WO2012102272A1 - 光偏向素子 - Google Patents

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WO2012102272A1
WO2012102272A1 PCT/JP2012/051450 JP2012051450W WO2012102272A1 WO 2012102272 A1 WO2012102272 A1 WO 2012102272A1 JP 2012051450 W JP2012051450 W JP 2012051450W WO 2012102272 A1 WO2012102272 A1 WO 2012102272A1
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electrode
transparent electrodes
transparent
deflection element
optical deflection
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裕一 神林
加藤　浩巳
奈留 臼倉
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シャープ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical deflection element.
  • Patent Document 1 an optical deflection element using a liquid crystal material has been developed.
  • Patent Document 1 discloses an optical deflecting device using a nematic liquid crystal material. Specifically, in the optical deflection apparatus disclosed in Patent Document 1, a nematic liquid crystal layer in which liquid crystal molecules are aligned in parallel is disposed between two insulating substrates (for example, glass substrates). Further, a plurality of transparent electrodes arranged in a stripe shape are formed on one insulating substrate, and a counter electrode is formed on the other insulating substrate. A plurality of transparent electrodes arranged in a stripe shape and a counter electrode cause a periodic electric field intensity distribution in the nematic liquid crystal layer, thereby causing a spatial refractive index modulation in the nematic liquid crystal layer. . Such an optical deflection apparatus is said to provide a large deflection angle.
  • a blazed diffraction grating is formed by inducing a spatial refractive index modulation region in a nematic liquid crystal layer by applying a predetermined voltage to each transparent electrode. Can do.
  • the relationship between the deflection angle (diffraction angle) ⁇ and the grating pitch p is expressed by the following formula (1).
  • ⁇ sin ⁇ 1 ( ⁇ / p) 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 90 °, ⁇ : wavelength of incident light (1)
  • FIG. 8 is a graph for explaining the relationship between the arrangement pitch of transparent electrodes (corresponding to the grating pitch) and the deflection angle (diffraction angle) in light having a wavelength of 550 nm.
  • the transparent electrode is arranged so that the arrangement pitch of the transparent electrodes is about 1.0 ⁇ m in order to make the deflection angle 15 ° or more. Must be formed.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an optical deflection element that can be manufactured by a simple method and can obtain a large deflection angle.
  • An optical deflection element includes a first substrate on which a first electrode is formed, a second substrate on which a second electrode is formed, and a liquid crystal layer disposed between the first electrode and the second electrode. And at least one of the first electrode and the second electrode includes a plurality of first transparent electrodes, a plurality of second transparent electrodes, and an interlayer film, When viewed from the normal direction of one substrate, the plurality of first transparent electrodes and the plurality of second transparent electrodes are alternately arranged in a stripe shape, and the interlayer film is disposed on the plurality of first transparent electrodes. The plurality of second transparent electrodes are formed on the interlayer film.
  • the arrangement pitch of the plurality of first transparent electrodes is equal to the arrangement pitch of the plurality of second transparent electrodes.
  • a part of one first transparent electrode of the plurality of first transparent electrodes is one of the plurality of second transparent electrodes.
  • One second transparent electrode is one of the plurality of second transparent electrodes.
  • each of the plurality of first transparent electrodes and each of the plurality of second transparent electrodes are electrically independent.
  • the liquid crystal layer is a vertical alignment type nematic liquid crystal layer, a homogeneous alignment type nematic liquid crystal layer, or a ferroelectric liquid crystal layer.
  • the interlayer film is made of a transparent insulating resin.
  • an optical deflection element that is manufactured by a simple method and can obtain a large deflection angle.
  • FIG. 1 It is a typical sectional view of light deflection element 100A in an embodiment by the present invention.
  • (A) is a graph showing the relationship between the etching shift amount and the line width
  • (b) is a plan view for explaining the etching shift amount
  • (c) is a graph for explaining the phase modulation amount.
  • (A) is typical sectional drawing of the optical deflection apparatus of patent document 1
  • (b) is typical sectional drawing of 100 A of optical deflection elements
  • (c) is patent document 1 It is sectional drawing explaining the electric field distribution of the optical deflection
  • (d) is sectional drawing explaining the electric field distribution of 100 A of optical deflection
  • (A) is typical sectional drawing of the optical deflection element 100B in other embodiment by this invention
  • (b) is sectional drawing explaining the electric potential difference which arises between each transparent electrode of the optical deflection element 100B.
  • (C) is sectional drawing explaining the electric field distribution of the optical deflection
  • (d) is sectional drawing explaining the diffraction grating pattern P2 of the optical deflection
  • (A) is typical sectional drawing of the optical deflection element 100C in further another embodiment by this invention
  • (b) is sectional drawing explaining the electric field distribution of the optical deflection element 100C
  • These are sectional views for explaining a diffraction grating pattern P3 of the light deflection element 100C.
  • (A) is typical sectional drawing of light deflection element 100D in other embodiments by the present invention
  • (b) is a sectional view explaining electric field distribution of light deflection element 100D, and (c).
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the optical deflection element 100A.
  • An optical deflection element 100A shown in FIG. 1 includes a first substrate (for example, a glass substrate) 11 on which a first electrode 10 is formed, a second substrate (for example, a glass substrate) 21 on which a second electrode 20 is formed,
  • the liquid crystal layer 17 is provided between the first electrode 10 and the second electrode 20.
  • the first electrode 10 includes a plurality of first transparent electrodes 13, an interlayer film 14 formed on the plurality of first transparent electrodes 13, and a plurality of second transparent electrodes 15 formed on the interlayer film 14.
  • the plurality of first and second transparent electrodes 13 and 15 are alternately formed in a stripe shape.
  • the plurality of first transparent electrodes 13 are electrically independent from each other, and the plurality of second transparent electrodes 15 are electrically independent from each other.
  • the second electrode 20 includes a transparent electrode (common electrode) 23 formed in a solid shape over the entire element.
  • the plurality of first and second transparent electrodes 13 and 15 and the transparent electrode 23 are each made of, for example, ITO (Indium Tin Oxide).
  • the plurality of first and second transparent electrodes 13 and 15 and the transparent electrode 23 may be made of, for example, IZO (Indium Zinc Oxide).
  • the arrangement pitch L1 of the plurality of first transparent electrodes 13 is equal to the arrangement pitch L2 of the plurality of second transparent electrodes.
  • the arrangement pitch L1 or L2 corresponds to the lattice pitch p of the above formula (1).
  • the optical deflection element 100A having such a structure can form a high-definition striped transparent electrode by a simple method, and the width of each of the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 15 can be increased. Since it can be increased, a large deflection angle can be obtained.
  • FIG. 2A shows the difference (etching shift amount) between the line width of the electrode pattern formed on the photomask and the line width of the etched electrode formed on the substrate when the electrode is patterned by photolithography.
  • the horizontal axis represents the line width of the electrode pattern formed on the photomask
  • the vertical axis represents the etching shift amount.
  • the etching shift amount will be described with reference to FIG.
  • a desired electrode pattern is formed on a substrate using a photomask.
  • the pattern size is usually different between the electrode pattern 31 formed on the photomask and the electrode pattern 32 formed on the substrate by photolithography. This may be over-etched by etching, and the electrode pattern 32 formed on the substrate is smaller than the size of the electrode pattern 31 formed on the photomask (this phenomenon is sometimes called etching shift). Because there is.
  • the etching shift amount ⁇ S is a distance between the side surface of the electrode pattern 31 formed on the photomask and the side surface of the electrode pattern 32 formed on the substrate.
  • the resolution of an exposure apparatus used in the photolithography method is about 1.5 ⁇ m in L / S (line & space) even if the exposure apparatus has a high resolution.
  • an etching shift amount of about 0.2 ⁇ m exists as shown in FIG. Therefore, in the case of an electrode structure such as the optical deflection device disclosed in Patent Document 1, even if a high-definition electrode pattern is formed, the electrode width is 0.5 ⁇ m and the electrode arrangement pitch (lattice pitch) is 1. It is considered that the limit is 5 ⁇ m.
  • each transparent electrode can be formed so as to have a smaller electrode arrangement pitch than the optical deflection device disclosed in Patent Document 1.
  • the electrode arrangement pitch can be reduced by using an electrode structure having a two-layer structure like the optical deflection element 100A.
  • the electrode structure may be a three-layer structure, it seems difficult to form a grating pitch smaller than the grating pitch in the case of the two-layer structure because of the resolution of the exposure apparatus and the alignment accuracy.
  • the liquid crystal layer 17 is, for example, a nematic liquid crystal layer (referred to as a “homogeneous liquid crystal layer”) in which nematic liquid crystal molecules take a homogeneous orientation when no voltage is applied.
  • the nematic liquid crystal layer includes, for example, a nematic liquid crystal material having a positive dielectric anisotropy. Further, the refractive index anisotropy ⁇ n of the nematic liquid crystal material is preferably 0.1 or more and 1.0 or less.
  • the thickness d of the liquid crystal layer 17 is preferably 3.0 ⁇ m or more and 8.0 ⁇ m or less, and the retardation ( ⁇ n ⁇ d) is preferably 300 nm or more and 800 nm or less.
  • the liquid crystal layer 17 may be a nematic liquid crystal layer in which nematic liquid crystal molecules are splay aligned or bend aligned, for example. Further, the liquid crystal layer 17 may be, for example, a vertical alignment type liquid crystal layer in which nematic liquid crystal molecules are aligned vertically with respect to the substrate. In place of the nematic liquid crystal layer, a ferroelectric liquid crystal layer having a ferroelectric liquid crystal material may be used. When a ferroelectric liquid crystal layer is used, the ferroelectric liquid crystal molecules are spontaneously polarized. Therefore, due to the direct interaction between the electric field and the ferroelectric liquid crystal molecules, the response speed of the nematic liquid crystal molecules (msec order) is exceeded. The response speed of the ferroelectric liquid crystal molecules can be increased (on the order of ⁇ sec).
  • a horizontal alignment film is formed on the second transparent electrode 15 and the transparent electrode 23 so as to be in contact with the liquid crystal layer 17 when no voltage is applied.
  • a desired alignment film may be formed corresponding to the alignment (for example, splay alignment) of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 17.
  • the width W1 of the first transparent electrode 13 and the width W2 of the second transparent electrode 15 are preferably 0.4 ⁇ m ⁇ W1 and W2 ⁇ 1.5 ⁇ m, respectively.
  • a large deflection angle for example, 5 ° or more
  • the transparent electrodes 13 and 15 The widths W1 and W2 are preferably 1.5 ⁇ m or less.
  • the deflection angle is 5 ° or more.
  • the thickness of the 1st and 2nd transparent electrodes 13 and 15 is 100 nm or more and 150 nm or less, respectively.
  • the thickness of each of the transparent electrodes 13 and 15 is small, the surface resistance increases, and when the thickness of each of the transparent electrodes 13 and 15 is large, the transmittance decreases.
  • the surface resistance of each of the transparent electrodes 13 and 15 is 5 ⁇ / ⁇ or more and 40 ⁇ / ⁇ or less, and the light transmittance in the visible light region is 85%. That's it.
  • the width of the first and second transparent electrodes 13 and 15 As the width of the first and second transparent electrodes 13 and 15 is larger, the resistance of the electrodes becomes smaller, so that the driving voltage can be reduced. Further, when the width of the transparent electrodes 13 and 15 is large, the amount of phase modulation can be increased and the diffraction efficiency is also increased.
  • FIG. 2C is a graph illustrating the phase modulation amount when only the widths W1 and W2 of the first and second transparent electrodes 13 and 15 are different.
  • the graph of FIG.2 (c) is a graph of a simulation result.
  • the amount of phase modulation increases as the width of the transparent electrode increases. As a result, the diffraction efficiency is also increased.
  • the arrangement pitches L1 and L2 of the plurality of first and second transparent electrodes 13 and 15 satisfy 1.4 ⁇ m ⁇ L1 and L2 ⁇ 6.0 ⁇ m, respectively.
  • the arrangement pitches L1 and L2 of the plurality of first and second transparent electrodes 13 and 15 are within such a range, a large deflection angle can be obtained.
  • the interlayer film 14 is a transparent insulating film, for example.
  • the interlayer film 14 is made of a photosensitive acrylic resin.
  • the interlayer film 14 may be made of, for example, a photosensitive polyimide resin.
  • the interlayer film 14 may be formed of, for example, SiO 2 (silicon dioxide).
  • the thickness of the interlayer film 14 is, for example, not less than 0.1 ⁇ m and not more than 0.5 ⁇ m. When the thickness of the interlayer film 14 is increased, the phase modulation amount is decreased. Therefore, the thickness of the interlayer film 14 is preferably 0.5 ⁇ m or less so that the phase modulation amount is not decreased (the decrease amount is 10% or less).
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the diffraction grating pattern P1 of the light deflection element 100A.
  • a voltage of 0 V is applied to each of the plurality of first transparent electrodes 13, and a voltage of +5 V is applied to each of the plurality of second transparent electrodes 15.
  • a voltage of 0 V is applied to the transparent electrode 23.
  • the diffraction grating pattern P1 has a larger amount of phase modulation toward the transparent electrode 23 side.
  • a blazed diffraction grating can be formed by inducing a spatial refractive index modulation region in the liquid crystal layer 17 of the light deflection element 100A.
  • a sinusoidal diffraction grating or a rectangular wave diffraction grating can also be formed by adjusting the applied voltage.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the electric field distribution of the optical deflection element 100A and the electric field distribution of the optical deflection apparatus (referred to as the optical deflection apparatus 200) disclosed in Patent Document 1.
  • 4A is a cross-sectional view of the light deflection apparatus 200
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the light deflection element 100A.
  • FIG. 4C is a diagram illustrating the electric field distribution of the optical deflection device 200
  • FIG. 4D is a diagram illustrating the electric field distribution of the optical deflection element 100A.
  • a voltage of +5 V is applied to each of the transparent electrodes 13b, 13d, 15a, and 15b.
  • a voltage of 0 V is applied to the transparent electrodes 13a, 13c, 13e, and 13f, respectively.
  • the optical deflection device 200 and the optical deflection element 100A show similar electric field distributions. It is thought that the same blazed diffraction grating is formed. Therefore, even if the electrode structure has a two-layer structure like the optical deflection element 100A, it is considered that the formation of the blazed diffraction grating is not affected.
  • optical deflection element 100B according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that components common to the optical deflection element 100A are denoted by the same reference numerals, and redundant description is avoided.
  • FIG. 5A is a schematic cross-sectional view of the light deflection element 100B.
  • 5A includes a first substrate (for example, a glass substrate) 11 on which the first electrode 10 is formed, and a second substrate (for example, a glass substrate) 21 on which the second electrode 20 is formed.
  • the liquid crystal layer 17 provided between the first electrode 10 and the second electrode 20.
  • the first electrode 10 includes a plurality of first transparent electrodes 13, an interlayer film 14 formed on the plurality of first transparent electrodes 13, and a plurality of second transparent electrodes 15 formed on the interlayer film 14.
  • the plurality of first and second transparent electrodes 13 and 15 are alternately formed in a stripe shape.
  • the plurality of first transparent electrodes 13 are electrically independent from each other, and the plurality of second transparent electrodes 15 are electrically independent from each other.
  • the second electrode 20 has a transparent electrode 23 formed in a solid shape over the entire element.
  • one second transparent electrode 15 is formed between the two first transparent electrodes 13 adjacent to each other, and the two second transparent electrodes 15 adjacent to each other are formed.
  • One first transparent electrode 13 is formed therebetween.
  • one of the plurality of first transparent electrodes 13 one part of the first transparent electrode 13 is one of the plurality of second transparent electrodes 15. It overlaps with at least one second transparent electrode 15 adjacent to one transparent electrode 13.
  • the arrangement pitch L1 of the plurality of first transparent electrodes 13 is equal to the arrangement pitch L2 of the second transparent electrodes 15.
  • the arrangement pitch L1 or L2 corresponds to the lattice pitch p of the above formula (1).
  • the optical deflection element 100B having such a structure can make the arrangement pitch (L3) between the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 15 smaller than the optical deflection element 100A.
  • a larger deflection angle than that of the optical deflection element 100A can be obtained.
  • the optical deflection element 100B has at least one second transparent electrode in which a part of one first transparent electrode 13 is adjacent to one first transparent electrode 13 when viewed from the normal direction of the first substrate 11. 15, the width of each of the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 15 can be increased, and the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 15 can be increased without increasing the electrical resistance of the transparent electrode.
  • the arrangement pitch (L3) with the two transparent electrodes 15 can be reduced. As a result, the electrical resistance of the transparent electrode can be made smaller than that of the optical deflection element 100A, and a larger deflection angle can be obtained.
  • the width W1 of the first transparent electrode 13 and the width W2 of the second transparent electrode 15 are preferably 0.4 ⁇ m ⁇ W1 and W2 ⁇ 1.5 ⁇ m, respectively.
  • the thickness of the 1st and 2nd transparent electrodes 13 and 15 is 100 nm or more and 150 nm or less, respectively. The larger the width of each transparent electrode 13, 15, the lower the electrode resistance, so that the drive voltage can be reduced. Furthermore, if the width of each of the transparent electrodes 13 and 15 is large, the amount of phase modulation can be increased and the diffraction efficiency is also increased.
  • the arrangement pitches L1 and L2 preferably satisfy 1.4 ⁇ m ⁇ L1 and L2 ⁇ 6.0 ⁇ m, respectively.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view illustrating voltages applied to each electrode (a plurality of first transparent electrodes 13, a plurality of second transparent electrodes 15, and a transparent electrode 23).
  • FIG. 5C is a cross-sectional view for explaining the electric field distribution of the optical deflection element 100B when a desired voltage is applied to the electrodes 13 and 15.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view illustrating the diffraction grating pattern P2 of the light deflection element 100B when a desired voltage is applied to the electrodes 13 and 15.
  • a voltage of +5 V is applied to the first transparent electrodes 13b and 13d and the second transparent electrodes 15a and 15c, and the first transparent electrodes 13a and 13c, the second transparent electrode 15b, and Assume that a voltage of 0 V is applied to the transparent electrode 23.
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13a and the second transparent electrode 15a is ⁇ 5V.
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13b and the second transparent electrode 15a is 0V.
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13b and the second transparent electrode 15b is + 5V.
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13c and the second transparent electrode 15b is 0V.
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13c and the second transparent electrode 15c is ⁇ 5V.
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13d and the second transparent electrode 15c is 0V.
  • the optical deflection element 100B has an electric field distribution as shown in FIG.
  • the electric field distribution shown in FIG. 5C is an electric field distribution similar to that of the optical deflection element 100A described above (see FIG. 1D).
  • a diffraction grating pattern P2 as shown in FIG. 5 (d) is formed.
  • the diffraction grating pattern P2 has a larger amount of phase modulation toward the transparent electrode 23 side.
  • the diffraction grating pattern P2 is a blazed diffraction grating pattern.
  • optical deflection element 100C according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that components common to the optical deflection element 100A are denoted by the same reference numerals, and redundant description is avoided.
  • FIG. 6A is a schematic cross-sectional view of the light deflection element 100C.
  • the optical deflection element 100C is an optical deflection element in which the electrode structure of the second electrode 20 of the optical deflection element 100A has a two-layer structure.
  • the optical deflection element 100C illustrated in FIG. 6A includes a first substrate (for example, a glass substrate) 11 on which the first electrode 10 is formed and a second substrate (for example, on which the second electrode 20 is formed). Glass substrate) 21 and a liquid crystal layer 17 provided between the first electrode 10 and the second electrode 20.
  • the first electrode 10 includes a plurality of first transparent electrodes 13, an interlayer film 14 formed on the plurality of first transparent electrodes 13, and a plurality of second transparent electrodes 15 formed on the interlayer film 14.
  • the plurality of first and second transparent electrodes 13 and 15 are alternately formed in a stripe shape.
  • the plurality of first transparent electrodes 13 are electrically independent from each other, and the plurality of second transparent electrodes 15 are electrically independent from each other.
  • the second electrode 20 includes a plurality of third transparent electrodes 23, an interlayer film 24 formed on the plurality of third transparent electrodes 23, and a plurality of fourth transparent electrodes 25 formed on the interlayer film 24.
  • the plurality of third and fourth transparent electrodes 23 and 25 are alternately formed in a stripe shape.
  • the plurality of third transparent electrodes 23 are electrically independent from each other, and the plurality of fourth transparent electrodes 25 are electrically independent from each other.
  • the plurality of first, second, third, and fourth transparent electrodes 13, 15, 23, and 25 are each formed of, for example, ITO.
  • Each of the plurality of first, second, third, and fourth transparent electrodes 13, 15, 23, and 25 may be made of, for example, IZO.
  • the interlayer film 24 is formed of the same material as that for forming the interlayer film 14 described above.
  • one second transparent electrode 15 is formed between two first transparent electrodes 13 adjacent to each other, and two second transparent electrodes 15 adjacent to each other.
  • One first transparent electrode 13 is formed therebetween.
  • the arrangement pitch L1 of the plurality of first transparent electrodes 13 is equal to the arrangement pitch L2 of the plurality of second transparent electrodes 15.
  • one fourth transparent electrode 25 is formed between the two third transparent electrodes 23 adjacent to each other, and the two fourth transparent electrodes 25 adjacent to each other.
  • One third transparent electrode 23 is formed therebetween.
  • the arrangement pitch L4 of the plurality of third transparent electrodes 23 is equal to the arrangement pitch L5 of the plurality of fourth transparent electrodes 25.
  • the 3rd and 4th transparent electrodes 23 and 25 can be formed on the same conditions as the 1st and 2nd transparent electrodes 13 and 15, for example.
  • the optical deflection element 100C having such a structure can make the potential difference applied to the liquid crystal layer 17 larger than that of the optical deflection element 100A.
  • the diffraction efficiency can be greater.
  • the thickness of each transparent electrode 13, 15, 23, 25 is 50 nm or more and 150 nm or less, respectively. As the width of each transparent electrode 13, 15, 23, 25 is larger, the resistance of the electrode becomes smaller, so that the drive voltage can be reduced. Further, the amount of phase modulation can be increased, and the diffraction efficiency is increased.
  • pitches L1 and L2, L4 and L5 preferably satisfy 1.4 ⁇ m ⁇ L1, L2, L4, L5 ⁇ 6.0 ⁇ m, respectively.
  • pitches L1 and L2, L4 and L5 are within such a range, a large deflection angle can be obtained.
  • each transparent electrode so as to satisfy L1, L2, L4, and L5 ⁇ 1.4 ⁇ m in terms of the capability of the manufacturing apparatus, and L1, L2, L4, and L5> 6.0 ⁇ m. A large deflection angle cannot be obtained.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view for explaining the electric field distribution of the optical deflection element 100C when a desired voltage is applied to each electrode (first to fourth transparent electrodes 13, 15, 23, 25).
  • FIG. 6C is a cross-sectional view illustrating the diffraction grating pattern P3 when a desired voltage is applied to each electrode (first to fourth transparent electrodes 13, 15, 23, 25). It is.
  • a diffraction grating pattern P1 in FIG. 6C is the diffraction grating pattern of the optical deflection element 100A described above.
  • Each diffraction grating pattern P1, P3 has a larger amount of phase modulation toward the fourth transparent electrode 25 side.
  • the optical deflection element 100C has an electric field distribution similar to that of the optical deflection element 100A described above (see FIG. 4D).
  • a voltage of + 5V is applied to the second transparent electrodes 15a to 15c
  • a voltage of ⁇ 5V is applied to the third transparent electrodes 23a to 23c
  • the first transparent electrodes It is assumed that a voltage of 0 V is applied to 13a to 13c and the fourth transparent electrodes 25a to 25c.
  • the diffraction grating pattern P3 shown in FIG. 6C is formed. Further, as apparent from FIG.
  • the diffraction grating pattern P3 obtained by the optical deflection element 100C is the same as that obtained by the optical deflection element 100A within the same applied voltage range (-5V to + 5V range).
  • a phase modulation amount larger than that of the diffraction grating pattern P1 can be obtained.
  • the optical deflection element 100C has a higher diffraction efficiency than the optical deflection element 100A. This is because, in the optical deflection element 100C, the plurality of first to fourth transparent electrodes are electrically independent from each other, and thus cause a larger potential difference in the liquid crystal layer 17 than in the optical deflection element 100A.
  • misalignment between the first substrate 11 and the second substrate 21 occurs, and the correspondence relationship between the first and second transparent electrodes 13 and 15 and the third and fourth transparent electrodes 23 and 25 deviates.
  • a desired voltage may be applied to the transparent electrode from, for example, an IC (Integrated Circuit) driver so that a desired diffraction grating pattern and phase modulation amount can be obtained according to the misalignment amount.
  • the transparent electrodes 23 and 25 are shifted by 0.5 ⁇ m due to misalignment, for example, to the left side (left side in FIG.
  • the third transparent electrodes 23a If a voltage of ⁇ 5V is applied to 23c and a voltage of 0V is applied to the fourth transparent electrodes 25a to 25c, the amount of phase modulation is reduced as compared with the case where there is no misalignment. However, if a voltage of 0V is applied to the third transparent electrodes 23a to 23c and a voltage of -5V is applied to the fourth transparent electrodes 25a to 25c, the decrease in the phase modulation amount can be suppressed, which is about the same as when there is no misalignment. Is obtained. Thus, by changing the voltage applied to each transparent electrode in accordance with the misalignment, a desired diffraction grating pattern and phase modulation amount can be obtained.
  • an optical deflection element 100D when viewed from the normal direction of the first substrate 11, a part of one first transparent electrode 13 of the light deflection element 100C is one first transparent electrode 13. Is overlapped with at least one second transparent electrode 15 adjacent to each other, and a part of one third transparent electrode 23 is overlapped with at least one fourth transparent electrode 25 adjacent to one third transparent electrode 23.
  • An optical deflection element having a structure.
  • the optical deflection element 100D having such a structure can make the potential difference generated in the liquid crystal layer 17 larger than that of the optical deflection element 100C, and therefore the phase modulation amount can be increased. This can increase the diffraction efficiency. Furthermore, since the grating pitch p can be made smaller than that of the optical deflection element 100C, a larger deflection angle than that of the optical deflection element 100C can be obtained.
  • the widths W1, W3 of the first and third transparent electrodes 13, 23 and the widths W2, W4 of the second and fourth transparent electrodes 15, 25 are 0.4 ⁇ m ⁇ W1, W2, W3, W4 ⁇ 1.5 ⁇ m, respectively. preferable.
  • the thickness of each transparent electrode 13, 15, 23, 25 is 100 nm or more and 150 nm or less, respectively.
  • pitches L1 and L2, L4 and L5 preferably satisfy 1.4 ⁇ m ⁇ L1, L2, L4, L5 ⁇ 6.0 ⁇ m, respectively.
  • pitches L1 and L2, L4 and L5 are within such a range, a large deflection angle can be obtained.
  • each transparent electrode so as to satisfy L1, L2, L4, and L5 ⁇ 1.4 ⁇ m in terms of the capability of the manufacturing apparatus, and L1, L2, L4, and L5> 6.0 ⁇ m. A large deflection angle cannot be obtained.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating the electric field distribution of the optical deflection element 100D when a desired voltage is applied to each electrode (first to fourth transparent electrodes 13, 15, 23, 25).
  • FIG. 7C is a cross-sectional view illustrating the diffraction grating pattern P4 when a desired voltage is applied to each electrode (first to fourth transparent electrodes 13, 15, 23, 25).
  • a voltage of +5 V is applied to the first transparent electrodes 13b and 13d, the second transparent electrodes 15a and 15c, and the third transparent electrodes 23b and 23d and the fourth transparent electrode 25b are applied. It is assumed that ⁇ 5V is applied and a voltage of 0V is applied to the first transparent electrodes 13a and 13c, the second transparent electrode 15b, the third transparent electrodes 23a and 23c, and the fourth transparent electrodes 25a and 25c.
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13a and the second transparent electrode 15a is ⁇ 5V
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13b and the second transparent electrode 15a is 0V
  • the potential difference generated between the transparent electrode 13b and the second transparent electrode 15b is + 5V
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13c and the second transparent electrode 15b is 0V
  • the first transparent electrode 13c and the second transparent electrode 15b is 0V.
  • the potential difference generated between the transparent electrode 15c is ⁇ 5V
  • the potential difference generated between the first transparent electrode 13d and the second transparent electrode 15c is 0V.
  • the potential difference generated between the third transparent electrode 23a and the fourth transparent electrode 25a is 0V
  • the potential difference generated between the third transparent electrode 23b and the fourth transparent electrode 25a is ⁇ 5V
  • the third The potential difference generated between the transparent electrode 23b and the fourth transparent electrode 25b is 0V
  • the potential difference generated between the third transparent electrode 23c and the fourth transparent electrode 25b is + 5V
  • the third transparent electrode 23c and the fourth transparent electrode The potential difference generated between the transparent electrode 25c is 0V
  • the potential difference generated between the third transparent electrode 23d and the fourth transparent electrode 25c is ⁇ 5V.
  • the optical deflection element 100D has an electric field distribution similar to that of the optical deflection element 100B (see FIG.
  • a potential difference larger than that of the optical deflection element 100B is applied to the liquid crystal layer 17 by the optical deflection element 100D, and a diffraction grating pattern P4 is formed. Further, the diffraction grating pattern P4 in the case of the electrode structure as shown in FIG. 7C has a larger amount of phase modulation than the above-described diffraction grating pattern P2, and has a higher diffraction efficiency.
  • the first substrate 11 and the second substrate 21 are misaligned, and the correspondence relationship between the first and second transparent electrodes and the third and fourth transparent electrodes is Even in the case of deviation, a desired voltage is applied to the transparent electrode from, for example, an IC (Integrated Circuit) driver so that a desired diffraction grating pattern and phase modulation amount can be obtained according to the amount of misalignment. That's fine.
  • IC Integrated Circuit
  • an optical deflection element that is manufactured by a simple method and can obtain a high deflection angle is provided.
  • the present invention can be applied to a mobile device such as a mobile phone or a portable game machine. Furthermore, it can also be used as an optical switch for laser communications, and can also be used as an optical switch for optical communication.

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Abstract

　本発明による光偏向素子（１００Ａ）は、第１電極（１０）が形成された第１基板（１１）と、第２電極（２０）が形成された第２基板（２１）と、第１電極（１０）と第２電極（２０）との間に配置された液晶層（１７）とを有する光偏向素子である。第１電極（１０）および第２電極（２０）の少なくともいずれか一方は、複数の第１透明電極（１３）および複数の第２透明電極（１５）と、層間膜（１４）とを有する。複数の第１透明電極（１３）および複数の第２透明電極（１５）は、交互にストライプ状に配列され、層間膜（１４）は、複数の第１透明電極（１３）上に形成されており、複数の第２透明電極（１５）は、層間膜（１４）上に形成されている。

Description

光偏向素子
　本発明は、光偏向素子に関する。
　近年、液晶材料を用いた光偏向素子が開発されている（例えば、特許文献１）。
　特許文献１には、ネマチック液晶材料を用いた光偏向装置が開示されている。具体的には、特許文献１に開示されている光偏向装置は、２枚の絶縁基板（例えば、ガラス基板）の間に、液晶分子が平行配向しているネマチック液晶層が配置されている。さらに、一方の絶縁基板にはストライプ状に配列された複数の透明電極が形成され、他方の絶縁基板には対向電極が形成されている。ストライプ状に配列された複数の透明電極と、対向電極とによって、ネマチック液晶層に周期的な電界強度分布を生じさせて、ネマチック液晶層に空間的な屈折率の変調を生じさせるようにしている。このような光偏向装置は、大きな偏向角度が得られるとされている。
特開２００８－１３４６２５号公報
　特許文献１に開示されている光偏向装置では、各透明電極に所定の電圧を印加することにより、ネマチック液晶層に空間的な屈折率変調領域を誘起させて、ブレーズド型回折格子を形成することができる。この場合、偏向角度（回折角度）θと格子ピッチｐとの関係は下記式（１）で表される。
　θ＝ｓｉｎ-1（λ／ｐ）　０°≦θ≦９０°、λ：入射光の波長　　（１）
　従って、格子ピッチｐが小さくなるほど、偏向角度θは大きくなる。
　図８は、波長５５０ｎｍの光における、透明電極の配列ピッチ（格子ピッチに対応）と偏向角度（回折角度）との関係を説明するグラフである。
　図８から分かるように、例えば、入射光の波長が５５０ｎｍ（λ＝５５０ｎｍ）の場合、偏向角度を１５°以上とするには、透明電極の配列ピッチが約１．０μｍとなるように透明電極を形成しなければならない。
　しかしながら、特許文献１に開示されている光偏向装置の電極構造では、格子ピッチｐが約１．０μｍ以下になるように透明電極をストライプ状にパターニングすることは難しい。また、用途によっては、さらに大きな偏向角度が要求され、特許文献１に開示される光偏向装置では、その要求を満足することは難しい。
　本発明は、上記の諸点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便な方法で製造でき、大きな偏向角度が得られる光偏向素子を提供することにある。
　本発明による光偏向素子は、第１電極が形成された第１基板と、第２電極が形成された第２基板と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された液晶層とを有する光偏向素子であって、前記第１電極および前記第２電極の少なくともいずれか一方は、複数の第１透明電極および複数の第２透明電極と、層間膜とを有し、前記第１基板の法線方向から見たとき、前記複数の第１透明電極および前記複数の第２透明電極は、交互にストライプ状に配列され、前記層間膜は、前記複数の第１透明電極上に形成されており、前記複数の第２透明電極は、前記層間膜上に形成されている。
　ある実施形態において、前記複数の第１透明電極の配列ピッチは、前記複数の第２透明電極の配列ピッチと等しい。
　ある実施形態において、前記第１基板の法線方向から見たとき、前記複数の第１透明電極の内の１つの第１透明電極の一部は、前記複数の第２透明電極の内の１つの第２透明電極と重なっている。
　ある実施形態において、前記複数の第１透明電極のそれぞれ、および前記複数の第２透明電極のそれぞれは、電気的に独立である。
　ある実施形態において、前記液晶層は、垂直配向型のネマチック液晶層、ホモジニアス配向型のネマチック液晶層、または強誘電性液晶層である。
　ある実施形態において、前記層間膜は、透明絶縁性樹脂から形成されている。
　本発明によると、簡便な方法で製造され、大きな偏向角度が得られる光偏向素子が提供される。
本発明による実施形態における光偏向素子１００Ａの模式的な断面図である。 （ａ）は、エッチングシフト量とライン幅との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、エッチングシフト量を説明する平面図であり、（ｃ）は、位相変調量を説明するグラフである。 光偏向素子１００Ａの回折格子パターンＰ１を説明する図である。 （ａ）は、特許文献１に記載の光偏向装置の模式的な断面図であり、（ｂ）は、光偏向素子１００Ａの模式的な断面図であり、（ｃ）は、特許文献１に記載の光偏向装置の電界分布を説明する断面図であり、（ｄ）は、光偏向素子１００Ａの電界分布を説明する断面図である。 （ａ）は、本発明による他の実施形態における光偏向素子１００Ｂの模式的な断面図であり、（ｂ）は、光偏向素子１００Ｂの各透明電極間に生じる電位差を説明する断面図であり、（ｃ）は、光偏向素子１００Ｂの電界分布を説明する断面図であり、（ｄ）は、光偏向素子１００Ｂの回折格子パターンＰ２を説明する断面図である。 （ａ）は、本発明によるさらに他の実施形態における光偏向素子１００Ｃの模式的な断面図であり、（ｂ）は、光偏向素子１００Ｃの電界分布を説明する断面図であり、（ｃ）は、光偏向素子１００Ｃの回折格子パターンＰ３を説明する断面図である。 （ａ）は、本発明によるさらに他の実施形態における光偏向素子１００Ｄの模式的な断面図であり、（ｂ）は、光偏向素子１００Ｄの電界分布を説明する断面図であり、（ｃ）は、光偏向素子１００Ｄの回折格子パターンＰ４を説明する断面図である。 波長５５０ｎｍの光における、偏向角度（回折角度）と透明電極の配列ピッチとの関係を示すグラフである。
　以下、図面を参照して、本発明による実施形態における光偏向素子を説明する。なお、本発明は例示する実施形態に限定されない。
　図１を参照しながら本発明による実施形態における光偏向素子１００Ａを説明する。図１は、光偏向素子１００Ａの模式的な断面図である。
　図１に示す光偏向素子１００Ａは、第１電極１０が形成されている第１基板（例えばガラス基板）１１と、第２電極２０が形成されている第２基板（例えばガラス基板）２１と、第１電極１０と第２電極２０との間に設けられた液晶層１７とを有する。第１電極１０は複数の第１透明電極１３と、複数の第１透明電極１３上に形成された層間膜１４と、層間膜１４上に形成された複数の第２透明電極１５とを有する。複数の第１および第２透明電極１３および１５は、交互にストライプ状に形成されている。複数の第１透明電極１３は、互いに電気的に独立であり、複数の第２透明電極１５は、互いに電気的に独立である。第２電極２０は、素子全体にわたりベタ状に形成された透明電極（共通電極）２３を有する。複数の第１および第２透明電極１３、１５、ならびに透明電極２３は、それぞれ例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）から形成されている。複数の第１および第２透明電極１３、１５、ならびに透明電極２３は、それぞれ例えばＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）から形成されてもよい。
　第１基板１１の法線方向から見たとき、互いに隣接する２つの第１透明電極１３の間に１つの第２透明電極１５は形成されており、互いに隣接する２つの第２透明電極１５の間に１つの第１透明電極１３は形成されている。複数の第１透明電極１３の配列ピッチＬ１は、複数の第２透明電極の配列ピッチＬ２と等しい。また、第１基板１１の法線方向から見たとき、第１透明電極１３と第２透明電極１５との配列ピッチＬ３は、（Ｌ１）／２であり、（Ｌ２）／２である（Ｌ３＝（Ｌ１）／２＝（Ｌ２）／２）。なお、光偏向素子１００Ａにおいて、配列ピッチＬ１またはＬ２は上記式（１）の格子ピッチｐに対応する。
　詳細は後述するが、このような構造を有する光偏向素子１００Ａは、高精細なストライプ状の透明電極を簡便な方法で形成でき、それぞれの第１透明電極１３および第２透明電極１５の幅を大きくすることができるので、大きな偏向角度が得られる。
　光偏向素子１００Ａの透明電極の形成には、一般的に、フォトリソグラフィ法が利用される。図２（ａ）は、フォトリソグラフィ法によって、電極をパターニングした場合における、フォトマスクに形成された電極パターンのライン幅と基板に形成されたエッチング後の電極のライン幅との差（エッチングシフト量）を示すグラフである。横軸は、フォトマスクに形成された電極パターンのライン幅であり、縦軸は、エッチングシフト量である。ここで、エッチングシフト量について、図２（ｂ）を参照しながら説明する。
　フォトリソグラフィ法では、フォトマスクを用い、基板に所望の電極パターンを形成する。図２（ｂ）に示すように、通常、フォトマスクに形成された電極パターン３１とフォトリソグラフィ法によって基板上に形成された電極パターン３２とでは、パターンの大きさが異なる。これは、エッチングにより、オーバーエッチングされる場合があり、フォトマスクに形成された電極パターン３１の大きさよりも基板に形成された電極パターン３２の方が小さくなる（この現象を、エッチングシフトという場合がある）からである。エッチングシフト量ΔＳとは、フォトマスクに形成された電極パターン３１の側面と基板上に形成された電極パターン３２の側面との間の距離である。
　フォトリソグラフィ法で用いられる露光装置の解像度は、高い解像度を有する露光装置であっても、Ｌ／Ｓ（ライン＆スペース）が１．５μｍ程度である。また、ウェットエッチング法を利用した場合、図２（ａ）に示すように、約０．２μｍのエッチングシフト量が存在する。従って、特許文献１に開示されている光偏向装置のような電極構造の場合、高精細な電極パターンを形成したとしても、電極幅を０．５μｍ、電極の配列ピッチ（格子ピッチ）を１．５μｍとするのが限界であると考えられる。
　それに対し、光偏向素子１００Ａのように２層構造を有する電極構造を採用すると、特許文献１に開示されている光偏向装置よりもより小さい電極の配列ピッチとなるように各透明電極を形成できる。一般的に、露光装置の解像度よりも露光装置のアライメント精度の方が高いので、光偏向素子１００Ａのように２層構造を有する電極構造とする方が、電極の配列ピッチを小さくし得る。なお、電極構造を３層構造にしてもよいが、２層構造の場合の格子ピッチよりもより小さい格子ピッチを形成することは、露光装置の解像度およびアライメント精度の関係から難しいと思われる。
　液晶層１７は、例えば、電圧無印加時に、ネマチック液晶分子がホモジニアス配向をとるネマチック液晶層（「ホモジニアス型液晶層」という）である。ネマチック液晶層には、例えば誘電率異方性が正のネマチック液晶材料が含まれている。さらに、ネマチック液晶材料の屈折率異方性Δｎは、０．１以上１．０以下が好ましい。液晶層１７の厚さｄは、３．０μｍ以上８．０μｍ以下が好ましく、リタデーション（Δｎ×ｄ）は、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下が好ましい。液晶層１７は、例えば、ネマチック液晶分子がスプレイ配向、またはベンド配向しているネマチック液晶層であってもよい。さらに、液晶層１７は、例えば、ネマチック液晶分子が基板に対して垂直配向している垂直配向型液晶層であってもよい。また、ネマチック液晶層の代わりに、強誘電性液晶材料を有する強誘電性液晶層を用いてもよい。強誘電性液晶層を用いると、強誘電性液晶分子が自発分極しているので、電場と強誘電性液晶分子との直接的な相互作用により、ネマチック液晶分子の応答速度（ｍｓｅｃオーダー）よりも強誘電性液晶分子の応答速度を大きく（μｓｅｃオーダー）し得る。
　図１には図示していないが、例えば、電圧無印加時に、第２透明電極１５上、および透明電極２３上には、それぞれ水平配向膜が液晶層１７と接するように形成されている。なお、水平配向膜を形成する代わりに、液晶層１７の液晶分子の配向（例えば、スプレイ配向）に対応して、所望の配向膜を形成すればよい。
　第１透明電極１３の幅Ｗ１、および第２透明電極１５の幅Ｗ２は、それぞれ、０．４μｍ≦Ｗ１、Ｗ２≦１．５μｍが好ましい。第１透明電極１３の幅Ｗ１、および第２透明電極１５の幅Ｗ２がこのような範囲にあると、大きな偏向角度（例えば、５°以上）が得られる。光偏向素子１００Ａにおいては、Ｗ１＝Ｗ２＝０．５μｍである。例えば、透明電極１３、１５の幅Ｗ１、Ｗ２と、透明電極１３、１５の間の距離との比が１：１（ライン幅：スペース幅＝１：１）のとき、透明電極１３、１５の幅Ｗ１、Ｗ２は、１．５μｍ以下であることが好ましい。各透明電極１３、１５の幅Ｗ１、Ｗ２が、１．５μｍ以下であると、偏向角度が５°以上となる。第１および第２透明電極１３、１５の厚さは、それぞれ１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。各透明電極１３、１５の厚さが小さいと表面抵抗が大きくなり、各透明電極１３、１５の厚さが大きいと透過率が低下する。各透明電極１３、１５の厚さが上述の範囲にあると、各透明電極１３、１５の表面抵抗が５Ω／□以上４０Ω／□以下であって、可視光領域における光の透過率が８５％以上となる。第１および第２透明電極１３、１５の幅は大きい方が、電極の抵抗が小さくなるので、駆動電圧を低減し得る。また、透明電極１３、１５の幅が大きいと、位相変調量を大きくし得、回折効率も大きくなる。
　図２（ｃ）は、第１および第２透明電極１３、１５の幅Ｗ１およびＷ２のみ異なる場合の位相変調量を説明するグラフである。なお、図２（ｃ）のグラフは、シミュレーション結果のグラフである。図２（ｃ）の曲線Ｃ１は、第１および第２透明電極１３、１５の配列ピッチが１．６μｍ（Ｌ３＝１．６μｍ）であり、第１および第２透明電極１３、１５の幅が０．４μｍ（Ｗ１＝Ｗ２＝０．４μｍ）である場合の位相変調量曲線である。図２（ｃ）の曲線Ｃ２は、第１および第２透明電極１３、１５の配列ピッチが１．６μｍ（Ｌ３＝１．６μｍ）であり、第１および第２透明電極１３、１５の幅が０．８μｍ（Ｗ１＝Ｗ２＝０．８μｍ）である場合の位相変調量曲線である。
　図２（ｃ）から分かるように、透明電極の幅が大きいほど、位相変調量は大きくなる。その結果、回折効率も大きくなる。
　複数の第１および第２透明電極１３、１５の配列ピッチＬ１およびＬ２は、それぞれ１．４μｍ≦Ｌ１、Ｌ２≦６．０μｍを満たすことが好ましい。複数の第１および第２透明電極１３、１５の配列ピッチＬ１およびＬ２がこのような範囲にあると、大きな偏向角度が得られる。光偏向素子１００Ａにおいて、Ｌ１＝Ｌ２＝２．０μｍであり、Ｌ３＝（Ｌ１）／２＝（Ｌ２）／２＝１．０μｍである。なお、Ｌ１、Ｌ２＜１．４μｍを満たすように各透明電極１３、１５を形成することは、露光装置の能力上難しいと考えられ、Ｌ１、Ｌ２＞６．０μｍであると、大きな偏向角度（例えば、偏向角度が５°以上）が得られない。
　層間膜１４は、例えば透明な絶縁膜である。具体的には、層間膜１４は、感光性のアクリル樹脂から形成されている。層間膜１４は、例えば感光性のポリイミド樹脂から形成されてもよい。さらに、層間膜１４は、例えばＳｉＯ2（二酸化シリコン）から形成されてもよい。層間膜１４の厚さは、例えば、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。層間膜１４の厚さを大きくすると位相変調量が小さくなるので、位相変調量が小さくならないように（減少量が１０％以下）、層間膜１４の厚さは、０．５μｍ以下が好ましい。
　図３は、光偏向素子１００Ａの回折格子パターンＰ１を説明する図である。複数の第１透明電極１３には、例えば、それぞれ０Ｖの電圧が印加され、複数の第２透明電極１５には、例えば、それぞれ＋５Ｖの電圧が印加されている。透明電極２３には、例えば０Ｖの電圧が印加されている。図３の中で、回折格子パターンＰ１は、透明電極２３側に行くほど位相変調量が大きい。
　図３に示すように、光偏向素子１００Ａの液晶層１７に空間的な屈折率変調領域を誘起して、ブレーズド型回折格子を形成することができる。なお、印加電圧を調整することによって、正弦波状回折格子や矩形波状回折格子を形成することもできる。
　図４は、光偏向素子１００Ａの電界分布と、特許文献１に開示されている光偏向装置（光偏向装置２００という）の電界分布とを説明する図である。図４（ａ）は、光偏向装置２００の断面図であり、図４（ｂ）は、光偏向素子１００Ａの断面図である。図４（ｃ）は、光偏向装置２００の電界分布を説明する図であり、図４（ｄ）は、光偏向素子１００Ａの電界分布を説明する図である。なお、透明電極１３ｂ、１３ｄ、１５ａおよび１５ｂには、例えば、それぞれ＋５Ｖの電圧が印加されている。透明電極１３ａ、１３ｃ、１３ｅ、１３ｆには、例えば、それぞれ０Ｖの電圧が印加されている。
　図４（ｃ）および図４（ｄ）から分かるように、光偏向装置２００と光偏向素子１００Ａとは、同じような電界分布を示しているので、光偏向装置２００および光偏向素子１００Ａは、同じようなブレーズド型回折格子を形成すると考えられる。従って、光偏向素子１００Ａのように電極構造が２層構造となっても、ブレーズド型回折格子の形成に影響を与えないと考えられる。
　次に、本発明による他の実施形態における光偏向素子１００Ｂを図５を参照しながら説明する。なお、光偏向素子１００Ａと共通する構成要素は、同じ参照符号を付し、重複する説明を避ける。
　図５（ａ）は、光偏向素子１００Ｂの模式的な断面図である。図５（ａ）に示す光偏向素子１００Ｂは、第１電極１０が形成された第１基板（例えばガラス基板）１１と、第２電極２０が形成された第２基板（例えばガラス基板）２１と、第１電極１０と第２電極２０との間に設けられた液晶層１７とを有する。第１電極１０は複数の第１透明電極１３と、複数の第１透明電極１３上に形成された層間膜１４と、層間膜１４上に形成された複数の第２透明電極１５とを有する。複数の第１および第２透明電極１３および１５は、交互にストライプ状に形成されている。複数の第１透明電極１３は、互いに電気的に独立であり、複数の第２透明電極１５は、互いに電気的に独立である。第２電極２０は、素子全体にわたりベタ状に形成された透明電極２３を有する。
　第１基板１１の法線方向から見たとき、互いに隣接する２つの第１透明電極１３の間に１つの第２透明電極１５が形成されており、互いに隣接する２つの第２透明電極１５の間に１つの第１透明電極１３が形成されている。さらに、第１基板１１の法線方向から見たとき、複数の第１透明電極１３の内、１つの第１透明電極１３の一部は、複数の第２透明電極１５の内、１つの第１透明電極１３に隣接する少なくとも１つの第２透明電極１５と重なっている。複数の第１透明電極１３の配列ピッチＬ１は、第２透明電極１５の配列ピッチＬ２と等しい。第１透明電極１３および第２透明電極１５のそれぞれの配列ピッチＬ３は、（Ｌ１）／２であり、（Ｌ２）／２である（Ｌ３＝（Ｌ１）／２＝（Ｌ２）／２）。なお、光偏向素子１００Ｂにおいて、配列ピッチＬ１またはＬ２は、上記式（１）の格子ピッチｐに対応する。
　詳細は、後述するが、このような構造を有する光偏向素子１００Ｂは、光偏向素子１００Ａより、第１透明電極１３と第２透明電極１５との配列ピッチ（Ｌ３）を小さくすることができるので、光偏向素子１００Ａより大きな偏向角度が得られる。さらに、光偏向素子１００Ｂは、第１基板１１の法線方向から見たとき、１つの第１透明電極１３の一部が、１つの第１透明電極１３に隣接する少なくとも１つの第２透明電極１５と重なっている構造を有するので、第１透明電極１３および第２透明電極１５のそれぞれの幅を大きくすることができ、透明電極の電気抵抗を大きくすること無く、第１透明電極１３と第２透明電極１５との配列ピッチ（Ｌ３）を小さくすることができる。その結果、光偏向素子１００Ａよりも、より透明電極の電気抵抗を小さくし得、より大きな偏向角度を得られる。
　第１透明電極１３の幅Ｗ１、および第２透明電極１５の幅Ｗ２は、それぞれ０．４μｍ≦Ｗ１、Ｗ２≦１．５μｍが好ましい。光偏向素子１００Ｂにおいて、Ｗ１＝Ｗ２＝０．５μｍである。第１および第２透明電極１３、１５の厚さは、それぞれ、１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。各透明電極１３、１５の幅が大きい方が、電極の抵抗が小さくなるので、駆動電圧を低減し得る。さらに、各透明電極１３、１５の幅が大きいと、位相変調量を大きくし得、回折効率も大きくなる。
　配列ピッチＬ１およびＬ２は、それぞれ、１．４μｍ≦Ｌ１、Ｌ２≦６．０μｍを満たすことが好ましい。配列ピッチＬ１およびＬ２がこのような範囲にあると、大きな偏向角度が得られる。光偏向素子１００Ｂにおいて、Ｌ１＝Ｌ２＝２．０μｍであり、Ｌ３＝Ｌ１／２＝Ｌ２／２＝１．０μｍである。なお、Ｌ１、Ｌ２＜１．４μｍを満たすように各透明電極を形成することは、製造装置の能力上難しいと考えられ、Ｌ１、Ｌ２＞６．０μｍであると、大きな偏向角度が得られない。
　次に、光偏向素子１００Ｂの回折格子パターンについて説明する。図５（ｂ）は、各電極（複数の第１透明電極１３、複数の第２透明電極１５および透明電極２３）に印加される電圧を説明する断面図である。図５（ｃ）は、各電極１３、１５に所望の電圧が印加されたときの光偏向素子１００Ｂの電界分布を説明する断面図である。図５（ｄ）は、各電極１３、１５に所望の電圧が印加されたときの光偏向素子１００Ｂの回折格子パターンＰ２を説明する断面図である。
　図５（ｂ）に示すように、例えば、第１透明電極１３ｂおよび１３ｄ、ならびに第２透明電極１５ａおよび１５ｃに＋５Ｖの電圧を印加し、第１透明電極１３ａおよび１３ｃ、第２透明電極１５ｂならびに透明電極２３に０Ｖの電圧を印加したとする。この場合、第１透明電極１３ａと第２透明電極１５ａとの間に生じる電位差は－５Ｖである。同様に、第１透明電極１３ｂと第２透明電極１５ａとの間に生じる電位差は０Ｖである。第１透明電極１３ｂと第２透明電極１５ｂとの間に生じる電位差は＋５Ｖである。第１透明電極１３ｃと第２透明電極１５ｂとの間に生じる電位差は０Ｖである。第１透明電極１３ｃと第２透明電極１５ｃとの間に生じる電位差は－５Ｖである。第１透明電極１３ｄと第２透明電極１５ｃとの間に生じる電位差は０Ｖである。その結果、光偏向素子１００Ｂは、図５（ｃ）に示すような電界分布をとる。図５（ｃ）に示した電界分布は、上述の光偏向素子１００Ａと同じような電界分布である（図１（ｄ）参照）。また、図５（ｄ）に示すような、回折格子パターンＰ２が形成される。なお、回折格子パターンＰ２は、透明電極２３側にいくほど位相変調量が大きい。回折格子パターンＰ２は、ブレーズド型回折格子パターンである。
　次に、本発明によるさらに他の実施形態における光偏向素子１００Ｃを図６を参照しながら説明する。なお、光偏向素子１００Ａと共通する構成要素は、同じ参照符号を付し、重複する説明を避ける。
　図６（ａ）は、光偏向素子１００Ｃの模式的な断面図である。光偏向素子１００Ｃは、光偏向素子１００Ａの第２電極２０の電極構造が２層構造を有する光偏向素子である。具体的には、図６（ａ）に示す光偏向素子１００Ｃは、第１電極１０が形成された第１基板（例えばガラス基板）１１と、第２電極２０が形成された第２基板（例えばガラス基板）２１と、第１電極１０と第２電極２０との間に設けられた液晶層１７とを有する。第１電極１０は複数の第１透明電極１３と、複数の第１透明電極１３上に形成された層間膜１４と、層間膜１４上に形成された複数の第２透明電極１５とを有する。複数の第１および第２透明電極１３、１５は、交互にストライプ状に形成されている。複数の第１透明電極１３は、互いに電気的に独立であり、複数の第２透明電極１５は、互いに電気的に独立である。第２電極２０は複数の第３透明電極２３と、複数の第３透明電極２３上に形成された層間膜２４と、層間膜２４上に形成された複数の第４透明電極２５とを有する。複数の第３および第４透明電極２３、２５は、交互にストライプ状に形成されている。複数の第３透明電極２３は、互いに電気的に独立であり、複数の第４透明電極２５は、互いに電気的に独立である。複数の第１、２、３および４透明電極１３、１５、２３、２５はそれぞれ、例えばＩＴＯから形成されている。複数の第１、２、３および４透明電極１３、１５、２３、２５はそれぞれ、例えばＩＺＯから形成されてもよい。なお、層間膜２４は、上述の層間膜１４を形成し得る材料と同じ材料から形成される。
　また、第１基板１１の法線方向から見たとき、互いに隣接する２つの第１透明電極１３間に１つの第２透明電極１５が形成されており、互いに隣接する２つの第２透明電極１５間に１つの第１透明電極１３が形成されている。複数の第１透明電極１３の配列ピッチＬ１は、複数の第２透明電極１５の配列ピッチＬ２と等しい。第１透明電極１３と第２透明電極１５との配列ピッチＬ３は、（Ｌ１）／２であり、（Ｌ２）／２である（Ｌ３＝（Ｌ１）／２＝（Ｌ２）／２）。
　さらに、第１基板１１の法線方向から見たとき、互いに隣接する２つの第３透明電極２３間に１つの第４透明電極２５が形成されており、互いに隣接する２つの第４透明電極２５間に１つの第３透明電極２３が形成されている。複数の第３透明電極２３の配列ピッチＬ４は、複数の第４透明電極２５の配列ピッチＬ５と等しい。第３透明電極２３と第４透明電極２５との配列ピッチＬ６は、（Ｌ４）／２であり、（Ｌ５）／２である（Ｌ６＝（Ｌ４）／２＝（Ｌ５）／２）。第３および第４透明電極２３、２５は、例えば、第１および第２透明電極１３、１５と同じ条件で形成され得る。
　詳細は、後述するが、このような構造を有する光偏向素子１００Ｃは、光偏向素子１００Ａより、液晶層１７に印加される電位差をより大きくすることができるので、位相変調量を大きくし得、回折効率がより大きくなり得る。
　第１および第２透明電極１３、１５の幅Ｗ１、Ｗ２、および第３および第４透明電極２３、２５の幅Ｗ３、Ｗ４は、それぞれ０．４μｍ≦Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４≦１．５μｍが好ましい。光偏向素子１００Ｃにおいては、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝Ｗ４＝０．４μｍである。各透明電極１３、１５、２３、２５の厚さは、それぞれ５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。各透明電極１３、１５、２３、２５の幅は大きい方が、電極の抵抗が小さくなるので、駆動電圧を低減し得る。さらに、位相変調量を大きくし得、回折効率も大きくなる。
　配列ピッチＬ１およびＬ２、Ｌ４およびＬ５は、それぞれ、１．４μｍ≦Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４、Ｌ５≦６．０μｍを満たすことが好ましい。配列ピッチＬ１およびＬ２、Ｌ４およびＬ５がこのような範囲にあると、大きな偏向角度が得られる。光偏向素子１００Ｃにおいて、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ４＝Ｌ５＝２．０μｍであり、Ｌ３＝Ｌ１／２＝Ｌ２／２＝Ｌ６＝Ｌ４／２＝Ｌ５／２＝１．０μｍである。なお、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４、Ｌ５＜１．４μｍを満たすように各透明電極を形成することは、製造装置の能力上難しいと考えられ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４、Ｌ５＞６．０μｍであると、大きな偏向角度が得られない。
　次に、光偏向素子１００Ｃの回折格子パターンについて説明する。図６（ｂ）は、各電極（第１～第４透明電極１３、１５、２３、２５）に、それぞれ所望の電圧が印加されたときの、光偏向素子１００Ｃの電界分布を説明する断面図であり、図６（ｃ）は、各電極（第１～第４透明電極１３、１５、２３、２５）に、それぞれ所望の電圧が印加されたときの、回折格子パターンＰ３を説明する断面図である。図６（ｃ）中の回折格子パターンＰ１は、上述の光偏向素子１００Ａの回折格子パターンである。なお、それぞれの回折格子パターンＰ１、Ｐ３は、第４透明電極２５側に行くほど位相変調量が大きい。
　図６（ｂ）に示すように、光偏向素子１００Ｃは、上述の光偏向素子１００Ａと同じような電界分布をとる（図４（ｄ）参照）。その結果、図６（ｃ）に示すように、例えば、第２透明電極１５ａ～１５ｃに＋５Ｖの電圧を印加し、第３透明電極２３ａ～２３ｃに－５Ｖの電圧を印加し、第１透明電極１３ａ～１３ｃおよび第４透明電極２５ａ～２５ｃに０Ｖの電圧を印加したとする。この場合、図６（ｃ）に示された回折格子パターンＰ３が形成される。また、図６（ｃ）から明らかなように、光偏向素子１００Ｃで得られる回析格子パターンＰ３は、同じ印加電圧範囲（－５Ｖから＋５Ｖの範囲）内において、光偏向素子１００Ａで得られる回析格子パターンＰ１よりも大きな位相変調量が得られる。その結果、光偏向素子１００Ｃは、光偏向素子１００Ａよりも回折効率が大きい。これは、光偏向素子１００Ｃでは、複数の第１～第４透明電極は、互いに電気的に独立であるので、光偏向素子１００Ａよりも液晶層１７に大きな電位差を生じさせるからである。
　光偏向素子１００Ｃにおいて、第１基板１１と第２基板２１とのアライメントずれが生じ、第１および第２透明電極１３、１５と第３および第４透明電極２３、２５との対応関係がずれた場合においても、そのアライメントずれ量に応じて、所望の回折格子パターンおよび位相変調量が得られるように、例えばＩＣ（Integrated Circuit）ドライバから透明電極に所望の電圧が印加されるようにすればよい。具体的には、透明電極２３、２５がアライメントずれによって、例えば左側（図６（ａ）の左側）に０．５μｍシフトした場合、上述した電圧印加条件と同じように、第３透明電極２３ａ～２３ｃに－５Ｖの電圧を印加し、第４透明電極２５ａ～２５ｃに０Ｖの電圧を印加したとすると、アライメントずれの無い場合と比べて位相変調量が低下する。しかしながら、第３透明電極２３ａ～２３ｃに０Ｖの電圧を印加し、第４透明電極２５ａ～２５ｃに－５Ｖの電圧を印加すると、位相変調量の減少が抑えられ、アライメントずれの無い場合と同程度の位相変調量が得られる。このようにアライメントずれに応じて各透明電極に印加する電圧を変化させることで所望の回折格子パターンおよび位相変調量が得られる。
　次に、本発明によるさらに他の実施形態における光偏向素子１００Ｄを図７を参照しながら説明する。図７（ａ）に示す光偏向素子１００Ｄは、第１基板１１の法線方向から見たとき、光偏向素子１００Ｃの１つの第１透明電極１３の一部が、１つの第１透明電極１３に隣接する少なくとも１つの第２透明電極１５と重なっており、１つの第３透明電極２３の一部が、１つの第３透明電極２３に隣接する少なくとも１つの第４透明電極２５と重なっている構造を有する光偏向素子である。
　光偏向素子１００Ｄにおいて、第１透明電極１３および第２透明電極１５のそれぞれの配列ピッチＬ３は、（Ｌ１）／２であり、（Ｌ２）／２である（Ｌ３＝（Ｌ１）／２＝（Ｌ２）／２）。同様に、第３透明電極２３および第４透明電極２５のそれぞれの配列ピッチＬ６は、（Ｌ４）／２であり、（Ｌ５）／２である（Ｌ６＝（Ｌ４）／２＝（Ｌ５）／２）。
　詳細は、後述するが、このような構造を有する光偏向素子１００Ｄは、光偏向素子１００Ｂより、液晶層１７に生じる電位差を、光偏向素子１００Ｃより大きくすることができるので、位相変調量を大きくし得、回折効率がより大きくなる。さらに、光偏向素子１００Ｃよりも格子ピッチｐを小さくすることができるので、光偏向素子１００Ｃよりも大きな偏向角度が得られる。
　第１および第３透明電極１３、２３の幅Ｗ１、Ｗ３および第２および第４透明電極１５、２５の幅Ｗ２、Ｗ４は、それぞれ０．４μｍ≦Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４≦１．５μｍが好ましい。光偏向素子１００Ｄにおいては、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝Ｗ４＝０．６μｍである。各透明電極１３、１５、２３、２５の厚さは、それぞれ、１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。
　配列ピッチＬ１およびＬ２、Ｌ４およびＬ５は、それぞれ、１．４μｍ≦Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４、Ｌ５≦６．０μｍを満たすことが好ましい。配列ピッチＬ１およびＬ２、Ｌ４およびＬ５がこのような範囲にあると、大きな偏向角度が得られる。光偏向素子１００Ｄにおいて、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ４＝Ｌ５＝２．０μｍであり、Ｌ３＝Ｌ１／２＝Ｌ２／２＝Ｌ６＝Ｌ４／２＝Ｌ５／２＝１．０μｍである。なお、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４、Ｌ５＜１．４μｍを満たすように各透明電極を形成することは、製造装置の能力上難しいと考えられ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４、Ｌ５＞６．０μｍであると、大きな偏向角度が得られない。
　次に、光偏向素子１００Ｄの回折格子パターンについて説明する。図７（ｂ）は、各電極（第１から第４透明電極１３、１５、２３、２５）に所望の電圧が印加されたときの光偏向素子１００Ｄの電界分布を説明する断面図である。図７（ｃ）は、各電極（第１から第４透明電極１３、１５、２３、２５）に、それぞれ所望の電圧が印加されたときの回折格子パターンＰ４を説明する断面図である。
　図７（ｂ）に示すように、例えば、第１透明電極１３ｂおよび１３ｄ、第２透明電極１５ａおよび１５ｃに＋５Ｖの電圧を印加し、第３透明電極２３ｂおよび２３ｄ、ならびに第４透明電極２５ｂに－５Ｖを印加し、第１透明電極１３ａおよび１３ｃ、第２透明電極１５ｂ、第３透明電極２３ａおよび２３ｃ、ならびに第４透明電極２５ａおよび２５ｃに０Ｖの電圧を印加したとする。この場合、第１透明電極１３ａと第２透明電極１５ａとの間に生じる電位差は－５Ｖであり、第１透明電極１３ｂと第２透明電極１５ａとの間に生じる電位差は０Ｖであり、第１透明電極１３ｂと第２透明電極１５ｂとの間に生じる電位差は＋５Ｖであり、第１透明電極１３ｃと第２透明電極１５ｂとの間に生じる電位差は０Ｖであり、第１透明電極１３ｃと第２透明電極１５ｃとの間に生じる電位差は－５Ｖであり、第１透明電極１３ｄと第２透明電極１５ｃとの間に生じる電位差は０Ｖである。同様に、第３透明電極２３ａと第４透明電極２５ａとの間に生じる電位差は０Ｖであり、第３透明電極２３ｂと第４透明電極２５ａとの間に生じる電位差は－５Ｖであり、第３透明電極２３ｂと第４透明電極２５ｂとの間に生じる電位差は０Ｖであり、第３透明電極２３ｃと第４透明電極２５ｂとの間に生じる電位差は＋５Ｖであり、第３透明電極２３ｃと第４透明電極２５ｃとの間に生じる電位差は０Ｖであり、第３透明電極２３ｄと第４透明電極２５ｃとの間に生じる電位差は－５Ｖである。その結果、図７（ｂ）に示すように、光偏向素子１００Ｄは、光偏向素子１００Ｂと同じような電界分布をとる（図５（ｃ）参照）。図７（ｃ）に示すように、光偏向素子１００Ｄによって、光偏向素子１００Ｂよりも大きな電位差が液晶層１７に印加され、回折格子パターンＰ４が形成される。また、図７（ｃ）に示すような電極構造の場合の回折格子パターンＰ４は、上述の回折格子パターンＰ２よりも位相変調量が大きくなり、より回折効率が大きくなる。
　光偏向素子１００Ｄにおいても光偏向素子１００Ｃと同様に、第１基板１１と第２基板２１とのアライメントずれが生じ、第１および第２透明電極と第３および第４透明電極との対応関係がずれた場合においても、そのアライメントずれ量に応じて、所望の回折格子パターンおよび位相変調量が得られるように、例えばＩＣ（Integrated Circuit）ドライバから透明電極に所望の電圧が印加されるようにすればよい。具体的には、透明電極２３、２５がアライメントずれによって、例えば左側（図７（ａ）の左側）に１．０μｍシフトした場合、アライメントずれが生じていない場合と同じ条件で電圧を印加すると、第３透明電極２３ｂおよび２３ｄ、ならびに第４透明電極２５ｂに０Ｖ、第３透明電極２３ａおよび２３ｃ、ならびに第４透明電極２５ａおよび２５ｃに－５Ｖが印加されることとなり、所望の回折格子パターンが得られないか、または、位相変調量が小さくなる。しかしながら、第３透明電極２３ｂおよび２３ｄ、ならびに第４透明電極２５ｂに－５Ｖ、第３透明電極２３ａおよび２３ｃ、ならびに第４透明電極２５ａおよび２５ｃに０Ｖが印加されるように、アライメントずれに応じてＩＣドライバから透明電極に印加する電圧を変化させることで所望の回折格子パターンおよび位相変調量が得られる。
　以上、本発明による実施形態により、簡便な方法で製造され、高い偏向角度が得られる光偏向素子が提供される。
　本発明は、例えば、携帯電話または携帯ゲーム機のモバイル機器に適用され得る。さらに、レーザーディスプレイなどの光学スキャナ－としても適用され、光通信用の光スイッチとしても利用可能である。
　１１、２１　　　基板
　１３、１５、２３　　　透明電極
　１４　　　層間膜
　１７　　　液晶層
　Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３　　　配列ピッチ
　Ｗ１、Ｗ２　　　透明電極幅

Claims (6)

  1. 　第１電極が形成された第１基板と、
    　第２電極が形成された第２基板と、
    　前記第１電極と前記第２電極との間に配置された液晶層とを有する光偏向素子であって、
    　前記第１電極および前記第２電極の少なくともいずれか一方は、複数の第１透明電極および複数の第２透明電極と、層間膜とを有し、
    　前記第１基板の法線方向から見たとき、前記複数の第１透明電極および前記複数の第２透明電極は、交互にストライプ状に配列され、
    　前記層間膜は、前記複数の第１透明電極上に形成されており、
    　前記複数の第２透明電極は、前記層間膜上に形成されている、光偏向素子。
  2. 　前記複数の第１透明電極の配列ピッチは、前記複数の第２透明電極の配列ピッチと等しい、請求項１に記載の光偏向素子。
  3. 　前記第１基板の法線方向から見たとき、前記複数の第１透明電極の内の１つの第１透明電極の一部は、前記複数の第２透明電極の内の１つの第２透明電極と重なっている、請求項１または２に記載の光偏向素子。
  4. 　前記複数の第１透明電極のそれぞれ、および前記複数の第２透明電極のそれぞれは、電気的に独立である、請求項１から３のいずれかに記載の光偏向素子。
  5. 　前記液晶層は、垂直配向型のネマチック液晶層、ホモジニアス配向型のネマチック液晶層、または強誘電性液晶層である、請求項１から４のいずれかに記載の光偏向素子。
  6. 　前記層間膜は、透明絶縁性樹脂から形成されている、請求項１から５のいずれかに記載の光偏向素子。
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