CN102804048B - 多层结构液晶光学元件及其制造方法 - Google Patents

多层结构液晶光学元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供一种多层结构液晶光学元件及其制造方法，可容易加工，并且确保液晶的填充量和充分的光学距离(L)，可提高响应速度和光透射率。多层结构液晶光学元件(100)包括：第1单位元件(10)，在形成有段电极的基板(10a)和没有形成电极的基板(10b)之间，封入有液晶(40)；第2单位元件(20)，在没有形成电极的基板(20a)和形成有公共电极的基板(20b)之间，封入有液晶(40)；以及第3单位元件(30)，在没有形成电极的基板(30a、30b)之间，封入有液晶(40)，在第1单位元件(10)和第2单位元件(20)之间配置并层叠4个第3单位元件(30)。另外，第1单位元件(10)和上方的2个第3单位元件(30)的液晶的取向方向与第2单位元件(20)和下方的2个第3单位元件(30)的液晶的取向方向被配置为相互正交。

Description

多层结构液晶光学元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及在形成有段电极的基板和形成有公共电极的基板之间具有多个液晶层的多层结构液晶光学元件及其制造方法。
背景技术
以往，人们知道有在形成有电极的基板之间夹持液晶而构成的各种液晶光学元件。例如，作为信息记录介质，有CD，DVD等各种光盘装置，但是，在这些光盘装置中，由于因旋转造成的厚度偏差、弯曲等因素，产生像差(聚光点的形变)，因此必须对该像差进行校正，确保记录、再生的精度。因此，在呈同心圆的环状而形成电极的基板中，采用夹持液晶的液晶像差校正元件，由此，在光束的中央部和外缘部进行不同的相位控制(专利文献1)。
在现有的液晶光学元件中，以电的方式控制液晶的分子排列状态，由此改变光的折射率等性质。由于可通过以二维或三维方式改变控制折射率的分布，控制各光路的相位延迟量、光路的折射状态，因此是能够以电子方式改变焦点的液晶透镜、液晶像差校正元件等作为光学元件的有益的功能元件。但是，为了最大限度地产生实际应用方面有用的光的折射效果，需要在液晶光学盒的对应的两个取向膜之间，沿光路保持充分的量的液晶，为此，相对于普通的液晶显示盒为数μm左右的情况，需要液晶层的厚度(两个取向膜之间)极厚达到30～100μm左右。
另外，人们知道，液晶的响应速度与液晶层的厚度(两个取向膜之间)的平方成反比，这样，较厚的液晶光学盒的情况下，响应时间为100ms～数分钟。即，现有的许多的液晶光学元件具有响应速度慢的问题。
在控制设备时响应速度慢这一点对于采用液晶光学元件的可变焦点透镜功能、像差校正功能来说，是较大的制约，构成实用化的课题。
近年来，为了改善液晶透镜的倍率(power)和响应速度，人们提出具有2个液晶层的光学元件(专利文献2)。
在专利文献2中记载的光学元件中，具有2个液晶层的2个液晶盒重合，构成双重结构。在各液晶盒中，液晶层通过透明玻璃层(绝缘层)而分为2层。在此情况下，在2个液晶盒的连接面上存在电极。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2002-237077号公报
专利文献2：JP特开2006-91826号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1中记载的液晶光学元件中，像上述那样，为了获得应用上需要的折射率变化，需要透射较厚的液晶层确保充分的光学距离L。
一般，人们知道，如果液晶层厚，则响应时间与液晶层的厚度(两个取向膜之间)的平方成比例地变慢。由此，如果增加液晶层的厚度，则具有响应速度降低的问题，具有实用化的问题。
另外，在专利文献2中，液晶透镜倍率(power)的增加，响应速度的改善是有限的，为了进一步增加透镜倍率(power)，另外增加响应速度，需要形成多个液晶层。但是，在形成多个液晶层的情况下，由于中间的透明玻璃层厚，因此液晶元件变厚。由此，响应速度降低，需要高施加电压。
此外，在为了减薄液晶元件而采用薄的透明玻璃层的情况下，在制造工序中，处理、清洁、加工、烘焙等是困难的。
还有，在将2个液晶盒重合而形成双重结构的情况下，由于在2个液晶盒的连接侧的基板上具有ITO膜、高电阻膜、取向膜，因此具有光的透射率降低的问题。此外，在形成双重结构的情况下，具有电极的数量多，与各电极连接的端子的配置复杂的缺点。
于是，本发明的目的在于提供一种多层结构液晶光学元件及其制造方法，在形成一个基板上具有电极的液晶盒的单位元件和两个基板上不具有电极的多个液晶盒的单位元件之后，将液晶盒的单位元件的进行粘接的一侧的基板研磨成规定厚度并进行层叠，由此易于加工，并且可确保液晶的填充量和充分的光学距离L，可提高响应速度和光透射率。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明的多层结构液晶光学元件的特征在于，包括：第1单位元件，在形成有段电极的基板和没有形成电极的基板之间，封入有液晶；第2单位元件，在形成有公共电极的基板和没有形成电极的基板之间，封入有液晶；以及第3单位元件，在没有形成电极的2个基板之间，封入有液晶，在上述第1单位元件和第2单位元件之间，配置并层叠有多个上述第3单位元件。
例如，在上述多层结构液晶光学元件中，没有形成上述电极的基板在封入有上述液晶的状态下减薄加工而形成。
另外，例如，在上述多层结构液晶光学元件中，上述第1单位元件及一部分上述第3单位元件的液晶的取向方向与上述第2单位元件及其它上述第3单位元件的液晶的取向方向被配置为相互正交。
此外，为了解决上述课题，本发明的多层结构液晶光学元件的制造方法的特征在于，包括：第1单位元件形成工序，在形成有段电极的基板和没有形成电极的基板之间封入液晶后，减薄加工没有形成电极的基板，从而形成第1单位元件；第2单位元件形成工序，在形成有公共电极的基板和没有形成电极的基板之间封入液晶后，减薄加工没有形成电极的基板，从而形成第2单位元件；第3单位元件形成工序，在没有形成电极的2个基板之间封入液晶后，减薄加工2个基板，从而形成第3单位元件；以及层叠工序，在上述第1单位元件和第2单位元件之间，配置并层叠多个上述第3单位元件。
例如，上述液晶是采用滴注法来封入的。另外例如，在上述多层结构液晶光学元件的制造方法中，在上述层叠工序中，上述第1单位元件和一部分上述第3单位元件的液晶的取向方向与上述第2单位元件和其它上述第3单位元件的液晶的取向方向被配置为相互正交。
发明的效果
根据本发明的多层结构液晶光学元件和多层结构液晶光学元件的制造方法，在形成有段电极的基板和没有形成电极的基板之间封入液晶之后，减薄加工没有形成电极的基板，从而形成第1单位元件，在形成有公共电极的基板和没有形成电极的基板之间封入液晶之后，减薄加工没有形成电极的基板，从而形成第2单位元件，在没有形成电极的2个基板之间封入液晶之后，减薄加工2个基板，从而形成第3单位元件，在第1单位元件和第2单位元件之间配置并层叠多个第3单位元件，由此，易于加工，并且可确保液晶的填充量和充分的光学距离L，可提高响应速度和光透射率。
另外，由于没有形成电极的基板是在封入有液晶的状态下减薄加工而成的，因此可在封入液晶时防止基板变形(挠曲)，获得均匀的光学特性。另外，在较薄地加工基板时，基板可在没有挠曲的情况下，加工成平坦的面。
此外，具有下述的优点，即，由于液晶是采用滴注法来封入的，因此滴注量和空间体积的偏差可在组合基板时在密封材料的扩大范围内得到抑制，在较薄地加工时，与现有的从横向注入而密封的结构相比，没有密封部的损害，不承受应力。
还有，第1单位元件和一部分第3单位元件的液晶的取向方向与第2单位元件和其它第3单位元件的液晶的取向方向被配置为相互正交，由此与现有的双重液晶透镜相比，电极层(ITO层)、高电阻膜层少，光透射率可大幅度地提高。
再有，由于与现有的双重液晶透镜相比，电极的数量少，因此结构简单，制造容易，可削减制造成本。
另外，由于由液晶盒的单位元件构成，因此与现有的双重液晶透镜相比，在形成多层结构时，不需要对准，容易组装。
附图说明
图1为表示实施方式的多层结构液晶光学元件100的结构的分解图。
图2为表示多层结构液晶光学元件100的结构的沿A-A线的剖视图。
图3为表示多层结构液晶光学元件100的制造方法的流程图。
图4为表示第1单位元件10的研磨前后的状态的剖视图。
图5为表示第2单位元件20的研磨前后的状态的剖视图。
图6为表示第3单位元件30的研磨前后的状态的剖视图。
具体实施方式
参照附图，对用于实施本发明的多层结构液晶光学元件及其制造方法的优选方式进行说明。
图1为表示第1实施方式的多层结构液晶光学元件100的结构的分解图。图2为表示多层结构液晶光学元件100的结构的沿A-A线的剖视图。
如图1、图2所示，多层结构液晶光学元件100包括第1单位元件10、第2单位元件20、及多个(在本例子中为4个)第3单位元件30，该多层结构液晶光学元件在第1单位元件10和第2单位元件20之间设置并层叠4个第3单位元件30而构成。另外，第1单位元件10和上方的2个第3单位元件30的液晶的取向方向与第2单位元件20和下方的2个第3单位元件30的液晶的取向方向相互正交地设置。
第1单位元件10由基板10a、基板10b、液晶40及密封材料50构成，在该基板10a中形成作为段电极(segment electrode)的第1驱动电极11和第2驱动电极12，在基板10b中没有形成电极，该液晶40密封于基板10a和基板10b之间。基板10a为厚度为300μm的透明玻璃基板。基板10b为厚度为30μm的透明玻璃基板。另外，液晶40通过密封材料50密封于内侧。
另外，如图1所示，在上方的基板10a的中心部，设置圆形的第2驱动电极12，在其周边，设置第1驱动电极11。该第1驱动电极11与第1驱动端子V1连接。另外，第2驱动电极12与第2驱动端子V2连接。通过对第1驱动电极11和第2驱动电极12施加不同的电压，可用作透镜。
第2单位元件20由未形成有电极的基板20a、在中央部形成有圆形的公共电极(common electrode)21的基板20b、密封于基板20a和基板20b之间的液晶40、以及密封材料50构成。基板20a是厚度为30μm的透明玻璃基板。基板20b是厚度为300μm的透明玻璃基板。液晶40通过密封材料50密封于内侧。另外，沿基板20b的厚度方向穿透有孔，在该孔中，设置用于与公共电极21连接的接地端子V0(参照图2)。
第3单位元件30由未形成有电极的基板30a、30b、密封于基板30a和基板30b之间的液晶40、以及密封材料50构成。基板30a、30b是厚度为30μm的透明玻璃基板。液晶40通过密封材料50密封于内侧。
另外，在本例子的情况下，各液晶层的厚度为10～30μm。液晶40为例如在施加电压时分子的长轴朝向电场方向的介电常数各向异性为正的向列液晶(Np液晶)。
在这里，在公共电极21、第1驱动电极11和第2驱动电极12与液晶40之间，省略通常所设置的取向膜、透明绝缘层、设置于基板10a上的防反射膜等的图示。
下面参照图3～图6，对本发明的多层结构液晶光学元件100的制造方法进行说明。图4～图6仅仅表示1个液晶盒(liquid crystal cell)。
如图3所示，在制造多层结构液晶光学元件100时，首先，分别制作第1单位元件10、第2单位元件20及第3单位元件30。另外，在第1单位元件10和第2单位元件20之间，设置并层叠多个(4个)第3单位元件30。
例如，如图3中的步骤S11～S19(第1单位元件形成工序)那样，制作第1单位元件10。首先，按照规定尺寸对上方的基板(一个元件的情况，构成基板10a)进行加工(S11)。例如，按照200×200mm的尺寸，对厚度为300μm的片状玻璃进行加工。在该片状玻璃中可形成多个元件。接着，在上方的基板的外侧的表面上设置ITO膜，形成电极(S12)。在这里，通过蚀刻等进行布图处理，对每个元件形成第1驱动电极11和第2驱动电极12。然后，在上方的基板的内侧(填充液晶的一侧)的表面上设置高电阻膜(S13)。接着，形成取向膜，进行取向处理(S14)。取向膜为聚酰亚胺(Pl：polyimide)等液晶取向膜。在经过取向处理后，在上方的基板的表面上形成防反射膜(AR膜)。
另外，按照规定尺寸对下方的基板(一个元件的情况，构成基板10b)进行加工(S15)。例如，按照200×200mm的尺寸，对厚度为300μm的片状玻璃进行加工。接着，在下方的基板的内侧(填充液晶的一侧)的表面上形成取向膜，进行取向处理(S16)。然后，印刷混入有带隙材料的密封材料(S17)。在这里，按每个元件分别呈环状地印刷用于封入液晶的密封材料。
然后，采用液晶滴注装置，将液晶滴注于环状的密封材料的内侧(S18)。然后，如图4(a)所示，将上方的基板和下方的基板组合，组装盒(S19)。接着，按照30μm的厚度，对下方的基板进行研磨(S20)。即，减小下方的基板的厚度至图4(a)中的线C处。由此，获得图4(b)所示的第1单位元件10。研磨方法采用机械法或蚀刻法。
另外，如图3中的步骤S21～S29(第2单位元件形成工序)那样，制作第2单位元件20。首先，按照规定尺寸对上方的基板(一个元件的情况，构成基板20a)进行加工(S21)。例如，按照200×200mm的尺寸，对厚度为300μm的片状玻璃进行加工。接着，在上方的基板的内侧(填充液晶的一侧)的表面上形成取向膜，进行取向处理(S22)。
此外，按照规定尺寸对下方的基板(一个元件的情况，构成基板20b)进行加工(S24)。例如，按照200×200mm的尺寸，对厚度为300μm的片状玻璃进行加工。接着，在下方的基板的内侧(填充液晶的一侧)的表面上设置ITO膜，形成电极(S24)。在这里，通过蚀刻等进行布图处理，在每个元件上形成公共电极。在形成电极20的工序中，在基板10上设置接地端子Vo。接着，在下方的基板的内侧(填充液晶的一侧)的表面上形成取向膜，进行取向处理(S25)。接着，印刷混入有带隙材料的密封材料(S26)。在这里，按每个元件分别呈环状地印刷用于封入液晶的密封材料。
然后，采用液晶滴注装置，在环状的密封材料的内侧滴注液晶(S27)。接着，如图5(a)所示，将上方的基板和下方的基板组合，组装盒(S28)。之后，按照30μm的厚度，对上方的基板进行研磨(S29)。即，减小下方的基板的厚度至图5(a)中的线C处。由此，获得图5(b)所示的第2单位元件20。
另外，如图3中的步骤S31～38(第3单位元件形成工序)那样，制作第3单位元件30。首先，按照规定尺寸对上方的基板(一个元件的情况，构成基板30a)进行加工(S31)。例如，按照200×200mm的尺寸，对厚度为300μm的片状玻璃进行加工。接着，在上方的基板的内侧(填充液晶的一侧)的表面上形成取向膜，进行取向处理(S32)。
此外，按照规定尺寸对下方的基板(一个元件的情况，构成基板30b)进行加工(S33)。例如，按照200×200mm的尺寸，对厚度为300μm的片状玻璃进行加工。接着，在下方的基板的内侧(填充液晶的一侧)的表面上形成取向膜，进行取向处理(S34)。然后，印刷混入有带隙材料的密封材料(S35)。在这里，按每个元件分别呈环状地印刷用于封入液晶的密封材料。
接着，采用液晶滴注装置，在环状的密封材料的内侧滴注液晶(S36)。然后，如图6(a)所示，将上方的基板和下方的基板组合，组装盒(S37)。接着，分别按照30μm的厚度对上方的基板和下方的基板进行研磨(S38)。即，减小上方的基板和下方的基板的厚度至图6(a)中的线C处。由此，获得图6(b)所示的第3单位元件30。
然后，在1个第1单位元件10和1个第2单位元件20之间，设置并层叠4个第3单位元件30(S41)。在这里，为了形成光的偏振、非偏振的透镜，第1单位元件10和上方的2个第3单位元件30的液晶的取向方向如图2中的箭头那样，为与纸面平行的方向(左右方向)。第2单位元件20和下方的2个第3单位元件30的液晶的取向方向如图2中的箭头那样，为与纸面相垂直的方向。即，第1单位元件10和上方的2个第3单位元件30的液晶的取向方向与第2单位元件20和下方的2个第3单位元件30的液晶的取向方向相互正交地设置。另外，各元件之间通过光学粘接剂而粘接。
然后，采用切片器等，将具有层叠的多个液晶元件的组装品切分为各多层结构液晶光学元件100，即切割为产品尺寸(S42)。由此，获得图1所示的多层结构液晶光学元件100。
这样，在本实施方式中，多层结构液晶光学元件100包括：第1单位元件10，在形成有段电极的基板10a和没有形成电极的基板10b之间填充有液晶40；第2单位元件20，在没有形成电极的基板20a和形成有公共电极的基板20b之间填充有液晶40；以及第3单位元件30，在没有形成电极的基板30a、30b之间填充有液晶40，在第1单位元件10和第2单位元件20之间，配置并层叠多个(4个)第3单位元件30。在将各单位元件的进行粘接的一侧的基板研磨成规定厚度之后，进行层叠。
在制造多层结构液晶光学元件100时，首先，分别制作第1单位元件10、第2单位元件20及第3单位元件30。接着，在第1单位元件10和第2单位元件20之间，设置并层叠4个第3单位元件30。另外，第1单位元件10和上方的2个第3单位元件30的液晶的取向方向与第2单位元件20和下方的2个第3单位元件30的液晶的取向方向相互正交地设置。
由此，可使加工容易，并且可确保液晶的填充量和充分的光学距离L，可提高响应速度和光透射率。
另外，由于没有形成电极的基板在封入有液晶的状态下按照规定厚度较薄地加工，因此可在封入液晶时防止基板变形(挠曲)，获得均匀的光学特性。另外，在较薄地对基板进行加工时，基板不产生挠曲，可加工成平坦的面。
此外，第1单位元件10和一部分第3单位元件30的液晶的取向方向与第2单位元件20和其它第3单位元件30的液晶的取向方向相互正交地设置，由此与现有的双重液晶透镜相比，电极层(ITO膜)、高电阻膜层少，光透射率可大幅度地提高，且可削减制造成本。
还有，由于在各单位元件的盒组装阶段之前，采用较厚的玻璃基板，因此可在封入液晶时防止基板变形，获得均匀的光学特性。
另外，由于与现有的双重液晶透镜相比，电极的数量少，因此结构简单，制造容易，可削减制造成本。
此外，由于由单位元件构成，因此与现有的双重液晶透镜相比，在形成多层结构时，不需要对准，由此组装容易。
通过在设置于基板10a、20b上的电极之间施加电压，可控制液晶的分子取向，可改变光学特性。于是，可缩短作为液晶光学元件的响应时间，可作为为了对光拾取(pickup)的记录、再生时产生的像差进行校正而采用的液晶像差校正元件而实际使用。
再有，在上述实施方式中，第3单位元件30的个数为4个，但是并不限于此。也可采用例如2个、6个、8个第3单位元件30而构成。另外，作为特殊的透镜，第3单位元件30的个数也可以为寄数例如1个、3个、5个等。
另外，在上述实施方式中，对下述的例子进行了说明，其中，在多层结构液晶光学元件100中，第1单位元件10侧的2个第3单位元件30的液晶的取向方向与第1单位元件10相同，第2单位元件20侧的2个第3单位元件30的液晶的取向方向与第2单位元件20相同，但是，并不限于此。也可按照使邻接的单位元件的液晶的取向方向相互垂直的方式设置。
此外，在上述多层结构液晶光学元件100的制造方法中，对采用尺寸为200×200mm的片状玻璃，在其上形成多个元件，最后按照产品尺寸而切割的例子进行了说明，但是，并不限于此。
工业上的可利用性
本发明可用作在便携电话机、便携信息终端机(PDA)、数字设备等中的超小型照相机中所内置的具有自动对焦功能、宏微切换功能的液晶光学元件，或用作光盘装置中为了对拾取(pickup)的记录、再生时产生的像差进行校正而采用的液晶光学元件。
标号的说明

Claims (6)

1.一种多层结构液晶光学元件，
包括：第1单位元件，在形成有段电极的基板与没有形成电极的基板之间封入有液晶，上述没有形成电极的基板在封入有上述液晶的状态下减薄加工而成；
第2单位元件，在形成有公共电极的基板与没有形成电极的基板之间封入有液晶，上述没有形成电极的基板在封入有上述液晶的状态下减薄加工而成；以及
第3单位元件，在没有形成电极的2个基板之间封入有液晶，上述2个基板在封入有上述液晶的状态下减薄加工而成，
在上述第1单位元件与第2单位元件之间，配置并层叠有多个上述第3单位元件，
上述多层结构液晶光学元件的特征在于，
作为上述段电极，形成有第1驱动电极和第2驱动电极，在基板的中心部配置有圆形的上述第2驱动电极，在其周边配置有上述第1驱动电极，上述第1驱动电极与在基板的表面上所形成的第1驱动端子连接，上述第2驱动电极与在基板的表面上所形成的第2驱动端子连接，
上述公共电极为在基板的中央部所形成的圆形的电极，与在基板的厚度方向上贯通的孔中所设置的端子连接。
2.根据权利要求1所述的多层结构液晶光学元件，其特征在于，
上述没有形成电极的基板在封入有上述液晶的状态下减薄加工到30μm。
3.根据权利要求1所述的多层结构液晶光学元件，其特征在于，
上述第1单位元件及一部分上述第3单位元件的液晶的取向方向与上述第2单位元件及其它上述第3单位元件的液晶的取向方向被配置为相互正交。
4.一种多层结构液晶光学元件的制造方法，包括：
第1单位元件形成工序，在形成有段电极的基板与没有形成电极的基板之间形成用于形成多个液晶元件的多个环状的密封材料并封入液晶之后，减薄加工没有形成电极的基板，从而形成第1单位元件；
第2单位元件形成工序，在形成有公共电极的基板与没有形成电极的基板之间形成用于形成多个液晶元件的多个环状的密封材料并封入液晶之后，减薄加工没有形成电极的基板，从而形成第2单位元件；
第3单位元件形成工序，在没有形成电极的2个基板之间形成用于形成多个液晶元件的多个环状的密封材料并封入液晶之后，减薄加工2个基板，从而形成第3单位元件；以及
层叠工序，在上述第1单位元件与第2单位元件之间，配置并层叠多个上述第3单位元件；
上述多层结构液晶光学元件的制造方法的特征在于，
还包括切割工序，将具有层叠的多个液晶元件的组装品切分为各多层结构液晶光学元件，切割为产品尺寸，
在上述第1单位元件形成工序中，作为上述段电极，形成第1驱动电极和第2驱动电极，在基板的中心部配置圆形的上述第2驱动电极，在其周边配置上述第1驱动电极，上述第1驱动电极与在基板的表面上所形成的第1驱动端子连接，上述第2驱动电极与在基板的表面上所形成的第2驱动端子连接，
在上述第2单位元件形成工序中，上述公共电极为在基板的中央部所形成的圆形的电极，与在基板的厚度方向上贯通的孔中所设置的端子连接。
5.根据权利要求4所述的多层结构液晶光学元件的制造方法，其特征在于，
上述液晶是采用滴注法来封入的。
6.根据权利要求4所述的多层结构液晶光学元件的制造方法，其特征在于，
在上述层叠工序中，上述第1单位元件及一部分上述第3单位元件的液晶的取向方向与上述第2单位元件及其它上述第3单位元件的液晶的取向方向被配置为相互正交。
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