JP7428409B2 - 電気連続制御式直線偏光回転子 - Google Patents

Description

本発明は、直線偏光回転子に関し、特に、出射光の偏光角度を連続的に回転させ、所望な連続的な直線偏光を実現し得る、電気連続制御式直線偏光回転子に関する。

液晶材料を用いた偏光回転子は、現在広く普及しており、既に製品化されている。

また、特許文献ＣＮ１００４３７２６６号明細書第１３ページの３～５行目に記載される「液晶層に所定電圧以上の電界を印加すると、液晶層は実質的に９０°のねじれが起こされる。したがって、このような実施形態では、電界が印加されている場合には偏光回転子が動作し、電界が印加されていない場合には偏光回転子が非動作となる」のように、互いに平行となる基板に電界をかけることで出射光の直線偏光の方向を制御する、電気制御式直線偏光回転子が開示される。

しかし、従来の電子制御によるネマチック液晶のねじれは、出射光の偏光回転角をＯｎ／Ｏｆｆの間で切り替えるだけで、連続性はなかった。また、従来の連続性を有する偏光回転子では、入射光の直線偏光方向と初層の液晶層となす角度を０°または９０°に固定しないと効果は得られない。

中国特許公開第１００４３７２６６号公報

本発明が解決しようとする技術的課題は、上記の技術的な不備に対し、特定のツイストネマチック配列液晶セルを含むことで、所定の電圧値以上の電圧を印加すると、出射光の回転角度を連続的に回転させながら良好な偏光を有する直線偏光を出力することが可能である、電気連続制御式直線偏光回転子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明が採用した技術的解決策の１つは、次のような電気連続制御式直線偏光回転子を提供することである。

本発明における一実施形態にかかる電気連続制御式直線偏光回転子は、
水平配向された、配向方向が互いに直交となる第１の上基板及び第１の下基板と、前記第１の上基板と前記第１の下基板の間に充填された透明液晶層と、を含む第１の液晶セルと、
水平配向された、配向方向が互いに直交となる第２の上基板及び第２の下基板と、前記第２の上基板と前記第２の下基板の間に充填された透明液晶層と、を含む第２の液晶セルと、
を具備する。
前記第１の液晶セル及び前記第２の液晶セルは、ｄΔｎ／λ＝１．２～１．８の関係を満たす（ただし、λが前記第１の液晶セルまたは前記第２の液晶セルに入射する入射光の波長であり、ｄが前記第１の液晶セルまたは前記第２の液晶セルにおける透明液晶層の厚さであり、Δｎが前記第１の液晶セルまたは前記第２の液晶セルにおける透明液晶層の複屈折である）。前記第１の液晶セルは、その第１の下基板が前記第２の液晶セルの前記第２の上基板と対向しながら、前記第１の下基板の配向方向が前記第２の液晶セルの前記第２の上基板の配向方向と直交するように配置される。
前記第１の液晶セル及び前記第２の液晶セルに電圧をかけることによって、前記第１の液晶セル及び前記第２の液晶セルから出射する出射光の偏光方向を変更させる。

本発明における別の一実施形態にかかる電気連続制御式直線偏光回転子は、
水平配向された、配向方向が互いに直交となる第１の上基板及び第１の下基板と、前記第１の上基板と前記第１の下基板の間に充填された透明液晶層と、を含む第１の液晶セルを具備する。
前記第１の液晶セルは、ｄΔｎ／λ＝１．２～１．８の関係を満たす（ただし、λが前記第１の液晶セルに入射する入射光の波長、ｄが前記第１の液晶セルにおける透明液晶層の厚さ、Δｎが前記第１の液晶セルにおける透明液晶層の複屈折）。
前記第１の液晶セルに電圧をかけることによって、前記第１の液晶セルから出射する出射光の偏光方向を変更させる。

本発明における第１の液晶セル及び第２の液晶セルを示す斜視模式図である。 図１のII－II線に沿った断面を示す断面模式図である。 本発明において、第１の液晶セルの前方にポラライザーが、第２の液晶セルの後方にアナライザーが設けられた例を示す斜視分解模式図である。 本発明において、夾角β＝０°に設定し、印加電圧の大きさを連続的に変化させることによって、出射光の偏光角度を１８０°から０°に連続的に変化させる実験結果を示す。 本発明において、夾角β＝２２．５°に設定し、印加電圧の大きさを連続的に変化させることによって、出射光の偏光角度を１８０°から０°に連続的に変化させる実験結果を示す。 本発明において、夾角β＝４５°に設定し、印加電圧の大きさを連続的に変化させることによって、出射光の偏光角度を１８０°から０°に連続的に変化させる実験結果を示す。 本発明において、夾角β＝６７．５°に設定し、印加電圧の大きさを連続的に変化させることによって、出射光の偏光角度を１８０°から０°に連続的に変化させる実験結果を示す。 本発明にかかる電気連続制御式直線偏光回転子を操作する場合の変化推移を示す模式図。 本発明にかかる第２の実施形態を示す斜視模式図である。 図９のＸ－Ｘ線に沿った断面を示す断面模式図である。 本発明にかかる第２の実施形態の電気連続制御式直線偏光回転子を操作する場合の変化推移を示す模式図。

図１～図８を参照されたい。図１～図８は、本発明にかかる第１の実施形態の電気連続制御式直線偏光回転子１００を示す。

電気連続制御式直線偏光回転子１００は、水平配向された、配向方向１４が互いに直交となる第１の上基板１１及び第１の下基板１２と、第１の上基板１１と第１の下基板１２の間に充填された透明液晶層１３と、を含む第１の液晶セル１０を具備する。

そして、電気連続制御式直線偏光回転子１００は、水平配向された、配向方向２４が互いに直交となる第２の上基板２１及び第２の下基板２２と、第２の上基板２１と第２の下基板２２の間に充填された透明液晶層２３と、を含む第２の液晶セル２０を具備する。

第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０は、ｄΔｎ／λ＝１．２～１．８の関係を満たす。ただし、λが第１の液晶セル１０または第２の液晶セル２０に入射する入射光の波長であり、ｄが第１の液晶セル１０または第２の液晶セル２０における透明液晶層１３、２３の厚さ、Δｎが第１の液晶セル１０または第２の液晶セル２０における透明液晶層１３、２３の複屈折である。第１の液晶セル１０の第１の下基板１２が前記第２の液晶セル２０の前記第２の上基板２１と対向して対応的に配置される。また、第１の液晶セル１０の第１の下基板１２の配向方向１４は、第２の液晶セル２０の前記第２の上基板２１との配向方向２４と直交する。第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０に電圧をかけることによって、第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０から出射する出射光Ｃの偏光方向を変更させる。

上記を踏まえて、本発明の実施形態及びそれによる効果の詳細を説明する。本実施形態における第１の液晶セル１０は、その第１の下基板１２が第２の液晶セル２０の第２の上基板２１と対向するように対応的に配置され、かつ、第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０はｄΔｎ／λ＝１．２～１．８の関係を満たすため、同じ電圧を第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０にそれぞれ印加すると、電気制御で透明液晶層１３、２３の複屈折特性を変化させることによって、入射光Ｂが第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０を通したことによって生成した出射光Ｃは直線偏光が回転変化する。

図３に示すように、本実施形態における第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０は、光の進行方向に沿って前後配列されている。第１の液晶セル１０の前方にポラライザー３０が、第２の液晶セル２０の後方にアナライザー４０が配置される。ここでは、第１の上基板１１の配向容易軸１１１と入射光Ｂの偏光方向１５となす夾角βをそれぞれβ＝０°、β＝２２．５°、β＝４５°、β＝６７．５°にする場合、入射光Ｂが第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０から通してなされた出力光Ｃをアナライザー４０で分析した結果を、図４～図７のチャートに表示する。

図４～図７のチャートでは、横座標は印加電圧の変化をボルトで表しており、縦座標は左側が偏光回転方位角（偏光回転角度）、右側が直線偏光度を表している。そして、図４～図７のチャートでは、アナライザーで受光した出射光Ｃの直線偏光度の変化を暗い点線で、アナライザーで受光した出射光Ｃ直線偏光度の回転角度変化は明るい点線で示されている。なかでも、β＝０°の場合では、図４に示すように、印加電圧が１～１．５ボルトである場合の出射光Ｃの直線偏光の回転角度は図４の双方向矢印に示すように１８０°であった。そして、印加電圧を１．５ボルトからさらに２ボルトまで調整すると、出射光Ｃの直線偏光の回転角度は、例えば、図４の双方向矢印に示すように、１５０°から１２０°、さらに９０°まで急激に下げられた。続いて、印加電圧を２ボルトからさらに３ボルトまで調整すると、出射光Ｃの直線偏光の回転角度は下がり勢いが僅かに緩和で、例えば、図４の双方向矢印に示すように、６０°に下げられてから３０°までに下げられた。続いて、印加電圧を３ボルトから４ボルトに調整すると、出射光Ｃの直線偏光の回転角度は０°に徐々に下げられた。

同じように、β＝２２．５°、β＝４５°、β＝６７．５°にした場合の実験結果は、図５～７のチャートに示された。明るい点線で示されているアナライザーで受光した出射光Ｃ直線偏光度の回転角度変化によれば、印加電圧を１ボルトから４ボルトまで調整することで、出射光Ｃの直線偏光の回転角度を、から１８０°から０°に徐々に変化させることが可能であることは看取し得る。

それで、上記の実験からわかるように、本実施形態では、第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０に対して、同様な印加電圧を大きさで連続的に変化させることで、透明液晶層１３、２３の複屈折特性を変化させることによって、電気制御方法により第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０を通して出射した出射光Ｃの直線偏光の回転角度を、１８０°から０°に連続に変化させることができる。したがって、図８に示すように、入射光Ｂが第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０を通してなされた出射光Ｃは、第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０にかけた電圧が矢印Ｅに沿って上がったのに従って、直線偏光の回転角度Ｆが１８０°から０°に連続に変化するようになる。

そのため、連続でないＯＮ／ＯＦＦする２つのモデルしか有しない従来技術の電子制御型ねじれネマチック液晶と比較して、本発明では、第１の液晶セル１０と第２の液晶セル２０は、ｄΔｎ／λ＝１．２～１．８の関係を満たし、かつ、第１の液晶セル１０の第１の下基板１２の配向方向１４と第２の液晶セル２０の第２の上基板２１の配向方向２４は、互いに直交していることによって、第１液晶セル１０と第２液晶セル２０を通過して出射する出射光Ｃの直線偏光角度を１８０°から０°までを連続して変化させることができるため、進歩性を有する。

さらに、本発明を画素化すれば、空間において任意の位置にかかる直線偏光の方向を制御できる、すなわち偏光専用空間光変調器（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－Ｏｎｌｙ Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）の適用が可能になる。従来のＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）は、主に空間内の異なる位置で光電場の位相を調整するものであるが、ＳＬＭは空間内の異なる位置で光電場の位相（Ｐｈａｓｅ－－Ｏｎｌｙ）を調整することができる。本発明は、空間光変調器を空間偏光角調整の機能を含むように拡張することが可能であるため、進歩性を有することは明らかである。

したがって、本発明の第１の実施形態は、第１の液晶セル１０と第２の液晶セル２０とによって電気連続制御式直線偏光回転子１００を構成し、第２の液晶セル２０の第１の下基板１２と第２の上基板２１とを互いに対向配置させ、第１の液晶セル１０の第１の下基板１２の配向方向１４を、第２の液晶セル２０の第２の上基板２１の配向方向２４と互いに直交するように配置させたものである。第１の液晶セル及び第２の液晶セルに電圧を印加すると、第１の液晶セル１０及び第２の液晶セル２０を通過した入射光Ｃは、その直線偏光角が０°と１８０°との間に任意に連続的に変化する。さらに、入射光Ｂの直線偏光の方向は任意であり、すなわち、入射光Ｂの直線偏光の方向は制限されない。したがって、入射光Ｂの偏光方向を配慮する必要はない。

以下、第２の実施形態の電気連続制御式直線偏光回転子１００の構成要素の特徴について、さらに説明する。上記図９～図１１において、第１の上基板１１および第１の下基板１２は、内面側に透明導電膜Ａが被覆された透明フィルム状構造体である。

さらに、透明液晶層１３は、ポジティブネマチック液晶である。

最後に、第１の液晶セル１０に電圧を印加し、第１の上基板１１および第１の下基板１２の面方向に対して垂直な電圧を印加することにより、入射光Ｂが第１の液晶セル１０の第１の上基板１１の配向方向１４に対して０°または９０°の角度で偏光していれば、出射光Ｃの直線偏光回転角度を０°から９０°まで連続的に変化させることが可能である。

以上のように、本発明は、第１の液晶セル１０をその第１の下基板１２が第２の液晶セル２０の第２の上基板２１に直交するように整列させ、かつ、第１の液晶セル１０と第２の液晶セル２０がｄΔｎ／λ＝１．２～１．８の関係を満たすことにより、既存の電子制御型ねじれネマチック液晶による直線偏光回転角度の連続変化を実現できない状況を解決することができ、そのように、以下のような効果を得ることができる。

１、第１の液晶セル１０および第２の液晶セル２０を通して出射した光の直線偏光角度を、０°から１８０°まで連続的に変化させることができる。

２、本発明では動作電圧が低いため、ＴＦＴに適用することができると共に、入射光Ｂの偏光方向を考慮することはない。

１００：電気連続制御式直線偏光回転子
１０：第１の液晶セル
１１：第１の上基板
１１１：第１の上基板の配向容易軸
１２：第１の下基板
１３：透明液晶層
１４、２４：配向方向
１５：入射光の偏光方向
２０：第２の液晶セル
２１：第２の上基板
２２：第２の下基板
２３：透明液晶層
３０：ポラライザー
４０：アナライザー
Ａ：透明導電膜
Ｂ：入射光
Ｃ：出射光
Ｅ：（電圧変化を示す）矢印
Ｆ：直線偏光の回転角度
λ：入射光の波長
ｄ：透明液晶層の厚さ
Δｎ：透明液晶層の複屈折
β：夾角

Claims (6)

1. 水平配向されたと共に配向方向が互いに直交となる第１の上基板及び第１の下基板と、前記第１の上基板と前記第１の下基板の間に充填された透明液晶層と、を含む第１の液晶セルと、
   水平配向されたと共に配向方向が互いに直交となる第２の上基板及び第２の下基板と、前記第２の上基板と前記第２の下基板の間に充填された透明液晶層と、を含む第２の液晶セルと、を具備する電気連続制御式直線偏光回転子であって、
   前記第１の液晶セル及び前記第２の液晶セルは、ｄΔｎ／λ＝１．２～１．８の関係を満たし、ただし、λが前記第１の液晶セルまたは前記第２の液晶セルに入射する入射光の波長であり、ｄが前記第１の液晶セルまたは前記第２の液晶セルにおける透明液晶層の厚さであり、Δｎが前記第１の液晶セルまたは前記第２の液晶セルにおける透明液晶層の複屈折であり、前記第１の液晶セルは、その第１の下基板が前記第２の液晶セルの前記第２の上基板と対向しながら、前記第１の下基板の配向方向が前記第２の液晶セルの前記第２の上基板の配向方向と直交するように配置され前記第１の液晶セル及び前記第２の液晶セルに電圧をかけることによって、前記第１の液晶セル及び前記第２の液晶セルから出射する出射光の偏光方向を変更させ、
   前記第１の上基板、前記第１の下基板、前記第２の上基板、及び前記第２の下基板における面方向に対して印加方向が垂直的な同じ電圧を、前記第１の液晶セル及び前記第２の液晶セルにそれぞれ印加することによって、前記出射光の直線偏光回転角度を０°と１８０°との間に連続的に変化させる、ことを特徴とする、電気連続制御式直線偏光回転子。
2. 前記第１の上基板、前記第１の下基板、前記第２の上基板、及び前記第２の下基板は、内面側に透明導電膜が被覆された透明フィルム状構造体である、請求項１に記載の電気連続制御式直線偏光回転子。
3. 前記透明液晶層は、ポジティブネマチック液晶である、請求項１に記載の電気連続制御式直線偏光回転子。
4. 水平配向されたと共に配向方向が互いに直交となる第１の上基板及び第１の下基板と、前記第１の上基板と前記第１の下基板の間に充填された透明液晶層と、を含む第１の液晶セルを具備し、
   前記第１の液晶セルは、ｄΔｎ／λ＝１．２～１．８の関係を満たし、ただし、λが前記第１の液晶セルに入射する入射光の波長であり、ｄが前記第１の液晶セルにおける透明液晶層の厚さであり、Δｎが前記第１の液晶セルにおける透明液晶層の複屈折であり、
   前記第１の液晶セルに電圧をかけることによって、前記第１の液晶セルから出射する出射光の偏光方向を変更させ、
   前記第１の上基板及び前記第１の下基板における面方向に対して印加方向が垂直的な電圧を、前記第１の液晶セルに印加すると共に、前記入射光を前記第１の上基板の前記配向方向に対して０°または９０°の角度で偏光するように制限することによって、前記出射光の直線偏光回転角度を０°と９０°との間に連続的に変化させる、ことを特徴とする電気連続制御式直線偏光回転子。
5. 前記第１の上基板及び前記第１の下基板は、内面側に透明導電膜が被覆された透明フィルム状構造体である、請求項４に記載の電気連続制御式直線偏光回転子。
6. 前記透明液晶層は、ポジティブネマチック液晶である、請求項４に記載の電気連続制御式直線偏光回転子。