JP2005309100A - 光学素子、光偏向素子、光偏向デバイス、画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光偏向素子以外の機能素子にも転用することが可能である光学素子を提供し、従来に比べ極めて安価に構成することができる光偏向素子、光偏向デバイスを提供し、この光偏向素子、光偏向デバイスを用いた、光学系の解像力の低下が抑制され、高精細画像が得られる画像表示装置を提供する。
【解決手段】 一軸結晶からなる基板２２を含んでなる一対の基板２１、２２を形成し、一対の基板２１、２２の間に液晶層２０を挟持してなり、一軸結晶は、基板法線方向以外の方向に光学軸を有するものであることを特徴とする光学素子１０などにより課題を解決した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気信号によって光の進行方向を変更する光学素子、光偏向素子、光偏向デバイスに関するものであり、この光偏向素子、光偏向デバイスを用いた画像表示装置に関するものである。

電気信号によって光の進行方向を変更する偏向素子、光偏向素子としては、従来より、ＫＨ₂ＰＯ₄（ＫＤＰ）、ＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄（ＡＤＰ）、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ等の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。

一般的に、電気光学デバイスは、高電圧を印加することで屈折率を変化させ光路又は光強度を変調させ、音響光学デバイスは、超音波を印加し定在波を誘起することで光回折を制御させる。ただし、これらの方法によって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るが、材料が高価であるため、用途が制限されていた。

一方、液晶材料を用いた透過光の方向を旋回できる光学部材も、例えば、特許文献１及び２に提案されている。

特許文献１では、表示素子に表示された画像を、投写光学系によって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方向を旋回できる光学部材を少なくとも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を開示している。

特許文献１においては、偏光方向を旋回できる光学部材（偏光方向制御用液晶パネル）を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子（石英板）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（後記）を行っている。

特許文献２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、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し、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、光路をフィールドごとに変更する光学部材を配し、フィールド毎に、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又はスクリーンとの間の光路中に現れるようにして光路の変更が行われる。

特許文献２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み合わせ機構、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、上記光学部材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。
特許第２９３９８２６号公報 特開平６−３２４３２０号公報

従来の複屈折素子に用いられる光学結晶は、透過光の偏光方向を旋回できる光学部材と別個独立して設けられているため、以下の不具合がある。
（１）多数の界面が存在するため波面収差が増加しやすく、光学特性を劣化させる。
（２）製造工程が増え、製造コストが増大する。
（３）素子が大型化する。プロジェクター等の投射光学系に組み込む場合には、バックフォーカス長が長くなるため、光学系が大型化する。

また、従来から、複数の偏向位置を選択できるようにするため、複数枚の光偏向素子を組み合わせた光偏向デバイスが提供されているが、複数枚重ねることによって界面の数が増えるため、上述した不具合がより顕著になる。

一方、特許文献１では、実施例１において、２枚のガラス基板を用い、液晶を挟持する偏光方向の制御用液晶パネルの構成が開示されているが、界面の数が多く存在することや素子大型化にともなう不具合は考慮されていない。

また、特許文献２に開示された複屈折素子として光学結晶を用いる方式では、特許文献１と同様の問題があり、複屈折板等を変位させる方式においては、光学部材を駆動するために構成が複雑となり、コストが高くなるという問題があった。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光偏向素子以外の機能素子にも転用することが可能である光学素子を提供し、従来に比べ極めて安価に構成することができる光偏向素子、光偏向デバイスを提供し、この光偏向素子、光偏向デバイスを用いた、光学系の解像力の低下が抑制され、高精細画像が得られる画像表示装置を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく様々な検討を重ねた結果、光学素子などにおける一対の基板のうちの少なくとも一方の基板を、光の進行方向を偏向する一軸結晶にすること等により、上記課題を達成することを見出し、本発明をするに至った。

即ち、本発明の光学素子は、一軸結晶からなる基板を含んでなる一対の基板を形成し、当該一対の基板の間に液晶層を挟持してなる光学素子であって、前記一軸結晶は、基板法線方向以外の方向に光学軸を有するものであることを特徴とする。

本発明の光偏向素子は、等方性材料からなる基板と一軸結晶からなる基板とにより一対の基板を形成し、当該一対の基板の間に液晶層を挟持してなる光偏向素子であって、前記一軸結晶は、基板法線方向以外の方向に光学軸を有するものであることを特徴とする。

前記基板は光の入射方向に配置され、前記複屈折素子は光の出射方向に配置されたものであるという構成を採ることができる。

本発明の光偏向デバイスは、一対の基板を形成し、当該一対の基板の間に液晶層を挟持してなる偏向素子を二個以上重ね合わせてなる光偏向デバイスであって、前記一対の基板は、等方性材料からなる基板及び／又は一軸結晶からなる基板で構成されていることを特徴とする。

本発明の他の光偏向素子は、等方性材料からなる基板と一軸結晶からなる基板とにより一対の基板を形成し、当該一対の基板の間に複数の液晶層を挟持してなる光偏向素子であって、前記複数の液晶層の間には、前記基板又は前記一軸結晶が挟持され、かつ前記一軸結晶は、基板法線方向以外の方向に光学軸を有するものであることを特徴とする。

前記一軸結晶は、石英であるという構成を採ることができる。

本発明の画像表示装置は、画像情報に従って光の出射強度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、当該画像表示素子を照明する光源と、当該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、当該画像パターンを表示する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、請求項２、３又は５に記載の光偏向素子、請求項４に記載の光偏向デバイスの群から選ばれる光偏向手段とを有し、前記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、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とする。

本発明の他の画像表示装置は、画像情報に従って光の出射強度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、当該画像表示素子を照明する光源と、当該光源からの光を当該画像表示素子の画素に対応させ配色する配色手段と、当該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、当該画像パターンを表示する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、請求項２、３又は５に記載の光偏向素子、請求項４に記載の光偏向デバイスの群から選ばれる光偏向手段とを有し、前記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、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とする。

本発明の光学素子は、光偏向素子以外の機能素子にも転用することが可能であるという利点がある。

本発明の光偏向素子及び光偏向デバイスは、従来に比べ極めて安価に構成することができるという利点がある。

本発明の光偏向素子及び光偏向デバイスは、一軸結晶が石英であることにより、液晶セル化プロセスで必要となる耐熱性、耐薬品性に優れ、歩留まりがよく、素子、デバイスを製造することが可能であり、さらに一般的な市販ガラスと屈折率が近いため、複数の光偏向素子をこれらと同等の屈折率の光学接着剤で貼り合せた場合には、界面の収差に対する影響を低減することができる。

本発明の画像表示装置は、バックフォーカスを短くできるだけでなく、装置のコンパクト化を図ることができ、また安価に構成することが可能であるという利点がある。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。

本発明を説明する前に、まず、従来の複屈折素子を用いた偏向素子の構成を説明する。従来の偏向素子１の概略図を図１０に示す。入射する直線偏光の偏光方向を時間的に変更することが可能である光学部材２、光学部材２から出射した光の進行方向を、その偏光方向に応じて変更する複屈折素子３を有する。光学部材２としては、液晶材料が好適に用いられ、特に高速応答が必要な用途には強誘電性液晶が好ましい。

常光と異常光との屈折率の差ｄｎが、厚みｈとの間にｄｎ・ｈ＝λ／２（λは可視光における所定の波長である。）という関係を満たすものを選ぶことで、直線偏光を所定の角度だけ偏光方向を変更して出射させることができる。

複屈折素子３は、複屈折性を有する光学結晶材料が用いられ、一軸性の光学結晶が一般的に用いられている。即ち、ＫＨ₂ＰＯ₄（ＫＤＰ）、ＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄（ＡＤＰ）、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅなどの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、ニトロベンゼンなどの２次電気光学効果の大きな材料、ＴｅＯ₂などの材料が用いられている。

また、従来の複屈折素子を用いた偏向素子の動作について説明する。入射光はあらかじめ直線偏光に設定され、その偏光方向は複屈折素子の光学結晶の軸方向との関係から定められる。具体的には、仮に直交座標系を図１０中に示す通り、複屈折素子３として上述した一軸性の光学結晶を用い、その結晶軸を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（１，０，−１）にとった場合には、入射光の偏光方向（電場ベクトルの振動面）はＸＹ面又はＸＺ面に一致するように選ばれる。

以後、入射光の偏光方向がＸＹ面内にある場合について説明する。偏向素子２を通過したときに、入射した光は時間的に０°又は９０°に偏光方向が選択可能である。例えば、偏向素子に強誘電性液晶５を用い、その分子長軸方向を、電圧＋Ｖ印加した時に入射光の偏光方向からチルト角４５°の方向、すなわち（０，１，１）方向又は（０，１，−１）方向（図１０（ｂ））とし、電圧−Ｖ印加したときには入射光の偏光方向と平行の（０，１，０）方向又は垂直の（０，０，１）方向（図１０（ｃ））とするように、液晶の配向方向を選べばよい。この配向方向は基板４の液晶側界面に設けられた配向膜６におけるラビング処理の方向によって制御することが可能である。

光学部材２から出射する光の偏光方向が０°の場合、すなわち直線偏光の偏光方向をＸＹ面に保ったまま複屈折素子３に入射する場合には、光学結晶軸に対して偏光方向が垂直であるため、光は常光として振るまい、回転を受けることなく直進する。この光は、図１０中第１の出射光として示された位置に出射する。

一方、光学部材２において９０°の回転を受ける場合には、直線偏光は偏光方向をＸＺ面に回転し、複屈折素子３に入射する。９０°回転の原理については前述の通りである。この場合光学結晶軸に対して偏光方向（Ｚ軸方向）は垂直方向でないため、光は異常光として振るまい、所定方向に回転を受けて進行する（図１０では斜め下方向）。この光は図中第２の出射光として示されたように出射する。

図１１は、複屈折素子３として、ＬｉＮｂＯ₃を用いた場合における光シフト量を計算したものである。結晶軸は図１０で示した場合と同様であり、屈折率は波長６３３ｎｍのときのもの（ｎ_o＝２．２８６、ｎ_e＝２．２００）を用いた。仮に光路シフト量として５．０μｍ±０．２μｍを得るためには、結晶厚は１３０．５μｍ±５．２μｍとなる。

次に、本発明の光学素子（光偏向素子）及び光偏向デバイスを説明する。本発明の光学素子（光偏向素子）の一実施態様の概略断面図を図１に示す。図１において、光学素子（光偏向素子）１０は、光の入射方向に配置された等方性材料からなる基板２１と、光の出射方向に配置された一軸結晶からなる基板２２と、等方性材料からなる基板２１と一軸結晶からなる基板２２の間に挟持される液晶層２０とを有する。一軸結晶からなる基板２２は、基板法線方向以外の方向に光学軸を有する。等方性材料としては、例えば、プラスチック材料（ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）等）、ガラス材料などが挙げられるが、上述した、図１０で示した光学部材２と同様の材料を用いることも可能である。液晶層２０には、図１０で示した性質の液晶と同様のものを用いることができ、特に高速応答が必要な用途には強誘電性液晶が好ましい。さらに基板２２に用いる一軸結晶には、後記する条件を満たす範囲内において、上述した一軸性の光学結晶と同様のものを用いることができる。図１と図１０を比較した場合には、構成部品の数が少なく、同様の機能を持たせることができる利点がある。

本発明で用いられる一軸結晶は、従来例と比べ、光学性能のみならず、液晶のセル化プロセスにおいて安定である必要がある。すなわち、耐熱性や耐薬品性に優れ、物理的強度にも優れることが必要となる。例えば、液晶分子を均一に配向させるため、一般的に基板に配向膜を形成することが多いが、この配向膜を塗布するのにイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）やＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）などの有機溶剤を希釈液として用いる場合が多く、これらに対する耐薬品性が必要である。また、透明電極として、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）をスパッタ法により形成する場合には、３００℃程度に基板を加熱することが多く、基板自体に耐熱性が求められる。

一軸結晶のＣ軸方向とその厚みは、光偏向量が所定値となるように、例えば、図１１に示した計算例によって決められる。厚みが増すほど材料コストが増えるが、逆に薄いと基板としての強度が低下し破損しやすくなるとともに、湾曲によって表面平滑性が確保しづらくなり波面収差が低下しやすくなる。さらに隣接する液晶やガラスとの屈折率差が小さいものがよい。これらの性質から、本発明で用いる一軸結晶は、石英（例えば、α−ＳｉＯ₂）であることが好ましい。

本発明の光偏向デバイスの一実施態様の概略断面図を図２に示す。図２において、光偏向デバイス１２は、光の入射方向にある前方の偏向素子１２ａと光の出射方向にある後方の偏向素子１２ｂとが重ね合わされている構成になっている。前方の偏向素子１２ａでは、光は偏向の有無を選択した後、後方の偏向素子１２ｂにおいても、さらに偏向を選択するため、合計４通りの出射光が得られる。前方の偏向素子１２ａと後方の偏向素子１２ｂは全く等しい構成のものであってもよいし、異なるものであってもよい。全く等しい構成にした場合には、図２中、第２の出射光と第３の出射光が等しい位置をとり、合計３位置の光偏向を制御することができる。また、前方の偏向素子１２ａ中の一軸結晶からなる基板２２ａの厚みと後方の偏向素子１２ｂ中にある後方の一軸結晶からなる基板２２ｂの厚みを変化させることで、同種の光学結晶を用いながら、さまざまな光偏向位置を得ることができ、利便性に富む。

前方の偏向素子１２ａ及び後方の偏向素子１２ｂは、空気界面を作らず、屈折率が前方の一軸結晶からなる基板２２ａ及び後方の一軸結晶からなる基板２２ｂに近い透明な光学接着剤で貼り合せるのが、波面収差を改善する上で好ましい。また図２における一軸結晶からなる基板の光学軸方向は平行な場合を示しているが、偏光方向によって角度を持たせた配置をしてもよく、その場合には、後方の液晶層２０ｂで角度に応じた偏光方向の変更が行えるように、ツイストネマティック液晶などを採用するのが好ましい。

図２に示した構造から、後方の等方性材料からなる基板２１ｂを省き、前方の等方性材料からなる基板２１ａと後方の一軸結晶からなる基板２２ｂとの間に、複数の液晶層を配置させた簡略化した構成であっても、図２に示した光偏向デバイス１２と同様の機能を持たせることが可能である。そのような構造を持つ光偏向素子の一実施態様を図６及び図７に示す。図６の光偏向素子１１は、前方の等方性材料からなる基板２１ａと後方の一軸結晶からなる基板２２ｂとの間に、２つの液晶層２０ａ、２０ｂが挟持され、前方の液晶層２０ａと後方の液晶層２０ｂとの間に、一軸結晶からなる基板２２ａが挟持された構造であり、図７の光偏向素子１１は、前方の等方性材料からなる基板２１ａと後方の一軸結晶からなる基板２２ｂとの間に、２つの液晶層２０ａ、２０ｂが挟持され、前方の液晶層２０ａと後方の液晶層２０ｂとの間に、等方性材料からなる基板２１ａが挟持された構造である。これらの例の通り、一対の基板の間に挟持される複数の液晶層とを有する光学素子において、基板法線方向以外の方向に光学軸を有する一軸結晶を採用することで、より簡略化した構成で複数位置に偏向可能な光偏向素子を得ることができる。

本発明の光偏向デバイスの他の実施態様の概略断面図を図３に示す。図３において、光偏向デバイス１２は、前方の偏向素子１２ａは一対の基板を等方性材料からなる基板２１ａ、２１ｂにより構成され、後方の偏向素子１２ｂは一対の基板を一軸結晶からなる基板２２ａ、２２ｂにより構成されている。前方の等方性材料からなる基板２１ａ、前方の液晶層２０ａ、後方の等方性材料からなる基板２１ｂ、前方の一軸結晶からなる基板２２ａは、図１０に示した従来例における光学部材２と同様の構成である。前方の偏向素子１２ａを出射した光は、その偏光方向により、後方の偏向素子１２ｂの前方の一軸結晶からなる基板２２ａでまず光の偏向が選択され、さらに後方の液晶層２０ｂで偏光方向を変更した後、後方の一軸結晶からなる基板２２ｂによってさらに光偏向を受ける。合計４通りの出射光が得られるのは図２の場合と同様である。

本発明の光偏向デバイスの他の実施態様の概略断面図を図４に示す。図４（ａ）の光偏向デバイス１２は、図２に示した偏向素子１２ａを二組、９０°回転させた状態で配置したものである。図４（ｂ）は、図４（ａ）の光偏向デバイスを＋Ｘ方向から−Ｘ方向に観察した時の出射光位置を示している。合計４通りの出射光が二次元的に得られる。

本発明の画像表示装置について説明する。ここでいう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が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、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における光偏向手段のことである。従って基本的には上記した光偏向素子あるいは光偏向デバイスを応用することが可能である。

本発明の画像表示装置の一実施態様の概略図を図８に示す。図８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光路には拡散板４４、コンデンサレンズ４５、ポラライズドビームスプリッタ（ＰＢＳ）５２、画像表示素子としての反射型液晶表示素子（ＬＣＯＳ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）４６、ＬＣＯＳ４６を反射し、ＰＢＳを通過した画像光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ＬＣＯＳ４６に対する液晶ドライブ部である。

ここに、ＬＣＯＳ４６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、前述した光偏向素子・光偏向デバイスが用いられる。

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ＬＣＯＳ４６をクリティカル照明する。このＬＣＯＳ４６で空間光変調された照明光は、画像光として投射レンズ４７で拡大され、スクリーン４３上に投射される。光偏向手段におけるシフト量は、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。シフト量に応じて液晶パネル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できる。

光偏向手段５０は、図８中に示す通りＰＢＳ５２と投射レンズ４７の間に配置されるが、光偏向手段の厚みが増えると投射レンズ４７に必要なバックフォーカス長（投射レンズのＬＣＯＳ側端部からＬＣＯＳまでの光路長）が長くなり、投射レンズの大きさが大きくなってしまう。

なお、本発明の薄型の光偏向素子・光偏向デバイスを採用することで、従来よりもバックフォーカスを短縮することができ、有用である。

本発明の画像表示装置の他の実施態様の概略図を図９に示す。図９において、４２は高圧水銀ランプ等の白色光源であり、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５３、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５３に対する液晶ドライブ部である。ランプとコンデンサレンズの間に、光利用効率向上のための偏光変換素子、照明光量均一化の為のフライアイレンズ等を設けることもできる。

画像表示素子内の各画素には、カラー表示のための赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタが周期的に設けられている。カラーフィルタを設ける変わりに、画像表示素子に入射する照明光を、ホログラム素子等によって、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色に分解し対応する画素をそれぞれの色で照明してもよい。

透過型液晶パネル５３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・光偏向デバイスが用いられるが、特に図８に示す構造の光偏向デバイスが好適である。光偏向デバイスの動作については後述する。

光源４２から放出された照明光は、コンデンサレンズ４５により透過型液晶パネル５３をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル５３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。

ここに、画像フィールドを時間的に３分割したサブフィールドを用意し、光偏向手段５０によりサブフィールド毎に０、１、２画素分の光路偏向を生じせしめる。これによってスクリーン上のある画素位置には、透過型液晶パネル内で隣接配置されているＲＧＢの各画素の像を画像パターンとして表示させることが可能となリ、あたかも透過型液晶パネル５３の１つの画素からＲＧＢの合成色が表示されている様に観察される。図５は模式的にこの光路を示している。入射光側に示される（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）は、それぞれ上記カラーフィルタによって色分けされた３つの画素から出射される光に相当する。また出射光はスクリーン上の一つの画素位置である。

光偏向手段５０として、前述した本発明の各実施形態の光偏向素子或いは光偏向デバイスを用いているので、図８に示す画像表示装置同様の効果がある。

（実施例１）
ＢＫ７よりなるガラス基板（１．１ｍｍ厚）と、Ｃ軸を基板法線方向から長辺方向に４５°傾斜させ、切断した単結晶石英基板（１．１２ｍｍ厚）を一対の基板として用意した。液晶材料としてＣＳ１０２９（チッソ社）を、配向剤としてＡＬ３０４６−Ｒ３１（ＪＳＲ者）を用意した。液晶層のギャップ確保の為のスペーサ粒子には、液晶の屈折率差をもとに波長５４４ｎｍの入射直線偏光が所定角度を保ち直線偏光として出射するよう１．７μｍ径のものを用意した。

各基板を洗浄後、スパッタ法にてＩＴＯを全面に形成した。その後配向剤をスピンコートし、ホットプレート上でのプリベーク後、オーブンにて１２０℃一時間加熱燒結させた。得られた配向膜にラビング処理を施した。ラビング方向は両側基板間で平行となるように設定した。ラビング処理をした後、ガラス基板側にスペーサ粒子をスプレー散布し、両基板を貼り合せた。その後、ホットプレート上で９０℃に保ち、基板間に液晶を毛管法にて注入し液晶セルを形成した。この液晶セルは、図１に示された光学素子（光偏向素子）と同様の構造であり、光学素子（光偏向素子）１とした。

得られた光学素子（光偏向素子）１は目視にて透明であった。２枚の偏光子を用意し、クロスニコル配置した状態で光学素子（光偏向素子）１を偏光子間に平行に挿入した。光学素子（光偏向素子）１のＩＴＯ間に＋５Ｖの電圧を印加し、平行状態を保ったまま方位方向に光学素子（光偏向素子）１を回転させて入射光が遮蔽される位置を得た（この位置を入射直線偏光の偏光方向に対する基準位置と呼ぶ）。この状態でＩＴＯ間に−５Ｖの電圧を印加すると明光が得られた。この電圧状態を保ち、光学素子（光偏向素子）１を回転させたところ、約９０°回転した位置で入射光が遮光された。これによって印加電圧を５Ｖとし、極性を切替えることで、入射光が、偏光方向を９０°切り替えて直線偏光を保ったまま出射することが確認できた。

光学顕微鏡を用意し、透過照明を偏光子により直線偏光化し、ピッチ２０μｍ、一辺５μｍで周期的に正方形が形成されているマスクチャートを観察した。マスクチャートと対物レンズの間に上記光学素子サンプルを挿入し、基準位置を直線偏光に一致させた。光学素子に対して±５Ｖの電圧を印加することで、正方形が約７μｍ偏向することを確認し、この光学素子（光偏向素子）１が、光偏向素子として正常に機能することが確認できた。

（比較例１）
実施例１の単結晶石英基板に代え、ＢＫ７よりなるガラス基板（１．１ｍｍ厚）により全く同様の工程で液晶セルを形成し、比較例となる光学部材Ｒ１を得た。この液晶セルに実施例１で用いた単結晶石英を光学接着剤で貼り合せた。この素子は、図１０に示す従来技術による偏向素子であって、これを比較例Ｒ１とした。

比較例Ｒ１に対して実施例１の光学素子（光偏向素子）１と同様の観察を行った。比較例Ｒ１は、顕微鏡観察から光学素子（光偏向素子）１と同様の光偏向が確認できたものの、マスクチャートの正方形パターンの形状が光学素子（光偏向素子）１に比較してボヤけているのが認識された。これは界面の数が光学素子（光偏向素子）１に比べて増加し、波面収差が増加した為と考えられる。このことから、本発明の光学素子（光偏向素子）が従来の偏向素子に比較して光学性能に優れることが確認できた。

（実施例２）
図８に示した画像表示装置に、光学素子（光偏向素子）１を光偏向手段として、画像表示素子からの画像光の偏光方向と一致するようにして挿入した。説明にある通りの画像を表示させ、光学素子を機能させところ、印加電圧を±５Ｖで切替えることでピクセルシフトが確認され、光偏向手段設置前の二倍の高解像度画像が得られた。

（実施例３）
実施例１によって得られた光学素子（光偏向素子）１を二組用意した。それぞれの基準位置が直交する配置で接着し、本発明に属する光偏向デバイス３を得た。この構造は図４に示す光偏向デバイス１２と同じものである。二組の液晶の印加電圧極性を選ぶことで、第１から第４までの出射光が得られることを確認した。光偏向デバイス３を図８に示した画像表示装置に搭載し駆動させたところ、ピクセルシフトが確認され、光偏向手段設置前の４倍の高解像度画像が得られた。

（実施例４）
実施例１によって得られた光学素子（光偏向素子）１を二組用意した。ただし単結晶石英基板の厚みは２．２４ｍｍとした。これらのサンプルを、それぞれの基準位置が平行となる配置で接着し、本発明に属する光偏向デバイスを得た。この構造は図５に示した光偏向デバイス１２と同じである。二組の液晶の印加電圧極性を選ぶことで、図５に示すような第１から第４までの入射光に対して等しい位置に出射光が得られることを確認した。光偏向デバイス４を図８に示された画像表示装置に搭載し、駆動させたところ、良好なカラー画像が確認された。

本発明の光学素子（光偏向素子）の一実施態様の構造を示す概略断面図である。 本発明の光偏向デバイスの一実施態様の構造を示す概略断面図である。 本発明の光偏向デバイスの他の実施態様の構造を示す概略断面図である。 （ａ）本発明の光偏向デバイスの他の実施態様の構造を示す概略断面図である。 （ｂ）（ａ）の出射光の位置を説明するための図である。 本発明の光偏向デバイスの他の実施態様の構造を示す概略断面図である。 本発明の光偏向素子の一実施態様の構造を示す概略断面図である。 本発明の光偏向素子の他の実施態様の構造を示す概略断面図である。 本発明の画像表示装置の一実施態様を示す概略図である。 本発明の画像表示装置の他の実施態様を示す概略図である。 （ａ）従来の偏向素子の一例の構造を示す概略断面図である。 （ｂ）従来の偏向素子に電圧＋Ｖを印加した場合における液晶の配向の様子を示す図である。 （ｃ）従来の偏向素子に電圧−Ｖを印加した場合における液晶の配向の様子を示す図である。 複屈折素子としてＬｉＮｂＯ₃を用いた場合におけるＬｉＮｂＯ₃の結晶厚と光偏向量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 従来の偏向素子
２ 光学部材
３ 複屈折素子
４ 基板
５ 強誘電性液晶
６ 配向膜
１０ 光学素子（光偏向素子）
１１ 光偏向素子
１２ 光偏向デバイス
１２ａ 前方の偏向素子
１２ｂ 後方の偏向素子
２０ 液晶層
２０ａ 前方の液晶層
２０ｂ 後方の液晶層
２１ 等方性材料からなる基板
２１ａ 前方の等方性材料からなる基板
２１ｂ 後方の等方性材料からなる基板
２２ 一軸結晶からなる基板
２２ａ 前方の一軸結晶からなる基板
２２ｂ 後方の一軸結晶からなる基板
４２ 光源
４３ スクリーン
４４ 拡散板
４５ コンデンサレンズ
４６ 反射型液晶表示素子
４７ 投射レンズ
４８ 光源ドライブ部
４９ 液晶ドライブ部
５０ 光偏向手段
５１ ドライブ部
５２ ポラライズドビームスプリッタ
５３ 透過型液晶パネル

Claims (9)

1. 一軸結晶からなる基板を含んでなる一対の基板を形成し、当該一対の基板の間に液晶層を挟持してなる光学素子であって、
   前記一軸結晶は、基板法線方向以外の方向に光学軸を有するものであることを特徴とする光学素子。
2. 等方性材料からなる基板と一軸結晶からなる基板とにより一対の基板を形成し、当該一対の基板の間に液晶層を挟持してなる光偏向素子であって、
   前記一軸結晶は、基板法線方向以外の方向に光学軸を有するものであることを特徴とする光偏向素子。
3. 前記基板は光の入射方向に配置され、前記一軸結晶は光の出射方向に配置されたものであることを特徴とする請求項２に記載の光偏向素子。
4. 一対の基板を形成し、当該一対の基板の間に液晶層を挟持してなる偏向素子を二個以上重ね合わせてなる光偏向デバイスであって、
   前記一対の基板は、等方性材料からなる基板及び／又は一軸結晶からなる基板で構成されていることを特徴とする光偏向デバイス。
5. 等方性材料からなる基板と一軸結晶からなる基板とにより一対の基板を形成し、当該一対の基板の間に複数の液晶層を挟持してなる光偏向素子であって、
   前記複数の液晶層の間には、前記基板又は前記一軸結晶が挟持され、かつ前記一軸結晶は、基板法線方向以外の方向に光学軸を有するものであることを特徴とする光偏向素子。
6. 前記一軸結晶は、石英であることを特徴とする請求項２、３又は５に記載の光偏向素子。
7. 前記一軸結晶は、石英であることを特徴とする請求項４に記載の光偏向デバイス。
8. 画像情報に従って光の出射強度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、当該画像表示素子を照明する光源と、当該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、当該画像パターンを表示する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、請求項２、３又は５に記載の光偏向素子、請求項４に記載の光偏向デバイスの群から選ばれる光偏向手段とを有し、
   前記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、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とする画像表示装置。
9. 画像情報に従って光の出射強度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、当該画像表示素子を照明する光源と、当該光源からの光を当該画像表示素子の画素に対応させ配色する配色手段と、当該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、当該画像パターンを表示する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、請求項２、３又は５に記載の光偏向素子、請求項４に記載の光偏向デバイスの群から選ばれる光偏向手段とを有し、
   前記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、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示することを特徴とする画像表示装置。

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