JPS61177431A - 液晶絞り装置 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は光の利用効率を高くできる液晶絞り装置に関す
る。

［発明の技術的背景とその問題点］ 近年、印加電圧等によってその分子の配向方向がＩＩＩ
ｔｉＯできる液晶が光学的な分野で広く利用されるよう
になった。

例えば、照明光量とか透過光量を制御する絞り装置とし
ては、従来１ハ、遮光板をメカニカルに回動する等して
行っていたが、液晶の旋光特性を利用することによって
印加電圧で電気的に透過光量を制御することもできる。

第１１図は液晶を用いた従来例を示す。

この従来例は、２枚の偏光板１．２の間に透明電極３．
４を設けた透明板５．６を配設し、これら透明板５．６
の間にスペーサ７を介装して形成したセル内に液晶８を
封入し、電極３．４間に印加する電圧によって、一方の
偏光板１で直線偏光にされた光が液晶８を通る際に偏光
波が回転する角度を変化させることによって、他方の偏
光板２を通る光量を制御するものである。

この従来例は、偏光板１で、予めこの偏光板１の偏光方
向に平行な偏光波のみにその透過光量を制御することに
なるので、光の利用効率が低く、光量の損失が大きいと
いう欠点があった。

［発明の目的］ 本発明は上述した点にかんがみてなされたもので、損失
分が少く、光の利用効率の高い液晶絞り装置を提供する
ことを目的とする。

［発明の概要］ 本発明は電気的にその屈折率の値又は屈折率の主軸方向
を可変制御できる２軸性物質を少くとも２層形成して光
の利用効率の高い絞り装置を実現している。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。

第１図ないし第４図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は第１実施例の構成を示し、第２図は第１実施例に用
いられている液晶の屈折率楕円体を示し、第３図及び第
４図は印加電圧のオフ及びオン状態での２軸性液晶によ
る光の透過状態及び光の反射状態によって透過光量が可
変制御されることを示すものである。

第１実施例の絞り装置１１は、第１図に示すように、２
つの直角３角プリズム１２．１３の山斜面に透明電極１
４．１５をそれぞれコートし、該透明電極１４．１５の
周縁にはスペーサ１６．１６、中央部には透明板１７．
１７を介装して透明電極膜１８，１８をそれぞれ設けて
、前記プリズム１２．１３の各斜面に沿って透明板１７
．１７の外周で且つスペーサ１６．１６の内側にリング
状セルをそれぞれ形成し、各リング状の各セル内には液
晶１９．２０がそれぞれ封入されている。

これらの液晶１９．２０は、第２図の屈折率楕円体に示
すように、電圧が印加されていない状態ではその楕円面
の各主軸に一致する座標軸Ｘｌ。

ｘ２．ｘ３に沿う方向の各屈折率ｎ１．ｎ２．ｎ３が ｎ３　＞ｎ２　＞ｎｌ　　　　　　・・・（１）の関係
を満たす２軸性の結晶の特徴を有するものが用いである
。

上記両プリズム１２．１３はガラス等の材質が用いられ
、それらの屈折率ｎｐが、例えば、ｎ３＞ｎρ≧ｎ２　
　　　　　　・・・（２）の関係を満たす材料が選定さ
れている。又、屈折率ｎ３とｎ２との差はあまり大きく
なく、屈折率ｎ３を経て屈折率ｎρあるいはｎ２の媒質
に進行する光は全反射しないで進むようにしである。

上記中央の透明板１７．１７は例えば円板形状又は第１
図の入射光方向から見た場合が円形状をなし、その材質
としてはプリズム１２．１３と同一の材質等用いて、こ
の透明板１７．１７に向けて入射される光はそのまま透
過するようにしである。また、これら透明板１７．１７
の大きさは、入射される光度の大きさを該透明板１７．
１７外周を遮光状態に設定して、全光ａ透過状態から光
ｆｆｉ制御するのに適した大きさに設定しである。

従って、透明板１７．１７の大きさは入射される入射光
の光束の大きさより小さく、一方、プリズム１２．１３
はその光束の大きさをカバーできる大きさにしである。

ところで、透明電極１４，１５．１８．１８はそれらの
屈折率ｎｅがプリズム１２．１３の屈折率ｎｐに対し、
例えば、 ｒＨ≧ｎｐ の関係に設定しである。上記以外の場合、つまりｎｅ＜
’ｎρでもプリズム１２．１３の斜面と入射光方向との
なす角度ψが、プリズム１２を経て例えば電極１４に入
射される際にその境界面で全反射しなければ良い。つま
り、一般的には電極１４に入射される際の入射角、つま
り９０°−Φが全反射が生じる臨界角θｃ　　（＝ｓｉ
ｎ　−ｔ　（ｎｅ　／ｎｐ　））より小さく設定して全
反射が生じないようにしてあれば良い。尚、上記角度ψ
は、図示ではプリズム１２．１３の底面（又は上面）と
斜面とのなす角度に一致させである。勿論、この状態か
らプリズム１２．１３側を回転したり、又は入射光の方
向をずらすこともできる。この場合上述の条件の基準と
なる角度はプリズム１２．１３の斜面に対する法線と入
射光方向とのなす角度であることは言うまでもない。

上記条件を満たす場合、通常は上記屈折率ｎｅは、屈折
率ｎ２あるいはｎ３と大きく異るものでなく、屈折率ｎ
Ｂから屈折率ｎ２又は屈折率ｎ３から屈折率ｎｅに進行
する光は全反射しないように設定しである。

ところで上記液晶１９．２０をそれぞれ挟む電極１４．
１８及び１５．１８には連動スイッチＳ１、Ｓ２を介し
て、電源２１．２２の交流電圧を印加できるようになっ
ている。

上記電源２１．２２から交流電圧が印加されない状態で
は、各液晶１９．２０は、第３図に示すような屈折率、
つまり入射光方向の屈折率がそれぞれｎｌｏ　ｎｌ、入
射光と垂直な面と平行で、入射光の電場成分が反射又は
屈折する際の主要な入射面（プリズムの斜面部分）に関
して平行となるＰ偏光波方向に対してはｎ２．ｎ２．３
偏光波に対してはｎ３．ｎ３となる屈折率異方性を示し
、一方、交流電圧が印加されると、液晶分子の配向状態
が変化し、第４図に示すような屈折率、つまり入射光方
向に対してｎ２．ｎ３、ｐ偏光波に対してｎｌ、ｎ２．
３偏光波に対しＴｎ３．ｎｌとなるように屈折率が入れ
換わるようになる。（尚、第３図及び第４図においてプ
リズム１２の入射側の面は、図面を拡大して要部を示す
ために右側にずらしである。） 上記屈折率がｎｌの場合には、屈折率ｎ２．ｎＰ＋　ｎ
ｅのいずれの媒質を通った光もこの屈折率ｎ１との境界
面で全反射するように設定されている。つまり屈折率ｎ
１は例えば屈折率ｎｅの媒質側から入射される場合、こ
の場合の臨界角θＣ′（＝ｓｉｎ　−１（ｎ１／ｒ）ｅ
）　）よりも入射角９〇−ψが欠きくなるようにしてあ
り、常に全反射が生じることになる。

このように構成された第１実施例の動作を以下に説明す
る。

先ず交流電圧が印加されない状態では、液晶１９．２０
は第３図に示すような屈折率の方向性を示す。

この状態に対し、入射される光をプリズム１２と電極１
４．あるいは電極１４と液晶１９等の各境界面に対し、
その電場成分がその入射面と平行となるＰ波とこれに垂
直なＳ波に分けて説明する。

ここで説明を簡単にするため、プリズム１２゜１３の屈
折率ｎρと電極１４．１８．１５の屈折率ｎｅは等しい
とする。屈折率ｎ２とｎ３も実質的に等しいとしても良
いし、上記屈折率ｎρ及びｎ９がこれらと等しいとして
考えても良い。（図示では屈折率ｎｐ　　（又はｎｅ）
は屈折率ｎ２より若干大きいものとして屈折状態を示し
である。）上記Ｐ波がプリズム１２に入射されると、プ
リズム１２からＮ極１４をそのまま直進し、液晶１９と
の境界面で全反射することなく屈折して液晶１９内を進
行する。この液晶１９内を通った光は電極１８．１８を
屈折して通り、次いで液晶２０を屈折して通り、さらに
該液晶２０と電極１５との境界面で全反射することなく
、屈折して該電極１５、プリズム１３を通り、この絞り
装置１１後方（右側）の出射端に進行する。

一方、Ｓ波がプリズム１２に入射されると、そのまま電
極１４を通り、屈折して液晶１９を通る。

この液晶１９を通った光は、電極１８．１８で全反射す
ることなく屈折し、さらに液晶２０番屈折して通る。こ
の液晶２０を通った光は、電極１５で全反射することな
く、屈折して該電極１５．プリズム１３を通り抜ける。

つまり、交流電圧を印加しない場合には、入射光は絞り
装置１１を光量制御されることなく、殆んど全光量がそ
のまま通り抜ける。

次に各液晶１９．２０に適宜値の交流電圧を印加し、液
晶分子の配向状態を変えて、各屈折率方向の座標系の主
軸方向を第４図に示すように変える（図示では屈折率の
値で示しである。）。

この状態ではＰ波が入射されると、プリズム１２、電極
１４を通った光は屈折率ｎｅ　　（＝ｎρ）の電極１４
と屈折率ｎ１の液晶１９との境界面で全反射されるので
、このＰ波の反射光量分だけ透過光器が減少する。

一方、Ｓ波が入射されると、プリズム１２．電極１４を
通った光は、液晶１９で屈折し、さらに電極１８．１８
側に屈折して進む。しかして、この屈折率ｎ９の電極１
８とこのＳ波の対して屈折率ｎ１となる液晶２０との境
界面で全反射し、さらに液晶１９．Ｎ極１４．プリズム
１２を通り上方に進行するため、絞り装置１１後方（右
側゛）に進行する光■のうちこのＳ波の成分の光量だけ
減少する。

つまり交流電圧を印加することによって、透明板１７．
１７の外周側の液晶１９．２０を通るＰ波及びＳ波を遮
光することができるので、上記交流電圧を印加又は無印
加することによって、光量制御を行うことができる絞り
装置を実現している。

尚、上記第１実施例において、透明板１７．１７部分の
両面に、透明電極１４．１８．１８．１５が形成しであ
るが、形成しなくても良いし、又透明板１７．１７をプ
リズムと一体形成したものとしても良い。

第５図は本発明の第２実施例を示す。この実施例は、上
記第１実施例が斜面に沿ってリング状に形成したものを
円錐面に沿って形成したものである。

即ち、一方の透明部材を円錐状に成形し、その頂部側を
切欠いて円錐台形状にし、他方の透明部材をこの円錐台
を収納可能とする円錐台状凹部を形成し、頂部に円板状
透明部材３１を貼着等し、この外側の両道明部材におけ
る円錐面に透明電極３２．３３をコート等して設け、そ
の周縁に前記透明部材３１の略１／２の厚さのスペーサ
３４゜３４を介装すると共に、内側の周縁に透明のスペ
ーサ３４−．３４−を介装してさらに透明電極膜３５．
３５を設けて、それぞれセルを形成し、各セル内に液晶
３６．３７を封入している。しかして、これら液晶３６
．３７を挟む１対の各電極３２．３５　：３３．３５に
はそれぞれ連動するスイッチＳ１．Ｓ２を介して交流電
源２１．２２のＡＣ電圧を印加できるようにしである。

上記各液晶３６．３７は、上記第１実施例と同様に第２
図の屈折率楕円体に示す屈折率を有する２軸性液晶が用
いられ、電圧が印加されていない場合には、各方向の屈
折率が第６図に示すようになっている。この状態は第３
図と同様であり、従って、入射光はＰ波及びＳ波とも透
過する。

一方、ＡＣ電圧が印加されると、屈折率の主軸方向が変
化した状態になり、第７図に示す状態になる。従って、
Ｐ波は透明電極３３と液晶３７との境界面で全反射され
、一方Ｓ波は透明電極３５と液晶３６との境界面で全反
射される。

つまりＡＣ電圧が印加されると、透明部材３１及び透明
スペーサ３４−の部分に入射される光束のみが通り、そ
の外周側の円錐面に図示のＰ波及びＳ波が入射されると
遮光される。つまり透過光■をＡＣ電圧のオン、オフで
制御できる。

第８図は本発明の第３実施例を示す。

この第３実施例は、上記第２実施例における円錐面に沿
って形成した液晶セルを２重に設けたものであり、２段
階に光量制御を行えるようにしている。

即ち、上記第２実施例における円錐面に沿って形成した
セルに液晶３６．３７を封入した液晶セルの他に、その
光軸上前方（左側）に径の大きい円板状透明部材４１を
設け、この透明部材４１の外周側の円錐面に沿ってセル
を形成し、液晶４２゜４３を封入した液晶セルを形成し
て絞り装置を構成している。又、これら各液晶４２．４
３には連動するスイッチＳ＋　、８２をそれぞれ介して
ＡＣ電圧源２１．２２のＡＣ！圧を印加できるようにし
である。

しかして、例えば一方の円錐面に形成した液晶セル側に
ＡＣ電圧を印加すると透過光量や一部を遮光でき、両方
の液晶セルにＡＣ電圧を印加するとさらに透過光量をさ
らに小さくでき、このようにして光量制御を２段階（全
量透過を含めると３段階）に可変制御できるようにしで
ある。

第９図は本発明の第４実施例を示す。

この第４実施例は、曲面に沿って液晶セルを配設したも
ので、印加されるＡＣｆｆｉ圧によって透過光量を連続
的に可変できるようにしている。

即ち、一方の透明部材を例えば球面等の凸曲面状に形成
し、且つ、他方の透明部材をこの凸曲面を収納する凹曲
面に形成し、これら対向する曲面にそれぞれ透明電極５
１．５２を形成し、スペーサ５３．５３を介装してさら
に透明電極膜５４゜５４を形成して曲面に沿ってそれぞ
れセルを形成し、これら各セルに液晶５５．５６を封入
して絞り装置を構成している。

上記１対の各透明電極にはそれぞれ連動するスイッチＳ
１．Ｓ２を介し、さらに連動する可変紙ｌＡ３７．５７
をｌｌて交１％１ｍ２１，２２．のＡＣ１圧を可変して
印加できるようにしである。この第４実施例では入射角
が連続的に変化するので、印加するＡＣ電圧に応じて屈
折状態となる部分と全反射状態となる部分の面積を同心
円状に変化でき、光量制御可変幅を非常に広くできる。

第１０図は本発明の第５実施例を示す。

この第５実施例においては、上記第２実施例における円
板状透明部材３１の面積を小さくし、且つ円錐面に沿っ
て形成した各液晶セルにおける一方の電極をそれぞれ分
割してリング状電極を形成し、部分的（同心リング状）
にＡＣ電圧を印加できるようにしたものである。

即ち、一方の透明部材を円錐台状の凸曲面に形成し、他
方の透明部材の円錐台状の凹曲面と対向させ、間の頂部
側に透明スペーサ６１．６２外周側の周縁にスペーサ６
３．６４を介装し、共通の透明板６５との間にそれぞれ
セルを形成し、液晶６６．６７をそれぞれ封入した液晶
セルを形成して絞り装置を構成している。

しかして、外側の両透明電極６８．６８に対向して内側
の透明板６５の両面にはそれぞれ絶縁されたリング状の
透明電極６９ａ、６９ｂ、・・・、６９ｍ、６９ｎがそ
れぞれ形成されており、これら透明電極６９ａ、６９ｂ
、−，６９ｍ、６９ｒＮ、ｔデコーダ７０を介し、さら
に切換スイッチＳｗ及びスイッチＳを介してＡｃｔ源７
１のＡＣ電圧を印加できるようにしである。

上記切換スイッチ３ｗは、例えば接点Ｔ１が選択される
と、デコーダ７０を最外周のリング状透明電極６９ｎの
みにＡＣ電圧が印加され、接点Ｔ２が選択されると、こ
の最外周の透明電極６９ｎとその内側の透明電極６９ｍ
とがオンされるようにしである。

この第５実施例によれば透明光量を何段階にも可変制御
できる。

尚、上記各実施例は２軸性の液晶を２層に形成して透過
光量を可変できる液晶絞り装置を形成しているが、液晶
を用いることなく、同様の特性を示す光学的２軸性物質
を用いても良く、例えばセラミックス等を用いて形成し
ても良い。

又、印加電圧で透過光量を制御するものに限らず、印加
電圧の周波数を変化させて透過光量を制御することもで
きる。又、磁界等で制御することもできる。又、電圧等
で屈折率の主軸方向を変化させるものに限らず、屈折率
の値を変化させることにより、屈折状態と全反射状態と
をつくり出して光量制御することもできる。

尚、反射光路側で光量制御を行うようにしても良い。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、光学的に２軸性を示
し、印加電圧等でその屈折率の値又は屈折率の主軸方向
を可変できる液晶等の２軸性物質を少くとも２１Ｗにわ
たって形成しているので、偏光板を用いることなく光の
利用効率が高く、先山損失の少い絞り装置を実現できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は第１実施例を示す構成図、第２図は第１実施例に用
いられる液晶の屈折率楕円体を示す説明図、第３図はＡ
Ｃ電圧が印加されていない透過状態を示す説明図、第４
図はＡＣ電圧が印加されて透過光量が制御される状態を
示す説明図、第５図ないし第７図は本発明の第２実施例
に係り、第５図は第２実施例を示す構成図、第６図はＡ
Ｃ電圧が印加されてない透過状態を示す説明図、第７図
はＡＣ電圧が印加されて透過光量が制御される様子を示
す説明図、第８図は本発明の第３実施例を示す構成図、
第９図は本発明の第４実施例を示す構成図、第１０図は
本発明の第５実施例を示す構成図、第１１図は従来例を
示す構成図である。 １１・・・絞り装置　　１２．１３・・・プリズム１４
．１５．１８・・・透明電極 １６・・・スペーサ　　１９．２０・・・液晶２１．２
２・・・交流電源 ３６．３７．４２．４３．５５．５６．６７゜６８・・
・液晶 ６９ａ、６９ｂ、　・、６９ｎ・　（！Ｊリング状透明
電極 ７０・・・デコーダ 第１図 第２図 第３図 第５図 第８図 第６図 第９図 第１１図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 透明部材の間に形成したセル内に液晶を封入して電気的
   に透過する光量を制御する液晶絞り装置において、光学
   的に２軸性を示す液晶を封入したセルを少くとも２層形
   成し、電気的にその屈折率の値又は屈折率の主軸方向を
   制御して透過光量の制御を行うことを特徴とする液晶絞
   り装置。