JP2013258064A - Optical system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学系に関する。 The present invention relates to an optical system.
車両用灯具等に用いられる光学系では、例えば、走行用配光とすれ違い用配光との少なくとも２種類の配光を得ることが要求される。従来、２種類の光源を用いて、それぞれの配光に応じて光源を切り替える方式や、可動式の遮光部を用いる方式が用いられている。しかしながら、これらの配光切り替え方法を用いた場合には、２種類の光源または可動式の遮光部を用意するため、前照灯全体としての構成要素が大きくかつ重量も嵩んでしまう。 In an optical system used for a vehicular lamp or the like, for example, it is required to obtain at least two types of light distribution, that is, a light distribution for traveling and a light distribution for passing. Conventionally, using two types of light sources, a method of switching the light sources according to the respective light distributions, or a method of using a movable light-shielding portion has been used. However, when these light distribution switching methods are used, two types of light sources or movable light-shielding portions are prepared, so that the components of the headlamp as a whole are large and heavy.
このような点の解決が期待される配光切り替え方法として、液晶光学素子を用いた方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１では、一対の基板の一方の内面に数ミクロンから数十ミクロンピッチの大きさのマイクロプリズムを形成した液晶セルを用い、電圧無印加状態と電圧印加状態とを切り替え、液晶層の屈折率を切り替えることにより、配向制御を行う。 As a light distribution switching method expected to solve such a point, a method using a liquid crystal optical element has been proposed (see, for example, Patent Document 1). For example, in Patent Document 1, a liquid crystal cell in which microprisms with a pitch of several microns to several tens of microns are formed on one inner surface of a pair of substrates is used to switch between a voltage non-application state and a voltage application state. The orientation is controlled by switching the refractive index.
また、レーザやＬＥＤなどの光を制御する薄膜光学系として、サブミクロンサイズの微細加工を施した回折素子が提案されている。
上述した従来のマイクロプリズムを用いた光偏光制御では、原理的に波長による屈折角の違いが生じ、色分離してしまう。回折格子は波長によって分離するため、原理的に色分離が生じてしまう。また、従来の回折素子では電気的に配向状態を切り替えることができなかった。 In the light polarization control using the above-described conventional microprism, a difference in refraction angle depending on the wavelength occurs in principle, and color separation occurs. Since the diffraction grating is separated according to the wavelength, color separation occurs in principle. In addition, the conventional diffractive element cannot electrically switch the alignment state.
本発明の目的は、小型でかつ製造コストを抑えた光学系を提供することである。 An object of the present invention is to provide an optical system that is small in size and low in manufacturing cost.
また、本発明の他の目的は、色分離による色むらを抑えた、光を電気的に曲げることができる光学系を提供することである。 Another object of the present invention is to provide an optical system capable of bending light electrically while suppressing color unevenness due to color separation.
本発明の一観点によれば、光学系は、光源と、相互に対向する一対の第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に電圧を印加する一対の第１及び第２の透明電極と、前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、液晶分子を有する第１の液晶層と、前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方に形成される微細形状パターンとを含み、前記光源からの光線を、前記第１及び第２の透明電極に印加される電圧に従い、一定方向に、一定角度で曲げることが可能な第１の光偏向液晶素子と、相互に対向する一対の第３及び第４の透明基板と、前記第３及び第４の透明基板間に電圧を印加する一対の第３及び第４の透明電極と、前記第３及び第４の透明基板間に挟まれ、液晶分子を有する第２の液晶層と、前記第３及び第４の透明基板の少なくとも一方に形成されるマイクロプリズムとを含み、前記第１の光変更液晶素子と同一光路上に配置され、前記光源からの光線を、前記第３及び第４の透明電極に印加される電圧に従い、前記一定方向と同一方向に、前記一定角度を含む範囲で曲げることが可能な第２の光偏向液晶素子と、前記第１〜第４の透明電極に前記電圧を印加することにより、前記微細形状パターンと前記第１の液晶層との間の光学的界面及び、前記マイクロプリズムと前記第２の液晶層との間の光学的界面をそれぞれ変化させることにより、前記光源からの光線の配光を制御する駆動回路とを有する。 According to an aspect of the present invention, an optical system includes a light source, a pair of first and second transparent substrates facing each other, and a pair of first and second transparent substrates that apply a voltage between the first and second transparent substrates. Formed on at least one of the first and second transparent electrodes, the first liquid crystal layer sandwiched between the first and second transparent substrates, and having liquid crystal molecules, and the first and second transparent substrates. A first light-deflection liquid crystal element including a fine pattern and capable of bending a light beam from the light source in a certain direction and at a certain angle according to a voltage applied to the first and second transparent electrodes; A pair of third and fourth transparent substrates facing each other, a pair of third and fourth transparent electrodes for applying a voltage between the third and fourth transparent substrates, and the third and fourth A second liquid crystal layer having liquid crystal molecules sandwiched between the transparent substrates, and the third and fourth transparent groups Including a microprism formed on at least one of the first and second light-changing liquid crystal elements, and a voltage applied to the third and fourth transparent electrodes by applying a light beam from the light source to the third and fourth transparent electrodes. And applying the voltage to the second light-deflection liquid crystal element that can be bent in the same direction as the constant direction in a range including the constant angle, and the first to fourth transparent electrodes, By changing the optical interface between the fine shape pattern and the first liquid crystal layer and the optical interface between the microprism and the second liquid crystal layer, the light distribution from the light source is changed. And a driving circuit for controlling light.
本発明によれば、小型でかつ製造コストを抑えた光学系を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical system that is small in size and low in manufacturing cost.
また、本発明によれば、色分離による色むらを抑えた、光を電気的に曲げることができる光学系を提供することができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to provide an optical system capable of electrically bending light while suppressing color unevenness due to color separation.
図１は、本発明の第１の実施例による光偏向液晶素子１０１の概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a light deflecting liquid crystal element 101 according to a first embodiment of the present invention.
光偏向液晶素子１０１は、液晶層側の表面にミクロンからサブミクロンオーダーの微細形状（例えば、微細な凹凸形状）パターンが形成され、入射光線を一定の回折角で回折させることにより、該入射光線を曲げることが可能な液晶素子である。 The light deflecting liquid crystal element 101 has a micron to submicron order fine pattern (for example, fine uneven shape) pattern formed on the surface on the liquid crystal layer side, and diffracts the incident light beam at a certain diffraction angle. It is a liquid crystal element that can be bent.
光偏向液晶素子１０１は、一対のガラス基板１１及び２１、一対のガラス基板１１及び２１間に挟持される液晶層１５、ガラス基板１１上に形成された微細形状パターン４、一対のガラス基板１１及び２１にそれぞれ形成された透明電極１２及び２２、透明電極１２及び２２上にそれぞれ形成された配向膜１３及び２３、ギャップコントロール剤１４、メインシール剤１６を含んで構成される。 The light deflection liquid crystal element 101 includes a pair of glass substrates 11 and 21, a liquid crystal layer 15 sandwiched between the pair of glass substrates 11 and 21, a fine pattern 4 formed on the glass substrate 11, a pair of glass substrates 11 and 21 includes transparent electrodes 12 and 22 formed on the substrate 21, alignment films 13 and 23 formed on the transparent electrodes 12 and 22, a gap control agent 14, and a main seal agent 16, respectively.
以下、光偏向液晶素子１０１の製造方法の一例を説明する。まず、片側のガラス基板（研磨ガラス）１１の表面に微細形状パターン（例えば、回折格子となる凹凸パターン）４を形成する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing the light deflection liquid crystal element 101 will be described. First, a finely shaped pattern (for example, a concave / convex pattern serving as a diffraction grating) 4 is formed on the surface of a glass substrate (polished glass) 11 on one side.
微細形状パターン４の形成には様々な方法が考えられるが、例えば、精密な形状を形成した金型を作製し、その形状を反転転写して基板１１上に微細形状を形成することができる。この場合、まず基板１１上に耐熱性、耐光性に優れたアクリル系紫外線硬化樹脂（ＵＶ硬化性樹脂）を所定量滴下し、その上に金型を配置し、厚手の石英部材などを基板１１の裏側に配置して平面性を補強した状態でプレスを行う。プレス後、１分以上放置し、ＵＶ硬化性樹脂を十分広げた後、基板１１の裏側（石英側）から紫外線を照射し、ＵＶ硬化性樹脂を硬化させる。紫外線の照射量は２０Ｊ／ｃｍ２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。これにより、例えば、図２のＳＥＭ写真に示すようなライン状のグレーティング（回折格子）となる微細形状パターン４を基板１１上に形成することができる。 Various methods are conceivable for forming the fine pattern 4. For example, a mold having a precise shape can be manufactured, and the shape can be inverted and transferred to form a fine shape on the substrate 11. In this case, first, a predetermined amount of an acrylic ultraviolet curable resin (UV curable resin) excellent in heat resistance and light resistance is dropped on the substrate 11, a mold is placed thereon, and a thick quartz member or the like is placed on the substrate 11. It presses in the state which arrange | positioned on the back side of this and reinforced flatness. After pressing, the UV curable resin is allowed to stand for 1 minute or more to sufficiently spread the UV curable resin, and then irradiated with ultraviolet rays from the back side (quartz side) of the substrate 11 to cure the UV curable resin. The irradiation amount of ultraviolet rays was 20 J / cm 2 . What is necessary is just to set suitably the irradiation amount of an ultraviolet-ray so that resin may harden | cure. Thereby, for example, a fine pattern 4 that becomes a linear grating (diffraction grating) as shown in the SEM photograph of FIG. 2 can be formed on the substrate 11.
なお、金型は電子線などによりパターンを形成したものを用いることができる。また、金型を用いずに直接基板１１上に電子線を当ててパターンを形成することもできる。 In addition, the metal mold | die which formed the pattern with the electron beam etc. can be used. Further, a pattern can be formed by directing an electron beam on the substrate 11 without using a mold.
また、上述のように、最後まで残る材料に微細形状パターン４を形成する以外にも、レジスト材料に微細形状パターンを転写し、そのレジストパターンを用いてガラス基板１１をエッチングして微細形状パターン４を形成してもよい。この場合、エッチング材料（例えば、ドライエッチングの場合はプラズマ化したエッチングガス）がレジスト及びガラスなどの基板材料をエッチングする速度に注意が必要である。 Further, as described above, in addition to forming the fine shape pattern 4 on the material that remains until the end, the fine shape pattern 4 is transferred to the resist material, and the glass substrate 11 is etched using the resist pattern, thereby forming the fine shape pattern 4. May be formed. In this case, attention must be paid to the rate at which the etching material (for example, plasma etching gas in the case of dry etching) etches the substrate material such as resist and glass.
レジストのエッチング速度がガラスよりも速い場合、レジストに形成された微細形状よりも凹凸の差が小さい微細形状パターンがガラス基板１１上に形成される傾向がある。一方、レジストのエッチング速度がガラスよりも遅い場合、レジストに形成された微細形状よりも凹凸の差が大きい微細形状パターンがガラス基板１１上に形成される傾向がある。 When the etching rate of the resist is higher than that of glass, there is a tendency that a fine shape pattern having a difference in unevenness smaller than that of the fine shape formed on the resist is formed on the glass substrate 11. On the other hand, when the etching rate of the resist is slower than that of glass, there is a tendency that a fine shape pattern having a larger difference in unevenness than the fine shape formed in the resist is formed on the glass substrate 11.
微細形状パターン４の光学設計は、上記金型を用いる場合及びレジストを用いる場合等のいずれにおいても、例えば、市販の回折光学設計ツール（ソフトウェア）を用いて計算することにより行うことができる。この計算には、光源の情報（ニアフィールド、ファーフィールド）と、結果として得たい光学像（出力形状分布、輝度分布）情報、微細形状パターン４周辺の条件（液晶の屈折率、微細形状パターン４の屈折率、透明電極１２の厚さ等）を入力し、シミュレーションすることで最適な位相分布を得ることができる。それを元に、必要な微細形状を決定し、ミクロンオーダーもしくはサブミクロンオーダーの微細形状分布を形成し、光を照射したときの屈折率の分布を得る。 The optical design of the fine pattern 4 can be performed by calculation using, for example, a commercially available diffractive optical design tool (software) in both cases of using the above-described mold and using a resist. For this calculation, information on the light source (near field, far field), information on the optical image (output shape distribution, luminance distribution) to be obtained as a result, conditions around the fine shape pattern 4 (refractive index of liquid crystal, fine shape pattern 4) And the like, and the like, and the like, the optimal phase distribution can be obtained. Based on this, a necessary fine shape is determined, a fine shape distribution of micron order or submicron order is formed, and a refractive index distribution when light is irradiated is obtained.
次に、形成した微細形状パターン４上に所定のパターンの透明電極１２を形成する。本実施例では、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を用いて透明電極１２を形成するが、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の別の金属酸化膜や金などの薄膜金属等を用いることもできる。また、厚さは２０ｎｍのＩＴＯを用いるが、微細形状パターン４の深さや基板１１の大きさなどを考慮して透明電極１２の厚さを決めることが望ましい。透明電極１２の厚さはなるべく薄いことが望ましく、厚くなる場合には予め透明電極１２の厚さを考慮して微細形状パターン４の設計を行うことが望ましい。 Next, a transparent electrode 12 having a predetermined pattern is formed on the formed fine pattern 4. In this embodiment, the transparent electrode 12 is formed using indium tin oxide (ITO), but another metal oxide film such as indium zinc oxide (IZO) or a thin film metal such as gold can also be used. Further, ITO having a thickness of 20 nm is used, but it is desirable to determine the thickness of the transparent electrode 12 in consideration of the depth of the fine pattern 4 and the size of the substrate 11. The thickness of the transparent electrode 12 is desirably as thin as possible. When the thickness is increased, it is desirable to design the fine shape pattern 4 in consideration of the thickness of the transparent electrode 12 in advance.
なお、本実施例では、微細形状パターン４上に透明電極１２を形成するが、基板１１上に透明電極１２を形成し、その上に微細形状パターン４を形成するようにしてもよい。微細形状パターン４の下に透明電極１２を形成する場合、微細形状パターン４を耐熱性の樹脂で形成する必要がなくなる。 In this embodiment, the transparent electrode 12 is formed on the fine pattern 4, but the transparent electrode 12 may be formed on the substrate 11 and the fine pattern 4 may be formed thereon. When the transparent electrode 12 is formed under the fine pattern 4, it is not necessary to form the fine pattern 4 with a heat resistant resin.
また、もう一方のガラス基板（対向基板）２１上にも、ＩＴＯを用いて透明電極２２を形成する。透明電極２２は、例えば、厚さ１５０ｎｍであり、所望の平面形状にパターニングされている。 A transparent electrode 22 is also formed on the other glass substrate (counter substrate) 21 using ITO. The transparent electrode 22 has a thickness of 150 nm, for example, and is patterned into a desired planar shape.
次に、微細形状パターン４が形成された基板１１及び対向基板２１を洗浄機により洗浄する。洗浄は、例えば、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、ＩＲ乾燥を順に行うことで可能であるが、これに限るものではない。例えば、高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。 Next, the substrate 11 and the counter substrate 21 on which the fine pattern 4 is formed are cleaned by a cleaning machine. The cleaning can be performed by, for example, brush cleaning using an alkaline detergent, pure water cleaning, air blow, UV irradiation, and IR drying in this order, but is not limited thereto. For example, high pressure spray cleaning or plasma cleaning may be performed.
本実施例で用いた微細形状パターン４は、拡大すると図２のＳＥＭ写真に示すようなライン状のグレーティング形状をしており、その分布は一方向（写真では縦方向）に微小な溝が掘られている状態である。 When the fine shape pattern 4 used in this example is enlarged, it has a line-like grating shape as shown in the SEM photograph of FIG. 2, and the distribution is such that minute grooves are dug in one direction (vertical direction in the photograph). It is a state that has been.
従来、微小な溝構造により液晶分子が配向することが知られているが、その配向規制力は比較的弱い（アンカリングエネルギーが低い）こともわかっている。したがって、微細形状パターン４の溝の形状のみで均一配向を得ることは一般には難しいとされている。 Conventionally, it is known that liquid crystal molecules are aligned by a minute groove structure, but it is also known that the alignment regulating force is relatively weak (anchoring energy is low). Therefore, it is generally difficult to obtain uniform orientation only by the shape of the grooves of the fine pattern 4.
本実施例では、微細形状パターン４が形成された基板１１にポリイミド等からなる配向膜１３を形成する。この時、なるべく配向膜１３の膜厚を薄くして形成することが望ましく、微細パターン４の深さや基板１１の大きさなどを考慮して配向膜１３の膜厚を決めることが望ましい。また、配向膜１３の膜厚が厚くなる場合には、当該膜厚を考慮して微細パターン４の設計を行うことが望ましい。配向膜１３の形成方法は、例えば、ポリイミド配向膜をスピンコート法にて厚さ３０ｎｍ形成し、１８０℃で１．５時間焼成を行う。また、対向基板２１にも、ポリイミド配向膜からなる配向膜２３を形成する。例えば、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。なお、ここで用いる配向膜は、特に限定されないが、アンカリング強度（液晶への吸着力を含む）が強い材料であることが望ましい。具体的には、ツイステッド・ネマチック（ＴＮ）やイン・プレーン・スイッチング（ＩＰＳ）用に用いられているポリイミド系の材料の配向膜を用いることが望ましい。 In this embodiment, the alignment film 13 made of polyimide or the like is formed on the substrate 11 on which the fine pattern 4 is formed. At this time, it is desirable to form the alignment film 13 as thin as possible, and it is desirable to determine the thickness of the alignment film 13 in consideration of the depth of the fine pattern 4 and the size of the substrate 11. Further, when the alignment film 13 is thick, it is desirable to design the fine pattern 4 in consideration of the film thickness. The alignment film 13 is formed, for example, by forming a polyimide alignment film with a thickness of 30 nm by spin coating and baking at 180 ° C. for 1.5 hours. An alignment film 23 made of a polyimide alignment film is also formed on the counter substrate 21. For example, a thickness of 80 nm is formed by a flexographic printing method, and baking is performed at 180 ° C. for 1.5 hours. Note that the alignment film used here is not particularly limited, but it is desirable that the alignment film be a material having a strong anchoring strength (including an adsorbing force to liquid crystal). Specifically, it is desirable to use an alignment film of a polyimide material used for twisted nematic (TN) or in-plane switching (IPS).
配向膜１３及び２３の焼成後に、配向処理としてラビングを実施する。ラビング条件、ラビング方向については、特に規制はないが、ストロングアンカリング条件が望ましい。例えば、本実施例では、基板１１の配向膜１３に対しては、微細形状パターン４の微小溝の延在方向と直交する方向（図２における横方向）にラビング処理を行う。また、対向基板２１の配向膜２３に対しては、配向膜１３に対するラビング方向と平行（アンチパラレル方向）になるようにラビング処理を行う。 After the alignment films 13 and 23 are baked, rubbing is performed as an alignment process. The rubbing condition and rubbing direction are not particularly restricted, but the strong anchoring condition is desirable. For example, in this embodiment, the alignment film 13 of the substrate 11 is rubbed in a direction (lateral direction in FIG. 2) perpendicular to the extending direction of the minute grooves of the minute shape pattern 4. Further, the alignment film 23 of the counter substrate 21 is rubbed so as to be parallel (anti-parallel direction) to the rubbing direction with respect to the alignment film 13.
次に、片側のガラス基板（例えば、微細形状パターン４が形成された基板１１）上に、ギャップコントロール剤を２ｗｔ％〜３ｗｔ％含んだメインシール剤１６を形成する。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。例えば、ギャップコントロール剤として径が５μｍのプラスチックファイバーを選択し、これを三井化学製のシール剤ＥＳ−７５００に２ｗｔ％添加して、メインシール剤１６とする。 Next, the main sealant 16 containing 2 wt% to 3 wt% of the gap control agent is formed on the glass substrate on one side (for example, the substrate 11 on which the fine pattern 4 is formed). As a forming method, screen printing or a dispenser is used. For example, a plastic fiber having a diameter of 5 μm is selected as a gap control agent, and 2 wt% of this is added to a sealing agent ES-7500 manufactured by Mitsui Chemicals to make the main sealing agent 16.
もう一方のガラス基板（例えば、対向基板２１）上には、ギャップコントロール剤１４として径が５μｍ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する。 On the other glass substrate (for example, the counter substrate 21), plastic balls made of Sekisui Chemical having a diameter of 5 μm as the gap control agent 14 are spread using a dry gap spreader.
次に、両ガラス基板１１、２１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た。ここでは、１５０℃で３時間の熱処理を行う。 Next, the glass substrates 11 and 21 were overlapped, and the main sealant was cured by heat treatment in a state where pressure was constantly applied by a press machine or the like. Here, heat treatment is performed at 150 ° C. for 3 hours.
このようにして作製された空セルに、液晶を真空注入して、液晶層１５を形成する。本実施例では、液晶として、Δεが正でΔｎ＝０．２９８のものを用いることができる。液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止する。封止後、１２０℃で３０分程度の熱処理を行い、液晶の配向状態を整える。 The liquid crystal layer 15 is formed by injecting the liquid crystal into the empty cell thus produced. In this embodiment, a liquid crystal having a positive Δε and Δn = 0.298 can be used. After liquid crystal injection, an end sealant is applied to the injection port and sealed. After sealing, heat treatment is performed at 120 ° C. for about 30 minutes to adjust the alignment state of the liquid crystal.
再配向処理を行うには界面の液晶分子を界面吸着から解き放つためのエネルギー（ここでは熱エネルギー）が必要である。ここで必要なエネルギーは微細形状材料や配向膜材料等の界面膜、液晶材料によって異なるが、概ね液晶の等方相転移温度以上である。 In order to perform the realignment treatment, energy (here, thermal energy) for releasing the liquid crystal molecules at the interface from the interface adsorption is required. Here, the necessary energy differs depending on the interface film such as the fine shape material and the alignment film material, and the liquid crystal material, but is generally above the isotropic phase transition temperature of the liquid crystal.
なお、配向膜１３に対しては、配向処理を行わないこともできるが、その場合には、液晶の注入から熱処理まではなるべく速やかに行う必要がある。なぜならば微細形状パターン４の配向規制力はそれほど強くなく、液晶注入時の液晶の流れの影響を受ける方向に配向（流動配向）する現象が見られる。これを解消するために、高温処理を行い、液晶を一旦等方相温度以上にすることで流動配向を消去して本来の光配向に起因した方向に再配向させることができる。しかし、この方法では液晶を注入してから時間がたってしまうと流動配向が安定してしまい、多少の熱処理では完全に消去できなくなる（これを配向のメモリー性と呼ぶ）。したがって、液晶の注入から熱処理まではなるべく速やかに行うことが望ましく、可能であれば３時間以内、遅くとも２４時間以内に熱処理を行うことが望ましい。 The alignment film 13 may not be subjected to alignment treatment, but in that case, it is necessary to perform from liquid crystal injection to heat treatment as quickly as possible. This is because the orientation regulating force of the fine pattern 4 is not so strong, and a phenomenon of orientation (fluid orientation) is observed in the direction affected by the flow of liquid crystal during liquid crystal injection. In order to solve this problem, high-temperature treatment is performed, and the liquid crystal is once brought to an isotropic phase temperature or higher so that the flow alignment can be eliminated and the liquid crystal can be re-oriented in the direction caused by the original photo-alignment. However, in this method, the flow alignment becomes stable after a long time since the liquid crystal is injected, and it cannot be completely erased by some heat treatment (this is called alignment memory property). Therefore, it is desirable to perform from the liquid crystal injection to the heat treatment as quickly as possible, and it is desirable to perform the heat treatment within 3 hours if possible and within 24 hours at the latest.
なお、第１の実施例による光偏向液晶素子１０１では、微細形状パターン４を屈折率が１．５程度のＵＶ硬化性樹脂で形成した。また、実施例では、異常光屈折率（ｎｅ）が１．８程度を示し、常光屈折率（ｎｏ）が１．５程度を示す液晶を用いる。つまり、微細形状パターン４を構成するＵＶ硬化性樹脂の屈折率は、液晶の常光屈折率（ｎｏ）と同等である。なお、本明細書において、第１の材料の屈折率と第２の材料の屈折率との差が、第１の材料の屈折率または第２の材料の屈折率に対して３％以内（より好ましくは２％以内）であるとき、両材料の屈折率が同等であるとする。 In the light deflecting liquid crystal element 101 according to the first embodiment, the fine pattern 4 is formed of a UV curable resin having a refractive index of about 1.5. In the embodiment, a liquid crystal having an extraordinary refractive index (ne) of about 1.8 and an ordinary refractive index (no) of about 1.5 is used. That is, the refractive index of the UV curable resin constituting the fine pattern 4 is equal to the ordinary refractive index (no) of the liquid crystal. Note that in this specification, the difference between the refractive index of the first material and the refractive index of the second material is within 3% of the refractive index of the first material or the refractive index of the second material (more When the refractive index is preferably within 2%, the refractive indexes of both materials are assumed to be equal.
すなわち、光偏向液晶素子１０１では、液晶に印加する電圧がＯＮの場合には、液晶の屈折率と微細形状パターン４を構成する材料の屈折率とが同等となるので、液晶層１５と微細形状パターン４との界面には光学的界面ができずに、該界面を通過する光は直進するが、液晶に印加する電圧がＯＦＦの場合には、液晶の屈折率と微細形状パターン４を構成する材料の屈折率とに屈折率差が生じるので、液晶層１５と微細形状パターン４との界面には光学的界面ができ、該界面を通過する光は曲げられる。つまり、微細形状パターン４を構成する材料の屈折率と印加電圧により変化する液晶の屈折率との屈折率差に応じて光偏向液晶素子１０１を通過する光の回折状態が変化し、配光（角度）が制御される。 That is, in the light deflecting liquid crystal element 101, when the voltage applied to the liquid crystal is ON, the refractive index of the liquid crystal is equal to the refractive index of the material constituting the fine pattern 4, so that the liquid crystal layer 15 and the fine shape are the same. An optical interface is not formed at the interface with the pattern 4, and light passing through the interface travels straight, but when the voltage applied to the liquid crystal is OFF, the refractive index of the liquid crystal and the fine pattern 4 are formed. Since a difference in refractive index occurs between the refractive index of the material, an optical interface is formed at the interface between the liquid crystal layer 15 and the fine pattern 4, and light passing through the interface is bent. That is, the diffraction state of the light passing through the light deflecting liquid crystal element 101 changes according to the refractive index difference between the refractive index of the material constituting the fine pattern 4 and the refractive index of the liquid crystal that changes depending on the applied voltage. Angle) is controlled.
なお、ＵＶ硬化性樹脂及び液晶の屈折率は上記以外のものでもよい。例えば、微細形状パターン４を構成するＵＶ硬化性樹脂の屈折率を異常光屈折率（ｎｅ）と同等のものとしてもよいし、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（ｎｅ＋ｎｏ）／２）と同等のものとしてもよい。 The refractive index of the UV curable resin and the liquid crystal may be other than the above. For example, the refractive index of the UV curable resin constituting the fine pattern 4 may be the same as the extraordinary refractive index (ne), or the average of the extraordinary refractive index (ne) and the ordinary refractive index (no). It may be equivalent to a typical value (ne + no) / 2).
本発明者は、第１の実施例による光偏向液晶素子１０１を実際に作製し、光源と組み合わせることにより、配光制御の実験を行った。 The inventor actually made the light deflection liquid crystal element 101 according to the first embodiment, and experimented with light distribution control by combining with the light source.
図３（Ａ）は、光源５１、光偏向液晶素子１０１及びスクリーン５３の配置を表す模式図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の配置で配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。 FIG. 3A is a schematic diagram showing the arrangement of the light source 51, the light deflection liquid crystal element 101, and the screen 53. FIG. 3B is a conceptual diagram showing a state of a projected image as a result of performing light distribution control with the arrangement of FIG.
図３（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０１の背面にＬＥＤ等の光源５１を配置し、電圧供給装置５２により光偏向液晶素子１０１へ印加する電圧を制御することにより、光偏向液晶素子１０１を通過してスクリーン５３に投影される光源５１からの光を図中一点差線で示すように左右方向に曲げることができた。 As shown in FIG. 3A, a light source 51 such as an LED is disposed on the back surface of the light deflection liquid crystal element 101, and the voltage applied to the light deflection liquid crystal element 101 is controlled by the voltage supply device 52, thereby causing the light deflection liquid crystal. The light from the light source 51 projected through the element 101 and projected onto the screen 53 could be bent in the left-right direction as indicated by the one-dot chain line in the figure.
図３（Ｂ）に示すように、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０１へ印加する電圧をＯＮ（１０Ｖ程度）にした場合、投影像６０Ｃは１つのスポットになった状態に制御できた。ここで、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０１へ印加する電圧をＯＦＦ（０Ｖ）にした場合、投影像が水平方向に、中心の投影像６１Ｃ、左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒの３つに分かれた状態に制御できた。なお、この時左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒは、中心の投影像６１Ｃに対して左右方向に５°程度曲げられていることが確認できた。 As shown in FIG. 3B, when the voltage applied from the voltage supply device 52 to the light deflecting liquid crystal element 101 is turned on (about 10 V), the projected image 60C can be controlled to be a single spot. Here, when the voltage applied from the voltage supply device 52 to the light deflection liquid crystal element 101 is turned OFF (0 V), the projected image is horizontally divided into three, the center projected image 61C and the left and right projected images 62L and 62R. We were able to control to separate state. At this time, it was confirmed that the left and right projected images 62L and 62R were bent about 5 ° in the left and right direction with respect to the central projected image 61C.
なお、中間電圧を印加した場合には、光が曲がる角度はほとんど変化せず、光量のみが変化した。これは、本実施例では、微細形状パターン４として微細な凹凸パターン（グレーティング）を形成したので、光偏向液晶素子１０１では回折角はグレーティングのピッチ等により一定値に決まってしまうためであると考えられる。 In addition, when the intermediate voltage was applied, the angle at which the light was bent hardly changed, and only the amount of light changed. This is considered to be because, in this embodiment, since a fine uneven pattern (grating) is formed as the fine shape pattern 4, the diffraction angle in the light deflection liquid crystal element 101 is determined to be a constant value depending on the pitch of the grating and the like. It is done.
なお、電圧ＯＦＦ時では、左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒにおいて色分離が確認された。この時、それぞれの投影像６２Ｌ及び６２Ｒにおいて、中心に近い部分は青色（回折角が小さい）、中心から離れている部分は赤色（回折角が大きい）であることが分かった。 When the voltage was turned off, color separation was confirmed in the left and right projected images 62L and 62R. At this time, in each of the projected images 62L and 62R, it was found that the portion near the center was blue (the diffraction angle was small) and the portion far from the center was red (the diffraction angle was large).
また、電圧ＯＦＦ時に３つのスポットに分かれた光（投影像６１Ｃ、６２Ｌ、６２Ｒ）のそれぞれの偏光状態を確認すると、中心の投影像６１Ｃと左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒとで偏光方向が直交していることが分かった。 Further, when the polarization states of the light (projected images 61C, 62L, and 62R) divided into three spots when the voltage is turned off are confirmed, the polarization directions of the central projected image 61C and the left and right projected images 62L and 62R are orthogonal. I found out.
そこで、図４（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０１と光源５１との間に偏光板５４を配置して、再度実験を行った。図４（Ｂ）に示すように、偏光板５４の透過軸を縦にした（微細形状パターン４の微小溝の長手方向に平行にした）時は、電源ＯＦＦ時にも、左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒが消えて中心の投影像６１Ｃ（０次光）だけとなった。一方、偏光板５４の透過軸を横にした（微細形状パターン４の微小溝の長手方向に直交させた）時は、電源ＯＦＦ時に、中心の投影像６１Ｃが消え、左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒ（１次光）だけとなった。 Therefore, as shown in FIG. 4A, the polarizing plate 54 was disposed between the light deflection liquid crystal element 101 and the light source 51, and the experiment was performed again. As shown in FIG. 4B, when the transmission axis of the polarizing plate 54 is set to be vertical (parallel to the longitudinal direction of the minute groove of the minute shape pattern 4), the left and right projection images 62L and 62R disappeared and only the central projected image 61C (0th order light) was obtained. On the other hand, when the transmission axis of the polarizing plate 54 is set sideways (perpendicular to the longitudinal direction of the minute groove of the fine pattern 4), the center projected image 61C disappears when the power is turned off, and the left and right projected images 62L and 62R. (Primary light) only.
このように、偏光板５４を光偏向液晶素子１０１と光源５１との間に配置することにより、電気的に一定の偏光方向の光を曲げることが可能となる。なお、光偏向液晶素子１０１を２枚組み合わせることにより、全ての偏光方向の光を曲げることも可能となる。また、微細形状パターン４を適宜設計することにより、光源５１の光を左右方向ではなく左又は右の一方向にだけ曲げるようにすることも可能である。さらに、光を曲げる方向は左右に限らず上下や斜め方向であってもよい。また、任意形状に光を曲げることも可能である。 As described above, by disposing the polarizing plate 54 between the light deflection liquid crystal element 101 and the light source 51, it is possible to bend light in an electrically constant polarization direction. It is possible to bend light in all polarization directions by combining two light deflecting liquid crystal elements 101. In addition, by appropriately designing the fine pattern 4, it is possible to bend the light from the light source 51 only in one direction left or right instead of in the left-right direction. Furthermore, the direction in which light is bent is not limited to the left and right, and may be up and down or oblique. It is also possible to bend light into an arbitrary shape.
なお、微細形状パターン４を有する光偏向液晶素子１０１のみで光を曲げる場合、上述したように、曲げられた光に色分離が観察される。本発明者は、マイクロプリズムを用いた屈折の場合の色分離の傾向を、微細形状パターン４を有する光偏向液晶素子１０１における色分離の傾向と逆に設定できることに着目し、第２の実施例として、微細形状パターン４を有する光偏向液晶素子１０１に、図５に示すマイクロプリズム３を有する光偏向液晶素子１０２を組み合わせて、色分離を打ち消すことが可能な光学系を作製することとした。 In addition, when light is bent only by the light deflection liquid crystal element 101 having the fine pattern 4, color separation is observed in the bent light as described above. The present inventor pays attention to the fact that the tendency of color separation in the case of refraction using a microprism can be set opposite to the tendency of color separation in the light deflection liquid crystal element 101 having the fine pattern 4, and the second embodiment. As described above, the optical deflection liquid crystal element 101 having the micro prism 3 shown in FIG. 5 is combined with the optical deflection liquid crystal element 101 having the fine pattern 4 to produce an optical system capable of canceling the color separation.
図５は、本発明の第２の実施例で用いるマイクロプリズム３を有する光偏向液晶素子１０２を概略的に示す厚さ方向断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view in the thickness direction schematically showing the light deflecting liquid crystal element 102 having the microprism 3 used in the second embodiment of the present invention.
光偏向液晶素子１０２は、液晶層側の表面に数ミクロンから数十ミクロンピッチの大きさのマイクロプリズム３が形成され、入射光線を屈折させることが可能な液晶素子である。 The light deflection liquid crystal element 102 is a liquid crystal element in which microprisms 3 having a pitch of several microns to several tens of microns are formed on the surface on the liquid crystal layer side, and can refract incident light.
光偏向液晶素子１０２は、一対のガラス基板１１及び２１、一対のガラス基板１１及び２１間に挟持される液晶層１５、ガラス基板１１上に形成されたマイクロプリズム３、一対のガラス基板１１及び２１にそれぞれ形成された透明電極１２及び２２、透明電極１２及び２２上にそれぞれ形成された配向膜１３及び２３、ギャップコントロール剤１４、メインシール剤１６を含んで構成される。以下に、光偏向液晶素子１０２の製造方法を説明する。 The light deflection liquid crystal element 102 includes a pair of glass substrates 11 and 21, a liquid crystal layer 15 sandwiched between the pair of glass substrates 11 and 21, a microprism 3 formed on the glass substrate 11, and a pair of glass substrates 11 and 21. The transparent electrodes 12 and 22 are respectively formed on the transparent electrodes 12 and 22, the alignment films 13 and 23 are formed on the transparent electrodes 12 and 22, the gap control agent 14, and the main sealant 16, respectively. A method for manufacturing the light deflection liquid crystal element 102 will be described below.
まず、透明電極が形成された一対のガラス基板（透明電極１２が形成されたガラス基板１１、及び、透明電極２２が形成されたガラス基板２１）を用意した。ガラス基板１１、２１は、それぞれ、厚さ０．７ｍｍｔであり、材質は無アルカリガラスである。透明電極１２、２２は、それぞれ、厚さ１５０ｎｍであり、材質はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であり、所望の平面形状にパターニングされている。 First, a pair of glass substrates on which a transparent electrode was formed (a glass substrate 11 on which a transparent electrode 12 was formed and a glass substrate 21 on which a transparent electrode 22 was formed) were prepared. The glass substrates 11 and 21 each have a thickness of 0.7 mm and are made of alkali-free glass. Each of the transparent electrodes 12 and 22 has a thickness of 150 nm and is made of indium tin oxide (ITO) and is patterned into a desired planar shape.
片側のガラス基板１１の透明電極１２上に、マイクロプリズム３を形成した。マイクロプリズム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３０μｍ〜４０μｍ程度である。 A microprism 3 was formed on the transparent electrode 12 of the glass substrate 11 on one side. The microprism 3 has a shape in which the prisms 3a are arranged on the base layer 3b. The thickness of the base layer 3b is, for example, about 30 μm to 40 μm.
図６は、マイクロプリズム３の概略斜視図であり、右上部分にプリズム３ａの断面形状の拡大図を示す。各プリズム３ａは、頂角約７５°、底角が約１５°及び約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（この方向を、プリズム幅方向と呼ぶこととする）に並んでいる。プリズム３ａの高さは約５．２μｍであり、プリズム３ａの底辺の長さ（プリズムのピッチ）は約２０μｍである。 FIG. 6 is a schematic perspective view of the microprism 3, and an enlarged view of the cross-sectional shape of the prism 3 a is shown in the upper right part. Each prism 3a has a triangular prism shape with an apex angle of about 75 ° and base angles of about 15 ° and about 90 °, and the plurality of prisms 3a are orthogonal to the prism length direction (this direction is referred to as a prism width direction). To be called). The height of the prism 3a is about 5.2 μm, and the length of the base of the prism 3a (prism pitch) is about 20 μm.
プリズム３ａの方向は、中心部を境に図中左右両端に斜面が向くようになっている（本実施例では、マイクロプリズム３が中心部を境に左右対称形となっている）。これにより、マイクロプリズム３に入射した光を２方向に曲げることが可能となる。 The direction of the prism 3a is such that the slopes are directed to the left and right ends in the figure with respect to the center (in the present embodiment, the microprism 3 is symmetrical with respect to the center). As a result, the light incident on the microprism 3 can be bent in two directions.
次に、マイクロプリズム３の作製方法について説明する。マイクロプリズム３の型が形成され、離型剤もしくはコーティング剤付きのプリズム金型上に、所定量のアクリル系紫外線硬化樹脂（ＵＶ硬化性樹脂）を精密なディスペンサを用いて滴下し、その上の所定位置に、ガラス基板１１（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ０．７ｍｍｔ）の透明電極１２を置き、厚手の石英部材などを基板の裏側に配置して補強した状態でプレスを行う。ここで、すぐに基板１１を金型に押し付けてしまうとマイクロプリズム３に気泡が残留してしまう（例えば、大きさ５０〜２００μｍφ程度の気泡残留）ので、時間をかけて気泡を逃しながら少しずつ押し込むようにする。こうすることで、樹脂と金型パターンの間に気泡のない状態で樹脂を広げることが可能である。この時、周囲の気圧が低いことが望ましく、気圧が低いほど押し込む速度を早くすることができる。周囲の気圧を概ね２０Ｔｏｒｒ以下にすれば、押し込み速度を気にせず重ね合わせることが可能である。 Next, a method for manufacturing the microprism 3 will be described. A micro prism 3 mold is formed, and a predetermined amount of an acrylic UV curable resin (UV curable resin) is dropped on a prism mold with a release agent or a coating agent using a precise dispenser. The transparent electrode 12 of the glass substrate 11 (length 150 mm × width 150 mm × thickness 0.7 mmt) is placed at a predetermined position, and pressing is performed in a state where a thick quartz member or the like is disposed on the back side of the substrate and reinforced. Here, if the substrate 11 is immediately pressed against the mold, bubbles remain in the microprism 3 (for example, bubbles of a size of about 50 to 200 μmφ). Push in. By doing so, it is possible to spread the resin without any bubbles between the resin and the mold pattern. At this time, it is desirable that the ambient atmospheric pressure is low, and the lower the atmospheric pressure, the faster the pushing speed can be. If the ambient atmospheric pressure is set to approximately 20 Torr or less, it is possible to overlap without worrying about the pushing speed.
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、ガラス基板１１の裏側から紫外線を照射し、ＵＶ硬化性樹脂を硬化させる。紫外線の照射量は２Ｊ／ｃｍ２とする。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。 After being pressed and allowed to stand for 1 minute or longer, the UV curable resin is sufficiently spread and then irradiated with ultraviolet rays from the back side of the glass substrate 11 to cure the UV curable resin. The irradiation amount of ultraviolet rays is 2 J / cm 2 . What is necessary is just to set suitably the irradiation amount of an ultraviolet-ray so that resin may harden | cure. In addition, since ITO absorbs ultraviolet rays, if the film thickness of the transparent electrode is changed, it is necessary to change the ultraviolet irradiation amount.
ＵＶ硬化性樹脂の硬化後、石英、プレス治具などを取り外し、マイクロプリズム３が形成されたガラス基板１１を押し上げることにより、プリズム金型から剥離する。なお、マイクロプリズム３の大きさは、ＵＶ硬化性樹脂の滴下量を調整することにより行う。滴下量を調整してプリズム形成領域全体のうちの必要な領域にマイクロプリズム３を形成する。 After the UV curable resin is cured, quartz, a pressing jig, and the like are removed, and the glass substrate 11 on which the microprism 3 is formed is pushed up to peel from the prism mold. The size of the microprism 3 is determined by adjusting the dropping amount of the UV curable resin. The microprism 3 is formed in a necessary region in the entire prism formation region by adjusting the dropping amount.
なお、本実施例では、透明電極１２の上にマイクロプリズム３を形成するが、基板１１上にマイクロプリズム３を形成し、その上に透明電極１２を形成するようにしてもよい。その場合、絶縁膜であるマイクロプリズム３を介さずに液晶に電圧を印加することができるため望ましいともいえるが、マイクロプリズム３を介して電圧を印加する場合でも、数Ｖで光制御を行うことができるため、ＩＴＯがマイクロプリズム３の下に形成されていても実用上は問題がなく、マイクロプリズム３を耐熱性の樹脂で形成する必要がなくなるという利点がある。 In this embodiment, the microprism 3 is formed on the transparent electrode 12, but the microprism 3 may be formed on the substrate 11 and the transparent electrode 12 may be formed thereon. In this case, it can be said that the voltage can be applied to the liquid crystal without passing through the microprism 3 that is an insulating film. However, even when the voltage is applied through the microprism 3, the light control is performed with several volts. Therefore, even if ITO is formed under the microprism 3, there is no practical problem, and there is an advantage that it is not necessary to form the microprism 3 with a heat-resistant resin.
図５に戻る。次に、マイクロプリズム３が形成された基板１１及び対向基板２１を洗浄機により洗浄する。洗浄は、例えば、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、ＩＲ乾燥を順に行うことで可能であるが、これに限るものではない。例えば、高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。 Returning to FIG. Next, the substrate 11 and the counter substrate 21 on which the microprism 3 is formed are cleaned by a cleaning machine. The cleaning can be performed by, for example, brush cleaning using an alkaline detergent, pure water cleaning, air blow, UV irradiation, and IR drying in this order, but is not limited thereto. For example, high pressure spray cleaning or plasma cleaning may be performed.
マイクロプリズム３上、及びもう一方のガラス基板２１の透明電極２２上に、ポリイミド等により配向膜１３及び２３を形成する。なお、マイクロプリズム３上の配向膜１３は省略可能である。ここでは、日産化学製のＳＥ−１３０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。なお、ここで用いる配向膜は、特に限定されないが、アンカリング強度（液晶への吸着力を含む）が強い材料であることが望ましい。具体的には、ＴＮやＩＰＳ用に用いられているポリイミド系の材料の配向膜を用いることが望ましい。 Alignment films 13 and 23 are formed of polyimide or the like on the microprism 3 and on the transparent electrode 22 of the other glass substrate 21. The alignment film 13 on the microprism 3 can be omitted. Here, Nissan Chemical Industries SE-130 is formed to a thickness of 80 nm by a flexographic printing method and baked at 180 ° C. for 1.5 hours. Note that the alignment film used here is not particularly limited, but it is desirable that the alignment film be a material having a strong anchoring strength (including an adsorbing force to liquid crystal). Specifically, it is desirable to use an alignment film made of a polyimide material used for TN or IPS.
焼成後、配向膜２３に配向処理としてラビングを行った。配向膜２３のラビング方向は、マイクロプリズムパターンと平行（アンチパラレル配向）になるように、図６に示す方向ｘで、プリズムの山が延在する方向（以下、単にプリズム方向と呼ぶ）と平行に液晶分子の長軸方向が並ぶように行う。なお、本明細書では、プリズム方向と平行に液晶分子の長軸方向が並ぶような処理を行ったものをプリズム方向と定義する。なお、配向膜１３に対してもラビングを行う場合には、配向膜２３のラビング方向に対してアンチパラレル配向となるように行うことが望ましい。 After baking, the alignment film 23 was rubbed as an alignment treatment. The rubbing direction of the alignment film 23 is parallel to the direction in which the prism peaks extend (hereinafter simply referred to as the prism direction) in the direction x shown in FIG. 6 so as to be parallel to the microprism pattern (anti-parallel alignment). The liquid crystal molecules are aligned so that the major axis directions of the liquid crystal molecules are aligned. In the present specification, the direction in which the major axis direction of the liquid crystal molecules is aligned in parallel with the prism direction is defined as the prism direction. In addition, when rubbing is performed also on the alignment film 13, it is desirable to perform the anti-parallel alignment with respect to the rubbing direction of the alignment film 23.
次に、マイクロプリズム３を形成した側のガラス基板１１上に、ギャップコントロール剤を２ｗｔ％〜３ｗｔ％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。例えば、ギャップコントロール剤として径が５μｍのプラスチックファイバーを選択し、これを三井化学製のシール剤ＥＳ−７５００に２ｗｔ％添加して、メインシール剤１６とする。 Next, the main sealant 16 containing 2 wt% to 3 wt% of the gap control agent was formed on the glass substrate 11 on the side where the microprism 3 was formed. As a forming method, screen printing or a dispenser is used. For example, a plastic fiber having a diameter of 5 μm is selected as a gap control agent, and 2 wt% of this is added to a sealing agent ES-7500 manufactured by Mitsui Chemicals to make the main sealing agent 16.
もう一方のガラス基板（例えば、対向基板２１）上には、ギャップコントロール剤１４として径が５μｍ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する。 On the other glass substrate (for example, the counter substrate 21), plastic balls made of Sekisui Chemical having a diameter of 5 μm as the gap control agent 14 are spread using a dry gap spreader.
次に、両ガラス基板１１、２１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た。ここでは、１５０℃で３時間の熱処理を行う。 Next, the glass substrates 11 and 21 were overlapped, and the main sealant was cured by heat treatment in a state where pressure was constantly applied by a press machine or the like. Here, heat treatment is performed at 150 ° C. for 3 hours.
このようにして作製された空セルに、液晶を真空注入して、液晶層１５を形成する。本実施例では、液晶として、Δεが正でΔｎ＝０．２９８のものを用いることができる。液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止する。封止後、１５０℃で１時間程度の熱処理を行い、液晶の配向状態を整える。なお、配向膜２３に対して配向処理を施さない場合には、光偏向液晶素子１０１の場合と同様に、液晶の注入から熱処理まではなるべく速やかに行う必要がある。 The liquid crystal layer 15 is formed by injecting the liquid crystal into the empty cell thus produced. In this embodiment, a liquid crystal having a positive Δε and Δn = 0.298 can be used. After liquid crystal injection, an end sealant is applied to the injection port and sealed. After sealing, heat treatment is performed at 150 ° C. for about 1 hour to adjust the alignment state of the liquid crystal. When the alignment film 23 is not subjected to alignment treatment, it is necessary to perform from liquid crystal injection to heat treatment as quickly as possible, as in the case of the light deflection liquid crystal element 101.
実施例の光偏向液晶素子においては、電圧無印加状態で（電圧ＯＦＦ時）、液晶分子の長軸がプリズム長さ方向に沿い、電圧印加により（電圧ＯＮ時）、液晶分子の長軸が基板法線方向に立ち上がる。光偏向液晶素子１０２では、マイクロプリズム３を屈折率が１．５程度のＵＶ硬化性樹脂で形成し、異常光屈折率（ｎｅ）が１．８程度を示し、常光屈折率（ｎｏ）が１．５程度を示す液晶を用いる。つまり、マイクロプリズム３を構成するＵＶ硬化性樹脂の屈折率は、液晶の常光屈折率（ｎｏ）と同等である。 In the light deflecting liquid crystal element of the embodiment, in the state where no voltage is applied (when the voltage is OFF), the long axis of the liquid crystal molecules is along the prism length direction, and when the voltage is applied (when the voltage is ON), Stand up in the normal direction. In the light deflection liquid crystal element 102, the microprism 3 is formed of a UV curable resin having a refractive index of about 1.5, the extraordinary light refractive index (ne) is about 1.8, and the ordinary light refractive index (no) is 1. A liquid crystal exhibiting about .5 is used. That is, the refractive index of the UV curable resin constituting the microprism 3 is equal to the ordinary light refractive index (no) of the liquid crystal.
すなわち、光偏向液晶素子１０２では、液晶に印加する電圧がＯＮの場合には、液晶の屈折率とマイクロプリズム３を構成する材料の屈折率とが同等となるので、液晶層１５とマイクロプリズム３との界面には光学的界面ができずに、該界面を通過する光は直進するが、液晶に印加する電圧がＯＦＦの場合には、液晶の屈折率とマイクロプリズム３を構成する材料の屈折率とに屈折率差が生じるので、液晶層１５とマイクロプリズム３との界面には光学的界面ができ、該界面を通過する光は曲げられる。つまり、光偏向液晶素子１０２では、マイクロプリズム３を構成する材料の屈折率と印加電圧により変化する液晶の屈折率との屈折率差に応じて光偏向液晶素子１０２を通過する光の屈折状態が変化し、配光（角度）が制御される。 That is, in the light deflection liquid crystal element 102, when the voltage applied to the liquid crystal is ON, the refractive index of the liquid crystal is equal to the refractive index of the material constituting the microprism 3, so that the liquid crystal layer 15 and the microprism 3 When the voltage applied to the liquid crystal is OFF, the refractive index of the liquid crystal and the refraction of the material constituting the microprism 3 are not generated. Since a difference in refractive index occurs between the liquid crystal layer 15 and the microprism 3, an optical interface is formed, and light passing through the interface is bent. That is, in the light deflecting liquid crystal element 102, the refraction state of light passing through the light deflecting liquid crystal element 102 is changed according to the refractive index difference between the refractive index of the material constituting the microprism 3 and the refractive index of the liquid crystal that changes according to the applied voltage. The light distribution (angle) is controlled.
なお、ＵＶ硬化性樹脂及び液晶の屈折率はこれ以外のものでもよいが、光偏向液晶素子１０１と組み合わせて用いるため、光偏向液晶素子１０１において光が曲がる角度、方向等を考慮して設計する必要がある。 The refractive index of the UV curable resin and the liquid crystal may be other than this, but since it is used in combination with the light deflecting liquid crystal element 101, the light deflecting liquid crystal element 101 is designed in consideration of the angle and direction of light bending. There is a need.
本発明者は、光偏向液晶素子１０２を実際に作製し、光偏向液晶素子１０１と同様に、まず光偏向液晶素子１０２単体で光源と組み合わせることにより、配光制御の実験を行った。 The present inventor actually manufactured the light deflection liquid crystal element 102 and, like the light deflection liquid crystal element 101, first conducted an experiment of light distribution control by combining the light deflection liquid crystal element 102 alone with a light source.
図７（Ａ）は、光源５１、光偏向液晶素子１０２及びスクリーン５３の配置を表す模式図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の配置で配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。 FIG. 7A is a schematic diagram showing the arrangement of the light source 51, the light deflection liquid crystal element 102, and the screen 53. FIG. 7B is a conceptual diagram showing a state of a projected image as a result of performing light distribution control with the arrangement of FIG.
図７（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０２の背面にＬＥＤ等の光源５１を配置し、電圧供給装置５２により光偏向液晶素子１０１へ印加する電圧を制御することにより、光偏向液晶素子１０２を通過してスクリーン５３に投影される光源５１からの光を図中一点差線で示すように左右方向に曲げることができた。 As shown in FIG. 7A, a light source 51 such as an LED is disposed on the back surface of the light deflection liquid crystal element 102, and the voltage applied to the light deflection liquid crystal element 101 is controlled by the voltage supply device 52, thereby producing the light deflection liquid crystal. The light from the light source 51 that passed through the element 102 and was projected on the screen 53 could be bent in the left-right direction as indicated by the one-dot chain line in the figure.
図７（Ｂ）に示すように、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０２へ印加する電圧をＯＮ（１０Ｖ程度）にした場合、投影像６０Ｃは１つのスポットになった状態に制御できた。ここで、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０２へ印加する電圧をＯＦＦ（０Ｖ）にした場合、投影像が水平方向に、中心の投影像６２Ｃ、左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒの３つに分かれた状態に制御できた。なお、この時左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒは、中心の投影像６２Ｃに対して左右方向に５°程度曲げられていることが確認できた。なお、中間電圧を印加した場合には、中心の投影像６２Ｃから左右に少し光の帯が伸びたような状態が確認できた。光偏向液晶素子１０２は、電圧により徐々に光を曲げる角度を変えることができることがわかる。 As shown in FIG. 7B, when the voltage applied from the voltage supply device 52 to the light deflection liquid crystal element 102 is turned on (about 10 V), the projected image 60C can be controlled to be one spot. Here, when the voltage applied from the voltage supply device 52 to the light deflecting liquid crystal element 102 is turned off (0 V), the projected image is horizontally divided into three, the center projected image 62C and the left and right projected images 61L and 61R. We were able to control to separate state. At this time, it was confirmed that the left and right projected images 61L and 61R were bent about 5 ° in the left and right direction with respect to the central projected image 62C. When an intermediate voltage was applied, it was confirmed that a light band slightly extended from the center projected image 62C to the left and right. It can be seen that the light deflection liquid crystal element 102 can change the angle at which light is gradually bent by the voltage.
また、電圧ＯＦＦ時では、左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒにおいて色分離が確認された。この時、それぞれの投影像６１Ｌ及び６１Ｒにおいて、中心に近い部分は赤色（屈折角が小さい）、中心から離れている部分は青色（屈折角が大きい）であることが分かった。 Further, when the voltage was OFF, color separation was confirmed in the left and right projected images 61L and 61R. At this time, in each of the projected images 61L and 61R, it was found that the portion near the center was red (the refraction angle was small), and the portion far from the center was blue (the refraction angle was large).
また、電圧ＯＦＦ時に３つのスポットに分かれた光（投影像６２Ｃ、６１Ｌ、６１Ｒ）のそれぞれの偏光状態を確認すると、中心の投影像６２Ｃと左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒとで偏光方向が直交していることが分かった。 Further, when the polarization states of the light (projected images 62C, 61L, 61R) divided into three spots when the voltage is OFF are confirmed, the polarization directions of the central projected image 62C and the left and right projected images 61L, 61R are orthogonal. I found out.
そこで、図８（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０２と光源５１との間に偏光板５４を配置して、再度実験を行った。図８（Ｂ）に示すように、偏光板５４の透過軸を縦にした（マイクロプリズム３の長手方向に平行にした）時は、電源ＯＦＦ時に、中心の投影像６２Ｃが消え、左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒだけとなった。一方、偏光板５４の透過軸を横にした（マイクロプリズム３の長手方向に直交させた）時は、電源ＯＦＦ時にも、左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒが消えて中心の投影像６２Ｃだけとなった。 Thus, as shown in FIG. 8A, the polarizing plate 54 was disposed between the light deflection liquid crystal element 102 and the light source 51, and the experiment was performed again. As shown in FIG. 8B, when the transmission axis of the polarizing plate 54 is made vertical (parallel to the longitudinal direction of the microprism 3), the center projected image 62C disappears when the power is turned off, and the left and right projections are projected. Only images 61L and 61R were obtained. On the other hand, when the transmission axis of the polarizing plate 54 is set to be horizontal (orthogonal to the longitudinal direction of the microprism 3), the left and right projected images 61L and 61R disappear and become only the central projected image 62C even when the power is turned off. It was.
この図８（Ｂ）に示す実験結果と、図４（Ｂ）に示す実験結果とをあわせて考察すると、光偏向液晶素子１０１と光偏向液晶素子１０２とでは、色分離の傾向が逆であり、曲げることが可能な偏光方向が直交していることが分かった。そこで、図９（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０１と光偏向液晶素子１０２とを重ね合わせることにより、色分離をなくすとともに、全ての偏光方向の光を曲げられる光学系２００を作製した。 When the experimental results shown in FIG. 8B and the experimental results shown in FIG. 4B are considered together, the tendency of color separation is opposite between the light deflecting liquid crystal element 101 and the light deflecting liquid crystal element 102. It was found that the polarization directions that can be bent are orthogonal. Therefore, as shown in FIG. 9A, an optical system 200 that can bend light in all polarization directions while eliminating color separation by superimposing the light deflection liquid crystal element 101 and the light deflection liquid crystal element 102 is manufactured. did.
図９（Ａ）は、本発明の第２の実施例による光学系２００の配置を表す模式図である。 FIG. 9A is a schematic diagram showing the arrangement of the optical system 200 according to the second embodiment of the present invention.
本実施例による光学系２００は、光源５１とその後段に配置される光偏向液晶素子１０１と光偏向液晶素子１０２との積層を含んで構成される。図９（Ａ）は、光源５１からの光が光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２を通過してスクリーン５３に投射される様子を示している。なお、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２への印加電圧は電圧供給装置（駆動回路）５２により制御される。また、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２の積層順に制限はなく、どちらを光源５１に近い側としてもよい。なお、光源５１に対して、微細形状パターン４やマイクロプリズム３を形成する位置は、光源５１側でも逆側（照射面側）でもよい。 The optical system 200 according to the present embodiment is configured to include a stack of a light source 51, a light deflecting liquid crystal element 101 and a light deflecting liquid crystal element 102 disposed in the subsequent stage. FIG. 9A shows a state in which light from the light source 51 is projected onto the screen 53 through the light deflection liquid crystal element 101 and the light deflection liquid crystal element 102. The voltage applied to the light deflection liquid crystal element 101 and the light deflection liquid crystal element 102 is controlled by a voltage supply device (drive circuit) 52. Moreover, there is no restriction | limiting in the lamination | stacking order of the light deflection liquid crystal element 101 and the light deflection liquid crystal element 102, and it is good also as a side near the light source 51. The position where the fine pattern 4 and the microprism 3 are formed with respect to the light source 51 may be on the light source 51 side or on the opposite side (irradiation surface side).
光学系２００は、ＬＥＤなどの非偏光の光源５１からの白色光（自然光）を、そのまま（曲げずに）通したり、左右の２つの光に分離したり（左右に曲げたり）することができる。なお、光源５１としては、ＬＥＤのほか、例えば、ＨＩＤランプ、電界放射（ＦＥ）光源、蛍光灯等が考えられる。 The optical system 200 can pass white light (natural light) from a non-polarized light source 51 such as an LED as it is (without bending), or can be separated into two left and right lights (bent left and right). . As the light source 51, in addition to the LED, for example, an HID lamp, a field emission (FE) light source, a fluorescent lamp, and the like are conceivable.
光学系２００は、例えば、一般照明、ストロボ、舞台照明等の一般照明、自動車用前照灯、テールランプ等のヘッドランプで用いられる光学系である。また、ディスプレイ用のバックライトや遊技機器の照明等にも使用可能である。 The optical system 200 is, for example, an optical system that is used in general lighting such as general lighting, strobe, and stage lighting, and headlamps such as automotive headlamps and tail lamps. Further, it can be used for a backlight for a display, illumination for a game machine, and the like.
光学系２００の光偏向液晶素子１０１の微細形状パターン４は、液晶の異常光屈折率と微細形状パターン４の構成材料の屈折率を考慮して回折角などを光学設計する。光偏向液晶素子１０２は、光偏向液晶素子１０１の回折角にマイクロプリズム３で屈折できる角度（屈折角）を一致させるように、液晶の異常光屈折率とマイクロプリズム３の構成材料の屈折率を考慮して設計する。なお、光偏向液晶素子１０２の屈折角に光偏向液晶素子１０１の回折角を一致させるようにしても良い。 The fine shape pattern 4 of the light deflection liquid crystal element 101 of the optical system 200 is optically designed with respect to the diffraction angle and the like in consideration of the extraordinary refractive index of the liquid crystal and the refractive index of the constituent material of the fine shape pattern 4. The light deflecting liquid crystal element 102 sets the extraordinary light refractive index of the liquid crystal and the refractive index of the constituent material of the micro prism 3 so that the angle (refractive angle) at which the micro prism 3 can be refracted coincides with the diffraction angle of the light deflecting liquid crystal element 101. Design with consideration. Note that the diffraction angle of the light deflection liquid crystal element 101 may be matched with the refraction angle of the light deflection liquid crystal element 102.
光偏向液晶素子１０１の回折角と光偏向液晶素子１０２の屈折角とを一致させる設計において、光源５１の波長が単一波長の場合はピーク波長での角度を一致させ、波長が幅広い場合はその中心波長に合わせて設計する。例えば、可視光の場合は、５４０〜５６０ｎｍ付近の波長に対し設計を行う。 In a design in which the diffraction angle of the light deflecting liquid crystal element 101 and the refraction angle of the light deflecting liquid crystal element 102 are matched, when the wavelength of the light source 51 is a single wavelength, the angle at the peak wavelength is matched, and when the wavelength is wide, Design according to the center wavelength. For example, in the case of visible light, design is performed for a wavelength near 540 to 560 nm.
図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の配置による光学系２００で配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。 FIG. 9B is a conceptual diagram showing a state of a projected image as a result of performing light distribution control with the optical system 200 having the arrangement of FIG. 9A.
図９（Ｂ）に示すように、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２へ印加する電圧をＯＮ（１０Ｖ程度）にした場合、投影像６０Ｃは１つのスポットになった状態に制御できた。ここで、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２へ印加する電圧をＯＦＦ（０Ｖ）にした場合、投影像が水平方向に、左右の投影像６０Ｌ及び６０Ｒの２つに分かれた状態に制御できた。なお、この時左右の投影像６０Ｌ及び６０Ｒは、中心の投影像６０Ｃに対して左右方向に５°程度曲げられていることが確認できた。 As shown in FIG. 9B, when the voltage applied from the voltage supply device 52 to the light deflecting liquid crystal element 101 and the light deflecting liquid crystal element 102 is turned on (about 10 V), the projected image 60C becomes one spot. I was able to control the state. Here, when the voltage applied from the voltage supply device 52 to the light deflecting liquid crystal element 101 and the light deflecting liquid crystal element 102 is turned OFF (0 V), the projected image is horizontally divided into two left and right projected images 60L and 60R. We were able to control to separate state. At this time, it was confirmed that the left and right projected images 60L and 60R were bent about 5 ° in the left and right direction with respect to the central projected image 60C.
なお、電圧ＯＦＦ時でも、左右の投影像６０Ｌ及び６０Ｒにおいて色分離が確認されなかった。これは２つの液晶素子（光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２）それぞれにおいて波長に対する曲がる角度の関係が相殺される関係になっており、結果として色分離が目立たなくなるためであると考えられる。この構成によれば、光源５１の光をほとんど損失することなく、また白色光という非常に波長範囲の広い光を色分離を発生させることなく、電気的に配向制御することが可能となる。 Even when the voltage was OFF, color separation was not confirmed in the left and right projected images 60L and 60R. This is considered to be because the relationship between the angle of bending with respect to the wavelength is canceled in each of the two liquid crystal elements (light deflecting liquid crystal element 101 and light deflecting liquid crystal element 102), and as a result, color separation becomes inconspicuous. . According to this configuration, it is possible to electrically control the orientation of light of a very wide wavelength range such as white light without causing color separation without almost losing the light of the light source 51.
また、中間電圧を印加した場合には、光偏向液晶素子１０２は電圧により徐々に光を曲げる角度を変えることができる一方で、光偏向液晶素子１０１は電圧により光量は変化するものの光を曲げる角度はほとんど変化しないので、色分離が観察される。光の状態をそれぞれの液晶素子で特徴的に変化させることができるため、色分離が起こっても問題がない場面では使用可能であろう。 In addition, when an intermediate voltage is applied, the light deflection liquid crystal element 102 can gradually change the angle at which light is bent according to the voltage, while the light deflection liquid crystal element 101 has an angle at which the light is bent although the amount of light changes depending on the voltage. Is almost unchanged, color separation is observed. Since the light state can be characteristically changed in each liquid crystal element, it can be used in a scene where there is no problem even if color separation occurs.
なお、光学系２００に用いる光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２は同一方向に光を曲げられるように設定されており、図９（Ｂ）に示す例では、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２の両者とも左右に光を曲げるように設定されている。 Note that the light deflecting liquid crystal element 101 and the light deflecting liquid crystal element 102 used in the optical system 200 are set so that light can be bent in the same direction. In the example shown in FIG. Both of the deflecting liquid crystal elements 102 are set to bend light to the left and right.
また、光を曲げる角度は、光偏向液晶素子１０１で光を曲げることのできる角度をθ１とし、光偏向液晶素子１０２で光を曲げることのできる最大角度をθ２とした場合、θ１≦θ２となるように設定する必要がある。これは、光偏向液晶素子１０１で光を曲げることのできる角度θ１は原理上一定であるのに対して、光偏向液晶素子１０２で光を曲げることのできる角度は、印加電圧を制御することにより０°から最大角度θ２まで連続的に変化させることが可能であるからである。 Further, the angle at which light is bent is θ1 ≦ θ2, where θ1 is the angle at which light can be bent by the light deflecting liquid crystal element 101, and θ2 is the maximum angle at which light can be bent by the light deflecting liquid crystal element 102. It is necessary to set as follows. This is because the angle θ1 at which light can be bent by the light deflecting liquid crystal element 101 is constant in principle, whereas the angle at which light can be bent by the light deflecting liquid crystal element 102 is controlled by controlling the applied voltage. This is because it can be continuously changed from 0 ° to the maximum angle θ2.
また、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２は、光を曲げることのできる偏光方向が直交するように設計される。すなわち、光偏向液晶素子１０１の微細形状パターン４と液晶層１５との界面における液晶配向方向と、光偏向液晶素子１０２のマイクロプリズム３と液晶層１５との界面における液晶配向方向とが互いに直交するように、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２を積層する。 The light deflecting liquid crystal element 101 and the light deflecting liquid crystal element 102 are designed so that the polarization directions capable of bending the light are orthogonal. That is, the liquid crystal alignment direction at the interface between the fine pattern 4 of the light deflection liquid crystal element 101 and the liquid crystal layer 15 and the liquid crystal alignment direction at the interface between the microprism 3 of the light deflection liquid crystal element 102 and the liquid crystal layer 15 are orthogonal to each other. Thus, the light deflection liquid crystal element 101 and the light deflection liquid crystal element 102 are stacked.
また、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２のセルギャップ（液晶層１５の厚さ）は同一でもよいし、異なっていてもよい。但し、セルギャップが大きく異なると、それぞれの素子の応答速度が異なってしまうので、その観点からはセルギャップを同一又はほぼ同一とすることが好ましい。なお、応答速度以外の性能はセルギャップが変わってもほとんど変化しない。 The cell gap (the thickness of the liquid crystal layer 15) of the light deflection liquid crystal element 101 and the light deflection liquid crystal element 102 may be the same or different. However, if the cell gap is greatly different, the response speed of each element will be different. From this point of view, it is preferable to make the cell gap the same or almost the same. Note that performance other than response speed hardly changes even if the cell gap changes.
また、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２で用いる液晶は同一のものでも別のものでもよい。特に屈折角や１次回折角を液晶材料により調整することができるため、それぞれの素子により曲げられる角度が変わる場合にはΔｎの異なる液晶材料を注入して調整してもよい。なお、液晶の注入方法は真空注入に限らず、例えばＯｎｅＤｒｏｐ Ｆｉｌｌ（ＯＤＦ）法を用いてもよい。ＯＤＦで作製した場合、注入口のない素子ができる。小型素子の場合には特に生産性に優れるという利点がある。 The liquid crystal used in the light deflection liquid crystal element 101 and the light deflection liquid crystal element 102 may be the same or different. In particular, since the refraction angle and the first-order diffraction angle can be adjusted by the liquid crystal material, when the angle bent by each element changes, the liquid crystal material having a different Δn may be injected and adjusted. Note that the liquid crystal injection method is not limited to vacuum injection, and, for example, a One Drop Fill (ODF) method may be used. When manufactured by ODF, an element without an injection port is formed. In the case of a small element, there is an advantage that the productivity is particularly excellent.
なお、上述の実施例では、微細形状パターン４又はマイクロプリズム３を形成する側のガラス基板１１に配向膜１３を形成し、配向処理を行ったが、配向膜１３又は配向膜１３に対する積極的な配向処理を省略することもできる。この場合にも均一配向が得られることが確認できた。この場合、対向基板２１側の配向膜２３に対しては、ラビングなどの積極的配向処理を行うことが望ましい。 In the above-described embodiment, the alignment film 13 is formed on the glass substrate 11 on the side where the fine pattern 4 or the microprism 3 is to be formed, and the alignment treatment is performed. The alignment treatment can be omitted. Even in this case, it was confirmed that uniform alignment was obtained. In this case, it is desirable to perform a positive alignment process such as rubbing on the alignment film 23 on the counter substrate 21 side.
微細形状パターン４及びマイクロプリズム３に方位角的な異方性がある場合には、その異方性により液晶分子が並びやすい方向を実験などにより確認し、対向基板２１側の配向膜２３に行う配向処理の方向は液晶中にカイラル材を添加しない場合は、微細形状パターン４及びマイクロプリズム３により液晶分子が並びやすい方向と重ね合わせたときに平行になるように実施することが望ましい。また、カイラル材を添加する場合は、添加するカイラル材の自然ピッチと液晶素子のセル厚との関係により得られる上下基板間のねじれ角を考慮し、微細形状パターン４及びマイクロプリズム３により液晶分子が並びやすい方向からねじれ角分だけずらした方向に配向処理を行うことが望ましい。なお、上述の実施例では、配向処理としてラビングを行ったが、光配向を用いてもよい。 When the fine pattern 4 and the microprism 3 have an azimuthal anisotropy, the direction in which liquid crystal molecules are likely to be aligned due to the anisotropy is confirmed by an experiment or the like, and is performed on the alignment film 23 on the counter substrate 21 side. When the chiral material is not added to the liquid crystal, it is desirable that the alignment process be performed in parallel with the direction in which the liquid crystal molecules are easily arranged by the fine pattern 4 and the microprism 3. In addition, when adding a chiral material, the liquid crystal molecules are formed by the fine shape pattern 4 and the microprism 3 in consideration of the twist angle between the upper and lower substrates obtained from the relationship between the natural pitch of the added chiral material and the cell thickness of the liquid crystal element. It is desirable to perform the orientation treatment in a direction shifted by the twist angle from the direction in which the films are easily arranged. In the above-described embodiment, rubbing is performed as the alignment treatment, but photo-alignment may be used.
なお、上述の実施例では、左右の投影像６０Ｌ及び６０Ｒは、中心の投影像６０Ｃに対して左右方向に５°程度曲げられるようにしたが、この角度はこれに限るものではない。左右に光が曲がる角度を小さくして、例えば、図１０に示すように、電圧ＯＦＦ時には２つの投影像に分けるのではなく、１つの横長の投影像となるようにしてもよい。また、光の曲がる方向は左右に限らず上下や斜め方向でもよい。さらに、光源５１の光を２つに分割するのではなく、左右又は上下等の１つの方向のみに光を曲げるようにしてもよい。この場合、例えば、図１１に示すように、マイクロプリズム３の形状をプリズム３ａの全てが一方向に向いて並ぶようにし、微細形状パターン４も１次光が一方向のみに回折するように光学設計する。 In the above-described embodiment, the left and right projection images 60L and 60R are bent about 5 ° in the left-right direction with respect to the center projection image 60C, but this angle is not limited thereto. For example, as shown in FIG. 10, the angle at which the light bends to the left and right may be reduced to be one horizontally long projected image instead of being divided into two projected images when the voltage is OFF. Further, the direction in which the light bends is not limited to the left and right, but may be the up and down or the oblique direction. Furthermore, the light from the light source 51 may not be divided into two, but may be bent only in one direction such as left and right or up and down. In this case, for example, as shown in FIG. 11, the shape of the microprism 3 is arranged so that all the prisms 3a are aligned in one direction, and the fine shape pattern 4 is also optical so that the primary light is diffracted only in one direction. design.
以上、本発明の実施例によれば、光源５１の光を光偏光液晶素子１０１又は光学系２００により、機械的な作動部なしに、電圧オフとオンとで曲げることができる。機械的な動作部がないので、小型軽量化が可能であり、信頼性も向上する。さらに、消費電力も極めて少なくすることが可能である。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the light of the light source 51 can be bent by the light polarization liquid crystal element 101 or the optical system 200 between the voltage off and the on without the mechanical operation unit. Since there is no mechanical operating part, it is possible to reduce the size and weight and improve the reliability. Furthermore, power consumption can be extremely reduced.
また、光を回折させる光偏光液晶素子１０１と屈折させる光偏光液晶素子１０２とを組み合わせることにより、それぞれの素子で光を曲げたときに起こる色分離を打ち消すことが可能となる。したがって、白色ＬＥＤをはじめとする様々な光源に対し、色分離することなく配光制御可能な光学系を提供することができる。 Further, by combining the light polarization liquid crystal element 101 that diffracts light and the light polarization liquid crystal element 102 that refracts light, it is possible to cancel the color separation that occurs when the light is bent by each element. Therefore, it is possible to provide an optical system capable of controlling light distribution without color separation for various light sources including white LEDs.
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
３…マイクロプリズム、４…微細形状パターン、１１，２１…ガラス基板、１２，２２…透明電極、１３，２３…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、５１…光源、５２…電圧供給装置（駆動回路）、５３…スクリーン、５４…偏光板、６０，６１，６２…投影像、１０１，１０２…光偏光液晶素子、２００…光学系 DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Micro prism, 4 ... Fine shape pattern, 11, 21 ... Glass substrate, 12, 22 ... Transparent electrode, 13, 23 ... Orientation film, 14 ... Gap control agent, 15 ... Liquid crystal layer, 16 ... Main seal, 51 ... Light source, 52 ... Voltage supply device (drive circuit), 53 ... Screen, 54 ... Polarizing plate, 60, 61, 62 ... Projected image, 101, 102 ... Light polarization liquid crystal element, 200 ... Optical system
Claims (3)
相互に対向する一対の第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に電圧を印加する一対の第１及び第２の透明電極と、前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、液晶分子を有する第１の液晶層と、前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方に形成される微細形状パターンとを含み、前記光源からの光線を、前記第１及び第２の透明電極に印加される電圧に従い、一定方向に、一定角度で曲げることが可能な第１の光偏向液晶素子と、
相互に対向する一対の第３及び第４の透明基板と、前記第３及び第４の透明基板間に電圧を印加する一対の第３及び第４の透明電極と、前記第３及び第４の透明基板間に挟まれ、液晶分子を有する第２の液晶層と、前記第３及び第４の透明基板の少なくとも一方に形成されるマイクロプリズムとを含み、前記第１の光変更液晶素子と同一光路上に配置され、前記光源からの光線を、前記第３及び第４の透明電極に印加される電圧に従い、前記一定方向と同一方向に、前記一定角度を含む範囲で曲げることが可能な第２の光偏向液晶素子と、
前記第１〜第４の透明電極に前記電圧を印加することにより、前記微細形状パターンと前記第１の液晶層との間の光学的界面及び、前記マイクロプリズムと前記第２の液晶層との間の光学的界面をそれぞれ変化させることにより、前記光源からの光線の配光を制御する駆動回路と
を有する光学系。 A light source;
A pair of first and second transparent substrates facing each other, a pair of first and second transparent electrodes for applying a voltage between the first and second transparent substrates, and the first and second transparent substrates A first liquid crystal layer sandwiched between transparent substrates and having a liquid crystal molecule; and a fine pattern formed on at least one of the first and second transparent substrates. A first light deflecting liquid crystal element that can be bent in a certain direction and at a certain angle in accordance with a voltage applied to the first and second transparent electrodes;
A pair of third and fourth transparent substrates facing each other, a pair of third and fourth transparent electrodes for applying a voltage between the third and fourth transparent substrates, and the third and fourth electrodes A second liquid crystal layer sandwiched between transparent substrates and having liquid crystal molecules; and a microprism formed on at least one of the third and fourth transparent substrates, the same as the first light changing liquid crystal element A first light beam disposed on the optical path and capable of bending a light beam from the light source in the same direction as the constant direction within a range including the constant angle according to a voltage applied to the third and fourth transparent electrodes. Two light deflecting liquid crystal elements;
By applying the voltage to the first to fourth transparent electrodes, an optical interface between the fine pattern and the first liquid crystal layer, and the microprism and the second liquid crystal layer And an optical system having a drive circuit for controlling the light distribution of the light beam from the light source by changing the optical interface therebetween.
前記第２の光偏向液晶素子の前記マイクロプリズムは、断面が片鋸形状である請求項１又は２記載の光学系。 The fine pattern of the first light deflection liquid crystal element is a grating on a line,
3. The optical system according to claim 1, wherein the microprism of the second light deflection liquid crystal element has a saw-tooth cross section.
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