JP2006145957A - Liquid crystal optical element and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入射光に対して屈折率勾配型レンズとして利用することができる液晶光学素子に関するものであり、特に可焦点光学機構において可変焦点用の屈折率勾配型レンズとして利用することができる液晶光学素子に関するものである。 The present invention relates to a liquid crystal optical element that can be used as a gradient index lens for incident light, and in particular, a liquid crystal that can be used as a gradient index lens for variable focus in a focusable optical mechanism. The present invention relates to an optical element.
液晶への電圧の印加に応じて、焦点距離を可変することができる所謂液晶レンズへの要望が高まっている。これは、従来のデジタルカメラ等で用いられる光学式倍率可変機構では、レンズを移動させるメカニカル機構が必須であって、そのためのスペースとコストが必要であるのに対し、液晶レンズでは可動部品が必要ないため、小スペースで且つ低コストな倍率可変機構を提供することが可能であるからである。 There is a growing demand for a so-called liquid crystal lens that can change the focal length in accordance with the application of voltage to the liquid crystal. This is because a mechanical mechanism for moving the lens is essential for the optical variable magnification mechanism used in conventional digital cameras and the like, and space and cost are required for that. This is because it is possible to provide a variable magnification mechanism that is small in space and low in cost.
例えば、2枚のガラス基板間に液晶を配置し、一方のガラス基板をレンズ状にくり貫き、液晶に電圧を印加することによって液晶の実効屈折率を変化させ、ガラスと液晶の屈折率差を利用して焦点距離を変化させた液晶レンズが知られている(例えば、特許文献1参照)。このようなガラスをレンズ状にくり貫いた液晶レンズでは、理想的な屈折率分布を持つ様にすることができる。 For example, a liquid crystal is arranged between two glass substrates, one glass substrate is punched into a lens shape, and a voltage is applied to the liquid crystal to change the effective refractive index of the liquid crystal. A liquid crystal lens in which the focal length is changed by use is known (for example, see Patent Document 1). A liquid crystal lens in which such glass is cut into a lens shape can have an ideal refractive index distribution.
しかしながら、ガラス基板をレンズ状にくり貫くのには手間とコストがかかり、安価で収差の少ない高性能な焦点距離を可変することができる液晶レンズを提供することはできなかった。 However, it takes time and labor to cut a glass substrate into a lens shape, and it has not been possible to provide a liquid crystal lens that is inexpensive and can change a high-performance focal length with little aberration.
また、自動焦点整合用レンズ装置に、焦点距離可変の液晶レンズを用いて、焦点距離を微小変化させることが知られている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, it is known that the focal length is minutely changed using a liquid crystal lens having a variable focal length in the automatic focusing lens device (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、焦点距離可変の液晶レンズの具体的構成は示されず、また、焦点距離可変の液晶レンズは焦点距離を微小変化させるにとどまり、他に焦点距離を可変するためのフォーカシングレンズ及びその移動機構を有していた。 However, the specific configuration of the liquid crystal lens with variable focal length is not shown, and the liquid crystal lens with variable focal length only changes the focal length minutely. In addition, a focusing lens for changing the focal length and its moving mechanism are provided. Had.
さらに、2枚の透明基板間に、同心円状に複数形成された電極パターン及び対向電極を介して液晶を配置し、電極パターンに電圧を印加することによって、液晶によるフレネルゾーンプレートを形成し、フレネルゾーンプレートのパターンを可変することによって空間周波数変調を行って、焦点距離を変化させた液晶パネルが知られている(例えば、特許文献3参照)。 Further, a liquid crystal is disposed between two transparent substrates via a plurality of concentric electrode patterns and counter electrodes, and a voltage is applied to the electrode pattern to form a Fresnel zone plate made of liquid crystal. A liquid crystal panel is known in which the focal length is changed by performing spatial frequency modulation by changing the pattern of the zone plate (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、焦点距離を可変するためには、電極パターン自体を変更しなければならず、電極パターン自体を状況に応じて変化させる特別の技術が必要であった。すなわち、特許文献3に記載される液晶パネルは、固定された電極パターンを用いて可変焦点用屈折率勾配型レンズとして働く液晶光学素子を構成するものではなかった。
However, in order to change the focal length, the electrode pattern itself must be changed, and a special technique for changing the electrode pattern itself depending on the situation is required. That is, the liquid crystal panel described in
さらに、2枚の透明基板間に、等間隔ピッチで同心円状に複数形成された電極及び対向電極を介して液晶を配置し、各電極間に抵抗を配置して、抵抗分割駆動によって各電極に所定の電圧を印加することによって、電極と対向電極間の液晶の実効屈折率を変化させて、焦点距離を可変する液晶を用いた合焦点機構が知られている(例えば、特許文献4参照)。 Further, a liquid crystal is arranged between two transparent substrates via a plurality of concentric electrodes and counter electrodes formed at equal intervals, a resistor is arranged between each electrode, and each electrode is applied by resistance division driving. A focusing mechanism using liquid crystal that changes the effective refractive index of the liquid crystal between the electrode and the counter electrode by applying a predetermined voltage to change the focal length is known (for example, see Patent Document 4). .
図13(a)に、特許文献4に記載されるような電極12を示す。電極パターン12は、同心円状に等間隔ピッチで配置された4つの電極12−1〜12−4を有している。図13(b)に、抵抗分割駆動方式によって、電極パターン12の各電極に印加される等電位差の電位V1〜V4を示す。
図14(a)に図13(b)に示した印加電圧を示す。図14(b)に図14(a)に示すような電位を印加した場合に各電極に応じて発生する実効屈折率n1〜n4を示す。図14(b)に示す様に、電極パターン12の各電極12−1〜12−4に、抵抗分割駆動により形成等される等電位差の電位V1〜V4を印加すれば、それに対応した等ステップで段階的に変化する実効屈折率n1〜n4が発生する。しかしながら、特許文献4の図13に示されるような、理想的な屈折率分布(図14(b)の1400参照)を得るためには、各同心電極12−1〜12−4が発生する実効屈折率n1〜n4を図14(b)に示すように、それぞれ独自に微調整しなければならない。
FIG. 13A shows an
FIG. 14A shows the applied voltage shown in FIG. FIG. 14B shows effective refractive indexes n1 to n4 generated according to the respective electrodes when a potential as shown in FIG. 14A is applied. As shown in FIG. 14B, if potentials V1 to V4 of an equipotential difference formed by resistance division driving are applied to the electrodes 12-1 to 12-4 of the
このように、等間隔ピッチに配置された同心円状の電極パターン12では、設計通りに屈折率の勾配を形成するためには、抵抗分割の設定、印加する電圧の微調整等をすることが非常に難しく、さらに、抵抗分割駆動では、各電極に印加する電圧を微妙に調整することはできなかっので、理想的な屈折率分布を有する液晶レンズを形成することが出来なかった。
As described above, in the
そこで、本発明は、上記問題点を解消することを可能とする液晶光学素子を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a liquid crystal optical element that can solve the above-mentioned problems.
また、本発明は、安価で且つ理想的な屈折率分布を有する、高性能な屈折率勾配型レンズとして働く液晶光学素子を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a liquid crystal optical element that functions as a high-performance gradient index lens that is inexpensive and has an ideal refractive index distribution.
さらに、本発明は、可動部品を有しなくても焦点を可変することが可能な用屈折率勾配型レンズとして働く液晶光学素子を提供することを目的とする。 A further object of the present invention is to provide a liquid crystal optical element that functions as a refractive index gradient lens capable of changing the focal point without having a movable part.
上記課題を解決するために、本発明に係る液晶光学素子は、第1の平面基板と、第2の平面基板と、第1及び第2の平面基板間に挟持された液晶と、第1又は第2の平面基板の一方に形成され且つ入射光に対する実効屈折率をそれぞれ異なった度合いに変化させるための複数の領域を有する電極パターンと、第1又は第2の平面基板の他方に形成され、電極パターンとの間に電圧を印加するための対向電極とを有し、複数の領域は同心円状に各々間隔を空けて配置され且つ複数の領域間の間隔の中心のピッチは不等間隔に形成されている、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a liquid crystal optical element according to the present invention includes a first planar substrate, a second planar substrate, a liquid crystal sandwiched between the first and second planar substrates, An electrode pattern formed on one of the second planar substrates and having a plurality of regions for changing the effective refractive index for incident light to different degrees, and formed on the other of the first or second planar substrate; And a counter electrode for applying a voltage between the electrode pattern, the plurality of regions are arranged concentrically at intervals, and the center pitches of the intervals between the plurality of regions are formed at unequal intervals. It is characterized by being.
また、本発明に係る液晶光学素子は、結像作用を有する焦点距離可変用の屈折率勾配型レンズとして適用されることが好ましい。 Further, the liquid crystal optical element according to the present invention is preferably applied as a refractive index gradient type lens having an image forming function and having a variable focal length.
また、本発明に係る液晶光学素子では、間隔の中心のピッチが不等間隔に形成されている複数の領域が、複数の領域の一部であることが好ましい。 In the liquid crystal optical element according to the present invention, it is preferable that the plurality of regions in which the pitches of the center of the interval are formed at unequal intervals are a part of the plurality of regions.
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、液晶光学素子の開口の中心部分にのみ、間隔の中心のピッチが不等間隔に形成されている複数の領域を有することが好ましい。 Furthermore, in the liquid crystal optical element according to the present invention, it is preferable that only a central portion of the opening of the liquid crystal optical element has a plurality of regions where the pitches of the center of the interval are formed at unequal intervals.
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、液晶光学素子の周辺部に配置された領域に対してのみ実効屈折率を変化させないように選択的に電圧を印加する選択的電圧印加手段を、さらに有することが好ましい。 Further, the liquid crystal optical element according to the present invention further includes a selective voltage applying means for selectively applying a voltage so as not to change the effective refractive index only to the region disposed in the peripheral part of the liquid crystal optical element. It is preferable.
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域間に各々接続され、抵抗分割された電圧を複数の領域の各々に印加するための抵抗を、さらに有することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the liquid crystal optical element according to the present invention further includes a resistor connected between each of the plurality of regions and for applying a resistance-divided voltage to each of the plurality of regions.
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域間に各々異なった電圧値を印加するための電圧印加手段を、さらに有することが好ましい。 Furthermore, the liquid crystal optical element according to the present invention preferably further includes voltage applying means for applying different voltage values between the plurality of regions.
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域が変化させる実効屈折率の変化量はほぼ一定になるように設定されている、ことが好ましい。 Furthermore, in the liquid crystal optical element according to the present invention, it is preferable that the change amount of the effective refractive index changed by the plurality of regions is set to be substantially constant.
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域のそれぞれの電位差はほぼ一定になるように設定されている、ことが好ましい。 Furthermore, in the liquid crystal optical element according to the present invention, it is preferable that the potential difference of each of the plurality of regions is set to be substantially constant.
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域が変化させる実効屈折率の変化量はほぼ一定になるように設定されており且つ前記複数の領域のそれぞれの電位差はほぼ一定になるように設定されている、ことが好ましい。 Further, in the liquid crystal optical element according to the present invention, the amount of change in the effective refractive index that is changed by the plurality of regions is set to be substantially constant, and the potential difference of each of the plurality of regions is substantially constant. It is preferable that it is set.
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域の間隔の中心ピッチは、瞳座標に対する実効屈折率値を示す所望の可変焦点用屈折率勾配型レンズ特性を決定し、レンズ特性が有する最大実効屈折率を前記複数の領域の個数で分割し、分割された屈折率とレンズ特性とが交わる交点の瞳座標決定し、各交点の瞳座標が前記複数の領域の間隔の中心ピッチとなるように設定されている、ことが好ましい。 Further, in the liquid crystal optical element according to the present invention, the center pitch of the interval between the plurality of regions determines the desired variable-gradient refractive index gradient lens characteristic indicating the effective refractive index value with respect to the pupil coordinates, and the maximum lens characteristic has The effective refractive index is divided by the number of the plurality of regions, the pupil coordinates of the intersection where the divided refractive index and the lens characteristic intersect are determined, and the pupil coordinates of each intersection become the central pitch of the intervals of the plurality of regions. Is preferably set.
また、上記課題を解決するために、本発明に係る液晶光学素子の製造方法では、液晶光学素子は、第1の平面基板と、第2の平面基板と、第1及び第2の平面基板間に挟持された液晶と、第1又は第2の平面基板の一方に形成され且つ入射光に対する実効屈折率をそれぞれ異なった度合いに変化させるための複数の領域を有する電極パターンと、第1又は第2の平面基板の他方に形成され且つ電極パターンとの間に電圧を印加するための対向電極とを有し、複数の領域は同心円状に各々間隔を空けて配置され且つ複数の領域間の間隔の中心のピッチは不等間隔に形成されており、製造方法は、瞳座標に対する実効屈折率値を示す所望の可変焦点用屈折率勾配型レンズ特性を決定し、レンズ特性が有する最大実効屈折率を複数の領域の個数で分割し、分割された実効屈折率とレンズ特性とが交わる交点の瞳座標を決定し、各交点の瞳座標が複数の領域の間隔の中心ピッチとなるように設定する、工程を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, in the method for manufacturing a liquid crystal optical element according to the present invention, the liquid crystal optical element includes a first planar substrate, a second planar substrate, and a first planar substrate and a second planar substrate. A liquid crystal sandwiched between the electrodes, an electrode pattern formed on one of the first or second planar substrate and having a plurality of regions for changing the effective refractive index for incident light to different degrees, and the first or first And a counter electrode for applying a voltage to the electrode pattern, the plurality of regions being arranged concentrically at intervals, and the spacing between the plurality of regions The pitch of the center of the lens is formed at unequal intervals, and the manufacturing method determines the desired refractive index gradient type lens characteristic for variable focus indicating the effective refractive index value with respect to the pupil coordinates, and the maximum effective refractive index of the lens characteristic. Is divided by the number of areas. And determining the pupil coordinates of the intersection points where the divided effective refractive index and the lens characteristics intersect, and setting the pupil coordinates of each intersection point to be the center pitch of the interval between the plurality of regions. To do.
本発明によれば、構造が簡単で、かつ必要とする屈折率分布を容易に得ることができる高性能な屈折率勾配型レンズとして利用することができる液晶光学素子を提供することが可能となった。 According to the present invention, it is possible to provide a liquid crystal optical element that has a simple structure and can be used as a high-performance gradient index lens that can easily obtain a necessary refractive index distribution. It was.
また、本発明に係る液晶光学素子を利用すれば、可動部品のない焦点距離可変光学機構を構成することが可能となる。本発明に係る液晶光学素子を利用した焦点距離可変光学機構では、可動部品が無いことから、低コスト及び/又は省スペースで焦点距離可変光学機構を製造することが可能となった。 In addition, if the liquid crystal optical element according to the present invention is used, a variable focal length optical mechanism having no movable parts can be configured. Since the variable focal length optical mechanism using the liquid crystal optical element according to the present invention has no moving parts, it is possible to manufacture the variable focal length optical mechanism at low cost and / or space saving.
さらに、従来の中空型液晶レンズ(例えば、特許文献1参照)において実現可能であった理想的な屈折率分布は、従来の平行に配置した平面基板型の液晶素子(例えば、特許文献4参照)では実現することができず、設計値からかけ離れた特性しか得ることが出来なかった。これに対して、本発明では、平行に配置した平面基板を用いながら、理想的な屈折率分布を有する屈折率勾配型レンズとして機能する液晶光学素子を実現することが可能となった。 Further, an ideal refractive index distribution that can be realized in a conventional hollow liquid crystal lens (for example, see Patent Document 1) is a conventional flat substrate type liquid crystal element arranged in parallel (for example, see Patent Document 4). However, it could not be realized, and only characteristics far from the design value could be obtained. In contrast, according to the present invention, it is possible to realize a liquid crystal optical element that functions as a gradient index lens having an ideal refractive index distribution while using a planar substrate arranged in parallel.
以下図面を参照して、本発明に係る液晶光学素子及び光学装置について説明する。 A liquid crystal optical element and an optical device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に、本発明に係る液晶光学素子100の断面図を示す。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a liquid crystal
図中の矢印Aの示す方向は、光が液晶光学素子100に入射する方向を示している。図1において、入射側の透明基板101には、屈折率補正用の透明電極パターン200を有する透明電極107及び配向膜102が形成されている。また、反対側の透明基板105には、透明性対向電極108及び配向膜104が形成されている。液晶106は、2枚の透明基板101及び105と、シール部材103との間に、20μmの厚さで封入されている。図1に示される各要素は、説明の便宜上、誇張して図示されており、実際の厚さの比と異なる。
A direction indicated by an arrow A in the drawing indicates a direction in which light enters the liquid crystal
2枚の透明基板101及び105はガラス材で構成され、シール部材103は樹脂から構成されている。本実施形態では、2枚の透明基板101及び105間に挟持される液晶106はホモジニアス型の液晶が用いられるが、垂直配向型の液晶を利用することも可能である。
The two
図2に、図1に示された液晶光学素子100における屈折率補正用の透明電極パターン200の一例を示す。
FIG. 2 shows an example of a
電極パターン200は、図2に示すように、有効径10の範囲内に同心円状の輪体201〜215を有しており、それぞれを絶縁のために微小な間隔を空けて配置した。また、輪体201と輪体215との間には電源20から所定のAC電圧を印加し、輪体201と202との間には抵抗R1を、輪体202と203との間には抵抗R2を、輪体214と215との間には抵抗R14をという様に全ての輪体間に抵抗R1〜R14を配置した。また、抵抗R1〜R14は全て同一の抵抗値とした。
As shown in FIG. 2, the
図3に、各輪体201〜215と、印加される電圧との関係を示す。 In FIG. 3, the relationship between each ring body 201-215 and the applied voltage is shown.
図3(a)は、透明基板101上の透明電極パターン200の断面の一部分を拡大したものである。輪体間の微小な間隔は全て3μmに設定した(なお、便宜上、拡大して示している)。また、図2に示したように各輪体は、抵抗R1〜R14によって相互に接続され、電源20よりAC電圧が印加されている。
FIG. 3A is an enlarged view of a part of the cross section of the
図3(b)は、基準電圧(輪体215に印加される電圧、ここでは0[V]とする)に対する各輪体201〜215の実効電圧を示している。なお、液晶光学素子に用いる液晶は一般に印加電圧に対し実効値応答を示す。また直流電圧成分を長時間この液晶に加えると、液晶の焼きつきや分解等の不都合を生ずる。従って液晶光学素子の各透明電極には直流電圧成分を印加しないように交流電圧を印加して液晶を駆動する。また、液晶光学素子に対する基準電圧0[V]は正確には液晶層に印加される電圧であり、その電圧を任意に設定することができる。一般的には印加電圧が0[V]の状態を基準とする事が多いが、他の電圧値(例えば3[V])の時を基準電圧とすることも可能である。
FIG. 3B shows the effective voltage of each of the
図4を用いて、透明電極パターン200の設計方法について説明する。
A method for designing the
最初に、液晶光学素子100が有することが期待されるレンズ特性を決定する。図4における曲線401は、液晶光学素子100が有することが期待されるレンズ特性の一例であり、実効屈折率(N)と瞳座標上の位置(X)との関係を示すものであって、以下の式(1)によって表される。
First, the lens characteristics that the liquid crystal
N=N01−a1X2 (1)
また、この場合、a1は以下の式(2)で表すことができる。
a1=1/(2・f・d) (2)
ここで、Nは瞳座標Xにおける実効屈折率、N01は基準実効屈折率、fは屈折率分布型レンズの焦点距離、dは液晶106の厚さを示す。
N = N 01 -a 1 X 2 (1)
In this case, a 1 can be expressed by the following formula (2).
a 1 = 1 / (2 · f · d) (2)
Here, N is the effective refractive index at the pupil coordinate X, N 01 is the reference effective refractive index, f is the focal length of the gradient index lens, and d is the thickness of the
液晶光学素子100の液晶106の厚さは20μm、N01(基準実効屈折率)は1.74、液晶光学素子100の有効径(Xmax)は1.22mm、Nの最小値であるN(Xmax)が1.5であるので、上記式(1)及び(2)より、fは155mmとなる。
なお、式(1)は球面レンズを想定した場合であって、非球面レンズを想定した場合には、液晶光学素子100が有することが期待されるレンズ特性を以下の式(2)のように表しても良い。
The thickness of the
In addition, Formula (1) is a case where a spherical lens is assumed, and when an aspherical lens is assumed, the lens characteristics which the liquid crystal
N=N02−a2X2−(b2X4−c2X6+d2X8+・・・) (2)
ここで、N02は基準実効屈折率を示し、a2〜d2はそれぞれ所定の定数である。
N = N 02 -a 2 X 2 - (b 2 X 4 -c 2
Here, N 02 indicates a reference effective refractive index, and a 2 to d 2 are predetermined constants.
次に、輪体の数を決定し、レンズ特性(曲線401)が有する最大実効屈折率N01を透明電極パターン200を構成する輪体の数(本実施形態では15)で等分に分割する。
Next, the number of rings is determined, and the maximum effective refractive index N 01 possessed by the lens characteristics (curve 401) is divided equally by the number of rings (15 in this embodiment) constituting the
次に、15等分した実効屈折率値(N1〜N15)と曲線401との交点をP1〜P15とする。
Next, intersections between the effective refractive index values (N 1 to N 15 ) divided into 15 and the
次に、交点P1〜P15に対応するそれぞれの瞳座標をX1〜X15を求める。 Next, X 1 to X 15 are obtained for the respective pupil coordinates corresponding to the intersection points P 1 to P 15 .
次に、輪体間隔を全て3μmと設定し、瞳座標X1〜X15が各輪体のギャップ中心半径となるように、輪体201〜215を設定する。
Next, all the intervals between the ring bodies are set to 3 μm, and the
図5に、各輪体とギャップ中心半径との関係を示す。 FIG. 5 shows the relationship between each ring body and the gap center radius.
図5には、輪体204に関する輪体幅501(mm)、内側半径502(mm)、外側半径503(mm)、ギャップ中心半径504(mm)及びギャップ幅505(mm)が示されている。全ての輪体間のギャップ幅505は0.003mm(3μm)と設定されているので、図4から得られたギャップ中心半径504(mm)を用いて、各輪体について、輪体幅501(mm)、内側半径502(mm)、外側半径503(mm)を求めて、各輪体を設計した。
FIG. 5 shows a ring body width 501 (mm), an inner radius 502 (mm), an outer radius 503 (mm), a gap center radius 504 (mm), and a gap width 505 (mm) with respect to the
図6に、本実施形態における透明電極パターン200における各輪体の設計値の一例、即ち、輪体幅501(mm)、内側半径502(mm)、外側半径503(mm)、ギャップ中心半径504(mm)及びギャップ幅505(mm)を示す。
FIG. 6 shows an example of design values of each ring body in the
本実施形態では、最外郭の輪体215の外側には輪体が存在しないことから、輪体215についての中心ギャップ半径中心を、液晶光学素子100を利用する光学系の有効径10(半径1.22mm)に合わせるようにして輪体201〜215を設計し、それに合わせて透明電極パターン200を作成した。
In the present embodiment, since there is no ring body outside the
図7に、本実施形態で利用する液晶106における、印加電圧と実効屈折率との関係701を示す。
FIG. 7 shows a
図7に示すように、ホモジニアス型液晶106を用い、液晶106に入射する直線偏光と液晶106の配向方向とを一致させた場合、印加電圧が上がるに従って、実効屈折率が徐々に減少する非線形な特性を有している。しかしながら、印加電圧範囲V1〜V2間の様に、ほぼ線形に変化する領域が存在するので、この領域を実効屈折率を制御する領域として利用することが好ましい。
As shown in FIG. 7, when a homogeneous
本実施形態では、透明電極パターン200に対して、V1を1.4[V](基準電圧)として輪体201に印加し、V2を2.7[V]として輪体215に印加するように構成した。また、透明性対向電極108には、1.4[V](基準電圧)を印加した。
In the present embodiment, with respect to the
図8に、このようにして、透明電極パターン200の各輪体に印加された印加電圧例を示す。図8に示すように、各輪体間は同じ抵抗値を有する抵抗R1〜R14で接続されているため、輪体215に印加される電圧V2が15等分されて(抵抗分割されて)、各輪体に印加されることとなる。
FIG. 8 shows an example of the applied voltage applied to each ring body of the
図7に示すように、液晶106は、印加電圧と反比例した実効屈折率を表すので、図8に示すような電圧が各輪体201〜215に印加されることによって、液晶光学素子100は、図4の402に示すような屈折率分布を有することとなる。即ち、液晶光学素子100は、透明電極パターン200に図8に示すような電圧が印加されることによって、最初に決定されたレンズ特性401とほぼ近似した屈折率分布402を有する屈折率勾配型レンズとして機能する。
As shown in FIG. 7, the
前述したように、液晶光学素子100が有する屈折率分布402は、中央部の屈折率が高く、周囲の屈折率が低いので、液晶光学素子100は凸レンズとして働く。また、図8に示す電圧を各輪体210〜215に印加して図4に示す屈折率分布402を有する場合、液晶光学素子100は焦点距離約155mmの屈折率勾配型レンズとして機能する。
As described above, since the refractive index distribution 402 of the liquid crystal
また、印加電圧を可変して、図4の402のほぼ半分の最大実効屈折率を有する403に示すような屈折率分布を有する場合、液晶光学素子100は、屈折率分布402を有する場合の約2倍、すなわち焦点距離約310mmの屈折率勾配型レンズとして機能する。
In addition, when the applied voltage is varied to have a refractive index distribution as indicated by 403 having a maximum effective refractive index that is approximately half that of 402 in FIG. 4, the liquid crystal
さらに、印加電圧を可変して、図4の404に示すようなほぼ平坦な屈折率分布を有する場合、液晶光学素子100は、無限大の焦点距離、すなわち素通しのガラス板と同様に機能する。この場合、全ての輪体201〜215に、基準電圧を印加するようにすればよい。なお、凹レンズとして機能させるためには、図8に示した電圧プロファイルを逆にして各電極に電圧を印加すればよいので、ここでのこれ以上の説明は省略する。
このように、輪体201〜215に印加する電圧を可変することによって、液晶光学素子100の焦点距離を所定範囲内で可変させることが可能となる。例えば、液晶光学素子100を、凸レンズ又は凹レンズとして働く屈折率勾配型レンズ又は素通しのガラス板として切換えて機能させることも可能となった。
Further, when the applied voltage is varied to have a substantially flat refractive index distribution as indicated by 404 in FIG. 4, the liquid crystal
As described above, by changing the voltage applied to the
上記の透明電極パターン200の設計では、曲線401の最大実効屈折率N01を透明電極パターン200を構成する輪体の数(本実施形態では15)で等分に分割しているので、各輪体のギャップ中心が不等間隔となっているので、透明電極パターン200の各輪体への印加電圧を同じステップずつ変化するように設定でき、抵抗分割の方式によって容易に各輪体に対して所定の電圧を印加することが可能となった。即ち、各輪体のギャップ中心が不等間隔と設定されていることから、液晶光学素子は、最初に決定されたレンズ特性401とほぼ近似した屈折率分布を有する屈折率勾配型レンズとして機能できる。
In the design of the
図9に、本発明に係る液晶光学素子100を用いた光学装置1の一例を示す。光学装置1は、デジタルカメラ等の光学装置であって、液晶光学素子100、単焦点レンズ2、CCD撮像素子3、及びAC電源20を含む電圧制御部4等から構成される。
FIG. 9 shows an example of an
図9(a)は、無限遠にピントを合わせた場合であって、液晶光学素子100の透明電極パターン200に基準電圧を印加したので、液晶光学素子100はパワーを有せず、光学装置1に入射した有効径10を有する入射光は、単焦点レンズ2のみによって、CCD撮像素子3上に集光される。
FIG. 9A shows the case where the focus is set to infinity, and since the reference voltage is applied to the
図9(b)は、近距離にピントを合わせた場合であって、液晶光学素子100の透明電極パターン200に例えば図8に示す801のような電圧を印加したことにより、液晶光学素子100は、図4の402に示すような屈折率分布402を有する凸レンズとして機能する。したがって、光学装置1に入射した入射光は、図中6に示すように、液晶光学素子100及び単焦点レンズ2によって、単焦点レンズ2のみ焦点距離(図中の7参照)とは異なった焦点距離で、CCD撮像素子3上に集光される。
FIG. 9B shows a case where the focus is adjusted to a short distance. By applying a voltage such as 801 shown in FIG. 8 to the
また、所定の自動焦点調整回路からの信号に応じて、液晶光学素子100の透明電極パターン200に印加される電圧値を可変すれば、可動部品を用いずに、オートフォーカス光学系を容易に構成することが可能である。このような可動部品を用いずに、焦点距離を切替え可能な光学系又はオートフォーカス光学系を、デジタルカメラや携帯電話に利用すれば、省スペース且つ低コスト化を図れるという大きな利点を有する。
Further, if the voltage value applied to the
図10に、本発明に係る液晶光学素子100に適用可能な他の電圧印加方法の一例を示す。
FIG. 10 shows an example of another voltage application method applicable to the liquid crystal
図2及び図3では、各輪体201〜215間にそれぞれほぼ同じ抵抗値を有する抵抗を配置し、抵抗分割方式によって電圧を印加するように構成した。これに対して、図10では、駆動IC回路21を配置して、各輪体201〜215にそれぞれ設定された電圧値を印加できるようにしたものである。したがって、図10に示す駆動IC回路21を用いれば、各輪体201〜215間を抵抗R1〜R14でそれぞれ接続する必要はない。また、各輪体201〜215のそれぞれに、予め設定された電圧、例えば図8に示すV1〜V15を印加することができれば、駆動IC回路21はどのような構成であってもよく、公知の回路技術によって容易に構成することが可能である。さらに、駆動IC回路21を利用する場合、各輪体201〜215に印加する電圧の設定値は全て外部からの信号によって制御されるようにしても良く、また駆動IC回路21に記憶部を設け、予め記憶部に記憶されるようにしても良い。
2 and 3, resistors having substantially the same resistance value are arranged between the
図11に、本発明に係る液晶光学素子100に適用可能な他の透明電極パターンの設定例を示す。
FIG. 11 shows a setting example of another transparent electrode pattern applicable to the liquid crystal
図11では、液晶光学素子100が有する他の屈折率分布1100が示されている。分布1100と図4に示す屈折率分布402との差異は、(1)分布1100では分布402の中央部分Aをさらに細分化した点、(2)分布1100では分布402の周辺部分B及びCを省略した点である。
FIG. 11 shows another
中央部分Aでは、交点P1とY軸との中間と実効屈折率N01との交点P0を設け、それに応じて、中央部の輪体201を201−1及び201−2に分割して形成した。これは、中央部分Aの輪体201が他に比べて大きく形成され液晶光学素子100が有する屈折率分布402の中央部分がなだらかに形成されないことから、より液晶光学素子100が有する屈折率分布を理想とするレンズ特性401に近づけようとしたものである。
In the central part A, an intersection point P 0 between the
また、周辺部分B及びCでは、レンズ特性401における交点P11〜P15を全て実効屈折率N15となるように1つの輪体220を形成した。なお、交点P11〜P16を全てN15に代えてN13となるように1つの輪体220としても構わない。これは、屈折率分布の周辺部分は、レンズ特性に大きく影響しない事、周辺部分に対応した輪体の幅は非常に小さくなり、形成が困難である事等の理由による。図11の周辺部分B及びCのように、輪体211〜215を形成せず、1つの輪体220に置きかえても、液晶光学素子100が有するレンズ特性特に焦点距離を変化させる機能には大きな影響はない。
Further, in the peripheral portions B and C, one
さらに、図示してはいないが、屈折率分布の周辺部分では、図4に示すような周辺部分に対応した輪体ではなく、幅の等しい輪体を形成するようにしても良い。例えば、図4に示す輪体211〜215の代わりに、輪体211〜215の平均幅を有する輪体を5本設けるようにしても良い。前述したように、このように形成しても、液晶光学素子100が有するレンズ特性、特に焦点距離を変化させる機能には大きな影響はない。
Further, although not shown, a ring body having the same width may be formed in the peripheral portion of the refractive index distribution instead of the ring body corresponding to the peripheral portion as shown in FIG. For example, instead of the
このように、液晶光学素子100の透明電極パターン200における全ての輪体201〜215を、それらの間隔の中心のピッチが不等間隔に形成する必要は必ずしもなく、、レンズ特性に大きな影響を与えない部分では、不等間隔に形成しないても良い場合がある。
As described above, it is not always necessary to form all the
図12に、液晶光学素子100が有する他の屈折率分布1200の例を示す。
FIG. 12 shows an example of another
図12の例では、図4に示す輪体と同じ輪体201〜215を用いて、液晶光学素子100が、異なった屈折率分布を有する例を示している。ここでは、最大実効屈折率N01を10等分するようにして、輪体201〜210のみを用いて分布1200を有するように構成した。これによって、同じ輪体201〜215を有していながら、図4に示す屈折率分布402とは異なった分布1200を有することとなった。分布1200によって近似されるレンズ特性1201は、図4に示すレンズ特性401の曲線より急なカーブを描くことから、分布1200を有する場合、液晶光学素子100は、分布402を有するときより、より焦点距離を短くすることが可能となる。
このように、輪体のパターンを変更することなく、液晶光学素子100が有する屈折率分布を変更することによって、液晶光学素子100の焦点距離を変更することも可能である。
The example of FIG. 12 shows an example in which the liquid crystal
In this way, it is possible to change the focal length of the liquid crystal
100 液晶光学素子
101、105 透明基板
106 液晶
107 透明電極
108 透明性対向電極
200 透明電極パターン
201〜215 輪体
DESCRIPTION OF
Claims (11)
第1の平面基板と、
第2の平面基板と、
前記第1及び第2の平面基板間に挟持された液晶と、
前記第1又は第2の平面基板の一方に形成され、前記入射光に対する実効屈折率をそれぞれ異なった度合いに変化させるための複数の領域を有する電極パターンと、
前記第1又は第2の平面基板の他方に形成され、前記電極パターンとの間に電圧を印加するための対向電極とを有し、
前記複数の領域は同心円状に各々間隔を空けて配置され、前記複数の領域間の間隔の中心のピッチは不等間隔に形成されている、
ことを特徴とする液晶光学素子。 In a liquid crystal optical element that functions as a gradient index lens for variable focus with respect to incident light,
A first planar substrate;
A second planar substrate;
Liquid crystal sandwiched between the first and second planar substrates;
An electrode pattern formed on one of the first or second planar substrate and having a plurality of regions for changing the effective refractive index with respect to the incident light to different degrees;
A counter electrode formed on the other of the first or second planar substrate and for applying a voltage to the electrode pattern;
The plurality of regions are arranged concentrically at intervals, and the center pitches of the intervals between the regions are formed at unequal intervals.
A liquid crystal optical element characterized by the above.
瞳座標に対する実効屈折率値を示す所望の可変焦点用屈折率勾配型レンズ特性を決定し、
前記レンズ特性が有する最大実効屈折率を前記複数の領域の個数で分割し、
分割された実効屈折率と前記レンズ特性とが交わる交点の瞳座標を決定し、
前記各交点の瞳座標が前記複数の領域の間隔の中心ピッチとなるように設定されている、請求項1〜9の何れか一項に記載の液晶光学素子。 The central pitch of the interval between the plurality of regions is
Determine the desired variable gradient refractive index gradient lens characteristic showing the effective refractive index value for the pupil coordinates,
Dividing the maximum effective refractive index of the lens characteristics by the number of the plurality of regions,
Determine the pupil coordinates of the intersection where the divided effective refractive index and the lens characteristic intersect,
10. The liquid crystal optical element according to claim 1, wherein the pupil coordinates of each intersection point are set to be a center pitch of an interval between the plurality of regions.
瞳座標に対する屈折率値を示す所望の可変焦点用屈折率勾配型レンズ特性を決定し、
前記レンズ特性が有する最大実効屈折率を前記複数の領域の個数で分割し、
分割された屈折率と前記レンズ特性とが交わる交点の瞳座標を決定し、
前記各交点の瞳座標が前記複数の領域の間隔の中心ピッチとなるように設定する、
工程を有することを特徴とする製造方法。 A method of manufacturing a liquid crystal optical element that acts as a variable-focus gradient index lens for incident light, the liquid crystal optical element comprising: a first planar substrate; a second planar substrate; and the first and first planar substrates. A liquid crystal sandwiched between two planar substrates, and an electrode formed on one of the first or second planar substrates and having a plurality of regions for changing the effective refractive index with respect to the incident light to different degrees. A pattern and a counter electrode formed on the other of the first or second planar substrate and for applying a voltage between the electrode pattern, and the plurality of regions are concentrically spaced from each other. And the pitches of the centers of the intervals between the plurality of regions are formed at unequal intervals, and the manufacturing method includes:
Determine the desired variable focus gradient index lens characteristic showing the refractive index value relative to the pupil coordinates,
Dividing the maximum effective refractive index of the lens characteristics by the number of the plurality of regions,
Determine the pupil coordinates of the intersection where the divided refractive index and the lens characteristic intersect,
The pupil coordinates of each intersection point are set to be the center pitch of the interval between the plurality of regions.
The manufacturing method characterized by having a process.
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