(57)【要約】【課題】微細な分割配向を実現した光学素子を提供する。【解決手段】配向層は、溝が平行に形成された主面を有する基層と、主面を被覆する被膜とからなり、以って液晶３の分子長軸が溝の方向と直交する直交方向に指向して水平配向する。配向層は、複数の領域１０に分割されている。複数の領域１０は、溝の延びる方向を変えて液晶３の分子長軸を異なる方向に配向する領域１０Ｈ，１０Ｔが混在している。液晶３は、電極により電圧が印加されていない時入射光に変化を与える第１状態を呈し、電極により電圧が印加されている時入射光に与えた変化が消失する第２状態を呈する。【選択図】図５
2009271322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された液晶と、少なくとも片方の基板に形成され該液晶の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され該液晶に電圧を印加するための電極とを備え、
前記配向層の少なくとも一部は、複数本の溝が平行に形成された主面を有する基層と、該溝の形成された主面を被覆する被膜とからなり、
前記被膜は、主面に対して該液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有し、
各溝は所定の方向に沿って伸びており且つ該所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されており、
以って液晶の分子長軸が該溝の該所定の方向と直交する直交方向に指向して水平配向し、
前記配向層は、複数の領域に分割されており、
前記複数の領域は、該溝の延びる方向を変えて液晶の分子長軸を異なる方向に配向する領域が混在しており、
前記液晶は、該電極により電圧が印加されていない時入射光に変化を与える第１状態を呈し、該電極により電圧が印加されている時入射光に与えた該変化が消失する第２状態を呈する光学素子。
【請求項２】
前記液晶は、第１状態で入射光に変化を与える回折格子として機能し、第２状態で回折格子の機能が消失する請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された液晶と、少なくとも片方の基板に形成され該液晶の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され該液晶に電圧を印加するための電極とを備え、
前記基板は、表示部と受光部とに分かれており、
前記表示部は、該電極から印加される電圧に応じて該液晶の分子の配向を変化させ入射光の透過率を変えて表示を行い、
前記受光部は、該配向層が複数本の溝が平行に形成された主面を有する基層と、該溝の形成された主面を被覆する被膜とからなり、
前記被膜は、主面に対して該液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有し、
各溝は所定の方向に沿って伸びており且つ該所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されており、以って液晶の分子長軸が該溝の該所定の方向と直交する直交方向に指向して水平配向し、
前記受光部の該配向層は複数の領域に分割されており、
前記複数の領域は、該溝の延びる方向を変えて液晶の分子長軸を異なる方向に配向する領域が混在しており、
前記受光部の該液晶は、該電極により電圧が印加されていない時入射光に変化を与える第１状態を呈し、該電極により電圧が印加されている時入射光に与えた該変化が消失する第２状態を呈する液晶表示装置。
【請求項４】
前記表示部も、該配向層が複数本の溝が平行に形成された主面を有する基層と、該溝の形成された主面を被覆する被膜とからなり、
前記被膜は、主面に対して該液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有し、
各溝は所定の方向に沿って伸びており且つ該所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されており、以って液晶の分子長軸が該溝の該所定の方向と直交する直交方向に指向して水平配向する請求項３記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記受光部は、該液晶を介して入射光を受光する受光素子を含み、
前記受光部の該液晶は第１状態で回折格子として機能し、該受光素子に入射する光量を調節する請求項３又は請求項４記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶を光学変調材料に用いた光学素子に関する。また、係る光学素子を組み込んだ液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、電圧印加による回折制御が可能な光学素子として、液晶分子のスイッチングを応用した光学素子が提案されている。このような液晶回折格子は、フォトグラフィックディスプレイ、偏光板を用いない高輝度プロジェクタなどのディスプレイ関連への応用が期待されている。また、光導波路中の光スイッチなどへの応用も期待されている。
【特許文献１】特許第３５１２１５０号
【特許文献２】特開２００６−２０１３８８公報
【非特許文献１】Ｉ． Ｆｕｊｉｅｄａ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．４２， ２００３， Ｐ．１５２０
【０００３】
また最近では、液晶表示装置の内部に受光素子を組み込んでタッチパネルとディスプレイパネルを一体化した製品の開発が盛んに行われている。あるいは液晶表示装置の内部に組み込んだ受光素子を撮像素子として機能させる製品も開発が行われている。この場合問題となるのは、室内光の光量と外光の光量とでダイナミックレンジの違いによる受光感度のオーバーフローである。これに対処するため、受光素子上に上述した回折格子を形成することで、ダイナミックレンジの可変調節が期待できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
液晶デバイスによる回折光制御の原理は、遅相軸と進相軸とで屈折率が異なる屈折率楕円体である液晶分子の配向方向を、基板と平行な面内で周期的に変化させることで、回折格子としている。換言すると、基板面内で液晶分子の配向方向を格子状に領域分割することで、回折機能を有する光学素子としている。以下本明細書では、格子パターンに合わせた液晶分子の領域分割的な配向を「分割配向」と呼ぶ場合がある。
【０００５】
液晶デバイスは、一般的に所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、この間隙に保持された液晶と、少なくとも片方の基板に形成され液晶の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され液晶に電圧を印加するための電極とを備えている。係る構成を有する液晶デバイスにおいて、液晶分子の分割配向を実現する方法は大別すると二種類ある。第一の方法は、電極を格子パターンに合わせて分割形成し、個々の電極に印加する電圧を空間周期的に変化させることで、液晶分子を分割配向する。この場合、液晶デバイスは電圧印加により分割配向状態を呈し回折光学素子として機能する。一方電圧無印加状態では液晶分子は配向層の制御によって一様配向状態となり、回折光学素子としての機能が失われる。このように電極を格子状にパターニングして電界強度分布を基板面内で変化させることにより、液晶分子の配向方向を局所的に制御したセルの試作結果が、特許文献１や非特許文献１に報告されている。
【０００６】
しかしながらこの第一の方法の問題点として、通常の量産プロセスではμｍオーダーの間隔で微細な電極パターンを形成することが難しいこと、配向方位が連続的にしか変化できないことなどにより、微小周期の回折格子を形成することが困難であることが挙げられる。回折格子はその空間周期が微小であるほど回折角が大きくなり、応用範囲が広がる。しかしながら現状では電極パターンの微細化に限界があるため、回折角度が小さく回折光学素子としての性能が不十分であるという課題がある。
【０００７】
液晶分子の分割配向を実現する第二の方法は、配向層を格子パターンに合わせて領域分割する一方、電極は基板面内で一様に形成する。既存の領域分割配向技術を用いて液晶分子の配向方向を局所的に制御したセルの試作結果が、例えば特許文献２に報告されている。第一の方法と異なり、この第二の方法は電圧を印加しないとき液晶が分割配向状態を呈して回折格子として機能する一方、電圧を印加すると液晶分子が一様配向状態に切り替わり、回折格子としての機能が消失する。
【０００８】
既存の配向層を利用した分割配向技術の例としては、マスクラビング法、光配向法、グレーティング配向法などが挙げられる。この第二の方法は、電界で配向方向を制御する第一の方式よりも微細な回折格子を形成することが可能であるが、既存の配向技術を利用した場合、次のような課題を有している。
【０００９】
マスクラビング法の場合、ラビング処理を利用するため十分な配向規制力を得ることができるが、マスクとしてレジストを格子状にパターニングする必要がある。この場合、ポリイミド（ＰＩ）の配向膜の上にレジストを塗布するため、信頼性が低下するという課題がある。これは、不純物イオンとして液晶中に凝出したレジスト残留成分による保持率の低下などに起因する。ラビング法に限らずマスクを用いて領域分割的に配向を行う手法では、レジストのパターニングを利用するため、同様の問題が生じる可能性がある。
【００１０】
光配向法は、光ビームを走査して配向膜を領域分割的に処理する方法である。この光配向法の場合は、レジスト残留成分による信頼性の低下という問題はないが、偏光紫外光の入射方向により液晶分子の配向方向が決定されるため、格子パターンが複雑な形状の場合、配向処理が非常に複雑になるという課題や、根本的に配向規制力が弱いという課題がある。
【００１１】
その他、基板表面を加工して方向の異なるグレーティング（溝）領域を形成することで、分割配向を実現する方法がある。これは、グレーティングの弾性歪効果を利用して溝と平行な方向に液晶分子を配向させる手法である。グレーティングを形成するプロセスの選択次第では、任意の方向における配向制御が可能であるという利点を有する。グレーティングはフォトリソグラフィ技術を利用して微細に形成することが可能である。また、格子パターンに合わせて領域分割的にグレーティングの方向を変えることも容易である。従って、グレーティング法は微小周期の回折格子を形成する上ではマスクラビング法や光配向法に比べて有利である。しかしながら、グレーティング法は光配向法と同様に、ラビング法に比べ配向規制力が弱く、且つ信頼性が低いという課題がある。
【００１２】
以上説明したように、従来の液晶回折格子の問題点として、量産適用可能なプロセスでは微細な配向制御ができないため、回折格子制御に限界があることが挙げられる。例えば、光学導波路中のスイッチング素子として液晶回折格子を利用する場合、０次回折光と１次回折光とが成す角度が大きいほど、狭い空間で光の進行方向を制御できるため有用であるが、微細な配向制御が難しい既存の液晶配向技術では、性能向上に限界がある。液晶回折格子の性能を向上し、応用可能範囲を広げるためには、従来よりも微細な領域をより高い配向規制力で制御可能な配向技術の出現が望まれている。
【００１３】
またタッチパネルとディスプレイパネルを一体化した液晶表示装置内の受光部に液晶回折格子などの光学素子を組み込む場合、受光部はもとより、表示部の液晶配向制御が十分でないと、表示特性として十分な性能が得られないという問題がある。このため、受光部で液晶の微細な分割配向を実現できるとともに、表示部でも既存の配向技術と同等レベルの特性を得ることができる配向処理技術の出現が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は微細な分割配向を実現した光学素子及び液晶表示装置を提供することを目的とする。係る目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明に係る光学素子は、所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された液晶と、少なくとも片方の基板に形成され該液晶の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され該液晶に電圧を印加するための電極とを備えている。前記配向層の少なくとも一部は、複数本の溝が平行に形成された主面を有する基層と、該溝の形成された主面を被覆する被膜とからなる。前記被膜は、主面に対して該液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有する。各溝は所定の方向に沿って伸びており且つ該所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されており、以って液晶の分子長軸が該溝の該所定の方向と直交する直交方向に指向して水平配向する。前記配向層は、複数の領域に分割されている。前記複数の領域は、該溝の延びる方向を変えて液晶の分子長軸を異なる方向に配向する領域が混在している。前記液晶は、該電極により電圧が印加されていない時入射光に変化を与える第１状態を呈し、該電極により電圧が印加されている時入射光に与えた該変化が消失する第２状態を呈する。
【００１５】
一態様では、前記液晶は、第１状態で入射光に変化を与える回折格子として機能し、第２状態で回折格子の機能が消失する。
【００１６】
又本発明に係る液晶表示装置は、所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された液晶と、少なくとも片方の基板に形成され該液晶の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され該液晶に電圧を印加するための電極とを備えている。前記基板は、表示部と受光部とに分かれている。前記表示部は、該電極から印加される電圧に応じて該液晶の分子の配向を変化させ入射光の透過率を変えて表示を行う。前記受光部は、該配向層が複数本の溝が平行に形成された主面を有する基層と、該溝の形成された主面を被覆する被膜とからなる。前記被膜は、主面に対して該液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有する。各溝は所定の方向に沿って伸びており且つ該所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されており、以って液晶の分子長軸が該溝の該所定の方向と直交する直交方向に指向して水平配向する。前記受光部の該配向層は複数の領域に分割されている。前記複数の領域は、該溝の延びる方向を変えて液晶の分子長軸を異なる方向に配向する領域が混在している。前記受光部の該液晶は、該電極により電圧が印加されていない時入射光に変化を与える第１状態を呈し、該電極により電圧が印加されている時入射光に与えた該変化が消失する第２状態を呈する。
【００１７】
一態様では、前記表示部も、該配向層が複数本の溝が平行に形成された主面を有する基層と、該溝の形成された主面を被覆する被膜とからなり、前記被膜は、主面に対して該液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有し、各溝は所定の方向に沿って伸びており且つ該所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されており、以って液晶の分子長軸が該溝の該所定の方向と直交する直交方向に指向して水平配向する。又前記受光部は、該液晶を介して入射光を受光する受光素子を含み、前記受光部の該液晶は第１状態で回折格子として機能し、該受光素子に入射する光量を調節する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、液晶分子を配向させるための配向層が、二層構造になっている点に特徴がある。即ち配向層は下側の基層と上側の被膜とからなる。基層はその表面（主面）に複数本の溝（グレーティング）が形成されている。一方被膜は例えばポリイミド配向膜からなり、液晶の分子長軸を主面に対して平行に配向する水平配向能を有する。この様にストライプ状のグレーティングを形成した基層と水平配向能を有する被膜とを組み合わせることで、グレーティングの溝が延びる方向と直交する直交方向に液晶の分子長軸を指向して整列させることができる。以下この配向状態を直交配向と呼ぶ場合がある。これに対し、従来の単純なグレーティング方式は溝の直線方向に沿って液晶の分子長軸を平行に整列させたものである。この直交配向は基層のグレーティングと高分子被膜の水平配向能とを組み合わせた複合効果もしくは相乗効果により得られるもので、従来はまったく知られていなかったものである。
【００１９】
本発明では分割配向の手法として、上述した新規なグレーティング配向を採用している。これにより量産プロセスで微小且つ配向規制力の高い液晶分子の分割配向が可能となり、従来よりも微小な周期を持った液晶回折格子の作成が可能となる。この結果、従来よりも回折角度を大きくすることが可能になり、液晶回折格子デバイスとしての特性向上や応用範囲の拡大を実現することが可能である。なお本発明に係る光学素子は回折格子に限られるものではなく、微細な分割配向を利用することで、入射光にさまざまな変化を与える光学素子を含む。例えば入射光角を散乱もしくは拡散するデバイスや入射光を分光するデバイスも含まれる。
【００２０】
また液晶表示装置内に液晶回折格子などの光学素子を有する装置において、微細な分割配向の実現と共に、表示部における十分な配向規制力を得ることが可能となり、装置の信頼性や表示特性を大幅に改善することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の基本的な原理となる新規なグレーティング配向を説明する模式的な斜視図である。（Ａ）は配向層が形成された基板を模式的に表している。なお電極は図を見易くするため図示を省略している。配向層は、複数本の溝Ｍが平行に形成された主面を有する基層と、溝Ｍの形成された主面を被覆する被膜とからなる。ただし、複数本の溝Ｍは幾何学的に厳密に平行である必要はなく、本発明の作用効果を奏する範囲で概ねもしくは実質的に平行であればよい。この被膜は高分子フィルムからなる。（Ａ）に示した例では、有機高分子被膜を構成する高分子鎖は溝Ｍに沿って整列している。ただし本発明は必ずしもこのような高分子鎖配列に限定されるものではない。例えば（Ｂ）に示した例では、有機高分子被膜を構成する高分子鎖は概ね溝Ｍを横切る方向に整列しており、全体として見ると高分子鎖は溝Ｍと直交する方向に整列している。（Ａ）及び（Ｂ）のどちらの場合でも、この被膜は電圧無印加の状態で液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を主面に対して平行に配向する水平配向能を有する。なお主面は、複数本の溝Ｍが形成された被層の表面を表しており、基板面と平行である。
【００２２】
各溝Ｍは与えられた直線方向に沿って伸びており、且つ直線方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されている。この直交方向に沿った基層の断面は、各溝Ｍの底に対応した凹部と、隣り合う溝Ｍの境に対応した凸部とが、交互に繰り返し現れる凹凸構造となっている。
【００２３】
本発明の特徴事項として、液晶分子の長軸が溝の直線方向と直交する直交方向に指向して水平配向をしている。従来のグレーティングを利用した配向では、液晶分子が溝Ｍの直線方向と平行に指向した平行配向となっている。本発明はグレーティングを水平配向膜で被覆することにより、従来の平行配向とは異なる直交配向を実現している。この直交配向は、グレーティング基層と水平配向膜との相乗効果により得られたものであり、従来に比べアスペクト比を大きくとる必要が無い。溝Ｍの配列ピッチに対する溝の深さの比率を表すアスペクト比は、本発明に従って１未満に押さえることができる。
【００２４】
配向被膜は、例えばイミド化率が５０％以上のポリイミド材料で作成している。図２は、ポリイミド配向膜の一般的な作成方法を示す。ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸は、酸無水物とジアミンとの反応で得られる。ポリイミド配向膜を得るため方法として、溶媒に溶かしたポリアミック酸を基板に塗布、２５０〜３００℃に加熱（ベーク）して、基板上で直接、熱的にイミド化する方法（Ａ）と、溶液中で化学的にイミド化した可溶性ポリイミドを溶媒に溶かしたものを塗布、加熱する方法（Ｂ）の２種類が知られている。ポリアミック酸、可溶性ポリイミドの何れを出発材料として使用するかにより得られる特性が変わってくるので、目的、用途に応じて使い分けがなされている。また、両者の利点を兼ね備えた方法として、ポリアミック酸と可溶性ポリイミドを混合した溶液を使用して、それぞれの原料に基づく２層を形成するハイブリッドタイプのものも知られている。
【００２５】
従来のグレーティング配向法は、断面形状に起因するバルク液晶の弾性歪エネルギーを低下させるように、液晶分子が溝と平行に配向する効果を利用している。これに対し本発明では、溝の作用を受けて所定方向に整列したポリイミド高分子鎖の配向能を利用して、液晶分子を溝に対して直交方向に配向させる原理を利用している。この原理を分割配向に適用することにより、従来のグレーティング配向法よりも高い配向規制力を得ることができるため、従来よりも微細な領域における分割配向が可能になる。結果として、より回折角度の大きな液晶回折格子を実現することができる。
【００２６】
図３は、新規なグレーティング配向を利用した分割配向のパターン例を示す模式的な平面図である。パターン（Ａ）は、配向層が四つの領域に分割されている。左から１番目と３番目の領域は、グレーティングが横方向に形成されており、これに応じて液晶分子は縦方向に配向している。一方左から２番目及び４番目の領域は、グレーティング溝が縦方向に形成されており、これに応じて液晶分子は横方向に配向している。このようにパターン（Ａ）はグレーティング溝の伸びる方向を変えて液晶の分子長軸を異なる方向に配向する領域が混在している。液晶分子の配向方向が異なる領域は横方向に沿って所定の周期で配列されており、一次元の回折格子として機能する。
【００２７】
パターン（Ｂ）は、配向層が行列状に領域分割されており、二次元の回折格子として機能する。液晶分子が縦に配向している領域と横に配向している領域が行方向（横方向）に沿って交互に配列されている。同様に配向方向が異なる領域が交互に列方向（縦方向）に沿って配列している。このような領域分割パターンは回折格子の格子パターンに合わせて形成される。
【００２８】
パターン（Ｃ）は、パターン（Ａ）と同じく一次元回折格子である。パターン（Ａ）と異なる点は、互いに隣り合う領域で液晶分子が反対方向に傾いて配向していることである。このように液晶分子の配向方向は、基板に形成するグレーティング溝の方向に応じて自在に設定することができる。
【００２９】
パターン（Ｄ）はパターン（Ａ）と（Ｃ）を合わせた構造で、液晶分子の配向方向が互いに異なる４つの領域が、横方向に沿って周期的に配列している。
【００３０】
パターン（Ｅ）はこれまでのパターン（Ａ）乃至（Ｄ）と異なり、個々の分割領域が矩形ではなく、環形になっている。このように基板を同心円状に領域分割し、且つ液晶分子の配向方向が異なる領域を中心から周辺に沿って周期的に配列することで、所望の光学変調作用を備えた光学素子を得ることができる。
【００３１】
以上のように、本発明は新規なグレーティング配向法を領域分割的に適用して、液晶回折格子の元になる屈折率の空間変調を実現している。図３に示したように、目的に応じて種々の周期構造の分割配向パターンを設定することができる。グレーティング溝の形成は、通常のフォトリソグラフィを利用しているため、一括露光処理により任意の配向方向を有する領域を混在して形成することができる。従って、パターン（Ｃ）やパターン（Ｄ）の液晶回折格子を作成する場合などに大きな利点を有する。なお、図３の回折格子パターンは全て完全周期構造であるが、本発明はこれに限られるものではない。目的に応じ分割領域の配列にランダム性を加えた周期構造であっても構わない。
【００３２】
図４は、液晶回折格子の使用例を示す模式図である。本例は、液晶回折格子を光学導波路中のスイッチング素子として用いたものである。（Ａ）は光学導波路の断面構造を示し、（Ｂ）は同じく光学導波路の平面図である。図示するように、光学導波路は、上下一対の基板１，２を用いて組み立てられている。一対の基板１，２の間には液晶３が保持されている。上側の基板２の上には、光ビームを放射する発光素子４と、光ビームを検出する受光素子５が搭載されている。下側の基板１の上には液晶３と接して、光学素子６，７，８が配置している。発光素子４側に位置する光学素子６と受光素子５側に位置する光学素子８は、共に通常の回折格子である。一方中央に位置する光学素子７は液晶光学素子であり、電圧に応答して光ビームの光路をスイッチングする。
【００３３】
（Ｂ）に示すように、基板１の上には入力側に位置する１個の光学素子６と、出力側に位置する３個の光学素子８が配置している。入力側光学素子６と出力側光学素子８の間に、液晶回折格子７が配置されており、光路スイッチング素子として機能する。
【００３４】
この液晶回折格子７は、電極９に電圧を印加しない時、液晶が分割配向状態を呈し、入射光ビームを回折して出射する。これにより、発光素子４から放射された入射ビームは光学素子６で光路が折り曲げられた後、液晶回折格子９で回折を受け、３個の出力側光学素子８のうち、両側の２個に向けて光路が折り曲げられる。このようにして光路が切り替えられた光ビームは、両側の光学素子８に対応する受光素子５によって検出される。
【００３５】
一方電極９に電圧を印加すると、液晶が一応配向状態となり、光学素子７は回折機能が消失する。これにより入射光ビームは光学素子７によって何ら変化を与えられず、そのまま直進して中央の出力側光学素子８に入る。ここで光ビームは光路を上側に折り曲げられて、対応する受光素子５で検出される。
【００３６】
ここで回折角（出射角）θが大きいほど、中央の光学素子８に対して両側の光学素子８の位置が離れるので、その分３個の光学素子８は光軸方向に沿って中央の光学素子７に近づけることができる。その分光路長を短縮できるので、デバイスの小型化が可能になる。
ここで液晶回折格子のパターン周期ｄと回折角度θの関係は、以下の式によって表される。なお、λは入射光の波長、ｎは媒体の屈折率を表す。
ｍ・λ＝ｎ・ｄ・（ｓｉｎθ＋ｓｉｎβ）（ｍ＝０， ±１， ±２， ±３，・・・）
上記の式から明らかなように、回折格子のパターン周期ｄを小さくして微小周期の回折格子とすれば、その分出射角度θを大きくすることができ、光学導波路など光学デバイスの実装密度を上げることができる。本発明によれば、新規なグレーティング配向を分割配向に適用することで、微小周期の液晶回折格子を形成することができる。
【００３７】
図５は、本発明に係る光学素子の実施形態を示す模式図である。図示するように、本光学素子は、所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板１，２と、この間隙に保持された液晶３と、少なくとも片方の基板１に形成され液晶３の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され液晶３に電圧を印加するための電極とを備えている。本実施形態では、一対の基板１，２の内面に、全面ベタの透明電極がそれぞれ形成されている。
【００３８】
配向層の少なくとも一部は、複数本の溝が平行に形成された主面を有する基層と、溝の形成された主面を被覆する被膜とからなる。この被膜は主面に対して電圧無印加の状態で液晶３の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有する。各溝は所定の方向に沿って伸びており、且つ所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されており、もって液晶３の分子長軸を溝の所定方向と直交する直交方向に指向して水平配向する。
【００３９】
グレーティング溝と配向被膜を組み合わせた配向層は、複数の領域１０に分割されている。この複数の領域１０は、溝の伸びる方向を変えて液晶３の分子長軸を異なる方向に配向する領域１０Ｈ、１０Ｔが混在している。液晶３は、一対の基板１，２の内表面に形成された電極により電圧が印加されていないとき、入射光に変化を与える第１状態を形成する。逆に電圧が印加されたとき、入射光に与えられた変化が消失する第２状態を呈する。例えばこの液晶３は、第１状態で入射光に変化を与える回折格子として機能し、第２状態で回折格子の機能が消失する。
【００４０】
本実施形態では、片側の基板１を新規なグレーティング配向法により分割配向処理する一方、対向側の基板２をラビング配向処理し、両者を重ね合わせてセルとしている。このセルに液晶３を注入すると、ラビング配向方向とグレーティング配向方向との組み合わせにより、ホモジニアス配向する領域１０Ｈと、ツイスト配向する領域１０Ｔの２種類のドメインが形成される。二種類のドメインは所定の周期ｄで交互に配列されており、二次元の回折格子を形成している。
【００４１】
二種類のドメイン１０Ｈ，１０Ｔは例えばセルを一対の偏光板で挟んで観察することにより確認できる。入射側の偏光板（偏光子Ｐ）の偏光軸を垂直に設定する一方、出射側の偏光板（検光子Ａ）の偏光軸を水平にセットしたいわゆるクロスニコル条件として液晶セルを観察すると、ホモジニアス配向ドメイン１０Ｈは暗く観察される一方、ツイスト配向ドメイン１０Ｔは明るく観察される。ツイスト配向ドメイン１０Ｔは液晶３の分子が９０度捩れているため偏光子Ｐを通過した直線偏光はツイスト配向ドメイン１０Ｔで９０度偏光軸が回転し、検光子Ａを通過する。一方、ホモジニアス配向ドメイン１０Ｈは偏光軸を回転させる機能がないので、偏光子Ｐを通過した直線偏光はそのままホモジニアス配向ドメイン１０Ｈを通過した後、検光子Ａによって遮断される。
【００４２】
図６は、実際に作成したセルを偏光顕微鏡で観察した結果を示す写真図である。サンプル（ａ）は分割配向により形成したドメインの一辺の長さを１２μｍとした場合である。サンプル（ｂ）はドメインの一辺の長さを６μｍにしている。サンプル（ｃ）はドメインの一辺の長さが３μｍである。各顕微鏡写真図で、黒く観察された部分はホモジニアス配向領域で、液晶分子と偏光板の軸とが、直交もしくは平行となっていることに起因する。一方、白く観察された領域はツイスト配向をしており、偏光板をクロスニコル条件にしてセルを回転させても消光位はなかった。図６の結果により、ドメインを３μｍまで微細化しても分割配向がきれいに形成されていることがわかる。従来の単純なグレーティング配向法のように、液晶に対する配向規制応力が低い場合には、隣接ドメインとの境界が不明瞭になってしまい、サンプル（ｃ）のような微細な領域の分割配向を実現することは困難であったが、本発明に従って新規なグレーティング配向方式を分割配向に適用することで、非常に微細な液晶回折格子を得ることができた。
【００４３】
図７は、図６で観察したセルに、Ｈｅ−Ｎｅレーザーを照射し、出射した光をスクリーンに投影したものを観察した結果である。レーザー照射されたセルは、透過する光の位相変化が異なるドメインが周期的に配列されているため、回折格子として機能する。図７の結果より、ドメインの１辺の長さが短いほど０次回折光（中心）と１次回折光との間のなす角度が大きくなっていることが分かる。これは、上述の式で示された、パターン周期の縮小に反比例する回折角度の増加傾向と一致する。また、グレーティング配向側基板、ラビング配向基板ともに導電性電極を形成して、２つの基板間に電圧を印加すると、界面を除くバルクの液晶分子は、電界方向に沿って、即ち基板の法線方向に対して平行に配向する。従って、電圧印加前と比較すると、隣接ドメイン間での位相変化は大幅に減少するため、図７に示されるように、０次回折光以外の光はほぼ消滅してしまう。このように、セルに印加する電圧の制御により、回折光の状態を変化させることが可能であることが分かる。
【００４４】
図８は、本発明に係る液晶表示装置の第一実施形態を示す模式的な断面図である。この液晶表示装置は、基本的に一対のガラス基板１，２とその間隙に保持された液晶層３とで構成されている。下側のガラス基板１の外面には偏光板１１が取り付けられている。更にその外側には、照明用のバックライトＢＬが取り付けられている。ガラス基板１の内面側には図示しないが画素駆動用の薄膜トランジスタが形成されている。また受光素子１２やノイズ除去用の受光素子１３も形成されている。これらの受光素子１２，１３や画素駆動用のトランジスタは、平坦化膜１４で被覆されている。その上には透明な電極や配向膜１５が形成されている。
【００４５】
上側のガラス基板には偏光板２１が取り付けられている。ガラス基板２の内表面にはカラーフィルタ２３やブラックマスク２４が形成されている。カラーフィルタ２３は個々の画素を通過した光をＲＧＢの三原色のいずれかに着色するものである。ブラックマスク２４はノイズ除去用受光素子１３を入射光から遮光するものである。カラーフィルタ２３やブラックマスク２４は平坦化膜２５で被覆されており、その上に透明電極や配向膜２６が形成されている。
【００４６】
基板１，２は、表示部と受光部とに区分されている。表示部は、電圧に応じて液晶３の配向を変化させ、バックライトＢＬから放射した照明光の透過率を画素単位で変えて表示を行う。
【００４７】
これに対し受光部は、液晶分割配向領域１０を有しており、液晶回折格子を形成している。本実施形態では、表示部のガラス基板２側の配向も、液晶分割配向領域１０と同じく、新規なグレーティング配向層としている。これに対し、基板１側の配向膜は、単純にラビング配向処理を施されたものである。
【００４８】
図示するように、液晶表示装置の受光部は液晶３を介して外部からの入射光（環境光）を受光する受光素子１２を含んでいる。受光部の液晶３は、電圧無印加状態（第１状態）で図示のように微細な分割配向を呈し、回折格子として機能する。
【００４９】
図８に示した実施形態は、液晶表示装置のセル内部に受光素子１２を形成している。この受光素子１２はタッチパネル用のセンサもしくは撮像素子として機能する。このセルは、表示部と受光部とに分かれて形成されている。受光部に関しては、新規なグレーティングによる分割配向が施されており、これにより液晶回折格子が形成されている。この液晶回折格子は電圧のオン／オフにより入射光の状態が変化することが可能となっている。これにより、液晶層３を介して受光素子１２に届く外光の光量を制御する。従って通常の室内では電圧をオンして回折格子としての機能を消失させ、全ての外光が受光素子１２で受光できるようにする。一方屋外の直射日光下では電圧無印加とし液晶層３を回折格子として機能させることで、入射光を回折し受光素子１２で受光する光量を大幅に低減する。これにより、受光素子１２のダイナミックレンジを所定の範囲に収めることができる。
【００５０】
なお図８の実施形態では、カラーフィルタ２３を形成した対向基板側をグレーティング配向とする一方、薄膜トランジスタなどを形成したガラス基板１側は通常のラビング配向としている。これとは逆に、ガラス基板１側をグレーティング配向とし、対向基板側をラビング配向としてもよい。
【００５１】
図９は、本発明に係る液晶表示装置の第二実施形態を示す模式的な断面図である。理解を容易にするため、図８に示した第一実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付してある。図８では、受光部の分割配向領域だけでなく、表示部の液晶配向もグレーティング配向を利用しているが、図９に示す構成のように、受光部のみをグレーティング配向とし、表示部は溝を形成せずにラビングによる配向処理を施した構成であっても構わない。ポリイミド配向膜形成後のラビング処理の効果は、溝の有無により異なり、溝が形成されている領域の方がラビングの効果が低くなってしまう。従って、ラビング条件によっては、ラビング方向よりも、溝によって規定された方向への液晶配向の力が強くなるために、受光部はグレーティングによる分割配向で回折格子を形成し、表示部はラビング処理により、十分な配向規制力を得ることが可能になる。なお、本実施例では、液晶表示装置内にセンサーを有し、センサー上の光量を制御するために液晶回折格子を利用した例を示したが、表示部と回折格子が混在する構成であれば、他の機能を有する装置であっても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の原理となる新規なグレーティング配向を示す模式図である。
【図２】ポリイミド配向膜の成膜方法を示す模式図である。
【図３】光学素子の液晶分割配向パターンを示す模式的な平面図である。
【図４】光学素子をスイッチング素子に利用した光学導波路を示す模式図である。
【図５】本発明に係る光学素子の実施形態を示す模式図である。
【図６】図５に示した光学素子の動作説明に供する写真図である。
【図７】同じく動作説明に供する写真図である。
【図８】本発明に係る液晶表示装置の第一実施形態を示す断面図である。
【図９】本発明に係る液晶表示装置の第二実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１：基板  ２：基板  ３：液晶  １０：分割配向領域  １２：受光素子
【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８】
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【図９】
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【図６】
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【図７】
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