JP2013258064A - 光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 色分離による色むらを抑えた、光を電気的に曲げることができる光学系を提供する。
【解決手段】 光学系は、光源と、微細形状パターンを有し、前記光源からの光線を、第１及び第２の透明電極に印加される電圧に従い、一定方向に、一定角度で曲げることが可能な第１の光偏向液晶素子と、マイクロプリズムを有し、前記第１の光変更液晶素子と同一光路上に配置され、前記光源からの光線を、第３及び第４の透明電極に印加される電圧に従い、前記一定方向と同一方向に、前記一定角度を含む範囲で曲げることが可能な第２の光偏向液晶素子と、前記第１〜第４の透明電極に前記電圧を印加することにより、前記微細形状パターンと液晶層との間の光学的界面及び、前記マイクロプリズムと液晶層との間の光学的界面をそれぞれ変化させることにより、前記光源からの光線の配光を制御する駆動回路とを有する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、光学系に関する。

車両用灯具等に用いられる光学系では、例えば、走行用配光とすれ違い用配光との少なくとも２種類の配光を得ることが要求される。従来、２種類の光源を用いて、それぞれの配光に応じて光源を切り替える方式や、可動式の遮光部を用いる方式が用いられている。しかしながら、これらの配光切り替え方法を用いた場合には、２種類の光源または可動式の遮光部を用意するため、前照灯全体としての構成要素が大きくかつ重量も嵩んでしまう。

このような点の解決が期待される配光切り替え方法として、液晶光学素子を用いた方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１では、一対の基板の一方の内面に数ミクロンから数十ミクロンピッチの大きさのマイクロプリズムを形成した液晶セルを用い、電圧無印加状態と電圧印加状態とを切り替え、液晶層の屈折率を切り替えることにより、配向制御を行う。

また、レーザやＬＥＤなどの光を制御する薄膜光学系として、サブミクロンサイズの微細加工を施した回折素子が提案されている。
特開２０１１−８１９８５号公報

上述した従来のマイクロプリズムを用いた光偏光制御では、原理的に波長による屈折角の違いが生じ、色分離してしまう。回折格子は波長によって分離するため、原理的に色分離が生じてしまう。また、従来の回折素子では電気的に配向状態を切り替えることができなかった。

本発明の目的は、小型でかつ製造コストを抑えた光学系を提供することである。

また、本発明の他の目的は、色分離による色むらを抑えた、光を電気的に曲げることができる光学系を提供することである。

本発明の一観点によれば、光学系は、光源と、相互に対向する一対の第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に電圧を印加する一対の第１及び第２の透明電極と、前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、液晶分子を有する第１の液晶層と、前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方に形成される微細形状パターンとを含み、前記光源からの光線を、前記第１及び第２の透明電極に印加される電圧に従い、一定方向に、一定角度で曲げることが可能な第１の光偏向液晶素子と、相互に対向する一対の第３及び第４の透明基板と、前記第３及び第４の透明基板間に電圧を印加する一対の第３及び第４の透明電極と、前記第３及び第４の透明基板間に挟まれ、液晶分子を有する第２の液晶層と、前記第３及び第４の透明基板の少なくとも一方に形成されるマイクロプリズムとを含み、前記第１の光変更液晶素子と同一光路上に配置され、前記光源からの光線を、前記第３及び第４の透明電極に印加される電圧に従い、前記一定方向と同一方向に、前記一定角度を含む範囲で曲げることが可能な第２の光偏向液晶素子と、前記第１〜第４の透明電極に前記電圧を印加することにより、前記微細形状パターンと前記第１の液晶層との間の光学的界面及び、前記マイクロプリズムと前記第２の液晶層との間の光学的界面をそれぞれ変化させることにより、前記光源からの光線の配光を制御する駆動回路とを有する。

本発明によれば、小型でかつ製造コストを抑えた光学系を提供することができる。

また、本発明によれば、色分離による色むらを抑えた、光を電気的に曲げることができる光学系を提供することができる。

本発明の第１の実施例による光偏向液晶素子１０１の概略断面図である。 微細形状パターン４のＳＥＭ写真である。 光源５１、光偏向液晶素子１０１及びスクリーン５３の配置を表す模式図及び配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。 光源５１、偏光板５４、光偏向液晶素子１０１及びスクリーン５３の配置を表す模式図及び配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。 本発明の第２の実施例で用いるマイクロプリズム３を有する光偏向液晶素子１０２を概略的に示す厚さ方向断面図である。 マイクロプリズム３の概略斜視図である。 光源５１、光偏向液晶素子１０２及びスクリーン５３の配置を表す模式図及び配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。 光源５１、偏光板５４、光偏向液晶素子１０２及びスクリーン５３の配置を表す模式図及び配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。 本発明の第２の実施例による光学系２００の配置を表す模式図及び配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。 光学系２００による配向制御の他の例を表す概念図である。 光偏向液晶素子１０２の変形例を概略的に示す厚さ方向断面図である。

図１は、本発明の第１の実施例による光偏向液晶素子１０１の概略断面図である。

光偏向液晶素子１０１は、液晶層側の表面にミクロンからサブミクロンオーダーの微細形状（例えば、微細な凹凸形状）パターンが形成され、入射光線を一定の回折角で回折させることにより、該入射光線を曲げることが可能な液晶素子である。

光偏向液晶素子１０１は、一対のガラス基板１１及び２１、一対のガラス基板１１及び２１間に挟持される液晶層１５、ガラス基板１１上に形成された微細形状パターン４、一対のガラス基板１１及び２１にそれぞれ形成された透明電極１２及び２２、透明電極１２及び２２上にそれぞれ形成された配向膜１３及び２３、ギャップコントロール剤１４、メインシール剤１６を含んで構成される。

以下、光偏向液晶素子１０１の製造方法の一例を説明する。まず、片側のガラス基板（研磨ガラス）１１の表面に微細形状パターン（例えば、回折格子となる凹凸パターン）４を形成する。

微細形状パターン４の形成には様々な方法が考えられるが、例えば、精密な形状を形成した金型を作製し、その形状を反転転写して基板１１上に微細形状を形成することができる。この場合、まず基板１１上に耐熱性、耐光性に優れたアクリル系紫外線硬化樹脂（ＵＶ硬化性樹脂）を所定量滴下し、その上に金型を配置し、厚手の石英部材などを基板１１の裏側に配置して平面性を補強した状態でプレスを行う。プレス後、１分以上放置し、ＵＶ硬化性樹脂を十分広げた後、基板１１の裏側（石英側）から紫外線を照射し、ＵＶ硬化性樹脂を硬化させる。紫外線の照射量は２０Ｊ／ｃｍ^２とした。紫外線の照射量は、樹脂が硬化するように適宜設定すればよい。これにより、例えば、図２のＳＥＭ写真に示すようなライン状のグレーティング（回折格子）となる微細形状パターン４を基板１１上に形成することができる。

なお、金型は電子線などによりパターンを形成したものを用いることができる。また、金型を用いずに直接基板１１上に電子線を当ててパターンを形成することもできる。

また、上述のように、最後まで残る材料に微細形状パターン４を形成する以外にも、レジスト材料に微細形状パターンを転写し、そのレジストパターンを用いてガラス基板１１をエッチングして微細形状パターン４を形成してもよい。この場合、エッチング材料（例えば、ドライエッチングの場合はプラズマ化したエッチングガス）がレジスト及びガラスなどの基板材料をエッチングする速度に注意が必要である。

レジストのエッチング速度がガラスよりも速い場合、レジストに形成された微細形状よりも凹凸の差が小さい微細形状パターンがガラス基板１１上に形成される傾向がある。一方、レジストのエッチング速度がガラスよりも遅い場合、レジストに形成された微細形状よりも凹凸の差が大きい微細形状パターンがガラス基板１１上に形成される傾向がある。

微細形状パターン４の光学設計は、上記金型を用いる場合及びレジストを用いる場合等のいずれにおいても、例えば、市販の回折光学設計ツール（ソフトウェア）を用いて計算することにより行うことができる。この計算には、光源の情報（ニアフィールド、ファーフィールド）と、結果として得たい光学像（出力形状分布、輝度分布）情報、微細形状パターン４周辺の条件（液晶の屈折率、微細形状パターン４の屈折率、透明電極１２の厚さ等）を入力し、シミュレーションすることで最適な位相分布を得ることができる。それを元に、必要な微細形状を決定し、ミクロンオーダーもしくはサブミクロンオーダーの微細形状分布を形成し、光を照射したときの屈折率の分布を得る。

次に、形成した微細形状パターン４上に所定のパターンの透明電極１２を形成する。本実施例では、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を用いて透明電極１２を形成するが、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の別の金属酸化膜や金などの薄膜金属等を用いることもできる。また、厚さは２０ｎｍのＩＴＯを用いるが、微細形状パターン４の深さや基板１１の大きさなどを考慮して透明電極１２の厚さを決めることが望ましい。透明電極１２の厚さはなるべく薄いことが望ましく、厚くなる場合には予め透明電極１２の厚さを考慮して微細形状パターン４の設計を行うことが望ましい。

なお、本実施例では、微細形状パターン４上に透明電極１２を形成するが、基板１１上に透明電極１２を形成し、その上に微細形状パターン４を形成するようにしてもよい。微細形状パターン４の下に透明電極１２を形成する場合、微細形状パターン４を耐熱性の樹脂で形成する必要がなくなる。

また、もう一方のガラス基板（対向基板）２１上にも、ＩＴＯを用いて透明電極２２を形成する。透明電極２２は、例えば、厚さ１５０ｎｍであり、所望の平面形状にパターニングされている。

次に、微細形状パターン４が形成された基板１１及び対向基板２１を洗浄機により洗浄する。洗浄は、例えば、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、ＵＶ照射、ＩＲ乾燥を順に行うことで可能であるが、これに限るものではない。例えば、高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。

本実施例で用いた微細形状パターン４は、拡大すると図２のＳＥＭ写真に示すようなライン状のグレーティング形状をしており、その分布は一方向（写真では縦方向）に微小な溝が掘られている状態である。

従来、微小な溝構造により液晶分子が配向することが知られているが、その配向規制力は比較的弱い（アンカリングエネルギーが低い）こともわかっている。したがって、微細形状パターン４の溝の形状のみで均一配向を得ることは一般には難しいとされている。

本実施例では、微細形状パターン４が形成された基板１１にポリイミド等からなる配向膜１３を形成する。この時、なるべく配向膜１３の膜厚を薄くして形成することが望ましく、微細パターン４の深さや基板１１の大きさなどを考慮して配向膜１３の膜厚を決めることが望ましい。また、配向膜１３の膜厚が厚くなる場合には、当該膜厚を考慮して微細パターン４の設計を行うことが望ましい。配向膜１３の形成方法は、例えば、ポリイミド配向膜をスピンコート法にて厚さ３０ｎｍ形成し、１８０℃で１．５時間焼成を行う。また、対向基板２１にも、ポリイミド配向膜からなる配向膜２３を形成する。例えば、フレキソ印刷法で厚さ８０ｎｍ形成して、１８０℃で１．５時間焼成を行う。なお、ここで用いる配向膜は、特に限定されないが、アンカリング強度（液晶への吸着力を含む）が強い材料であることが望ましい。具体的には、ツイステッド・ネマチック（ＴＮ）やイン・プレーン・スイッチング（ＩＰＳ）用に用いられているポリイミド系の材料の配向膜を用いることが望ましい。

配向膜１３及び２３の焼成後に、配向処理としてラビングを実施する。ラビング条件、ラビング方向については、特に規制はないが、ストロングアンカリング条件が望ましい。例えば、本実施例では、基板１１の配向膜１３に対しては、微細形状パターン４の微小溝の延在方向と直交する方向（図２における横方向）にラビング処理を行う。また、対向基板２１の配向膜２３に対しては、配向膜１３に対するラビング方向と平行（アンチパラレル方向）になるようにラビング処理を行う。

次に、片側のガラス基板（例えば、微細形状パターン４が形成された基板１１）上に、ギャップコントロール剤を２ｗｔ％〜３ｗｔ％含んだメインシール剤１６を形成する。形成方法として、スクリーン印刷やディスペンサが用いられる。例えば、ギャップコントロール剤として径が５μｍのプラスチックファイバーを選択し、これを三井化学製のシール剤ＥＳ−７５００に２ｗｔ％添加して、メインシール剤１６とする。

もう一方のガラス基板（例えば、対向基板２１）上には、ギャップコントロール剤１４として径が５μｍの積水化学製のプラスチックボールを、乾式のギャップ散布機を用いて散布する。

次に、両ガラス基板１１、２１の重ね合わせを行い、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させた。ここでは、１５０℃で３時間の熱処理を行う。

このようにして作製された空セルに、液晶を真空注入して、液晶層１５を形成する。本実施例では、液晶として、Δεが正でΔｎ＝０．２９８のものを用いることができる。液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止する。封止後、１２０℃で３０分程度の熱処理を行い、液晶の配向状態を整える。

再配向処理を行うには界面の液晶分子を界面吸着から解き放つためのエネルギー（ここでは熱エネルギー）が必要である。ここで必要なエネルギーは微細形状材料や配向膜材料等の界面膜、液晶材料によって異なるが、概ね液晶の等方相転移温度以上である。

なお、配向膜１３に対しては、配向処理を行わないこともできるが、その場合には、液晶の注入から熱処理まではなるべく速やかに行う必要がある。なぜならば微細形状パターン４の配向規制力はそれほど強くなく、液晶注入時の液晶の流れの影響を受ける方向に配向（流動配向）する現象が見られる。これを解消するために、高温処理を行い、液晶を一旦等方相温度以上にすることで流動配向を消去して本来の光配向に起因した方向に再配向させることができる。しかし、この方法では液晶を注入してから時間がたってしまうと流動配向が安定してしまい、多少の熱処理では完全に消去できなくなる（これを配向のメモリー性と呼ぶ）。したがって、液晶の注入から熱処理まではなるべく速やかに行うことが望ましく、可能であれば３時間以内、遅くとも２４時間以内に熱処理を行うことが望ましい。

なお、第１の実施例による光偏向液晶素子１０１では、微細形状パターン４を屈折率が１．５程度のＵＶ硬化性樹脂で形成した。また、実施例では、異常光屈折率（ｎｅ）が１．８程度を示し、常光屈折率（ｎｏ）が１．５程度を示す液晶を用いる。つまり、微細形状パターン４を構成するＵＶ硬化性樹脂の屈折率は、液晶の常光屈折率（ｎｏ）と同等である。なお、本明細書において、第１の材料の屈折率と第２の材料の屈折率との差が、第１の材料の屈折率または第２の材料の屈折率に対して３％以内（より好ましくは２％以内）であるとき、両材料の屈折率が同等であるとする。

すなわち、光偏向液晶素子１０１では、液晶に印加する電圧がＯＮの場合には、液晶の屈折率と微細形状パターン４を構成する材料の屈折率とが同等となるので、液晶層１５と微細形状パターン４との界面には光学的界面ができずに、該界面を通過する光は直進するが、液晶に印加する電圧がＯＦＦの場合には、液晶の屈折率と微細形状パターン４を構成する材料の屈折率とに屈折率差が生じるので、液晶層１５と微細形状パターン４との界面には光学的界面ができ、該界面を通過する光は曲げられる。つまり、微細形状パターン４を構成する材料の屈折率と印加電圧により変化する液晶の屈折率との屈折率差に応じて光偏向液晶素子１０１を通過する光の回折状態が変化し、配光（角度）が制御される。

なお、ＵＶ硬化性樹脂及び液晶の屈折率は上記以外のものでもよい。例えば、微細形状パターン４を構成するＵＶ硬化性樹脂の屈折率を異常光屈折率（ｎｅ）と同等のものとしてもよいし、異常光屈折率（ｎｅ）と常光屈折率（ｎｏ）との平均的な値（ｎｅ＋ｎｏ）／２）と同等のものとしてもよい。

本発明者は、第１の実施例による光偏向液晶素子１０１を実際に作製し、光源と組み合わせることにより、配光制御の実験を行った。

図３（Ａ）は、光源５１、光偏向液晶素子１０１及びスクリーン５３の配置を表す模式図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の配置で配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。

図３（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０１の背面にＬＥＤ等の光源５１を配置し、電圧供給装置５２により光偏向液晶素子１０１へ印加する電圧を制御することにより、光偏向液晶素子１０１を通過してスクリーン５３に投影される光源５１からの光を図中一点差線で示すように左右方向に曲げることができた。

図３（Ｂ）に示すように、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０１へ印加する電圧をＯＮ（１０Ｖ程度）にした場合、投影像６０Ｃは１つのスポットになった状態に制御できた。ここで、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０１へ印加する電圧をＯＦＦ（０Ｖ）にした場合、投影像が水平方向に、中心の投影像６１Ｃ、左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒの３つに分かれた状態に制御できた。なお、この時左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒは、中心の投影像６１Ｃに対して左右方向に５°程度曲げられていることが確認できた。

なお、中間電圧を印加した場合には、光が曲がる角度はほとんど変化せず、光量のみが変化した。これは、本実施例では、微細形状パターン４として微細な凹凸パターン（グレーティング）を形成したので、光偏向液晶素子１０１では回折角はグレーティングのピッチ等により一定値に決まってしまうためであると考えられる。

なお、電圧ＯＦＦ時では、左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒにおいて色分離が確認された。この時、それぞれの投影像６２Ｌ及び６２Ｒにおいて、中心に近い部分は青色（回折角が小さい）、中心から離れている部分は赤色（回折角が大きい）であることが分かった。

また、電圧ＯＦＦ時に３つのスポットに分かれた光（投影像６１Ｃ、６２Ｌ、６２Ｒ）のそれぞれの偏光状態を確認すると、中心の投影像６１Ｃと左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒとで偏光方向が直交していることが分かった。

そこで、図４（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０１と光源５１との間に偏光板５４を配置して、再度実験を行った。図４（Ｂ）に示すように、偏光板５４の透過軸を縦にした（微細形状パターン４の微小溝の長手方向に平行にした）時は、電源ＯＦＦ時にも、左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒが消えて中心の投影像６１Ｃ（０次光）だけとなった。一方、偏光板５４の透過軸を横にした（微細形状パターン４の微小溝の長手方向に直交させた）時は、電源ＯＦＦ時に、中心の投影像６１Ｃが消え、左右の投影像６２Ｌ及び６２Ｒ（１次光）だけとなった。

このように、偏光板５４を光偏向液晶素子１０１と光源５１との間に配置することにより、電気的に一定の偏光方向の光を曲げることが可能となる。なお、光偏向液晶素子１０１を２枚組み合わせることにより、全ての偏光方向の光を曲げることも可能となる。また、微細形状パターン４を適宜設計することにより、光源５１の光を左右方向ではなく左又は右の一方向にだけ曲げるようにすることも可能である。さらに、光を曲げる方向は左右に限らず上下や斜め方向であってもよい。また、任意形状に光を曲げることも可能である。

なお、微細形状パターン４を有する光偏向液晶素子１０１のみで光を曲げる場合、上述したように、曲げられた光に色分離が観察される。本発明者は、マイクロプリズムを用いた屈折の場合の色分離の傾向を、微細形状パターン４を有する光偏向液晶素子１０１における色分離の傾向と逆に設定できることに着目し、第２の実施例として、微細形状パターン４を有する光偏向液晶素子１０１に、図５に示すマイクロプリズム３を有する光偏向液晶素子１０２を組み合わせて、色分離を打ち消すことが可能な光学系を作製することとした。

図５は、本発明の第２の実施例で用いるマイクロプリズム３を有する光偏向液晶素子１０２を概略的に示す厚さ方向断面図である。

光偏向液晶素子１０２は、液晶層側の表面に数ミクロンから数十ミクロンピッチの大きさのマイクロプリズム３が形成され、入射光線を屈折させることが可能な液晶素子である。

光偏向液晶素子１０２は、一対のガラス基板１１及び２１、一対のガラス基板１１及び２１間に挟持される液晶層１５、ガラス基板１１上に形成されたマイクロプリズム３、一対のガラス基板１１及び２１にそれぞれ形成された透明電極１２及び２２、透明電極１２及び２２上にそれぞれ形成された配向膜１３及び２３、ギャップコントロール剤１４、メインシール剤１６を含んで構成される。以下に、光偏向液晶素子１０２の製造方法を説明する。

まず、透明電極が形成された一対のガラス基板（透明電極１２が形成されたガラス基板１１、及び、透明電極２２が形成されたガラス基板２１）を用意した。ガラス基板１１、２１は、それぞれ、厚さ０．７ｍｍｔであり、材質は無アルカリガラスである。透明電極１２、２２は、それぞれ、厚さ１５０ｎｍであり、材質はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であり、所望の平面形状にパターニングされている。

片側のガラス基板１１の透明電極１２上に、マイクロプリズム３を形成した。マイクロプリズム３は、ベース層３ｂ上にプリズム３ａが並んだ形状を有する。ベース層３ｂの厚さは、例えば３０μｍ〜４０μｍ程度である。

図６は、マイクロプリズム３の概略斜視図であり、右上部分にプリズム３ａの断面形状の拡大図を示す。各プリズム３ａは、頂角約７５°、底角が約１５°及び約９０°の三角柱状であり、複数のプリズム３ａが、プリズム長さ方向と直交する方向（この方向を、プリズム幅方向と呼ぶこととする）に並んでいる。プリズム３ａの高さは約５．２μｍであり、プリズム３ａの底辺の長さ（プリズムのピッチ）は約２０μｍである。

プリズム３ａの方向は、中心部を境に図中左右両端に斜面が向くようになっている（本実施例では、マイクロプリズム３が中心部を境に左右対称形となっている）。これにより、マイクロプリズム３に入射した光を２方向に曲げることが可能となる。

次に、マイクロプリズム３の作製方法について説明する。マイクロプリズム３の型が形成され、離型剤もしくはコーティング剤付きのプリズム金型上に、所定量のアクリル系紫外線硬化樹脂（ＵＶ硬化性樹脂）を精密なディスペンサを用いて滴下し、その上の所定位置に、ガラス基板１１（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ０．７ｍｍｔ）の透明電極１２を置き、厚手の石英部材などを基板の裏側に配置して補強した状態でプレスを行う。ここで、すぐに基板１１を金型に押し付けてしまうとマイクロプリズム３に気泡が残留してしまう（例えば、大きさ５０〜２００μｍφ程度の気泡残留）ので、時間をかけて気泡を逃しながら少しずつ押し込むようにする。こうすることで、樹脂と金型パターンの間に気泡のない状態で樹脂を広げることが可能である。この時、周囲の気圧が低いことが望ましく、気圧が低いほど押し込む速度を早くすることができる。周囲の気圧を概ね２０Ｔｏｒｒ以下にすれば、押し込み速度を気にせず重ね合わせることが可能である。

プレスして１分以上放置し、ＵＶ硬化性樹脂を十分広げた後、ガラス基板１１の裏側から紫外線を照射し、ＵＶ硬化性樹脂を硬化させる。紫外線の照射量は２Ｊ／ｃｍ^２とする。紫外線の照射量は、樹脂が硬化するように適宜設定すればよい。なお、ＩＴＯは紫外線を吸収するため、透明電極の膜厚が変われば紫外線照射量も変える必要があろう。

ＵＶ硬化性樹脂の硬化後、石英、プレス治具などを取り外し、マイクロプリズム３が形成されたガラス基板１１を押し上げることにより、プリズム金型から剥離する。なお、マイクロプリズム３の大きさは、ＵＶ硬化性樹脂の滴下量を調整することにより行う。滴下量を調整してプリズム形成領域全体のうちの必要な領域にマイクロプリズム３を形成する。

なお、本実施例では、透明電極１２の上にマイクロプリズム３を形成するが、基板１１上にマイクロプリズム３を形成し、その上に透明電極１２を形成するようにしてもよい。その場合、絶縁膜であるマイクロプリズム３を介さずに液晶に電圧を印加することができるため望ましいともいえるが、マイクロプリズム３を介して電圧を印加する場合でも、数Ｖで光制御を行うことができるため、ＩＴＯがマイクロプリズム３の下に形成されていても実用上は問題がなく、マイクロプリズム３を耐熱性の樹脂で形成する必要がなくなるという利点がある。

図５に戻る。次に、マイクロプリズム３が形成された基板１１及び対向基板２１を洗浄機により洗浄する。洗浄は、例えば、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、ＵＶ照射、ＩＲ乾燥を順に行うことで可能であるが、これに限るものではない。例えば、高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。

マイクロプリズム３上、及びもう一方のガラス基板２１の透明電極２２上に、ポリイミド等により配向膜１３及び２３を形成する。なお、マイクロプリズム３上の配向膜１３は省略可能である。ここでは、日産化学製のＳＥ−１３０をフレキソ印刷法で厚さ８０ｎｍ形成して、１８０℃で１．５時間焼成を行う。なお、ここで用いる配向膜は、特に限定されないが、アンカリング強度（液晶への吸着力を含む）が強い材料であることが望ましい。具体的には、ＴＮやＩＰＳ用に用いられているポリイミド系の材料の配向膜を用いることが望ましい。

焼成後、配向膜２３に配向処理としてラビングを行った。配向膜２３のラビング方向は、マイクロプリズムパターンと平行（アンチパラレル配向）になるように、図６に示す方向ｘで、プリズムの山が延在する方向（以下、単にプリズム方向と呼ぶ）と平行に液晶分子の長軸方向が並ぶように行う。なお、本明細書では、プリズム方向と平行に液晶分子の長軸方向が並ぶような処理を行ったものをプリズム方向と定義する。なお、配向膜１３に対してもラビングを行う場合には、配向膜２３のラビング方向に対してアンチパラレル配向となるように行うことが望ましい。

次に、マイクロプリズム３を形成した側のガラス基板１１上に、ギャップコントロール剤を２ｗｔ％〜３ｗｔ％含んだメインシール剤１６を形成した。形成方法として、スクリーン印刷やディスペンサが用いられる。例えば、ギャップコントロール剤として径が５μｍのプラスチックファイバーを選択し、これを三井化学製のシール剤ＥＳ−７５００に２ｗｔ％添加して、メインシール剤１６とする。

もう一方のガラス基板（例えば、対向基板２１）上には、ギャップコントロール剤１４として径が５μｍの積水化学製のプラスチックボールを、乾式のギャップ散布機を用いて散布する。

次に、両ガラス基板１１、２１の重ね合わせを行い、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させた。ここでは、１５０℃で３時間の熱処理を行う。

このようにして作製された空セルに、液晶を真空注入して、液晶層１５を形成する。本実施例では、液晶として、Δεが正でΔｎ＝０．２９８のものを用いることができる。液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止する。封止後、１５０℃で１時間程度の熱処理を行い、液晶の配向状態を整える。なお、配向膜２３に対して配向処理を施さない場合には、光偏向液晶素子１０１の場合と同様に、液晶の注入から熱処理まではなるべく速やかに行う必要がある。

実施例の光偏向液晶素子においては、電圧無印加状態で（電圧ＯＦＦ時）、液晶分子の長軸がプリズム長さ方向に沿い、電圧印加により（電圧ＯＮ時）、液晶分子の長軸が基板法線方向に立ち上がる。光偏向液晶素子１０２では、マイクロプリズム３を屈折率が１．５程度のＵＶ硬化性樹脂で形成し、異常光屈折率（ｎｅ）が１．８程度を示し、常光屈折率（ｎｏ）が１．５程度を示す液晶を用いる。つまり、マイクロプリズム３を構成するＵＶ硬化性樹脂の屈折率は、液晶の常光屈折率（ｎｏ）と同等である。

すなわち、光偏向液晶素子１０２では、液晶に印加する電圧がＯＮの場合には、液晶の屈折率とマイクロプリズム３を構成する材料の屈折率とが同等となるので、液晶層１５とマイクロプリズム３との界面には光学的界面ができずに、該界面を通過する光は直進するが、液晶に印加する電圧がＯＦＦの場合には、液晶の屈折率とマイクロプリズム３を構成する材料の屈折率とに屈折率差が生じるので、液晶層１５とマイクロプリズム３との界面には光学的界面ができ、該界面を通過する光は曲げられる。つまり、光偏向液晶素子１０２では、マイクロプリズム３を構成する材料の屈折率と印加電圧により変化する液晶の屈折率との屈折率差に応じて光偏向液晶素子１０２を通過する光の屈折状態が変化し、配光（角度）が制御される。

なお、ＵＶ硬化性樹脂及び液晶の屈折率はこれ以外のものでもよいが、光偏向液晶素子１０１と組み合わせて用いるため、光偏向液晶素子１０１において光が曲がる角度、方向等を考慮して設計する必要がある。

本発明者は、光偏向液晶素子１０２を実際に作製し、光偏向液晶素子１０１と同様に、まず光偏向液晶素子１０２単体で光源と組み合わせることにより、配光制御の実験を行った。

図７（Ａ）は、光源５１、光偏向液晶素子１０２及びスクリーン５３の配置を表す模式図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の配置で配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。

図７（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０２の背面にＬＥＤ等の光源５１を配置し、電圧供給装置５２により光偏向液晶素子１０１へ印加する電圧を制御することにより、光偏向液晶素子１０２を通過してスクリーン５３に投影される光源５１からの光を図中一点差線で示すように左右方向に曲げることができた。

図７（Ｂ）に示すように、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０２へ印加する電圧をＯＮ（１０Ｖ程度）にした場合、投影像６０Ｃは１つのスポットになった状態に制御できた。ここで、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０２へ印加する電圧をＯＦＦ（０Ｖ）にした場合、投影像が水平方向に、中心の投影像６２Ｃ、左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒの３つに分かれた状態に制御できた。なお、この時左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒは、中心の投影像６２Ｃに対して左右方向に５°程度曲げられていることが確認できた。なお、中間電圧を印加した場合には、中心の投影像６２Ｃから左右に少し光の帯が伸びたような状態が確認できた。光偏向液晶素子１０２は、電圧により徐々に光を曲げる角度を変えることができることがわかる。

また、電圧ＯＦＦ時では、左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒにおいて色分離が確認された。この時、それぞれの投影像６１Ｌ及び６１Ｒにおいて、中心に近い部分は赤色（屈折角が小さい）、中心から離れている部分は青色（屈折角が大きい）であることが分かった。

また、電圧ＯＦＦ時に３つのスポットに分かれた光（投影像６２Ｃ、６１Ｌ、６１Ｒ）のそれぞれの偏光状態を確認すると、中心の投影像６２Ｃと左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒとで偏光方向が直交していることが分かった。

そこで、図８（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０２と光源５１との間に偏光板５４を配置して、再度実験を行った。図８（Ｂ）に示すように、偏光板５４の透過軸を縦にした（マイクロプリズム３の長手方向に平行にした）時は、電源ＯＦＦ時に、中心の投影像６２Ｃが消え、左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒだけとなった。一方、偏光板５４の透過軸を横にした（マイクロプリズム３の長手方向に直交させた）時は、電源ＯＦＦ時にも、左右の投影像６１Ｌ及び６１Ｒが消えて中心の投影像６２Ｃだけとなった。

この図８（Ｂ）に示す実験結果と、図４（Ｂ）に示す実験結果とをあわせて考察すると、光偏向液晶素子１０１と光偏向液晶素子１０２とでは、色分離の傾向が逆であり、曲げることが可能な偏光方向が直交していることが分かった。そこで、図９（Ａ）に示すように、光偏向液晶素子１０１と光偏向液晶素子１０２とを重ね合わせることにより、色分離をなくすとともに、全ての偏光方向の光を曲げられる光学系２００を作製した。

図９（Ａ）は、本発明の第２の実施例による光学系２００の配置を表す模式図である。

本実施例による光学系２００は、光源５１とその後段に配置される光偏向液晶素子１０１と光偏向液晶素子１０２との積層を含んで構成される。図９（Ａ）は、光源５１からの光が光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２を通過してスクリーン５３に投射される様子を示している。なお、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２への印加電圧は電圧供給装置（駆動回路）５２により制御される。また、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２の積層順に制限はなく、どちらを光源５１に近い側としてもよい。なお、光源５１に対して、微細形状パターン４やマイクロプリズム３を形成する位置は、光源５１側でも逆側（照射面側）でもよい。

光学系２００は、ＬＥＤなどの非偏光の光源５１からの白色光（自然光）を、そのまま（曲げずに）通したり、左右の２つの光に分離したり（左右に曲げたり）することができる。なお、光源５１としては、ＬＥＤのほか、例えば、ＨＩＤランプ、電界放射（ＦＥ）光源、蛍光灯等が考えられる。

光学系２００は、例えば、一般照明、ストロボ、舞台照明等の一般照明、自動車用前照灯、テールランプ等のヘッドランプで用いられる光学系である。また、ディスプレイ用のバックライトや遊技機器の照明等にも使用可能である。

光学系２００の光偏向液晶素子１０１の微細形状パターン４は、液晶の異常光屈折率と微細形状パターン４の構成材料の屈折率を考慮して回折角などを光学設計する。光偏向液晶素子１０２は、光偏向液晶素子１０１の回折角にマイクロプリズム３で屈折できる角度（屈折角）を一致させるように、液晶の異常光屈折率とマイクロプリズム３の構成材料の屈折率を考慮して設計する。なお、光偏向液晶素子１０２の屈折角に光偏向液晶素子１０１の回折角を一致させるようにしても良い。

光偏向液晶素子１０１の回折角と光偏向液晶素子１０２の屈折角とを一致させる設計において、光源５１の波長が単一波長の場合はピーク波長での角度を一致させ、波長が幅広い場合はその中心波長に合わせて設計する。例えば、可視光の場合は、５４０〜５６０ｎｍ付近の波長に対し設計を行う。

図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の配置による光学系２００で配光制御を行った結果の投影像の状態を表す概念図である。

図９（Ｂ）に示すように、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２へ印加する電圧をＯＮ（１０Ｖ程度）にした場合、投影像６０Ｃは１つのスポットになった状態に制御できた。ここで、電圧供給装置５２から光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２へ印加する電圧をＯＦＦ（０Ｖ）にした場合、投影像が水平方向に、左右の投影像６０Ｌ及び６０Ｒの２つに分かれた状態に制御できた。なお、この時左右の投影像６０Ｌ及び６０Ｒは、中心の投影像６０Ｃに対して左右方向に５°程度曲げられていることが確認できた。

なお、電圧ＯＦＦ時でも、左右の投影像６０Ｌ及び６０Ｒにおいて色分離が確認されなかった。これは２つの液晶素子（光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２）それぞれにおいて波長に対する曲がる角度の関係が相殺される関係になっており、結果として色分離が目立たなくなるためであると考えられる。この構成によれば、光源５１の光をほとんど損失することなく、また白色光という非常に波長範囲の広い光を色分離を発生させることなく、電気的に配向制御することが可能となる。

また、中間電圧を印加した場合には、光偏向液晶素子１０２は電圧により徐々に光を曲げる角度を変えることができる一方で、光偏向液晶素子１０１は電圧により光量は変化するものの光を曲げる角度はほとんど変化しないので、色分離が観察される。光の状態をそれぞれの液晶素子で特徴的に変化させることができるため、色分離が起こっても問題がない場面では使用可能であろう。

なお、光学系２００に用いる光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２は同一方向に光を曲げられるように設定されており、図９（Ｂ）に示す例では、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２の両者とも左右に光を曲げるように設定されている。

また、光を曲げる角度は、光偏向液晶素子１０１で光を曲げることのできる角度をθ１とし、光偏向液晶素子１０２で光を曲げることのできる最大角度をθ２とした場合、θ１≦θ２となるように設定する必要がある。これは、光偏向液晶素子１０１で光を曲げることのできる角度θ１は原理上一定であるのに対して、光偏向液晶素子１０２で光を曲げることのできる角度は、印加電圧を制御することにより０°から最大角度θ２まで連続的に変化させることが可能であるからである。

また、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２は、光を曲げることのできる偏光方向が直交するように設計される。すなわち、光偏向液晶素子１０１の微細形状パターン４と液晶層１５との界面における液晶配向方向と、光偏向液晶素子１０２のマイクロプリズム３と液晶層１５との界面における液晶配向方向とが互いに直交するように、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２を積層する。

また、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２のセルギャップ（液晶層１５の厚さ）は同一でもよいし、異なっていてもよい。但し、セルギャップが大きく異なると、それぞれの素子の応答速度が異なってしまうので、その観点からはセルギャップを同一又はほぼ同一とすることが好ましい。なお、応答速度以外の性能はセルギャップが変わってもほとんど変化しない。

また、光偏向液晶素子１０１及び光偏向液晶素子１０２で用いる液晶は同一のものでも別のものでもよい。特に屈折角や１次回折角を液晶材料により調整することができるため、それぞれの素子により曲げられる角度が変わる場合にはΔｎの異なる液晶材料を注入して調整してもよい。なお、液晶の注入方法は真空注入に限らず、例えばＯｎｅＤｒｏｐ Ｆｉｌｌ（ＯＤＦ）法を用いてもよい。ＯＤＦで作製した場合、注入口のない素子ができる。小型素子の場合には特に生産性に優れるという利点がある。

なお、上述の実施例では、微細形状パターン４又はマイクロプリズム３を形成する側のガラス基板１１に配向膜１３を形成し、配向処理を行ったが、配向膜１３又は配向膜１３に対する積極的な配向処理を省略することもできる。この場合にも均一配向が得られることが確認できた。この場合、対向基板２１側の配向膜２３に対しては、ラビングなどの積極的配向処理を行うことが望ましい。

微細形状パターン４及びマイクロプリズム３に方位角的な異方性がある場合には、その異方性により液晶分子が並びやすい方向を実験などにより確認し、対向基板２１側の配向膜２３に行う配向処理の方向は液晶中にカイラル材を添加しない場合は、微細形状パターン４及びマイクロプリズム３により液晶分子が並びやすい方向と重ね合わせたときに平行になるように実施することが望ましい。また、カイラル材を添加する場合は、添加するカイラル材の自然ピッチと液晶素子のセル厚との関係により得られる上下基板間のねじれ角を考慮し、微細形状パターン４及びマイクロプリズム３により液晶分子が並びやすい方向からねじれ角分だけずらした方向に配向処理を行うことが望ましい。なお、上述の実施例では、配向処理としてラビングを行ったが、光配向を用いてもよい。

なお、上述の実施例では、左右の投影像６０Ｌ及び６０Ｒは、中心の投影像６０Ｃに対して左右方向に５°程度曲げられるようにしたが、この角度はこれに限るものではない。左右に光が曲がる角度を小さくして、例えば、図１０に示すように、電圧ＯＦＦ時には２つの投影像に分けるのではなく、１つの横長の投影像となるようにしてもよい。また、光の曲がる方向は左右に限らず上下や斜め方向でもよい。さらに、光源５１の光を２つに分割するのではなく、左右又は上下等の１つの方向のみに光を曲げるようにしてもよい。この場合、例えば、図１１に示すように、マイクロプリズム３の形状をプリズム３ａの全てが一方向に向いて並ぶようにし、微細形状パターン４も１次光が一方向のみに回折するように光学設計する。

以上、本発明の実施例によれば、光源５１の光を光偏光液晶素子１０１又は光学系２００により、機械的な作動部なしに、電圧オフとオンとで曲げることができる。機械的な動作部がないので、小型軽量化が可能であり、信頼性も向上する。さらに、消費電力も極めて少なくすることが可能である。

また、光を回折させる光偏光液晶素子１０１と屈折させる光偏光液晶素子１０２とを組み合わせることにより、それぞれの素子で光を曲げたときに起こる色分離を打ち消すことが可能となる。したがって、白色ＬＥＤをはじめとする様々な光源に対し、色分離することなく配光制御可能な光学系を提供することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

３…マイクロプリズム、４…微細形状パターン、１１，２１…ガラス基板、１２，２２…透明電極、１３，２３…配向膜、１４…ギャップコントロール剤、１５…液晶層、１６…メインシール、５１…光源、５２…電圧供給装置（駆動回路）、５３…スクリーン、５４…偏光板、６０，６１，６２…投影像、１０１，１０２…光偏光液晶素子、２００…光学系

Claims (3)

1. 光源と、
   相互に対向する一対の第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に電圧を印加する一対の第１及び第２の透明電極と、前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、液晶分子を有する第１の液晶層と、前記第１及び第２の透明基板の少なくとも一方に形成される微細形状パターンとを含み、前記光源からの光線を、前記第１及び第２の透明電極に印加される電圧に従い、一定方向に、一定角度で曲げることが可能な第１の光偏向液晶素子と、
   相互に対向する一対の第３及び第４の透明基板と、前記第３及び第４の透明基板間に電圧を印加する一対の第３及び第４の透明電極と、前記第３及び第４の透明基板間に挟まれ、液晶分子を有する第２の液晶層と、前記第３及び第４の透明基板の少なくとも一方に形成されるマイクロプリズムとを含み、前記第１の光変更液晶素子と同一光路上に配置され、前記光源からの光線を、前記第３及び第４の透明電極に印加される電圧に従い、前記一定方向と同一方向に、前記一定角度を含む範囲で曲げることが可能な第２の光偏向液晶素子と、
   前記第１〜第４の透明電極に前記電圧を印加することにより、前記微細形状パターンと前記第１の液晶層との間の光学的界面及び、前記マイクロプリズムと前記第２の液晶層との間の光学的界面をそれぞれ変化させることにより、前記光源からの光線の配光を制御する駆動回路と
   を有する光学系。
2. 前記第１の光偏向液晶素子の前記微細形状パターンと前記第１の液晶層との界面における液晶配向方向と、前記第２の光偏向液晶素子の前記マイクロプリズムと前記第２の液晶層との界面における液晶配向方向とが直交している請求項１記載の光学系。
3. 前記第１の光偏向液晶素子の前記微細形状パターンはライン上のグレーティングであり、
   前記第２の光偏向液晶素子の前記マイクロプリズムは、断面が片鋸形状である請求項１又は２記載の光学系。