JPH04218021A - 光書込型液晶ライトバルブの駆動方法 - 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、光プリンタの中間画像形成媒体、画像投影装
置、光シャッタ、画像処理装置、光情報処理システムな
どに用いられる光書込型液晶ライトバルブに関する。

〔発明の概要〕

本発明は、水素化アモルファスシリコン光導伝体と、強
誘電性液晶とを組み合わせた光書込型液晶ライトバルブ
に対し、レーザービームを書込光として用いそのビーム
スポットイメージの書込を行う場合の、部分消去法に関
するものである。

本発明の液晶ライトバルブの光変調材料として用いた強
誘電性液晶は、急峻なパルス閾値特性と比較的大きな自
発分極を有するために、明瞭な双安定性を示し、その結
果優れたメモリ性を発現する。レーザービームを書込光
として、ビームスポットイメージを強誘電性液晶ライト
バルブに書込む時は、まず第一の工程として光導伝体側
から光照射をしながら該ライトバルブの光照射時の閾値
電圧以上のパルス電圧を印加するか、もしくは光照射な
しで暗時の閾値電圧以上のパルス電圧を印加することに
より、全ての強誘電性液晶分子を電圧の極性に応じた方
向に配列させ、ついで第一の極性とは反対で且つ、光照
射なしでは暗時の閾値電圧以下であり、光照射時には光
照射時の閾値電圧以上のパルス電圧を印加しながらレー
ザービームを走査することにより、レーザービームの照
射された部分の液晶分子のみをその極性に対応した方向
に反転させる事により、ビームスポットイメージを書込
みメモリさせることができる。書込まれたイメージは、
レーザービームの照射される側と反対方向から読みだし
光が照射され、ミラーによって反射されスクリーン上に
投射表示される。

書込まれた情報を書き換えたり、部分的に消去する場合
は、書き込み時とは逆極性で且つ、光照射なしでは暗時
の閾値電圧以下であり、光照射時には光照射時の閾値電
圧以上となるパルス電圧を印加しながら、消去したい部
分に書き込み時とまったく同じ条件でレーザービームを
照射することにより、必要な情報を残したまま部分消去
することができる。

〔従来の技術〕

レーザービームを書込み光として、そのビームスポット
イメージを液晶ライトバルブ上に書き込む方法としては
、光変調用液晶材料としてメモリ性を有するＳｍＡのサ
ーモオプチック効果を利用したもの、ネマチック−コレ
ステリック相転移効果を利用したものなど様々なモード
が考案されており、高精細な画像投射装置として既に実
用化されているものもある。

ＳｍＡのサーモオプチック効果を用いる場合は、まず初
めにライトバルブに電圧を印加して全ての液晶分子を電
界方向に配列させることにより全面消去して初期化を行
う。次に書き込みを行いたい箇所に対し電界を切った状
態でレーザービームを照射すると、液晶分子はＳｍＡ相
からアイソトロピック相まで局所的に加熱される。アイ
ソトロピック相では分子の配列はランダムであり、レー
ザービームが取り除かれると液晶分子は急冷されＳｍＡ
相に戻りランダムな分子配列状態のまま凍結され光散乱
状態を示す。したがって、レーザービームの照射された
部分のみが光散乱状態となり必要な情報をライトバルブ
上に書き込むことができる。

このようにして書き込まれた情報の部分消去は次のよう
な方法により実現される。すなわち、ライトバルブの透
明電極間に電圧を印加しながら、光散乱状態でＳｍＡ相
に書き込まれ凍結されている部分にレーザービームを照
射すると、この部分の液晶分子相まで昇温され流動性を
増す。レーザービームが除去されるとこの部分の分子は
冷却され、液晶層がネマチック相を取っている間に液晶
分子は電界方向に光軸を揃え、そのままＳｍＡ相に凍結
される。液晶分子が光軸を揃えて配列すると光散乱は起
こさない。従って電圧を印加しながらレーザービームを
照射した部分だけが消去されることになる。ネマチック
−コレステリック相転移効果を用いる場合にも、ほぼ上
記と同様の駆動法により、全面消去、書き込み、部分消
去を行うことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこれらは、レーザービームを液晶層を加熱
するための熱源として用いた書き込み方式であり、高速
な書き込みを実現することは困難であった。ビームスポ
ットイメージの書込み速度はレーザーのパワー、液晶の
比容、周囲温度などに依って決定される。通常は１ビー
ムスポット当り５〜２０μｓの書き込み時間が必要であ
り、このため１０００＊１０００の情報を書き込む場合
は、レーザー走査のデューティを５０％とすると１画面
当り１０〜４０ｓの書込み時間を要することになり、リ
アルタイムな情報の書込み、投射表示を実現することは
不可能であった。

より高速な書込み速度を実現するものとして、光導伝体
薄膜と液晶とを組み合わせた光書込み型液晶ライトバル
ブも提案されている。この場合には、光導伝体の光照射
時と暗時のインピーダンスの差を利用して液晶層と光導
伝体との分圧比を制御することにより必要な情報を光の
パターンで書き込んでいる。光変調材料としては通常ネ
マチック液晶が用いられているが、ネマチック液晶はメ
モリ性を有しておらず、レーザービームが照射されてい
る間だけは液晶分子に対して十分な電圧が印加されるが
、レーザービームが取り除かれると光導伝体のインピー
ダンスが急激に増大しネマチック液晶に電圧が印加され
なくなり液晶分子は初期の配向状態に戻ってしまう。従
ってこのような液晶ライトバルブでは、レーザービーム
による書込み、読み出しを行うことは事実上不可能であ
った。

最近では、１０μｓオーダーの高速応答性と双安定性、
パルス閾値特性を有する強誘有電性液晶材料と光導伝体
薄膜とを組み合わせた光書込型液晶ライトバルブの開発
がおこなわれるようになってきたが、まだ開発の緒に付
いたばかりであり十分な検討は行われていない。またこ
の種のライトバルブは主として光の並列性、高速性を利
用したアナログ的な光パターンによる像入力、像出力に
関する用途を目的として検討されており、レーザービー
ムによるビームスポットイメージの書込みに関する報告
は、皆無に等しかった。

〔課題を解決するための手段〕

本件発明者らは、光変調材料として強誘電性液晶、光導
伝層として高速、高感度な水素化アモルファスシリコン
薄膜、液晶配向膜として一酸化珪素の斜方蒸着膜を用い
ることにより、きわめて高性能な強誘電性液晶ライトバ
ルブを開発する事に成功し、このライトバルブのレーザ
ービームによる書込み特性を詳細に検討した。

本件発明者らによる光書き込み型強誘電性液晶ライトバ
ルブは、第５図に示すような優れた双安定性とシャープ
なパルス閾値特性を示す。

本発明に用いた液晶ライトバルブは、優れた双安定性と
急峻なパルス閾値特性を有する強誘電性液晶と、高速、
高感度で大きな明暗電流比を有する水素化アモルファス
シリコン光導伝体から構成されている。またその液晶層
と光導伝体間に光分離ミラー層を有する場合もある。こ
の液晶ライトバルブにレーザービームを用いてビームス
ポットイメージを書き込む場合は、暗示の閾値電圧より
も小さく、光照射時の閾値電圧よりも大きなパルス電圧
を印加することによりライトバルブ全面を初期化してそ
の状態をメモリした後、暗示の閾値電圧よりも小さく、
光照射時の閾値電圧よりも大きな逆極性のパルス電圧を
印加しこれと同期を取りながらレーザービームを照射す
ることにより、ビームスポットイメージを書き込むこと
ができる。

書き込み時と逆極性で同じ大きさのパルス電圧を印加し
、これと同期を取りながら書き込み時とまったく同じ条
件でレーザービームを照射することにより、必要な書き
込み情報を残したまま部分的な消去を行うことを発見し
た。

情報の部分的な追加書き込みは、書き込み時とまったく
同じパルス電圧を印加し、これと同期を取りながら必要
な情報を書き込めばよい。

〔作用〕

強誘電性液晶は、液晶層の厚さを固有の螺旋ピッチより
も薄くすることにより螺旋を解き双安定性を発現する。

光導伝体対と強誘電性液晶を組み合わせると、暗時は光
導伝体対と強誘電性液晶に依って印加電圧は分圧される
が光導伝体対のインピーダンスの方が大きく印加電圧が
小さいうちは液晶分子をその印加電圧の極性方向に反転
させることができない。

光照射時には光導伝体のインピーダンスが急激に小さく
なりほぼ統べての電圧は液晶層に印加され液晶分子は極
性に応じた方向に反転しその状態のままメモリされる。

十分大きなパルス電圧を印加することにより、光照射な
しでも液晶分子を反転させその状態をメモリすることが
できる。

光照射を行いながら電圧を印加すると暗時よりも小さい
電圧で液晶分子を一定方向に揃えその状態をメモリする
ことができる。

前述のいずれかの方法でライトバルブ全面の液晶分子を
一定方向に揃えその状態でメモリしたのち完全に暗い状
態で逆極性の適度なパルス電圧を印加すると、光導伝体
対のインピーダンスと液晶の示す双安定性のために液晶
分子は反転しない。

この状態でレーザービームを照射すると、その部分の液
晶は印加電圧に応じた方向に反転しメモリされる。

再度完全に暗い状態で逆極性のパルス電圧を印加しても
メモリ状態は変化しない。書き込みを行った部分にレー
ザービームを再度照射すると、その部分のみが反転し部
分消去が実現できる。

〔実施例〕

以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。

第２図は、本発明に用いた光書き込み型強誘電性液晶ラ
イトバルブの構造を示す模式図である。

液晶分子を挟持するための基板１１ａ、１１ｂとして、
両面を平行平面度四分の一波長以下に研磨した厚さ４ｍ
ｍの透明ガラス基板を用いた。両基板の表面にはＩＴＯ
透明電極層１２ａ、１２ｂを設けた。光による書き込み
側の透明電極層１２ａ上には、ＳｉＦ４を生体とするガ
スを放電分解して、３μｍの厚さの水素化アモルファス
シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）光導伝層１５を形成した。さ
らに前記膜上に誘電体ミラー１６を形成した。さらに両
基板の表面には基板の法線方向から８５の入射角で、か
つ、組み合わせた状態で書き込み側及び読みだし側の基
板上の入射方向が一致するように一酸化珪素を斜方蒸着
した配向膜層１３ａ、１３ｂを設けた。

次に、１．０μｍの平均粒径を持つシリカ球を外周シー
ル材に混合分散し、凸版印刷法を用いて印刷塗布して２
枚の基板を接着し、強誘電性液晶を挟持する間隙を形成
した。強誘電性液晶組成物１４としては、ＳＣＥ−６（
ＢＤＨ社製）、Ｆ００５（Ｈｏｅｃｈｓｔ社製）等を用
い、アイソトロピック相迄昇温したのち、真空注入しス
メクチックＣ相迄徐冷して均一な配向を得た。

次に、作製されたライトバルブの動作特性を評価した。

第３図はレーザー書き込み、読み出し実験を行った光学
系のシステム図である。ライトバルブ３１はクロスニコ
ルに組み合わされた反射型偏光顕微鏡３２のステージ３
３上にセットされ、透明電極間には両極性のパルス電圧
３４が印加された。

偏光顕微鏡の接眼レンズ３５の焦点面には、ＰＩＮフォ
トダイオード３６がセットされており、ライトバルブで
変調を受け反射された落斜照明光３７の光学応答はＰＩ
Ｎフォトダイオードで検知され、印加電圧波形と共にオ
シロスコープ３８上に示される。

第４図、第５図ににライトバルブの光学応答を示す。第
４図は、双極性パルス電圧４１が印加された時に落斜照
明光だけがライトバルブを照明している場合の光学応答
４２ であり、第５図は投射照明光も合わせてライトバルブを
照明しているときの光学応答４３である。落斜照明光は
ライトバルブに書き込まれた情報の読み出し光であり、
投射照明光は書き込み光に相当する。落斜照明光だけの
場合は単安定性を示すが、投射光が加わるときわめて良
好な双安定性を示す事が確認される。

投射照明光の代わりに半導体レーザーを用いてこのライ
トバルブのレーザービームスポットによる書き込み実験
を行った。使用したレーザー３９は、３０ｍＷ出力のＧ
ａＡｌＡｓ半導体レーザーであり、ＮＡ＝０．１４のコ
リメーターレンズ４０を用いてライトバルブの光導伝体
面にビームスポットサイズを２２μｍに絞りこんだ。第
１図は、本発明に用いた光書き込み型強誘電性液晶ライ
トバルブの駆動波形とレーザーパルスの発光時間を示す
タイミングチャート図である。

透明電極間に、２０Ｖ、１ｍｓのパルス電圧１を印加し
てライトバルブ全面をダーク状態に揃えその状態でメモ
リした。次いで、完全に光が当たらない状態で−１５Ｖ
、１ｍｓのパルス電圧を印加した。落斜照明光でこの時
の状態を観察したところ完全にダークな状態を保ってい
た。更に完全に光が当たらない状態で−１５Ｖ、１ｍｓ
のパルス電圧２を印加し、この電圧と同期を取りながら
、２ｍＷ、１μｓの単発のレーザービーム４を照射した
。

再び落斜照明を当ててこの時のライトバルブを観察した
ところ、ダークの背景に対し４０μｍの大きさの、ビー
ムスポットに対応した明るい領域が観察された。レーザ
ーの出力を１ｍＷに落として再度同じ工程を行ったとこ
ろ、２５μｍのビームスポットイメージが記録されてい
た。パルス電圧とレーザービームパルスの同期を取りな
がらライトバルブを移動すると、レーザーパルスの発光
回数分だけのスポットイメージが記録されていた。

次ぎに逆極性のパルス電圧３を印加し、ビームスポット
イメージが記録されているところに同じ条件でレーザー
パルス５を照射したところ、再びレーザービームが照射
された部分のビームスポットイメージだけが消去され、
その他の所はビームスポットイメージが記録されたまま
であり部分消去が実現されていることが確認された。

１００ｎｓのレーザーパルスでもビームスポットの書き
込み、部分消去が実現できた。書き込まれたイメージの
コントラストは、１００：１以上であった。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明の駆動方法に依れば、１
ドット当たり１００ｎｓオーダーのきわめて高速な書き
込みが達成され、画像記録には必要不可欠な部分消去が
実現することができ、きわめて高解像で高コントラスト
なデジタル情報の書き込み、読みだし装置を具現化する
ことができ、光プリンター、高解像デジタル画像投射表
示装置、デジタル光演算装置等の性能、応用範囲を飛躍
的に増大せしめるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光書き込み型強誘電性液晶ライ
トバルブの駆動波形とレーザービームの照射時間を示す
タイミングチャート図。 第２図は、本発明に用いた光書き込み型強誘電性液晶ラ
イトバルブの構造を示す模式的断面図。 第３図は、本発明によるレーザー書き込みを行った書き
込み読みだし光学系を示すシステム図。 第４図、第５図は、本発明に用いた光書き込み型強誘電
性液晶ライトバルブの光学応答特性図である。 １…消去パルス電圧（初期化） ２…書き込みパルス電圧 ３…部分消去パルス電圧 ４…書き込みレーザーパルス ５…消去レーザーパルス １１ａ、１１ｂ…透明基板 １２ａ、１２ｂ…透明電極 １３ａ、１３ｂ…配向膜 １４…強誘電性液晶層 １５…光導電膜 １６…誘電体ミラー ３１…光書き込み形強誘電性液晶ライトバルブ ３２…反射形偏光顕微鏡 ３３…マイクロステージ ３４…印加電圧 ３５…接眼レンズ ３５…ＰＩＮフォトダイオード ３７…変調を受けた落射照明光 ３８…オシロスコープ ３９…書き込み用レーザ ４０…コリメーターレンズ ４１…双極性パルス電圧 ４２…光学応答（読み出し光のみ） ４３…光学応答（読み出し光・書き込み光）以上 出願人　セイコー電子工業株式会社 代理人　弁理士　林敬之助

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザービームによる書き込み手段、光による読み出し
   手段及び電圧印加手段を具備し、透明電極上に水素化ア
   モルファスシリコン光導伝体薄膜が形成されたガラス基
   板と、透明電極の形成されたガラス基板のそれぞれの内
   側表面に液晶配向膜が形成された一組のガラス基板が対
   向配置され、その間隔に強誘電性液晶組成物が封入され
   てなる液晶ライトバルブの駆動方法において、該透明電
   極間に該液晶ライトバルブの暗時の閾値電圧以下であり
   且つ光照射時の閾値電圧以上のパルス電圧を印加しなが
   らレーザービームによりレーザービームスポットの書き
   込みを行った後、必要に応じて該液晶ライトバルブに逆
   極性のパルス電圧を印加しながら書き込みを行った所と
   同一箇所にレーザービームを照射することにより、部分
   的に書き込み情報を消去することを特徴とする光書き込
   み型液晶ライトバルブの駆動方法。