JPH1078569A - 光学素子及び該光学素子の駆動方法並びに表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光利用効率の高い情報を光により表示する光
学素子及び該光学素子の駆動方法並びに表示装置を提供
する。 【解決手段】 本発明にかかる光学素子は、透明電極１
１を設けた基板である二枚のガラス板１２，１２間に樹
脂１３を挟んでなり、該樹脂１３中には、上記ガラス板
１２と平行な方向（矢印Ｘ方向）に配向を揃えた液晶か
らなる液晶粒１４が周期的に分布されてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光強度により情報
を表示する光学素子及び該光学素子の駆動方法並びに表
示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１６に従来例にかかるホログラフィッ
ク高分子分散液晶を用いた光学素子の概略を示す。

【０００３】図１６に示すように、表面に透明電極０１
を有するガラス板０２を用い、該電極０１同志が対向す
るように樹脂０３を挟んで、光学素子を構成している。
上記樹脂０３中には、液晶粒０４が周期的に分布された
構造となっている。上記電極０１，０１には電源（図示
せず）が電気的に接続されている。

【０００４】上記構成において、光源からの入射光０５
は、上記樹脂０３中の液晶粒０４によって散乱される
が、該液晶粒０４が周期的に分布しているため、干渉効
果により、特定の波長の光のみが反射され、反射光０６
となって、例えば眼球０７に入るが、他の波長の光はそ
のまま透過し、透過光０８となる。

【０００５】上記電気素子の電極０１，０１間に電圧を
かけると、電界により液晶が配向し、高分子樹脂との屈
折率差がなくなるため、各液晶粒０４による散乱光が消
え、反射光がなくなる。

【０００６】従来では、この反射光の有無を光学素子の
素子動作として用いている（信学技報 EID 95-147,ED9
5-221,SDM96-261 pp.131-136参照) 。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１６
に示すような従来の光学素子においては、液晶の初期は
配向がランダムであるため、樹脂との屈折率差が0.０６
程度しかとれず、反射スペクトル幅が狭いという問題が
ある。また、動作電圧が高いという問題もある。

【０００８】本発明は、光利用効率の高い情報を光によ
り表示する光学素子及び該光学素子の駆動方法並びに表
示装置を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の第１の光学素子は、透光性物質と屈折率可変物質と
からなる微細周期構造からなる光学素子であって、上記
屈折率可変物質が配向をそろえた液晶からなることを特
徴とする。

【００１０】本発明の第２の光学素子は、上記光学素子
を一組の電極で挟んでなることを特徴とする。

【００１１】本発明の第３の光学素子は、第１記載の光
学素子において、誘電率異方性が正である液晶を用い、
該液晶を電極により印加される電気力線の方向と直交す
る方向に配向してなることを特徴とする。

【００１２】本発明の第４の光学素子は、第１記載の光
学素子において、誘電率異方性が負である液晶を用い、
該液晶を電極により印加される電気力線の方向と平行す
る方向に配向してなることを特徴とする。

【００１３】本発明の第５の光学素子は、第１及び第２
の光学素子において、上記液晶が電傾効果を有するスヌ
メティック液晶を用いて配向してなることを特徴とす
る。

【００１４】本発明の第６の光学素子は、第２の光学素
子において、上記電極が基板と平行方向に配置されてな
ることを特徴とする。

【００１５】本発明の光学素子の駆動方法は、第６の光
学素子の駆動方法であって、上記電極を用いて水平方向
に電界を加えることにより、液晶の配向を水平方向に制
御することを特徴とする。

【００１６】本発明の第７の光学素子は、透光性物質と
屈折率可変物質とからなる微細周期構造からなる光学素
子であって、上記屈折率可変物質が二周波液晶であるこ
とを特徴とする。

【００１７】本発明の第８の光学素子は、第１乃至第
６、８の光学素子において、透光性物質が複屈折性物質
であることを特徴とする。

【００１８】本発明の第１の表示装置は、第１乃至第
６、８の光学素子を平面的に複数並べてなることを特徴
とする。

【００１９】本発明の第２の表示装置は、第１乃至第
６、８の光学素子又は第１の表示装置を複数重ねてなる
ことを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。

【００２１】図１は本実施の形態における光学素子の概
略構造である。図１に示すように、本実施の形態にかか
る光学素子は、透明電極１１を設けた基板である二枚の
ガラス板１２，１２間に樹脂１３を挟んでなり、該樹脂
１３中には、上記ガラス板１２と平行な方向（矢印Ｘ方
向）に配向を揃えた液晶からなる液晶粒１４が周期的に
分布されてなるものである。

【００２２】本実施の形態では、透光性物質として樹脂
１３を用い、屈折率可変物質として配向を揃えた液晶粒
１４を用い、これらにより微細周期構造を形成し、本実
施の形態の光学素子を構成している。

【００２３】この光学素子１０に光源からの入射光１５
が入射されると、該樹脂１３中の液晶粒１４によって散
乱されるが、液晶領域が周期的に分布しているため、干
渉効果により、特定の波長の光のみが反射されて反射光
１６となり眼球１７に入る。一方、他の波長の光は樹脂
１３中をそのまま透過して透過光１８となる。

【００２４】次に、上記光学素子の電極１１，１１間に
電圧をかけると、電界により液晶が配向し、高分子樹脂
との屈折率差が無くなるため、各液晶粒１４による散乱
光が消え、反射光１６が無くなり、全て透過光１８とな
る。

【００２５】本発明にかかる光学素子では、基板と平行
な方向（Ｘ方向）に配向を揃えた液晶からなる液晶粒１
４を周期的に分布しているため、反射状態における液晶
と樹脂との屈折率差が従来よりも３倍大きくなり、この
結果、反射波長幅が３倍広がり、反射効率が３倍以上向
上する。よって、同じ程度のピーク反射率を得るための
厚さが、従来の３分の１になるため、低電圧化が可能と
なる。

【００２６】上記反射状態における液晶と樹脂との屈折
率差が従来よりも３倍大きくなる理由を、以下に示す。
液晶の屈折率は、分子の長軸，短軸方向で異なる（これ
をｎ_e ，ｎ_o と呼ぶ。）。配向がランダムな場合は、液
晶領域の屈折率は平均値である （ｎ_e ＋ｎ_o ）／３ ・・・（１） となる。ここで、配向を揃えることにより、液晶領域の
屈折率は、ｎ_e となる。また、通常は樹脂の屈折率はｎ
_o と等しいものを用いる。したがって、樹脂と液晶との
屈折率差は、液晶の配向がランダムな場合は、 （ｎ_e −ｎ_o ）／３ ・・・（２） となる。一方、液晶の配向が揃っている場合は、 （ｎ_e −ｎ_o ） ・・・（３） となり、３倍の屈折率差となる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の効果を示す実施例を詳細に説
明する。 〔実施例１〕図２は本実施例にかかる光学素子を示す概
略図である。図２に示すように、本実施の形態にかかる
光学素子は、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏ
ｘｉｄｅ）のような透明電極１１を設けたガラス板１２
を二枚対向させ、そのガラス板１２，１２間に樹脂１３
を挟んでなり、該樹脂１３中には上記ガラス板１２と平
行な方向（矢印Ｘ方向）に配向を揃えた液晶からなる液
晶粒１４が周期的に分布されている。

【００２８】この光学素子に光源からの入射光１５が入
射されると、該樹脂１３中の液晶粒１４によって散乱さ
れるが、液晶領域が周期的に分布しているため、干渉効
果により、特定の波長の光のみが反射されて反射光１６
となり眼球１７に入る。一方、他の波長の光は樹脂１３
中をそのまま透過して透過光１８となる。

【００２９】上記光学素子の電極１１，１１間に電圧を
かけると、電界により液晶が配向し、高分子樹脂との屈
折率差が無くなるため、各液晶粒１４による散乱光が消
え、反射光１６が無くなり、全て透過光１８となる。本
実施例にかかる光学素子では、液晶の配向を基板と平行
（Ｘ方向）に揃えてあるため、樹脂と液晶との屈折率差
を大きくとることができ、従来の配向を揃えなかった素
子に比べ３倍以上の反射効率の向上が可能となる。

【００３０】次に、本実施例の光学素子の作製方法につ
いて図３を参照して説明する。図３に示すように、電極
２１を設けた基板２２の間に、光硬化性樹脂の中に、例
えばネマティック液晶のような液晶を溶解させた樹脂原
料を入れて、高分子分散樹脂領域２３を形成する。ここ
に、レーザ光源２４より出た光２５を二光束干渉させる
ことにより生じさせた干渉縞２６を照射する。該干渉縞
２６の電界の強い腹の部分で樹脂の重合が起こり、残り
の部分で相分離により析出した液晶領域を形成し、周期
的に分布された、図２に示すような所望の構造を得る。

【００３１】次に、上記樹脂粒の配向の制御方法の一例
を以下に示すが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。 ＜ずり応力による配向＞ 図４に示すように、光照射後に、高分子分散樹脂領域２
３を挟んで対向する基板２２，２２に矢印で示すような
異なる方向の水平な力Ｆ₁ ，Ｆ₂ をかけることにより、
該高分子分散樹脂領域２３にずり領域を加えて、配向を
揃える。なお、このずり領域は力を加えた状態であって
も、また力を加えた後にもとの状態に戻しても、配向が
維持されていればよい。

【００３２】 ＜磁場による配向＞ 図５に示すように、上述した図３と同様な操作におい
て、レーザ光照射中に、例えば磁石２７を用い、磁場の
ような液晶の配向を制御する環境とすることにより、高
分子分散樹脂領域２３における配向を揃えてもよい。

【００３３】 ＜液晶モノマーによる配向＞ 光硬化性樹脂として液晶モノマーを用い、レーザ光照射
以前に配向した状態にする。液晶モノマーと液晶との混
合物は、一般に液晶性を示す。そのため、この混合物を
配向処理した基板で挟むことにより、混合物は液晶と同
様に基板間で配向する。この状態で光照射を行うことに
より、配向状態で構造形成が可能となる。図６に形成さ
れた構造の概略を示す。図６に示すように、高分子分散
液晶領域３１は、重合した液晶モノマー３２中に、液晶
３３が分散した構造となる。上記液晶３３と液晶モノマ
ー３２は共に同一方向に配向する。尚、図面中の矢印Ａ
部分の楕円部分は、液晶分子の異方性を示したものであ
る。

【００３４】また、本実施例では、基板としてガラス板
を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、
例えばアクリル樹脂のような有機物からなる板、フィル
ム等であってもよい。また、電極としてＩＴＯを用いた
がこれに限定されるものではない。

【００３５】また、光学素子として、図７に示すような
面内方向に周期構造を有する透過型回折格子構造３４
を、電極２１を設けた基板２２，２２の間に設けたもの
であってもよい。

【００３６】また、構造は一般にホログラムであっても
よい。ここで、ホログラムとは、図８に示すように、レ
ーザ光の出力光２５と、例えば図のような物体４１から
の散乱光４２のような任意の可干渉の光とからなる干渉
縞の照射により得られる構造をいう。

【００３７】本実施例において、電極としてマトリック
ス状電極を用いることにより、ほぼ任意の画像情報を表
示可能である。ここで、マトリックス状電極とは、例え
ば図９（ａ）に示すように、基板４３の上に帯状の電極
４４を設けたものをいう。また、図９（ｂ），（ｃ）に
示すように、相対向する二枚の基板４３−１，４３−２
に設けた電極４４−１，４４−２が互いに交差するよう
に重ねて使用してもよい。なお、図９（ｃ）は図（ｂ）
を横方向から見た断面図である。

【００３８】本実施例により、反射効率の高い単色表示
素子を実現できることができた。

【００３９】特に、液晶として誘電率異方性が正である
液晶を用い、基板と平行な方向に配向させた場合、無電
界で高効率反射状態、電界下で透過状態となるような素
子を実現できる。

【００４０】また、液晶として誘電率異方性が負である
液晶を用い、基板と直交する方向に配向させた場合、無
電界で透過状態、電界下で高効率反射状態となるような
素子を実現できる。特に、分散している液晶粒の形状に
異方性を持たせることにより更なる透過率の向上ができ
る。

【００４１】〔実施例２〕図１０は、本発明の光学素子
を示す概略図である。前述した図２に示す実施例１にか
かる光学素子から、電極１１を有した基板であるガラス
板１２を除いたものである。本実施例の素子により、樹
脂１３中にＸ方向に配向を揃えた液晶からなる液晶粒１
４が周期的に分布された反射効率の高いフィルム状ホロ
グラムを実現できる。

【００４２】〔実施例３〕図１１は、本発明の他の実施
例にかかる光学素子の概略図である。本実施例では、例
えば櫛形電極５１のような面内方向に電界をかけること
が可能であるような電極を用いるものである。ここで、
櫛形電極とは、図１１（ａ）に示すように、基板上に櫛
のような形状の電極を設けたものであり、二つの電極５
１−１，５１−２を櫛の歯が交互になるように基板５２
上に配置してなるものである。二つの櫛形電極５１−
１，５１−２に電圧をかけることにより、櫛の歯の間に
基板表面とほぼ平行な電界を生じさせることができる。
図１１（ａ）では複数の歯を持った櫛を示したが二本の
平行な電極間の電界などを用いてもよい。

【００４３】図１１（ｂ）は、櫛形電極５１−１，５１
−２を上下に配した基板５２の両面に用いた場合を示す
光学素子の概略を示す。高分子分散液晶領域５３を櫛形
電極で挟む。電極同志を接続した状態で、両者の間に電
圧をかかえると、基板に対して垂直な電界を生じるた
め、素子は透明状態となる。一方、電極と電極とを接続
した状態で両者に電圧をかけると基板の面に平行な電界
が発生するので、高効率な反射状態となる。

【００４４】図１１（ｃ）は、櫛形電極５１−１，５１
−２を片面（図中下側の基板５２）に、平面電極５１−
３をもう一面（図中上側の基板５２）に用いた場合を示
す。高分子分散液晶領域５３を櫛形電極５１−１，５１
−２と平面電極５１−３で挟み、電極と電極とを接続
し、電極同志に電圧をかけると、基板に対して垂直な電
界を生じるため、素子は透明状態となる。一方、電極と
電極との間に電圧をかけると基板の面に平行な電界が発
生するので、高効率な反射状態となる。

【００４５】特に、高分子樹脂として液晶モノマーのよ
うに複屈折性を有する物質を用いることにより、電界を
かけない状態では、図６に示したように、同一方向に配
向しているため全体が一様な複屈折板として作用するの
で、全ての光を透過するが、電界を加えた状態では図１
２に示すように、高分子分散液晶領域３１は、重合した
液晶モノマー３２中に、液晶６１が分散した構造とな
る。該液晶６１の複屈折軸と樹脂の複屈折軸とが非平行
となるため全ての偏光の光を反射する。複屈折の軸のな
す角が９０度であるとき、反射効率は最大となる。

【００４６】〔実施例４〕図１３は、本発明の他の実施
例にかかる光学素子の概略図である。図１３（ａ）に示
すように、光学素子は、例えばＩＴＯのような電極を設
けた例えばガラス板のような透明な基板に挟まれた樹脂
中に配向を基板とほぼ平行な方向に揃えた電傾効果を示
すスメクティック液晶粒１９を周期的に分布させた構造
を有する。上記電傾効果とは、液晶に電界をかけたと
き、電界方向を軸として、液晶分子が電界に比例した角
度だけ傾斜する性質をいう。この電傾効果を示すスメク
ティック液晶粒を周期的に分布させた構造を有する光学
素子に、電界を加えると電傾効果により配向方向が基板
と平行な面内で回転する。入射光のうち、液晶の配向方
向と平行な光は、素子中の液晶粒によって散乱され、特
定の波長の光のみが反射され反射光となり、他の波長の
光は、そのまま透過し透過光となる。液晶の配向方向と
垂直に偏光した光は、液晶粒に散乱されないので、全て
透過する。本実施例の光学素子は、電界によって反射す
る光の偏光法屈折率及びを制御できる。

【００４７】また、図１３（ｂ）に示すように、光学素
子に偏光板２０を設けることにより、反射光強度を電界
によって制御できる光学素子を実現できる。特に、高分
子樹脂として、液晶モノマーのようにあ複屈折性を有す
る物質を用いることにより、電界をかけない状態では、
図６に示したように、同一方向に配向しているため全体
が一様な複屈折板として作用するので、全ての光を透過
するが、電界を加えた状態では、図１２に示すように、
液晶６１の複屈折軸と樹脂の複屈折実とが非平行となる
ため全ての偏光の光を反射する。複屈折の軸のなす角が
９０度であるとき、反射効率は最大となる。

【００４８】〔実施例５〕図２の構造の光学素子におい
て、液晶領域として二周波液晶を用いた他の実施例を示
す。なお、初期状態の配向は任意である。二周波液晶
は、加える電界の周波数により誘電率異方性の符号（正
・負）が変化する。このため、誘電率異方性が正になる
ような周波数の電界を加えることにより透明状態とな
り、一方、負になるような周波数の電界を加えることに
より高効率反射状態を実現できる。

【００４９】上述して全ての実施例において、実施例１
と同様に液晶粒の分布は、透過型回折格子やホログラム
であってもよい。

【００５０】全ての実施例において、周期構造は、球状
の液晶粒の分布で構成される必要はない。例えば図１４
（ａ）に示すような、樹脂層６２と液晶層６３とが複数
層積層した多層周期構造であってもよい。また、図１４
（ｂ）に示すような、樹脂層６４中に配される液晶粒６
５が扁平形状であってもよい。また、液晶が粒を構成す
るのではなく、透光性物質が液晶中に周期的に分さして
いてもよい。

【００５１】本発明の全て実施例の素子は、図１５
（ａ）のように基板７１上に複数の素子７２を並べるこ
とにより、表示装置を形成できる。本発明の全て実施例
の素子は、図１５（ｂ）のように複数の素子（例えば
青）７２−１，素子（例えば緑）７２−２，素子（例え
ば赤）７２−３を積層することにより、多色化が可能で
ある。

【００５２】

【発明の効果】以上、実施の形態と共に、詳細に説明し
たように、本発明によれば、高い光の利用効率で情報を
表示する素子が実現できる。また、高分子樹脂を用いる
ことにより、素子に可変形（フレキシブル）性をもたせ
ることができる。本発明により素子の動作電圧を下げる
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子の概略図である。

【図２】本発明の実施例１にかかる光学素子の概略図で
ある。

【図３】実施例１にかかる光学素子の作製の概略図であ
る。

【図４】実施例１にかかる光学素子に配向をかける一例
の概略図である。

【図５】実施例１にかかる光学素子に配向をかける他の
一例の概略図である。

【図６】本発明の実施例１にかかる光学素子の液晶状態
の概略図である。

【図７】本発明の実施例１にかかる光学素子の回折格子
の概略図である。

【図８】本発明の実施例１にかかる光学素子のホログラ
ムの概略図である。

【図９】本発明の実施例１にかかるマトリックス状電極
を用いた光学素子の概略図である。

【図１０】本発明の実施例２にかかる光学素子の概略図
である。

【図１１】本発明の実施例３にかかる光学素子の概略図
である。

【図１２】本発明の実施例３にかかる光学素子の概略図
である。

【図１３】本発明の実施例４にかかる光学素子の概略図
である。

【図１４】本発明の実施例５にかかる光学素子の概略図
である。

【図１５】本発明の表示装置の概略図である。

【図１６】従来技術にかかる光学素子の概略図である。

【符号の説明】 １１ 透明電極 １２ ガラス板 １３ 樹脂 １４ 液晶粒 １５ 入射光 １６ 反射光 １７ 眼球 １８ 透過光

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性物質と屈折率可変物質とからなる
   微細周期構造からなる光学素子であって、上記屈折率可
   変物質が配向をそろえた液晶からなることを特徴とする
   光学素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光学素子を一組の電極で
   挟んでなることを特徴とする光学素子。
3. 【請求項３】 請求項１記載の光学素子において、誘電
   率異方性が正である液晶を用い、該液晶を電極により印
   加される電気力線の方向と直交する方向に配向してなる
   ことを特徴とする光学素子。
4. 【請求項４】 請求項１記載の光学素子において、誘電
   率異方性が負である液晶を用い、該液晶を電極により印
   加される電気力線の方向と平行する方向に配向してなる
   ことを特徴とする光学素子。
5. 【請求項５】 請求項１及び２記載の光学素子におい
   て、 上記液晶が電傾効果を有するスヌメティック液晶を用い
   て配向してなることを特徴とする光学素子。
6. 【請求項６】 請求項２記載の光学素子において、 上記電極が基板と平行方向に配置されてなることを特徴
   とする光学素子。
7. 【請求項７】 請求項６記載の光学素子の駆動方法であ
   って、上記電極を用いて水平方向に電界を加えることに
   より、液晶の配向を水平方向に制御することを特徴とす
   る光学素子の駆動方法。
8. 【請求項８】 透光性物質と屈折率可変物質とからなる
   微細周期構造からなる光学素子であって、上記屈折率可
   変物質が二周波液晶であることを特徴とする光学素子。
9. 【請求項９】 請求項１乃至６、８記載の光学素子にお
   いて、 透光性物質が複屈折性物質であることを特徴とする光学
   素子。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至６、８、９記載の光学素
    子を平面的に複数並べてなることを特徴とする表示装
    置。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至６、８、９記載の光学素
    子又は請求項１０の表示装置を複数重ねてなることを特
    徴とする表示装置。