JP2007231166A - 液晶素子、光路偏向素子及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配向性に優れ、また使用温度領域で安定した強誘電性液晶層を形成する液晶素子を提供し、該液晶素子からなり高速に透過光路を平行シフトさせる光路偏向素子を提供する。また、前記高路偏向素子を備えることにより、画素数の少ない画像表示素子を用いながら、高精細表示が可能な画像表示装置を提供する。
【解決手段】透明な一対の基板２と、その一対の基板２間に充填されたホメオトロピック配向をなすカイラルスメクチックＣ相を形成する液晶層５と、少なくとも液晶層５に対して基板２主面と平行な方向の電界（平行電界）を発生させる電極４とを有する液晶素子１において、液晶層５が、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相である相系列を有するベース液晶材料に、少なくとも特定の１つのカイラル化合物を含有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気信号によって一軸性物質の光学軸の傾斜方向を変える液晶素子、及び、その液晶素子からなり電気信号によって光の光路を偏向する光路偏向素子、及び、前記光路偏向素子を備えた画像表示装置に関する。光路偏向素子は、プロジェクタ、ヘッドマウントディスプレイ、光スイッチ、撮像光学系などに用いられる。

従来技術の説明に先立って、本明細書で用いる用語を定義しておく。
「光路偏向素子」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、あるいは、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路偏向に対してそのシフトの大きさを「シフト量」と呼び、回転による光路偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶものとする。「光路偏向装置」とは、このような光路偏向素子を含み、光の光路を偏向させるデバイスを意味する。

また、「ピクセルシフト素子（画素ずらし素子）」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路偏向手段とを有し、該光路偏向手段によるサブフィールド毎の光路の偏向状態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前記光路偏向手段を意味する。従って、基本的には、上記定義による光路偏向素子や光路偏向装置を光路偏向手段（ピクセルシフト素子（画素ずらし素子））として応用することが可能といえる。

従来、液晶材料を用いた光路偏向素子（または光偏向素子）やピクセルシフト素子、これらを用いた画像表示装置等に関する技術が種々提案されている（例えば、特許文献１〜６参照）。しかし、従来の光路偏向素子やピクセルシフト素子においては、
・構成が複雑であることに伴う高コスト、装置の大型化、光量損失、ゴースト等の光学ノイズまたは解像度低下、
・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、
・ネマチック液晶などにおける応答速度の問題、
など種々の問題点がある。

そこで、本出願人は先に、従来の光路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、装置の大型化、光量損失、光学ノイズ等の問題を改善し、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路偏向素子や装置の提供を目的として、新規な構成の光路偏向素子を提案した（特許文献７参照）。

この光路偏向素子１は、透明な一対の基板２，３と、この一対の基板２，３の少なくとも一方に設けた配向膜４と、一対の基板２，３間に充填されたホメオトロピック配向をなすカイラルスメクチックＣ相よりなる液晶５と、この液晶５に電界を作用させる少なくとも１組の電極６ａ，６ｂからなる電極対６とを備え、該電極対６を電源７に接続して液晶層５に電界を印加する構成としたものである。この光路偏向素子１は、カイラルスメクチックＣ相よりなる液晶５を利用しているので、従来の光路偏向素子に比して、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、光学ノイズの問題を改善でき、かつ、従来のスメクチック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ようにしたものである。

このような光路偏向素子で数μｍから数十μｍ程度の実用的な光路シフト量を得るためには、液晶層の厚みを数十μｍから数百μｍと非常に厚く設定する必要がある(非特許文献1参照)。一般に液晶層が厚くなると、液晶層の中央部では基板表面からの配向規制力の影響が少なくなるため、液晶層全体の均一配向性を維持することが困難になる。例えば液晶層中央部での配向が乱れ、白濁などが生じる場合がある。したがって、上記のような光路偏向素子では、液晶層全体の均一な配向状態を形成・維持することが最重要課題である。

そこで本出願人は先に、液晶層が、カイラルスメクチックＣ相より高温においてスメクチックＡ相を形成しない液晶材料で構成されている光路偏向素子(特許文献８参照)や、液晶層に高分子材料のモノマー等を含ませ、液晶層がスメクチックＡ相を形成する温度に保持して分子配向を整え、光重合を行って高分子材料から成る繊維状あるいは網目状の組織を形成した後、カイラルスメクチックＣ相を形成する温度まで冷却する方法(特許文献９参照)などを提案している。しかしながら、特許文献８では液晶材料の選択の幅が限定されることや、特許文献９では高分子組織の存在による応答速度や光学特性への影響など、ある程度の副作用が生じる場合がある。

特開平６−１８９４０号公報 特開平９−１３３９０４号公報 特許第２９３９８２６号公報 特開平５−３１３１１６号公報 特開平６−３２４３２０号公報 特開平１０−１３３１３５号公報 特開２００２−３２８４０２号公報 特開２００３−２８００４１号公報 特開２００４−１８４５２２号公報

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、配向性に優れ、また使用温度領域で安定した強誘電性液晶層を形成する液晶素子を提供し、該液晶素子からなり高速に透過光路を平行シフトさせる光路偏向素子を提供することを目的とする。また、前記高路偏向素子を備えることにより、画素数の少ない画像表示素子を用いながら、高精細表示が可能な画像表示装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために提供する請求項１の発明は、透明な一対の基板と、その一対の基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすカイラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、少なくとも前記液晶層に対して前記基板主面と平行な方向の電界（平行電界）を発生させる電極とを有する液晶素子において、前記液晶層が、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相である相系列を有するベース液晶材料に、少なくとも下記一般式（Ｉ）のカイラル化合物を含有することを特徴とする液晶素子である。

（式中Ｒ^１は炭素数が１から１５の非置換、または一つが−ＣＮで置換、もしくは少なくとも一つの水素原子がＦかＣｌで置換されたアルキル基またはアルケニル基である。また、ＣＨ_２基が−Ｏ−，−ＣＯ−，−Ｏ−ＣＯ−，−ＣＯ−Ｏ，−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−であってもよい。
また、式中Ａ^２は、１，４−フェニレン基、ピリジン−２，５−ジイル、ピリミジン−２，５−ジイル、１，３，４−チアジアゾール−２，５−ジイル、１，２，４−チアジアゾール−３，５−ジイル、であり、１つか２つの水素がＦで置換されていてもよい。Ｚ^１、Ｚ^２、は互いに独立に−ＣＯ−Ｏ−，−Ｏ−ＣＯ−もしくは単結合である。また、ｍ＝１，２であり、１≦ｌ≦９である。）

また前記課題を解決するために提供する請求項２の発明は、請求項１に記載の液晶素子において、前記一般式（Ｉ）のカイラル化合物が下記の式（II）であることを特徴とする液晶素子である。

（式中Ａ^３，Ａ^４は、それぞれ独立に１，４−フェニレン基、ピリジン−２，５−ジイル、ピリミジン−２，５−ジイルから選ばれ、１つか２つの水素がＦで置換されていてもよい。
また、式中Ｒ^２は炭素数が1から１５のアルキル基またはアルケニル基であり、１≦ｌ≦９である。）

また前記課題を解決するために提供する請求項３の発明は、請求項２に記載の液晶素子において、前記式（II）のカイラル化合物が下記の式（III）であることを特徴とする液晶素子である。

（式中Ｒ^３は炭素数が１から１５のアルキル基またはアルケニル基であり、１≦ｌ≦９である。）

また前記課題を解決するために提供する請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の液晶素子において、前記ベース液晶材料が少なくとも１種類のフェニルピリミジン化合物を含有することを特徴とする液晶素子である。

前記課題を解決するために提供する請求項５の発明は、電気信号に応じて光の光路を偏向する光路偏向素子であって、請求項１〜４のいずれか一つに記載の液晶素子から成り、該液晶素子への入射光を直線偏光とし、該直線偏光の偏光面を素子内の平行電界の印加方向に対して直交する方向に設定することで、入射光路に対する出射光路の位置を平行にシフトすることを特徴とする光路偏向素子である。

前記課題を解決するために提供する請求項６の発明は、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源及び照明装置と、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装置と、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で形成する表示駆動手段と、各画素からの出射光の光路を偏向する光路偏向素子を有し、前記光路偏向素子によるサブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示位置がずれた状態に対応する画像パターンを前記画像表示素子に表示することで、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する画像表示装置において、前記光路偏向素子として、請求項５に記載の光路偏向素子を備えたことを特徴とする画像表示装置である。

本発明の効果として、請求項１〜３の発明によれば、液晶層が厚い垂直配向の液晶素子でも配向欠陥が無い液晶層が得られ、光散乱を防止することができる。
また請求項４の発明によれば、室温付近で安定なスメクチック相を形成し、低粘性で高速応答性の液晶層を得ることができる。
請求項５の発明によれば、液晶層の光学軸チルト角の傾斜方向反転動作に伴って透過する光路が平行にシフトする。前述の強誘電性液晶材料を用いるので、光学軸の反転動作が速く、高速な光路シフトを行うことができる。
請求項６の発明によれば、配向性が良好で高速応答性に優れた光路偏向素子を用いているので、サブフィールド画像に対応して、高速な光路の偏向が可能になり、見かけ上高精細な画像表示が可能となる。また、高速応答性によりサブフィールド画像の切換え時間が短くできるので、時間的な光利用効率が向上する。

以下に、本発明の構成について説明する。
まず、本発明の液晶素子の形態について、図１に基づいて説明する。
図１は、液晶素子の断面を模式的に示した図である。同図において、符号１は液晶素子、２は基板、３は垂直配向膜、４は電極、５はスメクチックＣ相からなる液晶層である。

本発明の液晶素子１は、一対の透明な基板２が対向配置させて設けられている。透明な基板２としては、ガラス、石英、プラスチックなどを用いることが出来るが複屈折性の無い透明材料が好ましい。基板２の厚みは数十μｍ〜数ｍｍのモノが用いられる。

基板２の内側面（お互いが対向する面）には垂直配向膜３が形成されている。垂直配向膜３は基板２表面に対して液晶分子を垂直配向（ホメオトロピック配向）させる材料ならば特に限定されないが、液晶ディスプレイ用の垂直配向剤やシランカップリング剤、ＳｉＯやＳｉＯ_２の蒸着膜などを用いることが出来る。なお、本発明で言う垂直配向（ホメオトロピック配向）とは、基板面対して液晶分子が垂直に配向した状態だけではなく、数十度程度までチルトした配向状態も含む。

両基板２の間隔をスペーサを挟んで規定し、基板２間に電極４と液晶層５を形成する。スペーサとしては数μｍから数ｍｍ程度の厚みを持つシート部材あるいは同程度の粒径の粒子、などが用いられ、素子の有効領域外に設けられることが好ましい。電極４としてはアルミ、銅、クロムなどの金属、ＩＴＯなどの透明電極などが用いられるが、液晶層５内に均一な水平電界を印加するためには、液晶層厚みと同程度の厚みを持つ金属シートを用いることが好ましく、素子の有効領域外に設けられる。図１ではより好ましい例として、スペーサ部材と金属シート部材が共通であり、金属シート部材の厚みにより液晶層厚みが規定される。

液晶層５としては、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相である相系列を有するベース液晶材料にカイラル化合物を添加し、実用温度領域でカイラルスメクチックＣ相を形成する液晶材料が用いられる。上記の電極４間に電圧を印加することで、液晶層の水平方向に電界が印加される。

また、より大面積に均一な水平電界を印加するために、図５および図６のように基板面上に複数本のライン状の透明電極４Ｌを設け、各透明電極４Ｌに順次変化する電圧値を印加して水平方向に強制的に電位勾配を形成し、均一な水平電界を形成しても良い。さらに基板２のライン状の透明電極を設けた面と液晶層５との間に透明な誘電体層６を設けても良い。各透明電極４Ｌに順次変化する電圧値を印加する方法としては、各透明電極４Ｌを抵抗体８で直列に接続することが好ましい。図５および図６のような構成では液晶素子１０の有効面積を数センチ角程度まで大きくすることが出来、画像表示装置のように比較的大面積が必要な用途に適用する場合に好ましい。

ここで、カイラルスメクチックＣ相を形成する液晶層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(スメクチック層)に配列してなる液晶層である。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「スメクチックＣ相」と呼んでいる。スメクチックＣ相よりなる強誘電液晶は、一般的に外部電界が働かない状態において各スメクチック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、「カイラルスメクチックＣ相」と呼ばれる。また、カイラルスメクチック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。これらのカイラルスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有するカイラル化合物を含み、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、液晶層として強誘電液晶を例にとり液晶素子及び光路偏向素子の説明を行うが、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。

本発明の液晶素子の動作原理について図２を参照して説明する。
図２は、図１に示した構成に関して電界方向と液晶分子の傾斜方向を模式的に示したものである。液晶分子５ａの幅が広く描いてある側が紙面上側、幅が狭く描かれている側が紙面下側に傾いている様子を示している。また、液晶の自発分極（記号Ｐｓで記す）を矢印で示してある。電界Ｅの向きが反転すると、略垂直配向した液晶分子５ａのチルト角の方向が反転する。ここでは、自発分極が正の場合について電界印加方向と液晶分子のチルト方向の関係を図示している。ここで、チルト角の方向が反転する際、図２（ｂ），（ｄ）の斜視図に示したような仮想的なコーン状の面内を回転運動すると考えられる。

ここで、図３にカイラルスメクチックＣ相の液晶分子配列のモデルを示す。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３(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５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。このような無電界下のカイラルスメクチック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。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３(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３(ｃ)のように螺旋構造が消失して一様な配向状態となる。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。

図４は、液晶素子１内での液晶分子５ａの配向状態を模式的に示したものであり、垂直配向膜３、スペーサ、電極４は省略してある。図４では便宜上紙面表裏方向に電圧印加されるように描き、電界Ｅは紙面表裏方向に作用する。電界方向は目的とする光の偏向方向に対応して図示しない電源により切換えられる。

図４（ａ）のように紙面手前側への電界が印加された場合、液晶分子５ａの自発分極が正ならば液晶ダイレクタが図右上に傾斜した分子数が増加し、液晶層５としての平均的な光学軸も図右上方向に傾斜して複屈折板として機能する。カイラルスメクチックＣ相のらせん構造が解ける閾値電界(以後、飽和電界Ｅｓと呼ぶ)以上では、すべての液晶ダイレクタがチルト角θを示し、この液晶素子５ａは光学軸が上側に角度θで傾斜した複屈折板として機能する。例えば、この液晶素子５ａの図中左側から異常光として入射した直線偏光Ｌ０は図中上側に平行シフトする。ここで、液晶分子５ａの長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏ、液晶層５の厚み(ギャップ)をｄとする光路の平行シフト量Ｓは以下の式（１）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）。

Ｓ＝[(１／ｎｏ)²−(１／ｎｅ)²]sin(２θ)×ｄ
÷[２((１／ｎｅ)²sin²θ＋(１／ｎｏ)²cos²θ)] ………式（１）

同様に図４（ｂ）のように電極４への印加電圧を反転して紙面奥側への電界Ｅが印加された場合、液晶分子５ａの自発分極が正ならば液晶ダイレクタは図右下に傾斜し、この液晶素子１は光学軸が下側に角度θで傾斜した複屈折板として機能する。同様に液晶素子１の図中左側から異常光として入射した直線偏光Ｌ０は図中下側に平行シフトする。したがって、この液晶素子１内に印加する電界方向の反転によって、２Ｓ分の光路シフト量が得られる。例えば、式（１）でｎｏ＝１．５５、ｎｅ＝１．７０、ｄ＝３０μｍ、θ＝３５°の場合、２Ｓ＝５(μｍ)の光路シフト量が得られる。このように一般的なカイラルスメクチック液晶の場合、数μｍから数十μｍ程度の光路シフト量を得るためには、液晶層の厚みを数十μｍから数百μｍと非常に厚く設定する必要がある。

また、本発明で用いるホメオロトピック配向のカイラルスメクチックＣ相よりなる液晶層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配向膜３からの規制力を受けにくく、外部電界方向の調整で光軸方向の制御が行いやすく、必要電界が比較的低いという利点を有する。一方、液晶層５が厚くなると、液晶層５の中央部では基板表面の配向膜３からの配向規制力も小さくなるため、液晶層５全体の均一配向性を維持することが困難になる。例えば液晶層５中央部での配向が乱れや白濁などが生じ易くなる。そこで、本発明では、ベース液晶材料に添加する種々のカイラル化合物の組合せを検討した結果、液晶層５の厚みが十分大きくても垂直配向性に優れ、かつ、応答性や光学特性にも優れた液晶素子を得ることが出来た。

以下に、本発明に係る液晶素子の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
まず第１の実施の形態では、少なくとも一般式（Ｉ）のカイラル化合物を含有することを特徴とする。

式（Ｉ）中Ｒ^１は炭素数が１から１５のアルキル基またはアルケニル基であり、一つの炭素原子が−ＣＮで置換されている、もしくは、少なくとも一つのＨがＦかＣｌで置換されていてもよい。また、ＣＨ_２基が−Ｏ−，−ＣＯ−，−Ｏ−ＣＯ−，−ＣＯ−Ｏ，−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−であってもよい。また、Ａ^２は、１，４−フェニレン基、ピリジン−２，５−ジイル、ピリミジン−２，５−ジイル、１，３，４−チアジアゾール−２，５−ジイル、１，２，４−チアジアゾール−３，５−ジイルであり、１つか２つの水素がＦで置換されていてもよい。Ｚ^１、Ｚ^２、は互いに独立に−ＣＯ−Ｏ−，−Ｏ−ＣＯ−もしくは単結合である。また、ｍ＝１，２であり、１≦ｌ≦９である。

また、前記一般式（Ｉ）のカイラル化合物は下記の式（II）であることが好ましい。

このとき、式（II）中Ａ^３，Ａ^４は、それぞれ独立に１，４−フェニレン基、ピリジン−２，５−ジイル、ピリミジン−２，５−ジイルから選ばれ、１つか２つの水素がＦで置換されていてもよい。また、式中Ｒ^２は炭素数が1から１５のアルキル基またはアルケニル基であり、１≦ｌ≦９である。

また、ベース液晶として、骨格的に粘度が低く、高速応答を示すと考えられ、また、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相、結晶相の相系列を有し、特に、室温付近で安定したスメクチックＣ相を示すフェニルピリミジン化合物等を用いるのが好ましい。

理由は明らかではないが、カイラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチが適当であるため、配向が安定し、液晶層が厚い垂直配向の液晶素子でも配向欠陥が無い配向性の良い液晶層が得られる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、前記第１の実施の形態において、前記式（II）のキラル化合物が下記の式（III）であることを特徴とする。

式（III）中Ｒ^３は炭素数が1から１５のアルキル基またはアルケニル基であり、１≦ｌ≦９である。理由は明らかではないが、キラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチが適当であるため、配向が安定し、液晶層が厚い垂直配向の液晶素子でも配向欠陥が無い非常に配向性の良い液晶層が得られる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、前記第１の実施の形態または第２の実施の形態の液晶素子において、ベース液晶材料が少なくとも１種類のフェニルピリミジン骨格を有する化合物を含有する。

フェニルピリミジン化合物は、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相、結晶相の相系列を有し、特に、室温付近でスメクチックＣ相を示す。これにより使用温度領域で安定した強誘電性液晶層を形成する液晶素子を提供することができる。

ここで、好ましいフェニルピリミジン骨格を有する化合物の例としては下記式（ａ），（ｂ）のようなものがあげられる。

式（ａ），（ｂ）中、Ｒ_４、Ｒ_５は炭素数３から１５の直鎖あるいは分岐したアルキルまたはアルケニル基であり、少なくとも一つのＨがＦかＣｌで置換されていてもよい。また、ＣＨ_２基が−Ｏ−，−ＣＯ−，−Ｏ−ＣＯ−，−ＣＯ−Ｏ，−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−であってもよい。

本発明に係る光路偏向素子は電気信号に応じて光の光路を偏向するものであって、前記第１の実施の形態〜第３の実施の形態のいずれかの液晶素子からなり、該液晶素子への入射光を直線偏光とし、該直線偏光の偏光面を素子内の平行電界の印加方向に対して直交する方向に設定することで、入射光路に対する出射光路の位置を平行にシフトすることを特徴とする光路偏向素子である。すなわち、液晶層５の光学軸チルト角の傾斜方向反転動作に伴って透過する光路が平行にシフトするものである。前述の図４のように強誘電性液晶材料を用いるので、光学軸の反転動作が速く、高速な光路シフトを行うことができる。

つぎに、本発明に係る画像表示装置について説明する。
本発明の画像表示装置は、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源及び照明装置と、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装置と、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で形成する表示駆動手段と、各画素からの出射光の光路を偏向する前述した本発明の光路偏向素子を備え、前記光路偏向素子によるサブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示位置がずれた状態に対応する画像パターンを前記画像表示素子に表示することで、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示するものである。

図７に、画像表示装置の構成例を示す。図７において、２１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２１からスクリーン２６に向けて発せられる光の進行方向には拡散板２２、コンデンサレンズ２３、画像表示素子としての透過型液晶パネル２４、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２５が順に配設されている。２７は光源２１に対する光源ドライブ部、２８は透過型液晶パネル２４に対するドライブ部である。

ここに、透過型液晶パネル２４と投射レンズ２５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路偏向素子２０が介在されており、ドライブ部３０に接続されている。このような光路偏向素子２０として、前述したような液晶素子が用いられている。

光源ドライブ部２７で制御されて光源２１から放出された照明光は、拡散板２２により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ２３により液晶ドライブ部２８で照明光源と同期して制御されて透過型液晶パネル２４を照明する。この透過型液晶パネル２４で空間光変調された照明光は、画像光として光路偏向素子２０に入射し、この光路偏向素子２０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。光路偏向素子２０を透過した光は投射レンズ２５で拡大されスクリーン２６上に投射される。

ここで、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シフト位置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２４の見掛け上の画素数を増倍して表示する。このように光路偏向素子２０によるシフト量は透過型液晶パネル２４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２４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、配向性が良好で高速応答性に優れた光路偏向素子を用いているので、サブフィールド画像に対応して、高速な光路の偏向が可能になり、見かけ上高精細な画像表示が可能となる。また、高速応答性によりサブフィールド画像の切換え時間が短くできるので、時間的な光利用効率が向上する。

以下、本発明を実際に実施した例を説明する。
（実施例１）
(１)液晶素子の作成
つぎの手順で液晶素子を作成した。
まず厚さ１.１ｍｍのガラス基板の表面に幅１０μｍの透明電極ラインを平行に１００μｍピッチで４００本形成した。透明電極ラインの長さは有効長さが１０ｍｍとした。この透明電極ライン群の有効面積は４０ミリ角であり、この上に厚み１５０μｍのガラスを紫外線硬化接着剤によって張り合わせた。接着剤の厚みは１０μｍ程度とした。これにより図５の液晶素子断面図のように透明ガラスの内部に透明ライン電極４Ｌが埋め込まれている形となり、これを基板２とした。

この基板表面に厚み０．０６μｍのポリイミド化合物の垂直(ホメオトロピック)配向膜３を形成した。ポリイミド配向膜は、ポリアミック酸溶液をスピンコートにより塗布し、約１８０℃に加熱処理よるイミド化処理によりポリイミド膜を得た。ついで５０μｍのスペーサーシートを有効面積外に挟んで、二枚の基板を対向させて、セルを作成した。この時、上下基板の有効面積内のそれぞれの透明電極ラインが上から見て互いに交互の位置になるように貼り合わせた。つぎにこのセルを約９５℃に加熱した状態で、基板間の空間に後述する液晶材料を毛管法にて注入した。冷却後、接着剤で封止し、液晶厚み７０μｍ、有効面積４ｃｍ角の液晶素子１０を作成した。

なお、図６のように基板２の各透明電極ライン４Ｌが直接接続されるようにＣｒＳｉＯ蒸着膜による抵抗体８を成膜している。抵抗体８の両端部にパルスジェネレータと高速アンプとからなる電源を接続することで、抵抗アレイに電流が流れて電圧が分配され、有効面積内部に電位分布が形成されるようになる。

(２)液晶材料
本実施例では液晶材料として次の化合物を混合して用いた。
・下記表１に示した組成比で混合したベース液晶 ：９０ｗｔ％
・式(Ｉ)のカイラル化合物の例として、下記式に示した化合物Ａ：１０ｗｔ％

なお、この液晶材料の相転移温度は、結晶／スメクチックＣ相：−１５℃、カイラルスメクチックＣ相／スメクチックＡ相：８１℃、スメクチックＡ相／ネマチック相：８９℃、ネマチック相／等方相：１０１〜１０３℃であった。また、ＳＳＦＬＣ素子による自発分極を測定した結果は、−２４ｎＣ/ｃｍ^２であった。

（３）液晶素子の特性評価
液晶素子サンプル作成後、目標観察および偏光顕微鏡観察により、初期状態での垂直配向性を評価した。その結果、透過率が良好であり、ドメインもほとんど観察されず、広範囲で均一な配向状態を示した。

次に、図８に示す装置を用いて液晶素子の各種特性を測定した。
光源４１からの光を、照明角度を設定する光学系（ＮＤフィルタ４２、拡散板４３、Ｆ４．１ ５０ｍｍレンズ４４）と偏光板４５を通して、空間周波数１００周期／ｍｍ（１０μｍピッチ）の正弦波状濃度分布を有するＭＴＦチャート４６に照明した。そして、カメラ４７として顕微鏡付き高速度カメラあるいは高精細ＣＣＤカメラでＭＴＦチャート４６からの透過光が液晶素子１０を通ってくる光を観察した。

このとき、液晶素子１０の駆動周波数を１００Ｈｚとした矩形波交流電圧を印加することによって液晶層５の光軸切換えによる光路シフト現象が生じ、ＭＴＦチャート４６のパターン（ＭＴＦパターン）の位置が変位する様子が観察された。このパターンの変位を高速度カメラ４７で撮影し、画像を解析することで、応答時間を測定した。なお、最大変位量に対して１０％から９０％まで変位する時間を応答時間と定義し、電界強度が１５０Ｖ/ｍｍでの応答時間で比較した。

また、高速度カメラに代えて高精細ＣＣＤカメラを用いた場合、ＣＣＤカメラのフレーム周波数と液晶素子１０の駆動周波数の違いにより、ＣＣＤカメラの画像上ではＭＴＦパターンが比較的ゆっくりと動いて見える。この場合、ＭＴＦパターンが片側方向にシフトして静止している状態の画像をコンピュータに取り込み、液晶素子のＭＴＦ値を求めた。またＭＴＦ値をリファレンス素子によるＭＴＦ値で規格化することによって、液晶層５の部分に起因するＭＴＦ比を求めた。

さらに、ＭＴＦパターンの両側の静止位置の比較から光路シフト量を求めた。さらに電界強度を増加させた時、光路シフト量が一定値に飽和する時点の電界から光学軸の飽和電界強度を求めた。

本実施例の液晶素子の評価結果を以下に示す。
・応答時間 ：１．３ｍｓｅｃ (電界Ｅ＝１５０Ｖ／ｍｍ時)
・飽和電界 ：２７０Ｖ
・ＭＴＦ比 ：０．８８３（１００Ｈｚ駆動時）

本実施例の液晶は配向性がとてもよく、ＭＴＦも０．８８３と高い。応答時間が１．３ｍｓと比較的遅めであり、また、飽和電界強度が２７０Ｖと比較的大きいが、垂直配向強誘電性液晶素子として実用的な性能を備えている。

（実施例２）
実施例１の液晶素子を光路偏向素子として、図７に示す画像表示装置を作成した。画像表示素子（透過型液晶パネル２４）として対角０．９インチＸＧＡ(１０２４×７６８ドット)のポリシリコンＴＦＴ液晶ライトバルブを用いた。このとき、画素ピッチは縦横ともに約１８μmであり、画素の開口率は約５０％である。また、画像表示素子（透過型液晶パネル２４）の光源側にマイクロレンズアレイを設けて照明光の集光率を高める構成とした。本実施例では、光源としてＲＧＢ三色のＬＥＤ光源を用い、上記の一枚の液晶パネル２４に照射する光の色を高速に切換えてカラー表示を行う、いわゆるフィールドシーケンシャル方式を採用した。

本実施例では、画像表示のフレーム周波数を６０Ｈｚ、ピクセルシフトによる４倍の画素増倍のためのサブフィールド周波数を４倍の２４０Ｈｚとした。また一つのサブフレーム内をさらに３色分に分割するため、各色に対応した画像を７２０Ｈｚで切換えた。液晶パネルの各色の画像の表示タイミングに合わせて、対応した色のＬＥＤ光源をＯＮ／ＯＦＦすることで、観察者にはフルカラー画像が見えるようになる。

本実施例では、実施例１の液晶素子を光路偏向素子２０として二組用い、入射側を第一の光路偏向素子、出射側を第二の光路偏向素子とし、互いのライン電極の方向が直交し、画像表示素子（透過型液晶パネル２４）の画素の配列方向に一致するように配置した。

また本実施例では液晶ライトバルブからの出射光が既に直線偏光であり、その偏光方向が第一の光路偏向素子の光路偏向方向と一致するように配置されているが、光路偏向素子への入射光の偏光度を確実にするために、光路偏向素子２０の入射面側に偏光方向制御手段として直線偏光板を設けた。これにより、第一の光偏向素子で偏向されずに直進してしまうノイズ光の発生が防止できる。

さらに、第一および第二の光路偏向素子の間に偏光面回転素子を設けた。偏光面回転素子は、つぎのように作成した。すなわち、薄いガラス基板（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ０．１５ｍｍ）上にポリイミド系の配向材料をスピンコートし、約０．１μｍの配向膜を形成した。ガラス基板のアニール処理後、ラビング処理を行う。二枚のガラス基板の間の周辺部に８μｍ厚のスペーサを挟み、ラビング方向が直交するように上下基板を張り合わせて空セルを作製する。このセルの中に、誘電率異方性が正のネマチック液晶にカイラル材を適量混合した材料を常圧下で注入し、液晶分子の配向が９０度捻じれたＴＮ液晶セルを作成し、これを偏光面回転素子とした。このセルには電極を設けていないため、単なる偏光回転素子として機能する。

偏光面回転素子の配置に当っては、第一の光路偏向素子から出射した光の偏光面と偏光回転素子の入射面のラビング方向が一致するように、二つの光路偏向手段の間に挟んで配置した。この偏光面回転素子により第一の光路偏向素子からの出射光の偏光面が９０度回転し、第二の光路偏向素子の偏向方向に一致するようになる。このようにして作製した第一の光路偏向素子、偏光面回転素子、第二の光路偏向素子からなるピクセルシフト素子を画像表示素子（透過型液晶パネル２４）の直後に設置した。

本実施例では、ピクセルシフト素子を駆動する矩形波電圧の電圧を±６ｋＶ、周波数を６０Ｈｚとし、二枚の縦と横の位相を９０度ずらして、４方向に画素シフトするように駆動タイミングを設定した。この条件での光偏向素子のシフト量は６μｍであった。

本実施例では画像表示素子に表示するサブフィールド画像を２４０Ｈｚで書き換えることで、縦横二方向に見かけ上の画素数が４倍に増倍した高精細画像が表示できた。光路偏向素子の切換え時間は約１．３ｍｓｅｃであり、充分な光利用効率が得られた。また、フリッカーなどは観測されなかった。

本発明に係る液晶素子の構成を示す断面図である。 図１の液晶素子において電界方向と液晶分子の傾斜方向を示す模式図である。 カイラルスメクチックＣ相の液晶分子配列のモデル図である。 液晶分子の配向状態と光路偏向の原理を示すも模式図である。 本発明に係る液晶素子の別の構成を示す断面図である。 図５の液晶素子の透明ライン電極の配列及び接続状態を示す図である。 本発明に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。 液晶素子の特性評価を行う装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１，１０ 液晶素子
２ 基板
３ 垂直配向膜
４ 電極
４Ｌ 透明ライン電極
５ 液晶層
５ａ 液晶分子
６ 誘電体層
７ スペーサ
８ 抵抗体
２０ 光路偏向素子
２１ 光源
２２ 拡散板
２３ コンデンサレンズ
２４ 透過型液晶パネル
２５ 投射レンズ
２６ スクリーン
２７ 光源ドライブ部
２８ ドライブ部
３０ 光路偏向素子ドライブ部
４１ ランプ
４２ ＮＤフィルタ
４３ 拡散板
４４ Ｆ１．４ ５０ｍｍレンズ
４５ 偏光板
４６ ＭＴＦチャート
４７ 顕微鏡カメラ（ＣＣＤカメラ）
Ｃ 仮想コーン
Ｅ 電界
Ｌ０ 入射直線偏光
Ｐｓ 自発分極

Claims (6)

1. 透明な一対の基板と、その一対の基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすカイラルスメクチックＣ相を形成する液晶層と、少なくとも前記液晶層に対して前記基板主面と平行な方向の電界（平行電界）を発生させる電極とを有する液晶素子において、
   前記液晶層が、高温側から等方性液体相、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＣ相である相系列を有するベース液晶材料に、少なくとも下記一般式（Ｉ）のカイラル化合物を含有することを特徴とする液晶素子。
   

   

   
   （式中Ｒ^１は炭素数が１から１５の非置換、または一つが−ＣＮで置換、もしくは少なくとも一つの水素原子がＦかＣｌで置換されたアルキル基またはアルケニル基である。また、ＣＨ_２基が−Ｏ−，−ＣＯ−，−Ｏ−ＣＯ−，−ＣＯ−Ｏ，−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−であってもよい。
   また、式中Ａ^２は、１，４−フェニレン基、ピリジン−２，５−ジイル、ピリミジン−２，５−ジイル、１，３，４−チアジアゾール−２，５−ジイル、１，２，４−チアジアゾール−３，５−ジイル、であり、１つか２つの水素がＦで置換されていてもよい。Ｚ^１、Ｚ^２、は互いに独立に−ＣＯ−Ｏ−，−Ｏ−ＣＯ−もしくは単結合である。また、ｍ＝１，２であり、１≦ｌ≦９である。）
2. 請求項１に記載の液晶素子において、前記一般式（Ｉ）のカイラル化合物が下記の式（II）であることを特徴とする液晶素子。
   

   

   
   （式中Ａ^３，Ａ^４は、それぞれ独立に１，４−フェニレン基、ピリジン−２，５−ジイル、ピリミジン−２，５−ジイルから選ばれ、１つか２つの水素がＦで置換されていてもよい。
   また、式中Ｒ^２は炭素数が1から１５のアルキル基またはアルケニル基であり、１≦ｌ≦９である。）
3. 請求項２に記載の液晶素子において、前記式（II）のカイラル化合物が下記の式（III）であることを特徴とする液晶素子。
   

   

   
   （式中Ｒ^３は炭素数が１から１５のアルキル基またはアルケニル基であり、１≦ｌ≦９である。）
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の液晶素子において、前記ベース液晶材料が少なくとも１種類のフェニルピリミジン化合物を含有することを特徴とする液晶素子。
5. 電気信号に応じて光の光路を偏向する光路偏向素子であって、
   請求項１〜４のいずれか一つに記載の液晶素子から成り、該液晶素子への入射光を直線偏光とし、該直線偏光の偏光面を素子内の平行電界の印加方向に対して直交する方向に設定することで、入射光路に対する出射光路の位置を平行にシフトすることを特徴とする光路偏向素子。
6. 画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源及び照明装置と、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装置と、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で形成する表示駆動手段と、各画素からの出射光の光路を偏向する光路偏向素子を有し、前記光路偏向素子によるサブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示位置がずれた状態に対応する画像パターンを前記画像表示素子に表示することで、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する画像表示装置において、
   前記光路偏向素子として、請求項５に記載の光路偏向素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。
   

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