に沿った電界すなわち水平電界を生じさせて、液晶層の内部に強制的に電位勾配を作り、素子の全面で比較的均一な電界強度を得るようにしている。
【０００３】
この光偏向素子の光の回折を低減するため、特許文献１に示された光偏向素子は、透明基板に形成された複数のライン電極の間に充填材を設け、ライン電極と充填材の光路差を小さく限定している。
【特許文献１】特開２００４−２８６９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ライン電極と充填材に起因する光路差で生じる回折を低減するためにはライン電極の屈折率を小さくしたり、ライン電極の膜厚を薄くしたり、あるいは充填材の屈折率を大きくする方法がある。
【０００５】
しかしながら、ライン電極の膜厚については、液晶に印加する電界を発生させる上で問題が生じないよう、ある程度の表面抵抗率を確保する必要があるため、極端に膜厚を薄くすることはできない。また、光学素子の作製プロセスに対する耐熱性や作製した光学素子の耐久性・耐光性の観点から、屈折率以外に充填材に求められる特性が多々ある。このため屈折率の高さを優先させると、これらの特性が犠牲になることが多く、回折を低減しようとすると、ライン電極の材料や膜厚、充填材の材料等が大幅な制約を受け、光学素子の他の特性が劣化してしまう。
【０００６】
この発明は、このような課題に着目したものであり、光学素子を形成する際の材料選択の自由度を残したまま回折の影響をより低減することができる光学素子と、それを使用して光の方向を変える光偏向素子及び画像表示装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の光学素子は、基板と、該基板の少なくとも一方の面に形成された屈折率調整部層と該屈折率調整部に重畳された電極とを有する電極形成部と、電極非形成部とを有する光学素子であって、前記電極の屈折率をｎ１、電極非形成部の屈折率をｎ２、屈折率調整部層の屈折率をｎ３としたとき、ｎ１＜ｎ３＜ｎ２を満足する屈折率調整部層が形成されたことを特徴とする。
【０００８】
前記電極の厚さをｄ１、屈折率調整部層の厚さをｄ２、電極非形成部の厚さをｄ３としたとき、屈折率調整部と電極非形成部の屈折率差で生じる光路差（ｎ３−ｎ２）×ｄ２が、
0.6×(ｎ１−ｎ２)×ｄ１ ＜｜(ｎ３−ｎ２)×ｄ２｜＜1.4×(ｎ１−ｎ２)×ｄ１
を満たす屈折率と厚さの電極非形成部を設けることが望ましい。
【０００９】
また、前記屈折率調整部は、前記基板をエッチングして形成すると良い。
【００１０】
さらに、前記電極非形成部を接着層で形成すると良い。
【００１１】
また、前記電極非形成部を誘電体膜で形成しても良い。
【００１２】
この発明の光偏向素子は、前記いずれかの光学素子を１対有し、１対の光学素子のライン電極が形成された面を一定間隔で対向させて配置した間隔内にキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層を設けたことを特徴とする。
【００１３】
この発明の他の光偏向素子は、誘電体膜を複数層有する光学素子を１対有し、１対の光学素子のライン電極が形成された面を一定間隔で対向させて配置し、複数層の誘電体膜のうち最上層の誘電体膜を配向膜とし、配向膜とした誘電体膜の間にキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層を設けたことを特徴とする。
【００１４】
この発明の画像表示装置は、前記光偏向素子を有する画像表示装置であって、画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が２次元的に配列した画像表示素子と、前記画像表示素子を照明する照明光学系と、前記光偏向素子と、前記画像表示素子から出射された画像光を投影する投影光学系とを有し、前記光偏向素子が前記画像表示素子と投影光学系との間に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明は、基板に形成された屈折率調整部層に重畳された電極を有する電極形成部と電極非形成部の光路差を小さくすることにより、光が光学素子を透過するときに生じる回折を抑制して、光学特性の劣化を防止することができる。
【００１６】
また、屈折率調整部と電極非形成部の屈折率差で生じる光路差により電極非形成部の屈折率と厚さを定めることにより、回折を十分に抑制することができる。
【００１７】
さらに、屈折率調整部を、基板をエッチングして形成することにより、屈折率調整部を容易に作製することができる。
【００１８】
また、電極非形成部を、接着層や誘電体膜で形成することにより、電極非形成部の屈折率を決定するために最適な充填材の材料を選択することができ、回折抑制効果を安定して高めることができる。
【００１９】
この光学素子とキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層で光偏向素子を形成することにより、回折を抑制して安定した光路を偏向させることができる。
【００２０】
この光偏向素子の配向膜として光学素子の誘電体膜を使用することにより、液晶の良好な配向性を確保することができ、安定して光を偏向させることができる。
【００２１】
また、この光変偏向素子を画像表示装置に使用し、画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が２次元的に配列した画像表示素子から出射された画像光を偏向して投影することにより、画素数の少ない画像表示素子を用いても高精細で性能の安定した画像を表示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１はこの発明の光学素子の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。光学素子１は光が物質中を通過するとき、吸収される度合いが小さい材料や透明な材料で形成された基板２と、複数の屈折率を調整する屈折率調整部である低屈折率層３とライン電極４と、抵抗膜５と接着層６及び誘電体基板７を有する。複数の低屈折率層３は光が物質中を通過するとき、吸収される度合いが小さい材料で基板２の一方の表面に平行に形成されている。なお、低屈折率層３を基板２の一方の面に形成した場合を示すが、基板２の両方の面に形成しても良い。複数のライン電極４は透明導電膜からなり、各低屈折率層３に重畳して形成され、各低屈折率層３とライン電極４で基板２を複数区間に分割している。この低屈折率層３とライン電極４とで格子された部分を電極形成部といい、各ライン電極４の間に形成されている部分を電極非形成部という。両端のライン電極４の端部には電圧印加手段８との接続部９を有する。抵抗膜５は各ライン電極４の端部表面に沿って帯状に配置しており、積層して成膜されている。基板２のライン電極４を設けた面には光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂等の接着層６を介して光が物質中を通過するとき、吸収される度合いが小さい材料や透明な材料で形成された誘電体基板７が接着されている。この誘電体基板７を接着する接着層６は各低屈折率層３とライン電極４の間にも充填されている。なお、接着層６の接着剤が充填材として構成されているが、接着剤に限らず光を透過させる部材であれば良い。
【００２３】
この光学素子１の両端のライン状電極４間に電圧印加手段８から電圧を印加すると、隣接するライン電極４間では抵抗膜５の各抵抗により電圧の減衰が生じ、各ライン電極４には段階的に異なる電位が与えられて、ライン電極４の長手方向と直交する向に電位勾配が形成され、この電位が変化する方向に基板２の面に沿った水平電界が発生する。この両端のライン状電極４に印加する電圧の極性を逆にすると、電界の方向を反転させることができる。したがって電圧印加手段８として交流電源を用いると、周期的に、あるいは任意のタイミングで電界の方向を切り替えることができる。
【００２４】
このように光学素子１の両端のライン状電極４間に電圧を印加して電界を発生させるとき、各ライン電極４には段階的に異なる電位が与えられて電位勾配が生じるが、各ライン電極４が形成されている領域は一定の電位を持ち、ライン電極４間は電位が浮遊した状態であるので、局所的には各ライン電極４の配置に対応して電界の方向や大きさが変調されている。このような電界の局所的な変調は、誘電体基板７を介することによってその影響が低減できる。
【００２５】
この光学素子１のライン電極４は、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）や酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ｓｂ）、アンチモン添加酸化スズ（ＡＴＯ）などを用いる。このライン電極４を形成する材料としては可視光に対する透過率の高い透明酸化物を用いるのが一般的であり、500〜550nmの波長の光に対して酸化インジウムは屈折率が約1.8〜2.0、酸化亜鉛は屈折率が約2.1、酸化スズは屈折率が約1.9と屈折率が比較的高く、これらに対してドーピングを行った材料は、いずれも比較的屈折率が高い。このライン電極４の間に充填する光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂等の接着層６の屈折率は約1.5程度であり、高屈折率の材料でも屈折率は1.6である。
【００２６】
このライン電極４の屈折率をｎ１、接着層６の屈折率をｎ２とすると、ｎ１＞ｎ２であり、低屈折率層３がない場合は、ライン電極４の屈折率ｎ１と接着層６の屈折率ｎ２の差により、光学素子１に入射して透過した光に回折が生じる。そこで基板２とライン電極４の間に、ライン電極４の屈折率ｎ１と接着層６の屈折率ｎ２の中間の屈折率ｎ３を有する低屈折率層３を設け、ライン電極４の屈折率ｎ１と接着層６の屈折率ｎ２の差による影響を小さくする。すなわち、電極形成部と電極非形成部との屈折率の差が生じるので、低屈折率層３により屈折率の統制を行い、電極形成部と電極非形成部との屈折率の差による影響を小さくする。
【００２７】
すなわち、図２に示すように、ライン電極４の厚さをｄ１、低屈折率層３の厚さをｄ２とすると、低屈折率層３とライン電極４を通った光と厚さ（ｄ１＋ｄ２）の接着層６を通った光の光路差は、
｛（ｎ３×ｄ２＋ｎ１×ｄ１）−ｎ２×（ｄ１＋ｄ２）｝
＝｛（ｎ１−ｎ２）×ｄ１＋（ｎ３−ｎ２）×ｄ２｝
となり、ｎ２＞ｎ３であるから、全体の光路差を小さくすることができ、回折を抑えることができる。
【００２８】
回折強度はsin（光路差／波長×π）に比例するので、光路差が波長と比べて十分に小さいとき、例えば１％以下であるとき回折が十分に抑制することができる。例えば波長546ｎｍの光に対するライン電極４の屈折率ｎ１を2.0、厚さｄ１を30ｎｍ、接着層６の屈折率ｎ２ を1.56とするとき、光路差を波長546ｎｍの１％である5.46ｎｍ以下にするためには、（ｎ１−ｎ２）×ｄ１＝13.2ｎｍであるから、低屈折率層３と接着層６の屈折率差で生じる光路差（ｎ３−ｎ２）×ｄ２を
−18.66ｎｍ≦（ｎ３−ｎ２）×ｄ２≦−7.74ｎｍ          （１）
を満たすようにすれば良い。この条件は、
0.6×(ｎ１−ｎ２)×ｄ１ ＜｜(ｎ３−ｎ２)×ｄ２｜＜1.4×(ｎ１−ｎ２)×ｄ１
に相当する。
このように低屈折率層３とライン電極４を通った光と接着層６を通った光の光路差の絶対値を透過光波長の１％以下にしたとき回折低減効果が視認でき、回折による光学特性の劣化を十分抑えることができる。
【００２９】
前記説明では基板２に低屈折率層３を形成してから、低屈折率層３の表面にライン電極４を形成する場合について説明した。しかしながら、接着層６より基板２の屈折率が小さいときには、図３に示すように、基板２の表面に導電膜を成膜し、これをライン形状にパターニングする際に、導電膜に続けて所望の深さ分基板２もエッチングしてライン電極４と低屈折率層３を形成して、基板２の一部を低屈折率層３として利用しても良い。
【００３０】
この光学素子１を使用した光偏向素子について説明する。図４は光学素子１を使用した光偏向素子１０の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。光偏向素子１０は１対の光学素子１と４個のスペーサ１１と配向膜１２及び液晶層１３を有する。各光学素子１の誘電体基板７の表面には配向膜１２が形成され、この配向膜１２側を内側にして光学素子１の１対の基板２はスペーサ１１により一定間隔をおいて貼り合わされている。この１対の光学素子１は、発生する電界の均一性を向上させるために、各基板２のライン電極４を半ピッチずらした状態にして構成されている。この対向して配置した配向膜１２間にキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶層１３を設けている。配向膜１２は液晶分子を配向膜１２に対して垂直方向に配向させる垂直配向膜であり、キラルスメクチックＣ相を形成する液晶分子の層構造の層法線方向が基板２の面に対してほぼ垂直となるように構成されている。この配向膜１２としては、シランカップリング剤や市販の液晶用垂直配向剤などを用いることができる。
【００３１】
ここで液晶層１３について詳細に説明する。スメクチック液晶は液晶分子の長軸方向を層状に配列してなる液晶層である。このような液晶に関し、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相という。スメクチックＣ相よりなる強誘電性液晶は、一般的に外部電界が働かない状態において各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、キラルスメクチックＣ相と呼ばれる。また、キラルスメクチックＣ相の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。これらのキラルスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、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。
【００３２】
ここで光偏向素子１０の液晶層１３として強誘電性液晶を使用した場合について説明するが、反強誘電液晶も同様に使用することができる。キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部などよりなる。主鎖構造としてはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシエチレンなどが利用可能である。スペーサは分子回転を担う骨格と結合部及びキラル部を主鎖と結合させるためのものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選ばれる。また、カイラル部とビフェニル構造など剛直な骨格とを結合する結合部には（−ＣＯＯ−）結合等が選ばれる。キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電性液晶層１３は配向膜１２により基板２面に垂直に分子螺旋回転の回転軸が向いており、いわゆるホメオトロピック配向をなす。
【００３３】
この光偏向素子１０を構成する光学素子１の両端のライン電極４間に電圧を印加すると、抵抗膜５に電流が流れ、隣接するライン電極４間では抵抗膜５により電圧値が減衰し、各ライン状電極４間に電位勾配が発生する。この電位勾配により基板２のライン電極４が形成された面近傍に、面に沿った水平電界が得られる。この水平電界は各ライン電極４の配置に対応して電界の方向や大きさが変調されているが、誘電体基板７により変調の影響が低減されて液晶層１３に基板２の表面とほぼ平行な均一な水平電界が得られる。すなわち誘電体基板７を介して液晶層１３を挟んでいるため、基板２とほぼ平行で、且つ均一な水平電界を得ることができる。この誘電体基板７としては、透明な材料で構成されていれば良く、例えばガラスやサファイヤ、セラミックスを使用できる。この光学素子１の両端のライン電極４間に印加する電圧の極性を切り替えることにより、各ライン電極４間には逆向きの電位勾配を与えることができ、液晶層１３内部の水平電界の方向を切り替えることができる。このように水平電界の方向を切り替わると、液晶層１３の平均的な光学軸の傾斜方向が変化して、ライン電極４に平行な方向に直線偏光した入射光は、液晶層１３の厚さ及び液晶分子の常光／異常光屈折率に応じた光路シフトを受けて偏向して、図４（ｂ）に示すように、入射光は第１出射光と第２出射光の光路をとる。このように光を偏向させるとき、ライン電極４の本数やライン幅、ライン間隔、各ライン電極４間の電位差などを所望の光路サイズや光路偏向量及び液晶材料などに基づき適宜設定すれば良い。
【００３４】
前記説明では、光学素子１の誘電体基板７を基板２に接着層６で接着し、誘電体基板７の表面に凹凸がない場合について説明したが、ライン電極４を有する基板２の面に誘電体層を直接形成しても良い。
【００３５】
例えば図５の断面図に示す光偏向素子１０ａは、基板２の一方の面に複数のライン電極４を平行に形成し、その端部に抵抗膜５を積層し、各ライン電極４の表面に低屈折率層３が積層されている。この低屈折率層３を有する面に２層の誘電体層１４，１５が成膜され、表面の誘電体層１５を配向膜として使用する。この液晶層１３と接する誘電体層１５を配向膜とすることにより、液晶の良好な配向性を確保できる。ここで誘電体層の数を１層として配向膜の機能を持たせても良い。また、光学素子１ａは接着層６を介して誘電体基板７を接着する必要がないから、接着層６を介して誘電体基板７を貼り合せた構造の光偏向素子1と比較して、製造工程が簡易であるとともに接着層６の厚さムラや誘電体基板７の反りなどに起因した波面収差の悪化がなく、また、界面の数を少なくできるので余分な散乱が無いなどの利点があり、結果としてコントラストの向上につながる。
【００３６】
この光学素子１ａの２層の誘電体層１４，１５はスパッタリング法や蒸着法、イオンプレーティング法などの真空成膜や、塗布法・浸漬法・ゾルゲル法などで成膜する。このように２層の誘電体膜１４，１５を成膜すると、ライン電極４の幅とピッチにもよるが、多くの場合、図５に示すように、ライン電極４の形状の凹凸が誘電体膜１４，１５の表面に現れてライン状の凸部が存在した状態になる。このためライン電極４と誘電体層１４の屈折率差だけではなく、第１の誘電体層１４と第２の誘電体層１５の屈折率差と、第２の誘電体層１５と液晶層１３の屈折率差によっても回折が生じる。この回折が生じることを抑制するため低屈折率層３の屈折率と厚さを最適化して電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差を極力小さく抑える。
【００３７】
例えば図６（ａ）に示すように、基板２にライン電極４を形成し、低屈折率層３を設けずに誘電体層１４をＳｉＯ２層で成膜し、その表面に配向膜となる誘電体層１５を成膜したとする。そしてライン電極４の屈折率ｎ１を2.0、厚さを30ｎｍとし、ＳｉＯ２層からなる誘電体層１４の屈折率ｎ４を1.46、誘電体層１５の屈折率ｎ５を1.41、液晶層１３の屈折率ｎ６を1.54とする。この誘電体層１４として基板２表面から厚さｄ４＝100ｎｍで成膜すると、ライン電極４上の誘電体層１４の厚さｄ４１は若干小さく97ｎｍとなった。この誘電体層１４の表面に誘電体層１５を厚さｄ５＝50ｎｍで成膜すると、ライン電極４上の誘電体層１５の厚さｄ５１は47ｎｍとなり、液晶層１３に突出した凸部の高さｄ６は24ｎｍになった。この測定した膜厚の測定値と各屈折率を基に計算した電極形成部の光路長は253.46ｎｍとなり、電極非形成部の光路長は253.46ｎｍとなって、電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差は14.43ｎｍであった。この光路差はライン電極４とＳｉＯ２からなる誘電体層１４の屈折率差が大きく影響する。そこで図６（ｂ）に示すように、誘電体層１４の代わりにライン電極４と等しい屈折率を持った誘電体層１４を使用しても、誘電体層１４と誘電体層１５の屈折率差が大きくなるため、電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差は12.81ｎｍとなり、大きな改善は見られない。
【００３８】
これに対して、図６（ｃ）に示すように、低屈折率層３として屈折率ｎ３が1.38のＭｇＦ２膜で100ｎｍの厚さｄ２で成膜し、誘電体層１４として基板２表面から厚さｄ４＝100ｎｍで成膜すると、ライン電極４上の誘電体層１４の厚さｄ４１は90ｎｍとなった。この誘電体層１４の表面に誘電体層１５を厚さｄ５＝50ｎｍで成膜すると、ライン電極４上の誘電体層１５の厚さｄ５１は40ｎｍとなり、液晶層１３に突出した凸部の高さｄ６は110ｎｍになった。この測定した膜厚の測定値と各屈折率を基に計算した電極形成部の光路長は385.8ｎｍとなり、電極非形成部の光路長は385.9ｎｍとなって、電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差は0.1ｎｍとなり、緑に相当する波長546ｎｍに対して十分に小さい光路差を得ることができた。したがって低屈折率層３として屈折率が1.46のＳｉＯ２や屈折率が1.38のＭａＦ２あるいは屈折率が1.35のＮａ３ＡｉＦ６等の膜をライン状にパターニングして形成することができ、低屈折率層３の材料を選ぶことによって所望の厚さに制御することができ、高い回折抑制効果を得ることができる。なお、低屈折率層３とライン電極４は、どちらを先に基板２に形成しても良い。
【００３９】
また、誘電体層がＮ層ある場合、電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差Ｘは、
Ｘ＝n1×d1＋n3×d2＋Σｉ＝１，Ｎ｛ni×(di1-di)}−n6×d6
で表せる。ここでｎｉとｄｉはＮ層の誘電体層の屈折率と厚さを示し、ｄｉ１はライン電極４上のＮ層の誘電体層の厚さを示し、厚さｄ６は液晶層１３に突出した凸部の高さである。この光路差Ｘが例えば波長546ｎｍの１％である5.46ｎｍ以下になるように、低屈折率層３の屈折率と厚さや誘電体層の屈折率と厚さを選択することにより、回折を抑制することができる。
【００４０】
次に、光偏向素子１０や光偏向素子１０ａを使用した画像表示装置について説明する。画像表示装置２０の光学系は、図７の構成図に示すように、光源２１と、光源２１から出射した光の光路に沿って配置された拡散板２２とコンデンサレンズ２３と画像表示素子２４と、光偏向素子１０又は光偏向素子１０ａを有する光偏向手段２５及び投射レンズ２６が順に配設されている。駆動手段は、光源２１を駆動する光源駆動制御部２７と、画像表示素子２４を駆動する表示駆動制御部２８及び光偏向手段２５を駆動する光偏向駆動制御部２９及び主制御部３０を有する。
【００４１】
光源２１は白色あるいは任意の色の光を高速にオン・オフできるものであるならば、いかなる種類や型の光源であっても利用することができる。例えばＬＥＤランプやレーザ光源あるいは白色のランプ光源などを２次元アレイ状に配列して、高速動作するシャッタを組合せたものなどを用いる。画像表示素子２４は入射した均一の照明光を、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに、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り、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。光偏向手段２５は前記画像サブフィールドごとに、画像表示素子２４から出射される画像光の光路を偏向して、偏向画像光として出射する。この光偏向手段２４により画像サブフィールドごとの光路の偏向量に応じて、スクリーン３１上に投射される画像表示位置がずらされる状態となる画像パターンを表示させることが可能となり、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。
【００４２】
この画像表示装置２０でスクリーン３１に画像を投影するとき、光源駆動制御部２７で制御されて光源２１から放射された光は、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、光源駆動制御部２７と同期して動作する表示駆動制御部２８により制御されている例えば透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子２４をクリティカルに照明する。画像表示素子２４は入射した照明光を空間光変調して画像光として光偏向手段２５に入射し、光偏向手段２５は入射した画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトして投射レンズ２６に入射する。投射レンズ２６は入射した光を拡大してスクリーン３１に投射する。このように回折の影響が少ない光偏向素子１０を使用することにより、コントラストが高く、シャープな高精細画像をスクリーン３１に投射することができる。
【００４３】
この偏向画像光の光路のシフト（偏向）量は、画素ピッチの整数分の1であることが望ましい。すなわち、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、偏向画像光の光路のシフト量は、画素ピッチの1／２とし、配列方向に対して３倍の画素増倍を行なう場合は、画素ピッチの1／３とすることが望ましい。また、光偏向手段２５の構成によって、偏向画像光の光路のシフト量が画素ピッチよりも大きくなる場合には、光路のシフト量を画素ピッチの（整数倍＋整数分の1）の距離に設定しても良い。
【００４４】
この光偏向手段２５を画素配列方向の縦横２次元に用いる、例えば２倍の画像増倍を行なう光偏向素子１０を２枚用いることにより、見かけ上の画素４倍の効果が得られ、使用した透過型液晶ライトバルブの解像度以上の高精細な画像を表示することができる。
【００４５】
図７に示した画像表示装置は、単板の透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子２４と単色の光源２１を用いて単色の画像を表示する場合について説明したが、３原色の光源２１と、３枚の画像表示素子２４を用いて、３原色の画像を混合してフルカラー画像を表示させることもできる。また、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。この場合、３色の光源からの光路をクロスプリズムで混合して照明しても良いし、白色ランプ光源と回転カラーフィルターの組合せで、時間順次の三原色光を生成してもよい。
【実施例１】
【００４６】
大きさ70ｍｍ×50ｍｍ、厚さ１ｍｍのガラス板を基板２とし、ＳｉＯ２を120ｎｍの厚さになるようスパッタし、その上に30ｎｍのＩＴＯ膜をスパッタした。ＳｉＯ２の屈折率は波長546nmにおいて1.46、ＩＴＯ膜の屈折率は2.00である。次に、フォトレジストの塗布・露光・現像によってライン状のパターンを形成し、エッチングを行って幅10μｍ、ピッチ100μｍのライン形状のＳｉＯ２の低屈折率層３とＩＴＯのライン電極４を400本形成し、両端のライン電極４の一端には接続部を形成した。次に、各ライン電極４を電気的に直列につなぐ領域に、スパッタ法によりＣｒ−ＳｉＯ抵抗膜５を形成した。抵抗膜５の厚さは100ｎｍとし、表面抵抗率は４×10７Ω／□であった。
【００４７】
次に電源接続部を除いた50ｍｍ×50ｍｍの領域に、厚さ150μｍのカバーガラスを、厚さ10μｍの光学用ＵＶ接着剤で全面に貼付けた。この接着剤の屈折率は1.56である。次にカバーガラスの表面を垂直配向剤で処理した後に、接着剤に粒子径50μｍのスペーサーを混入したもので２枚の基板２を接着した。次に、２枚の基板２間に強誘電性液晶（チッソ製CS1029）を注入して光偏向素子１０を形成した。そして両端のライン電極４にそれぞれ±２ｋＶ、60Ｈｚの交流電圧を印加し、光路シフトを確認した結果、有効領域全体にわたる各測定点で測定を行い、平均５μｍの光路シフト量が得られた。このときの光路差は1.2ｎｍであり、｜（ｎ３−ｎ２）×ｄ２｜≒0.9×（ｎ１−ｎ２）×ｄ１であった。
【００４８】
この光偏向素子１０を画像表示装置２０の光偏向手段２５に使用し、光偏向素子１０をライン電極４が垂直となる方向で配置して、画像表示素子２４により右半分が黒、左半分が白となる画像を表示させた。表示された黒と白の境界近傍で黒浮きが発生するかどうか、すなわち黒領域において輝度が上がるかどうかを確認した結果、白と黒の境界近傍の黒領域における輝度は白の輝度を100％とすると3.58％であった。この光偏向素子１０の代わりに光偏向素子１０の光路長と同じ光路長のガラス板を置いたところ、白と黒の境界近傍の黒領域における輝度は3.59％であり、光偏向素子１０を使用したときの輝度は測定誤差の範囲であり、回折による輝度の上昇は観測できず、目視によっても、回折による黒浮きは認められなかった。
【実施例２】
【００４９】
ＳｉＯ２の膜厚を40ｎｍ、60ｎｍ、80ｎｍ、100ｎｍと変えた他は実施例1と同様にして４種類の光偏向素子１０を作製した。実施例1と同様の方法で黒の輝度を測定したところ、ＳｉＯ２の膜厚が厚くなるほど黒浮きは減っていた。ＳｉＯ２の膜厚が80ｎｍのときに回折による黒浮きが約0.3％となり、256階調表示の際の１階調分以下となることがわかった。見た目にも、ＳｉＯ２の膜厚2が80ｎｍ以上の光偏向素子１０では回折の影響が視認できなかった。そしてＳｉＯ２の膜厚2が80ｎｍのときの光路差は5.2ｎｍであり、光路差を波長546ｎｍの１％以下とすれば回折の影響を十分低減できることが示された。このときは、｜（ｎ３−ｎ２）×ｄ２｜≒0.6×（ｎ１−ｎ２）×ｄ１であった。
【実施例３】
【００５０】
実施例１と同形状のガラス基板２に、ＩＴＯを30ｎｍの厚さになるようスパッタした。フォトレジストの塗布・露光・現像の後、ＩＴＯをライン形状にドライエッチングした。その際、ＩＴＯに続けて基板２自体を200ｎｍの深さ分エッチングして、図３に類似の構成とした。その後は実施例１と同様にして光偏向素子１０を作製した。基板２であるガラスの屈折率は波長546nmにおいて1.52である。このとき光路差は5.2ｎｍである。実施例1と同様の方法で黒の輝度を測定したところ黒の輝度は3.88%であり、実施例２でＳｉＯ２の膜厚を80ｎｍとしたときと同程度であり、目視では回折の影響は見られなかった。
【実施例４】
【００５１】
実施例１と同形状のガラス基板２に、スパッタ法によりＣｒＳｉＯ抵抗膜５を形成した。抵抗膜５の厚さは100ｎｍとし、表面抵抗率は４×10７Ω/□であった。次に、ＭｇＦ２を100ｎｍの厚さになるようスパッタし、その上に続けて30ｎｍのＩＴＯ膜をスパッタした。ＭｇＦ２の屈折率は1.38、ＩＴＯは2.00である。フォトレジストの塗布・露光・現像の後、ＩＴＯとＭｇＦ２の両方をドライエッチングしてライン形状のＭｇＦ２の低屈折率層３とライン電極４を形成した。ここで抵抗膜５はライン電極４を電気的に直列につなぐ領域に形成されている。ライン電極４と低屈折率層３を形成した面に、それらを覆うようにＳｉＯ２を約100ｎｍスパッタし、更にその表面に厚さ約50ｎｍの配向膜を形成した。その面が対向するように２枚の基板２をスペーサー１１で接着して素子の有効面積が40ｍｍ×40ｍｍ以上となるようにした。この２枚の基板２の間に強誘電性液晶（チッソ製CS1029）を注入して光偏向素子１０を形成した。この各基板２の両端のライン電極４に±２ｋＶ、60Ｈｚの交流電圧を印加し、光路シフトを確認した結果、有効領域全体にわたる各測定点で平均５μｍのシフト量が得られていることが確認できた。
【００５２】
この光偏向素子１０を画像表示装置２０に組み込み、黒と白の画像を投射した結果、回折による輝度の上昇は観測できない程度であり、目視によっても、回折による黒浮きは認められなかった。このときの各層の厚さは図６（ｃ）に示した通りであり、光路差は0.1
ｎｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明の光学素子の構成図である。
【図２】電極形成部と電極非形成部の構成を示す部分断面図である。
【図３】基板をエッチングして形成した低屈折率層の構成図である。
【図４】光偏向素子の構成図である。
【図５】第２の光偏向素子の構成を示す断面図である。
【図６】第２の光偏向素子における電極形成部と電極非形成部の光路差を示す模式図である。
【図７】この発明の画像表示装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１；光学素子、２；基板、３；低屈折率層、４；ライン電極、５；抵抗膜、
６；接着層、７；誘電体基板、８；電圧印加手段、９；接続部、１０；光偏向素子、
１１；スペーサ、１２；配向膜、１３；液晶層、１４；誘電体層、１５；誘電体層、
２０；画像表示装置、２１；光源、２２；拡散板、２３；コンデンサレンズ、
２４；画像表示素子、２５；光偏向手段、２６；投射レンズ、
２７；光源駆動制御部、２８；表示駆動制御部、２９；光偏向駆動制御部、
３０；主制御部、３１；スクリーン。
【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】
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