JP2006285047A

JP2006285047A - 液晶レンズ

Info

Publication number: JP2006285047A
Application number: JP2005106771A
Authority: JP
Inventors: Megumi Horiuchi; 恵堀内; Toshiro Yukinari; 俊郎行成
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-10-19

Abstract

【課題】応答時間の早い液晶レンズを得る。
【解決手段】それぞれ透明電極と配向膜を設けた第１の基板３１と第２の基板４１の間にネマティック液晶にカイラルネマティック液晶を配合して生成した液晶組成物４７を封入して形成した液晶レンズ３０において、前記第１の基板３１の配向膜３６と前記第２の基板４１の配向膜４６の配向方向を−５°〜＋５°の角度範囲内でパラレル配向させ、前記第１の基板３１と第２の基板４１のギャップに対する前記液晶組成物４７のピッチの比を０．０５〜０．２５にする。また、ギャップは１０〜５０μｍの範囲にする。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶レンズに関し、特に応答性を高める技術に関する。

従来から、印加電圧によって焦点距離を可変し得る液晶レンズの開発が成されてきている。その従来技術の一つとして、下記の特許文献１に開示された技術を見ることができる。

特許公開２０００−８１６００号公報

ここで、上記特許文献１に開示された従来技術の概要を図７、図８を用いて説明する。図７は特許文献１に示されたところの焦点距離可変レンズパネルのレーザ光照射方向から見た透視図を示しており、図８は図７におけるＡ−Ａ線の模式的な断面図を示している。尚、図８はセルギャップやギャップ材の径を大幅に拡大して示していて、矢印Ｂの方向はレーザ光の照射方向を示している。

ここに示された焦点距離可変レンズパネル１０は、図７、図８に示されるように、一対の透明なガラス基板である第１の基板１１と第２の基板１２を備えている。第１の基板１１上には、中央に円形透明電極１３と、その円形透明電極１３の外側に同心円状に配置され、外側に向かってしだいにその幅及び間隔（スペース１６）が狭くなる複数の環状透明電極１５と、円形透明電極１３から十字形に複数の環状透明電極１５を横切って外側に延びる引き出し電極１８と、その引き出し電極１８の各外端部を互いに接続するように第１の基板１１の周縁部付近に配置された外部端子電極１９とを有する。そして、この第１の基板１１の少なくとも円形透明電極１３と環状透明電極１５が形成された領域上に第１の配向膜２３が設けられている。

また、第２の基板１２上の全面には透明電極２７が設けられ、この透明電極２７上に第２の配向膜２４が設けられている。そして、第１の基板１１に設けた第１の配向膜２３と第２の基板１２に設けた第２の配向膜２４とは、その配向方向が互いに平行していてパラレル配向をなす配置になっている。

複数の環状透明電極１５の外側には、環状をなした第１のシール材２０が設けられ、更に、第１の基板１１と第２の基板１２の周縁部には第２のシール材２１が周縁部を囲うようにして設けられ、第１のシール材２０と第２のシール材２１との隙間の間にギャップ材２２が配設されて、ギャップ材２２によって一定のギャップを持って第１の基板１１と第２の基板１２とが第１のシール材２０及び第２のシール材２１によって接合した構成を取っている。そして、第１のシール材２０で囲まれた内部、及び第１のシール材２０と第２のシール材２１とで囲まれた内部に液晶２５を封入した構成を取っている。

円形の第１のシール材２０は一部分に液晶注入口２０ａを持っており、この液晶注入口２０ａから液晶２５が内部に充填されるようになっている。また、第１の基板１１と第２の基板１２の周縁部に設けた第２のシール材２１にも、その一部分に液晶注入口２１ａを持っており、この液晶注入口２１ａから液晶２５を注入するようになっている。また、この液晶注入口２１ａは液晶２５を注入した後に封止するようになっている。またここで、液晶２５はカイラル剤が添加されていないネマティック液晶を用いるのが好ましいとしている。

特許文献１によれば、上記のような構成としたことで、一対の基板上の透明電極間への印加電圧によって通過するレーザ光の焦点距離を可変することができるとされている。また、セルギャップを決めるギャップ材をレンズパネル部には設けない構成としたことで、ギャップ材輪郭部の光の回折や散乱がなくなり、検知される光強度が強くなって効率の良いレンズパネルが得られるとされている。また、レンズパネルのセルギャップ（ｄ）と液晶の屈折率（Δｎ）との積を、即ち、Δｎｄ＝（λ／２）＋ｎλ（λきレーザ光の波長、ｎは０又は正の整数）の関係が成立するように、セルギャップと液晶の屈折率を選定すると効率の良い焦点距離の可変が可能になるとしている。

しかしながら、ホモジニアス分子配列のネマティック液晶を用いた焦点距離可変レンズパネル（以降、液晶レンズと呼称する）にあっては、パネルの応答時間が遅いと云う問題を有している。図９は印加電圧波形（信号）と光透過度の応答波形を示した図で、図９の（ａ）は印加電圧波形、図９の（ｂ）は光透過度の応答波形を示している。図９の（ａ）において、横軸に時間軸を取り、電圧の印加時（図中において、Ｖ-ｏｎと表示）と電圧の無印加時（図中において、Ｖ-ｏｆｆと表示）の電圧波形を示している。また、図９の（ｂ）において、横軸は時間軸を取り、電圧印加（Ｖ-ｏｎ）時と電圧無印加（Ｖ-ｏｆｆ）における液晶の光透過度の応答波形示している。尚、図９の（ｂ）中で、Ｔ-ｏｎは、電圧印加（Ｖ-ｏｎ）した時の液晶分子の立ち上がり（液晶分子のねじれた配向状態から垂直に並んだ配向状態への変化）時間を表し、Ｔｕｒｎ−ｏｎと呼んで、略してＴ-ｏｎと表示している。このＴ-ｏｎの時間はＶ-ｏｎの時点から光透過率が９０％になるまでの時間を示している。また、Ｔ-ｏｆｆは、Ｖ-ｏｎ状態からＶ-ｏｆｆ状態にした時の液晶分子の立ち下がり（液晶分子の垂直に並んだ配向状態から自然にねじれた配向状態への変化）時間を表し、Ｔｕｒｎ−ｏｆｆと呼んで、略してＴ-ｏｆｆと表示している。このＴ-ｏｆｆの時間は、Ｖ-ｏｆｆの時点から光透過率１０％になるまでの時間を示している。ネマティック液晶を用いた場合は、立ち上がりＴ-ｏｎの時間は比較的短かく、また、印加電圧量の調整で早くすることができるが、立ち下がりＴ-ｏｆｆの時間は長く、しかも、印加電圧量に左右されない。動作時間（応答時間）はＴ-ｏｎの時間とＴ-ｏｆｆの時間に左右されることから、応答時間が遅いと云う問題を持っている。

液晶レンズをカメラなどに用いる場合は早いスピードでの焦点距離調整が必要とされる。また、焦点距離の調整範囲を少しでも広く取るにはセルギャップを大きく取ることが必要とされる。しかしながら、セルギャップを大きくすると尚一層応答時間が遅くなると云う問題を有する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、応答時間の早い液晶レンズを見いだすことを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、透明基板に同心円状に形成した複数の透明な環状電極と配向膜とを備えた第１の基板と、透明基板に透明電極と配向膜とを備えた第２の基板とを一定のギャップを設けて対向して配置し、ネマティック液晶にカイラルネマティック液晶を配合して生成した液晶組成物を封入して形成した液晶レンズにおいて、前記第１の基板の配向膜と前記第２の配向膜との配向方向とがパラレル配向をなす下で、前記第１の基板と第２の基板のギャップに対する前記液晶組成物のピッチの比が０．０５〜０．２５であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載の発明は、前記の第１の基板と第２の基板とのギャップが１０〜５０μｍであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載の発明は、前記液晶組成物の屈折率異方性が０．２〜０．３であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載の発明は、前記第１の基板の配向膜と前記第２の配向膜とのパラレル配向の角度誤差は−５°〜＋５°範囲内であることを特徴とするものである。

第１、第２の基板のギャップと液晶組成物のピッチの比を０．０５〜０．２５に管理することによって、Ｖ-ｏｎ状態からＶ-ｏｆｆしたときの液晶分子のＴ-ｏｆｆ時間を１５〜７０％短縮することができ、短縮の効果を得る。

また、第１、第２の基板のギャップを１０〜５０μｍに管理することによって、焦点距離調整が十分できて鮮明な映像を映し出すことができ、且つ、応答速度を早めることができる。

また、液晶組成物の屈折率異方性が０．２〜０．３のものを用いることによって焦点距離を長く取ることができる。

また、一対の配向膜のパラレル配向を−５°〜＋５°の角度範囲内に押さえるとレンズ焦点の収差を小さく押さえることができ、焦点のピントが合わせ易くなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図６を用いて説明する。最初に図の説明を行う。図１は本発明の実施形態に係る液晶レンズの平面図、図２は図１におけるＤ−Ｄ断面図を示している。また、図３は液晶レンズにおける液晶組成物の位相変調を説明する説明図、図４は液晶組成物のねじれピッチと応答時間との関係を説明する説明図、図５は液晶組成物の温度によるピッチの変化を示したグラフ図、図６は表１に示すＴ-ｏｆｆ時間の測定値をグラフ化した図を示している。

本発明の液晶レンズ３０は、図１、図２に示すように、第１の基板３１と第２の基板４１との一対の基板の間に液晶組成物４７を封止材４８を介して封入した構成を取る。図２において、矢印Ｇは光の進入方向を示していて、第１の基板３１は光の進入方向に対して第２の基板４１より遠のく方向に配置される。第１の基板３１は、透明なガラスからなる透明基板３２の下面に複数の電極を平面的に形成した電極層と配向膜３６とを積層した構成を取る。複数の電極層は、図１に示すように、中央に形成した透明な円形電極３３ａと、この円形電極３３ａの周りに円形を４分割して４つの領域に分けて同心環状形状に形成した透明な複数の環状電極３３ｂと、それぞれ２つの領域の環状電極３３ｂと中央の円形電極３３ａに接続する２つの透明な引き出し電極３４ａ、３４ｂと、この２つの引き出し電極３４ａ、３４ｂのそれぞれに接続する２つの接続電極３５ａ、３５ｂとから成っている。接続電極３５ａは引き出し電極３４ａに接続し、引き出し電極３４ａは、図１中、左側の上と下の２つの領域の複数の環状電極３３ｂ及び中央の円形電極３３ａに接続している。また、接続電極３５ｂは引き出し電極３４ｂに接続し、引き出し電極３４ｂは、図１中、右側の上と下の２つの領域の複数の環状電極３３ｂ及び中央の円形電極３３ａに接続している。

一方、第２の基板４１は透明なガラスからなる透明基板４２の上面に透明電極４３と配向膜４６とを積層した構成を取る。

そして、第１の基板３１と第２の基板４１を対向して配置し、図１及び図２に示してはいないが、スペーサを介して一定のギャップを設け、封止材４８でもって液晶組成物４７を封入して液晶レンズ３０を形成している。ここでの液晶組成物４７はネマティック液晶と微量のカイラルネマティック液晶を配合したものからなっている。また、第１の基板３１の配向膜３６の配向方向と第２の基板４１の配向膜４６の配向方向とは平行となるパラレル配向の配置を取っている。尚、図示はしていないが、第１の基板３１の２つの接続電極３５ａ、３５ｂ、及び第２の基板４１の透明電極４３には、外部から電圧を印加するために封止材４８の外側に外部との接続端子を持っている。

図１において、複数の環状電極３３ｂは外側に行くに従ってその幅は少しずつ細くなり、また、その間隔も少しずつ狭くなって形成されている。この環状電極３３ｂが設けられた領域がレンズの働きをなす領域で、レンズ領域Ｅを形成する。また、このレンズ領域Ｅを除く領域Ｆは、左右に大きく２つに分かれており、図１の中では、左側には接続電極３５ａが形成され、右側には接続電極３５ｂが形成されている。そして、接続電極３５ａと接続電極３５ｂの何れか一方に正の電圧が印加され、他方に負の電圧が印加されるようになっている。

このような構成を取る液晶レンズ３０に、接続電極３５ａ、３５ｂ、及び透明電極４３に所定の電圧を印加すると、液晶レンズ３０の液晶組成物４７に図３に示すような位相変調が現れる。図３において、縦軸に位相変化量を表し、横軸に液晶レンズ３０のレンズ領域Ｅの半径Ｒを表し、Ｃは液晶レンズ３０の中心を表している。中心から遠のくに従って位相変化量がなだらかなカーブをもって徐々に小さくなる。この作用によって、液晶レンズ３０に入射する光が一点に集合して焦点位置が決まってくる。そして、液晶レンズの背後に設けた受光素子である撮像素子に焦点の合った鮮明な画像が写し取られる。

ここで、上記の液晶レンズ３０を構成する各構成部品は次のような仕様になっている。第１の基板３１、第２の基板４１を構成する透明基板３２、４２は透明なガラス板が用いられる。ガラスとしてはソーダガラスや石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、普通板ガラス等のものが利用され、多くは０．１〜１．１ｍｍの厚みのものが用いられる。尚、ガラス以外にプラスチック板なども用いることができる。

第１の基板３１を構成する円形電極３３ａ、複数の環状電極３３ｂ、引き出し電極３４ａ、３４ｂ、及び第２の基板４１を構成する透明電極４３は、錫をドープした酸化インジウムのＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜や酸化亜鉛（ＺｎＯ_２）膜などで形成する。このＩＴＯ膜や酸化亜鉛膜は真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等で形成し、その後、フォトリソグラフィ法によって所望の形状に仕上げられる。

第１の基板３１を構成する接続電極３５ａ、３５ｂはＩＴＯ膜や金属薄膜などで形成する。金属薄膜としては、例えば、Ａｕ金属膜などは導電性が良いので好適に適用できる。これは有機金化合物のインクを印刷方法で形成し、５００°〜６００°の温度での焼成を行うことによって樹脂分が蒸発し、Ａｕ金属の焼付け膜が形成されてＡｕ金属薄膜が形成できる。接続電極３５ａ、３５ｂをＡｕ金属膜等で形成すると電気抵抗値を小さく押さえることができ、円形電極３３ａや複数の環状電極３３ｂ、引き出し電極３４ａ、３４ｂの印加電圧精度を高める効果を生む。また、この接続電極３５ａ、３５ｂを遮光膜としての働きをさせることができ、レンズ領域Ｅをはっきりと区切ける効果も生む。しかしながら、この接続電極３５ａ、３５ｂはＡｕ金属膜に限るものではなく、ＩＴＯ膜で形成しても何ら支障はない。

第１の基板３１、第２の基板４１を構成する配向膜３６、４６はポリイミド樹脂などを用いて印刷法、スピン法などで形成し、コットンの布材などを用いてラビング処理して配向処理を施す。この一対の配向膜３６、４６の配置は、本発明の液晶レンズにおいては、一対の配向膜３６、４６のラビング方向の配置をパラレル配向をなす方向に配置を取る。即ち、第１の基板３１に設けた配向膜３６のラビング方向と第２の基板４１に設けた配向膜４６のラビング方向とを１８０°異なる正反対の方向に向けて配置する。この配置を取ることにより、液晶分子の配向方向が第１の基板３１側、第２の基板４１側共に同一配向方向になり、光の屈折方向を同一方向に揃えられる。ここで、本発明においては、一対の配向膜３６、４６のラビング方向の配置を−５°〜＋５°の角度範囲内に納まるパラレル配向を取る。完全に０°なる方向配置は難しこと故に少なくとも−５°〜＋５°の微小角度範囲内に納めるようにする。これにより、光の屈折分散を小さく押さえてレンズ焦点の収差を小さくし、レンズ焦点のピントが合い易くなる。

スペーサは第１の基板３１と第２の基板４１とに一定の間隔を与えるために設けるもので、スペーサの粒径でもってセルギャップ（ｄ）を設定する。絶縁性と透明性が求められることからガラスボールやプラスチックボール、ファイバーガラス等が用いられる。本発明においては、セルギャップ（ｄ）を１０〜５０μｍに規制する。

セルギャップ（ｄ）は、液晶分子の電圧のＶ-ｏｎ時の応答時間や、電圧のＶ-ｏｆｆ時の応答時間に大きく影響を及ぼす。また、セルギャップ（ｄ）は焦点距離の調整範囲にも大きく影響を及ぼす。一般に、セルギャップと応答時間との関係は、セルギャップが大きくなると応答時間はほぼ比例的に遅くなる。本発明においては、セルギャップを１０〜５０μｍの範囲に設定する。これは、セルギャップが１０μｍより小さく取ると焦点距離の調整範囲が狭まくなり、映像が不鮮明になったり、映像範囲が狭くなったりする問題が起きるからで、液晶レンズとして用いる場合は、各種実験の結果、その許容値としてＭｉｎ１０μｍとして設定するものである。また、セルギャップが５０μｍより大きく取ると、焦点距離の調整範囲は広く取ることができるが、反面、応答速度が遅くなる。応答速度の許容範囲から見てＭａｘ５０μｍと設定している。

封止材４８は熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂を用いて形成する。樹脂としてはエポキシ樹脂やアクリル樹脂などを用いることができる。一部分に液晶組成物４７を注入する開口部を設けてスクリーン印刷等で第１の基板３１または第２の基板４１の何れか一方側に形成する。そして、熱硬化性樹脂を用いた場合には１５０°〜２００°に加熱の下で加圧して第１の基板３１と第２の基板４１とを接着固定する。開口部は液晶組成物４７の注入後に紫外線硬化型接着剤などで封口する。尚、液晶組成物４７の注入は真空注入方法にて行う。

液晶組成物４７はネマティック液晶とカイラルネマティック液晶を配合したものからなる。カイラルネマティック液晶を配合する目的は、電圧をＶ-ｏｎ（電圧印加）状態からＶ-ｏｆｆ（電圧無印加）状態にしたときの液晶分子の立ち下がりの応答時間（Ｔ-ｏｆｆ）を短くするために配合する。一般に、液晶分子が螺旋状にねじれを持った液晶組成物を用いた場合、図４に示すように、応答時間はねじれのピッチ（ｐ）の大きさに比例する。図４から、ピッチが小さくなれば応答時間は短く、ピッチが大きくなれば応答時間は長くなる。そこで、液晶組成物４７はピッチの小さい液晶組成物を用いる必要があるが、ピッチが小さい液晶組成物としては、カルボン酸液晶が主体の液晶組成物、特に、アルキルシクロヘキサンカルボン酸系化合物、アルキル安息香酸系化合物及び含フッ素トラン系化合物を混合した液晶組成物を挙げることができる。

カイラルネマティック液晶は、ネマティック液晶に光学活性化合物を添加してネマティック液晶の側鎖に光学活性置換基を設けてコレステリック相を持たせた液晶で、例えば下記の化学式１（化１）で示される化合物のカイラルネマティック液晶などが知られている。

また、次の化学式２（化２）で示されるアゾベンゼン形の化合物８やアゾキシベンゼン形の化合物９などのカイラルネマティック液晶も知られている。

このようなカイラルネマティック液晶をネマティック液晶に配合して形成した液晶組成物４７のピッチ（ｐ）は温度による影響を強く受ける。図５は液晶組成物の温度によるピッチの変化を表したグラフで、Ｅ、Ｆ、Ｈ、Ｉ、Ｊの５種類のカイラルネマティック液晶をそれぞれホスト液晶（ネマティック液晶）に１重量％配合しての５種類の液晶組成物を生成し、温度変化（−２０°Ｃ〜＋７０°Ｃ）によって各々の液晶組成物のピッチ（ｐ）の変化をグラフに表したものである。尚、ホスト液晶はＳＤ２４０１５０（富士色素株式会社製の商品番号）を用い、Ｅ、Ｆ、Ｈ、Ｉ、Ｊの５種類のカイラルネマティック液晶は、Ｅ：Ｓ−８１１（メルク社製の商品番号）、Ｆ：ＣＮＬ６１７、Ｈ：ＣＮＬ６１１Ｌ（何れも旭電化工業製の商品番号）、Ｉ：ＮＹＣ−２１１１３３Ｌ、Ｊ：ＮＹＣ−１１１３３Ｌ（何れも富士色素株式会社製の商品番号）を用いたものである。

図５から次のことが分かる。Ｅのカイラルネマティック液晶化合物を配合した液晶組成物は温度変化に対してピッチの変化は略１０．２〜１０．８μｍの範囲での変化を示し、変化幅は略０．６μｍで非常に小さい。Ｆの化合物を配合した液晶組成物は温度変化に対してピッチは略１０．５〜６．７の範囲で変化を示し、その変化幅は略３．８μｍと大きな変化幅を持つ。また、温度が高くなるにつれてピッチは小さくなる。同様に、Ｈの化合物を配合した液晶組成物のピッチは略９．５〜７．１μｍの範囲で変化し、その変化幅は略２．４μｍと大きな変化幅を持つ。Ｉの化合物を配合した液晶組成物のピッチは略７．５〜６．５μｍの範囲で変化を示し、変化幅は略１．０μｍと極めて小さい。同様に、Ｊの化合物を配合した液晶組成物のピッチは略７．２〜６．４μｍの範囲で変化を示し、変化幅は略０．８μｍと極めて小さい。液晶組成物のピッチが温度変化による影響が少ないもの、更に、ピッチの小さいものが前述したＴ-ｏｆｆ（立ち下がりの応答時間）時間を安定的に短くする。このことから、これに適合するものとして本発明では、ＩとＪのカイラルネマティック液晶化合物を好適なカイラルネマティック液晶材料として選択する。

このカイラルネマティック液晶Ｉ（ＮＹＣ−２１１１３３Ｌ）は下記の化学式３（化３）に示された化合物１０の化学式を持った化合物であり、また、カイラルネマティック液晶Ｊ（ＮＹＣ−１１１３３Ｌ）は化学式３に示された化合物１１の化学式を持った化合物である。

さて、電圧をＶ-ｏｎ状態からＶ-ｏｆｆ状態にしたときの液晶分子の立ち下がりのＴ-ｏｆｆ時間（応答時間）、は、セルギャップ（ｄ）とネマティック液晶とカイラルネマティック液晶を配合して生成した液晶組成物４７のピッチ（ｐ）との比（ｄ／ｐ）によって大きく影響を受けることが判明した。即ち、セルギャップ（ｄ）と液晶組成物のピッチ（ｐ）との比ｄ／ｐ値を管理することによってＴ-ｏｆｆ時間をコントロールできることが分かった。

次に示す表１は、セルギャップ（ｄ）が２５μｍのときの、ｄ／ｐ値によるＴ-ｏｆｆ時間の測定値と評価を示したものである。また、図６は表１に示すＴ-ｏｆｆ時間の測定値をグラフに表したものである。セルギャップを２５μｍに設定し、ＳＤ２４０１５０（富士色素株式会社製の商品番号）なるネマティック液晶に、温度変化に安定性のある図５に示すＪ：ＮＹＣ−１１１３３Ｌ（富士色素株式会社製の商品番号）なるカイラルネマティック液晶を用い、その配合量を調整してｄ／ｐの異なる液晶組成物を生成し、電圧１０ＶのＶ-ｏｎ状態から０ＶのＶ-off状態にしたときの２５°Ｃ下におけるＴ-ｏｆｆ時間を測定した。また、評価は下記に示す評価基準で行っている。
×：Ｔ-ｏｆｆの時間が短縮時間の管理目標である１５％短縮に達しない。あるいは、Ｖ-ｏｎとＶ-ｏｆｆを繰り返したときの再現性が生まれない。
△：プレティルト角のバラツキを考慮すると再現性に危険が見込まれる。
○：Ｔ-ｏｆｆの時間が１５％の短縮管理目標時間に達しており、また、プレティルト角のバラツキを考慮しても再現性の範囲内にある。

図６より、ｄ／ｐの値を大きくするに従って直線的にＴ-ｏｆｆ時間が短く（小さく）なることが分かる。

また、Ｔ-ｏｆｆの時間をネマティック液晶単独の液晶レンズのものより少なくとも１５％以上の短縮を図ることを管理目標値として揚げ、この管理目標値を満足する最小のｄ／ｐ値をミニマムｄ／ｐ値とし、表１から、最小（Ｍｉｎ）のｄ／ｐ値を０．０５に設定した。

一方、ｄ／ｐの最大値に関しては、表１から、ｄ／ｐ値が０．２７の場合にＴ-ｏｆｆ時間に測定の度にバラツキが現れ、再現性が生まれなかった。これは、ｄ／ｐ値がある一定値以上になると液晶分子のねじれ状態がＶ-ｏｎ、Ｖ-ｏｆｆ時に元に戻らず、可逆性がなくなることからの原因によると判断された。即ち、ｄ／ｐ値がある一定値を越えると液晶組成物の液晶分子のねじれ状態が不安定領域（静的高度ツイストモード領域とも云われている）に入り、可逆性がなくなるものと判断された。従って、再現性のない領域のｄ／ｐ値を持つ液晶組成物は使用できない。

また、この再現性の問題は液晶組成物の持っているプレティルト角によってもバラツキが現れる。低いプレティルト角を持つ液晶組成物を用いた場合は、再現性がなくなるところのｄ／ｐ値のバラツキ範囲は小さいが、高プレティルト角を持つ液晶組成物になってくると再現性がなくなるところのｄ／ｐ値のバラツキ範囲は大きくなってくる。本実施形態においては、低プレティルト角を持つカイラルネマティック液晶を配合した液晶組成物を用いているが、各種の実験の結果、ｄ／ｐ値が０．２６の場合は再現性に影響を及ぼす危険性のある範囲と判断され、０．２６のｄ／ｐ値は好適な範囲から除外した。このことより、好適な範囲のｄ／ｐ値の最大（Ｍａｘ）として０．２５を設定した。

以上のことから、ｄ／ｐ値の好適な範囲を０．０５〜０．２５と設定する。この０．０５〜０．２５のｄ／ｐ値を示す液晶組成物は、カイラルネマティック液晶Ｊ（ＮＹＣ−１１１３３Ｌ）の濃度を０．０１３％〜０．０６４％にすることによって得られる。また、カイラルネマティック液晶Ｉ（ＮＹＣ−２１１１３３Ｌ）を用いた場合もほぼ同量の微量配合量で上記のｄ／ｐ値が得られる。この配合量はセルギャップ（ｄ）の設定値によって変える必要があり、そのセルギャップ（ｄ）に対応しての配合量を設定するのが好ましい。

以上の構成を取る液晶組成物４７を用いることによりＴ-ｏｆｆ時間（立ち下がり応答時間）を、単にネマティック液晶を用いたものより１５％〜７０％小さく（短く）することができる。尚、Ｔ-ｏｎ時間（立ち上がり応答時間）はカイラルネマティック液晶を混合することによって僅かに長くなる。しかしながら、Ｔ-ｏｎ時間は印加する電圧量によっても調整することができるので、印加電圧を高くすることで立ち上がり応答時間を早めることができる。

尚、表１に示したｄ／ｐ値とＴ-ｏｆｆ時間との関係は、富士色素株式会社製のＮＹＣ−１１１３３Ｌなるカイラルネマティック液晶を用いたもので求めたものであるが、ピッチの差も僅かで温度変化にも安定性のある図５に示すＩのＮＹＣ−２１１１３３Ｌなるカイラルネマティック液晶を用いてもほぼ同じような数値結果を得る。

また、本発明に適用するカイラルネマティック液晶は、ＪのＮＹＣ-１１１３３ＬやＩのＮＣＹ-２１１１３３Ｌに限定するものではない。温度変化に対して変化の少ないピッチを持つカイラルネマティック液晶、例えば、図５に示したＥのＳ-８１１などはピッチの変動幅が非常に小さいので十分適用できる。このＥのＳ-８１１化学式１（化１）に示した化合物３のもので、光学活性炭素を有する４−ｎ−ヘキシルオキシ安息香酸４’−（２−メチルブキシカルボニル）フェニルエステルである。また、温度変化に対してピッチの変動幅が大きいカイラルネマティック液晶を用いると、温度によってｄ／ｐ値に大きなバラツキが現れて安定性が得られず、得られるＴ-ｏｆｆ時間に信頼性が低くなる。従って、適用するには好ましい状況ではないが、もし適用する場合は、ｄ／ｐ値の許容幅を狭めて管理すると良い。

以上詳細に説明したように、液晶レンズのセルギャップ（ｄ）を１０〜５０μｍに制限し、セルギャップ（ｄ）と液晶組成物のピッチ（ｐ）の比、即ち、ｄ／ｐを０．０５〜０．２５の範囲で管理することによってＴ-ｏｆｆ時間を１５％〜７０％短縮することができる。

また、その中にあって、用いるカイラルネマティック液晶材料は、温度変化に対してピッチの変動幅も小さく、且つ、ピッチの小さいＮＹＣ-１１１３３Ｌ、ＮＣＹ-２１１１３３Ｌなるカイラルネマティック液晶材料を好適なものとして挙げることができる。

ここで、微量のカイラルネマティック液晶をネマティック液晶に混ぜて生成した液晶組成物４７の屈折率異方性は大きいのが好ましい。屈折率が大きいとピント調整距離を長く取ることができる。本発明においては、微量のカイラルネマティック液晶をネマティック液晶に混ぜて生成した液晶組成物４７の屈折率異方性は０．２〜０．３が好適なものとして規定する。本発明では、セルギャップ（ｄ）と液晶組成物のピッチ（ｐ）の比を０．０５〜０．２５と設定する。この設定値を満足させるカイラルネマティック液晶の配合量は前述したように極微量となる。このことら、液晶組成物４７の屈折率異方性は用いたネマティック液晶の屈折率異方性で決まる。従って、屈折率異方性が０．２〜０．３の範囲のあるネマティック液晶、例えば、旭電化工業製のＡＤＫ１５２０（屈折率異方性０．２）などを選択して用いるのが好ましい。屈折率異方性が大きいとピント調整距離を長く取れるのみならずＴ-ｏｆｆ時間を短くできる効果もある。

本発明の実施形態に係る液晶レンズの平面図である。図１におけるＤ−Ｄ断面図である。液晶レンズにおける液晶組成物の位相変調を説明する説明図である。液晶組成物のねじれピッチと応答時間との関係を説明する説明図である。液晶組成物の温度によるピッチの変化を示したグラフ図である。表１に示すＴ-ｏｆｆ時間の測定値をグラフ化した図である。従来技術として、特許文献１に示されたところの焦点距離可変レンズパネルのレーザ光照射方向から見た透視図である。図７におけるＡ−Ａ線の模式的な断面図である。印加電圧波形（信号）と光透過度の応答波形を示した図で、図９の（ａ）は印加電圧波形図、図９の（ｂ）は光透過度の応答波形図である。

符号の説明

３０液晶レンズ
３１第１の基板
３２、４２透明基板
３３ａ円形電極
３３ｂ環状電極
３４ａ、３４ｂ引き出し電極
３５ａ、３５ｂ接続電極
３６、４６配向膜
４１第２の基板
４３透明電極
４７液晶組成物
４８封止材
ｄセルギャップ
ｐピッチ

Claims

透明基板に同心円状に形成した複数の透明な環状電極と配向膜とを備えた第１の基板と、透明基板に透明電極と配向膜とを備えた第２の基板とを一定のギャップを設けて対向して配置し、ネマティック液晶にカイラルネマティック液晶を配合して生成した液晶組成物を封入して形成した液晶レンズにおいて、前記第１の基板の配向膜と前記第２の配向膜との配向方向がパラレル配向をなす下で、前記第１の基板と前記第２の基板のギャップに対する前記液晶組成物のピッチの比が０．０５〜０．２５であることを特徴とする液晶レンズ。
前記第１の基板と第２の基板とのギャップが１０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
前記液晶組成物の屈折率異方性が０．２〜０．３であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
前記第１の基板の配向膜と前記第２の配向膜とのパラレル配向は−５°〜＋５°の角度範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。