JP6920797B2 - 液晶素子、光制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の進行方向を自在に制御する技術に関する。

特開２０１０−２１７３５１号公報（特許公報１）には、液晶素子を用いて光束の光路を制御する光走査装置が開示されている。この光走査装置における液晶素子は、２つの入力端子と、これらの入力端子間に印加される電圧に応じて屈折率変化を生じる液晶層を有している。この液晶素子に光束を入射させながら、２つの入力端子に互いに異なる実効電圧を印加することで、光束の光路を曲げることができる。

上記の液晶素子は、一方基板上に２つの入力端子が配置され、かつこれらの入力端子間に、複数のストライプ電極が配列された構造を有している。各ストライプ電極は、それぞれの一端側で細線電極を介して相互に接続されている。そして、この細線電極の一端に上記２つの入力端子のうち１つが接続され、他端に他の１つの入力端子が接続されている。

ところで、上記の液晶素子では、複数のストライプ電極の配置された領域が入射光を変調可能な有効領域とされている。このため、入力端子間に電圧を印加した際には、各ストライプ電極の相互間では液晶層に配向変化を生じるが、各ストライプ電極の上側では液晶層に配向変化を生じない。すなわち、配向変化を生じる領域と生じない領域が交互に繰り返すようになるため、液晶層内における位相差分布が段階的となってしまい、細かな光制御に適さないと考えられる。また、電圧印加時にも配向変化を生じない領域では、電圧無印加時と配向状態が変わりないため、光制御の精度を低下させる可能性もある。

特開２０１０−２１７３５１号公報

本発明に係る具体的態様は、光の進行方向を自在に制御する際の精度を向上させることが可能な技術を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の駆動方法は、両者間に１／２波長板を配置して重ねて配置される第１液晶素子及び第２液晶素子液晶素子の駆動方法であって、（ａ）前記第１液晶素子及び前記第２液晶素子の各々は、対向配置される第１基板及び第２基板と、前記第１基板の一面側と前記第２基板の一面側との間に配置される液晶層と、前記第１基板の一面側に設けられ、平面視において相互間に前記液晶層の配向方向と略直交する方向又は略平行な方向に延在する間隙であるスリット部を有して配置される一対の電極と、 前記第１基板の一面側に設けられ、平面視において少なくとも前記一対の電極の間の隙間を埋めるように配置されて当該一対の電極の各々と接続されており、そのシート抵抗が前記一対の電極のシート抵抗よりも大きく設定されている高抵抗膜と、前記第１基板の一面側に設けられ、前記一対の電極及び前記高抵抗膜を覆って配置される第１配向膜と、前記第２基板の一面側に設けられる第２配向膜と、前記第２基板の一面側に設けられ、平面視において前記一対の電極と重なるように配置され、かつ前記第２配向膜に覆われる共通電極とを含み、前記第１液晶素子と前記第２液晶素子は、各々の前記スリット部の延在する方向が略直交し、かつ当該延在する方向が前記１／２波長板の光軸方向に対して４５°の角度をなすように配置されたものであり、（ｂ）前記駆動方法は、前記第１液晶素子と前記第２液晶素子の各々に対して、前記一対の電極のうちの第１電極と前記共通電極に第１電位を与え、前記一対の電極のうちの第２電極には前記第１電位と異なる第２電位を与えるものである、液晶素子の駆動方法である。

本発明に係る一態様の光制御装置は、両者間に１／２波長板を配置して重ねて配置される第１液晶素子及び第２液晶素子と当該第１液晶素子及び第２液晶素子と前記液晶素子を駆動する駆動装置とを含む光制御装置であって、（ａ）前記液晶素子は、対向配置される第１基板及び第２基板と、前記第１基板の一面側と前記第２基板の一面側との間に配置される液晶層と、前記第１基板の一面側に設けられ、平面視において相互間に前記液晶層の配向方向と略直交する方向又は略平行な方向に延在する間隙であるスリット部を有して配置される一対の電極と、前記第１基板の一面側に設けられ、平面視において少なくとも前記一対の電極の間の隙間を埋めるように配置されて当該一対の電極の各々と接続されており、そのシート抵抗が前記一対の電極のシート抵抗よりも大きく設定されている高抵抗膜と、前記第１基板の一面側に設けられ、前記一対の電極及び前記高抵抗膜を覆って配置される第１配向膜と、前記第２基板の一面側に設けられる第２配向膜と、前記第２基板の一面側に設けられ、平面視において前記一対の電極と重なるように配置され、かつ前記第２配向膜に覆われる共通電極とを含み、前記第１液晶素子と前記第２液晶素子は、各々の前記スリット部の延在する方向が略直交し、かつ当該延在する方向が前記１／２波長板の光軸方向に対して４５°の角度をなすように配置されたものであり、（ｂ）前記駆動装置は、前記第１液晶素子と前記第２液晶素子の各々に対して、前記一対の電極のうちの第１電極と前記共通電極に第１電位を与え、前記一対の電極のうちの第２電極には前記第１電位と異なる第２電位を与えるものである、光制御装置である。

上記構成によれば、液晶層の配向状態を一対の電極間で連続的に変化させることができるので、この領域に光を入射させることで、液晶素子を出射する光の進行方向を自在に制御する際の精度を向上させることが可能となる。

図１は、液晶素子の基本的な構成ならびに動作原理を説明するための模式的な断面図である。 図２は、第１実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な平面図である。 図３は、第１実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な断面図である。 図４は、液晶素子の製造方法を説明するための模式的な平面図である。 図５は、液晶素子の製造方法を説明するための模式的な平面図である。 図６は、液晶素子を用いて構成される光制御装置の構成を示す模式図である。 図７は、いくつかの条件による配光角と応答速度の計測結果を示す図である。 図８は、液晶素子を用いて構成される光制御装置の他の構成を示す模式図である。 図９は、いくつかの条件による配光角と応答速度の計測結果を示す図である。 図１０（Ａ）は、第２実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な平面図である。図１０（Ｂ）は、各液晶素子の電極配置について説明するための図である。 図１１は、入射する光を二次元方向に走査する様子を示す図である。 図１２は、第３実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な平面図である。 図１３は、第４実施形態の液晶素子の基本的な構成ならびに動作原理を説明するための模式的な断面図である。

（第１実施形態）
図１は、液晶素子の基本的な構成ならびに動作原理を説明するための模式的な断面図である。図１（Ａ）に示す液晶素子は、対向配置された２つの基板（透明基板）１、２の間に液晶層８が配置されている。そして、基板１は、その一面側に、一対の電極３ａ、３ｂと、これら電極３ａ、３ｂの間に設けられてそれぞれと接続している高抵抗膜４と、少なくとも高抵抗膜４の上側領域に設けられた配向膜５を有する。基板２は、その一面側に、少なくとも各電極３ａ、３ｂおよび高抵抗膜４と対向する領域に設けられた共通電極６と、少なくともこの共通電極６の上側領域に設けられた配向膜７を有する。

図示の例では、各配向膜５、７は、ラビング処理等の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垂直配向膜である。また、液晶層８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、各配向膜５、７の配向規制力を受けて一方向（例えば図示の左右方向）へ配向し、電圧無印加時の配向（初期配向）が略垂直配向となる。ここでいう略垂直配向とは、液晶層８のプレティルト角が９０°未満であって９０°に近い状態（例えば８８°〜８９．９°程度）であることをいう。

なお、原理的には、各配向膜５、７は、ラビング処理等の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水平配向膜であってもよい。この場合、液晶層８は、誘電率異方性が正の液晶材料を用いて構成され、各配向膜５、７の配向規制力を受けて一方向（例えば図示の左右方向）へ配向し、電圧無印加時の配向（初期配向）が略水平配向となる。ここでいう略水平配向とは、液晶層８のプレティルト角が０°より大きい状態であって比較的０°に近い状態（例えば２°〜５°程度）であることをいう。

図１（Ｂ）に示すように、例えば電極３ａ、３ｂの間に電位差Ｖｈが生じるように電圧を印加する。一例として、電極３ａに１５ボルト、電極３ｂに０ボルト、共通電極６の電圧に０ボルトの電圧を印加する。印加する電圧は、例えば１００Ｈｚの交流電圧とする。これにより、電極３ａと電極３ｂの間が高抵抗膜４を介して導通して両者間に連続的な電圧勾配を生じる。

この電圧勾配により、液晶層８の配向状態が変化する。具体的には、電極３ａに近い領域ほど電圧が高いため、この電圧に応じて液晶分子の配向方向が大きく変化する。逆に、電極３ｂに近い領域ほど電圧が低いため、この電圧に応じて液晶分子の配向方向が僅かに変化する。さらに電極３ｂに近い領域では液晶分子の配向方向がほとんど変化しない。すなわち、電圧勾配に応じて液晶層８の配向状態は、電極３ａ、３ｂの間（高抵抗膜４の存在する領域）において連続的に変化する。

このような状態の液晶素子に対して、レーザ光などの偏光を入射させる。例えば図１（Ｃ）に示すように、各配向膜５、７への配向処理方向（液晶層８の配向方向）と偏光方向が平行な光ＢＭを基板１の他面側から入射させる。すると、図示のように液晶層８の配向状態が連続的に変化していることから液晶層８内部の位置によってリターデーションが異なる状態であるため、そこを通過する光ＢＭの通過速度が領域によって異なることになる。このため、ホイヘンスの定理により、液晶層８を通過する光ＢＭの進行方向が変化するものと考えられる。図示の例では、電圧の相対的に高い側の電極３ａ側へ光ＢＭが曲がって進む。なお、上記と逆に電極３ｂ側が相対的に高い電圧となるように電圧勾配を形成すれば、電極３ｂ側へ光ＢＭが曲がって進むことになる。

図２は、第１実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な平面図である。また、図３は、この実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な断面図である。なお、図３に示す断面図は図２に示すIII−III方向の断面に対応している。また、上記した図１と共通する構成については同符号を用いている。各図に示す本実施形態の液晶素子１００は、第１基板１、第２基板２、２つの電極３ａ、３ｂ、高抵抗膜４、共通電極６、配向膜５、７、液晶層８、シール材９を含んで構成されている。

第１基板１、第２基板２は、ともに、例えばガラス基板などの透光性を有する基板である。ここでいう透光性とは、液晶素子１００による制御対象となる光が透過し得る透過率を有していることをいう。

２つの電極３ａ、３ｂは、第１基板１の一面側に設けられている。これらの電極３ａ、３ｂは、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電膜をパターニングすることによって形成されている。なお、各電極３ａ、３ｂは、原理上必ずしも透光性を必要とするものではないので、透光性を有しない金属薄膜などを用いて形成されていてもよい。各電極３ａ、３ｂは、例えばそれぞれ平面視において一方向に延びる矩形状に形成されており、両者間に間隙を設けて配置されている。電極３ａは、配線部を介して取り出し電極１３ａと接続されている。電極３ｂは、配線部を介して取り出し電極１３ｂと接続されている。各取り出し電極１３ａ、１３ｂは、第１基板１の一端側（図示の例では第１基板１の上端側）に設けられている。

高抵抗膜４は、２つの電極３ａ、３ｂの相互間に設けられている。図示の例では２つの電極３ａ、３ｂの間を埋め、さらに各電極３ａ、３ｂの一部を覆うようにして設けられている。この高抵抗膜４は、各電極３ａ、３ｂを構成する材料よりもシート抵抗の高い材料を用いて形成される。例えば、高抵抗膜４は、各電極３ａ、３ｂに対して少なくとも１０倍以上のシート抵抗を有することが好ましく、１００倍〜１０^１０倍程度のシート抵抗を有することがより好ましい。

配向膜５は、第１基板１の一面側において各電極３ａ、３ｂと高抵抗膜４を覆って設けられている。この配向膜５としては、液晶層８をどのような初期配向とするかに応じて垂直配向膜または水平配向膜が選択的に用いられる。

共通電極６は、第２基板２の一面側に設けられている。この共通電極６は、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電膜をパターニングすることによって形成されている。共通電極６は、少なくとも各電極３ａ、３ｂと対向する領域に形成されている。図示の例では、図中の上下方向に延びる矩形状に形成されており、その一部が各電極３ａ、３ｂと対向するように配置されている。共通電極６は、配線部を介して取り出し電極１４と接続されている。この取り出し電極１４は、第２基板２の一端側（図示の例では第２基板２の下端側）に設けられている。

配向膜７は、第２基板２の一面側において共通電極６を覆って設けられている。この配向膜７としても、液晶層８をどのような初期配向とするかに応じて垂直配向膜または水平配向膜が選択的に用いられる。

液晶層８は、誘電率異方性が負の液晶材料、もしくは誘電率異方性が正の液晶材料を用いて形成されている。この液晶層８は、各配向膜５、７による配向規制力を受けて初期配向状態（電圧無印加時の配向状態）が定まる。例えば、各配向膜５、７として垂直配向膜が用いられていれば初期配向状態が垂直配向状態となり、各配向膜５、７として水平配向膜が用いられていれば初期配向状態が水平配向状態となる。

シール材９は、液晶層８を封止するためのものであり、平面視において第１基板１と第２基板２の間で液晶層８を囲んで枠状に形成されている。シール材９は、その一部（図示の例では左側）が開口しており、この開口部分が液晶材料の注入口として用いられる。

図４及び図５は、一実施形態の液晶素子の製造方法を説明するための模式的な平面図である。

第１基板１の一面側に各電極３ａ、３ｂ、配線部および各取り出し電極１３ａ、１３ｂを形成する（図４（Ａ）参照）。例えば、一面側の全体にＩＴＯ膜が形成されているガラス基板を用意し、ＩＴＯ膜をパターニングすることによって各電極３ａ、３ｂ等が形成される。各電極３ａ、３ｂは、相互間の幅Ｌが例えば１００μｍ程度となるように形成される。

次に、第１基板１の一面側において、各電極３ａ、３ｂの相互間に高抵抗膜４を形成する（図４（Ｂ）参照）。図示の例では、高抵抗膜４は、各電極３ａ、３ｂの間を埋め、さらに各電極３ａ、３ｂの一部を覆うように形成されているが、少なくとも各電極３ａ、３ｂの相互間の隙間を埋めるように形成されていればよい。この高抵抗膜４は、各電極３ａ、３ｂを構成する材料よりもシート抵抗が高く、かつ制御対象の光に対して透明な材料を用いて形成される。

上記のような高抵抗膜４としては、例えば各種の金属酸化膜、導電性高分子膜（有機系導電膜）、金などの金属からなる薄膜、金属ナノ粒子や金属酸化膜ナノ粒子の分散膜、絶縁性ナノ粒子に導電性修飾を施したナノ粒子の分散膜などが挙げられる。高抵抗膜４の形成方法としては、例えばスパッタ法や真空蒸着法などの真空成膜法、フレキソ印刷法、スクリーン印刷法、インクジェット法、バーコート法、スリットコート法などの各種印刷法、スピンコート法やディップ法（ラングミュアブロジェット法を含む）などの成膜法が挙げられる。

上記の通り、高抵抗膜４は、各電極３ａ、３ｂに対して少なくとも１０倍以上のシート抵抗を有することが好ましく、１００倍〜１０^１０倍程度のシート抵抗を有することがより好ましい。一例として、各電極３ａ、３ｂを構成するＩＴＯ膜のシート抵抗が１０Ω／sq.であるとすると、高抵抗膜４のシート抵抗は１ｋΩ／sq.程度でもよい。消費電力をより低減するためにはシート抵抗をより高くすることが好ましく、具体的には１ｋΩ／sq.〜１０ＧΩ／sq.程度であることが好ましく、例えば１００ＭΩ／sq.程度に設定される。一例として、スパッタ法により成膜されるＺｎＯ膜を高抵抗膜４として用いることができる。

なお、高抵抗膜４の形成範囲については、少なくとも制御対象の光が通過する領域を確保し得る程度であればよいが、各電極３ａ、３ｂと接続される各取り出し電極１３ａ、１３ｂの上面には形成しないことが好ましい。また、有機系導電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９の形成される領域には高抵抗膜４を形成しないことが好ましい。したがって、高抵抗膜４を形成する際には、マスクスパッタ法や各種印刷法を用いて、必要な領域にのみ選択的に形成することが好ましく、スピンコート法等によって基板全面に成膜した場合には、フォトリソ法等によってパターニングして不要な部分を除去することが好ましい。もしくは、フレキソ印刷等の各種印刷法により各取り出し電極１３ａ、１３ｂ上などにレジスト膜を塗布し、その上に高抵抗膜４を成膜し、最後にリフトオフして各取り出し電極１３ａ、１３ｂ上のレジスト膜を除去してもよい。

また、高抵抗膜４の上側にパッシベーション膜などの絶縁膜を設けてもよい。これは基板間の短絡防止、光学的な機能向上（透過率向上、液晶層８との屈折率マッチングによる表面反射防止など）の効果が期待できる。この場合の絶縁膜についても各取り出し電極１３ａ、１３ｂの上側やシール材９の形成領域には形成されないことが好ましい。なお、絶縁膜としてフレキソ印刷可能なシリコン酸化膜を用いる場合には、密着性が非常に高いため、シール材９の形成領域に絶縁膜が形成されてもよい。

次に、第２基板の一面側に共通電極６、配線部および取り出し電極１４を形成する（図４（Ｃ）参照）。例えば、一面側の全体にＩＴＯ膜が形成されているガラス基板を用意し、ＩＴＯ膜をパターニングすることによって共通電極６等が形成される。

次に、第１基板１の一面側において、少なくとも各電極３ａ、３ｂと高抵抗膜４の形成領域を覆う範囲に配向膜５を形成する（図４（Ｄ）参照）。同様に、第２基板２の一面側において、少なくとも各電極３ａ、３ｂと高抵抗膜４の形成領域と対向する範囲に配向膜７を形成する（図４（Ｅ）参照）。配向膜５、７は、例えばフレキソ印刷法、インクジェット法などで配向膜材料を塗布し、熱処理を行うことによって形成される。

配向膜５、７として垂直配向膜を形成する場合には、例えば、印刷性と密着性に優れ、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、フレキソ印刷法によって適当な膜厚（例えば５００〜８００Å程度）に成膜し、その後熱処理（例えば１６０℃〜２５０℃で１時間〜１．５時間の焼成）を行う。なお、有機配向膜としては上記タイプのみに限定されない。さらに、無機配向膜、例えば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。

配向膜５、７として水平配向膜を形成する場合には、例えば、ＳＴＮ用と呼ばれる比較的に高いプレティルト角を得られるタイプの側鎖（アルキル鎖）付きの水平配向膜材料を、フレキソ印刷法によって適当な膜厚（例えば５００〜８００Å程度）に成膜し、その後熱処理（例えば１６０℃〜２５０℃で１時間〜１．５時間の焼成）を行う。なお、有機配向膜としては上記タイプのみに限定されない。さらに、無機配向膜（例えばＳｉＯ斜方蒸着膜）を用いてもよい。

次に、各配向膜５、７に対して配向処理を行う。配向処理としては、例えば一方向へ配向膜を擦る処理であるラビング処理を行う。その条件としては、例えば押し込み量を０．３ｍｍ〜０．８ｍｍに設定することができる。

ラビング処理の方向は、各配向膜５、７が垂直配向膜である場合には、各電極３ａ、３ｂの延在方向（図中左右方向）に対して略直交する方向となるようにする。なお、厳密に直交でなくてもよく、例えば直交方向から０．１°〜５°程度ずれた方向にラビング方向を設定してもよい。

また、ラビング処理の方向は、各配向膜５、７が水平配向膜である場合には、各電極３ａ、３ｂの延在方向（図中左右方向）に対して略平行な方向となるようにする。なお、厳密に平行でなくてもよく、例えば平行方向から０．１°〜５°程度ずれた方向にラビング方向を設定してもよい。

なお、上記の各ラビング方向は一例であり、各配向膜５、７が垂直配向膜である場合においてそのラビング方向を各電極３ａ、３ｂの延在方向（図中左右方向）に対して略平行な方向としてもよいし、各配向膜５、７が水平配向膜である場合においてそのラビング方向を各電極３ａ、３ｂの延在方向（図中左右方向）に対して略直交の方向としてもよい。

次に、いずれか一方の基板、例えば第１基板１の一面側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９を形成する（図４（Ｆ）参照）。シール材９は、例えばスクリーン印刷法やディスペンサー法によって形成される。また、ここではギャップコントロール材の径を、例えば液晶層８の厚さが１０μｍ程度となるように設定する。

液晶層８の層厚は上記に限定されないが、光の進路が曲がる角度（配光角）をより大きくしたい場合には層厚をより大きくすればよく、液晶層８の電界に対する動作速度（反応速度）を速くしたい場合には層厚をより小さくすればよい。具体的には、液晶層８の層厚は、例えば２μｍ〜５００μｍの間で設定することができる。

また、他方の基板である第２基板２の一面側には、ギャップコントロール材が散布される。例えば、粒径１０μｍのプラスチックボールを乾式散布機によって散布する。もしくは、ギャップコントロールのためのリブ材が形成されてもよい。このときのギャップコントロール材（またはリブ材）の高さは、シール材９に添加されたギャップコントロール材の径とほぼ同等にする。また、各電極３ａ、３ｂの間隙（スリット部）にはギャップコントロール材（またはリブ材）が配置されないようにすると更に好ましい。なお、液晶素子の大きさが概ね１０ｍｍ角程度より大きい場合には本工程を行うことが好ましいが、液晶素子の大きさがそれ以下の場合には本工程を省略してもよい。

次に、第１基板１と第２基板２をそれぞれの一面側が対向するようにして重ね合わせ、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、シール材９を硬化させる。例えば、１５０℃で３時間の熱処理が行われる。それにより第１基板１と第２基板２とが貼り合わされる。

図５（Ａ）は、各配向膜５、７として垂直配向膜が形成された第１基板１と第２基板２を貼り合わせて得られたセル（以下「セル１」と称する。）の模式的な平面図である。このセルでは、図中の右下側に矢印で示すように、第１基板１の配向処理方向（図中ｙ方向に沿って上向き）と第２基板２の配向処理方向（図中ｙ方向に沿って下向き）とがアンチパラレル配置となり、かつ配向処理方向のそれぞれが各電極３ａ、３ｂ間のスリット部１５の延在方向（図中Ｘ方向）に対して略直交している。なお、スリット部１５とは、一対の電極３ａ、３ｂの間に画定されるスリット形状の間隙である（以下同様）。

図５（Ｂ）は、各配向膜５、７として水平配向膜が形成された第１基板１と第２基板２を貼り合わせて得られたセル（以下「セル２」と称する。）の模式的な平面図である。このセルでは、図中の右下側に矢印で示すように、第１基板１の配向処理方向（図中ｘ方向に沿って右向き）と第２基板２の配向処理方向（図中ｘ方向に沿って右向き）とがパラレル配置となり、かつ配向処理方向のそれぞれが各電極３ａ、３ｂ間のスリット部１５の延在方向（図中ｘ方向）に対して略平行となっている。なお、第１基板１の配向処理方向と第２基板２の配向処理方向とがアンチパラレル配置となってもよい。いずれの配置とするかは上記した配向処理の工程において設定することができる。

次に、セル１、２の各々に対して、第１基板１と第２基板２の間に液晶材料を充填することによって液晶層８を形成する。例えば、シール材９に設けられた注入口を用いて真空注入法により液晶材料を基板間に注入する。セル１には誘電率異方性Δεが負の液晶材料（例えば屈折率異方性Δｎが約０．２５）を充填する。セル２には誘電率異方性Δεが正の液晶材料（例えば屈折率異方性Δｎが約０．２）を充填する。ここではカイラル材が添加されていない液晶材料を用いる。なお、配光角をより大きくするには屈折率異方性Δｎがより大きい液晶材料を用いることが好ましい。

各セルへ液晶材料を充填した後、その注入口をエンドシール材によって封止する。そして、液晶材料の相転移温度以上の温度で適宜熱処理（例えば、１２０℃で１時間）を行うことにより、液晶層８の液晶分子の配向状態を整える。以上により、液晶素子１００が完成する。

図６は、液晶素子を用いて構成される光制御装置の構成を示す模式図である。この光制御装置は、上記したセル１に対応する液晶素子１００と、この液晶素子１００を駆動する駆動装置１０１を含んで構成されており、例えば光源１０２から出射するレーザ光の進行方向を自在に変化させることができる。図示の例において光源１０２から出射するレーザ光は、図中ｘ方向に偏光方向を有する偏光である。液晶素子１００は、レーザ光の偏光方向に対して各配向膜５、７への配向処理方向（液晶層８の配向方向）が略平行となり、かつスリット部１５（図５参照）の延在方向が略直交し、当該スリット部１５に対してレーザ光が略垂直に入射するように配置される。駆動装置１０１は、液晶素子１００の各取り出し電極１３ａ、１３ｂ、１４（図２参照）と接続され、これらの電極を介して液晶層８へ駆動電圧を与える。

例えば、駆動装置１０１から液晶素子１００に対して、各取り出し電極１３ａ等を介して、電極３ａに交流電圧を印加し、電極３ｂと共通電極６には基準電位を与える（例えば接地端子と接続する）。電圧の大きさと周波数は適宜設定することができ、例えば１５Ｖ、１００Ｈｚとする。それにより、液晶素子１００へ入射したレーザ光は、電圧無印加時の進行方向を基準として、図示のｘ方向において一方向（例えば右方向）へ進行方向が変化する。また、駆動装置１０１から電極３ｂに交流電圧を印加し、電極３ａと共通電極６には基準電位を与えた場合には、液晶素子１００へ入射したレーザ光は、逆方向（例えば左方向）へ進行方向が変化する。

ここで、レーザ光の進行方向を最大値の配光角θで変化させることができる電圧値については、電極３ａ、３ｂの相互間距離、レーザ光のスポット径、液晶層厚などに依存する。同様に、周波数についても電極３ａ、３ｂの相互間距離、レーザ光のスポット径、液晶層厚などに依存するものであるが、周波数が高くなるほど配光角θの最大値が大きくなる傾向が見られる。図７にいくつかの条件による配光角θと応答速度の計測結果を示す。セル１に対応する液晶素子１００において、液晶層厚（セル厚）と駆動条件を変えて、その際の配光角θと応答速度を計測した結果である。なお、計測に用いた液晶素子１００については、上記した製造方法において例示した条件によって作製された。

図８は、液晶素子を用いて構成される光制御装置の他の構成を示す模式図である。この光制御装置は、上記したセル２に対応する液晶素子１００と、この液晶素子１００を駆動する駆動装置１０１を含んで構成されており、例えば光源１０２から出射するレーザ光の進行方向を自在に変化させることができる。図示の例において光源１０２から出射するレーザ光は、図中ｘ方向に偏光方向を有する偏光である。液晶素子１００は、レーザ光の偏光方向に対して各配向膜５、７への配向処理方向（液晶層８の配向方向）が略平行となり、かつスリット部１５（図５参照）の延在方向も略平行となり、当該スリット部１５に対してレーザ光が略垂直に入射するように配置される。駆動装置１０１は、液晶素子１００の各取り出し電極１３ａ、１３ｂ、１４（図２参照）と接続され、これらの電極を介して液晶層８へ駆動電圧を与える。

例えば、駆動装置１０１から液晶素子１００に対して、各取り出し電極１３ａ等を介して、電極３ａに交流電圧を印加し、電極３ｂと共通電極６には基準電位を与える（例えば接地端子と接続する）。電圧の大きさと周波数は適宜設定することができ、例えば３０Ｖ、１００Ｈｚとする。それにより、液晶素子１００へ入射したレーザ光は、電圧無印加時の進行方向を基準として、図示のｙ方向において一方向（例えば上方向）へ進行方向が変化する。また、駆動装置１０１から電極３ｂに交流電圧を印加し、電極３ａと共通電極６には基準電位を与えた場合には、液晶素子１００へ入射したレーザ光は、逆方向（例えば下方向）へ進行方向が変化する。

ここで、レーザ光の進行方向を最大値の配光角θで変化させることができる電圧値については、電極３ａ、３ｂの相互間距離、レーザ光のスポット径、液晶層厚などに依存する。同様に、周波数についても電極３ａ、３ｂの相互間距離、レーザ光のスポット径、液晶層厚などに依存するものであるが、周波数が高くなるほど配光角θの最大値が大きくなる傾向が見られる。図９にいくつかの条件による配光角θと応答速度の計測結果を示す。セル２に対応する液晶素子１００において、液晶層厚（セル厚）と駆動条件を変えて、その際の配光角θと応答速度を計測した結果である。なお、計測に用いた液晶素子１００については、上記した製造方法において例示した条件によって作製された。上記した説明では配向状態としてパラレル配置を説明していたが、アンチパラレル配置とした液晶素子１００も作製し、パラレル配置の液晶素子１００と比較した。その結果、パラレル配置とした液晶素子のほうが応答速度が速く、他方で配光角が小さくなる傾向が見られた。応答速度が速くなる要因は、パラレル配置の場合には液晶層への電圧印加時に配向モードがスプレイ配向からベンド配向へ遷移し、ベンド配向モードで動作することによるものと考えられる。

液晶素子の駆動方法についてまとめると、本実施形態の液晶素子は、第１基板１に２つの電極３ａ、３ｂを有し、第２基板２に共通電極６を有するので、これらを用いて液晶層８を交流駆動する。その際、配光角を変化させない場合（配光角θ＝０）には、各電極３ａ、３ｂを同電位にすればよく、その際、共通電極６の電位は各電極３ａ、３ｂと同じにしてもよいし異なる電位としてもよい。ある方向へ配光を変化させる場合には、電極３ａと共通電極６に同電位を与え、電極３ｂに異なる電位を与える。また、逆方向へ配光を変化させる場合には、電極３ｂと共通電極６に同電位を与え、電極３ａに異なる電位を与える。このような駆動方法を用いることで、特定方向（例えば、上下方向または左右方向）に沿って対称に配光制御することができる。

（第２実施形態）
上記した第１実施形態では、１つの液晶素子を用いて光の進行方向を一次元的に変化させる場合について説明していたが、２つの液晶素子を組み合わせることにより、光の進行方向を二次元的に変化させることができる。以下、それを実現するための構成を説明する。なお、第１実施形態と共通する構成については詳細な説明を省略する。

図１０（Ａ）は、第２実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な平面図である。なお、本図では見やすさを考慮してシール材９を省略している。図１０（Ａ）に示すように第２実施形態の液晶素子は、上記した第１実施形態におけるセル１に対応する液晶素子１００ａとセル２に対応する液晶素子１００ｂが重ねて配置されたものである。

詳細には、液晶素子１００ａは、図中では手前側に配置されており、かつ一方向に延びたスリット部１５（図５（Ａ）参照）の延在方向がｘ方向と平行になるように配置されている。なお、液晶層８の配向方向についてはｘ方向に平行であり、かつアンチパラレル配置である。また、液晶素子１００ｂは、図中では奥側に配置されており、かつ一方向に延びたスリット部１５（図５（Ｂ）参照）の延在方向がｙ方向と平行になるように配置されている。なお、液晶層８の配向方向についてはｘ方向に平行であり、かつパラレル配置である。

図１０（Ｂ）は、各液晶素子の電極配置について説明するための図である。図示のように、前面側の液晶素子１００ａは、各電極３ａ、３ｂの間隙であるスリット部１５の延在方向がｙ方向（上下方向）と略平行になるように配置される。また、背面側の液晶素子１００ｂは、各電極３ａ、３ｂの間隙であるスリット部１５の延在方向がｘ方向（左右方向）と略平行になるように配置される。そして、液晶素子１００ａのスリット部１５と液晶素子１００ｂのスリット部１５とが交差（本例では直交）するように配置されている。各スリット部１５の重なる矩形状領域２０は、レーザ光などの制御対象光が入射されるべき領域として用いられる。

前面側に配置された液晶素子１００ａは、各電極３ａ、３ｂ、共通電極６を介して駆動装置１０１から駆動電圧を与えることにより、光源１０２から出射する光の進行方向を図中のｘ方向へ変化させることができる（図６参照）。また、背面側に配置された液晶素子１００ｂは、各電極３ａ、３ｂ、共通電極６を介して駆動装置１０１から駆動電圧を与えることにより、光源１０２から出射する光の進行方向を図中のｙ方向へ変化させることができる（図８参照）。このため、２つの液晶素子１００ａ、１００ｂを図１０（Ａ）に示すように重ねて配置することにより、光の進行方向をｘ方向とｙ方向、すなわち上下左右の各方向に変化させることができる。

この実施形態では、前面側の液晶素子１００ａによる光の制御方向はｘ方向に平行であるが、その光の出射先にある背面側の液晶素子１００ｂのスリット部はｘ方向に略平行となるように配置されていることから、出射した光がｘ方向に振れても、その光を背面側の液晶素子１００ｂのスリット部１５へ容易に入射させることができる。したがって、前面側の液晶素子１００ａによってｘ方向に沿った配光制御を行い、さらに背面側の液晶素子１００ｂによってｙ方向に沿った配光制御を行うことができるので、最終的に液晶素子１００ｂから出射する光の進行方向を二次元的に制御することが可能となる。

また、前面側の液晶素子１００ａと背面側の液晶素子１００ｂの応答速度に差を設けることにより、図１１に示すように、入射する光を二次元方向に走査することもできる。この場合、前面側の液晶素子１００ａによる配光角θ１と、背面側の液晶素子１００ｂによる配光角θ２によって画定される範囲で光が走査される。例えば、前面側の液晶素子１００ａとしてセル厚１０μｍとしたもの（図７に示す表の二段目参照）を用い、背面側の液晶素子１００ｂとしてセル厚１００μｍのもの（図９に示す表の三段目参照）を用い、液晶素子１００ａに印加する電圧を３００ｍｓ周期で１５Ｖ、０Ｖ、１５Ｖ・・・と繰り返し変化させ、液晶素子１００ｂに印加する電圧を５ｓ周期で５０Ｖ、０Ｖ、５０Ｖ・・・と繰り返し変化させた場合には、配光角θ１＝１４．４°、配光角θ２＝１４．６°で光をスキャンすることができる。

また、レーザ光を連続的に照射せずに間欠的に照射した場合には、各配光角θ１、θ２で画定される領域内の任意の位置にのみ光を照射することができる。さらに、各電極３ａ、３ｂのうち高電位側にする電極を交互に切り替えることで逆バイアスをかけてもよく、それにより応答速度を高速化することができる。

（第３実施形態）
上記した第２実施形態と同様に２つの液晶素子を組み合わせ、さらに１／２波長板（λ／２板）を組み合わせることによっても、光の進行方向を二次元的に変化させることができる。以下、それを実現するための構成を説明する。なお、第１実施形態、第２実施形態と共通する構成については詳細な説明を省略する。

図１２は、第３実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な平面図である。なお、本図では見やすさを考慮して各液晶素子の内部構造を省略している。図１２に示すように第３実施形態の液晶素子は、上記した第１実施形態におけるセル２に対応する液晶素子１００ｂを２つ重ねて配置し、かつ両者間に１／２波長板２００を配置したものである。なお、第１実施形態におけるセル１に対応する液晶素子１００ａを２つ用いて両者間に１／２波長板を配置してもよい。

図１２に示すように、各液晶素子１００ｂは、互いのスリット部１５（図５（Ｂ）参照）の延在方向が略直交するようにして配置されている。詳細には、前面側の液晶素子１００ｂは、そのスリット部１５がｙ方向と略平行になるように配置されている。また、前面側の液晶素子１００ｂは、液晶層８の配向方向（左右方向）とスリット部１５の延在方向（上下方向）とが略直交するように設定されている。背面側の液晶素子１００ｂは、そのスリット部１５がｘ方向と略平行になるように配置されている。また、背面側の液晶素子１００ｂは、液晶層８の配向方向（上下方向）とスリット部１５の延在方向（左右方向）とが略直交するように設定されている。また、各液晶素子１００ｂの間の１／２波長板２００は、その光軸方向(図中、点線矢印で示す)が各スリット部１５の延在方向（ｘ方向、ｙ方向）に対して４５°の角度をなすようにして配置されている。

前面側の液晶素子１００ｂは、液晶層８の配向方向と光源１０２から出射するレーザ光の偏光方向が平行であるとすると（図８参照）、入射したレーザ光の進行方向をｘ方向に沿って変化させる。このレーザ光は、１／２波長板２００を通過することにより偏光方向が９０°回転する。その結果、偏光方向はｙ方向に平行な方向となる。このレーザ光は、背面側の液晶素子１００ｂに入射する。背面側の液晶素子１００ｂは、液晶層８の配向方向とレーザ光の偏光方向が平行であるので、入射したレーザ光の進行方向をｙ方向に沿って変化させる。したがって、前面側の液晶素子１００ｂによってｘ方向に沿った配光制御を行い、さらに背面側の液晶素子１００ｂによってｙ方向に沿った配光制御を行うことができるので、最終的に背面側の液晶素子１００ｂから出射する光の進行方向を二次元的に制御することが可能となる。この実施形態では、前面側の液晶素子１００ｂからのレーザ光の出射先にある背面側の液晶素子１００ｂのスリット部はｘ方向に略平行となるように配置されていることから、出射した光がｘ方向に振れても、その光を背面側の液晶素子１００ｂのスリット部１５へ入射させることができる。

（第４実施形態）
上記した第１〜第３実施形態では、２つの電極間に高抵抗膜を設けた両電極間に連続的な電圧勾配を設けて液晶層８の配向状態を連続的に変化させていたが、２つの電極の一方を第１電極１側に設け、他方を第２電極２側に設けて斜め電界を発生させることによっても同様の動作を実現することができる。以下その場合の構成について説明する。

図１３は、第４実施形態の液晶素子の基本的な構成ならびに動作原理を説明するための模式的な断面図である。図１３（Ａ）に示す液晶素子は、対向配置された２つの基板（透明基板）１、２の間に液晶層８が配置されている。そして、基板１は、その一面側に電極３ａと配向膜５を有し、基板２は、その一面側に電極３ｂと配向膜７を有する。

図示の例では、各配向膜５、７は、ラビング処理等の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垂直配向膜である。また、液晶層８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、各配向膜５、７の配向規制力を受けて一方向（例えば図示の左右方向）へ配向し、電圧無印加時の配向（初期配向）が略垂直配向となっている。なお、原理的には、各配向膜５、７は、ラビング処理等の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水平配向膜であってもよい。この場合、液晶層８は、誘電率異方性が正の液晶材料を用いて構成され、各配向膜５、７の配向規制力を受けて一方向（例えば図示の左右方向）へ配向し、電圧無印加時の配向（初期配向）が略水平配向とされる。

図１３（Ｂ）に示すように、例えば電極３ａ、３ｂの間に電位差が生じるように電圧を印加する。一例として、電極３ａに１５ボルト、電極３ｂに０ボルトを印加する。印加する電圧は、例えば１００Ｈｚの交流電圧とする。これにより、電極３ａと電極３ｂの間に斜め電界が発生し、この斜め電界によって液晶層８の配向状態が連続的に変化する。

このような状態の液晶素子に対して、レーザ光などの偏光を入射させる。例えば図１３（Ｃ）に示すように、各配向膜５、７への配向処理方向と偏光方向が平行な光ＢＭを基板１の他面側から入射させる。すると、図示のように液晶層８の配向状態が連続的に変化し、液晶層８内部の位置によってリターデーションが異なる状態となるため、そこを通過する光ＢＭの通過速度が領域によって異なることになる。このため、ホイヘンスの定理により、液晶層８を通過する光ＢＭの進行方向が変化するものと考えられる。

一例として、上記した第１実施形態におけるセル２と同様の条件でセル厚を１００μｍ、配向条件をアンチパラレル配置とした液晶素子を作製し、その動作を確認した。駆動条件５０ボルト、１００Ｈｚとした場合に、各電極３ａ、３ｂ間の距離（平面視距離）が２００μｍの場合には配光角１．６４°、動作速度５ｓｅｃという結果が得られ、各電極３ａ、３ｂ間の距離が３００μｍの場合には配光角２．０５°、動作速度５ｓｅｃという結果が得られた。各電極３ａ、３ｂ間の距離を大きくするほど配光角が大きくなる傾向が見られた。

以上のような各実施形態によれば、光の進行方向を自在に制御する際の精度を向上させることが可能になる。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。

１：第１基板
２：第２基板
３ａ、３ｂ：電極
４：高抵抗膜
５、７：配向膜
６：共通電極
８：液晶層
９：シール材
１３ａ、１３ｂ、１４：取り出し電極
１５：スリット部
１００、１００ａ、１００ｂ：液晶素子
１０１：駆動装置
１０２：光源
２００：１／２波長板

Claims (6)

1. 両者間に１／２波長板を配置して重ねて配置される第１液晶素子及び第２液晶素子の駆動方法であって、
   前記第１液晶素子及び前記第２液晶素子の各々は、
   対向配置される第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面側と前記第２基板の一面側との間に配置される液晶層と、
   前記第１基板の一面側に設けられ、平面視において相互間に前記液晶層の配向方向と略直交する方向又は略平行な方向に延在する間隙であるスリット部を有して配置される一対の電極と、
   前記第１基板の一面側に設けられ、平面視において少なくとも前記一対の電極の間の隙間を埋めるように配置されて当該一対の電極の各々と接続されており、そのシート抵抗が前記一対の電極のシート抵抗よりも大きく設定されている高抵抗膜と、
   前記第１基板の一面側に設けられ、前記一対の電極及び前記高抵抗膜を覆って配置される第１配向膜と、
   前記第２基板の一面側に設けられる第２配向膜と、
   前記第２基板の一面側に設けられ、平面視において前記一対の電極と重なるように配置され、かつ前記第２配向膜に覆われる共通電極と、
   を含み、
   前記第１液晶素子と前記第２液晶素子は、各々の前記スリット部の延在する方向が略直交し、かつ当該延在する方向が前記１／２波長板の光軸方向に対して４５°の角度をなすように配置されたものであり、
   前記駆動方法は、
   前記第１液晶素子と前記第２液晶素子の各々に対して、前記一対の電極のうちの第１電極と前記共通電極に第１電位を与え、前記一対の電極のうちの第２電極には前記第１電位と異なる第２電位を与えるものである、
   液晶素子の駆動方法。
2. 両者間に１／２波長板を配置して重ねて配置される第１液晶素子及び第２液晶素子と当該第１液晶素子及び第２液晶素子を駆動する駆動装置とを含む光制御装置であって、
   前記第１液晶素子及び前記第２液晶素子の各々は、
   対向配置される第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面側と前記第２基板の一面側との間に配置される液晶層と、
   前記第１基板の一面側に設けられ、平面視において相互間に前記液晶層の配向方向と略直交する方向又は略平行な方向に延在する間隙であるスリット部を有して配置される一対の電極と、
   前記第１基板の一面側に設けられ、平面視において少なくとも前記一対の電極の間の隙間を埋めるように配置されて当該一対の電極の各々と接続されており、そのシート抵抗が前記一対の電極のシート抵抗よりも大きく設定されている高抵抗膜と、
   前記第１基板の一面側に設けられ、前記一対の電極及び前記高抵抗膜を覆って配置される第１配向膜と、
   前記第２基板の一面側に設けられる第２配向膜と、
   前記第２基板の一面側に設けられ、平面視において前記一対の電極と重なるように配置され、かつ前記第２配向膜に覆われる共通電極と、
   を含み、
   前記第１液晶素子と前記第２液晶素子は、各々の前記スリット部の延在する方向が略直交し、かつ当該延在する方向が前記１／２波長板の光軸方向に対して４５°の角度をなすように配置されたものであり、
   前記駆動装置は、
   前記第１液晶素子と前記第２液晶素子の各々に対して、前記一対の電極のうちの第１電極と前記共通電極に第１電位を与え、前記一対の電極のうちの第２電極には前記第１電位と異なる第２電位を与えるものである、
   光制御装置。
3. 前記駆動装置は、前記第１電極と前記共通電極に第１電位を与えて前記第２電極には前記第２電位を与えること、及び前記第２電極と前記共通電極に第１電位を与えて前記第１電極には前記第２電位を与えることを選択的に実行する、
   請求項２に記載の光制御装置。
4. 前記駆動装置は、前記第１電極と前記共通電極に第１電位を与えて前記第２電極には前記第２電位を与えること、前記第２電極と前記共通電極に第１電位を与えて前記第１電極には前記第２電位を与えること、及び前記第１電極と前記第２電極に同電位を与えることを選択的に実行する、
   請求項３に記載の光制御装置。
5. 前記駆動装置は、前記第２電位として交流電圧を与える、
   請求項２〜４の何れか１項に記載の光制御装置。
6. 前記駆動装置は、前記第１電位として基準電位を与える、
   請求項２〜５の何れか１項に記載の光制御装置。
   

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