(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性物質中に二周波スメクティック液晶からなる液晶粒を分散させた構造を有し、該構造を対となる電極に挟んでなる光学素子の駆動方法であって、
前記対となる電極に、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる周波数を主とする第一の交流電圧と、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる周波数を主とする第二の交流電圧の両方を重ね合わせて印加し、
前記第一の交流電圧と前記第二の交流電圧の振幅比率を連続的に変えることにより、前記液晶粒の配向方向を中間状態に制御することを特徴とする光学素子の駆動方法。
【請求項２】
透光性物質中に二周波スメクティック液晶からなる液晶粒を分散させた構造を有し、該構造を対となる電極に挟んでなる光学素子の騒動方法であって、
前記対となる電極に、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる周波数を中心とする第一の交流電圧と、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる周波数を中心とする第二の交流電圧の両方を重ね合わせて印加し、
前記第一の交流電圧と前記第二の交流電圧の帯域幅の比率を連続的に変えることにより、前記液晶粒の配向方向を中間状態に制御することを特徴とする光学素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を透過，反射，散乱させる光学素子の駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、本発明者等が先に提案した特願平８−２４２８２３号で開示される従来技術であるスメクティック液晶を用いた、ホログラフィック高分子分散液晶を示す概略図である。
同図に示すように、素子は、透明電極０１をつけたガラス板０２に挟まれた樹脂０３中に液晶粒０４を周期的に分布させた構造を有する。入射光０５は、液晶粒と樹脂の屈折率が異なるため、素子中の液晶粒によって散乱される。液晶粒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となり、眼球０７に入り、他の波長の光はそのまま透過し透過光０８となる。この素子の電極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による散乱光が消え、反射光がなくなる。従来ではこの反射光の有無を素子動作として用いる。
【０００３】
この従来技術にかかる素子では、スメクティック液晶を用いているため、液晶粒内で液晶分子が層構造を形成している。電界により液晶分子が配向すると、該配向方向と直交する方向の層構造が形成され、電界を除いても層構造が保持されるため透明状態が保持される。この素子を加熱すると、液晶がより粘性の低い等方相に転移するため、もとの反射状態に戻る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術にかかる素子では消去のために加熱が必要であり、電界のみで動作させられなかった。本発明は、素子状態の保持に電力を必要とせず、かつ、電界のみで素子状態を変化させることが可能な光学素子の駆動方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の光学素子の駆動方法は、透光性物質中に二周波スメクティック液晶からなる液晶粒を分散させた構造を有し、該構造を対となる電極に挟んでなる光学素子の駆動方法であって、前記対となる電極に、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる周波数を主とする第一の交流電圧と、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる周波数を主とする第二の交流電圧の両方を重ね合わせて印加し、前記第一の交流電圧と前記第二の交流電圧の振幅比率を連続的に変えることにより、前記液晶粒の配向方向を中間状態に制御することを特徴とする。
【００１２】
第２の光学素子の駆動方法は、透光性物質中に二周波スメクティック液晶からなる液晶粒を分散させた構造を有し、該構造を対となる電極に挟んでなる光学素子の騒動方法であって、前記対となる電極に、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる周波数を中心とする第一の交流電圧と、前記二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる周波数を中心とする第二の交流電圧の両方を重ね合わせて印加し、前記第一の交流電圧と前記第二の交流電圧の帯域幅の比率を連続的に変えることにより、前記液晶粒の配向方向を中間状態に制御することを特徴とする。
【００１３】
図１は、状態を記憶することができる光学素子を示す概略図である。
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を挾んでなり、該樹脂１３中には、二周波スメクティック液晶からなる液晶粒１４が周期的（縞模様状）に分布されている。
【００１４】
本発明で用いる二周波スメクティック液晶とは、第１の文献（Ｄ．  Ｃｏａｔｅｓ，“Ａ  ｓｍｅｃｔｉｃ  Ａ  ｐｈａｓｅ  ｏｆ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ａｎｄ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ｍｏｌ．  Ｃｒｙｓｔ．  Ｌｉｑ．  Ｃｒｙｓｔ，  ｖｏｌ  ４９，ｐｐ．８３−８７  （１９７８）．）参照に示されているように、液晶分子の長軸方向の誘電率をεｅ  、単軸方向の誘電率をε０  、誘電率を測定する２種類の周波数をｆａ  ，ｆｂ  としたとき、
εｅ  （ｆａ  ）＜ε０  （ｆａ  ）
であって
ε０  （ｆｂ  ）＜εｅ  （ｆｂ  ）
となるように、誘電率の大小関係が周波数によって逆転するスメクティック液晶を指す。
また、本素子では液晶の単軸方向の屈折率ε０  が、樹脂の屈折率とほぼ一致している。
【００１５】
素子は、透明電極１１をつけた素子はガラス板１２に挟まれた樹脂１３中に二周波スメクティック液晶からなる粒１４を周期的に分布させた構造を有する。なお、液晶粒径，周期など素子の具体的な寸法は、第２の文献（伊達宗和、田中敬二、加藤謹矢、酒井重信、「ホログラフィック高分子分散液晶（ＨＰＤＬＣ）を用いた反射形表示素子」、信学技報ＥＩＤ９５−１４７，ＥＤ９５−２２１，ＳＤＷ９５−２６１，ｐｐ．１３１−１３６（１９９６−  ２  ）参照）及び第３の文献（Ｍ．  Ｄａｔｅ，  Ｎ．  Ｎａｉｔｏ，  Ｋ．  Ｔａｎａｋａ，  Ｋ．  Ｋａｔｏ  ａｎｄ  Ｓ．Ｓａｋａｉ，“Ｔｈｒｅｅ  ｐｒｉｍａｒｙ−ｃｏｌｏｒ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  （ＨＰＤＬＣ）    ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｄｉｓｐｌａｙｓ．  ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ａｓｉａ  Ｄｉｓｐｌａｙ９５，ｐｐ．６０３−６０６（１９９５）  参照）に示されている、液晶粒にネマティック液晶を用いた従来の素子とほぼ同じである。
【００１６】
ここで、入射光１５は、素子中の液晶粒によって散乱されるが、液晶粒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１６となり眼球１７に入り、他の波長の光はそのまま透過し透過光１８となる。この素子の電極間に誘電率異方性が正となるような周波数ｆｂ  の電圧をかけると、電界により液晶が電界と平行に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による散乱光が消え、反射光がなくなる。
本発明の素子では、液晶としてスメクティック液晶を用いているため、この透過状態が電界を切っても記憶される。
ここで、この素子の電極間に誘電率異方性が負となるような周波数ｆａ  の電圧をかけると、電界により液晶が電界と垂直に配向し高分子樹脂との屈折率差が再び生じ、反射状態に戻る。この反射状態は、スメクティック液晶を用いているため電界を切っても保持される。
【００１７】
以上のように、素子状態の保持に電力を必要とせず、かつ、電界のみで素子状態を変化させることが可能な素子となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図２及び図３は、散乱・透過機能をもつ光学素子を示す概略図である。
本実施の形態において、液晶は長軸方向と単軸方向の屈折率が異なる。また、樹脂と液晶の単軸方向の屈折率はほぼ等しい。
【００１９】
図２に示すように、素子は、例えばＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）のような電極１１をつけた例えばガラス板のような透明な板１２に挟まれた樹脂１３中に二周波スメクティック液晶粒１４を分散させた構造を有する。なお、図中二周波スメクティック液晶粒１４の矢印は液晶の配向方向を示している。
図２において、入射光１５は液晶粒１４と樹脂１３の屈折率差のため、素子中の液晶粒１４によって散乱されるので、この素子は散乱状態となる。
【００２０】
この素子の電極１１，１１間に、電源２０により液晶の誘電率異方性が正となるような周波数の電圧をかけると、電界により液晶が電界と平行に配向し高分子樹脂１３との屈折率差がなくなるため、図２に示した各液晶粒による散乱光１９が消え、図３に示すように透過光１８となり、透過状態となる。本発明では、スメクティック液晶を用いているため、透明状態は電界を切っても保持される。
【００２１】
ここで、この素子の電極１１，１１間に液晶の誘電率異方性が負となるような周波数の電圧をかけると、電界と垂直方向に液晶が配向し高分子樹脂との屈折率差が生じるため、図２に示すような散乱状態となる。本発明では、スメクティック液晶を用いているため、散乱状態は電界を切っても保持される。
【００２２】
すなわち、電界のみで散乱・透過状態をスイッチでき、かつ、どちらの状態も電力なしで保持可能な素子を実現できた。
【００２３】
本素子は、たとえば４−ｎ−ｐｅｎｔｙｌｐｈｅｎｙｌ  ２’−ｃｈｌｏｒｏ−４’（６−ｎ−ｈｅｘｙ１−２−ｎａｐｈｔｈｏｙｌｏｘｙ）ｂｅｎｚｏａｔｅ  のような二周波スメクティック液晶を紫外線硬化樹脂（たとえばＮｏｒｌａｎｄ  社製「ＮＯＡ−６５（商品名）」に溶かした溶液を、電極のついた二枚のガラス板ではさみ、紫外線を照射することにより作製できる。
【００２４】
本実施の形態では、板としてガラス板を用いたが、アクリルのような有機物からなる板、フィルムなどであってもよい。また、電極としてＩＴＯを用いたがこれに限らない。
【００２５】
本実施の形態においてマトリックス状の電極を用いることにより、電極交点を画素とする表示に使用でき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４（ａ）に示したように、基板４３上に帯状の電極４４をつけたものをいうものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。使用に際しては、図４（ｂ）のように、２枚の基板４３−１，４３−２について電極４４−１，４４−２が互いに交差するように重ねて使用すればよい。なお、図４（ｃ）は横方向から見た断面図である。
【００２６】
［第２の実施の形態］
図５は、状態を記憶することができる光学素子を示す概略図である。
素子は、例えばＩＴＯのような電極１１をつけた例えばガラス板のような透明な板１２に挟まれた高分子樹脂１３中に二周波スメクティック液晶粒１４を周期的に分布させた構造を有する。入射光１５は、素子中の液晶粒によって散乱されるが、液晶粒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１６となり眼球１７に入り、他の波長の光はそのまま透過し透過光１８となる。
【００２７】
この素子の電極間に液晶の誘電率異方性が正となるような交流電圧をかけると、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による散乱光が消え、反射光がなくなる。本発明の素子では、液晶としてスメクティック液晶を用いているため、この透過状態が電界を切っても保持される。
【００２８】
図６は本発明の光学素子の作製法を示す概略図である。電極２１をつけた透明な板２２の間に、光硬化性樹脂の中に二周波スメクティック液晶を溶解させた原材料２３をいれる。ここに、レーザ光源２４より出た出力光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。干渉縞の腹の部分で樹脂の重合がおこり、残りの部分が相分離により析出した液晶領域となり図５に示すような所望の構造を得ることができる。
【００２９】
本実施の形態では、板としてガラス板を用いたが、アクリルのような有機物からなる板、フィルムなどであってもよい。また、電極としてＩＴＯを用いたがこれに限らない。
【００３０】
また、図７のように電極２１を設けた基板２２，２２の間に透過型回折格子構造３０を設けたものであってもよい。なお、本構造は、図６の作製法において２つのレーザ光を一方の板の側から入射し、二光束干渉させれば作製できる。
【００３１】
また、構造は一般にホログラムであってもよい。ホログラムとは、図８に示すように、レーザ光源２４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。
【００３２】
本実施の形態においても、上述したマトリックス状の電極を用いることにより、表示に適用可能でありほぼ任意の画像情報を表示可能である。
【００３３】
本実施の形態により表示した情報を電力無しに保持する単色表示素子を実現することができた。
【００３４】
本実施の形態の素子は、図９のように複数の反射波長の異なる素子９１−１〜９１−３を積層することにより、多色化が可能である。
【００３５】
［第３の実施の形態］
図１０は、本発明の光学素子を示す概略図である。実施の形態１，２の素子から、基板および電極を除いたもので、図２または図５等の素子を作製後、電極１１の付いたガラス板１２をはがして作製したものである。作製時に電界をかけることにより液晶の配向を制御して、光学特性に分布を与えたフィルムを作製することが可能である。
【００３６】
実施の形態１の構造をもつものは、散乱度が場所によって異なるフィルムとなる（図１０（ａ））。
【００３７】
また、実施の形態２の構造をもつものは、回折状態が場所により異なるフィルム状ホログラムを実現できる（図１０（ｂ），（ｃ））。
【００３８】
本実施の形態の素子は、二周波スメクティック液晶を用いているため、このフィルムを電極で挟み電界を加えることにより、電極の形状に対応する部分の状態を変化させることが可能である。
【００３９】
［第４の実施の形態］
実施の形態１，２では、異なる２種類の周波数の電圧をかけることにより、素子状態をスイッチしたが、離散的二周波による駆動に限らない。加える電圧が、図１１（ａ）に示すように、スメクティック液晶の誘電率が正となる周波数を主とする周波数に幅をもった第一の交流電圧と、スメクティック液晶の誘電率が負となる周波数を主とする周波数に幅をもった第二の交流電圧に２種類の交流電圧であってもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、前記第一ならびに第二の交流電圧を重ね合わせて加え、それぞれの振幅の比率を変えることによっても、素子状態のスイッチが可能である。また、振幅の比率を連続的に変えることにより中間状態を得ることも可能である。これによって、スイッチの加減を所望の状態に調整することができる。
【００４０】
また、図１２（ａ）に示すように、二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる第一の周波数成分と、二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる第二の周波数成分の両方を含む周波数帯域内に中心周波数を有する交流電圧を印加して、その交流電圧の周波数スペクトルにおける中心周波数を変えて、この交流電圧の有する前記第一の周波数成分と前記第二の周波数成分の比率を変えることによっても、中間状態を得ることが可能である。
【００４１】
また、図１２（ｂ）に示すように、二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が正となる第一の周波数を中心とする交流電圧と、二周波スメクティック液晶の誘電率異方性が負となる第二の周波数を中心とする交流電圧を印加して、その交流電圧の周波数スペクトルにおける帯域幅を変えて、その交流電圧の有する前記第一の周波数を中心とする交流電圧と前記第二の周波数を中心とする交流電圧の成分比率を変えることによっても、中間状態を得ることが可能である。
【００４２】
上述した実施の形態１−３では、液晶の単軸方向の屈折率と樹脂の屈折率を一致させ透明状態を作り出したが、一致させなくても良い。この場合は、状態により散乱度または反射率が変化する素子となる。
【００４３】
また、上述した実施の形態１−３の透光性物質は、等方的であっても複屈折性を持っていても良い。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、電界のみで表示状態を変化させかつ表示状態を保持可能な表示素子が実現できる。よって、従来のように、消去のための加熱手段を設ける必要がなくなり、簡素化できることとなる。
【００４５】
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）性を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学素子を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態にかかる光学素子（散乱状態）の概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態にかかる光学素子（透明状態）の概略図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態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５】本発明の第２の実施の形態にかかる光学素子の概略図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態にかかる光学素子の概略図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態にかかる光学素子の概略図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態にかかる光学素子のホログラムの概略図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態にかかる光学素子の表示素子の構成を示す概略図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態にかかる光学素子の概略図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態にかかる光学素子に加える電圧の周波数と振幅との関係を示す図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態にかかる光学素子に加える電圧の周波数と振幅との関係を示す図である。
【図１３】従来技術を説明する説明図である。
【符号の説明】
０１  透明電極
０２  ガラス板
０３  樹脂
０４  液晶粒
０５  入射光
０６  反射光
０７  眼球
０８  透過光
１１  透明電極
１２  ガラス板
１３  樹脂
１４  二周波スメクティック液晶からなる液晶粒
２０  電源
２１  電極
２２  透明な板
２３  二周波スメクティック液晶を溶解させた原材料
２４  レーザ光源
２５  出力光
２６  干渉縞
４３  基板
４３−１，２  基板
４４−１，２  電極
９１−１〜３  素子
【図１】
0003547030.tif 000002
【図２】
0003547030.tif 000003
【図３】
0003547030.tif 000004
【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】
0003547030.tif 000010
【図１０】
0003547030.tif 000011
【図１１】
0003547030.tif 000012
【図１２】
0003547030.tif 000013
【図１３】
0003547030.tif 000014