JP6017212B2 - Optical system, liquid crystal element, and method of manufacturing liquid crystal element - Google Patents
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本発明は、光学系、液晶素子及び液晶素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an optical system, a liquid crystal element, and a method for manufacturing the liquid crystal element.
例えば、コヒーレント光通信では、原信号の偏光状態が伝搬中に変化してしまうことから、受信信号を復調するにあたって、まず、受信信号の偏光状態を所定の状態に変換することが望まれる。また、例えば半導体光増幅器を用いるにあたっては、その特性(利得)が入射偏光の偏光状態に依存することから、入射偏光を予め所定の偏光状態にしておくことが望まれる。 For example, in coherent optical communication, since the polarization state of the original signal changes during propagation, it is desirable to first convert the polarization state of the reception signal to a predetermined state when demodulating the reception signal. For example, when a semiconductor optical amplifier is used, it is desirable that the incident polarized light is set to a predetermined polarization state in advance because its characteristic (gain) depends on the polarization state of the incident polarized light.
例えば、1/2波長板を手動で、または機械的に回転させることによって、この1/2波長板に入射した直線偏光の偏光方向(偏光面)を任意の方向に回転させて出射させることができる。1/4波長板を手動で、または機械的に回転させることによって、この1/4波長板に入射した楕円偏光を任意の方向に偏光する直線偏光に変換して出射させることができる。また、直線偏光子を手動で、または機械的に回転させることによって、この直線偏光子に入射した自然光を任意の方向に偏光する直線偏光に変換して出射させることができる。 For example, by rotating the half-wave plate manually or mechanically, the polarization direction (polarization plane) of the linearly polarized light incident on the half-wave plate can be rotated and emitted in an arbitrary direction. it can. By manually or mechanically rotating the quarter-wave plate, elliptically polarized light incident on the quarter-wave plate can be converted into linearly polarized light polarized in an arbitrary direction and emitted. Further, by manually or mechanically rotating the linear polarizer, natural light incident on the linear polarizer can be converted into linearly polarized light polarized in an arbitrary direction and emitted.
特許文献1では、入射する直線偏光を旋光させることなく楕円偏光に変換可能であり、かつ電気的に厚さ方向のリタデーションを可逆的に制御可能な光学素子と、楕円偏光を直線偏光に変換可能な光学素子とを組み合わせることにより、電気的に偏光方向を任意の方向に設定可能な光学系を提案している。このよう光学系では、電気的に偏光方向を制御するので、精度及び作業効率が比較的高い。また、光学素子を回転させるための機械的な可動部が不必要となるので、小型化を図ることができる。
In
特許文献2は、異なる領域で偏光方向が異なるパターン偏光装置を開示している。特許文献2の技術では、ガラス基板上に形成された配向膜に対して、マスクを介してラビング処理を施すことにより、領域ごとに異なる配向方向をパターニングして、液晶ポリマーのツイスト角を領域ごとに異ならせている。
上述したように波長板を用いて偏光方向を制御する場合、場所ごとに異なる方向に振動する偏光を得るにあたって、波長板や直線偏光子等を手動で部分配置させたのでは精度や作業効率が低下するうえ、波長板などの境界で光散乱やリタデーションのずれなどの問題が生じる。さらに、連続的に偏光方向を変えることは事実上不可能である。 As described above, when the polarization direction is controlled using the wave plate, in order to obtain polarized light that vibrates in different directions for each place, manual placement of the wave plate, linear polarizer, etc. can improve accuracy and work efficiency. In addition to this, problems such as light scattering and retardation shift occur at the boundary of the wave plate and the like. Furthermore, it is virtually impossible to change the polarization direction continuously.
また、特許文献1に開示されている技術は、電気的に偏光方向を制御できるものの、そのための駆動装置が必要であり、当該駆動装置と光学素子とを電気的に接続する必要もある。
In addition, although the technique disclosed in
また、特許文献2に開示されている技術は、マスクを介してラビングを行う等精密な配向制御を行う必要があり生産性が低い。また、この技術により偏光方向を複数方向に変える場合、その必要な偏光方向の数だけ、マスクを精密にずらしながら、配向処理を行う必要がある。
Further, the technique disclosed in
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、低コストで、場所ごとにリタデーションが異な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 having low retardation and different retardation for each place.
本発明の一観点によれば、光学系は、一対の透明基板と、該一対の透明基板間に挟持される液晶層とを有し、厚さ方向が入射する直線偏光の光軸と平行に配置される液晶素子であって、前記液晶層は方位角方向については一軸方向に配向され、無電界状態でのリタデーションは領域により異なり、前記直線偏光を前記領域ごとに異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光に変換する液晶素子と、前記液晶素子の後段に、遅相軸の方向が前記液晶素子に入射する直線偏光の偏光方向と平行で、且つ前記遅相軸の方向と前記一軸方向との面内角度が45度又は135度となるように配置され、前記液晶素子から出射する異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光を、それぞれ該楕円主軸と同じ偏光方向の直線偏光に変換する光学素子とを有する。 According to one aspect of the present invention, an optical system includes a pair of transparent substrates and a liquid crystal layer sandwiched between the pair of transparent substrates, and the thickness direction is parallel to the incident optical axis of linearly polarized light. The liquid crystal element is arranged, wherein the liquid crystal layer is uniaxially oriented in the azimuth direction, the retardation in a non-electric field state varies depending on the region, and the linearly polarized light has an elliptical principal axis in a different direction for each region. A liquid crystal element that converts to elliptically polarized light, and a later stage of the liquid crystal element, a slow axis direction is parallel to a polarization direction of linearly polarized light incident on the liquid crystal element, and the slow axis direction and the uniaxial direction are An optical element which is arranged so that an in-plane angle is 45 degrees or 135 degrees, and which converts elliptically polarized light having an elliptical principal axis in a different direction emitted from the liquid crystal element into linearly polarized light having the same polarization direction as the elliptical principal axis; Have
本発明の他の観点によれば、液晶素子の製造方法は、ベタパターンの透明電極が形成された一対の透明基板を間隙を持って張り合わせる工程と、前記一対の透明基板の間隙に、光硬化性モノマーを添加した液晶を注入する工程と、前記液晶層に印加する電圧を領域に応じて変化させながら、スリットマスクの開口を介して紫外線を照射し、前記光硬化性モノマーを光硬化させる工程とを有する。 According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a liquid crystal device includes a step of bonding a pair of transparent substrates on which a solid pattern of transparent electrodes is formed with a gap, and a light beam in the gap between the pair of transparent substrates. A step of injecting a liquid crystal to which a curable monomer is added and a voltage applied to the liquid crystal layer are changed according to a region, and ultraviolet light is irradiated through an opening of a slit mask to photocure the photocurable monomer. Process.
また、本発明の他の観点によれば、液晶素子は、一対の透明基板と、該一対の透明基板間に挟持される液晶層とを有し、前記液晶層は方位角方向については一軸方向に配向され、無電界状態でのリタデーションは領域により異なり、厚さ方向と平行な光軸を有する直線偏光が入射された場合には、該直線偏光を前記領域ごとに異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光に変換する。 According to another aspect of the present invention, a liquid crystal element includes a pair of transparent substrates and a liquid crystal layer sandwiched between the pair of transparent substrates, and the liquid crystal layer is uniaxial with respect to the azimuth direction. When the linearly polarized light having an optical axis parallel to the thickness direction is incident, the linearly polarized light has an elliptical main axis in a different direction for each region. Convert to elliptically polarized 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、低コストで、場所ごとにリタデーションが異な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 having different retardation for each place at low cost.
図1は、本発明の第1の実施例による光学系100の構成を示す概略図である。光学系100は、所定方向に偏光した直線偏光PL1を出射する光源装置110と、屈折率異方性を有する第1の光学素子(液晶素子)101と、厚さ方向と直交する面内に遅相軸を有する第2の光学素子(位相板)120とを含んで構成される。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an
光源装置110は、例えば、所望の光を出射する人工光源と、光を所定方向に偏光した直線偏光PL1に変換する偏光子とで構成される光源装置である。人工光源としては、例えば、ハロゲンランプと光学フィルタとを組み合わせた単色光光源や、レーザ発振器等が用いられる。偏光子としては、例えば、直線偏光フィルムや偏光プリズム等が用いられる。
The
第1の光学素子101は、例えば液晶素子によって構成され、その厚さ方向が光学系の光軸と平行になるように配置される。第1の光学素子101は、複数の領域を有し、領域ごとに液晶層位相差(リタデーション)の異なる状態が形成されている。位相差を変える手法として、Δnを変化させるものと、液晶層の厚さを変えるものが考えられるが、本実施例では、Δnを変化させるものを中心にして説明する。
The first
詳細は後述するが、第1の光学素子101は、例えば、注入する液晶中に少量の紫外線硬化型液晶モノマーを添加し、領域ごとに所定の電圧を印加した状態で紫外線を照射し、液晶性モノマーをポリマー化し、その領域の液晶配向状態を、上記所定の電圧を印加した状態で固定したものである。液晶の配向状態が領域ごとに異なると、素子を法線方向から見たときのΔnが領域ごとに異なるため、領域ごとに液晶層位相差(リタデーション)の異なる状態を形成することができる。
Although details will be described later, for example, the first
第1の光学素子101に、その厚さ方向と平行に直線偏光PL1が入射すると、この直線偏光PL1は、第1の光学素子101での各領域における屈折率分布(厚さ方向のリタデーション)に応じて、所定方向に楕円主軸を有する楕円偏光PL2に変換される。なお、第1の光学素子101内では、直線偏光PL1は旋光しない。
When the linearly polarized light PL1 is incident on the first
第2の光学素子120は、第1の光学素子101と同様に、その厚さ方向が光学系の光軸と平行になるように配置される。第2の光学素子120は、第1の光学素子101から出射して当該第2の光学素子120の厚さ方向と平行に入射した楕円偏光PL2を直線偏光PL3に変換する。直線偏光PL3の偏光方向は、楕円偏光PL2の楕円主軸の方向と同一方向である。例えば1/4波長板によって第2の光学素子120が構成される。
Similar to the first
次に、第1の光学素子101と第2の光学素子120との配置の好ましい一例を説明する。図1では、第1の光学素子101に入射させようとする直線偏光PL1の偏光方向A0と直交座標系のx軸とを互いに平行にして描いてある。直交座標系のz軸が光軸に相当する。
Next, a preferable example of the arrangement of the first
第1の光学素子101は、その後述する液晶層15と配向膜13(又は23)との界面における液晶配向方向A1と直線偏光PL1の偏光方向A0との面内角度θ1、すなわち、液晶配向方向A1と偏光方向A0とを光軸に垂直な1つの平面上に正射影したときにこれらが互いになす角度θ1が45°となるように配置されている。この面内角度は、135°とすることもできる。
The first
第2の光学素子120は、その遅相軸A2と第1の光学素子101の液晶配向方向A1との面内角度が45°となるように配置されている。この面内角度は、135°とすることもできる。図示の例では、第2の光学素子120の遅相軸A2が直線偏光PL1の偏光方向A0と平行になっている。
The second
第1の光学素子101と第2の光学素子120との配置を上述した配置にすることにより、任意に選択された方向に偏光した直線偏光PL3を容易に得ることが可能になる。
By arranging the first
図2は、本発明の第1の実施例による第1の光学素子101の断面構造を示す概略断面図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the sectional structure of the first
第1の光学素子101は、一対の透明基板11、21、透明基板11の一表面上に形成される透明電極12及び垂直配向膜13、透明基板21の一表面上に形成される透明電極22及び垂直配向膜23を含んで構成される。
The first
一対の透明基板11、21間には液晶層15が挟持されている。液晶層15は、後述するように液晶中に少量の紫外線硬化型液晶モノマーを添加し、領域ごとに所定の電圧を印加した状態で紫外線を照射して、液晶性モノマーをポリマー化することにより、所定電圧印加時の液晶配向状態が固定されている。したがって、領域ごとに液晶層位相差(リタデーション)の異なる状態が形成されている。
A
次に、本発明の第1の実施例による第1の光学素子101の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the first
図3は、本発明の第1の実施例による第1の光学素子101の製造方法を説明するための概略断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for manufacturing the first
まず、セル厚4μm、プレティルト角89.5°程度の垂直配向のアンチパラレルセルを作製する。セル工程は一般的なものと同一である。ガラス基板11及び21上にそれぞれ透明電極であるインジウムスズ酸化物(ITO)を蒸着、スパッタなどにより形成し、フォトリソグラフィー工程により所望のITOパターンを形成して、透明電極12及び22を形成する。本実施例では、ベタパターンの電極を形成する。また、インジウムスズ酸化物(ITO)を用いて透明電極を形成するが、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。
First, a vertically aligned antiparallel cell having a cell thickness of 4 μm and a pretilt angle of about 89.5 ° is manufactured. The cell process is the same as a general process.
次に、ITOパターン付ガラス基板11及び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
その後、ITOパターン付ガラス基板11及び21上に、それぞれフレキソ印刷法にて垂直配向膜13及び23を形成する。均一なモノドメイン配向を得る手法としては、例えば、特開2005−234254の[発明を実施するための最良の形態]の項に記載の方法を用いることが好ましい。なお、本実施例では、垂直配向膜13及び23として、例えば、SE−1211(日産化学製)を用いる。
Thereafter, the
次に、垂直配向膜13及び23に対して、配向処理としてラビングを実施する。ラビングは布を巻いた円筒状のロールを高速に回転させ、配向膜上を擦る工程であり、これにより液晶分子を一軸に配向することができる。本実施例では、上下基板間の配向状態がアンチパラレル(反平行)状態になるように処理を行う。また、配向方法はラビングに限らず、光配向法、イオンビーム配向法、プラズマビーム配向法、斜め蒸着法などを用いることができる。
Next, rubbing is performed on the
次に、片側のガラス基板(例えば、ガラス基板11)上に、ギャップコントロール剤を数wt%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3.9μm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。液晶の注入方法として、真空注入法を用いる場合は注入口を有するパターンを、ODF法の場合は注入口のない閉じられたパターンを作製する。また、シール剤は熱硬化性のものに限らず、光硬化性のシール剤や光・熱併用型シール剤などを用いることができる。
Next, a
もう一方のガラス基板(例えば、ガラス基板21)上には、ギャップコントロール剤14として径が4μm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。ギャップ剤には、プラスチックボールの代わりに真し球を用いてもよい。また、ギャップ剤には液晶の配向を乱さないための表面処理が行われているものを用いてもよい。
On the other glass substrate (for example, glass substrate 21), a plastic ball having a diameter of 4 μm is dispersed as a
次に、両ガラス基板11、21を所定の位置で重ね合わせ、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る。その後、スクライバー装置によりガラス上に傷をつけ、ブレイキングにより所定の大きさ・形に分割する。
Next, both the
このようにして作製された空セルに、液晶性モノマーを添加した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、誘電率異方性が負のもので、これに紫外線でポリマー化が可能な液晶性モノマーを4wt%程度、光反応開始剤を0.1wt%程度添加したものを用いるが、添加量はこれに限るものではない。また、モノマーとして液晶性のものを用いるが、液晶性は必須ではない。ただし、配向の乱れが少ないという点で液晶性モノマーを用いることが好ましい。液晶性モノマーは誘電率異方性が正のものでも負のものでも用いることが可能である。誘電率異方性が負の液晶性モノマーであれば、添加量を多くしもよい。光反応開始剤としては特に限定はなく、紫外線(365nm付近)に感度を持つ材料等が望ましい。液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止する。
The
本発明者らは、ここまでの工程により実際に光学素子(セル)101aを作製し、図に示すように、透明電極12及び22の端子部分12t及び22tに配線を接続して、交流電圧(150Hz程度)を印加した。そうしたところ、電圧によりセル101a中の液晶分子が応答し、セル101aのリタデーションの値が変化することが確認できた。したがって、液晶性モノマーを4wt%程度添加しても液晶分子は電界方向と直交する方向に応答していることが分かる。なお、ここでの閾値は3.5V程度であり、印加電圧が0〜3Vの範囲ではリタデーション値(位相差)は0nmであり、電圧印加により増加する傾向が確認された。また、出射光を偏光板を通して観察し、直線偏光になっていることを確認した。
The present inventors actually manufactured the optical element (cell) 101a through the steps up to here, and connected the wiring to the
次に、図1に示した光学系100と同様のものを、光学素子101の代わりに、透明電極12及び22の端子部分12t及び22tに配線を接続したセル101aを用いて作製して、電圧による光の偏光方向の制御実験を行った。すなわち、光源として直線偏光を有するもの(例えば、偏光レーザや光源の光に偏光板を通すことで直線偏光を作製したもの)を用いて、光源側の直線偏光の偏光方向とセル101aの液晶配向方向が光軸に垂直な1つの平面上に正射影したときにこれらが互いになす角度が45°となるように配置し、セル101aの後段にλ/4板等の光学素子を配置した。このような構成により、光学素子を透過してくる光の偏光方向を電圧により制御できることが確認された。
Next, an optical system similar to the
図4は、電圧に対する偏光回転角の実測結果を示すグラフである。印加電圧により直線偏光の方向が変化し、20V程度までの範囲で360°任意方向に偏光方向が制御できることが分かり、7V以内の範囲で180°までの任意方向に偏光方向を制御できることが分かる。なお、偏光回転角や印加電圧の範囲は、セル条件や液晶材料を選択することで自由に設定することができる。 FIG. 4 is a graph showing the measurement result of the polarization rotation angle with respect to the voltage. It can be seen that the direction of linearly polarized light changes depending on the applied voltage, and the polarization direction can be controlled in an arbitrary direction of 360 ° within a range up to about 20V, and the polarization direction can be controlled in an arbitrary direction up to 180 ° within a range of 7V or less. The range of the polarization rotation angle and the applied voltage can be freely set by selecting cell conditions and liquid crystal material.
なお、図4での偏光回転角は検光子の角度を変えていったときの透過光量が最小になる角度より求めた。また、最小になるときの透過光量はほとんど0であり、偏光回転角が変わっても最長値はほぼ0であった。このことからλ/4板を透過してきた光は直線偏光であることが分かる。 Note that the polarization rotation angle in FIG. 4 was determined from the angle at which the amount of transmitted light was minimized when the angle of the analyzer was changed. Further, the amount of transmitted light at the minimum was almost 0, and the longest value was almost 0 even when the polarization rotation angle was changed. From this, it can be seen that the light transmitted through the λ / 4 plate is linearly polarized light.
図5は、セル101aに印加する電圧と、セル101a後段の光学素子(λ/4板)から出射する直線偏光の偏光状態のシミュレーション結果を表すグラフである。このグラフはy軸が基準方向である。
FIG. 5 is a graph showing a simulation result of the voltage applied to the
図5に示すグラフから明らかなように、セル101aに印加する電圧が2.4Vでは58°程度、2.6Vでは90°程度、4Vでは223°程度偏光方向が回転していることが分かる。なお、ここでのシミュレーションは図4の実測とは異なるパラメータで行ったので、閾値電圧等が異なっている。いずれにしても、セル101aに印加する電圧に従い偏光方向が回転することが分かる。
As is apparent from the graph shown in FIG. 5, it can be seen that the polarization direction rotates about 58 ° when the voltage applied to the
図6は、セル101aに印加する電圧と、セル101a後段の光学素子(λ/4板)から出射する直線偏光のストークスパラメータS0〜S3の関係を解析した計算結果を表すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a calculation result obtained by analyzing the relationship between the voltage applied to the
図6に示すグラフから明らかなように、ポアンカレ球でのx成分の値であるストークスパラメータS1の値と、ポアンカレ球でのy成分の値であるストークスパラメータS2の値とは、セル101aに印加する電圧の大きさに応じて変化する。これに対し、ポアンカレ球でのz成分の値であるストークスパラメータS3の値は、セル101aに印加する電圧の大きさに拘わらず0(ゼロ)で一定である。すなわち、ストークスパラメータS3の値がセル101aに印加する電圧の大きさに拘わらず0(ゼロ)であることから、セル101aの駆動時には常に、ポアンカレ球での赤道上に示される偏光、すなわち直線偏光がセル101a後段の光学素子(λ/4板)から出射することが理解される。
As is clear from the graph shown in FIG. 6, the value of the Stokes parameter S1 that is the value of the x component in the Poincare sphere and the value of the Stokes parameter S2 that is the value of the y component in the Poincare sphere are applied to the
図7は、本発明の第1の実施例による紫外線露光方法を説明するための概略平面図である。 FIG. 7 is a schematic plan view for explaining the ultraviolet exposure method according to the first embodiment of the present invention.
まず、図3に示したのと同様に、透明電極12及び22に配線を接続し、セル101aに電圧を印加できるようにする。スリットマスク130を用いて、一定幅の領域しか紫外線が当たらないようにする。すなわち、スリットマスク130の開口部分から露出した領域にのみ紫外線が当たるようにする。
First, as shown in FIG. 3, wiring is connected to the
スリットマスク130の下にセル101aを搬送し、停止させた状態で(もしくは所定の速度で搬送しながら)、所定の電圧を印加しつつ、所定の部分(マスクから露出している領域)にのみ所定の光量の紫外線を照射して、液晶層15内の液晶性モノマーを硬化させる。なお、紫外線照射量は0.5〜5J/cm2程度の範囲内であることが好ましい。
While the
本発明者らは、紫外線照射量を2J/cm2として、実際に上記工程によりセル101aに紫外線を照射して液晶性モノマーを硬化させたところ、液晶分子の配列状態を紫外線照射したときの配列のまま固定させることができた。電圧を印加しつつ紫外線を照射した領域では電圧を印加しなくても、発生したリタデーションが維持されていた。例えば、2.1Vを印加しながら硬化させた領域では60nm程度、2.5Vを印加しながら硬化させた領域では120nm程度、3Vを印加しながら硬化させた領域では200nm程度のリタデーションの値を、電圧を印加しなくても示すことが分かった。
The inventors of the present invention set the irradiation amount of ultraviolet rays to 2 J / cm 2 and actually irradiate the
つまり、液晶層15内の液晶分子は、方位角方向については上述の配向処理により一軸方向に配向され、極角方向については紫外線硬化時に当該領域に印加された電圧に応じた方向に配向される。したがって、領域ごとに紫外線硬化時に印加する電圧を変更しているので、極角方向については領域ごとに配向方向が異なる状態で固定されることとなる。
That is, the liquid crystal molecules in the
次に、セル101aの端子部分12t及び22tを図8(A)に示す点線の位置でカットして、図8(B)に示すように端子部分12t及び22tを除去した光学素子101を完成させた。使用時には電圧を印加する必要がないため、本実施例ではこのように上下の基板は上面視での外形が一致するようにした。この完成させた光学素子101を、図1を参照して説明したように、光源装置110及び第2の光学素子120と組み合わせて第1の実施例による光学系100を作製した。
Next, the
本発明の第1の実施例による光学系100を透過してくる光の偏光方向は、光学素子101のどの領域を透過するかにより異なっており、0〜3Vを印加しながら硬化させた領域では光源の直線偏光と同じ偏光方向の光が出射したものの、それぞれの電圧(3〜20V程度)に対して、図4のグラフに示す偏光回転角とほぼ同一の方向に回転した状態で出射した。また、その偏光度は99%以上と極めて高かった。
The polarization direction of the light transmitted through the
図9(A)及び(B)は、本発明の第2の実施例による光学素子102の製造方法を説明するための平面図である。
FIGS. 9A and 9B are plan views for explaining a method of manufacturing the
第2の実施例による第1の光学素子102は、セル厚4μm、プレティルト角1.5°程度の水平配向セルを用いた光学素子であり、図1に示す光学系100における第1の光学素子101の代わりに、第1の光学素子102を用い、光源装置110及び第2の光学素子120と組み合わせて利用可能である。
The first
第1の実施例による光学素子101と第2の実施例による光学素子102との第1の相違点は、第1の実施例では、透明電極12及び22をベタ電極パターンとしたのに対して、第2の実施例では、図9(A)に示すように、透明電極12及び22を互いに直交する複数本のストライプパターンとしたところにもある。透明電極12と22と対向する領域が、後に液晶層位相差(リタデーション)がそれぞれ異なる領域となる。
The first difference between the
また、第2の相違点として、第1の実施例では、配向膜13及び23として垂直配向膜を用いたが、第2の実施例では、例えば、日産化学製のSE−130Bなどの水平配向膜を用いる。配向膜13及び23に対する配向処理は、第1の実施例と同様にラビング等で行うことができる。シール剤16の形成及びギャップコントロール剤14の散布、ガラス基板11及び12の重ね合わせ等のそのほかのセル工程は第1の実施例と同様である。その後、図9(A)に破線で示すように、スクライバー装置によりガラス上に傷をつけ、ブレイキングにより所定の大きさ・形に分割し、図9(B)に示す空セル102aを作製する。
Further, as a second difference, in the first embodiment, vertical alignment films are used as the
このようにして作製された空セル102aに第1の実施例と同様の手法で液晶を注入する。第2の実施例で注入する液晶は誘電率異方性が正で、紫外線でポリマー化が可能な液晶性モノマー(誘電率異方性が正)を12wt%程度、光反応開始剤を0.3wt%程度添加したものを用いる。なお、注入する液晶に添加する液晶性モノマー等の添加量はこれに限るものではない。また、モノマーとして液晶性のものを用いるが、液晶性は必須ではない。ただし、配向の乱れが少ないという点で液晶性モノマーを用いることが好ましい。光反応開始剤としては特に限定はなく、紫外線(365nm付近)に感度を持つ材料等が望ましい。液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止する。
Liquid crystal is injected into the
本発明者らは、ここまでの工程により実際に光学素子(セル)102aを作製し、図3に示す第1の実施例と同様に、透明電極12及び22に配線を接続して、交流電圧(150Hz程度)を印加した。そうしたところ、電圧によりセル102a中の液晶分子が応答し、セル102aのリタデーションの値が変化することが確認できた。したがって、液晶性モノマーを4wt%程度添加しても液晶分子は電界方向と直交する方向に応答していることが分かる。なお、ここでの閾値は1.5V程度であり、印加電圧が0Vの状態でもリタデーション値(位相差)が存在し、電圧によりリタデーション値が少しずつ減少した。電圧による変化の様子は、電圧により増減する方向が違うものの、第1の実施例による垂直配向の場合と変わらなかった。但し、第2の実施例では、初期状態でもリタデーションが存在する。
The present inventors actually manufactured the optical element (cell) 102a through the steps so far, and connected the wiring to the
図10は、本発明の第2の実施例による紫外線露光方法を説明するための概略平面図である。 FIG. 10 is a schematic plan view for explaining the ultraviolet exposure method according to the second embodiment of the present invention.
まず、図に示すように透明電極12及び22が重なり合う複数の領域のそれぞれの端子部分12t及び22tに配線を接続し、セル102aの複数の領域のそれぞれに異なる電圧(V1〜V6)を印加できるようにする。
First, as shown in the figure, wirings are connected to the respective
次に、セル102a全面に紫外線を所定の光量照射し、液晶性モノマーを硬化させる。なお、紫外線照射量は0.5〜5J/cm2程度の範囲内であることが好ましい。本発明者らは、紫外線照射量を2J/cm2(約16mW/cm2の光を60秒照射)として、実際に上記工程によりセル102aに紫外線を照射して液晶性モノマーを硬化させたところ、液晶分子の配列状態を紫外線照射したときの配列のまま固定させることができた。また、電圧を印加しなくても、事前に確認した通りのリタデーションの値をそれぞれの領域で示すことが確認できた。
Next, a predetermined amount of ultraviolet light is irradiated on the entire surface of the
つまり、第1の実施例と同様に、液晶層15内の液晶分子は、方位角方向については上述の配向処理により一軸方向に配向され、極角方向については紫外線硬化時に当該領域に印加された電圧に応じた方向に配向される。したがって、領域ごとに紫外線硬化時に印加する電圧を変更しているので、極角方向については領域ごとに配向方向が異なる状態で固定されることとなる。
That is, as in the first embodiment, the liquid crystal molecules in the
次に、セル102aの端子部分12t及び22tを図11(A)に示す点線の位置でカットして、図11(B)に示すように端子部分12t及び22tを除去して光学素子102を完成させた。使用時には電圧を印加する必要がないため、本実施例ではこのように上下の基板は上面視での外形が一致するようにした。この完成させた光学素子102を、図1を参照して説明した第1の実施例による第1の光学素子101の代わりに用い、光源装置110及び第2の光学素子120と組み合わせて、第2の実施例による光学系100を作製した。すなわち、図1に示す第1の実施例と同様に、光源110側の直線偏光の偏光方向とセル102aの液晶配向方向が光軸に垂直な1つの平面上に正射影したときにこれらが互いになす角度が45°となるように配置し、セル102aの後段にλ/4板等の第2の光学素子120を配置した。
Next, the
本発明の第2の実施例による光学系100を透過してくる光の偏光方向は、光学素子102の領域により異なっており、印加電圧を変えた状態で紫外線を照射した領域ごとに異なる偏光方向の光が出射された。また、その偏光度は99%以上と極めて高かった。
The polarization direction of the light transmitted through the
なお、電極と電極の間からはいずれも電圧無印加の時と同じ方向の光が出射した。電極の間は光を制御できていない状態になるためITOパターンの電極間距離はなるべく狭いほうが好ましい。また、電極間距離が狭すぎると電極間ショートの恐れもあるため、用途等に応じて最適化することが望ましい。一般的には、20μm以下の電極間距離が望ましい。また、形成する電極パターンの数・形状、幅等は図示の例に限らない。例えば、上述の実施例では電極の幅がほぼ等しい場合を例示したが、列(又は行)ごとに電極の幅を変えてもよい。また、一括露光ではなく、第1の実施例と同様にスリットマスクを使った露光を行ってもよい。 Note that light in the same direction as when no voltage was applied was emitted from between the electrodes. Since the light cannot be controlled between the electrodes, the distance between the electrodes of the ITO pattern is preferably as small as possible. In addition, if the distance between the electrodes is too narrow, there is a possibility of short-circuit between the electrodes, so it is desirable to optimize according to the application. In general, a distance between electrodes of 20 μm or less is desirable. Further, the number, shape, width, and the like of the electrode patterns to be formed are not limited to the illustrated example. For example, although the case where the widths of the electrodes are substantially equal is illustrated in the above-described embodiments, the width of the electrodes may be changed for each column (or row). Further, instead of batch exposure, exposure using a slit mask may be performed as in the first embodiment.
図12は、本発明の第3の実施例による第1の光学素子103の製造方法を説明するための概略平面図である。第3の実施例による第1の光学素子103は、図1に示す光学系100における第1の光学素子101の代わりに、第1の光学素子103を用い、光源装置110及び第2の光学素子120と組み合わせて利用可能である。
FIG. 12 is a schematic plan view for explaining the manufacturing method of the first
図12に示すような細長い形状の液晶セル103で、図中の幅Wがおおよそ10mm以下、さらに好ましくは5mm以下になれば液晶セル103の面内にギャップコントロール剤14を散布しなくても周囲のメインシール剤16中に含有されるギャップコントロール剤の径の大きさにより面内のギャップをほぼ等しくすることができる(ガラス厚が0.7mm、1.1mmの場合、もっと薄いガラスの場合は均一なセル厚が得られるWの値が小さくなる傾向にある)。
When the width W in the figure is approximately 10 mm or less, more preferably 5 mm or less, the surroundings can be obtained without spraying the
第3の実施例では、シール剤に含まれるギャップコントロール剤の径の大きさを図12に示すように左右の位置で変えることとする。これに伴い、それぞれの領域におけるセル厚の値を変化させることが可能である。これにより得られるセル厚はおおむねその領域に最も近いメインシール剤16に含有されるギャップコントロール剤の径の大きさとほぼ等しくなる。
In the third embodiment, the size of the diameter of the gap control agent contained in the sealing agent is changed at the left and right positions as shown in FIG. Along with this, it is possible to change the value of the cell thickness in each region. The cell thickness obtained in this way is approximately equal to the size of the diameter of the gap control agent contained in the
従って図12に示すようにシール剤16に添加するギャップコントロール剤の粒径を領域により変えることにより液晶層15の厚さを場所により変えることが可能になる。具体的には複数回ディスペンサ方式(印刷)などにより、含有されるギャップコントロール剤の径の大きさが異なるシール剤16を所定の位置にパターン塗布すれば良い。塗布する回数を増やすほど液晶層15の厚さをなだらかに変えることが可能である。なお、この第3の実施例では、液晶層15の厚さによりリタデーションを変化させるので、第1及び第2の実施例のように、電圧を印加して紫外線硬化する必要がないことから、透明電極を用いることも、紫外線硬化を行うことも必要が無いというメリットがある。
Therefore, as shown in FIG. 12, the thickness of the
なお、液晶層15の厚さを領域ごとに変えるには、上述のシール剤16に添加するギャップコントロール剤の粒径を領域により変える方法(第1の光学素子が細長い形状をしていて、細い方の幅が概ね10mm以下の場合に有効)以外にも、面内に散布するギャップコントロール剤14の粒径を領域により変える方法(順次マスクをしてギャップ剤散布)や、面内に形成するスペーサーリブの高さを領域により変える方法(露光条件、スピンコート条件などにより制御可能)等が考えられる。
In order to change the thickness of the
以上、本発明の第1〜第3の実施例によれば、光学系を構成する液晶セル内に領域ごとに異なるリタデーションを有する状態を形成することで、当該液晶セルを透過する光の偏光方向を、領域ごとに変えることが可能となる。 As mentioned above, according to the 1st-3rd Example of this invention, the polarization direction of the light which permeate | transmits the said liquid crystal cell by forming the state which has a different retardation for every area | region in the liquid crystal cell which comprises an optical system. Can be changed for each region.
また、光源以外の光学素子としては偏光板を用いる必要がないため、透明な光学系を作製することが可能となる。本発明の第1〜第3の実施例による光学系は、基本的に光(可視光、赤外光等)を吸収しない材料で構成される。 Moreover, since it is not necessary to use a polarizing plate as an optical element other than the light source, a transparent optical system can be produced. The optical system according to the first to third embodiments of the present invention is basically composed of a material that does not absorb light (visible light, infrared light, etc.).
また、本発明の第1〜第3の実施例による光学系は、駆動電源や配線を必要としない。また、配線接続のための端子部分も不要となる。したがって、光学系を小型化、軽量化することが可能となる。また、第3の実施例では、製造過程でも駆動電源や配線を必要とせず、配線接続のための端子部分も必要としない。 Moreover, the optical system according to the first to third embodiments of the present invention does not require a driving power source or wiring. In addition, a terminal portion for wiring connection is not necessary. Therefore, the optical system can be reduced in size and weight. In the third embodiment, no driving power source or wiring is required even in the manufacturing process, and no terminal portion for wiring connection is required.
また、第1及び第2の実施例では、スリットマスクを電圧印加とを同期させ、セルを搬送しながら紫外線露光する方法又はパターン電極にそれぞれ異なる電圧を印加して一括露光する方法により、領域ごとにリタデーションの異なる状態を簡便に得ることができる。よって、低コストで光学系を製造することが可能となる。 In the first and second embodiments, the slit mask is synchronized with the voltage application, and a method of performing ultraviolet exposure while transporting the cell or a method of performing batch exposure by applying different voltages to the pattern electrodes respectively. In addition, it is possible to easily obtain different states of retardation. Therefore, it becomes possible to manufacture an optical system at low cost.
また、第1の光学素子、第2の光学素子など、光学系を構成する部材に反射防止膜を設けるようにしてもよい。また、光源装置110の波長は可視光から赤外光まで自由に選択できる。但し、365nmより短波長の紫外光は、液晶が劣化する可能性から好ましくない。
Moreover, you may make it provide an antireflection film in the member which comprises an optical system, such as a 1st optical element and a 2nd optical element. The wavelength of the
なお、実施例いずれも長手方向を持つ外形を有し、一方向へリタデーションが変化するものであったがこれに限らない。例えば、面内の縦方向と横方向の2方向でリタデーションが変化する領域を設けてもよい。また、リタデーションの変化に法則性はなくてもよく、リタデーションが大きい領域にリタデーションが小さい領域がはさまれているようにしてもよい。 In addition, although all of the examples have an outer shape having a longitudinal direction and the retardation changes in one direction, the present invention is not limited to this. For example, you may provide the area | region where retardation changes in two directions of the vertical direction and horizontal direction in a surface. Further, the change in retardation may not have a law, and a region with a small retardation may be sandwiched between regions with a large retardation.
なお、上述の第1〜第3の実施例では、光学系100は偏光光源である光源装置110を含んで構成されたが、光源装置110を省略して、第1の光学素子及び第2の光学素子に外部の偏光光源からの光を入射させるように構成することも可能である。
In the first to third embodiments described above, the
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.
上述した光学系は、例えば、コヒーレント光通信で受信信号の偏光状態を所定の状態に変換するための装置、半導体光増幅器のように特性(利得)が入射偏光の偏光状態に依存して変動する素子へ所定の入射偏光を供給するための装置、エリプソメータで使用する測定光を得るための装置、光学素子の偏光特性を解析するための光源装置等として用いることができる。また、プロジェクターや、液晶製品等の偏光光学系を用いた製品全般、レーザ加工機(溶接、切断、マーカー)、レーザプリンタ、レーザプロジェクター、各種センサ、測定器、分析機器などのレーザを用いた製品全般に用いることが可能である。 In the optical system described above, the characteristic (gain) varies depending on the polarization state of incident polarized light, such as a device for converting the polarization state of a received signal into a predetermined state in coherent optical communication and a semiconductor optical amplifier. It can be used as a device for supplying predetermined incident polarized light to an element, a device for obtaining measurement light used in an ellipsometer, a light source device for analyzing polarization characteristics of an optical element, and the like. In addition, products that use lasers such as projectors, general products that use polarizing optical systems such as liquid crystal products, laser processing machines (welding, cutting, markers), laser printers, laser projectors, various sensors, measuring instruments, and analytical instruments It can be used in general.
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、100…光学系、101、102…第1の光学素子、110…光源装置、120…第2の光学素子
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記液晶素子の後段に、遅相軸の方向が前記液晶素子に入射する直線偏光の偏光方向と平行で、且つ前記遅相軸の方向と前記一軸方向との面内角度が45度又は135度となるように配置され、前記液晶素子から出射する異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光を、それぞれ該楕円主軸と同じ偏光方向の直線偏光に変換する光学素子と
を有する光学系。 A liquid crystal element having a pair of transparent substrates and a liquid crystal layer sandwiched between the pair of transparent substrates, the thickness direction of which is arranged parallel to the optical axis of linearly polarized light, wherein the liquid crystal layer includes: With respect to the azimuth direction, a liquid crystal element that is aligned in a uniaxial direction, retardation in an electric field state varies depending on a region, and converts the linearly polarized light into elliptically polarized light having an elliptical principal axis in a different direction for each region;
At the subsequent stage of the liquid crystal element, the direction of the slow axis is parallel to the polarization direction of the linearly polarized light incident on the liquid crystal element, and the in-plane angle between the direction of the slow axis and the uniaxial direction is 45 degrees or 135 degrees. And an optical element that converts elliptically polarized light having an elliptical principal axis in a different direction, which is emitted from the liquid crystal element, into linearly polarized light having the same polarization direction as the elliptical principal axis.
前記一対の透明基板の間隙に、光硬化性モノマーを添加した液晶を注入する工程と、
前記液晶層に印加する電圧を領域に応じて変化させながら、スリットマスクの開口を介して紫外線を照射し、前記光硬化性モノマーを光硬化させる工程と
を有する液晶素子の製造方法。 Bonding a pair of transparent substrates on which a solid pattern of transparent electrodes is formed with a gap;
Injecting a liquid crystal added with a photocurable monomer into the gap between the pair of transparent substrates;
A method of manufacturing a liquid crystal element , comprising: irradiating ultraviolet rays through an opening of a slit mask while photovoltage is applied to the liquid crystal layer, and photocuring the photocurable monomer.
該一対の透明基板間に挟持される液晶層と
を有し、
前記液晶層は方位角方向については一軸方向に配向され、無電界状態でのリタデーションは領域により異なり、
厚さ方向と平行な光軸を有する直線偏光が入射された場合には、該直線偏光を前記領域ごとに異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光に変換する液晶素子。 A pair of transparent substrates;
A liquid crystal layer sandwiched between the pair of transparent substrates,
The liquid crystal layer is aligned in a uniaxial direction with respect to the azimuth direction, and the retardation in the non-electric field state varies depending on the region,
A liquid crystal element that converts linearly polarized light into elliptically polarized light having an elliptical principal axis in a different direction for each region when linearly polarized light having an optical axis parallel to the thickness direction is incident.
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