液晶光学デバイス
【課題】簡単な構造で低電圧により効率よく駆動することができ、大形の光学デバイスを実現する。
【解決手段】透明な第１の電極２１及び透明な第２の電極２２との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層３１を備え、前記第１の電極２１及び第２の電極２２の少なくとも一つの電極と前記液晶層との間に透明な媒質４１を配置し、前記透明な媒質のインピーダンスが面内で分布を形成し、前記液晶層に加わる電圧が連続的に又は階段状に変化することで生じる実効的な屈折率分布を利用することを特徴とする。
【解決手段】透明な第１の電極２１及び透明な第２の電極２２との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層３１を備え、前記第１の電極２１及び第２の電極２２の少なくとも一つの電極と前記液晶層との間に透明な媒質４１を配置し、前記透明な媒質のインピーダンスが面内で分布を形成し、前記液晶層に加わる電圧が連続的に又は階段状に変化することで生じる実効的な屈折率分布を利用することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な構造を有し、低電圧により光学特性を大幅に可変制御できる薄型の液晶光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ネマティック液晶と呼ばれる液晶は、液体のような流動性を持ち、電気光学的特性に異方性を示し、電圧印加により実効的な屈折率を概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特徴を持っており、この特徴を利用することで、種々の電圧可変型の光学デバイスが提案されている。
【０００３】
すなわち、ネマティック液晶セルにおいて、電界の方向に液晶分子が配向する性質を利用したものがある。これは、直径が数１００ミクロンの円形の穴型パターンを有する電極を用いて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果を利用することで、空間的な放物面状の屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法が特許文献１、特許文献２に報告されている。このような口径がミリメートル以下の小さな液晶レンズは液晶マイクロレンズと呼ばれている。
【０００４】
特許文献１、２で提案されている液晶マイクロレンズ構造で、液晶層の厚みを一定として円形穴型パターンの直径を大きくして開口径が大きなレンズを構成すると、電極の開口部により生じる軸対称の不均一電界が開口部の中心付近まで生じないために、レンズ特性を得るために必要な液晶分子の空間配向分布が得られないという問題があった。この有効開口径を大きくする方法として、液晶層を挟む２枚の基板上の電極に設けた円形の開口部に配向膜を介して液晶層に接するように透明な高抵抗の膜を付与することで、高抵抗膜面の電気抵抗による電位分布を利用して開口部の中心部まで電界が生じるようにした構造の液晶レンズが特許文献３で提案されている。
【０００５】
しかしこの方法では、液晶層に面する基板面に設けた抵抗膜による電位分布が液晶分子の配向分布に基づく放物面状の屈折率分布が得られるような所定の電位分布の形状となるように設定することは非常に困難であるため、良好なレンズ特性を保持した状態で広範囲に焦点距離を変化させることはきわめて困難であるという問題があった。
【０００６】
又、特許文献１、で提案されている液晶マイクロレンズに類似した構造で、開口部を有する電極を液晶層に接触させずに、液晶層からある一定の距離を置くように配置することで、電極の開口部分の直径を大きくしても、軸対称の不均一電界が開口部の中心付近まで生じるようにすることが可能となる。この原理に基づき、液晶層と円形の穴型パターン電極との間に絶縁層を挿入することで、液晶層から前記円形の穴形電極との距離を保持する方法が提案されており(特許文献４、非特許文献１、２)、液晶マイクロレンズにおいて最良の特性が得られる円形穴型パターンの直径と液晶層の厚みの比が２対１から３対１程度とする必要があるという条件が緩和され、直径が大きな液晶レンズを構成できることが示されている。
【０００７】
さらに、液晶層と円形の穴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、円形穴型パターン電極の外部又は円形パターン電極内に透明な第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５に報告されている。
【０００８】
しかし、特許文献４、５で提案されている液晶層と円形穴型パターン電極の間に距離を設定するために絶縁層を設けた構造では、液晶層と電極との間に配置した絶縁層のために駆動電圧が高くなるという問題があり、特に開口部が大きいレンズを得るためには絶縁層の厚みがさらに厚くなって高電圧が必要とされるため口径が大きいレンズを得ることが困難であるという問題があり、絶縁層の厚みのために液晶レンズ全体の厚みを薄くすることができないという問題があった。
【０００９】
この問題を解決するために、透明絶縁層の中に透明な高抵抗層として高抵抗の液体層又は高抵抗の薄膜等を設けて電位分布を中継すること、すなわち高抵抗膜面の電位分布を利用して軸対称の不均一電界が中心部まで生じるようにした構造とすることで透明絶縁層の実効的な厚みを薄くして、その結果として駆動電圧を低下する方法が特許文献６及び非特許文献３、４に報告されている。
【００１０】
しかし、透明絶縁層の中に透明高抵抗層を挿入した場合には、透明絶縁層基板が少なくとも２枚必要となり、製造工程が複雑となること及び全体としての厚みを薄くすることができないという問題があった。さらに、不均一電界による液晶分子の配向効果が液晶層の全域に及んでいないために、液晶層における実効的な屈折率の可変範囲すなわち焦点の可変範囲を広くできないという問題があった。
【００１１】
又、液晶層に屈折率分布を形成する方法として、ストライプ状又はリング状の電極を設けて各々の電極に所定の電圧を印加して液晶分子の配向制御をおこなう方法が特許文献７に開示されている。
この方法では電位分布が階段状となること、又電極構造や駆動電圧の印加方法等が複雑になるという問題があった。
【００１２】
一方、透明電極と液晶層の間にレンズの形状をした誘電体を挿入することで液晶層に軸対称の電位分布を生じさせ、液晶分子の配向効果に基づく屈折率分布を得るという方法が特許文献８に開示されている。
【００１３】
この方法によると、開口径が大きな焦点可変レンズを構成することができるが、誘電体の厚みにより駆動電圧が高くなるという問題があり、さらに液晶レンズと誘電体によるレンズ効果が重畳されることで収差が生じるため光学特性が悪化するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１１−１０９３０３号公報
【特許文献２】特開平１１−１０９３０４号公報
【特許文献３】特開２００３−２９００１号公報
【特許文献４】特開２００４−４６１６号公報
【特許文献５】特開２００６−９１８２６号公報
【特許文献６】特開２００８−２０３３６０号公報
【特許文献７】特開２００６−１４５９５７号公報
【特許文献８】特開２００５−１１５２６６号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】葉茂、佐藤進（M.Ye and S.Sato),「任意寸法の液晶レンズの光学的特性（Optical properties of liquid crystal lens of any size）」第４９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、２００２年３月、２８ｐ-Ｘ-１０, Ｐ．１２７７
【非特許文献２】葉茂、佐藤進（M.Ye and S.Sato),「任意寸法の液晶レンズの光学的特性（Optical properties of liquid crystal lens of any size）」，Japanese Journal of Applied Physics, ２００２年５月、Vol. 41, No.5, P.L571-L573
【非特許文献３】葉茂, 王濱, 佐藤進：液晶レンズの低電圧駆動法の研究，２００７年日本液晶学会討論会講演予稿集、２００７年９月、２ｐＣ０１
【非特許文献４】葉茂、王濱、山口真紀、佐藤進（M.Ye, B.Wang, M.Yamaguchi and S.Sato），「低導電性薄膜を用いた液晶レンズにおける駆動電圧の低下（Lowering Driving Voltages for Liquid Crystal Lens Using Weakly Conductive Thin Film）」, Japanese Journal of Applied Physics, ２００８年６月、Vol. 47, No. 6, pp.4597-4599
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこでこの発明の目的は、上記問題を解決し、低電圧で安定に駆動でき、光学特性を効率よく可変制御できる薄型の液晶光学デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明は、上記の課題を解決するために、その基本として、透明な第１の電極と、透明な第２の電極との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を加えて液晶分子の配向制御を行なうことで動作する液晶光学デバイスにおいて、前記第１の電極及び第２の電極の少なくとも一つの電極と前記液晶層との間に透明な媒質を配置し、前記透明な媒質のインピーダンスが面内で分布を形成し、前記液晶層に加わる電圧が連続的に又は階段状に変化することで生じる実効的な屈折率分布を利用することを特徴とする。
【００１８】
前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布していてもよく、前記軸対称状に分布しているインピーダンスが軸対称の中心から半径方向に増加し、極大値を取ったのち減少するか、又は半径方向に減少し極小値を取ったのち増加するような分布形状とすることもでき、さらに前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布している領域を複数個配置することもできる。
【００１９】
前記透明な媒質のインピーダンスに関る比誘電率の値と比抵抗の値もしくは抵抗値の分布形状がそれぞれ独立に変化していてもよく、前記インピーダンスに関る比誘電率の値が分布している媒体層と比抵抗の値もしくは抵抗値が分布している媒体層から構成することもできる。
【００２０】
前記透明な媒質におけるインピーダンスの分布形成手段は、その粒径が前記液晶光学デバイスの透明度に影響を与えない程度に小さな粒子の密度分布により形成されており、又前記透明なインピーダンス層を形成後に平坦化処理を行うことができ、さらに前記透明な媒質が液晶分子に対する配向効果を有していてもよい。
【００２１】
又、前記液晶層が透明な絶縁層により分割され、複数の液晶層から構成されていてもよく、前記透明な媒質又は第１の電極を有する第１の基板又は第２の電極を有する第２の基板の少なくとも何れかにレンズ効果を持たせることができ、インピーダンスが軸対称状に分布している領域の中心が前記透明な第１の基板又は第２の基板の中心から周辺部にずれた位置とすることもできる。
【００２２】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に加える電圧の値及びその周波数の少なくともいずれかを可変して液晶分子の配向制御を行うことができ、又前記第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかが複数に分割され、それぞれに異なる電圧値及び周波数の電圧を印加して液晶分子の配向制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
上記の手段により、簡単な構造であって、従来の如く機械的に前後移動させるような動作を伴うことなく、低電圧により駆動することができる薄型の光学デバイスを実現し得る。又、光学デバイスの口径を大きくしても低電圧で大幅に効率よく光学特性を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明に係る液晶光学デバイスの実施の形態を示す構成説明図である。
【図２】図２は、本発明に係る液晶光学デバイスの具体的な実施の形態を示す構成図であり、同一のインピーダンス分布特性を有する透明な媒質からなる層を２層対称構造に配置した液晶光学デバイスの断面図である。
【図３】図３は、図２に示した構成の液晶光学デバイスにおいて、透明な媒質４１及び４２のインピーダンスの分布特性である。
【図４】図４は、図２に示した構成の液晶光学デバイスにおいて、透明電極２１、２２間に駆動電源８０から７Ｖｒｍｓ（周波数１ｋＨｚ）の電圧を印加した場合に液晶層３１に生じる光学位相分布特性をシミュレーションにより求めた結果である。
【図５】図５は、本発明に係る液晶光学デバイスの他の実施の形態を示す構成説明図であり、軸対称に分布している透明な媒質４１、４２のインピーダンス分布の中心が同一であり、中央部と周辺部でそれぞれ異なるインピーダンスの分布を有する液晶光学デバイスの断面図である。
【図６】図６は、図５に示した構成の液晶光学デバイスにおける透明な媒質４１ａ、４１ｂ、及び４２ａ、４２ｂのインピーダンスの分布が中央部で凸レンズ特性を有し周辺部で凹レンズ特性を有するように構成した場合のインピーダンス分布特性である。
【図７】図７は図５に示した構成の液晶光学デバイスの透明電極２１、２２間に駆動電源８０から７Ｖｒｍｓ（周波数１ｋＨｚ）の電圧を印加した場合に液晶層３１に生じる光学位相分布特性をシミュレーションにより求めた結果である。
【図８】図８は、本発明に係る液晶光学デバイスのさらに他の実施の形態を示す構成説明図であり、液晶層を２層有する対称構造の液晶光学デバイスの断面図である。
【図９】図９は、図８に示した構成の液晶光学デバイスにおいて、透明な媒質４１及び４２のインピーダンスの分布特性である。
【図１０】図１０は、図８に示した構成の液晶光学デバイスにおいて、透明電極２１、２２間に駆動電源８０から２０Ｖｒｍｓ（周波数２ｋＨｚ）の電圧を印加した場合に液晶層３１、３２に生じる光学位相分布特性をシミュレーションにより求めた結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下この発明の実施の形態を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。
【実施例】
【００２６】
図１はこの発明の一実施の形態による液晶光学デバイスの基本構成を断面から見た構成を示している。第１の基板１１に透明な第１の電極２１が形成され、さらに液晶分子を一方向に配向させる効果を有するポリイミド膜などの配向膜５１が配置されている。第２の基板１２に透明な第２の電極２２が形成され、さらに透明な媒質４１が形成される。第１の基板１１と第２の基板１２を所定の厚みを保つための図示されていないスペーサを介し透明な第１の電極２１と第２の電極２２が対向するように重ね合わせ、配向膜５１と透明な媒質４１の間には、液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１を備える。
【００２７】
前記配向膜５１及び透明な媒質４１の前記液晶層３１に接する面にはラビングと呼ばれる布等により一方向に摩擦する処理を行うことで、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタをラビング方向に一方向に且つプレティルト角と呼ばれる基板面から１〜２度程度傾いた角度をなしてラビング方向に揃った配向状態となっている。ここでは透明な媒質４１が液晶分子に対する配向機能を有している場合を想定しているが、透明な媒質４１の上にさらに配向膜を塗布した後ラビング等の配向処理を行ってもよい。
【００２８】
前記透明な媒質のインピーダンスは軸対称の中心部で最も大きく、半径方向に連続的に減少するように形成されており、透明電極２１と２２の間には液晶分子配向のしきい電圧よりも大きな電圧が加えられる。
【００２９】
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電圧を加えると、液晶層３１に加わる実効電圧は軸対称の中心部で最も低く、半径方向で増加するような分布となる。液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタは、配向膜５１及び透明な媒質４１に施したラビングにより生じたアンカリングと呼ばれる配向規制力による効果と電界による配向効果が釣り合った状態まで基板面から立ち上がる効果を受ける。したがって、液晶層に加わる実効電圧が小さい領域すなわち透明な媒質のインピーダンスが大きい軸対称の中心付近ではダイレクタが基板面から立ち上がる角度が小さい状態で配向しているが、透明な媒質のインピーダンスが小さい軸対称の周辺部になるに従って実効電圧が大きくなるため基板面に対して大きな角度で立ち上がることになる。
【００３０】
液晶のダイレクタが基板面に対して立ち上がるに従ってラビング方向に偏光した入射光に対する実効的な屈折率が小さくなるため、図１に示したインピーダンスが軸対称に分布している構造の液晶光学デバイスでは、軸対称の中心部から周辺部に向かうに従って実効的な屈折率が減少するような屈折率分布を示すことになる。この実効的な屈折率の分布特性が放物面（二次関数）状になるとラビング方向に偏光した入射光に対して凸レンズ特性が得られる。駆動電源８０から供給される印加電圧やその周波数を可変することで、液晶層に加わる実効的な電圧が変化するため、液晶光学デバイスにおける光学特性を可変制御することができる。
【００３１】
特にこの液晶光学デバイスでは、透明な媒質４１のインピーダンスの分布を種々調整することで、複雑な屈折率分布特性を有する光学デバイスを構成することが可能である。
【００３２】
次に、具体的な実施例について説明する。図２に示すように図１における透明な媒質４１を液晶層３１の両側の対称の位置に配置することもできる。このような配置にすると、液晶層に対するインピーダンスの分布による効果が大きく反映され、又液晶層における分子配向の乱れによる光学特性の劣化等が少なくなるという効果が得られる。
【００３３】
図２において、透明な第１の基板１１及び第２の基板１２は３００μｍ厚のガラス板であり、各基板の液晶層３１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及び透明な第２の電極１２が形成され、さらに透明な媒質４１及び４２が形成されている。
【００３４】
前記透明な媒質４１，４２として、エポキシ系接着剤の中に強誘電体であるチタン酸バリウムの微粒子（ナノ粒子）を分散した溶液を用い、インクジェット方式によりその密度が中心部で大きく、半径方向で小さくなるような軸対称状の分布となるようにＩＴＯ透明電極面上に付着させ、重合硬化処理を行った。さらに、表面に平坦化処理を行った後にラビング処理を行い、液晶セルの基板とした。この液晶セル基板２枚と液晶層３１を所定の厚みに保つために図示していない直径が６０μｍの球状スペーサを分散した接着剤を用いて液晶光学デバイスを構成した。又、図示していないが各基板の周辺部等は接着剤により液晶が封止されている。液晶層３１の液晶材料としてはＺＬＩ６０８０（メルクジャパン社製）を使用した。
【００３５】
透明な媒質におけるインピーダンス分布を形成するためには、透明な媒質の誘電率を調整してもよいが、抵抗値又は比抵抗の値を調整することもできる。たとえば、ＩＴＯの微粒子（ナノ粒子）などの導電性微粒子を分散した樹脂系の溶液（三菱マテリアル社製ＴＷＨ-１）を用いて、インクジェット法により微粒子の密度を平面内で分布させて付着した後に硬化させることでインピーダンスの分布を構成することができる。通常液晶層における比抵抗の値は非常に大きいため、液晶層はほぼ誘電体層とみなすことができるので、誘電率分布により透明な媒質におけるインピーダンスの分布を構成した場合には、液晶光学デバイスの動作は電圧の周波数にほとんど依存しない。一方、インピーダンスの分布を媒質の比抵抗の分布等を用いて構成した場合には、インピーダンスの分布特性に周波数依存性が生じることになる。この場合には、液晶層に生じる屈折率分布を印加電圧のみならず、駆動電源８０の周波数によっても可変できるという利点がある。
【００３６】
図２に示した構造の液晶光学デバイスにおいて、透明な媒質４１、４２におけるインピーダンスの分布として、半径が５ｍｍの円形領域に図３に示した形状のインピーダンス分布を六次関数を用いて形成した。ここで、透明な媒質の厚みを１５ミクロン（１５要素）とした。インピーダンスの値は厚み方向における１要素での値であり、液晶層を３０ミクロン（２０要素）、ラビング方向として１４０要素の構成でシミュレーションを行った。透明な第１の電極及び第２の電極間に７Ｖｒｍｓの電圧（周波数１ｋＨｚの正弦波）を印加した場合に、ラビング方向に偏光した入射光に対して液晶層３１に生じる光学位相差分布特性のラビング方向の断面図は図４のようになる。ここで、入射光の波長は６３３ｎｍである。図４から、入射光に対する光学位相差分布特性は良好な放物線特性（二次関数）を示し、凸レンズ特性が得られている。二次関数の係数から、凸レンズとしての焦点距離は３９ｃｍ、レンズパワーとして２．６ジオプトリ（１／ｍ）という結果が得られた。
【００３７】
次に、他の実施例について説明する。図２に示した液晶光学デバイスにおいて、軸対称状に分布している透明な媒質のインピーダンス分布の中心が同一であり、中央部と周辺部でそれぞれ異なるインピーダンスの分布を有する液晶光学デバイスの断面図を図５に示す。図５では、透明な媒質４１，４２において、中央部４１ａ、４２ａと周辺部４１ｂ、４２ｂの間が分離しているように示しているが、インピーダンスがこれらの領域間で隙間が生じないように形成することもでき、又連続的に変化するようにすることもできる。
【００３８】
図５に示した構成の液晶光学デバイスにおける透明な媒質４１ａ、４１ｂ、及び４２ａ、４２ｂのインピーダンスの分布特性として、半径が１ｍｍ以内の中央部で凸レンズ特性を有し１ｍｍ〜２ｍｍまでの周辺部で凹レンズ特性を有するように、図６に示すようなインピーダンス分布特性を持たせた液晶光学デバイスを構成した。ここで、透明な媒質の厚みを１５ミクロン、液晶層の厚みを３０ミクロンとしている。又、ネマティック液晶としてＭＬＣ６０８０を使用した。
【００３９】
図６において、透明な電極２１、２２間に７Ｖｒｍｓ（周波数１ｋＨｚの正弦波）の電圧を印加した場合に液晶層に生じる光学位相差分布特性のラビング方向における断面図を図７に示す。図から、半径が１ｍｍ以内の中央部では上に凸の放物線状となり、良好な凸レンズ特性が得られている。一方、半径が１ｍｍ〜２ｍｍまでの周辺部では下に凸の放物線状の位相差分布特性となり、凹レンズ特性が得られている。すなわち、口径が４ｍｍで焦点距離が−２６．６ｃｍ（レンズパワーが−３．８ジオプトリ）の凹レンズの中に口径が２ｍｍで焦点距離が９．４ｃｍ（レンズパワーが１０．６ジオプトリ）の凸レンズが形成されている複合レンズが構成される。このような複合レンズ特性を有し、口径を大きくすることで、たとえば近視用のメガネレンズの中に読書（老眼）用としての凸レンズを有する２重焦点のレンズなどを構成することができる。
【００４０】
さらに、他の実施例について説明する。液晶光学デバイスにおける焦点距離の逆数に対応するレンズパワーの可変範囲を広くするために、図２の構造の液晶光学デバイスにおける液晶層を２層構造とした場合を図８に示す。
【００４１】
図８において、第１の液晶層３１と第２の液晶層３２は透明な絶縁層として７０μｍ厚のガラス板からなる第３の基板１３で分離されている。第１の基板１１及び第２の基板１２は３００μｍ厚のガラス板である。第１の基板１１及び第２の基板１２には透明なＩＴＯ電極２１、２２が形成されており、さらに透明な媒質４１、４２が形成されている。透明な媒質の厚みは１５ミクロンで、液晶層３１、３２の厚みはそれぞれ６０μである。ここで、ネマティック液晶ＭＬＣ６０８０を使用した。透明な媒質のインピーダンスは図９に示すような直径が１ｃｍの円形領域の中心部で最大値をとり、周辺部で最少となるような分布特性が六次関数を用いて形成されている。透明な電極２１と２２の間に周波数が２ｋＨzで２０Ｖｒｍｓの電圧を印加して液晶分子の配向制御を行うと、図１０のような放物線状の光学位相特性となり、凸レンズとしての焦点距離が７２．２ｃｍで、レンズパワーが１．４ジオプトリ（１／ｍ）のレンズ特性が得られた。
【００４２】
媒質のインピーダンスは媒質の誘電率、透磁率、及び比抵抗によりその値が定まるが、ここでは透磁率による効果は非常に小さいとして、インピーダンスとしては主に誘電率と比抵抗の効果について考慮する。透明な媒質の誘電率を分布させた場合と同様に抵抗率を分布させることで、インピーダンスが分布した構成とすることができる。液晶層の抵抗は通常は非常に大きいため、透明な媒質のインピーダンスの分布を比誘電率の分布で構成した場合の特性は印加電圧の周波数に依存しないが、比抵抗の分布も併せて導入した場合には透明な媒質層におけるインピーダンスと液晶層のインピーダンス相互の値に対応して周波数特性が生じる。すなわち、印加電圧の値のみならず駆動電源の周波数を変化することで液晶光学デバイスの特性を可変制御することが可能となる。
【００４３】
透明な媒質におけるインピーダンスの分布を形成する方法として、チタン酸バリウム等の強誘電体の微粒子（ナノ粒子）を分散した溶液をインクジェット法により透明電極面上に形成することができるが、印刷法、拡散法、あるいはナノインプリント法など、様々な手法を用いることができる。又、ガラス基板の代わりにプラスチック板などを使用することができる。
【００４４】
本発明における液晶光学デバイスを液晶レンズとして使用する場合において、第１の基板又は第２の基板又は透明な媒質の少なくとも何れかにレンズ効果を持たせることで、例えばある一定の固定焦点から異なる値の焦点へと可変することができ、全体が一体化したコンパクトなレンズ系を構成することができる。ここで、基板にレンズ効果を持たせるためには、基板の形状が曲面形状となっているものでもよいが、平行平板型で屈折率が軸対称状に分布しているものでもよい。
【００４５】
本発明における前記の実施例で説明したように、透明な媒質としてインピーダンスの分布を形成したエポキシ系の膜等の樹脂系の膜をラビングすることで、特に配向膜を使用しなくても液晶分子に対して配向効果を持たせることができる。又、ポリイミド系の膜のように、さらに配向効果が優れた樹脂系の膜をインピーダンスが分布した特性を有する透明な媒質として使用すると、より安定な分子配向特性を有する液晶光学デバイスを構成することができる。
【００４６】
前記の透明な媒質のインピーダンスの値が液晶光学デバイスの中央から周辺部に対して階段状に、又は連続的に変化するようにすると、液晶層に実効的に加わる電圧の分布形状を階段状に又は連続的に変化させることができる。たとえば放物面状の屈折率分布特性を持たせた場合には、液晶層における電界分布に伴う液晶分子の配向効果を連続的に変化させることで、レンズ効果を有する領域からレンズ効果を有しない領域に連続的にレンズ効果が弱くなるような特性を有する液晶レンズを構成することができる。
【００４７】
本発明における液晶光学デバイスを眼鏡レンズとして使用する場合に、レンズ効果を示す領域の中心、すなわち軸対称のインピーダンス分布の中心が前記透明な第１の基板の中心から周辺部、特に斜め下部のようにずれた位置に配置することで、読書などの場合には凸レンズ状態とし、それ以外では電圧除去による素通し状態もしくは電圧印加によるやや凹レンズ状態とするなどの切り替えを行うことができる遠近両用の眼鏡を構成することができる。インピーダンスが分布している透明な媒質を用いる本発明によると、低電圧で動作する大口径の液晶レンズを構成することができるため、このような遠近両用の眼鏡レンズとして有用である。
【００４８】
前記の実施例では、透明な電極２１、２２と液晶層の間にインピーダンスが分布している透明な媒質として、たとえば誘電率の値が分布している透明な媒質等を配置しているが、透明な媒質として層内で比抵抗の値と誘電率の値がそれぞれ独立して分布している構造とすることもできる。又、比抵抗の値が分布している透明な媒質と誘電率の値が分布している透明な媒質を積層することもできる。さらに、透明な媒質を複数層設けてもよい。インピーダンスの値としては、駆動電源の周波数が高くなると抵抗による成分が支配的となり、一方駆動電源の周波数が低くなると誘電率に依存する成分が支配的となるので、このような構成にすると、駆動電源の周波数を変化することで液晶層に実効的に加わる電圧の分布の形状を変えて様々な光学位相分布特性を有する液晶光学デバイスを構成することができる。
【００４９】
又、本実施例では液晶層を１層、又は２層とした場合について説明したが、さらに多層の液晶層を設けることもできる。液晶層を多層とすることで、実効的な液晶層の厚みを大きくすることができるので、液晶光学デバイスにおける光学特性を大幅に可変することが可能となる。さらに、液晶層を多層に分割することで、液晶層の厚みを実効的に薄くすることができるので、印加電圧に対する応答特性を高速にすることも可能となる。
【００５０】
液晶層を複数層に分割した場合、特に偶数層にしてそれぞれの液晶層におけるラビング方向が互いに直交するように組み合わせることで、自然光すなわち無偏光対応の液晶光学デバイスを構成することが可能となる。
【００５１】
液晶光学デバイスを構成する第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかを複数に分割して、それぞれに異なる値の電圧や異なる周波数の電圧を印加して液晶分子の配向制御を行うことで、光学特性をさらに多様に可変制御することが可能となり、多彩な機能を有する液晶光学デバイスを構成することができる。たとえば、眼鏡レンズとして利用する場合には、乱視補正用の眼鏡等に使用することができる。
【００５２】
又、前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布している領域を複数個配置して、さらに前記の電極を複数に分割して互いに独立した電圧を印加するという手法と組み合わせることで、一つの液晶セル内に多数の光学デバイスを集積し、それぞれを独立した光学デバイスとして機能させることができる。
【００５３】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。又、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【００５４】
さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよく、複数が配列される構成であってもよい。又複眼のような２次元的な配列とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の液晶光学デバイスは、通常の受動型の光学デバイスとは異なり、電極間に電圧を印加して液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、例えばレンズとしての焦点距離等の特性や光学系の収差を調節できるレンズが実現される。したがって、オートフォーカス用のレンズや、拡大レンズ、ズームレンズ、ロボットにおいて視覚機能として用いられる撮像部のレンズなど、さらには口径を大きくすることで遠近両用の眼鏡レンズなど、種々の用途が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、１３・・・ガラス板、２１・・・第１の電極、２２・・・第２の電極、３１・・・液晶層、３２・・・液晶層、４１・・・透明な媒質、４２・・・透明な媒質、５１・・・配向膜、８０・・・駆動電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な構造を有し、低電圧により光学特性を大幅に可変制御できる薄型の液晶光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ネマティック液晶と呼ばれる液晶は、液体のような流動性を持ち、電気光学的特性に異方性を示し、電圧印加により実効的な屈折率を概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特徴を持っており、この特徴を利用することで、種々の電圧可変型の光学デバイスが提案されている。
【０００３】
すなわち、ネマティック液晶セルにおいて、電界の方向に液晶分子が配向する性質を利用したものがある。これは、直径が数１００ミクロンの円形の穴型パターンを有する電極を用いて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果を利用することで、空間的な放物面状の屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法が特許文献１、特許文献２に報告されている。このような口径がミリメートル以下の小さな液晶レンズは液晶マイクロレンズと呼ばれている。
【０００４】
特許文献１、２で提案されている液晶マイクロレンズ構造で、液晶層の厚みを一定として円形穴型パターンの直径を大きくして開口径が大きなレンズを構成すると、電極の開口部により生じる軸対称の不均一電界が開口部の中心付近まで生じないために、レンズ特性を得るために必要な液晶分子の空間配向分布が得られないという問題があった。この有効開口径を大きくする方法として、液晶層を挟む２枚の基板上の電極に設けた円形の開口部に配向膜を介して液晶層に接するように透明な高抵抗の膜を付与することで、高抵抗膜面の電気抵抗による電位分布を利用して開口部の中心部まで電界が生じるようにした構造の液晶レンズが特許文献３で提案されている。
【０００５】
しかしこの方法では、液晶層に面する基板面に設けた抵抗膜による電位分布が液晶分子の配向分布に基づく放物面状の屈折率分布が得られるような所定の電位分布の形状となるように設定することは非常に困難であるため、良好なレンズ特性を保持した状態で広範囲に焦点距離を変化させることはきわめて困難であるという問題があった。
【０００６】
又、特許文献１、で提案されている液晶マイクロレンズに類似した構造で、開口部を有する電極を液晶層に接触させずに、液晶層からある一定の距離を置くように配置することで、電極の開口部分の直径を大きくしても、軸対称の不均一電界が開口部の中心付近まで生じるようにすることが可能となる。この原理に基づき、液晶層と円形の穴型パターン電極との間に絶縁層を挿入することで、液晶層から前記円形の穴形電極との距離を保持する方法が提案されており(特許文献４、非特許文献１、２)、液晶マイクロレンズにおいて最良の特性が得られる円形穴型パターンの直径と液晶層の厚みの比が２対１から３対１程度とする必要があるという条件が緩和され、直径が大きな液晶レンズを構成できることが示されている。
【０００７】
さらに、液晶層と円形の穴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、円形穴型パターン電極の外部又は円形パターン電極内に透明な第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５に報告されている。
【０００８】
しかし、特許文献４、５で提案されている液晶層と円形穴型パターン電極の間に距離を設定するために絶縁層を設けた構造では、液晶層と電極との間に配置した絶縁層のために駆動電圧が高くなるという問題があり、特に開口部が大きいレンズを得るためには絶縁層の厚みがさらに厚くなって高電圧が必要とされるため口径が大きいレンズを得ることが困難であるという問題があり、絶縁層の厚みのために液晶レンズ全体の厚みを薄くすることができないという問題があった。
【０００９】
この問題を解決するために、透明絶縁層の中に透明な高抵抗層として高抵抗の液体層又は高抵抗の薄膜等を設けて電位分布を中継すること、すなわち高抵抗膜面の電位分布を利用して軸対称の不均一電界が中心部まで生じるようにした構造とすることで透明絶縁層の実効的な厚みを薄くして、その結果として駆動電圧を低下する方法が特許文献６及び非特許文献３、４に報告されている。
【００１０】
しかし、透明絶縁層の中に透明高抵抗層を挿入した場合には、透明絶縁層基板が少なくとも２枚必要となり、製造工程が複雑となること及び全体としての厚みを薄くすることができないという問題があった。さらに、不均一電界による液晶分子の配向効果が液晶層の全域に及んでいないために、液晶層における実効的な屈折率の可変範囲すなわち焦点の可変範囲を広くできないという問題があった。
【００１１】
又、液晶層に屈折率分布を形成する方法として、ストライプ状又はリング状の電極を設けて各々の電極に所定の電圧を印加して液晶分子の配向制御をおこなう方法が特許文献７に開示されている。
この方法では電位分布が階段状となること、又電極構造や駆動電圧の印加方法等が複雑になるという問題があった。
【００１２】
一方、透明電極と液晶層の間にレンズの形状をした誘電体を挿入することで液晶層に軸対称の電位分布を生じさせ、液晶分子の配向効果に基づく屈折率分布を得るという方法が特許文献８に開示されている。
【００１３】
この方法によると、開口径が大きな焦点可変レンズを構成することができるが、誘電体の厚みにより駆動電圧が高くなるという問題があり、さらに液晶レンズと誘電体によるレンズ効果が重畳されることで収差が生じるため光学特性が悪化するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１１−１０９３０３号公報
【特許文献２】特開平１１−１０９３０４号公報
【特許文献３】特開２００３−２９００１号公報
【特許文献４】特開２００４−４６１６号公報
【特許文献５】特開２００６−９１８２６号公報
【特許文献６】特開２００８−２０３３６０号公報
【特許文献７】特開２００６−１４５９５７号公報
【特許文献８】特開２００５−１１５２６６号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】葉茂、佐藤進（M.Ye and S.Sato),「任意寸法の液晶レンズの光学的特性（Optical properties of liquid crystal lens of any size）」第４９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、２００２年３月、２８ｐ-Ｘ-１０, Ｐ．１２７７
【非特許文献２】葉茂、佐藤進（M.Ye and S.Sato),「任意寸法の液晶レンズの光学的特性（Optical properties of liquid crystal lens of any size）」，Japanese Journal of Applied Physics, ２００２年５月、Vol. 41, No.5, P.L571-L573
【非特許文献３】葉茂, 王濱, 佐藤進：液晶レンズの低電圧駆動法の研究，２００７年日本液晶学会討論会講演予稿集、２００７年９月、２ｐＣ０１
【非特許文献４】葉茂、王濱、山口真紀、佐藤進（M.Ye, B.Wang, M.Yamaguchi and S.Sato），「低導電性薄膜を用いた液晶レンズにおける駆動電圧の低下（Lowering Driving Voltages for Liquid Crystal Lens Using Weakly Conductive Thin Film）」, Japanese Journal of Applied Physics, ２００８年６月、Vol. 47, No. 6, pp.4597-4599
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこでこの発明の目的は、上記問題を解決し、低電圧で安定に駆動でき、光学特性を効率よく可変制御できる薄型の液晶光学デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明は、上記の課題を解決するために、その基本として、透明な第１の電極と、透明な第２の電極との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を加えて液晶分子の配向制御を行なうことで動作する液晶光学デバイスにおいて、前記第１の電極及び第２の電極の少なくとも一つの電極と前記液晶層との間に透明な媒質を配置し、前記透明な媒質のインピーダンスが面内で分布を形成し、前記液晶層に加わる電圧が連続的に又は階段状に変化することで生じる実効的な屈折率分布を利用することを特徴とする。
【００１８】
前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布していてもよく、前記軸対称状に分布しているインピーダンスが軸対称の中心から半径方向に増加し、極大値を取ったのち減少するか、又は半径方向に減少し極小値を取ったのち増加するような分布形状とすることもでき、さらに前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布している領域を複数個配置することもできる。
【００１９】
前記透明な媒質のインピーダンスに関る比誘電率の値と比抵抗の値もしくは抵抗値の分布形状がそれぞれ独立に変化していてもよく、前記インピーダンスに関る比誘電率の値が分布している媒体層と比抵抗の値もしくは抵抗値が分布している媒体層から構成することもできる。
【００２０】
前記透明な媒質におけるインピーダンスの分布形成手段は、その粒径が前記液晶光学デバイスの透明度に影響を与えない程度に小さな粒子の密度分布により形成されており、又前記透明なインピーダンス層を形成後に平坦化処理を行うことができ、さらに前記透明な媒質が液晶分子に対する配向効果を有していてもよい。
【００２１】
又、前記液晶層が透明な絶縁層により分割され、複数の液晶層から構成されていてもよく、前記透明な媒質又は第１の電極を有する第１の基板又は第２の電極を有する第２の基板の少なくとも何れかにレンズ効果を持たせることができ、インピーダンスが軸対称状に分布している領域の中心が前記透明な第１の基板又は第２の基板の中心から周辺部にずれた位置とすることもできる。
【００２２】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に加える電圧の値及びその周波数の少なくともいずれかを可変して液晶分子の配向制御を行うことができ、又前記第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかが複数に分割され、それぞれに異なる電圧値及び周波数の電圧を印加して液晶分子の配向制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
上記の手段により、簡単な構造であって、従来の如く機械的に前後移動させるような動作を伴うことなく、低電圧により駆動することができる薄型の光学デバイスを実現し得る。又、光学デバイスの口径を大きくしても低電圧で大幅に効率よく光学特性を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明に係る液晶光学デバイスの実施の形態を示す構成説明図である。
【図２】図２は、本発明に係る液晶光学デバイスの具体的な実施の形態を示す構成図であり、同一のインピーダンス分布特性を有する透明な媒質からなる層を２層対称構造に配置した液晶光学デバイスの断面図である。
【図３】図３は、図２に示した構成の液晶光学デバイスにおいて、透明な媒質４１及び４２のインピーダンスの分布特性である。
【図４】図４は、図２に示した構成の液晶光学デバイスにおいて、透明電極２１、２２間に駆動電源８０から７Ｖｒｍｓ（周波数１ｋＨｚ）の電圧を印加した場合に液晶層３１に生じる光学位相分布特性をシミュレーションにより求めた結果である。
【図５】図５は、本発明に係る液晶光学デバイスの他の実施の形態を示す構成説明図であり、軸対称に分布している透明な媒質４１、４２のインピーダンス分布の中心が同一であり、中央部と周辺部でそれぞれ異なるインピーダンスの分布を有する液晶光学デバイスの断面図である。
【図６】図６は、図５に示した構成の液晶光学デバイスにおける透明な媒質４１ａ、４１ｂ、及び４２ａ、４２ｂのインピーダンスの分布が中央部で凸レンズ特性を有し周辺部で凹レンズ特性を有するように構成した場合のインピーダンス分布特性である。
【図７】図７は図５に示した構成の液晶光学デバイスの透明電極２１、２２間に駆動電源８０から７Ｖｒｍｓ（周波数１ｋＨｚ）の電圧を印加した場合に液晶層３１に生じる光学位相分布特性をシミュレーションにより求めた結果である。
【図８】図８は、本発明に係る液晶光学デバイスのさらに他の実施の形態を示す構成説明図であり、液晶層を２層有する対称構造の液晶光学デバイスの断面図である。
【図９】図９は、図８に示した構成の液晶光学デバイスにおいて、透明な媒質４１及び４２のインピーダンスの分布特性である。
【図１０】図１０は、図８に示した構成の液晶光学デバイスにおいて、透明電極２１、２２間に駆動電源８０から２０Ｖｒｍｓ（周波数２ｋＨｚ）の電圧を印加した場合に液晶層３１、３２に生じる光学位相分布特性をシミュレーションにより求めた結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下この発明の実施の形態を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。
【実施例】
【００２６】
図１はこの発明の一実施の形態による液晶光学デバイスの基本構成を断面から見た構成を示している。第１の基板１１に透明な第１の電極２１が形成され、さらに液晶分子を一方向に配向させる効果を有するポリイミド膜などの配向膜５１が配置されている。第２の基板１２に透明な第２の電極２２が形成され、さらに透明な媒質４１が形成される。第１の基板１１と第２の基板１２を所定の厚みを保つための図示されていないスペーサを介し透明な第１の電極２１と第２の電極２２が対向するように重ね合わせ、配向膜５１と透明な媒質４１の間には、液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１を備える。
【００２７】
前記配向膜５１及び透明な媒質４１の前記液晶層３１に接する面にはラビングと呼ばれる布等により一方向に摩擦する処理を行うことで、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタをラビング方向に一方向に且つプレティルト角と呼ばれる基板面から１〜２度程度傾いた角度をなしてラビング方向に揃った配向状態となっている。ここでは透明な媒質４１が液晶分子に対する配向機能を有している場合を想定しているが、透明な媒質４１の上にさらに配向膜を塗布した後ラビング等の配向処理を行ってもよい。
【００２８】
前記透明な媒質のインピーダンスは軸対称の中心部で最も大きく、半径方向に連続的に減少するように形成されており、透明電極２１と２２の間には液晶分子配向のしきい電圧よりも大きな電圧が加えられる。
【００２９】
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電圧を加えると、液晶層３１に加わる実効電圧は軸対称の中心部で最も低く、半径方向で増加するような分布となる。液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタは、配向膜５１及び透明な媒質４１に施したラビングにより生じたアンカリングと呼ばれる配向規制力による効果と電界による配向効果が釣り合った状態まで基板面から立ち上がる効果を受ける。したがって、液晶層に加わる実効電圧が小さい領域すなわち透明な媒質のインピーダンスが大きい軸対称の中心付近ではダイレクタが基板面から立ち上がる角度が小さい状態で配向しているが、透明な媒質のインピーダンスが小さい軸対称の周辺部になるに従って実効電圧が大きくなるため基板面に対して大きな角度で立ち上がることになる。
【００３０】
液晶のダイレクタが基板面に対して立ち上がるに従ってラビング方向に偏光した入射光に対する実効的な屈折率が小さくなるため、図１に示したインピーダンスが軸対称に分布している構造の液晶光学デバイスでは、軸対称の中心部から周辺部に向かうに従って実効的な屈折率が減少するような屈折率分布を示すことになる。この実効的な屈折率の分布特性が放物面（二次関数）状になるとラビング方向に偏光した入射光に対して凸レンズ特性が得られる。駆動電源８０から供給される印加電圧やその周波数を可変することで、液晶層に加わる実効的な電圧が変化するため、液晶光学デバイスにおける光学特性を可変制御することができる。
【００３１】
特にこの液晶光学デバイスでは、透明な媒質４１のインピーダンスの分布を種々調整することで、複雑な屈折率分布特性を有する光学デバイスを構成することが可能である。
【００３２】
次に、具体的な実施例について説明する。図２に示すように図１における透明な媒質４１を液晶層３１の両側の対称の位置に配置することもできる。このような配置にすると、液晶層に対するインピーダンスの分布による効果が大きく反映され、又液晶層における分子配向の乱れによる光学特性の劣化等が少なくなるという効果が得られる。
【００３３】
図２において、透明な第１の基板１１及び第２の基板１２は３００μｍ厚のガラス板であり、各基板の液晶層３１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及び透明な第２の電極１２が形成され、さらに透明な媒質４１及び４２が形成されている。
【００３４】
前記透明な媒質４１，４２として、エポキシ系接着剤の中に強誘電体であるチタン酸バリウムの微粒子（ナノ粒子）を分散した溶液を用い、インクジェット方式によりその密度が中心部で大きく、半径方向で小さくなるような軸対称状の分布となるようにＩＴＯ透明電極面上に付着させ、重合硬化処理を行った。さらに、表面に平坦化処理を行った後にラビング処理を行い、液晶セルの基板とした。この液晶セル基板２枚と液晶層３１を所定の厚みに保つために図示していない直径が６０μｍの球状スペーサを分散した接着剤を用いて液晶光学デバイスを構成した。又、図示していないが各基板の周辺部等は接着剤により液晶が封止されている。液晶層３１の液晶材料としてはＺＬＩ６０８０（メルクジャパン社製）を使用した。
【００３５】
透明な媒質におけるインピーダンス分布を形成するためには、透明な媒質の誘電率を調整してもよいが、抵抗値又は比抵抗の値を調整することもできる。たとえば、ＩＴＯの微粒子（ナノ粒子）などの導電性微粒子を分散した樹脂系の溶液（三菱マテリアル社製ＴＷＨ-１）を用いて、インクジェット法により微粒子の密度を平面内で分布させて付着した後に硬化させることでインピーダンスの分布を構成することができる。通常液晶層における比抵抗の値は非常に大きいため、液晶層はほぼ誘電体層とみなすことができるので、誘電率分布により透明な媒質におけるインピーダンスの分布を構成した場合には、液晶光学デバイスの動作は電圧の周波数にほとんど依存しない。一方、インピーダンスの分布を媒質の比抵抗の分布等を用いて構成した場合には、インピーダンスの分布特性に周波数依存性が生じることになる。この場合には、液晶層に生じる屈折率分布を印加電圧のみならず、駆動電源８０の周波数によっても可変できるという利点がある。
【００３６】
図２に示した構造の液晶光学デバイスにおいて、透明な媒質４１、４２におけるインピーダンスの分布として、半径が５ｍｍの円形領域に図３に示した形状のインピーダンス分布を六次関数を用いて形成した。ここで、透明な媒質の厚みを１５ミクロン（１５要素）とした。インピーダンスの値は厚み方向における１要素での値であり、液晶層を３０ミクロン（２０要素）、ラビング方向として１４０要素の構成でシミュレーションを行った。透明な第１の電極及び第２の電極間に７Ｖｒｍｓの電圧（周波数１ｋＨｚの正弦波）を印加した場合に、ラビング方向に偏光した入射光に対して液晶層３１に生じる光学位相差分布特性のラビング方向の断面図は図４のようになる。ここで、入射光の波長は６３３ｎｍである。図４から、入射光に対する光学位相差分布特性は良好な放物線特性（二次関数）を示し、凸レンズ特性が得られている。二次関数の係数から、凸レンズとしての焦点距離は３９ｃｍ、レンズパワーとして２．６ジオプトリ（１／ｍ）という結果が得られた。
【００３７】
次に、他の実施例について説明する。図２に示した液晶光学デバイスにおいて、軸対称状に分布している透明な媒質のインピーダンス分布の中心が同一であり、中央部と周辺部でそれぞれ異なるインピーダンスの分布を有する液晶光学デバイスの断面図を図５に示す。図５では、透明な媒質４１，４２において、中央部４１ａ、４２ａと周辺部４１ｂ、４２ｂの間が分離しているように示しているが、インピーダンスがこれらの領域間で隙間が生じないように形成することもでき、又連続的に変化するようにすることもできる。
【００３８】
図５に示した構成の液晶光学デバイスにおける透明な媒質４１ａ、４１ｂ、及び４２ａ、４２ｂのインピーダンスの分布特性として、半径が１ｍｍ以内の中央部で凸レンズ特性を有し１ｍｍ〜２ｍｍまでの周辺部で凹レンズ特性を有するように、図６に示すようなインピーダンス分布特性を持たせた液晶光学デバイスを構成した。ここで、透明な媒質の厚みを１５ミクロン、液晶層の厚みを３０ミクロンとしている。又、ネマティック液晶としてＭＬＣ６０８０を使用した。
【００３９】
図６において、透明な電極２１、２２間に７Ｖｒｍｓ（周波数１ｋＨｚの正弦波）の電圧を印加した場合に液晶層に生じる光学位相差分布特性のラビング方向における断面図を図７に示す。図から、半径が１ｍｍ以内の中央部では上に凸の放物線状となり、良好な凸レンズ特性が得られている。一方、半径が１ｍｍ〜２ｍｍまでの周辺部では下に凸の放物線状の位相差分布特性となり、凹レンズ特性が得られている。すなわち、口径が４ｍｍで焦点距離が−２６．６ｃｍ（レンズパワーが−３．８ジオプトリ）の凹レンズの中に口径が２ｍｍで焦点距離が９．４ｃｍ（レンズパワーが１０．６ジオプトリ）の凸レンズが形成されている複合レンズが構成される。このような複合レンズ特性を有し、口径を大きくすることで、たとえば近視用のメガネレンズの中に読書（老眼）用としての凸レンズを有する２重焦点のレンズなどを構成することができる。
【００４０】
さらに、他の実施例について説明する。液晶光学デバイスにおける焦点距離の逆数に対応するレンズパワーの可変範囲を広くするために、図２の構造の液晶光学デバイスにおける液晶層を２層構造とした場合を図８に示す。
【００４１】
図８において、第１の液晶層３１と第２の液晶層３２は透明な絶縁層として７０μｍ厚のガラス板からなる第３の基板１３で分離されている。第１の基板１１及び第２の基板１２は３００μｍ厚のガラス板である。第１の基板１１及び第２の基板１２には透明なＩＴＯ電極２１、２２が形成されており、さらに透明な媒質４１、４２が形成されている。透明な媒質の厚みは１５ミクロンで、液晶層３１、３２の厚みはそれぞれ６０μである。ここで、ネマティック液晶ＭＬＣ６０８０を使用した。透明な媒質のインピーダンスは図９に示すような直径が１ｃｍの円形領域の中心部で最大値をとり、周辺部で最少となるような分布特性が六次関数を用いて形成されている。透明な電極２１と２２の間に周波数が２ｋＨzで２０Ｖｒｍｓの電圧を印加して液晶分子の配向制御を行うと、図１０のような放物線状の光学位相特性となり、凸レンズとしての焦点距離が７２．２ｃｍで、レンズパワーが１．４ジオプトリ（１／ｍ）のレンズ特性が得られた。
【００４２】
媒質のインピーダンスは媒質の誘電率、透磁率、及び比抵抗によりその値が定まるが、ここでは透磁率による効果は非常に小さいとして、インピーダンスとしては主に誘電率と比抵抗の効果について考慮する。透明な媒質の誘電率を分布させた場合と同様に抵抗率を分布させることで、インピーダンスが分布した構成とすることができる。液晶層の抵抗は通常は非常に大きいため、透明な媒質のインピーダンスの分布を比誘電率の分布で構成した場合の特性は印加電圧の周波数に依存しないが、比抵抗の分布も併せて導入した場合には透明な媒質層におけるインピーダンスと液晶層のインピーダンス相互の値に対応して周波数特性が生じる。すなわち、印加電圧の値のみならず駆動電源の周波数を変化することで液晶光学デバイスの特性を可変制御することが可能となる。
【００４３】
透明な媒質におけるインピーダンスの分布を形成する方法として、チタン酸バリウム等の強誘電体の微粒子（ナノ粒子）を分散した溶液をインクジェット法により透明電極面上に形成することができるが、印刷法、拡散法、あるいはナノインプリント法など、様々な手法を用いることができる。又、ガラス基板の代わりにプラスチック板などを使用することができる。
【００４４】
本発明における液晶光学デバイスを液晶レンズとして使用する場合において、第１の基板又は第２の基板又は透明な媒質の少なくとも何れかにレンズ効果を持たせることで、例えばある一定の固定焦点から異なる値の焦点へと可変することができ、全体が一体化したコンパクトなレンズ系を構成することができる。ここで、基板にレンズ効果を持たせるためには、基板の形状が曲面形状となっているものでもよいが、平行平板型で屈折率が軸対称状に分布しているものでもよい。
【００４５】
本発明における前記の実施例で説明したように、透明な媒質としてインピーダンスの分布を形成したエポキシ系の膜等の樹脂系の膜をラビングすることで、特に配向膜を使用しなくても液晶分子に対して配向効果を持たせることができる。又、ポリイミド系の膜のように、さらに配向効果が優れた樹脂系の膜をインピーダンスが分布した特性を有する透明な媒質として使用すると、より安定な分子配向特性を有する液晶光学デバイスを構成することができる。
【００４６】
前記の透明な媒質のインピーダンスの値が液晶光学デバイスの中央から周辺部に対して階段状に、又は連続的に変化するようにすると、液晶層に実効的に加わる電圧の分布形状を階段状に又は連続的に変化させることができる。たとえば放物面状の屈折率分布特性を持たせた場合には、液晶層における電界分布に伴う液晶分子の配向効果を連続的に変化させることで、レンズ効果を有する領域からレンズ効果を有しない領域に連続的にレンズ効果が弱くなるような特性を有する液晶レンズを構成することができる。
【００４７】
本発明における液晶光学デバイスを眼鏡レンズとして使用する場合に、レンズ効果を示す領域の中心、すなわち軸対称のインピーダンス分布の中心が前記透明な第１の基板の中心から周辺部、特に斜め下部のようにずれた位置に配置することで、読書などの場合には凸レンズ状態とし、それ以外では電圧除去による素通し状態もしくは電圧印加によるやや凹レンズ状態とするなどの切り替えを行うことができる遠近両用の眼鏡を構成することができる。インピーダンスが分布している透明な媒質を用いる本発明によると、低電圧で動作する大口径の液晶レンズを構成することができるため、このような遠近両用の眼鏡レンズとして有用である。
【００４８】
前記の実施例では、透明な電極２１、２２と液晶層の間にインピーダンスが分布している透明な媒質として、たとえば誘電率の値が分布している透明な媒質等を配置しているが、透明な媒質として層内で比抵抗の値と誘電率の値がそれぞれ独立して分布している構造とすることもできる。又、比抵抗の値が分布している透明な媒質と誘電率の値が分布している透明な媒質を積層することもできる。さらに、透明な媒質を複数層設けてもよい。インピーダンスの値としては、駆動電源の周波数が高くなると抵抗による成分が支配的となり、一方駆動電源の周波数が低くなると誘電率に依存する成分が支配的となるので、このような構成にすると、駆動電源の周波数を変化することで液晶層に実効的に加わる電圧の分布の形状を変えて様々な光学位相分布特性を有する液晶光学デバイスを構成することができる。
【００４９】
又、本実施例では液晶層を１層、又は２層とした場合について説明したが、さらに多層の液晶層を設けることもできる。液晶層を多層とすることで、実効的な液晶層の厚みを大きくすることができるので、液晶光学デバイスにおける光学特性を大幅に可変することが可能となる。さらに、液晶層を多層に分割することで、液晶層の厚みを実効的に薄くすることができるので、印加電圧に対する応答特性を高速にすることも可能となる。
【００５０】
液晶層を複数層に分割した場合、特に偶数層にしてそれぞれの液晶層におけるラビング方向が互いに直交するように組み合わせることで、自然光すなわち無偏光対応の液晶光学デバイスを構成することが可能となる。
【００５１】
液晶光学デバイスを構成する第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかを複数に分割して、それぞれに異なる値の電圧や異なる周波数の電圧を印加して液晶分子の配向制御を行うことで、光学特性をさらに多様に可変制御することが可能となり、多彩な機能を有する液晶光学デバイスを構成することができる。たとえば、眼鏡レンズとして利用する場合には、乱視補正用の眼鏡等に使用することができる。
【００５２】
又、前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布している領域を複数個配置して、さらに前記の電極を複数に分割して互いに独立した電圧を印加するという手法と組み合わせることで、一つの液晶セル内に多数の光学デバイスを集積し、それぞれを独立した光学デバイスとして機能させることができる。
【００５３】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。又、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【００５４】
さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよく、複数が配列される構成であってもよい。又複眼のような２次元的な配列とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の液晶光学デバイスは、通常の受動型の光学デバイスとは異なり、電極間に電圧を印加して液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、例えばレンズとしての焦点距離等の特性や光学系の収差を調節できるレンズが実現される。したがって、オートフォーカス用のレンズや、拡大レンズ、ズームレンズ、ロボットにおいて視覚機能として用いられる撮像部のレンズなど、さらには口径を大きくすることで遠近両用の眼鏡レンズなど、種々の用途が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、１３・・・ガラス板、２１・・・第１の電極、２２・・・第２の電極、３１・・・液晶層、３２・・・液晶層、４１・・・透明な媒質、４２・・・透明な媒質、５１・・・配向膜、８０・・・駆動電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な第１の電極と、透明な第２の電極との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を加えて液晶分子の配向制御を行なうことで動作する液晶光学デバイスにおいて、前記第１の電極及び第２の電極の少なくとも一つの電極と前記液晶層との間に透明な媒質を配置し、前記透明な媒質のインピーダンスが面内で分布を形成し、前記液晶層に加わる電圧が連続的に又は階段状に変化することで生じる実効的な屈折率分布を利用することを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項２】
前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布していることを特徴とする請求項１に記載の液晶光学デバイス。
【請求項３】
前記軸対称状に分布しているインピーダンスが軸対称の中心から半径方向に増加し、極大値を取ったのち減少するか、又は半径方向に減少し極小値を取ったのち増加するような分布形状を取ることを特徴とする請求項２に記載の液晶光学デバイス。
【請求項４】
前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布している領域が複数個あることを特徴とする請求項２又は３に記載の液晶光学デバイス。
【請求項５】
前記透明な媒質のインピーダンスに関る比誘電率の値と比抵抗の値もしくは抵抗値の分布形状がそれぞれ独立に変化していることを特徴とする請求項１ないし４に記載の液晶光学デバイス。
【請求項６】
前記透明な媒質が、前記インピーダンスに関る比誘電率の値が分布している媒体層と比抵抗の値もしくは抵抗値が分布している媒体層からなることを特徴とする請求項１ないし５に記載の液晶光学デバイス。
【請求項７】
前記透明な媒質におけるインピーダンスの分布形成手段は、その粒径が前記液晶光学デバイスの透明度に影響を与えない程度に小さな粒子の密度分布により形成されていることを特徴とする請求項１ないし６に記載の液晶光学デバイス。
【請求項８】
前記透明な媒質からなる層を形成後に平坦化処理を行うことを特徴とする請求項１ないし７に記載の液晶光学デバイス。
【請求項９】
前記透明な媒質が液晶分子に対する配向効果を有することを特徴とする請求項１ないし８に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１０】
前記液晶層が透明な絶縁層により分割されており、複数の液晶層からなることを特徴とする請求項１ないし９に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１１】
前記透明な媒質又は第１の電極を有する第１の基板又は第２の電極を有する第２の基板の少なくとも何れかがレンズ効果を有することを特徴とする請求項１ないし１０に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１２】
前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布している領域の中心が前記透明な第１の基板又は第２の基板の中心から周辺部にずれた位置に有ることを特徴とする請求項１ないし１１に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１３】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に加える電圧の値及びその周波数の少なくともいずれかを可変して液晶分子の配向制御を行うことで動作することを特徴とする請求項１ないし１２に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１４】
前記第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかが複数に分割され、それぞれに異なる値の電圧及び周波数の電圧を印加して液晶分子の配向制御を行うことで動作することを特徴とする請求項１ないし１３に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１】
透明な第１の電極と、透明な第２の電極との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を加えて液晶分子の配向制御を行なうことで動作する液晶光学デバイスにおいて、前記第１の電極及び第２の電極の少なくとも一つの電極と前記液晶層との間に透明な媒質を配置し、前記透明な媒質のインピーダンスが面内で分布を形成し、前記液晶層に加わる電圧が連続的に又は階段状に変化することで生じる実効的な屈折率分布を利用することを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項２】
前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布していることを特徴とする請求項１に記載の液晶光学デバイス。
【請求項３】
前記軸対称状に分布しているインピーダンスが軸対称の中心から半径方向に増加し、極大値を取ったのち減少するか、又は半径方向に減少し極小値を取ったのち増加するような分布形状を取ることを特徴とする請求項２に記載の液晶光学デバイス。
【請求項４】
前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布している領域が複数個あることを特徴とする請求項２又は３に記載の液晶光学デバイス。
【請求項５】
前記透明な媒質のインピーダンスに関る比誘電率の値と比抵抗の値もしくは抵抗値の分布形状がそれぞれ独立に変化していることを特徴とする請求項１ないし４に記載の液晶光学デバイス。
【請求項６】
前記透明な媒質が、前記インピーダンスに関る比誘電率の値が分布している媒体層と比抵抗の値もしくは抵抗値が分布している媒体層からなることを特徴とする請求項１ないし５に記載の液晶光学デバイス。
【請求項７】
前記透明な媒質におけるインピーダンスの分布形成手段は、その粒径が前記液晶光学デバイスの透明度に影響を与えない程度に小さな粒子の密度分布により形成されていることを特徴とする請求項１ないし６に記載の液晶光学デバイス。
【請求項８】
前記透明な媒質からなる層を形成後に平坦化処理を行うことを特徴とする請求項１ないし７に記載の液晶光学デバイス。
【請求項９】
前記透明な媒質が液晶分子に対する配向効果を有することを特徴とする請求項１ないし８に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１０】
前記液晶層が透明な絶縁層により分割されており、複数の液晶層からなることを特徴とする請求項１ないし９に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１１】
前記透明な媒質又は第１の電極を有する第１の基板又は第２の電極を有する第２の基板の少なくとも何れかがレンズ効果を有することを特徴とする請求項１ないし１０に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１２】
前記透明な媒質のインピーダンスが軸対称状に分布している領域の中心が前記透明な第１の基板又は第２の基板の中心から周辺部にずれた位置に有ることを特徴とする請求項１ないし１１に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１３】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に加える電圧の値及びその周波数の少なくともいずれかを可変して液晶分子の配向制御を行うことで動作することを特徴とする請求項１ないし１２に記載の液晶光学デバイス。
【請求項１４】
前記第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかが複数に分割され、それぞれに異なる値の電圧及び周波数の電圧を印加して液晶分子の配向制御を行うことで動作することを特徴とする請求項１ないし１３に記載の液晶光学デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−９９９９９（Ｐ２０１１−９９９９９Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５４８０４（Ｐ２００９−２５４８０４）
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【出願人】（３０００５３５５３）スカラ株式会社 (41)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【出願人】（３０００５３５５３）スカラ株式会社 (41)
【Ｆターム（参考）】
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