JP2004333567A - Dimmer and image pickup device - Google Patents

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JP2004333567A JP2003125453A JP2003125453A JP2004333567A JP 2004333567 A JP2004333567 A JP 2004333567A JP 2003125453 A JP2003125453 A JP 2003125453A JP 2003125453 A JP2003125453 A JP 2003125453A JP 2004333567 A JP2004333567 A JP 2004333567A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dimmer having a liquid crystal optical element of which the transmittance in a transparent state is high and besides which makes reservation of a high optical density ratio (contrast ratio) and realization of fast transient response motion compatible with each other and to provide an image pickup device which has improved performance, picture quality and reliability by disposing the dimmer in the optical path. <P>SOLUTION: The dimmer is constructed by sealing a liquid crystal mixture 2 between two pairs of mutually opposing substrates consisting of transparent substrates 1a, 1b, 1c composed of glass and so on and forming a first GH (Guest-Host) cell 10a and a second GH cell 10b. The liquid crystal mixture 2 consists of negative type liquid crystal molecules 3 and positive type dye molecules 4. Transparent electrodes 6a-6d are formed on the mutually opposing surfaces of the two pairs of the mutually opposing substrates and alignment layers 7a-7d are respectively laminated thereon. In the dimmer, only the alignment layers 7a and 7d on the substrates 1a and 1c are subjected to alignment treatment such as a rubbing method and so on wherein the alignment direction of the liquid crystal molecules on the alignment layer 7a and the alignment direction of the liquid crystal molecules on the alignment layer 7d are made to perpendicularly intersect with each other. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子を用いた、例えば、入射光の光透過率を調節するための調光装置、及びこの調光装置を用いた撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
通常、液晶光学素子(液晶セル)を用いる調光装置には、偏光板が使用される。この液晶セルには、例えばTN(Twisted Nematic)型液晶セルやゲスト−ホスト(GH(Guest Host))型液晶セルが用いられる。
【0003】
図16は、従来のGHセルを用いた調光装置の動作原理を示す概略説明図である。この調光装置は、主として偏光板11とGHセル12Aとで構成される。GHセル12Aでは、図示を省略した2枚のガラス基板の間に液晶混合物が封入されており、これもまた図示を省略した動作電極や配向膜が設けられている。
【0004】
液晶混合物は、液晶分子13Aと二色性染料分子14とからなる。ホスト材料である液晶分子13Aは、誘電率異方性が正のポジ型(正型)である。また、ゲスト材料である二色性染料分子14は、光の吸収に異方性を有し、ポジ型(p型)でもネガ型(n型)でもよい。図16には、二色性染料分子14が、分子の長軸方向の光を吸収するポジ型(p型)色素分子である例を示す。
【0005】
入射光5は、偏光板11を通過する際に選別されて、直線偏光に変化する。また、GHセル12Aでは、電圧を印加していない時に、液晶分子13Aが直線偏光の振動方向と同じ方位(図16の上下方向)に配向するよう配向処理がなされている。
【0006】
図16(a)は、電圧を印加していない時のGHセル12Aの状態を示す。液晶分子13Aの影響を受けて二色性染料分子14も同じ方位に配向し、直線偏光の振動方向と二色性染料分子14の分子長軸方向とが一致するので、偏光は二色性染料分子14に吸収されやすい。従って、図16(a)の電圧無印加の状態では、GHセル12Aの光透過率は低い。
【0007】
一方、図16(b)は、電圧を印加した時のGHセル12Aの状態を示す。GHセル12Aに電圧を印加すると、液晶分子13Aが電界方向に配向し、これに伴って二色性染料分子14の分子長軸方向は、偏光の振動方向と直交するようになる。このため、偏光は二色性染料分子14にほとんど吸収されず、透過する。従って、図16(b)に示す電圧印加の状態では、GHセル12Aの光透過率は高い。
【0008】
なお、二色性染料分子14として、分子短軸方向の光を吸収するネガ型(n型)色素分子を用いることもできる。この場合には、光透過性はポジ型の色素分子を用いる場合と逆になり、電圧無印加時には光が吸収されにくく、電圧印加時に光が吸収されやすい。
【0009】
図16に示された調光装置では、電圧印加時と電圧無印加時との吸光度の比、即ち、光学濃度の比が約10である。これは、偏光板11使用せずにGHセル12Aのみで構成される調光装置に比べ、約2倍の光学濃度比を有する。
【0010】
GHセル12Aに矩形波の駆動パルスを印加したときの、図16の調光装置の可視光の平均光透過率(空気中での値:空の液晶セルと偏光板を光路中に置いた時の透過率を基準(=100%)とした。以下、同様。)は、駆動パルス電圧の増加に伴って増加するものの、駆動パルス電圧を10Vにまで上昇させたときの最大光透過率は60%程度にとどまり、しかも光透過率の変化が緩やかである。
【0011】
この原因は、ポジ型の液晶分子をホスト材料として用いる場合、電圧無印加時において配向膜の界面での液晶分子と配向膜との相互作用が強いため、電圧を印加してもダイレクタの向きが変化しない、或いは、変化し難い液晶分子が比較的多く含まれることにあると考えられる。
【0012】
そこで、本出願人は、鋭意検討を重ねた結果、ネガ型液晶をホスト材料とする調光装置及びこの調光装置を用いた撮像装置を提案した(後述の特許文献1参照。以下、特許文献1に係わる発明を先願発明と呼ぶことにする。)。
【0013】
図13は、先願発明に基づく調光装置の動作原理を示す概略図である。この調光装置は、図16の従来の調光装置と同様に、主として偏光板11とGHセル12Bとで構成される。そして、GHセル12B内には、ホスト材料として誘電率異方性が負のネガ型(負型)の液晶分子13Bと、ゲスト材料としてポジ型又はネガ型の二色性染料分子14とが封入されている。図13は、二色性染料分子14がポジ型(p型)の色素分子である場合を示している。
【0014】
図16の装置と同様に、入射光5は、偏光板11を通過する際に選別されて、直線偏光に変化する。また、GHセル12Bでは、電圧を印加した時に、液晶分子13Bが直線偏光の振動方向と同じ方位(図13の上下方向)に配向するよう配向処理がなされている。
【0015】
図13(a)は、電圧を印加していない時のGHセル12Bの状態を示す。液晶分子13Bは基板に直交するように配列し、それに伴い二色性染料分子14の分子長軸方向は偏光の振動方向と直交するので、偏光は二色性染料分子14にほとんど吸収されず、透過する。従って、図13(a)の電圧無印加の状態では、GHセル12Bの光透過率は高い。
【0016】
一方、図13(b)は、電圧を印加した時のGHセル12Bの状態を示す。GHセル12Bに電圧を印加すると、液晶分子13Bが電界方向に直交するように配向し、これに伴って二色性染料分子14の分子長軸方向は、光の偏光方向と一致するようになる。このため、偏光は二色性染料分子14に吸収されやすい。従って、図13(b)に示す電圧印加の状態では、GHセル12Bの光透過率は低い。
【0017】
なお、二色性染料分子として、ネガ型(n型)色素分子を用いることもできる。この場合には、光透過性はポジ型の色素分子を用いる場合と逆になる。
【0018】
図6は、図13のGHセル12Bに矩形波の駆動パルスを印加したときの光透過率を、駆動パルス電圧に対して図示したグラフである。このとき、誘電率異方性(Δε)が負のネガ型液晶13Bの1例として、ホスト材料にMerck社製のMLC−6608を用い、光吸収異方性(ΔA)が正のポジ型二色性染料分子14の1例として、ゲスト材料にBDH社製のD5を用いた。図6に示すように、可視光の平均光透過率は、パルス電圧の増加に伴って最大光透過率約75%から約10%にまで減少し、しかも光透過率の変化が比較的急峻となった。
【0019】
この原因は、ネガ型の液晶分子をホスト材料として用いる場合、電圧無印加時に配向膜の界面での液晶分子と配向膜との相互作用が非常に弱いため、電圧無印加時に光が透過し易く、また電圧印加と共に液晶分子のダイレクタの向きが変化し易くなることにあると考えられる。
【0020】
このように、先願発明によれば、ネガ型液晶をホスト材料としてゲスト−ホスト型液晶セルを構成することにより、特に透明時の光透過率が向上し、GHセルを撮像光学系中にそのまま位置固定して使用できるコンパクトな調光装置が実現可能となる。
【0021】
この場合、更に液晶光学素子への入射光の光路中に偏光板を配置することにより、電圧無印加時と電圧印加時の吸光度の比(即ち光学濃度の比)が一層向上し、調光装置のコントラスト比が更に大きくなり、明るい場所から暗い場所までにおいて、調光動作をより正常に行うことができる。
【0022】
【特許文献1】
特開2001−201769号公報(第1図,第3図)
【0023】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、このようなGHセルを用いた調光装置の特性の更なる向上を鋭意検討したところ、図14に示すように、液晶光学素子の透明時と遮光時との光学濃度比(コントラスト比、ダイナミックレンジ)は、GHセルを構成する2枚のガラス基板間の距離(以下、セルギャップと称する。)によっても大きく左右されることが判明した。
【0024】
即ち、図14に示すように、セルギャップが大きく、液晶層の厚みが厚いほど、透明時と遮光時との光透過率の差が大きくなり、光学濃度比は大きくなる。但し、セルギャップが大きくなるほど、透明時の光透過率は低下し、ホスト材料としてネガ型液晶分子を用いる利点が低下する。
【0025】
一方、図15に示すように、セルギャップが変化すると、GHセルによる調光装置としての応答速度も大きく変化する。例えば、セルギャップが大きくなり、液晶層が厚くなるほど、応答速度は低下する。特に、図15のグラフaとして示すように、中間調で光透過率をわずかに変化させるような駆動を行うと、著しく応答速度が遅くなる。
【0026】
このように、ゲスト−ホスト型液晶光学素子を用いた調光装置においては、光学濃度比と過渡応答速度とは、セルギャップに関してトレードオフの関係にあるため、どちらをも両立させた特性を得るのには、自ずと限界があった。従って、従来は、GH型液晶光学素子を搭載するセットに合わせて、どちらかの特性を優先させる(他方の特性低下はある程度やむを得ないとする)形で、GHセルの仕様を決めていた。
【0027】
こうした中、透明時の光透過率が高く、しかも、大きな光学濃度比の確保と迅速な過渡応答動作の実現とを両立できる、液晶光学素子を用いた調光装置が切望されている。
【0028】
そこで、本発明の目的は、透明時の光透過率が高く、しかも、大きな光学濃度比の確保と迅速な過渡応答動作の実現とを両立できる液晶光学素子を有する調光装置、及びこの調光装置が光路中に配され、性能と画質と信頼性とが向上した撮像装置を提供することにある。
【0029】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置され、前記複数の液晶光学素子がそれぞれ、ホスト材料とゲスト材料との混合物からなる液晶層を有する調光装置であって、前記複数の液晶光学素子の少なくとも2つの液晶配向方位が互いに交差している調光装置に係り、また、この調光装置が撮像系の光路中に配される撮像装置に係るものである。
【0030】
本発明の調光装置及び撮像装置によれば、それぞれが調光装置の機能を有する前記複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されているので、前記液晶光学素子の各素子に関しては、前記液晶層の厚み(セルギャップ)を小さく保って、調光装置に要求される高い応答速度を実現すると共に、前記複数の液晶光学素子全体では、十分な前記液晶層の厚みを確保し、十分大きな光学濃度比(コントラスト比)を達成することができる。
【0031】
しかも、前記複数の液晶光学素子の少なくとも2つの液晶配向方位が互いに交差しているので、前記2つの液晶配向方位が異なる液晶光学素子のうちの一方の液晶光学素子で吸収を受けなかった偏光は、他方の液晶光学素子による吸収を必ず受けることになり、この結果、遮光時の遮光性能が著しく向上し、光学濃度比が大きく改善される。
【0032】
また、前記2つの液晶配向方位が異なる液晶光学素子のうちの一方を偏光板の代わりとして用い、遮光性能を低下させずに、偏光板を用いない調光装置を構成することができる。この調光装置は、偏光板による損失がないため、透明時の光透過量が大きく改善される。
【0033】
従って、本発明は、液晶光学素子を用いた調光装置及び撮像装置の性能、画質、信頼性の向上を図るために極めて有効である。
【0034】
【発明の実施の形態】
本発明において、前記複数の液晶光学素子の少なくとも2つの液晶配向方位が互いに交差、特に直交しているのが望ましい。これにより、前記2つの液晶配向方位が異なる液晶光学素子のうちの一方の液晶光学素子で吸収を受けなかった偏光が、他方の液晶光学素子による吸収を受ける割合が最大になり、これら2つの液晶光学素子による遮光性能が最大限に発揮される。
【0035】
また、前記ホスト材料がポジ型又はネガ型の液晶分子、とりわけネガ型の液晶分子であり、前記ゲスト材料がポジ型の二色性染料分子であるのがよい。前記ゲスト材料がネガ型の二色性染料分子であってもよいが、本発明の効果は、前記ホスト材料がネガ型の液晶分子であり、前記ゲスト材料がポジ型の二色性染料分子であるとき、最も効果的に発揮される。
【0036】
また、少なくとも有効光路における前記複数の液晶光学素子の各セルギャップをそれぞれ1〜3μmに制御することが好ましく、これにより、前記複数のGHセルを用いて、より実用的に有利な調光装置を実現することができる。
【0037】
なぜなら、上記の各セルギャップが1μm未満であると、調光装置としての応答速度は大きくなり、また透明時の光透過率が向上するものの、遮光時の光透過率も大きく上昇してしまい、結果として充分な光学濃度比(コントラスト比)が確保できなくなることがある。逆に、上記の各セルギャップが3μmを超えると、光学濃度比は大きく確保できるものの、透明時の光透過率が低下し、また調光装置としての応答速度が大きく悪化することがある。特に、中間調において光を僅かに変化させるような駆動を行う場合、応答速度が遅くなってしまうことがある。
【0038】
このように、本発明に基づく調光装置によれば、前記複数の液晶光学素子の各セルギャップが1〜3μmに制御されると共に、前記複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されて、前記複数の液晶光学素子全体としての前記液晶層の厚みが十分確保されているため、十分大きな光学濃度比を達成できると共に、セルギャップの小さい単独の液晶光学素子(例えばセルギャップが3μmの液晶光学素子)を駆動するのと同様に高速で調光動作が行える。従って、従来は実現できなかった高コントラスト比と高速過度応答の両立が可能となる。
【0039】
この際、前記遮光動作時の液晶配向方位が互いに交差している少なくとも2つの液晶光学素子は、少なくとも有効光路におけるセルギャップが互いに異なる大きさに制御されているのがよく、具体的には前記セルギャップの比が1:1〜1:4であり、より好ましくは1:1.5〜1:2.5であり、更により好ましくは1:2であるのがよい。そして、前記セルギャップが大きい方の液晶光学素子が光入射側に配されているのが望ましい。
【0040】
或いは、前記遮光動作時の液晶配向方位が互いに交差している少なくとも2つの液晶光学素子は、前記ゲスト材料の濃度が互いに異なっているのがよく、具体的には前記ゲスト材料の濃度の比が1:1〜1:4であり、より好ましくは1:1.5〜2.5であり、更により好ましくは1:2であるのがよい。そして、前記ゲスト材料の濃度が大きい方の液晶光学素子が光入射側に配されているのが望ましい。
【0041】
このようにすると、遮光動作時において光学濃度の大きい液晶光学素子が光入射側に配置されるので、主要な入射光をできるだけ入射側に近い位置で吸収してしまい、この前段の液晶光学素子で吸収できなかった光を後段の液晶光学素子で補助的に吸収することができ、遮光効率が向上する。
【0042】
また、光入射側に偏光板が配され、前記偏光板を透過する光の振動方向が、前記複数の液晶光学素子のうち光入射側の液晶光学素子において、前記ゲスト材料によって吸収される光の振動方向と略一致しているのがよく、とりわけ前記セルギャップが大きい方の液晶光学素子、或いは前記ゲスト材料の濃度が大きい方の液晶光学素子において吸収される光の振動方向と一致しているのがよい。このようにすると、前記偏光板の偏光作用と前記複数の液晶光学素子による光吸収作用とを最も効果的に結びつけ、調光動作において高いコントラスト比を実現することができる。
【0043】
前記複数の液晶光学素子の個数は、3つ以上であってもよい。例えば、遮光動作時において光学濃度の大きい2つの液晶光学素子と、遮光動作時において光学濃度の小さい1つの液晶光学素子とを光入射側からこの順で配置するのがよい。この際、1段目と3段目の液晶光学素子で吸収される光の振動方向を一致させ、この方向と2段目の液晶光学素子で吸収される光の振動方向とを直交させるのがよい。このようにすると、1段目の液晶光学素子を偏光板の代わりとして用いて、調光動作において高いコントラスト比を実現しながら、透明時の光透過量が大きく、コンパクトな調光装置を実現することができる。
【0044】
或いは、上記3つの液晶光学素子で吸収される光の振動方向を、1段目と2段目の液晶光学素子は直交させ、1段目と2段目の液晶光学素子で主要な光の吸収を行い、これらを透過してくる光を3段目の液晶光学素子で補助的に吸収することにより、偏光板が不要で、調光動作において高いコントラスト比を実現しながら、透明時の光透過量が大きく、コンパクトな調光装置を実現することができる。
【0045】
このように、液晶光学素子の個数、前記セルギャップの大きさ、及び前記ゲスト材料の濃度とを組み合わせると、変化に富んだ多様な調光動作が可能となる。
【0046】
また、前記複数の液晶光学素子を構成する中間基板が共用されていることが望ましい。即ち、複数枚の基板が並んで順次配置され、互いに隣り合った前記複数枚の基板間に前記ホスト材料とゲスト材料との混合物が封入された構造とすることが望ましい。これにより、基板の数を減らし、空気層と基板の界面での反射や基板による光の吸収を減らし、且つコンパクトな調光装置を作製できる。
【0047】
この際、製造工程の容易さを考慮すれば、前記複数の液晶光学素子を構成する各基板のうち、外側に位置する基板に液晶分子の配向処理(ラビング等)が施されているのがよい(片側ラビング)。前記中間基板に液晶分子の配向処理を行うのも不可能ではないが、この場合も片側の面にだけ、配向処理を行うのが望ましい。
【0048】
また、前記複数の液晶光学素子の実装形態をコンパクトにして、調光装置の小型化を図るためには、複数の基板のうちの中間基板の周辺部の両面に、液晶光学素子を駆動するための動作電圧を印加する電極の引き出し部を設けることが好ましい。
【0049】
また、基板での光吸収を抑え、且つ装置の小型軽量化を図るために、前記複数の液晶光学素子を構成する各基板の厚みはできるだけ薄いのがよく、それぞれ0.5mm以下であることが好ましい。
【0050】
また、本発明の撮像装置は、前記調光装置が撮像系の光路中に配されているので、上述した前記調光装置の特徴を効果的に利用できる撮像装置である。
【0051】
ここでは、前記中間基板が共用されている例を挙げたが、単にセルギャップの小さい単独の液晶光学素子を複数組重ねただけの構造であってもよい。この場合、遮光時の光透過率はより一層低下するが、各セルの間に空気層が存在すると、前述したように空気層と基板との界面での光反射等による光の損失が生じるので、このような損失を極力抑える工夫があるのが望ましい。
【0052】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。本実施の形態は、ホスト材料としてネガ型液晶を用いる第1GHセル及び第2GHセルからなるGH多重セルを光路中に配置して、光学的機能が向上した調光装置を提供するものである。
【0053】
GH多重セルの動作原理
本実施の形態は、前述した先願発明に依拠したものである。先願発明によれば、液晶光学素子と、この液晶光学素子に入射する光の光路中に配される偏光板とで調光装置を構成し、ネガ型液晶分子をホスト材料とするゲスト−ホスト型液晶を用いることにより、透明時の大きな光透過率を達成し、GHセルを撮像光学系中にそのまま位置固定して使用できるコンパクトな調光装置が実現可能となる。
【0054】
図1は、本実施の形態に基づく調光装置を構成するGH多重セルの動作原理を示す概略断面図であり、図2(a)は、そのGH多重セルの部分拡大概略断面図である。
【0055】
図2(a)に示すように、GH多重セル10では、等間隔に対向して設けられたガラス等の透明基板1a、1b及び1cによる2組の対向基板、即ち、基板1aと1b、及び1bと1cの間に液晶混合物2が封入され、第1GHセル10a及び第2GHセル10bが形成されている。基板1aと1cとの中間に位置する基板1bは、2つのGHセル10a及び10bで共用される。液晶混合物2は、ネガ型液晶分子3をホスト材料とし、ポジ型染料分子4をゲスト材料とする、ゲスト−ホスト型液晶であり、基板1aと1bとの間、及び基板1bと1cとの間はシール材8で封止されている。
【0056】
基板1a、1b及び1cの厚さは、ガラス基板を用いる場合、ガラスによる光吸収量を抑え、且つ装置の小型軽量化を図るために、できるだけ薄いもの、特に0.5mm以下のものを用いることが好ましい。
【0057】
また、基板1aと1bの対向面、及び基板1bと1cの対向面には、それぞれ、透明電極6aと6b、及び6cと6dが形成され、更にその上に液晶分子の配向方向を制御するための配向膜7aと7b、及び7cと7dが、それぞれ積層されている。
【0058】
実際に、配向膜を用いて液晶分子の配向方向を制御するためには、液晶分子を配向させる方向を配向膜に設定する配向処理(例えば、ラビング法など)を行うことが必要である。製造工程の容易さを考慮すれば、配向処理は、外側の2枚の基板1a及び1cの上に形成された配向膜7a及び7dに対してのみ行うことが好ましい(片側ラビング)。その理由は、仮に、上記の片側ラビングに代えて両面ラビングを適用した場合、中間の基板1bの一方の面上の配向膜に配向処理を行った後、もう一方の面の配向膜に配向処理を施す際に、既に配向処理を施した配向膜に対して悪影響を与えてしまうことがあるからである。
【0059】
従って、本実施の形態では、基板1a及び1cの上の配向膜7a及び7dに対してのみ、ラビング法等の配向処理を施し、基板1bの上の配向膜7b及び7cに対しては、配向処理を施こさない(例えば、透明電極上に斜方蒸着膜等の垂直配向膜が形成されているが、ラビング処理は施されていない。)。そして、配向膜7aにおいて液晶分子を配向させる方向と、配向膜7dにおいて液晶分子を配向させる方向とは直交させる。
【0060】
また、図1に示すように、2つのGHセル10a及び10bの対向電極、即ち透明電極6aと6bとの間、及び6cと6dとの間にそれぞれ、液晶セルを駆動する交流駆動電源34a及び34bが接続されている。GH多重セル10の実装形態をコンパクトにして、調光装置の小型化を図るために、3枚の基板1a〜1cのうち、中間の基板1bの両面の周辺部にのみ、交流駆動電圧を印加するための電極引き出し部31b及び31cを設けることが好ましい。また、2つのGHセル10a及び10bを同一の交流駆動電源に並列に接続し、電源を共用し、調光装置の小型化及び低コスト化をはかることもできる。
【0061】
図1において、入射光5は偏光板を透過することによって直線偏光になっている。これは、絶対必要というわけではないが、調光時における高いコントラスト比を実現するには、入射光5は直線偏光であることが望ましい。また、図13の調光装置と同様、GHセル10aでは、電圧を印加した時に、液晶分子3が入射光5の偏光の振動方向と同じ方位(図1の上下方向)に配向するよう配向処理がなされている。これに対し、GHセル10bでは、電圧を印加した時に液晶分子3が配向する方位が、GHセル10aにおける液晶配向方位と直交する方位(図1の面に直交する方向)になるように配向処理がなされている。
【0062】
図1(a)に示すように、電圧無印加時には、2つのGHセル10a及び10bにおいて、ネガ型液晶分子3及びポジ型染料分子4は基板に垂直に配列していて、入射光5(偏光)の振動方向がポジ型染料分子4の分子長軸方向と直交するので、図13(a)の場合と同様、入射光5は、ほとんどポジ型染料分子4に吸収されず、GHセル10a及び10bを透過する。
【0063】
一方、電圧印加時には、液晶分子のダイレクタの向きが図1(b)に示すように変化し、それに伴ってGHセル10aにおけるポジ型染料分子4の分子長軸方向は、入射光5の偏光の振動方向と一致するようになる。この結果、入射光5の偏光はポジ型染料分子4に吸収され、GH多重セル10の光透過率が低下する。
【0064】
GHセル10aにおいて、先願発明と同様、電圧無印加時における配向膜7aの界面での液晶分子3と配向膜7aとの相互作用は非常に弱いため、電圧無印加時に光が透過し易く、また電圧印加と共に液晶分子のダイレクタの向きが変化し易く、印加する動作パルス電圧の増加に伴って光透過率が急峻に変化する。
【0065】
ここで、振動方向が偏光の振動方向に直交する光が、入射光5の中に含まれていたり、入射光5がGHセル10aの中を進む中で偏光解消によって生成したりすると、この光は、GHセル10aに含有されるポジ型染料分子4では吸収されず、GHセル10aの液晶層の厚さに関係なく透過する。これが、先願発明のGHセルの遮光性能を低下させる主要な原因の1つである。
【0066】
しかしながら、本実施の形態によれば、GHセル10aの後段にGHセル10bが配され、且つ、前述した液晶分子に対する配向処理によって、GHセル10bにおけるポジ型染料分子4の分子長軸方向が、GHセル10aにおけるポジ型染料分子4の分子長軸方向と直交するように制御されている。この結果、GHセル10aにおいて吸収を受けない光(振動方向が図1の面に直交する光)がGHセル10bにおいて最も効果的に吸収されるため、本実施の形態のGH多重セルの遮光性能は、GHセル10a単独の場合に比して著しく改善される。
【0067】
図3及び図4は、本実施の形態の変形例であるGH多重セルを示す概略断面図である。図3に示すGH多重セルでは、GHセル10cとGHセル10dとのセルギャップが異なっていて、GHセル10cの方が大きい。図4に示すGH多重セルでは、セルギャップは同じであるが、ポジ型染料分子4の濃度が異なっていて、GHセル10eにおける濃度の方がGHセル10fにおける濃度より大きい。
【0068】
そして、いずれの場合でも、遮光動作時の光学濃度の大きい方の液晶光学素子(セルギャップが大きいGHセル10c、又はポジ型染料分子4の濃度が大きいGHセル10e)が光入射側に配置され、しかも、電圧印加時(遮光動作時)に、このセルに含有されるポジ型染料分子4の分子長軸方向が、入射光5の偏光の振動方向と一致するように、ホスト材料である液晶分子の配向によって制御されている。このようにすることで、主要な入射光をできるだけ入射側に近い位置で吸収してしまい、この前段の液晶光学素子で吸収できなかった光を後段の液晶光学素子で補助的に吸収することができ、遮光効率が向上する。
【0069】
図2(b)及び(c)に示したGH多重セルも変形例の1つで、セルギャップのばらつきを小さくするために、対向基板間にスペーサー9を配置する例である。図2(b)に示したセルでは球形のスペーサーが用いられ、図2(c)に示したセルでは角柱形のスペーサーが用いられている。
【0070】
GH多重セル
図7(A)は、本実施の形態に基づくGH多重セル10を構成する基板のうち、外側に配される基板1a及び1cの概略平面図であり、図7(B)は、中間に配置される基板1bの概略平面図である。
【0071】
図7(A)に示すように、外側に配されるガラス基板1a(又は1c)は、ほぼ正方形の形状を有し、片方の面(GH液晶セル側)には、ITO(Indium tin oxide)電極等の透明電極6a(又は6d)及び配向膜7a(又は7d)が形成されていて、この配向膜7a(又は7d)にはラビング法等の配向処理が施されている。ここで、配向膜7aにおいて液晶分子を配向させる方向と、配向膜7dにおいて液晶分子を配向させる方向とは直交させる。配向処理法としては、ラビング法の他に、偏光紫外線による光配向法や斜方蒸着法等が挙げられる。また、透明電極6a(又は6d)は有効光路20外に延設され、後述するようにガラス基板1bに設けられた電極引き出し部31b(又は31c)に電気的に接続されている。
【0072】
また、図7(B)に示すように、中間ガラス基板1bは、ガラス基板1a(又は1c)よりやや大きい長方形の形状を有し、両側の面に、ITO電極等の透明電極6bと6c、及び配向膜7bと7cがそれぞれ形成されていて、配向膜7bには配向処理が施されていない。そして、基板1bには、透明電極の引き出し部31bと31cが設けられている。
【0073】
図8は、GHセル10a又は10bの概略平面図(a)及びX−X線断面図(b)である。図8に示すように、基板1aと1bの間(又は基板1bと1cの間)は、液晶セル周辺部32でシール材8によって封止されている。そして、図8(b)に示すように、基板1a(又は1c)の延設された透明導電膜(透明電極)6a(又は6d)と基板1bの上に形成された電極引出し部31b(又は31c)とが、シール材8の外側でカーボンペースト33のような導電材料によって接続されている。
【0074】
図9は、図8に示したA−A線における断面図である。前述したように、GHセル10a及び10bの各セルギャップがそれぞれ1〜3μmに制御されていることが望ましく、更に、図9に示すように、有効光路に相当する液晶セル中間部での間隙がその周辺部における間隙よりも小さいことがより好ましい。これにより、調光装置として必要な光学濃度比を維持しながら、有効光路内の調光セル10をより一層高速に応答動作させることが可能となる。
【0075】
本実施の形態においては、上記したごときセルギャップを形成する上で、図8(b)及び(c)に示すように、透明電極6aと6b、及び配向膜7aと7bがそれぞれ形成された対向基板1aと1bとの間、又は、透明電極6cと6d、及び配向膜7cと7dがそれぞれ形成された対向基板1bと1cとの間にスペーサー9が配置され、シール材8で液晶セル周辺部が封止されており、シール材8が、スペーサー9より大きな径に形成されているか、或いはボール状又はファイバー状等の硬質材料を含有しているのがよい。
【0076】
調光装置
上述したGH多重セル10からなる調光装置23は、例えば図210に示すように、ズームレンズのように複数のレンズで構成されるレンズ前群15とレンズ後群16との間に配置される。レンズ前群15を透過した光は、偏光板11を介して直線偏光された後、GH多重セル10に入射する。GH多重セル10で調光された光は、レンズ後群16で集光され、撮像面17に映像として映し出される。
【0077】
この調光装置23を構成する偏光板11は、本出願人が以前提案している様に(特開平11−326894号公報参照。)、GH多重セル10に入射する光の有効光路に対して出し入れ可能である。具体的には、偏光板11を仮想線で示す位置に移動させることにより、光の有効光路の外へ出すことができる。この偏光板11を出し入れする手段として、図11に示すような機械式アイリスが用いられてもよい。
【0078】
この機械式アイリスは、一般にデジタルスチルカメラやビデオカメラ等に用いられる機械式絞り装置であり、主として2枚のアイリス羽根18、19と、アイリス羽根18に貼付された偏光板11とからなる。アイリス羽根18、19は、上下方向に移動させることができる。矢印21で示される方向に、図示せぬ駆動モーターを用いてアイリス羽根18、19を相対的に移動させる。
【0079】
これにより、図11で示すように、アイリス羽根18、19は部分的に重ねられ、この重なりが大きくなると、アイリス羽根18、19の中央付近に位置する有効光路20上の開口部22が、偏光板11により覆われる。
【0080】
図11(a)〜(c)は、有効光路20付近の機械式アイリスの部分拡大図である。アイリス羽根18が下方に移動すると同時に、アイリス羽根19が上方に移動する。これに伴って、図11(a)に示すように、アイリス羽根18に貼付された偏光板11も有効光路20の外へと移動する。逆に、アイリス羽根18を上方に、またアイリス羽根19を下方に移動させることにより、互いのアイリス羽根18、19が重なる。これに従って、図11(b)に示すように、偏光板11は有効光路20上に移動し、開口部22を次第に覆う。アイリス羽根18、19の互いの重なりが大きくなると、図11(c)に示すように、偏光板11は開口部20を全て覆う。
【0081】
次に、この機械式アイリスを用いた調光装置23の調光動作について説明する。
【0082】
図示せぬ被写体が明るくなるにつれて、図11(a)で示したように、上下方向に開いていたアイリス羽根18、19は、図示せぬモーターにより駆動され、重なり始める。これによって、アイリス羽根18に貼付されている偏光板11は、有効光路20上に入り始め、開口部22の一部を覆う(図11(b))。
【0083】
この時、GH多重セル10は光を吸収しない状態にある(なお、熱的揺らぎ、又は表面反射等のため、GH多重セル10による入射光の減衰は若干ある。)。このため、偏光板11を通過した光と開口部22を通過した光は、ほぼ強度分布が同等となる。
【0084】
その後、偏光板11は、完全に開口部22を覆った状態になる(図11(c))。さらに、被写体の明るさが増す場合は、GH多重セル10への印加電圧を増加させ、GH多重セル10で光を吸収することにより調光を行う。
【0085】
これとは逆に、被写体が暗くなる場合は、まず、GH多重セル10に印加する電圧を減少させるか、又は無印加とすることにより、GH多重セル10による光の吸収効果を減少させるか、又は無とする。さらに被写体が暗くなった場合は、図示せぬモーターで駆動することにより、アイリス羽根18を下方へ、またアイリス羽根19を上方へ移動させる。こうして、偏光板11を有効光路20の外へ移動させる(図11(a))。
【0086】
この方法によれば、図10及び11に示したように、透過率を大きくしたい場合には、偏光板11(光透過率例えば40%〜50%)を光の有効光路20から外に出すことができるので、偏光板11による入射光量の減少がない。従って、この調光装置23を、偏光板が常に光の有効光路20内に置かれている従来の調光装置と比較すると、最大光透過率は例えば約2倍に向上する。なお、最低光透過率は両者で等しい。
【0087】
また、デジタルスチルカメラ等に実用化されている機械式アイリスを用いて、偏光板11の出し入れが行なわれるので、調光装置は容易に実施可能である。また、GH多重セル10を用いるので、偏光板11による調光に加えて、GH多重セル10が効果的に光の透過率を制御することにより、調光を行うことができる。
【0088】
このようにして、この調光装置23は、明、暗のコントラスト比を高めると共に、光量分布をほぼ均一に保つことができるものとなる。
【0089】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例について、図面を参照しながら説明する。
実施例1
図1に示した、セルギャップが等しい2つのGHセル10a及び10bからなるGH多重セル10を作製し、調光装置に組み込んだ。
【0090】
図10に示すように、この調光装置は、GH多重セル10と偏光板11とからなる。そして、GH多重セル10では、図1及び図2(a)に断面を示したように、等間隔で対向して設けられた3枚のガラス基板1a、1b及び1cの対向面上に、それぞれ、透明電極6a〜6dと配向膜7a〜7dとを形成し、2組の対向基板によって形成される2つの間隙に、ホスト材料であるネガ型の液晶分子3と、ゲスト材料であるポジ型の二色性染料分子4との混合物2を封入した。
【0091】
誘電率異方性が負のネガ型液晶分子3としてMerck社製のMLC−6608を、また、光の吸収に異方性を有し分子長軸方向の光を吸収するポジ型染料二色性染料分子4としてBDH社製のD5を、一例として用いた。
【0092】
ここで、偏光板11を透過する光の振動方向が、電圧印加時(遮光動作時)に、光入射側に配置される第1GHセル10cにおいて、このセルに含有される液晶分子3が配向する方位と一致するように構成した。
【0093】
そして、図10に示すように、この調光装置23は、例えばズームレンズのように複数のレンズで構成されるレンズ前群15と、レンズ後群16との間に配置される。レンズ前群15を透過した光は、偏光板11を介して直線偏光された後、GH多重セル10に入射する。GH多重セル10によって調光された光は、レンズ後群16で集光され、撮像面17に映像として映し出される。
【0094】
この調光装置23を構成する偏光板11は、本出願人が以前提案しているように(特開平11−326894号公報)、複数のGHセル10に入射する光の有効光路に対して出し入れ可能である。
【0095】
具体的には、偏光板11を仮想線で示す位置に移動させることにより、光の有効光路の外へ出すことができる。この偏光板11を出し入れする手段として、図11に示すような機械式アイリスが用いられてもよい。
【0096】
ここで、GH多重セル10は、図7及び図8(a)に概略的に平面図を示すように、一例として0.5mm厚のガラス基板1bの両面、及び0.5mm厚のガラス基板1a及び1cの片方の面に、透明電極パターン6a、6b、6c及び6dと、配向膜7a、7b、7c及び7dとをそれぞれ形成し、ガラス基板1a及び1cの上の配向膜7a及び7dにのみラビング処理を施した(片側ラビング)。ここで、遮光動作時(動作電圧印加時)に、第1GHセル10a及び第2GHセル10bにおいて液晶分子が配向する方位が互いに直交するように、配向膜7a及び7dにおけるラビング方向を直交させた。
【0097】
また、ガラス基板1bの両面には透明電極6bと6cとの引き出し部31bと31cとをそれぞれ設け、且つガラス基板1aと1cの透明電極6aと6dは有効光路20の外に延設し、ガラス基板1bに設けた電極引き出し部31bと31cとにそれぞれ電気的に接続した。第1GHセル10a及び第2GHセル10bは、それぞれ駆動電源34a及び34bに接続した。
【0098】
ここで、GH多重セル10の作製は、前述した透明電極パターンと配向膜を予め形成した、厚さ0.5mmのガラス基板1a及び1cのセル周辺部32に、一例として直径3.0μmのガラスファイバーを含有した、熱硬化性エポキシ樹脂からなる封止(シール)材8を所定の幅で塗布した後、3枚のガラス基板1a、1b及び1cを位置合わせして重ねてから、熱プレス板により適度な条件(例えば150〜170℃、1〜2kg/cm)で圧力を加えながら加熱処理することにより、セル周辺部32のシール材8を硬化させ、基板の貼り合せを完了させ、2層構造の液晶セルを完成させた(図1及び図2(a))。
【0099】
また、この時、重ね合わせる3枚のガラス基板のうち、中間のガラス基板の両面には、引き出し電極部を設けた透明電極パターンを形成しておいた(図1及び図7(b))。
【0100】
この貼り合わせ基板を個片化(スクライブ&ブレイク)して得られた2層構造の空セルのセルギャップを、光の干渉を利用する測定機で計測したところ、第1GHセル10a及び第2GHセル10bにおけるセル中央部のギャップがそれぞれ、約2.2μmであり、セル周辺部のギャップがそれぞれ、約2.8μmに仕上がっていた。なお、GH多重セル10の全体としての液晶層の厚さは約5μmであった。
【0101】
このようにして作製した空の第1GHセル10a及び第2GHセル10bセルに、ネガ型の液晶分子MLC−6608(Merck社製)とポジ型の二色性染料分子D5(BDH社製)とからなる液晶混合物2を封入した。そして、中間のガラス基板1bに設けた電極引き出し部31b及び31cに矩形波形状の動作電圧を印加し、各セルの液晶分子にそれぞれ適当な実効電圧が加わるようにして、動作電圧印加時の光透過率の変化を計測した。その結果を図5及び図6に示す。
【0102】
図6に示すように、印加する動作電圧の増加に伴って、可視光の平均光透過率(空気中)が最大透過率約73%から最小透過率約2%にまで減少した。また、用いる液晶セル構造や構成材料によっても異なるが、GH多重セル10は、±5V(1kHz)以上のパルス電圧印加で、ほぼ最小透過率に到達した。
【0103】
前述したように、本実施例では、GH多重セル10の全体としての液晶層の厚さは約5μmであった。そこで、比較例として、5μmのセルギャップで2枚のガラス基板が対向して設けられ、本実施例と同じ液晶混合物が封入された、先願発明に基づく単独のGHセルを形成し、それを用いて本実施例と同様に、動作電圧印加時の光透過率の変化を計測した。その結果も図5及び図6に示す。
【0104】
本実施例を比較例と比べると、有効な液晶層の厚さは共に5μmであるにもかかわらず、本実施例の遮光時の最小透過率は、比較例に比べて半分以下に低減しており、調光動作のダイナミックレンジを大きく拡大することができた。
【0105】
これは、GHセルの構造内に、屈折率の異なる材料が接する界面が増えたことで、そこでの界面反射が光の透過量を全体的に減少させていること、また遮光時に直交する偏光軸が光路上に増加したことが主な要因である。
【0106】
また、セルに印加する動作パルス電圧を変化させたときの過渡応答時間に関しては、セルギャップが5μmの単独GHセルは、中間調駆動させた場合、応答時間が100msを超えていたのに対し、20ms以下の高速動作が可能となった。これは、液晶層の厚さは合計では5μmあるものの、セルギャップが約2.5μmの、セルギャップが半分のGHセルと同等の高速駆動を実現している。
【0107】
このように、本実施例では、従来は実現できなかった、大きな光学濃度比の確保と迅速な過渡応答動作の実現とを両立できる調光装置を実現することができた。
【0108】
本実施例では、第1GHセル10a及び第2GHセルのセルギャップを、それぞれ約2.2μm(中央部)から約2.8μm(周辺部)(全体としての液晶層の厚さは、約5μm)とした。その結果、透明時と遮光時との光透過率の差(光学濃度比)を充分に確保しながら、調光装置として高速に応答動作させるることが可能となった。
【0109】
ここで、セルの作製条件を変えて、全体としての液晶層の厚さが2μm未満(各セルのセルギャップがそれぞれ1μm未満)のGH多重セルを作製したところ、過渡応答速度は更に高速化するものの、光透過率が全体的に増加し、特に遮光時の光透過率の増加の度合いが大きく、調光装置に要求される十分な光学濃度比を達成することができないことがあった。また、セル内でのギャップのばらつきが大きくなり、セルギャップを小さくしていくと、製造歩留まりも低下した。
【0110】
他方、セルの作製条件を変えて、全体としての液晶層の厚さが6μmを超える(各セルのセルギャップがそれぞれ3μmを超える)GH多重セルを作製したところ、遮光時の透過率は低く抑えられるものの、透明時の透過率も大きく低下してしまい、実用的な光学濃度比が得られなくなることがあった。また、過渡応答速度(特に中間調駆動における応答速度)も低下しはじめることがあり、本実施例のメリットがあまり現れなくなった。
【0111】
従って、ネガ型液晶分子と二色性染料分子を用いたゲスト−ホスト型液晶セルを、例えば2つのGHセルからなるGH多重セルで構成し、透明時と遮光時の光透過率の比(光学濃度比)を充分に確保しながら、調光装置として高速に応答動作することができる調光装置を実現するためには、各GHセルのセルギャップを1〜3μm(セルギャップの合計を2〜6μm)に仕上げることがより望ましいとの結論に至った。
【0112】
実施例2
本実施例は、2つのGHセルからなるGH多重セルの作製において、異なる直径を有するプラスチックボールをそれぞれの液晶層におけるスペーサー9として各対向基板間に配置し、異なるセルギャップを有する2つのGHセル10c及び10dからなるGH多重セル10を形成した例である。スペーサー9としてプラスチックボールを用いたことと、2つのGHセルのセルギャップが異なること以外は実施例1と同じであるので、重複を避けるため相違点に重点を置いて説明する。
【0113】
本実施例の調光装置は、実施例1と同様、図10に示すように、2つのGHセルからなるGH多重セル10と偏光板11とからなる。そして、GH多重セル10では、図3に断面を示したように、異なる間隔で対向して設けられた3枚のガラス基板1a、1b及び1cの対向面上に、それぞれ、透明電極6a〜6dと配向膜7a〜7dとを形成し、2組の対向基板によって形成される2つの間隙に、ホスト材料であるネガ型の液晶分子3と、ゲスト材料であるポジ型の二色性染料分子4との混合物2を封入した。
【0114】
誘電率異方性が負のネガ型液晶分子3としてMerck社製のMLC−6608を、また、光の吸収に異方性を有し分子長軸方向の光を吸収するポジ型染料二色性染料分子4としてBDH社製のD5を、一例として用いた。
【0115】
ここで、偏光板11を透過する光の振動方向が、電圧印加時(遮光動作時)に、光入射側に配置される第1GHセル10cにおいて、このセルに含有される液晶分子3が配向する方位と一致するように構成した。
【0116】
そして、図10に示すように、この調光装置23は、例えばズームレンズのように複数のレンズで構成されるレンズ前群15と、レンズ後群16との間に配置される。レンズ前群15を透過した光は、偏光板11を介して直線偏光された後、GH多重セル10に入射する。GH多重セル10によって調光された光は、レンズ後群16で集光され、撮像面17に映像として映し出される。
【0117】
この調光装置23を構成する偏光板11は、複数のGHセル10に入射する光の有効光路に対して出し入れ可能である。
【0118】
ここで、GH多重セル10は、図7及び図8(a)に概略的に平面図を示すように、一例として0.5mm厚のガラス基板1a、1b及び1cを用いて作製した。この際、ガラス基板1a及び1cの上の配向膜7a及び7dにのみラビング処理を施した(片側ラビング)。ここで、第1GHセル10c及び第2GHセル10dにおける、動作電圧印加時の液晶分子の配向方位が直交するように、配向膜7a及び7dにおけるラビング方向を直交させた。
【0119】
また、ガラス基板1bの両面には透明電極6bと6cとの引き出し部31bと31cとをそれぞれ設け、且つガラス基板1aと1cの透明電極6aと6dは有効光路20の外に延設し、ガラス基板1bに設けた電極引き出し部31bと31cとにそれぞれ電気的に接続した。第1GHセル10c及び第2GHセル10dは、それぞれ駆動電源34c及び34dに接続した。
【0120】
ここで、GH多重セル10の作製は、前述した透明電極パターンと配向膜を予め形成した、厚さ0.5mmのガラス基板1a、1b及び1cによって形成される2つのセルのうち、一方のセルを構成するガラス基板の周辺部32に、一例として直径2.5μmのガラスファイバーを含有した、熱硬化性エポキシ樹脂からなる封止(シール)材8を所定の幅で塗布し、同一基板もしくは対向する他方の基板上に、一例として2.0μm径のプラスチックボールを均一に散布し、また、もう一方のセルを構成するガラス基板の周辺部には、一例として直径3.5μmのガラスファイバーを含有した熱硬化性エポキシ樹脂からなる封止(シール)材8を所定の幅で塗布し、同一基板もしくは対向する他方の基板上に、一例として3.0μm径のプラスチックボールを均一に散布した上で、3枚のガラス基板1a、1b及び1cを位置合わせして重ねてから、熱プレス板により適度な条件で圧力を加えながら加熱処理することで、周辺部のシール材8を硬化させ、セルギャップの異なる2つのGHセルからなる液晶多重セルを作製した(図2(b))。
【0121】
ここで、上記のプラスチックボールは、公知の手法を用いて上方から基板上に散布し、概ね100〜300個/mmのある一定密度で、ガラス基板全面にほぼ均一に配置した。
【0122】
この貼り合わせ基板を個片化(スクライブ&ブレイク)して得られた2層構造の空セルのセルギャップを、光の干渉を利用する測定機で計測したところ、一方のセルは、中心部のギャップが平均約1.9μmに、セル周辺部のギャップが平均約2.2μmに仕上がり、他方のセルは、中心部のギャップが平均約2.9μmに、セル周辺部のギャップが平均約3.2μmに、仕上がっていた(トータルのセルギャップの合計は、約5μm)。
【0123】
また、スペーサー9の配設によって、GHセルでの調光特性を左右する各セルギャップのばらつきは、実施例1よりも低減できていた。
【0124】
そして、2つのセルのうちの、セルギャップの大きい方(約3μm)のGHセル12は、電圧印加時の光吸収軸が偏光板11の光吸収軸と直交する様に配置した。
【0125】
このようにして作製した空の第1GHセル10c及び第2GHセル10dセルに、ネガ型の液晶分子MLC−6608(Merck社製)とポジ型の二色性染料分子D5(BDH社製)とからなる液晶混合物2を封入した。そして、中間のガラス基板1bに設けた電極引き出し部31b及び31cに矩形波形状の動作電圧を印加し、各セルの液晶分子にそれぞれ適当な実効電圧が加わるようにして、動作電圧印加時の光透過率の変化を計測した。この結果は、先に図5及び図6に示した実施例1の結果とほぼ一致した(このため、実施例2の図示は省略している。)。全体として液晶層の厚さが同じで、2つのセルに同じ実効電圧が加わるように駆動すれば、実施例1と実施例2とは、ほぼ同一の特性を示した。
【0126】
図6に示したように、印加する動作電圧の増加に伴って、可視光の平均光透過率(空気中)が最大透過率約73%から最小透過率約2%にまで減少した。また、用いる液晶セル構造や構成材料によっても異なるが、GH多重セル10は、±5V(1kHz)以上のパルス電圧印加で、ほぼ最小透過率に到達した。
【0127】
本実施例を比較例と比べると、有効な液晶層の厚さは共に5μmであるにもかかわらず、本実施例の遮光時の最小透過率は、比較例に比べて半分以下に低減しており、調光動作のダイナミックレンジを大きく拡大することができた。
【0128】
これは、GHセルの構造内に、屈折率の異なる材料が接する界面が増えたことで、そこでの界面反射が光の透過量を全体的に減少させていること、また遮光時に直交する偏光軸が光路上に増加したことが主な要因である。
【0129】
また、本実施例においても、セルに印加する動作パルス電圧を変化させたときの過渡応答時間に関しては、20ms以下の高速動作が可能となった。
【0130】
このように、本実施例では、従来は実現できなかった、大きな光学濃度比の確保と迅速な過渡応答動作の実現とを両立できる調光装置を実現することができた。
【0131】
なお、本実施例では、スペーサーの配設法として、上方から噴霧する例を示したが、より均一に配設することを狙って、スクリーン印刷法を使って形成したり、スペーサーの形状もここで示した球状のものに限らず、図2(c)に示す様に、柱状のスペーサーを、印刷やリソグラフィー等で供給して、本発明を実現することも可能である。
【0132】
更にまた、本実施例では、2つのGHセルを異なるセルギャップで構成することにより、同一セルギャップで2つのGHセルを構成した実施例1よりも変化に富んだ多様な調光動作が可能となる。
【0133】
これと同様な効果を期待して、図4に示すように、ゲスト材料である二色性染料分子(色素分子)の濃度の異なる2つのGHセルでGH多重セルを構成することも可能である。この場合、色素濃度が大きいセルを実施例2のセルギャップが大きいセルに対応させ、色素濃度が小さいセルを実施例2のセルギャップが小さいセルに対応させ、偏光の振動方向と液晶の配向方位の関係や、偏光板とGH多重セルの配置関係等の問題を同様に取り扱うことができる。
【0134】
実施例3
図12は、本実施の形態による調光装置23をCCD(Charge Coupled Device)カメラに組み込んだ例を示すものである。
【0135】
即ち、CCDカメラ50において、一点鎖線で示す光軸に沿って、前記レンズ前群15に相当する1群レンズ51及び2群レンズ(ズーム用)52、前記レンズ後群16に相当する3群レンズ53及び4群レンズ(フォーカス用)54、CCDパッケージ55が適宜の間隔をおいてこの順に配設されており、CCDパッケージ55には赤外カットフィルタ55a、光学ローパスフィルタ系55b、CCD撮像素子55cが収納されている。2群レンズ52と3群レンズ53との間には、3群レンズ53寄りに、上述した本発明に基づく複数のGHセル10と偏光板11からなる調光装置23が光量調節(光量絞り)のために同じ光路上に取付けられている。なお、フォーカス用の4群レンズ54は、リニアモータ57により光路に沿って3群レンズ53とCCDパッケージ55との間を移動可能に配設され、またズーム用の2群レンズ52は、光路に沿って1群レンズ51と調光装置23との間を移動可能に配設されている。
【0136】
以上、本発明を実施の形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能であり、サンプル構造や使用材料、液晶セルの駆動方法、調光装置の形態等、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜選択可能であることは言うまでもない。
【0137】
例えば、本実施例では、液晶セルの駆動方法にパルス電圧変調(PHM)用いた例を示したが、パルス幅変調(PWM)で駆動する場合にも適用できる。
【0138】
また、本発明の調光装置は、前述したCCDカメラ等の撮像装置の光学絞り以外にも、各種光学系、例えば電子写真複写機や光通信機器等の光量調節用としても広く適用が可能である。
【0139】
更に、本発明の調光装置は、光学フィルター以外に、キャラクターやイメージを表示する各種の画像表示素子に適用することができる。
【0140】
また、基板として3枚のガラス基板を用いる例を上げたが、本発明に基づく調光装置は、複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されていればよく、基板は3枚に限られない。特に、複数の液晶光学素子を構成する中間基板が共用されることが好ましい。
【0141】
また、中間基板には配向処理を施さず、外側に配された基板に対してのみ配向処理を行う例(片側ラビング)を示したが、斜方蒸着法等を用いて中間基板に対しても配向処理を施すことも勿論可能である。
【0142】
【発明の作用効果】
本発明の調光装置及び撮像装置によれば、それぞれが調光装置の機能を有する複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されているので、液晶光学素子の各素子に関しては、液晶層の厚み(セルギャップ)を小さく保って、調光装置に要求される高い応答速度を実現すると共に、複数の液晶光学素子全体では、十分な液晶層の厚みを確保し、十分大きな光学濃度比(コントラスト比)を達成することができる。
【0143】
しかも、複数の液晶光学素子の少なくとも2つの液晶配向方位が互いに交差しているので、2つの液晶配向方位が異なる液晶光学素子のうちの一方の液晶光学素子で吸収を受けなかった偏光は、他方の液晶光学素子による吸収を必ず受けることになり、この結果、遮光時の遮光性能が著しく向上し、光学濃度比が大きく改善される。
【0144】
また、2つの液晶配向方位が異なる液晶光学素子のうちの一方を偏光板の代わりとして用い、遮光性能を低下させずに、偏光板を用いない調光装置を構成することができる。この調光装置は、偏光板による損失がないため、透明時の光透過量が大きく改善される。
【0145】
従って、本発明は、液晶光学素子を用いた調光装置及び撮像装置の性能、画質、信頼性の向上を図るために極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい実施の形態に基づく調光装置を構成するGH多重セルの、動作原理を示す概略断面図である。
【図2】同、調光装置を構成するGH多重セルの部分拡大概略断面図である。
【図3】同、調光装置を構成する他のGH多重セルの、動作原理を示す概略断面図である。
【図4】同、調光装置を構成する更に別のGH多重セルの、動作原理を示す概略断面図である。
【図5】本発明に基づく実施例1のGH多重セルの光透過率と波長との関係を示すグラフである。
【図6】本発明に基づく実施例1のGH多重セル及び先願発明に基づくGHセルにおける、光透過率と印加電圧との関係を示すグラフである。
【図7】本発明の実施の形態に基づく調光装置のGH多重セルを構成する各基板の概略平面図である。
【図8】同、調光装置のGH多重セルの第1又は第2GHセルの概略平面図(a)及びX−X線概略断面図(b)である。
【図9】同、調光装置のGH多重セルの第1GHセルのA−A線概略断面図である。
【図10】同、GH多重セルからなる調光装置を用いた撮像装置の概略側面図である。
【図11】同、偏光板を取り付けた機械式アイリスの正面図、及びその有効光路付近での調光動作を示す部分拡大図(a)〜(c)である。
【図12】本発明に基づく実施例3の、GH多重セルからなる調光装置を組み込んだカメラシステムの概略断面図である。
【図13】先願発明(特開2001−201769号)に基づくGHセルを用いた調光装置の動作原理を示す概略図である。
【図14】同、GHセルを用いた調光装置の光透過率とセルギャップとの関係を示すグラフである。
【図15】同、GHセルを用いた調光装置の応答時間とセルギャップとの関係を示すグラフである。
【図16】従来のGHセルを用いた調光装置の動作原理を示す概略説明図である。
【符号の説明】
1a、1b、1c…ガラス基板等の透明基板、2、2e、2f…液晶混合物、
3…ネガ型液晶分子、4…ポジ型二色性染料分子、5…入射光、
6a、6b、6c、6d…透明電極、7a、7b、7c、7d…配向膜、
8…シール材、9…スペーサー、10…GH多重セル、10a…第1GHセル、
10b…第2GHセル、11…偏光板、
12A…ポジ型液晶分子のGH液晶セル、
12B…ネガ型液晶分子のGH液晶セル、13A…ポジ型液晶分子、
13B…ネガ型液晶分子、14…ポジ型色素(二色性染料分子)、
15…レンズ前群、16…レンズ後群、17…撮像面、
18、19…アイリス羽根、20…有効光路(セル中央部)、
21…アイリスの移動方向、22…開口部、23…調光装置、
31b、31c…電極引き出し部、32…セル周辺部、
33…カーボンペースト、
34a、34b、34c、34d、34e、34f…電源、
50…CCDカメラ、51…1群レンズ、52…2群レンズ(ズーム用)、
53…3群レンズ、54…4群レンズ(フォーカス用)、
55…CCDパッケージ、55a…赤外カットフィルタ、
55b…光学ローパスフィルタ(LPF)、55c…CCD撮像素子、
57…リニアモータ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light control device using a liquid crystal element, for example, for adjusting the light transmittance of incident light, and an imaging device using the light control device.
[0002]
[Prior art]
Usually, a polarizing plate is used for a light control device using a liquid crystal optical element (liquid crystal cell). As this liquid crystal cell, for example, a TN (Twisted Nematic) liquid crystal cell or a guest-host (GH (Guest Host)) liquid crystal cell is used.
[0003]
FIG. 16 is a schematic explanatory view showing the operation principle of a light control device using a conventional GH cell. This light control device mainly includes a polarizing plate 11 and a GH cell 12A. In the GH cell 12A, a liquid crystal mixture is sealed between two glass substrates (not shown), and an operating electrode and an alignment film (not shown) are also provided.
[0004]
The liquid crystal mixture is composed of liquid crystal molecules 13A and dichroic dye molecules 14. The liquid crystal molecules 13A as the host material are of a positive type (positive type) having a positive dielectric anisotropy. In addition, the dichroic dye molecules 14 as the guest material have anisotropy in light absorption, and may be a positive type (p type) or a negative type (n type). FIG. 16 shows an example in which the dichroic dye molecules 14 are positive (p-type) dye molecules that absorb light in the major axis direction of the molecules.
[0005]
The incident light 5 is selected when passing through the polarizing plate 11 and changes to linearly polarized light. Further, in the GH cell 12A, an alignment process is performed so that the liquid crystal molecules 13A are aligned in the same direction (vertical direction in FIG. 16) as the oscillation direction of the linearly polarized light when no voltage is applied.
[0006]
FIG. 16A shows a state of the GH cell 12A when no voltage is applied. The dichroic dye molecules 14 are also oriented in the same direction under the influence of the liquid crystal molecules 13A, and the vibration direction of the linearly polarized light coincides with the molecular long axis direction of the dichroic dye molecules 14. It is easily absorbed by the molecules 14. Therefore, the light transmittance of the GH cell 12A is low when no voltage is applied in FIG.
[0007]
On the other hand, FIG. 16B shows a state of the GH cell 12A when a voltage is applied. When a voltage is applied to the GH cell 12A, the liquid crystal molecules 13A are oriented in the direction of the electric field, and accordingly, the major axis direction of the dichroic dye molecules 14 is orthogonal to the polarization vibration direction. Therefore, the polarized light is hardly absorbed by the dichroic dye molecules 14 and is transmitted. Therefore, the light transmittance of the GH cell 12A is high under the voltage application state shown in FIG.
[0008]
Note that, as the dichroic dye molecules 14, a negative (n-type) dye molecule that absorbs light in the molecular short axis direction can also be used. In this case, the light transmittance is opposite to the case where a positive dye molecule is used. Light is hardly absorbed when no voltage is applied, and light is easily absorbed when a voltage is applied.
[0009]
In the light control device shown in FIG. 16, the ratio of the absorbance between when the voltage is applied and when no voltage is applied, that is, the ratio of the optical density is about 10. This has an optical density ratio about twice as high as that of a dimmer including only the GH cell 12A without using the polarizing plate 11.
[0010]
Average light transmittance of visible light of the dimmer shown in FIG. 16 when a rectangular wave driving pulse is applied to the GH cell 12A (value in air: when an empty liquid crystal cell and a polarizing plate are placed in the optical path) Is defined as a reference (= 100%). The same applies to the following.) Although the maximum light transmittance when the drive pulse voltage is increased to 10 V is 60, although it increases as the drive pulse voltage increases, the maximum light transmittance is 60%. %, And the light transmittance changes slowly.
[0011]
The reason is that when positive type liquid crystal molecules are used as the host material, the interaction between the liquid crystal molecules and the alignment film at the interface of the alignment film is strong when no voltage is applied. It is considered that liquid crystal molecules that do not change or hardly change are included in a relatively large amount.
[0012]
Therefore, as a result of diligent studies, the present applicant has proposed a light control device using negative liquid crystal as a host material and an imaging device using the light control device (see Patent Document 1 described below. The invention relating to No. 1 will be referred to as the prior invention.)
[0013]
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating the operation principle of the light control device based on the prior application invention. This light control device is mainly composed of a polarizing plate 11 and a GH cell 12B, similarly to the conventional light control device of FIG. In the GH cell 12B, a negative (negative) liquid crystal molecule 13B having a negative dielectric anisotropy as a host material and a positive or negative dichroic dye molecule 14 as a guest material are enclosed. Have been. FIG. 13 shows a case where the dichroic dye molecules 14 are positive (p-type) dye molecules.
[0014]
As in the device of FIG. 16, the incident light 5 is selected when passing through the polarizing plate 11 and changes to linearly polarized light. Further, in the GH cell 12B, when a voltage is applied, an alignment process is performed so that the liquid crystal molecules 13B are aligned in the same direction (vertical direction in FIG. 13) as the vibration direction of the linearly polarized light.
[0015]
FIG. 13A shows a state of the GH cell 12B when no voltage is applied. Since the liquid crystal molecules 13B are arranged so as to be orthogonal to the substrate and the molecular long axis direction of the dichroic dye molecules 14 is orthogonal to the vibration direction of the polarized light, the polarized light is hardly absorbed by the dichroic dye molecules 14, To Penetrate. Therefore, the light transmittance of the GH cell 12B is high when no voltage is applied in FIG.
[0016]
On the other hand, FIG. 13B shows a state of the GH cell 12B when a voltage is applied. When a voltage is applied to the GH cell 12B, the liquid crystal molecules 13B are oriented so as to be orthogonal to the direction of the electric field, and accordingly, the major axis direction of the dichroic dye molecules 14 becomes coincident with the polarization direction of light. . Therefore, polarized light is easily absorbed by the dichroic dye molecules 14. Therefore, the light transmittance of the GH cell 12B is low under the voltage application state shown in FIG.
[0017]
Note that a negative (n-type) dye molecule can be used as the dichroic dye molecule. In this case, the light transmittance is opposite to the case where a positive dye molecule is used.
[0018]
FIG. 6 is a graph illustrating the light transmittance when a rectangular drive pulse is applied to the GH cell 12B of FIG. 13 with respect to the drive pulse voltage. At this time, as an example of the negative liquid crystal 13B having a negative dielectric anisotropy (Δε), MLC-6608 manufactured by Merck is used as a host material, and a positive type liquid crystal 13A having a positive light absorption anisotropy (ΔA) is used. As an example of the chromatic dye molecules 14, D5 manufactured by BDH was used as a guest material. As shown in FIG. 6, the average light transmittance of visible light decreases from the maximum light transmittance of about 75% to about 10% as the pulse voltage increases, and the change of the light transmittance is relatively steep. became.
[0019]
The reason is that when negative type liquid crystal molecules are used as the host material, the interaction between the liquid crystal molecules and the alignment film at the interface of the alignment film is very weak when no voltage is applied, so that light is easily transmitted when no voltage is applied. It is also considered that the direction of the director of the liquid crystal molecules easily changes with the application of the voltage.
[0020]
As described above, according to the invention of the prior application, by forming a guest-host type liquid crystal cell using a negative type liquid crystal as a host material, the light transmittance particularly when transparent is improved, and the GH cell can be directly used in an imaging optical system. A compact light control device that can be used with its position fixed can be realized.
[0021]
In this case, by further arranging a polarizing plate in the optical path of the incident light to the liquid crystal optical element, the ratio of the absorbance between when no voltage is applied and when a voltage is applied (that is, the ratio of optical density) is further improved, and the light control device is improved. Is further increased, and the dimming operation can be performed more normally from a bright place to a dark place.
[0022]
[Patent Document 1]
JP 2001-201769 A (FIGS. 1 and 3)
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
The inventor of the present invention has intensively studied the further improvement of the characteristics of the light control device using such a GH cell, and as shown in FIG. 14, the optical density ratio between the transparent state and the light-shielded state of the liquid crystal optical element (see FIG. 14). It has been found that the contrast ratio and the dynamic range are greatly affected by the distance between the two glass substrates forming the GH cell (hereinafter, referred to as a cell gap).
[0024]
That is, as shown in FIG. 14, as the cell gap is larger and the thickness of the liquid crystal layer is larger, the difference in light transmittance between the transparent state and the light-shielded state is larger, and the optical density ratio is larger. However, as the cell gap increases, the light transmittance in the transparent state decreases, and the advantage of using negative liquid crystal molecules as the host material decreases.
[0025]
On the other hand, as shown in FIG. 15, when the cell gap changes, the response speed as a dimmer using the GH cells also changes greatly. For example, as the cell gap increases and the thickness of the liquid crystal layer increases, the response speed decreases. In particular, as shown as a graph a in FIG. 15, when the driving is performed such that the light transmittance is slightly changed in the halftone, the response speed is significantly reduced.
[0026]
As described above, in the light control device using the guest-host type liquid crystal optical element, the optical density ratio and the transient response speed are in a trade-off relationship with respect to the cell gap, so that a characteristic in which both are compatible is obtained. But there was a limit. Therefore, conventionally, the specification of the GH cell has been determined in such a manner that one of the characteristics is prioritized (the other characteristic must be reduced to some extent) in accordance with the set in which the GH type liquid crystal optical element is mounted.
[0027]
Under such circumstances, a dimming device using a liquid crystal optical element, which has a high light transmittance in a transparent state and can realize both a high optical density ratio and a quick transient response operation, has been desired.
[0028]
Therefore, an object of the present invention is to provide a light control device having a liquid crystal optical element which has a high light transmittance in a transparent state, and at the same time can ensure a large optical density ratio and realize a quick transient response operation, and this light control device. It is an object of the present invention to provide an imaging device in which an apparatus is arranged in an optical path and which has improved performance, image quality, and reliability.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention is a light control device in which a plurality of liquid crystal optical elements are sequentially arranged along an optical path, and each of the plurality of liquid crystal optical elements has a liquid crystal layer made of a mixture of a host material and a guest material, The present invention relates to a light control device in which at least two liquid crystal orientation directions of the plurality of liquid crystal optical elements cross each other, and relates to an image pickup device in which the light control device is disposed in an optical path of an image pickup system.
[0030]
According to the light control device and the imaging device of the present invention, since the plurality of liquid crystal optical elements each having the function of the light control device are sequentially arranged along the optical path, for each element of the liquid crystal optical element, The thickness (cell gap) of the liquid crystal layer is kept small to achieve a high response speed required for the light control device, and the plurality of liquid crystal optical elements as a whole have a sufficient thickness of the liquid crystal layer, A large optical density ratio (contrast ratio) can be achieved.
[0031]
In addition, since at least two liquid crystal orientation directions of the plurality of liquid crystal optical elements intersect each other, polarized light that has not been absorbed by one of the two liquid crystal optical elements having different liquid crystal orientation directions is Absorption by the other liquid crystal optical element is inevitably received. As a result, the light shielding performance at the time of light shielding is significantly improved, and the optical density ratio is greatly improved.
[0032]
Further, one of the two liquid crystal optical elements having different liquid crystal orientation directions can be used as a substitute for a polarizing plate, and a light control device that does not use a polarizing plate can be configured without deteriorating the light blocking performance. This dimmer has no loss due to the polarizing plate, so that the amount of light transmission when transparent is greatly improved.
[0033]
Therefore, the present invention is extremely effective for improving the performance, image quality, and reliability of a light control device and an imaging device using a liquid crystal optical element.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, it is preferable that at least two liquid crystal orientation directions of the plurality of liquid crystal optical elements intersect with each other, particularly, intersect at right angles. Thus, the ratio of the polarized light that is not absorbed by one of the two liquid crystal optical elements having different liquid crystal orientation directions to be absorbed by the other liquid crystal optical element is maximized. The light-shielding performance of the optical element is maximized.
[0035]
The host material is preferably a positive or negative liquid crystal molecule, particularly a negative liquid crystal molecule, and the guest material is preferably a positive dichroic dye molecule. Although the guest material may be a negative type dichroic dye molecule, the effect of the present invention is that the host material is a negative type liquid crystal molecule and the guest material is a positive type dichroic dye molecule. Sometimes, it is most effective.
[0036]
In addition, it is preferable that each cell gap of the plurality of liquid crystal optical elements in at least the effective optical path is controlled to be 1 to 3 μm, whereby a more practically advantageous dimmer using the plurality of GH cells is provided. Can be realized.
[0037]
Because, when each of the above cell gaps is less than 1 μm, the response speed of the light control device becomes large, and the light transmittance in the transparent state is improved, but the light transmittance in the light-shielded state is also greatly increased. As a result, a sufficient optical density ratio (contrast ratio) may not be secured. Conversely, when each of the above cell gaps exceeds 3 μm, a large optical density ratio can be ensured, but the light transmittance in a transparent state is reduced, and the response speed as a light control device may be significantly deteriorated. In particular, when a drive that slightly changes light in the halftone is performed, the response speed may be reduced.
[0038]
As described above, according to the light control device of the present invention, the cell gaps of the plurality of liquid crystal optical elements are controlled to 1 to 3 μm, and the plurality of liquid crystal optical elements are sequentially arranged along the optical path. Since the thickness of the liquid crystal layer as a whole of the plurality of liquid crystal optical elements is sufficiently ensured, a sufficiently large optical density ratio can be achieved and a single liquid crystal optical element having a small cell gap (for example, a liquid crystal having a cell gap of 3 μm). The light control operation can be performed at high speed in the same manner as when the optical element is driven. Therefore, it is possible to achieve both a high contrast ratio and a high-speed transient response, which cannot be realized conventionally.
[0039]
At this time, at least two liquid crystal optical elements whose liquid crystal orientation directions intersect each other at the time of the light shielding operation are preferably controlled so that at least the cell gaps in the effective optical path are different from each other. The cell gap ratio is preferably 1: 1 to 1: 4, more preferably 1: 1.5 to 1: 2.5, and still more preferably 1: 2. It is desirable that the liquid crystal optical element having the larger cell gap be disposed on the light incident side.
[0040]
Alternatively, at least two liquid crystal optical elements whose liquid crystal orientation directions intersect each other at the time of the light shielding operation preferably have different concentrations of the guest material, and more specifically, have a ratio of the guest material concentration. The ratio is 1: 1 to 1: 4, more preferably 1: 1.5 to 2.5, and even more preferably 1: 2. It is desirable that the liquid crystal optical element having the higher concentration of the guest material is disposed on the light incident side.
[0041]
In this case, since the liquid crystal optical element having a high optical density is arranged on the light incident side during the light shielding operation, the main incident light is absorbed at a position as close to the incident side as possible. The light that could not be absorbed can be supplementarily absorbed by the liquid crystal optical element at the subsequent stage, and the light shielding efficiency is improved.
[0042]
Further, a polarizing plate is disposed on the light incident side, and a vibration direction of light transmitted through the polarizing plate is a direction of light absorbed by the guest material in the liquid crystal optical element on the light incident side of the plurality of liquid crystal optical elements. It is preferable that the vibration direction substantially coincides with the vibration direction of the light absorbed by the liquid crystal optical element having the larger cell gap or the liquid crystal optical element having the higher concentration of the guest material. Is good. With this configuration, the polarizing action of the polarizing plate and the light absorbing action of the plurality of liquid crystal optical elements can be most effectively combined, and a high contrast ratio can be realized in the dimming operation.
[0043]
The number of the plurality of liquid crystal optical elements may be three or more. For example, it is preferable to arrange two liquid crystal optical elements having a high optical density during the light shielding operation and one liquid crystal optical element having a low optical density during the light shielding operation in this order from the light incident side. At this time, the vibration directions of the light absorbed by the first and third liquid crystal optical elements are made to coincide with each other, and the vibration direction of the light absorbed by the second liquid crystal optical element is made orthogonal to the vibration direction. Good. In this way, the first-stage liquid crystal optical element is used as a substitute for the polarizing plate, thereby realizing a high contrast ratio in the dimming operation, and realizing a compact dimming device having a large light transmission amount when transparent. be able to.
[0044]
Alternatively, the vibration directions of the light absorbed by the three liquid crystal optical elements are made orthogonal to the first and second liquid crystal optical elements, and the main light is absorbed by the first and second liquid crystal optical elements. The third stage liquid crystal optical element supplementally absorbs the light passing through them, eliminating the need for a polarizing plate and achieving a high contrast ratio in the dimming operation, while at the same time transmitting light in the transparent state. A large-sized and compact dimmer can be realized.
[0045]
As described above, when the number of the liquid crystal optical elements, the size of the cell gap, and the concentration of the guest material are combined, a variety of dimming operations can be performed.
[0046]
Further, it is desirable that an intermediate substrate constituting the plurality of liquid crystal optical elements is shared. That is, it is preferable that a plurality of substrates are sequentially arranged side by side, and a mixture of the host material and the guest material is sealed between the plurality of adjacent substrates. Thus, the number of substrates can be reduced, the reflection at the interface between the air layer and the substrate and the absorption of light by the substrate can be reduced, and a compact light control device can be manufactured.
[0047]
At this time, in consideration of the easiness of the manufacturing process, it is preferable that an alignment process (rubbing or the like) of liquid crystal molecules is performed on an outer substrate among the substrates constituting the plurality of liquid crystal optical elements. (One side rubbing). Although it is not impossible to perform the alignment treatment of the liquid crystal molecules on the intermediate substrate, it is preferable that the alignment treatment is performed only on one surface in this case as well.
[0048]
Further, in order to make the mounting form of the plurality of liquid crystal optical elements compact and to reduce the size of the light control device, it is necessary to drive the liquid crystal optical elements on both surfaces of the peripheral portion of the intermediate substrate among the plurality of substrates. It is preferable to provide a lead-out portion for an electrode to which the operating voltage is applied.
[0049]
In addition, in order to suppress light absorption by the substrates and reduce the size and weight of the device, the thickness of each substrate constituting the plurality of liquid crystal optical elements is preferably as thin as possible, and each is preferably 0.5 mm or less. preferable.
[0050]
Further, the imaging device of the present invention is an imaging device that can effectively utilize the features of the above-described dimming device because the dimming device is arranged in the optical path of the imaging system.
[0051]
Here, an example in which the intermediate substrate is shared is described, but a structure in which a plurality of single liquid crystal optical elements having a small cell gap are simply stacked may be used. In this case, the light transmittance at the time of shading is further reduced, but if an air layer exists between the cells, light loss occurs due to light reflection at the interface between the air layer and the substrate as described above. However, it is desirable to have a device for minimizing such a loss.
[0052]
Next, a preferred embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. The present embodiment provides a light control device having an improved optical function by disposing a GH multiplex cell including a first GH cell and a second GH cell each using a negative liquid crystal as a host material in an optical path.
[0053]
Operation principle of GH multiplex cell
This embodiment is based on the above-mentioned prior invention. According to the invention of the prior application, a guest-host comprising a liquid crystal optical element and a polarizing plate disposed in an optical path of light incident on the liquid crystal optical element, and using negative liquid crystal molecules as a host material By using the type liquid crystal, a large light transmittance in a transparent state can be achieved, and a compact dimming device can be realized in which the GH cell can be fixed and used in the imaging optical system as it is.
[0054]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the operation principle of a GH multiplex cell constituting a light control device according to the present embodiment, and FIG. 2A is a partially enlarged schematic sectional view of the GH multiplex cell.
[0055]
As shown in FIG. 2A, in the GH multiplex cell 10, two sets of opposing substrates made of transparent substrates 1 a, 1 b, and 1 c made of glass and the like provided at equal intervals, ie, substrates 1 a and 1 b, and The liquid crystal mixture 2 is sealed between 1b and 1c to form a first GH cell 10a and a second GH cell 10b. The substrate 1b located between the substrates 1a and 1c is shared by the two GH cells 10a and 10b. The liquid crystal mixture 2 is a guest-host type liquid crystal using the negative type liquid crystal molecules 3 as a host material and the positive type dye molecules 4 as a guest material, and between the substrates 1a and 1b and between the substrates 1b and 1c. Are sealed with a sealing material 8.
[0056]
When a glass substrate is used, the thickness of the substrates 1a, 1b, and 1c should be as thin as possible, particularly 0.5 mm or less, in order to suppress the amount of light absorbed by the glass and to reduce the size and weight of the device. Is preferred.
[0057]
Transparent electrodes 6a and 6b, and 6c and 6d are formed on the opposing surfaces of the substrates 1a and 1b and the opposing surfaces of the substrates 1b and 1c, respectively, for further controlling the alignment direction of liquid crystal molecules. Of alignment films 7a and 7b, and 7c and 7d, respectively.
[0058]
Actually, in order to control the alignment direction of the liquid crystal molecules using the alignment film, it is necessary to perform an alignment process (for example, a rubbing method) for setting the alignment direction of the liquid crystal molecules in the alignment film. Considering the easiness of the manufacturing process, it is preferable that the alignment treatment is performed only on the alignment films 7a and 7d formed on the two outer substrates 1a and 1c (single-side rubbing). The reason is that if double-sided rubbing is applied instead of the single-sided rubbing, the alignment treatment is performed on the alignment film on one surface of the intermediate substrate 1b and then on the other surface. This is because when performing the method, the alignment film which has already been subjected to the alignment treatment may be adversely affected.
[0059]
Therefore, in the present embodiment, only the alignment films 7a and 7d on the substrates 1a and 1c are subjected to an alignment treatment such as a rubbing method, and the alignment films 7b and 7c on the substrate 1b are aligned. No treatment is performed (for example, a vertical alignment film such as an oblique deposition film is formed on a transparent electrode, but a rubbing treatment is not performed). Then, the direction in which the liquid crystal molecules are aligned in the alignment film 7a is orthogonal to the direction in which the liquid crystal molecules are aligned in the alignment film 7d.
[0060]
Further, as shown in FIG. 1, an AC drive power source 34a for driving the liquid crystal cell and a counter electrode for the two GH cells 10a and 10b, that is, between the transparent electrodes 6a and 6b and between the transparent electrodes 6c and 6d, respectively. 34b is connected. In order to make the mounting form of the GH multiplex cell 10 compact and reduce the size of the light control device, an AC drive voltage is applied only to the peripheral portions on both surfaces of the intermediate substrate 1b among the three substrates 1a to 1c. It is preferable to provide electrode lead-out portions 31b and 31c for performing the operation. Further, the two GH cells 10a and 10b can be connected in parallel to the same AC drive power supply, share the power supply, and reduce the size and cost of the dimmer.
[0061]
In FIG. 1, the incident light 5 is linearly polarized by transmitting through a polarizing plate. This is not absolutely necessary, but in order to realize a high contrast ratio at the time of dimming, it is preferable that the incident light 5 is linearly polarized light. Further, similarly to the light control device of FIG. 13, in the GH cell 10a, when a voltage is applied, the liquid crystal molecules 3 are aligned in the same direction as the oscillation direction of the polarization of the incident light 5 (the vertical direction in FIG. 1). Has been made. On the other hand, in the GH cell 10b, the liquid crystal molecules 3 are oriented so that the orientation in which the liquid crystal molecules 3 are oriented when a voltage is applied is perpendicular to the liquid crystal orientation in the GH cell 10a (the direction perpendicular to the plane of FIG. 1). Has been made.
[0062]
As shown in FIG. 1A, when no voltage is applied, in the two GH cells 10a and 10b, the negative liquid crystal molecules 3 and the positive dye molecules 4 are arranged perpendicular to the substrate, and the incident light 5 (polarized light) 13) is orthogonal to the direction of the major axis of the positive dye molecules 4, so that the incident light 5 is hardly absorbed by the positive dye molecules 4 as in the case of FIG. 10b.
[0063]
On the other hand, when a voltage is applied, the direction of the director of the liquid crystal molecules changes as shown in FIG. 1B, and accordingly, the molecular major axis direction of the positive dye molecules 4 in the GH cell 10a changes the polarization direction of the incident light 5 It comes to coincide with the vibration direction. As a result, the polarized light of the incident light 5 is absorbed by the positive dye molecules 4, and the light transmittance of the GH multiplex cell 10 decreases.
[0064]
In the GH cell 10a, similarly to the prior application, since the interaction between the liquid crystal molecules 3 and the alignment film 7a at the interface of the alignment film 7a when no voltage is applied is very weak, light is easily transmitted when no voltage is applied, Further, the direction of the director of the liquid crystal molecules easily changes with the application of the voltage, and the light transmittance changes sharply with an increase in the applied operating pulse voltage.
[0065]
Here, when light whose oscillation direction is orthogonal to the polarization oscillation direction is included in the incident light 5 or is generated by depolarization while the incident light 5 travels in the GH cell 10a, this light Is not absorbed by the positive dye molecules 4 contained in the GH cell 10a but is transmitted regardless of the thickness of the liquid crystal layer of the GH cell 10a. This is one of the main causes for lowering the light shielding performance of the GH cell of the prior application.
[0066]
However, according to the present embodiment, the GH cell 10b is arranged at the subsequent stage of the GH cell 10a, and the molecular orientation of the positive dye molecules 4 in the GH cell 10b is It is controlled so as to be orthogonal to the molecular long axis direction of the positive dye molecules 4 in the GH cell 10a. As a result, light that is not absorbed by the GH cell 10a (light whose vibration direction is orthogonal to the plane of FIG. 1) is most effectively absorbed by the GH cell 10b. Is significantly improved as compared with the case of using the GH cell 10a alone.
[0067]
FIG. 3 and FIG. 4 are schematic cross-sectional views showing a GH multiplex cell which is a modification of the present embodiment. In the GH multiplex cell shown in FIG. 3, the cell gap between the GH cell 10c and the GH cell 10d is different, and the GH cell 10c is larger. In the GH multiplex cell shown in FIG. 4, the cell gap is the same, but the concentration of the positive dye molecules 4 is different, and the concentration in the GH cell 10e is higher than that in the GH cell 10f.
[0068]
In any case, a liquid crystal optical element having a higher optical density during the light-shielding operation (the GH cell 10c having a large cell gap or the GH cell 10e having a high density of the positive dye molecules 4) is disposed on the light incident side. Moreover, when a voltage is applied (during a light-shielding operation), the liquid crystal serving as the host material is so arranged that the long axis direction of the positive dye molecules 4 contained in the cell coincides with the oscillation direction of the polarized light of the incident light 5. It is controlled by the orientation of the molecule. By doing so, main incident light is absorbed at a position as close to the incident side as possible, and light that could not be absorbed by the preceding liquid crystal optical element can be supplementarily absorbed by the subsequent liquid crystal optical element. As a result, the light shielding efficiency is improved.
[0069]
The GH multiplex cell shown in FIGS. 2B and 2C is also one of the modifications, and is an example in which the spacer 9 is arranged between the opposing substrates in order to reduce the variation in the cell gap. The cell shown in FIG. 2B uses a spherical spacer, and the cell shown in FIG. 2C uses a prismatic spacer.
[0070]
GH multiplex cell
FIG. 7A is a schematic plan view of the substrates 1a and 1c arranged outside on the substrates constituting the GH multiplex cell 10 according to the present embodiment, and FIG. FIG. 4 is a schematic plan view of a substrate 1b to be formed.
[0071]
As shown in FIG. 7A, the glass substrate 1a (or 1c) disposed on the outside has a substantially square shape, and one surface (GH liquid crystal cell side) has an ITO (Indium Tin Oxide) on one surface. A transparent electrode 6a (or 6d) such as an electrode and an alignment film 7a (or 7d) are formed, and the alignment film 7a (or 7d) is subjected to an alignment process such as a rubbing method. Here, the direction in which the liquid crystal molecules are aligned in the alignment film 7a is orthogonal to the direction in which the liquid crystal molecules are aligned in the alignment film 7d. Examples of the alignment treatment method include, besides the rubbing method, a light alignment method using polarized ultraviolet light, an oblique vapor deposition method, and the like. The transparent electrode 6a (or 6d) extends outside the effective optical path 20 and is electrically connected to an electrode lead portion 31b (or 31c) provided on the glass substrate 1b as described later.
[0072]
As shown in FIG. 7B, the intermediate glass substrate 1b has a rectangular shape slightly larger than the glass substrate 1a (or 1c), and has transparent electrodes 6b and 6c such as ITO electrodes on both sides. And the alignment films 7b and 7c are formed respectively, and the alignment film 7b is not subjected to the alignment process. The substrate 1b is provided with lead portions 31b and 31c for the transparent electrode.
[0073]
FIG. 8 is a schematic plan view (a) of the GH cell 10a or 10b and a cross-sectional view taken along the line XX (b). As shown in FIG. 8, a portion between the substrates 1a and 1b (or a portion between the substrates 1b and 1c) is sealed by a sealing material 8 at a liquid crystal cell peripheral portion 32. Then, as shown in FIG. 8 (b), the transparent conductive film (transparent electrode) 6a (or 6d) extending on the substrate 1a (or 1c) and the electrode lead-out portion 31b (or 6) formed on the substrate 1b. 31c) are connected by a conductive material such as carbon paste 33 outside the sealing material 8.
[0074]
FIG. 9 is a sectional view taken along line AA shown in FIG. As described above, it is desirable that the cell gaps of the GH cells 10a and 10b are each controlled to 1 to 3 μm, and furthermore, as shown in FIG. More preferably, it is smaller than the gap at the periphery. This makes it possible to operate the light control cell 10 in the effective optical path at a higher speed while maintaining the optical density ratio required for the light control device.
[0075]
In the present embodiment, in forming the cell gap as described above, as shown in FIGS. 8B and 8C, the opposed electrodes on which the transparent electrodes 6a and 6b and the alignment films 7a and 7b are respectively formed are formed. A spacer 9 is arranged between the substrates 1a and 1b, or between the opposite substrates 1b and 1c on which the transparent electrodes 6c and 6d and the alignment films 7c and 7d are formed, respectively. It is preferable that the sealing material 8 is formed to have a larger diameter than the spacer 9 or contains a hard material such as a ball or fiber.
[0076]
Light control device
The dimming device 23 including the GH multiplex cell 10 described above is disposed between a front lens group 15 and a rear lens group 16 including a plurality of lenses like a zoom lens, for example, as shown in FIG. . The light transmitted through the front lens group 15 is linearly polarized through the polarizing plate 11 and then enters the GH multiplex cell 10. The light modulated by the GH multiplex cell 10 is condensed by the rear lens group 16 and projected on the imaging surface 17 as an image.
[0077]
The polarizing plate 11 constituting the dimmer 23 is, as previously proposed by the present applicant (see Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-326894), with respect to the effective optical path of light incident on the GH multiplex cell 10. It can be put in and out. Specifically, by moving the polarizing plate 11 to a position indicated by a virtual line, the light can be emitted out of the effective optical path. As a means for taking the polarizing plate 11 in and out, a mechanical iris as shown in FIG. 11 may be used.
[0078]
The mechanical iris is a mechanical diaphragm device generally used for digital still cameras, video cameras, and the like, and mainly includes two iris blades 18 and 19 and a polarizing plate 11 adhered to the iris blade 18. The iris blades 18, 19 can be moved vertically. The iris blades 18 and 19 are relatively moved in the direction indicated by the arrow 21 using a drive motor (not shown).
[0079]
As a result, as shown in FIG. 11, the iris blades 18 and 19 are partially overlapped, and when this overlap increases, the opening 22 on the effective optical path 20 located near the center of the iris blades 18 and 19 becomes polarized. Covered by plate 11.
[0080]
FIGS. 11A to 11C are partially enlarged views of the mechanical iris near the effective optical path 20. At the same time as the iris blade 18 moves downward, the iris blade 19 moves upward. Along with this, as shown in FIG. 11A, the polarizing plate 11 attached to the iris blade 18 also moves out of the effective optical path 20. Conversely, by moving the iris blade 18 upward and the iris blade 19 downward, the iris blades 18 and 19 overlap each other. Accordingly, as shown in FIG. 11B, the polarizing plate 11 moves on the effective optical path 20 and gradually covers the opening 22. When the overlapping of the iris blades 18 and 19 becomes large, the polarizing plate 11 covers the entire opening 20 as shown in FIG.
[0081]
Next, the light control operation of the light control device 23 using the mechanical iris will be described.
[0082]
As the subject (not shown) becomes brighter, as shown in FIG. 11A, the iris blades 18 and 19 that have been opened in the vertical direction are driven by a motor (not shown) and start overlapping. As a result, the polarizing plate 11 attached to the iris blade 18 starts to enter the effective optical path 20 and covers a part of the opening 22 (FIG. 11B).
[0083]
At this time, the GH multiplex cell 10 is in a state of not absorbing light (the incident light is slightly attenuated by the GH multiplex cell 10 due to thermal fluctuation, surface reflection, or the like). Therefore, the light that has passed through the polarizing plate 11 and the light that has passed through the opening 22 have substantially the same intensity distribution.
[0084]
After that, the polarizing plate 11 completely covers the opening 22 (FIG. 11C). Further, when the brightness of the subject increases, the voltage applied to the GH multiplex cell 10 is increased, and the light is adjusted by absorbing the light in the GH multiplex cell 10.
[0085]
On the contrary, when the subject becomes dark, first, the voltage applied to the GH multiplex cell 10 is reduced or the voltage is not applied to reduce the light absorption effect of the GH multiplex cell 10, Or nothing. Further, when the subject becomes dark, the iris blade 18 is moved downward and the iris blade 19 is moved upward by driving the motor with a motor (not shown). Thus, the polarizing plate 11 is moved out of the effective optical path 20 (FIG. 11A).
[0086]
According to this method, as shown in FIGS. 10 and 11, when it is desired to increase the transmittance, the polarizing plate 11 (light transmittance, for example, 40% to 50%) is taken out of the effective optical path 20 of light. Therefore, the amount of incident light does not decrease due to the polarizing plate 11. Accordingly, when comparing the dimmer 23 with a conventional dimmer in which the polarizing plate is always placed in the effective optical path 20 of light, the maximum light transmittance is improved, for example, about twice. Note that the minimum light transmittance is the same for both.
[0087]
In addition, since the polarizing plate 11 is moved in and out using a mechanical iris that has been put to practical use in digital still cameras and the like, the light control device can be easily implemented. In addition, since the GH multiplex cell 10 is used, light control can be performed by controlling the light transmittance of the GH multiplex cell 10 in addition to the light control by the polarizing plate 11.
[0088]
In this manner, the light control device 23 can increase the contrast ratio between light and dark and can maintain the light amount distribution substantially uniform.
[0089]
【Example】
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Example 1
The GH multiplex cell 10 including the two GH cells 10a and 10b having the same cell gap as shown in FIG. 1 was manufactured and incorporated in the light control device.
[0090]
As shown in FIG. 10, the light control device includes a GH multiplex cell 10 and a polarizing plate 11. Then, in the GH multiplex cell 10, as shown in cross sections in FIGS. 1 and 2 (a), the three glass substrates 1a, 1b and 1c, which are provided to face each other at equal intervals, respectively, The transparent electrodes 6a to 6d and the alignment films 7a to 7d are formed, and a negative type liquid crystal molecule 3 as a host material and a positive type as a guest material are provided in two gaps formed by two sets of opposed substrates. Mixture 2 with dichroic dye molecules 4 was encapsulated.
[0091]
Negative liquid crystal molecules 3 having a negative dielectric anisotropy include MLC-6608 manufactured by Merck, and a positive dye dichroism having anisotropy in light absorption and absorbing light in a molecular long axis direction. As the dye molecule 4, D5 manufactured by BDH was used as an example.
[0092]
Here, in the first GH cell 10c arranged on the light incident side, the liquid crystal molecules 3 contained in the first GH cell 10c are oriented such that the vibration direction of the light passing through the polarizing plate 11 is applied when a voltage is applied (during a light-shielding operation). It was configured to match the orientation.
[0093]
Then, as shown in FIG. 10, the light control device 23 is disposed between a front lens group 15 and a rear lens group 16 including a plurality of lenses such as a zoom lens. The light transmitted through the front lens group 15 is linearly polarized through the polarizing plate 11 and then enters the GH multiplex cell 10. The light modulated by the GH multiplex cell 10 is condensed by the rear lens group 16 and projected on the imaging surface 17 as an image.
[0094]
The polarizing plate 11 constituting the light control device 23 is moved into and out of an effective optical path of light incident on a plurality of GH cells 10 as previously proposed by the present applicant (Japanese Patent Laid-Open No. 11-326894). It is possible.
[0095]
Specifically, by moving the polarizing plate 11 to a position indicated by a virtual line, the light can be emitted out of the effective optical path. As a means for taking the polarizing plate 11 in and out, a mechanical iris as shown in FIG. 11 may be used.
[0096]
Here, as shown in schematic plan views in FIGS. 7 and 8A, the GH multiplex cell 10 includes, for example, both sides of a glass substrate 1b having a thickness of 0.5 mm and a glass substrate 1a having a thickness of 0.5 mm. And 1c are formed with transparent electrode patterns 6a, 6b, 6c and 6d and alignment films 7a, 7b, 7c and 7d, respectively, and are formed only on the alignment films 7a and 7d on the glass substrates 1a and 1c. Rubbing treatment was performed (single-side rubbing). Here, the rubbing directions of the alignment films 7a and 7d were orthogonalized so that the liquid crystal molecules in the first GH cell 10a and the second GH cell 10b were orthogonal to each other during the light-shielding operation (when operating voltage was applied).
[0097]
Further, on both surfaces of the glass substrate 1b, lead portions 31b and 31c for the transparent electrodes 6b and 6c are provided, respectively, and the transparent electrodes 6a and 6d of the glass substrates 1a and 1c extend outside the effective optical path 20, and They were electrically connected to the electrode lead portions 31b and 31c provided on the substrate 1b, respectively. The first GH cell 10a and the second GH cell 10b were connected to drive power supplies 34a and 34b, respectively.
[0098]
Here, the GH multiplex cell 10 is manufactured by, for example, forming a glass substrate having a diameter of 3.0 μm on the cell peripheral portion 32 of the glass substrates 1 a and 1 c having a thickness of 0.5 mm on which the transparent electrode pattern and the alignment film described above are formed in advance. After applying a sealing material 8 made of a thermosetting epoxy resin containing a fiber at a predetermined width, the three glass substrates 1a, 1b and 1c are aligned and stacked, and then a hot press plate Under moderate conditions (for example, 150 to 170 ° C., 1 to 2 kg / cm2), Heat treatment is performed while applying pressure to cure the sealing material 8 in the cell peripheral portion 32, complete the bonding of the substrates, and complete a liquid crystal cell having a two-layer structure (FIGS. 1 and 2 (a)). )).
[0099]
At this time, a transparent electrode pattern provided with a lead electrode portion was formed on both surfaces of the intermediate glass substrate among the three glass substrates to be superposed (FIGS. 1 and 7B).
[0100]
When the cell gap of an empty cell having a two-layer structure obtained by singulating (scribing and breaking) the bonded substrate was measured by a measuring device utilizing light interference, the first GH cell 10a and the second GH cell were measured. The gap at the center of the cell in 10b was about 2.2 μm, and the gap at the periphery of the cell was about 2.8 μm. Note that the thickness of the liquid crystal layer as a whole of the GH multiplex cell 10 was about 5 μm.
[0101]
The empty first GH cell 10a and the second GH cell 10b thus prepared are filled with a negative liquid crystal molecule MLC-6608 (manufactured by Merck) and a positive dichroic dye molecule D5 (manufactured by BDH). Liquid crystal mixture 2 was sealed. Then, a rectangular wave-shaped operating voltage is applied to the electrode lead portions 31b and 31c provided on the intermediate glass substrate 1b, so that an appropriate effective voltage is applied to the liquid crystal molecules of each cell. The change in transmittance was measured. The results are shown in FIGS.
[0102]
As shown in FIG. 6, the average light transmittance of visible light (in air) decreased from the maximum transmittance of about 73% to the minimum transmittance of about 2% with an increase in the applied operating voltage. The GH multiplex cell 10 almost reached the minimum transmittance when a pulse voltage of ± 5 V (1 kHz) or more was applied, although it differs depending on the liquid crystal cell structure and constituent materials used.
[0103]
As described above, in the present example, the thickness of the liquid crystal layer as a whole of the GH multiplex cell 10 was about 5 μm. Therefore, as a comparative example, a single GH cell based on the invention of the prior application was formed in which two glass substrates were provided to face each other with a cell gap of 5 μm, and the same liquid crystal mixture as in this example was sealed. In the same manner as in this example, a change in light transmittance when an operating voltage was applied was measured. The results are also shown in FIGS.
[0104]
Comparing this example with the comparative example, the minimum transmittance at the time of shading in this example was reduced to less than half of that of the comparative example, though the effective liquid crystal layer thickness was 5 μm. As a result, the dynamic range of the dimming operation could be greatly expanded.
[0105]
This is because the number of interfaces where materials having different refractive indices are in contact with each other is increased in the structure of the GH cell, and the interface reflection there reduces the amount of transmitted light as a whole. The main factor is that the number has increased on the optical path.
[0106]
Regarding the transient response time when the operating pulse voltage applied to the cell was changed, the single GH cell having a cell gap of 5 μm had a response time exceeding 100 ms when driven in halftone, High-speed operation of 20 ms or less has become possible. This realizes high-speed driving equivalent to that of a GH cell having a cell gap of about 2.5 μm and a half cell gap, although the total thickness of the liquid crystal layer is 5 μm.
[0107]
As described above, in the present embodiment, a dimming device that can achieve both the securing of a large optical density ratio and the realization of a quick transient response operation, which could not be realized conventionally, could be realized.
[0108]
In the present embodiment, the cell gaps of the first GH cell 10a and the second GH cell are each about 2.2 μm (central part) to about 2.8 μm (peripheral part) (the thickness of the liquid crystal layer as a whole is about 5 μm). And As a result, it has become possible to perform a high-speed response operation as a light control device while sufficiently ensuring a difference in light transmittance (optical density ratio) between a transparent state and a light-shielded state.
[0109]
Here, the GH multiplex cell in which the thickness of the liquid crystal layer as a whole is less than 2 μm (the cell gap of each cell is less than 1 μm) is manufactured by changing the manufacturing conditions of the cell, and the transient response speed is further increased. However, the light transmittance is increased as a whole, and the degree of increase in the light transmittance particularly when the light is shielded is so large that a sufficient optical density ratio required for the light control device may not be achieved. In addition, the variation in the gap within the cell was increased, and as the cell gap was reduced, the manufacturing yield was reduced.
[0110]
On the other hand, when the GH multiplex cell in which the thickness of the liquid crystal layer as a whole exceeds 6 μm (the cell gap of each cell exceeds 3 μm) was manufactured by changing the manufacturing conditions of the cell, the transmittance at the time of shading was suppressed low. However, the transmittance in a transparent state is greatly reduced, and a practical optical density ratio cannot be obtained in some cases. In addition, the transient response speed (especially, the response speed in halftone driving) may start to decrease, and the merit of the present embodiment does not appear much.
[0111]
Therefore, a guest-host type liquid crystal cell using a negative type liquid crystal molecule and a dichroic dye molecule is constituted by, for example, a GH multiplex cell composed of two GH cells, and a ratio of light transmittance between a transparent state and a light-shielded state (optical In order to realize a light control device capable of performing a high-speed response operation as a light control device while ensuring a sufficient concentration ratio, the cell gap of each GH cell should be 1 to 3 μm (the total cell gap should be 2 to 2 μm). 6 μm).
[0112]
Example 2
In the present embodiment, in the production of a GH multiplex cell composed of two GH cells, plastic balls having different diameters are arranged between the opposed substrates as spacers 9 in respective liquid crystal layers, and two GH cells having different cell gaps are provided. This is an example in which a GH multiplex cell 10 including 10c and 10d is formed. This embodiment is the same as the first embodiment except that a plastic ball is used as the spacer 9 and the cell gap of the two GH cells is different. Therefore, the description will be made with emphasis on the difference to avoid duplication.
[0113]
As in the first embodiment, the dimmer of the present embodiment includes a GH multiplex cell 10 including two GH cells and a polarizing plate 11, as shown in FIG. Then, in the GH multiplex cell 10, as shown in the cross section in FIG. 3, the transparent electrodes 6a to 6d are respectively provided on the opposing surfaces of the three glass substrates 1a, 1b and 1c provided to face each other at different intervals. And alignment films 7a to 7d are formed. Negative liquid crystal molecules 3 serving as a host material and positive dichroic dye molecules 4 serving as a guest material are provided in two gaps formed by two sets of opposed substrates. Mixture 2 was sealed.
[0114]
Negative liquid crystal molecules 3 having a negative dielectric anisotropy include MLC-6608 manufactured by Merck, and a positive dye dichroism having anisotropy in light absorption and absorbing light in a molecular long axis direction. As the dye molecule 4, D5 manufactured by BDH was used as an example.
[0115]
Here, in the first GH cell 10c arranged on the light incident side, the liquid crystal molecules 3 contained in the first GH cell 10c are oriented such that the vibration direction of the light passing through the polarizing plate 11 is applied when a voltage is applied (during a light-shielding operation). It was configured to match the orientation.
[0116]
Then, as shown in FIG. 10, the light control device 23 is disposed between a front lens group 15 and a rear lens group 16 including a plurality of lenses such as a zoom lens. The light transmitted through the front lens group 15 is linearly polarized through the polarizing plate 11, and then enters the GH multiplex cell 10. The light modulated by the GH multiplex cell 10 is condensed by the lens rear group 16 and is projected on the imaging surface 17 as an image.
[0117]
The polarizing plate 11 constituting the light control device 23 can be moved in and out of an effective optical path of light incident on the plurality of GH cells 10.
[0118]
Here, the GH multiplex cell 10 was produced using glass substrates 1a, 1b and 1c having a thickness of 0.5 mm as an example, as schematically shown in plan views in FIGS. 7 and 8 (a). At this time, rubbing treatment was performed only on the alignment films 7a and 7d on the glass substrates 1a and 1c (single-side rubbing). Here, in the first GH cell 10c and the second GH cell 10d, the rubbing directions in the alignment films 7a and 7d were orthogonalized so that the alignment directions of the liquid crystal molecules when the operating voltage was applied were orthogonal.
[0119]
Further, on both surfaces of the glass substrate 1b, lead portions 31b and 31c for the transparent electrodes 6b and 6c are provided, respectively, and the transparent electrodes 6a and 6d of the glass substrates 1a and 1c extend outside the effective optical path 20, and They were electrically connected to the electrode lead portions 31b and 31c provided on the substrate 1b, respectively. The first GH cell 10c and the second GH cell 10d were connected to driving power supplies 34c and 34d, respectively.
[0120]
Here, the GH multiplex cell 10 is manufactured by forming one of the two cells formed by the glass substrates 1a, 1b, and 1c having a thickness of 0.5 mm on which the transparent electrode pattern and the alignment film described above are formed in advance. A sealing material 8 made of a thermosetting epoxy resin containing glass fiber having a diameter of 2.5 μm as an example is applied with a predetermined width to the peripheral portion 32 of the glass substrate constituting As an example, a plastic ball having a diameter of 2.0 μm is evenly spread on the other substrate, and a glass fiber having a diameter of 3.5 μm is contained, for example, around the glass substrate constituting the other cell. A sealing material 8 made of a thermosetting epoxy resin is applied with a predetermined width, and is applied on the same substrate or the other opposing substrate, for example, with a 3.0 μm diameter plus. After uniformly spreading the ball, the three glass substrates 1a, 1b, and 1c are aligned and stacked, and then heat-treated while applying pressure under appropriate conditions using a hot press plate to seal the peripheral portion. The material 8 was cured to produce a liquid crystal multiplex cell composed of two GH cells having different cell gaps (FIG. 2B).
[0121]
Here, the above-mentioned plastic balls are scattered on the substrate from above using a known method, and approximately 100 to 300 pieces / mm.2It was arranged almost uniformly over the entire surface of the glass substrate at a certain density.
[0122]
When the cell gap of an empty cell having a two-layer structure obtained by singulating (scribing and breaking) the bonded substrate was measured by a measuring device utilizing light interference, one of the cells was located at the center. The gap is finished to an average of about 1.9 μm, the gap around the cell is about 2.2 μm on the average, and the other cell has an average gap of about 2.9 μm at the center and an average of about 3.9 μm at the cell periphery. It was finished to 2 μm (total cell gap is about 5 μm).
[0123]
Further, the arrangement of the spacer 9 was able to reduce the variation of each cell gap which affects the dimming characteristics in the GH cell as compared with the first embodiment.
[0124]
The GH cell 12 having the larger cell gap (approximately 3 μm) of the two cells was arranged such that the light absorption axis when voltage was applied was orthogonal to the light absorption axis of the polarizing plate 11.
[0125]
The empty first GH cell 10c and the second GH cell 10d prepared in this manner are filled with a negative liquid crystal molecule MLC-6608 (manufactured by Merck) and a positive dichroic dye molecule D5 (manufactured by BDH). Liquid crystal mixture 2 was sealed. Then, a rectangular wave-shaped operating voltage is applied to the electrode lead portions 31b and 31c provided on the intermediate glass substrate 1b, so that an appropriate effective voltage is applied to the liquid crystal molecules of each cell. The change in transmittance was measured. This result almost coincided with the result of Example 1 previously shown in FIGS. 5 and 6 (for this reason, the illustration of Example 2 is omitted). Example 1 and Example 2 exhibited almost the same characteristics when the two cells were driven so that the same effective voltage was applied to the two liquid crystal layers as a whole.
[0126]
As shown in FIG. 6, as the applied operating voltage increased, the average light transmittance of visible light (in air) decreased from the maximum transmittance of about 73% to the minimum transmittance of about 2%. The GH multiplex cell 10 almost reached the minimum transmittance when a pulse voltage of ± 5 V (1 kHz) or more was applied, although it differs depending on the liquid crystal cell structure and constituent materials used.
[0127]
Comparing this example with the comparative example, the minimum transmittance at the time of shading in this example was reduced to less than half of that of the comparative example, though the effective liquid crystal layer thickness was 5 μm. As a result, the dynamic range of the dimming operation could be greatly expanded.
[0128]
This is because the number of interfaces where materials having different refractive indices are in contact with each other is increased in the structure of the GH cell, and the interface reflection there reduces the amount of transmitted light as a whole. The main factor is that the number has increased on the optical path.
[0129]
Also in the present embodiment, a high-speed operation of 20 ms or less was possible with respect to the transient response time when the operation pulse voltage applied to the cell was changed.
[0130]
As described above, in the present embodiment, a dimming device that can achieve both the securing of a large optical density ratio and the realization of a quick transient response operation, which could not be realized conventionally, could be realized.
[0131]
In the present embodiment, as an example of the method of disposing the spacers, the example of spraying from above was shown. The present invention is not limited to the spherical shape as shown, but may be realized by supplying a columnar spacer by printing or lithography as shown in FIG. 2C.
[0132]
Furthermore, in the present embodiment, by configuring two GH cells with different cell gaps, it is possible to perform various dimming operations that are more varied than the first embodiment in which two GH cells are configured with the same cell gap. Become.
[0133]
In expectation of the same effect, as shown in FIG. 4, it is possible to configure a GH multiplex cell with two GH cells having different concentrations of dichroic dye molecules (dye molecules) as guest materials. . In this case, a cell having a high dye concentration corresponds to a cell having a large cell gap in the second embodiment, and a cell having a low dye concentration corresponds to a cell having a small cell gap in the second embodiment. And the relationship between the polarizer and the GH multiplex cell can be handled in the same manner.
[0134]
Example 3
FIG. 12 shows an example in which the light control device 23 according to the present embodiment is incorporated in a CCD (Charge Coupled Device) camera.
[0135]
That is, in the CCD camera 50, a first group lens 51 and a second group lens (for zoom) 52 corresponding to the front lens group 15 and a third group lens corresponding to the rear lens group 16 along an optical axis indicated by a chain line. 53 and a fourth group lens (for focusing) 54 and a CCD package 55 are arranged in this order at appropriate intervals, and the CCD package 55 includes an infrared cut filter 55a, an optical low-pass filter system 55b, and a CCD image sensor 55c. Is stored. Between the second group lens 52 and the third group lens 53, the light control device 23 including the plurality of GH cells 10 and the polarizing plate 11 according to the above-described present invention adjusts the light amount (light amount stop) near the third group lens 53. For the same optical path. The fourth lens group 54 for focusing is disposed so as to be movable between the third lens group 53 and the CCD package 55 along the optical path by a linear motor 57, and the second lens group 52 for zooming is disposed in the optical path. Along the first lens group 51 and the light control device 23, the first lens unit 51 and the light control device 23 are disposed so as to be movable.
[0136]
As described above, the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, but the present invention is not limited to these examples at all, and the above-described examples can be variously modified based on the technical idea of the present invention. It goes without saying that the sample structure, the materials used, the driving method of the liquid crystal cell, the form of the light control device, and the like can be appropriately selected without departing from the gist of the invention.
[0137]
For example, in this embodiment, an example in which pulse voltage modulation (PHM) is used as a driving method of a liquid crystal cell has been described, but the present invention can be applied to a case where driving is performed by pulse width modulation (PWM).
[0138]
Further, the light control device of the present invention can be widely applied to various optical systems, for example, for adjusting the light amount of an electrophotographic copying machine or an optical communication device, in addition to the optical diaphragm of the imaging device such as the CCD camera described above. is there.
[0139]
Further, the light control device of the present invention can be applied to various image display elements for displaying characters and images, in addition to the optical filters.
[0140]
Although an example in which three glass substrates are used as substrates has been described, the light control device according to the present invention may have a configuration in which a plurality of liquid crystal optical elements are sequentially arranged along an optical path, and the number of substrates is limited to three. I can't. In particular, it is preferable that an intermediate substrate constituting a plurality of liquid crystal optical elements is shared.
[0141]
In addition, although an example in which the intermediate substrate is not subjected to the alignment process and the alignment process is performed only on the substrate disposed on the outside (one-side rubbing), the intermediate substrate is also subjected to the oblique deposition method or the like. It is of course possible to perform an orientation treatment.
[0142]
Operation and Effect of the Invention
According to the light control device and the imaging device of the present invention, a plurality of liquid crystal optical elements each having the function of the light control device are sequentially arranged along the optical path. In addition to achieving a high response speed required for the light control device by keeping the thickness (cell gap) of the liquid crystal device small, a sufficient liquid crystal layer thickness is secured in a plurality of liquid crystal optical elements as a whole, and a sufficiently large optical density ratio ( Contrast ratio) can be achieved.
[0143]
In addition, since at least two liquid crystal alignment directions of the plurality of liquid crystal optical elements intersect each other, polarized light that is not absorbed by one of the two liquid crystal optical elements having different liquid crystal alignment directions is the other. As a result, the light-shielding performance during light-shielding is significantly improved, and the optical density ratio is greatly improved.
[0144]
Further, it is possible to use one of the liquid crystal optical elements having different liquid crystal orientation directions as a substitute for a polarizing plate, and to configure a light control device without using a polarizing plate without deteriorating the light blocking performance. This dimmer has no loss due to the polarizing plate, so that the amount of light transmission when transparent is greatly improved.
[0145]
Therefore, the present invention is extremely effective for improving the performance, image quality, and reliability of a light control device and an imaging device using a liquid crystal optical element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an operation principle of a GH multiplex cell constituting a dimming device according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of a GH multiplex cell constituting the dimming device.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the operation principle of another GH multiplex cell constituting the dimming device.
FIG. 4 is a schematic sectional view showing the operation principle of still another GH multiplex cell constituting the dimming device.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the light transmittance and the wavelength of the GH multiplex cell of Example 1 according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the light transmittance and the applied voltage in the GH multiplex cell of Example 1 according to the present invention and the GH cell according to the prior invention;
FIG. 7 is a schematic plan view of each substrate constituting a GH multiplex cell of the light control device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic plan view (a) of the first or second GH cell of the GH multiplex cell of the light control device, and a schematic cross-sectional view (b) of the XX line.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view taken along line AA of a first GH cell of the GH multiplex cell of the light control device.
FIG. 10 is a schematic side view of an imaging device using a light control device including GH multiplex cells.
FIGS. 11A and 11B are a front view of a mechanical iris having a polarizing plate attached thereto and partially enlarged views (a) to (c) showing a dimming operation near an effective optical path.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a camera system incorporating a dimming device including GH multiplex cells according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram showing the operating principle of a light control device using a GH cell based on the prior invention (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-201769).
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the light transmittance and the cell gap of the light control device using the GH cell.
FIG. 15 is a graph showing a relationship between a response time and a cell gap of a light control device using a GH cell.
FIG. 16 is a schematic explanatory view showing the operation principle of a light control device using a conventional GH cell.
[Explanation of symbols]
1a, 1b, 1c: a transparent substrate such as a glass substrate, 2, 2e, 2f: a liquid crystal mixture,
3 ... negative liquid crystal molecules, 4 ... positive dichroic dye molecules, 5 ... incident light,
6a, 6b, 6c, 6d: transparent electrode, 7a, 7b, 7c, 7d: alignment film,
8: sealing material, 9: spacer, 10: GH multiplex cell, 10a: first GH cell,
10b: second GH cell, 11: polarizing plate,
12A: GH liquid crystal cell of positive liquid crystal molecules,
12B: GH liquid crystal cell of negative liquid crystal molecules, 13A: Positive liquid crystal molecules,
13B: negative type liquid crystal molecule, 14: positive type dye (dichroic dye molecule),
15: front lens group, 16: rear lens group, 17: imaging surface,
18, 19: iris blade, 20: effective optical path (center of cell),
21: moving direction of iris, 22: opening, 23: dimmer,
31b, 31c ... electrode lead-out part, 32 ... cell peripheral part,
33 ... Carbon paste,
34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f ... power supply,
50: CCD camera, 51: 1 group lens, 52: 2 group lens (for zoom),
53 ... 3 group lens, 54 ... 4 group lens (for focus),
55: CCD package, 55a: infrared cut filter,
55b: Optical low-pass filter (LPF), 55c: CCD image sensor,
57… Linear motor

Claims (13)

複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置され、前記複数の液晶光学素子がそれぞれ、ホスト材料とゲスト材料との混合物からなる液晶層を有する調光装置であって、前記複数の液晶光学素子の少なくとも2つにおける、遮光動作時の液晶配向方位が互いに交差している、調光装置。A plurality of liquid crystal optical elements sequentially arranged along an optical path, wherein each of the plurality of liquid crystal optical elements has a liquid crystal layer made of a mixture of a host material and a guest material; In at least two of the above, the liquid crystal alignment directions at the time of the light shielding operation cross each other. 前記ホスト材料がポジ型又はネガ型の液晶分子であり、前記ゲスト材料がポジ型の二色性染料分子である、請求項1に記載した調光装置。The light control device according to claim 1, wherein the host material is a positive or negative liquid crystal molecule, and the guest material is a positive dichroic dye molecule. 少なくとも有効光路における前記複数の液晶光学素子の各セルギャップがそれぞれ1〜3μmに制御されている、請求項1に記載した調光装置。2. The light control device according to claim 1, wherein at least each cell gap of the plurality of liquid crystal optical elements in the effective optical path is controlled to 1 to 3 μm. 前記複数の液晶光学素子の少なくとも2つは、少なくとも有効光路におけるセルギャップが互いに異なる大きさに制御されている、請求項1に記載した調光装置。2. The light control device according to claim 1, wherein at least two of the plurality of liquid crystal optical elements are controlled such that at least cell gaps in an effective optical path are different from each other. 前記セルギャップが大きい方の液晶光学素子が光入射側に配されている、請求項5に記載した調光装置。The light control device according to claim 5, wherein the liquid crystal optical element having the larger cell gap is arranged on the light incident side. 前記複数の液晶光学素子の少なくとも2つは、前記ゲスト材料の濃度が互いに異なっている、請求項1に記載した調光装置。The light control device according to claim 1, wherein at least two of the plurality of liquid crystal optical elements have different concentrations of the guest material. 前記ゲスト材料の濃度が大きい方の液晶光学素子が光入射側に配されている、請求項7に記載した調光装置。The light control device according to claim 7, wherein the liquid crystal optical element having the higher concentration of the guest material is disposed on the light incident side. 光入射側に偏光板が配され、前記偏光板を透過する光の振動方向と、前記複数の液晶光学素子のうち光入射側の液晶光学素子において、前記ゲスト材料によって吸収される光の振動方向とが略一致している、請求項5又は7に記載した調光装置。A polarizing plate is disposed on the light incident side, and a vibration direction of light transmitted through the polarizing plate and a vibration direction of light absorbed by the guest material in the liquid crystal optical element on the light incident side of the plurality of liquid crystal optical elements. 8. The light control device according to claim 5, wherein 前記複数の液晶光学素子を構成する各基板のうち、外側に位置する基板に液晶配向処理が施されている、請求項1に記載した調光装置。2. The light control device according to claim 1, wherein a liquid crystal alignment process is performed on an outer substrate among the substrates constituting the plurality of liquid crystal optical elements. 3. 前記複数の液晶光学素子を構成する中間基板が共用されている、請求項1に記載した調光装置。The light control device according to claim 1, wherein an intermediate substrate constituting the plurality of liquid crystal optical elements is shared. 各液晶光学素子の電極引き出し部が前記中間基板の周辺部に設けられている、請求項12に記載した調光装置。13. The light control device according to claim 12, wherein an electrode lead portion of each liquid crystal optical element is provided at a peripheral portion of the intermediate substrate. 前記複数の液晶光学素子を構成する各基板の厚みが、それぞれ0.5mm以下である、請求項1に記載した調光装置。2. The light control device according to claim 1, wherein each of the substrates constituting the plurality of liquid crystal optical elements has a thickness of 0.5 mm or less. 3. 請求項1〜12のいずれか1項に記載した調光装置が撮像系の光路中に配されている、撮像装置。An imaging device, wherein the light control device according to claim 1 is arranged in an optical path of an imaging system.
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