JP5378343B2 - 液晶光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、一対の透明基板に液晶層を挟持した液晶セルであり、該液晶セル内に凹凸を有する光学構造体を内包し、該構造体の液晶に面する表面に導電処理が施されている液晶光学素子に関する。

従来、透明基板に液晶層を挟持した液晶セルにフレネルレンズ面の構造体を内包し、この構造体の下に位置する透明基板の表面に電極が設けられ、対向する電極が、全面一様に設けられた液晶光学素子が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

また、透明基板に液晶層を挟持した液晶セルにフレネルレンズ面の構造体を内包し、この構造体表面の液晶に面する面に電極が設けられ、対向する電極が、全面一様に設けられた液晶光学素子が提案されている（例えば特許文献１参照。）。特許文献１に記載の液晶光学素子について、以下に図を用いて説明する。

図５（ａ）は特許文献１の図１に記載の液晶光学素子２１の断面図であり、対向透明基板２２と透明基板２４に図示しないスペーサを含有したシール部２７を介して液晶層２８が挟持されており、挟持する２枚の透明基板内に透明構造体２６を内包している。図５（ｂ）は挟持された液晶層２８から見た対向透明基板２２側を、図５（ｃ）は液晶層２８から見た透明構造物２６を有する側を示している。図５（ａ）に示すように対向透明基板は２２は全面一様な対向透明電極２３が成膜されている。透明構造体２６を有する側では、透明電極２５は透明構造体２６の下に成膜された構造となっている。

この液晶層２８を駆動する印加電圧は、図示されていない回路から透明電極２５と対向透明電極２３間に加えられ、この構造では透明構造体２６越しに加えられることとなる。このことは、液晶層２８を駆動する印加電圧の増大を招いている。この印加電圧の増大をふせぐ構成例が特許文献１の図６に開示されている。以下に図を用いて説明する。

図６（ａ）は特許文献１の図６に記載の液晶光学素子３１の断面図であり、対向透明基板３２と透明基板３４に図示しないスペーサを含有したシール部３７を介して液晶層３８が挟持されており、挟持する２枚の透明基板内に透明構造体３６を内包している。図６（ｂ）は挟持された液晶層３８から見た対向透明基板３２側を、図６（ｃ）は液晶層３８から見た透明構造物３６を有する側を示している。図６（ａ）に示すように対向透明基板３２は全面一様な対向透明電極３３が成膜されている。透明構造体３６を有する側では、透明電極３５は透明構造体３６の上に成膜された構造となっている。

この構成では、液晶層３８を駆動する印加電圧は、図示されていない回路から、透明構造体３６の上に成膜された透明電極３５と対向透明電極３３間に加えられ、この構成では透明構造体３６を介さないためより低い印加電圧での駆動が可能となる。しかしながらこの構成では透明電極３５と対向透明電極３３が近接しており、対向透明基板３２や透明基板３４が十分な硬度や厚みを有するガラスで構成される場合はまだしも、０．３ｍｍより薄いガラスや樹脂フィルムなどで構成された場合、変形が容易に予測され、上下の電極間で短絡することが考えられる。

更に、上記とは別に、対向する電極がフレネルの構造に呼応して分割され、複数の電圧を印加する液晶光学素子が提案されている（例えば特許文献２参照。）。以下に図を用いて説明する。

図７（ａ）は特許文献２の図１３に記載の液晶光学素子４１の断面図であり、対向透明基板４２と透明基板４４に図示しないスペーサを含有したシール部４７を介して液晶層４８が挟持されており、挟持する２枚の透明基板内に透明構造体４６を内包している。図７（ｂ）は挟持された液晶層４８から見た対向透明基板４２側を、図７（ｃ）は液晶層４８から見た透明構造物４６を有する側を示している。図７（ｂ）に示すように対向透明基板４２は対向透明輪帯電極４３が成膜されている。対向透明輪帯電極４３は透明構造体４６の頂点に呼応する位置で、絶縁性を有する輪帯間ギャップ４９で分断されている。構造体の透明構造体４６を有する側では、透明電極４５は透明構造体４６の上に成膜された構造となっている。

図７（ｂ）の対向透明輪帯電極４３はそれぞれ異なる電圧を印加するために各々が独立した図示しない複数の電極引き出し部に繋がれており、更に図示しない回路により分断された輪帯電極毎に異なる電圧が印加される構造となっている。このことは回路に異なる電圧を用意する必要性を生じさせている。

特開２００６−０７９６６９号公報（第６−１２頁、図１、図６） 特開２００４−１０１８８５号公報（第８頁、図１３）

しかし、従来の液晶光学素子では以下のような問題がある。特許文献１の図１に記載の提案による構成では、液晶層への電圧印加が透明構造体越しに与えられるため、透明構造体の厚さにより、液晶層への電圧印加状態も変わり、更に付与される印加電圧の効率は著しく劣り、液晶層に所望の動作をさせるために要する印加電圧は高電圧にならざるを得ない。

また、特許文献１の図６に記載の提案による構成では、上記の弱点を補い低い印加電圧で液晶層に所望の動作をさせることが出来る。しかしながら、近年液晶光学素子を形成する透明基板はその透過率を上げ、重量を下げる方向でどんどん薄型化が進んでいる。更に透明基板としてガラス以外にもフィルム状の樹脂基板も使用される例がある。このように透明基板として温度変化や気圧変化で変形可能な部材を使用した場合、上記の提案による構成では安易に上下基板の電極が短絡をおこし、所望の動作をしない可能性が高くなる。

更に特許文献２の図１３に記載の提案による構成では、透明構造物の上端に対応する対向基板上の電極が、輪帯状に形成されており、上下基板の電極が短絡を起こしにくい構造となっている。しかしながら、前記提案ではそれぞれの輪帯に異なる電圧を付与するためにその引き出し線に工夫が必要となり構造も複雑になる。更に透明構造物の上端毎に輪帯間ギャップを設けているこの構造では、液晶光学素子の中心から外側に向かうにつれ、輪帯間ギャップの占める面積が増大し、液晶光学素子の目的とするレンズ化など光学的に不具合を生じやすくなる。

本発明は、上記の課題を解決し、単純な構成で、短絡もなく、光学特性でも優れた液晶光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明における液晶光学素子では、基本的に下記に記載の構成要件を有するものである。

本発明の液晶光学素子は、一対の基板に液晶層を挟持し、一対の基板のうち一方の基板の内側に凹凸を有する光学構造体を配置し、光学構造体の液晶層に面する側、及び他方の基板の液晶層に面する側のそれぞれ表面に導電膜を備えた液晶光学素子において、光学構造体の凸部の頂点に対応する位置で、他方の基板における導電膜の一部が除かれた箇所と、除かれていない箇所とを備え、導電膜が除かれた箇所の数が、光学構造体の凸部の数より少なく、除かれた箇所に対向する凸部の高さは、除かれていない箇所に対向する凸部の高さよりも高いことを特徴とする。

また、光学構造体がフレネルレンズであることを特徴とする。また、一部の導電膜が除かれた対向電極は、同一の駆動電圧が印加されるように対応する箇所を除いた位置で共通接続されることを特徴とする。

本発明によれば、高さの異なるサグ高さを有した透明構造体の、一部の高いサグ高さを有する透明構造体の頂点部分の対向電極を除き、かつ、対向電極の導電膜が除かれた箇所の数が、光学構造体の凸部の数より少ないので、液晶光学素子の中心から外側に向かうにつれ、輪帯間ギャップの占める面積が増大する不具合を解消し、単純な構成で、短絡もなく、光学特性でも優れた液晶光学素子を得ることが出来る。

本発明の液晶光学素子の断面図、及び対向透明輪帯電極の構成例を示した図である。 本発明の対向透明輪帯電極の輪帯同士を繋ぐ分解斜視図である。 本発明の実施例の液晶光学素子の断面図を拡大した図である。 本発明の他の液晶光学素子の断面図、及び対向透明輪帯電極の構成例を示した図である。 従来の液晶光学素子の構成例の図である。 従来の液晶光学素子の他の構成例の図である。 従来の液晶光学素子の他の構成例の図である。 本発明の実施例１のフレネルレンズの形状を半径分グラフ化した物である。 本発明の実勢例２のフレネルレンズの形状を半径分グラフ化した物である。

以下に本発明の液晶光学素子について図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の液晶光学素子１の断面図であり、対向透明基板２と透明基板４に図示しないスペーサを含有したシール部７を介して液晶層８が挟持されており、挟持する２枚の透明基板内に凹凸を有する光学構造体の透明構造体６を内包している。但し、液晶層８にはスペーサを含有していない。これは、場所により異なる高さを有する透明構造体６上にスペーサを置くことは高さを規定することが出来ないことと同時に、光学的にスペーサ自体が散乱の要因となるためである。

図１（ｂ）は挟持された液晶層８から見た対向透明基板２における側を、図１（ｃ）は液晶層８から見た透明構造体６を有する側を示している。図１（ａ）に示すように対向透明基板２は、対向透明輪帯電極３の導電膜が成膜されている。対向透明輪帯電極３は透明構造体６の凸部頂点に対応する位置で、導電膜が除かれており、絶縁性を有する輪帯間ギャップ９で分断されている。光学構造体の透明構造体６を有する側では、導電膜の透明電極５は透明構造体６の上、全面に成膜された構造となっている。

図１の例では液晶光学素子１の半径方向に、透明構造体６の凸部頂点の個数は９つを有
しているが、対応する位置の導電膜が除かれた輪帯間ギャップ９の数は３つであり、９つより少ない。更に輪帯間ギャップ９に呼応した透明構造体６の３つの凸部頂点の高さ（サグ高さ）は、対応した輪帯間ギャップ９を有さない他の透明構造体６の６つの頂点のサグ高さよりも高い、言い換えれば、透明構造体６の凸部頂点が、対向透明基板２により近接した構成となっている。

複数に分断された対向透明輪帯電極３は、例えば図２の様な構成により同一の電圧が印加される。以下、この構成例について図２を用いて説明する。図２は対向透明基板２の膜構成を示した分解斜視図である。対向透明基板２には液晶光学素子に電圧を印加するための電極引き出し部１３があり、その部分を含む対向透明基板２全域に下透明電極１２が成膜されている。下透明電極１２の上に成膜されない膜欠如部１１を有した透明絶縁薄膜１０が、更にその上に成膜されない輪帯間ギャップ９を有した対向透明輪帯電極３が成膜されている。膜欠如部１１の位置は複数に分断された各対向透明電極３に一致するように配置されている。このような構成を採用することにより複数に分断された各対向透明電極３は、膜欠如部１１を通じて下透明電極１２に接続され、図示されていない回路から同一の駆動電圧が印加される。

上記のような構成により、上下基板の電極の短絡もなく、液晶光学素子の目的とするレンズ化等に不具合を生じる輪帯間ギャップが減ることにより光学特性も優れた液晶光学素子を得ることが出来る。

本発明の液晶光学素子の構成方法について具体的に説明する。ここでは透明構造体の例としてフレネルレンズを用いている。厚さ１２５μm、基材としてポリカーボネートを用いた透明基板の上に透明なUV硬化型の樹脂によってフレネルレンズを形成する。このフレネルレンズは有効直径２０ｍｍ、ジオプターの絶対値２．０を有するものとした。

このフレネルレンズ設計は以下に記す構成に則っている。以下図３を用いて詳細に説明する。図３は今回の実施例の液晶光学素子の断面の一部を拡大した物である。透明輪帯電極３と輪帯間ギャップ９が形成された対向透明基板と、今回はフレネルレンズである透明構造体６が形成された透明基板４の間に液晶層８が満たされている。但し、この液晶層８はスペーサを含まない物とした。図示しないシール部に含有されたスペーサでこのギャップは規定されている。このギャップをセルギャプｇとし、形成したフレネルレンズの中で、高いサグ高さをｈ、低いサグ高さをｌで示している。この３つの値に関して、下記す関係式に則る様に、フレネルレンズを設計している。

ｇ−ｈ＜ｈ−ｌ ・・・（１）
具体的にはセルギャプｇを２０μm、高いサグ高さｈを１６μm、低いサグ高さｌを１０μmとした。配置された凸部のサグ高さは一様ではなく設計されている。更にフレネルレンズのサグ高さの構成を１：２の割合で低いサグ高さを多く配置した。尚、最も中心部に近いサグは高いサグとしている。図８はこの時の、フレネルレンズの形状を半径分グラフ化した物であり、ｘ軸は中心をゼロとした半径方向、ｙ軸はサグの高さを示している。この高いサグの頂点を配置する位置に、対向透明基板２上の輪帯間ギャップ９が対応するように、対向透明基板２と透明基板４は貼り合わされている。

図１は、高いサグ高さの凸部を３つとし、それにあわせて対向する基板の輪帯間ギャップ９も３つ配置した構成を図示した。図８は、実際のフレネルレンズの設計にあわせた図を示し、透明構造体６は、半径１０ｍｍの間に１０個の高いサグと２０個の低いサグで構成している。従って対向透明基板２上の輪帯間ギャップ９も１０個、高いサグの頂点と呼応する位置に配置している。

尚、対向透明基板２の各対向透明輪帯電極３は輪帯間ギャップ９で１１個に分断されているが、例えば図２に示したような構造で同一の駆動電圧が印加出来るように接続されている。また、実際には対向透明輪帯電極３、透明電極５の上には液晶を配向させるための配向膜が塗布されラビング処理がなされているがここでは図示していない。

液晶光学素子の作製時の温度より周囲環境が下がった場合、スペーサを有していない透明構造体を有する液晶層の領域では内側に変形する。しかしながら低いサグの上に成膜された透明電極が対向電極にあたり短絡する前に、高いサグが、導電膜が配置されていない輪帯間ギャップ９の部分に接触し、あたかもスペーサのように振る舞うため、短絡を起こすことはない。

更に、サグの頂点全てに対して輪帯間ギャップを設けた場合と比較して、今回の実施例では略１／３に輪帯間ギャップの面積を減らすことが出来ている。輪帯間のギャップは液晶光学素子の光学的な目的、本実施例の場合はレンズ化、に寄与しない。従って輪帯間ギャップの面積を減らすことは光学特性の向上にも有効である。

本発明の他の実施例として図４、図９を用いて説明する。図４（ａ）は本発明の液晶光学素子１の断面図、図４（ｂ）は挟持された液晶層８から見た対向透明基板２における側を、図４（ｃ）は液晶層８から見た透明構造体６を有する側を示している。構成部材は、図１と同様であるので、ここでは省略する。
図４の例では液晶光学素子１の半径方向に、透明構造体６の凸部頂点の個数は８つを有しているが、対応する位置の導電膜が除かれた輪帯間ギャップ９の数は３つであり、８つより少ない。更に輪帯間ギャップ９に呼応した透明構造体６の３つの凸部頂点の高さ（サグ高さ）は、対応した輪帯間ギャップ９を有さない他の透明構造体６の５つの頂点のサグ高さよりも高い、言い換えれば、透明構造体６の凸部頂点が、対向透明基板２により近接した構成となっている。更に図４の輪帯間ギャップ９の位置は図１と比べて中心に近づくように配置した。

図９はより具体的にフレネルレンズの形状を半径分グラフ化した物であり、フレネルレンズの設計として、（１）式の関係式はそのままに高いサグの配置を換えた例となっている。ただし、図４では、サグ高さの高い凸部頂点は３つしか示していないが、図９では実際のフレネルレンズの設計にあわせ、９個の高い凸部頂点を有している状態を示している。図９に図示した液晶光学素子は、セルギャップ２０μm、高いサグ高さ１６μm、低いサグ高さ１０μmであり、図８で図示したものと共通としている。先の実施例の図８では、高いサグ１個と低いサグ２個を順次並べた構成に対し、本実施例では中心から外側に進むにつれて、高いサグの間に挟む低いサグの個数を同数以上に並べた構成になっている。

今回の例では、図９の様に高いサグの位置を先の実施例の図８と比べて中心よりに配置した。この結果、図示しないフレネルレンズのすぐ外側に位置するスペーサを含んだシールがセル間の距離を規定できると見込み、サグ高さの高い凸部をなるべく内側よりに配置することが出来た。更に輪帯間ギャップの面積は、ギャップ幅が同じ場合、中心からの距離に略比例するため、存在する９個の輪帯間ギャップの総面積も図８のように配置した場合に比べ、軽減することが出来た。これによって、輪帯間ギャップの占める面積を減らし、光の利用効率を高めることが可能となった。これはフレネルレンズの元となる式から、中心から離れるに従って傾きが大きくなっているために有効なのであり、他の全ての透明構造体にあてはまるわけではない。

また、対向輪帯電極及び輪帯間ギャップの配置は上記設計に応じて高いサグの頂点と呼
応する位置に配置し、且つ分断された対向輪帯電極は、実施例１と同様図２に示したような構造で、同一の駆動電圧が印加出来るように共通接続されている。ここで、これら実施例では、同一の駆動電圧を印加したが、分断された対向輪帯電極のそれぞれに異なる電圧を印加してもよい。このように異なる電圧を各電極に印加することにより、レンズパワーを制御することが可能となる。

また、これらの実施例における各構成は、液晶光学素子の有効直径、封入する液晶の複屈折率の差であるΔｎ、セルギャップ等で随時適切な配置をすべきであり、実施例の各数字に限定される物ではない。また、本実施例では光学構造体をフレネルレンズとしたが、形状はこれに限定されるものではなく、凹凸形状を有していれば、いかなる構造体でも効果が得られる。

上記のような構成により、透明基板として温度変化や気圧変化で変形可能な部材を使用した場合でも、上下基板の電極が短絡をおこさず、所望の動作をする、光学特性も高い液晶光学素子を得ることが出来る。

１、２１、３１、４１ 液晶光学素子
２、２２、３２、４２ 対向透明基板
３、４３ 対向透明輪帯電極
４、２４、３４、４４ 透明基板
５、２５，３５、４５ 透明電極
６、２６、３６、４６ 透明構造体
７、２７、３７、４７ シール部
８、２８、３８、４８ 液晶層
９ 輪帯間ギャップ
１０ 透明絶縁薄膜
１１ 膜欠如部
１２ 下透明電極
１３ 電極引き出し部
ｇ セルギャップ
ｈ 高いサグの高さ
ｌ 低いサグの高さ

Claims (3)

1. 一対の基板に液晶層を挟持し、該一対の基板のうち一方の基板の内側に凹凸を有する光学構造体を配置し、該光学構造体の前記液晶層に面する側、及び他方の基板の前記液晶層に面する側のそれぞれ表面に導電膜を備えた液晶光学素子において、
   前記光学構造体の凸部の頂点に対応する位置で、前記他方の基板における前記導電膜の一部が除かれた箇所と、除かれていない箇所とを備え、
   前記導電膜が除かれた箇所の数が、前記光学構造体の凸部の数より少なく、
   前記除かれた箇所に対向する前記凸部の高さは、前記除かれていない箇所に対向する前記凸部の高さよりも高いことを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記光学構造体がフレネルレンズであることを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 一部の前記導電膜が除かれた前記対向電極は、同一の駆動電圧が印加されるように前記対応する箇所を除いた位置で共通接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光学素子。

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