JP2001194636A

JP2001194636A - 焦点位置可変空間変調デバイス

Info

Publication number: JP2001194636A
Application number: JP2000006527A
Authority: JP
Inventors: Masataka Hamada; 正隆浜田
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2000-01-14
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】結像性能の良い焦点位置可変空間変調デバイ
スを提供する。【解決手段】光束内に配置され入射光を偏向させるこ
とができる屈折率可変材料３０と、屈折率可変材料３０
を挟んで両側に互いに略対向して同心円状、同心楕円
状、又は偏倍同心楕円状に配置された複数の電極対１１
〜１６，２１〜２６と、電極対１１〜１６，２１〜２６
間に電圧を印加する電圧印加手段とを備える。複数の電
極対１１〜１６，２１〜２６は、デバイス中心部と周辺
部とで異なる間隔ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅで配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦点位置可変空間
変調デバイスに関し、例えば液晶レンズに好適な焦点位
置可変空間変調デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラスチック成形フレネル板、写
真乾板式回折格子、ガラス版けがき式回折格子、写真乾
板式ホログラム、フォトレジスト式ホログラムなどがあ
ったが、製造時に透過又は反射光路は固定されている。

【０００３】透過又は反射光路を偏向する技術として
は、例えば、以下のものがある。

【０００４】特開平１０−６２６０９号公報は、焦点距
離を調整できるマイクロレンズを提案している。これ
は、レンズ一つの焦点位置を変更するものであり、小径
瞳のレンズでしか成り立たない。また、単純に寸法が大
きくなるだけであれば、必要な球面(非球面)が得られな
いため、実用化が困難であると考えられる。

【０００５】特開平９−１８４９６５号公報には、入射
光路を偏向する偏向手段にパワーを持たせる技術が開示
されているが、レンズパワーは変化せず、撮影レンズの
瞳を有効に使用することができない。

【０００６】レーザー研究、第２５巻第１０号、第６８
７頁、(１９９７年)「液晶マイクロレンズ」には、マイ
クロレンズアレーを作成し、焦点位置を変更できる技術
が開示されている。しかし、直径数１０〜数１００μｍ
のレンズしか形成できない。

【０００７】特許第２６２８６３０号（特開昭６２-１
７０９３３号）公報には、同心円状に電極を配置し、リ
ング状電極に順次異なる電圧を印加する方式が開示され
ている。しかし、この方式は、液晶をはさんだ電極間の
配向、屈折力を制御する方法であり、各リング電極間に
もつ配向変位、屈折力変位については述べられていな
い。リング電極間も電極の影響により配向がチルトし、
屈折力も変化し、この部分が必要としない屈折力を発生
し、フレアを生じさせる要因となる。

【０００８】特開平９−３０４７４８号公報には、多重
輪状構造をもち、中央から周辺にかけて径方向の電極幅
が中心から周辺に向かって減少させることによってレン
ズ効果を持たせる技術が開示されている。しかし、電極
と電極との間のみ屈折力変化をもつものとして設計され
ているが、多重輪状電極同士の間の部分も電極の影響に
より配向がチルトし、屈折力も変化し、この部分が必要
としない屈折力を発生し、フレアを生じさせる。また、
上下の電極を非対称にして、電極電圧を１種類だけとし
ているが、フレア問題について解決する方向ではない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来から、小型な装置
で焦点位置を可変にする（２重焦点レンズシステム）と
して、液晶を利用することが述べられてきた。これは、
２枚の基板に電極を形成し、これを多重リング形状とし
て、液晶をはさんだ電極間の液晶の屈折率を変化させる
ことでレンズ効果を持たせるようにしてきた。電界を印
加しない場合は、液晶は基板に平行に配向しレンズ効果
がなく、電界をかけたときには液晶の配向角が変化し、
屈折力が変わることを利用してきた。

【００１０】しかし、液晶をはさんだ電極間の配向、屈
折力を制御する方法が述べられてきたが、各リング電極
間に発生する配向変位、屈折力変位についての振る舞い
が述べられていない。実際は、リング電極間も電極の影
響により配向がチルトし、屈折率も変化し、この部分が
必要としない屈折力を発生し、フレアを生じさせる要因
となる。

【００１１】フレアの発生は、ピント検出などのセンシ
ングの誤検出になり、撮影系で利用する場合、フレアは
画質の低下となり、レンズとしての性能が良いとはいえ
ない。

【００１２】また、液晶をはさんだ電極間は一定の屈折
率であり、デバイス全体としての屈折力は、各リングご
との量子化された屈折となる。これら２つの要因により
結像性能の良いレンズにはならない。

【００１３】したがって、本発明が解決しようとする技
術的課題は、結像性能の良い焦点位置可変空間変調デバ
イスを提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段および作用・効果】本発明
は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の焦
点位置可変空間変調デバイスを提供する。

【００１５】焦点位置可変空間変調デバイスは、光束内
に配置され入射光を偏向させることができる屈折率可変
材料と、該屈折率可変材料を挟んで両側に互いに略対向
して同心円状、同心楕円状、又は同心偏倍楕円状に間隔
を設けて配置された複数の電極対と、該電極対間に電圧
を印加する電圧印加手段とを備え、上記電極対間に印加
される電圧により上記屈折率可変材料の屈折率分布が変
わり焦点位置が変化するタイプのものである。上記複数
の電極対は、デバイス中心部と周辺部とで異なる間隔で
配置される。

【００１６】なお、「偏倍」とは、直交方向の倍率が同
一でない場合のことであり、例えばＸ方向とＹ方向で倍
率が異なる場合や、倍率が距離により変化する場合など
を含む。

【００１７】上記構成において、電圧印加手段により電
極対間に電圧が印加されると、電界が生じる。屈折率可
変材料は、この電界に応じた屈折率分布となる。電極対
の間隔を、デバイス中心部（光軸中心部）と周辺部とで
変えることにより、デバイス全体の特性（例えばレンズ
収差性能）を向上させることができる。

【００１８】好ましくは、上記屈折率可変材料の特性に
応じて電極対を配置することにより、所望の特性のデバ
イスを得ることができる。

【００１９】すなわち、上記屈折率可変材料は、電界エ
ネルギーが大きいほどその屈折率が小さくなる特性であ
るとき、上記電極対は、その間隔がデバイス中心から離
れるに従い狭くなるように、又はその間隔がデバイス中
心から離れるに従い広くなるように、配置される。

【００２０】電極対の間隔がデバイス中心から離れるに
従い狭くなる場合、各電極対にそれぞれ略同じ電圧を印
加すると、屈折率可変部材の屈折率は、デバイス中心部
（光軸中心部）では高く、デバイス周辺部では低くな
り、光軸から離れるに従って低くなる。したがって、収
斂特性のデバイスを得る場合に、収斂性の良いものとな
る。

【００２１】一方、電極対の間隔がデバイス中心から離
れるに従い広くなる場合、各電極対にそれぞれ略同じ電
圧を印加すると、屈折率可変部材の屈折率は、デバイス
中心部（光軸中心部）で低く、デバイス周辺部で高くな
り、光軸から離れるに従って高くなる。したがって、発
散特性のデバイスを得る場合に、発散性の良いものとな
る。

【００２２】また、上記屈折率可変材料は、電界エネル
ギーが大きいほどその屈折率が大きくなる特性であると
き、上記電極対は、その間隔がデバイス中心から離れる
に従い広くなるように、又はその間隔がデバイス中心か
ら離れるに従い狭くなるように、配置される。

【００２３】電極対の間隔がデバイス中心から離れるに
従い広くなる場合、各電極対にそれぞれ略同じ電圧を印
加すると、屈折率可変部材の屈折率は、デバイス中心部
（光軸中心部）では高く、デバイス周辺部では低くな
り、光軸から離れるに従って低くなる。したがって、収
斂特性のデバイスを得る場合に、収斂性の良いものとな
る。

【００２４】一方、電極対の間隔がデバイス中心から離
れるに従い狭くなる場合、各電極対にそれぞれ略同じ電
圧を印加すると、屈折率可変部材の屈折率は、デバイス
中心部（光軸中心部）で低く、デバイス周辺部で高くな
り、光軸から離れるに従って屈折率は高くなる。したが
って、発散特性のデバイスを得る場合に、発散性の良い
ものとなる。

【００２５】好ましくは、上記屈折率可変材料は液晶で
ある。

【００２６】液晶は、電界に応じた屈折率分布を得るこ
とができ、製造も容易でる。したがって、液晶レンズ等
を構成することが容易である。

【００２７】好ましくは、上記屈折率可変材料は、ポッ
ケルス効果材料又はカー効果材料である。

【００２８】すなわち、屈折率が電界の強さに比例する
材料であるポッケルス効果材料や、屈折率が電界の強さ
に２乗に比例する材料であるカー効果材料は、所望の屈
折率分布を得るように構成する上で、好適である。

【００２９】また、本発明は、以下の構成の焦点位置可
変空間変調デバイスを提供する。

【００３０】焦点位置可変空間変調デバイスは、光束内
に配置され入射光を偏向させることができる屈折率可変
材料と、該屈折率可変材料を挟んで両側に互いに略対向
して同心円状、同心楕円状、又は同心偏倍楕円状に間隔
を設けて配置された複数の電極対と、該電極対間に電圧
を印加する電圧印加手段とを備え、上記電極対間に印加
される電圧により上記屈折率可変材料の屈折率分布が変
わり焦点位置が変化するタイプのものである。上記電圧
印加手段は、上記電極対に、デバイス中心部と周辺部と
で異なる電圧を印加する。

【００３１】上記構成において、電圧印加手段により電
極対間に電圧が印加されると、電界が生じる。屈折率可
変材料は、この電界に応じた屈折率分布となる。電極対
に印加する電圧を、デバイス中心部（光軸申心部）と周
辺部とで変えることにより、デバイス全体の特性（例え
ば、レンズ収差性能）を向上させることができる。

【００３２】好ましくは、上記屈折率可変材料の特性に
応じて電極対に電圧を印加することにより、所望の特性
のデバイスを得ることができる。

【００３３】すなわち、上記屈折率可変材料は、電界エ
ネルギーが大きいほどその屈折率が小さくなる特性であ
るとき、上記電圧印加手段は、上記電極対に、デバイス
中心から離れるに従い高い電圧を、又はデバイス中心か
ら離れるに従い低い電圧を、印加する。

【００３４】デバイス中心から離れるに従い高い電圧を
印加する場合、電極対に印加する電圧は、デバイス中心
部（光軸中心部）では低く、デバイス周辺部では高くな
り、屈折率可変部材の屈折率は、光軸から離れるに従っ
て低くなる。したがって、収斂特性のレンズを得る場合
に、収斂性の良いものとなる。

【００３５】一方、デバイス中心から離れるに従い低い
電圧を印加する場合、電極対に印加する電圧は、デバイ
ス中心部（光軸中心部）では高く、デバイス周辺部では
低くなり、屈折率可変部材の屈折率は、光軸から離れる
に従って高くなる。したがって、発散特性のデバイスを
得る場合に、発散性の良いものとなる。

【００３６】また、上記屈折率可変材料は、電界エネル
ギーが大きいほどその屈折率が大きくなる特性であると
き、上記電圧印加手段は、上記各電極対に、デバイス中
心から離れるに従い低い電圧を、又はデバイス中心から
離れるに従い高い電圧を、印加する。

【００３７】各電極対にデバイス中心から離れるに従い
低い電圧が印加される場合、デバイス中心部（光軸中心
部）では電圧が高く、デバイス周辺部では電圧が低くな
り、屈折率可変部材の屈折率は、光軸から離れるに従っ
て低くなる。したがって、収斂特性のデバイスを得る場
合に、収斂性の良いものとなる。

【００３８】一方、各電極対にデバイス中心から離れる
に従い高い電圧が印加される場合、デバイス中心部（光
軸中心部）では電圧が低く、デバイス周辺部では電圧が
高くなり、屈折率可変部材の屈折率は、光軸から離れる
に従って屈折率は高くなる。したがって、発散特性のデ
バイスを得る場合に、発散性の良いものとなる。

【００３９】好ましくは、上記屈折率可変材料は液晶で
ある。

【００４０】液晶は、電界に応じた屈折率分布を得るこ
とができ、製造も容易でる。したがって、液晶レンズ等
を構成することが容易である。

【００４１】好ましくは、上記屈折率可変材料は、ポッ
ケルス効果材料又はカー効果材料である。

【００４２】すなわち、屈折率が電界の強さに比例する
材料であるポッケルス効果材料や、屈折率が電界の強さ
に２乗に比例する材料であるカー効果材料は、所望の屈
折率分布を得るように構成する上で、好適である。

【００４３】具体的には、本願発明は、例えば、液晶を
はさんだ電極間の略一定の屈折率を利用するのではな
く、リング電極間の徐々に変化する屈折率分布を利用
し、フレアの影響を少なくし、屈折力量子化による結像
むらをなくして、結像性能の良い液晶レンズを提供す
る。

【００４４】すなわち、従来は、例えばフレネルレンズ
の各プリズム要素が平面で構成されたプリズムの集まり
であるのが、本発明ではフレネルレンズの各プリズム要
素がレンズ球面で構成されたレンズの集まりであるとい
える。

【００４５】本発明により、屈折率分布レンズ（グリン
レンズ）を液晶で実現し、その屈折率分布構造がフレネ
ルレンズのようになっているというレンズが実現すると
もいえる。

【００４６】本発明の利用分野は、例えば、以下のよう
な領域である。

【００４７】被写体からの光を入射する対物レンズの瞳
内を通過した光束を利用して、センシングを行う場合に
関係する。例えば、機器がカメラでセンシングが焦点検
出とする。

【００４８】具体的には、デジタルカメラの撮像エリア
センサを利用してピント位置を求める場合に、例えばコ
ントラスト方式であれば最大コントラスト位置を求め
て、撮影レンズのフォーカスレンズを動かしてコントラ
スト検出の出力カーブのピーク位置を求めてピントを合
わせる。

【００４９】一方、フォーカスレンズを動かさないでピ
ント位置を求める方法もある。２枚の撮像センサを撮影
レンズ光軸方向にずらせて配置し、コントラスト出力を
比較してピント位置を想定する。この場合、２つの出力
値の差を補間（外挿又は、内挿演算）してピント位置を
おおよそ予測する。この場合、レンズの初期位置のピン
トぼけ量によって、演算可否が分かれる。この時ぼけ量
が大きい場合は上記２つのセンサの光軸方向配置位置
（ピントずらし量）が大きい場合、ピント位置を見つけ
やすく、ぼけ量が小さい場合は、ピント位置検出精度を
上げるために２つのセンサの光軸方向配置位置（ピント
ずらし量）を小さく設定したい。大ぼけ時は２つのセン
サは光軸方向に大きく離したいし、ピントが合ってきた
ら光軸方向に小さくし、最後のピント位置決定（ＡＦ
完）の精度を上げたい。また、大ぼけでも高速ＡＦ可能
といえる。

【００５０】よって、従来コントラスト方式のＡＦは時
間がかかっていたのが、本発明を使えば素早いくＡＦで
きるようになる。

【００５１】その他、瞳径の異なる対物レンズでセンシ
ングする場合の対応できるの種類が増える。すなわち、
射出瞳によってけられることが問題であったセンシング
に対し、瞳位置に応じて光束を変更できるためにセンシ
ング範囲が増加する。

【００５２】よって、例えばＦ値の明るいレンズしかピ
ント検出できなかったものが、本発明を使えば、暗いレ
ンズでもＡＦできるようになる。

【００５３】又は、ピントのセンシングがＦ値の暗いと
ころの光束で検出するようにしか設計できなかったため
に、精度を落としていたのが、本発明によって高精度な
ＡＦが可能となる。

【００５４】さらに、撮影レンズでフォーカスレンズに
利用すれば焦点調節可能となる。従来フォーカシングに
ガラスレンズを光軸方向に相当量動かす必要があるため
に、撮影レンズを大きくする必要があったのが、本発明
により小型の撮影レンズができる。

【００５５】なお、一般的な光学系設計において、従来
必要な焦点位置を得るために、レンズそのものを交換す
るか、又はレンズ１枚又は、複数レンズを移動する必要
があったのが、本発明により簡単に小型に光学系を構成
できる。

【００５６】また、従来の液晶レンズの提案では、収斂
レンズ特性しか述べられていないが、発散レンズヘの応
用が可能である。液晶の屈折率の変化率を電極の幅で制
御することで任意の屈折率分布が得られ、発散レンズ
（凹レンズ）特性を構成することも可能となる。

【００５７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態に係る
液晶レンズについて、図面を参照しながら説明する。

【００５８】まず、図１を用いて、従来の液晶レンズに
ついて説明する。

【００５９】図１（ａ）の模式断面図に示すように、液
晶レンズ５００は、平行に配置した基板５１０，５２０
とシール材５３８，５３９で、液晶５３０を密封したも
のであり、基板５１０，５２０の互いに対向する面に
は、電極５１１，５１２，５２１，５２２と、配向膜５
１８，５２８が形成されている。電極５１１，５１２；
５２１，５２２は、光軸Ｏと同心リング状に、かつ互い
に対向するように、それぞれ形成されている。そして、
対向する電極間の電極対向領域Ｐにおいては、電圧印加
による電界で液晶５３０の配向を変化させ、特定の屈折
率に制御することができる。しかし、その隣の電極が対
向しない非電極対向領域Ｎでは、液晶５３０の配光が変
化せず、屈折力を持たないとされていた。

【００６０】そのため、領域Ｎと領域Ｐとでは屈折率が
異なり、図１（ｂ）に端的に示したように、液晶レンズ
５００の屈折率は、断続的な略方形の分布になる。換言
すると、図１（ｃ）に示したように、液晶レンズ５００
は、複数の直線状のレンズ面要素５４０を持ったフレネ
ルレンズに相当する。そして、図１（ｄ）に示したよう
に、電極対向領域Ｐを通過した光束５５２は焦点５５０
に結像するが、非電極対向領域Ｎを通過した光束５５４
は焦点５５０に結像せず、結像性が低かった。

【００６１】実際には、液晶５３０の配向が変化しなく
ても（たとえ水平としても）、屈折率は空気と異なるた
め屈折する。また、電極間で発生する電界により、電極
対向領域Ｐだけで配向が変化するのではなく、広がりを
持つ。特に、後者によって、非電極対向領域Ｎ内では、
電極対向領域Ｐから離れるに従い屈折率が徐々に大きく
なり、結果としてパワーを持つ。

【００６２】そこで、従来は電極対向領域Ｐの屈折率を
制御して結像させていたのに対し、本発明では、図２に
示すように、非電極対向領域Ｎにおける屈折率を制御し
て、結像性を向上している。図中、１０，２０は基板、
１８，２８は配向膜、３０は液晶、３８，３９はシール
材、Ｏは光軸、Ｌは光束の入射方向である。

【００６３】すなわち、図２（ａ）の模式断面図に示す
ように、基板１０，２０に形成する同心リング状の電極
１２，１３；２２，２３の幅を、非電極対向領域Ｐの幅
よりも小さくし、また、電界遮断部３２，３４を設け、
リング状のセルに区切っている。これにより、図２
（ｂ）に示すように、非電極対向領域Ｎにおいて所望の
傾きで屈折率を変化させている。この屈折率分布は、図
２（ｃ）に示すように、複数の曲線状のレンズ面要素４
０を持ったのフレネルレンズに相当する。そして、図２
（ｄ）に示したように、大部分の光束５４が非電極対向
領域Ｎを通過し、焦点５０に結像するようにして、結像
性を高くすることが可能である。さらには、電極対向領
域Ｐを通過する光束５２も焦点５０に結像させ、結像性
を一層向上することも可能である。

【００６４】本発明の液晶レンズは、具体的には、以下
のように種々の態様で構成することができる。

【００６５】図３（ａ）の断面図に示すようにセルで区
切らない場合には、隣接する電極間の電界変化の影響
で、屈折率は、図３（ｂ）のように、山が繰り返すよう
な分布となる。所望の結像性を得るには、一つの山状の
屈折率分布におて、その上昇部分又は下降部分の何れか
一方のみを含む分布であることが必要である。そのため
には、以下の各構成が可能である。

【００６６】図４（ａ）の要部断面図は、不要な光束を
カットする遮光部６２〜６５を設ける構成を示してい
る。この構成では、遮光部６２〜６５は、屈折率分布曲
線のうち結像性能に寄与しない範囲Ｑ_T（図３（ｂ）参
照）に対応する部分を通過する光束を遮断し、寄与する
範囲Ｑ_Sに対応する部分についてのみ、光束が通過する
ようにする。遮光部６２〜６５は、例えば不透明膜を形
成することにより、容易に形成することができる。しか
し、この方法では、図４（ｂ）に示したように、山状の
屈折率分布曲線の片側をカットすることになるので、全
体光量が略半分に減少する。

【００６７】なお、図４は収斂系のレンズ（凸レンズ）
の場合であるが、発散系のレンズ（凹レンズ）の場合に
は、屈折率分布曲線のうち使用しなかった部分Ｑ_Tを使
用することになるので、図４（ａ）とは逆の部分（光が
透過する部分）をマスクすることになる。

【００６８】別の構成としては、セルに区切り、有効領
域を広げる。

【００６９】図５は、電界シールド３１，３３，３５，
３７によりセルに区切った場合の構成図である。電界シ
ールド３１，３３，３５，３７は、例えば、銅や、透明
電極で使用する材料（酸化インジウム、酸化錫、ＩＴＯ
すなわちインジウム錫酸化物など）を利用する。

【００７０】図７（ａ）に示すように、電極の間隔を変
えることにより、所望の屈折率分布を得ることができ
る。

【００７１】すなわち、光軸Ｏの中心付近の電極間隔を
広くし、光軸Ｏの周辺部分では電極の間隔を狭くするこ
とで、図７（ｂ）に示すように、セルごとの屈折分布に
差をつける。

【００７２】いわゆるフレネルゾーンプレートの形とよ
く似た屈折分布とするには、図７中の記号を用いると、
各セルの幅については、ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄ＞ｅ（１）各セルの最大屈折率については、Ｑ_A＞Ｑ_B＞Ｑ_C＞Ｑ_D＞Ｑ_E （２）である。

【００７３】この場合には、各電極１２〜１６，２２〜
２６に同一電圧を印加することができる。

【００７４】１つ１つのセルを区切ることで、所望の方
向とは逆方向に偏向する光束をなくし、透過率を向上さ
せることができる。また、非電極対向領域の屈折率分布
特性を向上させ、レンズ効果（結像性能）を向上させる
ことができる。また、非球面レンズ効果を設定すること
も可能である。

【００７５】また、図８に示すように、電極に印加する
電圧を変えることにより、所望の屈折率分布を得ること
もできる。

【００７６】図８では、各セルＡ〜Ｆについて、それぞ
れの電極Ｘ₁〜Ｘ₆に印加する電圧を抵抗Ｒ₁〜Ｒ₅により
段階的に変え、各セルＡ〜Ｆにおける最大電圧Ｖ_A〜Ｖ_F
が、Ｖ_F＞Ｖ_E＞Ｖ_D＞Ｖ_C＞Ｖ_B＞Ｖ_A （３）となるようにして、全体のパワーを制御するものであ
る。電源Ｖは、例えば１ｋＨｚ、５Ｖの電圧を交流駆動
させる。この場合は、受光手段を同期させる必要があ
る。なお、直流電源で、一定の屈折率を維持できる材料
の場合は同期の必要はない。

【００７７】この場合、光軸Ｏの中央部を低電圧、光軸
Ｏの周辺部を高電圧にすることで、図９に示すように、
中央部付近のセルの液晶３０については水平配向に近い
状態、すなわち高屈折率とし、周辺部付近のセルの液晶
３０については配向の強い状態、すなわち低屈折率にで
き、フレネルレンズのような屈折率分布効果が発揮でき
る。

【００７８】すなわち、各セルＡ〜Ｄについての屈折率
の分布が、図９（ａ）に示す記号を用いて、Ｑ_A＞Ｑ_B＞Ｑ_C＞Ｑ_D（４）Ｑ_A _’＞Ｑ_B _’＞Ｑ_C _’＞Ｑ_D _’（５）となるようにすることができる。

【００７９】また、非球面効果も付加でき、レンズ性能
が向上する。

【００８０】各セルは、図１０〜図１４のように、種々
の態様の構成とすることができる。

【００８１】図１０は、各液晶セルを同心筒状の壁Ｗ₁
〜Ｗ₆で各円環状のセルごとに明確に分離したものであ
る。電磁シールド材からなる壁Ｗ₁〜Ｗ₆で仕切り、隣接
するセルの電極の影響を受けないようにして、屈折力を
高く設定することができる。ただし、液晶セルヘの入射
角が垂直に近い場合に有効であり、角度がつくと分離用
の壁Ｗ₁〜Ｗ₆が光路を遮り、悪影響を与える。

【００８２】図１１は、各セルの屈折力を高く設定する
ために、各電極Ｘ₂〜Ｘ₆，Ｙ₂〜Ｙ₆の近傍にそれぞれグ
ランド電極Ｓ₂〜Ｓ₆，Ｔ₂〜Ｔ₆を設定したものである。
隣のセルの影響をなくす効果を持つ。グランドから制御
するため、電位差の制御範囲が広く、また確実に設定で
きる。

【００８３】図１２は、セルを明確に分離する壁Ｗ₁〜
Ｗ₅を設定するとともに、各壁Ｗ_iの両側に、それぞれ電
極Ｓ_iとＴ_iの対、Ｘ_iとＹ_iの対を配置する構成を示す。
印加電圧は、ＶとＶ２で円環状のセルの外部と内部をお
さえ、電界分布の制御をきめ細かくし、光路偏向の有効
領域を広げることを可能とする。

【００８４】図１３は、各セル自体の構成は図１１と同
じであるが、図１１と異なり、電極Ｙ₁〜Ｙ₆もグランド
に接地している。また、電圧Ｖは、マイコンによって変
える。

【００８５】図１４は、各セル自体の構成は図１０と同
じであるが、図１１と異なり、各電極には同一電圧を印
加し、その大きさは可変抵抗Ｒによって変えることがで
きる。

【００８６】図１５は、凹レンズの場合の例である。

【００８７】凹レンズ構成とするためには、電界シール
ドの壁Ｗ₂〜Ｗ₆と電極Ｘ₁〜Ｘ₆，Ｙ ₁〜Ｙ₆を、凸レンズ
系とは逆の位置関係に配置し、電圧の大小の並びも逆に
する。

【００８８】すなわち、光軸Ｏの中央部付近では高電
圧、光軸Ｏの周辺部付近では低電圧にすることで、図１
５（ｂ）に示すように、屈折率分布曲線が凹状で、中央
部付近を低屈折率、周辺部付近で高屈折率として、凹レ
ンズとしての屈折率分布効果が発揮できるようにしてい
る。

【００８９】すなわち、各セルＡ〜Ｆについての屈折率
の分布は、図中の記号を用いると、Ｑ_F＞Ｑ_E＞Ｑ_D＞Ｑ_C＞Ｑ_B＞Ｑ_A （６）Ｑ_F _’＞Ｑ_E _’＞Ｑ_D _’＞Ｑ_C _’＞Ｑ_B _’＞Ｑ_A _’（７）となる。

【００９０】屈折率曲線が凹系か凸系かは、対向する電
極同士Ｘ_i，Ｙ_i（ｉ＝１，２，・・・）の幅の寸法比で
決めることができる。図１５では、電極Ｙ_i（ｉ＝１，
２，・・・）の幅を広くとり、屈折率の立ち上がりをゆ
るくすることで、凹レンズ（拡散レンズ）系の性格を持
たせている。電極同士Ｘ_i，Ｙ_i（ｉ＝１，２，・・・）
が同じ幅であれば、前述したように、凸レンズ系（収斂
レンズ）の特性を持たせることになる。この特性は、設
計時に決定する。

【００９１】以上の説明では、液晶材料として、誘電異
方性が正のネマチック液晶を用いた場合について述べた
が、他に、透明な固体や液体であって電場を加えたとき
に屈折率が変化する材料を用いてもよい。

【００９２】屈折率変化が電場の強さに比例するポッケ
ルス効果のある材料（例えば、ＢaＴiＯ₃、ＫＨ₂ＰＯ
₄(ＫＨＰ）、ＫＤ₂ＰＯ₄(ＫＤＰ)、ＬiＮｂＯ₃、Ｚn
Ｏ）、又は電場の２乗に比例するカー効果利用の材料
（例えば、ＣＳ₂）でもよい。

【００９３】なお、材料に応じて、光軸中央部付近と周
辺部付近に印加する電圧分布の関係が逆配置になっても
よい。

【００９４】すなわち、使用材料の特性は、電界エネル
ギーが大きいほど屈折率が小さく、電界エネルギーが小
さくなると屈折率が大きくなる場合の実施例を示した
が、逆の場合もある。その場合には、例えば図６に示す
ように、電極１１〜１４、２１〜２４と電界シールド３
２〜３４の関係は、図５とは逆になる。

【００９５】また、光軸中心部を高電圧、周辺部を低電
圧にすることで、レンズ特性の向上も図ることができ
る。この場合は、例えば図１６に示すようになる。

【００９６】材料の特性と、使用目的に応じて整理する
と、図１８のようになる。この図において、は印加す
る電圧が一定で、電極間隔のみで制御する場合であり、
は、電圧の変化をつけ、レンズ特性向上を図る場合で
ある。

【００９７】凸レンズ特性向上のためには、周辺部の屈
折率を低い状態にすることを目的としている。凹レンズ
の場合は、周辺部の屈折率を高い状態にする。

【００９８】以上説明した各実施例の液晶レンズは、液
晶の屈折率を制御することにより、結像性能の良い液晶
レンズとすることができる。

【００９９】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、その他種々の態様で実施可能である。

【０１００】例えば、これまで説明してきた実施例で
は、電極は同心リング状であるため、各電極の配線は多
層構成とすることが必要であるが、コストを下がるため
には、図１７に示したように、渦巻き状の電極とすれ
ば、配線層を減らすことが可能である。この場合、性能
上は、同心電極の場合よりも落ちるが、配線は容易とな
る。

【０１０１】また、本発明のデバイスは、例えば図１９
に示すように、光学レンズの光束内に設置して利用す
る。図１９（ａ）に示したように、光束が透過するデバ
イスとして用いても、図１９（ｂ）に示すように、入射
面とは反対側に反射面を設け、光束を反射するデバイス
として用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の液晶レンズの説明図である。

【図２】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図３】従来例の液晶レンズの説明図である。

【図４】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図５】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図６】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図７】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図８】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図９】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図１０】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図１１】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図１２】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図１３】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図１４】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図１５】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図１６】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図１７】本発明の液晶レンズの説明図である。

【図１８】本発明の液晶レンズの構成態様を整理した
表である。

【図１９】本発明のデバイスの利用法の説明図であ
る。

【符号の説明】

１０基板１１〜１６電極（電極対）１８配向膜２０基板２１〜２６電極（電極対）２８配向膜３０液晶（屈折率可変材料）３１、３３，３５，３７電界シールド３２，３４区切り３８，３９シール材４０レンズ面要素５０焦点５２，５４光束６２〜６５遮光部Ｌ入射方向Ｎ非電極対向領域Ｏ光軸Ｐ電極対向領域Ｓ₁〜Ｓ₆ 電極Ｔ₁〜Ｔ₆ 電極Ｖ，Ｖ₂ 電源（電圧印加手段）Ｗ₁〜Ｗ₆ 壁Ｘ₁〜Ｘ₆ 電極（電極対）Ｙ₁〜Ｙ₆ 電極（電極対）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光束内に配置され入射光を偏向させるこ
とができる屈折率可変材料と、該屈折率可変材料を挟ん
で両側に互いに略対向して同心円状、同心楕円状、又は
同心偏倍楕円状に間隔を設けて配置された複数の電極対
と、該電極対間に電圧を印加する電圧印加手段とを備
え、上記電極対間に印加される電圧により上記屈折率可
変材料の屈折率分布が変わり焦点位置が変化する、焦点
位置可変空間変調デバイスにおいて、上記複数の電極対は、デバイス中心部と周辺部とで異な
る間隔で配置されたことを特徴とする、焦点位置可変空
間変調デバイス。
【請求項２】上記屈折率可変材料は、電界エネルギー
が大きいほどその屈折率が小さくなる特性を有し、上記電極対は、その間隔がデバイス中心から離れるに従
い狭くなるように、又はその間隔がデバイス中心から離
れるに従い広くなるように、配置されたことを特徴とす
る、請求項１記載の焦点位置可変空間変調デバイス。
【請求項３】上記屈折率可変材料は、電界エネルギー
が大きいほどその屈折率が大きくなる特性を有し、上記電極対は、その間隔がデバイス中心から離れるに従
い広くなるように、又はその間隔がデバイス中心から離
れるに従い狭くなるように、配置されたことを特徴とす
る、請求項１記載の焦点位置可変空間変調デバイス。
【請求項４】上記屈折率可変材料は液晶であることを
特徴とする、請求１、２、又は３記載の焦点位置可変空
間変調デバイス。
【請求項５】上記屈折率可変材料は、ポッケルス効果
材料又はカー効果材料であることを特徴とする、請求項
１、２、又は３記載の焦点位置可変空間変調デバイス。
【請求項６】光束内に配置され入射光を偏向させるこ
とができる屈折率可変材料と、該屈折率可変材料を挟ん
で両側に互いに略対向して同心円状、同心楕円状、又は
同心偏倍楕円状に間隔を設けて配置された複数の電極対
と、該電極対間に電圧を印加する電圧印加手段とを備
え、上記電極対間に印加される電圧により上記屈折率可
変材料の屈折率分布が変わり焦点位置が変化する、焦点
位置可変空間変調デバイスにおいて、上記電圧印加手段は、上記電極対に、デバイス中心部と
周辺部とで異なる電圧を印加することを特徴とする、焦
点位置可変空間変調デバイス。
【請求項７】上記屈折率可変材料は、電界エネルギー
が大きいほどその屈折率が小さくなる特性を有し、上記電圧印加手段は、上記各電極対に、デバイス中心か
ら離れるに従い高い電圧を、又はデバイス中心から離れ
るに従い低い電圧を、印加することを特徴とする、請求
項６記載の焦点位置可変空間変調デバイス。
【請求項８】上記屈折率可変材料は、電界エネルギー
が大きいほどその屈折率が大きくなる特性を有し、上記電圧印加手段は、上記電極対に、デバイス中心から
離れるに従い低い電圧を、又はデバイス中心から離れる
に従い高い電圧を、印加することを特徴とする、請求項
６記載の焦点位置可変空間変調デバイス。
【請求項９】上記屈折率可変材料は液晶であることを
特徴とする、請求項６、７、又は８記載の焦点位置可変
空間変調デバイス。
【請求項１０】上記屈折率可変材料は、ポッケルス効
果材料又はカー効果材料であることを特徴とする、請求
項６、７、又は８記載の焦点位置可変空間変調デバイ
ス。