JP2009098163A - Liquid crystal optical element - Google Patents

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Nobuyuki Hashimoto
信幸 橋本
Makoto Kurihara
誠 栗原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid crystal optical element which incorporates one-dimensional fine optical structure more excellent in performance and whose characteristics can be electrically controlled as necessary. <P>SOLUTION: The liquid crystal optical element which holds liquid crystal between two sheets of transparent substrates has a configuration provided with a fine optical structure which is set to be such a shape that alignment axis direction of liquid crystal molecules is vertical to the direction of one-dimensional structural change on at least one side transparent substrate of the two sheets of transparent substrates, whereby the damage of a diffraction element structure due to alignment treatment can be reduced. By constituting the liquid crystal optical element thus, the optical element which has the enhanced maximum diffraction efficiency and hardly causes resonance phenomena can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、微細光学素子の技術、特には微細光学素子の光学特性を必要に応じて電気的に制御する液晶光学素子に関する。また、特には一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子においてその回折特性を電気的に制御する液晶光学素子に関する。また、可視光域で波長程度以下の一次元の微細光学構造を備えた液晶光学素子に属する。   The present invention relates to a technique of a micro optical element, and more particularly to a liquid crystal optical element that electrically controls the optical characteristics of the micro optical element as necessary. In particular, the present invention relates to a liquid crystal optical element that electrically controls the diffraction characteristics of a one-dimensional multilevel binary diffraction element. Moreover, it belongs to the liquid crystal optical element provided with the one-dimensional fine optical structure below the wavelength in visible light range.

曲率半径のみで規定される緩やかな構造変化をもつ球面光学素子から、より複雑な構造を持つ非球面光学素子、更には回折光学素子のような微細な光学構造を持つ素子の実用化により、光学システムは簡素化や高機能化がなされてきた。近年では、液晶光学素子に代表される光学特性を電気的に制御できる素子も実用化され、DVD装置等の光ピックアップの高機能化に貢献している。   From the practical use of spherical optical elements with gradual structural changes defined only by the radius of curvature, aspherical optical elements with more complex structures, and elements with fine optical structures such as diffractive optical elements. Systems have been simplified and enhanced. In recent years, elements capable of electrically controlling optical characteristics typified by liquid crystal optical elements have been put into practical use, contributing to higher functionality of optical pickups such as DVD devices.

そして最近では、微細光学構造としてブレーズド格子を階段近似した複雑な構造を持つマルチレベルバイナリー型回折格子やモスアイ構造も実用化された。また、それら微細光学構造を内在させた液晶光学素子も提案されている(例えば、特許文献1参照)。この液晶光学素子は、ガラス基板の液晶層側に一次元のモスアイ構造を構成し、無反射の機能を持たせているので、素子に入射する入射光がレーザー光のような干渉性の高い光であっても、素子の内部反射による光の共振現象を生じないようにすることができる。
国際公開2004/086389号パンフレット(第7頁、第2−4図)
Recently, multilevel binary diffraction gratings and moth-eye structures having a complicated structure obtained by staircase approximation of a blazed grating as a fine optical structure have been put into practical use. In addition, a liquid crystal optical element having such a fine optical structure has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Since this liquid crystal optical element has a one-dimensional moth-eye structure on the liquid crystal layer side of the glass substrate and has a non-reflective function, the incident light incident on the element is highly coherent light such as laser light. Even so, the resonance phenomenon of light due to internal reflection of the element can be prevented.
International Publication No. 2004/086389 (page 7, Fig. 2-4)

しかしながら、マルチレベルバイナリー型回折素子の場合、その特性は形状に対して敏感で階段状のエッジが少しでも崩れてしまうと、その機能は著しく低下してしまう。モスアイ構造も同様でエッジ形状が少しでも崩れてしまうと、その機能は低下する。ここで、特許文献1に示した微細光学構造としてモスアイ構造を取り込んだ液晶光学素子において、液晶を配向する過程において配向処理を施さなくてはならない。この配向処理として最も実用的な方法は、有機配向膜をラビング配向処理する方法であり、これは配向軸を作りたい方向に配向膜を繊維で擦って行う。この様な手法で配向処理を行うと、特に微細光学構造における配向軸方向に微細な損傷を与えやすい。このラビング配向処理に代わる手段として知られている光配向処理や蒸着配向処理においても、程度の差こそあれ同様の現象が生じる。したがって、上記配向処理の過程で、微細光学構造が特には配向方向に損傷を受ける可能性がある。   However, in the case of a multi-level binary type diffraction element, its characteristics are sensitive to the shape, and if the stepped edge is broken even a little, its function is significantly degraded. The moth-eye structure is the same, and if the edge shape collapses even a little, its function deteriorates. Here, in the liquid crystal optical element incorporating the moth-eye structure as the fine optical structure shown in Patent Document 1, the alignment process must be performed in the process of aligning the liquid crystal. The most practical method for this alignment treatment is a method of rubbing the organic alignment film, which is performed by rubbing the alignment film with fibers in a direction in which an alignment axis is desired. When the alignment treatment is performed by such a method, it is easy to cause fine damage particularly in the alignment axis direction in the fine optical structure. In the photo-alignment process and the vapor deposition alignment process, which are known as an alternative to the rubbing alignment process, the same phenomenon occurs to some extent. Therefore, in the course of the alignment treatment, the fine optical structure may be damaged particularly in the alignment direction.

本発明の目的は上記問題点を解決し、回折特性を電気的に制御できるマルチレベルバイナリー型回折素子を内在した液晶素子や微細光学構造を内在し、構造劣化が少ない、ひいては性能劣化の少ない液晶光学素子を提供するものである。   The object of the present invention is to solve the above problems and to provide a liquid crystal element or a micro optical structure with a multi-level binary diffraction element capable of electrically controlling diffraction characteristics, and a liquid crystal with little structural deterioration and hence little performance deterioration. An optical element is provided.

上記課題を解決するために本発明の液晶光学素子は、基本的には下記記載の内容を採用するものである。   In order to solve the above problems, the liquid crystal optical element of the present invention basically employs the following contents.

本発明による液晶光学素子は、2枚の透明基板間に液晶を挟持する液晶光学素子において、この2枚の透明基板の少なくとも一方の透明基板に、液晶分子の配向軸方向と、一次元の光学構造が変化する方向とを直交させた微細光学構造を備えることを特徴とするもの
である。
The liquid crystal optical element according to the present invention is a liquid crystal optical element in which liquid crystal is sandwiched between two transparent substrates. At least one transparent substrate of the two transparent substrates has an alignment axis direction of liquid crystal molecules and one-dimensional optics. It is characterized by having a fine optical structure in which the direction in which the structure changes is orthogonal.

また、本発明の液晶光学素子は、上記微細光学構造が、一次元のマルチレベルバイナリー型回折格子であり、液晶分子の配向軸方向と格子ベクトルの方向とを直交させることで、上記一次元の光学構造の変化する方向を設定したことを特徴とするものである。   In the liquid crystal optical element of the present invention, the fine optical structure is a one-dimensional multilevel binary diffraction grating, and the one-dimensional one is obtained by making the alignment axis direction of the liquid crystal molecules and the direction of the lattice vector orthogonal to each other. The direction in which the optical structure changes is set.

また、本発明の液晶光学素子は、上記微細光学構造が、一次元のモスアイ構造でることを特徴とするものである。   In the liquid crystal optical element of the present invention, the fine optical structure is a one-dimensional moth-eye structure.

また、本発明の液晶光学素子は、上記液晶が、平行配向型の液晶であることを特徴とするものである。   The liquid crystal optical element of the present invention is characterized in that the liquid crystal is a parallel alignment type liquid crystal.

本発明におけるマルチレベルバイナリー型回折素子の構造を内在する液晶光学素子は、マルチレベルバイナリー型回折素子の回折特性を電気的に制御可能で、更に、配向処理による回折素子構造の損傷を少なくし、最大回折効率を高くすることができる。   The liquid crystal optical element having the structure of the multi-level binary diffraction element in the present invention can electrically control the diffraction characteristics of the multi-level binary diffraction element, and further reduces the damage of the diffraction element structure due to the alignment treatment. The maximum diffraction efficiency can be increased.

また、本発明における波長程度以下の一次元微細光学構造(モスアイ構造)を内在する液晶光学素子において、配向処理による微細光学構造の損傷を少なくし、共振現象の少ない光学素子とすることができる。   In addition, in the liquid crystal optical element having a one-dimensional fine optical structure (moth eye structure) of about the wavelength or less in the present invention, the damage of the fine optical structure due to the alignment treatment can be reduced, and an optical element with less resonance phenomenon can be obtained.

本発明における液晶光学素子は、素子を構成する少なくとも一方の透明基板に一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子または一次元のモスアイ構造の微細光学構造を備え、その微細光学構造における一次元の構造変化の方向と、液晶分子の配向軸方向を直交した構成としている。また、この一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子は、この素子に入射する入射光の波長程度以下の一次元の微細光学構造を内在する形態とし、微細光学構造の構造変化方向と液晶分子の配向軸方向を直交させている。モスアイ構造についても同様である。以下に、本発明における液晶光学素子の具体的な構成について説明をする。   The liquid crystal optical element according to the present invention includes a one-dimensional multilevel binary diffraction element or a one-dimensional moth-eye micro-optical structure on at least one transparent substrate constituting the element, and the one-dimensional structural change in the micro-optical structure. And the orientation axis direction of the liquid crystal molecules are orthogonal to each other. In addition, this one-dimensional multilevel binary diffraction element has a form in which a one-dimensional fine optical structure equal to or less than the wavelength of incident light incident on this element is contained, and the direction of structural change of the fine optical structure and the orientation of liquid crystal molecules The axial directions are orthogonal. The same applies to the moth-eye structure. The specific configuration of the liquid crystal optical element in the present invention will be described below.

図1に、本発明における一次元の微細光学構造に相当するマルチレベルバイナリー型回折素子の構造を内在した液晶光学素子の断面構造を示す。   FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a liquid crystal optical element having a multilevel binary diffraction element structure corresponding to a one-dimensional fine optical structure in the present invention.

図1に示す様に、本発明の液晶光学素子100aは、透明基板101aに、微細光学構造からなるマルチレベルバイナリー型回折素子102の構造が付加され、更に、回折素子の表面に、透明電極103a及びポリイミドからなる配向膜104aを有して構成されている。ここで、マルチレベルバイナリー型回折素子102は、後に述べる一次元の構造を持ち、その格子ベクトルの方向はY軸方向で、一段あたりの高さをdとした4段の階段構造を持つとする。また、回折素子表面に設けた配向膜104aの配向軸105はX軸方向であり、マルチレベルバイナリー型回折格子102における格子ベクトルの方向と直交となる様に設定されている。この格子ベクトルの方向とは、本発明における一次元の光学構造が変化する方向(本図のY軸方向)に相当する。   As shown in FIG. 1, in the liquid crystal optical element 100a of the present invention, the structure of a multilevel binary diffraction element 102 having a fine optical structure is added to a transparent substrate 101a, and the transparent electrode 103a is further formed on the surface of the diffraction element. And an alignment film 104a made of polyimide. Here, the multi-level binary diffraction element 102 has a one-dimensional structure, which will be described later, and has a four-step structure in which the direction of the grating vector is the Y-axis direction and the height per step is d. . The alignment axis 105 of the alignment film 104a provided on the diffraction element surface is the X-axis direction, and is set to be orthogonal to the direction of the grating vector in the multilevel binary diffraction grating 102. The direction of this lattice vector corresponds to the direction in which the one-dimensional optical structure in the present invention changes (the Y-axis direction in the figure).

また、このマルチレベルバイナリー型回折素子102が形成された透明基板101aと対向する透明基板101b表面には、透明電極103b、配向膜104bが形成されている。この透明電極103bは全面ベタ電極であって、配向膜104bは配向膜104aと平行となる様に、ラビング配向処理がされた、ポリイミドにより形成された有機配向膜である。この様に配向膜104a、104bを平行配向の形態とすることにより、電圧を与える前後で、入射光106の入射直線偏光の方位が変わらずに素子から出射するため、本
発明の液晶光学素子100aによって、純粋な位相変調を実現することができる。
A transparent electrode 103b and an alignment film 104b are formed on the surface of the transparent substrate 101b opposite to the transparent substrate 101a on which the multilevel binary diffraction element 102 is formed. The transparent electrode 103b is a solid electrode on the entire surface, and the alignment film 104b is an organic alignment film formed of polyimide that has been rubbed and aligned so as to be parallel to the alignment film 104a. In this way, the alignment films 104a and 104b are in a parallel alignment mode, so that the direction of the incident linearly polarized light of the incident light 106 is emitted from the element before and after the voltage is applied, so that the liquid crystal optical element 100a of the present invention is used. Thus, pure phase modulation can be realized.

また、本図面では、4段の階段構造を持つマルチレベルバイナリー型回折格子102毎に、透明電極103aが複数個に分割して形成された例を示しており、これら各透明電極103aに個別に給電が行えるようになっている。   In addition, this drawing shows an example in which a transparent electrode 103a is divided into a plurality of parts for each multilevel binary diffraction grating 102 having a four-step staircase structure, and each of these transparent electrodes 103a is individually provided. Power can be supplied.

この様な構成とすることで、透明電極103aへ給電する領域と、給電しない領域とを任意に形成することができ、透明基板101a、101b間に挟持された液晶層112に含まれる液晶分子を、本図紙面と垂直方向を向いた液晶分子107aと、水平方向に向いた液晶分子107bの姿勢とすることができる。   With such a configuration, it is possible to arbitrarily form a region that supplies power to the transparent electrode 103a and a region that does not supply power, and the liquid crystal molecules contained in the liquid crystal layer 112 sandwiched between the transparent substrates 101a and 101b The orientation of the liquid crystal molecules 107a oriented in the direction perpendicular to the drawing and the liquid crystal molecules 107b oriented in the horizontal direction can be adopted.

次に、この液晶光学素子100aの構成要素の一つである一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子102の構造と特徴を記述する。図2は、マルチレベルバイナリー型回折素子102のY軸断面構造を表した図で、X軸方向には構造変化のない一次元回折格子を示している。   Next, the structure and characteristics of a one-dimensional multilevel binary diffraction element 102, which is one of the components of the liquid crystal optical element 100a, will be described. FIG. 2 is a diagram showing a Y-axis cross-sectional structure of the multilevel binary diffraction element 102, and shows a one-dimensional diffraction grating having no structural change in the X-axis direction.

図2に示す様に、マルチレベルバイナリー型回折素子102は、先に示した様に、高さ方向であるZ軸方向に階段状の構造を持っている。ここでは、4段の場合を表している。この4段を一組とする階段構造が、Y軸方向にピッチPの周期で繰り返す回折格子となり、これが光学構造が変化する方向となり、このときのY軸方向を格子ベクトルの方向と定義する。   As shown in FIG. 2, the multilevel binary diffraction element 102 has a stepped structure in the Z-axis direction, which is the height direction, as described above. Here, the case of four stages is shown. The four-step staircase structure is a diffraction grating that repeats at a pitch P in the Y-axis direction. This is the direction in which the optical structure changes. The Y-axis direction at this time is defined as the direction of the grating vector.

図2において、階段高さ108はdで一定である。このとき、マルチレベルバイナリー型回折素子102を構成する媒質の屈折率をnとすれば、階段一段あたりの媒質部分の光路長はn×dである。一方で、空気の屈折率を1とすれば、階段一段あたりの空気部分での光路長はdであるから、両者の光路長差は(n−1)×dとなり、階段状の光路長分布を持つことがわかる。   In FIG. 2, the staircase height 108 is constant at d. At this time, if the refractive index of the medium constituting the multilevel binary diffraction element 102 is n, the optical path length of the medium portion per step is n × d. On the other hand, if the refractive index of air is 1, the optical path length in the air portion per step of the staircase is d, so the optical path length difference between them is (n−1) × d, and the staircase-shaped optical path length distribution. You can see that

また、階段構造は4段からなるため、最大の光路長差は4×(n−1)×dで表される。このとき段数が十分多ければ、階段構造は滑らかに直線的に変化する三角プリズム形状になることがわかる。これは、特定波長に対して理論上100%の回折効率を実現できるブレーズド格子となる。   Moreover, since the staircase structure is composed of four steps, the maximum optical path length difference is represented by 4 × (n−1) × d. If the number of steps is sufficiently large at this time, it can be seen that the staircase structure has a triangular prism shape that smoothly and linearly changes. This is a blazed grating that can theoretically realize 100% diffraction efficiency for a specific wavelength.

ここで、図2に示されるマルチレベルバイナリー型回折素子102に、波長λの入射光106が垂直に入射したとする。このときmを任意の自然数として下記に示す(1)式の関係を満たせば、理論上は100%の一次回折光109を得ることができる。(1)式において、記号||は絶対値を表す。このときの一次回折光109の回折角θは、先の周期Pを用いて(2)式で表される。 Here, it is assumed that the incident light 106 having the wavelength λ 1 is vertically incident on the multilevel binary diffraction element 102 shown in FIG. At this time, if m is an arbitrary natural number and the following equation (1) is satisfied, 100% primary diffracted light 109 can be obtained theoretically. In the equation (1), the symbol || represents an absolute value. The diffraction angle θ of the first-order diffracted light 109 at this time is expressed by equation (2) using the previous period P.

m×λ=4×|(n−1)|×d ・・・(1)
P×sin(θ)=λ ・・・(2)
m × λ 1 = 4 × | (n−1) | × d (1)
P × sin (θ) = λ 1 (2)

ここで、図2で示すマルチレベルバイナリー型回折素子102に、波長λの入射光106が垂直に入射したとする。このとき、Lを任意の自然数として(3)式に示すように、階段一段あたりの空気との光路長差が波長λと同じか、もしくはその整数倍なら、その光に対しては階段構造がないことと同じとみなすことができる。なぜなら、光は波長を周期として繰り返す波であるからである。したがって、このときの入射光106は、液晶光学素子100aをそのまま透過し、0次光110となる。 Here, it is assumed that the incident light 106 having the wavelength λ 2 is vertically incident on the multilevel binary diffraction element 102 shown in FIG. At this time, if L is an arbitrary natural number and the optical path length difference with the air per step is the same as the wavelength λ 2 or an integral multiple thereof, as shown in the equation (3), the staircase structure for the light It can be considered the same as not having. This is because light is a wave that repeats with a wavelength as a period. Accordingly, the incident light 106 at this time passes through the liquid crystal optical element 100 a as it is, and becomes zero-order light 110.

L×λ=|(n−1)|×d ・・・(3) L × λ 2 = | (n−1) | × d (3)

このように、バイナリー型回折素子102では、特定の波長λに対して100%機能し、別の特定の波長λに対しては全く機能しない光学特性を実現することができる。 As described above, the binary diffraction element 102 can realize an optical characteristic that functions 100% with respect to a specific wavelength λ 1 and does not function at all with respect to another specific wavelength λ 2 .

次に、本発明の液晶光学素子100aの構造と作用について図3を用いて簡単に説明する。図3(a)に、図1に示した方向から90°回転させた方向から見た液晶光学素子100aにおける液晶分子の挙動を示し、図3(b)に、図1と同じ方向から見たときの液晶分子の様子を示した。   Next, the structure and operation of the liquid crystal optical element 100a of the present invention will be briefly described with reference to FIG. FIG. 3A shows the behavior of the liquid crystal molecules in the liquid crystal optical element 100a viewed from the direction rotated by 90 ° from the direction shown in FIG. 1, and FIG. 3B shows the behavior from the same direction as FIG. The state of liquid crystal molecules was shown.

図3(a)(b)に示す様に、一対の透明基板101a、101bには透明電極103a、103bが形成され、一方の透明基板101aに形成された透明電極103aは、本図では上下に電気的に二分割されている。また、透明電極103a上には更に配向膜104aが塗布され、その配向軸105はX軸方向となる様に設定されているとする。   As shown in FIGS. 3A and 3B, transparent electrodes 103a and 103b are formed on a pair of transparent substrates 101a and 101b, and the transparent electrodes 103a formed on one transparent substrate 101a are vertically arranged in this figure. It is electrically divided into two. Further, it is assumed that an alignment film 104a is further applied on the transparent electrode 103a and the alignment axis 105 is set to be in the X-axis direction.

図3(a)(b)において、図中の上側の領域において透明電極103a、103bに挟まれた液晶層112には、電位差が与えられていないとする。このとき、ラグビーボール形状をした液晶分子107aは、配向膜104aの近辺でその分子長軸111を配向軸105の方向にそろえる。従って、連続体として振る舞う液晶分子107aの集団は、分子長軸111をX軸方向にほぼ平行に揃えた液晶層112を形成する。ここで、図3(a)に示す液晶分子107aが、X軸(配向軸105)に対し若干傾いているのは、プレチルト角が設定されているからであって、その角度は数度程度である。この領域において、X軸方向の直線偏光成分を有する入射光106は、およそ分子長軸111の屈折率nを見ながら液晶層112を伝搬する。 3A and 3B, it is assumed that no potential difference is given to the liquid crystal layer 112 sandwiched between the transparent electrodes 103a and 103b in the upper region in the drawing. At this time, the rugby ball-shaped liquid crystal molecules 107 a align their molecular major axes 111 in the direction of the alignment axis 105 in the vicinity of the alignment film 104 a. Therefore, the group of liquid crystal molecules 107a that behave as a continuum forms a liquid crystal layer 112 in which the molecular long axes 111 are aligned substantially parallel to the X-axis direction. Here, the liquid crystal molecules 107a shown in FIG. 3A are slightly tilted with respect to the X axis (alignment axis 105) because the pretilt angle is set, and the angle is about several degrees. is there. In this region, the incident light 106 having a linear polarization component in the X-axis direction propagates through the liquid crystal layer 112 while looking at the refractive index n e of approximately molecular long axis 111.

これに対し、両図面の下側の領域において透明電極103a、103bに挟まれた液晶層112に十分に高い電圧が掛けられると、液晶分子107bは、分子長軸111を電界の方向であるZ軸方向にそろえて静止する。このとき入射光106は、およそ分子短軸113の屈折率nを見ながら伝搬する。そして、透明電極103a、103bに掛ける電圧を調整することで、液晶分子107bの傾きを調整することが可能で、この電圧により液晶層112の入射光106に対する屈折率を、およそnからnまで連続に変化させることができる。 On the other hand, when a sufficiently high voltage is applied to the liquid crystal layer 112 sandwiched between the transparent electrodes 103a and 103b in the lower region of both drawings, the liquid crystal molecules 107b have a molecular major axis 111 extending in the direction of the electric field Z. Stand still in the axial direction. In this case the incident light 106 propagates while watching the approximate molecular refraction index n o of the minor axis 113. By adjusting the voltage applied transparent electrodes 103a, in 103b, it can be adjusted the tilt of the liquid crystal molecules 107 b, n o the refractive index for incident light 106 of the liquid crystal layer 112 by this voltage, approximately n e Can be changed continuously.

したがって、透明基板101aの表面に形成した透明電極103aの形状に応じた屈折率分布を与えることが可能で、屈折率分布の深さを電圧で制御することができる。また、ここで入射光106の偏光方向は、配向軸105の方向、正確には電圧を加える前の分子長軸111の方向と同じにする、本図ではX軸方向とする必要がある。これは、X軸方向の直線偏光に対しては液晶分子107bの傾きに関係なく、分子短軸113の屈折率nを見ながら伝搬するからである。 Therefore, it is possible to give a refractive index distribution according to the shape of the transparent electrode 103a formed on the surface of the transparent substrate 101a, and the depth of the refractive index distribution can be controlled by voltage. Here, the polarization direction of the incident light 106 must be the same as the direction of the orientation axis 105, more precisely, the direction of the molecular major axis 111 before applying a voltage. This is because with respect to the X-axis direction of the linearly polarized light regardless of the inclination of the liquid crystal molecules 107 b, propagates while watching the refractive index n o of the molecular minor axis 113.

この現象は、空気層を液晶層112に置き換えたことと同じである。従って、マルチレベルバイナリー型回折素子102を構成する媒質の屈折率をnとすれば、前述した(1)(3)式において、空気の屈折率1の代わりに、nからnまでの任意の屈折率を電気的に選択でき、設計波長を電気的に変えることができることが判る。 This phenomenon is the same as replacing the air layer with the liquid crystal layer 112. Therefore, if the refractive index of the medium constituting the multi-level binary type diffraction element 102 is n, any in the aforementioned (1) (3), instead of the refractive index 1 of air, from n e to n o It can be seen that the refractive index can be electrically selected and the design wavelength can be changed electrically.

一例として代表的な値であるnが1.5、nが1.7、nが1.5、そしてdが2ミクロンとすると、液晶光学素子100aに電圧を与えないときは、(3)式よりLが1の場合として400nmの波長は素通りし、(1)式よりmが2の場合として、800nmの波長に対してほぼ100%の一次回折光を得ることができる。 N is 1.5, which is a typical value as an example, n e is 1.7, n o is 1.5, and d is 2 microns, if not give voltage to the liquid crystal optical element 100a, (3 From the equation (1), the wavelength of 400 nm passes when L is 1, and from the equation (1), when m is 2, almost 100% of the first-order diffracted light can be obtained with respect to the wavelength of 800 nm.

また、液晶光学素子100aに電圧を与え、入射光106に対する液晶分子107a、
107bの実効屈折率を1.6にすれば、同様に200nmの波長を持つ光は素通りし、400nmの波長を持つ光に対してはほぼ100%の一次回折光を得ることができる。
Further, a voltage is applied to the liquid crystal optical element 100a, and liquid crystal molecules 107a with respect to the incident light 106 are
If the effective refractive index of 107b is set to 1.6, similarly, light having a wavelength of 200 nm passes through, and almost 100% primary diffracted light can be obtained for light having a wavelength of 400 nm.

正確には、透明電極103a、103bや配向膜104a、104bの屈折率と厚みを考慮しなければならないが、それらの厚みは200nm程度以下のため、ここでは無視した。   To be exact, the refractive indexes and thicknesses of the transparent electrodes 103a and 103b and the alignment films 104a and 104b must be taken into account, but these thicknesses are neglected here because they are about 200 nm or less.

また、先に記述したように、マルチレベルバイナリー型回折素子102では、ブレーズド形状すなわち三角プリズム形状のスロープ(図2では破線で表示)を階段近似している。このときに得られる理論上の最大回折効率は、図2に示す4段の場合は約82%、8段の場合は約95%であることが知られている。   Further, as described above, in the multi-level binary diffraction element 102, a blazed shape, that is, a triangular prism-shaped slope (indicated by a broken line in FIG. 2) is approximated stepwise. It is known that the theoretical maximum diffraction efficiency obtained at this time is about 82% in the case of four stages shown in FIG. 2 and about 95% in the case of eight stages.

ここで、本発明の効果の一例として、ピッチ10ミクロン、段差dが0.285ミクロン、段数が8段のマルチレベルバイナリー型回折素子102を内在した液晶光学素子100aの最大回折効率を測定した。この測定では、波長650nmのレーザー光を液晶光学素子100aに垂直に入射し、入射光強度に対する一次回折光強度を測定し割合を求めた。光強度の測定にあたっては、市販のレーザーパワーメーターを用いた。その結果、本発明の液晶光学素子100aでは、設計波長に対する一次回折光は82%の値が得られ、理論最大効率の95%に比較的近い値となったが、この配向方向と直交する方向に配向処理を施した従来の液晶光学素子では、60%程の一次回折光しか得られなかった。   Here, as an example of the effect of the present invention, the maximum diffraction efficiency of the liquid crystal optical element 100a including the multilevel binary diffraction element 102 having a pitch of 10 microns, a step d of 0.285 microns, and the number of steps of 8 was measured. In this measurement, a laser beam having a wavelength of 650 nm was perpendicularly incident on the liquid crystal optical element 100a, and the first-order diffracted light intensity with respect to the incident light intensity was measured to obtain the ratio. In measuring the light intensity, a commercially available laser power meter was used. As a result, in the liquid crystal optical element 100a of the present invention, the value of the first-order diffracted light with respect to the design wavelength was 82%, which was a value relatively close to 95% of the theoretical maximum efficiency, but the direction orthogonal to this orientation direction. In the conventional liquid crystal optical element subjected to the alignment treatment, only about 1% of first-order diffracted light was obtained.

この様にして、本発明の液晶光学素子100aを、配向膜104aにおける配向軸105がマルチレベルバイナリー型回折素子102の格子ベクトルの方向と直交となる様に設定すれば、ラビング配向処理だけでなく、光配向処理や蒸着配向処理等による配向処理において、マルチレベルバイナリー型回折格子102の段差構造を損傷し難くし、従来のものよりも最大回折効率を飛躍的に向上することが確認できた。   In this way, if the liquid crystal optical element 100a of the present invention is set so that the alignment axis 105 in the alignment film 104a is orthogonal to the direction of the lattice vector of the multilevel binary diffraction element 102, not only the rubbing alignment process. In the alignment process such as the optical alignment process or the vapor deposition alignment process, it was confirmed that the step structure of the multi-level binary diffraction grating 102 was hardly damaged and the maximum diffraction efficiency was dramatically improved as compared with the conventional one.

なお、上記説明では、配向膜104a、104bを平行に配向した液晶光学素子100aの形態を示したが、配向膜104aにおける配向軸105の方向と、一次元の構造変化の方向とを直交する方向とする条件さえ満たせば、配向膜104bの配向方向を変えて、ツイスト配向型またはハイブリッド配向型の光学素子形態としても、本発明と同様の効果を得ることができる。   In the above description, the configuration of the liquid crystal optical element 100a in which the alignment films 104a and 104b are aligned in parallel is shown. However, the direction of the alignment axis 105 in the alignment film 104a is orthogonal to the direction of the one-dimensional structural change. If the above condition is satisfied, the same effect as that of the present invention can be obtained even if the orientation direction of the alignment film 104b is changed to form a twist alignment type or hybrid alignment type optical element.

また、上記説明では、透明基板101aのみにマルチレベルバイナリー型回折素子102を配した例を示しているが、これを必要に応じて、透明基板101a、101bの両方の表面にそれぞれ設けても構わない。この様に、両方の透明基板101a、101b表面に、同じ格子で同じピッチのマルチレベルバイナリー型回折素子102を設けることで、各格子に刻む深さを半分にでき、素子の製造が容易となる。また、両基板に異なる回折格子を設ける場合は、一つの素子で2種類の回折機能を持たせることができる。   In the above description, an example in which the multi-level binary diffraction element 102 is disposed only on the transparent substrate 101a is shown, but this may be provided on both surfaces of the transparent substrates 101a and 101b as necessary. Absent. In this way, by providing the multilevel binary diffraction element 102 with the same grating and the same pitch on the surfaces of both transparent substrates 101a and 101b, the depth carved into each grating can be halved, and the manufacture of the element is facilitated. . Further, when different diffraction gratings are provided on both substrates, one element can have two types of diffraction functions.

次に、本発明の液晶光学素子の他の構成例について図4を用いて説明する。図4では、可視光の波長程度以下の微細光学構造(モスアイ構造)を内在した液晶光学素子の断面構造を示している。   Next, another configuration example of the liquid crystal optical element of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows a cross-sectional structure of a liquid crystal optical element having a fine optical structure (moth eye structure) having a wavelength equal to or smaller than the wavelength of visible light.

図4に示す様に、本実施例に示す液晶光学素子100bは、透明基板101aにモスアイ構造114が付加され、更にそのモスアイ構造114の表面に、透明電極103a及び配向膜104aが形成されている。ここでモスアイ構造114は、後に説明する図5に示す一次元のモスアイ構造114となっている。このモスアイ構造114の光学構造が変化する方向は、図中のY軸方向である。   As shown in FIG. 4, in the liquid crystal optical element 100b shown in this embodiment, a moth-eye structure 114 is added to a transparent substrate 101a, and a transparent electrode 103a and an alignment film 104a are formed on the surface of the moth-eye structure 114. . Here, the moth-eye structure 114 is a one-dimensional moth-eye structure 114 shown in FIG. 5 described later. The direction in which the optical structure of the moth-eye structure 114 changes is the Y-axis direction in the figure.

また、このモスアイ構造114のピッチPは、400nm程度より小さくなる様に設定されているので、400nm以上の可視光を含む波長の入射光に対して無反射特性を示すことができ、液晶光学素子100bの内部反射による光の共振現象が生じない。したがって、液晶分子107aの傾きが駆動により変化しても、透過率変動の少ない液晶光学素子100bを実現することができる。   Further, since the pitch P of the moth-eye structure 114 is set to be smaller than about 400 nm, it can exhibit non-reflection characteristics with respect to incident light having a wavelength including visible light of 400 nm or more. The resonance phenomenon of light due to the internal reflection of 100b does not occur. Therefore, even if the tilt of the liquid crystal molecules 107a is changed by driving, it is possible to realize the liquid crystal optical element 100b with little variation in transmittance.

ここで、本発明においてモスアイ構造114側に塗布される配向膜104aの配向軸105は実施例1と同様にX軸方向であり、モスアイ構造114の構造が変化しない方向に設定されている。また、これと対向して設けられる配向膜104bは、配向膜104aの配向軸105の方向と平行配向処理がされた有機配向膜である。したがって、本実施例における構成も実施例1と同様に、配向処理によるモスアイ構造114への損傷がおこりに難く、結果として共振現象の少ない液晶光学素子100bを実現することができる。   Here, in the present invention, the alignment axis 105 of the alignment film 104a applied to the moth-eye structure 114 side is the X-axis direction as in the first embodiment, and is set to a direction in which the structure of the moth-eye structure 114 does not change. In addition, the alignment film 104b provided opposite to this is an organic alignment film that has been subjected to a parallel alignment process in the direction of the alignment axis 105 of the alignment film 104a. Therefore, in the configuration of the present embodiment, similarly to the first embodiment, it is difficult for the moth-eye structure 114 to be damaged due to the alignment treatment, and as a result, the liquid crystal optical element 100b with little resonance phenomenon can be realized.

次に、本実施例に適用したモスアイ構造114の作用について説明する。図5は、本発明の構成要素であるモスアイ構造114のY軸断面図を表した図で、X軸方向には構造変化のない一次元回折格子を示している。   Next, the operation of the moth-eye structure 114 applied to this embodiment will be described. FIG. 5 is a diagram showing a Y-axis sectional view of the moth-eye structure 114 which is a component of the present invention, and shows a one-dimensional diffraction grating having no structural change in the X-axis direction.

図5から判る様に、モスアイ構造114の断面は、ピッチPで繰り返す二等辺三角形の構造となっており、図中のY軸方向のグレーティングベクトルを持つ。このピッチPが入射光106の波長λよりも小さいとする。このときの一次光の回折角も、実施例1で示した(2)式で計算することができるが、sin(θ)が1以上となってしまい実数解が存在しない。これは、一次回折光以上の回折光が存在せず、そのまま透過する0次光110のみになるからである。この0次光110のことを特に0次回折光という。   As can be seen from FIG. 5, the cross-section of the moth-eye structure 114 has an isosceles triangular structure that repeats at a pitch P, and has a grating vector in the Y-axis direction in the figure. Assume that the pitch P is smaller than the wavelength λ of the incident light 106. The diffraction angle of the primary light at this time can also be calculated by the equation (2) shown in the first embodiment, but sin (θ) becomes 1 or more and there is no real solution. This is because there is no diffracted light higher than the first-order diffracted light, and only the 0th-order light 110 that is transmitted as it is. This 0th-order light 110 is particularly called 0th-order diffracted light.

この0次光110はエバネセント波を伴い、特異な振る舞いをすることが知られ、たとえば図5の場合は、入射光106が無反射で入射側の境界を透過することとなる。これは、定性的には波長程度以下の光学構造に対し光は不感であり、平均的にその構造を関知するからである。   The zero-order light 110 is known to behave peculiarly with an evanescent wave. For example, in the case of FIG. 5, the incident light 106 is not reflected and passes through the boundary on the incident side. This is because qualitatively, light is insensitive to an optical structure of a wavelength or less, and the structure is known on average.

ここで、モスアイ構造114を構成する媒質の屈折率を1より大きいnとし、このモスアイ構造114が空気中に置かれているとする。このとき、入射光106は空気中を進み、透明基板101aに入射する。そして、一次元のモスアイ構造114の境界である二等辺三角形の底辺部分(図5では破線表示)に達すると、入射光106の見る屈折率はnとなる。入射光106がこの底辺部分を越えて進むにつれ、平均的に感じる屈折率が減少する。それは、屈折率nを持つ領域の割合が徐々に減少するためであり、入射光106が頂点116を越えたときには、入射光106の見る屈折率は1となる。従って、入射光106の見る屈折率は、nから1まで連続的に徐々に変化するため屈折率の不連続がなくなり、無反射で入射光106は伝搬して、0次光110を出射する。   Here, it is assumed that the refractive index of the medium constituting the moth-eye structure 114 is n greater than 1, and the moth-eye structure 114 is placed in the air. At this time, the incident light 106 travels through the air and enters the transparent substrate 101a. When the base of the isosceles triangle that is the boundary of the one-dimensional moth-eye structure 114 (shown by a broken line in FIG. 5) is reached, the refractive index of the incident light 106 is n. As incident light 106 travels beyond this bottom portion, the refractive index felt on average decreases. This is because the ratio of the region having the refractive index n gradually decreases. When the incident light 106 exceeds the apex 116, the refractive index seen by the incident light 106 is 1. Therefore, since the refractive index seen by the incident light 106 continuously changes gradually from n to 1, there is no discontinuity of the refractive index, and the incident light 106 propagates without reflection and emits the 0th-order light 110.

なお、入射光106がモスアイ構造114の頂点116側から入射した場合は、透明基板101aを通過後は屈折率が1からnまで連続的に徐々に変化する。   In addition, when the incident light 106 is incident from the apex 116 side of the moth-eye structure 114, the refractive index gradually and gradually changes from 1 to n after passing through the transparent substrate 101a.

また、両面無反射コートとする必要がある場合には、透明基板101a、101bの両面にモスアイ構造114を形成すればよい。   Further, when it is necessary to form a double-sided non-reflective coating, the moth-eye structure 114 may be formed on both sides of the transparent substrates 101a and 101b.

また、本実施例で示した形態においても、実施例1と同様に、平行配向型だけでなく、ツイスト配向型またはハイブリッド配向型の光学素子形態としても、本発明と同様の効果を得ることができる。   Also in the embodiment shown in this embodiment, the same effects as those of the present invention can be obtained not only in the parallel alignment type but also in the twist alignment type or hybrid alignment type optical element as in the first embodiment. it can.

また、実施例1及び実施例2で示した液晶光学素子100a、100bに入射する、直線偏光である入射光106の偏光方位は、光学構造が変化しない方向に限られる。すなわち、この方向が液晶分子の長軸方向となり、電気的に実効屈折率を可変にできるからである。しかし、特に微細な光学構造の場合には、偏光の方位により光学特性が著しく変わることが知られている。よって、入射直線偏光の方位を微細光学構造が変化する方位にしたければ、液晶分子の短軸が配向方向に揃う性質を持つ液晶物質を用いれば良い。   In addition, the polarization direction of the incident light 106 that is linearly polarized light and is incident on the liquid crystal optical elements 100a and 100b described in the first and second embodiments is limited to a direction in which the optical structure does not change. That is, this direction is the major axis direction of the liquid crystal molecules, and the effective refractive index can be electrically varied. However, particularly in the case of a fine optical structure, it is known that the optical characteristics change significantly depending on the direction of polarization. Therefore, if the direction of the incident linearly polarized light is to be changed to the direction in which the fine optical structure changes, a liquid crystal substance having a property that the minor axis of the liquid crystal molecules is aligned with the alignment direction may be used.

また、正確には配向膜界面近傍の液晶分子は、強いアンカリングフォースで界面に束縛され電圧を与えても全く動かない。しかし、一般に全く動かない領域は10nm程度以下の厚みであり、実験的にもほぼ無視できる結果が得られているので、ここでは無視した。   More precisely, the liquid crystal molecules in the vicinity of the alignment film interface are bound to the interface by a strong anchoring force and do not move at all even when a voltage is applied. However, in general, a region that does not move at all has a thickness of about 10 nm or less, and an experimentally negligible result has been obtained.

本発明の液晶光学素子の構成例を示す断面図である。(実施例1)It is sectional drawing which shows the structural example of the liquid crystal optical element of this invention. Example 1 本発明の構成要素である一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子の構造および作用を示した図である。(実施例1)It is the figure which showed the structure and effect | action of the one-dimensional multilevel binary type | mold diffraction element which is a component of this invention. Example 1 本発明の液晶光学素子の動作を示した図である。(実施例1)It is the figure which showed operation | movement of the liquid crystal optical element of this invention. Example 1 本発明の液晶光学素子の他の構成例を示す断面図である。(実施例2)It is sectional drawing which shows the other structural example of the liquid crystal optical element of this invention. (Example 2) 本発明の構成要素である一次元微細光学構造の一つである一次元のモスアイ構造および作用を示した図である。(実施例2)It is the figure which showed the one-dimensional moth-eye structure which is one of the one-dimensional fine optical structures which are the components of this invention, and an effect | action. (Example 2)

符号の説明Explanation of symbols

100a、100b 液晶光学素子
101a、101b 透明基板
102 マルチレベルバイナリー型回折素子
103a、103b 透明電極
104a、104b 配向膜
105 配向軸
106 入射光
107a、107b 液晶分子
108 階段高さ
109 一次回折光
110 0次光
111 分子長軸
112 液晶層
113 分子短軸
114 モスアイ構造
116 頂点
100a, 100b Liquid crystal optical element 101a, 101b Transparent substrate 102 Multi-level binary diffraction element 103a, 103b Transparent electrode 104a, 104b Alignment film 105 Alignment axis 106 Incident light 107a, 107b Liquid crystal molecule 108 Stair height 109 First order diffracted light 110 0th order Light 111 Molecular long axis 112 Liquid crystal layer 113 Molecular short axis 114 Moss eye structure 116 Vertex

Claims (4)

2枚の透明基板間に液晶を挟持する液晶光学素子において、
前記2枚の透明基板の少なくとも一方の透明基板に、液晶分子の配向軸方向と、一次元の光学構造が変化する方向とを直交させた微細光学構造を備える
ことを特徴とする液晶光学素子。
In a liquid crystal optical element that sandwiches liquid crystal between two transparent substrates,
A liquid crystal optical element comprising: at least one of the two transparent substrates, a fine optical structure in which an alignment axis direction of liquid crystal molecules and a direction in which a one-dimensional optical structure changes are orthogonal to each other.
前記微細光学構造は、一次元のマルチレベルバイナリー型回折格子であり、
前記液晶分子の配向軸方向と格子ベクトルの方向とを直交させることで、前記一次元の光学構造の変化する方向を設定した
ことを特徴とする請求項1に記載の液晶光学素子。
The fine optical structure is a one-dimensional multilevel binary diffraction grating,
2. The liquid crystal optical element according to claim 1, wherein the direction in which the one-dimensional optical structure changes is set by making the alignment axis direction of the liquid crystal molecules and the direction of the lattice vector orthogonal to each other.
前記微細光学構造は、一次元のモスアイ構造である
ことを特徴とする請求項1に記載の液晶光学素子。
The liquid crystal optical element according to claim 1, wherein the fine optical structure is a one-dimensional moth-eye structure.
前記液晶は、平行配向型の液晶である
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
The liquid crystal optical element according to claim 1, wherein the liquid crystal is a parallel alignment type liquid crystal.
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