液晶光学レンズ
【課題】簡単な構造で低電圧により安定に駆動することができ、大形のレンズを実現する。
【解決手段】本発明の一実施形態の液晶光学レンズは、透明な第１の電極を有する第１の基板１１１、第２の電極２２、及び液晶層３１を備え、前記第２の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層１１２を配置する。前記透明絶縁層の中に透明な高抵抗層１１４を配置し、前記第１と前記第２の電極との間に第1の電圧を加えられるように構成する。そして孔を有する導電層１１５を、前記透明な高抵抗層１１４に一体にし、かつこの一体となった層を前記液晶層及び前記第２の電極に対して間隔をおいて配置しており、前記導電層１１５に第２の電圧が供給されるように構成し、前記第１の電圧の値を固定し、前記第２の電圧の値を調整してレンズとして動作させる手段とを有する。
【解決手段】本発明の一実施形態の液晶光学レンズは、透明な第１の電極を有する第１の基板１１１、第２の電極２２、及び液晶層３１を備え、前記第２の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層１１２を配置する。前記透明絶縁層の中に透明な高抵抗層１１４を配置し、前記第１と前記第２の電極との間に第1の電圧を加えられるように構成する。そして孔を有する導電層１１５を、前記透明な高抵抗層１１４に一体にし、かつこの一体となった層を前記液晶層及び前記第２の電極に対して間隔をおいて配置しており、前記導電層１１５に第２の電圧が供給されるように構成し、前記第１の電圧の値を固定し、前記第２の電圧の値を調整してレンズとして動作させる手段とを有する。
【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、低電圧により焦点距離を変えることが可能な大形且つ薄型のレンズを再現性良く実現し得る液晶光学レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
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は、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、焦点可変レンズが提案されている(後で示す特許文献１)。この焦点可変レンズは、透明電極付きのガラス基板が湾曲し、液晶層自身がレンズ形となる構造であり、電極間に電圧を印加することで液晶分子の配向制御を行い、実効的な屈折率を変化させるレンズである。
【０００３】
次に、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、円形の孔形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として報告されている(特許文献２、特許文献３)。
【０００４】
また、特許文献４では、液晶中に網目状の高分子ネットワークを作ることで、特性の改善がなされている。このような液晶を用いたレンズでは、多数の微小なマイクロレンズと呼ばれるレンズを平板状に２次元的に配列したマイクロレンズアレイとすることが比較的容易にできる。
【０００５】
特許文献２、３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た状態で電極の開口部分の直径を大きくしてレンズの開口径を大きくすると、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、電極の開口部に透明な高抵抗の膜を付けて、高抵抗膜面の電位分布を利用して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提案されている(特許文献５、非特許文献１)。
【０００６】
また特許文献２、３及び４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、液晶層と円形の孔形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孔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６、非特許文献２、３)、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孔形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】
一方、液晶層と円形の孔形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、円形孔形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報告されている(特許文献７)。
【０００８】
これらの液晶を用いた光学デバイスは、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、特性や光学系の収差を調節できるレンズが実現される。
【０００９】
上記した、円形孔形パターン電極により生じる軸対称の不均一電界により液晶分子の空間配向分布特性を利用した液晶マイクロレンズでは、開口部の直径をミリメートル程度よりも大きいレンズを得ることができないという構造上の問題があった。特許文献５で提案されているように、開口部に液晶層に配向膜を介して接するように高抵抗膜を設けるという方法では、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に電位分布を最適な状態に設定することが極めて困難であり、良好なレンズ特性を得ることが困難であるという問題があった。
【００１０】
さらに、特許文献６及び７で提案されている液晶層と円形孔形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。
【００１１】
この問題を解決するために、透明絶縁層の中に透明高抵抗層として高抵抗の液体層を設けて電位分布を中継することで透明高抵抗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非特許文献４に報告されている。
【００１２】
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、円形孔形パターン電極と透明高抵抗層とが絶縁層を介して誘電的に結合することで透明高抵抗層の電位が決まるため、周辺部の影響を受けやすく、再現性や動作が不安定となることが多いという問題があった。さらに不均一電界による分子配向効果が液晶層の一部に限定されるため、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭５４−１５１８５４号公報
【特許文献２】特開平１１−１０９３０３号公報
【特許文献３】特開平１１−１０９３０４号公報
【特許文献４】特開平１０−２３９６７６号公報
【特許文献５】特開２００３−２９００１号公報
【特許文献６】特開２００４−４６１６号公報
【特許文献７】特開２００５−１１５２６６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】F. Naumov, M. Yu. Loktev, I. R. Guralnik, and G. Vdovin, Liquid crystal adaptive lenses with modal control, Opt. Lett., Vol. 23, pp 992-994, (1998)
【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）」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３】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４】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
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、良好な光学的特性を保持した状態で口径が大きな液晶光学レンズを提供することにある。またこの発明は、液晶層を効率よく利用し、大形のレンズでありながら再現性がよく低電圧で焦点距離を大きく変えることが可能な液晶光学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】
【００１６】
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、本発明の一実施形態の液晶光学レンズは、透明な第１の電極を有する第１の基板、第２の電極、及び液晶層を備え、前記第２の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層を配置する。前記透明絶縁層の中に透明な高抵抗層を配置し、前記第１と前記第２の電極との間に第1の電圧を加えられるように構成する。そして孔を有する導電層を、前記透明な高抵抗層に一体にし、かつこの一体となった層を前記液晶層及び前記第２の電極に対して間隔をおいて配置しており、前記導電層に第２の電圧が供給されるように構成し、前記第１の電圧の値を固定し、前記第２の電圧の値を調整してレンズとして動作させる手段とを有する。
【００１７】
上記の手段により、まず簡単な構造であって、低電圧により安定に再現性良く駆動することができる大形で且つ薄型のレンズを実現し得る。また、大形のレンズでありながら低電圧で焦点距離を変えることができる。そして従来の如くレンズを機械的に前後移動させるような動作を伴うことなく、低電圧により焦点距離を電気的制御により大幅に可変することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１(Ａ)は、本発明に係る液晶光学レンズ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)の電極２２の平面図である。
【図２】図２(Ａ)は、本発明に係る液晶光学レンズの一実施の形態を示す構成説明図であり、図２(Ｂ)は図２(Ａ)の電極２２の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
図１（Ａ）はこの発明の一実施の形態によるデバイスの基本構成を示している。図１(Ｂ)は、図１（Ａ）の孔２２−１を有する第２の電極２２及び前記孔２２−１内に間隔を置いて配置された第３の電極２３を平面的に見た図である。第３の電極２３はスリット５０により第２の電極２２から電気的に絶縁されており、外部から電圧を加えられるように電極取り出し部２３−１が付けられている。また、前記第２の電極２２が有する孔２２−１と同一の中心に位置し前記第２の電極２２の孔２２−１より大きい寸法の孔１１５−１を有する導電層１１５と、その孔１１５−１を破線で示している。第１の基板１１１は、透明な第１の電極２１を有する。一方２２は、先に述べた孔２２−１を有する第２の電極である。第１の基板１１１と前記第２の電極２２との間には、第１の電極２１と対向するように収容され、液晶分子を一方向に配向させる液晶層３１が存在する。
【００２１】
ここで、第２の電極２２と液晶層３１との間に、配向膜部分とは異なり、第２の電極２２と液晶層３１との間の距離を設定する透明絶縁層１１２が配置されている。そして、前記第１と前記第２の電極２１、２２との間に電圧Ｖ１を加えて液晶分子の配向制御を行なうことができる。したがつて、電圧Ｖ１のオンオフによりレンズ機能のオンオフを得ることができる。
【００２２】
特にこのデバイスでは、透明絶縁層１１２の中に透明な高抵抗層１１４を配置している。このため孔２２−１を有する第２の電極２２(円形パターン電極)と液晶層３１との間に高抵抗層１１４を仲介して誘電結合が生じ、このような透明高抵抗層を有しない液晶レンズに比べて、この発明のデバイスでは動作電圧を１０ボルト程度の低電圧まで低下することが可能となる。
【００２３】
上記した構成はレンズの口径を大形化する基本的な思想である。次に、上記のレンズ機能に加えて、焦点距離可変機能を有するデバイスについて説明する。
【００２４】
すなわち、図１に示すように、このデバイスは、透明な第１の電極２１を有する第１の基板１１１、孔２２−１を有する第２の電極２２、及び前記第１の電極２１と前記第２の電極２２との間に、前記第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る液晶層３１を備える。そして、前記第２の電極２２と前記液晶層３１との間に、配向膜部分とは異なり、前記第２の電極２２と前記液晶層３１との間の距離を設定する透明絶縁層１１２とが配置される。
【００２５】
ここで第１と第２の電極２１、２２の間に電圧Ｖ１を加えて液晶分子の配向制御を行なうことができ、前記第２の電極２２に対して電気的に絶縁された透明な第３の電極２３が配置され、この第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段階の光学的特性を得られる液晶光学レンズが構成される。
【００２６】
この液晶光学レンズによると、凸レンズ、凹レンズとしての機能を得られ、さらに、前記透明絶縁層１１２の中に透明な高抵抗層１１４を配置し、大形のレンズを得られるようにしている。
【００２７】
図１において、１１１は第１の基板(厚みが３００μｍの透明ガラス)であり、内面側に、第１の電極２１としてインジウム・錫系の酸化物透明導電材料 (ＩＴＯ材)が形成されている。前記第２の電極２２及びこの第２の電極２２に対して電気的に絶縁された透明な第３の電極２３はいずれもＩＴＯ材から形成され、第２の電極２２が有する孔２２−１の直径は６ｍｍとした。
【００２８】
ここで、第１の電極２１と第２の電極間２２間には、第１の電極２１と対向するように収容され、液晶分子を一方向に配向させる液晶層３１（例えば厚み７５μｍ）が封入されている。液晶材料としてはネマティック液晶Ｅ４４ (メルク社製)を使用した。なお図示していないが７５μｍの厚みの液晶層３１を得るためのスペーサが存在する。
【００２９】
さらに、第２の電極２２と液晶層３１との間に配置される透明絶縁層１１２は、具体的には、透明なガラス板１１３(例えば３００μｍの厚み)、 １１６(例えば３００μｍの厚み)と、このガラス板１１３、１１６により挟まれた透明な高抵抗層１１４（例えば１μｍの厚み)と孔１１５−１を有する導電層１１５（例えばアルミニウム０．２μｍの厚み）で構成されている。この部分の構成は、この液晶デバイスの特徴的な構成である。また、それぞれのガラス板の厚みを変えることで、電圧Ｖ１やＶ２の最適な電圧値が異なってくる。
【００３０】
この透明絶縁層１１２は、新しい構成であるため導電層１１５を有しない場合においても使用されるが、その呼び名としてこの名称に限定されるものではなく、透明高抵抗層を有した透明絶縁体、あるいは電界中継層を有した透明絶縁体、あるいは誘電結合機能を有する透明絶縁体、などの呼び名が可能である。導電層を有する場合においても、便宜上この名称を使用している。
【００３１】
透明高抵抗層１１４としては厚みが約１μｍの樹脂系の導電膜を使用した。本実施例で使用した樹脂系の導電膜の面積抵抗は５０ＭΩ／ｍ２〜２００ＭΩ／ｍ２程度であった。他の無機系薄膜、たとえば抵抗値を最適な値に設定したシリコンを添加したＩＴＯや酸化亜鉛、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。抵抗層１１４に無機系の薄膜を使用すると構造がより簡単になり、安定で寿命も長くなるという利点がある。
【００３２】
なお、液晶層を挟む基板の面には、配向膜としてポリイミドがコーティングされている。また一方向にラビング処理されている。
【００３３】
導電層１１５としては真空蒸着により作製したアルミニウム薄膜を用いた。前記導電層１１５には第２の電極２２が有する孔２２−１と同一の中心に中心が位置し前記第２の電極２２の孔２２−１より大きい寸法の孔１１５−１（たとえば直径が９ｍｍ）が形成されている。
【００３４】
ここで上記の液晶光学レンズを液晶レンズとして機能させる場合を説明する。まず第１の電極２１と第２の電極２２との間に第１の電圧Ｖ１を加える。第１の電圧Ｖ１を加える場合、第２電圧Ｖ２は、当初は０ボルトとしておいて、第１の電圧Ｖ１を最適な値に設定する。
【００３５】
この電圧Ｖ１は、第１の電圧供給部から供給される。ここで凸レンズとして最良、あるいはレンズパワーがほぼ最大となる光学特性(この時の特性を、第１段譜の光学特性と称することにする)が得られる電圧値が設定される。次に、第１の電圧Ｖ１とは、独立して、第１の電極２１と第３の電極２３間に第２の電圧Ｖ２が加えられる。この第２の電圧Ｖ２は、第２の電圧供給部から供給される。この第２の電圧Ｖ２を可変することにより、レンズの光学的特性(第２段階の光学特性と称する)を制御することができる。なお電圧Ｖ１とＶ２は周波数及び位相が等しく設定されている。
【００３６】
上記の説明では液晶レンズが凸レンズとして機能する場合の例を説明した。しかしこの発明では、液晶レンズを凹レンズとして簡単に機能させることが可能である。この場合は、第１の電極２１と第３の電極２３との間に第３の電圧供給部から一定の交流電圧Ｖ２’を与える。そして、第１の電極２１と第２の電極２２との間に、第４の電圧供給部から電圧Ｖ１'を与える。ここで電圧Ｖ１'は、可変制御することができる。その他の構成は、上述した実施の形態と同じである。
【００３７】
さらにこのデバイスは、スイッチを有してもよい。そして、スイッチにより第１及び第２の電圧供給部を選択した第１の状態と、第３及び第４の電圧供給部を選択した第２の状態とに切り替えることが可能とされている。第１の状態では、液晶レンズが凸レンズとして機能し、第２の状態では液晶レンズが凹レンズとして機能する。
【００３８】
本発明によると、第２段階の光学特性は、非常に焦点距離が近い状態から無限に近い(あるいは無限)の状態まで、つまり焦点距離をメートルの単位で表した場合の逆数で与えられるレンズのパワー(単位はジオプトリ:１／ｍ)が可変される。電圧Ｖ２'を高い値に設定し、電圧Ｖ１'の値を可変することで焦点距離が負の値すなわち凹レンズの状態となり、同様にレンズのパワーを負の値で種々可変される。このために、焦点距離の可変範囲が広くなり、実用的であり各種の周途が可能となる。
【００３９】
絶縁層１１２の中に挿入する高抵抗層１１４の面積抵抗値を５７ＭΩ／ｍ２として直径が６ｍｍの液晶光学レンズを作製した。液晶光学レンズが凸レンズとして動作する第１の状態として、固定の電圧（例えば３０ｋＨｚ）Ｖ１＝３０Ｖが第１の電極２１と第２の電極２２の間に加えられ、第３の電極２３に与えられる電圧Ｖ２が１０Ｖ，１５Ｖ,２０Ｖ,２５Ｖと可変されたとき、レンズパワーをジオプトリ（Ｄ）で示すと、それぞれのＶ２の値に対応してレンズパワーが１．６Ｄ，１．３Ｄ，０．９Ｄ，０．４Ｄと変化した。つまり、光の屈折率の勾配が小さくなり焦点距離が長くなるので、焦点距離の逆数であるレンズパワーが小さくなる。
【００４０】
液晶光学レンズが凹レンズとして動作する第２の状態として、固定の電圧Ｖ２'＝２０Ｖが第１の電極２１と第３の電極２３の間に加えられ、第２の電極２２に与えられる電圧Ｖ１'が１０Ｖ,１３Ｖ,１７Ｖと可変されたとき、それぞれのＶ１’の値に対応してレンズパワーが−０．８Ｄ，−０．５Ｄ，−０．２Ｄと変化した。つまり、光の屈折率の勾配が小さくなるので凹レンズとしての焦点距離が長くなり、焦点距離の逆数であるレンズパワーの絶対値が小さくなった。
【００４１】
電圧を可変することで、レンズのパワーが負から正まで可変されるが、本発明の一実施形態は、上記の構成に限定されるものではない。図１（Ａ）、図１(Ｂ)に示した構成において、円形パターンの直径すなわち液晶光学レンズの直径を６ｍｍとした場合では、透明高抵抗層１１２を用いないときには液晶層と円形パターン電極とを隔てる絶縁層の厚みは約２ｍｍ程度必要となり、駆動電圧が１００ボルト以上の高電圧となるため、特別な電源が必要とされる。
【００４２】
しかし本発明によると、絶縁層１１２の中に高抵抗層１１４を挿入することで、円形パターン電極と液晶層３１との間に高抵抗層１１４を仲介して誘電結合が生じるため、数ボルトから３０ボルト程度の低電圧により直径が６ｍｍの液晶レンズを駆動することが可能となる。さらに、高抵抗層１１４に円形の孔１１５−１を有する導電層１１５を設けているため、誘電結合が素子の形状や外部からの影響を受けずに安定した特性を得ることができた。また、再現性良く素子を作製することができた。
【００４３】
本実施例では、絶縁層１１２の厚みがそれぞれ３００μｍ厚のガラス板１１３、１１６による２枚のガラス板の厚みの和である６００μｍとなっていたが、より薄いガラス板を用いることで、さらに低電圧で駆動することができる。
【００４４】
さらに、円形パターンすなわち光学デバイスの直径や絶縁層１１２の中に挿入する高抵抗層１１４の抵抗値、また高抵抗層１１４の上下に配置するガラス基板の厚みなどの値は駆動電圧とも関連するため、適宜変更設定することができる。
【００４５】
図１では、液晶層を１層のみとしているが、液晶層を複数層に分割することで、実効的な厚みを減少させ、応答特性の改善を行うことや、液晶分子の配向方向が互いに直交するように配置することで、偏光成分に依存しない自然光対応の液晶光学レンズを構成することもできる。
【００４６】
他の実施の形態として、導電層１１５を第４の電極として使用して外部から第３の電圧を加えて液晶の屈折率分布を制御することもできる。この導電層１１５の口径を第２の電極２２の孔の直径よりも大きくすることで、実効的なレンズの口径を拡大することもできる。
【００４７】
さらに、他の実施の形態を図２（Ａ）び（Ｂ）に示す。図２（Ａ）はこの実施の形態を示す基本構成であり、図２（Ｂ）は電極２２と２３及び液晶層側に設けた第４の電極の関係を示す平面図である。この実施の形態における電極の構成は、特許文献２，３で提案されている液晶マイクロレンズにおける電極構造及び特許文献６，７で提案されている絶縁層を介して孔を有する電極を設けた構造による各々の特長を利用して、レンズパワーを維持したままで利用可能な口径の拡大を図り、併せて薄型化及び低電圧化を行うものである。
【００４８】
この実施の形態では、図１の構成における透明高抵抗層１１４に配置した導電層１１５を液晶層３１側に移動することで第４の電極１１５’として用いる構造としたものである。すなわち、図１に示した液晶光学レンズの構成と同様に、第２の電極２２に対して絶縁された第３の電極２３が配置され、この第３の電極に前記第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、さらに液晶層３１に面し前記第２の電極２２が有する孔２２−１と同一の中心に中心が位置し前記第２の電極２２の孔２２−１より大きい寸法の孔１１５’−１を有する第４の電極１１５’が配置され、この第４の電極１１５’に前記第１の電圧Ｖ１及び第２の電圧Ｖ２とは独立した第３の電圧Ｖ３を加えることで液晶光学レンズの特性を制御することができる。ここで、第４の電極１１５’の孔１１５’−１の直径を第２の電極２２に設けた孔２２−１の直径と同じ大きさにすると、第４の電極１１５’による静電的な遮蔽効果が働いて液晶層３１に加わる電界が弱くなるため、所定の特性を得ることができない。したがって、第４の電極１１５’に設ける孔１１５’−１の大きさを第２の電極２２の孔２２−１よりも大きく設定する必要がある。さらに前記第４の電極１１５’に設ける孔１１５’−１の直径は、第２の電極２２の孔２２−１の直径の他に絶縁層の厚みにも関連して適宜設定することができる。
【００４９】
第２の電極２２に設けた孔２２−１の直径を６ｍｍとし、第４の電極１１５’の孔１１５’−１の直径を８ｍｍとした液晶光学レンズを構成した。他の寸法等は図１に示した実施例の値と同じにしている。この電極構造の液晶光学レンズにより液晶レンズとしてのパワーは同程度で有効口径を約８ｍｍまで拡大することが可能となり、その結果として液晶層の利用効率を従来の構造（約４０％）に比べて７０％以上に改善することが可能となった。
【００５０】
さらにまた、透明高抵抗層の抵抗値を絶縁層と同程度の値とすること、すなわち透明高抵抗層を無くした液晶光学レンズとして動作させることもできる。この場合には高抵抗層による誘電結合効果が働かないため低電圧駆動を行うことができないが、絶縁層１１２を構成する２枚のガラス板１１３，１１６の厚みと導電層すなわち第４の電極に設けた孔の直径を適宜調整し、前記第４の電極に加える第３の電圧を制御することで、第２の電極に設けた孔よりも大きな大口径のレンズを構成することができ、各電極に加える電圧を調整することで複雑な屈折率分布を有する光学デバイスを構成することも可能である。
【００５１】
なお図２に示した構成で、透明高抵抗層１１４に図１の構成と同様に孔１１５−１を有する導電層１１５を付与することもできる。この場合には、安定で再現性がよい液晶光学レンズを構成することができる。
【００５２】
また、高抵抗層の抵抗値を適宜設定することで、絶縁層１１２を構成する２枚のガラス板１１３，１１６のどちらか、又は両方の厚みを数μｍ以下の非常に薄い薄膜状とすることもでき、１１３として配向膜として用いるポリイミド膜のみとすることもできるので、液晶光学レンズの実効厚みをさらに薄くした薄型光学デバイスを構成することも可能である。
【００５３】
本実施例では、透明絶縁層１１２内に配置される高抵抗層１１４は１層としているが、１層のみならず、複数層が設けられてもよい。
【００５４】
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。また、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。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、液晶レンズを１つ示したが、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２次元的な配列であってもよい。
【００５５】
本発明の光学素子は、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、種々の用途が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１１１・・・第１の基板、１１２・・・絶縁層、１１３・・・ガラス板、１１４・・・高抵抗層、１１５・・・導電層、１１６・・・ガラス板、２１・・・第１の電極、２２・・・第２の電極、２３・・・第３の電極、１１５’・・・第４の電極、３１・・・液晶層、５０・・・スリット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な構造を有し、低電圧により焦点距離を変えることが可能な大形且つ薄型のレンズを再現性良く実現し得る液晶光学レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
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は、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、焦点可変レンズが提案されている(後で示す特許文献１)。この焦点可変レンズは、透明電極付きのガラス基板が湾曲し、液晶層自身がレンズ形となる構造であり、電極間に電圧を印加することで液晶分子の配向制御を行い、実効的な屈折率を変化させるレンズである。
【０００３】
次に、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、円形の孔形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として報告されている(特許文献２、特許文献３)。
【０００４】
また、特許文献４では、液晶中に網目状の高分子ネットワークを作ることで、特性の改善がなされている。このような液晶を用いたレンズでは、多数の微小なマイクロレンズと呼ばれるレンズを平板状に２次元的に配列したマイクロレンズアレイとすることが比較的容易にできる。
【０００５】
特許文献２、３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た状態で電極の開口部分の直径を大きくしてレンズの開口径を大きくすると、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、電極の開口部に透明な高抵抗の膜を付けて、高抵抗膜面の電位分布を利用して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提案されている(特許文献５、非特許文献１)。
【０００６】
また特許文献２、３及び４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、液晶層と円形の孔形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孔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６、非特許文献２、３)、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孔形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】
一方、液晶層と円形の孔形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、円形孔形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報告されている(特許文献７)。
【０００８】
これらの液晶を用いた光学デバイスは、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、特性や光学系の収差を調節できるレンズが実現される。
【０００９】
上記した、円形孔形パターン電極により生じる軸対称の不均一電界により液晶分子の空間配向分布特性を利用した液晶マイクロレンズでは、開口部の直径をミリメートル程度よりも大きいレンズを得ることができないという構造上の問題があった。特許文献５で提案されているように、開口部に液晶層に配向膜を介して接するように高抵抗膜を設けるという方法では、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に電位分布を最適な状態に設定することが極めて困難であり、良好なレンズ特性を得ることが困難であるという問題があった。
【００１０】
さらに、特許文献６及び７で提案されている液晶層と円形孔形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。
【００１１】
この問題を解決するために、透明絶縁層の中に透明高抵抗層として高抵抗の液体層を設けて電位分布を中継することで透明高抵抗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非特許文献４に報告されている。
【００１２】
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、円形孔形パターン電極と透明高抵抗層とが絶縁層を介して誘電的に結合することで透明高抵抗層の電位が決まるため、周辺部の影響を受けやすく、再現性や動作が不安定となることが多いという問題があった。さらに不均一電界による分子配向効果が液晶層の一部に限定されるため、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭５４−１５１８５４号公報
【特許文献２】特開平１１−１０９３０３号公報
【特許文献３】特開平１１−１０９３０４号公報
【特許文献４】特開平１０−２３９６７６号公報
【特許文献５】特開２００３−２９００１号公報
【特許文献６】特開２００４−４６１６号公報
【特許文献７】特開２００５−１１５２６６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】F. Naumov, M. Yu. Loktev, I. R. Guralnik, and G. Vdovin, Liquid crystal adaptive lenses with modal control, Opt. Lett., Vol. 23, pp 992-994, (1998)
【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）」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３】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４】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
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、良好な光学的特性を保持した状態で口径が大きな液晶光学レンズを提供することにある。またこの発明は、液晶層を効率よく利用し、大形のレンズでありながら再現性がよく低電圧で焦点距離を大きく変えることが可能な液晶光学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】
【００１６】
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、本発明の一実施形態の液晶光学レンズは、透明な第１の電極を有する第１の基板、第２の電極、及び液晶層を備え、前記第２の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層を配置する。前記透明絶縁層の中に透明な高抵抗層を配置し、前記第１と前記第２の電極との間に第1の電圧を加えられるように構成する。そして孔を有する導電層を、前記透明な高抵抗層に一体にし、かつこの一体となった層を前記液晶層及び前記第２の電極に対して間隔をおいて配置しており、前記導電層に第２の電圧が供給されるように構成し、前記第１の電圧の値を固定し、前記第２の電圧の値を調整してレンズとして動作させる手段とを有する。
【００１７】
上記の手段により、まず簡単な構造であって、低電圧により安定に再現性良く駆動することができる大形で且つ薄型のレンズを実現し得る。また、大形のレンズでありながら低電圧で焦点距離を変えることができる。そして従来の如くレンズを機械的に前後移動させるような動作を伴うことなく、低電圧により焦点距離を電気的制御により大幅に可変することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１(Ａ)は、本発明に係る液晶光学レンズ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)の電極２２の平面図である。
【図２】図２(Ａ)は、本発明に係る液晶光学レンズの一実施の形態を示す構成説明図であり、図２(Ｂ)は図２(Ａ)の電極２２の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
図１（Ａ）はこの発明の一実施の形態によるデバイスの基本構成を示している。図１(Ｂ)は、図１（Ａ）の孔２２−１を有する第２の電極２２及び前記孔２２−１内に間隔を置いて配置された第３の電極２３を平面的に見た図である。第３の電極２３はスリット５０により第２の電極２２から電気的に絶縁されており、外部から電圧を加えられるように電極取り出し部２３−１が付けられている。また、前記第２の電極２２が有する孔２２−１と同一の中心に位置し前記第２の電極２２の孔２２−１より大きい寸法の孔１１５−１を有する導電層１１５と、その孔１１５−１を破線で示している。第１の基板１１１は、透明な第１の電極２１を有する。一方２２は、先に述べた孔２２−１を有する第２の電極である。第１の基板１１１と前記第２の電極２２との間には、第１の電極２１と対向するように収容され、液晶分子を一方向に配向させる液晶層３１が存在する。
【００２１】
ここで、第２の電極２２と液晶層３１との間に、配向膜部分とは異なり、第２の電極２２と液晶層３１との間の距離を設定する透明絶縁層１１２が配置されている。そして、前記第１と前記第２の電極２１、２２との間に電圧Ｖ１を加えて液晶分子の配向制御を行なうことができる。したがつて、電圧Ｖ１のオンオフによりレンズ機能のオンオフを得ることができる。
【００２２】
特にこのデバイスでは、透明絶縁層１１２の中に透明な高抵抗層１１４を配置している。このため孔２２−１を有する第２の電極２２(円形パターン電極)と液晶層３１との間に高抵抗層１１４を仲介して誘電結合が生じ、このような透明高抵抗層を有しない液晶レンズに比べて、この発明のデバイスでは動作電圧を１０ボルト程度の低電圧まで低下することが可能となる。
【００２３】
上記した構成はレンズの口径を大形化する基本的な思想である。次に、上記のレンズ機能に加えて、焦点距離可変機能を有するデバイスについて説明する。
【００２４】
すなわち、図１に示すように、このデバイスは、透明な第１の電極２１を有する第１の基板１１１、孔２２−１を有する第２の電極２２、及び前記第１の電極２１と前記第２の電極２２との間に、前記第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る液晶層３１を備える。そして、前記第２の電極２２と前記液晶層３１との間に、配向膜部分とは異なり、前記第２の電極２２と前記液晶層３１との間の距離を設定する透明絶縁層１１２とが配置される。
【００２５】
ここで第１と第２の電極２１、２２の間に電圧Ｖ１を加えて液晶分子の配向制御を行なうことができ、前記第２の電極２２に対して電気的に絶縁された透明な第３の電極２３が配置され、この第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段階の光学的特性を得られる液晶光学レンズが構成される。
【００２６】
この液晶光学レンズによると、凸レンズ、凹レンズとしての機能を得られ、さらに、前記透明絶縁層１１２の中に透明な高抵抗層１１４を配置し、大形のレンズを得られるようにしている。
【００２７】
図１において、１１１は第１の基板(厚みが３００μｍの透明ガラス)であり、内面側に、第１の電極２１としてインジウム・錫系の酸化物透明導電材料 (ＩＴＯ材)が形成されている。前記第２の電極２２及びこの第２の電極２２に対して電気的に絶縁された透明な第３の電極２３はいずれもＩＴＯ材から形成され、第２の電極２２が有する孔２２−１の直径は６ｍｍとした。
【００２８】
ここで、第１の電極２１と第２の電極間２２間には、第１の電極２１と対向するように収容され、液晶分子を一方向に配向させる液晶層３１（例えば厚み７５μｍ）が封入されている。液晶材料としてはネマティック液晶Ｅ４４ (メルク社製)を使用した。なお図示していないが７５μｍの厚みの液晶層３１を得るためのスペーサが存在する。
【００２９】
さらに、第２の電極２２と液晶層３１との間に配置される透明絶縁層１１２は、具体的には、透明なガラス板１１３(例えば３００μｍの厚み)、 １１６(例えば３００μｍの厚み)と、このガラス板１１３、１１６により挟まれた透明な高抵抗層１１４（例えば１μｍの厚み)と孔１１５−１を有する導電層１１５（例えばアルミニウム０．２μｍの厚み）で構成されている。この部分の構成は、この液晶デバイスの特徴的な構成である。また、それぞれのガラス板の厚みを変えることで、電圧Ｖ１やＶ２の最適な電圧値が異なってくる。
【００３０】
この透明絶縁層１１２は、新しい構成であるため導電層１１５を有しない場合においても使用されるが、その呼び名としてこの名称に限定されるものではなく、透明高抵抗層を有した透明絶縁体、あるいは電界中継層を有した透明絶縁体、あるいは誘電結合機能を有する透明絶縁体、などの呼び名が可能である。導電層を有する場合においても、便宜上この名称を使用している。
【００３１】
透明高抵抗層１１４としては厚みが約１μｍの樹脂系の導電膜を使用した。本実施例で使用した樹脂系の導電膜の面積抵抗は５０ＭΩ／ｍ２〜２００ＭΩ／ｍ２程度であった。他の無機系薄膜、たとえば抵抗値を最適な値に設定したシリコンを添加したＩＴＯや酸化亜鉛、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。抵抗層１１４に無機系の薄膜を使用すると構造がより簡単になり、安定で寿命も長くなるという利点がある。
【００３２】
なお、液晶層を挟む基板の面には、配向膜としてポリイミドがコーティングされている。また一方向にラビング処理されている。
【００３３】
導電層１１５としては真空蒸着により作製したアルミニウム薄膜を用いた。前記導電層１１５には第２の電極２２が有する孔２２−１と同一の中心に中心が位置し前記第２の電極２２の孔２２−１より大きい寸法の孔１１５−１（たとえば直径が９ｍｍ）が形成されている。
【００３４】
ここで上記の液晶光学レンズを液晶レンズとして機能させる場合を説明する。まず第１の電極２１と第２の電極２２との間に第１の電圧Ｖ１を加える。第１の電圧Ｖ１を加える場合、第２電圧Ｖ２は、当初は０ボルトとしておいて、第１の電圧Ｖ１を最適な値に設定する。
【００３５】
この電圧Ｖ１は、第１の電圧供給部から供給される。ここで凸レンズとして最良、あるいはレンズパワーがほぼ最大となる光学特性(この時の特性を、第１段譜の光学特性と称することにする)が得られる電圧値が設定される。次に、第１の電圧Ｖ１とは、独立して、第１の電極２１と第３の電極２３間に第２の電圧Ｖ２が加えられる。この第２の電圧Ｖ２は、第２の電圧供給部から供給される。この第２の電圧Ｖ２を可変することにより、レンズの光学的特性(第２段階の光学特性と称する)を制御することができる。なお電圧Ｖ１とＶ２は周波数及び位相が等しく設定されている。
【００３６】
上記の説明では液晶レンズが凸レンズとして機能する場合の例を説明した。しかしこの発明では、液晶レンズを凹レンズとして簡単に機能させることが可能である。この場合は、第１の電極２１と第３の電極２３との間に第３の電圧供給部から一定の交流電圧Ｖ２’を与える。そして、第１の電極２１と第２の電極２２との間に、第４の電圧供給部から電圧Ｖ１'を与える。ここで電圧Ｖ１'は、可変制御することができる。その他の構成は、上述した実施の形態と同じである。
【００３７】
さらにこのデバイスは、スイッチを有してもよい。そして、スイッチにより第１及び第２の電圧供給部を選択した第１の状態と、第３及び第４の電圧供給部を選択した第２の状態とに切り替えることが可能とされている。第１の状態では、液晶レンズが凸レンズとして機能し、第２の状態では液晶レンズが凹レンズとして機能する。
【００３８】
本発明によると、第２段階の光学特性は、非常に焦点距離が近い状態から無限に近い(あるいは無限)の状態まで、つまり焦点距離をメートルの単位で表した場合の逆数で与えられるレンズのパワー(単位はジオプトリ:１／ｍ)が可変される。電圧Ｖ２'を高い値に設定し、電圧Ｖ１'の値を可変することで焦点距離が負の値すなわち凹レンズの状態となり、同様にレンズのパワーを負の値で種々可変される。このために、焦点距離の可変範囲が広くなり、実用的であり各種の周途が可能となる。
【００３９】
絶縁層１１２の中に挿入する高抵抗層１１４の面積抵抗値を５７ＭΩ／ｍ２として直径が６ｍｍの液晶光学レンズを作製した。液晶光学レンズが凸レンズとして動作する第１の状態として、固定の電圧（例えば３０ｋＨｚ）Ｖ１＝３０Ｖが第１の電極２１と第２の電極２２の間に加えられ、第３の電極２３に与えられる電圧Ｖ２が１０Ｖ，１５Ｖ,２０Ｖ,２５Ｖと可変されたとき、レンズパワーをジオプトリ（Ｄ）で示すと、それぞれのＶ２の値に対応してレンズパワーが１．６Ｄ，１．３Ｄ，０．９Ｄ，０．４Ｄと変化した。つまり、光の屈折率の勾配が小さくなり焦点距離が長くなるので、焦点距離の逆数であるレンズパワーが小さくなる。
【００４０】
液晶光学レンズが凹レンズとして動作する第２の状態として、固定の電圧Ｖ２'＝２０Ｖが第１の電極２１と第３の電極２３の間に加えられ、第２の電極２２に与えられる電圧Ｖ１'が１０Ｖ,１３Ｖ,１７Ｖと可変されたとき、それぞれのＶ１’の値に対応してレンズパワーが−０．８Ｄ，−０．５Ｄ，−０．２Ｄと変化した。つまり、光の屈折率の勾配が小さくなるので凹レンズとしての焦点距離が長くなり、焦点距離の逆数であるレンズパワーの絶対値が小さくなった。
【００４１】
電圧を可変することで、レンズのパワーが負から正まで可変されるが、本発明の一実施形態は、上記の構成に限定されるものではない。図１（Ａ）、図１(Ｂ)に示した構成において、円形パターンの直径すなわち液晶光学レンズの直径を６ｍｍとした場合では、透明高抵抗層１１２を用いないときには液晶層と円形パターン電極とを隔てる絶縁層の厚みは約２ｍｍ程度必要となり、駆動電圧が１００ボルト以上の高電圧となるため、特別な電源が必要とされる。
【００４２】
しかし本発明によると、絶縁層１１２の中に高抵抗層１１４を挿入することで、円形パターン電極と液晶層３１との間に高抵抗層１１４を仲介して誘電結合が生じるため、数ボルトから３０ボルト程度の低電圧により直径が６ｍｍの液晶レンズを駆動することが可能となる。さらに、高抵抗層１１４に円形の孔１１５−１を有する導電層１１５を設けているため、誘電結合が素子の形状や外部からの影響を受けずに安定した特性を得ることができた。また、再現性良く素子を作製することができた。
【００４３】
本実施例では、絶縁層１１２の厚みがそれぞれ３００μｍ厚のガラス板１１３、１１６による２枚のガラス板の厚みの和である６００μｍとなっていたが、より薄いガラス板を用いることで、さらに低電圧で駆動することができる。
【００４４】
さらに、円形パターンすなわち光学デバイスの直径や絶縁層１１２の中に挿入する高抵抗層１１４の抵抗値、また高抵抗層１１４の上下に配置するガラス基板の厚みなどの値は駆動電圧とも関連するため、適宜変更設定することができる。
【００４５】
図１では、液晶層を１層のみとしているが、液晶層を複数層に分割することで、実効的な厚みを減少させ、応答特性の改善を行うことや、液晶分子の配向方向が互いに直交するように配置することで、偏光成分に依存しない自然光対応の液晶光学レンズを構成することもできる。
【００４６】
他の実施の形態として、導電層１１５を第４の電極として使用して外部から第３の電圧を加えて液晶の屈折率分布を制御することもできる。この導電層１１５の口径を第２の電極２２の孔の直径よりも大きくすることで、実効的なレンズの口径を拡大することもできる。
【００４７】
さらに、他の実施の形態を図２（Ａ）び（Ｂ）に示す。図２（Ａ）はこの実施の形態を示す基本構成であり、図２（Ｂ）は電極２２と２３及び液晶層側に設けた第４の電極の関係を示す平面図である。この実施の形態における電極の構成は、特許文献２，３で提案されている液晶マイクロレンズにおける電極構造及び特許文献６，７で提案されている絶縁層を介して孔を有する電極を設けた構造による各々の特長を利用して、レンズパワーを維持したままで利用可能な口径の拡大を図り、併せて薄型化及び低電圧化を行うものである。
【００４８】
この実施の形態では、図１の構成における透明高抵抗層１１４に配置した導電層１１５を液晶層３１側に移動することで第４の電極１１５’として用いる構造としたものである。すなわち、図１に示した液晶光学レンズの構成と同様に、第２の電極２２に対して絶縁された第３の電極２３が配置され、この第３の電極に前記第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、さらに液晶層３１に面し前記第２の電極２２が有する孔２２−１と同一の中心に中心が位置し前記第２の電極２２の孔２２−１より大きい寸法の孔１１５’−１を有する第４の電極１１５’が配置され、この第４の電極１１５’に前記第１の電圧Ｖ１及び第２の電圧Ｖ２とは独立した第３の電圧Ｖ３を加えることで液晶光学レンズの特性を制御することができる。ここで、第４の電極１１５’の孔１１５’−１の直径を第２の電極２２に設けた孔２２−１の直径と同じ大きさにすると、第４の電極１１５’による静電的な遮蔽効果が働いて液晶層３１に加わる電界が弱くなるため、所定の特性を得ることができない。したがって、第４の電極１１５’に設ける孔１１５’−１の大きさを第２の電極２２の孔２２−１よりも大きく設定する必要がある。さらに前記第４の電極１１５’に設ける孔１１５’−１の直径は、第２の電極２２の孔２２−１の直径の他に絶縁層の厚みにも関連して適宜設定することができる。
【００４９】
第２の電極２２に設けた孔２２−１の直径を６ｍｍとし、第４の電極１１５’の孔１１５’−１の直径を８ｍｍとした液晶光学レンズを構成した。他の寸法等は図１に示した実施例の値と同じにしている。この電極構造の液晶光学レンズにより液晶レンズとしてのパワーは同程度で有効口径を約８ｍｍまで拡大することが可能となり、その結果として液晶層の利用効率を従来の構造（約４０％）に比べて７０％以上に改善することが可能となった。
【００５０】
さらにまた、透明高抵抗層の抵抗値を絶縁層と同程度の値とすること、すなわち透明高抵抗層を無くした液晶光学レンズとして動作させることもできる。この場合には高抵抗層による誘電結合効果が働かないため低電圧駆動を行うことができないが、絶縁層１１２を構成する２枚のガラス板１１３，１１６の厚みと導電層すなわち第４の電極に設けた孔の直径を適宜調整し、前記第４の電極に加える第３の電圧を制御することで、第２の電極に設けた孔よりも大きな大口径のレンズを構成することができ、各電極に加える電圧を調整することで複雑な屈折率分布を有する光学デバイスを構成することも可能である。
【００５１】
なお図２に示した構成で、透明高抵抗層１１４に図１の構成と同様に孔１１５−１を有する導電層１１５を付与することもできる。この場合には、安定で再現性がよい液晶光学レンズを構成することができる。
【００５２】
また、高抵抗層の抵抗値を適宜設定することで、絶縁層１１２を構成する２枚のガラス板１１３，１１６のどちらか、又は両方の厚みを数μｍ以下の非常に薄い薄膜状とすることもでき、１１３として配向膜として用いるポリイミド膜のみとすることもできるので、液晶光学レンズの実効厚みをさらに薄くした薄型光学デバイスを構成することも可能である。
【００５３】
本実施例では、透明絶縁層１１２内に配置される高抵抗層１１４は１層としているが、１層のみならず、複数層が設けられてもよい。
【００５４】
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。また、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。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、液晶レンズを１つ示したが、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２次元的な配列であってもよい。
【００５５】
本発明の光学素子は、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、種々の用途が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１１１・・・第１の基板、１１２・・・絶縁層、１１３・・・ガラス板、１１４・・・高抵抗層、１１５・・・導電層、１１６・・・ガラス板、２１・・・第１の電極、２２・・・第２の電極、２３・・・第３の電極、１１５’・・・第４の電極、３１・・・液晶層、５０・・・スリット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な第１の電極を有する第１の基板、第２の電極、及び前記第１の基板と前記第２の電極との間に、前記第１の電極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る液晶層を備え、
前記第２の電極と前記液晶層との間に、前記第２の電極と前記液晶層との間の距離を設定する透明絶縁層とを配置し、
前記透明絶縁層の中に透明な高抵抗層を配置し、
前記第１と前記第２の電極との間に第1の電圧を加えられるように構成して液晶分子の配向制御を行なうことができる液晶光学デバイスであり、
孔を有する導電層を、前記透明な高抵抗層に一体にし、かつこの一体となった層を前記液晶層及び前記第２の電極に対して間隔をおいて配置しており、前記導電層に第２の電圧が供給されるように構成し、
前記第１の電圧の値を固定し、前記第２の電圧の値を調整してレンズとして動作させる手段とを有した液晶光学レンズ。
【請求項２】
前記第２の電極は孔を有し、前記導電層の孔は、前記第２の電極が有する孔と同一の中心に位置し前記第２の電極の孔と等しいか又はより大きい寸法の孔であり、前記第２の電極の孔内には、前記第２の電極に対して絶縁した第３の電極が配置されている請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項３】
前記液晶層が２層であり、液晶分子の配向方向が互いに直交するように配置することで、光りの透過が偏光成分に依存しないように構成している請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項１】
透明な第１の電極を有する第１の基板、第２の電極、及び前記第１の基板と前記第２の電極との間に、前記第１の電極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る液晶層を備え、
前記第２の電極と前記液晶層との間に、前記第２の電極と前記液晶層との間の距離を設定する透明絶縁層とを配置し、
前記透明絶縁層の中に透明な高抵抗層を配置し、
前記第１と前記第２の電極との間に第1の電圧を加えられるように構成して液晶分子の配向制御を行なうことができる液晶光学デバイスであり、
孔を有する導電層を、前記透明な高抵抗層に一体にし、かつこの一体となった層を前記液晶層及び前記第２の電極に対して間隔をおいて配置しており、前記導電層に第２の電圧が供給されるように構成し、
前記第１の電圧の値を固定し、前記第２の電圧の値を調整してレンズとして動作させる手段とを有した液晶光学レンズ。
【請求項２】
前記第２の電極は孔を有し、前記導電層の孔は、前記第２の電極が有する孔と同一の中心に位置し前記第２の電極の孔と等しいか又はより大きい寸法の孔であり、前記第２の電極の孔内には、前記第２の電極に対して絶縁した第３の電極が配置されている請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項３】
前記液晶層が２層であり、液晶分子の配向方向が互いに直交するように配置することで、光りの透過が偏光成分に依存しないように構成している請求項１記載の液晶光学レンズ。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−５８７４６（Ｐ２０１２−５８７４６Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３９５９７（Ｐ２０１１−２３９５９７）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【分割の表示】特願２００８−２０９００４（Ｐ２００８−２０９００４）の分割
【原出願日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【分割の表示】特願２００８−２０９００４（Ｐ２００８−２０９００４）の分割
【原出願日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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