(57)【要約】【課題】偏向に寄与する入射ビームの割合をできるだけ高めるように設定された液晶光学素子を提供することを目的とする。【解決手段】第１及び第２の透明基板（１１、１７）と、第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層（１４）と、液晶層に対して入射ビームを偏向させるような所定の屈折率分布を発生させる電圧を印加する帯状電極パターン（１２）と、を有し、帯状電極パターンは、間隔Ｓ且つピッチＰで配置された複数の帯状電極（２０〜２７）を有し、ピッチＰが、１０×Ｓから５００μｍの範囲内になるように設定されていることを特徴とする本発明に係る液晶光学素子（１０）。【選択図】図１
2010286727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の透明基板と、
前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、
前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような所定の屈折率分布を発生させる電圧を印加する帯状電極パターンと、を有し、
前記帯状電極パターンは、間隔Ｓ且つピッチＰで配置された複数の帯状電極を有し、ピッチＰが、１０×Ｓから５００μｍの範囲内になるように設定されている、
ことを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
前記帯状電極パターンは、間隔Ｓ且つピッチＰで配置された複数の帯状電極を有し、ピッチＰが、２０×Ｓから３００μｍの範囲内になるように設定されている、請求項１に記載の液晶光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶光学素子に関し、特に、入射ビームを偏向することが可能な液晶光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビームスポットの位置等を調整等するために、ビーム偏向器が用いられることがある。ビーム偏向器としては、反射ミラーなどがあるが、反射ミラー位置の微調整をするためには、機械的な反射ミラーの稼動手段等を設ける必要がある等の不具合があった。
【０００３】
そこで、液晶を利用したビーム偏向器が提案されている。例えば、第１の透明基板上に配置された格子状の透明電極と、第２の透明基板上に配置された対向共通電極との間に液晶層を挟持した液晶光学素子において、電極間に所定の電圧を印加することによって、液晶光学素子をビーム偏向器として利用することが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、格子状の透明電極を利用している液晶光学素子では、格子間に設けられている隙間などの作用によってノイズ光が発生し、液晶光学素子に入射するビームの内、所定の割合のビームしか実際に偏向されないという不具合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９２３４９号公報（第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決することを目的とした液晶光学素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、偏向に寄与する入射ビームの割合をできるだけ高めるように設定された液晶光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る液晶光学素子は、第１及び第２の透明基板と、第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、液晶層に対して入射ビームを偏向させるような所定の屈折率分布を発生させる電圧を印加する帯状電極パターンと、を有し、帯状電極パターンは、間隔Ｓ且つピッチＰで配置された複数の帯状電極を有し、ピッチＰが、１０×Ｓから５００μｍの範囲内になるように設定されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る液晶光学素子では、帯状電極パターンは、間隔Ｓ且つピッチＰで配置された複数の帯状電極を有し、ピッチＰが、２０×Ｓから３００μｍの範囲内になるように設定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る液晶光学素子は、透過性であるので、反射ミラーのように曇ったりせず、電気的に制御できるので駆動機構等を必要とせず、安価で確実な光偏向器として機能することが可能となった。
【００１０】
また、本発明に係る液晶光学素子は、帯状電極パターンの回折格子的な性質による量子化誤差によるノイズ光及び帯状電極パターンの帯状電極間の漏れ光によるノイズ光を総合的に低下させるように構成されているため、偏向に寄与するビームの割合を高くすることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る液晶光学素子の概略断面図を示す図である。
【図２】透明電極１２の構成を示す図である。
【図３】帯状電極と、印加電圧及び実効屈折率との関係を示す図である。
【図４】液晶光学素子のビーム偏向機能を説明するための図である。
【図５】量子化誤差による発生するノイズ光を説明するための図である。
【図６】帯状電極の間隔Ｓが３μｍの場合のノイズ光の割合とピッチとの関係を示す図である。
【図７】帯状電極の間隔Ｓが４μｍの場合のノイズ光の割合とピッチとの関係を示す図である。
【図８】帯状電極の間隔Ｓが５μｍの場合のノイズ光の割合とピッチとの関係を示す図である。
【図９】帯状電極の間隔Ｓが６μｍの場合のノイズ光の割合とピッチとの関係を示す図である。
【図１０】本発明に係る液晶光学素子１０を電子写真方式のレーザプリンタに利用した利用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図面を参照して、本発明に係る液晶光学素子について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００１３】
図１は、本発明に係る液晶光学素子の概略断面図を示す図である。
【００１４】
液晶光学素子１０において、第１透明基板１１上には透明電極１２及び第１の配向膜１２が形成され、第２透明基板１７上にはベタ電極である透明対向電極１６及び第２の配向膜１５が形成されている。液晶層１４は、第１透明基板１１及び第２透明基板１７と、シール部材１８との間に封入され、封止されている。図１に示される各要素は、説明の便宜上、誇張して図示されており、実際の厚さの比とは異なる点に注意されたい。また、透明電極１２と透明対向電極１６との間に、電圧供給手段から所定の電圧を印加することによって、液晶光学素子１０は、ビーム偏向器として作用し、入射ビーム（Ａ）は、偏向角θだけ偏向されたビーム（Ａ´）として出射される。偏向の原理等について後述する。
【００１５】
第１透明基板１１及び第２透明基板１７は、可撓性であって、厚さ１００μｍのポリカーボネイト樹脂によって形成されている。しかしながら、第１透明基板１１及び第２透明基板１７は、透明ガラス基板、変性アクリル樹脂、ポリメタクリル樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ノルボルテン樹脂等であっても良く、また厚さも５０μｍ〜２５０μｍとすることができる。
【００１６】
液晶光学素子１０における液晶層１４の厚さ（セルギャップ）は、６μｍとした。また、液晶層は、平行配向液晶により形成した。なお、垂直配向液晶を使用することも可能である。
【００１７】
図２は、透明電極１２の構成を示す図である。
【００１８】
透明電極１２は、複数のスプライト状の帯状電極２０〜２７と各帯状電極を接続する接続電極３０からなる電極パターンを含んで構成されている（スプライト電極）。帯状電極２１〜２７は、例えば、幅Ｗ、長さＬの大きさで、低抵抗のＩＴＯにより形成され、各帯状電極２１〜２７は、間隔Ｓ、ピッチＰ（＝Ｗ＋Ｓ）で配置されている。接続電極３０は、高抵抗のＩＴＯにより形成され、幅Ｒ（３μｍ）で帯状電極同士を接続している。図２では、８本の帯状電極が記載されているが、透明電極１２は、全体として、少なくともビーム径と同じ程度の幅及び長さＬ（例えば、１〜３ｍｍ）を有する様な長さ及び本数の帯状電極（例えば、２００〜６００本）を含んでいる。
【００１９】
図３は、帯状電極と、印加電圧及び実効屈折率との関係を示す図である。
【００２０】
図３（ａ）は、第１の透明基板１１上の帯状電極の一部の断面を示す図である。図２に示したように、各帯状電極は接続電極３０によって相互に接続されている。実際には、透明電極１２の最右端に位置する帯状電極と最左端に位置する帯状電極との間に、電源４０より所定のＡＣ電圧が印加される。図３では、便宜上、帯状電極２０に電圧Ｖ１が、帯状電極２７に電圧Ｖ２が電源４０から印加されているものとする。なお、ＡＣ電圧を印加するのは、直流電圧成分を長い間、液晶に印加すると、液晶の焼きつきや分解等の不具合を生じるからである。
【００２１】
図３（ｂ）は、各帯状電極と透明対向電極１６との間に印加される実効電圧を示している。高抵抗の接続電極は、同一の幅Ｒを有していることから、各帯状電極は、同一の抵抗値を有する抵抗によって、相互に接続されているに等しい。また、各帯状電極は、低抵抗のＩＴＯから構成されているので、各帯状電極内における電位差は生じない。したがって、図３（ａ）の場合、帯状電極２０〜２７は、接続電極３０によって抵抗分割されて、図３（ｂ）に示すように、電位Ｖ１〜Ｖ２の段階状の実効電位が印加された状態となる。
【００２２】
図３（ｃ）は、各帯状電極による実効屈折率Ｎを示している。各帯状電極に対して図３（ｂ）に示すような実効電圧が印加されることによって、対応する液晶層１４を通過する入射ビームに対して、図３（ｃ）に示すようなＮ１からＮ２の段階的な実効屈折率が発揮される。したがって、液晶光学素子１０は、点線５０に示すような実効屈折率分布を有することとなる。
【００２３】
なお、液晶光学素子１０への入射ビームは、光路長（実効屈折率×セルギャップ）により変調を受けるが、液晶光学素子１０ではセルギャップは一定なので、光路長と実効屈折率とは比例する。したがって、光路長分布と実効屈折率分布は相似することとなる。
【００２４】
帯状電極の隙間Ｓ（デッドスペース）では、実際には印加される実効電圧は０Ｖとなるが、図３（ｃ）の領域５２のように実効屈折率が落ちず、領域５１のような状況が生じるのは、帯状電極間が非常に狭い（例えば、３μｍ）こと、さらに、液晶の印加電圧の変化に対する応答速度が遅いためである。
【００２５】
図４は、液晶光学素子のビーム偏向機能を説明するための図である。
【００２６】
液晶光学素子１０にビームＡが入射すると、図３（ｃ）に示した屈折率分布５０に応じた位相の遅延が発生し、屈折率分布５０の角度θと同様の角度を有するプリズムから空気中にビームが出射するようにして、出射ビームＡ´の出射角度が、角度θだけ偏向されることとなる。即ち、θ＝ｔａｎθ−１（δ／Ｄ）と表すことができる。ここで、Ｄは入射ビームの有効径（μｍ）、δは有効径Ｄにおける左端と右端との光路長差（μｍ）である。
【００２７】
また、図４から、液晶光学素子１０が有する屈折率分布５０の角度θを調整することによって、入射ビームの偏向角θを調整可能であることが理解できる。屈折率分布５０の角度θは、液晶光学素子１０の透明電極１２が有する帯状電極パターンに印加する実効電圧を調整することによって変化させることが可能であるので、電源４０から液晶光学素子に印加される電圧を制御することによって、稼動部品を用いずに、簡単に入射ビームの偏向角θを調整することが可能となった。
【００２８】
以下、液晶光学素子におけるノイズ光の発生について説明する。
【００２９】
液晶光学素子におけるノイズ光の発生原因としては大きく以下の２つが考えられる。第１は、帯状電極間の隙間Ｓ（デッドスペース）を通過する漏れ光によるノイズ光である。第２には、図３（ｃ）に示すように実効屈折率分布５０は完全に滑らかではなく、量子化誤差が残るが、この残存する量子化誤差によって発生する回折光によるノイズ光である。
【００３０】
最初に、帯状電極間の隙間Ｓ（デッドスペース）を通過する漏れ光によって発生するノイズ光について考察する。図３（ｃ）において、説明したように、帯状電極間の隙間Ｓの部分では、所望の屈折率分布５０と同様の屈折率を得ることができない（図３（ｃ）の領域５１参照）。したがって、そのデットスペースを通過する光（漏れ光）が、ノイズ光成分となる。しかしながら、複数の帯状電極に、段階状の実効電圧を印加するためには、帯状電極間に、絶縁のための隙間を形成する必要がある。例えば、スパッタリング法を用いて、透明電極１２に帯状電極パターンを形成する場合、絶縁不良を起こさないようにするためには、最低でも１μｍ以上、例えば３μｍの隙間Ｓを設ける必要がある。
【００３１】
デッドスペースの割合はＳ／Ｐ×１００（ここでＰは帯状電極の配列ピッチ）となるので、帯状電極間の隙間Ｓ（デッドスペース）を通過する入射ビームによるノイズ光の発生を抑えるためには、できるだけ帯状電極のピッチＰを大きくするように、帯状電極を形成すれば良いこととなる。
【００３２】
図５は、量子化誤差による発生する回折光によるノイズ光を説明するための図である。
【００３３】
次に、図５を利用して、量子化誤差による発生する回折光によるノイズ光について考察する。図３（ｃ）に示すように、屈折率分布５０は、実際には複数の段階状（量子化された）の屈折率により形成されているため、例えば、図３（ｃ）の領域５３に示す様に、屈折率分布５０の図中の上部にはみ出した部分が量子化誤差として残存してしまう。図５では、残存した量子化誤差が、鋸歯状格子のような屈折率分布成分６０を形成している状況を示している。
【００３４】
鋸歯状格子のような屈折率分布成分６０は、帯状電極パターンのピッチＰに対応して形成され、そのような鋸歯状格子のような屈折率分布成分６０は回折格子として入射ビームＡに対して作用する。したがって、液晶光学素子１０に入射したビームの一部は、図５に示すような屈折率分布成分６０による回折格子により回折光Ａ´´又はＡ´´´となり、ノイズ光成分となる。
【００３５】
また、回折光は、鋸歯状格子のような屈折率分布成分６０の高さＨに比例して大きくなると考えられる。高さＨを小さくするためには、量子化誤差をできるだけ小さく、言い換えれば、できるだけ細かく帯状電極を形成すれば良い。即ち、できるだけ帯状電極のピッチＰを小さくするように、帯状電極を形成すれば良いこととなる。
【００３６】
上述したように、漏れ光によるノイズ光を抑えるためには、帯状電極パターンのピッチＰを大きくする必要があり、量子化誤差によるノイズ光を抑えるためには、帯状電極パターンのピッチＰを小さくする必要がある。そこで、帯状電極パターンのピッチＰを最適化することによって、液晶光学素子１０のノイズ光の発生を抑制しつつ、偏向器として機能させる必要がある。
【００３７】
図６は、帯状電極の間隔Ｓが３μｍの場合のノイズ光の割合とピッチとの関係を示す図である。
【００３８】
図６は、液晶光学素子１０の透明電極１２が、間隔Ｓ（３μｍ）で配置された長さＬ（３ｍｍ）の帯状電極による帯状電極パターンを、ピッチＰが１０μｍ〜５００μとなるように可変した場合のノイズ光の割合（％）を測定して示したものである。なお、入射ビームの波長を６５０ｎｍ、入射ビーム径を２ｍｍ、液晶層１４のセルギャップを６μｍ、光路長差δをπ、ビーム偏向角θを０．１６ミリラジアンとした。
【００３９】
ノイズ光の割合は、入射ビームの光量Ｅと、調整したビーム偏向角θにおける偏向ビームの光量Ｅ´を測定して、ノイズ光の割合を（Ｅ−Ｅ´）／Ｅ×１００により求めた。なお、ビーム光量の測定には、レーザーパワーメータを利用した。また、経験上、ノイズ光の割合が１０％以下であれば、十分に実用に適しており、ノイズ光の割合が５％以下であれば、非常に良好なビーム偏向器として機能するものと考えられる。
【００４０】
図６より、帯状電極パターンのピッチが３０μｍ〜５００μｍの範囲であれば、ノイズ光の割合が１０％以下となり、十分に実用に適すると考えられ、ピッチが４５μｍ〜３００μｍの範囲であれば、非常に良好なビーム偏向器として機能するものと考えられる。
【００４１】
図７は、帯状電極の間隔Ｓが４μｍの場合のノイズ光の割合とピッチとの関係を示す図である。
【００４２】
図７は、液晶光学素子１０の透明電極１２が、間隔Ｓ（４μｍ）で配置された長さＬ３ｍｍの帯状電極による帯状電極パターンを、ピッチＰが１０μｍ〜５００μとなるように可変した場合のノイズ光の割合（％）を測定して示したものである。なお、入射ビームの波長を６５０ｎｍ、入射ビーム径を２ｍｍ、液晶層１４のセルギャップを６μｍ、光路長差δをπ、ビーム偏向角θを０．１６ミリラジアンとした。
【００４３】
図７より、帯状電極パターンのピッチが４０μｍ〜５００μｍの範囲であれば、ノイズ光の割合が１０％以下となり、十分に実用に適すると考えられ、ピッチが８０μｍ〜３００μｍの範囲であれば、非常に良好なビーム偏向器として機能するものと考えられる。
【００４４】
図８は、帯状電極の間隔Ｓが５μｍの場合のノイズ光の割合とピッチとの関係を示す図である。
【００４５】
図８は、液晶光学素子１０の透明電極１２が、間隔Ｓ（５μｍ）で配置された長さＬ３ｍｍの帯状電極による帯状電極パターンを、ピッチＰが１０μｍ〜５００μとなるように可変した場合のノイズ光の割合（％）を測定して示したものである。なお、入射ビームの波長を６５０ｎｍ、入射ビーム径を２ｍｍ、液晶層１４のセルギャップを６μｍ、光路長差δをπ、ビーム偏向角θを０．１６ミリラジアンとした。
【００４６】
図８より、帯状電極パターンのピッチが５０μｍ〜５００μｍの範囲であれば、ノイズ光の割合が１０％以下となり、十分に実用に適すると考えられ、ピッチが１００μｍ〜３００μｍの範囲であれば、非常に良好なビーム偏向器として機能するものと考えられる。
【００４７】
図９は、帯状電極の間隔Ｓが６μｍの場合のノイズ光の割合とピッチとの関係を示す図である。
【００４８】
図９は、液晶光学素子１０の透明電極１２が、間隔Ｓ（６μｍ）で配置された長さＬ３ｍｍの帯状電極による帯状電極パターンを、ピッチＰが１０μｍ〜５００μとなるように可変した場合のノイズ光の割合（％）を測定して示したものである。なお、入射ビームの波長を６５０ｎｍ、入射ビーム径を２ｍｍ、液晶層１４のセルギャップを６μｍ、光路長差δをπ、ビーム偏向角θを０．１６ミリラジアンとした。
【００４９】
図９より、帯状電極パターンのピッチが６０μｍ〜５００μｍの範囲であれば、ノイズ光の割合が１０％以下となり、十分に実用に適すると考えられ、ピッチが１２０μｍ〜３００μｍの範囲であれば、非常に良好なビーム偏向器として機能するものと考えられる。
【００５０】
図６〜９より、液晶光学素子１０は、帯状電極間の間隔をＳとすると、ピッチＰが１０×Ｓμｍ〜５００μｍの範囲であれば、十分に実用に適すると考えられる程度のノイズ光の割合となり、帯状電極間の間隔をＳとすると、ピッチＰが２０×Ｓμｍ〜５００μｍの範囲であれば、非常に良好なノイズ光の割合の光偏向器として利用することが可能と考えられる。なお、ピッチＰの下限が間隔Ｓの関数となるのは、ピッチＰと間隔Ｓの値が近似しているためであり、ピッチＰの上限が間隔Ｓの関数となっていないのは、間隔Ｓより非常に大きな値となってしまっているためであると考えられる。
【００５１】
図１０は、本発明に係る液晶光学素子１０を電子写真方式のレーザプリンタ１００に利用した利用例を示す図である。
【００５２】
図１０に示すレーザプリンタ１００では、光源１２０から出力されたレーザビームは、コリメータレンズ１２１により略平行光に変換され、液晶光学素子１０及びフレネルレンズ１２２を通過してポリゴンミラー１２３の反射面に入射する。ポリゴンミラー１２３の反射面から反射されたレーザビームは、感光体ドラム１２６上を矢印１４０の方向に等速で走査するようにするために第１走査レンズ１２４及び第２走査レンズ１２５を介して、感光体ドラム上を露光する。レーザビームが、不図示の構成によって帯電された感光体ドラム１２７上を露光することによって、潜像を形成され、不図示の現像器によって潜像にトナーが付着されてトナー像となり、不図示の転写器によってコピー紙に転写され、定着されて出力される。
【００５３】
ここで、潜像を正確に形成するために、感光体ドラム１２６上の露光のスタート位置を正確に位置合わせする必要がある。そこで、本発明による液晶光学素子１０によって、レーザビームを偏向させ、ポリゴンミラー１２３の反射面に入射する位置の微調整を行い、感光体ドラム上の露光開始位置を、例えば、ビームスポット１３０〜１３２の何れにするか等といった、微調整を行うことが可能となる。
【００５４】
微調整では、ポリゴンミラー１２３から反射されるレーザビームを、検出ミラー１２７で反射させて受光素子１２８で受光し、検出タイミングや検出ずれを検出して制御部１１０に出力する。制御部１１０は、受信した検出タイミングや検出ずれに応じて、液晶光学素子１０における偏向角θを決定し、それに応じた実効屈折率分布が液晶層１４に発生するような電圧が印加されるような制御を行う。
【００５５】
上述したように、図１０に示すようなレーザプリンタ１００におけるレーザビームの位置調整を行うために、本発明に係る液晶光学素子１０を利用することが可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１０    液晶光学素子
１２    透明電極
１４    液晶層
１６    透明対向電極
２０〜２７    帯状電極
３０    接続電極
４０    電源
５０    実効屈折率分布
【図１】
2010286727.tif 000003
【図２】
2010286727.tif 000004
【図３】
2010286727.tif 000005
【図４】
2010286727.tif 000006
【図５】
2010286727.tif 000007
【図６】
2010286727.tif 000008
【図７】
2010286727.tif 000009
【図８】
2010286727.tif 000010
【図９】
2010286727.tif 000011
【図１０】
2010286727.tif 000012