(57)【要約】【課題】  小型でかつ製造コストを抑えた光学系を提供する。【解決手段】  光学系は、一対の透明基板と、該一対の透明基板間に挟持される液晶層とを有し、厚さ方向が入射する直線偏光の光軸と平行に配置される液晶素子であって、前記液晶層は方位角方向については一軸方向に配向され、無電界状態でのリタデーションは領域により異なり、前記直線偏光を前記領域ごとに異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光に変換する液晶素子と、前記液晶素子の後段に、遅相軸の方向が前記液晶素子に入射する直線偏光の偏光方向と平行で、且つ前記遅相軸の方向と前記一軸方向との面内角度が４５度又は１３５度となるように配置され、前記液晶素子から出射する異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光を、それぞれ該楕円主軸と同じ偏光方向の直線偏光に変換する光学素子とを有する。【選択図】  図１
2014021361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の透明基板と、該一対の透明基板間に挟持される液晶層とを有し、厚さ方向が入射する直線偏光の光軸と平行に配置される液晶素子であって、前記液晶層は方位角方向については一軸方向に配向され、無電界状態でのリタデーションは領域により異なり、前記直線偏光を前記領域ごとに異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光に変換する液晶素子と、
前記液晶素子の後段に、遅相軸の方向が前記液晶素子に入射する直線偏光の偏光方向と平行で、且つ前記遅相軸の方向と前記一軸方向との面内角度が４５度又は１３５度となるように配置され、前記液晶素子から出射する異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光を、それぞれ該楕円主軸と同じ偏光方向の直線偏光に変換する光学素子と
を有する光学系。
【請求項２】
前記液晶層の液晶分子は、極角方向の配向については前記領域により少なくとも二つ以上の方向に変えた状態で固定されている請求項１記載の光学系。
【請求項３】
前記液晶層の液晶分子は、添加される光硬化性モノマーを光硬化することで極角方向の配向が固定されている請求項２記載の光学系。
【請求項４】
透明電極が形成された一対の透明基板を間隙を持って張り合わせる工程と、
前記一対の透明基板の間隙に、光硬化性モノマーを添加した液晶を注入する工程と、
前記液晶層に印加する電圧を領域に応じて変化させながら、前記光硬化性モノマーを光硬化させる工程と
を有する液晶素子の製造方法。
【請求項５】
一対の透明基板と、
該一対の透明基板間に挟持される液晶層とを有し、
前記液晶層は方位角方向については一軸方向に配向され、無電界状態でのリタデーションは領域により異なり、
厚さ方向と平行な光軸を有する直線偏光が入射された場合には、該直線偏光を前記領域ごとに異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光に変換する液晶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系、液晶素子及び液晶素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、コヒーレント光通信では、原信号の偏光状態が伝搬中に変化してしまうことから、受信信号を復調するにあたって、まず、受信信号の偏光状態を所定の状態に変換することが望まれる。また、例えば半導体光増幅器を用いるにあたっては、その特性（利得）が入射偏光の偏光状態に依存することから、入射偏光を予め所定の偏光状態にしておくことが望まれる。
【０００３】
例えば、１／２波長板を手動で、または機械的に回転させることによって、この１／２波長板に入射した直線偏光の偏光方向（偏光面）を任意の方向に回転させて出射させることができる。１／４波長板を手動で、または機械的に回転させることによって、この１／４波長板に入射した楕円偏光を任意の方向に偏光する直線偏光に変換して出射させることができる。また、直線偏光子を手動で、または機械的に回転させることによって、この直線偏光子に入射した自然光を任意の方向に偏光する直線偏光に変換して出射させることができる。
【０００４】
特許文献１では、入射する直線偏光を旋光させることなく楕円偏光に変換可能であり、かつ電気的に厚さ方向のリタデーションを可逆的に制御可能な光学素子と、楕円偏光を直線偏光に変換可能な光学素子とを組み合わせることにより、電気的に偏光方向を任意の方向に設定可能な光学系を提案している。このよう光学系では、電気的に偏光方向を制御するので、精度及び作業効率が比較的高い。また、光学素子を回転させるための機械的な可動部が不必要となるので、小型化を図ることができる。
【０００５】
特許文献２は、異なる領域で偏光方向が異なるパターン偏光装置を開示している。特許文献２の技術では、ガラス基板上に形成された配向膜に対して、マスクを介してラビング処理を施すことにより、領域ごとに異なる配向方向をパターニングして、液晶ポリマーのツイスト角を領域ごとに異ならせている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１６７２６７号公報
【特許文献２】特開平９−１３８３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように波長板を用いて偏光方向を制御する場合、場所ごとに異なる方向に振動する偏光を得るにあたって、波長板や直線偏光子等を手動で部分配置させたのでは精度や作業効率が低下するうえ、波長板などの境界で光散乱やリタデーションのずれなどの問題が生じる。さらに、連続的に偏光方向を変えることは事実上不可能である。
【０００８】
また、特許文献１に開示されている技術は、電気的に偏光方向を制御できるものの、そのための駆動装置が必要であり、当該駆動装置と光学素子とを電気的に接続する必要もある。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている技術は、マスクを介してラビングを行う等精密な配向制御を行う必要があり生産性が低い。また、この技術により偏光方向を複数方向に変える場合、その必要な偏光方向の数だけ、マスクを精密にずらしながら、配向処理を行う必要がある。
【００１０】
本発明の目的は、小型でかつ製造コストを抑えた光学系を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、低コストで、場所ごとにリタデーションが異なる光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一観点によれば、光学系は、一対の透明基板と、該一対の透明基板間に挟持される液晶層とを有し、厚さ方向が入射する直線偏光の光軸と平行に配置される液晶素子であって、前記液晶層は方位角方向については一軸方向に配向され、無電界状態でのリタデーションは領域により異なり、前記直線偏光を前記領域ごとに異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光に変換する液晶素子と、前記液晶素子の後段に、遅相軸の方向が前記液晶素子に入射する直線偏光の偏光方向と平行で、且つ前記遅相軸の方向と前記一軸方向との面内角度が４５度又は１３５度となるように配置され、前記液晶素子から出射する異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光を、それぞれ該楕円主軸と同じ偏光方向の直線偏光に変換する光学素子とを有する。
【００１３】
本発明の他の観点によれば、液晶素子の製造方法は、透明電極が形成された一対の透明基板を間隙を持って張り合わせる工程と、前記一対の透明基板の間隙に、光硬化性モノマーを添加した液晶を注入する工程と、前記液晶層に印加する電圧を領域に応じて変化させながら、前記光硬化性モノマーを光硬化させる工程とを有する。
【００１４】
また、本発明の他の観点によれば、液晶素子は、一対の透明基板と、該一対の透明基板間に挟持される液晶層とを有し、前記液晶層は方位角方向については一軸方向に配向され、無電界状態でのリタデーションは領域により異なり、厚さ方向と平行な光軸を有する直線偏光が入射された場合には、該直線偏光を前記領域ごとに異なる方向に楕円主軸を有する楕円偏光に変換する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、小型でかつ製造コストを抑えた光学系を提供することができる。
【００１６】
また、本発明によれば、低コストで、場所ごとにリタデーションが異なる光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施例による光学系１００の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施例による第１の光学素子１０１の断面構造を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例による第１の光学素子１０１の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図４】電圧に対する偏光回転角の実測結果を示すグラフである。
【図５】セル１０１ａに印加する電圧と、セル１０１ａ後段の光学素子（λ／４板）から出射する直線偏光の偏光状態を表すグラフである。
【図６】セル１０１ａに印加する電圧と、セル１０１ａ後段の光学素子（λ／４板）から出射する直線偏光のストークスパラメータＳ０〜Ｓ３の関係を解析した計算結果を表すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施例による紫外線露光方法を説明するための概略平面図である。
【図８】本発明の第１の実施例による第１の光学素子１０１の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図９】本発明の第２の実施例による光学素子１０２の製造方法を説明するための平面図である。
【図１０】本発明の第２の実施例による紫外線露光方法を説明するための概略平面図である。
【図１１】本発明の第２の実施例による第１の光学素子１０２の製造方法を説明するための概略平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施例による第１の光学素子１０３の製造方法を説明するための概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施例による光学系１００の構成を示す概略図である。光学系１００は、所定方向に偏光した直線偏光ＰＬ１を出射する光源装置１１０と、屈折率異方性を有する第１の光学素子（液晶素子）１０１と、厚さ方向と直交する面内に遅相軸を有する第２の光学素子（位相板）１２０とを含んで構成される。
【００１９】
光源装置１１０は、例えば、所望の光を出射する人工光源と、光を所定方向に偏光した直線偏光ＰＬ１に変換する偏光子とで構成される光源装置である。人工光源としては、例えば、ハロゲンランプと光学フィルタとを組み合わせた単色光光源や、レーザ発振器等が用いられる。偏光子としては、例えば、直線偏光フィルムや偏光プリズム等が用いられる。
【００２０】
第１の光学素子１０１は、例えば液晶素子によって構成され、その厚さ方向が光学系の光軸と平行になるように配置される。第１の光学素子１０１は、複数の領域を有し、領域ごとに液晶層位相差（リタデーション）の異なる状態が形成されている。位相差を変える手法として、Δｎを変化させるものと、液晶層の厚さを変えるものが考えられるが、本実施例では、Δｎを変化させるものを中心にして説明する。
【００２１】
詳細は後述するが、第１の光学素子１０１は、例えば、注入する液晶中に少量の紫外線硬化型液晶モノマーを添加し、領域ごとに所定の電圧を印加した状態で紫外線を照射し、液晶性モノマーをポリマー化し、その領域の液晶配向状態を、上記所定の電圧を印加した状態で固定したものである。液晶の配向状態が領域ごとに異なると、素子を法線方向から見たときのΔｎが領域ごとに異なるため、領域ごとに液晶層位相差（リタデーション）の異なる状態を形成することができる。
【００２２】
第１の光学素子１０１に、その厚さ方向と平行に直線偏光ＰＬ１が入射すると、この直線偏光ＰＬ１は、第１の光学素子１０１での各領域における屈折率分布（厚さ方向のリタデーション）に応じて、所定方向に楕円主軸を有する楕円偏光ＰＬ２に変換される。なお、第１の光学素子１０１内では、直線偏光ＰＬ１は旋光しない。
【００２３】
第２の光学素子１２０は、第１の光学素子１０１と同様に、その厚さ方向が光学系の光軸と平行になるように配置される。第２の光学素子１２０は、第１の光学素子１０１から出射して当該第２の光学素子１２０の厚さ方向と平行に入射した楕円偏光ＰＬ２を直線偏光ＰＬ３に変換する。直線偏光ＰＬ３の偏光方向は、楕円偏光ＰＬ２の楕円主軸の方向と同一方向である。例えば１／４波長板によって第２の光学素子１２０が構成される。
【００２４】
次に、第１の光学素子１０１と第２の光学素子１２０との配置の好ましい一例を説明する。図１では、第１の光学素子１０１に入射させようとする直線偏光ＰＬ１の偏光方向Ａ０と直交座標系のｘ軸とを互いに平行にして描いてある。直交座標系のｚ軸が光軸に相当する。
【００２５】
第１の光学素子１０１は、その後述する液晶層１５と配向膜１３（又は２３）との界面における液晶配向方向Ａ１と直線偏光ＰＬ１の偏光方向Ａ０との面内角度θ１、すなわち、液晶配向方向Ａ１と偏光方向Ａ０とを光軸に垂直な１つの平面上に正射影したときにこれらが互いになす角度θ１が４５°となるように配置されている。この面内角度は、１３５°とすることもできる。
【００２６】
第２の光学素子１２０は、その遅相軸Ａ２と第１の光学素子１０１の液晶配向方向Ａ１との面内角度が４５°となるように配置されている。この面内角度は、１３５°とすることもできる。図示の例では、第２の光学素子１２０の遅相軸Ａ２が直線偏光ＰＬ１の偏光方向Ａ０と平行になっている。
【００２７】
第１の光学素子１０１と第２の光学素子１２０との配置を上述した配置にすることにより、任意に選択された方向に偏光した直線偏光ＰＬ３を容易に得ることが可能になる。
【００２８】
図２は、本発明の第１の実施例による第１の光学素子１０１の断面構造を示す概略断面図である。
【００２９】
第１の光学素子１０１は、一対の透明基板１１、２１、透明基板１１の一表面上に形成される透明電極１２及び垂直配向膜１３、透明基板２１の一表面上に形成される透明電極２２及び垂直配向膜２３を含んで構成される。
【００３０】
一対の透明基板１１、２１間には液晶層１５が挟持されている。液晶層１５は、後述するように液晶中に少量の紫外線硬化型液晶モノマーを添加し、領域ごとに所定の電圧を印加した状態で紫外線を照射して、液晶性モノマーをポリマー化することにより、所定電圧印加時の液晶配向状態が固定されている。したがって、領域ごとに液晶層位相差（リタデーション）の異なる状態が形成されている。
【００３１】
次に、本発明の第１の実施例による第１の光学素子１０１の製造方法について説明する。
【００３２】
図３は、本発明の第１の実施例による第１の光学素子１０１の製造方法を説明するための概略断面図である。
【００３３】
まず、セル厚４μｍ、プレティルト角８９．５°程度の垂直配向のアンチパラレルセルを作製する。セル工程は一般的なものと同一である。ガラス基板１１及び２１上にそれぞれ透明電極であるインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を蒸着、スパッタなどにより形成し、フォトリソグラフィー工程により所望のＩＴＯパターンを形成して、透明電極１２及び２２を形成する。本実施例では、ベタパターンの電極を形成する。また、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を用いて透明電極を形成するが、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の別の金属酸化膜や金などの薄膜金属等を用いることもできる。
【００３４】
次に、ＩＴＯパターン付ガラス基板１１及び２１を洗浄機により洗浄する。洗浄は、例えば、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、ＵＶ照射、ＩＲ乾燥を順に行うことで可能であるが、これに限るものではない。例えば、高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。
【００３５】
その後、ＩＴＯパターン付ガラス基板１１及び２１上に、それぞれフレキソ印刷法にて垂直配向膜１３及び２３を形成する。均一なモノドメイン配向を得る手法としては、例えば、特開２００５−２３４２５４の［発明を実施するための最良の形態］の項に記載の方法を用いることが好ましい。なお、本実施例では、垂直配向膜１３及び２３として、例えば、ＳＥ−１２１１（日産化学製）を用いる。
【００３６】
次に、垂直配向膜１３及び２３に対して、配向処理としてラビングを実施する。ラビングは布を巻いた円筒状のロールを高速に回転させ、配向膜上を擦る工程であり、これにより液晶分子を一軸に配向することができる。本実施例では、上下基板間の配向状態がアンチパラレル（反平行）状態になるように処理を行う。また、配向方法はラビングに限らず、光配向法、イオンビーム配向法、プラズマビーム配向法、斜め蒸着法などを用いることができる。
【００３７】
次に、片側のガラス基板（例えば、ガラス基板１１）上に、ギャップコントロール剤を数ｗｔ％含んだメインシール剤１６を形成する。形成方法として、スクリーン印刷やディスペンサが用いられる。例えば、ギャップコントロール剤として径が３．９μｍのプラスチックファイバーを選択し、これを三井化学製のシール剤ＥＳ−７５００に２ｗｔ％添加して、メインシール剤１６とする。液晶の注入方法として、真空注入法を用いる場合は注入口を有するパターンを、ＯＤＦ法の場合は注入口のない閉じられたパターンを作製する。また、シール剤は熱硬化性のものに限らず、光硬化性のシール剤や光・熱併用型シール剤などを用いることができる。
【００３８】
もう一方のガラス基板（例えば、ガラス基板２１）上には、ギャップコントロール剤１４として径が４μｍのプラスチックボールを、乾式のギャップ散布機を用いて散布する。ギャップ剤には、プラスチックボールの代わりに真し球を用いてもよい。また、ギャップ剤には液晶の配向を乱さないための表面処理が行われているものを用いてもよい。
【００３９】
次に、両ガラス基板１１、２１を所定の位置で重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させる。その後、スクライバー装置によりガラス上に傷をつけ、ブレイキングにより所定の大きさ・形に分割する。
【００４０】
このようにして作製された空セルに、液晶性モノマーを添加した液晶を真空注入して、液晶層１５を形成する。本実施例では、液晶として、誘電率異方性が負のもので、これに紫外線でポリマー化が可能な液晶性モノマーを４ｗｔ％程度、光反応開始剤を０．１ｗｔ％程度添加したものを用いるが、添加量はこれに限るものではない。また、モノマーとして液晶性のものを用いるが、液晶性は必須ではない。ただし、配向の乱れが少ないという点で液晶性モノマーを用いることが好ましい。液晶性モノマーは誘電率異方性が正のものでも負のものでも用いることが可能である。誘電率異方性が負の液晶性モノマーであれば、添加量を多くしもよい。光反応開始剤としては特に限定はなく、紫外線（３６５ｎｍ付近）に感度を持つ材料等が望ましい。液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止する。
【００４１】
本発明者らは、ここまでの工程により実際に光学素子（セル）１０１ａを作製し、図に示すように、透明電極１２及び２２の端子部分１２ｔ及び２２ｔに配線を接続して、交流電圧（１５０Ｈｚ程度）を印加した。そうしたところ、電圧によりセル１０１ａ中の液晶分子が応答し、セル１０１ａのリタデーションの値が変化することが確認できた。したがって、液晶性モノマーを４ｗｔ％程度添加しても液晶分子は電界方向と直交する方向に応答していることが分かる。なお、ここでの閾値は３．５Ｖ程度であり、印加電圧が０〜３Ｖの範囲ではリタデーション値（位相差）は０ｎｍであり、電圧印加により増加する傾向が確認された。また、出射光を偏光板を通して観察し、直線偏光になっていることを確認した。
【００４２】
次に、図１に示した光学系１００と同様のものを、光学素子１０１の代わりに、透明電極１２及び２２の端子部分１２ｔ及び２２ｔに配線を接続したセル１０１ａを用いて作製して、電圧による光の偏光方向の制御実験を行った。すなわち、光源として直線偏光を有するもの（例えば、偏光レーザや光源の光に偏光板を通すことで直線偏光を作製したもの）を用いて、光源側の直線偏光の偏光方向とセル１０１ａの液晶配向方向が光軸に垂直な１つの平面上に正射影したときにこれらが互いになす角度が４５°となるように配置し、セル１０１ａの後段にλ／４板等の光学素子を配置した。このような構成により、光学素子を透過してくる光の偏光方向を電圧により制御できることが確認された。
【００４３】
図４は、電圧に対する偏光回転角の実測結果を示すグラフである。印加電圧により直線偏光の方向が変化し、２０Ｖ程度までの範囲で３６０°任意方向に偏光方向が制御できることが分かり、７Ｖ以内の範囲で１８０°までの任意方向に偏光方向を制御できることが分かる。なお、偏光回転角や印加電圧の範囲は、セル条件や液晶材料を選択することで自由に設定することができる。
【００４４】
なお、図４での偏光回転角は検光子の角度を変えていったときの透過光量が最小になる角度より求めた。また、最小になるときの透過光量はほとんど０であり、偏光回転角が変わっても最長値はほぼ０であった。このことからλ／４板を透過してきた光は直線偏光であることが分かる。
【００４５】
図５は、セル１０１ａに印加する電圧と、セル１０１ａ後段の光学素子（λ／４板）から出射する直線偏光の偏光状態のシミュレーション結果を表すグラフである。このグラフはｙ軸が基準方向である。
【００４６】
図５に示すグラフから明らかなように、セル１０１ａに印加する電圧が２．４Ｖでは５８°程度、２．６Ｖでは９０°程度、４Ｖでは２２３°程度偏光方向が回転していることが分かる。なお、ここでのシミュレーションは図４の実測とは異なるパラメータで行ったので、閾値電圧等が異なっている。いずれにしても、セル１０１ａに印加する電圧に従い偏光方向が回転することが分かる。
【００４７】
図６は、セル１０１ａに印加する電圧と、セル１０１ａ後段の光学素子（λ／４板）から出射する直線偏光のストークスパラメータＳ０〜Ｓ３の関係を解析した計算結果を表すグラフである。
【００４８】
図６に示すグラフから明らかなように、ポアンカレ球でのｘ成分の値であるストークスパラメータＳ１の値と、ポアンカレ球でのｙ成分の値であるストークスパラメータＳ２の値とは、セル１０１ａに印加する電圧の大きさに応じて変化する。これに対し、ポアンカレ球でのｚ成分の値であるストークスパラメータＳ３の値は、セル１０１ａに印加する電圧の大きさに拘わらず０（ゼロ）で一定である。すなわち、ストークスパラメータＳ３の値がセル１０１ａに印加する電圧の大きさに拘わらず０（ゼロ）であることから、セル１０１ａの駆動時には常に、ポアンカレ球での赤道上に示される偏光、すなわち直線偏光がセル１０１ａ後段の光学素子（λ／４板）から出射することが理解される。
【００４９】
図７は、本発明の第１の実施例による紫外線露光方法を説明するための概略平面図である。
【００５０】
まず、図３に示したのと同様に、透明電極１２及び２２に配線を接続し、セル１０１ａに電圧を印加できるようにする。スリットマスク１３０を用いて、一定幅の領域しか紫外線が当たらないようにする。すなわち、スリットマスク１３０の開口部分から露出した領域にのみ紫外線が当たるようにする。
【００５１】
スリットマスク１３０の下にセル１０１ａを搬送し、停止させた状態で（もしくは所定の速度で搬送しながら）、所定の電圧を印加しつつ、所定の部分（マスクから露出している領域）にのみ所定の光量の紫外線を照射して、液晶層１５内の液晶性モノマーを硬化させる。なお、紫外線照射量は０．５〜５Ｊ／ｃｍ２程度の範囲内であることが好ましい。
【００５２】
本発明者らは、紫外線照射量を２Ｊ／ｃｍ２として、実際に上記工程によりセル１０１ａに紫外線を照射して液晶性モノマーを硬化させたところ、液晶分子の配列状態を紫外線照射したときの配列のまま固定させることができた。電圧を印加しつつ紫外線を照射した領域では電圧を印加しなくても、発生したリタデーションが維持されていた。例えば、２．１Ｖを印加しながら硬化させた領域では６０ｎｍ程度、２．５Ｖを印加しながら硬化させた領域では１２０ｎｍ程度、３Ｖを印加しながら硬化させた領域では２００ｎｍ程度のリタデーションの値を、電圧を印加しなくても示すことが分かった。
【００５３】
つまり、液晶層１５内の液晶分子は、方位角方向については上述の配向処理により一軸方向に配向され、極角方向については紫外線硬化時に当該領域に印加された電圧に応じた方向に配向される。したがって、領域ごとに紫外線硬化時に印加する電圧を変更しているので、極角方向については領域ごとに配向方向が異なる状態で固定されることとなる。
【００５４】
次に、セル１０１ａの端子部分１２ｔ及び２２ｔを図８（Ａ）に示す点線の位置でカットして、図８（Ｂ）に示すように端子部分１２ｔ及び２２ｔを除去した光学素子１０１を完成させた。使用時には電圧を印加する必要がないため、本実施例ではこのように上下の基板は上面視での外形が一致するようにした。この完成させた光学素子１０１を、図１を参照して説明したように、光源装置１１０及び第２の光学素子１２０と組み合わせて第１の実施例による光学系１００を作製した。
【００５５】
本発明の第１の実施例による光学系１００を透過してくる光の偏光方向は、光学素子１０１のどの領域を透過するかにより異なっており、０〜３Ｖを印加しながら硬化させた領域では光源の直線偏光と同じ偏光方向の光が出射したものの、それぞれの電圧（３〜２０Ｖ程度）に対して、図４のグラフに示す偏光回転角とほぼ同一の方向に回転した状態で出射した。また、その偏光度は９９％以上と極めて高かった。
【００５６】
図９（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第２の実施例による光学素子１０２の製造方法を説明するための平面図である。
【００５７】
第２の実施例による第１の光学素子１０２は、セル厚４μｍ、プレティルト角１．５°程度の水平配向セルを用いた光学素子であり、図１に示す光学系１００における第１の光学素子１０１の代わりに、第１の光学素子１０２を用い、光源装置１１０及び第２の光学素子１２０と組み合わせて利用可能である。
【００５８】
第１の実施例による光学素子１０１と第２の実施例による光学素子１０２との第１の相違点は、第１の実施例では、透明電極１２及び２２をベタ電極パターンとしたのに対して、第２の実施例では、図９（Ａ）に示すように、透明電極１２及び２２を互いに直交する複数本のストライプパターンとしたところにもある。透明電極１２と２２と対向する領域が、後に液晶層位相差（リタデーション）がそれぞれ異なる領域となる。
【００５９】
また、第２の相違点として、第１の実施例では、配向膜１３及び２３として垂直配向膜を用いたが、第２の実施例では、例えば、日産化学製のＳＥ−１３０Ｂなどの水平配向膜を用いる。配向膜１３及び２３に対する配向処理は、第１の実施例と同様にラビング等で行うことができる。シール剤１６の形成及びギャップコントロール剤１４の散布、ガラス基板１１及び１２の重ね合わせ等のそのほかのセル工程は第１の実施例と同様である。その後、図９（Ａ）に破線で示すように、スクライバー装置によりガラス上に傷をつけ、ブレイキングにより所定の大きさ・形に分割し、図９（Ｂ）に示す空セル１０２ａを作製する。
【００６０】
このようにして作製された空セル１０２ａに第１の実施例と同様の手法で液晶を注入する。第２の実施例で注入する液晶は誘電率異方性が正で、紫外線でポリマー化が可能な液晶性モノマー（誘電率異方性が正）を１２ｗｔ％程度、光反応開始剤を０．３ｗｔ％程度添加したものを用いる。なお、注入する液晶に添加する液晶性モノマー等の添加量はこれに限るものではない。また、モノマーとして液晶性のものを用いるが、液晶性は必須ではない。ただし、配向の乱れが少ないという点で液晶性モノマーを用いることが好ましい。光反応開始剤としては特に限定はなく、紫外線（３６５ｎｍ付近）に感度を持つ材料等が望ましい。液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止する。
【００６１】
本発明者らは、ここまでの工程により実際に光学素子（セル）１０２ａを作製し、図３に示す第１の実施例と同様に、透明電極１２及び２２に配線を接続して、交流電圧（１５０Ｈｚ程度）を印加した。そうしたところ、電圧によりセル１０２ａ中の液晶分子が応答し、セル１０２ａのリタデーションの値が変化することが確認できた。したがって、液晶性モノマーを４ｗｔ％程度添加しても液晶分子は電界方向と直交する方向に応答していることが分かる。なお、ここでの閾値は１．５Ｖ程度であり、印加電圧が０Ｖの状態でもリタデーション値（位相差）が存在し、電圧によりリタデーション値が少しずつ減少した。電圧による変化の様子は、電圧により増減する方向が違うものの、第１の実施例による垂直配向の場合と変わらなかった。但し、第２の実施例では、初期状態でもリタデーションが存在する。
【００６２】
図１０は、本発明の第２の実施例による紫外線露光方法を説明するための概略平面図である。
【００６３】
まず、図に示すように透明電極１２及び２２が重なり合う複数の領域のそれぞれの端子部分１２ｔ及び２２ｔに配線を接続し、セル１０２ａの複数の領域のそれぞれに異なる電圧（Ｖ１〜Ｖ６）を印加できるようにする。
【００６４】
次に、セル１０２ａ全面に紫外線を所定の光量照射し、液晶性モノマーを硬化させる。なお、紫外線照射量は０．５〜５Ｊ／ｃｍ２程度の範囲内であることが好ましい。本発明者らは、紫外線照射量を２Ｊ／ｃｍ２（約１６ｍＷ／ｃｍ２の光を６０秒照射）として、実際に上記工程によりセル１０２ａに紫外線を照射して液晶性モノマーを硬化させたところ、液晶分子の配列状態を紫外線照射したときの配列のまま固定させることができた。また、電圧を印加しなくても、事前に確認した通りのリタデーションの値をそれぞれの領域で示すことが確認できた。
【００６５】
つまり、第１の実施例と同様に、液晶層１５内の液晶分子は、方位角方向については上述の配向処理により一軸方向に配向され、極角方向については紫外線硬化時に当該領域に印加された電圧に応じた方向に配向される。したがって、領域ごとに紫外線硬化時に印加する電圧を変更しているので、極角方向については領域ごとに配向方向が異なる状態で固定されることとなる。
【００６６】
次に、セル１０２ａの端子部分１２ｔ及び２２ｔを図１１（Ａ）に示す点線の位置でカットして、図１１（Ｂ）に示すように端子部分１２ｔ及び２２ｔを除去して光学素子１０２を完成させた。使用時には電圧を印加する必要がないため、本実施例ではこのように上下の基板は上面視での外形が一致するようにした。この完成させた光学素子１０２を、図１を参照して説明した第１の実施例による第１の光学素子１０１の代わりに用い、光源装置１１０及び第２の光学素子１２０と組み合わせて、第２の実施例による光学系１００を作製した。すなわち、図１に示す第１の実施例と同様に、光源１１０側の直線偏光の偏光方向とセル１０２ａの液晶配向方向が光軸に垂直な１つの平面上に正射影したときにこれらが互いになす角度が４５°となるように配置し、セル１０２ａの後段にλ／４板等の第２の光学素子１２０を配置した。
【００６７】
本発明の第２の実施例による光学系１００を透過してくる光の偏光方向は、光学素子１０２の領域により異なっており、印加電圧を変えた状態で紫外線を照射した領域ごとに異なる偏光方向の光が出射された。また、その偏光度は９９％以上と極めて高かった。
【００６８】
なお、電極と電極の間からはいずれも電圧無印加の時と同じ方向の光が出射した。電極の間は光を制御できていない状態になるためＩＴＯパターンの電極間距離はなるべく狭いほうが好ましい。また、電極間距離が狭すぎると電極間ショートの恐れもあるため、用途等に応じて最適化することが望ましい。一般的には、２０μｍ以下の電極間距離が望ましい。また、形成する電極パターンの数・形状、幅等は図示の例に限らない。例えば、上述の実施例では電極の幅がほぼ等しい場合を例示したが、列（又は行）ごとに電極の幅を変えてもよい。また、一括露光ではなく、第１の実施例と同様にスリットマスクを使った露光を行ってもよい。
【００６９】
図１２は、本発明の第３の実施例による第１の光学素子１０３の製造方法を説明するための概略平面図である。第３の実施例による第１の光学素子１０３は、図１に示す光学系１００における第１の光学素子１０１の代わりに、第１の光学素子１０３を用い、光源装置１１０及び第２の光学素子１２０と組み合わせて利用可能である。
【００７０】
図１２に示すような細長い形状の液晶セル１０３で、図中の幅Ｗがおおよそ１０ｍｍ以下、さらに好ましくは５ｍｍ以下になれば液晶セル１０３の面内にギャップコントロール剤１４を散布しなくても周囲のメインシール剤１６中に含有されるギャップコントロール剤の径の大きさにより面内のギャップをほぼ等しくすることができる（ガラス厚が０．７ｍｍ、１．１ｍｍの場合、もっと薄いガラスの場合は均一なセル厚が得られるＷの値が小さくなる傾向にある）。
【００７１】
第３の実施例では、シール剤に含まれるギャップコントロール剤の径の大きさを図１２に示すように左右の位置で変えることとする。これに伴い、それぞれの領域におけるセル厚の値を変化させることが可能である。これにより得られるセル厚はおおむねその領域に最も近いメインシール剤１６に含有されるギャップコントロール剤の径の大きさとほぼ等しくなる。
【００７２】
従って図１２に示すようにシール剤１６に添加するギャップコントロール剤の粒径を領域により変えることにより液晶層１５の厚さを場所により変えることが可能になる。具体的には複数回ディスペンサ方式（印刷）などにより、含有されるギャップコントロール剤の径の大きさが異なるシール剤１６を所定の位置にパターン塗布すれば良い。塗布する回数を増やすほど液晶層１５の厚さをなだらかに変えることが可能である。なお、この第３の実施例では、液晶層１５の厚さによりリタデーションを変化させるので、第１及び第２の実施例のように、電圧を印加して紫外線硬化する必要がないことから、透明電極を用いることも、紫外線硬化を行うことも必要が無いというメリットがある。
【００７３】
なお、液晶層１５の厚さを領域ごとに変えるには、上述のシール剤１６に添加するギャップコントロール剤の粒径を領域により変える方法（第１の光学素子が細長い形状をしていて、細い方の幅が概ね１０ｍｍ以下の場合に有効）以外にも、面内に散布するギャップコントロール剤１４の粒径を領域により変える方法（順次マスクをしてギャップ剤散布）や、面内に形成するスペーサーリブの高さを領域により変える方法（露光条件、スピンコート条件などにより制御可能）等が考えられる。
【００７４】
以上、本発明の第１〜第３の実施例によれば、光学系を構成する液晶セル内に領域ごとに異なるリタデーションを有する状態を形成することで、当該液晶セルを透過する光の偏光方向を、領域ごとに変えることが可能となる。
【００７５】
また、光源以外の光学素子としては偏光板を用いる必要がないため、透明な光学系を作製することが可能となる。本発明の第１〜第３の実施例による光学系は、基本的に光（可視光、赤外光等）を吸収しない材料で構成される。
【００７６】
また、本発明の第１〜第３の実施例による光学系は、駆動電源や配線を必要としない。また、配線接続のための端子部分も不要となる。したがって、光学系を小型化、軽量化することが可能となる。また、第３の実施例では、製造過程でも駆動電源や配線を必要とせず、配線接続のための端子部分も必要としない。
【００７７】
また、第１及び第２の実施例では、スリットマスクを電圧印加とを同期させ、セルを搬送しながら紫外線露光する方法又はパターン電極にそれぞれ異なる電圧を印加して一括露光する方法により、領域ごとにリタデーションの異なる状態を簡便に得ることができる。よって、低コストで光学系を製造することが可能となる。
【００７８】
また、第１の光学素子、第２の光学素子など、光学系を構成する部材に反射防止膜を設けるようにしてもよい。また、光源装置１１０の波長は可視光から赤外光まで自由に選択できる。但し、３６５ｎｍより短波長の紫外光は、液晶が劣化する可能性から好ましくない。
【００７９】
なお、実施例いずれも長手方向を持つ外形を有し、一方向へリタデーションが変化するものであったがこれに限らない。例えば、面内の縦方向と横方向の２方向でリタデーションが変化する領域を設けてもよい。また、リタデーションの変化に法則性はなくてもよく、リタデーションが大きい領域にリタデーションが小さい領域がはさまれているようにしてもよい。
【００８０】
なお、上述の第１〜第３の実施例では、光学系１００は偏光光源である光源装置１１０を含んで構成されたが、光源装置１１０を省略して、第１の光学素子及び第２の光学素子に外部の偏光光源からの光を入射させるように構成することも可能である。
【００８１】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００８２】
上述した光学系は、例えば、コヒーレント光通信で受信信号の偏光状態を所定の状態に変換するための装置、半導体光増幅器のように特性（利得）が入射偏光の偏光状態に依存して変動する素子へ所定の入射偏光を供給するための装置、エリプソメータで使用する測定光を得るための装置、光学素子の偏光特性を解析するための光源装置等として用いることができる。また、プロジェクターや、液晶製品等の偏光光学系を用いた製品全般、レーザ加工機（溶接、切断、マーカー）、レーザプリンタ、レーザプロジェクター、各種センサ、測定器、分析機器などのレーザを用いた製品全般に用いることが可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１１，２１…ガラス基板、１２，２２…透明電極、１３，２３…配向膜、１４…ギャップコントロール剤、１５…液晶層、１６…メインシール、１００…光学系、１０１、１０２…第１の光学素子、１１０…光源装置、１２０…第２の光学素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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