特開 2024-62692 光学制御素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024062692

(43)【公開日】2024-05-10

(54)【発明の名称】光学制御素子

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/13 20060101AFI20240501BHJP

   A01G 7/00 20060101ALI20240501BHJP

【ＦＩ】

G02F1/13 505

A01G7/00 601C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022170710

(22)【出願日】2022-10-25

(71)【出願人】

【識別番号】502356528

【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】廣澤 仁

【テーマコード（参考）】

2B022

2H088

【Ｆターム（参考）】

2B022DA03

2B022DA08

2H088EA47

2H088GA03

2H088HA02

2H088HA21

2H088HA28

2H088KA06

2H088KA13

2H088MA20

(57)【要約】

【課題】 植物の成長を促進可能な光を照射する光学制御素子を提供する。
【解決手段】 光学制御素子は、発光素子と、反射物と、コレステリック液晶素子と、を備え、前記コレステリック液晶素子は、第１電極が設けられた第１基板と、第２電極が設けられた第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板との間に挟持された、コレステリック液晶層と、を備え、前記コレステリック液晶層は、右円偏光の光を透過し、左円偏光の光を反射する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光素子と、
反射物と、
コレステリック液晶素子と、
を備え、
前記コレステリック液晶素子は、
第１電極が設けられた第１基板と、
第２電極が設けられた第２基板と、
前記第１基板及び前記第２基板との間に挟持された、コレステリック液晶層と、
を備え、
前記コレステリック液晶層は、右円偏光の光を透過し、左円偏光の光を反射する、光学制御素子。

【請求項2】

前記発光素子は、赤色を発光する第１発光素子と、青色を発光する第２発光素子と、を含む、請求項１に記載の光学制御素子。

【請求項3】

前記反射物は、鏡である、請求項１に記載の光学制御素子。

【請求項4】

前記反射物は、ホログラフィック光学素子である、請求項１に記載の光学制御素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、光学制御素子に関する。

【背景技術】

【0002】

植物の成長は、光の質によって大きく異なり、例えば、右円偏光を照射して栽培すると成長が促進されることが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－１６５３０４号公報

【特許文献2】特開２０１２－２２６２２９号公報

【特許文献3】国際公開第２０２０／１２１７２０号

【特許文献4】国際公開第２０２０／１２１７１９号

【特許文献5】国際公開第２０１８／０３４１５４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本実施形態は、植物の成長を促進可能な光を照射する光学制御素子を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態に係る光学制御素子は、
発光素子と、
反射物と、
コレステリック液晶素子と、
を備え、
前記コレステリック液晶素子は、
第１電極が設けられた第１基板と、
第２電極が設けられた第２基板と、
前記第１基板及び前記第２基板との間に挟持された、コレステリック液晶層と、
を備え、
前記コレステリック液晶層は、右円偏光の光を透過し、左円偏光の光を反射する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、実施形態の光学制御素子の概略的な構成の一例を示す断面図である。

【図2】図２は、コレステリック液晶素子に適用し得る構成の一例を示す分解斜視図である。

【図3】図３は、コレステリック液晶層の配列を説明する図である。

【図4】図４は、コレステリック液晶層の配列を説明する図である。

【図5】図５は、コレステリック液晶層による円偏光の反射を説明する図である。

【図6】図６は、コレステリック液晶層による円偏光の反射を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
以下、図面を参照しながら一実施形態に係る光学制御素子について詳細に説明する。

【0008】

本実施形態においては、第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、及び、第３方向Ｚは、互いに直交しているが、９０度以外の角度で交差していてもよい。第３方向Ｚの矢印の先端に向かう方向を上又は上方と定義し、第３方向Ｚの矢印の先端に向かう方向とは反対側の方向を下又は下方と定義する。なお第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、及び、第３方向Ｚを、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向と呼ぶこともある。

【0009】

また、「第１部材の上方の第２部材」及び「第１部材の下方の第２部材」とした場合、第２部材は、第１部材に接していてもよく、又は第１部材から離れて位置していてもよい。後者の場合、第１部材と第２部材との間に、第３の部材が介在していてもよい。一方、「第１部材の上の第２部材」及び「第１部材の下の第２部材」とした場合、第２部材は第１部材に接している。

【0010】

また、第３方向Ｚの矢印の先端側に光学制御素子を観察する観察位置があるものとし、この観察位置から、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙで規定されるＸ－Ｙ平面に向かって見ることを平面視という。第１方向Ｘ及び第３方向Ｚによって規定されるＸ－Ｚ平面、あるいは第２方向Ｙ及び第３方向Ｚによって規定されるＹ－Ｚ平面における光学制御素子の断面を見ることを断面視という。

【0011】

［実施形態］
図１は、実施形態の光学制御素子の概略的な構成の一例を示す断面図である。光学制御素子ＬＣＥは、鏡ＭＲＲと、コレステリック液晶素子ＣＬＳと、発光素子ＬＳと、を備えている。発光素子ＬＳは、赤色を発光する発光素子ＬＳＲと、青色を発光する発光素子ＬＳＢと、を有している。発光素子ＬＳは、コレステリック液晶素子ＣＬＳ及び鏡ＭＲＲとの間に設けられている。

【0012】

光学制御素子ＬＣＥの下方に、植物ＰＬＴが配置されている。コレステリック液晶素子ＣＬＳは、発光素子ＬＳ及び植物ＰＬＴの間に設けられている。植物ＰＬＴは、赤色の光と青色の光を吸収している。よって、発光素子ＬＳは、赤色を発光する発光素子ＬＳＲ及び青色を発光する発光素子ＬＳＢを備えることが好適である。

【0013】

詳細は後述するが、コレステリック液晶素子ＣＬＳは、コレステリック液晶層を含んでいる。当該コレステリック液晶層は、赤色の光及び青色の光のうち、左円偏光の光を反射する。

【0014】

鏡ＭＲＲは、発光素子ＬＳから出射された光を反射する。鏡ＭＲＲの代わりに、光を反射する性質を持つ反射物、例えば、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を配置してもよい。

【0015】

図２は、コレステリック液晶素子に適用し得る構成の一例を示す分解斜視図である。コレステリック液晶素子ＣＬＳは、基板ＳＵＢ１と、基板ＳＵＢ２と、基板ＳＵＢ１及び基板ＳＵＢ２の間に設けられたコレステリック液晶層（図示せず）と、を備えている。基板ＳＵＢ１は、基材ＢＡ１と、帯状電極ＬＥ１と、を備えている。基板ＳＵＢ２は、基材ＢＡ２と、帯状電極ＵＥ１と、を備えている。

【0016】

帯状電極ＬＥ１は、基材ＢＡ１に接して設けられ、第１方向Ｘに沿って延伸し、第２方向Ｙに沿って並んで配列されている。帯状電極ＵＥ１は、基材ＢＡ２に接して設けられ、第２方向Ｙに沿って延伸し、第１方向Ｘに沿って並んで配列されている。

【0017】

図２には図示していないが、帯状電極ＬＥ１及び帯状電極ＵＥ１それぞれを覆って、配向膜が設けられている。

【0018】

コレステリック液晶層は、コレステリック液晶材料で構成される液晶層である。コレステリック液晶層は、帯状電極ＬＥ１及び帯状電極ＵＥ１との間に生じる電界、いわゆる縦電界によって駆動される。

【0019】

基材ＢＡ１及び基材ＢＡ２の材料は、例えば、ガラス基板やプラスチック基板などの透明絶縁基材である。

【0020】

帯状電極ＬＥ１及び帯状電極ＵＥ１は、例えば、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）やインジウム亜鉛酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＩＺＯ）などの透明導電材料によって形成された透明電極である。

【0021】

コレステリック液晶素子ＣＬＳは、いわゆるパッシブマトリクス方式の液晶素子である。ただし、コレステリック液晶素子ＣＬＳは、これに限定されない。コレステリック液晶素子ＣＬＳは、複数のスイッチング素子を有するアクティブマトリクス方式の液晶素子であってもよい。

【0022】

図３及び図４は、コレステリック液晶層の配列を説明する図である。コレステリック液晶層は、双安定性（メモリ性）の特徴を具備している。双安定性とは光を反射するプレーナ状態、光を透過するフォーカルコニック状態、またはそれらの中間的な状態が自己保持できることをいう。これらの状態は、コレステリック液晶層に印加する電界強度、換言するとコレステリック液晶層を挟持する電極間の電圧の調節により、切り替え可能である。

【0023】

図３は、プレーナ状態における、コレステリック液晶層の液晶分子の配向状態を示している。図４は、フォーカルコニック状態における、コレステリック液晶層の液晶分子の配向状態を示している。

【0024】

図３に示すように、プレーナ状態のコレステリック液晶層の液晶分子ＬＭは、第３方向Ｚに順次回転して螺旋構造を形成する。螺旋構造の旋旋軸は、帯状電極ＵＥ１及び帯状電極ＬＥ１が設けられるＸ－Ｙ平面に対して、ほぼ垂直になる。つまり螺旋構造の旋旋軸は、第３方向Ｚに平行な方向に沿う。

【0025】

この状態では、入射光ＬＩのうち、液晶分子ＬＭの螺旋ピッチに応じた所定の波長の光が、反射光ＬＲとして、選択的にコレステリック液晶層ＣＬＣ１で反射される。コレステリック液晶層の平均屈折率をｎとし、螺旋ピッチをｐとすると、反射が最大となる波長λは、λ＝ｎ×ｐである。コレステリック液晶層の長軸及び短軸の屈折率を、それぞれ、ｎｅ及びｎ０とすると、平均屈折率ｎは、ｎ＝（ｎｅ＋ｎ０）／２（式１）で表される。入射光ＬＩのうち、反射光ＬＲ以外は、透過光ＬＴとして透過し、コレステリック液晶素子ＣＬＳから出射される。

【0026】

コレステリック液晶層のピッチｐは、コレステリック液晶層を形成する際の重合性液晶化合物と共に、カイラル剤の種類、又は添加濃度ｃに依存する。カイラル剤特有の比例定数をβとすると、波長λは、λ＝ｎ×ｐ＝ｎ／（β×ｃ）（式２）のように表すことができる。

【0027】

偏光選択反射を示す選択反射帯の半値幅Δλは、コレステリック液晶層の複屈折Δｎとピッチｐに依存し、Δλ＝Δｎ×ｐ（式３）のように表すことができる。Δｎは、コレステリック液晶層を形成する際に、重合性液晶化合物の種類や混合比率、又は配向固定時の温度を制御することにより、調整することができる。

【0028】

本実施形態のコレステリック液晶素子ＣＬＳでは、コレステリック液晶層ＣＬＣ１は、赤色の光として、例えば、中心波長λ＝６２５ｎｍ以上７８０ｎｍ以下、青色の光として、例えば、４５０ｎｍ以上４８５ｎｍ以下の光を反射する、屈折率Δｎ及びピッチｐを有するものが好ましい。

【0029】

フォーカルコニック状態では、コレステリック液晶層の液晶分子は、第３方向Ｚと垂直な方向、すなわち、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向に、順次回転して螺旋構造を形成する。螺旋構造の螺旋軸は、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向となる。フォーカルコニック状態では、コレステリック液晶層ＣＬＣ１に反射波長の選択性は失われ、入射光ＬＩのほとんどが透過光ＬＴとして透過する。

【0030】

コレステリック液晶層は、電圧無印加時、プレーナ状態かフォーカルコニック状態で存在する。低電圧パルスを印加すると、フォーカルコニック状態に変化する。一方、プレーナ状態かフォーカルコニック状態の混合状態、又は、フォーカルコニック状態で、高電圧パルスを印加しそのまま保持すると、プレーナ状態となる。

【0031】

コレステリック液晶層ＣＬＣ１の液晶分子は、螺旋構造を形成する材料である。コレステリック液晶層ＣＬＣ１は、螺旋構造の巻く向きと同じ方向の円偏光を反射する。

【0032】

図５及び図６は、コレステリック液晶層による円偏光の反射を説明する図である。図５に示す例では、帯状電極ＬＥ１、帯状電極ＵＥ１、並びに、帯状電極ＬＥ１及び帯状電極ＵＥ１の間に挟持されるコレステリック液晶層ＣＬＣ１のみを示している。コレステリック液晶層ＣＬＣ１は、帯状電極ＬＥ１からの距離に応じて、複数の層Ｐ１乃至層Ｐ９を有している。複数の層Ｐ１乃至層Ｐ９それぞれでは、複数の液晶分子ＬＭが、概略同じ方向に配向している。なお図５に示す例では、当該層の数は９であるが、本実施形態はこれに限定されない。

【0033】

複数の層Ｐ１乃至層Ｐ９それぞれに示す白抜き矢印は、それぞれの層における液晶分子ＬＭの配向方向を示している。層Ｐ１から層Ｐ９までの当該配向方向を繋ぐと、左回りに回転し、左回りの螺旋を形成する。

【0034】

コレステリック液晶層の螺旋の回転方向は、液晶分子の構造（例えば側鎖の官能基）又はカイラル剤の種類によって決定される。より具体的には、不斉炭素の絶対配置と、骨格と、不斉炭素までのスペーサ原子数が奇数か偶数かと、を組み合わせることにより、右円偏光又は左円偏光のどちらかを反射するかが決定される。

【0035】

上述のように、コレステリック液晶層ＣＬＣ１の液晶分子は、左回り（Ｃｏｕｎｔｅｒｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）の螺旋を形成している。図１及び図６に示すように、コレステリック液晶素子ＣＬＳに入射する入射光をＬＩとする。入射光ＬＩのうち、螺旋構造の巻く向きと同じ方向である左円偏光の光ＣＰＬはコレステリック液晶層ＣＬＣ１で反射される。右円偏光の光ＣＰＲはコレステリック液晶層ＣＬＣ１を透過する。透過した右円偏光の光ＣＰＲは下方に照射される。

【0036】

図１及び図６に示すように、コレステリック液晶素子ＣＬＳに含まれるコレステリック液晶層ＣＬＣ１は、入射光ＬＩのうち左円偏光の光ＣＰＬを反射する。左円偏光の光ＣＰＬを反射させるためには、上述のようにコレステリック液晶層ＣＬＣ１を形成する際に、カイラル剤の種類、比率、若しくは添加濃度、重合性液晶化合物の種類や混合比率、又は配向固定時の温度を制御することにより、調整すればよい。上述したように、液晶分子の螺旋構造の巻く向きと同じ方向の円偏光成分が反射される。

【0037】

図１に示すように、コレステリック液晶層ＣＬＣ１により反射された、左円偏光の光ＣＰＬは、鏡ＭＲＲによりさらに反射する。鏡ＭＲＲにより反射することで、左円偏光の光ＣＰＬは、右円偏光の光ＣＰＲに変換される。変換された右円偏光の光ＣＰＲは、コレステリック液晶層ＣＬＣ１を透過し、植物ＰＬＴに照射される。

【0038】

本実施形態により、植物ＰＬＴが吸収する赤色の光及び青色の光のうち、成長を促進する右円偏光のみを、植物ＰＬＴに照射することができる。これにより、植物ＰＬＴの成長が促進することが可能となる。

【0039】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0040】

ＣＬＣ１…コレステリック液晶層、ＣＬＳ…コレステリック液晶素子、ＣＰＬ…光、ＣＰＲ…光、ＬＣＥ…光学制御素子、ＬＥ１…帯状電極、ＬＭ…液晶分子、ＬＳ…発光素子、ＭＲＲ…鏡、Ｐ１…層、Ｐ９…層、ＰＬＴ…植物、ＵＥ１…帯状電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】