JPH06258656A - 液晶空間光変調器及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明の目的は、連続階調表現が可能で、
信頼性の高い液晶空間光変調器及びその駆動方法を提供
する事にある。 【構成】 図１に、本発明に係る空間光変調器の構成を
示す。液晶を挟持するための一対の基板の表面に透明電
極層が形成され、一方の透明電極上には光導電層及び誘
電体多層膜ミラーが形成されている。さらに両基板の表
面には、配向膜層が設けられている。この一対の基板
を、スペーサー材を外周シール材に混合分散し、前記シ
ール材を塗布した後２枚の基板を接着して液晶を狭持す
る間隙を形成し、間隙に１８０゜〜３６０゜の回転角を
有するネマチック液晶組成物が狭持されている。また、
その駆動方法として交番電界を用いる。 【効果】 本発明の方法に依れば、プロジェクションデ
ィスプレイ、光情報処理システム、光ニューラルネット
等のシステムに用いられる空間光変調器において、連続
階調表現を強誘電性液晶を用いるよりも簡便、安価かつ
高信頼に実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプロジェクションディス
プレイ、画像処理装置、光情報処理用空間光変調器等に
応用される光書き込み型液晶空間光変調器及びその駆動
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶を用いた空間光変調器は入力
された画像情報を、リアルタイムで強度変調出力する素
子として用いられている。一般には表面安定化強誘電性
液晶を変調材料として用いた二値化デバイスが知られて
いる。また、筆者らは、特願平０２−２３９５９４によ
って、上記素子に於て連続階調を有する出力を得る駆動
方法をも示した。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の表面安
定化強誘電性液晶を用いた空間光変調器及びその駆動方
法によっては、上記特願平０２−２３９５９４に於いて
示したような方法を用いて連続駆動状態では階調表現が
可能となるものの、素子に直流バイアスを印加する必要
が生じ、信頼性上の問題があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明は上記
問題を解決するために、液晶を用いた空間光変調器及び
その駆動方法に於いて、変調材料として用いる液晶組成
物を、１８０゜〜３６０゜の回転角を有する常温でネマ
チック相を取る組成物とし、交番電界によって駆動する
事により、液晶空間光変調器において連続階調を表現す
る事を可能とし、さらに素子の信頼性を向上せしむるも
のである。

【０００５】

【作用】上記の方法を用いる事により、プロジェクショ
ンディスプレイ等の連続階調を必要とする用途において
も液晶空間光変調器が利用される可能性が生じ、さら
に、強誘電性液晶を用いた場合に起こる層構造の変形に
よる焼き付きが発生せず、対衝撃性も向上し、もってそ
の応用範囲を増大させる事ができるものである。

【０００６】

【実施例】以下に図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。図１は、本発明に係る光書き込み型液晶空間光変調
器の構造を示す模式図である。

【０００７】液晶分子を挟持するための基板11a、11bと
して、両面をHe-Neレーザー波長に於て平行平面度λ/5
以下に研磨した厚さ５mm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３．０μｍの
厚さの水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）光導電層
15を形成した。さらに光導電層上には、ミラー層として
誘電体多層膜ミラー16を形成した。ただし、このミラー
層は、空間光変調器の用途によっては必要ない場合もあ
り、これを形成しない空間光変調器についても作製評価
を行った。ここで、ミラー層は互いに絶縁された金属膜
が配列された構造等であっても問題ない。

【０００８】ミラー層の総厚は、使用波長における反射
率の要求によって決定されるが、総厚の増加は素子の解
像度に影響を与えるため、むやみに厚くすることはでき
ない。そのため、本実施例に於いて作成した誘電体多層
膜ミラーの総厚は２．６μｍとした。

【０００９】なお、光導電層15は、硫化カドミウム等の
他の材料を用いても問題なく、また、層厚はミラー層及
び液晶層の厚みによって最適値が変動するものであっ
て、０．５〜１０μｍの範囲内で上記各膜の電気的特性
及び膜厚を勘案して設定される。

【００１０】さらに両基板の表面には、ポリイミドから
なる配向膜層13a、13bを設けた。配向膜層13a、13bには、
両基板を組み合わせた状態で液晶分子の回転角が２４０
゜となるような方向にラビング処理を施した。ここで、
配向膜層としては、ポリイミド以外の高分子膜を用いて
も問題ない。また、一酸化珪素等を斜方蒸着した膜（こ
の場合はラビング処理は不要）であってもよい。

【００１１】次に、２．８μｍ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前
記シール材を印刷塗布した後２枚の基板を接着し、液晶
を狭持する間隙を形成した。ここで、本実施例において
は３．０μｍの水素化アモルファスシリコン光導電層を
用いたため、液晶層厚を２．８μｍとしたが、液晶層厚
は前記したように光導電層及びミラー層の条件によって
最適値が変動するため、１〜１０μｍの範囲内で設定さ
れる。

【００１２】液晶組成物14としては、ＲＤＰ２１１２５
（ロディック社製）に２．６％の左遷性カイラル剤Ｓ−
８１１を添加したものを用い、真空注入した後一度アイ
ソトロピック相まで加熱、徐冷して均一な配向を得た。
使用した液晶ＲＤＰ２１１２５の屈折率異方性Δｎ＝
０．２５４である。ここで、液晶の屈折率異方性は、使
用波長、液晶層厚、回転角、入射光の偏光方向によって
最適値が変動するが、本実施例においては使用波長６３
３ｎｍを想定したため、前記液晶を使用した。上記各条
件の設定によっては、当然液晶材料を変更することもあ
りうる。ただし、液晶層厚の増加は解像度の劣化につな
がるため、できるだけ薄い液晶層厚を用いることが望ま
しく、そのため液晶の屈折率異方性は０．０５以上のも
のを用いる。

【００１３】ここで、本発明に類似した構成の空間光変
調器であり、高解像度プロジェクター用のライトバルブ
として実用に供されている垂直配向またはハイブリッド
配向のネマティック液晶や、９０度ツイストのいわゆる
ＴＮモードを用いた空間光変調器に対する本発明の利点
を記す。これらのモードを用いた液晶空間光変調器に於
いては、変調効率の維持のため本発明に係る空間光変調
器に較べて大きな液晶層厚を必要とする。駆動電圧に対
して、液晶層に分圧される電圧は、液晶層の層厚と抵抗
率及び光導電層の層厚と抵抗率（明時及び暗時）によっ
て定まるため、これらのモードを用いた空間光変調器
は、必然的に厚い光導電層を用いる必要がある。このた
め、液晶層及び光導電層共に厚くなり、解像度は本発明
に係る空間光変調器よりも格段に劣ったものとなる。ま
た、これらのモードの液晶層は、印加電圧に対するしき
い値の急峻性が本発明に係る空間光変調器に用いられた
液晶層に対して格段に劣るため、コントラストが大きく
取れない。本発明に於いては、液晶層の回転角度を１８
０度から３６０度の範囲としているが、これは回転角が
１８０度以下の場合充分なしきい値の急峻性が得られ
ず、また、回転角が３６０度以上の場合、閾値近傍でヒ
ステリシスが生じて駆動が困難となるためである。本発
明の範囲に於いて、閾値は充分な急峻性を示した。

【００１４】上記したような従来のネマティック液晶を
用いた空間光変調器を含めて、解像度、コントラストの
点で、現時点に於いて満足な特性を示す液晶空間光変調
器は、筆者らが特願平０２−２３９５９４等に於いて示
した強誘電性液晶を用いたもののみであり、本発明に於
ける比較は強誘電性液晶を用いた空間光変調器との間で
行う。

【００１５】本発明の空間光変調器は、変調材料として
ネマチック液晶を用いている。そのため、従来液晶空間
光変調器に用いられていた表面安定化強誘電性液晶層と
は異なり、層構造を有さず、間隙の精度に関する許容範
囲が拡大した。このため、基板は通常の液晶セルに用い
られているようなソーダガラス等のより安価な材料や、
プラスチック等でも問題なく、また、面精度の要求仕様
も上記実施例に示す値よりも緩やかである。また、液晶
層の間隙は強誘電性液晶の場合に比べて大きく、間隙の
分布の精度に関する要求も格段に小さい。このため、歩
留まりが格段に向上し、製造コストは格段に小さくな
る。

【００１６】さらに、上記したように層構造が存在しな
いため、信頼性、特に耐衝撃性は格段に向上した。図２
は書き込み、読み出し実験を行った光学系のシステム図
である。書き込み光源21としてハロゲンランプを用い、
干渉フィルター22aを通して波長分布を制御した。書き
込み光は本発明に係る液晶空間光変調器24へ照射され
る。なお、画像を書き込む場合は図中25にマスクを配置
し、レンズ26で空間光変調器24の入力面に結像した。読
み出し光源27は、ハロゲンランプを用い、光量を調節す
るための絞り28、波長分布を制御する干渉フィルター22
b、偏光子29、ビ−ムスプリッタ30を通って本発明に係
る液晶空間光変調器24の出力面へ照射され、液晶層で変
調されつつ液晶層と水素化アモルファスシリコン光導電
層の界面で反射され、再びビームスプリッタ30に入射す
る。ここで、ビームスプリッタ面で反射された光が検光
子31で検光され、ＣＣＤカメラ32で観測される。或いは
ＣＣＤカメラ32の位置に写真撮影用カメラを設置して読
み出し像の撮影を行う。偏光子29及び検光子31はクロス
ニコルに配置されており、使用波長で書き込み光の無い
状態では読み出しは暗状態となるように設定した。観察
はＣＣＤ32で取り込んだ画像をＣＲＴに表示した。ま
た、フォトディテクター33を設置して光学応答をも測定
した。駆動は、自作のドライバー34を用いて行った。

【００１７】ここで、偏光子29及び検光子31をクロスニ
コルに配置したのは、ビームスプリッタ30に代えて偏光
ビームスプリッタを用い、偏光子29及び検光子31を除い
て光学系を簡素化することができるようにするためであ
る。ただし、本実施例のように偏光子29及び検光子31を
用いるのであれば、それぞれの角度を最適化する事によ
ってさらにコントラストを向上させることが可能であ
る。

【００１８】なお、書き込みに用いられる光源はハロゲ
ンランプ、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ａｒレーザー、半導体
レーザー、ＬＥＤ等であり、読み出し光に用いられる光
源はハロゲンランプ、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ａｒレーザ
ー、半導体レーザー、ＬＥＤ等であればよい。

【００１９】また、書き込み及び読み出し光源とは別に
バイアス光源を設置し、これからバイアス光を素子に与
えることにより、感度やガンマ特性の調整を行うことが
可能である。上記のシステムを用いて、書き込み実験を
行った。

【００２０】駆動電圧として１ｋＨｚ、１０Ｖp-pの矩
形波を印加し、マスク25に階調を有する入力像（スライ
ドフィルム）を置いて書き込み、読み出しを行った場
合、十分な階調を持った再生像が得られた。印加電界の
周波数は、素子の各層の厚み等の設定によって１０Ｈｚ
〜１００ｋＨｚの範囲で設定される。

【００２１】ここで、本実施例の駆動方法は、直流成分
のない印加電圧を用いているため、液晶が直流電界によ
って劣化する恐れはなくなり、直流バイアス電界の印加
を必要とする強誘電性液晶を用いた階調表現に較べて素
子の信頼性が向上している。また、強誘電性液晶を用い
た空間光変調器で見られる層構造の変形による焼き付き
等の不都合は生ぜず、この点でも信頼性が向上してい
る。

【００２２】

【発明の効果】以上述べてきたように本発明の方法に依
れば、液晶を用いた空間光変調器及びその駆動方法に於
いて、変調材料として用いる液晶組成物を、１８０゜〜
３６０゜の回転角を有する常温でネマチック相を取る組
成物とし、交番電界によって駆動する事により、液晶空
間光変調器において連続階調を表現する事を可能とし、
プロジェクションディスプレイ等の連続階調を必要とす
る用途においても液晶空間光変調器が利用される可能性
が生じ、さらに、強誘電性液晶を用いた場合に起こる層
構造の変形による焼き付きが発生せず、対衝撃性をも向
上せしめ、その応用範囲を増大させる事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る光書き込み型液晶空間光
変調器の構造を示す模式図である。

【図２】図２は、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。

【符号の説明】

１１ａ、１１ｂ 明基板 １２ａ、１２ｂ 明電極 １３ａ、１３ｂ 向膜層 １４ 晶層 １５ 導電膜 １６ 電体多層膜ミラー ２１ 書き込み光源 ２２ａ、２２ｂ 干渉フィルター ２４ 液晶空間光変調器 ２５ マスク ２６ レンズ ２７ 読み出し光源 ２８ 絞り ２９ 偏光子 ３０ ビームスプリッタ ３１ 検光子 ３２ ＣＣＤカメラ ３３ フォトディテクター ３４ ドライバー

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光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、透明電極上に光導電
   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対向する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、その間隙に液
   晶組成物が封入されてなる液晶空間光変調器において、
   該光導電膜は０．５〜１０μｍの厚みを有し、該液晶層
   は１〜１０μｍの厚みを有し、該液晶組成物は常温でネ
   マティック相を示す液晶組成物であり、該液晶層が狭持
   された間隙間で対向する基板表面の配向方向は１８０゜
   〜３６０゜の範囲の角度を有する事を特徴とする液晶空
   間光変調器。
2. 【請求項２】 該液晶組成物は常温における屈折率異方
   性が０．０５より大きいことを特徴とする請求項１記載
   の液晶空間光変調器。
3. 【請求項３】 該光導電膜はそのトータル膜厚が１〜１
   ０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の液
   晶空間光変調器。
4. 【請求項４】 該光導電膜は、水素化アモルファスシリ
   コン膜である事を特徴とする請求項１記載の液晶空間光
   変調器。
5. 【請求項５】 該光導電膜と該液晶配向層の間に、ミラ
   ー層が形成されている事を特徴とする請求項１記載の液
   晶空間光変調器。
6. 【請求項６】 印加される駆動電圧は、１０Ｈｚ〜１０
   ０ｋＨｚの周波数の範囲の交番電界であること特徴とす
   る請求項１記載の液晶空間光変調器の駆動方法。
7. 【請求項７】 印加される駆動電圧は、矩形波またはサ
   イン波であること特徴とする請求項６記載の液晶空間光
   変調器の駆動方法。
8. 【請求項８】 クロスニコルに設定された読み出し光学
   系に配置されることを特徴とする請求項６記載の液晶空
   間光変調器の駆動方法。
9. 【請求項９】 書き込み及び読み出し光に用いられる光
   源以外に、書き込み側または読み出し側から、バイアス
   光が照射され、このバイアス光の強度を制御する事を特
   徴とする請求項６記載の液晶空間光変調器の駆動方法。