JP2008139684A - Polarization converting element and polarization conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、偏光変換素子および偏光変換装置に関する。 The present invention relates to a polarization conversion element and a polarization conversion device.
従来の偏光変換素子に関して説明する。
一般に、液晶パネルのように特定偏光の光変調により画像表示を行うライトバルブでは、特定偏光以外の照明光は入射側の偏光板で吸収されるため、照明光がランダム偏光の場合にはその約半分が光量損失となる。この問題を解決して光利用効率を向上させるために、偏光分離と偏光回転とにより偏光変換を行う照明光学系が各種提案されている。偏光分離に用いられる光学素子としてはPBS(Polarizing Beam Splitter)プリズム,PBSアレイ,マイクロプリズムアレイ,複屈折DOE(Diffractive Optical Element)等が挙げられ、偏光回転に用いられる光学素子としては1/2波長板,TN(Twisted Nematic)液晶等が挙げられる。
A conventional polarization conversion element will be described.
In general, in a light valve that displays an image by light modulation of specific polarization like a liquid crystal panel, illumination light other than the specific polarization is absorbed by the polarizing plate on the incident side. Half of the light is lost. In order to solve this problem and improve the light utilization efficiency, various illumination optical systems that perform polarization conversion by polarization separation and polarization rotation have been proposed. Optical elements used for polarization separation include PBS (Polarizing Beam Splitter) prism, PBS array, microprism array, birefringent DOE (Diffractive Optical Element), etc., and optical elements used for polarization rotation are ½ wavelength. Examples thereof include a plate and a TN (Twisted Nematic) liquid crystal.
ランダム偏光は偏光分離において偏波面(すなわち電気ベクトルの振動面)が互いに直交する2種類の直線偏光に分離され、一方の直線偏光は偏光回転によりその偏波面が回転して他方の直線偏光と同じ偏光状態となる。この偏光変換により、偏波面が揃った直線偏光のみを入射側偏光板に入射させることができる。したがって、入射側偏光板による光量損失はほとんどなくなり、ライトバルブに対して光利用効率の高い照明が達成可能となる。 Random polarized light is separated into two types of linearly polarized light whose polarization planes (that is, vibration planes of electric vectors) are orthogonal to each other in polarization separation. It becomes a polarization state. By this polarization conversion, only linearly polarized light having a uniform polarization plane can be made incident on the incident side polarizing plate. Therefore, there is almost no light loss due to the incident side polarizing plate, and illumination with high light utilization efficiency can be achieved for the light valve.
偏光変換素子に関しては、以下の従来技術例が知られている。
特許文献1には、「偏光変換素子及び該偏光変換素子を用いた表示装置」が開示されている。この発明は、特許文献1の図1に示されているように、入射光を収束させるマイクロレンズアレイと、配向液晶層からなる複屈折性を有する複屈折膜と、液晶層でストライプ状に波長板機能と波長板機能を持たない部位が交互に一定のピッチで配列している液晶波長板とを有することを特徴としている。
しかし、この特許文献1の偏光変換素子では、偏光分離部に複屈折層を用いているため、回折格子のような微細構造を形成する必要が無いが、微小構造化のためにコストが嵩む可能性がある。
The following prior art examples are known for the polarization conversion element.
Patent Document 1 discloses a “polarization conversion element and a display device using the polarization conversion element”. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the present invention has a microlens array for converging incident light, a birefringent film having birefringence composed of an alignment liquid crystal layer, and a stripe-shaped wavelength in the liquid crystal layer. It is characterized by having a liquid crystal wave plate in which portions having no plate function and wave plate function are alternately arranged at a constant pitch.
However, in the polarization conversion element of Patent Document 1, since a birefringent layer is used for the polarization separation portion, it is not necessary to form a fine structure like a diffraction grating, but the cost can be increased due to the fine structure. There is sex.
液晶レンズに関しては、以下の従来技術例が開示されている。
非特許文献1には、電極分割構造の液晶マイクロレンズを用いて、電界分布を非対称的にすることで、光軸方向以外に焦点を移動することができる「液晶マイクロレンズ」が開示されている。
With respect to the liquid crystal lens, the following prior art examples are disclosed.
Non-Patent Document 1 discloses a “liquid crystal microlens” that can move the focal point in a direction other than the optical axis direction by using a liquid crystal microlens having an electrode division structure to make the electric field distribution asymmetric. .
また、特許文献2には、ネマチック液晶中で光重合によるポリマーを形成する。メモリー性があり、レンズ特性が可変にできる「液晶マイクロレンズ」が開示されている。 In Patent Document 2, a polymer by photopolymerization is formed in a nematic liquid crystal. A “liquid crystal microlens” having a memory property and having variable lens characteristics is disclosed.
特許文献3、4には、円形状の穴抜きパターン電極をアレイ状に配置した液晶マイクロレンズを用いて、焦点距離が可変なレンズとし、光インターコネクション素子の光の結合効率を可変とし、分割電極により焦点位置の制御も可能である「光結合器」が開示されている。 In Patent Documents 3 and 4, a liquid crystal microlens in which circular hole-patterned electrodes are arranged in an array is used to make a lens having a variable focal length, and the light coupling efficiency of the optical interconnection element is made variable and divided. An “optical coupler” is disclosed in which the focal position can be controlled by an electrode.
しかしながら、上述した液晶レンズに関する各従来技術例(非特許文献1、特許文献2〜4)において、偏光変換機能を付加するような構成はない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、薄型で低コストの偏光変換素子、および、偏光変換を制御可能な偏光変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a thin and low-cost polarization conversion element and a polarization conversion device capable of controlling polarization conversion.
かかる目的を達成するために、請求項1記載の発明は、入射光を第一の偏光成分と第二の偏光成分とに分離する機能、および、偏光成分のうち少なくとも一つの偏光成分を集光する機能を備えたレンズアレイ層と、偏光回転領域および偏光非回転領域を周期的に形成する偏光変換層と、を有する偏光変換素子において、レンズアレイ層は、一対の基板と、一対の基板のうち少なくとも一つの基板上に備えられ、一対の基板間に電界を印加可能な電極と、一対の基板間に備えられ、電極によって印加される電界によって屈折率分布の制御が可能な液晶と、を有することを特徴とする。 In order to achieve such an object, the invention described in claim 1 is characterized in that incident light is separated into a first polarization component and a second polarization component, and at least one of the polarization components is condensed. In a polarization conversion element having a lens array layer having a function to perform and a polarization conversion layer that periodically forms a polarization rotation region and a polarization non-rotation region, the lens array layer includes a pair of substrates and a pair of substrates. An electrode provided on at least one of the substrates and capable of applying an electric field between the pair of substrates, and a liquid crystal provided between the pair of substrates and capable of controlling the refractive index distribution by the electric field applied by the electrodes, It is characterized by having.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明二位おいて、偏光変換層は、少なくとも、一対の基板と、重合性液晶と、光重合開始剤とからなる液晶組成物と、一対の基板上にそれぞれ設けられ、液晶組成物を一対の基板間で配向させるための配向膜と、を有することを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the second place of the invention according to claim 1, wherein the polarization conversion layer includes at least a liquid crystal composition comprising a pair of substrates, a polymerizable liquid crystal, and a photopolymerization initiator, and a pair of An alignment film provided on each of the substrates and for aligning the liquid crystal composition between the pair of substrates.
請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、偏光変換層は、複屈折性を示す領域と、等方性を示す領域との周期構造からなることを特徴とする。 A third aspect of the invention is characterized in that, in the first aspect of the invention, the polarization conversion layer has a periodic structure of a birefringent region and an isotropic region.
請求項4記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項に記載の発明において、レンズアレイ層の液晶は、少なくとも重合性液晶を含んだ液晶組成物であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the liquid crystal of the lens array layer is a liquid crystal composition containing at least a polymerizable liquid crystal.
請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項に記載の偏光変換素子と、偏光変換素子に備えられた電極の、電界印加の方向または電界印加のタイミングを切り替え可能な電界印加制御手段と、を有することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an electric field capable of switching an electric field application direction or an electric field application timing of the polarization conversion element according to any one of the first to fourth aspects and an electrode provided in the polarization conversion element. And an application control means.
請求項6記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項に記載の偏光変換素子と、偏光変換素子のレンズアレイ層と偏光変換層との間に設けられた偏光分離層と、を有し、偏光分離層は、一対の基板と、一対の基板間に電界を印加可能な電極と、電極の電界印加の方向または電界印加のタイミングを切り替え可能な電界印加制御手段と、を備えることを特徴とする。 The invention described in claim 6 includes the polarization conversion element according to any one of claims 1 to 4 and a polarization separation layer provided between the lens array layer and the polarization conversion layer of the polarization conversion element. The polarization separation layer includes a pair of substrates, an electrode capable of applying an electric field between the pair of substrates, and an electric field application control unit capable of switching an electric field application direction or an electric field application timing of the electrodes. It is characterized by.
請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明において、偏光分離層は、少なくとも、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物からなり、組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成したホログラフィックポリマー分散液晶層であることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is the invention according to claim 6, wherein the polarization separation layer comprises a composition comprising at least a non-polymerizable liquid crystal, a polymerizable monomer or a prepolymer, and a photopolymerization initiator. A holographic polymer-dispersed liquid crystal layer in which a periodic phase separation structure of a layer mainly composed of a polymer and a layer mainly composed of a non-polymerizable liquid crystal is formed by subjecting an object to two-beam interference exposure. To do.
本発明によれば、薄型で低コストの偏光変換素子、および、偏光変換を制御可能な偏光変換装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a thin and low-cost polarization conversion element and a polarization conversion device capable of controlling polarization conversion.
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
〔第1の実施形態〕
まず、本発明の第1の実施形態について説明する。
第1の実施形態は、薄型で低コストの偏光変換素子を提供することを目的とする。この目的を達成するために、第1の実施形態の構成は、入射光を第一の偏光成分と第二の偏光成分とに分離する機能と、これら偏光成分のうち少なくとも一成分を集光する機能とを備えたレンズアレイ層と、偏光回転領域および偏光非回転領域を周期的に形成する偏光変換層と、を有する偏光変換素子において、レンズアレイ層は、一対の透明基板と、これら透明基板のうち少なくとも一方の基板上に備えられるストライプ状の電極アレイと、この電極アレイによって一対の透明基板間に印加される電界によって屈折率分布の制御が可能な液晶と、を有して構成されることを特徴とする。よって、従来の偏光変換素子では、集光部、偏光分離部、偏光変換部がそれぞれ必要であったが、第1の実施形態では、集光部及び偏光分離部の機能を兼ね備えたレンズアレイ層を液晶の屈折率分布を用いて実現しているので、従来よりも部品点数の少ない構成で偏光変換機能を実現できるため、薄型又は小型で低コストの偏光変換素子が実現できる。
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
The first embodiment aims to provide a thin and low-cost polarization conversion element. In order to achieve this object, the configuration of the first embodiment has a function of separating incident light into a first polarization component and a second polarization component, and condenses at least one of these polarization components. In a polarization conversion element having a lens array layer having a function and a polarization conversion layer that periodically forms a polarization rotation region and a polarization non-rotation region, the lens array layer includes a pair of transparent substrates and these transparent substrates. A stripe-shaped electrode array provided on at least one of the substrates, and a liquid crystal capable of controlling the refractive index distribution by an electric field applied between the pair of transparent substrates by the electrode array. It is characterized by that. Therefore, in the conventional polarization conversion element, a condensing unit, a polarization separation unit, and a polarization conversion unit are required. In the first embodiment, the lens array layer having the functions of the condensing unit and the polarization separation unit. Is realized by using the refractive index distribution of the liquid crystal, so that the polarization conversion function can be realized with a configuration having a smaller number of parts than in the past, so that a thin or small-sized and low-cost polarization conversion element can be realized.
また、第1の実施形態は、耐環境性(熱安定)の高い偏光変換素子を提供することを目的とする。この目的を達成するために、第1の実施形態の構成は、上記偏光変換素子において、前記レンズアレイ層の屈折率分布が制御可能である液晶は、少なくとも重合性液晶を含んだ液晶組成物であることを特徴とする。よって、第1の実施形態は、上記偏光変換素子で用いる液晶が少なくとも重合性液晶を含んだ液晶組成物であるため、屈折率分布が制御可能である液晶を用いたレンズアレイ層は電界などの外場および膜厚により焦点位置を設定でき、所望の焦点位置にて液晶組成物を硬化することができる。このように硬化することで、焦点位置は熱などの影響を受けず、耐環境性の高い偏光変換素子が実現できる。 In addition, the first embodiment aims to provide a polarization conversion element having high environmental resistance (thermal stability). In order to achieve this object, in the configuration of the first embodiment, in the polarization conversion element, the liquid crystal whose refractive index distribution of the lens array layer can be controlled is a liquid crystal composition containing at least a polymerizable liquid crystal. It is characterized by being. Therefore, in the first embodiment, since the liquid crystal used in the polarization conversion element is a liquid crystal composition containing at least a polymerizable liquid crystal, the lens array layer using the liquid crystal whose refractive index distribution can be controlled is an electric field or the like. The focal position can be set by the external field and the film thickness, and the liquid crystal composition can be cured at a desired focal position. By curing in this way, the focal position is not affected by heat or the like, and a polarization conversion element with high environmental resistance can be realized.
第1の実施形態による偏光変換素子の概略断面を図1に示す。図1において、光が入射する側から、入射光を集光するためのレンズアレイ層7と、偏光変換層6を含む部分とが積層されている。レンズアレイ層7、偏光変換層6はそれぞれ透明基板1,2,3に挟まれている。あるいは、より薄型化するために、レンズアレイ層7と偏光変換層6の間の基板部分(透明基板2)を一枚の基板で共通化しても良い。 FIG. 1 shows a schematic cross section of the polarization conversion element according to the first embodiment. In FIG. 1, a lens array layer 7 for condensing incident light and a portion including the polarization conversion layer 6 are laminated from the light incident side. The lens array layer 7 and the polarization conversion layer 6 are sandwiched between transparent substrates 1, 2 and 3, respectively. Alternatively, in order to reduce the thickness, the substrate portion (transparent substrate 2) between the lens array layer 7 and the polarization conversion layer 6 may be shared by a single substrate.
ここで、レンズアレイ層7は二枚の透明基板2,3と、少なくとも一方の基板上(図1では透明基板2上)に形成したストライプ型透明電極アレイ5と、二枚の透明基板2,3間に電界印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶8とを有する。図1では、レンズアレイ層7における液晶8の配向状態の一例を模式的に示している。このとき基板2,3間に電界を印加しない初期状態では、図2に示すように、液晶分子8が透明基板2,3に沿って平行になるようにホモジニアス配向処理されている。
Here, the lens array layer 7 includes two transparent substrates 2 and 3, a striped
図2では、液晶分子8の長軸が紙面の左右方向になるような配向処理を想定している。上側の透明基板2には透明電極ラインがアレイ状に形成されており、この透明電極アレイ5のピッチは、図1に示すように偏光変換層6の偏光回転領域9と偏光非回転領域10のピッチに対応していることが好ましい。下側の透明電極4は全面に形成されているが、下側の透明電極4は上側の透明基板2と対称なアレイ電極でも良い。
In FIG. 2, an alignment process is assumed in which the major axis of the liquid crystal molecules 8 is in the horizontal direction of the paper. Transparent electrode lines are formed in an array on the upper transparent substrate 2, and the pitch of the
透明基板1,2,3の材質としては、ガラス、プラスチック等を使用でき、また、透明電極4,5の材質としては、ITO等が利用できる。なお、電極は透明でなくてもよく、Al、Cr等の導電性を示すものなら何でもよい。透明電極は液晶層側になるように設置する。使用する基板自身が導電性を有している場合は、基板を電極としても利用することができる。液晶8の材料としては、一般的なネマチック液晶(非重合性および重合性液晶)を用いることができ、複屈折Δnや誘電異方性Δεが大きい方が好ましい。特に、複屈折としては液晶材料の常光屈折率がガラス基板の屈折率に近い1.5〜1.6程度で、異常光屈折率が1.7〜1.8程度と大きいことが好ましい。
As the material of the transparent substrates 1, 2, 3, glass, plastic or the like can be used, and as the material of the
図3を用いてレンズアレイ層7が焦点を結ぶ動作機能について説明する。図3は、透明電極アレイ5のうち所定の透明電極ライン(図中の透明電極アレイ5のうち、色付きで表示した部分)にのみ液晶配向変化の閾値以上の電圧を印加した場合を示す。電圧を印加した電極部では電界によって垂直に配向し、無印加の電極部では水平に配向したままになる。この液晶セル内部の不均一電界による配向方向の分布によって異常光に対する屈折率分布が生じる。紙面に平行な偏光面を持つ直線偏光を入射する場合、液晶分子長軸が基板に垂直に配向するにしたがって実効的な屈折率が小さくなり、図4の実線のような屈折率分布の影響を受ける。この屈折率分布は、図3の電極ピッチに対応した比較的大きな凸レンズ状になっており、この屈折率分布により光を絞る集光機能が発生する。
An operation function for focusing the lens array layer 7 will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a case where a voltage equal to or higher than the threshold value of the liquid crystal alignment change is applied only to a predetermined transparent electrode line (a portion indicated by coloring in the
ここで、液晶8の層の厚さは基板間のスペーサー部材(図示せず)の厚さよって適宜設定でき、印加する電界と、この厚さによって生成される屈折率分布とは、所望の焦点位置となるように最適化される。また、液晶8の材料として重合性液晶を用いた場合、前述したような所望の集光位置が得られる状態で重合(硬化)させることが必要である。重合することで熱的にも安定状態を維持することができる。 Here, the thickness of the layer of the liquid crystal 8 can be set as appropriate depending on the thickness of a spacer member (not shown) between the substrates. The applied electric field and the refractive index distribution generated by this thickness have a desired focal point. Optimized for position. Further, when a polymerizable liquid crystal is used as the material of the liquid crystal 8, it is necessary to polymerize (harden) in a state where a desired light condensing position as described above can be obtained. By polymerization, a stable state can be maintained even thermally.
以上説明したように、第1の実施形態によれば、液晶の屈折率分布を用いたレンズアレイ層は、集光機能と偏光分離機能を兼ね備えている。そのため、従来の偏光変換素子と比較して、部品点数が少なく、薄型の偏光変換素子が実現できる。 As described above, according to the first embodiment, the lens array layer using the refractive index distribution of the liquid crystal has both a condensing function and a polarization separation function. Therefore, compared with the conventional polarization conversion element, the number of parts is small and a thin polarization conversion element can be realized.
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
第2の実施形態は、低コストで薄型の偏光変換素子を提供することを目的とする。この目的を達成するために、第2の実施形態の構成は、上記第1の実施形態の偏光変換素子において、偏光変換層は、少なくとも、一対の基板と、重合性液晶と、光重合開始剤とからなる液晶組成物と、一対の基板上にそれぞれ設けられ、液晶組成物を一対の基板間で配向させるための配向膜と、を有することを特徴とする。よって、従来の偏光変換素子における偏光変換は偏光分離層(偏光ビームスプリッター)に1/2波長板を所定の位置に貼り付けることでその機能がなされているが、第2の実施形態の偏光変換は、偏光変換層のみの構成でなされるため、1/2波長板の貼り付け工程が不要となり、従来よりも容易に製造可能になる。この偏光分離層は、重合性液晶と光重合開始剤とからなる液晶組成物と、この液晶組成物を一対の基板間で配向させるための配向膜とからなり、パターン露光および電界などの外場を加えることで偏光回転領域および偏光非回転領域の周期構造が形成可能である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
The second embodiment aims to provide a low-cost and thin polarization conversion element. In order to achieve this object, the configuration of the second embodiment is the polarization conversion element of the first embodiment, wherein the polarization conversion layer includes at least a pair of substrates, a polymerizable liquid crystal, and a photopolymerization initiator. And a liquid crystal composition formed on the pair of substrates and an alignment film for aligning the liquid crystal composition between the pair of substrates. Therefore, the polarization conversion in the conventional polarization conversion element is performed by attaching a half-wave plate to the polarization separation layer (polarization beam splitter) at a predetermined position, but the polarization conversion according to the second embodiment. Is made of only a polarization conversion layer, and therefore a step of attaching a half-wave plate is not required, and can be manufactured more easily than in the past. This polarization separation layer is composed of a liquid crystal composition comprising a polymerizable liquid crystal and a photopolymerization initiator and an alignment film for aligning the liquid crystal composition between a pair of substrates. The periodic structure of the polarization rotation region and the polarization non-rotation region can be formed.
図5は、第2の実施形態の偏光変換層および透明基板も含む部分の一例を図示したものである。図5において、偏光変換層6は、重合性液晶と光重合開始剤からなる液晶組成物を透明基板1,2間に保持し、光照射により形成した偏光回転領域9および偏光非回転領域10が周期的に配列されている。図5では、後述するツイストネマチック配向を利用した例を示しているが、この配向状態に限らず水平配向による1/2波長板の配向状態でも良い。基板1,2としては光学的に等方的で透明ならば、ガラスやプラスチックあるいはフィルムなどを用いることができる。 FIG. 5 illustrates an example of a portion including the polarization conversion layer and the transparent substrate according to the second embodiment. In FIG. 5, the polarization conversion layer 6 holds a liquid crystal composition composed of a polymerizable liquid crystal and a photopolymerization initiator between the transparent substrates 1 and 2, and includes a polarization rotation region 9 and a polarization non-rotation region 10 formed by light irradiation. Arranged periodically. FIG. 5 shows an example in which twisted nematic alignment described later is used, but the alignment state is not limited to this alignment state, and may be an alignment state of a half-wave plate by horizontal alignment. If the substrates 1 and 2 are optically isotropic and transparent, glass, plastic or film can be used.
図5において、二枚の基板1,2の間にはスペーサー部材を配置しても良い。スペーサー部材としては、液晶表示装置に用いられるような球形スペーサー、ファイバースペーサー、フィルムなどを用いることができる。また、フォトリソグラフィーとエッチングあるいは成型技術などによって基板表面に突起形状を加工しても良い。スペーサー部材は偏光変換層6の有効領域外に形成することが好ましい。スペーサー部材の高さは数μmから数十μm範囲が好ましく、液晶層のリタデーションあるいは旋光性が所望の値を示すよう適宜設定される。 In FIG. 5, a spacer member may be disposed between the two substrates 1 and 2. As the spacer member, a spherical spacer, a fiber spacer, a film or the like used in a liquid crystal display device can be used. Further, the protrusion shape may be processed on the substrate surface by photolithography and etching or molding technique. The spacer member is preferably formed outside the effective area of the polarization conversion layer 6. The height of the spacer member is preferably in the range of several μm to several tens of μm, and is appropriately set so that the retardation or optical rotation of the liquid crystal layer exhibits a desired value.
重合性液晶としては、単官能の液晶アクリレートモノマー、液晶メタアクリレートモノマー、二官能の液晶ジアクリレートモノマー、液晶ジメタアクリレートモノマーなどが用いられる。これらの材料は、官能基であるアクリロイルオキシ基と液晶骨格の間にメチレン鎖を有していても良い。具体例としては、大日本インキ化学製の液晶アクリレートモノマーUCL001などを用いることができる。 As the polymerizable liquid crystal, a monofunctional liquid crystal acrylate monomer, a liquid crystal methacrylate monomer, a bifunctional liquid crystal diacrylate monomer, a liquid crystal dimethacrylate monomer, or the like is used. These materials may have a methylene chain between the acryloyloxy group which is a functional group and the liquid crystal skeleton. As a specific example, a liquid crystal acrylate monomer UCL001 manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc. can be used.
光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、例えばビアセチル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、1−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、2−クロロチオキサントン、メチルベンゾイルフォーメート、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、ジエトキシアセトフェノン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、α-アミノアルキルフェノン、ビスアシルフォスフィンオキサイド、メタロセンなどを例示することができる。光重合開始剤の添加量は照射する光の波長に対する各材料の吸光度によっても異なるが、モノマーまたはプレポリマー全量に対して0.1重量%以上10重量%以下であることが好ましく、0.5重量%以上3重量%以下であることがより好ましい。具体例としては、青色光で露光する場合には、メタロセン系光重合開始剤(チバガイギー製イルガキュア784)を0.5重量部程度添加することができる。 As the photopolymerization initiator, known materials can be used, for example, biacetyl, acetophenone, benzophenone, Michler ketone, benzyl, benzoin alkyl ether, benzyl dimethyl ketal, 1-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropane-1- ON, 2-chlorothioxanthone, methylbenzoyl formate, 1- (4-isopropylphenyl) -2-hydroxy-2-methylpropan-1-one, diethoxyacetophenone, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2,2-dimethoxy Examples include -1,2-diphenylethane-1-one, α-aminoalkylphenone, bisacylphosphine oxide, and metallocene. The addition amount of the photopolymerization initiator varies depending on the absorbance of each material with respect to the wavelength of light to be irradiated, but is preferably 0.1% by weight or more and 10% by weight or less based on the total amount of the monomer or prepolymer. More preferably, it is at least 3% by weight. As a specific example, in the case of exposing with blue light, about 0.5 parts by weight of a metallocene photopolymerization initiator (Irgacure 784 manufactured by Ciba Geigy) can be added.
上記液晶組成物を二枚の透明基板1,2間で配向させるための配向膜11,12が透明基板1,2の面にそれぞれ用いられている。入射した偏光成分の偏光面が回転して出射する配向状態としては、水平配向した液晶の配向方向を偏光面に対して所望の角度傾けて設定し、液晶層のリタデーションを1/2波長に設定する場合と、ツイストネマチック配向の旋光性を利用する場合のいずれかを用いることが好ましい。 Alignment films 11 and 12 for aligning the liquid crystal composition between the two transparent substrates 1 and 2 are used on the surfaces of the transparent substrates 1 and 2, respectively. The alignment state in which the polarization plane of the incident polarization component rotates and exits is set by tilting the alignment direction of the horizontally aligned liquid crystal at a desired angle with respect to the polarization plane, and setting the retardation of the liquid crystal layer to ½ wavelength. It is preferable to use either the case of using or the case of utilizing the optical rotation of twisted nematic orientation.
リタデーションを1/2波長に設定した液晶位相差板の場合、液晶組成物を二枚の基板1,2間で平行配向させるための配向膜11,12が透明基板1,2の面に設けられている。配向膜11,12としてはポリイミドなどを用い、配向膜11,12の配向処理方法としてはラビング法や偏光紫外線照射などによる光配向法を用いることができる。上下の透明基板1,2の配向処理方向を平行にし、液晶の配向方向を偏光面に対して45度程度傾けて設定することで、出射光の偏光面を90度回転させることができる。この場合、使用する光の波長と液晶材料の複屈折に応じて、液晶層の厚みを設定するため、各波長に対して専用の液晶厚みを設定する必要がある。 In the case of a liquid crystal phase difference plate with retardation set to ½ wavelength, alignment films 11 and 12 for parallel alignment of the liquid crystal composition between the two substrates 1 and 2 are provided on the surfaces of the transparent substrates 1 and 2. ing. As the alignment films 11 and 12, polyimide or the like can be used, and as an alignment treatment method for the alignment films 11 and 12, a photo-alignment method such as a rubbing method or irradiation with polarized ultraviolet rays can be used. By setting the alignment processing directions of the upper and lower transparent substrates 1 and 2 in parallel and setting the alignment direction of the liquid crystal to be inclined by about 45 degrees with respect to the polarization plane, the polarization plane of the emitted light can be rotated by 90 degrees. In this case, since the thickness of the liquid crystal layer is set according to the wavelength of the light used and the birefringence of the liquid crystal material, it is necessary to set a dedicated liquid crystal thickness for each wavelength.
一方、ツイストネマチック配向の旋光性を利用する場合、液晶組成物を二枚の透明基板1,2間でツイストネマチック(TN)配向させるための配向膜11,12が透明基板1,2の面に設けられている。配向膜11,12としてはポリイミドなどを用い、配向膜11,12の配向処理方法としてはラビング法や偏光紫外線照射などによる光配向法を用いることができる。上下の透明基板1,2の配向処理方向を直交させることでTN配向の液晶層を形成することができる。このとき、TN配向を安定化させるために液晶組成物にカイラル剤を添加しても良い。また、配向膜11,12の配向処理方向は、前述の偏光分離層の回折格子のストライプ構造の方向に対して平行あるいは直交するように設定する、すなわち、偏光回転層に入射するP偏光成分あるいはS偏光成分と直交するように設定する。ツイストネマチック配向の場合、偏光回転作用が旋光性であり、比較的広い波長範囲で偏光面を回転させることができる。 On the other hand, when the optical rotation of twisted nematic alignment is used, alignment films 11 and 12 for twisting nematic (TN) alignment of the liquid crystal composition between the two transparent substrates 1 and 2 are formed on the surfaces of the transparent substrates 1 and 2. Is provided. As the alignment films 11 and 12, polyimide or the like can be used, and as an alignment treatment method for the alignment films 11 and 12, a photo-alignment method such as a rubbing method or irradiation with polarized ultraviolet rays can be used. By making the alignment treatment directions of the upper and lower transparent substrates 1 and 2 orthogonal, a TN alignment liquid crystal layer can be formed. At this time, a chiral agent may be added to the liquid crystal composition in order to stabilize the TN alignment. The alignment treatment direction of the alignment films 11 and 12 is set to be parallel or orthogonal to the direction of the stripe structure of the diffraction grating of the polarization separation layer, that is, the P-polarized component incident on the polarization rotation layer or It is set to be orthogonal to the S polarization component. In the case of twisted nematic alignment, the polarization rotation action is optical rotation, and the polarization plane can be rotated in a relatively wide wavelength range.
このようにして、図6に示すように、TN配向した液晶組成物(TN液晶層13)を形成する。次に、図7のように所望の領域を光照射してTN配向状態を重合固化させ、偏光回転領域9を形成する。このとき、レンズアレイのピッチに対応した開口マスクなどを用いて所望のピッチの領域のみを露光する。例えば、前述の光重合開始剤に感度がある青色光で露光する。その後、液晶組成物の未硬化部において、入射した偏光成分の偏光面が回転しない配向状態に転移させた状態で、全面的あるいは部分的な光照射により重合固化させて偏光非回転領域を形成する。入射した偏光成分の偏光面が回転しない配向状態に転移させた状態とは、例えば図5のような垂直配向状態、捻れがない水平配向状態、等方相の状態がある。これらの状態は電界や磁界など印加や加熱によって得ることができる。 In this manner, a TN-aligned liquid crystal composition (TN liquid crystal layer 13) is formed as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 7, a desired region is irradiated with light to polymerize and solidify the TN alignment state, and the polarization rotation region 9 is formed. At this time, only an area with a desired pitch is exposed using an aperture mask or the like corresponding to the pitch of the lens array. For example, exposure is performed with blue light sensitive to the above-described photopolymerization initiator. Thereafter, in the uncured portion of the liquid crystal composition, the polarization plane of the incident polarized light component is transferred to an alignment state in which it does not rotate, and is solidified by full or partial light irradiation to form a polarization non-rotation region. . The state in which the polarization plane of the incident polarization component is changed to the alignment state in which the polarization plane does not rotate includes, for example, a vertical alignment state as shown in FIG. 5, a horizontal alignment state without twisting, and an isotropic state. These states can be obtained by applying an electric field or a magnetic field or heating.
図5に示すような偏光変換層6では、偏光回転領域9にP偏光のみが入射した場合、TN配向で固定化された液晶ポリマー部の旋光性よってS偏光成分と同一偏光方向となって出射する。一方、偏光非回転領域10にS偏光のみが入射した場合、そのままS偏光が出射する。レンズアレイの各レンズの中心位置に対して偏光回転層の偏光回転領域9の位置が対応するようにレンズアレイ部と偏光分離層を含む部分と偏光回転層を含む部分を位置合わせして張り合わせる。 In the polarization conversion layer 6 as shown in FIG. 5, when only P-polarized light is incident on the polarization rotation region 9, it is emitted in the same polarization direction as the S-polarization component due to the optical rotation of the liquid crystal polymer portion fixed in the TN alignment. To do. On the other hand, when only the S-polarized light is incident on the polarization non-rotating region 10, the S-polarized light is emitted as it is. The lens array portion, the portion including the polarization separation layer, and the portion including the polarization rotation layer are aligned and bonded so that the position of the polarization rotation region 9 of the polarization rotation layer corresponds to the center position of each lens of the lens array. .
なお、レンズアレイ層の集光位置や偏光変換層の特性の設定を変化させることで、自然光をP偏光成分が多くなるように偏光変換することも可能である。第2の実施形態では、レンズアレイと偏光回転層の位置合わせ工程が必要ではあるが、偏光回転領域と偏光非回転領域の周期構造を同一の材料を用いたマスク露光と配向変化処理後の全面露光のような比較的簡単な工程で作製することができる。 In addition, it is also possible to carry out polarization conversion of natural light so that the P-polarized component increases by changing the condensing position of the lens array layer and the setting of the characteristics of the polarization conversion layer. In the second embodiment, the alignment process of the lens array and the polarization rotation layer is necessary, but the entire surface after the mask exposure and the orientation change process using the same material for the periodic structure of the polarization rotation region and the polarization non-rotation region. It can be produced by a relatively simple process such as exposure.
具体例としては、基板:ソーダガラス(片面ARコート付)、外形30×40mm、厚さ1.1mmのものを2枚張り合わせて、基板間に6μmのスペーサーによりセルギャップを制御した。張り合わせ前には両基板にポリイミドの配向膜(AL3046:JSR製)を1000Å塗布し、ラビング処理をした。ラビング方向は張り合わせるときに垂直方向になるように設定した。また、液晶材料は母液晶(UVキュアラブル):UCL−001−K0(DIC製)と複液晶(Δε誘発):E7(母液晶に対して5wt%)(メルク製)とカイラル剤:S−811(TN90°に設定)と光重合開始剤:IRG819(母液晶+複液晶に対して1wt%)を混ぜた組成物を用いて、暗室内で毛細管現象によりセル内へ注入した。 As a specific example, two substrates: a soda glass (with single-sided AR coating), an outer shape of 30 × 40 mm, and a thickness of 1.1 mm were bonded together, and the cell gap was controlled with a 6 μm spacer between the substrates. Before pasting, 1000 mm of polyimide alignment film (AL3046: made by JSR) was applied to both substrates and rubbed. The rubbing direction was set to be vertical when pasting. The liquid crystal materials are mother liquid crystal (UV curable): UCL-001-K0 (manufactured by DIC), double liquid crystal (Δε induction): E7 (5 wt% with respect to mother liquid crystal) (manufactured by Merck) and chiral agent: S-811 (A setting of TN 90 °) and a photopolymerization initiator: IRG819 (base liquid crystal + 1 wt% with respect to double liquid crystal) were mixed and injected into the cell by capillary action in a dark room.
次に、UVスポット照射機(オーク製)にてマスクパターンを密着露光した。マスクパターンは(L/S:500/500 or 50/50[μm])であり、露光条件はUV照射(365nm):5mW/cm^2、照射時間:電界印加前2sec/電界印加後5sec、電界印加:35V/μm,100Hz、露光温度:RTとし、TN液晶領域による偏光回転領域と垂直配向領域による偏光非回転領域との周期構造を形成した。青色レーザー(He−Cd)と対物レンズ(×50)とアクロマートレンズを用いて偏光回転領域と偏光非回転領域のそれぞれに焦点位置を設定した。入射光の偏光面は周期構造の配列方向とした。偏光板を用いてセルを透過した偏光方向を確認したところ、偏光非回転領域へ入射したときは、偏光方向は入射時と同じであった。また、偏光回転領域へ入射した時は、偏光方向は入射偏光方向から90度回転した偏光方向であった。 Next, the mask pattern was closely exposed using a UV spot irradiator (manufactured by Oak). The mask pattern is (L / S: 500/500 or 50/50 [μm]), and the exposure conditions are UV irradiation (365 nm): 5 mW / cm ^ 2, irradiation time: 2 seconds before electric field application / 5 seconds after electric field application, Electric field application: 35 V / μm, 100 Hz, exposure temperature: RT, and a periodic structure of a polarization rotation region by a TN liquid crystal region and a polarization non-rotation region by a vertical alignment region was formed. The focal position was set in each of the polarization rotation region and the polarization non-rotation region using a blue laser (He-Cd), an objective lens (× 50), and an achromatic lens. The polarization plane of the incident light was the arrangement direction of the periodic structure. When the direction of polarization transmitted through the cell was confirmed using a polarizing plate, the direction of polarization was the same as that upon incidence when it was incident on the polarization non-rotating region. In addition, when entering the polarization rotation region, the polarization direction was a polarization direction rotated 90 degrees from the incident polarization direction.
〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
第3の実施形態は、低コストで薄型の偏光変換素子を提供することを目的とする。この目的を達成するために、第3の実施形態の構成は、上記第1の実施形態の偏光変換素子において、偏光変換層は、複屈折性を示す領域と、等方性を示す領域との周期構造からなることを特徴とする。よって、偏光変換層が、複屈折性を示す領域と、等方性を示す領域との周期構造からなり、例えば、ガラスなどの等方性媒質を凹凸形状にし、凹凸の溝部に液晶を配向させ、複屈折性を示す領域は液晶で形成され、液晶領域にて得られる複屈折とその膜厚(セルギャップ)を1/2波長条件に最適化することで偏光回転領域(液晶領域)および偏光非回転領域(等方性領域)の周期構造が形成可能である。これは前記したように1/2波長板を貼り付ける工程が不要であり、従来に比べて容易に製造可能になる。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
The third embodiment aims to provide a low-cost and thin polarization conversion element. In order to achieve this object, the configuration of the third embodiment is that in the polarization conversion element of the first embodiment, the polarization conversion layer includes a birefringent region and an isotropic region. It is characterized by comprising a periodic structure. Therefore, the polarization conversion layer is composed of a periodic structure of a birefringent region and an isotropic region. The region exhibiting birefringence is formed of liquid crystal, and the polarization refraction region (liquid crystal region) and polarization are optimized by optimizing the birefringence obtained in the liquid crystal region and its film thickness (cell gap) to ½ wavelength conditions. A periodic structure of a non-rotating region (isotropic region) can be formed. As described above, this does not require a step of attaching a half-wave plate, and can be easily manufactured as compared with the prior art.
図8に第3の実施形態の一例である偏光変換層の断面の構成概略を示す。図8(a)は、複屈折性媒体に格子形状を形成し、格子溝を等方性媒体にて埋めた構成を示しており、これに対して、図8(b)は、等方性媒体に格子形状を形成し、格子溝を複屈折性媒体にて埋めた構成を示している。 FIG. 8 shows a schematic configuration of a cross section of a polarization conversion layer as an example of the third embodiment. FIG. 8A shows a configuration in which a grating shape is formed in a birefringent medium and grating grooves are filled with an isotropic medium, whereas FIG. 8B shows an isotropic structure. A configuration is shown in which a lattice shape is formed on a medium, and lattice grooves are filled with a birefringent medium.
例えば、図8に示した偏光変換層の機能動作としては、図9に示すように、等方性領域に入射する偏光方向はそのままの偏光方向状態で透過し、複屈折領域に入射する偏光方向は偏光方向が90度回転した状態で透過する。ここで、複屈折領域のΔnと膜厚dとからなるリタデーションΔnd=λ/2条件を満たすように設定されている。このように偏光変換層が、複屈折性を示す領域と等方性を示す領域との周期構造からなることで、図1に示すようにレンズアレイ層の集光位置を偏光変換層の偏光回転領域あるいは偏光非回転領域に設定することで偏光変換機能が実現できる。 For example, as a functional operation of the polarization conversion layer shown in FIG. 8, as shown in FIG. 9, the polarization direction incident on the isotropic region is transmitted as it is, and the polarization direction incident on the birefringence region. Transmits with the polarization direction rotated by 90 degrees. Here, the retardation Δnd of the birefringent region and the film thickness d is set to satisfy the condition Δnd = λ / 2. In this way, the polarization conversion layer is composed of a periodic structure of a birefringent region and an isotropic region, so that the condensing position of the lens array layer is rotated as shown in FIG. The polarization conversion function can be realized by setting the area or the polarization non-rotation area.
ここで、格子形状の形成はフォトリソグラフィーとエッチングまたは切削加工や成形技術等により形成することができる。また、等方性媒体としては、フォトポリマー等の透明樹脂や石英、BK7等の光学硝材が使用できるが、複屈折性を有さなければこれに限定されるものではない。複屈折媒体としては、ニオブ酸リチウム結晶、ニオブ酸タンタル結晶、酸化チタン結晶、高分子複屈折膜(高分子フィルム)、液晶等が使用できる。特に高分子複屈折膜や液晶は生産性に優れている。 Here, the lattice shape can be formed by photolithography and etching, cutting, forming technique, or the like. As the isotropic medium, a transparent resin such as a photopolymer, or an optical glass material such as quartz or BK7 can be used. However, the isotropic medium is not limited to this as long as it does not have birefringence. As the birefringent medium, lithium niobate crystal, tantalum niobate crystal, titanium oxide crystal, polymer birefringent film (polymer film), liquid crystal, and the like can be used. In particular, polymer birefringent films and liquid crystals are excellent in productivity.
高分子複屈折膜は、高分子フィルムを延伸して高分子鎖を配向させることによって複屈折性を有した高分子膜であり、簡単に大量生産することができ、低コストで偏光分離素子の作製ができるといった利点がある。延伸する高分子フィルムの高分子材料としては、例えば、ポリオレフィン系、ポリアクリルレート、ポリカーボネイト(PC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリスチレン等が使用できるが、これに限定されるものではない。液晶も表示装置などに汎用されているため製造面において低コストで量産性がよい。また、複屈折性(屈折率異方性)が大きいため、薄膜化にも向いているといった利点がある。液晶としては、非重合性液晶におけるネマチック、コレステリック、スメクチックなど一般的な液晶タイプを使用することができる。作製時には複屈折性を効率よく利用するために配向膜、ラビング、光配向等の配向処理をすることが好ましい。 A polymer birefringent film is a polymer film having birefringence by stretching a polymer film and orienting a polymer chain, and can be easily mass-produced, and can be produced at a low cost. There is an advantage that it can be manufactured. As the polymer material of the polymer film to be stretched, for example, polyolefin, polyacrylate, polycarbonate (PC), polyvinyl alcohol (PVA), polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene, and the like can be used. Is not to be done. Liquid crystals are also widely used in display devices and the like, and are low in cost and mass-productive in terms of manufacturing. Moreover, since birefringence (refractive index anisotropy) is large, there is an advantage that it is suitable for thinning. As the liquid crystal, general liquid crystal types such as nematic, cholesteric and smectic in non-polymerizable liquid crystal can be used. At the time of production, in order to efficiently use the birefringence, it is preferable to perform alignment treatment such as alignment film, rubbing, and photo-alignment.
前述では格子形状を加工技術により形成しているが、後述(第5の実施形態参照)するような干渉露光により等方性領域と複屈折性領域を自己組織的に形成してもよい。素子のサイズにもよるが自己組織的な形成法は加工法に比べて製造にかかる時間等が短くできるため、生産性に優れている。また、素子構成において耐湿熱性、耐久性のためにオーバーコート層(図示せず)を設けることが好ましく、オーバーコート層を形成する材料としては、常光線方向屈折率と異常光線方向屈折率との何れか一方と同じ屈折率を持つ透明樹脂等を使用することが好ましい。 In the above description, the lattice shape is formed by a processing technique. However, the isotropic region and the birefringent region may be formed in a self-organized manner by interference exposure as described later (see the fifth embodiment). Although it depends on the size of the element, the self-organized formation method is superior in productivity because the manufacturing time can be shortened compared to the processing method. In addition, it is preferable to provide an overcoat layer (not shown) for resistance to moist heat and durability in the element structure, and the material for forming the overcoat layer is an ordinary ray direction refractive index and an extraordinary ray direction refractive index. It is preferable to use a transparent resin or the like having the same refractive index as either one.
具体例としては、厚み0.5ミリのBK7ガラス基板表面に約3μmのSiON膜を製膜し、電子ビーム描画によるレジストパターン形成とエッチング加工によって、SiON膜にピッチ100μm、凹部の幅約50μm、凸部の幅約50μm、凹部の深さ約1.5μmの形状を作製した。対向基板として厚み0.5ミリのBK7を用い、ポリイミド系の配向膜を800オングストロームの厚みで形成し、ラビング処理を行った。凹凸基板の溝の方向とラビング方向一致するように、空セルを作製し、真空注入法を用いて液晶材料(メルク社製ZLI2248)を注入した。青色レーザー(He−Cd)と対物レンズ(×50)とアクロマートレンズを用いて凹凸形状のそれぞれに焦点位置を設定した。入射光の偏光面はラビング方向と45度回転した方向とした。偏光板を用いてセルを透過した偏光方向を確認したところ、凸部へ入射したときは、偏光方向は入射時と同じであった。また、凹部へ入射した時は、偏光方向は入射偏光方向から90度回転した偏光方向であった。 As a specific example, a SiON film having a thickness of about 3 μm is formed on the surface of a BK7 glass substrate having a thickness of 0.5 mm, and a resist pattern is formed by electron beam drawing and etched to form a pitch of 100 μm on the SiON film and a width of the recess of about 50 μm. A shape having a convex portion width of about 50 μm and a concave portion depth of about 1.5 μm was produced. Using BK7 having a thickness of 0.5 mm as the counter substrate, a polyimide-based alignment film having a thickness of 800 angstroms was formed and rubbed. An empty cell was prepared so as to coincide with the rubbing direction of the groove of the concavo-convex substrate, and a liquid crystal material (ZLI2248 manufactured by Merck) was injected using a vacuum injection method. The focal position was set for each of the concave and convex shapes using a blue laser (He-Cd), an objective lens (x50), and an achromatic lens. The polarization plane of the incident light was a direction rotated 45 degrees with the rubbing direction. When the direction of polarization transmitted through the cell was confirmed using a polarizing plate, the direction of polarization was the same as that upon incidence when incident on the convex portion. Further, when entering the concave portion, the polarization direction was a polarization direction rotated by 90 degrees from the incident polarization direction.
〔第4の実施形態〕
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
第4の実施形態は、電界により偏光変換が制御可能な偏光変換装置を提供することを目的とする。この目的を達成するために、第4の実施形態の構成は、上記第1〜3の実施形態の偏光変換素子と、この偏光変換素子のレンズアレイ層に設置された電極の、電界印加の方向または電界印加タイミングを切り替え可能な電界印加制御手段と、を設けたことを特徴とする。よって、レンズアレイ層に電界を印加する電界印加制御手段を設けているため、電界印加の切り替えに応じて焦点位置を変化することができる。この焦点位置が偏光回転領域と非偏光回転領域とを選ぶことで、偏光変換機能が電界により制御可能となる。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
The fourth embodiment aims to provide a polarization conversion device capable of controlling polarization conversion by an electric field. In order to achieve this object, the configuration of the fourth embodiment is the electric field application direction of the polarization conversion element of the first to third embodiments and the electrodes installed in the lens array layer of the polarization conversion element. Alternatively, an electric field application control means capable of switching the electric field application timing is provided. Therefore, since the electric field application control means for applying an electric field to the lens array layer is provided, the focal position can be changed according to the switching of the electric field application. By selecting the polarization rotation region and the non-polarization rotation region as the focal position, the polarization conversion function can be controlled by the electric field.
第4の実施形態の特徴は、図10に示すように、レンズアレイ層7に電界印加制御手段20を設けており、この電界印加制御手段20により偏光変換がアクティブに制御できる。 A feature of the fourth embodiment is that, as shown in FIG. 10, an electric field application control means 20 is provided in the lens array layer 7, and the polarization conversion can be actively controlled by the electric field application control means 20.
ここで、図11に、電界制御による偏光変換の動作を示す。第1の実施形態と同様に図11の上段(状態1)の図では、透明電極アレイ5のうち所定の透明電極ライン(図中の透明電極アレイ5のうち、色付きで表示した部分)にのみ閾値以上の電圧を印加した場合を示す。電圧を印加した電極部では電界によって垂直に配向し、無印加の電極部では水平に配向したままになる。この液晶セル内部の不均一電界による配向方向の分布によって異常光に対する屈折率分布が生じる。紙面の平行な偏光面を持つ直線偏光を入射する場合、液晶分子長軸が基板に垂直に配向するにしたがって実効的な屈折率が小さくなり、図12に示す実線(状態1)のような屈折率分布の影響を受ける。この屈折率分布は、図11の電極ピッチに対応した比較的大きな凸レンズ状になっており、一偏光成分に対して集光機能が発生する。
Here, FIG. 11 shows an operation of polarization conversion by electric field control. As in the first embodiment, in the upper part of FIG. 11 (state 1), only a predetermined transparent electrode line in the transparent electrode array 5 (a portion indicated by a color in the
次に、電界印加制御手段20により、図11の下段(状態2)の図に示すように、電界を印加する電極を切り換えると、液晶分子の配向状態も変化し、図12に示す破線(状態2)のような屈折率分布に変化する。 Next, as shown in the lower diagram (state 2) of FIG. 11 by the electric field application control means 20, when the electrode to which the electric field is applied is switched, the alignment state of the liquid crystal molecules also changes, and the broken line (state) shown in FIG. The refractive index distribution changes as in 2).
このように、電界を電極アレイに印加することによって集光し、印加する電極の位置を切り換えることによって、その焦点位置をシフトすることができる。すなわち、焦点位置を偏光回転層の偏光回転領域と偏光非回転領域のどちらか一つの領域に設定することで、電界制御により出射する偏光面の方向を制御することが可能となる。 Thus, the focal position can be shifted by condensing by applying an electric field to the electrode array and switching the position of the applied electrode. That is, by setting the focal position to one of the polarization rotation region and the polarization non-rotation region of the polarization rotation layer, the direction of the polarization plane to be emitted can be controlled by electric field control.
前述したように、この焦点位置は液晶の配向に起因する屈折率分布によって変化する。液晶の配向は印加する電界強度によって変化するため、印加する電界強度を調節することができる電界印加制御手段20を有することにより、焦点位置は可変できる。つまり、焦点位置が何らかの原因で変化したときにも調整することができる。例えば、焦点位置が変化する一つの原因として温度の影響がある。これは液晶材料の特性には温度依存性があるためである。例えば液晶材料の弾性定数、誘電率の温度特性によって、温度が下がると閾値電圧は上昇する。すなわち、液晶層に印加される電界が一定の場合、温度が変化すると焦点位置も変化する。そこで、温度検知手段を有し、温度検知手段の検知温度に対応して電界印加制御手段により印加する電界を調節して、焦点位置を制御することが好ましい。 As described above, this focal position changes depending on the refractive index distribution resulting from the alignment of the liquid crystal. Since the orientation of the liquid crystal changes depending on the applied electric field strength, the focal position can be varied by having the electric field application control means 20 that can adjust the applied electric field strength. That is, it can be adjusted when the focal position changes for some reason. For example, there is an influence of temperature as one cause of changing the focal position. This is because the characteristics of the liquid crystal material are temperature dependent. For example, the threshold voltage increases as the temperature decreases due to the temperature characteristics of the elastic constant and dielectric constant of the liquid crystal material. That is, when the electric field applied to the liquid crystal layer is constant, the focal position changes as the temperature changes. Therefore, it is preferable to have a temperature detection unit and control the focal position by adjusting the electric field applied by the electric field application control unit corresponding to the temperature detected by the temperature detection unit.
具体例として、透明ガラス基板(3cm×4cm、厚さ1.1mm)を二枚用い、一方の基板上にはCrのライン電極を形成した。このライン電極は交互に同一電圧を印加できるように櫛形電極A、Bを設けた。もう一方の基板は基板の片側全面にITOを形成し、ベタ電極とした。ガラス基板のITO側にポリイミド系の配向材料(AL3046−R31、JSR社)をスピンコートし、約0.3μmの配向膜を形成した。ガラス基板のアニール処理後、Crラインに対して直角方向にラビング処理を行った。二枚のガラス基板の間に3μmのスペーサー(真絲球)を挟み、上下基板を張り合わせ(電極面は対向させる)加圧した後、UV硬化接着剤で封止をして空セルを作製した。空セルの中に、誘電率異方性が正のネマチック液晶(ZLI−2471、メルク社)を毛細管法で注入し、液晶セルを作製した。上下基板のラビング処理の方向は一致しているため、液晶分子は基板に対して平行で全て同じ向きに配向(ホモジニアス配向)した状態となる。 As a specific example, two transparent glass substrates (3 cm × 4 cm, thickness 1.1 mm) were used, and a Cr line electrode was formed on one substrate. The line electrodes are provided with comb electrodes A and B so that the same voltage can be applied alternately. The other substrate was formed as a solid electrode by forming ITO on the entire surface of one side of the substrate. A polyimide alignment material (AL3046-R31, JSR) was spin coated on the ITO side of the glass substrate to form an alignment film of about 0.3 μm. After annealing the glass substrate, a rubbing process was performed in a direction perpendicular to the Cr line. A 3 μm spacer (true ball) was sandwiched between the two glass substrates, the upper and lower substrates were bonded together (the electrode surfaces were opposed) and pressurized, and then sealed with a UV curable adhesive to produce an empty cell. A nematic liquid crystal having a positive dielectric anisotropy (ZLI-2471, Merck) was injected into the empty cell by a capillary method to produce a liquid crystal cell. Since the upper and lower substrates are rubbed in the same direction, the liquid crystal molecules are all parallel to the substrate and aligned in the same direction (homogeneous alignment).
ここで作製したセルに電圧を印加して動作させた。印加電圧は3台のファンクションジェネレーターを使い、1台はトリガーとして、櫛型電極A、Bへ交互に電圧を印加するために用いた。入力周波数は100Hz、電圧の入力波形は三角波とし電圧値はオシロスコープ、テスターで確認した。セルへの入射光は白色ランプにアパーチャー(1.5mm)を取りつけ、コリメートレンズにより平行光にし、偏光板を用いて櫛形電極のストライプ形状とは垂直になるように偏光方向を設定してセルの透過光を顕微鏡[対物レンズ(40×)+リレーレンズ+CCD(“1/3)]で観察した。顕微鏡位置は光軸に対して平行移動させて、一番集光している位置に固定し、16Vの印加電圧を櫛形電極A、Bと切り換えることで観察像位置がシフトした。 The cell produced here was operated by applying a voltage. As the applied voltage, three function generators were used, and one was used as a trigger to alternately apply voltages to the comb electrodes A and B. The input frequency was 100 Hz, the voltage input waveform was a triangular wave, and the voltage value was confirmed with an oscilloscope and a tester. For the incident light to the cell, an aperture (1.5 mm) is attached to a white lamp, collimated by a collimating lens, and the polarization direction is set by using a polarizing plate so that it is perpendicular to the stripe shape of the comb electrode. The transmitted light was observed with a microscope [objective lens (40 ×) + relay lens + CCD (“1/3]]. The microscope position was moved parallel to the optical axis and fixed at the most focused position. The observation image position was shifted by switching the applied voltage of 16 V to the comb electrodes A and B.
〔第5の実施形態〕
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。
第5の実施形態は、外場により偏光変換が制御可能な偏光変換装置を提供する。この目的を達成するために、上記第1〜3の実施形態の偏光変換素子を有し、この偏光変換素子のレンズアレイ層と偏光変換層との間に偏光分離層を設け、この偏光分離層は、一対の透明基板と、これら一対の透明基板間に電界を印加可能な電極と、この電極の電界印加の方向または電界印加のタイミングを切り替え可能な電界印加制御手段とを有することを特徴とする。よって、レンズアレイ層と偏光変換層の間に偏向分離層を設けて、偏光分離層の光の偏向方向が偏光回転領域と非偏光回転領域とを選択することで、上記第1の実施形態のようにレンズアレイ層の焦点位置が固定の場合においても、偏光変換が電界により制御可能となる。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
The fifth embodiment provides a polarization conversion device in which polarization conversion can be controlled by an external field. In order to achieve this object, the polarization conversion element of the first to third embodiments is provided, and a polarization separation layer is provided between the lens array layer and the polarization conversion layer of the polarization conversion element. Has a pair of transparent substrates, an electrode capable of applying an electric field between the pair of transparent substrates, and an electric field application control means capable of switching the electric field application direction or electric field application timing of the electrodes. To do. Therefore, by providing a deflection separation layer between the lens array layer and the polarization conversion layer and selecting the polarization rotation region and the non-polarization rotation region as the light deflection direction of the polarization separation layer, Thus, even when the focal position of the lens array layer is fixed, polarization conversion can be controlled by an electric field.
また、第5の実施形態は、外場により偏光変換が高速に制御可能な偏光変換装置を提供することを目的とする。この目的を達成するために、第5の実施形態の構成は、上記本実施形態の偏光変換装置において、偏光分離層が、少なくとも、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物からなり、この組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成したホログラフィックポリマー分散液晶層であることを特徴とする。よって、偏光分離層がホログラフィックポリマー分散液晶層からなるため、電界制御により偏光変換の切り替え速度が数十μsecオーダーの高速切り替えが可能となる。 The fifth embodiment is intended to provide a polarization conversion device capable of controlling polarization conversion at high speed by an external field. In order to achieve this object, the configuration of the fifth embodiment is that, in the polarization conversion device of the present embodiment, the polarization separation layer includes at least a non-polymerizable liquid crystal, a polymerizable monomer or a prepolymer, and photopolymerization. The composition was composed of an initiator, and this composition was subjected to two-beam interference exposure to form a periodic phase separation structure of a layer composed mainly of a polymer and a layer composed mainly of a non-polymerizable liquid crystal. It is a holographic polymer dispersed liquid crystal layer. Therefore, since the polarization separation layer is composed of a holographic polymer-dispersed liquid crystal layer, the switching speed of polarization conversion can be switched at high speed on the order of several tens of μsec by electric field control.
第5の実施形態の特徴は、図13に示すように、レンズアレイ層7と偏光変換層6の間に電界印加制御手段20を備えた偏光分離層14を設けている。実際は偏光分離層14を挟んでいる透明基板2a,2bには電界を印加するための電極が設けられているが、図13では省略している。 A feature of the fifth embodiment is that a polarization separation layer 14 having an electric field application control means 20 is provided between the lens array layer 7 and the polarization conversion layer 6 as shown in FIG. Actually, electrodes for applying an electric field are provided on the transparent substrates 2a and 2b sandwiching the polarization separation layer 14, but they are omitted in FIG.
図13において、例えば、偏光分離層14は、少なくとも非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物からなり、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成したホログラフィックポリマー分散液晶層である。この場合、二光束の角度や波長を調整することで所望のピッチの体積ホログラムを作製することができる。また、干渉縞の方向と素子の配置角度を調整することで、素子内部で傾斜したホログラムの構造を自在に作製することができる。 In FIG. 13, for example, the polarization separation layer 14 is composed of a composition comprising at least a non-polymerizable liquid crystal, a polymerizable monomer or prepolymer, and a photopolymerization initiator, and the composition is subjected to two-beam interference exposure. A holographic polymer dispersed liquid crystal layer in which a periodic phase separation structure of a layer mainly made of polymer and a layer mainly made of non-polymerizable liquid crystal is formed. In this case, a volume hologram having a desired pitch can be produced by adjusting the angle and wavelength of the two light beams. Further, by adjusting the direction of the interference fringes and the arrangement angle of the element, the structure of the hologram tilted inside the element can be freely produced.
非重合性液晶としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。液晶材料を選択する時は、あるオーダーパラメーターの配向状態において、重合性モノマーあるいはプレポリマーの硬化層の屈折率と等しい屈折率となる液晶材料を選択してもよく、また、液晶材料を選択してから、その液晶のあるオーダーパラメーターの配向状態での屈折率と同じ屈折率になるように重合性モノマーあるいはプレポリマーを選択してもよい。 As the non-polymerizable liquid crystal, a general liquid crystal having refractive index anisotropy can be used. When selecting a liquid crystal material, a liquid crystal material having a refractive index equal to the refractive index of the cured layer of the polymerizable monomer or prepolymer may be selected in an orientation state of a certain order parameter. Then, the polymerizable monomer or the prepolymer may be selected so that the refractive index becomes the same as the refractive index in the orientation state of the liquid crystal in a certain order parameter.
非重合性液晶としては、ネマチック、コレステリック、スメクチックのいずれのタイプでも良く、従来公知のビフェニル、ターフェニル、フェニルシクロヘキサン、ビフェニルシクロヘキサン、安息香酸フェニルエステル、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル、フェニルピリミジン、フェニルジオキサン、トラン、1−フェニル−2−シクロヘキシルエタン、1−フェニル−2−ビフェニルエタン、1−シクロヘキシル−2−ビフェニルエタン、ビフェニルカルボン酸フェニルエステル、4−シクロヘキシル安息香酸フェニルエステルなどを骨格とし、アルキル基、アルコキシ基や誘電異方性を付与するための極性付与基としてのシアノ基、ハロゲン基などを置換基として有する液晶などを用いることができる。非重合性液晶材料は、重合性モノマーあるいはプレポリマーの合計量100重量部に対して20重量部〜500重量部の割合で使用されることが好ましい。 As the non-polymerizable liquid crystal, any of nematic, cholesteric, and smectic types may be used, and conventionally known biphenyl, terphenyl, phenylcyclohexane, biphenylcyclohexane, benzoic acid phenyl ester, cyclohexanecarboxylic acid phenyl ester, phenylpyrimidine, phenyldioxane, Tran, 1-phenyl-2-cyclohexylethane, 1-phenyl-2-biphenylethane, 1-cyclohexyl-2-biphenylethane, biphenylcarboxylic acid phenylester, 4-cyclohexylbenzoic acid phenylester, etc. A liquid crystal having a cyano group, a halogen group, or the like as a substituent as a polar group for imparting an alkoxy group or dielectric anisotropy can be used. The non-polymerizable liquid crystal material is preferably used in a proportion of 20 to 500 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total amount of polymerizable monomers or prepolymers.
重合性モノマーまたはそのプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましい。このような重合性モノマーとしては、エチレン性不飽和結合を有する光重合可能な化合物であって、1分子中に少なくともエチレン性不飽和二重結合を1個有する光重合、光架橋可能なモノマー、オリゴマー、プレポリマー及びそれらの混合物であり、モノマー及びその共重合体の例としては、不飽和カルボン酸及びその塩、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アミン化合物とのアミド等が挙げられるが、特に2官能以上の多官能性モノマーは硬化収縮が大きく、好適に使用できる。不飽和カルボン酸のモノマーとしてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸、及びそれらのハロゲン置換不飽和カルボン酸、例えば塩素化不飽和カルボン酸、臭素化不飽和カルボン酸、弗素化不飽和カルボン酸等が挙げられる。不飽和カルボン酸の塩としては前述の酸のナトリウム塩及びカリウム塩等がある。また、ウレタンアクリレート類、ポリエステルアクリレート類、エポキシ樹脂と(メタ)アクリル酸等の多官能性のアクリレートやメタクリレートを挙げることができる。また、上記の他に熱重合禁止剤、可塑剤等が添加されても良い。 It is preferable to use a polymerizable monomer or a prepolymer thereof that has a large cure shrinkage due to polymerization. As such a polymerizable monomer, a photopolymerizable compound having an ethylenically unsaturated bond, a photopolymerization having at least one ethylenically unsaturated double bond in one molecule, a photocrosslinkable monomer, Examples of monomers and copolymers thereof include unsaturated carboxylic acids and salts thereof, esters of unsaturated carboxylic acids and aliphatic polyhydric alcohol compounds, unsaturated carboxylic acids and Examples thereof include amides with aliphatic polyvalent amine compounds. Particularly, bifunctional or higher polyfunctional monomers have large curing shrinkage and can be suitably used. Examples of unsaturated carboxylic acid monomers include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, maleic acid, and halogen-substituted unsaturated carboxylic acids such as chlorinated unsaturated carboxylic acids and brominated unsaturated carboxylic acids. And fluorinated unsaturated carboxylic acid. Examples of unsaturated carboxylic acid salts include sodium and potassium salts of the aforementioned acids. Moreover, polyfunctional acrylates and methacrylates such as urethane acrylates, polyester acrylates, epoxy resins and (meth) acrylic acid can be mentioned. In addition to the above, a thermal polymerization inhibitor, a plasticizer, and the like may be added.
光重合開始剤としては、前述と同様に公知の材料を用いることができる。光重合開始剤の添加量は照射する光の波長に対する各材料の吸光度によっても異なるが、モノマーまたはプレポリマー全量に対して0.1重量%以上10重量%以下であることが好ましく、0.5重量%以上3重量%以下であることがより好ましい。光重合開始剤の添加量が少なすぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が起こり難くなり、必要な露光時間が長くなってしまう。逆に、光重合開始剤が多すぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が不十分な状態で硬化してしまうため、ポリマー中に多くの液晶分子が取り込まれ、偏光選択性が劣化するという問題がある。ここで、偏光選択性とは周期構造の配列方向に略平行な偏光方向における回折効率と前記した偏光方向に対して90度回転した偏光方向における回折効率の比であり、0に近づくほど、偏光選択性は良好であるとする。 As the photopolymerization initiator, known materials can be used as described above. The addition amount of the photopolymerization initiator varies depending on the absorbance of each material with respect to the wavelength of light to be irradiated, but is preferably 0.1% by weight or more and 10% by weight or less based on the total amount of the monomer or prepolymer. More preferably, it is at least 3% by weight. When the amount of the photopolymerization initiator added is too small, phase separation between the polymer and the liquid crystal hardly occurs, and the necessary exposure time becomes long. On the other hand, if there are too many photopolymerization initiators, the polymer and liquid crystal are cured with insufficient phase separation, so that many liquid crystal molecules are taken into the polymer and the polarization selectivity deteriorates. There is. Here, the polarization selectivity is the ratio between the diffraction efficiency in the polarization direction substantially parallel to the arrangement direction of the periodic structure and the diffraction efficiency in the polarization direction rotated by 90 degrees with respect to the polarization direction. The selectivity is assumed to be good.
次に、相分離によるホログラム形成過程について図14を用いて説明する。図14において、図示しない所望の波長のレーザー光源による二光束干渉露光系を用いて、組成物中に露光を行うと、干渉縞の明部において重合性モノマーあるいはプレポリマーの光重合反応が始まる。この時、硬化収縮が起こって密度差が生じ、隣接する重合性モノマーあるいはプレポリマーが明部に移動し更に重合が進行する。それと同時に明部に存在していた非重合性液晶が暗部に向かって追い出されることで相分離が起こる。この時、液晶分子が移動して行く際にモノマーやポリマー鎖との相互作用で液晶分子長軸を移動方向に配向させようとする力が働くと考えられる。すなわち、相分離過程において干渉縞の間隔方向に液晶分子を配向させようとする力が働くと考えられる。最終的には、図15に示すように、干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー層と非重合性液晶層の周期構造が形成され、液晶層部の配向ベクトルが干渉縞の間隔方向を向いた状態が得られると考えられる。この干渉露光および相分離過程において、試料を適当な温度に加熱保持しておくことが好ましい。温度によって相分離の速度が変化し、液晶分子の配向性に影響を及ぼすと考えられる。最適な加熱温度は使用する材料によって異なるが40℃から100℃程度が好ましい。 Next, a hologram forming process by phase separation will be described with reference to FIG. In FIG. 14, when the composition is exposed using a two-beam interference exposure system with a laser light source having a desired wavelength (not shown), the photopolymerization reaction of the polymerizable monomer or prepolymer starts in the bright part of the interference fringes. At this time, curing shrinkage occurs, resulting in a density difference, the adjacent polymerizable monomer or prepolymer moves to the bright part, and further polymerization proceeds. At the same time, phase separation occurs when the non-polymerizable liquid crystal present in the bright part is driven out toward the dark part. At this time, it is considered that when the liquid crystal molecules move, a force to align the major axis of the liquid crystal molecules in the moving direction by the interaction with the monomer or polymer chain is considered to work. That is, it is considered that a force for orienting liquid crystal molecules in the direction of the interference fringe acts in the phase separation process. Finally, as shown in FIG. 15, a periodic structure of a polymer layer and a non-polymerizable liquid crystal layer is formed corresponding to the bright and dark pitches of the interference fringes, and the orientation vector of the liquid crystal layer portion indicates the interval direction of the interference fringes. It is thought that the state which turned suitable is obtained. In this interference exposure and phase separation process, the sample is preferably heated and held at an appropriate temperature. It is considered that the phase separation speed changes depending on the temperature and affects the orientation of the liquid crystal molecules. The optimum heating temperature varies depending on the material used, but is preferably about 40 ° C to 100 ° C.
相分離によるポリマー層と非重合性液晶層の周期構造では、厳密にはポリマーと非重合性液晶が周期的に完全に分離することは困難であり、ここで言うポリマー層とはポリマー成分が多い領域であり液晶分子を含んでいても良い。また、非重合性液晶層とは非重合性液晶成分が多い領域でありポリマー成分を含んでいても良い。実際にはポリマー層と液晶層の界面は理想的な平面では無く凹凸状であると推測されるため、界面での液晶分子長軸方向のバラツキは大きく、液晶層のオーダーパラメーターは比較的小さい状態となる。したがって、液晶層部の複屈折は比較的小さくなる。 Strictly speaking, it is difficult for the periodic structure of the polymer layer and the non-polymerizable liquid crystal layer by phase separation to completely separate the polymer and the non-polymerizable liquid crystal periodically, and the polymer layer here has many polymer components. The region may contain liquid crystal molecules. The non-polymerizable liquid crystal layer is a region having a large amount of non-polymerizable liquid crystal components and may contain a polymer component. Actually, the interface between the polymer layer and the liquid crystal layer is assumed to be uneven, not an ideal plane, so the variation in the major axis direction of the liquid crystal molecules at the interface is large and the order parameter of the liquid crystal layer is relatively small. It becomes. Therefore, the birefringence of the liquid crystal layer portion is relatively small.
作製する周期構造のピッチは所望の回折角や波長によって異なるが、概ね0.2μmから1000μmの範囲である。例えば、405nmの入射光に対して20°の回折角を得るためには、1.1μm程度のピッチ、650nmの入射光に対して2.3μm程度のピッチが必要となる。ポリマー層と液晶層界面の傾斜角としては0°から20°程度が好ましい。露光量としては光重合開始剤の添加濃度や露光時の温度によっても異なるが、0.5J/cm2から30J/cm2が好ましく、1J/cm2から15J/cm2がより好ましい。 The pitch of the periodic structure to be produced varies depending on the desired diffraction angle and wavelength, but is generally in the range of 0.2 μm to 1000 μm. For example, in order to obtain a 20 ° diffraction angle with respect to 405 nm incident light, a pitch of about 1.1 μm and a pitch of about 2.3 μm with respect to 650 nm incident light are required. The inclination angle between the polymer layer and the liquid crystal layer interface is preferably about 0 ° to 20 °. The exposure amount varies depending on the addition concentration of the photopolymerization initiator and the temperature at the time of exposure, but is preferably 0.5 J / cm 2 to 30 J / cm 2, more preferably 1 J / cm 2 to 15 J / cm 2 .
第5の実施形態では、液晶部全体の常光屈折率noとポリマー部の屈折率npがほぼ一致するように液晶の種類とポリマーの種類の組合せを適宜設定することで、図15のようなS偏光の入射光に対しては液晶部全体の常光屈折率noとポリマー部の屈折率npの差を感じないため回折せず、P偏光の入射光に対しては液晶部全体の異常光屈折率neとポリマー部の屈折差を感じて回折するようなホログラフィックポリマー分散液晶層からなる偏光選択性ホログラムが比較的低コストで作製することができる。 In the fifth embodiment, the combination of the type of liquid crystal and the type of polymer is appropriately set so that the ordinary light refractive index no of the entire liquid crystal part and the refractive index np of the polymer part substantially coincide with each other. It does not diffract for polarized incident light because it does not feel the difference between the ordinary refractive index no of the whole liquid crystal part and the refractive index np of the polymer part, and for the incident light of P polarized light, the extraordinary light refractive index of the whole liquid crystal part. A polarization-selective hologram composed of a holographic polymer-dispersed liquid crystal layer that diffracts by feeling the refractive difference between ne and the polymer portion can be produced at a relatively low cost.
このようなホログラフィックポリマー分散液晶層は非重合性の液晶領域とポリマー領域との周期構造からなるため、層内に電界を印加することで液晶領域の液晶の配向は電界により制御できる。ここで電界制御による動作機能を図16に示す。図16(a)のように、電界を印加しない場合は、液晶の配向は周期構造の配列方向に向いており、P偏光に対して光は回折する。ここで、図16(b)のように電界を印加する場合は、液晶の配向は電界方向(基板面垂直方向)を向いており、P偏光に対して光は透過する。(S偏光はどちらの場合においても透過する)すなわちホログラフィックポリマー分散液晶層にて決定する回折角を偏光変換層の偏光回転領域と偏光非回転領域に対応するように設定することで、図13のようにレンズアレイ層を透過した光(P偏光)の焦点位置を可変することができる。 Since such a holographic polymer-dispersed liquid crystal layer has a periodic structure of non-polymerizable liquid crystal regions and polymer regions, the orientation of the liquid crystal in the liquid crystal regions can be controlled by the electric field by applying an electric field in the layer. Here, the operation function by the electric field control is shown in FIG. As shown in FIG. 16A, when no electric field is applied, the orientation of the liquid crystal is oriented in the arrangement direction of the periodic structure, and light is diffracted with respect to the P-polarized light. Here, when an electric field is applied as shown in FIG. 16B, the orientation of the liquid crystal is oriented in the direction of the electric field (direction perpendicular to the substrate surface), and light is transmitted through the P-polarized light. (S-polarized light is transmitted in either case), that is, the diffraction angle determined by the holographic polymer dispersed liquid crystal layer is set so as to correspond to the polarization rotation region and the polarization non-rotation region of the polarization conversion layer. As described above, the focal position of the light (P-polarized light) transmitted through the lens array layer can be varied.
一般的にポリマー分散液晶はポリマー界面の規制を強く受けるため、液晶の配向規制力が大きい。そのため液晶の応答速度は規制力により増倍され、数十μ秒の高速応答が得られる。 In general, polymer-dispersed liquid crystals are strongly regulated by the polymer interface, so that the alignment regulating power of the liquid crystals is large. Therefore, the response speed of the liquid crystal is multiplied by the regulation force, and a high-speed response of several tens of microseconds can be obtained.
具体例としては、厚み0.15mmのガラス基板の片面に青色光に対する反射防止膜を形成後、反対の面にITOを1500Åの厚さに蒸着した。粒径4μmのスペーサー粒子を接着剤中に分散させ有効領域外に塗布してガラス基板を貼り合わせ。有効領域の幅は10mm角程度とした。次に以下の5種類の材料の混合物からなる組成物を約60℃に加熱しながら毛管法によりセル中に注入し、厚み約4μmの組成物層を形成した。なお、この組成物は緑色より短波長の光に反応性を示すため赤色光を用いた暗室下で取り扱った。
〈1〉ネマチック液晶(メルク製ZLI−4850、Δε<0) 30重量部
〈2〉フェニルグリシジルエーテルアクリレートヘキサメチレンジイソシアネートウレタンプレポリマー(共栄社化学製AH600) 75重量部
〈3〉ジメチロールトリシクロデカンジアクリレート(共栄社化学製DCP−A) 10重量部
〈4〉2−ヒドロキシエチルメタクリレート(共栄社化学製HO) 5重量部
〈5〉メタロセン系光重合開始剤(チバガイギー製イルガキュア784) 0.5重量部
セル中に注入後、この組成物は室温下において等方性を示した。
As a specific example, an antireflection film for blue light was formed on one side of a glass substrate having a thickness of 0.15 mm, and then ITO was deposited on the opposite side to a thickness of 1500 mm. Spacer particles with a particle size of 4 μm are dispersed in an adhesive, applied outside the effective area, and bonded to a glass substrate. The width of the effective area was about 10 mm square. Next, a composition composed of a mixture of the following five types of materials was injected into the cell by the capillary method while heating to about 60 ° C. to form a composition layer having a thickness of about 4 μm. In addition, since this composition was reactive to light having a shorter wavelength than green, it was handled in a dark room using red light.
<1> Nematic liquid crystal (ZLI-4850, Merck ZLI-4850, Δε <0) 30 parts by weight <2> Phenylglycidyl ether acrylate hexamethylene diisocyanate urethane prepolymer (AH600, manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) 75 parts by weight <3> Dimethylol tricyclodecandi Acrylate (DCP-A manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) 10 parts by weight <4> 2-hydroxyethyl methacrylate (HO manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) 5 parts by weight <5> Metallocene photopolymerization initiator (Irgacure 784 manufactured by Ciba-Geigy) 0.5 part by weight Cell After pouring in, the composition was isotropic at room temperature.
次に、波長442nm、出力80mWのHe−Cdレーザーによる二光束干渉露光系を作成した。レーザー光を分割、拡大して、1つの光束が約11mW/cm2程度の平行光として、2光束の交差角度を26度に設定した。この波長と交差角度では二光束の交差領域に約1μm周期の干渉縞が生成される。 Next, a two-beam interference exposure system using a He—Cd laser having a wavelength of 442 nm and an output of 80 mW was prepared. The laser beam was divided and expanded so that one light beam was parallel light of about 11 mW / cm 2, and the crossing angle of the two light beams was set to 26 degrees. At this wavelength and crossing angle, interference fringes with a period of about 1 μm are generated in the crossing region of the two light beams.
セル基板を加熱装置に取り付け、約60℃に加熱した状態で、約5分間の2光束干渉露光を行い、ホログラム素子を作製した。この時、基板面の垂直方向に対して+13度と−13度の方向から2光束が入射するように設定した。 With the cell substrate attached to a heating device and heated to about 60 ° C., two-beam interference exposure was performed for about 5 minutes to produce a hologram element. At this time, two light beams were set to enter from directions of +13 degrees and -13 degrees with respect to the direction perpendicular to the substrate surface.
作製したホログラム素子の基板面に対して角度が13度の方向から波長442nmの直線偏光のレーザー光を照射して、入射光強度に対する+1次回折光強度を測定した。入射光強度は5mW程度になるようにNDフィルターを用いて調整した。入射光路中に直線偏光板と半波長板を配置し、半波長板の光軸を45度回転させることで、ホログラム素子に入射する偏光方向(P偏光、S偏光)を切り換え可能に構成し、入射光の偏光をP偏光に設定した。素子を透過する光はほぼ回折し+1次回折効率は80%であった。 A linearly polarized laser beam having a wavelength of 442 nm was irradiated from a direction with an angle of 13 degrees to the substrate surface of the produced hologram element, and the + 1st order diffracted light intensity with respect to the incident light intensity was measured. The incident light intensity was adjusted using an ND filter so as to be about 5 mW. By arranging a linearly polarizing plate and a half-wave plate in the incident optical path and rotating the optical axis of the half-wave plate by 45 degrees, the polarization direction (P-polarized light, S-polarized light) incident on the hologram element can be switched, The polarization of incident light was set to P polarization. The light transmitted through the element was almost diffracted, and the + 1st order diffraction efficiency was 80%.
ホログラム素子にファンクションジェネレーターとアンプを用いて1kHz、±20V/μmの矩形波を基板間に印加し、同様にして素子の光学特性を測定したところ、0次光の透過質が95%となった。高速度カメラにより素子を透過した光を受光し、応答速度を測定したところ100μsecの高速応答性が得られた。入射光に対する+1次回折光の出射角度は26度であり、偏光変換層の偏光回転領域あるいは偏光非回転領域に対応させることで、電界制御により偏光変換が可能となる。 When a rectangular wave of 1 kHz and ± 20 V / μm was applied between the substrates using a function generator and an amplifier for the hologram element, and the optical characteristics of the element were measured in the same manner, the transmission quality of the 0th order light was 95%. . When the light transmitted through the element was received by a high-speed camera and the response speed was measured, a high-speed response of 100 μsec was obtained. The outgoing angle of the + 1st order diffracted light with respect to the incident light is 26 degrees, and polarization conversion is possible by electric field control by making it correspond to the polarization rotation region or polarization non-rotation region of the polarization conversion layer.
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態の記載に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the description of the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
本発明は、液晶ディスプレイ、液晶プロジェクタなどの照明光学系に適用できる。 The present invention can be applied to illumination optical systems such as liquid crystal displays and liquid crystal projectors.
1、2、2a、2b、3 透明基板
4 透明電極
5 透明電極アレイ
6 偏光変換層
7 レンズアレイ層
8 液晶(液晶成分)
9 偏光回転領域
10 偏光非回転領域
11、12 配向膜
13 TN液晶層
14 偏光分離層
20 電界印加制御手段
1, 2, 2a, 2b, 3 Transparent substrate 4
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Polarization rotation area | region 10 Polarization non-rotation area | region 11, 12 Alignment film 13 TN liquid crystal layer 14
Claims (7)
前記レンズアレイ層は、
一対の基板と、
前記一対の基板のうち少なくとも一つの基板上に備えられ、前記一対の基板間に電界を印加可能な電極と、
前記一対の基板間に備えられ、前記電極によって印加される電界によって屈折率分布の制御が可能な液晶と、
を有することを特徴とする偏光変換素子。 A lens array layer having a function of separating incident light into a first polarization component and a second polarization component, and a function of condensing at least one polarization component of the polarization components, a polarization rotation region, and polarization In a polarization conversion element having a polarization conversion layer that periodically forms a non-rotating region,
The lens array layer is
A pair of substrates;
An electrode provided on at least one of the pair of substrates and capable of applying an electric field between the pair of substrates;
A liquid crystal provided between the pair of substrates and capable of controlling a refractive index distribution by an electric field applied by the electrodes;
A polarization conversion element comprising:
一対の基板と、
重合性液晶と、光重合開始剤とからなる液晶組成物と、
前記一対の基板上にそれぞれ設けられ、前記液晶組成物を前記一対の基板間で配向させるための配向膜と、
を有することを特徴とする請求項1記載の偏光変換素子。 The polarization conversion layer is at least
A pair of substrates;
A liquid crystal composition comprising a polymerizable liquid crystal and a photopolymerization initiator;
An alignment film provided on each of the pair of substrates, for aligning the liquid crystal composition between the pair of substrates;
The polarization conversion element according to claim 1, comprising:
前記偏光変換素子に備えられた電極の、電界印加の方向または電界印加のタイミングを切り替え可能な電界印加制御手段と、
を有することを特徴とする偏光変換装置。 The polarization conversion element according to any one of claims 1 to 4,
An electric field application control means capable of switching an electric field application direction or an electric field application timing of an electrode provided in the polarization conversion element;
A polarization conversion device comprising:
前記偏光変換素子のレンズアレイ層と偏光変換層との間に設けられた偏光分離層と、を有し、
前記偏光分離層は、
一対の基板と、
前記一対の基板間に電界を印加可能な電極と、
前記電極の電界印加の方向または電界印加のタイミングを切り替え可能な電界印加制御手段と、
を備えることを特徴とする偏光変換装置。 The polarization conversion element according to any one of claims 1 to 4,
A polarization separation layer provided between the lens array layer and the polarization conversion layer of the polarization conversion element,
The polarization separation layer is
A pair of substrates;
An electrode capable of applying an electric field between the pair of substrates;
Electric field application control means capable of switching the direction of electric field application of the electrode or the timing of electric field application;
A polarization conversion device comprising:
非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物からなり、
前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成したホログラフィックポリマー分散液晶層であることを特徴とする請求項6記載の偏光変換装置。 The polarization separation layer is at least
A composition comprising a non-polymerizable liquid crystal, a polymerizable monomer or prepolymer, and a photopolymerization initiator,
It is a holographic polymer dispersed liquid crystal layer in which a periodic phase separation structure of a layer mainly composed of a polymer and a layer mainly composed of a non-polymerizable liquid crystal is formed by two-beam interference exposure of the composition. The polarization conversion device according to claim 6, characterized in that:
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