(57)【要約】【課題】より性能の良い一次元の微細光学構造を内在し、必要に応じ特性を電気的に制御可能な液晶光学素子を提供する。【解決手段】２枚の透明基板間に液晶を挟持する液晶光学素子において、この２枚の透明基板の少なくとも一方の透明基板に、液晶分子の配向軸方向と一次元の構造変化の方向とが、直交する形状に設定された微細光学構造を備える構成とすることで、配向処理による回折素子構造の損傷を少なくすることができる。このように構成することにより、最大回折効率を高くしたり、共振現象の少ない光学素子とすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の透明基板間に液晶を挟持する液晶光学素子において、
前記２枚の透明基板の少なくとも一方の透明基板に、液晶分子の配向軸方向と、一次元の光学構造が変化する方向とを直交させた微細光学構造を備える
ことを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
前記微細光学構造は、一次元のマルチレベルバイナリー型回折格子であり、
前記液晶分子の配向軸方向と格子ベクトルの方向とを直交させることで、前記一次元の光学構造の変化する方向を設定した
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項３】
前記微細光学構造は、一次元のモスアイ構造である
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記液晶は、平行配向型の液晶である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細光学素子の技術、特には微細光学素子の光学特性を必要に応じて電気的に制御する液晶光学素子に関する。また、特には一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子においてその回折特性を電気的に制御する液晶光学素子に関する。また、可視光域で波長程度以下の一次元の微細光学構造を備えた液晶光学素子に属する。
【背景技術】
【０００２】
曲率半径のみで規定される緩やかな構造変化をもつ球面光学素子から、より複雑な構造を持つ非球面光学素子、更には回折光学素子のような微細な光学構造を持つ素子の実用化により、光学システムは簡素化や高機能化がなされてきた。近年では、液晶光学素子に代表される光学特性を電気的に制御できる素子も実用化され、ＤＶＤ装置等の光ピックアップの高機能化に貢献している。
【０００３】
そして最近では、微細光学構造としてブレーズド格子を階段近似した複雑な構造を持つマルチレベルバイナリー型回折格子やモスアイ構造も実用化された。また、それら微細光学構造を内在させた液晶光学素子も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この液晶光学素子は、ガラス基板の液晶層側に一次元のモスアイ構造を構成し、無反射の機能を持たせているので、素子に入射する入射光がレーザー光のような干渉性の高い光であっても、素子の内部反射による光の共振現象を生じないようにすることができる。
【特許文献１】国際公開２００４／０８６３８９号パンフレット（第７頁、第２−４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、マルチレベルバイナリー型回折素子の場合、その特性は形状に対して敏感で階段状のエッジが少しでも崩れてしまうと、その機能は著しく低下してしまう。モスアイ構造も同様でエッジ形状が少しでも崩れてしまうと、その機能は低下する。ここで、特許文献１に示した微細光学構造としてモスアイ構造を取り込んだ液晶光学素子において、液晶を配向する過程において配向処理を施さなくてはならない。この配向処理として最も実用的な方法は、有機配向膜をラビング配向処理する方法であり、これは配向軸を作りたい方向に配向膜を繊維で擦って行う。この様な手法で配向処理を行うと、特に微細光学構造における配向軸方向に微細な損傷を与えやすい。このラビング配向処理に代わる手段として知られている光配向処理や蒸着配向処理においても、程度の差こそあれ同様の現象が生じる。したがって、上記配向処理の過程で、微細光学構造が特には配向方向に損傷を受ける可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は上記問題点を解決し、回折特性を電気的に制御できるマルチレベルバイナリー型回折素子を内在した液晶素子や微細光学構造を内在し、構造劣化が少ない、ひいては性能劣化の少ない液晶光学素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の液晶光学素子は、基本的には下記記載の内容を採用するものである。
【０００７】
本発明による液晶光学素子は、２枚の透明基板間に液晶を挟持する液晶光学素子において、この２枚の透明基板の少なくとも一方の透明基板に、液晶分子の配向軸方向と、一次元の光学構造が変化する方向とを直交させた微細光学構造を備えることを特徴とするもの
である。
【０００８】
また、本発明の液晶光学素子は、上記微細光学構造が、一次元のマルチレベルバイナリー型回折格子であり、液晶分子の配向軸方向と格子ベクトルの方向とを直交させることで、上記一次元の光学構造の変化する方向を設定したことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の液晶光学素子は、上記微細光学構造が、一次元のモスアイ構造でることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の液晶光学素子は、上記液晶が、平行配向型の液晶であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明におけるマルチレベルバイナリー型回折素子の構造を内在する液晶光学素子は、マルチレベルバイナリー型回折素子の回折特性を電気的に制御可能で、更に、配向処理による回折素子構造の損傷を少なくし、最大回折効率を高くすることができる。
【００１２】
また、本発明における波長程度以下の一次元微細光学構造（モスアイ構造）を内在する液晶光学素子において、配向処理による微細光学構造の損傷を少なくし、共振現象の少ない光学素子とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明における液晶光学素子は、素子を構成する少なくとも一方の透明基板に一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子または一次元のモスアイ構造の微細光学構造を備え、その微細光学構造における一次元の構造変化の方向と、液晶分子の配向軸方向を直交した構成としている。また、この一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子は、この素子に入射する入射光の波長程度以下の一次元の微細光学構造を内在する形態とし、微細光学構造の構造変化方向と液晶分子の配向軸方向を直交させている。モスアイ構造についても同様である。以下に、本発明における液晶光学素子の具体的な構成について説明をする。
【実施例１】
【００１４】
図１に、本発明における一次元の微細光学構造に相当するマルチレベルバイナリー型回折素子の構造を内在した液晶光学素子の断面構造を示す。
【００１５】
図１に示す様に、本発明の液晶光学素子１００ａは、透明基板１０１ａに、微細光学構造からなるマルチレベルバイナリー型回折素子１０２の構造が付加され、更に、回折素子の表面に、透明電極１０３ａ及びポリイミドからなる配向膜１０４ａを有して構成されている。ここで、マルチレベルバイナリー型回折素子１０２は、後に述べる一次元の構造を持ち、その格子ベクトルの方向はＹ軸方向で、一段あたりの高さをｄとした４段の階段構造を持つとする。また、回折素子表面に設けた配向膜１０４ａの配向軸１０５はＸ軸方向であり、マルチレベルバイナリー型回折格子１０２における格子ベクトルの方向と直交となる様に設定されている。この格子ベクトルの方向とは、本発明における一次元の光学構造が変化する方向（本図のＹ軸方向）に相当する。
【００１６】
また、このマルチレベルバイナリー型回折素子１０２が形成された透明基板１０１ａと対向する透明基板１０１ｂ表面には、透明電極１０３ｂ、配向膜１０４ｂが形成されている。この透明電極１０３ｂは全面ベタ電極であって、配向膜１０４ｂは配向膜１０４ａと平行となる様に、ラビング配向処理がされた、ポリイミドにより形成された有機配向膜である。この様に配向膜１０４ａ、１０４ｂを平行配向の形態とすることにより、電圧を与える前後で、入射光１０６の入射直線偏光の方位が変わらずに素子から出射するため、本
発明の液晶光学素子１００ａによって、純粋な位相変調を実現することができる。
【００１７】
また、本図面では、４段の階段構造を持つマルチレベルバイナリー型回折格子１０２毎に、透明電極１０３ａが複数個に分割して形成された例を示しており、これら各透明電極１０３ａに個別に給電が行えるようになっている。
【００１８】
この様な構成とすることで、透明電極１０３ａへ給電する領域と、給電しない領域とを任意に形成することができ、透明基板１０１ａ、１０１ｂ間に挟持された液晶層１１２に含まれる液晶分子を、本図紙面と垂直方向を向いた液晶分子１０７ａと、水平方向に向いた液晶分子１０７ｂの姿勢とすることができる。
【００１９】
次に、この液晶光学素子１００ａの構成要素の一つである一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子１０２の構造と特徴を記述する。図２は、マルチレベルバイナリー型回折素子１０２のＹ軸断面構造を表した図で、Ｘ軸方向には構造変化のない一次元回折格子を示している。
【００２０】
図２に示す様に、マルチレベルバイナリー型回折素子１０２は、先に示した様に、高さ方向であるＺ軸方向に階段状の構造を持っている。ここでは、４段の場合を表している。この４段を一組とする階段構造が、Ｙ軸方向にピッチＰの周期で繰り返す回折格子となり、これが光学構造が変化する方向となり、このときのＹ軸方向を格子ベクトルの方向と定義する。
【００２１】
図２において、階段高さ１０８はｄで一定である。このとき、マルチレベルバイナリー型回折素子１０２を構成する媒質の屈折率をｎとすれば、階段一段あたりの媒質部分の光路長はｎ×ｄである。一方で、空気の屈折率を１とすれば、階段一段あたりの空気部分での光路長はｄであるから、両者の光路長差は（ｎ−１）×ｄとなり、階段状の光路長分布を持つことがわかる。
【００２２】
また、階段構造は４段からなるため、最大の光路長差は４×（ｎ−１）×ｄで表される。このとき段数が十分多ければ、階段構造は滑らかに直線的に変化する三角プリズム形状になることがわかる。これは、特定波長に対して理論上１００％の回折効率を実現できるブレーズド格子となる。
【００２３】
ここで、図２に示されるマルチレベルバイナリー型回折素子１０２に、波長λ１の入射光１０６が垂直に入射したとする。このときｍを任意の自然数として下記に示す（１）式の関係を満たせば、理論上は１００％の一次回折光１０９を得ることができる。（１）式において、記号｜｜は絶対値を表す。このときの一次回折光１０９の回折角θは、先の周期Ｐを用いて（２）式で表される。
【００２４】
ｍ×λ１  ＝４×｜（ｎ−１）｜×ｄ  ・・・（１）
Ｐ×sin(θ)＝λ１  ・・・（２）
【００２５】
ここで、図２で示すマルチレベルバイナリー型回折素子１０２に、波長λ２の入射光１０６が垂直に入射したとする。このとき、Ｌを任意の自然数として（３）式に示すように、階段一段あたりの空気との光路長差が波長λ２と同じか、もしくはその整数倍なら、その光に対しては階段構造がないことと同じとみなすことができる。なぜなら、光は波長を周期として繰り返す波であるからである。したがって、このときの入射光１０６は、液晶光学素子１００ａをそのまま透過し、０次光１１０となる。
【００２６】
Ｌ×λ２＝｜（ｎ−１）｜×ｄ  ・・・（３）
【００２７】
このように、バイナリー型回折素子１０２では、特定の波長λ１に対して１００％機能し、別の特定の波長λ２に対しては全く機能しない光学特性を実現することができる。
【００２８】
次に、本発明の液晶光学素子１００ａの構造と作用について図３を用いて簡単に説明する。図３（ａ）に、図１に示した方向から９０°回転させた方向から見た液晶光学素子１００ａにおける液晶分子の挙動を示し、図３（ｂ）に、図１と同じ方向から見たときの液晶分子の様子を示した。
【００２９】
図３（ａ）（ｂ）に示す様に、一対の透明基板１０１ａ、１０１ｂには透明電極１０３ａ、１０３ｂが形成され、一方の透明基板１０１ａに形成された透明電極１０３ａは、本図では上下に電気的に二分割されている。また、透明電極１０３ａ上には更に配向膜１０４ａが塗布され、その配向軸１０５はＸ軸方向となる様に設定されているとする。
【００３０】
図３（ａ）（ｂ）において、図中の上側の領域において透明電極１０３ａ、１０３ｂに挟まれた液晶層１１２には、電位差が与えられていないとする。このとき、ラグビーボール形状をした液晶分子１０７ａは、配向膜１０４ａの近辺でその分子長軸１１１を配向軸１０５の方向にそろえる。従って、連続体として振る舞う液晶分子１０７ａの集団は、分子長軸１１１をＸ軸方向にほぼ平行に揃えた液晶層１１２を形成する。ここで、図３（ａ）に示す液晶分子１０７ａが、Ｘ軸（配向軸１０５）に対し若干傾いているのは、プレチルト角が設定されているからであって、その角度は数度程度である。この領域において、Ｘ軸方向の直線偏光成分を有する入射光１０６は、およそ分子長軸１１１の屈折率ｎｅを見ながら液晶層１１２を伝搬する。
【００３１】
これに対し、両図面の下側の領域において透明電極１０３ａ、１０３ｂに挟まれた液晶層１１２に十分に高い電圧が掛けられると、液晶分子１０７ｂは、分子長軸１１１を電界の方向であるＺ軸方向にそろえて静止する。このとき入射光１０６は、およそ分子短軸１１３の屈折率ｎｏを見ながら伝搬する。そして、透明電極１０３ａ、１０３ｂに掛ける電圧を調整することで、液晶分子１０７ｂの傾きを調整することが可能で、この電圧により液晶層１１２の入射光１０６に対する屈折率を、およそｎｅからｎｏまで連続に変化させることができる。
【００３２】
したがって、透明基板１０１ａの表面に形成した透明電極１０３ａの形状に応じた屈折率分布を与えることが可能で、屈折率分布の深さを電圧で制御することができる。また、ここで入射光１０６の偏光方向は、配向軸１０５の方向、正確には電圧を加える前の分子長軸１１１の方向と同じにする、本図ではＸ軸方向とする必要がある。これは、Ｘ軸方向の直線偏光に対しては液晶分子１０７ｂの傾きに関係なく、分子短軸１１３の屈折率ｎｏを見ながら伝搬するからである。
【００３３】
この現象は、空気層を液晶層１１２に置き換えたことと同じである。従って、マルチレベルバイナリー型回折素子１０２を構成する媒質の屈折率をｎとすれば、前述した（１）（３）式において、空気の屈折率１の代わりに、ｎｅからｎｏまでの任意の屈折率を電気的に選択でき、設計波長を電気的に変えることができることが判る。
【００３４】
一例として代表的な値であるｎが１．５、ｎｅが１．７、ｎｏが１．５、そしてｄが２ミクロンとすると、液晶光学素子１００ａに電圧を与えないときは、（３）式よりＬが１の場合として４００nmの波長は素通りし、（１）式よりｍが２の場合として、８００ｎｍの波長に対してほぼ１００％の一次回折光を得ることができる。
【００３５】
また、液晶光学素子１００ａに電圧を与え、入射光１０６に対する液晶分子１０７ａ、
１０７ｂの実効屈折率を１．６にすれば、同様に２００ｎｍの波長を持つ光は素通りし、４００ｎｍの波長を持つ光に対してはほぼ１００％の一次回折光を得ることができる。
【００３６】
正確には、透明電極１０３ａ、１０３ｂや配向膜１０４ａ、１０４ｂの屈折率と厚みを考慮しなければならないが、それらの厚みは２００nm程度以下のため、ここでは無視した。
【００３７】
また、先に記述したように、マルチレベルバイナリー型回折素子１０２では、ブレーズド形状すなわち三角プリズム形状のスロープ（図２では破線で表示）を階段近似している。このときに得られる理論上の最大回折効率は、図２に示す４段の場合は約８２％、８段の場合は約９５％であることが知られている。
【００３８】
ここで、本発明の効果の一例として、ピッチ１０ミクロン、段差dが０．２８５ミクロン、段数が８段のマルチレベルバイナリー型回折素子１０２を内在した液晶光学素子１００ａの最大回折効率を測定した。この測定では、波長６５０nmのレーザー光を液晶光学素子１００ａに垂直に入射し、入射光強度に対する一次回折光強度を測定し割合を求めた。光強度の測定にあたっては、市販のレーザーパワーメーターを用いた。その結果、本発明の液晶光学素子１００ａでは、設計波長に対する一次回折光は８２％の値が得られ、理論最大効率の９５％に比較的近い値となったが、この配向方向と直交する方向に配向処理を施した従来の液晶光学素子では、６０％程の一次回折光しか得られなかった。
【００３９】
この様にして、本発明の液晶光学素子１００ａを、配向膜１０４ａにおける配向軸１０５がマルチレベルバイナリー型回折素子１０２の格子ベクトルの方向と直交となる様に設定すれば、ラビング配向処理だけでなく、光配向処理や蒸着配向処理等による配向処理において、マルチレベルバイナリー型回折格子１０２の段差構造を損傷し難くし、従来のものよりも最大回折効率を飛躍的に向上することが確認できた。
【００４０】
なお、上記説明では、配向膜１０４ａ、１０４ｂを平行に配向した液晶光学素子１００ａの形態を示したが、配向膜１０４ａにおける配向軸１０５の方向と、一次元の構造変化の方向とを直交する方向とする条件さえ満たせば、配向膜１０４ｂの配向方向を変えて、ツイスト配向型またはハイブリッド配向型の光学素子形態としても、本発明と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
また、上記説明では、透明基板１０１ａのみにマルチレベルバイナリー型回折素子１０２を配した例を示しているが、これを必要に応じて、透明基板１０１ａ、１０１ｂの両方の表面にそれぞれ設けても構わない。この様に、両方の透明基板１０１ａ、１０１ｂ表面に、同じ格子で同じピッチのマルチレベルバイナリー型回折素子１０２を設けることで、各格子に刻む深さを半分にでき、素子の製造が容易となる。また、両基板に異なる回折格子を設ける場合は、一つの素子で２種類の回折機能を持たせることができる。
【実施例２】
【００４２】
次に、本発明の液晶光学素子の他の構成例について図４を用いて説明する。図４では、可視光の波長程度以下の微細光学構造（モスアイ構造）を内在した液晶光学素子の断面構造を示している。
【００４３】
図４に示す様に、本実施例に示す液晶光学素子１００ｂは、透明基板１０１ａにモスアイ構造１１４が付加され、更にそのモスアイ構造１１４の表面に、透明電極１０３ａ及び配向膜１０４ａが形成されている。ここでモスアイ構造１１４は、後に説明する図５に示す一次元のモスアイ構造１１４となっている。このモスアイ構造１１４の光学構造が変化する方向は、図中のＹ軸方向である。
【００４４】
また、このモスアイ構造１１４のピッチＰは、４００ｎｍ程度より小さくなる様に設定されているので、４００ｎｍ以上の可視光を含む波長の入射光に対して無反射特性を示すことができ、液晶光学素子１００ｂの内部反射による光の共振現象が生じない。したがって、液晶分子１０７aの傾きが駆動により変化しても、透過率変動の少ない液晶光学素子１００ｂを実現することができる。
【００４５】
ここで、本発明においてモスアイ構造１１４側に塗布される配向膜１０４ａの配向軸１０５は実施例１と同様にＸ軸方向であり、モスアイ構造１１４の構造が変化しない方向に設定されている。また、これと対向して設けられる配向膜１０４ｂは、配向膜１０４ａの配向軸１０５の方向と平行配向処理がされた有機配向膜である。したがって、本実施例における構成も実施例１と同様に、配向処理によるモスアイ構造１１４への損傷がおこりに難く、結果として共振現象の少ない液晶光学素子１００ｂを実現することができる。
【００４６】
次に、本実施例に適用したモスアイ構造１１４の作用について説明する。図５は、本発明の構成要素であるモスアイ構造１１４のＹ軸断面図を表した図で、Ｘ軸方向には構造変化のない一次元回折格子を示している。
【００４７】
図５から判る様に、モスアイ構造１１４の断面は、ピッチＰで繰り返す二等辺三角形の構造となっており、図中のＹ軸方向のグレーティングベクトルを持つ。このピッチＰが入射光１０６の波長λよりも小さいとする。このときの一次光の回折角も、実施例１で示した（２）式で計算することができるが、ｓｉｎ（θ）が１以上となってしまい実数解が存在しない。これは、一次回折光以上の回折光が存在せず、そのまま透過する０次光１１０のみになるからである。この０次光１１０のことを特に０次回折光という。
【００４８】
この０次光１１０はエバネセント波を伴い、特異な振る舞いをすることが知られ、たとえば図５の場合は、入射光１０６が無反射で入射側の境界を透過することとなる。これは、定性的には波長程度以下の光学構造に対し光は不感であり、平均的にその構造を関知するからである。
【００４９】
ここで、モスアイ構造１１４を構成する媒質の屈折率を１より大きいｎとし、このモスアイ構造１１４が空気中に置かれているとする。このとき、入射光１０６は空気中を進み、透明基板１０１ａに入射する。そして、一次元のモスアイ構造１１４の境界である二等辺三角形の底辺部分（図５では破線表示）に達すると、入射光１０６の見る屈折率はｎとなる。入射光１０６がこの底辺部分を越えて進むにつれ、平均的に感じる屈折率が減少する。それは、屈折率ｎを持つ領域の割合が徐々に減少するためであり、入射光１０６が頂点１１６を越えたときには、入射光１０６の見る屈折率は１となる。従って、入射光１０６の見る屈折率は、ｎから１まで連続的に徐々に変化するため屈折率の不連続がなくなり、無反射で入射光１０６は伝搬して、０次光１１０を出射する。
【００５０】
なお、入射光１０６がモスアイ構造１１４の頂点１１６側から入射した場合は、透明基板１０１ａを通過後は屈折率が１からｎまで連続的に徐々に変化する。
【００５１】
また、両面無反射コートとする必要がある場合には、透明基板１０１ａ、１０１ｂの両面にモスアイ構造１１４を形成すればよい。
【００５２】
また、本実施例で示した形態においても、実施例１と同様に、平行配向型だけでなく、ツイスト配向型またはハイブリッド配向型の光学素子形態としても、本発明と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、実施例１及び実施例２で示した液晶光学素子１００ａ、１００ｂに入射する、直線偏光である入射光１０６の偏光方位は、光学構造が変化しない方向に限られる。すなわち、この方向が液晶分子の長軸方向となり、電気的に実効屈折率を可変にできるからである。しかし、特に微細な光学構造の場合には、偏光の方位により光学特性が著しく変わることが知られている。よって、入射直線偏光の方位を微細光学構造が変化する方位にしたければ、液晶分子の短軸が配向方向に揃う性質を持つ液晶物質を用いれば良い。
【００５４】
また、正確には配向膜界面近傍の液晶分子は、強いアンカリングフォースで界面に束縛され電圧を与えても全く動かない。しかし、一般に全く動かない領域は１０ｎｍ程度以下の厚みであり、実験的にもほぼ無視できる結果が得られているので、ここでは無視した。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の液晶光学素子の構成例を示す断面図である。（実施例１）
【図２】本発明の構成要素である一次元のマルチレベルバイナリー型回折素子の構造および作用を示した図である。（実施例１）
【図３】本発明の液晶光学素子の動作を示した図である。（実施例１）
【図４】本発明の液晶光学素子の他の構成例を示す断面図である。（実施例２）
【図５】本発明の構成要素である一次元微細光学構造の一つである一次元のモスアイ構造および作用を示した図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００５６】
１００ａ、１００ｂ  液晶光学素子
１０１ａ、１０１ｂ  透明基板
１０２  マルチレベルバイナリー型回折素子
１０３ａ、１０３ｂ  透明電極
１０４ａ、１０４ｂ  配向膜
１０５  配向軸
１０６  入射光
１０７ａ、１０７ｂ  液晶分子
１０８  階段高さ
１０９  一次回折光
１１０  ０次光
１１１  分子長軸
１１２  液晶層
１１３  分子短軸
１１４  モスアイ構造
１１６  頂点
【図１】
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【図２】
2009098163.tif 000004
【図３】
2009098163.tif 000005
【図４】
2009098163.tif 000006
【図５】
2009098163.tif 000007