(57)【要約】【課題】屈折率異方性のばらつきを防止できる液晶表示装置を提供する。【解決手段】アレイ基板２および対向基板21のガラス基板３,22の内側面４,23間の構造体７,24を、ガラス基板３,22の横方向Ｗに向けて交互に形成する。アレイ基板２側の構造体７と対向基板21側の構造体24とを、鏡面対称性を有し基板法線方向ｎを基準とした線対称な横断面二等辺三角形状とする。構造体７,24の斜面11,12と底面８との間の内角θ１,θ２が９０度より小さくなる。構造体７,24間の複屈折媒体領域32が、複屈折領域31の斜面11,12を一対の両側辺としガラス基板３,22の内側面４,23間を一対の両端辺とした横断面平行四辺形状となる。隣り合う複屈折媒体領域32の横断面形状が基板法線方向ｎを中心とした１８０度回転対称となる。【選択図】図１
2007256774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な一主面を備え、透光性を有する第１基板と、
平坦な一主面を備え、この一主面を前記第１基板の一主面に平行に対向させて配設され、透光性を有する第２基板と、
前記第１基板の一主面と前記第２基板の一主面との間に位置し、これら一主面に沿って並べて設けられ、所定の屈折率異方性を有する複数の第１領域と、
前記第１基板の一主面と前記第２基板の一主面との間に位置し、前記複数の第１領域それぞれの間に設けられ、前記第１領域とは異なる屈折率異方性を有する複数の第２領域と、を具備し、
前記第１領域および第２領域は、前記第２領域を介した隣り合う前記第１領域と前記第２領域との間の境界面同士が互いに平行に形成され、前記第１領域を介した隣り合う前記第１領域と前記第２領域との間の境界面同士が逆方向に傾斜して形成されている
ことを特徴とした光学装置。
【請求項２】
第１領域は、隣り合って位置する一方の第１領域の断面形状と、他方の第１領域の断面形状とが、第１基板の一主面と第２基板の一主面とを基準とした鏡面対称な形状に形成され、
第２領域は、隣り合って位置する一方の第２の領域の断面形状と、他方の第２領域の断面形状とが、前記第１基板の一主面の法線方向を中心として１８０度回転対称な形状に形成されている
ことを特徴とした請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
第１基板と第２基板との間に位置し、この第１領域が並ぶ方向に沿って並べて設けられた複数の構造体を具備し、
前記第１領域は、前記構造体内の領域で、
第２領域は、前記第１基板と第２基板との間の前記構造体間の領域である
ことを特徴とした請求項１または２記載の光学装置。
【請求項４】
第１基板と第２基板との間の構造体間に位置した媒体を具備し、
この媒体は、光軸方向を有し、この光軸方向が外部からの作用で変化する光変調子を備えている
ことを特徴とした請求項３記載の光学装置。
【請求項５】
第１基板と第２基板との間の構造体間に位置した媒体を具備し、
この媒体は、光軸方向を有し、この光軸方向が第１の基板と第２の基板との間に印加される電圧の変化で変化する光変調子を備えている
ことを特徴とした請求項３記載の光学装置。
【請求項６】
第１基板の一主面の媒体と接する位置に設けられた第１電極と、
第２基板の一主面の媒体と接する位置に設けられた第２電極とを具備している
ことを特徴とした請求項４または５記載の光学装置。
【請求項７】
構造体は、液晶性ポリマにて構成されている
ことを特徴とした請求項３ないし６いずれか記載の光学装置。
ことを特徴とした請求項１記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率異方性を有する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶素子を用いた液晶表示装置は、軽量、薄型、低消費電力などの特徴を有することから、ＯＡ(Office Automation)機器、情報端末、時計、テレビジョンなどの様々な分野に応用されている。特に、この種の液晶表示装置のうち、薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)素子を用いたものは、薄膜トランジスタ素子の応答性の良さから、携帯型テレビジョンや、コンピュータなどの多くの情報を含むデータ表示用のモニタとして用いられている。
【０００３】
また、この種の液晶表示装置としては、バックライトなどの光源を必要せず、入射する光を反射させて目視可能にさせる反射型の液晶表示装置が実用化されており、携帯電話器などのモバイル分野で多く用いられている。ところが、これら液晶表示装置は、偏光板を必要とするものがほとんどで、光利用効率の点で視認性が十分でない。
【０００４】
そこで、この種の液晶表示装置として、偏光板を必要としないポリマ分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal：ＰＤＬＣ)を用いた構成が知られているが、このＰＤＬＣを用いた液晶表示装置では、光拡散による白表示輝度が不十分などの点から、実用的ではない。
【０００５】
さらに、この種の液晶表示素子に用いられる偏光分離素子としては、ガラス基板間の対向する内側面のそれぞれに電極を形成し、これら電極間に菱型状の構造体を形成し、これらガラス基板間の構造体間に複屈折性を有する媒体を充填させた構成が知られている(例えば、特許文献１参照。)。この場合、ガラス基板と構造体との間の２つの角の一方が９０度より大きい場合には、これら２つの角の他方が９０度より小さくなることから、接触式の微細加工技術を応用することが容易ではない。そこで、一般的には、レーザホログラム技術などの非接触式の微細加工技術を用いて構造体を形成している。
【０００６】
そして、これら構造体を、レーザホログラム技術などの非接触式の微細加工技術で形成した場合には、一般的に、構造体と媒体との間の境界を正確に形成することが容易ではなく、これら構造体と媒体との境界面が曖昧となることから、偏光選択性による偏光分離機能が十分に機能しなくなるおそれがある。したがって、これら構造体を用いて液晶表示素子を形成した場合には、これら構造体内での迷光や光の散乱などによって、コントラスト比(ＣＲ)の低下や光の反射および透過輝度の低下などの問題が生じるおそれがある。
【０００７】
さらに、これら構造体で偏光選択性をスイッチングさせる場合には、ガラス基板の一主面に沿った方向である面内方向に向けて電気信号を印加させる必要がある。このため、一方のガラス基板の表面に櫛歯状の電極を形成したインプレンススイッチング方式などを用いることができるが、構造体と媒体とそれぞれに電圧が印加されてしまうので、構造体による電圧降下によって偏光選択性のスイッチングに寄与する媒体に電圧が有効に印加されにくい。
【０００８】
また、この種の液晶表示装置に用いられる反射型光変調装置としては、透光性基板と絶縁性基板とが平行に対向して配設され、この透光性基板の内側面に透明電極が積層され、絶縁性基板の内側面に反射電極が積層されている。また、これら透明電極と反射電極との間に、それぞれの上端部を透明電極に接触させ底面部を反射電極に接触させた状態で横断面三角形状の不変屈折率層が連続して並設され、これら不変屈折率層の間の透明電極と反射電極との間の領域に液晶素子を含んだ液晶材料が充填されて液晶層が形成されている。そして、これら不変屈折率層間に位置する凹部の成す角度を二等分する線と、絶縁性基板の法線方向との成す角度とがずれるような形状に各不変屈折率層が形成された構成が知られている(例えば、特許文献２参照。)。
【特許文献１】特開平１１−２７１５３６号公報
【特許文献２】特開平９−１５５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しなしながら、上述した反射型光変調装置では、不変屈折率層それぞれが横断面三角形状に形成され、これら不変屈折率層それぞれの上端部を透光性基板の透明電極に接触させ、これら不変屈折率層それぞれの底面部を反射電極に接触させた構成である。このため、これら透明電極と反射電極との間の不変屈折率層間の領域が反射電極側から透明電極側に向けて徐々に広くなる形状となる。したがって、これら不変屈折率層間の領域内の透明電極寄りの位置でなければ、これら不変屈折率層間の領域に液晶粒子が存在しない。よって、これら不変屈折率層間の領域内での液晶粒子の移動が不均一となるから、透明電極と反射電極との間の同一領域内を透過する光の屈折率異方性がばらついてしまうという問題を有している。
【００１０】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、屈折率異方性のばらつきを防止できる光学装置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】
【００１１】
本発明は、平坦な一主面を備え、透光性を有する第１基板と、平坦な一主面を備え、この一主面を前記第１基板の一主面に平行に対向させて配設され、透光性を有する第２基板と、前記第１基板の一主面と前記第２基板の一主面との間に位置し、これら一主面に沿って並べて設けられ、所定の屈折率異方性を有する複数の第１領域と、前記第１基板の一主面と前記第２基板の一主面との間に位置し、前記複数の第１領域それぞれの間に設けられ、前記第１領域とは異なる屈折率異方性を有する複数の第２領域と、を具備し、前記第１領域および第２領域は、前記第２領域を介した隣り合う前記第１領域と前記第２領域との間の境界面同士が互いに平行に形成され、前記第１領域を介した隣り合う前記第１領域と前記第２領域との間の境界面同士が逆方向に傾斜して形成されているものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第２領域を介した隣り合う第１領域と第２領域との間の境界面同士が互いに平行であることから、これら第１領域間のそれぞれに等しい間隔の第２の領域が形成されるので、これら第２領域での屈折率異方性のばらつきを防止できる。また同時に、第１領域を介した隣り合う第１領域と第２領域との間の境界面同士が逆方向に傾斜しているので、これら第１領域を介して隣り合う境界面のそれぞれが第１基板および第２基板のいずれかの一主面側に向いた状態となる。したがって、これら境界面の正確な形成が容易になるため、これら境界面での屈曲率異方性のばらつきを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の光学装置の第１の実施の形態の構成を図１および図２を参照して説明する。
【００１４】
図１において、１は光学装置としての液晶表示装置である。この液晶表示装置１は、偏光選択性を有する偏光分離素子であるとともに、回析光学素子としての能動型の偏光選択性回析光学素子である。さらに、この液晶表示装置１は、任意の画像が表示可能な平面表示装置しての画像表示装置でもある。
【００１５】
そして、この液晶表示装置１は、偏光選択性を有する偏光分離素子基板であって、略矩形平板状のアレイ基板２を備えている。このアレイ基板２は、図２に示すように、略透明な矩形平板状の第１基板としてのガラス基板３を有している。このガラス基板３は、透光性を有するとともに電気的な絶縁性を有する透明基板としての透光性基板である。そして、このガラス基板３の内側であるとともに下側に位置する一主面である内側面４は、このガラス基板３の横方向Ｗおよび縦方向Ｌのそれぞれに沿った平坦な平坦面に形成されている。
【００１６】
さらに、このガラス基板３の内側面４には、図示しない走査線と信号線とが格子状に配線されている。そして、これら走査線と信号線とによって区切られた矩形状の領域のそれぞれに画素５が設けられている。よって、これら画素５は、ガラス基板３の内側面４上にマトリクス状に設けられている。さらに、これら画素５には、一画素構成要素として、スイッチング素子としての図示しない薄膜トランジスタと、この薄膜トランジスタにて制御される画素電極６とが設けられている。
【００１７】
また、ガラス基板３の内側面４上には、走査線、信号線および薄膜トランジスタをのそれぞれ覆うように側面視である横断面二等辺三角形状の微細凹凸構造としての構造体７が、このガラス基板３の横方向Ｗに沿って等間隔に離間されて形成されている。これら構造体７は、屈折率異方性を有するとともに偏光選択機能を有している。そして、これら構造体７は、各画素５内の横方向Ｗの略２分の１の領域を覆って設けられているとともに、ガラス基板３の縦方向Ｌ全体に亘って設けられている。ここで、屈折率異方性(anisotropy of index-of-refraction)とは、これら構造体７に入射される光の屈折率が測定する方向によって異なる性質をいう。
【００１８】
さらに、これら構造体７は、ガラス基板３の内側面４に接触している細長矩形状の底面８と、この底面８の幅方向の両端縁に接続された一対の傾斜面としての境界面である斜面11,12とにて構成されている。ここで、これら斜面11,12は、底面８の幅寸法より大きな幅寸法を有しており、これら斜面11,12の幅方向の一側縁である下端縁が底面８の幅方向の両側縁に一致して接続されて底点Ｐ１,Ｐ２とされている。さらに、これら斜面11,12は、互いに等しい幅寸法を有しており、これら斜面11,12の幅方向の他側縁である上端縁が、底面８の幅方向の中心上で一致して接続されて頂点Ｐ３とされている。したがって、この頂点Ｐ３から底面８までのガラス基板３の内側面の法線方向である基板法線方向ｎに沿った長さが、これら構造体７の高さ寸法ｍとなる。
【００１９】
そして、これら構造体７は、底面８から頂点Ｐ３までの高さ寸法ｍが、例えば１２．５μｍほどに形成されている。また、これら構造体７は、底面８と一対の斜面11,12との間の内角θ１,θ２のそれぞれが９０度より小さくなり、これら斜面11,12とガラス基板３の内側面４との間の角である外角θ３,θ４のそれぞれが９０度より大きくなるように構成されている。さらに、これら構造体７は、底面８と一対の斜面11,12との間の内角θ１,θ２が互いに等しい角度(θ１＝θ２)に形成され、これら構造体７の斜面11,12間の内角θ５が９０度より小さく形成されている。具体的に、これら構造体７の内角θ１,θ２は、互いに等しい角度、例えば６０度程度の角度に形成されている。そして、これら構造体７は、これら構造体７の底面８の幅寸法Ａより大きな間隔寸法Ｂを介してガラス基板３の内側面４上に、このガラス基板３の横方向Ｗに沿って等間隔に並べられた状態に形成されている。
【００２０】
具体的に、これら構造体７は、等方性(isotropic)および複屈折性(birefringence)を有し、ガラス基板３の外側から基板法線方向ｎに沿って入射する光λと構造体７の斜面11,12との成す角θｇがθｇ＝arctan(ｎ２／ｎ１)，(ｎ＝整数)の関係を満たす偏光選択機能を有している。さらに、これら構造体７は、例えば屈性率異方性Δｎ＝２．０の透明な紫外線(ＵＶ)硬化型の液晶モノマにて構成されている。ここで、等方性とは、構造体７内での光λの伝搬速度が、すべての方向に対して同じである性質をいう。また、複屈折性とは、構造体７に入射する光λを互いに垂直な振動方向を有する２つの光に分散させる性質をいう。
【００２１】
また、これら構造体７を構成する材料としては、例えば炭酸カルシウム(ＣａＣＯ３)などの光学結晶や、液晶性ポリマなどの液晶性高分子材料などが用いられる。特に、これら構造体７を構成する材料としては、ガラス基板３の大型化や生産性の観点から、光や熱によって重合反応を呈する液晶性モノマや液晶性オリゴマなどが好ましい。さらに、これら構造体７を構成する材料としては、十分な偏光選択機能を付加する上で、屈折率異方性Δｎが０．２以上(Δｎ≧０．２)、例えばΔｎ＝０．２の材料を容易に合成できる液晶性モノマや液晶性オリゴマなどがさらに好ましい。
【００２２】
さらに、これら構造体７は、精密機械加工や、ナノインプリンティング(Nanoimprinting)、フォトリソグラフィ、レーザホログラムなどの技術によって形成されている。なお、ナノインプリンティングとは、所望するパターンを有する図示しない鋳型を予め作製しておき、この鋳型をプリント溶液に浸漬させてガラス基板３上に転写させて所望するパターンをガラス基板３上にパターニングさせる方法をいう。
【００２３】
さらに、このガラス基板３の内側面４上の隣接している構造体７間に画素電極６が積層されている。これら画素電極６は、第１電極としてのストライプ状電極であって、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide:インジウムスズ酸化物)やＩＺＯ(Indium Zinc Oxide:インジウム亜鉛酸化物)などの透明電極にて構成されている。さらに、これら画素電極６は、構造体７間のガラス基板３の内側面４上に隙間無く均一に積層されており、これら構造体７間の間隔寸法Ｂに等しい幅寸法を有している。さらに、これら画素電極６は、ガラス基板３の内側面４の縦方向の全体に亘って直線状に設けられている。
【００２４】
よって、これら画素電極６は、ガラス基板３の内側面４上の各構造体７間に積層されていることから、このガラス基板３の内側面４上に縦方向Ｌに沿って横方向Ｗに等間隔に離間されたストライプ状、すなわち縞状に形成されている。具体的に、これら画素電極６は、例えば１０μｍの幅寸法を有する帯状に形成されており、これら画素電極６が、例えば１０μｍピッチでガラス基板３の内側面４上に形成されている。さらに、これら画素電極６は、これら画素電極６の表面が図示しない起毛布などで、これら画素電極６の長手方向に沿って平行に擦られてラビング処理されている。
【００２５】
一方、このガラス基板３の内側面４に対向して、略矩形平板状の対向基板21が積層されている。この対向基板21は、略透明な矩形平板状の第２基板としてのガラス基板22を有している。このガラス基板22は、透光性を有するとともに電気的な絶縁性を有する透明基板としての透光性基板である。そして、このガラス基板22の内側としての上側に位置する一主面である内側面23が、このガラス基板22の横方向Ｗおよび縦方向Ｌのそれぞれに沿った平坦な平坦面に形成されている。さらに、このガラス基板22は、このガラス基板22の内側面23をアレイ基板２のガラス基板３の内側面４に水平かつ平行に対向させた状態で、このガラス基板３に取り付けられている。
【００２６】
そして、このガラス基板22の内側面23にもまた、このガラス基板22の横方向Ｗに沿って等間隔に離間された状態で構造体24が形成されている。これら構造体24は、アレイ基板２のガラス基板３の内側面４上に形成されている構造体７と同じ大きさであるとともに、同じ材料で形成されている。さらに、これら構造体24は、アレイ基板２のガラス基板３の内側面４上に形成されている構造体７と同様に、ガラス基板22の内側面23上に間隔寸法Ｂを介して、このガラス基板22の横方向Ｗに沿って等間隔に離間されて設けられている。
【００２７】
さらに、これら構造体24間のガラス基板22の内側面23上には、第２電極としての対向電極25が積層されている。これら対向電極25は、画素電極６と同様にＩＴＯやＩＺＯなどの透明電極材料にて形成されている。また、これら対向電極25もまた、構造体24間のガラス基板22の内側面23上に隙間無く均一に積層されており、これら構造体24間の間隔寸法Ｂに等しい幅寸法を有している。
【００２８】
そして、これら対向電極25もまた、ガラス基板22の内側面23の縦方向Ｌの全体に亘って直線状に設けられており、このガラス基板22の内側面23上に縦方向Ｌに沿って横方向Ｗに離間された縞状に形成されている。具体的に、これら対向電極25は、例えば１０μｍの幅寸法を有する帯状に形成されており、これら対向電極25が、例えば１０μｍピッチでガラス基板22の内側面23上に形成されている。さらに、これら対向電極25もまた、これら対向電極25の表面が図示しない起毛布などで、これら対向電極25の長手方向に沿って平行に擦られてラビング処理されている。
【００２９】
ここで、対向基板21は、この対向基板21のガラス基板22の内側面23上に形成されている各構造体24のそれぞれを、アレイ基板２のガラス基板３の内側面４上に形成されている各構造体７間の中心に嵌合させるとともに、これら構造体７,24それぞれの頂点Ｐ３が対向電極25あるいは画素電極６の幅方向の中心に当接させて、これら構造体７,24間に菱形である平行四辺形状の空間を形成させた状態で、アレイ基板２のガラス基板３の内側面４側に対向して取り付けられている。よって、これらアレイ基板２のガラス基板３と対向基板21のガラス基板22とは、これらガラス基板３,22それぞれの横方向Ｗおよび縦方向Ｌのそれぞれに沿って平行に取り付けられている。
【００３０】
この状態で、これらガラス基板３,22間に位置する構造体７,24は、ガラス基板３の内側面４とガラス基板22の内側面23とのそれぞれに対して交互に配置されている。すなわち、これら構造体７,24は、これら構造体７,24それぞれの頂点Ｐ３を、これら構造体７,24の底面８が積層されているガラス基板３,22に対向して位置するガラス基板22,３の内側面23,４に当接させた状態で、これらガラス基板３,22間に並設されている。
【００３１】
さらに、これらガラス基板３,22間に位置する各構造体７,24それぞれの内部の領域が、屈折率異方性を有する第１領域としての不変屈折率領域としての複屈折領域31として構成されている。これら複屈折領域31は、ガラス基板３,22それぞれの内側面４,23に対して、これら複屈折領域31が並ぶ方向である横方向Ｗに沿って、ガラス基板３の内側面４とガラス基板22の内側面23とに対して交互に、鏡面対称な形状に形成されている。言い換えると、これら複屈折領域31のそれぞれは、隣り合って位置する一方の複屈折領域31と、他方の複屈折領域31とが、ガラス基板３,22それぞれの内側面４,23を基準とした略鏡面対称性を有する形状に形成されている。
【００３２】
すなわち、これら複屈折領域31は、ガラス基板３の内側面４とガラス基板22の内側面23との間に位置しており、これら内側面４,23の横方向Ｗに沿って並べて設けられている。さらに、これら複屈折領域31は、隣り合って位置する一方の複屈折領域31の横断面形状が、この一方の複屈折領域31に隣り合って位置する他方の複屈折領域31の横断面形状を、これら複屈折領域31が並ぶ方向であるガラス基板３,22の横方向Ｗと、これらガラス基板３,22の基板法線方向ｎとのそれぞれに対して直交するガラス基板３,22の縦方向Ｌを中心として略１８０度回転させた形状に等しい１８０度回転対称形状に形成されている。さらに、これら複屈折領域31は、隣り合って位置する一方の複屈折領域31の横断面形状が、この一方の複屈折領域31に隣り合って位置する他方の複屈折領域31の横断面形状を、基板法線方向ｎを中心として基準とした線対称な形状に形成されている。したがって、これら複屈折領域31は、構造体７,24のそれぞれと同様に、横断面二等辺三角形状に形成されている。
【００３３】
また、これらガラス基板３,22間であって各構造体７,24間の隙間の領域が、複屈折領域31とは異なる屈折率異方性を有する第２領域としての変動屈折率領域である複屈折媒体領域32として構成されている。これら複屈折媒体領域32は、ガラス基板３の内側面４とガラス基板22の内側面23との間に位置しており、各複屈折領域31それぞれの間に隙間無く設けられている。すなわち、これら複屈折媒体領域32は、隣り合って位置する一方の複屈折媒体領域32および他方の複屈折媒体領域32同士が、基板法線方向ｎを中心軸として略１８０度回転対称させた回転対称性を有する形状に形成されている。言い換えると、これら複屈折媒体領域32は、隣り合って位置する一方の複屈折媒体領域32の横断面形状が、この一方の複屈折媒体領域32に隣り合って位置する他方の複屈折媒体領域32の横断面形状を、基板法線方向ｎを中心として１８０度回転させた形状に等しい１８０度回転対称な形状に形成されている。すなわち、これら複屈折媒体領域32は、これら複屈折媒体領域32の両側に位置する複屈折領域31の斜面11,12を一対の両側辺とし、これら斜面11,12の両端部が接触するガラス基板３,22の内側面４,23間を一対の両端辺とした横断面平行四辺形状に形成されている。
【００３４】
したがって、これら複屈折領域31および複屈折媒体領域32は、これら複屈折領域31と複屈折媒体領域32との間であって、各複屈折媒体領域32を介して隣り合う斜面11,12同士が、互いに平行に形成されている。また、これら複屈折領域31および複屈折媒体領域32は、これら複屈折領域31と複屈折媒体領域32との間であって、各複屈折領域31を介して隣り合う斜面11,12同士が、逆方向に傾斜して形成されている。
【００３５】
さらに、これら複屈折媒体領域32には、光軸方向としての光軸方位Ｃを有する横断面長円状である粒状の液晶素子33が液状の液晶材料34とともに隙間無く充填されて満たされて複屈折性を示す媒体としての複屈折媒体層である液晶層35が形成されている。この液晶層35に充填されている液晶素子33は、例えばΔｎ＝０．２１の屈折率異方性を有している。よって、各複屈折媒体領域32は、液晶層35にて構成されており、この液晶層35が充填されて封止される液晶封止領域であって、この液晶層35内の液晶素子33の光軸方位Ｃを変化させることによって、これら複屈折媒体領域32での光の屈折率異方性を変化できる領域である。
【００３６】
ここで、これら複屈折媒体領域32に充填されている液晶層35内の液晶素子33は、外部からの作用、すなわち画素電極６と対向電極25との間に電気信号としての電圧が印加されることにより、これら液晶素子33の光軸方位Ｃが変化させて制御できる光変調子である。よって、これら液晶素子33は、これら液晶素子33の平均的な光軸方位Ｃが外場からの制御でき、外部信号によってスイッチングが可能な偏光分離素子である。さらに、これら液晶素子33としては、生産性および実用性の点から、駆動電圧が数十ボルト〔Ｖ〕と低く、屈折率異方性が大きい材料設計が可能なものが用いられている。
【００３７】
また、各複屈折媒体領域32は、隣接して位置する複屈折媒体領域32が、ガラス基板３,22それぞれの内側面４,23の基板法線方向ｎを基準とし、これら複屈折媒体領域32が並ぶ方向であるガラス基板３,22の横方向Ｗに沿って反転させた１８０度回転対称な形状に形成されている。また、これら複屈折媒体領域32は、ガラス基板３,22の内側面４,23間であるとともに各構造体７,24の互いに対向する斜面11,12間に形成されている横断面平行四辺形状の領域である。すなわち、これら複屈折媒体領域32は、これら複屈折媒体領域32の両側に位置する構造体７,24の斜面11,12に沿って平行な領域であるとともに、アレイ基板２のガラス基板３の内側面４から対向基板21のガラス基板22の内側面23までの間に亘って等しい幅寸法Ｄに形成されている。よって、これら複屈折媒体領域32は、横断面平行四辺形状に形成されている。
【００３８】
ここで、これら複屈折領域31および複屈折媒体領域32は、ガラス基板３の内側面４とガラス基板22の内側面23との間に、これら内側面４,23の横方向Ｗに沿って交互に連続して並べられて設けられている。よって、アレイ基板２のガラス基板３の内側面４に形成されている画素電極６は、このガラス基板３の内側面４上の複屈折媒体領域32、すなわち液晶層35に接する位置のみに形成された電極構造である。さらに、対向基板21のガラス基板22の内側面23に形成されている対向電極25もまた、このガラス基板22の内側面23上の複屈折媒体領域32、すなわち液晶層35に接する位置のみに形成された電極構造である。
【００３９】
したがって、これら画素電極６および対向電極25は、ガラス基板３,22の内側面４,23のうち、これら内側面４,23上の構造体７,24を避けた位置のみに積層されている。さらに、これら画素電極６および対向電極25は、これら画素電極６と対向電極25との間に電位信号として、例えば５Ｖ程度の電圧が印加され、この電圧の印加にて液晶素子33の光軸方位Ｃを制御させる。すなわち、これら画素電極６および対向電極25は、これら画素電極６と対向電極25との間の電場を変化させて、この電場の変化に基づいて、各複屈折媒体領域32に充填されている液晶層35中の液晶素子33を駆動させることによって、これら複屈折媒体領域32での偏光選択性を制御するための電極層である。
【００４０】
次に、上記第１の実施の形態の光学装置の作用効果を説明する。
【００４１】
まず、ガラス基板３の内側面４に複数の画素５をマトリクス状に形成してから、これら画素５を覆うようにガラス基板３の内側面４にストライプ状の画素電極６を形成してアレイ基板２とする。
【００４２】
また、ガラス基板22の内側面23にストライプ状の対向電極25を形成して対向基板21とする。
【００４３】
この後、アレイ基板２のガラス基板３の内側面４上の画素電極６を形成した部分の表面と、対向基板21のガラス基板22の内側面23上の対向電極25を形成した部分の表面とのそれぞれを、これら画素電極６および対向電極25の長手方向に対して平行に図示しない起毛布で擦ってラビング処理する。
【００４４】
次いで、これらガラス基板３,22それぞれの内側面４,23上に、屈折率異方性Δｎ＝０．２の紫外線(ＵＶ)硬化型液晶性モノマ塗料を、構造体７,24それぞれのでき上がり高さ寸法ｍが、例えば１２．５μｍとなるような膜厚に塗布して、これらガラス基板３,22それぞれの内側面４,23上の全面に図示しない液晶性モノマ塗布層を形成する。
【００４５】
さらに、これら液晶性モノマ塗布層が形成されたガラス基板４,23のそれぞれを、これらガラス基板４,23上の液晶性モノマ塗布層中の液晶性モノマが等方性となる温度まで加熱して、これら液晶性モノマの再配向をする。
【００４６】
この後、これら液晶性モノマ塗布層に紫外線(ＵＶ)を照射させて紫外線露光して、これら液晶性モノマ塗布層のそれぞれを、複屈折率を示す透明膜とする。
【００４７】
次いで、精密機械加工技術で作成され、例えば１０μｍの幅寸法を有する横断面二等辺三角形状の突部が２０μｍのピッチの間隔で周期的に形成された金型である図示しないナノインプリンティング型を、ガラス基板３,22上の透明膜それぞれの表面に密着させて圧着して、これら透明膜の表面に微細な凹凸構造を形成させて、これら透明膜から構造体７,24を形成する。
【００４８】
そして、これら構造体７,24が互いに向い合うようにガラス基板３,22の内側面４,23同士を平行に対向させてから、アレイ基板２側のガラス基板３上の構造体７間の中央に、対向基板21側のガラス基板22上の構造体24の中心を、基板法線方向ｎに沿わせながら嵌合させる。
【００４９】
さらに、これらガラス基板３,22上の構造体７,24それぞれの頂点Ｐ３を、これら構造体７,24に対向して位置するガラス基板22,３上の画素電極６および対向電極25のいずれかの表面に当接させる。
【００５０】
この状態で、これらガラス基板３,22の内側面４,23同士を貼り合せて、偏光選択性を有する偏光分離素子基板とする。
【００５１】
この後、これらガラス基板３,22の内側面４,23間であって構造体７,24間に位置する空間である複屈折媒体領域32のそれぞれに、例えば屈折率異方性Δｎ＝２．１の液晶素子33を含んだ液晶材料34を充填して液晶層35を形成させて液晶表示装置１とする。
【００５２】
この状態で、この液晶表示装置１の外部、すなわち液晶表示装置１の画素電極６と対向電極25との間に、例えば５Ｖの電圧を印加することによって、この液晶表示装置１の構造体７,24にて画素電極６と対向電極25との間の電圧降下を生じさせることなく、この液晶表示装置１が良好な変更分離機能を示す。
【００５３】
ここで、この液晶表示装置１のアレイ基板３のガラス基板３の内側面４と対向基板21のガラス基板22の内側面23との間に積層されている各構造体７,24は、複屈折率を有するとともに、基板法線方向ｎに沿って入射する光λと斜面11,12との成す角θｇがθｇ＝arctan(ｎ２／ｎ１)，(ｎ＝整数)の関係を満たす偏光選択性を有している。
【００５４】
そして、これら構造体７,24は、精密機械加工や、ナノインプリンティング、フォトリソグラフィ、レーザホログラムなどの技術で形成することができる。
【００５５】
このとき、例えば横断面平行四辺形状の構造体７,24がガラス基板３,22の内側面４,23上に形成された従来の液晶表示装置１では、これら構造体７,24の斜面11,12とこれら構造体７,24が積層されているガラス基板３,22の内側面４,23との間の内角θ１,θ２の一方が９０度より大きい場合に、これら内角θ１,θ２の他方が９０度より小さくなる組み合わせとなる。
【００５６】
このため、これら構造体７,24の斜面11,12のうち内角θ１,θ２が９０度より大きくなる側をアンダーカットして加工しなければならないことから、接触式の微細加工技術を応用することが容易ではない。この場合、レーザホログラムのような非接触方式で構造体７,24を形成する必要がある。
【００５７】
ところが、このレーザホログラムのような非接触方式で構造体７,24を形成した場合には、これら構造体７,24をアンダーカットする際にレーザが迷光あるいは拡散などしてしまうおそれがあることから、一般的に、これら構造体７,24の斜面11,12を正確に形成することが容易ではない。したがって、これら構造体７,24の斜面11,12と液晶層35との間の境界が正確でなくなり曖昧となることから、これら構造体７,24の偏光選択性による偏光分離機能が十分に機能しなくなる。
【００５８】
よって、これら構造体７,24を用いた従来の液晶表示装置１では、これら構造体７,24内を透過する光の迷光や散乱などによって、この液晶表示装置１に表示される画像のコントラスト比(ＣＲ)の低下や、反射および透過輝度の低下などの問題が生じてしまうおそれがある。
【００５９】
そこで、上記第１の実施の形態のように、アレイ基板２のガラス基板３の内側面４と対向基板21のガラス基板22の内側面23との間の構造体７,24を、これらガラス基板３,22の横方向Ｗに向けて、これらガラス基板３の内側面４とガラス基板22の内側面23とに対して交互に等間隔に形成し、さらに、隣り合って位置する一方の構造体７,24と他方の構造体24,７とが、ガラス基板３,22それぞれの内側面４,23に対し略鏡面対称性を有し、基板法線方向ｎを基準とした線対称な横断面二等辺三角形状に形成した。
【００６０】
この結果、これら構造体７,24の斜面11,12とガラス基板３,22の内側面４,23との間の内角θ１,θ２のそれぞれが９０度より小さい(＜９０°)となり、これら構造体７,24の斜面11,12とガラス基板３,22の内側面４,23との間の外角θ３,θ４のそれぞれが９０度より大きく(＞９０°)となる。このため、アレイ基板２側の各構造体７の斜面11,12のそれぞれがガラス基板３の内側面４側に向いた状態となるとともに、対向基板21側の各構造体24の斜面11,12のそれぞれがガラス基板22の内側面23側に向いた状態となる。
【００６１】
したがって、これら構造体７の斜面11,12のそれぞれをガラス基板３の内側面４側から正確に形成でき、各構造体24の斜面11,12のそれぞれをガラス基板22の内側面23側から正確に形成できる。このため、これら構造体７,24のそれぞれを、精密機械加工やナノインプリンティングなどの生産性に優れた接触式の微細加工技術を用いて製造することが可能となる。
【００６２】
さらに、これら構造体７,24の加工に接触式の微細加工技術を用いることができ、これら構造体７,24の斜面11,12それぞれを基板法線方向ｎに沿って向かい合う構造となるので、これら構造体７,24それぞれの斜面11,12全面を配向処理できる。したがって、これら構造体７,24の材料として液晶性モノマや液晶性オリゴマなどを用いて、これら構造体７,24それぞれの斜面11,12全面を配向性できるので、これら構造体７,24を光学素子としての複屈折性を向上できる。
【００６３】
また同時に、アレイ基板２および対向基板21のガラス基板３,22の内側面４,23間に交互に設けた構造体７,24のそれぞれを、これらガラス基板３,22の基板法線方向ｎを基準とした線対称な横断面二等辺三角形状に形成したことにより、対向して位置する構造体７,24の斜面11,12が平行となる。
【００６４】
よって、これら構造体７,24間に形成される複屈折媒体領域32のそれぞれが、これら複屈折媒体領域32の両側に位置する複屈折領域31の斜面11,12を一対の両側辺とし、これら斜面11,12の両端部が接触するガラス基板３,22の内側面４,23間を一対の両端辺とした横断面平行四辺形状となり、隣り合って位置する一方の複屈折媒体領域32の横断面形状と、他方の複屈折媒体領域32の横断面形状とが、ガラス基板３,22の基板法線方向ｎを中心として１８０度回転させた形状に等しい１８０度回転対称な形状となる。
【００６５】
この結果、これら複屈折媒体領域32の高さ方向全体に亘って、これら複屈折媒体領域32の幅寸法が等しいことから、これら複屈折媒体領域32に充填されている液晶層35中の液晶素子33による複屈折媒体領域32内での回転が、これら複屈折媒体領域32の両側を囲む複屈折領域31の斜面11,12に接触などして阻害されにくくなる。したがって、これら複屈折媒体領域32内の全体に亘って液晶素子33の光軸方位Ｃを確実に変化できるので、これら複屈折媒体領域32での屈折率異方性のばらつきを防止できる。
【００６６】
さらに、各構造体７,24の斜面11,12とガラス基板３,22の内側面４,23との間の内角θ１,θ２のそれぞれが９０度より小さくなるので、アレイ基板２側の各構造体７の斜面11,12のそれぞれをガラス基板３の内側面４側から正確に形成できるとともに、対向基板21側の各構造体24の斜面11,12のそれぞれをガラス基板22の内側面23側から正確に形成できる。したがって、これら構造体７,24それぞれの斜面11,12を正確に形成できることから、これら構造体７,24それぞれの各斜面11,12での屈曲率異方性のばらつきを防止できる。
【００６７】
また、ガラス基板３,22それぞれの内側面４,23のうち、これら内側面４,23上の構造体７,24が形成されている位置を除く部分に画素電極６または対応電極25を形成したことにより、これら画素電極６と対向電極25との間に電圧を印加させることによって、構造体７,24が形成されている領域、すなわち複屈折領域31を除いた複屈折媒体領域32のみに電圧を印加できる。したがって、これら複屈折領域31での電圧降下を回避できるとともに、これら複屈折領域31間に位置する複屈折媒体領域32に対して効果的に電圧を印加できるので、これら複屈折媒体領域32中の液晶素子33の駆動をより確実にできる。
【００６８】
また、液晶表示装置１のアレイ基板２のガラス基板３と対向基板21のガラス基板22との間に構造体７,24を形成したことにより、この液晶表示装置１のコントラスト比や輝度を確保するために必要な偏光板などを、この液晶表示装置１の外側面などに積層させなくても、この液晶表示装置１の明るさを確保できるとともに、高いコントラスト比および輝度を有する液晶表示装置１にできる。したがって、偏光選択性および光利用効率に優れ視認性が十分な液晶表示装置１を簡単な構成で容易に製造できる。
【００６９】
次に、本発明の光学装置の第２の実施の形態を図３および図４を参照して説明する。
【００７０】
図３および図４に示す液晶表示装置１は、アレイ基板２と対向基板21との間の構造体７,24のそれぞれが、鏡面対称性および１８０度回転対称性を有する横断面等角二等辺台形状に形成されている。具体的に、これら構造体７,24は、これら構造体７,24の底面８が、例えば１０μｍの幅寸法に形成されており、例えば１０μｍのピッチでガラス基板３,22の内側面４,23上に横方向Ｗに沿って並設されている。
【００７１】
さらに、これら構造体７,24は、これら構造体７,24の底面８と各斜面11,12との間の内角θ１,θ２のそれぞれが９０度より小さく形成され、これら内角θ１と内角θ２とが等しい角度に形成されている。さらに、これら構造体７,24の底面８に対向する位置には、この底面８に対して平行な上側面41が設けられている。この上側面41は、各構造体７,24の斜面11,12の上端縁間に位置し、これら構造体７,24の底面８の幅寸法より小さな、例えば２分の１程度の幅寸法に形成されている。
【００７２】
また、これら上側面41は、これら上側面41の幅方向の中央部が、これら上側面41が対向して位置する底面８の幅方向の中央部上に基板法線方向ｎに沿って位置するように設けられている。さらに、これら上側面41は、これら上側面41に対向して位置する同一構造体７,24の底面８が積層されているガラス基板３,22の反対側に位置するガラス基板22,３の内側面４,23上の画素電極６あるいは対向電極25のいずれかに水平に当接している。
【００７３】
次に、上記第２の実施の形態の光学装置の作用効果を説明する。
【００７４】
まず、上記第１の実施の形態と同様に形成した各ガラス基板３,22それぞれの内側面４,23上の液晶性モノマ塗布層に、例えば１０μｍの幅寸法を有する横断面等角二等辺台形状の突部が表面に２０μｍのピッチの間隔で周期的に形成された図示しないナノインプリンティング型を密着させる。
【００７５】
このナノインプリンティング型は、このナノインプリンティング型の表面を密着させた液晶性モノマ塗布層の表面に微細な凹凸形状が平行に形成されて配向性を示すように、このナノインプリンティング型の表面に形成されている突部を含んだ凹凸面に微細なすじが精密機械加工技術にて予め形成されている。
【００７６】
さらに、ガラス基板３,22上の液晶性モノマ塗布層にナノインプリンティング型を密着させた状態で、このガラス基板３,22の内側面４,23側から紫外線を照射させて、これら内側面４,23上の液晶性モノマ塗布層を露光する。このとき、これら液晶性モノマ塗布層に密着させたナノインプリンティング型に対応した微細な凹凸構造が内側面４,23上に形成され、これら微細な凹凸構造のうちの凸部が構造体７,24となる。
【００７７】
そして、これら構造体７,24が形成されたガラス基板３,22の内側面４,23同士を平行に対向させてから、一方のガラス基板３,22上の構造体７,24間の中央に他方のガラス基板22,３上の構造体24,７の中心を嵌合させつつ、この一方のガラス基板３,22上の構造体７,24の上側面41を他方のガラス基板22,３上の画素電極６あるいは対向電極25のいずれかに当接させた状態で、これらガラス基板３,22を張り合わせて偏光分離素子基板とする。
【００７８】
この後、上記第１の実施の形態と同様に、ガラス基板３,22間の構造体７,24間に液晶材料34を充填して液晶表示装置１とする。この状態で、この液晶表示装置１の画素電極６と対向電極25との間に、例えば５Ｖの電圧を印加することによって、この液晶表示装置１が良好な変更分離機能を示す。
【００７９】
この結果、この液晶表示装置１のアレイ基板２および対向基板21のガラス基板３,22それぞれの内側面４,23上の構造体７,24を、隣り合って位置する構造体７,24同士が鏡面対称性および１８０度回転対称性を有する横断面等角二等辺台形状に形成したことにより、これら構造体７,24の斜面11,12と底面８との間の内角θ１,θ２のそれぞれが９０度より小さくなるので、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００８０】
さらに、これら構造体７,24を断面等角二等辺台形状に形成したことにより、これら構造体７,24それぞれの上側面41を、これら構造体７,24に対向して位置するガラス基板３,22の内側面４,23上の画素電極６あるいは対向電極25の表面に当接させた状態で、これらガラス基板３,22同士を貼り合わせることができる。したがって、これら構造体７,24の上側面41とガラス基板３,22との接触が線接触ではなく面接触となるので、これら構造体７,24の上側面41とガラス基板３,22との接触をより確実にできる。このため、これらガラス基板３,22の内側面４,23の間の構造体７,24間に形成される屈折媒体領域32の歪みを少なくできる。
【００８１】
なお、上記各実施の形態の液晶表示装置１のアレイ基板２および対向基板21それぞれのガラス基板３,22の内側面４,23上に積層されている画素電極６および対向電極25としては、少なくともガラス基板３,22の内側面４,23のうちの複屈折媒体領域32に接する位置のみに形成すれば良く、これら画素電極６および対向電極25のそれぞれをガラス基板３,22の内側面４,23全面に形成しても良い。
【００８２】
また、これら画素電極６および対向電極25を構成する電極材料としては、電気信号が効果的に伝わる材料であれば、透明あるいは不透明に関わらず用いることができるが、液晶表示装置１として光を有効に利用する観点から、ＩＴＯまたはＩＺＯなどの透明電極材料を用いることが好ましい。
【００８３】
さらに、この液晶表示装置１のガラス基板３,22の内側面４,23の間に形成した構造体７,24としては、生産性や偏光分離素子の構造の点から、横断面二等辺三角形状や横断面等角二等辺台形状が好ましいが、これら構造体７,24の底面８と斜面11,12との間の内角θ１,θ２のそれぞれが９０度より小さければ、それら以外の横断面形状であっても良い。
【００８４】
具体的に、これら構造体７,24としては、アレイ基板２側に形成された構造体７の横断面形状が、対向基板21側に形成された構造体24の横断面形状を、基板法線方向ｎを中心として基準とした線対称な形状でなくても、これらガラス基板３,22の内側面４,23に対し略鏡面対称性を有する形状であれば良い。
【００８５】
さらに、これらガラス基板３,22の内側面４,23の間であって構造体７,24の間の複屈折媒体領域32に充填される液晶材料34としては、これらガラス基板３,22の外側からの外部信号で複屈折が変化する材料を用いることが好ましいことから、例えば光の強度に依存して屈折率が変化する非線形の屈折率現象である光カー効果(optical Kerr effect)を有する液体などを使用することも可能であるが、この光カー効果を有する液体は、駆動電圧が数十キロボルト〔ｋＶ〕と高く、十分な偏光選択機能を付加するために屈折率異方性Δｎ≧０．２の条件を満足させる必要があるので、材料選択の範囲が狭い。
【００８６】
ここで、光カー効果とは、電気光学効果の一種で、透明で等方的な媒質の屈折率が光電場の２乗に比例して異方性を有する効果をいい、分子論的に、光の電場と分子の誘起双極子あるいは永久双極子との相互作用によって、電子雲の歪みや分子の配向が起こることに起因するものである。
【００８７】
したがって、複屈折媒体領域32に充填される液晶材料34としては、生産性および実用性の点から、駆動電圧が数十ボルト〔Ｖ〕と低く、屈折率異方性が大きい材料設計が可能なものを用いることが好ましい。
【００８８】
また、これら複屈折媒体領域32に印加される信号としては、電気以外の光、磁気、圧力、温度あるいは振動などの、これら複屈折媒体領域32の屈折率異方性を任意に制御できる手法を用いることもできる。特に、電気信号は、これら複屈折媒体領域32に充填される液晶材料34や、その他の複屈折性を制御可能な媒体などの信号源として有効である。
【００８９】
このとき、この複媒体領域32に印加される電気信号としては、均一な電圧や、効果的にシミュレーションされた変異電圧などとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の光学装置の第１の実施の形態の一部を示す断面図である。
【図２】同上光学装置の第１基板を示す断面図である。
【図３】本発明の光学装置の第２の実施の形態の一部を示す断面図である。
【図４】同上光学装置の第１基板を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１    光学装置としての液晶表示装置
３    第１基板としてのガラス基板
４    一主面としての内側面
６    第１電極としての画素電極
７,24    構造体
11,12    境界面としての斜面
22    第２基板としてのガラス基板
23    一主面としての内側面
25    第２電極としての対向電極
31    第１領域としての複屈折領域
32    第２領域としての複屈折媒体領域
33    光変調子としての液晶素子
34    媒体としての液晶材料
Ｗ    並ぶ方向としての横方向
ｎ    法線方向としての基板法線方向
Ｃ    光軸方向としての光軸方位
【図１】
2007256774.tif 000003
【図２】
2007256774.tif 000004
【図３】
2007256774.tif 000005
【図４】
2007256774.tif 000006