JPH0792487A - 光変調素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電圧を印加した際の透過光強度が小さく、閾
値特性が鋭く、コントラスト比の大きな極めて優れた電
気光学特性を有する光変調素子を提供する。 【構成】 透明基板２ａ上に透明電極３ａと液晶配向層
６ａとを順次積層し、透明基板２ｂ上に透明電極３ｂと
光導電層４と光反射層５と液晶配向層６ｂとを順次積層
する。これら液晶配向層６ａ，６ｂ間に液晶層７を挟装
し、透明基板２ａの外側に位相板９を設ける。液晶層７
は液晶分子のティルト角が０〜１０度の範囲内にあるも
のであり、位相板９は、読出し光の波長をλ（μｍ）と
したとき、液晶層７の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δ
ｎとの積Δｎ・ｄに対して、その位相差の絶対値が（λ
／２）μｍ以上（Δｎ・ｄ−λ／２）μｍ以下の範囲に
設定されているものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投写型表示装置等に用
いられる電気光学特性の極めて優れた光変調素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】表示装置には直視型の装置と投写型の装
置とがあり、投写型の装置としては液晶を使った光変調
素子を用いるものが既に実用化されている。図４は光変
調素子を用いた投写型表示装置の原理図である。図４に
おいて、光変調素子１０には書込み光学系から発せられ
る書込み光１１によって像が書込まれる。一方、光源１
３より発せられた光はコンデンサレンズ１４により平行
光とされた後、偏光ビームスプリッタ１５に入射し、そ
の入射光の内のＳ偏光成分は進行方向が接合面で反射し
直角に曲げられることにより、読出し光１２として光変
調素子１０に入射する。

【０００３】ここで、光変調素子１０の液晶層に像が描
かれていると、光変調素子１０で反射された反射光中に
は液晶層の像の濃淡に応じて変調を受け、Ｐ偏光成分が
含まれるようになる。この反射光中のＰ偏光成分は偏光
ビームスプリッタ１５をそのまま通過し、投写レンズ１
６を介してスクリーン１７上に像が投写される。従っ
て、光変調素子１０に書込まれている像がスクリーン１
７へ投写されることになる。

【０００４】図５はこの投写型表示装置に用いられる従
来の光変調素子１０の一例の構造を示す図である。図５
において、液晶層７の周りにはスペーサ８ａ，８ｂが配
され、液晶層７の両面には液晶配向層６ａ，６ｂが設け
られている。液晶配向層６ｂの外側には誘電体からなる
光反射層５が積層され、この光反射層５の外側には例え
ば非晶質水素化シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる光導
電層４が積層されている。そして、液晶配向層６ａ及び
光導電層４の外側には酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）や酸化イン
ジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）からなる透明電極３ａ，３ｂが配
され、透明基板２ａ，２ｂによって封止された構造とな
っている。

【０００５】このような構造の光変調素子１０におい
て、透明電極３ａ，３ｂ間には交流駆動電圧が印加さ
れ、書込み側から書込み光１１が照射されていない状態
での光導電層４の内部インピーダンスを液晶層７のそれ
よりも十分大きい値に設定しておくことにより、駆動電
圧は主に光導電層４に印加されることになる。そして、
書込み光１１が照射され、その書込み光１１によって光
導電層４上に像を描くときには、光導電層４の内部イン
ピーダンスが像の濃淡に応じて局部的に低下するため、
その低下部分に隣接する液晶層７には透明電極３ａ，３
ｂ間の駆動電圧が像の濃淡に応じて空間変調されて印加
されるようになって像が書込まれることになる。

【０００６】ここで、従来の光変調素子１０に用いられ
る液晶層７の液晶分子の配列方向，読出し光の偏光方向
について、ＥＣＢ（electrically controlled birefrin
gence ）効果を利用して初期の液晶分子配向を垂直配向
あるいは水平配向とした光変調素子が知られている。水
平配向の液晶層７の液晶分子はその分子長軸が基板２
ａ，２ｂにわずかなプレティルト角を有し、略平行にな
るよう配列している。さらに、液晶層７の液晶分子は液
晶配向層６ａ，６ｂ上でそれぞれが平行に配向されてい
る。

【０００７】このような水平配向の液晶層７を有する光
変調素子１０を図４に示す投写型表示装置に用い、光変
調素子１０と読出し光源１３との間の偏光ビームスプリ
ッタ１５の偏光軸を入射側の液晶層７の液晶分子軸と４
５度をなすように配置すると、直線偏光された入射光は
液晶層７を通過することにより生じる異常光と常光との
間のリタデーション（位相遅れ）Ｒならびに位相差δ
は、液晶分子の屈折率異方性をΔｎ、液晶層厚をｄ、入
射光の波長をλとすると、Ｒ＝Δｎ・ｄ、δ＝２πＲ／
λで表され、光反射層５により反射して再び液晶層７を
通過する際に再びリタデーションＲならびに位相差δを
生じる。偏光ビームスプリッタ１５を透過する透過光強
度Ｊは、数１で表される。

【０００８】

【数１】

【０００９】これに対し、光変調素子１０の透明電極３
ａ，３ｂ間に電界を印加していくと、正の誘電率異方性
を持つ液晶分子は基板２ａ，２ｂに垂直に近づくような
傾斜した配列になる。このように、液晶分子は基板２
ａ，２ｂに対して分子軸方向が変化すると共に実効的な
屈折率異方性は変化するので、リタデーションＲが変化
する。このことにより、電界によって液晶層７の複屈折
率が変化し、光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との比を制御
できるので、電界の印加により偏光ビームスプリッタ１
５を透過する光の強度が変化し、スクリーン１７上に像
が投写されることとなる。

【００１０】上述した従来の光変調素子１０の一例の条
件を表１に示す。

【表１】

【００１１】表１に示す条件の従来の光変調素子１０に
電界を印加した際の光学特性を図６に示す。図６におい
て、横軸は印加電圧、縦軸は入射光量（図４中の偏光ビ
ームスプリッタ１５に入射する光）と出射光量（図４中
の偏光ビームスプリッタ１５を出射する光）との比であ
る出射光量／入射光量を示している。この図６に示す例
では、相対光透過率が１％及び９９％に対応する印加電
圧Ｖ1 （＝１．８９３）及びＶ99（＝２．０２８）の範
囲で動作させる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、光変調
素子１０に電界を印加すると、液晶層７の液晶分子は基
板２ａ，２ｂとのなす角を増大してある傾斜に達する
が、電界の印加により相対光透過率が最小になる透過光
強度Ｔ0 は、図６に示すように、０．０４８１と大き
く、即ち、書込み光が照射されないときにいわゆる黒浮
きの現象が起こってしまう。この原因は、液晶分子が水
平配向で液晶分子軸と４５度で光を入射するとき、実用
範囲では液晶への電界の印加が小さいので、リタデーシ
ョンの値が大きい部分の範囲を用いることにある。相対
光透過率が最大になる透過光強度Ｔ100は０．４７０１
であるので、コントラスト比ＣＲはＴ100 ／Ｔ0 より
９．８程度であり、コントラスト比が小さいという問題
点があった。また、相対光透過率が１％及び９９％に対
応する印加電圧Ｖ1 及びＶ99を用いて閾（しきい）値特
性の鋭さγは、γ＝Ｖ99／Ｖ1 のように定義して使用さ
れる。図６に示すように、Ｖ1 ＝１．８９３、Ｖ99＝
２．０２８より、γ＝１．０７１程度であり、入射され
る書込み光１１による光導電層４の内部インピーダンス
の変化量が小さいと、印加電圧の変化量も小さいため
に、コントラスト比を大きくできないという問題点があ
った。

【００１３】そこで本発明はこのような問題点に鑑み、
従来の光変調素子とは異なった素子構成をとることによ
って電圧を印加した際の透過光強度を極めて小さくで
き、さらに閾値特性が鋭く、コントラスト比の大きな極
めて優れた電気光学特性を有する光変調素子を提供する
ことを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した従来
の技術の課題を解決するため、液晶分子の配向状態を書
込み光によって遷移させることにより画像を書込み、こ
の書込まれた画像を読出し光により投写させる光変調素
子において、第１の透明基板上に第１の透明電極と第１
の液晶配向層とを順次積層し、第２の透明基板上に第２
の透明電極と光導電層と光反射層と第２の液晶配向層と
を順次積層し、前記第１及び第２の液晶配向層間に液晶
層を挟装させ、さらに、前記第１の透明基板の外側に位
相板を設けてなり、前記液晶層は、液晶分子を一様に初
期配列させたときに前記第１及び第２の液晶配向層上の
液晶分子のティルト角が０〜１０度の範囲内にあるもの
であり、前記位相板は、入射される前記読出し光の波長
をλ（μｍ）としたとき、前記液晶層の厚さｄ（μｍ）
と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄに対して、その位相
差の絶対値が（λ／２）μｍ以上（Δｎ・ｄ−λ／２）
μｍ以下の範囲に設定されていることを特徴とする光変
調素子を提供するものである。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の光変調素子について、添付図
面を参照して説明する。図１は本発明の光変調素子の一
実施例の構造を示す図、図２は本発明の光変調素子にお
ける印加電圧と出射光量／入射光量との関係を示す図、
図３は本発明の光変調素子の作用を説明するための印加
電圧とリタデーションとの関係を示す図である。なお、
図１において、図５と同一部分には同一符号が付してあ
る。

【００１６】本発明の光変調素子１は従来の光変調素子
１０と構造が異なり、基板２ａの外側、読出し光１２の
入射側に位相板９を備えている。本発明の光変調素子１
は、図１に示すように、透明な基板２ａ，２ｂが略均等
な間隔で平行に対向しており、この基板２ａの基板２ｂ
に対向する側には透明電極３ａが、基板２ｂの基板２ａ
に対向する側には透明電極３ｂが設けられている。そし
て、この透明電極３ｂ上には、書込み光１１の光強度で
比抵抗が変化する光導電層４が積層形成され、さらに、
光導電層４上には光反射層５が積層形成されている。ま
た、透明電極３ａ上には液晶配向層６ａが、光反射層５
上には液晶配向層６ｂが積層して設けられている。この
ように、基板２ａには透明電極３ａ，液晶分子配向層６
ａが積層して設けられ、基板２ｂには透明電極３ｂ，光
導電層４，光反射層５，液晶配向層６ｂが積層して設け
られ、これら基板２ａ，２ｂの間には液晶層７が挟装さ
れている。なお、８ａ及び８ｂは上記と同様、基板２
ａ，２ｂの間に所定間隔を保って液晶を封入させるため
のスペーサである。さらに、基板２ａの外側、読出し光
１２の入射側に位相板９が積層して、あるいは間隙を有
して設けられている。

【００１７】ここで、基板２ａ，２ｂは本実施例では例
えば透明なガラス板を用いているが、透明な樹脂板を用
いることもできる。また、透明電極３ａ，３ｂは、一般
に酸化インジウム膜または酸化スズ膜等で形成する。透
明電極３ｂ上に形成される光導電層４は、非晶質水素化
シリコン，セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ），硫化鉛
（ＰｂＳ）等の各種の光導電物質を単独に、または複合
化して用いることができる。光導電層４上に積層される
光反射層５は硫化亜鉛（ＺｎＳ）：フッ化マグネシウム
（ＭｇＦ₂ ）多層膜，酸化ケイ素（ＳｉＯ）：二酸化ケ
イ素（ＳｉＯ₂ ）多層膜等の誘電体多層膜を用いる。

【００１８】さらに、液晶配向層６ａ，６ｂは、これま
でに知られている液晶表示素子の液晶配向層を用いるこ
とができ、どのような液晶分子をどのように配列させる
かにより適宜選択して用いればよく、本実施例では液晶
分子が水平配列になるポリイミド，ポリアミドやポリビ
ニル等の高分子膜を用いて形成している。液晶層７の液
晶材料は、正の誘電率異方性を有するネマティック液晶
を用いる。これは、フッソ系，シッフ系，アゾ系，アゾ
キシ系，エステル系，ビフェニル系，ターフェニル系，
シクロヘキサン系，ピリミジン系，ジオキサン系等の各
種の液晶物質を単独に、または混合して用いることがで
きる。

【００１９】また、基板２ａの外側に積層して、あるい
は間隙を有して設けられた位相板９は、その回転角（遅
相軸方向，減速軸方向とも言う）が読出し光１２が入射
する基板２ａ側の液晶分子配向層６ａ上の液晶分子の軸
方向に対して９０度程度をなすようになされている。こ
の位相板９には、例えば液晶層を用いることができ、本
実施例では液晶層７に用いる液晶材料を使用する。そし
て、透明な１対の基板上に液晶配向層を形成し、これら
の間に液晶層を挟装して構成する。この場合、位相板９
に用いる液晶層の液晶分子長（短）軸方向が位相板９の
回転角になる。

【００２０】このような位相板９を備えた本発明の光変
調素子１による作用を図３を用いて説明する。液晶層７
のリタデーション（位相遅れ）をＲLC、位相板９のリタ
デーションをＲｒとすると、回転角が９０度のとき、一
方のリタデーションを正とすると他方のリタデーション
が負に働き、これらの和Ｒは図３に示すようになる。従
って、従来、即ち位相板９を備えない光変調素子１０で
はリタデーションＲLCに示すようにリタデーションの値
が大きい部分の範囲を用いなければならなかったが、本
発明の光変調素子１では、実用範囲でリタデーションＲ
＝０となる点を含んでリタデーションの値が小さい部分
の範囲を用いることができる。

【００２１】リタデーションの和Ｒが読出し光１２の波
長λ（μｍ）に対して１／２の整数倍、即ち、 Ｒ＝（ＲLC＋Ｒｒ）／λ＝ｍ／２ となるとき往復で読出し光１２の波長λの整数（ｍ）倍
となり、読出し光１２の反射光は入射直線偏光と同じ直
線偏光で反射するので暗状態となる。また、特に、リタ
デーションの和Ｒが電圧の印加により０になる点では、
読出し光１２の波長λによらず、反射光は暗状態となる
ことが分かる。

【００２２】一方、リタデーションの和Ｒがλ／４の奇
数倍、即ち、 Ｒ＝（ＲLC＋Ｒｒ）／λ＝（２ｍ＋１）／４ となるとき往復で読出し光１２のλ／２の奇数倍とな
り、反射光は入射直線偏光に対し直交偏光になり明状態
となる。

【００２３】さらに、液晶層７と位相板９との関係につ
いて考える。液晶層７のリタデーションＲLCは液晶層７
の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄで
表される。位相板９により完全な位相差を持たせるため
の条件は、 λ／２≦Ｒｒ であり、また、液晶層７及び位相板９により完全な位相
差を持たせるためには、リタデーションの和Ｒ＝ＲLC＋
Ｒｒ＝Δｎ・ｄ＋Ｒｒが、 λ／２≦Δｎ・ｄ＋Ｒｒ であることが必要である。従って、位相板９のリタデー
ションＲｒの絶対値｜Ｒｒ｜は λ／２≦｜Ｒｒ｜≦Δｎ・ｄ−λ／２ の範囲で設定することが必要である。

【００２４】このような位相板９を備えた本発明の光変
調素子１は、図４に示すような投写型表示装置の画像作
成要素として利用される。この投写型表示装置において
は、例えばＣＲＴ画面から発せられる光を書込み光１１
として光変調素子１に入射し画像を書き込む。一方、光
源１３より発せられた光はコンデンサレンズ１４により
平行光とされた後、偏光ビームスプリッタ１５を介して
光変調素子１に照射される。光変調素子１の光反射層５
で反射される空間変調された光は偏光ビームスプリッタ
１５を透過し、投写レンズ１６を介してスクリーン１７
上に結像する。

【００２５】ここで、光変調素子１と読出し光源１３と
の間の偏光ビームスプリッタ１５の偏光軸を位相板９の
回転角と４５度になるように配置すると、偏光ビームス
プリッタ１５で直線偏光された入射光は、位相板９を通
過することにより偏光を受け、入射光は液晶層７を通過
し、光反射層５により反射して再び液晶層７を通過した
後、円偏光は位相板９を再び通過することにより直線偏
光に変換され、偏光ビームスプリッタ１５で透過光強度
Ｊが最低になるようになされている。

【００２６】さらに、本発明の光変調素子１の動作につ
いて説明する。図１において、透明電極３ａ，３ｂ間に
は図示せぬ外部電源が接続され、最適に設定された交流
駆動電圧が印加される。ここで、書込み側から書込み光
１１が照射されていない状態での光導電層４の内部イン
ピーダンスは液晶層７のそれよりも十分大きい値に設定
してあるので、駆動電圧は主に光導電層４に印加される
ことになる。そして、書込み光１１が照射され、その書
込み光１１によって光導電層４上に像を描くときには、
光導電層４の内部インピーダンスが像の濃淡に応じて局
部的に低下するため、その低下部分に隣接する液晶層７
には透明電極３ａ，３ｂ間の駆動電圧が像の濃淡に応じ
て空間変調されて印加され、液晶層７における印加され
る電圧が増大した部分の液晶分子は配列状態を変える。

【００２７】印加される電圧が増大すると、正の誘電率
異方性を有する液晶分子の長軸方向は、基板２ａ，２ｂ
に垂直に近付くような傾斜した配列となる。このような
状態での光変調素子１は、液晶分子の軸方向が変化する
と共に実効的な屈折率異方性は変化するので複屈折率は
変化し、位相板９とのリタデーションの和で出射する光
の直線偏光は、ある角度を有する偏光となり、偏光ビー
ムスプリッタ１５を透過する光が得られるようになる。

【００２８】そして、この光変調素子１は、入射される
書込み光１１による光導電層４の内部インピーダンスの
変化に対応して液晶層７の液晶分子の配列状態が可逆的
に遷移することを利用しているため、書込み光１１が照
射されなくなれば自動的に初期の配向状態に戻ることか
ら、蓄積された像は時間遅れを伴って消去される。

【００２９】表１には従来の光変調素子１０の一例の条
件と併せて、本発明の光変調素子１の一例の条件を示し
ている。そして、表１に示す条件の本発明の光変調素子
１に電界を印加した際の光学特性を図２に示す。図２は
図６と同様、横軸は印加電圧、縦軸は縦軸は出射光量／
入射光量である。この図２より、相対光透過率が極大，
極小に対応する透過率は、Ｔ100 ＝０．４９７５、Ｔ0
＝０．００４１より、コントラスト比ＣＲ＝１２１程度
であり、本発明の光変調素子１は著しく急峻な閾値特性
を有している。さらに、相対光透過率が１％及び９９％
に対応する印加電圧Ｖ99及びＶ1 を用いた閾値特性の鋭
さγは、Ｖ1 ＝１．９０３、Ｖ99＝２．０２７より、γ
＝１．０６５程度であり、本発明の光変調素子１は著し
く急峻な閾値特性を有していることが分かる。

【００３０】以上説明した本実施例では、位相板９を液
晶層７に用いる液晶材料によって構成しているが、これ
に限定されることはなく、水晶，雲母等の天然材料やポ
リカーボネイト等の高分子材料を用いてもよい。本発明
では位相板９を備えることによって、読出し光の波長に
依存する光の漏れが少ない黒表示が実現でき、黒純度を
上げることを可能にする。なお、本発明の光変調素子１
は本発明の要旨を逸脱しない範囲において実施態様を種
々適宜に変更可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の光
変調素子は、第１の透明基板上に第１の透明電極と第１
の液晶配向層とを順次積層し、第２の透明基板上に第２
の透明電極と光導電層と光反射層と第２の液晶配向層と
を順次積層し、第１及び第２の液晶配向層間に液晶層を
挟装させ、さらに、第１の透明基板の外側に位相板を設
けて構成し、液晶層として、液晶分子を一様に初期配列
させたときに第１及び第２の液晶配向層上の液晶分子の
ティルト角が０〜１０度の範囲内にあるものを用い、ま
た、位相板として、入射される読出し光の波長をλ（μ
ｍ）としたとき、液晶層の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方
性Δｎとの積Δｎ・ｄに対して、その位相差の絶対値が
（λ／２）μｍ以上（Δｎ・ｄ−λ／２）μｍ以下の範
囲に設定されているものを用いたので、書込み画像が黒
の場合には読出し光の反射光が極めて小さくなり、コン
トラスト比の著しく向上した画像を安定して得ることで
きる。さらに、優れた閾値特性を有し、これにより光導
電層の内部インピーダンスの変化量が小さくてもよいの
で、光導電層の形成が容易になるという特長も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光変調素子の一実施例の構造を示す図
である。

【図２】本発明の光変調素子における印加電圧と出射光
量／入射光量との関係を示す図である。

【図３】本発明の光変調素子の作用を説明するための印
加電圧とリタデーションとの関係を示す図である。

【図４】光変調素子を用いた投写型表示装置の原理図で
ある。

【図５】従来の光変調素子の一例の構造を示す図であ
る。

【図６】従来の光変調素子における印加電圧と出射光量
／入射光量との関係を示す図である。

【符号の説明】

１，１０ 光変調素子 ２ａ，２ｂ 基板 ３ａ，３ｂ 透明電極 ４ 光導電層 ５ 光反射層 ６ａ，６ｂ 液晶配向層 ７ 液晶層 ８ａ，８ｂ スペーサ ９ 位相板 １１ 書込み光 １２ 読出し光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液晶分子の配向状態を書込み光によって遷
   移させることにより画像を書込み、この書込まれた画像
   を読出し光により投写させる光変調素子において、 第１の透明基板上に第１の透明電極と第１の液晶配向層
   とを順次積層し、 第２の透明基板上に第２の透明電極と光導電層と光反射
   層と第２の液晶配向層とを順次積層し、 前記第１及び第２の液晶配向層間に液晶層を挟装させ、 さらに、前記第１の透明基板の外側に位相板を設けてな
   り、 前記液晶層は、液晶分子を一様に初期配列させたときに
   前記第１及び第２の液晶配向層上の液晶分子のティルト
   角が０〜１０度の範囲内にあるものであり、 前記位相板は、入射される前記読出し光の波長をλ（μ
   ｍ）としたとき、前記液晶層の厚さｄ（μｍ）と屈折率
   異方性Δｎとの積Δｎ・ｄに対して、その位相差の絶対
   値が（λ／２）μｍ以上（Δｎ・ｄ−λ／２）μｍ以下
   の範囲に設定されていることを特徴とする光変調素子。