JP3987347B2 - 光偏向素子、光偏向デバイス及び画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号によって光の方向を変える光偏向素子、光偏向デバイス及びこれらの光偏向素子又は光偏向デバイスを利用した画像表示装置に関する。
【０００２】
【定義】
本明細書において、「光偏向素子」とは、外部からの電気信号により光の光路を偏向、即ち、入射光に対して出射光を平行にシフトさせるか、或る角度を持って回転させるか、或いは、その両者を組合せて光路を切換えることが可能な光学素子を意味する。この説明において、平行シフトによる光偏向に対してそのシフトの大きさを「シフト量」と呼び、回転による光偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶものとする。「光偏向デバイス」とは、このような光偏向素子を含み、光の光路を偏向させるデバイスを意味する。
【０００３】
また、「ピクセルシフト素子」とは、少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光偏向手段とを有し、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示する画像表示装置における光偏向手段を意味する。従って、基本的には、上記定義による光偏向素子や光偏向デバイスを光偏向手段として応用することが可能といえる。
【０００４】
【従来の技術】
光偏向素子なる光学素子として、従来より、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ），ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（ＡＤＰ），ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３，ＧａＡｓ，ＣｄＴｅなど第１次電気光学効果（ポッケルス効果）の大きな材料や、ＫＴＮ，ＳｒＴｉＯ３，ＣＳ２，ニトロベンゼン等の第２次電気光学効果の大きな材料を用いた電気光学デバイスや、ガラス、シリカ、ＴｅＯ２などの材料を用いた音響光学デバイスが知られている（例えば、青木昌治編；「オプトエレクトロニックデバイス」、昭晃堂）。これらは、一般的に、十分大きな光偏向量を得るためには光路長を長く取る必要があり、また、材料が高価であるため用途が制限されている。
【０００５】
一方で、液晶材料を用いた光偏向素子なる光学素子も各種提案されており、その数例を挙げると、以下に示すような提案例がある。
【０００６】
例えば、特開平６−１８９４０号公報によれば、光空間スイッチの光の損失を低減することを目的に、人工複屈折板からなる光ビームシフタが提案されている。内容的には、２枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間に液晶層を挟んだ光ビームシフタ、及びマトリクス形偏向制御素子の後面に前記光ビームシフタを接続した光ビームシフタが提案され、併せて、２枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間にマトリクス駆動が可能で、入射光ビームを半セルシフトする液晶層を挟んだ光ビームシフタを半セルずらして多段接続した光ビームシフタが提案されている。
【０００７】
また、特開平９−１３３９０４号公報によれば、大きな偏向を得ることが可能で、偏向効率が高く、しかも、偏向角と偏向距離とを任意に設定することができる光偏向スイッチが提案されている。具体的には、２枚の透明基板を所定の間隔で対向配置させ、対向させた面に垂直配向処理を施し、透明基板間にスメクチックＡ相の強誘電性液晶を封入し、前記透明基板に対して垂直配向させ、スメクチック層と平行に交流電界を印加できるように電極対を配置し、電極対に交流電界を印加する駆動装置を備えた液晶素子である。即ち、スメクチックＡ相の強誘電性液晶による電傾効果を用い、液晶分子の傾斜による複屈折によって、液晶層に入射する偏光の屈折角と変位する方向を変化できるようにしたものである。
【０００８】
前者の特開平６−１８９４０号公報例においては、液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブミリ秒にまで速めることは困難であり、高速なスイッチングが必要な用途には用いることはできない。
【０００９】
また、後者の特開平９−１３３９０４号公報例においては、スメクチックＡ相の強誘電液晶を用いているが、スメクチックＡ相は自発分極を持たないため、高速動作は望めない。
【００１０】
次に、ピクセルシフト素子に関して従来提案されている技術を数例挙げて説明する。
【００１１】
例えば、特許第２９３９８２６号公報に示されるように、表示素子に表示された画像を投写光学系によりスクリーン上に拡大投影する投影表示装置において、前記表示素子から前記スクリーンに至る光路の途中に透過光の偏光方向を旋回できる光学素子を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子を少なくとも１個以上を有してなる投影画像をシフトする手段と、前記表示素子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各画素の投影領域が前記スクリーン上で離散的に投影される手段と、を備えた投影表示装置がある。
【００１２】
同公報例においては、偏光方向を旋回できる光学素子（旋光素子と呼ぶ）を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子（複屈折素子と呼ぶ）を少なくとも１個以上を有してなる投影画像シフト手段（ピクセルシフト手段）によりピクセルシフトを行っているが、問題点として、旋光素子と複屈折素子とを組合せて使用するため、光量損失が大きいこと、光の波長によりピクセルシフト量が変動し解像度が低下しやすいこと、旋光素子と複屈折素子との光学特性のミスマッチから本来画像が形成されないピクセルシフト外の位置に漏れ光によるゴースト等の光学ノイズが発生しやすいこと、素子化のためのコストが大きいことが挙げられる。特に、複屈折素子に前述したようなＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ），ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（ＡＤＰ），ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３，ＧａＡｓ，ＣｄＴｅなど第１次電気光学効果（ポッケルス効果）の大きな材料を使用した場合、顕著である。
【００１３】
また、特開平５−３１３１１６号公報に示される投影機においては、制御回路により、画像蓄積回路に蓄積した本来表示すべき画像を市松状に画素選択回路へサンプリングして順次空間光変調器に表示し、投影させ、さらに、制御回路により、この表示に対応させてパネル揺動機構を制御して空間光変調器の隣接画素ピッチ距離を整数分の一ずつ移動させることで、本来表示すべき画像を時間的な合成により再現するようにしている。これにより、空間光変調器の画素の整数倍の分解能で画像を表示可能にするとともに、画素の粗い空間光変調器と簡単な光学系を用いて安価に投影機を構成可能としている。
【００１４】
ところが、同公報例においては、画像表示用素子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に揺動させるピクセルシフト方式が記載されており、この方式では、光学系は固定されているので諸収差の発生が少ないが、画像表示素子自体を正確かつ高速に平行移動させる必要があるため、可動部の精度や耐久性が要求され、振動や音が問題となる。
【００１５】
さらに、特開平６−３２４３２０号公報によれば、ＬＣＤ等の画像表示装置の画素数を増加させることなく、表示画像の解像度を、見掛け上、向上させるため、縦方向及び横方向に配列された複数個の画素の各々が、表示画素パターンに応じて発光することにより、画像が表示される画像表示装置と、観測者又はスクリーンとの間に、光路をフィールド毎に変更する光学部材を配し、また、フィールド毎に、前記光路の変更に応じて表示位置がずれている状態の表示画素パターンを画像表示装置に表示させるようにしている。ここに、屈折率が異なる部位が、画像情報のフィールド毎に、交互に、画像表示装置と観測者又はスクリーンとの間の光路中に現れるようにすることで、前記光路の変更が行われるものである。
【００１６】
同公報例においては、光路を変更する手段として、電気光学素子と複屈折材料の組合わせ機構、レンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等が記述されており、上記旋光素子と複屈折素子を組合せてなる方式の他に、ボイスコイル、圧電素子等によりレンズ、反射板、複屈折板等の光学素子を変位（平行移動、傾斜）させ光路を切り替える方式が提案されているが、この方式においては、光学素子を駆動するために構成が複雑となりコストが高くなる。
【００１７】
また、特開平１０−１３３１３５号公報によれば、回転機械要素を不要化でき、全体の小型化、高精度・高分解能化を実現でき、しかも外部からの振動の影響を受け難い光ビーム偏向装置が提案されている。具体的には、光ビームの進行路上に配置される透光性の圧電素子と、この圧電素子の表面に設けられた透明の電極と、圧電素子の光ビーム入射面Ａと光ビーム出射面Ｂとの間の光路長を変化させて光ビームの光軸を偏向させるために電極を介して圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。
【００１８】
同公報例では、透光性の圧電素子を透明の電極で挟み、電圧を印加することで厚みを変化させて光路をシフトさせる方式が提案されているが、比較的大きな透明圧電素子を必要とし、装置コストがアップする等、前述の特開平６−３２４３２０号公報の場合と同様の問題点がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術の課題を整理すると、従来のピクセルシフト素子において問題となっているのは
▲１▼ 構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、ゴースト等の光学ノイズ又は解像度低下
▲２▼ 特に可動部を有する構成の場合の位置精度や耐久性、振動や音の問題
▲３▼ ネマチック液晶などにおける応答速度である。
【００２０】
▲３▼の応答速度に関し、画像表示装置におけるピクセルシフトに必要な光偏向の速度は以下のように見積ることができる。画像フィールド（時間tＦｉｅｌｄ）を時間的にｎ分割し、各ｎ個のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材との間の光路を偏向してピクセルシフトのシフト位置をｎ箇所に定めた場合、1つのサブフィールドの時間ｔＳＦは
ｔＳＦ＝ｔＦｉｅｌｄ／ｎ
で表される。この時間ｔＳＦの期間中に光偏向がなされるが、その時間をtｓｈｉｆｔとするとこのtｓｈｉｆｔの期間は表示が行えないため、この期間に相当する分だけ光利用効率が低下する。
【００２１】
光利用効率Ｅは以下の式で表される。
【００２２】
Ｅ＝（ｔSF−tｓｈｉｆｔ）／ｔＳＦ
仮にピクセルシフト位置ｎがｎ＝４、画像フィールドｔＦｉｅｌｄが１６．７ｍｓである場合に、光利用効率Ｅを９０％以上確保するためには、
０．９＜（１６．７／４−ｔｓｈｉｆｔ）／（１６．７／４）
tｓｈｉｆｔ＜０．４２（ｍｓ）
となり、光偏向を０．４２ｍｓで行う必要がある。通常のネマチック液晶は応答速度が数ｍｓ以上であるため、ここに示すような高速ピクセルシフトのための光学素子としては使用することはできない。
【００２３】
特開平６−１８９４０号公報においては液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブミリ秒にまで速めることは困難であり、ピクセルシフトに用いることはできない。一方、キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶ではその応答速度は十分０．４２ｍｓ以下に設定することが可能である。
【００２４】
また、特開平９−１３３９０４号公報においてはスメクチックＡ相の強誘電液晶を用いているが、スメクチックＡ相は自発分極を持たないため、キラルスメクチックＣ相に見られるような高速動作はやはり望めない。
【００２５】
そこで、本発明は、基本的には、従来の光偏向素子における問題点、即ち、構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、光学ノイズを改善し、構成が簡単で、小型であり、光量損失、光学ノイズ、解像度低下が少なく、低コスト化を図ることができる光偏向方法、光偏向素子、光偏向デバイス及びこれらを備える画像表示装置を提供することを目的とする。
【００２６】
また、本発明は、従来の特に可動部を有する光偏向素子若しくは光偏向デバイスにおける問題点である位置精度の低さや耐久性不良、振動や音の問題を改善することを目的とする。
【００２７】
さらには、従来、光路を変える光学素子に用いられていたスメクチックＡ液晶やネマチック液晶などにおける応答性の鈍さを改善し、高速応答可能な光偏向方法、光偏向素子、光偏向デバイス及びこれらを備える画像表示装置を提供することを目的とする。
【００２８】
加えて、上記目的を実現する上で、光の光路を効率的に切換えるように電界を発生させることが可能な上に、光量損失を低減させ得る効果のより大きな光偏向素子を提供する。
【００２９】
また、上記目的を実現する上で、電界印加手段により印加する電圧値を低減させて、電源の小型化、低コスト化を図ることができる光偏向素子を提供する。
【００３０】
また、上記目的を実現する上で、電界印加手段が発する電界を液晶に効率的に作用させ得る光偏向素子を提供する。
【００３１】
また、上記目的を実現する上で、１つの素子で光の光路を３方向以上にわたって効率的に切換え得るように電界を発生させることができ、より小型化、低コスト化を図れる光偏向素子を提供する。
【００３２】
また、上記目的を実現する上で、光学ノイズを低減し良好な光シフトを達成できる光偏向デバイスを提供する。
【００３３】
また、上記目的を実現する上で、偏向光量を自在に制御することができる光偏向デバイスを提供する。
【００３４】
また、上記目的を実現する上で、素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくでき、光学ノイズの一層の低減を図れる光偏向素子を提供する。
【００３５】
また、上記目的を実現する上で、特に入射光に対して出射光が或る角度を持って回転し光路を切換えることが可能な素子において、その応答性の鈍さを改善できる光偏向素子を提供する。
【００３６】
また、従来にあっては、大きなシフト量を得るためには常光と異常光の屈折率差の大きな液晶材料を使用したり液晶膜厚を増やしたりする必要があるものの、現実には、液晶の屈折率差の大きな材料は一般的に屈折率の波長依存性が大きくいわゆる色収差が発生しやすく、液晶膜厚を増やすにしても実質的に良好な均一配向、高速動作を行うためには制限があったことから、上記目的を実現する上で、応答速度を犠牲にせず任意のシフト量を得ることができる光偏向デバイスを提供する。
【００３７】
さらに、本発明は、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を表示できるピクセルシフトを利用した画像表示装置を提供することを目的とする。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
予備発明１の光偏向方法は、透明基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶に、直線偏光の光を入射させ、前記基板面法線方向及び前記直線偏光方向と略直交する方向に電界を発生させることにより前記入射光を前記偏光方向に偏向させて出射させる。
【００３９】
従って、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用することにより、従来の光偏向素子における問題点、即ち、構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、光学ノイズを改善することができる。
【００４０】
予備発明２は、予備発明１記載の光偏向方法において、前記電界の向きを切換えることにより、前記偏向方向を切換える。
【００４１】
従って、予備発明１記載の発明の作用に加え、偏向方向を切替えることが可能となリ、光学装置に広く応用することが可能となる。また、偏向方向切替えのための可動部を有しないため、従来の特に可動部を有する光偏向素子等における問題点であった位置精度の低さや耐久性不良、振動や音の問題も回避することができる。さらに、従来、光偏向素子に用いられていたスメクチックＡ液晶やネマチック液晶などにおける応答性の鈍さも改善でき、高速応答が可能となる。加えて、液晶ダイレクタを基板に対してホメオトロピック配向させることにより、低い電界で安定したシフト量、回転角を得ることができ、液晶ダイレクタの動作が基板からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の調整が行いやすく光学素子のセッティング余裕度が増し、また、電界方向に対して液晶ダイレクタの配向のとりやすさが均一であるため、偏向方向に対する光強度ムラを発生しにくくすることもできる。
【００４２】
予備発明３の光偏向素子は、電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、該液晶に電界を作用させる１組以上の電界印加手段と、を備える。
【００４３】
従って、極めて簡単な構成でありながら、予備発明１，２の光偏向方法を具現化でき、上記効果を達成することが可能となる。
【００４４】
予備発明４は、予備発明３記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、前記基板面法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を発生させる電極対である。
【００４５】
従って、基板面法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を印加するため、電界印加方向を切替えた時の液晶のチルト方向を基板面法線方向から対称な方向に設定できるため、所定の光偏向方向に対して高い位置精度で光偏向を行うことを可能とし、さらに受光部までの光路長が偏向方向によらず一定であるため、受光部における像ボケが発生しない。
【００４６】
予備発明５は、予備発明４記載の光偏向素子において、前記電極対は、前記光偏向素子を通る光路を挟む位置に設置した。
【００４７】
従って、電極対を光路を挟む位置に設置することで、従来の光偏向素子に比較して光量損失を低減させることができる。
【００４８】
予備発明６の光偏向デバイスは、前記液晶の分子長軸方向を平均化した方向として定まる光学軸の方向を、前記電界印加手段による電界の印加により所定の方向に向けた状態で、一方の基板面から他方の基板面に向かって前記光学軸を投影した場合に前記他方の基板面上に投影された前記光学軸の方向が、入射光の偏光方向と同一方向になるように予備発明３，４又は５記載の光偏向素子を設置した。
【００４９】
従って、光偏向素子の光学軸と入射光の光偏向方向を一致させているため、光学ノイズ、光量損失を極めて小さく抑えることができる。
【００５０】
予備発明７の光偏向デバイスは、前記液晶の自発分極及び電界により定まる液晶分子の配向を前記電界印加手段による電界の印加により所定の方向に揃えた状態で、一方の基板面から他方の基板面に向かって前記液晶分子を投影した場合に前記他方の基板面上に投影された前記液晶分子における長軸方向が、入射光の偏光方向と同一方向になるように予備発明３，４又は５記載の光偏向素子を設置した。
【００５１】
従って、光偏向素子の液晶分子の配向が所定方向に揃えられているため、光学ノイズ、光量損失を極めて小さく抑えることができる。
【００５２】
予備発明８の光偏向デバイスは、偏向方向の異なる予備発明３，４又は５記載の２つの光偏向素子を直列に配列し、該光偏向素子間に、前段の光偏向素子からの出射光の偏光方向を後段の光偏向素子の偏向方向に揃える偏光方向切換手段を設置した。
【００５３】
従って、２つの光偏向素子と偏光方向切換手段とを組合せているので、４方向に光をシフトさせることができる。
【００５４】
予備発明９は、予備発明８記載の光偏向デバイスにおいて、記前段の光偏向素子と後段の前記光偏向素子の電界発生方向が直交するように前段の前記光偏向素子と後段の前記光偏向素子を配列し、前記偏光方向切換手段として１／２波長板を設置した。
【００５５】
従って、予備発明６記載の２組の光偏向素子と１／２波長板とを組合せているので、例えば上下左右の如く４方向に光をシフトさせることができる。１／２波長板として雲母、水晶を用いた場合は、これらの材料が温度による特性変動が比較的少なく安定しているため、温度変化の大きい環境での使用時に特に有用である。
【００５６】
予備発明１０の光偏向デバイスは、電界発生方向を直交させた２組の電極対を有する予備発明４又は５記載の光偏向素子と、該光偏向素子に対する入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段と、を備える。
【００５７】
従って、電界発生方向を直交させた２組の電極対を有する予備発明４又は５記載の光偏向素子を用いているので、例えば上下左右の如く４方向に光をシフトさせることができ、特に、１個の光偏向素子を利用すればよいので、予備発明８，９記載の発明の場合に比べて小型、低コスト化、光損失の低減を図ることができる。
【００５８】
予備発明１１は、予備発明３記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、前記基板間に設けられた１組の電極対である。
【００５９】
従って、予備発明３記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電圧値を低減させることができ、電源の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００６０】
予備発明１２は、予備発明１１記載の光偏向素子において、前記電極対は、交互に入り込むように配設された櫛歯状電極対である。
【００６１】
従って、予備発明１１記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電界がより効率的に液晶に作用するため、電圧を低減させることができ、電源の小型化，低コスト化を図ることができる。
【００６２】
予備発明１３は、予備発明３記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、前記液晶と一対の前記基板との各々の界面付近に形成されて各々の電界発生方向を異ならせた２組の櫛歯状電極対である。
【００６３】
従って、予備発明３記載の光偏向素子において、１つの素子で効率的に光の光路を３方向以上に切換えることができる。
【００６４】
予備発明１４の光偏向デバイスは、予備発明３，４，５，１１，１２又は１３記載の光偏向素子と、この光偏向素子の光入射側に配設されて前記光偏向素子による光偏向方向と入射光の偏光方向とが一致するように前記入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段と、を備える。
【００６５】
従って、或る方向の電界印加により光偏向を受け出射する第１の光路における成分（光量）と、光偏向を受けないか若しくは上記とは異なる方向の電界印加により異なる方向に光偏向を受け出射する第２の光路における成分（光量）との混在を大幅に低減でき、光学ノイズの少ない良好な光シフトを達成することができる。
【００６６】
予備発明１５の光偏向デバイスは、予備発明３，４，５，１１，１２又は１３記載の光偏向素子と、この光偏向素子の光入射側に配設されて前記光偏向素子による光偏向方向に対して入射光の偏光方向が所定の角度を持つように前記入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段と、を備える。
【００６７】
従って、或る方向の電界印加により光偏向を受け出射する第１の光路における成分（光量）と、光偏向を受けないか若しくは上記とは異なる方向の電界印加により異なる方向に光偏向を受け出射する第２の光路における成分（光量）とを任意の割合で設定することで、偏向光量を自在に制御することができる。
【００６８】
請求項１記載の発明の光偏向素子は、電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、前記基板面法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を発生させる電極対による電界印加手段と、を備える。
【００６９】
従って、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、予備発明１、２記載の発明の作用・効果が得られる上に、特にホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相なる液晶を利用しているので、当該素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくすることができ、光学ノイズの一層の低減を図ることができる。
【００７０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光偏向素子において、前記電極対は、前記光偏向素子を通る光路を挟む位置に設置した。
【００７１】
従って、請求項１記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、電極対を光路を挟む位置に設置することで、従来の光偏向素子に比較して光量損失を低減させることができる。
【００７２】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、前記基板間に設けられた１組の電極対である。
【００７３】
従って、請求項１記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電界がより効率的に液晶に作用するため、電圧を低減させることができ、電源の小型化，低コスト化を図ることができる。
【００７４】
請求項４記載の発明の光偏向デバイスは、電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、一対の前記基板と前記液晶との間に形成された電極対による電界印加手段とを備えた光偏向素子を、光の入射方向が前記基板面法線方向と異なるように設置した。
【００７５】
従って、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、予備発明１記載の発明の作用・効果が得られる上に、ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相なる液晶を利用しているので、請求項１記載の発明と同じく、当該素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくすることができ、光学ノイズの一層の低減を図ることができ、さらには、ここで用いる電界印加手段としては、ＩＴＯ等の透明電極が好ましく、いわゆるベタ膜でも差し支えないため、電極形成が容易であり、電極がパタニングされていないため光の進行に対してモアレ等干渉が発生しにくくなり、外部電極による電界形成方法に比較して、高電圧電源が不要となり、さらに小型化に有利となる。
【００７６】
予備発明２０の光偏向素子は、電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、１組以上の電界印加手段と、を備え、一対の前記基板は、光偏向方向に対応して一方の基板面が他方の基板面に対して傾斜して対向する。
【００７７】
従って、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、予備発明１，２記載の作用・発明の効果が得られる上に、入射光に対して出射光が所定角度を持って回転し光路を切換えることが可能な素子において、その応答性の鈍さを改善することができる。
【００７８】
予備発明２１は、予備発明２０記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、一対の前記基板と前記液晶との間に形成された電極対である。
【００７９】
従って、予備発明２０記載の光偏向素子において、所定の光偏向方向に対応して的確に液晶分子の配向状態を切換えることができ、効率的な光偏向を可能にする。
【００８０】
予備発明２２の光偏向デバイスは、光進行方向上に所定距離を隔てて予備発明２０又は２１記載の光偏向素子を２組備える。
【００８１】
従って、光進行方向上に所定距離を隔てて予備発明２０記載の光偏向素子を２組備えるので、応答速度を犠牲にせず、光偏向素子と受光部との距離を適切に選ぶことで任意の偏向量を得ることができる。
【００８２】
請求項５記載の発明は、請求項１，２又は３記載の光偏向素子において、前記電極対による電界発生方向及び当該素子に対する温度制御により光偏向位置を制御する光偏向位置制御手段を備える。
【００８３】
従って、温度によりチルト角を制御することができ、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては電界による微調との組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【００８４】
請求項６記載の発明は、請求項４記載の光偏向デバイスにおいて、前記電極対による電界発生方向及び当該素子に対する温度制御により光偏向位置を制御する光偏向位置制御手段を備える。
【００８５】
従って、温度によりチルト角を制御することができ、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては電界による微調との組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【００８６】
請求項７記載の発明の画像表示装置は、少なくとも、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、この画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に前記画像表示素子と前記光学部材の間の光路を偏向する請求項１，２，３若しくは５記載の光偏向素子又は請求項４若しくは６記載の光偏向デバイスによる光偏向手段と、を備える。
【００８７】
従って、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示させる上で、ピクセルシフト素子なる光偏向手段として請求項１，２，３若しくは５記載の光偏向素子又は請求項４若しくは６記載の光偏向デバイスを用いているので、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を提供することができ、特に、請求項５記載の光偏向素子又は請求項６記載の光偏向デバイスを用い、光偏向位置制御を、当該光偏向素子における電極対による電界印加方向及び当該光偏向素子に対する温度制御により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。
【００８８】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は本実施の形態の光偏向素子１の原理的構成例を示す断面図である。この光偏向素子１においては、まず、一対の透明な基板２，３が対向配置させて設けられている。そして、少なくとも一方、ここでは基板２側内面には配向膜４が形成されており、この配向膜４と他方の基板３との間にはキラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶なる液晶５が充填されている。
【００８９】
このような一対の基板２，３及び液晶５を有する構造体に対して、目的とする光偏向方向に対応させて電極６ａ，６ｂによる一対の電極対６が配置され、電源７に接続されている。電極対６は電界印加手段として機能するもので、光路と重ならない位置で当該光偏向素子１の液晶回転軸に対して略垂直方向に電界ベクトルが向くように設置され、基板２，３と一体化させて設けても、分離させて設けても良い。また、液晶５の膜厚を規定するためのスペーサを電極に兼用することも可能である。光偏向による光の進行方向を３方向以上に振りたい場合は、入射光の偏光方向をその偏向方向に対応させて回転させるとともに、電極対６をやはりそれらに対応させ複数設ければよい。
【００９０】
入射光は、電極対６より形成される電界の方向によって偏向を受け、第１の出射光若しくは第２の出射光の何れかの光路をとる。
【００９１】
ここで、液晶５に関して説明する。「スメクチック液晶」は液晶分子の長軸方向を層状に配列してなる液晶分子である。このような液晶に関し、上記層の法線方向（層法線方向）と液晶分子の長軸方向とが一致している液晶を「スメクチックＡ相」、法線方向と一致していない液晶を「キラルスメクチックＣ相」と呼んでいる。キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶５は、一般的に外部電界が働かない状態において各層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとり、キラルスメクチックＣ相反強誘電液晶は各層毎に液晶ダイレクタが対向する方向を向く。これらのキラルスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Ｐｓと外部電界Ｅにより定まる方向に液晶分子が再配列することで光学特性が制御される。なお、本実施の形態等では、液晶５として強誘電液晶を例に採り光偏向素子１の説明を行うが、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。
【００９２】
キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部などよりなる。主鎖構造としてはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシエチレンなどが利用可能である。スペーサは分子回転を担う骨格、結合部、キラル部を主鎖と結合させるためのものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選ばれる。また、カイラル部とビフェニル構造など剛直な骨格とを結合する結合部には−ＣＯＯ−結合等が選ばれる。
【００９３】
本実施の形態の光偏向素子１においては、キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶５は配向膜４により基板２，３面に垂直に分子螺旋回転の回転軸が向いており、いわゆるホメオトロピック配向をなす。このようなホメオトロピック配向のための配向法としては、従来より行われている方法を適用することができる。即ち、▲１▼ずり応力法、▲２▼磁場配向法、▲３▼温度勾配法、▲４▼ＳｉＯ斜法蒸着法、▲５▼光配向法等が挙げられる（例えば、竹添、福田「強誘電性液晶の構造と物性」コロナ社、p235参照）。
【００９４】
本実施の形態の光偏向素子１の特徴の１つは、ＩＴＯ膜等による電極パターンを素子内に形成する必要がないため、これによる光損失がない点と、素子の光が透過する部分の層構成が簡単で製造コストが抑制できる点にある。また、キラルスメクチックＣ相はスメクチックＡ相やネマチック液晶に比較して極めて高速な応答性を有しており、サブｍｓでのスイッチングが可能である点も特徴である。特に、電界方向に対して液晶ダイレクタ方向が一義的に決定されるため、スメクチックＡ相よりなる液晶に比べダイレクタ方向の制御が容易であり、扱いやすい。
【００９５】
ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５は、ホモジニアス配向（液晶ダイレクタが基板面に平行に配向している状態）をとる場合に比べて、液晶ダイレクタの動作が基板２，３からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の制御が行いやすく、必要電界が低いという利点を有する。また、液晶ダイレクタがホモジニアス配向している場合、電界方向だけでなく基板面に液晶ダイレクタが強く依存するため、光偏向素子の設置についてより位置精度が求められることになる。逆に、本実施の形態のようなホメオロトピック配向の場合は、光偏向に対して光偏向素子１のセッティング余裕度が増す。これらの特徴を活かす上で、厳密に螺旋軸を基板面に垂直に向ける必要はなく、或る程度傾いていても差し支えない。例えば、螺旋構造をなす側面の一部が基板２，３に垂直であって螺旋軸そのものは基板法線方向から傾いている状態であっても、液晶ダイレクタが基板２，３からの規制力を受けずに２つの方向を向くことが可能であればよい。
【００９６】
無電界下のキラルスメクチックＣ相の液晶層に対して層法線方向から偏光顕微鏡によるコノスコープ像を観察すると、十字像が中央部に位置しており、一軸性光学軸を有していることが確認できる。ここで、図２にキラルスメクチックＣ相の液晶分子配列のモデル（電界による螺旋構造変化のモデル）を示す。チルト角θを有する分子層が互いズレながら重なって螺旋構造を形成している。電界Ｅ＝０では図２(ａ)のように左右対称な螺旋構造によって液晶ダイレクタ方向は空間的に平均化される。液晶層の平均化された光学軸は層法線方向を向いており、この光学軸に平行な入射光に対しては光学的に等方的である。次に、液晶層の水平方向に比較的小さな電界０＜Ｅ＜Ｅｓを印加すると、自発分極Ｐｓへの電界Ｅの作用で液晶分子に回転モーメントが生じるために図２(ｂ)のように螺旋構造が歪んで非対称となり、平均的な光学軸が一方向に傾く。この時、電界強度の増加と共に歪みが大きくなって平均的な光学軸の傾斜角も大きくなる。これは、コノスコープ像の十字像の位置が移動することから確認できる。さらに電界強度を増加させると、ある閾値電界Ｅｓ以上で図２(ｃ)のように螺旋構造が消失して光学的に略一軸性となる。この時の光学軸の傾斜角は液晶ダイレクタのチルト角θと等しくなる。さらに電界を増加させてもチルト角θは変化せず、光学軸の傾斜角も一定となる。
【００９７】
次に、本実施の形態の光偏向素子１の動作原理について図３及び図４を参照して説明する。図３は、図１に示した構成に関して液晶配向を模式的に示したものである。ただし、図１では電界が上下方向に印加されるように描いているが、図３では便宜上紙面表裏方向に印加されるように描いており、電界は紙面表裏方向に発生するものとする。また、電界方向は目的とする光の偏向方向に対応して電源７により切換えられる。図３における電極６ａ，６ｂは、上述したように基板２，３と一体化してもまた分離して設けてもよい。
【００９８】
また、当該光偏向素子１に対する入射光は直線偏光であり、その偏光方向は図３中上下の矢印に示す通り上下方向であって（以後、同様に偏光方向については上下或いは左右の矢印で入射光に重ねて示す）、その偏光方向に電界方向が直交するように電極６ａ，６ｂは対向配置される。また、液晶５の膜厚を規定するためのスペーサを電極に兼用することも可能である。何れの場合においても、電極６ａ，６ｂからの漏洩電界が当該光偏向素子１周辺の機器に悪影響を及ぼさないように電磁シールドを設けるのが好ましい。
【００９９】
図３においてＸＹＺ直交座標系を図示する通りにとったとき、液晶５内のＸＺ断面において図３に示す通り液晶ダイレクタ８は、その電界方向によって第１の配向状態又は第２の配向状態の何れかの状態（図４（ｂ）参照）をとって分布する。θは液晶回転軸からの液晶ダイレクタ８のチルト角であり、以後、単に「チルト角」と呼ぶ。液晶５の自発分極Ｐｓが正でありＹ軸正方向（紙面上向き）に電界Ｅがかかっているものとすると、液晶ダイレクタ８は液晶回転軸が略基板垂直方向であるためＸＺ面内にある。液晶５の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとすると、入射光として、偏光方向をＹ軸方向に持つ直線偏光を選びＸ軸正方向に入射光が進むとき、光は液晶５内で常光として屈折率ｎｏを受け直進し、図４（ａ）中のa方向に進む。即ち、光偏向は受けない。
【０１００】
一方、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光が入射するとき、入射方向の屈折率は液晶ダイレクタ８の方向及び屈折率ｎｏ，ｎｅの両者から求められる。より詳しくは、屈折率ｎｏ，ｎｅを主軸に持つ屈折率楕円体において楕円体中心を通過する光の方向との関係から求められるが、ここでは詳細は省略する。光は屈折率ｎｏ，ｎｅ及び液晶ダイレクタ８の方向（チルト角θ）に対応した偏向を受け、図４（ａ）中のb（第1の配向状態の場合）に示す方向にシフトする。
【０１０１】
今、液晶５の厚み(ギャップ)をｄとするときシフト量Ｓは以下の式で表される（例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、p198参照）。
【０１０２】
Ｓ＝[(１／ｎｏ)2−(１／ｎｅ)2]sin(２θ・ｄ)÷[２((１／ｎｅ)2sin2θ＋(１／ｎｏ)2cos2θ)] ………式１
また、電界方向を反転させた時、液晶ダイレクタ８は図４においてＸ軸を中心とした線対称の配置（第２の配向状態）を取り、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光の進行方向は図４（ａ）中のｂ′に示す通りとなる。
【０１０３】
従って、この直線偏光に対して液晶５に作用させる電界方向を制御することで、ｂとｂ′との２位置、即ち、２Ｓ分の光偏向が可能となる。
【０１０４】
液晶５の材料の代表的物性値（ｎｏ＝１．６，ｎｅ＝１．８）に対して得られる光偏向量について光偏向量Ｓを計算した結果を図５に示す。θ＝４５°付近が最も光偏向量が大きい。仮に、液晶ダイレクタ８のチルト角θが２２．５°のとき、２Ｓ＝５(μｍ)の偏向量を得るためには、ここに示される通り液晶の厚みを３２μｍ厚に設定すれば良い。また、ホメオトロピック配向強誘電液晶において、約７００Ｖ／ｃｍの電界に対して０．１ｍｓの応答速度が報告されており（Ozaki 他、J．J．Appl．Physics、Vol．30、No．9B、pp2366-2368（1991）参照）、サブｍｓオーダの十分高速な応答速度が得られる。
【０１０５】
また、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶においては、チルト角θは温度Ｔにより変化し、相転移点をＴｃとすると、θ∝（Ｔ−Ｔｃ）βなる関係がある。βは材料により異なるが０．５程度の値をとる。この特性を利用した温度制御で光偏向量を制御することも可能である。
【０１０６】
例えば、仮にチルト角θとして上記の２２．５°を設定し、これに対応する温度をＴθ＝２２．５°とすれば、Ｔ＞Ｔθ＝２２．５°ではθ＜２２．５°であり、Ｔ＜Ｔθ＝２２．５°ではθ＞２２．５°であるため、温度によりチルト角θを制御でき、これによって光偏向量を制御できることとなる。また、位置制御に関しては、電界による微調を同様に行うことができ、温度、電界或いはその両者の組合せにより適切な光偏向を達成できる。
【０１０７】
以上は、電界強度がＥｓ以上で螺旋構造が解けてチルト角θが光学軸の傾斜角に等しい場合について説明したが、電界強度がＥｓ以下の場合には、上記θを液晶ダイレクタ方向を平均化した光学軸の傾斜角として扱えば良い。
【０１０８】
液晶５の温度制御としては、当該光偏向素子１の温度をモニタし設定温度との差を低減するための加熱源若しくは冷却源等を作動するようフィードバックをかければよい。また、温度をモニタする変わりに光偏向位置をモニタし正規位置との差を低減するように上記加熱／冷却源を作動させるようにしてもよい。
【０１０９】
加熱源としては光偏向素子１外部に加熱源を設けてもよいが、小型化のためには後述する実施の形態の如く、光偏向素子１内部に抵抗線を形成し、これに電流を流すことで得られるジュール熱を利用するのが好ましい。冷却源としてはペルチェ素子等が好適に用いられる。
【０１１０】
本発明の第二の実施の形態を図６及び図７に基づいて説明する。前述した実施の形態の場合と同一又は相当する部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも順次同様とする）。
【０１１１】
図６は、偏向方向が互いに所定角(φ2)傾いた方向に設置された図３に示す２つの光偏向素子１Ａ，１Ｂが直列に配列され、該光偏向素子１Ａ，１Ｂ間に、前段の光偏向素子１Ａからの出射光の偏光方向を後段の光偏向素子１Ｂの偏向方向に揃える偏光方向切換手段９'を備えた構成の光偏向デバイス１０である。
【０１１２】
このような光偏向デバイス１０によれば、光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に２位置光シフトが行われ、光偏向素子１Ｂにおいて光偏向素子１Ａのシフト方向からφ2なす角度方向に２位置の光シフトが行われるため、デバイス全体としては合計４位置に光をシフトさせることが可能となる。
【０１１３】
この光偏向デバイス１０に入射する光は図６に示す通り、Ｚ軸方向に偏光方向を有しており、光進行方向に対して前段側の光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に偏向を受けた後、偏光方向切換手段９'によって偏光方向をφ1（＝φ2）回転させて後段の光偏向素子１Ｂに入射し、光偏向素子１Ａのシフト方向からφ2なす角度方向に２位置のシフトを受ける。
【０１１４】
偏光方向切換手段９'としては、ファラデー回転素子やツイスト構造を有する液晶素子などを用いることができ、偏光方向回転角φ1は前記φ2と略一致するよう設定される。特にツイスト構造を有する液晶素子は、波長による偏光方向回転角のバラツキを比較的小さく設定可能であるため、多波長よりなる光を扱う場合に好適である。
【０１１５】
また、ツイスト構造を有する液晶素子としては、いわゆる低分子ツイストネマティック液晶を、前記φ２のツイスト角が得られるように互いに配向処理を施した一対の透明基板中に充填した構造をなす素子、或いは、は高分子によりツイスト構造を形成した液晶素子等が用いられる。高分子によりツイスト構造を形成した液晶素子においては一対の透明基板を用いることなく、例えばベースフィルム上に直接液晶を構成することができるため、厚みを抑えることが可能となり、省スペース化の観点から好ましい。
【０１１６】
図７は、偏向方向が互いに直交した方向に設置された図３に示す２つの光偏向素子１Ａ，１Ｂが直列に配列され、該光偏向素子１Ａ，１Ｂ間に、前段の光偏向素子１Ａからの出射光の偏光方向を後段の光偏向素子１Ｂの偏向方向に揃える偏光方向切換手段としての１／２波長板９を備えた構成の光偏向デバイス１０である。
【０１１７】
このような光偏向デバイス１０によれば、光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に２位置、光偏向素子１Ｂにおいて左右方向（Ｙ軸方向）に２位置の光シフトが行われるため、デバイス全体としては合計４位置に光をシフトさせることが可能となる。
【０１１８】
この場合、図７における偏光方向切換手段９として、雲母、水晶等の複屈折性材料により形成される１／２波長板を使用することも可能である。これらの材料は温度による特性変動が比較的少なく、温度変化の大きい環境での使用時に特に有用である。
【０１１９】
この光偏向デバイス１０に入射する光は図７に示す通り、Ｚ軸方向に偏光方向を有しており、光進行方向に対して前段側の光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に偏向を受けた後、１／２波長板９によって偏光方向を９０°回転させてＹ軸方向の偏光方向とすることで、後段の光偏向素子１Ｂで左右方向（Ｙ軸方向）の偏向を受ける。
【０１２０】
本発明の第三の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態では、前述の光偏向素子１に関して、電極対６の他に、この電極対６とは直交する方向に電界を作用させる電極１１ａ，１１ｂによる電極対１１を電界印加手段として付加した構成とされている。電極１１ａ，１１ｂ間には電源１２が接続されている。即ち、電極対６，１１が液晶５に対して上下左右方向に設けられている。このような電極対６，１１を備える光偏向素子１の入射側に入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段１３が設けられ、これらの光偏向素子１と偏光方向制御手段１３とにより光偏向デバイス１４が構成されている。
【０１２１】
このような構成において、光偏向位置を図６及び図７に示した場合と同様に、４点にとる場合は、偏光方向制御手段１３による偏光方向の設定方向を対応する上下左右２方向に設定することになり、この場合、例えば、偏光方向制御手段１３としては強誘電液晶材料等で構成することができる。また、電極１１ａ，１１ｂによる電極対１１は電極対６と直交する方向に限らず所望の偏向方向に対応した角度で設置することも可能である。また、多方向に設定することも可能であり、これらの場合は偏光方向制御手段として任意に角度設定することが可能なファラデー回転素子等により構成することができる。何れの場合においても、光偏向素子１における光偏向方向と入射光の偏光方向とが一致するように偏光方向を制御することで、光学ノイズを低減し良好な光シフトを達成することができる。
【０１２２】
本実施の形態の光偏向デバイス１４の構成によれば、図６及び図７に示した構成の光偏向デバイス１０と比較して、光偏向素子１を唯１つ使用することで同様の機能を出せるため、システムの小型化、低コスト化、光損失の低減に効果がある。ただし、光偏向位置が２位置だけでよければ当然ながら図８における電極対は一対のみ設ければよい（結局、図３に示したような構成）。
【０１２３】
偏光方向制御手段１３は後述する実施の形態の通り、液晶パネルに形成された画像を投影する画像表示装置内においては、液晶パネルの偏光方向を画面毎に回転させることで省くことができる。
【０１２４】
ところで、図７及び図８のような構成における入射光偏光方向と液晶ダイレクタとの組合せに対する光偏向位置を表１に示す。ただし、諸特性は第一の実施の形態で示したものを用いている。また、図７の構成の場合では、直列に配置した２つの光偏向素子１Ａ，１Ｂのうち、入射光側に配置される光偏向素子１Ａにおいて、表１中の１，３の偏向を、出射光側に配置される光偏向素子１Ｂにおいて２，４の偏向を各々形成するものとする。
【０１２５】
【表１】
【０１２６】
本発明の第四の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば、第一の実施の形態で示したような光偏向素子１の入射側に光偏向素子１による光偏向方向に対して入射光の偏光方向が所定の角度を持つように入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段１５を付加して光偏向デバイス１６を構成することにより、偏向光量を自在に制御できるようにしたものである。
【０１２７】
本実施の形態における偏光方向制御手段１５は、偏光板をメカニカルに回転機構により回転させる構成とかファラデー回転素子等により構成され、光偏向素子１に入射する偏光方向の角度を任意に設定可能である。仮に、Ｚ軸からの入射光の偏光方向の角度（チルト角）をθとすると、入射光Ｐｏに対して、図９のＹ軸方向の電界印加により光偏向を受けて出射する第１の出射光の成分（光量）Ｐ１は入射光のＺ軸方向ベクトル成分と一致し、Ｐ１＝Ｐ０cosθ、光偏向を受けない第２の出射光の成分（光量）Ｐ２は入射光のＹ軸方向ベクトル成分と一致し、Ｐ２＝Ｐ０sinθとなる（ただし、光の減衰、散乱等は無視するものとする）。即ち、角度θを適宜設定することで任意の割合で光量を振り分けすることができる。また、出射光の成分（光量）Ｐ１，Ｐ２を必要に応じて測定することで、入射光の偏光方向が得られ、これを基に偏光方向制御手段１５による偏向方向の角度θを設定し直す等の処理も可能である。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、図１及び図３に示したような構成の光偏向素子１との組合せ例で説明したが、後述するような電極対構造を持つ光偏向素子との組合せ例であってもよい。
【０１２９】
本発明の第五の実施の形態を図１０に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したように、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶においては、チルト角θは温度Ｔにより変化する点に着目し、例えば、第一の実施の形態中の図４に示したような光偏向素子１の内部に加熱源となる電気抵抗材料１７を設けたものである。この電気抵抗材料１７には駆動電流を制御する温度制御手段１８が接続されており、前述した電極対６による電界発生方向の制御とこの電気抵抗材料１７による当該光偏向素子１、特に液晶５に対する温度制御により光偏向素子１による偏向位置を制御するための光偏向位置制御手段が構成されている。
【０１３０】
ここに、電気抵抗材料１７としては可視光域で透明で適当な電気抵抗を有し、さらに耐熱性（室温〜７０℃程度）に優れる材料が好ましい。具体的には、ＩＴＯが用いられており、基板２と配向膜４との間に形成されている。
【０１３１】
温度制御手段１８により、サーミスタ等の温度センサ（図示せず）により当該光偏向素子１の温度をモニタして設定温度との差を低減するようにＩＴＯ（電気抵抗材料１７）への駆動電流を流すことでジュール熱発生によって温度制御がなされる。設定温度は当該光偏向素子１の周囲の環境温度以上で、かつ、適切な角度θが得られる範囲が望ましい。通常は、４０〜７０℃程度の範囲に設定するのがよい。
【０１３２】
従って、本実施の形態によれば、温度によりチルト角θを制御でき、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては、電界による微調を同様に行うことができ、温度、電界或いはその両者の組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【０１３３】
なお、本実施の形態では、ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を有する構成の光偏向素子１への適用例として説明したが、後述するようなホモジニアス配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を有する構成の光偏向素子の場合にも同様に適用できる。
【０１３４】
本発明の第六の実施の形態を図１１に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子２１は、ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を含む構成において、電界印加手段としての電極対の配置・構成を前述の場合と異ならせたものである。即ち、第一の実施の形態等にあっては、光路と重ならない位置に電極対６を設け、素子外部から電界を与えているのに対して、本実施の形態では、電界発生用の電極２２ａ，２２ｂによる電極対２２を対向する基板２，３間の液晶５中に設けている点が特徴である。
【０１３５】
より具体的には、これらの電極２２ａ，２２ｂは何れも櫛歯状電極として形成され、目的とする偏向方向に直交するＺ軸方向においてこれらの櫛歯状電極２２ａ，２２ｂが交互に位置するように互いに入り込ませた配置とされている。これらの櫛歯状電極２２ａ，２２ｂ間には電源（ここでは、図示せず）により電圧が印加されるように構成されている。この場合、電界方向は櫛歯状電極２２ａ，２２ｂの位置関係によって図中＋Ｚ軸方向又は−Ｚ軸方向をとり、これに対応して光偏向素子２１による出射光は同一素子内で２方向をとる（図１１（ａ））。一定方向のみ取り出すのであれば、例えば、片側成分に相当する部分に対して遮光処理等を施せばよい。
【０１３６】
第一の実施の形態で示した構成の光偏向素子１の場合にはＺ軸方向に外部電界を付与することで液晶ダイレクタの方向を制御するが、本実施の形態の光偏向素子２１の場合には、素子内部で電界制御が可能である点に特長がある。この結果、電極２２ａ，２２ｂ間距離が短くなるため必要電圧は極めて少なく、例えば、外部電極６ａ，６ｂにおける電極間距離を２０ｍｍとし、本実施の形態のような内部電極２２ａ，２２ｂの電極間距離を０．２ｍｍとすれば同等の電界強度を得るのに１／１０００の電圧を付与すればよいものである。このため、外部電界を形成するために必要となる高電圧電源７が不要となり、さらに小型化に有利となる。
【０１３７】
縦電界（図１１（ａ）(ｂ)においてはＺ 軸方向）が発生できる構造であれば、本構成以外のものであっても問題ない。即ち、図１１において櫛歯状電極２２ａ，２２ｂは、各々端部が接続され等電位になるよう構成されているが、櫛歯状電極の構造としては本構成に限ったものでなく、端部を切り離した構成若しくは高抵抗材料を介在させた構成などにしてもよく、これらの場合各電極の電位を独立に設定することが可能である。例えば、Ｚ方向の電極配列順に電極電位を増加或いは低下させるように構成することも可能であり、この場合、上記のような＋Ｚ方向と−Ｚ方向の電界を混在させることなく一方向に電界を向かせることが可能となるため、遮光処理等を施す必要がなくなり有用である。
【０１３８】
本発明の第七の実施の形態を図１２に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子２３は基本的には前述の光偏向素子２１に準ずるものであり、ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を含む構成において電界発生用の電界印加手段としての電極対を素子内部に設けるものであるが、２組の電極対２４，２５を設けるようにしたものである。電極対２４は櫛歯状電極２４ａ，２４ｂよりなるもので、これらの櫛歯状電極２４ａ，２４ｂは基板２と液晶５との界面（より具体的には、基板２と配向膜４との界面）において横電界（図においてはＹ軸方向）を発生させ得るように互いに入り込ませた配置で形成されている。一方、電極対２５は櫛歯状電極２５ａ，２５ｂよりなるもので、これらの櫛歯状電極２５ａ，２５ｂは液晶５と基板３との界面において縦電界（図においてはＺ軸方向）を発生させ得るように互いに入り込ませた配置で形成されている。即ち、電極対２４，２５による電界発生方向は直交するように設定されている。何れの電極対２４，２５に関しても各々電源（ここでは、図示せず）により電圧が印加されるように構成されている。
【０１３９】
このような構成において、動作的には光偏向素子２１の場合と同様であるが、２組の電極対２４，２５を有するので、これらの電極対２４，２５による電界印加タイミングを適宜制御することにより、上下左右の４方向を基本とする多方向の光偏向が可能となる。
【０１４０】
本発明の第八の実施の形態を図１３に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子３１は、基本的には光偏向素子１等に準ずる構成のものであり、液晶としてキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を用いているが、ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２を用いる点で異なる（電極対６等については図示を省略している）。
【０１４１】
ここに、ホメオトロピック配向における場合と同様にＹ軸方向、即ち、紙面表裏方向に外部電界を付与することで、ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２ではその液晶ダイレクタ８の方向がその電界印加方向によって、第１の配向状態又は第２の配向状態をとるように制御される。この構成においては、液晶配向のために配向膜４にラビング処理を行い、ラビング方向に依存した向きに液晶ダイレクタ８の方向が強く規制される。このため、電界方向とともに基板２，３の向きが光偏向特性に強く寄与し、基板２，３配置に対する位置精度を上げる必要がある反面、仮に電界勾配が発生している場合、ホメオトロピック配向では光偏向が電界勾配に伴い面内位置で変化してしまいやすいのに対して、この場所による差を低減させ得る効果がある。
【０１４２】
このような構成の光偏向素子３１において、入射光としてＺ軸方向が偏光方向である直線偏光を用い、液晶３２の配向状態に依存して出射光がａ方向（第１の配向状態）或いはｂ方向（第２の配向状態）をとることで、光路のシフトが可能となる。
【０１４３】
本発明の第九の実施の形態を図１４に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子３３は、基本的にはホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２を用いる光偏向素子３１に準ずる構成のものである。ここに、液晶３２の両側にはこの液晶３２を充填させて電界印加手段として機能する一対の透明ベタ電極３４ａ，３４ｂによる電極対３４が電界印加手段として形成されている。この電極対３４により、ホモジニアス配向している液晶ダイレクタ８に直交する方向、即ち、液晶ダイレクタ８の自発分極方向に電界が印加される構成とされている。さらには、液晶面（従って、基板面）が光の入射方向に対して傾きΦをなすように基板２，３の対向面が傾斜状態に設定されている。
【０１４４】
図１４（ａ）中のＡ−Ａ′断面図を示す図１４（ｂ）のように、液晶ダイレクタ８は電極３４ａ，３４ｂからの電界方向に対応して２方向に配向される（第１の配向状態及び第２の配向状態）。
【０１４５】
このような構成の光偏向素子３３においては、液晶３２の配向を図１４（ｂ）に示す通り略直交する方向に規制することで、入射光を効率良く偏向させることが可能となる。即ち、図１４において入射光の直線偏光方向がＺ軸方向になるよう入射光を操作してこの光偏向素子３３に入射させたとき、液晶ダイレクタ８がＹ軸方向を向く（第１の配向状態）ように電極対３４によって電界を印加することで入射光は常光として振る舞い、そのまま偏向することなく通過する。一方、電界印加方向を反転させ液晶ダイレクタ８がそれと直交する方向を向くようにしたとき、直線偏光は異常光として振る舞い、前述した式１で示される偏向を受ける。
【０１４６】
液晶３２の配向を直交する方向に規制するために、両基板２，３の表面に形成される配向膜に対して液晶配向に対応する方向にラビング処理を行っており、ラビング方向に依存した向きに液晶ダイレクタ８の方向が強く規制される。
【０１４７】
本実施の形態の光偏向素子３３の構成の特徴は、透明電極３４ａ，３４ｂがベタ膜でよいため形成が容易であること、パタニングされていないため光の進行に対してモアレパタン等の干渉が発生しにくいこと、電極６ａ，６ｂのような外部電極による電界形成方法に比較して高電圧電源が不要となり、さらに、小型化に有利となる点等が挙げられる。
【０１４８】
なお、本実施の形態では、液晶としてホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２を用いたが、前述したホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を用いる構成の場合にも同様に適用できる。
【０１４９】
本発明の第十の実施の形態を図１５ないし図１７に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子３４は、基本的にはホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２を用いる光偏向素子３１，３３に準ずる構成のものであるが、液晶３２に接する両界面は互いに或る所定角度ψ1（≠０）傾斜した関係をなす。ホモジニアス配向している液晶３２は、この液晶両界面付近に形成された透明電極（図示せず）により図１４の場合と同様の配向制御がなされる。傾斜角ψ1を保持した状態でギャップを所望の範囲に収めるために図１５に示す通り傾斜部３５を或る間隔で鋸歯状に形成してもよい。形成方法としては、ガラス基板をエッチングするか透明プラスチック材料を射出成形等により加工してもよい。何れの形成法においても、鋸歯のエッジ３５ｅに相当する個所は液晶配向の乱れが生じやすいので、この部分を光が通過しないように入射光を操作するのが望ましい。
【０１５０】
このような構成の光偏向素子３４の特徴は、入射光に対する出射光が液晶ダイレクタ８の制御によって、回転移動可能な点である。従って、当該光偏向素子３４と受光部との距離を適切に選ぶことで所望の偏向量を得ることができる。
【０１５１】
また、例えば図１６に示すようにこのような２つの光偏向素子３４Ａ，３４Ｂを光進行方向上に配設させて光偏向デバイス３６を構成し、液晶３２から液晶３２までの距離を適切に選ぶことで入射光と出射光を平行に保ったまま必要な偏向量を得ることができる。これによって、偏向量を外部から簡単に調整することができ、利便性に優れた光偏向デバイス３６を構成することができる。また、光偏向量が一定であれば、図１７に示すように厚さＬの中間基板３７を介して１つの光偏向素子３８内に２層の液晶３２ａ，３２ｂを設けてもよい。
【０１５２】
図１７に示すような光偏向素子３８の構成における光の進行方向を求める場合、厳密には前述の通り、入射光進行方向に対する液晶ダイレクタ８の方向及び屈折率ｎｏ，ｎｅの両者から屈折率楕円体を基に各方向における屈折率が求められ、それを基に光の進行方向が求められるが、ここでは簡単に液晶３２の配向状態によって屈折率ｎｏと屈折率ｎｅとが切り替わるものとして、スネルの法則に従って光の進行方向、即ち、回転角を求める。
【０１５３】
今、液晶３２の長軸方向の屈折率をｎｅ＝１．８、短軸方向の屈折率をｎｏ＝１．６とし、光進行方向に対して液晶３２の手前側界面３５の法線方向が光進行方向となす角ψが３°、後方側界面４０の法線が入射光方向となす角が０°となるよう基板２を配置する。また、液晶３２と接する光学部材は屈折率ｎｏのものを選ぶ。スネルの法則によって手前側液晶界面３９での界面法線方向からの回転角ψ2は
sinψ2＝（ｎｏ／ｎｅ）sinψ1 より、
ψ2＝２．６７(°)
また、液晶３２を挟んだ対向基板２，３に入射する光線の対向基板の法線方向からの回転角ψ3は
対向基板２，３に入射した光線の基板３７内での回転角ψ4は
sinψ4＝（ｎｅ／ｎｏ）sinψ3 より、
ψ4＝０．３７(°)
となる。今、中間基板３７の厚みをＬとすると、シフト量５μｍを得るために必要な厚みＬは
Ｌ・tanψ４＝５．０(μｍ)より、
Ｌ＝０．７６３(ｍｍ)
である。
【０１５４】
本発明の第十一の実施の形態を図１８に基づいて説明する。本実施の形態は、画像表示装置４１への適用例を示す。図１８において、４２はＬＥＤランプを２次元アレイ状に配列した光源であり、この光源４２からスクリーン４３に向けて発せられる光の進行方向には拡散板４４、コンデンサレンズ４５、画像表示素子としての透過型液晶パネル４６、画像パターンを観察するための光学部材としての投射レンズ４７が順に配設されている。４８は光源４２に対する光源ドライブ部、４９は透過型液晶パネル４６に対するドライブ部である。
【０１５５】
ここに、透過型液晶パネル４６と投射レンズ４７との間の光路上にはピクセルシフト素子として機能する光偏向手段５０が介在されており、ドライブ部５１に接続されている。このような光偏向手段５０として、前述したような光偏向素子１，２１，２３，３１，３２，３３，３４或いは光偏向デバイス１０，１４，１６，３６，３８等が用いられている。
【０１５６】
光源ドライブ部４８で制御されて光源４２から放出された照明光は、拡散板４４により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ４５により液晶ドライブ部４９で照明光源と同期して制御されて透過型液晶パネル４６をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル４６で空間光変調された照明光は、画像光として光偏向手段５０に入射し、この光偏向手段５０によって画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトされる。この光は投射レンズ４７で拡大されスクリーン４３上に投射される。
【０１５７】
ここに、光偏向手段５０により画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、透過型液晶パネル４６の見掛け上の画素数を増倍して表示する。このように光偏向手段５０によるシフト量は透過型液晶パネル４６の画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行うことから、画素ピッチの１／２に設定される。シフト量に応じて透過型液晶パネル４６を駆動する画像信号をシフト量分だけ補正することで、見掛け上高精細な画像を表示することができる。この際、光偏向手段５０として、前述した各実施の形態のような光偏向素子或いは光偏向デバイスを用いているので、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を提供できる。特に、図１０に示したような光偏向素子１を用い、光偏向位置制御を、当該光偏向素子１における電極対６による電界印加方向及び当該光偏向素子１に対する温度制御により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。
【０１５８】
ちなみに、従来の画像表示装置に組み込まれるピクセルシフト素子用の光偏向手段の例（特開平６−３２４３２０号公報提案例）を示す。この光偏向手段としての光学素子は水平垂直方向に各２位置、合計４位置の光シフトを行うための素子であり（２次元の４点絵素ずらし）、強誘電液晶等よりなる結晶位相変調素子と電気光学素子等よりなる複屈折媒体との組合せが水平・垂直方向用に各２組で構成される。従来のこの光学素子を用いた画像表示装置では、この光学素子が
▲１▼ 結晶位相変調素子と複屈折媒体との組合せで光偏向を達成しているため、この界面での光損失がある
▲２▼ 同様に、界面での光散乱によりコントラストが低下しやすい
▲３▼ 複屈折媒体用の電気光学素子が高価であるためコストが高い
などの問題のため、必ずしも得られる画像品質が良好なものではなく、装置コストも大幅に増加する傾向にあった。
【０１５９】
この点、本実施の形態の光偏向手段５０のような構成の場合、各実施の形態で前述した通り、これらの要因を排除できるため、画像品質が良好であり、コスト的にも有利となる。
【０１６０】
なお、画像表示装置４１としては画像表示素子に透過型液晶パネル４６を用いるタイプに限らず、例えば、図１９に示すように反射型液晶パネル５２を用いるタイプにも同様に適用できる。この場合、図１６に示した画像表示装置４１に比較して偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５３が付加され、照明系からの光はＰＢＳ５３により反射型液晶パネル５２側に折り返され、光偏向手段５０を介して反射型液晶パネル５２に照射される。この反射型液晶パネル５２に入射した照明光は、反射型液晶パネルによって反射されながら画像に対応した空間変調を受け画像光として出射する。その後、光偏向手段５０に入射し、この光偏向手段５０によって画像光が画素の配列方向に所定距離だけシフトされる。その後の経路は図１８に示した画像表示装置の場合と同様である。
【０１６１】
本発明の第十二の実施の形態を図２０に基づいて説明する。本実施の形態は、画像表示装置４１において、図１０に示したように加熱源となる電気抵抗材料１７を含む光偏向素子１による光偏向手段５０に対して光路を妨げない位置に温度センサ５４を付加した構成としたものである。温度センサ５４にはサーミスタが用いられているが、熱電対等であっても、温度モニタできるものであれば使用可能である。この温度センサ５４からの温度情報は光偏向手段５０に対するドライブ部５１に送られ、設定温度との差を検知する。この差に応じて光偏向素子１内に設けられたＩＴＯよりなる電気抵抗材料１７に通電され、電流印加によるジュール熱の発生によって設定温度との差を低減させるように構成したものである。
【０１６２】
設定温度は、光偏向素子１（光偏向手段５０）周囲の環境温度以上で、かつ、適切なチルト角θが得られる範囲が望ましい。通常は、４０〜７０℃程度の範囲に設定するのがよい。
【０１６３】
光偏向位置制御を、光偏向素子１における電極対６による電界印加方向及び光偏向素子１に対する温度制御により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。
【０１６４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の光偏向方法によれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用するようにしたので、従来の光偏向素子における問題点、即ち、構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、光学ノイズを改善することができる。
【０１６５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加え、偏向方向を切替えることが可能となリ、光学装置に広く応用することが可能となる。また、偏向方向切替えのための可動部を有しないため、従来の特に可動部を有する光偏向素子等における問題点であった位置精度の低さや耐久性不良、振動や音の問題も回避することができる。さらに、従来、光偏向素子に用いられていたスメクチックＡ液晶やネマチック液晶などにおける応答性の鈍さも改善でき、高速応答が可能となる。加えて、液晶ダイレクタを基板に対してホメオトロピック配向させることにより、低い電界で安定したシフト量、回転角を得ることができ、液晶ダイレクタの動作が基板からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の調整が行いやすく光学素子のセッティング余裕度が増し、また、電界方向に対して液晶ダイレクタの配向のとりやすさが均一であるため、偏向方向に対する光強度ムラを発生しにくくすることもできる。
【０１６６】
請求項３記載の発明の光偏向素子によれば、極めて簡単な構成でありながら、請求項１，２の光偏向方法を具現化でき、上記効果を達成することが可能となる。
【０１６７】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の光偏向素子において、基板面法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を印加するため、電界印加方向を切替えた時の液晶のチルト方向を基板面法線方向から対称な方向に設定できるため、所定の光偏向方向に対して高い位置精度で光偏向を行うことを可能とし、さらに受光部までの光路長が偏向方向によらず一定であるため、受光部における像ボケが発生しない。
【０１６８】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の光偏向素子において、電極対を光路を挟む位置に設置することで、従来の光偏向素子に比較して光量損失を低減させることができる。
【０１６９】
請求項６記載の発明の光偏向デバイスによれば、光偏向素子の光学軸と入射光の光偏向方向を一致させているため、光学ノイズ、光量損失を極めて小さく抑えることができる。
【０１７０】
請求項７記載の発明の光偏向デバイスによれば、光偏向素子の液晶分子の配向が所定方向に揃えられているため、光学ノイズ、光量損失を極めて小さく抑えることができる。
【０１７１】
請求項８記載の発明の光偏向デバイスによれば、２つの光偏向素子と偏光方向切換手段とを組合せているので、４方向に光をシフトさせることができる。
【０１７２】
請求項９記載の発明によれば、請求項８記載の光偏向デバイスにおいて、請求項６記載の２組の光偏向素子と１／２波長板とを組合せているので、例えば上下左右の如く４方向に光をシフトさせることができ、特に、１／２波長板として雲母、水晶を用いた場合は、これらの材料が温度による特性変動が比較的少なく安定しているため、温度変化の大きい環境での使用時に特に有用である。
【０１７３】
請求項１０記載の発明の光偏向デバイスによれば、電界発生方向を直交させた２組の電極対を有する請求項４又は５記載の光偏向素子を用いているので、例えば上下左右の如く４方向に光をシフトさせることができ、特に、１個の光偏向素子を利用すればよいので、請求項８，９記載の発明の場合に比べて小型、低コスト化、光損失の低減を図ることができる。
【０１７４】
請求項１１記載の発明によれば、請求項３記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電圧値を低減させることができ、電源の小型化、低コスト化を図ることができる。
【０１７５】
請求項１２記載の発明によれば、請求項１１記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電界がより効率的に液晶に作用するため、電圧を低減させることができ、電源の小型化，低コスト化を図ることができる。
【０１７６】
請求項１３記載の発明によれば、請求項３記載の光偏向素子において、１つの素子で効率的に光の光路を３方向以上に切換えることができる。
【０１７７】
請求項１４記載の発明の光偏向デバイスによれば、或る方向の電界印加により光偏向を受け出射する第１の光路における成分（光量）と、光偏向を受けないか若しくは上記とは異なる方向の電界印加により異なる方向に光偏向を受け出射する第２の光路における成分（光量）との混在を大幅に低減でき、光学ノイズの少ない良好な光シフトを達成することができる。
【０１７８】
請求項１５記載の発明の光偏向デバイスによれば、或る方向の電界印加により光偏向を受け出射する第１の光路における成分（光量）と、光偏向を受けないか若しくは上記とは異なる方向の電界印加により異なる方向に光偏向を受け出射する第２の光路における成分（光量）とを任意の割合で設定することで、偏向光量を自在に制御することができる。
【０１７９】
請求項１６記載の発明の光偏向素子によれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、請求項１、２記載の発明の作用・効果が得られる上に、特にホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相なる液晶を利用しているので、当該素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくすることができ、光学ノイズの一層の低減を図ることができる。
【０１８０】
請求項１７記載の発明によれば、請求項１６記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、電極対を光路を挟む位置に設置することで、従来の光偏向素子に比較して光量損失を低減させることができる。
【０１８１】
請求項１８記載の発明によれば、請求項１６記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電界がより効率的に液晶に作用するため、電圧を低減させることができ、電源の小型化，低コスト化を図ることができる。
【０１８２】
請求項１９記載の発明の光偏向デバイスによれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、請求項１記載の発明の効果が得られる上に、ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相なる液晶を利用しているので、請求項１６記載の発明と同じく、当該素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくすることができ、光学ノイズの一層の低減を図ることができ、さらには、ここで用いる電界印加手段としては、ＩＴＯ等の透明電極が好ましく、いわゆるベタ膜でも差し支えないため、電極形成が容易であり、電極がパタニングされていないため光の進行に対してモアレ等干渉が発生しにくくなり、外部電極による電界形成方法に比較して、高電圧電源が不要となり、さらに小型化に有利となる。
【０１８３】
請求項２０記載の発明の光偏向素子によれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、請求項１，２記載の発明の効果が得られる上に、入射光に対して出射光が所定角度を持って回転し光路を切換えることが可能な素子において、その応答性の鈍さを改善することができる。
【０１８４】
請求項２１記載の発明によれば、請求項２０記載の光偏向素子において、所定の光偏向方向に対応して的確に液晶分子の配向状態を切換えることができ、効率的な光偏向を可能にすることができる。
【０１８５】
請求項２２記載の発明の光偏向デバイスによれば、光進行方向上に所定距離を隔てて請求項２０記載の光偏向素子を２組備えるので、応答速度を犠牲にせず、光偏向素子と受光部との距離を適切に選ぶことで任意の偏向量を得ることができる。
【０１８６】
請求項２３記載の発明によれば、請求項４，５，１６，１７，１８，２０又は２１記載の光偏向素子において、温度によりチルト角を制御することができ、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては電界による微調との組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【０１８７】
請求項２４記載の発明によれば、請求項６，７又は１９記載の光偏向デバイスにおいて、温度によりチルト角を制御することができ、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては電界による微調との組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【０１８８】
請求項２５記載の発明の画像表示装置によれば、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示させる上で、ピクセルシフト素子なる光偏向手段として請求項３，４，５，１１，１２，１３，１６，１７，１８，２０，２１又は２３記載の光偏向素子又は請求項６，７，８，９，１０，１４，１９，２２又は２４記載の光偏向デバイスを用いているので、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を提供することができ、特に、請求項２３記載の光偏向素子又は請求項２４記載の光偏向デバイスを用い、光偏向位置制御を、当該光偏向素子における電極対による電界印加方向及び当該光偏向素子に対する温度制御により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示す断面図である。
【図２】その液晶分子の電界強度による分布をモデル化して示す概略図である。
【図３】その液晶配向を模式的に示す光偏向素子の動作原理を説明するための斜視図である。
【図４】液晶ダイレクタと光偏向との関係を示し、（ａ）は断面構造図、（ｂ）は液晶ダイレクタの配向状態の説明図である。
【図５】液晶膜厚と液晶配向角に対する光軸シフト量との関係を示す特性図である。
【図６】本発明の第二の実施の形態の光偏向デバイスを光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態の光偏向デバイスを光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。
【図８】 本発明の第三の実施の形態の光偏向デバイスを光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。
【図９】本発明の第四の実施の形態の光偏向デバイスを光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。
【図１０】本発明の第五の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示す断面図である。
【図１１】本発明の第六の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示し、（ａ）はＸＺ面による断面図、（ｂ）はＹＺ面による断面図である。
【図１２】本発明の第七実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示し、（ａ）はＸＺ面による断面図、（ｂ）はＹＺ面による断面図である。
【図１３】本発明の第八の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示す断面図である。
【図１４】本発明の第九の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示し、（ａ）はＸＺ面による断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ´−Ａ線断面図である。
【図１５】本発明の第十の実施の形態の光偏向素子の部分拡大図を併せて示す原理的構成例の断面図である。
【図１６】その光偏向素子を用いた光偏向デバイスの構成例を示す断面図である。
【図１７】その変形例を示す断面図である。
【図１８】本発明の第十一の実施の形態の画像表示装置の構成例を示す概略側面図である。
【図１９】その変形例を示す概略側面図である。
【図２０】本発明の第十二の実施の形態の画像表示装置の構成例を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ 光偏向素子
２，３ 基板
５ ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶
６ 電極対、電界印加手段
９，９′ 偏光方向切換手段
１０ 光偏向デバイス
１１ 電極対、電界印加手段
１３ 偏光方向制御手段
１４ 光偏光デバイス
１５ 偏光方向制御手段
１６ 光偏向デバイス
２１ 光偏向素子
２２ 電極対、電界印加手段
２２ａ，２２ｂ 櫛歯状電極
２３ 光偏向素子
２４ 櫛歯状電極対
２５ 櫛歯状電極対、電界印加手段
３１ 光偏向素子
３２ ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶
３３ 光偏向素子
３４ 電極対、電界印加手段
３６ 光偏向デバイス
３８ 光偏向素子
４２ 光源
４６ 画像表示素子
４７ 光学部材
５０ 光偏向手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号によって光の方向を変える光偏向素子、光偏向デバイス及びこれらの光偏向素子又は光偏向デバイスを利用した画像表示装置に関する。
【０００２】
【定義】
本明細書において、「光偏向素子」とは、外部からの電気信号により光の光路を偏向、即ち、入射光に対して出射光を平行にシフトさせるか、或る角度を持って回転させるか、或いは、その両者を組合せて光路を切換えることが可能な光学素子を意味する。この説明において、平行シフトによる光偏向に対してそのシフトの大きさを「シフト量」と呼び、回転による光偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶものとする。「光偏向デバイス」とは、このような光偏向素子を含み、光の光路を偏向させるデバイスを意味する。
【０００３】
また、「ピクセルシフト素子」とは、少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光偏向手段とを有し、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示する画像表示装置における光偏向手段を意味する。従って、基本的には、上記定義による光偏向素子や光偏向デバイスを光偏向手段として応用することが可能といえる。
【０００４】
【従来の技術】
光偏向素子なる光学素子として、従来より、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ），ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（ＡＤＰ），ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３，ＧａＡｓ，ＣｄＴｅなど第１次電気光学効果（ポッケルス効果）の大きな材料や、ＫＴＮ，ＳｒＴｉＯ３，ＣＳ２，ニトロベンゼン等の第２次電気光学効果の大きな材料を用いた電気光学デバイスや、ガラス、シリカ、ＴｅＯ２などの材料を用いた音響光学デバイスが知られている（例えば、青木昌治編；「オプトエレクトロニックデバイス」、昭晃堂）。これらは、一般的に、十分大きな光偏向量を得るためには光路長を長く取る必要があり、また、材料が高価であるため用途が制限されている。
【０００５】
一方で、液晶材料を用いた光偏向素子なる光学素子も各種提案されており、その数例を挙げると、以下に示すような提案例がある。
【０００６】
例えば、特開平６−１８９４０号公報によれば、光空間スイッチの光の損失を低減することを目的に、人工複屈折板からなる光ビームシフタが提案されている。内容的には、２枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間に液晶層を挟んだ光ビームシフタ、及びマトリクス形偏向制御素子の後面に前記光ビームシフタを接続した光ビームシフタが提案され、併せて、２枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間にマトリクス駆動が可能で、入射光ビームを半セルシフトする液晶層を挟んだ光ビームシフタを半セルずらして多段接続した光ビームシフタが提案されている。
【０００７】
また、特開平９−１３３９０４号公報によれば、大きな偏向を得ることが可能で、偏向効率が高く、しかも、偏向角と偏向距離とを任意に設定することができる光偏向スイッチが提案されている。具体的には、２枚の透明基板を所定の間隔で対向配置させ、対向させた面に垂直配向処理を施し、透明基板間にスメクチックＡ相の強誘電性液晶を封入し、前記透明基板に対して垂直配向させ、スメクチック層と平行に交流電界を印加できるように電極対を配置し、電極対に交流電界を印加する駆動装置を備えた液晶素子である。即ち、スメクチックＡ相の強誘電性液晶による電傾効果を用い、液晶分子の傾斜による複屈折によって、液晶層に入射する偏光の屈折角と変位する方向を変化できるようにしたものである。
【０００８】
前者の特開平６−１８９４０号公報例においては、液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブミリ秒にまで速めることは困難であり、高速なスイッチングが必要な用途には用いることはできない。
【０００９】
また、後者の特開平９−１３３９０４号公報例においては、スメクチックＡ相の強誘電液晶を用いているが、スメクチックＡ相は自発分極を持たないため、高速動作は望めない。
【００１０】
次に、ピクセルシフト素子に関して従来提案されている技術を数例挙げて説明する。
【００１１】
例えば、特許第２９３９８２６号公報に示されるように、表示素子に表示された画像を投写光学系によりスクリーン上に拡大投影する投影表示装置において、前記表示素子から前記スクリーンに至る光路の途中に透過光の偏光方向を旋回できる光学素子を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子を少なくとも１個以上を有してなる投影画像をシフトする手段と、前記表示素子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各画素の投影領域が前記スクリーン上で離散的に投影される手段と、を備えた投影表示装置がある。
【００１２】
同公報例においては、偏光方向を旋回できる光学素子（旋光素子と呼ぶ）を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子（複屈折素子と呼ぶ）を少なくとも１個以上を有してなる投影画像シフト手段（ピクセルシフト手段）によりピクセルシフトを行っているが、問題点として、旋光素子と複屈折素子とを組合せて使用するため、光量損失が大きいこと、光の波長によりピクセルシフト量が変動し解像度が低下しやすいこと、旋光素子と複屈折素子との光学特性のミスマッチから本来画像が形成されないピクセルシフト外の位置に漏れ光によるゴースト等の光学ノイズが発生しやすいこと、素子化のためのコストが大きいことが挙げられる。特に、複屈折素子に前述したようなＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ），ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（ＡＤＰ），ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３，ＧａＡｓ，ＣｄＴｅなど第１次電気光学効果（ポッケルス効果）の大きな材料を使用した場合、顕著である。
【００１３】
また、特開平５−３１３１１６号公報に示される投影機においては、制御回路により、画像蓄積回路に蓄積した本来表示すべき画像を市松状に画素選択回路へサンプリングして順次空間光変調器に表示し、投影させ、さらに、制御回路により、この表示に対応させてパネル揺動機構を制御して空間光変調器の隣接画素ピッチ距離を整数分の一ずつ移動させることで、本来表示すべき画像を時間的な合成により再現するようにしている。これにより、空間光変調器の画素の整数倍の分解能で画像を表示可能にするとともに、画素の粗い空間光変調器と簡単な光学系を用いて安価に投影機を構成可能としている。
【００１４】
ところが、同公報例においては、画像表示用素子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に揺動させるピクセルシフト方式が記載されており、この方式では、光学系は固定されているので諸収差の発生が少ないが、画像表示素子自体を正確かつ高速に平行移動させる必要があるため、可動部の精度や耐久性が要求され、振動や音が問題となる。
【００１５】
さらに、特開平６−３２４３２０号公報によれば、ＬＣＤ等の画像表示装置の画素数を増加させることなく、表示画像の解像度を、見掛け上、向上させるため、縦方向及び横方向に配列された複数個の画素の各々が、表示画素パターンに応じて発光することにより、画像が表示される画像表示装置と、観測者又はスクリーンとの間に、光路をフィールド毎に変更する光学部材を配し、また、フィールド毎に、前記光路の変更に応じて表示位置がずれている状態の表示画素パターンを画像表示装置に表示させるようにしている。ここに、屈折率が異なる部位が、画像情報のフィールド毎に、交互に、画像表示装置と観測者又はスクリーンとの間の光路中に現れるようにすることで、前記光路の変更が行われるものである。
【００１６】
同公報例においては、光路を変更する手段として、電気光学素子と複屈折材料の組合わせ機構、レンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等が記述されており、上記旋光素子と複屈折素子を組合せてなる方式の他に、ボイスコイル、圧電素子等によりレンズ、反射板、複屈折板等の光学素子を変位（平行移動、傾斜）させ光路を切り替える方式が提案されているが、この方式においては、光学素子を駆動するために構成が複雑となりコストが高くなる。
【００１７】
また、特開平１０−１３３１３５号公報によれば、回転機械要素を不要化でき、全体の小型化、高精度・高分解能化を実現でき、しかも外部からの振動の影響を受け難い光ビーム偏向装置が提案されている。具体的には、光ビームの進行路上に配置される透光性の圧電素子と、この圧電素子の表面に設けられた透明の電極と、圧電素子の光ビーム入射面Ａと光ビーム出射面Ｂとの間の光路長を変化させて光ビームの光軸を偏向させるために電極を介して圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。
【００１８】
同公報例では、透光性の圧電素子を透明の電極で挟み、電圧を印加することで厚みを変化させて光路をシフトさせる方式が提案されているが、比較的大きな透明圧電素子を必要とし、装置コストがアップする等、前述の特開平６−３２４３２０号公報の場合と同様の問題点がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術の課題を整理すると、従来のピクセルシフト素子において問題となっているのは
▲１▼ 構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、ゴースト等の光学ノイズ又は解像度低下
▲２▼ 特に可動部を有する構成の場合の位置精度や耐久性、振動や音の問題
▲３▼ ネマチック液晶などにおける応答速度である。
【００２０】
▲３▼の応答速度に関し、画像表示装置におけるピクセルシフトに必要な光偏向の速度は以下のように見積ることができる。画像フィールド（時間tＦｉｅｌｄ）を時間的にｎ分割し、各ｎ個のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材との間の光路を偏向してピクセルシフトのシフト位置をｎ箇所に定めた場合、1つのサブフィールドの時間ｔＳＦは
ｔＳＦ＝ｔＦｉｅｌｄ／ｎ
で表される。この時間ｔＳＦの期間中に光偏向がなされるが、その時間をtｓｈｉｆｔとするとこのtｓｈｉｆｔの期間は表示が行えないため、この期間に相当する分だけ光利用効率が低下する。
【００２１】
光利用効率Ｅは以下の式で表される。
【００２２】
Ｅ＝（ｔSF−tｓｈｉｆｔ）／ｔＳＦ
仮にピクセルシフト位置ｎがｎ＝４、画像フィールドｔＦｉｅｌｄが１６．７ｍｓである場合に、光利用効率Ｅを９０％以上確保するためには、
０．９＜（１６．７／４−ｔｓｈｉｆｔ）／（１６．７／４）
tｓｈｉｆｔ＜０．４２（ｍｓ）
となり、光偏向を０．４２ｍｓで行う必要がある。通常のネマチック液晶は応答速度が数ｍｓ以上であるため、ここに示すような高速ピクセルシフトのための光学素子としては使用することはできない。
【００２３】
特開平６−１８９４０号公報においては液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブミリ秒にまで速めることは困難であり、ピクセルシフトに用いることはできない。一方、キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶ではその応答速度は十分０．４２ｍｓ以下に設定することが可能である。
【００２４】
また、特開平９−１３３９０４号公報においてはスメクチックＡ相の強誘電液晶を用いているが、スメクチックＡ相は自発分極を持たないため、キラルスメクチックＣ相に見られるような高速動作はやはり望めない。
【００２５】
そこで、本発明は、基本的には、従来の光偏向素子における問題点、即ち、構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、光学ノイズを改善し、構成が簡単で、小型であり、光量損失、光学ノイズ、解像度低下が少なく、低コスト化を図ることができる光偏向方法、光偏向素子、光偏向デバイス及びこれらを備える画像表示装置を提供することを目的とする。
【００２６】
また、本発明は、従来の特に可動部を有する光偏向素子若しくは光偏向デバイスにおける問題点である位置精度の低さや耐久性不良、振動や音の問題を改善することを目的とする。
【００２７】
さらには、従来、光路を変える光学素子に用いられていたスメクチックＡ液晶やネマチック液晶などにおける応答性の鈍さを改善し、高速応答可能な光偏向方法、光偏向素子、光偏向デバイス及びこれらを備える画像表示装置を提供することを目的とする。
【００２８】
加えて、上記目的を実現する上で、光の光路を効率的に切換えるように電界を発生させることが可能な上に、光量損失を低減させ得る効果のより大きな光偏向素子を提供する。
【００２９】
また、上記目的を実現する上で、電界印加手段により印加する電圧値を低減させて、電源の小型化、低コスト化を図ることができる光偏向素子を提供する。
【００３０】
また、上記目的を実現する上で、電界印加手段が発する電界を液晶に効率的に作用させ得る光偏向素子を提供する。
【００３１】
また、上記目的を実現する上で、１つの素子で光の光路を３方向以上にわたって効率的に切換え得るように電界を発生させることができ、より小型化、低コスト化を図れる光偏向素子を提供する。
【００３２】
また、上記目的を実現する上で、光学ノイズを低減し良好な光シフトを達成できる光偏向デバイスを提供する。
【００３３】
また、上記目的を実現する上で、偏向光量を自在に制御することができる光偏向デバイスを提供する。
【００３４】
また、上記目的を実現する上で、素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくでき、光学ノイズの一層の低減を図れる光偏向素子を提供する。
【００３５】
また、上記目的を実現する上で、特に入射光に対して出射光が或る角度を持って回転し光路を切換えることが可能な素子において、その応答性の鈍さを改善できる光偏向素子を提供する。
【００３６】
また、従来にあっては、大きなシフト量を得るためには常光と異常光の屈折率差の大きな液晶材料を使用したり液晶膜厚を増やしたりする必要があるものの、現実には、液晶の屈折率差の大きな材料は一般的に屈折率の波長依存性が大きくいわゆる色収差が発生しやすく、液晶膜厚を増やすにしても実質的に良好な均一配向、高速動作を行うためには制限があったことから、上記目的を実現する上で、応答速度を犠牲にせず任意のシフト量を得ることができる光偏向デバイスを提供する。
【００３７】
さらに、本発明は、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を表示できるピクセルシフトを利用した画像表示装置を提供することを目的とする。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
予備発明１の光偏向方法は、透明基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶に、直線偏光の光を入射させ、前記基板面法線方向及び前記直線偏光方向と略直交する方向に電界を発生させることにより前記入射光を前記偏光方向に偏向させて出射させる。
【００３９】
従って、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用することにより、従来の光偏向素子における問題点、即ち、構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、光学ノイズを改善することができる。
【００４０】
予備発明２は、予備発明１記載の光偏向方法において、前記電界の向きを切換えることにより、前記偏向方向を切換える。
【００４１】
従って、予備発明１記載の発明の作用に加え、偏向方向を切替えることが可能となリ、光学装置に広く応用することが可能となる。また、偏向方向切替えのための可動部を有しないため、従来の特に可動部を有する光偏向素子等における問題点であった位置精度の低さや耐久性不良、振動や音の問題も回避することができる。さらに、従来、光偏向素子に用いられていたスメクチックＡ液晶やネマチック液晶などにおける応答性の鈍さも改善でき、高速応答が可能となる。加えて、液晶ダイレクタを基板に対してホメオトロピック配向させることにより、低い電界で安定したシフト量、回転角を得ることができ、液晶ダイレクタの動作が基板からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の調整が行いやすく光学素子のセッティング余裕度が増し、また、電界方向に対して液晶ダイレクタの配向のとりやすさが均一であるため、偏向方向に対する光強度ムラを発生しにくくすることもできる。
【００４２】
予備発明３の光偏向素子は、電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、該液晶に電界を作用させる１組以上の電界印加手段と、を備える。
【００４３】
従って、極めて簡単な構成でありながら、予備発明１，２の光偏向方法を具現化でき、上記効果を達成することが可能となる。
【００４４】
予備発明４は、予備発明３記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、前記基板面法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を発生させる電極対である。
【００４５】
従って、基板面法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を印加するため、電界印加方向を切替えた時の液晶のチルト方向を基板面法線方向から対称な方向に設定できるため、所定の光偏向方向に対して高い位置精度で光偏向を行うことを可能とし、さらに受光部までの光路長が偏向方向によらず一定であるため、受光部における像ボケが発生しない。
【００４６】
予備発明５は、予備発明４記載の光偏向素子において、前記電極対は、前記光偏向素子を通る光路を挟む位置に設置した。
【００４７】
従って、電極対を光路を挟む位置に設置することで、従来の光偏向素子に比較して光量損失を低減させることができる。
【００４８】
予備発明６の光偏向デバイスは、前記液晶の分子長軸方向を平均化した方向として定まる光学軸の方向を、前記電界印加手段による電界の印加により所定の方向に向けた状態で、一方の基板面から他方の基板面に向かって前記光学軸を投影した場合に前記他方の基板面上に投影された前記光学軸の方向が、入射光の偏光方向と同一方向になるように予備発明３，４又は５記載の光偏向素子を設置した。
【００４９】
従って、光偏向素子の光学軸と入射光の光偏向方向を一致させているため、光学ノイズ、光量損失を極めて小さく抑えることができる。
【００５０】
予備発明７の光偏向デバイスは、前記液晶の自発分極及び電界により定まる液晶分子の配向を前記電界印加手段による電界の印加により所定の方向に揃えた状態で、一方の基板面から他方の基板面に向かって前記液晶分子を投影した場合に前記他方の基板面上に投影された前記液晶分子における長軸方向が、入射光の偏光方向と同一方向になるように予備発明３，４又は５記載の光偏向素子を設置した。
【００５１】
従って、光偏向素子の液晶分子の配向が所定方向に揃えられているため、光学ノイズ、光量損失を極めて小さく抑えることができる。
【００５２】
予備発明８の光偏向デバイスは、偏向方向の異なる予備発明３，４又は５記載の２つの光偏向素子を直列に配列し、該光偏向素子間に、前段の光偏向素子からの出射光の偏光方向を後段の光偏向素子の偏向方向に揃える偏光方向切換手段を設置した。
【００５３】
従って、２つの光偏向素子と偏光方向切換手段とを組合せているので、４方向に光をシフトさせることができる。
【００５４】
予備発明９は、予備発明８記載の光偏向デバイスにおいて、記前段の光偏向素子と後段の前記光偏向素子の電界発生方向が直交するように前段の前記光偏向素子と後段の前記光偏向素子を配列し、前記偏光方向切換手段として１／２波長板を設置した。
【００５５】
従って、予備発明６記載の２組の光偏向素子と１／２波長板とを組合せているので、例えば上下左右の如く４方向に光をシフトさせることができる。１／２波長板として雲母、水晶を用いた場合は、これらの材料が温度による特性変動が比較的少なく安定しているため、温度変化の大きい環境での使用時に特に有用である。
【００５６】
予備発明１０の光偏向デバイスは、電界発生方向を直交させた２組の電極対を有する予備発明４又は５記載の光偏向素子と、該光偏向素子に対する入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段と、を備える。
【００５７】
従って、電界発生方向を直交させた２組の電極対を有する予備発明４又は５記載の光偏向素子を用いているので、例えば上下左右の如く４方向に光をシフトさせることができ、特に、１個の光偏向素子を利用すればよいので、予備発明８，９記載の発明の場合に比べて小型、低コスト化、光損失の低減を図ることができる。
【００５８】
予備発明１１は、予備発明３記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、前記基板間に設けられた１組の電極対である。
【００５９】
従って、予備発明３記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電圧値を低減させることができ、電源の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００６０】
予備発明１２は、予備発明１１記載の光偏向素子において、前記電極対は、交互に入り込むように配設された櫛歯状電極対である。
【００６１】
従って、予備発明１１記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電界がより効率的に液晶に作用するため、電圧を低減させることができ、電源の小型化，低コスト化を図ることができる。
【００６２】
予備発明１３は、予備発明３記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、前記液晶と一対の前記基板との各々の界面付近に形成されて各々の電界発生方向を異ならせた２組の櫛歯状電極対である。
【００６３】
従って、予備発明３記載の光偏向素子において、１つの素子で効率的に光の光路を３方向以上に切換えることができる。
【００６４】
予備発明１４の光偏向デバイスは、予備発明３，４，５，１１，１２又は１３記載の光偏向素子と、この光偏向素子の光入射側に配設されて前記光偏向素子による光偏向方向と入射光の偏光方向とが一致するように前記入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段と、を備える。
【００６５】
従って、或る方向の電界印加により光偏向を受け出射する第１の光路における成分（光量）と、光偏向を受けないか若しくは上記とは異なる方向の電界印加により異なる方向に光偏向を受け出射する第２の光路における成分（光量）との混在を大幅に低減でき、光学ノイズの少ない良好な光シフトを達成することができる。
【００６６】
予備発明１５の光偏向デバイスは、予備発明３，４，５，１１，１２又は１３記載の光偏向素子と、この光偏向素子の光入射側に配設されて前記光偏向素子による光偏向方向に対して入射光の偏光方向が所定の角度を持つように前記入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段と、を備える。
【００６７】
従って、或る方向の電界印加により光偏向を受け出射する第１の光路における成分（光量）と、光偏向を受けないか若しくは上記とは異なる方向の電界印加により異なる方向に光偏向を受け出射する第２の光路における成分（光量）とを任意の割合で設定することで、偏向光量を自在に制御することができる。
【００６８】
請求項１記載の発明の光偏向素子は、電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、前記基板面法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を発生させる電極対による電界印加手段と、を備える。
【００６９】
従って、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、予備発明１、２記載の発明の作用・効果が得られる上に、特にホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相なる液晶を利用しているので、当該素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくすることができ、光学ノイズの一層の低減を図ることができる。
【００７０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光偏向素子において、前記電極対は、前記光偏向素子を通る光路を挟む位置に設置した。
【００７１】
従って、請求項１記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、電極対を光路を挟む位置に設置することで、従来の光偏向素子に比較して光量損失を低減させることができる。
【００７２】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、前記基板間に設けられた１組の電極対である。
【００７３】
従って、請求項１記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電界がより効率的に液晶に作用するため、電圧を低減させることができ、電源の小型化，低コスト化を図ることができる。
【００７４】
請求項４記載の発明の光偏向デバイスは、電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、一対の前記基板と前記液晶との間に形成された電極対による電界印加手段とを備えた光偏向素子を、光の入射方向が前記基板面法線方向と異なるように設置した。
【００７５】
従って、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、予備発明１記載の発明の作用・効果が得られる上に、ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相なる液晶を利用しているので、請求項１記載の発明と同じく、当該素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくすることができ、光学ノイズの一層の低減を図ることができ、さらには、ここで用いる電界印加手段としては、ＩＴＯ等の透明電極が好ましく、いわゆるベタ膜でも差し支えないため、電極形成が容易であり、電極がパタニングされていないため光の進行に対してモアレ等干渉が発生しにくくなり、外部電極による電界形成方法に比較して、高電圧電源が不要となり、さらに小型化に有利となる。
【００７６】
予備発明２０の光偏向素子は、電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、１組以上の電界印加手段と、を備え、一対の前記基板は、光偏向方向に対応して一方の基板面が他方の基板面に対して傾斜して対向する。
【００７７】
従って、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、予備発明１，２記載の作用・発明の効果が得られる上に、入射光に対して出射光が所定角度を持って回転し光路を切換えることが可能な素子において、その応答性の鈍さを改善することができる。
【００７８】
予備発明２１は、予備発明２０記載の光偏向素子において、前記電界印加手段は、一対の前記基板と前記液晶との間に形成された電極対である。
【００７９】
従って、予備発明２０記載の光偏向素子において、所定の光偏向方向に対応して的確に液晶分子の配向状態を切換えることができ、効率的な光偏向を可能にする。
【００８０】
予備発明２２の光偏向デバイスは、光進行方向上に所定距離を隔てて予備発明２０又は２１記載の光偏向素子を２組備える。
【００８１】
従って、光進行方向上に所定距離を隔てて予備発明２０記載の光偏向素子を２組備えるので、応答速度を犠牲にせず、光偏向素子と受光部との距離を適切に選ぶことで任意の偏向量を得ることができる。
【００８２】
請求項５記載の発明は、請求項１，２又は３記載の光偏向素子において、前記電極対による電界発生方向及び当該素子に対する温度制御により光偏向位置を制御する光偏向位置制御手段を備える。
【００８３】
従って、温度によりチルト角を制御することができ、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては電界による微調との組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【００８４】
請求項６記載の発明は、請求項４記載の光偏向デバイスにおいて、前記電極対による電界発生方向及び当該素子に対する温度制御により光偏向位置を制御する光偏向位置制御手段を備える。
【００８５】
従って、温度によりチルト角を制御することができ、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては電界による微調との組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【００８６】
請求項７記載の発明の画像表示装置は、少なくとも、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、この画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に前記画像表示素子と前記光学部材の間の光路を偏向する請求項１，２，３若しくは５記載の光偏向素子又は請求項４若しくは６記載の光偏向デバイスによる光偏向手段と、を備える。
【００８７】
従って、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示させる上で、ピクセルシフト素子なる光偏向手段として請求項１，２，３若しくは５記載の光偏向素子又は請求項４若しくは６記載の光偏向デバイスを用いているので、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を提供することができ、特に、請求項５記載の光偏向素子又は請求項６記載の光偏向デバイスを用い、光偏向位置制御を、当該光偏向素子における電極対による電界印加方向及び当該光偏向素子に対する温度制御により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。
【００８８】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は本実施の形態の光偏向素子１の原理的構成例を示す断面図である。この光偏向素子１においては、まず、一対の透明な基板２，３が対向配置させて設けられている。そして、少なくとも一方、ここでは基板２側内面には配向膜４が形成されており、この配向膜４と他方の基板３との間にはキラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶なる液晶５が充填されている。
【００８９】
このような一対の基板２，３及び液晶５を有する構造体に対して、目的とする光偏向方向に対応させて電極６ａ，６ｂによる一対の電極対６が配置され、電源７に接続されている。電極対６は電界印加手段として機能するもので、光路と重ならない位置で当該光偏向素子１の液晶回転軸に対して略垂直方向に電界ベクトルが向くように設置され、基板２，３と一体化させて設けても、分離させて設けても良い。また、液晶５の膜厚を規定するためのスペーサを電極に兼用することも可能である。光偏向による光の進行方向を３方向以上に振りたい場合は、入射光の偏光方向をその偏向方向に対応させて回転させるとともに、電極対６をやはりそれらに対応させ複数設ければよい。
【００９０】
入射光は、電極対６より形成される電界の方向によって偏向を受け、第１の出射光若しくは第２の出射光の何れかの光路をとる。
【００９１】
ここで、液晶５に関して説明する。「スメクチック液晶」は液晶分子の長軸方向を層状に配列してなる液晶分子である。このような液晶に関し、上記層の法線方向（層法線方向）と液晶分子の長軸方向とが一致している液晶を「スメクチックＡ相」、法線方向と一致していない液晶を「キラルスメクチックＣ相」と呼んでいる。キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶５は、一般的に外部電界が働かない状態において各層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとり、キラルスメクチックＣ相反強誘電液晶は各層毎に液晶ダイレクタが対向する方向を向く。これらのキラルスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Ｐｓと外部電界Ｅにより定まる方向に液晶分子が再配列することで光学特性が制御される。なお、本実施の形態等では、液晶５として強誘電液晶を例に採り光偏向素子１の説明を行うが、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。
【００９２】
キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部などよりなる。主鎖構造としてはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシエチレンなどが利用可能である。スペーサは分子回転を担う骨格、結合部、キラル部を主鎖と結合させるためのものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選ばれる。また、カイラル部とビフェニル構造など剛直な骨格とを結合する結合部には−ＣＯＯ−結合等が選ばれる。
【００９３】
本実施の形態の光偏向素子１においては、キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶５は配向膜４により基板２，３面に垂直に分子螺旋回転の回転軸が向いており、いわゆるホメオトロピック配向をなす。このようなホメオトロピック配向のための配向法としては、従来より行われている方法を適用することができる。即ち、▲１▼ずり応力法、▲２▼磁場配向法、▲３▼温度勾配法、▲４▼ＳｉＯ斜法蒸着法、▲５▼光配向法等が挙げられる（例えば、竹添、福田「強誘電性液晶の構造と物性」コロナ社、p235参照）。
【００９４】
本実施の形態の光偏向素子１の特徴の１つは、ＩＴＯ膜等による電極パターンを素子内に形成する必要がないため、これによる光損失がない点と、素子の光が透過する部分の層構成が簡単で製造コストが抑制できる点にある。また、キラルスメクチックＣ相はスメクチックＡ相やネマチック液晶に比較して極めて高速な応答性を有しており、サブｍｓでのスイッチングが可能である点も特徴である。特に、電界方向に対して液晶ダイレクタ方向が一義的に決定されるため、スメクチックＡ相よりなる液晶に比べダイレクタ方向の制御が容易であり、扱いやすい。
【００９５】
ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５は、ホモジニアス配向（液晶ダイレクタが基板面に平行に配向している状態）をとる場合に比べて、液晶ダイレクタの動作が基板２，３からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の制御が行いやすく、必要電界が低いという利点を有する。また、液晶ダイレクタがホモジニアス配向している場合、電界方向だけでなく基板面に液晶ダイレクタが強く依存するため、光偏向素子の設置についてより位置精度が求められることになる。逆に、本実施の形態のようなホメオロトピック配向の場合は、光偏向に対して光偏向素子１のセッティング余裕度が増す。これらの特徴を活かす上で、厳密に螺旋軸を基板面に垂直に向ける必要はなく、或る程度傾いていても差し支えない。例えば、螺旋構造をなす側面の一部が基板２，３に垂直であって螺旋軸そのものは基板法線方向から傾いている状態であっても、液晶ダイレクタが基板２，３からの規制力を受けずに２つの方向を向くことが可能であればよい。
【００９６】
無電界下のキラルスメクチックＣ相の液晶層に対して層法線方向から偏光顕微鏡によるコノスコープ像を観察すると、十字像が中央部に位置しており、一軸性光学軸を有していることが確認できる。ここで、図２にキラルスメクチックＣ相の液晶分子配列のモデル（電界による螺旋構造変化のモデル）を示す。チルト角θを有する分子層が互いズレながら重なって螺旋構造を形成している。電界Ｅ＝０では図２(ａ)のように左右対称な螺旋構造によって液晶ダイレクタ方向は空間的に平均化される。液晶層の平均化された光学軸は層法線方向を向いており、この光学軸に平行な入射光に対しては光学的に等方的である。次に、液晶層の水平方向に比較的小さな電界０＜Ｅ＜Ｅｓを印加すると、自発分極Ｐｓへの電界Ｅの作用で液晶分子に回転モーメントが生じるために図２(ｂ)のように螺旋構造が歪んで非対称となり、平均的な光学軸が一方向に傾く。この時、電界強度の増加と共に歪みが大きくなって平均的な光学軸の傾斜角も大きくなる。これは、コノスコープ像の十字像の位置が移動することから確認できる。さらに電界強度を増加させると、ある閾値電界Ｅｓ以上で図２(ｃ)のように螺旋構造が消失して光学的に略一軸性となる。この時の光学軸の傾斜角は液晶ダイレクタのチルト角θと等しくなる。さらに電界を増加させてもチルト角θは変化せず、光学軸の傾斜角も一定となる。
【００９７】
次に、本実施の形態の光偏向素子１の動作原理について図３及び図４を参照して説明する。図３は、図１に示した構成に関して液晶配向を模式的に示したものである。ただし、図１では電界が上下方向に印加されるように描いているが、図３では便宜上紙面表裏方向に印加されるように描いており、電界は紙面表裏方向に発生するものとする。また、電界方向は目的とする光の偏向方向に対応して電源７により切換えられる。図３における電極６ａ，６ｂは、上述したように基板２，３と一体化してもまた分離して設けてもよい。
【００９８】
また、当該光偏向素子１に対する入射光は直線偏光であり、その偏光方向は図３中上下の矢印に示す通り上下方向であって（以後、同様に偏光方向については上下或いは左右の矢印で入射光に重ねて示す）、その偏光方向に電界方向が直交するように電極６ａ，６ｂは対向配置される。また、液晶５の膜厚を規定するためのスペーサを電極に兼用することも可能である。何れの場合においても、電極６ａ，６ｂからの漏洩電界が当該光偏向素子１周辺の機器に悪影響を及ぼさないように電磁シールドを設けるのが好ましい。
【００９９】
図３においてＸＹＺ直交座標系を図示する通りにとったとき、液晶５内のＸＺ断面において図３に示す通り液晶ダイレクタ８は、その電界方向によって第１の配向状態又は第２の配向状態の何れかの状態（図４（ｂ）参照）をとって分布する。θは液晶回転軸からの液晶ダイレクタ８のチルト角であり、以後、単に「チルト角」と呼ぶ。液晶５の自発分極Ｐｓが正でありＹ軸正方向（紙面上向き）に電界Ｅがかかっているものとすると、液晶ダイレクタ８は液晶回転軸が略基板垂直方向であるためＸＺ面内にある。液晶５の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとすると、入射光として、偏光方向をＹ軸方向に持つ直線偏光を選びＸ軸正方向に入射光が進むとき、光は液晶５内で常光として屈折率ｎｏを受け直進し、図４（ａ）中のa方向に進む。即ち、光偏向は受けない。
【０１００】
一方、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光が入射するとき、入射方向の屈折率は液晶ダイレクタ８の方向及び屈折率ｎｏ，ｎｅの両者から求められる。より詳しくは、屈折率ｎｏ，ｎｅを主軸に持つ屈折率楕円体において楕円体中心を通過する光の方向との関係から求められるが、ここでは詳細は省略する。光は屈折率ｎｏ，ｎｅ及び液晶ダイレクタ８の方向（チルト角θ）に対応した偏向を受け、図４（ａ）中のb（第1の配向状態の場合）に示す方向にシフトする。
【０１０１】
今、液晶５の厚み(ギャップ)をｄとするときシフト量Ｓは以下の式で表される（例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、p198参照）。
【０１０２】
Ｓ＝[(１／ｎｏ)2−(１／ｎｅ)2]sin(２θ・ｄ)÷[２((１／ｎｅ)2sin2θ＋(１／ｎｏ)2cos2θ)] ………式１
また、電界方向を反転させた時、液晶ダイレクタ８は図４においてＸ軸を中心とした線対称の配置（第２の配向状態）を取り、偏光方向がＺ軸方向である直線偏光の進行方向は図４（ａ）中のｂ′に示す通りとなる。
【０１０３】
従って、この直線偏光に対して液晶５に作用させる電界方向を制御することで、ｂとｂ′との２位置、即ち、２Ｓ分の光偏向が可能となる。
【０１０４】
液晶５の材料の代表的物性値（ｎｏ＝１．６，ｎｅ＝１．８）に対して得られる光偏向量について光偏向量Ｓを計算した結果を図５に示す。θ＝４５°付近が最も光偏向量が大きい。仮に、液晶ダイレクタ８のチルト角θが２２．５°のとき、２Ｓ＝５(μｍ)の偏向量を得るためには、ここに示される通り液晶の厚みを３２μｍ厚に設定すれば良い。また、ホメオトロピック配向強誘電液晶において、約７００Ｖ／ｃｍの電界に対して０．１ｍｓの応答速度が報告されており（Ozaki 他、J．J．Appl．Physics、Vol．30、No．9B、pp2366-2368（1991）参照）、サブｍｓオーダの十分高速な応答速度が得られる。
【０１０５】
また、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶においては、チルト角θは温度Ｔにより変化し、相転移点をＴｃとすると、θ∝（Ｔ−Ｔｃ）βなる関係がある。βは材料により異なるが０．５程度の値をとる。この特性を利用した温度制御で光偏向量を制御することも可能である。
【０１０６】
例えば、仮にチルト角θとして上記の２２．５°を設定し、これに対応する温度をＴθ＝２２．５°とすれば、Ｔ＞Ｔθ＝２２．５°ではθ＜２２．５°であり、Ｔ＜Ｔθ＝２２．５°ではθ＞２２．５°であるため、温度によりチルト角θを制御でき、これによって光偏向量を制御できることとなる。また、位置制御に関しては、電界による微調を同様に行うことができ、温度、電界或いはその両者の組合せにより適切な光偏向を達成できる。
【０１０７】
以上は、電界強度がＥｓ以上で螺旋構造が解けてチルト角θが光学軸の傾斜角に等しい場合について説明したが、電界強度がＥｓ以下の場合には、上記θを液晶ダイレクタ方向を平均化した光学軸の傾斜角として扱えば良い。
【０１０８】
液晶５の温度制御としては、当該光偏向素子１の温度をモニタし設定温度との差を低減するための加熱源若しくは冷却源等を作動するようフィードバックをかければよい。また、温度をモニタする変わりに光偏向位置をモニタし正規位置との差を低減するように上記加熱／冷却源を作動させるようにしてもよい。
【０１０９】
加熱源としては光偏向素子１外部に加熱源を設けてもよいが、小型化のためには後述する実施の形態の如く、光偏向素子１内部に抵抗線を形成し、これに電流を流すことで得られるジュール熱を利用するのが好ましい。冷却源としてはペルチェ素子等が好適に用いられる。
【０１１０】
本発明の第二の実施の形態を図６及び図７に基づいて説明する。前述した実施の形態の場合と同一又は相当する部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも順次同様とする）。
【０１１１】
図６は、偏向方向が互いに所定角(φ2)傾いた方向に設置された図３に示す２つの光偏向素子１Ａ，１Ｂが直列に配列され、該光偏向素子１Ａ，１Ｂ間に、前段の光偏向素子１Ａからの出射光の偏光方向を後段の光偏向素子１Ｂの偏向方向に揃える偏光方向切換手段９'を備えた構成の光偏向デバイス１０である。
【０１１２】
このような光偏向デバイス１０によれば、光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に２位置光シフトが行われ、光偏向素子１Ｂにおいて光偏向素子１Ａのシフト方向からφ2なす角度方向に２位置の光シフトが行われるため、デバイス全体としては合計４位置に光をシフトさせることが可能となる。
【０１１３】
この光偏向デバイス１０に入射する光は図６に示す通り、Ｚ軸方向に偏光方向を有しており、光進行方向に対して前段側の光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に偏向を受けた後、偏光方向切換手段９'によって偏光方向をφ1（＝φ2）回転させて後段の光偏向素子１Ｂに入射し、光偏向素子１Ａのシフト方向からφ2なす角度方向に２位置のシフトを受ける。
【０１１４】
偏光方向切換手段９'としては、ファラデー回転素子やツイスト構造を有する液晶素子などを用いることができ、偏光方向回転角φ1は前記φ2と略一致するよう設定される。特にツイスト構造を有する液晶素子は、波長による偏光方向回転角のバラツキを比較的小さく設定可能であるため、多波長よりなる光を扱う場合に好適である。
【０１１５】
また、ツイスト構造を有する液晶素子としては、いわゆる低分子ツイストネマティック液晶を、前記φ２のツイスト角が得られるように互いに配向処理を施した一対の透明基板中に充填した構造をなす素子、或いは、は高分子によりツイスト構造を形成した液晶素子等が用いられる。高分子によりツイスト構造を形成した液晶素子においては一対の透明基板を用いることなく、例えばベースフィルム上に直接液晶を構成することができるため、厚みを抑えることが可能となり、省スペース化の観点から好ましい。
【０１１６】
図７は、偏向方向が互いに直交した方向に設置された図３に示す２つの光偏向素子１Ａ，１Ｂが直列に配列され、該光偏向素子１Ａ，１Ｂ間に、前段の光偏向素子１Ａからの出射光の偏光方向を後段の光偏向素子１Ｂの偏向方向に揃える偏光方向切換手段としての１／２波長板９を備えた構成の光偏向デバイス１０である。
【０１１７】
このような光偏向デバイス１０によれば、光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に２位置、光偏向素子１Ｂにおいて左右方向（Ｙ軸方向）に２位置の光シフトが行われるため、デバイス全体としては合計４位置に光をシフトさせることが可能となる。
【０１１８】
この場合、図７における偏光方向切換手段９として、雲母、水晶等の複屈折性材料により形成される１／２波長板を使用することも可能である。これらの材料は温度による特性変動が比較的少なく、温度変化の大きい環境での使用時に特に有用である。
【０１１９】
この光偏向デバイス１０に入射する光は図７に示す通り、Ｚ軸方向に偏光方向を有しており、光進行方向に対して前段側の光偏向素子１Ａにおいて上下方向（Ｚ軸方向）に偏向を受けた後、１／２波長板９によって偏光方向を９０°回転させてＹ軸方向の偏光方向とすることで、後段の光偏向素子１Ｂで左右方向（Ｙ軸方向）の偏向を受ける。
【０１２０】
本発明の第三の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態では、前述の光偏向素子１に関して、電極対６の他に、この電極対６とは直交する方向に電界を作用させる電極１１ａ，１１ｂによる電極対１１を電界印加手段として付加した構成とされている。電極１１ａ，１１ｂ間には電源１２が接続されている。即ち、電極対６，１１が液晶５に対して上下左右方向に設けられている。このような電極対６，１１を備える光偏向素子１の入射側に入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段１３が設けられ、これらの光偏向素子１と偏光方向制御手段１３とにより光偏向デバイス１４が構成されている。
【０１２１】
このような構成において、光偏向位置を図６及び図７に示した場合と同様に、４点にとる場合は、偏光方向制御手段１３による偏光方向の設定方向を対応する上下左右２方向に設定することになり、この場合、例えば、偏光方向制御手段１３としては強誘電液晶材料等で構成することができる。また、電極１１ａ，１１ｂによる電極対１１は電極対６と直交する方向に限らず所望の偏向方向に対応した角度で設置することも可能である。また、多方向に設定することも可能であり、これらの場合は偏光方向制御手段として任意に角度設定することが可能なファラデー回転素子等により構成することができる。何れの場合においても、光偏向素子１における光偏向方向と入射光の偏光方向とが一致するように偏光方向を制御することで、光学ノイズを低減し良好な光シフトを達成することができる。
【０１２２】
本実施の形態の光偏向デバイス１４の構成によれば、図６及び図７に示した構成の光偏向デバイス１０と比較して、光偏向素子１を唯１つ使用することで同様の機能を出せるため、システムの小型化、低コスト化、光損失の低減に効果がある。ただし、光偏向位置が２位置だけでよければ当然ながら図８における電極対は一対のみ設ければよい（結局、図３に示したような構成）。
【０１２３】
偏光方向制御手段１３は後述する実施の形態の通り、液晶パネルに形成された画像を投影する画像表示装置内においては、液晶パネルの偏光方向を画面毎に回転させることで省くことができる。
【０１２４】
ところで、図７及び図８のような構成における入射光偏光方向と液晶ダイレクタとの組合せに対する光偏向位置を表１に示す。ただし、諸特性は第一の実施の形態で示したものを用いている。また、図７の構成の場合では、直列に配置した２つの光偏向素子１Ａ，１Ｂのうち、入射光側に配置される光偏向素子１Ａにおいて、表１中の１，３の偏向を、出射光側に配置される光偏向素子１Ｂにおいて２，４の偏向を各々形成するものとする。
【０１２５】
【表１】
本発明の第四の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば、第一の実施の形態で示したような光偏向素子１の入射側に光偏向素子１による光偏向方向に対して入射光の偏光方向が所定の角度を持つように入射光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段１５を付加して光偏向デバイス１６を構成することにより、偏向光量を自在に制御できるようにしたものである。
【０１２７】
本実施の形態における偏光方向制御手段１５は、偏光板をメカニカルに回転機構により回転させる構成とかファラデー回転素子等により構成され、光偏向素子１に入射する偏光方向の角度を任意に設定可能である。仮に、Ｚ軸からの入射光の偏光方向の角度（チルト角）をθとすると、入射光Ｐｏに対して、図９のＹ軸方向の電界印加により光偏向を受けて出射する第１の出射光の成分（光量）Ｐ１は入射光のＺ軸方向ベクトル成分と一致し、Ｐ１＝Ｐ０cosθ、光偏向を受けない第２の出射光の成分（光量）Ｐ２は入射光のＹ軸方向ベクトル成分と一致し、Ｐ２＝Ｐ０sinθとなる（ただし、光の減衰、散乱等は無視するものとする）。即ち、角度θを適宜設定することで任意の割合で光量を振り分けすることができる。また、出射光の成分（光量）Ｐ１，Ｐ２を必要に応じて測定することで、入射光の偏光方向が得られ、これを基に偏光方向制御手段１５による偏向方向の角度θを設定し直す等の処理も可能である。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、図１及び図３に示したような構成の光偏向素子１との組合せ例で説明したが、後述するような電極対構造を持つ光偏向素子との組合せ例であってもよい。
【０１２９】
本発明の第五の実施の形態を図１０に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したように、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶においては、チルト角θは温度Ｔにより変化する点に着目し、例えば、第一の実施の形態中の図４に示したような光偏向素子１の内部に加熱源となる電気抵抗材料１７を設けたものである。この電気抵抗材料１７には駆動電流を制御する温度制御手段１８が接続されており、前述した電極対６による電界発生方向の制御とこの電気抵抗材料１７による当該光偏向素子１、特に液晶５に対する温度制御により光偏向素子１による偏向位置を制御するための光偏向位置制御手段が構成されている。
【０１３０】
ここに、電気抵抗材料１７としては可視光域で透明で適当な電気抵抗を有し、さらに耐熱性（室温〜７０℃程度）に優れる材料が好ましい。具体的には、ＩＴＯが用いられており、基板２と配向膜４との間に形成されている。
【０１３１】
温度制御手段１８により、サーミスタ等の温度センサ（図示せず）により当該光偏向素子１の温度をモニタして設定温度との差を低減するようにＩＴＯ（電気抵抗材料１７）への駆動電流を流すことでジュール熱発生によって温度制御がなされる。設定温度は当該光偏向素子１の周囲の環境温度以上で、かつ、適切な角度θが得られる範囲が望ましい。通常は、４０〜７０℃程度の範囲に設定するのがよい。
【０１３２】
従って、本実施の形態によれば、温度によりチルト角θを制御でき、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては、電界による微調を同様に行うことができ、温度、電界或いはその両者の組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【０１３３】
なお、本実施の形態では、ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を有する構成の光偏向素子１への適用例として説明したが、後述するようなホモジニアス配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を有する構成の光偏向素子の場合にも同様に適用できる。
【０１３４】
本発明の第六の実施の形態を図１１に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子２１は、ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を含む構成において、電界印加手段としての電極対の配置・構成を前述の場合と異ならせたものである。即ち、第一の実施の形態等にあっては、光路と重ならない位置に電極対６を設け、素子外部から電界を与えているのに対して、本実施の形態では、電界発生用の電極２２ａ，２２ｂによる電極対２２を対向する基板２，３間の液晶５中に設けている点が特徴である。
【０１３５】
より具体的には、これらの電極２２ａ，２２ｂは何れも櫛歯状電極として形成され、目的とする偏向方向に直交するＺ軸方向においてこれらの櫛歯状電極２２ａ，２２ｂが交互に位置するように互いに入り込ませた配置とされている。これらの櫛歯状電極２２ａ，２２ｂ間には電源（ここでは、図示せず）により電圧が印加されるように構成されている。この場合、電界方向は櫛歯状電極２２ａ，２２ｂの位置関係によって図中＋Ｚ軸方向又は−Ｚ軸方向をとり、これに対応して光偏向素子２１による出射光は同一素子内で２方向をとる（図１１（ａ））。一定方向のみ取り出すのであれば、例えば、片側成分に相当する部分に対して遮光処理等を施せばよい。
【０１３６】
第一の実施の形態で示した構成の光偏向素子１の場合にはＺ軸方向に外部電界を付与することで液晶ダイレクタの方向を制御するが、本実施の形態の光偏向素子２１の場合には、素子内部で電界制御が可能である点に特長がある。この結果、電極２２ａ，２２ｂ間距離が短くなるため必要電圧は極めて少なく、例えば、外部電極６ａ，６ｂにおける電極間距離を２０ｍｍとし、本実施の形態のような内部電極２２ａ，２２ｂの電極間距離を０．２ｍｍとすれば同等の電界強度を得るのに１／１０００の電圧を付与すればよいものである。このため、外部電界を形成するために必要となる高電圧電源７が不要となり、さらに小型化に有利となる。
【０１３７】
縦電界（図１１（ａ）(ｂ)においてはＺ 軸方向）が発生できる構造であれば、本構成以外のものであっても問題ない。即ち、図１１において櫛歯状電極２２ａ，２２ｂは、各々端部が接続され等電位になるよう構成されているが、櫛歯状電極の構造としては本構成に限ったものでなく、端部を切り離した構成若しくは高抵抗材料を介在させた構成などにしてもよく、これらの場合各電極の電位を独立に設定することが可能である。例えば、Ｚ方向の電極配列順に電極電位を増加或いは低下させるように構成することも可能であり、この場合、上記のような＋Ｚ方向と−Ｚ方向の電界を混在させることなく一方向に電界を向かせることが可能となるため、遮光処理等を施す必要がなくなり有用である。
【０１３８】
本発明の第七の実施の形態を図１２に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子２３は基本的には前述の光偏向素子２１に準ずるものであり、ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を含む構成において電界発生用の電界印加手段としての電極対を素子内部に設けるものであるが、２組の電極対２４，２５を設けるようにしたものである。電極対２４は櫛歯状電極２４ａ，２４ｂよりなるもので、これらの櫛歯状電極２４ａ，２４ｂは基板２と液晶５との界面（より具体的には、基板２と配向膜４との界面）において横電界（図においてはＹ軸方向）を発生させ得るように互いに入り込ませた配置で形成されている。一方、電極対２５は櫛歯状電極２５ａ，２５ｂよりなるもので、これらの櫛歯状電極２５ａ，２５ｂは液晶５と基板３との界面において縦電界（図においてはＺ軸方向）を発生させ得るように互いに入り込ませた配置で形成されている。即ち、電極対２４，２５による電界発生方向は直交するように設定されている。何れの電極対２４，２５に関しても各々電源（ここでは、図示せず）により電圧が印加されるように構成されている。
【０１３９】
このような構成において、動作的には光偏向素子２１の場合と同様であるが、２組の電極対２４，２５を有するので、これらの電極対２４，２５による電界印加タイミングを適宜制御することにより、上下左右の４方向を基本とする多方向の光偏向が可能となる。
【０１４０】
本発明の第八の実施の形態を図１３に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子３１は、基本的には光偏向素子１等に準ずる構成のものであり、液晶としてキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を用いているが、ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２を用いる点で異なる（電極対６等については図示を省略している）。
【０１４１】
ここに、ホメオトロピック配向における場合と同様にＹ軸方向、即ち、紙面表裏方向に外部電界を付与することで、ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２ではその液晶ダイレクタ８の方向がその電界印加方向によって、第１の配向状態又は第２の配向状態をとるように制御される。この構成においては、液晶配向のために配向膜４にラビング処理を行い、ラビング方向に依存した向きに液晶ダイレクタ８の方向が強く規制される。このため、電界方向とともに基板２，３の向きが光偏向特性に強く寄与し、基板２，３配置に対する位置精度を上げる必要がある反面、仮に電界勾配が発生している場合、ホメオトロピック配向では光偏向が電界勾配に伴い面内位置で変化してしまいやすいのに対して、この場所による差を低減させ得る効果がある。
【０１４２】
このような構成の光偏向素子３１において、入射光としてＺ軸方向が偏光方向である直線偏光を用い、液晶３２の配向状態に依存して出射光がａ方向（第１の配向状態）或いはｂ方向（第２の配向状態）をとることで、光路のシフトが可能となる。
【０１４３】
本発明の第九の実施の形態を図１４に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子３３は、基本的にはホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２を用いる光偏向素子３１に準ずる構成のものである。ここに、液晶３２の両側にはこの液晶３２を充填させて電界印加手段として機能する一対の透明ベタ電極３４ａ，３４ｂによる電極対３４が電界印加手段として形成されている。この電極対３４により、ホモジニアス配向している液晶ダイレクタ８に直交する方向、即ち、液晶ダイレクタ８の自発分極方向に電界が印加される構成とされている。さらには、液晶面（従って、基板面）が光の入射方向に対して傾きΦをなすように基板２，３の対向面が傾斜状態に設定されている。
【０１４４】
図１４（ａ）中のＡ−Ａ′断面図を示す図１４（ｂ）のように、液晶ダイレクタ８は電極３４ａ，３４ｂからの電界方向に対応して２方向に配向される（第１の配向状態及び第２の配向状態）。
【０１４５】
このような構成の光偏向素子３３においては、液晶３２の配向を図１４（ｂ）に示す通り略直交する方向に規制することで、入射光を効率良く偏向させることが可能となる。即ち、図１４において入射光の直線偏光方向がＺ軸方向になるよう入射光を操作してこの光偏向素子３３に入射させたとき、液晶ダイレクタ８がＹ軸方向を向く（第１の配向状態）ように電極対３４によって電界を印加することで入射光は常光として振る舞い、そのまま偏向することなく通過する。一方、電界印加方向を反転させ液晶ダイレクタ８がそれと直交する方向を向くようにしたとき、直線偏光は異常光として振る舞い、前述した式１で示される偏向を受ける。
【０１４６】
液晶３２の配向を直交する方向に規制するために、両基板２，３の表面に形成される配向膜に対して液晶配向に対応する方向にラビング処理を行っており、ラビング方向に依存した向きに液晶ダイレクタ８の方向が強く規制される。
【０１４７】
本実施の形態の光偏向素子３３の構成の特徴は、透明電極３４ａ，３４ｂがベタ膜でよいため形成が容易であること、パタニングされていないため光の進行に対してモアレパタン等の干渉が発生しにくいこと、電極６ａ，６ｂのような外部電極による電界形成方法に比較して高電圧電源が不要となり、さらに、小型化に有利となる点等が挙げられる。
【０１４８】
なお、本実施の形態では、液晶としてホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２を用いたが、前述したホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を用いる構成の場合にも同様に適用できる。
【０１４９】
本発明の第十の実施の形態を図１５ないし図１７に基づいて説明する。本実施の形態の光偏向素子３４は、基本的にはホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶３２を用いる光偏向素子３１，３３に準ずる構成のものであるが、液晶３２に接する両界面は互いに或る所定角度ψ1（≠０）傾斜した関係をなす。ホモジニアス配向している液晶３２は、この液晶両界面付近に形成された透明電極（図示せず）により図１４の場合と同様の配向制御がなされる。傾斜角ψ1を保持した状態でギャップを所望の範囲に収めるために図１５に示す通り傾斜部３５を或る間隔で鋸歯状に形成してもよい。形成方法としては、ガラス基板をエッチングするか透明プラスチック材料を射出成形等により加工してもよい。何れの形成法においても、鋸歯のエッジ３５ｅに相当する個所は液晶配向の乱れが生じやすいので、この部分を光が通過しないように入射光を操作するのが望ましい。
【０１５０】
このような構成の光偏向素子３４の特徴は、入射光に対する出射光が液晶ダイレクタ８の制御によって、回転移動可能な点である。従って、当該光偏向素子３４と受光部との距離を適切に選ぶことで所望の偏向量を得ることができる。
【０１５１】
また、例えば図１６に示すようにこのような２つの光偏向素子３４Ａ，３４Ｂを光進行方向上に配設させて光偏向デバイス３６を構成し、液晶３２から液晶３２までの距離を適切に選ぶことで入射光と出射光を平行に保ったまま必要な偏向量を得ることができる。これによって、偏向量を外部から簡単に調整することができ、利便性に優れた光偏向デバイス３６を構成することができる。また、光偏向量が一定であれば、図１７に示すように厚さＬの中間基板３７を介して１つの光偏向素子３８内に２層の液晶３２ａ，３２ｂを設けてもよい。
【０１５２】
図１７に示すような光偏向素子３８の構成における光の進行方向を求める場合、厳密には前述の通り、入射光進行方向に対する液晶ダイレクタ８の方向及び屈折率ｎｏ，ｎｅの両者から屈折率楕円体を基に各方向における屈折率が求められ、それを基に光の進行方向が求められるが、ここでは簡単に液晶３２の配向状態によって屈折率ｎｏと屈折率ｎｅとが切り替わるものとして、スネルの法則に従って光の進行方向、即ち、回転角を求める。
【０１５３】
今、液晶３２の長軸方向の屈折率をｎｅ＝１．８、短軸方向の屈折率をｎｏ＝１．６とし、光進行方向に対して液晶３２の手前側界面３５の法線方向が光進行方向となす角ψが３°、後方側界面４０の法線が入射光方向となす角が０°となるよう基板２を配置する。また、液晶３２と接する光学部材は屈折率ｎｏのものを選ぶ。スネルの法則によって手前側液晶界面３９での界面法線方向からの回転角ψ2は
sinψ2＝（ｎｏ／ｎｅ）sinψ1 より、
ψ2＝２．６７(°)
また、液晶３２を挟んだ対向基板２，３に入射する光線の対向基板の法線方向からの回転角ψ3は
sinψ4＝（ｎｅ／ｎｏ）sinψ3 より、
ψ4＝０．３７(°)
となる。今、中間基板３７の厚みをＬとすると、シフト量５μｍを得るために必要な厚みＬは
Ｌ・tanψ４＝５．０(μｍ)より、
Ｌ＝０．７６３(ｍｍ)
である。
【０１５４】
本発明の第十一の実施の形態を図１８に基づいて説明する。本実施の形態は、画像表示装置４１への適用例を示す。図１８において、４２はＬＥＤランプを２次元アレイ状に配列した光源であり、この光源４２からスクリーン４３に向けて発せられる光の進行方向には拡散板４４、コンデンサレンズ４５、画像表示素子としての透過型液晶パネル４６、画像パターンを観察するための光学部材としての投射レンズ４７が順に配設されている。４８は光源４２に対する光源ドライブ部、４９は透過型液晶パネル４６に対するドライブ部である。
【０１５５】
ここに、透過型液晶パネル４６と投射レンズ４７との間の光路上にはピクセルシフト素子として機能する光偏向手段５０が介在されており、ドライブ部５１に接続されている。このような光偏向手段５０として、前述したような光偏向素子１，２１，２３，３１，３２，３３，３４或いは光偏向デバイス１０，１４，１６，３６，３８等が用いられている。
【０１５６】
光源ドライブ部４８で制御されて光源４２から放出された照明光は、拡散板４４により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ４５により液晶ドライブ部４９で照明光源と同期して制御されて透過型液晶パネル４６をクリティカル照明する。この透過型液晶パネル４６で空間光変調された照明光は、画像光として光偏向手段５０に入射し、この光偏向手段５０によって画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトされる。この光は投射レンズ４７で拡大されスクリーン４３上に投射される。
【０１５７】
ここに、光偏向手段５０により画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、透過型液晶パネル４６の見掛け上の画素数を増倍して表示する。このように光偏向手段５０によるシフト量は透過型液晶パネル４６の画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行うことから、画素ピッチの１／２に設定される。シフト量に応じて透過型液晶パネル４６を駆動する画像信号をシフト量分だけ補正することで、見掛け上高精細な画像を表示することができる。この際、光偏向手段５０として、前述した各実施の形態のような光偏向素子或いは光偏向デバイスを用いているので、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を提供できる。特に、図１０に示したような光偏向素子１を用い、光偏向位置制御を、当該光偏向素子１における電極対６による電界印加方向及び当該光偏向素子１に対する温度制御により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。
【０１５８】
ちなみに、従来の画像表示装置に組み込まれるピクセルシフト素子用の光偏向手段の例（特開平６−３２４３２０号公報提案例）を示す。この光偏向手段としての光学素子は水平垂直方向に各２位置、合計４位置の光シフトを行うための素子であり（２次元の４点絵素ずらし）、強誘電液晶等よりなる結晶位相変調素子と電気光学素子等よりなる複屈折媒体との組合せが水平・垂直方向用に各２組で構成される。従来のこの光学素子を用いた画像表示装置では、この光学素子が
▲１▼ 結晶位相変調素子と複屈折媒体との組合せで光偏向を達成しているため、この界面での光損失がある
▲２▼ 同様に、界面での光散乱によりコントラストが低下しやすい
▲３▼ 複屈折媒体用の電気光学素子が高価であるためコストが高い
などの問題のため、必ずしも得られる画像品質が良好なものではなく、装置コストも大幅に増加する傾向にあった。
【０１５９】
この点、本実施の形態の光偏向手段５０のような構成の場合、各実施の形態で前述した通り、これらの要因を排除できるため、画像品質が良好であり、コスト的にも有利となる。
【０１６０】
なお、画像表示装置４１としては画像表示素子に透過型液晶パネル４６を用いるタイプに限らず、例えば、図１９に示すように反射型液晶パネル５２を用いるタイプにも同様に適用できる。この場合、図１６に示した画像表示装置４１に比較して偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５３が付加され、照明系からの光はＰＢＳ５３により反射型液晶パネル５２側に折り返され、光偏向手段５０を介して反射型液晶パネル５２に照射される。この反射型液晶パネル５２に入射した照明光は、反射型液晶パネルによって反射されながら画像に対応した空間変調を受け画像光として出射する。その後、光偏向手段５０に入射し、この光偏向手段５０によって画像光が画素の配列方向に所定距離だけシフトされる。その後の経路は図１８に示した画像表示装置の場合と同様である。
【０１６１】
本発明の第十二の実施の形態を図２０に基づいて説明する。本実施の形態は、画像表示装置４１において、図１０に示したように加熱源となる電気抵抗材料１７を含む光偏向素子１による光偏向手段５０に対して光路を妨げない位置に温度センサ５４を付加した構成としたものである。温度センサ５４にはサーミスタが用いられているが、熱電対等であっても、温度モニタできるものであれば使用可能である。この温度センサ５４からの温度情報は光偏向手段５０に対するドライブ部５１に送られ、設定温度との差を検知する。この差に応じて光偏向素子１内に設けられたＩＴＯよりなる電気抵抗材料１７に通電され、電流印加によるジュール熱の発生によって設定温度との差を低減させるように構成したものである。
【０１６２】
設定温度は、光偏向素子１（光偏向手段５０）周囲の環境温度以上で、かつ、適切なチルト角θが得られる範囲が望ましい。通常は、４０〜７０℃程度の範囲に設定するのがよい。
【０１６３】
光偏向位置制御を、光偏向素子１における電極対６による電界印加方向及び光偏向素子１に対する温度制御により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。
【０１６４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の光偏向方法によれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用するようにしたので、従来の光偏向素子における問題点、即ち、構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、光学ノイズを改善することができる。
【０１６５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加え、偏向方向を切替えることが可能となリ、光学装置に広く応用することが可能となる。また、偏向方向切替えのための可動部を有しないため、従来の特に可動部を有する光偏向素子等における問題点であった位置精度の低さや耐久性不良、振動や音の問題も回避することができる。さらに、従来、光偏向素子に用いられていたスメクチックＡ液晶やネマチック液晶などにおける応答性の鈍さも改善でき、高速応答が可能となる。加えて、液晶ダイレクタを基板に対してホメオトロピック配向させることにより、低い電界で安定したシフト量、回転角を得ることができ、液晶ダイレクタの動作が基板からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の調整が行いやすく光学素子のセッティング余裕度が増し、また、電界方向に対して液晶ダイレクタの配向のとりやすさが均一であるため、偏向方向に対する光強度ムラを発生しにくくすることもできる。
【０１６６】
請求項３記載の発明の光偏向素子によれば、極めて簡単な構成でありながら、請求項１，２の光偏向方法を具現化でき、上記効果を達成することが可能となる。
【０１６７】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の光偏向素子において、基板面法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を印加するため、電界印加方向を切替えた時の液晶のチルト方向を基板面法線方向から対称な方向に設定できるため、所定の光偏向方向に対して高い位置精度で光偏向を行うことを可能とし、さらに受光部までの光路長が偏向方向によらず一定であるため、受光部における像ボケが発生しない。
【０１６８】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の光偏向素子において、電極対を光路を挟む位置に設置することで、従来の光偏向素子に比較して光量損失を低減させることができる。
【０１６９】
請求項６記載の発明の光偏向デバイスによれば、光偏向素子の光学軸と入射光の光偏向方向を一致させているため、光学ノイズ、光量損失を極めて小さく抑えることができる。
【０１７０】
請求項７記載の発明の光偏向デバイスによれば、光偏向素子の液晶分子の配向が所定方向に揃えられているため、光学ノイズ、光量損失を極めて小さく抑えることができる。
【０１７１】
請求項８記載の発明の光偏向デバイスによれば、２つの光偏向素子と偏光方向切換手段とを組合せているので、４方向に光をシフトさせることができる。
【０１７２】
請求項９記載の発明によれば、請求項８記載の光偏向デバイスにおいて、請求項６記載の２組の光偏向素子と１／２波長板とを組合せているので、例えば上下左右の如く４方向に光をシフトさせることができ、特に、１／２波長板として雲母、水晶を用いた場合は、これらの材料が温度による特性変動が比較的少なく安定しているため、温度変化の大きい環境での使用時に特に有用である。
【０１７３】
請求項１０記載の発明の光偏向デバイスによれば、電界発生方向を直交させた２組の電極対を有する請求項４又は５記載の光偏向素子を用いているので、例えば上下左右の如く４方向に光をシフトさせることができ、特に、１個の光偏向素子を利用すればよいので、請求項８，９記載の発明の場合に比べて小型、低コスト化、光損失の低減を図ることができる。
【０１７４】
請求項１１記載の発明によれば、請求項３記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電圧値を低減させることができ、電源の小型化、低コスト化を図ることができる。
【０１７５】
請求項１２記載の発明によれば、請求項１１記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電界がより効率的に液晶に作用するため、電圧を低減させることができ、電源の小型化，低コスト化を図ることができる。
【０１７６】
請求項１３記載の発明によれば、請求項３記載の光偏向素子において、１つの素子で効率的に光の光路を３方向以上に切換えることができる。
【０１７７】
請求項１４記載の発明の光偏向デバイスによれば、或る方向の電界印加により光偏向を受け出射する第１の光路における成分（光量）と、光偏向を受けないか若しくは上記とは異なる方向の電界印加により異なる方向に光偏向を受け出射する第２の光路における成分（光量）との混在を大幅に低減でき、光学ノイズの少ない良好な光シフトを達成することができる。
【０１７８】
請求項１５記載の発明の光偏向デバイスによれば、或る方向の電界印加により光偏向を受け出射する第１の光路における成分（光量）と、光偏向を受けないか若しくは上記とは異なる方向の電界印加により異なる方向に光偏向を受け出射する第２の光路における成分（光量）とを任意の割合で設定することで、偏向光量を自在に制御することができる。
【０１７９】
請求項１６記載の発明の光偏向素子によれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、請求項１、２記載の発明の作用・効果が得られる上に、特にホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相なる液晶を利用しているので、当該素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくすることができ、光学ノイズの一層の低減を図ることができる。
【０１８０】
請求項１７記載の発明によれば、請求項１６記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、電極対を光路を挟む位置に設置することで、従来の光偏向素子に比較して光量損失を低減させることができる。
【０１８１】
請求項１８記載の発明によれば、請求項１６記載の光偏向素子において、光偏向素子の構成要素である電界印加手段に関して、この電界印加手段より発せられる電界がより効率的に液晶に作用するため、電圧を低減させることができ、電源の小型化，低コスト化を図ることができる。
【０１８２】
請求項１９記載の発明の光偏向デバイスによれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、請求項１記載の発明の効果が得られる上に、ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相なる液晶を利用しているので、請求項１６記載の発明と同じく、当該素子内における光偏向量の場所によるムラを極めて小さくすることができ、光学ノイズの一層の低減を図ることができ、さらには、ここで用いる電界印加手段としては、ＩＴＯ等の透明電極が好ましく、いわゆるベタ膜でも差し支えないため、電極形成が容易であり、電極がパタニングされていないため光の進行に対してモアレ等干渉が発生しにくくなり、外部電極による電界形成方法に比較して、高電圧電源が不要となり、さらに小型化に有利となる。
【０１８３】
請求項２０記載の発明の光偏向素子によれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、請求項１，２記載の発明の効果が得られる上に、入射光に対して出射光が所定角度を持って回転し光路を切換えることが可能な素子において、その応答性の鈍さを改善することができる。
【０１８４】
請求項２１記載の発明によれば、請求項２０記載の光偏向素子において、所定の光偏向方向に対応して的確に液晶分子の配向状態を切換えることができ、効率的な光偏向を可能にすることができる。
【０１８５】
請求項２２記載の発明の光偏向デバイスによれば、光進行方向上に所定距離を隔てて請求項２０記載の光偏向素子を２組備えるので、応答速度を犠牲にせず、光偏向素子と受光部との距離を適切に選ぶことで任意の偏向量を得ることができる。
【０１８６】
請求項２３記載の発明によれば、請求項４，５，１６，１７，１８，２０又は２１記載の光偏向素子において、温度によりチルト角を制御することができ、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては電界による微調との組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【０１８７】
請求項２４記載の発明によれば、請求項６，７又は１９記載の光偏向デバイスにおいて、温度によりチルト角を制御することができ、これによって光偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては電界による微調との組合せにより適切な光偏向を達成することができる。
【０１８８】
請求項２５記載の発明の画像表示装置によれば、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示させる上で、ピクセルシフト素子なる光偏向手段として請求項３，４，５，１１，１２，１３，１６，１７，１８，２０，２１又は２３記載の光偏向素子又は請求項６，７，８，９，１０，１４，１９，２２又は２４記載の光偏向デバイスを用いているので、光の利用効率を向上させ、光源の負荷を増加することなく観察者により明るく高品質の画像を提供することができ、特に、請求項２３記載の光偏向素子又は請求項２４記載の光偏向デバイスを用い、光偏向位置制御を、当該光偏向素子における電極対による電界印加方向及び当該光偏向素子に対する温度制御により行うことで、適切なピクセルシフト量が保持され良好な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示す断面図である。
【図２】その液晶分子の電界強度による分布をモデル化して示す概略図である。
【図３】その液晶配向を模式的に示す光偏向素子の動作原理を説明するための斜視図である。
【図４】液晶ダイレクタと光偏向との関係を示し、（ａ）は断面構造図、（ｂ）は液晶ダイレクタの配向状態の説明図である。
【図５】液晶膜厚と液晶配向角に対する光軸シフト量との関係を示す特性図である。
【図６】本発明の第二の実施の形態の光偏向デバイスを光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態の光偏向デバイスを光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。
【図８】 本発明の第三の実施の形態の光偏向デバイスを光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。
【図９】本発明の第四の実施の形態の光偏向デバイスを光偏向素子の模式的な液晶配向を併せて示す概略斜視図である。
【図１０】本発明の第五の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示す断面図である。
【図１１】本発明の第六の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示し、（ａ）はＸＺ面による断面図、（ｂ）はＹＺ面による断面図である。
【図１２】本発明の第七実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示し、（ａ）はＸＺ面による断面図、（ｂ）はＹＺ面による断面図である。
【図１３】本発明の第八の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示す断面図である。
【図１４】本発明の第九の実施の形態の光偏向素子の原理的構成例を示し、（ａ）はＸＺ面による断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ´−Ａ線断面図である。
【図１５】本発明の第十の実施の形態の光偏向素子の部分拡大図を併せて示す原理的構成例の断面図である。
【図１６】その光偏向素子を用いた光偏向デバイスの構成例を示す断面図である。
【図１７】その変形例を示す断面図である。
【図１８】本発明の第十一の実施の形態の画像表示装置の構成例を示す概略側面図である。
【図１９】その変形例を示す概略側面図である。
【図２０】本発明の第十二の実施の形態の画像表示装置の構成例を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ 光偏向素子
２，３ 基板
５ ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶
６ 電極対、電界印加手段
９，９′ 偏光方向切換手段
１０ 光偏向デバイス
１１ 電極対、電界印加手段
１３ 偏光方向制御手段
１４ 光偏光デバイス
１５ 偏光方向制御手段
１６ 光偏向デバイス
２１ 光偏向素子
２２ 電極対、電界印加手段
２２ａ，２２ｂ 櫛歯状電極
２３ 光偏向素子
２４ 櫛歯状電極対
２５ 櫛歯状電極対、電界印加手段
３１ 光偏向素子
３２ ホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶
３３ 光偏向素子
３４ 電極対、電界印加手段
３６ 光偏向デバイス
３８ 光偏向素子
４２ 光源
４６ 画像表示素子
４７ 光学部材
５０ 光偏向手段
Claims (7)
- 電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、前記基板面法線方向及び光偏向方向と略直交する方向に電界を発生させる電極対による電界印加手段と、を備える光偏向素子。
- 前記電極対は、前記光偏向素子を通る光路を挟む位置に設置した請求項１記載の光偏向素子。
- 前記電界印加手段は、前記基板間に設けられた１組の電極対である請求項１記載の光偏向素子。
- 電界変化に応じて入射光に対する出射光路が変化する光偏向素子であって、透明な一対の基板と、該基板間に充填されたホモジニアス配向されたキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、一対の前記基板と前記液晶との間に形成された電極対による電界印加手段とを備えた光偏向素子を、光の入射方向が前記基板面法線方向と異なるように設置した光偏向デバイス。
- 前記電極対による電界発生方向及び当該素子に対する温度制御により光偏向位置を制御する光偏向位置制御手段を備える請求項１，２又は３記載の光偏向素子。
- 前記電極対による電界発生方向及び当該素子に対する温度制御により光偏向位置を制御する光偏向位置制御手段を備える請求項４記載の光偏向デバイス。
- 少なくとも、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、この画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に前記画像表示素子と前記光学部材の間の光路を偏向する請求項１，２，３若しくは５記載の光偏向素子、又は請求項４若しくは６記載の光偏向デバイスによる光偏向手段と、を備える画像表示装置。
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