JP2020204664A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧で変調可能な光学装置を提供する。【解決手段】光源５０と、光源５０と向かい合う第１側面１１Ｃを備え、第１屈折率を有する第１基板１０と、第１基板１０に対向する第２基板２０と、第１基板１０と第２基板２０との間に設けられ、光学異方性を有する液晶層３０と、を備え、第１基板１０の第１屈折率は、液晶層３０の常光屈折率より大きく、液晶層３０の異常光屈折率とほぼ同等である、光学装置１。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光学装置に関する。

近年、入射光に対して拡散状態と透過状態とを切り替え可能な拡散変調素子を備えた表示装置が提案されている。一例では、拡散変調素子は、光変調層として高分子分散液晶層を備えている。拡散変調素子は、導光板の背後に配置され、導光板の側面から入射した光を拡散または透過するものである。
このような高分子分散液晶層においては、高分子の存在により、液晶分子を駆動するための駆動電圧の増大を招く。このため、消費電力の低減が要望されている。

特開２０１３−８０６４６号公報

本実施形態の目的は、低電圧で変調可能な光学装置を提供することにある。

本実施形態によれば、
光源と、前記光源と向かい合う第１側面を備え、第１屈折率を有する第１基板と、前記第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられ、光学異方性を有する液晶層と、を備え、前記第１基板の第１屈折率は、前記液晶層の常光屈折率より大きく、前記液晶層の異常光屈折率とほぼ同等である、光学装置が提供される。

図１は、本実施形態の光学装置１の一構成例を示す断面図である。 図２は、図１に示した第１電極１２及び第２電極２２の一構成例を示す図である。 図３は、図１に示した第１電極１２及び第２電極２２の他の構成例を示す図である。 図４は、図１に示した第１電極１２及び第２電極２２の他の構成例を示す図である。 図５は、第１電極１２と第２電極２２との間に電界が形成されていないオフ時を説明するための図である。 図６は、第１電極１２と一部の第２電極２２ａとの間に電界が形成されたオン時を説明するための図である。 図７は、ｓ偏光ＳＰＬを液晶層３０に取り出すための一構成例を説明するための図である。 図８は、ｓ偏光ＳＰＬを液晶層３０に取り出すための他の構成例を説明するための図である。 図９は、第２基板２０に到達したｐ偏光ＰＰＬを光学装置１の外部に取り出すための一構成例を説明するための図である。 図１０は、第２基板２０の他の構成例を説明するための図である。 図１１は、第２基板２０の他の構成例を説明するための図である。 図１２は、本実施形態の光学装置１の他の構成例を示す断面図である。 図１３は、第１電極１２と第２電極２２との間に電界が形成されていないオフ時を説明するための図である。 図１４は、第１電極１２と一部の第２電極２２ａとの間に電界が形成されたオン時を説明するための図である。 図１５は、本実施形態の光学装置１の他の構成例を示す断面図である。 図１６は、本実施形態の光学装置１の他の構成例を示す断面図である。 図１７は、本実施形態の光学装置１の他の構成例を示す断面図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は、本実施形態の光学装置１の一構成例を示す断面図である。一例では、第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、及び、第３方向Ｚは、互いに直交しているが、９０度以外の角度で交差していてもよい。第１方向Ｘ及び第２方向Ｙは、光学装置１を構成する基板の主面と平行な方向に相当し、第３方向Ｚは、光学装置１の厚さ方向に相当する。本実施形態においては、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙで規定されるＸ−Ｙ平面を見ることを平面視という。

光学装置１は、第１基板１０と、第２基板２０と、液晶層３０と、シール４０と、光源５０と、を備えている。第２基板２０は、第３方向Ｚにおいて第１基板１０に対向している。第１基板１０及び第２基板２０は、シール４０によって接着されている。液晶層３０は、第１基板１０と第２基板２０との間に設けられ、シール４０によって封止されている。液晶層３０は、光学異方性あるいは屈折率異方性を有する液晶分子３１を含んでいる。図１に拡大して示すように、液晶分子３１の屈折率分布を模式的に示すと、楕円形で表すことができる。このような液晶分子３１に直線偏光が入射するとき、その直線偏光の振動面にかかわらず屈折率が一定である方向を液晶分子３１の光軸Ｏと称する。また、液晶分子３１において光軸Ｏに垂直な方向に進む異常光線の屈折率を液晶層３０の異常光屈折率ｎｅと称し、また、常光線の屈折率を液晶層３０の常光屈折率ｎｏと称する。

第１基板１０は、第１絶縁基板１１と、第１電極１２と、第１配向膜１３と、を備えている。第１絶縁基板１１は、例えばガラス基板等の透明基板である。第１絶縁基板１１は、主面（外面）１１Ａと、主面１１Ａの反対側の主面（内面）１１Ｂと、第１側面１１Ｃと、第１側面１１Ｃの反対側の第２側面１１Ｄと、を有している。主面１１Ａ及び１１Ｂは、例えばＸ−Ｙ平面にほぼ平行な平坦面である。第１側面１１Ｃは、第２方向Ｙにおいて光源５０と向かい合っている。図１に示す例では、主面１１Ａ及び第２側面１１Ｄは、空気層に接しているが、各種薄膜で覆われていてもよい。

第１電極１２は、第１絶縁基板１１上に設けられている。第１電極１２は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）やインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの透明導電材料によって形成された透明電極である。第１配向膜１３は、第１電極１２を覆い、液晶層３０に接している。第１配向膜１３は、Ｘ−Ｙ平面に略平行な配向規制力を有する水平配向膜である。一例では、第１配向膜１３は、第２方向Ｙに沿って配向処理されている。なお、配向処理とは、ラビング処理であってもよいし、光配向処理であってもよい。

第１絶縁基板１１は、１．６以上の屈折率を有する基板であり、高屈折率導光層として機能する。
第１電極１２及び第１配向膜１３の第３方向Ｚに沿った厚さは、第１基板１０を透過する光の波長（可視光域の波長）に比べて十分に薄い。このため、第１基板１０において、第１電極１２及び第１配向膜１３の屈折率はほぼ無視できる。つまり、第１絶縁基板１１の屈折率は、第１基板１０の屈折率ｎ１と読み替えることができる。また、第１絶縁基板１１の第１側面及び第２側面は、それぞれ第１基板１０の第１側面１１Ｃ及び第２側面１１Ｄと読み替えることができる。

第１基板１０の屈折率ｎ１は、液晶層３０の常光屈折率ｎｏより大きく（ｎ１＞ｎｏ）、液晶層３０の異常光屈折率ｎｅとほぼ同等である（ｎ１≒ｎｅ）。
屈折率ｎ１と常光屈折率ｎｏとの差は、少なくとも０．０４であり、０．１以上であることが望ましい。一例では、常光屈折率ｎｏは、１．４５以上、１．５５未満である。また、屈折率ｎ１と異常光屈折率ｎｅとの差は、０．１未満であることが望ましい。一例では、異常光屈折率ｎｅは、１．５５以上、１．７０以下である。

第２基板２０は、第２絶縁基板２１と、第２電極２２と、第２配向膜２３と、を備えている。第２絶縁基板２１は、後述する光取出構造を有している。第２絶縁基板２１は、典型的には透明基板である。但し、光拡散性の程度を示すヘイズ値に関して、第２絶縁基板２１のヘイズ値が第１絶縁基板１１のヘイズ値よりも高い場合がある。第２絶縁基板２１は、主面（外面）２１Ａと、主面２１Ａの反対側の主面（内面）２１Ｂと、を有している。主面２１Ａ及び２１Ｂは、例えばＸ−Ｙ平面にほぼ平行な平坦面である。主面２１Ａは、空気層に接している。なお、主面２１Ａは、反射防止膜などの各種薄膜で覆われていてもよい。

第２電極２２は、第２絶縁基板２１上に設けられている。第２電極２２は、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電材料によって形成された透明電極である。第２配向膜２３は、第２電極２２を覆い、液晶層３０に接している。第２配向膜２３は、第１配向膜１３と同様の水平配向膜であり、例えば、第２方向Ｙに沿って配向処理されている。

このような光学装置１では、液晶分子３１は、その光軸Ｏが第２方向Ｙに沿うように初期配向している。ポジ型の液晶層３０については、第１電極１２と第２電極２２との間に電界が形成された際には、液晶分子３１は、その光軸Ｏが電界に沿うように配向する。例えば、第３方向Ｚに沿った縦電界が液晶層３０に形成された場合、液晶分子３１は、その光軸Ｏが第３方向Ｚに沿うように配向する。

光源５０は、発光素子５１と、光学系５２と、を備えている。発光素子５１は、例えば発光ダイオードであるが、レーザー光源なども適用可能である。発光素子５１は、第１側面１１Ｃに向かって光を出射する。発光素子５１から出射される光は、入射面（図１に示す例では、第２方向Ｙ及び第３方向Ｚによって規定されるＹ−Ｚ平面）と平行な振動面を有するｐ偏光、及び、入射面に垂直な振動面を有するｓ偏光を含んでいる場合がある。なお、発光素子５１から出射される光が直線偏光（例えばｐ偏光）であってもよい。光学系５２は、レンズ等で構成され、発光素子５１と第１基板１０との間に設けられている。光学系５２は、例えば発光素子５１から出射された光を第１絶縁基板１１の厚さ以下に集光する。なお、発光素子５１から出射される光を集光する必要がない場合には、光学系５２を省略することができる。

図２は、図１に示した第１電極１２及び第２電極２２の一構成例を示す図である。上記の通り、第１電極１２及び第２電極２２は、液晶層３０を挟んで対向している。第１電極１２は、単一のシート状電極によって構成されている。第１電極１２は、第１駆動部ＤＲ１と電気的に接続されている。複数の第２電極２２は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにマトリクス状に配置されている。平面視において、複数の第２電極２２は、第１電極１２に重畳している。第２電極２２の各々は、スイッチング素子ＳＷを介して第２駆動部ＤＲ２と電気的に接続されている。より具体的には、第２駆動部ＤＲ２は、ゲートドライバＧＤ及びソースドライバを備えている。複数の走査線Ｇは、ゲートドライバＧＤと電気的に接続されている。複数の信号線Ｓは、ソースドライバＳＤと電気的に接続されている。スイッチング素子ＳＷの各々は、走査線Ｇ及び信号線Ｓと電気的に接続されている。走査線Ｇは、第１方向Ｘに並んだ複数のスイッチング素子ＳＷと電気的に接続されている。信号線Ｓは、第２方向Ｙに並んだ複数のスイッチング素子ＳＷと電気的に接続されている。第２電極２２は、スイッチング素子ＳＷと電気的に接続されている。なお、走査線Ｇ、信号線Ｓ、及び、スイッチング素子ＳＷは、図１に示した第２基板２０に設けられている。

このような構成例では、第１駆動部ＤＲ１が第１電極１２に印加する電圧を制御し、第２駆動部ＤＲ２が第２電極２２の各々に対して個別に印加する電圧を制御する。第１電極１２と第２電極２２との電位差（液晶層３０の駆動電圧）により、第１電極１２と第２電極２２との重畳部に電界が形成される。図１に示した液晶分子３１の配向状態（あるいは配向方向）は、第１電極１２と第２電極２２との間に生じる電界によって制御される。

図３は、図１に示した第１電極１２及び第２電極２２の他の構成例を示す図である。
図３に示す構成例は、図２に示した構成例と比較して、第２電極２２が第２方向Ｙの延びる帯電極である点で相違している。複数の第２電極２２は、第１方向Ｘに間隔を置いて並んでいる。なお、第２電極２２は、第１方向Ｘに延びる帯電極であってもよい。
このような構成例では、第１駆動部ＤＲ１が第１電極１２に印加する電圧を制御し、第２駆動部ＤＲ２が第２電極２２の各々に対して個別に印加する電圧を制御することにより、第１電極１２と第２電極２２との重畳部において液晶分子３１の配向状態が制御される。

図４は、図１に示した第１電極１２及び第２電極２２の他の構成例を示す図である。
図４に示す構成例は、図２に示した構成例と比較して、第１電極１２が第１方向Ｘの延びる帯電極であり、第２電極２２が第２方向Ｙの延びる帯電極である点で相違している。複数の第１電極１２は、第２方向Ｙに間隔を置いて並んでいる。複数の第２電極２２は、第１方向Ｘに間隔を置いて並んでいる。複数の第１電極１２は、複数の第２電極２２と交差している。
このような構成例では、第１駆動部ＤＲ１が第１電極１２の各々に対して個別に印加する電圧を制御し、第２駆動部ＤＲ２が第２電極２２の各々に対して個別に印加する電圧を制御することにより、第１電極１２と第２電極２２との交差部の各々において液晶分子３１の配向状態が制御される。

図５は、第１電極１２と第２電極２２との間に電界が形成されていないオフ時を説明するための図である。
ここでは、第１基板１０を伝播するｐ偏光ＰＰＬについて説明する。すなわち、光源５０から出射されたｐ偏光ＰＰＬは、第１側面１１Ｃから第１基板１０に入射する。第１基板１０に入射したｐ偏光ＰＰＬは、第１基板１０と液晶層３０との界面において、液晶分子３１の配向方向に応じて異なる屈折率を感じる。例えば、オフ時の液晶分子３１が理想的にＸ−Ｙ平面に沿って水平配向している場合（液晶分子３１の光軸が第２方向Ｙに平行である場合）、ｐ偏光ＰＰＬは、伝播角θに応じた実効異常光屈折率ｎｅ(θ’)を感じる。ここでの伝播角θは第１基板１０から液晶層３０に向かうｐ偏光ＰＰＬの入射角に相当し、角度θ’はｐ偏光ＰＰＬの屈折角に相当する。

伝播角θと屈折角θ’との関係は以下の通りである。
ｎ１＊ｓｉｎθ＝ｎｅ(θ’)＊ｓｉｎθ’
また、実効異常光屈折率ｎｅ(θ’)は以下の通り規定される。
ｎｅ(θ’)＝ｎｏ＊ｎｅ／（ｎｏ^２＊ｓｉｎ^２θ’＋ｎｅ^２＊ｃｏｓ^２θ’）^１／２
なお、上記の式において、ｎ１は第１基板１０の屈折率であり、ｎｅは液晶層３０の異常光屈折率であり、ｎｏは液晶層３０の常光屈折率である。

このとき、実効異常光屈折率ｎｅ(θ’)が常光屈折率ｎｏと同等であり、実効異常光屈折率ｎｅ(θ’)が第１基板１０の屈折率ｎ１と比較して十分小さい場合（例えば、実効異常光屈折率ｎｅ(θ’)と屈折率ｎ１との差が０．０５以上の場合）、全反射条件が成立する。このため、第１基板１０と液晶層３０との界面に到達したｐ偏光ＰＰＬは、第１基板１０内に反射される。

図６は、第１電極１２と一部の第２電極２２ａとの間に電界が形成されたオン時を説明するための図である。
第１電極１２と第２電極２２ａとの間の液晶分子３１が理想的にＸ−Ｙ平面に対して垂直配向している場合（液晶分子３１の光軸が第３方向Ｚに平行である場合）、ｐ偏光ＰＰＬは、伝播角θに応じた実効異常光屈折率ｎｅ’(θ’)を感じる。実効異常光屈折率ｎｅ’(θ’)は以下の通り規定される。
ｎｅ’(θ’)＝ｎｏ＊ｎｅ／（ｎｅ^２＊ｓｉｎ^２θ’＋ｎｏ^２＊ｃｏｓ^２θ’）^１／２
このとき、実効異常光屈折率ｎｅ’(θ’)が第１基板１０の屈折率ｎ１と同等である場合（例えば、実効異常光屈折率ｎｅ’(θ’)と屈折率ｎ１との差が０．０５未満の場合）、全反射条件が成立しなくなる。このため、第１基板１０と液晶層３０との界面に到達したｐ偏光ＰＰＬの一部は、液晶層３０に到達する。液晶層３０に到達したｐ偏光ＰＰＬは、第２基板２０に到達する。第２基板２０に到達したｐ偏光ＰＰＬの外部への取出方法については後述する。一般的な異常光屈折率ｎｅは、上記の通り１．５５〜１．７０程度であるが、実効異常光屈折率ｎｅ’(θ’)と屈折率ｎ１との差が小さいほど、第１基板１０から液晶層３０に到達するｐ偏光ＰＰＬの光量を増大することができる。

ところで、光源５０から出射された光のうち、ｓ偏光は、第１基板１０と液晶層３０との界面において、液晶層３０の駆動電圧の大きさにかかわらず、液晶層３０の常光屈折率ｎｏを感じる。このため、ｓ偏光は、液晶分子３１の配向状態によらず、ほとんど液晶層３０に到達しない。

図７は、ｓ偏光ＳＰＬを液晶層３０に取り出すための一構成例を説明するための図である。
図７に示す構成例は、図１に示した構成例と比較して、光学装置１が第２側面１１Ｄに対向する反射層６１と、第２側面１１Ｄと反射層６１との間に位置する位相差層６２と、を備えた点で相違している。位相差層６２は、自身を透過する直線偏光に位相差を付与するものであり、例えば基準波長の直線偏光に１／４波長の位相差を付与するものである。

このような構成例によれば、光源５０から出射された光のうち、ｓ偏光ＳＰＬは、第１側面１１Ｃから入射した後に第２側面１１Ｄに到達すると、位相差層６２を透過し、さらに反射層６１にて反射され、再び位相差層６２を透過する。つまり、ｓ偏光ＳＰＬは、１／２波長の位相差を付与され、ｐ偏光ＰＰＬに変換される。変換されたｐ偏光ＰＰＬは、第２側面１１Ｄから第１基板１０に入射する。第１電極１２と第２電極２２ａとの間に電界が形成された場合、ｓ偏光ＳＰＬは液晶層３０に到達しないが、変換されたｐ偏光ＰＰＬは液晶層３０に到達し、その後、第２基板２０に到達する。

図８は、ｓ偏光ＳＰＬを液晶層３０に取り出すための他の構成例を説明するための図である。
図８に示す構成例は、図１に示した構成例と比較して、光学装置１が外面１１Ａに対向する反射層６１と、外面１１Ａと反射層６１との間に位置する位相差層６２と、を備えた点で相違している。位相差層６２は、図７を参照して説明したものと同様である。なお、位相差層６２と空気層との間に全反射条件が成立する屈折率差がある場合には、反射層を省略してもよい。

このような構成例によれば、光源５０から出射されたｓ偏光ＳＰＬは、第１側面１１Ｃから入射した後に外面１１Ａに到達すると、位相差層６２を透過し、さらに反射層６１にて反射され、再び位相差層６２を透過する。つまり、ｓ偏光ＳＰＬは、１／２波長の位相差を付与され、ｐ偏光ＰＰＬに変換される。変換されたｐ偏光ＰＰＬは、外面１１Ａから第１基板１０に入射する。第１電極１２と第２電極２２ａとの間に電界が形成された場合、変換されたｐ偏光ＰＰＬは液晶層３０に到達し、その後、第２基板２０に到達する。

図７及び図８を参照して説明したように、第１基板１０を伝播するｓ偏光ＳＰＬは、位相差層６２を介して反射されることで、p偏光ＰＰＬに変換される。ｓ偏光ＳＰＬをｐ偏光ＰＰＬに変換する手法は、上記の例に限らない。例えば、第１基板１０が光学異方性を有する材料によって形成されることで、ｓ偏光ＳＰＬが第１基板１０を伝播する途中で、ｓ偏光ＳＰＬをｐ偏光ＰＰＬに変換することができる。また、第１基板１０に凹凸を設け、ｓ偏光ＳＰＬが繰り返し反射される際に位相差が付与されることで、ｓ偏光ＳＰＬをｐ偏光ＰＰＬに変換することができる。これにより、本来利用できないｓ偏光ＳＰＬもｐ偏光ＰＰＬに変換した上で、液晶層３０に取り出すことができる。

図９は、第２基板２０に到達したｐ偏光ＰＰＬを光学装置１の外部に取り出すための一構成例を説明するための図である。
図９に示す構成例では、第２基板２０は、光学異方性を有する第１材料２０１及び光学等方性を有する第２材料２０２からなる複合材料によって形成された第２絶縁基板２１を備えている。第１材料２０１は、異常光屈折率ｎｅ２と、常光屈折率ｎｏ２とを有している。第２材料２０２は、屈折率ｎ２を有している。常光屈折率ｎｏ２は、屈折率ｎ２とほぼ同等である（ｎｏ２≒ｎ２）。一例では、常光屈折率ｎｏ２と屈折率ｎ２との差は、０．１未満であることが望ましい。

例えば、このような第２絶縁基板２１は、光重合性の液晶モノマーと等方性モノマーとの混合材料を用いて形成することができる。液晶モノマーとしては、ネマティック液晶のような一軸異方性を有する材料が利用できる。液晶モノマーを所望の方向に配向させた状態で、等方性モノマーが重合される。このように形成された第２絶縁基板２１においては、液晶モノマーが第１材料２０１に相当し、等方性モノマーを重合させることで得られるポリマーが第２材料２０２に相当する。図９に示す構成例では、第１材料（液晶モノマー）２０１は、その光軸Ｏ２が第３方向Ｚ（あるいは第２基板２０の法線）にほぼ平行となるように配向している。

続いて、光学装置１の外部に光を取り出すための原理について説明する。
第１材料２０１の常光屈折率ｎｏ２と第２材料２０２の屈折率ｎ２とが一致している場合、第１材料２０１の光軸Ｏ２に沿って伝播する光は、その偏光状態によらず一様な屈折率を感じる。
一方で、光軸Ｏ２とは異なる方向に沿って伝播する光、特に光軸Ｏ２に垂直な方向に伝播する光については、一部の偏光成分は常光屈折率ｎｏ２（≒屈折率ｎ２）と異常光屈折率ｎｅ２からなる屈折率分布を感じる。その結果、第２基板２０に到達した光は、散乱あるいは回折される。図９に示すように、第１材料２０１の光軸Ｏ２が第３方向Ｚに設定された場合、すなわち液晶モノマーを垂直配向させた状態で等方性モノマーを重合した場合には、液晶層３０から第２基板２０に到達したｐ偏光ＰＰＬを効率よく散乱させることができる。このとき、意図せぬ回折を避けるため、第１材料２０１の分布はある程度のランダム性を持つことがより好ましい。

図１０は、第２基板２０の他の構成例を説明するための図である。
図１０に示す構成例は、図９に示した構成例と比較して、第１材料２０１の光軸Ｏ２が第２基板２０の法線Ｎに対して、光源５０側に傾斜している点で相違している。なお、第２基板２０のうち、第２絶縁基板２１のみを図示している。このような構成例によれば、第２基板２０に入射したｐ偏光ＰＰＬは、光軸Ｏ２に対して垂直な方向に伝播し、より大きな屈折率差を感じる。このため、散乱光あるいは回折光の輝度を向上することができる。

図１１は、第２基板２０の他の構成例を説明するための図である。なお、第２基板２０のうち、第２絶縁基板２１のみを図示している。
図１１の（Ａ）乃至（Ｃ）に示す構成例においては、第２絶縁基板２１の外面２１Ａは、微小な凹凸を有している。例えば、図１１の（Ａ）に示す構成例では、外面２１Ａには、微小な凸レンズが形成されている。また、図１１の（Ｂ）に示す構成例では、外面２１Ａには、凸状の微小なプリズムが形成されている。また、図１１の（Ｃ）に示す構成例では、外面２１Ａには、凹状の微小な回折格子（溝）が形成されている。また、図示しないが、外面２１Ａが粗面化されてもよい。なお、外面２１Ａの凹凸は、必ずしも周期的に配列されている必要はない。
一方で、第２絶縁基板２１の内面２１Ｂは、ほぼ平坦面である。換言すると、第２絶縁基板２１において、外面２１Ａの表面粗さは、内面２１Ｂの表面粗さより大きい。このような微小な凹凸が外面２１Ａに形成されたことにより、空気層と第２絶縁基板２１との界面での全反射条件が成立しにくくなり、外面２１Ａに到達した光を外部に取り出すことができる。ここで説明した第２絶縁基板２１は、光学等方性を有する材料によって形成することができる。

なお、光取出構造を有する第２絶縁基板２１については、上記の例に限らない。例えば、第２絶縁基板２１として、微小な柱状構造体が傾斜した状態で配列された光学フィルムが適用されてもよい。また、第２絶縁基板２１の内面に微小な凹凸が形成されてもよい。また、液晶層３０にレンズ、プリズム、回折格子などが形成されてもよい。

本実施形態によれば、液晶層３０の屈折率分布を制御することにより、高屈折率の第１基板１０を伝播する光を取り出すことができる。液晶層３０の屈折率分布は、液晶分子３１の配向状態（あるいは液晶層３０の駆動電圧）に応じて制御される。本実施形態の液晶層３０において、液晶分子３１は高分子に拘束されていないため、高分子分散液晶層の液晶分子を駆動する場合と比較して、液晶層３０の駆動電圧を低減することができる。これにより、消費電力を低減することができる。

本実施形態の光学装置１は、例えば、表示装置として適用することができる。この場合、第１電極１２は共通電極に相当し、第２電極２２は画素毎に配置される画素電極に相当する。光源５０から出射された光は、第１側面１１Ｃから第１基板１０に入射し、繰り返し反射されながら、第１基板１０の内部を伝播する。液晶層３０に電圧が印加されていないオフ時には、第１基板１０の内部を伝播する光は、液晶層３０に取り出されず、第２基板２０から外部に取り出されることもない。一方、液晶層３０に電圧が印加されたオン時には、第１基板１０の内部を伝播する光（ｐ偏光）は、液晶層３０に取り出され、第２基板２０から外部に取り出される。したがって、第２基板２０側から表示装置を観察した際に、画像を視認することができる。なお、表示装置は、第２基板２０側から観察可能であるとともに、第１基板１０側からも観察可能である。また、表示装置が第１基板１０側から観察された場合であっても、第２基板２０側から観察された場合であっても、表示装置を介して、表示装置の背景を観察可能である。
また、本実施形態の光学装置１は、局所的に照明する照明装置としても適用することができる。

また、第１基板１０に入射した光のうち、ｐ偏光ＰＰＬとｓ偏光ＳＰＬとでは、第１基板１０と液晶層３０との界面での挙動が異なる。すなわち、上記の例では、例えばｐ偏光ＰＰＬは、液晶分子３１の配向を制御することで第１基板１０から液晶層３０に取り出すことができる一方で、ｓ偏光ＳＰＬは、液晶分子３１の配向状態にかかわらず第１基板１０から液晶層３０に取り出すことができない。つまり、本実施形態の光学装置１は、ｐ偏光ＰＰＬとｓ偏光ＳＰＬとを分離する素子として利用することができる。

上記の例では、電界制御複屈折（ＥＣＢ）タイプを適用した光学装置１について説明したが、これに限らず、本実施形態の光学装置１は、液晶層３０内で全反射条件を満たす他のモード（例えば、垂直配向モードやハイブリッド配向モードなど）を適用することができる。以下、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードを適用した光学装置１について説明する。

図１２は、本実施形態の光学装置１の他の構成例を示す断面図である。図１２に示す構成例は、図１に示した構成例と比較して、第２基板２０が第１電極１２及び第２電極２２を備えた点で相違している。すなわち、第１基板１０は、第１絶縁基板１１と、第１配向膜１３と、を備えている。第１絶縁基板１１は、図１に示した構成例と同様のガラス基板である。第１配向膜１３は、第１絶縁基板１１を覆い、液晶層３０に接している。
第２基板２０は、第２絶縁基板２１と、第１電極１２と、絶縁膜２５と、第２電極２２と、第２配向膜２３と、を備えている。第１電極１２は、第２絶縁基板２１上に設けられている。絶縁膜２５は、第１電極１２を覆っている。第２電極２２は、絶縁膜２５上に設けられている。第２配向膜２３は、第２電極２２を覆い、液晶層３０に接している。
第１電極１２及び第２電極２２は、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電材料によって形成された透明電極である。絶縁膜２５は、無機絶縁膜または有機絶縁膜である。第１配向膜１３及び第２配向膜２３は、Ｘ−Ｙ平面に略平行な配向規制力を有する水平配向膜であり、例えば、第２方向Ｙに沿って配向処理されている。

このような構成例の光学装置１では、液晶分子３１は、その光軸Ｏが第２方向Ｙに沿うように初期配向している。ポジ型の液晶層３０については、第１電極１２と第２電極２２との間にフリンジ電界（あるいは横電界）が形成された際には、液晶分子３１は、Ｘ−Ｙ平面内で回転し、その光軸Ｏが電界に沿うように配向する。

なお、図１２に示す構成例では、第２基板２０が第１電極１２及び第２電極２２を備える場合について説明したが、第１基板１０が第１電極１２及び第２電極２２を備えていてもよい。

図１３は、第１電極１２と第２電極２２との間に電界が形成されていないオフ時を説明するための図である。
ここでは、第１基板１０を伝播するｓ偏光ＳＰＬについて説明する。すなわち、光源５０から出射されたｓ偏光ＳＰＬは、第１側面１１Ｃから第１基板１０に入射する。第１基板１０に入射したｓ偏光ＳＰＬは、第１基板１０と液晶層３０との界面において、伝播角θに応じた実効異常光屈折率ｎｅ(θ’)を感じる。図５を参照して説明したように、実効異常光屈折率ｎｅ(θ’)が第１基板１０の屈折率ｎ１と比較して十分小さい場合、全反射条件が成立する。このため、第１基板１０と液晶層３０との界面に到達したｓ偏光ＳＰＬは、第１基板１０内に反射される。

図１４は、第１電極１２と一部の第２電極２２ａとの間に電界が形成されたオン時を説明するための図である。
第１基板１０に入射したｓ偏光ＳＰＬは、第１基板１０と液晶層３０との界面において、伝播角θに応じた実効異常光屈折率ｎｅ’(θ’)を感じる。図６を参照して説明したように、実効異常光屈折率ｎｅ’(θ’)が第１基板１０の屈折率ｎ１と同等である場合、全反射条件が成立しなくなる。このため、第１基板１０と液晶層３０との界面に到達したｓ偏光ＳＰＬの一部は、液晶層３０に到達する。液晶層３０に到達したｓ偏光ＳＰＬは、第２基板２０に到達する。

図１５は、本実施形態の光学装置１の他の構成例を示す断面図である。図１５に示す構成例では、光源５０から出射されたｐ偏光ＰＰＬの一部は、液晶層３０を経て第２基板２０に到達し、特定の方向に向けて反射または回折される。このような構成例の光学装置１によれば、特定の方向に向けて画像を表示する表示装置、あるいは、特定の方向に向けて照明光を出射する照明装置を提供することができる。

図１６は、本実施形態の光学装置１の他の構成例を示す断面図である。図１６に示す構成例では、第２基板２０において、第１材料２０１の空間分布が異なっている。例えば、第２基板２０の第１領域Ａ１では、第１材料２０１がＸ−Ｙ平面に沿うように傾斜し、第２基板２０の第２領域Ａ２では、第１材料２０１が第３方向Ｚに沿うように配向している。なお、空間分布が異なる他の例としては、第１材料２０１の配列周期が異なっていてもよいし、第１材料２０１の第３方向Ｚに沿った厚さが異なっていてもよい。
光源５０から出射されたｐ偏光ＰＰＬの一部は、液晶層３０を経て第２基板２０に到達する。第２基板２０の第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２に到達したｐ偏光ＰＰＬは、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とで屈折し、集光される。このような構成例の光学装置１によれば、特定の方向に集光された画像を表示する表示装置、あるいは、特定の方向に集光された照明光を出射する照明装置を提供することができる。

図１７は、本実施形態の光学装置１の他の構成例を示す断面図である。図１７に示す構成例は、図９に示した構成例と比較して、光学装置１が第１基板１０の両面に光取出構造を有している点で相違している。すなわち、光学装置１は、図９に示した構成例に加えて、第３方向Ｚにおいて第１基板１０に対向する第３基板７０と、第１基板１０と第３基板７０との間に設けられた液晶層８０と、を備えている。

第３基板７０は、第２基板２０と同様に構成され、第３絶縁基板７１と、第３電極７２と、第３配向膜７３と、を備えている。第３絶縁基板７１は、第２絶縁基板２１と同様に構成され、光学異方性を有する第３材料７０１及び光学等方性を有する第４材料７０２からなる複合材料によって形成されている。第３電極７２は、第３絶縁基板７１上に設けられている。第３配向膜７３は、第３電極７２を覆い、液晶層８０に接している。

第１基板１０は、主面１１Ｂ上に第１電極１２を備えている一方で、主面１１Ｂの反対側の主面１１Ａ上に第４電極１４を備えている。第４配向膜１５は、第４電極１４を覆い、液晶層８０に接している。第３電極７２及び第４電極１４は、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電材料によって形成された透明電極である。第３配向膜７３及び第４配向膜１５は、水平配向膜であり、例えば、第２方向Ｙに沿って配向処理されている。

液晶層８０は、液晶層３０と同様に、光学異方性あるいは屈折率異方性を有する液晶分子８１を含んでいる。また、上記の構成例と同様に、第１基板１０の屈折率ｎ１は、液晶層３０及び８０の常光屈折率ｎｏより大きく（ｎ１＞ｎｏ）、液晶層３０及び８０の異常光屈折率ｎｅとほぼ同等である（ｎ１≒ｎｅ）。

このような構成例において、光源５０から出射されたｐ偏光ＰＰＬのうち、液晶層３０を介して第２基板２０に到達した光が外部に取り出されるとともに、液晶層８０を介して第３基板７０に到達した光も外部に取り出される。このような光学装置１が表示装置として適用された場合、第１電極１２及び第４電極１４は共通電極に相当し、第２電極２２及び第３電極７２は画素毎に配置される画素電極に相当する。そして、第２基板２０から外部に光が取り出されることにより、第２基板２０側から観察した際に画像を視認することができ、しかも、第３基板７０から外部に光が取り出されることにより、第３基板７０側から観察した際にも画像を視認することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、低電圧で変調可能な光学装置を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…光学装置
１０…第１基板 ２０…第２基板 ３０…液晶層 ５０…光源
１２…第１電極 １３…第１配向膜 ２２…第２電極 ２３…第２配向膜
６１…反射層 ６２…位相差層

Claims (12)

1. 光源と、
   前記光源と向かい合う第１側面を備え、第１屈折率を有する第１基板と、
   前記第１基板に対向する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に設けられ、光学異方性を有する液晶層と、を備え、
   前記第１基板の第１屈折率は、前記液晶層の常光屈折率より大きく、前記液晶層の異常光屈折率とほぼ同等である、光学装置。
2. 前記第１基板の第１屈折率は１．６以上であり、
   前記第１屈折率と前記常光屈折率との差は０．１以上であり、
   前記第１屈折率と前記異常光屈折率との差は０．１未満である、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記常光屈折率は１．４５以上、１．５５未満であり、
   前記異常光屈折率は１．５５以上、１．７０以下である、請求項１に記載の光学装置。
4. 前記光源は、前記第１側面に向かって、入射面と平行な振動面を有するｐ偏光を出射する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記第１基板は、第１電極と、前記液晶層に接する第１配向膜と、を備え、
   前記第２基板は、第２電極と、前記液晶層に接する第２配向膜と、を備え、
   前記液晶層は、前記第１電極と前記第２電極との間の電界により配向状態が制御される液晶分子を含んでいる、請求項４に記載の光学装置。
6. 前記光源は、前記第１側面に向かって、入射面と垂直な振動面を有するｓ偏光を出射する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
7. 前記第１基板は、第１電極と、第２電極と、前記液晶層に接する第１配向膜と、を備え、
   前記第２基板は、前記液晶層に接する第２配向膜を備え、
   前記液晶層は、前記第１電極と前記第２電極との間の電界により配向状態が制御される液晶分子を含んでいる、請求項６に記載の光学装置。
8. 前記第１基板は、前記第１側面の反対側の第２側面を有し、
   さらに、前記第２側面に対向する反射層と、
   前記第２側面と前記反射層との間に位置する位相差層と、を備えている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. さらに、記第１基板の外面に対向する反射層と、
   前記外面と前記反射層との間に位置する位相差層と、を備えている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学装置。
10. 前記第２基板は、光学異方性を有する第１材料及び光学等方性を有する第２材料からなる複合材料によって形成された第２絶縁基板を備え、
    前記第１材料の常光屈折率は、前記第２材料の第２屈折率とほぼ同等である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学装置。
11. 前記第１材料の光軸は、前記第２基板の法線に対して傾斜している、請求項１０に記載の光学装置。
12. 前記第２基板は、外面に凹凸を有する第２絶縁基板を備えている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学装置。

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