JP2006145957A - Liquid crystal optical element and method for manufacturing the same - Google Patents

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信幸 橋本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid crystal optical element which is low-cost, and further has an ideal refractive index distribution, and functions as a high performance refractive index gradient lens. <P>SOLUTION: The variable focal length liquid crystal optical element (100) has: a first flat substrate (101); a second flat substrate (105); a liquid crystal (106) interposed between the first and the second flat substrates; an electrode pattern (200) formed on one out of the first and the second flat substrates and further having a plurality of regions (201-215) to vary effective refractive indexes for incident light in respectively different degrees; and a counter electrode (108) formed on the other out of the first and the second flat substrates to apply a voltage between the electrode pattern and it, and is characterized by having the plurality of regions concentrically disposed with distances respectively, and further the pitches of centers of the distances between the plurality of regions are uneven. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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 Patent Document 3 does not constitute a liquid crystal optical element that functions as a variable focus gradient index lens using a fixed electrode pattern.

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 electrode 12 as described in Patent Document 4. FIG. The electrode pattern 12 has four electrodes 12-1 to 12-4 arranged concentrically at equal intervals. FIG. 13B shows equipotential potentials V1 to V4 applied to the electrodes of the electrode pattern 12 by the resistance division driving method.
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 electrode pattern 12, an equivalent step corresponding thereto. The effective refractive indexes n1 to n4 that change stepwise are generated. However, in order to obtain an ideal refractive index distribution (see 1400 in FIG. 14B) as shown in FIG. 13 of Patent Document 4, the effect that each concentric electrode 12-1 to 12-4 is generated is effective. The refractive indexes n1 to n4 must be finely adjusted independently as shown in FIG.

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 concentric electrode patterns 12 arranged at equal pitches, it is extremely necessary to set the resistance division and finely adjust the applied voltage in order to form the gradient of the refractive index as designed. In addition, in the resistance division driving, the voltage applied to each electrode cannot be finely adjusted, so that a liquid crystal lens having an ideal refractive index distribution cannot be formed.

特開昭62−56918号公報(第2図)Japanese Patent Laid-Open No. 62-56918 (FIG. 2) 特開昭62−36632号公報(第3頁、第1図)JP 62-36632 A (page 3, Fig. 1) 特許第2651148号公報(第1頁、第1図)Japanese Patent No. 2651148 (first page, FIG. 1) 特許第3047082号公報(第4頁、第1、3図)Japanese Patent No. 3047082 (page 4, FIGS. 1, 3)

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 optical element 100 according to the present invention.

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 optical element 100. In FIG. 1, a transparent electrode 107 and an alignment film 102 having a transparent electrode pattern 200 for refractive index correction are formed on a transparent substrate 101 on the incident side. A transparent counter electrode 108 and an alignment film 104 are formed on the opposite transparent substrate 105. The liquid crystal 106 is sealed with a thickness of 20 μm between the two transparent substrates 101 and 105 and the seal member 103. Each element shown in FIG. 1 is exaggerated for convenience of explanation, and is different from an actual thickness ratio.

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 transparent substrates 101 and 105 are made of glass, and the seal member 103 is made of resin. In the present embodiment, the liquid crystal 106 sandwiched between the two transparent substrates 101 and 105 is a homogeneous liquid crystal, but a vertically aligned liquid crystal can also be used.

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 transparent electrode pattern 200 for refractive index correction in the liquid crystal optical element 100 shown in FIG.

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 electrode pattern 200 has concentric rings 201 to 215 in the range of the effective diameter 10, and each is arranged with a minute interval for insulation. Further, a predetermined AC voltage is applied between the ring body 201 and the ring body 215 from the power source 20, a resistance R 1 is provided between the ring bodies 201 and 202, and a resistance is provided between the ring bodies 202 and 203. Resistors R1 to R14 are arranged between all the ring bodies, such as R2 and a resistor R14 between the ring bodies 214 and 215. The resistors R1 to R14 all have the same resistance value.

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 transparent electrode pattern 200 on the transparent substrate 101. All the minute intervals between the ring bodies were set to 3 μm (for the sake of convenience, this is shown enlarged). Further, as shown in FIG. 2, the respective rings are connected to each other by resistors R <b> 1 to R <b> 14, and an AC voltage is applied from the power supply 20.

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 ring bodies 201 to 215 with respect to a reference voltage (voltage applied to the ring body 215, here 0 [V]). In addition, the liquid crystal used for the liquid crystal optical element generally shows an effective value response to the applied voltage. If a DC voltage component is applied to the liquid crystal for a long time, problems such as burn-in and decomposition of the liquid crystal occur. Accordingly, the liquid crystal is driven by applying an AC voltage to each transparent electrode of the liquid crystal optical element so as not to apply a DC voltage component. Further, the reference voltage 0 [V] for the liquid crystal optical element is precisely a voltage applied to the liquid crystal layer, and the voltage can be arbitrarily set. In general, the applied voltage is often set to 0 [V] as a reference, but it is also possible to set the reference voltage at another voltage value (for example, 3 [V]).

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 transparent electrode pattern 200 will be described with reference to FIG.

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 optical element 100 is expected to have are determined. A curve 401 in FIG. 4 is an example of a lens characteristic that the liquid crystal optical element 100 is expected to have, and shows a relationship between the effective refractive index (N) and the position (X) on the pupil coordinates, It is represented by the following formula (1).

N=N01−a12 (1)
また、この場合、a1は以下の式(2)で表すことができる。
1=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 liquid crystal 106.

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 liquid crystal 106 of the liquid crystal optical element 100 is 20 μm, N 01 (reference effective refractive index) is 1.74, the effective diameter (Xmax) of the liquid crystal optical element 100 is 1.22 mm, and N (Xmax ) Is 1.5, f is 155 mm from the above equations (1) and (2).
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 optical element 100 is expected to have are expressed by the following Formula (2). May be represented.

N=N02−a22−(b24−c26+d28+・・・) (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 X 6 + d 2 X 8 + ···) (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 transparent electrode pattern 200. .

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 curve 401 are defined as P 1 to P 15 .

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 ring bodies 201 to 215 are set so that the pupil coordinates X 1 to X 15 become the gap center radius of each ring body.

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 ring body 204. . Since the gap width 505 between all the ring bodies is set to 0.003 mm (3 μm), the ring body width 501 (for each ring body using the gap center radius 504 (mm) obtained from FIG. mm), inner radius 502 (mm), and outer radius 503 (mm) were determined to design each ring body.

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 transparent electrode pattern 200 according to this embodiment, that is, a ring body width 501 (mm), an inner radius 502 (mm), an outer radius 503 (mm), and a gap center radius 504. (Mm) and gap width 505 (mm) are shown.

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 outermost ring body 215, the center gap radius center of the ring body 215 is set to the effective diameter 10 (radius 1) of the optical system using the liquid crystal optical element 100. .22 mm), and the ring bodies 201 to 215 were designed, and the transparent electrode pattern 200 was created accordingly.

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 relationship 701 between the applied voltage and the effective refractive index in the liquid crystal 106 used in this embodiment.

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 liquid crystal 106 is used and the linearly polarized light incident on the liquid crystal 106 and the alignment direction of the liquid crystal 106 are made to coincide, the non-linearity in which the effective refractive index gradually decreases as the applied voltage increases. It has characteristics. However, since there is a region that changes substantially linearly, such as between the applied voltage ranges V 1 to V 2, it is preferable to use this region as a region for controlling the effective refractive index.

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 transparent electrode pattern 200, V1 is applied to the ring body 201 as 1.4 [V] (reference voltage), and V2 is applied to the ring body 215 as 2.7 [V]. Configured. Further, 1.4 [V] (reference voltage) was applied to the transparent counter electrode 108.

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 transparent electrode pattern 200 in this way. As shown in FIG. 8, each wheel is connected by resistors R 1 to R 14 having the same resistance value, so that the voltage V2 applied to the wheel 215 is divided into 15 equal parts (resistance divided). ), Applied to each ring.

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 liquid crystal 106 exhibits an effective refractive index that is inversely proportional to the applied voltage. Therefore, when the voltage shown in FIG. 8 is applied to each of the rings 201 to 215, the liquid crystal optical element 100 is It has a refractive index distribution as shown by 402 in FIG. In other words, the liquid crystal optical element 100 has a refractive index gradient type lens having a refractive index distribution 402 approximately approximate to the lens characteristic 401 determined first by applying a voltage as shown in FIG. 8 to the transparent electrode pattern 200. Function as.

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 optical element 100 has a high refractive index at the center and a low refractive index around it, the liquid crystal optical element 100 functions as a convex lens. Further, when the voltage shown in FIG. 8 is applied to each of the rings 210 to 215 to have the refractive index distribution 402 shown in FIG. 4, the liquid crystal optical element 100 functions as a refractive index gradient lens having a focal length of about 155 mm.

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 optical element 100 has about the refractive index distribution 402. It functions as a refractive index gradient lens having a double magnification, that is, a focal length of about 310 mm.

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 optical element 100 functions in the same manner as an infinite focal length, that is, a transparent glass plate. In this case, a reference voltage may be applied to all the ring bodies 201-215. In order to function as a concave lens, it is only necessary to apply a voltage to each electrode by reversing the voltage profile shown in FIG. 8, so further explanation here is omitted.
As described above, by changing the voltage applied to the rings 201 to 215, the focal length of the liquid crystal optical element 100 can be changed within a predetermined range. For example, the liquid crystal optical element 100 can be switched to function as a gradient index lens or a transparent glass plate that functions as a convex lens or a concave lens.

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 transparent electrode pattern 200 described above, the maximum effective refractive index N 01 of the curve 401 is equally divided by the number of rings constituting the transparent electrode pattern 200 (15 in this embodiment). Since the gap centers of the bodies are unevenly spaced, the voltage applied to each ring body of the transparent electrode pattern 200 can be set to change by the same step, and can easily be applied to each ring body by the resistance division method. A predetermined voltage can be applied. In other words, since the gap centers of the ring bodies are set at unequal intervals, the liquid crystal optical element can function as a gradient index lens having a refractive index distribution approximately approximate to the lens characteristic 401 determined first. .

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 optical apparatus 1 using the liquid crystal optical element 100 according to the present invention. The optical device 1 is an optical device such as a digital camera, and includes a liquid crystal optical element 100, a single focus lens 2, a CCD image pickup device 3, a voltage control unit 4 including an AC power source 20, and the like.

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 transparent electrode pattern 200 of the liquid crystal optical element 100, the liquid crystal optical element 100 does not have power, and the optical device 1 Incident light having an effective diameter 10 incident on is condensed on the CCD image pickup device 3 only by the single focus lens 2.

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 transparent electrode pattern 200 of the liquid crystal optical element 100, the liquid crystal optical element 100 is 4 functions as a convex lens having a refractive index distribution 402 as indicated by 402 in FIG. Therefore, the incident light that has entered the optical device 1 has a focal point different from the focal length (see 7 in the figure) of the single-focus lens 2 by the liquid crystal optical element 100 and the single-focus lens 2 as indicated by 6 in the figure. Focused on the CCD image sensor 3 at a distance.

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 transparent electrode pattern 200 of the liquid crystal optical element 100 is varied in accordance with a signal from a predetermined autofocus adjustment circuit, an autofocus optical system can be easily configured without using moving parts. Is possible. If an optical system or an autofocus optical system capable of switching the focal length without using such moving parts is used for a digital camera or a mobile phone, there is a great advantage that space saving and cost reduction can be achieved.

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 optical element 100 according to the present invention.

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 respective ring bodies 201 to 215, and a voltage is applied by a resistance division method. On the other hand, in FIG. 10, the drive IC circuit 21 is arranged so that the set voltage values can be applied to the respective rings 201 to 215. Therefore, if the driving IC circuit 21 shown in FIG. 10 is used, it is not necessary to connect the respective wheels 201 to 215 with the resistors R 1 to R 14 . The driving IC circuit 21 may have any configuration as long as a preset voltage, for example, V1 to V15 shown in FIG. 8 can be applied to each of the wheels 201 to 215. It can be easily configured by circuit technology. Further, when the drive IC circuit 21 is used, all the set values of the voltages applied to the respective wheels 201 to 215 may be controlled by signals from the outside, and the drive IC circuit 21 is provided with a storage unit. Alternatively, it may be stored in the storage unit in advance.

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 optical element 100 according to the present invention.

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 refractive index profile 1100 that the liquid crystal optical element 100 has. The difference between the distribution 1100 and the refractive index distribution 402 shown in FIG. 4 is that (1) the distribution 1100 further subdivides the central portion A of the distribution 402, and (2) the distribution 1100 shows the peripheral portions B and C of the distribution 402. This is an omitted point.

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 intermediate point P 1 and the Y axis and the effective refractive index N 01 is provided, and the central ring body 201 is divided into 201-1 and 201-2 accordingly. did. This is because the ring body 201 of the central portion A is formed larger than the others, and the central portion of the refractive index distribution 402 of the liquid crystal optical element 100 is not gently formed. This is intended to approach the ideal lens characteristic 401.

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 ring body 220 is formed so that the intersection points P 11 to P 15 in the lens characteristics 401 all have an effective refractive index N 15 . It should be noted that all the intersection points P 11 to P 16 may be replaced by N 13 instead of N 15 so as to form one ring body 220. This is because the peripheral portion of the refractive index distribution does not significantly affect the lens characteristics, and the width of the ring corresponding to the peripheral portion becomes very small and is difficult to form. As shown in the peripheral portions B and C of FIG. 11, the lens characteristics of the liquid crystal optical element 100, particularly the function of changing the focal length, is great even if the ring bodies 211 to 215 are not formed and replaced with one ring body 220. There is no effect.

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 ring bodies 211 to 215 shown in FIG. 4, five ring bodies having an average width of the ring bodies 211 to 215 may be provided. As described above, even if formed in this manner, the lens characteristics of the liquid crystal optical element 100, particularly the function of changing the focal length, are not greatly affected.

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 annular bodies 201 to 215 in the transparent electrode pattern 200 of the liquid crystal optical element 100 at unequal intervals at the centers of the intervals, which greatly affects the lens characteristics. There may be a case where it does not have to be formed at unequal intervals in a portion where there is no.

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 refractive index distribution 1200 that the liquid crystal optical element 100 has.

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 optical element 100 has different refractive index distributions using the same annular bodies 201 to 215 as the annular bodies shown in FIG. Here, the maximum effective refractive index N 01 is equally divided into ten, and the distribution 1200 is configured using only the rings 201 to 210. Thus, the distribution 1200 different from the refractive index distribution 402 shown in FIG. Since the lens characteristic 1201 approximated by the distribution 1200 draws a steeper curve than the curve of the lens characteristic 401 shown in FIG. 4, when the liquid crystal optical element 100 has the distribution 1200, the liquid crystal optical element 100 is more focused. The distance can be shortened.
In this way, it is possible to change the focal length of the liquid crystal optical element 100 by changing the refractive index distribution of the liquid crystal optical element 100 without changing the pattern of the ring.

本発明に係わる液晶光学素子の断面図の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of sectional drawing of the liquid crystal optical element concerning this invention. 透明電極パターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a transparent electrode pattern. (a)は透明電極パターンの一部拡大図を示し、(b)は各輪体に印加される電圧例を示す図である。(A) is a partially enlarged view of a transparent electrode pattern, and (b) is a diagram showing an example of a voltage applied to each ring body. 透明電極パターンの設計方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the design method of a transparent electrode pattern. 各輪体の設計方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the design method of each ring body. 透明電極パターンの設計値の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the design value of a transparent electrode pattern. 液晶の印加電圧と実効屈折率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the applied voltage of a liquid crystal, and an effective refractive index. 透明電極パターンに印加される電圧例を示す図である。It is a figure which shows the example of a voltage applied to a transparent electrode pattern. 本発明に係る液晶光学素子を利用した光学機構の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the optical mechanism using the liquid crystal optical element which concerns on this invention. 透明電極パターンへの他の電圧印加方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other voltage application method to a transparent electrode pattern. 輪体パターンの変更例を示す図である。It is a figure which shows the example of a change of a ring body pattern. 透明電極パターンに印加される更に他の電圧例を示す図である。It is a figure which shows the further another voltage example applied to a transparent electrode pattern. 従来例を示す図である。It is a figure which shows a prior art example. 従来例を示す図である。It is a figure which shows a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 100 Liquid crystal optical element 101, 105 Transparent substrate 106 Liquid crystal 107 Transparent electrode 108 Transparent counter electrode 200 Transparent electrode pattern 201-215 Ring

Claims (11)

入射光に対し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において、
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.
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、前記複数の領域の一部である、請求項1に記載された液晶光学素子。   2. The liquid crystal optical element according to claim 1, wherein the plurality of regions in which the pitches of the centers of the intervals are formed at unequal intervals are a part of the plurality of regions. 前記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、請求項2に記載の液晶光学素子。   3. The liquid crystal optical element according to claim 2, wherein the liquid crystal optical element has a plurality of regions in which pitches of the center of the interval are formed at unequal intervals only at a central portion of the opening of the liquid crystal optical element. 前記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、さらに有する請求項1に記載の液晶光学素子。   2. The liquid crystal optical element according to claim 1, further comprising selective voltage applying means for selectively applying a voltage so as not to change an effective refractive index only to a region disposed in a peripheral portion of the liquid crystal optical element. 前記複数の領域間に各々接続され、抵抗分割された電圧を前記複数の領域の各々に印加するための抵抗を、さらに有する請求項1に記載の液晶光学素子。   2. The liquid crystal optical element according to claim 1, further comprising a resistor connected between each of the plurality of regions and applying a resistance-divided voltage to each of the plurality of regions. 前記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、さらに有する請求項1に記載の液晶光学素子。   The liquid crystal optical element according to claim 1, further comprising voltage applying means for applying different voltage values between the plurality of regions. 前記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、請求項1〜7の何れか一項に記載の液晶光学素子。   The liquid crystal optical element according to claim 1, wherein a change amount of an effective refractive index that is changed by the plurality of regions is set to be substantially constant. 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、請求項1〜7の何れか一項に記載の液晶光学素子。   The liquid crystal optical element according to claim 1, wherein each of the plurality of regions is set to have a substantially constant potential difference. 前記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、請求項1〜7の何れか一項に記載の液晶光学素子。   The amount of change in 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 set to be substantially constant. The liquid crystal optical element according to any one of the above. 前記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、
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.
入射光に対し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の製造方法であって、前記液晶光学素子は、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且つ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且つ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且つ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おり、前記製造方法は、
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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