CN102645790A - 液晶光学元件及液晶光学元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供液晶光学元件及液晶光学元件的制造方法，液晶光学元件在具有表面凹凸的棱镜上具有均匀的液晶取向。该液晶光学元件的特征在于，具有：彼此相对的一对第1和第2透明基板；一对第1和第2透明电极，它们形成在所述第1和第2透明基板上，对所述第1和第2透明基板之间施加电压；棱镜层，其形成在所述第1和第2透明基板中的一方的上方，且具有棱镜；取向膜，其形成在所述棱镜层上，通过光取向被实施了取向处理；以及液晶层，其夹在所述第1和第2透明基板之间，且具有液晶分子，通过使施加给所述第1和第2透明电极的电压变化，来改变所述液晶层的折射率，使透过所述棱镜的斜面与所述液晶层之间的界面的光的折射角变化。

Description

液晶光学元件及液晶光学元件的制造方法
技术领域
本发明涉及液晶光学元件及液晶光学元件的制造方法。
背景技术
以往，作为配光切换方法，公开了使用液晶光学元件的方法。例如，专利文献1公开了如下技术：使用在一对基板中的一方的内表面上形成了棱镜的液晶单元来使光偏转。通过对未施加电压的状态和施加了电压的状态进行切换来切换液晶层的折射率，由此对光的行进方向进行切换。
液晶具有细长的分子形状，某个方向上的偏振光(液晶分子的长轴方向)能够转向，而某个方向的偏振光能够直接透过。在光源为非偏振光，且要使光源的光全部转向时，需要准备2组微棱镜液晶光学元件(例如，参照专利文献2)。
在光源为偏振光系统或者在光源与微棱镜液晶光学元件之间配置有液晶显示装置等偏振光系统的光学系统时，如果微棱镜液晶光学元件为1组，则能够使所有的光(图像)转向。当此时从光源等射出的偏振光方向、与微棱镜液晶光学元件中对光源侧施加的取向处理的方向未被配置为平行时，一部分的光不会转向。
例如，当从光源侧射出的偏振光方向与微棱镜液晶光学元件中对光源侧施加的取向处理的方向被配置成45度时，约有1/2的光发生转向，但无法控制其余的光，当从光源侧射出的偏振光方向与微棱镜液晶光学元件中对光源侧施加的取向处理的方向被配置成垂直时，在电气上完全无法进行控制。
因此，从光源侧射出的偏振光方向与微棱镜液晶光学元件中对光源侧施加的取向处理的方向配置成平行，是非常重要的。另外，相对于此，关于棱镜的朝向，从使图像整体向哪个方向移动的方面看，棱镜的朝向很重要，但从能够切换取向的方面看，棱镜的朝向不是很重要。
由此，为了使透过微棱镜液晶光学元件的光(图像)的状态尽量鲜明，重要的是要进行整齐的取向处理，使界面中的液晶分子整齐地排列在一个方向上。
【专利文献1】日本特开2006-147377号公报
【专利文献2】日本特开2010-145646号公报
以往，不在棱镜上形成取向膜，而是直接进行摩擦处理，但是，在摩擦后的棱镜材料中，实现液晶分子的取向的取向限制力不充分，不是所有的液晶分子都朝向摩擦方向。如果在棱镜上形成取向膜就不会有问题，但是，大多数的棱镜用形成材料的耐热性低，其特性会因形成取向膜的热处理(180℃以上)而劣化。
另外，即使在棱镜上形成了取向限制力高的取向膜(聚酰亚胺等)并进行了摩擦处理，也很难得到完全均匀的液晶取向。这是由棱镜的表面形状引起的，由于在微棱镜液晶光学元件中使用的棱镜上存在几μm到几十μm的表面凹凸，因此，无法使摩擦处理中使用的摩擦布的毛端良好地接触于棱镜上(取向膜上)的整个面，特别是在凹部中不能实现良好的取向。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在具有表面凹凸的棱镜上具有均匀的液晶取向的液晶光学元件。
本发明的另一目的在于，提供一种在具有表面凹凸的棱镜上也能够实施均匀的液晶取向的液晶光学元件的制造方法。
根据本发明的一个方面，液晶光学元件具有：彼此相对的一对第1透明基板和第2透明基板；形成在所述第1透明基板和第2透明基板上，对所述第1透明基板和第2透明基板之间施加电压的一对第1透明电极和第2透明电极；具有棱镜的棱镜层，该棱镜层形成在所述第1透明基板和第2透明基板中的一方的上方；取向膜，该取向膜形成在所述棱镜层上，通过光取向被实施了取向处理；以及具有液晶分子的液晶层，该液晶层夹在所述第1透明基板和第2透明基板之间，通过使施加给所述第1透明电极和第2透明电极的电压变化，来改变所述液晶层的折射率，使透过所述棱镜的斜面与所述液晶层之间的界面的光的折射角变化。
根据本发明的另一方面，液晶光学元件的制造方法包括以下步骤：准备第1透明基板和第2透明基板；在所述第1透明基板和第2透明基板上，形成对所述第1透明基板和第2透明基板之间施加电压的一对第1透明电极和第2透明电极；在所述第1透明电极的上方，形成具有棱镜的棱镜层；在所述棱镜层上形成取向膜；通过光取向对形成在所述棱镜层上的取向膜实施取向处理；以所述第1透明基板和第2透明基板的形成有所述第1透明电极和第2透明电极的一侧相对的方式，将所述第1透明基板和第2透明基板叠合；以及对所述第1透明基板和第2透明基板之间注入液晶而进行密封。
根据本发明，能够提供一种在具有表面凹凸的棱镜上具有均匀的液晶取向的液晶光学元件。
另外，根据本发明，能够提供一种对具有表面凹凸的棱镜也能够实施均匀的液晶取向的液晶光学元件的制造方法。
附图说明
图1是本发明的第1实施例中的光偏转液晶单元100的概略剖面图。
图2是棱镜层3的概略立体图。
图3是玻璃基板1上的棱镜层3的概略俯视图。
图4是表示本发明的第1实施例中安装了光偏转液晶单元100的光学系统的结构的概念图。
图5是示出比较例的与液晶单元A～E的取向有关的实验结果的表。
图6是示出本发明的第1实施例中观察透过光偏转液晶单元100的光(图像)的状态而得到的第1实验结果的表。
图7是示出本发明的第1实施例中观察透过光偏转液晶单元100的光(图像)的状态而得到的第2实验结果的表。
图8是用于说明本发明的第1实施例中的光取向的曝光方向的概念图。
图9是用于说明本发明的第2实施例中的液晶单元的光取向处理的概念图。
图10是示出本发明的第2实施例中观察透过液晶单元的光(图像)的状态而得到的第3实验结果的表。
图11是示出本发明的第3实施例中观察透过液晶单元的光(图像)的状态而得到的第4实验结果的表。
图12是示出本发明的第3实施例中观察透过液晶单元的光(图像)的状态的第5实验结果的表。
符号说明
1、11：玻璃基板；2、12：透明电极；3：棱镜层；3a：棱镜；3b：基层；13：取向膜；14：间隙控制剂；15：液晶层；20：控制部；22：液晶显示装置；23：光(图像)；100：光偏转液晶单元。
具体实施方式
图1是概略地示出本发明的第1实施例中的光偏转液晶单元(液晶光学元件)100的厚度方向剖面图。
准备了形成有透明电极的一对玻璃基板(形成有透明电极2的玻璃基板1及形成有透明电极12的玻璃基板11)。玻璃基板1、11的厚度分别为0.7mmt，材质为无碱玻璃。透明电极2、12的厚度分别为150nm，材质为铟锡氧化物(ITO)，且被构图为期望的平面形状。
在单侧的玻璃基板1的透明电极2上形成有棱镜层3。棱镜层3具有在基层3b上排列棱镜3a而得到的形状。基层3b的厚度例如为2μm～30μm左右。在本实施例中，使用了UV硬化型的丙烯酸类树脂等、对于180℃以上的热处理特性(透过率)变化小的材料(以下，简称为耐热性棱镜材料)，来形成棱镜层3。另外，通过使用UV硬化型的丙烯酸类树脂等、对于180℃以上的热处理特性(透过率)变化小(能够进行180℃以上的热处理)的材料，能够在棱镜上形成以往非常难做到的由聚酰亚胺等构成的LCD用取向膜。另外，在本说明书中，“特性(透过率)变化小”是指与热处理之前相比特性(透过率)变化为大致2％以内的状态。UV硬化型的丙烯酸类树脂不仅耐热性优异，还具有与玻璃的密接性优异且不易与金属密接(脱模性良好)的性质，适合作为形成本发明的第1实施例的棱镜的材料。另外，环氧系树脂的耐热性也很优异，可以用作形成本发明的第1实施例的棱镜的材料。另外，还可使用聚酰亚胺。
图2是棱镜层3的概略立体图，右侧部分中示出了棱镜3a的截面形状的放大图。各棱镜3a例如是顶角约为45°、底角约为45°和90°的三角柱状，多个棱镜3a在与棱镜长度方向垂直的方向(将该方向称为棱镜宽度方向)上，以方向一致的方式进行排列。棱镜3a的高度约为20μm(最低0μm～最高20μm)，棱镜3a的底边长度(棱镜的间距)约为20μm。另外，基层3b是棱镜层3的基层(2μm～30μm)。
图3是玻璃基板1上的棱镜层3的概略俯视图。对棱镜层3的制作方法进行说明。在玻璃基板1(纵150mm×横150mm×厚0.7mm t)的透明电极2上，滴下规定量的耐热性棱镜材料3R(例如，紫外线(UV)硬化型的丙烯酸类树脂)，在其上的规定位置处，放置形成有棱镜层3的模具的棱镜金属模具(该棱镜层3的模具带有脱模剂或者涂布剂)，在将厚的石英部件等配置在基板背侧进行了加强的状态下，进行了冲压。金属模具的尺寸(棱镜形成区域的尺寸)为纵80mm×横80mm。
在进行冲压并放置了1分钟以上而使耐热性棱镜材料3R充分地扩散之后，从玻璃基板1的背侧照射紫外线，使耐热性棱镜材料3R硬化。紫外线的照射量为20mJ/cm2。紫外线的照射量只要恰当地设定为能使树脂硬化即可。另外，由于ITO会吸收紫外线，因此，如果透明电极的膜厚变化，则也需要改变紫外线照射量。
在耐热性棱镜材料3R硬化之后，拆下石英、冲压夹具等，并按压形成有棱镜层3的玻璃基板1，由此从棱镜金属模具上脱离。
另外，棱镜层3的大小是通过调整耐热性棱镜材料3R的滴下量来确定的。调整滴下量，在棱镜形成区域整体A1(纵80mm×横80mm)中的必要区域A2(纵60mm×横60mm)中形成了棱镜层3。另外，构成棱镜层3的UV硬化式的丙烯酸类树脂的折射率为1.51。
棱镜层3具有如下功能：与液晶层15协作，通过顶角的角度来改变从一边入射并从另一边射出的光的行进方向。
回到图1继续进行说明。通过清洗机对带有棱镜的玻璃基板1和另一方的带有ITO的玻璃基板11进行了清洗。清洗方法是按照使用了碱性洗涤剂的毛刷清洗、纯水清洗、吹气、紫外线照射、赤外线干燥的顺序进行的。另外，清洗方法不限于此，也可以进行高压喷冲清洗、等离子清洗等。
接着，在棱镜层3上及另一方的玻璃基板11的透明电极12上，通过聚酰亚胺等形成了取向膜13。通过在棱镜层3上形成取向膜13，能够使取向限制力充分。这里，通过柔性版印刷法形成厚度为80nm的“日産化学”制的SE-130，并在180℃下进行了1.5小时的烧制。另外，取向膜的材料不限于上述材料，可使用市面上销售的多种聚酰亚胺取向膜材料。
接着，对棱镜层3上的取向膜13实施作为取向处理的光取向。这里使用了从法线方向对玻璃基板11照射使紫外线偏振后的光的方法。即，从相对于棱镜3a的斜面倾斜了45°的方向对棱镜3a的斜面进行了照射。曝光中使用的偏振滤光器的波长为310nm，以照度8.5mW/cm2进行了120秒钟的曝光(照射量：约1J/cm2)。另外，在本实施例中，虽然是以照度8.5mW/cm2(310nm)进行了120秒钟的曝光(照射量：约1J/cm2)，但也可以使用波长254nm的偏振滤光器，以照度1.3mW/cm2进行曝光。另外，关于照射量，针对各个波长，以30秒、60秒、120秒、300秒改变曝光条件进行了实验。在30秒的情况下，光取向的取向力较弱，而在60秒的情况下，得到了基本均匀的取向。但是，观察到了略微偏移的像。在120秒的情况下，几乎观察不到偏移的像和模糊的像。即使进一步增加曝光量，结果上也看不出差异。
关于光取向方向，使得曝光中使用的偏振滤光器的偏振方向与棱镜方向(图2的x方向)平行。液晶分子的取向方向是与紫外光的偏振方向垂直地排列的。作为结果，使得液晶分子取向为与棱镜方向垂直的方向(图2的y方向)。
通过使用光取向作为取向方法，由此，即使在存在凹凸的棱镜层3上，也能够得到均匀的液晶取向。作为结果，与摩擦处理相比，显著提高了投影像的画质。
对于另一方的带有ITO的玻璃基板11的取向膜13，作为取向处理实施了摩擦处理。以压入量0.8mm用力地按压而进行了摩擦处理，以达到强锚定(StrongAnchoring)。摩擦的方向以与棱镜层3的倾斜方向呈反向平行的方式，成为图1的箭头18的方向(与图2的x方向相反的方向)。另外，也可以对玻璃基板11的取向膜13实施光取向。
接着，在形成了棱镜层3的一侧的玻璃基板1上，形成了含有2wt％～5wt％的间隙控制剂的主密封剂16。作为形成方法，可使用丝网印刷法或分配法。以使包括棱镜高度(0μm～20μm)在内、液晶层15的厚度例如成为10μm～35μm的方式，选择了间隙控制剂。另外，由于棱镜层3的高度随位置而变化，因此也要与此对应地改变液晶层15的厚度。
这里，作为间隙控制剂，选择直径为45μm的“積水化学”制的塑料球，将该塑料球以4wt％的方式添加到“三井化学”制的密封剂ES-7500中，形成了主密封剂16。
在未形成棱镜的一侧的玻璃基板11上，使用干式的间隙散布机，散布作为间隙控制剂14的直径为21μm的“積水化学”制的塑料球。
接着，将两个玻璃基板1、11叠合，在用冲压机等施加了一定压力的状态下进行热处理，由此使主密封剂硬化。这里，以150℃进行了3小时的热处理。
在这样制作出的空单元中，真空地注入液晶而形成了液晶层15。在第1实施例中，作为液晶，使用了Δε为正、Δn＝0.212、ne＝1.716、no＝1.504的“メルク(Merck)”公司制的液晶。另外，虽然使用液晶的Δn越大的材料，越能够增大图像的弯曲，但有时Δn大的液晶的取向性不是很好，因此在本实施例中，使用了Δn较大且取向性优异的材料。
在注入液晶之后，进行冲压并排出多余的液晶，然后，在注入口处涂布端部密封剂进行了密封。在密封之后，在120℃下进行1小时的热处理，使得液晶的取向状态整齐。由此，制作出光偏转液晶单元100。
在通过光取向来进行取向膜13的取向处理时，需要快速地进行从液晶的注入到热处理为止的处理。这是因为，棱镜层3上的取向膜13的光取向的取向限制力不是特别强，会出现在受到液晶注入时的液晶流动影响的方向上进行取向(流动取向)的现象。为了消除该现象，进行高温处理，使液晶暂时达到各向同性温度以上，由此，能够消除流动取向而重新取向为原来的光取向所实现的方向。但是，在该方法中，当从注入液晶起经过较长时间时，流动取向会稳定下来，多少在热处理中无法完全去除(将此称为取向的记忆性)。因此，希望尽量快速地进行从注入液晶到热处理为止的处理，如果可能，希望为3小时以内，最迟也要在24小时以内进行热处理。
在第1实施例的光偏转液晶单元100中，在未施加电压状态下，液晶分子的长轴与棱镜长度方向垂直，通过施加电压，液晶分子的长轴立起至基板法线方向。在第1实施例使用的液晶中，对于电矢量的振动方向与液晶分子的长轴方向平行的偏振成分，表现出1.716的折射率，对于电矢量的振动方向与液晶分子的长轴方向垂直的偏振成分，表现出1.504的折射率。
构成棱镜层3的UV硬化型的丙烯酸类树脂的折射率是1.51，这等同于电矢量的振动方向与液晶分子的长轴方向垂直的偏振成分所对应的液晶折射率。另外，当第1材料的折射率与第2材料的折射率之差处于第1材料的折射率或第2材料的折射率的3％以内(更优选为2％以内)时，两种材料的折射率视为等同。
因此，在第1实施例的光偏转液晶单元100中，当施加了使得液晶分子的长轴沿基板法线方向立起的电压时，液晶层的折射率(1.504)与棱镜层3的折射率(1.51)等同，因此棱镜的作用消失，入射光会基本原样地直线前进。另一方面，当未施加电压时(包含施加了低电压时)，液晶层的折射率(1.716，而在45度的斜面上的有效折射率大致为1.6左右)与棱镜层3的折射率(1.51)不同，因此棱镜产生作用，使入射光发生折射。
另外，也可以在棱镜形成用的金属模具中形成用于抽出空气的微小的槽。此外，也可以在真空中将金属模具和基板叠合。另外，液晶的注入方法不限于真空注入，例如也可以使用One Drop Fill(ODF：滴注)法。
另外，在第1实施例的光偏转液晶单元100中，使用了比棱镜图案更大的、在上下基板之间以90°交叉的长方形形状的电极图案，从两个基板侧取出端子，并且，在主密封部分中使上下基板的电极不交叉。通过在主密封部分中使上下基板的电极不交叉，能够抑制短路。另外，在想要从单侧取出端子的情况下，可采用在主密封部分中添加上下导通用的金球的构造等。
控制部20例如根据来自外部的信息，对施加给光偏转液晶单元100的透明电极2、12上的电压进行控制，由此调整透过光偏转液晶单元100的光的转向角度。
图4是本发明的第1实施例中安装了光偏转液晶单元100的光学系统的概念图。
将通过上述方法制作的光偏转液晶单元100组装到图4所示的光学系统中，观察了图像23的变化状态。以如下方式使方向一致地进行了配置，所述方式是：配置在背面的液晶显示装置22的偏振板24的粘贴方向与光偏转液晶单元100的液晶分子取向方向平行。通过在光偏转液晶单元100的透明电极2、12上连接引脚端子等而获得导通，能够从控制部20向光偏转液晶单元100施加交流电压。
当对光偏转液晶单元100施加了电压时，观察了液晶显示装置22的静止图像的位置随电压而移动的状态。此时，图像23的画质基本未发生劣化，能够仅使其位置移动。并且，也没有观察到重影像。
如果从液晶显示装置22发出的光(图像)23为线偏振光，则能够通过光偏转液晶单元100使所有的光(图像)23转向。另外，能够通过光偏转液晶单元100使光(图像)23转向的角度的可控范围因单元构造(棱镜形状、液晶的折射率的各向异性等)而不同，但是能够转向至18°左右。
图5是示出比较例的与液晶单元A～E的取向有关的实验结果的表。
比较例的液晶单元A～E是这样的单元：使用“日産科学”制的SE-410来形成本实施例的光偏转液晶单元100的棱镜层3上的取向膜13，通过摩擦处理按照光取向的变化进行了取向处理。液晶单元A～E是按照-0.8mm、-0.4mm、0mm、0.4mm、0.8mm分别改变摩擦处理中的压入量所制作的液晶单元。关于压入量，设玻璃基板表面为0、与基板相离的方向为负、压入方向为正。
这里的评价实验是：分别在对液晶单元A～E施加了电压的情况下和未施加电压的情况下，观察了透过液晶单元A～E的光(图像)23(图4)的状态，具体地讲，对偏移像的有无(是否能看到像的重影)及模糊的有无(像是否散乱)这2点进行了观察。
对于摩擦处理中的压入量为-0.8mm的液晶单元A，在未施加电压时，没有观察到偏移像和模糊，但是在施加了电压时观察到了泛白的现象。对于压入量为-0.4mm的液晶单元B，在未施加电压时及施加了电压时双方，都略微观察到了偏移像和模糊。对于压入量为0mm的液晶单元C，在未施加电压时观察到了偏移像和模糊，但当施加了电压时，未观察到偏移像和模糊。对于压入量为0.4mm的液晶单元D，在未施加电压时及施加了电压时双方，都观察到了偏移像，但是未观察到模糊。对于压入量为0.8mm的液晶单元E，在未施加电压时，未观察到偏移像和模糊，但当施加了电压时，略微观察到了模糊。如上所述可知：在比较例A～E中，无论是哪种情况，从偏移像和模糊这些方面看，无法得到对于施加了电压/未施加电压时这所有状态都良好的图像。
图6是示出本发明的第1实施例中观察透过光偏转液晶单元100的光(图像)23(图4)的状态而得到的第1实验结果的表。与上述比较例相同，对偏移像的有无(是否能看到像的重影)及模糊的有无(像是否散乱)这2点进行了观察。在该第1实验中，使光偏转液晶单元100的取向膜13的材料及光取向处理中的UV波长变化而实际制作了液晶单元F～K并进行了观察。另外，进行120秒钟的紫外线曝光，此时的照射量为150mJ/cm2。
液晶单元F是通过如下方式制作的：使用“日産化学”制的SE-510来制成形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1的取向膜13，使紫外线曝光中使用的偏振滤光器的波长成为310nm，由此制作出液晶单元F。液晶单元G与液晶单元F相同，是使用”日産化学”制的SE-510，使紫外线曝光中使用的偏振滤光器的波长成为254nm而制作的。
液晶单元H是通过如下方式制作的：使用“日産化学”制的SE-130来制成形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1的取向膜13，使紫外线曝光中使用的偏振滤光器的波长成为310nm，由此制作出液晶单元H。液晶单元I与液晶单元H相同，是使用“日産化学”制的SE-130，使紫外线曝光中使用的偏振滤光器的波长成为254nm而制作的。
液晶单元J是通过如下方式制作的：使用“日産化学”制的SE-610来制成形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1的取向膜13，使紫外线曝光中使用的偏振滤光器的波长成为310nm，由此制作出液晶单元J。液晶单元K与液晶单元J相同，是使用“日産化学”制的SE-610，使紫外线曝光中使用的偏振滤光器的波长成为254nm而制作的。
另外，紫外线的偏振方向与棱镜方向平行，相对基板(玻璃基板11)都使用了与形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1相同的取向膜材料，以反向平行的方式进行了摩擦处理(压入量0.8mm)。另外，使光取向时的偏振滤光器的偏振方向与棱镜方向平行，使摩擦方向与棱镜方向垂直。在光取向中，液晶分子在与偏振滤光器的偏振方向垂直的方向上排列，因此，通过上述关系，能够得到反向平行取向。另外，这里使用的光取向中，由于不会产生预倾角，因此，要注意使摩擦方向与棱镜的倾斜方向反向平行。
在液晶单元G(取向膜材料：SE-510，偏振滤光器：254nm)中，当未施加电压时略微观察到了偏移像。并且，在液晶单元K(取向膜材料：SE-610，偏振滤光器：254nm)中，当施加了电压时略微观察到模糊。
在液晶单元F、H、I、J中，对于未施加电压时及施加了电压时双方而言，都没有观察到偏移图像和模糊，对于施加了电压/未施加电压时这所有状态，都能得到良好的图像。
图7是示出本发明的第1实施例中观察透过光偏转液晶单元100的光(图像)23(图4)的状态而得到的第2实验结果的表。图8是用于说明第1实施例的光取向的曝光方向的概念图。
与上述的比较例及第1实验相同，对偏移像的有无(是否能看到像的重影)及模糊的有无(像是否散乱)这2点进行了观察。在该第2实验中，使光取向处理中的曝光方向按照与棱镜平行(图8的箭头A的方向)、与棱镜垂直(图8的箭头B的方向)、左45°(图8的箭头C的方向)、右45°(图8的箭头D的方向)进行变化，从而制作了光偏转液晶单元100。
如图8的箭头A所示，在照射与棱镜方向平行的偏振光的情况下，液晶的取向方向以与UV光的偏振方向垂直的方式排列，因此取向状态与棱镜方向垂直，液晶分子沿着棱镜3的斜面排列。对于未施加电压时及施加了电压时双方而言，都没有观察到偏移图像和模糊，对于施加了电压/未施加电压时这所有状态，都能得到良好的图像。作为结果，该状态能够使像保持最鲜明的状态而移动。
如图8的箭头B所示，在照射与棱镜方向垂直的偏振光的情况下，液晶的取向方向以与UV光的偏振方向垂直的方式排列，因此取向状态与棱镜方向平行。由此，由于液晶分子未因棱镜3的斜面而倾斜，因此等价于无预倾角的状态。作为结果，当施加了电压时，看到了像略微模糊的现象。另外，当从电压接通切换到电压断开时，基本观察不到模糊，因此认为这是从电压断开向电压接通的启动时容易看到的现象。
如图8的箭头C及D所示，在照射相对于棱镜方向左右倾斜了45°的偏振光的情况下，液晶的取向方向以与UV光的偏振方向垂直的方式排列，因此取向状态成为相对于棱镜方向左右偏移了45°的方向。在未施加电压时，在与原来不同的方向上观察到略微的偏移像。在左右偏离了45°的情况下，是基于棱镜形状效应的液晶取向难易度最难的取向方向，认为很难在整个面上得到均匀的液晶取向。
图9是用于说明本发明的第2实施例的液晶单元的光取向处理的概念图。
第2实施例的液晶单元与第1实施例的光偏转液晶单元100的不同点仅在于：在光取向处理中对形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1的取向膜13进行紫外线曝光时，使玻璃基板1倾斜(相对于棱镜3a的斜面带有角度)而进行了曝光。其他步骤及结构与图1所示的第1实施例的光偏转液晶单元100相同。
在第2实施例中，如图9(A)～(C)所示，使玻璃基板1倾斜而实施了光取向。另外，在该第2实施例中，使用了照射使紫外线偏振后的光的方法。使用310nm波长的偏振滤光器，以照度8.5mW/cm2(310nm)进行了120秒钟的曝光(照射量：约1J/cm2)。另外，在波长为254nm时，优选使照度为1.3mW/cm2。
图10是示出本发明的第2实施例中观察透过液晶单元的光(图像)23(图4)的状态而得到的第3实验结果的表。
这里的评价实验是：针对玻璃基板1，使与棱镜方向垂直的方向相对于与紫外线照射方向垂直的面(在本实施例中为水平面)倾斜-60°～+60°，进行紫外线曝光，在这样的液晶单元中，分别在施加了电压的情况下和未施加电压的情况下，观察了透过液晶单元的光(图像)23(图4)的状态，具体地讲，对偏移像的有无(是否能看到像的重影)及模糊的有无(像是否散乱)这2点进行了观察。另外，这里，如图9(A)所示，将基板1的表面平行于与紫外线照射方向垂直的面的状态下的、基板1相对于与紫外线照射方向垂直的面的倾斜角(以下，简单地称为基板倾斜角)视为0，如图9(B)所示，将基板1向左侧倾斜、从而紫外线相对于棱镜斜面的入射角变小时的基板倾斜角定义为负，如图9(C)所示，将基板1向右侧倾斜、从而紫外线相对于棱镜斜面的入射角变大时的基板倾斜角定义为正。另外，在本实施例中，基板倾斜角与棱镜3a的顶角(在本实施例中为45°)相加后的角度是棱镜3a的斜面相对于与紫外线照射方向垂直的面的角度(以下，称为相对于棱镜斜面的倾斜角或者入射角)。
如图10的表所示，可知：在该第3实验中，当基板倾斜角(相对于水平面的角度)为0°附近(相对于棱镜斜面的倾斜角为45°附近)时，即，当基板倾斜角处于-15°～+30°的范围(相对于棱镜斜面的倾斜角为30°～75°的范围)内时，不存在偏移像和模糊。
在基板倾斜角为-30°以下的情况下，之所以观察到偏移像和模糊，是因为棱镜3a的一部分变暗，UV光没有照射到棱镜3a的整个斜面。
另一方面，在基板倾斜角为45°以上的情况下，不是很清楚观察到模糊的原因，但可以认为：例如在基板倾斜角为45°的情况下，相对于棱镜斜面的倾斜角大致为90°，因此棱镜3a的斜面相对于紫外线照射方向的角度大致为0°，UV光未充分照射到棱镜3a的斜面。另外，可知，在基板倾斜角为60°的情况下，相对于棱镜斜面的倾斜角为90°以上，未对棱镜3a的斜面良好地进行光取向。
根据以上的实验结果，认为在光取向处理中，紫外线照射方向与棱镜斜面之间存在理想的倾斜角范围。另外，虽然在实验中是使基板倾斜，但只要是相同的倾斜角范围，则改变紫外线照射方向的角度也是同样的。由此，将实验中的水平面置换为与紫外线照射方向垂直的假想平面，作为倾斜角的基准。也就是说，在光取向处理中对形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1的取向膜13进行紫外线曝光时，在照射具有偏振性的紫外线的情况下，认为以下方式是理想的：在使棱镜3a的斜面相对于与紫外线照射方向垂直的面以大于15°且小于90°的范围倾斜的状态下，进行光照射。
图11是示出本发明的第3实施例中观察透过液晶单元的光(图像)23(图4)的状态而得到的第4实验结果的表。
第3实施例的液晶单元与第1实施例的光偏转液晶单元100的不同点仅在于：在光取向处理中对形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1的取向膜13进行紫外线曝光时，照射非偏振的(不具有偏振性的)紫外线而进行了曝光，并且对于非偏振光，关于各向异性，仅存在照射到基板面的光的角度，产生与倾斜面平行的液晶取向限制力，因此是在与第1实施例相比改变了90°的方向上，实施相对基板11的取向膜13的取向处理。其他步骤及结构与图1所示的第1实施例的光偏转液晶单元100相同。另外，将摩擦方向确定为：当基板彼此重叠时，使得预倾角成为与棱镜3a的倾斜角平行的方向(接近)。作为取向膜13，使用了“日産化学”制的SE-130。
第4实验是：分别在对液晶单元(使光取向处理中的紫外线的曝光时间成为5秒、10秒、20秒而制作出的液晶单元)施加了电压的情况下和未施加电压的情况下，观察了透过液晶单元的光(图像)23(图4)的状态，具体地讲，对偏移像的有无(是否能看到像的重影)及模糊的有无(像是否散乱)这2点进行了观察。在该第4实验中，曝光是在照度76mW/cm2(峰值波长350nm)的条件下进行的。另外，使基板倾斜角为0°(相对于棱镜斜面的倾斜角为45°)而曝光了非偏振的紫外线。
从图11所示的表中可以清楚地看出：如果紫外线的照射时间为10秒以上(760mJ/cm2以上)，则不存在偏移像和模糊。另外，即使进一步增加曝光量，在结果上也看不出差异。因此，在光取向处理中对形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1的取向膜13进行紫外线曝光时，在照射不具有偏振性的紫外线的情况下，优选使紫外线的照射时间成为10秒以上(760mJ/cm2以上)。
接着，与第2实施例相同，在光取向处理中对形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1的取向膜13进行紫外线曝光时，相对于棱镜3a的斜面带有角度地(使玻璃基板1倾斜地)进行了曝光。
图12是示出本发明的第3实施例中观察透过液晶单元的光(图像)23(图4)的状态而得到的第5实验结果的表。与第2实施例相同，在使基板倾斜角成为-60°～+60°而进行了紫外线曝光的液晶单元中，分别在施加了电压的情况下和未施加电压的情况下，观察了透过液晶单元的光(图像)23(图4)的状态，具体地讲，对偏移像的有无(是否能看到像的重影)及模糊的有无(像是否散乱)这2点进行了观察。曝光时间固定为20秒。
如图12的表所示可知：在该第5实验中，当基板倾斜角处于0°～+30°的范围(相对于棱镜斜面的倾斜角为45°～75°的范围)内时，不存在偏移像和模糊。另一方面，当基板倾斜角为-15°以下(相对于棱镜斜面的倾斜角为30°以下)时，以及当基板倾斜角为45°以上(相对于棱镜斜面的倾斜角为90°以上)时，观察到了偏移像或模糊。
根据以上的实验结果，与照射了具有偏振性的紫外线的情况相同，认为在光取向处理中，紫外线照射方向与棱镜斜面之间存在理想的倾斜角范围。另外，虽然在实验中是使基板倾斜，但如果是相同的倾斜角范围，则改变紫外线照射方向的角度也是相同的。由此，将实验中的水平面置换为与紫外线照射方向垂直的假想平面，作为倾斜角的基准。也就是说，在光取向处理中对形成有棱镜层3的一侧的玻璃基板1的取向膜13进行紫外线曝光时，在照射不具有偏振性的紫外线的情况下，认为以下方式是理想的：在使棱镜3a的斜面相对于紫外线照射方向的倾斜角以大于30°且小于90°的范围倾斜的状态下，进行光照射。
另外，作为整体，与第1及第2实施例那样使用了偏振滤光器时(使用了具有偏振性的紫外光时)相比，模糊的程度变差。而且可知：倾斜角的范围也较窄。因此可以说，在想要得到稳定、均匀的像的情况下，优选的是使用了偏振滤光器的第1及第2实施例。
但是，第3实施例的光照射时间可以比第1及第2实施例短，因此对制造而言是优选的。另外，在第1及第2实施例中，由于使用了具有偏振性的紫外光，因此在制造设备中，可省略用于进行偏振的光学系统(例如，准直器、偏振滤光器等)。
以上，根据本发明的实施例，通过对棱镜层3上的取向膜13实施光取向，能够赋予均匀的液晶取向。由此，能够在电气上(不存在机械方式的工作部)以不存在图像的失真、模糊、重影像等的鲜明状态使光(图像)的方向移动。
另外，一般而言，光取向是通过使基板1倾斜或者从倾斜方向照射光来对取向膜13赋予各向异性，但根据本发明的第1～第3实施例，由于存在棱镜3a，因而棱镜的平坦面相对于基板1的平面方向倾斜，因此，即使不从倾斜方向照射紫外线而是从与基板1的平面方向垂直的方向进行照射(即使基板1位于水平面，基板倾斜角为0°)，也能够赋予各向异性。
另外，根据本发明的第1～第3实施例，用耐热性优异的材料来形成棱镜层3，因此，能够在棱镜上形成聚酰亚胺等的取向膜(光取向性优异的膜)。
另外，在上述实施例中，使用三角柱状的棱镜，且使用了底角为45°和90°的棱镜，但底角不限于此。关于垂直入射到基板的光线，从基板以适当的缓和角度立起的斜面构成棱镜，在接近于垂直的底角处立起的面不构成棱镜。通过如上所述的结构，能够容易地在各单元中向同一方向进行偏转。
另外，在上述实施例中，将三角柱状棱镜的间距设为20μm。棱镜的的间距优选为1μm～100μm的范围。
另外，棱镜的形状不限于实施例中所示的形状，例如截面形状也可以是正弦曲线状。
以上基于实施例对本发明进行了说明，但本发明不限于此。例如，本领域技术人员能够想到各种变更、改进、组合等。
本发明的各实施例的光偏转液晶单元100可应用于使用了图像的多种产品(投影仪、平视显示器(HUD)、头戴式显示器(HMD)、数码相机等的光学系统、各种LCD(直视型)的显示功能的增加)。
另外，还可以应用于不是图像而是要求高精度的配光控制的产品(车辆用前照灯/尾灯(汽车、摩托车、自行车等)、各种照明设备(一般照明、舞台照明、特殊照明、车辆用室内/外部照明等)、希望使光转向的用途(防眩遮阳板、防眩镜、防眩太阳镜、各种光通信等)。

Claims (5)

1.一种液晶光学元件，其特征在于，该液晶光学元件具有：
彼此相对的一对第1透明基板和第2透明基板；
形成在所述第1透明基板和第2透明基板上，对所述第1透明基板和第2透明基板之间施加电压的一对第1透明电极和第2透明电极；
具有棱镜的棱镜层，该棱镜层形成在所述第1透明基板和第2透明基板中的一方的上方；
取向膜，该取向膜形成在所述棱镜层上，通过光取向被实施了取向处理；以及
具有液晶分子的液晶层，该液晶层夹在所述第1透明基板和第2透明基板之间，
通过使施加给所述第1透明电极和第2透明电极的电压变化，来改变所述液晶层的折射率，使透过所述棱镜的斜面与所述液晶层之间的界面的光的折射角变化。
2.一种液晶光学元件的制造方法，其特征在于，该制造方法包括以下步骤：
准备第1透明基板和第2透明基板；
在所述第1透明基板和第2透明基板上，形成对所述第1透明基板和第2透明基板之间施加电压的一对第1透明电极和第2透明电极；
在所述第1透明电极的上方，形成具有棱镜的棱镜层；
在所述棱镜层上形成取向膜；
通过光取向对形成在所述棱镜层上的取向膜实施取向处理；
以所述第1透明基板和第2透明基板的形成有所述第1透明电极和第2透明电极的一侧相对的方式，将所述第1透明基板和第2透明基板叠合；以及
对所述第1透明基板和第2透明基板之间注入液晶而进行密封。
3.根据权利要求2所述的液晶光学元件的制造方法，其特征在于，
所述棱镜的斜面为平坦的倾斜面，
实施所述取向处理的步骤是通过对形成于所述棱镜的平坦的倾斜面上的所述取向膜照射具有偏振性的紫外线而进行的，
所述棱镜的平坦的倾斜面相对于假定与所述紫外线的照射方向垂直的平面在大于15°且小于90°的范围内倾斜。
4.根据权利要求2所述的液晶光学元件的制造方法，其特征在于，
所述棱镜的斜面为平坦的倾斜面，
实施所述取向处理的步骤是通过对形成于所述棱镜的平坦的倾斜面上的所述取向膜照射不具有偏振性的紫外线而进行的，
所述棱镜的平坦的倾斜面相对于假定与所述紫外线的照射方向垂直的平面在大于30°且小于90°的范围内倾斜。
5.根据权利要求2所述的液晶光学元件的制造方法，其特征在于，
所述棱镜的斜面是相对于所述第1透明基板的平面方向倾斜的平坦的倾斜面，
实施所述取向处理的步骤是通过对形成于所述棱镜层上的取向膜照射紫外线而进行的，
所述紫外线的照射方向是与所述第1透明基板的平面方向垂直的方向。
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