JP2004126402A - 調光装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶光学素子の光学濃度比（コントラスト比）を十分に確保しながら、調光装置に要求される大きな応答速度で駆動可能な液晶光学素子を用いた調光装置と、これを光路中に配して性能、画質、信頼性の向上を実現できる撮像装置を提供すること。
【解決手段】複数の液晶光学素子１０が光路に沿って順次配置されていて、複数の液晶光学素子１０がそれぞれ、ホスト材料とゲスト材料との混合物３１からなっている調光装置２３、また、この調光装置２３が撮像系の光路中に配される撮像装置。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、入射光の光透過率を調節するための調光装置、及びこの調光装置を用いた撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常、液晶光学素子（液晶セル）を用いる調光装置には、偏光板が使用される。この液晶セルには、例えばＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）型液晶セルやゲスト−ホスト（ＧＨ（Ｇｕｅｓｔ　Ｈｏｓｔ））型液晶セルが用いられる。
【０００３】
図１７は、従来の調光装置の動作原理を示す概略図である。この調光装置は、主に偏光板１とＧＨセル２とで構成され、ＧＨセル２は、図示省略したが、２枚のガラス基板の間に封入され、また動作電極や液晶配向膜を有している（以下、同様）。ＧＨセル２内には、液晶分子３と二色性染料分子４とが封入されている。
【０００４】
二色性染料分子４は、光の吸収に異方性を有し、例えば分子長軸方向の光を吸収するポジ型（ｐ型）色素分子である。また、液晶分子３は、誘電率異方性が正のポジ型（正型）である。
【０００５】
図１７（ａ）は、電圧を印加していない（電圧無印加）時のＧＨセル２の状態を示す。入射光５は、偏光板１を通過することによって直線偏光にされる。図１７（ａ）では、この偏光方向と、二色性染料分子４の分子長軸方向とが一致するので、入射光５は二色性染料分子４に吸収され、ＧＨセル２の光透過率が低下する。
【０００６】
そして、図１７（ｂ）で示すように、ＧＨセル２に電圧印加を行うと、液晶分子３が電界方向に向くに伴って二色性染料分子４の分子長軸方向は、直線偏光の偏光方向と直角になる。このため、入射光５はＧＨセル２によりほとんど吸収されずに透過する。
【０００７】
なお、分子短軸方向の光を吸収するネガ型（ｎ型）の二色性染料分子を用いる場合は、上記ポジ型の二色性染料分子４の場合と逆になり、電圧無印加時には光が吸収されず、電圧印加時に光が吸収される。
【０００８】
図１７に示された調光装置では、電圧印加時と電圧無印加時との吸光度の比、即ち、光学濃度の比が約１０である。これは、偏光板１を使用せずにＧＨセル２のみで構成される調光装置に比べて約２倍の光学濃度比を有する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この光学濃度比（コントラスト比、ダイナミックレンジ）は、ＧＨセルを構成する２枚のガラス基板間の距離（以下、セルギャップと称する。）に左右される。
【００１０】
即ち、セルギャップが大きい程、換言すれば液晶層の厚みが厚い程、透明時と遮光時との光透過率の差が大きくなり、光学濃度比（コントラスト比）は大きく取れる。
【００１１】
一方、セルギャップが変わると、ＧＨセルによる調光装置としての過渡応答速度も変化する。例えばセルギャップが大きくなると、応答速度は確実に遅くなる傾向をもつ。
【００１２】
即ち、ＧＨセルからなる液晶光学素子の光学濃度比と過渡応答速度とは、トレードオフの関係にあるため、従来は搭載するセットに合わせて、どちらかの特性を優先させる（他方の特性低下はある程度止むを得ないとする）形で、セルの仕様を決めていた。
【００１３】
こうした中で、大きな光学濃度比の確保と迅速な過渡応答動作の実現とを両立できるような、液晶光学素子を用いた調光装置が切望されている。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、液晶光学素子の光学濃度比（コントラスト比）を十分に確保しながら、調光装置に要求される大きな応答速度で駆動可能な液晶光学素子を用いた調光装置と、これを光路中に配して性能、画質、信頼性の向上を実現できる撮像装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されていて、前記複数の液晶光学素子がそれぞれ、ホスト材料とゲスト材料との混合物からなっている調光装置に係り、また、この調光装置が撮像系の光路中に配される撮像装置に係るものである。
【００１６】
本発明の調光装置及び撮像装置によれば、前記混合物からなる前記複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されているので、前記液晶光学素子の光学濃度比（コントラスト比）を充分に大きく確保しながら、調光装置に要求される高い応答速度で前記液晶光学素子を駆動することができる。
【００１７】
従って、本発明は、前記複数の液晶光学素子を用いた調光装置及び撮像装置の性能、画質、信頼性の向上を図るために極めて有効である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、前記複数の液晶光学素子を用いてなる、光学的機能が向上した調光装置を提供するものであるが、これは、本出願人が既に提出した特願平１１−３２２１８６号に係る先願発明に依拠したものである。この先願発明によれば、液晶光学素子と、この液晶光学素子に入射する光の光路中に配される偏光板とで調光装置を構成し、更に、ネガ型液晶分子をホスト材料とするゲスト−ホスト型液晶を用いることにより、電圧無印加時と電圧印加時の吸光度の比（即ち光学濃度の比）が向上し、調光装置のコントラスト比が大きくなり、明るい場所から暗い場所までにおいて、調光動作を正常に行うことを可能とする。
【００１９】
図１７に示したゲスト−ホスト型液晶セル（ＧＨセル）２において、ホスト材料３として誘電率異方性（Δε）が正のポジ型の液晶分子を用い、ゲスト材料４には二色性を有する光吸収異方性（ΔＡ）が正のポジ型染料分子４を用い、偏光板１をＧＨセル２の入射側に配し、矩形波を駆動波形として動作電圧印加時の光透過率の変化を計測すると、図１８に示すように、動作電圧の印加に伴って可視光の平均光透過率（空気中。液晶セルに加えて偏光板を足したときの透過率を参照（＝１００％）とした：以下、同様）が増加するが、電圧を１０Ｖにまで上昇させても最大光透過率は６０％程度にしかならず、しかも光透過率の変化が緩やかである。
【００２０】
これは、ポジ型のホスト材料を用いる場合、電圧無印加時に液晶セルの液晶配向膜との界面での液晶分子の相互作用（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）が強いため、電圧を印加してもダイレクタの向きが変化しない（或いは、変化し難い）液晶分子が残ってしまうからであると考えられる。
【００２１】
これに対し、先願発明では、図１３に示すように、ゲスト−ホスト型液晶セル（ＧＨセル）１２において、ホスト材料１３として、誘電率異方性（Δε）が負のネガ型の液晶分子であるＭｅｒｃｋ社製のＭＬＣ−６６０８を一例として用い、ゲスト材料４には二色性を有するポジ型染料分子であるＢＤＨ社製のＤ５を一例として用いることにより、偏光板１１をＧＨセル１２の入射側に配し、矩形波を駆動波形として動作電圧印加時の光透過率の変化を測定したところ、図１４に示すように、動作電圧の印加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中）が最大光透過率約７５％から数％にまで減少し、しかも光透過率の変化が比較的急峻となる。
【００２２】
これは、ネガ型のホスト材料を用いる場合、電圧無印加時に液晶セルの液晶配向膜との界面での液晶分子の相互作用（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）が非常に弱いため、電圧無印加時に光が透過し易く、また電圧印加と共に液晶分子のダイレクタの向きが変化し易くなるからであると考えられる。
【００２３】
このようにして、本発明において、ネガ型のホスト材料を用いてＧＨセルを構成することにより、光透過率（特に透明時）が向上し、ＧＨセルを撮像光学系中にそのまま位置固定して使用できるコンパクトな調光装置が実現可能となる。この場合、液晶光学素子への入射光の光路中に偏光板を配することにより、電圧無印加時と電圧印加時の吸光度の比（即ち光学濃度の比）が一層向上し、調光装置のコントラスト比が更に大きくなり、明るい場所から暗い場所までにおいて、調光動作をより正常に行うことができる。
【００２４】
本発明者は、このようなＧＨセルを用いた調光装置の特性の更なる向上を鋭意検討したところ、図１５に示すように、液晶光学素子の透明時と遮光時との光学濃度比は、ＧＨセルを構成する２枚のガラス基板間の距離（セルギャップ）によっても大きく左右されることが判明した。
【００２５】
即ち、セルギャップが大きい程、換言すれば液晶層の厚みが厚い程、透明時と遮光時との光透過率の差が大きくなり、光学濃度比は大きく取れるものの、ホスト材料にネガ型液晶分子を使うことの利点である透明時の光透過率が低下してしまう。
【００２６】
また、図１６に示すように、セルギャップが変わると、ＧＨセルによる調光装置としての応答速度も大きく変化し、セルギャップが大きくなって液晶層が厚くなる程、応答速度は確実に低下してしまうことも判明した。特に、図１６（ａ）に示すように、中間調で光透過率をわずかに変化させるような駆動を行うと、著しく応答速度が遅くなる。
【００２７】
従って、従来のゲスト−ホスト型液晶光学素子を用いて調光装置を作製する場合には、透明時と遮光時の光透過率の差（光学濃度比）と、液晶光学素子の過渡応答時間はトレードオフの関係にあり、どちらをも両立させた特性を得るのには、自ずと限界があった。
【００２８】
そして、本発明者が、より高い特性を有しかつ上記した２つの特性の両立を実現させるべく検討を更に進めた結果、ホスト材料とゲスト材料との前記混合物からなる前記複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されてなる調光装置が極めて有効であることを初めて突き止めるに至った。
【００２９】
ここで、本発明に基づく調光装置は、前記複数の液晶光学素子を構成する中間基板が共用されていることが望ましい。即ち、複数枚の基板が並んで順次配置され、互いに隣り合った前記複数枚の基板間に前記ホスト材料とゲスト材料との混合物が封入された構造とすることが望ましい。これにより、例えばセルギャップの狭いＧＨセルを複数個重ねて、これを同時に駆動させるように（液晶配向方位と実効印加電圧を揃えて）作用させることができ、光学濃度比（コントラスト比）を充分に大きく確保しながら、調光装置に要求されるより高い応答速度で前記複数の液晶光学素子を駆動することができる。
【００３０】
そして、少なくとも有効光路における前記複数の液晶光学素子の各セルギャップをそれぞれ１〜３μｍに制御することが好ましく、これにより、前記複数のＧＨセルを用いての、より実用的に有利な調光装置を実現することができる。
【００３１】
上記の各セルギャップが１μｍ未満であると、調光装置としての応答速度は大きくなり、また透明時の光透過率が向上するものの、遮光時の光透過率も大きく上昇してしまい、結果として充分な光学濃度比（コントラスト比）が確保できなくなることがある。逆に、上記の各セルギャップが３μｍを超えると、光学濃度比は大きく確保できるものの、透明時の光透過率が低下し、また調光装置としての応答速度が大きく悪化することがある。特に、中間調において光を僅かに変化させるような駆動を行う場合、応答速度が遅くなってしまうことがある。
【００３２】
本発明に基づく調光装置によれば、前記複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されており、また、例えば前記複数の液晶光学素子の各セルギャップがそれぞれ１〜３μｍに制御されているので、前記複数の液晶光学素子の全体としての厚みを大きくすることができるため、光学濃度比を大きく確保することができ、かつ狭ギャップ（例えば３μｍ）の単独セル（２枚の基板から構成されるセル）を駆動するのと同様に高速で調光動作が行える。従って、従来は実現できなかった高コントラスト比と高速過度応答の両立が可能となる。
【００３３】
ここで、上記に前記中間基板が共用されている例を挙げたが、単に狭ギャップの単独セルを複数組重ねただけの構造であってもよく、この場合、遮光時の光透過率はより一層低下することができる。但し、各セルの間に空気層が存在すると、各セル間の空気層と前記基板との界面での光反射量が大きく、また前記基板での余分な光吸収もあり、透明時の光透過率が低下することがあるので、なるべく前記空気層が形成されない方法で調光装置を製造するのがよい。
【００３４】
図１及び図８（ａ）は、本発明に基づく調光装置の前記複数の液晶光学素子（ＧＨセル）の概略断面図である。
【００３５】
図１及び図８（ａ）に示すように、本発明に基づく調光装置の複数のＧＨセル１０は、ガラス基板３０ａ、３０ｂ及び３０ｃを有し、これらの間に液晶混合物３１を封入してなり、液晶混合物３１が、ネガ型液晶分子１３をホスト材料とし、ポジ型染料分子４をゲスト材料とする、ゲスト−ホスト型液晶である。なお、前記中間基板としてのガラス基板３０ｂは共用されている。また、基板３０ａと３０ｂの間及び基板３０ｂと３０ｃの間がシール材３５で封止されている。さらに、複数の液晶光学素子（ＧＨセル）１０にそれぞれ電源３４が接続されており、かつ電源３４は複数のＧＨセル１０に共用されている。
【００３６】
ガラス基板３０は、ガラス基板での光吸収量を抑えかつ少しでも装置の小型軽量化を図るために、できるだけ薄いもの、特に０．５ｍｍ以下のものを用いることが好ましい。
【００３７】
また、ガラス基板３０ａ、３０ｂ及び３０ｃは、透明電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び配向膜３３ａ、３３ｂ、３３ｃをそれぞれ有しており、ガラス基板３０ａ及び３０ｃの液晶混合物３１が存在する面側には、ラビング法等の前記液晶配向処理が施されている。
【００３８】
一方、中央に位置するガラス基板３０ｂの両面にはラビング法等の液晶配向処理が施されておらず（例えば透明電極上に斜方蒸着膜等の垂直配向膜を形成しているが、ラビング処理が施されていない。）、かつその周辺部に電極引き出し部が形成されている。
【００３９】
即ち、製造工程の容易さを考慮すれば、ラビング法等の前記液晶配向処理は、３枚のガラス基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃのうちの、外側の２枚の基板３０ａ及び３０ｃに対してのみ行うことが好ましい（片側ラビング）。例えば、上記の片側ラビングに代えて両面ラビングを適用した場合、中央ガラス基板３０ｂの一方の面側の液晶配向処理後、他方の面側に液晶配向処理を施す際に、既に配向処理が施された一方の面側の液晶配向膜に対して悪影響を与えてしまうことがある。
【００４０】
また、複数のＧＨセル１０の実装形態をコンパクトにして、調光装置の小型化を図るためには、上述したように、３枚のガラス基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃのうちの中央ガラス基板３０ｂの両面のみに、液晶セルを駆動するための交流電圧を印加する電極の引き出し部を設けることが好ましい。
【００４１】
複数のＧＨセル１０は、ホスト材料として誘電率異方性（Δε）が負のネガ型液晶分子１３を用い、ゲスト材料には二色性を有するポジ型染料分子４を用いているので、電圧無印加時には、図１（ａ）に示すように、光は複数のＧＨセル１０によって殆ど吸収されずに透過する。逆に、図１（ｂ）に示すように、電圧印加時には、液晶分子のダイレクタの向きが変化し、光はポジ型染料分子４に吸収され、複数のＧＨセル１０の光透過率が低下する。複数のＧＨセル１０は、電圧無印加時における複数のＧＨセル１０の各液晶配向膜３３との界面での液晶分子の相互作用（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）が非常に弱いため、電圧無印加時に光が透過し易く、また電圧印加と共に液晶分子のダイレクタの向きが変化し易くなり、光はポジ型染料分子に吸収される。
【００４２】
なお、本発明に基づく調光装置及び撮像装置においては、前記複数の液晶光学素子の液晶分子の誘電率異方性は負であることが望ましいが、ゲスト材料は、ポジ型又はネガ型の二色性染料分子からなっていてよい。
【００４３】
図５（Ａ）は、本発明に基づく調光装置（複数の液晶光学素子：ＧＨセル１０）を構成する基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃのうち、外側に配される基板３０ａ及び３０ｃの概略平面図である。また、図５（Ｂ）は、本発明に基づく調光装置（複数の液晶光学素子：ＧＨセル１０）を構成する基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃのうち、中央に配される基板３０ｂの概略平面図である。
【００４４】
図５（Ａ）に示すように、外側に配されるガラス基板３０ａ（又は３０ｃ）の片面（前記液晶混合物が存在する側）には、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　ｔｉｎ　ｏｘｉｄｅ）電極（透明電極）３２ａ（又は３２ｃ）及び配向膜３３ａ（又は３３ｃ）を有しており、この配向膜３３ａ（又は３３ｃ）にはラビング法等の液晶配向処理が施されている。また、ＩＴＯ電極３２ａ（又は３２ｃ）は有効光路２０外に延設されている。ここで、前記液晶配向処理としては、前記ラビング法の他に、偏光紫外線による光配向法や斜方蒸着法等が挙げられる。
【００４５】
また、図５（Ｂ）に中央ガラス基板３０ｂの一方の面側を一例として示すように、中央ガラス基板３０ｂは、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　ｔｉｎ　ｏｘｉｄｅ）電極（透明電極）３２ｂ及び配向膜３３ｂを有しており、配向膜３３ｂには前記液晶配向処理が施されていない。また、基板３０ｂには、透明電極の引き出し部２１が設けられている。なお、中央ガラス基板３０ｂの他方の面側も上記と同様にしてＩＴＯ電極３２ｂ、配向膜３３ｂ及び電極引き出し部２１が形成されている。
【００４６】
図６は、図１に示すような本発明に基づく調光装置の複数の液晶光学素子（ＧＨセル）１０のうち、例えば第１液晶光学素子（ＧＨセル）１０ａ（又は第２液晶光学素子１０ｂ）の概略平面図である。
【００４７】
図６に示すように、基板３０ａ及び３０ｂの間（又は基板３０ｂ及び３０ｃの間）は液晶セル周辺部２４にて、シール材３５で封止されている。
【００４８】
そして、上述したように、複数の液晶光学素子１０の各セルギャップがそれぞれ１〜３μｍに制御されていることが望ましく、更に、図７に図６のＡ−Ａ線断面図を示すように、前記有効光路に相当する液晶セル中間部での前記間隙がその周辺部における前記間隙よりも小さいことがより好ましい。即ち、複数の液晶光学素子１０を構成する各ＧＨセル１０ａ及び１０ｂの対向する例えばガラス基板の隙間をそれぞれ、１〜３μｍに制御した上で、更にセル中間部（又は中央部）におけるギャップ長をセル周辺部のギャップ長より小さくすることである。これにより、調光装置として必要な光学濃度比を維持しながら、前記有効光路内の複数の液晶光学素子１０をより一層高速に応答動作させることが可能となる。
【００４９】
本実施の形態においては、上記した如きセルギャップを形成する上で、図８（ｂ）及び（ｃ）に示すように、透明電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び配向膜３３ａ、３３ｂ、３３ｃが形成された対向基板間３０ａ及び３０ｂ、３０ｂ及び３０ｃにスペーサー３６が配され、シール材３５で液晶セル周辺部が封止されており、シール材３５が、スペーサー３６より径大に形成されているか、或いはボール状又はファイバー状等の硬質材料を含有しているのがよい。
【００５０】
前記複数の液晶光学素子からなる本発明に基づく調光装置は、例えば図９に示すように、ズームレンズのように複数のレンズで構成されるレンズ前群１５とレンズ後群１６との間に配置される。レンズ前群１５を透過した光は、偏光板１１を介して直線偏光された後、複数のＧＨセル１０に入射する。複数のＧＨセル１０を透過した光は、レンズ後群１６で集光され、撮像面１７に映像として映し出される。
【００５１】
この調光装置２３を構成する偏光板１１は、本出願人による上述した先願発明と同様に、複数のＧＨセル１０に入射する光の有効光路に対して出し入れ可能である。具体的には、偏光板１１を仮想線で示す位置に移動させることにより、光の有効光路の外へ出すことができる。この偏光板１１を出し入れする手段として、図１０に示すような機械式アイリスが用いられてもよい。
【００５２】
この機械式アイリスは、一般にデジタルスチルカメラやビデオカメラ等に用いられる機械式絞り装置であり、主として２枚のアイリス羽根１８、１９と、アイリス羽根１８に貼付された偏光板１１とからなる。アイリス羽根１８、１９は、上下方向に移動させることができる。矢印２７で示される方向に、図示せぬ輝度モーターを用いてアイリス羽根１８、１９を相対的に移動させる。
【００５３】
これにより、図１０で示すように、アイリス羽根１８、１９は部分的に重ねられ、この重なりが大きくなると、アイリス羽根１８、１９の中央付近に位置する有効光路２０上の開口部２２が、偏光板１１により覆われる。
【００５４】
図１１は、有効光路２０付近の機械式アイリスの部分拡大図である。アイリス羽根１８が下方に移動すると同時に、アイリス羽根１９が上方に移動する。これに伴って、図１１（ａ）に示すように、アイリス羽根１８に貼付された偏光板１１も有効光路２０の外へと移動する。逆に、アイリス羽根１８を上方に、またアイリス羽根１９を下方に移動させることにより、互いのアイリス羽根１８、１９が重なる。これに従って、図１１（ｂ）に示すように、偏光板１１は有効光路２０上に移動し、開口部２２を次第に覆う。アイリス羽根１８、１９の互いの重なりが大きくなると、図１１（ｃ）に示すように、偏光板１１は開口部２０を全て覆う。
【００５５】
次に、この機械式アイリスを用いた調光装置２３の調光動作について説明する。
【００５６】
図示せぬ被写体が明るくなるにつれて、図１１（ａ）で示したように、上下方向に開いていたアイリス羽根１８、１９は、図示せぬモーターにより駆動され、重なり始める。これによって、アイリス羽根１８に貼付されている偏光板１１は、有効光路２０上に入り始め、開口部２２の一部を覆う（図１１（ｂ））。
【００５７】
この時、複数のＧＨセル１０は光を吸収しない状態にある（なお、熱的揺らぎ、又は表面反射等のため、複数のＧＨセル１０による若干の吸収はある。）。このため、偏光板１１を通過した光と開口部２２を通過した光は、ほぼ強度分布が同等となる。
【００５８】
その後、偏光板１１は、完全に開口部２２を覆った状態になる（図１１（ｃ））。さらに、被写体の明るさが増す場合は、複数のＧＨセル１０への電圧を上昇し、複数のＧＨセル１０で光を吸収することにより調光を行う。
【００５９】
これとは逆に、被写体が暗くなる場合は、まず、複数のＧＨセル１０への電圧を減少又は無印加とすることにより、複数のＧＨセル１０による光の吸収効果を無くする。さらに被写体が暗くなった場合は、図示せぬモーターを駆動することにより、アイリス羽根１８を下方へ、またアイリス羽根１９を上方へ移動させる。こうして、偏光板１１を有効光路２０の外へ移動させる（図１１（ａ））。
【００６０】
また、図９〜図１１に示したように、偏光板１１（光透過率例えば４０％〜５０％）を光の有効光路２０から外に出すことができるので、偏光板１１に光が吸収されない。従って、調光装置の最大光透過率を例えば２倍以上に高めることができる。具体的には、この調光装置を、従来の固定されて設置される偏光板及びＧＨセルからなる調光装置と比較すると、最大光透過率は例えば約２倍になる。なお、最低光透過率は両者で等しい。
【００６１】
また、デジタルスチルカメラ等に実用化されている機械式アイリスを用いて、偏光板１１の出し入れが行なわれるので、調光装置は容易に実現可能となる。また、複数のＧＨセル１０を用いるので、偏光板１１による調光に加えて、複数のＧＨセル１０自体が光を吸収することにより、調光を行うことができる。
【００６２】
このようにして、この調光装置は、明、暗のコントラスト比を高めると共に、光量分布をほぼ均一に保つことができるものとなる。
【００６３】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面参照下に説明する。
【００６４】
実施例１
まず、ゲスト−ホスト型液晶（ＧＨ）セルを用いる調光装置の一例を説明する。
【００６５】
この調光装置は、図９に示すように、複数のＧＨセル１０と偏光板１１とからなる。そして、複数のＧＨセル１０は、図１及び図８（ａ）に断面の詳細を示すように、透明電極３２と配向膜３３とを表面に形成した３枚のガラス基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃから形成される２つの隙間に、ネガ型の液晶分子（ホスト材料）１３とポジ型の二色性染料分子（ゲスト材料）４との混合物３１が封入されている。
【００６６】
液晶分子には、例えば誘電率異方性が負のネガ型液晶分子であるＭｅｒｃｋ社製のＭＬＣ−６６０８を一例として用い、また二色性染料分子には、光の吸収に異方性を有し、例えば分子長軸方向の光を吸収するポジ型染料分子であるＢＤＨ社製のＤ５を一例として用いた。
【００６７】
偏光板１１の光吸収軸は、複数のＧＨセル１０に電圧を印加した時の光吸収軸と直交させた。
【００６８】
この調光装置２３は、例えばズームレンズのように複数のレンズで構成されるレンズ前群１５とレンズ後群１６との間に配置される。レンズ前群１５を透過した光は、偏光板１１を介して直線偏光された後、複数のＧＨセル１０に入射する。複数のＧＨセル１０を透過した光は、レンズ後群１６で集光され、撮像面１７に映像として映し出される。
【００６９】
そして、この調光装置２３を構成する偏光板１１は、本出願人が以前提案しているように（特願平１１−３２６８９４号）、複数のＧＨセル１０に入射する光の有効光路に対して出し入れ可能である。
【００７０】
具体的には、偏光板１１を仮想線で示す位置に移動させることにより、光の有効光路の外へ出すことができる。この偏光板１１を出し入れする手段として、図１０に示すような機械式アイリスが用いられてもよい。
【００７１】
ここで、複数のＧＨセル１０は、図５及び図６に概略的に平面を示すように、一例として０．５ｍｍ厚のガラス基板３０ｂの両面、及び０．５ｍｍ厚のガラス基板３０ａ及び３０ｃの一方の面側に透明電極パターン３２ａ、３２ｂ、３２ｃと配向膜３３ａ、３３ｂ、３３ｃをそれぞれ形成し、ガラス基板３２ａ及び３２ｃの配向膜３３ａ及び３３ｃにのみ、第１液晶光学素子１０ａ及び第２液晶光学素子１０ｂの液晶分子の配向方位が揃うようにラビング処理を施した（片側ラビング）。また、ガラス基板３０ｂの両面には前記の各透明電極の引き出し部２１をそれぞれ設け、かつガラス基板３０ａ及び３０ｃの前記透明電極は有効光路２０外に延設した。
【００７２】
そして、ガラス基板３０ａ及び３０ｃのセル周辺部２４に、一例として直径３．０μｍのガラスファイバーを含有した、熱硬化性エポキシ樹脂からなる封止（シール）材３５を所定の幅で塗布した後、３枚のガラス基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃを位置合わせして重ねてから、熱プレス板により適度な条件（例えば１５０〜１７０℃、１〜２ｋｇ／ｃｍ^２）で圧力を加えながら加熱処理することにより、セル周辺部２４のシール材３５を硬化させ、基板の貼り合せを完了させ、２層構造の液晶セルを完成させた（図１及び図８（ａ））。
【００７３】
なお、複数の液晶光学素子（ＧＨセル）１０にそれぞれ電極３４を接続し、かつ電源３４は複数のＧＨセル１０に共用させた。
【００７４】
この貼り合わせ基板を個片化（スクライブ＆ブレイク）して得られた２層構造の空セルのセルギャップを、光の干渉を利用する測定機で計測したところ、第１液晶光学素子１０ａ及び第２液晶光学素子１０ｂにおけるセル中央部のギャップがそれぞれ、約２．２μｍであり、セル周辺部のギャップがそれぞれ、約２．８μｍに仕上がっていた。なお、複数の液晶光学素子１０の全体としてのセルギャップは約５μｍであった。
【００７５】
このような複数の空ＧＨセルに、ネガ型の液晶分子（ホスト材料）１３とポジ型の二色性染料分子（ゲスト材料）４とからなる液晶材料３１を封入してできあがった複数のＧＨセル１０に対して、第１液晶光学素子１０ａ及び第２液晶光学素子１０ｂの液晶分子に同じ実効電圧が加わるように、中央ガラス基板３０ｂに設けた電極の引き出し部２１に矩形波を駆動波形として入力し、動作電圧印加時の光透過率の変化を計測したところ（図１３）、図２及び図３に示すように、動作電圧の印加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中）が最大光透過率が約７０％から約５％にまで減少した。また、用いる液晶セル構造や構成材料によっても異なるが、複数のＧＨセル１０は、±５Ｖ（１ｋＨｚ）以上のパルス電圧印加で、ほぼ最小光透過率に達した。
【００７６】
複数の液晶光学素子１０の全体としてのセルギャップが５μｍであった本発明における調光装置の電圧印加時の最低光透過率（遮光時の光透過率）は、セルギャップが５μｍに形成された従来の単独ＧＨセル（２枚基板構成）と比較すると、図２及び図３に示すように、おおよそ半減しており、調光動作のダイナミックレンジを大きく拡大することができた。これは、複数のＧＨセル１０の構造内に、屈折率の異なる材料が接する界面が増えたことで、そこでの界面反射が光の透過量を全体的に減少させていることが主因である。
【００７７】
そして、複数のＧＨセル１０に印加する駆動パルス電圧を変化させた時の光透過率の過渡応答時間は、２０ｍｓ以下の高速動作が可能となった。これは、約２．５μｍの狭ギャップの単独ＧＨセルを駆動しているのと同等の高速駆動である。また、中間調駆動させた場合、セルギャップが５μｍの従来の単独ＧＨセルは、応答時間が１００ｍｓを超えていたのに対し、全体としてのセルギャップが５μｍであった本発明における複数のＧＨセル１０は、２０ｍｓ以下の高速駆動が可能であった（図１６）。
【００７８】
従って、従来は両立し得なかった高ダイナミックレンジの確保と高速過渡応答性を、本発明に基づく調光装置によれば同時に実現することができた。
【００７９】
本実施例では、シール材３５内のガラスファイバーに適度な大きさのものを選択し、ガラス基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃを重ね合わせるための熱プレス板による加圧加熱処理を適度な条件で行った結果、複数の液晶光学素子１０を構成する２層（第１液晶光学素子１０ａ及び第２液晶光学素子１０ｂ）のセルギャップをそれぞれ、約２．２μｍ（中央部）から約２．８μｍ（周辺部）に仕上げることができた（トータルのセルギャップとしては、約５μｍであった）。
【００８０】
その結果、透明時と遮光時との光透過率の差（光学濃度比）を充分に確保しながら、調光装置として高速に応答動作することが可能となった。
【００８１】
ここで、セルの作製条件を変えて、トータルのセルギャップが２μｍ未満（各セルギャップがそれぞれ１μｍ未満）の２層液晶セルを作製したところ、過渡応答速度は更に高速化するものの、光透過率が全体的に上昇し、特に遮光時の光透過率の上昇度合いが大きく、調光装置に要求される充分な光学濃度比を得ることができないことがあった。また、セル内でのギャップバラツキが大きくなり、狭ギャップにする程、製造歩留まりも低下した。
【００８２】
逆に、セルの作製条件を変えて、トータルのセルギャップが６μｍを超える（各セルギャップがそれぞれ３μｍを超える）２層液晶セルを作製したところ、遮光時の透過率は低く抑えられるものの、透明時の透過率も大きく低下してしまい、実用的な光学濃度比が得られなくなることがあった。また、過渡応答速度（特に中間調駆動における応答速度）も低下し始めることがあった。
【００８３】
従って、ネガ型液晶分子と二色性染料分子を用いたゲスト−ホスト型液晶セルを例えば２層のセルギャップで構成し、光透過率の差（光学濃度比）を充分に確保しながら、調光装置として高速に応答動作することができる調光装置を実現するためには、各々のセルギャップを１〜３μｍ（トータルセルギャップで２〜６μｍ）に仕上げることがより望ましいとの結論に至った。
【００８４】
また、本実施例において、ネガ型の液晶分子（ホスト材料）１３に代えてポジ型の液晶分子を用いて、上記と同様にして複数のＧＨセル１０を作製し、この複数のＧＨセル１０に対して、第１液晶光学素子１０ａ及び第２液晶光学素子１０ｂの液晶分子に同じ実効電圧が加わるように、中央ガラス基板３０ｂに設けた電極の引き出し部２１に矩形波を駆動波形として入力し、動作電圧印加時の光透過率の変化を計測したところ、図４に示すように、動作電圧の印加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中）が約２％から約６０％にまで増加した。
【００８５】
即ち、ポジ型の液晶分子を用いてなる複数のＧＨセル１０（全体としてのセルギャップは５μｍ）の電圧無印加時の最低光透過率は、セルギャップが５μｍに形成された従来の単独セル（２枚基板構成）と比較すると、図４に示すように、おおよそ半減しており、調光動作のダイナミックレンジを大きく拡大することができた。
【００８６】
実施例２
本実施例は、実施例１の２層構造のＧＨセル１０の作製において、プラスチックボールをスペーサー３６として、３枚のガラス基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃ間に配置した例である。
【００８７】
即ち、複数のＧＨセル１０は、図５及び図６に概略的に平面を示すように、一例として０．５ｍｍ厚のガラス基板３０ｂの両面、及び０．５ｍｍ厚のガラス基板３０ａ及び３０ｃの一方の面側に透明電極パターン３２ａ、３２ｂ、３２ｃと配向膜３３ａ、３３ｂ、３３ｃを形成し、ガラス基板３２ａ及び３２ｃの配向膜３３ａ及び３３ｃにのみ、第１液晶光学素子１０ａ及び第２液晶光学素子１０ｂの液晶分子の配向方位が揃うようにラビング処理を施した（片側ラビング）。また、ガラス基板３０ｂの両面には前記の各透明電極の引き出し部２１をそれぞれ設け、かつガラス基板３０ａ及び３０ｃの前記透明電極は有効光路２０外に延設した。
【００８８】
そして、ガラス基板３０ａ及び３０ｃのセル周辺部２４に、一例として直径３．０μｍのガラスファイバーを含有した、熱硬化性エポキシ樹脂からなる封止（シール）材３５を所定の幅で塗布した後、同一基板もしくは対向する他方の基板上に、一例として２．５μｍ径のプラスチックボールを均一に散布し、３枚のガラス基板３０ａ、３０ｂ、３０ｃを位置合わせして重ねてから、熱プレス板により適度な条件（例えば１５０〜１７０℃、１〜２ｋｇ／ｃｍ^２）で圧力を加えながら加熱処理することにより、セル周辺部２４のシール材３５を硬化させ、基板の貼り合せを完了させ、２層構造の液晶セルを完成させた（図１及び図８（ｂ））。
【００８９】
ここで、上記のプラスチックボールは、従来の手法を用いて上方から基板に散布し、概ね１００〜３００個／ｍｍ^２のある一定密度で、ガラス基板全面にほぼ均一に配置されていた。
【００９０】
なお、複数の液晶光学素子（ＧＨセル）１０にそれぞれ電極３４を接続し、かつ電源３４は複数のＧＨセル１０に共用させた。
【００９１】
この貼り合わせ基板を個片化（スクライブ＆ブレイク）して得られた２層構造の空セルのセルギャップを、光の干渉を利用する測定機で計測したところ、第１液晶光学素子１０ａ及び第２液晶光学素子１０ｂにおけるセル中央部のギャップがそれぞれ、約２．４μｍであり、セル周辺部のギャップがそれぞれ、約２．７μｍに仕上がっていた。なお、複数の液晶光学素子１０の全体としてのセルギャップは約５μｍであった。
【００９２】
また、スペーサー３６の配設によって、複数のＧＨセル１０での調光特性を左右する各セルギャップのバラツキは、実施例１よりも低減できていた。
【００９３】
このようなセルに、ネガ型の液晶分子（ホスト材料）１３とポジ型の二色性染料分子（ゲスト材料）４とからなる液晶材料３１を封入してできあがった複数のＧＨセル１０に対して、第１液晶光学素子１０ａ及び第２液晶光学素子１０ｂの液晶分子に同じ実効電圧が加わるように、中央ガラス基板３０ｂに設けた電極の引き出し部２１に矩形波を駆動波形として入力し、動作電圧印加時の光透過率の変化を計測したところ（図１３）、図２及び図３に示すように、動作電圧の印加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中）が最大光透過率が約７０％から約５％にまで減少した。また、用いる液晶セル構造や構成材料によっても異なるが、複数のＧＨセル１０は、±５Ｖ（１ｋＨｚ）以上のパルス電圧印加で、ほぼ最小光透過率に達した。
【００９４】
複数の液晶光学素子１０の全体としてのセルギャップが約５μｍであった本発明における調光装置の電圧印加時の最低光透過率（遮光時の光透過率）は、セルギャップが５μｍに形成された従来の単独ＧＨセル（２枚基板構成）と比較すると、図２及び図３に示すように、おおよそ半減しており、調光動作のダイナミックレンジを大きく拡大することができた。これは、複数のＧＨセル１０の構造内に、屈折率の異なる材料が接する界面が増えたことで、そこでの界面反射が光の透過量を全体的に減少させていることが主因である。
【００９５】
そして、複数のＧＨセル１０に印加する駆動パルス電圧を変化させた時の光透過率の過渡応答時間は、２０ｍｓ以下の高速動作が可能となった。これは、約２．５μｍの狭ギャップの単独ＧＨセルを駆動しているのと同等の高速駆動である。また、中間調駆動させた場合、セルギャップが５μｍの従来の単独ＧＨセルは、応答時間が１００ｍｓを超えていたのに対し、全体としてのセルギャップが約５μｍであった本発明における複数のＧＨセル１０は、２０ｍｓ以下の高速駆動が可能であった（図１６）。
【００９６】
従って、従来は両立し得なかった高ダイナミックレンジの確保と高速過渡応答性を、本発明に基づく調光装置によれば同時に実現することができた。
【００９７】
なお、本実施例では、スペーサー３６の配設法として、上方から噴霧する例を示したが、より均一に配設することを狙って、スクリーン印刷法を使って形成してもよい。また、スペーサー３６の形状もここで示した球状のものに限らず、図８（ｃ）に示すように、柱状のスペーサーを、印刷やリソグラフィー等で供給して、本発明を実現することも可能である。
【００９８】
実施例３
図１２は、本実施の形態による調光装置２３をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ）カメラに組み込んだ例を示すものである。
【００９９】
即ち、ＣＣＤカメラ５０において、一点鎖線で示す光軸に沿って、前記レンズ前群１５に相当する１群レンズ５１及び２群レンズ（ズーム用）５２、前記レンズ後群１６に相当する３群レンズ５３及び４群レンズ（フォーカス用）５４、ＣＣＤパッケージ５５が適宜の間隔をおいてこの順に配設されており、ＣＣＤパッケージ５５には赤外カットフィルタ５５ａ、光学ローパスフィルタ系５５ｂ、ＣＣＤ撮像素子５５ｃが収納されている。２群レンズ５２と３群レンズ５３との間には、３群レンズ５３寄りに、上述した本発明に基づく複数のＧＨセル１０と偏光板１１からなる調光装置２３が光量調節（光量絞り）のために同じ光路上に取付けられている。なお、フォーカス用の４群レンズ５４は、リニアモータ５７により光路に沿って３群レンズ５３とＣＣＤパッケージ５５との間を移動可能に配設され、またズーム用の２群レンズ５２は、光路に沿って１群レンズ５１と調光装置２３との間を移動可能に配設されている。
【０１００】
以上、本発明を実施の形態及び実施例について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能であり、サンプル構造や使用材料、液晶セルの駆動方法、調光装置の形態等、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜選択可能であることは言うまでもない。
【０１０１】
例えば、透過型撮像装置を例にあげて説明したが、反射型でもよい。例えば、本発明に基づく調光装置を構成する前記基板が３枚からなり、反射型の撮像装置の場合、外側に位置する一方の基板のみ透過性を有してなくてよい。
【０１０２】
また、上記に前記基板として３枚のガラス基板を用いる例を上げたが、本発明に基づく調光装置は、前記複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されていればよく、前記基板は３枚に限られない。特に、前記複数の液晶光学素子を構成する前記中間基板が共用されることが好ましい。
【０１０３】
また、前記中央基板には配向処理を施さず、外側に配された前記基板のみに対して配向処理を行う（片側ラビング）例を示したが、斜方蒸着法等を用いて前記中央基板に対しても前記配向処理を施すことも勿論可能である。
【０１０４】
また、前記複数の液晶光学素子がそれぞれ、同種のホスト材料とゲスト材料との混合物からなっている例を説明したが、これに限られない。
【０１０５】
上述の実施例では、液晶セルの駆動法にパルス電圧変調（ＰＨＭ）用いた例を示したが、パルス幅変調（ＰＷＭ）で駆動する場合にも適用できる。
【０１０６】
また、本発明に基づく調光装置は、既述したＣＣＤカメラ等の撮像装置の光学絞り以外にも、各種光学系、例えば、電子写真複写機や光通信機器等の光量調節用としても広く適用が可能である。撮像デバイスとしては、本実施例で使用したＣＣＤ以外にも、ＣＭＯＳイメージセンサー等への適用も勿論可能である。
【０１０７】
さらに、本発明に基づく調光装置は、光学フィルター以外に、キャラクターやイメージ等を表示する各種の画像表示素子に適用することができる。
【０１０８】
【発明の作用効果】
本発明の調光装置及び撮像装置によれば、前記混合物からなる前記複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されているので、前記液晶光学素子の光学濃度比（コントラスト比）を充分に大きく確保しながら、調光装置に要求される高い応答速度で前記液晶光学素子を駆動することができる。
【０１０９】
従って、本発明は、前記複数の液晶光学素子を用いた調光装置及び撮像装置の性能、画質、信頼性の向上を図るために極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による調光装置を構成する複数の液晶光学素子の概略断面図である。
【図２】本発明の実施例による光透過率の変化を比較して示すグラフである。
【図３】同、ネガ型液晶分子を用いた場合の調光装置の電圧と光透過率の関係を比較して示すグラフである。
【図４】同、ポジ型液晶分子を用いた場合の調光装置の電圧と光透過率の関係を比較して示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態による複数の液晶光学素子を構成する各基板の概略平面図である。
【図６】同、複数の液晶光学素子のうちの第１液晶光学素子の概略平面図である。
【図７】同、複数の液晶光学素子のうちの第１液晶光学素子の概略断面図である。
【図８】同、複数の液晶光学素子の概略断面図である。
【図９】同、複数の液晶光学素子からなる調光装置を用いた撮像装置の模式図である。
【図１０】同、機械式アイリスの概略図である。
【図１１】同、機械式アイリスの部分拡大図である。
【図１２】同、調光装置を組み込んだカメラシステムの概略断面図である。
【図１３】先願発明（特願平１１−３２２１８６号）の調光装置の動作原理を示す概略図である。
【図１４】同、調光装置の光透過率と駆動印加電圧との関係を示すグラフである。
【図１５】同、調光装置の光透過率を液晶セルギャップとの関係を示すグラフである。
【図１６】同、調光装置の応答時間と液晶セルギャップとの関係を示すグラフである。
【図１７】従来の調光装置の動作原理を示す概略図である。
【図１８】同、調光装置の光透過率と駆動印加電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
４…ポジ型二色性染料分子、５…入射光、１０…複数のＧＨセル、
１１…偏光板、１３…ネガ型液晶分子、１５…レンズ前群、１６…レンズ後群、１７…撮像面、１８、１９…アイリス羽根、２０…有効光路、
２１…電極引き出し部、２２…開口部、２３…調光装置、２４…セル周辺部、
３０…ガラス基板、３１…液晶混合物、３２…透明電極、３３…配向膜、
３４…電源、３５…シール材、３６…スペーサー、５０…ＣＣＤカメラ、
５１…１群レンズ、５２…２群レンズ（ズーム用）、５３…３群レンズ、
５４…４群レンズ（フォーカス用）、５５…ＣＣＤパッケージ、
５５ａ…赤外カットフィルタ、５５ｂ…光学ローパスフィルタ系、
５５ｃ…ＣＣＤ撮像素子、５７…リニアモータ

Claims (11)

1. 複数の液晶光学素子が光路に沿って順次配置されていて、前記複数の液晶光学素子がそれぞれ、ホスト材料とゲスト材料との混合物からなっている調光装置。
2. 少なくとも有効光路における前記複数の液晶光学素子の各セルギャップがそれぞれ１〜３μｍに制御されている、請求項１に記載した調光装置。
3. 前記複数の液晶光学素子を構成する中間基板が共用されている、請求項１に記載した調光装置。
4. 前記複数の液晶光学素子が、前記ホスト材料がネガ型液晶分子からなり、前記ゲスト材料がポジ型又はネガ型の二色性染料分子からなるゲスト−ホスト型液晶光学素子である、請求項１に記載した調光装置。
5. 前記複数の液晶光学素子を構成する各基板のうち、外側に位置する２枚の基板に液晶配向処理が施されている、請求項１に記載した調光装置。
6. 前記各基板のうち、中間基板が液晶配向処理が施されていない、請求項５に記載した調光装置。
7. 前記各基板のうち、中間基板の両側に存在する各液晶光学素子の電極引き出し部が前記中間基板の周辺部に設けられている、請求項５に記載した調光装置。
8. 前記複数の液晶光学素子にそれぞれ電源が接続されている、請求項１に記載した調光装置。
9. 前記電源が前記複数の液晶光学素子に共用されている、請求項８に記載した調光装置。
10. 前記複数の液晶光学素子を構成する各基板の厚みが、それぞれ０．５ｍｍ以下である、請求項１に記載した調光装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載した調光装置が撮像系の光路中に配されている、撮像装置。

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