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JP7564729B2 - Liquid crystal light modulator, liquid crystal display device, and stereoscopic image display device - Google Patents

Liquid crystal light modulator, liquid crystal display device, and stereoscopic image display device Download PDF

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JP7564729B2
JP7564729B2 JP2021022915A JP2021022915A JP7564729B2 JP 7564729 B2 JP7564729 B2 JP 7564729B2 JP 2021022915 A JP2021022915 A JP 2021022915A JP 2021022915 A JP2021022915 A JP 2021022915A JP 7564729 B2 JP7564729 B2 JP 7564729B2
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liquid crystal
electrode
light
display device
light modulator
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慎太郎 麻生
賢一 青島
純一 柴崎
賢司 町田
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Japan Broadcasting Corp
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Description

特許法第30条第2項適用 (1)2020年2月28日に公益社団法人応用物理学会によって発行された第67回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集,12a-PA1-7,2020,p.03-047において発表(1) Published in the Proceedings of the 67th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, 12a-PA1-7, 2020, p. 03-047, published by the Japan Society of Applied Physics on February 28, 2020.

特許法第30条第2項適用 (2)2020年8月3日にSociety for Information Displayによってオンライン発行されたThe 57th International Display Week Symposiumの講演予稿集SID Symposium Digest of Technical Papers,Volume 51,Issue 1,pp.17-20において発表(2) Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. Published online on August 3, 2020 by the Society for Information Display, in the proceedings of the 57th International Display Week Symposium, SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 51, Issue 1, pp. 17-20.

特許法第30条第2項適用 (3)2020年8月6日にSociety for Information Displayによってオンライン開催されたThe 57th International Display Week Symposiumにおいて口頭発表(講演番号:3-5)(3) Oral presentation at the 57th International Display Week Symposium held online by the Society for Information Display on August 6, 2020 (presentation number: 3-5)

特許法第30条第2項適用 (4)2020年10月9日に一般社団法人映像情報メディア学会によってオンライン発行された映像情報メディア学会技術報告,Volume 44,Number 26,IDY2020-35,pp.17-20において発表(4) Published online on October 9, 2020 by the Institute of Image Information and Television Engineers, in the Technical Report of the Institute of Image Information and Television Engineers, Volume 44, Number 26, IDY2020-35, pp. 17-20.

特許法第30条第2項適用 (5)2020年10月16日に一般社団法人映像情報メディア学会によってオンライン開催された映像情報メディア学会情報ディスプレイ研究会「ディスプレイ一般」の依頼講演において口頭発表 (5) Oral presentation at the invited lecture of the "Display General" Information Display Study Group of the Institute of Image Information and Television Engineers, held online by the Institute of Image Information and Television Engineers (ITE) on October 16, 2020.

特許法第30条第2項適用 (6)2020年10月22日に一般社団法人日本液晶学会によってオンライン発行された2020年日本液晶学会オンライン研究発表会講演予稿集,2I03,2020,pp.61-62において発表(6) Published online on October 22, 2020 by the Japanese Liquid Crystal Society, in the Proceedings of the 2020 Japanese Liquid Crystal Society Online Research Presentation, 2I03, 2020, pp. 61-62.

特許法第30条第2項適用 (7)2020年10月30日に一般社団法人日本液晶学会によってオンライン開催された2020年日本液晶学会オンライン研究発表会において口頭発表(講演番号:2I03)(7) Oral presentation at the 2020 Japanese Liquid Crystal Society Online Research Presentation held online by the Japanese Liquid Crystal Society on October 30, 2020 (presentation number: 2I03)

特許法第30条第2項適用 (8)2020年12月10日に一般社団法人ディスプレイ国際ワークショップによってオンライン発行されたThe 27th International Display Workshops(IDW’20)の講演予稿集 Proceedings of the International Display Workshops,Volume 27,LCT7-1,2020,pp.91-94において発表(8) Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. Published online on December 10, 2020 by the International Display Workshop, Inc. (IDW'20) Proceedings of the International Display Workshops, Volume 27, LCT7-1, 2020, pp. 91-94.

特許法第30条第2項適用 (9)2020年12月10日に一般社団法人ディスプレイ国際ワークショップによってオンライン開催されたThe 27th International Display Workshops(IDW’20)において口頭発表(講演番号:LCT7-1)(9) Oral presentation at the 27th International Display Workshops (IDW'20), held online by the International Display Workshops (IDW'20) on December 10, 2020 (presentation number: LCT7-1)

本発明は、液晶光変調器、ならびにこの液晶光変調器を用いた液晶表示装置および立体像表示装置に関する。 The present invention relates to a liquid crystal light modulator, and a liquid crystal display device and a stereoscopic image display device that use this liquid crystal light modulator.

空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)は、画素として光学素子(光変調素子)をマトリクス状に二次元配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、ディスプレイ技術、記録技術、レーザー加工等の分野で広く利用されている。空間光変調器は、例えば、液晶や磁気光学材料を光学素子に適用して光の偏光方向を変化させる(旋光させる)もの、あるいは、画素毎に可動式の微小なミラーを備えて光の反射方向を変化させるDMD(Digital Mirror Device)方式のものが開発され、高精細化や小型化のために画素の微細化について研究されている。中でも、旋光角が大きい、すなわち光変調度が高く、また、比較的容易に製造することができる液晶を光学素子に適用した空間光変調器が、液晶ディスプレイ(LCD)等に広く適用されている。空間光変調器は、立体像表示装置等への適用のために、いっそうの多画素化および高精細化が要求され、特にホログラフィ方式(例えば、非特許文献1,2)においては、十分な視域角を得るために、画素のピッチ(画素長)を最大でも2μm程度、さらにはより微細とすることが望まれている。 A spatial light modulator (SLM) is a device that spatially modulates the phase and amplitude of light by arranging optical elements (light modulation elements) as pixels in a two-dimensional matrix, and is widely used in fields such as display technology, recording technology, and laser processing. For example, spatial light modulators that use liquid crystal or magneto-optical materials as optical elements to change the polarization direction of light (rotate the light), or DMD (Digital Mirror Device) type devices that have a movable tiny mirror for each pixel to change the reflection direction of light have been developed, and research is being conducted on miniaturizing pixels to achieve higher definition and smaller size. Among them, spatial light modulators that use liquid crystal as an optical element, which has a large angle of rotation, i.e. a high degree of light modulation, and is relatively easy to manufacture, are widely used in liquid crystal displays (LCDs) and the like. For applications in stereoscopic image display devices and the like, spatial light modulators are required to have an even greater number of pixels and higher resolution. In particular, in holography systems (e.g., Non-Patent Documents 1 and 2), it is desirable to make the pixel pitch (pixel length) at most about 2 μm, or even finer, in order to obtain a sufficient viewing angle.

液晶による光学素子(液晶光学素子)は、駆動方式にもよるが、図5に模式的に示すように、液晶層20、およびその上下に配置された一対の電極3,4を備えて、液晶層20に電圧を印加して垂直方向の電界を発生させる。また、液晶分子2の向きを制御するために、液晶層20の上下にそれぞれ接触した配向膜21,22が設けられる。例えばねじれネマティック(Twisted Nematic:TN)方式の場合、無電界状態の液晶層20は、図5右側に示すように、液晶分子2が、膜面方向において少しずつ異なる方向に沿って倒れて、90°ねじれるように上下に配列している。一方、電極3,4から電圧を印加されて膜面垂直方向の電界が発生していると、液晶層20は、図5左側に示すように、液晶分子2が電界に沿って垂直に起立している。このような液晶光学素子の上下に偏光子71,72をパラレルニコル配置して、偏光子71を介して液晶層20に1つの偏光成分の光(直線偏光)Lを入射する。液晶層20は、電圧を印加されていないと、透過する光Lの偏光方向を90°変化させるので、光Lが偏光子(検光子)72で遮光され、電圧を印加されていると、偏光方向を変化させず、光Lが偏光子72を透過する。 As shown in FIG. 5, an optical element using liquid crystals (liquid crystal optical element) is provided with a liquid crystal layer 20 and a pair of electrodes 3 and 4 arranged above and below the liquid crystal layer 20, depending on the driving method, and generates a vertical electric field by applying a voltage to the liquid crystal layer 20. In addition, alignment films 21 and 22 are provided in contact with the top and bottom of the liquid crystal layer 20 to control the orientation of the liquid crystal molecules 2. For example, in the case of a twisted nematic (TN) method, the liquid crystal layer 20 in an electric field-free state is arranged vertically so that the liquid crystal molecules 2 are tilted in slightly different directions in the film surface direction and twisted 90 degrees, as shown in the right side of FIG. 5. On the other hand, when a voltage is applied from the electrodes 3 and 4 to generate an electric field perpendicular to the film surface, the liquid crystal layer 20 has the liquid crystal molecules 2 standing vertically along the electric field, as shown in the left side of FIG. 5. Polarizers 71 and 72 are arranged in a parallel Nicol arrangement above and below such a liquid crystal optical element, and one polarized component of light (linearly polarized light) L is incident on the liquid crystal layer 20 through the polarizer 71. When no voltage is applied, the liquid crystal layer 20 changes the polarization direction of the transmitted light L by 90°, so that the light L is blocked by the polarizer (analyzer) 72, but when a voltage is applied, the polarization direction does not change and the light L passes through the polarizer 72.

このような液晶光学素子を画素とする空間光変調器(以下、液晶光変調器と称する)は、一般的に、一対の電極の一方(図5では、液晶層20の下側の電極3)が画素毎に設けられる画素電極として互いに離間して二次元配列され、他方(電極4)が全画素共通の電極(対向電極)として全面に設けられる。液晶光変調器は、画素電極3のさらに下に、TFT(薄膜トランジスタ)またはMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)で形成されたトランジスタおよび蓄積容量を有する駆動回路を画素毎に備えて、画素電極3と電気的に接続する。駆動回路に入力する信号線によって、画素電極3はそれぞれ対向電極4に対して所定の電位差または同電位となり、液晶層20は、画素電極3毎にその直上の領域において電界が発生しまたは無電界となる。その結果、光が画素毎に偏光子72を透過して明(白)表示または遮光されて暗(黒)表示となる。また、画素電極3同士の間隙上においては液晶層20に電界が発生しないので、非開口部として、液晶光変調器は、画素間の境界に沿って格子状のブラックマトリクスが設けられる。したがって、液晶光変調器の画素の微細化は、主に駆動回路に制約される。特に、トランジスタがMOSFETで形成されたLCOS(Liquid Crystal On Silicon)-SLMは、駆動回路がSi基板に形成されるために反射型の液晶光変調器(例えば、特許文献1)に限定されるが、画素がTFTよりも容易に微細化でき、3μmピッチ程度にまで実現されている。 In a spatial light modulator (hereinafter referred to as a liquid crystal light modulator) using such liquid crystal optical elements as pixels, one of a pair of electrodes (electrode 3 below the liquid crystal layer 20 in FIG. 5) is generally arranged two-dimensionally at a distance from each other as a pixel electrode provided for each pixel, and the other (electrode 4) is provided on the entire surface as an electrode (counter electrode) common to all pixels. The liquid crystal light modulator has a transistor formed of a TFT (thin film transistor) or a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) and a driving circuit having a storage capacitance below the pixel electrode 3, and is electrically connected to the pixel electrode 3. Depending on the signal line input to the driving circuit, the pixel electrodes 3 are each set to a predetermined potential difference or the same potential with respect to the counter electrode 4, and the liquid crystal layer 20 generates or has no electric field in the area directly above each pixel electrode 3. As a result, light passes through the polarizer 72 for each pixel to display light (white) or is blocked to display dark (black). In addition, since no electric field is generated in the liquid crystal layer 20 in the gaps between the pixel electrodes 3, the liquid crystal light modulator is provided with a lattice-shaped black matrix along the boundaries between the pixels as non-openings. Therefore, miniaturization of the pixels of the liquid crystal light modulator is mainly restricted by the drive circuit. In particular, LCOS (Liquid Crystal On Silicon)-SLMs, in which the transistors are made of MOSFETs, are limited to reflective liquid crystal light modulators (for example, Patent Document 1) because the drive circuit is formed on a Si substrate, but the pixels can be miniaturized more easily than TFTs, and have been realized to a pitch of about 3 μm.

一方で、液晶光変調器においては、画素が微細化して、特に画素長に対する液晶層の厚さ(セル厚)の比が高くなると、隣り合う明暗の画素間で漏れ電界の影響が大きくなって、表示のコントラストが低下する。詳しくは、画素毎に区画された画素電極3に対して対向電極4は広く形成されているので、電圧を印加している画素の画素電極3から、ある程度外側へ広がって斜め方向に対向電極4へ向かう弱い電界も発生する。そして、画素長が短いと、この斜め方向の電界が、隣の無印加の画素の画素電極3上(開口部)にまで到達する。さらに、隣り合う明表示の画素と暗表示の画素の画素電極3,3間で面内(横)方向にも電界が漏れる。これらの漏れ電界によって、電圧を印加していない画素の開口部においても、液晶分子2が斜めに立ち上がって本来の(完全な)暗表示または明表示とならない、不完全な表示となる。 On the other hand, in liquid crystal light modulators, as pixels become finer and the ratio of the thickness of the liquid crystal layer (cell thickness) to the pixel length becomes higher, the effect of leakage electric fields between adjacent bright and dark pixels becomes greater, and the display contrast decreases. In detail, since the counter electrode 4 is formed wide with respect to the pixel electrodes 3 partitioned for each pixel, a weak electric field is generated that spreads outward to a certain extent from the pixel electrode 3 of the pixel to which voltage is applied and heads diagonally toward the counter electrode 4. If the pixel length is short, this diagonal electric field reaches the pixel electrode 3 (opening) of the adjacent pixel to which no voltage is applied. Furthermore, the electric field also leaks in the in-plane (horizontal) direction between the pixel electrodes 3, 3 of the adjacent bright display pixel and dark display pixel. Due to these leakage electric fields, even in the opening of the pixel to which no voltage is applied, the liquid crystal molecules 2 rise diagonally, resulting in an incomplete display that does not show the original (complete) dark or bright display.

液晶光変調器における画素間の漏れ電界を抑制するために、液晶層を仕切る誘電体からなる壁を画素の境界に沿って設けた液晶光変調器が開示されている(非特許文献3,4)。あるいは、透明基板に凹凸を形成してその上に対向電極を成膜し、画素間の境界において液晶層の厚さが最小となるように対向電極を突出させた液晶光変調器が開示されている(特許文献2)。電圧を印加している画素の画素電極から斜め方向に対向電極へ向かう電界や隣の画素の画素電極へ横方向に向かう電界が、非開口部で突出した対向電極でブロックまたはトラップされて無印加の画素の開口部まで到達し難くなり、これらの漏れ電界を弱くする。 In order to suppress leakage electric fields between pixels in a liquid crystal light modulator, a liquid crystal light modulator has been disclosed in which walls made of a dielectric that separate the liquid crystal layer are provided along the boundaries of the pixels (Non-Patent Documents 3 and 4). Alternatively, a liquid crystal light modulator has been disclosed in which unevenness is formed on a transparent substrate, a counter electrode is formed on the substrate, and the counter electrode is protruded so that the thickness of the liquid crystal layer at the boundaries between pixels is minimized (Patent Document 2). The electric field that flows diagonally from the pixel electrode of a pixel to which a voltage is applied to the counter electrode and the electric field that flows horizontally to the pixel electrode of an adjacent pixel are blocked or trapped by the protruding counter electrode at the non-aperture, making it difficult for them to reach the aperture of a pixel to which no voltage is applied, thereby weakening these leakage electric fields.

特許第4643786号公報Patent No. 4643786 特開2020-64192号公報JP 2020-64192 A

三科智之,“空間像再生型立体映像の研究動向”,NHK技研R&D,No.151,p.10-17,2015年5月Tomoyuki Mishina, "Research Trends in Spatial Image Reproduction 3D Images," NHK STRL R&D, No. 151, pp. 10-17, May 2015 Fai Mok, Joseph Diep, Hua-Kuang Liu, Demetri Psaltis, “Real-time computer-generated hologram by means of liquid-crystal television spatial light modulator”, Optics Letters, Volume 11, Issue 11, pp. 748-570, 1986Fai Mok, Joseph Diep, Hua-Kuang Liu, Demetri Psaltis, “Real-time computer-generated hologram by means of liquid-crystal television spatial light modulator”, Optics Letters, Volume 11, Issue 11, pp. 748-570, 1986 Yoshitomo Isomae, Yosei Shibata, Takahiro Ishinabe, Hideo Fujikake, “Design of 1-μm-pitch liquid crystal spatial light modulators having dielectric shield wall structure for holographic display with wide field of view”, Optical Review, Volume 24, Issue 2, pp. 165-176, April 2017Yoshitomo Isomae, Yosei Shibata, Takahiro Ishinabe, Hideo Fujikake, “Design of 1-μm-pitch liquid crystal spatial light modulators having dielectric shield wall structure for holographic display with wide field of view”, Optical Review, Volume 24, Issue 2, pp . 165-176, April 2017 Yoshitomo Isomae, Yosei Shibata, Takahiro Ishinabe, Hideo Fujikake, “Experimental study of 1-μm-pitch light modulation of a liquid crystal separated by dielectric shield walls formed by nanoimprint technology for electronic holographic displays”, Optical Engineering, Volume 57, Issue 6, 061624, June 2018Yoshitomo Isomae, Yosei Shibata, Takahiro Ishinabe, Hideo Fujikake, “Experimental study of 1-μm-pitch light modulation of a liquid crystal separated by dielectric shield walls formed by nanoimprint technology for electronic holographic displays”, Optical Engineering, Volume 57, Issue 6 , 061624, June 2018

非特許文献3,4や特許文献2のような狭画素ピッチ化された液晶光変調器の開発において、特に駆動回路を構成する現行のMOSFET等の微細化を超える場合には、例えば明暗の画素を1画素ずつ交互に配置した固定したパターンを有する液晶光変調器による動作実験が行われる。このような液晶光変調器は、外部電源をその両極にそれぞれ接続するために、帯状の画素電極をストライプ状に並べた一次元の明暗パターン(例えば、非特許文献4参照)、または、前記のストライプ状に並べた電極をその長手方向に2列に配列した画素電極による明暗パターンに限定される。特に強誘電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal:FLC)は、ネマティック液晶と異なり一般的な配向シミュレーション手法が確立していないので、狭画素ピッチ化検証等において実験用のデバイスが必要とされる。また、立体像表示装置の開発においては、多数の画素を二次元配列した空間光変調器が必要となる。3列以上の二次元の明暗パターンは、例えば、画素電極の下にコンタクトホールを形成した絶縁膜を挟んで外部電源と接続する配線を形成することにより実現されるが、このような多層配線構造を実験機用に作製することは容易ではない。 In the development of narrow-pixel-pitch liquid crystal light modulators such as those in Non-Patent Documents 3 and 4 and Patent Document 2, especially when the miniaturization of the current MOSFETs that constitute the driving circuits is exceeded, operation experiments are conducted using liquid crystal light modulators with a fixed pattern in which light and dark pixels are arranged alternately, for example. In order to connect an external power supply to both poles of such liquid crystal light modulators, the one-dimensional light and dark pattern (see Non-Patent Document 4, for example) in which band-shaped pixel electrodes are arranged in a stripe shape, or the light and dark pattern of pixel electrodes in which the electrodes arranged in a stripe shape are arranged in two rows in the longitudinal direction, is limited. In particular, unlike nematic liquid crystals, there is no established general orientation simulation method for ferroelectric liquid crystals (FLCs), so experimental devices are required for narrow pixel pitch verification, etc. In addition, in the development of stereoscopic image displays, a spatial light modulator with a large number of pixels arranged two-dimensionally is required. A two-dimensional light-dark pattern with three or more rows can be realized, for example, by forming wiring that connects to an external power supply through an insulating film with contact holes formed under the pixel electrodes, but it is not easy to fabricate such a multilayer wiring structure for an experimental device.

本発明は前記問題点に鑑み創案されたものであり、駆動回路を備えなくても所望の画像の表示が可能な簡易な構成の液晶光変調器、ならびに、このような液晶光変調器を搭載した液晶表示装置および立体像表示装置を提供することを課題とする。 The present invention was devised in consideration of the above problems, and aims to provide a liquid crystal light modulator with a simple configuration that can display a desired image without a drive circuit, as well as a liquid crystal display device and a stereoscopic image display device equipped with such a liquid crystal light modulator.

すなわち本発明に係る液晶光変調器は、液晶層、ならびに、前記液晶層を上下から挟んで電圧を上下方向に印加する上部電極および下部電極を備え、前記下部電極と前記液晶層との間に、複数の開口が形成された共通電極と、平面視で前記開口の内側に開口が形成され、前記共通電極と前記下部電極とを絶縁する電極層間絶縁膜と、を積層してさらに備え、前記共通電極と前記電極層間絶縁膜とに形成された開口に絶縁層が埋め込まれ、前記絶縁層は、材料の比誘電率および/または厚さが前記開口によって異なる構造とする。 In other words, the liquid crystal optical modulator of the present invention comprises a liquid crystal layer, and upper and lower electrodes which sandwich the liquid crystal layer from above and below and apply a voltage in the vertical direction, and further comprises a common electrode having a plurality of openings formed between the lower electrode and the liquid crystal layer, and an electrode interlayer insulating film which has an opening formed inside the opening in a planar view and insulates the common electrode from the lower electrode , and an insulating layer is embedded in the openings formed in the common electrode and the electrode interlayer insulating film, and the insulating layer has a structure in which the dielectric constant and/or thickness of the material varies depending on the opening .

かかる構成により、液晶光変調器は、下部電極に対して液晶層のより近くに設けられた共通電極によって、下部電極が共通電極の開口にのみ設けられた状態となり、共通電極の開口パターンによって所望の二次元の明暗パターンとすることができる。 With this configuration, the liquid crystal light modulator has a common electrode that is located closer to the liquid crystal layer than the lower electrode, so that the lower electrode is located only in the openings of the common electrode, and the opening pattern of the common electrode can create the desired two-dimensional light and dark pattern.

本発明に係る液晶表示装置は、前記液晶光変調器と、前記液晶光変調器の上側または下側に配置された偏光子と、を備え、前記偏光子を配置された側に光を照射されて画像を表示する。あるいは本発明に係る液晶表示装置は、前記液晶光変調器と、前記液晶光変調器の上側と下側に配置された2つの偏光子と、を備え、上方または下方の一方から光を照射されて、他方に画像を表示する。かかる構成により、液晶表示装置は、液晶光変調器の共通電極の開口パターンによって所望の画像を表示することができる。 The liquid crystal display device according to the present invention comprises the liquid crystal light modulator and a polarizer arranged above or below the liquid crystal light modulator, and displays an image by irradiating the side on which the polarizer is arranged with light. Alternatively, the liquid crystal display device according to the present invention comprises the liquid crystal light modulator and two polarizers arranged above and below the liquid crystal light modulator, and displays an image on the other side by irradiating light from either above or below. With this configuration, the liquid crystal display device can display a desired image by the opening pattern of the common electrode of the liquid crystal light modulator.

本発明に係る立体像表示装置は、前記液晶表示装置と、前記液晶表示装置に光を照射する光源と、前記液晶表示装置の液晶光変調器の上部電極、下部電極、および共通電極に接続する電源と、を備える。かかる構成により、立体像表示装置は、所望の二次元パターンに基づく立体像を表示することができる。 The stereoscopic image display device according to the present invention comprises the liquid crystal display device, a light source that irradiates light onto the liquid crystal display device, and a power source that is connected to the upper electrode, lower electrode, and common electrode of the liquid crystal light modulator of the liquid crystal display device. With this configuration, the stereoscopic image display device can display a stereoscopic image based on a desired two-dimensional pattern.

本発明に係る液晶光変調器によれば、駆動回路を備えずに所望の画像を表示可能な、簡易な構成の液晶表示装置が得られ、共通電極の加工精度に対応した範囲で微細な画素を構成することもできる。本発明に係る液晶表示装置および立体像表示装置によれば、所望の画像を微細な画素で表示することができる。 The liquid crystal light modulator according to the present invention provides a simply configured liquid crystal display device capable of displaying a desired image without a drive circuit, and can also configure fine pixels within a range corresponding to the processing accuracy of the common electrode. The liquid crystal display device and stereoscopic image display device according to the present invention can display a desired image with fine pixels.

本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器の構造を説明する外観図である。1 is an external view illustrating a structure of a liquid crystal optical modulator according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器の構造を説明する模式図であり、図1の部分断面図である。1 is a schematic diagram illustrating a structure of a liquid crystal optical modulator according to a first embodiment of the present invention, and is a partial cross-sectional view of FIG. 図1に示す液晶光変調器の共通電極の平面図である。2 is a plan view of a common electrode of the liquid crystal light modulator shown in FIG. 1 . 図1に示す液晶光変調器を備える液晶表示装置の表示パターンの模式図である。2 is a schematic diagram of a display pattern of a liquid crystal display device including the liquid crystal light modulator shown in FIG. 1 . ねじれネマティック方式の液晶光変調器における液晶光学素子の動作を説明する模式図である。1A and 1B are schematic diagrams illustrating the operation of a liquid crystal optical element in a twisted nematic type liquid crystal light modulator. 位相差の違いによる偏光特性の変化を説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating changes in polarization characteristics due to differences in phase difference. 本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器の別の構造を説明する模式図であり、図1の部分断面図である。1A is a schematic diagram illustrating another structure of the liquid crystal optical modulator according to the first embodiment of the present invention, and is a partial cross-sectional view of FIG. 本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器の別の構造を説明する模式図であり、図1の部分断面図である。1A is a schematic diagram illustrating another structure of the liquid crystal optical modulator according to the first embodiment of the present invention, and is a partial cross-sectional view of FIG. 本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器を備える液晶表示装置の構造および動作を説明する模式図である。1A and 1B are schematic diagrams illustrating the structure and operation of a liquid crystal display device including a liquid crystal optical modulator according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るインテグラル方式の立体像表示装置の構造を説明する模式図である。1 is a schematic diagram illustrating a structure of an integral type stereoscopic image display device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るホログラフィ方式の立体像表示装置の構造を説明する模式図である。1 is a schematic diagram illustrating a structure of a holographic stereoscopic image display device according to an embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の変形例に係る液晶光変調器を備える液晶表示装置の構造および動作を説明する模式図である。5A to 5C are schematic diagrams illustrating the structure and operation of a liquid crystal display device including a liquid crystal optical modulator according to a modified example of the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の変形例に係る液晶光変調器を備える投射型表示装置の構造を説明する模式図である。5A to 5C are schematic diagrams illustrating a structure of a projection type display device including a liquid crystal light modulator according to a modified example of the first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る液晶光変調器の構造を説明する模式図であり、図1の部分断面図に相当する。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the structure of a liquid crystal optical modulator according to a second embodiment of the present invention, and corresponds to the partial cross-sectional view of FIG. 本発明の第2実施形態およびその変形例に係る液晶光変調器への印加電圧のタイムチャートである。13 is a time chart of voltages applied to a liquid crystal optical modulator according to a second embodiment of the present invention and its modified example. 本発明の第2実施形態の変形例に係る液晶光変調器の構造を説明する模式図であり、図1の部分断面図に相当する。FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a structure of a liquid crystal optical modulator according to a modified example of the second embodiment of the present invention, and corresponds to the partial cross-sectional view of FIG. 本発明の第3実施形態に係る液晶光変調器の構造を模式的に説明する部分断面図である。FIG. 11 is a partial cross-sectional view illustrating a structure of a liquid crystal optical modulator according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態に係る液晶光変調器を備える液晶表示装置の構造および動作を説明する模式図である。11A to 11C are schematic diagrams illustrating the structure and operation of a liquid crystal display device including a liquid crystal optical modulator according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態に係る液晶光変調器を備える液晶表示装置の構造および動作を説明する模式図である。13A to 13C are schematic diagrams illustrating the structure and operation of a liquid crystal display device including a liquid crystal optical modulator according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態に係る液晶光変調器への印加電圧のタイムチャートである。13 is a time chart of a voltage applied to a liquid crystal optical modulator according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器のサンプルの共通電極の平面視形状、およびシミュレーションの観測位置を説明する平面図である。4 is a plan view illustrating the planar shape of a common electrode of a sample of a liquid crystal optical modulator according to the first embodiment of the present invention and an observation position for a simulation. FIG. 本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器のサンプルの断面における電位分布と液晶配向である。4 shows the potential distribution and liquid crystal orientation in a cross section of a sample of the liquid crystal optical modulator according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器のサンプルの平面における電位分布と液晶配向である。3 shows the electric potential distribution and liquid crystal orientation in a plane of a sample of the liquid crystal optical modulator according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器のサンプルの平面における液晶配向、および透過率の二次元分布図である。3 is a two-dimensional distribution diagram of liquid crystal orientation and transmittance in a plane of a sample of the liquid crystal optical modulator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 本発明の第2実施形態およびその変形例に係る液晶光変調器のサンプルの共通電極の平面視形状、およびシミュレーションの観測位置を説明する平面図である。13A and 13B are plan views for explaining the planar shapes of the common electrodes of samples of liquid crystal optical modulators according to the second embodiment and the modified examples of the present invention, and the observation positions for the simulation. 本発明の第2実施形態に係る液晶光変調器のサンプルの断面における電位分布と液晶配向である。13 shows the potential distribution and liquid crystal orientation in a cross section of a sample of a liquid crystal optical modulator according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る液晶光変調器のサンプルの透過率の二次元分布図である。FIG. 11 is a two-dimensional distribution diagram of the transmittance of a sample of a liquid crystal optical modulator according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態の変形例に係る液晶光変調器のサンプルの断面における電位分布と液晶配向である。13 shows the potential distribution and liquid crystal orientation in a cross section of a sample of a liquid crystal optical modulator according to a modified example of the second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態の変形例に係る液晶光変調器のサンプルの透過率の二次元分布図である。FIG. 11 is a two-dimensional distribution diagram of the transmittance of a sample of a liquid crystal optical modulator according to a modified example of the second embodiment of the present invention.

本発明に係る液晶光変調器および液晶表示装置を実現するための形態について、図を参照して説明する。図面に示す液晶光変調器およびその要素は、説明を明確にするために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状を単純化していることがある。 The following describes the configuration for realizing the liquid crystal optical modulator and liquid crystal display device according to the present invention with reference to the drawings. The liquid crystal optical modulator and its elements shown in the drawings may be exaggerated in size and positional relationship, and may be simplified in shape, in order to clarify the explanation.

〔第1実施形態〕
本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器10は、図1および図2に示すように、液晶層20、液晶層20を上下から挟む上部電極41および下部電極31、下部電極31と液晶層20の間に設けられた開口32aが形成された共通電極32、ならびに共通電極32と下部電極31とを絶縁する電極層間絶縁膜52を備える。液晶光変調器10はさらに、液晶層20の上下面にそれぞれ接する配向膜21,22、上部電極41の上の透明基板61、および下部電極31の下の透明基板62を備える。液晶光変調器10は、上方または下方の一方から全面に入射された光(可視光)を透過して他方へ出射し、その際に所定の一部の領域において光の偏光方向を変化させる透過型の空間光変調器である。また、液晶光変調器10は、図4に示す固定パターンを像として表示する液晶表示装置に適用される。ここでは説明を簡潔にするために、液晶光変調器10は、12行×8列の96個の画素による表示パターンで例示する。以下、本実施形態に係る液晶光変調器を構成する各要素を詳細に説明する。
First Embodiment
As shown in Fig. 1 and Fig. 2, the liquid crystal light modulator 10 according to the first embodiment of the present invention includes a liquid crystal layer 20, an upper electrode 41 and a lower electrode 31 sandwiching the liquid crystal layer 20 from above and below, a common electrode 32 with an opening 32a formed between the lower electrode 31 and the liquid crystal layer 20, and an inter-electrode insulating film 52 insulating the common electrode 32 from the lower electrode 31. The liquid crystal light modulator 10 further includes alignment films 21 and 22 respectively in contact with the upper and lower surfaces of the liquid crystal layer 20, a transparent substrate 61 above the upper electrode 41, and a transparent substrate 62 below the lower electrode 31. The liquid crystal light modulator 10 is a transmissive spatial light modulator that transmits light (visible light) incident on the entire surface from either above or below and emits it to the other side, changing the polarization direction of the light in a predetermined partial area. The liquid crystal light modulator 10 is also applied to a liquid crystal display device that displays a fixed pattern shown in Fig. 4 as an image. For the sake of simplicity, the liquid crystal light modulator 10 is illustrated with a display pattern of 96 pixels in 12 rows and 8 columns. Each element constituting the liquid crystal light modulator according to this embodiment will be described in detail below.

(液晶層)
液晶層20は、液晶材料からなり、ねじれネマティック(Twisted Nematic:TN)方式(図5参照)、垂直配向(Vertical Alignment:VA)方式、または強誘電性液晶(FLC)方式等の液晶ディスプレイの表示装置に適用される公知の材料が挙げられる。液晶層20は、TN方式であれば、正の誘電率異方性を有する液晶(p型液晶)が適用され、VA方式であれば、負の誘電率異方性を有する液晶(n型液晶)が適用される。ここでは、液晶層20はTN方式であるとして説明する。無電界状態(初期状態)の液晶層20では、図5右側に示すように、液晶分子2は、上側の配向膜21および下側の配向膜22によってそれぞれの表面性状に沿って面内における90°異なる方向に倒れようとするので、面内方向で少しずつ向きを変えて上下に配列している。このようにねじれるように上下に配列した液晶分子2によって、液晶層20は、透過する光における互いに直交する偏光成分間に位相差を生じさせる。一方、液晶層20は、垂直方向の電界が生じているとその強さに応じた傾きで液晶分子2が立ち上がり、最大で垂直に起立して透過する光の位相差δが0になる。液晶層20の厚さ(セル厚)は、所望の光学特性が得られるように、液晶材料等に応じて0.5~5μm程度の範囲で設計される。透過型の空間光変調器である液晶光変調器10においては、位相差δが最大で(TN方式においては無電界状態で、VA方式においては最大駆動電圧印加時で)πとなることが好ましい。ただし、セル厚が大きいと、液晶光変調器10の応答速度が低速になる。
(Liquid crystal layer)
The liquid crystal layer 20 is made of a liquid crystal material, and examples of such known materials are those applied to liquid crystal display devices such as twisted nematic (TN) type (see FIG. 5), vertical alignment (VA) type, or ferroelectric liquid crystal (FLC) type. If the liquid crystal layer 20 is of the TN type, a liquid crystal having a positive dielectric anisotropy (p-type liquid crystal) is applied, and if the liquid crystal layer 20 is of the VA type, a liquid crystal having a negative dielectric anisotropy (n-type liquid crystal) is applied. Here, the liquid crystal layer 20 will be described as being of the TN type. In the liquid crystal layer 20 in a no-field state (initial state), as shown on the right side of FIG. 5, the liquid crystal molecules 2 try to fall in different directions by 90° in the plane along the respective surface characteristics due to the upper alignment film 21 and the lower alignment film 22, so that they are aligned up and down by changing their orientation little by little in the in-plane direction. The liquid crystal molecules 2 aligned up and down in such a twisted manner cause the liquid crystal layer 20 to generate a phase difference between the mutually orthogonal polarized components in the transmitted light. On the other hand, when a vertical electric field is applied to the liquid crystal layer 20, the liquid crystal molecules 2 rise at an angle according to the strength of the electric field, and at maximum, they rise vertically, and the phase difference δ of the transmitted light becomes 0. The thickness (cell thickness) of the liquid crystal layer 20 is designed in the range of about 0.5 to 5 μm according to the liquid crystal material, etc., so that the desired optical characteristics are obtained. In the liquid crystal light modulator 10, which is a transmissive spatial light modulator, it is preferable that the phase difference δ is at maximum π (in the no electric field state in the TN type, and when the maximum driving voltage is applied in the VA type). However, if the cell thickness is large, the response speed of the liquid crystal light modulator 10 becomes slow.

図6に示すように、位相差δによって透過する光の偏光特性が2π周期で変化する。液晶層20の位相差δがπの場合には、図5右側に示すように直線偏光が偏光方向の90°異なる直線偏光になり、右回りの円偏光が左回りの円偏光になる。また、液晶層20は、電界が弱い(最大ではない)と液晶分子2が斜めに立ち上がり、その立ち上がり角に応じて光を位相差π未満で変調させる。なお、図5では液晶層20に直線偏光を入射しているが、液晶の駆動方式が図5に示すようなTN方式やVA方式(図12参照)の場合には、後記するように、液晶層20による光の位相差を補償するために、上下の偏光子71,72との間にそれぞれ位相差板が設けられて、液晶光変調器10には円偏光が入射されることが好ましい。 As shown in FIG. 6, the polarization characteristics of the transmitted light change with a period of 2π due to the phase difference δ. When the phase difference δ of the liquid crystal layer 20 is π, linearly polarized light becomes linearly polarized light with a 90° difference in the polarization direction, and right-handed circularly polarized light becomes left-handed circularly polarized light, as shown on the right side of FIG. 5. In addition, when the electric field is weak (not maximum), the liquid crystal molecules 2 of the liquid crystal layer 20 rise obliquely, and modulate the light with a phase difference of less than π according to the rise angle. In FIG. 5, linearly polarized light is incident on the liquid crystal layer 20, but when the liquid crystal driving method is the TN method or VA method (see FIG. 12) as shown in FIG. 5, it is preferable to provide a retarder between the upper and lower polarizers 71 and 72 to compensate for the phase difference of light caused by the liquid crystal layer 20, as described later, and to have circularly polarized light incident on the liquid crystal light modulator 10.

(配向膜)
配向膜21および配向膜22は、液晶分子2の向きを制御するために、液晶層20の上下に接触して設けられる。液晶光変調器10においては、配向膜21は上部電極41の表面(液晶層20側の面を指す)に形成され、配向膜22は共通電極32の表面および共通電極32の開口32aに露出した電極層間絶縁膜52の表面に形成される。配向膜21,22は、ポリイミド等の有機膜やSi酸化物(SiOx)等の無機膜であり、液晶の駆動方式に対応した公知の材料が適用され、数十~100nm程度の膜厚に形成される。本実施形態では、TN方式として、配向膜21,22はそれぞれ表面(液晶層20に接触する面)に、一方向およびその垂直方向に沿った微小な溝等を形成され(配向処理)、さらに必要に応じて、電圧印加時に液晶分子2が同じ向きに傾きながら立ち上がるように配向処理を施される。例えば、ポリイミドは、塗布法によって成膜された後にラビング法やUV照射によって配向処理され、SiOxは、斜方蒸着によって成膜と同時に配向処理される。
(Alignment film)
The alignment films 21 and 22 are provided in contact with the top and bottom of the liquid crystal layer 20 in order to control the orientation of the liquid crystal molecules 2. In the liquid crystal light modulator 10, the alignment film 21 is formed on the surface of the upper electrode 41 (the surface on the liquid crystal layer 20 side), and the alignment film 22 is formed on the surface of the common electrode 32 and the surface of the electrode interlayer insulating film 52 exposed in the opening 32a of the common electrode 32. The alignment films 21 and 22 are organic films such as polyimide or inorganic films such as silicon oxide (SiO x ), and are formed to a thickness of about several tens to 100 nm using a known material corresponding to the liquid crystal driving method. In this embodiment, as the TN method, the alignment films 21 and 22 are each formed on the surface (the surface in contact with the liquid crystal layer 20) with minute grooves or the like along one direction and a direction perpendicular thereto (alignment treatment), and further, as necessary, are subjected to alignment treatment so that the liquid crystal molecules 2 stand up while tilting in the same direction when a voltage is applied. For example, polyimide is formed into a film by a coating method and then oriented by a rubbing method or UV irradiation, while SiO x is formed into a film by oblique deposition and simultaneously oriented.

(上部電極、下部電極)
下部電極31および上部電極41は、液晶層20に垂直方向の電界を発生させるために設けられる。本発明においては、後記の共通電極32によって表示パターンが形成され、下部電極31および上部電極41は共に、すべての画素で共有されて一体に連続した膜として設けられる。
(Top electrode, bottom electrode)
The lower electrode 31 and the upper electrode 41 are provided to generate an electric field in the vertical direction in the liquid crystal layer 20. In the present invention, a display pattern is formed by a common electrode 32 described later, and the lower electrode 31 and the upper electrode 41 Both are provided as a single continuous film shared by all pixels.

本実施形態に係る液晶光変調器10は透過型の空間光変調器であるので、下部電極31および上部電極41は共に、光(可視光)を透過するように、透明電極材料で形成される。透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物(Indium Zinc Oxide:IZO)、インジウム-スズ酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)、酸化スズ(SnO2)、酸化アンチモン-酸化スズ系(ATO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化インジウム(In23)、インジウム-ガリウム-亜鉛酸化物(Indium Gallium Zinc Oxide:IGZO)等の公知の導電性酸化物からなる。または、グラフェンやカーボンナノチューブのようなナノカーボン材料や、PEDOT/PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) / poly(4-styrenesulfonate))等の導電性高分子を適用することもできる。これらの透明電極材料からなる電極31,41は、十分な導電性が得られるように、それぞれ厚さ20nm以上であることが好ましく、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。あるいは、金属電極材料を、光が十分に透過するように、厚さ10nm以下に形成してもよい。 Since the liquid crystal light modulator 10 according to this embodiment is a transmission type spatial light modulator, both the lower electrode 31 and the upper electrode 41 are formed of a transparent electrode material so as to transmit light (visible light). The transparent electrode material is made of a known conductive oxide such as indium zinc oxide (IZO), indium tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), antimony oxide-tin oxide (ATO), zinc oxide (ZnO), fluorine-doped tin oxide (FTO), indium oxide (In 2 O 3 ), indium gallium zinc oxide (IGZO), etc. Alternatively, a nanocarbon material such as graphene or a carbon nanotube, or a conductive polymer such as PEDOT/PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(4-styrenesulfonate)) can also be applied. The electrodes 31, 41 made of these transparent electrode materials preferably have a thickness of 20 nm or more so as to obtain sufficient conductivity, and are formed by a known method such as sputtering, vacuum deposition, coating, etc. Alternatively, a metal electrode material may be formed to a thickness of 10 nm or less so as to allow sufficient light transmission.

(共通電極)
共通電極32は、電極31と電極41による液晶層20における電界を部分的に発生させないようにするために、下部電極31と液晶層20との間に設けられる。言い換えると、共通電極32は、電界を発生させる領域を空けるように、開口32aが形成されている。本実施形態に係る液晶光変調器10は、共通電極32の開口32aが図4に白いマスで示す明表示の画素となる。図3に示すように、本実施形態において、開口32aは、平面(xy面)視で、一辺の長さlaの正方形であり、縦横に二次元配列されている。開口32aは、画素の開口率を高くするために大きいことが好ましい。一方で、共通電極32が分離されないために、隣り合う画素の開口32a間の幅(px-la,py-la)の部分が断線しない程度に設計される。また、暗表示の画素とする電界を発生させない領域が液晶層20の厚さ(セル厚)に対して小さいと、明表示の画素からの漏れ電界が生じ易い。この暗表示の画素とする領域とは、共通電極32上(開口32a外)の(2px-la)×(2py-la)の領域である。したがって、セル厚に応じてx,y方向の画素長px,pyを設計することが好ましい。
(Common electrode)
The common electrode 32 is provided between the lower electrode 31 and the liquid crystal layer 20 so as to prevent the electrode 31 and the electrode 41 from partially generating an electric field in the liquid crystal layer 20. In other words, the common electrode 32 has an opening 32a formed therein so as to leave an area for generating an electric field. In the liquid crystal light modulator 10 according to this embodiment, the opening 32a of the common electrode 32 becomes a bright display pixel shown by a white square in FIG. 4. As shown in FIG. 3, in this embodiment, the opening 32a is a square with a side length of l a in a plan view (xy plane), and is two-dimensionally arranged vertically and horizontally. It is preferable that the opening 32a is large in order to increase the aperture ratio of the pixel. On the other hand, in order to prevent the common electrode 32 from being separated, the width (p x -l a , p y -l a ) between the openings 32a of adjacent pixels is designed to be such that it does not break. In addition, if the area where no electric field is generated, which is a pixel for dark display, is small compared to the thickness (cell thickness) of the liquid crystal layer 20, leakage electric field from the pixel for bright display is likely to occur. The region that will become the dark display pixel is a (2p x - l a ) × (2p y - l a ) region (outside the opening 32 a ) on the common electrode 32. Therefore, it is preferable to design the pixel lengths p x and p y in the x and y directions according to the cell thickness.

共通電極32は、厚さが5nm以上であることが好ましい。一方で、共通電極32の上に形成される配向膜22について、開口32aの縁での段差を小さくする、より好ましくは表面を平坦とするために、特に配向膜22が無機膜である場合には、共通電極32は、厚さがより小さいことが好ましく、具体的には20nm以下であることが好ましい。また、共通電極32は、下部電極31と同様に光を透過するように、前記の電極材料から選択され、材料に応じた公知の方法により成膜され、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法、あるいは印刷等により、所望の平面視形状に加工される。 The common electrode 32 preferably has a thickness of 5 nm or more. On the other hand, in order to reduce the step at the edge of the opening 32a and more preferably to flatten the surface of the alignment film 22 formed on the common electrode 32, it is preferable that the common electrode 32 has a smaller thickness, specifically 20 nm or less, particularly when the alignment film 22 is an inorganic film. In addition, the common electrode 32 is selected from the above-mentioned electrode materials so as to transmit light like the lower electrode 31, and is formed by a known method according to the material, and is processed into a desired planar shape by photolithography, and etching or lift-off method, printing, etc.

(電極層間絶縁膜)
電極層間絶縁膜52は、下部電極31と共通電極32とを絶縁するためにこれらの間に設けられる。電極層間絶縁膜52は、半導体素子等に設けられる公知の無機絶縁材料が適用でき、SiO2,MgO,Al23等の酸化膜やSi34,MgF2等が挙げられる。電極層間絶縁膜52は、絶縁破壊しないように、下部電極31と共通電極32との最大電位差に応じて厚さを設計され、具体的には、電位差が10Vになる場合にはSiO2(比誘電率:約4)で厚さ50nm以上とすることが好ましい。一方、電極層間絶縁膜52が厚くなるにしたがい、液晶光変調器10への印加電圧を大きくする必要がある。したがって、電極層間絶縁膜52は、厚さが液晶層20の厚さ(セル厚)の20%未満であることが好ましく、絶縁破壊しない範囲でより薄いことが好ましい。なお、後記するように、液晶光変調器10は上部電極41と共通電極32とを短絡させて駆動するので、電極31-32間の電位差は、電極31-41間の電位差すなわち液晶光変調器10への印加電圧と同じである。あるいは、電極層間絶縁膜52は、微細なMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)のゲート酸化膜等に適用される高誘電率(High-κ)絶縁材料を適用することもできる。高誘電率絶縁材料として、HfSiO4,ZrSiO4,HfO2,ZrO2、キュービック結晶相HfO2(特許第5652926号公報参照)等が挙げられる。電極層間絶縁膜52の比誘電率が高いと、液晶光変調器10への印加電圧に対して、開口32a上における液晶層20に印加される電圧の減少が抑えられる。その結果、液晶光変調器10への印加電圧を低減することができ、それに伴い、電極31-32間の電位差が小さくなるので、電極層間絶縁膜52の厚さをある程度小さくすることができる。
(Electrode Interlayer Insulation Film)
The electrode interlayer insulating film 52 is provided between the lower electrode 31 and the common electrode 32 to insulate them. The electrode interlayer insulating film 52 can be made of known inorganic insulating materials provided in semiconductor elements, such as oxide films such as SiO 2 , MgO, and Al 2 O 3 , and Si 3 N 4 , MgF 2 , etc. The thickness of the electrode interlayer insulating film 52 is designed according to the maximum potential difference between the lower electrode 31 and the common electrode 32 so as not to cause dielectric breakdown. Specifically, when the potential difference is 10 V, it is preferable to use SiO 2 (relative dielectric constant: about 4) and have a thickness of 50 nm or more. On the other hand, as the electrode interlayer insulating film 52 becomes thicker, it is necessary to increase the voltage applied to the liquid crystal light modulator 10. Therefore, the thickness of the electrode interlayer insulating film 52 is preferably less than 20% of the thickness (cell thickness) of the liquid crystal layer 20, and is preferably thinner within a range that does not cause dielectric breakdown. As described later, the liquid crystal light modulator 10 is driven by shorting the upper electrode 41 and the common electrode 32, so that the potential difference between the electrodes 31-32 is the same as the potential difference between the electrodes 31-41, i.e., the voltage applied to the liquid crystal light modulator 10. Alternatively, the electrode interlayer insulating film 52 may be made of a high dielectric constant (High-κ) insulating material that is used for the gate oxide film of a fine MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor). Examples of high dielectric constant insulating materials include HfSiO 4 , ZrSiO 4 , HfO 2 , ZrO 2 , and cubic crystal phase HfO 2 (see Japanese Patent No. 5652926). If the electrode interlayer insulating film 52 has a high relative dielectric constant, the decrease in the voltage applied to the liquid crystal layer 20 on the opening 32a relative to the voltage applied to the liquid crystal light modulator 10 is suppressed. As a result, the voltage applied to the liquid crystal optical modulator 10 can be reduced, and accordingly, the potential difference between the electrodes 31 and 32 becomes smaller, so that the thickness of the electrode interlayer insulating film 52 can be reduced to some extent.

(透明基板)
透明基板61は上部電極41および配向膜21を形成するための土台であり、透明基板62は、下部電極31、電極層間絶縁膜52、共通電極32、および配向膜22を形成するための土台である。さらに、透明基板61,62は合わせて、液晶層20を支持するための土台である。透明基板61,62は、光を透過するように公知の透明基板材料であって、さらに、透明基板61は上部電極41および配向膜21の成膜条件(温度、雰囲気等)に耐性を有し、透明基板62は下部電極31や共通電極32等の成膜、加工条件に耐性を有する材料が適用される。具体的には、SiO2(酸化ケイ素、ガラス)、サファイア、ポリカーボネート(PC)等が挙げられる。あるいは、液晶光変調器10はその用途によっては可撓性を有するように、透明基板61,62は、透明なポリイミドフィルム等のフレキシブルなプラスチック基板が適用される。この場合には、電極31,32,41は、前記透明電極材料のうち、屈曲性を有するナノカーボン材料や導電性高分子を適用することが好ましい。
(Transparent substrate)
The transparent substrate 61 is a base for forming the upper electrode 41 and the alignment film 21, and the transparent substrate 62 is a base for forming the lower electrode 31, the electrode interlayer insulating film 52, the common electrode 32, and the alignment film 22. Furthermore, the transparent substrates 61 and 62 are a base for supporting the liquid crystal layer 20. The transparent substrates 61 and 62 are made of a known transparent substrate material that transmits light, and the transparent substrate 61 is made of a material that is resistant to the film formation conditions (temperature, atmosphere, etc.) of the upper electrode 41 and the alignment film 21, and the transparent substrate 62 is made of a material that is resistant to the film formation and processing conditions of the lower electrode 31, the common electrode 32, etc. Specific examples of the material include SiO 2 (silicon oxide, glass), sapphire, polycarbonate (PC), etc. Alternatively, the transparent substrates 61 and 62 are made of a flexible plastic substrate such as a transparent polyimide film so that the liquid crystal light modulator 10 has flexibility depending on its application. In this case, it is preferable that the electrodes 31, 32, and 41 are made of a flexible nanocarbon material or conductive polymer among the transparent electrode materials.

(液晶光変調器の製造方法)
本実施形態に係る液晶光変調器は、公知の透過型の液晶光変調器の製造方法に準じて製造することができる。すなわち、透明基板61,62のそれぞれに電極41,31,32等を形成し、さらに配向膜21,22を形成してから、配向膜21,22同士が対面するように透明基板61と透明基板62を重ね合わせ、間に液晶材料を封入する。液晶光変調器10は、共通電極32の1層のみをパターン加工すればよいので、簡易に製造することができ、実験機としても好適である。
(Method of manufacturing a liquid crystal optical modulator)
The liquid crystal light modulator according to this embodiment can be manufactured in accordance with a known method for manufacturing a transmissive liquid crystal light modulator. That is, electrodes 41, 31, 32, etc. are formed on the transparent substrates 61 and 62, respectively, and then the alignment films 21 and 22 are formed. The transparent substrates 61 and 62 are then superimposed so that the alignment films 21 and 22 face each other, and a liquid crystal material is filled between them. The liquid crystal light modulator 10 can be easily manufactured because only one layer of the common electrode 32 needs to be patterned, and is also suitable as an experimental device.

本実施形態に係る液晶光変調器10は、図7に示すように、電極層間絶縁膜52が、表面の高さ位置を共通電極32に合わせるように開口32a内にも形成されていてもよい。このような構成とすることで、配向膜22が特に無機膜で形成される場合に、表面を平坦とすることができ、また、共通電極32を厚膜化しても配向膜22の表面に段差が生じない。電極層間絶縁膜52の開口32a内の部分(埋込絶縁層5a)は、共通電極32-下部電極31間の部分と同じ絶縁材料でなくてもよく、電極層間絶縁膜52の材料として挙げた絶縁材料から選択される。埋込絶縁層5aは、特に共通電極32が厚い場合には比誘電率が高い方が好ましい。このような液晶光変調器10は、例えば、電極層間絶縁膜52の上に共通電極32の材料を成膜し、さらにその上に開口32aを形成する領域を空けたマスクを形成し、エッチングで開口32aを形成した後、上から埋込絶縁層5aの材料を成膜し、マスクを除去して製造することができる。あるいは、液晶光変調器10は、電極層間絶縁膜52の上に開口32aを形成する領域を覆うマスクを形成し、電極層間絶縁膜52を共通電極32の厚さ分エッチングして、その上から共通電極32の材料を成膜し、マスクを除去して製造することもできる。 As shown in FIG. 7, the liquid crystal light modulator 10 according to this embodiment may also be formed in the opening 32a so that the height position of the surface is aligned with the common electrode 32. With this configuration, the surface can be made flat, particularly when the alignment film 22 is made of an inorganic film, and even if the common electrode 32 is made thick, no steps are generated on the surface of the alignment film 22. The part of the electrode interlayer insulating film 52 in the opening 32a (embedded insulating layer 5a) does not have to be made of the same insulating material as the part between the common electrode 32 and the lower electrode 31, and is selected from the insulating materials listed as the material of the electrode interlayer insulating film 52. The embedded insulating layer 5a preferably has a high relative dielectric constant, particularly when the common electrode 32 is thick. Such a liquid crystal light modulator 10 can be manufactured, for example, by forming a film of the material of the common electrode 32 on the electrode interlayer insulating film 52, forming a mask on the film with an area for forming the opening 32a, forming the opening 32a by etching, and then forming the material of the embedded insulating layer 5a from above and removing the mask. Alternatively, the liquid crystal light modulator 10 can be manufactured by forming a mask on the electrode interlayer insulating film 52 to cover the area where the opening 32a is to be formed, etching the electrode interlayer insulating film 52 to the thickness of the common electrode 32, depositing the material of the common electrode 32 on top of it, and then removing the mask.

本実施形態に係る液晶光変調器10は、図8に示すように、共通電極32の開口32aに合わせて開口を形成された電極層間絶縁膜52Aを備えていてもよい。電極層間絶縁膜52Aは、電極層間絶縁膜52と同様の材料および厚さとすることができる。ただし、開口32aの縁での配向膜22の表面の段差を小さくするために、電極層間絶縁膜52Aは、共通電極32と同様に厚さをより小さくすることが好ましい。電極層間絶縁膜52Aの開口は、開口32aと同一またはそれよりも小さい平面視形状とする。このような液晶光変調器10は、開口32aを形成する領域を空けたマスクの上から共通電極32をエッチングした後、連続して電極層間絶縁膜52Aをエッチングして製造することができる。あるいは、液晶光変調器10は、下部電極31の上に開口32aを形成する領域を覆うマスクを形成し、その上から電極層間絶縁膜52A、共通電極32の各材料を順次成膜し、マスクを除去して製造することもできる。また、共通電極32の開口32aと電極層間絶縁膜52Aの開口とに埋込絶縁層5a(図7参照)を設けて、配向膜22の形成面を平坦化してもよい。 The liquid crystal light modulator 10 according to this embodiment may include an electrode interlayer insulating film 52A having an opening formed in accordance with the opening 32a of the common electrode 32, as shown in FIG. 8. The electrode interlayer insulating film 52A may be made of the same material and thickness as the electrode interlayer insulating film 52. However, in order to reduce the step of the surface of the alignment film 22 at the edge of the opening 32a, it is preferable that the electrode interlayer insulating film 52A has a smaller thickness, similar to the common electrode 32. The opening of the electrode interlayer insulating film 52A has a planar shape that is the same as or smaller than the opening 32a. Such a liquid crystal light modulator 10 can be manufactured by etching the common electrode 32 from above a mask that leaves an area where the opening 32a is to be formed, and then etching the electrode interlayer insulating film 52A in succession. Alternatively, the liquid crystal light modulator 10 can be manufactured by forming a mask covering the area where the opening 32a is to be formed on the lower electrode 31, sequentially depositing the materials of the electrode interlayer insulating film 52A and the common electrode 32 from above, and removing the mask. In addition, a buried insulating layer 5a (see FIG. 7) may be provided in the opening 32a of the common electrode 32 and the opening of the electrode interlayer insulating film 52A to flatten the surface on which the alignment film 22 is formed.

(液晶表示装置)
本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器10は、一般的な透過型の液晶光変調器と同様に液晶表示装置に使用される。図9に示すように、本発明の実施形態に係る液晶表示装置100は、液晶光変調器10、ならびに、液晶光変調器10の上下にそれぞれ配置された偏光板(偏光子)71,72を備える。さらに、液晶光変調器10がTN方式であることから、液晶表示装置100は、液晶光変調器10と偏光板71,72とのそれぞれの間に位相差板73,74を備えることが好ましい。また、液晶表示装置100は、フルカラー画像を表示する場合には、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の各色のカラーフィルタがストライプ状やモザイク状に配列されたカラーフィルタアレイ75を、液晶光変調器10の光の出射側に備える(図10参照)。液晶表示装置100はさらに、カラーフィルタアレイ75と共に、画素間中心に沿った格子状のブラックマトリクスを備えていてもよい。なお、カラーフィルタアレイ75は、液晶光変調器10の1画素毎に色を切り換えていなくてもよく、例えば、2×2の4画素で液晶表示装置100における1画素(画素長が2la)としてもよい。このような液晶表示装置100は、液晶光変調器10の4画素のそれぞれの明暗のパターンにより、0%(黒)、25%、50%、75%、100%(白)の5階調で表示することができる。液晶表示装置100は、上下のいずれか一方の側から光を照射されて他方側に画像を表示することができ、ここでは、上方から光を照射されて下方に画像を表示するものとして説明する。液晶表示装置100に照射する光は、外光や室内光、または一般的な液晶ディスプレイのバックライトと同様に、発光ダイオード(LED)等の発光素子を内蔵した面状光源等が用途に応じて選択される。
(Liquid crystal display device)
The liquid crystal light modulator 10 according to the first embodiment of the present invention is used in a liquid crystal display device in the same manner as a general transmissive liquid crystal light modulator. As shown in FIG. 9, the liquid crystal display device 100 according to the embodiment of the present invention includes the liquid crystal light modulator 10 and polarizing plates (polarizers) 71 and 72 arranged above and below the liquid crystal light modulator 10. Furthermore, since the liquid crystal light modulator 10 is of the TN type, the liquid crystal display device 100 preferably includes retardation plates 73 and 74 between the liquid crystal light modulator 10 and the polarizing plates 71 and 72, respectively. Furthermore, when the liquid crystal display device 100 displays a full-color image, the liquid crystal display device 100 includes a color filter array 75 in which color filters of red (R), green (G), and blue (B) are arranged in a stripe or mosaic pattern on the light emission side of the liquid crystal light modulator 10 (see FIG. 10). The liquid crystal display device 100 may further include a lattice-shaped black matrix along the center between pixels together with the color filter array 75. The color filter array 75 does not have to switch colors for each pixel of the liquid crystal light modulator 10. For example, four pixels (2×2) may be used as one pixel (pixel length 2l a ) in the liquid crystal display device 100. Such a liquid crystal display device 100 can display five gradations, 0% (black), 25%, 50%, 75%, and 100% (white), depending on the light and dark patterns of each of the four pixels of the liquid crystal light modulator 10. The liquid crystal display device 100 can be irradiated with light from either the top or bottom to display an image on the other side, and will be described here as being irradiated with light from above to display an image below. The light irradiated to the liquid crystal display device 100 can be selected according to the purpose from outside light, indoor light, or a surface light source incorporating a light emitting element such as a light emitting diode (LED) as in the backlight of a general liquid crystal display.

上側すなわち光の入射側の偏光板(偏光子)71は、外部から入射された非偏光LuPを1つの偏光成分の光(1つの向きの直線偏光)とする。液晶表示装置100においては、偏光板71は、透過軸を図9における横方向(90°とする)にして(吸収軸を0°にして)配置され、振動方向90°の直線偏光を透過させる。下側すなわち光の出射側の偏光板(検光子)72は、液晶光変調器10から出射した光のうち、所定の向きの偏光を透過して表示させる。液晶表示装置100においては、偏光板72は、透過軸を偏光板71と同じ方向に配置、すなわちパラレルニコル配置とする。なお、光の入射側の偏光子71は、入射された非偏光LuPのすべてを1つの向き(振動方向90°)の直線偏光として出射する偏光変換素子であってもよい。偏光変換素子は、偏光分離膜と1/2波長板とから構成される。 The upper polarizing plate (polarizer) 71, i.e., on the light incidence side, converts the non-polarized light L uP incident from the outside into one polarized component of light (linearly polarized light in one direction). In the liquid crystal display device 100, the polarizing plate 71 is arranged with its transmission axis in the horizontal direction (90°) in FIG. 9 (with its absorption axis at 0°), and transmits linearly polarized light with a vibration direction of 90°. The lower polarizing plate (analyzer) 72, i.e., on the light emission side, transmits polarized light with a predetermined direction out of the light emitted from the liquid crystal light modulator 10, and displays it. In the liquid crystal display device 100, the polarizing plate 72 is arranged with its transmission axis in the same direction as the polarizing plate 71, i.e., in a parallel Nicol arrangement. The polarizer 71 on the light incidence side may be a polarization conversion element that outputs all of the incident non-polarized light L uP as linearly polarized light with one direction (vibration direction 90°). The polarization conversion element is composed of a polarization separation film and a half-wave plate.

位相差板73,74は、液晶層20による光の位相差を補償するために設けられ、λ/2位相差板(1/2波長板)やλ/4位相差板(1/4波長板)が適用される。液晶は、その液晶分子の光学的異方性のために、液晶分子の向きによって屈折率が変化する。具体的には、液晶層20は、図5左側に示すように液晶分子2が垂直に起立しているときには、偏光成分による位相差δが0であるのに対し、液晶分子2が傾斜または図5右側に示すように水平に倒れているときには位相差を生じる。本実施形態では、前記したように、液晶層20の位相差δを最大で液晶分子2が水平方向のときのπ(=λ/2)とする。本実施形態においては、液晶層20に位相差が生じている状態で暗表示されるので、液晶分子2の角度による位相差変化を生じ、斜めから見ると光が漏れることがある。そこで、液晶層20による位相差を位相差板73,74で補償することが好ましい。ここでは、位相差板73,74は、共にλ/4位相差板とし、それぞれ遅相軸を偏光板71の透過軸に対して45°,135°の方向にして配置される。 The retardation plates 73 and 74 are provided to compensate for the phase difference of light caused by the liquid crystal layer 20, and λ/2 retardation plates (1/2 wavelength plates) or λ/4 retardation plates (1/4 wavelength plates) are applied. The refractive index of the liquid crystal changes depending on the orientation of the liquid crystal molecules due to the optical anisotropy of the liquid crystal molecules. Specifically, when the liquid crystal molecules 2 stand vertically as shown on the left side of FIG. 5, the phase difference δ due to the polarization component is 0, whereas when the liquid crystal molecules 2 are tilted or fall horizontally as shown on the right side of FIG. 5, a phase difference occurs. In this embodiment, as described above, the phase difference δ of the liquid crystal layer 20 is set to π (= λ/2) when the liquid crystal molecules 2 are horizontal at the maximum. In this embodiment, since a dark display is performed when a phase difference occurs in the liquid crystal layer 20, a phase difference change occurs depending on the angle of the liquid crystal molecules 2, and light may leak when viewed from an oblique angle. Therefore, it is preferable to compensate for the phase difference caused by the liquid crystal layer 20 with the retardation plates 73 and 74. Here, the retardation plates 73 and 74 are both λ/4 retardation plates, and are arranged with their slow axes oriented at 45° and 135°, respectively, relative to the transmission axis of the polarizing plate 71.

(液晶光変調器の動作)
第1実施形態に係る液晶光変調器の動作について、図9、および適宜図5を参照して説明する。液晶は、駆動方式がTN方式やVA方式等の場合、電界の向きが上下いずれでも同じ挙動を示し、また、一般に、極性を一定に電圧が印加され続けると劣化するので、交流電圧が適用されることが好ましい。図9に示すように、液晶光変調器10は、交流電源91を電極31,41間に接続されると共に、上部電極41と共通電極32を短絡して同電位とし、さらに、交流電源91の上部電極41側の端子をGND(0V)に接続する。すると、液晶層20は、上下の電極31,41から電圧を印加されるので、上下方向の電界(図では、ハッチングを付した上向きの矢印で表す)が発生する。ただし、下部電極31に対して液晶層20の近くに配置された共通電極32が上部電極41と同電位であるので、共通電極32と上部電極41に挟まれた領域では電界が発生せず、共通電極32のない領域(開口32a上)に限定して電界が発生する。液晶層20は、TN方式であるので、電界が発生している開口32a上において液晶分子2が起立する。
(Operation of Liquid Crystal Light Modulator)
The operation of the liquid crystal light modulator according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 9 and, where appropriate, FIG. 5. When the driving method is the TN method, VA method, or the like, liquid crystal behaves the same regardless of whether the electric field is directed upward or downward, and generally, liquid crystal deteriorates if a voltage is continuously applied with a constant polarity, so it is preferable to apply an AC voltage. As shown in FIG. 9, in the liquid crystal light modulator 10, an AC power source 91 is connected between the electrodes 31 and 41, and the upper electrode 41 and the common electrode 32 are short-circuited to have the same potential, and further, the terminal of the AC power source 91 on the upper electrode 41 side is connected to GND (0 V). Then, the liquid crystal layer 20 is applied with voltage from the upper and lower electrodes 31 and 41, so that an electric field in the vertical direction (represented by an upward arrow with hatching in the figure) is generated. However, since the common electrode 32 arranged closer to the liquid crystal layer 20 than the lower electrode 31 is at the same potential as the upper electrode 41, no electric field is generated in the region between the common electrode 32 and the upper electrode 41, and an electric field is generated only in the region (above the opening 32a) where there is no common electrode 32. Since the liquid crystal layer 20 is of the TN type, the liquid crystal molecules 2 stand upright above the opening 32a where an electric field is generated.

ここで、液晶光変調器10において、開口32a上の液晶層20に印加される電圧は、液晶層20と下部電極31とが電極層間絶縁膜52で隔てられていることにより、交流電源91の電圧(電極31-41間の電位差)よりも小さくなる。以下、上部電極41の電位をV0(=0V)、下部電極31の電位をV1、共通電極32の電位をV2(=V0=0V)、開口32a上の液晶層20の下面における電位をV5と表して、簡潔に説明する。ここでは、配向膜21,22による電位の降下は、厚さが液晶層20に対して十分に小さいので無視する。したがって、液晶層20の上面における電位は、上部電極41と同じ電位V0とする。同様に、共通電極32上(開口32a外)の液晶層20の下面における電位は、共通電極32と同じ電位V2(=0V)とする。電極31-41間に電圧VDD(V1=VDD)を印加しているとき、V1-V5間の電位差ΔV(=|V1-V5|)は、下式(1)で表されるように、液晶層20と下部電極31との間の距離d、すなわち電極層間絶縁膜52の厚さに比例する。EDは、電極層間絶縁膜52に発生している電界であり、電極層間絶縁膜52の比誘電率に反比例する。したがって、液晶分子2が直立して液晶層20の位相差δが0となる電圧(最大駆動電圧)VLCが液晶層20に印加される(V5≧VLC)ように、電極層間絶縁膜52の比誘電率および厚さに応じて、交流電源91の電圧VDD(≧VLC+ΔV)を設定する。
ΔV=EDd ・・・(1)
Here, in the liquid crystal light modulator 10, the voltage applied to the liquid crystal layer 20 above the opening 32a is smaller than the voltage of the AC power source 91 (potential difference between the electrodes 31-41) because the liquid crystal layer 20 and the lower electrode 31 are separated by the interelectrode insulating film 52. Hereinafter, the potential of the upper electrode 41 is represented as V0 (=0V), the potential of the lower electrode 31 as V1, the potential of the common electrode 32 as V2 (=V0=0V), and the potential on the lower surface of the liquid crystal layer 20 above the opening 32a as V5 for a brief explanation. Here, the potential drop due to the alignment films 21 and 22 is ignored because their thickness is sufficiently small compared to the liquid crystal layer 20. Therefore, the potential on the upper surface of the liquid crystal layer 20 is set to the same potential V0 as the upper electrode 41. Similarly, the potential on the lower surface of the liquid crystal layer 20 above the common electrode 32 (outside the opening 32a) is set to the same potential V2 (=0V) as the common electrode 32. When a voltage V DD (V1=V DD ) is applied between the electrodes 31 and 41, a potential difference ΔV (=|V1-V5|) between V1 and V5 is proportional to the distance d between the liquid crystal layer 20 and the lower electrode 31, i.e., the thickness of the inter-electrode insulating film 52, as expressed by the following formula (1). E D is the electric field generated in the inter-electrode insulating film 52, and is inversely proportional to the relative dielectric constant of the inter-electrode insulating film 52. Therefore, the voltage V DD (≧V LC +ΔV) of the AC power supply 91 is set in accordance with the relative dielectric constant and thickness of the inter-electrode insulating film 52 so that a voltage (maximum driving voltage) V LC at which the liquid crystal molecules 2 stand upright and the phase difference δ of the liquid crystal layer 20 becomes 0 is applied to the liquid crystal layer 20 (V5≧V LC ).
ΔV= ED d...(1)

このように、液晶層20の下側の電極を、誘電体である電極層間絶縁膜52を挟んで2層に設けて、液晶層20に近い側の共通電極32に開口32aを形成することによって、開口32aの配置に対応した二次元パターンで垂直方向の電界を局所的に発生させて、液晶層20(液晶分子2)を、領域毎に、2通りの動作状態のいずれかとすることができる。 In this way, the electrodes below the liquid crystal layer 20 are arranged in two layers with the electrode interlayer insulating film 52, which is a dielectric, sandwiched therebetween, and openings 32a are formed in the common electrode 32 on the side closer to the liquid crystal layer 20. This allows a vertical electric field to be locally generated in a two-dimensional pattern corresponding to the arrangement of the openings 32a, and the liquid crystal layer 20 (liquid crystal molecules 2) can be placed in one of two operating states for each region.

液晶層20が表面安定化強誘電性液晶(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal:SSFLC)であってもよい。強誘電性液晶は自発分極を有するので、このような液晶光変調器10は、液晶層20の共通電極32上と開口32a上とに互いに逆向きの電界を発生させるために、例えば2つの直流電源を接続される。第1の電源は正極を下部電極31に、負極をGNDおよび上部電極41にそれぞれ接続し、第2の電源は正極をGNDおよび上部電極41に、負極を共通電極32にそれぞれ接続する。必要な強さの上向きの電界を発生させる液晶層20への印加電圧をVLC1、下向きの電界を発生させる印加電圧をVLC2と表すと、第1、第2の電源の各電圧VDD1,VDD2は、VDD1≧VLC1+ΔV、VDD2≧VLC2に設定される。なお、このような液晶光変調器10には直線偏光を入射することが好ましいので、液晶表示装置100は位相差板73,74を備えない構成とする。 The liquid crystal layer 20 may be a surface stabilized ferroelectric liquid crystal (SSFLC). Since ferroelectric liquid crystal has spontaneous polarization, such a liquid crystal light modulator 10 is connected to, for example, two DC power sources in order to generate electric fields in opposite directions on the common electrode 32 and the opening 32a of the liquid crystal layer 20. The first power source has a positive pole connected to the lower electrode 31 and a negative pole connected to the GND and the upper electrode 41, respectively, and the second power source has a positive pole connected to the GND and the upper electrode 41 and a negative pole connected to the common electrode 32, respectively. If the voltage applied to the liquid crystal layer 20 that generates an upward electric field of a required strength is represented as VLC1 , and the voltage applied to the liquid crystal layer 20 that generates a downward electric field is represented as VLC2 , the voltages VDD1 and VDD2 of the first and second power sources are set to VDD1VLC1 +ΔV and VDD2VLC2 . Since it is preferable to input linearly polarized light to the liquid crystal optical modulator 10, the liquid crystal display device 100 does not include the retardation plates 73 and 74.

(液晶表示装置の動作)
本実施形態に係る液晶表示装置の動作について説明する。上方から液晶表示装置100に入射した非偏光LuPは、液晶光変調器10に入射する前に、規則的な振動方向の光Lとされる。まず、偏光板71によって90°方向の直線偏光の光L(偏光方向を表す両矢印を付す)となり、この直線偏光が位相差板73によって、左回りの円偏光(左円偏光)に変換される。左円偏光となった光Lは、透明基板61および上部電極41等を透過して、液晶層20に進入する。無電界状態の共通電極32上(開口32a外)に入射した光Lは、この領域における位相差δがπであるので、液晶層20を透過する際に左円偏光から右円偏光に変調し(図6参照)、さらに共通電極32から透明基板62までを順次透過して液晶光変調器10の下方へ出射する。右円偏光となって液晶光変調器10から出射した光Lは、位相差板74によって0°方向(図9における紙面垂直方向)の直線偏光に変換され、吸収軸方向0°(透過軸方向90)の偏光板72によって完全に遮光される。一方、電界の発生した開口32a上に入射した光Lは、この領域における位相差δが0であるので、左円偏光のままで透過して液晶光変調器10の下方へ出射し、位相差板74によって90°方向の直線偏光に変換され、偏光板72を透過して液晶表示装置100から出射する。
(Operation of Liquid Crystal Display Device)
The operation of the liquid crystal display device according to this embodiment will be described. Unpolarized light L uP incident on the liquid crystal display device 100 from above is converted into light L with a regular vibration direction before it is incident on the liquid crystal light modulator 10. First, the polarizing plate 71 converts the light L into linearly polarized light in a 90° direction (with a double arrow indicating the polarization direction), and the linearly polarized light is converted into left-handed circularly polarized light (left-handed circularly polarized light) by the retardation plate 73. The left-handed circularly polarized light L passes through the transparent substrate 61 and the upper electrode 41, etc., and enters the liquid crystal layer 20. The light L incident on the common electrode 32 (outside the opening 32a) in the no-field state has a phase difference δ of π in this region, so that it is modulated from left-handed circularly polarized light to right-handed circularly polarized light when passing through the liquid crystal layer 20 (see FIG. 6), and then passes through the common electrode 32 to the transparent substrate 62 in sequence to be emitted downward from the liquid crystal light modulator 10. The light L that has become right-handed circularly polarized light and is output from the liquid crystal light modulator 10 is converted by the retardation plate 74 into linearly polarized light in the 0° direction (perpendicular to the paper surface in FIG. 9 ) and is completely blocked by the polarizing plate 72 with its absorption axis direction of 0° (transmission axis direction 90). On the other hand, the light L that is incident on the opening 32a where an electric field is generated has a phase difference δ of 0 in this region, so it transmits as left-handed circularly polarized light and is output downward from the liquid crystal light modulator 10, is converted by the retardation plate 74 into linearly polarized light in the 90° direction, transmits through the polarizing plate 72, and is output from the liquid crystal display device 100.

このように、液晶光変調器10を備える液晶表示装置100は、光を全面に入射して、反対側へ、共通電極32の開口32aが形成された領域のみから光を取り出すことができる。したがって、共通電極32に形成した開口32aのパターンによって所望の像を表示することができる。 In this way, the liquid crystal display device 100 equipped with the liquid crystal light modulator 10 can receive light from the entire surface and extract it to the opposite side only from the area where the openings 32a of the common electrode 32 are formed. Therefore, a desired image can be displayed depending on the pattern of the openings 32a formed in the common electrode 32.

液晶表示装置100は、全面から光を出射させることもできる。そのために、液晶層20の全体、すなわち開口32a上および共通電極32上(開口32a外)の両方において最大駆動電圧VLC以上の電圧が印加されるように、共通電極32の上部電極41との短絡を切断する。そして、一例として、共通電極32を下部電極31と短絡させて、交流電源91の非GND側の端子に接続する。このとき、開口32a上の液晶層20の下面における電位V5と上部電極41の電位V0(=0V)との電位差が最大駆動電圧VLC以上となるように、交流電源91の電圧を設定する。あるいはさらに、図9に示すように、スイッチ94による切替で、交流電源91の端子との接続も入れ替えて、下部電極31および共通電極32をGND(0V)に接続し、上部電極41を交流電源91の非GND側の端子に接続するように構成してもよい。 The liquid crystal display device 100 can also emit light from the entire surface. To achieve this, the common electrode 32 is disconnected from the upper electrode 41 so that a voltage equal to or greater than the maximum driving voltage VLC is applied to the entire liquid crystal layer 20, i.e., both above the opening 32a and above the common electrode 32 (outside the opening 32a). Then, as an example, the common electrode 32 is shorted to the lower electrode 31 and connected to a terminal on the non-GND side of the AC power supply 91. At this time, the voltage of the AC power supply 91 is set so that the potential difference between the potential V5 on the lower surface of the liquid crystal layer 20 above the opening 32a and the potential V0 (=0V) of the upper electrode 41 is equal to or greater than the maximum driving voltage VLC . Alternatively, as shown in FIG. 9, the connection to the terminal of the AC power supply 91 may be switched by switching with a switch 94, so that the lower electrode 31 and the common electrode 32 are connected to GND (0V) and the upper electrode 41 is connected to a terminal on the non-GND side of the AC power supply 91.

液晶表示装置100は、位相差板74の遅相軸を位相差板73と同じ45°に配置し、かつ、偏光板72の透過軸を0°に配置(偏光板71に対してクロスニコル配置)して、開口32aが形成された領域から0°方向の直線偏光を取り出す構成としてもよい。また、液晶光変調器10の液晶層20がVA方式である場合には、無電界状態で位相差δが0であるので(図12に示す後記変形例参照)、液晶表示装置100は、位相差板74の遅相軸または偏光板72の透過軸の一方の向きを変えて配置する。なお、液晶表示装置100は、用途によっては、偏光板71,72や位相差板73,74の向きを変え、白黒反転して共通電極32の開口32a外から光を取り出す構成としてもよい。 The liquid crystal display device 100 may be configured such that the slow axis of the retarder 74 is arranged at 45°, the same as the retarder 73, and the transmission axis of the polarizer 72 is arranged at 0° (cross-Nicol arrangement with respect to the polarizer 71), so that linearly polarized light in the 0° direction is extracted from the area where the opening 32a is formed. In addition, when the liquid crystal layer 20 of the liquid crystal light modulator 10 is of the VA type, the phase difference δ is 0 in the non-electric field state (see the modified example shown in FIG. 12, which will be described later), so the liquid crystal display device 100 is arranged with one of the slow axis of the retarder 74 or the transmission axis of the polarizer 72 in a different direction. Note that the liquid crystal display device 100 may be configured such that the orientation of the polarizers 71, 72 or the retarders 73, 74 is changed and black and white are inverted to extract light from outside the opening 32a of the common electrode 32, depending on the application.

本実施形態に係る液晶表示装置100は、光の出射側の面(偏光板72)に、共通電極32における開口32aの配列による固定パターンの二次元の画像(図4参照)を表示することができる。さらにカラーフィルタアレイ75(図10参照)を液晶光変調器10の光の出射側に備えることにより、フルカラーの画像を表示することができる。光源は、前記したように、外光や室内光、または一般的な照明装置を利用することができる。そこで、液晶表示装置100は、例えば、建築物の窓ガラスに貼り付けて設置されて、屋外側を光の入射側として、屋内側に画像を表示することができる。なお、交流電源91(図9参照)OFF時は、全面が光を透過しないので、全面が黒く表示される。一方、液晶表示装置100は、前記したように交流電源91の接続を切り替えることにより、全面で光を透過させて、素通しとすることができる。あるいは、液晶表示装置100は、例えば、ショーウインドウの前面のガラス板に貼り付けて設置されて、ショーウインドウ内の照明によって、外側に画像を表示することができる。そして、交流電源91の接続を切り替えることにより、画像を表示せずにショーウインドウ内の展示物を外から見えるようにすることができる。また、液晶表示装置100は、前記したように透明基板61,62にフレキシブル基板を適用することにより可撓性を有して、曲面に貼り付けて設置することができる。このように、液晶表示装置100は、ポスターや広告、看板等に広く利用することができる。 The liquid crystal display device 100 according to this embodiment can display a two-dimensional image (see FIG. 4) of a fixed pattern due to the arrangement of the openings 32a in the common electrode 32 on the surface (polarizing plate 72) on the light exit side. Furthermore, by providing a color filter array 75 (see FIG. 10) on the light exit side of the liquid crystal light modulator 10, a full-color image can be displayed. As described above, the light source can be external light, indoor light, or a general lighting device. Therefore, the liquid crystal display device 100 can be installed, for example, by attaching it to the window glass of a building, and can display an image on the indoor side with the outdoor side as the light entrance side. Note that when the AC power supply 91 (see FIG. 9) is turned off, the entire surface does not transmit light, so the entire surface is displayed black. On the other hand, the liquid crystal display device 100 can transmit light on the entire surface and be transparent by switching the connection of the AC power supply 91 as described above. Alternatively, the liquid crystal display device 100 can be installed, for example, by attaching it to the glass plate in front of a show window, and can display an image on the outside by the lighting in the show window. By switching the connection of the AC power supply 91, the exhibits in the show window can be viewed from outside without displaying an image. Furthermore, as described above, the liquid crystal display device 100 has flexibility by using flexible substrates for the transparent substrates 61 and 62, and can be attached to curved surfaces for installation. In this way, the liquid crystal display device 100 can be widely used for posters, advertisements, signs, etc.

(立体像表示装置)
本発明に係る液晶光変調器は、インテグラル方式の立体像表示装置(以下、立体像表示装置)に適用することができる。図10に示すように、本発明の実施形態に係る立体像表示装置200は、液晶表示装置100にさらに、光源装置80、カラーフィルタアレイ75、レンズアレイ85、および交流電源91(図9参照)を備える。交流電源91は、液晶表示装置100にて説明した通りである。光源装置80は、一般的なバックライトと同様にLED等の発光素子および導光板等を備え、白色光を液晶光変調器10の光の入射面全体を内包する径の平行光線束として液晶表示装置100に照射する。光源装置80の発光素子は、白色LED等でもよいが、色再現性を高くする場合には、R,G,Bそれぞれの単色の発光素子を備えることが好ましい。また、立体像表示装置200は、液晶表示装置100が光の入射側の偏光板71を備える代わりに、光源装置80が直線偏光を照射する構成であってもよく、そのために、光源装置80は、偏光子または偏光変換素子をさらに内蔵する。カラーフィルタアレイ75は、R,G,Bの各色のカラーフィルタが、液晶光変調器10の画素に合わせてストライプ状やモザイク状に配列され、液晶光変調器10の光の出射側に配置される。レンズアレイ85は、要素画像群を空間標本化する光学素子アレイで、要素レンズを二次元配列してなり、液晶表示装置100の光の出射側に配置される。立体像表示装置200は、レンズアレイ85の要素レンズの配列ピッチが狭いほど解像度が高くなり、一方で、1個の要素レンズに正対する液晶光変調器10の画素数が多いほど視差情報が多くなる。したがって、液晶光変調器10の画素は、高密度かつ多数であることが好ましい。また、レンズアレイ85の要素レンズは、径Φに対して焦点距離fが短い、すなわちF値が小さいほど、下式(2)で表すように立体像の視域角Ψを広くすることができる。
Ψ=2tan-1(Φ/2f) ・・・(2)
(3D image display device)
The liquid crystal light modulator according to the present invention can be applied to an integral type stereoscopic image display device (hereinafter, stereoscopic image display device). As shown in FIG. 10, the stereoscopic image display device 200 according to the embodiment of the present invention further includes a light source device 80, a color filter array 75, a lens array 85, and an AC power source 91 (see FIG. 9) in addition to the liquid crystal display device 100. The AC power source 91 is as described in the liquid crystal display device 100. The light source device 80 includes a light emitting element such as an LED and a light guide plate, as in the case of a general backlight, and irradiates the liquid crystal display device 100 with white light as a parallel light beam having a diameter that includes the entire light incidence surface of the liquid crystal light modulator 10. The light emitting element of the light source device 80 may be a white LED or the like, but in order to improve color reproducibility, it is preferable to include light emitting elements of single colors R, G, and B. In addition, the stereoscopic image display device 200 may be configured such that the light source device 80 irradiates linearly polarized light instead of the liquid crystal display device 100 including the polarizing plate 71 on the light incidence side, and for this purpose, the light source device 80 further includes a polarizer or a polarization conversion element. The color filter array 75 is arranged on the light output side of the liquid crystal light modulator 10, with R, G, and B color filters arranged in stripes or mosaics to match the pixels of the liquid crystal light modulator 10. The lens array 85 is an optical element array that spatially samples elemental images, and is arranged on the light output side of the liquid crystal display device 100, with elemental lenses arranged two-dimensionally. The resolution of the stereoscopic image display device 200 increases as the arrangement pitch of the elemental lenses of the lens array 85 becomes narrower, while the parallax information increases as the number of pixels of the liquid crystal light modulator 10 facing one elemental lens increases. Therefore, it is preferable that the pixels of the liquid crystal light modulator 10 are dense and numerous. In addition, the shorter the focal length f of the elemental lenses of the lens array 85 is relative to the diameter Φ, i.e., the smaller the F value is, the wider the viewing angle Ψ of the stereoscopic image can be as expressed by the following formula (2).
Ψ=2tan -1 (Φ/2f)...(2)

このように、本実施形態に係る液晶表示装置100を備えるインテグラル方式の立体像表示装置200は、簡易な構成でフルカラーの立体像を表示することができる。また、立体像表示装置200は、前記したように液晶表示装置100の全面から光を出射させることにより、白色灯に切り換えることができる。 In this way, the integral type stereoscopic image display device 200 equipped with the liquid crystal display device 100 according to this embodiment can display a full-color stereoscopic image with a simple configuration. In addition, the stereoscopic image display device 200 can be switched to white light by emitting light from the entire surface of the liquid crystal display device 100 as described above.

(ホログラフィ装置)
本発明に係る液晶光変調器は、ホログラフィ方式の立体像表示装置(以下、ホログラフィ装置)に使用することもできる。図11に示すように、本発明の実施形態に係るホログラフィ装置200Bは、液晶光変調器10B、直線偏光を照射する光源装置8、交流電源91、さらに必要に応じて、拡大光学系86を備える。ホログラフィ装置200Bは、液晶光変調器10Bの液晶層20の光の出射面(下面)をホログラム面として、所定の距離の位置に単色の立体像を結像する。
(Holography Device)
The liquid crystal light modulator according to the present invention can also be used in a holographic stereoscopic image display device (hereinafter, referred to as a holographic device). As shown in Fig. 11, a holographic device 200B according to an embodiment of the present invention includes a liquid crystal light modulator 10B, a light source device 8 that irradiates linearly polarized light, an AC power source 91, and, if necessary, a magnifying optical system 86. The holographic device 200B forms a monochromatic stereoscopic image at a position at a predetermined distance using the light emission surface (lower surface) of the liquid crystal layer 20 of the liquid crystal light modulator 10B as a hologram surface.

液晶光変調器10Bは、空間光位相変調器であり、所定の偏光方向の光、すなわち入射する光Lの位相を領域(画素)毎に変調させる。そのために、液晶層20は、上下の配向膜21,22(図11においては省略)によって、遅相軸を光Lの偏光方向とする。液晶層20は、TN方式の場合には無電界状態で、VA方式の場合には最大駆動電圧VLC印加状態で、透過した光の位相の変化量がπとなる厚さ(セル厚)とすることが好ましい。また、液晶光変調器10Bは、計算機合成ホログラム(Computer-Generated Hologram:CGH)(非特許文献2参照)のパターンを形成するように、開口32aが配置された共通電極32Bを備える。共通電極32Bは、開口32aのパターンや個々の平面視形状を特に限定されず、例えば開口32aによって2以上に分離されていてもよいが、電源91に接続困難な、縁部と非連続な部分が生じないように形成される。 The liquid crystal light modulator 10B is a spatial light phase modulator, and modulates the phase of light having a predetermined polarization direction, i.e., the incident light L, for each region (pixel). For this purpose, the liquid crystal layer 20 has the slow axis set to the polarization direction of the light L by the upper and lower alignment films 21 and 22 (omitted in FIG. 11). The liquid crystal layer 20 is preferably made to have a thickness (cell thickness) such that the amount of change in the phase of the transmitted light is π in a non-electric field state in the case of the TN method, and in a state in which the maximum driving voltage V LC is applied in the case of the VA method. The liquid crystal light modulator 10B also includes a common electrode 32B in which openings 32a are arranged so as to form a pattern of a computer-generated hologram (CGH) (see Non-Patent Document 2). The pattern of the openings 32a and the individual planar shapes of the common electrode 32B are not particularly limited, and may be separated into two or more by the openings 32a, for example, but is formed so as not to generate any discontinuous parts with edges that are difficult to connect to the power source 91.

光源装置8は、光源81、光学系84、および偏光子71を備える。光源81は単色光源であり、位相の揃った光(コヒーレント光)を照射するように、半導体レーザー(LD)やガスレーザー等のレーザー光源を適用することが好ましい。光学系84は、ビームエキスパンダ等であり、光源81が照射した光を液晶光変調器10Bの光の入射面全体を内包する径の平行光線束とする。偏光子71は、液晶表示装置100にて説明した通り、入射された非偏光LuPを1つの向きの直線偏光Lとし、偏光変換素子でもよい。光源装置8は、偏光子71を備える代わりに、光源81に偏光レーザーを適用してもよい。拡大光学系86は、1枚ないし2枚以上のレンズからなり、立体像を所望の大きさに出力するために液晶光変調器10Bの光の出射側に配置される。 The light source device 8 includes a light source 81, an optical system 84, and a polarizer 71. The light source 81 is a monochromatic light source, and it is preferable to use a laser light source such as a semiconductor laser (LD) or a gas laser so as to irradiate light with a phase-aligned light (coherent light). The optical system 84 is a beam expander or the like, and converts the light irradiated by the light source 81 into a parallel light beam having a diameter that encompasses the entire light incidence surface of the liquid crystal light modulator 10B. As described in the liquid crystal display device 100, the polarizer 71 may be a polarization conversion element that converts the incident non-polarized light L uP into linearly polarized light L in one direction. The light source device 8 may apply a polarized laser to the light source 81 instead of the polarizer 71. The magnifying optical system 86 is composed of one or more lenses, and is arranged on the light emission side of the liquid crystal light modulator 10B to output a stereoscopic image of a desired size.

コヒーレントな直線偏光Lが液晶光変調器10Bに入射すると、共通電極32Bの開口32a上の電界が発生した液晶層20を透過した光、または共通電極32B上(開口32a外)の無電界状態の液晶層20を透過した光の一方の位相が変化し、その結果、位相の異なる2通りの光が出射する。そして、同じ位相の光同士が干渉することにより、立体像を結像する。また、互いに位相がπ異なるようなセル厚の液晶層20であれば、共通電極32B上を透過した光と開口32a上を透過した光とを干渉により相殺して、暗表示とすることができる。 When coherent linearly polarized light L enters the liquid crystal light modulator 10B, the phase of either the light that has passed through the liquid crystal layer 20 where an electric field is generated above the opening 32a of the common electrode 32B, or the light that has passed through the liquid crystal layer 20 in an electric field-free state above the common electrode 32B (outside the opening 32a) changes, resulting in two lights with different phases being emitted. Then, the lights with the same phase interfere with each other to form a three-dimensional image. Furthermore, if the liquid crystal layer 20 has a cell thickness such that the phases differ by π, the light that has passed through the common electrode 32B and the light that has passed through the opening 32a can be offset by interference to produce a dark display.

ここで、ホログラフィ装置における視域角Ψは、下式(3)で表されるように、画素長pに依存する(λ:光の波長)。すなわち、ホログラフィ装置200Bにおいては、共通電極32Bの開口32aのピッチに依存し、共通電極32Bの開口32aのパターンが微細なほど、視域角Ψを広くすることができる。例えば、可視光における短波長域の青色光(λ=408nm)において、Ψ≧30°とするためには、p≦0.8μmとする。
Ψ=2sin-1(λ/2p) ・・・(3)
Here, the viewing zone angle Ψ in the holography device depends on the pixel length p (λ: wavelength of light) as expressed by the following formula (3). That is, in the holography device 200B, the viewing zone angle Ψ depends on the pitch of the openings 32a in the common electrode 32B, and the finer the pattern of the openings 32a in the common electrode 32B, the wider the viewing zone angle Ψ can be. For example, in the case of blue light (λ=408 nm) in the short wavelength region of visible light, in order to satisfy Ψ≧30°, p≦0.8 μm.
Ψ=2sin -1 (λ/2p)...(3)

本実施形態に係るホログラフィ装置は、液晶表示装置100(図9参照)と同様に、液晶光変調器10Bの上下に位相差板73,74および偏光板72をさらに備えて、開口32a上の液晶層20を透過した光のみを偏光子72で出射させて、これらの光同士を干渉させてもよい。また、光源装置8の光源81にLED等を適用してもよい。 The holography device according to this embodiment may further include retardation plates 73, 74 and a polarizing plate 72 above and below the liquid crystal light modulator 10B, similar to the liquid crystal display device 100 (see FIG. 9), and only the light that has passed through the liquid crystal layer 20 above the opening 32a may be emitted by the polarizer 72, causing interference between these lights. Also, an LED or the like may be used as the light source 81 of the light source device 8.

R,G,Bの各色の像を出力する3台のホログラフィ装置200Bを備え、さらに色合成光学系を備えることにより、3板式のカラーホログラフィ装置とすることができる(非特許文献1の6図参照)。それぞれのホログラフィ装置200Bは、光源装置8が赤色光、緑色光、および青色光の1つを照射し、液晶光変調器10Bが、光源装置8が照射する光の色の像に合わせたパターンに形成された共通電極32Bを備える。なお、3台のホログラフィ装置200Bは、交流電源91を共有してもよい。色合成光学系は、ダイクロイックプリズムまたは2枚のダイクロイックミラーである。3台のホログラフィ装置200Bは、それぞれが出力する各色の像が結像する位置が揃うように配置される。あるいは、R,G,Bの各色の像に合わせたパターンに形成された共通電極32Bを備える3つの液晶光変調器10Bを積層して、各色の光を交互に照射する光源装置を備えて、時分割方式のカラーホログラフィ装置とすることができる。例えば光源装置が赤色光を照射している時には、赤色用の液晶光変調器10Bを駆動する。他の2つの液晶光変調器10Bは、電源OFFとすることにより、それぞれ全面の位相差δが0またはπとなり、合計で0または2πとなるので、赤色光の変調に影響しない。 A three-plate color holography device can be formed by providing three holography devices 200B that output images of the respective colors R, G, and B, and further providing a color synthesis optical system (see FIG. 6 in Non-Patent Document 1). In each of the holography devices 200B, the light source device 8 irradiates one of red light, green light, and blue light, and the liquid crystal light modulator 10B has a common electrode 32B formed in a pattern corresponding to the color image of the light irradiated by the light source device 8. The three holography devices 200B may share an AC power source 91. The color synthesis optical system is a dichroic prism or two dichroic mirrors. The three holography devices 200B are arranged so that the positions at which the images of the respective colors output by each of them are formed are aligned. Alternatively, a time-division color holography device can be formed by stacking three liquid crystal light modulators 10B each having a common electrode 32B formed in a pattern corresponding to the images of the respective colors R, G, and B, and providing a light source device that alternately irradiates light of each color. For example, when the light source device is emitting red light, the red liquid crystal light modulator 10B is driven. By turning off the power to the other two liquid crystal light modulators 10B, the phase difference δ across the entire surface becomes 0 or π, and the total becomes 0 or 2π, so there is no effect on the modulation of the red light.

このように、液晶光変調器10Bを備えるホログラフィ装置200Bは、簡易な構成で立体像を表示することができる。また、R,G,Bの各色の像を表示する3台のホログラフィ装置200Bを備えることにより、フルカラーの立体像を表示することができる。 In this way, the holography device 200B equipped with the liquid crystal light modulator 10B can display a three-dimensional image with a simple configuration. Furthermore, by providing three holography devices 200B that display images of the respective colors R, G, and B, a full-color three-dimensional image can be displayed.

(投射型表示装置)
本実施形態に係る液晶表示装置100は、その一方の側に光を照射する光源装置80A(図13参照)を、他方の側に投射レンズ(拡大光学系)86A(図13参照)を備え、交流電源91を液晶光変調器10に接続して、画像をスクリーンに投影する投射型表示装置(プロジェクタ)とすることができる。光源装置80Aおよび投射レンズ86Aは、公知の液晶プロジェクタに使用されるものを適用することができる。フルカラー画像を表示するためには、液晶表示装置100がカラーフィルタアレイ75(図10参照)をさらに備えると共に、光源装置80Aが白色光を照射するように、光源として、R,G,Bの3色のレーザーまたはLEDおよび色合成光学系、あるいは水銀ランプ等を備える。あるいは、前記の3板式のカラーホログラフィ装置のように、共通電極32がR,G,Bの各色の像に合わせたパターンに形成された3台の液晶表示装置100、およびそれぞれの液晶表示装置100に各色の光を照射する単色の光源装置を備え、各色の出射光を色合成光学系で合成して投射レンズ86Aを介してスクリーンに投射する構成とすることもできる。
(Projection type display device)
The liquid crystal display device 100 according to this embodiment includes a light source device 80A (see FIG. 13) that irradiates light on one side and a projection lens (magnifying optical system) 86A (see FIG. 13) on the other side, and can be used as a projection type display device (projector) that projects an image on a screen by connecting an AC power source 91 to the liquid crystal light modulator 10. The light source device 80A and the projection lens 86A can be those used in known liquid crystal projectors. In order to display a full-color image, the liquid crystal display device 100 further includes a color filter array 75 (see FIG. 10), and includes a light source such as a laser or LED of three colors R, G, and B and a color synthesis optical system, or a mercury lamp, so that the light source device 80A irradiates white light. Alternatively, as in the three-panel color holography device described above, a configuration can be used that includes three liquid crystal display devices 100 in which the common electrode 32 is formed into a pattern corresponding to the R, G, and B color images, and a monochrome light source device that irradiates each liquid crystal display device 100 with light of each color, and the emitted light of each color is combined in a color combining optical system and projected onto a screen via a projection lens 86A.

(変形例)
前記実施形態に係る液晶光変調器は透過型の空間光変調器であるが、反射型の空間光変調器とすることもできる。以下、本発明の第1実施形態の変形例に係る液晶光変調器、およびこれを備える液晶表示装置について、図12を参照して説明する。第1実施形態(図1~11参照)と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
(Modification)
The liquid crystal light modulator according to the above embodiment is a transmissive spatial light modulator, but it may also be a reflective spatial light modulator. A liquid crystal light modulator according to a modification of the first embodiment of the present invention and a liquid crystal display device including the same will be described below with reference to Fig. 12. The same elements as those in the first embodiment (see Figs. 1 to 11) are given the same reference numerals and will not be described.

本発明の第1実施形態の変形例に係る液晶光変調器10Aは、液晶層20A、液晶層20Aを上下から挟む上部電極41および下部電極31A、下部電極31Aと液晶層20Aの間に設けられた共通電極32、ならびに共通電極32と下部電極31Aとを絶縁する電極層間絶縁膜52を備える。液晶光変調器10Aはさらに、液晶層20Aの上下面にそれぞれ接する配向膜21,22、上部電極41の上の透明基板61、および下部電極31Aの下の基板62Aを備える。液晶光変調器10Aは、上方から全面に入射された光を反射して上方へ出射し、その際に所定の一部の領域において光の偏光方向を変化させる反射型の空間光変調器である。 The liquid crystal light modulator 10A according to the modified first embodiment of the present invention includes a liquid crystal layer 20A, an upper electrode 41 and a lower electrode 31A sandwiching the liquid crystal layer 20A from above and below, a common electrode 32 provided between the lower electrode 31A and the liquid crystal layer 20A, and an inter-electrode insulating film 52 insulating the common electrode 32 from the lower electrode 31A. The liquid crystal light modulator 10A further includes alignment films 21 and 22 respectively in contact with the upper and lower surfaces of the liquid crystal layer 20A, a transparent substrate 61 on the upper electrode 41, and a substrate 62A below the lower electrode 31A. The liquid crystal light modulator 10A is a reflective spatial light modulator that reflects light incident on the entire surface from above and emits it upward, changing the polarization direction of the light in a predetermined partial area.

液晶層20Aは、前記実施形態の液晶層20と同様の液晶材料を選択することができる。ここでは、液晶層20Aは、VA方式とし、無電界状態では液晶分子2が直立していて位相差δが0である。垂直方向の電界によってその強さに応じた傾きで液晶分子2が倒れ、最大駆動電圧VLC印加時で膜面方向に沿った水平な姿勢となり、位相差δが最大となる。反射型の空間光変調器である液晶光変調器10Aにおいては、光Lが液晶層20A内を往復して出射するので、位相差δが往復でπとなるようにπ/2のセル厚に設計することが好ましい。したがって、透過型の液晶光変調器よりもセル厚が小さく、応答速度を高速にすることができる。 The liquid crystal layer 20A can be made of the same liquid crystal material as the liquid crystal layer 20 of the above embodiment. Here, the liquid crystal layer 20A is of the VA type, and in the absence of an electric field, the liquid crystal molecules 2 are upright and the phase difference δ is 0. The liquid crystal molecules 2 tilt at an angle according to the strength of the electric field in the vertical direction, and when the maximum driving voltage V LC is applied, they assume a horizontal posture along the film surface direction, and the phase difference δ is maximized. In the liquid crystal light modulator 10A, which is a reflective spatial light modulator, the light L goes back and forth within the liquid crystal layer 20A and is emitted, so it is preferable to design the cell thickness to π/2 so that the phase difference δ is π in the round trip. Therefore, the cell thickness is smaller than that of a transmissive liquid crystal light modulator, and the response speed can be increased.

液晶光変調器10Aは反射型の空間光変調器であり、下部電極31Aは、光を透過しなくてよいので、Cu,Al,Au,Ag,Ta,Cr,Pt,Ru等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成され、また、前記金属や合金の2種類以上を積層してもよい。下部電極31Aは、上方から入射した光に対して反射率が高くなるように、光反射率の高い材料を十分な厚さで備えることが好ましい。あるいは、液晶光変調器10Aは、前記実施形態と同様に光を透過する下部電極31を備えて、その下の基板62Aまたはさらにその下に設けた反射膜(図示せず)で光Lを反射させる構成としてもよい。基板62Aは、光を透過しなくてよいので、前記実施形態の透明基板62の他、Si基板や金属板、プラスチック板等を適用することができる。また、前記実施形態と同様に、液晶光変調器10Aはその用途によっては可撓性を有するように、基板61,62Aはフレキシブルなプラスチック基板が適用される。なお、本変形例においては、液晶層20Aの下側に光を透過する下部電極31および透明基板62を備えて下方から光を入射されて、上部電極41またはその上の基板(透明基板61)で光を反射する構成としてもよい。言い換えると、共通電極32および電極層間絶縁膜52を液晶層20Aの光の入射側に配置してもよい。 The liquid crystal light modulator 10A is a reflective spatial light modulator, and the lower electrode 31A is formed of a general metal electrode material such as metals such as Cu, Al, Au, Ag, Ta, Cr, Pt, Ru, or alloys thereof, since it does not need to transmit light, and two or more of the above metals or alloys may be laminated. The lower electrode 31A is preferably made of a material with high light reflectivity in a sufficient thickness so that it has a high reflectivity for light incident from above. Alternatively, the liquid crystal light modulator 10A may be configured to have a light-transmitting lower electrode 31 as in the above embodiment, and to reflect light L by the substrate 62A below it or a reflective film (not shown) provided further below it. Since the substrate 62A does not need to transmit light, in addition to the transparent substrate 62 of the above embodiment, a Si substrate, a metal plate, a plastic plate, or the like can be applied. Also, as in the above embodiment, flexible plastic substrates are applied to the substrates 61 and 62A so that the liquid crystal light modulator 10A has flexibility depending on its application. In this modified example, a light-transmitting lower electrode 31 and a transparent substrate 62 may be provided below the liquid crystal layer 20A, and light may be incident from below and reflected by the upper electrode 41 or the substrate thereon (transparent substrate 61). In other words, the common electrode 32 and the electrode interlayer insulating film 52 may be disposed on the light incident side of the liquid crystal layer 20A.

本変形例に係る液晶光変調器10Aの動作において、交流電源91からの電圧印加による電界の発生については、前記実施形態に係る液晶光変調器10(図9参照)と同様である。本変形例においては、液晶層20AがVA方式であるので、図12に示すように、無電界状態の開口32a外(共通電極32上)において液晶分子2が起立する。 In the operation of the liquid crystal light modulator 10A according to this modification, the generation of an electric field by application of a voltage from an AC power supply 91 is the same as in the liquid crystal light modulator 10 according to the above embodiment (see FIG. 9). In this modification, the liquid crystal layer 20A is of the VA type, so that the liquid crystal molecules 2 stand upright outside the opening 32a (above the common electrode 32) in the electric field-free state, as shown in FIG. 12.

本発明の第1実施形態の変形例に係る液晶光変調器10Aは、一般的な反射型の液晶光変調器と同様に液晶表示装置に使用される。図12に示すように、本発明の実施形態の変形例に係る液晶表示装置100Aは、液晶光変調器10A、および液晶光変調器10Aの光の入出射側(上)に配置された偏光板(偏光子)72を備え、さらに、液晶光変調器10Aと偏光板72との間に位相差板73を備えることが好ましい。また、液晶表示装置100Aは、フルカラー画像を表示する場合には、カラーフィルタアレイ75(図10参照)を、液晶光変調器10Aの光の入出射側に備える。 The liquid crystal light modulator 10A according to the modified embodiment of the present invention is used in a liquid crystal display device in the same manner as a general reflective liquid crystal light modulator. As shown in FIG. 12, the liquid crystal display device 100A according to the modified embodiment of the present invention includes a liquid crystal light modulator 10A and a polarizing plate (polarizer) 72 arranged on the light input/output side (top) of the liquid crystal light modulator 10A, and preferably further includes a retardation plate 73 between the liquid crystal light modulator 10A and the polarizing plate 72. In addition, when displaying a full-color image, the liquid crystal display device 100A includes a color filter array 75 (see FIG. 10) on the light input/output side of the liquid crystal light modulator 10A.

(液晶表示装置の動作)
本変形例に係る液晶表示装置の動作について説明する。前記実施形態に係る液晶表示装置100(図9参照)と同様に、上方から液晶表示装置100Aに入射した非偏光LuPは、偏光板72および位相差板73によって左円偏光に変換されて、透明基板61および上部電極41等を透過して、液晶層20Aに進入する。無電界状態の共通電極32上(開口32a外)に入射した光Lは、この領域における位相差δが0であるので、左円偏光のままで透過して、下部電極31Aに到達する。左円偏光は下部電極31Aで反射する際に右円偏光に変化して、下方から再び液晶層20Aを透過し、さらに上部電極41および透明基板61を透過して、位相差板73に進入する。位相差板73は、右円偏光を0°方向の直線偏光に変換するので、直線偏光となった光Lが偏光板72で遮光されて出射しない。一方、電界の発生した開口32a上に入射した光Lは、この領域における位相差δがπ/2であるので、液晶層20Aを透過する際に左円偏光から0°方向の直線偏光となって(図6参照)、下部電極31に到達する。直線偏光は反射する際に状態が変化せず、したがって、0°方向の直線偏光の光Lが、下方から再び液晶層20Aに進入する。そして、液晶層20Aは0°方向の直線偏光を左円偏光に戻し、位相差板73が90°方向の直線偏光に変換するため、直線偏光となった光Lが偏光板72を透過して液晶表示装置100Aから上方へ出射する。
(Operation of Liquid Crystal Display Device)
The operation of the liquid crystal display device according to this modification will be described. As in the liquid crystal display device 100 according to the above embodiment (see FIG. 9), the non-polarized light L uP incident on the liquid crystal display device 100A from above is converted into left-handed circularly polarized light by the polarizing plate 72 and the retardation plate 73, and passes through the transparent substrate 61 and the upper electrode 41, etc., and enters the liquid crystal layer 20A. The light L incident on the common electrode 32 (outside the opening 32a) in the electric field-free state has a phase difference δ of 0 in this region, so it passes through as left-handed circularly polarized light and reaches the lower electrode 31A. The left-handed circularly polarized light is changed to right-handed circularly polarized light when reflected by the lower electrode 31A, passes through the liquid crystal layer 20A again from below, and further passes through the upper electrode 41 and the transparent substrate 61, and enters the retardation plate 73. The retardation plate 73 converts the right-handed circularly polarized light into linearly polarized light in the 0° direction, so the linearly polarized light L is blocked by the polarizing plate 72 and does not exit. On the other hand, the light L incident on the opening 32a where the electric field is generated has a phase difference δ of π/2 in this region, so that when it passes through the liquid crystal layer 20A, it changes from left-handed circularly polarized light to linearly polarized light in the 0° direction (see FIG. 6 ) and reaches the lower electrode 31. The state of linearly polarized light does not change when it is reflected, so the light L linearly polarized in the 0° direction enters the liquid crystal layer 20A again from below. The liquid crystal layer 20A then returns the 0° linearly polarized light to left-handed circularly polarized light, and the retarder 73 converts it to linearly polarized light in the 90° direction, so that the linearly polarized light L passes through the polarizer 72 and is emitted upward from the liquid crystal display device 100A.

このように、液晶光変調器10Aを備える液晶表示装置100Aは、外光等の自然光を全面に入射されて、同じ側の面(偏光板72)に、共通電極32の開口32aが形成された領域のみから光を取り出すことができるので、透過型の液晶光変調器10を備える液晶表示装置100と同様に、開口32aのパターンによって所望の像を表示することができる。 In this way, the liquid crystal display device 100A equipped with the liquid crystal light modulator 10A can receive natural light such as external light on its entire surface and extract light only from the area on the same side (polarizing plate 72) where the openings 32a of the common electrode 32 are formed, so that the desired image can be displayed by the pattern of the openings 32a, just like the liquid crystal display device 100 equipped with the transmissive liquid crystal light modulator 10.

液晶表示装置100Aは、液晶表示装置100と同様に、電極31,41,32と交流電源91との接続を切り替えて全面から光を出射させることができる。前記実施形態で説明したように、共通電極32の接続を切り替えて、上部電極41との短絡を切断して、下部電極31と短絡させる。または、V1-V5間の電位差ΔVを加味して、交流電源91よりも電圧の小さい(VLC以上VDD未満)の交流電源を共通電極32に接続してもよい。このような交流電源として、図12に示すように電源装置92を備える。電源装置92は、交流電源91から電圧を入力されて、この電圧よりも小さい電圧を交流電源91と同期して出力する。 The liquid crystal display device 100A can emit light from the entire surface by switching the connection between the electrodes 31, 41, and 32 and the AC power supply 91, as in the liquid crystal display device 100. As described in the above embodiment, the connection of the common electrode 32 is switched to disconnect the short circuit with the upper electrode 41 and short circuit with the lower electrode 31. Alternatively, an AC power supply having a voltage smaller than that of the AC power supply 91 ( VLC or more and less than VDD ) may be connected to the common electrode 32, taking into account the potential difference ΔV between V1 and V5. As such an AC power supply, a power supply device 92 is provided as shown in FIG. 12. The power supply device 92 receives a voltage from the AC power supply 91 and outputs a voltage smaller than this voltage in synchronization with the AC power supply 91.

液晶表示装置100Aは、1つの偏光板72が偏光子と検光子を兼用するので、反射して液晶光変調器10Aから出射する光のうちの開口32a上における光を、上(光源)から液晶光変調器10Aに入射する光と同じ偏光状態とする必要がある。TN方式を適用される場合には、上下に光を透過する電極31,41および透明基板61,62を備える透過型の液晶光変調器10を備え、液晶層20が無電界状態で位相差δがπ/2となるセル厚に設計される。そして、液晶光変調器10の下に位相差板74を配置し(図9参照)、さらにその下に反射板を配置した構成とする。 In the liquid crystal display device 100A, one polarizing plate 72 serves as both a polarizer and an analyzer, so the light reflected and emitted from the liquid crystal light modulator 10A on the opening 32a must be in the same polarization state as the light entering the liquid crystal light modulator 10A from above (light source). When the TN method is applied, a transmissive liquid crystal light modulator 10 is provided with electrodes 31, 41 and transparent substrates 61, 62 that transmit light above and below, and the liquid crystal layer 20 is designed to have a cell thickness such that the phase difference δ is π/2 in the absence of an electric field. A retardation plate 74 is placed below the liquid crystal light modulator 10 (see FIG. 9), and a reflector is placed below that.

(投射型表示装置)
本変形例に係る液晶光変調器10Aを備える液晶表示装置は、前記実施形態と同様に投射型表示装置(プロジェクタ)に使用することができる。このような液晶表示装置100Cは、図13に示すように、液晶光変調器10Aの光の入出射側に偏光ビームスプリッタ76を備え、液晶光変調器10Aに入射する光と開口32a上(電圧印加領域)から出射する光とで位相差がπとなるように構成される。そして、投射型表示装置200Cは、液晶表示装置100Cに、偏光ビームスプリッタ76の側方および上方にそれぞれ配置した光源装置80Aおよび投射レンズ86A、ならびに液晶光変調器10Aに接続した交流電源91を備える。フルカラー画像を表示するためには、液晶表示装置100Cがカラーフィルタアレイ75をさらに備えると共に、光源装置80Aが白色光を照射する。光源装置80Aが偏光ビームスプリッタ76に側方から非偏光LuPを照射して、偏光ビームスプリッタ76で反射したS偏光(紙面垂直方向の直線偏光L)が液晶光変調器10A上の位相差板73に入射する。そして、液晶光変調器10Aで変調されて位相差板73から出射した光のうち、P偏光が偏光ビームスプリッタ76を透過し、投射レンズ86Aを経由して出射する。あるいは、前記実施形態で説明したように、3板式の投射型表示装置とすることもできる。
(Projection type display device)
A liquid crystal display device including the liquid crystal light modulator 10A according to this modification can be used in a projection display device (projector) in the same manner as in the above embodiment. As shown in FIG. 13, such a liquid crystal display device 100C includes a polarizing beam splitter 76 on the light input/output side of the liquid crystal light modulator 10A, and is configured so that the phase difference between the light incident on the liquid crystal light modulator 10A and the light output from the opening 32a (voltage application area) is π. The projection display device 200C includes a light source device 80A and a projection lens 86A disposed on the side and above the polarizing beam splitter 76, respectively, in the liquid crystal display device 100C, and an AC power source 91 connected to the liquid crystal light modulator 10A. In order to display a full-color image, the liquid crystal display device 100C further includes a color filter array 75, and the light source device 80A irradiates white light. The light source device 80A irradiates the polarizing beam splitter 76 with unpolarized light L uP from the side, and the S-polarized light (linearly polarized light L perpendicular to the paper surface) reflected by the polarizing beam splitter 76 is incident on the retardation plate 73 on the liquid crystal light modulator 10A. Then, of the light modulated by the liquid crystal light modulator 10A and emitted from the retardation plate 73, the P-polarized light passes through the polarizing beam splitter 76 and is emitted via the projection lens 86A. Alternatively, as described in the above embodiment, a three-plate projection display device may be used.

本変形例に係る液晶光変調器10Aは、前記実施形態に係る液晶光変調器10B(図11参照)と同様に、計算機合成ホログラムのパターンを形成された共通電極32Bを備えて、ホログラフィ装置に使用することができる。このような反射型の液晶光変調器10Aを備えた変形例に係るホログラフィ装置は、入射光と出射光の光路が一致しないように、液晶光変調器10Aに入射光が少し傾斜して入射されるように光源装置8が配置される。または、ホログラフィ装置は、液晶光変調器10Aの光の入出射側(上)に、45°傾斜させたハーフミラー(無偏光ビームスプリッタ)を備えて、その上に配置した光源装置8から入射角0°で光Lを入射し、液晶光変調器10Aから出射した光をハーフミラーで側方へ反射させる。あるいは、本変形例に係るホログラフィ装置は、液晶表示装置100C(図13参照)と同様に、液晶光変調器10Aの上に位相差板73を、さらにその上にハーフミラーに代えて偏光ビームスプリッタ76を備えて、開口32a上の液晶層20Aを透過した光のみを出射させて、これらの光同士を干渉させてもよい。また、フルカラーの立体像を表示するためには、前記実施形態と同様に、R,G,Bの各色の像を出力する3台のホログラフィ装置、および色合成光学系を備えて、3板式のカラーホログラフィ装置を構成する。 The liquid crystal light modulator 10A according to this modification is provided with a common electrode 32B on which a computer-generated hologram pattern is formed, similar to the liquid crystal light modulator 10B according to the embodiment (see FIG. 11), and can be used in a holography device. In the holography device according to the modification provided with such a reflective liquid crystal light modulator 10A, the light source device 8 is arranged so that the incident light is slightly tilted into the liquid crystal light modulator 10A so that the optical paths of the incident light and the outgoing light do not coincide. Alternatively, the holography device is provided with a half mirror (non-polarizing beam splitter) tilted at 45° on the light input/output side (top) of the liquid crystal light modulator 10A, and light L is input from the light source device 8 arranged above it at an incident angle of 0°, and the light emitted from the liquid crystal light modulator 10A is reflected to the side by the half mirror. Alternatively, the holography device according to this modification may be similar to the liquid crystal display device 100C (see FIG. 13) in that it has a phase difference plate 73 on the liquid crystal light modulator 10A and a polarizing beam splitter 76 on top of that instead of a half mirror, and only the light that has passed through the liquid crystal layer 20A above the opening 32a is emitted, causing these lights to interfere with each other. Also, to display a full-color stereoscopic image, a three-plate color holography device is configured by having three holography devices that output images of the colors R, G, and B, and a color synthesis optical system, as in the above embodiment.

以上のように、本発明の第1実施形態およびその変形例に係る液晶光変調器によれば、簡易な構成であり、画素が微細で所望の画像が表示される液晶表示装置が得られる。そして、このような液晶表示装置を使用したインテグラル方式の立体像表示装置によれば、視差情報を多くしかつ解像度を高くすることができる。また、このような液晶表示装置を使用したホログラフィ装置によれば、立体像が広い視域角で得られる。 As described above, the liquid crystal light modulator according to the first embodiment of the present invention and its modified example can provide a liquid crystal display device that has a simple configuration, has fine pixels, and displays a desired image. Furthermore, an integral type stereoscopic image display device using such a liquid crystal display device can provide more parallax information and higher resolution. Furthermore, a holography device using such a liquid crystal display device can provide a stereoscopic image with a wide viewing angle.

〔第2実施形態〕
第1実施形態およびその変形例に係る液晶光変調器は、白黒の2値の表示であったが、信号を増やすことなく、中間調を含む階調表示をすることもできる。以下、第2実施形態に係る液晶光変調器について説明する。第1実施形態(図1~13参照)と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
Second Embodiment
The liquid crystal light modulator according to the first embodiment and its modified example displays a binary black and white value, but can also display gradations including intermediate tones without increasing the signal. The liquid crystal light modulator according to the second embodiment will be described below. The same elements as those in the first embodiment (see FIGS. 1 to 13) are given the same reference numerals and description thereof will be omitted.

図14に示すように、本発明の第2実施形態に係る液晶光変調器10Eは、共通電極32の少なくとも一部の開口32aが形成された領域において、電極層間絶縁膜52Bが、開口32a毎に厚さが異なるように所定の深さの穴が形成されている。図14においては、左側の開口32aにおいては穴がなく、右側の開口32aにおいては厚さが半分になるように穴が形成されている。 As shown in FIG. 14, in the liquid crystal light modulator 10E according to the second embodiment of the present invention, in the region where at least some of the openings 32a of the common electrode 32 are formed, the electrode interlayer insulating film 52B has holes of a predetermined depth formed so that the thickness varies for each opening 32a. In FIG. 14, there is no hole in the opening 32a on the left side, and a hole is formed in the opening 32a on the right side so that the thickness is half.

電極層間絶縁膜52Bは、厚さが最小で0、すなわち貫通孔が形成されていてもよい。電極層間絶縁膜52Bは一方、厚さが最大で穴なしとすることができ、あるいはさらに開口32a内まで埋め込まれていてもよい(図7参照)。液晶光変調器10Eは、電極層間絶縁膜52Bの厚さの段階の数(厚さ0を含む)よりも1つ多い階調を表示することができる。ここで、電極31-41間に印加する電圧VDDは(上部電極41の電位V0=0V)、電極層間絶縁膜52Bの最大厚さの領域の液晶層20の下面における電位V7が後記の所定の値(最小駆動電圧VLC´)となる電圧に設定される(図15参照)。このような電圧VDDが電極31-41間に印加されているときに、開口32a毎に、液晶層20の下面における電位が所望の値(VLC´超VLC以下)となるような深さの穴が電極層間絶縁膜52Bに形成される。特に、最も深い穴、すなわち電極層間絶縁膜52Bの最小厚さは、この領域の液晶層20の下面における電位V5が最大駆動電圧VLCになるように形成される。また、階調が多い場合には、電極層間絶縁膜52Bは、比誘電率が高い方が、厚さの段階を多く形成し易い。 The inter-electrode insulating film 52B may have a minimum thickness of 0, i.e., a through hole. On the other hand, the inter-electrode insulating film 52B may have a maximum thickness without a hole, or may be embedded into the opening 32a (see FIG. 7). The liquid crystal light modulator 10E can display a gray scale that is one more than the number of thickness steps (including thickness 0) of the inter-electrode insulating film 52B. Here, the voltage V DD applied between the electrodes 31-41 (potential V0 of the upper electrode 41=0V) is set to a voltage that makes the potential V7 on the lower surface of the liquid crystal layer 20 in the maximum thickness region of the inter-electrode insulating film 52B a predetermined value (minimum driving voltage V LC ') described below (see FIG. 15). When such a voltage V DD is applied between the electrodes 31-41, a hole is formed in the inter-electrode insulating film 52B at each opening 32a, with a depth such that the potential on the lower surface of the liquid crystal layer 20 becomes a desired value (V LC ' or less than V LC ). In particular, the deepest hole, i.e., the minimum thickness of the electrode interlayer insulating film 52B, is formed so that the potential V5 at the lower surface of the liquid crystal layer 20 in this region becomes the maximum drive voltage VLC . Furthermore, when there are many gradations, the electrode interlayer insulating film 52B having a higher relative dielectric constant is more likely to have many thickness steps.

本実施形態に係る液晶光変調器10Eは、第1実施形態に係る液晶光変調器10と同様に、透過型の液晶表示装置(図9参照)に適用される。交流電源91で電圧VDDを印加すると、図15に示すように、電極層間絶縁膜52Bの厚さが最小の(穴が最も深い)領域での液晶層20の下面における電位V5が最大駆動電圧VLCとなる。前記したように、開口32a上の液晶層20の下面における電位は、液晶層20と下部電極31との間の距離dに比例して、下部電極31の電位V1(=VDD)に対して降下する。したがって、開口32a毎に、当該開口32aにおける電極層間絶縁膜52Bの厚さに対応した電圧が、その上の液晶層20に印加される。その結果、開口32a毎に、その上の液晶層20は、その直下における電極層間絶縁膜52Bの厚さに対応した液晶分子2の傾きとなる。このような液晶表示装置において、液晶光変調器10Eの開口32a上に入射した光(例えば、左円偏光)は、液晶層20を、この領域における電極層間絶縁膜52Bの厚さに対応した位相差δ(TN方式:0≦δ<π、VA方式:0<δ≦π)で偏光状態を変化させて透過する。そして、変化後の偏光状態に応じた光量の光が偏光板72を透過して出射する。電極層間絶縁膜52Bの厚さを最大とした開口32a上の液晶層20は、電圧VLC´を印加されることにより、2番目に(黒の次に)暗い所望の階調を表示させる位相差となる。 The liquid crystal light modulator 10E according to this embodiment is applied to a transmissive liquid crystal display device (see FIG. 9) in the same manner as the liquid crystal light modulator 10 according to the first embodiment. When a voltage V DD is applied from an AC power source 91, as shown in FIG. 15, the potential V5 on the lower surface of the liquid crystal layer 20 in the region where the thickness of the inter-electrode insulating film 52B is the smallest (the hole is the deepest) becomes the maximum driving voltage V LC . As described above, the potential on the lower surface of the liquid crystal layer 20 above the opening 32a drops relative to the potential V1 (=V DD ) of the lower electrode 31 in proportion to the distance d between the liquid crystal layer 20 and the lower electrode 31. Therefore, for each opening 32a, a voltage corresponding to the thickness of the inter-electrode insulating film 52B at that opening 32a is applied to the liquid crystal layer 20 thereon. As a result, for each opening 32a, the liquid crystal layer 20 thereon has a tilt of the liquid crystal molecules 2 corresponding to the thickness of the inter-electrode insulating film 52B directly below it. In such a liquid crystal display device, light (e.g., left-handed circularly polarized light) incident on the opening 32a of the liquid crystal light modulator 10E passes through the liquid crystal layer 20 with its polarization state changed by a phase difference δ (TN mode: 0≦δ<π, VA mode: 0<δ≦π) corresponding to the thickness of the electrode interlayer insulating film 52B in this region. Then, the amount of light corresponding to the changed polarization state passes through the polarizing plate 72 and is emitted. When a voltage V LC ' is applied to the liquid crystal layer 20 above the opening 32a where the electrode interlayer insulating film 52B has the maximum thickness, the phase difference becomes such that the second darkest desired grayscale (next to black) is displayed.

このように、液晶光変調器10E全体で一体の下部電極31を有しながら、開口32a毎にその上の液晶層20の下面を所望の電位として、液晶層20を異なる位相差δにすることができる。そして、液晶光変調器10Eを備える液晶表示装置は、第1実施形態に係る液晶表示装置100と同様に、光を全面に入射して、反対側の共通電極32の開口32aが形成された領域のみから光を取り出し、さらに開口32a毎に光量を変えて取り出すことができるので、開口32aのパターンおよび電極層間絶縁膜52Bの開口32aにおける厚さによって所望の像を表示することができる。また、液晶光変調器10Eを備える液晶表示装置は、液晶表示装置100と同様に、共通電極32と下部電極31とをGNDに接続し、上部電極41を交流電源91の非GND側の端子に接続することにより、全面から光を出射させることができる。本実施形態においては、電極層間絶縁膜52Bの開口32aにおける厚さが最大の領域での液晶層20に最大駆動電圧VLC以上の電圧が印加されるように、交流電源91の電圧を設定する。 In this way, while the liquid crystal light modulator 10E has an integrated lower electrode 31 as a whole, the lower surface of the liquid crystal layer 20 above each opening 32a can be set to a desired potential, and the liquid crystal layer 20 can have a different phase difference δ. Similarly to the liquid crystal display device 100 according to the first embodiment, the liquid crystal display device including the liquid crystal light modulator 10E can receive light from the entire surface, extract light only from the area where the opening 32a of the common electrode 32 on the opposite side is formed, and further extract light with a different amount for each opening 32a, so that a desired image can be displayed by the pattern of the opening 32a and the thickness of the opening 32a of the electrode interlayer insulating film 52B. Similarly to the liquid crystal display device 100, the liquid crystal display device including the liquid crystal light modulator 10E can emit light from the entire surface by connecting the common electrode 32 and the lower electrode 31 to GND and connecting the upper electrode 41 to a non-GND terminal of the AC power supply 91. In this embodiment, the voltage of the AC power supply 91 is set so that a voltage equal to or greater than the maximum drive voltage VLC is applied to the liquid crystal layer 20 in the region where the thickness of the inter-electrode insulating film 52B at the opening 32a is at its maximum.

(変形例)
本実施形態において、階調表示は、液晶層と下部電極とを隔てる電極層間絶縁膜の厚さの違いだけでなく、比誘電率の違いによっても可能である。図16に示すように、本発明の第2実施形態の変形例に係る液晶光変調器10Fは、共通電極32の開口32aが形成された領域において、電極層間絶縁膜52Cにも開口が形成され、開口32a毎に比誘電率の異なる絶縁材料からなる埋込絶縁層(絶縁層)5b,5cが形成されている。
(Modification)
In this embodiment, the gray scale display is possible not only by the difference in thickness of the inter-electrode insulating film separating the liquid crystal layer and the lower electrode, but also by the difference in the relative dielectric constant. As shown in Fig. 16, in the liquid crystal light modulator 10F according to the modified example of the second embodiment of the present invention, an opening is also formed in the inter-electrode insulating film 52C in the region where the opening 32a of the common electrode 32 is formed, and embedded insulating layers (insulating layers) 5b, 5c made of insulating materials having different relative dielectric constants are formed for each opening 32a.

埋込絶縁層5b,5cは、電極層間絶縁膜52の材料として挙げた絶縁材料から選択される。ここでは、左側の開口32aにおいては電極層間絶縁膜52Cと同一材料からなる埋込絶縁層5bが設けられ、右側の開口32aにおいてはそれよりも比誘電率の高い絶縁材料(高誘電率絶縁材料)からなる埋込絶縁層5cが設けられている。液晶光変調器10Fは、埋込絶縁層5b,5cの材料の種類(比誘電率の段階)の数よりも1つ多い階調を表示することができる。埋込絶縁層5b,5cは、電極31-41間に電圧VDDを印加されたときに(上部電極41の電位V0=0V)、最も高誘電率の埋込絶縁層が設けられた領域の液晶層20の下面における電位V5を最大駆動電圧VLCに降下させ、最も低誘電率の埋込絶縁層が設けられた領域の液晶層20の下面における電位V7を最小駆動電圧VLC´に降下させるように、材料および厚さが設計される(図15参照)。 The embedded insulating layers 5b and 5c are selected from the insulating materials listed as the material of the electrode interlayer insulating film 52. Here, the embedded insulating layer 5b made of the same material as the electrode interlayer insulating film 52C is provided in the left opening 32a, and the embedded insulating layer 5c made of an insulating material with a higher relative dielectric constant (high dielectric constant insulating material) is provided in the right opening 32a. The liquid crystal light modulator 10F can display one more gradation than the number of types of materials (levels of relative dielectric constant) of the embedded insulating layers 5b and 5c. The material and thickness of the embedded insulating layers 5b, 5c are designed so that when a voltage V DD is applied between the electrodes 31-41 (potential V0 of the upper electrode 41 = 0V), the potential V5 at the underside of the liquid crystal layer 20 in the area where the embedded insulating layer with the highest dielectric constant is provided drops to the maximum drive voltage V LC , and the potential V7 at the underside of the liquid crystal layer 20 in the area where the embedded insulating layer with the lowest dielectric constant is provided drops to the minimum drive voltage V LC ' (see Figure 15).

本変形例に係る液晶光変調器10Fは、前記実施形態に係る液晶光変調器10Eと同様に、透過型の液晶表示装置(図9参照)に適用される。そして、液晶光変調器10Fを備える液晶表示装置は、共通電極32の開口32aが形成された領域のみから光を取り出し、さらに開口32a毎に光量を変えて取り出すことができる。また、液晶光変調器10Fを備える液晶表示装置は、液晶光変調器10Eを備える液晶表示装置と同様に、共通電極32と下部電極31とをGNDに接続し、上部電極41を交流電源91の非GND側の端子に接続することにより、全面から光を出射させることができる。 The liquid crystal light modulator 10F according to this modified example is applied to a transmissive liquid crystal display device (see FIG. 9) in the same manner as the liquid crystal light modulator 10E according to the above embodiment. A liquid crystal display device including the liquid crystal light modulator 10F can extract light only from the area where the opening 32a of the common electrode 32 is formed, and can further extract light with a different amount for each opening 32a. Also, like a liquid crystal display device including the liquid crystal light modulator 10E, a liquid crystal display device including the liquid crystal light modulator 10F can emit light from the entire surface by connecting the common electrode 32 and the lower electrode 31 to GND and connecting the upper electrode 41 to the non-GND terminal of the AC power supply 91.

また、本変形例は、前記実施形態と組み合わせて、埋込絶縁層5b,5cそれぞれの厚さを変えてもよい。また、図14に示す前記実施形態の電極層間絶縁膜52Bの深さの異なる穴を、比誘電率が電極層間絶縁膜52Bと異なる絶縁材料で埋めて、表面を平坦に形成してもよい。電極層間絶縁膜52Bよりも比誘電率が高い絶縁材料で埋めた場合には、電極層間絶縁膜52Bの厚さが小さい領域上の液晶層20の方が印加電圧が大きい。反対に、電極層間絶縁膜52Bよりも比誘電率が低い絶縁材料で埋めた場合には、電極層間絶縁膜52Bの厚さが大きい領域上の液晶層20の方が印加電圧が大きい。 This modified example may be combined with the above embodiment to change the thickness of each of the embedded insulating layers 5b and 5c. Also, holes of different depths in the electrode interlayer insulating film 52B of the above embodiment shown in FIG. 14 may be filled with an insulating material having a different dielectric constant than the electrode interlayer insulating film 52B to form a flat surface. When filled with an insulating material having a higher dielectric constant than the electrode interlayer insulating film 52B, a higher voltage is applied to the liquid crystal layer 20 on the area where the electrode interlayer insulating film 52B is thinner. Conversely, when filled with an insulating material having a lower dielectric constant than the electrode interlayer insulating film 52B, a higher voltage is applied to the liquid crystal layer 20 on the area where the electrode interlayer insulating film 52B is thicker.

本実施形態および変形例に係る液晶光変調器10E,10Fを備える液晶表示装置は、第1実施形態に係る液晶表示装置100,100Bと同様に、インテグラル方式、ホログラフィ方式の立体像表示装置に使用することができる(図10、図11参照)。また、液晶光変調器10E,10Fは、光を反射する下部電極31Aおよび基板62Aを備えて反射型の空間光変調器とすることもできる(図12参照)。 A liquid crystal display device including the liquid crystal light modulators 10E and 10F according to this embodiment and the modified example can be used in integral and holographic stereoscopic image display devices, similar to the liquid crystal display devices 100 and 100B according to the first embodiment (see Figures 10 and 11). The liquid crystal light modulators 10E and 10F can also be reflective spatial light modulators by including a lower electrode 31A and a substrate 62A that reflect light (see Figure 12).

以上のように、本発明の第2実施形態およびその変形例に係る液晶光変調器によれば、第1実施形態と同様に、画素が微細で所望の画像が表示される液晶表示装置が得られ、さらに、前記画像が多階調表示により高画質となる。 As described above, the liquid crystal optical modulator according to the second embodiment of the present invention and its modified example can provide a liquid crystal display device that displays a desired image with fine pixels, as in the first embodiment, and further provides high image quality through multi-tone display of the image.

〔第3実施形態〕
第1、第2実施形態およびその変形例に係る液晶光変調器は、共通電極を液晶層に対して光の入射側、出射側のいずれにも配置可能である。そこで、共通電極を液晶層の両側に設けて、互いに異なる開口パターンを形成されることにより、2通りの画像を表示することができる。以下、第3実施形態に係る液晶光変調器について説明する。第1、第2実施形態(図1~16参照)と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
Third Embodiment
In the liquid crystal light modulators according to the first and second embodiments and their modifications, the common electrode can be disposed on either the light incident side or the light exiting side of the liquid crystal layer. Thus, by providing the common electrode on both sides of the liquid crystal layer and forming different opening patterns, two types of images can be displayed. The liquid crystal light modulator according to the third embodiment will be described below. The same elements as those in the first and second embodiments (see FIGS. 1 to 16) are given the same reference numerals and description thereof will be omitted.

(液晶光変調器)
本発明の第3実施形態に係る液晶光変調器10Dは、図17に示すように、液晶層20、液晶層20を上下から挟む上部電極41および下部電極31、下部電極31と液晶層20の間に設けられた開口32aが形成された共通電極32、上部電極41と液晶層20の間に設けられた開口42aが形成された共通電極42、共通電極32と下部電極31とを絶縁する電極層間絶縁膜52、ならびに共通電極42と上部電極41とを絶縁する電極層間絶縁膜51を備える。液晶光変調器10Dはさらに、液晶層20の上下面にそれぞれ接する配向膜21,22、上部電極41の上の透明基板61、および下部電極31の下の透明基板62を備える。すなわち液晶光変調器10Dは、第1実施形態に係る液晶光変調器10の上部電極41と液晶層20の間に共通電極42および電極層間絶縁膜51を追加した構成である。液晶光変調器10Dは、液晶光変調器10と同様に、上方または下方の一方から全面に入射された光を透過して他方へ出射し、その際に所定の一部の領域において光の偏光方向を変化させる透過型の空間光変調器である。また、液晶光変調器10Dは、2通りの固定パターンをそれぞれ像として表示する液晶表示装置に適用される。
(Liquid crystal light modulator)
17, the liquid crystal light modulator 10D according to the third embodiment of the present invention includes a liquid crystal layer 20, an upper electrode 41 and a lower electrode 31 sandwiching the liquid crystal layer 20 from above and below, a common electrode 32 with an opening 32a formed between the lower electrode 31 and the liquid crystal layer 20, a common electrode 42 with an opening 42a formed between the upper electrode 41 and the liquid crystal layer 20, an electrode interlayer insulating film 52 that insulates the common electrode 32 from the lower electrode 31, and an electrode interlayer insulating film 51 that insulates the common electrode 42 from the upper electrode 41. The liquid crystal light modulator 10D further includes alignment films 21 and 22 that contact the upper and lower surfaces of the liquid crystal layer 20, respectively, a transparent substrate 61 above the upper electrode 41, and a transparent substrate 62 below the lower electrode 31. That is, the liquid crystal light modulator 10D has a configuration in which the common electrode 42 and the electrode interlayer insulating film 51 are added between the upper electrode 41 and the liquid crystal layer 20 of the liquid crystal light modulator 10 according to the first embodiment. The liquid crystal light modulator 10D is a transmissive spatial light modulator that transmits light incident on the entire surface from either above or below and emits it to the other side, changing the polarization direction of the light in a predetermined partial area, similar to the liquid crystal light modulator 10. The liquid crystal light modulator 10D is also applied to a liquid crystal display device that displays two fixed patterns as images.

共通電極42は、上部電極41と液晶層20との間に設けられ、共通電極32と同様に、電極31,41による液晶層20における電界を部分的に発生させないようにする。すなわち、共通電極42は、電界を発生させる領域を空けるように開口42aが形成されている。共通電極42は、共通電極32と同様の構成とすることができ、ただし、開口42aの配列パターンが共通電極32と異なる。開口42aは、表示する像の明表示とする画素に形成され、この像は、共通電極32の開口32aの配置による固定パターンとは独立したものとすることができる。また、開口42aの平面視形状は、開口32aと同じであっても異なっていてもよい。電極層間絶縁膜51は、上部電極41と共通電極42とを絶縁するためにこれらの間に設けられ、電極層間絶縁膜52と同様に、前記の絶縁材料から選択され、適切な厚さに設計される。 The common electrode 42 is provided between the upper electrode 41 and the liquid crystal layer 20, and like the common electrode 32, prevents the electrodes 31, 41 from partially generating an electric field in the liquid crystal layer 20. That is, the common electrode 42 has an opening 42a formed therein to open up an area in which an electric field is generated. The common electrode 42 can be configured in the same manner as the common electrode 32, except that the arrangement pattern of the openings 42a is different from that of the common electrode 32. The openings 42a are formed in pixels that brightly display the image to be displayed, and this image can be independent of the fixed pattern due to the arrangement of the openings 32a of the common electrode 32. The planar shape of the openings 42a may be the same as or different from that of the openings 32a. The electrode interlayer insulating film 51 is provided between the upper electrode 41 and the common electrode 42 to insulate them, and like the electrode interlayer insulating film 52, is selected from the insulating materials described above and designed to an appropriate thickness.

(液晶表示装置)
本発明の第3実施形態に係る液晶光変調器10Dは、第1実施形態に係る液晶光変調器10と同様に液晶表示装置に使用される。図18Aおよび図18Bに示すように、本発明の実施形態に係る液晶表示装置100Dは、液晶光変調器10D、ならびに、液晶光変調器10Dの上下にそれぞれ配置された偏光板(偏光子)71,72を備え、さらに、液晶光変調器10Dと偏光板71,72とのそれぞれの間に位相差板73,74を備えることが好ましい。また、液晶表示装置100Dは、フルカラー画像を表示する場合には、カラーフィルタアレイ75を、液晶光変調器10Dの出射側に備える(図10参照)。液晶表示装置100Dは、上下のいずれか一方の側から光を照射されて他方側に画像を表示することができ、ここでは、上方から光を照射されて下方に画像を表示するものとして説明する。
(Liquid crystal display device)
The liquid crystal light modulator 10D according to the third embodiment of the present invention is used in a liquid crystal display device in the same manner as the liquid crystal light modulator 10 according to the first embodiment. As shown in Fig. 18A and Fig. 18B, the liquid crystal display device 100D according to the embodiment of the present invention includes the liquid crystal light modulator 10D and polarizing plates (polarizers) 71 and 72 arranged above and below the liquid crystal light modulator 10D, and preferably further includes retardation plates 73 and 74 between the liquid crystal light modulator 10D and the polarizing plates 71 and 72, respectively. In addition, when the liquid crystal display device 100D displays a full-color image, a color filter array 75 is provided on the output side of the liquid crystal light modulator 10D (see Fig. 10). The liquid crystal display device 100D can be irradiated with light from either the top or bottom to display an image on the other side, and will be described here as being irradiated with light from above to display an image below.

(液晶光変調器および液晶表示装置の動作)
第3実施形態に係る液晶光変調器および液晶表示装置の動作について、図18A、図18B、および図19を参照して説明する。図18Aに示すように、液晶光変調器10Dは、交流電源91を電極31,41間に接続され、共通電極32と共通電極42とが短絡して電源装置93と接続する。電源装置93は、交流電源91から電圧を入力されて、この電圧よりも小さい電圧を交流電源91と同期して出力する。さらに、交流電源91の上部電極41側の端子をGND(0V)に接続する。ここで、電極31,41,32,42の各電位をV1,V4,V2,V3と表し、共通電極32の開口32a上の液晶層20の下面における電位をV5、共通電極42の開口42a下の液晶層20の上面における電位をV6と表す。ここでは、配向膜21,22による電位の降下は、厚さが液晶層20に対して十分に小さいので無視する。また、電極層間絶縁膜51と電極層間絶縁膜52とは、同じ構造(比誘電率、厚さ)とする。
(Operation of Liquid Crystal Light Modulator and Liquid Crystal Display Device)
The operation of the liquid crystal light modulator and the liquid crystal display device according to the third embodiment will be described with reference to Figs. 18A, 18B, and 19. As shown in Fig. 18A, the liquid crystal light modulator 10D has an AC power supply 91 connected between the electrodes 31 and 41, and the common electrode 32 and the common electrode 42 are short-circuited and connected to a power supply device 93. The power supply device 93 receives a voltage from the AC power supply 91 and outputs a voltage smaller than this voltage in synchronization with the AC power supply 91. Furthermore, the terminal of the AC power supply 91 on the upper electrode 41 side is connected to GND (0V). Here, the potentials of the electrodes 31, 41, 32, and 42 are represented as V1, V4, V2, and V3, the potential on the lower surface of the liquid crystal layer 20 above the opening 32a of the common electrode 32 is represented as V5, and the potential on the upper surface of the liquid crystal layer 20 below the opening 42a of the common electrode 42 is represented as V6. Here, the potential drop due to the alignment films 21 and 22 is ignored because their thickness is sufficiently small compared to the liquid crystal layer 20. Moreover, the electrode interlayer insulating film 51 and the electrode interlayer insulating film 52 have the same structure (dielectric constant, thickness).

電極31-41間に電圧VDD(V4=0V、V1=VDD)を印加しているとき、同電位に短絡した(V2=V3)共通電極32-42間(開口32a外かつ開口42a外)においては、液晶層20に電圧が印加されない。また、第1実施形態で説明したように、共通電極32の開口32a上の液晶層20の下面における電位V5は、下部電極31の電位V1に対して電位差ΔV(=|V1-V5|)降下し(図19参照)、電位差ΔVは液晶層20と下部電極31とを隔てる電極層間絶縁膜52の厚さや比誘電率に依存する。電極層間絶縁膜51と電極層間絶縁膜52とは同じ構造であるので、V4-V6間の電位差もΔVで表すことができる。すなわち、V5=VDD-ΔV、V6=ΔVである。したがって、開口42a下かつ開口32a上の液晶層20には、|V5-V6|=VDD-2ΔVの電圧が印加される。この領域において液晶分子2が直立して液晶層20の位相差δが0となる電圧(最大駆動電圧)VLCが印加される(|V5-V6|≧VLC)ように、交流電源91の電圧VDD(≧VLC+2ΔV)を設定する。このような構成により、液晶層20の前記領域において上下方向の電界(図では、ハッチングを付した上向きの矢印で表す)が発生して、液晶分子2が直立する。 When a voltage V DD (V4=0V, V1=V DD ) is applied between the electrodes 31 and 41, no voltage is applied to the liquid crystal layer 20 between the common electrodes 32 and 42 (outside the opening 32a and outside the opening 42a) that are shorted to the same potential (V2=V3). As described in the first embodiment, the potential V5 on the lower surface of the liquid crystal layer 20 above the opening 32a of the common electrode 32 drops by a potential difference ΔV (=|V1-V5|) with respect to the potential V1 of the lower electrode 31 (see FIG. 19), and the potential difference ΔV depends on the thickness and relative dielectric constant of the inter-electrode insulating film 52 that separates the liquid crystal layer 20 and the lower electrode 31. Since the inter-electrode insulating film 51 and the inter-electrode insulating film 52 have the same structure, the potential difference between V4 and V6 can also be expressed as ΔV. That is, V5=V DD -ΔV, V6=ΔV. Therefore, a voltage of |V5-V6|=V DD -2ΔV is applied to the liquid crystal layer 20 below the opening 42a and above the opening 32a. The voltage V DD (≧V LC +2ΔV) of the AC power supply 91 is set so that a voltage (maximum driving voltage) V LC is applied (|V5-V6|≧V LC ) at which the liquid crystal molecules 2 stand upright in this region and the phase difference δ of the liquid crystal layer 20 becomes 0. With this configuration, a vertical electric field (represented by a hatched upward arrow in the figure) is generated in the region of the liquid crystal layer 20, causing the liquid crystal molecules 2 to stand upright.

一方、開口32a上かつ共通電極42(開口42a外)下においては、液晶層20に電位差|V5-V3|の電圧が印加される。この領域にも最大駆動電圧VLCが印加されるようにするために、|V5-V3|=|V5-V6|≧VLCとなるように、共通電極42の電位V3をΔVに、すなわち電源装置93の電圧VDD´(=ΔV)を設定する。したがって、V2=V3=ΔVとなる。このとき、共通電極32(開口32a外)上かつ開口42a下においては、電位差|V2-V6|=0Vとなり、液晶層20に電圧が印加されない。このように、液晶光変調器10Dは、共通電極32のない領域(開口32a上)に限定して電界が発生し、上側の共通電極42の開口42aの有無には影響されない。その結果、液晶層20は、開口32a上において最大駆動電圧VLCが印加されて液晶分子2が直立して位相差δが0となる一方、それ以外の領域(開口32a外)においては無電界状態で位相差δが最大(π)となる。 On the other hand, above the opening 32a and below the common electrode 42 (outside the opening 42a), a voltage with a potential difference |V5-V3| is applied to the liquid crystal layer 20. In order to apply the maximum driving voltage VLC to this region as well, the potential V3 of the common electrode 42 is set to ΔV , that is, the voltage V DD ' (=ΔV) of the power supply device 93 is set so that |V5-V3|=|V5-V6|≧VLC. Therefore, V2=V3=ΔV. At this time, above the common electrode 32 (outside the opening 32a) and below the opening 42a, the potential difference is |V2-V6|=0V, and no voltage is applied to the liquid crystal layer 20. In this way, in the liquid crystal light modulator 10D, an electric field is generated only in the region without the common electrode 32 (above the opening 32a), and is not affected by the presence or absence of the opening 42a of the upper common electrode 42. As a result, when the maximum drive voltage V LC is applied to the liquid crystal layer 20 above the opening 32 a, the liquid crystal molecules 2 stand upright and the phase difference δ becomes 0, while in other regions (outside the opening 32 a), the phase difference δ becomes maximum (π) in the absence of an electric field.

液晶光変調器10Dがこのような状態において、上方から自然光LuPが液晶表示装置100Dに入射すると、図9を参照して第1実施形態で説明したように、偏光板71および位相差板73によって左円偏光となった光Lが、液晶層20に進入する。そして、共通電極32の開口32aが形成された領域のみから90°方向の直線偏光となって液晶表示装置100Dから下方へ取り出されるので、開口32aのパターンによって所望の像を表示することができる。 When natural light L uP is incident on the liquid crystal display device 100D from above in this state of the liquid crystal optical modulator 10D, the light L that has been converted into left-handed circularly polarized light by the polarizer 71 and the retarder 73 enters the liquid crystal layer 20, as described in the first embodiment with reference to Fig. 9. Then, the light L is converted into 90° linearly polarized light only from the region where the openings 32a of the common electrode 32 are formed, and is extracted downward from the liquid crystal display device 100D, so that a desired image can be displayed by the pattern of the openings 32a.

次に、液晶光変調器10Dは、電極31,41間に接続されている交流電源91との接続をスイッチ95a,95bで切り替えて、図18Bに示すように、交流電源91の下部電極31側の端子をGND(0V)に接続する。このような状態で電極31-41間に電圧VDDを印加していると、V1=0V、V4=VDDとなるので、電位V1と電位V4とが入れ替わる。また、|V1-V5|=|V4-V6|=ΔVであるから、V5=ΔV、V6=VDD-ΔVとなって、電位V5と電位V6とが入れ替わる。また、共通電極32,42には図18Aと同様に電源装置93から電圧VDD´(=ΔV)の電流を入力されるので、V2=V3=ΔVである。 Next, the liquid crystal light modulator 10D switches the connection to the AC power source 91 connected between the electrodes 31 and 41 using the switches 95a and 95b, and connects the terminal of the AC power source 91 on the lower electrode 31 side to GND (0V) as shown in Fig. 18B. When a voltage V DD is applied between the electrodes 31 and 41 in this state, V1=0V and V4=V DD , so that the potentials V1 and V4 are switched. Also, |V1-V5|=|V4-V6|=ΔV, so that V5=ΔV and V6=V DD -ΔV, so that the potentials V5 and V6 are switched. Also, a current of voltage V DD '(=ΔV) is input from the power supply device 93 to the common electrodes 32 and 42 as in Fig. 18A, so that V2=V3=ΔV.

図18Aと同様に、共通電極32-42間(開口32a外かつ開口42a外)においては、液晶層20に電圧が印加されない。そして、開口42a下かつ開口32a上の液晶層20には、|V5-V6|=VDD-2ΔV≧VLCの電圧が印加されるので、上下方向の電界(図では、ハッチングを付した下向きの矢印で表す)が発生する。一方、開口32a上かつ共通電極42(開口42a外)下においては、電位差|V5-V3|=0Vとなり、液晶層20に電圧が印加されない。これに対して、共通電極32(開口32a外)上かつ開口42a下においては、液晶層20に電位差|V2-V6|≧VLCの電圧が印加され、電界が発生する。このように、液晶光変調器10Dは、共通電極42のない領域(開口42a下)に限定して電界が発生し、下側の共通電極32の開口32aの有無には影響されない。その結果、液晶層20は、開口42a下において最大駆動電圧VLCが印加されて液晶分子2が直立して位相差δが0となる一方、それ以外の領域(開口42a外)においては無電界状態で位相差δが最大(π)となる。 Similar to FIG. 18A, no voltage is applied to the liquid crystal layer 20 between the common electrodes 32 and 42 (outside the opening 32a and outside the opening 42a). A voltage of |V5-V6|=V DD -2ΔV≧V LC is applied to the liquid crystal layer 20 below and above the opening 42a, so that an electric field in the vertical direction (represented by a hatched downward arrow in the figure) is generated. On the other hand, above the opening 32a and below the common electrode 42 (outside the opening 42a), the potential difference is |V5-V3|=0V, so that no voltage is applied to the liquid crystal layer 20. On the other hand, a voltage of a potential difference |V2-V6|≧V LC is applied to the liquid crystal layer 20 above the common electrode 32 (outside the opening 32a) and below the opening 42a, so that an electric field is generated. In this way, in the liquid crystal light modulator 10D, an electric field is generated only in the region without the common electrode 42 (below the opening 42a), and is not affected by the presence or absence of the opening 32a in the lower common electrode 32. As a result, in the liquid crystal layer 20, the maximum drive voltage VLC is applied below the opening 42a, causing the liquid crystal molecules 2 to stand upright and the phase difference δ to be 0, while in other regions (outside the opening 42a), the phase difference δ is maximum (π) in the absence of an electric field.

液晶光変調器10Dがこのような状態において、上方から自然光LuPが液晶表示装置100Dに入射すると、共通電極42の開口42aが形成された領域のみから90°方向の直線偏光となって液晶表示装置100Dから下方へ取り出されるので、開口42aのパターンによって所望の像を表示することができる。 When the liquid crystal optical modulator 10D is in this state, and natural light L uP is incident on the liquid crystal display device 100D from above, the light becomes linearly polarized in a 90° direction only from the area in which the openings 42a of the common electrode 42 are formed, and is extracted downward from the liquid crystal display device 100D, so that the desired image can be displayed depending on the pattern of the openings 42a.

このように、液晶光変調器10Dが、液晶層20の上側の電極を、下側の電極と同様に誘電体を挟んで2層に設けて、液晶層20に近い側の共通電極42に開口42aを形成し、さらに、電極31-41間に電圧を印加する際に、交流電源91の端子を入れ替えるように接続の切替えの可能な構成とすることによって、共通電極32の開口32aまたは共通電極42の開口42aの所望の一方の配置に対応した二次元パターンで電界を局所的に発生させることができる。その結果、液晶表示装置100Dは、共通電極32の開口32aおよび共通電極42の開口42aの各パターンに対応した2通りの像を選択的に表示することができる。 In this way, the liquid crystal light modulator 10D provides the upper electrode of the liquid crystal layer 20 in two layers with a dielectric sandwiched therebetween, as with the lower electrode, and forms an opening 42a in the common electrode 42 closer to the liquid crystal layer 20. Furthermore, by configuring the connection so that the terminals of the AC power supply 91 can be switched when a voltage is applied between the electrodes 31-41, it is possible to locally generate an electric field in a two-dimensional pattern corresponding to the desired arrangement of the openings 32a in the common electrode 32 or the openings 42a in the common electrode 42. As a result, the liquid crystal display device 100D can selectively display two types of images corresponding to the patterns of the openings 32a in the common electrode 32 and the openings 42a in the common electrode 42.

液晶表示装置100Dは、第1実施形態に係る液晶表示装置100と同様に、全面から光を出射させることもできる。そのために、例えば図18A(V4=0V、V1=VDD)において、共通電極32を、スイッチ94で、共通電極42との短絡を切断すると共に、電源装置93との接続を電源装置92に切り替える。電源装置92は、電源装置93と同様に交流電源91から電流を入力されて、電圧VDD-ΔVの電流を交流電源91と同期して出力する。すなわち、V2=VDD-ΔV、V3=VDD´=ΔVであるから、V2=V5、V3=V6となる。また、電位差|V2-V3|=VDD-2ΔV≧VLCとなり、共通電極32-42間(開口32a外かつ開口42a外)の液晶層20にも電圧VLCが印加される。 The liquid crystal display device 100D can also emit light from the entire surface, similarly to the liquid crystal display device 100 according to the first embodiment. To this end, for example, in FIG. 18A (V4=0V, V1=V DD ), the common electrode 32 is disconnected from the common electrode 42 by a switch 94, and the connection to the power supply device 93 is switched to the power supply device 92. The power supply device 92 receives a current from the AC power supply 91, similarly to the power supply device 93, and outputs a current of voltage V DD -ΔV in synchronization with the AC power supply 91. That is, since V2=V DD -ΔV and V3=V DD '=ΔV, V2=V5 and V3=V6. In addition, the potential difference is |V2-V3|=V DD -2ΔV≧V LC , and the voltage V LC is also applied to the liquid crystal layer 20 between the common electrodes 32 and 42 (outside the opening 32a and outside the opening 42a).

本実施形態においては、第1実施形態に係る液晶光変調器10と同様に、液晶層20がVA方式や表面安定化強誘電性液晶(SSFLC)であってもよい。強誘電性液晶を適用した液晶層20の共通電極32上と開口32a上とに互いに逆向きの電界を発生させる場合には、前記したように、第1の電源は正極を下部電極31に、負極をGNDおよび上部電極41にそれぞれ接続し、第2の電源は正極をGNDおよび上部電極41に、負極を共通電極32にそれぞれ接続する。さらに、液晶層20の上面における電位を揃える(V3=V6)ために、第3の電源の負極を共通電極42に、正極をGND(および上部電極41)に接続する。必要な強さの上向きの電界を発生させる液晶層20への印加電圧をVLC1、下向きの電界を発生させる印加電圧をVLC2と表すと、第1、第2、第3の電源の各電圧VDD1,VDD2,VDD3は、VDD1≧VLC1+2ΔV、VDD2≧VLC2+ΔV、VDD3=ΔVである。液晶層20の共通電極42下と開口42a下とに互いに逆向きの電界を発生させる場合には、直流電源との接続を上下の電極で入れ替える。 In this embodiment, the liquid crystal layer 20 may be of the VA type or a surface stabilized ferroelectric liquid crystal (SSFLC) as in the liquid crystal light modulator 10 according to the first embodiment. When electric fields in opposite directions are generated on the common electrode 32 and on the opening 32a of the liquid crystal layer 20 using ferroelectric liquid crystal, as described above, the positive pole of the first power supply is connected to the lower electrode 31 and the negative pole to the GND and the upper electrode 41, respectively, and the positive pole of the second power supply is connected to the GND and the upper electrode 41, respectively, and the negative pole is connected to the common electrode 32. Furthermore, in order to make the potential on the upper surface of the liquid crystal layer 20 uniform (V3=V6), the negative pole of the third power supply is connected to the common electrode 42 and the positive pole to the GND (and the upper electrode 41). If the voltage applied to liquid crystal layer 20 which generates an upward electric field of the required strength is denoted as VLC1 and the voltage applied which generates a downward electric field is denoted as VLC2 , then the voltages VDD1 , VDD2 , VDD3 of the first, second and third power supplies are VDD1VLC1 + 2ΔV, VDD2VLC2 + ΔV and VDD3 = ΔV. When electric fields of opposite directions are to be generated below common electrode 42 and below opening 42a of liquid crystal layer 20, the connections to the DC power supplies are interchanged between the upper and lower electrodes.

本実施形態に係る液晶表示装置100Dは、外光等を入射されて反対側の面(偏光板72)に、共通電極32における開口32aまたは共通電極42における開口42aの配列による固定パターンの二次元の画像を2通り、選択的に表示することができる。さらに、カラーフィルタアレイ75(図10参照)を液晶光変調器10Dの光の出射側に備えることにより、フルカラーの画像を表示することができる。この場合には、共通電極32および共通電極42は共に、カラーフィルタアレイ75におけるR,G,B各色のカラーフィルタに対面する領域に合わせて、その色の画素を配置するように開口32a,42aの配列が設計される。また、液晶表示装置100Dは、第1実施形態に係る液晶表示装置100,100Bと同様に、インテグラル方式、ホログラフィ方式の立体像表示装置に使用することができる(図10、図11参照)。ホログラフィ方式の立体像表示装置(ホログラフィ装置)においては、共通電極32,42の一方で立体像を、他方で二次元の画像を表示することもできる。また、液晶光変調器10Dは、光の入射側の反対側に反射板を配置し、あるいは光を反射する下部電極31Aおよび基板62Aを備えて、反射型の空間光変調器とすることもできる(図12参照)。 The liquid crystal display device 100D according to this embodiment can selectively display two fixed pattern two-dimensional images by the arrangement of the openings 32a in the common electrode 32 or the openings 42a in the common electrode 42 on the surface (polarizing plate 72) opposite to the surface to which external light or the like is incident. Furthermore, by providing a color filter array 75 (see FIG. 10) on the light output side of the liquid crystal light modulator 10D, a full-color image can be displayed. In this case, the arrangement of the openings 32a, 42a of both the common electrode 32 and the common electrode 42 is designed so that pixels of each color are arranged in accordance with the area facing the color filters of each color of R, G, and B in the color filter array 75. Furthermore, the liquid crystal display device 100D can be used in integral type and holographic type stereoscopic image display devices (see FIGS. 10 and 11) like the liquid crystal display devices 100 and 100B according to the first embodiment. In a holographic stereoscopic image display device (holographic device), a stereoscopic image can be displayed on one side of the common electrodes 32 and 42, and a two-dimensional image can be displayed on the other side. The liquid crystal light modulator 10D can also be a reflective spatial light modulator by placing a reflector on the side opposite the light incident side, or by providing a lower electrode 31A and a substrate 62A that reflect light (see FIG. 12).

(変形例)
本実施形態に係る液晶表示装置100Dは、電源装置93を備えず、共通電極32,42を上部電極41(図18A)または下部電極31(図18B)と共にGND(0V)に接続してもよい。また、このような液晶表示装置100Dにおいては、液晶光変調器10Dの電極層間絶縁膜51や電極層間絶縁膜52を第2実施形態およびその変形例に係る液晶光変調器10E,10F(図14、図16参照)のような構成として、多階調表示をすることもできる。
(Modification)
The liquid crystal display device 100D according to this embodiment may not include the power supply device 93, and the common electrodes 32, 42 may be connected to GND (0 V) together with the upper electrode 41 (FIG. 18A) or the lower electrode 31 (FIG. 18B). In this liquid crystal display device 100D, the electrode interlayer insulating film 51 and the electrode interlayer insulating film 52 of the liquid crystal optical modulator 10D may be configured as in the liquid crystal optical modulators 10E and 10F according to the second embodiment and their modified examples (see FIGS. 14 and 16), allowing multi-tone display.

以上のように、本発明の第3実施形態およびその変形例に係る液晶光変調器によれば、第1実施形態と同様に、画素が微細で所望の画像が表示される液晶表示装置が得られ、さらに、2通りの画像を選択的に表示することができる。 As described above, the liquid crystal optical modulator according to the third embodiment of the present invention and its modified example can provide a liquid crystal display device that has fine pixels and displays a desired image, as in the first embodiment, and can also selectively display two different images.

本発明の効果を確認するために、シミュレーションにより、図2に示す本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器を模擬したサンプルの光出力特性を観察した。 To confirm the effects of the present invention, a simulation was performed to observe the optical output characteristics of a sample simulating the liquid crystal optical modulator according to the first embodiment of the present invention shown in Figure 2.

(サンプル作成)
サンプル1は、下から順に、ガラス基板、下部電極:ITO(厚さ20nm)、電極層間絶縁膜:SiO2膜(厚さ50nm)、共通電極:ITO(厚さ20nm)、配向膜、液晶層(厚さ1μm)、配向膜、上部電極:ITO膜(厚さ20nm)、ガラス基板とした。共通電極は、図20で座標平面上に示すように、0.8μm角の正方形の開口を1.0μmピッチで対角上に2つ形成したチェッカーパターン状とした。液晶層は、ホモジニアス配向のネマティック液晶とし、上下の配向膜は、ポリイミド系材料を適用し、図20のy方向(90°方向)にラビング処理したものとした。
(Sample creation)
Sample 1 was composed of, from the bottom, a glass substrate, a lower electrode: ITO (thickness 20 nm), an electrode interlayer insulating film: SiO2 film (thickness 50 nm), a common electrode: ITO (thickness 20 nm), an alignment film, a liquid crystal layer (thickness 1 μm), an alignment film, an upper electrode: ITO film (thickness 20 nm), and a glass substrate. The common electrode was in a checkered pattern with two square openings of 0.8 μm squares formed diagonally at a pitch of 1.0 μm, as shown on the coordinate plane in FIG. 20. The liquid crystal layer was made of homogeneously aligned nematic liquid crystal, and the upper and lower alignment films were made of polyimide-based materials and were rubbed in the y direction (90° direction) of FIG. 20.

(測定)
液晶シミュレータ(LCDMaster、シンテック社製)を使用し、サンプル1の上部電極および共通電極、ならびに交流電源の一方の端子を0Vに固定し、他方の端子を下部電極に接続し、±7Vで1kHzのAC電圧を印加した状態において、電位分布と液晶配向を求めた。電位分布と液晶配向は、断面における分布として図20の一点鎖線上のyz方向に沿った断面におけるものと、平面における分布として共通電極の表面から10nm上におけるxy面に沿った断面におけるものと、を抽出した。さらに、サンプル1の上(光の入射側)に透過軸を45°方向として偏光板(偏光子)を配置し、下(光の出射側)に透過軸を135°方向として偏光板(検光子)を配置した。そして、上側の偏光板の上から波長633nmのレーザー光を照射し、液晶層の厚み全体を反映した透過率の平面分布を求めた。
(measurement)
Using a liquid crystal simulator (LCDMaster, manufactured by Shintech), the upper electrode and common electrode of sample 1, and one terminal of the AC power supply were fixed to 0 V, the other terminal was connected to the lower electrode, and an AC voltage of ±7 V and 1 kHz was applied. The potential distribution and liquid crystal orientation were obtained in a cross section along the yz direction on the dashed line in FIG. 20 as a cross-sectional distribution, and in a cross section along the xy plane 10 nm above the surface of the common electrode as a planar distribution. Furthermore, a polarizing plate (polarizer) was placed above sample 1 (light incident side) with the transmission axis in the 45° direction, and a polarizing plate (analyzer) was placed below (light exit side) with the transmission axis in the 135° direction. Then, a laser beam with a wavelength of 633 nm was irradiated from above the upper polarizing plate, and a planar distribution of the transmittance reflecting the entire thickness of the liquid crystal layer was obtained.

断面における電位分布および液晶配向を図21に、平面における電位分布および液晶配向を図22に、それぞれ示す。また、透過率の平面分布を、図22の液晶配向と共に、図23に示す。電位分布図の等電位線は、1V刻みである。また、図21に、上部電極および下部電極を白い長破線で、共通電極を白い破線でそれぞれ表し、共通電極の開口における電極層間絶縁膜の表面(液晶層との界面)を点線で表す。図22および図23に、共通電極の開口の輪郭線を白い点線で表す。 Figure 21 shows the electric potential distribution and liquid crystal orientation in a cross section, and Figure 22 shows the electric potential distribution and liquid crystal orientation in a plane. Figure 23 also shows the planar distribution of transmittance together with the liquid crystal orientation of Figure 22. Equipotential lines in the electric potential distribution diagram are in 1V increments. Figure 21 also shows the upper and lower electrodes with long white dashed lines, the common electrode with a white dashed line, and the surface of the electrode interlayer insulating film at the opening of the common electrode (the interface with the liquid crystal layer) with a dotted line. In Figures 22 and 23, the outline of the opening of the common electrode is shown with a white dotted line.

図21および図22において、液晶層の共通電極との界面の電位は0Vであり、共通電極の開口における電極層間絶縁膜との界面の電位は開口中心で最大の約+4Vとなった。なお、図22において、共通電極の開口内の等電位線は、内側から順に、+3V、+2V、+1Vである。そして、開口と電位0Vの上部電極との間に発生した電界により、開口上の液晶分子が基板面から立ち上がって傾斜し、電位が高い領域ほど垂直に近付いた。一方、開口の外側への電界の漏れの範囲は狭く、漏れた領域においても液晶分子の傾斜は小さかった。 21 and 22, the potential at the interface of the liquid crystal layer with the common electrode is 0V, and the potential at the interface of the common electrode opening with the interlayer insulating film is a maximum of approximately +4V at the center of the opening. In FIG. 22, the equipotential lines within the opening of the common electrode are +3V, +2V, and +1V, from the inside. The electric field generated between the opening and the upper electrode, which has a potential of 0V, causes the liquid crystal molecules above the opening to rise from the substrate surface and tilt, with the higher the potential, the closer to vertical they become. On the other hand, the area where the electric field leaks outside the opening is narrow, and even in the leaked area, the tilt of the liquid crystal molecules is small.

サンプル1の上下にクロスニコル配置した偏光板により、図23に示すように、液晶分子が水平配向を維持している領域において白表示となり、液晶分子が立ち上がった領域において灰~黒表示となり、液晶分子の向き(長軸方向)が垂直に近付くほど透過率が低くなって黒く表示される。共通電極の開口上の一部の領域で、液晶分子の立ち上がり角が大きい(垂直に近い)ことにより、透過率がほぼ0%になって黒表示となっていることが観察された。また、開口から、電位0Vの共通電極に向けて電界漏れが存在するため、開口の外側近傍の液晶分子も一部、立ち上がってしまうことにより、開口の外側にも黒っぽく表示される領域が確認された。ただし、開口の外側0.2μm未満の範囲に留まり、一般的には隣の画素の開口部にまで及ぶとはいい難い。一方、共通電極の開口上においては、平面視で斜め方向の電界漏れにより、液晶分子が斜め方向に配向してしまう領域が存在した。特に、共通電極(開口外)とy方向に隣り合う領域においては、液晶分子がy方向に傾斜し、yz無電界状態における配向方向である90°方向と重なることにより、傾斜が大きく(立ち上がり角が小さく)、その結果、黒く表示された領域の形状は、共通電極の開口の形状に対して小さく、一部で内側に凹んだ形状となった。 As shown in Figure 23, the polarizing plates arranged in a crossed Nicol arrangement above and below Sample 1 display white in the area where the liquid crystal molecules maintain a horizontal orientation, and display gray to black in the area where the liquid crystal molecules stand up. The transmittance decreases as the orientation (long axis direction) of the liquid crystal molecules approaches vertical, and the display becomes black. In some areas above the opening of the common electrode, the transmittance becomes almost 0% and the display becomes black due to the large (close to vertical) angle of the liquid crystal molecules. In addition, because there is electric field leakage from the opening toward the common electrode with a potential of 0V, some of the liquid crystal molecules near the outside of the opening also stand up, and a black display was confirmed outside the opening. However, this is limited to a range of less than 0.2 μm outside the opening, and it is difficult to say that it generally extends to the opening of the adjacent pixel. On the other hand, there was an area above the opening of the common electrode where the liquid crystal molecules were oriented in an oblique direction due to electric field leakage in a diagonal direction in a plan view. In particular, in the area adjacent to the common electrode (outside the opening) in the y direction, the liquid crystal molecules tilt in the y direction, overlapping with the 90° direction, which is the orientation direction in the yz electric field-free state, resulting in a large tilt (small rise angle). As a result, the shape of the area displayed in black is smaller than the shape of the opening of the common electrode, and some parts are recessed inward.

このように、本発明の第1実施形態に係る液晶光変調器によれば、1辺がセル厚よりも短い1μm未満角の領域であっても白黒の表示の切り分けが可能であることが確認され、特に無電界状態とする領域は共通電極により比較的確保され易かった。 As described above, it was confirmed that the liquid crystal optical modulator according to the first embodiment of the present invention can separate black and white display even in an area with one side less than 1 μm square, which is shorter than the cell thickness, and in particular, the area in which no electric field is to be displayed can be relatively easily secured by the common electrode.

実施例1と同様に、シミュレーションにより、図14および図16に示す本発明の第2実施形態及びその変形例に係る液晶光変調器を模擬したサンプルの光出力特性を観察した。 As in Example 1, the optical output characteristics of samples simulating the liquid crystal optical modulator according to the second embodiment of the present invention and its modified example shown in Figures 14 and 16 were observed by simulation.

(サンプル)
サンプル2,3は、下から順に、ガラス基板、下部電極:ITO(厚さ20nm)、電極層間絶縁膜:SiO2膜(厚さ100nm)、共通電極:ITO(厚さ20nm)、配向膜、液晶層(厚さ1μm)、配向膜、上部電極:ITO膜(厚さ20nm)、ガラス基板とした。共通電極は、図24で座標平面上に示すように、0.8μm角の正方形の開口を1.0μmピッチで2×2の4つ配列した形状とした。サンプル2はさらに、共通電極の対角上の2つの開口内(図24の領域a1)において、電極層間絶縁膜を薄肉化して厚さ20nmとした(図14参照)。一方、サンプル3は、共通電極の対角上の2つの開口内(図24の領域a1)において、電極層間絶縁膜を完全に除去し、その跡に、電極層間絶縁膜と同じ厚さ100nmで比誘電率が電極層間絶縁膜(κ=4)の10倍の高誘電率絶縁材料(κ=40)を埋め込んだ(図16参照)。その他は、実施例1のサンプルと同じ構成とした。
(sample)
Samples 2 and 3 were made up of, from the bottom up, a glass substrate, a lower electrode: ITO (thickness 20 nm), an electrode interlayer insulating film: SiO2 film (thickness 100 nm), a common electrode: ITO (thickness 20 nm), an alignment film, a liquid crystal layer (thickness 1 μm), an alignment film, an upper electrode: ITO film (thickness 20 nm), and a glass substrate. The common electrode had a shape in which four square openings, each 0.8 μm square, were arranged in a 2×2 pattern with a pitch of 1.0 μm, as shown on the coordinate plane in FIG. 24. Sample 2 further thinned the electrode interlayer insulating film to a thickness of 20 nm in the two openings diagonally opposite the common electrode (area a1 in FIG. 24) (see FIG. 14). On the other hand, in sample 3, the inter-electrode insulating film was completely removed in two openings on the diagonal corners of the common electrode (region a1 in FIG. 24), and a high dielectric constant insulating material (κ=40) having a thickness of 100 nm, the same as the inter-electrode insulating film, and a relative dielectric constant 10 times that of the inter-electrode insulating film (κ=4) was filled in the vacant space (see FIG. 16). The rest of the configuration was the same as that of the sample in Example 1.

(測定)
サンプル2,3のそれぞれについて、上部電極および共通電極、ならびに交流電源の一方の端子を0Vに固定し、他方の端子を下部電極に接続し、±5Vで1kHzのAC電圧を印加した状態において、実施例1と同様に電位分布と液晶配向を求めた。さらに、実施例1と同様に、サンプル2,3の上下に偏光板を配置してレーザー光を照射し、透過率の平面分布を求めた。サンプル2の断面における電位分布および液晶配向を図25に、透過率の平面分布を図26に、それぞれ示す。また、サンプル3の断面における電位分布および液晶配向を図27に、透過率の平面分布を図28に、それぞれ示す。
(measurement)
For each of Samples 2 and 3, the upper electrode, the common electrode, and one terminal of the AC power supply were fixed to 0 V, the other terminal was connected to the lower electrode, and an AC voltage of ±5 V and 1 kHz was applied, and the potential distribution and liquid crystal orientation were determined in the same manner as in Example 1. Furthermore, polarizing plates were placed above and below Samples 2 and 3, and laser light was irradiated to determine the planar distribution of transmittance, in the same manner as in Example 1. The potential distribution and liquid crystal orientation in the cross section of Sample 2 are shown in FIG. 25, and the planar distribution of transmittance is shown in FIG. 26. The potential distribution and liquid crystal orientation in the cross section of Sample 3 are shown in FIG. 27, and the planar distribution of transmittance is shown in FIG. 28.

図25において、共通電極の左側の開口上における液晶層の、厚さ100nmの電極層間絶縁膜との界面の電位は、開口中心で約+2.5Vであった。一方、右側の開口上における厚さ20nmの電極層間絶縁膜との界面の電位は、開口中心で+4V超となり、AC電源の電圧からの降下が小さかった。その結果、液晶分子が右側の開口上においてはほぼ垂直に立ち上がったのに対し、左側の開口上においては傾斜していた。なお、いずれの開口上においても、実施例1と同様に、周縁部では立ち上がり角が小さかった。このような電界の発生したサンプル2は、図26に示すように、厚さ20nmの電極層間絶縁膜の領域においては、黒表示となり、厚さ100nmの電極層間絶縁膜の領域においては、灰色の中間調表示となった。なお、図26、および後記図28において、共通電極の開口の縁が明るい(白い)線状に見えるのは、シミュレーション条件の設定上、液晶層の電極との界面における液晶分子の姿勢が水平に固定されていることによる。したがって、サンプル2,3においては、共通電極の開口の縁の高さ(厚さ)20nmの端面に隣接した液晶分子も水平に固定され、この部分が白表示となる。前記実施例1のサンプル1についても同様であるが、図23においては、表示スケールが透過率0~70%と広いために、開口の縁の白表示が見え難くなっている。 In FIG. 25, the potential of the interface between the liquid crystal layer and the 100 nm thick electrode interlayer insulating film on the left opening of the common electrode was about +2.5 V at the center of the opening. On the other hand, the potential of the interface between the 20 nm thick electrode interlayer insulating film on the right opening was more than +4 V at the center of the opening, and the drop from the AC power supply voltage was small. As a result, the liquid crystal molecules rose almost vertically on the right opening, whereas they were tilted on the left opening. In addition, the rise angle was small at the periphery on both openings, as in Example 1. In Sample 2 in which such an electric field was generated, as shown in FIG. 26, the region of the 20 nm thick electrode interlayer insulating film displayed black, and the region of the 100 nm thick electrode interlayer insulating film displayed gray intermediate tone. In FIG. 26 and FIG. 28 described later, the edge of the opening of the common electrode appears as a bright (white) line because the orientation of the liquid crystal molecules at the interface with the electrode of the liquid crystal layer was fixed horizontally due to the setting of the simulation conditions. Therefore, in samples 2 and 3, the liquid crystal molecules adjacent to the edge of the opening in the common electrode, which is 20 nm high (thickness), are also fixed horizontally, and this portion displays white. The same is true for sample 1 in Example 1, but in Figure 23, the display scale is wide, with a transmittance of 0 to 70%, making the white display at the edge of the opening difficult to see.

図27において、共通電極の左側の開口上における液晶層の、電極層間絶縁膜との界面の電位は、開口中心で約+2.5Vであった。一方、右側の開口上における高誘電率絶縁材料の膜との界面の電位は、開口中心で+4V超となり、AC電源の電圧からの降下が小さかった。その結果、液晶分子が右側の開口上においてはほぼ垂直に立ち上がったのに対し、左側の開口上においては傾斜していた。なお、いずれの開口上においても、実施例1と同様に、周縁部では立ち上がり角が小さかった。このような電界の発生したサンプル2は、図28に示すように、高誘電率絶縁材料(κ=40)の膜を設けた領域においては、黒表示となり、電極層間絶縁膜(κ=4)の領域においては、灰色の中間調表示となった。 In FIG. 27, the potential of the interface between the liquid crystal layer and the electrode interlayer insulating film on the left opening of the common electrode was about +2.5 V at the center of the opening. On the other hand, the potential of the interface between the high dielectric constant insulating material film on the right opening was more than +4 V at the center of the opening, and the drop from the AC power supply voltage was small. As a result, the liquid crystal molecules rose almost vertically on the right opening, whereas they were tilted on the left opening. In addition, the rise angle was small at the periphery on both openings, as in Example 1. Sample 2 in which such an electric field was generated displayed black in the area where the high dielectric constant insulating material film (κ=40) was provided, and displayed gray intermediate tones in the area of the electrode interlayer insulating film (κ=4), as shown in FIG. 28.

このように、本発明の第2実施形態およびその変形例に係る液晶光変調器によれば、共通の電源で中間調表示が可能であることが確認された。 In this way, it was confirmed that the liquid crystal optical modulator according to the second embodiment of the present invention and its modified example is capable of displaying grayscale levels using a common power source.

以上、本発明の液晶光変調器、液晶表示装置、および立体像表示装置を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。 The above describes various embodiments for implementing the liquid crystal optical modulator, liquid crystal display device, and stereoscopic image display device of the present invention, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims.

100,100A,100B,100C,100D 液晶表示装置
10,10A,10B,10D,10E,10F 液晶光変調器
200 立体像表示装置
200B ホログラフィ装置(立体像表示装置)
200C 投射型表示装置
20,20A 液晶層
2 液晶分子
21,22 配向膜
31,31A 下部電極
32,32B 共通電極
32a 開口
41 上部電極
42 共通電極
42a 開口
51 電極層間絶縁膜
52,52A,52B,52C 電極層間絶縁膜
5a,5b,5c 埋込絶縁層(絶縁層)
61,62 透明基板
62A 基板
71,72 偏光板(偏光子)
73,74 位相差板
75 カラーフィルタアレイ
80,80A 光源装置(光源)
8 光源装置(光源)
85 レンズアレイ
91 交流電源(電源)
92,93 電源装置
100, 100A, 100B, 100C, 100D Liquid crystal display device 10, 10A, 10B, 10D, 10E, 10F Liquid crystal light modulator 200 Stereoscopic image display device 200B Holographic device (stereoscopic image display device)
Reference Signs List 200C Projection display device 20, 20A Liquid crystal layer 2 Liquid crystal molecules 21, 22 Alignment film 31, 31A Lower electrode 32, 32B Common electrode 32a Opening 41 Upper electrode 42 Common electrode 42a Opening 51 Inter-electrode insulating film 52, 52A, 52B, 52C Inter-electrode insulating film 5a, 5b, 5c Buried insulating layer (insulating layer)
61, 62 Transparent substrate 62A Substrate 71, 72 Polarizing plate (polarizer)
73, 74 Retardation plate 75 Color filter array 80, 80A Light source device (light source)
8 Light source device (light source)
85 Lens array 91 AC power supply (power supply)
92, 93 Power supply unit

Claims (7)

液晶層、ならびに、前記液晶層を上下から挟んで電圧を上下方向に印加する上部電極および下部電極を備える液晶光変調器であって、
前記下部電極と前記液晶層との間に、複数の開口が形成された共通電極と、平面視で前記開口の内側に開口が形成され、前記共通電極と前記下部電極とを絶縁する電極層間絶縁膜と、を積層してさらに備え、前記共通電極と前記電極層間絶縁膜とに形成された開口に絶縁層が埋め込まれ、
前記絶縁層は、材料の比誘電率および/または厚さが前記開口によって異なることを特徴とする液晶光変調器。
A liquid crystal light modulator comprising: a liquid crystal layer; and upper and lower electrodes sandwiching the liquid crystal layer from above and below to apply a voltage in a vertical direction,
a common electrode having a plurality of openings formed therein between the lower electrode and the liquid crystal layer; and an electrode interlayer insulating film having openings formed inside the openings in a plan view, the electrode interlayer insulating film insulating the common electrode and the lower electrode, the openings being filled with an insulating layer;
A liquid crystal light modulator , wherein the insulating layer has a material with a relative dielectric constant and/or a thickness that varies depending on the opening .
前記上部電極と前記液晶層との間に、複数の開口が形成された共通電極と、平面視で前記開口の内側に開口が形成され、前記共通電極と前記上部電極とを絶縁する電極層間絶縁膜と、を積層してさらに備え、前記共通電極と前記電極層間絶縁膜とに形成された開口に絶縁層が埋め込まれ、
前記絶縁層は、材料の比誘電率および/または厚さが前記開口によって異なり、
前記液晶層の上下の前記共通電極は互いに、前記複数の開口の平面視における配置が異なることを特徴とする請求項1に記載の液晶光変調器。
a common electrode having a plurality of openings formed therein between the upper electrode and the liquid crystal layer; and an electrode interlayer insulating film having openings formed inside the openings in a plan view, the electrode interlayer insulating film insulating the common electrode and the upper electrode, the openings being filled with an insulating layer;
the insulating layer has a material with a dielectric constant and/or a thickness that varies across the opening;
2. The liquid crystal light modulator according to claim 1, wherein the common electrodes above and below the liquid crystal layer have different arrangements of the plurality of openings in a plan view.
前記共通電極は、前記複数の開口が、計算機合成ホログラムのパターンに配置されていることを特徴とする請求項1または請求項に記載の液晶光変調器。 3. The liquid crystal light modulator according to claim 1 , wherein the common electrode has a plurality of openings arranged in a pattern of a computer generated hologram. 請求項1ないし請求項のいずれか一項に記載の液晶光変調器と、前記液晶光変調器の上側または下側に配置された偏光子と、を備え、前記偏光子を配置された側に光を照射されて画像を表示する液晶表示装置。 4. A liquid crystal display device comprising: a liquid crystal light modulator according to claim 1 ; and a polarizer disposed above or below the liquid crystal light modulator, the liquid crystal display device displaying an image by irradiating light onto the side on which the polarizer is disposed. 請求項1ないし請求項のいずれか一項に記載の液晶光変調器と、前記液晶光変調器の上側と下側に配置された2つの偏光子と、を備え、上方または下方の一方から光を照射されて、他方に画像を表示する液晶表示装置。 4. A liquid crystal display device comprising a liquid crystal light modulator according to claim 1 and two polarizers arranged above and below the liquid crystal light modulator, the liquid crystal display device being irradiated with light from either above or below and displaying an image on the other side. 請求項または請求項に記載の液晶表示装置と、前記液晶表示装置に光を照射する光源と、前記液晶表示装置の液晶光変調器の上部電極、下部電極、および共通電極に接続する電源と、を備える立体像表示装置。 6. A stereoscopic image display device comprising: a liquid crystal display device according to claim 4 ; a light source that irradiates light onto the liquid crystal display device; and a power source that is connected to an upper electrode, a lower electrode, and a common electrode of a liquid crystal optical modulator of the liquid crystal display device. 請求項1ないし請求項のいずれか一項に記載の液晶光変調器と、前記液晶光変調器に偏光を照射する光源と、前記液晶光変調器の上部電極、下部電極、および共通電極に接続する電源と、を備える立体像表示装置。 4. A stereoscopic image display device comprising: a liquid crystal light modulator according to claim 1; a light source that irradiates the liquid crystal light modulator with polarized light; and a power source that is connected to an upper electrode, a lower electrode, and a common electrode of the liquid crystal light modulator.
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