液晶光学素子及び液晶光学装置
【課題】視野角特性のない液晶光学素子及び液晶光学装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンとを有し、前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直となるように構成することにより、左右に偏向された入射ビームと液晶分子の傾き角との関係に対称性を持たせる。
【解決手段】第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンとを有し、前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直となるように構成することにより、左右に偏向された入射ビームと液晶分子の傾き角との関係に対称性を持たせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶光学素子及び液晶光学装置に関し、特に、入射ビームを偏向することが可能な液晶光学素子及び液晶光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビームスポットの位置や光学系の光軸等を調整等するために、ビーム偏向器が用いられることがある。ビーム偏向器としては、反射ミラーやプリズムなどがあるが、反射ミラーやプリズム等で光の偏向を微調整するためには、機械的な反射ミラーやプリズムの回転手段等を設ける必要がある等の不具合があった。
【０００３】
そこで、液晶を利用したビーム偏向器が提案されている。図１０（ａ）は液晶光学素子の断面構造及び液晶分子の配向状態を表している。図１０（ａ）に示すように液晶光学素子６０には、第１の透明基板５１ａ上に配置された格子状の透明電極５２ａと、第２の透明基板５１ｂ上に配置された対向共通電極５２ｂとの間に配向膜５３を介して液晶層５４が挟持されている。この格子状の電極パターンの左右両端には、２つの端子（端子１及び端子２）が具備されており、端子１に１．０［Ｖ］、端子２に５．０［Ｖ］の駆動電圧を印加すると、格子状の透明電極５２ａは一定抵抗にて接続されているため図１０（ｂ）に示すように、端子１と端子２の間に一定勾配の電位分布が発生する。この電位勾配に従い、図１０（ａ）に示すように、液晶層５４内の液晶分子の配向状態（チルト角φ）は連続的に変化する。結果として液晶層５４内には、図中の矢印Ｅの方向に振動している直線偏光に対しては、図１０（ｃ）に示す屈折率分布が発生する。この屈折率勾配によりレーザビームの位相が変調され、図１０（ｃ）の矢印Ｆに示すように、光路偏向することが可能となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、従来技術における液晶光学素子６０においては、液晶層５４における液晶分子の配向方向については、特に考慮されず、図１０で図示されるように、液晶分子の配向方向は、図中の矢印Ｅの直線偏光と同方向であり、駆動電圧の勾配方向と平行になっている。このため、電圧の勾配方向が互いに対称となるように駆動電圧を印加した場合にレーザビームが右に偏向するときと左に偏向するときとで、レーザビームと液晶分子の傾き角との関係が非対称となる。この非対称となる要因について、以下説明する。図１１は端子１に１．０［Ｖ］、端子２に５．０［Ｖ］の駆動電圧を印加してレーザビームを左に偏向させた例を示す。また、図１２は端子１に５．０［Ｖ］、端子２に１．０［Ｖ］の駆動電圧を印加してレーザビームを右に偏向させた例を示す。図１１において出射ビームＢと液晶分子の傾き角Ｋとのなす角度Ｐと、図１２において出射ビームＣと液晶分子の傾き角Ｋとのなす角度Ｑとが異なり、出射ビームと液晶分子の傾き角との関係が左右非対称となる。このように左右の偏向で光学特性（波面収差、電圧に対する偏向角）が異なり視野角特性が発生するという不具合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９２３４９号公報（第１３−１５頁、第３図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決し、レーザビームが右に偏向するときと、左に偏向するときとでレーザビームと液晶分子の傾き角との関係が対称性を持ち視野角特性のない液晶光学素子及び液晶光学装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る液晶光学素子は、第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンとを有し、前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直であることを特徴とする。
また、配向膜を有し、該配向膜の配向方向と前記液晶分子の分子長軸方向とが平行であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る液晶光学装置は、第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンと、該複数の電極パターンに勾配電圧を印加する駆動印加手段とを有し、前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直であり、且つ前記勾配電圧の勾配方向を可変することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る液晶光学素子及び液晶光学装置は、液晶層に印加される勾配電圧の勾配方向と、液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直となるように構成されているため、勾配電圧に対する偏向角が左右の偏向で対称性を持ち、視野角特性がない。
【００１０】
本発明に係る液晶光学素子は、透過型であるので、反射ミラーのように曇ったりせず、電気的に制御できるので、機械的な駆動機構等を必要とせず、安価で確実、耐久性の良い光偏向器として機能することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る液晶光学素子を示す概略斜視図である。
【図２】図１におけるＣ−Ｃ断面を示す概略断面図である。
【図３】本発明に係る液晶光学素子の勾配電圧を印加する複数の電極の構成を示す図である。
【図４】本発明に係る液晶光学素子の勾配電圧を印加する複数の電極と、印加電圧及び実効屈折率との関係を示す図である。
【図５】本発明に係る液晶光学素子のビーム偏向機能を説明するための図である。
【図６】本発明に係る液晶光学素子の液晶分子の配向状態と勾配電圧の勾配方向との関係を示す図である。
【図７】本発明に係る液晶光学素子において印加される勾配電圧に対する入射レーザの偏向と液晶分子の傾き角との関係を示す図である。
【図８】本発明に係る液晶光学装置において、勾配電圧の勾配方向を可変とし、図７における勾配電圧と対称の勾配電圧を印加した例を示す図である。
【図９】本発明に係る液晶光学素子を電子写真方式のレーザプリンタに利用した利用例を示す図である。
【図１０】従来技術における液晶光学素子を示し、図１０（ａ）は液晶光学素子の断面構造及び液晶分子の配向状態を示す概略断面図、図１０（ｂ）は液晶層内の電位分布を示す図、図１０（ｃ）は一定勾配の屈折率分布を示す液晶素子によるレーザビームの光路偏向の様子をしめす図である。
【図１１】従来技術の液晶光学素子において印加される勾配電圧に対する偏向角と液晶分子の傾き角との関係を示す図である。
【図１２】図１１における勾配電圧と対称の勾配電圧に対する偏向角と液晶分子の傾き角との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図面を参照して、本発明に係る液晶光学素子について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００１３】
図１は、本発明に係る液晶光学素子を示す概略斜視図、図２は図１におけるＣ−Ｃ断面を示す断面図である。
【００１４】
図１、図２に示すように液晶光学素子１０において、第１透明基板１１上には透明電極１２及び第１の配向膜１３が形成され、第２透明基板１７上にはベタ電極である透明対向電極１６及び第２の配向膜１５が形成されている。液晶層１４は、第１透明基板１１及び第２透明基板１７と、シール部材１８との間に封入され、封止されている。また、透明電極１２と透明対向電極１６との間に、電圧供給手段から所定の電圧を印加することによって、液晶光学素子１０は、ビーム偏向器として作用し、入射ビームＡは、偏向角θだけ偏向された出射ビームＢとして出射される。なお、入射ビームＡの偏光方向は図１におけるｙ軸方向と平行であり、出射ビームＢの偏向方向はｘｚ面方向である。
【００１５】
透明電極１２には液晶層１４に対して、入射ビームを偏向させるような一定の勾配を持った勾配電圧を印加するための複数の電極パターンが形成されており、この勾配電圧の勾配方向はｘ軸方向と平行になっている。これに対して、液晶層１４の液晶分子の配向方向は図１におけるｙ軸方向と平行であり、配向膜１３、１５はその配向方向が液晶分子の配向方向と平行になるようにｙ軸方向に配向処理されている。このように液晶光学素子１０は透明電極１２に印加される勾配電圧の勾配方向と液晶層１４の液晶分子の配向方向とが垂直となるように構成されている。なお偏向の原理等について後述する。
【００１６】
図３は、透明電極１２の構成を示す図である。
【００１７】
透明電極１２は、複数のストライプ状の帯状電極２０〜２７と各帯状電極を接続する接続電極３０からなる電極パターンを含んで構成されている（ストライプ電極）。帯状電極２０〜２７は、例えば、幅Ｗ、長さＬの大きさで、低抵抗のＩＴＯにより形成され、各帯状電極２０〜２７は、間隔Ｓ、ピッチＰ（＝Ｗ＋Ｓ）で配置されている。接続電極３０は、高抵抗のＩＴＯにより形成され、幅Ｒ（３μｍ）で帯状電極同士を接続している。図３では、８本の帯状電極が記載されているが、透明電極１２は、全体として、少なくともビーム径と同じ程度の幅及び長さＬ（例えば、１〜３ｍｍ）を有する様な長さ及び本数の帯状電極（例えば、２０〜６０本）を含んでいる。
【００１８】
図４は、帯状電極と、印加電圧及び実効屈折率との関係を示す図である。
【００１９】
図４（ａ）は、第１の透明基板１１上の帯状電極の一部の断面を示す図である。図３に示したように、各帯状電極は接続電極３０によって相互に接続されている。実際には、透明電極１２の最右端に位置する帯状電極と最左端に位置する帯状電極との間に、電源４０より所定のＡＣ電圧が印加される。図４では、便宜上、帯状電極２０に電圧Ｖ１が、帯状電極２７に電圧Ｖ５が電源４０から印加されているものとする。なお、ＡＣ電圧を印加するのは、直流電圧成分を長い間、液晶に印加すると、液晶の焼きつきや分解等の不具合を生じるからである。
【００２０】
図４（ｂ）は、各帯状電極と透明対向電極１６との間に印加される実効電圧を示している。高抵抗の接続電極は、同一の幅Ｒを有していることから、各帯状電極は、同一の抵抗値を有する抵抗によって、相互に接続されているに等しい。また、各帯状電極は、低抵抗のＩＴＯから構成されているので、各帯状電極内における電位差は生じない。したがって、図４（ａ）の場合、帯状電極２０〜２７は、接続電極３０によって抵抗分割されて、図
４（ｂ）に示すように、電位Ｖ１〜Ｖ５の段階状の実効電位が印加され、一定の勾配を持った勾配電圧が印加された状態となる。
【００２１】
図４（ｃ）は、各帯状電極による実効屈折率Ｎを示している。各帯状電極に対して図４（ｂ）に示すような実効電圧（勾配電圧）が印加されることによって、対応する液晶層１４を通過する入射ビームに対して、図４（ｃ）に示すようなＮ１からＮ５の段階的な実効屈折率が発揮される。したがって、液晶光学素子１０は、点線５０に示すような実効屈折率分布を有することとなる。ここで、図４（ｂ）（ｃ）に示すように液晶光学素子に加える勾配電圧分布と、液晶の実効屈折率分布が線形比例するためには、液晶材料の種類にもよるが、Ｖ１およびＶ５の値は、１．０〜２．７Ｖｒｍｓの範囲であることが好ましい。この範囲を超えると、液晶分子は電圧に対し線形応答しなくなり、偏向光に傾き以外の波面収差が付加されてしまうという問題が生じる。
【００２２】
なお、液晶光学素子１０への入射ビームは、光路長（実効屈折率×セルギャップ）により変調を受けるが、液晶光学素子１０ではセルギャップは一定なので、光路長と実効屈折率とは比例する。したがって、光路長分布と実効屈折率分布は相似することとなる。
【００２３】
図５は、液晶光学素子のビーム偏向機能を説明するための図である。
【００２４】
液晶光学素子１０にビームＡが入射すると、図４（ｃ）に示した屈折率分布５０に応じた位相の遅延が発生し、屈折率分布５０の角度θと同様の角度を有するプリズムから空気中にビームが出射するようにして、出射ビームＢの出射角度が、角度θだけ偏向されることとなる。即ち、θ＝ｔａｎθ−１（δ／Ｄ）と表すことができる。ここで、Ｄは入射ビームの有効径（μｍ）、δは有効径Ｄにおける左端と右端との光路長差（μｍ）である。
【００２５】
また、図５から、液晶光学素子１０が有する屈折率分布５０の角度θを調整することによって、入射ビームの偏向角θを調整可能であることが理解できる。屈折率分布５０の角度θは、液晶光学素子１０の透明電極１２が有する帯状電極パターンに印加する実効電圧を調整することによって変化させることが可能であるので、電源４０から液晶光学素子に印加される電圧を制御することによって、稼動部品を用いずに、簡単に入射ビームの偏向角θを調整することが可能となる。
【００２６】
図６は、図１における液晶光学素子１０の液晶分子の配向状態と勾配電圧の勾配方向との関係を示し、図６（ａ）はｙｚ面方向での断面図、図６（ｂ）はｘｚ面方向での断面図である。
【００２７】
液晶光学素子１０の透明電極１２に設ける帯状の電極パターンの左端に設ける端子１にＶ５、右端に設ける端子２にＶ１の駆動電圧が印加され、端子１と端子２の間に一定勾配の勾配電圧が印加された例を示す。この勾配電圧に従い液晶層内の液晶分子は配向するが液晶分子の配向方向はｙ軸方向と平行であるため、液晶分子の配向状態（チルト角φ）はｙｚ面で連続的に変化し、図６（ａ）に示すようにＶ１からＶ５の各印加電圧に対してｙｚ面で液晶分子ａ１からａ５に示すように傾くことになる。一方のｘｚ面方向での断面における液晶分子は図６（ｂ）に示す液晶分子ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｂ５のように、ｚ軸を長軸とする楕円状となり、Ｖ１からＶ５の各印加電圧に対して長軸の長さが変化する。このように液晶光学素子１０は透明電極１２に印加される勾配電圧の勾配方向と液晶層１４の液晶分子の配向方向とが垂直となるように構成されているため、ｘｚ面での勾配電圧に従い配向する液晶分子はｙｚ面内で傾き、ｘｚ面内では液晶分子の傾き角はない。そのためｘｚ面内での液晶分子の長軸の方向がＺ軸と平行となる。
【００２８】
図７は液晶層に印加される勾配電圧に対する入射レーザの偏向と液晶分子の傾き角との
関係を示す図である。
【００２９】
前述の液晶光学素子１０における透明電極１２の端子１にＶ５、端子２にＶ１の駆動電圧を印加して一定の勾配持つ勾配電圧を印加した状態において、液晶層１４に偏光方向がｙ軸方向と平行であるビームＡが入射すると勾配電圧に従いｘｚ面内で右方向に偏向し出射ビームＢとして出射される。この出射ビームＢはｘｚ面内での液晶分子の長軸方向Ｇ（ｚ軸と平行方向）に対して偏向角Ｒだけ偏向され出射する。
【００３０】
図８は、液晶光学素子１０に印加する勾配電圧の勾配方向を可変とした液晶光学装置を示し、図７における勾配電圧と対称の勾配電圧を印加した例を示す図である。
【００３１】
透明電極１２の端子１にＶ１、端子２にＶ５の駆動電圧が印加することにより端子１と端子２の間に図７に示す勾配方向と対称の勾配方向の勾配電圧が印加した状態において、液晶光学素子１０にビームＡが入射すると勾配電圧に従いｘｚ面内で左方向に偏向し出射ビームＣとして出射される。この出射ビームＣはｘｚ面内での液晶分子の長軸方向Ｇ（ｚ軸と平行方向）に対して偏向角Ｔだけ左方向に偏向され出射する。この偏向角Ｔは図７における偏向角Ｒと互い等しい印加電圧に対してその絶対値は等しくなり、図７における出射ビームＢと図８における出射ビームＣとがｘｚ面内での液晶分子の長軸方向Ｇ（ｚ軸と平行方向）に対して左右対称となる。
【００３２】
以上のように、液晶光学素子１０は液晶層１４に印加される勾配電圧の勾配方向（ｘ軸方向）と液晶層１４の液晶分子の配向方向（ｙ軸方向）とが垂直となるように構成されているため、液晶分子はｙｚ面内で傾き、出射ビームはｘｚ面内で偏向する。このため、図７、図８に示すように電圧の勾配方向が互いに対称となるように駆動電圧を印加した場合レーザビーは左右に偏向するが、このときｘｚ面内における液晶分子の長軸方向に対して出射ビームＢと出射ビームＣが対称性を持ち、視野角特性をなくすことができる。
したがって、印加する駆動電圧の勾配方向が互いに対称となるように変化させる電圧可変手段を液晶光学素子１０に設けることにより視野角特性のない液晶光学装置を実現することができる。この結果、ビームスポットの位置調整範囲を簡単に精度良くすることが可能となる。
【００３３】
本実施形態において透明電極１２を構成する複数の電極は、図３に示す長方形形状を例として説明したが、これに限定されるものではなく必要に応じて適宜設定することができる。
【００３４】
また、第１透明基板１１及び第２透明基板１７は、可撓性であって、厚さ１００μｍのポリカーボネイト樹脂によって形成されている。しかしながら、第１透明基板１１及び第２透明基板１７は、透明ガラス基板、変性アクリル樹脂、ポリメタクリル樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ノルボルテン樹脂等であっても良く、また厚さも５０μｍ〜２５０μｍとすることができる。
【００３５】
また、液晶光学素子１０における液晶層１４の厚さ（セルギャップ）は、６μｍとした。また、液晶層１４は平行配向液晶により形成されている。なお、垂直配向液晶を使用することも可能である。
【００３６】
図９は、本発明に係る液晶光学素子１０を電子写真方式のレーザプリンタ１００に利用した利用例を示す図である。
【００３７】
図９に示すレーザプリンタ１００では、光源１２０から出力されたレーザビームは、コリメータレンズ１２１により略平行光に変換され、液晶光学素子１０及びシリンドリカル
レンズ１２２を通過してポリゴンミラー１２３の反射面に入射する。ポリゴンミラー１２３の反射面から反射されたレーザビームは、感光体ドラム１２６上を矢印１４０の方向に等速で走査するようにするために第１走査レンズ１２４及び第２走査レンズ１２５を介して、感光体ドラム上を露光する。レーザビームが、不図示の構成によって帯電された感光体ドラム１２６上を露光することによって、潜像を形成され、不図示の現像器によって潜像にトナーが付着されてトナー像となり、不図示の転写器によってコピー紙に転写され、定着されて出力される。
【００３８】
ここで、潜像を正確に形成するために、感光体ドラム１２６上の露光のスタート位置を正確に位置合わせする必要がある。そこで、本発明による液晶光学素子１０によって、レーザビームを偏向させ、ポリゴンミラー１２３の反射面に入射する位置の微調整を行い、感光体ドラム上の露光開始位置を、例えば、ビームスポット１３０〜１３２の何れにするか等といった、微調整を行うことが可能となる。
【００３９】
微調整では、ポリゴンミラー１２３から反射されるレーザビームを、検出ミラー１２７で反射させて受光素子１２８で受光し、検出タイミングや検出ずれを検出して制御部１１０に出力する。制御部１１０は、受信した検出タイミングや検出ずれに応じて、液晶光学素子１０における偏向角θを決定し、それに応じた実効屈折率分布が液晶層１４に発生するような電圧が印加されるような制御を行う。
【００４０】
上述したように、図９に示すようなレーザプリンタ１００におけるレーザビームの位置調整をより広い範囲で行うために、本発明に係る液晶光学素子１０を利用することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１０ 液晶光学素子
１２ 透明電極
１３、１５ 配向膜
１４ 液晶層
１６ 透明対向電極
２０〜２７ 帯状電極
３０ 接続電極
４０ 電源
５０ 実効屈折率分布
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶光学素子及び液晶光学装置に関し、特に、入射ビームを偏向することが可能な液晶光学素子及び液晶光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビームスポットの位置や光学系の光軸等を調整等するために、ビーム偏向器が用いられることがある。ビーム偏向器としては、反射ミラーやプリズムなどがあるが、反射ミラーやプリズム等で光の偏向を微調整するためには、機械的な反射ミラーやプリズムの回転手段等を設ける必要がある等の不具合があった。
【０００３】
そこで、液晶を利用したビーム偏向器が提案されている。図１０（ａ）は液晶光学素子の断面構造及び液晶分子の配向状態を表している。図１０（ａ）に示すように液晶光学素子６０には、第１の透明基板５１ａ上に配置された格子状の透明電極５２ａと、第２の透明基板５１ｂ上に配置された対向共通電極５２ｂとの間に配向膜５３を介して液晶層５４が挟持されている。この格子状の電極パターンの左右両端には、２つの端子（端子１及び端子２）が具備されており、端子１に１．０［Ｖ］、端子２に５．０［Ｖ］の駆動電圧を印加すると、格子状の透明電極５２ａは一定抵抗にて接続されているため図１０（ｂ）に示すように、端子１と端子２の間に一定勾配の電位分布が発生する。この電位勾配に従い、図１０（ａ）に示すように、液晶層５４内の液晶分子の配向状態（チルト角φ）は連続的に変化する。結果として液晶層５４内には、図中の矢印Ｅの方向に振動している直線偏光に対しては、図１０（ｃ）に示す屈折率分布が発生する。この屈折率勾配によりレーザビームの位相が変調され、図１０（ｃ）の矢印Ｆに示すように、光路偏向することが可能となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、従来技術における液晶光学素子６０においては、液晶層５４における液晶分子の配向方向については、特に考慮されず、図１０で図示されるように、液晶分子の配向方向は、図中の矢印Ｅの直線偏光と同方向であり、駆動電圧の勾配方向と平行になっている。このため、電圧の勾配方向が互いに対称となるように駆動電圧を印加した場合にレーザビームが右に偏向するときと左に偏向するときとで、レーザビームと液晶分子の傾き角との関係が非対称となる。この非対称となる要因について、以下説明する。図１１は端子１に１．０［Ｖ］、端子２に５．０［Ｖ］の駆動電圧を印加してレーザビームを左に偏向させた例を示す。また、図１２は端子１に５．０［Ｖ］、端子２に１．０［Ｖ］の駆動電圧を印加してレーザビームを右に偏向させた例を示す。図１１において出射ビームＢと液晶分子の傾き角Ｋとのなす角度Ｐと、図１２において出射ビームＣと液晶分子の傾き角Ｋとのなす角度Ｑとが異なり、出射ビームと液晶分子の傾き角との関係が左右非対称となる。このように左右の偏向で光学特性（波面収差、電圧に対する偏向角）が異なり視野角特性が発生するという不具合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９２３４９号公報（第１３−１５頁、第３図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決し、レーザビームが右に偏向するときと、左に偏向するときとでレーザビームと液晶分子の傾き角との関係が対称性を持ち視野角特性のない液晶光学素子及び液晶光学装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る液晶光学素子は、第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンとを有し、前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直であることを特徴とする。
また、配向膜を有し、該配向膜の配向方向と前記液晶分子の分子長軸方向とが平行であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る液晶光学装置は、第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンと、該複数の電極パターンに勾配電圧を印加する駆動印加手段とを有し、前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直であり、且つ前記勾配電圧の勾配方向を可変することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る液晶光学素子及び液晶光学装置は、液晶層に印加される勾配電圧の勾配方向と、液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直となるように構成されているため、勾配電圧に対する偏向角が左右の偏向で対称性を持ち、視野角特性がない。
【００１０】
本発明に係る液晶光学素子は、透過型であるので、反射ミラーのように曇ったりせず、電気的に制御できるので、機械的な駆動機構等を必要とせず、安価で確実、耐久性の良い光偏向器として機能することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る液晶光学素子を示す概略斜視図である。
【図２】図１におけるＣ−Ｃ断面を示す概略断面図である。
【図３】本発明に係る液晶光学素子の勾配電圧を印加する複数の電極の構成を示す図である。
【図４】本発明に係る液晶光学素子の勾配電圧を印加する複数の電極と、印加電圧及び実効屈折率との関係を示す図である。
【図５】本発明に係る液晶光学素子のビーム偏向機能を説明するための図である。
【図６】本発明に係る液晶光学素子の液晶分子の配向状態と勾配電圧の勾配方向との関係を示す図である。
【図７】本発明に係る液晶光学素子において印加される勾配電圧に対する入射レーザの偏向と液晶分子の傾き角との関係を示す図である。
【図８】本発明に係る液晶光学装置において、勾配電圧の勾配方向を可変とし、図７における勾配電圧と対称の勾配電圧を印加した例を示す図である。
【図９】本発明に係る液晶光学素子を電子写真方式のレーザプリンタに利用した利用例を示す図である。
【図１０】従来技術における液晶光学素子を示し、図１０（ａ）は液晶光学素子の断面構造及び液晶分子の配向状態を示す概略断面図、図１０（ｂ）は液晶層内の電位分布を示す図、図１０（ｃ）は一定勾配の屈折率分布を示す液晶素子によるレーザビームの光路偏向の様子をしめす図である。
【図１１】従来技術の液晶光学素子において印加される勾配電圧に対する偏向角と液晶分子の傾き角との関係を示す図である。
【図１２】図１１における勾配電圧と対称の勾配電圧に対する偏向角と液晶分子の傾き角との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図面を参照して、本発明に係る液晶光学素子について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００１３】
図１は、本発明に係る液晶光学素子を示す概略斜視図、図２は図１におけるＣ−Ｃ断面を示す断面図である。
【００１４】
図１、図２に示すように液晶光学素子１０において、第１透明基板１１上には透明電極１２及び第１の配向膜１３が形成され、第２透明基板１７上にはベタ電極である透明対向電極１６及び第２の配向膜１５が形成されている。液晶層１４は、第１透明基板１１及び第２透明基板１７と、シール部材１８との間に封入され、封止されている。また、透明電極１２と透明対向電極１６との間に、電圧供給手段から所定の電圧を印加することによって、液晶光学素子１０は、ビーム偏向器として作用し、入射ビームＡは、偏向角θだけ偏向された出射ビームＢとして出射される。なお、入射ビームＡの偏光方向は図１におけるｙ軸方向と平行であり、出射ビームＢの偏向方向はｘｚ面方向である。
【００１５】
透明電極１２には液晶層１４に対して、入射ビームを偏向させるような一定の勾配を持った勾配電圧を印加するための複数の電極パターンが形成されており、この勾配電圧の勾配方向はｘ軸方向と平行になっている。これに対して、液晶層１４の液晶分子の配向方向は図１におけるｙ軸方向と平行であり、配向膜１３、１５はその配向方向が液晶分子の配向方向と平行になるようにｙ軸方向に配向処理されている。このように液晶光学素子１０は透明電極１２に印加される勾配電圧の勾配方向と液晶層１４の液晶分子の配向方向とが垂直となるように構成されている。なお偏向の原理等について後述する。
【００１６】
図３は、透明電極１２の構成を示す図である。
【００１７】
透明電極１２は、複数のストライプ状の帯状電極２０〜２７と各帯状電極を接続する接続電極３０からなる電極パターンを含んで構成されている（ストライプ電極）。帯状電極２０〜２７は、例えば、幅Ｗ、長さＬの大きさで、低抵抗のＩＴＯにより形成され、各帯状電極２０〜２７は、間隔Ｓ、ピッチＰ（＝Ｗ＋Ｓ）で配置されている。接続電極３０は、高抵抗のＩＴＯにより形成され、幅Ｒ（３μｍ）で帯状電極同士を接続している。図３では、８本の帯状電極が記載されているが、透明電極１２は、全体として、少なくともビーム径と同じ程度の幅及び長さＬ（例えば、１〜３ｍｍ）を有する様な長さ及び本数の帯状電極（例えば、２０〜６０本）を含んでいる。
【００１８】
図４は、帯状電極と、印加電圧及び実効屈折率との関係を示す図である。
【００１９】
図４（ａ）は、第１の透明基板１１上の帯状電極の一部の断面を示す図である。図３に示したように、各帯状電極は接続電極３０によって相互に接続されている。実際には、透明電極１２の最右端に位置する帯状電極と最左端に位置する帯状電極との間に、電源４０より所定のＡＣ電圧が印加される。図４では、便宜上、帯状電極２０に電圧Ｖ１が、帯状電極２７に電圧Ｖ５が電源４０から印加されているものとする。なお、ＡＣ電圧を印加するのは、直流電圧成分を長い間、液晶に印加すると、液晶の焼きつきや分解等の不具合を生じるからである。
【００２０】
図４（ｂ）は、各帯状電極と透明対向電極１６との間に印加される実効電圧を示している。高抵抗の接続電極は、同一の幅Ｒを有していることから、各帯状電極は、同一の抵抗値を有する抵抗によって、相互に接続されているに等しい。また、各帯状電極は、低抵抗のＩＴＯから構成されているので、各帯状電極内における電位差は生じない。したがって、図４（ａ）の場合、帯状電極２０〜２７は、接続電極３０によって抵抗分割されて、図
４（ｂ）に示すように、電位Ｖ１〜Ｖ５の段階状の実効電位が印加され、一定の勾配を持った勾配電圧が印加された状態となる。
【００２１】
図４（ｃ）は、各帯状電極による実効屈折率Ｎを示している。各帯状電極に対して図４（ｂ）に示すような実効電圧（勾配電圧）が印加されることによって、対応する液晶層１４を通過する入射ビームに対して、図４（ｃ）に示すようなＮ１からＮ５の段階的な実効屈折率が発揮される。したがって、液晶光学素子１０は、点線５０に示すような実効屈折率分布を有することとなる。ここで、図４（ｂ）（ｃ）に示すように液晶光学素子に加える勾配電圧分布と、液晶の実効屈折率分布が線形比例するためには、液晶材料の種類にもよるが、Ｖ１およびＶ５の値は、１．０〜２．７Ｖｒｍｓの範囲であることが好ましい。この範囲を超えると、液晶分子は電圧に対し線形応答しなくなり、偏向光に傾き以外の波面収差が付加されてしまうという問題が生じる。
【００２２】
なお、液晶光学素子１０への入射ビームは、光路長（実効屈折率×セルギャップ）により変調を受けるが、液晶光学素子１０ではセルギャップは一定なので、光路長と実効屈折率とは比例する。したがって、光路長分布と実効屈折率分布は相似することとなる。
【００２３】
図５は、液晶光学素子のビーム偏向機能を説明するための図である。
【００２４】
液晶光学素子１０にビームＡが入射すると、図４（ｃ）に示した屈折率分布５０に応じた位相の遅延が発生し、屈折率分布５０の角度θと同様の角度を有するプリズムから空気中にビームが出射するようにして、出射ビームＢの出射角度が、角度θだけ偏向されることとなる。即ち、θ＝ｔａｎθ−１（δ／Ｄ）と表すことができる。ここで、Ｄは入射ビームの有効径（μｍ）、δは有効径Ｄにおける左端と右端との光路長差（μｍ）である。
【００２５】
また、図５から、液晶光学素子１０が有する屈折率分布５０の角度θを調整することによって、入射ビームの偏向角θを調整可能であることが理解できる。屈折率分布５０の角度θは、液晶光学素子１０の透明電極１２が有する帯状電極パターンに印加する実効電圧を調整することによって変化させることが可能であるので、電源４０から液晶光学素子に印加される電圧を制御することによって、稼動部品を用いずに、簡単に入射ビームの偏向角θを調整することが可能となる。
【００２６】
図６は、図１における液晶光学素子１０の液晶分子の配向状態と勾配電圧の勾配方向との関係を示し、図６（ａ）はｙｚ面方向での断面図、図６（ｂ）はｘｚ面方向での断面図である。
【００２７】
液晶光学素子１０の透明電極１２に設ける帯状の電極パターンの左端に設ける端子１にＶ５、右端に設ける端子２にＶ１の駆動電圧が印加され、端子１と端子２の間に一定勾配の勾配電圧が印加された例を示す。この勾配電圧に従い液晶層内の液晶分子は配向するが液晶分子の配向方向はｙ軸方向と平行であるため、液晶分子の配向状態（チルト角φ）はｙｚ面で連続的に変化し、図６（ａ）に示すようにＶ１からＶ５の各印加電圧に対してｙｚ面で液晶分子ａ１からａ５に示すように傾くことになる。一方のｘｚ面方向での断面における液晶分子は図６（ｂ）に示す液晶分子ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｂ５のように、ｚ軸を長軸とする楕円状となり、Ｖ１からＶ５の各印加電圧に対して長軸の長さが変化する。このように液晶光学素子１０は透明電極１２に印加される勾配電圧の勾配方向と液晶層１４の液晶分子の配向方向とが垂直となるように構成されているため、ｘｚ面での勾配電圧に従い配向する液晶分子はｙｚ面内で傾き、ｘｚ面内では液晶分子の傾き角はない。そのためｘｚ面内での液晶分子の長軸の方向がＺ軸と平行となる。
【００２８】
図７は液晶層に印加される勾配電圧に対する入射レーザの偏向と液晶分子の傾き角との
関係を示す図である。
【００２９】
前述の液晶光学素子１０における透明電極１２の端子１にＶ５、端子２にＶ１の駆動電圧を印加して一定の勾配持つ勾配電圧を印加した状態において、液晶層１４に偏光方向がｙ軸方向と平行であるビームＡが入射すると勾配電圧に従いｘｚ面内で右方向に偏向し出射ビームＢとして出射される。この出射ビームＢはｘｚ面内での液晶分子の長軸方向Ｇ（ｚ軸と平行方向）に対して偏向角Ｒだけ偏向され出射する。
【００３０】
図８は、液晶光学素子１０に印加する勾配電圧の勾配方向を可変とした液晶光学装置を示し、図７における勾配電圧と対称の勾配電圧を印加した例を示す図である。
【００３１】
透明電極１２の端子１にＶ１、端子２にＶ５の駆動電圧が印加することにより端子１と端子２の間に図７に示す勾配方向と対称の勾配方向の勾配電圧が印加した状態において、液晶光学素子１０にビームＡが入射すると勾配電圧に従いｘｚ面内で左方向に偏向し出射ビームＣとして出射される。この出射ビームＣはｘｚ面内での液晶分子の長軸方向Ｇ（ｚ軸と平行方向）に対して偏向角Ｔだけ左方向に偏向され出射する。この偏向角Ｔは図７における偏向角Ｒと互い等しい印加電圧に対してその絶対値は等しくなり、図７における出射ビームＢと図８における出射ビームＣとがｘｚ面内での液晶分子の長軸方向Ｇ（ｚ軸と平行方向）に対して左右対称となる。
【００３２】
以上のように、液晶光学素子１０は液晶層１４に印加される勾配電圧の勾配方向（ｘ軸方向）と液晶層１４の液晶分子の配向方向（ｙ軸方向）とが垂直となるように構成されているため、液晶分子はｙｚ面内で傾き、出射ビームはｘｚ面内で偏向する。このため、図７、図８に示すように電圧の勾配方向が互いに対称となるように駆動電圧を印加した場合レーザビーは左右に偏向するが、このときｘｚ面内における液晶分子の長軸方向に対して出射ビームＢと出射ビームＣが対称性を持ち、視野角特性をなくすことができる。
したがって、印加する駆動電圧の勾配方向が互いに対称となるように変化させる電圧可変手段を液晶光学素子１０に設けることにより視野角特性のない液晶光学装置を実現することができる。この結果、ビームスポットの位置調整範囲を簡単に精度良くすることが可能となる。
【００３３】
本実施形態において透明電極１２を構成する複数の電極は、図３に示す長方形形状を例として説明したが、これに限定されるものではなく必要に応じて適宜設定することができる。
【００３４】
また、第１透明基板１１及び第２透明基板１７は、可撓性であって、厚さ１００μｍのポリカーボネイト樹脂によって形成されている。しかしながら、第１透明基板１１及び第２透明基板１７は、透明ガラス基板、変性アクリル樹脂、ポリメタクリル樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ノルボルテン樹脂等であっても良く、また厚さも５０μｍ〜２５０μｍとすることができる。
【００３５】
また、液晶光学素子１０における液晶層１４の厚さ（セルギャップ）は、６μｍとした。また、液晶層１４は平行配向液晶により形成されている。なお、垂直配向液晶を使用することも可能である。
【００３６】
図９は、本発明に係る液晶光学素子１０を電子写真方式のレーザプリンタ１００に利用した利用例を示す図である。
【００３７】
図９に示すレーザプリンタ１００では、光源１２０から出力されたレーザビームは、コリメータレンズ１２１により略平行光に変換され、液晶光学素子１０及びシリンドリカル
レンズ１２２を通過してポリゴンミラー１２３の反射面に入射する。ポリゴンミラー１２３の反射面から反射されたレーザビームは、感光体ドラム１２６上を矢印１４０の方向に等速で走査するようにするために第１走査レンズ１２４及び第２走査レンズ１２５を介して、感光体ドラム上を露光する。レーザビームが、不図示の構成によって帯電された感光体ドラム１２６上を露光することによって、潜像を形成され、不図示の現像器によって潜像にトナーが付着されてトナー像となり、不図示の転写器によってコピー紙に転写され、定着されて出力される。
【００３８】
ここで、潜像を正確に形成するために、感光体ドラム１２６上の露光のスタート位置を正確に位置合わせする必要がある。そこで、本発明による液晶光学素子１０によって、レーザビームを偏向させ、ポリゴンミラー１２３の反射面に入射する位置の微調整を行い、感光体ドラム上の露光開始位置を、例えば、ビームスポット１３０〜１３２の何れにするか等といった、微調整を行うことが可能となる。
【００３９】
微調整では、ポリゴンミラー１２３から反射されるレーザビームを、検出ミラー１２７で反射させて受光素子１２８で受光し、検出タイミングや検出ずれを検出して制御部１１０に出力する。制御部１１０は、受信した検出タイミングや検出ずれに応じて、液晶光学素子１０における偏向角θを決定し、それに応じた実効屈折率分布が液晶層１４に発生するような電圧が印加されるような制御を行う。
【００４０】
上述したように、図９に示すようなレーザプリンタ１００におけるレーザビームの位置調整をより広い範囲で行うために、本発明に係る液晶光学素子１０を利用することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１０ 液晶光学素子
１２ 透明電極
１３、１５ 配向膜
１４ 液晶層
１６ 透明対向電極
２０〜２７ 帯状電極
３０ 接続電極
４０ 電源
５０ 実効屈折率分布
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の透明基板と、
前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、
前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンと、を有し、
前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直であることを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
さらに、配向膜を有し、該配向膜の配向方向と前記液晶分子の分子長軸方向とが平行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３】
第１及び第２の透明基板と、
前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、
前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンと、
該複数の電極パターンに勾配電圧を印加する駆動印加手段と、を有し、
前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直であり、且つ前記勾配電圧の勾配方向を可変することを特徴とする液晶光学装置。
【請求項１】
第１及び第２の透明基板と、
前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、
前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンと、を有し、
前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直であることを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
さらに、配向膜を有し、該配向膜の配向方向と前記液晶分子の分子長軸方向とが平行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３】
第１及び第２の透明基板と、
前記第１及び第２の透明基板間に挟持された液晶層と、
前記液晶層に対して、入射ビームを偏向させるような勾配電圧を印加する複数の電極パターンと、
該複数の電極パターンに勾配電圧を印加する駆動印加手段と、を有し、
前記勾配電圧の勾配方向と前記液晶層の液晶分子の配向方向とが垂直であり、且つ前記勾配電圧の勾配方向を可変することを特徴とする液晶光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１６４１９１（Ｐ２０１１−１６４１９１Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４０９８（Ｐ２０１０−２４０９８）
【出願日】平成２２年２月５日（２０１０．２．５）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月５日（２０１０．２．５）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
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