JP2013195995A

JP2013195995A - 光偏向液晶素子

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Publication number: JP2013195995A
Application number: JP2012066692A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Toko; 康夫都甲
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】二方向に均等に光を曲げることができる光偏向液晶素子を提供する。
【解決手段】光偏向液晶素子は、第１の透明基板と、第２の透明基板と、前記第２の透明基板に形成される、第１の屈折率を有するプリズム層と、前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（（ｎｅ＋２ｎｏ）／３）と、常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値とが前記第１の屈折率と等しい液晶分子を有する液晶層と、前記液晶層に電圧を印加する一対の透明電極とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の進行方向を変える光偏向液晶素子に関する。

手ブレによる写真撮影の失敗を防ぐため、従来、手ブレ補正機能を備えたカメラが開発されている。手ブレ補正方法としては、大別して、レンズ系の位置を調整するジンバルメカ方式（例えば、特許文献１参照）や、プリズムの頂角を可変させ光軸を調整するアクティブプリズム方式（例えば、特許文献２参照）、あるいは撮像素子の位置を光軸に合わせて移動させるＣＣＤシフト方式（例えば、特許文献３参照）などの光学式手ブレ補正方式と、記憶した画像情報を電子的に補正する電子式手ブレ補正方式（例えば、特許文献４参照）が提案されている。

光学式手ブレ補正方式において、手ブレ補正は機械駆動系により光学部品または撮像素子を精密に調整することによりなされるため、構造が複雑となり、消費電力も大きくなる、という課題が共有されている。また、電子式手ブレ補正方式においては、画像の劣化、画像サイズの縮小、画像情報の欠落などの問題を伴う場合が多い。

特開２００２−１３１７９７号公報特開平０５−１３４２８５号公報特開２００４−０４８３４６号公報特開平０７−１２３３１７号公報

二方向に均等に光を曲げることができる光偏向液晶素子を提供することにある。

本発明の一観点によれば、光偏向液晶素子は、第１の透明基板と、第２の透明基板と、前記第２の透明基板に形成される、第１の屈折率を有するプリズム層と、前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（（ｎｅ＋２ｎｏ）／３）と、常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値とが前記第１の屈折率と等しい液晶分子を有する液晶層と、前記液晶層に電圧を印加する一対の透明電極とを有する。

また、本発明の他の観点によれば、光偏向液晶素子は、第１の透明基板と、第２の透明基板と、前記第２の透明基板に形成される、第１の屈折率を有するプリズム層と、前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（（ｎｅ＋ｎｏ）／２）が、前記第１の屈折率と等しい液晶分子を有する液晶層と、前記液晶層に電圧を印加する一対の透明電極とを有する。

本発明によれば、二方向に均等に光を曲げることができる光偏向液晶素子を提供することができる。

第１の実施例による光偏向液晶セル２５を示す断面図である。プリズム層の斜視図、及びプリズムの断面形状の拡大図である。ガラス基板上のプリズム層の平面図である。本発明の第１の実施例による光偏向液晶素子を用いた投射型ディスプレイの構成例を示す概略図である。図４の投射型ディスプレイにおける投影像の様子を示すスケッチである。第１の実施例による光偏向液晶素子を用いたブレ補正撮像装置の構成例を示す概略図である。第１の実施例による光偏向液晶素子を用いたバックライトの構成例を示す概略図である。本発明の第２の実施例による光偏向液晶セルを示す断面図である。本発明の第２の実施例による光偏向液晶素子を用いた投射型ディスプレイの構成例を示す概略図である。

図１は、本発明の第１の実施例による光偏光液晶素子２５を構成する光偏向液晶セル２５ａ又は２５ｂを概略的に示す厚さ方向断面図である。

透明電極２および１２が形成された一対のガラス基板１および１１を用意した。ガラス基板１，１１は、無アルカリガラスであり、厚さはそれぞれ０．７ｍｍｔである。透明電極２，１２は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であり、厚さはそれぞれ１５０ｎｍである。なお、透明電極２，１２は、所望の平面形状にパターニングされていることが望ましい。ＩＴＯ膜は、例えば第二塩化鉄を用いたウエットエッチングや、レーザで不要なＩＴＯ膜を除去する方法でパターニングできる。

片側のガラス基板１の透明電極２上に、プリズム層３を形成した。プリズム層３は、ベース層３ｂ上にプリズム３ａが並んだ形状を有する。ベース層３ｂの厚さは、例えば２μｍ〜３０μｍ程度である。

図２は、プリズム層３の概略斜視図、及びプリズム３ａの断面形状の拡大図である。各プリズム３ａは、頂角４５°、底角が４５°及び９０°の三角柱状であり、複数のプリズム３ａが、プリズム長さ方向と直交する方向（プリズム幅方向）に並んでいる。プリズム３ａの高さは約２０μｍであり、プリズム３ａの底辺の長さ（プリズムのピッチ）は２０μｍである。

図３は、ガラス基板１上のプリズム層３の概略平面図である。プリズム層３の作製方法について説明する。ガラス基板１の透明電極２上に、プリズム材料として、屈折率１．５４８程度を有するアクリル系紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂３Ｒを滴下し、その上の所定位置に、プリズム層３の型が形成された金型（全体の大きさ：縦８０ｍｍ×横８０ｍｍ）を置き、厚手の石英部材などをガラス基板の裏側に配置して補強した状態でプレスを行った。ＵＶ硬化性樹脂３Ｒの滴下量は、プリズムの大きさ（プリズム形成領域の広さ）に合わせて調整した。

プレスして１分以上放置し、ＵＶ硬化性樹脂を十分広げた後、石英部材を介してガラス基板１の裏側から紫外線を照射し、ＵＶ硬化性樹脂を硬化させた。紫外線の照射量は２０Ｊ／ｃｍ^２とした。紫外線の照射量は、樹脂が硬化するように適宜設定すればよい。なお、ＩＴＯは紫外線を吸収するため、透明電極の膜厚が変われば紫外線照射量も変える必要があろう。なお、プリズム形成用の金型にはエア抜き用の微小な溝を形成してもよい。また、金型と基板とは真空中で重ね合わせてもよい。

次に、プリズム層３の形成されたガラス基板１を、洗浄機で洗浄した。アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、ＵＶ照射、及び赤外（ＩＲ）乾燥を順に行った。洗浄方法はこれに限らず、高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄等を行うこともできる。

図２に戻って説明を続ける。次に、プリズム層３側のガラス基板１上に、ギャップコントロール剤を２ｗｔ％〜５ｗｔ％含んだメインシール剤１６を形成した。形成方法として、スクリーン印刷やディスペンサが用いられる。プリズム３ａの高さを含んだ（プリズムのベース層３ｂからの）液晶層１５の厚さが、例えば１０μｍ〜３５μｍとなるように、ギャップコントロール剤を選択した。ここでは、ギャップコントロール剤として径が４５μｍの積水化学製のプラスチックボールを選択し、これを三井化学製のシール剤ＥＳ−７５００に４ｗｔ％添加して、メインシール剤とした。

もう一方のガラス基板１１上には、ギャップコントロール剤１４として径が２１μｍの積水化学製のプラスチックボールを、乾式のギャップ散布機を用いて散布した。

なお、後述するように、本発明における光偏向液晶セルは、液晶層とプリズム層の屈折率差によって光偏向の制御を行うため、セル厚は特に重要ではなく、ギャップコントロール剤はこれらに限らない。また、ここでは形成しなかったが、一方の基板１のプリズム層３上に垂直配向膜４を形成してもよく、他方の基板１１の透明電極１２上に垂直配向膜１３を形成してもよい。垂直配向膜は、例えばポリイミドであり、フレキソ印刷等で成膜され、例えば１８０℃で焼成される。

次に、両ガラス基板１、１１の重ね合わせを行い、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させて、空セルを形成した。ここでは、１５０℃で３時間の熱処理を行った。

次に、空セルに、液晶材料を真空注入して、液晶層１５を形成した。液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布して液晶セルを封止した。なお、液晶層の形成方法は真空注入に限らず、例えばＯｎｅＤｒｏｐＦｉｌｌ（ＯＤＦ）法を用いてもよい。

液晶層１５を形成する液晶材料として、誘電率異方性Δεが正の液晶分子を含み、電圧非印加時に（所定の温度範囲で）コレステリックブルー相（以下、ブルー相と呼ぶこともある）を示すものを用いる。実施例では、フッ素系混合液晶であるＪＣ１０４１−ＸＸ（チッソ製、Δｎ：０．１４２）と４−ｃｙａｎｏ−４’−ｐｅｎｔｙｌｂｉｐｈｅｎｙｌ（５ＣＢ）（メルク製、Δｎ：０．１８４）を、１：１の割合で混合した混合液晶を用い、これにカイラル剤ＺＬＩ−４５７２（メルク製）を５．６％添加した。

また、光重合性モノマーとして、一官能性の材料と二官能性の材料を混合した混合モノマーを添加した。具体的には、一官能性材料として、２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌａｃｒｙｌａｔｅ（ＥＨＡ）（アルドリッチ製）を、二官能性材料としてＲＭ２５７（メルク製）を用い、これらを７０：３０のモル比となるように混合した。

また、光重合開始剤として、２，２−ｄｉｍｅｔｈｏｘｙ−２−ｐｈｅｎｙｌａｃｅｔｏｐｈｅｎｏｎｅ（ＤＭＰＤＰ）を用い、これを混合モノマーに対して５ｍｏｌ％となるように添加した。

光重合開始剤を添加した光重合性混合モノマーを、カイラル剤を添加した混合液晶に対し８ｍｏｌ％となるように添加して、液晶層１５を形成する液晶材料を調整した。

このように形成した液晶セルを加熱すると、６０℃付近の狭い温度範囲でブルー相を示した。ブルー相を示す温度に保ったまま、液晶セルに紫外線を照射し、光重合性モノマーを重合させ高分子ネットワークを形成させることにより、ブルー相の高分子安定化を行った。

紫外線照射は、まず、１秒照射したら１０秒無照射とする照射シーケンスを１０回繰り返す間欠的な照射を行った。そして、間欠的な照射の後、３分間の連続的な照射を行った。紫外線強度は、３０ｍＷ／ｃｍ２（３６５ｎｍ）とした。なお、露光条件はこれに限らず、例えば、紫外線強度をもっと弱くすることもできる。ただし、光重合にかかる時間は長くなる。

高分子安定化処理された液晶セルは、−５℃〜６０℃程度の広い温度範囲でブルー相を示した。なお、高分子安定化処理によりブルー相を示す温度範囲は、使用する液晶材料やその混合比、重合条件などを調整することによりさらに拡大することが可能であろう。

以上のようにして、光偏向液晶セル２５ａ（２５ｂ）を作製した。次に、この光偏向液晶セル２５ａ（２５ｂ）の動作について説明する。

光偏向液晶セル２５ａ（２５ｂ）は、電圧非印加時、ブルー相を示す。以下、ブルー相についての一般的な記載は、九州大学先導物質化学研究所融合材料部門ナノ組織化分野菊池研究室のホームページの解説記事（http://kikuchi-lab.cm.kyushu-u.ac.jp/kikuchilab/bluephase.html）を参照する。

ブルー相は、光学的に等方性で、体心立方の対称性を有するブルー相Ｉ、単純立方の対称性を有するブルー相ＩＩ、及び、等方性の対称性を有するブルー相ＩＩＩの３種類がある。最も低温側でブルー相Ｉが現れ、最も高温側でブルー相ＩＩＩが現れる。光偏向液晶セル２５ａ（２５ｂ）は、ブルー相Ｉを用いている。

ブルー相は、光学的に等方性であるため、基板法線方向から見た液晶層の屈折率は、液晶材料の常光線屈折率（ｎｏ）と異常光線屈折率（ｎｅ）の平均的な値（（２ｎｏ＋ｎｅ）／３）になり、基板法線方向に進行する光線の相互に直交する偏光成分の両方に対して等しくなる。

一方、光偏向液晶セル２５ａ（２５ｂ）は、電圧印加時、液晶層厚さ方向に電圧が印加され、正の誘電率異方性により、ブルー相における液晶分子のねじれ構造が解消しほぼ全ての液晶分子が基板垂直方向に立ち上がって、ホメオトロピック相を示す。ホメオトロピック相では、基板法線方向から見た液晶層の屈折率は、使用している液晶材料の常光線屈折率（ｎｏ）となり、基板法線方向に進行する光線の相互に直交する偏光成分の両方に対して等しくなる。したがって、偏光方向によるセルの屈折率依存性は無くなるため、いずれの偏光方向に対しても光学的等方相状態の時の屈折率は常光線屈折率（ｎｏ）と異常光線屈折率（ｎｅ）の平均的な値（（２ｎｏ＋ｎｅ）／３）であり、ホメオトロピック状態では常光線屈折率（ｎｏ）となる。

第１の実施例で用いる液晶材料の場合、常光線屈折率（ｎｏ）は約１．５２１であり、異常光屈折率（ｎｅ）は約１．６８であるため、光学的等方相状態の時の屈折率（（２ｎｏ＋ｎｅ）／３）は約１．５７４である。一方、プリズム材料の屈折率は１．５４８であり、液晶材料の上記２つの屈折率の値に対してほぼ中間程度の屈折率となる。すなわち、第１の実施例の場合、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（（ｎｅ＋２ｎｏ）／３）と、常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値とが、プリズム層３の屈折率とほぼ同じとなるように設定する。

次に本発明者は、この光偏向液晶セル２５ａ及び２５ｂを組み合わせて、光の進行方向を２次元走査する実験を行った。

図４および図５は、第１の実施例による光偏向液晶セル２５ａ及び２５ｂの２つを用いて光偏光液晶素子２５として、光を２次元走査する光学系の一例と、その光学系のスクリーン上において、光が２次元走査される様子を示すスケッチである。

図４において、凸レンズ２２，２４を含む光学系、光偏向液晶素子２５（光偏向液晶セル２５ａ及び２５ｂ）およびスクリーン２６は、光源２１から発せられる光２０の光路上に配置される。光源２１からの光２０、例えば砲弾型発光ダイオードから発せられた指向性の狭い光は、凸レンズ２２により集光され、スリット２３を介し凸レンズ２４により平行光線に変換され、２つの光偏向液晶セル２５ａ、２５ｂから構成される光偏向液晶素子２５を通過した後、スクリーン２６に投影される。２つの光偏向液晶セル２５ａ、２５ｂは、共に第１の実施例による光偏向液晶セル２５ａ（２５ｂ）であり、互いのプリズム長さ方向が直交するよう同一光軸上に配置される。

本実験では、光偏向液晶セル２５ａのプリズム長さ方向を図中のｙ軸方向に沿って配置し、光偏向液晶セル２５ｂのプリズム長さ方向をｘ軸方向に沿って配置した。本実施例では、光偏向液晶素子２５に入射する平行光線２０は、光偏向液晶セル２５ａへの電圧印加（ＯＮ）によりｘ軸のマイナス方向に曲げられ、電圧無印加（ＯＦＦ）によりｘ軸のプラス方向に曲げられる。一方、光偏向液晶セル２５ｂへの電圧無印加によりｙ軸のマイナス方向に曲げられ、電圧印加（ＯＮ）によりｙ軸のプラス方向に曲げられる。光偏向液晶セル２５ａ，２５ｂへの電圧印加は、電圧印加制御装置（制御部）２７を介して行う。なお、光源は発光ダイオードに限らず、白熱電球、ハロゲン電球、高輝度放電ランプ、電界放出型光源、蛍光灯等を用いることができる。また、一般的なレーザビームの走査を用いても構わない。レーザビームの走査を用いる場合は、干渉が起こらないよう、スポット径を光偏向液晶セルにおけるプリズムのピッチよりも小さくして、隣接するプリズムを跨がないようにすることが望ましい。

この実験において、液晶層１５（液晶材料）の屈折率は、電界強度の二乗にほぼ比例して変化し、約９０Ｖの印加電圧（駆動周波数１ＫＨｚ）で飽和が見られた。また、印加電圧の変化に対し、屈折率はほとんど閾値のない状態で変化した。印加電圧０Ｖと９０Ｖをそれぞれ全ＯＦＦ電圧、全ＯＮ電圧とするとき、約６４Ｖの時、光が曲げられずに直進することが確認できた。また、応答速度を測定すると、全ＯＦＦ電圧、全ＯＮ電圧印加のとき、立ち上がりで約２００μｓｅｃ、立下りで約１８μｓｅｃ（室温）であった。したがって、液晶層の液晶分子は、電圧非印加時のブルー相から、電圧印加によって徐々に基板垂直方向に立ち上がっていき、約９０Ｖの印加電圧でほぼ完全に立ち上がり、ホメオトロピック相になるものと考えられる。光偏向液晶セル２５ａ（２５ｂ）は、電圧非印加時及び十分に高い電圧印加（９０Ｖ以上）時には、液晶層１５とプリズム層３の屈折率が顕著に異なるので、入射光をプリズム幅方向に偏向することとなる。一方、約６４Ｖの電圧を印加した時には、液晶層１５とプリズム層３の屈折率がほぼ同等となり、入射光をほぼ直進させることとなった。このように、光偏向液晶セル２５ａ（２５ｂ）は、印加電圧に応じて屈折率を連続的に変化させることができるため、最大角度変化量の範囲内で光を１次元走査することが可能である。

上述したように、光偏向液晶セル２５ａ（２５ｂ）の電圧印加による応答速度は、立ち上がりが約２００μｓｅｃであり、立ち下がりが約１８μｓｅｃであるので、例えば、電圧印加による応答速度がｍｓｅｃオーダーの一般的なツイステッド・ネマチック相液晶に比べて、ブルー相液晶が高速に応答することがわかった。

図５は、図４のスクリーン２６上に投影される光の様子を示す。位置Ａ，Ｂ，ＣおよびＤに示す円形はスクリーン２６上に投影された光（投影光）である。

位置Ａの円形は、光偏向液晶セル２５ａ，２５ｂともに十分に高い電圧を印加したとき（液晶セル２５ａ：全ＯＮ電圧印加、液晶セル２５ｂ：全ＯＮ電圧印加）の投影光である。位置Ｂの円形は、液晶セル２５ａのみに十分に高い電圧を印加し、液晶セル２５ｂには電圧無印加のとき（液晶セル２５ａ：全ＯＮ電圧印加、液晶セル２５ｂ：全ＯＦＦ電圧印加）の投影光である。位置Ｃの円形は、液晶セル２５ｂのみに十分に高い電圧を印加し、液晶セル２５ａには電圧無印加のとき（液晶セル２５ａ：全ＯＦＦ電圧印加、液晶セル２５ｂ：全ＯＮ電圧印加）の投影光、位置Ｄの円形が液晶セル２５ａ，２５ｂともに電圧無印加のとき（液晶セル２５ａ：全ＯＦＦ電圧印加、液晶セル２５ｂ：全ＯＦＦ電圧印加）の投影光である。なお、十分に高い電圧とは、本実験においては液晶層の屈折率変化が飽和する約９０Ｖ以上の電圧をいう。

第１の実施例による光偏向液晶素子２５を構成する光偏向液晶セル２５ａ，２５ｂの屈折率は、上述したように、電界強度の二乗にほぼ比例して変化する。したがって、位置Ａ〜Ｄを頂点に破線で囲まれるエリア２６ａが、光偏向液晶セル２５ａ，２５ｂ各々に所定の電圧を印加して、投影光を走査できる範囲となる。この範囲内であれば、光偏向液晶セル各々への印加電圧の組み合わせによって自由に投影光を走査できる。例えば、第１の実施例による光偏向液晶セル２５に約６４Ｖを印加したときの角度変化量は、最大角度変化量の約１／２であった。したがって、光偏向液晶セル２５ａ，２５ｂ各々に６４Ｖ程度の電圧を印加すれば、エリア２６ａの中央部Ｅに光を投影することが可能である。実験では、光偏向液晶素子２５へ入射される光２０はすべて所定の方向に偏向され、迷光など余分な方向に光が散ることはなかった。また、投影光の大きさや明るさなどが偏向方向によって変化するということはなかった。

なお、光偏向液晶セル２５ａ，２５ｂの配置関係は逆であっても構わないし、プリズム長さ方向を１８０°反転させて電圧印加時の偏向方向をそれぞれ逆方向、つまり図５における−ｘ方向ないし−ｙ方向、にしても構わない。なお、最大角度変化量は、プリズム斜面の角度（低角）を変化させて調整することが可能であるため、用途により適宜角度変化量を調整することは可能である。

上述の実験における光学系は、そのまま投射型プロジェクタに転用することが可能であろう。人間の目の時間分解能は、およそ５０ｍｓｅｃ以上といわれており、この時間よりも短い光の点滅は、人間の目には連続点灯しているように知覚される（残像効果）。例えば、テレビ受信機におけるＮＴＳＣ（ＮａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍＣｏｍｍｉｔｔｅｅ）方式の垂直同期周波数は６０Ｈｚ（およそ１６．６ｍｓｅｃ）であり、人間の目は連続して切り替わる静止画を残像効果により動画として認識する。ＮＴＳＣ方式の垂直同期周波数を基準にすると、本発明における光偏向液晶セルの応答速度は約２００μｓｅｃであることから、人間の目にとって、およそ８０の投影光を同時点灯しているように知覚させることが可能である。したがって、本発明の光偏向液晶素子を用いれば、情報量の少ない数字などの文字を表示する簡易な投射型プロジェクタを構成することが可能であろう。今後、光偏向液晶セルの作製条件を最適化し、応答速度を向上させれば、より情報量の多い漢字などの文字を表示することが可能となるであろう。

さらに、応答速度の速い２次元走査可能な光偏向液晶素子は、カメラの手ブレ補正手段
としての応用も考えられる。一般的に、手ブレはシャッタスピードが５００μｓｅｃ以上のときに生じやすいといわれている。本発明における光偏向液晶素子の応答速度は約２００μｓｅｃであることから、手ブレ補正手段としての応用にも十分に対応できるであろう。

図６は、光偏向液晶素子２５を含む手ブレ補正手段を備えた撮像装置の概略図である。光偏向液晶素子２５は、ズームレンズ等を含む光学系４７や撮像素子４５と光軸４３を同一にして、カメラ筐体４１の中に配置される。さらに、光軸４３からのブレ量を検出するとともに、検出したブレ量に応じて光偏向液晶素子２５を制御する手ブレ検出・制御部４８とを備える。

手ブレによりカメラ筐体４１が上下左右に移動した場合には、手ブレ検出部からのブレ検出結果に応じて、手ブレ検出・制御部４８は、光偏向液晶素子２５へ電圧を印加する。光偏向液晶素子２５により、被写体４０の同一部分が撮像素子４５上において同一の位置に像を結ぶよう光軸４３を調整することで、手ブレ補正が可能となる。

光偏向液晶素子２５を用いた手ブレ補正手段は、レンズを含む光学系や撮像素子などの物理的移動を伴わないため、構造の簡素化、手ブレ補正精度の向上、消費電力の低減に寄与するであろう。なお、撮像素子上における光軸の調整範囲を大きくするため、光偏向液晶素子２５は、ズームレンズを含む光学系４７よりも被写体４０側に配置したほうが好ましいであろう。角度変化量が足りず手ブレ量を吸収できないような場合には、従来の光学式手ブレ補正方式であるジンバルメカ方式、アクティブプリズム方式およびＣＣＤシフト方式を併用しても良いであろう。

なお、第１の実施例による光偏向液晶セル２５ａ及び２５ｂ、ないしそれを含む実施例１の光偏向液晶素子２５は、以上の応用に限らず、一般に、光の進行方向を変える用途に応用することができる。例えば、各種照明装置、車両用灯具、ヘッドアップディスプレイ、３次元表示ディスプレイ等への応用が考えられる。なお、高速スイッチングが可能であるので、ビデオフレーム（倍速にも）対応できると期待される。

図７は、第１の実施例による光偏向液晶素子２５を３次元表示ディスプレイ用のバックライトに応用する一例を示す概念図である。図７には、平面表示可能な立体表示装置の構成を概略的に示す。

立体表示装置の基本構成は、例えば、導光板５３、導光板５３の片端に配置された光源５２、プリズムフィルム５４、光偏向液晶セル２５ａ単体で構成する光偏光液晶素子２５を含む３Ｄバックライト５１、液晶パネル１０１を含み、制御回路（同期・駆動回路）１０２が光偏向液晶セル２５ａと液晶パネル１０１を同期駆動する。

なお、３Ｄバックライトでは、一般的に左右方向に光を曲げることができればいいので、光偏光液晶素子２５は、光偏向液晶セル２５ａもしくは２５ｂ単体で構成することができる。また、その他の用途に応用する際も、必要に応じて光偏向液晶セル２５ａもしくは２５ｂ単体で光偏光液晶素子２５を構成することができる。

導光板５３は、光源５２からの光を、所定の方向に出射する機能を有する。プリズムパネル５４は、導光板５３の出射光の進行方向を変化させ、光偏向液晶セル２５ａの表面に対して法線方向から導光板５３の出射光が入射するようにする。光偏向液晶セル２５ａは、上述したように、電圧の印加・無印加により、入射光を曲げることができるので、観察者の左右の眼に入射させるのに適切な角度とする。液晶パネル１０１は光偏向液晶セル２５ａと同期駆動され、観察者に立体表示を提供することができる。光偏向液晶セル２５ａに中間電圧を印加すれば、平面表示を行うことができる。

なお、光偏向液晶セル２５ａ又は液晶パネル１０１の上方に、透過／散乱液晶光学素子２００を配置することもできる。その場合、透過／散乱液晶光学素子２００は、制御回路１０２からの制御信号により透過状態／散乱状態を選択的に取る。立体表示を行う場合は、透過／散乱液晶光学素子２００は透過状態を取り、液晶パネル１０１からの出射光をそのまま透過させ、立体表示を行う。平面表示を行い、左眼用、右眼用に同じ画像を表示する場合は、透過／散乱液晶光学素子２００は散乱状態を取り、入射光を散乱させ、広い視野角度に表示光を出射する。観察者は、正面からのみでなく、斜め方向からでも画像を観察できるようになる。

また、例えば立体表示装置の上方に、センサ２６０を配置してもよい。センサ２６０は、例えば、アイ・トレーシングにより観察者の眼の位置を追跡する。センサ２６０の出力信号により、観察者の位置が判る。制御回路１０２は、液晶パネル１０１の出力光が観察者に向かうように、光偏向液晶セル２５ａを制御する。このようにすると観察者が、動いても立体表示を観察できるようになる。

なお、光偏向液晶セル２５ａ以外の３Ｄバックライトの詳細な構成及び作製方法については、本願と同一出願人による特願２０１０−２８５１９２号の発明の詳細な説明の項を参照する。

次に、第２の実施例として、４つのネマティック液晶セル２５ｃ〜２５ｆで光偏光液晶素子２５を構成する例を説明する。ネマティック液晶セル２５ｃ〜２５ｆは、通常のラビング処理が施されたネマティック液晶セルであり、１つの液晶セルで曲げられるのは一定の偏向方向の光だけであるため、すべての光を曲げるためには２つの液晶セルが必要であり、ｘ方向及びｙ方向について曲げるためには、合計で４つの液晶セルが必要となる。

各液晶セル２５ｃ〜２５ｆの透過率を約９０％とした場合、トータルの透過率は６５％程度となり、また、応答速度が２００ｍｓｅｃ程度であることを考慮すると、上述の第１の実施例のように手ブレ補正や３Ｄディスプレイへの応用は難しいものの、一般照明や自動車用のインテリア照明などの可変配光機能として用いることが考えられる。

第２の実施例によるネマティック液晶セル２５ｃ〜２５ｆの作製方法は、第１の実施例とほぼ同様であるが、配向膜１３及び４を形成すること、プリズム３の材料及び液晶材料が異なる。以下、第１の実施例と異なる部分だけを説明する。

図８は、本発明の第２の実施例による光偏光液晶素子２５を構成する光偏向液晶セル２５ｃ〜２５ｆのいずれかを概略的に示す厚さ方向断面図である。

第２の実施例による光偏向液晶セル２５ｃ〜２５ｆは、透明電極３２上に配向膜４を、透明電極１２上に配向膜１３を形成する。プリズム層３上及びもう一方のガラス基板１１の透明電極１２上に、ポリイミド等により配向膜４，１３を形成する。例えば、日産化学製のＳＥ−４１０をフレキソ印刷法で厚さ８０ｎｍ形成して、１８０℃で１．５時間焼成を行う。焼成後、配向膜４，１３にラビング処理を行った。配向膜４，１３のラビング方向は、例えば、両ガラス基板を重ね合わせてセルを形成したとき、プリズム層３上の配向膜４ともう一方のガラス基板１１の透明電極１２上の配向膜１３のラビング方向とがアンチパラレルとなるように定める。

プリズム材料は、例えば、屈折率１．６程度を有するポリウレタン系紫外線硬化樹脂を用いる。この場合、Δｎが０．２程度の液晶材料（ｎｏ：１．５程度、ｎｅ：１．７程度）を用いる。また、例えば、プリズム材料として、屈折率１．５７７程度を有する特殊アクリレート(ベンゼン環を２個含むもの)系紫外線硬化樹脂を用いることができる。この場合、Δｎが０．１３程度の液晶材料（ｎｏ：１．５１程度、ｎｅ：１．６４程度）を用いる。なお、プリズム３の作製方法及び液晶材料の注入方法は第１の実施例と同様である。第２の実施例では、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（ｎｅ＋ｎｏ）／２）が、プリズム層３の屈折率とほぼ同じとなるように設定する。

図９は、第１の実施例による光偏向液晶セル２５ｃ〜２５ｆの４つを用いて光偏光液晶素子２５として、光を２次元走査する光学系の一例である。なお、図９に示す光学系のスクリーン２６上において、光が２次元走査される様子については、図５を参照して説明する
図９の光学系が、図４に示す第１の実施例の光学系と異なるのは、光偏光液晶素子２５を４つのネマティック液晶を用いた光偏向液晶セル２５ｃ〜２５ｆで構成している点のみである。その他の、光源２１、凸レンズ２２，２４を含む光学系、スリット２３、スクリーン２６の構成及び配置は第１の実施例と同様であるので、その説明を省略する。

本実験では、光偏向液晶セル２５ｃ及び２５ｄは、液晶の配向処理方向がそれぞれ直交し、それぞれプリズムの方向が同一となるように配置される。また、光偏向液晶セル２５ｅ及び２５ｆは、液晶の配向処理方向がそれぞれ直交し、それぞれプリズムの方向が同一となり、かつ、光偏向液晶セル２５ｃ及び２５ｄのプリズム方向とは直交するように配置される。

本実験では、光偏向液晶セル２５ｃ及び２５ｄのプリズム長さ方向を図中のｙ軸方向に沿って配置し、光偏向液晶セル２５ｅ及び２５ｆのプリズム長さ方向をｘ軸方向に沿って配置した。本実施例では、光偏向液晶素子２５に入射する平行光線２０は、光偏向液晶セル２５ｃ及び２５ｄへの電圧印加（ＯＮ）によりｘ軸のマイナス方向に曲げられ、電圧無印加（ＯＦＦ）によりｘ軸のプラス方向に曲げられる。一方、光偏向液晶セル２５ｅ及び２５ｆへの電圧無印加によりｙ軸のマイナス方向に曲げられ、電圧印加（ＯＮ）によりｙ軸のプラス方向に曲げられる。光偏向液晶セル２５ｃ〜２５ｆへの電圧印加は、電圧印加制御装置（制御部）２７を介して行う。なお、光源は発光ダイオードに限らず、白熱電球、ハロゲン電球、高輝度放電ランプ、電界放出型光源、蛍光灯等を用いることができる。また、一般的なレーザビームの走査を用いても構わない。レーザビームの走査を用いる場合は、干渉が起こらないよう、スポット径を光偏向液晶セルにおけるプリズムのピッチよりも小さくして、隣接するプリズムを跨がないようにすることが望ましい。

この実験において、液晶層１５（液晶材料）の屈折率は、電界強度の二乗にほぼ比例して変化し、約１０Ｖの印加電圧（駆動周波数１００Ｈｚ）で飽和が見られた。また、印加電圧の変化に対し、閾値が３Ｖで徐々に屈折率は変化した。印加電圧０Ｖと１０Ｖをそれぞれ全ＯＦＦ電圧、全ＯＮ電圧とするとき、約４Ｖの時、光が曲げられずに直進することが確認できた。また、応答速度を測定すると、全ＯＦＦ電圧、全ＯＮ電圧印加のとき、立ち上がりで約５０ｍｓｅｃ、立下りで約２００ｍｓｅｃ（室温）であった。このように、光偏向液晶セル２５ｃ〜２５ｆは、印加電圧に応じて屈折率を連続的に変化させることができるため、最大角度変化量の範囲内で光を１次元走査することが可能である。

次に、図５を参照して、図９のスクリーン２６上に投影される光の様子を説明する。位置Ａ，Ｂ，ＣおよびＤに示す円形はスクリーン２６上に投影された光（投影光）である。

位置Ａの円形は、光偏向液晶セル２５ｃ〜２５ｆ全てに全ＯＮ電圧を印加したときの投影光である。位置Ｂの円形は、液晶セル２５ｄ及び２５ｄのみに全ＯＮ電圧を印加し、液晶セル２５ｅ及び２５ｆには全ＯＦＦ電圧（電圧無印加）を印加したときの投影光である。位置Ｃの円形は、液晶セル２５ｅ及び２５ｆのみに全ＯＮ電圧を印加し、液晶セル２５ｃ及び２５ｄには全ＯＦＦ電圧（電圧無印加）を印加したときの投影光、位置Ｄの円形が液晶セル２５ｃ〜２５ｆ全てに全ＯＦＦ電圧を印加したときの投影光である。

位置Ａ〜Ｄを頂点に破線で囲まれるエリア２６ａが、光偏向液晶セル２５ｃ〜２５ｆ各々に所定の電圧を印加して、投影光を走査できる範囲となる。この範囲内であれば、光偏向液晶セル各々への印加電圧の組み合わせによって自由に投影光を走査できる。例えば、第２の実施例による光偏向液晶セル２５に約４Ｖを印加したときの角度変化量は、最大角度変化量の約１／２であった。したがって、光偏向液晶セル２５ｃ〜２５ｆ各々に４Ｖ程度の電圧を印加すれば、エリア２６ａの中央部Ｅに光を投影することが可能である。実験では、光偏向液晶素子２５へ入射される光２０はすべて所定の方向に偏向され、迷光など余分な方向に光が散ることはなかった。また、投影光の大きさや明るさなどが偏向方向によって変化するということはなかった。

なお、光偏向液晶セル２５ｃ及び２５ｄの組と、２５ｅ及び２５ｆの組の配置関係は逆であっても構わないし、プリズム長さ方向を１８０°反転させて電圧印加時の偏向方向をそれぞれ逆方向、つまり図５における−ｘ方向ないし−ｙ方向にしても構わない。なお、最大角度変化量は、プリズム斜面の角度（低角）を変化させて調整することが可能であるため、用途により適宜角度変化量を調整することは可能である。

以上、本発明の第１及び第２の実施例によれば、液晶層１５に最大電圧を加えた時と、電圧無印加の時のそれぞれにおいて光が曲げられる角度が、光偏光液晶素子の法線方向に対してそれぞれほぼ対象になるようにプリズム層３に用いる材料の屈折率と、液晶層１５の液晶分子の常光屈折率（ｎｏ）と異常光屈折率（ｎｅ）を調整する。具体的には、第１の実施例の場合、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（（ｎｅ＋２ｎｏ）／３）と、常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値とが、プリズム層３の屈折率とほぼ同じとなるように設定する。また、第２の実施例に場合は、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（（ｎｅ＋２ｎｏ）／２）が、プリズム層３の屈折率とほぼ同じとなるように設定する。これにより、補正プリズムなどを組み合わせることなく、上下もしくは左右もしくは上下左右に均等に光を曲げることが可能となる。

なお、上述の実施例では、光偏光液晶素子２５を投射型ディスプレイ、手ブレ補正手段を備えた撮像装置、３Ｄバックライトに適用する例を説明したが、これ以外にも、たとえば、車両用の灯具や、一般照明器具の配光制御や、その他の光の方向を変える必要のある機器にも適用可能である。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

１…ガラス基板、２…透明電極、３…プリズム層、４…垂直配向膜、１１…ガラス基板、１２…透明電極、１３…垂直配向膜、１４…ギャップコントロール剤、１５…液晶層、１６…メインシール剤、２１…砲弾型ＬＥＤ、２５…光偏向液晶素子、２５ａ〜２５ｆ…光偏向液晶セル、２６…スクリーン、２７…制御装置、４０…被写体、４１…カメラ筐体、４３…光軸、４５…撮像素子、４７…光学系、４８…手ブレ検出・制御部、５１…バックライト、５２…光源、５３…導光板、５４…プリズムパネル、１０１…液晶パネル、１０２…制御回路（同期・駆動回路）、２００…透過／散乱液晶光学素子、２６０…センサ

Claims

第１の透明基板と、
第２の透明基板と、
前記第２の透明基板に形成される、第１の屈折率を有するプリズム層と、
前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（（ｎｅ＋２ｎｏ）／３）と、常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値とが前記第１の屈折率と等しい液晶分子を有する液晶層と、
前記液晶層に電圧を印加する一対の透明電極と
を有する光偏向液晶素子。
前記液晶分子は、コレステリックブルー相を示す請求項１記載の光偏向液晶素子。
第１の透明基板と、
第２の透明基板と、
前記第２の透明基板に形成される、第１の屈折率を有するプリズム層と、
前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（（ｎｅ＋ｎｏ）／２）が、前記第１の屈折率と等しい液晶分子を有する液晶層と、
前記液晶層に電圧を印加する一対の透明電極と
を有する光偏向液晶素子。
前記液晶分子は、ネマティック相を示す請求項３記載の光偏向液晶素子。