JPH06230409A

JPH06230409A - 光変調素子

Info

Publication number: JPH06230409A
Application number: JP3271093A
Authority: JP
Inventors: Toshiyasu Eguchi; 稔康江口; Shigeo Shimizu; 滋雄清水
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1993-01-28
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 1994-08-19

Abstract

(57)【要約】【目的】極めて優れた高速応答特性を有する光変調素
子を提供する。【構成】基板２ａには透明電極３ａ，液晶分子配向層
６ａが積層され、基板２ｂには透明電極３ｂ，光導電層
４，光反射層５，液晶配向層６ｂが積層され、基板２
ａ，２ｂの間にはスペーサ８ａ，８ｂによって液晶層７
が封入されている。液晶層７は、厚さｄ（μｍ）と屈折
率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄが０．４５μｍ〜０．７５
μｍの範囲内であり、液晶分子配向層６ａ上の液晶分子
のティルト角が０度〜１０度の範囲内であり、かつ液晶
配向層６ｂ上の液晶分子のティルト角が８０度〜９０度
の範囲内にあるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

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

【０００２】

【従来の技術】表示装置には直視型の装置と投写型の装
置とがあり、投写型の装置としては液晶を使った光変調
素子を用いるものが既に実用化されている。図７は光変
調素子を用いた投写型表示装置の原理図である。図７に
おいて、光変調素子１０には書込み光学系から発せられ
る書込み光１１によって像が書込まれる。一方、光源１
３より発せられた光はコンデンサレンズ１４により平行
光とされた後、偏光ビームスプリッタ１５に入射し、そ
の入射光の内のＳ偏光成分は進行方向が接合面で反射し
直角に曲げられることにより、読出し光１２として光変
調素子１０に入射する。

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

【０００４】図８はこの投写型表示装置に用いられる従
来の光変調素子１０の一例の構造を示す図である。図８
において、液晶層９の周りにはスペーサ８ａ，８ｂが配
され、液晶層９の両面には液晶配向層６ａ，６ｂが設け
られている。液晶配向層６ｂの外側には誘電体からなる
光反射層５が積層され、この光反射層５の外側には例え
ば非晶質水素化シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる光導
電層４が積層されている。そして、液晶配向層６ａ及び
光導電層４の外側には酸化スズ（ＳｎＯ₂）や酸化イン
ジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）からなる透明電極３ａ，３ｂが配
され、透明基板２ａ，２ｂによって封止された構造とな
っている。

【０００５】このような構造の光変調素子１０におい
て、透明電極３ａ，３ｂ間には交流駆動電圧が印加さ
れ、書込み側から書込み光１１が照射されていない状態
での光導電層４の内部インピーダンスを液晶層９のそれ
よりも十分大きい値に設定しておくことにより、駆動電
圧は主に光導電層４に印加されることになる。そして、
書込み光１１が照射され、その書込み光１１によって光
導電層４上に像を描くときには、光導電層４の内部イン
ピーダンスが像の濃淡に応じて局部的に低下するため、
その低下部分に隣接する液晶層９には透明電極３ａ，３
ｂ間の駆動電圧が像の濃淡に応じて空間変調されて印加
されるようになって像が書込まれることになる。

【０００６】ここで、従来の光変調素子１０に用いられ
る液晶層９の液晶分子の配列方向，読出し光の偏光方向
について、４５度ツイスト配向の液晶層によるハイブリ
ッド電界効果モードを用いた光変調素子や、ＥＣＢ（el
ectrically controlled birefringence ）効果を利用し
た初期の液晶分子配向が垂直配向あるいは水平配向の光
変調素子が知られている。水平配向の液晶層９の液晶分
子はその分子長軸が基板２ａ，２ｂにわずかなプレティ
ルト角を有し、略平行になるよう配列している。さら
に、液晶層９の液晶分子は液晶配向層６ａ，６ｂ上でそ
れぞれが平行に配向されている。

【０００７】このような水平配向の液晶層９を有する光
変調素子１０を図７に示す投写型表示装置に用い、光変
調素子１０と読出し光源１３との間の偏光ビームスプリ
ッタ１５の偏光軸を入射側の液晶層９の液晶分子軸と４
５度をなすように配置すると、直線偏光された入射光は
液晶層９を通過することにより生じる異常光と常光との
間のリタデーション（位相遅れ）Ｒならびに位相差δ
は、液晶分子の屈折率異方性をΔｎ、液晶層厚をｄ、入
射光の波長をλとすると、Ｒ＝Δｎ・ｄ、δ＝２πＲ／
λで表され、光反射層５により反射して再び液晶層９を
通過する際に再びリタデーションＲならびに位相差δを
生じる。偏光ビームスプリッタ１５を透過する透過光強
度Ｊは、数１となる。この条件で透過光強度Ｊが小さく
なる状態に光変調素子１０は作成される。

【０００８】

【数１】

【０００９】これに対し、光変調素子１０の透明電極３
ａ，３ｂ間に電界を印加していくと、正の誘電率異方性
を持つ液晶分子は基板２ａ，２ｂに垂直に近づくような
傾斜した配列になる。このように、液晶分子は基板２
ａ，２ｂに対して分子軸方向が変化すると共に実効的な
屈折率異方性は変化するので、リタデーションＲが変化
する。このことにより、電界によって液晶層９の複屈折
率が変化し、光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との比を制御
できるので、電界の印加により偏光ビームスプリッタ１
５を透過する光の強度が変化し、スクリーン１７上に像
が投写されることとなる。

【００１０】上述した従来の光変調素子１０の一例の条
件を表１に示す。

【００１１】

【表１】

【００１２】表１に示す条件の従来の光変調素子１０に
電界を印加した際の応答特性を図９に示す。図９におい
て、横軸は電界印加後の経過時間、縦軸は入射光量（図
７中の偏光ビームスプリッタ１５に入射する光）と出射
光量（図７中の偏光ビームスプリッタ１５を出射する
光）との比である出射光量／入射光量を示している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、光変調
素子１０に電界を印加すると、液晶層９の液晶分子は基
板２ａ，２ｂとのなす角を増大してある傾斜に達する
が、電界の印加からコントラスト比を最大にとれる所望
の傾斜に至る時間、即ち書込み時間が図９に示すように
５３ｍｓ程度かかり、動画等を表示させる場合に追従で
きなくなるという問題点があった。そこで本発明はこの
ような問題点に鑑み、従来の光変調素子とは異なった液
晶分子の配列方向をとることによって極めて優れた高速
応答特性を有する光変調素子を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した従来
の技術の課題を解決するため、第１及び第２の液晶配向
層に挟装された液晶層と前記第２の液晶配向層上に光反
射層を介して積層された光導電層とを対向する１対の透
明電極間に挟装してなり、前記光導電層側より書込み光
を照射して像を書込み、前記第１の液晶配向層側より読
出し光を照射して前記書込まれた像を読出す光変調素子
において、前記液晶層は、前記読出し光の偏光方向が前
記液晶層における前記第１の液晶配向層上の液晶分子の
配列方向に対して３０度〜６０度の範囲内の角度にある
とき、ネマティック液晶が前記液晶層の厚さｄ（μｍ）
と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄが０．４５μｍ〜
０．７５μｍの範囲内にあるものであり、前記液晶層に
おける前記第１及び第２の液晶配向層の内の一方の液晶
配向層上の液晶分子のティルト角が０度〜１０度の範囲
内であり、かつ他方の液晶配向層上の液晶分子のティル
ト角が８０度〜９０度の範囲内であることを特徴とする
光変調素子を提供するものである。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の光変調素子について、添付図
面を参照して説明する。図１は本発明の光変調素子の一
実施例の構造を示す図、図２は本発明の光変調素子にお
ける液晶分子の配列方向を説明するための図、図３は液
晶分子のティルト角と出射光量／入射光量との関係を示
す図、図４は読出し光の偏光方向に対する読出し光が入
射される側の液晶配向層上の液晶分子の配列方向と出射
光量／入射光量との関係を示す図、図５は液晶層の厚さ
ｄと屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄと出射光量／入射
光量との関係を示す図、図６は本発明の光変調素子の応
答特性を示す図である。なお、図１において、図８と同
一部分には同一符号が付してある。

【００１６】本発明の光変調素子１は従来の光変調素子
１０と基本的構造は同一であるが、液晶層における液晶
分子の配列方向が異なっている。液晶分子の配列方向に
ついては後に詳述することとする。本発明の光変調素子
１は、図１に示すように、透明な基板２ａ，２ｂが略均
等な間隔で平行に対向しており、この基板２ａの基板２
ｂに対向する側には透明電極３ａが、基板２ｂの基板２
ａに対向する側には透明電極３ｂが設けられている。そ
して、この透明電極３ｂ上には、書込み光１１の光強度
で比抵抗が変化する光導電層４が積層形成され、さら
に、光導電層４上には光反射層５が積層形成されてい
る。また、透明電極３ａ上には液晶配向層６ａが、光反
射層５上には液晶配向層６ｂが積層して設けられてい
る。このように、基板２ａには透明電極３ａ，液晶分子
配向層６ａが積層して設けられ、基板２ｂには透明電極
３ｂ，光導電層４，光反射層５，液晶配向層６ｂが積層
して設けられ、これら基板２ａ，２ｂの間には、従来の
液晶層９とは異なる液晶分子の配列方向を有する液晶層
７が挟装されている。なお、８ａ及び８ｂは上記と同
様、基板２ａ，２ｂの間に所定間隔を保って液晶を封入
させるためのスペーサである。

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

【００１８】さらに、液晶配向層６ａ，６ｂは、これま
でに知られている液晶表示素子の液晶配向層を用いるこ
とができ、どのような液晶分子をどのように配列させる
かにより適宜選択して用いればよく、本実施例では上側
基板２ａの液晶配向層６ａには液晶分子が水平配列にな
るポリイミド，ポリアミドやポリビニル等の高分子膜を
用い、下側基板２ｂの液晶配向層６ｂには予めＳｉＯ，
ＳｉＯ₂の斜方蒸着やスパッタによりプレティルト角を
付与した後、液晶分子が垂直配列となる長鎖アルコール
やシランカップリング剤やクロム錯体等を用いて形成し
ている。

【００１９】次に、本発明の光変調素子１における液晶
層７について詳細に説明する。液晶層７の液晶材料は、
正または負の誘電率異方性を有するネマティック液晶を
用いる。これは、フッソ系，シッフ系，アゾ系，アゾキ
シ系，エステル系，ビフェニル系，ターフェニル系，シ
クロヘキサン系，ピリミジン系，ジオキサン系等の各種
の液晶物質を単独に、または混合して用いることができ
る。

【００２０】さらに、液晶層７における液晶分子の配列
方向について図２を用いて説明する。図２（Ａ）におい
て、液晶層７における液晶配向層６ａに接した部分の液
晶分子を液晶配向層６ａ上の液晶分子７ａと表現し、液
晶層７における液晶配向層６ｂに接した部分の液晶分子
を液晶配向層６ｂ上の液晶分子７ｂと表現すると、液晶
配向層６ａ上の液晶分子７ａの長軸と基板２ａ（液晶配
向層６ａ）の基板面とがなすティルト角θ１は０度〜１
０度の範囲内で配列しており、液晶配向層６ｂ上の液晶
分子７ｂの長軸と基板２ｂ（液晶配向層６ｂ）の基板面
とがなすティルト角θ２は８０度〜９０度の範囲内で配
列し、液晶分子７ａ，７ｂは液晶配向層６ａ，６ｂ上で
それぞれが平行に配向されている。なお、図２中のＸは
偏光ビームスプリッタ１５の偏光軸（または偏光軸と直
交する軸）方向、Ｙは偏光ビームスプリッタ１５の偏光
軸と直交する軸（または偏光軸）方向である。

【００２１】図３（Ａ）はティルト角θ１と前述の出射
光量／入射光量との関係を、図３（Ｂ）はティルト角θ
２と前述の出射光量／入射光量との関係を、それぞれ電
界を印加したとき（オン）と印加していないとき（オ
フ）について示している。これより、一方の基板面に対
するティルト角θ１は０度〜１０度の範囲内で、他方の
基板面に対するティルト角θ２は８０度〜９０度の範囲
内であるとき、コントラスト比を十分大きくとれること
が分かる。なお、ティルト角θ１が８０度〜９０度の範
囲内で、ティルト角θ２が０度〜１０度の範囲内として
も同様の結果が得られる。また、一方の基板面に対する
ティルト角θ１が０度に近付くほど、他方の基板面に対
するティルト角θ２が９０度に近付くほどコントラスト
比は大きくなるが、応答速度の低下や、液晶分子の配列
のディスクリネーション（反転）が生じやすくなるのと
いう問題点がある。

【００２２】図２（Ｂ）には、液晶配向層６ａ上の液晶
分子７ａと液晶配向層６ｂ上の液晶分子７ｂとの捩れ角
φを示している。なお、液晶分子の捩れ角φは０度に近
付く（平行）ほど光学特性に優れている。

【００２３】また、本発明の光変調素子１に入射する光
の偏光軸方向は、読出し光１２が入射する上側基板２ａ
側の液晶配向層６ａ上の液晶分子７ａに対し、コントラ
スト比等を考慮すると、４５度であることが望ましく、
３０度〜６０度の範囲内に設定する。図４には読出し光
１２の偏光方向に対する液晶配向層６ａ上の液晶分子７
ａの配列方向と前述の出射光量／入射光量との関係を電
界がオンとオフの場合について示している。なお、本明
細書中で用いている偏光方向とは、電界方向及び磁界方
向両方を言う。この図４より、光変調素子１に入射する
読出し光１２の偏光方向に対する液晶配向層６ａ上の液
晶分子７ａの配列方向は３０度〜６０度の範囲内でコン
トラスト比を大きくとれることが分かる。さらに、図５
には液晶層７の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの
積Δｎ・ｄと、前述の出射光量／入射光量との関係を電
界がオンとオフの場合について示している。この図５よ
り、本発明の光変調素子１は液晶層７の厚さｄ（μｍ）
と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄに顕著な依存性を示
しており、コントラスト比，明るさの点から、０．４５
μｍ〜０．７５μｍの範囲内で良好な結果を示すことが
分かる。

【００２４】このように、入射光（読出し光１２）の偏
光方向が液晶層７における液晶配向層６ａ上の液晶分子
７ａの配列方向に対して３０度〜６０度の範囲内の角度
にあるとき、ネマティック液晶が液晶層７の厚さｄ（μ
ｍ）と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄが０．４５μｍ
〜０．７５μｍの範囲内であり、液晶層７における液晶
配向層６ａ，６ｂの内の一方の液晶配向層上の液晶分子
７ａ（７ｂ）のティルト角θ１が０度〜１０度の範囲内
であり、かつ他方の液晶配向層上の液晶分子７ｂ（７
ａ）のティルト角θ２が８０度〜９０度の範囲内である
液晶層７を備えた本発明の光変調素子１は、図７に示す
ような投写型表示装置の画像作成要素として利用され
る。

【００２５】この投写型表示装置においては、例えばＣ
ＲＴ画面から発せられる光を書込み光１１として光変調
素子１に入射し画像を書き込む。一方、光源１３より発
せられた光はコンデンサレンズ１４により平行光とされ
た後、偏光ビームスプリッタ１５を介して光変調素子１
に照射される。光変調素子１の光反射層５で反射される
空間変調された光は偏光ビームスプリッタ１５を透過
し、投写レンズ１６を介してスクリーン１７上に結像す
る。ここで、光変調素子１は、電界を印加し、液晶分子
の全体が一様に傾いた状態で、上側基板２ａ側の液晶配
向層６ａ上の液晶分子７ａの軸方向に対し偏光ビームス
プリッタ１５の偏光軸とのなす角を３０度〜６０度の範
囲内になるように配置される。

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

【００２７】印加される電圧が増大すると、正の誘電率
異方性を有する液晶分子の長軸方向は、基板２ａ，２ｂ
に垂直に近付くような傾斜した配列となる。即ち、液晶
配向層６ａ上の液晶分子７ａの長軸方向は予め与えられ
たティルト角θ１が０度〜１０度と小さいので電圧が印
加されたときのティルト角θ１の変化は大きいが、液晶
配向層６ｂ上の液晶分子７ｂの長軸方向は予め与えられ
たティルト角θ２が８０度〜９０度と大きいので、電圧
が印加されたときのティルト角θ２の変化は小さい。こ
のような状態での光変調素子１は、液晶分子の軸方向が
変化すると共に実効的な屈折率異方性は変化するので複
屈折率は変化し、光反射層５で反射して再び液晶層７を
透過した後に出射する光は、もはや偏光ビームスプリッ
タ１５で進行方向が直角に曲げられて液晶層７に入射す
るときの直線偏光にはならず、偏光ビームスプリッタ１
５を透過する光が得られるようになる。

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

【００２９】表１には従来の光変調素子１０の一例の条
件と併せて、本発明の光変調素子１の条件（実施例〜
）を示している。そして、表１に示す条件（実施例
）の本発明の光変調素子１に電界を印加した際の応答
特性を図６に示す。図６は図９と同様、横軸は電界印加
後の経過時間、縦軸は出射光量／入射光量である。この
図６より、電界の印加からコントラスト比を最大にとれ
る所望の傾斜に至る時間、即ち書込み時間は１０ｍｓ程
度であり、本発明の光変調素子１は著しく高速の応答特
性を有していることが分かる。

【００３０】以上説明した本実施例では、液晶層７にお
ける初期の液晶分子配向を液晶層７の厚さ方向に水平配
向として説明したが、これに限定されるものではなく、
液晶層７の厚さ方向に捩れ角を有する螺旋構造の配向で
あってもよく、さらに、負の誘電率異方性を有するネマ
ティック液晶であっても全く同じ効果が得られることは
勿論であり、本発明の思想をいささかも変更するもので
はない。このように、本発明の光変調素子１は本発明の
要旨を逸脱しない範囲において実施態様を種々適宜に変
更可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の光
変調素子は、入射光（読出し光）の偏光方向が液晶層に
おける液晶配向層上の液晶分子の配列方向に対して３０
度〜６０度の範囲内の角度にあるとき、ネマティック液
晶が液晶層の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの積
Δｎ・ｄが０．４５μｍ〜０．７５μｍの範囲内であ
り、液晶層における液晶配向層の内の一方の液晶配向層
上の液晶分子のティルト角が０度〜１０度の範囲内であ
り、かつ他方の液晶配向層上の液晶分子のティルト角が
８０度〜９０度の範囲内である液晶層を備えて構成した
ので、極めて優れた高速応答特性を有し、これにより像
の書込み時間を短くすることができるので動画等を表示
する際に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光変調素子の一実施例の構造を示す図
である。

【図２】本発明の光変調素子における液晶分子の配列方
向を説明するための図である。

【図３】液晶分子のティルト角と出射光量／入射光量と
の関係を示す図である。

【図４】読出し光の偏光方向に対する読出し光が入射さ
れる側の液晶配向層上の液晶分子の配列方向と出射光量
／入射光量との関係を示す図である。

【図５】液晶層の厚さｄと屈折率異方性Δｎとの積Δｎ
・ｄと出射光量／入射光量との関係を示す図である。

【図６】本発明の光変調素子の応答特性を示す図であ
る。

【図７】光変調素子を用いた投写型表示装置の原理図で
ある。

【図８】従来の光変調素子の一例の構造を示す図であ
る。

【図９】従来の光変調素子の応答特性を示す図である。

【符号の説明】

１，１０光変調素子２ａ，２ｂ基板３ａ，３ｂ透明電極４光導電層５光反射層６ａ，６ｂ液晶配向層７液晶層８ａ，８ｂスペーサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１及び第２の液晶配向層に挟装された液
晶層と前記第２の液晶配向層上に光反射層を介して積層
された光導電層とを対向する１対の透明電極間に挟装し
てなり、前記光導電層側より書込み光を照射して像を書
込み、前記第１の液晶配向層側より読出し光を照射して
前記書込まれた像を読出す光変調素子において、前記液晶層は、前記読出し光の偏光方向が前記液晶層に
おける前記第１の液晶配向層上の液晶分子の配列方向に
対して３０度〜６０度の範囲内の角度にあるとき、ネマ
ティック液晶が前記液晶層の厚さｄ（μｍ）と屈折率異
方性Δｎとの積Δｎ・ｄが０．４５μｍ〜０．７５μｍ
の範囲内にあるものであり、前記液晶層における前記第１及び第２の液晶配向層の内
の一方の液晶配向層上の液晶分子のティルト角が０度〜
１０度の範囲内であり、かつ他方の液晶配向層上の液晶
分子のティルト角が８０度〜９０度の範囲内であること
を特徴とする光変調素子。