JP4961152B2 - Optical element, light deflection element, and image display apparatus - Google Patents
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Description
この発明は、複数のパターン電極に電気信号を印加して光を変調する光学素子と、それを使用して光の方向を変える光偏向素子及び光偏向素子を使用したプロジェクションディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に関するものである。 The present invention relates to an optical element that modulates light by applying an electric signal to a plurality of pattern electrodes, an optical deflection element that changes the direction of the light using the optical element, a projection display that uses the optical deflection element, a head-mounted display, etc. The present invention relates to an image display apparatus.
液晶分子の配列を電極基板面内に沿って生じる電界により変化させて光を偏向させる光偏向素子が、例えば特許文献1等に開示されている。この光偏向素子は、液晶層を挟んだ透明基板の一方の基板表面にだけ複数の平行な透明ライン電極を設け、外部には電源から供給される電圧を分割する複数の抵抗を設け、各抵抗間を各ライン電極に接続し、各ライン電極に段階的な電圧値を印加して各ライン電極間の電位差により各ライン電極間に基板面内に沿った電界すなわち水平電界を生じさせて、液晶層の内部に強制的に電位勾配を作り、素子の全面で比較的均一な電界強度を得るようにしている。
For example,
この光偏向素子の光の回折を低減するため、特許文献1に示された光偏向素子は、透明基板に形成された複数のライン電極の間に充填材を設け、ライン電極と充填材の光路差を小さく限定している。
ライン電極と充填材に起因する光路差で生じる回折を低減するためにはライン電極の屈折率を小さくしたり、ライン電極の膜厚を薄くしたり、あるいは充填材の屈折率を大きくする方法がある。 In order to reduce diffraction caused by the optical path difference caused by the line electrode and the filler, there are methods of reducing the refractive index of the line electrode, reducing the film thickness of the line electrode, or increasing the refractive index of the filler. is there.
しかしながら、ライン電極の膜厚については、液晶に印加する電界を発生させる上で問題が生じないよう、ある程度の表面抵抗率を確保する必要があるため、極端に膜厚を薄くすることはできない。また、光学素子の作製プロセスに対する耐熱性や作製した光学素子の耐久性・耐光性の観点から、屈折率以外に充填材に求められる特性が多々ある。このため屈折率の高さを優先させると、これらの特性が犠牲になることが多く、回折を低減しようとすると、ライン電極の材料や膜厚、充填材の材料等が大幅な制約を受け、光学素子の他の特性が劣化してしまう。 However, as for the film thickness of the line electrode, it is necessary to ensure a certain degree of surface resistivity so as not to cause a problem in generating an electric field to be applied to the liquid crystal. Therefore, the film thickness cannot be extremely reduced. In addition, from the viewpoints of heat resistance to the optical element manufacturing process and durability and light resistance of the manufactured optical element, there are many characteristics required for the filler in addition to the refractive index. For this reason, if the higher refractive index is prioritized, these characteristics are often sacrificed, and when trying to reduce diffraction, the line electrode material, film thickness, filler material, etc. are significantly restricted, Other characteristics of the optical element are deteriorated.
この発明は、このような課題に着目したものであり、光学素子を形成する際の材料選択の自由度を残したまま回折の影響をより低減することができる光学素子と、それを使用して光の方向を変える光偏向素子及び画像表示装置を提供することを目的とするものである。 This invention pays attention to such a problem, and an optical element capable of further reducing the influence of diffraction while leaving the degree of freedom of material selection when forming an optical element, and using the same It is an object of the present invention to provide an optical deflection element and an image display device that change the direction of light.
この発明の光学素子は、基板と、該基板の少なくとも一方の面に形成された屈折率調整部と該屈折率調整部に重畳された電極とを有する複数の電極形成部と、該複数の電極形成部の間を充填する電極非形成部とを有する光学素子であって、前記電極の屈折率をn1、前記電極非形成部の屈折率をn2、前記屈折率調整部の屈折率をn3としたとき、n3<n2<n1を満足することを特徴とする。 The optical element of the present invention includes a plurality of electrode forming portions each including a substrate, a refractive index adjusting portion formed on at least one surface of the substrate, and an electrode superimposed on the refractive index adjusting portion, and the plurality of electrodes. an optical element having an electrode non-formation portions to be filled between the forming section, the refractive index of the electrode n1, the refractive index of the electrode non-formation portions n2, the refractive index of the refractive index adjusting unit and n3 when, characterized and Turkey to satisfy n3 <n2 <n1.
前記電極の厚さをd1、前記屈折率調整部の厚さをd2としたとき、前記屈折率調整部と前記電極非形成部の屈折率差で生じる光路差(n3−n2)×d2が、
0.6×(n1−n2)×d1 <|(n3−n2)×d2|<1.4×(n1−n2)×d1を満たすことが望ましい。
The thickness of the electrode d1, when the thickness of the refractive index adjuster has a
0.6 × (n1-n2) × d1 <| (n3-n2) × d2 | <1.4 × (n1-n2) × satisfy d1 score and is desirable.
また、前記屈折率調整部は、前記基板をエッチングして形成すると良い。 The refractive index adjusting unit may be formed by etching the substrate.
さらに、前記電極非形成部を接着層で形成すると良い。 Furthermore, the electrode non-formation part may be formed of an adhesive layer.
また、前記電極非形成部を誘電体膜で形成しても良い。 The electrode non-formation part may be formed of a dielectric film.
この発明の光偏向素子は、前記いずれかの光学素子を1対有し、1対の光学素子のライン電極が形成された面を一定間隔で対向させて配置した間隔内にキラルスメクチックC相を形成する液晶層を設けたことを特徴とする。 The optical deflection element of the present invention has a pair of any one of the optical elements described above, and the chiral smectic C phase is disposed within an interval in which the surfaces on which the line electrodes of the pair of optical elements are formed are opposed to each other at a constant interval. A liquid crystal layer to be formed is provided.
この発明の他の光偏向素子は、誘電体膜を複数層有する光学素子を1対有し、1対の光学素子のライン電極が形成された面を一定間隔で対向させて配置し、複数層の誘電体膜のうち最上層の誘電体膜を配向膜とし、配向膜とした誘電体膜の間にキラルスメクチックC相を形成する液晶層を設けたことを特徴とする。 Another optical deflection element according to the present invention has a pair of optical elements each having a plurality of dielectric films, and the plurality of layers are arranged with the surfaces on which the line electrodes of the pair of optical elements are formed facing each other at regular intervals. Of the above dielectric films, the uppermost dielectric film is used as an alignment film, and a liquid crystal layer for forming a chiral smectic C phase is provided between the alignment films.
この発明の画像表示装置は、前記光偏向素子を有する画像表示装置であって、画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が2次元的に配列した画像表示素子と、前記画像表示素子を照明する照明光学系と、前記光偏向素子と、前記画像表示素子から出射された画像光を投影する投影光学系とを有し、前記光偏向素子が前記画像表示素子と投影光学系との間に配置されていることを特徴とする。 The image display device of the present invention is an image display device having the light deflection element, wherein the image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information is two-dimensionally arranged, and the image display element An illumination optical system for illuminating, the light deflection element, and a projection optical system for projecting image light emitted from the image display element, wherein the light deflection element is between the image display element and the projection optical system. It is characterized by being arranged in.
この発明は、基板に形成された屈折率調整部に重畳された電極を有する電極形成部と電極非形成部の光路差を小さくすることにより、光が光学素子を透過するときに生じる回折を抑制して、光学特性の劣化を防止することができる。 This invention suppresses diffraction that occurs when light passes through an optical element by reducing the optical path difference between an electrode forming portion having electrodes superimposed on a refractive index adjusting portion formed on a substrate and an electrode non-forming portion. Thus, it is possible to prevent deterioration of optical characteristics.
また、屈折率調整部と電極非形成部の屈折率差で生じる光路差により電極非形成部の屈折率と厚さを定めることにより、回折を十分に抑制することができる。 Further, the diffraction can be sufficiently suppressed by determining the refractive index and thickness of the electrode non-forming part by the optical path difference caused by the refractive index difference between the refractive index adjusting part and the electrode non-forming part.
さらに、屈折率調整部を、基板をエッチングして形成することにより、屈折率調整部を容易に作製することができる。 Furthermore, the refractive index adjusting unit can be easily manufactured by forming the refractive index adjusting unit by etching the substrate.
また、電極非形成部を、接着層や誘電体膜で形成することにより、電極非形成部の屈折率を決定するために最適な充填材の材料を選択することができ、回折抑制効果を安定して高めることができる。 In addition, by forming the electrode non-forming part with an adhesive layer or dielectric film, it is possible to select the optimal filler material for determining the refractive index of the electrode non-forming part, stabilizing the diffraction suppression effect Can be increased.
この光学素子とキラルスメクチックC相を形成する液晶層で光偏向素子を形成することにより、回折を抑制して安定した光路を偏向させることができる。 By forming an optical deflection element with this optical element and a liquid crystal layer that forms a chiral smectic C phase, it is possible to suppress diffraction and deflect a stable optical path.
この光偏向素子の配向膜として光学素子の誘電体膜を使用することにより、液晶の良好な配向性を確保することができ、安定して光を偏向させることができる。 By using the dielectric film of the optical element as the alignment film of the light deflecting element, it is possible to ensure good alignment of the liquid crystal and to deflect light stably.
また、この光変偏向素子を画像表示装置に使用し、画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が2次元的に配列した画像表示素子から出射された画像光を偏向して投影することにより、画素数の少ない画像表示素子を用いても高精細で性能の安定した画像を表示することができる。 In addition, this light variable deflection element is used in an image display device, and image light emitted from an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information is two-dimensionally arranged is deflected and projected. Therefore, even if an image display element having a small number of pixels is used, a high-definition and stable performance image can be displayed.
図1はこの発明の光学素子の構成を示し、(a)は正面図、(b)は(a)のA−A断面図、(c)は(a)のB−B断面図である。光学素子1は光が物質中を通過するとき、吸収される度合いが小さい材料や透明な材料で形成された基板2と、複数の屈折率を調整する屈折率調整部である低屈折率層3とライン電極4と、抵抗膜5と接着層6及び誘電体基板7を有する。複数の低屈折率層3は光が物質中を通過するとき、吸収される度合いが小さい材料で基板2の一方の表面に平行に形成されている。なお、低屈折率層3を基板2の一方の面に形成した場合を示すが、基板2の両方の面に形成しても良い。複数のライン電極4は透明導電膜からなり、各低屈折率層3に重畳して形成され、各低屈折率層3とライン電極4で基板2を複数区間に分割している。この低屈折率層3とライン電極4とで格子された部分を電極形成部といい、各ライン電極4の間に形成されている部分を電極非形成部という。両端のライン電極4の端部には電圧印加手段8との接続部9を有する。抵抗膜5は各ライン電極4の端部表面に沿って帯状に配置しており、積層して成膜されている。基板2のライン電極4を設けた面には光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂等の接着層6を介して光が物質中を通過するとき、吸収される度合いが小さい材料や透明な材料で形成された誘電体基板7が接着されている。この誘電体基板7を接着する接着層6は各低屈折率層3とライン電極4の間にも充填されている。なお、接着層6の接着剤が充填材として構成されているが、接着剤に限らず光を透過させる部材であれば良い。
1A and 1B show a configuration of an optical element according to the present invention, in which FIG. 1A is a front view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1A, and FIG. The
この光学素子1の両端のライン状電極4間に電圧印加手段8から電圧を印加すると、隣接するライン電極4間では抵抗膜5の各抵抗により電圧の減衰が生じ、各ライン電極4には段階的に異なる電位が与えられて、ライン電極4の長手方向と直交する向に電位勾配が形成され、この電位が変化する方向に基板2の面に沿った水平電界が発生する。この両端のライン状電極4に印加する電圧の極性を逆にすると、電界の方向を反転させることができる。したがって電圧印加手段8として交流電源を用いると、周期的に、あるいは任意のタイミングで電界の方向を切り替えることができる。
When a voltage is applied from the voltage applying means 8 between the
このように光学素子1の両端のライン状電極4間に電圧を印加して電界を発生させるとき、各ライン電極4には段階的に異なる電位が与えられて電位勾配が生じるが、各ライン電極4が形成されている領域は一定の電位を持ち、ライン電極4間は電位が浮遊した状態であるので、局所的には各ライン電極4の配置に対応して電界の方向や大きさが変調されている。このような電界の局所的な変調は、誘電体基板7を介することによってその影響が低減できる。
Thus, when a voltage is applied between the
この光学素子1のライン電極4は、スズ添加酸化インジウム(ITO)や酸化インジウム(In2O3)、酸化インジウム・酸化亜鉛(IZO)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、アルミニウム添加酸化亜鉛(ZnO:Sb)、アンチモン添加酸化スズ(ATO)などを用いる。このライン電極4を形成する材料としては可視光に対する透過率の高い透明酸化物を用いるのが一般的であり、500〜550nmの波長の光に対して酸化インジウムは屈折率が約1.8〜2.0、酸化亜鉛は屈折率が約2.1、酸化スズは屈折率が約1.9と屈折率が比較的高く、これらに対してドーピングを行った材料は、いずれも比較的屈折率が高い。このライン電極4の間に充填する光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂等の接着層6の屈折率は約1.5程度であり、高屈折率の材料でも屈折率は1.6である。
The
このライン電極4の屈折率をn1、接着層6の屈折率をn2とすると、n1>n2であり、低屈折率層3がない場合は、ライン電極4の屈折率n1と接着層6の屈折率n2の差により、光学素子1に入射して透過した光に回折が生じる。そこで基板2とライン電極4の間に、ライン電極4の屈折率n1と接着層6の屈折率n2のいずれの屈折率よりも小さい屈折率n3を有する低屈折率層3を設け、ライン電極4の屈折率n1と接着層6の屈折率n2の差による影響を小さくする。すなわち、電極形成部と電極非形成部との屈折率の差が生じるので、低屈折率層3により屈折率の統制を行い、電極形成部と電極非形成部との屈折率の差による影響を小さくする。
When the refractive index of the
すなわち、図2に示すように、ライン電極4の厚さをd1、低屈折率層3の厚さをd2とすると、低屈折率層3とライン電極4を通った光と厚さ(d1+d2)の接着層6を通った光の光路差は、
{(n3×d2+n1×d1)−n2×(d1+d2)}
={(n1−n2)×d1+(n3−n2)×d2}
となり、n2>n3であるから、全体の光路差を小さくすることができ、回折を抑えることができる。
That is, as shown in FIG. 2, when the thickness of the
{(N3 * d2 + n1 * d1) -n2 * (d1 + d2)}
= {(N1-n2) * d1 + (n3-n2) * d2}
Since n2> n3, the entire optical path difference can be reduced, and diffraction can be suppressed.
回折強度はsin(光路差/波長×π)に比例するので、光路差が波長と比べて十分に小さいとき、例えば1%以下であるとき回折が十分に抑制することができる。例えば波長546nmの光に対するライン電極4の屈折率n1を2.0、厚さd1を30nm、接着層6の屈折率n2 を1.56とするとき、光路差を波長546nmの1%である5.46nm以下にするためには、(n1−n2)×d1=13.2nmであるから、低屈折率層3と接着層6の屈折率差で生じる光路差(n3−n2)×d2を
−18.66nm≦(n3−n2)×d2≦−7.74nm (1)
を満たすようにすれば良い。この条件は、
0.6×(n1−n2)×d1 <|(n3−n2)×d2|<1.4×(n1−n2)×d1
に相当する。
このように低屈折率層3とライン電極4を通った光と接着層6を通った光の光路差の絶対値を透過光波長の1%以下にしたとき回折低減効果が視認でき、回折による光学特性の劣化を十分抑えることができる。
Since the diffraction intensity is proportional to sin (optical path difference / wavelength × π), diffraction can be sufficiently suppressed when the optical path difference is sufficiently smaller than the wavelength, for example, 1% or less. For example, when the refractive index n1 of the
It should be satisfied. This condition is
0.6 * (n1-n2) * d1 <| (n3-n2) * d2 | <1.4 * (n1-n2) * d1
It corresponds to.
Thus, when the absolute value of the optical path difference between the light passing through the low
前記説明では基板2に低屈折率層3を形成してから、低屈折率層3の表面にライン電極4を形成する場合について説明した。しかしながら、接着層6より基板2の屈折率が小さいときには、図3に示すように、基板2の表面に導電膜を成膜し、これをライン形状にパターニングする際に、導電膜に続けて所望の深さ分基板2もエッチングしてライン電極4と低屈折率層3を形成して、基板2の一部を低屈折率層3として利用しても良い。
In the above description, the case where the
この光学素子1を使用した光偏向素子について説明する。図4は光学素子1を使用した光偏向素子10の構成を示し、(a)は正面図、(b)は(a)のA−A断面図、(c)は(a)のB−B断面図である。光偏向素子10は1対の光学素子1と4個のスペーサ11と配向膜12及び液晶層13を有する。各光学素子1の誘電体基板7の表面には配向膜12が形成され、この配向膜12側を内側にして光学素子1の1対の基板2はスペーサ11により一定間隔をおいて貼り合わされている。この1対の光学素子1は、発生する電界の均一性を向上させるために、各基板2のライン電極4を半ピッチずらした状態にして構成されている。この対向して配置した配向膜12間にキラルスメクチックC相を形成可能な液晶層13を設けている。配向膜12は液晶分子を配向膜12に対して垂直方向に配向させる垂直配向膜であり、キラルスメクチックC相を形成する液晶分子の層構造の層法線方向が基板2の面に対してほぼ垂直となるように構成されている。この配向膜12としては、シランカップリング剤や市販の液晶用垂直配向剤などを用いることができる。
An optical deflection element using the
ここで液晶層13について詳細に説明する。スメクチック液晶は液晶分子の長軸方向を層状に配列してなる液晶層である。このような液晶に関し、層の法線方向(層法線方向)と液晶分子の長軸方向とが一致している液晶をスメクチックA相、法線方向と一致していない液晶をスメクチックC相という。スメクチックC相よりなる強誘電性液晶は、一般的に外部電界が働かない状態において各層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとり、キラルスメクチックC相と呼ばれる。また、キラルスメクチックC相の反強誘電液晶は各層毎に液晶ダイレクタが対向する方向を向く。これらのキラルスメクチックC相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Psと外部電界Eにより定まる方向に液晶分子が再配列することで光学特性が制御される。
Here, the
ここで光偏向素子10の液晶層13として強誘電性液晶を使用した場合について説明するが、反強誘電液晶も同様に使用することができる。キラルスメクチックC相よりなる強誘電液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部などよりなる。主鎖構造としてはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシエチレンなどが利用可能である。スペーサは分子回転を担う骨格と結合部及びキラル部を主鎖と結合させるためのものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選ばれる。また、カイラル部とビフェニル構造など剛直な骨格とを結合する結合部には(−COO−)結合等が選ばれる。キラルスメクチックC相よりなる強誘電性液晶層13は配向膜12により基板2面に垂直に分子螺旋回転の回転軸が向いており、いわゆるホメオトロピック配向をなす。
Here, a case where a ferroelectric liquid crystal is used as the
この光偏向素子10を構成する光学素子1の両端のライン電極4間に電圧を印加すると、抵抗膜5に電流が流れ、隣接するライン電極4間では抵抗膜5により電圧値が減衰し、各ライン状電極4間に電位勾配が発生する。この電位勾配により基板2のライン電極4が形成された面近傍に、面に沿った水平電界が得られる。この水平電界は各ライン電極4の配置に対応して電界の方向や大きさが変調されているが、誘電体基板7により変調の影響が低減されて液晶層13に基板2の表面とほぼ平行な均一な水平電界が得られる。すなわち誘電体基板7を介して液晶層13を挟んでいるため、基板2とほぼ平行で、且つ均一な水平電界を得ることができる。この誘電体基板7としては、透明な材料で構成されていれば良く、例えばガラスやサファイヤ、セラミックスを使用できる。この光学素子1の両端のライン電極4間に印加する電圧の極性を切り替えることにより、各ライン電極4間には逆向きの電位勾配を与えることができ、液晶層13内部の水平電界の方向を切り替えることができる。このように水平電界の方向を切り替わると、液晶層13の平均的な光学軸の傾斜方向が変化して、ライン電極4に平行な方向に直線偏光した入射光は、液晶層13の厚さ及び液晶分子の常光/異常光屈折率に応じた光路シフトを受けて偏向して、図4(b)に示すように、入射光は第1出射光と第2出射光の光路をとる。このように光を偏向させるとき、ライン電極4の本数やライン幅、ライン間隔、各ライン電極4間の電位差などを所望の光路サイズや光路偏向量及び液晶材料などに基づき適宜設定すれば良い。
When a voltage is applied between the
前記説明では、光学素子1の誘電体基板7を基板2に接着層6で接着し、誘電体基板7の表面に凹凸がない場合について説明したが、ライン電極4を有する基板2の面に誘電体層を直接形成しても良い。
In the above description, the case where the
例えば図5の断面図に示す光偏向素子10aは、基板2の一方の面に複数のライン電極4を平行に形成し、その端部に抵抗膜5を積層し、各ライン電極4の表面に低屈折率層3が積層されている。この低屈折率層3を有する面に2層の誘電体層14,15が成膜され、表面の誘電体層15を配向膜として使用する。この液晶層13と接する誘電体層15を配向膜とすることにより、液晶の良好な配向性を確保できる。ここで誘電体層の数を1層として配向膜の機能を持たせても良い。また、光学素子1aは接着層6を介して誘電体基板7を接着する必要がないから、接着層6を介して誘電体基板7を貼り合せた構造の光偏向素子1と比較して、製造工程が簡易であるとともに接着層6の厚さムラや誘電体基板7の反りなどに起因した波面収差の悪化がなく、また、界面の数を少なくできるので余分な散乱が無いなどの利点があり、結果としてコントラストの向上につながる。
For example, in the
この光学素子1aの2層の誘電体層14,15はスパッタリング法や蒸着法、イオンプレーティング法などの真空成膜や、塗布法・浸漬法・ゾルゲル法などで成膜する。このように2層の誘電体膜14,15を成膜すると、ライン電極4の幅とピッチにもよるが、多くの場合、図5に示すように、ライン電極4の形状の凹凸が誘電体膜14,15の表面に現れてライン状の凸部が存在した状態になる。このためライン電極4と誘電体層14の屈折率差だけではなく、第1の誘電体層14と第2の誘電体層15の屈折率差と、第2の誘電体層15と液晶層13の屈折率差によっても回折が生じる。この回折が生じることを抑制するため低屈折率層3の屈折率と厚さを最適化して電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差を極力小さく抑える。
The two
例えば図6(a)に示すように、基板2にライン電極4を形成し、低屈折率層3を設けずに誘電体層14をSiO2層で成膜し、その表面に配向膜となる誘電体層15を成膜したとする。そしてライン電極4の屈折率n1を2.0、厚さを30nmとし、SiO2層からなる誘電体層14の屈折率n4を1.46、誘電体層15の屈折率n5を1.41、液晶層13の屈折率n6を1.54とする。この誘電体層14として基板2表面から厚さd4=100nmで成膜すると、ライン電極4上の誘電体層14の厚さd41は若干小さく97nmとなった。この誘電体層14の表面に誘電体層15を厚さd5=50nmで成膜すると、ライン電極4上の誘電体層15の厚さd51は47nmとなり、液晶層13に突出した凸部の高さd6は24nmになった。この測定した膜厚の測定値と各屈折率を基に計算した電極形成部の光路長は253.46nmとなり、電極非形成部の光路長は253.46nmとなって、電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差は14.43nmであった。この光路差はライン電極4とSiO2からなる誘電体層14の屈折率差が大きく影響する。そこで図6(b)に示すように、誘電体層14の代わりにライン電極4と等しい屈折率を持った誘電体層14を使用しても、誘電体層14と誘電体層15の屈折率差が大きくなるため、電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差は12.81nmとなり、大きな改善は見られない。
For example, as shown in FIG. 6A, the
これに対して、図6(c)に示すように、低屈折率層3として屈折率n3が1.38のMgF2膜で100nmの厚さd2で成膜し、誘電体層14として基板2表面から厚さd4=100nmで成膜すると、ライン電極4上の誘電体層14の厚さd41は90nmとなった。この誘電体層14の表面に誘電体層15を厚さd5=50nmで成膜すると、ライン電極4上の誘電体層15の厚さd51は40nmとなり、液晶層13に突出した凸部の高さd6は110nmになった。この測定した膜厚の測定値と各屈折率を基に計算した電極形成部の光路長は385.8nmとなり、電極非形成部の光路長は385.9nmとなって、電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差は0.1nmとなり、緑に相当する波長546nmに対して十分に小さい光路差を得ることができた。したがって低屈折率層3として屈折率が1.46のSiO2や屈折率が1.38のMaF2あるいは屈折率が1.35のNa3AiF6等の膜をライン状にパターニングして形成することができ、低屈折率層3の材料を選ぶことによって所望の厚さに制御することができ、高い回折抑制効果を得ることができる。なお、低屈折率層3とライン電極4は、どちらを先に基板2に形成しても良い。
On the other hand, as shown in FIG. 6C, a low
また、誘電体層がN層ある場合、電極形成部と電極非形成部を通過する光の光路差Xは、
X=n1×d1+n3×d2+Σi=1,N{ni×(di1-di)}−n6×d6
で表せる。ここでniとdiはN層の誘電体層の屈折率と厚さを示し、di1はライン電極4上のN層の誘電体層の厚さを示し、厚さd6は液晶層13に突出した凸部の高さである。この光路差Xが例えば波長546nmの1%である5.46nm以下になるように、低屈折率層3の屈折率と厚さや誘電体層の屈折率と厚さを選択することにより、回折を抑制することができる。
Further, when there are N dielectric layers, the optical path difference X of the light passing through the electrode forming part and the electrode non-forming part is
X = n1 * d1 + n3 * d2 + Σ i = 1, N {ni * (di1-di)}-n6 * d6
It can be expressed as Here, ni and di indicate the refractive index and thickness of the N dielectric layer, di1 indicates the thickness of the N dielectric layer on the
次に、光偏向素子10や光偏向素子10aを使用した画像表示装置について説明する。画像表示装置20の光学系は、図7の構成図に示すように、光源21と、光源21から出射した光の光路に沿って配置された拡散板22とコンデンサレンズ23と画像表示素子24と、光偏向素子10又は光偏向素子10aを有する光偏向手段25及び投射レンズ26が順に配設されている。駆動手段は、光源21を駆動する光源駆動制御部27と、画像表示素子24を駆動する表示駆動制御部28及び光偏向手段25を駆動する光偏向駆動制御部29及び主制御部30を有する。
Next, an image display apparatus using the
光源21は白色あるいは任意の色の光を高速にオン・オフできるものであるならば、いかなる種類や型の光源であっても利用することができる。例えばLEDランプやレーザ光源あるいは白色のランプ光源などを2次元アレイ状に配列して、高速動作するシャッタを組合せたものなどを用いる。画像表示素子24は入射した均一の照明光を、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに、画像情報に基づいて空間光変調して、画像光として出射するものであり、透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブ、DMD素子などを用いることができる。光偏向手段25は前記画像サブフィールドごとに、画像表示素子24から出射される画像光の光路を偏向して、偏向画像光として出射する。この光偏向手段24により画像サブフィールドごとの光路の偏向量に応じて、スクリーン31上に投射される画像表示位置がずらされる状態となる画像パターンを表示させることが可能となり、画像表示素子24の実際の画素数を見かけ上増倍した画素数として、画像表示させることができる。
As long as the
この画像表示装置20でスクリーン31に画像を投影するとき、光源駆動制御部27で制御されて光源21から放射された光は、拡散板22により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ23により、光源駆動制御部27と同期して動作する表示駆動制御部28により制御されている例えば透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子24をクリティカルに照明する。画像表示素子24は入射した照明光を空間光変調して画像光として光偏向手段25に入射し、光偏向手段25は入射した画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトして投射レンズ26に入射する。投射レンズ26は入射した光を拡大してスクリーン31に投射する。このように回折の影響が少ない光偏向素子10を使用することにより、コントラストが高く、シャープな高精細画像をスクリーン31に投射することができる。
When an image is projected onto the
この偏向画像光の光路のシフト(偏向)量は、画素ピッチの整数分の1であることが望ましい。すなわち、画素の配列方向に対して2倍の画素増倍を行なう場合は、偏向画像光の光路のシフト量は、画素ピッチの1/2とし、配列方向に対して3倍の画素増倍を行なう場合は、画素ピッチの1/3とすることが望ましい。また、光偏向手段25の構成によって、偏向画像光の光路のシフト量が画素ピッチよりも大きくなる場合には、光路のシフト量を画素ピッチの(整数倍+整数分の1)の距離に設定しても良い。 The amount of shift (deflection) of the optical path of the deflected image light is desirably 1 / integer of the pixel pitch. That is, when the pixel multiplication is performed twice in the pixel arrangement direction, the shift amount of the optical path of the deflected image light is ½ of the pixel pitch, and the pixel multiplication is three times in the arrangement direction. When performing, it is desirable to set to 1/3 of the pixel pitch. Further, when the optical path shift amount of the deflected image light is larger than the pixel pitch due to the configuration of the light deflecting means 25, the optical path shift amount is set to a distance of (integer multiple + 1 / integer) of the pixel pitch. You may do it.
この光偏向手段25を画素配列方向の縦横2次元に用いる、例えば2倍の画像増倍を行なう光偏向素子10を2枚用いることにより、見かけ上の画素4倍の効果が得られ、使用した透過型液晶ライトバルブの解像度以上の高精細な画像を表示することができる。
Using this light deflecting means 25 in two dimensions vertically and horizontally in the pixel array direction, for example, by using two
図7に示した画像表示装置は、単板の透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子24と単色の光源21を用いて単色の画像を表示する場合について説明したが、3原色の光源21と、3枚の画像表示素子24を用いて、3原色の画像を混合してフルカラー画像を表示させることもできる。また、単板の画像表示素子24を時間順次に三原色光で照明するフィールドシーケンシャル方式でもフルカラー画像を表示することができる。この場合、3色の光源からの光路をクロスプリズムで混合して照明しても良いし、白色ランプ光源と回転カラーフィルターの組合せで、時間順次の三原色光を生成してもよい。
The image display apparatus shown in FIG. 7 has been described with respect to the case where a single color image is displayed using the
大きさ70mm×50mm、厚さ1mmのガラス板を基板2とし、SiO2を120nmの厚さになるようスパッタし、その上に30nmのITO膜をスパッタした。SiO2の屈折率は波長546nmにおいて1.46、ITO膜の屈折率は2.00である。次に、フォトレジストの塗布・露光・現像によってライン状のパターンを形成し、エッチングを行って幅10μm、ピッチ100μmのライン形状のSiO2の低屈折率層3とITOのライン電極4を400本形成し、両端のライン電極4の一端には接続部を形成した。次に、各ライン電極4を電気的に直列につなぐ領域に、スパッタ法によりCr−SiO抵抗膜5を形成した。抵抗膜5の厚さは100nmとし、表面抵抗率は4×107Ω/□であった。
A glass plate having a size of 70 mm × 50 mm and a thickness of 1 mm was used as the
次に電源接続部を除いた50mm×50mmの領域に、厚さ150μmのカバーガラスを、厚さ10μmの光学用UV接着剤で全面に貼付けた。この接着剤の屈折率は1.56である。次にカバーガラスの表面を垂直配向剤で処理した後に、接着剤に粒子径50μmのスペーサーを混入したもので2枚の基板2を接着した。次に、2枚の基板2間に強誘電性液晶(チッソ製CS1029)を注入して光偏向素子10を形成した。そして両端のライン電極4にそれぞれ±2kV、60Hzの交流電圧を印加し、光路シフトを確認した結果、有効領域全体にわたる各測定点で測定を行い、平均5μmの光路シフト量が得られた。このときの光路差は1.2nmであり、|(n3−n2)×d2|≒0.9×(n1−n2)×d1であった。
Next, a cover glass having a thickness of 150 μm was attached to the entire surface with an optical UV adhesive having a thickness of 10 μm in an area of 50 mm × 50 mm excluding the power connection portion. The refractive index of this adhesive is 1.56. Next, the surface of the cover glass was treated with a vertical alignment agent, and then two
この光偏向素子10を画像表示装置20の光偏向手段25に使用し、光偏向素子10をライン電極4が垂直となる方向で配置して、画像表示素子24により右半分が黒、左半分が白となる画像を表示させた。表示された黒と白の境界近傍で黒浮きが発生するかどうか、すなわち黒領域において輝度が上がるかどうかを確認した結果、白と黒の境界近傍の黒領域における輝度は白の輝度を100%とすると3.58%であった。この光偏向素子10の代わりに光偏向素子10の光路長と同じ光路長のガラス板を置いたところ、白と黒の境界近傍の黒領域における輝度は3.59%であり、光偏向素子10を使用したときの輝度は測定誤差の範囲であり、回折による輝度の上昇は観測できず、目視によっても、回折による黒浮きは認められなかった。
This
SiO2の膜厚を40nm、60nm、80nm、100nmと変えた他は実施例1と同様にして4種類の光偏向素子10を作製した。実施例1と同様の方法で黒の輝度を測定したところ、SiO2の膜厚が厚くなるほど黒浮きは減っていた。SiO2の膜厚が80nmのときに回折による黒浮きが約0.3%となり、256階調表示の際の1階調分以下となることがわかった。見た目にも、SiO2の膜厚2が80nm以上の光偏向素子10では回折の影響が視認できなかった。そしてSiO2の膜厚2が80nmのときの光路差は5.2nmであり、光路差を波長546nmの1%以下とすれば回折の影響を十分低減できることが示された。このときは、|(n3−n2)×d2|≒0.6×(n1−n2)×d1であった。
Four types of
実施例1と同形状のガラス基板2に、ITOを30nmの厚さになるようスパッタした。フォトレジストの塗布・露光・現像の後、ITOをライン形状にドライエッチングした。その際、ITOに続けて基板2自体を200nmの深さ分エッチングして、図3に類似の構成とした。その後は実施例1と同様にして光偏向素子10を作製した。基板2であるガラスの屈折率は波長546nmにおいて1.52である。このとき光路差は5.2nmである。実施例1と同様の方法で黒の輝度を測定したところ黒の輝度は3.88%であり、実施例2でSiO2の膜厚を80nmとしたときと同程度であり、目視では回折の影響は見られなかった。
ITO was sputtered on a
実施例1と同形状のガラス基板2に、スパッタ法によりCrSiO抵抗膜5を形成した。抵抗膜5の厚さは100nmとし、表面抵抗率は4×107Ω/□であった。次に、MgF2を100nmの厚さになるようスパッタし、その上に続けて30nmのITO膜をスパッタした。MgF2の屈折率は1.38、ITOは2.00である。フォトレジストの塗布・露光・現像の後、ITOとMgF2の両方をドライエッチングしてライン形状のMgF2の低屈折率層3とライン電極4を形成した。ここで抵抗膜5はライン電極4を電気的に直列につなぐ領域に形成されている。ライン電極4と低屈折率層3を形成した面に、それらを覆うようにSiO2を約100nmスパッタし、更にその表面に厚さ約50nmの配向膜を形成した。その面が対向するように2枚の基板2をスペーサー11で接着して素子の有効面積が40mm×40mm以上となるようにした。この2枚の基板2の間に強誘電性液晶(チッソ製CS1029)を注入して光偏向素子10を形成した。この各基板2の両端のライン電極4に±2kV、60Hzの交流電圧を印加し、光路シフトを確認した結果、有効領域全体にわたる各測定点で平均5μmのシフト量が得られていることが確認できた。
A
この光偏向素子10を画像表示装置20に組み込み、黒と白の画像を投射した結果、回折による輝度の上昇は観測できない程度であり、目視によっても、回折による黒浮きは認められなかった。このときの各層の厚さは図6(c)に示した通りであり、光路差は0.1
nmであった。
As a result of incorporating the
nm.
1;光学素子、2;基板、3;低屈折率層、4;ライン電極、5;抵抗膜、
6;接着層、7;誘電体基板、8;電圧印加手段、9;接続部、10;光偏向素子、
11;スペーサ、12;配向膜、13;液晶層、14;誘電体層、15;誘電体層、
20;画像表示装置、21;光源、22;拡散板、23;コンデンサレンズ、
24;画像表示素子、25;光偏向手段、26;投射レンズ、
27;光源駆動制御部、28;表示駆動制御部、29;光偏向駆動制御部、
30;主制御部、31;スクリーン。
1; optical element, 2; substrate, 3; low refractive index layer, 4; line electrode, 5;
6; adhesive layer, 7; dielectric substrate, 8; voltage applying means, 9; connection portion, 10;
11; spacer, 12; alignment film, 13; liquid crystal layer, 14; dielectric layer, 15; dielectric layer,
20; Image display device, 21; Light source, 22; Diffuser plate, 23; Condenser lens,
24; Image display element; 25; Light deflecting means; 26; Projection lens;
27; light source drive control unit; 28; display drive control unit; 29; light deflection drive control unit;
30: Main control unit, 31: Screen.
Claims (9)
前記電極の屈折率をn1、前記電極非形成部の屈折率をn2、前記屈折率調整部の屈折率をn3としたとき、n3<n2<n1を満足することを特徴とする光学素子。 A plurality of electrode forming portions each having a substrate, a refractive index adjusting portion formed on at least one surface of the substrate, and an electrode superimposed on the refractive index adjusting portion, and a space between the plurality of electrode forming portions are filled. An optical element having an electrode non-forming portion,
When the refractive index of the electrode n1, the refractive index of the electrode non-formation portions n2, the refractive index of the refractive index adjuster was n3, wherein the optical element and Turkey to satisfy n3 <n2 <n1 .
0.6×(n1−n2)×d1 <|(n3−n2)×d2|<1.4×(n1−n2)×d1を満たす請求項1記載の光学素子。 The thickness of the electrode d1, when the thickness of the refractive index adjuster has a d 2, an optical path difference caused by the refractive index difference between the refractive index adjuster the electrode non-formation portion (n3-n2) × d2 is ,
0.6 × (n1-n2) × d1 <| (n3-n2) × d2 | <1.4 × (n1-n2) optical element 請 Motomeko 1, wherein satisfying the × d1.
画像情報にしたがって光を制御可能な複数の画素が2次元的に配列した画像表示素子と、前記画像表示素子を照明する照明光学系と、前記光偏向素子と、前記画像表示素子から出射された画像光を投影する投影光学系とを有し、前記光偏向素子が前記画像表示素子と投影光学系との間に配置されていることを特徴とする画像表示装置。 An image display device comprising the light deflection element according to claim 7 or 8,
An image display element in which a plurality of pixels that can control light according to image information are arranged two-dimensionally, an illumination optical system that illuminates the image display element, the light deflection element, and the image display element An image display apparatus comprising: a projection optical system that projects image light, wherein the light deflection element is disposed between the image display element and the projection optical system.
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