JP2851906B2 - 光学変調素子及び表示装置 - Google Patents

光学変調素子及び表示装置

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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、特に強誘電性カイラルスメクチック液晶を用いた
光学変調素子、及びそれを用いた表示装置に関する。
〔従来の技術〕
強誘電性カイラルスメクチック液晶を用いた光学変調
素子に於て、液晶の薄膜を互いに平行で、ごく薄い間隔
（例えば１〜２μｍ）を有する２枚の板の間に形成し、
該２枚の板の表面作用によって双安定な状態を作り出す
方式（SSFLC:表面安定型強誘電性液晶、Appl.Phys.Let
t.36（1980）899）は、その高速度応答性、メモリー性
等により様々な応用が期待されている。
〔発明が解決しようとしている問題点〕
前記双安定型の強誘電性液晶素子は、液晶の薄膜を挟
む両側の板の液晶薄膜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、ある一
定角度異なった方向に於て２つの安定状態を示す。この
安定状態間の1/2角度をチルト角（以後θｃと表す）と
いう。この液晶素子の液晶薄膜面に対して垂直な方向に
電圧を印加すると、強誘電性液晶は一方の安定状態から
他方の安定状態へ移る。この変化は屈折率異方性を有す
る材料の光学軸を角度２θｃだ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
有する前記強誘電性液晶素子に対し、偏光光が入射した
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４θｃだけ異なる。クロスニコル或
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 ４θｃ＝90゜（θｃ＝22.5゜） の時、２つの安定状態間に於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、前記チルト角θｃは液晶材料や配向作
用面の特性に強く依存しており、未だ十分なチルト角θ
ｃ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っ
た。
本発明の目的は、高コントラストな表示を実現する光
学変調素子及びそれを用いた表示装置を提供することに
ある。
本発明の別の目的は、高透過率特性を達した光学変調
素子及びそれを用いた表示装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、 a.偏光子、 b.印加された電圧に応じて、前記偏光子によって偏光さ
れた光線に複屈折を生じさせる第１の状態と該光線に複
屈折を生じさせない第２の状態とを生じる薄膜であっ
て、該薄膜が該第１の状態を生じている時に、1/2波長
板として機能する膜厚である第１の薄膜、 c.前記第１の薄膜の第１の状態を通過した光線に複屈折
を生じさせ、前記第１の薄膜の第２の状態を通過した光
線に複屈折を生じさせない薄膜であって、前記第１の薄
膜が前記第１の状態である時に1/4波長板として機能す
る膜厚である第２の薄膜、並びに、 d.前記第２の薄膜を通過した光線を反射し、該光線を再
度該第２の薄膜に入射させる反射手段、 を有する光学変調素子、 及び、該光学変調素子を用いた表示装置、に第１の特徴
を有しており、 a.偏光子、 b.印加された電圧に応じて、前記偏光子によって偏光さ
れた光線に複屈折を生じさせる第１の状態と該光線に複
屈折を生じさせない第２の状態とを生じる薄膜であっ
て、該薄膜が該第１の状態を生じている時に、1/2波長
板として機能する膜厚である第１の薄膜、 c.前記第１の薄膜の第１の状態を通過した光線に複屈折
を生じさせ、前記第１の薄膜の第２の状態を通過した光
線に複屈折を生じさせない薄膜であって、前記第１の薄
膜が前記第１の状態である時に1/2波長板として機能す
る膜厚である第２の薄膜、 d.複屈折を生じて前記第２の薄膜を通過した光線に複屈
折を生じさせ、複屈折を生じることなく前記第２の薄膜
を通過した光線に複屈折を生じさせない薄膜である第３
の薄膜、並びに、 e.検光子 を有する光学変調素子、に第２の特徴を有している。
〔実施例〕 第４図は、本発明の機能及び作用を説明するための模
式図である。
第４図（Ａ）は配向軸方向をそろえた同一の双安定強
誘電性液晶の薄膜11と13と1/2波長板12からなり、上記
２つの強誘電性液晶の薄膜11と13の片方の安定状態（第
１の安定状態）に於ける液晶分子の長軸方向n1、n3（よ
り厳密には液晶の屈折率楕円体の一主軸方向）と、1/2
波長板12の屈折率楕円体の一主軸方向n2の３者は同じ方
向を向いている。３枚の薄膜11、12及び13は、互いに平
行であり、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、n1、n2、n3に平
行ない振動電場をもつ電磁波Ｅλが入射した場合、薄膜
11、12及び13の通過後の振動電場E1、E2、E3及び出射光
Eoutの振動電場の方向は変化しない。（ＥλE1E2
Eout（＝E3）） 一方、第４図（Ｂ）は、双安定強誘電性液晶の薄膜11
と13を他方の安定状態（第２の安定状態）に保った場合
の構成を示しており、強誘電性液晶の薄膜11と13の液晶
長軸方向は入射光Einの振動電場の方向に対して２θｃ
だけ同じ方向に回転している。まず、第１の液晶薄膜11
を通過した光の電場E1は入射光に対して４θｃだけ回転
する。次に、1/2波長板12を通過した光の電場E2は屈折
率の１出軸n2に対して−４θｃだけ回転した方向とな
る。最後にE2に対して６θｃ（＝４θｃ＋２θｃ）だけ
回転した方向に液晶分子長軸n3をもつ第２の液晶薄膜13
を通過した光の電場E3（＝Eout）は液晶分子長軸n3に対
して、６θｃだけ回転した方向となる。従って、出射光
の電場方向は入射光の電場方向に対して８θｃ（＝２θ
ｃ＋６θｃ）だけ回転することになり、液晶薄膜の１つ
だけの場合と比較して、２倍の偏光回転が可能となるこ
とを示している。即ち、 θｃ＝11.25゜ のチルト角θｃ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。
この際、本発明では、液晶薄膜11、及び13の膜は、好
ましくは1.2μｍ〜1.6μｍである。特に液晶薄膜11及び
13としてカイラルスメクチック液晶を用いると、1.2μ
ｍ〜1.6μｍの膜厚の時に、カイラルスメクチック液晶
が固有するらせん構成の形成が抑制されて、双安定性を
発現する配向状態が得られる。
第１図は本発明を投写型表示装置に適用した場合の実
施例の構成を示したものであり、第２図は光学変調素子
部の作用の概略説明図。第３図はその詳細構成を示した
ものである。
第１図に於て、不定偏光光を発する光源16より発光し
た光は反射笠17で反射され、コンデンサレンズ18でコリ
メートされた後、偏光ビームスプリツタ19に入射し、偏
光ビームスプリツタ19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
晶の薄膜11、1/4波長板14を通過して反射板15によって
反射され、再び1/4波長板14、双安定強誘電性液晶の薄
膜11を通過する。
上記Ｓ偏光成分は、双安定性強誘電性液晶薄膜11の状
態に応じてＰ偏光成分を生じ、再び偏光ビームスプリツ
タ19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。偏光ビームスプリツタ
19は本構成に於ては偏光子・検光子両者を兼ねている。
以下、第２図を用いて説明する。第２図（Ａ）は反射
前の偏光の状態、第２図（Ｂ）は反射後の偏光の状態を
表している。第２図に於て、入射光は振動電場Einをも
つ直線偏光光である。強誘電性液晶11の長軸がn1が1/4
波長板14の長軸n4及びEinと平行な片方の安定状態（第
１の安定状態）に於ては偏光回転は起こらない。一方、
第２図に示した如く、液晶11の長軸n1が２θｃだけEin
に対して回転した状態に於ては、まず、液晶薄膜11を通
過した光の電場E1は入射光に対して４θｃだけ回転する
（第２図（Ａ））。次に1/4波長板14を通過した光の電
場E2は円偏光となって（第２図（Ａ））、反射板15によ
って反射され、再び1/4波長板14に入射する（第２図
（Ｂ））。1/4波長板14を通過した電場E3は、1/4波長板
14の屈折率の１主軸n4に対して−４θｃだけ回転した方
向となる（第２図（Ｂ））。最後にE3に対して６θｃ
（＝４θｃ＋２θｃ）だけ回転した方向に液晶分子長軸
n1をもつ液晶薄膜11を通過した光の電場E4（＝Eout）は
液晶分子長軸に対して６θｃだけ回転した方向となる
（第２図（Ｂ））。
従って出射光の電場方向は入射光の電場方向に対して
８θｃ（＝２θｃ＋６θｃ）だけ回転することになる。
この様に反射型構成とすることにより１つの変調素子で
２倍の偏光回転角が得られる。
第３図は、第２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、透明なガラス基板301（厚み
約1mm）、電極作用をする透明なITO膜302（厚み約1500
Å）、対向電極との短絡を避ける為の絶縁膜303（厚み
約1200Å）、液晶を配向させる為のラビング処理を施し
たポリイミド膜304（厚み約200Å）、不図示の径１〜２
μｍのビーズにより保持された間隙に注入された液晶薄
膜305、ポリイミド膜304と同様のポリイミド膜306（厚
み約200Å）、ポリイミド膜306の基板となる薄い透明層
307（例えばガラス板）、屈折率異方性をもち1/4波長板
相当の作用を行なう高分子液晶薄膜308（厚み１μｍ以
下）、高分子液晶の配向を容易にする為にラビング処理
を施したポリイミド膜309（厚み約200Å）,ITO膜302に
対する対向電極作用及び、光の反射作用を兼ねたアルミ
ニウム蒸着膜310（厚み数μｍ）、及びガラス基板311
（厚み約1mm）の各部から構成されている。
本光学変調素子は、ガラス基板301、311上に必要な層
を順次形成した後、両者の間隙304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。
本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。例えば、ITO電極3
02及びアルミニウム電極310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
イズに於て解像力を向上させる為には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ば対角３インチに於
て１画素約□60μｍ（EDTV用）となる。
本発明の素子構成に於ては1/4波長板として水晶、雲
母、延伸フイルム等に比べ屈折率異方性（Δｎ）が格段
に大きい（１〜２桁）高分子液晶（Δｎ〜0.2）を用い
ることにより、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材を用いることができ
る。画素電極302、310間の他の層は従来構成に於ても１
画素サイズに比べて十分に薄い為、高分子液晶による1/
4波長板308、及び極薄のガラス板307は実効開口率の向
上、画像間クロストークの防止に対して大きな効果を発
揮することができる。
また、本発明では、ITO膜302とアルミニウム蒸着膜31
0とで形成した一対の電極間に正極性パルスと負極性パ
ルスとを選択的に駆動回路312から印加し、強誘電性液
晶で形成した液晶薄膜305に対して、正極性パルス又は
負極性パルスに応じて、第１の安定状態又は第２の安定
状態に配向させることができる。
本発明に用いる高分子液晶薄膜308の例としては、ネ
マチツク高分子液晶（PAfB） が挙げられ、 ラビング処理を施したポリイミド膜（SE−100、厚み500
Å）309上に、上記液晶のシクロヘキサノン溶液（10wt
％）をスピンコートにより塗布し、乾燥した後、熱処理
（100℃、２〜３時間）を施すことにより、数千Åの厚
みをもつ均一な配向方向をもつ高分子液晶が形成され
た。
なお、本実施例では、入射偏光軸Ein、液晶片方の安
定状態の分子長軸n1、1/4波長板の一主軸n4を一致させ
ることにより、片方の安定状態では主波長以外でも位相
差ずれのない状態を少なくとも１つ実現している。従っ
て、クロスニコル時は黒の透過率を低く抑えコントラス
ト比を高くでき、平行ニコル時は白状態の色相変化を抑
えることができる。
しかしながら本来は、３者の軸方向の組合わせに制限
なく、いかなる組合わせに於ても少なくとも主波長に対
しては０％、100％の変調可能である。この際、高分子
液晶薄膜308の膜厚としては、0.6μｍ〜0.8μｍが好ま
しい。
第５図は、本発明の別の実施態様を表わしている。
第３図と同一符号は、同一部材である。本実施例で
は、1/4反射板に相当する膜厚に設定されている高分子
液晶薄膜308と液晶薄膜305との間にラビング処理したポ
リイミド配向膜と、SiO、SiO2、TiO2などの絶縁材で形
成した絶縁膜512と、電極として使用するITO膜513とが
配置されている。駆動回路312からITO膜302と513間に正
極性パルスと負極性パルスが印加される。
本実施例によれば、電極間距離が短くなる為、必要な
印加電圧を小さくできる。図中のアルミニウム蒸着膜31
0が反射膜として機能している。
第６図は、本発明の別の実施態様を表している。
第３図及び第５図と同一符号は、同一部材である。本
実施例では、セル内に薄膜トランジスタ（TFT）を用い
たアクテイブマトリクス駆動素子を用いたものである。
従って、図中の符号で示した部材は、下記のとおりであ
る。
614…透明なITO電極 615…絶縁膜（SiO2など） 616…ラビング処理したポリイミド膜 617…TFTのゲート 618…窒化シリコン絶縁膜（ゲート絶縁膜） 619…TFTのソース 620…TFTのドレイン 以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明に
おいては、下記の点で有効に適用することができる。
（１）上述の実施例では、強誘電性液晶素子を用いた
が、電界により複屈折性を抑制する素子を用いた場合一
般的に有効である。
（２）適用装置例として、投写型表示装置の１例を示し
たが、本構成に限定する必要はなく、更に直視型表示装
置に於ても有効である。
（３）変調度として、０％、100％の２点のみ示した
が、中間の偏光回転角を用いた濃度階調、０％、100％
の面積比を制御する面積階調、或はその混合方式等の階
調制御方式に於ても有効である。
（４）上述の実施例では、1/4波長板として配向処理を
施した高分子液晶を用いたが、水晶、雲母、延伸フイル
ム等を用いても良く、少なくとも液晶変調素子が１ケで
済むことによる効果は失われない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、 （１）双安定性強誘電性液晶素子に於て、小さなチルト
角θｃの材料でもコントラスト比の大きい変調が可能と
なる。
（２）反射型構成とすることにより、簡単な素子構成に
よって実現でき、この結果製造プロセスの簡略化が可能
となった。
（３）高分子液晶を1/4波長板とすることにより、実効
開口率向上と画素間クロストーク（他画素への光のもれ
込み）の減少を実現できた。特に、 屈折率異方性が通常の異方性物質（水晶、雲母、延伸
フイルム等）に比べ大きいので、厚みを薄くでき、開口
率低下、画素間クロストークが緩和された。
流動性の大きい高温状態に於て、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為、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っ
た。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の表示装置を示す断面図である。 第２図（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の機能と作用を模式
的に説明するための斜視図である。 第３図は、本発明の光学変調素子の断面図である。 第４図（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の別の機能と作用を
模式的に説明するための斜視図である。 第５図及び第６図は、本発明の別の光学変調素子の断面
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/1335 G02F 1/01

Claims (26)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】a.偏光子、 b.印加された電圧に応じて、前記偏光子によって偏光さ
    れた光線に複屈折を生じさせる第１の状態と該光線に複
    屈折を生じさせない第２の状態とを生じる薄膜であっ
    て、該薄膜が該第１の状態を生じている時に、1/2波長
    板として機能する膜厚である第１の薄膜、 c.前記第１の薄膜の第１の状態を通過した光線に複屈折
    を生じさせ、前記第１の薄膜の第２の状態を通過した光
    線に複屈折を生じさせない薄膜であって、前記第１の薄
    膜が前記第１の状態である時に1/4波長板として機能す
    る膜厚である第２の薄膜、並びに、 d.前記第２の薄膜を通過した光線を反射し、該光線を再
    度該第２の薄膜に入射させる反射手段、 を有する光学変調素子。
  2. 【請求項２】前記第１の薄膜が液晶からなる薄膜である
    請求項１記載の光学変調素子。
  3. 【請求項３】前記液晶がカイラルスメクチック液晶であ
    る請求項２記載の光学変調素子。
  4. 【請求項４】前記第２の薄膜が高分子液晶からなる薄膜
    である請求項１記載の光学変調素子。
  5. 【請求項５】前記第１の薄膜を挟んで配置した一対の電
    極を有する請求項１記載の光学変調素子。
  6. 【請求項６】前記一対の電極間に一方極性パルスと他方
    極性パルスとを選択的に印加する電界印加手段を有する
    請求項５記載の光学変調素子。
  7. 【請求項７】前記第１の薄膜の膜厚が1.2〜1.6μｍであ
    る請求項１記載の光学変調素子。
  8. 【請求項８】前記第２の薄膜の膜厚が0.6〜0.8μｍであ
    る請求項１記載の光学変調素子。
  9. 【請求項９】前記一対の電極の一方が前記第１の薄膜と
    前記第２の薄膜の間に配置されている請求項５記載の光
    学変調素子。
  10. 【請求項１０】前記第１の薄膜がカイラルスメクチック
    液晶からなり、前記第２の薄膜が高分子液晶からなる請
    求項９記載の光学変調素子。
  11. 【請求項１１】前記一対の電極間に一方極性パルスと他
    方極性パルスとを選択的に印加する電界印加手段を有す
    る請求項９記載の光学変調素子。
  12. 【請求項１２】a.偏光子、 b.印加された電圧に応じて、前記偏光子によって偏光さ
    れた光線に複屈折を生じさせる第１の状態と該光線に複
    屈折を生じさせない第２の状態とを生じる薄膜であっ
    て、該薄膜が該第１の状態を生じている時に、1/2波長
    板として機能する膜厚である第１の薄膜、 c.前記第１の薄膜の第１の状態を通過した光線に複屈折
    を生じさせ、前記第１の薄膜の第２の状態を通過した光
    線に複屈折を生じさせない薄膜であって、前記第１の薄
    膜が前記第１の状態である時に1/2波長板として機能す
    る膜厚である第２の薄膜、 d.複屈折を生じて前記第２の薄膜を通過した光線に複屈
    折を生じさせ、複屈折を生じることなく前記第２の薄膜
    を通過した光線に複屈折を生じさせない薄膜である第３
    の薄膜、並びに、 e.検光子 を有する光学変調素子。
  13. 【請求項１３】前記第１の薄膜が液晶からなる薄膜であ
    る請求項12記載の光学変調素子。
  14. 【請求項１４】前記液晶がカイラルスメクチック液晶で
    ある請求項13記載の光学変調素子。
  15. 【請求項１５】前記第３の薄膜が液晶からなる薄膜であ
    る請求項12記載の光学変調素子。
  16. 【請求項１６】前記液晶がカイラルスメクチック液晶で
    ある請求項15記載の光学変調素子。
  17. 【請求項１７】前記第２の薄膜が高分子液晶からなる薄
    膜である請求項12記載の光学変調素子。
  18. 【請求項１８】前記第１及び第３の薄膜の膜厚が1.2〜
    1.6μｍである請求項12記載の光学変調素子。
  19. 【請求項１９】a.不定偏光光線を発生する光源、 b.偏光ビーム・スプリッター c1.印加された電圧に応じて、前記偏光ビーム・スプリ
    ッターによって偏光された光線に複屈折を生じさせる第
    １の状態と該光線に複屈折を生じさせない第２の状態と
    を生じる薄膜であって、該薄膜が該第１の状態を生じて
    いる時に、1/2波長板として機能する膜厚である第１の
    薄膜、 c2.前記第１の薄膜の第１の状態を通過した光線に複屈
    折を生じさせ、前記第１の薄膜の第２の状態を通過した
    光線に複屈折を生じさせない薄膜であって、前記第１の
    薄膜が前記第１の状態である時に1/4波長板として機能
    する膜厚である第２の薄膜、及び、 c3.前記第２の薄膜を通過した光線を反射し、該光線を
    再度該第２の薄膜に入射させる反射手段、を有する光学
    変調素子、 並びに、 前記第１の薄膜に電界を印加する電界印加手段、を有す
    る表示装置。
  20. 【請求項２０】前記第１の薄膜が液晶からなる薄膜であ
    る請求項19記載の表示装置。
  21. 【請求項２１】前記液晶がカイラルスメクチック液晶で
    ある請求項20記載の表示装置。
  22. 【請求項２２】前記第２の薄膜が高分子液晶からなる薄
    膜である請求項19記載の表示装置。
  23. 【請求項２３】前記第１の薄膜を挟んで配置した一対の
    電極を有する請求項19記載の表示装置。
  24. 【請求項２４】前記電界印加手段として、前記一対の電
    極間に一方極性パルスと他方極性パルスとを選択的に印
    加する電界印加手段を有する請求項23記載の表示装置。
  25. 【請求項２５】前記第１の薄膜の膜厚が1.2〜1.6μｍで
    ある請求項19記載の表示装置。
  26. 【請求項２６】前記第２の薄膜の膜厚が0.6〜0.8μｍで
    ある請求項19記載の表示装置。
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