JP2004184966A

JP2004184966A - Planar lens

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Publication number: JP2004184966A
Application number: JP2003102738A
Authority: JP
Inventors: Susumu Sato; 佐藤　　進
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2023-04-07
Also published as: JP4227828B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a planar lens and a planar lens array which have optical characteristics easily varied to correct aberrations by simple constitution. <P>SOLUTION: The planar lens is provided with a first transparent substrate 1 having a first electrode, a second substrate 2 having no electrodes, a second electrode 6 arranged outside the second substrate, and a liquid crystal layer 3 which is stored between the first substrate and the second substrate and has liquid crystal molecules aligned in one direction, and the second electrode 6 is made into a curved surface, and a voltage is applied between the fist electrode 4 and the second electrode 6 to control alignment of liquid crystal molecules. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶セルを構成する基板上に設けた電極と外部に設けた電極間に電圧を印加することにより液晶分子の配向制御を行い、所定の光学特性に調整する平板レンズ、および所定の光学特性に調整した後、重合硬化した平板レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体のような流動性を持ち、また電気的光学的特性に異方性を示す液晶は、その分子配向状態を種々制御できるという特徴を利用することで、近年薄型軽量の平板型表示素子として目覚ましい発展を続けている。この液晶分子の配向状態は、液晶素子を構成する２枚の透明導電膜を付け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、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。
【０００３】
これまでネマチ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、透明電極付きのガラス基板面が湾曲し液晶層がレンズ構造となるようにし、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焦点可変レンズが
【特許文献１】、
【非特許文献１】および
【非特許文献２】で提案されている。
【０００４】
次に、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あり、セルフォックレンズとして市販されている。ネマチ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したもので、円形の穴型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、空間的な屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法が
【特許文献２】、
【特許文献３】、
【非特許文献３】および
【非特許文献４】に報告されている。
【０００５】
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つくることで、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という特徴がある。
【０００６】
さらに、液晶マイクロレンズにおいて、円形穴型パターン電極の外部にさらに１対の電極を配置して電圧を印加することで、レンズの特性が改善されることが
【非特許文献５】で提案されている。また、液晶層と円形の穴型パターン電極との
間に絶縁層を挿入する方法が
【非特許文献６】および
【非特許文献７】において提案されており、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程度とする必要があるという条件が緩和されることが示されている。
【０００７】
一方、結像光学系に収差補正機構を備えた光学系から得られる光学像を撮像装置で検出し、検出された信号から収差および収差を補正する信号を求めることで、大気の揺らぎなどにより発生する光学系の収差を補正し、ゆがみのない光学像を得る光学装置としてレンズミラーなどの代わりに液晶素子を利用する光学装置が
【特許文献５】において提案されている。
【０００８】
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、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、焦点距離などの光学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】
また、液晶材料として重合硬化型液晶を用いて焦点距離を調節した後重合硬化させることで、
【特許文献６】に示されるように高分子レンズを得ることができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開昭５４−１５１８５４号公報
【特許文献２】
特開平１１−１０９３０３
【特許文献３】
特開平１１−１０９３０４
【特許文献４】
特開平１０−２３９６７６号公報
【特許文献５】
特開平０３−２６５８１９号公報
【特許文献６】
特開平０９−００５６９５号公報
【特許文献７】
特開２００１−０６６５６４号公報
【非特許文献１】
佐藤進（Ｓ．Ｓａｔｏ），「焦点距離可変液晶レンズセル（Ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌｌｅｎｓ−ｃｅｌｌｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈ）」，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，１９７９年，Ｖｏｌ．１８，Ｐ．１６７９−１６８３
【非特許文献２】
佐藤進、「液晶とその応用」、産業図書株式会社、１９８４年１０月１４日、Ｐ．２０４−２０６
【非特許文献３】
能勢敏明，佐藤進（Ｔ．ＮｏｓｅａｎｄＳ．Ｓａｔｏ），「不均一電界を用いた液晶マイクロレンズ（Ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｌｅｎｓｏｂｔａｉｎｅｄｗｉｔｈａｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ）」，ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ，１９８９年，Ｖｏｌ．５，Ｐ．１４２５―１４３３
【非特許文献４】
佐藤進、「液晶の世界」、産業図書株式会社、１９９４年４月１５日、Ｐ．１８６−１８９
【非特許文献５】
本間道則，能勢敏明，佐藤進（Ｍ．Ｈｏｎｍａ，Ｔ．ＮｏｓｅａｎｄＳ。Ｓａｔｏ），「積層電極構造による液晶マイクロレンズの開口数の増大（Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌａｐｅｒｔｕｒｅｏｆｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓｕｓｉｎｇａｓｔａｃｋｅｄｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，２００年８月，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．８，Ｐ．４７９９−４８０２
【非特許文献６】
葉茂，佐藤進（Ｍ．ＹｅａｎｄＳ．Ｓａｔｏ），「任意寸法の液晶レンズの光学的特性（Ｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｌｅｎｓｏｆａｎｙｓｉｚｅ）」，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７】
葉茂，佐藤進（Ｍ．ＹｅａｎｄＳ．Ｓａｔｏ），「任意寸法の液晶レンズの光学的特性（Ｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｌｅｎｓｏｆａｎｙｓｉｚｅ）」，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，２００２年５月，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．５，Ｐ．Ｌ５７１―Ｌ５７３
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶層がレンズ構造となるようにした液晶レンズでは、凸レンズではレンズの中央部分が、また凹レンズではレンズの周辺部分における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、液晶分子の配向状態が低下するため白濁するなどの難点があり、さらに液晶セルの構造上平板レンズとすることができない。
【００１２】
円形穴型パターン電極により生じる、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、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。レンズの直径が１ｍｍ程度になると、液晶層の厚みを数１００ミクロン程度としなければならず、前述したように、液晶層が白濁してしまうという問題点があった。ネマチ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という特性があるため、電圧を加えて焦点距離を可変するのに必要な時間が極めて長くなることが問題であった。この応答時間を改善する方法としては、
【特許文献７】において提案されているように、円形穴型パターン電極をスリットにより分割して、横方向に電界を印加する方法があるが、電極の作製に余分な行程が必要となり、駆動法も複雑になるという難点がある。
【００１３】
さらに，
【非特許文献５】で提案されている円形穴型パターン電極の外部に１対の電極を配置する方式や、
【非特許文献６】及び
【非特許文献７】で提案されている液晶層と円形穴型パターン電極の間に絶縁層を設けた構造では、液晶セルにおける幾何学的構造によって軸対称の電界分布の形状が固定されてしまい、収差の補正等も含めた微妙な調整を行うことができないので、レンズ効果を得るための正確な屈折率分布を形成することが難しく、また種々の液晶材料の物性値に対応させた所定の屈折率分布特性を形成することが困難であった。したがって、その結果として電圧印加により屈折率分布を形成した後に重合硬化させる場合においても、レンズとしての特性を精密に調整することが難しいという問題があった。
【００１４】
また、
【特許文献５】で提案されている光学系における収差の補正方法では、一定の形状の画素電極に電圧を印加することで液晶の実効的な屈折率を可変して収差の補正を行っているが、限定された領域における屈折率の制御法を用いているので、液晶の屈折率を２次元的に連続に可変制御することができないため、収差の補正は空間的に段階的もしくは不連続に行っており、連続的になめらかな収差の補正を行うことが難しいという問題があった。
【００１５】
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光学的特性を可変できる平板レンズを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、第１の電極を有する第１の基板、電極を有しない第２の基板、第２の基板の外部に配置した第２の電極、および前記第１の基板と第２の基板との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させた液晶層を備え、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平板レンズにおいて、第２の電極が曲面となっていることを特徴とする平板レンズを提供する。
【００１７】
本発明に係わる平板レンズにおいて、第２の電極を半球面または球面の一部とすることができる。また、第２の電極を正弦波関数または正弦波関数の重畳関数とすることや、べき乗の関数で与えられる形状とすることができる。
【００１８】
本発明に係わる平板レンズにおいて、液晶層を絶縁層により分割することができ、また本発明に係わる平板レンズを２次元アレイ状に配置して、平板レンズアレイを構成することができる。
【００１９】
本発明に係わる平板レンズにおいて、液晶層は重合硬化性液晶からなり、前記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または可視光線を照射して重合硬化させることができる。
【００２０】
以上の平板レンズにおいて、両基板もしくはそのいずれかを剥離して平板レンズを構成することができる。
【００２１】
以上のように構成される本発明の平板レンズは、構造がきわめて簡単であり、第１および第２の電極間に印加する電圧を調整することで光学特性を種々可変制御することができ、第２の電極の形状を調整することにより容易に収差の補正等を行うことができる。また、電圧を印加して所定の光学特性にした状態で液晶を重合硬化することにより電圧を除去してもその特性が保持される平板レンズを得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。始めに、平板レンズを得るために必要な焦点距離可変の液晶レンズにおける実施の形態から説明する。
【００２３】
図１は、本発明の１実施形態に係わる平板レンズを得るため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、第１の電極として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には、曲面状の電極を形成するための１例として、図１では球面の一部からなる平凸レンズを使用する場合について示してある。すなわち、平凸レンズ５の曲面側に第２の電極としてＩＴＯ透明電極６が被覆されている平凸レンズ５の平面側が上部基板２に接するように配置されている。また、第２の電極６を被覆させるレンズ５としては、平凸レンズの代わりに凹レンズを用いて、凹面に電極６を被覆し、上部基板２に凹面側を配置する構造とすることもできる。
【００２４】
なお、曲面状の電極６としては、球面の一部のみならず、種々の収差や位相リターデーションの非対称性に基づくレンズ特性の低下を補正するために、正弦波関数やべき乗関数により表される形状とすることも可能である。曲面の形状を関数で表示することにより、曲面の整形や加工が容易になる。また、曲面状の電極６としては、必要な電極形状と同一の形状に加工した金型等を用いて作製した透明な薄板状のプラスチック板に透明電極６を被覆したものを使用することもできる。
【００２５】
また、液晶層３として重合硬化性液晶用いて、下部基板側から紫外光を照射することで重合硬化性液晶を重合硬化させる場合には、曲面状の電極は必ずしも透明である必要はなく、たとえばアルミニウム薄膜や金属板を整形加工した金属電極を用いることもできる。さらに、加熱により重合硬化させる場合には、電極４および電極６は透明である必要はないが、重合硬化前に液晶セルが所定のレンズ特性になっているかを確認するためには、両電極が透明であることが望ましい。
【００２６】
下部基板１のＩＴＯ透明電極４の面、および上部基板２の液晶層３に対向する面は、それぞれ液晶の配向膜として図示されていないポリイミド膜が被覆されており、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。図１において、液晶層３には、電極間に電圧を印加していない状態で細長い形状の液晶分子が基板に平行に配向している様子を模式的に示している。
【００２７】
なお、第２の電極６を被覆するために用いた平凸レンズの平面側が直接液晶層３に接するようにすることで、上部基板２を省くこともできる。
【００２８】
本実施形態に係わる平板レンズにおいて、液晶層３の厚みは３００μｍ、下部基板１の厚みは１．３ｍｍ、上部基板２の厚みは３００μｍ、平凸レンズの直径は２ｍｍ、曲面の曲率半径は２０ｍｍとしたが、これらの値は種々変えることが可能である。
【００２９】
なお、レンズの直径は、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。
【００３０】
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、平凸レンズ５の曲面上に被覆された電極６と液晶層３との間には上部基板２や平凸レンズ５が介在しており、従って、両者には場所と共に距離が変化するので、ＩＴＯ透明電極４と電極６の間に電源７から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。このようにして電極６に対応する構造寸法のレンズが実現される。なお、電源の周波数は１００Ｈｚから１０ｋＨｚ程度の範囲が好ましい。
【００３１】
電界による液晶分子の配向効果に基づく屈折率分布は、印加電圧や、第２の電極６の形状および上部基板２の厚みにより変化するので、レンズの焦点距離は外部電圧や電極６の形状および上部基板の厚みを調整することによって任意に変えることが可能である。
【００３２】
液晶層３として重合硬化性液晶用いた場合には、印加電圧を調整してレンズの焦点距離を所定の値にした後、下部基板側から紫外光を照射して重合硬化型液晶を重合硬化させ、曲面構造の第２の電極を被覆した部分を除去することで平板レンズが得られる。重合硬化型液晶として、熱重合性の材料を用いることもできる。この場合には加熱処理により重合硬化を行うために、紫外光を照射する必要はないので、下部基板上の電極は特に透明である必要はない。
【００３３】
重合硬化前の液晶レンズの特性を調べるために、標準として用いられているネマチック液晶材料であるＫ１５（メルク社製）を用いて図１に示した構成の液晶レンズを、偏光軸が直交する２枚の偏光板の間に配置した。また、下側基板上のＩＴＯ電極４および上側基板２の液晶層３側に被覆したポリイミド膜のラビング方向を、２枚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。
【００３４】
図２は、第１および第２の電極間に周波数１ｋＨｚの４０Ｖｒｍｓまたは５５Ｖｒｍｓ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。干渉縞の数と位置は、印加される電圧により変化する。２つの隣接する干渉縞の間の位相差は、２πである。常光線の位相リターデーションは、液晶層の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偏光した入射光すなわち異常光の位相リターデーション特性を表している。
【００３５】
図３は、干渉パターンから求められた光の相対位相リターデーションの特性を示す。図中で三角は４０Ｖｒｍｓ、丸は５５Ｖｒｍｓの電圧を印加したときの測定点であり、曲線は二次曲線である。黒三角および黒丸はラビング方向に沿って測定した結果を示し、白三角および白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。
【００３６】
干渉パターンの最外部にある縞は位相リターデーションがゼロに対応していると考えられる。位相リターデーションが近似的に二次曲線で与えられることは、この液晶レンズは光学レンズと同様の特性を持っていることを示している。
【００３７】
従来の液晶マイクロレンズにおける場合と同様に、ラビング方向に沿った位相リターデーション特性と、ラビングに垂直な方向に沿った位相リターデーション特性は少し異なっている。さらに、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特性は対称であり、一方、ラビング方向に沿った位相リターデーション特性はポリイミド配向膜表面におけるプレチルト角のために非対称となっている。この非対称性はプレチルト角を小さくすることで軽減される。ラビング方向による位相リターデーションの差異、およびプレチルト角に由来する位相リターデーション特性の非対称性は、第２の電極であるＩＴＯ透明電極６における曲面の形状を調整することで解消される。
【００３８】
液晶セルの焦点距離は印加電圧により可変することができる。図４はレンズの集束力として評価される焦点距離の逆数であるジオプトリの印加電圧による変化を示している。集束力は電圧により変化し、２５Ｖｒｍｓ近傍で最大となる。すなわち、最小の焦点距離が得られる。電圧をさらに大きくすると、レンズ部の中央付近における液晶のダイレクタが電界方向に沿って配向するので、すでに電界方向に沿って配向しているレンズの周辺部との位相リターデーションの差が小さくなるため、屈折率の分布特性は平坦化し、レンズとしての集束力は低下し、焦点距離はより長くなる。
【００３９】
位相リターデーションの分布特性は、絶縁層となる第２の基板２の厚み、および第２の電極となる曲面状の電極の形状により調整することができる。曲面状電極の形状として、球面の一部を用いる場合には、曲率半径を選定することで位相リターデーションの分布特性を調整することができる。
【００４０】
この液晶セルの構造における液晶中の電界の分布は、従来の液晶マイクロレンズとは異なっている。従来の液晶マイクロレンズでは、レンズ部の境界となる電極に設けた穴の境界における電界が傾斜しているため、ラビング方向に対応する穴の直径方向において、液晶のダイレクタが穴の両側で互いに逆方向に回転する可能性がある。その結果、高電圧印加時にディスクリネーションラインと呼ばれる液晶分子配向の欠陥領域が生じるため、レンズとしての光学特性が低下するという問題がみられた。本発明の液晶レンズのセル構造では、液晶レンズの任意の位置にあるダイレクタと電界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傾向があるので、ディスクリネーションの発生を抑制することができる。
【００４１】
液晶層を絶縁層で分割することで、液晶層の実効的な厚みを薄くできるので、電界に対する応答を改善することができ、さらに液晶層が白濁する効果も改善することができる。
【００４２】
液晶層を２層に分割する構造の液晶レンズにおいて、それぞれの液晶層のダイレクタが互いに直交するように配置する、すなわち液晶層に対面する配向膜に対するラビング方向を、それぞれの液晶層において直交させることにより、偏光板を配置することなく、偏光無依存の液晶レンズを動作させることが可能である。
【００４３】
入射光の波面の歪みを補正するために必要な屈折率分布に対応する分子配向状態となる電界を形成するように外部電極の形状を整形加工することで、波面の補正を行うこともできる。
【００４４】
以上、本発明において、平板レンズを得るために必要な焦点距離可変の液晶レンズにおける実施の形態について、ネマチック液晶材料としてＫ１５（メルク社製）を標準として用いた場合について説明した。ネマチック液晶材料として、紫外光重合硬化型液晶として、ＵＣＬ−００１液晶（大日本インキ化学工業株式会社製）を使用して、図１に示した構成で液晶セルを作製した。電極間に１ｋＨｚの電圧を印加して液晶レンズの焦点距離を所定の値にした後、電圧を印加した状態で第１の基板１側から超高圧水銀ランプを光源とした紫外光（３６５ｎｍ、３０ｍＷ／ｃｍ２）を１０分間照射することで、液晶層を重合硬化させた。この場合に、紫外光重合硬化型液晶であるＵＣＬ−００１液晶は、重合硬化することで複屈折の値が重合硬化前の値の６０％程度に減少するため、レンズとして使用する場合には入射光に対する集束力も同程度減少するので、あらかじめこの効果を勘案して所定の焦点距離の値に設定することが必要である。紫外光による重合硬化後に曲面構造の第２の電極部を除去することで、平板レンズが得られる。また、基板を剥離することで、平板レンズの厚みをより薄くすることができる。両基板を剥離するか、またはプラスチック製の基板を用いることで、可撓性のある柔軟な平板レンズとすることも可能である。
【００４５】
【非特許文献６】および
【非特許文献７】で提案されている、液晶層と円形穴型パターン電極との間に絶縁層を設けた構造の液晶レンズにおいて、円形穴型パターン電極の外部にさらに曲面形状の電極を挿入することもできる。この場合には、曲面構造の電極により収差の補性等の微調整をより正確に行うことが可能となる。
【００４６】
曲面構造の第２の電極と同一の電極を多数配置することで、容易に平板レンズをアレイ化することができるので、密着型イメージセンサ等へ使用することができる。また、この第２の電極は繰り返し使用することが可能であるので、平板レンズアレイの工業生産における製造においても有利であるという利点を有する。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によると、簡単な構成できわめて容易に平板レンズやレンズ等の光学素子における収差や波面の補正を行う素子、およびこれらを多数集積した平板レンズアレイなどの光学素子を提供することができ、また工業生産においても極めて有利であるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における平板レンズを製造する一実施の形態の構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係わる液晶レンズを２枚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写真。
【図３】干渉パターンから求められた光の位相リターデーションの分布を示す特性図。
【図４】印加電圧と焦点距離の逆数であるジオプトリの関係を示す特性図。
【符号の説明】
１下部基板
２上部基板
３液晶層
４透明電極
５平凸レンズ
６曲面形状の電極
７電源[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a flat lens that controls the alignment of liquid crystal molecules by applying a voltage between an electrode provided on a substrate constituting a liquid crystal cell and an externally provided electrode, and adjusts the liquid crystal molecules to predetermined optical characteristics. The present invention relates to a flat lens that has been polymerized and cured after being adjusted to characteristics.
[0002]
[Prior art]
In recent years, liquid crystals having fluidity like liquids and exhibiting anisotropy in electrical and optical characteristics have been remarkable as thin and lightweight flat panel display devices by utilizing the feature that their molecular orientation can be controlled in various ways. Continue to evolve. The alignment state of the liquid crystal molecules can be easily controlled by treating the surface of the glass substrate provided with the two transparent conductive films constituting the liquid crystal element or by applying an externally applied voltage. Can be continuously varied from a value for extraordinary light to a value for extraordinary light, which is an excellent property not found in other optical materials.
[0003]
Until now, by utilizing the electro-optic effect of nematic liquid crystal, unlike the parallel plate element structure in ordinary liquid crystal displays, the glass substrate surface with transparent electrodes is curved and the liquid crystal layer becomes a lens structure, A variable focus lens that controls the alignment of liquid crystal molecules by applying a voltage between them to change the effective refractive index is disclosed in [Patent Document 1]
[Non-Patent Document 1] and [Non-Patent Document 2] have been proposed.
[0004]
Next, there is a method of obtaining a lens effect by giving a spatial refractive index distribution to an optical medium, which is commercially available as a Selfoc lens. In a nematic liquid crystal cell, the liquid crystal molecules are oriented in the direction of the electric field, and by using an electrode having a circular hole pattern, the liquid crystal molecules are aligned by an axisymmetric non-uniform electric field. A method of obtaining a liquid crystal lens having a spatial refractive index distribution characteristic is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-157,
[Patent Document 3],
It is reported in [Non-patent document 3] and [Non-patent document 4].
[0005]
Also,
In Patent Document 4, the characteristics are improved by forming a network polymer network in a liquid crystal. A lens using such a liquid crystal is characterized in that it is relatively easy to form a microlens array in which a large number of minute microlenses are two-dimensionally arranged in a flat plate shape.
[0006]
Further, it has been proposed in Non-Patent Document 5 that the characteristics of a liquid crystal microlens can be improved by arranging a pair of electrodes outside a circular hole pattern electrode and applying a voltage to the liquid crystal microlens. I have. [Non-Patent Document 6] and [Non-Patent Document 7] propose a method of inserting an insulating layer between a liquid crystal layer and a circular hole-shaped pattern electrode, and obtain the best characteristics in a liquid crystal microlens. It is shown that the condition that the ratio of the diameter of the circular hole pattern to the thickness of the liquid crystal layer to be formed needs to be about 2: 1 to 3: 1 is relaxed.
[0007]
On the other hand, the imaging device detects an optical image obtained from an optical system that has an aberration correction mechanism and detects aberration and a signal that corrects the aberration from the detected signal. As an optical device that corrects aberrations of an optical system and obtains a distortion-free optical image, an optical device that uses a liquid crystal element instead of a lens mirror or the like is proposed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2005-133873.
[0008]
Unlike ordinary passive optical elements, these liquid crystal-based optical elements apply a voltage between the electrodes to variably control the effective refractive index of the liquid crystal, which is the medium, such as the focal length. A lens that can adjust optical characteristics and aberrations of the optical system is realized.
[0009]
In addition, by polymerizing and curing after adjusting the focal length using polymerizable liquid crystal as the liquid crystal material,
As shown in Patent Document 6, a polymer lens can be obtained.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-54-151854 [Patent Document 2]
JP-A-11-109303
[Patent Document 3]
JP-A-11-109304
[Patent Document 4]
JP-A-10-239676 [Patent Document 5]
JP 03-265819 A [Patent Document 6]
JP 09-005695 A [Patent Document 7]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-066564 [Non-Patent Document 1]
Susumu Sato (S. Sato), "Liquid-crystal lens-cell with variable focal length", Japane Journal of Applied Physics, Vol. 18, p. 1679-1683
[Non-patent document 2]
Susumu Sato, "Liquid Crystals and Their Applications", Sangyo Tosho Co., Ltd., October 14, 1984, 204-206
[Non-Patent Document 3]
Toshiaki Nose and Susumu Sato (T. Nose and S. Sato), "Liquid-crystal microlens obtained with a nonuniform electric field", Liquid Crystal, Vol. 19, 1989, "Liquid-crystal microlens using a non-uniform electric field." 5, p. 1425-1433
[Non-patent document 4]
Susumu Sato, "The World of Liquid Crystal", Sangyo Tosho Co., Ltd., April 15, 1994, 186-189
[Non-Patent Document 5]
Michinori Honma, Toshiaki Nose, Susumu Sato (M. Honma, T. Nose and S. Sato), "Enhancement of numerical apertures of the crystallographic radiation system. ", Japanese Journal of Applied Physics, August 200, Vol. 39, no. 8, p. 4799-4802
[Non-Patent Document 6]
Hashimo, Susumu Sato (M. Ye and S. Sato), "Optical properties of liquid crystal lenses of any size", Proc. Shu, March 2002, 28p-X-10, p. 1277
[Non-Patent Document 7]
Shigeru Hashi, Susumu Sato (M. Ye and S. Sato), "Optical properties of liquid crystal lenses of any size", Japan Journal of Japan, April, 2000, April 2003, April, 2000. . 41, no. 5, p. L571-L573
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a 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 convex lens and the thickness of the liquid crystal layer in the peripheral portion of the concave lens increases, so that the lens has a diameter of several mm or more. If this is attempted, the thickness of the liquid crystal layer will be several hundred microns or more, and the alignment state of the liquid crystal molecules will be reduced.
[0012]
In a liquid crystal microlens utilizing a spatial alignment distribution characteristic of liquid crystal molecules due to an axially symmetric non-uniform electric field generated by a circular hole pattern electrode, the ratio of the diameter of the circular hole pattern to the thickness of the liquid crystal layer is 2: 1 to 3; It is known that the characteristics as a lens are improved when the ratio is about one. When the diameter of the lens is about 1 mm, the thickness of the liquid crystal layer must be about several hundred microns, and as described above, there is a problem that the liquid crystal layer becomes cloudy. In a nematic liquid crystal cell, the response characteristic to an electric field when the liquid crystal molecules are aligned in the direction of the electric field by applying a voltage has a characteristic that the characteristic becomes longer in proportion to the square of the thickness of the liquid crystal layer. The problem is that the time required to vary the time becomes extremely long. To improve this response time,
As disclosed in Patent Document 7, there is a method in which a circular hole type pattern electrode is divided by slits and an electric field is applied in a lateral direction. However, an extra step is required for manufacturing the electrode, and a driving method is required. Is also complicated.
[0013]
further,
Non-Patent Document 5 proposes a method of arranging a pair of electrodes outside a circular hole type pattern electrode,
In the structure proposed in Non-patent Document 6 and Non-patent Document 7 in which an insulating layer is provided between the liquid crystal layer and the circular hole pattern electrode, an axially symmetric electric field distribution is formed by the geometric structure of the liquid crystal cell. Since the shape of the lens is fixed and fine adjustment including aberration correction cannot be performed, it is difficult to form an accurate refractive index distribution for obtaining a lens effect, and physical properties of various liquid crystal materials. It was difficult to form a predetermined refractive index distribution characteristic corresponding to the value. Therefore, as a result, there is a problem that it is difficult to precisely adjust the characteristics as a lens even when the polymerization and curing are performed after forming the refractive index distribution by applying a voltage.
[0014]
Also,
In the method of correcting aberrations in an optical system proposed in Patent Document 5, the aberration is corrected by applying a voltage to a pixel electrode having a fixed shape to change the effective refractive index of the liquid crystal. However, since the method of controlling the refractive index in a limited area is used, the refractive index of the liquid crystal cannot be variably controlled two-dimensionally and continuously, so that the aberration correction is spatially stepwise or discontinuous. Therefore, there is a problem that it is difficult to continuously and smoothly correct aberrations.
[0015]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a flat lens which can change optical characteristics very easily and quickly with a simple structure.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a first substrate having a first electrode, a second substrate having no electrode, a second electrode disposed outside the second substrate, and the first substrate. A liquid crystal layer accommodated between the first and second substrates, the liquid crystal molecules being oriented in one direction, and applying a voltage between the first and second electrodes to form a liquid crystal layer. Provided is a flat lens in which alignment control is performed, wherein the second electrode has a curved surface.
[0017]
In the flat lens according to the present invention, the second electrode may be a hemisphere or a part of a spherical surface. In addition, the second electrode may have a sine wave function or a superposition function of the sine wave function, or may have a shape given by a power function.
[0018]
In the flat lens according to the present invention, the liquid crystal layer can be divided by the insulating layer, and the flat lenses according to the present invention can be arranged in a two-dimensional array to form a flat lens array.
[0019]
In the flat lens according to the present invention, the liquid crystal layer is made of a polymer curable liquid crystal, and a predetermined voltage is applied to the liquid crystal layer, and the liquid crystal layer is polymerized and cured by irradiating ultraviolet rays or visible light in a state where the orientation of the liquid crystal molecules is controlled. Can be done.
[0020]
In the above-mentioned flat lens, both the substrates or either of them can be peeled off to form a flat lens.
[0021]
The flat lens of the present invention configured as described above has a very simple structure, and can variably control the optical characteristics by adjusting the voltage applied between the first and second electrodes. By adjusting the shape of the two electrodes, aberration correction and the like can be easily performed. Further, it is possible to obtain a flat lens in which the characteristics are maintained even if the voltage is removed by polymerizing and curing the liquid crystal in a state where a predetermined voltage is applied to apply the voltage to obtain a predetermined optical characteristic.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, an embodiment of a liquid crystal lens having a variable focal length necessary for obtaining a flat lens will be described.
[0023]
FIG. 1 is a sectional view showing a cell configuration for obtaining a flat lens according to one embodiment of the present invention. In FIG. 1, a liquid crystal layer 3 is sandwiched between a pair of glass substrates 1 and 2. A surface of the lower substrate 1 facing the liquid crystal layer 3 is covered with a transparent electrode 4 made of ITO (indium tin oxide) as a first electrode. As an example for forming a curved electrode on the side of the upper substrate 2 opposite to the surface facing the liquid crystal layer 3, FIG. 1 shows a case where a plano-convex lens composed of a part of a spherical surface is used. . That is, the flat surface of the plano-convex lens 5 in which the ITO transparent electrode 6 is coated as a second electrode on the curved surface side of the plano-convex lens 5 is arranged so as to be in contact with the upper substrate 2. As the lens 5 for covering the second electrode 6, a concave lens may be used instead of a plano-convex lens, and the electrode 6 may be covered on the concave surface, and the concave side may be arranged on the upper substrate 2.
[0024]
The curved electrode 6 is represented not only by a part of a spherical surface but also by a sine wave function or a power function in order to correct various aberrations and deterioration of lens characteristics due to asymmetry of phase retardation. Shapes are also possible. By displaying the shape of the curved surface as a function, it is easy to shape and process the curved surface. In addition, as the curved electrode 6, a transparent thin plastic plate produced by using a mold or the like processed into the same shape as the required electrode shape and covered with the transparent electrode 6 can also be used. .
[0025]
When the polymerizable curable liquid crystal is used as the liquid crystal layer 3 and the polymerizable curable liquid crystal is polymerized and cured by irradiating ultraviolet light from the lower substrate side, the curved electrode is not necessarily required to be transparent. A metal electrode formed by shaping an aluminum thin film or a metal plate can also be used. Further, when polymerizing and curing by heating, the electrodes 4 and 6 do not need to be transparent. However, in order to check whether the liquid crystal cell has a predetermined lens characteristic before the polymerization and curing, both electrodes must be transparent. Desirably, it is transparent.
[0026]
The surface of the ITO transparent electrode 4 of the lower substrate 1 and the surface of the upper substrate 2 facing the liquid crystal layer 3 are respectively coated with a polyimide film (not shown) as a liquid crystal alignment film. Are rubbed in one direction so as to be uniformly arranged. In FIG. 1, the liquid crystal layer 3 schematically shows a state in which elongated liquid crystal molecules are aligned in parallel with the substrate without applying a voltage between the electrodes.
[0027]
The upper substrate 2 can be omitted by making the plane side of the plano-convex lens used to cover the second electrode 6 directly contact the liquid crystal layer 3.
[0028]
In the flat lens according to the present embodiment, the thickness of the liquid crystal layer 3 was 300 μm, the thickness of the lower substrate 1 was 1.3 mm, the thickness of the upper substrate 2 was 300 μm, the diameter of the plano-convex lens was 2 mm, and the radius of curvature of the curved surface was 20 mm. However, these values can be variously changed.
[0029]
The diameter of the lens is desirably about several μm to several tens mm, but is not particularly limited.
[0030]
1, the upper substrate 2 and the plano-convex lens 5 are interposed between the liquid crystal layer 3 and the electrode 6 coated on the curved surface of the plano-convex lens 5. Therefore, since the distance between the two is changed with the place, the non-uniform electric field generated by the voltage applied from the power supply 7 between the ITO transparent electrode 4 and the electrode 6 is distributed over the wide area of the liquid crystal layer 3, A gradient index profile is formed in that region. In this way, a lens having a structural size corresponding to the electrode 6 is realized. Note that the frequency of the power supply is preferably in the range of about 100 Hz to 10 kHz.
[0031]
Since the refractive index distribution based on the alignment effect of the liquid crystal molecules due to the electric field changes depending on the applied voltage, the shape of the second electrode 6 and the thickness of the upper substrate 2, the focal length of the lens is determined by the external voltage and the shape of the electrode It can be changed arbitrarily by adjusting the thickness of the substrate.
[0032]
When a polymerizable curable liquid crystal is used as the liquid crystal layer 3, the applied voltage is adjusted to set the focal length of the lens to a predetermined value, and then ultraviolet light is irradiated from the lower substrate side to polymerize and cure the polymerizable liquid crystal. The flat lens can be obtained by removing the portion covered with the second electrode having the curved surface structure. A thermopolymerizable material may be used as the polymerizable liquid crystal. In this case, it is not necessary to irradiate ultraviolet light in order to carry out the polymerization and curing by the heat treatment, so that the electrode on the lower substrate does not need to be particularly transparent.
[0033]
In order to examine the characteristics of the liquid crystal lens before the polymerization and curing, a liquid crystal lens having the configuration shown in FIG. 1 using a nematic liquid crystal material K15 (manufactured by Merck) was used as a standard. It was arranged between two polarizing plates. The rubbing direction of the polyimide film covering the ITO electrode 4 on the lower substrate and the liquid crystal layer 3 side of the upper substrate 2 was set to make an angle of π / 4 with the polarization axis of each of the two polarizing plates.
[0034]
FIG. 2 shows an interference pattern between an extraordinary ray and an ordinary ray when a voltage of 40 Vrms or 55 Vrms having a frequency of 1 kHz is applied between the first and second electrodes. The number and position of the interference fringes change according to the applied voltage. The phase difference between two adjacent interference fringes is 2π. Since the phase retardation of the ordinary ray is the same everywhere in the liquid crystal layer, the interference pattern indicates the phase retardation characteristic of incident light polarized in the rubbing direction, that is, extraordinary light.
[0035]
FIG. 3 shows characteristics of relative phase retardation of light obtained from the interference pattern. In the figure, triangles indicate measurement points when a voltage of 40 Vrms is applied, and circles indicate measurement points when a voltage of 55 Vrms is applied, and the curve is a quadratic curve. Black triangles and black circles show the results measured along the rubbing direction, and white triangles and white circles show the results measured along the vertical direction.
[0036]
It is considered that the outermost fringes of the interference pattern correspond to zero phase retardation. The fact that the phase retardation is approximately given by a quadratic curve indicates that the liquid crystal lens has the same characteristics as the optical lens.
[0037]
As in the case of the conventional liquid crystal microlens, the phase retardation characteristics along the rubbing direction and the phase retardation characteristics along the direction perpendicular to the rubbing are slightly different. Further, the phase retardation characteristic along the direction perpendicular to the rubbing direction is symmetric, while the phase retardation characteristic along the rubbing direction is asymmetric due to the pretilt angle on the polyimide alignment film surface. This asymmetry is reduced by reducing the pretilt angle. The difference in the phase retardation depending on the rubbing direction and the asymmetry of the phase retardation characteristic resulting from the pretilt angle are eliminated by adjusting the shape of the curved surface of the ITO transparent electrode 6 as the second electrode.
[0038]
The focal length of the liquid crystal cell can be changed by the applied voltage. FIG. 4 shows a change according to an applied voltage of diopter, which is a reciprocal of a focal length evaluated as a focusing power of a lens. The focusing force changes with the voltage and reaches a maximum near 25 Vrms. That is, a minimum focal length is obtained. When the voltage is further increased, the director of the liquid crystal near the center of the lens unit is oriented along the direction of the electric field, so that the difference in phase retardation from the peripheral portion of the lens already oriented along the direction of the electric field is reduced. In addition, the refractive index distribution characteristics are flattened, the focusing power as a lens is reduced, and the focal length is longer.
[0039]
The distribution characteristic of the phase retardation can be adjusted by the thickness of the second substrate 2 serving as the insulating layer and the shape of the curved electrode serving as the second electrode. When a part of the spherical surface is used as the shape of the curved electrode, the distribution characteristic of the phase retardation can be adjusted by selecting the radius of curvature.
[0040]
The distribution of the electric field in the liquid crystal in the structure of the liquid crystal cell is different from that of the conventional liquid crystal microlens. In a conventional liquid crystal microlens, since the electric field at the boundary of the hole provided in the electrode serving as the boundary of the lens portion is inclined, the liquid crystal directors are opposite to each other on both sides of the hole in the diameter direction of the hole corresponding to the rubbing direction. May rotate in the direction. As a result, when a high voltage is applied, a defect region of liquid crystal molecule alignment called a disclination line is generated, so that there has been a problem that the optical characteristics as a lens deteriorate. In the cell structure of the liquid crystal lens of the present invention, the angle between the director at any position of the liquid crystal lens and the electric field is almost the same, and all directors tend to rotate in the same direction, so that the disclination of the disclination occurs. Generation can be suppressed.
[0041]
By dividing the liquid crystal layer by the insulating layer, the effective thickness of the liquid crystal layer can be reduced, so that the response to an electric field can be improved, and the effect of the liquid crystal layer becoming cloudy can also be improved.
[0042]
In a liquid crystal lens having a structure in which a liquid crystal layer is divided into two layers, the directors of each liquid crystal layer are arranged so as to be orthogonal to each other, that is, the rubbing directions with respect to the alignment film facing the liquid crystal layer are orthogonal to each other. Accordingly, it is possible to operate a polarization-independent liquid crystal lens without disposing a polarizing plate.
[0043]
The wavefront can also be corrected by shaping the shape of the external electrode so as to form an electric field having a molecular orientation corresponding to the refractive index distribution necessary for correcting the distortion of the wavefront of the incident light.
[0044]
In the above, in the present invention, the embodiment of the liquid crystal lens having a variable focal length necessary to obtain a flat lens has been described in the case where K15 (manufactured by Merck) is used as a standard as a nematic liquid crystal material. Using a UCL-001 liquid crystal (manufactured by Dainippon Ink and Chemicals, Inc.) as a UV curable liquid crystal as a nematic liquid crystal material, a liquid crystal cell having the configuration shown in FIG. 1 was produced. A voltage of 1 kHz is applied between the electrodes to set the focal length of the liquid crystal lens to a predetermined value, and then, with the voltage applied, ultraviolet light (365 nm, 30 mW) using an ultra-high pressure mercury lamp as a light source from the first substrate 1 side. / Cm2) for 10 minutes to polymerize and cure the liquid crystal layer. In this case, since the UCL-001 liquid crystal, which is a UV-curable liquid crystal, is polymerized and cured, the value of birefringence is reduced to about 60% of the value before polymerization and cured. Since the focusing power for light is also reduced to the same extent, it is necessary to set a predetermined focal length value in advance in consideration of this effect. By removing the second electrode portion having the curved surface structure after polymerization and curing by ultraviolet light, a flat lens can be obtained. Further, the thickness of the flat lens can be further reduced by peeling the substrate. By peeling off both substrates or using a plastic substrate, a flexible and flat lens can be formed.
[0045]
In the liquid crystal lens proposed in [Non-patent Document 6] and [Non-patent Document 7], in which an insulating layer is provided between the liquid crystal layer and the circular hole pattern electrode, the liquid crystal lens is provided outside the circular hole pattern electrode. Further, a curved electrode can be inserted. In this case, it is possible to more accurately perform fine adjustment such as the complementarity of the aberration by using the electrode having the curved surface structure.
[0046]
By arranging a large number of electrodes identical to the second electrode having the curved surface structure, a flat lens can be easily arrayed, and thus can be used for a contact image sensor or the like. In addition, since the second electrode can be used repeatedly, it has an advantage that it is advantageous also in the production of a flat lens array in industrial production.
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an element for correcting aberration and wavefront in an optical element such as a flat lens or a lens with a simple configuration and an optical element such as a flat lens array in which a large number of these elements are integrated. It also has the effect of being extremely advantageous in industrial production.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment for manufacturing a flat lens according to the present invention.
FIG. 2 is a photograph 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 distribution of phase retardation of light obtained from an interference pattern.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between an applied voltage and a diopter which is a reciprocal of a focal length.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower substrate 2 Upper substrate 3 Liquid crystal layer 4 Transparent electrode 5 Plano-convex lens 6 Curved electrode 7 Power supply

Claims

A first substrate having a first electrode, a second substrate having no electrodes, a second electrode disposed outside the second substrate, and housed between the first substrate and the second substrate A flat lens that includes a liquid crystal layer in which liquid crystal molecules are aligned in one direction, and operates by applying a voltage between the first electrode and the second electrode to control the alignment of the liquid crystal molecules. A flat lens, wherein the second electrode has a curved surface.

The flat lens according to claim 1, wherein the shape of the second electrode is a hemisphere or a part of a spherical surface.

2. The flat lens according to claim 1, wherein the shape of the second electrode is given by a sine wave function or a superposition function of a sine wave function.

2. The flat lens according to claim 1, wherein the shape of the second electrode is given by a power function.

The flat lens according to claim 1, wherein the liquid crystal layer is divided by an insulating layer.

A flat lens, wherein the flat lenses according to claim 1, 2, 3, 4, or 5 are arranged in a two-dimensional array.

The liquid crystal layer of the flat lens according to any one of claims 1, 2, 3, 4, 5, and 6, is made of a polymerizable and curable liquid crystal. A flat lens formed by polymerizing and curing by irradiating ultraviolet light or visible light with the orientation controlled.

The flat lens according to claim 7, wherein the two substrates or one of the substrates are peeled off.