(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な一対の基板と、これらの両基板間に充填されて無電界下でキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、前記両基板間に設けられて前記液晶層の液晶分子をホメオトロピック配向させる配向膜と、前記液晶層に対して前記基板に平行な電界を発生させる一対の電極板と、を備える光偏向素子において、前記一対の電極板は、前記液晶層の厚み方向に対して略平行に設けられて前記液晶層を略中央部分に位置させて対向配置され、前記液晶層の厚さをｄ、前記液晶層の厚み方向における前記電極板の幅をＬとした場合、液晶層厚ｄと電極幅Ｌとは、Ｌ＞ｄの関係であることを特徴とする光偏向素子。
【請求項２】
前記各電極板間の間隔をＤとした場合、電極間隔Ｄと電極幅Ｌとは、
Ｌ≧Ｄ
の関係であることを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の光偏向素子と、
この光偏向素子に備えられる一対の電極板間に電圧を印加させる電圧印加手段と、を備え、
電界の増加に対して光路偏向量の増加傾向が飽和する電界強度を飽和電界Ｅｓとした場合に、前記光偏向素子の液晶層内全域の電界強度が飽和電界Ｅｓ以上となるように、前記電圧印加手段の出力を設定することを特徴とする光偏向デバイス。
【請求項４】
前記光偏向素子の光入射側に配設され、前記光偏向素子による光偏向方向と入射光の偏光方向とが一致するように前記入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段を更に備えることを特徴とする請求項３記載の光偏向デバイス。
【請求項５】
前記光偏向素子の出射光の偏光面を略直角に回転させる偏光面回転手段と、
この偏光面回転手段による偏光面回転後の出射光を入射光とする第二の光偏向素子と、を備え、
前記光偏向素子と前記第二の前記光偏向素子とは、両光偏向素子の液晶層法線方向を略一致させ、両光偏向素子の電界方向が略直交するように配置されることを特徴とする請求項３または４記載の光偏向デバイス。
【請求項６】
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、
この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で形成する表示駆動手段と、
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請求項１または２記載の光偏向素子又は請求項３ないし５のいずれか一記載の光偏向デバイスである光偏向手段と、
を備える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変える光偏向素子、光偏向デバイス及びこれらの光偏向素子又は光偏向デバイスを利用した画像表示装置に関する。
【０００２】
【定義】
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、或る角度を持って回転させるか、或いは、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。
【０００３】
また、この説明において、「光偏向量」とは光路あるいは光軸を平行シフトさせた場合あるいは回転させた場合の移動量の大きさである。特に、平行シフトの光偏向動作に対してそのシフトの大きさを「光路シフト量」あるいは単に「シフト量」と呼び、回転による光偏向動作に対してその回転量を「光路回転角」あるいは単に「回転角」と呼ぶものとする。「光偏向デバイス」とは、このような光偏向素子を含み、入射した光路を平行シフトあるいは回転させる装置一式であるデバイスを意味する。
【０００４】
さらに、「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や光偏向デバイスを光偏向手段として応用することが可能といえる。
【０００５】
【従来の技術】
光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り、また、材料が高価であるため用途が制限されている。
【０００６】
一方で、液晶材料を用いた光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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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）させ光路を切り替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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
また、特開平７−２０４１７号公報では、−４０℃〜８０℃の温度範囲内にカイラルスメクチックＣ相を示す強誘電性液晶セルと複屈折媒体を組み合わせることで出射光の光軸を所定の方向にずらすためのウォブリングを行うのに用いられる光変調素子が提案されている。この提案によれば、カイラルスメクチックＣ相の温度範囲が広いため、広範囲な温度条件での使用を可能にし、温度差が大きくても十二分に使用できるが、光軸のシフト量を制御することは出来ないという問題がある。
【００２１】
【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。
【００２２】
▲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。
【００２３】
光利用効率Ｅは以下の式で表される。
Ｅ＝（ｔSF−tｓｈｉｆｔ）／ｔＳＦ
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。
【００２４】
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、応答速度をサブミリ秒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。
【００２５】
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。
【００２６】
本発明の目的は、従来の光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、光学ノイズを改善するとともに、簡単な構成で比較的大面積化が可能な光偏向素子を提供することである。
【００２７】
本発明の目的は、液晶層内の場所に依らず均一な光路シフト量を得ることができる光偏向デバイスを提供することである。
【００２８】
本発明の目的は、光路偏向による光スイッチングを確実に行うことができる光偏向デバイスを提供することである。
【００２９】
本発明の目的は、合計４位置に光をシフトさせることができる光偏向デバイスを提供することである。
【００３０】
本発明の目的は、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画像表示装置を提供することである。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の光偏向素子は、透明な一対の基板と、これらの両基板間に充填されて無電界下でキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、前記両基板間に設けられて前記液晶層の液晶分子をホメオトロピック配向させる配向膜と、前記液晶層に対して電界を発生させる一対の電極板と、を備える光偏向素子において、前記一対の電極板は、前記液晶層の厚み方向に対して略平行に設けられて前記液晶層を略中央部分に位置させて対向配置され、前記液晶層の厚さをｄ、前記液晶層の厚み方向における前記電極板の幅をＬとした場合、液晶層厚ｄと電極幅Ｌとは、
Ｌ＞ｄ
の関係である。
【００３２】
したがって、電極幅Ｌが液晶層厚ｄよりも大きくなると電極間隔に対する電極幅Ｌの比が大きくなることから、高電圧側の電界が減少し、接地側にも電界が発生するようになる。これにより、光偏向素子の有効面積が比較的大きい場合でも、電極板の略中央部に位置する液晶層内の水平電界の電界強度が比較的均一になるので、簡単な構成で比較的大面積の光偏向素子を実現することが可能になる。
【００３３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光偏向素子において、前記各電極板間の間隔をＤとした場合、電極間隔Ｄと電極幅Ｌとは、
Ｌ≧Ｄ
の関係である。
【００３４】
したがって、電極幅Ｌが電極間隔Ｄと同等以上に大きくなると電界強度の均一性が向上し、電界の差が１０％以内となる。これにより、電極板の略中央部に位置する液晶層内の水平電界の電界強度が略均一になるので、光偏向素子の有効面積が大きい場合でも、光路の偏向量を略一定にすることが可能になる。
【００３５】
請求項３記載の発明の光偏向デバイスは、請求項１または２記載の光偏向素子と、この光偏向素子に備えられる一対の電極板間に電圧を印加させる電圧印加手段と、を備え、電界の増加に対して光路偏向量の増加傾向が飽和する電界強度を飽和電界Ｅｓとした場合に、前記光偏向素子の液晶層内全域の電界強度が飽和電界Ｅｓ以上となるように、前記電圧印加手段の出力を設定する。
【００３６】
したがって、電極板の略中央部に位置する液晶層内の水平電界の電界強度に多少の不均一性があっても、液晶層内の場所に依らず均一な光路シフト量を得ることが可能になる。
【００３７】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の光偏向デバイスにおいて、前記光偏向素子の光入射側に配設され、前記光偏向素子による光偏向方向と入射光の偏光方向とが一致するように前記入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段を更に備える。
【００３８】
したがって、入射光が無偏光の場合でも、液晶分子の傾斜による光路偏向作用を受けない光成分がカットされるので、光路偏向による光スイッチングを確実に行うことが可能になる。
【００３９】
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の光偏向デバイスにおいて、前記光偏向素子の出射光の偏光面を略直角に回転させる偏光面回転手段と、この偏光面回転手段による偏光面回転後の出射光を入射光とする第二の光偏向素子と、を備え、前記光偏向素子と前記第二の前記光偏向素子とは、両光偏向素子の液晶層法線方向を略一致させ、両光偏向素子の電界方向が略直交するように配置される。
【００４０】
したがって、一方向への偏向が可能な二つの光偏向素子が組み合わされて電界印加方向を９０度回転させて配置されるとともに、入射側の光偏向素子から出射した光の偏向面が９０度回転されて、第二の光路偏向素子へと入射させられる。これにより、光偏向素子において上下方向（Ｚ軸方向）に２位置、第二の光偏向素子において左右方向（Ｙ軸方向）に２位置の光シフトが行われるため、デバイス全体としては合計４位置に光をシフトさせることが可能となる。
【００４１】
請求項６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が二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で形成する表示駆動手段と、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請求項１または２記載の光偏向素子又は請求項３ないし５のいずれか一記載の光偏向デバイスである光偏向手段と、を備える。
【００４２】
したがって、光偏向手段により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が表示され、画像表示素子の見掛け上の画素数が増倍して表示されることにより、画素数の少ない画像表示素子を用いて、見かけ上高精細で光利用効率の高い画像表示装置を提供することが可能になる。また、特に、請求項１または２記載の光偏向素子又は請求項３ないし５のいずれか一記載の光偏向デバイスである光偏向手段を用い、光偏向位置制御を当該光偏向手段における電極対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可能になる。
【００４３】
【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７に基づいて説明する。
【００４４】
図１は、本実施の形態の光偏向素子１の原理的構成例を示す説明図であって、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）は上面図である。図１（ａ）に示すように、この光偏向素子１においては、まず、一対の透明な基板２がスペーサ３を挟んで対向配置させて設けられている。そして、少なくとも一方の基板２側（本実施の形態においては、光の入射側に位置する基板２側）内面には垂直配向膜４が形成されており、この垂直配向膜４と他方の基板２（本実施の形態においては、光の出射側に位置する基板２）との間にはキラルスメクチックＣ相を形成可能な厚さｄ（数十μｍから数百μｍ程度）の強誘電液晶なる液晶層５が充填されている。
【００４５】
図１（ｂ）に示すように、このような一対の基板２及び液晶層５を有する構造体に対して、目的とする光偏向方向に対応させて電極板６ａ，６ｂによる一対の電極対６が配置され、電極板６ａ，６ｂ間に電圧を印加する電圧印加手段として機能する電源７に接続されている。なお、図１（ｃ）に示すように、電極板６ａ，６ｂの電極厚はｔとされており、電極板６ａ，６ｂの電極幅はＬとされている。また、電極板６ａ，６ｂ間の電極間隔はＤ（数ｍｍから数十ｍｍ程度）とされている。電極板６ａ，６ｂは、光偏向素子１の偏向方向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ている。光偏向による光の進行方向を３方向以上に振りたい場合は、入射光の偏光方向をその偏向方向に対応させて回転させるとともに、電極対６をやはりそれらに対応させ複数設ければよい。
【００４６】
本実施の形態においては、電極板６ａ，６ｂの電極幅Ｌを液晶層５の液晶層厚ｄより大きくし、液晶セルの厚み方向に対して液晶層５の位置を略中央として電極板６ａ，６ｂを配置した。このように構成することにより、電極板６ａ，６ｂ間の電極間隔Ｄに対する電極板６ａ，６ｂの電極幅Ｌの比率が比較的大きくなるため、電極間の電界強度が比較的均一になる。電極幅Ｌと電界均一性の関係については後で詳細に説明する。
【００４７】
入射光は、後述する動作原理に基づき、電極対６により形成される電界の方向（図１中、白抜き矢印)によって偏向を受け、第１の出射光若しくは第２の出射光の何れかの光路をとる。
【００４８】
ここで、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（液晶ダイレクタ方向）をほぼ揃えており、分子は方向を揃えたまま層状に配列してなる液晶相である。このような液晶に関し、液晶分子の長軸方向が上記層の法線方向（層法線方向）と一致している液晶相を「スメクチックＡ相」と呼び、液晶分子の長軸方向が上記層の法線方向（層法線方向）と一致せずに傾斜している液晶相を「スメクチックＣ相」と呼んでいる。この液晶ダイレクタの傾斜角度をチルト角θと呼ぶ。各層内の液晶ダイレクタはチルト角θの同一方向を向いている。液晶分子長軸に垂直な方向に永久双極子成分を持つ場合、このチルト角θに起因して自発分極Ｐｓが存在するため強誘電性が発現すると考えられている。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。
【００４９】
一般に、強誘電性を発現する液晶材料は分子構造中に不斉炭素を有しているため、外部電界Ｅが働かない状態において各層毎に液晶ダイレクタの方位角の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相の反強誘性液晶では各層毎に液晶ダイレクタの方位角が対向する方向を向く。
【００５０】
なお、本実施の形態等では、液晶層５として強誘電性液晶を例にとり光偏向素子１の説明を行うが、反強誘電性液晶の場合にも同様に使用することができる。
【００５１】
「キラルスメクチックＣ相」を形成可能な液晶材料の分子構造は、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。
【００５２】
本実施の形態で用いる液晶材料は、室温程度かそれ以下の温度で結晶相からキラルスメクチックＣ相に転移し、５０℃から１００℃程度の比較的高温域でキラルスメクチックＣ相からスメクチックＡ相に転移する。更に温度を上げると、キラルネマチック相を経て等方相となる。あるいは、５０℃から１００℃程度でキラルスメクチックＣ相からキラルネマチック相に直接転移するものも用いることが出来る。本実施の形態の光偏向素子１の使用可能な温度範囲を広く設定するためにはキラルスメクチックＣ相の温度範囲が広いことが好ましいが、広すぎると等方相転移点なども高温化してしまい、光偏向素子１内に液晶層５を注入する際の基板の処理温度が高くなり過ぎて好ましくない。光偏向素子１の使用温度域を考慮するとキラルスメクチックＣ相の上限温度は５０℃から１００℃の間が好ましいと判断した。
【００５３】
無電界下のキラルスメクチックＣ相の液晶層５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。ここで、図２に液晶分子の電界による螺旋構造変化のモデルを示す。図２(ａ)に示すように、電界Ｅ＝０では、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。次に、液晶層５の水平方向に比較的小さな電界０＜Ｅ＜Ｅｓを印加すると、図２(ｂ)に示すように、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、図２(ｃ)に示すように、ある閾値電界Ｅｓ以上で螺旋構造が消失して光学的に一軸性となる。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。
【００５４】
本実施の形態の光偏向素子１においては、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶層５は垂直配向膜４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。このようなホメオトロピック配向のための配向法としては、従来より行われている方法を適用することができる。即ち、▲１▼ずり応力法、▲２▼磁場配向法、▲３▼温度勾配法、▲４▼ＳｉＯ斜法蒸着法、▲５▼光配向法等が挙げられる（例えば、竹添、福田「強誘電性液晶の構造と物性」コロナ社、p235参照）。
【００５５】
本実施の形態の光偏向素子１の特徴の１つは、構成が簡単で製造コストが抑制できる点にある。また、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、サブミリ秒でのスイッチングが可能である点も特徴である。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。
【００５６】
また、本実施の形態で用いるホメオロトピック配向のキラルスメクチック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２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２からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向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。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、光偏向素子１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。
【００５７】
次に、本実施の形態の光偏向素子１の動作原理について図３及び図４を参照して説明する。図３は、光偏向素子の動作原理を説明するため、図１に示した液晶分子の配向状態を模式的に示したものである。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いており、電界は紙面表裏方向に発生するものとする。また、電界方向は目的とする光の偏向方向に対応して電源７により切り換えられる。
【００５８】
また、当該光偏向素子１に対する入射光は直線偏光であり、その偏光方向は図３中上下の矢印に示す通り上下方向であって、その偏光方向に電界方向が直交するように電極板６ａ，６ｂは対向配置される。また、図示しないが、電極６ａ，６ｂからの漏洩電界が当該光偏向素子１周辺の機器に悪影響を及ぼさないように電磁シールドを設けるのが好ましい。
【００５９】
図３においてＸＹＺ直交座標系を図示する通りにとったとき、Ｙ軸方向に充分大きな電界が印加されている場合には、液晶層５内のＸＺ断面において図４に示す通り液晶ダイレクタ８は、その電界方向によって第１の配向状態又は第２の配向状態の何れかの状態（図４（ｂ）参照）をとって分布する。ここで、液晶ダイレクタ８はチルト角θによる仮想的なコーン形状に沿って回転可能であると考えられる。液晶の自発分極Ｐｓが正でありＹ軸正方向（紙面上向き）に電界Ｅがかかっているものとすると、液晶ダイレクタ８の回転軸は略基板垂直方向であるためＸＺ面内にある。液晶分子の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとすると、入射光として、偏光方向をＹ軸方向に持つ直線偏光を選びＸ軸正方向に入射光が進むとき、光は液晶層５内で常光として屈折率ｎｏを受け直進し、図４（ａ）中のａ方向に進む。即ち、光偏向は受けない。
【００６０】
一方、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光が入射するとき、入射方向の屈折率は液晶ダイレクタ８の方向及び屈折率ｎｏ，ｎｅの両者から求められる。より詳細には、屈折率ｎｏ，ｎｅを主軸に持つ屈折率楕円体において楕円体中心を通過する光の方向との関係から求められるが、ここでの説明は省略する。光は屈折率ｎｏ，ｎｅ及び平均的な液晶ダイレクタ８の方向（平均化したチルト角＝光学軸の傾斜角度θ）に対応した偏向を受け、図４（ａ）中のｂ（第１の配向状態の場合）に示す方向にシフトする。
【００６１】
なお、以上においては、電界強度がＥｓ以上で螺旋構造が解けてチルト角θが光学軸の傾斜角に等しい場合について説明したが、電界強度がＥｓ以下の場合には、上記θを液晶ダイレクタ方向を平均化した光学軸の傾斜角として扱えば良い。
【００６２】
次に、チルト角θ(光軸傾斜角)と光路シフト量の関係を説明する。液晶層５の厚み(ギャップ)をｄとするときシフト量Ｓは以下の式で表される（例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、p198参照）。
Ｓ＝[(１／ｎｏ)2−(１／ｎｅ)2]sin(２θ・ｄ)÷[２((１／ｎｅ)2sin2θ＋(１／ｎｏ)2cos2θ)]    ………式１
また、電界方向を反転させた時、液晶ダイレクタ８は図４においてＸ軸を中心とした線対称の配置（第２の配向状態）を取り、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光の進行方向は図４（ａ）中のｂ′に示す通りとなる。
【００６３】
従って、この直線偏光に対して液晶層５に作用させる電界方向を制御することで、ｂとｂ′との２位置、即ち、２Ｓ分の光偏向が可能となる。例えば、式１で
ｎｏ＝１．６０
ｎｅ＝１．８０
ｄ＝３２μｍ
として、チルト角θに対する光路シフト量Ｓの変化を計算した結果を図５に示す。図５に示すように、液晶ダイレクタ８のチルト角θが２２．５°の場合は、２Ｓ＝５(μｍ)の偏向量が得られることがわかる。
【００６４】
本実施の形態の光偏向素子１では、厚さｄが数十μｍから数百μｍ程度の比較的薄い液晶層５に対して、電極板６ａ，６ｂ間の電極間隔Ｄが数ｍｍから数十ｍｍと充分に広いため、素子厚み方向での電極幅Ｌが小さい場合、電極間に均一な電界を印加することは困難である。この様な構成では、液晶層中の水平方向の電界強度は、高電圧側の電極近傍は高電界になり、接地側の電極近傍では低電界になる傾向があることが、差分法による電界シミュレーション結果などから示唆されている。
【００６５】
ここで、電界シミュレーション結果の例を図６に示す。ここでは、二枚のガラス基板２は厚さ３ｍｍ、液晶層５の膜厚はｄ＝４０μｍ、ガラス基板２の比誘電率は８、液晶層５の誘電率は２０として計算した。図６中には３種類の構成（（１）〜（３））を比較しているが、いずれも電極板６ａ，６ｂ間の電極間隔Ｄは１８ｍｍ、電極板６ａ，６ｂの電極厚ｔは１ｍｍであり、電極幅Ｌを変えている。図６の横軸は電極間での位置を示し、０ｍｍの位置に高電圧の２０００Ｖを印加し、１８ｍｍの位置を接地している。縦軸は液晶層中央部での水平電界強度を示す。
【００６６】
構成例(１)は、電極板がスペーサも兼用しているタイプであり、電極幅Ｌは液晶層厚ｄと等しい４０μｍである。このようにＤ≫Ｌ＝ｄの場合、上述したように高電圧の電極側が高電界になり、接地側ではほとんど電界がかからない。
【００６７】
構成例(２)は、本実施の形態の一例であり、素子の側面にＬ＝６ｍｍの電極板を設けている。なお、ここではスペーサ３は省略している。電極幅Ｌが液晶厚さｄよりも大きく、電極間隔Ｄに対する電極幅Ｌの比が大きくなると、高電圧側の電界は減少して接地側にも電界が発生するようになる。ここでは、電極幅Ｌを素子の厚みと等しい場合の例を示したが、Ｌ＞ｄであれば、電界強度の均一性向上の効果が得られる。
【００６８】
構成例(３)は、本実施の形態の別の一例であり、素子の側面にＬ＝１８ｍｍの電極板を設けている。このように、Ｌ＝Ｄでは電界強度の均一性が向上し、場所による電界の差が１０％程度になる。Ｌ＞Ｄでは更に均一性が向上するので、Ｌ≧Ｄであれば電界の差が１０％以内となり、光偏向素子の面積が大きくても略均一な光路シフト量が得られる。
【００６９】
ところで、光路シフト量に電界依存性がある場合には、素子内の位置によって光路シフト量が異なってしまう。ここで、図７は光偏向素子１の光路シフト量の電界強度依存性の測定例を示すグラフである。図７に示すように、光偏向素子１においては、電界強度の増加と共に光路シフト量が増加し、飽和電界Ｅｓ＝１００Ｖ／ｍｍ以上で光路シフト量がほぼ一定となっている。そこで、本実施の形態においては、電界の増加に対して光路シフト量の増加傾向が飽和する電界強度を飽和電界Ｅｓとした時、光偏向素子１の液晶層５内全域の電界強度がＥｓ以上となるように電圧印加手段の出力を設定する。
【００７０】
すなわち、図６に示した構成例（３）を一例として説明すると、構成例（３）では図６中右側の電界強度が比較的小さくなっているが、この位置での電界強度が飽和電界Ｅｓ＝１００Ｖ／ｍｍ以上となるように全体に印加する電圧値を設定することで、場所に依らず均一な光路シフト量を得ることが出来る。
【００７１】
なお、以上においては、液晶層５の温度が一定の条件の下に説明したが、液晶層５の種類によっては、光路シフト量の温度依存性が大きい場合がある。例えば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶においては、チルト角θは温度Ｔにより変化し、相転移点をＴｃとすると、
θ∝（Ｔ−Ｔｃ）β                                  ………式２
なる関係がある。βは材料により異なるが０．３〜０．５程度の値をとる。
【００７２】
したがって、このような場合には、光偏向素子１の温度を一定および均一に制御する温度制御手段を設けることが好ましい。液晶層５の温度制御としては、当該光偏向素子１の温度をモニタし設定温度との差を低減するための加熱源若しくは冷却源等を作動するようフィードバックをかければよい。また、温度をモニタする変わりに光偏向位置をモニタし正規位置との差を低減するように上記加熱／冷却源を作動させるようにしてもよい。加熱源としては光偏向素子１外部に加熱源を設けてもよいが、小型化のためには光偏向素子１内部または表面に接して抵抗線を形成し、これに電流を流すことで得られるジュール熱を利用するのが好ましい。冷却源としてはペルチェ素子等が好適に用いられる。
【００７３】
ここに、電極幅Ｌが液晶層厚ｄよりも大きくなると電極間隔に対する電極幅Ｌの比が大きくなることから、高電圧側の電界が減少し、接地側にも電界が発生するようになる。これにより、光偏向素子１の有効面積が比較的大きい場合でも、電極板６の略中央部に位置する液晶層５内の水平電界の電界強度が比較的均一になるので、簡単な構成で比較的大面積の光偏向素子１を実現することが可能になる。
【００７４】
また、電極幅Ｌが電極間隔Ｄと同等以上に大きくなると電界強度の均一性が向上し、電界の差が１０％以内となる。これにより、電極板６の略中央部に位置する液晶層５内の水平電界の電界強度が略均一になるので、光偏向素子１の有効面積が大きい場合でも、光路の偏向量を略一定にすることが可能になる。
【００７５】
なお、本実施の形態においては、電極板６ａ，６ｂを一枚の板状であるものとして説明したが、これに限るものではなく、複数枚の電極を並べた電極板群を電極板６ａ，６ｂとしても良い。電極板群を構成する複数の電極板は、互いに接していても、所望の間隔を空けて設置しても良い。この場合、複数枚の電極を並べた電極板群の合計長さを電極幅Ｌとして扱う。
【００７６】
次に、本発明の第二の実施の形態を図８に基づいて説明する。前述した実施の形態の場合と同一又は相当する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順次同様とする）。
【００７７】
図８は、本実施の形態の光偏向デバイス１０を光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。図８に示すように、本実施の形態は、前述した実施の形態のように構成された２つの光偏向素子１Ａ，１Ｂと、偏光面回転手段である１／２波長板９とを組合わせて構成された光偏向デバイス１０に関する。なお、図８では、基板２やスペーサ３、垂直配向膜４などは省略してある。
【００７８】
図８に示すように、光偏向素子１Ａ，１Ｂは、各々の電極対６による電界発生方向を直交させて光進行方向に直列に配列されており、これらの光偏向素子１Ａ，１Ｂ間に１／２波長板９が配設されている。１／２波長板９は、通常市販されている可視光用のものをそのまま適用できる。
【００７９】
図８に示すように、光偏向デバイス１０に入射する光は、光進行方向に対して前段側の光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に偏向を受けた後、１／２波長板９によって偏光方向を９０°回転させてＹ軸方向の偏光方向とすることで、後段の光偏向素子１Ｂで左右方向（Ｙ軸方向）の偏向を受ける。
【００８０】
このような光偏向デバイス１０によれば、光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に２位置、光偏向素子１Ｂにおいて左右方向（Ｙ軸方向）に２位置の光シフトが行われるため、デバイス全体としては合計４位置に光をシフトさせることが可能となる。
【００８１】
なお、本実施の形態の光偏向デバイス１０においては、光路の偏向方向、すなわち電界印加時の液晶分子の傾斜方向に平行な偏光方向の直線偏光のみが光路の偏向を受け、これに直交した直線偏光は直進したままである。したがって、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。そこで、光偏向素子１Ａへの入射光の偏光方向を液晶層の平均的な光軸の傾斜方向と一致させる偏光方向制御手段を設けるようにしても良い。偏光方向制御手段としては、直線偏光板を用いることが出来る。直線偏光板の偏光方向を透明電極ラインあるいは電極板６の長手方向に平行に合わせて、光偏向素子１Ａの入射面側に設置する。入射光が無偏光の場合でも、液晶分子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出来る。
【００８２】
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、画像表示装置への適用例を示す。
【００８３】
ここで、図９は画像表示装置４１の構成例を示す概略側面図である。図９において、４２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４２からスクリーン４３に向けて発せられる光の進行方向には拡散板４４、コンデンサレンズ４５、画像表示素子としての透過型液晶パネル４６、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４７が順に配設されている。４８は光源４２に対する光源ドライブ部、４９は透過型液晶パネル４６に対するドライブ部である。
【００８４】
ここに、透過型液晶パネル４６と投射レンズ４７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偏向手段５０が介在されており、ドライブ部５１に接続されている。このような光偏向手段５０として、前述したような光偏向素子１或いは光偏向デバイス１０等が用いられている。
【００８５】
光源ドライブ部４８で制御されて光源４２から放出された照明光は、拡散板４４により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ４５により液晶ドライブ部４９で照明光源と同期して制御されて透過型液晶パネル４６をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル４６で空間光変調された照明光は、画像光として光偏向手段５０に入射し、この光偏向手段５０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。この場合、光偏向手段５０の有効面積が比較的大きい必要があるため、均一な水平電界の印加が重要となる。つまり、本実施の形態の画像表示装置４１によれば、第一実施の形態で説明した光偏向素子１や第二の実施の形態で説明した光偏向デバイス１０を光偏向手段５０として用いることにより、比較的大面積で均一な水平電界を印加することが可能になっている。光偏向手段５０を透過した光は投射レンズ４７で拡大されスクリーン４３上に投射される。
【００８６】
なお、周知技術であるため詳しくは説明しないが、画像表示装置４１の制御部（図示せず）は、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機能（表示駆動手段）を備えている。
【００８７】
ここに、光偏向手段５０により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、透過型液晶パネル４６の見掛け上の画素数を増倍して表示する。このように光偏向手段５０によるシフト量は透過型液晶パネル４６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４６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、光偏向手段５０として、前述した各実施の形態のような光偏向素子或いは光偏向デバイスを用いているので、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より明るく高品質の画像を提供できる。光偏向位置制御を、当該光偏向素子１における電極対６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。
【００８８】
【実施例】
上述した各実施の形態に準じて構成した幾つかの実施例を以下に列挙する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８９】
［実施例１］
大きさ２ｃｍ×２．５ｃｍ、厚さ３ｍｍのガラス基板２の表面をシランカップリング剤で処理して垂直配向膜４を形成した。厚さ４０μｍ、幅１ｍｍ、長さ２ｃｍの二本のマイラシートをスペーサ３として、垂直配向膜４を内面にして二枚のガラス基板２を一方向に５ｍｍずらして張り合わせた。スペーサ３はズレた部分の基板端部に配置した。このズレた部分を接着剤で固定した。基板２を約９０度に加熱した状態で、二枚の基板２間に強誘電性液晶(チッソ製ＣＳ１０２９)５（図示せず）を毛管法にて注入した。冷却後、注入部となったセルの両側側面部にアルミ電極板６を接着剤で張り付けて、液晶層５の封止と電極の形成を行った。アルミ電極板６は厚さ１ｍｍ、縦２０ｍｍ、横６ｍｍで図１０に示すような光偏向素子１を作成した。
【００９０】
光偏向素子１の入射面側に２４．５μｍ幅のライン／スペースのマスクパターンを設け、このマスクパターン側からコリメートした直線偏光で照明した。直線偏光の向きは、アルミ電極板６の長手方向と同一に設定した。光偏向素子１の温度が２５℃の状態で、マスクパターンを透過した光を光偏向素子１を通して顕微鏡で観察した。
【００９１】
パルスジェネレータと高速パワーアンプを用いて、アルミ電極板６間に±４ｋＶの矩形電圧を印加したところ、素子中央部ではマスクパターンが平行に約８μｍシフトして観測された。マスクパターンや光偏向素子１、顕微鏡は機械的に静止しているので、電気光学的に光路シフトすることが確認出来た。光偏向素子１内の複数個所についてシフト量を測定したところ、素子中央部の約１０ｍｍ角の領域内ではシフト量は約８μｍで一定であったが、素子周辺部から約５ｍｍの範囲ではシフト量が８μｍ以下であり、素子の端部では４μｍ程度であった。
【００９２】
本実施例では、簡単な構成で光路シフトの有効領域が約１０ｍｍ角の光偏向素子１が得られたものである。
【００９３】
［実施例２］
アルミ電極板６の幅を変えた以外は実施例１と同様にして光偏向素子１を作成した。図１１に示すように、アルミ電極板６は、厚さ１ｍｍ、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍである。つまり、本実施例では、電極間隔Ｄ＝電極板幅Ｌ＝２０ｍｍである。
【００９４】
光偏向素子１の入射面側に２４．５μｍ幅のライン／スペースのマスクパターンを設け、このマスクパターン側からコリメートした直線偏光で照明した。直線偏光の向きは、実施例１と同様に設定した。光偏向素子１の温度が２５℃の状態で、マスクパターンを透過した光を光偏向素子１を通して顕微鏡で観察した。
【００９５】
パルスジェネレータと高速パワーアンプを用いて、アルミ電極板６間に±３ｋＶの矩形電圧を印加したところ、素子中央部ではマスクパターンが平行に約８μｍシフトして観測された。マスクパターンや光偏向素子１、顕微鏡は機械的に静止しているので、電気光学的に光路シフトすることが確認出来た。光偏向素子１内の複数個所についてシフト量を測定したところ、素子の全域でシフト量は約８μｍで一定であった。
【００９６】
本実施例では、素子の大きさが比較的大きくなったが、光路シフトの有効領域が約２０ｍｍ角と広い光偏向素子１が得られたものである。
【００９７】
［実施例３］
図９に示したような画像表示装置を作成した。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液晶ライトバルブを用いた。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ＲＧＢ三色のＬＥＤ光源を用い、上記の一枚の液晶パネルに照射する光の色を高速に切り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が４倍の２４０Ｈｚとする。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で切り換える。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。
【００９８】
光偏向素子の基本構成は実施例２と同様であるがマイラシートの厚みを４５μｍとして液晶層の厚みを約４５μｍとした。また、外気の送風ファンを設け、光偏向素子の温度が外気温と同じ２５℃となるように空冷した。
【００９９】
光偏向素子を二組用い、入射側を第一の光偏向素子、出射側を第二の光偏向素子とした。互いの透明電極ラインの方向が直交し、画像表示素子の画素の配列方向に一致するように配置した。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。
【０１００】
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、ガラス基板（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ３ｍｍ）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、ラビング処理を行った。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した。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。また、両光偏向素子のアルミ電極間での放電を防止する。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。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。第一の光偏向素子、偏光面回転素子、第二の光偏向素子からなる光偏向装置を液晶ライトバルブの直後に設置した。
【０１０１】
光偏向素子を送風ファンで約２５℃に冷却し、光偏向素子を駆動する矩形波電圧の電圧を±３ｋＶ(平均電界は±１５０Ｖ／ｍｍ)、周波数を１２０Ｈｚとし、二枚の光偏向素子の縦と横の位相を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。この駆動電圧では光路シフト量は約９μｍで、１／２画素分だけ画素がシフトして表示される。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倍に増倍した画像が表示できた。画像中央から端部まで画素シフト量は均一であり、高精細な画像が得られた。光路偏向素子の切り換え時間は約０．２ｍｓｅｃ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。
【０１０２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の光偏向素子によれば、透明な一対の基板と、これらの両基板間に充填されて無電界下でキラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、前記両基板間に設けられて前記液晶層の液晶分子をホメオトロピック配向させる配向膜と、前記液晶層に対して電界を発生させる一対の電極板と、を備える光偏向素子において、前記一対の電極板は、前記液晶層の厚み方向に対して略平行に設けられて前記液晶層を略中央部分に位置させて対向配置され、前記液晶層の厚さをｄ、前記液晶層の厚み方向における前記電極板の幅をＬとした場合、液晶層厚ｄと電極幅Ｌとは、
Ｌ＞ｄ
の関係であり、電極幅Ｌが液晶層厚ｄよりも大きくなると電極間隔に対する電極幅Ｌの比が大きくなることから、高電圧側の電界が減少し、接地側にも電界が発生することにより、光偏向素子の有効面積が比較的大きい場合でも、電極板の略中央部に位置する液晶層内の水平電界の電界強度を比較的均一にすることができるので、簡単な構成で比較的大面積の光偏向素子を実現することができる。
【０１０３】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の光偏向素子において、前記各電極板間の間隔をＤとした場合、電極間隔Ｄと電極幅Ｌとは、
Ｌ≧Ｄ
の関係であり、電極幅Ｌが電極間隔Ｄと同等以上に大きくなると電界強度の均一性が向上し、電界の差が１０％以内となり、電極板の略中央部に位置する液晶層内の水平電界の電界強度が略均一になるので、光偏向素子の有効面積が大きい場合でも、光路の偏向量を略一定にすることができる。
【０１０４】
請求項３記載の発明の光偏向デバイスによれば、請求項１または２記載の光偏向素子と、この光偏向素子に備えられる一対の電極板間に電圧を印加させる電圧印加手段と、を備え、電界の増加に対して光路偏向量の増加傾向が飽和する電界強度を飽和電界Ｅｓとした場合に、前記光偏向素子の液晶層内全域の電界強度が飽和電界Ｅｓ以上となるように、前記電圧印加手段の出力を設定することにより、電極板の略中央部に位置する液晶層内の水平電界の電界強度に多少の不均一性があっても、液晶層内の場所に依らず均一な光路シフト量を得ることができる。
【０１０５】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の光偏向デバイスにおいて、前記光偏向素子の光入射側に配設され、前記光偏向素子による光偏向方向と入射光の偏光方向とが一致するように前記入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段を更に備えることにより、入射光が無偏光の場合でも、液晶分子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ことができるので、光路偏向による光スイッチングを確実に行うことができる。
【０１０６】
請求項５記載の発明によれば、請求項３または４記載の光偏向デバイスにおいて、前記光偏向素子の出射光の偏光面を略直角に回転させる偏光面回転手段と、この偏光面回転手段による偏光面回転後の出射光を入射光とする第二の光偏向素子と、を備え、前記光偏向素子と前記第二の前記光偏向素子とは、両光偏向素子の液晶層法線方向を略一致させ、両光偏向素子の電界方向が略直交するように配置されることにより、光偏向素子において上下方向（Ｚ軸方向）に２位置、第二の光偏向素子において左右方向（Ｙ軸方向）に２位置の光シフトが行われるため、デバイス全体としては合計４位置に光をシフトさせることができる。
【０１０７】
請求項６記載の発明の画像表示装置によれば、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、この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で形成する表示駆動手段と、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請求項１または２記載の光偏向素子又は請求項３ないし５のいずれか一記載の光偏向デバイスである光偏向手段と、を備え、光偏向手段により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することで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示することにより、画素数の少ない画像表示素子を用いて、見かけ上高精細で光利用効率の高い画像表示装置を提供することができる。また、特に、請求項１または２記載の光偏向素子又は請求項３ないし５のいずれか一記載の光偏向デバイスである光偏向手段を用い、光偏向位置制御を当該光偏向手段における電極対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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示す説明図である。
【図２】液晶分子の電界による螺旋構造変化のモデルを示す説明図である。
【図３】光偏向素子の動作原理を説明するため、図１に示した液晶分子の配向状態を模式的に示す説明図である。
【図４】液晶ダイレクタと光偏向との関係を示し、（ａ）は断面構造図、（ｂ）は液晶ダイレクタの配向状態の説明図である。
【図５】チルト角と光路シフト量との関係を示すグラフである。
【図６】電界シミュレーション結果の例を示し、（ａ）は電極間の位置と電界強度との関係を示すグラフ、（ｂ）は比較のためのシミュレーション例を示す説明図である。
【図７】光偏向素子の光路シフト量の電界強度依存性の測定例を示すグラフである。
【図８】本発明の第二の実施の形態の光偏向デバイスを光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。
【図９】本発明の第三の実施の形態の画像表示装置の構成例を示す概略側面図である。
【図１０】実施例１の光偏向素子の構成例を示す説明図である。
【図１１】実施例２の光偏向素子の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１Ａ      光偏向素子
１Ｂ    第二の光偏向素子
２      基板
４      配向膜
５      液晶層
６      一対の電極板
７      電圧印加手段
９      偏光面回転手段
１０    光偏向デバイス
４１    画像表示装置
４２    光源
４６    画像表示素子
４７    光学部材
５０    光偏向手段
【図１】
0003987346.tif 000002
【図２】
0003987346.tif 000003
【図３】
0003987346.tif 000004
【図４】
0003987346.tif 000005
【図５】
0003987346.tif 000006
【図６】
0003987346.tif 000007
【図７】
0003987346.tif 000008
【図８】
0003987346.tif 000009
【図９】
0003987346.tif 000010
【図１０】
0003987346.tif 000011
【図１１】
0003987346.tif 000012