JP2008089782A - Liquid crystal optical element, its manufacturing method, and strobe unit using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶光学素子及びその製造方法並びにそれを使用したストロボ装置に関する。 The present invention relates to a liquid crystal optical element, a manufacturing method thereof, and a strobe device using the same.
従来のストロボ装置は、主に光源となるXe管、Xe管からの発せられた光を照射方向に向けるリフレクタおよびリフレクタからの光を集光するレンズ等で構成されている。そのうち、レンズには通常、光量、配光等の所定の光学特性を得るためにフレネル等のカットが施されている。 A conventional strobe device mainly includes an Xe tube serving as a light source, a reflector for directing light emitted from the Xe tube in an irradiation direction, a lens for condensing light from the reflector, and the like. Among them, the lens is usually cut with Fresnel or the like in order to obtain predetermined optical characteristics such as light quantity and light distribution.
また、ストロボ装置の照射範囲を制御するためには、光源の光軸方向にレンズを動かして光源とレンズとの相対距離を変え、それによってレンズを介して出射される光束を平行光束〜発散光束の範囲で調整するようなメカ機構のものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。 In addition, in order to control the irradiation range of the strobe device, the relative distance between the light source and the lens is changed by moving the lens in the optical axis direction of the light source, so that the light beam emitted through the lens is changed from a parallel light beam to a divergent light beam. A mechanical mechanism that adjusts within the above range is known (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、特に、DSC(デジタルスチルカメラ)等の小型化が進むカメラ製品の内蔵ストロボにおいては機械的可動領域を設けるような容積増加に対しては承認さないことが多く、そのため配光制御にメカ機構を採用することは極めて困難なことである。 However, in particular, in a built-in strobe of a camera product such as a DSC (digital still camera) that is becoming smaller in size, it is often not approved for an increase in volume that provides a mechanically movable region. It is extremely difficult to adopt a mechanism.
また、DSCを含むコンパクトカメラに採用されている内蔵ストロボは、一般的に左右方向の開口幅が広いために適切なリフレクタ設計を行なうことによって上下方向に対する所望の配光特性を得ることが可能となる。 In addition, built-in strobes used in compact cameras including DSCs generally have a wide opening width in the left-right direction, so that it is possible to obtain desired light distribution characteristics in the vertical direction by designing an appropriate reflector. Become.
一方、左右方向の配光特性については、上下方向の開口幅が狭いためにリフレクタ設計で所望の配光を得る余地が制約され、光源からの直射光に依存せざるを得ない状況にある。このことは、開口の左右方向の幅を縮小できない理由ともなっており、カメラ製品の設計の自由度を低下させる要因ともなるものである。 On the other hand, with respect to the light distribution characteristics in the left-right direction, since the opening width in the up-down direction is narrow, the room for obtaining the desired light distribution is limited by the reflector design, and the light distribution characteristics have to depend on the direct light from the light source. This is also the reason why the width of the opening in the left-right direction cannot be reduced, and also causes a reduction in the degree of freedom in designing camera products.
ストロボの照射範囲の制御方法には、拡散度の異なる複数の拡散板を適宜交換自在に支持できるような構造も考えられる。 As a method for controlling the irradiation range of the strobe, a structure in which a plurality of diffuser plates having different diffusivities can be appropriately exchanged is conceivable.
その場合、外付ストロボは内蔵ストロボに比べて一般的に大型で光出力が大きいために、比較的拡散度の大きい拡散板によって撮影範囲よりも広い範囲を照明する手法が採用されることがある。但し、この手法は拡散板の交換作業に時間がかかるためにシャッターチャンスを逃す可能性があると共に、近くの主被写体と遠くの背景を一様な拡散板を介して照明するために主被写体と背景の夫々における照射光量に差が生じ、目的にそぐわない写真となってしまう。 In that case, the external strobe is generally larger than the built-in strobe and has a larger light output, so a method of illuminating a wider range than the photographing range with a diffuser plate having a relatively high diffusivity may be adopted. . However, since this method takes time to replace the diffuser, there is a possibility of missing a photo opportunity, and in order to illuminate a nearby main subject and a distant background through a uniform diffuser, A difference occurs in the amount of irradiation light in each of the backgrounds, resulting in an unsuitable photograph.
コンパクトカメラの内蔵ストロボは、実装容積、消費電力等の制約から外付大型ストロボのような実装構造、操作方法を採用することは不可能である。そこで、メカ機構を用いない配光制御技術として、以下に示すようなものがある。 The built-in strobe of a compact camera cannot adopt a mounting structure and operation method like an external large strobe because of restrictions on mounting volume and power consumption. Therefore, there are the following light distribution control techniques that do not use a mechanical mechanism.
それは、ストロボと被写体の間に液晶高分子層をマトリックス駆動するストロボ拡散板を配置し、該ストロボ拡散板に強弱の電圧を印加することによって透明状態から拡散状態までを無段階に制御する。それによって、撮影範囲内の多くの照射光量が必要な部分には透過状態、少ない照射光量で十分な部分には拡散状態を夫々選択して、良好な照射光量分布を実現するものである(例えば、特許文献2参照。)。
ところで、従来の、液晶光学素子を使用したストロボ装置には以下のような問題があった。それは、
(1)従来の液晶光学素子は、そのほとんどがガラス基板上に形成された凹凸形状を有する膜(凹凸膜)の上に液晶分子の配列を促す為の配向膜を形成し、配向膜上にラビング等による配向処理を施して一軸配向性の配向処理膜を得る構造のものであった。この場合、配向膜形成には高温加熱工程(180〜260℃、1〜2時間)が必要であり、そのため凹凸膜の材料に耐熱性を持たせる必要があることから材料選択の自由度に制約が加わることになる。また、微細な凹凸形状の上に均一な配向処理を施すことは非常に困難であり、配向不良等の問題を発生する恐れがあった。
(2)従来の液晶光学素子は、そのほとんどが偏光系であり、構成部材に偏光板を用いる、あるいは光源に偏光系のレーザ等を用いる必要があった。そのため、偏光板を用いた場合は光の利用効率が低下し、液晶光学素子の信頼性を損なう等の問題があり、偏光系のレーザを用いた場合はレーザ自体が高額である等の理由で用途が限定される問題があった。
(3)従来の液晶光学素子は、そのほとんどが凹凸膜の上にITO等からなる透明電極を形成する必要があった。この場合、ITO膜形成時の熱やプラズマの影響で凹凸膜がダメージを受けて形状や透過率に悪影響を及ぼすことがあった。この問題を回避するために低温でITO膜を形成すると透明電極の透過率(特に、短波長領域)が悪化するという問題が生じる。ITO膜の透過率を重視すると少なくとも300℃以上の熱処理が必要である。また、ITO膜をパターニングする場合、ITOのエッチング液によってITO膜の下に位置する凹凸膜がダメージを受けることがあった。そこで、この問題を回避するためにITO膜の上に凹凸膜を形成することが考えられるが、この場合は凹凸膜のために液晶層にかかる電圧が場所によって異なる現象が生じると共に、必要な印加電圧も高くなるといった問題があり、均一な光の制御状態が要求されるような用途においてはこのような構成は採用できなかった。
By the way, the conventional flash device using the liquid crystal optical element has the following problems. that is,
(1) Most of conventional liquid crystal optical elements are formed on an alignment film for promoting alignment of liquid crystal molecules on an uneven film (uneven film) formed on a glass substrate. The film had a structure in which a uniaxially oriented alignment film was obtained by performing an alignment process such as rubbing. In this case, the formation of the alignment film requires a high-temperature heating process (180 to 260 ° C., 1 to 2 hours), and therefore the material of the concavo-convex film needs to have heat resistance, so the degree of freedom in material selection is limited. Will be added. Moreover, it is very difficult to perform a uniform alignment treatment on the fine uneven shape, which may cause problems such as alignment failure.
(2) Most conventional liquid crystal optical elements are polarizing systems, and it is necessary to use a polarizing plate as a constituent member or a polarizing laser or the like as a light source. Therefore, when using a polarizing plate, there is a problem that the light use efficiency is reduced and the reliability of the liquid crystal optical element is impaired. When a polarizing laser is used, the laser itself is expensive. There was a problem that the application was limited.
(3) Most of conventional liquid crystal optical elements need to form a transparent electrode made of ITO or the like on an uneven film. In this case, the concavo-convex film may be damaged due to the influence of heat or plasma during the formation of the ITO film, and the shape and transmittance may be adversely affected. If an ITO film is formed at a low temperature to avoid this problem, there arises a problem that the transmittance (particularly, the short wavelength region) of the transparent electrode is deteriorated. If importance is attached to the transmittance of the ITO film, a heat treatment of at least 300 ° C. is required. Further, when patterning the ITO film, the uneven film located under the ITO film may be damaged by the ITO etching solution. In order to avoid this problem, it is conceivable to form a concavo-convex film on the ITO film. In this case, the voltage applied to the liquid crystal layer varies depending on the location due to the concavo-convex film, and the necessary application There is a problem that the voltage becomes high, and such a configuration cannot be employed in applications where a uniform light control state is required.
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、透過率が高く、且つ印加電圧を変えることによって透過光の広がりを連続的に制御することが可能な液晶光学素子を使用して、ハート状配光パターン(特に、上下方向の配光制御を強調した平面配光パターン)を有するストロボを実現するものである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to provide a liquid crystal that has high transmittance and can continuously control the spread of transmitted light by changing the applied voltage. An optical element is used to realize a strobe having a heart-shaped light distribution pattern (particularly, a planar light distribution pattern in which light distribution control in the vertical direction is emphasized).
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載された発明は、対向する面に透明電極が形成された一対の透明基板に液晶が挟持された液晶光学素子であって、前記透明基板のうち少なくとも一方の透明基板の前記液晶と接する面には対向する面に向かう複数の凹凸を有する透明膜が設けられていることを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 of the present invention is a liquid crystal optical element in which liquid crystal is sandwiched between a pair of transparent substrates having transparent electrodes formed on opposite surfaces, wherein the transparent A transparent film having a plurality of concavities and convexities facing the opposite surface is provided on the surface of at least one of the substrates that contacts the liquid crystal.
また、本発明の請求項2に記載された発明は、請求項1において、前記凹凸は断面形状が直角三角形でることを特徴とするものである。 The invention described in claim 2 of the present invention is characterized in that, in claim 1, the unevenness has a right triangle in cross-sectional shape.
また、本発明の請求項3に記載された発明は、請求項2において、前記直角三角形は該直角三角形の長辺が透過光の照射軸に対して角度を成していることを特徴とするものである。 The invention described in claim 3 of the present invention is characterized in that, in claim 2, the right triangle is formed such that the long side of the right triangle forms an angle with the irradiation axis of transmitted light. Is.
また、本発明の請求項4に記載された発明は、請求項2または3のいずれか1項において、前記直角三角形が10〜100μmのピッチで配置されていることを特徴とするものである。 The invention described in claim 4 of the present invention is characterized in that, in any one of claims 2 and 3, the right triangles are arranged at a pitch of 10 to 100 μm.
また、本発明の請求項5に記載された発明は、請求項1〜4のいずれか1項において、前記液晶を含む層はギャップコントロール材により間隔を保持されており、前記ギャップコントロール材の径は4.5〜100μmであることを特徴とするものである。 In addition, the invention described in claim 5 of the present invention is the liquid crystal containing layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the gap is maintained by a gap control material, and the diameter of the gap control material is Is 4.5 to 100 μm.
また、本発明の請求項6に記載された発明は、請求項2〜5のいずれか1項において、前記凹凸が線状の構造物であることを特徴とするものである。 Moreover, the invention described in claim 6 of the present invention is characterized in that, in any one of claims 2 to 5, the unevenness is a linear structure.
また、本発明の請求項7に記載された発明は、請求項6において、前記線状の構造物が、同心円状に形成されていることを特徴とするものである。 The invention described in claim 7 of the present invention is characterized in that, in claim 6, the linear structure is formed concentrically.
また、本発明の請求項8に記載された発明は、請求項1〜7のいずれか1項において、前記透明基板、前記透明膜および前記透明電極のいずれにも液晶配向処理が施されていないことを特徴とするものである。 In addition, in the invention described in claim 8 of the present invention, in any one of claims 1 to 7, any of the transparent substrate, the transparent film, and the transparent electrode is not subjected to liquid crystal alignment treatment. It is characterized by this.
また、本発明の請求項9に記載された発明は、透明基板に透明電極を形成し、前記透明基板の前記透明電極側にUV硬化樹脂を滴下し、前記UV硬化樹脂を滴下した透明基板を補強材上に載置し、前記透明基板の前記UV硬化樹脂滴下側に金型を当ててプレスを行い、前記透明基板の前記UV硬化樹脂滴下側の反対面側からUV照射を行なって前記UV硬化樹脂を硬化させる工程を有することを特徴とするものである。 According to the ninth aspect of the present invention, a transparent substrate is formed by forming a transparent electrode on a transparent substrate, dropping a UV curable resin on the transparent electrode side of the transparent substrate, and dropping the UV curable resin. It is placed on a reinforcing material, pressed by applying a mold to the UV curable resin dropping side of the transparent substrate, and subjected to UV irradiation from the opposite surface side of the UV curable resin dropping side of the transparent substrate. It has the process of hardening cured resin, It is characterized by the above-mentioned.
また、本発明の請求項10に記載された発明は、請求項1〜8のいずれか1項に記載の液晶光学素子と、光源と、反射部と、制御装置を備え、前記制御装置で前記液晶光学素子を制御することによって前記液晶光学素子の配光制御が行なわれることを特徴とするものである。 An invention described in claim 10 of the present invention includes the liquid crystal optical element according to any one of claims 1 to 8, a light source, a reflection unit, and a control device, wherein the control device Light distribution control of the liquid crystal optical element is performed by controlling the liquid crystal optical element.
また、本発明の請求項11に記載された発明は、請求項10において、前記液晶光学素子の制御によって照射範囲が広がり、且つ前記光源の光軸に垂直な面に照射したときに前記照射範囲の中心部と周縁部の照射強度が略同等となる配光と、前記照射範囲の中心部に前記照射光が集中する配光との間の任意の配光が得られることを特徴とするものである。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the tenth aspect, the irradiation range is expanded by controlling the liquid crystal optical element, and the irradiation range is irradiated when a surface perpendicular to the optical axis of the light source is irradiated. Arbitrary light distribution can be obtained between the light distribution in which the irradiation intensity of the central part and the peripheral part of the light source is substantially equal and the light distribution in which the irradiation light is concentrated in the central part of the irradiation range. It is.
また、本発明の請求項12に記載された発明は、請求項10または11のいずれか1項において、前記光源が、LED、特に砲弾型パッケージを有するLEDであることを特徴とするものである。 The invention described in claim 12 of the present invention is characterized in that, in any one of claims 10 and 11, the light source is an LED, particularly an LED having a shell-type package. .
本発明の液晶光学素子は、電圧を印加することによって液晶光学素子を透過する光の広がりを連続的に制御することが可能である。 The liquid crystal optical element of the present invention can continuously control the spread of light transmitted through the liquid crystal optical element by applying a voltage.
また、ストロボ装置にこのような液晶光学素子を使用することによって、機械的作動部がなくてもハート状配光パターン(特に、上下方向の配光制御を強調した平面配光パターン)を有するストロボ装置を実現することが可能となる。 Further, by using such a liquid crystal optical element in the strobe device, a strobe having a heart-like light distribution pattern (particularly, a planar light distribution pattern emphasizing the light distribution control in the vertical direction) without a mechanical operation unit. An apparatus can be realized.
更に、液晶光学素子は一般的な液晶表示素子と違って偏光板が不要であるために透過率が高く、通常は90%以上で、ARコートを施すことにより95%以上が確保できる。 Further, unlike a general liquid crystal display element, a liquid crystal optical element does not require a polarizing plate, and thus has a high transmittance. Usually, it is 90% or more, and 95% or more can be secured by applying an AR coating.
従って、ストロボ装置にこのような液晶光学素子を使用することによって、照射光量が多い(明るい)ストロボ装置を実現することが可能となる。 Therefore, by using such a liquid crystal optical element in the strobe device, it is possible to realize a strobe device with a large amount of irradiation light (bright).
本発明のストロボ装置は、光源と、光源からの光の向かう方向を制御する部材(例えば、リフレクタ)と、液晶光学素子と、液晶光学素子を電気的に制御する制御装置を備えており、液晶光学素子は対向する面の夫々に透明電極が形成された一対の透明基板で液晶を挟持し、少なくとも一方の透明基板の液晶と接する面には微小な複数の凹凸部が透明材料で形成されている。 The strobe device of the present invention includes a light source, a member that controls the direction of light from the light source (for example, a reflector), a liquid crystal optical element, and a control device that electrically controls the liquid crystal optical element. The optical element sandwiches the liquid crystal between a pair of transparent substrates each having a transparent electrode formed on each of the opposing surfaces, and at least one surface of the transparent substrate in contact with the liquid crystal has a plurality of minute uneven portions formed of a transparent material. Yes.
そして、制御装置によって透明電極を介して液晶に電圧を印加すると液晶分子の配列が変化して液晶層の屈折率値が変わる。すると、微小な透明凹凸部と液晶層との界面を透過する光の屈折角も変化し(スネルの法則による)、光の進行方向が変えられる。 When a voltage is applied to the liquid crystal through the transparent electrode by the control device, the alignment of the liquid crystal molecules changes and the refractive index value of the liquid crystal layer changes. Then, the refraction angle of the light transmitted through the interface between the minute transparent uneven portion and the liquid crystal layer also changes (according to Snell's law), and the traveling direction of the light can be changed.
したがって、このような構成の液晶光学素子を使用することによって、光源から発せられた光の照射配光特性を電気的に且つ連続的に制御することができるストロボ装置が実現する。 Therefore, by using the liquid crystal optical element having such a configuration, a strobe device capable of electrically and continuously controlling the irradiation light distribution characteristic of the light emitted from the light source is realized.
以下、この発明の好適な実施例を図1〜図15を参照しながら、詳細に説明する(同一部分については同じ符号を付す)。尚、以下に述べる実施例は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施例に限られるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 15 (the same parts are given the same reference numerals). In addition, since the Example described below is a suitable specific example of this invention, various technically preferable restrictions are attached | subjected, The range of this invention limits this invention especially in the following description. As long as there is no description of that, it is not restricted to these Examples.
実施例1の製造方法を図1を参照して説明する。まず、(a)の工程において、夫々にITOからなる透明電極1が形成された一対のガラス基板2を用意する。ガラス基板2の仕様は、透明電極1の膜厚が80nm、ガラス基板の厚みが0.7mm、ガラスの材質は青板ガラスである。 The manufacturing method of Example 1 is demonstrated with reference to FIG. First, in the step (a), a pair of glass substrates 2 each having a transparent electrode 1 made of ITO are prepared. The specification of the glass substrate 2 is that the film thickness of the transparent electrode 1 is 80 nm, the thickness of the glass substrate is 0.7 mm, and the glass material is blue plate glass.
次に(b)の工程において、いずれか一方のガラス基板2の透明電極1が形成された側の面上に所定量のUV硬化樹脂5を滴下し、UV硬化樹脂5を滴下したガラス基板2を厚手の石英等からなる透光性を有する補強材3の上に載置する。そしてガラス基板2の樹脂滴下側から金型4を当ててガラス基板2を補強材3と金型4とでプレスする。 Next, in the step (b), a predetermined amount of the UV curable resin 5 is dropped on the surface of the glass substrate 2 on which the transparent electrode 1 is formed, and the UV curable resin 5 is dropped on the glass substrate 2. Is placed on a translucent reinforcing material 3 made of thick quartz or the like. And the metal mold | die 4 is applied from the resin dripping side of the glass substrate 2, and the glass substrate 2 is pressed with the reinforcing material 3 and the metal mold | die 4. FIG.
その後、1分以上放置し、滴下されたUV硬化樹脂5がガラス基板2(あるいは透明電極1)と金型4との隙間を埋めた状態になったところで補強材3側から500mJ/cm2の紫外線を照射してUV硬化樹脂5を硬化させる。このとき、紫外線照射はUV硬化樹脂5を硬化させることが目的であるので照射量についてはあまり重要ではない。但し、透明電極1を形成するITOは紫外線を吸収する性質があるため、ITO膜の膜厚が変わるとUV硬化樹脂5を硬化させるために必要な照射量も変わる可能性があるのでその点については注意が必要である。 After that, it is left for 1 minute or more, and when the dropped UV curable resin 5 fills the gap between the glass substrate 2 (or the transparent electrode 1) and the mold 4, 500 mJ / cm 2 from the reinforcing material 3 side. The UV curable resin 5 is cured by irradiating with ultraviolet rays. At this time, since the purpose of the ultraviolet irradiation is to cure the UV curable resin 5, the irradiation amount is not so important. However, since the ITO forming the transparent electrode 1 has a property of absorbing ultraviolet rays, if the film thickness of the ITO film changes, the irradiation amount necessary to cure the UV curable resin 5 may also change. Should be careful.
UV硬化樹脂5の硬化後、プレスされていた金型4と補強材3からガラス基板2を取り外す。このときのガラス基板2の状態を図2に示している。ガラス基板2の透明電極1が形成された側の面上にUV硬化樹脂5によって断面鋸歯状の複数のプリズム14が直線状に平行に並設されてなるプリズムアレイ6が形成されている。個々のプリズム14の断面形状は高さが20μm、頂角が90°、2つの底角が夫々45°の微小な直角三角形の形状をしており、夫々の短辺がガラス基板2面上に位置するようにプリズムアレイ6が形成されている。図3はプリズムアレイ6を上方から見た顕微鏡写真と段差計で求めたプリズムアレイ6の断面形状である。 After the UV curable resin 5 is cured, the glass substrate 2 is removed from the pressed mold 4 and the reinforcing material 3. The state of the glass substrate 2 at this time is shown in FIG. On the surface of the glass substrate 2 on which the transparent electrode 1 is formed, a prism array 6 is formed in which a plurality of prisms 14 having a sawtooth cross section are linearly arranged in parallel by a UV curable resin 5. The cross-sectional shape of each prism 14 is a fine right triangle with a height of 20 μm, apex angle of 90 °, and two base angles of 45 °, and each short side is on the surface of the glass substrate 2. A prism array 6 is formed so as to be positioned. FIG. 3 is a cross-sectional shape of the prism array 6 obtained by a micrograph of the prism array 6 viewed from above and a step meter.
次に(c)の工程において、ITOからなる透明電極1およびUV硬化樹脂による微小プリズムアレイ6が形成されたガラス基板2上の周縁部に、ギャップコントロール材7aを2〜5wt%含有したメインシール材8をスクリーン印刷もしくはディスペンサによって塗布する。 Next, in the step (c), a main seal containing 2 to 5 wt% of a gap control material 7a at the peripheral portion on the glass substrate 2 on which the transparent electrode 1 made of ITO and the micro prism array 6 made of UV curable resin are formed. The material 8 is applied by screen printing or dispenser.
ギャップコントロール材7aの径は、プリズムアレイ6のベース層の厚み20〜40μmとプリズム14部の高さ0〜20μmを含め液晶層の厚みが5〜30μmとなるような材料を選んで使用するが、本実施例では直径75μmのプラスチックボール(積水化学工業株式会社製)を採用した。これをシール材ES−7500(三井化学株式会社製)に4wt%添加してメインシール材8とした。 The diameter of the gap control material 7a is selected and used so that the thickness of the liquid crystal layer is 5 to 30 μm including the thickness of the base layer of the prism array 6 of 20 to 40 μm and the height of the prism 14 part of 0 to 20 μm. In this example, a plastic ball having a diameter of 75 μm (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) was employed. This was added to the seal material ES-7500 (manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) 4 wt% to obtain the main seal material 8.
また、他方のガラス基板2(あるいは透明電極1)上にはギャップコントロール材7bを散布する。ギャップコントロール材7bは直径15μmのプラスチックボール(積水化学工業株式会社製)を採用し、乾式のギャップ散布機を用いて散布する。なお、本実施例ではギャップコントロール材7bの直径を15μmとしているが、4.5〜100μmの範囲内にあることが望ましい。 Further, a gap control material 7b is dispersed on the other glass substrate 2 (or the transparent electrode 1). The gap control material 7b employs a plastic ball having a diameter of 15 μm (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) and is sprayed using a dry gap spreader. In the present embodiment, the diameter of the gap control material 7b is 15 μm, but it is desirable that it is in the range of 4.5 to 100 μm.
そして、上記2枚のガラス基板2を夫々のプリズムアレイ6とギャップコントロール材7bが対向するように互いに向かい合わせる。 Then, the two glass substrates 2 are faced to each other so that each prism array 6 and the gap control material 7b face each other.
次に(d)の工程において、2枚のガラス基板2を重ね合わせ、プレス機等でガラス基板2の両側から圧力を加えた状態で熱処理を施してメインシール材8を硬化させる。本実施例では150℃で3時間の熱処理を行い、セル厚が5〜30μmの空セルを完成させた。なお、セルギャップ9の厚み(セル厚)はプリズムアレイ6の形状・寸法に係わって場所により異なるが、本発明における光学性能は後述するようにプリズムと液晶層の界面での両者の屈折率差が重要な要件となるため、セル厚が光学性能に影響を与えることはほとんどない。 Next, in the step (d), the two glass substrates 2 are overlapped, and heat treatment is performed in a state where pressure is applied from both sides of the glass substrate 2 with a press machine or the like to cure the main sealing material 8. In this example, heat treatment was performed at 150 ° C. for 3 hours to complete an empty cell having a cell thickness of 5 to 30 μm. Although the thickness of the cell gap 9 (cell thickness) varies depending on the shape and size of the prism array 6, the optical performance in the present invention is the difference in refractive index between the prism and the liquid crystal layer at the interface as will be described later. Therefore, the cell thickness hardly affects the optical performance.
また、空セルをプリズムアレイ6側の上方から見た顕微鏡写真とその断面形状を示す図4によって、ガラス基板2上に散布されたギャップコントロール材7bは、空セルとして完成したときにはそのほとんどがプリズムアレイ6の凹部に収まることが分かる。 Also, the gap control material 7b dispersed on the glass substrate 2 is mostly prism-like when completed as an empty cell according to a micrograph of the empty cell as viewed from above the prism array 6 and FIG. 4 showing its cross-sectional shape. It can be seen that it fits in the recesses of the array 6.
最後に、(e)の工程において、空セルのセルギャップ9に液晶10を真空注入し、その後液晶注入口にエンドシール材(図示せず)を塗布して液晶10を封止することによって液晶光学素子11が完成する。液晶は誘電率異方性(Δε)が正で、屈折率異方性(Δn)が0.298(大日本インキ化学工業株式会社製)のものを採用した。 Finally, in the step (e), the liquid crystal 10 is vacuum-injected into the cell gap 9 of the empty cell, and then the liquid crystal 10 is sealed by applying an end seal material (not shown) to the liquid crystal injection port. The optical element 11 is completed. A liquid crystal having a positive dielectric anisotropy (Δε) and a refractive index anisotropy (Δn) of 0.298 (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.) was used.
なお、上記製造方法において、プリズムアレイを形成する工程で使用する金型にエアー抜き用の微小な溝を設けても良い。また、ガラス基板の重ね合わせ工程を真空中で行なっても良い。また、液晶光学素子の光制御部分(表示素子における画素に相当する部分)の透明電極は両基板ともベタパターンでも良いし、パターニングされたものでも良い。但し、一方のガラス基板側に電極端子を設けたい場合はパターニングを施す必要がある。なお、両ガラス基板ともにメインシール部分に電極が位置することは劣化の原因となる恐れがあり、液晶光学素子の信頼性の面からあまり好ましいことではない。 In the above manufacturing method, a minute groove for air bleeding may be provided in a mold used in the step of forming the prism array. In addition, the glass substrate overlapping step may be performed in a vacuum. Further, the transparent electrode of the light control portion of the liquid crystal optical element (the portion corresponding to the pixel in the display element) may be a solid pattern on both the substrates or may be patterned. However, when it is desired to provide an electrode terminal on one glass substrate side, it is necessary to perform patterning. In addition, it is likely that the electrodes are positioned at the main seal portion in both glass substrates, which is not preferable from the viewpoint of the reliability of the liquid crystal optical element.
上記製造工程を経て完成した液晶光学素子は、Δε>0の液晶を用い、配向処理を行なわないでアモルファス配向とすることで方位異方性を持たない構成となっている。また、液晶の屈折率は、電圧印加時(液晶応答時)ではUV硬化樹脂からなるプリズムアレイとほぼ等しく、電圧無印加時(液晶非応答時)ではプリズムアレイよりも大きくなる。 The liquid crystal optical element completed through the above manufacturing process has a configuration that does not have azimuthal anisotropy by using a liquid crystal of Δε> 0 and adopting an amorphous alignment without performing an alignment treatment. The refractive index of the liquid crystal is substantially equal to that of the prism array made of UV curable resin when a voltage is applied (when liquid crystal responds), and is larger than that of the prism array when no voltage is applied (when liquid crystal is not responding).
上記製造工程を経て作製された液晶光学素子とLED光源を組み合わせて行なった配光可変実験について以下に示す。実験方法は図5に示すように、液晶光学素子11の下方に半値幅が約±10°の砲弾型LED12を配置し、LEDを点灯させた状態で液晶光学素子11に印加する電圧を変えることによって液晶層の屈折率値を変化させた。 The light distribution variable experiment conducted by combining the liquid crystal optical element manufactured through the above manufacturing process and the LED light source will be described below. As shown in FIG. 5, the experimental method is that a bullet-type LED 12 having a half width of about ± 10 ° is arranged below the liquid crystal optical element 11 and the voltage applied to the liquid crystal optical element 11 is changed with the LED turned on. Thus, the refractive index value of the liquid crystal layer was changed.
すると、図6に示すように、液晶光学素子11に電圧を印加(本実施例では50Vを印加)したときには液晶層13の屈折率が小さくなってプリズムアレイ6とほぼ同じとなり、液晶層13とプリズム14の界面で両者の屈折率差がほぼ無くなる。そのため、LED12光源から発せられた光は液晶層13とプリズムアレイ6を直進して外部に出射される(光線L1)。 Then, as shown in FIG. 6, when a voltage is applied to the liquid crystal optical element 11 (50 V is applied in this embodiment), the refractive index of the liquid crystal layer 13 becomes small and becomes almost the same as that of the prism array 6. The refractive index difference between the two at the interface of the prism 14 is almost eliminated. Therefore, the light emitted from the LED 12 light source goes straight through the liquid crystal layer 13 and the prism array 6 and is emitted to the outside (light ray L1).
一方、液晶光学素子11に電圧を印加しないときには液晶層13の屈折率が大きくなってプリズムアレイ6よりも大きくなり、液晶層13とプリズム14の界面で両者の屈折率差が生じる。そのため、LED12光源から発せられた光は液晶層13とプリズム14の界面で屈折されて外部に出射される(光線L2)。 On the other hand, when no voltage is applied to the liquid crystal optical element 11, the refractive index of the liquid crystal layer 13 becomes larger than that of the prism array 6, and a difference in refractive index between the liquid crystal layer 13 and the prism 14 occurs. Therefore, the light emitted from the LED 12 light source is refracted at the interface between the liquid crystal layer 13 and the prism 14 and is emitted to the outside (light ray L2).
したがって、液晶光学素子11に印加する電圧を連続的に変化させると液晶層13の屈折率が連続的に変わり、液晶層13とプリズム14の界面での両者の屈折率差も連続的に変わる。その結果、LED12光源から発せられて液晶光学素子11を透過した光の配光特性を連続的に可変制御することが可能となる(光線L3)。 Accordingly, when the voltage applied to the liquid crystal optical element 11 is continuously changed, the refractive index of the liquid crystal layer 13 is continuously changed, and the refractive index difference between the two at the interface between the liquid crystal layer 13 and the prism 14 is also continuously changed. As a result, it is possible to continuously and variably control the light distribution characteristics of the light emitted from the LED 12 light source and transmitted through the liquid crystal optical element 11 (light ray L3).
図7は液晶光学素子を通して得られた配光特性を示したグラフであり、縦軸は光強度(μW)、横軸はプリズムアレイのアレイ方向の視認角度(°)を示している。また、破線は液晶光学素子に対する電圧印加時の配光特性を表し、直線は電圧無印加時の配光特性を表している。つまり、破線はLED光源に近似した配光特性を示し、直線はLED光源の配光特性を可変制御して得られた、LED光源とは異なる配光特性を示すものである。 FIG. 7 is a graph showing the light distribution characteristics obtained through the liquid crystal optical element. The vertical axis indicates the light intensity (μW), and the horizontal axis indicates the viewing angle (°) in the array direction of the prism array. The broken line represents the light distribution characteristic when a voltage is applied to the liquid crystal optical element, and the straight line represents the light distribution characteristic when no voltage is applied. That is, a broken line shows the light distribution characteristic approximated to the LED light source, and a straight line shows the light distribution characteristic different from the LED light source obtained by variably controlling the light distribution characteristic of the LED light source.
この図より、液晶光学素子のプリズム効果によって、光源の配光特性に対して−40°〜−15°および15°〜40°の領域に照射光量の増加が見られ、配光特性の可変制御が可能であることが確認できた。このことより、液晶光学素子に印加する電圧を連続的に変化させることにより、破線と直線の夫々で表される配光特性に対する中間特性を得ることが可能となる。 From this figure, due to the prism effect of the liquid crystal optical element, an increase in the amount of irradiation light is observed in the region of −40 ° to −15 ° and 15 ° to 40 ° with respect to the light distribution characteristic of the light source, and the light distribution characteristic is variably controlled It was confirmed that it was possible. Thus, by continuously changing the voltage applied to the liquid crystal optical element, it is possible to obtain an intermediate characteristic with respect to the light distribution characteristic represented by a broken line and a straight line.
図8の(a)、(b)、(c)は液晶光学素子に夫々0V、10V、20Vの電圧を印加したときの配光パターンを撮影した写真である。写真から、印加電圧が低下するにつれて広がった配光パターンを形成することが分かる。 (A), (b), and (c) of FIG. 8 are photographs obtained by photographing light distribution patterns when voltages of 0 V, 10 V, and 20 V are applied to the liquid crystal optical element, respectively. From the photograph, it can be seen that a light distribution pattern spreading as the applied voltage decreases is formed.
実施例2は、上述した実施例1の液晶光学素子に対して、UV硬化樹脂からなるプリズムアレイの形状を図9のようにしたものである。具体的には、個々のプリズムの断面形状は高さが20μm、頂角が45°、底角の夫々が45°と90°の微小な直角三角形の形状をしており、長辺が透過光の照射軸に対して角度を成している。プリズムのピッチは20μmである。これにより、液晶光学素子のセル厚が5〜40μmとなっている。その他、材料および製造方法は実施例1と同様である。なお、本実施例ではプリズムのピッチを20μmとしているが、10〜100μmの範囲内にあることが望ましい。 In the second embodiment, the shape of a prism array made of a UV curable resin is set as shown in FIG. 9 with respect to the liquid crystal optical element of the first embodiment described above. Specifically, the cross-sectional shape of each prism is a fine right triangle with a height of 20 μm, apex angle of 45 °, and base angles of 45 ° and 90 °, and the long side is transmitted light. An angle is formed with respect to the irradiation axis. The pitch of the prism is 20 μm. Thereby, the cell thickness of the liquid crystal optical element is 5 to 40 μm. Other materials and manufacturing methods are the same as those in the first embodiment. In this embodiment, the pitch of the prism is 20 μm, but it is desirable that it is in the range of 10 to 100 μm.
上記実施例2の液晶光学素子とストロボを組み合わせたものについて、その光学特性をシミュレーションによって検証したので、条件および結果について説明する。 Since the optical characteristics of the combination of the liquid crystal optical element of Example 2 and the strobe were verified by simulation, conditions and results will be described.
図10は液晶光学素子とストロボの構成を示したものである。断面弧状のリフレクタ15の内側にXe管16を配置し、リフレクタ15の開口を塞ぐように液晶光学素子11を配置する。液晶光学素子11の方向は、液晶光学素子11内に形成されたプリズムアレイ6のプリズム14の延長方向とXe管16の長手方向が同一となる方向(図面の奥行き方向)とする。 FIG. 10 shows the configuration of the liquid crystal optical element and the strobe. An Xe tube 16 is disposed inside the reflector 15 having an arcuate cross section, and the liquid crystal optical element 11 is disposed so as to close the opening of the reflector 15. The direction of the liquid crystal optical element 11 is a direction (depth direction in the drawing) in which the extension direction of the prisms 14 of the prism array 6 formed in the liquid crystal optical element 11 and the longitudinal direction of the Xe tube 16 are the same.
そして、ガラス基板2およびプリズムアレイ6の屈折率を共に1.54、液晶の屈折率を電圧印加時を1.54、電圧無印加時を1.74と設定した。 The refractive indexes of the glass substrate 2 and the prism array 6 were both set to 1.54, the refractive index of the liquid crystal was set to 1.54 when a voltage was applied, and 1.74 when no voltage was applied.
図11および図12にシミュレーションで得られた指向特性を示している。図11はプリズムアレイのアレイ方向の指向特性、図12はプリズムアレイのプリズム延長方向の指向特性である。また夫々の図中においては液晶光学素子に対する電圧印加時の指向特性および電圧無印加時の指向特性が示されている。 FIG. 11 and FIG. 12 show the directivity characteristics obtained by the simulation. FIG. 11 shows the directivity characteristics in the array direction of the prism array, and FIG. 12 shows the directivity characteristics in the prism extension direction of the prism array. In each figure, directivity characteristics when a voltage is applied to the liquid crystal optical element and directivity characteristics when no voltage is applied are shown.
図11では、電圧印加時に対して電圧無印加時の配光がハート状に広がっているが、それに対し図12では、電圧印加時と電圧無印加時の配光はほとんど変わっていない。このことから分かるように、液晶光学素子をプリズムアレイのアレイ方向を上下方向とてストロボに取り付けることにより、ストロボ照射したときに上下方向に広がった照射配光パターンを形成することができることになる。 In FIG. 11, the light distribution when no voltage is applied spreads in a heart shape with respect to when the voltage is applied, whereas in FIG. 12, the light distribution when the voltage is applied and when no voltage is applied is hardly changed. As can be seen from this, by attaching the liquid crystal optical element to the strobe with the array direction of the prism array being the vertical direction, it is possible to form an irradiation light distribution pattern that spreads in the vertical direction when the strobe is irradiated.
本発明の液晶光学素子は制御パラメータを変化させることによって、それに伴う配光特性を示す。図13は液晶層の屈折率をパラメータとし、屈折率を1.54〜1.74まで変化させたときの液晶光学素子によるプリズムアレイのアレイ方向の配光特性の変化をシミュレーションによって求めたものであり、図14はプリズムアレイのプリズムの頂角をパラメータとし、頂角を90°〜140°まで変化させたときの液晶光学素子によるプリズムアレイのアレイ方向の配光特性の変化をシミュレーションによって求めたものである。 The liquid crystal optical element of the present invention exhibits a light distribution characteristic associated therewith by changing a control parameter. FIG. 13 shows the change in the light distribution characteristics in the array direction of the prism array by the liquid crystal optical element when the refractive index is changed from 1.54 to 1.74 using the refractive index of the liquid crystal layer as a parameter. FIG. 14 shows the change in the light distribution characteristics in the array direction of the prism array by the liquid crystal optical element when the apex angle is changed from 90 ° to 140 ° using the apex angle of the prism of the prism array as a parameter. Is.
図13より、液晶層の屈折率が大きくなるにつれて放射強度分布のピーク値が下がると共に、放射強度分布が広がっていることが分かる。つまり、液晶光学素子に印加する電圧を変えることによって液晶層の屈折率値が変わり、その結果、放射強度分布(配光特性)を制御することができることをシミュレーション結果が示している。 FIG. 13 shows that the peak value of the radiant intensity distribution decreases and the radiant intensity distribution widens as the refractive index of the liquid crystal layer increases. That is, the simulation result shows that the refractive index value of the liquid crystal layer is changed by changing the voltage applied to the liquid crystal optical element, and as a result, the radiation intensity distribution (light distribution characteristic) can be controlled.
また、図14より、プリズムアレイのプリズムの頂角が大きくなるにつれて放射強度分布のピーク値が下がると共に、放射強度分布が広がっていることが分かる。つまり、液晶光学素子の液晶層の屈折率値を一定にした場合、プリズムアレイのプリズムの頂角を適宜設定することによって所望する放射強度分布(配光特性)を実現することが可能であることをシミュレーション結果が示している。 Further, it can be seen from FIG. 14 that the peak value of the radiation intensity distribution decreases and the radiation intensity distribution widens as the apex angle of the prisms of the prism array increases. That is, when the refractive index value of the liquid crystal layer of the liquid crystal optical element is made constant, a desired radiation intensity distribution (light distribution characteristic) can be realized by appropriately setting the apex angle of the prisms of the prism array. The simulation results show.
なお、液晶光学素子内に形成されたプリズムアレイは、断面鋸歯状の複数のプリズムが直線状に平行に並設された形状であったが、所望する配光特性を考慮して図15に示すような断面鋸歯状の複数のプリズムが同心円状に平行に並設された形状であっても良い。これにより、放射状に広がった配光特性を得ることができる。 The prism array formed in the liquid crystal optical element has a shape in which a plurality of prisms having a sawtooth cross section are arranged in parallel in a straight line. FIG. 15 shows the desired light distribution characteristics. Such a plurality of prisms having a sawtooth shape in cross section may be concentrically arranged in parallel. Thereby, the light distribution characteristic spread radially can be obtained.
以上説明したように、本発明の液晶光学素子は、印加する電圧を変えることによって液晶光学素子を透過する光の広がりを連続的に制御することが可能である。 As described above, the liquid crystal optical element of the present invention can continuously control the spread of light transmitted through the liquid crystal optical element by changing the applied voltage.
また、ストロボ装置にこのような液晶光学素子を使用することによって、機械的作動部がなくてもハート状配光パターン(特に、上下方向の配光制御を強調した平面配光パターン)を有するストロボ装置を実現することが可能となる。 Further, by using such a liquid crystal optical element in the strobe device, a strobe having a heart-like light distribution pattern (particularly, a planar light distribution pattern emphasizing the light distribution control in the vertical direction) without a mechanical operation unit. An apparatus can be realized.
更に、本発明の液晶光学素子は一般的な液晶表示素子と違って偏光板が不要であるために透過率が高く、通常は90%以上で、ARコートを施すことにより95%以上が確保できる。 Further, unlike the general liquid crystal display element, the liquid crystal optical element of the present invention has a high transmittance because it does not require a polarizing plate, and usually 90% or more, and 95% or more can be secured by applying AR coating. .
従って、ストロボ装置にこのような液晶光学素子を使用することによって、照射光量が多い(明るい)ストロボ装置を実現することが可能となる。 Therefore, by using such a liquid crystal optical element in the strobe device, it is possible to realize a strobe device with a large amount of irradiation light (bright).
なお、本発明の液晶光学素子は、Xe管あるいはLEDを光源とするストロボ装置としてビデオカメラ、防犯カメラ、車載カメラ等の動画撮影用カメラ全般、デジタルスチルカメラ全般、および、LEDを光源とするストロボ装置としてカメラ付携帯電話、ムービー用補助光源等に使用できる。 In addition, the liquid crystal optical element of the present invention is a strobe device using a Xe tube or LED as a light source, a video camera, a security camera, an in-vehicle camera, or any other video camera, a digital still camera in general, and a strobe using an LED as a light source. It can be used as a camera-equipped mobile phone, an auxiliary light source for movies, and the like.
また、配光制御手段として、普通乗用車、軽自動車、トラック、バス等の自動車用灯具、および、オートバイ、自転車等の二輪車用灯具、および、屋内照明、街路灯、懐中電灯等の一般照明器具等に使用できる。 In addition, as light distribution control means, car lamps for ordinary passenger cars, light cars, trucks, buses, etc., motorcycle lamps for motorcycles, bicycles, etc., and general lighting equipment such as indoor lighting, street lights, flashlights, etc. Can be used for
更に、光学系として、レーザプリンタ、スキャナ、コピー機等の事務機器等に使用できる。 Furthermore, the optical system can be used in office equipment such as laser printers, scanners, and copiers.
1 透明電極
2 ガラス基板
3 補強材
4 金型
5 UV硬化樹脂
6 プリズムアレイ
7a、7b ギャップコントロール材
8 メインシール材
9 セルギャップ
10 液晶
11 液晶光学素子
12 LED
13 液晶層
14 プリズム
15 リフレクタ
16 Xe管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent electrode 2 Glass substrate 3 Reinforcing material 4 Mold 5 UV curable resin 6 Prism array 7a, 7b Gap control material 8 Main seal material 9 Cell gap 10 Liquid crystal 11 Liquid crystal optical element 12 LED
13 Liquid crystal layer 14 Prism 15 Reflector 16 Xe tube
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