JP2004004616A - Liquid crystal lens - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡単な構造を有し、外部電圧により焦点距離を変えることの可能な液晶レンズに関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶は、液体のような流動性を有し、電気的光学的特性に異方性を示し、かつ分子配向状態を種々制御できるという特徴を有している。かかる液晶の特徴を使用した液晶表示素子は、薄型軽量の平板型表示素子として、近年、目覚ましい発展を続けている。
【0003】
液晶分子の配向状態は、液晶表示素子を構成する2枚の透明導電膜を付したガラス基板の表面の処理や、外部印加電圧により容易に制御することができるので、液晶は、電圧印加により実効的な屈折率を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、他の光学材料にないすぐれた特性を有している。
【0004】
これまで、ネマティック液晶における電気光学効果を利用することで、通常の液晶ディスプレイにおける平行平板形の素子構造とは異なり、2枚の透明電極を付けたガラス基板を互いに傾けて液晶層をプリズム形構造とした光偏向素子や、基板面が湾曲し、液晶層がレンズ構造となるようにした焦点可変レンズが考案されている(例えば、非特許文献1、特許文献1参照)。
【0005】
また、光学媒質に空間的な屈折率分布を与えることでレンズ効果を得る方法が知られており、セルフォックレンズとして市販されている。ネマティック液晶セルにおいて、液晶分子は電界の方向に配向するという性質を利用すると、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果により、空間的な屈折率分布特性を有する液晶レンズを得ることができることが知られている(例えば、特許文献2参照)。また、このような液晶を用いたレンズでは、多数の微小なレンズ(マイクロレンズ)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という特徴がある。
【0006】
これらの液晶を用いた光学素子は、通常の受動型の光学素子とは異なり、媒質である液晶の屈折率を電圧印加により容易に可変制御できるため、偏向角を可変できるプリズム素子や焦点距離を可変できる液晶レンズとして実現することが出来る。
【0007】
さらに、同心円状の輪帯の電極に異なる電圧を加えることで電位の空間分布を形成し、液晶分子の配向分布に基づく屈折率の空間分布を利用した液晶レンズが報告されており、補償光学系への応用が試みられている。
【0008】
一般に、ネマティック液晶セルにおいて電圧印加により液晶分子が電界方向に配向する場合の電界に対する応答特性は、液晶層の厚みの2乗にほぼ比例して長くなることが知られている。また、液晶層の厚みが数100μm程度になると、液晶セルの基板界面による液晶分子の配向効果が液晶層の中央領域にまで及ばなくなるため、液晶層が白濁し、透過率が減少するという問題点も知られている。
【0009】
なお、上述したように、液晶レンズは、電圧を印加することにより焦点距離を変えることが出来るが、光軸と垂直な方向へ焦点を変えることは出来なかった。これに対し、円形穴型パターンを有する2枚の対向する電極をスリットで分割して、各分割電極に異なる電圧を印加することで軸対称的な屈折率分布を非対称的な分布とし、入射光に対する偏向効果を生じさせ、光軸と垂直な方向へ焦点の位置を変える技術が知られている(例えば、特許文献3参照)。
【0010】
【非特許文献1】
応用物理45巻10号938頁(1976)
【0011】
【特許文献1】
特開昭54−151854号公報
【0012】
【特許文献2】
特開平10−239676号公報
【0013】
【特許文献2】
特開平11−109304号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
以上挙げた従来技術のうち、液晶層がレンズ構造となるようにした液晶レンズでは、凸レンズの場合にレンズの中央部分が、また、凹レンズの場合にレンズの周辺部分の液晶層の厚みが厚くなるため、直径が数mm以上のレンズを構成しようとすると、液晶層の厚みが数100ミクロン以上の厚みになってしまい、応答回復時間が数秒から数十秒という長い時間を要し、また液晶が白濁してしまうという問題があった。
【0015】
また、電界により液晶分子が再配向する場合に、液晶のダイレクタが基板面から立ち上がる方向がセルの中央付近で互いに逆の方向になるために、液晶分子配向が不連続となるディスクリネーションラインが発生して、レンズの光学特性が劣化するという問題点があった。
【0016】
一方、軸対称の不均一電界による液晶分子の空間配向分布特性を利用する液晶マイクロレンズにおいては、片側の基板にのみ円形の穴型パターンを有する場合にはレンズとしての光学的特性が悪く、またディスクリネーションラインの発生が生じやすいと言う問題があり、両方の基板に円形の穴型パターンを設けることが必要とされていた。この場合には、両基板における穴型パターンの位置を正確に合わせることが要求されると言う問題点があった。
【0017】
更に、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程度の場合に、レンズとしての特性が良好になることが知られているが、レンズの直径が1mm程度になると液晶層の厚みを数100μm程度としなければならないので、前述の応答特性が極めて遅くなり、また液晶層の白濁現象が生じるという問題があった。
【0018】
また、電極を微細なスリットで分割して互いに異なる電圧を印加して、入射光に対する偏向効果を生じさせ、光軸と垂直な方向へ焦点を変える技術は、液晶レンズの構造や駆動方法が複雑になるという問題があり、また各電極間において液晶分子の配向が不連続となるディスクリネーションが発生することが多いという問題があった。
【0019】
本発明の目的は、上述の各問題を解決し、簡単な構造で、きわめて容易に且つ迅速に焦点を可変制御することが可能な液晶レンズを提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、透明な第1の電極を有する第1の基板、孔を有する第2の電極、および前記第1の基板と第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た第1の液晶層を備え、前記第1の電極と第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う液晶レンズにおいて、前記孔を有する第2の電極と前記第1の液晶層との間に、第1の絶縁層を配置したことを特徴とする液晶レンズを提供する。
【0021】
本発明に係る液晶レンズにおいて、2つの液晶レンズを、孔を有する第2の電極を共通にして背中合わせに積層した構成とすることが出来る。即ち、第2の電極上に、透明な第3の電極を有する第2の基板、および第2の基板と第2の電極との間に、第3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た第2の液晶層を更に備え、孔を有する第2の電極と第2の液晶層との間に、第2の絶縁層を配置した構成とすることが出来る。
【0022】
また、第2の電極の孔の周辺に、孔よりもサイズの小さい開口部を有する、孔を通過する光を制限する光遮断部材を設けることが出来る。
【0023】
第2の電極の孔は、任意の形状でよく、例えば、円形、楕円形、4角形、6角形、又は多角形とすることが出来る。
以上のように構成される本発明の液晶レンズは、構造が極めて簡単であり、第1および第2の電極間に電圧を印加することにより、容易に焦点距離を変ることができ、また、任意の形状寸法で構成することが可能である。
【0024】
本発明に係る液晶レンズは、第1の電極に電位勾配を形成する手段を更に具備することが出来る。この第1の電極に電位勾配を形成する手段は、第1の電極を通過する光軸とは垂直方向の両端に取付けられた電極間に電圧を印加する手段とすることが出来る。
【0025】
この場合、第1の電極は、比較的高抵抗、例えば100Ω〜1MΩの電気抵抗を有するものであることが好ましい。
【0026】
このように、第1の電極に電位勾配を形成することにより、液晶層を通過する光を偏向させることが出来るため、液晶レンズの焦点の位置を光軸と垂直の方向にも変化させることが出来る。
【0027】
以上の液晶レンズを2次元アレイ状に配置して、液晶レンズアレイを構成することが出来る。
【0028】
なお、以上の液晶レンズにおいて、第1の液晶層を重合硬化性液晶により構成し、この第1の液晶層に所定の電圧を印加して、液晶分子の配向を制御した状態で紫外線又は可視光線を照射して硬化させてことにより、高分子レンズを得ることが出来る。この高分子レンズは、液晶層に印加される電圧を制御することにより、焦点の位置を3次元的に容易に調整することが出来るため、高精度のものを得ることが可能である。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0030】
図1は、本発明の一実施形態に係る液晶レンズのセル構成を示す断面図である。図1において、一対のガラス基板1,2間に液晶層3が挟まれている。下部基板1の液晶層3に対向する面には、ITO(インジウム・スズ酸化物)からなる透明電極4が被覆されている。上部基板2の液晶層3に対向する面とは反対側の面には、アルミニウム薄膜電極5が被覆されており、このアルミニウム薄膜電極5の中央には円形の孔6が形成されている。
【0031】
上部基板2の液晶層3に対向する面には電極は形成されておらず、従って、アルミニウム薄膜電極5と液晶層3との間に、ガラス基板2である絶縁層が介在していることになる。
【0032】
本実施形態に係る液晶レンズにおいて、液晶層3の厚さは、130μm、基板1,2の厚さは1.3mm、孔6の径は7.0mmとしたが、これらの値は、種々変えることが可能である。
【0033】
しかし、本実施形態に係る液晶レンズにおいて、特に上部基板2の厚さは、アルミニウム薄膜電極5と液晶層3との間の距離を規定するため、重要である。上部基板2の厚さは1μm〜5mm、特に数μm〜数mm、例えば2μm〜3mmであるのが望ましい。即ち、上部基板2はガラス基板に限らず、それ以外の絶縁層とすることも可能である。この場合、薄い絶縁層を保持するために、別途、基板を用いてもよい。絶縁層としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等を用いることが出来る。
【0034】
なお、孔6の径は、数μm〜数10mm程度が望ましいが、特に限定されるものではない。
下部基板1および上部基板2の液晶層3に対向する面は、それぞれポリイミド膜7,8が被覆されており、それらの表面は、液晶分子が均一に配列するように、一方向にラビングされている。
【0035】
孔6の周辺に、例えば、上部基板2とアルミニウム薄膜電極5との間に、孔6よりもサイズの小さい開口部を有し、孔6を通過する光を制限する光遮断部材、いわゆるブラックマトリクスを設けてもよい。即ち、孔6の周辺部の特性は悪いが、ブラックマトリクスを設けることにより、孔6の周辺部においても、良好な特性を得ることが出来る。ブラックマトリクスとしては、カーボン等を用いることが出来る。
【0036】
以上のように構成される、図1に示す液晶レンズにおいて、孔6を有するアルミニウム薄膜電極5と液晶層3との間には上部基板2が介在しており、従って、両者には一定の距離があるので、アルミニウム薄膜電極5と透明電極4の間に印加された電圧により生じた不均一な電界が、液晶層3の広い領域全体にわたって分布し、屈折率の勾配の分布がその領域に形成される。このようにして、大きなサイズのレンズが実現される。
【0037】
屈折率分布は、印加される電圧により変化する。そのため、レンズの焦点距離は、外部電圧の関数であり、外部電圧によって、レンズの焦点距離を任意に変えることが可能である。
【0038】
出射光の異常光成分の位相プロファイルを試験するために、液晶レンズを、偏光軸が直交する2つの偏光板の間に配置した。また、ポリイミド膜7,8のラビングの方向を、2つの偏光板それぞれの偏光軸とπ/4の角度をなすようにした。
【0039】
図2は、第1および第2の電極間に周波数1kHzの35Vrmsの電圧を印加した場合の、異常光線と常光線の間の干渉パターンを示す。干渉リングの数と位置は、印加される電圧により変化する。2つの隣接するリング間の位相差は、2πである。常光線の位相リターデーションは、孔6の領域内ではどこでも同一であるので、干渉パターンは、ラビングの方向に直線偏光した入射光の位相リターデーションプロファイルを表している。
【0040】
図3は、干渉パターンから導かれた光の相対位相リターデーションのプロファイルを示す。図中、黒丸および白丸は測定点であり、曲線は二次曲線である。白丸はラビング方向に沿って測定した結果を示し、黒丸はそれと垂直方向に沿って測定した結果を示している。
【0041】
干渉パターンの最外リングの位置から出る異常光線は、ゼロの位相リターデーションであると考えられる。位相リターデーションの近似二次曲線は、この液晶レンズが、適当な幾何学的パラメーターにより、光学レンズと同様に挙動することを示している。
【0042】
従来の液晶マイクロレンズにおける場合と同様、ラビング方向に沿った位相リターデーションのプロファイルと、垂直方向に沿った位相リターデーションのプロファイルは異なっている。更に、ラビング方向に垂直方向に沿った位相リターデーションのプロファイルは対称であり、一方、ラビング方向に沿った位相リターデーションのプロファイルは、基板表面におけるダイレクタのプレチルト角のため、非対称である。プレチルト角を小さくすることで、非対称性は軽減される。
【0043】
図4は、印加電圧が35Vrmsであるときの、焦点面におけるライトスポットと集束ビームの強度分布の写真を示す。この図から、スポットの半値全幅(FWHM)が約100μmであることが計算される。
【0044】
液晶セルの焦点距離は、印加電圧により変化する。図5は、印加電圧の関数としての焦点距離を示している。集束力は、第1に、電圧により変化する。最小の焦点距離は約76cmであり、35Vrmsの近傍で得られる。電圧が増加し続けるに従って、中央付近のダイレクタが回転し続け、一方、孔の近傍のダイレクタは飽和する。屈折率のプロファイルは平坦化し、焦点距離はより長くなる。
【0045】
位相リターデーションのプロファイルは、孔の径と基板の厚さにより調整することが出来る。良好な性能を得るためには、孔のサイズを基板の厚さに従って増加させることが必要である。このような構造では、中間絶縁層として種々の厚さのガラス基板又は薄膜を用いることにより、殆ど任意のサイズの液晶レンズを実現することが出来る。
【0046】
本発明では、液晶層を薄くすることが出来るので、そのため、動作速度を、従来の液晶レンズよりもはるかに高速にすることが可能である。更に、この液晶レンズの構造における液晶中の電界の分布は、従来の液晶分子における電界の分布とは異なっている。即ち、従来の液晶マイクロレンズでは、孔の境界における電界は傾斜しており、それは種々の部分におけるダイレクタを反対の方向に回転可能にし、高電圧下ではディスクリネーションラインを生じさせてしまう。
【0047】
これに対し、本発明の液晶レンズのセル構造では、金属のような導電体の近傍では電界は面に垂直であるという事実により、電界と、液晶レンズの任意の位置にあるダイレクタとの間の角度は、殆ど同一であり、すべてのダイレクタは同じ方向に回転する。そのため、電圧を印加した場合でも、ディスクリネーションラインは生じない。このことは、動作速度を速めるために高電圧を印加することが出来ることを示している。
【0048】
通常の液晶マイクロレンズでは、2つのオーバーラップした孔を有する構造が、1つの孔を有する構造よりも高性能であることが見出されている。本発明においても、両方の電極にそれぞれ円形の孔を設け、2つの電極をガラス基板によって分離する構成とすることが出来る。
【0049】
しかし、ガラス基板の厚さは液晶層の厚さよりもはるかに厚いので、電界へのダイレクタの再配列の影響が無視できるならば、液晶の電界分布の点で、従来の2孔構造と本発明の構造との差は殆どない。本発明の電極構造は、動作電圧が、従来の2孔構造に必要とされる動作電圧の半分であり、かつ製造が非常に簡単であるという利点を有する。
【0050】
図1に示す実施形態の変形例として、透明電極4に電位勾配を形成した液晶レンズがある。即ち、図1に示す液晶レンズにおいて、透明電極4を比較的高抵抗な材料により構成し、透明電極4とアルミニウム薄膜電極5との間に電圧を印加すると同時に、透明電極4の両端部にも電圧を印加することにより、透明電極4に電位勾配を形成することが出来る。このような透明電極4に形成された電位勾配により、液晶層3の液晶分子が電位勾配の方向に配向する。その結果、透明電極4に電位勾配がないときに軸対称であった屈折率分布が、電位勾配の方向に非対称な分布となり、入射光が直進する方向から偏向するという効果が得られる。
【0051】
この場合、透明電極4の電圧が印加される部分、即ち、透明電極4の両端に設ける電極の位置を適宜変えることにより、入射光の偏向の方向を変化させることが出来る。
【0052】
透明電極4を構成する比較的高抵抗な材料としては、例えば、酸化亜鉛にインジウム酸化物を添加したもの、又は酸化スズを挙げることが出来る。電気抵抗は、100Ω〜1MΩ程度が好ましい。
【0053】
図7は、酸化亜鉛にインジウム酸化物を約5%添加したターゲットを用いて高周波スパッタリングにより作成した約10kΩの抵抗値の透明電極4を用いて液晶レンズを構成し、透明電極4とアルミニウム薄膜電極5との間に電圧を印加すると同時に、透明電極4の両端部にも電圧を印加した場合の、透明電極4の両端部に印加された電圧と、焦点の位置との関係を示すグラフである。なお、焦点距離は、透明電極4とアルミニウム薄膜電極5との間に印加する電圧を変化させることにより変化する。
【0054】
図7から、透明電極4とアルミニウム薄膜電極5との間に印加する電圧、及び透明電極4の両端部に印加する電圧を変化させることにより、3次元的な焦点可変特性を得ることが可能であることがわかる。
【0055】
従来、電場や磁場により光を偏向させることは出来なかったが、透明電極4に電位勾配をもたせることにより、容易に光を偏向させることが出来、その結果、焦点を3次元的に変えることが可能な液晶レンスを実現することが出来る。この液晶レンズは、自由空間での光スイッチや光ファイバー間の切り替えスイッチ等の種々の広範囲の用途への適用が可能である。
【0056】
図6は、本発明の他の実施形態に係る液晶レンズを示す断面図である。図1と同一の部材は、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【0057】
図6に示す液晶レンズは、2つの液晶レンズを、アルミニウム薄膜電極5を共通にして背中合わせに積層した構成を有する。即ち、アルミニウム薄膜電極5上にガラス基板12が配置され、このガラス基板12上に透明電極14を有するガラス基板11が配置され、これらガラス基板11とガラス基板12との間に液晶層13が更に収容されている。この場合、ガラス基板11,12の液晶層13に対向する面は、それぞれポリイミド膜17,18が被覆されており、それらの表面は、液晶分子が均一に配列するように、一方向にラビングされている。
【0058】
このような構造の液晶レンズにおいて、ポリイミド膜7,8のラビング方向とポリイミド膜17,18のラビング方向とを同一とし、2枚の偏光板で挟むことにより、焦点距離を短くすることが出来る。
【0059】
また、ポリイミド膜7,8のラビング方向とポリイミド膜17,18のラビング方向とを直交させることにより、偏光板を配置することなく、液晶レンズを動作させることが可能である。
【0060】
図6に示す実施形態に係る液晶レンズにおいても、入射光を偏向させる構成とすることが出来る。即ち、透明電極4の両端に電極を取付け、電圧を印加し、透明電極4に電位勾配を設けることにより、液晶層3に入射する光を偏向させ、焦点の位置を変えることが可能である。
【0061】
本発明の更に他の実施形態は、図1に示す液晶レンズにおいて、液晶層3として紫外線や可視光線により重合硬化可能な液晶を用い、透明電極4及びアルミニウム電極5を介して液晶層3に電圧を印加した状態で、液晶層3に紫外線や可視光線を照射し、液晶を硬化させ、それによって焦点が所定の位置に制御された高分子レンズを得るものである。なお、焦点の位置は、光軸方向に制御されるだけでなく、上述した方法で透明電極4に電位勾配を設けることにより、光軸とは垂直の方向にも制御されていてもよい。
【0062】
本実施形態では、重合硬化性液晶として、UCL−001(商品名:大日本インキ株式会社製)を用い、透明電極4及びアルミニウム電極5を介して液晶層3に50Vrmsを印加した状態で、高圧水銀灯により10mWの紫外線を10分間液晶層3に照射した。その結果、液晶は光重合し、硬化した。電圧の印加を解除しても、液晶分子の配向状態は変化せず、レンズ特性はそのまま保持されていた。
【0063】
その後、液晶層3が重合硬化した高分子膜を基板から剥離し、取り外すことにより、プラスチックフィルム状の高分子レンズを得ることが出来た。
【0064】
本実施形態に使用可能な重合硬化性液晶としては、例えば、下記一般式(1)により表される化合物を好ましく用いることが出来る。
【0065】
【化1】
(式中、Xは水素原子又はメチル基を表わし、6員環A、B及びCはそれぞれ独立に下記式(2)により表される原子団を表わし、nは0又は1を表わし、mは1〜4の整数を表わし、Y1及びY2はそれぞれ独立に単結合、−CH2CH2−、−CH2O−、−OCH2−、−COO−、−OCO−、−C≡C−、−CH=CH−、−CF=CF−、−(CH2)4−、−CH2CH2CH2O−、−OCH2CH2CH2−、−CH2=CHCH2CH2−、又は−CH2CH2CH=CH−を表わし、Y3は水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、炭素原子数1〜20のアルキル基、アルコキシ基、アルケニル基又はアルケニルオキシ基を表わす)
【化2】
【0066】
なお、以上挙げた重合硬化性液晶には、重合硬化性を持たない液晶を添加してもよく、また従来公知の光重合開始剤、増感剤、保存安定剤等を添加することが出来る。
【0067】
以上、本発明の実施形態に係る液晶レンズ及び高分子レンズについて説明したが、本発明は図1および図6に示す構造に限らず、種々変更を加えることが可能である。
【0068】
また、以上説明した液晶レンズ又は高分子レンズを多数個、平面状に束ね、2次元アレイ状に配置することも可能である。
【0069】
【発明の効果】
本発明によると、簡単な構成で、数10ミクロン程度から数cm程度までの大きさの、焦点の位置を極めて容易に変えることが出来る、任意の形状寸法の液晶レンズ及び高分子レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る液晶レンズを示す断面図。
【図2】本発明の一実施形態に係る液晶レンズを2つの偏光板により挟み、電圧を印加することにより得た干渉パターンを示す図。
【図3】干渉パターンから誘導された光の相対位相リターデーションのプロファイルを示す特性図。
【図4】焦点面におけるライトスポットと集束ビームの強度分布を示す写真図。
【図5】印加電圧と焦点距離の関係を示す特性図。
【図6】本発明の他の実施形態に係る液晶レンズを示す断面図。
【図7】透明電極とアルミニウム薄膜電極との間に電圧を印加すると同時に、透明電極の両端部にも電圧を印加した場合の透明電極の両端部に印加された電圧と、焦点の位置との関係を示す解く製図。
【符号の説明】
1・・・下部基板
2・・・上部基板
3,13・・・液晶層
4,14・・・透明電極
5・・・アルミニウム薄膜電極
6・・・孔
7,8,17,18・・・ポリイミド膜
11,12・・・ガラス基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid crystal lens having a simple structure and capable of changing a focal length by an external voltage.
[0002]
[Prior art]
Liquid crystals have the characteristics of having fluidity like liquids, exhibiting anisotropic electrical and optical characteristics, and being able to control the molecular alignment state in various ways. In recent years, liquid crystal display devices using such characteristics of liquid crystal have been remarkably developed as thin and lightweight flat panel display devices.
[0003]
The alignment state of liquid crystal molecules can be easily controlled by treating the surface of a glass substrate provided with two transparent conductive films constituting a liquid crystal display element or by applying an externally applied voltage. It has an excellent characteristic that other optical materials can not continuously change the refractive index from a value for extraordinary light to a value for ordinary light.
[0004]
Until now, by using the electro-optic effect of nematic liquid crystal, unlike the parallel-plate type element structure in a normal liquid crystal display, the glass substrates with two transparent electrodes are tilted to each other to form a prism-shaped liquid crystal layer. And a variable focus lens in which the substrate surface is curved and the liquid crystal layer has a lens structure (for example, see Non-Patent
[0005]
A method of obtaining a lens effect by giving a spatial refractive index distribution to an optical medium is known, and is commercially available as a Selfoc lens. In a nematic liquid crystal cell, by utilizing the property that liquid crystal molecules are oriented in the direction of an electric field, it is possible to obtain a liquid crystal lens having spatial refractive index distribution characteristics due to the liquid crystal molecule alignment effect caused by an axisymmetric non-uniform electric field. Is known (for example, see Patent Document 2). Further, a lens using such a liquid crystal has a feature that it is relatively easy to form a microlens array in which a large number of minute lenses (microlenses) are two-dimensionally arranged in a flat plate shape.
[0006]
Unlike ordinary passive optical elements, these optical elements using liquid crystal can easily variably control the refractive index of the liquid crystal, which is the medium, by applying a voltage. It can be realized as a variable liquid crystal lens.
[0007]
Furthermore, a liquid crystal lens that forms a spatial distribution of potential by applying different voltages to electrodes of concentric annular zones and uses a spatial distribution of refractive index based on an alignment distribution of liquid crystal molecules has been reported. Attempts have been made to apply it to
[0008]
Generally, it is known that the response characteristic to an electric field when liquid crystal molecules are aligned in the direction of an electric field by applying a voltage in a nematic liquid crystal cell increases in substantially proportion to the square of the thickness of the liquid crystal layer. Further, when the thickness of the liquid crystal layer is about several hundreds of micrometers, the alignment effect of liquid crystal molecules due to the substrate interface of the liquid crystal cell does not reach the central region of the liquid crystal layer. Is also known.
[0009]
As described above, the liquid crystal lens can change the focal length by applying a voltage, but cannot change the focus in a direction perpendicular to the optical axis. On the other hand, two opposing electrodes having a circular hole pattern are divided by slits, and different voltages are applied to the respective divided electrodes to change the axially symmetric refractive index distribution to an asymmetric distribution, so that the incident light There is known a technique for causing a deflection effect on the focus and changing the position of the focal point in a direction perpendicular to the optical axis (for example, see Patent Document 3).
[0010]
[Non-patent document 1]
Applied Physics Vol. 45, No. 10, p. 938 (1976)
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-54-151854
[Patent Document 2]
JP-A-10-239676
[Patent Document 2]
JP-A-11-109304
[Problems to be solved by the invention]
Among the above-described prior arts, in the liquid crystal lens in which the liquid crystal layer has a lens structure, the thickness of the liquid crystal layer in the central portion of the lens in the case of a convex lens and the thickness of the liquid crystal layer in the peripheral portion of the lens in the case of a concave lens is increased. Therefore, when a lens having a diameter of several mm or more is to be formed, the thickness of the liquid crystal layer becomes several hundred microns or more, and the response recovery time requires a long time of several seconds to several tens of seconds. There was a problem of cloudiness.
[0015]
Also, when the liquid crystal molecules are realigned by the electric field, the direction in which the director of the liquid crystal rises from the substrate surface is opposite to each other near the center of the cell, so that a disclination line in which the liquid crystal molecule alignment is discontinuous is formed. This causes a problem that the optical characteristics of the lens deteriorate.
[0016]
On the other hand, in a liquid crystal microlens utilizing a spatial alignment distribution characteristic of liquid crystal molecules due to an axisymmetric non-uniform electric field, if only one substrate has a circular hole pattern, the optical characteristics of the lens are poor, and There is a problem that disclination lines are easily generated, and it is necessary to provide a circular hole pattern on both substrates. In this case, there is a problem that it is necessary to accurately match the positions of the hole-shaped patterns on both substrates.
[0017]
Further, it is known that when the ratio between the diameter of the circular hole pattern and the thickness of the liquid crystal layer is about 2: 1 to 3: 1, the characteristics as a lens are improved, but the diameter of the lens is about 1 mm. In this case, the thickness of the liquid crystal layer must be set to about several hundreds of micrometers, so that the above-described response characteristics are extremely slow, and there is a problem that the liquid crystal layer is clouded.
[0018]
In addition, the technique of splitting the electrodes with fine slits and applying different voltages to each other to generate a deflection effect on the incident light and change the focus in a direction perpendicular to the optical axis requires complicated liquid crystal lens structures and driving methods. And the disclination in which the orientation of the liquid crystal molecules is discontinuous between the electrodes often occurs.
[0019]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a liquid crystal lens having a simple structure and capable of variably controlling the focus very easily and quickly.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a first substrate having a transparent first electrode, a second electrode having a hole, and the first substrate having a hole and the second electrode having a hole. A first liquid crystal layer in which liquid crystal molecules are oriented in one direction and is accommodated so as to face the first electrode, and a voltage is applied between the first electrode and the second electrode to apply a voltage to the liquid crystal molecules. A liquid crystal lens which performs alignment control, wherein a first insulating layer is provided between a second electrode having the hole and the first liquid crystal layer.
[0021]
In the liquid crystal lens according to the present invention, it is possible to adopt a configuration in which two liquid crystal lenses are stacked back to back with the second electrode having a hole in common. That is, a second substrate having a transparent third electrode was provided on the second electrode, and was accommodated between the second substrate and the second electrode so as to face the third electrode. The liquid crystal display device may further include a second liquid crystal layer in which liquid crystal molecules are aligned in one direction, and a second insulating layer may be provided between the second electrode having holes and the second liquid crystal layer. .
[0022]
In addition, a light blocking member having an opening smaller in size than the hole and for restricting light passing through the hole can be provided around the hole of the second electrode.
[0023]
The holes in the second electrode may be of any shape, for example, circular, elliptical, quadrangular, hexagonal, or polygonal.
The liquid crystal lens of the present invention configured as described above has a very simple structure, and the focal length can be easily changed by applying a voltage between the first and second electrodes. Can be configured.
[0024]
The liquid crystal lens according to the present invention can further include means for forming a potential gradient on the first electrode. The means for forming a potential gradient on the first electrode may be a means for applying a voltage between electrodes attached to both ends in a direction perpendicular to an optical axis passing through the first electrode.
[0025]
In this case, the first electrode preferably has a relatively high resistance, for example, an electric resistance of 100Ω to 1MΩ.
[0026]
By forming a potential gradient on the first electrode in this manner, light passing through the liquid crystal layer can be deflected, so that the position of the focal point of the liquid crystal lens can also be changed in a direction perpendicular to the optical axis. I can do it.
[0027]
The liquid crystal lenses described above can be arranged in a two-dimensional array to form a liquid crystal lens array.
[0028]
In the above liquid crystal lens, the first liquid crystal layer is composed of a polymerizable and curable liquid crystal, and a predetermined voltage is applied to the first liquid crystal layer to control the alignment of liquid crystal molecules in an ultraviolet or visible light state. The polymer lens can be obtained by irradiating and curing. By controlling the voltage applied to the liquid crystal layer, the position of the focal point of the polymer lens can be easily adjusted three-dimensionally, so that a high-precision lens can be obtained.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0030]
FIG. 1 is a sectional view showing a cell configuration of a liquid crystal lens according to one embodiment of the present invention. In FIG. 1, a
[0031]
No electrode is formed on the surface of the
[0032]
In the liquid crystal lens according to the present embodiment, the thickness of the
[0033]
However, in the liquid crystal lens according to the present embodiment, the thickness of the
[0034]
In addition, the diameter of the
The surfaces of the
[0035]
A light blocking member that has an opening smaller in size than the
[0036]
In the liquid crystal lens shown in FIG. 1 configured as described above, the
[0037]
The refractive index distribution changes according to the applied voltage. Therefore, the focal length of the lens is a function of the external voltage, and the focal length of the lens can be arbitrarily changed by the external voltage.
[0038]
In order to test the phase profile of the extraordinary light component of the emitted light, a liquid crystal lens was disposed between two polarizing plates whose polarization axes were orthogonal to each other. Further, the rubbing direction of the
[0039]
FIG. 2 shows an interference pattern between an extraordinary ray and an ordinary ray when a voltage of 35 Vrms at a frequency of 1 kHz is applied between the first and second electrodes. The number and position of the interference rings change with the applied voltage. The phase difference between two adjacent rings is 2π. Since the phase retardation of the ordinary ray is the same everywhere in the region of the
[0040]
FIG. 3 shows a profile of relative phase retardation of light guided from the interference pattern. In the figure, black circles and white circles are measurement points, and curves are quadratic curves. Open circles indicate the results measured along the rubbing direction, and black circles indicate the results measured along the perpendicular direction.
[0041]
Extraordinary rays emanating from the position of the outermost ring of the interference pattern are considered to have zero phase retardation. The approximate quadratic curve of the phase retardation shows that this liquid crystal lens behaves like an optical lens with appropriate geometric parameters.
[0042]
As in the case of the conventional liquid crystal microlens, the profile of the phase retardation along the rubbing direction is different from the profile of the phase retardation along the vertical direction. Furthermore, the phase retardation profile along the direction perpendicular to the rubbing direction is symmetric, while the phase retardation profile along the rubbing direction is asymmetric due to the director pretilt angle at the substrate surface. Asymmetry is reduced by reducing the pretilt angle.
[0043]
FIG. 4 shows a photograph of the light spot and the intensity distribution of the focused beam at the focal plane when the applied voltage is 35 Vrms. From this figure, it is calculated that the full width at half maximum (FWHM) of the spot is about 100 μm.
[0044]
The focal length of the liquid crystal cell changes depending on the applied voltage. FIG. 5 shows the focal length as a function of the applied voltage. The focusing force first varies with voltage. The minimum focal length is about 76 cm and is obtained around 35 Vrms. As the voltage continues to increase, the director near the center continues to rotate, while the director near the hole saturates. The refractive index profile is flattened and the focal length is longer.
[0045]
The phase retardation profile can be adjusted by the hole diameter and the thickness of the substrate. For good performance, it is necessary to increase the size of the holes according to the thickness of the substrate. In such a structure, a liquid crystal lens of almost any size can be realized by using glass substrates or thin films of various thicknesses as the intermediate insulating layer.
[0046]
In the present invention, the liquid crystal layer can be made thinner, so that the operation speed can be made much higher than that of the conventional liquid crystal lens. Further, the distribution of the electric field in the liquid crystal in the structure of the liquid crystal lens is different from the distribution of the electric field in the conventional liquid crystal molecules. That is, in conventional liquid crystal microlenses, the electric field at the boundaries of the holes is tilted, which allows the director in various parts to rotate in opposite directions, causing disclination lines at high voltages.
[0047]
On the other hand, in the cell structure of the liquid crystal lens of the present invention, the electric field is perpendicular to the plane in the vicinity of a conductor such as a metal, so that the electric field and the director at an arbitrary position of the liquid crystal lens are interposed. The angles are almost identical, and all directors rotate in the same direction. Therefore, no disclination line occurs even when a voltage is applied. This indicates that a high voltage can be applied to increase the operation speed.
[0048]
In a typical liquid crystal microlens, it has been found that a structure having two overlapping holes has higher performance than a structure having one hole. Also in the present invention, it is possible to provide a configuration in which both electrodes are provided with circular holes, and the two electrodes are separated by a glass substrate.
[0049]
However, since the thickness of the glass substrate is much larger than the thickness of the liquid crystal layer, if the influence of the director rearrangement on the electric field can be neglected, the conventional two-hole structure and the present invention can be used in terms of the electric field distribution of the liquid crystal. There is almost no difference from the structure of FIG. The electrode structure of the present invention has the advantage that the operating voltage is half of the operating voltage required for a conventional two-hole structure and is very simple to manufacture.
[0050]
As a modification of the embodiment shown in FIG. 1, there is a liquid crystal lens in which a potential gradient is formed on the transparent electrode 4. That is, in the liquid crystal lens shown in FIG. 1, the transparent electrode 4 is made of a material having a relatively high resistance, and a voltage is applied between the transparent electrode 4 and the aluminum
[0051]
In this case, the direction of deflection of incident light can be changed by appropriately changing the portion of the transparent electrode 4 to which the voltage is applied, that is, the positions of the electrodes provided at both ends of the transparent electrode 4.
[0052]
As a material having a relatively high resistance for forming the transparent electrode 4, for example, a material obtained by adding indium oxide to zinc oxide or tin oxide can be used. The electric resistance is preferably about 100Ω to 1MΩ.
[0053]
FIG. 7 shows a configuration in which a liquid crystal lens is formed using a transparent electrode 4 having a resistance of about 10 kΩ, which is formed by high-frequency sputtering using a target obtained by adding about 5% of indium oxide to zinc oxide. 5 is a graph showing the relationship between the voltage applied to both ends of the transparent electrode 4 and the position of the focal point when a voltage is applied to both ends of the transparent electrode 4 at the same time when a voltage is applied to the transparent electrode 4. . Note that the focal length changes by changing the voltage applied between the transparent electrode 4 and the aluminum
[0054]
From FIG. 7, it is possible to obtain a three-dimensional focus variable characteristic by changing the voltage applied between the transparent electrode 4 and the aluminum
[0055]
Conventionally, light could not be deflected by an electric or magnetic field, but light can be easily deflected by giving a potential gradient to the transparent electrode 4, and as a result, the focal point can be changed three-dimensionally. A possible liquid crystal lens can be realized. This liquid crystal lens can be applied to various wide-ranging applications such as an optical switch in free space and a switch between optical fibers.
[0056]
FIG. 6 is a sectional view showing a liquid crystal lens according to another embodiment of the present invention. The same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0057]
The liquid crystal lens shown in FIG. 6 has a configuration in which two liquid crystal lenses are stacked back to back using the same aluminum
[0058]
In the liquid crystal lens having such a structure, the rubbing direction of the
[0059]
Further, by making the rubbing directions of the
[0060]
The liquid crystal lens according to the embodiment shown in FIG. 6 can also be configured to deflect incident light. That is, by attaching electrodes to both ends of the transparent electrode 4, applying a voltage, and providing a potential gradient to the transparent electrode 4, light incident on the
[0061]
According to still another embodiment of the present invention, in the liquid crystal lens shown in FIG. 1, a liquid crystal polymerizable and cured by ultraviolet light or visible light is used as the
[0062]
In the present embodiment, UCL-001 (trade name: manufactured by Dainippon Ink Co., Ltd.) is used as the polymerizable liquid crystal, and 50 V rms is applied to the
[0063]
Thereafter, the polymer film in which the
[0064]
As the polymerizable curable liquid crystal that can be used in the present embodiment, for example, a compound represented by the following general formula (1) can be preferably used.
[0065]
Embedded image
(Wherein, X represents a hydrogen atom or a methyl group, 6-membered rings A, B and C each independently represent an atomic group represented by the following formula (2), n represents 0 or 1, and m represents Y 1 and Y 2 each independently represent a single bond, —CH 2 CH 2 —, —CH 2 O—, —OCH 2 —, —COO—, —OCO—, —C≡C -, - CH = CH -, - CF = CF -, - (CH 2) 4 -, -
Embedded image
[0066]
In addition, a liquid crystal having no polymerization curability may be added to the above-mentioned polymerization curable liquid crystal, and a conventionally known photopolymerization initiator, sensitizer, storage stabilizer and the like can be added.
[0067]
As described above, the liquid crystal lens and the polymer lens according to the embodiment of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the structures shown in FIGS. 1 and 6, and various changes can be made.
[0068]
It is also possible to bundle a large number of the above-described liquid crystal lenses or polymer lenses in a planar shape and arrange them in a two-dimensional array.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, there are provided a liquid crystal lens and a polymer lens having a simple configuration and a size from about several tens of microns to about several centimeters and having an arbitrary shape and size in which the position of a focal point can be changed very easily. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a liquid crystal lens according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an interference pattern obtained by sandwiching a liquid crystal lens according to an embodiment of the present invention between two polarizing plates and applying a voltage.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a profile of relative phase retardation of light guided from an interference pattern.
FIG. 4 is a photograph showing an intensity distribution of a light spot and a focused beam on a focal plane.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between an applied voltage and a focal length.
FIG. 6 is a sectional view showing a liquid crystal lens according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows the relationship between the voltage applied to both ends of the transparent electrode and the focus position when a voltage is applied between the transparent electrode and the aluminum thin-film electrode at the same time that a voltage is applied to both ends of the transparent electrode. Solving drafting showing the relationship.
[Explanation of symbols]
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