(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向間隔が規制された透明な一対の基板と、
前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、
前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、
前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設された２組の電極群と、
目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する前記電極群間に電圧を印加して前記液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向用電圧印加手段と、
を備え、
前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるようにした光路偏向装置。
【請求項２】
前記電極群の各々は、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極からなり、
前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるように当該他方の組の電極群内の個々の分割電極に対して段階的に電圧値が変化する電圧を印加する補助電圧印加手段を備える請求項１記載の光路偏向装置。
【請求項３】
前記電極群の各々は、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極からなり、
前記電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群と、
前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるように当該他方の組の電極群の前記直列抵抗群の両端間に電圧を印加する補助電圧印加手段と、
を備える請求項１記載の光路偏向装置。
【請求項４】
各々分割された複数の分割電極は、組をなす電極群間で、互いに位置がずれて配設されている請求項２又は３記載の光路偏向装置。
【請求項５】
前記電極群の各々は、前記有効領域を取り囲む方向に連続した抵抗体電極からなり、
前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるように当該他方の組の電極群の前記抵抗体電極の両端間に電圧を印加する補助電圧印加手段を備える請求項１記載の光路偏向装置。
【請求項６】
隣接する前記電極群の端部同士が電気的に接続され、端部同士の接続部の電位が単一極性電位と接地とで切換え自在である請求項２ないし５の何れか一記載の光路偏向装置。
【請求項７】
少なくとも一方の前記基板上に設けられて前記電極群に電気的に接続された透明抵抗体層を備える請求項１ないし６の何れか一記載の光路偏向装置。
【請求項８】
前記電極群の各々は、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極からなり、
前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるように当該他方の組の電極群内の個々の分割電極をフロート状態とする請求項１記載の光路偏向装置。
【請求項９】
光の入射側に配設されて直線偏光の偏光方向を切換える偏光方向切換手段を備え、
前記液晶層における液晶の自発分極及び前記偏向用の電界の作用により定まる液晶分子の配向を前記偏向用電圧印加手段による電圧の印加により所定の方向に揃う状態で、一方の基板面から他方の基板面に向かって前記液晶分子を投影した場合に前記他方の基板上に投影された前記液晶分子における長軸方向が、前記偏光方向切換手段による偏光方向と同一方向となるように、前記偏向用電圧印加手段による電圧印加を制御するようにした請求項１ないし８の何れか一記載の光路偏向装置。
【請求項１０】
前記偏光方向切換手段が、電界の作用により液晶分子の配向方向が制御可能な表面安定型強誘電性液晶素子である請求項９記載の光路偏向装置。
【請求項１１】
前記偏光方向切換手段に入射する入射光の偏光方向を光路の偏向方向の何れか一方向に一致させる偏光方向制御手段を備える請求項９又は１０記載の光路偏向装置。
【請求項１２】
画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を２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、
前記画像表示素子に対応して有効領域が設定されて、各画素からの出射光の光路を前記サブフィールド毎に偏向する請求項１ないし１１の何れか一記載の光路偏向装置と、
を備える画像表示装置。
【請求項１３】
対向間隔が規制された透明な一対の基板と、
前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、
前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、
前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設され、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極を各々有する２組の電極群と、
を備える光路偏向素子。
【請求項１４】
前記電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群を備える請求項１３記載の光路偏向素子。
【請求項１５】
各々分割された複数の分割電極は、組をなす電極群間で、互いに位置がずれて配設されている請求項１３又は１４記載の光路偏向素子。
【請求項１６】
対向間隔が規制された透明な一対の基板と、
前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、
前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、
前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設され、前記有効領域を取り囲む方向に連続した抵抗体電極を各々有する２組の電極群と、
を備える光路偏向素子。
【請求項１７】
隣接する前記電極群の端部同士が電気的に接続されている請求項１３ないし１６の何れか一記載の光路偏向素子。
【請求項１８】
少なくとも一方の前記基板上に設けられて前記電極群に電気的に接続された透明抵抗体層を備える請求項１３ないし１７の何れか一記載の光路偏向素子。
【請求項１９】
対向間隔が規制された透明な一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設され、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極を各々有する２組の電極群と、前記電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群と、を備える光路偏向素子に対して、
目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する前記電極群間に電圧を印加して前記液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向用電圧印加ステップと、
この偏向用電圧印加ステップの電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群の前記直列抵抗群の両端間に電圧を印加して強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせる補助電圧印加ステップと、
を備える光路偏向素子の駆動方法。
【請求項２０】
対向間隔が規制された透明な一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設され、前記有効領域を取り囲む方向に連続した抵抗体電極を各々有する２組の電極群と、を備える光路偏向素子に対して、
目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する前記電極群間に電圧を印加して前記液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向用電圧印加ステップと、
この偏向用電圧印加ステップの電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群の前記抵抗体電極の両端間に電圧を印加して強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせる補助電圧印加ステップと、
を備える光路偏向素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路偏向素子、光路偏向装置、画像表示装置及び光路偏向素子の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光路偏向素子なる光学素子として、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）。これらの場合、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路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】
前者の特開平６−１８９４０号公報例においては、液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブｍｓにまで速めることは困難であり、高速なスイッチングが必要な用途には用いることはできない。
【０００７】
また、後者の特開平９−１３３９０４号公報例においては、スメクチックＡ相の強誘電液晶を用いているが、スメクチックＡ相は自発分極を持たないため、高速動作は望めない。
【０００８】
次に、ピクセルシフト素子に関して従来提案されている技術を数例挙げて説明する。
【０００９】
例えば、特許第２９３９８２６号公報に示されるように、表示素子に表示された画像を投写光学系によりスクリーン上に拡大投影する投影表示装置において、前記表示素子から前記スクリーンに至る光路の途中に透過光の偏光方向を旋回できる光学素子を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子を少なくとも１個以上を有してなる投影画像をシフトする手段と、前記表示素子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各画素の投影領域が前記スクリーン上で離散的に投影される手段と、を備えた投影表示装置がある。
【００１０】
同公報例においては、偏光方向を旋回できる光学素子（旋光素子）を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子（複屈折素子）を少なくとも１個以上を有してなる投影画像シフト手段（ピクセルシフト手段）によりピクセルシフトを行っているが、問題点として、旋光素子と複屈折素子とを組合せて使用するため、光量損失が大きいこと、光の波長によりピクセルシフト量が変動し解像度が低下しやすいこと、旋光素子と複屈折素子との光学特性のミスマッチから本来画像が形成されないピクセルシフト外の位置に漏れ光によるゴースト等の光学ノイズが発生しやすいこと、素子化のためのコストが大きいこと、が挙げられる。特に、複屈折素子に前述したような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）の大きな材料を使用した場合、顕著である。
【００１１】
また、特開平５−３１３１１６号公報に示される投影機においては、制御回路により、画像蓄積回路に蓄積した本来表示すべき画像を市松状に画素選択回路へサンプリングして順次空間光変調器に表示し、投影させ、さらに、制御回路により、この表示に対応させてパネル揺動機構を制御して空間光変調器の隣接画素ピッチ距離を整数分の一ずつ移動させることで、本来表示すべき画像を時間的な合成により再現するようにしている。これにより、空間光変調器の画素の整数倍の分解能で画像を表示可能にするとともに、画素の粗い空間光変調器と簡単な光学系を用いて安価に投影機を構成可能としている。
【００１２】
ところが、同公報例においては、画像表示用素子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に揺動させるピクセルシフト方式が記載されており、この方式では、光学系は固定されているので諸収差の発生が少ないが、画像表示素子自体を正確かつ高速に平行移動させる必要があるため、可動部の精度や耐久性が要求され、振動や音が問題となる。
【００１３】
さらに、特開平６−３２４３２０号公報によれば、ＬＣＤ等の画像表示装置の画素数を増加させることなく、表示画像の解像度を、見掛け上、向上させるため、縦方向及び横方向に配列された複数個の画素の各々が、表示画素パターンに応じて発光することにより、画像が表示される画像表示装置と、観測者又はスクリーンとの間に、光路をフィールド毎に変更する光学部材を配し、また、フィールド毎に、前記光路の変更に応じて表示位置がずれている状態の表示画素パターンを画像表示装置に表示させるようにしている。ここに、屈折率が異なる部位が、画像情報のフィールド毎に、交互に、画像表示装置と観測者又はスクリーンとの間の光路中に現れるようにすることで、前記光路の変更が行われるものである。
【００１４】
同公報例においては、光路を変更する手段として、電気光学素子と複屈折材料の組合わせ機構、レンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等が記述されており、上記旋光素子と複屈折素子を組合せてなる方式の他に、ボイスコイル、圧電素子等によりレンズ、反射板、複屈折板等の光学素子を変位（平行移動、傾斜）させ光路を切換える方式が提案されているが、この方式においては、光学素子を駆動するために構成が複雑となりコストが高くなる。
【００１５】
また、特開平１０−１３３１３５号公報によれば、回転機械要素を不要化でき、全体の小型化、高精度・高分解能化を実現でき、しかも外部からの振動の影響を受け難い光ビーム偏向装置が提案されている。具体的には、光ビームの進行路上に配置される透光性の圧電素子と、この圧電素子の表面に設けられた透明の電極と、圧電素子の光ビーム入射面Ａと光ビーム出射面Ｂとの間の光路長を変化させて光ビームの光軸を偏向させるために電極を介して圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。
【００１６】
同公報例では、透光性の圧電素子を透明の電極で挟み、電圧を印加することで厚みを変化させて光路をシフトさせる方式が提案されているが、比較的大きな透明圧電素子を必要とし、装置コストがアップする等、前述の特開平６−３２４３２０号公報の場合と同様の問題点がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術の課題を整理すると、従来のピクセルシフト素子において問題となっているのは、
▲１▼  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、ゴースト等の光学ノイズ又は解像度低下
▲２▼  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
▲３▼  ネマチック液晶などにおける応答速度
である。
【００１８】
▲３▼の応答速度に関し、画像表示装置におけるピクセルシフトに必要な光偏向の速度は以下のように見積ることができる。画像フィールド（時間tＦｉｅｌｄ）を時間的にｎ分割し、各ｎ個のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材との間の光路を偏向してピクセルシフトのシフト位置をｎ箇所に定めた場合、１つのサブフィールドの時間ｔＳＦは、
ｔＳＦ＝ｔＦｉｅｌｄ／ｎ
で表される。この時間ｔＳＦの期間中に光偏向がなされるが、その時間をtｓｈｉｆｔとするとこのtｓｈｉｆｔの期間は表示が行えないため、この期間に相当する分だけ光利用効率が低下する。
【００１９】
光利用効率Ｅは以下の式で表される。
Ｅ＝（ｔＳＦ−tｓｈｉｆｔ）／ｔＳＦ
【００２０】
仮にピクセルシフト位置ｎがｎ＝４、画像フィールドｔＦｉｅｌｄが１６．７ｍｓである場合に、光利用効率Ｅを９０％以上確保するためには、
０．９＜（１６．７／４−ｔｓｈｉｆｔ）／（１６．７／４）
tｓｈｉｆｔ＜０．４２（ｍｓ）
となり、光偏向を０．４２ｍｓで行う必要がある。通常のネマチック液晶は応答速度が数ｍｓ以上であるため、ここに示すような高速ピクセルシフトのための光学素子としては使用することはできない。
【００２１】
特開平６−１８９４０号公報においては液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブｍｓにまで速めることは困難であり、ピクセルシフトに用いることはできない。一方、キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶ではその応答速度は十分０．４２ｍｓ以下に設定することが可能である。
【００２２】
また、特開平９−１３３９０４号公報においてはスメクチックＡ相の強誘電液晶を用いているが、スメクチックＡ相は自発分極を持たないため、キラルスメクチックＣ相に見られるような高速動作はやはり望めない。
【００２３】
このような点を考慮すると、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、装置大型化、光量損失、光学ノイズを改善し、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ないしは光偏向装置の提案が待たれる。
【００２４】
このようなことから、本出願人によれば、透明な一対の基板と、これらの基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、この液晶に電界を作用させる１組以上の電界印加手段とを備える構成例が提案されている。この提案例によれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶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。
【００２５】
ところが、この提案例による光路偏向素子では、スメクチックＣ相強誘電液晶層を複屈折板として用いるため、液晶層の光学軸チルト角の傾斜方向で光路偏向の方向が決まる。一つの光路偏向素子では１方向のみへの光路偏向動作しか行うことができないため、２方向への光路偏向動作を行うためには、２つの光路偏向素子と、その間に直線偏光方向を偏向方向に一致させる偏光方向切換素子が必要である。３つの光学要素から構成されるため、基板や界面の数が多くなり、光学素子全体としての透過率やＭＴＦが低下するという問題がある。
【００２６】
この点、例えば液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の位置に２組の電極対を設け、偏向しようとする方向に応じて一方の組の電極対間に電圧を選択的に印加して液晶層に光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させることで、２方向（±４方向）の偏向を選択的に行わせることが考えられる。
【００２７】
ここに、２組の電極対は、偏向方向に応じて択一的に電圧が印加されることにより共通の有効領域に対して偏向用の電界を作用させるものであり、有効領域に対しては互換性を有する構成とされる。具体的には、略四角形状に設定される有効領域の各辺に１辺相当の長さを有する帯状の電極を設けるのが一般的といえる。この結果、一方の組の電極対間に偏向用の電界を作用させるための電圧を印加した時、当該有効領域に臨んでいる他方の組の電極対の各々の電極はその全長に亘って（１辺相当の長さに亘って）等電位となっているため、偏向用の電界の両側付近に対してその均一性を乱してしまうこととなり、有効領域全域に亘って均一な電界が得られなくなってしまう。有効領域全域に亘って均一な電界が得られないと、有効領域全域に亘って均一な偏向特性（偏向方向の均一性）が得られなくなってしまう。
【００２８】
本発明は、外部からの電気的操作により直交する２方向に偏向方向を切換え得る構成下に、対象となる有効領域に対して偏向用の電界を均一に形成することができる光路偏向素子、光路偏向装置及び光路偏向素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【００２９】
本発明は、均一な電界の形成を容易に実現できる光路偏向素子、光路偏向装置及び光路偏向素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【００３０】
本発明は、均一な電界の形成を低コストにて実現できる光路偏向素子及び光路偏向装置を提供することを目的とする。
【００３１】
本発明は、形成される電界の均一性を向上させ得る光路偏向素子及び光路偏向装置を提供することを目的とする。
【００３２】
本発明は、有効領域が広い場合にも均一な電界の形成を実現できる光路偏向素子及び光路偏向装置を提供することを目的とする。
【００３３】
本発明は、光路偏向されないノイズ光の透過を防止でき、ノイズの少ない確実な光路偏向が可能な光路偏向装置を提供することを目的とする。
【００３４】
本発明は、偏向用の電界が均一に形成され、有効領域全域に亘って均一な偏向特性を示す光路偏向装置を用いることにより、高速応答可能で、光利用効率が高く、より高精細な画像表示が可能なピクセルシフト方式の画像表示装置を提供することを目的とする。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の光路偏向装置は、対向間隔が規制された透明な一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設された２組の電極群と、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する前記電極群間に電圧を印加して前記液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向用電圧印加手段と、を備え、前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるようにした。
【００３６】
従って、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相の強誘電性又は反強誘電性の液晶層に対してこの液晶層を通る光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させることにより、液晶分子の傾斜角度や傾斜方向が変化して平均的な光学軸の傾斜方向を制御することができる。この際、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設された２組の電極群を用意しておき、目的とする偏向方向に応じてこの偏向用の電界を作用させる電極群の組を選択的に切換えることにより、電気的な操作により直交する２方向に偏向方向を切換えることができる。このような偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群に関しては、強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることにより、偏向用の電界がこれらの他方の組の電極群により乱されることがなくなり、よって、有効領域全体に亘って均一な電界が形成される。
【００３７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光路偏向装置において、前記電極群の各々は、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極からなり、前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるように当該他方の組の電極群内の個々の分割電極に対して段階的に電圧値が変化する電圧を印加する補助電圧印加手段を備える。
【００３８】
従って、請求項１記載の発明を実現する上で、各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群内の個々の分割電極に対して段階的に電圧値が変化する電圧を印加することにより、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、比較的簡単に実現可能となる。
【００３９】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の光路偏向装置において、前記電極群の各々は、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極からなり、前記電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群と、前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるように当該他方の組の電極群の前記直列抵抗群の両端間に電圧を印加する補助電圧印加手段と、を備える。
【００４０】
従って、請求項１記載の発明を実現する上で、各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、かつ、電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群を備える構成とし、偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群の直列抵抗群の両端間に電圧を印加するだけで、直列抵抗群の各抵抗により抵抗分割されて段階的に変化する電圧を各分割電極に印加させることができ、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、簡単かつ低コストにて実現可能となる。
【００４１】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の光路偏向装置において、各々分割された複数の分割電極は、組をなす電極群間で、互いに位置がずれて配設されている。
【００４２】
従って、有効領域内の電位分布の均一性を向上させるためには、分割電極の電極幅は狭く、かつ、電極数が多いことが好ましいが、素子の構成を簡略化して低コスト化を実現するためには分割電極の数を減らす必要がある。分割電極の数を減らすと分割電極間の位置での電位低下が現れるが、組をなし対向する分割電極の位置が一致している場合には分割電極間も互いに重なるため、電界の均一性の低下が顕著となる。この点、本発明では、対向する分割電極の位置が互いにずれて交互の位置に配置することで、分割電極間の位置が対向する電極群の分割電極に対応するので、電位低下の影響が小さくなり、電界の均一性が向上する。
【００４３】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の光路偏向装置において、前記電極群の各々は、前記有効領域を取り囲む方向に連続した抵抗体電極からなり、前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるように当該他方の組の電極群の前記抵抗体電極の両端間に電圧を印加する補助電圧印加手段を備える。
【００４４】
従って、請求項１記載の発明を実現する上で、電極群として有効領域に沿った位置に抵抗体電極を設けることにより、抵抗体電極の両端間に電圧を印加して通電するだけで、抵抗体電極近傍の液晶層内に連続的な電位勾配を形成することができ、このような連続的な電位勾配により、より均一な電界分布が得られる。
【００４５】
請求項６記載の発明は、請求項２ないし５の何れか一記載の光路偏向装置において、隣接する前記電極群の端部同士が電気的に接続され、端部同士の接続部の電位が単一極性電位と接地とで切換え自在である。
【００４６】
従って、請求項２ないし５記載の発明を実現する上で、隣接する電極群の端部同士を電気的に接続し、その接続部の電位を接地と単一極性電位とで切換え自在とすることにより、偏向用電圧印加手段用の電源と補助電圧印加手段用の電源とを共用させることができ、低コストにて実現できる。
【００４７】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一記載の光路偏向装置において、少なくとも一方の前記基板上に設けられて前記電極群に電気的に接続された透明抵抗体層を備える。
【００４８】
従って、請求項１ないし６記載の発明に加えて、有効領域全面に透明抵抗体層を設けて電極群と接続しているので、組をなす電極群から比較的離れた有効領域にも効果的に電位分布を形成することができ、よって、有効領域が比較的大きな場合でも、比較的均一な電界を形成することができる。
【００４９】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の光路偏向装置において、前記電極群の各々は、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極からなり、前記偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群により強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせるように当該他方の組の電極群内の個々の分割電極をフロート状態とする。
【００５０】
従って、請求項１記載の発明を実現する上で、各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群内の個々の分割電極をフロート状態とするだけで、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、補助電圧印加手段を要せず、比較的簡単に実現可能となる。
【００５１】
請求項９記載の発明は、請求項１ないし８の何れか一記載の光路偏向装置において、光の入射側に配設されて直線偏光の偏光方向を切換える偏光方向切換手段を備え、前記液晶層における液晶の自発分極及び前記偏向用の電界の作用により定まる液晶分子の配向を前記偏向用電圧印加手段による電圧の印加により所定の方向に揃う状態で、一方の基板面から他方の基板面に向かって前記液晶分子を投影した場合に前記他方の基板上に投影された前記液晶分子における長軸方向が、前記偏光方向切換手段による偏光方向と同一方向となるように、前記偏向用電圧印加手段による電圧印加を制御するようにした。
【００５２】
従って、請求項１ないし８記載の発明に加えて、直線偏光の偏光方向を切換える偏光方向切換手段を入射側に備えることにより、２つの素子構成により直交する２方向の偏向方向が設定できる。即ち、従来のように、Ｘ方向光路偏向素子と偏光面回転素子とＹ方向光路偏向素子との３つの素子の組合せ構成に比べて、素子の数が少なく構成要素の界面の数が少ないので、光透過率の低下やＭＴＦの低下が少ない光路偏向装置が得られる。
【００５３】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の光路偏向装置において、前記偏光方向切換手段が、電界の作用により液晶分子の配向方向が制御可能な表面安定型強誘電性液晶素子である。
【００５４】
従って、請求項９記載の光路偏向装置を実現する上で、偏光方向切換手段として電界の作用により液晶分子の配向方向が制御可能な表面安定型強誘電性液晶素子を用い、この表面安定型強誘電性液晶素子の液晶分子の屈折率、電界印加時の配向方向、液晶層の厚みなどを半波長板としての最適条件に設定することで、高速に偏光面の回転が可能な偏光方向切換手段が得られ、全体として高速応答の光路偏向装置を提供できる。
【００５５】
請求項１１記載の発明は、請求項９又は１０記載の光路偏向装置において、前記偏光方向切換手段に入射する入射光の偏光方向を光路の偏向方向の何れか一方向に一致させる偏光方向制御手段を備える。
【００５６】
従って、請求項９又は１０記載の光路偏向装置を実現する上で、偏光方向切換手段に入射する入射光の偏光方向を光路の偏向方向に一致させる偏光方向制御手段を備え、光学軸の傾斜方向に平行な直線偏光の光のみを入射させるので、入射光が無偏光の光であっても光路偏向されないノイズ光の透過を防止し、ノイズの少ない確実な光路偏向を実現できる。
【００５７】
請求項１２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２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、前記画像表示素子に対応して有効領域が設定されて、各画素からの出射光の光路を前記サブフィールド毎に偏向する請求項１ないし１１の何れか一記載の光路偏向装置と、を備える。
【００５８】
従って、いわゆるピクセルシフトデバイスとして請求項１ないし１１の何れか一記載の直交する２方向に光路偏向可能な光路偏向装置を用いているので、投射光路をサブフィールド画像に対応して高速に偏向させることができ、見掛け上、高精細な画像表示が可能となる。また、当該光路偏向装置の構成要素が少ない上に、有効領域全域に亘って均一な偏向用の電界が形成されるので、基板界面などが少なく、透過率やＭＴＦの低下が少なくできる上に、均一な画素シフトが可能となる。従って、より光利用効率が高く、より高精細な表示画像が得られる。
【００５９】
請求項１３記載の発明の光路偏向素子は、対向間隔が規制された透明な一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設され、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極を各々有する２組の電極群と、を備える。
【００６０】
従って、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相の強誘電性又は反強誘電性の液晶層に対して、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように相対向する位置に配設させた電極群の組に外部からの電気的な操作により電圧を印加して、この液晶層を通る光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させることにより、液晶分子の傾斜角度や傾斜方向が変化して平均的な光学軸の傾斜方向を制御することができる。この際、組をなす電極群として、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設された２組の電極群を用意しておき、目的とする偏向方向に応じてこの偏向用の電界を作用させる電極群の組を選択的に切換えるようにすれば、電気的な操作により直交する２方向に偏向方向を切換えることができる。また、各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群に関しては、個々の分割電極に対して段階的に電圧値が変化する電圧を印加する等の操作により、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることにより、偏向用の電界がこれらの他方の組の電極群により乱されることがなくなり、よって、有効領域全体に亘って均一な電界を形成させることができる。
【００６１】
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の光路偏向素子において、前記電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群を備える。
【００６２】
従って、請求項１３記載の発明を実現する上で、分割電極構造の各電極群に加えて、電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群を備える構成とすることにより、一方の組の電極群に対する電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群の直列抵抗群の両端間に電圧を印加するだけで、直列抵抗群の各抵抗により抵抗分割されて段階的に変化する電圧を各分割電極に印加させることができ、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、簡単かつ低コストにて実現可能となる。
【００６３】
請求項１５記載の発明は、請求項１３又は１４記載の光路偏向素子において、各々分割された複数の分割電極は、組をなす電極群間で、互いに位置がずれて配設されている。
【００６４】
従って、請求項１３又は１４記載の光路偏向素子を実現する上で、有効領域内の電位分布の均一性を向上させるためには、分割電極の電極幅は狭く、かつ、電極数が多いことが好ましいが、素子の構成を簡略化して低コスト化を実現するためには分割電極の数を減らす必要がある。分割電極の数を減らすと分割電極間の位置での電位低下が現れるが、組をなし対向する分割電極の位置が一致している場合には分割電極間も互いに重なるため、電界の均一性の低下が顕著となる。この点、本発明では、対向する分割電極の位置を互いにずらして交互の位置に配置させているので、分割電極間の位置が対向する電極群の分割電極に対応することとなり、電位低下の影響が小さくなり、電界の均一性を向上させることができる。
【００６５】
請求項１６記載の発明の光路偏向素子は、対向間隔が規制された透明な一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設され、前記有効領域を取り囲む方向に連続した抵抗体電極を各々有する２組の電極群と、を備える。
【００６６】
従って、基本的には請求項１３記載の発明の光路偏向素子と同様であるが、電極群として有効領域に沿った位置に抵抗体電極を設けることにより、外部からの電気的な操作として、一方の組の電極群間に電界を作用させる電圧を印加させるとともに、他方の組の電極群に関しては、抵抗体電極の両端間に電圧を印加して通電するだけで、抵抗体電極近傍の液晶層内に連続的な電位勾配を形成することができ、このような連続的な電位勾配により、より均一な電界分布が得られるようにすることができる。
【００６７】
請求項１７記載の発明は、請求項１３ないし１６の何れか一記載の光路偏向素子において、隣接する前記電極群の端部同士が電気的に接続されている。
【００６８】
従って、請求項１３ないし１６記載の発明を実現する上で、隣接する電極群の端部同士が電気的に接続されているので、外部からの電気的な操作により、この接続部の電位を接地と単一極性電位とで切換え自在とすることにより、偏向用電圧印加手段用の電源と補助電圧印加手段用の電源とを共用させることができ、低コストにて光路偏向装置を実現できる。
【００６９】
請求項１８記載の発明は、請求項１３ないし１７の何れか一記載の光路偏向素子において、少なくとも一方の前記基板上に設けられて前記電極群に電気的に接続された透明抵抗体層を備える。
【００７０】
従って、請求項１３ないし１７記載の発明に加えて、有効領域全面に透明抵抗体層が設けられて電極群と接続されているので、外部からの電気的な操作による電圧印加時に、組をなす電極群から比較的離れた有効領域にも効果的に電位分布を形成することができ、よって、有効領域が比較的大きな場合でも、比較的均一な電界を形成することができる。
【００７１】
請求項１９記載の発明の光路偏向素子の駆動方法は、対向間隔が規制された透明な一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設され、前記有効領域を取り囲む方向に分割された複数の分割電極を各々有する２組の電極群と、前記電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群と、を備える光路偏向素子に対して、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する前記電極群間に電圧を印加して前記液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向用電圧印加ステップと、この偏向用電圧印加ステップの電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群の前記直列抵抗群の両端間に電圧を印加して強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせる補助電圧印加ステップと、を備える。
【００７２】
従って、有効領域全域について直交する２方向についての光路偏向を実現する上で、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に２組の電極群を配設するが、これらの各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、かつ、電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群を備える構成とし、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する電極群間に電圧を印加して液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向時に、他方の組の電極群の直列抵抗群の両端間に電圧を印加するだけで、直列抵抗群の各抵抗により抵抗分割されて段階的に変化する電圧を各分割電極に印加させることができ、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、偏向方向が何れの方向であっても、有効領域全域について均一な電界を形成することができ、有効領域全域について均一な光路偏向が可能となる。
【００７３】
請求項２０記載の発明の光路偏向素子の駆動方法は、対向間隔が規制された透明な一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた垂直配向膜と、前記基板間に前記垂直配向膜を介して充填され、前記垂直配向膜によりホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶層と、前記液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設され、前記有効領域を取り囲む方向に連続した抵抗体電極を各々有する２組の電極群と、を備える光路偏向素子に対して、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する前記電極群間に電圧を印加して前記液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向用電圧印加ステップと、この偏向用電圧印加ステップの電圧印加による偏向時に、他方の組の前記電極群の前記抵抗体電極の両端間に電圧を印加して強制的に前記偏向用の電界方向の電位勾配を持たせる補助電圧印加ステップと、を備える。
【００７４】
従って、有効領域全域について直交する２方向についての光路偏向を実現する上で、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に２組の電極群を配設するが、これらの各電極群を有効領域を取り囲む方向に連続した抵抗体電極により構成し、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する電極群間に電圧を印加して液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向時に、他方の組の電極群の抵抗体電極の両端間に電圧を印加して通電するだけで、抵抗体電極近傍の液晶層内に連続的な電位勾配を形成することができ、このような連続的な電位勾配により、より均一な電界分布が得られるようにすることができ、偏向方向が何れの方向であっても、有効領域全域について均一な電界を形成することができ、有効領域全域について均一な光路偏向が可能となる。
【００７５】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図６に基づいて説明する。
まず、本実施の形態で用いる光路偏向素子の前提的な構成・作用について図１ないし図３を参照して説明する。
【００７６】
図１に前提的な光路偏向素子１′の断面構成例を示す。この光路偏向素子１′では、透明な一対の基板２，３が対向配置させて設けられている。透明な基板２，３としては、ガラス、石英、プラスチックなどを用いることができるが、複屈折性の無い透明材料が好ましい。基板２，３の厚みは数十μｍ〜数ｍｍのものが用いられる。基板２，３の内側面には垂直配向膜４，５が形成されている。垂直配向膜４，５は基板２，３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）させる材料であれ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、ＳｉＯ２蒸着膜などを用いることができる。なお、本発明で言う「垂直配向（ホメオトロピック配向）」とは、基板面に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。
【００７７】
両基板２，３間の対向間隔を規制するスペーサ６が設けられており、基板２，３間に電極７と液晶層８とが形成される。両基板２，３間の対向間隔、従って、液晶層８の層厚を規制するスペーサ６としては数μｍから数ｍｍ程度の厚みを持つシート部材或いは同程度の粒径の粒子、などが用いられ、当該光路偏向素子１′の有効領域外に設けられることが好ましい。電極７としてはアルミニウム、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８内に均一な水平電界を印加するためには、液晶層８の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、当該光路偏向素子１′の有効領域外に設けられている。図１ではより好ましい例として、スペーサ６と金属シート部材とが共通であり、電極兼用のスペーサとされ、金属シート部材の厚みにより液晶層８の厚みが規定される。液晶層８としてはキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶が用いられる。電極７間に電圧を印加することで、液晶層８の水平方向に電界が印加される。
【００７８】
ここで、スメクチックＣ相を形成可能な液晶層８に関して詳細に説明する。「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、液晶層の法線方向（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。なお、本実施の形態等では、液晶層８として強誘電液晶を例に採り光偏向素子１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。
【００７９】
キラルスメクチックＣ相はスメクチックＡ相やネマチック液晶に比較して極めて高速な応答性を有しており、サブｍｓでのスイッチングが可能である点が特徴である。特に、電界方向に対して液晶ダイレクタ方向が一義的に決定されるため、スメクチックＡ相よりなる液晶に比べダイレクタ方向の制御が容易であり、扱いやすい。
【００８０】
ホメオロトピック配向をなすスメクチックＣ相よりなる液晶層８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基板からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光路の偏向方向の制御が行いやすく、必要電界が低いという利点を有する。また、液晶ダイレクタがホモジニアス配向している場合、電界方向だけでなく基板面に液晶ダイレクタが強く依存するため、光路偏向素子の設置についてより位置精度が求められることになる。逆に、本実施の形態のようなホメオロトピック配向の場合は、光偏向に対して光路偏向素子１′のセッティング余裕度が増す。これらの特徴を活かす上で、厳密に螺旋軸を基板面に垂直に向ける必要はなく、或る程度傾いていても差し支えない。液晶ダイレクタが基板２，３からの規制力を受けずに２つの方向を向くことが可能であればよい。
【００８１】
本実施の形態の光路偏向素子にも適用される、このような光路偏向素子１′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９の傾斜方向との関係を模式的に示したものである。楔形状で示す液晶分子９の幅が広く描いてある側が紙面上側（手前側）、幅が狭く描かれている側が紙面下側（奥側）に傾いている様子を示している。また、液晶の自発分極Ｐｓを矢印で示してある。電界の向きが反転すると、略垂直配向した液晶分子９のチルト角の方向が反転する。ここでは、自発分極Ｐｓが正の場合について矩形電圧電源１０からの電界印加方向と液晶分子９のチルト方向との関係を図示している。
【００８２】
図３は光路偏向動作の原理を説明するために、液晶分子９の配向状態を模式的に示したものであり、垂直配向膜４，５、スペーサ６、電極７は省略してある。図３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矩形電圧電源１０（図２参照）により切換えられる。また、光路偏向素子１′に対する入射光は直線偏光である。
【００８３】
図３（ａ）のように紙面奥側から手前側方向への電界が印加された場合、液晶分子９の自発分極Ｐｓが正ならば液晶ダイレクタが図右上がりに傾斜した分子数が増加し、液晶層８としての平均的な光学軸も図右上がり方向に傾斜して複屈折板として機能する。キラルスメクチックＣ相のらせん構造が解ける閾値電界以上では、全ての液晶ダイレクタがチルト角θを示し、光学軸が上側に角度θで傾斜した複屈折板となる。異常光として左側から入射した直線偏光は上側に平行シフトする。ここで、液晶分子９の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏ、液晶層８の厚み（ギャップ）をｄとするときシフト量Ｓは、
0004021697.tif 000002
の式で表される（例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、p198参照）。
【００８４】
同様に、図３（ｂ）のように電極への印加電圧を反転して紙面奥側へ向けた電界が印加された場合、液晶分子９の自発分極Ｐｓが正ならば液晶ダイレクタは図右下がりに傾斜し、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。異常光として左側から入射した直線偏光は下側に平行シフトする。電界方向の反転によって、２Ｓ分の光路偏向量が得られる。
【００８５】
このような光路偏向方式では、一対の電極に対応した一方向のみの光路偏向動作しか行うことができない。例えば、Ｘ方向とＹ方向との２方向への偏向動作を行う場合には、少なくもと２つの光路偏向素子１′が必要であり、基板の数が増えることによる透過率の低下や解像度の低下が懸念される。
【００８６】
そこで、本実施の形態では、基板２，３、配向膜４，５、液晶層８、電極７などは上述の図１と同様なものを用いることができるが、電極の形状、数、配置並びに電圧印加方法などに特徴がある。図４を参照して本実施の形態の光路偏向素子１の構成例について説明する。
【００８７】
まず、本実施の形態では、後述する画像表示装置等への適用を想定し、液晶層８を通る光路の有効領域１１が例えば矩形状に設定された光路偏向素子１への適用例を示し、基板２，３等も有効領域１１よりも一回り大きな矩形形状のものが用いられている。もっとも、基板２，３の形状が有効領域１１の形状と同じである必要はない。また、このような液晶層８の有効領域１１を取り囲むように直交する２方向（Ｘ，Ｙ方向とする）の相対向する位置には２組（＝４個）の電極群１２，１２′、１３，１３′が配設されている。各電極群１２，１２′、１３，１３′は、有効領域１１の各辺に沿って各々形成されたもので、何れも当該有効領域１１を取り囲む方向（辺に沿う方向）にｎ個に分割された複数の分割電極により構成されている。即ち、電極群１２は、分割電極Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘｎより構成され、同様に、電極群１２′は分割電極Ｘ′１，Ｘ′２，…，Ｘ′ｎ、電極群１３は分割電極Ｙ１，Ｙ２，…，Ｙｎ、電極群１３′は分割電極Ｙ′１，Ｙ′２，…，Ｙ′ｎにより構成されている。
【００８８】
このような構成の光路偏向素子１に対して、外部からの電気的な操作により、各電極群１２，１２′，１３，１３′内の個々の分割電極には、独立かつ択一的に、略一定な単一極性電位、接地電位或いは段階的に変化する電位となるような電圧印加が可能とされている。
【００８９】
いま、一例として、図５に例示するように、目的とする偏向方向に応じて電極群１２の分割電極Ｘ１〜Ｘｎの全てに印加する電圧が単一極性電圧Ｖ１（一定値）に設定された場合、相対向して組をなす電極群１２′の分割電極Ｘ'１〜Ｘ'ｎの全ても略一定電圧値に設定される。ここでは分割電極Ｘ'１〜Ｘ'ｎの電位はゼロボルト（接地）に設定される。このようにＹ方向に対向してＸ方向に組をなす電極群１２，１２′間への電位差Ｖ１の電圧印加により、図５中に矢印で示すように、液晶層８には光路に直交する方向の偏向用の電界が作用することになる。このような偏向用の電界を作用させるための電圧印加が偏向用電圧印加手段（ここでは、図示せず）により行われる。この場合の動作原理は、分割電極構造の場合であっても、図２により説明した場合と基本的には同様である。このようなＸ方向に組をなす２つの電極群１２，１２′間に電位差によって電界が発生するが、電極群１２，１２′の間隔が比較的広い場合には均一な電界を形成することは困難になる。特に、電極群１３，１３′がＹ方向に沿って連続した１枚電極の場合には、有効領域１１に臨んでいる当該１枚電極の全長に亘って（１辺相当の長さに亘って）等電位となってしまうため、偏向用の電界の両側付近に対してその均一性を乱してしまうこととなり、有効領域１１全域に亘って均一な電界が得られなくなってしまう。
【００９０】
そこで、本実施の形態では、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する電極群、例えば１２，１２′間に電圧を印加して液晶層８に光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向時には、他方の組の電極群、例えば１３，１３′により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることを基本とする。その一例として、例えば、図５中に示すように、他方の組の電極群、例えば１３，１３′内の各分割電極Ｙ１〜Ｙｎ及びＹ'１〜Ｙ'ｎに対して図中、上側から段階的に電圧値がＶ１からゼロに変化するような段階的に電圧値が変化する電圧を印加することで、有効領域１１の周囲及び内部に強制的に所望の電位分布を形成させるものである。このような電圧印加は、補助電圧印加手段（ここでは、図示せず）により行われる。
【００９１】
ここで、より詳細には、有限の幅を持った各分割電極近傍では電位は一定となり分割電極間のみ電界が発生するため、電極群１３，１３′の分割電極Ｙ１〜Ｙｎ及びＹ'１〜Ｙ'ｎの近傍では図５中に示すように階段状の電位分布が形成されてしまう。しかし、電極群１３，１３′からある程度の距離が離れた有効領域１１内ではこのような階段状の電位分布が鈍り、縦方向（Ｙ方向）に略均一な電界が形成される。また、電極群１２，１２′の各分割電極Ｘ１〜Ｘｎ及びＸ'１〜Ｘ'ｎでは略均一な電圧が印加されているが、各分割電極間では周囲の電位の影響を受けて僅かに電位変化が生じるため、厳密には図５中に示すように僅かに不均一な電位分布となる。しかし、電極群１２，１２′からある程度の距離が離れた有効領域１１内では電位分布が鈍り、横方向の電界は発生しない。従って、有効領域１１内にはその全域に亘って図中下方向に均一な電界が発生する。ここで、図２の場合と同様に液晶分子９の傾斜状態をモデル的に図示すると、図５中、左側に光学軸が傾斜した状態となる（自発分極Ｐｓが正の場合）。
【００９２】
図５に示す状態は、一例を示すものであり、図５に示す例に加えて、２組（４つ）の電極群１２，１２′，１３，１３′への電圧印加状態を３種類切換えることで、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように光学軸の傾斜方向、従って、光路偏向素子１による光路偏向方向を上下左右（±Ｘ，±Ｙ方向）の４方向に切換えることができる。
【００９３】
即ち、図６（ａ）は組をなす電極群１３，１３′については偏向用電圧印加手段により電極群１３の分割電極Ｙ１〜Ｙｎの全てに単一極性電圧Ｖ１（一定値）、電極群１３′の分割電極Ｙ′１〜Ｙ′ｎの全てにゼロボルト（接地）を印加し、他方の組をなす電極群１２，１２′については補助電圧印加手段により各分割電極Ｘ１〜Ｘｎ及びＸ'１〜Ｘ'ｎに対して図中、左側から段階的に電圧値がＶ１からゼロに変化するような段階的に電圧値が変化する電圧を印加した場合を示す。これにより、図６中、光学軸が下側に傾斜した状態となる（自発分極Ｐｓが正の場合）。
【００９４】
図６（ｂ）は組をなす電極群１２，１２′については偏向用電圧印加手段により電極群１２′の分割電極Ｘ′１〜Ｘ′ｎの全てに単一極性電圧Ｖ１（一定値）、電極群１２の分割電極Ｘ１〜Ｘｎの全てにゼロボルト（接地）を印加し、他方の組をなす電極群１３，１３′については補助電圧印加手段により各分割電極Ｙ１〜Ｙｎ及びＹ'１〜Ｙ'ｎに対して図中、下側から段階的に電圧値がＶ１からゼロに変化するような段階的に電圧値が変化する電圧を印加した場合を示す。これにより、図６中、光学軸が右側に傾斜した状態となる（自発分極Ｐｓが正の場合）。
【００９５】
図６（ｃ）は組をなす電極群１３，１３′については偏向用電圧印加手段により電極群１３′の分割電極Ｙ′１〜Ｙ′ｎの全てに単一極性電圧Ｖ１（一定値）、電極群１３の分割電極Ｙ１〜Ｙｎの全てにゼロボルト（接地）を印加し、他方の組をなす電極群１２，１２′については補助電圧印加手段により各分割電極Ｘ１〜Ｘｎ及びＸ'１〜Ｘ'ｎに対して図中、右側から段階的に電圧値がＶ１からゼロに変化するような段階的に電圧値が変化する電圧を印加した場合を示す。これにより、図６中、光学軸が上側に傾斜した状態となる（自発分極Ｐｓが正の場合）。
【００９６】
つまり、どの組の電極群間に偏向用の電圧を印加させるかは、目的とする偏向方向に応じて選択的かつ択一的なものであり、この結果に応じて他方の組の電極群に対する段階的な電圧印加も設定される。
【００９７】
なお、特に図示しないが、各電極群１２，１２′，１３，１３′が本実施の形態のような分割電極構成の場合、偏向用の電界を形成するための電圧が印加されない方の他方の組の電極群に関しては、各分割電極に段階的に変化する電圧を印加せずに、フロート状態に浮かすだけでもよい。この場合でも、各電極群が連続した１枚電極ではなく、有効領域１１に沿って複数の分割電極に分割されているので、このような分割電極が有効領域１１に臨んでいても当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を階段状に持たせることができ、有効領域１１内の電界の均一化を図れる。これによれば、補助電圧印加手段を要せず、比較的簡単に実現可能となる。
【００９８】
本発明の第二の実施の形態を図７及び図８に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも同様とする）。
【００９９】
本実施の形態の光路偏向素子２１では、図５に示したような光路偏向素子１の構成に加えて、各電極群１２，１２′，１３，１３′の各分割抵抗間に同一抵抗値の抵抗Ｒが設けられ、これらの抵抗Ｒを直列に接続した直列抵抗群２２，２２′，２３，２３′が設けられている。即ち、ｎ個の分割電極からなる各電極群１２，１２′，１３，１３′に対応させて、各直列抵抗群２２，２２′，２３，２３′は、（ｎ−１）個の抵抗Ｒを直列に接続した構成とされている。各直列抵抗群２２，２２′，２３，２３′の両端の端子間には電圧印加回路２４，２４′，２５，２５′が接続されている。このような光路偏向素子２１及び電圧印加回路２４，２４′，２５，２５′により光路偏向装置２６が構成されている。
【０１００】
ここに、何れの電圧印加回路２４，２４′，２５，２５′も同じ回路構成であって、偏向用電圧印加手段と補助電圧印加手段との機能を併せ持ち、電気的な切換えにより何れか一方の手段の機能を択一的に発揮するように構成されている。
【０１０１】
例えば、一例として電圧印加回路２５の構成例を説明する。まず、電極群１３（直列抵抗群２３）の両端の端子Ｔ１，Ｔ２間に交流電圧を印加するには、一端を接地し他端に正負極性の電圧を印加する方式が一般的であるが、本実施の形態では、図５（図６（ａ），（ｃ））で説明したように、偏向用電圧印加手段として機能させ電極群１３（直列抵抗群２３）の両端の端子Ｔ１，Ｔ２間に同一の電位Ｖ１又は０Ｖを与える必要があり、一般的な交流電源では対応できない。そこで、本実施の形態では、電圧印加回路２５は電圧Ｖ１の直流電源２７と４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４との組合せ回路として構成され、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の開閉の組合せにより、端子Ｔ１，Ｔ２に電圧Ｖ１の印加と接地とを独立して切換え制御できるように構成されている。即ち、スイッチＳＷ１は端子Ｔ１に電圧Ｖ１を印加させるか否かを切換え、スイッチＳＷ２は端子Ｔ１を接地に接続するか否かを切換え、スイッチＳ３は端子Ｔ２に電圧Ｖ１を印加させるか否かを切換え、スイッチＳＷ４は端子Ｔ２を接地に接続するか否かを切換えるものである。これにより、スイッチＳＷ１，ＳＷ３が共に閉じられた時、又は、スイッチＳＷ２，ＳＷ４が共に閉じられた時には、当該電圧印加回路２５は偏向用電圧印加手段として機能し、スイッチＳＷ１，Ｓ４が共に閉じられ、又は、スイッチＳＷ３，Ｓ２が共に閉じられた時には、当該電圧印加回路２５は補助電圧印加手段として機能することとなる。
【０１０２】
ちなみに、図７に示す例では、スイッチＳＷ１，ＳＷ４が共に閉じられており、電圧印加回路２５は補助電圧印加手段として機能する場合を示している（図５に示した場合に類似する）。これにより、直列抵抗群２３の両端間に電圧Ｖ１を印加すれば、この電圧Ｖ１が（ｎ−１）個の抵抗Ｒにより分圧されるので、そのまま各分割電極Ｙ１〜Ｙｎに対して段階的に変化する電圧を印加することができる。この結果、各分割電極Ｙ１〜Ｙｎに対して個別に独立して電圧値の異なる電源を接続して段階的に変化する電圧を印加する構成に比べて、回路構成が簡単で済み、低コストにて実現可能となる。
【０１０３】
つまり、本実施の形態の光路偏向素子２１の場合、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する電極群間に電圧印加回路により電圧Ｖ１を印加して液晶層８に光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向用電圧印加ステップと、この偏向用電圧印加ステップの電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群の直列抵抗群の両端間に電圧印加回路により電圧Ｖ１を印加して強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせる補助電圧印加ステップとを実行させることにより、偏向方向が何れの方向であっても、有効領域１１全域について均一な電界を形成することができ、有効領域１１全域について均一な光路偏向が可能となる。
【０１０４】
ところで、電圧印加回路２５中に設けるスイッチＳＷ１〜ＳＷ４としては、耐電圧が高く、高速動作が可能なものを用いることが好ましい。その具体例を挙げると、例えば、図８に示すようにスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ４により構成すればよい。
【０１０５】
本発明の第三の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した第二の実施の形態を改良したもので、光路偏向素子２１に関しては、隣接する電極群(直列抵抗群)の端部同士が電気的に接続されている。即ち、直列抵抗群２２，２３の端部同士、直列抵抗群２３，２２′の端部同士、直列抵抗群２２′，２３′の端部同士、直列抵抗群２３′，２２の端部同士が各々接続部２８ａ〜２８ｄとして電気的に接続されている。これらの接続部２８ａ〜２８ｄに対しては、電圧Ｖ１なる単一極性電位と接地とで切換え自在とされている。具体的には、図７中に示した電圧印加回路２４，２４′が省略され、電圧印加回路２５，２５′のみとされている（逆に、電圧印加回路２５，２５′を省略し、電圧印加回路２４，２４′のみとしてもよい）。電圧印加回路２５，２５′自体の構成は図７の場合と同様である。
【０１０６】
この結果、電圧印加回路２５，２５′は、電極群１２，１２′（直列抵抗群２２，２２′）に対して偏向用電圧印加手段として機能する時には、電極群１３，１３′（直列抵抗群２３，２３′）に対しては補助電圧印加手段として機能し、逆に、電極群１３，１３′（直列抵抗群２３，２３′）に対して偏向用電圧印加手段として機能する時には、電極群１２，１２′（直列抵抗群２２，２２′）に対しては補助電圧印加手段として機能するものであり、２つの電極群に対して兼用されることとなる。
【０１０７】
即ち、図７に示した構成例では、各電極群１２，１２′，１３，１３′毎に４つの電圧印加回路２４，２４′，２５，２５′を設けたが、図５に示した原理のように電界を印加する場合は、光路偏向素子２１の４隅の電位を独立に設定できれば良いので、図９に示すように、隣接する電極群の端部の電極間を各々接続部２８ａ〜２８ｄとして電気的に接続することで、電源回路の数を２組に減らすことができる。また、図９では直流電源２７と４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４からなる回路を一つの電圧印加回路２５，２５′としているが、これらの電圧印加回路２５，２５′に関して直流電源２７を共用し、４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４部分のみを別個に２組設ける構成としてもよい。これによれば、より一層電源を減らすことができる。
【０１０８】
本発明の第四の実施の形態を図１０に基づいて説明する。前述したように、各電極群１２，１２′，１３，１３′を複数の分割電極により構成する場合、有効領域１１内の電位分布の均一性を向上させるためには、各分割電極の電極幅は極力狭くて電極数は極力多いことが好ましい。しかし、光路偏向素子１又は２１の構成を簡略化して低コスト化を実現するためは、分割電極の数を減らす必要がある。分割電極の数を減らすと、分割電極間の位置での電位低下が現れるが、対向する分割電極の位置が全く一致している場合には分割電極間の位置同士も重なるため、電界の均一性の低下が顕著となる。そこで、本実施の形態では、図１０に示すように、相対向して組をなす電極群１２，１２′内、電極群１３，１３′内の個々の分割電極が互いにずれた交互の位置に配置させるようにしたものである。
【０１０９】
このような構成によれば、分割電極間の位置が対向する分割電極の位置に対応することとなり、電位低下の影響が小さくなり、有効領域１１内の電界の均一性が向上する。
【０１１０】
本発明の第五の実施の形態を図１１に基づいて説明する。前述したように、各電極群１２，１２′，１３，１３′を複数の分割電極により構成する場合、有効領域１１内の電位分布の均一性を向上させるためには、各分割電極の電極幅は極力狭くて電極数及び抵抗Ｒの数は極力多いことが好ましい。
【０１１１】
本実施の形態の光路偏向素子３１では、このような点を考慮し、理想的に電極幅を極限まで狭くし、抵抗数を無限大に増やすために、有効領域１１を取り囲む方向に各々連続させた抵抗体電極３２により各電極群１２，１２′，１３，１３′を構成したものである。各抵抗体電極３２の両端には電圧印加用の電極３３が各々設けられている。つまり、各電極群を抵抗体として連続的に形成したものである。
【０１１２】
抵抗体電極３２としては、カーボンブラック、酸化スズ系、酸化インジウム系などの導電性粉末の樹脂分散膜やＩＴＯ膜を用いることができる。本実施の形態の抵抗体層の機能は、有効領域１１の周囲に沿って所望の電位勾配を形成させるためのものであり、通電した時の発熱量が小さい条件で使用することが好ましい。
【０１１３】
有効領域１１に沿った位置に抵抗体電極３２を設けているので、抵抗体電極３２の両端部に電極３３を通じて電圧を印加して通電することで、抵抗体電極３２が電極群として機能し、抵抗体電極３２近傍の液晶層８内（有効領域１１）に図１１中に示すような連続的な電位勾配を形成することができる。この連続的な電位勾配により有効領域１１には均一な電界分布が得られる。
【０１１４】
つまり、本実施の形態の光路偏向素子３１によれば、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する電極群間に電圧Ｖ１を印加して液晶層８に光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向用電圧印加ステップと、この偏向用電圧印加ステップの電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群の抵抗体電極３２の両端間に電圧Ｖ１を印加して強制的に偏向用の電界方向の連続的な電位勾配を持たせる補助電圧印加ステップとを実行させるだけで、偏向方向が何れの方向であっても、有効領域１１全域について均一な電界を形成することができ、有効領域１１全域について均一な光路偏向が可能となる。
【０１１５】
本発明の第六の実施の形態を図１２に基づいて説明する。
【０１１６】
前述した各実施の形態では、有効領域１１周囲の電極群１２，１２′，１３，１３′に電位分布を与えることで有効領域１１内の電位分布を制御しているが、有効面積が大きくなると電極群１２，１２′，１３，１３′からの距離が離れた位置での制御性が悪くなり電界の均一性が低下する。
【０１１７】
そこで、本実施の形態の光路偏向素子４１は、図１２に示すように、基板２，３と垂直配向膜４，５との間に透明抵抗体層４２，４３を全面的に設け、各電極群１２，１２′，１３，１３′と透明抵抗体層４２，４３とを電気的に接続した構成とされている。なお、透明抵抗体層４２，４３は何れか一方のみでもよい。
【０１１８】
透明抵抗体層４２，４３としては、酸化スズ系、酸化インジウム系などの導電性粉末の樹脂分散膜やＩＴＯ膜を用いることができる。本実施の形態の透明抵抗体層４２，４３の機能は、有効領域１１内部の基板面に沿って所望の電位勾配を形成させるためのものであり、通電した時の発熱量が小さい条件で使用することが好ましい。ここで、透明抵抗体層４２，４３の表面抵抗をＲｓ［Ω／□］、電極群間の距離をａ［ｃｍ］、電極群の長さをｂ［ｃｍ］とすると、透明抵抗体層４２，４３全体の抵抗Ｒ［Ω］はＲ＝ａ／ｂ×Ｒｓになる。このような透明抵抗体層４２，４３にＥ［Ｖ］の電圧を印加すると、Ｅ２／Ｒの電力Ｐ［Ｗ］を消費する。電流Ｉ［Ａ］は、Ｉ＝Ｅ／Ｒで求められる。透明抵抗体層４２，４３の面積はａ×ｂだからＰ／（ａ×ｂ）で得られる単位面積当たりの消費電力Ｐｄ［Ｗ／ｃｍ２］は、温度上昇を予測するための特性値となる。本実施の形態では、１ｃｍ当たり数百ボルトから数キロボルトの電位差を印加するため、発熱を抑えるためには抵抗値を大きくする必要がある。単位面積当たり消費電力が０．０１Ｗ／ｃｍ２程度ならば、温度上昇は１０℃以下程度に抑えられる。
【０１１９】
例えば、素子の面積を３ｃｍ×４ｃｍとし、表面抵抗値Ｒｓ＝１×１０８Ω／□、電極群間の距離を３ｃｍ、電極群の長さを４ｃｍとした時、透明抵抗体層４２，４３の抵抗値は１．３３×１０８Ωになる。この距離３ｃｍの間に３０００Ｖの電圧を印加すると２２．５μＡの電流が流れる。この時、全体で約０．０７Ｗ、単位面積当たり約０．００６Ｗ／ｃｍ２の電力を消費する。この程度ならば発熱は実用上問題ない。従って、表面抵抗値が１×１０８Ω／□程度以上の高抵抗の透明抵抗体層４２，４３を用いることが好ましい。これに対応した体積抵抗値を考える場合、透明抵抗体層４２，４３の膜厚が０．１μｍの時は１０３Ωｃｍ以上、膜厚が１μｍの時は１０４Ωｃｍ以上、膜厚が１０μｍの時は１０５Ωｃｍ以上であることが好ましい。このような高抵抗値の透明抵抗体層４２，４３としては、帯電防止塗料などと同様の材料を用いることができる。この時、透明抵抗体層４２，４３の時定数はマイクロ秒以下であり、数百マイクロ秒周期で電圧を切換えるような用途では実用上問題ない値である。
【０１２０】
このように透明抵抗体層４２，４３の周囲に電極群１２，１２′，１３，１３′を接続して通電することで、透明抵抗体層４２，４３の表面近傍の液晶層８内（有効領域１１）に連続的な電位勾配を形成することができ、有効面積が比較的広い場合でも、比較的簡単な構成で有効領域１１内の液晶層８の水平方向に均一な電界分布を与えることができる。
【０１２１】
本発明の第七の実施の形態を図１３ないし図１５に基づいて説明する。本実施の形態は、より実際的な光路偏向装置５１の構成例を示すもので、光路偏向素子５２の入射面側に電気的操作によって直線偏光の偏光方向を回転変更可能な偏光方向切換素子（偏光方向切換手段）５３を付加したものである。ここに、光路偏向素子５２としては、前述した各実施の形態における光路偏向素子（電圧印加回路を含めて）の何れであってもよい。また、液晶層８における液晶の自発分極Ｐｓ及び偏向用の電界の作用により定まる液晶分子９の配向を電圧印加回路による電圧Ｖ１の印加により所定の方向に揃う状態で、一方の基板面から他方の基板面に向かって液晶分子９を投影した場合に他方の基板上に投影された液晶分子９における長軸方向が、この偏光方向切換素子５３により切換え制御される偏光方向と同一方向となるように、電圧印加回路による電圧Ｖ１の印加が同期して制御される。なお、液晶分子９の投影された長軸方向とは、投影光学軸方向である。図１４には一方の基板３（図示せず）から他方の基板２に投影された液晶分子９の方向（Ｃダイレクタ）９ｂを示す。各液晶分子９が均一な方向に配向している場合、投影光学軸方向はＣダイレクタ方向９ｂと一致する。
【０１２２】
例えば、入射光が水平方向の直線偏光の場合、図１３（ａ）では偏光方向切換素子５３は偏光方向を維持するように動作させ、光路偏向素子５２の有効領域１１には下向きの電界が作用するように電圧が印加されている。液晶の自発分極Ｐｓが正の場合、光学軸は図の左側に傾斜する。この時、偏光方向切換素子５３を出た偏光方向と光学軸の傾斜方向（液晶分子９を投影した場合に他方の基板上に投影された液晶分子９における長軸方向）とが一致しているので、光路が左側にシフトした状態となる。この時のシフト量は上述の（１）式で求められる。
【０１２３】
次に、図１３（ｂ）では偏光方向切換素子５３を偏光方向が９０度回転するように動作を切換えると同時に、光路偏向素子５２の有効領域１１には右向きの電界が作用する電圧を印加するように電圧印加回路の動作を切換える。液晶の自発分極Ｐｓが正の場合、光学軸は図の下側に傾斜する。この時、偏光方向切換素子５３を出た偏光方向と光学軸の傾斜方向（液晶分子９を投影した場合に他方の基板上に投影された液晶分子９における長軸方向）とが一致しているので、光路が下側にシフトした状態となる。同様にして、偏光方向切換素子５３による直線偏光の偏光方向及び光路偏向素子５２に対する電界の作用方向を図１３（ｃ），（ｄ）の状態に切換えることで、光路をＸ，Ｙの２方向（±４方向）に平行シフトさせることができる。
【０１２４】
このように、直線偏光の偏光方向を切換える偏光方向切換素子５３を光路偏向素子５２の入射側に備えることにより、２つの素子５２，５３による構成により直交するＸ，Ｙ２方向（±４方向）の偏向方向が設定できる。即ち、従来のように、Ｘ方向光路偏向素子と偏光面回転素子とＹ方向光路偏向素子との３つの素子の組合せ構成に比べて、素子の数が少なく構成要素の界面の数が少ないので、光透過率の低下やＭＴＦの低下が少ない光路偏向装置５１が得られる。
【０１２５】
偏光方向切換素子５３としては、磁場により直線偏光の偏光面が回転するファラデー回転素子や、図１５に示すようなツイスト構造を有する液晶セル５４を用いることができる。この液晶セル５４では、２枚の基板５５，５６の配向処理方向が直交に配置されており、液晶セル５４に電界が印加されていない状態ではツイストネマチック液晶層の液晶分子５７は厚み方向に９０度ねじれて配向している。入射基板５５側の液晶配向方向に平行な直線偏光を入射すると、液晶分子５７のねじれに沿って偏光面が回転して出射する。液晶セル５４の厚み方向に電界を印加すると、液晶分子５７が基板面に垂直に配向して入射光に対して等方的になり、偏光面は回転せずに出射する。特にツイスト構造を有する液晶セル５４は、波長による偏光面回転角のバラツキを比較的小さく設定可能であるため、多波長よりなる光を扱う場合に好適である。
【０１２６】
本発明の第八の実施の形態を図１６に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば図１３に示した偏光方向切換素子５３として、電界の作用により液晶分子の配向方向が制御可能な表面安定型強誘電性液晶素子５８を用いるようにしたものである。表面安定型強誘電性液晶素子５８は、特に図示しないが、一対の基板と透明電極と水平配向膜と基板間のスペーサとキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶とにより構成されている。液晶層の厚みをキラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチ以下に設定すると、螺旋が解けて表面安定型の配向状態となる。
【０１２７】
図１６に表面安定型強誘電性液晶素子５８の配向状態の模式図を示す。紙面垂直方向の電界の向きを切換えると、強誘電性液晶分子５９に固有のチルト角をθとした場合、コーン角２θだけ配向方向が切換わる。ここで、図１６（ａ）に示すように入射光の偏光方向と強誘電性液晶分子５９の配向方向とが一致している状態では、偏光方向は回転せずそのまま出射する。一方、図１６（ｂ）に示すように電界を反転させて強誘電性液晶分子５９を２θ傾斜した状態に切換えると、液晶層が半波長板として機能し、偏光面が４θだけ回転して出射される。ここでは、偏光面を９０度回転させるために、入射光の偏光方向に対して強誘電性液晶分子５９の配向方向が平行状態と約４５度傾斜した状態に切換えられるように配向処理方向及び液晶材料（チルト角θ＝２２．５°）を設定することが好ましいが、実用上問題ない範囲であれば、この角度に限定されない。セル厚みは入射光の波長と強誘電性液晶分子５９の複屈折に応じて適宜設定される。
【０１２８】
このような表面安定型強誘電性液晶素子５８を用いた場合、高速に偏光方向の切換えが可能な偏光方向切換素子５３が得られ、全体として高速応答の光路偏向装置５１が得られる。
【０１２９】
本発明の第九の実施の形態を図１７に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した第七又は第八の実施の形態の光路偏向装置５１に関して、より実際的に構成したものである。即ち、前述の第七又は第八の実施の形態では、偏光方向切換素子５３に入射する光が直線偏光であることを前提に説明したが、無偏光の光を入射した場合、出射光には偏向を受けない成分を含むため、光路偏向の有無に対するコントラストが低下してしまう。
【０１３０】
そこで、本実施の形態の光路偏向装置５１では、図１６のように光路偏向素子５２（偏光方向切換素子５３）への入射光の偏光方向を光路の偏向方向（±４方向のうちの何れか一つの方向）と一致させる偏光方向制御手段６０を設けたものである。偏光方向制御手段６０としては、ヨウ素系偏光板、染料系偏光板、ワイヤグリッド偏光板などの直線偏光板を用いることができる。また、入射光が円偏光の場合や偏光方向が所望の方向と異なっている場合には、１／４波長板や１／２波長板などの位相差板を用いる。直線偏光板と位相差板とを組合せても良い。位相差板としては水晶や雲母をガラス板で挟んだものや液晶性ポリマフィルムを用いることができる。
【０１３１】
入射光が無偏光或いは円偏光の場合でも、液晶分子９の傾斜による光路偏向作用を受けない光成分をカットするので、確実に光路偏向による光スイッチングを行うことができる。
【０１３２】
本発明の第十の実施の形態を図１８に基づいて説明する。本実施の形態は、画像表示装置への適用例を示す。図１８において、７１はＬＥＤランプを２次元アレイ状に配列した照明装置用の光源であり、この光源７１からスクリーン７２に向けて発せられる光の進行方向には拡散板７３、コンデンサレンズ７４、画像表示素子としての透過型液晶パネル７５、画像パターンを観察するための光学装置としての投射レンズ７６が順に配設されている。７７は光源７１に対する光源ドライブ部、７８は透過型液晶パネル７５に対する表示駆動手段としての液晶ドライブ部である。
【０１３３】
ここに、透過型液晶パネル７５と投射レンズ７６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装置７９が介在されている。この光路偏向装置７９は、前述した各実施の形態で説明したような構成からなるものであり、その光路偏向素子の有効領域は透過型液晶パネル７５に対応するように設定されている。この光路偏向装置７９には電圧印加回路及びこの電圧印加回路中のスイッチ等を開閉制御する機能を果たすドライブ制御部８０が接続されている。
【０１３４】
光源ドライブ部７７で制御されて光源７１から放出された照明光は、拡散板７３により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ７４により液晶ドライブ部７８で照明光源と同期して制御されて透過型液晶パネル７５をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル７５で空間光変調された照明光は、画像光として光路偏向装置７９の有効領域に入射し、この光路偏向装置７９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。この光は投射レンズ７６で拡大されスクリーン７２上に投射される。
【０１３５】
ここに、光路偏向装置７９により投射光路をＸＹ２方向の４位置にシフトさせるタイミングと、シフト位置に対応した４つのサブフィールド画像を透過型液晶パネル７５に順次表示させるタイミングとを同期させることで、見掛け上４倍に画素数が増倍した高精細な画像を表示することができる。この場合、光路偏向装置７９によるシフト量は透過型液晶パネル７５の画素ピッチの１／２に設定される。この際、光路偏向装置７９として、前述した各実施の形態のような光偏向装置を用いているので、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者に対してより明るく高品質の画像を提供できる。光路偏向位置制御を、当該光路偏向素子における組をなす電極群による電界印加方向及び電界強度により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。特に、本発明の光路偏向素子ないしは光路偏向装置は少ない部品構成でＸＹ２方向（±４方向）へのシフトが可能であるため、素子全体の透過率が高く、ＭＴＦの劣化も少ないため、高効率で高解像度の表示画像が得られる。また、有効領域全域に亘って均一な電界が形成されるので、この電界の作用による偏向動作も有効領域全域、即ち、透過型液晶パネル７５により空間光変調される画像全体について均一に行わせることができ、より高精細な画像表示に寄与する。
【０１３６】
【実施例】
［実施例１］
(光路偏向素子及び装置の作製)
大きさ３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１ｍｍのガラス基板の表面に厚み０．０６μｍの垂直（ホメオトロピック）配向膜を形成した。厚み６０μｍ、幅０．５ｍｍ、長さ１〜２ｃｍのアルミニウム電極シートをスペーサ兼電極とし、有効領域が約１ｃｍ角となるように、その周囲の各辺に０．５ｍｍ間隔で１０本ずつ配置し、２枚の基板間に挟み込んで、図４に示した場合と類似の電極群配置のセルを作製した。セルを約９０℃に加熱した状態で、基板間の空間に強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ１０２９：複屈折Δｎ＝０．１６、チルト角θ＝２５°、自発分極Ｐｓ＝−４０ｎＣ／ｃｍ２）を毛管法にて注入した。冷却後、接着剤で封止し、液晶厚み６０μｍ、有効面積１ｃｍ角の光路偏向素子を作製した。各辺のアルミニウム電極群の分割電極間に対して図９に示したように２００ｋΩの抵抗Ｒで接続し、図８に示したようなフォトカプラを用いた電圧印加回路に接続した。
【０１３７】
(光学軸の観察)
無電界の状態で、この光路偏向素子の有効領域内の液晶層のコノスコープ像を観察したところ、十字形と円環の画像が中心部に観察された。従って、無電界下では光学軸が液晶層に垂直であることを確認できた。この状態では液晶分子のチルト方向が基板面に垂直方向に対して回転する螺旋構造をとっており、平均的な光学軸は螺旋軸の方向である基板面に垂直な方向として観察される。
【０１３８】
次に、直流電源Ｖ１の出力を２０００Ｖに設定し、パルスジェネレータからフォトカプラの駆動信号を発生させ、図５で説明したように素子の４隅の内の上側左右２箇所に２０００Ｖが印加され、下側左右２箇所が接地される状態とした。同様にコノスコープ像を観察すると十字と円環の位置が右側にシフトした。これは本実施例では用いた強誘電性液晶の自発分極Ｐｓが負であるため、図５の場合とは反対側に光学軸が傾斜していることを示している。顕微鏡の対物レンズのＮＡ値と液晶の屈折率と十字位置のシフト量から光学軸の傾斜角度を計算すると約２５°となり、この液晶材料固有のチルト角θと一致していることが確かめられた。従って、２００Ｖ／ｍｍ程度の電界強度では螺旋構造が解けて一様な方向に液晶分子が配向した状態であると考えられる。
【０１３９】
同様にして４隅に印加する電圧のパターンを変化させたところ、コノスコープ像の十字と円環の位置も対応して上下左右に移動し、光学軸がＸＹ２方向の４位置に傾斜可能であることが確認できた。有効面積内の数箇所について同様な観察を行ったところ、位置によって光学軸の傾斜方向と傾斜角度に１０％以内のバラツキがあったが、実用上問題ないレベルと判断した。
【０１４０】
従って、単一セルで２方向（±４方向）以上への光学軸の偏向が可能な光路偏向素子及び光路偏向装置が得られた。
【０１４１】
［実施例２］
(光路偏向素子及び装置の作製)
大きさ３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１ｍｍのガラス基板の表面に厚さ１μｍの透明導電性塗料を塗布した。透明導電性塗料には、１次粒径が０．０１μｍ以下の酸化スズ系粉末をポリエステル樹脂に分散したものを用いた。分散濃度や塗布後の乾燥条件を調整し、表面抵抗値が１×１０８Ωとなるように設定した。この透明導電性膜の可視光透過率は９０％以上であった。この表面に厚み０．０６μｍの垂直（ホメオトロピック）配向膜を形成した。その後、基板端部の配向膜を除去し、透明導電性膜が表面に出ている部分を形成した。厚み６０μｍ、幅０．５ｍｍ、長さ０．５〜１ｃｍのアルミニウム電極シートをスペーサ兼電極とし、有効領域が約２ｃｍ角となるように、その周囲の各辺に０．５ｍｍ間隔で２０本ずつ配置し、２枚の基板間に挟み込んで、図１２に示した場合と類似の電極群配置のセルを作製した。セルを約９０℃に加熱した状態で、基板間の空間に強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ１０２９：複屈折Δｎ＝０．１６、チルト角θ＝２５°、自発分極Ｐｓ＝−４０ｎＣ／ｃｍ２）を毛管法にて注入した。冷却後、接着剤で封止し、液晶厚み６０μｍ、有効面積２ｃｍ角の光路偏向素子を作製した。各辺のアルミニウム電極群を２００ｋΩの抵抗で接続し、図８に示したようなフォトカプラを用いた電圧印加回路に接続した。
【０１４２】
(光学軸の観察)
直流電源Ｖ１の出力を４０００Ｖに変更した以外は実施例１と同様にして光学軸の傾斜状態を観察した。コノスコープ像の十字と円環の位置も対応して上下左右に移動し、光学軸がＸＹ２方向の４位置に傾斜可能であることが確認できた。また、有効面積内の数箇所について同様な観察を行ったところ、位置によって光学軸の傾斜方向と傾斜角度に５％以内のバラツキがあったが、実用上問題ないレベルと判断した。有効領域の面積が大きいにも関わらず、面内での光学軸傾斜方向の均一性が向上していることが確かめられた。
【０１４３】
［実施例３］
(偏光方向切換素子の作製)
大きさ３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１ｍｍのＩＴＯ付きガラス基板のＩＴＯ面に厚み０．１μｍの絶縁膜と厚み０．０６μｍの水平（ホモジニアス）配向膜を形成した。配向膜をラビング処理後、２枚の基板間に直径１．７μｍの球形スペーサを１００個／ｍｍ２の密度で散布し、有効領域が２ｃｍ角のセルを作製した。セルを約９０℃に加熱した状態で、基板間の空間に上記と同様の強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ１０２９）を毛管法にて注入した。冷却後、接着剤で封止し偏光面回転素子を作製した。２枚の基板のＩＴＯ電極間に±１０Ｖが印加可能な電源を接続した。直交した偏光板の間で液晶分子の配向方向の切換え状態を観察したところ、電界の反転により基板に平行配向した液晶分子の配向方向が約５０°傾斜し、この液晶材料固有のチルト角の２倍のコーン角２θと一致していることが確かめられた。偏光面を９０°回転させるためにはコーン角が４５°あることが理想であるが、５０°でも実用上問題ないと判断した。また、電界反転時の配向方向の切換え時間は１０Ｖ印加時に０．１２ｍｓｅｃであり、高速応答であることが確かめられた。
【０１４４】
(光路偏向動作の確認)
このような偏光方向切換素子と光路偏向素子とを図１３に示したような配置関係で貼り合わせて、光路偏向装置を作製した。この際、偏光方向切換素子の液晶配向方向の一方と、光路偏向素子の電界印加方向の一方とが一致するように配置した。光路偏向素子の入射面側に開口部５μｍ角、ピッチ２０μｍのマスクパターンを設け、このマスクパターンを通して直線偏光で照明した。直線偏光の向きは、偏光面回転素子の液晶配向方向の一方と同一となるように設定した。実施例１と同様に光路偏向素子への電圧印加パターンを切換えると同時に、偏光方向切換素子への電圧極性を切換えながら、マスクパターンを透過した光を光路偏向素子の有効領域を通して顕微鏡で観察した。
【０１４５】
電圧印加パターンは図１３（ａ）から図１３（ｄ）のように１秒毎に順次切換えた。素子中央部では開口パターンが上下左右の方向に約９μｍのシフト量で揺動して観察された。マスクパターンや光路偏向素子、顕微鏡は機械的に静止しているので、電気光学的にＸＹ２方向への光路シフトが可能であることが確認できた。また、高速度カメラを用いて開口パターンが移動する様子を観察して応答時間を測定したところ、０．４ｍｓであった。強誘電性液晶材料を用いているため充分速い応答速度が得られることが確かめられた。
【０１４６】
［実施例４］
図１８に示したような画像表示装置を作製した。画像表示素子として対角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ＲＧＢ３色のＬＥＤ光源を用い、上記の１枚の液晶パネル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ている。本実施例では、画像表示のフレーム周波数が３０Ｈｚ、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が４倍の１２０Ｈｚとした。１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３６０Ｈｚで切換える。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。
【０１４７】
光路偏向素子の構成は実施例３と同様であるが、液晶パネルを出射した光の偏光方向が偏光方向切換素子の液晶配向方向の一方と同一となるように設置した。また、光路偏向素子への入射光の偏光度を確実にするために、光路偏向素子の入射面側に直線偏光板を設けた。
【０１４８】
パルスジェネレータによってフォトカプラのスイッチングタイミングを制御して、電圧印加パターンが図１３（ａ）から図１３（ｄ）のように８．３ｍｓｅｃ毎に順次切換えるように設定した。光路シフト位置の切換えタイミングに同期して、画像表示素子に表示するサブフィールド画像を１２０Ｈｚで書き換えることで、縦横２方向に見掛け上の画素数が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０．４ｍｓｅｃ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。また、スクリーン面にＣＣＤを配置して、ＣＣＤ上に画像を結像させて画素の形状を観察した。ここで、２画素周期のライン／スペース画像（１画素幅の白表示ラインと１画素幅の黒表示ラインが交互に並んだ画像）を表示し、白部の輝度をＩｍａｘ、黒部の輝度をＩｍｉｎとして、コントラスト・トランスファー・ファンクション(ＣＴＦ)＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）を求めた。一般に光学素子の変調伝達関数（ＭＴＦ）の値が小さいと画素の形状が鈍って、隣接した表示画素部と非表示画素部の輝度コントラストが低下し、ＣＴＦ値が小さくなる。本実施例ではＣＴＦ値は０．８であり、画素形状が比較的シャープな高精細画像が表示できることが確かめられた。
【０１４９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、基本的に、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相の強誘電性又は反強誘電性の液晶層に対してこの液晶層を通る光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させることにより、液晶分子の傾斜角度や傾斜方向が変化して平均的な光学軸の傾斜方向を制御することができ、この際、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設された２組の電極群を用意しておき、目的とする偏向方向に応じてこの偏向用の電界を作用させる電極群の組を選択的に切換えることにより、電気的な操作により直交する２方向に偏向方向を切換えることができ、また、このような偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群に関しては、強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることにより、偏向用の電界がこれらの他方の組の電極群により乱されることがなくなり、よって、有効領域全体に亘って均一な電界を形成することができる。
【０１５０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明を実現する上で、各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群内の個々の分割電極に対して段階的に電圧値が変化する電圧を印加するようにしたので、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、比較的簡単に実現することができる。
【０１５１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明を実現する上で、各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、かつ、電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群を備える構成とし、偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群の直列抵抗群の両端間に電圧を印加するようにしたので、直列抵抗群の各抵抗により抵抗分割されて段階的に変化する電圧を各分割電極に印加させることができ、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、簡単かつ低コストにて実現することができる。
【０１５２】
請求項４記載の発明によれば、請求項２又は３記載の光路偏向装置において、対向する分割電極の位置を互いにずらして交互の位置となるように配置させたので、分割電極間の位置が対向する電極群の分割電極に対応することとなり、電位低下の影響が小さくなり、電界の均一性を向上させることができる。
【０１５３】
請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の発明を実現する上で、電極群として有効領域に沿った位置に抵抗体電極を設けるようにしたので、抵抗体電極の両端間に電圧を印加して通電するだけで、抵抗体電極近傍の液晶層内に連続的な電位勾配を形成することができ、このような連続的な電位勾配により、より均一な電界分布を得ることができる。
【０１５４】
請求項６記載の発明によれば、請求項２ないし５記載の発明を実現する上で、隣接する電極群の端部同士を電気的に接続し、その接続部の電位を接地と単一極性電位とで切換え自在としたので、偏向用電圧印加手段用の電源と補助電圧印加手段用の電源とを共用させることができ、低コストにて実現することができる。
【０１５５】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし６記載の発明に加えて、有効領域全面に透明抵抗体層を設けて電極群と接続したので、組をなす電極群から比較的離れた有効領域にも効果的に電位分布を形成することができ、よって、有効領域が比較的大きな場合でも、比較的均一な電界を形成することができる。
【０１５６】
請求項８記載の発明によれば、請求項１記載の発明を実現する上で、各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群内の個々の分割電極をフロート状態とするだけで、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、補助電圧印加手段を要せず、比較的簡単に実現することができる。
【０１５７】
請求項９記載の発明によれば、請求項１ないし８記載の発明に加えて、直線偏光の偏光方向を切換える偏光方向切換手段を入射側に備えるので、２つの素子構成により直交する２方向の偏向方向が設定できる。即ち、従来のように、Ｘ方向光路偏向素子と偏光面回転素子とＹ方向光路偏向素子との３つの素子の組合せ構成に比べて、素子の数が少なく構成要素の界面の数が少ないので、光透過率の低下やＭＴＦの低下が少ない光路偏向装置を提供することができる。
【０１５８】
請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の光路偏向装置を実現する上で、偏光方向切換手段として電界の作用により液晶分子の配向方向が制御可能な表面安定型強誘電性液晶素子を用いたので、この表面安定型強誘電性液晶素子の液晶分子の屈折率、電界印加時の配向方向、液晶層の厚みなどを半波長板としての最適条件に設定することで、高速に偏光面の回転が可能な偏光方向切換手段を得ることができ、全体として高速応答の光路偏向装置を提供することができる。
【０１５９】
請求項１１記載の発明によれば、請求項９又は１０記載の光路偏向装置を実現する上で、偏光方向切換手段に入射する入射光の偏光方向を光路の偏向方向に一致させる偏光方向制御手段を備え、光学軸の傾斜方向に平行な直線偏光の光のみを入射させるようにしたので、入射光が無偏光の光であっても光路偏向されないノイズ光の透過を防止し、ノイズの少ない確実な光路偏向を実現することができる。
【０１６０】
請求項１２記載の発明の画像表示装置によれば、いわゆるピクセルシフトデバイスとして請求項１ないし１１の何れか一記載の直交する２方向に光路偏向可能な光路偏向装置を用いたので、投射光路をサブフィールド画像に対応して高速に偏向させることができ、見掛け上、高精細な画像表示が可能となり、また、当該光路偏向装置の構成要素が少ない上に、有効領域全域に亘って均一な偏向用の電界が形成されるので、基板界面などが少なく、透過率やＭＴＦの低下が少なくできる上に、均一な画素シフトが可能となり、従って、より光利用効率が高く、より高精細な表示画像を得ることができる。
【０１６１】
請求項１３記載の発明の光路偏向素子によれば、基本的に、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相の強誘電性又は反強誘電性の液晶層に対して、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように相対向する位置に配設させた電極群の組に外部からの電気的な操作により電圧を印加して、この液晶層を通る光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させることにより、液晶分子の傾斜角度や傾斜方向が変化して平均的な光学軸の傾斜方向を制御することができ、この際、組をなす電極群として、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に各々配設された２組の電極群を用意しておき、目的とする偏向方向に応じてこの偏向用の電界を作用させる電極群の組を選択的に切換えるようにすれば、電気的な操作により直交する２方向に偏向方向を切換えることができ、また、各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、偏向用電圧印加手段の電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群に関しては、個々の分割電極に対して段階的に電圧値が変化する電圧を印加する等の操作により、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることにより、偏向用の電界がこれらの他方の組の電極群により乱されることがなくなり、よって、有効領域全体に亘って均一な電界を形成させることができる。
【０１６２】
請求項１４記載の発明によれば、請求項１３記載の発明を実現する上で、分割電極構造の各電極群に加えて、電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群を備える構成としたので、一方の組の電極群に対する電圧印加による偏向時に、他方の組の電極群の直列抵抗群の両端間に電圧を印加するだけで、直列抵抗群の各抵抗により抵抗分割されて段階的に変化する電圧を各分割電極に印加させることができ、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、簡単かつ低コストにて実現することができる。
【０１６３】
請求項１５記載の発明によれば、請求項１３又は１４記載の光路偏向素子を実現する上で、対向する分割電極の位置を互いにずらして交互の位置に配置させたので、分割電極間の位置が対向する電極群の分割電極に対応することとなり、電位低下の影響が小さくなり、電界の均一性を向上させることができる。
【０１６４】
請求項１６記載の発明の光路偏向素子によれば、基本的には請求項１３記載の発明の光路偏向素子と同様な効果が得られるが、電極群として有効領域に沿った位置に抵抗体電極を設けたので、外部からの電気的な操作として、一方の組の電極群間に電界を作用させる電圧を印加させるとともに、他方の組の電極群に関しては、抵抗体電極の両端間に電圧を印加して通電するだけで、抵抗体電極近傍の液晶層内に連続的な電位勾配を形成することができ、このような連続的な電位勾配により、より均一な電界分布が得られるようにすることができる。
【０１６５】
請求項１７記載の発明によれば、請求項１３ないし１６記載の発明を実現する上で、隣接する電極群の端部同士を電気的に接続したので、外部からの電気的な操作により、この接続部の電位を接地と単一極性電位とで切換え自在とすることにより、偏向用電圧印加手段用の電源と補助電圧印加手段用の電源とを共用させることができ、低コストにて光路偏向装置を実現することができる。
【０１６６】
請求項１８記載の発明によれば、請求項１３ないし１７記載の発明に加えて、有効領域全面に透明抵抗体層を設けて電極群と接続したので、外部からの電気的な操作による電圧印加時に、組をなす電極群から比較的離れた有効領域にも効果的に電位分布を形成することができ、よって、有効領域が比較的大きな場合でも、比較的均一な電界を形成することができる。
【０１６７】
請求項１９記載の発明の光路偏向素子の駆動方法によれば、有効領域全域について直交する２方向についての光路偏向を実現する上で、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に２組の電極群を配設するが、これらの各電極群を複数の分割電極からなる分割構造とし、かつ、電極群毎に各々隣接する分割電極間に設けられた抵抗を直列に接続した直列抵抗群を備える構成とし、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する電極群間に電圧を印加して液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向時に、他方の組の電極群の直列抵抗群の両端間に電圧を印加するだけで、直列抵抗群の各抵抗により抵抗分割されて段階的に変化する電圧を各分割電極に印加させることができ、当該他方の組の電極群により強制的に偏向用の電界方向の電位勾配を持たせることができ、偏向方向が何れの方向であっても、有効領域全域について均一な電界を形成することができ、有効領域全域について均一な光路偏向が可能となる。
【０１６８】
請求項２０記載の発明の光路偏向素子の駆動方法によれば、有効領域全域について直交する２方向についての光路偏向を実現する上で、液晶層を通る光路の有効領域を取り囲むように直交する２方向の相対向する位置に２組の電極群を配設するが、これらの各電極群を有効領域を取り囲む方向に連続した抵抗体電極により構成し、目的とする偏向方向に応じて選択的に一方の組の相対向する電極群間に電圧を印加して液晶層に前記光路に直交する方向の偏向用の電界を作用させる偏向時に、他方の組の電極群の抵抗体電極の両端間に電圧を印加して通電するだけで、抵抗体電極近傍の液晶層内に連続的な電位勾配を形成することができ、このような連続的な電位勾配により、より均一な電界分布が得られるようにすることができ、偏向方向が何れの方向であっても、有効領域全域について均一な電界を形成することができ、有効領域全域について均一な光路偏向が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】前提となる光路偏向素子を示す断面構成図である。
【図２】その電界方向と液晶配向方向との関係を示す模式図である。
【図３】光路偏向動作の原理を説明するための模式図である。
【図４】本発明の第一の実施の形態の光路偏向素子の電極群の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図５】その電圧印加状態と液晶分子傾斜方向との関係を示す概念図である。
【図６】電界方向を切換えた場合の様子を示す概念図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態の光路偏向装置の構成例を示す平面図である。
【図８】その電圧印加回路の構成例を示す回路図である。
【図９】本発明の第三の実施の形態の光路偏向装置の構成例を示す平面図である。
【図１０】本発明の第四の実施の形態の光路偏向素子の構成例を示す平面図である。
【図１１】本発明の第五の実施の形態の光路偏向装置の構成例を示す平面図である。
【図１２】本発明の第六の実施の形態の光路偏向装置の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はその縦断側面図である。
【図１３】本発明の第七の実施の形態の光路偏向装置の構成例を示す斜視図である。
【図１４】液晶分子の長軸方向の投影部分を説明するための斜視図である。
【図１５】偏光方向切換素子の構成例を示す側面図である。
【図１６】本発明の第八の実施の形態の偏光方向切換素子の動作を説明するための正面図である。
【図１７】本発明の第九の実施の形態の光路偏向装置の構成例を示す斜視図である。
【図１８】本発明の第十の実施の形態の画像表示装置の構成例を示す側面図である。
【符号の説明】
１      光路偏向素子
２，３      基板
４，５      配向膜
８      液晶層
９      液晶分子
１１      有効領域
１２，１２′      電極群の組
１３，１３′      電極群の組
２１      光路偏向素子
２２，２２′，２３，２３′      直列抵抗群
２４，２４′，２５，２５′      偏向用電圧印加手段、補助電圧印加手段
２６      光路偏向装置
２８ａ〜２８ｄ      接続部
３１      光路偏向素子
３２      抵抗体電極
４１      光路偏向素子
４２，４３      透明抵抗体層
５１      光路偏向装置
５２      光路偏向素子
５３      偏光方向切換手段
５８      表面安定型強誘電性液晶素子
６０      偏光方向制御手段
７１      照明装置
７５      画像表示素子
７６      光学装置
７８      表示駆動手段
７９      光路偏向装置
Ｘ１〜Ｘｎ，Ｘ′１〜Ｘ′ｎ，Ｙ１〜Ｙｎ，Ｙ′１〜Ｙ′ｎ      分割電極
Ｒ      抵抗
【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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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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