(57)【要約】【課題】大きな有効径や大きな光偏向パワーを達成するとともに、配向異常の発生を抑えて所望の光学特性を得ることができる液晶光学素子を提供する。【解決手段】液晶光学素子１ａは、透明基板２、３で液晶層４を挟持して構成されている。透明基板３には、光学素子として機能する突起構造として傾斜面および垂直面からなる微細構造５が形成されている。透明基板２及び３の液晶層４に接する面には、液晶を駆動するための透明電極がスパッタ等の方法で形成され、液晶が所定のプレチルト角をもつように矢印Ａで示す方向に配向処理が施されている。ここで液晶は、誘電率異方性Δεが正となるポジ型液晶である。また、突起構造の垂直面の近傍で、電圧を印加しない状態における液晶分子の長軸方向と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向とのなす角度が、９０度を超えないように、液晶の配向処理がなされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が形成された第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板で挟持された正の誘電異方性を持つ液晶とを備え、
前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、該透明基板の表面に対して傾斜した傾斜面と該透明基板の表面に対して略垂直の垂直面とからなる突起構造を有し、該突起構造の表面上に前記電極が形成された液晶光学素子において、
前記第１及び第２の透明基板の垂直方向と前記液晶の配向方向とを含む平面内の、前記垂直面の近傍で、前記各電極に電圧を印加しない状態における液晶分子の長軸方向と前記各電極に電圧を印加した際に前記液晶に形成される電気力線とのなす角度が、９０度を超えない
ことを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
電極が形成された第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板で挟持された負の誘電異方性を持つ液晶とを備え、
前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、該透明基板の表面に対して傾斜した傾斜面と該透明基板の表面に対して略垂直の垂直面とからなる突起構造を有し、該突起構造の表面上に前記電極が形成された液晶光学素子において、
前記第１及び第２の透明基板の垂直方向と前記液晶の配向方向とを含む平面内の、前記垂直面の近傍で、前記各電極に電圧を印加しない状態における液晶分子の短軸方向と前記各電極に電圧を印加した際に前記液晶に形成される電気力線とのなす角度が、９０度を超えない
ことを特徴とする液晶光学素子。
【請求項３】
前記突起構造として、フレネルレンズ形状が形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記突起構造として、マイクロプリズム形状が形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液晶を用いた光学特性可変な液晶光学素子に関し、特に、液晶に接する界面にフレネルレンズやマイクロプリズムに代表される微細な透明構造体を設け、液晶駆動電圧を変更することにより、焦点距離や偏向角度に代表される光学特性を変更する液晶光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロプリズム、フレネルレンズ、マイクロレンズアレイ等の平面型で、薄型の光学素子が存在するが、光学特性は固定である。
一方で、液晶を挟む基板に２次元パターンを持った透明電極を形成し、液晶に印加する電圧を平面方向に分布を持たせ、レンズやプリズム等の光学特性を持たせ、駆動電圧を可変とすることにより、光学特性を可変とした液晶光学素子が提案されている。例えば、特許文献１には、複数の輪帯電極を用い、液晶に印加する電圧の面内分布を変化させて、屈折率分布を形成し、レンズパワーを得る液晶光学素子が提案されている。
【０００３】
また、マイクロプリズム、フレネルレンズ、マイクロレンズアレイ等の微細構造を液晶に接する面に形成し、光偏向パワーが大きい液晶光学素子が特許文献２、及び特許文献３に提案されている。これらの手法は、基本的に回折光学素子であるが、多値化の工夫がなされており、大口径で大パワーの可変光学素子を実現することができる。例えば、眼鏡に用いれば、累進屈折力レンズ等、平面内で屈折力を変える必要がなくなり、１つのレンズで近視から老眼まで調整可能なレンズが実現できる。また、視力の変化にも柔軟に対応できる。さらに、カメラレンズに用いれば、オートフォーカスからズームまで可動部無しに実現することができる。
【０００４】
【特許文献１】特許第３０４７０８２号公報（第３−４頁、図１−３）
【特許文献２】特開２００６−４８８１８号公報（第６−７頁、図１−２）
【特許文献３】特開２００２−３５７８０４号公報（第１０−１１頁、図９−１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した従来の液晶光学素子では、次のような問題がある。
上記特許文献１に開示される構成の場合、光学素子として光を偏向するパワーが弱く、レンズの場合、小さな開口数（ＮＡ）しか実現できず、例えば、必要な焦点距離を達成するためには、小さな口径のレンズしか実現できず、応用範囲が狭かった。
【０００６】
一方で、上記特許文献２、及び特許文献３に開示される構成では、光学素子としての偏向パワーと大口径化を両立させることが可能である。しかし、基板に形成された微細構造上の液晶に接する面に、液晶を駆動するための電極を設けた場合、電極は微細構造にならい立体的な構造を持つため、垂直面で、本来所望の上下電極方向の縦電界以外に、それに垂直な横電界が生じ、液晶のディスクリネーション等の配向異常が発生する。
【０００７】
ここで、透明基板に形成された微細構造による、液晶のディスクリネーションの発生について、図８〜１１を用いて説明する。まず、図８及び図９を用いて、ポジ型液晶について説明する。ポジ型液晶は、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖から短軸方向の比誘電率ε⊥を引いた誘電率異方性Δεが正となる液晶である。
図８は、傾斜面９ａおよび垂直面９ｂからなる微細構造９の、垂直面９ｂの近傍の拡大図であり、電圧分布および液晶の配向状態のシミュレーション結果である。図８は、傾斜
面９ａを透明基板２、３に対して微視的に略平行な面とみなして表している。図８に示す例は、液晶をホモジニアス配向させたものである。
【０００８】
図８（ａ）は液晶に電圧を印加していない状態を示す。図８（ｂ）は、透明基板２、３にそれぞれ形成された透明電極７の間に電圧を印加した状態を示す。図８（ｂ）において、上下の透明基板２、３の形状に倣うように屈曲する曲線は、等電位面２１を示しており、実線の矢印は液晶層４に形成される電気力線を示している。
【０００９】
図８に示すシミュレーションおいては、微細構造９の垂直面９ｂの高さ（サグ量）は８μｍとし、液晶層４の厚みは、薄いところで１２μｍ、厚いところで２０μｍとした。また２つの透明電極７の間に印加する電圧は５Ｖとした。前述したように、液晶は正の誘電率異方性Δεを有しており、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖を７．０とし、短軸方向の誘電率ε⊥を３．５とした。
【００１０】
図８（ａ）に示すように、各透明電極７に電圧が印加されない状態では、液晶分子２２は、配向処理により一様に並んでいる。ここで、透明基板３と平行な方向を０度とし、図８の反時計回りを正の向きとしたとき、図８（ａ）に示す例においては、液晶分子２２の長軸方向の角度（プレチルト角）が−３度となるように、配向処理がなされているとする。
【００１１】
図８（ｂ）に示すように、各透明電極７の間に電圧が印加された状態では、透明基板２、３に平行に等電位面２１が形成され、それに直交する電気力線が発生する。正の誘電率異方性Δεを持つ液晶分子の場合、電気力線に沿うような力が働き、液晶分子の長軸が電気力線に沿うように向きを変える。
また、各透明電極７の間に電圧が印加された状態では、微細構造９の傾斜面９ａに形成された透明電極７の近傍で縦方向の電界（縦電界）が形成され、微細構造９の垂直面９ｂに形成された透明電極７の近傍で横方向の電界（横電界）が形成される。よって、図８（ｂ）の等電位面２１に示すように、垂直面９ｂの近傍においては、液晶層４に形成される電界の分布が一様でない。
【００１２】
図９は、垂直面９ｂの近傍の、電圧を印加しない状態における液晶分子２２の長軸方向と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向とを示す説明図である。電圧を印加しない状態における液晶分子２２の長軸方向を符号Ｄ１で示す。また、傾斜面９ａに形成された透明電極７により形成される縦電界の電気力線の方向をＥ１で示す。さらに、垂直面９ｂに形成された透明電極７により形成される横電界の電気力線の方向をＥ２で示す。
【００１３】
図８及び図９に示す例では、図９の符号θ１に示すように、電圧を印加しない状態における液晶分子２２の長軸方向Ｄ１と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向（Ｅ１〜Ｅ２の方向）とのなす角度が、９０度を超える。このような構成では、図８（ｂ）の符号Ｒに示すように、垂直面９ｂの近傍で液晶分子２２の配向状態の連続性が崩れ、ディスクリネーションが生じてしまう。これを光学的に考えると、屈折率の変化が液晶の常光線屈折率ｎｏから異常光線屈折率ｎｅまで、すなわち、液晶の最大の屈折率変化が局所的に発生することになり、光学的特性に重大な欠陥となる。
【００１４】
次に、図１０及び図１１を用いて、誘電率異方性Δεが負であるネガ型液晶につい説明する。ネガ型液晶は、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖から長軸と直角方向の比誘電率ε⊥を引いた誘電率異方性Δεが負となる液晶である。図１０は図８と同様に、微細構造９の垂直面９ｂの近傍の拡大図であり、電圧分布およびネガ型液晶の配向状態のシミュレーション結果である。図１０に示す例は、液晶はホメオトロピック配向させたものであり
、微細構造９の形状等は、図８に示す例と同じである。また、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖は３．５とし、短軸方向の誘電率ε⊥は７．０とした。
【００１５】
図１０（ａ）に示すように、各透明電極７に電圧が印加されない状態では、液晶分子２３は、配向処理により一様に並んでいる。ここで、透明基板３と平行な方向を０度とし、図８の反時計回りを正の向きとしたとき、図１０（ａ）に示す例においては、液晶分子２２の長軸方向の角度（プレチルト角）が８７度となるように、配向処理がなされているとする。
【００１６】
図１０（ｂ）に示すように、各透明電極７の間に電圧が印加された状態では、透明基板２、３に平行に等電位面２１が形成され、それに直交する電気力線が発生する。負の誘電率異方性Δεを持つ液晶分子２３の場合、液晶分子２３の短軸が電気力線の沿うように、その向きを変える。
【００１７】
図１１は、垂直面９ｂの近傍の、電圧を印加しない状態における液晶分子２３の短軸方向と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向とを示す説明図である。電圧を印加しない状態における液晶分子２３の短軸方向を符号Ｄ２で示す。また、傾斜面９ａに形成された透明電極７により形成される縦電界の電気力線の方向をＥ１で示し、垂直面９ｂに形成された透明電極７により形成される横電界の電気力線の方向をＥ２で示す。
【００１８】
図１０及び図１１に示す例では、図１１の符号θ２に示すように、電圧を印加しない状態における液晶分子２３の短軸方向Ｄ２と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向（Ｅ１〜Ｅ２の方向）とのなす角度が、９０度を超える。このような構成では、図１０（ｂ）の符号Ｓに示すように、垂直面９ｂの近傍で液晶分子２３の配向状態の連続性が崩れ、ディスクリネーションが生じ、図８に示すポジ型液晶の例と同様に、光学特性が劣化してしまう。
【００１９】
図８及び図１０に示すようなディスクリネーションによる光学特性の劣化は、印加電圧を高く設定する又は、影響を見越して微細構造を設計する等の方法では、補正が不可能である。
また、図８及び図１０に示すようなディスクリネーションは、液晶分子の向きが一様となる低い電圧または高い電圧が印加された状態と比較して、中間の電圧が印加された状態で大きく発生する。すなわち、液晶に印加する電圧を連続的に変化させ、液晶光学素子の光学特性（レンズパワー、偏向角度等）を連続的に変化させる場合において、特に大きな問題となる。
【００２０】
そこで本発明は、上述した従来技術による問題点を解消し、大きな有効径や大きな光偏向パワーを達成するとともに、配向異常の発生を抑えて所望の光学特性を得ることができる液晶光学素子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】
【００２１】
上述した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構成要件を採用するものである。
【００２２】
本発明の液晶光学素子は、電極が形成された第１及び第２の透明基板と、第１及び第２の透明基板で挟持された正の誘電異方性を持つ液晶とを備え、第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、該透明基板の表面に対して傾斜した傾斜面と該透明基板の表面に対して略垂直の垂直面とからなる突起構造を有し、該突起構造の表面上に電極が形成された液晶光学素子において、第１及び第２の透明基板の垂直方向と液晶の配向方向とを含む平面
内の、垂直面の近傍で、各電極に電圧を印加しない状態における液晶分子の長軸方向と各電極に電圧を印加した際に液晶に形成される電気力線とのなす角度が、９０度を超えないことを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の液晶光学素子は、電極が形成された第１及び第２の透明基板と、第１及び第２の透明基板で挟持された負の誘電異方性を持つ液晶とを備え、第１及び第２の透明基板の少なくとも一方が、該透明基板の表面に対して傾斜した傾斜面と該透明基板の表面に対して略垂直の垂直面とからなる突起構造を有し、該突起構造の表面上に電極が形成された液晶光学素子において、第１及び第２の透明基板の垂直方向と液晶の配向方向とを含む平面内の、垂直面の近傍で、各電極に電圧を印加しない状態における液晶分子の短軸方向と各電極に電圧を印加した際に液晶に形成される電気力線とのなす角度が、９０度を超えないことを特徴とするものである。
【００２４】
さらに、本発明の液晶光学素子は、前述した構成に加えて、突起構造として、フレネルレンズ形状が形成されたことを特徴とするものである。
【００２５】
さらに、本発明の液晶光学素子は、前述した構成に加えて、突起構造として、マイクロプリズム形状が形成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の液晶光学素子では、透明基板の突起構造により液晶に形成される横電界に応じて、液晶の配向処理がなされる。これにより、液晶分子の配向状態の連続性が保たれ、ディスクリネーションの様な配向異常の発生を抑えることができる。よって、本発明の液晶光学素子では、大きな有効径や大きな光偏向パワーを達成するとともに、所望の光学特性を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる液晶光学素子の好適な実施の形態を詳細に説明する。
［実施例１：図１〜図３］
【００２８】
まず、本発明にかかる液晶光学素子の一例について説明する。図1は、本発明の実施例１の液晶光学素子１ａの構造を示す模式図である。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【００２９】
図１に示すように、実施例１の液晶光学素子１ａは、２枚の対向する透明基板２、３を有し、この透明基板２、３で液晶層４を挟持して構成されている。また、透明基板３には、光学素子として機能する突起構造として微細構造５が形成されている。
実施例１の液晶光学素子１ａに形成された微細構造５は、レンズ機能を持つ回転対称な凹面（もしくは凸面）を同心円状に分割し、分割された各レンズ面（傾斜面）を所定の高さｄの垂直面で接続したフレネルレンズ形状であり、光を集光もしくは発散させる機能を持っている。図１に示す例では、垂直面の高さｄは全て一定としているが、場所により垂直面の高さｄが異なっても構わない。
【００３０】
また、微細構造５は、液晶層４に接している面であればこの構成例に限定されず、例えば、透明基板２上、もしくは液晶層４を挟む透明基板２、３の両方に設けることも可能である。
【００３１】
透明基板２及び３の液晶層４に接する面には、液晶を駆動するための透明電極がスパッ
タ等の方法で形成され、さらに、液晶が所定のプレチルト角をもつように、図１（ａ）、（ｂ）の矢印Ｌで示す方向に配向処理が施されている。
最も一般的な配向処理としては、ポリイミド等の有機配向膜を印刷し、ラビング処理を行う方法がある。ラビング処理は、ロール状の布で配向膜を一方向に擦る手法であり、微細構造の保護の観点からは、非接触な配向処理の方が望ましい。非接触の配向処理方法としては、ＳｉＯやＳｉＯ２等の無機物を斜方から蒸着し、そのカラム構造を利用したり、微細なグレーティングを基板表面に形成する構造配向や、光配向膜を印刷し、光を照射する光配向法等があり、光学素子の種類に合わせて、適切な配向処理手法を選択すればよい。
この配向処理による液晶のプレチルト角については、後述する。
【００３２】
また、液晶層４は、上下の透明基板２、３とシール６で囲まれた領域に封入されている。液晶層４の厚さは、シール６内にマイクロボールやマイクロファイバーからなるスペーサー（図示せず）を混入し、均一な圧力を掛けながらシール６を硬化させることにより、所定の厚み（数μｍ程度の厚み）に管理されている。
実施例１の液晶光学素子１ａにおいては、液晶は、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖から短軸方向の比誘電率ε⊥を引いた誘電率異方性Δεが正となる、ポジ型液晶である。
【００３３】
液晶層４は、透明基板２、３に形成された透明電極間に印加された電圧により制御され、例えば、上下の透明基板２、３と平行に液晶分子が並ぶホモジニアス配向の場合、液晶分子の長軸方向が電圧により制御され、液晶分子長軸に平行な偏光成分の屈折率が変化する。これにより、液晶分子長軸と平行なある偏光成分の光束の位相変調を行うことができる。ここで、液晶の配向については、ホモジニアス配向に限らず、ホメオトロピック配向、ツイストネマティック配向など他の配向を選択することもできる。
また、液晶は実効電圧によって駆動され、その実効電圧は、例えばパルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧である。
【００３４】
次に、実施例１の液晶光学素子１ａの微細構造５と液晶のプレチルト角について、詳細に説明する。
図２は、図１（ｂ）の点線部Ｍで示す、傾斜面５ａおよび垂直面５ｂからなる微細構造５の、垂直面５ｂの近傍の拡大図であり、電圧分布および液晶の配向状態のシミュレーション結果である。微視的には、傾斜面５ａは透明基板２、３に対して略平行な面とみなせるため、図２においては、傾斜面５ａを透明基板２、３に対して略平行な面として表している。また、図２に示す例は、液晶はホモジニアス配向させたものである。
【００３５】
図２（ａ）は液晶に電圧を印加していない状態を示す。図２（ｂ）は、透明基板２、３にそれぞれ形成された透明電極７の間に電圧を印加した状態を示す。図２（ｂ）において、上下の透明基板２、３の形状に倣うように屈曲する曲線は、等電位面２１を示しており、実線の矢印は液晶層４に形成される電気力線を示している。
【００３６】
図２に示すシミュレーションおいては、微細構造５の垂直面５ｂの高さ（サグ量）は８μｍとし、液晶層４の厚みは、薄いところで１２μｍ、厚いところで２０μｍとした。また２つの透明電極７の間に印加する電圧は５Ｖとした。前述したように、液晶は正の誘電率異方性Δεを有しており、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖を７．０とし、短軸方向の誘電率ε⊥を３．５とした。
【００３７】
図２（ａ）に示すように、各透明電極７に電圧が印加されない状態では、液晶分子２２の長軸は、配向処理により一様に並んでいる。ここで、透明基板３と平行な方向を０度とし、図２の反時計回りを正の向きとしたとき、図２に示す例においては、液晶分子２２の長軸方向の角度（プレチルト角）が３度となるように、配向処理がなされている。
【００３８】
図２（ｂ）に示すように、各透明電極７の間に電圧が印加された状態では、透明基板２、３に平行に等電位面２１が形成され、それに直交する電気力線が発生する。正の誘電率異方性Δεを持つ液晶分子２１の場合、電気力線に沿うような力が働き、液晶分子の長軸が電気力線に沿うように向きを変える。
ここで、各透明電極７の間に電圧が印加された状態では、微細構造５の傾斜面５ａに形成された透明電極７の近傍で縦方向の電界（縦電界）が形成され、微細構造５の垂直面５ｂに形成された透明電極７の近傍で横方向の電界（横電界）が形成される。よって、図２（ｂ）の等電位面２１に示すように、垂直面５ｂの近傍においては、液晶層４に形成される電界の分布が一様でない。
【００３９】
図３は、垂直面５ｂの近傍の、電圧を印加しない状態における液晶分子２２の長軸方向と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向とを示す説明図である。電圧を印加しない状態における液晶分子２２の長軸方向を符号Ｄ１で示す。また、傾斜面５ａに形成された透明電極７により形成される縦電界の電気力線の方向をＥ１で示す。さらに、垂直面５ｂに形成された透明電極７により形成される横電界の電気力線の方向をＥ２で示す。
【００４０】
図３の符号θ１に示すように、実施例１の液晶光学素子１ａにおいては、垂直面８ｂの近傍で、電圧を印加しない状態における液晶分子２２の長軸方向Ｄ１と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向（Ｅ１〜Ｅ２の方向）とのなす角度が、９０度を超えないように、液晶の配向処理がなされている。
このため、図２（ｂ）に示すように、垂直面８ｂの近傍で、液晶分子２２の配向状態の連続性が保たれ、ディスクリネーションの様な配向異常の発生を抑えることができる。これにより、本発明の実施例１の液晶光学素子１ａでは、良好な光学特性を得ることが可能となる。
特に、液晶に印加する電圧を連続的に変化させて光学特性（レンズパワー等）を連続的に変化させる場合においても、良好な光学特性を得ることが可能となる。
【００４１】
図２及び図３においては、電圧を印加しない状態における液晶分子２２の長軸方向の角度（プレチルト角）が３度となるように、配向処理がなされる例を示した。しかし、これは１つの例であり、垂直面８ｂの近傍で、電圧を印加しない状態における液晶分子２２の長軸方向と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向とのなす角度が、９０度を超えないように、液晶の配向処理がなされることで、ディスクリネーションの発生を抑えて良好な光学特性を得ることが可能となる
【００４２】
また、図１に示すように、微細構造５としてフレネルレンズ形状が形成される構成においては、図１（ｂ）の符号Ｃ１で示す領域と符号Ｃ２で示す領域とで、垂直面が液晶層４と接する向きが反対となる。よって、垂直面上の透明電極により液晶層４に形成される横電界の向きも反対となる。このため、領域Ｃ１と領域Ｃ２とでは、垂直面が液晶層４と接する向きに合わせて、それぞれ異なる向きにプレチルト角を持つように配向処理が施される。
［実施例２：図４〜図６］
【００４３】
次に、本発明の液晶光学素子における他の実施例について説明をする。以下の説明において、すでに説明した同一の構成には同一の符号を付与しており、その詳細な説明は省略する。図４は、本発明の実施例２の液晶光学素子１ｂの構造を示す模式図である。図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
【００４４】
図４に示すように、実施例２の液晶光学素子１ｂは、２枚の対向する透明基板２、３を
有し、この透明基板２、３で液晶層４を挟持して構成されている。また、透明基板３には、光学素子として機能する突起構造として微細構造８が形成されている。
図４に示すように、実施例２は、微細構造８としてマイクロプリズム形状を形成している。すなわち、実施例２では、光学特性として入射した光の進行方向を変えるプリズムの働きをし、液晶に印加する電圧を変えることで、光線偏向角度を制御することができる。
微細構造８は、液晶層４に接している面であればこの構成例に限定されず、例えば、透明基板２上、もしくは液晶層４を挟む透明基板２、３の両方に設けることも可能である。
【００４５】
透明基板２及び３の液晶層４に接する面には、液晶を駆動するための透明電極がスパッタ等の方法で形成され、さらに、液晶が所定のプレチルト角をもつように、図４（ａ）、（ｂ）の矢印Ｆで示す方向に配向処理が施されている。この配向処理による液晶のプレチルト角については、後述する。
【００４６】
また、液晶層４は、上下の透明基板２、３とシール６で囲まれた領域に封入されている。実施例２の液晶光学素子１ｂにおいては、液晶は、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖から短軸方向の比誘電率ε⊥を引いた誘電率異方性Δεが負となる、ネガ型液晶である。液晶層４は、透明基板２、３に形成された透明電極間に印加された電圧により制御される。
【００４７】
次に、実施例２の液晶光学素子１ｂの微細構造８と液晶のプレチルト角について、詳細に説明する。
図５は、図４（ｂ）の点線部Ｇで示す、傾斜面８ａおよび垂直面８ｂからなる微細構造８の、垂直面８ｂの近傍の拡大図であり、電圧分布および液晶の配向状態のシミュレーション結果である。傾斜面８ａを、透明基板２、３に対して微視的に略平行な面とみなして表している。図５に示す例は、液晶をホメオトロピック配向させたものであり、微細構造５の形状等は、図２に示す例と同じである。液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖は３．５とし、短軸方向の誘電率ε⊥は７．０とした。
【００４８】
図５（ａ）に示すように、各透明電極７に電圧が印加されない状態では、液晶分子２３は、配向処理により一様に並んでいる。ここで、透明基板３と平行な方向を０度とし、図５の反時計回りを正の向きとしたとき、図５（ａ）に示す例においては、液晶分子２３の長軸方向の角度（プレチルト角）が９３度となるように、配向処理がなされているとする。
【００４９】
図５（ｂ）に示すように、各透明電極７の間に電圧が印加された状態では、透明基板２、３に平行に等電位面２１が形成され、それに直交する電気力線が発生する。垂直面８ｂの近傍においては、横電界により、液晶層４に形成される電界の分布が一様でない。負の誘電率異方性Δεを持つ液晶分子２３の場合、液晶分子２３の短軸が電気力線の沿うように、その向きを変える。
【００５０】
図６は、垂直面８ｂの近傍の、電圧を印加しない状態における液晶分子２３の短軸方向と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向とを示す説明図である。電圧を印加しない状態における液晶分子２３の短軸方向を符号Ｄ２で示す。また、傾斜面５ａに形成された透明電極７により形成される縦電界の電気力線の方向をＥ１で示し、垂直面８ｂに形成された透明電極７により形成される横電界の電気力線の方向をＥ２で示す。
【００５１】
図６の符号θ２に示すように、実施例２の液晶光学素子１ｂでは、電圧を印加しない状態における液晶分子２３の短軸方向Ｄ２と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向（Ｅ１〜Ｅ２の方向）とのなす角度が、９０度を超えないように、液晶の配向処理がなされている。
このため、図５（ｂ）に示すように、垂直面８ｂの近傍で、液晶分子２３の配向状態の連続性が保たれ、ディスクリネーションの様な配向異常の発生を抑えることができる。これにより、本発明の実施例２の液晶光学素子１ｂでは、良好な光学特性を得ることが可能となる。特に、液晶に印加する電圧を連続的に変化させて光学特性（偏向角度等）を連続的に変化させる場合においても、良好な光学特性を得ることが可能となる。
【００５２】
図５及び図６においては、電圧を印加しない状態における液晶分子２３の短軸方向の角度が３度となるように、配向処理がなされる例を示した。しかし、これは１つの例であり、垂直面８ｂの近傍で、電圧を印加しない状態における液晶分子２３の短軸方向と、電圧を印加した状態で液晶層に形成される電気力線の方向とのなす角度が、９０度を超えないように、液晶の配向処理がなされることで、ディスクリネーション発生を抑えて良好な光学特性を得ることが可能となる。
【００５３】
ここで、ホメオトロピック配向を選択する理由について簡単に述べる。微細構造を形成する光学樹脂は、一般的に屈折率が１．５から１．６程度の値を持っており、液晶の常光線側の屈折率とほぼ等しい。平時は、液晶光学素子を機能させず、必要なときのみ、液晶光学素子として機能させたい場合、常光線の屈折率と微細構造を形成する光学樹脂の屈折率を一致させてやることにより、平時は、電圧無印加とすることができ、消費電力の低減を図ることができるという利点がある。
【００５４】
上述した実施例１においてはフレネルレンズ形状とポジ型液晶とを組み合わせ、実施例２においてはマイクロプリズム形状とネガ型液晶とを組み合わせる例を示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、フレネルレンズ形状とネガ型液晶とを組み合わせても良く、マイクロプリズム形状とポジ型液晶とを組み合わせも良い。
【００５５】
また、光学特性を得るための微細構造として、フレネルレンズとマイクロプリズムを示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、レンズとプリズムの複合素子や、任意の自由曲面をあるサグ量で離散化した素子、さらに、グレーティングやキノフォーム等の回折光学素子にも適用可能である。すなわち、段差により接続された非連続な面を有し、段差面により横電界が発生する構成の液晶光学素子において、ディスクリネーション発生を抑えて所望の光学特性を得ることが可能となる。
【００５６】
［微細構造の形成方法：図７］
次に、上述した微細構造の形成方法についての一例を、図７を用いて説明する。図７は、本発明に係る液晶光学素子における微細構造の形成方法を示す図面である。
【００５７】
まず、図７（ａ）に示す様に、透明基板５１上に、液体状の紫外線硬化樹脂５２をスピンコート等により形成し、微細構造を刻んだ金型５３を押し当て、金型形状を樹脂に転写する。ここで、透明基板５１側から紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂５２を硬化し、微細構造を形成する。なお、紫外線効果樹脂５２への照射を、石英等の透明なモールドを用いる場合、モールド側から（紙面の上方向から）照射するようにしても良い。金型５３を離型すれば、図５（ｂ）に示す微細構造５４を透明基板５１上に形成することができる。ここでは、微細構造５４は、フレネルレンズ形状の例を示している。
【００５８】
ここで用いた技術は、ナノインプリントの世界では一般的に行われている技術であり、紫外線硬化樹脂５２に限らず、熱硬化樹脂を使用することもできる。また、ロールツーロールの技術を用いて、ロール状で供給された透明基板５１に連続的に微細構造５４を転写する技術も有り、生産性を高めるためには、このような方式を採用することが望ましい。
【００５９】
また、射出成型、ロールエンボス等の押し出し成型を使用して、微細構造５４を透明基
板５１自体に形成すれば、より生産性を高めることができる。
【００６０】
また、上述した紫外線硬化樹脂５２に用いる樹脂材料の屈折率や分散値を変えた材料を選定すれば、透明基板５１や液晶との屈折率マッチング等を工夫することが可能となる。例えば、紫外線硬化樹脂５２の屈折率と、液晶の常光線に対する屈折率と一致させると、液晶の常光線と一致する偏光成分に関しては、微細構造５４を光学的に無くすことができる。さらに、電圧制御により液晶分子を完全に立たせた場合、異常光線側の偏光成分においても、透明基板５１との屈折率マッチングが可能となり、微細構造５４を光学的に無くすことができ透明平板として、光偏向作用を無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施例１の液晶光学素子の構成例の平面図および断面図である。
【図２】本発明の実施例１の液晶光学素子の電圧分布および液晶の配向状態を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例１の液晶光学素子の、液晶分子の長軸方向と液晶層に形成される電気力線の方向とを示す説明図である。
【図４】本発明の実施例２の液晶光学素子の構成例の平面図および断面図である。
【図５】本発明の実施例２の液晶光学素子の電圧分布および液晶の配向状態を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例２の液晶光学素子の、液晶分子の短軸方向と液晶層に形成される電気力線の方向とを示す説明図である。
【図７】本発明にかかる液晶光学素子の微細構造の製造方法を説明するための図である。
【図８】従来の液晶光学素子の電圧分布および液晶の配向状態を示す説明図である。
【図９】従来の液晶光学素子の、液晶分子の長軸方向と液晶層に形成される電気力線の方向とを示す説明図である。
【図１０】従来の液晶光学素子の電圧分布および液晶の配向状態を示す説明図である。
【図１１】従来の液晶光学素子の、液晶分子の長軸方向と液晶層に形成される電気力線の方向とを示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ａ、１ｂ  液晶光学素子
２、３  透明基板
４  液晶層
５、８、９  微細構造
５ａ、８ａ、９ａ  傾斜面
５ｂ、８ｂ、９ｂ  垂直面
６  シール
７  透明電極
２１  等電位面
２２、２３  液晶分子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
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【図１０】
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【図１１】
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