(57)【要約】【課題】 機械的な駆動部を持たず、電圧無印加時においても屈折率が空間的に分布する特性を有し、さらに、印加電圧を可変することで特性を適宜可変することができる光学デバイスを提供する。【解決手段】液晶分子配向処理を行った第１の基板１１と第２の基板１２の間に液晶材料を挟み込んだ構造をとり、少なくとも一方の基板面に液晶分子が前記基板に対してほぼ垂直に配向するような処理を行った複数の領域と、前記基板にほぼ平行且つ一方向に配向するような処理を行った複数の領域とを有し、配向処理基板界面による液晶分布配向効果が隣接する配向処理領域の配向効果の影響を受けることで液晶層の実行的な屈折率が変化する効果を利用する。【選択図】    図１
2006119532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加できる導電膜による電極を有し、液晶分子配向処理を行った２枚の基板間に液晶材料を挟み込んだ構造をとり、実効的な屈折率の空間分布特性を有する液晶光学デバイスにおいて、
少なくとも一方の基板面に液晶分子が前記基板に対してほぼ垂直に配向するような処理を行った領域と、前記基板にほぼ平行且つ一方向に配向するような処理を行った領域とを有し、少なくともいずれか一方の配向処理を行った領域の最小寸法が液晶層の厚み程度よりも小さく、配向処理基板界面による液晶分子配向効果が隣接する配向処理領域の配向効果の影響を受けることで液晶層の実効的な屈折率が変化する機能を持ち、また両電極間の電圧を可変することで液晶光学素子の光学的特性を制御できる機能を持つように構成したことを特徴とする分子配向制御による液晶光学デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の分子配向制御による液晶光学デバイスにおいて、液晶分子が基板に対してほぼ垂直に配向するような処理を行った領域またはほぼ平行且つ一方向に配向するような処理を行った領域が同心円状もしくは放射状に配置されており、前記同心円状もしくは放射状に配置されている複数の配向処理領域の最小寸法が使用する光の波長程度もしくはそれ以下で、かつその配置間隔は半径方向及び同心円状に分けられた各領域内において不規則であることを特徴とする分子配向制御による液晶光学デバイス。
【請求項３】
請求項１ないし２に記載の分子配向制御による液晶光学デバイスにおいて、導電膜電極が複数の領域に分割されており、異なる電圧を印加できることを特徴とする分子配向制御による液晶光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶光学デバイスにおける液晶分子の配向効果に基づいた実効的な屈折率の空間分布特性を利用した光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年薄型軽量の平板型表示パネルに利用されている液晶デバイスでは、液晶デバイスを構成する２枚の基板表面の処理や、外部印加電圧により、液晶分子の配向状態を容易に制御することができ、また電圧印加により液晶層の実効的な屈折率を異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという、すぐれた特性を有している。
【０００３】
これまで液晶デバイスにおける屈折率の空間分布特性を利用した光学デバイスとして、円形の穴型パターンを有する電極を用いて作製した液晶デバイスにおいて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果を利用してセルフォックレンズと同様の空間的な屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法が
【特許文献１】、
【特許文献２】、
【非特許文献１】、
【非特許文献２】および
【非特許文献３】に報告されている。
【０００４】
しかしながら、円形穴型パターン電極により生じる軸対称の不均一電界による液晶分子の空間配向分布特性を利用する液晶マイクロレンズ等の光学デバイスでは、電圧を印加しない状態では液晶分子が単に一様に配向しているだけであるため、液晶の実効的な屈折率は一様であり屈折率の空間分布特性が生じないために、入射光に対して集光や発散等の効果を示すレンズ特性が得られないという問題があった。
【０００５】
一方、情報記録媒体としてＣＤ、ＤＶＤ等の各種光ディスク装置が使われているが、これらの光ディスク装置は、光ピックアップの集光レンズにおいて生じる各種の収差を補正することが必要とされている。特に、次世代の光ディスク装置としてのＢＤ（Blu-ray Disc）では、集光レンズの開口数（ＮＡ）が０．８５と大きいため球面収差は増大し、収差補正技術の必要性はさらに高くなる。
【０００６】
このような光ディスク装置の光ピックアップの集光レンズにおける収差を補正する技術として、レンズを機械的に駆動する方式と、液晶収差補正デバイスを利用する方式が行われている。レンズを機械的に駆動する方式は、光ピックアップの制御系が複雑になり高価になるという問題があった。一方、液晶を用いた収差補正デバイスでは、液晶デバイスの電極を同心円状に分割し、各部に印加する電圧により位相制御を行うことで収差補正を行う方法が
【特許文献３】に記載されている。また、多層の記録層を有するディスクに用いられる光ピックアップにおいて、集光レンズの波面収差を補正する手段として液晶素子を用いる手法が
【特許文献４】に記載されている。
【０００７】
光ピックアップの集光レンズにおける収差補正を行うためには、生じた収差に対して逆の位相となるような効果を与えることが必要とされるが、上記の液晶収差補正デバイスでは同心円状に分割された電極の領域を多くすることができないため、収差の補正は階段状となってしまい、なめらかな補正を行うことができる液晶収差補正デバイスの開発が望まれていた。
【特許文献１】特開平１１−１０９３０３
【特許文献２】特開平１１−１０９３０４
【特許文献３】特開２００２−２３７０７７号公報
【特許文献４】特開平１０−２６９６１１号公報
【非特許文献１】能勢敏明，佐藤進（T. Nose and S. Sato），「不均一電界を用いた液晶マイクロレンズ（Liquid-crystal microlens obtained with a nonuniform electric field）」，Liquid Crystals，１９８９年，Vol.5，P. 1425-1433
【非特許文献２】佐藤進、「液晶の世界」、産業図書株式会社、１９９４年４月１５日、Ｐ．１８６−１８９
【非特許文献３】梁瀬智，大内一弘，佐藤進（S.Yanase, K.Ouchi and S.Sato）「液晶マイクロレンズにおける光学的特性設計のための分子配向解析」（Molecular Orientation Analysis for a Design Concept of Optical Properties of Liquid Crystal Microlenses）」，Japanese Journal of Applied Physics,２００１年，Vol.40, No.11, P. 6514-6521
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の、軸対称の不均一電界による液晶分子の空間配向分布特性を利用する液晶マイクロレンズ等の光学デバイスでは、電圧を印加しない状態では屈折率の空間分布特性が生じないためレンズ特性が得られないという問題があった。
【０００９】
また、光ピックアップの集光レンズにおける収差を補正するための液晶収差補正デバイスでは、なめらかな補正を行うことが困難であるという問題があった。
【００１０】
そこでこの発明の目的は、上記の問題を解決し、電圧無印加時においても所定の屈折率分布を有し、印加電圧により可変できる光学デバイスを提供することにあり、また光ピックアップの集光レンズにおける球面収差等の各種の収差をなめらかに補正することができる液晶収差補正デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、上記の問題を解決するため、その基本として、液晶分子配向処理を行った２枚の基板間に液晶材料を挟み込んだ構造をとり、実効的な屈折率の空間分布特性を有する液晶光学デバイスにおいて、少なくとも一方の基板面に液晶分子が前記基板に対してほぼ垂直に配向するような処理を行った複数の領域と、前記基板にほぼ平行且つ一方向に配向するような処理を行った複数の領域とを有し、配向処理基板界面による液晶分子配向効果が隣接する配向処理領域の配向効果の影響を受けることで液晶層の実効的な屈折率が変化する効果を利用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記の手段により、本発明の分子配向制御による液晶光学デバイスは、機械的な駆動部を持たず、電圧無印加時においても屈折率が空間的に分布する特性を有し、また光ピックアップの集光レンズにおける収差補正をなめらかに行うことができる。さらに、印加電圧を可変することで液晶分子の配向状態を制御することができるので、補正量を適宜可変することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（Ａ）において、１１は内面側に透明導電膜を付けた第１の基板（例えば厚みが１．０ｍｍのＩＴＯコート透明ガラス）であり、この第１の基板１１に平行に対向して、内面側に透明導電膜を付けた第２の基板（例えば厚みが１．０ｍｍのＩＴＯコート透明ガラス）１２が配置されている。第１の基板１１の内側には直径が１００μｍの円形領域に対して配向膜２１ａが、その周囲である外部の領域に対して配向膜２２ａが付けられている。第２の電極１２の内側にも同様に、円形領域に対して配向膜２１ｂが、その周囲である外部の領域に対して配向膜２２ｂが付けられており、第１の基板１１と第２の基板２２とが各々の円形領域が正確に重なりあうように重ね合わされている。また第1の電極１１と第２の電極１２間には、駆動電圧Vを供給することができ、かつこの駆動電圧Vを例えば可変ボリウムVRなどで可変することができる。この電圧可変によりフォーカス、球面収差補正などの光学的特性を変化させることができる。
【００１４】
配向膜２１ａ及び配向膜２１ｂとして液晶分子を基板面に垂直に配向させる機能を有する配向膜（材料としてはポリイミドＪＡＬＳ−２０４）を用いた。中性洗剤でよく洗浄したＩＴＯガラス基板を水酸化ナトリウム溶液で洗浄し、イオン交換水で十分に濯いだ後、エタノール、アセトンの順に洗浄し、乾燥した基板にポリイミド垂直配向剤ＪＡＬＳ−２０４溶液を数滴滴下し、３０００ｒｐｍの回転速度でスピンコーティングを行い、その後１８０度の温度で１時間ベーキングを行った。次に、垂直配向剤を付けた基板面にフォトレジスト材料ＯＦＰＲ−８００溶液を同様に３０００ｒｐｍの回転速度でスピンコーティングを行い、８０度の温度で３０分間プレベーキングを行い、円形パターンを有するマスクを通して水銀ランプによる紫外線を１５秒照射し、現像液に１分間浸して現像処理を行い、流水で洗浄し乾燥後に１２０度で３０分間ポストベーキングを行った。このフォトレジスト膜に対して回転数３００ｒｐｍの配向用の布を巻き付けたローラーにより一方向にラビング処理を行った。現像処理により溶解したフォトレジスト膜面に開けられた円形穴領域では下地のポリイミド配向膜が露出しているため、液晶分子に対して垂直配向の機能を有している配向膜２１ａ及び２1bの領域が形成される。一方、フォトレジスト膜が残っている領域ではラビング処理により液晶分子はラビング方向に基板面に対してプレチルト角と呼ばれる小さな角度をなしてほぼ平行に配向する機能を有する配向膜配向膜２２ａ及び配向膜２２ｂが形成される。すなわち、ホモジニアス配向と呼ばれる液晶分子が基板に一方向に平行に配向している領域の中に、円形状にホメオトロピック配向と呼ばれる液晶分子が基板面に垂直方向に配向している領域が形成されることになる。
【００１５】
第１の基板１１と、第２の基板１２との間には、図示されていないネマティック液晶層（材料としてはメルク社製Ｋ１５またはＥ７、例えば厚みが２００μｍ）が挿入されており、ネマティック液晶層の厚みを保つための図示されていないスペーサを挟み込んで液晶が漏れ出さないように周囲が接着剤で封入されている。
【００１６】
フォトレジスト用のマスクパターンのポジとネガの関係を反転することで、配向膜２１ａ及び配向膜２１ｂに対する配向処理と配向膜２２ａ及び配向膜２２ｂに対する配向処理の関係を逆にして、ホメオトロピック配向領域の中に円形のホモジニアス配向領域を形成することもできる。
【００１７】
さらに、第１の基板１１の全面に液晶分子が基板面に平行に配向させる機能を有する配向膜または液晶分子が基板面に垂直に配向させる機能を有する配向膜を付け、第２の基板１２の円形領域における配向膜２１ｂとして液晶分子が基板面に平行に配向させる機能を有する配向膜を付け、その他の領域における配向膜２２ｂとして液晶分子が基板面に垂直に配向させる機能を有する配向膜を付ける構造とすることもできる。また、配向膜２１ｂと配向膜２２ｂの配向機能の関係を逆にすることもできる。さらに、第２の基板１２と第１の基板１１の関係を逆にすることもできる。
【００１８】
このように一方の基板の全面を同一の配向領域とすることで、両基板における円形領域に対する正確な位置合わせが不要となるので、デバイスの作製上有効である。
【００１９】
次に、片側基板面に微細な円形穴型領域を多数ランダムに配置した場合の実施例を図１（Ｂ）に示す。なお、図１（Ｂ）で円形穴の寸法は使用する光波の波長程度であるが、図1（Ｂ）では誇張して描かれている。円形穴型パターンの寸法を入射光の波長程度とすることで、液晶層は光波に対して見かけ上一様な媒質と見なすことができるため、円形穴型領域とその外部の領域での実効的な屈折率が平均化されるため、液晶層の実効的な屈折率を円形穴型領域の実効面積で可変制御することが可能となる。ここで、円形穴型領域の位置がランダムに配置されているため、穴型パターンの配置の規則性（周期性）に伴う干渉効果を消失させることができる。
【００２０】
さらに、円形の穴型パターンの領域は、かならずしも円形でなくてもよい。すなわち、楕円形、円弧の一部の形状、またはバナナの形状、など、様々な形態をとることができる。これらの場合にも、パターンの最小寸法を入射光の波長程度もしくはそれ以下とすることで、液晶層は光波に対して一様な媒質と見なすことができる。なお、円形穴型パターンの寸法を入射光の波長程度以下にする場合には、液晶分子の配向状態が異なる境界領域に大きな段差が生じないように、フォトレジストの厚みできるだけ薄くすることが望ましい。その場合には、ホモジニアス配向機能を有する配向膜として現像処理により残したフォトレジスト膜を使う代わりに、厚みが数１００オングストローム以下の極薄のアルミニウム薄膜を用いることもできる。この場合には、ポリイミド（JALS-240）をつけたホメオトロピック配向機能を有する基板面上に真空蒸着等によりアルミニウム薄膜をつけ、通常のフォトリソグラフィ技術によりホモジニアス配向領域を必要とする領域のみアルミニウム薄膜を残し、その後酸化処理によりアルミニウム薄膜を酸化し、ラビング処理を行うことで液晶セル基板を形成することができる。アルミニウム薄膜の他にも種々の無機系や有機系の薄膜を使用することも可能である。 
図２は、第１の基板１１における配向膜２１ａ及び配向膜２２ａが共に液晶分子が基板面に垂直に配向するような処理を施し、一方第２の基板１２において円形の穴型領域での配向膜２１ｂは基板面に一方向に平行に配向するような処理を施し、円形の穴型以外の領域では基板面に垂直に配向するような処理を施した場合の、液晶分子配向のシミュレーション結果を示す。シミュレーションは液晶の連続体理論に基づくもので、液晶分子の配向に係わるエネルギーが最小となるような関係から導かれ、
【非特許文献３】に報告されているように、実験結果とよい相関関係が得られることが実証されている。図２ではダイレクタと呼ばれる液晶分子の長軸方向に対応した短い線で液晶分子の配向状態を示している。
【００２１】
図３は、第２の基板１２における配向状態は図２と同じであるが第１の基板１１全面の配向膜２１ａ及び配向膜２１ｂが基板に一方向に平行に配向するような処理を施した場合における分子状態のシミュレーション結果を示す。いずれの場合にも、円形パターンの直径が液晶層の厚みに比べて同程度以下となっているので、異なる分子配向状態をとる隣の領域における分子配向の影響を受けて配向状態が変化している様子がわかる。
【００２２】
図４は、液晶層の中間部における液晶分子の基板面に対する傾きの角度を示す。液晶層の中間部では、液晶分子の長軸方向の基板に対する角度が９０度と０度の中間の値すなわち４５度程度となっているが、円形穴の中心付近では約４５度程度となっており、周辺部に近づくに従って基板面に平行な方向に変化していることがわかる。
【００２３】
図２に示した場合と同様に、第１の基板１１における配向膜２１ａ及び配向膜２２ａが共に液晶分子が基板面に垂直に配向するような処理を施し、一方第２の基板１２において円形の穴型領域での配向膜２１ｂは基板面に一方向に平行に配向するような処理を施し、円形の穴型以外の領域では基板面に垂直に配向するような処理を施した場合の液晶分子配向の分布に伴う入射光の波面に対する位相遅れの実効的な差、すなわちラビングの方向に対応する液晶分子の長軸方向の偏光成分（異常光）とそれに直交する偏光成分（常光）に対する位相遅れの差を図５に示す。図５に表れているように円形穴型の中心部が最も位相遅れが大きい、すなわち実効的な屈折率が大きく、周辺部になるに従って屈折率が小さくなっている。また、その分布が放物面状となっていることで、凸レンズと同様の集光特性を有している。ここで、第１の基板及び第２の基板面上の電極間に電圧を加えることで、液晶分子が基板面から垂直な方向に回転する効果を受けるため、液晶の実効的な屈折率の値を小さくすることができるので、凸レンズとしての焦点距離を可変することが可能となる。液晶分子が基板面に垂直となるような十分大きな電圧（１０Ｖｒｍｓ）を印加することで、液晶がホメオトロピック配向となるので、凸レンズの焦点距離をほぼ無限大、すなわち素通しの状態まで可変することができる。
【００２４】
円形の穴型パターンの直径が入射光の波長程度以下、たとえば１μｍ程度以下とすると、入射光は穴型パターンの有無にかかわらず、液晶層がほぼ一様な媒質であるかのように液晶セルを通過する。Ｅ７液晶材料を用いて液晶層の厚みが３μｍの液晶セルを構成すると、図２に示した場合では、垂直配向領域に対する円形穴型領域の実効面積の割合を０から０．３程度まで変化することで、光学位相遅れとして０μｍから０．２μｍ程度の範囲で変えることができる。一方、図３に示した場合では、同様に０．６μｍから０．４μｍの範囲で光学位相遅れを調整することができる。
【００２５】
図１（Ｂ）に示したように、円形の半径に沿って円形パターンの密度を徐々に大きくするとその実効面積比に従って光学位相遅れを場所的に制御することができる。たとえば、ブルー・レイ・ディスクの光ピックアップにおける集光レンズの残留球面収差を補正するように円形パターンの密度を設定することで、ブルー・レイ・ディスクにおける光ピックアップの集光レンズの球面収差補正にも使用することができる。円形パターン領域の寸法が光波の波長程度であるので、その半径方向での密度をなめらかに変化させることで、レンズの収差を場所的になめらかに補正することができる。
【００２６】
両基板間に電圧を加えると液層分子の長軸方向が基板面に垂直な方向に回転するため、液晶層の実効的な光学位相遅れ、すなわち実効的な屈折率を電圧の値により徐々に可変することができるので、収差補正の微調整や周囲の温度による特性の変化等も制御することができる。
【００２７】
また、電極を場所的に分割して各々の領域に電圧を加えることで、その領域における実効的な屈折率をよりきめ細かく可変できるので、光ピックアップの集光レンズにおける球面収差のみならずコマ収差などの収差補正を同時に行うことも可能である。
【００２８】
以上本発明によると、電圧無印加時においても屈折率が空間的に分布する特性を有し、光ピックアップにおける集光レンズの収差補正をなめらかに行うことができるとともに、印加電圧により補正量を適宜可変することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明における分子配向制御による液晶光学デバイスの一実施の形態を示す構成説明図。
【図２】本発明に係わる分子配向制御による液晶光学デバイスにおける液晶分子の配向状態の一例を説明するために、液晶分子を模式的に示す説明図。
【図３】本発明に係わる分子配向制御による液晶光学デバイスにおける液晶分子の配向状態の他の例を説明するために、液晶分子を模式的に示す説明図。
【図４】本発明に係わる分子配向制御による液晶光学デバイスの機能を説明するために、液晶層の中間部における液晶分子の傾きの角度の場所的に変化する様子を側面から見て示す説明図。
【図５】本発明に係わる分子配向制御による液晶光学デバイスの機能を説明するために、分子配向制御による液晶光学デバイスの光波に対する位相遅れの場所的な分布の変化例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３０】
１１…第１の基板、１２…第２の基板、２１ａ…第１の基板面における円形領域に対する配向膜、２２ａ…第１の基板面における円形領域外に対する配向膜、２１ｂ…第２の基板面における円形領域に対する配向膜、２２ｂ…第２の基板面における円形領域外に対する配向膜。
【図１】
2006119532.tif 000003
【図２】
2006119532.tif 000004
【図３】
2006119532.tif 000005
【図４】
2006119532.tif 000006
【図５】
2006119532.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月24日(2005.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１０９３０３号公報
【特許文献２】特開平１１−１０９３０４号公報
【特許文献３】特開２００２−２３７０７７号公報
【特許文献４】特開平１０−２６９６１１号公報
【非特許文献１】能勢敏明，佐藤進（T. Nose and S. Sato），「不均一電界を用いた液晶マイクロレンズ（Liquid-crystal microlens obtained with a nonuniform electric field）」，Liquid Crystals，１９８９年，Vol.5，P. 1425-1433
【非特許文献２】佐藤進、「液晶の世界」、産業図書株式会社、１９９４年４月１５日、Ｐ．１８６−１８９
【非特許文献３】梁瀬智，大内一弘，佐藤進（S.Yanase, K.Ouchi and S.Sato）「液晶マイクロレンズにおける光学的特性設計のための分子配向解析」（Molecular Orientation Analysis for a Design Concept of Optical Properties of Liquid Crystal Microlenses）」，Japanese Journal of Applied Physics,２００１年，Vol.40, No.11, P. 6514-6521
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（Ａ）において、１１は内面側に透明導電膜を付けた第１の基板（例えば厚みが１．０ｍｍのＩＴＯコート透明ガラス）であり、この第１の基板１１に平行に対向して、内面側に透明導電膜を付けた第２の基板（例えば厚みが１．０ｍｍのＩＴＯコート透明ガラス）１２が配置されている。第１の基板１１の内側には直径が１００μｍの円形領域に対して配向膜２１ａが、その周囲である外部の領域に対して配向膜２２ａが付けられている。第２の基板１２の内側にも同様に、円形領域に対して配向膜２１ｂが、その周囲である外部の領域に対して配向膜２２ｂが付けられており、第１の基板１１と第２の基板１２とが各々の円形領域が正確に重なりあうように重ね合わされている。また第１の電極１１と第２の電極１２間には、駆動電圧Vを供給することができ、かつこの駆動電圧Vを例えば可変ボリウムVRなどで可変することができる。この電圧可変によりフォーカス、球面収差補正などの光学的特性を変化させることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
配向膜２１ａ及び配向膜２１ｂとして液晶分子を基板面に垂直に配向させる機能を有する配向膜（材料としてはポリイミドＪＡＬＳ−２０４）を用いた。中性洗剤でよく洗浄したＩＴＯガラス基板を水酸化ナトリウム溶液で洗浄し、イオン交換水で十分に濯いだ後、エタノール、アセトンの順に洗浄し、乾燥した基板にポリイミド垂直配向剤ＪＡＬＳ−２０４溶液を数滴滴下し、３０００ｒｐｍの回転速度でスピンコーティングを行い、その後１８０度の温度で１時間ベーキングを行った。次に、垂直配向剤を付けた基板面にフォトレジスト材料ＯＦＰＲ−８００溶液を同様に３０００ｒｐｍの回転速度でスピンコーティングを行い、８０度の温度で３０分間プレベーキングを行い、円形パターンを有するマスクを通して水銀ランプによる紫外線を１５秒照射し、現像液に１分間浸して現像処理を行い、流水で洗浄し乾燥後に１２０度で３０分間ポストベーキングを行った。このフォトレジスト膜に対して回転数３００ｒｐｍの配向用の布を巻き付けたローラーにより一方向にラビング処理を行った。現像処理により溶解したフォトレジスト膜面に開けられた円形穴領域では下地のポリイミド配向膜が露出しているため、液晶分子に対して垂直配向の機能を有している配向膜２１ａ及び２1bの領域が形成される。一方、フォトレジスト膜が残っている領域ではラビング処理により液晶分子はラビング方向に基板面に対してプレチルト角と呼ばれる小さな角度をなしてほぼ平行に配向する機能を有する配向膜２２ａ及び配向膜２２ｂが形成される。すなわち、ホモジニアス配向と呼ばれる液晶分子が基板に一方向に平行に配向している領域の中に、円形状にホメオトロピック配向と呼ばれる液晶分子が基板面に垂直方向に配向している領域が形成されることになる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
図４は、図３において液晶層の中間部における液晶分子の基板面に対する傾きの角度の変化を示す。円形穴型パターンの外部における液晶層の中間部では、液晶分子の長軸方向の基板に対する角度が９０度と０度の中間の値すなわち４５度程度（約０．８ラジアン）となっているが、円形穴型パターンの周辺部から中心部に近づくに従って基板面に平行な方向に変化し、円形穴型パターンの中心付近では傾きの角度が最小となっていることがわかる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
図２に示した場合と同様に、第１の基板１１における配向膜２１ａ及び配向膜２２ａが共に液晶分子が基板面に垂直に配向するような処理を施し、一方第２の基板１２において円形の穴型領域での配向膜２１ｂは基板面に一方向に平行に配向するような処理を施し、円形の穴型以外の領域では基板面に垂直に配向するような処理を施した場合の液晶分子配向の分布に伴う入射光の波面における異常光に対する実効的な位相遅れの値、すなわちラビングの方向に対応する液晶分子の長軸方向の偏光成分に対する実効的な位相遅れの値を図５に示す。図５に表れているように円形穴型の中心部が最も位相遅れが大きい、すなわち実効的な屈折率が大きく、周辺部になるに従って屈折率が小さくなっている。また、その分布が放物面状となっていることで、凸レンズと同様の集光特性を有している。ここで、第１の基板及び第２の基板面上の電極間に電圧を加えることで、液晶分子が基板面から垂直な方向に回転する効果を受けるため、液晶の実効的な屈折率の値を小さくすることができるので、凸レンズとしての焦点距離を可変することが可能となる。液晶分子が基板面に垂直となるような十分大きな電圧（たとえば１０Ｖｒｍｓ以上）を印加することで、液晶がホメオトロピック配向となるので、凸レンズの焦点距離をほぼ無限大、すなわち素通しの状態まで可変することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
両基板間に電圧を加えると液晶分子の長軸方向が基板面に垂直な方向に回転するため、液晶層の実効的な光学位相遅れ、すなわち実効的な屈折率を電圧の値により徐々に可変することができるので、収差補正の微調整や周囲の温度による特性の変化等も制御することができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
【図１】本発明における分子配向制御による液晶光学デバイスの一実施の形態を示す構成説明図。
【図２】本発明に係わる分子配向制御による液晶光学デバイスにおける液晶分子の配向状態の一例を説明するために、液晶分子を模式的に示す説明図。
【図３】本発明に係わる分子配向制御による液晶光学デバイスにおける液晶分子の配向状態の他の例を説明するために、液晶分子を模式的に示す説明図。
【図４】本発明に係わる分子配向制御による液晶光学デバイスの機能を説明するために、液晶層の中間部における液晶分子の傾きの角度の場所的に変化する様子を側面から見て示す説明図。
【図５】本発明に係わる分子配向制御による液晶光学デバイスの機能を説明するために、分子配向制御による液晶光学デバイスの入射光波における異常光に対する実効的な位相遅れの場所的な分布の変化例を示す説明図。
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月28日(2005.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加できる導電膜による電極を有し、液晶分子配向処理を行った２枚の基板間に液晶材料を挟み込んだ構造をとり、実効的な屈折率の空間分布特性を有する液晶光学デバイスにおいて、
少なくとも一方の基板面に液晶分子が前記基板に対してほぼ垂直に配向するような処理を行った領域と、前記基板にほぼ平行且つ一方向に配向するような処理を行った領域とを有し、少なくともいずれか一方の配向処理を行った領域であってかつ１つの円形穴の領域の最小寸法が、液晶層の厚み程度よりも小さく、配向処理基板界面による液晶分子配向効果が隣接する配向処理領域の配向効果の影響を受けることで液晶層の実効的な屈折率が変化する機能を持ち、また両電極間の電圧を可変することで液晶光学素子の光学的特性を制御できる機能を持つように構成したことを特徴とする分子配向制御による液晶光学デバイス。
【請求項２】
電圧を印加できる導電膜による電極を有し、液晶分子配向処理を行った２枚の基板間に液晶材料を挟み込んだ構造をとり、実効的な屈折率の空間分布特性を有する液晶光学デバイスにおいて、
液晶分子が基板に対してほぼ垂直に配向するような処理を行った領域またはほぼ平行且つ一方向に配向するような処理を行った領域が、さらに同心円状もしくは放射状に配置されており、前記同心円状もしくは放射状に配置されている複数の配向処理領域の最小寸法が、使用する光の波長程度もしくはそれ以下で、かつその配置間隔は半径方向及び同心円状に分けられた各領域内において不規則であることを特徴とする分子配向制御による液晶光学デバイス。
【請求項３】
請求項１ないし２に記載の分子配向制御による液晶光学デバイスにおいて、導電膜電極が複数の領域に分割されており、異なる電圧を印加できることを特徴とする分子配向制御による液晶光学デバイス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
この発明は、電圧を印加できる導電膜による電極を有し、液晶分子配向処理を行った２枚の基板間に液晶材料を挟み込んだ構造をとり、実効的な屈折率の空間分布特性を有する液晶光学デバイスにおいて、少なくとも一方の基板面に液晶分子が前記基板に対してほぼ垂直に配向するような処理を行った領域と、前記基板にほぼ平行且つ一方向に配向するような処理を行った領域とを有し、少なくともいずれか一方の配向処理を行った領域であってかつ１つの円形穴の領域の最小寸法が、液晶層の厚み程度よりも小さく、配向処理基板界面による液晶分子配向効果が隣接する配向処理領域の配向効果の影響を受けることで液晶層の実効的な屈折率が変化する機能を持ち、また両電極間の電圧を可変することで液晶光学素子の光学的特性を制御できる機能を持つように構成したことを特徴とする。
またこの発明は、電圧を印加できる導電膜による電極を有し、液晶分子配向処理を行った２枚の基板間に液晶材料を挟み込んだ構造をとり、実効的な屈折率の空間分布特性を有する液晶光学デバイスにおいて、液晶分子が基板に対してほぼ垂直に配向するような処理を行った領域またはほぼ平行且つ一方向に配向するような処理を行った領域が、さらに同心円状もしくは放射状に配置されており、前記同心円状もしくは放射状に配置されている複数の配向処理領域の最小寸法が、使用する光の波長程度もしくはそれ以下で、かつその配置間隔は半径方向及び同心円状に分けられた各領域内において不規則であることを特徴とする。