JP2002082333A - 光制御素子およびその製造方法 - Google Patents

光制御素子およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液晶を用いた光制御素子を製造する際に、ラ
ビングによる配向処理やマルチドメイン配向を配向膜に
施すと、光制御素子に光入射角依存性が生じて所望の光
制御を行うことができなくなる場合が多い。 【解決手段】 光照射によって表面性状が変化する配向
膜の外側にスリット状の光透過部を有するフォトマスク
と光源とを配置し、前記フォトマスクと前記光源との相
対的な位置関係を一定に保った状態で、前記配向膜を前
記フォトマスクに対して相対的に旋回運動させながら前
記光透過部を介して前記配向膜に一定の斜め入射角度で
光を照射し、これによって前記配向膜に光配向処理を施
す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶を用いた光制
御素子およびその製造方法、ならびに、配向膜の光配向
処理方法に関する。
【０００２】本明細書においては、液晶を用いた光制御
素子を単に「光制御素子」という。
【０００３】
【従来の技術】液晶の光学的異方性や、液晶分子の再配
列によって生じる電気光学的性質の変化等を利用して光
を制御する光制御素子の開発が進められている。例えば
液晶レンズ、液晶プリズム、液晶シャッタ、液晶回転波
長板等の光制御素子が知られている。
【０００４】いずれの光制御素子も、セル容器と、この
セル容器内に充填された液晶とを含んで構成される。
【０００５】セル容器は、間隔をあけて対向配置された
２枚の透明基板を備える。これらの透明基板それぞれの
片面には、透明電極パターンと配向膜とが配設される。
【０００６】配向膜には、一般に、ラビングによって一
軸性の配向処理が施されている。また、いわゆるマルチ
ドメイン配向が施されている場合もある。マルチドメイ
ン配向は、配向膜を複数の小区画に区分し、これらの区
画を幾つかのグループに分けて、グループ毎に異なる方
向に配向処理を施すものである。マルチドメイン配向の
際には、一般にフォトリソグラフィを利用して、各グル
ープの区画がラビング処理または光配向処理によって所
定方向に配向処理される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ラビングによる配向処
理は一軸性の配向を付与するものである。このため、ラ
ビング処理された配向膜を有する光制御素子は、光の入
射方向に応じて光学的特性が変化するという性質を有す
る。この性質を、本明細書では「光入射方向依存性」と
いう。
【０００８】マルチドメイン配向を施すことにより、光
制御素子の光入射方向依存性を改善することができる。
しかしながら、マルチドメイン配向では、配向方向が異
なる区画同士の境界部において液晶分子の配向方向に明
らかな不連続性が生じる。
【０００９】例えば液晶レンズにおいて液晶分子の配向
方向に明らかな不連続性があると、液晶層の見かけの屈
折率が光の入射方向によって異なってくる。このため、
像に歪みが生じる。他の光制御素子においても、液晶分
子の配向方向に明らかな不連続性があると、不連続部分
で所望の光制御を行うことができなくなる等の不都合が
生じる場合が多い。
【００１０】液晶の屈折率は、分子長軸に平行な方向と
直角な方向とで異なる。このため、液晶層の屈折率も、
この液晶層への光の入射方向によって異なる。本明細書
でいう「液晶層の見かけの屈折率」とは、光の入射方向
に応じた実効的な屈折率（実際の屈折率）を意味する。
【００１１】本発明の目的は、所望の光制御を行うこと
が容易な光制御素子を提供することである。
【００１２】本発明の他の目的は、所望の光制御を行う
ことが容易な光制御素子を得ることができる光制御素子
の製造方法を提供することである。
【００１３】本発明の更に他の目的は、所望の光制御を
行うことが容易な光制御素子を得ることができる配向膜
の光配向方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、互いに間隔をあけて対向配置された第１および第２
の透明基板を備え、該第１および第２の透明基板の各々
が内側面上に透明電極パターンと配向膜とを有するセル
容器と、前記セル容器内に充填された液晶であって、前
記第１および第２の透明基板それぞれに形成されている
前記透明電極パターンに電圧を印加しないときに、前記
第１の透明基板上の配向膜との界面および前記第２の透
明基板上の配向膜との界面それぞれにおいて、面内のい
ずれの方位角方向にも均一に配向している液晶分子を含
む液晶とを備えた光制御素子が提供される。
【００１５】本発明の他の観点によれば、透明電極パタ
ーンと光照射によって表面性状が変化する配向膜とが片
面に形成されている透明基板を用意する工程と、前記配
向膜の外側にスリット状の光透過部を有するフォトマス
クと光源とを配置し、前記フォトマスクと前記光源との
相対的な位置関係を一定に保った状態で、前記配向膜を
前記フォトマスクに対して相対的に旋回運動させながら
前記光透過部を介して前記配向膜に一定の斜め入射角度
で光を照射し、これによって前記配向膜に光配向処理を
施す工程と、前記配向膜に前記光配向処理が施された透
明基板を用いてセル容器を組み立てる工程と、前記セル
容器に液晶を充填する工程とを含む光制御素子の製造方
法が提供される。
【００１６】本発明の更に他の観点によれば、光照射に
よって表面性状が変化する配向膜の外側にスリット状の
光透過部を有するフォトマスクと光源とを配置し、前記
フォトマスクと前記光源との相対的な位置関係を一定に
保った状態で、前記配向膜を前記フォトマスクに対して
相対的に旋回運動させながら前記光透過部を介して前記
配向膜に一定の斜め入射角度で光を照射し、これによっ
て前記配向膜に光配向処理を施す光配向処理方法が提供
される。
【００１７】光制御素子中の液晶を、第１の透明基板上
の配向膜との界面および第２の透明基板上の配向膜との
界面それぞれにおいて、面内のいずれの方位角方向にも
均一に配向させることにより、液晶層の見かけの屈折率
を光の入射方向に拘わらずほぼ一定にすることができ
る。
【００１８】第１の透明基板上の配向膜との界面および
第２の透明基板上の配向膜との界面それぞれにおいて面
内のいずれの方位角方向にも均一に配向された液晶の態
様としては、例えば、これらの界面において面内方向に
放射状または同心円状に配向した液晶が挙げられる。
【００１９】上記の光配向処理によれば、液晶との界面
において液晶分子を面内方向に放射状または同心円状に
配向させる配向膜を得ることが可能である。
【００２０】液晶との界面において液晶分子を面内のい
ずれの方位角方向にも均一に配向させる配向膜を２枚用
いて光制御素子を構成すれば、光入射方向依存性が改善
された光制御素子を得ることができる。所望の光制御を
行うことが容易な光制御素子が得られる。
【００２１】また、上記の光配向処理が施された１枚の
配向膜と、配向処理が施されていない１枚の配向膜とを
用いて光制御素子用のセル容器を構成し、このセル容器
にカイラル剤を添加した液晶を充填した場合でも、一方
の配向膜との界面および他方の配向膜との界面それぞれ
において、液晶が面内のいずれの方位角方向にも均一に
配向された光制御素子を得ることができる。
【００２２】なお、本明細書においては、配向材料によ
って形成された膜であって配向処理が施されていない膜
も「配向膜」と称する。
【００２３】また、本明細書でいう「スリット状の光透
過部」とは、スリットを有する光遮蔽膜を透光性基材上
に形成したときに前記のスリットから露出する透光性基
材によって構成される光透過部を含む他、遮光性部材の
所定箇所に形成されたスリットによって構成される光透
過部をも含むものとする。
【００２４】
【発明の実施の形態】図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、
図３、図４および図５は、実施例による光制御素子の製
造方法を説明するための図である。
【００２５】図１に示すように、まず、片面に透明電極
パターン１と配向膜２とが形成された透明基板３を用意
する。
【００２６】透明電極パターン１は、目的とする光制御
素子の種類等に応じて、所望の形状に形成される。
【００２７】液晶レンズを得る場合には、例えば、透明
基板３の片面の所定領域を覆う１つの透明電極によっ
て、あるいは、径の異なる複数の環状透明電極を同心円
状に配置することによって、透明電極パターン１を形成
することができる。
【００２８】液晶マイクロレンズを得る場合には、例え
ば、複数の円形透明電極をマトリックス状に配置するこ
とによって透明電極パターン１を形成することができ
る。
【００２９】液晶回転波長板を得る場合には、例えば、
透明基板３の片面の中央部に円形の配向膜２を形成する
ためのスペースを残すようにして当該片面の縁部に複数
の透明電極を配置することによって、透明電極パターン
１を形成することができる。
【００３０】透明電極パターン１は、例えばＩＴＯ（酸
化インジウム・錫）、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウ
ム等の透明電極材料や金薄膜等によって形成される。
【００３１】配向膜２は、光照射によって表面性状が変
化する配向材料によって形成された未配向処理膜であ
る。表面性状の変化は、例えば、(1) 主鎖あるいは側鎖
が切れる、(2) 側鎖の向きが変わる、(3) 架橋する、等
の現象によって引き起こされる。このような配向材料の
例としては、ＰＶＣ（ポリビニルシンナメート）、ポリ
イミド（例えば日産化学社製のＳＥ−６１０、ＳＥ−７
７９２等）、シンナモイル基を導入した変性ポリシラ
ン、長波長の光によって光二量化が進行するようにカル
コン基を導入した材料等が挙げられる。
【００３２】配向膜２は、スピンコート、オフセット印
刷等の方法によって、円形、矩形等の所望形状に形成さ
れる。必要に応じて、プリベーク、ポストベークを行
う。
【００３３】配向膜２の形成位置は、目的とする光制御
素子の種類等に応じて適宜選定される。例えば液晶レン
ズ、液晶マイクロレンズ、液晶シャッタ等の光制御素子
のように液晶に縦電界を印加して光学特性を制御する光
制御素子を得る場合には、図１に示すように、透明電極
パターン１を覆うようにして配向膜２が形成される。ま
た、例えば液晶回転波長板のように液晶に横電界を印加
して光学特性が制御される光制御素子を得る場合には、
透明基板３の片面の所定箇所に透明電極パターン１を介
することなく直接配向膜２が形成される。
【００３４】配向膜２の膜厚は、概ね０．００１〜０．
２μｍの範囲内で適宜選択可能である。配向膜２の好ま
しい膜厚は、概ね０．０１〜０．１μｍである。
【００３５】透明基板３は、目的とする光制御素子の用
途等に応じて、所望の光透過率特性を有する透明ガラ
ス、透明樹脂、透光性セラミックス等の板またはフィル
ムによって形成される。透明基板３の厚さは薄い方が好
ましく、１ｍｍ以下、更には０．３ｍｍ以下であること
が好ましい。
【００３６】透明電極パターン１と配向膜２とが形成さ
れた透明基板３を用意した後、配向膜２に光配向処理を
施す。
【００３７】図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、この光配
向処理の実施方法を示す。これらの図に示すように、光
配向処理を行うにあたっては、スリット状の光透過部５
が形成されたフォトマスク６と、所望の光源（図示せ
ず。）とを配向膜２の外側に配置する。フォトマスク６
と光源との相対的な位置関係を一定に保った状態で、配
向膜２をフォトマスク６に対して相対的に旋回運動させ
ながら、光源から光透過部５を介して所定の光Ｌを配向
膜２に一定の斜め入射角度で照射する。この光照射によ
って、配向膜２に光配向処理が施される。
【００３８】これらの図に示した方法では、光Ｌは、配
向膜２の旋回軸と光透過部５の長手方向の中心線とを含
む面を入射面として、入射角θ１で配向膜２に入射す
る。光Ｌとしては、配向膜２の材質の応じて、所定波長
の偏光または非偏光が用いられる。
【００３９】透明基板３は、配向膜２が斜め上方を向
き、この配向膜２が光Ｌの入射面に垂直でその傾き角が
［（π／２）−θ１］となるようにして回転軸７に取付
けられ、矢印Ａの方向に回転される。フォトマスク６
は、透明基板３とほぼ平行に固定配置される。光透過部
５の一端５ａは、回転軸７の中心線Ｂの延長線上に位置
する。したがって、光透過部５は、回転軸７の回転に伴
って、配向膜２に対して相対的に旋回運動を行う。この
旋回運動の中心は、一端５ａである。
【００４０】光透過部５の線幅は、光配向処理に使用す
る光Ｌの波長以上であればよい。光透過部５の長さは、
光配向処理しようとする領域の大きさおよび形状、フォ
トマスク６と配向膜２との距離、光Ｌの入射角θ１等に
応じて適宜選定される。
【００４１】光透過部５の形状は、液晶分子を放射状に
配向させる配向膜を得るうえからは、図示のように扇形
とすることが好ましい。ただし、扇形以外に、スリット
形、長方形、楕円形、無定形とすることもできる。光透
過部５の形状を扇形にした場合には、配向膜２に均一に
エネルギーを与えることが容易になる。配向膜２に不均
一にエネルギーを与える場合には、光透過部５の形状を
例えば長方形にすることができる。
【００４２】光透過部５を扇形とする場合、相対的な旋
回運動の中心となる一端５ａにおいても光Ｌの波長以上
の線幅を有していることが望まれるので、厳密な意味で
の扇形にならない場合がある。本明細書においては、一
端５ａの線幅を光Ｌの波長以上にしたことによって厳密
な意味での扇形ではなくなったが、一端５ａ側を外側に
延長すれば厳密な意味での扇形となる形状を有する光透
過部５をも、「扇形の光透過部」に含めるものとする。
【００４３】光透過部５を扇形とする場合、その中心角
θ２は概ね０．１〜４５°の範囲内で適宜選択可能であ
り、概ね０．５〜５°とすることが好ましい。
【００４４】相対的な旋回運動の中心を一端５ａよりも
光透過部５の内側にすれば、光透過部５を厳密な意味で
の扇形にすることもできる。
【００４５】光透過部５にシェーディングを付けること
により、液晶分子のプレティルトを連続的に変化させる
配向膜を得ることが可能になる。
【００４６】図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、それぞ
れ、シェーディングを付けた光透過部の概念図である。
【００４７】図３（Ａ）に示した光透過部１５は、扇形
のスリット１０ａを有する光遮蔽膜１０を透光性基材１
１上に形成したときにスリット１０ａから露出する透光
性基材１１によって構成された光透過部である。この光
透過部１５は、扇形のスリット１０ａの中心側から外側
に向かうに従って光透過量が増加または減少するよう
に、着色されている。図３（Ａ）においては、着色され
ている領域にスマッジングを付してある。スマッジング
の濃淡は、着色の濃淡を示す。
【００４８】図３（Ｂ）に示した光透過部２５も、扇形
のスリット２０ａを有する光遮蔽膜２０を透光性基材２
１上に形成したときにスリット２０ａから露出する透光
性基材２１を含んで構成されている。ただし、光透過部
２５は、その裏面（使用時に配向膜２側に位置する面）
側に配設された多数のシェーディング板２２を含む。シ
ェーディング板２２は、例えば、光透過率が数％から１
００％の間で無段階に変化するマスクによって構成され
る。図示の光透過部２５では、扇形のスリット２０ａの
中心側から外側に向かうに従って光透過量が減少する。
【００４９】光配向処理に使用する光Ｌの波長およびそ
の強度は、配向膜２の材質や、透明基板３の傾き角、透
明基板３の回転速度、目的とする光制御素子に使用され
る液晶材料の種類等に応じて適宜選定される。図２
（Ａ）および図２（Ｂ）に示した方法で光配向処理を行
う場合の光Ｌの入射角θ１は、概ね５〜８５°の範囲内
で適宜選択可能である。入射角θ１は、概ね３０〜８０
°であることが好ましく、概ね３０〜６０°であること
がより好ましい。
【００５０】光配向処理は、目的とする光制御素子を構
成する２枚の配向膜２の一方にのみ施してもよいし、両
方に施してもよい。
【００５１】以下、光配向処理を施した後の配向膜２を
「配向膜２ａ」と表記し、配向膜２ａにおいて実際に光
配向処理が施された領域を「光配向処理部」という。
【００５２】配向膜２に光配向処理を施した後の透明基
板３を用いて、セル容器を組み立てる。
【００５３】図４は、組み立てたセル容器の断面を概略
的に示す。同図に示すように、セル容器３０は、上記の
光配向処理を配向膜２に施した後の２枚の透明基板３、
３を、その一方の縁部に配設したシール材１１によっ
て、所定のセル厚を確保しつつ互いに貼り合わせること
によって組み立てられている。各配向膜２ａはセル容器
３０内に位置している。これら２枚の配向膜２ａでは、
光配向処理時に用いたスリット状の光透過部５の旋回中
心の射影の位置が平面視上重なっている。
【００５４】なお、セル容器３０は、配向膜２に上記の
光配向処理を施した１枚の透明基板３と、配向膜２に配
向処理を施していない１枚の透明基板３とを用いて組み
立ててもよい。
【００５５】図５に示すように、セル容器３０内に液晶
４０を充填することにより、光制御素子５０を得ること
ができる。種々の種類の液晶を使用することが可能であ
る。
【００５６】このようにして光制御素子５０を製造する
ことにより、透明電極パターン１の各々に電圧を印加し
ないときに、配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０と
の界面において液晶分子が面内方向に放射状に配向され
た光制御素子を得ることが可能になる。
【００５７】この光制御素子５０では、光配向処理部と
液晶４０との界面において、液晶分子が面内のいずれの
方位角方向にも均一に配向した状態にある。その結果と
して、平面視したときに配向膜２ａの光配向処理部に含
まれる領域においては、液晶層の見かけの屈折率の異方
性が改善される。したがって、この領域を光制御素子５
０における実効的な動作領域として利用することによ
り、その光入射角依存性を改善することができる。所望
の光制御を行うことが容易になる。
【００５８】以下、平面視したときに配向膜２ａの光配
向処理部に含まれる領域を、光制御素子の「実効的動作
領域」という。
【００５９】次に、第１の実施例による光制御素子につ
いて説明する。本実施例の光制御素子は、上述した実施
例による光制御素子の製造方法に基づいて作製すること
ができる。以下の説明は、図１、図２（Ａ）、図２
（Ｂ）、図４または図５で用いた参照符号を引用しつつ
行う。
【００６０】まず、図１に示した透明基板３として厚さ
０．３ｍｍのガラス基板を用い、このガラス基板の片面
上にこの面をほぼ覆う１つの透明電極によって構成され
る透明電極パターン１を形成した。この後、透明電極パ
ターン１上にポリイミド（日産化学社製のＳＥ−６１
０）を厚さ０．０５μｍに亘ってスピンコートして、ポ
リイミド膜を得た。このポリイミド膜を９０℃で２分間
プリベークした後に２２０℃で９０分間ポストベークし
て、配向処理されていない配向膜２を得た。
【００６１】この配向膜２に、図２（Ａ）および図２
（Ｂ）に示したようにして光配向処理を施して、光配向
処理が施された配向膜２ａを得た。このとき用いた光透
過部５は、一端５ａの長さが０．５μｍ、他端での弦の
長さが１０μｍ、半径が２００μｍ、中心角θ２が約
２．７°の扇形を呈する。
【００６２】光配向処理に用いた光Ｌは紫外光である。
光Ｌは、配向膜２への入射角θ１が４５°となるように
して、配向膜２に照射した。照射量は、スリット状の光
透過部５を介して配向膜２に照射される波長３１５ｎｍ
の光の強度が１００ｍＪ／ｍ 2 となる量とした。ガラス
基板（透明基板３）は１回のみ回転させた。
【００６３】上記と全く同じ要領で、透明電極パターン
１とその上方に形成された配向膜２ａとを有する透明基
板３をもう１枚作製した。
【００６４】これら２枚の透明基板３、３を、図４に示
したようにシール剤１１を用いて貼り合わせて、セル容
器３０を作製した。このセル容器３０においては、光配
向処理時に用いたスリット状の光透過部５の旋回中心の
配向膜２ａへの射影の位置が、２枚の配向膜２ａ同士で
平面視上重なっている。
【００６５】この後、図５に示したようにセル容器３０
に液晶４０（例えばメルク社製のＺＬＩ−４７９２（Ｆ
系ＮＬＣ）、同社製のＺＬＩ−２２９３（ＳＴＮ用））
を充填して、光制御素子５０を得た。液晶４０にはカイ
ラル剤を添加していない。
【００６６】この光制御素子５０について、配向膜２ａ
中の光配向処理部と液晶４０との界面での液晶分子の配
向状態を、各透明電極パターン１に電圧を印加しない状
態下で調べた。
【００６７】図６は、上記の配向状態を模式的に示す。
同図中の各矢印が、液晶分子の配向方向を示す。
【００６８】同図に示したように、各液晶分子は、光配
向処理時に用いたスリット状の光透過部５の旋回中心の
配向膜２ａへの射影の位置Ｏを中心として、外側に向か
って僅かに立ち上がった状態で面内方向に放射状に配向
していた。配向膜２ａの表面を基準（０°）とした液晶
分子のプレティルト角は、１°程度である。
【００６９】光制御素子５０を構成している各透明電極
パターン１に電圧を印加したところ、実効的動作領域に
おいては、ディスクリネーションライン等の欠陥は生じ
なかった。このことから、実効的動作領域内の各液晶分
子は、それぞれのプレティルト角方向に立ち上がったも
のと認められる。
【００７０】この実効的動作領域においては、液晶層の
見かけの屈折率の異方性が改善される。また、実効的動
作領域においては、ラビングによって配向処理を施した
配向膜を用いた場合に比べて光入射方向依存性が改善さ
れる。
【００７１】したがって、光制御素子５０を用いれば、
所望の光制御を容易に行うことができる。この光制御素
子５０は、例えば液晶レンズ、レンズ収差補正部材等と
して用いることができる。
【００７２】次に、第２の実施例による光制御素子につ
いて図７および図８を用いて説明する。
【００７３】図７は、本実施例の光制御素子６０の断面
を概略的に示す。同図に示した構成要素のうちで図１ま
たは図５に示した構成要素と共通するものについては、
図１または図５で用いた参照符号と同じ参照符号を付し
てその説明を省略する。
【００７４】図７と図５との比較から明らかなように、
本実施例の光制御素子６０は、セル容器３０を構成する
一方の透明基板３上に形成されている配向膜が、光配向
処理を施していない配向膜２であるという点、および、
カイラル剤（例えばメルク社製のＳ−８１１あるいはＺ
ＬＩ−３７８６）が添加された液晶４０ａがセル容器３
０に充填されているという点で、第１の実施例の光制御
素子５０と構成上異なる。これらの点を除けば、光制御
素子６０の構成は第１の実施例の光制御素子５０の構成
と同様である。
【００７５】カイラル剤は、光制御素子６０のセル厚ｄ
とカイラルピッチｐとの比ｄ／ｐが１／４となるように
液晶に添加した。すなわち、配向膜２ａと配向膜２との
間で液晶分子が９０°回転するように、カイラル剤を添
加した。
【００７６】カイラル剤が添加された液晶４０ａは、ア
イソトロピック状態もしくはネマティック状態でセル容
器３０に充填される。この状態では液晶４０ａに流動配
向欠陥が残るので、充填後なるべく時間をおかずに１５
０℃で１時間程度熱処理し、その後に徐冷して、再配向
させた。
【００７７】このようにして作製した光制御素子６０に
おいて、配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０ａとの
界面での液晶分子の配向状態は、第１の実施例による光
制御素子５０における液晶４０と配向膜２ａとの界面で
の液晶分子の配向状態と同様であった。一方、液晶４０
ａと配向膜２との界面での液晶分子の配向状態は、下記
のように、液晶４０ａと配向膜２ａとの界面での液晶分
子の配向状態とは大きく異なっていた。
【００７８】図８は、液晶４０ａと配向膜２との界面で
の液晶分子の配向状態を模式的に示す。同図中に破線で
示した矢印の各々が、液晶分子の配向方向を示す。
【００７９】同図に示したように、各液晶分子は、配向
膜２ａとの界面での配向方向から９０°捻れた状態で、
配向膜２中の点Ｐを中心にして同心円状に配向してい
た。プレティルトは殆ど付与されていない。
【００８０】図８に示した配向膜２中の点Ｐは、配向膜
２ａを得る際の光配向処理時に用いたスリット状の光透
過部５の旋回中心の光配向膜２ａへの射影の位置と平面
視上重なる。
【００８１】光制御素子６０を構成している各透明電極
パターン１に電圧を印加したところ、実効的動作領域に
おいては、ディスクリネーションライン等の欠陥は生じ
なかった。このことから、実効的動作領域内の各液晶分
子は、それぞれ一定の方向に立ち上がったものと認めら
れる。
【００８２】この実効的動作領域においては、液晶層の
見かけの屈折率の異方性が改善される。また、実効的動
作領域においては、ラビングによって配向処理を施した
配向膜を用いた場合に比べて光入射方向依存性が改善さ
れる。
【００８３】したがって、光制御素子６０を用いれば、
所望の光制御を容易に行うことができる。この光制御素
子６０は、前述した光制御素子５０と同様の用途に使用
することができる。
【００８４】液晶分子にプレティルトを付与する一法と
して、配向処理を施していない配向膜の表面エネルギー
を制御するという方法が知られている（Mol. Cryst. Li
q. Cryst., 1998, Vol. 316, pp. 227-230）。
【００８５】しかしながら、光制御素子６０での液晶分
子の挙動から明らかなように、セル容器を構成する２枚
の配向膜の一方に所定の光配向処理を施せば、他方の配
向膜に何ら配向処理を施さなくても、また、その表面エ
ネルギーを別段制御しなくても、液晶分子の立ち上がり
方向を制御することができる。
【００８６】次に、第３の実施例による光制御素子につ
いて図９（Ａ）および図９（Ｂ）を用いて説明する。
【００８７】図９（Ａ）は、本実施例の光制御素子７０
を構成する２枚の透明基板３の一方を概略的に示す平面
図である。
【００８８】図９（Ｂ）は、光制御素子７０の断面を概
略的に示す。
【００８９】これらの図に示した構成要素のうちで図５
に示した構成要素と機能上共通するものについては、図
５で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を
省略する。
【００９０】本実施例の光制御素子７０は、液晶レンズ
として利用することが可能な光制御素子である。この光
制御素子７０では、透明電極パターン１の各々が１つの
円形透明電極によって構成される。配向膜２ａにおける
光配向処理部は、平面視上、透明電極パターン１と重な
る。
【００９１】これらの点を除けば、光制御素子７０は、
第１の実施例の光制御素子５０と同様にして構成され
る。配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０との界面で
の液晶分子は、第１の実施例による光制御素子５０にお
ける液晶４０と配向膜２ａとの界面での液晶分子と同様
に、外側に向かって僅かに立ち上がった状態で面内方向
に放射状に配向する。
【００９２】光制御素子７０の実効的動作領域において
は、液晶層の見かけの屈折率の異方性や、光入射方向依
存性が改善される。
【００９３】液晶４０を介して互いに対向する円形の透
明電極パターン１それぞれに電圧を印加したときにこれ
らの透明電極パターン１間に形成される電界を電気力線
で表すと、一方の透明電極パターン１の中心から他方の
透明電極パターン１の中心に向かう電気力線は直線的に
なる。これらの透明電極パターン１の周縁部に向かうほ
ど、電気力線は、一方の透明電極パターン１から一旦外
側に膨らんだ後に他方の透明電極パターン１の達する周
縁部に向かうようになる。すなわち、これらの透明電極
パターン１間に形成される電界の強さは、平面視上、透
明電極パターン１の中心部から周縁部に向かうにしたが
って弱まる。これらの透明電極パターン１同士の間に、
不均一電界が形成される。
【００９４】この不均一電界を利用して、実効的動作領
域での液晶分子のティルト角を、中心から外側に向かう
に従って連続的に変化させることができる。したがっ
て、光制御素子７０は、焦点距離が可変の液晶レンズと
して利用することができる。
【００９５】なお、例えば図３（Ａ）または図３（Ｂ）
を用いて説明したシェーディング付きの光透過部１５、
２５を有するフォトマスクを利用して配向膜２に光配向
処理を施せば、図６に示した位置Ｏから外側に向かって
プレティルトを連続的に変化させつつ液晶分子を放射状
に配向させる配向膜２ａを得ることが可能である。この
ように液晶分子が配向した光制御素子は、たとえ透明電
極パターン１を矩形の透明電極によって構成した場合で
も、焦点距離が可変の液晶レンズとして利用することが
できる。
【００９６】次に、第４の実施例による光制御素子につ
いて図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）を用いて説明す
る。
【００９７】図１０（Ａ）は、本実施例の光制御素子８
０を構成する２枚の透明基板３の一方を概略的に示す平
面図である。
【００９８】図１０（Ｂ）は、光制御素子８０の断面を
概略的に示す。
【００９９】これらの図に示した構成要素のうちで図５
に示した構成要素と共通するものについては、図５で用
いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略す
る。
【０１００】本実施例の光制御素子８０は、液晶マイク
ロレンズとして利用することが可能な光制御素子であ
る。この光制御素子８０の構成は、下記(1) および(2)
の各点で、第１の実施例による光制御素子５０の構成と
異なる。 (1) ２枚の透明基板３それぞれに形成される透明電極パ
ターン１が、マトリックス状に配置された複数の円形透
明電極１ａによって構成される。下側の透明基板３に形
成される円形透明電極１ａそれぞれの上方に１個ずつ、
上側の透明基板３に形成される円形透明電極１ａが位置
する。 (2) 配向膜２ａにおける光配向処理部が、円形透明電極
１ａそれぞれの上方に１箇所ずつ形成される。１個の円
形透明電極１ａの平面視上の輪郭線とその上の光配向処
理部の平面視上の輪郭線とは、ほぼ重なる。
【０１０１】これらの点を除けば、光制御素子８０の構
成は、第１の実施例の光制御素子５０の構成と同様であ
る。配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０との界面の
液晶分子は、第１の実施例による光制御素子５０におけ
る液晶４０と配向膜２ａとの界面の液晶分子と同様に、
外側に向かって僅かに立ち上がった状態で面内方向に放
射状に配向する。
【０１０２】光制御素子８０での実効的動作領域の各々
においては、液晶層の見かけの屈折率の異方性や、光入
射方向依存性が改善される。液晶４０を介して互いに対
向する円形透明電極１ａ同士の間に生じる不均一電界を
利用して、個々の実効的動作領域での液晶分子のティル
ト角を、中心から外側に向かうに従って連続的に変化さ
せることができる。実効的動作領域の各々を、焦点距離
が可変の液晶レンズとして利用することができる。
【０１０３】次に、第５の実施例による光制御素子につ
いて図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）を用いて説明す
る。
【０１０４】図１１（Ａ）は、本実施例の光制御素子９
０を構成する２枚の透明基板３の一方を概略的に示す平
面図である。
【０１０５】図１１（Ｂ）は、光制御素子９０の断面を
概略的に示す。
【０１０６】これらの図に示した構成要素のうちで図５
に示した構成要素と共通するものについては、図５で用
いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略す
る。
【０１０７】本実施例の光制御素子９０は、液晶回転波
長板として機能させることが可能な光制御素子である。
この光制御素子９０では、液晶４０に横電界を印加し
て、その光学特性を制御する。
【０１０８】光制御素子９０の構成は、下記(1) および
(2) の各点で、第１の実施例による光制御素子５０の構
成と異なる。 (1) ２枚の透明基板３それぞれに、透明電極パターン１
を介することなく直接、円形の配向膜２ａが配置され
る。下側の透明基板３に形成される配向膜２ａと、上側
の透明基板３に形成される配向膜２ａとは、平面視上重
なる。個々の配向膜２ａの上面全体が光配向処理部とな
る。 (2) ２枚の透明基板３それぞれにおける透明電極パター
ン１が、配向膜２ａを取り囲むようにして配置される８
つの透明電極１ｂ1 〜１ｂ8 によって構成される。
【０１０９】これらの点を除けば、光制御素子９０の構
成は、第１の実施例の光制御素子５０の構成と同様であ
る。配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０との界面の
液晶分子は、第１の実施例による光制御素子５０におけ
る液晶４０と配向膜２ａとの界面の液晶分子と同様に、
外側に向かって僅かに立ち上がった状態で面内方向に放
射状に配向する。
【０１１０】光制御素子９０での実効的動作領域の各々
においては、液晶層の見かけの屈折率の異方性や、光入
射方向依存性が改善される。
【０１１１】透明電極１ｂ1 〜１ｂ8 のうちで配向膜２
ａを介して対向する複数の透明電極によって構成される
透明電極の組の１つまたは複数に同時に電圧を印加する
と、透明基板３の表面と平行な方向の電界（横電界）が
生じて、液晶分子が横電界の方向へ傾く。その結果とし
て、光の入射側から見て横電界の方向を主軸とする光学
異方性が発現する。電圧を印加する透明電極の組を時計
回りまたは反時計回りに順次選択することにより、光学
異方性の軸を、光の進行方向と垂直な面内で時計回りま
たは反時計回りに回転させることができる。
【０１１２】電圧を印加する透明電極の組と横電界の強
度とを適宜選定することにより、入射した偏光の偏光方
向を変化させることができる。波長板としての方位を電
気的に制御することができる。
【０１１３】また、素子のリターデーションを、ある波
長に対して、１／４波長板、１／２波長板等に対応する
値に設定することができる。光の偏波状態を一定の直線
偏波に補償することができる。
【０１１４】液晶回転波長板として機能させることがで
きる光制御素子９０は、例えば光通信用偏波スタビライ
ザーとして利用することができる。
【０１１５】以上、実施例による光制御素子の製造方
法、光制御素子、光配向処理方法について説明したが、
本発明はこれらの製造方法、光制御素子、光配向処理方
法に限定されるものではない。種々の変更、改良、組み
合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１１６】例えば、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）
に示す方法で配向膜２に光配向処理を施すこともでき
る。
【０１１７】これらの図に示した方法では、光透過部５
の長手方向の中心線と光Ｌの入射面とが直交するよう
に、フォトマスク６が配置される。光Ｌは、配向膜２の
旋回軸と光透過部５の長手方向の中心線とを含む面に直
交する面を入射面として、入射角θ１で配向膜２に入射
する。他の配置は、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示し
た配置と同様である。
【０１１８】したがって、図１２（Ａ）または図１２
（Ｂ）に示した部材は全て図２（Ａ）または図２（Ｂ）
に示されている。図１２（Ａ）または図１２（Ｂ）に示
した部材には図２（Ａ）または図２（Ｂ）で用いた参照
符号と同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
【０１１９】この方法で配向膜２に光配向処理を施す
と、例えば、液晶との界面において液晶分子を同心円状
に配向させる配向膜を得ることができる。図示の方法で
光配向処理を施した１枚の配向膜と、配向処理を施して
いない１枚の配向膜とを用いて光制御素子用のセル容器
を構成し、このセル容器にカイラル剤を添加した液晶を
充填した場合には、光配向処理が施された配向膜との界
面において液晶分子が同心円状に配向し、配向処理が施
されていない配向膜との界面において液晶分子が同心円
状に配向した光制御素子を得ることも可能である。
【０１２０】配向膜２の旋回軸と光透過部５の長手方向
の中心線とを含む面が光Ｌの入射面となす角度は、配向
膜２の材質、光Ｌの波長、光Ｌの種類（偏光、非偏光の
別）、光Ｌの強度等に応じて、０〜１８０°の範囲で適
宜選定可能である。
【０１２１】光制御素子の具体例としては、液晶レン
ズ、液晶マイクロレンズ、液晶回転波長板、液晶シャッ
タ等が挙げられる。光制御素子は、単独で使用する他、
偏光板、円偏光板、コレステリックフィルム等、種々の
光学素子ないし光学部材と組み合わせて使用することも
できる。例えば、液晶レンズと偏光板と組み合わせて絞
りを構成することもできる。
【０１２２】上述した光配向処理方法は、液晶分子の配
向方向に明らかな不連続性があっても実用上大きな問題
とならない光学素子、例えば液晶プリズム等の製造に適
用することもできる。さらには、液晶表示装置の製造に
適用することもできる。
【０１２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
液晶分子を配向膜との界面において面内のいずれの方位
角方向にも均一に配向されることができる。液晶を用い
た光制御素子によって所望の光制御を行うことが容易に
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例による光制御素子の製造方法で用意する
透明ガラス基板を概略的に示す側面図である。
【図２】図２（Ａ）は、実施例による光制御素子の製造
方法での光配向処理時の配向膜とフォトマスクとの位置
関係を概略的に示す正面図であり、図２（Ｂ）は、前記
の位置関係を概略的に示す側面図である。
【図３】図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、それぞれ、光
配向処理に使用するフォトマスク中の光透過部にシェー
ディングを付ける方法の一例を示す概念図である。
【図４】実施例による光制御素子の製造方法に基づいて
組み立てたセル容器を概略的に示す断面図である。
【図５】実施例による光制御素子の製造方法に基づいて
製造された光制御素子を概略的に示す断面図である。
【図６】第１の実施例による光制御素子における配向膜
中の光配向処理部と液晶との界面での液晶分子の配向状
態を示す模式図である。
【図７】第２の実施例による光制御素子を概略的に示す
断面図である。
【図８】第２の実施例による光制御素子における光配向
処理されていない配向膜と液晶との界面での液晶分子の
配向状態を示す模式図である。
【図９】図９（Ａ）は、第３の実施例による光制御素子
を構成する２枚の透明基板の一方を概略的に示す平面図
であり、図９（Ｂ）は、第３の実施例による光制御素子
を概略的に示す断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、第４の実施例による光制御
素子を構成する２枚の透明基板の一方を概略的に示す平
面図であり、図１０（Ｂ）は、第４の実施例による光制
御素子を概略的に示す断面図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、第５の実施例による光制御
素子を構成する２枚の透明基板の一方を概略的に示す平
面図であり、図１１（Ｂ）は、第５の実施例による光制
御素子を概略的に示す断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）は、光配向処理時の配向膜とフ
ォトマスクとの他の位置関係を概略的に示す正面図であ
り、図１２（Ｂ）は、前記の位置関係を概略的に示す側
面図である。
【符号の説明】
１…透明電極パターン、 ２…未配向処理の配向膜、
２ａ…光配向処理された配向膜、 ３…透明基板、
５、１５、２５…光透過部、 ６…フォトマスク、 ３
０…セル容器、 ４０、４０ａ…液晶、 ５０、６０、
７０、８０、９０…光制御素子。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 互いに間隔をあけて対向配置された第１
    および第２の透明基板を備え、該第１および第２の透明
    基板の各々が内側面上に透明電極パターンと配向膜とを
    有するセル容器と、 前記セル容器内に充填された液晶であって、前記第１お
    よび第２の透明基板それぞれに形成されている前記透明
    電極パターンに電圧を印加しないときに、前記第１の透
    明基板上の配向膜との界面および前記第２の透明基板上
    の配向膜との界面それぞれにおいて、面内のいずれの方
    位角方向にも均一に配向している液晶分子を含む液晶と
    を備えた光制御素子。
  2. 【請求項２】 前記液晶が、前記第１および第２の透明
    基板それぞれに形成されている前記透明電極パターンに
    電圧を印加しないときに、前記第１の透明基板上の配向
    膜との界面または第２の透明基板上の配向膜との界面
    で、面内方向に放射状に配向している液晶分子を含む請
    求項１に記載の光制御素子。
  3. 【請求項３】 前記液晶が、前記第１および第２の透明
    基板それぞれに形成されている前記透明電極パターンに
    電圧を印加しないときに、前記第１の透明基板上の配向
    膜との界面および第２の透明基板上の配向膜との界面そ
    れぞれで、面内方向に放射状に配向している液晶分子を
    含む請求項１または請求項２に記載の光制御素子。
  4. 【請求項４】 前記液晶が、前記第１および第２の透明
    基板それぞれに形成されている前記透明電極パターンに
    電圧を印加しないときに、前記第１および第２の透明基
    板いずれか一方の透明基板上の配向膜との界面で面内方
    向に放射状に配向している液晶分子と、他方の透明基板
    上の配向膜との界面において同心円状に配向している液
    晶分子とを含む請求項１または請求項２に記載の光制御
    素子。
  5. 【請求項５】 透明電極パターンと光照射によって表面
    性状が変化する配向膜とが片面に形成されている透明基
    板を用意する工程と、 前記配向膜の外側にスリット状の光透過部を有するフォ
    トマスクと光源とを配置し、前記フォトマスクと前記光
    源との相対的な位置関係を一定に保った状態で、前記配
    向膜を前記フォトマスクに対して相対的に旋回運動させ
    ながら前記光透過部を介して前記配向膜に一定の斜め入
    射角度で光を照射し、これによって前記配向膜に光配向
    処理を施す工程と、 前記配向膜に前記光配向処理が施された透明基板を用い
    てセル容器を組み立てる工程と、 前記セル容器に液晶を充填する工程とを含む光制御素子
    の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記フォトマスクを固定し、前記配向膜
    を回転運動させながら該配向膜に前記光配向処理を施す
    請求項５に記載の光制御素子の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記光透過部が扇形を呈する請求項５ま
    たは請求項６に記載の光制御素子の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記扇形の中心角が０．１°〜４５°で
    ある請求項７に記載の光制御素子の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記扇形の中心角が０．５°〜５°であ
    る請求項７または請求項８に記載の光制御素子の製造方
    法。
  10. 【請求項１０】 光照射によって表面性状が変化する配
    向膜の外側にスリット状の光透過部を有するフォトマス
    クと光源とを配置し、前記フォトマスクと前記光源との
    相対的な位置関係を一定に保った状態で、前記配向膜を
    前記フォトマスクに対して相対的に旋回運動させながら
    前記光透過部を介して前記配向膜に一定の斜め入射角度
    で光を照射し、これによって前記配向膜に光配向処理を
    施す光配向処理方法。
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