JP3547030B2 - 光学素子の駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を透過,反射,散乱させる光学素子の駆動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図13は、本発明者等が先に提案した特願平8−242823号で開示される従来技術であるスメクティック液晶を用いた、ホログラフィック高分子分散液晶を示す概略図である。
同図に示すように、素子は、透明電極01をつけたガラス板02に挟まれた樹脂03中に液晶粒04を周期的に分布させた構造を有する。入射光05は、液晶粒と樹脂の屈折率が異なるため、素子中の液晶粒によって散乱される。液晶粒が周期的に分布しているため、干渉効果により、特定の波長の光のみが反射され反射光06となり、眼球07に入り、他の波長の光はそのまま透過し透過光08となる。この素子の電極間に電圧をかけると、電界により液晶が配向し高分子樹脂との屈折率差がなくなるため各液晶粒による散乱光が消え、反射光がなくなる。従来ではこの反射光の有無を素子動作として用いる。
【0003】
この従来技術にかかる素子では、スメクティック液晶を用いているため、液晶粒内で液晶分子が層構造を形成している。電界により液晶分子が配向すると、該配向方向と直交する方向の層構造が形成され、電界を除いても層構造が保持されるため透明状態が保持される。この素子を加熱すると、液晶がより粘性の低い等方相に転移するため、もとの反射状態に戻る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術にかかる素子では消去のために加熱が必要であり、電界のみで動作させられなかった。本発明は、素子状態の保持に電力を必要とせず、かつ、電界のみで素子状態を変化させることが可能な光学素子の駆動方法を提供することを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の光学素子の駆動方法は、透光性物質中に二周波スメクティック液晶からなる液晶粒を分散させた構造を有し、該構造を対となる電極に挟んでなる光学素子の駆動方法であって、前記対となる電極に、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる周波数を主とする第一の交流電圧と、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる周波数を主とする第二の交流電圧の両方を重ね合わせて印加し、前記第一の交流電圧と前記第二の交流電圧の振幅比率を連続的に変えることにより、前記液晶粒の配向方向を中間状態に制御することを特徴とする。
【0012】
第2の光学素子の駆動方法は、透光性物質中に二周波スメクティック液晶からなる液晶粒を分散させた構造を有し、該構造を対となる電極に挟んでなる光学素子の騒動方法であって、前記対となる電極に、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる周波数を中心とする第一の交流電圧と、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる周波数を中心とする第二の交流電圧の両方を重ね合わせて印加し、前記第一の交流電圧と前記第二の交流電圧の帯域幅の比率を連続的に変えることにより、前記液晶粒の配向方向を中間状態に制御することを特徴とする。
【0013】
図1は、状態を記憶することができる光学素子を示す概略図である。
図1に示すように、本実施の形態にかかる光学素子は、透明電極11を設けた基板である二枚のガラス板12,12間に樹脂13を挾んでなり、該樹脂13中には、二周波スメクティック液晶からなる液晶粒14が周期的(縞模様状)に分布されている。
【0014】
本発明で用いる二周波スメクティック液晶とは、第1の文献(D. Coates,“A smectic A phase of positive and negative dielectric anisotropy”,Mol. Cryst. Liq. Cryst, vol 49,pp.83−87 (1978).)参照に示されているように、液晶分子の長軸方向の誘電率をεe 、単軸方向の誘電率をε0 、誘電率を測定する2種類の周波数をfa ,fb としたとき、
εe (fa )<ε0 (fa )
であって
ε0 (fb )<εe (fb )
となるように、誘電率の大小関係が周波数によって逆転するスメクティック液晶を指す。
また、本素子では液晶の単軸方向の屈折率ε0 が、樹脂の屈折率とほぼ一致している。
【0015】
素子は、透明電極11をつけた素子はガラス板12に挟まれた樹脂13中に二周波スメクティック液晶からなる粒14を周期的に分布させた構造を有する。なお、液晶粒径,周期など素子の具体的な寸法は、第2の文献(伊達宗和、田中敬二、加藤謹矢、酒井重信、「ホログラフィック高分子分散液晶(HPDLC)を用いた反射形表示素子」、信学技報EID95−147,ED95−221,SDW95−261,pp.131−136(1996− 2 )参照)及び第3の文献(M. Date, N. Naito, K. Tanaka, K. Kato and S.Sakai,“Three primary−color holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC) devices for reflective displays. ”,Proceedings of Asia Display95,pp.603−606(1995) 参照)に示されている、液晶粒にネマティック液晶を用いた従来の素子とほぼ同じである。
【0016】
ここで、入射光15は、素子中の液晶粒によって散乱されるが、液晶粒が周期的に分布しているため、干渉効果により、特定の波長の光のみが反射され反射光16となり眼球17に入り、他の波長の光はそのまま透過し透過光18となる。この素子の電極間に誘電率異方性が正となるような周波数fb の電圧をかけると、電界により液晶が電界と平行に配向し高分子樹脂との屈折率差がなくなるため各液晶粒による散乱光が消え、反射光がなくなる。
本発明の素子では、液晶としてスメクティック液晶を用いているため、この透過状態が電界を切っても記憶される。
ここで、この素子の電極間に誘電率異方性が負となるような周波数fa の電圧をかけると、電界により液晶が電界と垂直に配向し高分子樹脂との屈折率差が再び生じ、反射状態に戻る。この反射状態は、スメクティック液晶を用いているため電界を切っても保持される。
【0017】
以上のように、素子状態の保持に電力を必要とせず、かつ、電界のみで素子状態を変化させることが可能な素子となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
[第1の実施の形態]
図2及び図3は、散乱・透過機能をもつ光学素子を示す概略図である。
本実施の形態において、液晶は長軸方向と単軸方向の屈折率が異なる。また、樹脂と液晶の単軸方向の屈折率はほぼ等しい。
【0019】
図2に示すように、素子は、例えばITO(indium tin oxide)のような電極11をつけた例えばガラス板のような透明な板12に挟まれた樹脂13中に二周波スメクティック液晶粒14を分散させた構造を有する。なお、図中二周波スメクティック液晶粒14の矢印は液晶の配向方向を示している。
図2において、入射光15は液晶粒14と樹脂13の屈折率差のため、素子中の液晶粒14によって散乱されるので、この素子は散乱状態となる。
【0020】
この素子の電極11,11間に、電源20により液晶の誘電率異方性が正となるような周波数の電圧をかけると、電界により液晶が電界と平行に配向し高分子樹脂13との屈折率差がなくなるため、図2に示した各液晶粒による散乱光19が消え、図3に示すように透過光18となり、透過状態となる。本発明では、スメクティック液晶を用いているため、透明状態は電界を切っても保持される。
【0021】
ここで、この素子の電極11,11間に液晶の誘電率異方性が負となるような周波数の電圧をかけると、電界と垂直方向に液晶が配向し高分子樹脂との屈折率差が生じるため、図2に示すような散乱状態となる。本発明では、スメクティック液晶を用いているため、散乱状態は電界を切っても保持される。
【0022】
すなわち、電界のみで散乱・透過状態をスイッチでき、かつ、どちらの状態も電力なしで保持可能な素子を実現できた。
【0023】
本素子は、たとえば4−n−pentylphenyl 2’−chloro−4’(6−n−hexy1−2−naphthoyloxy)benzoate のような二周波スメクティック液晶を紫外線硬化樹脂(たとえばNorland 社製「NOA−65(商品名)」に溶かした溶液を、電極のついた二枚のガラス板ではさみ、紫外線を照射することにより作製できる。
【0024】
本実施の形態では、板としてガラス板を用いたが、アクリルのような有機物からなる板、フィルムなどであってもよい。また、電極としてITOを用いたがこれに限らない。
【0025】
本実施の形態においてマトリックス状の電極を用いることにより、電極交点を画素とする表示に使用できほぼ任意の画像情報を表示可能である。
ここで、マトリックス状電極とは、例えば図4(a)に示したように、基板43上に帯状の電極44をつけたものをいうものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。使用に際しては、図4(b)のように、2枚の基板43−1,43−2について電極44−1,44−2が互いに交差するように重ねて使用すればよい。なお、図4(c)は横方向から見た断面図である。
【0026】
[第2の実施の形態]
図5は、状態を記憶することができる光学素子を示す概略図である。
素子は、例えばITOのような電極11をつけた例えばガラス板のような透明な板12に挟まれた高分子樹脂13中に二周波スメクティック液晶粒14を周期的に分布させた構造を有する。入射光15は、素子中の液晶粒によって散乱されるが、液晶粒が周期的に分布しているため、干渉効果により、特定の波長の光のみが反射され反射光16となり眼球17に入り、他の波長の光はそのまま透過し透過光18となる。
【0027】
この素子の電極間に液晶の誘電率異方性が正となるような交流電圧をかけると、電界により液晶が配向し高分子樹脂との屈折率差がなくなるため各液晶粒による散乱光が消え、反射光がなくなる。本発明の素子では、液晶としてスメクティック液晶を用いているため、この透過状態が電界を切っても保持される。
【0028】
図6は本発明の光学素子の作製法を示す概略図である。電極21をつけた透明な板22の間に、光硬化性樹脂の中に二周波スメクティック液晶を溶解させた原材料23をいれる。ここに、レーザ光源24より出た出力光25を二光束干渉させることにより生じさせた干渉縞26を照射する。干渉縞の腹の部分で樹脂の重合がおこり、残りの部分が相分離により析出した液晶領域となり図5に示すような所望の構造を得ることができる。
【0029】
本実施の形態では、板としてガラス板を用いたが、アクリルのような有機物からなる板、フィルムなどであってもよい。また、電極としてITOを用いたがこれに限らない。
【0030】
また、図7のように電極21を設けた基板22,22の間に透過型回折格子構造30を設けたものであってもよい。なお、本構造は、図6の作製法において2つのレーザ光を一方の板の側から入射し、二光束干渉させれば作製できる。
【0031】
また、構造は一般にホログラムであってもよい。ホログラムとは、図8に示すように、レーザ光源24の出力光25と、例えば図のような物体41からの散乱光42のような任意の可干渉の光とからなる、干渉縞の照射により得られる構造をいう。
【0032】
本実施の形態においても、上述したマトリックス状の電極を用いることにより、表示に適用可能でありほぼ任意の画像情報を表示可能である。
【0033】
本実施の形態により表示した情報を電力無しに保持する単色表示素子を実現することができた。
【0034】
本実施の形態の素子は、図9のように複数の反射波長の異なる素子91−1〜91−3を積層することにより、多色化が可能である。
【0035】
[第3の実施の形態]
図10は、本発明の光学素子を示す概略図である。実施の形態1,2の素子から、基板および電極を除いたもので、図2または図5等の素子を作製後、電極11の付いたガラス板12をはがして作製したものである。作製時に電界をかけることにより液晶の配向を制御して、光学特性に分布を与えたフィルムを作製することが可能である。
【0036】
実施の形態1の構造をもつものは、散乱度が場所によって異なるフィルムとなる(図10(a))。
【0037】
また、実施の形態2の構造をもつものは、回折状態が場所により異なるフィルム状ホログラムを実現できる(図10(b),(c))。
【0038】
本実施の形態の素子は、二周波スメクティック液晶を用いているため、このフィルムを電極で挟み電界を加えることにより、電極の形状に対応する部分の状態を変化させることが可能である。
【0039】
[第4の実施の形態]
実施の形態1,2では、異なる2種類の周波数の電圧をかけることにより、素子状態をスイッチしたが、離散的二周波による駆動に限らない。加える電圧が、図11(a)に示すように、スメクティック液晶の誘電率が正となる周波数を主とする周波数に幅をもった第一の交流電圧と、スメクティック液晶の誘電率が負となる周波数を主とする周波数に幅をもった第二の交流電圧に2種類の交流電圧であってもよい。また、図11(b)に示すように、前記第一ならびに第二の交流電圧を重ね合わせて加え、それぞれの振幅の比率を変えることによっても、素子状態のスイッチが可能である。また、振幅の比率を連続的に変えることにより中間状態を得ることも可能である。これによって、スイッチの加減を所望の状態に調整することができる。
【0040】
また、図12(a)に示すように、二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる第一の周波数成分と、二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる第二の周波数成分の両方を含む周波数帯域内に中心周波数を有する交流電圧を印加して、その交流電圧の周波数スペクトルにおける中心周波数を変えて、この交流電圧の有する前記第一の周波数成分と前記第二の周波数成分の比率を変えることによっても、中間状態を得ることが可能である。
【0041】
また、図12(b)に示すように、二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる第一の周波数を中心とする交流電圧と、二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる第二の周波数を中心とする交流電圧を印加して、その交流電圧の周波数スペクトルにおける帯域幅を変えて、その交流電圧の有する前記第一の周波数を中心とする交流電圧と前記第二の周波数を中心とする交流電圧の成分比率を変えることによっても、中間状態を得ることが可能である。
【0042】
上述した実施の形態1−3では、液晶の単軸方向の屈折率と樹脂の屈折率を一致させ透明状態を作り出したが、一致させなくても良い。この場合は、状態により散乱度または反射率が変化する素子となる。
【0043】
また、上述した実施の形態1−3の透光性物質は、等方的であっても複屈折性を持っていても良い。
【0044】
【発明の効果】
本発明により、電界のみで表示状態を変化させかつ表示状態を保持可能な表示素子が実現できる。よって、従来のように、消去のための加熱手段を設ける必要がなくなり、簡素化できることとなる。
【0045】
高分子樹脂を用いることにより素子に可変形(フレキシブル)性を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学素子を示す概略図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態にかかる光学素子(散乱状態)の概略図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態にかかる光学素子(透明状態)の概略図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態にかかるマトリックス状電極を用いた光学素子の概略図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態にかかる光学素子の概略図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態にかかる光学素子の概略図である。
【図7】本発明の第2の実施の形態にかかる光学素子の概略図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態にかかる光学素子のホログラムの概略図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態にかかる光学素子の表示素子の構成を示す概略図である。
【図10】本発明の第3の実施の形態にかかる光学素子の概略図である。
【図11】本発明の第4の実施の形態にかかる光学素子に加える電圧の周波数と振幅との関係を示す図である。
【図12】本発明の第4の実施の形態にかかる光学素子に加える電圧の周波数と振幅との関係を示す図である。
【図13】従来技術を説明する説明図である。
【符号の説明】
01 透明電極
02 ガラス板
03 樹脂
04 液晶粒
05 入射光
06 反射光
07 眼球
08 透過光
11 透明電極
12 ガラス板
13 樹脂
14 二周波スメクティック液晶からなる液晶粒
20 電源
21 電極
22 透明な板
23 二周波スメクティック液晶を溶解させた原材料
24 レーザ光源
25 出力光
26 干渉縞
43 基板
43−1,2 基板
44−1,2 電極
91−1〜3 素子
Claims (2)
- 透光性物質中に二周波スメクティック液晶からなる液晶粒を分散させた構造を有し、該構造を対となる電極に挟んでなる光学素子の駆動方法であって、
前記対となる電極に、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる周波数を主とする第一の交流電圧と、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる周波数を主とする第二の交流電圧の両方を重ね合わせて印加し、
前記第一の交流電圧と前記第二の交流電圧の振幅比率を連続的に変えることにより、前記液晶粒の配向方向を中間状態に制御することを特徴とする光学素子の駆動方法。 - 透光性物質中に二周波スメクティック液晶からなる液晶粒を分散させた構造を有し、該構造を対となる電極に挟んでなる光学素子の騒動方法であって、
前記対となる電極に、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる周波数を中心とする第一の交流電圧と、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる周波数を中心とする第二の交流電圧の両方を重ね合わせて印加し、
前記第一の交流電圧と前記第二の交流電圧の帯域幅の比率を連続的に変えることにより、前記液晶粒の配向方向を中間状態に制御することを特徴とする光学素子の駆動方法。
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JP14609497A JP3547030B2 (ja) | 1997-06-04 | 1997-06-04 | 光学素子の駆動方法 |
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