多層構造液晶光学素子およびそれを用いた液晶レンズ
【課題】液晶の充填量を確保し、十分な光学的距離Ｌを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上でき、かつ液晶を注入する際にガラス基板の変形がなく、均一な特性が得られる多層構造液晶光学素子およびそれを用いた液晶レンズを提供する。
【解決手段】多層構造液晶光学素子１００は、コモン電極２０が形成された基板１０と、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板からなる多層構造体１２と、液晶４０とから構成されている。多層構造体１２は、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層して構成される。各層の間は液晶を充填する空間が形成されている。また、複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔１３と、圧力バランス孔１４とが設けられる。さらに、各透明基板の表面に配向膜を形成しないで、一定強度の磁場を印加し、液晶分子を透明基板の表面に対して水平に配向させる。
【解決手段】多層構造液晶光学素子１００は、コモン電極２０が形成された基板１０と、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板からなる多層構造体１２と、液晶４０とから構成されている。多層構造体１２は、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層して構成される。各層の間は液晶を充填する空間が形成されている。また、複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔１３と、圧力バランス孔１４とが設けられる。さらに、各透明基板の表面に配向膜を形成しないで、一定強度の磁場を印加し、液晶分子を透明基板の表面に対して水平に配向させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セグメント電極が形成された第１の基板とコモン電極が形成された第２の基板との間に、複数の液晶層を有する多層構造液晶光学素子およびそれを用いた２重構造の液晶レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電極を形成した基板の間に液晶を挟んで構成される様々な液晶光学素子が知られている。例えば、情報記録媒体としてＣＤ、ＤＶＤ等の各種光ディスク装置があるが、これらの光ディスク装置は、回転することによる厚さずれや反り等によって、収差（集光スポットの歪）を生ずるため、この収差を補正して記録・再生の精度を確保する必要がある。そのため、同心円のリング状に電極を形成した基板で、液晶を挟み込んだ液晶収差補正素子が用いられ、これにより、光束の中央部と外縁部とで、異なる位相制御を行っている（特許文献１）。
【０００３】
従来の液晶光学素子では、液晶の分子配列状態を電気的に制御し、それによって、光に対する屈折率などの性質を変化させている。二次元的あるいは三次元的に屈折率の分布を変化制御することによって、各光路における位相遅れ量や光路の屈折状態を制御できるので、電子的に焦点を可変できる液晶レンズや液晶収差補正素子などの、光学素子として有益な機能素子である。しかし、実応用に有用な光の屈折効果を最大限に引き出すためには、液晶光学セルの対応する両配向膜の間に、光路に沿って十分な量の液晶を保持する必要があり、このために液晶層の厚さ（両配向膜の間）ｄは、通常の液晶表示セルが数μｍ程度であるのに対して、３０〜１００μｍ程度と極めて厚くする必要がある。
【０００４】
また、液晶の応答速度は、液晶層の厚さ（両配向膜の間）ｄの２乗に逆比例することが知られており、このように厚い液晶光学セルの場合には、応答時間は数１００ｍｓ〜数分になる。即ち、従来の多くの液晶光学素子は、応答速度が遅いという問題点があった。
【０００５】
機器を制御する際に応答速度が遅いことは、液晶光学素子を利用する焦点可変レンズ機能や収差補正機能にとって大きな制約であり、実用化への課題であった。
【０００６】
近年、液晶レンズのパワーおよび応答速度を改善するために、２層の液晶層を有する光学素子が提案された（特許文献２）。
【０００７】
特許文献２に記載の光学素子は、２層の液晶層を有する２つの液晶セルを重なって２重構造に構成したものである。各液晶セルにおいて、液晶層は絶縁層により２層に分割されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２３７０７７号公報
【特許文献２】特開２００６−９１８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の液晶光学素子は、上述したように、応用上必要な屈折率変化を得るためには、厚い液晶層を透過させて十分な光学的距離Ｌを確保する必要がある。
【００１０】
一般的に、液晶層が厚くなると応答時間τr、τdは液晶層の厚さ（両配向膜の間）ｄの二乗に比例して遅くなることが知られている。そのため、液晶層の厚さを厚くすると応答速度が低下する問題点があり、実用化に課題があった。
【００１１】
また、特許文献２は、液晶レンズパワーの増大、応答速度の改善が限定的であり、レンズパワーをより大きく、さらに応答速度を速くすることが困難である。例えば、多層の液晶層にする場合、絶縁層が厚いため、液晶素子が厚くなる。そのため、応答速度が低下し、高い印加電圧が必要となる。
【００１２】
また、絶縁層を薄くすることが考えられるが、製造工程において、液晶を注入する際に、絶縁層が変形し、均一な特性が得られない問題点があった。また、液晶素子を薄くするために、液晶層を薄くすることが考えられるが、液晶層を薄くすることで、配向膜の形成による液晶の充填量が少なくなるという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、液晶光学セルの液晶層を複数の薄い透明基板により分割して複数の液晶層を形成し、かつ複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と圧力バランス孔とを設けることによって、液晶の充填量を確保し、十分な光学的距離Ｌを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上でき、かつ液晶を注入する際にガラス基板の変形がなく、均一な特性が得られる多層構造液晶光学素子およびそれを用いた液晶レンズ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】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明に係る多層構造液晶光学素子は、セグメント電極が形成された第１の基板とコモン電極が形成された第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層を有する液晶光学素子において、前記第１の基板と第２の基板との間に、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられ、前記液晶層は複数の透明基板により分割されて複数の液晶層に形成され、前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板または第２の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする。
【００１５】
例えば、前記多層構造液晶光学素子において、前記スペーサーは、前記液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するガラス基板である。
【００１６】
また例えば、前記多層構造液晶光学素子において、前記透明基板の表面に配向膜を形成しないで、前記複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を前記透明基板の表面に水平に配向させる。
【００１７】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る液晶レンズは、電極が形成された基板と電極が形成されない基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と、電極が形成された二つの基板の間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第２の多層構造液晶光学素子とを少なくとも一つずつ用いて重なった構造とし、前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板と第３の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする。
【００１８】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る液晶レンズは、第１の電極が形成された第１の基板と電極が形成されない第２の基板との間に複数の厚さ１０〜５０μｍの透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と、第２の電極が形成された第３の基板と中央部に形成された第３の電極および該第３の電極の周辺に形成された第４の電極とを有する第４の基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第２の多層構造液晶光学素子とを備え、前記第１の多層構造液晶光学素子の第２の基板と前記第２の多層構造液晶光学素子の第４の基板とを接着して２重構造とし、前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板と第３の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする。
【００１９】
例えば、前記液晶レンズにおいて、前記スペーサーは、前記液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するスペーサーガラス基板である。
【００２０】
また例えば、前記液晶レンズにおいて、前記透明基板の表面に配向膜を形成しないで、前記複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を前記透明基板の表面に水平に配向させ、前記第１の多層構造液晶光学素子と第２の多層構造液晶光学素子の液晶の配向方向は互いに垂直になるように配置される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る多層構造液晶光学素子によれば、液晶光学セルを構成する基板間に、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層が形成され、かつ透明基板の表面に配向膜を塗布しないで、磁場配向法を用いて複数の液晶層の液晶分子が基板の表面に水平に配向されることで、十分な光学的距離Ｌを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上することができ、かつ液晶の充填量を確保することができる。また、複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、圧力バランス孔とが設けられることで、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つことができ、液晶注入による各層の透明基板の変形を防止することができ、均一な光学特性が得られる。
【００２２】
本発明に係る液晶レンズによれば、複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と第２の多層構造液晶光学素子とを接着して２重構造とすることで、応答速度を向上することができ、また、電極間に配置される厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板からなる多層構造体の均一性、および多層構造体形成の再現性を向上することができ、光屈折などの光学特性を電気的に制御することが出来る焦点可変レンズ、または、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる、液晶収差補正素子などとして実用化できるようになった。
【００２３】
また、スペーサーとして、液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するガラス基板を用いることで、透明基板の変形を防ぐことができると共に、積層加工が容易にできる。
【００２４】
また、透明基板の表面に配向膜を形成しないで、磁場配向法を用いて複数の液晶層の液晶分子を透明基板の表面に水平に配向させることで、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施の形態の多層構造液晶光学素子１００の構成を示す分解図である。
【図２】多層構造液晶光学素子１００の構成を示すＡ−Ａ断面図である。
【図３】多層構造液晶光学素子１００の構成を示すＢ−Ｂ断面図である。
【図４】配向処理の説明図である。
【図５】実施形態の液晶レンズ２００の構成を示す図である。
【図６】第２の実施の形態の多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示す分解図である。
【図７】多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示すＡ−Ａ断面図である。
【図８】多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示すＢ−Ｂ断面図である。
【図９】ガラス基板５０Ａの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係る多層構造液晶光学素子およびそれを用いた液晶レンズを、実施するための最良の形態を、図を参照して説明する。ここで、あらかじめ特定の方向に配列してある液晶分子に、部分的に電界をかけ、この分子の配列を変え、液晶光学セル内に生じた屈折率分布の変化を利用して、レンズ効果を得る多層構造液晶光学素子の例を説明する。
【００２７】
図１は、第１の実施の形態の多層構造液晶光学素子１００の構成を示す分解図である。図２は、多層構造液晶光学素子１００の構成を示すＡ−Ａ断面図である。図３は、多層構造液晶光学素子１００の構成を示すＢ−Ｂ断面図である。
【００２８】
図１〜図３に示すように、多層構造液晶光学素子１００は、コモン電極２０が形成された基板１０と、セグメント電極としての第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板Ｇからなる多層構造体１２と、液晶４０とから構成されている。複数の薄い透明基板Ｇにより複数の薄い液晶層が形成されている。
【００２９】
この例の場合は、基板１０，１１はガラス基板である。また、液晶４０は電圧印加時に、分子の長軸が電界方向に向く誘電率異方性が正のネマチック液晶（Ｎｐ液晶）である。
【００３０】
ここで、コモン電極２０、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２と液晶４０との間に、一般的に設けられる配向膜、透明絶縁層や、基板１０，１１上に設けられる反射防止膜等は図示を省略している。また、液晶４０はスペーサーとしてのシール材５０によって内側に封入されている。また、各端子には電圧を印加するためリード線等が接続される。
【００３１】
下の基板１０の厚さ方向に穴が穿たれ、この穴にはコモン電極２０へ接続するためのアース端子Ｖ０設けられている。また、上の基板１１に第一の駆動端子Ｖ１、第二の駆動端子Ｖ２が設けられている。各端子は、穴の内周面に沿ってスルーホール加工され、Ｃr−Ａｕ等の金属メッキ・導通材を充填して形成される。なお、下の基板１０に多層構造液晶光学素子１００の温度を制御するためのヒーター電極、ヒーター端子を設けても良い。
【００３２】
また、基板１０，１１間に液晶４０を注入するための注入口３２が、上の基板１１に形成されている。注入口３２の形状は円形あるいは楕円形等であり、液晶４０を注入した後に封止材３３（図４参照）により適宜封止される。また、注入口３２は、多層構造体１２の液晶注入孔１３に対応する位置に設けられる。これにより、液晶の注入がスムーズになり、液晶が各層へ均等に流入することが可能となる。
【００３３】
また、図１に示すように、上の基板１１の中心部に円形の第二の駆動電極２２が配置され、その周辺に第一の駆動電極２１が配置されている。第二の駆動電極２２は、第二の駆動端子Ｖ２に接続されている。また、第一の駆動電極２１は、第一の駆動端子Ｖ１に接続されている。また、基板１０の中央部に円形のコモン電極２０が配置されている。コモン電極２０は、アース端子Ｖ０に接続されている。また、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２に異なる電圧を印加することでレンズとしても利用できる。
【００３４】
多層構造体１２は、複数の薄い透明基板Ｇ（例えば、ガラス基板）を積層して構成される。各層の間はシール材５０により液晶を充填する空間が形成される。ここで、各透明基板の厚さは、１０〜５０μｍである。各液晶の厚さは、５〜２０μｍである。また、各透明基板Ｇの１つの角部に液晶を注入するための液晶注入孔１３が形成され、該液晶注入孔１３と対向する角部に、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔１４が形成されている。
【００３５】
また、図１〜３に示すように、上の基板１１と多層構造体１２との間に液晶を充填する空間を有し、また、下の基板１０と多層構造体１２との間にも液晶を充填する空間を有する。即ち、基板１０，１１の内側の面と多層構造体１２との間にも液晶が存在する。また、基板１０，１１の内側の面には、配向膜が形成されている。そのため、基板１０，１１の内側の液晶は、一定の方向（例えば、基板１１に対して垂直方向）に配向される。この液晶は、光の進む方向に平行な液晶分子であり、上下の基板に垂直方向に働く電界変化には応答しない。
【００３６】
各透明基板Ｇに圧力バランス孔１４を設けることで、液晶を充填する際に、液晶が液晶注入孔から各層に流入し、各層の空気が透明基板の圧力バランス孔１４を通して分散することにより各層間の圧力を均一に保つことができるため、薄い透明基板Ｇの凹凸変形をなくし、変形による液晶素子の光学特性の低下（ニュートンリングの発生等）を防ぐことができる。かつ液晶が各層に均一に充填することができる。
【００３７】
以下、本発明の多層構造液晶光学素子１００の製造方法を説明する。説明を分かりやすくするために１つの液晶セルのみを示している。
【００３８】
多層構造液晶光学素子１００の製造方法として、まず、下の基板１０において、所定の位置に電極材を蒸着等によって形成する。ここで、一定の大きさを有する基板に複数の多層構造液晶光学素子１００を形成する場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３９】
次に、エッチング等によるパターンニング処理を行って電極２０を作製する。電極２０を形成する工程において、基板１０にアース端子Ｖ０を設ける。
【００４０】
次に、透明絶縁層を必要に応じて積層させた後、ポリイミド(PI：polyimide)等の液晶配向膜を形成する。さらに、液晶を封入するためのシール材５０を、印刷等により電極２０の周辺に設ける。
【００４１】
一方、対向させる上の基板１１については、上記と同様に母材となる基板に対して電極を形成し、パターンニングを行って、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２とする。
【００４２】
そして、予め形成された多層構造体１２を配置する。ここで、多層構造体１２の形成方法として、例えば、予め各透明基板Ｇの１つの角部に液晶を注入するための液晶注入孔１３を形成し、液晶注入孔１３と対向する角部に、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔１４を形成する。なお、液晶注入孔１３と圧力バランス孔１４は、透明基板Ｇの角部以外の位置に設けても良い。各透明基板Ｇにシール材を塗布して、液晶注入孔１３と圧力バランス孔１４をそれぞれ位置合わせて積層することで、多層構造体１２が形成される。
【００４３】
多層構造体１２を配置する際に、形成された多層構造体１２を下の基板１０に配置する。次に、下の基板１０と上の基板１１とを、対向させて組み合わせることで、液晶セルを形成する。
【００４４】
続いて、注入口３２から液晶セル内（シール材５０の内側）に等方相状態の液晶を注入し、封止材３３で封止して、配向処理を行う。ここで、図４に示すように、液晶注入、配向処理を行う際に、まず、形成した液晶セルをセル加熱用ヒーター（図示せず）の上に配置し、セル加熱用ヒーターで液晶セルを加熱する。このとき、例えば加熱温度は液晶材料の等方相温度ＴＮ１＋５℃とする。次に、等方相状態にある液晶材料を液晶セルに注入する。次に、Ｎ磁極とＳ磁極からなる磁場内に設置して、磁場を印加する。このとき、磁場強度は２０ｋＧとし、磁場方向を基板と平行するように設置する。そして、液晶セルを磁場中に保持しながら徐々に冷却する。
【００４５】
この場合、液晶セルの温度は、等方相温度ＴＮ１を経て室温まで徐冷する。また、冷却時間は５〜１５ｍｉｎとする。好ましくは約１０ｍｉｎである。これにより、液晶セル内の液晶が磁場方向に配向される。即ち、液晶は透明基板に対して水平方向に配向され、かつ安定した配向ができる。
【００４６】
そして、母材となる基板１０，１１に配列した各端子を使用して、素子の動作検査を行う。検査が不合格であった箇所については、ＮＧマーキングを行う。その後、母材となる基板の全面に反射防止膜（ＡＲ膜）を形成する。ＡＲ膜はガラス基板１０側又は基板１１側の、いずれか一方に形成しても良いし、両方に形成しても良い。
【００４７】
最後に、母材となる基板を、スライサー等を用いて個々の多層構造液晶光学素子１００に切り分け、単品の検査工程を経て完了する。
【００４８】
以上のような製造方法によれば、多層構造液晶光学素子１００の組立時に予め多層構造体１２を形成して、得られた多層構造体１２を基板１０，１１の間に配置する。そして、液晶セル内の複数の液晶層に対して磁場を印加し配向処理を行う。
【００４９】
多層構造液晶光学素子１００に所定の電圧を印加する際に、透明基板の表面に対して、水平方向に配向していた液晶は電界方向に力を受けて傾斜し、電界が強くなると電極面に対して垂直状態になる。これにより、光に対する屈折率を電気的に制御することができ、焦点可変レンズや収差補正素子として有益な機能素子となる。
【００５０】
このように本実施の形態においては、多層構造液晶光学素子１００は、コモン電極２０が形成された基板１０と、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板Ｇからなる多層構造体１２と、液晶４０とから構成されている。多層構造体１２は、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をシール材５０を介して積層して構成される。各層の間は液晶を充填する空間が形成されている。また、複数の透明基板Ｇにそれぞれ液晶注入孔１３と、圧力バランス孔１４とが設けられる。さらに、各透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を透明基板の表面に対して水平に配向させる。
【００５１】
これにより、十分な光学的距離Ｌを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上することができ、かつ液晶の充填量を確保することができる。
【００５２】
また、複数の透明基板Ｇにそれぞれ液晶注入孔１３と、圧力バランス孔１４とが設けられることで、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つことができ、液晶注入による各層の透明基板Ｇの変形を防止することができ、均一な光学特性が得られる。
【００５３】
また、複数の薄い透明基板からなる多層構造体１２の各透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、磁場を用いて液晶を配向させることによって、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向ができる。
【００５４】
上下の基板１０，１１に設けた電極間に電圧を印加することで、液晶の分子配向を制御することができ、光学特性を変化させることができる。したがって液晶光学素子としての応答時間を短縮することができ、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶収差補正素子として実用化できるようになる。
【００５５】
図５は、液晶レンズ２００の構成を示す図である。図５において、図５（ａ）は液晶レンズ２００の構成を示す平面図であり、図５（ｂ）は液晶レンズ２００の構成を示すＣ−Ｃ断面図である。
【００５６】
図５に示すように、液晶レンズ２００は、多層構造液晶光学素子１００ａと、多層構造液晶光学素子１００ｂとから構成されている。多層構造液晶光学素子１００ａの基板１１ａと多層構造液晶光学素子１００ｂの基板１１ｂを光学接着剤により接着して２重構造としている。
【００５７】
また、多層構造液晶光学素子１００ａと多層構造液晶光学素子１００ｂは、多層構造液晶光学素子１００ａの液晶４０ａの配向方向と多層構造液晶光学素子１００ｂの液晶４０ｂの配向方向が互いに直交するように配置されている。
【００５８】
多層構造液晶光学素子１００ａは、コモン電極２０ａ（第１の電極）が形成された基板１０ａ（第１の基板）と、基板１１ａ（第２の基板）と、複数の薄い透明基板Ｇからなる多層構造体１２ａと、液晶４０ａとから構成されている。
【００５９】
多層構造液晶光学素子１００ｂは、コモン電極２０ｂ（第２の電極）が形成された基板１０ｂ（第３の基板）と、第１の駆動電極２１ｂ（第３の電極）および第２の駆動電極２２ｂ（第４の電極）が形成された基板１１ｂ（第４の基板）と、複数の薄い透明基板からなる多層構造体１２ｂと、液晶４０ｂとから構成されている。この場合、多層構造液晶光学素子１００ａと多層構造液晶光学素子１００ｂは、第１の駆動電極２１ｂおよび第２の駆動電極２２ｂを共用する。
【００６０】
多層構造体１２ａ，１２ｂは、それぞれ複数の薄い透明基板Ｇ（例えば、ガラス基板）を積層して構成される。各層の間はシール材５０ａ，５０ｂにより液晶を充填する空間が形成されている。ここで、各透明基板Ｇの厚さは、１０〜５０μｍである。各液晶の厚さは、５〜２０μｍである。また、各透明基板Ｇの１つの角部に液晶を注入するための液晶注入孔１３ａ，１３ｂが形成され、該液晶注入孔１３ａ，１３ｂと対向する側の角部に液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔１４ａ，１４ｂが形成されている。
【００６１】
また、多層構造液晶光学素子１００ａ，１００ｂにおいて、各透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、一定強度の磁場を印加し、液晶分子を透明基板Ｇの表面に対して水平に配向させる。この場合、多層構造液晶光学素子１００ａの液晶４０ａの配向方向は、図５中の矢印に示すように紙面に平行する方向（左右方向）である。また、多層構造液晶光学素子１００ｂの液晶４０ｂの配向方向は、紙面に垂直する方向である。また、第一の駆動電極２１ｂおよび第二の駆動電極２２ｂに異なる電圧を印加する。
【００６２】
このように本実施の形態においては、液晶レンズ２００は、多層構造液晶光学素子１００ａと、多層構造液晶光学素子１００ｂとから構成されている。多層構造液晶光学素子１００ａの基板１１と、多層構造液晶光学素子１００ｂの基板１１ｂを光学接着剤により接着して２重構造としている。また、多層構造液晶光学素子１００ａと多層構造液晶光学素子１００ｂは、多層構造液晶光学素子１００ａの液晶４０ａの配向方向と多層構造液晶光学素子１００ｂの液晶４０ｂの配向方向が互いに直交するように配置されている。
【００６３】
これにより、十分な光学的距離Ｌを確保することができると共に、応答速度を向上することができる。また、多層構造液晶光学素子１００ａ，１００ｂにおいて、複数の透明基板Ｇにそれぞれ液晶注入孔１３ａ，１３ｂと、圧力バランス孔１４ａ，１４ｂとが設けられることで、液晶注入による各層の透明基板Ｇの変形を防止することができ、均一な光学特性が得られる。光屈折などの光学特性を電気的に制御することが出来る焦点可変レンズ、または、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる、液晶収差補正素子などとして実用化できるようになった。
【００６４】
また、透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、磁場配向法を用いて複数の液晶層の液晶分子を透明基板Ｇの表面に水平に配向させることで、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向ができる。
【００６５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、第２の実施の形態の多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示す分解図である。図７は、多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示すＡ−Ａ断面図である。図８は、多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示すＢ−Ｂ断面図である。図９は、ガラス基板５０Ａの構成を示す平面図である。
【００６６】
図６〜９に示すように、多層構造液晶光学素子１００Ａは、コモン電極２０が形成された基板１０と、セグメント電極としての第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板Ｇからなる多層構造体１２Ａと、液晶４０とから構成されている。また、多層構造体の透明基板Ｇの間にスペーサーとしてのガラス基板５０Ａが配置されている。複数の薄い透明基板Ｇにより複数の液晶層が形成されている。
【００６７】
多層構造液晶光学素子１００Ａは、多層構造体１２Ａ以外に多層構造液晶光学素子１００の構成と同様である。ここで、多層構造体１２Ａ以外の構成について説明を省略する。
【００６８】
多層構造体１２Ａは、複数の厚さ１０〜５０μｍの透明基板Ｇをガラス基板５０Ａを介して積層してからなる。ここで、上述した多層構造液晶光学素子１００のシール材５０の代わりに、透明基板の間にガラス基板５０Ａが配置されている。
【００６９】
図９に示すように、ガラス基板５０Ａは、液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分５１Ａ，５２Ａを含む液晶を充填するための切り抜き部５３Ａが形成される。この切り抜き部５３Ａにより液晶を充填する空間が形成される。また、ガラス基板５０Ａの厚さは、所望の各液晶層の厚さ（５〜２０μｍ）によって、適宜に設計される。
【００７０】
また、ガラス基板５０Ａと透明基板は接着剤により接着され、また多層構造体１２Ａの表面のガラス基板５０Ａと基板１０，１１は接着剤により接着される。なお、多層構造体１２Ａの表面にガラス基板５０Ａを設けずに、上述したシール材５０を塗布（印刷）して基板１０，１１と接着剤により接着するようにしてもよい。
【００７１】
また、多層構造液晶光学素子１００Ａの製造方法は、上述した多層構造液晶光学素子１００と同様、予め多層構造体１２Ａを形成して、得られた多層構造体１２Ａを基板１０，１１の間に配置する。そして、液晶セル内の複数の液晶層に対して磁場を印加し配向処理を行う。多層構造体１２Ａを形成する際に、上述したシール材５０の代わりに、透明基板Ｇの間にガラス基板５０Ａを配置する。
【００７２】
このように本実施の形態においては、多層構造液晶光学素子１００Ａは、コモン電極２０が形成された基板１０と、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板からなる多層構造体１２Ａと、液晶４０とから構成されている。多層構造体１２Ａは、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板Ｇとガラス基板５０Ａとを積層して構成される。ガラス基板５０Ａに液晶を充填する空間が形成されている。また、複数の透明基板Ｇにそれぞれ液晶注入孔１３と、圧力バランス孔１４とが設けられる。さらに、各透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を透明基板Ｇの表面に対して水平に配向させる。
【００７３】
これにより、多層構造液晶光学素子１００Ａは、上述した多層構造液晶光学素子１００と同様な効果が得られる。また、多層構造液晶光学素子１００Ａを用いて上述した液晶レンズ２００のような２層構造の液晶レンズを構成することができる。
【００７４】
また、スペーサーとして、液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分５１Ａ，５２Ａを含む液晶を充填するための切り抜き部５３Ａを有するガラス基板５０Ａを用いることで、透明基板Ｇの変形を防ぐことができると共に、積層加工が容易にできる。
【００７５】
なお、上述した実施の形態においては、多層構造液晶光学素子１００，１００ａ，１００ｂの多層構造体１２，１２ａ，１２ｂが４枚の透明基板Ｇから構成されるものについて説明したが、これに限定されるものではない。２枚、３枚、または５枚以上の透明基板から構成するようにしてもよい。
【００７６】
また、上述した実施の形態において、液晶レンズ２００は、多層構造液晶光学素子１００ａと多層構造液晶光学素子１００ｂとを重なって２重構造のレンズについて説明したが、これに限定されるものではない。多重構造のレンズにもこの発明を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明は、携帯電話機、携帯情報端末機（ＰＤＡ）、デジタル機器等における超小型カメラに内蔵される、オートフォーカス機能やマクロ−ミクロ切替機能をもつ液晶光学素子、または、光ディスク装置において、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶光学素子など、広く利用することが期待できる。
【符号の説明】
【００７８】
１０，１０ａ，１０ｂ，１１，１１ａ，１１ｂ 基板
１２，１２ａ，１２ｂ，１２Ａ 多層構造体
１３，１３ａ，１３ｂ 液晶注入孔
１４，１４ａ，１４ｂ 圧力バランス孔
２０，２０ａ，２０ｂ コモン電極
２１，２１ｂ 第一の駆動電極（セグメント電極）
２２，２２ｂ 第二の駆動電極（セグメント電極）
３２，３２ａ，３２ｂ 注入口
３３ 封止材
４０，４０ａ，４０ｂ 液晶
５０，５０ａ，５０ｂ シール材
５０Ａ ガラス基板
５３Ａ 切り抜き部
１００，１００ａ，１００ｂ，１００Ａ 多層構造液晶光学素子
２００ 液晶レンズ
Ｖ０，Ｖ０ａ，Ｖ０ｂ アース端子
Ｖ１，Ｖ１ｂ 第一の駆動端子
Ｖ２，Ｖ２ｂ 第二の駆動端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セグメント電極が形成された第１の基板とコモン電極が形成された第２の基板との間に、複数の液晶層を有する多層構造液晶光学素子およびそれを用いた２重構造の液晶レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電極を形成した基板の間に液晶を挟んで構成される様々な液晶光学素子が知られている。例えば、情報記録媒体としてＣＤ、ＤＶＤ等の各種光ディスク装置があるが、これらの光ディスク装置は、回転することによる厚さずれや反り等によって、収差（集光スポットの歪）を生ずるため、この収差を補正して記録・再生の精度を確保する必要がある。そのため、同心円のリング状に電極を形成した基板で、液晶を挟み込んだ液晶収差補正素子が用いられ、これにより、光束の中央部と外縁部とで、異なる位相制御を行っている（特許文献１）。
【０００３】
従来の液晶光学素子では、液晶の分子配列状態を電気的に制御し、それによって、光に対する屈折率などの性質を変化させている。二次元的あるいは三次元的に屈折率の分布を変化制御することによって、各光路における位相遅れ量や光路の屈折状態を制御できるので、電子的に焦点を可変できる液晶レンズや液晶収差補正素子などの、光学素子として有益な機能素子である。しかし、実応用に有用な光の屈折効果を最大限に引き出すためには、液晶光学セルの対応する両配向膜の間に、光路に沿って十分な量の液晶を保持する必要があり、このために液晶層の厚さ（両配向膜の間）ｄは、通常の液晶表示セルが数μｍ程度であるのに対して、３０〜１００μｍ程度と極めて厚くする必要がある。
【０００４】
また、液晶の応答速度は、液晶層の厚さ（両配向膜の間）ｄの２乗に逆比例することが知られており、このように厚い液晶光学セルの場合には、応答時間は数１００ｍｓ〜数分になる。即ち、従来の多くの液晶光学素子は、応答速度が遅いという問題点があった。
【０００５】
機器を制御する際に応答速度が遅いことは、液晶光学素子を利用する焦点可変レンズ機能や収差補正機能にとって大きな制約であり、実用化への課題であった。
【０００６】
近年、液晶レンズのパワーおよび応答速度を改善するために、２層の液晶層を有する光学素子が提案された（特許文献２）。
【０００７】
特許文献２に記載の光学素子は、２層の液晶層を有する２つの液晶セルを重なって２重構造に構成したものである。各液晶セルにおいて、液晶層は絶縁層により２層に分割されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２３７０７７号公報
【特許文献２】特開２００６−９１８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の液晶光学素子は、上述したように、応用上必要な屈折率変化を得るためには、厚い液晶層を透過させて十分な光学的距離Ｌを確保する必要がある。
【００１０】
一般的に、液晶層が厚くなると応答時間τr、τdは液晶層の厚さ（両配向膜の間）ｄの二乗に比例して遅くなることが知られている。そのため、液晶層の厚さを厚くすると応答速度が低下する問題点があり、実用化に課題があった。
【００１１】
また、特許文献２は、液晶レンズパワーの増大、応答速度の改善が限定的であり、レンズパワーをより大きく、さらに応答速度を速くすることが困難である。例えば、多層の液晶層にする場合、絶縁層が厚いため、液晶素子が厚くなる。そのため、応答速度が低下し、高い印加電圧が必要となる。
【００１２】
また、絶縁層を薄くすることが考えられるが、製造工程において、液晶を注入する際に、絶縁層が変形し、均一な特性が得られない問題点があった。また、液晶素子を薄くするために、液晶層を薄くすることが考えられるが、液晶層を薄くすることで、配向膜の形成による液晶の充填量が少なくなるという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、液晶光学セルの液晶層を複数の薄い透明基板により分割して複数の液晶層を形成し、かつ複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と圧力バランス孔とを設けることによって、液晶の充填量を確保し、十分な光学的距離Ｌを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上でき、かつ液晶を注入する際にガラス基板の変形がなく、均一な特性が得られる多層構造液晶光学素子およびそれを用いた液晶レンズ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】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明に係る多層構造液晶光学素子は、セグメント電極が形成された第１の基板とコモン電極が形成された第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層を有する液晶光学素子において、前記第１の基板と第２の基板との間に、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられ、前記液晶層は複数の透明基板により分割されて複数の液晶層に形成され、前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板または第２の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする。
【００１５】
例えば、前記多層構造液晶光学素子において、前記スペーサーは、前記液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するガラス基板である。
【００１６】
また例えば、前記多層構造液晶光学素子において、前記透明基板の表面に配向膜を形成しないで、前記複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を前記透明基板の表面に水平に配向させる。
【００１７】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る液晶レンズは、電極が形成された基板と電極が形成されない基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と、電極が形成された二つの基板の間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第２の多層構造液晶光学素子とを少なくとも一つずつ用いて重なった構造とし、前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板と第３の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする。
【００１８】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る液晶レンズは、第１の電極が形成された第１の基板と電極が形成されない第２の基板との間に複数の厚さ１０〜５０μｍの透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と、第２の電極が形成された第３の基板と中央部に形成された第３の電極および該第３の電極の周辺に形成された第４の電極とを有する第４の基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第２の多層構造液晶光学素子とを備え、前記第１の多層構造液晶光学素子の第２の基板と前記第２の多層構造液晶光学素子の第４の基板とを接着して２重構造とし、前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板と第３の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする。
【００１９】
例えば、前記液晶レンズにおいて、前記スペーサーは、前記液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するスペーサーガラス基板である。
【００２０】
また例えば、前記液晶レンズにおいて、前記透明基板の表面に配向膜を形成しないで、前記複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を前記透明基板の表面に水平に配向させ、前記第１の多層構造液晶光学素子と第２の多層構造液晶光学素子の液晶の配向方向は互いに垂直になるように配置される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る多層構造液晶光学素子によれば、液晶光学セルを構成する基板間に、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層が形成され、かつ透明基板の表面に配向膜を塗布しないで、磁場配向法を用いて複数の液晶層の液晶分子が基板の表面に水平に配向されることで、十分な光学的距離Ｌを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上することができ、かつ液晶の充填量を確保することができる。また、複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、圧力バランス孔とが設けられることで、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つことができ、液晶注入による各層の透明基板の変形を防止することができ、均一な光学特性が得られる。
【００２２】
本発明に係る液晶レンズによれば、複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と第２の多層構造液晶光学素子とを接着して２重構造とすることで、応答速度を向上することができ、また、電極間に配置される厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板からなる多層構造体の均一性、および多層構造体形成の再現性を向上することができ、光屈折などの光学特性を電気的に制御することが出来る焦点可変レンズ、または、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる、液晶収差補正素子などとして実用化できるようになった。
【００２３】
また、スペーサーとして、液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するガラス基板を用いることで、透明基板の変形を防ぐことができると共に、積層加工が容易にできる。
【００２４】
また、透明基板の表面に配向膜を形成しないで、磁場配向法を用いて複数の液晶層の液晶分子を透明基板の表面に水平に配向させることで、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施の形態の多層構造液晶光学素子１００の構成を示す分解図である。
【図２】多層構造液晶光学素子１００の構成を示すＡ−Ａ断面図である。
【図３】多層構造液晶光学素子１００の構成を示すＢ−Ｂ断面図である。
【図４】配向処理の説明図である。
【図５】実施形態の液晶レンズ２００の構成を示す図である。
【図６】第２の実施の形態の多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示す分解図である。
【図７】多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示すＡ−Ａ断面図である。
【図８】多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示すＢ−Ｂ断面図である。
【図９】ガラス基板５０Ａの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係る多層構造液晶光学素子およびそれを用いた液晶レンズを、実施するための最良の形態を、図を参照して説明する。ここで、あらかじめ特定の方向に配列してある液晶分子に、部分的に電界をかけ、この分子の配列を変え、液晶光学セル内に生じた屈折率分布の変化を利用して、レンズ効果を得る多層構造液晶光学素子の例を説明する。
【００２７】
図１は、第１の実施の形態の多層構造液晶光学素子１００の構成を示す分解図である。図２は、多層構造液晶光学素子１００の構成を示すＡ−Ａ断面図である。図３は、多層構造液晶光学素子１００の構成を示すＢ−Ｂ断面図である。
【００２８】
図１〜図３に示すように、多層構造液晶光学素子１００は、コモン電極２０が形成された基板１０と、セグメント電極としての第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板Ｇからなる多層構造体１２と、液晶４０とから構成されている。複数の薄い透明基板Ｇにより複数の薄い液晶層が形成されている。
【００２９】
この例の場合は、基板１０，１１はガラス基板である。また、液晶４０は電圧印加時に、分子の長軸が電界方向に向く誘電率異方性が正のネマチック液晶（Ｎｐ液晶）である。
【００３０】
ここで、コモン電極２０、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２と液晶４０との間に、一般的に設けられる配向膜、透明絶縁層や、基板１０，１１上に設けられる反射防止膜等は図示を省略している。また、液晶４０はスペーサーとしてのシール材５０によって内側に封入されている。また、各端子には電圧を印加するためリード線等が接続される。
【００３１】
下の基板１０の厚さ方向に穴が穿たれ、この穴にはコモン電極２０へ接続するためのアース端子Ｖ０設けられている。また、上の基板１１に第一の駆動端子Ｖ１、第二の駆動端子Ｖ２が設けられている。各端子は、穴の内周面に沿ってスルーホール加工され、Ｃr−Ａｕ等の金属メッキ・導通材を充填して形成される。なお、下の基板１０に多層構造液晶光学素子１００の温度を制御するためのヒーター電極、ヒーター端子を設けても良い。
【００３２】
また、基板１０，１１間に液晶４０を注入するための注入口３２が、上の基板１１に形成されている。注入口３２の形状は円形あるいは楕円形等であり、液晶４０を注入した後に封止材３３（図４参照）により適宜封止される。また、注入口３２は、多層構造体１２の液晶注入孔１３に対応する位置に設けられる。これにより、液晶の注入がスムーズになり、液晶が各層へ均等に流入することが可能となる。
【００３３】
また、図１に示すように、上の基板１１の中心部に円形の第二の駆動電極２２が配置され、その周辺に第一の駆動電極２１が配置されている。第二の駆動電極２２は、第二の駆動端子Ｖ２に接続されている。また、第一の駆動電極２１は、第一の駆動端子Ｖ１に接続されている。また、基板１０の中央部に円形のコモン電極２０が配置されている。コモン電極２０は、アース端子Ｖ０に接続されている。また、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２に異なる電圧を印加することでレンズとしても利用できる。
【００３４】
多層構造体１２は、複数の薄い透明基板Ｇ（例えば、ガラス基板）を積層して構成される。各層の間はシール材５０により液晶を充填する空間が形成される。ここで、各透明基板の厚さは、１０〜５０μｍである。各液晶の厚さは、５〜２０μｍである。また、各透明基板Ｇの１つの角部に液晶を注入するための液晶注入孔１３が形成され、該液晶注入孔１３と対向する角部に、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔１４が形成されている。
【００３５】
また、図１〜３に示すように、上の基板１１と多層構造体１２との間に液晶を充填する空間を有し、また、下の基板１０と多層構造体１２との間にも液晶を充填する空間を有する。即ち、基板１０，１１の内側の面と多層構造体１２との間にも液晶が存在する。また、基板１０，１１の内側の面には、配向膜が形成されている。そのため、基板１０，１１の内側の液晶は、一定の方向（例えば、基板１１に対して垂直方向）に配向される。この液晶は、光の進む方向に平行な液晶分子であり、上下の基板に垂直方向に働く電界変化には応答しない。
【００３６】
各透明基板Ｇに圧力バランス孔１４を設けることで、液晶を充填する際に、液晶が液晶注入孔から各層に流入し、各層の空気が透明基板の圧力バランス孔１４を通して分散することにより各層間の圧力を均一に保つことができるため、薄い透明基板Ｇの凹凸変形をなくし、変形による液晶素子の光学特性の低下（ニュートンリングの発生等）を防ぐことができる。かつ液晶が各層に均一に充填することができる。
【００３７】
以下、本発明の多層構造液晶光学素子１００の製造方法を説明する。説明を分かりやすくするために１つの液晶セルのみを示している。
【００３８】
多層構造液晶光学素子１００の製造方法として、まず、下の基板１０において、所定の位置に電極材を蒸着等によって形成する。ここで、一定の大きさを有する基板に複数の多層構造液晶光学素子１００を形成する場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３９】
次に、エッチング等によるパターンニング処理を行って電極２０を作製する。電極２０を形成する工程において、基板１０にアース端子Ｖ０を設ける。
【００４０】
次に、透明絶縁層を必要に応じて積層させた後、ポリイミド(PI：polyimide)等の液晶配向膜を形成する。さらに、液晶を封入するためのシール材５０を、印刷等により電極２０の周辺に設ける。
【００４１】
一方、対向させる上の基板１１については、上記と同様に母材となる基板に対して電極を形成し、パターンニングを行って、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２とする。
【００４２】
そして、予め形成された多層構造体１２を配置する。ここで、多層構造体１２の形成方法として、例えば、予め各透明基板Ｇの１つの角部に液晶を注入するための液晶注入孔１３を形成し、液晶注入孔１３と対向する角部に、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔１４を形成する。なお、液晶注入孔１３と圧力バランス孔１４は、透明基板Ｇの角部以外の位置に設けても良い。各透明基板Ｇにシール材を塗布して、液晶注入孔１３と圧力バランス孔１４をそれぞれ位置合わせて積層することで、多層構造体１２が形成される。
【００４３】
多層構造体１２を配置する際に、形成された多層構造体１２を下の基板１０に配置する。次に、下の基板１０と上の基板１１とを、対向させて組み合わせることで、液晶セルを形成する。
【００４４】
続いて、注入口３２から液晶セル内（シール材５０の内側）に等方相状態の液晶を注入し、封止材３３で封止して、配向処理を行う。ここで、図４に示すように、液晶注入、配向処理を行う際に、まず、形成した液晶セルをセル加熱用ヒーター（図示せず）の上に配置し、セル加熱用ヒーターで液晶セルを加熱する。このとき、例えば加熱温度は液晶材料の等方相温度ＴＮ１＋５℃とする。次に、等方相状態にある液晶材料を液晶セルに注入する。次に、Ｎ磁極とＳ磁極からなる磁場内に設置して、磁場を印加する。このとき、磁場強度は２０ｋＧとし、磁場方向を基板と平行するように設置する。そして、液晶セルを磁場中に保持しながら徐々に冷却する。
【００４５】
この場合、液晶セルの温度は、等方相温度ＴＮ１を経て室温まで徐冷する。また、冷却時間は５〜１５ｍｉｎとする。好ましくは約１０ｍｉｎである。これにより、液晶セル内の液晶が磁場方向に配向される。即ち、液晶は透明基板に対して水平方向に配向され、かつ安定した配向ができる。
【００４６】
そして、母材となる基板１０，１１に配列した各端子を使用して、素子の動作検査を行う。検査が不合格であった箇所については、ＮＧマーキングを行う。その後、母材となる基板の全面に反射防止膜（ＡＲ膜）を形成する。ＡＲ膜はガラス基板１０側又は基板１１側の、いずれか一方に形成しても良いし、両方に形成しても良い。
【００４７】
最後に、母材となる基板を、スライサー等を用いて個々の多層構造液晶光学素子１００に切り分け、単品の検査工程を経て完了する。
【００４８】
以上のような製造方法によれば、多層構造液晶光学素子１００の組立時に予め多層構造体１２を形成して、得られた多層構造体１２を基板１０，１１の間に配置する。そして、液晶セル内の複数の液晶層に対して磁場を印加し配向処理を行う。
【００４９】
多層構造液晶光学素子１００に所定の電圧を印加する際に、透明基板の表面に対して、水平方向に配向していた液晶は電界方向に力を受けて傾斜し、電界が強くなると電極面に対して垂直状態になる。これにより、光に対する屈折率を電気的に制御することができ、焦点可変レンズや収差補正素子として有益な機能素子となる。
【００５０】
このように本実施の形態においては、多層構造液晶光学素子１００は、コモン電極２０が形成された基板１０と、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板Ｇからなる多層構造体１２と、液晶４０とから構成されている。多層構造体１２は、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をシール材５０を介して積層して構成される。各層の間は液晶を充填する空間が形成されている。また、複数の透明基板Ｇにそれぞれ液晶注入孔１３と、圧力バランス孔１４とが設けられる。さらに、各透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を透明基板の表面に対して水平に配向させる。
【００５１】
これにより、十分な光学的距離Ｌを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上することができ、かつ液晶の充填量を確保することができる。
【００５２】
また、複数の透明基板Ｇにそれぞれ液晶注入孔１３と、圧力バランス孔１４とが設けられることで、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つことができ、液晶注入による各層の透明基板Ｇの変形を防止することができ、均一な光学特性が得られる。
【００５３】
また、複数の薄い透明基板からなる多層構造体１２の各透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、磁場を用いて液晶を配向させることによって、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向ができる。
【００５４】
上下の基板１０，１１に設けた電極間に電圧を印加することで、液晶の分子配向を制御することができ、光学特性を変化させることができる。したがって液晶光学素子としての応答時間を短縮することができ、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶収差補正素子として実用化できるようになる。
【００５５】
図５は、液晶レンズ２００の構成を示す図である。図５において、図５（ａ）は液晶レンズ２００の構成を示す平面図であり、図５（ｂ）は液晶レンズ２００の構成を示すＣ−Ｃ断面図である。
【００５６】
図５に示すように、液晶レンズ２００は、多層構造液晶光学素子１００ａと、多層構造液晶光学素子１００ｂとから構成されている。多層構造液晶光学素子１００ａの基板１１ａと多層構造液晶光学素子１００ｂの基板１１ｂを光学接着剤により接着して２重構造としている。
【００５７】
また、多層構造液晶光学素子１００ａと多層構造液晶光学素子１００ｂは、多層構造液晶光学素子１００ａの液晶４０ａの配向方向と多層構造液晶光学素子１００ｂの液晶４０ｂの配向方向が互いに直交するように配置されている。
【００５８】
多層構造液晶光学素子１００ａは、コモン電極２０ａ（第１の電極）が形成された基板１０ａ（第１の基板）と、基板１１ａ（第２の基板）と、複数の薄い透明基板Ｇからなる多層構造体１２ａと、液晶４０ａとから構成されている。
【００５９】
多層構造液晶光学素子１００ｂは、コモン電極２０ｂ（第２の電極）が形成された基板１０ｂ（第３の基板）と、第１の駆動電極２１ｂ（第３の電極）および第２の駆動電極２２ｂ（第４の電極）が形成された基板１１ｂ（第４の基板）と、複数の薄い透明基板からなる多層構造体１２ｂと、液晶４０ｂとから構成されている。この場合、多層構造液晶光学素子１００ａと多層構造液晶光学素子１００ｂは、第１の駆動電極２１ｂおよび第２の駆動電極２２ｂを共用する。
【００６０】
多層構造体１２ａ，１２ｂは、それぞれ複数の薄い透明基板Ｇ（例えば、ガラス基板）を積層して構成される。各層の間はシール材５０ａ，５０ｂにより液晶を充填する空間が形成されている。ここで、各透明基板Ｇの厚さは、１０〜５０μｍである。各液晶の厚さは、５〜２０μｍである。また、各透明基板Ｇの１つの角部に液晶を注入するための液晶注入孔１３ａ，１３ｂが形成され、該液晶注入孔１３ａ，１３ｂと対向する側の角部に液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔１４ａ，１４ｂが形成されている。
【００６１】
また、多層構造液晶光学素子１００ａ，１００ｂにおいて、各透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、一定強度の磁場を印加し、液晶分子を透明基板Ｇの表面に対して水平に配向させる。この場合、多層構造液晶光学素子１００ａの液晶４０ａの配向方向は、図５中の矢印に示すように紙面に平行する方向（左右方向）である。また、多層構造液晶光学素子１００ｂの液晶４０ｂの配向方向は、紙面に垂直する方向である。また、第一の駆動電極２１ｂおよび第二の駆動電極２２ｂに異なる電圧を印加する。
【００６２】
このように本実施の形態においては、液晶レンズ２００は、多層構造液晶光学素子１００ａと、多層構造液晶光学素子１００ｂとから構成されている。多層構造液晶光学素子１００ａの基板１１と、多層構造液晶光学素子１００ｂの基板１１ｂを光学接着剤により接着して２重構造としている。また、多層構造液晶光学素子１００ａと多層構造液晶光学素子１００ｂは、多層構造液晶光学素子１００ａの液晶４０ａの配向方向と多層構造液晶光学素子１００ｂの液晶４０ｂの配向方向が互いに直交するように配置されている。
【００６３】
これにより、十分な光学的距離Ｌを確保することができると共に、応答速度を向上することができる。また、多層構造液晶光学素子１００ａ，１００ｂにおいて、複数の透明基板Ｇにそれぞれ液晶注入孔１３ａ，１３ｂと、圧力バランス孔１４ａ，１４ｂとが設けられることで、液晶注入による各層の透明基板Ｇの変形を防止することができ、均一な光学特性が得られる。光屈折などの光学特性を電気的に制御することが出来る焦点可変レンズ、または、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる、液晶収差補正素子などとして実用化できるようになった。
【００６４】
また、透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、磁場配向法を用いて複数の液晶層の液晶分子を透明基板Ｇの表面に水平に配向させることで、液晶の充填量を確保し、かつ安定した配向ができる。
【００６５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、第２の実施の形態の多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示す分解図である。図７は、多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示すＡ−Ａ断面図である。図８は、多層構造液晶光学素子１００Ａの構成を示すＢ−Ｂ断面図である。図９は、ガラス基板５０Ａの構成を示す平面図である。
【００６６】
図６〜９に示すように、多層構造液晶光学素子１００Ａは、コモン電極２０が形成された基板１０と、セグメント電極としての第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板Ｇからなる多層構造体１２Ａと、液晶４０とから構成されている。また、多層構造体の透明基板Ｇの間にスペーサーとしてのガラス基板５０Ａが配置されている。複数の薄い透明基板Ｇにより複数の液晶層が形成されている。
【００６７】
多層構造液晶光学素子１００Ａは、多層構造体１２Ａ以外に多層構造液晶光学素子１００の構成と同様である。ここで、多層構造体１２Ａ以外の構成について説明を省略する。
【００６８】
多層構造体１２Ａは、複数の厚さ１０〜５０μｍの透明基板Ｇをガラス基板５０Ａを介して積層してからなる。ここで、上述した多層構造液晶光学素子１００のシール材５０の代わりに、透明基板の間にガラス基板５０Ａが配置されている。
【００６９】
図９に示すように、ガラス基板５０Ａは、液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分５１Ａ，５２Ａを含む液晶を充填するための切り抜き部５３Ａが形成される。この切り抜き部５３Ａにより液晶を充填する空間が形成される。また、ガラス基板５０Ａの厚さは、所望の各液晶層の厚さ（５〜２０μｍ）によって、適宜に設計される。
【００７０】
また、ガラス基板５０Ａと透明基板は接着剤により接着され、また多層構造体１２Ａの表面のガラス基板５０Ａと基板１０，１１は接着剤により接着される。なお、多層構造体１２Ａの表面にガラス基板５０Ａを設けずに、上述したシール材５０を塗布（印刷）して基板１０，１１と接着剤により接着するようにしてもよい。
【００７１】
また、多層構造液晶光学素子１００Ａの製造方法は、上述した多層構造液晶光学素子１００と同様、予め多層構造体１２Ａを形成して、得られた多層構造体１２Ａを基板１０，１１の間に配置する。そして、液晶セル内の複数の液晶層に対して磁場を印加し配向処理を行う。多層構造体１２Ａを形成する際に、上述したシール材５０の代わりに、透明基板Ｇの間にガラス基板５０Ａを配置する。
【００７２】
このように本実施の形態においては、多層構造液晶光学素子１００Ａは、コモン電極２０が形成された基板１０と、第一の駆動電極２１および第二の駆動電極２２が形成された基板１１と、複数の薄い透明基板からなる多層構造体１２Ａと、液晶４０とから構成されている。多層構造体１２Ａは、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板Ｇとガラス基板５０Ａとを積層して構成される。ガラス基板５０Ａに液晶を充填する空間が形成されている。また、複数の透明基板Ｇにそれぞれ液晶注入孔１３と、圧力バランス孔１４とが設けられる。さらに、各透明基板Ｇの表面に配向膜を形成しないで、複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を透明基板Ｇの表面に対して水平に配向させる。
【００７３】
これにより、多層構造液晶光学素子１００Ａは、上述した多層構造液晶光学素子１００と同様な効果が得られる。また、多層構造液晶光学素子１００Ａを用いて上述した液晶レンズ２００のような２層構造の液晶レンズを構成することができる。
【００７４】
また、スペーサーとして、液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分５１Ａ，５２Ａを含む液晶を充填するための切り抜き部５３Ａを有するガラス基板５０Ａを用いることで、透明基板Ｇの変形を防ぐことができると共に、積層加工が容易にできる。
【００７５】
なお、上述した実施の形態においては、多層構造液晶光学素子１００，１００ａ，１００ｂの多層構造体１２，１２ａ，１２ｂが４枚の透明基板Ｇから構成されるものについて説明したが、これに限定されるものではない。２枚、３枚、または５枚以上の透明基板から構成するようにしてもよい。
【００７６】
また、上述した実施の形態において、液晶レンズ２００は、多層構造液晶光学素子１００ａと多層構造液晶光学素子１００ｂとを重なって２重構造のレンズについて説明したが、これに限定されるものではない。多重構造のレンズにもこの発明を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明は、携帯電話機、携帯情報端末機（ＰＤＡ）、デジタル機器等における超小型カメラに内蔵される、オートフォーカス機能やマクロ−ミクロ切替機能をもつ液晶光学素子、または、光ディスク装置において、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶光学素子など、広く利用することが期待できる。
【符号の説明】
【００７８】
１０，１０ａ，１０ｂ，１１，１１ａ，１１ｂ 基板
１２，１２ａ，１２ｂ，１２Ａ 多層構造体
１３，１３ａ，１３ｂ 液晶注入孔
１４，１４ａ，１４ｂ 圧力バランス孔
２０，２０ａ，２０ｂ コモン電極
２１，２１ｂ 第一の駆動電極（セグメント電極）
２２，２２ｂ 第二の駆動電極（セグメント電極）
３２，３２ａ，３２ｂ 注入口
３３ 封止材
４０，４０ａ，４０ｂ 液晶
５０，５０ａ，５０ｂ シール材
５０Ａ ガラス基板
５３Ａ 切り抜き部
１００，１００ａ，１００ｂ，１００Ａ 多層構造液晶光学素子
２００ 液晶レンズ
Ｖ０，Ｖ０ａ，Ｖ０ｂ アース端子
Ｖ１，Ｖ１ｂ 第一の駆動端子
Ｖ２，Ｖ２ｂ 第二の駆動端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セグメント電極が形成された第１の基板とコモン電極が形成された第２の基板との間に収容された液晶層を有する液晶光学素子において、
前記第１の基板と第２の基板との間に、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられ、収容される液晶は複数の透明基板により分割されて複数の液晶層に形成され、
前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板または第２の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする多層構造液晶光学素子。
【請求項２】
前記スペーサーは、前記液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するガラス基板であることを特徴とする請求項１に記載の多層構造液晶光学素子。
【請求項３】
前記透明基板の表面に配向膜を形成しないで、前記複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を前記透明基板の表面に水平に配向させることを特徴とする請求項１または２に記載の多層構造液晶光学素子。
【請求項４】
電極が形成された基板と電極が形成されない基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と、
電極が形成された二つの基板の間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第２の多層構造液晶光学素子とを少なくとも一つずつ用いて重なった構造とし、
前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板と第３の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする液晶レンズ。
【請求項５】
第１の電極が形成された第１の基板と電極が形成されない第２の基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と、
第２の電極が形成された第３の基板と中央部に形成された第３の電極および該第３の電極の周辺に形成された第４の電極とを有する第４の基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第２の多層構造液晶光学素子とを備え、
前記第１の多層構造液晶光学素子の第２の基板と前記第２の多層構造液晶光学素子の第４の基板とを接着して２重構造とし、
前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板と第３の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする液晶レンズ。
【請求項６】
前記スペーサーは、前記液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するガラス基板であることを特徴とする請求項４または５に記載の液晶レンズ。
【請求項７】
前記透明基板の表面に配向膜を形成しないで、前記複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を前記透明基板の表面に水平に配向させ、
前記第１の多層構造液晶光学素子と第２の多層構造液晶光学素子の液晶の配向方向は互いに垂直するように配置されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項１】
セグメント電極が形成された第１の基板とコモン電極が形成された第２の基板との間に収容された液晶層を有する液晶光学素子において、
前記第１の基板と第２の基板との間に、厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられ、収容される液晶は複数の透明基板により分割されて複数の液晶層に形成され、
前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板または第２の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする多層構造液晶光学素子。
【請求項２】
前記スペーサーは、前記液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するガラス基板であることを特徴とする請求項１に記載の多層構造液晶光学素子。
【請求項３】
前記透明基板の表面に配向膜を形成しないで、前記複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を前記透明基板の表面に水平に配向させることを特徴とする請求項１または２に記載の多層構造液晶光学素子。
【請求項４】
電極が形成された基板と電極が形成されない基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と、
電極が形成された二つの基板の間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第２の多層構造液晶光学素子とを少なくとも一つずつ用いて重なった構造とし、
前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板と第３の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする液晶レンズ。
【請求項５】
第１の電極が形成された第１の基板と電極が形成されない第２の基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第１の多層構造液晶光学素子と、
第２の電極が形成された第３の基板と中央部に形成された第３の電極および該第３の電極の周辺に形成された第４の電極とを有する第４の基板との間に厚さ１０〜５０μｍの複数の透明基板をスペーサーを介して積層してからなる多層構造体が設けられて複数の液晶層を有する第２の多層構造液晶光学素子とを備え、
前記第１の多層構造液晶光学素子の第２の基板と前記第２の多層構造液晶光学素子の第４の基板とを接着して２重構造とし、
前記複数の透明基板にそれぞれ液晶注入孔と、液晶を注入する際に各層間の圧力を均一に保つための圧力バランス孔とが設けられ、前記第１の基板と第３の基板に前記液晶注入孔に対応する位置に液晶を注入する注入口が設けられることを特徴とする液晶レンズ。
【請求項６】
前記スペーサーは、前記液晶注入孔および圧力バランス孔に対応する部分を含む液晶を充填するための切り抜き部を有するガラス基板であることを特徴とする請求項４または５に記載の液晶レンズ。
【請求項７】
前記透明基板の表面に配向膜を形成しないで、前記複数の液晶層に対して一定強度の磁場を印加し、液晶分子を前記透明基板の表面に水平に配向させ、
前記第１の多層構造液晶光学素子と第２の多層構造液晶光学素子の液晶の配向方向は互いに垂直するように配置されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の液晶レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１６４４２７（Ｐ２０１１−１６４４２７Ａ）
【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２０１０−２８１９０（Ｐ２０１０−２８１９０）
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（５０３３７６５９６）株式会社びにっと (13)
【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１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（５０３３７６５９６）株式会社びにっと (13)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]