JPH04204518A - 光学変調素子および表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、屈折率異方性を有する材料を用いた光学変調
素子、特に強誘電性液晶を用いた光学変調素子、および
このような該光学変調素子を用いた表示装置に関する。

［従来技術］ 従来、強誘電性液晶を用いた光学変調素子において、液
晶層を互いに平行で拓く薄い間隙（例えは１〜２μｍ）
を有する２枚の板の間に形成し、該２枚の板の表面作用
を用いて双安定な状態を作り出す方式が知られており、
その高速応答性およびメモリ性などによって様々な応用
が期待されている。該方式の文献例としては、５ＳＦＬ
Ｃ。

Ａｐｐｌ、　　Ｐｈｙｓ、　　Ｌｅｔｔ、　３６（１９
８０）８９９等か挙げられる。

前記双安定型の強誘電性液晶素子は、液晶層を挟む両側
の板の液晶層側にラビング等により形成される配向作用
面の軸方向（ラビング方向等）に対し、液晶分子軸かあ
る一定角度異なった方向において２つの安定状態を示す
。この角度をコーン角（以下、θ。て表す）という。

前記素子の液晶層面に垂直な方向に電圧を印加すると、
強誘電性素子は一方の安定状態から他方の安定状態へ穆
る。この変化は屈折率異方性を有する材料の光学軸を角
度２θ０たけ回転させることに対応している。従って、
１／２波長板の作用に相当する厚みを有するような前記
強誘電性液晶素子に対し偏光光か入射した場合、双安定
の２つの状態による入射偏光光に対する偏光回転作用は
互いに４０゜たり異なる。クロスニコルあるいは平行ニ
コル配置の偏光素子（偏光板等）で前記強誘電性液晶素
子を挟むと、 ４θ、＝９０’（θ、＝２２．５°） の時、両駅安定状態における透過光量のオン・オフ比（
透過率比、コントラスト）は最も高くなる。

しかしながら、前記コーン角は液晶材料や配向作用面の
特性に強く依存しており、未だ十分なコーン角を有する
強誘電性液晶素子は実現されておらず、光学変調素子と
して用いる場合、その変調度は不十分である。

上記の問題点を解決する方式として光学変調可能な２枚
の強誘電性液晶素子と更に一枚の１／２波長板と組み合
せた方式を考えることができる。

その概要を以下に示す。第２図はその構成および作用を
示したものである。第２図Ａは配向軸方向を揃えた同一
の双安定強誘電性素子１，３と１／２波長板２から成り
、上記２つの強誘電性素子１，３の片方の安定状態に於
りる液晶分子の長袖方向ｎｌ、ｎ３　（より厳密には液
晶の屈折率楕円体の一生軸方向）と１／２波長板２の屈
折率楕円体の一生軸方向ｎ２の３者は同じ方向を向いて
いる。３枚の板１，２，３は互いに平行てあり、かつ各
々は主波長に対して１／２波長板相当の作用を成す。本
構成の液晶素子に対しｎｌ、ｎ２゜ｎ３に平行な振動電
場をもつ電磁波Ｅｉｎ人射した場合、各板１，２．３通
過後の振動電場Ｅ１、Ｅ２．Ｅ３および出射光Ｅ　ｏｕ
ｔの振動電場の方向は変化しない（Ｅ　ｉｎ／／Ｅ　＋
／／　Ｅ　２／／　Ｅ　ｏｕｔ（＝Ｅ３　）　）。

一方、第２図Ｂは、双安定強誘電性素子１，３を他方の
安定状態に保った場合の構成を示しており、素子１．３
の液晶長軸方向は入射光Ｅｉｎの振動電場の方向に対し
て２θ。たけ同じ方向に回転している。この場合、まず
第一に、液晶素子１を通過した光の電場Ｅ１は入射光に
対して４θ０たけ回転する。次に１／２波長板２を通過
した光の電場Ｅ２は、屈折率の１主軸ｎ２に対して一４
０ｃたり回転した方向となる。最後にＥ２に対して６θ
ｏ　（＝４０゜＋２０゜）だけ回転した方向に液晶分子
長軸ｎ３をもつ第２の液晶素子３を通過した光の電場Ｅ
３（−Ｅｏｕｔ　）は、液晶分子長軸ｎ３に対して６θ
０たけ回転した方向となる。従って、出射光Ｅ　ｏｕｔ
の電場方向は入射光Ｅｉｎの電場方向に対し８θｃ　　
（−２０゜＋６０Ｃ）だけ回転することにとなり、現状
の液晶素子技術の場合と比較して２倍の偏光回転が可能
となることを示している。すなわち θ、＝１１．２５” のコーン角で透過光量のオン・オフ比（透過率比、コン
トラスト）を最大にすることができる。

例えば、本出願人による特願平 （以下、先願という）には、第２図ＡおよびＢの構成に
等価な、但し非常に好適な構成を有する光学変調素子が
記載されている。この光学変調素子は、第３図を参照し
て、■光学変調可能な双安定強誘電性液晶素子１１／２
波長板相当の作用をもつ）、■１／４波長板４、■反射
板５、ならびに偏光子および検光子から成り、光の入射
側から■のうちの被変調部（すなわち液晶層）、■およ
び■の順に並ぶことを特徴としている。

この構成によれは、液晶素子は反射面５を介して光線が
２回通過し、またその間に１／４波長板４は反射面５を
介して光線か２回通過するため、１／２波長板相当の作
用を成し、従って液晶素子またけのものに比へ２倍の偏
光回転が可能となる。そのため光学変調可能な液晶素子
が１ケで済み、構成か簡単て、さらに高精度のレジ合せ
か不要という効果があった。また、１／４波長板４とし
て高分子液晶を用いることにより、屈折率異方性が通常
の異方性物質（水晶、雲母、延伸フィルム等）に比べて
大きいので、非常に薄くすることかてき（例えは１μｍ
）、開口率低下や画素間クロストークか緩和される。あ
るいは、流動性の大きい高温状態において配向させた後
、配向の安定する温度域で使用することができるため、
同じく屈折率異方性の大きい低分子液晶よりも扱いが容
易となるといった利点があった。

第３図は、前記先願に記載された構成の光学変調素子を
適用した投写型表示装置の構成を示したものであり、第
４図は光学変調素子部の作用の概略説明図、第５図はそ
の詳細構成を示したものである。

第２図において、不定偏光光を発する光源６より発光し
た光はりフレフタ７で反射され、コンデンサレンズ８で
コリメートされた後、偏光ビームスプリッタ９に入射し
、偏光ビームスプリッタ９に対するＰ偏光成分は透過し
Ｓ偏光成分が垂直方向に反射される。上記Ｓ偏光成分は
１／２波長板相当の双安定強誘電性液晶１、および１／
４波長板４を通過して反射板５によって反射され、再び
１／４波長板４、および双安定強誘電性液晶１を通知す
る。上記Ｓ偏光成分は液晶素子１の状態に応してＰ偏光
成分を生じ、再び偏光ビームスプリッタ９に入射する際
、Ｓ偏光成分は反射され、透過したＰ偏光成分が投写レ
ンズ１０により不図示の画像投影用スクリーン面上に結
像投影される。

偏光ビームスプリッタ９は該構成においては偏光子と検
光子両者を兼ねている。

第４図において、入射光は振動電場Ｅｉｎをもつ直線偏
光光である。強属電性液晶１の長軸ｎ１か１／４波長板
４の長軸ｎ４およびＥｉｎと平行な片方の安定状態にお
いては偏光回転は起こらない。

一方、第４図に示した如く、液晶１の長軸ｎ１か２θ。

たけ入射光Ｅｉｎに対して回転した状態においては、ま
す液晶素子１を通過した光の電場Ｅ１は入射光Ｅｉｎに
対して４θ。たけ回転する。次に１／４波長板４を通過
した光の電場Ｅ２は円偏光となって、反射板５によって
反対され、再び１／４波長板４に入射する。１／４波長
板４を通過した電場Ｅ３は１／４波長板４の屈折率の一
生軸ｎ４に対して−４０゜たけ回転した方向となる。最
後にＥ４は、Ｅ３に対して６θｃ　（＝４０゜＋２００
）たけ回転した向きに液晶分子長軸ｎ１に対して６０Ｃ
たり回転した電場方向となる。従って出射光Ｅｏｕｔ　
　（＝Ｅ４）の電場方向は入射光Ｅｉｎの電場方向に対
して８θｏ　（＝２００＋６０゜）だけ回転することに
なる。この様に反射型構成では、１つの変調素子で２倍
の偏光回転角が得られることになり、レジ合せか不要、
かつコスト面か有利という点て優れている。

第５図は、第４図に示した部分をより詳細に示したもの
であり、入射光側より透明なカラス基板３０１　（厚さ
約１ｍｍ）、電極作用を有する透明なＩＴ０１１＠３０
２（厚さ約１５００人）、対向電極との短絡を避けるた
めの絶縁膜３０３（厚さ約１２００人）、液晶を配向さ
せるためのラビング処理を施したポリイミド膜３０４（
厚さ約２００人）、不図示の径１〜２μｍのビーズ玉に
より保持された間隙に注入された液晶層３０５、ポリイ
ミド膜３０４と同様のポリイミド［３０６（厚さ２００
人）、ポリイミド膜３０６の基板となる薄い透明層３０
７（例えはカラス板）、屈折率異方性を持ち１／４波長
板相当の作用を行う高分子液晶層３０８（厚さ１μｍ以
下）、高分子液晶の配向を容易にするためにラビング処
理を施したポリイミド膜３０９（厚さ約２００人）、Ｉ
ＴＯ膜３０２に対する対向電極作用および光の反射作用
を兼ねたアルミニウム蒸着膜３１０（厚さ数μｍ）、お
よびカラス基板３１１（厚さ約１　ｍｍ）の各部から構
成される装置 ここて光学変調素子は、ガラス基板３０１．３１１上に
必要な層を順次形成した後、両者の隙間３０５に液晶材
料を注入し、更に熱処理等により双安定強誘電状態とす
る。出射光の偏光状態の変調は電極３０２．３１０への
印加信号により行なう。該光学変調素子は複数画素を独
立に変調することにより容易に画像表示に適用可能であ
る。

例えは、ＴＴＯ電極３０２およびアルミニウム電極３１
０を各々短冊型の複数独立の電極とし、しかも両者を互
いに直交させて、マトリクス型の構成とした場合（いわ
ゆる単純マトリクス駆動）である。この様にして画像表
示を行なう場合、同じ画面サイズにおいて解像力を向上
させるためには１画素当りのサイズを小さくする必要が
あり、投写型表示装置の如く小型の液晶表示素子を用い
る場合、例えは対角３インチにおいて、１画素は約６０
　μｍ角（ＥＤＴＶ用）となる。

上記先願に記載の素子構成においては、１／４波長板と
して、水晶、雲母または延伸フィルム等に比へ屈折率異
方性が格段に大きい（１〜２桁）高分子液晶（Δｎ〜０
２）を用いたことにより１／４波長板の厚みを１μｍ以
下に抑えることができる。また、ポリイミド膜３０６の
基板となるガラス板３０７は、素子保持強度として十分
な厚みをもつガラス基板３１１上に構成されるので、非
常に薄いガラスを用いることがてきる。画素電極３０２
．３１０間の他の層は、従来の技術レベルにおいても１
画素サイズに比べて十分に薄いため、高分子液晶による
１／４波長板３０８および極薄のガラス板３０７は実効
開口率の向上、画素間のクロストークの防止に対して大
きな力を発揮するものである。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記の如き構成からなる光学変調素子は
、薄膜積層構造を有するため、異なる屈折率を有する２
つの膜の界面において、入射光は隣接する２層の屈折率
差の大きさにより反射作用を受ける。このため、屈折率
差の大きな界面はど反射率が大きくなり入射光量を減少
させ、コントラストの低下を生してしまう。なお、この
とき、極めて薄い積層膜構成を有することからくる干渉
効果、さらに界面の表面粗さによる散乱光の影響等も考
えられるが、これらは上記の如き屈折率差による反射光
量に比べ極めて小さい。

このように、従来の光学変調素子におしλでは、その薄
膜積層構造ゆえに多数の界面での反射作用によるコント
ラスト低下をまぬがれない。しかしながら、前述の如き
従来の光学変調素子において、透明電極層、絶縁層、液
晶層は必須の構造であり、現状のプロセス技術レベルに
おいて、各々の膜に要求される導電性、透過率、絶縁性
、液晶の複屈折性等の物性、さらには膜の機械的強度、
密着性を満足し、かつ屈折率も非常に差か小さし）とい
うのは、きわめて困難である。

本発明は、上述の従来例における問題点に鑑みてなされ
たちのて、液晶を用いた光学変調素子において、そのコ
ンｌ−ラスト比の向上を図ることを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明では、少なくとも３層
以上から成る薄膜積層構造を有する光学変調素子におい
て、各層の界面付近での屈折率に連続性を持たせること
を特徴としている。

［作用コ 上記構成によれば、２層の界面での屈折率差に伴なう反
射作用を低減ないしは防止することができ、この反射作
用によるコントラスト低下を防ぐことかできる。

特にある１層をはさんだ２層の膜の屈折率差が非常に大
きいとき（例えは０．４程度）−２つの界面付近での屈
折率に連続性をもたせ、究極的には、大きい屈折率差か
連続的に解消されていることで反射率をほぼゼロにまで
おさえることができる。

［実施例］ 第１図は、本発明の一実施例に係る光学変調素子の構成
を示す。同図において３０１は厚さ約１ｍｍの透明カラ
ス基板、３０２は厚さ約１５００人のＩＴＯ膜からなる
透明電極ＩＴＯ１３０３は厚さ約１２００人の例えば５
ｉ０２／ＴｉＯ２からなる絶縁膜、３０５は厚さ約２μ
ｍの強誘電性液晶層である。この液晶層３０５は例えは
（Ｓ）２−メチルブチル−Ｐ−［（ｐ−ｎ−デシロオキ
シヘンシリデン）アミノコシンナメート（通称ＤＯＢＡ
ＭＢＣ）からなる。さらに、３０６は強誕電液晶層３０
５を配向させるための厚さ約２００人のポリイミド膜て
あり、３０７〜３１１は第４図と共通である。

第１図の光学変調素子の作成は、まず、カラス基板上に
例えは３〜４　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒの０２霊囲気中て
反応性イオンブレーティング法によってＴＴＯを１２０
０人形成する。次にＲＦグロー放電を停止し、そのまま
Ｈ２雰囲気中てＥＢ蒸着法によってＳｉＯをｉ　ｏｏｏ
入形酸形成この表面を０２雰囲気中パルスルヒーレーサ
て０２Ｊ／ｃｍ２のアニールパワー密度の１μｓ照射を
行ったところ、上記褐色の膜は透明となり、絶縁膜を形
成した。このとき、反応性イオンブレーティング法で形
成した透明なＩＴＯは多結晶を、ＥＢ蒸着法で形成した
かっ色のＳｉＯは非晶なる結晶状態をもっている。この
表面にパルスレーザ光が照射されると表面から融解か開
始する。この時雰囲気は０２であるので０２は融解した
部分に拡散する。次にレーザ照射を停止すると急速に結
晶化が進み、再結晶が起こる。但し、τ囲気および融解
層に充分な０２か存在しているため、再結晶状態は酸素
欠陥のほとんどない５ｉ０２、換言すると非常に高抵抗
な良質の絶縁膜となるだけでなくレーザを吸収したＳｉ
Ｏが透明電極層との界面から融解後回結晶化するため、
レーザを吸収する前のＳｉ○／Ｉ　Ｔｏ界面であった付
近は、混晶領域となる。従って透明電極層と絶縁層との
光学的屈折率が界面付近で連続的に変化する。また、本
実施例の如きパルスレーザ光を用いることにより、着色
層でのみ融解か起こるので、それ以下の層ではほとんど
温度上昇はしない。従って熱による例えはＰＬＣ配向膜
等へのダメージはほとんど受けることはなかった。

［他の実施例コ 他の実施例として次の如き形成プロセスによって第１図
に挙げた構成を得ることができた。

カラス基板上に例えば３〜４　Ｘ　１０−’　Ｔｏｒｒ
の０２雰囲気中で反応性イオンブレーティング法によっ
てＩＴＯを１５００人形成した。次にＲＦグロー放電を
停止し、通常のＥＢ蒸着法によりＳｌを１２００人形成
し、この表面を０２罪囲気中において例えばパルスルビ
ーレーザで０２Ｊ／ｃｍ２のアニールパワー密度の１μ
ｓ照射を行なったところ、上記黒褐色の膜は透明となり
、絶縁膜を形成した。上記黒褐色の膜はレーザアニール
により表面から融解し、その時充分なｏ２雰囲気中であ
るので、０２が拡散し、次にレーザを停止すると急速に
再結晶化するか、その際には酸素欠陥のほとんどない透
明な絶縁膜が形成される。レーザを吸収し融解および０
２拡散過程を経るため、レーザアニール前にＥＢ蒸着Ｓ
　ｉ　／　Ｔ　Ｔ　Ｏ界面てあった付近は混晶領域とな
る。従って透明電極層ＩＴＯと絶９７＠　Ｓ　ｉ　Ｏ２
どの光学的屈折率が界面付近で連続的に変化する。

［発明の効果］ 上記説明したように、本発明によれは、該光学変調素子
の薄膜積層構造において隣り合う２層の薄膜の屈折率差
を減少させる様な屈折率勾配を１部（界面付近）あるい
は全部分に有するようにしたことで、従来問題となって
いた屈折率の異なる２層の界面での反射作用によるコン
トラストの低下は大幅に低減するという効果が得られた
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る光学変調素子の構成
を示す断面図、 第２図は、従来の光学変調素子の作用説明図、第３図は
、従来の光学変調素子を用いた投射型表示装置の概略構
成図、 第４図は、第３図における光学変調素子の作用説明図、
そして 第５図は、第３図における光学変調素子の構成を示す断
面図である。 ３０１ニガラス基板 ３０２：透明電極 ３０３：絶縁膜 ３０４・ＦＬＣ配向のためのボッイミド膜３０５：ＦＬ
Ｃ ３０６：３０４と同様のポリイミド膜 ３０７：３０６のための基板（例えばガラス）３０８・
１／４波長板相当の作用を行う高分子７夜相層 ３０９・３０８の配向のためのポリイミド膜３１０：反
射板と対向電極とを兼ねたＡＪＺ膜３１１ニガラス基板 １．３・液晶素子 ２：１７２波長板 ４・１／４波長板 ５　反射板 ６、光源 ７、リフレクタ ８：コンデンサレンズ ９：偏光ビームスプリッタ １０：投写レンズ 特許出願人　　　キャノン株式会社 代理人　弁理士　　　伊　東　哲　也 代理人　弁理士　　　伊　東　辰　雄

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明電極層、絶縁層および液晶層を含む少くとも
   ３層以上から成る薄膜積層構造を有し、該強誘電液晶に
   電圧を印加してその複屈折性を制御することにより光の
   偏光状態を変える光学変調素子において、 隣り合う２層の薄膜の屈折率差を減少させる様な屈折率
   差勾配を１部あるいは全部分に持つ層を設けたことを特
   徴とする光学変調素子。
2. （２）前記液晶層が双安定強誘電液晶であることを特徴
   とする請求項１記載の光学変調素子。
3. （３）請求項１記載の光学変調素子の背面に該光学変調
   素子を通過した光を該光学変調素子側へ反射する該反射
   板を設けたことを特徴とする表示装置。
4. （４）前記光学変調素子への入射または出射光の光路中
   に、さらに、１／４波長板能を有する高分子液晶層を設
   けたことを特徴とする請求項３記載の表示装置。