特許 7393066 液晶パネル及び光スイッチング素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-28

(45)【発行日】2023-12-06

(54)【発明の名称】液晶パネル及び光スイッチング素子

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/13 20060101AFI20231129BHJP

   G02F 1/1333 20060101ALI20231129BHJP

   G02F 1/1335 20060101ALI20231129BHJP

   G02F 1/1343 20060101ALI20231129BHJP

   G02F 1/139 20060101ALI20231129BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20231129BHJP

【ＦＩ】

G02F1/13 505

G02F1/1333 500

G02F1/1335

G02F1/1343

G02F1/139

G02B5/18

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023061072

(22)【出願日】2023-04-05

(65)【公開番号】P2023156997

(43)【公開日】2023-10-25

【審査請求日】2023-04-05

(31)【優先権主張番号】P 2022066568

(32)【優先日】2022-04-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】518295945

【氏名又は名称】株式会社ＳｔｅｒａＶｉｓｉｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】110002181

【氏名又は名称】弁理士法人ＩＰ－ＦＯＣＵＳ

(72)【発明者】

【氏名】上塚 尚登

【審査官】岩村 貴

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６２－２３８５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２８６９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０２８３４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１８４００５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１０６６１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｆ １／１３３３

Ｇ０２Ｆ １／１３４３

Ｇ０２Ｆ １／１３３５

Ｇ０２Ｆ １／１３３７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の透明基板の間に電極及び液晶が保持された液晶パネルであって、
前記電極が、前記透明基板の内側の面に対して起立する起立面を有する透明スペーサを、前記起立面が対面するように複数配置し、対面する前記起立面にそれぞれ正極となる透明電極と負極となる透明電極を形成し、
前記正極となる透明電極と前記負極となる透明電極の間に、前記液晶が充填された液晶層を設けてなり、
前記液晶層における前記液晶はポリマー安定化ブルー相液晶であり、
前記液晶内のダイレクターからなる屈折率楕円体が、前記電極に電圧を加えて電界を生じさせた際に、前記電界の方向に沿って長軸となる特性を有し、
複数の前記透明スペーサは、前記透明基板の面内方向で所定の方向に延びる線状又は棒状に形成され、前記電界の方向に周期的に等間隔で配置され、
前記透明スペーサの前記電界の方向における幅と、前記液晶層の前記電界の方向における幅は、同一又は±５０％の範囲内に形成されていることを特徴とする液晶パネル。

【請求項2】

一対の透明基板の間に電極及び液晶が保持された液晶パネルであって、
前記電極が、前記透明基板の内側の面に対して起立する起立面を有する透明スペーサを、前記起立面が対面するように複数配置し、対面する前記起立面にそれぞれ正極となる透明電極と負極となる透明電極を形成し、
前記正極となる透明電極と前記負極となる透明電極の間に、前記液晶が充填された液晶層を設けてなり、
前記液晶層における前記液晶はポリマー安定化ブルー相液晶であり、
前記液晶内のダイレクターからなる屈折率楕円体が、前記電極に電圧を加えて電界を生じさせた際に、前記電界の方向に沿って長軸となる特性を有し、
複数の前記透明スペーサは、前記透明基板の面内方向で所定の方向に延びる線状又は棒状に形成され、前記電界の方向に周期的に等間隔で配置され、
前記透明スペーサの一方の電極と、当該透明スペーサに隣接する透明スペーサの一方の電極との間隔を周期とすると、前記周期を使用光の波長の１／２倍以上４倍以下に設定してなることを特徴とする液晶パネル。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の液晶パネルであって、
前記透明スペーサの屈折率を、前記液晶に電界を印加したときの常光の屈折率と、異常光の屈折率との間の値としたことを特徴とする液晶パネル。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の液晶パネルであって、
前記透明電極が酸化亜鉛を主原料とする素材により形成されていることを特徴とする液晶パネル。

【請求項5】

請求項１又は２に記載の液晶パネルであって、
前記透明スペーサと前記透明電極が、一対の前記透明基板の双方の内面に設けられ、一方の前記透明スペーサと他方の前記透明スペーサとの間に前記液晶層を設けてなることを特徴とする液晶パネル。

【請求項6】

請求項１又は２に記載の液晶パネルであって、
前記透明スペーサと前記透明電極が、一方の前記透明基板の内面に設けられ、前記透明スペーサと他方の前記透明基板の内面との間に前記液晶層を設けてなることを特徴とする液晶パネル。

【請求項7】

請求項１又は２に記載の液晶パネルであって、
前記透明スペーサの前記透明基板の面外方向の厚さは、一対の前記透明基板の間隔の７０％以上９５％以下に形成されていることを特徴とする液晶パネル。

【請求項8】

一対の透明基板の間に電極及び液晶が保持された液晶パネルを用いた光スイッチング素子であって、
前記液晶パネルは、前記電極が、前記透明基板の内側の面に対して起立する起立面を有する透明スペーサを、前記起立面が対面するように複数配置し、対面する前記起立面にそれぞれ正極となる透明電極と負極となる透明電極を形成し、
前記正極となる透明電極と前記負極となる透明電極の間に、前記液晶が充填された液晶層を設けてなり、
前記液晶層における前記液晶はポリマー安定化ブルー相液晶であり、
前記液晶内のダイレクターからなる屈折率楕円体が、前記電極に電圧を加えて電界を生じさせた際に、前記電界の方向に沿って長軸となる特性を有するものであり、
複数の前記透明スペーサは、前記透明基板の面内方向で所定の方向に延びる線状又は棒状に形成され、前記電界の方向に周期的に等間隔で配置され、
前記透明基板の一方の表面に透過型の回折部材を装着してなり、
前記回折部材は、複屈折を持つダイレクターが、所定の周期で一方向に回転軸を中心に回転するものであり、
前記回折部材のダイレクターの前記回転軸の方向を、前記透明電極の延設方向に向けて前記回折部材を前記透明基板に装着したことを特徴とする光スイッチング素子。

【請求項9】

請求項８に記載の光スイッチング素子を積層した光スイッチング素子積層体であって、
前記光スイッチング素子の前記回折部材が装着された面を表面とし、他方の面を裏面としたときに、
前記光スイッチング素子の表面に、他の光スイッチング素子の裏面を装着してなることを特徴とする光スイッチング素子積層体。

【請求項10】

請求項９に記載の光スイッチング素子積層体であって、
積層された複数の前記光スイッチング素子に装着された前記回折部材は、
光の入射方向の上流側にある前記回折部材に比べて、下流側にある前記回折部材の偏向角度を大きく設定したことを特徴とする光スイッチング素子積層体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液晶パネル、及びその液晶パネルを用いた光スイッチング素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年では、自動車の自動運転技術の開発が進められており、その中でも自動車の周囲の障害物等を検出するセンサ技術の開発が重要となっている。また、ロボット分野における把持対象物の検出や、障害物の検出においてもセンサ技術の開発が重要となっている。

【0003】

このようなセンサ技術の一環として、レーザー光等の光ビームを用いてセンシングを行うＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging：ライダー）の開発に注目が集まっている。ＬｉＤＡＲでは、光ビームを外部に出射して、その光ビームが障害物等に当たって反射された際に、その反射光を受光して出射光と反射光との時間遅延や位相差等を利用して障害物の検出を行っている。

【0004】

本願発明者は、このＬｉＤＡＲに用いることができる光スイッチング素子を提案している（特許文献１）。この特許文献１における光スイッチング素子は、ポリマー安定化ブルー相液晶を用いた液晶パネルの表面に偏光グレーティングを装着し、その両面に傾斜部材であるガラスウェッジを装着している。

【0005】

特許文献１における液晶パネルは、２枚のガラス基板の表面に薄膜状の透明電極を形成し、その透明電極の間にポリマー安定化ブルー相液晶を充填し、光照射により安定化させている。特許文献１における光スイッチング素子は、上記構成により、従来のネマティック液晶等よりも高速でスイッチングが可能なポリマー安定化ブルー相液晶を用いることで、高速なスイッチングを実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０２０－１０６６１６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本願発明者等は、特許文献１に記載の光スイッチング素子を用いたＬｉＤＡＲの開発を進めており、特に車載用のＬｉＤＡＲの実用化に向けて研究を続けている。車載用のＬｉＤＡＲは、電源が車両のバッテリーであるため、作動電圧がバッテリー電圧を超える場合は昇圧器等が必要となり、部品点数及び重量が増加するため好ましくない。

【0008】

特許文献１に記載の光スイッチング素子は、ポリマー安定化ブルー相液晶を採用することにより、高速なスイッチングを実現しているが、比較的高い作動電圧を必要としている。従って、車載用のＬｉＤＡＲの実用化のためには、作動電圧を低下させ、消費電力の低減を実現することが望まれている。

【0009】

本発明は、ＬｉＤＡＲ、或いはロボット等のセンサ等に好適に用いることができ、従来よりも低い電圧で作動が可能な光スイッチング素子、及びその光スイッチング素子に用いられる液晶パネル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】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明の液晶パネルは、一対の透明基板の間に電極及び液晶が保持された液晶パネルであって、前記電極が、前記透明基板の内側の面に対して起立する起立面を有する透明スペーサを、前記起立面が対面するように複数配置し、対面する前記起立面にそれぞれ正極となる透明電極と負極となる透明電極を形成し、前記正極となる透明電極と前記負極となる透明電極の間に、前記液晶が充填された液晶層を設けてなり、前記液晶内のダイレクターからなる屈折率楕円体が、前記電極に電圧を加えて電界を生じさせた際に、前記電界の方向に沿って長軸となる特性を有することを特徴とする。

【0011】

本発明の液晶パネルは、透明電極が透明スペーサの起立面(の側壁)に設けられており、正負の透明電極の間に液晶層を有している。このため、電極に電圧を加える際の電界の方向を透明基板と平行にすることができる。従って、正極と負極との間の液晶に直接電圧を印加することができるので、少ない電力で液晶を作動させることができる。

【0012】

また、液晶内のダイレクターからなる屈折率楕円体が電界の方向に沿って長軸となる特性を有しているので、電極に電圧を印加することによって透明基板に入射される光にリターデーションを効率的に生じさせることができる。

【0013】

また、本発明の液晶パネルにおいて、前記液晶層における前記液晶をポリマー安定化ブルー相液晶としてもよい。当該構成により、従来のネマティック液晶等よりも高速でスイッチングが可能となる。

【0014】

また、本発明の液晶パネルにおいて、複数の前記透明スペーサは、前記透明基板の面内方向で所定の方向に延びる線状又は棒状に形成され、前記電界の方向に周期的に等間隔で配置されていてもよい。このような周期構造を有する液晶パネルを光が通過すると、０次、±１次、±２次・・・等の複数の光ビームが形成される。

【0015】

また、本発明の液晶パネルにおいて、前記透明スペーサの前記電界の方向における幅と、前記液晶層の前記電界の方向における幅は、同一又は±５０％の範囲内に形成することができる。当該構成により、電界の方向において透明スペーサ及び透明電極からなる電極と液晶層を周期構造とすることができる。

【0016】

液晶ディスプレイ等の機器においては、ディスプレイに対して広い角度で画像が見えるようにするために、このような高次の光ビーム（±１次、±２次・・・等）を生じさせることが好ましい。しかしながら、ＬｉＤＡＲ等の機器に用いる液晶パネルにおいては、高次の光ビームが発生すると光が拡散してしまい、当該用途にとっては不都合となる。

【0017】

本発明の液晶パネルでは、上記構成とすることにより、高次の光ビームの発生を抑制し、光が拡散しないようにしている。なお、本発明の液晶パネルにおいては、透明スペーサ及び透明電極の電界の方向における幅と、液晶層の電界の方向における幅は、照射される光の波長の１／４～２倍以内とすることが好ましい。

【0018】

また、本発明の液晶パネルにおいて、前記透明スペーサの一方の電極と、当該透明スペーサに隣接する透明スペーサ（次の透明スペーサ）の一方の電極との間隔を周期（図２におけるＷ_５＋Ｗ_６）とすると、前記周期を使用光の波長の１／２倍以上４倍以下に設定してもよい。このように、透明スペーサの構成を周期構造（一定の長さ）とすることにより、使用光が近赤外光であれば、液晶パネルをＬｉＤＡＲ用のスキャナに用いることができる。また、使用光が可視光であれば、液晶パネルをＶＲ（Virtual Reality）用のゴーグル、車載用のヘッドアップディスプレイ、又は壁面やスクリーンに映像を投影するディスプレイ用に用いることができる。

【0019】

また、本発明の液晶パネルにおいて、前記透明スペーサの屈折率を、前記液晶に電界を印加したときの常光の屈折率と、異常光の屈折率との間の値とすることが好ましい。これにより、高次の光ビームの発生を抑制するとともに、液晶パネルに入射される入射光が斜めになった場合でも、屈折率コントラストが小さくなるので、透過する光の損失を大幅に小さくすることができる。

【0020】

また、上記各液晶パネルにおいて、前記透明電極が酸化亜鉛を主原料とする素材により形成されていることが好ましい。ここで、主原料とは、原料全体に占める質量％が５０％以上である原料を言う。本発明の液晶パネルでは、起立面に透明電極が形成されているため、透明基板から入射された一部分の光が、透明スペーサのほぼ厚さ分と同じ長さの透明電極の内部を通過することになる。このため、透明電極の内部を通過する光の損失を抑えるために、ＩＴＯよりも透明性の高い酸化亜鉛を含む素材を用いることが好ましい。

【0021】

上記各液晶パネルの内部構成に関し、第一の態様は、前記透明スペーサと前記透明電極が、一対の前記透明基板の双方の内面に設けられ、一方の透明スペーサと他方の透明スペーサとの間に液晶層を設けたものとすることができる。第一の態様の液晶パネルは、液晶パネルに用いられる透明スペーサと透明電極を一対の透明基板のそれぞれに設けており、透明スペーサをエッチング等の加工で形成する際に、加工処理が容易となる。

【0022】

上記各液晶パネルの内部構成に関し、第二の態様は、前記透明スペーサと前記透明電極が、一方の前記透明基板の内面に設けられ、前記透明スペーサと他方の前記透明基板の内面との間に液晶層を設けたものとすることができる。第二の態様の液晶パネルは、透明スペーサと透明電極を一方の透明基板に設けており、他方の透明基板には設けていないため、構成を簡素化することができる。

【0023】

また、上記各液晶パネルにおいて、前記透明スペーサの厚さを、一対の前記透明基板の間隔の７０％以上９５％以下に形成してもよい。当該構成によれば、一対の透明基板に挟まれた液晶の多くの部分でダイレクターからなる屈折率楕円体に電界を生じさせることができる。この割合が７０％未満であると、液晶パネルを光スイッチング素子に用いた際の性能が低くなる。逆に、この割合が９５％を超えると、対面する透明スペーサ同士、或いは透明基板と透明スペーサが接触するおそれがあり、接触による傷の発生等のおそれがあるため好ましくない。

【0024】

本発明の光スイッチング素子は、上記各液晶パネルを用いたものであって、前記透明基板の一方の表面に透過型の回折部材を装着したものである。また、本発明の光スイッチング素子においては、前記回折部材のダイレクターの回転軸の方向を、前記透明電極の延設方向（±１０°以内）に向けて、前記回折部材を前記透明基板に装着してもよい。当該構成とすることにより、入射される光の角度が各電極の延設方向に傾いた場合であっても、光の透過効率が変化しないものとすることができる。

【0025】

また、当該光スイッチング素子の前記回折部材が装着された面を表面とし、他方の面を裏面としたときに、前記光スイッチング素子の表面に、他の光スイッチング素子の裏面を装着することにより光スイッチング素子積層体とすることができる。

【0026】

また、当該光スイッチング素子積層体において、積層された複数の前記光スイッチング素子に装着された回折部材を、光の入射方向の上流側にある前記回折部材に比べて、下流側にある前記回折部材の偏向角度を大きく設定してもよい。当該構成により、出射光の出射角度を大きくして広範囲に出射光を照射することが可能となる。

【0027】

本発明の液晶パネル用基板の製造方法は、前記液晶パネル用基板の素材となる素材基板の表面にマスク層を形成するマスク層形成ステップと、前記マスク層の表面に所定のパターンとなるパターンレジスト層を形成するパターンレジスト層形成ステップと、前記パターンレジスト層の形状に前記マスク層をエッチングする第１エッチングステップと、前記素材基板を前記パターンの形状が所定の厚さとなるようにエッチングして透明基板の表面に起立する起立面を有する透明スペーサを形成する第２エッチングステップと、前記第２エッチングステップ後に前記マスク層を除去するマスク層除去ステップと、前記透明基板及び前記起立面を含む前記透明スペーサの表面に、透明電極を形成する電極膜を形成する透明電極形成ステップと、前記透明基板及び前記透明スペーサの平面部における前記電極膜をエッチングし、前記起立面における前記電極膜を残存させて前記透明電極を形成する選択スパッタエッチングステップを備えることを特徴とする。

【0028】

このような各ステップにより、素材基板から透明スペーサ及び透明基板を形成し、透明スペーサの起立面に電極膜を形成し、不要な部分の電極膜をエッチングして透明電極を形成することができる。なお、前記パターンレジスト層の除去は、前記第２エッチングステップにおいて行ってもよく、第１エッチングステップにおいてマスク層をエッチングした後に行ってもよく、第２エッチングステップ後のマスク層除去ステップにおいて行ってもよい。

【0029】

また、本発明の液晶パネル用基板の製造方法は、前記透明電極形成ステップにおいて、前記電極膜をＡｌドープＺｎＯを原料としてＡＬＤ技術で形成してもよい。ここで、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）技術とは、真空を利用した成膜技術であり、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積する技術を言う。このＡＬＤ技術を用いてＡｌドープＺｎＯ（ＡＺＯ）で成膜することにより、本発明の液晶パネル及び光スイッチング素子に好適な透明電極を形成することができる。

【発明の効果】

【0030】

本発明によれば、ＬｉＤＡＲ、或いはロボット等のセンサや、ＶＲ用のゴーグル、ヘッドアップディスプレイ、或いは投影用のディスプレイ等に好適に用いることができ、従来よりも低い電圧で作動が可能な液晶パネル、その液晶パネルを用いた光スイッチング素子及び液晶パネル用基板の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】（Ａ）は本実施形態の光スイッチング素子の外観を示す説明図、（Ｂ）は図１の光スイッチング素子の電極と回折部材のダイレクターとの関係を示す説明図。

【図2】（Ａ）は図１の光スイッチング素子の断面の一部を示す説明図、（Ｂ）は図１の光スイッチング素子の電極の状態を模式化した説明図。

【図3】（Ａ）は第一の実施形態の液晶パネルにおける電界の状態を示す説明図、（Ｂ）は液晶層の屈折率楕円体の模式化した状態を示す説明図。

【図4】液晶と透明スペーサの屈折率の関係および電界の二乗と複屈折率差（屈折率楕円体の長軸（ｎｅ）と短軸（ｎｏ）の屈折率差）を示すグラフ。

【図5】第二の実施形態の液晶パネルの断面を示す説明図。

【図6】（Ａ）は図１の光スイッチング素子を積層した積層体を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）の積層体の断面を模式化した説明図。

【図7】（Ａ）～（Ｇ）は、本発明の液晶パネル用基板の製造方法を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0032】

次に、本発明の実施形態の一例である液晶パネル、及び光スイッチング素子について、図１～図６を参照して説明する。図１及び図２（Ａ）に示すように、第１の実施形態の光スイッチング素子１Ａは、第１の実施形態の液晶パネル２Ａと、液晶パネル２Ａの光の入射方向の下流側に装着された回折部材３とを備えている。

【0033】

第１の実施形態の光スイッチング素子１Ａは、図２（Ａ）に示すように、一対の透明基板４の間に液晶５が保持された液晶パネル２Ａ内に、第１の実施形態の電極６Ａが配置されている。光スイッチング素子１Ａは、液晶パネル２Ａの一方の面に回折部材３を装着し、さらに電極６Ａに給電を行う給電電極７を装着したものとなっている。

【0034】

本実施形態では、透明基板４は石英ガラスを使用しており、液晶５にはポリマー安定化ブルー相液晶を用いている。このポリマー安定化ブルー相液晶は、電圧を加えた際にダイレクターからなる屈折率楕円体５ａが電界の方向に沿って長軸となる性質を有している。ここで、屈折率楕円体５ａの長軸方向は、電界の方向と概ね一致していればよく、液晶パネル２Ａを通過する光にリターデーションを生じさせることができればよい。

【0035】

電極６Ａは、一対の透明基板４の内側の面の双方に設けられており、透明スペーサ６１及び透明電極６２を備えている。透明スペーサ６１は、透明基板４の面内方向で所定の方向に延びる線状又は棒状に形成され、透明基板４に対して起立する起立面６１ａを有しており、この起立面６１ａに透明電極６２が形成されている。

【0036】

また、電極６Ａは、これらの透明電極６２及び起立面６１ａが対面するように複数配置されており、隣接する透明電極６２は、それぞれ正極６Ｐとなる透明電極と負極６Ｍとなる透明電極を有する。本実施形態の液晶パネル２Ａは、正極６Ｐとなる透明電極と負極６Ｍとなる透明電極との間に液晶５が充填された液晶層が設けられている。

【0037】

電極６Ａに用いられている透明スペーサ６１は、本実施形態では二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）ドープ石英ガラスを用いている。透明電極６２は、本実施形態では酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主原料とし、ＡｌやＧａを添加した材料を用いている。本実施形態では、酸化亜鉛の含有率は９８質量％であり、Ａｌが２質量％でその他の添加物は入れていない。なお、Ａｌの代わりにＧａを添加したＺｎＯを用いても良く、また、水素プラズマ処理をした純粋なＺｎＯを用いても良い。

【0038】

また、回折部材３は、透過型の回折部材である偏光グレーティングを用いている。本実施形態において、回折部材３として、例えばエドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社の「Polarization Grating」を用いることができる。この「Polarization Grating」は、１／２波長板と同じ位相差をもちその光学軸が一定周期で回転している製品である。また、図２（Ａ）に示すように、透明基板４の外面には、透明基板４と屈折率が同一の光学接着剤層４ａが設けられている。

【0039】

図２（Ａ）に示すように、電極６Ａは、正極６Ｐと負極６Ｍで構成される。これら正極６Ｐと負極６Ｍは、図２（Ｂ）に示すように、透明基板４の面外方向（透明基板４の面を正面から見る方向）から見たときに、それぞれ櫛歯状となるように形成されている。また、正極６Ｐと負極６Ｍは、図２（Ｂ）に示すように、透明基板４の面内方向（図において上下方向）に交互に配列されている。

【0040】

本願においては、電極６（図１（Ｂ）参照）の構造を把握しやすくするために、各部材の厚さ方向の寸法を圧縮して図示している。例えば、図２（Ａ）においては、縦方向の縮尺を１とすると、横方向の縮尺は約１／６としている。図３及び図５４においても同様である。また、電極６Ａの正極６Ｐと負極６Ｍは、寸法的に肉眼で形状を識別することはできないが、図２（Ｂ）においては、正極６Ｐと負極６Ｍの部分を拡大して形状が識別できるように図示している。

【0041】

図２（Ａ）に示すように、第１の実施形態の液晶パネル２Ａでは、正極６Ｐ、負極６Ｍの幅Ｗ_６及びこれらの電極の間隔Ｗ_５は、同一の長さとなるように形成されており、本実施形態では２μｍに設定している。従って、本実施形態における複数の透明スペーサ６１は、透明基板４の面内方向で電界の方向に周期的に等間隔で配置されている。

【0042】

ここで、透明スペーサ６１に形成された正極６Ｐの一方の透明電極６２と、これに隣接する透明スペーサ６１に形成された負極６Ｍの一方の透明電極６２との間隔、即ち、図２（Ａ）における液晶の間隔Ｗ_５と透明スペーサ６１及び透明電極６２の幅Ｗ_６を加算した間隔を周期とすると、この周期を使用光の波長の１／２倍以上４倍以下に設定することができる。

【0043】

このような周期構造においては、０次（入射した光がそのままの方向を保存して進む次数の光）の他、高次の次数（±１次、±２次、・・・）の光が発生する。本技術では、０次の光を使用し、高次の次数の光は不要光であり、できるだけ小さくする必要がある。

【0044】

一般的に、周期構造に光を入射した場合、その出射光は次式で与えられる。
ｓｉｎθ＝ｓｉｎθｏ＋ｍ・λ／Λ （１）
ここで、θｏは透明基板４の垂線となす角で定義した入射角度
θは透明基板４の垂線となす角で定義した出射角度
ｍは次数（０，±１，±２・・・）
λは真空中の波長
Λは透明スペーサの周期（Ｗ_５＋Ｗ_６）

【0045】

周期（Ｗ_５＋Ｗ_６）が使用光の波長（例えば１．５５μｍ）に比べ１／２より小さい場合は、ほぼどんな入射角度θoの場合でも、式（１）より解がなくなり（ｓｉｎθが１より大きくなる）、高次の次数（±１次、±２次、・・・）が発生しなくなり、望ましい性能が得られるがレジスト露光およびエッチング加工が極めて困難となるという不都合が発生する。また、間隔（Ｗ_５＋Ｗ_６）が使用光の波長の４倍を超える場合は、不要次数（±１次、±２次、・・・）が発生し、損失が発生するという不都合がある。

【0046】

このような構成とすることにより、使用光に可視光（波長約０．３～０．７μｍ）を用いるときは、液晶パネル２ＡをＶＲ（Virtual Reality）用のゴーグル、車載用のヘッドアップディスプレイ、又は壁面やスクリーンに映像を投影するディスプレイ用の液晶パネルに用いることができる。また、使用光に近赤外光（波長約０．７～２．５μｍ）を用いるときは、液晶パネル２ＡをＬｉＤＡＲ用のスキャナ、或いは他の物体検知センサ等に用いることができる。

【0047】

また、正極６Ｐ及び負極６Ｍの起立面６１ａの高さ（厚さ）Ｈ_６は、４μｍ～１６μｍに設定しており、本実施形態では８μｍとしている。この起立面６１ａの高さＨ_６は、一対の透明基板４の間隔Ｈ_５の７０％以上に設定することが好ましく、本実施形態では８０％としている。なお、起立面６１ａの透明基板４に対する角度は、本実施形態では９０°にしているが、７０°～９０°の範囲内に設定すればよい。

【0048】

図２（Ｂ）に示すように、正極６Ｐと負極６Ｍには、櫛歯の根元の部分に給電電極７が接続されている。この給電電極７によって、正極６Ｐと負極６Ｍは、電圧が相対的に正と負になり、正極６Ｐと負極６Ｍの間に電界が生じる。この正極６Ｐと負極６Ｍは、外部のドライバー（図示省略）によって、ある時間で反転することでスイッチング動作が可能となっている。

【0049】

ここで、本実施形態の光スイッチング素子１Ａにおける液晶パネル２Ａと回折部材３のダイレクターＤとの関係を図１（Ｂ）に示す。回折部材３は、図１（Ｂ）に示すように、複屈折を持つダイレクターＤが、所定の周期で一方向に回転軸Ａを中心に回転しているものであり、円偏光の光ビームを入射すると、円偏光の回転方向で出力する光ビームが右、左に偏向する機能を持っている。

【0050】

図１（Ｂ）に示すように、本実施形態の光スイッチング素子１Ａにおいては、正極６Ｐと負極６Ｍが櫛歯状に形成されており、各電極の延びている延設方向と、ダイレクターＤの回転軸Ａが一致するように（±１０°以内）、液晶パネル２Ａと回折部材３を組み合わせている。当該構成とすることにより、入射される光の角度が図中のＸ方向（各電極の延設方向）に傾いた場合であっても、光の透過効率が変化しないものとすることができる。

【0051】

一方で、入射される光の角度が図中のＹ方向（電界の方向）に傾いた場合は、正極６Ｐ、負極６Ｍの幅Ｗ_６及びこれらの電極の間隔Ｗ_５の寸法からなる周期、さらに後で述べる液晶５と透明スペーサ６１との屈折率差により透過効率が変化する。特に、印加電圧が高くなると、液晶５と透明スペーサ６１との屈折率差が大きくなり、高次の光ビームが発生し、０次の光ビームの透過率の低下が大きくなる。

【0052】

光の角度がＹ方向に傾いた際の光の透過効率は、Ｗ_６及びＷ_５の寸法で決まる周期が小さいほど劣化が少ないが、レジスト露光、エッチング加工が困難となる。本願発明者等の検証によれば、正極６Ｐ、負極６Ｍの幅Ｗ_６及びこれらの電極の間隔Ｗ_５の寸法は、入射される光の波長の１／４～２倍以内とすることが好ましい。また、電界を印加しない場合の液晶屈折率（ｎｉ）と透明スペーサ６１との屈折率差を０．０５以内にすることが望ましい。さらには電界を印加した時の液晶の屈折率楕円体の常光（ｎｏ）と異常光（ｎｅ）の間の屈折率に透明スペーサ６１との屈折率差を設定することが好ましい。

【0053】

このように、正極６Ｐ、負極６Ｍの幅Ｗ_６及びこれらの電極の間隔Ｗ_５は小さい方が良いが、現状では製造技術上の限界等の理由から、現実的な値として、幅Ｗ_６及びＷ_５は０．２μｍ～６μｍの範囲となる。また、起立面６１ａの高さＨ_６は、高い方が低電圧化できるため高い方がよいが、こちらも製造技術上の理由から、高さＨ_６は２μｍ～２５μｍの範囲となる。また、この起立面６１ａの高さＨ_６は、一対の透明基板４の間隔Ｈ_５の７０％以上とすることが好ましく、本実施形態では８４％としている。

【0054】

次に、図３を参照して、第１の実施形態の液晶パネル２Ａにおける電界の状態について説明する。図３は液晶パネル２Ａの電極に電圧を印加した状態の電界の等高線と方向を示す説明図である。

【0055】

図３に示すように、電極６Ａの正極６Ｐ及び負極６Ｍに電圧を印加すると、正極６Ｐと負極６Ｍの間には、図中の矢印に示すように、正極６Ｐから負極６Ｍの方向に電界が生じる。この電界の方向は、正極６Ｐと負極６Ｍの間では透明基板４と平行となり、透明基板４の面内方向と一致している。また、図において左側に位置する電極６Ａと右側に位置する電極６Ａとの間に液晶５が介在しているが、この電極６Ａの間の液晶５にも透明基板４と平行な電界が生じている。

【0056】

このように、液晶５には、透明基板４と平行な方向に電界が作用する。本実施形態においては、液晶５にはポリマー安定化ブルー相液晶を用いており、図３（Ｂ）に示すように、電界を作用させることで液晶５内の屈折率楕円体５ａを透明基板４と平行に配列させることができる。この状態で液晶パネル２Ａに光を照射すると、液晶５の作用によって、液晶パネル２Ａを通過する光にリターデーションを効率的に生じさせることができる。

【0057】

一方で、正極６Ｐ及び負極６Ｍの間に電界を作用させない状態では、液晶中の屈折率楕円体５ａは側面視で球状の屈折率楕円体（図示省略）となり、光学的にアイソトロピック（等方性）な媒質となり、液晶パネル２Ａに光が照射されても、液晶パネル２Ａを通過する光にはリターデーションは生じない。

【0058】

このように、正極６Ｐ及び負極６Ｍの間の電界のオンオフにより、動作が高速なポリマー安定化ブルー相液晶をスイッチングすることができる。従って、本実施形態の電極６Ａを用いた液晶パネル２Ａによって、高速にスイッチングが可能な光スイッチング素子１Ａを形成することができる。なお、ここでは、便宜上、電極６Ａを正極６Ｐと負極６Ｍとしているが、実際は正と負は時間的に逆転する交番電圧で制御するため、正極６Ｐと負極６Ｍが交互に入れ替わる。

【0059】

また、第１の実施形態の液晶パネル２Ａでは、透明スペーサ６１に二酸化ゲルマニウムドープ石英ガラスを用いて、その屈折率を液晶層の屈折率の所定の範囲となるように調整している。これにより、入射光が斜めになった場合でも、屈折率コントラストが小さくなるので、±１次、±２次の高次の光に結合することなく、透過する０次の光の損失を小さくすることができる。

【0060】

具体的には、透明スペーサ６１の屈折率を、液晶の屈折率である以下のｎ_o(Ｅ)からｎ_e(Ｅ)の間の値になるように調整している。ここで、ｎ_o(Ｅ)は電界を印加したときの常光の屈折率であり、ｎ_e(Ｅ)は電界を印加したときの異常光の屈折率であり、以下の式で表される。
ｎ_ｏ（Ｅ）＝ｎ_ｉ－Δｎ_ｉｎｄ（Ｅ）／３ （２Ａ）
ｎ_ｅ（Ｅ）＝ｎ_ｉ＋２Δｎ_ｉｎｄ（Ｅ）／３ （２Ｂ）

【0061】

但し、ｎ_ｉは、電界を印加しないときの屈折率であり、Δｎ_ｉｎｄ（Ｅ）は拡張カー効果（extended Kerr effect）の影響を考慮した両屈折率の差であり、以下の式で表される。
Δｎ_ｉｎｄ（Ｅ）＝Δｎ_Ｓ（１－ｅｘｐ［－（Ｅ／Ｅ_ｓ）^２］） （３）
ここで、Δｎ_Ｓは飽和屈折率変化であり、Ｅ_ｓは飽和電界を表す。

【0062】

図４（Ａ）は、電界が印加されていないときの液晶５の屈折率と、電界を印加した時のｎ_ｏ（Ｅ）及びｎ_ｅ（Ｅ）の変化を表したグラフである。図４（Ｂ）のグラフは、縦軸がｎ_ｏ（Ｅ）とｎ_ｅ（Ｅ）の屈折率差Δｎであり、横軸が印加される電圧の二乗の値である。一般にブルー相液晶に電界（Ｅ）を印加した場合、屈折率差Δｎは小さい電圧の領域ではＥの二乗に比例して屈折率差が変化するカー効果が支配的である。

【0063】

しかしながら、大きな電圧の領域では、常光（ｎ_ｏ）、異常光（ｎ_ｅ）の屈折率の飽和により、図４（Ｂ）に示すように、屈折率差Δｎも飽和的な傾向を示す。このため、本実施形態においては、大きな電圧におけるｎ_ｏ（Ｅ）及びｎ_ｅ（Ｅ）の屈折率を正確に導き出すために（３）式を用いており、透明スペーサ６１の屈折率を、図４（Ａ）のｎ_ｏとｎ_ｅの間の値となるように、石英ガラスにドープする物質及びドープ量を調整している。ここでは、石英ガラスに二酸化ゲルマニウムをドープしている。

【0064】

なお、第１の実施形態における電極６Ａは、例えば、石英ガラスの一方の面に二酸化ゲルマニウムをドープした層を形成し、電極の形状にエッチング処理を行い、その表面に酸化亜鉛を付着させ、エッチング処理で不要な酸化亜鉛を除去することにより形成することができる。あるいは、電極６Ａは、最初から二酸化ゲルマニウムをドープした石英ガラスを用いてもよい。

【0065】

次に、図５を参照して、本発明の第２の実施形態の光スイッチング素子１Ｂ、液晶パネル２Ｂ及び電極６Ｂについて説明する。第２の実施形態の液晶パネル２Ｂでは、電極６Ｂが透明基板４の一方にのみ固定されている点が上記第１の実施形態の電極６Ａと相違している。なお、第１の実施形態と同様の構成には、同様の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0066】

第２の実施形態の電極６Ｂは、図５に示すように、図の右側の透明基板４の内面に透明スペーサ６１及び透明電極６２が設けられており、図の左側の透明基板４の内面には電極６Ｂは設けられていない。図の左側の透明基板４の内面と透明スペーサ６１との間には液晶５が充填されている。

【0067】

第２の実施形態の電極６Ｂは、第１の実施形態の電極６Ａと同様に、正極６Ｐと負極６Ｍが設けられ、その間に液晶層が形成されており、これらの構成は図２（Ｂ）と同様である。また、正極６Ｐ及び負極６Ｍの起立面６１ａの高さ（厚さ）Ｈ_６は、４μｍ～１６μｍに設定しており、本実施形態では１６μｍとしている。この起立面６１ａの高さＨ_６は、一対の透明基板４の間隔Ｈ_５の７０％以上に設定することが好ましく、本実施形態では８０％としている。

【0068】

この第２の実施形態の電極６Ｂにおいても、第１の実施形態とほぼ同様に、正極６Ｐと負極６Ｍの間では電界の方向が透明基板４と平行となり、透明基板４の面内方向と一致する電界を生じさせることができる。

【0069】

次に、図６を参照して、光スイッチング素子積層体１０について説明する。光スイッチング素子積層体１０は、図１に示す光スイッチング素子１Ａを複数枚積層したものとなっている。本実施形態では、８枚の光スイッチング素子１Ａを積層しているが、積層する枚数は、角度分解能（スイッチする最小偏向角度）と最大偏向角度等に応じて適宜選択する。

【0070】

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の光スイッチング素子積層体１０の液晶パネル２Ａの断面を模式的に表した図である。図６（Ｂ）に示すように、光スイッチング素子１Ａは、液晶パネル２Ａの一方の面に透過型の回折部材３を装着している。

【0071】

本実施形態の光スイッチング素子積層体１０は、回折部材３を装着した面を表面とし、他方の件を裏面としたときに、表面を光の入射方向の下流側に配置し、この表面に他の光スイッチング素子１Ａの裏面を装着することにより形成している。

【0072】

本実施形態においては、光の入射方向の上流側に設けられた回折部材３の偏光角度に比べて、下流側に設けられた回折部材３の偏向角度を大きく設定している。例えば、光の入射方向の上流側の回折部材３の偏光角度を０．１°とし、２番目の回折部材３の偏光角度を０．２°として、下流側に２倍ずつ偏光角度が増加する構成となっている。

【0073】

回折部材３について、このように光の入射方向の上流側から下流側に向けて偏光角度を変化させることにより、出射光の出射角度を大きくして広範囲に出射光を照射することが可能となる。なお、本構造は１次元の光スイッチング素子であるが、これを２組用い９０°回転させて配置することで２次元の光スイッチング素子が実現可能である。

【0074】

本実施形態の光スイッチング素子１Ａ及び光スイッチング素子１Ｂは、共に１０Ｖ以下程度の電圧で作動が可能となっている。これは、ハイブリッド車、電気自動車及び内燃機関を有する通常車両においては、昇圧器等を用いることなく作動させることができるため、車載用のＬｉＤＡＲに好適な光スイッチング素子となる。

【0075】

なお、上記実施形態においては、液晶５としてポリマー安定化ブルー相液晶を用いているが、これに限らず、電圧を加えた際に屈折率楕円体５ａが電界の方向に沿って長軸となる特性を有する液晶であれば、他の素材により形成された液晶を用いてもよい。

【0076】

また、上記実施形態において、透明スペーサ６１に二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）ドープ石英ガラスを用いているが、これに限らず、五酸化二リン（Ｐ_２Ｏ_５）や二酸化チタン（ＴｉＯ_２）等、石英ガラスの屈折率を上昇させるドーパントを用いてもよい。また、上記実施形態において、透明電極６２にＡｌ添加の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いているが酸化亜鉛にＧａなど他の添加物を含む物質としてもよい。あるいは、可視光の波長域では、ＺｎＯの代わりにＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いてもよい。

【0077】

次に、本発明の液晶パネル用基板の製造方法について、図７を参照して説明する。本実施形態の液晶パネル用基板の製造方法は、液晶パネル２Ａ又は液晶パネル２Ｂと同様の構成を有する液晶パネルに用いることが可能な基板４０（図７（Ｇ）参照）を製造する方法である。本実施形態における基板４０は、上記実施形態における透明基板と透明スペーサを一体として形成するものとなっている。

【0078】

本実施形態の製造方法は、透明基板及び透明スペーサの素材となる素材基板４１の表面にマスク層４２を形成するマスク層形成ステップと、マスク層の表面に所定の透明スペーサのパターンとなるパターンレジスト層４３を形成するパターンレジスト層形成ステップと、パターンレジスト層４３の形状にマスク層４２をエッチングする第１エッチングステップと、素材基板４１をパターンの形状が所定の厚さとなるようにエッチングして透明基板４表面に起立する起立面６１ａを有する透明スペーサ６１を形成する第２エッチングステップと、第２エッチングステップ後にマスク層４２を除去するマスク層除去ステップと、透明基板４及び起立面６１ａを含む透明スペーサ６１の表面に、透明電極を形成する電極膜４４を形成する透明電極形成ステップと、透明基板４及び透明スペーサ６１の平面部における電極膜４４をエッチングし、起立面６１ａにおける電極膜４４を残存させて透明電極６２を形成する選択スパッタエッチングステップを備えている。

【0079】

まず、マスク層形成ステップでは、図７（Ａ）に示すように、素材基板４１の表面にマスク層４２を形成する。本実施形態では、素材基板４１の素材に石英ガラスを用いている。また、マスク層４２の素材としてクロム（Ｃｒ）を用いている。素材基板４１の表面へのマスク層４２の形成は、一般に用いられているスパッタリングの手法を用いている。或いは、マスク層４２の形成を公知の電子ビーム蒸着により形成することもできる。マスク層４２の素材としては、クロム（Ｃｒ）の他、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）等の他の金属も使用可能である。

【0080】

次に、パターンレジスト層形成ステップでは、図７（Ｂ）に示すように、マスク層４２の表面に透明スペーサ６１のパターンとなるパターンレジスト層４３を形成する。パターンレジスト層４３は、公知の感光性膜を用いたフォトレジスト等の手法により形成することができる。本実施形態では、パターンレジスト層４３の素材にノボラック系樹脂を用いているが、市販のフォトレジストを用いることができる。

【0081】

次に、図７（Ｃ）に示す第１エッチングステップを行う。この第１エッチングステップでは、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）という手法を用いてパターンレジスト層４３の形状にマスク層４２を形成する。エッチング処理は、例えば、塩素系ガスを減圧下での放電によりプラズマ状態にし、発生したイオンや中性ラジカル等の活性種とエッチング対象のマスク層４２との反応によりマスク層４２を所望の形状にエッチングする処理である。このエッチング処理は、クロム皮膜を除去可能なエッチング液を用いた処理であってもよい。

【0082】

次に、図７（Ｄ）に示す第２エッチングステップを行う。この第２エッチングステップでは、エッチング処理を行ってパターンレジスト層４３を除去すると共に素材基板４１を透明スペーサ６１に必要な厚さとなるようにエッチングする。本実施形態では、第２エッチングステップにおいては、公知の反応性イオンエッチングＲＩＥ（Reactive Ion Etching）という手法を用いている。第２エッチングステップにおいて、フッ素系ガスを用いたＲＩＥを用いることにより、効率よく素材基板４１の加工を行うことができる。

【0083】

次に、図７（Ｅ）に示すように、マスク層除去ステップによってマスク層４２を除去することで、素材基板４１から透明基板４と透明スペーサ６１を形成する。マスク層４２の除去は、クロム皮膜を除去可能なエッチング処理により行う。

【0084】

次に、図７（Ｆ）に示す透明電極形成ステップを行う。本実施形態では、この透明電極形成ステップにおいて、マスク層除去ステップにおいてマスク層４２が除去された透明基板４と透明スペーサ６１の表面に、ＡＬＤ技術を用いてＡＺＯ（ＡｌドープＺｎＯ）の皮膜である電極膜４４を形成している。この電極膜４４は、本実施形態では透明電極６２として使用できるように、３０～４０ｎｍの厚さに形成している。

【0085】

次に、図７（Ｇ）に示す選択スパッタエッチングステップを行う。本実施形態では、透明基板４及び透明スペーサ６１の平面部における電極膜４４をエッチングし、起立面６１ａにおける電極膜４４を残存させて透明電極６２を形成する。本実施形態における選択スパッタエッチングステップは、ドライエッチングにおいて、活性種を透明基板４及び透明スペーサ６１の表面の法線方向から照射し、透明スペーサ６１の起立面６１ａには活性種が接触しないようにエッチングを行っている。

【0086】

当該処理により、透明基板４及び透明スペーサ６１の表面の電極膜４４のみが除去され、透明スペーサ６１の起立面の電極膜４４が残り、この電極膜４４が透明電極６２となる。このように、本実施形態の製造方法においては、選択スパッタエッチングステップによって効率よく透明スペーサ６１に透明電極６２を形成することができる。

【0087】

なお、上記実施形態においては、パターンレジスト層４３の除去は、第２エッチングステップにおいて行っているが、これに限らず、第１エッチングステップ又はマスク層除去ステップにおいて行ってもよい。

【符号の説明】

【0088】

１Ａ，１Ｂ…光スイッチング素子
２Ａ，２Ｂ…液晶パネル
３…回折部材
４…透明基板
４ａ…光学接着剤層
４０…基板
４１…素材基板
４２…マスク層
４３…パターンレジスト層
４４…電極膜
５…液晶（液晶層）
５ａ…屈折率楕円体
６Ａ，６Ｂ…電極
６Ｐ…正極
６Ｍ…負極
６１…透明スペーサ
６１ａ…起立面
６２…透明電極
７…給電電極
１０…光スイッチング素子積層体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】