JPH07110482A - 液晶電気光学素子 - Google Patents

液晶電気光学素子

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JPH07110482A JP5242341A JP24234193A JPH07110482A JP H07110482 A JPH07110482 A JP H07110482A JP 5242341 A JP5242341 A JP 5242341A JP 24234193 A JP24234193 A JP 24234193A JP H07110482 A JPH07110482 A JP H07110482A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】自発分極性の強誘電性液晶を用いて応答性のよ
い電気光学素子を得ること。 【構成】自発分極を有している強誘電性液晶をスメクテ
イックＡの状態で用い、それを適当な透明容器に封入す
る。電場は光路方向と垂直にかけ、その電場によって液
晶分子の配向方向を変え、屈折率を変化させる。それに
光を入射させ、偏光の状態を保存しつつ、電極の形状を
調整することによって偏向作用・集光作用を催す液晶電
気光学素子を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本願発明は液晶の電傾効果を利用
して光路を変化させ、光の偏向等の作用を実現する方法
に関する。
【０００２】
【従来技術】従来の技術電子光学素子の機能ひとつに光
の偏向がある。光偏向器は様々な装置で使われている
が、そのほとんどが機械的な動きによるものである。レ
ーザープリンターでは、多面体の鏡を回転させ、鏡の向
きを連続的に変えることにより反射レーザー光を偏向し
ている。
【０００３】また、光磁気ディスクのトラッキング機構
は、レンズを左右に移動、あるいは反射鏡の向きを変え
ることにより光を偏向している。これらは、機械的な機
構が複雑で、組み立て調整が難しく、また振動に弱い。
偏向速度も、機械部品の大きさや重量によって限られて
いる。さらに、偏向速度の増加に伴って消費電力も多く
なる。
【０００４】これらの欠点を克服するために、表面弾性
波素子(ＳＡＷデバイス)を用いた可変回折格子のような
機械的な動きを伴わない光偏向器も考案されている。導
波路中にＳＡＷデバイスを作成し、弾性波の周波数を変
えることで格子間隔を変え光を偏向させる。しかし、回
折効率が悪く、光の利用率が低くなる。また、素子の作
成も難しい。これらのことから、容易にデバイスが作成
でき、大きく屈折率が変えられる液晶を応用した偏向器
もいくつか考案された。
【０００５】例えば、二つの電極間に高電圧をかけ、液
晶の配向方向を変えることで偏向させるもの［A.F.Fra
y,D.Jones,"Large-angle beam deflector using li
quidcrystal",Electo.Lett.,11,358(1975)、A.Sasaki,
T.Ishibashi,"Liquid-crystal light deflector",Ele
cto.Lett.,15,239(1979)］、直流電流でできるウィリア
ムズドメインを利用した可変回折格子［岡野光治、小林
駿介、"液晶応用編"、培風館、p213(1989)］、全反射に
よるスイッチングを利用したもの［G.LabrunieandS.Val
ette,"Nematic Liquid Crystal Digital Light De
flector",Appl.pt.,13,1802(1974)、R.A.Kashnowand,C.
R.Stein,"Total-Reflection Liquid-Crystal Electro
-optic Device",Appl.Opt.,12,2309(1973)]、電場勾配
を作り屈折率を直線的に変化させ光路差を生じさせるも
のなどがある。
【０００６】高電圧をかけるものは電場の分布の制御が
難しく、ビームの形状が乱れる。また、ウィリアムズド
メインを利用した素子は、ＳＡＷデバイスと同様に光の
利用率が低くなり、また、光の波長によって偏向角度が
変化する。全反射の利用は２方向への偏向だけが可能と
なる。電場勾配を作るものは、液晶にかける電場と平行
に光を入射しているため、応答速度を上げようとする素
子を薄くしなければならず、偏向角度が小さくなる。逆
に、偏向角度を大きくしようとすると素子が厚くなり、
速度が遅くなるというジレンマを持っている。
【０００７】さらに、重要な電気光学素子の機能に焦点
あわせがある。光の焦点合わせの機構は様々な装置で使
われているが、そのほとんどが機械的にレンズの移動を
行なっている。自動焦点カメラでは、様々なアクチュエ
ータによってレンズ間の距離を変え、合成された焦点距
離を変化させている。光磁気ディスクのフォーカシング
機構は、レンズを上下に移動することで光の焦点位置を
変化させている。これは、機械的な機構が複雑で、組み
立て調整が難しく振動に弱い。焦点可変速度も機械部品
の大きさや重量によって限られている。さらに、変化速
度の増加に伴って消費電力も多くなる。
【０００８】これらの欠点を克服するために、液晶を用
いた機械的な動きを伴わない可変焦点レンズが考案され
ている。液晶は容易にデバイスが作成でき、大きく屈折
率が変えられるという特徴をもつため、様々な応用方法
が考えられている。例えば、２枚のガラス板に細かい透
明電極を付け各々の電極にかける電圧を制御し、液晶に
レンズ状の屈折率分布をもたせたもの［Patrick F.Brin
kley,Stephaen T Kowel,and Chinghua Chu,"Liquid cry
stal adaptive lens: beam translation and field mes
hing",Applied Optics 27,4578(1998)]、２枚のガラス
のうち一方にフレネルレンズを形成し、その間に液晶を
注入し可変屈折率のフレネルレンズを構成したもの［S.
Sato, A.Sugiyama ,and R.Sato,"Variable-Focus Liqui
d-Crystal Fresnel Lens",Jpn.J.Appl.Phys.,24,L626(1
985)］、光導波路上に集光回折格子を作成し、その上に
液晶を乗せたもの［(財)光産業技術振興協会、平成２年
度光ディスク懇談会資料集、71(1992)］、同心円状の電
極パターンで不均一電界を作り、レンズ効果をもたせた
もの［増田伸、能勢敏明、佐藤進、"ハイブリッド配向
液晶電気光学マイクロレンズにおける光学特性および分
子配向"、光学、20,232(1991)］などである。
【０００９】細かい電極で屈折率を制御する方法では、
電極を非常に細かくしなければ、出射光の波面をきれい
にすることはできない。フレネルレンズ、回折格子を用
いるタイプは、波長によって焦点距離が変わるため波長
分散が起こる。さらに、液晶にかける電場と平行に光を
入射しているため、応答速度を上げようとすると素子を
薄くしなければならずレンズ焦点距離が長くなる。逆
に、焦点距離を短くしようとすると素子が厚くなり、速
度が遅くなるというジレンマを持っている。同心円上の
パターンで電場を作るものは、電場分布の制御が困難
で、光の収差が大きくなってしまう。
【００１０】この光の収差の問題を回避するために特願
平５−２０６２４１号公報においてはネマテイック液晶
に連続的に変化する電場を付与し、そのネマテイック液
晶の電場に応じて屈折率がリニヤに変化する性質を用い
偏向を行う装置が開示されている。
【００１１】ネマテイック液晶は自発分極性（それ自身
分極を常に有している性質）を有しないので、電場を印
加して液晶分子がの分子軸の配向方向が変化するまでの
所要時間が大きいという欠点を有している。つまり、こ
の方式のものでは応答性に問題があって、光通信に使用
するスイッチング素子等高応答性が必要とされる用途に
は適していない。
【００１２】強誘電性の液晶分子はスメクテイックＡ相
において電傾効果によってその分極ベクトルが電場の方
向と整合するように傾斜するのであるが、ネマテイック
液晶の場合電場を印加して初めて分極が発生する。かか
る特性を有する液晶を用いるよりも電場のない状態で分
極している自発分極性の液晶を用いる方が応答性の観点
からは優れている。また、電場に対する配向の応答性は
分極が大きいほど速くなる。従って、応答性を向上させ
るためには大きい自発分極を有している液晶を用いれば
よい。
【００１３】また、動作電圧が大きいとその分応答速度
が低下する。従来のネマテイック液晶による偏向器は光
の入射方向と平行に電場を印加していたため、大きな偏
向を得るためには液晶中を通る光の経路長を長くする関
係上電極間の間隔が大きくなり、所望の電場を発生させ
るために動作電圧を大きくする必要が認められた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本願発明の目的は偏向
光の波面の乱れが発生せず、光の利用効率が大きく、機
械的な可動部がないという従来のネマテイック液晶を使
用した偏向器の利点を維持しつつ、さらに、その欠点で
あった応答性を改善することである。
【００１５】より具体的には自発分極性の強誘電性液晶
を用い、光路方向と電場方向を平行にしないことによっ
て、偏向角の大きさと動作電圧との間の相関性を排除
し、小さな動作電圧で駆動できる応答性の大きな偏向器
を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本願発明は、自発分極を有している強誘電性液晶を予
め一定方向に配向させ、それを適当な透明容器に封入す
る。電場は光路方向と垂直にかけ、その電場によって液
晶分子の配向方向を変え、屈折率を変化させる。それに
光を入射させ、偏光の状態を保存しつつ、電極の形状を
調整することによって偏向作用・集光作用を催す液晶電
気光学素子を提供する。
【００１７】
【実施例】本願発明を図１において模式的に示す。二つ
の対抗電極101,102間に、自発分極を有する液晶が充満
しており、電場はｚ軸方向に付加される。スメクテイッ
クＡ状態において液晶はその分子長軸が一定方向をとる
ように層状に配列しているが、電場が与えられると一様
にその電場に応じて分子軸が傾く傾向（電傾効果）を示
す。
【００１８】この際の液晶の挙動を定性的に示したのが
図２である。また、付与した電場の強さと液晶の傾斜角
の定量的な関係を図３に示す。ここで、電場は紙面方向
に付与されるのであるが、実際には液晶全体に付与され
るのではなく，図２に示すように一部（斜線210の右下
方)にのみ付与される。従って、液晶のうち電場が付与
された部分のみ屈折率が変化する。
【００１９】この状態で光を図１ｙ方向に入射する。す
ると，図２（ｂ）に示すように、斜線210を通過する光
束が電傾効果によって分子軸が傾斜した液晶分子部分を
通過する際に同一波面上で光路長が連続的に変化し、光
は屈折率の差と斜線210の傾きに応じた偏向を受ける。
【００２０】ここで、自発分極を有する液晶を用いるの
は自発分極性を有する液晶の方が電場に応じて速くその
分子軸が傾斜し、結果として応答性のよい電気光学素子
を得ることが可能だからである。自発分極を有している
ものでも個々の液晶分子の配向がらせん状になっていた
り、バラバラであれば屈折率を一様に変化させることは
できず偏向作用を具備しえない。本願発明に好適な液晶
であるスメクテイックＡのものは図２に示すように電場
を付与していない状態においても分極ベクトルが層状に
一定方向をとる状態で配列しており、それが、電場によ
って一様に傾くので、均質な偏向作用を期待できる。
【００２１】そして、図４に示すように本願発明におい
ては従来の液晶素子のように電場と平行に光を入射する
ものではない。透明電極間の間隔はそれが大きいほど動
作電圧の増大をきたし、一方動作速度を低減させる。図
４（ａ）に示すように電場と平行に光を入射させる従来
の方式ではこの欠点を容認しつつ、偏向角を大きくとり
たいがために光が液晶中を進む経路長を大きくとってい
た。すなわち、偏向角を大きくすればするほど、電極間
の間隔が大きくなるので動作電圧を高くすることが要請
され、結果として動作速度（応答性）が低減する。
【００２２】本願発明によれば、図４（ｂ）に示すよう
に電場方向と垂直に光を入射する。この方式では液晶素
子の厚さを十分に薄くすることによって動作電圧を低減
し、動作速度を向上させつつ、入射した光の経路長を長
くすることによって大きな偏向角を得ることが可能であ
る。このことは、動作全体に高応答性を維持しつつ、大
きな偏向を実現できるという本願発明の利点につなが
る。
【００２３】以上においては極めて原理的に本願発明を
示した。実際は、液晶は所定の容器中に封入される必要
があり、また、電極の形状もこれを調整することによっ
て偏向以外の作用をこの素子に担保させることが可能と
なる。
【００２４】第５図にこれらの要素をくみいれて、本願
発明を模式図として示す。図５はこれを正面から見た断
面図である。光は矢印501の方向から、透明平行板510と
液晶配向膜520を介し、これらに囲まれて封入された液
晶540に入射する。液晶540に液晶配向膜520と接する面
が斜めのプロフィールを有する電極530によって電場を
与えられた時には（図６ａ）、図２に示したように一定
の方向に連続的に屈折が生じ、結果として偏向器とな
る。液晶配向膜520はポリイミド等の有機被膜であり、
予め液晶分子の分子軸を一定方向に配向する作用を呈す
るものである。このように液晶を予め配向させる手段と
しては他に予め素子全体を磁場中に挿入するなどの方法
が採りえる。ここで、第６図においては黒塗りの部分が
実際の電極部分である。上述のように電極間の間隔は動
作速度と関連性があり、これが小さい方が動作速度が速
くなる。しかし、光束の実用的な大きさを考えると電極
間の間隔は数１０μｍが適切な範囲である。また、光が
通過する液晶部分の経路長は要求される偏向角と比例関
係にある。しかし、これをあまり大きくすることは液晶
の透過率を考えると問題であり、数ｍｍ以下の範囲が妥
当であろう。
【００２５】この電極の形状を変化させることによって
さまざまな機能を発揮させることが可能である。これ
は、電極によって電場が付与された部分の液晶分子のみ
を選択的に傾斜させ、屈折率の変化を起こさせることが
できるという本願発明の特徴に基づくものである。例え
ば、電極の形状を図６ｂに示すような紡錘状にすれば一
軸性の可変焦点距離の凹レンズを実現することができる
し、図６ｃのように電極の形状を紡錘形状をくりぬいた
形状とすれば凸レンズを実現することもできる。
【００２６】凸レンズについては要求されるレンズによ
って形状を変え、波面収差の小さい非球面レンズを構成
することもできる。その素子一枚のみを用いた時は、円
筒レンズと同様一軸方向のみのレンズ作用を有するが、
これを第７図のように球面レンズを挟んで直角にもう一
枚設置すれば、通常の球面レンズのように二軸方向にレ
ンズ作用を持たせることもできる。
【００２７】第８図にビーム径の大きな光束を本願に係
わる素子によって偏向する場合を示す。このように、大
きな光束を光ビーム径縮小光学系で電極間の間隔よりも
光束の径を縮小し、本願に係わる素子によって所定の偏
向等を実現した後に、拡大光学系によって所望の径の光
束を得ることが可能である。
【００２８】本願の素子は多くの分野において可能であ
る。例えば、光通信用スイッチは現在実用化されている
ものは動作電圧が高く、動作速度が遅いものであるが、
本願発明によればこの点を解消できる。また、自動焦点
カメラに本願のレンズ機構を採用すれば、機械的な動き
がないために振動に強くなる。このほか、本願の素子の
応用はレーザープリンタ、デイスプレー、光磁気デイス
ク等極めて多岐にわたることが予想される。
【００２９】
【発明の効果】本願発明の機構を採用することによって
低い動作電圧で極めて高い応答性を有する素子を構成す
ることが可能となる。定量的には応答速度は従来のネマ
テイック形の液晶を用いるものの１０００倍程度であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明による光変調方法の概念図を示す。
【図２】液晶の電傾効果とそれに伴う偏向原理を示す。
【図３】液晶の電傾効果の測定例を示す。
【図４】従来の液晶素子と本願発明の液晶素子の電場方
向と光軸方向の関係を示す。
【図５】本願発明による素子の断面構造の正面図を示
す。
【図６】本願発明の液晶配向膜に接する電極面の形状を
示す。
【図７】本願発明の素子を二軸性のレンズとして適用す
る場合の模式図を示す。
【図８】大きなビーム系の光を本願発明の素子に適用す
る際の方法を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐井 文憲 神奈川県大和市下鶴間1623番地14 日本ア イ・ビー・エム株式会社 東京基礎研究所 内 (72)発明者 山田 文明 神奈川県大和市下鶴間1623番地14 日本ア イ・ビー・エム株式会社 東京基礎研究所 内

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光軸方向に対向する一対の透明平板と、 前記一対の透明平板の内側に存在し、光軸方向と垂直な
    方向に一定の間隔を隔てて設けられた一対の電極と、 前記一対の透明平板と前記一対の電極が形成する閉空間
    内に介在する強誘電性または反強誘電性を有する自発分
    極性の液晶と、 前記一対の電極間に電圧を印加する電源と、 を具備し、 前記液晶分子の分子軸を予め所定の方向に一様に配向さ
    せた後に、前記透明平板を介して光軸方向に光線を入射
    させるとともに、前記電極間に電圧を印加し、発生する
    電場によって所望の液晶分子の傾斜を作り出す、 液晶電気光学素子。
  2. 【請求項２】液晶配向膜を前記一対の透明平板の表面で
    あって前記液晶に接する位置に配置することによって液
    晶分子の分子軸を予め所定の方向に一様に配向させる請
    求項１の液晶電気光学素子。
  3. 【請求項３】前記液晶はスメクテイックＡ相を有するこ
    とを特徴とした請求項２の液晶電気光学素子。
  4. 【請求項４】前記液晶と接している面の前記電極の形状
    を三角形または台形とすることによって偏向作用を実現
    する請求項２または３の液晶電気光学素子。
  5. 【請求項５】前記液晶と接している面の前記電極の形状
    をレンズ形状とすることによって集光作用を実現する請
    求項２または３の液晶電気光学素子。
  6. 【請求項６】前記光線が光ビーム径縮小光学系を介した
    ものであることを特徴とした請求項４または５の液晶電
    気光学素子。
  7. 【請求項７】強誘電性または反強誘電性を有する自発分
    極性の液晶分子の分子軸を予め一定の方向に配向させた
    後に、電場を付加して液晶分子に電傾効果を生じさせ、
    前記電場方向と垂直な方向に光線を入射するとともに、
    前記電極の前記液晶と接している部分の形状を所定のも
    のにすることによって光路を変化させる方法。
  8. 【請求項８】前記液晶はスメクテイックＡ相を有するこ
    とを特徴とした請求項７の光路を変化させる方法。
  9. 【請求項９】前記液晶と接している面の前記電極の形状
    を三角形または台形とすることによって偏向作用を実現
    する請求項７または８の光路を変化させる方法。
  10. 【請求項１０】前記液晶と接している面の前記電極の形
    状をレンズ形状とすることによって集光作用を実現する
    請求項７または８の光路を変化させる方法。
JP5242341A 1993-09-29 1993-09-29 液晶電気光学素子 Expired - Lifetime JP2579426B2 (ja)

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