液晶光学デバイス
【課題】低電圧および広い周波数範囲で安定に駆動することができ、滑らかで連続的な光学位相差特性を有し良好な光学特性を持つ液晶光学デバイスを実現する。
【解決手段】透明な電極２１を有する第１の基板１１、透明な電極を有する第２の基板１２の問に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１を備え、少なくとも一方の基板面における電極は所定の電圧に保持された複数のパターン電極群から形成され、前記液晶層の実効的な屈折率の分布を可変調整することで動作する液晶光学デバイスであって、複数の透明なパターン電極と前記液晶層の間に透明な絶縁層及び透明なインピーダンス層による二重層を配置する。
【解決手段】透明な電極２１を有する第１の基板１１、透明な電極を有する第２の基板１２の問に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１を備え、少なくとも一方の基板面における電極は所定の電圧に保持された複数のパターン電極群から形成され、前記液晶層の実効的な屈折率の分布を可変調整することで動作する液晶光学デバイスであって、複数の透明なパターン電極と前記液晶層の間に透明な絶縁層及び透明なインピーダンス層による二重層を配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な構造で、滑らかな屈折率分布特性を有し低電圧により光学特性を可変調整できる薄型の液晶光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
特に、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す液晶の中で、ネマティック液晶は比較的低い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液晶レンズ等の光学デバイスが提案されている。
【０００３】
液晶を使用したレンズとして、透明絶縁層により円形の開口部を有するパターン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して良好なレンズ効果を発揮する方法が提案されており（特許文献１）、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。
【０００４】
また、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２に報告されている。
【０００５】
さらに、円形の開口部を有するパターン電極と液晶層の間に透明な絶縁層と透明な高抵抗薄膜を設けることで、より低電圧で駆動できる液晶レンズが非特許文献１に報告されている。
【０００６】
しかし、前記特許文献２、及び非特許文献１で報告されている液晶レンズは良好な光学特性を得ることができるが、最適な光学特性を得るために必要な駆動電圧の周波数依存性が非常に大きく、駆動電圧の周波数がごく狭い範囲に限定されることが難点である。
【０００７】
一方、同心円状に間隔を空けて配置された複数の輪帯（円帯と称しても良い）状（以下は輪帯状と称する）の電極パターンと平板状の電極の間に液晶層を挿入し、前記複数の電極パターンに電圧を加えることで液晶分子の配向制御を行い、入射光に対する液晶の実効的な屈折率を可変することで低電圧で動作する液晶光学デバイスが特許文献３及び特許文献４に開示されている。
【０００８】
これらの複数の輪帯状のパターン電極を用いる液晶光学デバイスでは、液晶層に加わる電圧が階段状もしくは傾斜を含む階段状となるなど、連続的で滑らかな電位分布にならないため、屈折率分布が同様に階段状もしくは傾斜を含む階段状のように不連続な特性となることから、良好な光学特性を有する液晶光学デバイスを構成することが困難であるという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−４６１６号公報
【特許文献２】特開２００８−２０３３６０号公報
【特許文献３】特許第３０４７０８２号公報
【特許文献４】特開２００４−３３４０２８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】葉茂、王濱、内田勝、梁瀬智、高橋慎吾、山口真紀、佐藤進（Ｍ．Ｙｅ，Ｂ．Ｗａｎｇ，Ｍ．Ｕｃｈｉｄａ，Ｓ．Ｙａｎａｓｅ，Ｍ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｓ．Ｓａｔｏ），「低電圧駆動液晶レンズ（Ｌｏｗ−Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｌｅｎｓ）」，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１０年１０月、Ｖｏｌ．４９，ｐｐ．１００２０４−１−３（２０１０）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこでこの発明の目的は、上記問題を解決し、低電圧で動作し、連続的で滑らかな屈折率分布及び良好な光学的特性を有し、また駆動電圧の周波数依存性が小さい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】
【００１２】
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、透明な電極を有する第１の基板、透明な電極を有する第２の基板の間に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層を備え、少なくとも一方の基板面における電極は所定の電圧に保持された複数の透明なパターン電極群から形成され、前記液晶層の実効的な屈折率の分布を可変調整することで動作する液晶光学デバイスであって、前記複数の透明なパターン電極群と前記液晶層の間に透明な絶縁層及び透明なインピーダンス層による二重層を配置されていることを特徴とする。
【００１３】
前記液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層が複数の領域に分割されていてもよく、前記複数の領城に分割されている透明なインピーダンス層が異なるインピーダンス値を有してもよい。
【００１４】
また、前記液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層として抵抗層や強誘電体層を使用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
上記の手段により、液晶及び複数の透明なパターン電極群を有する液晶光学デバイスにおいて、前記複数の透明なパターン電極群による不連続な電位分布に基づく不連続な、または階段状の屈折率分布特性を滑らかで連続的な分布とすることができ、簡単な構造であって前後移動等の機械的な可動部を持たず、電気的制御により光学特性を大幅に効率よく可変することができる液晶光学デバイスを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（Ａ）は、本発明に係る液晶光学デバイスの一実施の形態を示す構成説明図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の第２の基板および電極群２２０〜２３０の平面図である。
【図２】図２は、液晶光学デバイスに印加する電圧の直径方向での変化の一例を示す。ここで、電圧は液晶のしきい電圧で正規化された値である。
【図３】図３は、電極群２２０〜２３０に対してそれぞれ図２に示した電圧値となるような電圧を与えた場合に、透明絶縁層および透明インピーダンス層がない液晶光学デバイスにおける液晶層に生じる光学位相差分布の断面図である。
【図４】図４は、電極群２２０〜２３０に対してそれぞれ図２に示した電圧値となるような電圧を与えた場合に、透明絶縁層および透明インピーダンス層として透明高抵抗層を付与した液晶光学デバイスにおける液晶層に生じる光学位相差分布の断面図である。
【図５】図５は、図２に示した電圧値を与えた場合に、透明絶縁層および透明インピーダンス層として透明強誘電体層を付与した液晶光学デバイスにおける液晶層に生じる光学位相差分布の断面図である。
【図６】図６は、同一の基板上に複数の液晶光学デバイスを組み込んだ場合の例として、同一の構造を有する液晶レンズを２個隣り合うように配置して電圧を印加した場合の直径方向における電圧の分布を示す図である（ここで電圧は液晶のしきい電圧で正規化された値）。
【図７】図７は、同一の基板に複数の液晶光学デバイスを組み込み、図６に示した電圧を印加した場合の光学位相差分布の断面図であり、図７（Ａ）は透明なインピーダンス層が連続している場合の図、図７（Ｂ）は隣り合うデバイス間を分離し互いに干渉しないようにするために前記透明なインピーダンス層を分割し、境界領域におけるインピーダンスの値を大きくした場合の光学位相差分布の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず本発明が着目した点は、従来の技術の複数の課題を見出し、それぞれを一体に解決できるように工夫したものである。上記の複数の課題を明確化するために以下に表を示す。
【表１】
【００１８】
表１から分かるように、特許文献１の技術では、駆動電圧を低下することが課題である。また特許文献２，非特許文献１では、駆動電圧の周波数依存性を緩和することが課題である。また特許文献３，４では、光学位相差分布が連続で滑らかな特性にすることが課題である。
【００１９】
上記を踏まえ本発明では、低電圧で動作し、連続的で滑らかな屈折率分布及び良好な光学的特性を有し、また駆動電圧の周波数依存性が小さい液晶光学デバイスを得ることを課題としている。
【００２０】
次に、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。
【実施例１】
【００２１】
図１（Ａ）は、この発明の一実施の形態として、液晶レンズとして動作するデバイスの基本構成を断面から見た構成を示している。透明な電極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図示されていないスペーサを介して重ね合わせることで液晶セルを構成する。第１の基板１１と前記第２の基板１２の間には、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液晶層３１を備える。
【００２２】
前記第１の基板１１の前記液晶層３１に接する面には液晶分子を一方向に配向させる効果を有する配向膜６１が配置されている。
【００２３】
また、第２の基板１２の液晶層に面する側には電極群２２０〜２３０が形成されて
おり、さらに透明な絶縁層５１、透明な高抵抗層として透明な高抵抗膜４１、および配向膜６２がそれぞれ積層されている。なお、この透明な高抵抗膜４１はいずれの電極とも接続されておらず、直接電圧を印加していない。
【００２４】
前記配向膜６１及び配向膜６２には一方向にラビング処理を行うことで、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタがプレティルト角と呼ばれる基板面から１度程度傾いた角度をなして配向するような状態となっている。
【００２５】
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２の基板１２に形成されている同心円状のパターン電極群の中で電極２２０と電極２３０の間に第１の電源８１から第１の電圧Ｖ１を加える。また、前記電極２１と第２の電極２３０の間には第２の電源８２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。
【００２６】
パターン電極群２２０、２２１、〜２３０各々の間には前記第１の電圧により流れる電流により生じる電圧降下を利用して各々の電極が所定の電位となるように、それぞれ図示されていない所定の抵抗値を有する抵抗が接続されている。なお、中心の電極２２０に電圧を加えるためには、他の電極群と絶縁された引き出し線を使用する方法や、第２の基板１２に微細な穴をあけて基板外に引き出し線を通して電圧を印加する方法などを適用することができる。
【００２７】
ここで図１に示した構成から透明な絶縁層５１、透明な高抵抗層として高抵抗膜４１を除いた構成とした場合について説明する。前記引き出し線を通して電極２２０と２３０の間に電圧Ｖ１が印加されると、各電極の間における電圧降下により、中心の電極２２０から半径方向に電圧分布が形成される。
【００２８】
電極２１と前記電極２３０との間に第２の電源８２から第２の電圧Ｖ２が印加されると、液晶層３１には半径方向に変化する電界が加わり、液晶分子は各々の電界強度に依存して配向する。
【００２９】
初期状態として、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタが電極面につけた配向膜面に対してプレティルト角である１度程度傾いて一方向に配向しているホモジニアス配向になっている場合を考える。Ｖ１およびＶ２を０、すなわち電圧が加えられていないときは液晶層における実効的な屈折率は基板面内方向で一様になっている。
【００３０】
次に、Ｖ１およびＶ２を適宜選定することで液晶のしきい値以上の電界が加わるようにすると、電界強度が大きいところでは液晶のダイレクタが配向膜面に垂直方向にある角度をなして立ち上がり、電界強度が弱いところではダイレクタが配向膜面から立ち上がる角度が小さくなる。配向膜面に対してダイレクタが傾く角度が大きくなると、実効的な屈折率が小さくなり、角度が小さくなると共に実効的な屈折率が大きくなる。つまり、電界強度に依存してダイレクタが配向膜面になす角度が異なり、配向膜面すなわち基板面に対して分布する結果として、実効的な屈折率が分布しているという状態が得られる。
【００３１】
同心円状のパターン電極群の中心の電極２２０の電界が最も小さく、半径方向で電極２３０に向かって電界が次第に大きくなるような電界分布となる電圧を印加すると、実効的な屈折率が中心から周辺部に向かって次第に小さくなるような屈折率分布特性となり、液晶層は液晶のダイレクタの方向に偏光した入射光に対して収束する凸レンズ機能が得られる。逆に、パターン電極群の中心の電極２２０の電界が最も大きく、半径方向で電極２３０に向かって電界が次第に小さくなるような電界分布となる電圧を印加すると、実効的な屈折率が中心から周辺部に向かって次第に大きくなるような屈折率分布特性となり、液晶層は液晶のダイレクタの方向に偏光した入射光に対して発散する凹レンズ機能が得られる。
【００３２】
さらに、半径方向での実効的な屈折率分布が２次関数を軸の周りで回転した放物面状となるようにすると、収差が小さいレンズ特性を得ることができる。これらの液晶レンズの動作原理の詳細については特許文献３および特許文献４に開示されている。
【００３３】
つぎに、具体的な実施例について説明する。図１において、第１の基板１１は３００μｍ厚の透明ガラス板であり、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）からなる透明な電極２１が形成されている。第２の基板１２は３００μｍ厚のガラス基板であり、第２の基板１２の液晶層３１に接する側には複数の透明なパターン電極群となるＩＴＯ電極２２０〜２３０が同心円状に形成されている。これらのパターン電極群２２０〜２３０の間には、各々の電極の電圧がそれぞれ図２に示したような値となるように調整された抵抗が接続されている。
【００３４】
特にこの液晶レンズでは、パターン電極群を有する第２の基板１２と液晶層３１の間に透明絶縁層１２および透明な高抵抗層として高抵抗膜４１を配置している。また、液晶層３１の液晶材料としてはＭＬＣ−６０８０（メルク社製）を使用し、液晶層を挟む電極や高抵抗層の面には配向膜６１，６２としてポリイミド膜を約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。
【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それぞれ逆向きとなるように処理した場合（アンチパラレルと呼ばれる）は、液晶分子は基板面に一様にプレティルト角度傾いた配向状態となっている。
【００３６】
なお、液晶層３１を所定の厚みに保つために図示していないが直径が３０μｍの球状スペーサを接着剤に分散したものを用い、また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。
【００３７】
透明絶縁膜５１としては、１μｍ厚のアモルファス石英膜を使用したが、絶縁が保たれる範囲で薄くすることもできる。また、他の有機系・無機系を問わず絶縁材料や、または誘電率が大きな材料であっても使用することができる。
【００３８】
透明な高抵抗層４１としては厚みが約２５ｎｍの酸化亜鉛系の薄膜を使用したが、導電性微粒子を分散した樹脂系の導電膜、たとえば三菱マテリアル電子化成株式会社製の導電膜ＴＷＨ−１（１μｍ）なども使用することができる。本実施例で使用した酸化亜鉛系の高抵抗膜の抵抗は面抵抗値として１Ｍオウム〜１０Ｇオウム程度であった。さらに、他の無機系薄膜、たとえば抵抗値を最適な値に設定したＩＴＯや酸化チタン、硫化亜鉛、又はこれらの材料の混合系などの透明な薄膜を使うこともできる。
【００３９】
直径が１０ｍｍの円形領域内に１１個の輪帯（円帯）状のパターン電極群を設け、液晶層には図２のような電圧が加わるように、中心の電極２２０と外側の電極２３０の間にＶ１として３ボルトの電圧を印加し、電極２１と外側の電極２３０の間にＶ２として４ボルトの電圧を印加した。ここで、Ｖ１およびＶ２はいずれも１ｋＨｚの正弦波で同位相であり、液晶材料であるＭＬＣ−６０８０のしきい電圧１．４９ボルトで正規化されている。また、光源としてはヘリウム−ネオンレーザ光（波長６３３ｎｍ）を用いている。
【００４０】
図１に示した構成から透明な絶縁層５１および透明な高抵抗層としての高抵抗膜４１を除いた構成の液晶セルを作製し、図２に示した電圧分布となる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について、直径方向の断面での位相差分布特性を図３に示した。図３から分るように、階段状の電圧分布に対応した階段状の光学位相差分布特性となっており、良好な光学特性を有する液晶光学デバイスを構成することが困難であった。
【００４１】
次に、図１に示したように透明な絶縁層５１および透明な高抵抗層としての高抵抗膜４１を付与した構成の液晶レンズに、同様に図２に示した電圧分布となる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を図４に示した。ここで、透明な絶縁層として１μｍ厚のアモルファスの石英膜および透明な高抵抗膜として２５ｎｍ厚で抵抗率が１０オウムｍの酸化亜鉛膜を使用した。これらの透明絶縁層および透明高抵抗層を使用することで、階段状の光学位相差分布特性が平滑化され、滑らかで連統的な放物線状の位相差分布特性が得られており、極めて良好なレンズ特性を得ることができた。
【００４２】
さらに、印加電圧の周波数を１桁変化しても光学位相差特性における平滑効果が得られるなど、広範な周波数域で使用することが可能である。透明な絶縁層および透明な高抵抗膜の二重層を使用し、印加電圧として交流電圧を加えた場合には、パターン電極群と液晶層との間に透明絶縁層および高抵抗膜の存在による誘電結合が生じる結果として、階段状の電位分布が平滑化されて滑らかな電位分布特性が得られることになる。このとき、液晶ＭＬＣ−６０８０のしきい電圧が約１．５ボルトであるので、Ｖ１およびＶ２がそれぞれ実効値で４．５ボルトおよび６ボルト程度となり、低電圧駆動が可能となるとともに、４００Ｈｚ〜６ｋＨｚの広い周波数範囲で良好なレンズ特性が得られた。
【００４３】
本実施例では、透明絶縁層及び高抵抗膜があるので、透明絶縁層による静電容量成分および高抵抗膜による抵抗成分に基づく空間における電位分布の平滑効果により、階段状の電圧の分布が平滑化されて液晶層には滑らかに分布した電圧が加わるため、光学位相差分布も平滑化されて滑らかになり、良好なレンズ特性が得られる。さらに、透明絶縁層が薄いので液晶層に及ぼす電界効果が大きくなり、実効値で数ボルト程度の低電圧で駆動することができる。
【実施例２】
【００４４】
また、他の実施例について具体的に説明する。たとえば透明なインピーダンス層として、高抵抗層５１の代わりに強誘電体材料による薄膜を使用することで、同様の光学位相差分布特性の平滑化効果を得る方法について説明する。
【００４５】
強誘電体層として誘電率が３０００の強誘電体材料を使用し、厚みを１０μｍとした場合のシミュレーション結果を図５に示した。透明なインピーダンス層として透明高抵抗膜を使用した揚合と同様に、透明な強誘電体層を使用することで光学位相差分布特性の平滑化効果が得られていることが分る。ここで、液晶材料は同様にＭＬＣ−６０８０を用いた。また光源としてはヘリウム−ネオンレーザ光の波長６３３ｎｍを用いている。
【００４６】
なお、強誘電体材料としては、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸ニオブ酸カリウムなどを使用することができる。このような透明なインピーダンス層として、強誘電体材料による薄膜を使用すると、低電圧で駆動でき、光学位相差分布特性の平滑化効果が得られるのみならず、駆動電圧の周波数依存性が無くなるという利点がある。
【実施例３】
【００４７】
さらに、他の実施例について説明する。同一の基板上に複数の液晶光学デバイスを組み込んだ揚合に、隣り合うデバイス間の間隔が狭くなると、相互の干渉効果等が生じるなど、デバイス間の分離が不十分となるという問題が生じる。一例として、直径が１０ｍｍの２個の液晶レンズを０．３３ｍｍの間隔で配置した。この２個の液晶レンズの各液晶層に図６に示したような電圧が加わるように、各々の液晶レンズの中心の電極と外側の電極の間にＶ１として３ボルトの電圧を印加し、電極２１と外側の電極２３０の間にＶ２として４ボルトの電圧を印加した。ここで、Ｖ１およびＶ２はいずれも１ｋＨｚの正弦波で同位相であり、液晶材料であるＭＬＣ−６０８０のしきい電圧１．４９ボルトで正規化されている。また、光源としてはヘリウム−ネオンレーザ光（波長６３３ｎｍ）を用いている。
【００４８】
同一の基板上に２個の液晶光学デバイスを組み込み、液晶層に図６に示した電圧が印加された揚合の光学位相差分布の断面図を図７に示した。ここで、透明なインピーダンス層として抵抗率が５オウムｍの酸化亜鉛薄膜を使用し、酸化亜鉛層が２個の光学デバイス間で連続している場合の光学位相差分布特性を図７（Ａ）に示した。図から分かるように、２個の光学デバイス間の相互作用により、隣り合う領城で光学位相差の極小値が所定の値よりも持ち上がっており、デバイス間の分離が良好な特性が得られていない。この効果は各光学デバイス間の間隔が狭くなるほど大きくなるため、デバイス間の分離を良くするためにはデバイス間の間隔をある程度広く取っておく必要があるという問題が生じる。
【００４９】
隣り合うデバイス間を分離し、互いに干渉しないようにするために、透明なインピーダンス層として用いた透明高抵抗層を分割し、境界領城における抵抗値を大きくした場合の光学位相差分布の断面図を図７（Ｂ）に示した。ここで、各光学デバイスにおける透明高抵抗層として抵抗率が５オウムｍの酸化亜鉛薄膜を用い、境界領城においては抵抗率が３０オウムｍの酸化亜鉛薄膜を使用している。図７（Ｂ）から、２個の光学デバイス間の相互作用が弱くなり、隣り合う領域で光学位相差の極小値が所定の値近くまで下がっており、各デバイス相互の分離が良好な特性が得られていることが分かる。このとき、Ｖ１およびＶ２はそれぞれ実効値で４．５ボルトおよび６ボルト程度となり、低電圧駆動が可能となるとともに、４００Ｈｚ〜６ｋＨｚの広い周波数範囲で良好なレンズ特性が得られた。
【００５０】
本実施例では、透明絶縁層及び高抵抗膜があるので、空間における電位分布の平滑効果により、各々の光学デバイスの液晶層には階段状の電圧分布が平滑された滑らかな分布の電圧が加わり、その結果滑らかな光学位相差分布が得られるが、隣接する光学デバイス間の高抵抗膜の抵抗値が非常に大きいため、デバイス間の分離特性を向上することができる。このため、光学デバイスとしてレンズ効果を有しているデバイスでは、隣り合う複数の独立したレンズを製造する場合に有用である。また、分離特性が良好であるので、それぞれのレンズに異なる特性を付与することや、独立した焦点調整等の制御を行うのに有効である。
【００５１】
なお、図７（Ｂ）では、隣り合う境界領城における透明高抵抗膜の抵抗値を各々の光学デバイスにおける値よりも大きくした場合について示したが、この領域で透明高抵抗膜を除去したスリットを設けると、同様にデバイス間の分離を行うことができる。なお、透明高抵抗膜を除去してスリットを設けることは、透明高抵抗膜の抵抗値を非常に大きくした揚合に対応することから、デバイス間の分離の効果をより強くすることができるが、電界分布が急峻になるため液晶分子配向の不連続に起因するディスクリネーション欠陥が生じ易くなるという問題点がある。
【００５２】
上述したように、同一の基板上に構成した複数の液晶光学デバイスの隣り合う境界領城における透明高抵抗層の抵抗値を大きくすることで各光学デバイス間の分離を行うことができるが、個々の光学デバイスの中で透明高抵抗層を分離し、その抵抗値を大きくすることも可能であり、一つの光学デバイスの中に異なる特性を有する領城を形成することができる。また、特性を独立して可変できる複数のレンズを隣接して配置することも可能である。
【００５３】
一方、同一の基板上に構成した複数の液晶光学デバイスの隣り合う境界領域における透明高抵抗層の抵抗値を小さくすると、それぞれの光学デバイス間の特性をゆるく結合することができるので、新たな特性を有する光学デバイスを構成することができる。また、この効果は、一つの光学デバイスの中においても同様に作用するため、同様に一つの光学デバイスの中で透明高抵抗層の値を可変することで新たな特性を有する光学デバイスを構成することができる。
【００５４】
透明なインピーダンス層として透明高抵抗層の代わりに透明な強誘電体層を使用した場合には、境界領域において誘電率が小さい材料を用いることで同様なデバイス間の分離を行うことができる。
【００５５】
本発明における液晶レンズ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城の中心、すなわち同心円状のパクーン電極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、主としてレンズの下部を使用する読書用などの揚合には凸レンズ状態とし、それ以外の場合では電圧除去による素通しの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。本発明によると、透明高抵抗層を用いることで、低電圧で動作が可能であり、駆動電圧の周波数依存性が少なく、光学特性が優れた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。
【００５６】
なお、具体的な実施例として、複数のパターン電極群として同心円の輪帯状（円帯状）電極を有する液晶レンズについて説明したが、本発明は液晶レンズのみに限定されるものではなく、他の形状のパターン電極を用いた収差補正デバイス等の種々の光学デバイス等にも適用することが可能である。
【００５７】
また、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。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要索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。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い。また、液晶光学デバイスの数には制限がないため、複数が配列される構成であってもよい。また複眼のような液晶レンズの２次元的な配列であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
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媒質である液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、光学レンズ特性や光学系の収差を調節できるデバイスが実現される。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】
【００５９】
１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、２１・・・電極、２２０〜２３０・・・電極群、３１・・・液晶層、４１・・・透明高抵抗層、５１・・・透明高抵抗層、６１、６２・・・配向膜、８１、８２・・・駆動電源。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な構造で、滑らかな屈折率分布特性を有し低電圧により光学特性を可変調整できる薄型の液晶光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
特に、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す液晶の中で、ネマティック液晶は比較的低い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液晶レンズ等の光学デバイスが提案されている。
【０００３】
液晶を使用したレンズとして、透明絶縁層により円形の開口部を有するパターン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して良好なレンズ効果を発揮する方法が提案されており（特許文献１）、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。
【０００４】
また、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２に報告されている。
【０００５】
さらに、円形の開口部を有するパターン電極と液晶層の間に透明な絶縁層と透明な高抵抗薄膜を設けることで、より低電圧で駆動できる液晶レンズが非特許文献１に報告されている。
【０００６】
しかし、前記特許文献２、及び非特許文献１で報告されている液晶レンズは良好な光学特性を得ることができるが、最適な光学特性を得るために必要な駆動電圧の周波数依存性が非常に大きく、駆動電圧の周波数がごく狭い範囲に限定されることが難点である。
【０００７】
一方、同心円状に間隔を空けて配置された複数の輪帯（円帯と称しても良い）状（以下は輪帯状と称する）の電極パターンと平板状の電極の間に液晶層を挿入し、前記複数の電極パターンに電圧を加えることで液晶分子の配向制御を行い、入射光に対する液晶の実効的な屈折率を可変することで低電圧で動作する液晶光学デバイスが特許文献３及び特許文献４に開示されている。
【０００８】
これらの複数の輪帯状のパターン電極を用いる液晶光学デバイスでは、液晶層に加わる電圧が階段状もしくは傾斜を含む階段状となるなど、連続的で滑らかな電位分布にならないため、屈折率分布が同様に階段状もしくは傾斜を含む階段状のように不連続な特性となることから、良好な光学特性を有する液晶光学デバイスを構成することが困難であるという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−４６１６号公報
【特許文献２】特開２００８−２０３３６０号公報
【特許文献３】特許第３０４７０８２号公報
【特許文献４】特開２００４−３３４０２８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】葉茂、王濱、内田勝、梁瀬智、高橋慎吾、山口真紀、佐藤進（Ｍ．Ｙｅ，Ｂ．Ｗａｎｇ，Ｍ．Ｕｃｈｉｄａ，Ｓ．Ｙａｎａｓｅ，Ｍ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｓ．Ｓａｔｏ），「低電圧駆動液晶レンズ（Ｌｏｗ−Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｌｅｎｓ）」，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１０年１０月、Ｖｏｌ．４９，ｐｐ．１００２０４−１−３（２０１０）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこでこの発明の目的は、上記問題を解決し、低電圧で動作し、連続的で滑らかな屈折率分布及び良好な光学的特性を有し、また駆動電圧の周波数依存性が小さい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】
【００１２】
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、透明な電極を有する第１の基板、透明な電極を有する第２の基板の間に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層を備え、少なくとも一方の基板面における電極は所定の電圧に保持された複数の透明なパターン電極群から形成され、前記液晶層の実効的な屈折率の分布を可変調整することで動作する液晶光学デバイスであって、前記複数の透明なパターン電極群と前記液晶層の間に透明な絶縁層及び透明なインピーダンス層による二重層を配置されていることを特徴とする。
【００１３】
前記液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層が複数の領域に分割されていてもよく、前記複数の領城に分割されている透明なインピーダンス層が異なるインピーダンス値を有してもよい。
【００１４】
また、前記液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層として抵抗層や強誘電体層を使用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
上記の手段により、液晶及び複数の透明なパターン電極群を有する液晶光学デバイスにおいて、前記複数の透明なパターン電極群による不連続な電位分布に基づく不連続な、または階段状の屈折率分布特性を滑らかで連続的な分布とすることができ、簡単な構造であって前後移動等の機械的な可動部を持たず、電気的制御により光学特性を大幅に効率よく可変することができる液晶光学デバイスを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（Ａ）は、本発明に係る液晶光学デバイスの一実施の形態を示す構成説明図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の第２の基板および電極群２２０〜２３０の平面図である。
【図２】図２は、液晶光学デバイスに印加する電圧の直径方向での変化の一例を示す。ここで、電圧は液晶のしきい電圧で正規化された値である。
【図３】図３は、電極群２２０〜２３０に対してそれぞれ図２に示した電圧値となるような電圧を与えた場合に、透明絶縁層および透明インピーダンス層がない液晶光学デバイスにおける液晶層に生じる光学位相差分布の断面図である。
【図４】図４は、電極群２２０〜２３０に対してそれぞれ図２に示した電圧値となるような電圧を与えた場合に、透明絶縁層および透明インピーダンス層として透明高抵抗層を付与した液晶光学デバイスにおける液晶層に生じる光学位相差分布の断面図である。
【図５】図５は、図２に示した電圧値を与えた場合に、透明絶縁層および透明インピーダンス層として透明強誘電体層を付与した液晶光学デバイスにおける液晶層に生じる光学位相差分布の断面図である。
【図６】図６は、同一の基板上に複数の液晶光学デバイスを組み込んだ場合の例として、同一の構造を有する液晶レンズを２個隣り合うように配置して電圧を印加した場合の直径方向における電圧の分布を示す図である（ここで電圧は液晶のしきい電圧で正規化された値）。
【図７】図７は、同一の基板に複数の液晶光学デバイスを組み込み、図６に示した電圧を印加した場合の光学位相差分布の断面図であり、図７（Ａ）は透明なインピーダンス層が連続している場合の図、図７（Ｂ）は隣り合うデバイス間を分離し互いに干渉しないようにするために前記透明なインピーダンス層を分割し、境界領域におけるインピーダンスの値を大きくした場合の光学位相差分布の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず本発明が着目した点は、従来の技術の複数の課題を見出し、それぞれを一体に解決できるように工夫したものである。上記の複数の課題を明確化するために以下に表を示す。
【表１】
【００１８】
表１から分かるように、特許文献１の技術では、駆動電圧を低下することが課題である。また特許文献２，非特許文献１では、駆動電圧の周波数依存性を緩和することが課題である。また特許文献３，４では、光学位相差分布が連続で滑らかな特性にすることが課題である。
【００１９】
上記を踏まえ本発明では、低電圧で動作し、連続的で滑らかな屈折率分布及び良好な光学的特性を有し、また駆動電圧の周波数依存性が小さい液晶光学デバイスを得ることを課題としている。
【００２０】
次に、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。
【実施例１】
【００２１】
図１（Ａ）は、この発明の一実施の形態として、液晶レンズとして動作するデバイスの基本構成を断面から見た構成を示している。透明な電極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図示されていないスペーサを介して重ね合わせることで液晶セルを構成する。第１の基板１１と前記第２の基板１２の間には、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液晶層３１を備える。
【００２２】
前記第１の基板１１の前記液晶層３１に接する面には液晶分子を一方向に配向させる効果を有する配向膜６１が配置されている。
【００２３】
また、第２の基板１２の液晶層に面する側には電極群２２０〜２３０が形成されて
おり、さらに透明な絶縁層５１、透明な高抵抗層として透明な高抵抗膜４１、および配向膜６２がそれぞれ積層されている。なお、この透明な高抵抗膜４１はいずれの電極とも接続されておらず、直接電圧を印加していない。
【００２４】
前記配向膜６１及び配向膜６２には一方向にラビング処理を行うことで、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタがプレティルト角と呼ばれる基板面から１度程度傾いた角度をなして配向するような状態となっている。
【００２５】
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２の基板１２に形成されている同心円状のパターン電極群の中で電極２２０と電極２３０の間に第１の電源８１から第１の電圧Ｖ１を加える。また、前記電極２１と第２の電極２３０の間には第２の電源８２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。
【００２６】
パターン電極群２２０、２２１、〜２３０各々の間には前記第１の電圧により流れる電流により生じる電圧降下を利用して各々の電極が所定の電位となるように、それぞれ図示されていない所定の抵抗値を有する抵抗が接続されている。なお、中心の電極２２０に電圧を加えるためには、他の電極群と絶縁された引き出し線を使用する方法や、第２の基板１２に微細な穴をあけて基板外に引き出し線を通して電圧を印加する方法などを適用することができる。
【００２７】
ここで図１に示した構成から透明な絶縁層５１、透明な高抵抗層として高抵抗膜４１を除いた構成とした場合について説明する。前記引き出し線を通して電極２２０と２３０の間に電圧Ｖ１が印加されると、各電極の間における電圧降下により、中心の電極２２０から半径方向に電圧分布が形成される。
【００２８】
電極２１と前記電極２３０との間に第２の電源８２から第２の電圧Ｖ２が印加されると、液晶層３１には半径方向に変化する電界が加わり、液晶分子は各々の電界強度に依存して配向する。
【００２９】
初期状態として、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタが電極面につけた配向膜面に対してプレティルト角である１度程度傾いて一方向に配向しているホモジニアス配向になっている場合を考える。Ｖ１およびＶ２を０、すなわち電圧が加えられていないときは液晶層における実効的な屈折率は基板面内方向で一様になっている。
【００３０】
次に、Ｖ１およびＶ２を適宜選定することで液晶のしきい値以上の電界が加わるようにすると、電界強度が大きいところでは液晶のダイレクタが配向膜面に垂直方向にある角度をなして立ち上がり、電界強度が弱いところではダイレクタが配向膜面から立ち上がる角度が小さくなる。配向膜面に対してダイレクタが傾く角度が大きくなると、実効的な屈折率が小さくなり、角度が小さくなると共に実効的な屈折率が大きくなる。つまり、電界強度に依存してダイレクタが配向膜面になす角度が異なり、配向膜面すなわち基板面に対して分布する結果として、実効的な屈折率が分布しているという状態が得られる。
【００３１】
同心円状のパターン電極群の中心の電極２２０の電界が最も小さく、半径方向で電極２３０に向かって電界が次第に大きくなるような電界分布となる電圧を印加すると、実効的な屈折率が中心から周辺部に向かって次第に小さくなるような屈折率分布特性となり、液晶層は液晶のダイレクタの方向に偏光した入射光に対して収束する凸レンズ機能が得られる。逆に、パターン電極群の中心の電極２２０の電界が最も大きく、半径方向で電極２３０に向かって電界が次第に小さくなるような電界分布となる電圧を印加すると、実効的な屈折率が中心から周辺部に向かって次第に大きくなるような屈折率分布特性となり、液晶層は液晶のダイレクタの方向に偏光した入射光に対して発散する凹レンズ機能が得られる。
【００３２】
さらに、半径方向での実効的な屈折率分布が２次関数を軸の周りで回転した放物面状となるようにすると、収差が小さいレンズ特性を得ることができる。これらの液晶レンズの動作原理の詳細については特許文献３および特許文献４に開示されている。
【００３３】
つぎに、具体的な実施例について説明する。図１において、第１の基板１１は３００μｍ厚の透明ガラス板であり、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）からなる透明な電極２１が形成されている。第２の基板１２は３００μｍ厚のガラス基板であり、第２の基板１２の液晶層３１に接する側には複数の透明なパターン電極群となるＩＴＯ電極２２０〜２３０が同心円状に形成されている。これらのパターン電極群２２０〜２３０の間には、各々の電極の電圧がそれぞれ図２に示したような値となるように調整された抵抗が接続されている。
【００３４】
特にこの液晶レンズでは、パターン電極群を有する第２の基板１２と液晶層３１の間に透明絶縁層１２および透明な高抵抗層として高抵抗膜４１を配置している。また、液晶層３１の液晶材料としてはＭＬＣ−６０８０（メルク社製）を使用し、液晶層を挟む電極や高抵抗層の面には配向膜６１，６２としてポリイミド膜を約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。
【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それぞれ逆向きとなるように処理した場合（アンチパラレルと呼ばれる）は、液晶分子は基板面に一様にプレティルト角度傾いた配向状態となっている。
【００３６】
なお、液晶層３１を所定の厚みに保つために図示していないが直径が３０μｍの球状スペーサを接着剤に分散したものを用い、また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。
【００３７】
透明絶縁膜５１としては、１μｍ厚のアモルファス石英膜を使用したが、絶縁が保たれる範囲で薄くすることもできる。また、他の有機系・無機系を問わず絶縁材料や、または誘電率が大きな材料であっても使用することができる。
【００３８】
透明な高抵抗層４１としては厚みが約２５ｎｍの酸化亜鉛系の薄膜を使用したが、導電性微粒子を分散した樹脂系の導電膜、たとえば三菱マテリアル電子化成株式会社製の導電膜ＴＷＨ−１（１μｍ）なども使用することができる。本実施例で使用した酸化亜鉛系の高抵抗膜の抵抗は面抵抗値として１Ｍオウム〜１０Ｇオウム程度であった。さらに、他の無機系薄膜、たとえば抵抗値を最適な値に設定したＩＴＯや酸化チタン、硫化亜鉛、又はこれらの材料の混合系などの透明な薄膜を使うこともできる。
【００３９】
直径が１０ｍｍの円形領域内に１１個の輪帯（円帯）状のパターン電極群を設け、液晶層には図２のような電圧が加わるように、中心の電極２２０と外側の電極２３０の間にＶ１として３ボルトの電圧を印加し、電極２１と外側の電極２３０の間にＶ２として４ボルトの電圧を印加した。ここで、Ｖ１およびＶ２はいずれも１ｋＨｚの正弦波で同位相であり、液晶材料であるＭＬＣ−６０８０のしきい電圧１．４９ボルトで正規化されている。また、光源としてはヘリウム−ネオンレーザ光（波長６３３ｎｍ）を用いている。
【００４０】
図１に示した構成から透明な絶縁層５１および透明な高抵抗層としての高抵抗膜４１を除いた構成の液晶セルを作製し、図２に示した電圧分布となる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について、直径方向の断面での位相差分布特性を図３に示した。図３から分るように、階段状の電圧分布に対応した階段状の光学位相差分布特性となっており、良好な光学特性を有する液晶光学デバイスを構成することが困難であった。
【００４１】
次に、図１に示したように透明な絶縁層５１および透明な高抵抗層としての高抵抗膜４１を付与した構成の液晶レンズに、同様に図２に示した電圧分布となる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を図４に示した。ここで、透明な絶縁層として１μｍ厚のアモルファスの石英膜および透明な高抵抗膜として２５ｎｍ厚で抵抗率が１０オウムｍの酸化亜鉛膜を使用した。これらの透明絶縁層および透明高抵抗層を使用することで、階段状の光学位相差分布特性が平滑化され、滑らかで連統的な放物線状の位相差分布特性が得られており、極めて良好なレンズ特性を得ることができた。
【００４２】
さらに、印加電圧の周波数を１桁変化しても光学位相差特性における平滑効果が得られるなど、広範な周波数域で使用することが可能である。透明な絶縁層および透明な高抵抗膜の二重層を使用し、印加電圧として交流電圧を加えた場合には、パターン電極群と液晶層との間に透明絶縁層および高抵抗膜の存在による誘電結合が生じる結果として、階段状の電位分布が平滑化されて滑らかな電位分布特性が得られることになる。このとき、液晶ＭＬＣ−６０８０のしきい電圧が約１．５ボルトであるので、Ｖ１およびＶ２がそれぞれ実効値で４．５ボルトおよび６ボルト程度となり、低電圧駆動が可能となるとともに、４００Ｈｚ〜６ｋＨｚの広い周波数範囲で良好なレンズ特性が得られた。
【００４３】
本実施例では、透明絶縁層及び高抵抗膜があるので、透明絶縁層による静電容量成分および高抵抗膜による抵抗成分に基づく空間における電位分布の平滑効果により、階段状の電圧の分布が平滑化されて液晶層には滑らかに分布した電圧が加わるため、光学位相差分布も平滑化されて滑らかになり、良好なレンズ特性が得られる。さらに、透明絶縁層が薄いので液晶層に及ぼす電界効果が大きくなり、実効値で数ボルト程度の低電圧で駆動することができる。
【実施例２】
【００４４】
また、他の実施例について具体的に説明する。たとえば透明なインピーダンス層として、高抵抗層５１の代わりに強誘電体材料による薄膜を使用することで、同様の光学位相差分布特性の平滑化効果を得る方法について説明する。
【００４５】
強誘電体層として誘電率が３０００の強誘電体材料を使用し、厚みを１０μｍとした場合のシミュレーション結果を図５に示した。透明なインピーダンス層として透明高抵抗膜を使用した揚合と同様に、透明な強誘電体層を使用することで光学位相差分布特性の平滑化効果が得られていることが分る。ここで、液晶材料は同様にＭＬＣ−６０８０を用いた。また光源としてはヘリウム−ネオンレーザ光の波長６３３ｎｍを用いている。
【００４６】
なお、強誘電体材料としては、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸ニオブ酸カリウムなどを使用することができる。このような透明なインピーダンス層として、強誘電体材料による薄膜を使用すると、低電圧で駆動でき、光学位相差分布特性の平滑化効果が得られるのみならず、駆動電圧の周波数依存性が無くなるという利点がある。
【実施例３】
【００４７】
さらに、他の実施例について説明する。同一の基板上に複数の液晶光学デバイスを組み込んだ揚合に、隣り合うデバイス間の間隔が狭くなると、相互の干渉効果等が生じるなど、デバイス間の分離が不十分となるという問題が生じる。一例として、直径が１０ｍｍの２個の液晶レンズを０．３３ｍｍの間隔で配置した。この２個の液晶レンズの各液晶層に図６に示したような電圧が加わるように、各々の液晶レンズの中心の電極と外側の電極の間にＶ１として３ボルトの電圧を印加し、電極２１と外側の電極２３０の間にＶ２として４ボルトの電圧を印加した。ここで、Ｖ１およびＶ２はいずれも１ｋＨｚの正弦波で同位相であり、液晶材料であるＭＬＣ−６０８０のしきい電圧１．４９ボルトで正規化されている。また、光源としてはヘリウム−ネオンレーザ光（波長６３３ｎｍ）を用いている。
【００４８】
同一の基板上に２個の液晶光学デバイスを組み込み、液晶層に図６に示した電圧が印加された揚合の光学位相差分布の断面図を図７に示した。ここで、透明なインピーダンス層として抵抗率が５オウムｍの酸化亜鉛薄膜を使用し、酸化亜鉛層が２個の光学デバイス間で連続している場合の光学位相差分布特性を図７（Ａ）に示した。図から分かるように、２個の光学デバイス間の相互作用により、隣り合う領城で光学位相差の極小値が所定の値よりも持ち上がっており、デバイス間の分離が良好な特性が得られていない。この効果は各光学デバイス間の間隔が狭くなるほど大きくなるため、デバイス間の分離を良くするためにはデバイス間の間隔をある程度広く取っておく必要があるという問題が生じる。
【００４９】
隣り合うデバイス間を分離し、互いに干渉しないようにするために、透明なインピーダンス層として用いた透明高抵抗層を分割し、境界領城における抵抗値を大きくした場合の光学位相差分布の断面図を図７（Ｂ）に示した。ここで、各光学デバイスにおける透明高抵抗層として抵抗率が５オウムｍの酸化亜鉛薄膜を用い、境界領城においては抵抗率が３０オウムｍの酸化亜鉛薄膜を使用している。図７（Ｂ）から、２個の光学デバイス間の相互作用が弱くなり、隣り合う領域で光学位相差の極小値が所定の値近くまで下がっており、各デバイス相互の分離が良好な特性が得られていることが分かる。このとき、Ｖ１およびＶ２はそれぞれ実効値で４．５ボルトおよび６ボルト程度となり、低電圧駆動が可能となるとともに、４００Ｈｚ〜６ｋＨｚの広い周波数範囲で良好なレンズ特性が得られた。
【００５０】
本実施例では、透明絶縁層及び高抵抗膜があるので、空間における電位分布の平滑効果により、各々の光学デバイスの液晶層には階段状の電圧分布が平滑された滑らかな分布の電圧が加わり、その結果滑らかな光学位相差分布が得られるが、隣接する光学デバイス間の高抵抗膜の抵抗値が非常に大きいため、デバイス間の分離特性を向上することができる。このため、光学デバイスとしてレンズ効果を有しているデバイスでは、隣り合う複数の独立したレンズを製造する場合に有用である。また、分離特性が良好であるので、それぞれのレンズに異なる特性を付与することや、独立した焦点調整等の制御を行うのに有効である。
【００５１】
なお、図７（Ｂ）では、隣り合う境界領城における透明高抵抗膜の抵抗値を各々の光学デバイスにおける値よりも大きくした場合について示したが、この領域で透明高抵抗膜を除去したスリットを設けると、同様にデバイス間の分離を行うことができる。なお、透明高抵抗膜を除去してスリットを設けることは、透明高抵抗膜の抵抗値を非常に大きくした揚合に対応することから、デバイス間の分離の効果をより強くすることができるが、電界分布が急峻になるため液晶分子配向の不連続に起因するディスクリネーション欠陥が生じ易くなるという問題点がある。
【００５２】
上述したように、同一の基板上に構成した複数の液晶光学デバイスの隣り合う境界領城における透明高抵抗層の抵抗値を大きくすることで各光学デバイス間の分離を行うことができるが、個々の光学デバイスの中で透明高抵抗層を分離し、その抵抗値を大きくすることも可能であり、一つの光学デバイスの中に異なる特性を有する領城を形成することができる。また、特性を独立して可変できる複数のレンズを隣接して配置することも可能である。
【００５３】
一方、同一の基板上に構成した複数の液晶光学デバイスの隣り合う境界領域における透明高抵抗層の抵抗値を小さくすると、それぞれの光学デバイス間の特性をゆるく結合することができるので、新たな特性を有する光学デバイスを構成することができる。また、この効果は、一つの光学デバイスの中においても同様に作用するため、同様に一つの光学デバイスの中で透明高抵抗層の値を可変することで新たな特性を有する光学デバイスを構成することができる。
【００５４】
透明なインピーダンス層として透明高抵抗層の代わりに透明な強誘電体層を使用した場合には、境界領域において誘電率が小さい材料を用いることで同様なデバイス間の分離を行うことができる。
【００５５】
本発明における液晶レンズ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城の中心、すなわち同心円状のパクーン電極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、主としてレンズの下部を使用する読書用などの揚合には凸レンズ状態とし、それ以外の場合では電圧除去による素通しの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。本発明によると、透明高抵抗層を用いることで、低電圧で動作が可能であり、駆動電圧の周波数依存性が少なく、光学特性が優れた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。
【００５６】
なお、具体的な実施例として、複数のパターン電極群として同心円の輪帯状（円帯状）電極を有する液晶レンズについて説明したが、本発明は液晶レンズのみに限定されるものではなく、他の形状のパターン電極を用いた収差補正デバイス等の種々の光学デバイス等にも適用することが可能である。
【００５７】
また、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。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要索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。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い。また、液晶光学デバイスの数には制限がないため、複数が配列される構成であってもよい。また複眼のような液晶レンズの２次元的な配列であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
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媒質である液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、光学レンズ特性や光学系の収差を調節できるデバイスが実現される。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】
【００５９】
１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、２１・・・電極、２２０〜２３０・・・電極群、３１・・・液晶層、４１・・・透明高抵抗層、５１・・・透明高抵抗層、６１、６２・・・配向膜、８１、８２・・・駆動電源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な電極を有する第１の基板、透明な電極を有する第２の基板の間に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層を備え、少なくとも一方の基板面における電極は所定の電圧に保持された複数の透明なパターン電極群から形成され、前記液晶層の実効的な屈折率の分布を調整することで動作する液晶光学デバイスであって、
前記複数の透明なパターン電極群と前記液晶層の間に透明な絶縁層及び透明なインピーダンス層による二重層を配置したことを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層が複数の領域に分割されていることを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の液晶光学デバイスにおいて、前記分割されている複数の領域の透明なインピーダンス層がそれぞれ異なるインピーダンス値を有することを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載のいずれかの液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層が主として抵抗材料からなることを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３に記載のいずれかの液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層が主として強誘電体材料からなることを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項１】
透明な電極を有する第１の基板、透明な電極を有する第２の基板の間に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層を備え、少なくとも一方の基板面における電極は所定の電圧に保持された複数の透明なパターン電極群から形成され、前記液晶層の実効的な屈折率の分布を調整することで動作する液晶光学デバイスであって、
前記複数の透明なパターン電極群と前記液晶層の間に透明な絶縁層及び透明なインピーダンス層による二重層を配置したことを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層が複数の領域に分割されていることを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の液晶光学デバイスにおいて、前記分割されている複数の領域の透明なインピーダンス層がそれぞれ異なるインピーダンス値を有することを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載のいずれかの液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層が主として抵抗材料からなることを特徴とする液晶光学デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３に記載のいずれかの液晶光学デバイスにおいて、前記透明なインピーダンス層が主として強誘電体材料からなることを特徴とする液晶光学デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１３７６８２（Ｐ２０１２−１３７６８２Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１２２１（Ｐ２０１０−２９１２２１）
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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