JPH0822021A - 空間光変調素子及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電流整流性を有する光導電体(105) と、液晶
の相状態として反強誘電相を有する液晶層(118) 層から
選ばれる少なくとも一つの液晶層が、一対の透明電極(1
02,114) に挟まれて存在する構造を備えたことにより、
広い視野角と高速応答性を保ち、動画像の光入力に対し
て中間調表示を含めて再現することができ、また安定で
信頼性の高い空間光変調素子及び液晶表示装置を提供す
る。 【構成】 電流整流性を有する光導電体(115) と相状態
として反強誘電相を有する液晶層(118) を一対の透明電
極(102,114) に挟み空間光変調素子(117) として、透明
電極間に液晶が反強誘電相から強誘電相に相転移に要す
る電圧以上を光導電体の整流特性に対して逆方向になる
極性に印加する電圧期間と、液晶層が強誘電相から反強
誘電相に相転移に要する電圧以上を光導電体の整流特性
に対して順方向になる極性に印加する電圧期間から単位
周期を構成して駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大画面、高輝度の動画
像を写すプロジェクションテレビ等に応用される動画及
び静止画の表示等に用いる空間光変調素子及び液晶表示
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶材料を用いた液晶表示素子はネマチ
ック液晶を用いたものが実用化され、様々な商品を生み
出している。しかしネマチック液晶は応答速度が遅く、
表示品質の向上のための高速化が課題として取り上げら
れてきた。この開発目標に対して強誘電性液晶（以下Ｆ
ＬＣと称する）は、自発分極を持つため、電圧印加によ
って数十μ秒以下の大きな応答速度を実現することが可
能となった。更に表示方法として、強誘電性液晶を数十
μｍの捻れ配向のピッチ長より十分狭い厚みに封じるこ
とで、双安定状態を実現することが見いだされた（クラ
ーク等(Clark etal.)：Appl.Phys.Let.,36,899(1980)
、特開昭56-107216 号公報、米国特許4367924 号明細
書）。この方法は表面安定化モードと呼ばれ、これを用
いた液晶表示素子は高速応答特性に加えて、新たにメモ
リ機能を実現することが見い出された。このメモリ機能
によって単純な電極構成の素子と、単純な駆動方法によ
って２次元画像の表示が実現されるようになった。しか
し、その各画素の表示値は強誘電性液晶の持つ二つの安
定な配向状態に対応して黒と白の２値の表示であるた
め、テレビ画像のような中間調表示素子に応用すること
が困難であった。従って画素を細かく分割して駆動する
面積諧調、或いは時分割駆動のような方法によって疑似
的に多諧調表示する方法が提案されてきたが、満足ゆく
表示品質を実現するには至っていない。

【０００３】一方、ＦＬＣに代わって反強誘電性液晶
（以下ＡＬＣと称する）を用いた表示素子が開発された
（チャンダニ等 (Chandani et al.)：Jpn.J.Appl.Phy
s.,27,L729(1988)）。この素子は、安定な反強誘電相と
電界誘起されて発現する二つの強誘電相の以上三状態間
のスイッチングを利用した表示素子である。その反強誘
電相ー強誘電相の相転移は印加される電圧の大きさに対
して急峻なしきい値を持つ。また印加電圧に対して素子
の光学特性はヒステリシス特性を持ち、３状態の各々を
保持するメモリ機能を持っている。このＡＬＣは今後、
高速応答性と多値表示を実現する液晶表示材料として期
待されている。

【０００４】ところで近年、大画面、高密度、高解像
度、高輝度を実現する動画表示装置の実現に対する要求
が高まっている。その実現に向けては、従来の陰極線管
を用いた方法と、液晶表示素子を用いた方法のいづれか
が有力である。前者は陰極線管の投射管を使った投影方
法であるが、高密度、高解像度と高輝度は両立し難いと
いう課題を持つ。即ち、高解像度の画像を得るためには
電子ビームを絞って輝度を抑える必要がある。一方後者
の液晶表示装置は薄膜トランジスタと液晶を組み合わせ
た素子を用いて投射する方式が主流である。この方式に
おいては高密度、高解像度を実現しようとすると開口率
が低下し、輝度が下がるという前者と同じ技術課題を持
つ。両者の利点を組み合わせた方法がヒューズ社より提
案されている（特開昭53-137165 号公報）。これは低輝
度ではあるが、陰極線管の持つ高解像度の動画像を光の
入力情報として空間光変調素子に与え、高輝度の読みだ
し光を液晶層に照射し、変調されることで光増幅された
出力像を得る方法である。更に高速応答を実現するため
に我々は、液晶層にＦＬＣを用いた空間光変調素子とそ
れを用いた液晶表示装置の提案を行った。またＦＬＣを
使って光書き込みによって、従来困難であるとされた中
間調表示する方法も見い出した。そのプロジェクション
システムはＦＬＣの持つ広い視野角特性を利用して、光
利用効率の高い画像を作れるという利点を持つ。更にＦ
ＬＣの高速応答特性と新たな中間調表示方法を組み合わ
せることで、光入力を陰極線管で与えた動画像を中間調
を含めて忠実に再現することも可能となった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで原理的には、
ＦＬＣは自発分極を持ちその液晶層を挟む電極に保持さ
れる電荷量によって中間調の変調を制御している。その
ため保持される電荷の変動に対してＦＬＣは敏感に応答
するという問題がある。このため、特に余分な電荷蓄積
を極力抑制することが必要である。またＦＬＣは外部か
らの機械的衝撃に対して、配向が乱れ易いという欠点を
持つ。

【０００６】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、光導電体と液晶層からなる空間光変調素子におい
て、広い視野角と高速応答性を保ち、動画像の光入力に
対して中間調表示を含めて再現することができ、また安
定で信頼性の高い空間光変調素子とこれを用いた小型化
が可能な液晶表示装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の空間光変調素子は、電流整流性を有する光
導電体と、液晶の相状態として反強誘電相を有する液晶
層から選ばれる少なくとも一つの液晶層が、一対の透明
電極に挟まれて存在する構造を備えたことを特徴とす
る。前記において、反強誘電相を有する液晶層とは、反
強誘電相を主成分とする液晶でも良いし、反強誘電相と
強誘電相との混合相を有する液晶層でも良い。

【０００８】前記構成においては、反強誘電相を有する
液晶層が、印加電圧がある一定の電圧までの低電圧の場
合は反強誘電相の状態にあり、印加電圧が高い方の電圧
値のしきい値（Ｖ_th（Ｈ））以上の高電圧領域では液晶
相が強誘電相に相転移し、強誘電相の状態から電圧を減
少させ、低い方の電圧値のしきい値（Ｖ_th（Ｌ））で、
強誘電相から反強誘電相に相転移して戻り、かつ前記変
化が印加電圧の極性を反転した場合も同じく起こる液晶
層であることが好ましい。

【０００９】また前記構成においては、光導電体と液晶
層の間に互いに電気的に独立した微小形状の金属薄膜を
複数個有することが好ましい。また前記構成において
は、微小形状の金属薄膜間の光導電体の一部に溝部と、
その底部に金属薄膜を有することが好ましい。

【００１０】また前記構成においては、微小形状の金属
薄膜間の光導電体の一部に溝部と、その底部が絶縁膜で
覆われた金属薄膜を有することが好ましい。また前記構
成においては、微小形状の金属薄膜間の光導電体の一部
の溝部が、前記金属薄膜が画素間に張り出した庇部を有
することが好ましい。

【００１１】また前記構成においては、光導電体と液晶
層の間に誘電率の異なる薄膜の多層膜からなる誘電体反
射層を有することが好ましい。また前記構成において
は、偏光子と検光子を直交して配置したことが好まし
い。

【００１２】また前記構成においては、反強誘電相から
強誘電相に相転移させるためのしきい値Ｖ_th（Ｈ）以上
の電圧を印加する第一の期間と、強誘電相から反強誘電
相にもどすのに必要なしきい値Ｖ_th（Ｌ）以下の電圧を
印加する第二の期間から構成し、前記第一の期間では白
表示を行い、第二の期間では黒表示を行うことが好まし
い。

【００１３】また前記構成においては、電圧の印加を光
照射で行うことが好ましい。また前記構成においては、
空間光変調素子の光導電体に光照射する際、光導電体の
整流特性に対して逆方向になる極性に印加する電圧期間
に液晶層に印加される電圧が、反強誘電相から強誘電相
の相転移に要する所定の電圧以上になる光強度を与えて
光入力する手段を備えたことが好ましい。

【００１４】また前記構成においては、透明電極間に印
加する電圧の単位周期が、液晶層が反強誘電相から強誘
電相に相転移に要する所定の電圧以上の電圧を光導電体
の整流特性に対して逆方向になる極性に印加する書き込
み電圧期間と、液晶層が強誘電相から反強誘電相に相転
移に要する所定の電圧以上の電圧を光導電体の整流特性
に対して順方向になる極性に印加する消去電圧期間から
なることが好ましい。

【００１５】また前記構成においては、電流整流性を有
する光導電体が、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層で
あることが好ましい。また前記構成においては、非晶質
シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）が、ボロンを添加したｉ型ａ
−Ｓｉ：Ｈ層であることが好ましい。

【００１６】次に本発明の液晶表示装置は、電流整流性
を有する光導電体と、液晶の相状態として反強誘電相を
有する液晶層が、一対の透明電極に挟まれて存在する構
造を備えた空間光変調素子と、その光導電体に光入力す
るための表示素子及び駆動電圧を前記空間光変調素子に
印加するための電源とを少なくとも備えたことを特徴と
する。

【００１７】前記構成においては、空間光変調素子の駆
動電圧の周波数が、表示素子の表示周波数以上である光
入力手段を備えたことが好ましい。また前記構成におい
ては、光入力を行う表示素子が薄膜トランジスタ駆動に
よる液晶表示素子及び陰極線管表示素子から選ばれる少
なくとも一つの表示素子であることが好ましい。

【００１８】また前記構成においては、さらに、一定方
向に偏向した偏光板を介して直線偏向した入射光を空間
光変調素子の液晶層に照射し、前記空間光変調素子から
の反射光を前記偏光板と直交する方向に偏向方向を配置
した偏光板を介して読み出す際、最小の反射光強度を与
える液晶配向状態が反強誘電相となるように偏光板を配
置することが好ましい。

【００１９】また前記構成においては、さらに、光導電
体に照射する光強度の増加に伴って、反強誘電相と強誘
電相との混合相の強誘電相の比率が増加することにより
階調表示する手段を備えたことが好ましい。

【００２０】また前記構成においては、陰極線管からの
テレビ動画像を光情報としてレンズを介して縮小して空
間光変調素子の有効面積内に照らし、一方、読みだし光
源からの光をコンデンサレンズを介して偏向ビームスプ
リッタに照射し、前記偏向ビームスプリッタによって直
線偏向した読みだし光を空間光変調素子に照射して、変
調を受けた反射光を投射レンズで拡大してスクリーン上
に結像させる手段を備えたことが好ましい。

【００２１】

【作用】前記した本発明の液晶表示装置の構成によれ
ば、電流整流性を有する光導電体と、液晶の相状態とし
て反強誘電相を有する液晶層が、一対の透明電極に挟ま
れて存在する構造を備えたことにより、広い視野角と高
速応答性を保ち、動画像の光入力に対して中間調表示を
含めて再現することができ、また安定で信頼性の高い空
間光変調素子を実現できる。前記において、反強誘電相
を有する液晶層とは、反強誘電相を主成分とする液晶で
も良いし、反強誘電相と強誘電相との混合相を有する液
晶層でも良い。

【００２２】また、前記空間光変調素子の透明電極間
に、液晶が反強誘電相から強誘電相に相転移に要する電
圧以上を光導電体の整流特性に対して逆方向になる極性
に印加する書き込み電圧期間と、液晶層が強誘電相から
反強誘電相に相転移に要する電圧以上を光導電体の整流
特性に対して順方向になる極性に印加する消去電圧期間
から単位周期を構成して駆動する。

【００２３】また、空間光変調素子の光導電体に光照射
し、光導電体の整流特性に対して逆方向になる極性に電
圧を印加する期間に、液晶層に印加される電圧が反強誘
電相から強誘電相に相転移するのに必要な電圧以上にす
る光強度を与える。

【００２４】また、一定方向に偏向した偏光板を介して
直線偏向した入射光を空間光変調素子に照射し、前記空
間光変調素子からの反射光を前記偏光板と直交する方向
に偏向方向を配置した偏光板を介して読み出す際、最小
の反射光強度を与える液晶の配向状態が反強誘電相とな
るように偏光板を配置する。

【００２５】さらに電流整流性を有する光導電体と、相
状態として反強誘電相を有する液晶層を一対の透明電極
に挟み込んで空間光変調素子とした場合、光書き込み方
法によって中間調表示された動画像を得る作用を以下の
３項目（光変調原理、中間調表示原理、動画表示原理）
に分けて説明する。 （１）光変調原理 反強誘電性液晶層に印加される電圧に対して、この液晶
層を通過する直線偏向した光が液晶によって変調を受け
出力された光強度の変化の代表例を図３に示した。印加
電圧に対して出力光は履歴を有する。図３において、印
加電圧が０Ｖから１７Ｖまでの低電圧の場合は反強誘電
相の状態にあるが、印加電圧があるしきい値（Ｖ
_th（Ｈ）、図３の例では１７Ｖ）以上の高電圧領域にな
ると、液晶相は強誘電相に相転移する。次に電圧を減少
させると、より低い電圧値のしきい値（Ｖ_th（Ｌ）、図
３では６Ｖ以下）で、逆に強誘電相から反強誘電相に相
転移してもどる。この変化は印加電圧の極性を反転した
場合も同じく起こる。

【００２６】ここでは反強誘電相の状態が最も低い出力
光を与えるように、偏光子と検光子を直交するように配
置している。すなわち、低い印加電圧での反強誘電相状
態で黒表示、高い印加電圧での強誘電相状態で白表示と
する。反強誘電相状態は、層内で各分子の持つ自発分極
を打ち消す様に配置されるため、電極近傍における電荷
変動に対して安定な配位となる。従って反強誘電相を黒
表示に用いるとコントラストの高い表示が得られる。と
ころで印加電圧の極性に対して出力光の変化は対称とな
り、３安定な表示（図３におけるb´-a-bとc-dとc´-d
´の３つの領域部分）が可能である。

【００２７】この反強誘電性液晶に対して図４に示す電
圧を印加して駆動を行う。１周期は反強誘電相から強誘
電相に相転移させるためのしきい値Ｖ_th（Ｈ）以上の電
圧を印加する第一の期間と、強誘電相から反強誘電相に
もどすのに必要なしきい値Ｖ _th（Ｌ）以下の電圧を印加
する第二の期間から構成する。履歴特性が示すように第
一の期間では白表示となり、第二の期間では黒表示とな
る。従って図５のように電圧値の変化に応じて、白表示
と黒表示が交互に現れる。

【００２８】次に図１または図２に示す整流特性を有す
る光導電体１０５と、上記した反強誘電性液晶層１１８
を積層した構造の素子に、図４の駆動電圧を印加しなが
ら光を光導電体に照射する場合の出力を説明する。第一
の印加電圧期間は、整流特性に対して逆方向に電圧が印
加されるようにする。このとき図１の空間光変調素子の
等価回路は図６となる。Ｖ_th（Ｈ）以上である印加電圧
は光導電体に印加される電圧Ｖ_a と反強誘電性液晶層に
印加される電圧Ｖ_f に分割される。光照射すると電荷が
発生し光電流Ｉ_phが流れ、その結果Ｖ_a が低下しＶ_f が
増加する。第二の印加電圧期間では、図７の例に示した
光導電体の整流特性からわかるように、光照射に依らず
大きな電流が流れ、その結果Ｖ_f は増加する。図８に定
常な光照射という条件で光強度を変えた場合のＶ_f と出
力光の時間変化を示した。光照射のない場合（図８(a)
）、第一の印加電圧期間ではＶ_f がＶ_th（Ｈ）以下と
なり、反強誘電相を維持して常に黒を表示する。光照射
する場合、光強度が増加すると（図８(b)、(c) 、(d)
）第一の印加電圧期間においては、光吸収によって光
導電体で発生する電荷が増加しそれに伴ってＶ_f が増加
する。そしてＶ_f がＶ_th（Ｈ）以上となると液晶に相転
移が起こり、強誘電相の白表示の状態となる。第二の印
加電圧期間ではＶ_f は光照射強度に依らずＶ_th（Ｌ）以
上となって、液晶は反強誘電相に戻り黒表示の状態とな
る。 （２）中間調表示原理 光照射する光強度によって第一の印加電圧期間におい
て、相転移を起こすタイミングが異なる。即ち光照射す
る強度が強くなると、第一の期間でより速くＶ_fがＶ_th
（Ｈ）に到達してこのしきい値以上となって、液晶は相
転移し始める。光照射の強度変化に対してより短時間に
駆動の単位周期を設定すると、表示は第一の期間の白表
示の時間と、第二の期間の黒表示の時間の時間平均とな
る。従って照射光強度の増加に対して、この時間平均し
た結果として出力光強度は増加する。この作用によって
中間調表示が可能となる。次に液晶の相状態として反強
誘電相と強誘電相との混合相を有する液晶層の場合を考
える。しきい値はこの混合相の混合比率によって変化す
る。即ち反強誘電相の比率の増加は、Ｖ_th（Ｈ）の増加
をもたらす。従って、光照射光に対して滑らかに立ち上
がる特性を作り出すことが可能である。 （３）動画表示原理 空間光変調素子に入力する光情報が、一画面１６．７ｍ
ｓｅｃのテレビ信号によって表示された動画像で、この
映像を素子に書き込むとする。図９（ａ）に示すように
印加電圧の一周期を１ｍｓｅｃで構成する場合、一画面
を約１７回の第一の期間の光書き込みと第二の消去を繰
り返すこととなる。例えば陰極線管で映像を書き込む場
合、映像の各点の時間変化は蛍光体の発光特性によって
図９（ｂ）であるのに対して、空間光変調素子の出力光
はこの蛍光体の発光を受けて図９（ｃ）のように再現さ
れる。

【００２９】

【実施例】以下実施例を用いて本発明をさらに具体的に
説明する。電流整流性を有する光導電体と、相状態とし
て反強誘電相を有する液晶層を一対の透明電極に挟み空
間光変調素子とする実施例を図１及び図２に示す。

【００３０】図１は、光導電体１０５と液晶層１１８の
間に互いに電気的に独立した微小形状の画素反射膜（金
属薄膜）１０８を複数個有する構造例である。整流性を
有する光導電体１０５の代表例としては、水素を含む非
晶質シリコン（以下ａ−Ｓｉ：Ｈと称する）がある。光
導電体１０５の好ましい厚さは０．２〜１０μｍ程度で
ある。またｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０４と液晶層１１８の
間には、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層（光導電体）１０５及びｎ
型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０６を形成し、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
１０４とｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層（光導電体）１０５及びｎ
型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０６のの３層を連続して積層し、ダ
イオード構造の光導電体を形成する。

【００３１】光導電体１０５は画素毎に分割されてお
り、各金属薄膜の画素反射膜１０８は画素電極１０７と
同時に読みだし光を反射する反射膜の働きをする。画素
間には、底部に金属薄膜からなる出力遮光膜（金属薄
膜）１０９を持ち、更にカーボンブラックを３０重量％
分散した高分子（ポリメチルメタクリレート）膜１１０
で埋められた溝構造を持つ。この溝構造は電荷が画素間
で拡散するのを防ぐとともに、画素間に照射された読み
だし光が光導電体へ漏れて誤動作するのを防ぐ。光導電
体１０５の下部には光入力情報を各画素に分離するため
の入力遮光膜１０３がある。反強誘電性液晶を配向する
ために、ラビング法によって同一方向に配向処理を施し
た高分子配向膜１１１、１１３で液晶層を挟んでいる。
液晶層の最適膜厚は反射モードであることを考慮して、
液晶の屈折率から最大の変調率が得られる条件より求め
られる光路長の半分と決まる。この最適膜厚と同一の粒
径を有するスペーサ１１２を分散することで液晶膜厚を
確保する。スペーサ１１２としてはたとえば酸化珪素を
用いることができる。スペーサ１１２の平均直径（すな
わち液晶膜厚）は０．５〜８μｍ程度が好ましい。

【００３２】一対の透明絶縁性基板１０１と１１５のそ
れぞれの表面、すなわち液晶層１１８に接する面に形成
された透明導電膜（透明電極）１０２、１１４に図４の
例に示すような電圧１１６を印加し素子１１７を駆動す
る。

【００３３】尚、光導電層に使用する他の材料には例え
ば、ＣｄＳ，ＣｄＴｅ，ＣｄＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，
ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＰ等の
化合物半導体、Ｓｅ，ＳｅＴｅ，ＡｓＳｅ等の非晶質半
導体、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｉ_1-xＣ_x ，Ｓｉ_1-x Ｇｅ_x ，Ｇ
ｅ_1-x Ｃ_x （０＜ｘ＜１）の多結晶または非晶質半導
体、また、（１）フタロシアニン顔料（以下「Ｐｃ」と
略す）、例えば無金属Ｐｃ，ＸＰｃ（Ｘ＝Ｃｕ，Ｎｉ，
Ｃｏ，ＴｉＯ，Ｍｇ，Ｓｉ（ＯＨ）₂ 等）、ＡｌＣｌＰ
ｃＣｌ，ＴｉＯＣｌＰｃＣｌ，ＩｎＣｌＰｃＣｌ，Ｉｎ
ＣｌＰｃ，ＩｎＢｒＰｃＢｒなど、（２）モノアゾ色
素，ジスアゾ色素等のアゾ系色素、（３）ペニレン酸無
水化物およびペニレン酸イミドなどのペニレン系顔料、
（４）インジゴイド染料、（５）キナクリドン顔料、
（６）アントラキノン類、ピレンキノン類などの多環キ
ノン類、（７）シアニン色素、（８）キサンテン染料、
（９）ＰＶＫ／ＴＮＦなどの電荷移動錯体、（１０）ビ
リリウム塩染料とポリカーボネイト樹脂から形成される
共晶錯体、（１１）アズレニウム塩化合物など有機半導
体、等がある。

【００３４】また、非晶質のＳｉ（以下、ａ−Ｓｉ），
非晶質のＧｅ（以下、ａ−Ｇｅ），非晶質のＳｉ_1-x Ｃ
_x （以下、ａ−Ｓｉ_1-x Ｃ_x ），非晶質のＳｉ_1-x Ｇｅ
_x （以下、ａ−Ｓｉ_1-x Ｇｅ_x ），非晶質のＧｅ_1-x Ｃ
_x （以下、ａ−Ｇｅ_1-x Ｃ_x）を光導電層に使用する場
合は、水素またはハロゲン元素を含めることも好まし
く、誘電率を小さくする目的および抵抗率を増加する目
的で、酸素または窒素を含めても好ましい。抵抗率を制
御するために、ｐ型不純物であるＢ，Ａｌ，Ｇａなどの
元素を添加するか、またはｎ型不純物であるＰ，Ａｓ，
Ｓｂなどの元素を添加することも好ましい。このように
不純物を添加した非晶質材料を積層してｐ／ｎ型，ｐ／
ｉ型，ｉ／ｎ型，ｐ／ｉ／ｎ型などの接合を形成し、光
導電層内に空乏層を形成することにより、誘電率および
暗抵抗または動作電圧極性を制御することが可能であ
る。また、非晶質材料だけでなく、上記の材料を２種類
以上積層してヘテロ接合を形成することによって、光導
電層内に空乏層を形成してもよい。

【００３５】図２は光導電体と液晶層の間に誘電率の異
なる薄膜の多層膜２０２を有する構造例である。誘電体
多層膜２０２は可視光の読みだし光を反射するように設
計される。読みだし光のうち誘電体多層膜２０２を通過
するわずかの漏れ光は、遮光膜２０１によって吸収し光
導電体１０５に入射しないようにしている。

【００３６】以下具体的実施例を説明する。 （実施例１）図１に示す構造の空間光変調素子を図１０
に示す工程によって作製した。 （１）光学研磨を施したガラス基板１０１（５５ｍｍ×
６５ｍｍ×１．１ｍｍ）の表面に透明導電膜１０２とし
てインジウム−錫酸化物合金（以下ＩＴＯと称する）を
スパッタ法によって１００ｎｍの厚さで成膜した。 （２）ＩＴＯ透明導電膜１０２表面にクロム（以下Ｃｒ
と称する）を２００ｎｍ電子ビーム蒸着法によって成膜
した後、一般的なフォトリソグラフィの手法を用いて幅
３．０μｍの入力遮光膜１０３を形成した。 （３）次にプラズマＣＶＤ(chemical vapor deposite)
法によってボロンを１００ｐｐｍ添加したｐ型ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層１０４（膜厚５０ｎｍ）、無添加のｉ型ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層１０５（光導電体）（膜厚１．７μｍ）及びリ
ンを１０００ｐｐｍ添加したｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０６
（膜厚３００ｎｍ）の３層を連続して積層し、ダイオー
ド構造の光導電体を形成した。 （４）再びＣｒを全面に２００ｎｍ蒸着し、２３．５μ
ｍ角の正方形を２５μｍのピッチで２０００×２０００
個（全４百万個）リソグラフィによって作製した。各Ｃ
ｒ薄膜１０７は画素に相当し、有効領域は５０ｍｍ×５
０ｍｍである。入力遮光膜１０３は丁度Ｃｒ画素電極１
０７間に位置するように設計した。ここでＣｒ膜厚は２
０〜５００ｎｍの範囲とした。 （５）次にＣＦ₄ と酸素の混合ガスを用いたリアクティ
ブ・イオン・エッチング法によって、Ｃｒ画素をエッチ
ングマスクに用いて画素間のａ−Ｓｉ：Ｈ層を垂直方向
に０．５μｍ除去した後、等方的にエッチングできるＣ
Ｆ₄ 酸素の混合ガスを用いたケミカル・ドライ・エッチ
ング法によって、水平方向に１．０μｍ除去することに
より、Ｃｒ画素間に庇（鍔）を持った溝を形成した。溝
部分は少なくとも画素間のｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層を除去す
ることになり、隣接する画素間での電荷のリークを防ぐ
ことができる。なお、エッチング条件によってはエッチ
ングのみでこの溝構造を作製するが可能である。 （６）アルミニウム（以下Ａｌと称する）を電子ビーム
蒸着法によって２０〜３００ｎｍの範囲で全面に成膜し
た。Ｃｒ画素上のＡｌ膜は高反射率の画素反射膜１０８
となった。一方、溝部の底に成膜されたＡｌ膜は画素間
から光導電体に読みだし光が入射するのを防ぐ出力遮光
膜１０９となった。

【００３７】なお、Ｃｒ：１５０ｎｍとＡｌ：１５０ｎ
ｍを連続して成膜することで、出力遮光膜１０９のＡｌ
がその下部に位置するａ−Ｓｉ：Ｈ層に拡散することを
防ぐことも可能である。 （７）次にカーボン粒を分散した高分子膜を２μｍ膜厚
塗布した。この工程で溝部分は高分子膜で埋められ、且
つ画素表面も覆われる。酸素を用いたリアクティブ・イ
オン・エッチング法によって全面均一に高分子膜を除去
し、画素のＡｌが再び表面に現れたときエッチングを終
了した。この結果、画素間の溝部分にだけ高分子膜１１
０が埋められる。この部分は画素間に入射した光を吸収
することによって遮光膜で覆われていないａ−Ｓｉ：Ｈ
層に読みだし光が入射するのを防ぐ。また画素間の高分
子膜は表示の際にはブラックマトリックスとなり、画素
間からの反射光を低く抑え、常に黒表示とする役割も兼
ねる。 （８）配向膜１１１としてポリイミド膜を５０ｎｍ成膜
した。同様に対向基板となるＩＴＯ１１４付きガラス基
板１１５にポリイミド膜１１３を５０ｎｍ成膜した。次
いで、両基板共にナイロン布を専用のローラに巻き付け
て、基板に布を押しつけながらローラを回転させラビン
グ処理を施した。両基板のラビング方向は同一方向にし
た。次に、一方の基板上に液晶膜厚を制御するための粒
径１．５μｍの酸化珪素からなるスペーサ１１２を分散
した。他方の基板の周辺に封止樹脂をスクリーン印刷し
両基板を張り合わせ、液晶セルを作った。 （９）液晶セルを真空装置に設置して減圧した後１２０
℃に加熱し、反強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ−４００
０）を毛細管現象によってセル内に注入した。

【００３８】この空間光変調素子１１７の光導電体に照
射する光書き込み光強度を変化させた時の反射光の時間
応答特性を図１１に示す。駆動は消去のための順方向電
圧＋１０Ｖ、第二の印加時間０．１ｍｓｅｃと光書き込
みのための逆方向電圧−２０Ｖ、第一の印加時間１．１
ｍｓｅｃとした。従って駆動周波数は８３３Ｈｚであっ
た。

【００３９】偏光子の偏向方向をラビング方向に一致す
るように設置すると、反強誘電相の状態で黒表示とな
る。光書き込み光強度を０から０．８ｍＷ／ｃｍ² まで
変化させたとき、その強度の増加に依って反射光強度が
増加した。

【００４０】反射光強度の時間平均で出力光を定義する
と、光書き込み光強度に対する出力光の変化は図１２と
なる。光書き込み光強度を０から０．８ｍＷ／ｃｍ² ま
での変化で反射率は０％から８０％まで制御される中間
調表示である。

【００４１】なお最大の反射率が８０％となるのは、光
書き込み時の印加電圧が最大２０Ｖであり、この電界強
度での相転移に要する時間が０．３ｍｓｅｃであるため
である。１．１ｍｓｅｃの期間中で、この転移時間は白
表示をすることにとっては損失となる。コントラスト比
は最大２００以上を確保した。

【００４２】この空間光変調素子１１７を用いてプロジ
ェクションテレビシステムを構築した。システムの概念
図を図１３に示す。フレーム周波数６０Ｈｚのテレビ動
画像を光情報として入射するため、例えば対角７インチ
の陰極線管３０１（以下ＣＲＴと称する）を用いてレン
ズ３０２を介して縮小して５ｃｍ×５ｃｍの空間光変調
素子１１７の有効面積内に照らした。ＣＲＴの蛍光体
は、約１０ｍｓｅｃの残光時間を持ち、しかもａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層の高感度波長域によく一致する緑色蛍光体Ｐ１
を選んだ。読みだし光源はメタルハライドランプ３０３
（２５０Ｗ、発光効率７０ｌｍ／Ｗ）を用い、コンデン
サレンズ３０４によって空間光変調素子１１７に均一且
つ高輝度になるように設定した。偏向ビームスプリッタ
３０５によって直線偏向した読みだし光を空間光変調素
子１１７に照射して、変調を受けた反射光を投射レンズ
３０６で拡大し、スクリーン３０７上に結像させた。ス
クリーン上には対角７０インチの拡大画像を表示した。
尚、緑色のダイクロイックフィルタを光源３０３の直後
に赤外および紫外カットフィルタと共に設置し、偏向ビ
ームスプリッタ３０５もその特性が緑色に対応するもの
を用いた。スクリーン３０７上には２５０ｌｍの光束が
到達しており、光利用効率は１ｌｍ／Ｗを得た。スクリ
ーン上でのコントラスト比は１００：１を越えていた。
表示された動画像は残像もなく、良好な中間調表示を得
た。

【００４３】光書き込み手段として、薄膜トランジスタ
駆動による液晶素子をＣＲＴ３０１の替わりに用いたプ
ロジェクションシステムを作製した。この液晶素子の開
口率が３０％であるため、ＣＲＴ書き込みに比べてスク
リーン上での輝度は低下するものの、システムは小型化
された。

【００４４】（実施例２）図２に示した構造の空間光変
調素子２０３を以下の方法で作製した。実施例１と同様
に光学研磨を施したガラス基板１０１（５５ｍｍ×６５
ｍｍ×１．１ｍｍ）の表面に、透明導電膜としてＩＴＯ
透明導電膜１０２をスパッタ法によって厚さ１００ｎｍ
に成膜した。次にプラズマＣＶＤ法によってボロンを１
００ｐｐｍ添加したｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０４（膜厚５
０ｎｍ）、無添加のｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０５（膜厚
１．７ミクロンメートル）及びリンを１０００ｐｐｍ添
加したｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０６（膜厚３００ｎｍ）の
３層を連続して積層し、ダイオード構造の光導電体を形
成した。

【００４５】この膜上に蒸着法によって遮光層２０１の
ＣｄＳｅ層を５００ｎｍ成膜した。ＣｄＳｅ層は可視光
を吸収する。続いてスパッタ法によって酸化チタン層と
酸化珪素層の積層からなら誘電体多層膜２０２を作製し
た。反射スペクトルは緑色を含む波長に対して９９．９
％以上の反射率を有していた。この誘電体膜の上に実施
例１同様に配向膜１１１としてポリイミド膜を５０ｎｍ
成膜した。

【００４６】以下実施例１と同様に液晶セルを組み上
げ、反強誘電性液晶を持つ空間光変調素子２０３を作製
した。この空間光変調素子を実施例１で用いたプロジェ
クションテレビシステムに設置して動画像を出力した。

【００４７】スクリーン上には２５０ｌｍの光束が到達
しており、光利用効率は１ｌｍ／Ｗを得た。スクリーン
上でのコントラスト比は１００：１を越えていた。

【００４８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、光
導電体と液晶層からなる空間光変調素子において、広い
視野角と高速応答性を保ち、動画像の光入力に対して中
間調表示を含めて再現できた。また安定で信頼性の高い
素子を提供できた。この素子を用いた光書き込み型のプ
ロジェクションテレビは、大画面、光輝度、高解像度、
高コントラストの画像表示を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の空間光変調素子を模式的
に示す断面図

【図２】 本発明の一実施例の空間光変調素子を模式的
に示す断面図

【図３】 同反強誘電性液晶の印加電圧に対する反射率
のヒステリシス特性図

【図４】 同非対称印加パルス電圧に対する反強誘電性
液晶の反射特性図

【図５】 同非対称印加パルス電圧と反強誘電性液晶の
反射率の時間変化を示す図

【図６】 本発明の一実施例の空間光変調素子の等価回
路図

【図７】 本発明の一実施例のa-Si:H光導電体の整流特
性図

【図８】 本実施例の液晶層に印加される電圧と反射率
の時間変化を示す図

【図９】 本発明の一実施例の動画像表示のための光書
き込み方法を示す図

【図１０】 本発明の一実施例の空間光変調素子の製造
工程図

【図１１】 本発明の一実施例の空間光変調素子の光書
き込み光強度を変化させたときの反射光の時間応答特性
図

【図１２】 本発明の一実施例の光書き込み光強度に対
する反射光強度の時間平均での出力光の変化を示す図

【図１３】 本発明の一実施例の空間光変調素子を用い
たプロジェクションテレビシステムを示す図

【符号の説明】

１０１ 透明絶縁性基板 １０２ 透明導電膜（透明電極） １０３ 入力遮光膜 １０４ ｐ型a-Si:H膜 １０５ ｉ型a-Si:H膜（光導電体） １０６ ｎ型a-Si:H膜 １０７ 画素電極 １０８ 画素反射膜（金属薄膜） １０９ 出力遮光膜（金属薄膜） １１０ 高分子膜 １１１ 配向膜 １１２ スペーサ １１３ 配向膜 １１４ 透明導電膜（透明電極） １１５ 透明絶縁性基板 １１６ 駆動電圧 １１７ 空間光変調素子 １１８ 液晶層 ２０１ 遮光層 ２０２ 誘電体多層膜 ２０３ 空間光変調素子 ３０１ 陰極線管（ＣＲＴ） ３０２ レンズ ３０３ 光源メタルハライドランプ ３０４ コンデンサレンズ ３０５ 偏向ビームスプリッタ ３０６ 投射レンズ ３０７ スクリーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０９Ｇ 3/18

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電流整流性を有する光導電体と、液晶の
   相状態として反強誘電相を有する液晶層から選ばれる少
   なくとも一つの液晶層が、一対の透明電極に挟まれて存
   在する構造を備えた空間光変調素子。
2. 【請求項２】 反強誘電相を有する液晶層が、印加電圧
   がある一定の電圧までの低電圧の場合は反強誘電相の状
   態にあり、印加電圧が高い方の電圧値のしきい値（Ｖ_th
   （Ｈ））以上の高電圧領域では液晶相が強誘電相に相転
   移し、強誘電相の状態から電圧を減少させ、低い方の電
   圧値のしきい値（Ｖ_th（Ｌ））で、強誘電相から反強誘
   電相に相転移して戻り、かつ前記変化が印加電圧の極性
   を反転した場合も同じく起こる液晶層である請求項１に
   記載の空間光変調素子。
3. 【請求項３】 光導電体と液晶層の間に互いに電気的に
   独立した微小形状の金属薄膜を複数個有する請求項１に
   記載の空間光変調素子。
4. 【請求項４】 微小形状の金属薄膜間の光導電体の一部
   に溝部と、その底部に金属薄膜を有する請求項３に記載
   の空間光変調素子。
5. 【請求項５】 微小形状の金属薄膜間の光導電体の一部
   に溝部と、その底部が絶縁膜で覆われた金属薄膜を有す
   る請求項４に記載の空間光変調素子。
6. 【請求項６】 微小形状の金属薄膜間の光導電体の一部
   の溝部が、前記金属薄膜が画素間に張り出した庇部を有
   する請求項３に記載の空間光変調素子。
7. 【請求項７】 光導電体と液晶層の間に誘電率の異なる
   薄膜の多層膜からなる誘電体反射層を有する請求項１に
   記載の空間光変調素子。
8. 【請求項８】 偏光子と検光子を直交して配置した請求
   項１に記載の空間光変調素子。
9. 【請求項９】 反強誘電相から強誘電相に相転移させる
   ためのしきい値Ｖ_th（Ｈ）以上の電圧を印加する第一の
   期間と、強誘電相から反強誘電相にもどすのに必要なし
   きい値Ｖ_th（Ｌ）以下の電圧を印加する第二の期間から
   構成し、前記第一の期間では白表示を行い、第二の期間
   では黒表示を行う請求項２に記載の空間光変調素子。
10. 【請求項１０】 電圧の印加を光照射で行う請求項２に
    記載の空間光変調素子。
11. 【請求項１１】 空間光変調素子の光導電体に光照射す
    る際、光導電体の整流特性に対して逆方向になる極性に
    印加する電圧期間に液晶層に印加される電圧が、反強誘
    電相から強誘電相の相転移に要する所定の電圧以上にな
    る光強度を与えて光入力する手段を備えた請求項１０に
    記載の空間光変調素子。
12. 【請求項１２】 透明電極間に印加する電圧の単位周期
    が、液晶層が反強誘電相から強誘電相に相転移に要する
    所定の電圧以上の電圧を光導電体の整流特性に対して逆
    方向になる極性に印加する書き込み電圧期間と、液晶層
    が強誘電相から反強誘電相に相転移に要する所定の電圧
    以上の電圧を光導電体の整流特性に対して順方向になる
    極性に印加する消去電圧期間からなる請求項２に記載の
    空間光変調素子。
13. 【請求項１３】 電流整流性を有する光導電体が、非晶
    質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層である請求項１に記載の
    空間光変調素子。
14. 【請求項１４】 非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）が、
    ボロンを添加したｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層である請求項１３
    に記載の空間光変調素子。
15. 【請求項１５】 電流整流性を有する光導電体と、液晶
    の相状態として反強誘電相を有する液晶層が、一対の透
    明電極に挟まれて存在する構造を備えた空間光変調素子
    と、その光導電体に光入力するための表示素子及び駆動
    電圧を前記空間光変調素子に印加するための電源とを少
    なくとも備えた液晶表示装置。
16. 【請求項１６】 空間光変調素子の駆動電圧の周波数
    が、表示素子の表示周波数以上である光入力手段を備え
    た請求項１５に記載の液晶表示装置。
17. 【請求項１７】 光入力を行う表示素子が薄膜トランジ
    スタ駆動による液晶表示素子及び陰極線管表示素子から
    選ばれる少なくとも一つの表示素子である請求項１５に
    記載の液晶表示装置。
18. 【請求項１８】 請求項１５に記載の液晶表示装置であ
    って、さらに、一定方向に偏向した偏光板を介して直線
    偏向した入射光を空間光変調素子の液晶層に照射し、前
    記空間光変調素子からの反射光を前記偏光板と直交する
    方向に偏向方向を配置した偏光板を介して読み出す際、
    最小の反射光強度を与える液晶配向状態が反強誘電相と
    なるように偏光板を配置する液晶表示装置。
19. 【請求項１９】 請求項１５に記載の液晶表示装置であ
    って、さらに、光導電体に照射する光強度の増加に伴っ
    て、反強誘電相と強誘電相との混合相の強誘電相の比率
    が増加することにより階調表示する手段を備えた液晶表
    示装置。
20. 【請求項２０】 請求項１５に記載の液晶表示装置であ
    って、陰極線管からのテレビ動画像を光情報としてレン
    ズを介して空間光変調素子の有効面積内に照らし、一
    方、読みだし光源からの光をコンデンサレンズを介して
    偏向ビームスプリッタに照射し、前記偏向ビームスプリ
    ッタによって直線偏向した読みだし光を空間光変調素子
    に照射して、変調を受けた反射光を投射レンズで拡大し
    てスクリーン上に結像させる手段を備えた液晶表示装
    置。