JP2002328361A

JP2002328361A - 液晶光学素子および液晶光学素子を備えた光学系

Info

Publication number: JP2002328361A
Application number: JP2001131393A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Ono; 勝也小野; Akiko Fujinoki; 明子藤ノ木
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2002-11-15

Abstract

(57)【要約】【課題】中心部と周辺部との応答速度の遅い又は全
体の応答速度に起因する画質の劣化や液晶以外の部材の
特性等による画質の劣化を少なくする。【解決手段】少なくとも２枚の光学基板の間に液晶
を挟んだ構成で、光学基板の液晶の接する側の面の少な
くとも１面を光軸から離れるにしたがって曲率が小にな
る非球面にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶光学素子およ
び液晶光学素子を備えた焦点可変光学系に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】液晶光学素子の従来例として例えば特開
昭５９−２２４８２１号公報に記載するもののように、
２枚の光学基板の間に液晶を挟み、凸レンズ状あるいは
凹レンズ状の液晶部分に電圧を印加することによって可
変焦点レンズとしたものが知られている。

【０００３】また、液晶光学素子の他の例として、特開
昭６０−５０５１０号公報に記載されているように液晶
フレネルレンズと組み合わせたものが知られている。そ
してこのような構成により素子を薄型にしているほか、
低電圧、低消費電力で高速応答を可能にしている。

【０００４】更に、特開平１０−２１６０７７号公報や
特開平１１−２５８５２１号公報に記載されているよう
に、これら液晶光学素子を内視鏡等に用いた撮影光学系
の内部に配置した焦点調整機能を付加させた光学装置が
知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】液晶光学素子におい
て、素子に電圧を印加した時のパワー（屈折力）の変化
量Δφは、液晶光学素子の異常光線に対する屈折率ｎ_e
と常光線に対する屈折率ｎ_oの差（ｎ_e−ｎ_o）＝Δｎと
レンズの曲率半径をｒとする時、Δｎ／ｒにて与えられ
る。

【０００６】このような液晶光学素子を用いて大きなパ
ワーの変化量（焦点調整量）を得るためには、Δｎを大
にするか曲率半径ｒを小にする必要がある。しかし、Δ
ｎは、液晶材料の物性値で、実用的な液晶材料の場合、
０．３程度以下の値である。そこで、液晶光学素子のパ
ワーの変化量を大きくするためには、曲率半径ｒを小さ
くする必要がある。しかしながら、有効径が大きい液晶
光学素子で曲率半径ｒを小にすると、液晶光学素子が凸
レンズ形状の場合はレンズ中心部における液晶層の厚み
が大きくなる。また、液晶光学素子が凹レンズ形状の場
合は、レンズ周辺部における液晶層の厚みが大きくな
る。

【０００７】一方、液晶の応答速度は、液晶層の厚さの
２乗に比例する。そのため上記のように曲率半径ｒを小
さくして大きなパワーの変化量を得ようとすると、液晶
層の厚みが増すので必然的に応答速度が著しく低下す
る。また、厚さが中心部と周辺部とで相違することによ
り、中心部と周辺部とで応答が異なるという問題が生じ
る。特に、液晶に印加する電圧をオンからオフへの切り
換えた時に応答速度が遅くなるため、液晶がオフの時の
本来の状態に戻るまでの間、一時的ではあるが画質が著
しく劣化する。

【０００８】このような問題を解決するために、光学基
板としてフレネルレンズや回折光学素子レンズを使用す
ることが考えられる。これら素子は、液晶に接する面を
平面にすることができるので、中心部と周辺部の液晶層
の厚みが同じになる。これにより中心部と周辺部の応答
速度の違いに起因する画質の劣化を解消することができ
る。しかしながら、フレネルレンズは、ブレーズの段差
部分での光の散乱により、結像光学系の画質が悪くなる
欠点がある。また、回折光学素子レンズは、大きな負の
分散を有するため色収差の発生や、不要次数によるフレ
アーの発生があり、内視鏡等の白色光を用いた撮像光学
系に適用することが困難である。

【０００９】本発明は、中心部と周辺部の応答速度の違
いあるいは全体的な応答速度に起因する画質の劣化が少
なく、液晶以外の部材の構造や特性によって生じる画質
の劣化の少ない液晶光学素子、およびこの液晶光学素子
を用いた焦点可変光学系を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶光学素子
は、少なくとも２枚の光学基板と、光学基板の間に挟ま
れた液晶とを有し、この光学基板の液晶に接する側の面
の少なくとも一つの面が曲面であり、この曲面が光軸中
心から離れるにしたがって曲率が小になる非球面形状で
あることを特徴とする。

【００１１】本発明の液晶光学素子は、その曲面の形状
を光軸中心から外側に離れるにつれて曲率が小さくなる
非球面形状にしていることを特徴としている。この特徴
により、例えば同じ有効径の凸レンズ形状であれば、通
常の球面で構成した場合に比べて中心部における液晶層
の厚さと周辺部における液晶層の厚さの差をを小にする
ことができる。

【００１２】また、液晶の屈折率は一般に空気の屈折率
よりも十分に高く、光学基板との屈折率の差は小さい。
そのために、非球面量を大きくしてても収差に与える影
響は少ない。つまり収差による画質の劣化を引き起こす
ことない。

【００１３】また、凸レンズ形状の場合、球面で構成し
た時の凸レンズ形状の中心部における液晶層の厚みをＤ
１、周辺部における液晶層の厚みをＤ２とする。この状
態から球面を非球面にすると、非球面だと中心部におけ
る液晶層の厚みはＤ１のままだが、周辺部における液晶
層の厚みＤ３はＤ３＝Ｄ２＋δｄとなる。なお、δｄは
球面を非球面にしたことによって生じた周辺部における
液晶層の増分である。ここで、周辺部での液晶層の厚み
はＤ２であれば良いから、非球面の場合においてもＤ３
をＤ２にすることができる。すると、中心部における液
晶層の厚みはＤ１−δｄとなる。このように、本発明で
は、曲面の形状を光軸中心から外側に離れるにつれて曲
率が小さくなる非球面形状にすることによって、液晶層
の厚さを小さくすることができる。なお、前述のように
Δφ＝Δｎ／ｒからわかるように、液晶部分の厚さはパ
ワーの変化量には関係しない。したがって、本発明の光
学素子では、パワーの変化量（Δφ＝Δｎ／ｒ）を保ち
ながら、駆動時の応答速度が改善され、オンからオフへ
の切り換え時の画質劣化も低減される。

【００１４】また、本発明の可変焦点光学系は、一般の
光学系中に前記構成の液晶光学素子を用いるもので、こ
の液晶光学素子の液晶への電圧の印加によってそのパワ
ーを変化させて光学系の焦点距離を変化させるものであ
る。そして、前述のように早い応答速度でしかも画質の
劣化なしに焦点距離を変化させ得る。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図１に
示す液晶光学素子の実施例および図２に示す焦点可変光
学系の実施例ををもとに述べる。

【００１６】本発明の液晶光学素子の実施例は、図１の
（Ａ）に示す通りの構成で、下記のデータを有するもの
である。ｒ₁＝∞ ｄ₁＝0.3000 ｎ₁＝1.58313 ν₁＝59.40 ｒ₂＝∞ ｄ₂＝0.0260 液晶ｒ₃＝-4.5500（非球面）ｄ₃＝0.2500 ｎ₂＝1.58313 ν₂＝59.40 ｒ₄＝∞ 非球面係数（第３面ｒ₃）ｋ＝０，ＡＣ₂＝０ＡＣ₄＝1.0500×10^-1, ＡＣ₆＝1.0500×10^-1 ＡＣ₈＝1.0500×10^-1 Δｎ＝0.2201 ｎ_e＝1.7218 ｎ_O＝1.5017 Δε＝7.0 ε⊥＝3.5 Ｋ１１＝15.0 Ｋ３３＝26.2 粘度（２０℃）＝14.3 ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃、ｒ₄は夫々光学基板の曲率半径、ｄ₁、
ｄ₃は夫々光学基板の肉厚、ｄ₂は光学基板の間の空気間
隔（封入されている液晶の光軸上の距離）、ｎ₁、ｎ₂は
光学基板の屈折率、ν₁、ν₂は光学基板のアッベ数であ
る。なおデータにおける長さの単位はｍｍである。

【００１７】この液晶光学素子の光学基板２の液晶３側
の面Ｒ３の非球面形状は、次の式にて表わされる。

【００１８】Ｚ＝（Ｓ²／ｒ）／［１＋｛１−（ｋ＋
１）（Ｓ²／ｒ）²｝^1/2］＋ＡＣ₂Ｓ²＋ＡＣ₄Ｓ⁴＋ＡＣ₆
Ｓ⁶＋ＡＣ₈Ｓ⁸ Ｓ²＝Ｘ²＋Ｙ² ただしｒは光軸上の曲率半径、ｋは離心率、ＡＣ₂、Ａ
Ｃ₄、ＡＣ₆、ＡＣ₈は非球面係数である。

【００１９】又この液晶光学素子の実施例における非球
面係数等の値はデータ中に記載した通りである。

【００２０】この実施例は、一方の光学基板１（ｒ₁〜
ｒ₂）が平行平面板、他の光学基板２（ｒ₃〜ｒ₄）が凹
レンズで、光学基板１と光学基板２との間に液晶３が封
入されている。図１の（Ｂ）は、図１の（Ａ）に示す液
晶光学素子の光学基板液晶側の面を拡大して示したもの
であり、図１の（Ａ）のＢの部分の拡大図である。この
図のように光学基板１、２の液晶側の面ｒ₂およびｒ₃に
は夫々光学基板側からＳ_iＯ₂膜（保護膜）５、透明電極
６、ポリイミド（配光膜）７が設けられ、ポリイミドは
配向処理がなされ、電圧が印加されていない状態ではホ
モジニアス配向になっている。また、光学基板１と光学
基板２とは６μｍのスペーサー４を介して接着されてお
り、液晶層中心部の厚さｄ₂はデータに記載するように
２６μｍである。

【００２１】この液晶光学素子にホモジニアス配向と同
じ方向の直線偏光を入射し、２０Ｖ_p-p、６０Ｈ_Zの交流
矩形波で駆動すると、焦点距離が変化する。この時の応
答速度は、実測で約１秒である。

【００２２】一方、同様の構成の液晶光学素子で、凹レ
ンズの面ｒ₃が非球面ではなく球面で、同じ有効径のも
のを用いた場合について述べる。この場合、前記非球面
を有する液晶光学素子と同じ量のパワーの変化を実現す
るためには、液晶層中心の厚さを約４０μｍにする必要
がある。また、その場合の上記交流矩形波で駆動した時
の応答速度は、約２．４秒になる。

【００２３】このように、本発明の液晶光学素子は、光
軸中心から外側に離れるにつれて曲率が小さくなる形状
を有する非球面を備えるため、中心部と周辺部の厚さの
差を小さくすると共に、中心部の液晶層の厚さ自体も薄
くできる。その結果、所定のパワーの変化量を維持した
ままで応答速度を向上することができる。また、非球面
の配置位置は光学基板と液晶層が接する面であるため、
光学基板と液晶との屈折率差が小さいことを利用して、
収差に影響を与えることなしに非球面量を大にすること
ができる。よって、厚さが薄く応答速度の速いしかも十
分なパワーの変化量が得られる。

【００２４】なお、非球面により液晶部分の厚みをより
薄くするためには、光学基板と液晶の屈折率差がより小
さい方が良いため、光学基板の屈折率は、液晶の常光線
と異常光線に対する屈折率との間の値であることが望ま
しい。

【００２５】上記実施例は、データに示すように光学基
板１、２の屈折率Ｎ１、Ｎ３はいずれも１．５８３１３
であって、液晶の常光線に対する屈折率ｎ₀＝１．５０
１７と異常光線に対する屈折率ｎ_e＝１．７２１８との
間の値である。

【００２６】次に本発明の可変焦点光学系の実施例は図
２に示す通りの構成で下記データを有する。

【００２７】実施例ｒ₁＝∞ ｄ₁＝0.2987 ｎ₁＝1.88300 ν₁＝40.78 ｒ₂＝0.9707 ｄ₂＝0.8781 ｒ₃＝6.2420 ｄ₃＝2.0602 ｎ₂＝1.72916 ν₂＝54.68 ｒ₄＝-1.9341 ｄ₄＝0.0593 ｒ₅＝∞ ｄ₅＝0.3000 ｎ₃＝1.58313 ν₃＝59.40 ｒ₆＝∞ ｄ₆＝0.0260 液晶ｒ₇＝-4.5500(非球面) ｄ₇＝0.2500 ｎ₄＝1.58313 ν₄＝59.40 ｒ₈＝4.5500(非球面) ｄ₈＝0.0260 液晶ｒ₉＝∞ ｄ₉＝0.3000 ｎ₅＝1.58313 ν₅＝59.40 ｒ₁₀＝∞ ｄ₁₀＝0.0299 ｒ₁₁＝∞ ｄ₁₁＝0.3983 ｎ₆＝1.52287 ν₆＝59.89 ｒ₁₂＝∞ ｄ₁₂＝0.0299 ｒ₁₃＝∞ ｄ₁₃＝0.6173 ｎ₇＝1.51399 ν₇＝75.00 ｒ₁₄＝∞ ｄ₁₄＝0.5974 ｒ₁₅＝5.3078 ｄ₁₅＝1.4710 ｎ₈＝1.72916 ν₈＝54.68 ｒ₁₆＝-1.4935 ｄ₁₆＝0.3168 ｎ₉＝1.80518 ν₉＝25.42 ｒ₁₇＝-20.1847 ｄ₁₇＝0.1132 ｒ₁₈＝∞ ｄ₁₈＝0.3983 ｎ₁₀＝1.52287 ν₁₀＝59.89 ｒ₁₉＝∞ ｄ₁₉＝1.7235 ｒ₂₀＝∞ ｄ₂₀＝0.6970 ｎ₁₁＝1.51633 ν₁₁＝64.15 ｒ₂₁＝∞ ｄ₂₁＝1.4145 ｎ₁₂＝1.52287 ν₁₂＝59.89 ｒ₂₂＝∞ ｄ₂₂＝0 ｒ₂₃＝∞（像面）非球面係数（第７面）ｋ＝０，ＡＣ₂＝０ＡＣ₄＝1.0500×10^-1, ＡＣ₆＝1.0500×10^-1 ＡＣ₈＝1.0500×10^-1 非球面係数（第８面）ｋ＝０，ＡＣ₂＝０ＡＣ₄＝-1.0500×10^-1, ＡＣ₆＝-1.0500×10^-1 ＡＣ₈＝-1.0500×10^-1 上記データにおいて、ｒ₁、ｒ₂、・・・は各レンズ面の
曲率半径、ｄ₁、ｄ₂、・・・は各レンズの肉厚および空
気間隔、ｎ₁、ｎ₂、・・・は各レンズの屈折率、ν₁、
ν₂、・・・は各レンズのアッベ数である。このデータ
における長さの単位はｍｍである。

【００２８】また上記実施例における非球面の形状は、
前記の式にて表わされ、その非球面係数等の値は、デー
タに記載した通りである。

【００２９】上記実施例の光学系は、本発明の液晶光学
素子を備えた光学系で内視鏡の撮像光学系の例である。

【００３０】この実施例の光学系は、図２に示すよう
に、負レンズＬ１と、正レンズＬ２と、液晶光学素子Ｌ
Ｓと、フィルターＦ１、Ｆ２と、正レンズＬ３と負レン
ズＬ４とを接合した正の接合レンズと、フィルターＦ３
と、フィルターＦ４とこれに接合されたカバーガラスＣ
とより構成されている。またｒ₂₃は像面である。

【００３１】この撮像光学系で用いる液晶光学素子ＬＳ
は、図３に示す通りの構成である。つまりこの液晶光学
素子は、３枚の光学基板１１、１２、１３よりなり、そ
れらのうちの中央の光学基板１２は両凹レンズ状をして
いる。またその両側に平行平面板の光学基板１１および
１３を配置した構成で、光学基板１１と光学基板１２の
間と光学基板１２と光学基板１３との間に凸レンズ状の
空間を形成し、これら空間内に夫々液晶１４および１５
を封入した構成である。

【００３２】これらの液晶層１４および１５は、夫々無
電界状態でホモジニアス配向し、かつ互いに直交する配
向をしている。そのため偏光板を用いる必要がなく、光
量の減少はない。また、両液晶層は、無電界状態では、
偏光方向により若干倍率の差があるために周辺部におい
て、像にずれが生ずるが、このずれ量は、ＣＣＤの分解
能よりも小さく、これによる解像劣化はほとんどない。

【００３３】この実施例における液晶光学素子のパワー
の変化量は、最大で約４８ｍ^-1であり、電界印加により
無限遠から約２ｍｍの超近接までのピント移動が可能で
ある。また、液晶光学素子に電界を印加するための駆動
電圧を可変にすることにより、中間距離にピントを移動
することも可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明の液晶光学素子は、光学基板に形
成する曲面を非球面形状にすることにより収差等の光学
性能を劣化させることなしに薄くして十分なパワーの変
化量が得られるという効果を有する。また、本発明の液
晶光学素子を備えた光学系は、液晶光学素子に電界を印
加することにより焦点距離を変化させて、例えば無限遠
から近点までのフォーカシングが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶光学素子の実施例を示す図

【図２】本発明の可変焦点光学系の実施例を示す図

【図３】図２に示す可変焦点光学系にて用いられる液
晶光学系を示す図

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｆ 1/1335 Ｇ０２Ｆ 1/1335 Ｆターム(参考） 2H087 KA10 LA01 MA00 PA04 PA19 PB07 QA01 QA07 QA18 QA21 QA25 QA37 QA41 QA45 RA05 RA12 RA13 RA28 RA37 RA42 RA43 2H090 JA01 JB02 JC04 LA12 2H091 FA26X FA26Z FA27X GA01 LA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２枚の光学基板と、前記光学
基板の間に挟まれた液晶とを有し、前記光学基板の液晶
に接する側の面の少なくとも１面が曲面であり、前記曲
面が光軸中心から離れるにしたがって曲率が小になる非
球面形状である液晶光学素子。
【請求項２】前記光学基板の屈折率が前記液晶の異常
光に対する屈折率と常光に対する屈折率の間の値を有す
る請求項１の液晶光学素子。
【請求項３】少なくとも２枚の光学基板と、前記光学
基板に挟まれた液晶を有し、前記光学基板の液晶と接す
る面の少なくとも１面が光軸中心から離れるにつれて曲
率が小になる非球面である液晶光学素子を備えた焦点可
変光学系。