JP7458437B2 - Optical element, variable focus element and head mounted display - Google Patents
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Description
以下の開示は、光学素子、上記光学素子を備える可変焦点素子、及び、上記可変焦点素子を備えるヘッドマウントディスプレイに関するものである。 The following disclosure relates to an optical element, a variable focus element including the optical element, and a head mounted display including the variable focus element.
近年ヘッドマウントディスプレイ向けなどに、パンチャラトナムベリー(PB:Pancharatnam Berry)レンズと、可変1/2波長板(sHWP:Switchable Half Wave Plate)等の光学素子とを組み合わせた可変焦点光学システムが提案されている。sHWPとは左右の円偏光の偏光状態を切り替え可能なデバイスであり、液晶により実現される。 In recent years, variable-focus optical systems have been proposed for head-mounted displays and other applications that combine Pancharatnam Berry (PB) lenses with optical elements such as switchable half-wave plates (sHWPs). sHWPs are devices that can switch the polarization state of left-right circularly polarized light, and are realized using liquid crystal.
可変焦点光学システムに関する技術として、例えば、特許文献1には、導波管と広帯域適応レンズアセンブリとを備え、前記導波管は、光を導波管の出力表面と平行な側方方向に誘導するように構成され、更に、前記誘導された光を前記出力表面を通して外部結合するようにさらに構成され、前記広帯域適応レンズアセンブリは、それを通して、前記導波管からの外部結合された光を内部結合および回折するように構成されるディスプレイデバイスが開示されている。
As a technique related to a variable focus optical system, for example,
特許文献2には、sHWPと複数の液晶レンズとを備える可変焦点ブロックが開示されている。
特許文献3には、初期偏光配向の直線偏光を変換する色消し偏光スイッチであって、前記初期偏光配向に関し第1の配向軸を有する第1の液晶(LC)セルと、前記第1の配向軸に関し第2の配向軸を有する第2のLCセルと、を備える、色消し偏光スイッチが開示されている。
特許文献4には、第1の積層複屈折層および第2の積層複屈折層であって、それぞれのローカル光軸が、該第1の層および第2の層のそれぞれの厚さにわたってそれぞれのねじれ角で回転されており、該第1の層と第2の層との間の界面に沿って整列されている、第1の積層複屈折層および第2の積層複屈折層を備える、光学素子が開示されている。
上記特許文献1~4では、左右の円偏光の偏光状態を変換する偏光変調と、左右の円偏光の偏光状態を変換しない偏光非変調とを広帯域で切り替え、かつ、薄型化が可能なデバイス構造の実現が困難という課題がある。
本発明は上記現状に鑑みてなされたものであり、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替え可能であり、かつ、薄型化が可能な光学素子、上記光学素子を備える可変焦点素子、及び、上記可変焦点素子を備えるヘッドマウントディスプレイを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned current situation, and provides an optical element that can switch between polarization modulation and non-polarization modulation over a wide band and that can be made thinner, a variable focus element equipped with the above-mentioned optical element, and the above-mentioned. An object of the present invention is to provide a head mounted display including a variable focus element.
(1)本発明の一実施形態は、第一基板、液晶層、及び、第二基板を備える液晶セルと、
1/4波長フィルムと、を備え、上記液晶層は、上記第一基板と上記第二基板との間でツイスト配向する液晶分子を含有し、上記液晶セルは、上記第一基板及び上記第二基板の少なくとも一方に、上記液晶層への電圧印加用の電極を有し、上記電極は、上記第一基板側の上記液晶分子が第一の配向方向に配列する第一状態と、上記第一基板側の上記液晶分子が、平面視において上記第一の配向方向に対して直交する第二の配向方向に配列する第二状態と、を上記液晶層への電圧印加により切り替え可能に配置されており、上記第一状態と上記第二状態との切り替えは、上記液晶セルに入射する光の偏光状態を制御するものであり、上記液晶セルに円偏光が入射した場合、上記第一状態では、上記円偏光が第一の直線偏光に変換され、上記第二状態では、上記円偏光が、平面視において上記第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光に変換され、上記液晶セルに直線偏光が入射した場合、上記第一状態では、上記直線偏光が第一の円偏光に変換され、上記第二状態では、上記直線偏光が、上記第一の円偏光の回転方向と逆方向に回転する第二の円偏光に変換される、光学素子。
(1) One embodiment of the present invention includes a liquid crystal cell including a first substrate, a liquid crystal layer, and a second substrate;
a 1/4 wavelength film, the liquid crystal layer contains liquid crystal molecules that are twistedly aligned between the first substrate and the second substrate, and the liquid crystal cell includes the first substrate and the second substrate. At least one of the substrates has an electrode for applying a voltage to the liquid crystal layer, and the electrode is arranged in a first state in which the liquid crystal molecules on the first substrate side are aligned in a first alignment direction; The liquid crystal molecules on the substrate side are arranged to be switchable between a second state in which the liquid crystal molecules on the substrate side are aligned in a second alignment direction perpendicular to the first alignment direction in plan view by applying a voltage to the liquid crystal layer. The switching between the first state and the second state controls the polarization state of light incident on the liquid crystal cell, and when circularly polarized light enters the liquid crystal cell, in the first state, The circularly polarized light is converted into a first linearly polarized light, and in the second state, the circularly polarized light is a second linearly polarized light having a polarization direction perpendicular to the polarization direction of the first linearly polarized light in a plan view. When linearly polarized light enters the liquid crystal cell, in the first state, the linearly polarized light is converted into first circularly polarized light, and in the second state, the linearly polarized light is converted into first circularly polarized light. An optical element that converts the polarized light into a second circularly polarized light that rotates in the opposite direction to the direction of rotation of the polarized light.
(2)また、本発明のある実施形態は、上記(1)の構成に加え、上記液晶セルは、更に、上記第一基板と上記液晶層との間に配置された、第一の弱アンカリングの水平配向膜と、上記液晶層と上記第二基板との間に配置された、第二の弱アンカリングの水平配向膜と、を有し、上記電極は、上記第一基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極を有し、上記第二基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極を有し、平面視において、上記第一の櫛歯電極の延伸方向は、上記第二の櫛歯電極の延伸方向に対して斜めに設けられる、光学素子。 (2) In addition to the configuration of (1), an embodiment of the present invention is an optical element in which the liquid crystal cell further includes a first weakly anchored horizontal alignment film disposed between the first substrate and the liquid crystal layer, and a second weakly anchored horizontal alignment film disposed between the liquid crystal layer and the second substrate, the electrodes include a first comb electrode disposed on the first substrate such that the comb teeth of a pixel electrode and a common electrode are fitted together, and the electrodes include a second comb electrode disposed on the second substrate such that the comb teeth of a pixel electrode and a common electrode are fitted together, and the extension direction of the first comb electrode is oblique to the extension direction of the second comb electrode in a plan view.
(3)また、本発明のある実施形態は、上記(1)の構成に加え、上記液晶セルは、更に、上記第一基板と上記液晶層との間に配置された、弱アンカリングの水平配向膜と、上記液晶層と上記第二基板との間に配置された垂直配向膜と、を有し、上記電極は、上記第一基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極、及び、絶縁層を介して上記第一の櫛歯電極に重畳し、かつ、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極を有し、平面視において、上記第一の櫛歯電極の延伸方向は、上記第二の櫛歯電極の延伸方向に対して直交する、光学素子。 (3) Furthermore, in an embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (1) above, the liquid crystal cell further includes a weakly anchored horizontal structure disposed between the first substrate and the liquid crystal layer. an alignment film; and a vertical alignment film disposed between the liquid crystal layer and the second substrate; a first comb-teeth electrode provided so that the comb-teeth of the comb-teeth fit into each other; and a comb-teeth-shaped pixel electrode and a common electrode superimposed on the first comb-teeth electrode via an insulating layer. has a second comb-teeth electrode provided so that the comb-teeth fit into each other, and in plan view, the extending direction of the first comb-teeth electrode is the same as the extending direction of the second comb-teeth electrode. An optical element perpendicular to a direction.
(4)また、本発明のある実施形態は、上記(1)の構成に加え、上記電極は、上記第一基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極、及び、第一の絶縁層を介して上記第一の櫛歯電極に重畳し、かつ、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極を有し、上記第二基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第三の櫛歯電極、及び、第二の絶縁層を介して上記第三の櫛歯電極に重畳し、かつ、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第四の櫛歯電極を有し、平面視において、上記第一の櫛歯電極の延伸方向は、上記第二の櫛歯電極の延伸方向に対して直交し、上記第三の櫛歯電極の延伸方向は、上記第四の櫛歯電極の延伸方向に対して直交し、上記第一の櫛歯電極の延伸方向は、上記第三の櫛歯電極の延伸方向に対して斜めに設けられる、光学素子。 (4) Further, in an embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (1) above, the electrode has a comb-like pixel electrode and a common electrode on the first substrate, the comb-like teeth of which fit into each other. A first comb-shaped electrode is provided to intersect with each other, and a comb-shaped pixel electrode and a common electrode are overlapped with the first comb-shaped electrode via a first insulating layer, and the comb-shaped pixel electrode and the common electrode A second comb-teeth electrode is provided so that the comb-teeth fit into each other, and in the second substrate, the comb-teeth-shaped pixel electrode and the common electrode are arranged so that the comb-teeth fit into each other. The provided third comb-teeth electrode overlaps the third comb-teeth electrode via the second insulating layer, and the comb-teeth-shaped pixel electrode and the common electrode are arranged such that the comb-teeth fit into each other. a fourth comb-teeth electrode provided so as to intersect with each other; in plan view, the extending direction of the first comb-teeth electrode is orthogonal to the extending direction of the second comb-teeth electrode; The stretching direction of the third comb-teeth electrode is orthogonal to the stretching direction of the fourth comb-teeth electrode, and the stretching direction of the first comb-teeth electrode is the stretching direction of the third comb-teeth electrode. An optical element that is installed diagonally to the surface.
(5)また、本発明のある実施形態は、上記(1)の構成に加え、上記液晶セルは、更に、上記第一基板と上記液晶層との間に配置された、2方向に配向安定方向を有する双安定配向膜を有し、上記電極は、上記第一基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極を有し、上記第二基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極を有し、平面視において、上記第一の櫛歯電極の延伸方向は、上記第二の櫛歯電極の延伸方向に対して斜めに設けられる、光学素子。 (5) In addition to the configuration of (1), an embodiment of the present invention is an optical element in which the liquid crystal cell further has a bistable alignment film having two stable alignment directions arranged between the first substrate and the liquid crystal layer, the electrodes have a first comb electrode on the first substrate, in which a comb-shaped pixel electrode and a common electrode are arranged so that their comb teeth fit together, and the electrodes have a second comb electrode on the second substrate, in which a comb-shaped pixel electrode and a common electrode are arranged so that their comb teeth fit together, and the extension direction of the first comb electrode is oblique to the extension direction of the second comb electrode in a plan view.
(6)また、本発明のある実施形態は、上記(1)の構成に加え、上記液晶セルは、更に、上記第一基板と上記液晶層との間に配置された、第一の垂直配向膜と、上記液晶層と上記第二基板との間に配置された、第二の垂直配向膜と、を有し、上記電極は、上記第一基板において、面状の第一電極、及び、第一の絶縁層を介して上記第一電極に重畳し、かつ、スリット部が設けられた第二電極を有し、上記第二基板において、面状の第三電極、及び、第二の絶縁層を介して上記第三電極に重畳し、かつ、スリット部が設けられた第四電極を有し、平面視において、上記第二電極に設けられた上記スリット部の延伸方向は、上記第四電極に設けられた上記スリット部の延伸方向に対して斜めに配置される、光学素子。 (6) Further, in an embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (1) above, the liquid crystal cell further includes a first vertically aligned layer disposed between the first substrate and the liquid crystal layer. a second vertical alignment film disposed between the liquid crystal layer and the second substrate, and the electrode includes a planar first electrode on the first substrate; a second electrode that overlaps the first electrode with a first insulating layer interposed therebetween and is provided with a slit portion; in the second substrate, a planar third electrode; It has a fourth electrode that overlaps the third electrode through a layer and is provided with a slit portion, and in plan view, the extending direction of the slit portion provided in the second electrode is the same as that of the fourth electrode. An optical element arranged obliquely with respect to the extending direction of the slit section provided in the electrode.
(7)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)又は上記(6)の構成に加え、上記液晶層の屈折率異方性Δnは、0.12以下である、光学素子。 (7) Furthermore, in one embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (1), (2), (3), (4), (5), or (6), the refractive index anisotropy Δn of the liquid crystal layer is 0.12 or less.
(8)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)、上記(6)又は上記(7)の構成に加え、上記1/4波長フィルムは、第一の1/4波長フィルムであり、更に、上記第一の1/4波長フィルムの上記液晶セルとは反対側に第二の1/4波長フィルムを備える、光学素子。 (8) Furthermore, an embodiment of the present invention has the configuration of (1), (2), (3), (4), (5), (6), or (7) above. In addition, the 1/4 wavelength film is a first 1/4 wavelength film, and a second 1/4 wavelength film is further provided on the opposite side of the first 1/4 wavelength film from the liquid crystal cell. an optical element.
(9)また、本発明のある実施形態は、上記(8)の構成に加え、上記第一の1/4波長フィルムは、逆波長分散特性を有する、光学素子。 (9) In addition to the configuration of (8) above, one embodiment of the present invention is an optical element in which the first quarter-wave film has reverse wavelength dispersion characteristics.
(10)また、本発明のある実施形態は、上記(8)又は上記(9)の構成に加え、上記第一の1/4波長フィルムの、波長550nmの面内位相差に対する波長450nmの面内位相差は、0.7倍以上、1倍以下である、光学素子。 (10) In addition to the configuration of (8) or (9) above, an embodiment of the present invention provides that the first 1/4 wavelength film has an in-plane retardation at a wavelength of 450 nm with respect to an in-plane retardation at a wavelength of 550 nm. An optical element having an internal phase difference of 0.7 times or more and 1 time or less.
(11)また、本発明のある実施形態は、上記(8)、上記(9)又は上記(10)の構成に加え、上記第一の1/4波長フィルムの、波長550nmの面内位相差に対する波長650nmの面内位相差は、1倍以上、1.3倍以下である、光学素子。 (11) In addition to the configuration of (8), (9), or (10), an embodiment of the present invention provides an in-plane retardation at a wavelength of 550 nm of the first 1/4 wavelength film. An optical element having an in-plane retardation at a wavelength of 650 nm with respect to that of 1 to 1.3 times.
(12)また、本発明のある実施形態は、上記(8)、上記(9)、上記(10)又は上記(11)の構成に加え、上記第一の1/4波長フィルムの波長550nmの面内位相差は、30nm以上、230nm以下である、光学素子。 (12) In addition to the configuration of (8), (9), (10) or (11), an embodiment of the present invention is an optical element in which the in-plane retardation of the first quarter-wave film at a wavelength of 550 nm is 30 nm or more and 230 nm or less.
(13)また、本発明のある実施形態は、上記(8)、上記(9)、上記(10)、上記(11)又は上記(12)の構成に加え、上記第二の1/4波長フィルムは、フラット波長分散特性を有する、光学素子。 (13) In addition, in one embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (8), (9), (10), (11), or (12), the second 1/4 wavelength film has flat wavelength dispersion characteristics.
(14)また、本発明のある実施形態は、上記(8)、上記(9)、上記(10)、上記(11)、上記(12)又は上記(13)の構成に加え、上記第二の1/4波長フィルムの波長550nmの面内位相差は、110nm以上、175nm以下である、光学素子。 (14) In addition, one embodiment of the present invention is an optical element having the configuration of (8), (9), (10), (11), (12) or (13) above, in which the in-plane retardation of the second 1/4 wavelength film at a wavelength of 550 nm is 110 nm or more and 175 nm or less.
(15)また、本発明の他の実施形態は、上記(1)、上記(2)、上記(3)、上記(4)、上記(5)、上記(6)、上記(7)、上記(8)、上記(9)、上記(10)、上記(11)、上記(12)、上記(13)又は上記(14)に記載の光学素子と、パンチャラトナムベリーレンズと、を備える、可変焦点素子。 (15) Further, other embodiments of the present invention include the above (1), the above (2), the above (3), the above (4), the above (5), the above (6), the above (7), the above (8), comprising the optical element described in (9), (10), (11), (12), (13), or (14), and a Pancharatnam Berry lens; Variable focus element.
(16)また、本発明のある実施形態は、上記(15)の構成に加え、上記パンチャラトナムベリーレンズは、上記光学素子内に配置される、可変焦点素子。 (16) In addition to the configuration of (15) above, an embodiment of the present invention is a variable focus element, wherein the Pancharatnam Berry lens is disposed within the optical element.
(17)また、本発明の他の実施形態は、上記(15)又は上記(16)に記載の可変焦点素子を備える、ヘッドマウントディスプレイ。 (17) Another embodiment of the present invention is a head-mounted display comprising the variable focus element described in (15) or (16) above.
(18)また、本発明の他の実施形態は、上記(1)の構成に加え、上記液晶セルは、更に、上記第一基板と上記液晶層との間に配置された第一の垂直配向膜と、上記液晶層と上記第二基板との間に配置された第二の垂直配向膜と、を有し、上記液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有し、上記第一の垂直配向膜及び上記第二の垂直配向膜の少なくとも一方は、電圧無印加状態における上記液晶分子のチルト方向を制御する、光学素子。 (18) Further, in another embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (1) above, the liquid crystal cell further includes a first vertically aligned layer disposed between the first substrate and the liquid crystal layer. a second vertical alignment film disposed between the liquid crystal layer and the second substrate, the liquid crystal layer containing liquid crystal molecules having negative dielectric anisotropy, At least one of the first vertical alignment film and the second vertical alignment film is an optical element that controls the tilt direction of the liquid crystal molecules in a state where no voltage is applied.
(19)また、本発明のある実施形態は、上記(18)の構成に加え、上記電極は、上記第一基板及び上記第二基板の少なくとも一方において、面状の電極、及び、絶縁層を介して上記面状の電極に重畳し、かつ、スリット部が設けられた電極を有する、光学素子。 (19) In addition to the configuration of (18), one embodiment of the present invention is an optical element in which the electrode has a planar electrode on at least one of the first substrate and the second substrate, and an electrode that overlaps the planar electrode via an insulating layer and has a slit portion.
(20)また、本発明のある実施形態は、上記(18)又は上記(19)の構成に加え、上記スリット部が設けられた電極のピッチは、1μm以上、5μm以下である、光学素子。 (20) Further, an embodiment of the present invention is an optical element, in addition to the configuration described in (18) or (19) above, wherein the pitch of the electrodes provided with the slit portions is 1 μm or more and 5 μm or less.
(21)また、本発明のある実施形態は、上記(18)、上記(19)又は上記(20)の構成に加え、上記第一の垂直配向膜及び上記第二の垂直配向膜の少なくとも一方は、弱アンカリングの垂直配向膜である、光学素子。 (21) Further, in an embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (18), (19), or (20), at least one of the first vertical alignment film and the second vertical alignment film is provided. is an optical element that is a vertical alignment film with weak anchoring.
(22)また、本発明のある実施形態は、上記(18)、上記(19)、上記(20)又は上記(21)の構成に加え、上記液晶層の波長550nmにおける電圧印加状態でのリタデーションΔndは、180nm以上、280nm以下である、光学素子。 (22) In addition to the configuration described in (18), (19), (20), or (21), an embodiment of the present invention provides retardation of the liquid crystal layer in a voltage applied state at a wavelength of 550 nm. An optical element in which Δnd is 180 nm or more and 280 nm or less.
(23)また、本発明のある実施形態は、上記(18)、上記(19)、上記(20)、上記(21)又は上記(22)の構成に加え、上記液晶層の屈折率異方性Δnは、0.12以下である、光学素子。 (23) In addition to the above (18), (19), (20), (21), or (22), an embodiment of the present invention provides a refractive index anisotropy of the liquid crystal layer. An optical element having a property Δn of 0.12 or less.
(24)また、本発明のある実施形態は、上記(18)、上記(19)、上記(20)、上記(21)、上記(22)又は上記(23)の構成に加え、上記光学素子に入射する光は、円偏光である、光学素子。 (24) In addition to the configuration of (18), (19), (20), (21), (22), or (23), an embodiment of the present invention may include the optical element The light incident on the optical element is circularly polarized.
(25)また、本発明の他の実施形態は、上記(18)、上記(19)、上記(20)、上記(21)、上記(22)、上記(23)又は上記(24)に記載の光学素子と、パンチャラトナムベリーレンズと、を備える、可変焦点素子。 (25) Further, other embodiments of the present invention are described in (18), (19), (20), (21), (22), (23), or (24) above. and a Pancharatnam Berry lens.
(26)また、本発明のある実施形態は、上記(25)の構成に加え、上記パンチャラトナムベリーレンズは、上記光学素子内に配置される、可変焦点素子。 (26) In addition to the configuration of (25), one embodiment of the present invention is a variable focus element, in which the Pancharatnam Berry lens is disposed within the optical element.
(27)また、本発明の他の実施形態は、上記(25)又は上記(26)に記載の可変焦点素子を備える、ヘッドマウントディスプレイ。 (27) Another embodiment of the present invention is a head-mounted display comprising the variable focus element described in (25) or (26) above.
本発明によれば、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替え可能であり、かつ、薄型化が可能な光学素子、上記光学素子を備える可変焦点素子、及び、上記可変焦点素子を備えるヘッドマウントディスプレイを提供することができる。 According to the present invention, an optical element that can switch between polarization modulation and non-polarization modulation over a wide band and that can be made thin, a variable focus element including the optical element, and a head mounted display including the variable focus element. can be provided.
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に記載された内容に限定されるものではなく、本発明の構成を充足する範囲内で、適宜設計変更を行うことが可能である。なお、以下の説明において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して適宜用い、その繰り返しの説明は適宜省略する。本発明の各態様は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わされてもよい。 Embodiments of the present invention will be described below. The present invention is not limited to the content described in the following embodiments, and design changes can be made as appropriate within the scope that satisfies the configuration of the present invention. In the following description, the same reference numerals will be used for the same parts or parts having similar functions in different drawings, and repeated explanations will be omitted as appropriate. Each aspect of the present invention may be combined as appropriate without departing from the gist of the present invention.
(用語の定義)
本明細書中、方位とは、対象となる方向を光学素子の出射側の基板面上に射影したときの方向を意味し、基準となる方位との間のなす角度(方位角)で表現される。ここで、基準となる方位(0°)は、上記第一状態における上記第一基板側の液晶分子の配向方向を光学素子の出射側の基板面上に射影したときの方向に設定される。すなわち、第一状態における第一基板側の液晶分子の配向方向の方位角が0°に設定される。方位角は、基準となる方位から反時計回りを正の角度、基準となる方位から時計回りを負の角度とする。反時計回り及び時計回りは、いずれも、光学素子を出射側から見たときの回転方向を表す。また、方位角は、光学素子を出射側から平面視した状態で測定された値を表す。
(Definition of terms)
In this specification, azimuth means the direction when the target direction is projected onto the substrate surface on the output side of the optical element, and is expressed by the angle (azimuth angle) between it and the reference azimuth. Ru. Here, the reference orientation (0°) is set to the direction when the alignment direction of the liquid crystal molecules on the first substrate side in the first state is projected onto the substrate surface on the output side of the optical element. That is, the azimuth angle of the alignment direction of liquid crystal molecules on the first substrate side in the first state is set to 0°. The azimuth angle is defined as a positive angle when counterclockwise from the reference azimuth, and a negative angle when clockwise from the reference azimuth. Both counterclockwise and clockwise represent rotation directions when the optical element is viewed from the output side. In addition, the azimuth angle represents a value measured when the optical element is viewed in plan from the output side.
本明細書中、2つの直線(軸、方向及び方位を含む)が互いに直交するとは、光学素子を出射側から平面視した状態で直交することを意味する。また、2つの直線の一方の直線が他方の直線に対して斜めに設けられるとは、光学素子を出射側から平面視した状態で一方の直線が他方の直線に対して斜めに設けられることを意味する。また、2つの直線のなす角度とは、光学素子を出射側から平面視した状態における一方の直線と他方の直線とのなす角度を意味する。 In this specification, two straight lines (including axes, directions, and orientations) being orthogonal to each other means that they are orthogonal when the optical element is viewed in plan from the output side. Also, when one of two straight lines is provided diagonally with respect to the other straight line, it means that one straight line is provided diagonally with respect to the other straight line when the optical element is viewed from the output side in plan. means. Moreover, the angle formed by two straight lines means the angle formed by one straight line and the other straight line when the optical element is viewed in plan from the output side.
本明細書中、2つの直線(軸、方向及び方位を含む)が直交するとは、両者のなす角度が90°±3°であることを意味し、好ましくは90°±1°、より好ましくは90°±0.5°、特に好ましくは90°(完全に直交)であることを意味する。2つの直線が平行であるとは、両者のなす角度が0°±3°であることを意味し、好ましくは0°±1°、より好ましくは0°±0.5°、特に好ましくは0°(完全に平行)であることを意味する。 In this specification, two straight lines (including axes, directions, and orientations) being orthogonal means that the angle between them is 90°±3°, preferably 90°±1°, more preferably This means 90°±0.5°, particularly preferably 90° (completely orthogonal). Two straight lines being parallel means that the angle between them is 0°±3°, preferably 0°±1°, more preferably 0°±0.5°, particularly preferably 0° ° (perfectly parallel).
本明細書中、面内方向のリタデーション(面内位相差)Rpは、Rp=(ns-nf)dで定義される。また、厚さ方向のリタデーションRthは、Rth=(nz-(nx+ny)/2)dで定義される。nsはnx、nyのうち大きい方を、nfは小さい方を指す。また、nx及びnyは、複屈折層(位相差フィルムと液晶層を含む)の面内方向の主屈折率を示し、nzは、面外方向、すなわち、複屈折層の面に対して垂直方向の主屈折率を示し、dは、複屈折層の厚みを示す。 In this specification, in-plane retardation (in-plane phase difference) Rp is defined as Rp=(ns−nf)d. Further, the retardation Rth in the thickness direction is defined as Rth=(nz−(nx+ny)/2)d. ns refers to the larger one of nx and ny, and nf refers to the smaller one. In addition, nx and ny indicate the principal refractive index in the in-plane direction of the birefringent layer (including the retardation film and the liquid crystal layer), and nz indicates the principal refractive index in the out-of-plane direction, that is, the direction perpendicular to the plane of the birefringent layer. represents the principal refractive index, and d represents the thickness of the birefringent layer.
なお、本明細書中で主屈折率、位相差等の光学パラメータの測定波長は、特に断りのない限り550nmとする。 In this specification, the wavelength for measuring optical parameters such as the principal refractive index and phase difference is 550 nm unless otherwise specified.
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に記載された内容に限定されるものではなく、本発明の構成を充足する範囲内で、適宜設計変更を行うことが可能である。 Embodiments of the present invention will be described below. The present invention is not limited to the content described in the following embodiments, and design changes can be made as appropriate within the scope that satisfies the configuration of the present invention.
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る光学素子の断面模式図である。図2は、実施形態1に係る光学素子が備える液晶セルの斜視模式図である。図3は、実施形態1に係る光学素子の、第一状態及び第二状態における液晶分子の配向について説明する模式図である。図4は、実施形態1に係る光学素子の、第一状態及び第二状態における偏光状態について説明する模式図である。図5は、実施形態1に係る光学素子の軸方位の一例を示す図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to
図1~図5に示すように、本実施形態の光学素子10は、第一基板100、液晶層300、及び、第二基板200を備える液晶セル11と、上記1/4波長フィルムとしての第一の1/4波長フィルム12とを備え、液晶層300は、第一基板100と第二基板200との間でツイスト配向する液晶分子310を含有する。液晶セル11は、第一基板100及び第二基板200の少なくとも一方に、液晶層300への電圧印加用の電極11Eを有する。電極11Eは、第一基板100側の液晶分子311が第一の配向方向311Aに配列する第一状態と、第一基板100側の液晶分子311が、平面視において第一の配向方向311Aに対して直交する第二の配向方向311Bに配列する第二状態と、を液晶層300への電圧印加により切り替え可能に配置されている。上記第一状態と上記第二状態との切り替えは、液晶セル11に入射する光の偏光状態を制御するものであり、液晶セル11に円偏光が入射した場合、上記第一状態では、上記円偏光が第一の直線偏光に変換され、上記第二状態では、上記円偏光が、平面視において上記第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光に変換され、液晶セル11に直線偏光が入射した場合、上記第一状態では、上記直線偏光が第一の円偏光に変換され、上記第二状態では、上記直線偏光が、上記第一の円偏光の回転方向と逆方向に回転する第二の円偏光に変換される。このような態様とすることにより、光学素子10の厚さを抑えつつ、光学素子10に入射した円偏光を変調させずに出射する状態と、光学素子10に入射した円偏光を変調させて出射する状態とを、広帯域でスイッチングすることが可能となる。すなわち、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替え可能であり、かつ、薄型化が可能な光学素子10を実現することができる。
As shown in FIGS. 1 to 5, the
上記第一状態において、第一基板100側の液晶分子311は第一の配向方向311Aに配列し、上記第二状態において、第一基板100側の液晶分子311は、平面視において第一の配向方向311Aに対して直交する第二の配向方向311Bに配列する。ここで、第一基板側の液晶分子の配向方向とは、第一基板近傍において水平配向している液晶分子の配向方向である。より具体的には、第一基板の液晶層側に設けられた配向膜が水平配向膜である場合、第一基板側の液晶分子の配向方向とは、液晶層の第一基板側の界面に位置する液晶分子の配向方向をいう。第一基板の液晶層側に設けられた配向膜が垂直配向膜である場合、液晶層の第一基板側の界面に位置する液晶分子は垂直配向しているため、第一基板側の液晶分子の配向方向とは、第一基板側の界面より液晶層の内側に位置する、水平配向状態にある液晶分子の配向方向をいう。
In the first state, the
同様に、第二基板側の液晶分子の配向方向とは、第二基板近傍において水平配向している液晶分子の配向方向である。より具体的には、第二基板の液晶層側に設けられた配向膜が水平配向膜である場合、第二基板側の液晶分子の配向方向とは、液晶層の第二基板側の界面に位置する液晶分子の配向方向をいう。第二基板の液晶層側に設けられた配向膜が垂直配向膜である場合、液晶層の第二基板側の界面に位置する液晶分子は垂直配向しているため、第二基板側の液晶分子の配向方向とは、第二基板側の界面より液晶層の内側に位置する、水平配向状態にある液晶分子の配向方向をいう。 Similarly, the alignment direction of liquid crystal molecules on the second substrate side is the alignment direction of liquid crystal molecules horizontally aligned in the vicinity of the second substrate. More specifically, when the alignment film provided on the liquid crystal layer side of the second substrate is a horizontal alignment film, the alignment direction of liquid crystal molecules on the second substrate side is defined as the alignment direction of the liquid crystal molecules on the second substrate side of the liquid crystal layer. Refers to the alignment direction of liquid crystal molecules located in a location. If the alignment film provided on the liquid crystal layer side of the second substrate is a vertical alignment film, the liquid crystal molecules located at the interface of the liquid crystal layer on the second substrate side are vertically aligned, so the liquid crystal molecules on the second substrate side The alignment direction refers to the alignment direction of horizontally aligned liquid crystal molecules located inside the liquid crystal layer from the interface on the second substrate side.
ここで、第一基板側の液晶分子の配向方向及び第二基板側の液晶分子の配向方向は、Axoscan(オプトサイエンス社製)で液晶セルを測定し、出力されるミューラーマトリックスから測定することができる。具体的には、ポジ型の液晶分子が充填されている場合は電圧無印加時、ネガ型の液晶分子が充填されている場合は電圧印加時(例えば5V)で測定する。また、Axoscan内で液晶のセル厚やツイスト角をフィッティングするソフトによっても、第一基板側の液晶分子の配向方向及び第二基板側の液晶分子の配向方向を求めることができる。 Here, the orientation direction of the liquid crystal molecules on the first substrate side and the orientation direction of the liquid crystal molecules on the second substrate side can be determined by measuring the liquid crystal cell with Axoscan (manufactured by Optoscience) and from the output Mueller matrix. can. Specifically, when positive type liquid crystal molecules are filled, the measurement is performed when no voltage is applied, and when negative type liquid crystal molecules are filled, the measurement is performed when voltage is applied (for example, 5 V). Furthermore, the alignment direction of the liquid crystal molecules on the first substrate side and the alignment direction of the liquid crystal molecules on the second substrate side can also be determined by software that fits the cell thickness and twist angle of the liquid crystal in Axoscan.
上記第一状態と上記第二状態との切り替えは、液晶セル11に入射する光の偏光状態を制御するものである。液晶セル11に円偏光が入射した場合、上記第一状態では、上記円偏光が第一の直線偏光に変換され、上記第二状態では、上記円偏光が、平面視において上記第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光に変換される。液晶セル11に直線偏光が入射した場合、上記第一状態では、上記直線偏光が第一の円偏光に変換され、上記第二状態では、上記直線偏光が、上記第一の円偏光の回転方向と逆方向に回転する第二の円偏光に変換される。
Switching between the first state and the second state is to control the polarization state of light incident on the
ここで、液晶セル11に円偏光が入射した場合、第一状態では、当該円偏光が概ね第一の直線偏光に変換されていればよい。例えば、第一状態では、波長550nm付近(具体的には波長530nm以上、570nm)において第一の直線偏光であり、その他の波長において楕円偏光となっていてもよい。また、第二状態では、当該円偏光が概ね第二の直線偏光に変換されていればよい。例えば、第二状態では、波長550nm付近(具体的には波長530nm以上、570nm)において第二の直線偏光であり、その他の波長において楕円偏光となっていてもよい。
Here, when circularly polarized light is incident on the
また、液晶セル11に直線偏光が入射した場合、第一状態では、当該直線偏光が概ね第一の円偏光に変換されていればよい。例えば、第一状態では、波長550nm付近(具体的には波長530nm以上、570nm)において第一の円偏光であり、その他の波長において楕円偏光となっていてもよい。また、第二状態では、当該直線偏光が概ね第二の円偏光に変換されていればよい。例えば、第二状態では、波長550nm付近(具体的には波長530nm以上、570nm)において第二の円偏光であり、その他の波長において楕円偏光となっていてもよい。
Further, when linearly polarized light is incident on the
本実施形態では、液晶セル11に円偏光が入射した場合について説明するが、液晶セル11に直線偏光が入射した場合についても同様の効果が得られる。
In this embodiment, a case will be described in which circularly polarized light is incident on the
液晶セル11は、第一基板100と液晶層300と第二基板200とを順に備える。光学素子10では、第一基板100及び第二基板200の少なくとも一方の基板において、in-plane方向に2つの方向の電界を生じさせることにより、第一状態と第二状態とをスイッチングすることを可能にしている。
The
例えば、第一基板100と液晶層300との間、及び、第二基板200と液晶層300との間の少なくとも一方に、配向規制力を限りなく0に近づけた弱アンカリングの配向膜を配置することにより、第一状態と第二状態とをスイッチングすることができる。具体的には、スライド膜と呼ばれる液晶分子の配向を保持する配向膜を用いることや、方位角0°及び方位角90°の2方向に配向規制力を有する配向膜を用いることが挙げられる。以下に詳細を説明する。
For example, a weak anchoring alignment film with an alignment regulating force as close to 0 as possible is arranged between the
図1に示すように、本実施形態の光学素子10は、更に、第一の1/4波長フィルム12の液晶セル11とは反対側に第二の1/4波長フィルム13を備えることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。以下では、光学素子10が、入射側から出射側に向かって順に、液晶セル11、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を備える態様について説明する。
As shown in FIG. 1, it is preferable that the
図2に示すように、液晶セル11は、更に、第一基板100と液晶層300との間に配置された、第一の弱アンカリングの水平配向膜411と、液晶層300と第二基板200との間に配置された、第二の弱アンカリングの水平配向膜421と、を有する。電極11Eは、第一基板100において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極120を有し、第二基板200において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極220を有する。平面視において、第一の櫛歯電極120の延伸方向120Aは、第二の櫛歯電極220の延伸方向220Aに対して斜めに設けられる。
2, the
このような態様とすることにより、第一の櫛歯電極120を電圧無印加状態に、第二の櫛歯電極220を電圧印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に第一の直線偏光となる。すなわち、第一状態を実現することができる。更に、第一の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光とは偏光状態が異なる円偏光(例えば、左円偏光)に広帯域で変換される。このように、第一状態では、光学素子10に入射した円偏光が偏光状態の異なる円偏光に変換されて(例えば、右円偏光が左円偏光に変換されて)出射される偏光変調が広帯域で実現される。
By adopting such an aspect, when the first comb-shaped
また、第一の櫛歯電極120を電圧印加状態に、第二の櫛歯電極220を電圧無印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に、平面視において第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光となる。すなわち、第二状態を実現することができる。更に、第二の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光と偏光状態が同じである円偏光(例えば、右円偏光)のまま広帯域で出射される。このように、第二状態では、光学素子10に入射した円偏光が同じ偏光状態のまま(例えば、右円偏光のまま)出射される偏光非変調が広帯域で実現される。
Further, when the first comb-
なお、本実施形態では、入射側から出射側に向かって順に、液晶セル11と第一の1/4波長フィルム12と第二の1/4波長フィルム13とを備える態様について説明するが、これらの積層順は逆になっていてもよく、具体的には、入射側から出射側に向かって順に、第二の1/4波長フィルム13と第一の1/4波長フィルム12と液晶セル11とを備えていてもよい。この場合も、第一状態では、光学素子10に入射した円偏光が偏光状態の異なる円偏光に変換されて(例えば、右円偏光が左円偏光に変換されて)出射される偏光変調が広帯域で実現され、第二状態では、光学素子10に入射した円偏光が同じ偏光状態のまま(例えば、右円偏光のまま)出射される偏光非変調が広帯域で実現される。なお、積層順が逆になる場合には、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aと第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aとは適宜調整される。
In this embodiment, an embodiment will be described in which the
液晶層300は、第一基板100と第二基板200との間でツイスト配向する液晶分子310を含有する。第一状態及び第二状態のそれぞれにおいて、液晶分子310は、第一基板100側から第二基板200側にかけて捩れ配向している。
The
液晶分子310の捩れ配向は、例えば、液晶材料にカイラル剤を添加することにより実現することができる。カイラル剤としては特に限定されず、従来公知のものを使用することができる。カイラル剤としては、例えば、S-811(メルク社製)等を用いることができる。
The twisted orientation of the
平面視において、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向(第一の配向方向)311Aと、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aとのなす角度は、57°以上、82°以下であることが好ましく、63°以上、75°以下であることがより好ましく、66°以上、72°以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。以下では、平面視において、第一基板側の液晶分子の配向方向と、第二基板側の液晶分子の配向方向とのなす角度を、ツイスト角ともいう。
In plan view, the angle between the orientation direction (first orientation direction) 311A of the
平面視において、第二状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向(第二の配向方向)311Bと、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bとのなす角度は、57°以上、82°以下であることが好ましく、63°以上、75°以下であることがより好ましく、66°以上、72°以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。第一状態におけるツイスト角と第二状態におけるツイスト角とは同一であっても異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
In a plan view, the angle between the alignment direction (second alignment direction) 311B of the
平面視において、延伸方向120Aと延伸方向220Aとのなす角度α(ただし、αは0°を超え、90°未満の実数)、及び、液晶層300に含まれる液晶分子310のツイスト角Aは、第一状態及び第二状態において、下記(式AX1)を満たすことが好ましく、下記(式AX2)を満たすことがより好ましく、下記(式AX3)を満たすことが更に好ましい。このような態様とすることにより、効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。
85°-A≦α≦95°-A (式AX1)
88°-A≦α≦92°-A (式AX2)
α=90°-A (式AX3)
In plan view, the angle α between the stretching
85°-A≦α≦95°-A (Formula AX1)
88°-A≦α≦92°-A (Formula AX2)
α=90°-A (Formula AX3)
ツイスト角Aは、60°以上、80°以下であることが好ましく、64°以上、76°以下であることがより好ましく、68°以上、72°以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。 The twist angle A is preferably 60° or more and 80° or less, more preferably 64° or more and 76° or less, and even more preferably 68° or more and 72° or less. By adopting such an aspect, polarization modulation and polarization non-modulation can be switched more effectively over a wide band.
延伸方向120Aの方位角が0°であり、延伸方向220Aの方位角が160°(すなわち、平面視において、延伸方向120Aと延伸方向220Aとのなす角度αが20°)であり、液晶分子310のツイスト角Aが70°であり、かつ、液晶層300がポジ型の液晶分子310を含有する場合、図3~図5に示すように、第一の櫛歯電極120が電圧無印加状態であり、第二の櫛歯電極220が電圧印加状態である場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一の櫛歯電極120が電圧印加状態であり、第二の櫛歯電極220が電圧無印加状態である場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
The azimuth angle of the stretching
なお、液晶層300がネガ型の液晶分子310を含有する場合は、第一の櫛歯電極120が電圧印加状態であり、第二の櫛歯電極220が電圧無印加状態である場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一の櫛歯電極120が電圧無印加状態であり、第二の櫛歯電極220が電圧印加状態である場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
When the
図6は、実施形態1に係る光学素子の、第一状態における各層のストークスプロットを示す図である。図6は、第一状態における各層を透過してくときの偏光状態(各層の役割)を示している。実施形態1に係る光学素子10の偏光変調の原理を、図6のポアンカレ球を用いて詳細に説明する。
FIG. 6 is a diagram showing a Stokes plot of each layer in the first state of the optical element according to the first embodiment. FIG. 6 shows the polarization state (role of each layer) when light passes through each layer in the first state. The principle of polarization modulation of the
図6の(1)に示すように、右円偏光(S3=+1)が液晶セル11に入射する。
As shown in (1) of FIG. 6, right-handed circularly polarized light (S3=+1) enters the
70°捩れの液晶セル11を通過後、一度、図6の(2)のプロットの偏光状態に変換される。各プロットの点は、380nm~780nmの波長違いのプロットを表している。波長550nm付近は直線偏光(ポアンカレ球上でいう赤道上)だが、それ以外の波長はポアンカレ球の北半球にプロットされ、楕円偏光になっている。
After passing through the
その後、第一の1/4波長フィルム12(具体的には、逆波長分散の1/4波長フィルム)を通過し、図6の(3)のプロットとなる。 Thereafter, it passes through the first quarter-wavelength film 12 (specifically, a quarter-wavelength film with reverse wavelength dispersion), resulting in the plot shown in FIG. 6 (3).
更に、第二の1/4波長フィルム13(具体的には、フラット波長分散の1/4波長フィルム)を通過すると、図6の(4)のプロットに示すように、ほぼ全波長が左円偏光(ポアンカレ球上での南極位置)となって出射される。すなわち、右円偏光から左円偏光への変調がなされたことが分かる。 Furthermore, when it passes through the second quarter-wave film 13 (specifically, a quarter-wave film with flat wavelength dispersion), almost all wavelengths are emitted as left-handed circularly polarized light (south pole position on the Poincaré sphere), as shown in plot (4) of Figure 6. In other words, it can be seen that modulation from right-handed circularly polarized light to left-handed circularly polarized light has occurred.
第二状態(非変調時)も同様に、70°捩れの液晶セル11を通過後一度直線偏光になる。ただし、液晶セル11の配向全体を90°回転させているため、第一状態(変調時)とは約90°角度の異なった直線偏光となっている。そして、その後、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過後に全波長が右円偏光になる。すなわち、右円偏光を右円偏光として出射でき、非変調となる。
Similarly, in the second state (non-modulated), the light becomes linearly polarized once after passing through the
このように、第一状態と第二状態とは、70°ツイストという液晶分子310の配向は同じであり、系全体が90°異なる関係にある。本実施形態の光学素子10を用いると、第一状態及び第二状態の2つの状態を可逆的にスイッチングすることができ、偏光非変調時も偏光変調時も広帯域な薄型の可変1/2波長板(sHWP:Switchable Half Wave Plate)素子を実現することができる。
In this way, the first state and the second state have the same orientation of the
ここで、sHWPを液晶層1層で実現しようとすると、図7に示すような、90°捩れのTN液晶層300R1を備える液晶セル11R1を用いた、比較形態1の光学素子10R1の構成が考えられる。より具体的には、比較形態1の光学素子10R1は、遅相軸の方位角が75°である1/4波長フィルム14Rと、遅相軸の方位角が15°である1/2波長フィルム15Rと、液晶セル11R1と、遅相軸の方位角が-75°である1/2波長フィルム16Rと、遅相軸の方位角が-15°である1/4波長フィルム17Rと、を順に備える。図7は、比較形態1に係る光学素子の断面模式図である。
Here, when attempting to realize sHWP with a single liquid crystal layer, a configuration of the optical element 10R1 of
また、sHWPを液晶層2層で実現しようとすると、図8に示すような、70°捩れのTN液晶層300R2と、-70°捩れのTN液晶層300R3とが積層された比較形態2の光学素子10R2の構成が考えられる。図8は、比較形態2に係る光学素子の断面模式図である。
In addition, when attempting to realize sHWP with two liquid crystal layers, an optical system of
図9は、実施形態1、比較形態1及び比較形態2に係る光学素子の、変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散の一例を示すグラフである。図9は、右円偏光(ストークスパラメータS3=+1)を入射したときの、出射光の偏光状態の波長依存を表す。S3=-1に近いほど左円偏光に変換されたことを示す。広波長にわたって-1に近い方が、変調時が広帯域といえる。
Figure 9 is a graph showing an example of the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 during modulation for the optical elements according to
比較形態1の光学素子10R1は、設計は容易であるが、90°捩れのTN液晶層300R1の波長分散等の影響により、図9に示すように広帯域化が困難である。また、比較形態2の光学素子10R2では広帯域化は可能であるが、薄型化が困難である。また、偏光変調時(右円偏光を左円偏光に変換する際)は広帯域であるが、縦電界で駆動するため、偏光非変調時(右円偏光をそのまま右円偏光で出射する際)は、電圧印加時に液晶分子全てが垂直配向にはならず、残留リタデーションの影響を受けて広帯域とはならない。一方、本実施形態の光学素子10では、広帯域で左右の円偏光をスイッチングすることができる。
Although the optical element 10R1 of
上記特許文献1では、偏光変調特性が一切開示されていない。特許文献1には単層のTN液晶層の構成が開示されているが、当該構成では偏光変調時(特許文献1における非アクティブ時、電圧OFF時)において、特定の波長でしか適切に偏光変換されず、広帯域での偏光変換を実現することはできない。また、特許文献1には複数の液晶層を積層した構成が開示されているが、光学素子の製造が複雑化し、厚くなるという課題がある。
より具体的には、特許文献1で開示されている単層の構成では、偏光変調時において、液晶分子は90°ツイスト配向し、偏光非変調時において、液晶分子は縦電界が印加されて垂直配向する。偏光変調時は液晶分子が90°ツイスト配向するため、波長依存があり、偏光変調を広帯域で実現することができない。仮に、液晶分子のツイスト角度や液晶層のセル厚等を調整して広帯域で偏光変調を実現できたとしても、偏光非変調時には基板付近の液晶分子による残留リタデーションの影響を受けて広帯域で偏光非変調を実現することはできない。すなわち、広帯域での偏光変調と偏光非変調とを両立することはできない。
More specifically, in the single-layer configuration disclosed in
一方、本実施形態の光学素子10は、偏光変調時も偏光非変調時も液晶分子310が70°ツイスト状態を維持し、かつ、それら2つの状態は系全体を90°回転させたこと以外は同様に駆動する。その結果、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で実現することができる。
On the other hand, in the
上記特許文献2では、sHWPとパンチャラトナムベリー(PB:Pancharatnam Berry)レンズとのセットを複数セット(例えば、6セット)組み合わせて、焦点深度にチューナビリティが付与された可変焦点素子が開示されている。そのため、sHWPが厚くなると、当該可変焦点素子全体が厚くなるという課題がある。上記比較形態2のような2層の液晶層(70°捩れのTN液晶層300R2及び-70°捩れのTN液晶層300R3)でsHWPを実現する構成では、6セットで12層もの液晶層が必要であり、可変焦点素子を薄型化することは困難である。そのため、sHWPである光学素子は、薄型であり、広帯域で偏光変調及び偏光非変調を実現できることが求められている。
The above-mentioned
第一基板100は、第一の支持基板110と第一の櫛歯電極120とを備える。第二基板200は、第二の支持基板210と第二の櫛歯電極220とを備える。
The
第一の支持基板110及び第二の支持基板210としては、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の絶縁基板が挙げられる。ガラス基板の材料としては、例えば、フロートガラス、ソーダガラス等のガラスが挙げられる。ブラスチック基板の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、脂環式ポリオレフィン等のプラスチックが挙げられる。
Examples of the
第一の櫛歯電極120は、櫛歯電極である第一の画素電極と櫛歯電極である第一の共通電極とを有する。第二の櫛歯電極220は、櫛歯電極である第二の画素電極と櫛歯電極である第二の共通電極とを有する。第一の画素電極及び第二の画素電極を、以下では単に画素電極ともいい、第一の共通電極及び第二の共通電極を、以下では単に共通電極ともいう。画素電極及び共通電極は、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)等の透明導電材料、又は、それらの合金を、スパッタリング法等により単層又は複数層で成膜して形成した後、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングを行うことで形成することができる。
The first comb-
第一の櫛歯電極120のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第一基板100側の液晶分子311を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。同様に、第二の櫛歯電極220のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第二基板200側の液晶分子312を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。ここで、櫛歯電極は、線状電極部とスリット部とが交互に繰り返して配置される構造を有し、櫛歯電極のピッチは、一組の線状電極部及びスリット部の幅の合計を意味する。
The pitch of the first comb-
本明細書では、一対の共通電極と画素電極との間に閾値以上の電圧が印加された電圧印加状態を、単に「電圧印加状態」又は「電圧印加時」とも言い、一対の共通電極と画素電極との間に電圧が印加されていない(閾値未満の電圧が印加されている場合も含む)電圧無印加状態を、単に「電圧無印加状態」又は「電圧無印加時」とも言う。 In this specification, a voltage application state in which a voltage equal to or higher than a threshold is applied between a pair of common electrodes and a pixel electrode is also simply referred to as a "voltage application state" or "voltage application state", A state in which no voltage is applied (including a case in which a voltage below a threshold is applied) between the electrode and the electrode is also simply referred to as a "state in which no voltage is applied" or "when no voltage is applied."
液晶層300は、液晶材料を含んでおり、液晶層300に対して電圧を印加し、印加した電圧に応じて液晶材料中の液晶分子310の配向状態を変化させることにより、液晶層300を通過する光の偏光状態を変化させることができる。
The
液晶分子310は、下記式(L)で定義される誘電率異方性(Δε)が正の値を有するポジ型の液晶分子であってもよく、負の値を有するネガ型の液晶分子であってもよいが、本実施形態ではポジ型の液晶分子を例に挙げて説明する。なお、液晶分子の長軸方向が遅相軸の方向となる。また、液晶分子は、電圧が印加されていない状態(電圧無印加状態)で、ホモジニアス配向するものであり、電圧無印加状態における液晶分子の長軸の方向は、液晶分子の初期配向の方向ともいう。
Δε=(液晶分子の長軸方向の誘電率)-(液晶分子の短軸方向の誘電率) (L)
The
Δε = (permittivity in the long axis direction of liquid crystal molecules) - (permittivity in the short axis direction of liquid crystal molecules) (L)
液晶層300の、波長550nmにおける電圧無印加状態でのリタデーションΔndは、180nm以上、280nm以下であることが好ましく、200nm以上、260nm以下であることがより好ましく、220nm以上、240nm以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
The retardation Δnd of the
液晶層300の屈折率異方性Δnは、0.12以下であることが好ましく、0.1以下であることがより好ましい。このような態様とすることにより、液晶層300自身の波長分散を小さくすることが可能となり、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
The refractive index anisotropy Δn of the
液晶層300の厚さdは、2μm以上、4.2μm以下であることが好ましい。
The thickness d of the
第一の弱アンカリングの水平配向膜411及び第二の弱アンカリングの水平配向膜421について説明する。弱アンカリングの配向膜とは、液晶分子に対する配向規制力が弱い配向膜をいう。本実施形態における弱アンカリングの配向膜では、単純なアンカリングエネルギー(弾性)よりも、粘弾性が重要因子となる。弱アンカリングの配向膜は、例えば、潤滑界面であってもよい。本明細書において、潤滑界面とは、潤滑界面誘導領域によって誘導される界面である。潤滑界面誘導領域とは、液晶相よりも低秩序な領域をいう。 The first weak anchoring horizontal alignment film 411 and the second weak anchoring horizontal alignment film 421 will be described. The weakly anchoring alignment film refers to an alignment film that has a weak alignment regulating force for liquid crystal molecules. In the weakly anchored alignment film of this embodiment, viscoelasticity is a more important factor than simple anchoring energy (elasticity). The weakly anchoring alignment film may be, for example, a lubricating interface. As used herein, a lubricated interface is an interface induced by a lubricated interface induction region. The lubricating interface induction region refers to a region that is less ordered than the liquid crystal phase.
潤滑界面誘導領域は、潤滑界面誘導液体領域であってもよい。潤滑界面誘導液体領域とは、潤滑界面誘導領域のうち、液体相である領域をいう。潤滑界面誘導領域としては、潤滑界面誘導液体領域(液体相)に限らず、ゲル層を形成している領域、オーダーパラメーター(配向秩序度)が低い領域、透明点が低下している領域、一部無秩序領域を含む秩序領域、運動性が高い領域を含む領域などであってもよい。 The lubricant interface inducing region may be a lubricious interface inducing liquid region. The lubricant interface-induced liquid region refers to a region of the lubricant interface-induced region that is in a liquid phase. The lubricant interface-inducing region is not limited to the lubricant interface-inducing liquid region (liquid phase), but also includes regions forming gel layers, regions with low order parameters (orientational order), regions with a decreased clearing point, and It may be an ordered region including a partially disordered region, a region including a highly motile region, or the like.
潤滑界面誘導領域は、潤滑界面誘導剤を含むことが好ましい。潤滑界面誘導領域は、潤滑界面誘導剤のみを含むものであってもよく、潤滑界面誘導剤及び液晶成分を含むものであってもよい。また、潤滑界面誘導剤は、液晶層300中に含まれていてもよく、液晶層300とは別に導入されてもよく、あらかじめ支持基板に含まれていてもよく、あらかじめ化学修飾させて、支持基板と結合していてもよい。
Preferably, the lubricant interface inducing region includes a lubricant interface inducing agent. The lubricant interface inducing region may contain only a lubricant interface inducing agent, or may contain a lubricious interface inducing agent and a liquid crystal component. Further, the lubricating interface inducer may be contained in the
上記潤滑界面誘導剤は、極性基を有する化合物 、重合性化合物 、高分子化合物又はイオン液体であることが好ましい。上記高分子化合物は、鎖長の異なる2種又は3種以上のアルキル基、メソゲン基、光異性化可能な基の少なくとも1種を有することが好ましい。 The lubricating interface inducer is preferably a compound having a polar group, a polymerizable compound, a polymer compound, or an ionic liquid. The polymer compound preferably has at least one of two or more alkyl groups having different chain lengths, mesogenic groups, and photoisomerizable groups.
液晶層300及び上記潤滑界面誘導剤が相分離構造を発現して、液晶層300が液晶相を形成し、潤滑界面誘導剤が潤滑界面誘導領域において液体相を形成していることが好ましい。潤滑界面誘導剤が潤滑界面誘導領域において液晶相より低秩序なゲル層を形成していてもよい。
It is preferable that the
弱アンカリングの配向膜は、例えば、液晶層300と上記潤滑界面誘導領域との界面に設けられるスリッパリー界面であることが好ましい。
The weakly anchoring alignment film is preferably, for example, a slippery interface provided at the interface between the
第一の弱アンカリングの水平配向膜411及び第二の弱アンカリングの水平配向膜421は、スリッパリー界面(スリッパリー膜)であることが好ましい。例えば、液晶層300中にドデシルアクリレートを混合した材料により、液晶層300と第一基板100との間、及び、液晶層300と第二基板200との間に、ドデシルアクリレートの液体相(等方相)が潤滑界面誘導領域を形成し、液晶層300と潤滑界面誘導領域との界面がスリッパリー膜を形成する。
The first weakly anchored horizontal alignment film 411 and the second weakly anchored horizontal alignment film 421 are preferably slippery interfaces (slippery films). For example, by using a material in which dodecyl acrylate is mixed in the
このような界面を有することで、電場によって液晶分子の配向方向を任意の方向に向け、その状態を維持することができる。スリッパリー膜の中でも、このような配向をメモリーする膜をスライド膜と呼ぶことがある。一度ある方向に配向されたあと、別の方向の電場を加えれば、液晶分子の配向方向を別の方向に向けることができる。すなわち、電場によって複数の安定状態を作り出すことができる。本実施形態では、第一状態と第二状態とを作り出すことができる。上記に例示した材料以外にも、特開2006-084536号公報や、国際公開第2017/034023号などに記載の材料も用いることができる。 By having such an interface, it is possible to orient the liquid crystal molecules in any direction using an electric field and maintain that state. Among slippery films, a film that remembers such orientation is sometimes called a slide film. Once the liquid crystal molecules are aligned in one direction, applying an electric field in another direction can change the alignment direction of the liquid crystal molecules. That is, multiple stable states can be created by an electric field. In this embodiment, a first state and a second state can be created. In addition to the materials exemplified above, materials described in JP 2006-084536A, WO 2017/034023, etc. can also be used.
弱アンカリングの配向膜は、例えば、方位角アンカリングエネルギーが、1×10-4J/m2未満である配向膜であってもよい。方位角アンカリングエネルギーは、例えば、トルクバランス法、ネールウオール法、電場応答閾値からの算出、回転磁場からの算出等、各種公知の方法で算出することができる。なお、本明細書に記載された方位角アンカリングエネルギーは、電場応答閾値からの算出法を用いて算出されたものである。弱アンカリングの配向膜の方位角アンカリングエネルギーの下限値は特に限定されないが、弱アンカリングの配向膜の方位角アンカリングエネルギーは、例えば、1×10-10J/m2以上である。 The weakly anchoring alignment film may be, for example, an alignment film whose azimuthal anchoring energy is less than 1×10 −4 J/m 2 . The azimuthal anchoring energy can be calculated by various known methods, such as the torque balance method, the Nehruwall method, calculation from an electric field response threshold, calculation from a rotating magnetic field, and the like. Note that the azimuthal anchoring energy described in this specification is calculated using a calculation method from an electric field response threshold. Although the lower limit of the azimuthal anchoring energy of the weakly anchored alignment film is not particularly limited, the azimuthal anchoring energy of the weakly anchored alignment film is, for example, 1×10 −10 J/m 2 or more.
第一の弱アンカリングの水平配向膜411の方位角アンカリングエネルギーは、1×10-10J/m2以上、1×10-4J/m2未満であることが好ましく、1×10-10J/m2以上、1×10-5J/m2以下であることがより好ましく、1×10-10J/m2以上、1×10-6J/m2以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、効果的に偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。 The azimuth anchoring energy of the first weak anchoring horizontal alignment film 411 is preferably 1×10 −10 J/m 2 or more and less than 1×10 −4 J/m 2 , more preferably 1×10 −10 J/m 2 or more and 1×10 −5 J/m 2 or less, and even more preferably 1×10 −10 J/m 2 or more and 1×10 −6 J/m 2 or less. By adopting such an embodiment, it is possible to effectively switch between polarization modulation and polarization non-modulation in a wide band.
第二の弱アンカリングの水平配向膜421の方位角アンカリングエネルギーは、1×10-10J/m2以上、1×10-4J/m2未満であることが好ましく、1×10-10J/m2以上、1×10-5J/m2以下であることがより好ましく、1×10-10J/m2以上、1×10-6J/m2以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、効果的に偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。 The azimuthal anchoring energy of the second weak anchoring horizontal alignment film 421 is preferably 1×10 −10 J/m 2 or more and less than 1×10 −4 J/m 2 , and 1×10 − It is more preferably 10 J/m 2 or more and 1×10 −5 J/m 2 or less, and even more preferably 1×10 −10 J/m 2 or more and 1×10 −6 J/m 2 or less. preferable. By adopting such an aspect, polarization modulation and non-polarization modulation can be effectively switched over a wide band.
弱アンカリングの配向膜は配向処理を行うことにより形成される他、配向処理を行わなくとも形成することができる。具体的には、弱アンカリングの配向膜は、ラビング配向膜であってもよいし、光配向膜であってもよいし、配向処理が施されていない未処理の配向膜であってもよい。 A weakly anchored alignment film can be formed by performing an alignment process, or it can also be formed without performing an alignment process. Specifically, the weak anchoring alignment film may be a rubbed alignment film, a photo alignment film, or an untreated alignment film that has not been subjected to alignment treatment. .
ラビング配向膜は、例えば、ラビング配向膜用ポリマーを含む配向膜材料を基板上に成膜し、レーヨンや綿等からなる布を巻いたローラを、回転数及びローラと基板との距離を一定に保った状態で回転させ、ラビング配向膜用ポリマーを含む膜の表面を所定の方向に擦る(ラビング法)ことにより得られる。ラビング処理の条件を変更することにより、配向膜の方位角アンカリングエネルギーを調整し、弱アンカリングの配向膜を形成することができる。 A rubbing alignment film is produced by, for example, forming an alignment film material containing a rubbing alignment film polymer on a substrate, and then rolling a roller wrapped in cloth made of rayon, cotton, etc. at a constant rotation speed and the distance between the roller and the substrate. It is obtained by rotating the film in a maintained state and rubbing the surface of the film containing the rubbing alignment film polymer in a predetermined direction (rubbing method). By changing the conditions of the rubbing process, the azimuthal anchoring energy of the alignment film can be adjusted and a weakly anchored alignment film can be formed.
ラビング配向膜用ポリマーとしては、例えば、ポリイミド等が挙げられる。ラビング配向膜に含まれるラビング配向膜用ポリマーは、一種であっても、二種以上であってもよい。 Examples of the polymer for the rubbed alignment film include polyimide. The rubbed alignment film polymers contained in the rubbed alignment film may be one type or two or more types.
光配向膜は、例えば、光官能基を有する光配向性ポリマーを含む配向膜材料を基板上に成膜し、偏光紫外線を照射して光配向性ポリマーを含む膜の表面に異方性を発生させる(光配向法)ことにより得られる。光配向処理の条件や材料構造を変更することにより、配向膜の方位角アンカリングエネルギーを調整し、弱アンカリングの配向膜を形成することができる。 A photo-aligned film can be obtained, for example, by forming an alignment film material containing a photo-alignable polymer with photofunctional groups on a substrate, and then irradiating the substrate with polarized ultraviolet light to generate anisotropy on the surface of the film containing the photo-alignable polymer (photo-alignment method). By changing the conditions of the photo-alignment process and the material structure, it is possible to adjust the azimuthal anchoring energy of the alignment film and form an alignment film with weak anchoring.
上記光配向性ポリマーとしては、例えば、シクロブタン基、アゾベンゼン基、カルコン基、シンナメート基、クマリン基、スチルベン基、フェノールエステル基及びフェニルベンゾエート基から選択される少なくとも一種の光官能基を有する光配向性ポリマー等が挙げられる。光配向膜に含まれる光配向性ポリマーは、一種であっても、二種以上であってもよい。光配向性ポリマーが有する光官能基は、ポリマーの主鎖に存在してもよいし、ポリマーの側鎖に存在してもよいし、ポリマーの主鎖及び側鎖の両方に存在してもよい。 The photo-alignable polymer has, for example, at least one photo-functional group selected from a cyclobutane group, an azobenzene group, a chalcone group, a cinnamate group, a coumarin group, a stilbene group, a phenol ester group, and a phenylbenzoate group. Examples include polymers. The number of photo-alignable polymers contained in the photo-alignment film may be one type or two or more types. The photofunctional group possessed by the photoalignable polymer may be present in the main chain of the polymer, may be present in the side chain of the polymer, or may be present in both the main chain and the side chain of the polymer. .
上記光配向性ポリマーの光反応の型も特に限定されないが、光分解型ポリマー、光転位型ポリマー(好ましくは光フリース転位型ポリマー)、光異性化型ポリマー、光二量化型ポリマー及び光架橋型ポリマーを好適な例として挙げることができる。これらは何れかを単独で用いることもでき、二種以上を併用することもできる。なかでも、配向安定性の観点からは、254nm付近を反応波長(主感度波長)とする光分解型ポリマー、及び、254nm付近を反応波長(主感度波長)とする光転位型ポリマーが特に好ましい。側鎖に光官能基を有する光異性化型ポリマー及び光二量化型ポリマーもまた好ましい。 The type of photoreaction of the above-mentioned photoalignable polymer is also not particularly limited, but includes photodecomposition type polymers, phototransposition type polymers (preferably photofries rearrangement type polymers), photoisomerization type polymers, photodimerization type polymers, and photocrosslinking type polymers. can be cited as a suitable example. Any of these can be used alone, or two or more types can be used in combination. Among these, from the viewpoint of alignment stability, photodegradable polymers whose reaction wavelength (main sensitivity wavelength) is around 254 nm and phototransposition polymers whose reaction wavelength (main sensitivity wavelength) is around 254 nm are particularly preferred. Photoisomerizable polymers and photodimerizable polymers having photofunctional groups in their side chains are also preferred.
上記光配向性ポリマーの主鎖構造は特に限定されないが、ポリアミック酸構造、ポリイミド構造、ポリ(メタ)アクリル酸構造及びポリシロキサン構造、ポリエチレン構造、ポリスチレン構造、ポリビニル構造を好適な例として挙げることができる。 The main chain structure of the photo-alignable polymer is not particularly limited, but preferred examples include polyamic acid structure, polyimide structure, poly(meth)acrylic acid structure, polysiloxane structure, polyethylene structure, polystyrene structure, and polyvinyl structure. can.
未処理の配向膜は、例えば、基板上に配向膜ポリマーを含む配向膜材料を成膜することにより得られる。上記配向膜ポリマーとしては、例えば、ポリイミド、ポリへキシルメタクリレート等が挙げられる。未処理の配向膜に含まれる配向膜ポリマーは、一種であっても、二種以上であってもよい。 The untreated alignment film can be obtained, for example, by forming an alignment film material containing an alignment film polymer on a substrate. Examples of the alignment film polymer include polyimide and polyhexyl methacrylate. The alignment film polymer contained in the untreated alignment film may be one type or two or more types.
また、未処理の配向膜に含まれる上記配向膜ポリマーとしては、ポリイミド及びポリへキシルメタクリレート以外に、国際公開2017/034023号に記載されているポリマーも挙げられ、なかでもポリエチレングリコール、ポリプロポレングリコール等のポリアルキレンオキサイドが好ましい。 In addition to polyimide and polyhexyl methacrylate, the alignment film polymer contained in the untreated alignment film includes polymers described in International Publication No. 2017/034023, and among them, polyethylene glycol, polypropylene glycol, etc. Polyalkylene oxides such as are preferred.
水平配向膜は、電圧無印加時に、液晶層中の液晶分子を当該水平配向膜の表面に対して水平方向に配向させる機能を有する。ここで、液晶分子が水平配向膜の表面に対して水平方向に配向するとは、液晶分子のプレチルト角が、水平配向膜の表面に対して0°以上、5°以下であることを意味し、好ましくは0°以上、2°以下、より好ましくは0°以上、1°以下であることを意味する。液晶分子のプレチルト角は、液晶層への電圧無印加時に、液晶分子の長軸が配向膜の主面に対して傾斜する角度を意味する。 The horizontal alignment film has a function of aligning liquid crystal molecules in the liquid crystal layer in the horizontal direction with respect to the surface of the horizontal alignment film when no voltage is applied. Here, the liquid crystal molecules are aligned horizontally with respect to the surface of the horizontal alignment film means that the pretilt angle of the liquid crystal molecules is 0° or more and 5° or less with respect to the surface of the horizontal alignment film, It means preferably 0° or more and 2° or less, more preferably 0° or more and 1° or less. The pretilt angle of liquid crystal molecules means the angle at which the long axis of the liquid crystal molecules is inclined with respect to the main surface of the alignment film when no voltage is applied to the liquid crystal layer.
本明細書では、第一基板100と液晶層300との間に設けられる配向膜を第一の配向膜410ともいい、第二基板200と液晶層300との間に設けられる配向膜を第二の配向膜420ともいう。
In this specification, the alignment film provided between the
1/4波長フィルム(具体的には、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13)は、少なくとも波長550nmの光に対して、20nm以上、240nm以下の面内位相差を付与するものであればよい。
The 1/4 wavelength film (specifically, the first 1/4
1/4波長フィルムの材料としては、例えば、光重合性液晶材料等が挙げられる。光重合性液晶材料の構造としては、例えば、液晶分子の骨格の末端に、アクリレート基、メタクリレート基等の光重合性基を有する構造が挙げられる。 Examples of the material for the quarter wavelength film include photopolymerizable liquid crystal materials. Examples of the structure of the photopolymerizable liquid crystal material include a structure having a photopolymerizable group such as an acrylate group or a methacrylate group at the end of the skeleton of a liquid crystal molecule.
1/4波長フィルムは、例えば、下記の方法によって形成可能である。まず、光重合性液晶材料を、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)等の有機溶媒に溶かす。次に、得られた溶液を、基材(例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム)の表面上に塗布し、溶液の塗膜を形成する。その後、この溶液の塗膜に対して、仮焼成、光照射(例えば、紫外線照射)、及び、本焼成を順に行うことによって、1/4波長フィルムが形成される。 A quarter wavelength film can be formed, for example, by the method described below. First, a photopolymerizable liquid crystal material is dissolved in an organic solvent such as propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA). Next, the obtained solution is applied onto the surface of a substrate (for example, a polyethylene terephthalate (PET) film) to form a coating film of the solution. Thereafter, a 1/4 wavelength film is formed by sequentially performing pre-baking, light irradiation (for example, ultraviolet ray irradiation), and main baking on the coating film of this solution.
また、上記光重合性液晶材料にカイラル剤を添加し、70°捩れた状態でポリマー化した液晶ポリマーを1/4波長フィルムとして用いてもよい。 Alternatively, a liquid crystal polymer obtained by adding a chiral agent to the photopolymerizable liquid crystal material and polymerizing it in a 70° twisted state may be used as a 1/4 wavelength film.
1/4波長フィルムとしては、例えば、延伸処理された高分子フィルムも使用可能である。高分子フィルムの材料としては、例えば、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ノルボルネン、トリアセチルセルロース、ジアチルセルロース等が挙げられる。 As the 1/4 wavelength film, for example, a stretched polymer film can also be used. Examples of the material for the polymer film include cycloolefin polymer, polycarbonate, polysulfone, polyethersulfone, polyethylene terephthalate, polyethylene, polyvinyl alcohol, norbornene, triacetylcellulose, diacylcellulose, and the like.
第一の1/4波長フィルム12は、逆波長分散特性を有することが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。ここで、本明細書中、「位相差フィルムの波長分散性」とは、位相差フィルムが付与する位相差の絶対値と入射光の波長との相関関係を指す。可視光域において、入射光の波長が変化しても位相差フィルムが付与する位相差の絶対値が変化しない性質を「フラット波長分散特性」という。また、可視光域において、入射光の波長が大きくなるにつれて位相差フィルムが付与する位相差の絶対値が小さくなる性質を「正波長分散特性」といい、可視光域において、入射光の波長が大きくなるにつれて位相差フィルムが付与する位相差の絶対値が大きくなる性質を「逆波長分散特性」という。
It is preferable that the first
第一の1/4波長フィルム12の、波長550nmの面内位相差に対する波長450nmの面内位相差は、0.7倍以上、1倍以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
The in-plane retardation of the first quarter-
第一の1/4波長フィルム12の、波長550nmの面内位相差に対する波長650nmの面内位相差は、1倍以上、1.3倍以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
The in-plane retardation of the first quarter-
第一の1/4波長フィルム12の波長550nmの面内位相差は、30nm以上、230nm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
The in-plane retardation of the first quarter-
第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側から遠い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本実施形態では第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は、48°以上、66°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
When the azimuth angle of the
第二の1/4波長フィルム13は、フラット波長分散特性を有することが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
The second
第二の1/4波長フィルム13の波長550nmの面内位相差は、110nm以上、175nm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
The in-plane retardation of the second quarter-
第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側に近い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本実施形態では第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は、3°以上、22°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
When the azimuth angle of the
第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aと、第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aとのなす角度は、40°以上、50°以下であることが好ましく、42°以上、48°以下であることがより好ましく、44°以上、46°以下であることが更に好ましく、45°であることが特に好ましい。
The angle between the
液晶層300がポジ型の液晶分子310を含有する本実施形態では、平面視において、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aは、第一の櫛歯電極120の延伸方向120Aに一致する。そのため、第一状態での第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、例えば、図5に示すように、延伸方向120Aの方位角は0°に、延伸方向220Aの方位角は160°に、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aの方位角は57.2°に、第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aの方位角は12.2°に設定することができる。
In this embodiment in which the
光学素子10に入射する光は、円偏光であることが好ましい。このような態様とすることにより、円偏光の偏光状態をスイッチング可能な光学素子10を実現することができる。
Preferably, the light incident on the
(実施形態2)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、液晶セル11の構成が異なることを除いて、実施形態1と実質的に同じである。
(Embodiment 2)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly described, and descriptions of contents overlapping with the above-mentioned
図10は、実施形態2に係る光学素子が備える液晶セルの断面模式図である。図11は、実施形態2に係る光学素子が備える液晶セルの斜視模式図である。図12は、実施形態2に係る光学素子に印加される電界の方向を示す平面模式図である。図13は、実施形態2に係る光学素子の軸方位の一例を示す図である。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal cell included in the optical element according to the second embodiment. FIG. 11 is a schematic perspective view of a liquid crystal cell included in the optical element according to the second embodiment. FIG. 12 is a schematic plan view showing the direction of an electric field applied to the optical element according to the second embodiment. FIG. 13 is a diagram showing an example of the axial orientation of the optical element according to the second embodiment.
本実施形態の光学素子10が備える液晶セル11は、図10及び図11に示すように、更に、第一基板100と液晶層300との間に配置された、弱アンカリングの水平配向膜412と、液晶層300と第二基板200との間に配置された垂直配向膜422と、を有する。電極11Eは、第一基板100において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極121、及び、絶縁層140を介して第一の櫛歯電極121に重畳し、かつ、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極122を有する。平面視において、第一の櫛歯電極121の延伸方向121Aは、第二の櫛歯電極122の延伸方向122Aに対して直交する。
The
このような態様とすることにより、図12及び図13に示すように、第一の櫛歯電極121を電圧無印加状態に、第二の櫛歯電極122を電圧印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に第一の直線偏光となる。すなわち、第一状態を実現することができる。更に、第一の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光とは偏光状態が異なる円偏光(例えば、左円偏光)に広帯域で変換される。このように、第一状態では、光学素子10に入射した円偏光が偏光状態の異なる円偏光に変換されて(例えば、右円偏光が左円偏光に変換されて)出射される偏光変調が広帯域で実現される。
By adopting such an aspect, as shown in FIGS. 12 and 13, when the first comb-shaped
また、第一の櫛歯電極121を電圧印加状態に、第二の櫛歯電極122を電圧無印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に、平面視において第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光となる。すなわち、第二状態を実現することができる。更に、第二の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光と偏光状態が同じである円偏光(例えば、右円偏光)のまま広帯域で出射される。このように、第二状態では、光学素子10に入射した円偏光が同じ偏光状態のまま(例えば、右円偏光のまま)出射される偏光非変調が広帯域で実現される。
Furthermore, when the first comb-
図10に示すように、本実施形態の液晶セル11は、捩れHAN(Hybrid Aligned Nematic)セルであり、入射側から出射側に向かって順に、第一基板100、スリッパリー膜である弱アンカリングの水平配向膜412、カイラル剤入りの液晶層300、垂直配向膜422、及び、第二基板200を備えている。液晶層300に含まれる液晶分子310は、ネガ型の液晶分子であっても、ポジ型の液晶分子であってもよいが、実施形態では、液晶層300にポジ型の液晶分子310が含まれる場合を例に挙げて説明する。
As shown in FIG. 10, the
図11に示すように、第一基板100は、第一の支持基板110と、第二の櫛歯電極122と、絶縁層140と、第一の櫛歯電極121と、を順に備える。第二基板200は、第二の支持基板210を備える。
As shown in FIG. 11, the
絶縁層140は、第一の櫛歯電極121と第二の櫛歯電極122とを絶縁する機能を有する。絶縁層140としては、無機絶縁膜、有機絶縁膜、又は、上記有機絶縁膜と無機絶縁膜との積層体を用いることができる。無機絶縁膜としては、例えば、窒化珪素(SiNx)、酸化珪素(SiO2)等の無機膜(比誘電率ε=5~7)や、それらの積層膜を用いることができる。有機絶縁膜としては、例えば、感光性アクリル樹脂等の比誘電率の小さい有機膜(比誘電率ε=2~5)や、それらの積層膜を用いることができる。有機絶縁膜としては、より具体的には、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ノボラック樹脂等の有機膜や、それらの積層体を用いることができる。
The insulating
第一の櫛歯電極121は、櫛歯電極である第一の画素電極と櫛歯電極である第一の共通電極とを有する。第二の櫛歯電極122は、櫛歯電極である第二の画素電極と櫛歯電極である第二の共通電極とを有する。
The first comb-
第一の櫛歯電極121のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第一基板100側の液晶分子311を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。同様に、第二の櫛歯電極122のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第一基板100側の液晶分子311を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。
The pitch of the first comb-
図12に示すように、第二の櫛歯電極122に電圧が印加され、第一の櫛歯電極121に電圧が印加されない場合、第一の電界方向120E1に電界が発生し(第一状態)、第二の櫛歯電極122に電圧が印加されず、第一の櫛歯電極121に電圧が印加される場合、第二の電界方向120E2に電界が発生する(第二状態)。このように、実施形態2の光学素子10は、第一基板100側の液晶分子311の配向方向の方位角を電界で90°回転させることができるものである。
As shown in FIG. 12, when a voltage is applied to the second comb-
垂直配向膜422は、電圧無印加時に、液晶層中の液晶分子を当該垂直配向膜の表面に対して垂直方向に配向させる機能を有する。ここで、液晶分子が垂直配向膜の表面に対して垂直方向に配向するとは、液晶分子のプレチルト角が、垂直配向膜の表面に対して86°以上、90°以下であることを意味し、好ましくは87°以上、89°以下、より好ましくは87.5°以上、89°以下であることを意味する。 The vertical alignment film 422 has a function of aligning liquid crystal molecules in the liquid crystal layer in a direction perpendicular to the surface of the vertical alignment film when no voltage is applied. Here, the liquid crystal molecules are aligned perpendicularly to the surface of the vertical alignment film means that the pretilt angle of the liquid crystal molecules is 86° or more and 90° or less with respect to the surface of the vertical alignment film, It means preferably 87° or more and 89° or less, more preferably 87.5° or more and 89° or less.
垂直配向膜422は、強アンカリングの垂直配向膜であることが好ましい。強アンカリングの配向膜とは、液晶分子に対する配向規制力が強い配向膜をいい、例えば、方位角アンカリングエネルギーが、1×10-4J/m2以上である配向膜をいう。強アンカリングの配向膜の方位角アンカリングエネルギーの上限値は特に限定されないが、強アンカリングの配向膜の方位角アンカリングエネルギーは、例えば、1×10-1J/m2以下である。 The vertical alignment film 422 is preferably a strong anchoring vertical alignment film. A strong anchoring alignment film refers to an alignment film that has a strong alignment control force for liquid crystal molecules, for example, an alignment film having an azimuthal anchoring energy of 1×10 −4 J/m 2 or more. There is no particular limit to the upper limit of the azimuthal anchoring energy of a strong anchoring alignment film, but the azimuthal anchoring energy of a strong anchoring alignment film is, for example, 1×10 −1 J/m 2 or less.
垂直配向膜422の方位角アンカリングエネルギーは、1×10-4J/m2以上、1×10-1J/m2以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。 The azimuthal anchoring energy of the vertical alignment film 422 is preferably 1×10 −4 J/m 2 or more and 1×10 −1 J/m 2 or less. By adopting such an aspect, polarization modulation and polarization non-modulation can be switched over a wider band.
弱アンカリングの水平配向膜412は、スリッパリー膜であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。 The weak anchoring horizontal alignment film 412 is preferably a slippery film. By adopting such an aspect, polarization modulation and polarization non-modulation can be switched over a wider band.
上記実施形態1では両側の配向膜が弱アンカリングであるため、配向乱れ及び応答速度について改善の余地がある。片側を垂直配向(HAN構造)とした本実施形態では、片側は垂直配向膜422の強アンカリングのため、配向が安定しやすくなり、信頼性に優れた光学素子10とすることができる。HAN構造の場合は、弱アンカリングの水平配向膜412の方位角アンカリングエネルギーだけでなく、極角アンカリングエネルギーも重要である。HAN配向のため、弱アンカリングの水平配向膜412の極角アンカリングエネルギーが小さいと、第二基板200側の強アンカリングの配向膜(垂直配向膜422)の影響を受け、理想的なHAN配向から崩れやすくなる。
In the first embodiment, since the alignment films on both sides are weakly anchored, there is room for improvement in alignment disturbance and response speed. In this embodiment in which one side is vertically aligned (HAN structure), the vertical alignment film 422 is strongly anchored on one side, so that the alignment is easily stabilized, and the
そのため、弱アンカリングの水平配向膜412の極角アンカリングエネルギーは、1×10-5J/m2以上であることが好ましく、1×10-4J/m2以上であることがより好ましく、1×10-3J/m2以上であることが更に好ましい。弱アンカリングの水平配向膜412の極角アンカリングエネルギーの上限値は特に限定されず、弱アンカリングの水平配向膜412の極角アンカリングエネルギーは、例えば、1×10-1J/m2以下である。極角アンカリングエネルギーは、方位角アンカリングエネルギーと同様の方法により測定することができる。また、配向膜の極角アンカリングエネルギーは、方位角アンカリングエネルギーと同様の方法により調整することができる。 Therefore, the polar angle anchoring energy of the weak anchoring horizontal alignment film 412 is preferably 1×10 −5 J/m 2 or more, more preferably 1×10 −4 J/m 2 or more. , more preferably 1×10 −3 J/m 2 or more. The upper limit of the polar angle anchoring energy of the weak anchoring horizontal alignment film 412 is not particularly limited, and the polar angle anchoring energy of the weak anchoring horizontal alignment film 412 is, for example, 1×10 −1 J/m 2 It is as follows. Polar anchoring energy can be measured in a similar manner as azimuthal anchoring energy. Further, the polar anchoring energy of the alignment film can be adjusted in the same manner as the azimuthal anchoring energy.
弱アンカリングの水平配向膜412の極角アンカリングエネルギーは、1×10-5J/m2以上、1×10-1J/m2以下であることが好ましく、1×10-4J/m2以上、1×10-1J/m2以下であることがより好ましく、1×10-3J/m2以上、1×10-1J/m2以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、理想的なHAN配向が得られ易くなる。
The polar angle anchoring energy of the weak anchoring horizontal alignment film 412 is preferably 1×10 −5 J/m 2 or more and 1×10 −1 J/
液晶層300がポジ型の液晶分子310を含有する本実施形態では、平面視において、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aは、第一の櫛歯電極121の延伸方向121Aに一致する。そのため、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、例えば、図13に示すように、延伸方向121Aの方位角は0°に、延伸方向122Aの方位角は90°に、第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aの方位角は4°に、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aの方位角は49°に設定することができる。
In this embodiment in which the
(実施形態3)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~2と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、液晶セル11の構成が異なることを除いて、実施形態1と実質的に同じである。
(Embodiment 3)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly explained, and explanations of contents that overlap with those of
図14は、実施形態3に係る光学素子が備える液晶セルの斜視模式図である。図15は、実施形態3に係る光学素子の、第一状態及び第二状態における液晶分子の配向について説明する模式図である。
FIG. 14 is a schematic perspective view of a liquid crystal cell included in the optical element according to
本実施形態の光学素子10が備える電極11Eは、図14及び図15に示すように、第一基板100において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極121、及び、第一の絶縁層141を介して第一の櫛歯電極121に重畳し、かつ、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極122を有し、第二基板200において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第三の櫛歯電極221、及び、第二の絶縁層241を介して第三の櫛歯電極221に重畳し、かつ、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第四の櫛歯電極222を有する。平面視において、第一の櫛歯電極121の延伸方向121Aは、第二の櫛歯電極122の延伸方向122Aに対して直交し、第三の櫛歯電極221の延伸方向221Aは、第四の櫛歯電極222の延伸方向222Aに対して直交し、第一の櫛歯電極121の延伸方向121Aは、第三の櫛歯電極221の延伸方向221Aに対して斜めに設けられる。
As shown in FIGS. 14 and 15, the
このような態様とすることにより、図15に示すように、第一の櫛歯電極121を電圧無印加状態に、第二の櫛歯電極122を電圧印加状態に、第三の櫛歯電極221を電圧印加状態に、第四の櫛歯電極222を電圧無印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に第一の直線偏光となる。すなわち、第一状態を実現することができる。更に、第一の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光とは偏光状態が異なる円偏光(例えば、左円偏光)に広帯域で変換される。このように、第一状態では、光学素子10に入射した円偏光が偏光状態の異なる円偏光に変換されて(例えば、右円偏光が左円偏光に変換されて)出射される偏光変調が広帯域で実現される。
By adopting such an aspect, as shown in FIG. 15, the first comb-
また、第一の櫛歯電極121を電圧印加状態に、第二の櫛歯電極122を電圧無印加状態に、第三の櫛歯電極221を電圧無印加状態に、第四の櫛歯電極222を電圧印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に、平面視において第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光となる。すなわち、第二状態を実現することができる。更に、第二の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光と偏光状態が同じである円偏光(例えば、右円偏光)のまま広帯域で出射される。このように、第二状態では、光学素子10に入射した円偏光が同じ偏光状態のまま(例えば、右円偏光のまま)出射される偏光非変調が広帯域で実現される。
Furthermore, when the
このように、本実施形態の光学素子10では、第一基板100及び第二基板200の両基板に電圧を印加し、その後電圧を下げることで第一状態及び第二状態を実現することができる。第一状態と第二状態とでは、どちらの基板も電界の方向が90°異なる。本実施形態では、第一基板100と第二基板200の両方の配向を電圧で規定できるため、応答速度を高めることができる。
In this way, in the
図14に示すように、第一基板100は、第一の支持基板110と、第二の櫛歯電極122と、第一の絶縁層141と、第一の櫛歯電極121と、を順に備える。第二基板200は、第二の支持基板210と、第三の櫛歯電極221と、第二の絶縁層241と、第四の櫛歯電極222と、を順に備える。
As shown in FIG. 14, the
第一の絶縁層141は、第一の櫛歯電極121と第二の櫛歯電極122とを絶縁する機能を有する。第二の絶縁層241は、第三の櫛歯電極221と第四の櫛歯電極222とを絶縁する機能を有する。第一の絶縁層141及び第二の絶縁層241としては、絶縁層140と同様のものを用いることができる。
The first insulating
第一の櫛歯電極121は、櫛歯電極である第一の画素電極と櫛歯電極である第一の共通電極とを有する。第二の櫛歯電極122は、櫛歯電極である第二の画素電極と櫛歯電極である第二の共通電極とを有する。第三の櫛歯電極221は、櫛歯電極である第三の画素電極と櫛歯電極である第三の共通電極とを有する。第四の櫛歯電極222は、櫛歯電極である第四の画素電極と櫛歯電極である第四の共通電極とを有する。
The first comb-
第一の櫛歯電極121のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第一基板100側の液晶分子311を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。同様に、第二の櫛歯電極122のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第一基板100側の液晶分子311を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。
The pitch of the first comb-
第三の櫛歯電極221のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第二基板200側の液晶分子312を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。同様に、第四の櫛歯電極222のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第二基板200側の液晶分子312を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。
The pitch of the third comb-
平面視において、延伸方向121Aと延伸方向221Aとのなす角度β(ただし、βは0°を超え、90°未満の実数)、及び、液晶層300に含まれる液晶分子310のツイスト角Bは、第一状態及び第二状態において、下記(式BX1)を満たすことが好ましく、下記(式BX2)を満たすことがより好ましく、下記(式BX3)を満たすことが更に好ましい。このような態様とすることにより、効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。
85°-B≦β≦95°-B (式BX1)
88°-B≦β≦92°-B (式BX2)
β=90°-B (式BX3)
In plan view, the angle β between the stretching
85°-B≦β≦95°-B (Formula BX1)
88°-B≦β≦92°-B (Formula BX2)
β=90°−B (Formula BX3)
ツイスト角Bは、60°以上、80°以下であることが好ましく、64°以上、76°以下であることがより好ましく、68°以上、72°以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。 The twist angle B is preferably 60° or more and 80° or less, more preferably 64° or more and 76° or less, and even more preferably 68° or more and 72° or less. By adopting such an aspect, polarization modulation and polarization non-modulation can be switched more effectively over a wide band.
延伸方向121Aの方位角が0°であり、延伸方向221Aの方位角を160°(すなわち、平面視において、延伸方向121Aと延伸方向221Aとのなす角度βが20°)であり、液晶分子310のツイスト角Bが70°であり、かつ、液晶層300がポジ型の液晶分子310を含有する場合、図15に示すように、第一の櫛歯電極121が電圧無印加状態であり、第二の櫛歯電極220が電圧印加状態であり、第三の櫛歯電極221が電圧印加状態であり、第四の櫛歯電極222が電圧無印加状態である場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一の櫛歯電極120が電圧印加状態であり、第二の櫛歯電極220が電圧無印加状態であり、第三の櫛歯電極221が電圧無印加状態であり、第四の櫛歯電極222が電圧印加状態である場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
The azimuth angle of the stretching
なお、液晶層300がネガ型の液晶分子310を含有する場合は、第一の櫛歯電極121が電圧印加状態であり、第二の櫛歯電極122が電圧無印加状態であり、第三の櫛歯電極221が電圧無印加状態であり、第四の櫛歯電極222が電圧印加状態である場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一の櫛歯電極121が電圧無印加状態であり、第二の櫛歯電極122が電圧印加状態であり、第三の櫛歯電極221が電圧印加状態であり、第四の櫛歯電極222が電圧無印加状態である場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
When the
液晶層300がポジ型の液晶分子310を含有する本実施形態では、平面視において、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aは、第一の櫛歯電極121に設けられた櫛歯電極の延伸方向121Aに一致する。そのため、第一状態での第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、例えば、延伸方向121Aの方位角は0°に、延伸方向122A及び延伸方向222Aの方位角は90°に、延伸方向221Aの方位角は160°に、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aの方位角は57.2°に、第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aの方位角は12.2°に設定することができる。
In the present embodiment in which the
上記実施形態1及び実施形態2と同様に、本実施形態の光学素子10は、第一基板100と液晶層300との間に配置された第一の弱アンカリングの水平配向膜と、液晶層300と第二基板200との間に配置された第二の弱アンカリングの水平配向膜と、を有することが好ましい。このような態様とすることにより、水平配向は維持したまま界面付近の液晶分子も均一に一様配向させることができる。
Similar to Embodiments 1 and 2 above, the
(実施形態4)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~3と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、第一の弱アンカリングの水平配向膜411に代えて双安定配向膜を用いることを除いて、実施形態1と実質的に同じである。
(Embodiment 4)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly explained, and explanations of contents that overlap with those of
図16は、実施形態4に係る光学素子が備える液晶セルの斜視模式図である。本実施形態の光学素子10が備える液晶セル11は、図16に示すように、更に、第一基板100と液晶層300との間に配置された、2方向に配向安定方向を有する双安定配向膜413を有する。電極11Eは、第一基板100において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極120を有し、第二基板200において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極220を有する。平面視において、第一の櫛歯電極120の延伸方向120Aは、第二の櫛歯電極220の延伸方向220Aに対して斜めに設けられる。
FIG. 16 is a schematic perspective view of a liquid crystal cell included in the optical element according to
このような態様とすることにより、第一の櫛歯電極120を電圧無印加状態に、第二の櫛歯電極220を電圧印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に第一の直線偏光となる。すなわち、第一状態を実現することができる。更に、第一の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光とは偏光状態が異なる円偏光(例えば、左円偏光)に広帯域で変換される。このように、第一状態では、光学素子10に入射した円偏光が偏光状態の異なる円偏光に変換されて(例えば、右円偏光が左円偏光に変換されて)出射される偏光変調が広帯域で実現される。
By adopting such an aspect, when the first comb-shaped
また、第一の櫛歯電極121を電圧印加状態に、第二の櫛歯電極122を電圧無印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に、平面視において第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光となる。すなわち、第二状態を実現することができる。更に、第二の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光と偏光状態が同じである円偏光(例えば、右円偏光)のまま広帯域で出射される。このように、第二状態では、光学素子10に入射した円偏光が同じ偏光状態のまま(例えば、右円偏光のまま)出射される偏光非変調が広帯域で実現される。
Furthermore, when the first comb-
双安定配向膜413は、2方向(第一の方向413A及び第二の方向413B)に配向安定方向を有する配向膜である。平面視において、第一の方向413A及び第二の方向413Bの方位は互いに直交し、かつ、第一の方向413Aは、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aと平行であることが好ましい。第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角は、第一状態では0°であり、第二状態では90°であるため、平面視において、第一の方向413A及び第二の方向413Bの方位が互いに直交し、かつ、第一の方向413Aが、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aと平行であることにより、第一状態及び第二状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向を双安定配向膜413によりエネルギー的に安定化することが可能となる。その結果、電圧のみで液晶分子310の配向方向を規定している実施形態1よりも、配向安定性に優れた光学素子10を実現することができる。
The
双安定配向膜413は、光照射によって、または、凹凸基板とラビング処理によって形成することができる。
The
光照射を利用する場合、例えば、光官能波長が互いに異なる2つのポリマーを混合した材料を用いて双安定配向膜413を形成することができる。光官能波長が互いに異なる2つのポリマーを混合した溶液を基板上に塗布した後、例えば、ある波長の偏光紫外線を照射後、それとは別の波長と方向の偏光紫外線を照射することで、一つ目の方向と二つ目の方向の2方向に配向安定方向を持つ双安定配向膜413を形成することができる。
When using light irradiation, for example, the
凹凸基板とラビング処理を利用する場合、例えば、基板にポリマーで特定の方向に溝を有する構造物を形成し、その溝方向とは異なる方向にラビング処理を実施する。液晶分子は、溝方向に並ぼうとする力と、ラビング方向に並ぼうとする力の2つが存在し、2方向に配向安定方向を持つ双安定配向膜413を形成することができる。
When using a textured substrate and a rubbing process, for example, a structure having grooves in a specific direction is formed using a polymer on the substrate, and the rubbing process is performed in a direction different from the direction of the grooves. The liquid crystal molecules have two forces: a force that tends to align them in the groove direction and a force that tends to align them in the rubbing direction, and it is possible to form a
本実施形態の光学素子10は、第二基板200と液晶層300との間に第二の配向膜420を備えてもよい。第二の配向膜420は、例えば、弱アンカリングの水平配向膜423である。弱アンカリングの水平配向膜423は、スリッパリー膜であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
The
第二の配向膜420は、例えば、垂直配向膜であってもよい。当該垂直配向膜としては、垂直配向膜422と同様のものを用いることができる。
The
(実施形態5)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~4と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、液晶セル11の構成が異なることを除いて、実施形態1と実質的に同じである。
(Embodiment 5)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly explained, and explanations of contents that overlap with those of
図17は、実施形態5に係る光学素子が備える液晶セルの断面模式図である。図18は、実施形態5に係る光学素子が備える液晶セルの斜視模式図である。図19は、実施形態5に係る光学素子の軸方位の一例を示す図である。基板の界面付近の液晶分子の配向は垂直であり方位の規定ができないため、図19では、液晶分子の配向方位を電極方向で規定する。
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal cell included in the optical element according to
図17~図19に示すように、本実施形態の光学素子10が備える液晶セル11は、更に、第一基板100と液晶層300との間に配置された、第一の垂直配向膜414と、液晶層300と第二基板200との間に配置された、第二の垂直配向膜424と、を有する。電極11Eは、第一基板100において、面状の第一電極131、及び、第一の絶縁層141を介して第一電極131に重畳し、かつ、スリット部132Sが設けられた第二電極132を有し、第二基板200において、面状の第三電極231、及び、第二の絶縁層241を介して第三電極231に重畳し、かつ、スリット部232Sが設けられた第四電極232を有する。平面視において、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aは、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aに対して斜めに配置される。
As shown in FIGS. 17 to 19, the
このような態様とすることにより、第一電極131及び第二電極132間を電圧印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧無印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に第一の直線偏光となる。すなわち、第一状態を実現することができる。更に、第一の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光とは偏光状態が異なる円偏光(例えば、左円偏光)に広帯域で変換される。このように、第一状態では、光学素子10に入射した円偏光が偏光状態の異なる円偏光に変換されて(例えば、右円偏光が左円偏光に変換されて)出射される偏光変調が広帯域で実現される。
By adopting such an aspect, when a voltage is applied between the
また、第一電極131及び第二電極132間を電圧無印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過に、平面視において第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光となる。すなわち、第二状態を実現することができる。更に、第二の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光と偏光状態が同じである円偏光(例えば、右円偏光)のまま広帯域で出射される。このように、第二状態では、光学素子10に入射した円偏光が同じ偏光状態のまま(例えば、右円偏光のまま)出射される偏光非変調が広帯域で実現される。
Further, when the voltage is not applied between the
なお、第一電極131及び第二電極132の一方は画素電極であり、他方は共通電極である。第三電極231及び第四電極232の一方は画素電極であり、他方は共通電極である。図18では、第一基板100及び第二基板200共に、液晶層300側に向かって順に、面状の電極及びスリット部が設けられた電極を備えるが、面状の電極とスリット部が設けられた電極との配置はこれに限定されず、液晶層300側に向かって順に、スリット部が設けられた電極及び面状の電極を備えていてもよい。
Note that one of the
平面視において、延伸方向132Aと延伸方向232Aとのなす角度γ(ただし、γは0°を超え、90°未満の実数)、及び、液晶層300に含まれる液晶分子310のツイスト角Cは、第一状態及び第二状態において、下記(式CX1)を満たすことが好ましく、下記(式CX2)を満たすことがより好ましく、下記(式CX3)を満たすことが更に好ましい。このような態様とすることにより、効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。
85°-C≦γ≦95°-C (式CX1)
88°-C≦γ≦92°-C (式CX2)
γ=90°-C (式CX3)
In plan view, the angle γ (γ is a real number greater than 0° and less than 90°) between the stretching
85°-C≦γ≦95°-C (Formula CX1)
88°-C≦γ≦92°-C (Formula CX2)
γ = 90°-C (Equation CX3)
ツイスト角Cは、60°以上、80°以下であることが好ましく、64°以上、76°以下であることがより好ましく、68°以上、72°以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。 The twist angle C is preferably 60° or more and 80° or less, more preferably 64° or more and 76° or less, and even more preferably 68° or more and 72° or less. By adopting such an aspect, polarization modulation and polarization non-modulation can be switched more effectively over a wide band.
延伸方向132Aの方位角が0°であり、延伸方向232Aの方位角が160°(すなわち、平面視において、延伸方向132Aと延伸方向232Aとのなす角度γが20°)であり、液晶分子310のツイスト角Cが70°であり、かつ、液晶層300がネガ型の液晶分子310を含有する場合に、第一電極131及び第二電極132間を電圧印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧無印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一電極131及び第二電極132間を電圧無印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
The azimuth angle of the stretching
なお、液晶層300がポジ型の液晶分子310を含有する場合は、第一電極131及び第二電極132間を電圧無印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一電極131及び第二電極132間を電圧印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧無印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
Note that when the
第一基板100は、第一の支持基板110と、面状の第一電極131と、第一の絶縁層141と、第二電極132と、を順に有する。第二基板200は、第二の支持基板210と、面状の第三電極231と、第二の絶縁層241と、スリット部232Sが設けられた第四電極232と、を順に有する。
The
スリット部132Sが設けられた第二電極132のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第一基板100側の液晶分子311を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。また、スリット部232Sが設けられた第四電極232のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、第二基板200側の液晶分子312を効率的に回転させることが可能となり、均一な捩れ配向を得やすくなる。ここで、スリット部が設けられた電極は、線状電極部とスリット部とが交互に繰り返して配置される構造を有し、スリット部が設けられた電極のピッチは、一組の線状電極部及びスリット部の幅の合計を意味する。
The pitch of the
液晶分子310は、ネガ型の液晶分子であることが好ましい。このような態様とすることにより、第一基板100及び第二基板200間で大きな縦電圧を印加することにより、ネガ型の液晶分子310を倒して水平配向化させることができる。第一状態及び第二状態において、第一電極131と第三電極231との間の電圧差は、1V以上であることが好ましく、3V以上であることがより好ましく、5V以上であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に液晶分子310を水平配向させることができる。第一電極131と第三電極231との間の電圧差の上限は特に限定されないが、第一電極131と第三電極231との間の電圧差は、例えば、20V以下である。第一電極131と第三電極231との間の電圧差は、1V以上、20V以下であることが好ましく、3V以上、20V以下であることがより好ましく、5V以上、20V以下であることが更に好ましい。
The
更に、第一電極131及び第二電極132間、及び、第三電極231及び第四電極232間のそれぞれにおいて、画素電極及び共通電極間に弱い電圧を印加して液晶分子310の面内配向方位を制御することができる。液晶分子310がネガ型の液晶分子である場合、面内ではスリット部132S、232Sの延伸方向(電界とは直交する方向)に液晶分子310は配向する。このとき、強い横電界を印加すると、カイラルの力による液晶の配向捩れを妨害するので、横電界は弱いことが好ましい。
Further, a weak voltage is applied between the pixel electrode and the common electrode between the
例えば、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、3V以下であることが好ましく、1V以下であることがより好ましく、0.5V以下であることが更に好ましい。また、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電位差は3V以下であることが好ましく、1V以下であることがより好ましく、0.5V以下であることが更に好ましい。第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。また、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。
For example, the voltage difference between the
第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.01V以上、3V以下であることが好ましく、0.05V以上、1V以下であることがより好ましい。また、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電位差は0.01V以上、3V以下であることが好ましく、0.05V以上、1V以下であることがより好ましい。
The voltage difference between the
第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424はとしては、垂直配向膜422と同様のものを用いることができる。本実施形態の光学素子10では、両基板側に垂直配向膜が配置されているため、水平配向膜が配置される場合よりも、生産性に優れた光学素子10を実現することができる。
The first
第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424は、液晶分子に対して微小なチルト角を付与するものであってもよい。具体的には、第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424は、液晶分子310に対して85°以上、90°以下のプレチルト角を付与するものであってもよい。
The first
図20は、実施形態5に係る光学素子の、第一状態及び第二状態における液晶分子の配向について説明する模式図である。図20に示すように、また、第一基板100及び第二基板200の極めて近傍では、液晶分子310は垂直配向しているが、液晶層300内では、水平配向の略70°の捩れ配向が実現されている。
FIG. 20 is a schematic diagram illustrating the orientation of liquid crystal molecules in the first state and the second state of the optical element according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 20, the
液晶層300がネガ型の液晶分子310を含有する本実施形態では、平面視において、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aは、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aに一致する。そのため、第一状態での第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、例えば、延伸方向132Aの方位角は0°に、延伸方向232Aの方位角は160°に、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aの方位角は57.2°に、第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aの方位角は12.2°に設定することができる。
In this embodiment, in which the
本実施形態の光学素子10についても、他の実施形態と同様に、液晶層300のリタデーションΔndやツイスト角の設計により、適宜変調特性及び非変調特性をチューニングすることができる。
Regarding the
(実施形態6)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~5と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、第二の1/4波長フィルム13を備えないことを除いて、実施形態1と実質的に同じである。
(Embodiment 6)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly explained, and explanations of contents that overlap with those of
図21は、実施形態6に係る光学素子の断面模式図である。図22は、実施形態6に係る光学素子が備える液晶セルの斜視模式図である。図23は、実施形態6に係る光学素子の軸方位の一例を示す図である。 FIG. 21 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to Embodiment 6. FIG. 22 is a schematic perspective view of a liquid crystal cell included in the optical element according to Embodiment 6. FIG. 23 is a diagram showing an example of the axial orientation of the optical element according to the sixth embodiment.
図21~図23に示すように、本実施形態の光学素子10は、実施形態1と同様の液晶セル11と、第一の1/4波長フィルム12としての逆波長分散の1/4波長フィルムとを備えている。このような態様によっても、光学素子10の厚さを抑えつつ、光学素子10に入射した円偏光を変調させずに出射する状態と、光学素子10に入射した円偏光を変調させて出射する状態とを、広帯域でスイッチングすることが可能となる。すなわち、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替え可能であり、かつ、薄型化が可能な光学素子10を実現することができる。
As shown in FIGS. 21 to 23, the
本実施形態のように、液晶セル11の出射側に第一の1/4波長フィルム12が配置される場合、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aの方位角は、3°以上、22°以下であることが好ましい。また、液晶セル11の入射側に第一の1/4波長フィルム12が配置される場合、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aの方位角は、48°以上、67°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
When the first 1/4
ここまで、液晶分子がポジ型の液晶分子、又は、ネガ型の液晶分子である場合について説明したが、液晶分子として二周波駆動液晶を用いてもよい。二周波駆動液晶とは、低周波でΔεが正のポジ型の液晶分子の、高周波でΔεが負のネガ型の液晶分子の挙動をとる液晶分子である。二周波液晶を使うと、上下基板(第一基板100及び第二基板200)のそれぞれに角度の異なる櫛歯電極を設けなくても、一つの櫛歯電極に対して、低周波駆動をすれば、電極延伸方向に垂直な方向に液晶分子が配向し、高周波駆動をすれば電極延伸方向に液晶分子が配向するため、電極構成を簡易にすることができる。
Up to this point, the case where the liquid crystal molecules are positive-type liquid crystal molecules or negative-type liquid crystal molecules has been described, but a dual-frequency drive liquid crystal may be used as the liquid crystal molecules. A dual-frequency driven liquid crystal is a liquid crystal molecule that behaves as a positive type liquid crystal molecule with a positive Δε at low frequencies and a negative type liquid crystal molecule with a negative Δε at high frequencies. When using a dual-frequency liquid crystal, there is no need to provide comb-shaped electrodes with different angles on the upper and lower substrates (the
(実施形態7)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~6と重複する内容については説明を省略する。本実施形態では、上記実施形態1~6の光学素子(sHWP)を備える可変焦点素子について説明する。図24は、実施形態7に係る可変焦点素子の断面模式図である。図24に示す本実施形態の可変焦点素子30は、光学素子10とパンチャラトナムベリー(PB:Pancharatnam Berry)レンズ20とを備える。
(Embodiment 7)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly explained, and explanations of contents that overlap with those of
上述の通り、実施形態1~6の光学素子10は、円偏光の変調ができる。また、PBレンズ20は、右円偏光と左円偏光とで焦点距離が異なるため、光学素子10とPBレンズ20とを組み合わせることにより、可変焦点素子30を実現することができる。
As described above, the
PBレンズ20は、円偏光を集光及び発散させる機能を有する。PBレンズ20は、例えば、国際公開第2019/189818号に記載の方法で作製することができる。
The
図25は、実施形態7に係る可変焦点素子が備えるPBレンズの断面模式図の一例である。PBレンズ20は、図25に示すように、光学異方性層320Aを備える。PBレンズ20は、一例として、円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、図25では、入射光を左円偏光としている。
Figure 25 is an example of a cross-sectional schematic diagram of a PB lens provided in a variable focus element according to embodiment 7. As shown in Figure 25, the
図25に示す部分において、光学異方性層320Aは、図25中左側から3つの領域R0、R1、R2を有し、各領域で1周期の長さΛが異なっている。具体的には、1周期の長さΛは、領域R0、R1、R2の順に短くなっている。また、領域R1及びR2は、光学軸が光学異方性層の厚さ方向で捩れて回転した構造(以下、捩れ構造ともいう)を有している。領域R1の厚さ方向の捩れ角は、領域R2の厚さ方向の捩れ角よりも小さい。なお、領域R0は捩れ構造を有していない領域である(すなわち、捩れ角が0°である)。なお、捩れ角は、厚さ方向全体での捩れ角とする。
In the part shown in FIG. 25, the optically
光学素子10において、左円偏光LC1が光学異方性層320Aの面内の領域R1に入射すると、入射方向に対して、矢印X方向に、すなわち、液晶分子320の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している一方向に所定角度、屈折されて透過する。同様に左円偏光LC2が光学異方性層320Aの面内の領域R2に入射すると、入射方向に対して、矢印X方向に所定角度、屈折されて透過する。同様に左円偏光LC0が光学異方性層320Aの面内の領域R0に入射すると、入射方向に対して、矢印X方向に所定角度、屈折されて透過する。
In the
ここで、光学異方性層320Aによる屈折の角度は、領域R1の液晶配向パターンの1周期ΛR1よりも、領域R2の液晶配向パターンの1周期ΛR2が短いため、図25に示すように、入射光に対する屈折の角度は、領域R2の透過光の角度θR2の方が領域R1の透過光の角度θR1よりも大きくなる。また、領域R1の液晶配向パターンの1周期ΛR1よりも、領域R0の液晶配向パターンの1周期ΛR0が長いため、図25に示すように、入射光に対する屈折の角度は、領域R0の透過光の角度θR0の方が領域R1の透過光の角度θR1よりも小さくなる。
Here, the angle of refraction by the optically
ここで、面内で液晶分子の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する光学異方性層による光の回折では、回折角度が大きくなると回折効率が低下する、すなわち回折光の強度が弱くなるという問題がある。そのため、光学異方性層を、液晶分子の光学軸の向きが面内で180°回転する1周期の長さが異なる領域を有する構成とした場合には、光の入射位置によって回折角度が異なるため、面内の入射位置によって回折光の光量に差が生じる。すなわち、面内の入射位置によって、透過、回折した光が暗くなる領域が生じる。 Here, in light diffraction by an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis of the liquid crystal molecules changes while continuously rotating within the plane, the diffraction efficiency decreases as the diffraction angle increases. In other words, there is a problem that the intensity of the diffracted light becomes weak. Therefore, if the optically anisotropic layer is configured to have regions with different lengths of one period in which the direction of the optical axis of the liquid crystal molecules rotates 180 degrees in the plane, the diffraction angle will differ depending on the incident position of the light. Therefore, the amount of diffracted light varies depending on the in-plane incident position. That is, depending on the in-plane incident position, there are regions where the transmitted and diffracted light becomes dark.
これに対して、本実施形態のPBレンズ20は、光学異方性層が厚さ方向で捩れて回転する領域を有しており、厚さ方向の捩れ角の大きさが異なる領域を有する。図25に示す例では、光学異方性層320Aの領域R2の厚さ方向の捩れ角φR2は領域R1の厚さ方向の捩れ角φR1よりも大きい。また、領域R0は厚さ方向の捩れ構造を有していない。これにより、屈折された光の回折効率の低下を抑制することができる。
On the other hand, the
図25に示す例では、回折角度が領域R0よりも大きい領域R1及びR2に捩れ構造を付与することで、領域R1、R2で屈折された光の光量の低下を抑制することができる。また、領域R1よりも回折角度が大きい領域R2の捩れ構造の捩れ角を、領域R1よりも大きくすることで、領域R2で屈折された光の光量の低下を抑制することができる。これによって、面内の入射位置によって、透過した光の光量が均一になるようにすることができる。 In the example shown in FIG. 25, by providing a twisted structure to regions R1 and R2 with larger diffraction angles than region R0, it is possible to suppress a decrease in the amount of light refracted in regions R1 and R2. Further, by making the twist angle of the twist structure of the region R2, which has a larger diffraction angle than the region R1, larger than that of the region R1, it is possible to suppress a decrease in the amount of light refracted in the region R2. This allows the amount of transmitted light to be made uniform depending on the in-plane incident position.
このように、本実施形態のPBレンズ20では、光学異方性層による屈折が大きい面内の領域では、入射光は厚さ方向の捩れ角が大きい層内を透過し、屈折される。これに対して、光学異方性層による屈折が小さい面内の領域は、入射光は厚さ方向の捩れ角が小さい層内を透過して屈折される。すなわち、PBレンズ20では、光学異方性層による屈折の大きさに応じて、面内における厚さ方向の捩れ角を設定することで、入射光に対する透過光を明るくすることができる。そのため、PBレンズ20によれば、面内における透過光量の屈折角度依存性を小さくすることができる。
Thus, in the
光学異方性層320Aの面内における屈折の光の角度は、液晶配向パターンの1周期Λが短いほど大きい。また、光学異方性層320Aの面内における厚さ方向の捩れ角は、液晶配向パターンにおいて矢印X方向に沿って光軸の向きが180°回転する1周期Λの短い領域の方が1周期Λの大きい領域よりも、大きい領域を有する。PBレンズ20では、一例として、図25にも示すように、光学異方性層320Aの領域R2における液晶配向パターンの1周期ΛR2が、領域R1における液晶配向パターンの1周期ΛR1よりも短く、厚さ方向に捩れ角φR2は大きい。すなわち、光入射側の光学異方性層320Aの領域R2方が、大きく光を屈折させる。
The angle of refraction of light within the plane of the optically
したがって、対象とする液晶配向パターンの1周期Λに対して、面内における厚さ方向の捩れ角φを設定することで、好適に、面内の異なる領域において異なる角度に屈折した透過光を明るくすることができる。 Therefore, by setting the in-plane thickness direction twist angle φ for one period Λ of the target liquid crystal orientation pattern, it is possible to advantageously brighten the transmitted light that is refracted at different angles in different regions in the plane.
PBレンズ20においては、前述のように、液晶配向パターンの1周期Λが短いほど屈折の角度が大きいため、液晶配向パターンの1周期Λが短い領域ほど厚さ方向の捩れ角を大きくすることで透過光を明るくすることを可能にしている。そのため、PBレンズ20においては、液晶配向パターンの1周期の長さが異なる領域において、1周期の長さの順列と厚さ方向の捩れ角の大きさの順列が異なる領域を有することが好ましい。
In the
以上より、PBレンズ20は、液晶分子320を含む液晶組成物を用いて形成された光学異方性層320Aを備え、光学異方性層320Aは、上記液晶分子由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、かつ、上記光学軸が光学異方性層320Aの厚さ方向で捩れて回転する領域を有しており、厚さ方向の捩れ角の大きさが異なる領域を有することが好ましい。
From the above, the
PBレンズ20は、液晶分子320由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とした際に、上記液晶配向パターンにおける上記1周期の長さが異なる領域を有することが好ましい。
The
光学異方性層320Aは、上記液晶配向パターンにおける上記1周期の長さが異なる複数の領域が、上記1周期の長さの順に配列しており、かつ、上記厚さ方向の捩れ角の大きさが異なる複数の領域が、上記厚さ方向の捩れ角の大きさの順に配列しており、上記1周期の長さの順列の方向と上記厚さ方向の捩れ角の大きさの順列の方向とが異なる領域を有することが好ましい。
In the optically
光学異方性層320Aは、上記厚さ方向の捩れ角の大きさが10°~360°である領域を有することが好ましい。
It is preferable that the optically
光学異方性層320Aは、上記液晶配向パターンにおける上記液晶分子320由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する上記一方向に向かって、上記液晶配向パターンの上記1周期が、漸次、短くなることが好ましい。
The optically
光学異方性層320Aの上記液晶配向パターンは、上記液晶分子320由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する上記一方向を、内側から外側に向かう同心円状のパターンであることが好ましい。
The liquid crystal orientation pattern of the optically
図25に示すPBレンズ20は、捩れ角が面内で変化するPBレンズであり、回折角が大きい場合においても回折効率が高い素子であるが、PBレンズ20は、捩れ角が面内で変化しないPBレンズであってもよい。具体的には、PBレンズ20は、厚み方向の捩れがない、又は、面内で一定の捩れ角であるPBレンズであってもよく、例えば、特表2008-532085号公報に記載の偏光回折格子を用いることができる。
The
PBレンズ20は、光学異方性層320Aを、複数層、備えたPBレンズであって、光学異方性層320Aの厚さ方向で捩れ角の向きが互いに異なる光学異方性層320Aを有することが好ましい。
The
PBレンズ20は、光学異方性層320Aを、複数層、備えたPBレンズであって、光学異方性層320Aの厚さ方向で捩れ角の大きさが互いに異なる光学異方性層320Aを有することが好ましい。
The
PBレンズ20は、光学異方性層320Aを、複数層、備えたPBレンズであって、光学異方性層320Aは、上記液晶分子320由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転する方向が互いに同一である液晶配向パターンを有することが好ましい。
The
上記液晶配向パターンにおける上記1周期の長さは、50μm以下であることが好ましい。 The length of one period in the liquid crystal alignment pattern is preferably 50 μm or less.
可変焦点素子30は、光学素子10とPBレンズ20とからなる積層体を1組備える2値の可変焦点素子30Aであってもよく、光学素子10とPBレンズ20とからなる積層体を2組以上備える多段階の可変焦点素子30Bであってもよい。このように、光学素子10とPBレンズ20とのセットを複数枚組み合わせることにより、多段階のチューナビリティが付与された可変焦点素子30Bを実現することができる。
The
可変焦点素子30は、例えば、国際公開第2019/189818号に記載の方法で作製したPBレンズ20を、光学素子10に貼り付けることにより作製することができる。
The
(実施形態7の変形例1)
本変形例では、上記実施形態7におけるPBレンズ20が光学素子10内に配置され、インセル化された可変焦点素子30について説明する。図26は、実施形態7の変形例1に係る可変焦点素子の断面模式図である。図27は、実施形態7の変形例1に係る可変焦点素子の拡大断面模式図である。
(
In this modification, a
本変形例の可変焦点素子30は、図26に示すように、光学素子10とPBレンズ20とからなる積層体を2組以上備える多段階の可変焦点素子30Bである。
As shown in FIG. 26, the
本変形例の可変焦点素子30が備えるPBレンズ20は、図27に示すように、光学素子10内に配置される。このようにPBレンズ20をインセル化することにより、PBレンズ20を外付けする必要がないため、製造コストを大きく下げることができる。また、可変焦点素子30の厚みを抑えることが可能になる。なお、図26では、便宜上、光学素子10とPBレンズ20とを別々に図示している。
The
本変形例の可変焦点素子30は、より具体的には、入射側から出射側に向かって順に、第二の1/4波長フィルム13と、第一の1/4波長フィルム12と、第一基板100と、液晶層300と、PBレンズ20と、第二基板200と、を備える。可変焦点素子30は、第一基板100と液晶層300との間に第一の配向膜410を備えていてもよい。また、可変焦点素子30は、第二基板200と液晶層300との間に第二の配向膜420を備えていてもよい。
More specifically, the
ここで、上記実施形態1~7のように、液晶セル11の出射側に第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13が配置される場合、第一状態では、光学素子10へと入射した円偏光(例えば右円偏光)は、まず、液晶セル11に入射して第一の直線偏光に変換され、当該第一の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13へ入射して円偏光(例えば左円偏光)に変換される。また、第二状態では、光学素子10へと入射した円偏光(例えば右円偏光)は、まず、液晶セル11に入射して第二の直線偏光に変換され、当該第二の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13へ入射して円偏光(例えば右円偏光)に変換される。
Here, when the first 1/4
一方、本変形例のように、液晶セル11の入射側に第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13が配置される場合、第一状態では、光学素子10へと入射した円偏光(例えば右円偏光)は、まず、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13へ入射して直線偏光に変換され、当該直線偏光は、液晶セル11へ入射して第一の円偏光(例えば左円偏光)に変換される。また、第二状態では、光学素子10へと入射した円偏光(例えば右円偏光)は、まず、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13へ入射して直線偏光に変換され、当該直線偏光は、液晶セル11へ入射して第二の円偏光(例えば右円偏光)に変換される。
On the other hand, when the first 1/4
第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側に近い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本変形例では第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は、3°以上、22°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
When the azimuth angle of the
第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側から遠い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本変形例では第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は、48°以上、66°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
When the azimuth angle of the
インセル化されたPBレンズ20(PBレンズ層)は、言い換えると、遅相軸方向が面内で回転するようにパターニングされたインセル位相差層である。 In other words, the in-cell PB lens 20 (PB lens layer) is an in-cell retardation layer patterned so that the slow axis direction rotates within the plane.
PBレンズのインセル化は、例えば、以下のようにして行うことができる。第二基板200に、下記一般式(PB-1)で表されるポリマーを含むインセルPBレンズ形成用の光感光性材料を塗布し、PBレンズ形成用膜を成膜した後、当該PBレンズ形成用膜に対して配向処理を行うことによりPBレンズ20のインセル化を行うことができる。
The PB lens can be made into an in-cell, for example, as follows. A photosensitive material for forming an in-cell PB lens containing a polymer represented by the following general formula (PB-1) is coated on the
上記一般式(PB-1)におけるVは、スペーサ基を表す。Vは、-(CH2)n-(ただし、nは2以上の整数)で表される炭素数が2以上のアルキレン基を有することが好ましい。このような態様とすることにより、良好な位相差を発現させることができる。上記アルキレン基は、直鎖状であることが好ましい。 V in the above general formula (PB-1) represents a spacer group. V preferably has an alkylene group having 2 or more carbon atoms represented by -(CH 2 ) n - (where n is an integer of 2 or more). By adopting such an aspect, a good phase difference can be produced. The alkylene group is preferably linear.
上記一般式(PB-1)におけるWは、光官能基を有する二価の有機基を表す。光官能基を有する二価の有機基としては、光二量化、光異性化、光フリース転位、光分解等の反応が生じる光官能基(光反応部位)を含有する二価の有機基が挙げられる。光二量化及び光異性化が可能な光官能基としては、例えば、シンナメート基、カルコン基、クマリン基、スチルベン基等が挙げられる。光異性化が可能な光官能基としては、例えば、アゾベンゼン基等が挙げられる。光フリース転位が可能な光官能基としては、例えば、フェノールエステル基等が挙げられる。光分解が可能な光官能基としては、例えば、シクロブタン環等が挙げられる。 W in the above general formula (PB-1) represents a divalent organic group having a photofunctional group. Examples of the divalent organic group having a photofunctional group include divalent organic groups containing a photofunctional group (photoreactive site) that causes reactions such as photodimerization, photoisomerization, photofries rearrangement, and photodecomposition. . Examples of photofunctional groups capable of photodimerization and photoisomerization include cinnamate groups, chalcone groups, coumarin groups, and stilbene groups. Examples of photofunctional groups capable of photoisomerization include azobenzene groups and the like. Examples of the photofunctional group capable of photo-Fries rearrangement include a phenol ester group. Examples of the photofunctional group that can be photodecomposed include a cyclobutane ring and the like.
上記一般式(PB-1)におけるR5は、一価の基を表す。R5は、水素原子又は1価の炭化水素基であることが好ましく、水素原子、メチル基又はエチル基であることがより好ましい。 R 5 in the above general formula (PB-1) represents a monovalent group. R 5 is preferably a hydrogen atom or a monovalent hydrocarbon group, and more preferably a hydrogen atom, a methyl group, or an ethyl group.
PBレンズ形成用膜に対する配向処理は、複数の配向処理により行われ、上記複数の配向処理で照射される偏光の方向は、互いに異なる。PBレンズ形成用膜に対する配向処理は、例えば、方位角0°の偏光にてPBレンズ形成用膜に配向処理を行う第一の配向処理と、方位角45°の偏光にてPBレンズ形成用膜に配向処理を行う第二の配向処理と、方位角90°の偏光にてPBレンズ形成用膜に配向処理を行う第三の配向処理と、方位角135°の偏光にてPBレンズ形成用膜に配向処理を行う第四の配向処理と、を備える。 The orientation treatment of the PB lens formation film is performed by a plurality of orientation treatments, and the directions of the polarized light irradiated in the plurality of orientation treatments are different from each other. The orientation treatment of the PB lens formation film includes, for example, a first orientation treatment in which the PB lens formation film is oriented with polarized light having an azimuth angle of 0°, a second orientation treatment in which the PB lens formation film is oriented with polarized light having an azimuth angle of 45°, a third orientation treatment in which the PB lens formation film is oriented with polarized light having an azimuth angle of 90°, and a fourth orientation treatment in which the PB lens formation film is oriented with polarized light having an azimuth angle of 135°.
図28は、実施形態7の変形例1に係る可変焦点素子が備えるPBレンズの配向パターンを示した平面模式図である。図28に示すように、PBレンズ20の配向パターンは、例えば、中心部から外周に行くに従い、配向方向が連続的に回転している。また、平面視において、半径Rの位置の液晶分子310の配向方向はすべて同じである。言い換えると、中心からの距離に応じて所定の角度分布を有している。配向パターンの周期P1と回折角度θは、P1=2×λ/sinθで表され、配向パターンの周期が短いほどより大きく光を回折させることができる。したがって焦点を結ぶレンズ効果を得たい場合には、光学素子の中心ほどピッチは広く(回折角度は小さく)、外周に行くほどピッチを短く(回折角度を大きく)することで実現される。
FIG. 28 is a schematic plan view showing an orientation pattern of a PB lens included in a variable focus element according to
後述する、ディオプトリDの異なるPBレンズ20は、この配向パターン周期の設計をかえることで、作製することができる。また、配向パターンについては、国際公開第2020/186123号、特表2008-532085号等に基づいて設定することもできる。
本実施形態では、配向処理を4回の露光で行う場合について説明したが、露光分割回数が増えるほど回折効率のよい可変焦点素子30を得ることができる。光配向装置を応用したマルチ光配向処理による作製は、既存の液晶工場との相性がよく、高い生産性で製造することができる。本実施形態ではマルチ光配向処理によるPBレンズ20の作製について説明したが、光干渉法やレーザー直接描画など既存の手法によって配向パターンを作製してもよい。
In the present embodiment, a case has been described in which the alignment process is performed through four exposures, but the
インセル化されたPBレンズ20(PBレンズ層)の位相差は、100nm以上、500nm以下であることが好ましく、200nm以上、350nm以下であることがより好ましく、λ/2(すなわち、275nm)であることが特に好ましい。回折効率は下記(式1)で表されるため、Δnd=λ/2の場合に、最大値をとる。 The phase difference of the in-cell PB lens 20 (PB lens layer) is preferably 100 nm or more and 500 nm or less, more preferably 200 nm or more and 350 nm or less, and particularly preferably λ/2 (i.e., 275 nm). The diffraction efficiency is expressed by the following formula (1), and is maximum when Δnd = λ/2.
本変形例の可変焦点素子30、すなわち、光学素子10と、光学素子10にインセル化されたPBレンズ20との積層体を複数組み合わせた多段階の可変焦点素子30は、例えば、以下のような特性を有する。
The
図29は、実施形態7の変形例1に係る可変焦点素子の詳細な構成を説明する断面模式図である。図29に示すように、可変焦点素子30は、入射側から出射側に向かって順に、光学素子10と、第一のPBレンズ20A1と、光学素子10と、第一のPBレンズ20A1と、光学素子10と、第二のPBレンズ20A2と、光学素子10と、第二のPBレンズ20A2と、光学素子10と、第三のPBレンズ20A3と、光学素子10と、第三のPBレンズ20A3と、を備えている。
FIG. 29 is a schematic cross-sectional view illustrating a detailed configuration of a variable focus element according to
第一のPBレンズ20A1は、ディオプトリD=±0.25であり、第二のPBレンズ20A2は、ディオプトリD=±0.5、第三のPBレンズ20A3は、ディオプトリD=±1のレンズ特性を有する。右円偏光が入射した場合は+(集光)し、左円偏光が入射した場合は-(発散)する特性をもつ。 The first PB lens 20A1 has a diopter D = ±0.25, the second PB lens 20A2 has a diopter D = ±0.5, and the third PB lens 20A3 has a diopter D = ±1 lens characteristic. They have a + (converging) characteristic when right-handed circularly polarized light is incident, and a - (diverging) characteristic when left-handed circularly polarized light is incident.
下記表1は、実施形態7の変形例1に係る可変焦点素子30の、各モードにおける光学素子10及びPBレンズ20A1、20A2及び20A3の状態について説明する表である。
The following Table 1 explains the state of the
上記表1を用いて、F0のモードを説明する。このモードでは、すべての光学素子10が第二状態(非変調)としてある。右円偏光が入射すると、最初の光学素子10で変調されずそのまま最初の第一のPBレンズ20A1に入射する。ここで0.25Dの集光を受ける。その際出射光は左円偏光になる。ここで、PBレンズ20を通過しても円偏光の向きが変わるのは、PBレンズ20の特性である。光学素子10は非変調のため、左円偏光のまま2つ目の光学素子10を通過する。2つの目の第一のPBレンズ20A1では、-0.25Dの発散が生じる。結果として入射側からの最初の4枚(光学素子10、第一のPBレンズ20A1、光学素子10及び第一のPBレンズ20A1)では、入射光がそのまま通過することになる。以降同様に第二のPBレンズ20A2及びPBレンズ20A3も通過し、出射光としても、入射光のまま、0Dでそのまま出射される。
The F0 mode will be explained using Table 1 above. In this mode, all
上記表1を用いて、F1のモードを説明する。このモードでは、入射側から4番目の光学素子10だけ、第一状態としてある。この状態では、最初の第二のPBレンズ20A2を通過後は、F0のモードと同様、左円偏光で0.5Dが付与された状態にある。続いて第一状態となった光学素子で右円偏光に変換される。続いて2番目の第二のPBレンズ20A2で、+0.5Dが付与され、合計1Dが付与された左円偏光となって出射する。その後は、そのまま1Dの左円偏光のまま出射する。2番目の第二のPBレンズ20A2通過後に左円偏光となっているため、第三のPBレンズ20A3での符号がF0の時とは逆になる。
The F1 mode will be explained using Table 1 above. In this mode, only the fourth
上記表1及び図30を用いて、F-2.5のモードを説明する。図30は、実施形態7の変形例1に係る可変焦点素子の、F-2.5のモードにおける偏光状態について説明する図である。表1及び図30に示すように、F-2.5のモードでは、入射側からの最初の4枚(光学素子10、第一のPBレンズ20A1、光学素子10及び第一のPBレンズ20A1)で-0.5Dが付与された右円偏光になり、出射側の最後の4枚(光学素子10、第三のPBレンズ20A3、光学素子10及び第三のPBレンズ20A3)で-2Dが付与され、合計-2.5Dの右円偏光として出射される。
The F-2.5 mode will be explained using Table 1 and FIG. 30 above. FIG. 30 is a diagram explaining the polarization state in the F-2.5 mode of the variable focal point element according to the first modification of the seventh embodiment. As shown in Table 1 and FIG. 30, in the F-2.5 mode, the first four lenses from the entrance side (
その他、同様の原理で、どの光学素子10を変調状態の第一状態とするかに応じて、多段階の焦点距離を実現できる。本変形例では抜粋して3つの条件だけを示している。
In addition, by using the same principle, multiple focal lengths can be achieved depending on which
上記実施形態7及び上記実施形態7の変形例1では、フィルム状(インセルポリマー状)のPBレンズを備えた態様について述べたが、PBレンズ自体を液晶層で形成してもよい。本変形例では、液晶層で形成されたPBレンズについて説明する。 In the seventh embodiment and the first modification of the seventh embodiment, a mode including a film-like (in-cell polymer-like) PB lens has been described, but the PB lens itself may be formed of a liquid crystal layer. In this modification, a PB lens formed of a liquid crystal layer will be described.
上記実施形態7及び上記実施形態7の変形例1のように、ポリマー状になったPBレンズは、それ自体は電圧で可変できないことからパッシブPBレンズと呼ばれる。一方、流動性のある液晶層で形成されたPBレンズは電圧で駆動できることからアクティブPBレンズと呼ばれる。 As in the seventh embodiment and the first modification of the seventh embodiment, a polymer PB lens is called a passive PB lens because it cannot be varied by voltage. On the other hand, a PB lens formed of a fluid liquid crystal layer is called an active PB lens because it can be driven by voltage.
アクティブPBレンズは、以下の手順で作製することができる。まず、一対の基板のうち、片側の基板の配向膜にPBレンズパターンの配向処理を行う。もう片側の基板の配向膜は、弱アンカリング配向膜(スリッパリー界面)とする。なおどちらの基板にも透明電極が設けられている。この1対の基板を、液晶層を挟持して貼り合わせると、配向処理を施したパターンにそって液晶分子が配向し、液晶層もPBレンズパターンの配向をとる。これによりアクティブPBレンズが実現できる。より好ましくは、その後、PSA(Polymer sustained alignment)処理を施し、液晶分子の界面の配向を安定化させることで、より配向安定性と信頼性の高いアクティブPBレンズとすることができる。 An active PB lens can be manufactured by the following procedure. First, a PB lens pattern alignment process is performed on the alignment film of one of the pair of substrates. The alignment film on the other substrate is a weak anchoring alignment film (slippery interface). Note that transparent electrodes are provided on both substrates. When this pair of substrates are bonded together with the liquid crystal layer sandwiched between them, the liquid crystal molecules are aligned along the pattern subjected to the alignment treatment, and the liquid crystal layer also takes on the alignment of the PB lens pattern. This makes it possible to realize an active PB lens. More preferably, a PSA (Polymer sustained alignment) treatment is then performed to stabilize the alignment of the interface of liquid crystal molecules, thereby making it possible to obtain an active PB lens with higher alignment stability and reliability.
アクティブPBレンズは、電圧OFF状態では、PBレンズパターンを有しているため、入射偏光状態に応じて、集光または発散する。電圧ON状態では、液晶分子が垂直配向となるため、集光も発散もせずそのまま透過する。 Since the active PB lens has a PB lens pattern in the voltage OFF state, it condenses or diverges light depending on the incident polarization state. When the voltage is ON, the liquid crystal molecules are vertically aligned, so light is transmitted as is without converging or diverging.
実施形態7のようなsHWPとパッシブPBレンズとを組み合わせた可変焦点素子では、集光・発散の2値切り替えであるのに対し、本変形例のようなsHWPとアクティブPBレンズとを組み合わせた可変焦点素子では、集光・発散・透過と3値の切り替えをすることができる。その結果、より滑らかな焦点制御ができる。あるいは、同じ段階数の焦点距離を実現するための、電圧駆動素子の積層数を少なくすることができる。 In contrast to the variable focus element that combines sHWP and passive PB lens as in Embodiment 7, which has binary switching between convergence and divergence, the variable focus element that combines sHWP and active PB lens as in this modification example The focusing element can switch between three values: convergence, divergence, and transmission. As a result, smoother focus control is possible. Alternatively, the number of layers of voltage-driven elements can be reduced in order to achieve the same number of focal length steps.
(実施形態8)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~7及びその変形例と重複する内容については説明を省略する。本実施形態では、可変焦点素子30を備えるヘッドマウントディスプレイについて説明する。図31は、実施形態8に係るヘッドマウントディスプレイの断面模式図である。図32は、実施形態8に係るヘッドマウントディスプレイの外観の一例を示す斜視模式図である。
(Embodiment 8)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly explained, and explanations of contents that overlap with the above-mentioned
図31及び図32に示すように、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ1は、画像を表示する表示パネル1Pと、位相差板40と、可変焦点素子30と、を備える。ヘッドマウントディスプレイ1を用いることにより、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置などの表示パネル1Pから出射された光は、位相差板40を経て円偏光となり、それが可変焦点素子30を通過し、ユーザUに視覚される。
As shown in FIGS. 31 and 32, the head mounted
(実施形態9)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~8及びその変形例と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、液晶セル11の構成が異なることを除いて、実施形態5と実質的に同じである。
(Embodiment 9)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly explained, and explanations of contents that overlap with the above-mentioned
図64は、実施形態9に係る光学素子の断面模式図である。図65は、実施形態9に係る光学素子が備える液晶セルの断面模式図である。図66は、実施形態9に係る光学素子の、第一状態及び第二状態における液晶分子の配向について説明する模式図である。基板の界面付近の液晶分子の配向は垂直であり方位の規定ができないため、図66では、液晶分子の配向方位を電極方向で規定する。 FIG. 64 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to Embodiment 9. FIG. 65 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal cell included in the optical element according to Embodiment 9. FIG. 66 is a schematic diagram illustrating the orientation of liquid crystal molecules in the first state and the second state of the optical element according to Embodiment 9. Since the alignment of liquid crystal molecules near the interface of the substrate is vertical and the orientation cannot be defined, in FIG. 66, the alignment direction of the liquid crystal molecules is defined by the electrode direction.
なお、上記実施形態1~7、実施形態7の変形例1、実施形態8、及び、本実施形態では、基準となる方位(0°)は、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aを光学素子10の出射側の基板面上に射影したときの方向に設定され、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aは、光学素子10を出射側から見たときの、液晶セル11の画面の水平右方向に一致する。
Note that in
図64~図66に示す本実施形態の光学素子10が備える液晶セル11は、更に、第一基板100と液晶層300との間に配置された第一の垂直配向膜414と、液晶層300と第二基板200との間に配置された第二の垂直配向膜424と、を有する。液晶層300は、負の誘電率異方性を有する液晶分子310を含有する。第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424の少なくとも一方は、電圧無印加状態における液晶分子310のチルト方向を制御する。
The
電極11Eは、第一基板100及び第二基板200の少なくとも一方において、面状の電極、及び、絶縁層を介して上記面状の電極に重畳し、かつ、スリット部が設けられた電極を有することが好ましい。面状の電極と、絶縁層を介して上記面状の電極に重畳し、かつ、スリット部が設けられた電極とから構成される一対の電極を、FFS電極ともいう。
The
より具体的には、図64~図66に示す本実施形態の光学素子10が備える液晶セル11は、更に、第一基板100と液晶層300との間に配置された第一の垂直配向膜414と、液晶層300と第二基板200との間に配置された第二の垂直配向膜424と、を有する。液晶層300は、負の誘電率異方性を有する液晶分子310を含有する。電極11Eは、第一基板100において、面状の第一電極131、及び、第一の絶縁層141を介して第一電極131に重畳し、かつ、スリット部132Sが設けられた第二電極132を有し、第二基板200において、ベタ状電極240を有する。平面視において、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aは、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xと直交する。
More specifically, the
このような態様とすることにより、図66に示すように、第一電極131と第二電極132との間に閾値未満の電圧を印加し、かつ、第一電極131及び第二電極132の少なくとも一方とベタ状電極240との間に閾値以上の電圧を印加した際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に第一の直線偏光となる。すなわち、第一状態を実現することができる。
By adopting such an aspect, as shown in FIG. 66, a voltage lower than the threshold value is applied between the
また、図66に示すように、第一電極131と第二電極132との間に閾値以上の電圧を印加し、かつ、第一電極131及び第二電極132の少なくとも一方とベタ状電極240との間に閾値以上の電圧を印加した際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に、平面視において第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光となる。すなわち、第二状態を実現することができる。
Further, as shown in FIG. 66, a voltage equal to or higher than the threshold is applied between the
なお、第一電極131及び第二電極132の一方は画素電極であり、他方は共通電極である。図65では、第一基板100は、液晶層300側に向かって順に面状の電極及びスリット部が設けられた電極を備えるが、面状の電極とスリット部が設けられた電極との配置はこれに限定されず、液晶層300側に向かって順に、スリット部が設けられた電極及び面状の電極を備えていてもよい。
Note that one of the
本実施形態では、第一基板100側及び第二基板200側の配向膜を垂直配向膜とする。また、少なくとも一方の基板(本実施形態では第一基板100)にFFS電極を設け、当該FFS電極を設けた基板に対向する対向基板(本実施形態では第二基板200)とFFS基板との電圧によって液晶分子310を駆動させる。液晶分子310にはネガ型の液晶分子310を用い、カイラル剤を添加することで液晶分子310が70°ほどねじれながら配向するように調整する。この時、配向膜に与えるチルトの方向やFFS電極を構成する画素電極及び共通電極間に加える電圧を調整することにより、系全体の配向を90°回転させた第一状態の配向と第二状態の配向とを実現する。
In this embodiment, the alignment films on the
本明細書においてチルト方向とは、電圧無印加状態における液晶分子の配向方向の方位であり、チルト方位ともいう。また、チルト角とは、上記プレチルト角と同様である。また、チルトを有するとは、チルト角が89.9°未満(より具体的には、0°以上、89.9°未満)であることを意味し、チルトを有さないとは、チルト角が89.9°以上(より具体的には、89.9°以上、90°以下)であることを意味する。 In this specification, the tilt direction refers to the orientation of liquid crystal molecules in a state where no voltage is applied, and is also referred to as tilt orientation. Moreover, the tilt angle is the same as the above-mentioned pretilt angle. Also, having a tilt means that the tilt angle is less than 89.9° (more specifically, 0° or more and less than 89.9°), and not having a tilt means that the tilt angle is less than 89.9° (more specifically, 0° or more and less than 89.9°). is 89.9° or more (more specifically, 89.9° or more and 90° or less).
第一基板100側の液晶分子311及び第二基板200側の液晶分子312の少なくとも一方は、チルトを有することが好ましい。例えば、第一基板100側の液晶分子311がチルトを有する場合、第一基板100側の液晶分子311のチルト方位と、FFS電極の延伸方向の方位とは直交することが好ましい。より具体的には、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xの方位と、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位とは直交することが好ましい。この時、第一基板100側の液晶分子311のチルト方位は略0°(例えば、-10°以上、+10°以下)であることが望ましく、第二基板200側の液晶分子312はチルトを有さないことが好ましい。
At least one of the
また、第二基板200側の液晶分子312がチルト有する場合、第二基板200側の液晶分子312のチルト方位は略70°(例えば、60°以上、80°以下)であることが望ましく、第一基板100側の液晶分子311はチルトを有さないことが好ましい。
Furthermore, if the
また、第一基板100側の液晶分子311及び第二基板200側の液晶分子312の両者がチルトを有していてもよい。
Furthermore, both the
延伸方向132Aの方位角が90°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xが0°であり、液晶分子310のツイスト角が70°であり、かつ、液晶層300がネガ型の液晶分子310を含有する場合、図64~図66に示すように、第一電極131と第二電極132との間に閾値未満の電圧を印加し、かつ、第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間に閾値以上の電圧を印加した場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一電極131と第二電極132との間に閾値以上の電圧を印加し、かつ、第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間に閾値以上の電圧を印加した場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
When the azimuth angle of the
液晶層300の波長550nmにおける電圧無印加状態でのリタデーションΔndは、180nm以上、280nm以下であることが好ましい。液晶層300の屈折率異方性Δnは、0.12以下であることが好ましく、0.1以下であることがより好ましい。
The retardation Δnd of the
本実施形態では、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側から遠い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本実施形態では第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は、58°以上、78°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
In this embodiment, when the azimuth angle of the
本実施形態では、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側に近い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本実施形態では第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は、13°以上、33°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
In this embodiment, when the azimuth angle of the
第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aと、第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aとのなす角度は、40°以上、50°以下であることが好ましく、42°以上、48°以下であることがより好ましく、44°以上、46°以下であることが更に好ましく、45°であることが特に好ましい。
The angle between the
本実施形態では、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aの方位角を、58°以上、78°以下に設定し、かつ、第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aの方位角を13°以上、33°以下に設定することにより、第一状態において、上記第一の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)とは偏光状態が異なる円偏光(例えば、左円偏光)に広帯域で変換される。このように、第一状態では、光学素子10に入射した円偏光が偏光状態の異なる円偏光に変換されて(例えば、右円偏光が左円偏光に変換されて)出射される偏光変調が広帯域で実現される。また、上記第二の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光と偏光状態が同じである円偏光(例えば、右円偏光)のまま広帯域で出射される。このように、第二状態では、光学素子10に入射した円偏光が同じ偏光状態のまま(例えば、右円偏光のまま)出射される偏光非変調が広帯域で実現される。
In this embodiment, the azimuth angle of the
図67は、実施形態9に係る光学素子の、第一状態における各層のストークスプロットを示す図である。図68は、実施形態9に係る光学素子の、第一状態における偏光状態について説明する模式図である。図67は、第一状態における各層を透過してくときの偏光状態(各層の役割)を示している。実施形態9に係る光学素子10の偏光変調の原理を、図67のポアンカレ球及び図68を用いて詳細に説明する。
Figure 67 is a diagram showing the Stokes plots of each layer in the first state of the optical element according to embodiment 9. Figure 68 is a schematic diagram explaining the polarization state in the first state of the optical element according to embodiment 9. Figure 67 shows the polarization state (role of each layer) when light passes through each layer in the first state. The principle of polarization modulation of the
図67の(1)に示すように、右円偏光(S3=+1)が液晶セル11に入射する。
As shown in (1) of FIG. 67, right-handed circularly polarized light (S3=+1) enters the
70°捩れの液晶セル11を通過後、一度、図67の(2)のプロットの偏光状態に変換される。各プロットの点は、380nm~780nmの波長違いのプロットを表している。波長550nm付近は直線偏光(ポアンカレ球上でいう赤道上)だが、それ以外の波長はポアンカレ球の北半球にプロットされ、楕円偏光になっている。
After passing through the 70° twisted
その後、第一の1/4波長フィルム12(具体的には、逆波長分散の1/4波長フィルム)を通過し、図67の(3)のプロットとなる。 Then it passes through the first quarter-wave film 12 (specifically, a quarter-wave film with reverse wavelength dispersion), resulting in plot (3) in Figure 67.
更に、第二の1/4波長フィルム13(具体的には、フラット波長分散の1/4波長フィルム)を通過すると、図67の(4)のプロットに示すように、ほぼ全波長が左円偏光(ポアンカレ球上での南極位置)となって出射される。すなわち、図68に示すように、右円偏光から左円偏光への変調がなされたことが分かる。 Furthermore, when passing through the second 1/4 wavelength film 13 (specifically, a 1/4 wavelength film with flat wavelength dispersion), almost all the wavelengths are left circular as shown in the plot (4) of FIG. It is emitted as polarized light (the position of the south pole on the Poincaré sphere). That is, as shown in FIG. 68, it can be seen that the right-handed circularly polarized light was modulated into the left-handed circularly polarized light.
第二状態(非変調時)も同様に、70°捩れの液晶セル11を通過後一度直線偏光になる。ただし、液晶セル11の配向全体を90°回転させているため、第一状態(変調時)とは約90°角度の異なった直線偏光となっている。そして、その後、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過後に全波長が右円偏光になる。すなわち、右円偏光を右円偏光として出射でき、非変調となる。
Similarly, in the second state (non-modulated), the light becomes linearly polarized once after passing through the
このように、第一状態と第二状態とは、70°ツイストという液晶分子310の配向は同じであり、系全体が90°異なる関係にある。本実施形態の光学素子10を用いると、第一状態及び第二状態の2つの状態を可逆的にスイッチングすることができ、偏光非変調時も偏光変調時も広帯域な薄型の可変1/2波長板(sHWP:Switchable Half Wave Plate)素子を実現することができる。
In this way, the first state and the second state have the same orientation of the
第二の1/4波長フィルム13(具体的には、フラット波長分散の1/4波長フィルム)は、例えば、ポジティブAプレート、又は、ネガティブAプレートである。第二の1/4波長フィルム13(具体的には、フラット波長分散の1/4波長フィルム)は、ネガティブAプレートであることが好ましい。このような態様とすることにより、非変調時の視野角特性を向上させることができる。 The second 1/4 wavelength film 13 (specifically, a 1/4 wavelength film with flat wavelength dispersion) is, for example, a positive A plate or a negative A plate. The second 1/4 wavelength film 13 (specifically, a 1/4 wavelength film with flat wavelength dispersion) is preferably a negative A plate. By adopting such an aspect, viewing angle characteristics during non-modulation can be improved.
スリット部132Sが設けられた第二電極132のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このようにピッチを小さくすることにより、より均一に液晶分子310の配向が変化し、変調特性を優れたものとすることができる。
The pitch of the
ベタ状電極240とは、少なくとも平面視において絵素の光学的開口部と重畳する領域に、スリットや開口が設けられていない電極をいう。ベタ状電極240は、画素電極及び共通電極は、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)等の透明導電材料、又は、それらの合金を、スパッタリング法等により単層又は複数層で成膜して形成した後、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングを行うことで形成することができる。 The solid electrode 240 is an electrode that does not have slits or openings at least in the area that overlaps with the optical opening of the pixel in a planar view. The solid electrode 240, the pixel electrode and the common electrode, can be formed by forming a single layer or multiple layers of transparent conductive materials such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO), or alloys thereof by sputtering or the like, and then patterning the layers using photolithography.
本実施形態の液晶分子310はネガ型の液晶分子310である。このような態様とすることにより、第一基板100及び第二基板200間で大きな縦電圧を印加することにより、ネガ型の液晶分子310を倒して水平配向化させることができる。第一状態及び第二状態において、第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差は、1V以上であることが好ましく、3V以上であることがより好ましく、4V以上であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に液晶分子310を水平配向させることができる。第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差の上限は特に限定されないが、第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差は、例えば、7V以下である。第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差は、1V以上、7V以下であることが好ましく、3V以上、7V以下であることがより好ましく、4V以上、7V以下であることが更に好ましい。
The
更に、第一電極131及び第二電極132間において、画素電極及び共通電極間に弱い電圧を印加して液晶分子310の面内配向方位を制御することができる。液晶分子310がネガ型の液晶分子である場合、面内ではスリット部132Sの延伸方向(電界とは直交する方向)に液晶分子310は配向する。このとき、強い横電界を印加すると、カイラルの力による液晶の配向捩れを妨害するので、横電界は弱いことが好ましい。
Furthermore, between the
第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差が7V以下である場合、例えば、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.6V以下であることが好ましい。また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電位差は2V以下であることが好ましい。第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.6V以上である。
When the voltage difference between the
第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.01V以上、0.6V以下であることが好ましい。また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電位差は0.6V以上、2V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424としては、実施形態5と同様のものを用いることができる。本実施形態では、両基板側に垂直配向膜が配置されているため、水平配向膜が配置される場合よりも、生産性に優れた光学素子10を実現することができる。
As the first
第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424の少なくとも一方は、弱アンカリングの垂直配向膜であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域かつ低電圧で切り替えることができる。ここで、上記弱アンカリングの垂直配向膜は、極角及び方位角の少なくとも一方において弱アンカリングであればよい。
At least one of the first
光学素子10に入射する光は、円偏光であることが好ましい。このような態様とすることにより、円偏光の偏光状態をスイッチング可能な光学素子10を実現することができる。
Preferably, the light incident on the
(実施形態9の変形例)
上記実施形態9において、第一状態及び第二状態において、第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差は、8V以上であることも好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に液晶分子310を水平配向させることができる。第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差の上限は特に限定されないが、第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差は、例えば、20V以下である。第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差は、8V以上、20V以下であることが好ましい。
(Modification of Embodiment 9)
In the ninth embodiment, the voltage difference between the
第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間の電圧差が8V以上である場合、例えば、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電位差は3V以下であることが好ましい。第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、1.1V以上である。
When the voltage difference between the
第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.01V以上、2V以下であることが好ましい。また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電位差は1.1V以上、3V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
本変形例のように電圧を印加することにより、界面近傍の液晶分子310まで倒れるため、視野角の広いsHWPを実現することができる。この際、適宜、セル厚やねじれピッチ、位相差フィルムの角度を変更することができる。
By applying a voltage as in this modified example, the
(実施形態10)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~9及びその変形例と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、液晶セル11の構成、及び、電極に印加される好ましい電圧が異なることを除いて、実施形態9と実質的に同じである。
(Embodiment 10)
In this embodiment, the features unique to this embodiment will be mainly described, and the description of the contents overlapping with the above-mentioned
図69は、実施形態10に係る光学素子の断面模式図である。図70は、実施形態10に係る光学素子が備える液晶セルの断面模式図である。図71は、実施形態10に係る光学素子の、第一状態及び第二状態における液晶分子の配向について説明する模式図である。基板の界面付近の液晶分子の配向は垂直であり方位の規定ができないため、図71では、液晶分子の配向方位を電極方向で規定する。
FIG. 69 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to
なお、本実施形態では、基準となる方位(0°)は、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aを光学素子10の出射側の基板面上に射影したときの方向に設定され、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aは、光学素子10を出射側から見たときの、液晶セル11の画面の水平右方向に一致する。
In this embodiment, the reference direction (0°) is the
図69~図71に示す本実施形態の光学素子10が備える液晶セル11は、更に、第一基板100と液晶層300との間に配置された第一の垂直配向膜414と、液晶層300と第二基板200との間に配置された第二の垂直配向膜424と、を有する。液晶層300は、負の誘電率異方性を有する液晶分子310を含有する。電極11Eは、第一基板100において、面状の第一電極131、及び、第一の絶縁層141を介して第一電極131に重畳し、かつ、スリット部が設けられた第二電極132を有し、第二基板200において、面状の第三電極231、及び、第二の絶縁層241を介して第三電極231に重畳し、かつ、スリット部232Sが設けられた第四電極232を有する。平面視において、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aは、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aに対して斜めに配置され、かつ、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xと平行であり、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aは、電圧無印加状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Xと平行である。
The
このような態様とすることにより、図71に示すように、第一電極131及び第二電極132間を電圧印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧無印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に第一の直線偏光となる。すなわち、第一状態を実現することができる。
By adopting such an aspect, as shown in FIG. 71, when a voltage is applied between the
また、図71に示すように、第一電極131及び第二電極132間を電圧無印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過に、平面視において第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光となる。すなわち、第二状態を実現することができる。
Also, as shown in FIG. 71, when no voltage is applied between the
なお、第一電極131及び第二電極132の一方は画素電極であり、他方は共通電極である。第三電極231及び第四電極232の一方は画素電極であり、他方は共通電極である。図70では、第一基板100及び第二基板200共に、液晶層300側に向かって順に、面状の電極及びスリット部が設けられた電極を備えるが、面状の電極とスリット部が設けられた電極との配置はこれに限定されず、液晶層300側に向かって順に、スリット部が設けられた電極及び面状の電極を備えていてもよい。
Note that one of the
第一基板100側の液晶分子311及び第二基板200側の液晶分子312の少なくとも一方は、チルトを有することが好ましい。例えば、第一基板100側の液晶分子311がチルトを有する場合、第一基板100側の液晶分子311のチルト方位と、第一基板100側のFFS電極の延伸方向の方位とは平行であることが好ましい。より具体的には、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xの方位と、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位とは平行であることが好ましい。この時、第一基板100側の液晶分子311のチルト方位は略0°(例えば、-10°以上、+10°以下)であることが望ましく、第二基板200側の液晶分子312はチルトを有さないことが好ましい。
At least one of the
また、第二基板200側の液晶分子312がチルトを有する場合、第二基板200側の液晶分子312のチルト方位と、第二基板200側のFFS電極の延伸方向の方位とは平行であることが好ましい。より具体的には、電圧無印加状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Xの方位と、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aの方位とは平行であることが好ましい。この時、第二基板200側の液晶分子312のチルト方位は略160°(例えば、150°以上、170°以下)であることが望ましく、第一基板100側の液晶分子311はチルトを有さないことが好ましい。
Further, when the
また、第一基板100側の液晶分子311及び第二基板200側の液晶分子312の両者がチルトを有していてもよい。
Furthermore, both the
平面視において、延伸方向132Aと延伸方向232Aとのなす角度γ(ただし、γは0°を超え、90°未満の実数)、及び、液晶層300に含まれる液晶分子310のツイスト角Cは、第一状態及び第二状態において、上記(式CX1)を満たすことが好ましく、上記(式CX2)を満たすことがより好ましく、上記(式CX3)を満たすことが更に好ましい。このような態様とすることにより、効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。
In plan view, the angle γ between the stretching
ツイスト角Cは、60°以上、80°以下であることが好ましく、64°以上、76°以下であることがより好ましく、68°以上、72°以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。 The twist angle C is preferably 60° or more and 80° or less, more preferably 64° or more and 76° or less, and even more preferably 68° or more and 72° or less. By adopting such an aspect, polarization modulation and polarization non-modulation can be switched more effectively over a wide band.
延伸方向132Aの方位角が0°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xが0°であり、延伸方向232Aの方位角が160°であり、電圧無印加状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Xが160°であり、液晶分子310のツイスト角が70°であり、かつ、液晶層300がネガ型の液晶分子310を含有する場合、図69~図71に示すように、第一電極131及び第二電極132間を電圧印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧無印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一電極131及び第二電極132間を電圧無印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
The azimuth angle of the stretching
スリット部132Sが設けられた第二電極132のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このようにピッチを小さくすることにより、より均一に液晶分子310の配向が変化し、変調特性を優れたものとすることができる。また、スリット部232Sが設けられた第四電極232のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、より均一に液晶分子310の配向が変化し、変調特性を優れたものとすることができる。
The pitch of the
本実施形態の液晶分子310はネガ型の液晶分子310である。このような態様とすることにより、第一基板100及び第二基板200間で大きな縦電圧を印加することにより、ネガ型の液晶分子310を倒して水平配向化させることができる。第一状態及び第二状態において、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、1V以上であることが好ましく、3V以上であることがより好ましく、4V以上であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に液晶分子310を水平配向させることができる。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差の上限は特に限定されないが、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、例えば、7V以下である。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、1V以上、7V以下であることが好ましく、3V以上、7V以下であることがより好ましく、4V以上、7V以下であることが更に好ましい。
The
更に、第一電極131及び第二電極132間、及び、第三電極231及び第四電極232間のそれぞれにおいて、画素電極及び共通電極間に弱い電圧を印加して液晶分子310の面内配向方位を制御することができる。液晶分子310がネガ型の液晶分子である場合、面内ではスリット部132S、232Sの延伸方向(電界とは直交する方向)に液晶分子310は配向する。このとき、強い横電界を印加すると、カイラルの力による液晶の配向捩れを妨害するので、横電界は弱いことが好ましい。
Further, a weak voltage is applied between the pixel electrode and the common electrode between the
第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差が7V以下である場合、例えば、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.6V以下であることが好ましい。第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.7V以上である。また、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。
When the voltage difference between the
第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.7V以上、2V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.01V以上、0.6V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.6V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。また、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.7V以上である。
In addition, the voltage difference between the
第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.01V以上、0.6V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.7V以上、2V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424としては、実施形態5と同様のものを用いることができる。本実施形態では、両基板側に垂直配向膜が配置されているため、水平配向膜が配置される場合よりも、生産性に優れた光学素子10を実現することができる。
As the first
第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424の少なくとも一方は、弱アンカリングの垂直配向膜であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域かつ低電圧で切り替えることができる。ここで、上記弱アンカリングの垂直配向膜は、極角及び方位角の少なくとも一方において弱アンカリングであればよい。
At least one of the first
(実施形態10の変形例)
上記実施形態10において、第一状態及び第二状態において、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、8V以上であることも好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に液晶分子310を水平配向させることができる。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差の上限は特に限定されないが、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、例えば、20V以下である。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、8V以上、20V以下であることが好ましい。
(Modification of Embodiment 10)
In the tenth embodiment, the voltage difference between the
第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差が8V以上である場合、例えば、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、3V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、1.1V以上である。また、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。
When the voltage difference between the
第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、1.1V以上、3V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.01V以上、2V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、3V以下であることが好ましい。第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。また、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、1.1V以上である。
Moreover, it is preferable that the voltage difference between the
第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.01V以上、2V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、1.1V以上、3V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
本変形例のように電圧を印加することにより、界面近傍の液晶分子310まで倒れるため、視野角の広いsHWPを実現することができる。この際、適宜、セル厚やねじれピッチ、位相差フィルムの角度を変更することができる。
By applying a voltage as in this modification, even the
(実施形態11)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~10及びその変形例と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、液晶セル11の構成、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A及び第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aの好ましい方位角、並びに、電極に印加される好ましい電圧が異なることを除いて、実施形態9と実質的に同じである。
(Embodiment 11)
In this embodiment, the features unique to this embodiment will be mainly described, and the description of the contents overlapping with those of the above-mentioned
図72は、実施形態11に係る光学素子の断面模式図である。図73は、実施形態11に係る光学素子が備える液晶セルの断面模式図である。図74は、実施形態11に係る光学素子の、第一状態及び第二状態における液晶分子の配向について説明する模式図である。基板の界面付近の液晶分子の配向は垂直であり方位の規定ができないため、図74では、液晶分子の配向方位を電極方向で規定する。
Figure 72 is a cross-sectional schematic diagram of an optical element according to
なお、本実施形態では、基準となる方位(0°)は、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aを光学素子10の出射側の基板面上に射影したときの方向に設定され、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aは、光学素子10を出射側から見たときの、液晶セル11の画面の水平右方向に一致する。
In this embodiment, the reference direction (0°) is the
図72~図74に示す本実施形態の光学素子10が備える液晶セル11は、更に、第一基板100と液晶層300との間に配置された第一の垂直配向膜414と、液晶層300と第二基板200との間に配置された第二の垂直配向膜424と、を有する。液晶層300は、負の誘電率異方性を有する液晶分子310を含有する。電極11Eは、第一基板100において、面状の第一電極131、及び、第一の絶縁層141を介して第一電極131に重畳し、かつ、スリット部が設けられた第二電極132を有し、第二基板200において、面状の第三電極231、及び、第二の絶縁層241を介して第三電極231に重畳し、かつ、スリット部232Sが設けられた第四電極232を有する。平面視において、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xは、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aと第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aとの間に配置され、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aと直交し、かつ、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aに対して斜めに配置される。
The
このような態様とすることにより、図74に示すように、第一電極131及び第二電極132間を電圧印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧無印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に第一の直線偏光となる。すなわち、第一状態を実現することができる。
By adopting such an aspect, as shown in FIG. 74, when a voltage is applied between the
また、図74に示すように、第一電極131及び第二電極132間を電圧無印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過に、平面視において第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光となる。すなわち、第二状態を実現することができる。
Further, as shown in FIG. 74, when no voltage is applied between the
なお、第一電極131及び第二電極132の一方は画素電極であり、他方は共通電極である。第三電極231及び第四電極232の一方は画素電極であり、他方は共通電極である。図73では、第一基板100及び第二基板200共に、液晶層300側に向かって順に、面状の電極及びスリット部が設けられた電極を備えるが、面状の電極とスリット部が設けられた電極との配置はこれに限定されず、液晶層300側に向かって順に、スリット部が設けられた電極及び面状の電極を備えていてもよい。
Note that one of the
第一基板100側の液晶分子311及び第二基板200側の液晶分子312の少なくとも一方は、チルトを有することが好ましい。例えば、第一基板100側の液晶分子311がチルトを有する場合、第一基板100側の液晶分子311のチルト方位と、第一基板100側のFFS電極の延伸方向の方位とは直交することが好ましい。より具体的には、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xの方位と、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位とは直交することが好ましい。この時、第一基板100側の液晶分子311のチルト方位は略-45°(例えば、-55°以上、-35°以下)であることが望ましく、第二基板200側の液晶分子312はチルトを有さないことが好ましい。また、第二基板200側の液晶分子312がチルトを有し、第一基板100側の液晶分子311はチルトを有さなくてもよい。また、第一基板100側の液晶分子311及び第二基板200側の液晶分子312の両者がチルトを有していてもよい。
At least one of the
平面視において、配向方向311Xと延伸方向232Aとのなす角度δ(ただし、δは0°を超え、90°未満の実数)、及び、液晶層300に含まれる液晶分子310のツイスト角D1は、第一状態及び第二状態において、下記(式DX1)を満たすことが好ましい。このような態様とすることにより、効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。
80°-D1≦δ≦100°-D1 (式DX1)
In plan view, it is preferable that the angle δ (δ is a real number greater than 0° and less than 90°) between the alignment direction 311X and the stretching
80°-D1≦δ≦100°-D1 (Formula DX1)
ツイスト角D1は、60°以上、80°以下であることが好ましく、64°以上、76°以下であることがより好ましく、68°以上、72°以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。 The twist angle D1 is preferably 60° or more and 80° or less, more preferably 64° or more and 76° or less, and even more preferably 68° or more and 72° or less. By adopting such an aspect, polarization modulation and polarization non-modulation can be switched more effectively over a wide band.
延伸方向132Aの方位角が90°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xが0°であり、延伸方向232Aの方位角が160°であり、液晶分子310のツイスト角が70°であり、かつ、液晶層300がネガ型の液晶分子310を含有する場合、図72~図74に示すように、第一電極131及び第二電極132間を電圧印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧無印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一電極131及び第二電極132間を電圧無印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
The azimuth angle of the stretching
第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側から遠い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本実施形態では第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は、58°以上、78°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
When the azimuth angle of the
第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側に近い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本実施形態では第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は、13°以上、33°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
When the azimuth angle of the
第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aと、第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aとのなす角度は、40°以上、50°以下であることが好ましく、42°以上、48°以下であることがより好ましく、44°以上、46°以下であることが更に好ましく、45°であることが特に好ましい。
The angle between the
本実施形態では、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とし、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12Aの方位角を58°以上、78°以下に設定し、かつ、第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aの方位角を、13°以上、33°以下に設定することにより、第一状態において、上記第一の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)とは偏光状態が異なる円偏光(例えば、左円偏光)に広帯域で変換される。このように、第一状態では、光学素子10に入射した円偏光が偏光状態の異なる円偏光に変換されて(例えば、右円偏光が左円偏光に変換されて)出射される偏光変調が広帯域で実現される。また、上記第二の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13を通過することにより、液晶セル11へ入射した円偏光と偏光状態が同じである円偏光(例えば、右円偏光)のまま広帯域で出射される。このように、第二状態では、光学素子10に入射した円偏光が同じ偏光状態のまま(例えば、右円偏光のまま)出射される偏光非変調が広帯域で実現される。
In this embodiment, the azimuth angle of the
スリット部132Sが設けられた第二電極132のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このようにピッチを小さくすることにより、より均一に液晶分子310の配向が変化し、変調特性を優れたものとすることができる。また、スリット部232Sが設けられた第四電極232のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、より均一に液晶分子310の配向が変化し、変調特性を優れたものとすることができる。
The pitch of the
本実施形態の液晶分子310はネガ型の液晶分子310である。このような態様とすることにより、第一基板100及び第二基板200間で大きな縦電圧を印加することにより、ネガ型の液晶分子310を倒して水平配向化させることができる。第一状態及び第二状態において、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、1V以上であることが好ましく、3V以上であることがより好ましく、4V以上であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に液晶分子310を水平配向させることができる。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差の上限は特に限定されないが、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、例えば、7V以下である。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、1V以上、7V以下であることが好ましく、3V以上、7V以下であることがより好ましく、4V以上、7V以下であることが更に好ましい。
The
更に、第一電極131及び第二電極132間、及び、第三電極231及び第四電極232間のそれぞれにおいて、画素電極及び共通電極間に弱い電圧を印加して液晶分子310の面内配向方位を制御することができる。液晶分子310がネガ型の液晶分子である場合、面内ではスリット部132S、232Sの延伸方向(電界とは直交する方向)に液晶分子310は配向する。このとき、強い横電界を印加すると、カイラルの力による液晶の配向捩れを妨害するので、横電界は弱いことが好ましい。
Further, a weak voltage is applied between the pixel electrode and the common electrode between the
第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差が7V以下である場合、例えば、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.6V以下であることが好ましい。第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.7V以上である。また、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。
If the voltage difference between the
第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.7V以上、2V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.01V以上、0.6V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.6V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。また、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.7V以上である。
In addition, the voltage difference between the
第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.01V以上、0.6V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.7V以上、2V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424としては、実施形態5と同様のものを用いることができる。本実施形態では、両基板側に垂直配向膜が配置されているため、水平配向膜が配置される場合よりも、生産性に優れた光学素子10を実現することができる。
As the first
第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424の少なくとも一方は、弱アンカリングの垂直配向膜であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域かつ低電圧で切り替えることができる。ここで、上記弱アンカリングの垂直配向膜は、極角及び方位角の少なくとも一方において弱アンカリングであればよい。
At least one of the first
(実施形態11の変形例)
上記実施形態11において、第一状態及び第二状態において、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、8V以上であることも好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に液晶分子310を水平配向させることができる。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差の上限は特に限定されないが、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、例えば、20V以下である。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、8V以上、20V以下であることが好ましい。
(Modification of the eleventh embodiment)
In the above-mentioned
第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差が8V以上である場合、例えば、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、3V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、1.1V以上である。また、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。
When the voltage difference between the
第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、1.1V以上、3V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.01V以上、2V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、3V以下であることが好ましい。第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。また、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、1.1V以上である。
Furthermore, the voltage difference between the
第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.01V以上、2V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、1.1V以上、3V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
本変形例のように電圧を印加することにより、界面近傍の液晶分子310まで倒れるため、視野角の広いsHWPを実現することができる。この際、適宜、セル厚やねじれピッチ、位相差フィルムの角度を変更することができる。
By applying a voltage as in this modification, even the
(実施形態12)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~11及びその変形例と重複する内容については説明を省略する。本実施形態は、液晶セル11の構成、及び、電極に印加される好ましい電圧が異なることを除いて、実施形態9と実質的に同じである。
(Embodiment 12)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly described, and descriptions of contents that overlap with the above-described
図75は、実施形態12に係る光学素子の断面模式図である。図76は、実施形態12に係る光学素子が備える液晶セルの断面模式図である。図77は、実施形態12に係る光学素子の、第一状態及び第二状態における液晶分子の配向について説明する模式図である。基板の界面付近の液晶分子の配向は垂直であり方位の規定ができないため、図77では、液晶分子の配向方位を電極方向で規定する。
FIG. 75 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to
なお、本実施形態では、基準となる方位(0°)は、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aを光学素子10の出射側の基板面上に射影したときの方向に設定され、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aは、光学素子10を出射側から見たときの、液晶セル11の画面の水平右方向に一致する。
In this embodiment, the reference direction (0°) is the
図75~図77に示す本実施形態の光学素子10が備える液晶セル11は、更に、第一基板100と液晶層300との間に配置された第一の垂直配向膜414と、液晶層300と第二基板200との間に配置された第二の垂直配向膜424と、を有する。液晶層300は、負の誘電率異方性を有する液晶分子310を含有する。電極11Eは、第一基板100において、面状の第一電極131、及び、第一の絶縁層141を介して第一電極131に重畳し、かつ、スリット部が設けられた第二電極132を有し、第二基板200において、面状の第三電極231、及び、第二の絶縁層241を介して第三電極231に重畳し、かつ、スリット部232Sが設けられた第四電極232を有する。平面視において、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xは、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aと第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aとの間に配置され、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aと直交し、かつ、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aに対して斜めに配置される。
The
このような態様とすることにより、図77に示すように、第一電極131及び第二電極132間を電圧印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧無印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過後に第一の直線偏光となる。すなわち、第一状態を実現することができる。
By adopting this configuration, as shown in FIG. 77, when a voltage is applied between the
また、図77に示すように、第一電極131及び第二電極132間を電圧無印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧印加状態にした際に、液晶セル11へ入射した円偏光(例えば、右円偏光)は液晶セル11通過に、平面視において第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光となる。すなわち、第二状態を実現することができる。
Also, as shown in FIG. 77, when no voltage is applied between the
なお、第一電極131及び第二電極132の一方は画素電極であり、他方は共通電極である。第三電極231及び第四電極232の一方は画素電極であり、他方は共通電極である。図77では、第一基板100及び第二基板200共に、液晶層300側に向かって順に、面状の電極及びスリット部が設けられた電極を備えるが、面状の電極とスリット部が設けられた電極との配置はこれに限定されず、液晶層300側に向かって順に、スリット部が設けられた電極及び面状の電極を備えていてもよい。
One of the
第一基板100側の液晶分子311及び第二基板200側の液晶分子312の少なくとも一方は、チルトを有することが好ましい。例えば、第一基板100側の液晶分子311がチルトを有する場合、本実施形態では、第一基板100側の液晶分子311のチルト方位と、第一基板100側のFFS電極の延伸方向の方位とは直交することが好ましく、両者のなす角度が90°であることがより好ましい。より具体的には、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xの方位と、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位とは直交することが好ましく、両者のなす角度が90°であることがより好ましい。この時、第一基板100側の液晶分子311のチルト方位は略0°(例えば、-10°以上、+10°以下)が望ましく、第二基板200側の液晶分子312はチルトを有さないことが好ましい。また、第二基板200側の液晶分子312はチルトを有し、第一基板100側の液晶分子311はチルトを有さなくてもよい。また、第一基板100側の液晶分子311及び第二基板200側の液晶分子312の両者がチルトを有していてもよい。
At least one of the
平面視において、配向方向311Xと延伸方向232Aとのなす角度δ(ただし、δは0°を超え、90°未満の実数)、及び、液晶層300に含まれる液晶分子310のツイスト角D1は、第一状態及び第二状態において、上記(式DX1)を満たすことが好ましい。このような態様とすることにより、効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。
In plan view, the angle δ between the alignment direction 311X and the stretching
ツイスト角D1は、60°以上、80°以下であることが好ましく、64°以上、76°以下であることがより好ましく、68°以上、72°以下であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替えることができる。 The twist angle D1 is preferably 60° or more and 80° or less, more preferably 64° or more and 76° or less, and even more preferably 68° or more and 72° or less. By adopting such an embodiment, it is possible to more effectively switch between polarization modulation and polarization non-modulation over a wide bandwidth.
延伸方向132Aの方位角が90°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xが0°であり、延伸方向232Aの方位角が160°であり、液晶分子310のツイスト角が70°であり、かつ、液晶層300がネガ型の液晶分子310を含有する場合、図75~図77に示すように、第一電極131及び第二電極132間を電圧無印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧無印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一電極131及び第二電極132間を電圧印加状態に、第三電極231及び第四電極232間を電圧印加状態にした場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
The azimuth angle of the stretching
スリット部132Sが設けられた第二電極132のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このようにピッチを小さくすることにより、より均一に液晶分子310の配向が変化し、変調特性を優れたものとすることができる。また、スリット部232Sが設けられた第四電極232のピッチは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、より均一に液晶分子310の配向が変化し、変調特性を優れたものとすることができる。
The pitch of the
本実施形態の液晶分子310はネガ型の液晶分子310である。このような態様とすることにより、第一基板100及び第二基板200間で大きな縦電圧を印加することにより、ネガ型の液晶分子310を倒して水平配向化させることができる。第一状態及び第二状態において、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、1V以上であることが好ましく、3V以上であることがより好ましく、4V以上であることが更に好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に液晶分子310を水平配向させることができる。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差の上限は特に限定されないが、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、例えば、7V以下である。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、1V以上、7V以下であることが好ましく、3V以上、7V以下であることがより好ましく、4V以上、7V以下であることが更に好ましい。
The
更に、第一電極131及び第二電極132間、及び、第三電極231及び第四電極232間のそれぞれにおいて、画素電極及び共通電極間に弱い電圧を印加して液晶分子310の面内配向方位を制御することができる。液晶分子310がネガ型の液晶分子である場合、面内ではスリット部132S、232Sの延伸方向(電界とは直交する方向)に液晶分子310は配向する。このとき、強い横電界を印加すると、カイラルの力による液晶の配向捩れを妨害するので、横電界は弱いことが好ましい。
Furthermore, between the
第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差が7V以下である場合、例えば、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.6V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.6V以下であることが好ましい。第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。また、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。
When the voltage difference between the
第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.01V以上、0.6V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.01V以上、0.6V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.7V以上である。また、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.7V以上である。
Moreover, it is preferable that the voltage difference between the
第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.7V以上、2V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.7V以上、2V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
第一の垂直配向膜414及び第二の垂直配向膜424としては、実施形態5と同様のものを用いることができる。本実施形態では、両基板側に垂直配向膜が配置されているため、水平配向膜が配置される場合よりも、生産性に優れた光学素子10を実現することができる。
As the first
(実施形態12の変形例)
上記実施形態12において、第一状態及び第二状態において、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、8V以上であることも好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に液晶分子310を水平配向させることができる。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差の上限は特に限定されないが、第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、例えば、20V以下である。第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差は、8V以上、20V以下であることが好ましい。
(Modification of Embodiment 12)
In the twelfth embodiment, the voltage difference between the
第一電極131及び第二電極132と第三電極231及び第四電極232との間の電圧差が8V以上である場合、例えば、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、2V以下であることが好ましい。第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。また、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、0.01V以上である。
When the voltage difference between the
第一状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、0.01V以上、2V以下であることが好ましい。第一状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、0.01V以上、2V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
また、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、3V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、3V以下であることが好ましい。第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、例えば、1.1V以上である。また、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差の下限値は特に限定されないが、第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、例えば、1.1V以上である。
Moreover, it is preferable that the voltage difference between the
第二状態における第一電極131と第二電極132との間の電圧差は、1.1V以上、3V以下であることが好ましい。第二状態における第三電極231と第四電極232との間の電圧差は、1.1V以上、3V以下であることが好ましい。
The voltage difference between the
本変形例のように電圧を印加することにより、界面近傍の液晶分子310まで倒れるため、視野角の広いsHWPを実現することができる。この際、適宜、セル厚やねじれピッチ、位相差フィルムの角度を変更することができる。
By applying a voltage as in this modification, even the
(実施形態13)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~12及びその変形例と重複する内容については説明を省略する。本実施形態では、上記実施形態9~12及びその変形例の光学素子(sHWP)を備える可変焦点素子について説明する。
(Embodiment 13)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly described, and descriptions of contents that overlap with the above-described
上記実施形態7と同様に、上記実施形態9~12及びその変形例の光学素子(sHWP)も、PBレンズ20と組み合わせることにより、可変焦点素子30を構成することができる。
Similarly to the seventh embodiment, the optical elements (sHWP) of the ninth to twelfth embodiments and their modifications can also be combined with the
(実施形態13の変形例)
上記実施形態7の変形例1と同様に、本変形例では、上記実施形態13におけるPBレンズ20が光学素子10内に配置され、インセル化された可変焦点素子30について説明する。本変形例では、上記実施形態7の変形例1と重複する内容については説明を省略する。
(Modification of Embodiment 13)
Similar to the first modification of the seventh embodiment, in this modification, the
図78は、実施形態13の変形例に係る可変焦点素子の断面模式図である。図79は、実施形態13の変形例に係る可変焦点素子の拡大断面模式図である。図80は、実施形態13の変形例に係る光学素子の、第一状態及び第二状態における液晶分子の配向について説明する模式図である。基板の界面付近の液晶分子の配向は垂直であり方位の規定ができないため、図80では、液晶分子の配向方位を電極方向で規定する。 FIG. 78 is a schematic cross-sectional view of a variable focus element according to a modification of the thirteenth embodiment. FIG. 79 is an enlarged schematic cross-sectional view of a variable focus element according to a modification of the thirteenth embodiment. FIG. 80 is a schematic diagram illustrating the orientation of liquid crystal molecules in the first state and the second state of an optical element according to a modification of the thirteenth embodiment. Since the alignment of liquid crystal molecules near the interface of the substrate is vertical and the orientation cannot be defined, in FIG. 80, the alignment direction of the liquid crystal molecules is defined by the electrode direction.
なお、本実施形態では、基準となる方位(0°)は、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aを光学素子10の出射側の基板面上に射影したときの方向に設定され、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aは、光学素子10を出射側から見たときの、液晶セル11の画面の水平右方向に一致する。
In this embodiment, the reference direction (0°) is the
本変形例の可変焦点素子30は、図78に示すように、光学素子10とPBレンズ20とからなる積層体を2組以上備える多段階の可変焦点素子30Bである。
As shown in FIG. 78, the
本変形例の可変焦点素子30が備えるPBレンズ20は、図79に示すように、光学素子10内に配置される。このようにPBレンズ20をインセル化することにより、PBレンズ20を外付けする必要がないため、製造コストを大きく下げることができる。また、可変焦点素子30の厚みを抑えることが可能になる。なお、図78では、便宜上、光学素子10とPBレンズ20とを別々に図示している。
The
本変形例の可変焦点素子30は、より具体的には、入射側から出射側に向かって順に、第二の1/4波長フィルム13と、第一の1/4波長フィルム12と、第一基板100と、液晶層300と、PBレンズ20と、第二基板200と、を備える。可変焦点素子30は、第一基板100と液晶層300との間に第一の垂直配向膜414を備えていてもよい。また、可変焦点素子30は、第二基板200と液晶層300との間に第二の垂直配向膜424を備えていてもよい。
More specifically, the
ここで、上記実施形態9~12及びその変形例のように、液晶セル11の出射側に第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13が配置される場合、第一状態では、光学素子10へと入射した円偏光(例えば右円偏光)は、まず、液晶セル11に入射して第一の直線偏光に変換され、当該第一の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13へ入射して円偏光(例えば左円偏光)に変換される。また、第二状態では、光学素子10へと入射した円偏光(例えば右円偏光)は、まず、液晶セル11に入射して第二の直線偏光に変換され、当該第二の直線偏光は、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13へ入射して円偏光(例えば右円偏光)に変換される。
Here, when the first quarter-
一方、本変形例のように、液晶セル11の入射側に第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13が配置される場合、第一状態では、光学素子10へと入射した円偏光(例えば右円偏光)は、まず、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13へ入射して直線偏光に変換され、当該直線偏光は、液晶セル11へ入射して第一の円偏光(例えば左円偏光)に変換される。また、第二状態では、光学素子10へと入射した円偏光(例えば右円偏光)は、まず、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13へ入射して直線偏光に変換され、当該直線偏光は、液晶セル11へ入射して第二の円偏光(例えば右円偏光)に変換される。
On the other hand, when the first 1/4
本変形例では、光学素子10として上記実施形態9の光学素子を用いる場合を例に挙げて説明する。延伸方向132Aの方位角が90°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xが0°であり、液晶分子310のツイスト角が70°であり、かつ、液晶層300がネガ型の液晶分子310を含有する場合、図78~図80に示すように、第一電極131と第二電極132との間に閾値未満の電圧を印加し、かつ、第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間に閾値以上の電圧を印加した場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角が0°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角が70°である第一状態を実現することができる。また、第一電極131と第二電極132との間に閾値以上の電圧を印加し、かつ、第一電極131及び第二電極132とベタ状電極240との間に閾値以上の電圧を印加した場合に、第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角が90°であり、第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角が160°である第二状態を実現することができる。
In this modification, a case where the optical element of Embodiment 9 is used as the
図80に示すように、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側に近い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本変形例では第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は、-2°以上、18°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
As shown in FIG. 80, when the azimuth angle of the
図80に示すように、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角を0°とするとき、第一の1/4波長フィルム12及び第二の1/4波長フィルム13のうち光線の出射側から遠い側の1/4波長フィルムの遅相軸(本変形例では第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は、38°以上、58°以下であることが好ましい。このような態様とすることにより、偏光変調及び偏光非変調をより広帯域で切り替えることができる。
As shown in FIG. 80, when the azimuth angle of the
図81は、実施形態13の変形例に係る可変焦点素子の詳細な構成を説明する断面模式図である。図81に示すように、可変焦点素子30は、入射側から出射側に向かって順に、光学素子10と、第一のPBレンズ20A1と、光学素子10と、第一のPBレンズ20A1と、光学素子10と、第二のPBレンズ20A2と、光学素子10と、第二のPBレンズ20A2と、光学素子10と、第三のPBレンズ20A3と、光学素子10と、第三のPBレンズ20A3と、を備えている。
FIG. 81 is a schematic cross-sectional view illustrating a detailed configuration of a variable focus element according to a modification of the thirteenth embodiment. As shown in FIG. 81, the
第一のPBレンズ20A1は、ディオプトリD=±0.25であり、第二のPBレンズ20A2は、ディオプトリD=±0.5、第三のPBレンズ20A3は、ディオプトリD=±1のレンズ特性を有する。右円偏光が入射した場合は+(集光)し、左円偏光が入射した場合は-(発散)する特性をもつ。 The first PB lens 20A1 has a diopter D=±0.25, the second PB lens 20A2 has a diopter D=±0.5, and the third PB lens 20A3 has a diopter D=±1 lens characteristic. has. It has the characteristic of + (condensing) when right-handed circularly polarized light is incident, and - (diverging) when left-handed circularly polarized light is incident.
下記表2は、実施形態13の変形例に係る可変焦点素子30の、各モードにおける光学素子10及びPBレンズ20A1、20A2及び20A3の状態について説明する表である。
Table 2 below is a table explaining the states of the
上記表2を用いて、F0のモードを説明する。このモードでは、すべての光学素子10が第二状態(非変調)としてある。右円偏光が入射すると、最初の光学素子10で変調されずそのまま最初の第一のPBレンズ20A1に入射する。ここで0.25Dの集光を受ける。その際出射光は左円偏光になる。ここで、PBレンズ20を通過しても円偏光の向きが変わるのは、PBレンズ20の特性である。光学素子10は非変調のため、左円偏光のまま2つ目の光学素子10を通過する。2つの目の第一のPBレンズ20A1では、-0.25Dの発散が生じる。結果として入射側からの最初の4枚(光学素子10、第一のPBレンズ20A1、光学素子10及び第一のPBレンズ20A1)では、入射光がそのまま通過することになる。以降同様に第二のPBレンズ20A2及びPBレンズ20A3も通過し、出射光としても、入射光のまま、0Dでそのまま出射される。
The F0 mode will be explained using Table 2 above. In this mode, all
上記表2を用いて、F1のモードを説明する。このモードでは、入射側から4番目の光学素子10だけ、第一状態としてある。この状態では、最初の第二のPBレンズ20A2を通過後は、F0のモードと同様、左円偏光で0.5Dが付与された状態にある。続いて第一状態となった光学素子で右円偏光に変換される。続いて2番目の第二のPBレンズ20A2で、+0.5Dが付与され、合計1Dが付与された左円偏光となって出射する。その後は、そのまま1Dの左円偏光のまま出射する。2番目の第二のPBレンズ20A2通過後に左円偏光となっているため、第三のPBレンズ20A3での符号がF0の時とは逆になる。
The F1 mode will be explained using Table 2 above. In this mode, only the fourth
上記表2及び図82を用いて、F-2.5のモードを説明する。図82は、実施形態13の変形例に係る可変焦点素子の、F-2.5のモードにおける偏光状態について説明する図である。表2及び図82に示すように、F-2.5のモードでは、入射側からの最初の4枚(光学素子10、第一のPBレンズ20A1、光学素子10及び第一のPBレンズ20A1)で-0.5Dが付与された右円偏光になり、出射側の最後の4枚(光学素子10、第三のPBレンズ20A3、光学素子10及び第三のPBレンズ20A3)で-2Dが付与され、合計-2.5Dの右円偏光として出射される。
The F-2.5 mode will be explained using Table 2 and FIG. 82 above. FIG. 82 is a diagram illustrating the polarization state in the F-2.5 mode of a variable focus element according to a modification of the thirteenth embodiment. As shown in Table 2 and FIG. 82, in the F-2.5 mode, the first four lenses from the incident side (
その他、同様の原理で、どの光学素子10を変調状態の第一状態とするかに応じて、多段階の焦点距離を実現できる。本変形例では抜粋して3つの条件だけを示している。
In addition, based on the same principle, multiple levels of focal length can be realized depending on which
上記実施形態13及び本変形例では、フィルム状(インセルポリマー状)のPBレンズを備えた態様について述べたが、上記実施形態7の変形例1のように、PBレンズ自体を液晶層で形成してもよい。
In
(実施形態14)
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態1~13及びその変形例と重複する内容については説明を省略する。本実施形態では、上記実施形態13及びその変形例の可変焦点素子30を備えるヘッドマウントディスプレイについて説明する。
(Embodiment 14)
In this embodiment, features unique to this embodiment will be mainly explained, and explanations of contents that overlap with the above-mentioned
上記実施形態8と同様に、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ1は、画像を表示する表示パネル1Pと、位相差板40と、可変焦点素子30と、を備える。ヘッドマウントディスプレイ1を用いることにより、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置などの表示パネル1Pから出射された光は、位相差板40を経て円偏光となり、それが可変焦点素子30を通過し、ユーザUに視覚される。
Similar to the eighth embodiment, the head mounted
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明の効果を説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。 The effects of the present invention will be explained below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
上記実施形態1と同様の構成を有する実施例1の光学素子10を作製した。実施例1の光学素子10は、入射側から出射側に向かって順に、液晶セル11と、第一の1/4波長フィルム12としての逆波長分散の1/4波長フィルムと、第二の1/4波長フィルム13としてのフラット波長分散の1/4波長フィルムと、を備えていた。逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は57.2°であり、フラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は12.2であった。実施例1の光学素子10を具体的には次のように作製した。
(Example 1)
An
第一の櫛歯電極120を備える第一基板100と第二の櫛歯電極220を備える第二基板200とを用意した。第一基板100の電極方向(第一の櫛歯電極120の延伸方向120A)と、第二基板200の電極方向(第二の櫛歯電極220の延伸方向220A)とは、貼り合わせた際に、図5に示す角度の関係になるように形成した。また、第二基板200には、高さ3.6μmのフォトスペーサを配置した。
A
次いで、第一の櫛歯電極120を備える第一基板100及び第二の櫛歯電極220を備える第二基板200の両者にPMMA(ポリメチルメタクリレート)を製膜した。続いて、第二基板200にシール材を描画し、第一基板100と第二基板200とを、液晶材料を挟み込んで貼り合わせて液晶セル11を作製した。
Next, a film of PMMA (polymethyl methacrylate) was formed on both the
ここで、上記液晶材料としては、誘電異方性が正のポジ型の液晶分子液晶(Δn=0.066)に、ドデシルアクリレート(C12A)を5wt%とカイラル剤S-811とを混合した混合物を用いた。なお、カイラル剤は、液晶セルでの上下基板間のツイスト角が70°となるように濃度設定した。 The liquid crystal material used here was a mixture of positive type liquid crystal molecules with positive dielectric anisotropy (Δn = 0.066), 5 wt % dodecyl acrylate (C12A) and chiral agent S-811. The concentration of the chiral agent was set so that the twist angle between the upper and lower substrates in the liquid crystal cell was 70°.
この液晶セル11を等方相状態に加熱した後、第一基板100に電圧を印加しながら室温に降温し、第一の弱アンカリングの水平配向膜411と第二の弱アンカリングの水平配向膜421とを備える、一様水平配向の液晶セル11を得た。さらに上記で得られた液晶セル11に逆波長分散の1/4波長フィルム(第一の1/4波長フィルム12)と、フラット波長分散の1/4波長フィルム(第二の1/4波長フィルム13)とを貼り付け、実施例1の光学素子(sHWP素子)10を得た。
After heating this
図33は、実施例1に係る光学素子に印加する電圧について説明するグラフである。図33に示すように、実施例1の光学素子10に対して、第二基板200に電圧を印加すると、図3及び図4に示すように、第二基板200側の横電界により、第二基板200側の液晶分子312が70°方向に配向した。その後、第二基板200の電圧を弱めると(ゼロではない)、第二基板200側の液晶分子312は電界方向に沿って70°方向に並んだまま、第一基板100側の液晶分子311は、液晶材料に添加されたカイラルのねじり力によってスライドし、0°方向に配向した。これが第一状態であった。なお、この後、電圧を切っても、この第一状態の配向状態が維持された。
FIG. 33 is a graph illustrating the voltage applied to the optical element according to Example 1. As shown in FIG. 33, when a voltage is applied to the
上記とは逆の要領で、第一基板100に電圧を印加し、その後弱めると、図3及び図4に示すように、第一基板100側の液晶分子311は90°方向(方位角90°)を向き、第二基板200側の液晶分子312はカイラルの力によって160°方向(方位角160°)を向いた状態が得られた。これが第二状態であった。このように、実施例1の光学素子10は、第一基板100への電圧印加、又は、第二基板200への電圧印加によって、第二状態と第一状態とをスイッチングすることができた。
When a voltage is applied to the
図5に示すように、第一状態と第二状態とは、第一基板100側の液晶分子311と第二基板200側の液晶分子312との間で70°捩れていることは同じであったが、系全体が90°回転した関係にあった。
As shown in FIG. 5, the first state and the second state are the same in that the
好適な液晶セルの設計を検討するために、実施例1の光学素子10についてシンテック社製LCD-MASTER 1Dを用いて光学計算を行った。以下では、シミュレーションにより得られた結果より、450nm~630nmで90%以上の変調(非変調時も含め)を実現することができる範囲を、好ましい範囲と判断した。また、以下で示すグラフでは、簡略化のため、450nmと630nmの波長のみ図示した。
In order to consider the design of a suitable liquid crystal cell, optical calculations were performed on the
まず、液晶層300の波長550nmにおける電圧無印加状態でのリタデーションΔndの好適な範囲を検討するために、実施例1の光学素子10が備える液晶層300の、電圧無印加状態におけるリタデーションに対する、非変調時及び変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散をシミュレーションにより求めた。図34は、実施例1に係る光学素子が備える液晶層のリタデーションに対する、非変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図35は、実施例1に係る光学素子が備える液晶層のリタデーションに対する、変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。
First, in order to examine a suitable range of retardation Δnd of the
図34及び図35に示すように、液晶層300の波長550nmにおける電圧無印加状態でのリタデーションΔndは、180nm以上、280nm以下が好適であることが分かった。
As shown in FIGS. 34 and 35, it was found that the retardation Δnd of the
液晶層300のツイスト角の好適な範囲を検討するために、実施例1の光学素子10が備える液晶層300のツイスト角に対する、非変調時及び変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散をシミュレーションにより求めた。図36は、実施例1に係る光学素子が備える液晶層のツイスト角に対する、非変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図37は、実施例1に係る光学素子が備える液晶層のツイスト角に対する、変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図36及び図37に示すように、第一状態及び第二状態のいずれにおいても、液晶層300のツイスト角は、57°以上、82°以下が好適であることが分かった。
In order to examine a suitable range of the twist angle of the
逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角の好適な範囲を検討するために、実施例1の光学素子10が備える逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角に対する、非変調時及び変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散をシミュレーションにより求めた。図38は、実施例1に係る光学素子が備える逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角に対する、非変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図39は、実施例1に係る光学素子が備える逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角に対する、変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図38及び図39に示すように、第一の1/4波長フィルム12としての逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角は、48°以上、66°以下が好適であることが分かった。
In order to consider the preferred range of the azimuth angle of the slow axis of the reverse wavelength dispersion quarter-wave film, the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 in the non-modulated state and in the modulated state was obtained by simulation with respect to the azimuth angle of the slow axis of the reverse wavelength dispersion quarter-wave film provided in the
逆波長分散の1/4波長フィルムの位相差の好適な範囲を検討するために、実施例1の光学素子10が備える逆波長分散の1/4波長フィルムの位相差に対する、非変調時及び変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散をシミュレーションにより求めた。図40は、実施例1に係る光学素子が備える逆波長分散の1/4波長フィルムの位相差に対する、非変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図41は、実施例1に係る光学素子が備える逆波長分散の1/4波長フィルムの位相差に対する、変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図40及び。図41に示すように、第一の1/4波長フィルム12としての逆波長分散の1/4波長フィルムの位相差は、30nm以上、230nm以下が好適であることが分かった。
In order to examine the preferable range of the retardation of the 1/4 wavelength film with reverse wavelength dispersion, the retardation range of the 1/4 wavelength film with reverse wavelength dispersion included in the
フラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角の好適な範囲を検討するために、実施例1の光学素子10が備えるフラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角に対する、非変調時及び変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散をシミュレーションにより求めた。図42は、実施例1に係る光学素子が備えるフラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角に対する、非変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図43は、実施例1に係る光学素子が備えるフラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角に対する、変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図42及び図43に示すように、第二の1/4波長フィルム13としてのフラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸の方位角は、3°以上、22°以下が好適であることが分かった。
In order to examine the suitable range of the azimuth angle of the slow axis of the quarter-wavelength film with flat wavelength dispersion, the direction of the slow axis of the quarter-wavelength film with flat wavelength dispersion included in the
フラット波長分散の1/4波長フィルムの位相差の好適な範囲を検討するために、実施例1の光学素子10が備えるフラット波長分散の1/4波長フィルムの位相差に対する、非変調時及び変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散をシミュレーションにより求めた。図44は、実施例1に係る光学素子が備えるフラット波長分散の1/4波長フィルムの位相差に対する、非変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図45は、実施例1に係る光学素子が備えるフラット波長分散の1/4波長フィルムの位相差に対する、変調時におけるストークスパラメータS3を示すグラフである。図44及び図45に示すように、第二の1/4波長フィルム13としてのフラット波長分散の1/4波長フィルムの位相差は、110nm以上、175nm以下であることが好適であることが分かった。
In order to consider the suitable range of the phase difference of the quarter-wave film with flat wavelength dispersion, the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 in the non-modulated and modulated state was obtained by simulation for the phase difference of the quarter-wave film with flat wavelength dispersion provided in the
(比較例1)
図46は、比較例1に係る光学素子の断面模式図である。図46示す比較例1の光学素子10R1を作製した。比較例1の光学素子10R1は、上記比較形態1の光学素子に対応する光学素子であった。比較例1の光学素子10R1は、入射側から出射側に向かって順に、遅相軸の方位角が75°である1/4波長フィルム14R、遅相軸の方位角が15°である1/2波長フィルム15R、90°捩れのTN液晶層300R1を備える液晶セル11R1、遅相軸の方位角が-75°である1/2波長フィルム16R、及び、遅相軸の方位角が-15°である1/4波長フィルム17Rを備えていた。
(Comparative Example 1)
46 is a cross-sectional schematic diagram of an optical element according to Comparative Example 1. An optical element 10R1 of Comparative Example 1 shown in FIG. 46 was produced. The optical element 10R1 of Comparative Example 1 was an optical element corresponding to the optical element of Comparative Example 1. The optical element 10R1 of Comparative Example 1 was provided with, in order from the incident side to the exit side, a quarter-
(比較例2)
図47は、比較例2に係る光学素子の断面模式図である。図47に示す比較例2の光学素子10R2を作製した。比較例2の光学素子10R2は、上記比較形態2の光学素子に対応する光学素子であった。比較例2の光学素子10R2は、入射側から出射側に向かって順に、70°捩れのTN液晶層300R2と、-70°捩れのTN液晶層300R3とを積層した構造を有していた。
(Comparative example 2)
FIG. 47 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to Comparative Example 2. An optical element 10R2 of Comparative Example 2 shown in FIG. 47 was manufactured. The optical element 10R2 of Comparative Example 2 was an optical element corresponding to the optical element of
(実施例1、比較例1及び比較例2の評価)
実施例1、比較例1及び比較例2の光学素子(sHWP)について、右円偏光(S3=+1)を入射したときの、出射された光のストークスパラメータS3の波長分散を図48及び図49に示す。図48は、実施例1、比較例1及び比較例2に係る光学素子の、変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。図49は、実施例1、比較例1及び比較例2に係る光学素子の、非変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。
(Evaluation of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2)
For the optical elements (sHWP) of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, when right-handed circularly polarized light (S3=+1) is incident, the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 of the emitted light is shown in FIGS. 48 and 49. Shown below. FIG. 48 is a graph showing the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 during modulation of the optical elements according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG. 49 is a graph showing the chromatic dispersion of the Stokes parameter S3 of the optical elements according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 at the time of non-modulation.
図48に示すように、実施例1の変調時(第一状態の時)は、出射光が幅広い波長帯にわたって、S3=-1に近いことが分かった。すなわち、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。 As shown in Figure 48, during modulation in Example 1 (in the first state), it was found that the emitted light was close to S3 = -1 over a wide wavelength range. In other words, it was possible to modulate from S3 = +1 to S3 = -1 (in other words, from right-handed circular polarization to left-handed circular polarization).
また、図49に示すように、実施例1の非変調時(第二状態の時)には、出射光が広い波長帯にわたって、S3=+1に近いことが分かった。すなわち、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。 Further, as shown in FIG. 49, it was found that when non-modulated (in the second state) in Example 1, the emitted light was close to S3=+1 over a wide wavelength band. That is, it was possible to emit S3=+1 with S3=+1 (in other words, right-handed circularly polarized light remains right-handed circularly polarized light) in an unmodulated state.
一方、比較例1(TN1層)の場合には、非変調時は極めて優れた特性を有するが、変調時は大きな波長依存があり、ごく狭い範囲しか適切に変調されていないことが分かった。また、比較例2(TN2層)の場合には、比較例1よりは広帯域変調に改善するが、非変調時は逆に悪化することが分かった。
On the other hand, in the case of Comparative Example 1 (TN1 layer), it was found that although it had extremely excellent characteristics when not modulated, there was a large wavelength dependence when modulated, and only a very narrow range was appropriately modulated. In addition, in the case of Comparative Example 2 (
(実施例2)
上記実施形態2と同様の構成を有する実施例2の光学素子10を作製した。具体的には、液晶セル11の構成が異なることを除いて、実施例1と同様にして実施例2の光学素子10を作製した。実施例2の光学素子10は、具体的には次のように作製した。
(Example 2)
An
第一基板100として、2つの異なった方向に横電界を印加できる基板を用意した。より具体的には、第一の櫛歯電極121及び第二の櫛歯電極122を備える第一基板100を用意した。第一の櫛歯電極121の延伸方向121Aは、第二の櫛歯電極122の延伸方向122Aに対して直交するよう配置した。第一基板100には、高さ7.6μmのフォトスペーサを配置した。
A substrate to which transverse electric fields can be applied in two different directions was prepared as the
第一基板100上にPHMA(ポリヘキシルメタクリレート)を成膜し、弱アンカリングの水平配向膜412を形成した。第二基板200上に、垂直配向膜422を製膜した。続いて、第二基板200にシール材を描画し、第一基板100と第二基板200とを、液晶材料を挟み込んで貼り合わせて液晶セル11を作製した。
A PHMA (polyhexyl methacrylate) film was formed on the
ここで、上記液晶材料としては、誘電異方性が正のポジ型液晶(Δn=0.066)にカイラル剤S-811を混合した混合物を用いた。なお、カイラル剤は、液晶セルでの上下基板間のツイスト角が106°となるように濃度設定した。 Here, as the liquid crystal material, a mixture of a positive liquid crystal with positive dielectric anisotropy (Δn=0.066) and a chiral agent S-811 was used. The concentration of the chiral agent was set so that the twist angle between the upper and lower substrates in the liquid crystal cell was 106°.
この液晶セル11を等方相状態に加熱した後、第一基板100の上記第一の電界方向に電圧を印加しながら室温に降温し、一様水平配向の液晶セル11を得た。更に、上記で得られた液晶セル11に、第一の1/4波長フィルム12としての逆波長分散の1/4波長フィルムと、第二の1/4波長フィルム13としてのフラット波長分散の1/4波長フィルムとを、軸方位が図13に示される方位となるように貼り付け、実施例2の光学素子(sHWP素子)10を得た。第一の電界方向に電圧を印加すると第一状態(変調状態)が得られ、第二の電界方向に電圧を印加すると第二状態(非変調状態)が得られた。
After heating this
(実施例1、実施例2及び比較例1の評価)
実施例1、実施例2及び比較例1の光学素子(sHWP)について、右円偏光(S3=+1)を入射したときの、出射された光のストークスパラメータS3の波長分散を図50及び図51に示す。図50は、実施例1、実施例2及び比較例1に係る光学素子の、変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。図51は、実施例1、実施例2及び比較例1に係る光学素子の、非変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。
(Evaluation of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1)
For the optical elements (sHWP) of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, when right-handed circularly polarized light (S3=+1) is incident, the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 of the emitted light is shown in FIGS. 50 and 51. Shown below. FIG. 50 is a graph showing the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 during modulation of the optical elements according to Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. FIG. 51 is a graph showing the chromatic dispersion of the Stokes parameter S3 of the optical elements according to Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 at the time of non-modulation.
図50に示すように、実施例2の変調時(第一状態の時)は実施例1と同様に、出射光が幅広い波長帯にわたって、S3=-1に近いことが分かる。すなわち、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。 As shown in Figure 50, during modulation in Example 2 (first state), it can be seen that the emitted light is close to S3 = -1 over a wide wavelength range, similar to Example 1. In other words, it was possible to modulate from S3 = +1 to S3 = -1 (in other words, from right-handed circular polarization to left-handed circular polarization).
また、図51に示すように、実施例2の非変調時(第二状態の時)には実施例1と同様に、出射光が広い波長帯にわたって、S3=+1に近いことが分かる。すなわち、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。 Furthermore, as shown in FIG. 51, it can be seen that when the second embodiment is not modulated (in the second state), the emitted light is close to S3=+1 over a wide wavelength band, similarly to the first embodiment. That is, it was possible to emit S3=+1 with S3=+1 (in other words, right-handed circularly polarized light remains right-handed circularly polarized light) in an unmodulated state.
(実施例3)
上記実施形態3に対応する実施例3の光学素子10を作製した。具体的には、第一の櫛歯電極121及び第二の櫛歯電極122を備える第一基板100と、第三の櫛歯電極221及び第四の櫛歯電極222を備える第二基板200と、を用いること以外は、実施例1と同様にして実施例3の光学素子10を作製した。
(Example 3)
An
実施例3の光学素子は、変調時(第一状態の時)において、実施例1と同様に、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。非変調時(第二状態の時)には、実施例1と同様に、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。 During modulation (in the first state), the optical element of Example 3 modulates from S3=+1 to S3=-1 (in other words, from right-handed circularly polarized light to left-handed circularly polarized light), as in Example 1. I was able to do that. When not modulated (in the second state), as in Example 1, it is possible to emit S3=+1 with S3=+1 (in other words, the right-handed circularly polarized light remains as the right-handed circularly polarized light) while remaining in the unmodulated state. did it.
実施例3の光学素子10は、第一基板100及び第二基板200の両基板にオン電圧をかけ、その後電圧を下げることで、2状態を作ることができた。実施例3では、第一基板100と第二基板200の両方の配向を電圧で規定できるため、応答速度を高めることができた。
In the
(実施例4-1及び実施例4-2)
上記実施形態4に対応する実施例4-1及び実施例4-2の光学素子10を作製した。具体的には、第一基板100と液晶層300との間に設けられた第一の配向膜410、及び、第二基板200と液晶層300との間に設けられた第二の配向膜420の構成が異なること以外は、実施例1と同様にして実施例4-1及び実施例4-2の光学素子10を作製した。図52は、実施例4-1に係る光学素子が備える双安定配向膜の配向方向について説明する図である。図53は、実施例4-2に係る光学素子が備える双安定配向膜の配向方向について説明する図である。実施例4-1及び実施例4-2の光学素子10は、第二基板200側に、第二の配向膜420として弱アンカリングの水平配向膜(スリッパリー膜ともいう)423を備え、第一基板100側に、第一の配向膜410として双安定配向膜413を備えていた。
(Example 4-1 and Example 4-2)
実施例4-1及び実施例4-2の光学素子10が備える弱アンカリングの水平配向膜(スリッパリー膜)423としてPEG膜を用いた。PEG膜は以下の手順で形成した。メトキシポリエチレングリコールモノアクリレート5wt%、ポリエチレングリコールジアクリレート5wt%、Irgacure2959(0.1wt%)、シクロペンタノン(89.9wt%)を調合した。これを第二基板200上に塗布し、254nmの紫外線を2J/cm2照射し、その後130℃で90分焼成処理を行った。これにより、弱アンカリングの水平配向膜423が得られた。
A PEG film was used as the weak anchoring horizontal alignment film (slippery film) 423 provided in the
実施例4-1の光学素子10が備える双安定配向膜413には、光配向によるものを用いた。具体的には、図52に示すように、光官能波長が互いに異なる2つのポリマー(第一の光配向ポリマー及び第二の光配向ポリマー)を混合した材料を用いて双安定配向膜413を形成した。光官能波長が互いに異なる2つのポリマーを混合した溶液を基板上に塗布した後、特定の波長の偏光紫外線を照射後、それとは別の波長と方向の偏光紫外線を照射することで、第一の光配向ポリマーにより配向が規制される第一の方向413Aと、第二の光配向ポリマーにより配向が規制される第二の方向413Bの2方向に配向安定方向を持つ双安定配向膜413を形成した。
The
実施例4-2の光学素子10が備える双安定配向膜413には、凹凸基板とラビング処理によるものを用いた。具体的には、図53に示すように、第一基板100にポリマーで特定の方向(第一の方向413A)に溝を有する構造物を形成し、その溝方向とは異なる方向(第二の方向413B)にラビング処理を実施した。液晶分子310は、溝方向に並ぼうとする力と、ラビング方向に並ぼうとする力の2つが存在し、2方向に配向安定方向を持つ双安定配向膜413を形成することができた。
For the
実施例4-1及び4-2の光学素子は、変調時(第一状態の時)において、実施例1と同様に、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。非変調時(第二状態の時)には、実施例1と同様に、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。 The optical elements of Examples 4-1 and 4-2 change from S3=+1 to S3=-1 (in other words, from right-handed circularly polarized light to left-handed circularly polarized light), as in Example 1, during modulation (in the first state). (to circularly polarized light). When not modulated (in the second state), as in Example 1, it is possible to emit S3=+1 with S3=+1 (in other words, the right-handed circularly polarized light remains as the right-handed circularly polarized light) while remaining in the unmodulated state. did it.
(実施例5)
上記実施形態5に対応する実施例5の光学素子10を作製した。具体的には、液晶セル11の構成が異なること以外は、実施例1と同様にして実施例5の光学素子10を作製した。実施例5の光学素子10が備える液晶セル11は、第一電極131及び第二電極132を有する第一基板100と、第一の垂直配向膜414と、液晶分子310を含有する液晶層300と、第二の垂直配向膜424と、第三電極231及び第四電極232を有する第二基板200と、を順に備えていた。図19に示すように、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位角は0°であり、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aの方位角は160°であった。
(Example 5)
An
図54は、実施例5に係る光学素子の、第一状態における印加電圧について説明するグラフである。図54に示すように、実施例5の光学素子10において、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に+/-1Vを、画素電極に-/+1Vを印加し、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232の両者に+/-5Vを印加することにより、第一状態を実現することができた。また、実施例5の光学素子10において、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232のうち共通電極に+/-1Vを、画素電極に-/+1Vを印加し、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132の両者に+/-5Vを印加することにより、第二状態を実現することができた。
Figure 54 is a graph explaining the applied voltage in the first state of the optical element according to Example 5. As shown in Figure 54, in the
図55は、実施例1、実施例2、実施例5、比較例1及び比較例2に係る光学素子の、変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。図56は、実施例1、実施例2、実施例5、比較例1及び比較例2に係る光学素子の、非変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。実施例5の光学素子10について、右円偏光(S3=+1)を入射したときの、出射された光のストークスパラメータS3の波長分散を図55及び図56に示す。
FIG. 55 is a graph showing the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 during modulation of the optical elements according to Example 1, Example 2, Example 5, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG. 56 is a graph showing the chromatic dispersion of the Stokes parameter S3 of the optical elements according to Example 1, Example 2, Example 5, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 at the time of non-modulation. FIGS. 55 and 56 show the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 of the emitted light when right-handed circularly polarized light (S3=+1) is incident on the
実施例5でも、波長450nm~650nmにわたって、|S3|>0.9が得られており、良好な特性が得られた。すなわち、図55に示すように、実施例5の変調時(第一状態の時)は、出射光が幅広い波長帯にわたって、S3=-1に近いことが分かった。すなわち、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。また、図56に示すように、実施例5の非変調時(第二状態の時)には、出射光が広い波長帯にわたって、S3=+1に近いことが分かった。すなわち、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。 In Example 5, |S3|>0.9 was also obtained over the wavelength range of 450 nm to 650 nm, and good characteristics were obtained. That is, as shown in FIG. 55, during modulation (first state) in Example 5, it was found that the emitted light was close to S3=-1 over a wide wavelength range. That is, it was possible to modulate from S3=+1 to S3=-1 (in other words, from right-handed circularly polarized light to left-handed circularly polarized light). Also, as shown in FIG. 56, during non-modulation (second state) in Example 5, it was found that the emitted light was close to S3=+1 over a wide wavelength range. That is, it was possible to output S3=+1 as S3=+1 (in other words, right-handed circularly polarized light as right-handed circularly polarized light) in an unmodulated state.
本実施例でも、他の実施例同様、液晶層のΔndやツイスト角の設計によって、適宜変調特性・非変調特性をチューニングすることができる。 In this embodiment, as in the other embodiments, the modulation characteristics and non-modulation characteristics can be tuned as appropriate by designing the Δnd and twist angle of the liquid crystal layer.
(実施例6)
上記実施形態6と同様の構成を有する実施例6の光学素子10を作製した。具体的には、実施例6の光学素子10は、入射側から出射側に向かって順に、液晶セル11と、第一の1/4波長フィルム12としての逆波長分散の1/4波長フィルムとを備えていた。逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は12.2°であり、第一の櫛歯電極120の延伸方向120Aの方位角は0°であり、第二の櫛歯電極220の延伸方向220Aの方位角は220°であった。実施例6の光学素子10を具体的には次のように作製した。
(Example 6)
An
第一の櫛歯電極120を備える第一基板100と、第二の櫛歯電極220を備える第二基板200とを用意した。第一基板100の電極方向(第一の櫛歯電極120の延伸方向120A)と、第二基板200の電極方向(第二の櫛歯電極220の延伸方向220A)は、貼り合わせた際に、図23に示す角度の関係になるように形成した。また、第二基板200には、高さ3.4μmのスペーサを配置した。
A
次いで、第一基板100及び第二基板200の両者にPMMA(ポリメチルメタクリレート)を製膜した。続いて、第二基板200にシール材を描画し、第一基板100と第二基板200とを、液晶材料を挟み込んで貼り合わせて液晶セル11を作製した。
Next, a film of PMMA (polymethyl methacrylate) was formed on both the
ここで、上記液晶材料としては、誘電異方性が正のポジ型の液晶分子(Δn=0.066)に、ドデシルアクリレート(C12A)を5wt%とカイラル剤S-811とを混合した混合物を用いた。なお、カイラル剤は、液晶セルでの上下基板間のツイスト角が64°となるように濃度設定した。 Here, the liquid crystal material is a mixture of positive liquid crystal molecules with positive dielectric anisotropy (Δn=0.066), 5 wt% of dodecyl acrylate (C12A), and chiral agent S-811. Using. Note that the concentration of the chiral agent was set so that the twist angle between the upper and lower substrates in the liquid crystal cell was 64°.
この液晶セル11を等方相状態に加熱した後、第一基板100に電圧を印加しながら室温に降温し、第一の弱アンカリングの水平配向膜411と第二の弱アンカリングの水平配向膜421とを備える、一様水平配向の液晶セル11を得た。さらに上記で得られた液晶セル11に逆波長分散の1/4波長フィルム(第一の1/4波長フィルム12)を貼り付け、実施例6の光学素子(sHWP素子)10を得た。
After heating this
図57は、実施例1、実施例2、実施例5、実施例6、比較例1及び比較例2に係る光学素子の、変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。図58は、実施例1、実施例2、実施例5、実施例6、比較例1及び比較例2に係る光学素子の、非変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。実施例6の光学素子10について、右円偏光(S3=+1)を入射したときの、出射された光のストークスパラメータS3の波長分散を図57及び図58に示す。
FIG. 57 is a graph showing the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 during modulation of the optical elements according to Example 1, Example 2, Example 5, Example 6, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG. 58 is a graph showing the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 of the optical elements according to Example 1, Example 2, Example 5, Example 6, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 at the time of non-modulation. FIGS. 57 and 58 show the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 of the emitted light when right-handed circularly polarized light (S3=+1) is incident on the
実施例6でも、波長450nm~650nmにわたって、|S3|>0.9が得られており、良好な特性が得られた。すなわち、図57に示すように、実施例5の変調時(第一状態の時)は、出射光が幅広い波長帯にわたって、S3=-1に近いことが分かった。すなわち、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。また、図58に示すように、実施例5の非変調時(第二状態の時)には、出射光が広い波長帯にわたって、S3=+1に近いことが分かった。すなわち、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。 In Example 6 as well, |S3|>0.9 was obtained over the wavelength range of 450 nm to 650 nm, and good characteristics were obtained. That is, as shown in FIG. 57, it was found that during modulation in Example 5 (in the first state), the emitted light was close to S3=-1 over a wide wavelength band. That is, it was possible to modulate from S3=+1 to S3=-1 (in other words, from right-handed circularly polarized light to left-handed circularly polarized light). Furthermore, as shown in FIG. 58, it was found that when non-modulated (in the second state) in Example 5, the emitted light was close to S3=+1 over a wide wavelength band. That is, it was possible to emit S3=+1 with S3=+1 (in other words, right-handed circularly polarized light remains right-handed circularly polarized light) in an unmodulated state.
本実施例でも、他の実施例同様、液晶層のΔndやツイスト角の設計によって、適宜変調特性・非変調特性をチューニングすることができる。 In this embodiment, as in the other embodiments, the modulation characteristics and non-modulation characteristics can be tuned as appropriate by designing the Δnd and twist angle of the liquid crystal layer.
(実施例7)
図59は、実施例7に係る可変焦点素子が備える光学素子の軸方位を示す図である。上記実施形態7の変形例1に対応する実施例7の可変焦点素子30を作製した。実施例7の可変焦点素子30は、入射側から出射側に向かって順に、第二の1/4波長フィルム13としてのフラット波長分散の1/4波長フィルムと、第一の1/4波長フィルム12としての逆波長分散の1/4波長フィルムと、第一基板100と、第一の配向膜410と、液晶層300と、第二の配向膜420と、PBレンズ20と、第二基板200と、を備えていた。液晶セル11を構成する第一基板100、第一の配向膜410(具体的には、第一の弱アンカリングの水平配向膜411)、液晶層300、第二の配向膜420(具体的には、第二の弱アンカリングの水平配向膜421)及び第二基板200は、実施例1と同様の構成を有していた。
(Example 7)
FIG. 59 is a diagram showing the axial orientation of the optical element included in the variable focus element according to Example 7. A
図59に示すように、逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は12.2°であり、フラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は57.2°であった。また、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角は0°であり、第二状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角は90°であった。第一状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角は70°であり、第二状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角は160°であった。
As shown in FIG. 59, the azimuth angle of the slow axis of the quarter-wavelength film with reverse wavelength dispersion (the
実施例7の可変焦点素子30は、具体的には次のようにして作製した。第二基板200に、上記一般式(PB-1)で表されるポリマーを含むインセルPBレンズ形成用の光感光性材料を塗布し、PBレンズ形成用膜を成膜した。
Specifically, the
図60は、実施例7に係る可変焦点素子の製造工程における第一の配向処理について説明する模式図である。図61は、実施例7に係る可変焦点素子の製造工程における第二の配向処理について説明する模式図である。図62は、実施例7に係る可変焦点素子の製造工程における第三の配向処理について説明する模式図である。図63は、実施例7に係る可変焦点素子の製造工程における第四の配向処理について説明する模式図である。 FIG. 60 is a schematic diagram illustrating the first alignment process in the manufacturing process of the variable focus element according to Example 7. FIG. 61 is a schematic diagram illustrating the second alignment process in the manufacturing process of the variable focus element according to Example 7. FIG. 62 is a schematic diagram illustrating the third alignment process in the manufacturing process of the variable focus element according to Example 7. FIG. 63 is a schematic diagram illustrating the fourth alignment process in the manufacturing process of the variable focus element according to Example 7.
次に、第二基板200上に設けられたPBレンズ形成用膜に配向処理を行った。具体的には、図60に示すように、第一のフォトマスク510を用いて方位角0°の偏光にてPBレンズ形成用膜600に配向処理を行った。続いて、図61に示すように、第二のフォトマスク520を用いて、方位角45°の偏光にてPBレンズ形成用膜600に配向処理を行った。続いて、図62に示すように、第三のフォトマスク530を用いて、方位角90°の偏光にてPBレンズ形成用膜600に配向処理を行った。最後に、図63に示すように、第四のフォトマスク540を用いて、方位角135°の偏光にてPBレンズ形成用膜600に配向処理を行った。その後、アニール処理を行い、PBレンズ20を第二基板200上に形成することができた。
Next, the PB lens forming film provided on the
当該第二基板200及びPBレンズ20の積層体を用いて、実施例1と同様にして液晶セル11を作製した。水平配向の液晶セル11を得た後、第一の1/4波長フィルム12として逆波長分散の1/4波長フィルムを貼付し、第二の1/4波長フィルム13としてフラット波長分散の1/4波長フィルムを貼付し、実施例7の可変焦点素子30を得た。
A
ここで、本実施例では、入射光がPBレンズ20よりも先に第二の1/4波長フィルム13、第一の1/4波長フィルム12及び液晶層300へ入射して右円偏光及び左円偏光をスイッチングし、当該偏光状態に応じてPBレンズ20で集光又は発散を行うため、第二の1/4波長フィルム13及び第一の1/4波長フィルム12は液晶層300よりも入射側に配置した。そのため、第二の1/4波長フィルム13及び第一の1/4波長フィルム12の配置及び軸方位は、実施例1とは異なっていた。
Here, in this embodiment, the incident light enters the second 1/4
実施例7の可変焦点素子30は、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替え可能であり、かつ、薄型化が可能であった。
The
(実施例8)
上記実施形態9と同様の構成を有する実施例8の光学素子10を作製した。具体的には、液晶セル11の構成、逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角、及び、フラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角が異なること以外は、実施例5と同様にして実施例8の光学素子10を作製した。
(Example 8)
An
図66に示すように、実施例8の光学素子10が備える液晶セル11は、第一電極131及び第二電極132を有する第一基板100(FFS基板)と、弱アンカリングの第一の垂直配向膜414と、液晶分子310を含有する液晶層300と、第二の垂直配向膜424と、ベタ状電極240を有する第二基板200と、を順に備えていた。液晶層300は、カイラル剤を含有するネガ型の液晶分子310を含み、屈折率異方性Δnは0.104であった。液晶層300のカイラルピッチは11μmであり、液晶層300の厚さ(セル厚)dは2.75μmであった。
As shown in FIG. 66, the
第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位角は90°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xの方位角は0°であった。逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は68.7°であり、フラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は23.7°であった。フラット波長分散の1/4波長フィルム(第二の1/4波長フィルム13)はポジティブAプレートであった。
The azimuth angle of the extending
図83は、実施例8に係る光学素子の、第一状態における印加電圧について説明するグラフである。図84は、実施例8に係る光学素子の、第二状態における印加電圧について説明するグラフである。図83に示すように、実施例8の光学素子10において、第二基板200側のベタ状電極240に+/-5Vを、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-0.4Vを印加することにより第一状態を実現することができた。また、図84に示すように、実施例8の光学素子10において、第二基板200側のベタ状電極240に+/-5Vを、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-1Vを印加することにより第二状態を実現することができた。
FIG. 83 is a graph explaining the applied voltage in the first state of the optical element according to Example 8. FIG. 84 is a graph explaining the applied voltage in the second state of the optical element according to Example 8. As shown in FIG. 83, in the
本実施例では、大きな縦電界をかけることで、ネガ型の液晶分子310を倒し、水平配向化させ、かつ、第一電極131と第二電極132(FFS基板の共通電極-画素電極)間に弱い電圧をかけて液晶分子310の面内配向方向を決めた。液晶層300に含まれる液晶分子310はネガ型の液晶分子310であるため、面内ではスリット延伸方向(電界方向とは直交する方向)に液晶分子310は配向した。この時強い横電界をかけるとカイラルの力による液晶分子310の配向ねじれを妨害するので、横方向の電圧は弱い電圧であるところもポイントである。垂直配向膜を用いているため、基板極近傍は垂直配向であるが、液晶層300のバルク内で水平配向の略70度ねじれを実現させることができた。ここでのねじれ角は液晶分子310のチルト角が45°以内の回転角を示す。
In this example, by applying a large vertical electric field, the negative
(比較例3)
図85は、比較例3に係る光学素子の断面模式図である。図85示す比較例3の光学素子10R1を作製した。
(Comparative example 3)
FIG. 85 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to Comparative Example 3. An optical element 10R1 of Comparative Example 3 shown in FIG. 85 was produced.
(比較例4)
図86は、比較例4に係る光学素子の断面模式図である。図86示す比較例4の光学素子10R1を作製した。
(Comparative example 4)
FIG. 86 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to Comparative Example 4. An optical element 10R1 of Comparative Example 4 shown in FIG. 86 was produced.
図87は、実施例8、比較例3及び比較例4に係る光学素子の、変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。図88は、実施例8、比較例3及び比較例4に係る光学素子の、非変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。実施例8、比較例3及び比較例4の光学素子について、右円偏光(S3=+1)を入射したときの、出射された光のストークスパラメータS3の波長分散を図87及び図88に示す。 Figure 87 is a graph showing the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 during modulation for the optical elements according to Example 8, Comparative Example 3, and Comparative Example 4. Figure 88 is a graph showing the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 during non-modulation for the optical elements according to Example 8, Comparative Example 3, and Comparative Example 4. Figures 87 and 88 show the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 of the emitted light when right-handed circularly polarized light (S3 = +1) is incident on the optical elements according to Example 8, Comparative Example 3, and Comparative Example 4.
図87に示すように、実施例8の変調時(第一状態)では、出射光が幅広い波長帯にわたって、S3=-1に近いことが分かる。すなわち、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。また、図88に示すように、非変調時(第二状態)では、出射光が広い波長帯にわたって、S3=+1に近いことが分かる。すなわち、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。 As shown in Figure 87, during modulation (first state) in Example 8, it can be seen that the emitted light is close to S3 = -1 over a wide wavelength range. That is, it was possible to modulate from S3 = +1 to S3 = -1 (in other words, from right-handed circularly polarized light to left-handed circularly polarized light). Also, as shown in Figure 88, during non-modulation (second state), it can be seen that the emitted light is close to S3 = +1 over a wide wavelength range. That is, it was possible to output S3 = +1 as S3 = +1 (in other words, right-handed circularly polarized light as right-handed circularly polarized light) in an unmodulated state.
一方、比較例3(TN液晶層1層)の場合には、非変調時は極めて優れた特性を有するが、変調時は大きな波長依存があり、ごく狭い範囲しか適切に変調されていないことが分かった。比較例4(TN液晶層2層)の場合には、比較例1よりは広帯域変調に改善するが、非変調時は逆に悪化することが分かった。 On the other hand, in the case of Comparative Example 3 (one TN liquid crystal layer), although it has extremely excellent characteristics when not modulated, there is a large wavelength dependence when modulated, indicating that only a very narrow range is properly modulated. Do you get it. In the case of Comparative Example 4 (two TN liquid crystal layers), it was found that although the broadband modulation was improved compared to Comparative Example 1, it deteriorated when no modulation was performed.
(実施例9)
上記実施形態10と同様の構成を有する実施例9の光学素子10を作製した。具体的には、液晶セル11の構成が異なること以外は、実施例8と同様にして実施例9の光学素子10を作製した。
(Example 9)
An
図71に示すように、実施例9の光学素子10が備える液晶セル11は、第一電極131及び第二電極132を有する第一基板100(FFS基板)と、第一の垂直配向膜414と、液晶分子310を含有する液晶層300と、第二の垂直配向膜424と、第三電極231及び第四電極232を有する第二基板200(FFS基板)と、を順に備えていた。液晶層300は、カイラル剤を含有するネガ型の液晶分子310を含み、屈折率異方性Δnは0.104であった。液晶層300のカイラルピッチは11μmであり、液晶層300の厚さ(セル厚)dは3μmであった。
As shown in FIG. 71, the
第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位角は0°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xの方位角は0°であり、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aの方位角は160°であり、電圧無印加状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角は160°であった。逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は68.7°であり、フラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は23.7°であった。フラット波長分散の1/4波長フィルム(第二の1/4波長フィルム13)はポジティブAプレートであった。また、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角は0°であり、第二状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角は90°であった。第一状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角は70°であり、第二状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角は160°であった。
The azimuth angle of the stretching
図89は、実施例9に係る光学素子の、第一状態における印加電圧について説明するグラフである。図90は、実施例9に係る光学素子の、第二状態における印加電圧について説明するグラフである。図89に示すように、実施例9の光学素子10において、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232のうち共通電極に+/-5.4Vを、画素電極に+/-5Vを印加し、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-1Vを印加することにより第一状態を実現することができた。また、図90に示すように、実施例9の光学素子10において、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-1Vを印加し、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に+/-5.4Vを、画素電極に+/-5Vを印加することにより第二状態を実現することができた。
FIG. 89 is a graph illustrating the applied voltage in the first state of the optical element according to Example 9. FIG. 90 is a graph illustrating the applied voltage in the second state of the optical element according to Example 9. As shown in FIG. 89, in the
図91は、実施例8、実施例9及び比較例3に係る光学素子の、変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。図92は、実施例8、実施例9及び比較例3に係る光学素子の、非変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。実施例8、実施例9及び比較例3の光学素子について、右円偏光(S3=+1)を入射したときの、出射された光のストークスパラメータS3の波長分散を図91及び図92に示す。 FIG. 91 is a graph showing the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 during modulation of the optical elements according to Example 8, Example 9, and Comparative Example 3. FIG. 92 is a graph showing the chromatic dispersion of the Stokes parameter S3 of the optical elements according to Example 8, Example 9, and Comparative Example 3 at the time of non-modulation. 91 and 92 show the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 of the emitted light when right-handed circularly polarized light (S3=+1) is incident on the optical elements of Example 8, Example 9, and Comparative Example 3.
図91に示すように、実施例8と同様に、実施例9においても、変調時(第一状態)では、出射光が幅広い波長帯にわたって、S3=-1に近いことが分かる。すなわち、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。また、図92に示すように、実施例8と同様に、実施例9においても、非変調時(第二状態)では、出射光が広い波長帯にわたって、S3=+1に近いことが分かる。すなわち、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。 As shown in FIG. 91, it can be seen that in Example 9 as well as in Example 8, during modulation (first state), the emitted light is close to S3=-1 over a wide wavelength band. That is, it was possible to modulate from S3=+1 to S3=-1 (in other words, from right-handed circularly polarized light to left-handed circularly polarized light). Further, as shown in FIG. 92, it can be seen that in Example 9 as well as in Example 8, when non-modulated (second state), the emitted light is close to S3=+1 over a wide wavelength band. That is, it was possible to emit S3=+1 with S3=+1 (in other words, right-handed circularly polarized light remains right-handed circularly polarized light) in an unmodulated state.
また、実施例9は両側に強アンカリングの垂直配向膜を用いたため、実施例8に対して応答速度や信頼性、量産性に優位であった。ただ、駆動には少し大きな電圧が必要なため、実施例8と比較すると光学特性は少し劣った。しかし、比較例3と比較すると、変調時において優れた特性を有することが分かった。 Further, since Example 9 used strong anchoring vertical alignment films on both sides, it was superior to Example 8 in response speed, reliability, and mass productivity. However, since a slightly larger voltage was required for driving, the optical characteristics were slightly inferior compared to Example 8. However, when compared with Comparative Example 3, it was found that it had excellent characteristics during modulation.
(実施例10)
上記実施形態11と同様の構成を有する実施例9の光学素子10を作製した。具体的には、液晶セル11の構成、並びに、第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A及び第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13Aが異なること以外は、実施例8と同様にして実施例10の光学素子10を作製した。
(Example 10)
An
図74に示すように、実施例10の光学素子10が備える液晶セル11は、第一電極131及び第二電極132を有する第一基板100(FFS基板)と、第一の垂直配向膜414と、液晶分子310を含有する液晶層300と、第二の垂直配向膜424と、第三電極231及び第四電極232を有する第二基板200(FFS基板)と、を順に備えていた。液晶層300は、カイラル剤を含有するネガ型の液晶分子310を含み、屈折率異方性Δnは0.104であった。液晶層300のカイラルピッチは11μmであり、液晶層300の厚さ(セル厚)dは3μmであった。
As shown in FIG. 74, the
第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位角は45°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xの方位角は-45°であり、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aの方位角は-65°であった。逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は68.7°であり、フラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は23.7°であった。フラット波長分散の1/4波長フィルム(第二の1/4波長フィルム13)はポジティブAプレートであった。
The azimuth angle of the stretching
図93は、実施例10に係る光学素子の、第一状態における印加電圧について説明するグラフである。図94は、実施例10に係る光学素子の、第二状態における印加電圧について説明するグラフである。図93に示すように、実施例10の光学素子10において、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232のうち共通電極に+/-5.4Vを、画素電極に+/-5Vを印加し、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-1Vを印加することにより第一状態を実現することができた。また、図94に示すように、実施例10の光学素子10において、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-1Vを印加し、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に+/-5.4Vを、画素電極に+/-5Vを印加することにより第二状態を実現することができた。
FIG. 93 is a graph for explaining the applied voltage in the first state of the optical element according to Example 10. FIG. 94 is a graph for explaining the applied voltage in the second state of the optical element according to Example 10. As shown in FIG. 93, in the
図95は、実施例8~実施例10及び比較例3に係る光学素子の、変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。図96は、実施例8~実施例10及び比較例3に係る光学素子の、非変調時におけるストークスパラメータS3の波長分散を示すグラフである。実施例8~実施例10、比較例3及び比較例4の光学素子について、右円偏光(S3=+1)を入射したときの、出射された光のストークスパラメータS3の波長分散を図95及び図96に示す。 FIG. 95 is a graph showing the wavelength dispersion of the Stokes parameter S3 during modulation of the optical elements according to Examples 8 to 10 and Comparative Example 3. FIG. 96 is a graph showing the chromatic dispersion of the Stokes parameter S3 of the optical elements according to Examples 8 to 10 and Comparative Example 3 in the non-modulated state. FIG. 95 and FIG. 96.
図95に示すように、実施例8及び実施例9と同様に、実施例10においても、変調時(第一状態)では、出射光が幅広い波長帯にわたって、S3=-1に近いことが分かる。すなわち、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。また、図96に示すように、実施例8及び実施例9と同様に、実施例10においても、非変調時(第二状態)では、出射光が広い波長帯にわたって、S3=+1に近いことが分かる。すなわち、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。すなわち、実施例8及び実施例9と同様に、実施例10においても、波長450nm~650nmの範囲で|S3|≧0.9を達成することができた。 As shown in FIG. 95, it can be seen that in Example 10 as well as in Examples 8 and 9, during modulation (first state), the emitted light is close to S3=-1 over a wide wavelength band. . That is, it was possible to modulate from S3=+1 to S3=-1 (in other words, from right-handed circularly polarized light to left-handed circularly polarized light). Further, as shown in FIG. 96, in the same way as in Examples 8 and 9, in Example 10 as well, in the non-modulated state (second state), the emitted light is close to S3=+1 over a wide wavelength band. I understand. That is, it was possible to emit S3=+1 with S3=+1 (in other words, right-handed circularly polarized light remains right-handed circularly polarized light) in an unmodulated state. That is, as in Examples 8 and 9, in Example 10 as well, |S3|≧0.9 could be achieved in the wavelength range of 450 nm to 650 nm.
(実施例11)
上記実施形態12と同様の構成を有する実施例9の光学素子10を作製した。具体的には、液晶セル11の構成が異なること以外は、実施例8と同様にして実施例11の光学素子10を作製した。
(Example 11)
An
図77に示すように、実施例11の光学素子10が備える液晶セル11は、第一電極131及び第二電極132を有する第一基板100(FFS基板)と、第一の垂直配向膜414と、液晶分子310を含有する液晶層300と、第二の垂直配向膜424と、第三電極231及び第四電極232を有する第二基板200(FFS基板)と、を順に備えていた。液晶層300は、カイラル剤を含有するネガ型の液晶分子310を含み、屈折率異方性Δnは0.104であった。液晶層300のカイラルピッチは11μmであり、液晶層300の厚さ(セル厚)dは3μmであった。
As shown in FIG. 77, the
第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位角は90°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xの方位角は0°であり、第四電極232に設けられたスリット部232Sの延伸方向232Aの方位角は160°であった。逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は68.7°であり、フラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は23.7°であった。フラット波長分散の1/4波長フィルム(第二の1/4波長フィルム13)はポジティブAプレートであった。
The azimuth angle of the extending
図97は、実施例11に係る光学素子の、第一状態における印加電圧について説明するグラフである。図98は、実施例11に係る光学素子の、第二状態における印加電圧について説明するグラフである。図97に示すように、実施例11の光学素子10において、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232のうち共通電極に+/-5.4Vを、画素電極に+/-5Vを印加し、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-0.4Vを印加することにより第一状態を実現することができた。また、図98に示すように、実施例11の光学素子10において、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232のうち共通電極に+/-6Vを、画素電極に+/-5Vを印加し、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-1Vを印加することにより第二状態を実現することができた。
FIG. 97 is a graph illustrating the applied voltage in the first state of the optical element according to Example 11. FIG. 98 is a graph illustrating the applied voltage in the second state of the optical element according to Example 11. As shown in FIG. 97, in the
本実施例の液晶セル11は、実施例10の液晶セルと同様の構成を有するが、実施例10とは電圧のかけ方が異なっていた。本実施例でも、実施例10と同様の性能が得られた。具体的には、実施例10と同様に、実施例11においても、変調時(第一状態)では、出射光が広い波長帯にわたって、S3=-1に近かった。すなわち、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。また、実施例10と同様に、実施例11においても、非変調時(第二状態)では、出射光が幅広い波長帯にわたって、S3=+1に近かった。すなわち、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。
The
(実施例12)
上記実施例9の光学素子10と同様の構成を有する光学素子10に対して、実施例9よりも高電圧を印加した。具体的には、上記実施形態10の変形例1に対応する電圧を印加した。
(Example 12)
A higher voltage than that in Example 9 was applied to the
図99は、実施例12に係る光学素子の、第一状態における印加電圧について説明するグラフである。図100は、実施例12に係る光学素子の、第二状態における印加電圧について説明するグラフである。図99に示すように、実施例12の光学素子10において、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232のうち共通電極に+/-11Vを、画素電極に+/-10Vを印加し、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-1.1Vを印加することにより第一状態を実現することができた。また、図100に示すように、実施例12の光学素子10において、第二基板200側の第三電極231及び第四電極232のうち共通電極に0Vを、画素電極に+/-1.1Vを印加し、第一基板100側の第一電極131及び第二電極132のうち共通電極に+/-11Vを、画素電極に+/-10Vを印加することにより第二状態を実現することができた。
Figure 99 is a graph explaining the applied voltage in the first state of the optical element of Example 12. Figure 100 is a graph explaining the applied voltage in the second state of the optical element of Example 12. As shown in Figure 99, in the
本実施例の液晶セル11は、実施例9の液晶セルと同様の構成を有するが、実施例9とは電圧のかけ方が異なっていた。本実施例でも、実施例9と同様の性能が得られた。具体的には、実施例9と同様に、実施例12においても、変調時(第一状態)では、出射光が広い波長帯にわたって、S3=-1に近かった。すなわち、S3=+1から、S3=-1に(言い換えると右円偏光から左円偏光に)変調することができた。また、実施例9と同様に、実施例12においても、非変調時(第二状態)では、出射光が幅広い波長帯にわたって、S3=+1に近かった。すなわち、S3=+1をS3=+1で(言い換えると右円偏光をそのまま右円偏光で)非変調状態のまま出射することができた。
The
(実施例9、実施例12及び比較例3の視野角特性の評価)
実施例9、実施例12及び比較例3の光学素子について、視野角特性をシミュレーションにより評価した。結果を図101~図106に示す。図101は、比較例3の光学素子の非変調時の視野角特性のシミュレーション結果を示す図である。図102は、比較例3の光学素子の変調時の視野角特性のシミュレーション結果を示す図である。図103は、実施例9の光学素子の非変調時の視野角特性のシミュレーション結果を示す図である。図104は、実施例9の光学素子の変調時の視野角特性のシミュレーション結果を示す図である。図105は、実施例12の光学素子の非変調時の視野角特性のシミュレーション結果を示す図である。図106は、実施例12の光学素子の変調時の視野角特性のシミュレーション結果を示す図である。
(Evaluation of viewing angle characteristics of Example 9, Example 12, and Comparative Example 3)
The viewing angle characteristics of the optical elements of Example 9, Example 12, and Comparative Example 3 were evaluated by simulation. The results are shown in FIGS. 101 to 106. FIG. 101 is a diagram showing simulation results of the viewing angle characteristics of the optical element of Comparative Example 3 when no modulation is performed. FIG. 102 is a diagram showing simulation results of viewing angle characteristics during modulation of the optical element of Comparative Example 3. FIG. 103 is a diagram showing the simulation results of the viewing angle characteristics of the optical element of Example 9 in the non-modulated state. FIG. 104 is a diagram showing simulation results of viewing angle characteristics during modulation of the optical element of Example 9. FIG. 105 is a diagram showing the simulation results of the viewing angle characteristics of the optical element of Example 12 in the non-modulated state. FIG. 106 is a diagram showing simulation results of viewing angle characteristics during modulation of the optical element of Example 12.
図101~図106の非変調におけるグラフでは濃い領域が広いほど特性が良く、変調におけるグラフでは薄い領域が広いほど特性が良い。図101~図106に示すように、実施例9及び実施例12では、波長450nm~650nmの範囲において、非変調及び変調共に視野角が良いことが分かった。また、実施例12は実施例9に比べて、波長450nm~650nmの範囲で非変調、変調共に視野角がより広いことが分かった。 In the graphs for non-modulation in FIGS. 101 to 106, the wider the dark region is, the better the characteristics are, and in the graph for modulation, the wider the thin region is, the better the characteristic is. As shown in FIGS. 101 to 106, it was found that in Examples 9 and 12, the viewing angles were good for both non-modulation and modulation in the wavelength range of 450 nm to 650 nm. Furthermore, it was found that Example 12 had a wider viewing angle than Example 9 in both non-modulated and modulated wavelength ranges in the wavelength range of 450 nm to 650 nm.
(実施例13)
フラット波長分散の1/4波長フィルム(第二の1/4波長フィルム13)をネガティブAプレートに変更したこと以外は、実施例12と同様の構成を有する実施例13の光学素子10について、実施例12と同様に電圧を印加した。
(Example 13)
The
(実施例12及び実施例13の視野角特性の評価)
実施例12及び実施例13の光学素子について、視野角特性をシミュレーションにより評価した。結果を図105~図108に示す。図107は、実施例13の光学素子の非変調時の視野角特性のシミュレーション結果を示す図である。図108は、実施例13の光学素子の変調時の視野角特性のシミュレーション結果を示す図である。
(Evaluation of viewing angle characteristics of Example 12 and Example 13)
The viewing angle characteristics of the optical elements of Examples 12 and 13 were evaluated by simulation. The results are shown in FIGS. 105 to 108. FIG. 107 is a diagram showing the simulation results of the viewing angle characteristics of the optical element of Example 13 in the non-modulated state. FIG. 108 is a diagram showing simulation results of viewing angle characteristics during modulation of the optical element of Example 13.
図105~図108の非変調におけるグラフでは濃い領域が広いほど特性が良く、変調におけるグラフでは薄い領域が広いほど特性が良い。図105~図108に示すように、実施例12及び実施例13では、波長450nm~650nmの範囲において、非変調及び変調共に視野角が良いことが分かった。また、実施例13は実施例12に比べて、非変調時の特性が良化していた。 In the graphs for non-modulation in FIGS. 105 to 108, the wider the dark region is, the better the characteristics are, and in the graph for modulation, the wider the thin region is, the better the characteristic is. As shown in FIGS. 105 to 108, it was found that in Examples 12 and 13, the viewing angles were good in both non-modulated and modulated wavelengths in the wavelength range of 450 nm to 650 nm. Furthermore, in comparison with Example 12, Example 13 had better characteristics when not modulated.
(実施例14)
上記実施形態13の変形例に対応する実施例14の可変焦点素子30を作製した。実施例14の可変焦点素子30は、入射側から出射側に向かって順に、第二の1/4波長フィルム13としてのフラット波長分散の1/4波長フィルムと、第一の1/4波長フィルム12としての逆波長分散の1/4波長フィルムと、第一基板100と、弱アンカリングの第一の垂直配向膜414と、液晶層300と、第二の垂直配向膜424と、PBレンズ20と、第二基板200と、を備えていた。液晶セル11を構成する第一基板100、弱アンカリングの第一の垂直配向膜414、液晶層300、第二の垂直配向膜424及び第二基板200は、軸方位を除いて、実施例8と同様の構成を有していた。PBレンズ20のインセル化は、実施例7と同様に行った。
(Example 14)
A variable-
図80に示すように、第二電極132に設けられたスリット部132Sの延伸方向132Aの方位角は90°であり、電圧無印加状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Xの方位角は0°であった。逆波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第一の1/4波長フィルム12の遅相軸12A)の方位角は8.1°であり、フラット波長分散の1/4波長フィルムの遅相軸(第二の1/4波長フィルム13の遅相軸13A)の方位角は53.1°であった。また、第一状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Aの方位角は0°であり、第二状態における第一基板100側の液晶分子311の配向方向311Bの方位角は90°であった。第一状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Aの方位角は70°であり、第二状態における第二基板200側の液晶分子312の配向方向312Bの方位角は160°であった。
As shown in FIG. 80, the azimuth angle of the extending
実施例14の可変焦点素子30は、偏光変調及び偏光非変調を広帯域で切り替え可能であり、かつ、薄型化が可能であった。
The
1:ヘッドマウントディスプレイ
1P:表示パネル
10、10R1、10R2:光学素子
11、11R1:液晶セル
11E:電極
12、13、14R、17R:1/4波長フィルム
12A、13A:遅相軸
15R、16R:1/2波長フィルム
20、20A1、20A2、20A3:パンチャラトナムベリー(PB)レンズ
30、30A、30B:可変焦点素子
40:位相差板
100:第一基板
110、210:支持基板
120、121、122、220:櫛歯電極
120A、121A、122A、132A、220A、221A、222A、232A:延伸方向
120E1、120E2:電界方向
131:第一電極
132:第二電極
231:第三電極
232:第四電極
240:ベタ状電極
132S、232S:スリット部
140、141、241:絶縁層
200:第二基板
300:液晶層
300R1、300R2、300R3:TN液晶層
310、311、312、320:液晶分子
311A、311B、311X、312A、312B、312X:配向方向
320A:光学異方性層
410、420:配向膜
411、412、421、423:弱アンカリングの水平配向膜
413:双安定配向膜
414、422、424:垂直配向膜
510、520、530、540:フォトマスク
600:PBレンズ形成用膜
LC0、LC1、LC2:左円偏光
R0、R1、R2:領域
1: Head mounted
Claims (28)
1/4波長フィルムと、を備え、
前記液晶層は、前記第一基板と前記第二基板との間でツイスト配向する液晶分子を含有し、
前記液晶セルは、前記第一基板及び前記第二基板の少なくとも一方に、前記液晶層への電圧印加用の電極を有し、
前記電極は、前記第一基板側の前記液晶分子が第一の配向方向に配列する第一状態と、前記第一基板側の前記液晶分子が、平面視において前記第一の配向方向に対して直交する第二の配向方向に配列する第二状態と、を前記液晶層への電圧印加により切り替え可能に配置されており、
前記第一状態と前記第二状態との切り替えは、前記液晶セルに入射する光の偏光状態を制御するものであり、前記液晶セルに円偏光が入射した場合、前記第一状態では、前記円偏光が第一の直線偏光に変換され、前記第二状態では、前記円偏光が、平面視において前記第一の直線偏光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する第二の直線偏光に変換され、
前記液晶セルに直線偏光が入射した場合、前記第一状態では、前記直線偏光が第一の円偏光に変換され、前記第二状態では、前記直線偏光が、前記第一の円偏光の回転方向と逆方向に回転する第二の円偏光に変換されることを特徴とする光学素子。 A liquid crystal cell including a first substrate, a liquid crystal layer, and a second substrate;
A 1/4 wavelength film,
The liquid crystal layer contains liquid crystal molecules twistedly aligned between the first substrate and the second substrate,
The liquid crystal cell has an electrode on at least one of the first substrate and the second substrate for applying a voltage to the liquid crystal layer,
The electrode has a first state in which the liquid crystal molecules on the first substrate side are aligned in a first alignment direction, and a state in which the liquid crystal molecules on the first substrate side are arranged in the first alignment direction in a plan view. The liquid crystal layer is arranged to be switchable between a second state in which the liquid crystal layer is aligned in a second orthogonal alignment direction, and
The switching between the first state and the second state is to control the polarization state of light incident on the liquid crystal cell, and when circularly polarized light is incident on the liquid crystal cell, in the first state, the polarization state of the light incident on the liquid crystal cell is controlled. Polarized light is converted to first linearly polarized light, and in the second state, the circularly polarized light is converted to second linearly polarized light having a polarization direction perpendicular to the polarization direction of the first linearly polarized light in plan view. is,
When linearly polarized light is incident on the liquid crystal cell, in the first state, the linearly polarized light is converted into first circularly polarized light, and in the second state, the linearly polarized light is converted into a rotation direction of the first circularly polarized light. An optical element that converts the light into second circularly polarized light that rotates in the opposite direction.
前記電極は、前記第一基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極を有し、前記第二基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極を有し、
平面視において、前記第一の櫛歯電極の延伸方向は、前記第二の櫛歯電極の延伸方向に対して斜めに設けられることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。 The liquid crystal cell further includes a first weakly anchoring horizontal alignment film disposed between the first substrate and the liquid crystal layer, and a first weakly anchoring horizontal alignment film disposed between the liquid crystal layer and the second substrate. , a second weakly anchored horizontal alignment film;
The electrode has a first comb-teeth electrode in which a comb-teeth-shaped pixel electrode and a common electrode are provided so that their comb-teeth fit into each other on the first substrate; , the comb-shaped pixel electrode and the common electrode have a second comb-shaped electrode provided so that the comb-shaped pixel electrodes and the common electrode fit into each other;
2. The optical element according to claim 1, wherein the extending direction of the first comb-teeth electrode is provided obliquely to the extending direction of the second comb-teeth electrode in plan view.
前記電極は、前記第一基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極、及び、絶縁層を介して前記第一の櫛歯電極に重畳し、かつ、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極を有し、
平面視において、前記第一の櫛歯電極の延伸方向は、前記第二の櫛歯電極の延伸方向に対して直交することを特徴とする請求項1に記載の光学素子。 The liquid crystal cell further includes a weakly anchored horizontal alignment film disposed between the first substrate and the liquid crystal layer, and a vertical alignment film disposed between the liquid crystal layer and the second substrate;
the electrodes include a first comb-tooth electrode provided on the first substrate such that the comb teeth of a comb-tooth-shaped pixel electrode and a common electrode are fitted together, and a second comb-tooth electrode superimposed on the first comb-tooth electrode via an insulating layer and provided such that the comb teeth of a comb-tooth-shaped pixel electrode and a common electrode are fitted together,
2 . The optical element according to claim 1 , wherein, in a plan view, the extending direction of the first comb electrode is perpendicular to the extending direction of the second comb electrode.
平面視において、
前記第一の櫛歯電極の延伸方向は、前記第二の櫛歯電極の延伸方向に対して直交し、
前記第三の櫛歯電極の延伸方向は、前記第四の櫛歯電極の延伸方向に対して直交し、
前記第一の櫛歯電極の延伸方向は、前記第三の櫛歯電極の延伸方向に対して斜めに設けられることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。 The electrode includes, on the first substrate, a first comb-shaped electrode in which a comb-shaped pixel electrode and a common electrode are provided such that their comb-shaped teeth fit into each other, and a first insulating layer. a second comb-teeth electrode overlapping the first comb-teeth electrode through which the comb-teeth-shaped pixel electrode and the common electrode are provided so that their comb-teeth fit into each other; In the second substrate, the comb-shaped pixel electrode and the common electrode are connected to the third comb-shaped electrode through a second insulating layer, and a third comb-shaped electrode provided so that the comb-shaped pixel electrode and the common electrode fit into each other. a fourth comb-teeth electrode that overlaps the third comb-teeth electrode and is provided such that the comb-teeth-shaped pixel electrode and the common electrode fit into each other;
In plan view,
The extending direction of the first comb-teeth electrode is orthogonal to the extending direction of the second comb-teeth electrode,
The extending direction of the third comb-teeth electrode is perpendicular to the extending direction of the fourth comb-teeth electrode,
2. The optical element according to claim 1, wherein the extending direction of the first comb-teeth electrode is provided obliquely to the extending direction of the third comb-teeth electrode.
前記電極は、前記第一基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第一の櫛歯電極を有し、前記第二基板において、櫛歯状の画素電極と共通電極とが互いの櫛歯が嵌合し合うように設けられた第二の櫛歯電極を有し、
平面視において、前記第一の櫛歯電極の延伸方向は、前記第二の櫛歯電極の延伸方向に対して斜めに設けられることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。 The liquid crystal cell further includes a bistable alignment film having stable alignment directions in two directions, disposed between the first substrate and the liquid crystal layer,
The electrode has a first comb-teeth electrode in which a comb-teeth-shaped pixel electrode and a common electrode are provided so that their comb-teeth fit into each other on the first substrate; , the comb-shaped pixel electrode and the common electrode have a second comb-shaped electrode provided so that the comb-shaped pixel electrodes and the common electrode fit into each other;
2. The optical element according to claim 1, wherein the extending direction of the first comb-teeth electrode is provided obliquely to the extending direction of the second comb-teeth electrode in plan view.
前記電極は、前記第一基板において、面状の第一電極、及び、第一の絶縁層を介して前記第一電極に重畳し、かつ、スリット部が設けられた第二電極を有し、前記第二基板において、面状の第三電極、及び、第二の絶縁層を介して前記第三電極に重畳し、かつ、スリット部が設けられた第四電極を有し、
平面視において、前記第二電極に設けられた前記スリット部の延伸方向は、前記第四電極に設けられた前記スリット部の延伸方向に対して斜めに配置されることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。 The liquid crystal cell further includes a first vertical alignment film disposed between the first substrate and the liquid crystal layer, and a second vertical alignment film disposed between the liquid crystal layer and the second substrate. a vertical alignment film;
The electrode includes, on the first substrate, a planar first electrode, and a second electrode that overlaps the first electrode via a first insulating layer and is provided with a slit portion, The second substrate includes a planar third electrode, and a fourth electrode that overlaps the third electrode via a second insulating layer and is provided with a slit portion,
2. In a plan view, the extending direction of the slit section provided on the second electrode is arranged obliquely with respect to the extending direction of the slit section provided on the fourth electrode. The optical element described in .
更に、前記第一の1/4波長フィルムの前記液晶セルとは反対側に第二の1/4波長フィルムを備えることを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載の光学素子。 The quarter wavelength film is a first quarter wavelength film,
7. The optical element according to claim 1, further comprising a second quarter-wavelength film on the opposite side of the first quarter-wavelength film from the liquid crystal cell.
前記液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶分子を含有し、
前記第一の垂直配向膜及び前記第二の垂直配向膜の少なくとも一方は、電圧無印加状態における前記液晶分子のチルト方向を制御することを特徴とする請求項1に記載の光学素子。 The liquid crystal cell further includes a first vertical alignment film disposed between the first substrate and the liquid crystal layer, and a second vertical alignment film disposed between the liquid crystal layer and the second substrate. having a membrane;
The liquid crystal layer contains liquid crystal molecules having negative dielectric anisotropy,
2. The optical element according to claim 1, wherein at least one of the first vertical alignment film and the second vertical alignment film controls the tilt direction of the liquid crystal molecules in a state where no voltage is applied.
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