液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ
【課題】互いに相反の関係にある焦点距離の可変範囲と印加電圧に対する応答特性の問題を解決するために有効である液晶層の複数分割による実効厚みを減少した液晶レンズの作製を簡単に行うことができるようにする。
【解決手段】電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と電極を有する第４の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズを提供する。
【解決手段】電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と電極を有する第４の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率の空間分布特性を利用する液晶レンズにおいて、液晶層を３層または４層以上に分割することで光学特性の改善を行う液晶レンズの製造方法及び前記の製造方法により製造された液晶レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年薄型軽量の平板型表示パネルに利用されている液晶素子は、液晶素子を構成する２枚の基板表面の処理や、外部印加電圧により、液晶分子の配向状態を容易に制御することができ、また電圧印加により実効的な屈折率を異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという、優れた特性を有している。
【０００３】
このように、低電圧印加により分子配向状態を大幅に可変制御できる液晶は、ディスプレイを始め各種の光学素子に応用され始めている。これまで液晶素子における屈折率の空間分布特性を利用した光学素子として、液晶分子が基板に平行で一方向に配向するような強い配向規制力を有する配向処理を行い、円形の孔型パターンを有する電極を用いることで生じる軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果に基づく屈折率の空間分布特性を利用した液晶レンズが特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２に報告されている。
【０００４】
また、円形孔型パターン電極と液晶層の間に絶縁性媒質を挿入することで、レンズの有効径を大きくした液晶レンズが特許文献２に開示されている。
【０００５】
一方、液晶層と円形の孔型パターン電極との間に絶縁層を挿入した液晶レンズにおいて、円形孔型パターン電極の外部に透明な第３の電極を配置して２電圧で駆動することで、良好な光学特性を維持した状態で凹レンズ特性から凸レンズ特性まで広範囲に焦点距離を可変できる液晶レンズが特許文献３に開示されている。
【０００６】
さらに、液晶セル基板に入射光の波長程度もしくはそれ以下の寸法で液晶分子の配向方向が異なる微小な領域をランダムに配置し、前記微小な領域の密度分布を適宜設定することで実効的な屈折率の空間分布を軸対称状としてレンズ効果を発現させる液晶光学素子が特許文献４に開示されている。
【０００７】
これらの液晶光学素子は、印加電圧により焦点距離やレンズ特性を大幅に可変制御できるという優れた特徴を有していることから、種々の光学素子としての応用が期待されている。
【０００８】
前記の焦点距離可変の機能を有する液晶レンズにおいて、外部印加電圧による焦点距離の可変範囲は液晶層における光学位相遅れ、すなわち液晶材料の複屈折の値と液晶層の厚みの積に依存することが知られており、同一の液晶材料を使用する場合には液晶層の厚みが厚いほど焦点可変範囲が大きくなる。一方、印加電圧に対する液晶レンズにおける光学特性の応答速度は液晶層の厚みの２乗に比例して遅くなるため、液晶層の厚みに関しては焦点の可変範囲と応答特性の間には相反の関係がある。
【０００９】
また、前記の液晶層の厚みに関係する焦点の可変範囲と応答特性の間の相反関係を解決する方法として、数１０ミクロンから１００ミクロン程度の薄いガラス板により液晶層を２層に分割して、液晶層の実効的な厚みを半分にする方法が特許文献２及び特許文献３に開示されている。
【００１０】
液晶層をさらに多くの層に分割することで、液晶層の実効的な厚みをより薄くすることができるため、所望の焦点可変範囲を保持した状態で応答特性の高速化を行うなどの光学特性のさらなる改善が可能となる。
【特許文献１】特開平１１−１０９３０３
【特許文献２】特開２００４−４６１６
【特許文献３】特開２００６−９１８２６
【特許文献４】特開２００６−１１９５３２
【非特許文献１】能勢敏明，佐藤進（T. Nose and S. Sato），「不均一電界を用いた液晶マイクロレンズ（Liquid-crystal microlens obtained with a nonuniformelectric field）」，Liquid Crystals，１９８９年，Vol.5，P. 1425-1433
【非特許文献２】佐藤進、「液晶の世界」、産業図書株式会社、１９９４年４月１５日、P. 186-189
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記の課題を解決する手段として液晶層を複数に分割して液晶層を実効的に薄くするためには、１００ミクロン程度以下の厚み、たとえば７０ミクロン厚の薄いガラス板を使用して液晶層を分割したセルを構成する必要がある。このような薄いガラス板は極めて割れやすく取り扱いが難しいため、薄いガラス基板を１枚ずつ重ねることで液晶層を増やしていく手法では、液晶層数が多くなるほど液晶レンズの製造工程が難しくなり、特に大量生産等を行う場合に問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、上述の問題を解決し、３層もしくは４層以上の液晶層を有する液晶レンズの工業的な生産において容易な手法を提供すると共に、優れた光学特性を有する液晶レンズを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は前記課題を解決するために、液晶分子を配向させた液晶層を少なくとも３層以上有し、前記液晶層に外部電界を加えて液晶分子の配向状態を変化させることで光学特性を可変制御する液晶レンズにおいて、電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と電極を有する第４の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズを提供する。
【００１４】
第１の液晶セルにおける第１の基板の液晶層に接する側に第１の電極があり、第２の液晶セルにおける第４の基板の液晶層に接する側と反対側に開口部を有する第２の電極を配置してもよく、また第２の液晶セルにおける第４の基板の外部、または前記第４の基板の第２の電極における開口部に第３の電極を設けることもできる。
【００１５】
また、液晶分子を配向させた液晶層を少なくとも４層以上有し、前記液晶層に外部電界を加えて液晶分子の配向状態を変化させることで光学特性を可変制御する液晶レンズにおいて、電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と第５の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成し、前記第２の液晶セルの前記第５の基板及び電極を有する第４の基板を用いて第４の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズを提供する。
【００１６】
第１の液晶セルにおける第１の基板の液晶層に接する側に第１の電極があり、第４の液晶セルにおける第４の基板の液晶層に接する側と反対側に開口部を有する第２の電極を配置してもよく、また第４の液晶セルにおける第４の基板の外部、または前記第４の基板の第２の電極における開口部に第３の電極を設けることもできる。
【００１７】
さらに、複数の液晶層の中で少なくとも一層の液晶層における液晶分子の配向方向が他の液晶層における液晶分子の配向方向と逆向きになるような配向処理が行われている構成とすることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
上記の手段により、液晶層を３層または４層以上有する液晶レンズを容易に製造することが可能となる。また、優れた光学特性を有する液晶レンズを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１において、その基本構成を述べる。
【００２０】
図１（Ａ）は、この発明の一実施の形態による液晶レンズの基本構成を断面から見た構成を示している。透明な第１の電極２１は第１の基板１１の上に形成され、第２の基板１２を所定の厚みを保つためのスペーサ４１を介して重ね合わせることで液晶セル１を構成する。第１の基板１１と前記第２の基板１２の間には、第１の電極２１と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させた第１の液晶層３１を備える。
【００２１】
次に、第３の基板１３及び第４の基板１４を所定の厚みを保つためのスペーサ４２を介して重ね合わせることで液晶セル２を構成する。第３の基板１３と前記第４の基板１４の間には、液晶分子を一方向に配向させた第２の液晶層３２を備える。
【００２２】
液晶セル１と、液晶セル２を、前記液晶セル１の第２の基板側と液晶セル２の第３の基板側が対向するようにスペーサ４３を介して重ね合わせることで、第２の基板１２と第３の基板１３を利用して液晶セル３を構成する。第２の基板１２と前記第３の基板１３の間には、液晶分子を一方向に配向させた第３の液晶層３３を備える。
【００２３】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の液晶レンズを平面的に見た図であり、前記第４の基板１４は、第２の電極２２を有し、第２の電極２２には円形孔２２−１が形成されている。前記第１の電極２１と第２の電極２２の間には第１の電圧Ｖ１を加える。また、前記円形孔２２−１の中にはスリットにより電気的に絶縁された同一の中心をもつ円状の透明な第３の電極２３が形成されている。この円形の透明な第３の電極２３に、同様にスリットで第２の電極から絶縁された引き出し部２３−１を通して外部から第２の電圧Ｖ２を印加することができるように配置されている。
【００２４】
また、図１に示した構造の液晶レンズと同様の機能を有する液晶レンズとして、図２に示した他の実施例について説明する。図２［Ａ］は、この発明の他の実施の形態による液晶レンズの基本構成を断面から見た構成を示しており、図２［Ｂ］は図２［Ａ］の液晶レンズを平面的に見た図である。図１で円形孔２２−１の内部に配置した第３の電極２３の代わりに、図２［Ａ］及び［Ｂ］に示したように、第４の基板１４上の第２の電極２２から電気的に絶縁する絶縁層５０を挿入し、第６の基板１６に円形孔２２−１の全域よりも大きな透明な第３の電極２３’を形成した構成とすることもできる。
【００２５】
ここで、図１及び図２に示した構成から第３の電極２３を除いた構成とした場合について説明する。第１の電極２１と第２の電極２２の間にしきい値よりも高い第１の電圧Ｖ１を加えると、液晶セル１の第１の液晶層３１、液晶セル２の第２の液晶層３２、液晶セル３の第３の液晶層３３に軸対称の不均一電界が加わり、液晶分子が各基板面による配向規制力と軸対称不均一電界の配向効果が弾性的に釣り合った状態に配向し、主として凸レンズ効果が得られ液晶レンズＡが構成される。前記液晶レンズＡの動作原理の詳細については特許文献２に開示されている。
【００２６】
図１に示した構成から第３の電極２３を除いた構成の液晶レンズでは、外部印加電圧の増加に対する液晶レンズの焦点距離の変化特性が、一度最短となった後増加に転ずるという複雑な特性を示し、また凹レンズ特性を得ることが難しいという問題があったことから、図１及び図２示したように第２の電極の他に第３の電極を設ける構成となっている。
【００２７】
なお、図１に示した構造では、図２に示した構造の液晶レンズにおける第２の電極２２と第３の電極２３’とを絶縁するための絶縁層５０及び第６の基板１６を設ける必要がなくなるため、液晶レンズ全体の厚みを薄くすることができるという利点がある。
【００２８】
一方、図２に示した構造では、第２の電極と第３の電極を絶縁するために図１に示した微細なスリットではなく絶縁層５０を使用しているため、焦点の切り替え時等にパルス状の高電圧印加による応答時間の短縮を行う場合などにおいても絶縁破壊等が生じないという利点がある。また、第３の電極に電圧を加えるための電極引き出し部２３−１を必要としないので電気的接続が容易であること、などの利点がある。
【００２９】
図１または図２に示した第３の電極を配置した構成とした場合では、前記第３の電極２３に第１の電圧Ｖ１とは独立した第２の電圧Ｖ２を加えられるように構成されている。そして、第１の電圧Ｖ１に基づく第１段階の光学特性、前記第２の電圧Ｖ２に基づく第２段階の光学特性を得られる液晶レンズＢが構成される。前記液晶レンズＢの動作原理の詳細については特許文献３に開示されている。この液晶レンズＢによると、凸レンズ、凹レンズとしての機能が得られる。
【００３０】
次に、具体的な実施例について説明する。図１（Ａ）において、液晶セル１の第１の基板１１は３００μｍ厚の透明ガラス板であり、液晶層に接する内面側に、インジウム・スズ系の酸化物（ＩＴＯ）からなる透明な第１の電極２１が形成されている。第２の基板１２は７０μｍ厚のガラス板である。液晶セル２の第３の基板１３は同様に７０μｍ厚のガラス板であり、第４の基板１４の厚みは、円形孔２２−１の寸法や液晶セルの構造に依存するが、ここでは８００μｍとしており、第２の液晶層３２に接する面と反対側の面には第２の電極となるＩＴＯ電極２２が形成されている。この第２の電極２２の液晶レンズ部となる領域には図１（Ｂ）に示すように円形孔２２−１（例えば直径２ｍｍ）を形成する。
【００３１】
ここで、第１の電極２１と第２の基板１２の間には液晶分子を一方向に配向させた第１の液晶層３１（例えば厚み２０μｍ）が封入される。第３の基板１３と第４の基板１４の間にも液晶分子を一方向に配向させた第２の液晶層３２（例えば厚み２０μｍ）が封入される。
【００３２】
また、第１の液晶セルの第２の基板１２と第２の液晶セルの第３の基板１３の間にも液晶分子を一方向に配向させた第３の液晶層３３（例えば厚み２０μｍ）が封入され、第３の液晶セルを構成する。
【００３３】
第１の液晶層３１、第２の液晶層３２及び第３の液晶層３３の液晶材料としてはいずれもＺＬＩ６０８０（メルク社製）を使用した。なお、第１の液晶層３１、第２の液晶層３２、及び第３の液晶層３３を所定の厚みに保つためのスペーサ４１、４２、４３としては直径が２０μｍの球状スペーサを接着剤に分散したものを用い、図示していないが基板の周辺部等は接着剤により液晶が封止されている。
【００３４】
また、液晶層を挟む電極や基板の面には配向膜として図示されていないポリイミド膜を約１５０ｎｍの厚みに塗布し、熱処理を行い安定化させた後に一方向にラビング処理が施されている。図１及び図２において、矢印はそれぞれの基板面上に塗布されたポリイミド配向膜に対するラビング方向を示している。
【００３５】
ラビング処理を行った場合には、一般にラビング方向に対して液晶分子の長軸方向が基板面からプレティルト角と呼ばれる数度以下程度の小さな角度傾いた配向状態となることが知られている。したがって、対向する基板上の配向膜に対するラビングの方向を図１及び図２に示したようにそれぞれ逆向きとなるように処理した場合には、図中の液晶層３１、３２、３３において棒状の記号により液晶分子の配向方向を模擬して示しているが、液晶分子は基板面にプレティルト角傾いた配向状態となっている。
【００３６】
円形孔電極を有する液晶レンズにおいて、液晶層が１層の場合には液晶層のラビング方向の断面において円形孔領域の中心軸の両側で液晶分子が電界の効果により基板面から回転して立ち上がる方向がプレティルト角の効果により完全に同一とはならず、光学特性に収差が生じることが知られている。
【００３７】
液晶層を２層とし、液晶分子配向の方向が互いに逆になるようにすることで、ラビングによる分子配向処理に基づくプレティルト角の効果により生じる収差を抑制することができる。しかし、液晶層を２層以上有する液晶レンズにおいて、プレティルト角に基づく分子配向の異方性の大きさが各液晶層において同一ではなく、たとえば円形孔２２−１を有する第２の電極２２から最も遠い第１の液晶層３１では小さく、第２の電極２２に近くなるほど強くなることが実験により明らかにされている。したがって、液晶層を２層有する液晶レンズにおいて、各々の液晶セル基板面における分子配向の方向すなわちラビング方向を逆にすることで液晶分子配向の異方性に基づく収差を十分に相殺することはできず、液晶分子配向の異方性に基づく収差の相殺効果は不十分なものとなる。
【００３８】
液晶層が３層の場合には、各基板面におけるラビングの方向に基づく液晶分子の配向方向の組み合わせを考慮することで、分子配向の異方性に基づく収差の相殺効果をより効果的にすることが可能となる。すなわち、液晶セル１及び液晶セル３における各基板に対するラビング処理の方向と、液晶セル２における基板のラビング処理の方向を、図１及び図２にそれぞれの基板面上の配向膜に対するラビング方向を矢印で示したように、ラビング処理が液晶セル１及び液晶セル３と液晶セル２とで逆方向になるように各々の基板を重ね合わせた。その結果、電界により液晶分子が基板面から回転する方向が液晶セル１及び液晶セル３では同じ方向であるが、液晶セル２では逆方向となる。
【００３９】
液晶セル２は円形孔２２−１に最も近い位置にあるので、液晶セル１及び液晶セル３の場合と比べて液晶セル２の方が円形孔により生じる軸対称の不均一電界の基板面に対する傾きの角度が大きくなるため、液晶分子配向の異方性が大きく、実効的に液晶セル１及び液晶セル３に生じる液晶分子配向の異方性に基づく収差と液晶セル２における液晶分子配向の異方性に基づく収差が互いに打ち消され相殺されることになり、収差が非常に小さい液晶レンズを構成することができる。すなわち、液晶層を３層とすることで液晶分子配向の異方性に基づく収差の相殺効果がより効果的に生じるため、収差が非常に小さく優れた液晶レンズ特性を示す素子が構成される。
【００４０】
前記の液晶分子の配向処理としてのラビングの方向は、液晶セルの２枚の基板面において互いに逆方向になるように行っているが、液晶分子配向の方向に対応するラビングの方向を同一の液晶セルにおいて同じ方向にした液晶素子を構成することもできる。電圧印加の方法によっては、このような配向処理を行った方が良好な特性が得られることがある。なお、この場合においても、円形孔を有する電極側に近い液晶セル２と液晶セル１及び液晶セル３における配向方向を逆向きにして配置することで、同様の収差の相殺を行うことができる。
【００４１】
円形孔２２−１の直径を２ｍｍ、第１、第２及び第３の液晶層３１、３２，３３の厚みを２０μｍとし、液晶材料としてＺＬＩ６０８０（メルク社製）を使用して作製した液晶レンズでは、第１の電圧及び第２の電圧をそれぞれ印加することで、図３に示したように凸レンズに対応する位相差分布特性［Ａ］、及び凹レンズに対応する位相差分布特性［Ｂ］が得られた。焦点距離の逆数に対応するレンズパワーと各印加電圧の関係は、図４に示すように連続的なレンズパワーの変化が得られている。凸レンズ側で７〜８ジオプトリ（１／ｍ）、凹レンズ側で約６ジオプトリ（１／ｍ）のレンズパワーの可変効果が得られた。
【００４２】
次に、この液晶層を３層有する液晶レンズの波面収差特性を図５に示す。液晶層が１層の場合の波面収差は、液晶レンズのパワーが正の最大値となる印加電圧付近において０．０９λ（λは波長：４０５ｎｍ）程度であったが、液晶層を２層とした場合には、波面収差は０．０６λ程度まで改善されるが、液晶層を３層とし、且つラビングの方向を適切に行うことにより、図５から波面収差が０．０１６λ以下となっており、さらに収差が小さい良好な光学特性を示す液晶レンズを実現することができた。
【００４３】
次に、他の実施例について具体的に説明する。図２に示したように、第４の基板１４の第２の電極に円形孔２２−１（例えば直径２ｍｍ）を形成し、前記第４の基板１４の上に絶縁層５０として間隙部を設け、間隙部を隔てて透明な第３の電極２３’を有する第６の基板１６を配置した。絶縁層５０に相当する間隙部の厚みは４０μｍとした。第３の電極に前記第１の電極と第２の電極との間に加える電圧とは独立した第２の電圧を加えることで、図３〜図５に示した液晶レンズの特性とほぼ同様の焦点距離の広範囲にわたって連続的な可変効果や収差特性等を得ることができた。
【００４４】
図１及び図２に示した構成の液晶レンズでは、ラビング方向に対応する液晶分子の配向方向に偏光した入射光にのみレンズ効果が生じ、液晶分子の配向方向と直交した偏光の入射光に対してはレンズ効果が生じないという問題点がある。そこで、あらゆる偏光成分を有する自然光に対応できる液晶レンズを構成するためには、同一の特性を有する２組の液晶レンズを用いて、液晶分子の配向方向が互いに直交するように重ね合わせて使用することが必要とされる。
【００４５】
液晶層が偶数層の場合には、対を成す液晶層毎に液晶分子の配向方向が直交するような構成とすることで自然光対応の液晶レンズを構成することができるが、図１及び図２の構造では液晶層が３層、すなわち奇数であるため、対を成す液晶層における液晶分子の配向方向を直交させることで自然光対応の液晶レンズを構成することはできない。自然光対応の液晶レンズを構成するためには、同一の特性を有する液晶レンズを２組用いてそれぞれの液晶レンズにおける分子配向すなわちラビングの方向が直交するように重ね合わせる必要がある。
【００４６】
そこで、自然光対応の液晶レンズを構成することが可能な偶数の液晶層を有する多層構造の液晶レンズに関わる他の実施例について説明する。
【００４７】
図１に示した３層構造の液晶レンズに、液晶セル４を加えることで液晶層を１層多くした４層の液晶層を有する液晶レンズを作製した。その構造を図６［Ａ］，［Ｂ］に示す。
【００４８】
図６（Ａ）において、第１の液晶層３１、第２の液晶層３２、第３の液晶層３３、及び第４の液晶層３４の間を隔てる基板１２，１３，１５としては、いずれも両面にポリイミド配向膜を塗布しラビングによる配向処理を行った７０μｍ厚のガラス板を使用した。図１に示した第４の基板１４及び第２の電極２２、第３の電極２３と同一の構造を有する基板の電極面と反対側の面と第４の液晶セルを構成する第５の基板を用いて液晶セル４を構成した。
【００４９】
図６に示した液晶層を４層有する液晶レンズにおいて、液晶分子の配向方向を同一の方向とすることで、液晶層が３層である図１または図２に示した液晶レンズと比べて液晶レンズとしてのレンズパワーの可変範囲を４／３倍増加することができた。一方、各々の液晶層における分子配向の方向が互いに直交するように組み合わせることで、偏光方向に依存しない自然光対応の液晶レンズを構成することも可能である。
【００５０】
本発明による手法を適用し、薄いガラス基板を用いて作製した液晶セルの基板をそれぞれ新しい基板として用いることで、液晶層を更に多くすることが可能となるため、より広範囲でレンズパワーを可変できる液晶レンズや、高速応答の液晶レンズ等を構成することが可能となる。
【００５１】
液晶は可視光の波長領域のみならず、近赤外線の波長領域においても良好な透過特性を示し、かつ可視光の波長領域における値よりもわずかに小さいがほぼ同程度の複屈折特性を有しているので、近赤外光における光学素子としても利用することができる。
【００５２】
図１及び図２では、液晶層に接する各基板面におけるラビングの方向が互いに逆になるようにして液晶セルを作製しているが、ラビングの方向が同一の方向となるようにして液晶セルを作製してもよい。ラビングの方向を適宜選択することで、電界印加時における液晶分子の配向状態や、液晶分子の配向状態の基づく液晶レンズの光学特性等を所定の特性に近くすることが可能となる。
【００５３】
本発明の原理を利用することで、必要な工程数を少なくして液晶層を５層、６層、７層、・・・と更に多層にすることが可能となる。
【００５４】
薄板ガラスは割れ易く取り扱いが難しいため、あらかじめ所定の厚みよりも厚いガラス基板を用いて各液晶セルを作製した後、ガラス基板をエッチングや研磨等の工程を経て所定の厚みまで薄くした後、各液晶セルを新しい基板として用いて多層構造の液晶レンズを作製することもできる。
【００５５】
液晶セルを構成する各基板面にはポリイミド等の配向膜を塗布し、ラビング処理を行う必要があるが、各々の液晶セルを構成した後、次に重ね合わせる前に液晶層に接する面をラビングすることもできる。このようにすると、１枚の基板の両面をラビングするときに始めにラビングを行った面が次のラビング時に汚染されるという弊害を除去することができる。
【００５６】
本発明の液晶レンズの製造方法によると、第１の液晶セル及び第２の液晶セルをそれぞれ液晶セルの基板として利用して第３の液晶セルを構成するため、各々の液晶セルに多数の液晶レンズを構成し、液晶を封入後に切断して個々の液晶レンズを得ることができるという製造工程数の減少が可能となり、製品の歩留まりの向上が可能となる。
【００５７】
さらに、本発明により３層もしくは４層以上の液晶層を有する液晶レンズを製造することがきわめて容易となる。また、本発明により製造された液晶レンズは収差が非常に小さい優れた光学特性を有するという、格段の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明における液晶レンズの一実施の形態を示す構成説明図。
【図２】本発明における液晶レンズの他の実施の形態を示す構成説明図。
【図３】本発明に係わる液晶レンズ機能を説明するために、光波に対する位相遅れの分布が変化した例を示す説明図。
【図４】本発明に係わる液晶レンズ機能を説明するために、印加電圧に対するレンズパワー（１／ｍ）が変化する様子を示す説明図。
【図５】本発明に係わる液晶レンズの機能を説明するために、液晶レンズの波面収差とレンズパワーの関係を示す説明図。
【図６】本発明における液晶レンズのまた他の実施の形態を示す構成説明図。
【符号の説明】
【００５９】
１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、１３・・・第３の基板、１４・・・第４の基板、１５・・・第５の基板、１６・・・第６の基板、２１・・・第１の電極、２２・・・第２の電極、２２−１・・・円形孔、２３・・・第３の電極、３１・・・第１の液晶層、３２・・・第２の液晶層、３３・・・第３の液晶層、３４・・・第４の液晶層、４１、４２、４３、４４・・・スペーサ、５０・・・絶縁層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率の空間分布特性を利用する液晶レンズにおいて、液晶層を３層または４層以上に分割することで光学特性の改善を行う液晶レンズの製造方法及び前記の製造方法により製造された液晶レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年薄型軽量の平板型表示パネルに利用されている液晶素子は、液晶素子を構成する２枚の基板表面の処理や、外部印加電圧により、液晶分子の配向状態を容易に制御することができ、また電圧印加により実効的な屈折率を異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという、優れた特性を有している。
【０００３】
このように、低電圧印加により分子配向状態を大幅に可変制御できる液晶は、ディスプレイを始め各種の光学素子に応用され始めている。これまで液晶素子における屈折率の空間分布特性を利用した光学素子として、液晶分子が基板に平行で一方向に配向するような強い配向規制力を有する配向処理を行い、円形の孔型パターンを有する電極を用いることで生じる軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果に基づく屈折率の空間分布特性を利用した液晶レンズが特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２に報告されている。
【０００４】
また、円形孔型パターン電極と液晶層の間に絶縁性媒質を挿入することで、レンズの有効径を大きくした液晶レンズが特許文献２に開示されている。
【０００５】
一方、液晶層と円形の孔型パターン電極との間に絶縁層を挿入した液晶レンズにおいて、円形孔型パターン電極の外部に透明な第３の電極を配置して２電圧で駆動することで、良好な光学特性を維持した状態で凹レンズ特性から凸レンズ特性まで広範囲に焦点距離を可変できる液晶レンズが特許文献３に開示されている。
【０００６】
さらに、液晶セル基板に入射光の波長程度もしくはそれ以下の寸法で液晶分子の配向方向が異なる微小な領域をランダムに配置し、前記微小な領域の密度分布を適宜設定することで実効的な屈折率の空間分布を軸対称状としてレンズ効果を発現させる液晶光学素子が特許文献４に開示されている。
【０００７】
これらの液晶光学素子は、印加電圧により焦点距離やレンズ特性を大幅に可変制御できるという優れた特徴を有していることから、種々の光学素子としての応用が期待されている。
【０００８】
前記の焦点距離可変の機能を有する液晶レンズにおいて、外部印加電圧による焦点距離の可変範囲は液晶層における光学位相遅れ、すなわち液晶材料の複屈折の値と液晶層の厚みの積に依存することが知られており、同一の液晶材料を使用する場合には液晶層の厚みが厚いほど焦点可変範囲が大きくなる。一方、印加電圧に対する液晶レンズにおける光学特性の応答速度は液晶層の厚みの２乗に比例して遅くなるため、液晶層の厚みに関しては焦点の可変範囲と応答特性の間には相反の関係がある。
【０００９】
また、前記の液晶層の厚みに関係する焦点の可変範囲と応答特性の間の相反関係を解決する方法として、数１０ミクロンから１００ミクロン程度の薄いガラス板により液晶層を２層に分割して、液晶層の実効的な厚みを半分にする方法が特許文献２及び特許文献３に開示されている。
【００１０】
液晶層をさらに多くの層に分割することで、液晶層の実効的な厚みをより薄くすることができるため、所望の焦点可変範囲を保持した状態で応答特性の高速化を行うなどの光学特性のさらなる改善が可能となる。
【特許文献１】特開平１１−１０９３０３
【特許文献２】特開２００４−４６１６
【特許文献３】特開２００６−９１８２６
【特許文献４】特開２００６−１１９５３２
【非特許文献１】能勢敏明，佐藤進（T. Nose and S. Sato），「不均一電界を用いた液晶マイクロレンズ（Liquid-crystal microlens obtained with a nonuniformelectric field）」，Liquid Crystals，１９８９年，Vol.5，P. 1425-1433
【非特許文献２】佐藤進、「液晶の世界」、産業図書株式会社、１９９４年４月１５日、P. 186-189
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記の課題を解決する手段として液晶層を複数に分割して液晶層を実効的に薄くするためには、１００ミクロン程度以下の厚み、たとえば７０ミクロン厚の薄いガラス板を使用して液晶層を分割したセルを構成する必要がある。このような薄いガラス板は極めて割れやすく取り扱いが難しいため、薄いガラス基板を１枚ずつ重ねることで液晶層を増やしていく手法では、液晶層数が多くなるほど液晶レンズの製造工程が難しくなり、特に大量生産等を行う場合に問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、上述の問題を解決し、３層もしくは４層以上の液晶層を有する液晶レンズの工業的な生産において容易な手法を提供すると共に、優れた光学特性を有する液晶レンズを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は前記課題を解決するために、液晶分子を配向させた液晶層を少なくとも３層以上有し、前記液晶層に外部電界を加えて液晶分子の配向状態を変化させることで光学特性を可変制御する液晶レンズにおいて、電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と電極を有する第４の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズを提供する。
【００１４】
第１の液晶セルにおける第１の基板の液晶層に接する側に第１の電極があり、第２の液晶セルにおける第４の基板の液晶層に接する側と反対側に開口部を有する第２の電極を配置してもよく、また第２の液晶セルにおける第４の基板の外部、または前記第４の基板の第２の電極における開口部に第３の電極を設けることもできる。
【００１５】
また、液晶分子を配向させた液晶層を少なくとも４層以上有し、前記液晶層に外部電界を加えて液晶分子の配向状態を変化させることで光学特性を可変制御する液晶レンズにおいて、電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と第５の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成し、前記第２の液晶セルの前記第５の基板及び電極を有する第４の基板を用いて第４の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズを提供する。
【００１６】
第１の液晶セルにおける第１の基板の液晶層に接する側に第１の電極があり、第４の液晶セルにおける第４の基板の液晶層に接する側と反対側に開口部を有する第２の電極を配置してもよく、また第４の液晶セルにおける第４の基板の外部、または前記第４の基板の第２の電極における開口部に第３の電極を設けることもできる。
【００１７】
さらに、複数の液晶層の中で少なくとも一層の液晶層における液晶分子の配向方向が他の液晶層における液晶分子の配向方向と逆向きになるような配向処理が行われている構成とすることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
上記の手段により、液晶層を３層または４層以上有する液晶レンズを容易に製造することが可能となる。また、優れた光学特性を有する液晶レンズを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１において、その基本構成を述べる。
【００２０】
図１（Ａ）は、この発明の一実施の形態による液晶レンズの基本構成を断面から見た構成を示している。透明な第１の電極２１は第１の基板１１の上に形成され、第２の基板１２を所定の厚みを保つためのスペーサ４１を介して重ね合わせることで液晶セル１を構成する。第１の基板１１と前記第２の基板１２の間には、第１の電極２１と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させた第１の液晶層３１を備える。
【００２１】
次に、第３の基板１３及び第４の基板１４を所定の厚みを保つためのスペーサ４２を介して重ね合わせることで液晶セル２を構成する。第３の基板１３と前記第４の基板１４の間には、液晶分子を一方向に配向させた第２の液晶層３２を備える。
【００２２】
液晶セル１と、液晶セル２を、前記液晶セル１の第２の基板側と液晶セル２の第３の基板側が対向するようにスペーサ４３を介して重ね合わせることで、第２の基板１２と第３の基板１３を利用して液晶セル３を構成する。第２の基板１２と前記第３の基板１３の間には、液晶分子を一方向に配向させた第３の液晶層３３を備える。
【００２３】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の液晶レンズを平面的に見た図であり、前記第４の基板１４は、第２の電極２２を有し、第２の電極２２には円形孔２２−１が形成されている。前記第１の電極２１と第２の電極２２の間には第１の電圧Ｖ１を加える。また、前記円形孔２２−１の中にはスリットにより電気的に絶縁された同一の中心をもつ円状の透明な第３の電極２３が形成されている。この円形の透明な第３の電極２３に、同様にスリットで第２の電極から絶縁された引き出し部２３−１を通して外部から第２の電圧Ｖ２を印加することができるように配置されている。
【００２４】
また、図１に示した構造の液晶レンズと同様の機能を有する液晶レンズとして、図２に示した他の実施例について説明する。図２［Ａ］は、この発明の他の実施の形態による液晶レンズの基本構成を断面から見た構成を示しており、図２［Ｂ］は図２［Ａ］の液晶レンズを平面的に見た図である。図１で円形孔２２−１の内部に配置した第３の電極２３の代わりに、図２［Ａ］及び［Ｂ］に示したように、第４の基板１４上の第２の電極２２から電気的に絶縁する絶縁層５０を挿入し、第６の基板１６に円形孔２２−１の全域よりも大きな透明な第３の電極２３’を形成した構成とすることもできる。
【００２５】
ここで、図１及び図２に示した構成から第３の電極２３を除いた構成とした場合について説明する。第１の電極２１と第２の電極２２の間にしきい値よりも高い第１の電圧Ｖ１を加えると、液晶セル１の第１の液晶層３１、液晶セル２の第２の液晶層３２、液晶セル３の第３の液晶層３３に軸対称の不均一電界が加わり、液晶分子が各基板面による配向規制力と軸対称不均一電界の配向効果が弾性的に釣り合った状態に配向し、主として凸レンズ効果が得られ液晶レンズＡが構成される。前記液晶レンズＡの動作原理の詳細については特許文献２に開示されている。
【００２６】
図１に示した構成から第３の電極２３を除いた構成の液晶レンズでは、外部印加電圧の増加に対する液晶レンズの焦点距離の変化特性が、一度最短となった後増加に転ずるという複雑な特性を示し、また凹レンズ特性を得ることが難しいという問題があったことから、図１及び図２示したように第２の電極の他に第３の電極を設ける構成となっている。
【００２７】
なお、図１に示した構造では、図２に示した構造の液晶レンズにおける第２の電極２２と第３の電極２３’とを絶縁するための絶縁層５０及び第６の基板１６を設ける必要がなくなるため、液晶レンズ全体の厚みを薄くすることができるという利点がある。
【００２８】
一方、図２に示した構造では、第２の電極と第３の電極を絶縁するために図１に示した微細なスリットではなく絶縁層５０を使用しているため、焦点の切り替え時等にパルス状の高電圧印加による応答時間の短縮を行う場合などにおいても絶縁破壊等が生じないという利点がある。また、第３の電極に電圧を加えるための電極引き出し部２３−１を必要としないので電気的接続が容易であること、などの利点がある。
【００２９】
図１または図２に示した第３の電極を配置した構成とした場合では、前記第３の電極２３に第１の電圧Ｖ１とは独立した第２の電圧Ｖ２を加えられるように構成されている。そして、第１の電圧Ｖ１に基づく第１段階の光学特性、前記第２の電圧Ｖ２に基づく第２段階の光学特性を得られる液晶レンズＢが構成される。前記液晶レンズＢの動作原理の詳細については特許文献３に開示されている。この液晶レンズＢによると、凸レンズ、凹レンズとしての機能が得られる。
【００３０】
次に、具体的な実施例について説明する。図１（Ａ）において、液晶セル１の第１の基板１１は３００μｍ厚の透明ガラス板であり、液晶層に接する内面側に、インジウム・スズ系の酸化物（ＩＴＯ）からなる透明な第１の電極２１が形成されている。第２の基板１２は７０μｍ厚のガラス板である。液晶セル２の第３の基板１３は同様に７０μｍ厚のガラス板であり、第４の基板１４の厚みは、円形孔２２−１の寸法や液晶セルの構造に依存するが、ここでは８００μｍとしており、第２の液晶層３２に接する面と反対側の面には第２の電極となるＩＴＯ電極２２が形成されている。この第２の電極２２の液晶レンズ部となる領域には図１（Ｂ）に示すように円形孔２２−１（例えば直径２ｍｍ）を形成する。
【００３１】
ここで、第１の電極２１と第２の基板１２の間には液晶分子を一方向に配向させた第１の液晶層３１（例えば厚み２０μｍ）が封入される。第３の基板１３と第４の基板１４の間にも液晶分子を一方向に配向させた第２の液晶層３２（例えば厚み２０μｍ）が封入される。
【００３２】
また、第１の液晶セルの第２の基板１２と第２の液晶セルの第３の基板１３の間にも液晶分子を一方向に配向させた第３の液晶層３３（例えば厚み２０μｍ）が封入され、第３の液晶セルを構成する。
【００３３】
第１の液晶層３１、第２の液晶層３２及び第３の液晶層３３の液晶材料としてはいずれもＺＬＩ６０８０（メルク社製）を使用した。なお、第１の液晶層３１、第２の液晶層３２、及び第３の液晶層３３を所定の厚みに保つためのスペーサ４１、４２、４３としては直径が２０μｍの球状スペーサを接着剤に分散したものを用い、図示していないが基板の周辺部等は接着剤により液晶が封止されている。
【００３４】
また、液晶層を挟む電極や基板の面には配向膜として図示されていないポリイミド膜を約１５０ｎｍの厚みに塗布し、熱処理を行い安定化させた後に一方向にラビング処理が施されている。図１及び図２において、矢印はそれぞれの基板面上に塗布されたポリイミド配向膜に対するラビング方向を示している。
【００３５】
ラビング処理を行った場合には、一般にラビング方向に対して液晶分子の長軸方向が基板面からプレティルト角と呼ばれる数度以下程度の小さな角度傾いた配向状態となることが知られている。したがって、対向する基板上の配向膜に対するラビングの方向を図１及び図２に示したようにそれぞれ逆向きとなるように処理した場合には、図中の液晶層３１、３２、３３において棒状の記号により液晶分子の配向方向を模擬して示しているが、液晶分子は基板面にプレティルト角傾いた配向状態となっている。
【００３６】
円形孔電極を有する液晶レンズにおいて、液晶層が１層の場合には液晶層のラビング方向の断面において円形孔領域の中心軸の両側で液晶分子が電界の効果により基板面から回転して立ち上がる方向がプレティルト角の効果により完全に同一とはならず、光学特性に収差が生じることが知られている。
【００３７】
液晶層を２層とし、液晶分子配向の方向が互いに逆になるようにすることで、ラビングによる分子配向処理に基づくプレティルト角の効果により生じる収差を抑制することができる。しかし、液晶層を２層以上有する液晶レンズにおいて、プレティルト角に基づく分子配向の異方性の大きさが各液晶層において同一ではなく、たとえば円形孔２２−１を有する第２の電極２２から最も遠い第１の液晶層３１では小さく、第２の電極２２に近くなるほど強くなることが実験により明らかにされている。したがって、液晶層を２層有する液晶レンズにおいて、各々の液晶セル基板面における分子配向の方向すなわちラビング方向を逆にすることで液晶分子配向の異方性に基づく収差を十分に相殺することはできず、液晶分子配向の異方性に基づく収差の相殺効果は不十分なものとなる。
【００３８】
液晶層が３層の場合には、各基板面におけるラビングの方向に基づく液晶分子の配向方向の組み合わせを考慮することで、分子配向の異方性に基づく収差の相殺効果をより効果的にすることが可能となる。すなわち、液晶セル１及び液晶セル３における各基板に対するラビング処理の方向と、液晶セル２における基板のラビング処理の方向を、図１及び図２にそれぞれの基板面上の配向膜に対するラビング方向を矢印で示したように、ラビング処理が液晶セル１及び液晶セル３と液晶セル２とで逆方向になるように各々の基板を重ね合わせた。その結果、電界により液晶分子が基板面から回転する方向が液晶セル１及び液晶セル３では同じ方向であるが、液晶セル２では逆方向となる。
【００３９】
液晶セル２は円形孔２２−１に最も近い位置にあるので、液晶セル１及び液晶セル３の場合と比べて液晶セル２の方が円形孔により生じる軸対称の不均一電界の基板面に対する傾きの角度が大きくなるため、液晶分子配向の異方性が大きく、実効的に液晶セル１及び液晶セル３に生じる液晶分子配向の異方性に基づく収差と液晶セル２における液晶分子配向の異方性に基づく収差が互いに打ち消され相殺されることになり、収差が非常に小さい液晶レンズを構成することができる。すなわち、液晶層を３層とすることで液晶分子配向の異方性に基づく収差の相殺効果がより効果的に生じるため、収差が非常に小さく優れた液晶レンズ特性を示す素子が構成される。
【００４０】
前記の液晶分子の配向処理としてのラビングの方向は、液晶セルの２枚の基板面において互いに逆方向になるように行っているが、液晶分子配向の方向に対応するラビングの方向を同一の液晶セルにおいて同じ方向にした液晶素子を構成することもできる。電圧印加の方法によっては、このような配向処理を行った方が良好な特性が得られることがある。なお、この場合においても、円形孔を有する電極側に近い液晶セル２と液晶セル１及び液晶セル３における配向方向を逆向きにして配置することで、同様の収差の相殺を行うことができる。
【００４１】
円形孔２２−１の直径を２ｍｍ、第１、第２及び第３の液晶層３１、３２，３３の厚みを２０μｍとし、液晶材料としてＺＬＩ６０８０（メルク社製）を使用して作製した液晶レンズでは、第１の電圧及び第２の電圧をそれぞれ印加することで、図３に示したように凸レンズに対応する位相差分布特性［Ａ］、及び凹レンズに対応する位相差分布特性［Ｂ］が得られた。焦点距離の逆数に対応するレンズパワーと各印加電圧の関係は、図４に示すように連続的なレンズパワーの変化が得られている。凸レンズ側で７〜８ジオプトリ（１／ｍ）、凹レンズ側で約６ジオプトリ（１／ｍ）のレンズパワーの可変効果が得られた。
【００４２】
次に、この液晶層を３層有する液晶レンズの波面収差特性を図５に示す。液晶層が１層の場合の波面収差は、液晶レンズのパワーが正の最大値となる印加電圧付近において０．０９λ（λは波長：４０５ｎｍ）程度であったが、液晶層を２層とした場合には、波面収差は０．０６λ程度まで改善されるが、液晶層を３層とし、且つラビングの方向を適切に行うことにより、図５から波面収差が０．０１６λ以下となっており、さらに収差が小さい良好な光学特性を示す液晶レンズを実現することができた。
【００４３】
次に、他の実施例について具体的に説明する。図２に示したように、第４の基板１４の第２の電極に円形孔２２−１（例えば直径２ｍｍ）を形成し、前記第４の基板１４の上に絶縁層５０として間隙部を設け、間隙部を隔てて透明な第３の電極２３’を有する第６の基板１６を配置した。絶縁層５０に相当する間隙部の厚みは４０μｍとした。第３の電極に前記第１の電極と第２の電極との間に加える電圧とは独立した第２の電圧を加えることで、図３〜図５に示した液晶レンズの特性とほぼ同様の焦点距離の広範囲にわたって連続的な可変効果や収差特性等を得ることができた。
【００４４】
図１及び図２に示した構成の液晶レンズでは、ラビング方向に対応する液晶分子の配向方向に偏光した入射光にのみレンズ効果が生じ、液晶分子の配向方向と直交した偏光の入射光に対してはレンズ効果が生じないという問題点がある。そこで、あらゆる偏光成分を有する自然光に対応できる液晶レンズを構成するためには、同一の特性を有する２組の液晶レンズを用いて、液晶分子の配向方向が互いに直交するように重ね合わせて使用することが必要とされる。
【００４５】
液晶層が偶数層の場合には、対を成す液晶層毎に液晶分子の配向方向が直交するような構成とすることで自然光対応の液晶レンズを構成することができるが、図１及び図２の構造では液晶層が３層、すなわち奇数であるため、対を成す液晶層における液晶分子の配向方向を直交させることで自然光対応の液晶レンズを構成することはできない。自然光対応の液晶レンズを構成するためには、同一の特性を有する液晶レンズを２組用いてそれぞれの液晶レンズにおける分子配向すなわちラビングの方向が直交するように重ね合わせる必要がある。
【００４６】
そこで、自然光対応の液晶レンズを構成することが可能な偶数の液晶層を有する多層構造の液晶レンズに関わる他の実施例について説明する。
【００４７】
図１に示した３層構造の液晶レンズに、液晶セル４を加えることで液晶層を１層多くした４層の液晶層を有する液晶レンズを作製した。その構造を図６［Ａ］，［Ｂ］に示す。
【００４８】
図６（Ａ）において、第１の液晶層３１、第２の液晶層３２、第３の液晶層３３、及び第４の液晶層３４の間を隔てる基板１２，１３，１５としては、いずれも両面にポリイミド配向膜を塗布しラビングによる配向処理を行った７０μｍ厚のガラス板を使用した。図１に示した第４の基板１４及び第２の電極２２、第３の電極２３と同一の構造を有する基板の電極面と反対側の面と第４の液晶セルを構成する第５の基板を用いて液晶セル４を構成した。
【００４９】
図６に示した液晶層を４層有する液晶レンズにおいて、液晶分子の配向方向を同一の方向とすることで、液晶層が３層である図１または図２に示した液晶レンズと比べて液晶レンズとしてのレンズパワーの可変範囲を４／３倍増加することができた。一方、各々の液晶層における分子配向の方向が互いに直交するように組み合わせることで、偏光方向に依存しない自然光対応の液晶レンズを構成することも可能である。
【００５０】
本発明による手法を適用し、薄いガラス基板を用いて作製した液晶セルの基板をそれぞれ新しい基板として用いることで、液晶層を更に多くすることが可能となるため、より広範囲でレンズパワーを可変できる液晶レンズや、高速応答の液晶レンズ等を構成することが可能となる。
【００５１】
液晶は可視光の波長領域のみならず、近赤外線の波長領域においても良好な透過特性を示し、かつ可視光の波長領域における値よりもわずかに小さいがほぼ同程度の複屈折特性を有しているので、近赤外光における光学素子としても利用することができる。
【００５２】
図１及び図２では、液晶層に接する各基板面におけるラビングの方向が互いに逆になるようにして液晶セルを作製しているが、ラビングの方向が同一の方向となるようにして液晶セルを作製してもよい。ラビングの方向を適宜選択することで、電界印加時における液晶分子の配向状態や、液晶分子の配向状態の基づく液晶レンズの光学特性等を所定の特性に近くすることが可能となる。
【００５３】
本発明の原理を利用することで、必要な工程数を少なくして液晶層を５層、６層、７層、・・・と更に多層にすることが可能となる。
【００５４】
薄板ガラスは割れ易く取り扱いが難しいため、あらかじめ所定の厚みよりも厚いガラス基板を用いて各液晶セルを作製した後、ガラス基板をエッチングや研磨等の工程を経て所定の厚みまで薄くした後、各液晶セルを新しい基板として用いて多層構造の液晶レンズを作製することもできる。
【００５５】
液晶セルを構成する各基板面にはポリイミド等の配向膜を塗布し、ラビング処理を行う必要があるが、各々の液晶セルを構成した後、次に重ね合わせる前に液晶層に接する面をラビングすることもできる。このようにすると、１枚の基板の両面をラビングするときに始めにラビングを行った面が次のラビング時に汚染されるという弊害を除去することができる。
【００５６】
本発明の液晶レンズの製造方法によると、第１の液晶セル及び第２の液晶セルをそれぞれ液晶セルの基板として利用して第３の液晶セルを構成するため、各々の液晶セルに多数の液晶レンズを構成し、液晶を封入後に切断して個々の液晶レンズを得ることができるという製造工程数の減少が可能となり、製品の歩留まりの向上が可能となる。
【００５７】
さらに、本発明により３層もしくは４層以上の液晶層を有する液晶レンズを製造することがきわめて容易となる。また、本発明により製造された液晶レンズは収差が非常に小さい優れた光学特性を有するという、格段の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明における液晶レンズの一実施の形態を示す構成説明図。
【図２】本発明における液晶レンズの他の実施の形態を示す構成説明図。
【図３】本発明に係わる液晶レンズ機能を説明するために、光波に対する位相遅れの分布が変化した例を示す説明図。
【図４】本発明に係わる液晶レンズ機能を説明するために、印加電圧に対するレンズパワー（１／ｍ）が変化する様子を示す説明図。
【図５】本発明に係わる液晶レンズの機能を説明するために、液晶レンズの波面収差とレンズパワーの関係を示す説明図。
【図６】本発明における液晶レンズのまた他の実施の形態を示す構成説明図。
【符号の説明】
【００５９】
１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、１３・・・第３の基板、１４・・・第４の基板、１５・・・第５の基板、１６・・・第６の基板、２１・・・第１の電極、２２・・・第２の電極、２２−１・・・円形孔、２３・・・第３の電極、３１・・・第１の液晶層、３２・・・第２の液晶層、３３・・・第３の液晶層、３４・・・第４の液晶層、４１、４２、４３、４４・・・スペーサ、５０・・・絶縁層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶分子を配向させた液晶層を少なくとも３層以上有し、前記液晶層に外部電界を加えて液晶分子の配向状態を変化させることで光学特性を可変制御する液晶レンズにおいて、電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と電極を有する第４の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項２】
第１の液晶セルにおける第１の基板の液晶層に接する側に第１の透明電極があり、第２の液晶セルにおける第４の基板の液晶層に接する側と反対側に開口部を有する第２の電極があることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項３】
第２の液晶セルにおける第４の基板の外部、または前記第４の基板の第２の電極における開口部に電気的に絶縁された透明な第３の電極を設けることを特徴とする請求項２に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項４】
液晶分子を配向させた液晶層を少なくとも４層以上有し、前記液晶層に外部電界を加えて液晶分子の配向状態を変化させることで光学特性を可変制御する液晶レンズにおいて、電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と第５の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成し、第２の液晶セルの前記第５の基板及び電極を有する第４の基板を用いて第４の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項５】
第１の液晶セルにおける第１の基板の液晶層に接する側に第１の透明電極があり、第４の液晶セルにおける第４の基板の液晶層に接する側と反対側に開口部を有する第２の電極があることを特徴とする請求項４に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項６】
第４の液晶セルにおける第４の基板の外部、または前記第４の基板の第２の電極における開口部に電気的に絶縁された透明な第３の電極を設けることを特徴とする請求項５に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項７】
液晶レンズを構成する複数の液晶層の中で少なくとも一層の液晶層における液晶分子の配向方向が他の液晶層における液晶分子の配向方向と逆向きになるような配向処理が行われていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、及び請求項６に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項１】
液晶分子を配向させた液晶層を少なくとも３層以上有し、前記液晶層に外部電界を加えて液晶分子の配向状態を変化させることで光学特性を可変制御する液晶レンズにおいて、電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と電極を有する第４の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項２】
第１の液晶セルにおける第１の基板の液晶層に接する側に第１の透明電極があり、第２の液晶セルにおける第４の基板の液晶層に接する側と反対側に開口部を有する第２の電極があることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項３】
第２の液晶セルにおける第４の基板の外部、または前記第４の基板の第２の電極における開口部に電気的に絶縁された透明な第３の電極を設けることを特徴とする請求項２に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項４】
液晶分子を配向させた液晶層を少なくとも４層以上有し、前記液晶層に外部電界を加えて液晶分子の配向状態を変化させることで光学特性を可変制御する液晶レンズにおいて、電極を有する第１の基板と第２の基板からなる第１の液晶セルと、第３の基板と第５の基板からなる第２の液晶セルを、前記第１の液晶セルの第２の基板側と第２の液晶セルの第３の基板側がそれぞれ内側になるように重ねて第２の基板と第３の基板それぞれを第３の液晶セルの基板として利用することで第３の液晶セルを構成し、第２の液晶セルの前記第５の基板及び電極を有する第４の基板を用いて第４の液晶セルを構成することを特徴とする液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項５】
第１の液晶セルにおける第１の基板の液晶層に接する側に第１の透明電極があり、第４の液晶セルにおける第４の基板の液晶層に接する側と反対側に開口部を有する第２の電極があることを特徴とする請求項４に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項６】
第４の液晶セルにおける第４の基板の外部、または前記第４の基板の第２の電極における開口部に電気的に絶縁された透明な第３の電極を設けることを特徴とする請求項５に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【請求項７】
液晶レンズを構成する複数の液晶層の中で少なくとも一層の液晶層における液晶分子の配向方向が他の液晶層における液晶分子の配向方向と逆向きになるような配向処理が行われていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、及び請求項６に記載の液晶レンズの製造方法及び液晶レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１０７６８６（Ｐ２０１０−１０７６８６Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７９０７６（Ｐ２００８−２７９０７６）
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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