JP2008527438A - 液晶に基づく光制御要素 - Google Patents

Abstract

第１配向から切り換え可能である第１液晶に基づく光吸収材料（１１２，１１４）を封入する第１チャンバ（１１０）であって、第１配向において、第１液晶に基づく光吸収材料１１２，１１４）は、前記材料が実質的に透過性である第２配向に対して第１偏光方向を有する光を主に吸収する、第１チャンバと、更に、第１の更なる配向から切り換え可能である第２液晶に基づく光吸収材料（１２２，１２４）を封入する第２チャンバ（１２０）であって、第１の更なる配向において、第２液晶に基づく光吸収材料（１２２，１２４）は、前記材料（１２２，１２４）が実質的に透過性である第２の更なる配向に対して前記第１偏光方向に実質的に垂直な偏光方向を有する光を主に吸収する、第２チャンバと、を有する光制御要素（１００）について開示している。複数の電極が、前記第１液晶に基づく光吸収材料及び記第２液晶に基づく光吸収材料の配向を切り換えるためにある。したがって、偏光非依存性光制御要素（１００）が得られる。

Description

本発明は、液晶材料を有するチャンバを有する光制御要素に関する。

本発明は、更に、そのような光制御要素を有する電子装置に関する。

絞り及び光シャッタのような光制御要素についての複数の例が知られている。そのような要素は、比較的速い切り換え速度を有し、機械的に移動する部品が少なく、そのことはそれらの要素が摩耗され難く及び引っ掻かれ難くするため、魅力的である。

例えば、欧州特許第１１８６９４１号明細書において、液晶及び二色性色素を有するゲストホスト方式に基づくシャッタについて開示されている。適切な偏光方向を有する光がシャッタの前の偏光板により選択され、そのシャッタは、色素の吸収の主軸が光の偏光方向と重ならない透過モードから、色素の吸収軸が光の偏光方向と重なる吸収モードに切り換えられる。この解決方法は、偏光板を使用するためにシャッタの透過モードにおいてさえ、光の少なくとも５０％が失われるという短所を有する。

偏光板を必要としない液晶に基づくシャッタについては、特開昭５７−０６６４１８号公報に記載されている。そのシャッタは２つの液晶板を有し、各々の液晶板は、光散乱モードと透過モードとの間で切り換えられる液晶材料を有する。第１液晶板は、その液晶板の主表面において対の透明電極の方向により長手方向の偏光方向を有する光の透過を選択的に遮断するように備えられ、そして第２液晶板は、その液晶板の側部における電極の対による横方向の偏光方向を有する光の透過を選択的に遮断するように備えられている。残念ながら、２つのチャンバにおける電極の異なる方向は、このシャッタの製造を困難にし、高価なものにしている。

特開２００４−３４９４２３号公報においては、偏光板を必要としない他の液晶に基づくシャッタについて開示されている。そのシャッタは、ネマチック液晶材料を封入する少なくとも２つのチャンバを有する。ネマチック液晶材料は、それらの材料がアライメント材料を必要とすることなく散乱状態と透過状態との間で切り換えられるために魅力的である。しかしながら、ネマチック液晶材料は１００％の光散乱効率が得られず、シャッタの光遮断効率は、十分な効率のシャッタを得るように複数のネマチック液晶セルを重ねることにより改善される必要がある。しかしながら、それらの複数のセル、例えば、特開２００４−３４９４２３号公報における２つのセルは比較的小さく、そのようなシャッタは尚も、光の透過を完全に遮断することができない。
欧州特許第１１８６９４１号明細書 特開昭５７−０６６４１８号公報 特開２００４−３４９４２３号公報

本発明の目的は、光制御要素に基づく改善された液晶を提供することである。

本発明の更なる目的は、そのような光制御要素に基づく改善された液晶を有する電子装置を提供することである。

本発明の第１特徴にしたがって、光吸収材料が第１偏光方向を有する光を主に吸収する第１方向からその材料が実質的に透過性である第２方向に切り換わることが可能である光吸収材料に基づく第１液晶を封入した第１チャンバと、光吸収材料が第１偏光方向に対して実質的に垂直な偏光方向を有する光を主に吸収する第１方向からその材料が実質的に透過性である第２方向に切り換わることが可能である光吸収材料に基づく第２液晶を封入した第２チャンバと、第１光吸収材料及び第２光吸収材料の方向を切り換えるための複数の電極であって、前記電極は互いに対して好適に平行に方向付けられている、複数の電極と、を備えている。

本発明は、光遮断モードについて液晶材料の非組織的で無秩序な状態からの光散乱の原理を用いる特開昭５７−０６６４１８号公報及び特開２００４−３４９４２３号公報に開示されている従来技術の偏光非依存性光制御要素とは対照的に、好適には、二色性色素である光吸収色素及び液晶材料のゲストホスト方式のような液晶に基づく光吸収材料に基づく液晶を切り換える能力が、異なる組織的な状態間で、シャッタ又は絞りのような偏光非依存性光制御装置を構成するように用いられることの実現に基づいている。

このような本発明に繋がる実現は、光吸収材料が、光吸収材料における発色団の吸収の主軸と平行な偏光方向を有する光を吸収するばかりでなく、角度の大きさに対して反比例し且つ略９０°の角度については０に近づく吸収効率を有する、この吸収軸を有する角度に基づく偏光方法を有する光を、効率が低いにも拘わらず、吸収するという認識からもたらされたものである。それ故、垂直な光偏光方向について最大吸収効率を有する材料に基づく２つの光吸収性液晶を有することにより、偏光板を必要としない高効率の光吸収性光制御要素が得られる。

この要素は、電極全てが互いに平行に方向付けられることが可能であり、光制御要素が製造するのに容易になることにより、特開昭５７−０６６４１８号公報に対して有利であり、良好な光遮断効率が得られることにより、特開２００４−３４９４２３号公報に対して有利である。更に、上記の特許文献、特開昭５７−０６６４１８号公報及び特開２００４−３４９４２３号公報に開示されている装置とは対照的に、入射光は、光制御要素の暗い状態においては散乱されるのではなく吸収されるために、光は光制御要素からは反射されず、そのことは、光反射が回避されなければならない状況、例えば、センサアレイのような複数の光検出要素の配列においては重要である。

好適には、第１光吸収材料は、第１光吸収材料を第１方向及び第２方向の一に強制するためのアライメント層の第１の対の間に挟まれ、第２光吸収材料は、第２光吸収材料を第１の更なる方向及び第２の更なる方向の一に強制するためのアライメント層の第２の対の間に挟まれている。このことは、電界が存在しない状態で、２つの光吸収材料の非常に正確な垂直のアライメントが達成されることができる有利点を有する。代替として、所望のアライメント効果は、特定の方向にある２つのチャンバの内側表面をこすることにより達成される。

実施形態においては、第１チャンバは、第１の対のアライメント層のうちの一方のアライメント層により覆われた第１段差面を有し、第２チャンバは、第２の対のアライメント層のうちの一方のアライメント層により覆われた第２段差面を有する。したがって、光吸収材料を透過する光路の深さは光制御要素の幅に亘って変化し、そのことは、光吸収材料が第１位置に存在するとき、吸収強度における差をもたらす。それ故、光制御要素はこの実施形態においては絞りとしての役割を果たす。

更なる実施形態においては、第１段差面及び第２段差面は、第１チャンバと第２チャンバとの間の隔壁の主面である。このことは、光制御要素が、隔壁が２つのチャンバを形成するように位置付けられている単一のコンテナから作られることができ、そのコンテナは光制御要素が容易に製造されるようにする。

他の実施形態においては、第１チャンバ及び第２チャンバは、電場が透過可能なフォイルにより分離されている。このことはまた、光制御要素が単一のコンテナから作られ、そのコンテナは光制御要素が容易に製造されるようにする。

有利であることに、複数の電極は、第１チャンバにおける第１電極及び第２チャンバにおける第２電極を有する電極の対を有する。本発明の光制御要素の複数の実施形態においては、光の２つの主偏光方向の吸収は単独の対の電極を用いることにより制御されることができ、そのことは、従来のものに比べて、より単純な且つよりコンパクトな光制御要素をもたらす。このことは、光制御要素を有する形態通信装置の分野において特に有利であり、集積された光制御要素のフォームファクタを最小化することにより通信装置の所望のサイズ減少を容易にすることができる。

更なる実施形態においては、複数の電極は、第１の複数の環状電極と、第１の複数の環状電極に対向する第２の複数の環状電極とを有する。このようにして、電場勾配が、光制御要素を透過する光路に対して垂直方向に適用され、そのことは、光制御要素が絞りとしての役割を果たすようにする。

本発明の他の特徴にしたがって、プロセッサに結合した光センサを備え、光センサの前に位置付けられている本発明の光制御要素の上記の実施形態にしたがって、その電子装置は、電極の対に結合されたドライバ回路を更に有する。

本発明については、以下、添付図を参照して、更に詳細に及び非制限的実施例として説明される。

図は単なる例示であって、スケーリングして描かれていないことを理解する必要がある。同じ参照番号は図全体を通して同じ又は類似する部分を示すことをまた、理解する必要がある。

図１から理解できるように、本発明にしたがった光制御要素１００は、第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０を有する。第１チャンバは、第１液晶材料１１２及び第１発色団１１４を封入し、その第１発色団は液晶１１２の部分であることが可能であり、第１液晶材料１１２に共有結合又はイオン結合されていることが可能であり、又は第１液晶材料１１２と共にゲストホスト系を形成することが可能である。

第１発色団１１４及び第２発色団１２４は色素であることが可能であり、好適には、二色性色素である。第１液晶材料１１２は第２液晶材料１２２と同じ材料であることが可能であり、第１発色団１１４は第２発色団１２４と同じ発色団であることが可能であるが、これは必要ない。液晶に基づく光吸収材料は、欧州特許第１１８６９４１号明細書及び欧州特許第１１９７７８６号明細書に開示されている液晶材料に基づくゲストホスト系のような既知の液晶に基づく光吸収材料であることが可能であり、他の例を当業者は容易に入手可能である。例えば、米国特許第６４６９６８３号明細書に開示されているような二周波液晶材料はまた、本発明で用いるのに適切である。

第１方向（Ｉ）においては、第１チャンバ１１０における第１発色団１１４及び第１液晶１１２の分子は、図１の左上の角部分に示されている座標系のｘ方向に配向されていて、第２チャンバ１２０における第２発色団１２４及び第２液晶１２２の分子はその座標系のｙ方向に配向されている。入射光の主偏光方向は、破線の曲線１３０及び実線の曲線１４０により示されているｘ方向及びｙ方向に方向付けられている。光は、矢印１５０により示されているように、ｚ方向に進む。

第１発色団１１４及び第２発色団１２４は、入射光の吸収に関して異方性を有する。正異方性の場合には、それらの発色団は、それらの長軸１１６に対して平行な偏光方向を有する光をより効果的に吸収する一方、負異方性の場合には、より有効な吸収は、それらの短軸１１８に対して平行な偏光方向を有する光について起こる。図１においては、光制御要素の動作については、正異方性を有する発色団を用いて示されているが、これは単なる例示であり、負異方性を有する発色団は、同様に受け入れられる。

第１配向（Ｉ）においては、第１チャンバ１１０における第１発色団１１４は、ｘ方向において偏光成分を有する光を効果的に吸収する一方、第２チャンバ１２０における第２発色団１２４は、ｙ方向において偏光成分を有する光を効果的に吸収し、それ故、入射光が光制御要素１００を通って進まないようにする。第２配向（ＩＩ）においては、第１発色団１１４の長軸及び第２発色団１２４の長軸はｚ方向に配向している。この配向方向においては、それらの発色団は入射光の何れも顕著に吸収することはなく、したがって、入射光は光制御要素１００を通って進むようにされる。

好適な解決方法においては、第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０におけるそれぞれの液晶に基づく光吸収材料の第１配向（Ｉ）は、液晶に基づく光吸収材料を対のアライメント層の間に挟むことにより、又はそれらのチャンバの内側壁をこすることにより得られる。第２配向（ＩＩ）は、第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０における光吸収材料をｚ方向の電場の影響下に置くことにより得られる。

しかしながら、必要な第１及び第２配向を引き起こす代替の方法を利用することが可能であり、例えば、第１チャンバ１１０における第１液晶に基づく液晶吸収材料の第１配向（Ｉ）は、ｘ方向における電場の印加により得られ、第２チャンバ１２０における第２液晶に基づく液晶吸収材料の第１配向（Ｉ）は、ｙ方向における電場の印加により得られ、それらの材料の第２配向（ＩＩ）は、アライメント層により又はこすることにより得られる。

後続の図においては、光は、図に示されている座標系のｚ方向に進むと仮定されている。

本発明にしたがった光制御装置１００の第１実施形態においては、図２に示されているように、第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０は離れている、別個のチャンバであり、第１チャンバ１１０は、第１チャンバ１１０の光入射面の平面においてアライメント層２１６により覆われた第１透明電極２１２が形成され、第２透明電極２１４は、第１チャンバ１１０の光出射面の平面においてアライメント層２１８により覆われている。第１チャンバ１１０における第１液晶に基づく光吸収材料はｘ方向に配向している。同様に、第２チャンバ１２０は、第２チャンバ１２０の光入射面の平面においてアライメント層２２６により覆われた第１透明電極２２２を有し、第２透明電極２２４は、第２チャンバ１２０の光出射面の平面においてアライメント層２２８により覆われている。第２チャンバ１２０における第２液晶に基づく光吸収材料はｙ方向に配向している。第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０は、単に明確化のために互いに離れているように示されている。第１チャンバ１１０の光出射面は第２チャンバ１２０の光出射面と接することは、同様に実行可能である。

図２及び後続の図に示されている電極は、何れの既知の透明な導電性材料、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）から成ることが可能である。図２及び後続の図に示されているアライメント層は、何れの既知の適切なアライメント材料から形成されることが可能である。

図３においては、本発明にしたがった光制御要素１００の他の実施形態が示されている。第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０は、それらの表面においてアライメント層２１８及び２２６が形成された透明なフォイル３００により分離されている。透明なフォイル３００は、それらのチャンバの表面において用いられるそれら２つのアライメント材料に対して挿入される何れのフォイルであることが可能である。フォイル３００は、電場が実質的な電場強度の損失を伴わないフォイル３００を透過するように十分に薄いものである。このことは、光制御要素１００において単独の対の電極又は電極構造、即ち、第１チャンバ１１０の単独の面における１つの電極又は電極構造及び第２チャンバ１２０の単独の面における他の電極又は電極構造の使用を容易にする。

例示として、第１チャンバ１１０は、同心の環状電極３１２、３１４及び３１６の集合を有する第１電極構造を更に有し、第２チャンバ１２０は、同心の環状電極３１２、３１４及び３１６の集合に対向して位置している、同心の環状電極３２２、３２４及び３２６の集合を有する第２電極構造を更に有する。電極の対は、ｘｙ平面における電場の勾配、例えば、第１の対の電極３１２及び３２２から第３の対の電極３１６及び３２６の方に強度が大きくなる、電場における勾配を生成するようにするように、独立して制御可能である。そのような勾配はまた、表面における同心の環状電極、例えば、電極３１２、３１４及び３１６を抵抗結合を介して導電的に相互接続することにより得られ、その場合、電極の対は、単一の電圧の印加により制御されることができる。

そのような径方向の電場の印加は、光吸収性分子が光制御要素１００の中心においてｚ方向により効果的にアライメントされ、光制御要素１００の外側領域において効果的でないようにアライメントされるようにする。このことは、他の領域において光の残りの吸収をもたらす。したがって、光制御要素１００は絞りとして動作する。電極の対に対して印加される電圧の変化により、絞り強度は調節されることができる。

ここで、絞りの機能性を改善するための同心の環状電極の使用は、図２に示されている光制御要素１００について同様に実行可能であることを強調しておく。また、第１チャンバ１１０の面における同心の環状電極３１２、３１４及び３１６及び第２チャンバ１２０の面における同心の環状電極３２２、３２４及び３２６は、絞りではなくシャッタを得るように前記面における２つの単独の電極により置き換えられることが可能である。

図４は、図３に示されている同心の環状電極の必要性を有することなく、絞りとしての役割を果たす本発明の光制御要素１００の他の実施形態を示している。第１チャンバ１１０は、アライメント層２１６により覆われた第１透明段差構造４１０を有し、第２チャンバ１２０は、アライメント層２２８により覆われた第２透明段差構造を有する。それらの段差構造４１０及び４２０の段は、第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０における光吸収材料の層の厚さにおける径方向の変化をもたらす。したがって、光の吸収は、光制御要素１００の光路の中心において最も効果が小さく、その中心において、光吸収材料の層の厚さは最も小さい。

更に、第１チャンバ１１０における第１光吸収材料の誘電率に対して異なるように第１段差構造の誘電率を、そして第２チャンバ１２０における第２光吸収材料の誘電率に対して異なるように第２段差構造の誘電率を選択することにより、ｚ方向に印加された電場に対する光吸収材料の反応の径方向の勾配が得られる。例えば、それらの段差構造は、光吸収材料に比べて小さい誘電率を有する場合、光制御要素１００の有効誘電率はその中心から外側領域の方に向かって増加する。それ故、光吸収材料は、光制御装置１００の中心領域において外側領域におけるより容易にスイッチングできる。それ故、光制御装置１００の電極に印加される電圧を変化させることにより、有効にスイッチングされるｘｙ平面における光吸収材料の領域は変化されることができ、スイッチング可能な絞りが得られる。

図５においては、第１チャンバ１１０において第１段差表面及び第２チャンバ１２０における第２段差表面が形成された隔壁５００を有するスイッチング可能絞りについて示されている。その動作原理は図４に示されているスイッチング可能絞りについてと同様であるが、第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０は隔壁５００のみにより分離され、電極の単独の対５１４及び５１８が、隔壁５００が十分に薄い場合に、そのスイッチング可能絞りを制御するように用いられることが可能である。

ここでは、図４の段差構造４１０及び４２０における段及び段差構造５００は、それらの構造のレンズのような挙動が所望されない場合、それらの段差構造は１でない光学的パワーを示し且つフレネル型レンズであることが回避されるように十分に平坦であることを強調しておく。十分に平坦な段を有する段差構造は既知の光レプリカ技術を用いて得られる。

ここでは、図４の段差構造４１０及び４２０における段及び図５の段差構造５００は、電極層（図示せず）により覆われることが可能であることをまた、強調しておく。そのような層は、堆積、例えば、前記段差構造の段にＩＴＯのような導電性材料をスパッタリングにより容易に形成されることができる。このことは、液晶層の厚さにおける変化によりもたらされる絞りにおける光吸収の勾配が、電極の対における２つの電極の間の距離がまた変化することのために、電極間の電場強度における変化により大きくなるという有利点を有する。

図６は、本発明にしたがった電子装置６００の実施例としての移動通信装置を示している。電子装置６００は、画像センサ６２０の前に位置する本発明の光制御要素１００を有する。固定レンズであることが可能であるレンズ６１０、ズームレンズ又は可変焦点レンズが、光制御要素１００と光センサ６２０との間に位置付けられることが可能である。処理器６３０が、光センサ６２０とドライバ回路６４０との間に結合されている。処理器６３０は、光センサ６２０の出力信号を処理するように及び制御信号をドライバ回路６４０に供給するように備えられている。ドライバ回路６４０は、制御信号に応じて駆動電圧をより光制御要素１００の第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０における電極に供給するように備えられている。処理器６３０とレンズ１２０との間に結合され、処理器６３０により生成される更なる制御信号に反応するドライバ回路（図示せず）をまた、レンズ６１０が可変光学的パワーを有する場合に、備えることが可能である。

上記の実施形態は本発明を限定するものではなく、例示するものであり、当業者は同時提出の特許請求の範囲における範囲から逸脱することなく多くの代替の実施形態をデザインすることができることに留意する必要がある。用語“を有する”は、請求項において列挙されている要素又は段階以外の要素又は段階の存在を排除するものではない。要素の単数表現は、その要素の複数の存在を排除するものではない。本発明は、複数の別個の要素を有するハードウェアにより実施されることが可能である。複数の手段が列挙されている装置請求項においては、それらの複数の手段は全く同一のハードウェアにより実施されることが可能である。特定の手段が互いに異なる独立請求項において列挙されていることは単に、それらの手段の組み合わせが有利に用いられないことを意味するのではない。

本発明の光制御要素の動作原理を説明するスキームを示す図である。 本発明の光制御要素の実施形態を示す図である。 本発明の他の光制御要素の実施形態を示す図である。 本発明の他の光制御要素の実施形態を示す図である。 本発明の他の光制御要素の実施形態を示す図である。 本発明の光制御要素を有する電子装置を示す図である。

Claims (11)

1. 第１配向から切り換え可能である第１液晶に基づく光吸収材料を封入する第１チャンバであって、前記第１配向において、前記第１液晶に基づく光吸収材料は、前記材料が実質的に透過性である第２配向に対して第１偏光方向を有する光を主に吸収する、第１チャンバ；
   第１の更なる配向から切り換え可能である第２液晶に基づく光吸収材料を封入する第２チャンバであって、前記第１の更なる配向において、前記第２液晶に基づく光吸収材料は、前記材料が実質的に透過性である第２の更なる配向に対して前記第１偏光方向に実質的に垂直な偏光方向を有する光を主に吸収する、第２チャンバ；
   前記第１液晶に基づく光吸収材料及び記第２液晶に基づく光吸収材料の配向を切り換えるための複数の電極；
   を有する光制御要素。
2. 請求項１に記載の光制御要素であって、前記電極は互いに対して平行に方向付けられている、光制御要素。
3. 請求項１又は２に記載の光制御要素であって、前記第１液晶に基づく光吸収材料は液晶材料及び色素を有し、前記第２液晶に基づく光吸収材料は更なる液晶材料及び更なる色素を有する、光制御要素。
4. 請求項３に記載の光制御要素であって、前記色素及び前記更なる色素は二色性色素である、光制御要素。
5. 請求項１に記載の光制御要素であって、前記第１光吸収材料は、前記第１配向及び前記第２配向の一において前記第１光吸収材料を強制するために第１のアライメント層の対の間に挟まれ、前記第２光吸収材料は、前記第１の更なる配向及び前記第２の更なる配向の一において前記第２光吸収材料を強制するために第１のアライメント層の対の間に挟まれている、光制御要素。
6. 請求項５に記載の光制御要素であって、前記第１チャンバは、前記第１のアライメント層の対の一のアライメント層により覆われている第１段差構造を有し、前記第２チャンバは、前記第２のアライメント層の対の一のアライメント層により覆われている第２段差構造を有する、光制御要素。
7. 請求項６に記載の光制御要素であって、前記第１段差構造及び前記第２段差構造は、前記第１チャンバと前記第２チャンバとの間の隔壁の主面である、光制御要素。
8. 請求項１乃至６の何れ一項に記載の光制御要素であって、前記第１チャンバ及び前記第２チャンバは、電場が透過可能なフォイルにより分離されている、光制御要素。
9. 請求項１乃至８の何れ一項に記載の光制御要素であって、前記複数の電極は、前記第１チャンバにおける第１電極及び前記第２チャンバにおける第２電極を有する電極対を有する、光制御要素。
10. 請求項１乃至８の何れ一項に記載の光制御要素であって、前記複数の電極は、第１の複数の環状電極と、前記第１の複数の環状電極に対向する第２の複数の環状電極とを有する、光制御要素。
11. 処理器に結合されている光センサと、前記光センサの前に位置付けられている請求項１乃至１０の何れ一項に記載の光制御要素とを有する電子装置であって、複数の電極に結合されているドライバ回路を更に有する、前記電子装置。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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