JPH04273213A - 液晶光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、透過−屈折方式によっ
て透過光を制御する液晶光学素子に関するものであって
、液晶プロジェクタ等の表示装置、入射光の透過−遮断
、透過−屈折を制御する光バルブ、光シャッター及び光
路を切り替える光回路部品等に利用される。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子は、従来ネマチック液晶を
使用したＴＮ型や、ＳＴＮ型のものが実用化されている
。しかしこれらは偏光板を要するため、明るさ、コント
ラストにおいて制限を受けるという欠点を有している。

【０００３】これに対して、特表昭５８−５０１６３１
号公報では、液晶材料をカプセル化し、高分子中に分散
する、偏光板を要しない液晶光学素子が開示されている
。この開示技術においては、カプセル内の液晶の屈折率
が電界の有無によって変化することを利用し、カプセル
材の屈折率を電圧印加下の液晶の屈折率と等しく設定す
ることによって、電圧印加下では透明へ、電圧を除いた
時には、光を散乱し、不透明となる光学素子が得られて
いる。液晶材料の屈折率の変化を利用した同様の素子と
して液晶材料をエポキシ樹脂中に分散したもの（特表昭
６１−５０２１２８号公報）、紫外線硬化樹脂中に分散
したもの（特開昭６２−２２３１号公報）等が知られて
いる。これらの液晶素子は、入射光の透過と散乱をスイ
ッチングする事によって機能する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題点】上記の如き従来の液
晶光学素子は、相分離あるいは分散等の方法により液晶
材料を透明性固体材料（高分子材料等）中に分散されて
いるために、液晶および透明性固体材料の形状、分散状
態を高度に制御することは不可能であった。その結果と
して、素子を通り抜けた光はかなりランダムなものとな
らざるを得ず、透過−散乱モードでしか駆動させること
ができなかった。さらに、光が散乱した状態においても
中央部の光の強度が最大となり、中央から離れるにつれ
て（散乱角が大きくなるにつれて）光の強度が減少する
単調減少タイプのものしか得られず、特定の方向の光の
強度を強める、あるいは特定低の方向に光路を曲げるこ
とができないという課題があった。

【０００５】また、従来の透明性固体材料中に液晶が分
散した素子においては、透明性固体材料（高分子材料等
）の誘電率および導電率が液晶材料よりも一般に小さい
ため、素子に加えられた電圧が効率よく、液晶に加わわ
らず駆動電圧が高くなる欠点があった。

【０００６】本発明の目的は光路を特定の方向に曲げる
ことのできる液晶光学素子を提供することにある。

【０００７】さらに他の目的は、低電圧で駆動できる液
晶光学素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射光軸に垂
直な平面より一定の角度傾いている多数の微小面を少な
くとも一部に有し、断面形状がのこぎり波状の透明性固
体材料と、その多数の微小面に接して設けられた液晶材
料と、この液晶材料の、屈折率を制御する手段とからな
ることを特徴とする液晶光学素子である。

【０００９】本発明の液晶光学素子を構成する透明性固
体材料は断面がのこぎり波状の凹凸を有しており、液晶
材料と接することによって液晶材料との間でのこぎり波
状の界面を形成する。　　本発明で使用される透明性固
体材料は完全な透明性を必須とするものではないが光線
が固体材料を透過するときに著しい減衰を生じない程度
の透明性を有することが望ましい。また、透明性固体材
料は無色である必要はなく、必要に応じて有色の固体材
料を用いることもできる。透明性固体材料の固体性につ
いて堅固なものである必要はなく、柔軟性、弾性、可ぎ
ょう性を有するものであってもよい。

【００１０】透明性固体材料の形状は、液晶と接触する
面が入射光軸に垂直平面より一定の角度傾いている微小
な面の集まりからなる凹凸面を有しているという制限を
満たしていれば、どの様な形状のものでも可能であり、
目的に応じて凹凸の大きさ、形状を選択することができ
る（ただし透明性個体材料の凹凸が、光の波長に比して
小さすぎる場合には、十分な屈折の効果が期待できない
ため、個々の面の大きさは光の波長以上にする必要があ
る）。ここでいう「微小」とは、凹凸面の構成要素であ
る１つの面が大きすぎるために、液晶材料の入る空間が
大きくなりすぎるか、あるいは電極の間が広がりすぎる
等により液晶が十分に応答しないような大きな面は除外
するものであり、このような問題が起こらない場合には
一つの面が１ｍｍ以上の大きさであっても、「微小」の
範囲に含まれる。

【００１１】凹凸面を構成する個々の面は平面であって
もよいが、必ずしも平面に限定されるものではない。素
子の透過光あるいは屈折光を効率よく制御するために、
個々の面に曲率を付けることも可能である。

【００１２】透明個体材料は前述した特性を有するもの
であれば、とくに制限されるものではないが、透明性、
加工性等より高分子材料が望ましい。高分子材料として
は、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニル
ホルマール、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン等
の各種高分子物質が用いられる。

【００１３】透明性固体材料の凹凸の製造方法はなんら
制限されるものではないが、例えば切削、プレス等の機
械的方法、レーザー光線等による加工、フォトレジスト
に用いられるような光反応を利用する方法、溶剤による
溶出等の化学的方法あるいは凹凸を有する他の固体より
レプリカ等の方法で凹凸を写し取る方法等がある。これ
らの方法で固体材料の凹凸を作製する場合にはその凹凸
を作製する場合にはその凹凸の制御は、分散・相分離に
よる従来の方法に比べきわめて容易であり、精度が高い
。透明性固体材料が薄膜状あるいは板状である場合には
、凹凸片面のみに作製することも、光の制御効率を上げ
るために両面に付けることもできる。

【００１４】液晶材料は、単一の液晶性化合物に限定さ
れるものではなく２種以上の液晶性化合物や液晶性化合
物以外の物質を含んだ混合物であってもよい。液晶材料
としてはネマティク液晶、スメクチック液晶、コレステ
リック液晶のどれを用いてもよい。また誘電異方性が正
であっても負であってもよく、また、周波数を変化させ
ることにより、誘電異方性が正負両方の値をとることの
できる液晶材料であってもよい。

【００１５】本発明の液晶光学素子は、液晶材料の屈折
率の変化によって透過光の状態を制御するため、液晶材
料の２つの屈折率（常光線屈折率と異常光線屈折率）の
差、あるいは液晶相と等方相の屈折率の差が大きいもの
が望ましいが、２つの屈折率が等しくない限りとくにこ
れによって制限されるものではない。

【００１６】液晶材料と透明性固体材料が相構造を有す
る液晶光学素子の場合にはそれぞれの相が一層である必
要はなく、光学素子の特性を制限するために、それらの
材料を複数層重ねることもできる。

【００１７】本発明において液晶材料と透明性固体材料
からなる光制御部は、それらがバラバラにならないよう
に保持される必要がある。透明性固体材料自身がこの働
きをかねる場合もあるが、他の材料による場合もある。 このような保持材料として、基板が挙げられる。基板は
、ガラス、金属等の堅固な材料から作られてもよく、高
分子フィルム等の柔軟性を有する材料で作られていても
よい。

【００１８】本発明の液晶光学素子の駆動は、電圧を印
加する方法、磁場を印加する方法、温度による層転移を
利用する方法等があるが、特に電圧印加による方法が望
ましい。電圧を印加するための電極として、透明性が要
求される場合にはＩＴＯ（インジウム　　チタンオキサ
イド）等の透明電極を、反射型のように透明性が要求さ
れない場合には通常用いられる金属性の電極を用いるこ
とができる。電極の位置は基板表面に存在する必要はな
く、透明性固体材料の表面、内部に直接設けることもで
きる。

【００１９】本発明の液晶光学素子を反射型として使用
する場合には反射板を設ける必要があるが，反射板は電
極とは別に設けることもできるし、反射板が電極をかね
るように設計することもできる。

【００２０】

【作用】本発明の液晶光学素子は、液晶材料の屈折率を
変えることによって、透明性固体材料と液晶材料の界面
での光の屈折方向を制御している。液晶材料の屈折率は
、液晶分子の配向状態および相状態（液晶相か等方相か
）によって変えることができる。そこで例えば、電圧印
加下での液晶材料の屈折率と透明性固体材料の屈折率を
一致させておけば、電圧印加状態で光は直進し、電圧無
印加状態で光は屈折する。

【００２１】屈折する方向は、透明性固体材料と液晶材
料との界面と、入射光に対して垂直平面とのなす角度お
よび両材料の屈折率により決まる。界面の傾き角を大き
くとれば、屈折光は透過光の方向より大きく曲がり、傾
き角を小さくとれば、屈折光の曲がりを小さくすること
ができる。

【００２２】液晶プロジェクタにおいて散乱角約５°以
下の光を分離することは困難であり、それ以下の角度に
散乱する光は迷光となってしまうという問題がある。散
乱状態においても散乱角０°の方向に光が散乱する従来
の液晶素子と違って、本発明の液晶素子は凹凸面の形状
（傾き角等）を制御することで５°以下の光を皆無にす
ることができる。本発明の液晶素子を光回路部品として
利用すれば、液晶部に電圧を印加するかしないかによっ
て光路を切り替えることができる。このような素子の利
用方法は従来の透過−散乱型の液晶素子では不可能であ
った。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を実施を用いて説明するが、本
発明はその要旨を越えない限り以下の実施例に限定され
るものではない。

【００２４】本実施例に用いた液晶素子の断面図を図１
に、電圧−光特性の例を図２に示した。本実施例の基本
的構成は、透明電極１３付ガラス基板１４上のこぎり波
状の断面を有する透明性固体材料１２を設け、この基板
と、透明電極１３’付きガラス基板１４’とで液晶材料
１１を挟んだ構成である。

【００２５】実施例１ フレネリレンズの中央より離れた部分に離型剤を薄く塗
布し、その上に２液性エポキシ接着剤（屈折率１．５２
）をのせた後ＩＴＯ付きガラス基板で押え、室温にて２
４時間放置し、硬化させた。ガラス基板とフレネリレン
ズを引き離すとエポキシ接着剤は基板側に接着しており
、フレネリレンズの規則的な凹凸を写し取った透明性固
体となっていた。得られた透明性固体材料の凹凸は隣会
う輪環の間隔が、３００μｍある円環群の一部をなし、
３００μｍの平面部の傾きは約３０°であった。得られ
た透明性固体の上に正の誘電異方性を有するネマチック
液晶（常光屈折率１．５２、異常光屈折率１．７７）を
滴下し、他のＩＴＯ付きガラス基板を乗せ、固定した。 得られた素子の電気−光学特性をＨｅ−Ｎｅレーザー（
日本電気製ＧＬＳ５３２０Ｂ、波長６３２．８ｎｍ）を
光源として、測定した。素子にガラス基板に垂直な方向
からレーザー光線を当てると、電圧ＯＦＦの状態で光線
の入射方向から約４°方向に強いレーザー光のスポット
が現れたが、０°の方向（透過光の方向）には明確なス
ポットが認められなかった。素子の両基板のＩＴＯ電極
に１０Ｖ、１００Ｈｚの矩形波の交流電界をかけると、
４°方向のスポットは消失し、変わりに０°の方向にス
ポットが現れた。電圧を切ると、再び約４°の方向にス
ポットが生じ、０°方向のスポットが生じ、０°方向の
スポットは消失した。矩形交流電場の周波数を１００Ｈ
ｚで一定とし、電圧を０Ｖから１０Ｖまで変化させたと
きの０°方向と４°方向のスポット光の強度を格々図２
に（ａ）（ｂ）に示した。光の強度はレーザー光が素子
を通過しなかった時の強度を１００％とした。

【００２６】実施例２ 実施例１と異なるフレネリレンズを原型の用いた以外は
同様の方法で試作した素子について測定を行った。得ら
れた透明性固体材料の凹凸は隣会う輪環の間隔が、２０
０μｍある円環群の一部をなし、２００μｍの平面部の
傾きは約２５°であった。電圧ＯＦＦの状態では約３°
の方向に強いレーザー光のスポット（強度６０％）が、
０°の方向に弱いスポット（強度２０％）が認められた
。１０Ｖの電圧を印加すると３°方向のスポットは消失
し、０°方向のスポットが強くなった（強度７０％）。 電圧をＯＮ−ＯＦＦすると上記の結果が繰り返された。

【００２７】実施例３ 実施例１と異なるフレネリレンズを原型に用いた以外は
同様の方法で試作した素子の測定を行った。得られた透
明性固体材料の凹凸は隣会う輪環の間隔が、１２５μｍ
ある円環群の一部をなし、１２５μｍの平面部の傾きは
約３０°であった。電圧ＯＦＦの状態では約４°の方向
に強いレーザー光のスポット（強度５５％）が認められ
たが、０°方向にはほとんどスポットが認められなかっ
た。次に１０Ｖの電圧を印加すると４°方向のスポット
は消失し、０°方向のスポットが強くなった（強度６０
％）。電圧をＯＮ−ＯＦＦすると上記の結果が繰り返さ
れた。

【００２８】実施例４ ポリメタクリレート（ＰＭＭＡ）２０重量％のクロロホ
ルム溶液を調整し、実施例１で用いたのと同じフレネル
レンズの中央より離れた部分にたらしたあと、室温で放
置し、クロロホルム溶液を揮発させた。さらに、真空乾
燥器で１２時間乾燥させた後、ＰＭＭＡの膜をフレネリ
レンズよりはがした。はがしたＰＭＭＡ膜は、フレネリ
レンズの規則的な凹凸を写し取った透明性固体となって
いた。（屈折率１．５０）得られた透明性固体材料の凹
凸は隣会う輪環の間隔が、３００μｍある円環群の一部
をなし、３００μｍの平面部の傾きは約３０°であった
。ＩＴＯ付きガラス基板の上にＰＭＭＡ膜を載せ、その
上に正の誘電異方性を有するネマチック液晶（常光屈折
率１．５２、異常光屈折率１．７７）を滴下し、その上
に他のＩＴＯ付きガラス基板を乗せ、固定した。

【００２９】得られた素子の電気−光学特性を実施例１
と同様の方法で測定した。電圧ＯＦＦの状態で光線の入
射方向から約４°の方向にレーザー光のスポットが現れ
た（強度６５％）。また、−１°の方向（−は中央に対
して反対側であることを示す）に弱いスポット（強度１
５％）が認められた。素子両側のＩＴＯ電極に１０Ｖ、
１００Ｈｚの電圧を印加すると、４°方向のスポットは
ほとんど消失し、−１°方向のスポットが強くなった。 電圧を切ると、再び４°方向のスポットが生じ、透過光
の方向のスポットは弱くなった。電圧をＯＮ−ＯＦＦす
るとスポットの繰り返し再現性があった。

【００３０】実施例５ 液晶材料として、２周波駆動型の液晶（常光屈折率１．
５１、異常光屈折率１．７５）を用いた以外は実施例１
と同様に素子を作製し、透過光を測定した。ただし、透
過光の測定は電圧のＯＮ−ＯＦＦではなく、電圧の周波
数を変化させて行った。なお、２周波駆動液晶の誘電率
の異方性（＝液晶分子の長軸方向の誘電率−液晶分子の
長軸に垂直な方向の誘電率）は、１０３　Ｈｚ以下の低
周波領域で正、それ以上の周波数では負となる。素子に
かける矩形交流の電圧を５０Ｖ一定とし、周波数を１Ｈ
ｚから１０６　Ｈｚまで変化させた。誘電率の異方性が
正である１０３　Ｈｚ以下の周波数の時は、約２°の方
向にレーザー光のスポットが発生していた（強度６０％
から７０％）。印加電圧の周波数が１０３　Ｈｚから１
０４　Ｈｚに変化する領域で２°方向のスポットは急激
に弱まり、１０％以下となった。同時に−５°の方向に
新しいスポットが現れた。このスポットの強度は６７％
あり、１０４　Ｈｚから１０６　Ｈｚの領域で強度の変
化は見られなかった。周波数を下げていくと１０４　Ｈ
ｚから１０３　Ｈｚにおいて−５°の方向にのスポット
が消失、−２°の方向にスポットが発生した。周波数の
変化を繰り返して測定するとスポットの発生、消失も繰
り返され、再現性があった。

【００３１】実施例６ 実施例１と同様の方法で試作した素子について温度を変
化させて測定を行った。２０℃において見られた約４°
の方向の強いレーザー光のスポット（強度６０％）は、
７０℃以下では変化しなかったが、７０℃を越えると消
失した。それと同時に０°の方向に強いスポットが現れ
た。このスポットの強度は９２％であった。素子の温度
を１００℃まで上昇させた後、１０℃／分で冷却してい
くと、６８℃で０°のスポットが消失し、４°方向にス
ポットが現れた。昇温と降温を繰り返すと０°と４°の
スポットが交互に現れ、再現性があった。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は新規な液
晶光学素子を提供するものであり、微小な面の集まりで
ある凹凸を有する透明性固体材料と液晶材料から光学素
子を構成することによって従来の液晶素子では不可能で
あった、高度な入射光の制御を可能にするものである。 本発明は、液晶プロジェクタ等の表示装置、光バルブ、
光回路部品等に広く利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる液晶光学素子の断面図を示して
いる。

【図２】本発明に係わる液晶光学素子の電圧−光強度の
関係を２つのスポットについて示したものである。

【符号の説明】

１１　　液晶材料 １２　　透明性固体 １３　　透明電極 １４　　ガラス基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　入射光軸に垂直な平面より一定の角度
   傾いている多数の微小面を少なくとも一部に有し、断面
   形状がのこぎり波状の透明性固体材料と、その多数の微
   小面に接して設けられた液晶材料と、この液晶材料の屈
   折率を制御する手段とからなることを特徴とする液晶光
   学素子。