JP6756585B2 - 液晶素子、光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光の進路を自在に偏向するための技術に関し、特に液晶素子を用いるものに関する。

特開平６−１４８６９７号公報（特許文献１）には、印加電界により光軸方向が変化する誘電体として液晶材料を用いて複数のセルを構成し、各セルを個別に選択して順次電界印加することによって、順次各セルから本来の光入射方向及び電界印加方向とは垂直方向に光を取り出すことが可能な光走査装置が開示されている。しかし、上記の光走査装置では、光を取り出すことが可能な方向が限られており、入射光の進路を自在に偏向することは困難であった。

特開平６−１４８６９７号公報

本発明に係る具体的態様は、入射光の進路を自在に偏向することが可能な光制御技術を提供することを目的の１つとする。

［１］本発明に係る一態様の液晶素子は、（ａ）対向配置される第１基板及び第２基板と、（ｂ）前記第１基板の一面側に設けられる１つ以上の第１電極と、（ｃ）前記第２基板の一面側に設けられており前記第１電極と対向配置される第２電極と、（ｄ）前記第１基板と前記第２基板の間に配置される液晶層と、（ｅ）前記第１基板及び前記第２基板の平面視における一端側に設けられており、前記液晶層に対して前記第１基板と前記第２基板の各基板面と略平行方向に光を入射させるための光入射口と、（ｆ）前記第１基板及び前記第２基板の前記一端側と前記液晶層を挟んで対向する他端側に設けられており、前記液晶層から前記第１基板と前記第２基板の各基板面と略平行方向に光を出射させるための光出射口と、を備え、（ｇ）前記第１電極は、前記光入射口から入射させる光の主進行方向に対して平面視において斜交する電極エッジを１つ以上有している、液晶素子である。
［２］本発明に係る一態様の液晶素子は、（ａ）対向配置される第１基板及び第２基板と、（ｂ）前記第１基板の一面側に設けられる１つ以上の第１電極と、（ｃ）前記第２基板の一面側に設けられており前記第１電極と対向配置される第２電極と、（ｄ）前記第１基板と前記第２基板の間に配置される液晶層と、（ｅ）前記第１基板及び前記第２基板の平面視における一端側に設けられており、前記液晶層に対して前記第１基板と前記第２基板の各基板面と略平行方向に光を入射させるための光入射口と、（ｆ）前記第１基板及び前記第２基板の前記一端側と前記液晶層を挟んで対向する他端側に設けられており、前記液晶層から前記第１基板と前記第２基板の各基板面と略平行方向に光を出射させるための光出射口と、を備え、（ｇ）前記第１電極と前記第２電極による印加電界を制御することにより、前記光入射口から入射させる光の主進行方向に対して平面視において斜交する境界であって前記液晶層の液晶分子の配向状態が互いに異なる領域同士の境界を生じさせ、前記境界へ前記光を入射させることによって当該光を偏向して前記光出射口から出射させる、液晶素子である。
［３］本発明に係る一態様の光走査装置は、上記［１］または［２］の液晶素子と、この液晶素子の光入射口へ入射させる光を生成する光源と、液晶素子を駆動する駆動装置を含む、光走査装置である。

上記の各構成によれば、入射光の進路を自在に偏向することが可能となる。

図１は、入射光の進路を自在に偏向させるための液晶素子の原理的構成について説明するための模式的な平面図である。 図２は、入射光の進路を自在に偏向させるための液晶素子の原理的構成について説明するための模式的な断面図である。 図３は、液晶素子への入射光の状態を示す模式的な断面図である。 図４は、上記した屈折率分布と入射光の偏向について概念的に示した平面図である。 図５は、液晶素子の構成を示す平面図である。 図６は、液晶素子の構成を示す断面図である。 図７は、液晶素子の製造方法について説明するための平面図である。 図８は、液晶素子の製造方法について説明するための平面図である。 図９は、液晶素子を用いた光走査装置の構成を示す平面図である。 図１０は、異形導光フィルムの構成を模式的に示す断面図である。 図１１は、光を直接的に入射される場合に好適な液晶素子の構成例を示す平面図である。

図１は、入射光の進路を自在に偏向させるための液晶素子の原理的構成について説明するための模式的な平面図である。また、図２は、入射光の進路を自在に偏向させるための液晶素子の原理的構成について説明するための模式的な断面図である。

図１に示す液晶素子において、各電極１ａ、１ｂは、それぞれ折線状にパターン形成された部位を有しており、お互いの折線状部位を噛み合わせて配置されている。電極２は、各電極１ａ、１ｂの少なくとも上記した折線状部位と重なるように配置されている。各電極１ａ、１ｂ、電極２は、それぞれ、例えばガラス基板５、６の一面上に設けられている。図示の例では、各電極１ａ、１ｂの折線状部位は、その幅（図中上下方向の長さ）が段階的に大きくなっている。

また、各電極１ａ、１ｂと電極２の間には液晶層３が設けられている。液晶層３は、例えば負の誘電率異方性を有するネマティック液晶材料を用いて構成されている。各基板５、６にはラビング処理などの一軸配向処理が施されており、一方向への配向規制力を有する。これにより、液晶層３は、各基板面に対して比較的高い（例えば８８．５°〜８９．９°程度）のプレティルト角を有して、各電極１ａ、１ｂと電極２との間で略垂直配向している。図２に示すように、各基板５、６は、配向規制力の方向が互い違い（アンチパラレル）となるように配置されている。

このような液晶素子に対して、各基板５、６の端部に設けられた光入射口７から両基板間の液晶層３に対して、両基板の基板面と略平行方向にレーザなどの光Ｌを入射させる。このとき、光Ｌの入射方向は、図１に示すように各電極１ａ、１ｂの折線状部位の電極エッジに対して垂直ではない方向に設定する。別言すれば、各電極１ａ、１ｂの折線状部位は、光入射口７から入射させる光の主進行方向（図中では左右方向）に対して平面視において斜交する電極エッジを１つ以上有するように構成される。そして、各電極１ａ、１ｂと電極２の間に印加する電圧によって液晶層３の液晶分子の配向状態を変化させることで屈折率分布を形成し、その部分を透過する光Ｌの進路をスネルの法則により制御することができる。

詳細には、各電極１ａ、１ｂと電極２の間に印加する電圧が０Ｖである場合（電圧ＯＦＦ）には、液晶層３は初期状態である略垂直配向となっているので、屈折率としては液晶層３の層厚方向（セル厚方向）に縦長の屈折率楕円体となる（図２（Ａ）参照）。これに対して、例えば電極１ａと電極２の間に液晶材料のしきい値電圧を超える電圧を印加し、電極１ｂは電極２と同電位とした場合（電圧ＯＮ）には、誘電率異方性が負の液晶材料を用いていることから、液晶層３の電極１ａと電極２に挟まれた領域では極角方向としては液晶分子の長軸が電界と直交方向へ向かうように液晶層３の配向方向が変化する（図２（Ｂ）参照）。液晶分子の傾斜方向は一軸配向処理の方向（配向規制力の方向）に一致する。このとき、液晶層３の液晶分子の配向状態が互いに異なる領域同士の境界８が生じる。この境界８は、平面視においては、光入射口７から入射させる光の主進行方向に対して斜交する境界となる（図１参照）。

図３は、液晶素子への入射光の状態を示す模式的な断面図である。ここでは、液晶素子内に光入射口７から入射されるレーザ光Ｌが図示のように液晶層３の層厚方向と同じ方向に偏光しているものとする。図３に示すように、電極１ａと電極２の間での電圧印加によって液晶層３の配向状態が水平配向かそれに近い状態となっている領域では、レーザ光Ｌに対する屈折率は相対的に小さい（図中「ｎ小」と表記する）。また、電圧無印加で液晶層３の配向状態が初期の略垂直配向となっている領域では、レーザ光Ｌに対する屈折率は相対的に大きい（図中「ｎ大」と表記する）。図示のように、屈折率が相対的に大きい領域と相対的に小さい領域との間には境界８が生じる。また、液晶層３を挟んで光入射口７と対向する他端側には、液晶層３から各基板面と略平行方向に光を出射させるための光出射口９が設けられている。液晶層３を通過した光はこの光出射口９から出射する。

図４は、上記した屈折率分布と入射光の偏向について概念的に示した平面図である。図示の電極１ａは１つの折線状部位（三角形状部位）を有している。そして、電極２は、少なくとも電極１ａの折線状部位と平面視で重なるようにして配置されている。この電極１ａと電極２の間に電圧を印加すると、両者の重なる領域において液晶層３に配向変化を生じ、当該領域の屈折率が相対的に低くなる。図示のように、屈折率の大きさが相対的に異なる境界８が二ヶ所存在する。このような境界８にレーザ光Ｌを入射させた場合には、境界８がレーザ光Ｌの主進行方向に対して平面視で斜交していることから、境界８を挟んで生じた屈折率差によってレーザ光Ｌの進行方向を曲げること（偏向すること）ができる。上述した図１に示した構成の液晶素子では、このような屈折率差を生じる境界８が多数得られるので、各境界８を通過するたびにレーザ光Ｌの進行方向が曲げられることになり、全体としてレーザ光Ｌの進路を大きく曲げることが可能になる。

なお、入射光であるレーザ光の波長は、液晶層３に用いる液晶材料の光学特性に合わせて選定することが望ましい。別言すれば、レーザ光の波長に合わせて液晶材料を選定することが望ましい。具体的には、液晶材料による光の吸収が少ないほど望ましい。一般的な液晶材料では、赤外の長波長側や、紫外の短波長側で吸収が大きいので、可視光から近赤外光の領域が望ましく、例えば、８５０ｎｍ、９０５ｎｍ、９７０ｎｍなどが望ましい。

図５は、一実施形態の液晶素子の構成を示す平面図である。また、図６は、液晶素子の構成を示す断面図である。なお、図６の断面図は、図５に示すＡ−Ａ線方向の断面を示している。また、図５では、説明の便宜上、一部構成を点線によって示している。

第１基板１１および第２基板１２は、それぞれ例えばガラス基板であり、互いの一面側を対向させて配置されている。電極１３ａ、電極１３ｂは、それぞれ第１基板１１の一面に設けられている。電極１４は、第２基板１２の一面に設けられている。

電極１３ａは、平面視において複数（図示の例では５つ）の鋭角な下向きの凸部を有した鋸波状部位３３ａと、この鋸波状部位３３ａと接続された配線部とを有する。同様に、電極１３ｂは、平面視において複数（図示の例では５つ）の鋭角な上向きの凸部を有した鋸波状部位３３ｂと、この鋸波状部位３３ｂと接続された配線部とを有する。そして、電極１３ａと電極１３ｂとは、互いの鋸波状部位３３ａ、３３ｂを噛み合わせて、各々の鋭角な凸部が１つずつ交互に並ぶように配置されている。両者の鋸波状部位の相互間には、絶縁のための隙間が設けられている。

低屈折率膜１５は、第１基板１１の一面において各電極１３ａ、１３ｂを覆って設けられている。同様に、低屈折率膜１６は、第２基板１２の一面において電極１４を覆って設けられている。これらの低屈折率膜１５、１６は、液晶層１９の液晶材料の屈折率よりも相対的に低い屈折率を有する膜である。

配向膜１７は、第１基板１１の一面において低屈折率膜１５を覆って設けられている。同様に、配向膜１８は、第２基板１２の一面において低屈折率膜１６を覆って設けられている。各配向膜１７、１８は、ラビング処理などの一軸配向処理が施されており、一方向への配向規制力を有する。図示の例では、各配向膜１７、１８は、平面視においてシール材２０よりも内側の領域にのみ設けられている。

液晶層１９は、第１基板１１と第２基板１２の間に設けられており、各配向膜１７、１８と接して各々からの配向規制力を受けて液晶分子の初期配向状態（電圧無印加時の配向状態）が設定されている。本実施形態の液晶層１９は、誘電率異方性が負の液晶材料を用いて構成されており、初期配向状態が略垂直配向状態に設定されている。

シール材２０は、液晶層１９を封止するためのものであり、第１基板１１と第２基板１２の間に設けられている。本実施形態のシール材２０は、平面視において枠状に形成されており、かつ、少なくとも各電極１３ａ、１３ｂの鋸波状部位３３ａ、３３ｂを包含するように形成されている。また、シール材２０の一部（図示の例では左辺中央）に注入口（開口）２１が設けられており、液晶層１９の形成時にはこの注入口２１から液層材料が注入される。

エンドシール材２２は、注入口２１を塞ぎ、かつ光ファイバ２３を固定するためのものであり、第１基板１１と第２基板１２の端部であって注入口２１の近傍に設けられている。エンドシール材２２は、例えば紫外線硬化性樹脂である。

光ファイバ２３は、その一端側が注入口２１の内部に配置されており、他端側は外部に露出している。この光ファイバ２３は、第１基板１１および第２基板１２の端部から液晶層１９に対して、その層厚方向と垂直な方向から光を入射させるためのものである。

なお、本実施形態では、この光ファイバ２３と上記の注入口２１およびエンドシール材２２が「光入射口」に対応しており、この光入射口と平面視で対向する第１基板１１と第２基板１２の他端側の一部が「光出射口」に対応する。

図７および図８は、本実施形態の液晶素子の製造方法について説明するための平面図である。一対のガラス基板を複数用意する。例えば、基板上に予めＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜などの透明導電膜が形成されたものを用いる。透明導電膜の形成方法としてはスパッタ法や真空蒸着法などがある。

このような一対のガラス基板上の透明導電膜をパターニングすることにより、各電極１３ａ、１３ｂを有する第１基板１１を形成するとともに（図７（Ａ））、電極１４を有する第２基板１２を形成する（図７（Ｂ））。各電極１３ａ、１３ｂの相互間距離は、例えば１００μｍ程度とする。ここでは電極１３ａ、１３ｂの２つを設けるものとしたが、さらに多くの互いに独立した電極を設けてもよい。なお、各電極１３ａ、１３ｂ、電極１４は、ＩＴＯ膜などの透明導電膜に限らず、導電性があれば光を透過しないもの（遮光性のもの）であっても構わないので金属膜などを用いることもできる。ただし、吸光性は無いことが望ましい。また、本例では図中の左側面の入光部分にダミー電極を設けているが、省略してもよい。

次に、第１基板１１の一面に低屈折率膜１５を形成する（図７（Ｃ））。また、第２基板１２の一面に低屈折率膜１６を形成する（図７（Ｄ））。低屈折率膜１５、１６は、例えば可視光に対しても透明性の高い材料を用いて形成することができるが、用いるレーザ光の波長（赤外線領域）に対し透明であればそれに限らない。各低屈折率膜１５、１６の形成方法としては、スパッタ法、真空蒸着法などの真空プロセス、フレキソ印刷、スクリーン印刷、インクジェット、バーコート、スリットコートなどの各種印刷方法、スピンコート、ディップ法（ラングミュアブロジェット法含む）などが挙げられる。例えば、バーコートによりシリカ系の低屈折率膜材料をコーティングし、その後ホットプレートにて溶媒を揮発させ、さらにクリーンオーブンにて焼成を行うことで低屈折率膜を形成することができる。焼成条件は、例えば１５０℃で１時間である。各低屈折率膜１５、１６の膜厚は、例えば１．５μｍ、屈折率は１．４６である。

なお、ここではシリカ系の無機低屈折率膜を例示したが、液晶材料よりも低い屈折率であればこれに限らない。例えばフッ素系樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂類やフッ素系金属膜（フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、フッ化カルシウム等）及びこれらとシリカの混合材料などを用いることも可能である。なお、光散乱しない膜、すなわち曇り度（Haze)の低い膜であることが望ましい。また、膜厚についても、１．５μｍを例示したが、それより薄くても構わない。低屈折率膜１５、１６は、導波路としての液晶素子においてクラッド層として機能するものである。クラッド層はレーザ光のしみ出しを抑えて全反射を生じさせるに足りればよいため、膜厚としては１００ｎｍ以上あれば機能としては十分である。但し、液晶素子内の各電極の段差の影響が懸念されるため、膜厚はある程度の厚さがあることが望ましい。なお、量産においてはフレキソ印刷を行うことがあるが、通常の条件において５００〜８００ｎｍ程度の厚さを得られることが確認されており、十分な厚さを確保できることがわかる。

また、各低屈折率膜１５、１６の形成範囲は図示のものよりも広くても狭くてもよい。少なくとも後述するレーザ光などの光が通過する経路に形成されていれば十分である。但し、各基板の端子部分（外部回路との接続部分）には形成しないことが望ましい。また、樹脂系の膜など基板への密着性があまり高くない材料を用いる場合には、特にシール材２０と重なる部分には低屈折率膜１５、１６が形成されていないことが望ましい。従って、低屈折率膜１５、１６を形成するにはマスクスパッタや各種印刷法を用いて必要な部分にのみ形成することが望ましく、スピンコートなどで全面に形成した場合は、フォトリソグラフィ等によりパターニング（ドライエッチング、リフトオフ等による）をすることが望ましい。もしくは、各種印刷法（フレキソ印刷など）により端子上などにレジスト膜をパターン塗布し、その上に低屈折率膜を全面形成し、最後にリフトオフして端子上などにある絶縁膜を除去してもよい。

なお、各低屈折率膜１５、１６の上にパッシベーション膜などの絶縁膜を設けてもよい（図示せず）。これは基板間ショート防止の効果がある。この場合には、低屈折率膜と同様に端子部分には形成されないことが望ましい。また密着性の悪い材料についてはシール材２０と重なる部分には形成されないことが望ましい。

次に、第１基板１１、第２基板１２の各々に配向膜１７、１８を形成する。ここでは各々に垂直配向膜をパターン形成した（図７（Ｅ）、図７（Ｆ））。パターン形成には、例えばフレキソ印刷、インクジェット法などを用いることができる。例えば、印刷性・密着性に優れ、側鎖に剛直な骨格（液晶性のものなど）を有するタイプの垂直配向膜材料をフレキソ印刷によって適当な膜厚（例えば５００〜８００Å程度）を形成する。垂直配向膜材料を印刷後、熱処理を所定条件で行う（例えば１６０〜２５０℃、１〜１．５時間焼成）。

なお、ここでは有機配向膜（ポリイミド）として上記のタイプのものを用いたが、それに限らない。また無機の配向膜（主鎖骨格がシロキサン結合（Si-O-Si結合)で形成されているものなど）を用いてもよい。

その後、第１基板１１と第２基板１２の各配向膜１７、１８に対して配向処理を行う。ここでは、ラビング処理を行い、その条件である押し込み量を０．３〜０．８ｍｍとする。配向処理方向については、第１基板１１と第２基板１２とを重ね合わせたときに、各基板の配向処理方向が互い違いで平行（アンチパラレル）となるように配向処理方向を設定する。図中において、配向処理方向を矢印で示している。なお、配向処理方法はこれに限られないし、その配置についてもアンチパラレルに限られない。

次に、第１基板１１の一面にシール材２０を形成する（図８（Ａ））。ここでは入射させる光の波長に対して光学的に透明であって散乱のない材料を用いる。例えば、エポキシ系、アリル系、フッ素系、アクリル系等の光硬化型のシール材を用いることができる。第１基板１１の一面上に、ギャップコントロール材を適量（例えば２〜５ｗｔ％）含んだシール材２０を例えばディスペンサによって形成する。また、ここではシール材２０に添加するギャップコントロール材の径は液晶層１９の層厚が５μｍ程度となるようにした。なお、液晶層１９の層厚はこれに限らない。また、シール材２０は第２基板１２の一面に形成してもよい。

さらに、シール材２０に添加するギャップコントロール材の径を変えたパターンを注入口部分などに形成してもよい。これはレーザ光の入光を行いやすくするためのものであるが、必須ではない。例えば、注入口となる注入口２１の部分の長さを例えば１０ｍｍとし、そのうち液晶層１９に近い側の５ｍｍ分のシール材２０には５０μｍ径のギャップコントロール材を添加し、残り５ｍｍ分のシール材２０には１５０μｍ径のギャップコントロール材を添加することができる。

ディスペンサを用いる場合、複数のシリンジヘッドを用い、各部分でギャップ径の異なるギャップコントロール材が添加されたシール材をそれぞれのヘッドで形成すればよい。また、例えばスクリーン印刷を用いる場合、第１基板１１と第２基板１２に対してそれぞれギャップ径の異なるギャップコントロール材が添加されたシール材を所定のパターンでそれぞれスクリーン印刷することで注入口付近に径を変えたパターンを形成することができる。

ここで、液晶層１９の層厚について説明する。本実施形態の液晶素子の場合、光を曲げる角度（配光制御角）は電極パターンや用いる液晶材料の複屈折で決まるため、液晶層１９の層厚にはほとんど依存しない。一方、液晶層１９の電界への応答性については層厚の２乗に反比例するため、層厚が薄いほど高速応答化が可能である。他方で、層厚が厚いほど光を入射させるのが容易であるが、上記のように注入口付近（レーザ入光部分）を厚くすれば入光効率を高くできるので、その場合には光制御部分の液晶層１９の層厚は薄いほど好ましい。具体的には、液晶層１９の層厚は、例えば２μｍ〜１０μｍの間で適宜選択することができる。なお、層厚は導光する光の波長よりは厚いことが好ましい。

なお、他方の基板（例えば第２基板１２）上にギャップコントロール材を散布するか、もしくはリブ材を形成してギャップコントロール処理を行ってもよい。例えば、粒径５μｍのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機によって散布するか、もしくは高さ５μｍのリブ材による柱を形成するとよい。液晶素子の外形サイズは概ね１０ｍｍ角以上の場合にはギャップコントロール処理を行う事が望ましい。このとき、ギャップコントロール材の径もしくはリブ柱の高さは、シール材２０に添加したギャップコントロール材の径とほぼ同等となるようにする。また、液晶層１９の導光部分にはギャップコントロール材もしくはリブ材が配置されないようにギャップコントロール処理を行う事が望ましい。

次に、第１基板１１と第２基板１２の一面同士を対向させて両者を重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理もしくは紫外線照射することにより、シール材２０を硬化させる（図８（Ｂ））。ここでは、例えば３０００ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線照射によりシール材２０を硬化させる。

次に、第１基板１１と第２基板１２の間隙に液晶材料を充填することにより液晶層１９を形成する（図８（Ｃ））。液晶材料の充填は、例えば真空注入法によって行うことができる。ここでは、例えば誘電率異方性△εが負、屈折率異方性△ｎが約０．２５（ｎｏ：１．５１、ｎｅ：１．７６)の液晶材料を用いる。なお、ここではカイラル材を添加されていない液晶材料を用いる。液晶材料の注入方法としては毛細管現象を利用した注入方法でもよい。配光制御角を広くするという観点では、より高い屈折率異方性を有する液晶材料を用いることが望ましい。

液晶材料の注入後、その注入口２１にエンドシール材２２を塗布し封止する（図８（Ｃ））。エンドシール材としては、例えば紫外線硬化性樹脂を用いることができる。また、導光する光の波長に対し光学的に透明で散乱のないシール材を用いる。例えばエポキシ系、アリル系、フッ素系、アクリル系等のシール材を用いることができる。

次に、小径の光ファイバ２３（例えば、クラッドを含めた径の直径１２５μｍ）をエンドシール材２２が塗布されている注入口に挿入する（図８（Ｃ））。このとき、光ファイバ２３の方向が狙いとする光の導光方向になるよう挿入し固定することが望ましい。そのため、位置合わせのガイドなどを用いることが望ましい（図示せず）。光ファイバ２３を固定した状態でエンドシール材２２に紫外線を所定量照射しエンドシール材２２を硬化させる。以上により、こうして導光式の液晶素子が完成する。

なお、ここではクラッド層を有する光ファイバ２３を想定して説明したが基本的に空気層がクラッドとして働くため、クラッド層は無くても構わない。この場合、光ファイバ２３のコアの屈折率よりも低屈折率膜１５、１６の屈折率の方が低いことが好ましい。また、光ファイバ２３は、偏波保持光ファイバが好ましい。上記構成の場合には、偏光軸方向は液晶素子の基板平面に対して垂直方向であることが望ましい。但し、好ましい偏光軸方向は配向処理方向、液晶材料や配向膜材料の種類により異なる。

また、光ファイバ２３を注入口に先に挿入してからエンドシール材２２を塗布してもよい。また、液晶材料を注入後に、液晶素子をプレスしてからエンドシール材２２を塗布してもよい。その場合、液晶素子をプレスなどで押して余分な液晶を注入口から出してからエンドシール材２２を塗布し、光ファイバ２３の挿入後、プレスを解除し、適宜エンドシール２２を注入口内に吸いこませた状態で紫外線を照射してエンドシール材を固化することが望ましい。

図９は、上記した実施形態の液晶素子を用いた光走査装置の構成を示す平面図である。この図９は、光走査装置を上から見た図である。図示の光走査装置は、液晶素子１００と、この液晶素子１００を駆動する駆動装置２００と、液晶素子１００へ入射させるレーザ光を出射する光源３００を含んで構成されている。

液晶素子１００の液晶層１９に対して電圧を無印加としているときは、光源３００から液晶素子１００の光ファイバ２３へ入射されて液晶層１９を通過したレーザ光は、直線的に進む。これをスクリーン４００に投影したとすると、図示のように少し縦長のスポット形状のレーザスポットが得られる。レーザスポットが縦長になる理由としては、レーザ光の出射側の端面に対して特段に光学的な工夫を行っていないため、シール材２０を透過したレーザ光が自由空間に放射されるときの回折効果により広がることによるものと考えられる。

また、駆動装置２００によって液晶素子１００の電極１３ａに５Ｖの交流電圧を与え、電極１３ｂと電極１４には基準電位（接地電位）を与えた場合には、レーザ光を左方向（図中における上方向）に配光角θで偏向することができる。例えば、上記した製造方法において例示した諸条件で作製された液晶素子１００を用いる場合であれば、配光角θとしては約１６．７５°が得られる。

同様に、駆動装置２００によって液晶素子１００の電極１３ｂに５Ｖの交流電圧を与え、電極１３ａと電極１４には基準電位（接地電位）を与えた場合には、レーザ光を右方向（図中における下方向）に配光角θで偏向することができる。例えば、上記した製造方法において例示した諸条件で作製された液晶素子１００を用いる場合であれば、配光角θとしては約１６．７５°が得られる。

なお、上記した製造方法において例示した諸条件で作製された液晶素子１００を用いる場合において、電圧印加時における動作速度は７０ｍｓｅｃとなる。これに対して、例えば液晶層１９の層厚を１００μｍにした場合には、配光角θは１７．３°と大差ないのに対して動作速度は３０００ｍｓｅｃと大幅に低下する。一般に、液晶素子は液晶層厚を薄くすることにより大幅に高速化できることが知られており、セル厚をさらに薄くすることで数ミリ秒まで高速化できると考えられる。一方、配光角は電極のパターンと液晶材料の複屈折に主として依存するため液晶層厚が変わっても同じ電極のパターンと液晶材料を用いた場合はほとんど変化しないと考えられる。

上記の配光角θは、液晶素子１００の電極１３ａ又は電極１３ｂと電極１４の間に印加する電圧を変えることで自在に制御することができる。また、電極１３ａ、電極１３ｂおよび電極１４に印加する電圧をそれぞれ変えた場合にはより複雑な光制御が可能となる。また、液晶素子１００の電極１３ａ又は電極１３ｂと電極１４をさらに分割して電圧を印加できるエリアを制御することで、配光角だけでなく出射端面の出射位置も可変に設定することが可能である。

駆動装置２００による駆動方法についてまとめると以下の通りである。入射光を偏向させない場合には、液晶素子１００の電極１３ａと電極１３ｂに対して任意の同じ電位を与える。このとき、電極１４に与える電位は、電極１３ａと電極１３ｂに対して与える電位と同じであってもよいし異なってもよい。入射光をある方向（第１方向）へ偏向させる場合には、電極１３ａと電極１４に対して任意の同じ電位を与え、電極１３ｂには異なる電位を与える。電極１３ｂに与える電位は、電極１４との間に生じる電圧が液晶材料の閾値以上となるようにする。入射光を第１方向とは異なる方向（第２方向）へ偏向させる場合には、電極１３ｂと電極１４に対して任意の同じ電位を与え、電極１３ａには異なる電位を与える。電極１３ａに与える電位は、電極１４との間に生じる電圧が液晶材料の閾値以上となるようにする。この駆動方法は、電極１３ａまたは電極１３ｂに与える電位をある同じ電位にしたときを中心に線対称に配光制御できるというメリットもある。

ところで、上記した液晶素子１００では光ファイバ２３を用いて液晶層１９へ光を入射させていたが、異形導光フィルムを用いても光を入射させてもよい。図１０は、異形導光フィルムの構成を模式的に示す断面図である。具体的には、異形導光フィルム１２３の相対的に膜厚の小さい他端側の端面を液晶素子１００の注入口部分に配置ないし挿入しておく。そして、異形導光フィルム１２３の相対的に膜厚の大きい一端側の端面に光源３００からの光を入射させ、フィルム内を導光させて液晶素子１００の液晶層１９内へ光を入射させる。この場合、異形導光フィルム１２３の上面側および下面側にクラッド層を形成してもよいが、基本的に空気層がクラッドとして働くため、無くても構わない。この構成例では異形導光フィルム１２３と注入口２１とエンドシール材２２が「光入射口」に対応する。

また、上記した液晶素子１００では光ファイバ２３を介して液晶層１９へ光を入射させていたが、コリメートもしくは集光された光を直接的に入射させるようにしてもよい。図１１は、光を直接的に入射される場合に好適な液晶素子の構成例を示す平面図である。なお、上記した図５に示した液晶素子と共通する構成については同符号を付しており、それらについては詳細な説明を省略する。図１１に示す液晶素子において、エンドシール材１２２は、上記した実施形態の液晶素子のように基板外部へ盛り上がるように形成するのではなく、基板の端面と同じ位置もしくは少し奥まった位置に形成されている。このようにするためには、プレスエンドシール処理を行うなどして、エンドシール材１２２を注入口２１の中に吸い込ませてから余った部分を取り除き、紫外線硬化するような製造方法を採ることが望ましい。この構成例では、注入口２１とエンドシール材１２２が「光入射口」に対応する。

この液晶素子においては、注入口２１の部分に対して図示のように光源３００から出射するレーザ光を直接的に照射して入光させる。このような液晶素子でも液晶層１９内をレーザ光が透過し、反対側のシール材２０を介して出射させることができ、かつこの出射する光を自在に偏向させることができる。得られる配光角は上記した実施形態の液晶素子と変わりない。これは、各低屈折率膜１５、１６がエンドシール材１２２や液晶材料より屈折率が低くクラッド層として働くためと考えられる。なお、各低屈折率膜１５、１６を設けない場合には、レーザ光のほとんどは液晶層１９内ではなく第１基板１１と第２基板１２の各基板内を通過することになり、光の利用効率が低下し、かつ配光角も小さくなると考えられる。また、用いたレーザ光の注入口２１付近でのスポット径は、例えば１５０μｍ以下に絞ることが望ましい。それにより、注入口２１とレーザ光のスポットとの位置合わせを精度良く行えば高効率に入光させることができる。

以上のような実施形態によれば、機械的な動作部分を必要とせずに、入射光の進路を自在に偏向することが可能となる。また、透過光学系であり光学系が単純でかつ小型化が容易といったメリットがある。また、第１基板側に設けた各電極を用いることで、入射する光の液晶素子への入射時の進路方向を基準として線対称に配光制御することができる。また、低屈折率膜を両基板表面に設けていることで液晶層内の導光効率を高くすることができる。

このような液晶素子およびこれを用いた光走査装置は、例えば、投射型ディスプレイ、路面描画装置、LiDAR用光源（配光制御）、各種照明装置、各種センサ、LiDAR用受光素子、光学補正機器（カメラの手振れ補正等）、太陽電池用配光制御（太陽追尾）、セキュリティーカメラ、見守りカメラ、医療用カメラの代用(距離もわかるもの)、エアコンなど種々の装置・システムに組み込んで用いることができる。

なお、本発明は上記した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、電極のパターンについては上記した実施形態等に限られず、液晶素子内の位置によって電極のエッジ方向（エッジ角度）や電極幅を変えてもよい。

また、上記した実施形態では各電極がＩＴＯ膜などの透明導電膜によって形成されていたが、金属膜を用いて電極を形成してもよい。その場合、銀やアルミなどの反射率が高いものが望ましい。なお、電極間については、あらかじめ絶縁膜を形成しておいて、その上に薄く金属膜を形成してパターン電極化する等の方法で形成することが可能である。さらに、上記した実施形態では各基板の一例としてガラス基板を挙げていたがこれに限定されない。各基板は必ずしも透明でなくてもよい。また、例えば基板としてプラスチック基板を用いてもよいし、絶縁膜付きステンレス箔基板などの金属泊基板を用いてもよい。

１ａ、１ｂ、２、１３ａ、１３ｂ、１４：電極
３、１９：液晶層
５、６：ガラス基板
７：光入射口
８：境界
９：光出射口
１１：第１基板
１２：第２基板
１５、１６：低屈折率膜
１７、１８：配向膜
２０：シール材
２１：注入口
２２、１２２：エンドシール材
２３：光ファイバ
３３ａ、３３ｂ：鋸波状部位
１００：液晶素子
１２３：異形導光フィルム
２００：駆動装置
３００：光源
４００：スクリーン
Ｌ：光（レーザ光）

Claims (6)

1. 対向配置される第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面側に設けられる１つ以上の第１電極と、
   前記第２基板の一面側に設けられており前記第１電極と対向配置される第２電極と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に配置される液晶層と、
   前記第１基板及び前記第２基板の平面視における一端側に設けられており、前記液晶層に対して前記第１基板と前記第２基板の各基板面と略平行方向に光を入射させるための光入射口と、
   前記第１基板及び前記第２基板の平面視における前記一端側と前記液晶層を挟んで対向する他端側に設けられており、前記液晶層から前記第１基板と前記第２基板の各基板面と略平行方向に光を出射させるための光出射口と、
   を備え、
   前記第１電極は、前記光入射口から入射させる光の主進行方向に対して平面視において斜交する電極エッジを１つ以上有している、
   液晶素子。
2. 対向配置される第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面側に設けられる１つ以上の第１電極と、
   前記第２基板の一面側に設けられており前記第１電極と対向配置される第２電極と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に配置される液晶層と、
   前記第１基板及び前記第２基板の平面視における一端側に設けられており、前記液晶層に対して前記第１基板と前記第２基板の各基板面と略平行方向に光を入射させるための光入射口と、
   前記第１基板及び前記第２基板の平面視における前記一端側と前記液晶層を挟んで対向する他端側に設けられており、前記液晶層から前記第１基板と前記第２基板の各基板面と略平行方向に光を出射させるための光出射口と、
   を備え、
   前記第１電極と前記第２電極による印加電界を制御することにより、前記光入射口から入射させる光の主進行方向に対して平面視において斜交する境界であって前記液晶層の液晶分子の配向状態が互いに異なる領域同士の境界を生じさせ、前記境界へ前記光を入射させることによって当該光を偏向して前記光出射口から出射させる、
   液晶素子。
3. 前記第１基板の一面側において前記第１電極の少なくとも一部を覆って設けられる第１低屈折率膜と、
   前記第２基板の一面側において前記第２電極の少なくとも一部を覆って設けられる第２低屈折率膜と、
   を更に含み、
   前記第１低屈折率膜と前記第２低屈折率膜の各々の屈折率が前記液晶層の屈折率よりも相対的に小さい値である、
   請求項１又は２に記載の液晶素子。
4. 前記第１基板と前記第２基板の間に設けられ、平面視において前記液晶層を囲んで配置されるとともに、前記第１基板及び前記第２基板の平面視における一端側に開口部を有するシール材を更に備え、
   前記光入射口は、前記開口部に設けられている、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の液晶素子。
5. 一端側を前記光入射口に配置される光ファイバを更に備える、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の液晶素子。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の液晶素子と、
   前記液晶素子の前記光入射口へ入射させる光を生成する光源と、
   前記液晶素子を駆動する駆動装置と、
   を含む、光走査装置。

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