(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一方の基板表面に対し他方の基板表面が傾斜した領域を有する一対の透明基板と、該透明基板間に設けられるキラルスメクチックＣ液晶と、該キラルスメクチックＣ液晶に電界を付与するための電極とを少なくとも有する光偏向素子を備えた光偏向装置であって、
前記光偏向素子が、光の進行方向に直列に複数並べられ、少なくとも一対の隣り合う光偏向素子間の間隔を可変ならしめるための素子変位手段が設けられていることを特徴とする光偏向装置。
【請求項２】
前記素子変位手段による変位が、少なくとも一つの光偏向素子が入射光軸と略同一方向の平行移動であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
【請求項３】
前記素子変位手段による変位が、少なくとも一つの光偏向素子の回転移動であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
【請求項４】
前記素子変位手段が静電アクチュエータであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光偏向装置。
【請求項５】
前記少なくとも一対の隣り合う光偏向素子の間隙に、前記透明基板の屈折率と略等しい屈折率を有する透明液体が満たされ、該透明液体が封止手段で封止されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光偏向装置。
【請求項６】
前記封止手段は、蛇腹状に加工されたものであることを特徴とする請求項５に記載の光偏向装置。
【請求項７】
前記光偏向素子の温度を測定する温度測定手段と、温度測定値に基づくフィードバック信号を生成し前記素子変位手段に伝達するフィードバック信号生成手段とを有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の光偏向装置。
【請求項８】
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、該画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に前記画像表示素子と前記光学部材との間の光路を偏向する光偏向手段とを有し、サブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示することで、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であって、
前記光偏向手段を請求項１〜７の何れかに記載の光偏向装置から構成したことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号によって光の方向をかえる光偏向素子を備える光偏向装置及びその光偏向装置を利用した画像表示装置に関し、より詳しくは光偏向装置の光偏向量を微調整するための技術に関する。
【０００２】
本明細書において、「光偏向素子」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、或る角度をもって回転させるか、或いは、その両者を組み合わせて光路を切り換えることが可能な光学素子を意味する。
【０００３】
また、「ピクセルシフト素子」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偏向手段とを有し、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターン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光偏向手段を意味する。従って、基本的には、上記定義による光偏向素子を光偏向手段として応用することが可能といえる。
【０００４】
光路を変える光学素子とは、外部信号により光の光路を偏向、すなわち入射光に対して出射光が平行にシフトするか、ある角度を持って回転するか、あるいはその両者を組合せて光路を切りかえることが可能な素子のことである。本明細書において平行シフトによる光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偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶことにする。
【０００５】
【従来の技術】
光学素子として従来より、ＫＨ2 ＰＯ4 （ＫＤＰ）、ＮＨ4 Ｈ2 ＰＯ4 （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）。これらは一般的に、十分大きな光偏向量を得るためには光路長を長く取る必要があったり、また材料が高価であるため用途が制限されていた。
【０００６】
一方で液晶材料を用いた光学素子として、次に示す数例のものが既に提案されている。
例えば、特開平６−１８９４０号の「光ビームシフタ」では、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。具体的には、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、およ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。
【０００７】
また、特開平９−１３３９０４号の「光偏向スイッチ」では、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し、対向させた面に垂直配向処理を施し、透明基板の間に、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を配置し、電極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。これにより、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。
【０００８】
しかし、特開平６−１８９４０号においては、液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブミリ秒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。
また、特開平９−１３３９０４号においては、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。
【０００９】
次に、ピクセルシフト素子に関する従来例を数例説明する。
例えば、特許第２９３９８２６号の「投影表示装置」として、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、を備えたことを特徴とする投影表示装置がある。
【００１０】
この特許第２９３９８２６号においては、偏光方向を旋回できる光学素子（旋光素子と呼ぶ）を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子（複屈折素子と呼ぶ）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。しかし、次のような問題点がある。即ち、旋光素子と複屈折素子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である。特に複屈折素子として前述した第１次電気光学効果（ポッケルス効果）の大きな材料を使用する場合に顕著である。
【００１１】
また、特開平５−３１３１１６号の「投影機」では、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、投影する。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、本来表示すべき画像を時間的な合成により再現する。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にする。
【００１２】
しかし、この特開平５−３１３１１６号においては、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いる。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号では、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、向上させるために、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、観測者またはスクリーンとの間に、光路をフィールドごとに変更する光学部材を配し、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するようにしている。そして、屈折率が異なる部位が、画像情報のフィールドごとに、交互に、画像表示装置と観測者また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。
【００１４】
しかし、特開平６−３２４３２０号においては、光路を変更する手段として、電気光学素子と複屈折材料との組合わせ機構、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と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）させ光路を切り替える方式を提案している。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号の「光ビーム偏向装置」では、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】
この特開平１０−１３３１３５号では、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号と同様の問題点がある。
【００１７】
これらの従来技術で十分でなかった高速性等を改善するために、本出願人は先に特願２００２−１２４７９号を提案し、その請求項２０乃至２２において、液晶材料としてキラルスメクチックＣ相よりなる液晶（キラルスメクチックＣ液晶と呼ぶ）を用いて、一方の基板面が他方の基板面に対して傾斜した状態で配置されてなる光偏向素子を提案している。本光偏向素子は上記従来技術と比べ極めて高速なスイッチングが可能であり、液晶から液晶までの距離を適切に選ぶことで入射光と出射光を平行に保ったまま必要な偏向量が得られる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に、キラルスメクチックＣ液晶を用いた場合には、環境温度、波長等により光偏向素子による光偏向量は微妙に変化してしまうという問題があった。また、光偏向量が異なる光学系システム毎に新規に設計・製造する必要があった。また、画像表示装置のピクセルシフト素子に適用した場合、ピクセルシフト量の変動を抑えることが出来ないので、高精細画像を保持することが出来なかった。また、光通信におけるスイッチング素子に適用した場合、誤動作する恐れがあり、十分な信頼性が得られなかった。
【００１９】
そこで、本発明は、環境温度の変化、使用波長の変化等に対して光偏向量を一定に保つことができるとともに、光偏向量が異なる光学系システムに対して汎用性を有し、さらに、ピクセルシフト量の変動を抑えることができるピクセルシフト素子に用いることができ、高信頼性を有するスイッチング素子に用いることができる光偏向装置及びこの光偏向装置を備えた画像表示装置を提供することをその目的とする。
【００２０】
また、上記目的を実現する上で、入射光光軸の方向と出射光光軸の方向の関係を保ったまま光偏向量を変えるための光偏向装置を提供する。
【００２１】
また、上記目的を実現する上で、入射光の光軸方向に対して出射光の光軸方向を微調するための光偏向装置を提供する。
【００２２】
また、上記目的を実現する上で、光偏向の微調整を高精度に行うための光偏向装置を提供する。
【００２３】
また、上記目的を実現する上で、界面での光学特性の劣化を防止するための光偏向装置を提供する。
【００２４】
また、上記目的を実現する上で、光偏向装置の長期安定性および動作向上を図ることができる光偏向装置を提供する。
【００２５】
また、上記目的を実現する上で、光偏向素子の光偏向量を常に一定に保つことが可能な光偏向装置を提供する。
【００２６】
また、上記目的を実現する上で、光偏向量に対して微調整可能な光偏向装置を用いることで、ピクセルシフトのシフト量を正確に半ピッチに制御することができる画像表示装置を提供する。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、対向する一方の基板表面に対し他方の基板表面が傾斜した領域を有する一対の透明基板と、該透明基板間に設けられるキラルスメクチックＣ液晶と、該キラルスメクチックＣ液晶に電界を付与するための電極とを少なくとも有する光偏向素子を備えた光偏向装置であって、前記光偏向素子が、光の進行方向に直列に複数並べられ、少なくとも一対の隣り合う光偏向素子間の間隔を可変ならしめるための素子変位手段が設けられていることを特徴とする光偏向装置である。
【００２８】
また、請求項２の発明は、前記素子変位手段による変位が、少なくとも一つの光偏向素子が入射光軸と略同一方向の平行移動であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置である。
【００２９】
また、請求項３の発明は、前記素子変位手段による変位が、少なくとも一つの光偏向素子の回転移動であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置である。
【００３０】
また、請求項４の発明は、前記素子変位手段が静電アクチュエータであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光偏向装置である。
【００３１】
また、請求項５の発明は、前記少なくとも一対の隣り合う光偏向素子の間隙に、前記透明基板の屈折率と略等しい屈折率を有する透明液体が満たされ、該透明液体が封止手段で封止されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光偏向装置である。
【００３２】
また、請求項６の発明は、前記封止手段は、蛇腹状に加工されたものであることを特徴とする請求項５に記載の光偏向装置である。
【００３３】
また、請求項７の発明は、前記光偏向素子の温度を測定する温度測定手段と、温度測定値に基づくフィードバック信号を生成し前記素子変位手段に伝達するフィードバック信号生成手段とを有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の光偏向装置である。
【００３４】
また、請求項８の発明は、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、該画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に前記画像表示素子と前記光学部材との間の光路を偏向する光偏向手段とを有し、サブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示することで、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であって、前記光偏向手段を請求項１〜７の何れかに記載の光偏向装置から構成したことを特徴とする画像表示装置である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
先ず、本出願人が先に提案した参考例としての光偏向素子の構成例と動作について説明する。
【００３６】
図１０は参考例の光偏向素子の概略図である。図１０に示すように、光偏向素子１は、一対の透明基板２，３と、透明基板２，３間に設けられるキラルスメクチックＣ液晶よりなる液晶層４と、液晶層４に電界を付与するための液晶層側の基板表面に設けられた一対の透明電極２２，２３とを有する。光が入射する側の透明基板２の液晶層側基板表面は、他方の基板表面に対して所定角度ψ1 傾斜した構造をとるように鋸歯状２ａに表面加工されている。液晶層４はホモジニアス配向された状態で存在し、鋸歯状構造の稜線と略平行に液晶分子長軸が配向する状態である第一の配向状態４ａと、略垂直に配向する状態である第二の配向状態４ｂとをとる。
【００３７】
鋸歯状構造を形成する方法としては、ガラス基板をエッチングしたり透明プラスチック材料を射出成形等したりする方法が従来から工業化されており、これらの手法を利用することが可能である。
【００３８】
１対の透明基板２，３の少なくとも片側には内面に配向膜（不図示）が形成されており、配向膜ともう一方の透明基板との間にキラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶である液晶層４が充填されている。
【００３９】
またこの光偏向素子には、光偏向方向に対応し電極対が配置される。電極対は光偏向素子の液晶回転軸に対して略垂直方向に電界ベクトルが向くように設置され、基板と一体化してもまた分離して設けても良い。入射光は、電極対より形成される電界の方向によって偏向を受け、第１の出射光の方向ａ、もしくは第２の出射光の方向ｂのいずれかの光路をとる。
【００４０】
スメクチック液晶は液晶分子の長軸方向が層状に配列してなる液晶分子であり、層の法線方向（層法線方向）と液晶分子長軸方向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キラルスメクチックＣ相とよんでいる。キラルスメクチックＣ相強誘電液晶は、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相反強誘電性液晶は各層毎に液晶ダイレクタが対向する方向をむく。これら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最配列することで光学特性が制御される。
【００４１】
キラルスメクチックＣ相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、結合部、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。
【００４２】
この光偏向素子１に直線偏光を透過させる場合の動作について説明する。
透明基板２，３は光学的に等方性であってそれぞれ同等の屈折率を持ち、この屈折率と液晶層４の常光屈折率が略等しいとする。直線偏光は偏光面が図１０において紙面に平行であるとする。
【００４３】
光偏向素子１の液晶分子が第一の配向状態４ａをとる場合、光は常光として振るまい、図中、方向ａに示す通り直進する。一方、液晶分子が第二の配向状態４ｂをとる場合、光は基板傾斜角が小さい時には略異常光として振るまい、図中、方向ｂの通り透明基板２と液晶層４との屈折率差に起因する屈折を受け所定の角度回転した方向に進む。この回転角については後ほど考察する。
【００４４】
この素子を２つ組合せ（図１１）、液晶層４から液晶層４までの距離を適切に選ぶことで入射光と出射光を平行に保ったまま必要な光偏向量を得ることができる。これによって光偏向量を外部から簡単に調整することができ、利便性に優れたシステムを構成することができる。
光偏向量を特に変化させる必要がなければ、図１２に示すように厚さＬの中間基板５を介して１つの光偏向素子６のみで光を平行にシフトさせることができる。
【００４５】
図１２の構成における光の進行方向を求める場合、厳密には入射光進行方向に対する液晶ダイレクタ方向および短軸方向の屈折率ｎｏ、長軸方向の屈折率ｎｅ両者から屈折率楕円体をもとに各方向における屈折率が求められ、それをもとに光の進行方向が求められるが、ここでは簡単に液晶の配向状態によって短軸方向の屈折率ｎｏと長軸方向の屈折率ｎｅが切り替わるものとして、スネルの法則にしたがって光の進行方向、すなわち回転角を求める。
【００４６】
今、液晶の長軸方向の屈折率をｎｅ＝１．８、短軸方向の屈折率をｎｏ＝１．６とし、光進行方向に対して液晶の手前側界面７の法線方向が光進行方向となす角ψが３°、後方側界面８の法線が入射光方向となす角が０°となるよう基板を配置する。また液晶と接する光学部材は屈折率ｎｏのものを選ぶ。スネルの法則によって手前側液晶界面での界面法線方向からの回転角ψ2 は、
ｓｉｎψ2 ＝（ｎｏ／ｎｅ）ｓｉｎψ1 より、
ψ2 ＝２．６７（°）
【００４７】
また液晶を挟んだ対向基板に入射する光線の対向基板法線方向からの回転角ψ3 は、
0003978344.tif 000002
対向基板に入射した光線の基板内での回転角は、
ｓｉｎψ4 ＝（ｎｅ／ｎｏ）ｓｉｎψ3 より、
ψ4 ＝０．３７（°）
となる。今中間基板５の厚みをＬとすると、例えばシフト量５μｍを得るために必要な厚みＬは、
Ｌ・ｔａｎψ4 ＝５．０（μｍ）より、
Ｌ  ＝  ０．７７（ｍｍ）
である。ただしここでは、液晶層の厚みに比べ中間基板厚が十分大きいことから、液晶層における光偏向量は無視している。
【００４８】
以下、本発明の光偏向装置の構成と動作を示す。
（第１実施例）
図１は本発明の光偏向装置の一例を示す図である。
図１において、１Ａ、１Ｂは光偏向素子であり、上述した光偏向素子１と同じものを使用することができるため、その構造の説明を省略する。光は図中左から右へ進行し、この進行方向に直列に光偏向素子１Ａ，１Ｂが並べられている。光の入射側の光偏向素子１Ａを第１の光偏向素子１Ａ、出射側の光偏向素子１Ｂを第２の光偏向素子１Ｂと呼ぶ。図中１１は、光偏向素子１Ａ，１Ｂの互いの相対位置関係である隙間を可変ならしめる静電アクチュエータよりなる素子変位手段であり、１４は素子変位手段１１を制御するコントローラである。この光偏向装置１０では第１の光偏向素子１Ａを固定した状態で、第２の光偏向素子１Ｂが入射光軸と略同一方向の平行移動を行えるように、スペーサを兼ねるベアリング１３とベアリング１３側に第２の光偏向素子１Ｂを押し当てるバネ材１２を備えている。ここでは静電アクチュエータによる素子変位手段１１を例に述べたが他にも例えばボイスコイル１１Ａを用いた構成（図２）、偏心カム１１Ｂを用いた構成（図３）などを採用することも可能である。また、素子変位手段１１として、図示は省略したが圧電素子を用いてもよい。なお、図１中、１５は支持台１６とともに光偏向素子１Ａを挟持し光偏向素子１Ｂを移動可能にガイドする挟持板、１６は保持部材１７およびバネ材１２の一端を取り付ける支持台、１７は光偏向素子１Ａを接着固定する保持部材、１８はベアリングの厚さに対応するスペーサ、１９は光偏向素子を接着固定するとともにバネ材１２の他端を取り付ける保持部材である。
【００４９】
図４は図１の光偏向装置における平行移動の移動量と光偏向量との関係を示す図である。
図４を参照して、図１の光偏向装置１０における平行移動の移動量と光偏向量との関係を、以下に前記と同様にスネルの法則によって考察する。ψ4 を求めるまでの過程は前記と同様である。ψ4 を出た光は第１の光偏向素子１Ａの後段の透明基板３の厚みＬ１および光偏向素子間の間隔Ｌ２の光路を経て第２の光偏向素子１Ｂに到達する。後段の透明基板３から空気に出射する光の屈折角ψ5 は、ｓｉｎψ5 ＝（ｎｏ）ｓｉｎψ4 より、
ψ5 ＝０．５９（°）
【００５０】
ここで第１の光偏向素子１Ａと第２の光偏向素子１Ｂとが同じ構造でかつ点対称の状態に配置されているとする。この配置は入射光を平行にシフトさせる上で設計しやすく好適であり、それぞれの界面７′、８′、９′における屈折角はそれぞれの界面７，８，９での屈折角の関係と対応する。
今透明基板３の厚みＬ１を０．３ｍｍとすると、第１の光偏向素子１Ａを出射する光の入射光軸からの光偏向量Ｄ１は、
Ｄ１＝Ｌ１・ｔａｎψ4 ＝０．３＊１０００＊ｔａｎ（０．３７）
＝１．９（μｍ）
【００５１】
仮に７μｍの光路のシフトを行う場合には、その後段の第２の光偏向素子１Ｂでやはり１．９μｍの光偏向がなされるため、空気層でのシフト量Ｄ２が２．２μｍとなるようＬ２を設計すればよい。すなわち、
Ｄ２＝Ｌ２・ｔａｎψ5 ＝Ｌ２＊１０００＊ｔａｎ（０．５９）＝２．２（μｍ）
Ｌ２＝０．２２（ｍｍ）
【００５２】
ここで静電アクチュエータによる平行移動を行うに際して、静電アクチュエータとして、例えばフィジーク  インスツルメンテ社（Phisik Instrumente社）のＰ−８４１．６０を用いた場合、この静電アクチュエータにおいて公称変位量９０μｍが得られるため、微調量は、
Ｄ２＝Ｌ２・ｔａｎψ5 ＝９０＊ｔａｎ（０．５９）＝０．９３（μｍ）
が得られる。
【００５３】
静電アクチュエータによる微調は極めて高精度に光偏向量を制御可能なことに特徴がある。その精度は静電アクチュエータと光偏向素子との接続部の構造、材料弾性等にも影響を受けるが、実質的には数％の誤差程度である。仮に１０％の誤差を仮定してもこれに起因する光偏向量の誤差は０．０９３μｍであり、サブμｍオーダの光偏向量制御が十分可能である。
精度よりも調整量を大きくとる必要がある場合は、ボイスコイル１１Ａ（図２参照）や偏心カム１１Ｂ（図３参照）を用いた方法が好適である。
【００５４】
（第２実施例）
図５（ａ）は本発明に係る光偏向装置の他の構成例を示し、図５（ｂ）はその光偏向装置に備える第２の光偏向素子の上面図である。
図５（ｂ）に示すように、第２の光偏向素子１Ｂの側部のほぼ中央に支点２１が配置される。この支点２１で支持されながら、静電アクチュエータからなる素子変位手段１１にて第２の光偏向素子１Ｂが変位を受けることで、第２の光偏向素子１Ｂは支点２１を中心に回転可能である。
【００５５】
今、支点２１から静電アクチュエータまでの距離を１０ｍｍとすると、微調回転量は、素子変位手段１１として前述の静電アクチュエータ（Phisik Instrumente社  Ｐ−８４１．６０）を用いた場合、
ｔａｎ-1（９０＊０．００１／１０）＝０．５２（°）
となる。
この値は、屈折角として上記のψ5 ＝０．５９（°）程度を扱うのであれば十分な量である。
【００５６】
精度については、前述のごとく静電アクチュエータと光偏向素子との接続部の構造、材料弾性等の影響を受けるが、実質的には数％の誤差程度である。仮に１０％の誤差を仮定してもこれに起因する回転量の誤差は０．０５２°である。この精度を向上させるのには、支点２１から静電アクチュエータまでの距離を長くとればよい。
精度よりも微調量を大きくとる必要がある場合は、図１と同様に、ボイスコイルや偏心カムを用いた方法が好適である。
【００５７】
（第３実施例）
図６は本発明に係る光偏向装置の他の構成例を示すものである。
図６では第１の光偏向素子１Ａと第２の光偏向素子１Ｂとの間隙に透明基板２，３の屈折率と略等しい屈折率を有する透明液体３２が満たされてなる光偏向装置３０を示す。素子変位手段については、上述した素子変位手段と同様であるので、図示を省略している。透明液体３２は、使用温度範囲が広く、人体に対する毒性が少なく、さらに不揮発性のものが適している。この透明液体３２としては、例えば市販の屈折率マッチングオイルが使用できる。具体的には、例えばシリーズＡ液（モリテックス社）などが使用できる。透明基板２，３として例えばコーニング社の１７３７材を用いる場合、可視域での屈折率は１．５２前後であるため、透明液体３２としてこの屈折率にマッチしたものを選べばよい。
【００５８】
透明液体３２の周辺には透明液体３２の流出を防ぐための封止手段３１を設けてもよい。ただし封止手段３１を設ける場合は光偏向素子の変位を妨げないよう変形可能な材料であることが好ましい。この材料としてはエラストマ系接着剤等を使用して直接光偏向素子同士を接着することも可能であるが、透明液体３２が浸透しない樹脂等の材料を、封止手段３１に示すように透明液体３２の周囲を取り囲むように設けてもよい。これにより、透明液体３２の流出を防ぎ、光偏向装置３０の長期安定性および動作向上を図ることができる。
【００５９】
また、特に図７に示す通り、蛇腹状に加工した封止手段４１を透明基板２，３に接着して設けるのが好適である。この場合、光偏向素子を変位させたときに、光偏向素子と封止手段４１との接着部へのせん断応力が極めて少なく出きるため、光偏向素子や封止手段４１の耐久性を向上させることができ、さらに変位に対する抑制力も小さいので、比較的大きな変位量に対しても正確な変位が可能となり優れている。
【００６０】
（第４実施例）
次に、本発明の画像表示装置について説明する。
図８は、本発明の光偏向装置を画像表示装置に適用した構成の一例を示す概略図である。
図８において、５１はＬＥＤランプを２次元アレイ状に配列した照明光源であり、５２は照明光源５１から放出された照明光を均一化する拡散板であり、５３は照明光源５１の像を結像するコンデンサレンズであり、５４はコンデンサレンズ５３により照明光源５１の像が結像される画像表示素子としての透過型液晶パネルであり、５６はシフトされた画像光を投射する光学部材である投射レンズであり、５７は投射レンズ５６によりシフトされた画像光が投射されるスクリーンであり、５８は照明光源５１の波長を切り換える光源ドライブ部であり、５９は透過型液晶パネル５４のドライブ部であり、５５は光偏向装置よりなる光偏向手段であり、６０は光偏向手段５５の液晶への電圧印加手段である。電圧印加手段６０は、透過型液晶パネル５４と同期をとるために透過型液晶パネル５４のドライブ部５９と接続されている。６１は所望の光偏向量を得るために必要な第１の光偏向素子１Ａ（図１又は図４〜図７の何れかを参照）と第２の光偏向素子１Ｂ（図１又は図４〜図７の何れかを参照）との相対的な位置関係を得るための素子変位手段１１（図１又は図５参照）に対するコントローラである。
【００６１】
光源ドライブ部５８で制御されて照明光源５１から放出された照明光は、拡散板５２により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ５３により透過型液晶パネル５４のドライブ部５９で照明光源５１と同期して制御されて透過型液晶パネル５４をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル５４で空間光変調された照明光は、画像光として光偏向手段５５に入射し、光偏向手段５５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５６で拡大されスクリーン５７に投射される。シフト量は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５４を駆動する画像信号をシフト量分だけ補正することで、見かけ上高精細な画像を表示することが出来る。光偏向手段５５は前述した光偏向装置の何れかを選んで使用する事が出来る。
【００６２】
波長により光偏向素子による光偏向量は微妙に変化してしまうが、光源ドライブ部５８の波長切り換えタイミングに同期し、コントローラ６１の電圧値を制御することで、波長間の光偏向量を補正し一定に保つことができる。また必要な光偏向量が光学系システムによって変わる場合でも、光偏向量が微量であれば光偏向素子を新規に設計・製造することなく対応させることができる。
【００６３】
（第５実施例）
図９は本発明の画像表示装置の構成の他の例を示す概略図である。図９の画像表示装置においては、図８に示す画像表示装置の光偏向手段５５に、さらに温度測定手段としての温度センサ６３が設置された構成である。温度センサ６３にはサーミスタが用いられているが、熱電対等温度モニタできるものであれば使用可能である。この温度センサ６３からの温度情報は、フィードバック信号生成手段６２に送られ温度測定値に基づくフィードバック信号を生成しコントローラ６１に伝達される。
【００６４】
光偏向位置制御は、光偏向素子における電極対による電界印加方向及び光偏向素子に対する温度制御により行うことでも可能であり、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。
【００６５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、以上の実施例では光偏向素子を２つ直列に並べた場合について説明したが、３つ以上並べても良い。また、上記実施例では、素子変位手段による光偏向素子の移動方向を光軸と平行な場合と回転する場合について説明したが、光軸に対して斜めに移動するようにしても良い。また、上記実施例では、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して、画像パターンをスクリーンに投射して観察するための投射レンズ５６の場合について説明したが、ヘッド・マウント・ディスプレイ等に用いる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接眼レンズ等であってもよい。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、環境温度、波長等による光偏向量の変化を修正でき、光偏向量を一定に保つことができる。また請求項１の発明によれば、必要な光偏向量が光学系システムによって変わる場合でも、光偏向素子を新規に設計・製造することなく対応させることができるという高い汎用性を得ることができる。さらに、画像表示装置のピクセルシフト素子に適用した場合、ピクセルシフト量の変動を抑え、高精細画像を保持することが可能となる。また、光通信におけるスイッチング素子に適用した場合、誤動作を抑え信頼性向上等に寄与することができる。
【００６７】
また、請求項２の発明によれば、平行光線を扱う場合やテレセントリック光学系内に配置した場合に光偏向(平行シフト)量を微調整することができる。
【００６８】
また、請求項３の発明によれば、平行光線を扱う場合やテレセントリック光学系内に配置した場合に、光偏向装置の設置誤差等に起因する入射光軸と出射光軸の平行度のずれを補正し、光を偏向(平行シフト)することができる。
【００６９】
また、請求項４の発明によれば、サブμｍ単位の平行移動および１°以内の回転角制御が可能であるため、高精度の光偏向量制御が行える。また、μｍ単位の光偏向量の微調整が可能である。さらに、数十ｋＨｚ程度の高速変調が可能である。
【００７０】
また、請求項５の発明によれば、間隙が開放な状態、すなわち空気が介在している場合と比べて、基板と空気との屈折率差により散乱が発生するのを防止できると同時に、液体を用いているために自由に光偏向素子間の相対距離を変えることができる。
【００７１】
また、請求項６の発明によれば、光偏向素子を変位させた時の光偏向素子との接着部へのせん断応力を極めて少なくできるため、耐久性を向上させることができ、さらに変位に対する抑制力も小さいので、比較的大きな変位量に対しても正確な変位が可能となリ優れている。
【００７２】
また、請求項７の発明によれば、光偏向素子の温度測定値を素子変位手段にフィードバックしているので、環境温度等、光偏向量の誤差要因による影響を排除できる。
【００７３】
また、請求項８の発明によれば、ピクセルシフト量の変動を抑えることができるので、ピクセルシフトのシフト量を正確に半ピッチに制御することで高精細画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光偏向装置の一例を示す図である。
【図２】本発明の光偏向装置に備える素子変位手段の変形例を示す図である。
【図３】本発明の光偏向装置に備える素子変位手段の他の変形例を示す図である。
【図４】図１の光偏向装置における平行移動の移動量と光偏向量との関係を示す図である。
【図５】（ａ）は本発明に係る光偏向装置の他の構成例を示し、（ｂ）はその光偏向装置に備える第２の光偏向素子の上面図である。
【図６】本発明に係る光偏向装置の他の構成例を示すものである。
【図７】本発明に係る光偏向装置のその他の構成例を示すものである。
【図８】本発明の光偏向装置を画像表示装置に適用した構成の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の画像表示装置の構成の他の例を示す概略図である。
【図１０】参考例の光偏向素子の概略図である。
【図１１】図１０の光偏向素子を２つ組み合わせた状態の参考例を示す図である。
【図１２】中間基板を介して一体化した光偏向素子の参考例を示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ  光偏向素子
２，３  透明基板
２ａ  鋸歯状
４，４Ａ，４Ｂ  液晶層
１０，２０，３０，４０  光偏向装置
１１  素子変位手段
２１  支点
２２，２３  透明電極
３１，４１  封止手段
３２  透明液体
５１  照明光源
５４  透過型液晶パネル（画像表示素子）
５５  光偏向手段
５６  投射レンズ（光学部材）
【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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