(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに間隔をあけて対向配置された第１および第２の透明基板を備え、該第１および第２の透明基板の各々が内側面上に透明電極パターンと光照射によって表面性状が変化する配向材料からなり光が照射された領域に光入射方向に依存してプレティルト角を付与する配向膜とを有するセル容器と、
前記セル容器内に充填された液晶であって、前記配向膜の前記光照射による配向処理が施された領域に実効的動作領域が含まれ、前記実効的動作領域において、前記第１および第２の透明基板それぞれに形成されている前記透明電極パターンに電圧を印加しないときに、前記第１の透明基板上の配向膜との界面および前記第２の透明基板上の配向膜との界面それぞれにおいて、面内のいずれの方位角方向にも均一に配向している液晶分子を含む液晶と
を備え、
前記液晶が、前記第１および第２の透明基板それぞれに形成されている前記透明電極パターンに電圧を印加しないときに、前記第１および第２の透明基板いずれか一方の透明基板上の配向膜との界面で面内方向に放射状に配向している液晶分子と、他方の透明基板上の配向膜との界面において同心円状に配向している液晶分子とを含む光制御素子。
【請求項２】
透明電極パターンと光照射によって表面性状が変化する配向膜とが片面に形成されている透明基板を用意する工程と、
前記配向膜の外側に扇形を呈するスリット状の光透過部を有するフォトマスクと光源とを配置し、前記フォトマスクと前記光源との相対的な位置関係を一定に保った状態で、前記配向膜を前記フォトマスクに対して相対的に旋回運動させながら前記光透過部を介して前記配向膜に一定の斜め入射角度で光を照射し、これによって前記配向膜に光配向処理を施す工程と、
前記配向膜に前記光配向処理が施された透明基板を用いてセル容器を組み立てる工程と、
前記セル容器に液晶を充填する工程と
を含む光制御素子の製造方法。
【請求項３】
前記フォトマスクを固定し、前記配向膜を回転運動させながら該配向膜に前記光配向処理を施す請求項２に記載の光制御素子の製造方法。
【請求項４】
前記扇形の中心角が０．１°〜４５°である請求項２または３に記載の光制御素子の製造方法。
【請求項５】
前記扇形の中心角が０．５°〜５°である請求項２〜４のいずれか１項に記載の光制御素子の製造方法。
【請求項６】
光照射によって表面性状が変化する配向膜の外側に扇形を呈するスリット状の光透過部を有するフォトマスクと光源とを配置し、前記フォトマスクと前記光源との相対的な位置関係を一定に保った状態で、前記配向膜を前記フォトマスクに対して相対的に旋回運動させながら前記光透過部を介して前記配向膜に一定の斜め入射角度で光を照射し、これによって前記配向膜に光配向処理を施す光配向処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶を用いた光制御素子およびその製造方法、ならびに、配向膜の光配向処理方法に関する。
【０００２】
本明細書においては、液晶を用いた光制御素子を単に「光制御素子」という。
【０００３】
【従来の技術】
液晶の光学的異方性や、液晶分子の再配列によって生じる電気光学的性質の変化等を利用して光を制御する光制御素子の開発が進められている。例えば液晶レンズ、液晶プリズム、液晶シャッタ、液晶回転波長板等の光制御素子が知られている。
【０００４】
いずれの光制御素子も、セル容器と、このセル容器内に充填された液晶とを含んで構成される。
【０００５】
セル容器は、間隔をあけて対向配置された２枚の透明基板を備える。これらの透明基板それぞれの片面には、透明電極パターンと配向膜とが配設される。
【０００６】
配向膜には、一般に、ラビングによって一軸性の配向処理が施されている。また、いわゆるマルチドメイン配向が施されている場合もある。マルチドメイン配向は、配向膜を複数の小区画に区分し、これらの区画を幾つかのグループに分けて、グループ毎に異なる方向に配向処理を施すものである。マルチドメイン配向の際には、一般にフォトリソグラフィを利用して、各グループの区画がラビング処理または光配向処理によって所定方向に配向処理される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ラビングによる配向処理は一軸性の配向を付与するものである。このため、ラビング処理された配向膜を有する光制御素子は、光の入射方向に応じて光学的特性が変化するという性質を有する。この性質を、本明細書では「光入射方向依存性」という。
【０００８】
マルチドメイン配向を施すことにより、光制御素子の光入射方向依存性を改善することができる。しかしながら、マルチドメイン配向では、配向方向が異なる区画同士の境界部において液晶分子の配向方向に明らかな不連続性が生じる。
【０００９】
例えば液晶レンズにおいて液晶分子の配向方向に明らかな不連続性があると、液晶層の見かけの屈折率が光の入射方向によって異なってくる。このため、像に歪みが生じる。他の光制御素子においても、液晶分子の配向方向に明らかな不連続性があると、不連続部分で所望の光制御を行うことができなくなる等の不都合が生じる場合が多い。
【００１０】
液晶の屈折率は、分子長軸に平行な方向と直角な方向とで異なる。このため、液晶層の屈折率も、この液晶層への光の入射方向によって異なる。本明細書でいう「液晶層の見かけの屈折率」とは、光の入射方向に応じた実効的な屈折率（実際の屈折率）を意味する。
【００１１】
本発明の目的は、所望の光制御を行うことが容易な光制御素子を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、所望の光制御を行うことが容易な光制御素子を得ることができる光制御素子の製造方法を提供することである。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、所望の光制御を行うことが容易な光制御素子を得ることができる配向膜の光配向方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、互いに間隔をあけて対向配置された第１および第２の透明基板を備え、該第１および第２の透明基板の各々が内側面上に透明電極パターンと光照射によって表面性状が変化する配向材料からなり光が照射された領域に光入射方向に依存してプレティルト角を付与する配向膜とを有するセル容器と、前記セル容器内に充填された液晶であって、前記配向膜の前記光照射による配向処理が施された領域に実効的動作領域が含まれ、前記実効的動作領域において、前記第１および第２の透明基板それぞれに形成されている前記透明電極パターンに電圧を印加しないときに、前記第１の透明基板上の配向膜との界面および前記第２の透明基板上の配向膜との界面それぞれにおいて、面内のいずれの方位角方向にも均一に配向している液晶分子を含む液晶とを備え、前記液晶が、前記第１および第２の透明基板それぞれに形成されている前記透明電極パターンに電圧を印加しないときに、前記第１および第２の透明基板いずれか一方の透明基板上の配向膜との界面で面内方向に放射状に配向している液晶分子と、他方の透明基板上の配向膜との界面において同心円状に配向している液晶分子とを含む光制御素子が提供される。
【００１５】
本発明の他の観点によれば、透明電極パターンと光照射によって表面性状が変化する配向膜とが片面に形成されている透明基板を用意する工程と、前記配向膜の外側に扇形を呈するスリット状の光透過部を有するフォトマスクと光源とを配置し、前記フォトマスクと前記光源との相対的な位置関係を一定に保った状態で、前記配向膜を前記フォトマスクに対して相対的に旋回運動させながら前記光透過部を介して前記配向膜に一定の斜め入射角度で光を照射し、これによって前記配向膜に光配向処理を施す工程と、前記配向膜に前記光配向処理が施された透明基板を用いてセル容器を組み立てる工程と、前記セル容器に液晶を充填する工程とを含む光制御素子の製造方法が提供される。
【００１６】
本発明の更に他の観点によれば、光照射によって表面性状が変化する配向膜の外側に扇形を呈するスリット状の光透過部を有するフォトマスクと光源とを配置し、前記フォトマスクと前記光源との相対的な位置関係を一定に保った状態で、前記配向膜を前記フォトマスクに対して相対的に旋回運動させながら前記光透過部を介して前記配向膜に一定の斜め入射角度で光を照射し、これによって前記配向膜に光配向処理を施す光配向処理方法が提供される。
【００１７】
光制御素子中の液晶を、第１の透明基板上の配向膜との界面および第２の透明基板上の配向膜との界面それぞれにおいて、面内のいずれの方位角方向にも均一に配向させることにより、液晶層の見かけの屈折率を光の入射方向に拘わらずほぼ一定にすることができる。
【００１８】
第１の透明基板上の配向膜との界面および第２の透明基板上の配向膜との界面それぞれにおいて面内のいずれの方位角方向にも均一に配向された液晶の態様としては、例えば、これらの界面において面内方向に放射状または同心円状に配向した液晶が挙げられる。
【００１９】
上記の光配向処理によれば、液晶との界面において液晶分子を面内方向に放射状または同心円状に配向させる配向膜を得ることが可能である。
【００２０】
液晶との界面において液晶分子を面内のいずれの方位角方向にも均一に配向させる配向膜を２枚用いて光制御素子を構成すれば、光入射方向依存性が改善された光制御素子を得ることができる。所望の光制御を行うことが容易な光制御素子が得られる。
【００２１】
また、上記の光配向処理が施された１枚の配向膜と、配向処理が施されていない１枚の配向膜とを用いて光制御素子用のセル容器を構成し、このセル容器にカイラル剤を添加した液晶を充填した場合でも、一方の配向膜との界面および他方の配向膜との界面それぞれにおいて、液晶が面内のいずれの方位角方向にも均一に配向された光制御素子を得ることができる。
【００２２】
なお、本明細書においては、配向材料によって形成された膜であって配向処理が施されていない膜も「配向膜」と称する。
【００２３】
また、本明細書でいう「スリット状の光透過部」とは、スリットを有する光遮蔽膜を透光性基材上に形成したときに前記のスリットから露出する透光性基材によって構成される光透過部を含む他、遮光性部材の所定箇所に形成されたスリットによって構成される光透過部をも含むものとする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３、図４および図５は、実施例による光制御素子の製造方法を説明するための図である。
【００２５】
図１に示すように、まず、片面に透明電極パターン１と配向膜２とが形成された透明基板３を用意する。
【００２６】
透明電極パターン１は、目的とする光制御素子の種類等に応じて、所望の形状に形成される。
【００２７】
液晶レンズを得る場合には、例えば、透明基板３の片面の所定領域を覆う１つの透明電極によって、あるいは、径の異なる複数の環状透明電極を同心円状に配置することによって、透明電極パターン１を形成することができる。
【００２８】
液晶マイクロレンズを得る場合には、例えば、複数の円形透明電極をマトリックス状に配置することによって透明電極パターン１を形成することができる。
【００２９】
液晶回転波長板を得る場合には、例えば、透明基板３の片面の中央部に円形の配向膜２を形成するためのスペースを残すようにして当該片面の縁部に複数の透明電極を配置することによって、透明電極パターン１を形成することができる。
【００３０】
透明電極パターン１は、例えばＩＴＯ（酸化インジウム・錫）、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム等の透明電極材料や金薄膜等によって形成される。
【００３１】
配向膜２は、光照射によって表面性状が変化する配向材料によって形成された未配向処理膜である。表面性状の変化は、例えば、(1) 主鎖あるいは側鎖が切れる、(2) 側鎖の向きが変わる、(3) 架橋する、等の現象によって引き起こされる。このような配向材料の例としては、ＰＶＣ（ポリビニルシンナメート）、ポリイミド（例えば日産化学社製のＳＥ−６１０、ＳＥ−７７９２等）、シンナモイル基を導入した変性ポリシラン、長波長の光によって光二量化が進行するようにカルコン基を導入した材料等が挙げられる。
【００３２】
配向膜２は、スピンコート、オフセット印刷等の方法によって、円形、矩形等の所望形状に形成される。必要に応じて、プリベーク、ポストベークを行う。
【００３３】
配向膜２の形成位置は、目的とする光制御素子の種類等に応じて適宜選定される。例えば液晶レンズ、液晶マイクロレンズ、液晶シャッタ等の光制御素子のように液晶に縦電界を印加して光学特性を制御する光制御素子を得る場合には、図１に示すように、透明電極パターン１を覆うようにして配向膜２が形成される。また、例えば液晶回転波長板のように液晶に横電界を印加して光学特性が制御される光制御素子を得る場合には、透明基板３の片面の所定箇所に透明電極パターン１を介することなく直接配向膜２が形成される。
【００３４】
配向膜２の膜厚は、概ね０．００１〜０．２μｍの範囲内で適宜選択可能である。配向膜２の好ましい膜厚は、概ね０．０１〜０．１μｍである。
【００３５】
透明基板３は、目的とする光制御素子の用途等に応じて、所望の光透過率特性を有する透明ガラス、透明樹脂、透光性セラミックス等の板またはフィルムによって形成される。透明基板３の厚さは薄い方が好ましく、１ｍｍ以下、更には０．３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
透明電極パターン１と配向膜２とが形成された透明基板３を用意した後、配向膜２に光配向処理を施す。
【００３７】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、この光配向処理の実施方法を示す。これらの図に示すように、光配向処理を行うにあたっては、スリット状の光透過部５が形成されたフォトマスク６と、所望の光源（図示せず。）とを配向膜２の外側に配置する。フォトマスク６と光源との相対的な位置関係を一定に保った状態で、配向膜２をフォトマスク６に対して相対的に旋回運動させながら、光源から光透過部５を介して所定の光Ｌを配向膜２に一定の斜め入射角度で照射する。この光照射によって、配向膜２に光配向処理が施される。
【００３８】
これらの図に示した方法では、光Ｌは、配向膜２の旋回軸と光透過部５の長手方向の中心線とを含む面を入射面として、入射角θ１で配向膜２に入射する。光Ｌとしては、配向膜２の材質の応じて、所定波長の偏光または非偏光が用いられる。
【００３９】
透明基板３は、配向膜２が斜め上方を向き、この配向膜２が光Ｌの入射面に垂直でその傾き角が［（π／２）−θ１］となるようにして回転軸７に取付けられ、矢印Ａの方向に回転される。フォトマスク６は、透明基板３とほぼ平行に固定配置される。光透過部５の一端５ａは、回転軸７の中心線Ｂの延長線上に位置する。したがって、光透過部５は、回転軸７の回転に伴って、配向膜２に対して相対的に旋回運動を行う。この旋回運動の中心は、一端５ａである。
【００４０】
光透過部５の線幅は、光配向処理に使用する光Ｌの波長以上であればよい。光透過部５の長さは、光配向処理しようとする領域の大きさおよび形状、フォトマスク６と配向膜２との距離、光Ｌの入射角θ１等に応じて適宜選定される。
【００４１】
光透過部５の形状は、液晶分子を放射状に配向させる配向膜を得るうえからは、図示のように扇形とすることが好ましい。ただし、扇形以外に、スリット形、長方形、楕円形、無定形とすることもできる。光透過部５の形状を扇形にした場合には、配向膜２に均一にエネルギーを与えることが容易になる。配向膜２に不均一にエネルギーを与える場合には、光透過部５の形状を例えば長方形にすることができる。
【００４２】
光透過部５を扇形とする場合、相対的な旋回運動の中心となる一端５ａにおいても光Ｌの波長以上の線幅を有していることが望まれるので、厳密な意味での扇形にならない場合がある。本明細書においては、一端５ａの線幅を光Ｌの波長以上にしたことによって厳密な意味での扇形ではなくなったが、一端５ａ側を外側に延長すれば厳密な意味での扇形となる形状を有する光透過部５をも、「扇形の光透過部」に含めるものとする。
【００４３】
光透過部５を扇形とする場合、その中心角θ２は概ね０．１〜４５°の範囲内で適宜選択可能であり、概ね０．５〜５°とすることが好ましい。
【００４４】
相対的な旋回運動の中心を一端５ａよりも光透過部５の内側にすれば、光透過部５を厳密な意味での扇形にすることもできる。
【００４５】
光透過部５にシェーディングを付けることにより、液晶分子のプレティルトを連続的に変化させる配向膜を得ることが可能になる。
【００４６】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、それぞれ、シェーディングを付けた光透過部の概念図である。
【００４７】
図３（Ａ）に示した光透過部１５は、扇形のスリット１０ａを有する光遮蔽膜１０を透光性基材１１上に形成したときにスリット１０ａから露出する透光性基材１１によって構成された光透過部である。この光透過部１５は、扇形のスリット１０ａの中心側から外側に向かうに従って光透過量が増加または減少するように、着色されている。図３（Ａ）においては、着色されている領域にスマッジングを付してある。スマッジングの濃淡は、着色の濃淡を示す。
【００４８】
図３（Ｂ）に示した光透過部２５も、扇形のスリット２０ａを有する光遮蔽膜２０を透光性基材２１上に形成したときにスリット２０ａから露出する透光性基材２１を含んで構成されている。ただし、光透過部２５は、その裏面（使用時に配向膜２側に位置する面）側に配設された多数のシェーディング板２２を含む。シェーディング板２２は、例えば、光透過率が数％から１００％の間で無段階に変化するマスクによって構成される。図示の光透過部２５では、扇形のスリット２０ａの中心側から外側に向かうに従って光透過量が減少する。
【００４９】
光配向処理に使用する光Ｌの波長およびその強度は、配向膜２の材質や、透明基板３の傾き角、透明基板３の回転速度、目的とする光制御素子に使用される液晶材料の種類等に応じて適宜選定される。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示した方法で光配向処理を行う場合の光Ｌの入射角θ１は、概ね５〜８５°の範囲内で適宜選択可能である。入射角θ１は、概ね３０〜８０°であることが好ましく、概ね３０〜６０°であることがより好ましい。
【００５０】
光配向処理は、目的とする光制御素子を構成する２枚の配向膜２の一方にのみ施してもよいし、両方に施してもよい。
【００５１】
以下、光配向処理を施した後の配向膜２を「配向膜２ａ」と表記し、配向膜２ａにおいて実際に光配向処理が施された領域を「光配向処理部」という。
【００５２】
配向膜２に光配向処理を施した後の透明基板３を用いて、セル容器を組み立てる。
【００５３】
図４は、組み立てたセル容器の断面を概略的に示す。同図に示すように、セル容器３０は、上記の光配向処理を配向膜２に施した後の２枚の透明基板３、３を、その一方の縁部に配設したシール材１１によって、所定のセル厚を確保しつつ互いに貼り合わせることによって組み立てられている。各配向膜２ａはセル容器３０内に位置している。これら２枚の配向膜２ａでは、光配向処理時に用いたスリット状の光透過部５の旋回中心の射影の位置が平面視上重なっている。
【００５４】
なお、セル容器３０は、配向膜２に上記の光配向処理を施した１枚の透明基板３と、配向膜２に配向処理を施していない１枚の透明基板３とを用いて組み立ててもよい。
【００５５】
図５に示すように、セル容器３０内に液晶４０を充填することにより、光制御素子５０を得ることができる。種々の種類の液晶を使用することが可能である。
【００５６】
このようにして光制御素子５０を製造することにより、透明電極パターン１の各々に電圧を印加しないときに、配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０との界面において液晶分子が面内方向に放射状に配向された光制御素子を得ることが可能になる。
【００５７】
この光制御素子５０では、光配向処理部と液晶４０との界面において、液晶分子が面内のいずれの方位角方向にも均一に配向した状態にある。その結果として、平面視したときに配向膜２ａの光配向処理部に含まれる領域においては、液晶層の見かけの屈折率の異方性が改善される。したがって、この領域を光制御素子５０における実効的な動作領域として利用することにより、その光入射角依存性を改善することができる。所望の光制御を行うことが容易になる。
【００５８】
以下、平面視したときに配向膜２ａの光配向処理部に含まれる領域を、光制御素子の「実効的動作領域」という。
【００５９】
次に、第１の実施例による光制御素子について説明する。本実施例の光制御素子は、上述した実施例による光制御素子の製造方法に基づいて作製することができる。以下の説明は、図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図４または図５で用いた参照符号を引用しつつ行う。
【００６０】
まず、図１に示した透明基板３として厚さ０．３ｍｍのガラス基板を用い、このガラス基板の片面上にこの面をほぼ覆う１つの透明電極によって構成される透明電極パターン１を形成した。この後、透明電極パターン１上にポリイミド（日産化学社製のＳＥ−６１０）を厚さ０．０５μｍに亘ってスピンコートして、ポリイミド膜を得た。このポリイミド膜を９０℃で２分間プリベークした後に２２０℃で９０分間ポストベークして、配向処理されていない配向膜２を得た。
【００６１】
この配向膜２に、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示したようにして光配向処理を施して、光配向処理が施された配向膜２ａを得た。このとき用いた光透過部５は、一端５ａの長さが０．５μｍ、他端での弦の長さが１０μｍ、半径が２００μｍ、中心角θ２が約２．７°の扇形を呈する。
【００６２】
光配向処理に用いた光Ｌは紫外光である。光Ｌは、配向膜２への入射角θ１が４５°となるようにして、配向膜２に照射した。照射量は、スリット状の光透過部５を介して配向膜２に照射される波長３１５ｎｍの光の強度が１００ｍＪ／ｍ2 となる量とした。ガラス基板（透明基板３）は１回のみ回転させた。
【００６３】
上記と全く同じ要領で、透明電極パターン１とその上方に形成された配向膜２ａとを有する透明基板３をもう１枚作製した。
【００６４】
これら２枚の透明基板３、３を、図４に示したようにシール剤１１を用いて貼り合わせて、セル容器３０を作製した。このセル容器３０においては、光配向処理時に用いたスリット状の光透過部５の旋回中心の配向膜２ａへの射影の位置が、２枚の配向膜２ａ同士で平面視上重なっている。
【００６５】
この後、図５に示したようにセル容器３０に液晶４０（例えばメルク社製のＺＬＩ−４７９２（Ｆ系ＮＬＣ）、同社製のＺＬＩ−２２９３（ＳＴＮ用））を充填して、光制御素子５０を得た。液晶４０にはカイラル剤を添加していない。
【００６６】
この光制御素子５０について、配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０との界面での液晶分子の配向状態を、各透明電極パターン１に電圧を印加しない状態下で調べた。
【００６７】
図６は、上記の配向状態を模式的に示す。同図中の各矢印が、液晶分子の配向方向を示す。
【００６８】
同図に示したように、各液晶分子は、光配向処理時に用いたスリット状の光透過部５の旋回中心の配向膜２ａへの射影の位置Ｏを中心として、外側に向かって僅かに立ち上がった状態で面内方向に放射状に配向していた。配向膜２ａの表面を基準（０°）とした液晶分子のプレティルト角は、１°程度である。
【００６９】
光制御素子５０を構成している各透明電極パターン１に電圧を印加したところ、実効的動作領域においては、ディスクリネーションライン等の欠陥は生じなかった。このことから、実効的動作領域内の各液晶分子は、それぞれのプレティルト角方向に立ち上がったものと認められる。
【００７０】
この実効的動作領域においては、液晶層の見かけの屈折率の異方性が改善される。また、実効的動作領域においては、ラビングによって配向処理を施した配向膜を用いた場合に比べて光入射方向依存性が改善される。
【００７１】
したがって、光制御素子５０を用いれば、所望の光制御を容易に行うことができる。この光制御素子５０は、例えば液晶レンズ、レンズ収差補正部材等として用いることができる。
【００７２】
次に、第２の実施例による光制御素子について図７および図８を用いて説明する。
【００７３】
図７は、本実施例の光制御素子６０の断面を概略的に示す。同図に示した構成要素のうちで図１または図５に示した構成要素と共通するものについては、図１または図５で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【００７４】
図７と図５との比較から明らかなように、本実施例の光制御素子６０は、セル容器３０を構成する一方の透明基板３上に形成されている配向膜が、光配向処理を施していない配向膜２であるという点、および、カイラル剤（例えばメルク社製のＳ−８１１あるいはＺＬＩ−３７８６）が添加された液晶４０ａがセル容器３０に充填されているという点で、第１の実施例の光制御素子５０と構成上異なる。これらの点を除けば、光制御素子６０の構成は第１の実施例の光制御素子５０の構成と同様である。
【００７５】
カイラル剤は、光制御素子６０のセル厚ｄとカイラルピッチｐとの比ｄ／ｐが１／４となるように液晶に添加した。すなわち、配向膜２ａと配向膜２との間で液晶分子が９０°回転するように、カイラル剤を添加した。
【００７６】
カイラル剤が添加された液晶４０ａは、アイソトロピック状態もしくはネマティック状態でセル容器３０に充填される。この状態では液晶４０ａに流動配向欠陥が残るので、充填後なるべく時間をおかずに１５０℃で１時間程度熱処理し、その後に徐冷して、再配向させた。
【００７７】
このようにして作製した光制御素子６０において、配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０ａとの界面での液晶分子の配向状態は、第１の実施例による光制御素子５０における液晶４０と配向膜２ａとの界面での液晶分子の配向状態と同様であった。一方、液晶４０ａと配向膜２との界面での液晶分子の配向状態は、下記のように、液晶４０ａと配向膜２ａとの界面での液晶分子の配向状態とは大きく異なっていた。
【００７８】
図８は、液晶４０ａと配向膜２との界面での液晶分子の配向状態を模式的に示す。同図中に破線で示した矢印の各々が、液晶分子の配向方向を示す。
【００７９】
同図に示したように、各液晶分子は、配向膜２ａとの界面での配向方向から９０°捻れた状態で、配向膜２中の点Ｐを中心にして同心円状に配向していた。プレティルトは殆ど付与されていない。
【００８０】
図８に示した配向膜２中の点Ｐは、配向膜２ａを得る際の光配向処理時に用いたスリット状の光透過部５の旋回中心の光配向膜２ａへの射影の位置と平面視上重なる。
【００８１】
光制御素子６０を構成している各透明電極パターン１に電圧を印加したところ、実効的動作領域においては、ディスクリネーションライン等の欠陥は生じなかった。このことから、実効的動作領域内の各液晶分子は、それぞれ一定の方向に立ち上がったものと認められる。
【００８２】
この実効的動作領域においては、液晶層の見かけの屈折率の異方性が改善される。また、実効的動作領域においては、ラビングによって配向処理を施した配向膜を用いた場合に比べて光入射方向依存性が改善される。
【００８３】
したがって、光制御素子６０を用いれば、所望の光制御を容易に行うことができる。この光制御素子６０は、前述した光制御素子５０と同様の用途に使用することができる。
【００８４】
液晶分子にプレティルトを付与する一法として、配向処理を施していない配向膜の表面エネルギーを制御するという方法が知られている（Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1998, Vol. 316, pp. 227-230）。
【００８５】
しかしながら、光制御素子６０での液晶分子の挙動から明らかなように、セル容器を構成する２枚の配向膜の一方に所定の光配向処理を施せば、他方の配向膜に何ら配向処理を施さなくても、また、その表面エネルギーを別段制御しなくても、液晶分子の立ち上がり方向を制御することができる。
【００８６】
次に、第３の実施例による光制御素子について図９（Ａ）および図９（Ｂ）を用いて説明する。
【００８７】
図９（Ａ）は、本実施例の光制御素子７０を構成する２枚の透明基板３の一方を概略的に示す平面図である。
【００８８】
図９（Ｂ）は、光制御素子７０の断面を概略的に示す。
【００８９】
これらの図に示した構成要素のうちで図５に示した構成要素と機能上共通するものについては、図５で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【００９０】
本実施例の光制御素子７０は、液晶レンズとして利用することが可能な光制御素子である。この光制御素子７０では、透明電極パターン１の各々が１つの円形透明電極によって構成される。配向膜２ａにおける光配向処理部は、平面視上、透明電極パターン１と重なる。
【００９１】
これらの点を除けば、光制御素子７０は、第１の実施例の光制御素子５０と同様にして構成される。配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０との界面での液晶分子は、第１の実施例による光制御素子５０における液晶４０と配向膜２ａとの界面での液晶分子と同様に、外側に向かって僅かに立ち上がった状態で面内方向に放射状に配向する。
【００９２】
光制御素子７０の実効的動作領域においては、液晶層の見かけの屈折率の異方性や、光入射方向依存性が改善される。
【００９３】
液晶４０を介して互いに対向する円形の透明電極パターン１それぞれに電圧を印加したときにこれらの透明電極パターン１間に形成される電界を電気力線で表すと、一方の透明電極パターン１の中心から他方の透明電極パターン１の中心に向かう電気力線は直線的になる。これらの透明電極パターン１の周縁部に向かうほど、電気力線は、一方の透明電極パターン１から一旦外側に膨らんだ後に他方の透明電極パターン１の達する周縁部に向かうようになる。すなわち、これらの透明電極パターン１間に形成される電界の強さは、平面視上、透明電極パターン１の中心部から周縁部に向かうにしたがって弱まる。これらの透明電極パターン１同士の間に、不均一電界が形成される。
【００９４】
この不均一電界を利用して、実効的動作領域での液晶分子のティルト角を、中心から外側に向かうに従って連続的に変化させることができる。したがって、光制御素子７０は、焦点距離が可変の液晶レンズとして利用することができる。
【００９５】
なお、例えば図３（Ａ）または図３（Ｂ）を用いて説明したシェーディング付きの光透過部１５、２５を有するフォトマスクを利用して配向膜２に光配向処理を施せば、図６に示した位置Ｏから外側に向かってプレティルトを連続的に変化させつつ液晶分子を放射状に配向させる配向膜２ａを得ることが可能である。このように液晶分子が配向した光制御素子は、たとえ透明電極パターン１を矩形の透明電極によって構成した場合でも、焦点距離が可変の液晶レンズとして利用することができる。
【００９６】
次に、第４の実施例による光制御素子について図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）を用いて説明する。
【００９７】
図１０（Ａ）は、本実施例の光制御素子８０を構成する２枚の透明基板３の一方を概略的に示す平面図である。
【００９８】
図１０（Ｂ）は、光制御素子８０の断面を概略的に示す。
【００９９】
これらの図に示した構成要素のうちで図５に示した構成要素と共通するものについては、図５で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【０１００】
本実施例の光制御素子８０は、液晶マイクロレンズとして利用することが可能な光制御素子である。この光制御素子８０の構成は、下記(1) および(2) の各点で、第１の実施例による光制御素子５０の構成と異なる。
(1) ２枚の透明基板３それぞれに形成される透明電極パターン１が、マトリックス状に配置された複数の円形透明電極１ａによって構成される。下側の透明基板３に形成される円形透明電極１ａそれぞれの上方に１個ずつ、上側の透明基板３に形成される円形透明電極１ａが位置する。
(2) 配向膜２ａにおける光配向処理部が、円形透明電極１ａそれぞれの上方に１箇所ずつ形成される。１個の円形透明電極１ａの平面視上の輪郭線とその上の光配向処理部の平面視上の輪郭線とは、ほぼ重なる。
【０１０１】
これらの点を除けば、光制御素子８０の構成は、第１の実施例の光制御素子５０の構成と同様である。配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０との界面の液晶分子は、第１の実施例による光制御素子５０における液晶４０と配向膜２ａとの界面の液晶分子と同様に、外側に向かって僅かに立ち上がった状態で面内方向に放射状に配向する。
【０１０２】
光制御素子８０での実効的動作領域の各々においては、液晶層の見かけの屈折率の異方性や、光入射方向依存性が改善される。液晶４０を介して互いに対向する円形透明電極１ａ同士の間に生じる不均一電界を利用して、個々の実効的動作領域での液晶分子のティルト角を、中心から外側に向かうに従って連続的に変化させることができる。実効的動作領域の各々を、焦点距離が可変の液晶レンズとして利用することができる。
【０１０３】
次に、第５の実施例による光制御素子について図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）を用いて説明する。
【０１０４】
図１１（Ａ）は、本実施例の光制御素子９０を構成する２枚の透明基板３の一方を概略的に示す平面図である。
【０１０５】
図１１（Ｂ）は、光制御素子９０の断面を概略的に示す。
【０１０６】
これらの図に示した構成要素のうちで図５に示した構成要素と共通するものについては、図５で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【０１０７】
本実施例の光制御素子９０は、液晶回転波長板として機能させることが可能な光制御素子である。この光制御素子９０では、液晶４０に横電界を印加して、その光学特性を制御する。
【０１０８】
光制御素子９０の構成は、下記(1) および(2) の各点で、第１の実施例による光制御素子５０の構成と異なる。
(1) ２枚の透明基板３それぞれに、透明電極パターン１を介することなく直接、円形の配向膜２ａが配置される。下側の透明基板３に形成される配向膜２ａと、上側の透明基板３に形成される配向膜２ａとは、平面視上重なる。個々の配向膜２ａの上面全体が光配向処理部となる。
(2) ２枚の透明基板３それぞれにおける透明電極パターン１が、配向膜２ａを取り囲むようにして配置される８つの透明電極１ｂ1 〜１ｂ8 によって構成される。
【０１０９】
これらの点を除けば、光制御素子９０の構成は、第１の実施例の光制御素子５０の構成と同様である。配向膜２ａ中の光配向処理部と液晶４０との界面の液晶分子は、第１の実施例による光制御素子５０における液晶４０と配向膜２ａとの界面の液晶分子と同様に、外側に向かって僅かに立ち上がった状態で面内方向に放射状に配向する。
【０１１０】
光制御素子９０での実効的動作領域の各々においては、液晶層の見かけの屈折率の異方性や、光入射方向依存性が改善される。
【０１１１】
透明電極１ｂ1 〜１ｂ8 のうちで配向膜２ａを介して対向する複数の透明電極によって構成される透明電極の組の１つまたは複数に同時に電圧を印加すると、透明基板３の表面と平行な方向の電界（横電界）が生じて、液晶分子が横電界の方向へ傾く。その結果として、光の入射側から見て横電界の方向を主軸とする光学異方性が発現する。電圧を印加する透明電極の組を時計回りまたは反時計回りに順次選択することにより、光学異方性の軸を、光の進行方向と垂直な面内で時計回りまたは反時計回りに回転させることができる。
【０１１２】
電圧を印加する透明電極の組と横電界の強度とを適宜選定することにより、入射した偏光の偏光方向を変化させることができる。波長板としての方位を電気的に制御することができる。
【０１１３】
また、素子のリターデーションを、ある波長に対して、１／４波長板、１／２波長板等に対応する値に設定することができる。光の偏波状態を一定の直線偏波に補償することができる。
【０１１４】
液晶回転波長板として機能させることができる光制御素子９０は、例えば光通信用偏波スタビライザーとして利用することができる。
【０１１５】
以上、実施例による光制御素子の製造方法、光制御素子、光配向処理方法について説明したが、本発明はこれらの製造方法、光制御素子、光配向処理方法に限定されるものではない。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。
【０１１６】
例えば、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示す方法で配向膜２に光配向処理を施すこともできる。
【０１１７】
これらの図に示した方法では、光透過部５の長手方向の中心線と光Ｌの入射面とが直交するように、フォトマスク６が配置される。光Ｌは、配向膜２の旋回軸と光透過部５の長手方向の中心線とを含む面に直交する面を入射面として、入射角θ１で配向膜２に入射する。他の配置は、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示した配置と同様である。
【０１１８】
したがって、図１２（Ａ）または図１２（Ｂ）に示した部材は全て図２（Ａ）または図２（Ｂ）に示されている。図１２（Ａ）または図１２（Ｂ）に示した部材には図２（Ａ）または図２（Ｂ）で用いた参照符号と同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
【０１１９】
この方法で配向膜２に光配向処理を施すと、例えば、液晶との界面において液晶分子を同心円状に配向させる配向膜を得ることができる。図示の方法で光配向処理を施した１枚の配向膜と、配向処理を施していない１枚の配向膜とを用いて光制御素子用のセル容器を構成し、このセル容器にカイラル剤を添加した液晶を充填した場合には、光配向処理が施された配向膜との界面において液晶分子が同心円状に配向し、配向処理が施されていない配向膜との界面において液晶分子が同心円状に配向した光制御素子を得ることも可能である。
【０１２０】
配向膜２の旋回軸と光透過部５の長手方向の中心線とを含む面が光Ｌの入射面となす角度は、配向膜２の材質、光Ｌの波長、光Ｌの種類（偏光、非偏光の別）、光Ｌの強度等に応じて、０〜１８０°の範囲で適宜選定可能である。
【０１２１】
光制御素子の具体例としては、液晶レンズ、液晶マイクロレンズ、液晶回転波長板、液晶シャッタ等が挙げられる。光制御素子は、単独で使用する他、偏光板、円偏光板、コレステリックフィルム等、種々の光学素子ないし光学部材と組み合わせて使用することもできる。例えば、液晶レンズと偏光板と組み合わせて絞りを構成することもできる。
【０１２２】
上述した光配向処理方法は、液晶分子の配向方向に明らかな不連続性があっても実用上大きな問題とならない光学素子、例えば液晶プリズム等の製造に適用することもできる。さらには、液晶表示装置の製造に適用することもできる。
【０１２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液晶分子を配向膜との界面において面内のいずれの方位角方向にも均一に配向されることができる。液晶を用いた光制御素子によって所望の光制御を行うことが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例による光制御素子の製造方法で用意する透明ガラス基板を概略的に示す側面図である。
【図２】図２（Ａ）は、実施例による光制御素子の製造方法での光配向処理時の配向膜とフォトマスクとの位置関係を概略的に示す正面図であり、図２（Ｂ）は、前記の位置関係を概略的に示す側面図である。
【図３】図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、それぞれ、光配向処理に使用するフォトマスク中の光透過部にシェーディングを付ける方法の一例を示す概念図である。
【図４】実施例による光制御素子の製造方法に基づいて組み立てたセル容器を概略的に示す断面図である。
【図５】実施例による光制御素子の製造方法に基づいて製造された光制御素子を概略的に示す断面図である。
【図６】第１の実施例による光制御素子における配向膜中の光配向処理部と液晶との界面での液晶分子の配向状態を示す模式図である。
【図７】第２の実施例による光制御素子を概略的に示す断面図である。
【図８】第２の実施例による光制御素子における光配向処理されていない配向膜と液晶との界面での液晶分子の配向状態を示す模式図である。
【図９】図９（Ａ）は、第３の実施例による光制御素子を構成する２枚の透明基板の一方を概略的に示す平面図であり、図９（Ｂ）は、第３の実施例による光制御素子を概略的に示す断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、第４の実施例による光制御素子を構成する２枚の透明基板の一方を概略的に示す平面図であり、図１０（Ｂ）は、第４の実施例による光制御素子を概略的に示す断面図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、第５の実施例による光制御素子を構成する２枚の透明基板の一方を概略的に示す平面図であり、図１１（Ｂ）は、第５の実施例による光制御素子を概略的に示す断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）は、光配向処理時の配向膜とフォトマスクとの他の位置関係を概略的に示す正面図であり、図１２（Ｂ）は、前記の位置関係を概略的に示す側面図である。
【符号の説明】
１…透明電極パターン、  ２…未配向処理の配向膜、  ２ａ…光配向処理された配向膜、  ３…透明基板、  ５、１５、２５…光透過部、  ６…フォトマスク、  ３０…セル容器、  ４０、４０ａ…液晶、  ５０、６０、７０、８０、９０…光制御素子。
【図１】
0004748467.tif 000002
【図２】
0004748467.tif 000003
【図３】
0004748467.tif 000004
【図４】
0004748467.tif 000005
【図５】
0004748467.tif 000006
【図６】
0004748467.tif 000007
【図７】
0004748467.tif 000008
【図８】
0004748467.tif 000009
【図９】
0004748467.tif 000010
【図１０】
0004748467.tif 000011
【図１１】
0004748467.tif 000012
【図１２】
0004748467.tif 000013