JP2010091828A - 液晶光学素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶の配向不良を抑え所望の光学特性を得ることを可能とする液晶光学素子とその製造方法を提供する。
【解決手段】液晶光学素子１は、第１の透明基板１１と第２の透明基板１２とで液晶２０を狭持した構成を備え、第１の透明基板１１にはフレネルレンズ構造３０が形成される。フレネルレンズ構造３０は、レンズ機能を持つ面を同心円状に分割し、分割された各レンズ面３１を垂直面３２で接続した表面形状を有する。フレネルレンズ構造３０の表面には、液晶２０を配向させるための配向膜４０ａ，４０ｂが形成される。この配向膜４０ａ，４０ｂは、レンズ面３１の傾斜の向きに応じた方向からの斜方蒸着により形成される。これにより、傾斜の向きが反対となる領域Ａと領域Ｂとで、配向膜のカラムの角度およびカラムの密度の違いを抑え、液晶２０の配向状態の違いを抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶を用いて光学特性を可変とした液晶光学素子とその製造方法に関する。

従来から、液晶光学素子として、透明基板にフレネルレンズ等の微細構造を形成し、液晶層に印加する電圧により光学特性を可変とした液晶光学素子が知られている。また、透明基板のフレネルレンズ面上に配向膜を形成する方法として、斜方蒸着による方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６２−１９４２２３（第３頁、図３）

しかし、上述した従来技術では次のような問題がある。図５は、従来技術によりレンズ面上に配向膜を形成した液晶光学素子１００の構成を示す説明図である。また図６は、従来技術によるレンズ面近傍の液晶の配向状態を示す説明図である。図６（ａ）は図５の符号Ｇで示す箇所の拡大図であり、図６（ｂ）は図５の符号Ｈで示す箇所の拡大図である。

図５に示す領域Ｅと領域Ｆとでは、フレネルレンズ構造１３０のレンズ面１３１の傾斜が反対の向きとなる。また、特許文献１に記載の従来技術では、一方向からの斜方蒸着によりフレネルレンズ構造１３０の表面に配向膜１４０が形成される。
このため、領域Ｅと領域Ｆとでレンズ面１３１に対する配向膜１４０のカラム１４２の角度およびカラム１４２の密度が異なり、液晶１２０の配向状態が異なってしまう。

図６（ａ）で示す領域Ｅは、所定のプレチルト角で図面の左右方向に液晶１２０が配向した状態となり、図６（ｂ）で示す領域Ｆは、図面に対して垂直方向に液晶１２０が配向した状態となっている。

図７は、図６に示す例より大きい蒸着角度で配向膜を形成した際のレンズ面近傍の液晶の配向状態を示す説明図である。図７（ａ）は図５の符号Ｇで示す箇所の拡大図であり、図７（ｂ）は図５の符号Ｈで示す箇所の拡大図である。
図７に示す例では、図７（ａ）で示す領域Ｅは、図面に対して垂直方向に液晶１２２が配向した状態となり、図７（ｂ）で示す領域Ｆは、液晶１２２の配向方向が定まらないランダム配向の状態となっている。

このように従来技術では、レンズ面の傾斜の向きが異なる場所で液晶の配向状態が異なり、液晶光学素子として所望の光学特性を得ることができない問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決し、液晶の場所による配向状態の違いを抑え所望の光学特性を得ることを可能とする液晶光学素子とその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の液晶光学素子とその製造方法は下記記載の構成を採用するものである。

本発明の液晶光学素子は、第１及び第２の透明基板と第１及び第２の透明基板で挟持さ
れた液晶層とを備え、第１及び第２の透明基板の少なくとも一方に、場所により傾斜の向きが異なる傾斜面が形成され、傾斜面上に配向膜が形成された液晶光学素子において、配向膜は、傾斜面の傾斜の向きに応じた方向からの斜方蒸着により形成されたことを特徴とするものである。

また本発明の液晶光学素子は、前述した構成に加えて、第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、傾斜面としてレンズ面を有し、レンズ面の略半分の領域は、第１の方向からの斜方蒸着によって配向膜が形成され、レンズ面の他の略半分の領域は、第１の方向と方位角が略１８０°をなす第２の方向からの斜方蒸着によって配向膜が形成される。

さらに本発明の液晶光学素子は、前述した構成に加えて、レンズ面としてフレネルレンズ面が形成される。

本発明の液晶光学素子の製造方法は、第１及び第２の透明基板と第１及び第２の透明基板で挟持された液晶層とを備え、第１及び第２の透明基板の少なくとも一方に、場所により傾斜の向きが異なる傾斜面が形成され、傾斜面上に配向膜が形成された液晶光学素子の製造方法において、傾斜面の一方の向きに傾斜した箇所に、第１の方向からの斜方蒸着によって配向膜を形成する第１の蒸着工程と、傾斜面の他方の向きに傾斜した箇所に、第１の方向と異なる第２の方向からの斜方蒸着によって配向膜を形成する第１の蒸着工程と、を有することを特徴とするものである。

また本発明の液晶光学素子の製造方法は、前述した構成に加えて、第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、傾斜面としてレンズ面を有し、第１の蒸着工程で、レンズ面の略半分の領域をマスクし、レンズ面のマスクされない領域に、第１の方向からの斜方蒸着によって配向膜を形成し、第２の蒸着工程で、第１の蒸着工程でマスクされない領域をマスクし、レンズ面のマスクされない領域に、第１の方向と方位角が略１８０°をなす第２の方向からの斜方蒸着によって配向膜を形成する。

さらに本発明の液晶光学素子の製造方法は、前述した構成に加えて、第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、レンズ面としてフレネルレンズ面を有する。

本発明によれば、透明基板の傾斜面上に、傾斜の向きに応じた方向からの斜方蒸着により配向膜が形成される。これにより、傾斜面上に形成される配向膜のカラムの角度・密度の場所による違いを抑えることができる。よって本発明によれば、液晶光学素子において、液晶の場所による配向状態の違いを抑え、所望の光学特性を得ることが可能となる。

以下、液晶光学素子として、液晶層に印加する電圧により焦点距離を可変とした液晶レンズを例にして、本発明の実施形態について詳細に説明する。

［構成の説明：図１］
図１は本実施形態の液晶光学素子１の構成を示す断面図である。本実施形態の液晶光学素子１は、第１の透明基板１１と第２の透明基板１２とで液晶２０を狭持した構成を備える。液晶として、例えば、ネマティック液晶またはスメクティック液晶等が使用される。また、液晶２０はシール２１により封止されており、液晶層の厚みはガラスファイバーなどのスペーサにより所定の寸法に規定される。

第１の透明基板１１には、液晶２０と向かい合う側にフレネルレンズ構造３０が形成されている。フレネルレンズ構造３０は、レンズ機能を持つ回転対称な凹面（もしくは凸面
）を同心円状に分割し、分割された各レンズ面３１を所定の高さの垂直面３２で接続した表面形状を有する。

また、第１の透明基板１１には、レンズ有効径領域に透明電極が形成されている（図示せず）。第１の透明基板１１の透明電極は、フレネルレンズ構造３０の表面、または、第１の透明基板１１とフレネルレンズ構造３０との間に形成される。透明電極の材料はレンズ作用を期待する光の波長範囲において透過率が高い材料で、可視光の範囲であればインジウム・スズ酸化物などが用いられる。

フレネルレンズ構造３０の表面には、液晶２０を配向させるための配向膜４０ａ，４０ｂが形成される。この配向膜４０ａ，４０ｂは、レンズ面３１の傾斜の向きに応じた方向から、ＳｉＯｘ等の無機材料を斜方蒸着することにより形成される。すなわち、図１に示す領域Ａと領域Ｂとではレンズ面３１の傾斜の向きが反対であり、それぞれ異なる方向からの斜方蒸着により配向膜が形成される。このフレネルレンズ構造３０の表面への配向膜４０ａ，４０ｂの形成方法については、後段で詳細に説明する。また、図１に示す例では、液晶２０の配向方向は図面に対して垂直方向である。

また、第２の透明基板１２にも同様に、レンズ有効径領域に透明電極が形成されている（図示せず）。さらに、第２の透明基板１２の表面には配向膜４１が形成され、配向処理が施される。

第１の透明基板１１と第２の透明基板１２の透明電極に印加する電圧により液晶２０の屈折率を変化させ、フレネルレンズ構造３０と液晶２０の界面による表面屈折効果を切り替えることにより、液晶光学素子１のレンズとしての焦点距離を変化させることができる。
［製造方法の説明：図２、図３］

次に、本発明の液晶光学素子の製造方法の実施形態を説明する。
まず、第１の透明基板１１上にフレネルレンズ構造３０を形成する。フレネルレンズ構造３０は、第１の透明基板１１に金型の形状を直接転写するか、第１の透明基板１１に樹脂を塗布した後に金型の形状を転写するか、射出成型により作成することが可能である。
第１の透明基板１１上にフレネルレンズ構造３０を形成した後、フレネルレンズ構造３０の表面上にスパッタリング法等により透明電極を形成する。

なお、第１の透明基板１１上に透明電極を形成した後に、上述した方法によりフレネルレンズ構造３０を形成しても良い。
以上のフレネルレンズ構造３０および透明電極の形成は、従来と同様の工程で行われる。以下に説明するフレネルレンズ構造３０の表面に配向膜４０ａ，４０ｂを形成する手順が、本発明の特徴的な工程となる。

図２はフレネルレンズ構造３０の表面への配向膜４０ａ，４０ｂの形成手順の説明図である。また、図３は、フレネルレンズ構造３０の表面への配向膜形成時の蒸着方向の説明図である。

前述したように、フレネルレンズ構造３０の表面の配向膜４０ａ，４０ｂは斜方蒸着により形成される。この斜方蒸着は、蒸着材料を蒸発させる蒸発源と、蒸発源の上方で基板を保持する保持機構とが真空チャンバー内に設置された斜方蒸着装置を用いて行われる。基板の被蒸着面の法線Ｎと蒸着方向Ｄとがなす角度（蒸着角度θ）は調整可能である。また、蒸着材料としては、例えばＳｉＯｘ等の無機材料が用いられる。

まず、図２（ａ）に示すように、フレネルレンズ構造３０の表面の略半分の領域（領域Ｂ）を遮蔽板５０によりマスクした状態で、マスクされない領域（領域Ａ）に対して、第１の方向Ｄ１（蒸着角度θ１）からの斜方蒸着により配向膜４０ａを形成する（第１の蒸着工程）。
その後、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）で配向膜４０ａを形成した領域（領域Ａ）を遮蔽板５０でマスクした状態で、マスクされない領域（領域Ｂ）に対して、第２の方向Ｄ２（蒸着角度θ２）からの斜方蒸着により配向膜４０ｂを形成する（第２の蒸着工程）。

第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２との第１の透明基板１１に対する方位角は、図３に示すように、互いに略１８０°をなす。すなわち、本実施形態の液晶光学素子１の製造方法においては、レンズ面３１の傾斜の向きが反対である領域Ａと領域Ｂとに、それぞれ、方位角が互いに略１８０°をなす方向からの斜方蒸着により配向膜が形成される。

また、方位角が互いに略１８０°をなす２方向から斜方蒸着を行うことにより、図２に示すように、レンズ面３１とともに垂直面３２に対しても配向膜が形成される。第１の方向Ｄ１の蒸着角度θ１と第２の方向Ｄ２の蒸着角度θ２とは、略同一の角度として良い。

このような手順によりフレネルレンズ構造３０の表面に形成した配向膜４０ａ，４０ｂのカラムの構成、及び、この配向膜４０ａ，４０ｂによる液晶の配向状態については、後段で詳細に説明する。

一方、第２の透明基板１２に対して透明電極を形成し、この透明電極上に配向膜４１を形成する。この第２の透明基板１２の配向膜４１は、一方向からの斜方蒸着によって形成して良い。

透明電極、フレネルレンズ構造、配向膜をそれぞれ形成した第１の透明基板１１と第２の透明基板１２とをシールを介して貼り合わせ、第１の透明基板１１と第２の透明基板１２との間に液晶を充填して封止する。以上の工程により、本実施形態の液晶光学素子１が製造される。
［液晶の配向状態の説明：図４］

次に、本実施形態の液晶光学素子１の液晶の配向状態について説明する。図４は、液晶光学素子１のレンズ面３１近傍の液晶２０の配向状態を示す説明図である。図４（ａ）は図１の符号Ｃで示す箇所の拡大図であり、図４（ｂ）は図１の符号Ｄ示す箇所の拡大図である。

前述したように本実施形態の液晶光学素子１は、レンズ面３１の傾斜の向きが反対となる領域Ａと領域Ｂとに、方位角が互いに略１８０°をなす方向からの斜方蒸着により配向膜が形成される。これにより、図４に示すように、傾斜の向きが反対となる領域Ａと領域Ｂとで、レンズ面３１に対するカラム４２の角度およびカラム４２の密度の違いを抑えることができる。よって、本実施形態の液晶光学素子１は、レンズ面３１の傾斜の向きが異なる領域の液晶２０の配向状態の違いを抑えることができる。

また図４に示すように、液晶２０のプレチルト角が透明基板に対して略０°となる条件で、レンズ面３１に配向膜４０ａ，４０ｂを形成することにより、レンズ面３１の傾斜の向きが異なる領域の液晶２０の配向状態の違いを、より抑えることができる。液晶のプレチルト角が略０°となる蒸着角度θは、液晶の種類、配向膜（蒸着材料）の種類等に応じて設定する。

上述したように本発明によれば、透明基板の傾斜面上に、傾斜の向きに応じた方向からの斜方蒸着により配向膜が形成される。これにより、傾斜面上に形成されるカラムの角度・密度の場所による違いを抑えることができる。よって本発明によれば、液晶光学素子において、液晶の配向不良を抑え、所望の光学特性を得ることが可能となる。

また上述した実施形態では、透明基板上にフレネルレンズ構造が形成された液晶光学素子を例とし、フレネルレンズ構造の表面上に方位角が略１８０°をなす２方向からの斜方蒸着により配向膜を形成する手順について説明した。
しかし本発明はこれに限定されるものではなく、レンズ面が分割されていない通常のレンズ等が形成された液晶光学素子にも適用可能である。すなわち、傾斜の向きが異なる傾斜面を有する液晶光学素子において、傾斜の向きに応じた方向からの斜方蒸着で配向膜を形成することにより、カラムの角度・密度の場所による違いを抑えることで液晶の配向不良を抑え、所望の光学特性を得ることが可能となる。

本実施形態の液晶光学素子の構成を示す説明図である。 本実施形態の液晶光学素子の配向膜の形成手順を示す説明図である。 本実施形態の液晶光学素子の製造方法における蒸着方向の説明図である。 本実施形態の液晶光学素子の液晶の配向状態を示す説明図である。 従来の液晶光学素子の構成を示す説明図である。 従来の液晶光学素子の液晶の配向状態を示す説明図である。 従来の液晶光学素子の液晶の配向状態を示す説明図である。

符号の説明

１ 液晶光学素子
１１ 第１の透明基板
１２ 第２の透明基板
２０ 液晶
２１ シール
３０ フレネルレンズ構造
３１ レンズ面
３２ 垂直面
４０ａ，４０ｂ，４１ 配向膜
４２ カラム
５０ 遮蔽板

Claims (6)

1. 第１及び第２の透明基板と前記第１及び第２の透明基板で挟持された液晶層とを備え、
   前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方に、場所により傾斜の向きが異なる傾斜面が形成され、前記傾斜面上に配向膜が形成された液晶光学素子において、
   前記配向膜は、前記傾斜面の傾斜の向きに応じた方向からの斜方蒸着により形成された
   ことを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、前記傾斜面としてレンズ面を有し、
   前記レンズ面の略半分の領域は、第１の方向からの斜方蒸着によって前記配向膜が形成され、
   前記レンズ面の他の略半分の領域は、前記第１の方向と方位角が略１８０°をなす第２の方向からの斜方蒸着によって前記配向膜が形成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記レンズ面としてフレネルレンズ面が形成された
   ことを特徴とする請求項２に記載の液晶光学素子。
4. 第１及び第２の透明基板と前記第１及び第２の透明基板で挟持された液晶層とを備え、前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方に、場所により傾斜の向きが異なる傾斜面が形成され、前記傾斜面上に配向膜が形成された液晶光学素子の製造方法において、
   前記傾斜面の一方の向きに傾斜した箇所に、第１の方向からの斜方蒸着によって配向膜を形成する第１の蒸着工程と、
   前記傾斜面の他方の向きに傾斜した箇所に、前記第１の方向と異なる第２の方向からの斜方蒸着によって配向膜を形成する第１の蒸着工程と、を有する
   ことを特徴とする液晶光学素子の製造方法。
5. 前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、前記傾斜面としてレンズ面を有し、
   前記第１の蒸着工程で、前記レンズ面の略半分の領域をマスクし、前記レンズ面のマスクされない領域に、第１の方向からの斜方蒸着によって配向膜を形成し、
   前記第２の蒸着工程で、前記第１の蒸着工程でマスクされない領域をマスクし、前記レンズ面のマスクされない領域に、前記第１の方向と方位角が略１８０°をなす第２の方向からの斜方蒸着によって配向膜を形成する
   ことを特徴とする請求項４に記載の液晶光学素子の製造方法。
6. 前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、前記レンズ面としてフレネルレンズ面を有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の液晶光学素子の製造方法。

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