JP2011150076A - Liquid crystal optical element and method for manufacturing liquid crystal optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶レンズ、液晶収差補正素子などの液晶光学素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a liquid crystal optical element such as a liquid crystal lens and a liquid crystal aberration correction element, and a manufacturing method thereof.
従来、電極を形成した基板の間に液晶を挟んで構成される、様々な液晶光学素子が知られている。例えば、情報記録媒体としてCD、DVD等の各種光ディスク装置があるが、これらの光ディスク装置は、回転することによる厚さずれや反り等によって、収差(集光スポットの歪)を生ずるため、この収差を補正して記録・再生の精度を確保する必要がある。そのため、同心円のリング状に電極を形成した基板で、液晶を挟み込んだ液晶収差補正素子が用いられ、これにより、光束の中央部と外縁部とで、異なる位相制御を行っている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, various liquid crystal optical elements configured by sandwiching liquid crystal between substrates on which electrodes are formed are known. For example, there are various optical disk devices such as CDs and DVDs as information recording media, and these optical disk devices cause aberrations (distortion of condensing spots) due to thickness deviation or warping caused by rotation. Must be corrected to ensure recording / reproduction accuracy. For this reason, a liquid crystal aberration correction element in which liquid crystal is sandwiched between substrates on which electrodes are formed in concentric rings is used, whereby different phase control is performed at the center and outer edge of the light beam (for example, patents) Reference 1).
従来の液晶光学素子では、液晶の分子配列状態を電気的に制御し、それによって、光に対する屈折率などの性質を変化させている。二次元的あるいは三次元的に屈折率の分布を変化制御することによって、各光路における位相遅れ量や光路の屈折状態を制御できるので、電子的に焦点を可変できる液晶レンズや液晶収差補正素子などの、光学素子として有益な機能素子である。しかし、実応用に有用な光の屈折効果を最大限に引き出すためには、液晶光学セルの対応する両配向膜の間に、光路に沿って十分な量の液晶を保持する必要があり、このために液晶層の厚さ(両配向膜の間)dは、通常の液晶表示セルが数μm程度であるのに対して、30〜100μm程度と極めて厚くする必要がある。 In a conventional liquid crystal optical element, the molecular alignment state of the liquid crystal is electrically controlled, thereby changing properties such as the refractive index with respect to light. By controlling the refractive index distribution in two or three dimensions, the amount of phase lag in each optical path and the refractive state of the optical path can be controlled, so liquid crystal lenses and liquid crystal aberration correction elements that can electronically change the focus It is a functional element useful as an optical element. However, in order to maximize the light refraction effect useful for practical applications, it is necessary to hold a sufficient amount of liquid crystal along the optical path between the corresponding alignment films of the liquid crystal optical cell. Therefore, the thickness d of the liquid crystal layer (between the two alignment films) d needs to be extremely thick, such as about 30 to 100 μm, compared to about several μm for a normal liquid crystal display cell.
また、液晶の応答速度は、液晶層の厚さ(両配向膜の間)dの2乗に逆比例することが知られており、このように厚い液晶光学セルの場合には、応答時間は数100ms〜数分になる。即ち、従来の多くの液晶光学素子は、応答速度が遅いという問題点があった。 The response speed of the liquid crystal is known to be inversely proportional to the square of the thickness d of the liquid crystal layer (between both alignment films) d. In the case of such a thick liquid crystal optical cell, the response time is It will be several hundred ms to several minutes. That is, many conventional liquid crystal optical elements have a problem that the response speed is slow.
機器を制御する際に応答速度が遅いことは、液晶光学素子を利用する焦点可変レンズ機能や収差補正機能にとって大きな制約であり、実用化への課題であった。 The slow response speed when controlling the equipment is a major limitation for the variable focus lens function and aberration correction function using the liquid crystal optical element, and has been a problem for practical application.
上記の欠点を解決するために、本出願人は電極が形成された複数の基板と、複数の基板に挟まれ、液晶が注入された多孔質構造体とを有する液晶光学素子を提案している(例えば、特許文献2参照)。 In order to solve the above drawbacks, the present applicant has proposed a liquid crystal optical element having a plurality of substrates on which electrodes are formed and a porous structure sandwiched between the plurality of substrates and into which liquid crystal is injected. (For example, refer to Patent Document 2).
また、従来の液晶セル基板の配向処理について、磁場を用いた配向処理方法が提案された(例えば、特許文献3参照)。 In addition, as a conventional alignment process for a liquid crystal cell substrate, an alignment process method using a magnetic field has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
この配向処理方法では、基板に配向膜としての有機膜を塗布した後に、磁場を印加する。これにより、配向膜による液晶の初期配向はラビング工程を経ることなく、液晶配向を誘起する。 In this alignment processing method, a magnetic field is applied after an organic film as an alignment film is applied to a substrate. Thereby, the initial alignment of the liquid crystal by the alignment film induces the liquid crystal alignment without going through the rubbing process.
しかしながら、特許文献1に記載の液晶光学素子は、上述したように、応用上必要な屈折率変化を得るためには、厚い液晶層を透過させて十分な光学的距離Lを確保する必要がある。 However, as described above, the liquid crystal optical element described in Patent Document 1 needs to transmit a thick liquid crystal layer and ensure a sufficient optical distance L in order to obtain a refractive index change necessary for application. .
しかし、液晶層が厚くなると応答時間τr、τdは液晶層の厚さ(両配向膜の間)dの二乗に比例して遅くなることが知られている。そのため、液晶層の厚さを厚くすると応答速度が低下する問題点があり、実用化に課題があった。 However, it is known that as the liquid crystal layer becomes thicker, the response times τ r and τ d become slower in proportion to the square of the thickness of the liquid crystal layer (between both alignment films) d. Therefore, when the thickness of the liquid crystal layer is increased, there is a problem that the response speed is lowered, and there is a problem in practical use.
そのために提案された特許文献2に記載の液晶素子は、貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体を用いることで、十分な光学的距離Lを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上することが可能となった。この液晶素子の場合、製造過程において多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔の孔内面に配向膜を塗布して配向処理する必要がある。貫通孔あるいは非貫通孔の孔径が比較的に大きい場合は製造過程において特に問題がないが、孔径が小さく、超微細でかつ立体的な構造を有する多孔質構造体は、例えば、貫通孔あるいは非貫通孔のピッチが100〜1000nmで、孔開口率sが50〜80%で、厚さが50〜100μmである場合、孔内面に配向膜を塗布して配向処理する際に、孔径が小さく、かつ厚みがあるため、処理ムラなどによる歩留まりの低下をもたらす。また、配向膜の形成が非常に困難であり、かつ配向膜が形成されたとしても均一性に欠け、さらに液晶の充填量が少なくなる欠点があった。 Therefore, the liquid crystal element described in Patent Document 2 proposed by using a porous structure having a through-hole or a non-through-hole can ensure a sufficient optical distance L and greatly increase the response speed. It became possible to improve. In the case of this liquid crystal element, it is necessary to apply an alignment film to the inner surface of the through-hole or non-through-hole of the porous structure during the manufacturing process. When the diameter of the through-hole or non-through-hole is relatively large, there is no particular problem in the manufacturing process. When the pitch of the through holes is 100 to 1000 nm, the hole opening ratio s is 50 to 80%, and the thickness is 50 to 100 μm, when the alignment film is applied to the inner surface of the hole and the alignment treatment is performed, the hole diameter is small, In addition, because of the thickness, the yield is reduced due to uneven processing. In addition, it is very difficult to form an alignment film, and even when the alignment film is formed, there is a defect that the uniformity is insufficient and the filling amount of liquid crystal is reduced.
また、特許文献3に記載の配向処理方法は、液晶セル基板に形成した配向膜にラビングなどの表面配向処理が不要とする目的であり、上記のような多孔質構造体の孔内面に対して配向処理する場合、配向膜形成自体が困難であり、かつ液晶の充填量が少なくなるという問題点が依然存在する。 In addition, the alignment treatment method described in Patent Document 3 is for the purpose of eliminating the need for surface alignment treatment such as rubbing on the alignment film formed on the liquid crystal cell substrate. In the case of the alignment treatment, there are still problems that the formation of the alignment film itself is difficult and the filling amount of the liquid crystal is reduced.
そこで、本発明は、多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔の壁面に配向膜を形成しないで、孔内の液晶を配向させることによって、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向ができ、十分な光学的距離Lを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上できる液晶光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention ensures the filling amount of the liquid crystal and ensures stable alignment by aligning the liquid crystal in the hole without forming an alignment film on the wall of the through hole or non-through hole of the porous structure. An object of the present invention is to provide a liquid crystal optical element capable of securing a sufficient optical distance L and greatly improving the response speed and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するため、本発明に係る液晶光学素子の製造方法は、電極が形成された複数の基板と、前記複数の基板に挟まれ、液晶が注入された多孔質構造体とを有する液晶光学素子の製造方法において、母材となる基板に電極を形成する電極形成工程と、孔のピッチが100〜1000nmで、孔開口率sが50〜80%で、厚さが50〜100μmである多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体を形成する多孔質構造体形成工程と、前記基板の間に前記多孔質構造体を配置してセルを形成する組立工程と、前記多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔の壁面に配向膜を形成しないで前記セルを所定温度までに加熱し、前記セルに等方相状態の液晶を注入し、前記セルに対して一定強度の磁場を印加しながら、前記セルを冷却させる配向工程とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a method of manufacturing a liquid crystal optical element according to the present invention includes a plurality of substrates on which electrodes are formed, and a porous structure sandwiched between the plurality of substrates and into which liquid crystals are injected. In the method of manufacturing an optical element, an electrode forming step of forming electrodes on a base substrate, a hole pitch of 100 to 1000 nm, a hole opening ratio s of 50 to 80%, and a thickness of 50 to 100 μm A porous structure forming step of forming a porous structure having a large number of through-holes or non-through-holes, an assembly step of disposing the porous structure between the substrates to form cells, and the porous The cell is heated to a predetermined temperature without forming an alignment film on the wall of the through-hole or non-through-hole of the structure, and isotropic phase liquid crystal is injected into the cell. While applying Characterized in that it comprises an alignment step for.
例えば、前記配向工程において、前記磁場の方向を前記多孔質構造体の厚さ方向と垂直方向にして、かつ磁場中でセルの中心を軸に所定速度で回転させる。または、前記配向工程において、前記磁場の方向を前記多孔質構造体の厚さ方向と一致する。 For example, in the orientation step, the direction of the magnetic field is set to a direction perpendicular to the thickness direction of the porous structure, and the cell is rotated at a predetermined speed around the center of the cell in the magnetic field. Alternatively, in the orientation step, the direction of the magnetic field coincides with the thickness direction of the porous structure.
また例えば、前記多孔質構造体形成工程では、アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行い、アルミナ多孔質構造体を形成する。 For example, in the porous structure forming step, an aluminum material is anodized to form an alumina porous structure.
上記課題を解決するため、本発明に係る液晶光学素子は、上述の液晶光学素子の製造方法で製造された液晶光学素子であって、電極が形成された複数の基板と、前記複数の基板に挟まれ、液晶が注入された多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体とを備え、前記多孔質構造体は、孔のピッチが100〜1000nmで、孔開口率sが50〜80%で、厚さが50〜100μmであり、前記多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔の壁面に液晶を配向させる配向膜を形成しないで、一定強度の磁場を印加して前記貫通孔あるいは非貫通孔内に注入された液晶を壁面に対して水平または垂直に配向させたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a liquid crystal optical element according to the present invention is a liquid crystal optical element manufactured by the above-described method for manufacturing a liquid crystal optical element, and includes a plurality of substrates on which electrodes are formed, and the plurality of substrates. And a porous structure having a large number of through-holes or non-through-holes in which liquid crystal is injected. The porous structure has a hole pitch of 100 to 1000 nm and a hole opening ratio s of 50 to 80. %, A thickness of 50 to 100 μm, and without forming an alignment film for orienting liquid crystal on the wall surface of the through-hole or non-through-hole of the porous structure, a magnetic field of a certain strength is applied to the through-hole or The liquid crystal injected into the non-through hole is oriented horizontally or vertically with respect to the wall surface.
本発明に係る液晶光学素子の製造方法によれば、孔のピッチが100〜1000nmで、孔開口率sが50〜80%で、厚さが50〜100μmである多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔の壁面に配向膜を形成しないで一定強度の磁場を印加して孔内の液晶を配向させることによって、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向ができる。 According to the method for manufacturing a liquid crystal optical element according to the present invention, a through-hole of a porous structure having a hole pitch of 100 to 1000 nm, a hole opening ratio s of 50 to 80%, and a thickness of 50 to 100 μm or By applying a magnetic field with a certain strength without forming an alignment film on the wall surface of the non-through hole and aligning the liquid crystal in the hole, the filling amount of the liquid crystal can be secured and stable alignment can be achieved.
本発明に係る液晶光学素子によれば、液晶光学セルを構成する基板間に、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体が配置され、該多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔の壁面に配向膜を形成しないで、一定強度の磁場を印加して孔内の液晶を配向させることで、十分な光学的距離Lを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上することができ、かつ液晶の充填量を確保することができる。 According to the liquid crystal optical element of the present invention, a porous structure having a large number of through holes or non-through holes is disposed between substrates constituting the liquid crystal optical cell, and the through holes or non-through holes of the porous structure are provided. By aligning the liquid crystal in the hole by applying a constant magnetic field without forming an alignment film on the wall of the hole, a sufficient optical distance L can be secured and the response speed is greatly improved. And the filling amount of the liquid crystal can be secured.
そのため、液晶光学素子としての応答速度を向上することができ、また、電極間に配置される構造物の均一性、および構造物形成の再現性を向上することができ、光屈折などの光学特性を電気的に制御することが出来る焦点可変レンズ、または、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる、液晶収差補正素子などとして実用化できるようになった。 Therefore, the response speed as a liquid crystal optical element can be improved, the uniformity of the structure disposed between the electrodes, and the reproducibility of the structure formation can be improved, and optical characteristics such as photorefractiveness. Can be put to practical use as a variable-focus lens that can be electrically controlled, or a liquid crystal aberration correction element that is used to correct aberrations that occur during recording and reproduction with an optical pickup.
また、配向工程において、磁場の方向を多孔質構造体の厚さ方向と一致することで、孔内の液晶を壁面に対して水平に配向させることができ、より安定した配向ができる。 In the alignment step, the direction of the magnetic field matches the thickness direction of the porous structure, whereby the liquid crystal in the holes can be aligned horizontally with respect to the wall surface, and more stable alignment can be achieved.
また、多孔質構造体形成工程では、アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行うことで、一定の厚さを有すると共に、多数の円形形状の貫通孔あるいは非貫通孔を有するアルミナ多孔質構造体を形成することができる。 In the porous structure forming step, an alumina porous structure having a certain thickness and a large number of circular through holes or non-through holes is obtained by anodizing the aluminum material. Can be formed.
本発明に係る液晶光学素子およびその製造方法を、実施するための最良の形態を、図を参照して説明する。ここで、あらかじめ特定の方向に配列してある液晶分子に、部分的に電界をかけ、この分子の配列を変え、液晶光学セル内に生じた屈折率分布の変化を利用して、レンズ効果を得る液晶光学素子の例を説明する。 The best mode for carrying out the liquid crystal optical element and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the lens effect is obtained by applying a partial electric field to liquid crystal molecules arranged in a specific direction in advance, changing the arrangement of the molecules, and utilizing the change in the refractive index distribution generated in the liquid crystal optical cell. An example of the obtained liquid crystal optical element will be described.
図1は、第1の実施の形態の液晶光学素子100の構成を示す図である。図2は、液晶光学素子100の構成を示すA−A断面図である。図3は、液晶光学素子100の構成を示す断面図である。図3において、図3(a)はB−B断面図であり、図3(b)はC−C断面図である。図4は、基板の電極および接続端子の配置状態を示す図である。図4において、図4(a)は基板11の電極および接続端子の配置状態であり、図4(b)は基板10の電極および接続端子の配置状態である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a liquid crystal optical element 100 according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA showing the configuration of the liquid crystal optical element 100. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the liquid crystal optical element 100. In FIG. 3, FIG. 3 (a) is a BB cross-sectional view, and FIG. 3 (b) is a CC cross-sectional view. FIG. 4 is a diagram illustrating an arrangement state of electrodes and connection terminals of the substrate. 4, FIG. 4A shows the arrangement state of the electrodes and connection terminals of the substrate 11, and FIG. 4B shows the arrangement state of the electrodes and connection terminals of the substrate 10.
図1〜図4に示すように、液晶光学素子100は、コモン電極20が形成された基板10と、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22が形成された基板11と、多数の貫通孔13を有する多孔質構造体12と、液晶40とから構成されている。多孔質構造体12の貫通孔13の壁面に配向膜を形成しないで、一定強度の磁場を印加して孔内の液晶を配向させる。 As shown in FIGS. 1 to 4, the liquid crystal optical element 100 includes a substrate 10 on which a common electrode 20 is formed, a substrate 11 on which a first drive electrode 21 and a second drive electrode 22 are formed, A porous structure 12 having a through-hole 13 and a liquid crystal 40 are included. Without forming an alignment film on the wall surface of the through hole 13 of the porous structure 12, a magnetic field with a certain strength is applied to align the liquid crystal in the hole.
この例の場合は、基板10、11はガラス基板である。また、液晶40は電圧印加時に、分子の長軸が電界方向に向く誘電率異方性が正のネマチック液晶(Np液晶)である。 In this example, the substrates 10 and 11 are glass substrates. The liquid crystal 40 is a nematic liquid crystal (Np liquid crystal) having a positive dielectric anisotropy in which a major axis of a molecule is directed in an electric field direction when a voltage is applied.
ここで、コモン電極20、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22と液晶40との間に、一般的に設けられる配向膜、透明絶縁層や、基板10、11上に設けられる反射防止膜等は図示を省略している。また、液晶40はシール材50によって内側に封入されている。また、各端子には電圧を印加するためリード線等が接続されている。 Here, between the common electrode 20, the first drive electrode 21, the second drive electrode 22, and the liquid crystal 40, a generally provided alignment film, a transparent insulating layer, or a reflection provided on the substrates 10 and 11. The prevention film and the like are not shown. Further, the liquid crystal 40 is sealed inside by a sealing material 50. Each terminal is connected to a lead wire or the like for applying a voltage.
下の基板10の厚さ方向に穴が穿たれ、それらの穴にはコモン電極20、ヒーター電極20hへ接続するためのアース端子V0、ヒーター端子VHがそれぞれ設けられている。また、上の基板11に第一の駆動端子V1、第二の駆動端子V2が設けられている。各端子は、穴の内周面に沿ってスルーホール加工され、Cr−Au等の金属メッキ・導通材を充填をして形成される。 Holes are drilled in the thickness direction of the lower substrate 10, and ground terminals V 0 and heater terminals V H for connection to the common electrode 20 and the heater electrode 20 h are provided in these holes, respectively. Further, a first drive terminal V 1 and a second drive terminal V 2 are provided on the upper substrate 11. Each terminal is formed through hole processing along the inner peripheral surface of the hole and filled with a metal plating / conducting material such as Cr—Au.
また、基板10、11間に液晶40を注入するための注入口32が、上の基板11に形成されている。注入口32の形状は円形あるいは楕円形等であり、液晶40を注入した後に封止材により適宜封止される。 An injection port 32 for injecting the liquid crystal 40 between the substrates 10 and 11 is formed in the upper substrate 11. The shape of the inlet 32 is circular or elliptical, and is appropriately sealed with a sealing material after the liquid crystal 40 is injected.
また、図4(a)に示すように、上の基板11の中心部に円形の第二の駆動電極22が配置され、その周辺に第一の駆動電極21が配置されている。第二の駆動電極22は、第二の駆動端子V2に接続されている。また、第一の駆動電極21は、第一の駆動端子V1に接続されている。また、図4(b)に示すように、基板10の中心部に円形のコモン電極20が配置され、その周辺にヒーター電極20hが配置されている。コモン電極20は、アース端子V0に接続されている。また、ヒーター電極20hは、ヒーター端子VHに接続されている。 Further, as shown in FIG. 4A, a circular second drive electrode 22 is disposed at the center of the upper substrate 11, and a first drive electrode 21 is disposed in the vicinity thereof. Second drive electrode 22 is connected to a second driving terminal V 2. Further, the first driving electrode 21 is connected to a first driving terminal V 1. Further, as shown in FIG. 4B, a circular common electrode 20 is disposed at the center of the substrate 10, and a heater electrode 20h is disposed in the vicinity thereof. The common electrode 20 is connected to the ground terminal V 0. Also, the heater electrode 20h is connected to the heater terminal V H.
図5は、液晶光学素子100の電気回路系を示す概念図である。図5に示すように、電源Vが可変抵抗R1を介して、第一の駆動端子V1とアース端子V0との間に、所定の電圧V1を印加すると共に、可変抵抗R2を介して、第二の駆動端子V2とアース端子V0との間に所定の電圧V2を印加する。また、電源VHが、抵抗RHを介してアース端子V0とヒーター端子VH間に所定の電圧を印加する。この部分は液晶光学素子100のヒーター部として機能する。 FIG. 5 is a conceptual diagram showing an electric circuit system of the liquid crystal optical element 100. As shown in FIG. 5, through the power supply V variable resistor R 1, between the first driving terminal V 1 and the ground terminal V 0, and applies a predetermined voltage V1, through the variable resistor R 2 Te, applies a predetermined voltage V2 between the second driving terminal V 2 and the ground terminal V 0. Further, the power supply VH is, a predetermined voltage is applied through a resistor R H between the ground terminal V 0 and the heater terminal V H. This part functions as a heater part of the liquid crystal optical element 100.
図6は、液晶光学素子100の構成を示す部分拡大概念図である。図6において、説明を分かりやすくするために、液晶光学素子100の構成および液晶の配向が模式的に描かれている。図6(a)は電圧無印加時の液晶配向状態を示す図であり、図6(b)は電圧印加時の液晶配向状態を示す図である。この図6に示す部分は、液晶光学素子100の基本構造である。多孔質構造体12は、下の基板10に配置されている。また、上の基板11は、多孔質構造体12の上方に配置されている。上の基板11と多孔質構造体12との間に所定空間を有する。下の基板10と上の基板11との間に液晶40が充填・保持されている。 FIG. 6 is a partially enlarged conceptual view showing the configuration of the liquid crystal optical element 100. In FIG. 6, for easy understanding, the configuration of the liquid crystal optical element 100 and the alignment of the liquid crystal are schematically illustrated. FIG. 6A is a diagram illustrating a liquid crystal alignment state when no voltage is applied, and FIG. 6B is a diagram illustrating a liquid crystal alignment state when a voltage is applied. The portion shown in FIG. 6 is the basic structure of the liquid crystal optical element 100. The porous structure 12 is disposed on the lower substrate 10. Further, the upper substrate 11 is disposed above the porous structure 12. A predetermined space is provided between the upper substrate 11 and the porous structure 12. A liquid crystal 40 is filled and held between the lower substrate 10 and the upper substrate 11.
基板11の内側の面には、配向膜が形成されている。そのため、図6に示すように、基板11の内側の液晶は、一定の方向(基板11に対して垂直方向)に配向される。また、多孔質構造体12の内壁面12aに配向膜を形成しないで、孔内部の液晶は磁場を印加することにより配向されている(後述の図10〜14参照)。この場合、液晶は内壁面12aに対して水平方向に配向される。このとき、液晶として、例えば誘電率異方性が正のネマチック液晶(Np型液晶)を使用する。 An alignment film is formed on the inner surface of the substrate 11. Therefore, as shown in FIG. 6, the liquid crystal inside the substrate 11 is aligned in a certain direction (a direction perpendicular to the substrate 11). In addition, without forming an alignment film on the inner wall surface 12a of the porous structure 12, the liquid crystal inside the holes is aligned by applying a magnetic field (see FIGS. 10 to 14 described later). In this case, the liquid crystal is aligned in the horizontal direction with respect to the inner wall surface 12a. At this time, for example, nematic liquid crystal (Np type liquid crystal) having positive dielectric anisotropy is used as the liquid crystal.
基板11の内側の面と多孔質構造体12との間隔は、多孔質構造体12の製造バラツキ、上下ガラス基板間のギャップの製造バラツキと、液晶の注入経路の役割から数μmの間隔があり、この部分にも液晶が存在する。この液晶は、光の進む方向に平行な液晶分子であり、上下ガラス基板に垂直方向に働く電界変化には応答しない。 The space between the inner surface of the substrate 11 and the porous structure 12 is several μm due to the manufacturing variation of the porous structure 12, the manufacturing variation of the gap between the upper and lower glass substrates, and the role of the liquid crystal injection path. Liquid crystal is also present in this part. This liquid crystal is a liquid crystal molecule parallel to the light traveling direction, and does not respond to an electric field change acting in the vertical direction on the upper and lower glass substrates.
図6(b)に示すように、液晶光学素子100に所定の電圧を印加する際に、内壁面12aに対して、水平方向に配向していた液晶は電界方向に力を受けて傾斜し、電界が強くなると電極面に対して水平状態になる。これにより、光に対する屈折率を電気的に制御することができ、焦点可変レンズや収差補正素子として有益な機能素子となる。 As shown in FIG. 6B, when a predetermined voltage is applied to the liquid crystal optical element 100, the liquid crystal aligned in the horizontal direction with respect to the inner wall surface 12a is tilted by receiving a force in the electric field direction, When the electric field becomes strong, it becomes horizontal with respect to the electrode surface. Thereby, the refractive index with respect to light can be electrically controlled, and it becomes a functional element useful as a variable focus lens or an aberration correction element.
図7は、多孔質構造体12の構成を示すイメージ図である。図7に示す多孔質構造体12の貫通孔は、円形形状である。図8は、円形形状の孔を有する多孔質構造体12における液晶の配向モデルである(電圧印加時の液晶配向状態)。図8に示すように、電圧印加時、液晶は内壁面12aに対して垂直方向に、放射状に配向される。 FIG. 7 is an image diagram showing the configuration of the porous structure 12. The through holes of the porous structure 12 shown in FIG. 7 have a circular shape. FIG. 8 shows a liquid crystal alignment model in the porous structure 12 having circular holes (liquid crystal alignment state when a voltage is applied). As shown in FIG. 8, when a voltage is applied, the liquid crystal is aligned radially in a direction perpendicular to the inner wall surface 12a.
多孔質構造体12の内部に充填される液晶は、電圧印加時、図8のような模様配置になり、巨視的には面内配向に異方性がなく、偏光方向に依存しない。また、多孔質構造体12の貫通孔13は、円形形状に形成されることで、構造的に丈夫で孔開口率sを大きくでき、液晶も多く充填・保持することが可能となる。 The liquid crystal filled in the porous structure 12 has a pattern arrangement as shown in FIG. 8 when a voltage is applied, macroscopically there is no anisotropy in the in-plane orientation, and it does not depend on the polarization direction. Further, the through-hole 13 of the porous structure 12 is formed in a circular shape, so that it is structurally strong and can increase the hole opening ratio s, and can fill and hold a large amount of liquid crystal.
多孔質構造体12は、例えば高純度アルミニウム材料に対して、陽極酸化処理を行い形成される。図9は、陽極酸化法で形成したアルミナ多孔質構造体12の写真である。図9(a)は、アルミナ多孔質構造体12の平面写真である。図9(b)は、アルミナ多孔質構造体12の断面写真である。多孔質構造体の貫通孔のピッチは約500nm、孔径は約400nm、厚さは約50〜100μmである。 The porous structure 12 is formed by, for example, anodizing a high purity aluminum material. FIG. 9 is a photograph of the alumina porous structure 12 formed by an anodic oxidation method. FIG. 9A is a plan photograph of the alumina porous structure 12. FIG. 9B is a cross-sectional photograph of the alumina porous structure 12. The pitch of the through holes of the porous structure is about 500 nm, the diameter of the holes is about 400 nm, and the thickness is about 50 to 100 μm.
また、多孔質構造体12の部分の面積(基板法線光路方向から見た部分の面積)が狭いほど、光学特性の制御に寄与し、液晶材料部分の面積を広く取れることから望ましい。即ち、液晶が充填・保持された貫通孔あるいは非貫通孔部分はより大きな面積が期待される。 Further, it is desirable that the area of the porous structure 12 (the area seen from the direction of the substrate normal optical path) is smaller, because it contributes to the control of the optical characteristics and the area of the liquid crystal material can be increased. That is, a larger area is expected for the through-hole or non-through-hole portion in which the liquid crystal is filled and held.
さらに、多孔質構造体12は光波長に対して高い信頼性、安定性を有することが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the porous structure 12 has high reliability and stability with respect to the light wavelength.
図6に示した液晶光学素子100の部分拡大概念図のように、多孔質構造体12の貫通孔13が基板法線方向、即ち光の進行方向に平行する状態で並び、液晶分子が内壁面12aに対して水平配向状態で並ぶ。 As shown in the partial enlarged conceptual diagram of the liquid crystal optical element 100 shown in FIG. 6, the through holes 13 of the porous structure 12 are arranged in a state parallel to the normal direction of the substrate, that is, the light traveling direction, and the liquid crystal molecules 12a are aligned horizontally with respect to 12a.
また、多孔質構造体12の隔壁は狭いほど、即ち、孔開口率sが大きいほど、液晶の充填・保持割合が多くなり、光制御に有利に作用するので、孔開口率sは下式のように定義される。
孔開口率s=(孔部分の面積)/{(孔部分の面積)+(隔壁部分の面積)}
多孔質構造体12の製造バラツキや製造可能性を考慮して、孔開口率sは50〜80%程度が望ましい。
Further, the narrower the partition wall of the porous structure 12, that is, the larger the pore opening ratio s, the larger the liquid crystal filling / holding ratio, which favors light control. Is defined as
Hole opening ratio s = (Area of hole part) / {(Area of hole part) + (Area of partition wall part)}
In consideration of manufacturing variations and manufacturability of the porous structure 12, the hole opening ratio s is preferably about 50 to 80%.
隔壁部の光透過の効率や、特に、紫外線に対する耐候性・温度依存性からは、材料の選定も重要な課題である。電気絶縁材料としては、ガラス・樹脂・シリコン・カーボンまたはセラミックス材料などがあり、それぞれの用途に応じた選択が必要である。 The material selection is also an important issue from the viewpoint of the light transmission efficiency of the partition wall, and particularly the weather resistance and temperature dependency with respect to ultraviolet rays. Examples of the electrical insulating material include glass, resin, silicon, carbon, and ceramic materials, and selection according to each application is necessary.
液晶材料は複屈折性を示し、その大きさの程度は,液晶分子長軸方向の屈折率ne(異常光屈折率と呼ばれる)と短軸方向の屈折率no(常光屈折率と呼ばれる)の差Δn(=ne−no)で定義されている。多くの液晶表示セルに用いるネマチック液晶の場合、このΔn(=ne−no)の符号は正で、正号結晶に分類されている。 The liquid crystal material exhibits birefringence, degree of magnitude, (referred to as extraordinary light refractive index) refractive index of the liquid crystal molecular long axis direction ne and minor axis of the refractive index n o (called ordinary refractive index) defined by the difference Δn (= n e -no). In the case of nematic liquid crystals used in many liquid crystal display cells, the sign of Δn (= ne−no) is positive and is classified as a positive crystal.
以下に、前記の多孔質構造体12を挟持した、液晶光学素子に垂直に光を入射させたときの、光学機能の様子を知るために、ネマチック液晶ZLI-1132(メルク社製)を例にして、数値的な見積りをしてみる。ZLI-1132液晶材料の異常光屈折率neは約1.632、正常光屈折率noは約1.493である。電圧無印加時における、多孔質構造体12の貫通孔中での、液晶分子の配向を図6に示すような、放射状配向とした場合には、期待できる屈折率の最大値nMAXはneよりもやや小さくなって、nMAX=1.561程度になる。また、この状態に電圧印加して得られる、屈折率の最小値nMINはnoと等しくnMIN=1.493である。したがって、電圧によって変化できる屈折率の可制御範囲δnは、δn=nMAX−nMIN=0.068程度と見積もられる。屈折率の値と幾何学的な距離の積は、光学的距離と呼ばれる。この場合、液晶層の厚さ(多孔質構造体の厚さ)をdとして、最大および最小の光学的距離LはそれぞれLMAX=d×nMAXおよびLMIN=d×nMINとなる。したがって、電圧で制御できる光学距離δL=d×δnとなる。 The following is an example of nematic liquid crystal ZLI-1132 (manufactured by Merck) in order to know the optical function when light is vertically incident on the liquid crystal optical element sandwiching the porous structure 12. Let's make a numerical estimate. The extraordinary light refractive index ne of the ZLI-1132 liquid crystal material is about 1.632, and the normal light refractive index no is about 1.493. When the orientation of the liquid crystal molecules in the through-hole of the porous structure 12 when no voltage is applied is a radial orientation as shown in FIG. 6, the maximum refractive index n MAX that can be expected is from ne. Slightly smaller, n MAX = about 1.561. Further, the minimum value n MIN of the refractive index obtained by applying a voltage in this state is equal to no and n MIN = 1.493. Therefore, the controllable range δn of the refractive index that can be changed by the voltage is estimated to be about δn = n MAX− n MIN = 0.068. The product of the refractive index value and the geometric distance is called the optical distance. In this case, assuming that the thickness of the liquid crystal layer (the thickness of the porous structure) is d, the maximum and minimum optical distances L are L MAX = d × n MAX and L MIN = d × n MIN , respectively. Therefore, the optical distance δL = d × δn that can be controlled by voltage is obtained.
以上の見積もりは、多孔質構造体12の孔開口率sが100パーセントの場合であるが、孔開口率sが低くなると電圧によって、実効的に変化できる屈折率の可制御範囲δnも低下することになる。例として、多孔質構造体12の部分が、高純度アルミニウム材料を陽極酸化処理することによって、形成されたアルミナ材で、その平均屈折率を約1.764とし、孔開口率sを50%と仮定した場合には、電圧オフ時の実効的屈折率はnMAX=(1.561+1.764)×0.5=1.6625、電圧オン時の実効的屈折率はnMIN=(1.493+1.764)×0.5=1.6285となる。電圧印加によって、制御可能な屈折率範囲δnがs=100パーセントの場合の二分の一になるので、光学距離範囲δLもs=100パーセントの場合の二分の一になる。 The above estimation is for the case where the pore opening ratio s of the porous structure 12 is 100%. However, when the hole opening ratio s decreases, the controllable range δn of the refractive index that can be effectively changed by the voltage also decreases. become. As an example, it is assumed that a portion of the porous structure 12 is an alumina material formed by anodizing a high-purity aluminum material, the average refractive index is about 1.864, and the pore opening ratio s is 50%. In this case, the effective refractive index when the voltage is off is n MAX = (1.561 + 1.664) × 0.5 = 1.6625, and the effective refractive index when the voltage is on is n MIN = (1.493 + 1.664) × 0.5 = 1.6285. Become. By applying the voltage, the controllable refractive index range δn is halved when s = 100%, so the optical distance range δL is also halved when s = 100%.
光学的距離Lの光路を経由したときの光の位相遅れの大きさ(遅相量)Φは、光の波長をλとして下式で算出できる。
遅相量Φ=L×2π/λ
式中 L:光学的距離、λ:光波長
したがって、前記の多孔質構造体12がアルミナで、孔開口率sが50%の場合、液晶層の厚さ(多孔質構造体の厚さ)をdとして、電圧で制御できる位相遅れ(遅相量)の範囲をδΦとすると、
δΦ=(nMAX−nMIN)×d×2π/λ=0.035×d×2π/λとなる。
The magnitude (delay amount) Φ of the phase delay of the light when passing through the optical path of the optical distance L can be calculated by the following equation, where λ is the wavelength of the light.
Slow phase amount Φ = L × 2π / λ
Where L: optical distance, λ: light wavelength
Therefore, when the porous structure 12 is alumina and the pore opening ratio s is 50%, the thickness of the liquid crystal layer (the thickness of the porous structure) is d, and the phase delay (slow phase) that can be controlled by voltage If the range of (quantity) is δΦ,
δΦ = (n MAX −n MIN ) × d × 2π / λ = 0.035 × d × 2π / λ.
以下、図10〜図14を参照しながら、本発明の液晶光学素子100の製造方法を説明する。図10は、多孔質構造体12の製造方法を示す工程図である。図11は、液晶光学素子の製造方法を示す工程図(その1)である。図12は、液晶光学素子の製造方法を示す工程図(その2)である。図13は、液晶注入・配向処理工程のフローチャートである。図14は、液晶注入・配向処理の説明図である。図14において、説明を分かりやすくするために1つの液晶セルのみを示している。 Hereinafter, the manufacturing method of the liquid crystal optical element 100 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a process diagram showing a method for manufacturing the porous structure 12. FIG. 11 is a process diagram (part 1) illustrating the method for manufacturing the liquid crystal optical element. FIG. 12 is a process diagram (part 2) illustrating the method for manufacturing the liquid crystal optical element. FIG. 13 is a flowchart of the liquid crystal injection / alignment process. FIG. 14 is an explanatory diagram of liquid crystal injection / alignment processing. In FIG. 14, only one liquid crystal cell is shown for easy understanding.
図10に示す多孔質構造体12の製造方法は、アルミニウム材料を陽極酸化処理することで、多孔質構造体12を形成する方法である。 The manufacturing method of the porous structure 12 shown in FIG. 10 is a method of forming the porous structure 12 by anodizing an aluminum material.
この方法において、図10に示すように、まず、アルミニウム材料として高純度アルミニウム材料を用い、この高純度アルミニウム材料を所定厚みの板状に形成する(S11)。次に、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行う(S12)。ここで、高純度アルミニウム材料を硝酸、リン酸など、酸性電解液中の陽極酸化処理用電極のうち1つと接続し、もう一方の陽極酸化処理用電極を電解液中に配置し、陽極酸化処理用電極間に電圧を印加して陽極酸化処理を行う。これにより、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体12が得られる。 In this method, as shown in FIG. 10, first, a high-purity aluminum material is used as an aluminum material, and this high-purity aluminum material is formed into a plate having a predetermined thickness (S11). Next, anodizing is performed on the high purity aluminum material (S12). Here, a high-purity aluminum material is connected to one of the anodizing electrodes in an acidic electrolyte such as nitric acid and phosphoric acid, and the other anodizing electrode is placed in the electrolytic solution, and anodized. Anodization is performed by applying a voltage between the electrodes. Thereby, the porous structure 12 which has many through-holes or non-through-holes is obtained.
次に、得られた多孔質構造体12に対して、孔径拡大のためにエッチング処理を行い(S13)、多孔質構造体12の孔径を所定の寸法にする。 Next, the obtained porous structure 12 is subjected to an etching process for expanding the pore diameter (S13), and the pore diameter of the porous structure 12 is set to a predetermined dimension.
次に、孔径拡大エッチング処理後の多孔質構造体12に対して、バックエッチング処理を行い(S14)、陽極酸化処理で残されたアルミニウム材料部分の処理、または貫通になっていない孔の部分を除去する。このように、図8に示すような円形形状の孔を有する多孔質構造体12が得られる。そして、所定の形状に加工する。例えば、図1に示すような円形に加工する。 Next, a back etching process is performed on the porous structure 12 that has been subjected to the pore diameter enlargement etching process (S14), and the aluminum material part left by the anodizing process or the part of the hole that is not penetrating is removed. Remove. Thus, a porous structure 12 having circular holes as shown in FIG. 8 is obtained. Then, it is processed into a predetermined shape. For example, it is processed into a circle as shown in FIG.
液晶光学素子100の製造方法として、まず、図11に示すように、下の基板10において、所定の位置に電極材を蒸着等によって形成する(S101)。ここで、一定の大きさを有する基板に複数の液晶光学素子100を形成する場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 As a method for manufacturing the liquid crystal optical element 100, first, as shown in FIG. 11, an electrode material is formed at a predetermined position on the lower substrate 10 by vapor deposition or the like (S101). Here, although the case where the several liquid crystal optical element 100 is formed in the board | substrate which has a fixed magnitude | size is demonstrated, this invention is not limited to this.
次に、エッチング等によるパターンニング処理を行って電極20、20hを作製する(S102)。電極20、20hを形成する工程において、基板10にアース端子V0、ヒーター端子VHを設ける。 Next, a patterning process such as etching is performed to manufacture the electrodes 20 and 20h (S102). In the step of forming the electrodes 20 and 20h, the substrate 10 is provided with a ground terminal V 0 and a heater terminal V H.
次に、透明絶縁層を必要に応じて積層させた後、ポリイミド(PI)等の液晶配向膜を形成する(S103)。さらに、液晶を封入するためのシール材50を、印刷等により電極20の周辺に設ける(S104)。 Next, after laminating a transparent insulating layer as necessary, a liquid crystal alignment film such as polyimide (PI) is formed (S103). Further, a sealing material 50 for enclosing the liquid crystal is provided around the electrode 20 by printing or the like (S104).
一方、対向させる上の基板11については、上記と同様に母材となる基板に対して電極を形成し(S201)、パターンニングを行って、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22とする(S202)。また、液晶配向膜を形成する(S203)。 On the other hand, for the upper substrate 11 to be opposed, an electrode is formed on the base material substrate in the same manner as described above (S201), patterning is performed, and the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22 are formed. (S202). Further, a liquid crystal alignment film is formed (S203).
そして、図12に示すように、多孔質構造体12を配置する(S300)。ここで、上述した図10に示す方法により形成された多孔質構造体12を下の基板10に配置する。次に、下の基板10と上の基板11とを、対向させて組み合わせることで、液晶セルを形成する(S301)。 And as shown in FIG. 12, the porous structure 12 is arrange | positioned (S300). Here, the porous structure 12 formed by the method shown in FIG. 10 is disposed on the lower substrate 10. Next, a liquid crystal cell is formed by combining the lower substrate 10 and the upper substrate 11 so as to face each other (S301).
続いて、注入口32から液晶セル内(シール材50の内側)に等方相状態の液晶を注入し、封止して、配向処理を行う(S302)。ここで、図13、図14に示すように、液晶注入、配向処理を行う際に、まず、形成した液晶セルをセル加熱用ヒーターの上に配置し、セル加熱用ヒーターで液晶セルを加熱する(S311)。このとき、加熱温度は液晶材料の等方相温度TN1+5℃とする。次に、等方相状態にある液晶材料を液晶セルに注入する(S312)。次に、N磁極とS磁極からなる磁場内に設置して磁場を印加する(S313)。このとき、磁場強度は20kGとし、磁場方向を多孔質構造体12の開孔方向と同じ方向にする。即ち、磁場の方向を多孔質構造体12の厚さ方向と一致する。そして、液晶セルを磁場中に保持しながら徐々に冷却する(S314)。この場合、液晶セルの温度は、等方相温度TN1を経て室温まで徐冷する。また、冷却時間は5〜15minとする。好ましくは約10minである。これにより、多孔質構造体12の貫通孔または非貫通孔内部の液晶が磁場方向に配向される。即ち、液晶は内壁面12aに対して水平方向に配向され、かつ安定した配向ができる。 Subsequently, an isotropic liquid crystal is injected into the liquid crystal cell (inside the sealing material 50) from the injection port 32, sealed, and subjected to an alignment process (S302). Here, as shown in FIGS. 13 and 14, when performing liquid crystal injection and alignment treatment, first, the formed liquid crystal cell is placed on a cell heating heater, and the liquid crystal cell is heated by the cell heating heater. (S311). At this time, the heating temperature is set to the isotropic phase temperature T N1 + 5 ° C. of the liquid crystal material. Next, a liquid crystal material in an isotropic phase state is injected into the liquid crystal cell (S312). Next, it installs in the magnetic field which consists of N magnetic pole and S magnetic pole, and applies a magnetic field (S313). At this time, the magnetic field strength is 20 kG, and the magnetic field direction is the same as the opening direction of the porous structure 12. That is, the direction of the magnetic field coincides with the thickness direction of the porous structure 12. Then, the liquid crystal cell is gradually cooled while being held in the magnetic field (S314). In this case, the temperature of the liquid crystal cell is gradually cooled to room temperature via the isotropic phase temperature T N1 . The cooling time is 5 to 15 minutes. Preferably it is about 10 min. Thereby, the liquid crystal inside the through hole or the non-through hole of the porous structure 12 is aligned in the magnetic field direction. That is, the liquid crystal is aligned in the horizontal direction with respect to the inner wall surface 12a and can be stably aligned.
そして、母材となる基板10,11に配列した各端子を使用して、素子の動作検査を行う(S303)。検査が不合格であった箇所については、NGマーキングを行う(S304)。その後、母材となる基板の全面に反射防止膜(AR膜)を形成する(S305)。AR膜はガラス基板10側又は基板11側の、いずれか一方に形成しても良いし、両方に形成しても良い。 Then, using the terminals arranged on the substrates 10 and 11 as the base material, the operation of the element is inspected (S303). NG marking is performed about the location where the inspection failed (S304). Thereafter, an antireflection film (AR film) is formed on the entire surface of the base substrate (S305). The AR film may be formed on either the glass substrate 10 side or the substrate 11 side, or may be formed on both.
最後に、母材となる基板を、スライサー等を用いて個々の液晶光学素子100に切り分け(S306)、単品の検査工程(S307)を経て完了する。なお、単品の検査において不合格となった素子は、廃棄又は修理するか、又は再生工程に移される(S308)。 Finally, the substrate serving as a base material is cut into individual liquid crystal optical elements 100 using a slicer or the like (S306), and is completed through a single inspection step (S307). In addition, the element which failed in the inspection of a single item is discarded or repaired, or moved to a regeneration process (S308).
以上のような製造方法によれば、予め、多孔質構造体12を形成し、液晶光学素子100の組立時に基板10,11の間に配置する。そして、磁場により多孔質構造体12の内部の液晶に対して配向処理を行う。 According to the manufacturing method as described above, the porous structure 12 is formed in advance and disposed between the substrates 10 and 11 when the liquid crystal optical element 100 is assembled. Then, the alignment treatment is performed on the liquid crystal inside the porous structure 12 by a magnetic field.
このように本実施の形態においては、液晶光学素子100は、コモン電極20が形成された基板10と、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22が形成された基板11と、多孔質構造体12と、液晶40とから構成されている。多孔質構造体12の形成方法としては、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行い、アルミナ多孔質構造体を形成する。また、多孔質構造体12の多数の貫通孔13は、円形形状に形成され、多孔質構造体12の内壁面12aに配向膜を形成しないで、孔内部の液晶は磁場を印加することにより水平配向されている。また、上下の基板10,11の多孔質構造体12が配置される面(基板10において、即ち電極20の多孔質構造体12が配置される面)に、垂直配向処理が施される。 As described above, in the present embodiment, the liquid crystal optical element 100 includes the substrate 10 on which the common electrode 20 is formed, the substrate 11 on which the first drive electrode 21 and the second drive electrode 22 are formed, and a porous material. The structure 12 and the liquid crystal 40 are included. As a method for forming the porous structure 12, an alumina porous structure is formed by anodizing a high-purity aluminum material. In addition, a large number of through-holes 13 in the porous structure 12 are formed in a circular shape, and an alignment film is not formed on the inner wall surface 12a of the porous structure 12, and the liquid crystal inside the holes is horizontal by applying a magnetic field. Oriented. Further, the vertical alignment treatment is performed on the surfaces of the upper and lower substrates 10 and 11 on which the porous structures 12 are arranged (the surfaces on which the porous structures 12 of the electrodes 20 are arranged).
これにより、超微細でかつ立体的な構造を有する多孔質構造体12の貫通孔13の壁面に配向膜(例えば、ポリイミド(PI)や界面活性剤など)を形成しないで、孔内の液晶を配向させることによって、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向をできる。 As a result, without forming an alignment film (for example, polyimide (PI) or a surfactant) on the wall surface of the through-hole 13 of the porous structure 12 having an ultrafine and three-dimensional structure, the liquid crystal in the hole is formed. By aligning, the filling amount of liquid crystal can be ensured and stable alignment can be achieved.
上下の基板10,11に設けた電極間に電圧を印加することで、液晶の分子配向を制御することができ、光学特性を変化させることができる。そして、十分な光学的距離Lを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上することができ、かつ液晶の充填量を確保することができる。したがって液晶光学素子としての、応答時間を短縮することができ、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶収差補正素子として実用化できるようになる。 By applying a voltage between the electrodes provided on the upper and lower substrates 10 and 11, the molecular orientation of the liquid crystal can be controlled and the optical characteristics can be changed. In addition, a sufficient optical distance L can be secured, the response speed can be greatly improved, and the liquid crystal filling amount can be secured. Accordingly, the response time of the liquid crystal optical element can be shortened, and the liquid crystal aberration correction element used for correcting the aberration generated at the time of recording / reproducing with the optical pickup can be put into practical use.
また、配向工程において、磁場の方向を多孔質構造体の厚さ方向と一致することで、孔内の液晶を壁面に対して水平に配向させることができ、より安定した配向ができる。 In the alignment step, the direction of the magnetic field matches the thickness direction of the porous structure, whereby the liquid crystal in the holes can be aligned horizontally with respect to the wall surface, and more stable alignment can be achieved.
また、多孔質構造体形成工程では、アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行うことで、一定の厚さを有すると共に、多数の円形形状の貫通孔あるいは非貫通孔を有するアルミナ多孔質構造体を簡単に形成することができる。 In the porous structure forming step, an alumina porous structure having a certain thickness and a large number of circular through holes or non-through holes is obtained by anodizing the aluminum material. It can be easily formed.
図15は、第2の実施形態としての液晶光学素子200の構成を示す部分拡大概念図である。図15に示すように、液晶光学素子200は、コモン電極20が形成されたガラス基板10と、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22が形成されたガラス基板11と、多孔質構造体12Aと、液晶40とから構成されている。多孔質構造体12Aは、多数の非貫通孔14を有する多孔質構造体である。図に示すように、非貫通孔14は未貫通の底面14aを有する。多孔質構造体12Aの下面に近い位置にある。この液晶光学素子200の製造方法は、非貫通孔14の多孔質構造体12Aを形成する以外に上述した液晶光学素子100と同様である。ここで、重複する説明は省略する。 FIG. 15 is a partially enlarged conceptual view showing the configuration of the liquid crystal optical element 200 as the second embodiment. As shown in FIG. 15, the liquid crystal optical element 200 includes a glass substrate 10 on which a common electrode 20 is formed, a glass substrate 11 on which a first drive electrode 21 and a second drive electrode 22 are formed, and a porous structure. The body 12A and the liquid crystal 40 are included. The porous structure 12 </ b> A is a porous structure having a large number of non-through holes 14. As shown in the figure, the non-through hole 14 has a non-penetrated bottom surface 14a. It is in a position close to the lower surface of the porous structure 12A. The manufacturing method of the liquid crystal optical element 200 is the same as that of the liquid crystal optical element 100 described above except that the porous structure 12A of the non-through holes 14 is formed. Here, the overlapping description is omitted.
この例の場合は、液晶40は、電圧印加時に、分子の長軸が電界方向に向く誘電率異方性が正のネマチック液晶(Np液晶)であり、多孔質構造体12Aの非貫通孔14の内壁面に配向膜を形成しないで、孔内部の液晶は予め磁場を印加することにより内壁面に対して水平配向されている。 In this example, the liquid crystal 40 is a nematic liquid crystal (Np liquid crystal) having a positive dielectric anisotropy in which the major axis of the molecule is directed in the direction of the electric field when a voltage is applied, and the non-through hole 14 of the porous structure 12A. Without forming an alignment film on the inner wall surface, the liquid crystal inside the hole is horizontally aligned with respect to the inner wall surface by applying a magnetic field in advance.
また、電圧印加前に、多孔質構造体12Aの非貫通孔内の液晶は、内壁面に対して水平に配列し、基板11の配向処理面の液晶は、表面に対して垂直状態に配列している。電圧印加時に、電圧の印加により、多孔質構造体12Aの非貫通孔14内の液晶は、内壁面に対して水平配列状態から垂直配列状態に変わる。また、基板11の配向処理面の液晶は垂直配列状態のままである。 Further, before the voltage is applied, the liquid crystals in the non-through holes of the porous structure 12A are aligned horizontally with respect to the inner wall surface, and the liquid crystals on the alignment treatment surface of the substrate 11 are aligned in a state perpendicular to the surface. ing. When a voltage is applied, the liquid crystal in the non-through holes 14 of the porous structure 12A changes from a horizontal alignment state to a vertical alignment state with respect to the inner wall surface by the voltage application. Further, the liquid crystal on the alignment treatment surface of the substrate 11 remains in the vertical alignment state.
このような構成を有する液晶光学素子200は、上述した第1の実施形態と同様な効果が得られる。また、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行う場合、陽極酸化処理で残されたアルミニウム材料部分の処理、または貫通になっていない孔の部分を除去するためのバックエッチング処理(上述の図10参照)が簡素化される。 The liquid crystal optical element 200 having such a configuration can obtain the same effects as those of the first embodiment described above. Further, when anodizing treatment is performed on a high-purity aluminum material, processing of the aluminum material portion left by the anodizing treatment or back-etching processing for removing a portion of the hole that is not penetrated (the above-described figure) 10) is simplified.
これにより、多孔質構造体12Aの非貫通孔14の壁面に配向膜を形成しないで、孔内の液晶を配向させることによって、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向ができる。 As a result, by aligning the liquid crystal in the holes without forming an alignment film on the wall surface of the non-through hole 14 of the porous structure 12A, the filling amount of the liquid crystal can be secured and stable alignment can be achieved.
なお、上述した実施の形態においては、配向工程で磁場の方向を多孔質構造体12の厚さ方向と一致することで、孔内の液晶を壁面に対して水平に配向させる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、配向工程において、磁場の方向を、多孔質構造体の厚さ方向と垂直方向にし、磁場中でセルの中心を軸に所定速度で回転させることで、多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔の壁面に液晶を配向させる配向膜を形成しないで、孔内の液晶を壁面に対して垂直に配向させることができる。この場合、孔内の液晶の初期配向状態は図8に示すような放射状になる。 In the above-described embodiment, the case where the liquid crystal in the hole is aligned horizontally with respect to the wall surface by matching the direction of the magnetic field with the thickness direction of the porous structure 12 in the alignment step has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, in the orientation step, the direction of the magnetic field is set to a direction perpendicular to the thickness direction of the porous structure, and the cell is rotated at a predetermined speed around the center of the cell in the magnetic field. Without forming an alignment film for aligning the liquid crystal on the wall surface of the through hole, the liquid crystal in the hole can be aligned perpendicular to the wall surface. In this case, the initial alignment state of the liquid crystal in the hole is radial as shown in FIG.
また、上述した実施の形態においては、多孔質構造体12が高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行って形成されるものについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、多孔質構造体12の代わりに、Si(シリコン)材料に対してエッチング処理を行って形成したものを用いてもよい。また、フォトリソグラフィー、蒸着、中空パイプ結束など方法は考えられる。 Moreover, in embodiment mentioned above, although the porous structure 12 demonstrated what formed the anodic oxidation process with respect to a high purity aluminum material, it is not limited to this. For example, instead of the porous structure 12, an Si (silicon) material formed by etching may be used. Also, methods such as photolithography, vapor deposition, and hollow pipe bundling are conceivable.
また、上述した実施の形態においては、多孔質構造体12の多数の貫通孔13は、円形形状に形成されるものについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、多孔質構造体12の貫通孔を六角形状に形成することも可能である。 Moreover, in embodiment mentioned above, although many through-holes 13 of the porous structure 12 demonstrated what was formed in circular shape, it is not limited to this. For example, the through holes of the porous structure 12 can be formed in a hexagonal shape.
また、上述した実施の形態においては、光漏れを減少するために、多孔質構造体12の上面あるいは下面に、ブラック処理を施すようにしてもよい。 In the above-described embodiment, black treatment may be performed on the upper surface or the lower surface of the porous structure 12 in order to reduce light leakage.
また、光学的距離が十分で、多孔質構造体の貫通孔の孔径が大きい場合は、有機配向膜の塗布と磁場を用いた配向処理の併用がもちろん可能である。 Moreover, when the optical distance is sufficient and the hole diameter of the through hole of the porous structure is large, it is of course possible to use both the application of the organic alignment film and the alignment treatment using a magnetic field.
この発明は、携帯電話機、携帯情報端末機(PDA)、デジタル機器等における超小型カメラに内蔵される、オートフォーカス機能やマクロ−ミクロ切替機能をもつ液晶光学素子、または、光ディスク装置において、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶光学素子など、広く利用することが期待できる。 The present invention relates to a liquid crystal optical element having an autofocus function or a macro-micro switching function or an optical disk device incorporated in a micro camera in a mobile phone, a personal digital assistant (PDA), a digital device or the like. It can be expected to be widely used, such as a liquid crystal optical element used to correct aberrations occurring during recording / reproducing in the field.
10,11 基板
12,12A 多孔質構造体
12a 多孔質構造体の内壁面
13 貫通孔
14 非貫通孔
20 コモン電極
20h ヒーター電極
21 第一の駆動電極
22 第二の駆動電極
V〇 アース端子
V1 第一の駆動端子
V2 第二の駆動端子
VH ヒーター端子
32 注入口
40 液晶
50 シール材
100,200 液晶光学素子
10, 11 Substrate 12, 12A Porous structure 12a Inner wall surface of porous structure 13 Through hole 14 Non-through hole 20 Common electrode 20h Heater electrode 21 First drive electrode 22 Second drive electrode V ○ Ground terminal V 1 First drive terminal V 2 Second drive terminal V H heater terminal 32 Inlet 40 Liquid crystal 50 Sealing material 100,200 Liquid crystal optical element
Claims (5)
母材となる基板に電極を形成する電極形成工程と、
孔のピッチが100〜1000nmで、孔開口率sが50〜80%で、厚さが50〜100μmである多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体を形成する多孔質構造体形成工程と、
前記基板の間に前記多孔質構造体を配置してセルを形成する組立工程と、
前記多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔の壁面に配向膜を形成しないで前記セルを所定温度までに加熱し、前記セルに等方相状態の液晶を注入し、前記セルに対して一定強度の磁場を印加しながら、前記セルを冷却させる配向工程とを備えることを特徴とする液晶光学素子の製造方法。 In a method of manufacturing a liquid crystal optical element having a plurality of substrates on which electrodes are formed and a porous structure sandwiched between the plurality of substrates and into which liquid crystal is injected,
An electrode forming step of forming an electrode on a substrate to be a base material;
Porous structure formation for forming a porous structure having a large number of through holes or non-through holes having a hole pitch of 100 to 1000 nm, a hole opening ratio s of 50 to 80%, and a thickness of 50 to 100 μm Process,
An assembly step of disposing the porous structure between the substrates to form a cell;
The cell is heated to a predetermined temperature without forming an alignment film on the wall of the through-hole or non-through-hole of the porous structure, and isotropic phase liquid crystal is injected into the cell. An alignment process for cooling the cell while applying a strong magnetic field, and a method for producing a liquid crystal optical element.
電極が形成された複数の基板と、前記複数の基板に挟まれ、液晶が注入された多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体とを備え、
前記多孔質構造体は、孔のピッチが100〜1000nmで、孔開口率sが50〜80%で、厚さが50〜100μmであり、
前記多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔の壁面に液晶を配向させる配向膜を形成しないで、一定強度の磁場を印加して前記貫通孔あるいは非貫通孔内に注入された液晶を壁面に対して水平または垂直に配向させたことを特徴とする液晶光学素子。 A liquid crystal optical element manufactured by the method for manufacturing a liquid crystal optical element according to claim 1,
A plurality of substrates on which electrodes are formed, and a porous structure having a large number of through-holes or non-through-holes sandwiched between the plurality of substrates and into which liquid crystal is injected,
The porous structure has a pore pitch of 100 to 1000 nm, a pore opening ratio s of 50 to 80%, and a thickness of 50 to 100 μm,
Without forming an alignment film for aligning liquid crystal on the wall surface of the through-hole or non-through hole of the porous structure, a liquid crystal injected into the through-hole or non-through hole by applying a magnetic field with a certain strength is applied to the wall surface. A liquid crystal optical element characterized by being aligned horizontally or vertically with respect to the liquid crystal optical element.
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