JP2014178549A - 液晶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子を備えた液晶装置にあって、特に、変調素子を所定の温度に適切に維持する液晶装置を提供する。
【解決手段】一対の基板間に液晶を挟持した液晶セル（光変調素子１６）の外側にヒータ１２，１４を設けた液晶装置１であって、ヒータ１２，１４には、液晶セル１６に光を透過させる開口部１４１ａ、１２１ａを有し、基板とヒータとの間には伝熱性透明部材１３，１５を備えたことを特徴とする。また、ヒータ１２，１４と伝熱性透明部材１３，１５は、液晶セルの外側それぞれ両面に設けたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子を備えた液晶装置にあって、特に、一対のガラスとその間に液晶層を有する液晶セルからなる光変調素子を所定の温度に維持する液晶装置に関する。

従来の液晶装置には、赤外線のシャッタとして形成された液晶セルの調光特性を雰囲気温度によらず一定に保つことを目的として液晶セルの基板にヒータを施したものがある（例えば、特許文献１参照。）。

すなわち、基板の赤外線透過部分を除いた外表面に絶縁膜が形成され、絶縁膜上に液晶を一定温度に保つように制御されるセラミックスヒータ膜が形成されている。従って、液晶セルにサーミスタや熱電対等の測温素子を設けて、セラミクスヒータ膜に通電して液晶セルの温度が雰囲気温度にかかわらず一定の温度４０℃に制御されることで液晶装置の変調率を安定した値に保つことを可能としている。

実公平４―８１０１８公報

しかしながら、特許文献１に示す従来の赤外線センサのシャッタに用いられる液晶セルに対する温度調節は、液晶基板が直接外気と接触しているため、周辺の雰囲気温度に影響される問題があった。
そして、液晶基板のヒータ形成部とヒータのない赤外線透過部とに温度勾配が生じて動作が不安定になりやすい問題があった。更に、特許文献１には液晶装置として重要な要素である液晶の温度に対する応答性に関する技術がなんら開示されていない。

本発明の目的は、液晶セルからなる光変調素子を有する液晶装置の良好な応答性及び安定した調光特性を可能にするため、光変調素子を所定温度に維持する液晶装置を提供するものである。

本発明の液晶装置は、上記目的を達成するために、下記記載の構成を採用するものである。

一対の基板間に液晶を挟持した液晶セルの外側にヒータを設けた液晶装置であって、ヒータには液晶セルに光を透過させる開口部を有し、基板とヒータとの間には伝熱性透明部材を備えたことを特徴とする。

本発明に係る液晶装置は、上記構成に加えて、ヒータと伝熱性透明部材は、液晶セルの外側それぞれ両面に設けたことを特徴とする。

本発明に係る液晶装置は、上記構成に加えて、液晶セルは、複数重ねて配置され、ヒータと伝熱性透明部材は、最外側の液晶セルの外側にそれぞれ両面に設けたことを特徴とする。

本発明に係る液晶装置は、上記構成に加えて、ヒータを制御する温度センサが液晶セルの側面に設けたことを特徴とする。

以上のように本発明の液晶装置によれば、液晶セルの基板とヒータの間に伝熱性透明部材を配置したので、ヒータと伝熱性透明部材の内側に液晶セルが収納され、いわゆる閉空間に液晶セルが配置されるので、液晶セルは、伝熱性透明部材に周囲環境から保護される構成であり、直接外気と直接触れることなく雰囲気温度の影響を受けることがない。また、複数の液晶セルを組み合わせた光変調素子であっても、液晶セルの温度を直接測定することによって、所定の温度に維持することが容易で、応答性の良好な優れた調光特性の構造化照明光を出射する液晶装置を提供することが可能である。

本発明の実施例１における液晶装置に係る斜視図である。 本発明の実施例１における液晶装置に係る分解斜視図である。 本発明の実施例１における液晶装置の図１のＡ−Ａ断面で、構成を詳細に説明するための端面図である。 本発明の実施例２における液晶装置の図３と同様の端面図で、構成を詳細に説明するための端面図である。

以下、本発明の実施例１を図面に基づいて具体的に説明する。なお、以下に説明する実施例において、いわゆる、対物レンズの解像限界よりも高い解像度で試料の構造を解析可能とする顕微鏡装置に用いられる構造化照明光を形成する液晶装置の例で説明する。

図１〜図３は、本発明の実施例１の液晶装置の構成を説明するための図面であり、図１は、この液晶装置の外観を説明するための斜視図であり、図２は、液晶装置を光軸Ｘ−Ｘ方向に分解してその構成を説明するため分解斜視図であり、図３（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面の端面図であり、図３（ｂ）は、液晶装置から光変調素子を分離して内部構造を説明するためのＡ−Ａ断面の端面図である。
［液晶装置１の全体構成：図１〜図３］
図１に示すように、実施例１の液晶装置１は、外観は筐体１１と一対のヒータ１２、１４で構成されており、光軸Ｘ−Ｘに沿って入射光である直線偏光の照明光Ｌ１が、液晶装置１に内蔵された複数の液晶セルからなる光変調素子によって、位相及び偏光方向を調節し、出射光として構造化照明光Ｌ２を出射する。

図２に示すように、液晶装置１は、筐体１１、入射光側のヒータ１２、伝熱性透明部材１３、光変調素子１６、スペーサ１８、出射光側のヒータ１４、伝熱性透明部材１５と、サーミスタ１９から構成されている。

ヒータ１２は、ペルチェ素子１２１とヒートシンク１２２からなり、ペルチェ素子１２１とヒートシンク１２２は、それぞれ光軸Ｘ−Ｘを中心軸として円柱形状の開口部１２１ａ、１２２ａを形成して、入射光側の照明光Ｌ１（図１参照）の透過を可能にしている。以下、各部材に形成されるそれぞれの開口部は、上記ペルチェ素子１２１の開口部１２１ａと同様に光軸Ｘ−Ｘを中心軸として同一径の円柱形状で形成されている。

同様に、ヒータ１４は、ペルチェ素子１４１とヒートシンク１４２からなり、それぞれ開口部１４１ａ、１４２ａを有して、出射光である構造化照明光Ｌ２（図１参照）の透過を可能にしている。ヒータ１２とヒータ１４の構成部材は、異なる符号を付しているが、
理解しやすくするためであって、同一形状、同一材質である。

入射光側の伝熱性透明部材１３は、例えば、材質が液晶セルに用いられるガラスで、その両面にＡＲコート処理が施されて照明光Ｌ１の透過を容易にしている部材であって、ペルチェ素子１２１の開口部１２１ａを塞ぐように熱伝導性粘着テープでペルチェ素子１２１に固着され、液晶装置１の入射光側の内側と外側の境界を形成している。

出射光側の伝熱性透明部材１５も同様の材質であって、ペルチェ素子１４１の開口部１４１ａを塞ぐように熱伝導性粘着テープでペルチェ素子１４１に固着され、出射光側の内側と外側の境界を形成している。

伝熱性透明部材１３、１５は、ペルチェ素子１２１、１４１により直接温められて、開口部１２１ａ、１４１ａに相当する部分もまんべんなく加熱することが可能となる。そして、この伝熱性透明部材１３、１５の材質は、液晶セル用のガラスの他、熱伝導性のより良好なサファイヤガラスなどにＡＲコート処理をしたものが更に好ましい。

筐体１１は、光軸Ｘ−Ｘに垂直な面で入射光側に隔壁１１１が形成され、この隔壁１１１に入射光が透過する開口部１１１ａが形成されている。そして、この隔壁１１１を境界として、入射光側には、伝熱性透明部材１３の貼り付けられたヒータ１２と、出射光側には、光変調素子１６とスペーサ１８と伝熱性透明部材１５の貼り付けられたヒータ１４がそれぞれ配設されている。なお、筐体１１の材質は、熱伝導性の良好なアルミに黒色アルマイト処理をした部材が好ましい。黒アルマイト処理を行うのは、余計な迷光を生じさせないためである。

スペーサ１８は、筐体１１と同様の材質であって、光変調素子１６を筐体１１の隔壁１１１と、出射光側のヒータ１４に貼り付けられた伝熱性透明部材１５の間で挟持可能な厚さに形成され、そして、光変調素子１６から出射した構造化照明光Ｌ２が透過する開口部１８ａが形成されている。

出射光側のペルチェ素子１４１は、筐体１１の出射光側の沈み部１１３の面に熱伝導性粘着テープで固着されて、光変調素子１６とスペーサ１８と伝熱性透明部材１５を隔壁１１１とで挟持し、そして、その沈み部１１３がペルチェ素子１４１の熱を筐体１１に伝熱する構成である。入射光側のペルチェ素子１２１と筐体１１については後述の図３で説明する。

温度センサであるサーミスタ１９は、筐体１１の一方の側壁から挿入されて、サーミスタ押えネジ１９１で光変調素子１６の側面に押圧されて固定されている。そして、サーミスタ１９の検出信号によって、不図示の温度制御電子回路でペルチェ素子１２１、１４１に通電して光変調素子１６の温度を所定の温度、例えば、６０℃に維持する機能を有している。

図３（ａ）（ｂ）で構成を更に詳細に説明する。図３（ａ）に示すように、照明光Ｌ１は、光軸Ｘ−Ｘに沿って液晶装置１に入射し、ヒータ１２の開口部１２２ａ、１２１ａを透過し、そして、伝熱性透明部材１３と隔壁１１１の開口部１１１ａを透過して光変調素子１６に達する。そして、光変調素子１６を透過して形成された構造化照明光Ｌ２は、スペーサ１８の開口部１８ａを透過し、伝熱性透明部材１５とヒータ１４の開口部１４１ａ、１４２ａを透過し、構造化照明光Ｌ２を出射する。

サーミスタ１９は、光変調素子１６の側面に先端が断熱材からなるサーミスタ押えネジ１９１により押圧されて光変調素子１６に密着固定され、計測した温度を検出信号に変換
して不図示の温度制御電子回路でペルチェ素子１２１、１４１の温度を制御する。

図３（ｂ）は、図３（ａ）で内蔵していた光変調素子１６を外したもので、光変調素子１６のない液晶装置１の端面図と、その下方の図は、光変調素子１６の端面図である。
図３（ｂ）に示すように、液晶装置１の入射光側は、伝熱性透明部材１３が固着されたペルチェ素子１２１の端面と、筐体１１の沈み部１１２が熱伝導性粘着テープで固着され、同様に、出射光側は、上述したように、伝熱性透明部材１５が固着されたペルチェ素子１４１の端面と、筐体１１の沈み部１１３が熱伝導性粘着テープで固着され、それによって、液晶装置１の内部に閉空間２０が形成される。

そして、この閉空間２０に収められる光変調素子１６は、入射光側については隔壁１１１で伝熱性透明部材１３との間に隙間が形成され、出射光側についてはスペーサ１８で伝熱性透明部材１５との間に隙間が形成されている。隔壁１１１とスペーサ１８は、例えば、同じアルミ材質で、同じ厚さに構成され、入射光側のペルチェ素子１２１と出射光側のペルチェ素子１４１からの光変調素子１６への熱伝導が均等であるように構成されている。ここで、光変調素子１６と伝熱性透明部材１３との間に隙間を設けたが、直接接触させても構わない。しかしながら、この隙間を形成することで、伝熱性透明部材１３、１５がヒータにより温められて、開口部をまんべんなく加熱できる一方、光変調素子１６は、伝熱性透明部材１３、１５と直接接触することがなく、モアレ等を発生させないという効果を生じる。

このように、光変調素子１６は、閉空間２０の安定した環境の中に配設され、外気に直接曝されることなく、所定の温度の維持や制御が可能となり、良好な応答性を有する優れた調光特性の構造化照明光を形成する液晶装置を提供することが可能となる。

光変調素子１６は、３組の１次回折光と０次回折光のうち透過させる回折光を選択するシャッタ素子の液晶セル１６１と偏光板１６２と、選択的に透過された各次の回折光間の位相差を調節する位相変調素子の液晶セル１６３、及び、選択的に透過された各次の回折光と１次の回折光の偏光面の向きを調節する偏光面回転素子の液晶セル１６４，１６５により構成されている。また、それぞれの液晶セルは、一対の基板間に液晶層が挟持された構成である。

高解像顕微鏡において、超解像画像を生成するためには、光変調素子１６より出射する構造化照明光Ｌ２の回折光間の位相差そして回折光の方向を変えたモアレ縞の画像の撮影が複数回必要である。従って、超解像画像の生成に要する時間を短縮するためには、液晶セルの立ち上がり応答性が常温より数倍向上する温度６０℃に光変調素子１６を維持し、液晶の良好な応答性によって位相及び偏光方向の高速の切替えを可能にすることである。そのため温度制御は、サーミスタ１９とヒータ１２、１４と不図示の温度制御電子回路によって形成される。

すなわち、本発明の液晶装置１は、ヒータ１２、１４と熱伝導性の良好な材質である筐体１１と伝熱性透明部材１３、１５によって形成された閉空間２０の中に複数の液晶セルを有する光変調素子１６を内蔵することで、光変調素子１６は、直接外気に曝されることなく、安定した温度の維持、制御が可能となり、良好な応答性を有する優れた調光特性の構造化照明光を形成する液晶装置を提供することが可能となる。

更に、光変調素子１６の温度をサーミスタ１９で直接測定し、温度制御電子回路でヒータ１２、１４にフィードバックすることにより、精度の高い温度管理が可能となり、良好な応答性を有する優れた調光特性の構造化照明光を形成する液晶装置を提供することが可能となる。

言い換えると、本発明の液晶装置１は、筐体内に収納した複数の液晶セルからなる光変調素子１６の両面の最外側にそれぞれ伝熱性透明部材１３，１５を設け、更に、伝熱性透明部材１３、１５の外側それぞれにヒータ１２、１４を設け、筐体１１とヒータ１２、１４と伝熱性透明部材１３、１５で形成された閉空間２０の中に光変調素子１６が内蔵される構造である。そして、ヒータ１２、１４の熱が筐体１１及び伝熱性透明部材１３、１５に伝熱して、閉空間２０そして光変調素子１６を、所定の温度に加熱維持する。すなわち、光変調素子１６は、直接外気と接触しないため、周辺の雰囲気温度に影響されることがなく、光変調素子１６の温度を安定に容易に制御することが可能となり、良好な応答性を有する優れた調光特性の構造化照明光を形成する液晶装置１を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施例２の液晶装置２を図面に基づいて具体的に説明する。実施例２の実施例１と異なるところは、実施例１の液晶装置１は複数の液晶セルからなる光変調素子であって、実施例２の液晶装置２は、単個の液晶セルからなる光変調素子が内蔵される構成であり、外観は全く同一である。また、この光変調素子は、光学装置内で収差補正素子として機能する液晶装置の例で説明する。

本実施例の液晶装置２は、外観の斜視図と、光変調素子が異なるだけの分解斜視図を省略し、図３と同様の端面図の図４（ａ）（ｂ）で構成を説明する。従って、他の構成は全く同一であり、重複する構成部材の説明は省略する。
［液晶装置２の全体構成：図４］
図４（ａ）に示すように、実施例２の液晶装置２は、実施例１と同様に、外観は筐体１１と一対のヒータ１２、１４で構成されている。光軸Ｘ−Ｘに沿って、入射光Ｌ１が、液晶装置２の光変調素子１７に入射し、その光変調素子１７に内蔵された単個の液晶セルの特性に従って、入射光の収差補正を行い、出射光Ｌ２を出射する。

サーミスタ１９は、液晶装置１と同様に、光変調素子１７の側面に先端部が断熱材からなるサーミスタ押えネジ１９１により押圧されて光変調素子１７の温度を計測し、その検出信号によって不図示の温度制御電子回路でヒータ１２、１４の温度を制御する。

そして、その温度は、上述したように、液晶セルの立ち上がり応答性が常温より数倍向上する温度６０℃に光変調素子１７の温度を設定している。

図４（ｂ）は、図４（ａ）で内蔵していた光変調素子１７を外したもので、光変調素子１７のない液晶装置２の端面図と、その下方の図は、光変調素子１７の端面図である。

図４（ｂ）に示すように、液晶装置２から内蔵していた光変調素子１７を外した図は、図３（ｂ）に示す液晶装置１と全く同一の構成であって、全く同じ閉空間２０が形成されている。そして、光変調素子１７は、単個の液晶セル１７１を開口部１７２ａを有する２個のスペーサ１７２で挟持されて、液晶装置１の光変調素子１６と互換性を有する厚さに、スペーサ１７２の厚さを調整して形成されている。液晶セル１７１における液晶層は、先の実施例で用いた複数の液晶セルの個々の液晶層よりも厚く形成されている。一般に液晶層が厚いと、応答性が低下するが、ヒータで加温することで、応答性を向上することができる。

また、単個の液晶セルは、先の実施例のように複数枚の液晶セルを重ねた場合に比べ、厚さが薄いので、サーミスタ１９との接触面積が小さいから、光変調素子１７の厚さは、サーミスタ１９で押圧しやすい厚さにまで、スペーサ１７２の厚さを調整して補うことが
好ましい。

すなわち、本発明の液晶装置２は、液晶装置１と同様に、筐体１１とヒータ１２、１４と伝熱性透明部材１３、１５によって形成された閉空間２０の中に、単個の液晶セルを有する光変調素子１７を内蔵することで、液晶セル１７１は、外気に曝されることなく、サーミスタ１９と不図示の温度制御電子回路とヒータ１２，１４によって、安定した温度の維持、制御が可能となり、良好な応答性を有する優れた調光特性の構造化照明光を形成する液晶装置を提供することが可能である。

なお、本実施例の液晶装置２は、先の実施例の液晶装置１と光変調素子の互換性を優先する構成としたが、各部材の厚さ寸法を薄くして閉空間の容量を小さくすることで、温度制御をより容易にすることも可能である。

また、何れの実施例においてもヒータと伝熱性透明部材を液晶セルの外側両面にそれぞれ配置したが、液晶セルの厚さが薄い場合には、片面側にのみヒータと伝熱性透明部材を配置することでも構わない。液晶セルが薄ければ、片側だけでも充分に液晶セルを加熱することが可能である。

なお、本発明は、上述した液晶装置の実施例に限定されることはなく、それらの全てを行う必要もなく、特許請求の範囲の各請求項に記載した内容の範囲で種々に変更や省略をすることが出来ることは言うまでもない。

１、２：液晶装置
１１：筐体
１２、１４：ヒータ
１３、１５：伝熱性透明部材
１６、１７：光変調素子
１８：スペーサ
１８ａ：開口部
１９：サーミスタ
２０：閉空間
１１１：隔壁
１１１ａ：開口部
１１２、１１３：沈み部
１２１、１４１：ペルチェ素子
１２２、１４２：ヒートシンク
１２１ａ、１２２ａ：開口部
１４１ａ、１４２ａ：開口部
１６１、１６３、１６４、１６５、１７１：液晶セル
１６２：偏光板
１７２：スペーサ
１７２ａ：開口部
１９１：サーミスタ押えネジ

Claims (5)

1. 一対の基板間に液晶を挟持した液晶セルの外側にヒータを設けた液晶装置であって、前記ヒータには前記液晶セルに光を透過させる開口部を有し、前記基板と前記ヒータとの間には伝熱性透明部材を備えたことを特徴とする液晶装置。
2. 前記ヒータと前記伝熱性透明部材は、前記液晶セルの外側それぞれ両面に設けたことを特徴とする請求項１記載の液晶装置。
3. 前記液晶セルは、複数重ねて配置され、前記ヒータと前記伝熱性透明部材は、最外側の前記液晶セルの外側のそれぞれ両面に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の液晶装置。
4. 前記液晶セルと前記伝熱性透明部材との間には、隙間が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の液晶装置。
5. 前記ヒータを制御する温度センサが前記液晶セルの側面に設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の液晶装置。

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