JP2019174553A - 液晶素子を用いた光学装置並びにこれを用いた透過型スクリーン及び配向制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶層内の液晶分子の配向方向にかかわらず所望の光学的特性を実現することが可能な液晶素子を用いた光学装置を提供する。【解決手段】本発明の光学装置１０は、１の方向に液晶分子が配向されている液晶層と、前記液晶層の一方の面上に配され、他の方向に沿って各々が伸長しておりかつ互いに共通電位になされている複数の第１の電極１３Ｂと、前記液晶層の前記一方の面上に配され、前記複数の第１の電極部の隣り合う各々の間において前記他の方向に沿って各々が伸長しておりかつ互いに共通電位になされている複数の第２の電極１５Ｂと、前記第１の電極と前記第２の電極との間に交流電圧を印加する駆動回路１６と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、液晶素子を用いた光学装置に関する。

近年、例えば、液体のような流動性を有し、電気光学的特性に異方性を有する液晶を含む液晶層に電圧を印加して、屈折率を変化させることでレンズ効果等の光学的効果を生み出す電圧可変型の液晶レンズ素子等を用いた光学素子またはビーム生成デバイスが提案されている（特許文献１、引用文献２）。

特開２０１４−８１４１９号 特表２０１０−５２５３８８号

特許文献１または２に記載されているような液晶素子において、液晶分子の配向と電極パターンとの関係によっては、電極に電圧を印加した場合に所望の光学的特性が得られない場合があることが課題の一例として挙げられる。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、液晶層内の液晶分子の配向方向にかかわらず所望の光学的特性を実現することが可能な液晶素子を用いた光学装置を提供することを課題の１つとしている。

請求項１に記載の発明は、１の方向に液晶分子が配向されている液晶層と、前記液晶層の一方の面上に配され、他の方向に沿って各々が伸長しておりかつ互いに共通電位になされている複数の第１の電極と、前記液晶層の前記一方の面上に配され、前記複数の第１の電極部の隣り合う各々の間において前記他の方向に沿って各々が伸長しておりかつ互いに共通電位になされている複数の第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に交流電圧を印加する駆動回路と、を含むことを特徴とする光学装置である。

実施例１の光学装置の上面図である。 液晶素子の断面図である。 液晶素子の駆動時に電極に印加する電圧の変化を示すグラフである。 液晶素子の駆動時における断面図である。 液晶素子からの出射光の強度を表すグラフを示す図である。 液晶素子からの出射光の強度を表すグラフを示す図である。 液晶素子の駆動時に電極に印加する電圧の変化を示すグラフである。 変形例の光学装置の上面図である。 実施例１の光学装置を用いた液晶スクリーン装置の斜視図である。

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。以下の説明においては、液晶層としてネマティック液晶を含む液晶層を用いる場合を例に説明する。

［装置構成］
以下、図１及び図２を参照して、本願の実施例１に係る光学装置１０の構成を説明する。図１は、実施例１に係る光学装置１０の上面図である。

図１に示すように、光学装置１０は、平面形状が矩形の板形状を有している液晶素子１１を含んでいる。液晶素子１１の最上部には、透明ガラス板等の透光性基板からなる上部基板１２が配されている。以下、上面から見て液晶素子１１の１の辺ＳＤに沿った方向をＸ方向、当該１の辺と垂直な辺に沿った方向をＹ方向、上部基板１２の上面、すなわち液晶素子１１の上面１１Ｓと垂直な方向をＺ方向として説明する。

第１の電極構造１３は、上部基板１２の下面に形成されている導電体である。第１の電極構造１３は、透光性を有する導電材料、例えば、ＩＴＯまたはＩＺＯで形成されている。図１において、第１の電極構造１３は、本来ならば上部基板１２に隠れているため破線で示すべきだが、その構造を明確にするため実線で示している。

第１の電極構造１３は、上部基板１２または液晶素子１１のＸ方向における一端の端部ＥＰ１から、上部基板１２のＹ方向における両端部の一方（図１における上側の端部）に沿って、上部基板１２のＸ方向における他端の端部ＥＰ２に向かって伸張している配線１３Ａを有している。すなわち、配線１３ＡはＸ方向に沿って伸張している。

また、第１の電極構造１３は、配線１３ＡからＹ方向に沿って伸張している電極１３Ｂを有している。第１の電極としての電極１３Ｂは、Ｘ方向において等間隔に配列されている。電極１３Ｂは、配線１３Ａによって互いに接続されているので、互いに共通電位になされている。

第２の電極構造１５は、上部基板１２の下面に形成されている導電体である。第２の電極構造１５は、透光性を有する導電材料、例えば、ＩＴＯまたはＩＺＯで形成されている。図１において、第２の電極構造１５は、本来ならば上部基板１２に隠れているため破線で示すべきだが、その構造を明確にするため実線で示している。

第２の電極構造１５は、上部基板１２の端部ＥＰから、上部基板１２のＹ方向における両端部の一方（図１における下側の端部）に沿って、上部基板１２の端部ＥＰ２に向かって伸張している配線１５Ａを有している。すなわち、配線１５Ａは、上部基板１２の表面においてＸ方向に伸張している。

また、第２の電極構造１５は、隣り合う電極１３Ｂの間のそれぞれの領域において配線部１５ＡからＹ方向に伸張している電極１５Ｂを有している。実施例１において、第２の電極としての電極１５Ｂは、隣り合う電極１３Ｂの間の各々に２つずつ配されている。電極１５Ｂは、配線１５Ａによって互いに接続されているので、互いに共通電位になされている。

図１に示すように、上部基板１２の下面において、１の電極１３Ｂと２つ１組の電極１５ＢとがＸ方向に沿って互い違いに配列されている。本実施例においては、電極１３Ｂと電極１５Ｂとは同一の幅Ｗを有している。また、本実施例において、電極１３Ｂ及び電極１５Ｂは、間隔Ｌで等間隔に並んでいる。本実施例における電極１３Ｂ及び電極１５Ｂの寸法関係は、電極構造１３及び１５の構成の一例である。

駆動回路１６は、液晶素子１１に対して電圧を印加可能な回路である。駆動回路１６は、ＥＰにおいて第１の電極構造１３の配線１３Ａ及び第２の電極構造１５の配線１５Ａのそれぞれに電気的に接続されている。駆動回路１６は、第１の電極構造１３と第２の電極構造１５に互いに異なる電圧を印加可能である。

図２は、図１の液晶素子１１の２−２線に沿った断面図である。上述したように、液晶素子１１においては、上部基板１２の下面１１Ｓ上に第１の電極構造１３及び第２の電極構造１５が形成されている。

液晶層１７は、上部基板１２と同様の上面形状を有し、上部基板１２の下面及び第１の電極構造１３及び第２の電極構造１５を覆うように設けられている。液晶層１７は、液晶分子ＬＭを含む液晶材料から形成されている層である液晶分子含有層１７Ａ並びに液晶分子含有層１７Ａを挟み込むように形成され、液晶分子ＬＭの所定の配向方向に配向させる配向膜１７Ｂ及び配向膜１７Ｃを含んでいる。

液晶分子含有層１７Ａに含まれる液晶材料には、ネマティック液晶（液晶素子１１の使用温度においてネマティック相）が用いられる。この液晶材料は、正の誘電異方性または負の誘電異方性を有する。本実施例においては、液晶材料が正の誘電異方性を有する場合について説明する。すなわち、本実施例においては、液晶層１７に電圧を印加しない時の液晶分子ＬＭの配列は、図２に示すように、水平配向となっている。

配向膜１７Ｂ及び配向膜１７Ｃは、例えば、ポリイミド系材料からなる膜である。配向膜１７Ｂ及び配向膜１７Ｃは、例えば、液晶分子含有層１７Ａに接する面に、液晶分子ＬＭにホモジニアス配向を生じさせるラビング処理がなされた膜である。

本実施例の液晶素子１１において、液晶分子ＬＭは、上面から見て、すなわち上面１１Ｓと垂直な方向から見て長軸ＬＸが電極１３Ｂ及び１５Ｂの伸長方向であるＹ方向と垂直なＸ方向と平行になるように配向されている。すなわち、液晶素子１１の配向膜１７Ｂ及び配向膜１７Ｃには、Ｘ軸に沿ったラビング処理がなされている。以下、液晶素子１１の上面１１Ｓと垂直な方向から見て、このように電極１３Ｂ及び１５Ｂの伸長方向と液晶分子ＬＭの長軸ＬＸが直交するような液晶分子ＬＭの配向を直交ラビングとも称する。なお、液晶素子１１の上面１１Ｓと垂直な方向から見て、電極１３Ｂ及び１５Ｂの伸長方向と液晶分子ＬＭの長軸ＬＸとが平行となるような液晶分子ＬＭの配向を平行ラビングとも称する。

上述の説明によれば、電極１３Ｂは液晶層１７の一方の面上に配され、液晶分子ＬＭの配向方向とは異なる方向に伸長しているといえる。また、電極１５Ｂは液晶層１７の一方の面上に配され、液晶分子ＬＭの配向方向とは異なる方向に伸長しているといえる。

第３の電極としての共通電極１９は、配向膜１７Ｃの下面全体を覆うように形成された導電体である。すなわち、共通電極１９は、液晶層１７の電極１３Ｂ及び電極１５Ｂが形成されている面と反対側の面に形成されている。また、共通電極１９は、液晶層１７の当該反対側の面において、電極１３Ｂ及び電極１５Ｂが形成されている領域と対向する領域を覆うように連続的に設けられている。

共通電極１９は、透光性を有する導電材料、例えば、ＩＴＯまたはＩＺＯで形成されている。共通電極１９は、接地配線（図示しない）によって接地され、接地電位になされている。

下部基板２１は、液晶素子１１の最下部に配されたガラス基板等の透光性基板である。下部基板２１は、共通電極１９の下面を覆うように設けられている。共通電極１９は、下部基板２１の上面に上記ＩＴＯまたはＩＺＯ等の透明導電体を成膜することで形成されていてもよい。

［動作］
以下に、光学装置１０の動作について説明する。以下の説明においては、液晶素子１１の上面１１Ｓに垂直な方向（Ｚ方向）に平行な平行光を液晶素子１１の下面から照射する場合を例に説明する。なお、当該照射される平行光は液晶素子１１の下面の面内方向において強度が均一であるとする。

図２に示すように、液晶素子１１の第１の電極構造１３及び第２の電極構造１５に電圧を印加していない状態（以下、非駆動状態とも称する）において、液晶分子ＬＭは、Ｘ方向に沿って寝ている状態になっている。非駆動状態において、液晶分子ＬＭの全てが、Ｙ方向から見て一様な状態、すなわち一様な姿勢になされている。

なお、この非駆動状態において、Ｙ方向に沿った方向から見て、液晶分子ＬＭの長軸ＬＸはＸ方向と完全に平行ではない。具体的には、液晶分子ＬＭは、Ｘ方向に対して僅かに傾いている状態（プレチルト状態）になっている、すなわち液晶分子ＬＭの長軸ＬＸは、Ｘ方向に対してラビング処理に起因したプレチルト角を有している。この液晶分子ＬＭの傾きはラビング処理の際に配向膜の表面を擦る方向に起因している。本実施例の液晶素子１１においては、全ての液晶分子ＬＭが端部ＥＰ２に向かって僅かに立ち上がるようなプレチルト状態になっている。

図３は、液晶素子１１の駆動において、駆動回路１６によって電極構造１３及び１５に印加される駆動電圧のグラフを示す図である。図３の（ａ）は、第１の電極構造１３に印加される電圧であり、（ｂ）は第２の電極構造１５に印加される電圧である。図３においては、縦軸を印加電圧、横軸を時間としている。また、駆動電圧の印加開始タイミングをt0として示している。

図３に示すように、第１の電極構造１３及び第２の電極構造１５には、所定の周期で電圧が＋ａＶと−ａＶと間で変化する矩形波の交流電圧または交番電圧が印加されている。また、第１の電極構造１３と第２の電極構造１５には、互いにプラスマイナスが逆転した電圧、すなわち互いに逆極性の電圧が印加されている。すなわち、第１の電極構造１３と第２の電極構造１５とには、互いに逆位相の電圧がかかっている。言い換えれば、駆動回路１６によって、電極１３Ｂと電極１５Ｂとの間に交流電圧が印加されている。

図４に、第１の電極構造１３及び第２の電極構造１５に電圧を印加した状態（以下、駆動状態とも称する）の液晶素子１１、すなわち図３に示した駆動電圧が印加されている状態の液晶素子１１の断面図を示す。図４に示されている液晶分子ＬＭの様子は、概念的なものである。従って、駆動状態においては、液晶分子ＬＭが、必ずしも図４に示したような姿勢となっているとは限らない。

図４に示すように、駆動状態にある液晶素子１１においては、電極１３Ｂ及び電極１５Ｂの直下の領域である領域ＡＲ１にある液晶分子ＬＭが、長軸ＬＸが液晶素子１１の上面１１Ｓに対してほぼ垂直となるように、すなわちＺ方向に沿って起き上がっている。また、ＡＲ１の間にある領域である領域ＡＲ２においては、液晶分子ＬＭがプレチルト状態と比較して立ち上がっておりかつＡＲ１にある液晶分子ＬＭよりは立ち上がっていない状態になっている。

このように、液晶素子１１が駆動状態にある際、領域ＡＲ１と領域ＡＲ２との間で液晶分子ＬＭの状態すなわち姿勢が異なっている。この液晶分子ＬＭの姿勢の差異によって、領域ＡＲ１と領域ＡＲ２との間で屈折率の変化が生ずる。これにより、液晶素子１１は、液晶素子１１をＺ方向に沿って通り抜ける光を図中Ｘ方向に偏向させて拡散させる光学的機能を有することになる。具体的には、例えば、液晶素子１１は、液晶素子１１をＺ方向に沿って通り抜ける光を図中Ｘ方向に偏向させて拡散させるシリンドリカルレンズアレイのような光学的機能を有することになる。

図５は、駆動状態にある液晶素子１１の下方からＸＹ平面内において強度の一様な平行光を照射した際に、液晶素子１１を透過して上面１１Ｓから出射する透過光の強度を示すグラフである。図５のグラフにおいては、液晶素子１１の上面１１Ｓからの透過光の出射角が横軸に取られ、透過光の強度が縦軸に取られている。図５における出射角は、図２の断面図の断面と平行な面に沿った角度である。

図５に示すように、駆動状態にある液晶素子１１を透過した光は、出射角−１０度〜１０度の間で略均一な強度となっている。すなわち、駆動状態にある液晶素子１１を透過した光は、Ｘ方向において光出射面である上面１１Ｓに垂直な軸に対して対称な広がりをもつ均一な光になっている。

このように、本実施例の液晶素子１１を含む光学装置１０によれば、液晶素子１１が駆動状態にある場合において、液晶分子ＬＭの長軸が電極１３Ｂ及び１５Ｂの伸長方向と垂直な方向に配向される液晶素子１１を用いて強度の均一な出射光を得ることが可能である。具体的には、例えば、一定の出射角度に亘って均一な強度の出射光、すなわち均一な散乱光を得ることが可能である。

上記実施例においては、隣り合う電極１３Ｂの間に２本の電極１５Ｂが設けられている場合を例に説明した。しかし、図６に示すように、電極１５Ｂは、隣り合う電極１３Ｂの間に１本だけ設けられていてもよい。この場合であっても、液晶素子１１の駆動時に、均一な散乱光を得ることが可能である。

また、上記実施例においては、電極１３Ｂ及び電極１５Ｂと対向する共通電極１９を設け、共通電極１９を接地する場合を例に説明した。しかし、共通電極１９は接地されていなくともよい。すなわち、共通電極１９が浮遊電位となっていてもよい。

また、共通電極１９はなくてもよい。すなわち、液晶層１７の電極１３Ｂ及び電極１５Ｂから見て反対側の面、すなわち下面付近が浮遊電位となっていてもよい。言い換えれば、液晶層１７の電極１３Ｂ及び電極１５Ｂが形成されている面と反対側の面が浮遊電位になされていてもよい。

図７に、共通電極１９が接地されていない場合または共通電極１９がない場合の駆動電圧の一例のグラフを示す。図７の（ａ）は、第１の電極構造１３に印加される電圧であり、（ｂ）は第２の電極構造１５に印加される電圧である。図６においては、図３と同様に縦軸を印加電圧、横軸を時間としている。また、駆動電圧の印加開始タイミングをt0として示している。

図７に示すように、共通電極１９を接地しない場合または共通電極１９がない場合、電極１５Ｂを０Ｖに固定しつつ、電極１３Ｂに、所定の周期で電圧が−ｂＶとｂＶとの間で周期的に変化する矩形波の電圧を印加してもよい。この場合も、図３に示す駆動電圧を印加した際と同様に、電極１３Ｂと電極１５Ｂとには、交流電圧が印加されているといえる。

図８は、共通電極１９を接地しないかまたは共通電極１９がない液晶素子１１に、液晶素子１１の下方から、ＸＹ平面内において強度の一様な平行光を照射した際の透過光の強度を示すグラフである。図８においては、液晶素子１１に、図７に示した電圧を印加した際の透過光の強度を示している。また、図８においては、図５と同様に液晶素子１１の上面１１Ｓからの透過光の出射角が横軸にとられ、透過光の強度が縦軸に取られている。また、図８における出射角は、図２の断面図の断面と平行な面に沿った角度である。

図８に示すように、この場合であっても、駆動状態にある液晶素子１１を通過した光は、出射角−１０度〜１０度の間で略均一な強度となっている。すなわち、駆動状態にある液晶素子１１を透過した光は、Ｘ方向において光出射面である上面１１Ｓに垂直な軸に対して対称な広がりをもつ均一な光になっている。よって、共通電極１９を接地しない場合または共通電極１９がない場合であっても、共通電極１９を接地した場合と同様の均一な拡散光を得ることが可能である。

なお、図７に示した駆動電圧を印加する場合に、図３に示した駆動電圧を印加した場合と近い透過光を得たい場合には、図７に示す印加電圧の−ｂＶを−２ａＶとしｂＶを２ａＶとする、すなわちｂ＝２ａとなるようになすとよい。

［液晶スクリーン］
図９に、光学装置１０を用いた液晶スクリーン装置３０を示す。図９においては、駆動回路１６は省略している。液晶スクリーン装置３０は、液晶素子１１を２つ重ねて形成されている。

具体的には、液晶スクリーン装置３０は、液晶素子１１と、液晶層以外の構成が液晶素子１１と同一であり、液晶層１７において液晶分子ＬＭが電極１３Ｂ及び１５Ｂの伸長方向に沿って長軸方向が持ち来されるように配列されている、すなわち平行ラビングとなっている液晶素子１１ＰＬとを重ねることで形成されている。

液晶スクリーン装置３０においては、液晶素子１１のラビング方向と液晶素子１１ＰＬのラビング方向が、液晶素子１１の上面１１Ｓと垂直な方向から見て平行になる用に配置されている。すなわち、液晶素子１１と液晶素子１１Ｓとは、図１のＺ軸回りに互いに９０°回転させられて配置されている。光源ＬＳは、一方の液晶素子１１の上面１１Ｓである液晶スクリーン３０の入射面ＥＳに向けて照射光ＥＬを出射するレーザ光源等の光源装置である。

このような液晶スクリーン装置３０によれば、液晶素子１１を駆動させることで、液晶スクリーン３０の入射面ＥＳから入射した照射光ＥＬが互いに直交する２つの方向に偏向されて拡散されるため、当該直交２方向において均一な拡散光を得ることが可能となる。また、液晶素子１１が非駆動状態にある場合には、照射光ＥＬを拡散せずに通過させることが可能である。また、液晶スクリーン装置３０は、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）用のスクリーンとしても用いることが可能である。

なお、液晶素子１１を透過して上面１１Ｓから出射される透過光の出射方向は、図３に示す駆動電圧を変化させることで変化させることが可能である。例えば、電極１３及び電極１５に印加する電圧の矩形波の振幅に差を付けることで、電極１３及び電極１５と垂直な方向、すなわちＸ方向において拡散光の全体としての出射方向を変化させることが可能である。

すなわち、液晶素子１１を含む光学装置１０は、入射した光源からの光の配向を制御する配向制御装置としても用いることが可能である。

上記実施例においては、液晶層１７内における液晶分子ＬＭの配向方向と電極１３Ｂ及び電極１５Ｂの伸長方向とが互いに直交しているとした。しかし、液晶分子ＬＭの配向方向と電極１３Ｂ及び電極１５Ｂの伸長方向とは異なっていればよい。すなわち、液晶分子ＬＭの配向方向と電極１３Ｂ及び電極１５Ｂの伸長方向とは、図１のＺ方向から見て交差していればよい。

上述した実施例における種々の構成、寸法、駆動電圧等は、例示に過ぎず、用途等に応じて適宜選択することができる。

１０ 光学装置
１１ 液晶素子
１２ 上部基板
１３ 第１の電極構造
１３Ａ 配線
１３Ｂ 電極
１５ 第２の電極構造
１５Ａ 配線
１５Ｂ 電極
１６ 駆動回路
１７ 液晶層
１７Ａ 液晶層
１７Ｂ 配向膜
１７Ｃ 配向膜
１９ 共通電極
２１ 下部基板

Claims (9)

1. １の方向に液晶分子が配向されている液晶層と、
   前記液晶層の一方の面上に配され、他の方向に沿って各々が伸長しておりかつ互いに共通電位になされている複数の第１の電極と、
   前記液晶層の前記一方の面上に配され、前記複数の第１の電極部の隣り合う各々の間において前記他の方向に沿って各々が伸長しておりかつ互いに共通電位になされている複数の第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に交流電圧を印加する駆動回路と、
   を含むことを特徴とする光学装置。
2. 前記複数の第１の電極部及び複数の第２の電極部の伸長方向と前記液晶分子の配向方向とは互いに直交していることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記複数の第１の電極部の隣り合う各々の間に、前記第２の電極が２つ配されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記液晶層の他方の面に、前記第１の電極及び前記第２の電極が配されている領域と対向する領域を覆うように連続的に形成されている第３の電極を含んでいることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載光学装置。
5. 前記第３の電極は接地電位になされており、前記駆動回路は前記第１の電極の電位と前記第２の電極の電位とが互いに逆極性となるように交流電圧を印加することを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
6. 前記液晶層の他の面は浮遊電位になされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の光学装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光学装置を用いた透過型スクリーン。
8. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光学装置を用いた光源配向制御装置。
9. １の方向に液晶分子が配向されている液晶層と、
   前記液晶層の一方の面上に配され、他の方向に沿って各々が伸長しておりかつ互いに共通電位になされている複数の第１の電極と、
   前記液晶層の前記一方の面上に配され、前記複数の第１の電極部の隣り合う各々の間において前記他の方向に沿って各々が伸長しておりかつ互いに共通電位になされている複数の第２の電極と、を有する光学装置を、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に交流電圧を印加するように駆動する駆動方法。

Images