JPH01205123A

JPH01205123A - 液晶素子

Info

Publication number: JPH01205123A
Application number: JP63029910A
Authority: JP
Inventors: Susumu Sato; 進佐藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-02-10
Filing date: 1988-02-10
Publication date: 1989-08-17

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】［産業上の利用分計］本発明は軸対称（中心対称）状の偏光並びに分子配向特
性を利用する液晶素子に関するものであり、液晶による
可変焦点レンズの液晶分子の配向特性の改善及び液晶表
示素子の視角依存性の改善に関するものである。

［従来の技術］２枚の透明電極を付けた基板の間に誘電異方性が正の電
界効果形液晶を入れ、液晶分子が基板に平行になるよう
に配向させた液晶セル（ホモジニアス配向液晶セル）に
しきい値以上の電圧を印加すると、液晶分子の双極子モ
ーメントに働く力により液晶分子は分子長軸を電界方向
にそろうようにその向きを変える。したがって、印加電
圧を大きくすると基板に平行に配向していた液晶分子を
基板に対して垂直方向に連続的にその向きを変えること
ができる。よって液晶分子の配向の方位に偏光した入射
光に対して液晶セルの見掛けの屈折率は異常光に対する
値から常光に対する値まで連続的に変化する。液晶層が
レンズのような形をしている液晶素子では、印加電圧に
より液晶分子の配向方向を制御して液晶セルの見掛けの
屈折率を変化させることにより、レンズの焦点距離を異
常光に対する値から常光に対する値まで連続的に変化で
きることは既に特開昭５４−１５８５４号公報等におい
て知られている。なお、垂直配向させた誘電異方性が負
の液晶を用いると印加電圧に対する焦点距離の変化が逆
になる。又、液晶レンズをフレネルレンズ構造とするこ
とにより液晶層の厚みを実効的に薄くして印加電圧に対
する応答・回復特性を改善する技術手段も、既に例えば
特開昭６０−５０５１０号公報などにより知られていし
かし、液晶分子を一方向に配向させる分子配向法では、
曲面状の基板に対する液晶分子の配向特性に場所的な不
均一性が生じることがあるという難点があり、液晶層を
フレネル構造とした場合には特に−様な分子配向特性を
得ることが難しかった。ところで、このような液晶によ
る焦点距離可変レンズにおける分子配向特性を改善する
ものとして、液晶セル内で液晶分子を軸対称（中心対称
）的なものすなわち同心円状又は放射状に配向させる技
術手段が既に特開昭６１−１３８９２２号公報等におい
て知られている。

一方、透明導電膜を付けた一方のガラス基板上に液晶分
子が一方向に並んで配向するようにし、他方の基板上で
はそれと直交するようにした液晶素子はＴＮ（ツィステ
ッドネマティック、ねじれネマティック）液晶として知
られており、電圧印加によるそのねじれの解消効果を利
用して光の透過状態を切り換える表示素子として広く使
用されている。このＴＮ液晶はある特定の方位に対して
視認性が悪化するという、いわゆる視角依存性がある。

この視角依存性を改善するものとして、液晶分子を一方
の基板上で同心円状とし、他方の基板上では放射状とな
るような、すなわち液晶分子を軸対称（中心対称）的に
配向させてＴＮ液晶と同様の透過状態の切り換え効果を
示す表示素子があり、電子通信学会技術研究報告ＥＩＤ
−８６−１４（昭和６１年１２月１０日）において公表
されている。この軸対称く中心対称）状配向液晶セルで
は、どの方位からこの表示素子を見ても素子の一部分を
除いて視認性がすぐれているので、表示素子を回りから
取り囲んで見る場合等において特に有効である。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、同心円状や放射状、又はこれらの組み合わせ
による分子配向特性を有する液晶レンズを単独で動作さ
せるためには、入射光として軸対称（中心対称）の偏光
を用いなければならない。

すなわち、同心円状又は放射状の偏光特性を示す特殊な
偏光板が必要となる。このような特殊な偏光板を用いな
いで可変焦点レンズとするためには前記の特開昭６１．
−１３８９２２号公報において開示されているように、
同心円状配向又は放射状配向の特性を有する２枚の液晶
によるレンズの間にＴＮ液晶セルを挟み込んで重ね合わ
せた構造とするか、あるいは、同心円状に液晶分子が配
向している液晶セルと放射状に液晶分子が配向している
液晶セルとを重ね合わせた構造としなければならない。

一方、同心円・放射状配向のＴＮセルにおいても、同様
に軸対称（中心対称）の偏光特性を有する偏光板が必要
であることは言うまでもない。

しかし、ポリビニルアルコール等を用いた通常の一軸延
伸のポリマーフィルムとヨウ素等の２色性色素分子等と
を利用した偏光板で、このような軸対称（中心対称）特
性を持つ偏光板を作製することはきわめて困難である。

ところで、一方向に摩擦した基板の上にメチレンブルー
の溶液をスピンナー法等により付けて、メチレンブルー
の分子を一方向に配向させた偏光板がある。基板を軸対
称（中心対称）状に摩擦することにより、メチレンブル
ー分子を軸対称（中心対称）状に配向させるようにして
も軸対称（中心対称）特性を持つ偏光を作る事はできる
。しかし、このような偏光板では偏光特性が劣り、又耐
久性や再現性等に問題があった。

本発明は同心円状又は放射状の偏光特性を有する偏光素
子を構成し、軸対称の分子配向特性を利用することので
きる液晶素子を構成することを目的としている。

本発明者は上述の難点に留意し、液晶分子の配向効果を
利用して、軸対称（中心対称）の偏光特性を有する偏光
板を構成する手段を案出し、分子配向特性のすぐれた液
晶レンズとする手段を案出して本発明を完成したもので
ある。

［問題点を解決するための手段］軸対称（中心対称）状の偏光特性を有する液晶素子を構
成するために、２枚のガラス基板又はプラスチック基板
の間に液晶を封入した液晶セルにおいて、一方の基板上
では液晶分子の長袖方向を一方向にそろえて配向し、他
方の基板上では軸対称（中心対称）すなわち同心円状又
は放射状になるように配向させている。

又、電圧印加による液晶分子の配向効果を利用できるよ
うにするために、２枚の基板に透明導電膜を付けた構造
としている。そして、液晶セルを構成する基板の少なく
とも一方が曲面構造やフレネルレンズ構造であってもよ
く、両凸レンズ状又は両凹レンズ状とすることもできる
。又、直線偏光板と液晶セルの間にＴＮ液晶セルを挟み
込んだ構成とすることもできる［作用］液晶セルの中で入射光の進行方向に対して液晶分子の配
向方向が少しずつ変化している場合、例えば液晶分子が
液晶セル内で９０度ねじれているＴＮ液晶セルでは、そ
のラセンねじれのピッチは液晶セルの厚みの４倍すなわ
ち１０〜２０ミクロンもあり光の波長に比べてずつと長
いので、液晶分子の長軸方向に偏光した入射光の偏光方
向は液晶分子の長軸方向に沿って変化しながら液晶セル
の中を進行する（長軸方向に垂直に偏光している場合も
同様である）。したがって、液晶分子の長軸方向を一方
向にそろえて配向している基板を通って入射した光は液
晶層を通って軸対称（中心対称）状に配向している他方
の基板から出るときには軸対称（中心対称）状の偏光に
なっている。すなわち、液晶分子の長軸方向を一方向に
配向したホモジニアス配向と軸対称（中心対称）配向の
基板を組み合わせることで軸対称（中心対称）状の偏光
を得ることができる。曲面構造をした一方の基板上で液
晶分子が軸対称（中心対称）配向している液晶レンズを
構成すると、曲面上の壁面に沿って−様な分子配向状態
を得ることができる。

［実施例］第１図に示すように、入射側の基板１で液晶分子が一方
向に（ホモジニアス）配向となり、他方の基板２では同
心円状に配向するような処理を行い、数ミクロン以上の
、例えば１０ミクロン程度の厚みの電気的に絶縁性を有
するスペーサ３を挟んで液晶４を封入する。第２図は液
晶素子の斜視図を示したものである。なお、第１図及び
第２図において、スペーサ３の厚みすなわち液晶層の厚
みは基板２及び基板３の厚みに比べて相対的に大きく示
しである。入射側に直線偏光板５を置き、その偏光方向
を液晶分子の配向方向に一致するようにする。スペーサ
３の厚みすなわち液晶層の厚みは可視光線の波長に比べ
てずっと大きいので、入射光の偏光方向は液晶分子の配
向方向に沿って変化する。したがって、液晶セルを通り
抜けた光の偏光方向は出射側の分子の配向方向すなわち
同心円状となる。

一方、直線偏光板５の偏光方向を入射側基板１における
ホモジニアス配向の液晶分子の長袖方向に垂直な方向に
向けると、同心円状の偏光方向が９０度回転するため、
放射状の偏光出力が得られる。第３図に示すように、直
線偏光板５と液晶セルの間にＴＮ液晶セル６を挟み、Ｔ
Ｎ液晶セル６に電源７及びスイッチ８により数ボルト程
度の電圧を加えることにより第１図に示したような偏光
状態をホモジニアス配向の液晶分子の配向方向に対して
平行と垂直方向の間でそれぞれ切り換えることができる
ので、同心円状及び放射状各々の偏光特性の切り換えを
行うことができる。

なお、同心円状の分子配向法としては液晶セル基板を回
転させながら綿布やナイロン布等で摩擦する方法、同様
に基板を回転させながら真空斜方蒸着を行う方法等によ
り行うことができる。

同様に光入射側基板で液晶分子をホモジニアス配向させ
、他方の基板で放射状の分子配向となるようにしても、
偏光板の偏光方向を分子の配向方向に一致させると放射
状の偏光が、又配向方向と垂直な方向に向けると同心円
状の偏光を得ることができる。放射状の分子配向法とし
ては同様に摩擦法や真空斜方蒸着法等により行う事がで
きる。

透明導電膜を付けた２枚の基板と誘電異方性が正のネマ
ティック液晶を用いて液晶セルを作製すると、透明導電
膜間にしきい値以上の電圧を加えることにより、液晶分
子が基板に垂直になり入射光の偏光方向はそのままの状
態で液晶セルを通り抜ける。したがって、透過光は直線
偏光となり、軸対称（中心対称）偏光と直線偏光との切
り換えができる。

透明導電膜を付けた基板の少なくとも一方の基板の液晶
に接する内面を曲面構造やフレネルレンズ構造として液
晶層をレンズ状の構造とすることにより、可変焦点の液
晶レンズを構成することができる。又、例えば曲面構造
の基板を軸対称（中心対称）配向とすると、液晶分子が
曲面状の基板に沿って一様に配向するため、高品質の液
晶レンズとすることができる。

具体的な例として、誘電異方性が正のネマティック液晶
であるシアノペンチルビフェニル（ＣＰＢ）及び焦点距
離が−７，６ｃｍである凹レンズ形のフレネルレンズを
用い、数ボルト程度の電圧を印加することにより、焦点
距離を１５ｃｍから８０ｃｍ程度まで可変でき、応答速
度が１秒程度で、光学的特性のすぐれた可変焦点レンズ
を構成することができる。なお、誘電異方性が正である
他の液晶を使用することもできる。

さらに、出射側基板の分子配向を渦巻き状としたり、又
は軸対称（中心対称）状でない複雑な形状とするなど、
種々の形態の偏光分布特性を構成することも容易にでき
る。

［発明の効果］以上のように、本発明は簡単な構成により同心円状や放
射状のような軸対称く中心対称）状の偏光特性を得るこ
とができ、液晶セルに数ボルト程度の低電圧を印加する
ことにより、軸対称（中心対称）状偏光と直線偏光間の
切り換えを行うことができる。又、ＴＮ液晶セルと組み
合わせることで同心円状偏光と放射状偏光との間の偏光
状態の切り換えを行うこともできる。さらに、液晶層を
レンズ状やフレネルレンズ状の曲面構造とすることによ
り、分子配向特性のすぐれた可変焦点液晶レンズとする
ことができるという卓越した効果を発する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の詳細な説明するためのもので第１図はホ
モジニアス配向と同心円状配向の基板により構成された
液晶セルによる同心円状の偏光特性を得る液晶素子の構
成図であり、第２図はその斜視図であり、図で矢印は偏
光方向及び液晶分子の配向方向を示す。第３図は直線偏
光板と液晶セルの間にＴＮ液晶セルを挟んだ場合である
。１・・・ホモジニアス配向の基板２・・・同心円状配向の基板３・・・スペーサ４・・・液晶５・・・直線偏光板６・・・ＴＮ液晶セルフ・・・電源８・・・スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）２枚のガラス基板又はプラスチック基板の間に液
晶を封入した液晶セル及び直線偏光板とから成り、前記
液晶セルの一方の基板上では液晶分子の長軸方向を一方
向にそろえて配向し、他方の基板上では軸対称（中心対
称）すなわち同心円状又は放射状になるように配向した
ことを特徴とする液晶素子。
（２）液晶セルを構成する前記ガラス基板又はプラスチ
ック基板に導電性被膜が形成されている特許請求の範囲
第１項記載の液晶素子。
（３）液晶セルを構成する基板の少なくとも一方が、液
晶に接する内面が曲面構造となっている特許請求の範囲
第１項及び第２項記載の液晶素子。
（４）液晶セルを構成する基板の少なくとも一方が、フ
レネルレンズ構造となっている特許請求の範囲第１項及
び第２項記載の液晶素子。
（５）液晶セルを構成する基板の少なくとも一方が、両
凸レンズ状又は両凹レンズ状となつている特許請求の範
囲第１項及び第２項記載の液晶素子。
（６）液晶セルと直線偏光板の間にＴＮ液晶セルを挟み
込んで構成されている特許請求の範囲第１項記載の液晶
素子。