JP6286016B2 - 位相変調器と交わる光を変調するための位相変調器 - Google Patents

Description

本発明は、位相変調器と交わる円偏光の位相を変調するための位相変調器に関する。本発明は、さらに、２次元画像コンテンツと３次元画像コンテンツとの少なくともいずれかを提示するための表示装置に関する。

非特許文献１によれば、円偏光が使用され、λ／２板がその面で回転されて、光の位相を変調することができる。これを図１に概略的に示す。円偏光がλ／２板に当たる。円偏光の回転方向が変化する。さらに、面内のλ／２板の光軸の角度によって決まる位相が生じる。λ／２板が角度φだけ回転される（図１の下方部分）場合、出口での位相は角度２φだけ変化することになる。このように、位相変化はλ／２板の回転角の２倍となる。したがって、λ／２板を１８０度だけ回転させることによって、３６０度（２π）の位相変調または位相変化が達成される。

λ／２板を機械的に回転させる代わりに、液晶（ＬＣ）に基づく光変調器において、ＬＣ分子の長軸を、例えば、電界の印加によって引き起こされるように、回転させることが可能である。

しかし、その際、ネマチックＬＣは、一般に、印加電圧の絶対値にのみ反応し、印加電圧の符号には反応しない。電界がＬＣ分子のある特定の表面配向に対してある角度で印加され、この角度が９０度までである場合、その表面配向および画素面内における電界−面内スイッチング液晶モード（ＩＰＳ ＬＣモード）におけるように−を前提としてのみ、ＬＣ分子は０度と最大の９０度との間で回転することができる。例えば分極遮蔽型スメクチック液晶モード（ＰＳＳ ＬＣモード）で使用されるようなスメクチックＬＣは、電界の符号が変化するとき回転方向を変化させることになる。しかし、ＬＣの＋９０度回転または−９０度回転はそれ自体可能ではない。ネマチックＬＣとは対照的に、スメクチックＬＣ分子は層で配列され、個別の分子の９０度回転はこの層構造を維持しながらでは可能ではない。したがって、１８０度のＬＣ分子回転のうちの所望の角度の範囲は従来のＬＣモードを使用して達成することができない。

特許文献１および特許文献２はこの問題に対する解決策を説明しており、切替え可能な表面アラインメントを前記ＬＣモードの１つと組み合わせることによって、ＬＣ分子回転の角度範囲が拡大される。その解決策の欠点は、それがより精巧でより高価な製造と制御プロセスとを必要とすることである。この理由は、空間光変調器（ＳＬＭ）を製造するときに、今日の表示パネル生産で使用されている標準材料以外のものを含む特別のアラインメント層を基板に適用しなければならないからである。ＳＬＭをアドレス指定するとき、表面配向を切り替えるため、およびＬＣ分子を直接制御するために別個の信号を発生させることが必要となることがある。これは、２つの信号の組合せによって個別の位相値を設定するために２つの信号が１つずつ必要とされる場合、ＳＬＭの画素をアドレス指定するときより速い信号伝送をさらに必要とすることがある。

特許文献３と、非特許文献２および非特許文献３のような同様の内容の刊行物とは、ハイブリッド配向ネマチックＬＣモード（ＨＡＮ）を説明している。２つの基板の間に挟まれるＬＣ分子は、一方の基板表面に対して垂直に配向され、他方の基板表面に対して平行に配向される。この表面配向は固定である。平行配向は、例えばＩＰＳまたはツイステッドネマチック（ＴＮ）モード構成で一般的であり、一方、垂直配向は垂直アラインメント（ＶＡ）モード構成で一般的である。２つの基板は異なるアラインメント層を必要とするが、両方のタイプはＬＣＤ産業で知られている標準手順で製作することができる。

最も簡単な理論モデルでは、ＬＣ分子は、一般に、「剛体ロッド」と呼ばれる。この簡単な仮定から離れて、ＬＣ分子は、例えば、湾曲した「バナナ形状の」形態、または棍棒状の「西洋梨形状の」形態を有することもできる。２つの理想的なロッドでは、平行および逆平行の配向はエネルギー的に等しいが、しかし、代替の形状では、特に、広がり形状または曲がり形状におけるような誘起変形の場合、西洋梨またはバナナ形状分子の平行配向は逆平行配向よりも比較的好ましい。

したがって、ＬＣの変形は、対応する分子形状を伴うＬＣ材料において分極を誘起する。これは「フレクソエレクトリック効果」として知られている。フレクソエレクトリック分極がある場合、ＬＣ分子は、具体的には、印加電界の符号に反応する。

ＨＡＮ構成では、そのような変形は、２つの基板表面でのＬＣの異なる表面配向によって、および（ＬＣ層の厚さを横切って平行配向から垂直配向への連続的な移行に起因する）個別のＬＣ間の弾性力によって誘起および引き起こされ、その結果、フレクソエレクトリック分極が生成される。

面内電界が印加される場合、ＬＣ分子、または（ＳＬＭ基板の表面と平行である）表示面へのＬＣ分子の投影は回転することになる。したがって、フレクソエレクトリック分極に起因して、分子の回転方向は電圧の符号に依存する。特許文献３は、電極がＩＰＳ表示装置におけるように配列される構成と、フリンジ電界スイッチング（ＦＦＳ）表示装置におけるように追加のベース電極が同じ基板上に配置される構成とを説明している。特許文献３は、面内電極またはＦＦＳ電極が、ＬＣ分子の平行配向をもつ基板に、またはＬＣ分子の垂直配向をもつ基板にオプションとして配置される構成をさらに説明している。前者は、そこで、正のΔεをもつＬＣ材料の実施形態として説明され、後者は、負のΔεをもつＬＣ材料の実施形態として説明されている。

特許文献３によれば、これらの構成の目的は、それらのスイッチングプロセスで短い応答時間を実現することであり、これは、２つのスイッチングプロセス（スイッチングオンおよびスイッチングオフ）の両方が異なる符号の電圧が使用されうる１つの電界で制御されるからである。振幅変調では、直線偏光が使用され、所要のＬＣ分子回転角はわずかに−４５度から＋４５度である。

特許文献３および関連する非特許文献２で説明されている電極構成では、同じ電圧がＩＰＳ構成と同様に一つおきの電極に印加される。これは、２つの電極間に正電界および負電界が交互構成で生じることを意味する。その結果、ＬＣ分子の回転方向は、同様に、画素内の小さい領域で交互になる。これは、振幅変調は回転角の符号ではなく絶対値に依存するため、振幅変調器では問題とならない。しかし、位相変調では、異なる位相値が１つの画素内の異なる領域で現れることになるため、この構成は好適でないことになる。同じことがＦＦＳスタイル電極構成に当てはまる。非特許文献３の図３に示されるように、ある回転方向がグリッドの２つの電極間の空間の半分で実現されることになり、一方、ＬＣ分子の異なる回転方向が一つおきの空間で実現されることになる。そのような構成はやはり振幅変調には好適であるが位相変調には好適でないことになる。

独国特許出願第１０ ２００９ ０４５ １２５．０号 国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６４５０４号 国際公開第２００８／１０４５３３Ａ１号 独国特許出願第１０ ２００９ ０２８ ６２６．８号 国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５８６２５号 米国特許出願公開第２００９／００７３３３１Ａ１号 国際公開第２００６／０６６９１９Ａ１号 独国特許出願公開第１０ ２００９ ００２ ９８７ Ａ１号

Ｓ． Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ、Ｐｒｏｃ． Ｉｎｄ． Ａｃａｄ． Ｓｃｉ．、１３７頁、１９５５年 Ｅｕｒｏｄｉｓｐｌａｙ ２００９ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、Ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ ４〜６ Ｉｍｉｄ ２００９ Ｄｉｇｅｓｔ、Ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ １〜３、１４〜１６頁

したがって、本発明の目的は、約２πの位相値の範囲により光の位相を変調するように働き、その動作原理がＬＣ分子の面内成分の回転に基づくＬＣベースの光変調器または位相変調器を提供することである。特許文献１に説明されているような切替え可能な表面アラインメントとＬＣモード、例えばＩＰＳまたはＰＳＳとの組合せよりも製造および制御に関して精巧でなく、高価でない構成を見いだすことが望ましい。

上述で定めた目的は、請求項１に記載の位相変調器と交わる円偏光の位相を変調するための位相変調器によって解決される。位相変調器は、第１および第２の基板と、電極構成と、液晶分子をもつ液晶層とを含む。第１の基板は第２の基板と向かい合って配置される。第１の基板は、好ましくは、第２の基板と実質的に平行に配置される。液晶層は２つの基板間に配置される。第１の基板は第１の表面または表面層を有し、第２の基板は第２の表面または表面層を有する。第１の表面は、第１の表面と実質的に平行な配向で、第１の表面に隣接して位置する液晶分子を配向させるように製作される。第２の表面は、第２の表面と実質的に垂直な配向で、第２の表面に隣接して位置する液晶分子を配向させるように製作される。電極構成は、液晶分子の配向の面内成分を、指定可能な中央配向に関連して、約１８０度の角度範囲内に、例えば、−９０度と＋９０度の間に設定することができるように制御される。

本発明による位相変調器または光変調器は、特に、空間光変調器（ＳＬＭ）の動作原理に従い、すなわち、特に位相変調器の実際の空間位置に依存して、とりわけ位相変調器の実際の制御状態に応じて、位相変調器と交わる光の位相が影響または変調されうる。本発明による位相変調器は円偏光との相互作用のために提供される。光源の光が円偏光を示さない場合、好適な偏光子を本発明による位相変調器の入口側に設けることができる。

本発明によれば、ＨＡＮ構成は、電界の符号に応じて、例えば０度から＋９０度または０度から−９０度のＬＣ分子配向の面内成分の回転をオプションとして実現するために使用され、その結果、それに応じて、全体で、０と２πとの間の位相変調が印加電界を制御することによって達成される。−９０度のＬＣ分子配向の面内成分は０の位相変調に対応し、０度のＬＣ分子配向の面内成分はπの位相変調に対応し、＋９０度のＬＣ分子配向の面内成分は２πの位相変調に対応する。ＬＣ層の厚さは、好ましくは、光学機能がλ／２板の機能となるように選ばれる。ＬＣ層の異なる厚さも可能であり、ＬＣ層の異なる厚さは、円偏光子が位相変調器の出口側に設けられる場合、位相変調に使用することもできる。しかし、そのとき、位相変調器の透過率は、不利なことに、異なる厚さに起因して低減される。本発明による位相変調器は、好ましくは、光学機能が中間の波長（例えば、緑色）でλ／２板の機能となるように液晶層の厚さが選ばれるので、１つを超える波長（例えば、赤色、緑色、および青色光の）のために設計されうる。一般に、ＬＣ層の厚さは、光学機能が遅延板の機能となるように選ばれる。

位相変調ＳＬＭでは、画素表面の全域にわたって配置される典型的な多電極の櫛形状構成が、その画素の全域にわたって一様な面内電圧勾配を生成する。電圧勾配の符号はＬＣ分子の回転方向を決定し、勾配の峻度は液晶分子の回転角を決定する。

位相変調器の同様の構成は反射型表示装置で使用することもでき、ここで、光が反射型位相変調ＳＬＭを２回通過するため、２πの位相変調、または光学機能が好ましくはλ／４板の機能となるより薄い液晶層を実現するために、および全角度範囲を使用することができるために、＋４５度と−４５度の間のより小さい角度範囲で十分でありうる。その限りにおいて、透過型または反射型環境の両方において動作することができるように、本発明による位相変調器を設計することができる。

本発明による位相偏向器は、特に、特許文献１および特許文献２に説明されている位相偏向器と同様に使用することができる。したがって、特許文献１および特許文献２の開示された内容はここに完全に含まれるものとする。観察者追跡のためにホログラフィック表示装置で使用することができる、例えば、位相偏向器などの回折光学エレメントは、例えば特許文献４および特許文献５に説明されており、それらは回折デバイスと呼ばれている。本発明による位相偏向器は、例えば、特許文献４および特許文献５に説明されている回折デバイスと同様に使用することができるので、特許文献４および特許文献５の開示された内容はここに完全に含まれるものとする。

位相変調の原理に基づき、特許文献４および特許文献５に説明されているように使用され、電極ピッチがＬＣ層の厚さとほぼ同じ程度のものである可変偏向格子が、個別の面内電極を個別に制御することによって実現されうる。ＬＣ配向の周期的に回転する面内成分は、好ましくは、ここで、偏光格子におけるように設定され、その結果、０度と１８０度との間のＬＣ分子の面内投影の連続回転が１つの格子周期内で実現される。これは、電極間のそれぞれの電圧勾配と、個別のＬＣ分子間の弾性力との両方によって達成される。それに応じて制御される場合、液晶分子の可変的に調整可能な配向、およびそれと連動して可変的に調整可能な屈折率分布を設定することができ、それにより、結果として、可変格子周期が光学適用において設定されうる。言い換えれば、可変偏光格子が実現される。これは簡単な方法で行うことができ、先行技術文献から分かる。この実現は、例えば、Ｖ−ＣＯＰＡと呼ばれる、特許文献６から分かる可変偏光格子におけるよりも簡単である。

特許文献１に説明されている手順とは対照的に、産業界で一般的である方法を使用して製作されるＬＣ分子の従来の固定表面配向が、好ましくは、例えば、基板表面被覆にブラシをかけることによって本発明の情況で使用することができる。したがって、本発明による位相変調器の製造および制御になされる要求は低い。ＰＳＳ ＬＣモードとは対照的に、ネマチックＬＣを使用することができる。一般に、後者を処理する（充填、アラインメント）のはより容易である。位相変調について特許文献３に説明されているような速いオン／オフスイッチングを利用することがさらに可能である。偏光格子が有する高い回折効率を偏向手段のために利用することがさらに可能である。

そこで、位相変調器は、位相変調器と交わる光が、指定可能な方向に回折により可変的に偏向され、それにより、偏向格子の機能が達成されるように設計することができる。次に、本発明による位相変調器は、例えば、特許文献４に説明されているような同様の用途に適することになる。このために、位相変調器の電極構成の電極がそれに応じて制御される場合、液晶分子の指定可能な配向を設定することができ、その結果として、対応する屈折率分布が液晶分子の層に生じ、さらには、偏向格子の機能が実現されることになる。

位相変調器の電極構成の電極は、光線が位相変調器に当たる位相変調器の位置に応じて、光またはこの光線が可変的に指定可能な方向に偏向されるように制御することができる。

代替として、位相変調器は個別の画素を含むことができる。そのため、それは、例えば、ホログラフィック表示装置が３次元情景を再構築および示すためにホログラム情報が書き込まれる特許文献７によるホログラフィック表示装置の光学構成要素として働くことができる。位相変調器の各画素は電極構成の少なくとも２つの電極を含む。

電極構成は、実質的に一定の電圧勾配が、特に位相変調器において、画素の領域で実現されるように制御することができる。電極構成は、実質的に一定の電圧差が、特に位相偏向器において、２つの隣接する電極間で実現されるように制御することができる。

ＬＣ配向が単に矩形電圧によってしか影響されないＩＰＳ光変調器の従来のＩＰＳ画素では、２つのインタリーブ櫛に似ている電極構造を一般的には使用することになる（これについて、例えば図３を参照）。２つの電圧値のみ、すなわち、一方のそのような櫛に対応する電極（共通電極）への１つの電圧値、および他方の櫛に対応する電極への１つの電圧値が必要とされる。これは、異なる符号をもつ電圧（＋Ｖおよび−Ｖ）が交互構成の２つの面内電極間に印加されることを意味する。しかし、本発明による光変調器の画素では、同符号の電圧が２つの隣接する電極間で常に必要とされる。これは、可変的な上昇電圧値、または下降電圧値（位相値に応じて）が、画素内の電極構成の個別の電極に印加されなければならないことを意味する。したがって、画素を制御するために必要とされる電圧値はＩＰＳなどの他のＬＣモードによりも高くなることがある。

したがって、好ましい実施形態では、基板の表面は、第１および第２の構造化領域をもつ構造化表面被覆またはアラインメント層を有する。第１および第２の構造化領域は、互いに隣接し、かつ隣接する電極間に配列されており、第１の構造化領域に接する液晶が第２の構造化領域に接する液晶に対して実質的に逆平行に配向されるように設計される。したがって、液晶のハイブリッドアラインメントは少なくとも１つの基板の表面に構造化アラインメント層を備えることができる。これは、好ましくは、液晶が表面と平行に実質的に配向される基板の表面である。構造（例えば、配向層がポリイミドで製作され、機械的にラビングされる場合）は、このポリイミドアラインメント層の異なる領域では逆平行ラビング方向に対応する。しかし、アラインメントは、一般に、異なる材料と異なる製造方法とを使用して、例えば、光アラインメントにより達成することもできる。光アラインメントの場合には、空間構造化のためにマスクを使用することが可能であり、その結果、マスクで覆われる領域は、マスクで覆われない領域と表面配向が異なる。この構造は、ある配向が、面内電極をもつ基板上の１対の隣接する電極間の空間に対応し、実質的に、反対の配向が、隣接する対の電極間の空間に対応するように寸法が合わせられる。オプションとして、この構造は、電極を特徴として備えない基板に適用することもできる。しかし、次に、アラインメント層の構造化領域は、向かい合う基板の電極と一致されなければならない。これらの場合、液晶のハイブリッドアラインメントは、正電圧が印加される場合、１つの電極対の液晶は右回りに回転することになるように働く。後続電極対において、負電圧が印加される場合、液晶は右回りに回転することになる。そのような画素は、好ましくは、インタリーブ櫛形状面内電極を備え、従来のＩＰＳ ＬＣ表示パネルと同じように制御することができる。

特許文献８は、ＰＳＳ ＬＣモードに基づく位相変調器用の制御可能デバイスを説明しており、ここで、各ＬＣ変調器セルは、実際に書き込まれるべきである位相値に応じて正または負電圧値で局所的にアドレス指定される。負電圧は、例えば、０とπとの間の位相値を設定するために使用され、正電圧はπと２πとの間の位相値を設定するために使用される。ここで、表示装置でＡＣ電圧を、すなわち、あるフレームまたは画像の間正電圧が画素に印加され、次のフレームの間負電圧が印加されるようなものを使用するのが一般的な方法であることが留意されなければならない。これは、ＤＣ電圧が長い間印加される場合に生じることになるＬＣ材料の化学分解および電荷キャリア効果を回避するように働く。矩形印加電圧によってしか影響されない従来のＬＣモードでは、電圧の符号の変化はＬＣ配向にいかなる影響もない。しかし、ＰＳＳモードが振幅変調器で使用される場合、異なる符号によって引き起こされる２の異なるＬＣ配向があるが、それらは両方とも同じ透過率を有する。対照的に、ＰＳＳ位相変調器において印加電圧の符号が変化すると、望ましくないように変更される位相値がもたらされることになる。特許文献８は、画素に書き込まれる絶対位相ではなく、２つの隣接する画素間の相対的位相のみが位相変調器の機能には重要であるので、引き続くフレーム間に位相の全体的オフセットを導入する解決策を提案している。この位相オフセットの結果として、電圧の符号は位相変調器のほとんどの画素に対して２つのフレーム間で変化する。このようにして、上述のＤＣ電圧効果は回避される。

ＨＡＮは、例えば、同じ基板上の２つの隣接する面内電極間の面内電位差がＨＡＮ光変調器またはＨＡＮ位相偏向器をアドレス指定するように働き、一方、向かい合う基板の電極間の面外電位差がＰＳＳモードデバイスをアドレス指定するのに使用されるという点でＰＳＳと異なる。ＰＳＳおよびＨＡＮは、振幅表示装置で使用されるとき、印加面内電圧の符号が変化される場合、ＬＣ配向は異なるが、得られる透過率は同じであり、位相表示装置で使用されるとき、印加面内電圧の符号の変化は異なる位相値をもたらす点で同じである。

この理由は、ある位相分布がやはりＨＡＮモードで作動される位相変調器に（および、特に、ＨＡＮ光変調器またはＨＡＮ位相偏向器に対して）書き込まれるべきであり、ここで、ＤＣ電圧の印加は可能な限り避けられるべきであるからである。位相偏向器がマルチユーザシステムとして設計されるホログラフィック表示装置の観察者追跡に使用される場合、異なる眼の位置の間での切替えのために、統計的時間平均では位相偏向器の２つの電極間の正電圧および負電圧の平衡が既に存在することになる。しかし、単一の観察者のシステムでは、観察者がやや長い期間の間固定位置にとどまる特定の場合、一定の格子周期が、例えば、この期間の間設定されることが必要となることがある。これはＤＣ電圧効果の危険性をやはりもたらすことになる。ＳＬＭでは、例えば、静止画像の内容が示される場合、ＤＣ電圧効果の危険性が内在することになる。

したがって、本発明の好ましい実施形態では、書き込み位相値の位相オフセットが、妨げとなるＤＣ電圧効果を回避するために２つの引き続くフレーム間に導入される。面内電極に印加される電圧の絶対値が符号を必ずしも変化させるのではなく、隣接する面内電極間の電圧差が変化されることに留意しなければならない。これが図９に示され、図面の添付の説明でより詳細に説明される。

代替の実施形態では、引き続くフレームにおいて電極での面内電圧の符号を従来のように変化させ、追加として、偏光スイッチング要素の助けを借りて２つのフレーム間で位相変調ＳＬＭまたは位相偏向器の入力偏光を切り替えることによってＤＣ電圧効果を回避することが提案される。これが図１０に示され、図面の添付の説明でより詳細に説明される。

２次元画像コンテンツと３次元画像コンテンツとの少なくともいずれかの提示のための表示装置が、少なくとも１つの光源をもつ照明デバイスと、請求項１から１１の一項に記載の位相変調器とを含む本発明により提供されうる。位相変調器は光伝搬の方向において照明デバイスの下流側に配置される。本発明による表示装置は、特に、好ましくは、ホログラフィック３次元画像コンテンツの提示のために使用することができ、特許文献７に説明されている原理により作動するように設計される。表示装置は、立体画像コンテンツおよび／または立体多視点画像コンテンツを提示することができるように設計することもできる。そのような表示装置（３Ｄ表示装置）は人間の眼で知覚するための３次元方法で３次元画像コンテンツを示すことができる。本発明による表示装置の位相変調器のあり得る実施形態に関して、繰り返しを避けるために上述の説明を参照する。

次に、本発明の教示を具現および継続するためのいくつかの可能性がある。このために、一方では、請求項１に続く従属請求項が参照され、他方では、添付図面を含む以下の本発明の好ましい実施形態の説明が参照される。教示の一般的に好ましい物理的形態および継続は、本発明の好ましい実施形態の説明および添付図面と共に説明される。

円偏光およびλ／２板の光軸の回転を用いる位相変調の原理を示す図。 フレクソエレクトリック効果に基づく先行技術によるＨＡＮセルの原理を示す図。 フレクソエレクトリック効果に基づく先行技術によるＨＡＮセルの原理を示す図。 フレクソエレクトリック効果に基づく先行技術によるＨＡＮセルの原理を示す図。 先行技術によるＩＰＳスタイル電極構成をもつＨＡＮセルを示す図。 本発明による位相変調器の第１の実施形態を示す図。 先行技術によるＬＣベース偏光格子を示す図。 各々が本発明による位相変調器のさらなる実施形態の詳細を示す断面図。 各々が本発明による位相変調器のさらなる実施形態の詳細を示す断面図。 各々が本発明による位相変調器のさらなる実施形態の詳細を示す断面図。 本発明による位相変調器のさらなる実施形態の詳細を示す正面図（上部）および側断面図（下部）を示す概略ダイヤグラム。 図７Ａおよび図８Ａの実施形態の画素の詳細を示す概略３次元図。 本発明による位相変調器のさらなる実施形態の詳細を示す正面図（上部）および側断面図（下部）を示す概略ダイヤグラム。 図７Ａおよび図８Ａの実施形態の画素の詳細を示す概略３次元図。 各々が、２つの異なる動作状況（図ＡおよびＢ）における本発明による位相変調器のさらなる実施形態の詳細を示す正面図を示す概略ダイヤグラム。 各々が、２つの異なる動作状況（図ＡおよびＢ）における本発明による位相変調器のさらなる実施形態の詳細を示す正面図を示す概略ダイヤグラム。

同一または同等の部分はすべての図において同様の数字が与えられる。

図２は、フレクソエレクトリック効果に基づく先行技術によるＨＡＮセルの原理を示す。ＨＡＮセルでは、一方の表面７の近くに位置するＬＣ分子６は表面７と平行に配向され、他方の表面８の近くに位置するＬＣ分子は表面８に垂直に配向される。液晶分子６が好適な形状を有する場合、この分子配向はフレクソエレクトリック分極を引き起こすことになる。そのとき、液晶分子６の光軸の回転方向は印加電圧Ｖの符号によって決まることになる。

図２Ａは、電極構成４が作動されていない場合のＨＡＮセルの詳細を示す断面図（上部）および斜視側面図（下部）を示す。図２Ｂは、再度、図２Ａの同じＨＡＮセルを示す。第１のアクティブ動作状況が左側に示され、ここで、Ｐ_flexoおよび液晶層５の光軸は右回りに回転する。第２のアクティブ動作状況が図２Ｂの右側に示され、ここで、Ｐ_flexoおよび液晶層５の光軸は左回りに回転する。図２Ｃは先行技術で知られているＨＡＮセルを示し、ここで、第１の動作状況が左側に示され、第２の動作状況が右側に示される。このＨＡＮセルでは、電極構成４は第１の基板２に配置され、第１の表面７は、第１の表面７に隣接して位置する液晶分子６の長手方向軸が表面７と平行に実質的に配向されるように製作される。その結果、電極構成４によって生成され、液晶分子６を配向させるように働く面内電界は、配向させるべき液晶分子６が位置するＨＡＮセルの部分、すなわち、第１の基板２の第１の表面７に隣接する部分、したがって、第１の表面７と平行に実質的に配向されている液晶分子６に直接に影響を与える。

図３は、先行技術によるＩＰＳスタイル電極構成をもつＨＡＮセルを示す。負電圧および正電圧が電極構成にわたって交互になっている。その結果、光軸の回転方向も交互である。回転角の絶対値のみが振幅変調では関係するので、振幅変調画素はそのような構成で動作することができる。対照的に、位相変調は電圧の符号に依存する。したがって、図３に示されるような電極構成は位相変調画素には好適でない。

図４の上部部分は、本発明による位相変調器１の詳細を示す斜視図である。位相変調器１は、第１の基板２、第２の基板３、および電極構成４を含む。液晶分子（図４には図示せず）の層は、第１の基板２と第２の基板３との間に配置される。図４の下方部分は、電極構成４をもつ第２の基板３を概略的に示す断面図である。ここでは、第１の基板は省略されている。この図は、電極構成４が作動されている場合に生じることになる力線をさらに示す。電極構成４はストライプ型設計のものである。電極構成４は、好ましくは、異なる電圧が電極構成４の個別の電極に印加されるように制御される。この異なる電圧は図４ではＶ１からＶ６で明示される。本発明による位相変調器１の位相変調画素では、一定電圧勾配が画素の両端に印加されなければならない。言い換えれば、Ｖ６−Ｖ５＝Ｖ５−Ｖ４＝…＝Ｖ２−Ｖ１＝ΔＶである。位相偏向器では、ストライプ電極は個別に制御される。

図５は、先行技術によるＬＣベース偏光格子を示す図である。ＬＣ分子６は面内で配向され、１つの格子周期にわたって面内で１８０度だけ回転される。図５（ａ）は偏光格子の詳細を示す、すなわち、観察者が、表示面と平行に配置されたそのような偏光格子をもつ表示装置を見る方向で見た正面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の偏光格子の詳細を示す断面図である。Λは偏光格子の格子周期である。

図６Ａは、本発明のさらなる実施形態、すなわち、ＨＡＮモードに基づく偏光格子を備える本発明による位相変調器１の詳細を示す概略３次元斜視図である。簡単な図は、単に、表面７をもつ第１の基板２、表面８をもつ第２の基板３、および液晶分子６をもつ液晶層５を示す。図６Ａの液晶分子６は対称な楕円体の形態で示されているが、液晶分子６は、実際には、フレクソエレクトリック効果を引き起こすバナナ形状または西洋梨形状を有する。いずれにしても、第１の基板の表面７に隣接して位置する液晶分子６は、表面７がそれに応じて設計されているので表面７と実質的に平行に配向される。さらに、第２の基板３の表面８に隣接して位置する液晶分子６は、表面８がそれに応じて設計されているので表面８に実質的に垂直に配向される。電極構成は図６Ａには示されていない。

図６Ｂは、本発明による位相変調器１のさらなる実施形態の詳細を示す断面図である。本発明による位相変調器のこの実施形態では、第１の基板２の第１の表面７は層の形態で製作される。液晶分子６をもつ液晶層５に隣接する表面７は、第１の表面７に隣接して位置する液晶分子６が表面７と実質的に平行に配向されるように製作される。実質的にストライプ形状の電極をもつ電極構成４が基板２上に配置され、表面７の層材料によって埋め込まれる。第２の基板３は、表面８に隣接して位置する液晶分子６が表面８に実質的に垂直に配向されるように製作された層の形態の表面８を有する。図６Ｂの位相変調器１は、１６μｍの格子周期をもつ偏光フィルタが形成されるように制御される作動電極構成４を有し、作動電極構成４は、ここでは、半分のみが示されている。液晶層５の異なるグレースケール値は実際の電界強度を示す。さらに、実際の電界強度の等電位線が示されている。

図６Ｃは、ＨＡＮモードに基づく偏光格子を備える位相変調器１の詳細のさらなる実施形態を示す断面図である。ＨＡＮ構成によれば、ＬＣ分子６は一方の表面層または表面７に対して面内に、すなわち、平行に配向されるが、他方の表面層または表面８に対して面外に、すなわち、実質的に垂直に配向される。偏光格子において格子周期にわたり１８０度だけ回転されるのは面または第１の表面７への液晶分子６の投影であるが、一方、面の外に回転される液晶分子６の角度はほとんど一定のままである。境界の場合は、上部の基板２の近くの単なる面内回転と、下部の基板３の近くの液晶分子自体の軸のまわりの液晶分子６の単なる回転とであるが、後者は、液晶分子がそこで表面７に垂直に配向されているからである。

図７Ａは本発明による光変調器の画素の詳細を示す概略図であり、画素は、表示装置の光変調器の一部であり、観察者が光変調器または表示装置を見る方向で見られる。状況をより明確にするために、同じセルまたは画素が下では９０度だけ回転されている（電極Ｅ２をもつ下部の基板２が右側にある）。上部の図では、下部の液晶分子６は観察者により近い基板に隣接して位置し、図面の面から外を向いている。上部の液晶分子６は観察者からより遠くにある基板に隣接して位置しており、図面の面内にある。図面の面内で同じ回転角を実現するには、正電圧Ｖ１が電極Ｅ１とＥ２との間で必要とされ、正電圧Ｖ１が電極Ｅ２とＥ３との間でやはり必要とされる。これは、電圧２×Ｖ１が電極Ｅ３に印加されることを意味する。

図８Ａは、液晶分子６が表面７と平行に実質的に配向される側に構造化アラインメント層Ａ１およびＡ２をもつ構成である。図面の上部は、電極Ｅ１とＥ２との間の上述と同じ分子アラインメントを示す。しかし、電極Ｅ２とＥ３との間で、分子は上部では逆に、すなわち垂直に、および下部では水平に配向される。これは、同じ電圧が印加される場合、反対方向の回転が生じることになることを意味する。０Ｖの電圧が電極Ｅ１に印加され、電圧Ｖ１が電極Ｅ２に印加され、０Ｖの電圧が電極Ｅ３に再び印加される場合、２つの電極間の電圧の符号は交替するが、回転方向は同じままである。さらなる電極は、電圧Ｖ１および０Ｖを交互に印加され続けることができる。この実施形態は、好ましくは、２つの櫛形状電極しか必要とせず、画素の個別の電極を個別に制御する必要がない。

図７Ｂおよび図８Ｂは、図７Ａおよび図８Ａの上部部分で示した光変調器の同じ詳細を示す３次元図であり、液晶分子６は、大幅に拡大して、および理想化した３次元形状で描かれている。

図９は、各々が本発明による位相変調器のさらなる実施形態の詳細を示す正面図を概略的に示す。このダイヤグラムは、特に、ＨＡＮ位相偏向器における、引き続くフレーム間に導入される位相オフセットの使用を示す。液晶分子６が面配向を有する場合の基板の近くに位置する液晶分子６の配向が単に概略的に示される。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の格子周期が位相オフセットの後に維持されているが、ＤＣ電圧効果が生じえないように印加電圧が変更されていることを示す。図面は、２つの隣接する電極間に印加される相対電圧を電極の上方に示し、個別の電極に印加される絶対電圧を電極の下方に示す。相対電圧は、ほとんどの電極では正と負との間で変化し、いくつかの電極では、０と正または負との間で同様に変化する。この例では、２つのフレーム間の位相オフセットはπであり、それは、液晶分子６の面内回転角の９０度の変化に対応する。一般に、例えば、０、π／２、π、３π／２のシーケンスの後に、結果として生じる時間平均電圧をさらに減少させるために、２つを超えるフレームに異なる位相オフセットを与えることができる。したがって、あるフレームで位相変調器に書き込まれる位相値は、隣接する面内電極間の電圧差が異なるように、引き続くフレームで位相変調器に書き込まれる位相値と位相オフセットだけ異なる。

図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、各々が本発明による位相変調器のさらなる実施形態の詳細を示す概略正面図である。それらは、位相偏向器の平面配向をもつ基板の近くに位置する液晶分子６の配向を概略的に示す。すべての印加電圧の符号が図１０（Ａ）のダイヤグラムと１０（Ｂ）のダイヤグラムとの間で変更されている。これにより、液晶の配向分布がもたらされ、その液晶の配向分布から、位相変調器と交わる光の屈折率分布が導き出される。この屈折率分布は、同じ格子周期をもつ偏光格子であるが、円偏光の光の回転方向が反対である効果がある。同じ入力偏光の光に対して、この偏光格子は異なる符号をもつ位相プロファイルに対応し、異なる方向に光を偏向させることになる。しかし、その上、入射光の偏光が図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示した２つの動作状況の間で、例えば、左回り円偏光から右回り円偏光（矢印で示された）に変更される場合、図１０（Ｂ）の液晶分子６の配向は、最初の偏光にとっての図１０（Ａ）の液晶分子６の配向に比べて、変更された偏光にとって同じ位相プロファイルをもたらす。印加電圧の時間平均が今では２つのフレームの後に０になるのが、この実施形態の有利な態様である。図示の実施形態はすべて位相偏向器である。しかし、説明した概念は、特に、透過および反射光変調器に同様に適用することができる。偏光スイッチング要素は、例えば、平面（非画素化）電極をもつＬＣベースのオン／オフ切替え可能λ／２板の形態で実現することができる。言い換えれば、２つの引き続くフレームの間に、本発明による位相変調器の電極構成の電極に印加される電圧は符号の変化を受ける。多数のフレームのうちの１つの間、位相変調器と交わる光は偏光スイッチング要素により第１の偏光状態にされる。引き続くフレームの間、位相変調器と交わる光は第２の偏光状態にされる。

最後に、上述の実施形態は主張する教示を示すためにのみ理解されるべきであり、主張する教示はこれらの実施形態に限定されないことに注意されたい。

Claims (18)

1. 偏光の位相を変調するための位相変調器（１）であって、
   第１の基板及び第２の基板（２、３）と、
   電極構成（４）と、
   液晶分子（６）を伴う液晶層（５）と、
   を備え、
   前記電極構成は前記第１の基板上と第２の基板上とのいずれかにおいて、平行に配置されるとともに独立して制御可能な別個の複数の電極を有し、
   前記第１の基板（２）は前記第２の基板（３）と向かい合って配置されると共に、前記液晶層（５）は前記第１の基板（２）と前記第２の基板（３）との間に配置され、
   前記第１の基板（２）は、第１の表面（７）を有し、前記第１の表面（７）は前記液晶分子（６）を配向させるように構成され、
   前記第２の基板（３）は、第２の表面（８）を有し、前記第２の表面（８）は前記液晶分子（６）を配向させるように構成され、
   位相変調の原理に基づく可変偏向格子が別個の複数の電極を個々に制御することによって備えられ、
   前記位相変調器が１つより多くの波長に対して設計され、当該位相変調器において光学機能が中間波長に対してλ／２板のとなるように前記液晶層の厚さが選択される、
   ことを特徴とする位相変調器。
2. 光線を設定可能な方向に可変的に偏向することにより、偏向格子として動作可能である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
3. 前記電極構成（４）は、１つの格子周期の範囲内での前記液晶分子の向きの面内成分が、前記別個の電極に適用される電圧を調整することにより、前記適用電圧の１つの符号に対して４５°より大きい設定可能な角度範囲と、前記適用電圧の反対の符号に対して４５°より大きい異なる設定可能な角度範囲とを有するような制御を行うために用いられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
4. 前記電極構成（４）は、１つの格子周期の範囲内での前記液晶分子の向きの面内成分が、前記別個の電極に適用される電圧を調整することにより、隣接する別個の電極に関して独立して１８０°の設定可能な角度範囲を有するような制御を行うために用いられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
5. 前記位相変調器に入射された光線が、当該光線の前記位相変調器の位置に応じて、可変的に指定可能な方向に偏向される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
6. 前記液晶分子は、前記第１の表面（７）と実質的に平行な方向で、当該第１の表面（７）に隣接して位置する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
7. 前記液晶分子は、前記第２の表面（８）と実質的に垂直な方向で、当該第２の表面（８）に隣接して位置する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
8. 前記偏向格子の電極ピッチは、前記液晶層の厚さとほぼ同じ大きさである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
9. 前記位相変調器は、円偏光の位相の変調のために設計される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
10. 前記電極構成は面内電極を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
11. 前記位相変調器（１）は個別の複数の画素を含み、前記位相変調器（１）の各画素は、前記電極構成（４）の少なくとも２つの電極を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
12. 前記電極構成（４）は、１つの画素の領域において実質的に一定の電圧勾配が実現されるような制御のために用いられる、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の位相変調器。
13. 前記電極構成（４）は、独立して制御可能な前記別個の複数の電極に適用される電圧を調整することにより、２つの隣接する電極間で実質的に一定の電圧差が適用されるような制御のために用いられる、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の位相変調器。
14. １つの画素の範囲内の前記電極構成が、当該１つの画素の全域で一様な面内電圧勾配を生成する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
15. 前記位相変調器（１）は、透過型または反射型の位相変調器のいずれかとして動作可能である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
16. 第１のフレームのために前記位相変調器へ書き込まれる位相値は、第２のフレームについての一定距離内の隣接する別個の複数の電極と、前記第１のフレームについての当該隣接する別個の複数の電極との間の電圧差に対応する位相オフセット分だけ、前記第２のフレームのために前記位相変調器へ書き込まれる位相値と異なる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
17. 連続するフレームの間に前記複数の電極に適用される電圧は符号の変化を含み、連続するフレームのうちの１つのフレームの間、前記位相変調器に入射された前記光は、前記位相変調器に入射された光の偏光状態を制御するための偏光スイッチング要素により第１の偏光状態にされ、その後のフレームの間、前記位相変調器に入射された前記光は、第２の偏光状態にされる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
18. 少なくとも１つの光源を有する照明デバイスと、請求項１から１７のいずれか１項に記載の位相変調器とを有する、２次元画像コンテンツと３次元画像コンテンツとの少なくともいずれかを提示するための表示装置であって、
    前記位相変調器が光伝搬の方向において、前記照明デバイスの下流側に配置される、
    ことを特徴とする表示装置。