JP2006018325A - Variable optical characteristic optical element, and display device equipped with variable optical characteristic optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光学特性可変光学素子、更に詳しくは光学特性を変化させる光学特性可変光学素子及び光学特性可変光学素子を備えた表示装置に関する。 The present invention relates to an optical property variable optical element, and more particularly to an optical property variable optical element that changes an optical property and a display device including the optical property variable optical element.
ズームレンズあるいは撮像装置のピント合せでは、通常レンズを機械的に移動することが行なわれている。 In focusing a zoom lens or an imaging apparatus, the lens is usually moved mechanically.
しかし、レンズ系の全体、あるいは一部を移動することは、超小型であることが要求される電子内視鏡やマイクロマシンの眼等では不可能であり、また、テレビカメラ、電子スチルカメラや銀塩フィルムカメラ等でも、軽量化、コストダウンのためには、レンズ系を移動させずにズーム、ピント合わせができることが望ましい。 However, it is impossible to move the whole or part of the lens system with an electronic endoscope or micromachine eye that is required to be ultra-compact. Even in a salt film camera or the like, it is desirable that zooming and focusing can be performed without moving the lens system in order to reduce weight and cost.
そこで、従来より、これらの課題をレンズの移動を行なわずに解決する手段として、例えば特開平5−34656号公報や特開平4−345124号公報に、可変焦点レンズが提案されている。 Therefore, as a means for solving these problems without moving the lens, a variable focus lens has been proposed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 5-34656 and 4-345124.
例えば特開平5−34656号公報に提案されている可変焦点レンズ201は、図29に示すように、液晶分子の長軸を360°捩ったカイラルネマチック液晶202を、内側に透明電極膜203をそれぞれ被膜させた平板ガラス204とフネネルンズ基板205との間に配向膜206を介して挟み、シール材207により封止した構成となっている。
For example, as shown in FIG. 29, a
このような構成の可変焦点レンズ201において、電源208をスイッチ209によりONにし配向膜206間に電場を与えると、カイラルネマチック液晶202は、図30に示すように、ホメオトロピック配向となり、入射光の偏光に対して等方的で、かつカイラルネマチック液晶202の屈折率は、図29の状態に比べて低いか、あるいは偏光の方向によっては等しい状態になる。
In the
図29の状態で、入射光の偏光方向と入射側のカイラルネマチック液晶202の液晶分子210の長軸(図29の楕円体の長い方向)が等しい場合には、カイラルネマチック液晶202の屈折率は高くなり、入射光の偏光方向と入射側の液晶分子の短軸方向とが一致している場合には、カイラルネマチック液晶202の屈折率は低くなる。
In the state of FIG. 29, when the polarization direction of incident light and the major axis of the
なぜならば、この例では、カイラルネマチック液晶202の捩れのピッチPは10μ〜30μであって、光の波長λ(可視光ならおよそ0.4μ〜0.7μ)に比べてはるかに大きいため、左方から入射した光は、液晶分子の捩れに習って偏光が回転して進む。この理由は、例えば「吉野勝美、尾崎雅則 共著;液晶とディスプレイ応用の基礎P91〜P93;コロナ社」(以下、文献1と記す)に示されているので説明は省略する。
This is because, in this example, the twist pitch P of the chiral nematic
従って、入射側の液晶分子の長軸方向の偏光に対しては図29の可変焦点レンズ201の焦点距離は短かく、また、入射側の液晶分子の短軸方向の偏光に対しては図29の可変焦点レンズ201の焦点距離は長くなってしまい、従来の可変焦点レンズ201は2重焦点レンズとなり、ボヤけた像しか結像せず、目的とする可変焦点レンズを実現できない欠点がある。
Accordingly, the focal length of the
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、光量損出が少なく低電圧により駆動可能でボケが生じることなく、光学特性を変化させる光学特性可変光学素子及び光学特性可変光学素子を備えた表示装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has an optical characteristic variable optical element and an optical characteristic that have a simple structure, have little light loss, can be driven by a low voltage, and do not cause blurring, and change optical characteristics. An object of the present invention is to provide a display device including a variable optical element.
本発明の光学特性可変光学素子は、1対の部材により形成される空間に液晶を封入し、外部からの物理的作用により前記液晶の液晶分子の配向状態を制御し、前記液晶の光学特性を変化させる光学特性可変光学素子において、
前記液晶は、少なくとも
のいずれか1つを満たすことを特徴とする光学特性可変光学素子。
The optical property variable optical element of the present invention encloses liquid crystal in a space formed by a pair of members, controls the alignment state of liquid crystal molecules of the liquid crystal by an external physical action, and controls the optical properties of the liquid crystal. In the optical property variable optical element to be changed,
The liquid crystal is at least
An optical property variable optical element characterized by satisfying any one of the above.
ただし、
Pは液晶のねじれのピッチ、
λは入射光の波長、
Γは
であって、ne は液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率、n0 は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率、dは液晶の厚さ、
φは
である。
However,
P is the twist pitch of the liquid crystal,
λ is the wavelength of the incident light,
Γ is
Where ne is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule long axis direction, n0 is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule short axis direction, d is the thickness of the liquid crystal,
φ is
It is.
本発明の光学特性可変光学素子を備えた表示装置は、1対の部材により形成される空間に液晶を封入し、外部からの物理的作用により前記液晶の液晶分子の配向状態を制御し、前記液晶の光学特性を変化させる光学特性可変光学素子を備えた表示装置において、
前記液晶は、少なくとも
のいずれか1つを満たすことを特徴とする表示装置。
ただし、
Pは液晶のねじれのピッチ、
λは入射光の波長、
Γは
であって、ne は液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率、n0 は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率、dは液晶の厚さ、
φは
である。
The display device having the optical property variable optical element of the present invention encloses liquid crystal in a space formed by a pair of members, controls the alignment state of the liquid crystal molecules of the liquid crystal by an external physical action, In a display device including an optical property variable optical element that changes the optical properties of liquid crystal,
The liquid crystal is at least
A display device characterized by satisfying any one of the above.
However,
P is the twist pitch of the liquid crystal,
λ is the wavelength of the incident light,
Γ is
Where ne is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule long axis direction, n0 is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule short axis direction, d is the thickness of the liquid crystal,
φ is
It is.
本発明によれば、液晶が液晶を透過する光の波長に比べて小さい捻れピッチを持っているので、構造が簡単で、光量損出が少なく低電圧により駆動可能でボケが生じることなく、光学特性を変化させることができるという効果がある。 According to the present invention, since the liquid crystal has a small twist pitch compared to the wavelength of light transmitted through the liquid crystal, the structure is simple, the light amount loss is small, the light can be driven with a low voltage, and there is no blurring. There is an effect that the characteristics can be changed.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1ないし図17は本発明の第1の実施の形態に係り、図1は可変焦点レンズの基本構成を示す構成図、図2は図1のカイラルネマテック液晶の分子の屈折率楕円体を示す図、図3は図1の可変焦点レンズの作用を説明する説明図、図4は図1の可変焦点レンズの具体的な構成を示す構成図、図5は図1の可変焦点レンズの第1の変形例に用いられるカイラルスメクチック液晶のカイラルスメクチックC相の液晶分子配列を示す図、図6は図5のカイラルスメクチック液晶を用いた可変焦点レンズの構成を示す構成図、図7は図6の可変焦点レンズの作用を説明する説明図、図8はカイラルコレステリック液晶を用いた図1の可変焦点レンズの第2の変形例の構成を示す構成図、図9は図8の可変焦点レンズの作用を説明する説明図、図10は図8のカイラルコレステリック液晶の反射率の実測値を示す図、図11はディスコチック液晶を用いた図1の可変焦点レンズの第2の変形例の構成を示す構成図、図12は図11の可変焦点レンズの作用を説明する説明図、図13は図11のディスコチック液晶の分子の屈折率楕円体を示す図、図14は図12のディスコチック液晶をZ方向から見た時の第1の図、図15は図12のディスコチック液晶をZ方向から見た時の第2の図、図16は図1のカイラルネマテック液晶の配向を変化させるのに磁場を用いた可変焦点レンズの構成を示す構成図、図17は図1のカイラルネマテック液晶の配向を変化させるのに温度変化を用いた可変焦点レンズの構成を示す構成図である。 1 to 17 relate to the first embodiment of the present invention, FIG. 1 is a block diagram showing the basic configuration of a variable focus lens, and FIG. 2 shows the refractive index ellipsoid of the chiral nematic liquid crystal molecules of FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the operation of the variable focus lens of FIG. 1, FIG. 4 is a configuration diagram showing a specific configuration of the variable focus lens of FIG. 1, and FIG. 5 is a first diagram of the variable focus lens of FIG. 6 is a diagram showing a chiral smectic C-phase liquid crystal molecular arrangement of the chiral smectic liquid crystal used in the first modification, FIG. 6 is a configuration diagram showing the configuration of a variable focus lens using the chiral smectic liquid crystal of FIG. 5, and FIG. FIG. 8 is a configuration diagram showing the configuration of a second modification of the variable focus lens of FIG. 1 using chiral cholesteric liquid crystal, and FIG. 9 is a configuration diagram of the variable focus lens of FIG. FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the operation. FIG. 11 is a diagram showing the measured value of the reflectance of the chiral cholesteric liquid crystal shown in FIG. 8, FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the second modification of the variable focus lens shown in FIG. 1 using a discotic liquid crystal, and FIG. FIG. 13 is a diagram showing the refractive index ellipsoid of the discotic liquid crystal molecules of FIG. 11, and FIG. 14 is a first view of the discotic liquid crystal of FIG. 12 viewed from the Z direction. FIG. 15 is a second view of the discotic liquid crystal of FIG. 12 viewed from the Z direction, and FIG. 16 is a diagram of a variable focus lens using a magnetic field to change the orientation of the chiral nematic liquid crystal of FIG. FIG. 17 is a block diagram showing the configuration of a variable focus lens using a temperature change to change the alignment of the chiral nematic liquid crystal shown in FIG.
図1に示すように、第1の実施の形態の光学特性可変光学素子としての可変焦点レンズ1は、カイラルネマテック液晶2を、内側に透明電極膜3をそれぞれ被膜させた平板ガラス4とレンズ5との間に配向膜6を介して挟み、シール材7により封止した構成が基本構成となっており、カイラルネマテック液晶2の捩れのピッチPは、光の波長λに比べ非常に小さいものとする。つまり、
[数1]
P<<λ (1)
である。このように、ピッチPが光の波長λに比べて非常に小さいと、レンズ5は入射光の偏光によらず、屈折率n’をもつレンズとして作用する。
As shown in FIG. 1, a
[Equation 1]
P << λ (1)
It is. Thus, when the pitch P is very small compared to the wavelength λ of light, the
[数2]
ここで、neは液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率
noは液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率
であり、図2にカイラルネマテック液晶2の入射側の液晶分子に対応する屈折率楕円体を示す。ここで、x軸及びz軸は、液晶分子の短軸方向、y軸は液晶分子の長軸方向になっている。なお、ne>noとする。
[Equation 2]
Where ne is the refractive index for the polarized light in the long axis direction of the liquid crystal molecule.
No is a refractive index with respect to polarized light in the minor axis direction of the liquid crystal molecule, and FIG. 2 shows a refractive index ellipsoid corresponding to the liquid crystal molecule on the incident side of the chiral nematic
次に、ジョーンズのベクトルと行列によって、なぜ、本実施の形態のカイラルネマテック液晶2が実効的に屈折率n’の等方的な媒質としてふるまうのかを、以下に説明する。
Next, the reason why the chiral
上記文献1のP85〜92、に示される、式3.107と式3.110及び式3.126によれば、絶対的な位相の変化exp(−iα)を含めた時、図1に示した厚さdのカイラルネマテック液晶2に対するジョーンズの行列Wtは、
[数3]
で与えられる。ただし、
[数4]
[数5]
[数6]
[数7]
[数8]
である。
According to the formula 3.107, the formula 3.110, and the formula 3.126 shown in P85 to 92 of the above-mentioned
[Equation 3]
Given in. However,
[Equation 4]
[Equation 5]
[Equation 6]
[Equation 7]
[Equation 8]
It is.
ここで、常光を液晶分子の短軸方向の偏光と定義し、異常光を液晶分子の長軸方向の偏光、又は、長軸を光軸に垂直な平面へ投影した時の方向の偏光と定義すると、Γはカイラルネマテック液晶2による常光と異常光の位相差を表わす。
Here, ordinary light is defined as polarization in the minor axis direction of liquid crystal molecules, and extraordinary light is defined as polarization in the major axis direction of liquid crystal molecules, or polarization in the direction when the major axis is projected onto a plane perpendicular to the optical axis. Then, Γ represents the phase difference between ordinary light and extraordinary light by the chiral nematic
なお、Φはカイラルネマテック液晶2の液晶分子の捩れ角をラジアンで表わしたものである。また、式(3)、式(8)の座標系は、図1に示すx,y,z軸のように取るものとする。つまり、x軸は紙面の表から裏側へ向っており、y軸はカイラルネマテック液晶2の入射面での液晶分子長軸の方向である。
Φ represents the twist angle of the liquid crystal molecules of the chiral nematic
さて、式(1)の条件のもとで、式(3)のWtがどのようになるかを調べてみる。 Now, it will be examined how Wt in the expression (3) becomes under the condition of the expression (1).
まず、式(1)は、
[数9]
と変形できる。そこで、P/λ→0の時、式(3)のWtの極限値WtLを求めてみる。
First, equation (1) is
[Equation 9]
And can be transformed. Therefore, when P /
[数10]
であるから、P/λ<<1のとき
[数11]
となり、P/λ→0のとき|Γ/Φ|→0となる。
[Equation 10]
Therefore, when P / λ << 1, [Equation 11]
When P /
式(11)の条件のもとで
[数12]
[数13]
[数14]
[数15]
と近似でき、P/λ→0のとき、それぞれ、
[数16]
X→Φ (16)
[数17]
cosX→cosΦ (17)
[数18]
[数19]
となるので、P/λ→0のとき
[数20]
となる。これは屈折率n’=(ne+no)/2、厚さdの、光軸に沿って等方な媒質のジョーンズ行列にほかならない。
[Equation 12] under the condition of equation (11)
[Equation 13]
[Formula 14]
[Equation 15]
When P /
[Equation 16]
X → Φ (16)
[Equation 17]
cosX → cosΦ (17)
[Equation 18]
[Equation 19]
Therefore, when P /
It becomes. This is nothing but a Jones matrix of an isotropic medium along the optical axis with a refractive index n ′ = (ne + no) / 2 and a thickness d.
従って、P/λ<<1であるので、図1の可変焦点レンズ1は、屈折率n’のレンズとして作用し、ボケのない結像が実現できる。
Therefore, since P / λ << 1, the
また、図1の可変焦点レンズ1において、交流電源8をスイッチ9によりONにし、配向膜6間に電場を与えると、カイラルネマテック液晶2は、図3のように配列し、液晶は屈折率noの等方媒質となるので、図1の状態と比べて、焦点距離の異なる液晶レンズとなり、ボケのない可変焦点レンズが実現できるのである。
In the
次に、上記の可変焦点レンズ1の具体的な構成例を図4を用いて説明する。図4に示すように、可変焦点レンズ1は、具体的には、可変抵抗21により電圧を連続的に可変にした構成になり、液晶分子の配列を、上記の図1と図3の中間にもってくることができるように構成する。これにより、焦点距離が連続的に変化する液晶レンズを実現できる。
Next, a specific configuration example of the
なお、図4のような中間の配列の場合においても、neの値を、neとnoのある中間の値である異常光の屈折率ne’で置きかえることで、上記の式(3)〜式(20)は満たされる。 In the case of an intermediate array as shown in FIG. 4, the value of ne is replaced with the refractive index ne ′ of extraordinary light, which is an intermediate value between ne and no, so that the above formulas (3) to (3) (20) is satisfied.
なお、図4のように構成することで、電圧の印加のしかたとしては、連続可変に限らず、いくつかの離散的な電圧値から印加電圧を選択するようにしても、可変焦点レンズが実現できる。 By configuring as shown in FIG. 4, the method of applying the voltage is not limited to continuously variable, and a variable focus lens can be realized even if the applied voltage is selected from several discrete voltage values. it can.
ここで、図4のように構成した可変焦点レンズ1の実際的な例について、詳細に説明する。
Here, a practical example of the
式(20)にはP/λ→0の極限の場合が示されているが、実際の液晶レンズ、可変焦点レンズでは必ずしも極限値があてはまらない場合もあるので、式(3)の近似式を導いてみる。 Although the limit case of P / λ → 0 is shown in Expression (20), there is a case where the limit value does not always apply in an actual liquid crystal lens and variable focus lens, so the approximate expression of Expression (3) is I will guide you.
式(3)をP/λの1次までを考えて近似すると、次のようになる。つまり、式(12)〜式(14)で、P/λの1次まで、すなわち式(10)より、Γ/Φの1次までを残しP/λの2次以上、Γ/Φの2次以上を省略すると、
[数21]
[数22]
となり
[数23]
を得る。従って、WtNの値が等方媒質のジョーンズ行列とほぼ等しいと見なせるためには、|i・Γ/2Φ|が0に近ければよい。この時WtNは、
[数24]
に近づくが、この式は、液晶が入射光の偏光方向はΓ/4・Γ/Φだけ回転するが、等方媒質であると見なせることを意味している。
When formula (3) is approximated considering the first order of P / λ, it is as follows. That is, in the equations (12) to (14), up to the first order of P / λ, that is, from the equation (10), the second order or more of P / λ, and the second order of Γ / Φ, leaving the first order of Γ / Φ If you omit the following,
[Equation 21]
[Equation 22]
[Formula 23]
Get. Accordingly, in order that the value of WtN can be regarded as being substantially equal to the Jones matrix of the isotropic medium, it is sufficient that | i · Γ / 2Φ | is close to zero. At this time, WtN is
[Equation 24]
This equation means that the liquid crystal rotates as the polarization direction of incident light by Γ / 4 · Γ / Φ, but can be regarded as an isotropic medium.
[数25]
つまり、
[数26]
であれば、ボケのない可変焦点レンズが得られる。式(10)より
[数27]
となる。
[Equation 25]
That means
[Equation 26]
If so, a variable focus lens without blur can be obtained. From equation (10), [Equation 27]
It becomes.
実際のレンズ付撮像装置、例えば電子カメラ、VTRカメラ、電子内視鏡などの、比較的低コストの製品等のレンズに本発明の可変焦点レンズを用いる場合、固体撮像素子の画素数が少なく、高解像を要求しない場合もあるので、式(26)は条件をゆるめることができ、
[数28]
であれば良い。
When the variable focus lens of the present invention is used for a lens of a relatively low cost product such as an actual imaging device with a lens, for example, an electronic camera, a VTR camera, an electronic endoscope, etc. Since high resolution may not be required, Equation (26) can relax the condition,
[Equation 28]
If it is good.
画素数の多い電子撮像装置のレンズ、フィルムカメラ、顕微鏡などの高画質の製品等のレンズでは高解像が要求されるので、
[数29]
であればよい。
High resolution is required for lenses of high-quality products such as lenses for electronic imaging devices with a large number of pixels, film cameras, and microscopes.
[Equation 29]
If it is.
光ディスクのレンズ等結像に用いないレンズの場合、条件はさらにゆるめられ、
[数30]
であればよい。
In the case of a lens that is not used for image formation, such as an optical disk lens, the conditions are further relaxed,
[Equation 30]
If it is.
なお、本実施の形態に共通して言えることであるが、液晶がらせん状の配列の時、液晶分子の長軸方向が光軸に対して垂直でない時、つまり斜めの時は、式(1)、式(26)〜式(30)のneを上記のne’で置きかえればよい。 Note that, in common with this embodiment, when the liquid crystal is arranged in a spiral shape, when the major axis direction of the liquid crystal molecules is not perpendicular to the optical axis, that is, when it is oblique, the equation (1) ) And ne in the expressions (26) to (30) may be replaced with the above ne ′.
以下に、いくつかの設計例を上げる。 Below are some design examples.
カイラルネマテック液晶2の厚さdは、薄いとレンズのパワーが弱く役に立たないし、厚いと光を散乱、フレアの原因となるので、
[数31]
2μ<d<300μ (31)
ぐらいが適当である。光の波長λの例としては可視光を考えれば、
[数32]
0.35μ<λ<0.7μ (32)
である。
If the thickness d of the chiral nematic
[Equation 31]
2μ <d <300μ (31)
About is appropriate. As an example of the wavelength λ of light, considering visible light,
[Formula 32]
0.35μ <λ <0.7μ (32)
It is.
ne−noの値は液晶の物性で決まるが、
[数33]
0.01<|ne−no|<0.4 (33)
ぐらいの物質が多い。そこで、第1の設計例として、
d=15μ
λ=0.5μ
ne−no=0.2
P=0.05μ
とすれば、
Γ/2Φ=π・0.2×0.05/0.5=0.02π
となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たす。
The value of ne-no is determined by the physical properties of the liquid crystal.
[Equation 33]
0.01 <| ne-no | <0.4 (33)
There are a lot of substances. Therefore, as a first design example,
d = 15 μ
λ = 0.5μ
ne-no = 0.2
P = 0.05μ
given that,
Γ / 2Φ = π · 0.2 × 0.05 / 0.5 = 0.02π
Thus, Expression (26), Expression (28), Expression (29), and Expression (30) are satisfied.
第2の設計例として、
d=30μ
λ=0.6μ
ne−no=0.25
P=0.3μ
とすれば、
Γ/2Φ=π・0.3×0.25/0.6=0.125π
となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たす。
As a second design example,
d = 30μ
λ = 0.6μ
ne-no = 0.25
P = 0.3μ
given that,
Γ / 2Φ = π · 0.3 × 0.25 / 0.6 = 0.125π
Thus, Expression (26), Expression (28), Expression (29), and Expression (30) are satisfied.
また、第3の設計例として
d=50μ
λ=0.55μ
ne−no=0.2
P=0.6μ
とすれば、
Γ/2Φ=π・0.2×0.6/0.55=0.218π
となり、式(28)、式(30)を満たす。
As a third design example, d = 50 μ
λ = 0.55μ
ne-no = 0.2
P = 0.6μ
given that,
Γ / 2Φ = π · 0.2 × 0.6 / 0.55 = 0.218π
Thus, the expressions (28) and (30) are satisfied.
さらに、第4の設計例として、近赤外光用の可変焦点レンズを考え、
d=200μ
λ=0.95μ
ne−no=0.2
P=0.7μ
とすれば
Γ/2Φ=π・0.2×0.7/0.95=0.1458π
となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たす。
Furthermore, as a fourth design example, a variable focus lens for near infrared light is considered,
d = 200μ
λ = 0.95μ
ne-no = 0.2
P = 0.7μ
Γ / 2Φ = π · 0.2 × 0.7 / 0.95 = 0.458π
Thus, Expression (26), Expression (28), Expression (29), and Expression (30) are satisfied.
以上の各設計例では、カイラルネマチック液晶を例にとって説明したが、カイラルネマチック液晶のらせんのピッチを、用いる光の波長よりも小さくするためには、カイラル剤を液晶に混ぜると良い。 In each of the above design examples, the chiral nematic liquid crystal has been described as an example. However, in order to make the helical pitch of the chiral nematic liquid crystal smaller than the wavelength of light to be used, it is preferable to mix a chiral agent with the liquid crystal.
カイラル剤としては、コレステリック液晶又は合成品の光学活性化合物などが用いられる。以下の化学式(1)、化学式(2)にカイラルネマチック液晶の例を、化学式(3)、化学式(4)にカイラル剤の例を示す。 As the chiral agent, a cholesteric liquid crystal or a synthetic optically active compound is used. The following chemical formula (1) and chemical formula (2) show examples of chiral nematic liquid crystals, and chemical formula (3) and chemical formula (4) show examples of chiral agents.
[化1]
化学式(1)
[化2]
化学式(2)
[化3]
化学式(3)
[化4]
化学式(4)
以上の説明において、可変焦点レンズ1に用いる液晶としては、カイラルネマチック液晶2を用いて説明したが、本実施の形態はこれに限らず、可変焦点レンズの第1の変形例として、図5に示ようなカイラルスメクチック液晶31を用いて構成することができる。この図5は、カイラルスメクチックC相の液晶分子配列を示したもので、これを用いた可変焦点レンズ1aの構造を図6に示す。
[Chemical 1]
Chemical formula (1)
[Chemical formula 2]
Chemical formula (2)
[Chemical formula 3]
Chemical formula (3)
[Chemical formula 4]
Chemical formula (4)
In the above description, the chiral nematic
図6に示すように、カイラルスメクチック液晶31では、電圧を加えない場合には液晶分子は各層31aごとに特定の方向を向き、その方向が一定の周期Pで回転している。
As shown in FIG. 6, in the chiral smectic
これに電圧を印加すると、各層の液晶分子は、図7のように、座標系のZ軸方向に配列し、カイラルスメクチック液晶31の屈折率は、図6の状態のn’から、noに低下し、可変焦点レンズ1の焦点距離が変化する。
When a voltage is applied to this, the liquid crystal molecules of each layer are aligned in the Z-axis direction of the coordinate system as shown in FIG. 7, and the refractive index of the chiral smectic
この図5〜7に示した第1の変形例についても、式(1)〜式(30)はあてはまり、特に式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満せばボケの少ない可変焦点レンズが得られる。また、図6の構成においても、カイラルスメクチック液晶31に加わる電圧は連続的に変えることができ、それに伴って焦点距離も連続的に変る。
Also in the first modification shown in FIGS. 5 to 7, the expressions (1) to (30) are applicable, and particularly satisfy the expressions (26), (28), (29), and (30). If so, a variable focus lens with less blur can be obtained. In the configuration of FIG. 6 as well, the voltage applied to the chiral smectic
ここで、カイラルスメクチック液晶31を用いた可変焦点レンズ1aの設計例を示すと、パラメータとして、
d=25μ
λ=0.55μ
ne−no=0.3
P=0.1μ
とすると、
Γ/2Φ=π・0.3×0.1/0.55=0.0545π
となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たす。
Here, when the design example of the variable focus lens 1a using the chiral smectic
d = 25μ
λ = 0.55μ
ne-no = 0.3
P = 0.1μ
Then,
Γ / 2Φ = π · 0.3 × 0.1 / 0.55 = 0.0545π
Thus, Expression (26), Expression (28), Expression (29), and Expression (30) are satisfied.
なお、化学式(5)に、スメクチック液晶31の分子構造の1例である「4−(n−ヘキシルオキシ)フェニルオキシ−4”−(2−メテルブチル)ビフェニル−4’−カルボキシレート」を示した。なお、ピッチPはおよそ0.2μである。
In addition, “4- (n-hexyloxy) phenyloxy-4”-(2-methylbutyl) biphenyl-4′-carboxylate ”which is an example of the molecular structure of the smectic
[化5]
化学式(5)
また、可変焦点レンズの第2の変形例として、図8に示ように、カイラルコレステリック液晶41を用いた可変焦点レンズ1bを構成することができる。
[Chemical formula 5]
Chemical formula (5)
As a second modification of the variable focus lens, as shown in FIG. 8, a variable focus lens 1b using a chiral cholesteric
カイラルコレステリック液晶41では、液晶分子の配向方向は各層でレンズ表面に平行で方位角が周期Pで、Z軸方向にらせんを描いて変る。この状態で式(1)〜式(30)があてはまる。
In the chiral cholesteric
電圧が加わると、液晶分子の配向が図9のようにらせんが無くなり、焦点距離が変化する。 When a voltage is applied, the orientation of the liquid crystal molecules disappears as shown in FIG. 9, and the focal length changes.
なお、カイラルコレステリック液晶には選択反射の性質があり、波長λs=Pn’近傍の右または左の円偏光を全反射してしまう。図10は、自然偏光に対するカイラルコレステリック液晶の反射率の実測値の例を示している。 Note that the chiral cholesteric liquid crystal has a selective reflection property and totally reflects right or left circularly polarized light in the vicinity of the wavelength λs = Pn ′. FIG. 10 shows an example of measured values of the reflectance of the chiral cholesteric liquid crystal with respect to natural polarization.
従って、波長λsは、可変焦点レンズ1bで用いる光の波長範囲外にあることが望ましい。つまり、Pn’が、可変焦点レンズ1bを利用する光の波長域外にあることが、さらに透過率の良い、着色のない液晶レンズを得るために必要である。 Therefore, it is desirable that the wavelength λs is outside the wavelength range of the light used in the variable focus lens 1b. In other words, it is necessary for Pn ′ to be outside the wavelength range of light using the variable focus lens 1b in order to obtain a liquid crystal lens with better transmittance and no coloration.
可視光であれば、
[数34]
Pn’<0.4μ (34)
であることが必要である。
If it ’s visible light,
[Formula 34]
Pn ′ <0.4μ (34)
It is necessary to be.
なお、上述した第1の変形例である図5のカイラルスメチックC相の液晶でも選択反射は生じる場合があり、上記の理由で式(34)は図5の例にも適用される。 Note that selective reflection may occur even in the chiral smectic C-phase liquid crystal of FIG. 5, which is the first modification described above, and for the above reason, the equation (34) is also applied to the example of FIG.
カイラルコレステリック液晶41を用いた可変焦点レンズ1bの設計例として、
d=15μ
ne−no=0.4
λ=0.45μ
P=0.01μ
n’=1.7
とすると、
Γ/2Φ=π・0.4×0.01/0.45=0.0089π
となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たし、Pn’=0.017μであるから、式(34)も満たしている。
As a design example of the variable focus lens 1b using the chiral cholesteric
d = 15 μ
ne-no = 0.4
λ = 0.45μ
P = 0.01μ
n ′ = 1.7
Then,
Γ / 2Φ = π · 0.4 × 0.01 / 0.45 = 0.0089π
Thus, Expression (26), Expression (28), Expression (29), and Expression (30) are satisfied, and since Pn ′ = 0.17μ, Expression (34) is also satisfied.
化学式(6)はカイラルコレステリック液晶の1例で、安息香酸コレステロールの化学式である。 Chemical formula (6) is an example of chiral cholesteric liquid crystal, and is a chemical formula of cholesterol benzoate.
[化6]
化学式(6)
また、可変焦点レンズの第3の変形例として、図11に示ように、ディスコチック液晶51を用いてもよく、電圧が加わると、図12のようにディスコチック液晶51の配向が変り、凸レンズとしての焦点距離が長くなる。つまり、ディスコチック液晶51は、図13に示す屈折率楕円体のように、負の1軸性結晶であるので、凸レンズとしての焦点距離が長くなるのである。
[Chemical 6]
Chemical formula (6)
As a third modification of the variable focus lens, a discotic
なお、この場合、図12をZ方向から見た時、ディスコチック液晶51の分子の配列が図14又は図15のように一つの方向を向いていないならば、図12の状態で、液晶の配列はらせんを描かなくてもよい。従って、式(1)〜式(30)は満さなくてもよい。
In this case, when FIG. 12 is viewed from the Z direction, if the molecules of the discotic
本実施の形態並びに各変形例及び後述する他の実施の形態で述べる可変焦点レンズに共通して言えることであるが、らせんのピッチPが、用いる光の波長λに比べて小さいことが、ボケのより少ない可変焦点レンズを得るためにより望ましいことであり、たとえば可視光の場合、0.4μ<λ<0.7μで使用する光学装置では、
[数35]
0.0001μ<P<0.4μ (35)
が望ましい条件となる。さらに充分ボケを減らすためには
[数36]
0.0001μ<P≦0.2μ (36)
であることが望まれる。Pの下限は液晶分子自体の大きさから決っている。
This is common to the variable focus lens described in the present embodiment, each modified example, and other embodiments described later. However, it is blurred that the helical pitch P is smaller than the wavelength λ of the light used. For example, in the case of visible light, in an optical device used with 0.4 μ <λ <0.7 μ,
[Equation 35]
0.0001μ <P <0.4μ (35)
Is a desirable condition. [Equation 36] to further reduce blur
0.0001μ <P ≦ 0.2μ (36)
It is desirable that The lower limit of P is determined from the size of the liquid crystal molecules themselves.
また、本実施の形態並びに各変形例では、各液晶の配向を変化させるのに、電場を用いてきたが、これに限らず、図16に示すように、コイル55及び鉄芯56を用いて、例えばカイラルコレステリック液晶41に磁場Hを印加し、これを変化させても良い。なお、図16はカイラルコレステリック液晶41の可変焦点レンズの例であるが、カイラルネマチック液晶2あるいはカイラルスメクチック液晶31の可変焦点レンズに適用してもよい。
In the present embodiment and each modification, an electric field has been used to change the alignment of each liquid crystal. However, the present invention is not limited to this, and a
また、各液晶の配向を変化させるのに、図17に示すように、ヒータ58を用いて温度の変化によって、例えばカイラルコレステリック液晶41の配向を変えるようにしてもよく、これまで述べた他の液晶、カイラルネマチック液晶2あるいはカイラススメクチック液晶31等の可変焦点レンズにも適用できる。この構成では、温度を変えることによって、液晶に相転移を生じさせ、レンズの焦点距離を変えるようになっている。なお、レンズをフレネルレンズ60として、液晶の厚さを増加させずに、可変焦点レンズのパワーをかせいでいる。ここで、フレネルレンズ60及びレンズ5は用途に応じ非球面形状としても良い。
In order to change the orientation of each liquid crystal, as shown in FIG. 17, for example, the orientation of the chiral cholesteric
図18は本発明の第2の実施の形態に係る可変焦点レンズの構成を示す構成図である。 FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of a variable focus lens according to the second embodiment of the present invention.
第2の実施の形態は、第1の実施の形態とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。 Since the second embodiment is almost the same as the first embodiment, only different points will be described, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
第2の実施の形態は、回折光学素子(DOEあるいはHOEとも呼ばれる)を液晶で作り、可変焦点レンズとしたものである。 In the second embodiment, a diffractive optical element (also referred to as DOE or HOE) is made of liquid crystal to form a variable focus lens.
図18に示すように、第2の実施の形態の可変焦点レンズ61は、カイラルネマテック液晶2を、内側に透明電極膜3をそれぞれ被膜させたレンズ62と平行ガラス63との間に配向膜6を介して挟み、シール材7により封止した構成となっている。
As shown in FIG. 18, the
レンズ62はフレネルレンズ状であるが、凹凸部は光の波長のレベルで、レンズ62のひとつの輪帯の巾Wは、
[数37]
W・θ=m・λ (37)
で決る。ここで、θはその輪帯での光線の屈折角、mは回折次数である。
The
[Equation 37]
W ・ θ = m ・ λ (37)
Decide on. Here, θ is the refraction angle of the light beam in the annular zone, and m is the diffraction order.
カイラルネマテック液晶2の屈折率を電圧の印加によって変えると、回折の次数が変わるので、不連続的に可変焦点レンズ61の焦点距離を変えることができる。
When the refractive index of the chiral nematic
つまり、ある輪帯のギザギザの高さをhとし、レンズ62の屈折率をngとすれば、
[数38]
[数39]
[数40]
m1 ≠m2 (40)
となる。
In other words, if the jagged height of a certain annular zone is h and the refractive index of the
[Equation 38]
[Equation 39]
[Equation 40]
m1 ≠ m2 (40)
It becomes.
ただし、m1 、m2 は互いに異なる整数とおく時、h、m1 、m2 、n’、no、ngが式(38)〜式(40)を満すならば、可変焦点レンズ61は、次数m1 とm2 とで回折効率の最適化された回折光学素子となる。
However, when m1 and m2 are different integers, if h, m1, m2, n ', no and ng satisfy the expressions (38) to (40), the
焦点距離は、スイッチ9のON、OFFにより、f1 /m1 、f1 /m2 にかわる。ここでf1 は、1次の回折光学素子の焦点距離である。なお、実用的には式(38)、式(39)は近似的に満されていればよい。
The focal length is changed to f1 / m1 and f1 / m2 depending on whether the
以下に、上記の各実施の形態及びその各変形例の応用例について説明する。 Hereinafter, application examples of the above-described embodiments and their modifications will be described.
図19に示すように、上記の各実施の形態及びその各変形例の可変焦点レンズを用いた第1の装置としての電子内視鏡71は、被写体に照射する照明光を伝送するライトガイド72からの照明光を照明レンズ73により被写体に照射し、被写体像を対物レンズ74を介して入射する。そして、可変焦点レンズ75を絞り76近傍に配置し、光学レンズ77によりCCD78の結像面に結像させ、信号処理装置79により信号処理しモニタ80に被写体像を表示させる構成となっている。この構成では、可変焦点レンズ75は、ピント調整のために用いられ、オートフォーカス機能を備えた電子内視鏡を実現している。
As shown in FIG. 19, an
また、上記の実施の形態及びその各変形例の可変焦点レンズを用いた第2の装置は、図20に示すように、対物レンズ81によりCCD82が被写体像を撮像し、信号処理装置83で信号処理しモニタ84に被写体像を表示させる撮像装置89であって、対物レンズ81とCCD83との間に絞り88を介して2つの可変焦点レンズ85、86を設け、この焦点距離を連動して変化させることによりズーミングと、ピント合せの両方を実現するものである。これらは実際には電子カメラ、TVカメラ等に用いられ、可変焦点レンズ85、86の駆動は制御回路87によってピントを合せつつ、ズーミングするよう行われる。
Further, in the second apparatus using the variable focus lens according to the above-described embodiment and each modification thereof, as shown in FIG. An
なお、図20では可変焦点レンズ85、86は、それぞれ凹、凸レンズの場合を示しているが、凸凸、又は凸凹、凹凹のレンズの組合わせでもよい。
In FIG. 20, the
図21は、式(1)を満す液晶の別の応用例で、光学系の絞り91に用いた例である。
FIG. 21 shows another application example of the liquid crystal satisfying the expression (1), which is an example used for the
この絞り91は、式(1)を満す液晶であるカイラルネマテック液晶2を封止する透明な材質からなる透明部材92、93により挟まれた構造になっていて、透明部材93は液晶に接する部分の断面形状がのこ切り状または3角になっている。また、絞り91は光軸に対して回転対称な形状である。
The
図21において、左右から絞り91の中心に入射した光線aはそのまま通過するが、周辺部に入射した光線bはカイラルネマテック液晶2と透明部材93との境界面で全反射して側方に曲げられ、絞り91を透過することができず、絞り91を絞った状態である。
In FIG. 21, the light beam a incident on the center of the
図22は、絞り91に電圧を加えた状態で、カイラルネマテック液晶2はホメオトロピック配向になるので、光線bは透明部材93とカイラルネマテック液晶2との境界面で全反射することなく直進し、図21に比べ絞りの有効径が広がった状態にある。なお、透明部材93の屈折率をn93とする時
[数41]
0.8no<n93<1.3no (41)
であれば、図22の状態で光線bはほぼ直進する。
In FIG. 22, the chiral nematic
0.8no <n93 <1.3no (41)
If so, the light beam b travels almost straight in the state of FIG.
図21の状態で光線aが全反射するための条件は、図示の角をβとするとき、
[数42]
である。
The condition for the total reflection of the light ray a in the state of FIG. 21 is as follows.
[Formula 42]
It is.
また、カイラルネマテック液晶2は式(1)のかわりに、実用的には式(26)又は式(28)又は式(29)又は式(30)を満たせばよい。
Further, the chiral nematic
なお、液晶としては、カイラルネマテック液晶2以外に、上述したカイラルスメクチック液晶31、カイラルコレテリック液晶41、ディスクチック液晶51、さらには高分子中に液晶を分散させた高分子分散液晶やポリマー液晶等も用いることができる。カイラルスメクチック液晶31又はカイラルコレテリック液晶41の場合には、式(34)も満すとなお良い。また、どの液晶にも共通していえるが、式(35)、式(36)も満すとさらに良い。
As the liquid crystal, in addition to the chiral nematic
図23はカイラルネマテック液晶2を用いた第2の絞り101の例である。図21の絞り91と異なるのは、透明部材93に代わる透明部材102の周辺がDOE(回折光学素子)になっていることで、透明部材102の周辺は、高さが使用する光の波長λ程度の、のこぎり刃形状をしていることである。
FIG. 23 shows an example of the
図23の状態では
[数43]
no<n102 (43)
なので、周辺部の光b1 、b2 は外側へ回折によって曲げ、光吸収性物質103で吸収され絞り101より後方へは伝送されない。なお、n102は透明部材102の屈折率である。
In the state of FIG. 23, [Equation 43]
no <n102 (43)
Therefore, the light b1 and b2 in the peripheral portion are bent outward by diffraction, absorbed by the
図23は電圧をOFFにした時の状態であるため液晶がカイラルネマチックの配列で
[数44]
0.9n’<n102<1.2n’ (44)
であるため、b1 、b2 はおよそ直進し、実質的に絞りが開いた状態として動作する。
Since FIG. 23 shows the state when the voltage is turned off, the liquid crystal has a chiral nematic arrangement [Equation 44].
0.9n '<n102 <1.2n' (44)
Therefore, b1 and b2 are almost straight and operate as a state where the aperture is substantially open.
DOEの形状としては、式(37)で屈折角θが決まり、回折効率を上げて、絞りとしての動作をさらに向上させるためには、式(38)〜式(40)を満たすとなお良い(ただし、ngをn102で置き換える)。 As the shape of the DOE, in order to further improve the operation as a diaphragm by determining the refraction angle θ in Expression (37) and increasing the diffraction efficiency, it is more preferable to satisfy Expression (38) to Expression (40) ( However, ng is replaced with n102).
液晶としては、カイラルネマチック液晶2以外に、上述したカイラルスメクチック液晶31、カイラルコレステリック液晶41、ディスコチック液晶51、さらには高分子中に液晶を分散させた高分子分散液晶やポリマー液晶等も用いることができる。カイラルスメクチック液晶31又はカイラルコレステリック液晶41の場合には、式(34)も満すとなお良い。
As the liquid crystal, in addition to the chiral nematic
液晶は式(1)をみたす必要があるが、実用的には式(1)のかわりに、式(26)又は式(28)又は式(29)又は式(30)を満たせばよい。 The liquid crystal needs to satisfy the formula (1). However, in practice, the formula (26), the formula (28), the formula (29), or the formula (30) may be satisfied instead of the formula (1).
また、透明部材92もDOEとすれば、より大きな屈折角が得られ、絞りとして高性能のものが得られる。
If the
なお、絞り101に加える電圧は連続的に可変できるようにしてもよく、その場合、絞り101の周辺部の透過率が連続的に変化する絞りとなり便利である。
Note that the voltage applied to the
上記の絞り91、101は、図19の電子内視鏡71の絞り76や図20の撮像装置80の絞り88等に用いることができる。電子内視鏡71や撮像装置80では必ず、電源が含まれるため、その電源を液晶素子用にも用いることができるので好都合である。
The
また、絞り101に於て、透明部材102の中央のA部を無しにして、全面のこぎり刃状の形状にすれば、光束径は変わらないが、光量を変化させることのできる絞りが得られる。透過光量可変な光学素子と類似の効果を持たせる場合には式(38)又は式(39)の一方は近似的に満されるのが良く、式(38)と式(39)とが同時に満されない方が良い(なお、式(40)は満す必要がある)。
Further, if the
なぜならば、たとえば式(38)が完全にみたされ、式(39)が不完全であるなら、次数m1 の光は図23、24のいずれの状態でも光量は異なるが、存在するので、次式m1 の光に対して絞り101は濃度可変フィルタとして動作するのである。
For example, if the equation (38) is completely seen and the equation (39) is incomplete, the light of the order m1 is different in both states of FIGS. The
また、式(38)、式(39)が両方みたされる場合には、次式m1 又はm2 の光に対して、絞り101は光シャッタとして動作することになる。この場合でも図23から図24の状態に連続的に電圧を変えて行けば、式(38)、式(39)の中のneは連続的に変化するne’で置き変えられるので、透過光量可変な光学素子として動作させることができる(なお、式(2)を考慮する必要がある)。
Further, when both the expressions (38) and (39) are observed, the
図25は式(1)、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)のいずれかを満す液晶を用いた可変プリズム(あるいは可変光偏向器)111の一例である。 FIG. 25 is an example of a variable prism (or variable optical deflector) 111 using liquid crystal satisfying any one of formula (1), formula (26), formula (28), formula (29), and formula (30). is there.
この可変プリズム111では、図25に示すように、クサビ状あるいはのこぎり刃状の透明部材112と透明部材113の間にカイラルネマテック液晶2が配置されている。たとえば、透明部材112の屈折率をカイラルネマテック液晶2の屈折率n’と等しくしておけば、図25の左右からの光は直進する。
In this
ここで電圧を可変プリズム111に加えると、図26のように液晶の配列はホメオトロピックになり、カイラルネマテック液晶2の屈折率がnoに下るので、光は右上方へ屈折される。なお、電圧を連続可変にすれば光の屈折角が連続的に変るので便利である。
Here, when a voltage is applied to the
液晶としては、カイラルネマチック液晶2以外に、上述したカイラルスメクチック液晶31、カイラルコレテリック液晶41、ディスクチック液晶51、さらには高分子中に液晶を分散させた高分子分散液晶やポリマー液晶等も用いることができる。カイラルスメクチック液晶31又はカイラルコレテリック液晶41の場合には、式(34)も満すとなお良い。
As the liquid crystal, in addition to the chiral nematic
のこぎり刃の形をこまかくして透明部材112を回折光学素子としても可変プリズムが得られる。この時、式(37)を満すとよく、さらに式(38)、式(39)、式(40)を満せば、絞りの効果の高い、光学素子が得られる(ただし、このときngは透明部材112の屈折率を表わす)。
A variable prism can also be obtained by making the shape of the saw blade fine and using the
この可変プリズム111は、ブレ防止用に、電子カメラ、TVカメラ、フィルムカメラ、双眼鏡等に用いることができる。
The
ところで、上記の絞り91、101及び可変プリズム111で用いた光線の空間変調の原理は、ディスプレイにも用いることができる。
By the way, the principle of the spatial modulation of light rays used in the
図27は、式(1)又は式(26)、式(28)、式(29)、式(30)のいずれかを満す液晶を用いたディスプレイ121の例である。
FIG. 27 is an example of the
このディスプレイ121では、図27に示すように、のこぎり刃状の形をした断面を持つ透明部材122と、透明部材123の間に液晶124が配置されている。透明部材122の屈折率はほぼn’に等しいとする。液晶124は、個別電極125により所望の画素に可変電圧が印加されるようになっており、ランプ126の光がカラーフィルタ127を介して、透明部材123、液晶124、透明部材122と順次透過するようになっている。
In this
このように構成したディスプレイ121においては、例えば、Aの画素のように電圧のかかっていない画素では、液晶124の配列はツイストネマチック配向なので、ランプ125の光は直進するので、画素は明るく見える。
In the
また、Bの画素のように高い電圧がかかっている画素では、液晶124の配列はホメオトロピックになるので、ランプ125の光は透明部材122によって強く屈折され、人の眼には暗くみえる。
Further, in a pixel to which a high voltage is applied such as the B pixel, the arrangement of the
Cの画素のように中間の電圧を加えると、ランプ125の光はAとBとの中間に屈折されるので、人の眼にはやや明るくみえる。通常のディスプレイのように偏光板を使用しないので明るいのが特徴である。
When an intermediate voltage is applied as in the C pixel, the light from the
図28はランプ125のかわりに反射板131を用いた反射型のディスプレイ130の例である。
FIG. 28 shows an example of a
反射型のディスプレイ130では、図28に示すように、画素Aのように電圧のかかっていない画素では入射光は反射されて明るく見える。また、画素Bでは電圧が印加されているため、入射光は屈折され、やがて吸収、散乱され暗くみえる。画素Cではその中間となる。
In the
これらの光の屈折力を可変するディスプレイの他、画素の明暗を実現するのに、上述した絞り91のように全反射を用いるタイプ、絞り101のように回折光学素子を用いるタイプも考えられる。
In addition to these displays that change the refractive power of light, a type that uses total reflection, such as the
以上のディスプレイの例では用いる液晶は、カイラルネマテック液晶2以外に、カイラルスメクチック液晶31、カイラルコレステリック液晶41、ディスコチック液晶51、さらには高分子中に液晶を分散させた高分子分散液晶やポリマー液晶等も用いることができる。
In addition to the chiral nematic
ディスプレイに用いる液晶は式(1)、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)いずれかを満すと良い。カイラルスメクチック液晶31又はカイラルコレステリック液晶41の場合には、式(34)も満すとなお良い。
The liquid crystal used for the display may satisfy one of formula (1), formula (26), formula (28), formula (29), and formula (30). In the case of the chiral smectic
以上述べた液晶を用いた、絞り回折光学素子、プリズム、表示装置に於て、用いられる光の波長が可視光の場合、式(35)又は式(36)を満すことで、より高性能のものが得られる。 In the diaphragm diffractive optical element, prism, and display device using the liquid crystal described above, when the wavelength of the light used is visible light, higher performance can be achieved by satisfying Expression (35) or Expression (36). Can be obtained.
なお、上記各実施の形態で用いる液晶に、赤外線を吸収する物質をまぜて、赤外カットフィルタ効果を付与すると、可視光で用いる電子撮像系に用いる場合、赤外カットフィルタが省略でき、コスト低減、スペース削減で有利である。用いる光が可視光でない撮像系の場合は、非観察光をカットする物質を液晶に混ぜればフィルタを省略でき同様の効果が出る。 In addition, if the infrared cut filter effect is given to the liquid crystal used in each of the above embodiments by mixing an infrared absorbing substance, the infrared cut filter can be omitted when used in an electronic imaging system used for visible light, and the cost is reduced. It is advantageous for reduction and space saving. In the case of an imaging system in which the light used is not visible light, a filter can be omitted by mixing a substance that cuts non-observation light into the liquid crystal, and the same effect is obtained.
上記各実施の形態での液晶を用いた可変特性を持つ光学素子においては、式(1)を満すのが理想ではあるが、現実の製品に用いる場合には、式(1)は必ずしも満されなくてもよく、それほど高精度を要求しない場合には、
[数45]
P<λ (45)
であれば良い。
In the optical element having the variable characteristics using the liquid crystal in each of the above embodiments, it is ideal that the expression (1) is satisfied, but the expression (1) is not always satisfied when used in an actual product. If you do not need to be so precise,
[Equation 45]
P <λ (45)
If it is good.
また、やや高精度を望む場合には、
[数46]
P<λ/2 (46)
が満されるとなお良い。
If you want a little higher accuracy,
[Equation 46]
P <λ / 2 (46)
It is even better when is satisfied.
照明系、低コストの光学装置等では、
[数47]
P<2λ (47)
でも実用になることがある。
In illumination systems, low-cost optical devices, etc.
[Equation 47]
P <2λ (47)
But it can be practical.
なお、ディスコチック液晶51を用いた場合には式(45)又は式(46)又は式(47)を満されなくてもよい場合もある。
Note that when the discotic
これまでの各実施の形態すべてについて、液晶としてはカイラルネマテック液晶2以外に、カイラルスメクチック液晶31、カイラルコレステリック液晶41、ディスコチック液晶51、さらには高分子中に液晶を分散させた高分子分散液晶やポリマー液晶等も用いることができる。
In all the embodiments described so far, in addition to the chiral nematic
[付記]
(付記項1) 1対の部材により形成される空間に液晶を封入し、外部からの物理的作用により前記液晶の液晶分子の配向状態を制御し、前記液晶の光学特性を変化させる光学特性可変光学素子において、
前記液晶は、前記液晶を透過する光の波長に比べて、小さい捻れピッチを持つ
ことを特徴とする光学特性可変光学素子。
[Appendix]
(Additional Item 1) A liquid crystal is sealed in a space formed by a pair of members, and an optical characteristic variable that changes the optical characteristics of the liquid crystal by controlling the alignment state of the liquid crystal molecules of the liquid crystal by an external physical action. In the optical element,
The optical characteristic variable optical element, wherein the liquid crystal has a smaller twist pitch than the wavelength of light transmitted through the liquid crystal.
(付記項2)前記光学特性可変光学素子は、前記液晶の焦点距離を可変させる可変焦点レンズである
ことを特徴とする付記項1に記載の光学特性可変光学素子。
(Additional Item 2) The variable optical property optical element according to
(付記項3)前記光学特性可変光学素子は、前記液晶の透過光量を可変させる絞りである
ことを特徴とする付記項1に記載の光学特性可変光学素子。
(Additional Item 3) The optical property variable optical element according to
(付記項4)前記光学特性可変光学素子は、前記液晶の透過光の透過方向を可変させるプリズムである
ことを特徴とする付記項1に記載の光学特性可変光学素子。
(Additional Item 4) The variable optical property optical element according to
(付記項5) 前記1対の部材の一方が回折部材であって、
前記光学特性可変光学素子は、前記液晶の焦点距離を可変させることで前記回折部材の回折効率を変化させる回折素子である
ことを特徴とする付記項1に記載の光学特性可変光学素子。
(Additional Item 5) One of the pair of members is a diffractive member,
The optical characteristic variable optical element according to
(付記項6) 1対の部材により形成される空間に液晶を封入し、外部からの物理的作用により前記液晶の液晶分子の配向状態を制御し、前記液晶の光学特性を変化させる光学特性可変光学素子を備えた表示装置において、
前記液晶は、前記液晶を透過する光の波長に比べて、小さい捻れピッチを持つ
ことを特徴とする表示装置。
(Additional Item 6) Liquid crystal is sealed in a space formed by a pair of members, and the alignment state of the liquid crystal molecules of the liquid crystal is controlled by a physical action from the outside, and the optical characteristic variable for changing the optical characteristic of the liquid crystal. In a display device including an optical element,
The display device, wherein the liquid crystal has a smaller twist pitch than the wavelength of light transmitted through the liquid crystal.
(付記項7) 式(28)、式(29)、式(30)、式(45)、式(46)、式(47)の少なくともひとつを満たす
ことを特徴とする付記項1乃至6のいずれか1つに記載の光学特性可変光学素子または表示装置。
(Additional Item 7) According to the
(付記項8) 前記液晶として、カイラルネマチック液晶、カイラルコレステリック液晶、カイラルスメクチック液晶、ポリマー液晶、高分子中に液晶を分散させた物、ディスコチック液晶のいずれかを用いた
ことを特徴とする付記項1乃至7のいずれか1つに記載の光学特性可変光学素子または表示装置。
(Additional Item 8) As the liquid crystal, any one of a chiral nematic liquid crystal, a chiral cholesteric liquid crystal, a chiral smectic liquid crystal, a polymer liquid crystal, a liquid crystal dispersed in a polymer, and a discotic liquid crystal is used.
(付記項9) P・n’が、用いる光の波長より短く、前記液晶がカイラルコレステリック液晶あるいはカイラルスメクチック液晶である
ことを特徴とする付記項1乃至7のいずれか1つに記載の光学特性可変光学素子または表示装置。
(Additional Item 9) The optical characteristic according to any one of
(付記項10) 式(35)または式(36)を満たす
ことを特徴とする付記項1乃至9のいずれか1つに記載の光学特性可変光学素子または表示装置。
(Additional Item 10) The optical property variable optical element or the display device according to any one of
(付記項11) 式(37)を満たす付記項6に記載の光学特性可変光学素子からなる回折光学素子。
(Additional Item 11) A diffractive optical element including the optical property variable optical element according to
(付記項12) 式(37)、式(38)、式(39)、式(40)を満たす付記項6に記載の光学特性可変光学素子からなる回折光学素子。
(Additional Item 12) A diffractive optical element including the optical characteristic variable optical element according to
(付記項13) 式(41)または式(42)を満たす付記項3または付記項7乃至10のいずれか1つに記載の光学特性可変光学素子からなる絞り。
(Additional Item 13) A stop including the optical characteristic variable optical element according to any one of
(付記項14) 式(37)を満たす付記項6乃至10のいずれか1つに記載の光学特性可変光学素子からなる絞り。
(Additional Item 14) A stop including the optical characteristic variable optical element according to any one of
(付記項15) 式(37)、式(38)、式(39)、式(40)を満たす付記項6乃至10のいずれか1つに記載の光学特性可変光学素子からなる絞り。
(Additional Item 15) A stop including the optical property variable optical element according to any one of
(付記項16) 式(43)または式(44)を満たす付記項6乃至10のいずれか1つに記載の光学特性可変光学素子からなる回折光学素子。
(Additional Item 16) A diffractive optical element including the optical property variable optical element according to any one of
(付記項17) ディスコチック液晶からなる特性可変の光学素子
(付記項18) 前記外部からの物理的作用は、電場、磁場、温度の少なくとも一つを変化させる作用である
ことを特徴とする付記項1乃至10のいずれか1つに記載の光学特性可変光学素子または表示装置。
(Additional Item 17) An optical element having variable characteristics made of a discotic liquid crystal (Appendix Item 18) The external physical action is an action of changing at least one of an electric field, a magnetic field, and a temperature.
(付記項19) 式(28)、式(29)、式(30)、式(45)、式(46)、式(47)の少なくとも1つを満たす透過光量可変な光学素子。 (Additional Item 19) An optical element capable of changing the amount of transmitted light that satisfies at least one of Expression (28), Expression (29), Expression (30), Expression (45), Expression (46), and Expression (47).
(付記項20) 式(38)または式(39)の少なくとも1つと、式(40)を満たす
付記項19に記載の透過光量可変な光学素子。
(Additional Item 20) The optical element with variable transmitted light amount according to Additional Item 19, which satisfies at least one of Expression (38) or Expression (39) and Expression (40).
(付記項21) 付記項1から20の光学素子を用いた電子撮像装置。
(Additional Item 21) An electronic imaging apparatus using the optical element according to
(付記項22) 付記項6から10の光学素子を用いた反射型表示装置。
(Additional Item 22) A reflective display device using the optical elements of
1…可変焦点レンズ
2…カイラルネマテック液晶
3…透明電極膜
4…平板ガラス
5…レンズ
6…配向膜
7…シール材
8…交流電源
9…スイッチ
21…可変抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記液晶は、少なくとも
のいずれか1つを満たすことを特徴とする光学特性可変光学素子。
ただし、
Pは液晶のねじれのピッチ、
λは入射光の波長、
Γは
であって、ne は液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率、n0 は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率、dは液晶の厚さ、
φは
である。 In an optical property variable optical element that encloses liquid crystal in a space formed by a pair of members, controls the alignment state of liquid crystal molecules of the liquid crystal by an external physical action, and changes the optical properties of the liquid crystal.
The liquid crystal is at least
An optical property variable optical element characterized by satisfying any one of the above.
However,
P is the twist pitch of the liquid crystal,
λ is the wavelength of the incident light,
Γ is
Where ne is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule long axis direction, n0 is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule short axis direction, d is the thickness of the liquid crystal,
φ is
It is.
ただし、n'は
Pは液晶のねじれのピッチである。 2. The optical characteristic variable optical element according to claim 1, wherein P · n ′ is out of a range of a wavelength of light to be used.
Where n 'is
P is the twist pitch of the liquid crystal.
前記光学特性可変光学素子は、前記液晶の焦点距離を可変させることで前記回折部材の回折効率を変化させる回折素子であることを特徴とする請求項1に記載の光学特性可変光学素子。 One of the pair of members is a diffractive member,
2. The optical property variable optical element according to claim 1, wherein the optical property variable optical element is a diffraction element that changes a diffraction efficiency of the diffraction member by changing a focal length of the liquid crystal.
前記液晶は、少なくとも
のいずれか1つを満たし、
前記光学特性可変光学素子は、前記液晶の焦点距離を可変させる可変焦点レンズであり、
以下の条件(31)を満たすことを特徴とする光学特性可変光学素子。
2μ<d<300μ (31)
ただし、
Pは液晶のねじれのピッチ、
λは入射光の波長、
Γは
であって、ne は液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率、n0 は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率、dは液晶の厚さ、
φは
である。 In an optical property variable optical element that encloses liquid crystal in a space formed by a pair of members, controls the alignment state of liquid crystal molecules of the liquid crystal by an external physical action, and changes the optical properties of the liquid crystal.
The liquid crystal is at least
Satisfy any one of
The optical characteristic variable optical element is a variable focus lens that varies a focal length of the liquid crystal,
An optical property variable optical element characterized by satisfying the following condition (31):
2μ <d <300μ (31)
However,
P is the twist pitch of the liquid crystal,
λ is the wavelength of the incident light,
Γ is
Where ne is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule long axis direction, n0 is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule short axis direction, d is the thickness of the liquid crystal,
φ is
It is.
前記液晶は、少なくとも
のいずれか1つを満たすことを特徴とする表示装置。
ただし、
Pは液晶のねじれのピッチ、
λは入射光の波長、
Γは
であって、ne は液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率、n0 は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率、dは液晶の厚さ、
φは
である。 A liquid crystal is sealed in a space formed by a pair of members, and includes an optical property variable optical element that controls the alignment state of the liquid crystal molecules of the liquid crystal by an external physical action and changes the optical properties of the liquid crystal. In the display device,
The liquid crystal is at least
A display device characterized by satisfying any one of the above.
However,
P is the twist pitch of the liquid crystal,
λ is the wavelength of the incident light,
Γ is
Where ne is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule long axis direction, n0 is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule short axis direction, d is the thickness of the liquid crystal,
φ is
It is.
ただし、n'は
である。 10. The display device according to claim 8, wherein P · n ′ is outside the wavelength range of light to be used, and the liquid crystal is a chiral cholesteric liquid crystal or a chiral smectic liquid crystal.
Where n 'is
It is.
ただし、Wはフルネルレンズ形状の輪帯の巾、θはフルネルレンズ形状の輪帯での屈折角、mは回折次数(整数)、λは入射光の波長。 The optical characteristic variable optical element according to claim 6, wherein the diffractive element satisfies the formula W · θ = m · λ.
Where W is the width of the annular zone of the full-nel lens shape, θ is the refraction angle at the annular zone of the full-nel lens shape, m is the diffraction order (integer), and λ is the wavelength of the incident light.
式 m1≠m2を満たすことを特徴とする請求項6に記載の光学特性可変光学素子。
ただし、n'は
Wはフルネルレンズ形状の輪帯の巾、θはフルネルレンズ形状の輪帯での屈折角、mは回折次数(整数)、λは入射光の波長、m1 、m2は回折次数(整数)、ng は液晶を封入する空間を形成する一対の部材の入射側の部材がレンズであって、液晶が接する該レンズの面が凹凸を有するフルネルレンズ形状としたときの該レンズの屈折率。 The diffraction element has the formula W · θ = m · λ,
The optical characteristic variable optical element according to claim 6, wherein the expression m1 ≠ m2 is satisfied.
Where n 'is
W is the width of the annular zone of the full-nel lens shape, θ is the refraction angle at the annular zone of the full-nel lens shape, m is the diffraction order (integer), λ is the wavelength of the incident light, m1 and m2 are the diffraction orders (integer) , Ng is the refractive index of the lens when the member on the incident side of the pair of members forming the space for enclosing the liquid crystal is a lens, and the surface of the lens in contact with the liquid crystal has a concave-convex shape.
を満たすことを特徴とする請求項4に記載の光学特性可変光学素子。
ただし、nはのこぎり刃形状の凹凸面を有する透明部材の屈折率。 The aperture is of the formula 0.8no <n <1.3no or
The optical property variable optical element according to claim 4, wherein:
However, n is the refractive index of the transparent member which has a saw-tooth shaped uneven surface.
を満たすことを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1つに記載の表示装置。
ただし、nはのこぎり刃形状の凹凸面を有する透明部材の屈折率。 The optical characteristic variable optical element is a stop for changing the amount of light transmitted through the liquid crystal, and the stop has the formula 0.8no <n <1.3no or
The display device according to claim 9, wherein:
However, n is the refractive index of the transparent member which has a saw-tooth shaped uneven surface.
ただしWはフルネルレンズ形状の輪帯の巾、θはフルネルレンズ形状の輪帯での屈折角、mは回折次数(整数)、λは入射光の波長。 5. The optical property variable optical element according to claim 4, wherein the optical property variable optical element is a diaphragm for varying a transmitted light amount of the liquid crystal, and the diaphragm satisfies a formula W · θ = m · λ. .
Here, W is the width of the annular zone of the full-nel lens shape, θ is the refraction angle at the annular zone of the full-nel lens shape, m is the diffraction order (integer), and λ is the wavelength of the incident light.
前記光学特性可変光学素子は、前記液晶の焦点距離を可変させることで前記回折部材の回折効率を変化させる回折素子であり、前記回折素子が、式 no<n または式 0.9n'<n<1.2n'を満たすことを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1つに記載の表示装置。
ただし、n'は
n0 は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率、nは液晶を封入する空間を形成する一対の部材が透明部材であって、出射側の透明部材の液晶が接する面がのこぎり刃形状の凹凸を有し回折光学素子を形成しているときの、該出射側の透明部材の屈折率。 One of the pair of members is a diffractive member,
The optical characteristic variable optical element is a diffractive element that changes the diffraction efficiency of the diffractive member by changing the focal length of the liquid crystal, and the diffractive element has the formula no <n or the formula 0.9n ′ <n <. The display device according to claim 9, wherein 1.2n ′ is satisfied.
Where n 'is
n0 is a refractive index with respect to polarized light in the minor axis direction of the liquid crystal molecule, n is a pair of members forming a space for enclosing the liquid crystal, and the surface of the transparent member on the emission side that touches the liquid crystal has a sawtooth-shaped unevenness. The refractive index of the transparent member on the emission side when a diffractive optical element is formed.
ただし、
Pは液晶のねじれのピッチ、
λは入射光の波長、
Γは
であって、ne は液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率、n0 は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率、dは液晶の厚さ、
φは
である。 Any one of the optical characteristic variable optical elements with variable transmission light quantity, characterized by satisfying any one of the above.
However,
P is the twist pitch of the liquid crystal,
λ is the wavelength of the incident light,
Γ is
Where ne is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule long axis direction, n0 is the refractive index for polarized light in the liquid crystal molecule short axis direction, d is the thickness of the liquid crystal,
φ is
It is.
の少なくとも1つと、式 m1≠m2を満たすことを特徴とする請求項19に記載の透過光量可変な光学特性可変光学素子。
ただし、n'は
m1 、m2は回折次数(整数)、ng は液晶を封入する空間を形成する一対の部材の入射側の部材がレンズであって、液晶が接する該レンズの面が凹凸を有するフルネルレンズ形状としたときの該レンズの屈折率。 Or
20. The variable optical property variable optical element according to claim 19, wherein at least one of the following expression is satisfied: m1 ≠ m2.
Where n 'is
m1 and m2 are diffraction orders (integers), ng is a lens on the incident side of a pair of members forming a space for enclosing liquid crystal, and the surface of the lens in contact with the liquid crystal has a rugged lens shape. The refractive index of the lens.
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