JP2006313248A - 液晶レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶層を備えた液晶レンズにおいて、レンズの焦点位置を３次元的に移動できるようにする。
【解決手段】 第１透明電極１ａと第２電極２ｂの間の印加電圧を制御することによって、焦点位置を光軸方向に移動させる。また、第２電極２ｂおよび第１透明電極１ａのそれぞれの側端に形成された端子間に印加する電圧を、第１電圧印加手段６および第２電圧印加手段７によって制御することによって、光軸に垂直で且つ直交する２方向に焦点位置を移動させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は液晶レンズに関し、より詳細には外部印加電圧によって焦点位置を移動させることのできる液晶レンズに関するものである。

近年、光学材料として液晶材料を用いた液晶レンズが、機械的駆動を必要とすることなくレンズの光学特性を可変できることから、光通信等の分野において注目されている。液晶レンズの機構を図８によって概説すると、まずこの図の液晶レンズは、第１透明基板４ａと第２透明基板４ｂとが離隔対向配置され、第１透明基板４ａの表面に第１透明電極１ａが、第２透明基板４ｂの表面に、円形の孔１０を有する第２電極１ｂがそれぞれ形成されている。そして、第１透明電極１ａの上に形成された第１配向膜２ａと、第２透明基板４ｂの下面に形成された第２配向膜２ｂとの間に液晶層３が封入されている。

このような構造の液晶レンズにおいて、第１透明電極１ａと第２電極１ｂとの間に電圧が印加されていなときは、液晶層３の屈折率は均一である（同図（ａ））。一方、両電極間に電圧を印加すると（同図（ｂ））、円形の孔１０に対向する位置において、孔１０の中心軸を中心とする軸対称状の不均一電界が発生し液晶分子が再配向される。これにより、孔１０内において液晶層３の屈折率が一様でなくなり、二乗分布に近い屈折率分布が生じレンズ作用が生じる。すなわち、孔１０の中心部付近と外周部付近とでは液晶分子の角度（傾き）が異なり、これが屈折率の違いを生んで、孔１０の中心部に向かって屈折率が高くなるように分布しレンズとして作用する。両電極間に印加する電圧を制御することによって、孔内における屈折率分布を制御でき、光軸方向に焦点位置を移動させることができるようになる。

特許文献１ではさらに、図８の液晶レンズの第１透明電極１ａの両端にも電圧を印加できるようにして、レンズの焦点位置を光軸方向のみならず第１透明電極１ａの電圧印加方向にも移動可能にする技術が提案されている。
特開２００４−４６１６号公報（特許請求の範囲、（００５３）〜（００５５）段、図１、図７）

しかしながら、前記提案された技術では、レンズの焦点位置を光軸方向とそれに垂直な１方向にしか移動させることができない。

本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、液晶層を備えた液晶レンズにおいて、光軸方向とそれに垂直で互いに直交する２方向、すなわち３次元的にレンズの焦点位置を移動できるようにすることにある。

前記目的を達成する本発明に係る液晶レンズは、第１透明電極が形成された第１透明基板と、孔を有する第２電極が形成された第２透明基板との間に、対向する一対の配向膜を介して液晶層が挟まれてなり、第１透明電極と第２電極との間に電圧を印加して液晶分子の配向制御を行う液晶レンズにおいて、第１透明電極の向かい合う側端に形成された端子間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、第１透明電極に形成された端子間の方向と直交する方向の、第２電極の向かい合う側端に形成された端子間に、電圧を印加する第２電圧印加手段とを備え、第１電圧印加手段および第２電圧印加手段によって第１透明電極および第２電極へ電圧を印加し焦点位置を３次元的に移動させることを特徴とする。

ここで、光軸方向の電圧分布を一様にしつつ、光軸方向に垂直な方向の電位勾配が直線的になるようにする観点から、第２電極の形状を、孔の周縁の幅が略同一とした形状とし、第２電極の光軸方向外方又は内方に、この孔と同径又は小径の開口部を有する光遮断部材を設けるのが好ましい。なお、本明細書において「光軸」とは、孔の中心を通る軸をいうものとする。

また、本発明の液晶レンズは、第１透明電極が形成された第１透明基板と、孔を有する第２電極が形成された第２透明基板との間に、対向する一対の配向膜を介して液晶層が挟まれてなり、第１透明電極と第２電極との間に電圧を印加して液晶分子の配向制御を行う液晶レンズにおいて、第２電極の光軸方向外方に透光性の絶縁層を介して設けられた第３透明電極と、第１透明電極の向かい合う側端に形成された端子間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、第１透明電極に形成された端子間の方向と直交する方向の、第３透明電極の向かい合う側端に形成された端子間に、電圧を印加する第３電圧印加手段とを備え、第１電圧印加手段および第３電圧印加手段によって第１透明電極および第３透明電極へ電圧を印加し焦点位置を３次元的に移動させることを特徴とする。

液晶層全体の平均屈折率を常に一定とする観点からは、光軸上の液晶層に印加される実効電圧が一定となるように、第１透明電極と第２電極、又は第１透明電極と第３透明電極に印加する電圧を制御するのが好ましい。

焦点位置の３次元的移動領域を広くする観点からは、第１透明電極、第２電極、第３透明電極の電気抵抗値を１００Ω〜１ＭΩの範囲にするのが好ましい。

第１の発明に係る液晶レンズでは、第１透明電極と第２電極との間に電圧を印加することによって液晶分子の配向制御を行って焦点位置を光軸方向に移動させることができ、さらに第１透明電極の向かい合う側端に形成された端子間、および第１透明電極に形成された端子間の方向と直交する方向の、第２電極の向かい合う側端に形成された端子間に電圧を印加することによって、光軸方向に垂直で且つ互いに直交する２方向に焦点位置を移動させることができるようになる。すなわち、焦点位置を３次元的に移動させることができるようになる。これにより本発明の液晶レンズはピックアップレンズなどの光学系に好適に用いることができるようになる。

第２電極の形状を、孔の周縁の幅が略同一とした形状とし、第２電極の光軸方向外方又は内方に、この孔と同径又は小径の開口部を有する光遮断部材を設けると、光軸方向の電圧分布が一様で、しかも光軸方向に垂直な方向の電位勾配が直線的にできる。

第２の発明に係る液晶レンズでは、第１の発明と同様に、第１透明電極と第２電極との間に電圧を印加することによって液晶分子の配向制御を行って焦点位置を光軸方向に移動させる一方、第１の発明と異なって、孔の形成されていない第３透明電極を第２電極の光軸方向外方に透光性の絶縁層を介して設けて、光軸方向の電圧分布を一様にしながら光軸方向に垂直な方向の電位勾配が直線的になるようにしたので、光学的なズレなく焦点位置を３次元的に移動させることができるようになる。

光軸上の液晶層に印加される実効電圧が一定となるように、第１透明電極と第２電極、又は第１透明電極と第３透明電極に印加する電圧を制御すると、液晶層全体の平均屈折率が一定となり、光学系全体の光軸の光路長に影響を与えずに光を偏向させることができるようになる。

以下、本発明について図に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

図１に、第１の発明に係る液晶レンズＬの一例を示す垂直断面図を示す。図１の液晶レンズＬの構成は、図８に示した従来の液晶レンズＬ’と基本的に同じであって、第１透明電極１ａと第２電極１ｂの電気抵抗が従来のものよりも高い点、及び第１透明電極１ａと第２電極１ｂのそれぞれの向かい合う側端に端子が形成され、それら端子に電圧が印加される点が相違する。

図２に、第１透明電極１ａと第２電極１ｂの平面図を示す。同図（ａ）では、第１透明電極１ａが第１透明基板４ａの表面に形成されており、その左右端には、電圧を印加するための端子１１ａ，１１ｂが形成されている。一方、同図（ｂ）では、第２電極１ｂが第２透明基板４ｂの表面に形成されており、第２電極１ｂの上下端には、電圧を印加するための端子１２ａ，１２ｂが形成され、またその中央部には孔１０が形成されている。孔１０の周縁は電極幅が一定となるように形成され、これによって光軸方向の電気抵抗が一様となり且つ向かい合う端子１２ａ，１２ｂの方向の電位勾配が直線的に形成されるようになる。孔１０の直径としては特に限定はないが一般に数μｍ〜数十ｍｍの範囲が好ましい。なお、図１及び図２には図示していないが、孔以外の部分からの入射光を防ぐため、第２電極１ｂの光軸方向外方又は内方に、孔１０と同径又は小径の開口部を有する光遮断部材を孔１０と同軸状に設けるのがよい。また、図２では、端子の形成方向が、第１透明電極１ａでは左右方向で、第２電極１ｂでは上下方向であるが、これに限定されるものではなく、第１透明電極１ａと第２電極１ｂの端子の形成方向が互いに直交する方向であればよい。

本発明で使用する高電気抵抗な第１透明電極１ａ、第２電極１ｂとしては、例えばガリウム、アルミニウム、シリコン、イットリウム、インジウムなどの元素の１種又は２種以上をドープした酸化亜鉛膜；ケイ素、アンチモン、インジウム、ガリウムなどの元素の１種又は２種以上をドープした酸化スズ膜；ドープしない酸化亜鉛膜や酸化スズ膜、ＩＴＯ膜などが挙げられる。この中でも、インジウムをドープした酸化亜鉛膜およびドープしない酸化スズ膜が好ましい。これらの電極膜の電気抵抗値としては１００Ω〜１ＭΩの範囲が好ましい。

次に、各電極間および各端子間に印加する電圧制御について説明する。第１透明電極１ａと第２電極１ｂとの間には、図３に示すように、液晶分子が劣化しないように数Ｈｚから数ｋＨｚの交流電圧が印加される。このような電圧を電極間に印加することによって、透明基板に対して略平行な状態であった液晶分子が立ち上がる。この液晶分子の立ち上がり角度は電位差が大きくなるほど大きくなり、液晶分子の長軸方向に沿って偏向した光線（異常光）に対する屈折率は、液晶分子の立ち上がり角度が大きくなるほど低くなる。孔１０では、中心軸を中心とする軸対称状の不均一電位が発生するので、孔１０内において二乗分布に近い液晶層３の屈折率分布が生じてレンズ作用が生じる。両電極間に印加する電圧を制御することによって、孔１０内における屈折率分布を制御でき、光軸方向に焦点位置を移動させることができるようになる。なお、図３は、第１透明電極１ａの中心位置の電位Ｖ₁を基準にして、第２電極１ｂの中心位置の電位Ｖ₂を示したものである（図２を参照）。

第２電極１ｂの上下端に形成された端子１２ａ，１２ｂには、図４に示すように、第１透明電極１ａの中心位置の電位Ｖ₁を基準として、波長と位相が同じで振幅の異なる電圧Ｖ₂₁，Ｖ₂₂が印加される。これにより、第２電極１ｂの端子間方向（図２の上下方向）に電位勾配が形成され、液晶層３の屈折率が上下方向で変化し、焦点位置を上下方向に移動させることができるようになる。なお、端子１２ａ，１２ｂに印加する電圧を変化させる、すなわち端子間の電位勾配を変化させる場合、上下方向中央の電位Ｖ₂₀（図４の実線）は変化しないように両端子１２ａ，１２ｂに印加する電圧を設定するのが望ましい。このような電圧設定とすることで、液晶層３全体の平均屈折率を常に一定とすることができ、本発明の液晶レンズが使用された光学系全体の光軸上の光路長に影響を与えることなく、光を偏向させることができるようになるからである。

第１透明電極１ａの左右端に形成された端子１１ａ，１１ｂには、図５に示すように、左右方向中央の電位Ｖ₁₀（図５の実線）が常に一定となるように、電位Ｖ₁₀を中心として線対称の電圧Ｖ₁₁，Ｖ₁₂が印加される。これにより、第１透明電極１ａの端子間方向（図２の左右方向）に電位勾配が形成され、液晶層３の屈折率が左右方向で変化し、焦点位置を左右方向に移動させることができるようになる。

以上のように、第１透明電極１ａと第２電極１ｂとの間に印加する電圧を制御することによって、焦点位置を光軸方向に移動させることができ、また第２電極１ｂおよび第１透明電極１ａのそれぞれの側端に形成された端子間に印加する電圧を制御することによって、光軸に垂直で且つ直交する２方向に焦点位置を移動させることができるので、結果的に焦点位置を３次元的に移動させることができるようになる。

次に、第２の発明に係る液晶レンズについて説明する。第２の発明の液晶レンズが、第１の発明の液晶レンズと異なるところは、第１の液晶レンズではレンズ機能と光偏向機能を奏させるための電極の一方として第２電極１ｂを用いていたが、第２の発明の液晶レンズではこれを分離して、レンズ機能を奏させるための電極の一方として第２電極を用いるとともに、光偏向機能を奏させるための電極の一方として新たに形成する第３透明電極を用いることにある。以下、この発明の光偏光装置について図に基づいて説明するが、第１の発明に係る光偏光装置と同じ部材および部分については同一符号とし、その説明を省略する。

図６は、この発明に係る液晶レンズの一例を示す概略構成図である。図６の液晶レンズは、第１透明基板４ａと第２透明基板４ｂとが離隔対向配置され、第１透明基板４ａの表面に第１透明電極８ａが、第２透明基板４ｂの表面に、円形の孔１０を有する第２電極８ｂがそれぞれ形成されている。そして、第１透明電極８ａの上に形成された第１配向膜２ａと、第２透明基板４ｂの下面に形成された第２配向膜２ｂとの間に液晶層３が封入されている。そして、第２電極８ｂの外側に透光性の絶縁層９１を介して第３透明電極８ｃが形成されている。

図７に、第３透明電極８ｃ、第２電極８ｂ、第１透明電極８ａの各平面図を示す。同図（ａ）に示すように、第３透明電極８ｃは絶縁層９１の表面に形成されており、その上下端には電圧を印加するための端子８２ａ，８２ｂが形成されている。同図（ｂ）の第２電極８ｂはアルミニウムなどからなり、中央部に孔１０が形成されている。孔１０の直径としては特に限定はないが一般に数μｍ〜数十ｍｍの範囲が好ましい。同図（ｃ）に示す第１透明電極８ａは、第１透明基板４ａの表面に形成されており、その左右端には電圧を印加するための端子８１ａ，８１ｂが形成されている。なお、図７では、端子の形成方向が、第３透明電極８ｃでは上下方向で、第１透明電極８ａでは左右方向であるが、これに限定されるものではなく、第３透明電極８ｃと第１透明電極８ａの端子の形成方向が互いに直交する方向であればよい。

ここで使用する高電気抵抗な第３透明電極８ｃ、第１透明電極８ａとしては、前記と同様に、例えばインジウムをドープした酸化亜鉛膜およびドープしない酸化スズ膜が好ましく、電気抵抗としては１００Ω〜１ＭΩの範囲が好ましい。

このような構成の液晶レンズにおいて、光軸方向に焦点位置を移動させる場合には、第１透明電極８ａと第２電極８ｂとの間に印加する電圧を一定とし、第３透明電極８ｃに印加する電圧を調整する。これによって焦点位置が光軸方向に移動する。例えば、第３透明電極８ｃに印加する電圧を第２電極８ｂと同じにすると、液晶層３全体に同じ電位差がかかることになりレンズ作用は奏されなくなる。他方、第３透明電極８ｃに印加する電圧を第１透明電極８ａと同じにすると、最大のレンズ作用が得られる。このように、第３透明電極８ｃに印加する電圧を制御することによって、焦点位置を光軸方向に移動させることができる。

一方、第３透明電極８ｃの上下端に形成された端子８２ａ，８２ｂには、例えば図４に示したと同じ電圧が印加される。これにより、第３透明電極８ｃの上下方向に電位勾配が形成され、液晶層３の屈折率が上下方向で変化し、焦点位置を上下方向に移動させることができるようになる。

また第１透明電極８ａの左右端に形成された端子８１ａ，８１ｂには、例えば図５に示したと同じ電圧が印加される。これにより、第１透明電極８ａの左右方向に電位勾配が形成され、液晶層３の屈折率が左右方向で変化し、焦点位置を左右方向に移動させることができるようになる。

このように、第２の発明に係る液晶レンズでは、第１透明電極８ａと第２電極８ｂとの間に印加する電圧を一定にした状態で、第３透明電極に印加する電圧を制御することによって、焦点位置を光軸方向に移動させることができ、また第３透明電極８ｃおよび第１透明電極８ａのそれぞれの側端に形成された端子間に印加する電圧を制御することによって、光軸に垂直で且つ直交する２方向に焦点位置を移動させることができ、第１の発明に係る液晶レンズと同様に、焦点位置を３次元的に移動させることができるようになる。

第１の発明に係る液晶レンズの一例を示す概説図である。 図１の液晶レンズで使用する第１透明電極と第２電極の平面図である。 第１透明電極と第２電極との間に印加する電圧波形図例である。 第２電極の端子間に印加する電圧波形図例である。 第１電極の端子間に印加する電圧波形図例である。 第２の発明に係る液晶レンズの一例を示す概説図である。 図６の液晶レンズで使用する第１透明電極、第２電極、第３透明電極の平面図である。 従来の液晶レンズを示す概説図である。

符号の説明

１ａ 第１透明電極
１ｂ 第２電極
２ａ 第１配向膜
２ｂ 第２配向膜
３ 液晶層
４ａ 第１透明基板
４ｂ 第２透明基板
６ 第１電圧印加手段
７ 第２電圧印加手段
８ａ 第１透明電極
８ｂ 第２電極
８ｃ 第３透明電極
１０ 孔
１１ａ，１１ｂ 端子
１２ａ，１２ｂ 端子
８１ａ，８１ｂ 端子
８２ａ，８２ｂ 端子

Claims (5)

1. 第１透明電極が形成された第１透明基板と、孔を有する第２電極が形成された第２透明基板との間に、対向する一対の配向膜を介して液晶層が挟まれてなり、第１透明電極と第２電極との間に電圧を印加して液晶分子の配向制御を行う液晶レンズにおいて、
   第１透明電極の向かい合う側端に形成された端子間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、第１透明電極に形成された端子間の方向と直交する方向の、第２電極の向かい合う側端に形成された端子間に、電圧を印加する第２電圧印加手段とを備え、
   第１電圧印加手段および第２電圧印加手段によって第１透明電極および第２電極へ電圧を印加し焦点位置を３次元的に移動させることを特徴とする液晶レンズ。
2. 第２電極の形状が、孔の周縁の幅を略同一とした形状で、第２電極の光軸方向外方又は内方に、この孔と同径又は小径の開口部を有する光遮断部材が設けられた請求項１記載の液晶レンズ。
3. 第１透明電極が形成された第１透明基板と、孔を有する第２電極が形成された第２透明基板との間に、対向する一対の配向膜を介して液晶層が挟まれてなり、第１透明電極と第２電極との間に電圧を印加して液晶分子の配向制御を行う液晶レンズにおいて、
   第２電極の光軸方向外方に透光性の絶縁層を介して設けられた第３透明電極と、
   第１透明電極の向かい合う側端に形成された端子間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、第１透明電極に形成された端子間の方向と直交する方向の、第３透明電極の向かい合う側端に形成された端子間に、電圧を印加する第３電圧印加手段とを備え、
   第１電圧印加手段および第３電圧印加手段によって第１透明電極および第３透明電極へ電圧を印加し焦点位置を３次元的に移動させることを特徴とする液晶レンズ。
4. 光軸上の液晶層に印加される実効電圧が一定となるように、第１透明電極と第２電極、又は第１透明電極と第３透明電極に印加する電圧を制御する請求項１〜３のいずれかに記載の液晶レンズ。
5. 第１透明電極、第２電極、第３透明電極の電気抵抗値が１００Ω〜１ＭΩの範囲である請求項１〜４のいずれかに記載の液晶レンズ。

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