JP2007041215A

JP2007041215A - 光学素子

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Publication number: JP2007041215A
Application number: JP2005224269A
Authority: JP
Inventors: Satoru Hirose; 悟広瀬
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-02
Also published as: JP4797496B2

Abstract

【課題】開口径および広い範囲で焦点距離を変化させることができる液晶を用いた光学素子としての可変焦点レンズを提供する。
【解決手段】第１の透明基板１１と第２の透明基板１２との間に液晶層１３を封入する。第１の透明基板１１の液晶層１３に対向する側の表面の全面には透明な第１の電極１４を設け、第２の透明基板１２の液晶層１３と対向する側とは反対側の表面には同心円状に配置された環状の個別電極１５ａ〜１５ｆからなる第２の電極１５を設ける。第１の電極１４と第２の電極１５には電圧印加手段が接続されており、個別電極１５ａ〜１５ｆの電位は独立して制御することが可能であり、液晶層１３の液晶の配向状態を制御することにより、可変焦点レンズ１０の開口径、焦点距離を制御することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、液晶を用いた光学素子に関する。

誘電率異方性がある液晶は、電界に依存して、すなわち電気力線の方向に依存して向きを変えることから、電界を制御することによって光学特性を制御できるため、液晶を用いたさまざまな光学素子が提案されている。

例えば、非特許文献１では、開口部を有する電極間に配置された液晶の屈折率分布を、電極間の電圧を制御して変化させることによって、焦点距離を変化させることができる可変焦点レンズが提案されている。

Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ５，ｐ．Ｌ５７１

しかし、非特許文献１で提案された可変焦点レンズでは、焦点距離の可変範囲は電極の開口径と電極間の距離でほぼ決定されているため、レンズとしての開口径が限られており、あまり広い範囲の焦点距離が得られなかった。

そこで、本発明は、従来と大きさを変えることなく、開口径を変化させることが可能であり、より広い範囲の焦点距離が得られる光学素子としての可変焦点レンズを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る光学素子は、液晶層と、この液晶層の一方に配置された第１の透明基板と、この第１の透明基板に接するように配置された透明な第１の電極と、前記第２の透明基板の前記液晶層に対向する側の反対側に配置された第２の透明基板と、この第２の透明基板に接し、円形の開口部を有する電極と、その開口部の内側に同心円状に配置された１個以上の環状の電極とからなる第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備える。

また、本発明に係る光学素子は、液晶層と、この液晶層の一方に配置された第１の透明基板と、この第１の透明基板に接するように配置された透明な第１の電極と、前記液晶層の他方に配置された第２の透明基板と、前記液晶層の他方の、前記第２の透明基板の前記液晶層に対向する側に配置され、円形の開口部を有する電極およびその開口部の内側に同心円状に配置された１個以上の環状の電極を有する第２の電極と、前記液晶層と前記第２の電極との間に配置された第１の絶縁層と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備える。

また本発明は、上記構成の光学素子において、前記第２の電極の、前記液晶層に対向する側の反対側に、第３の電極を、第２の絶縁層を介して設けたことを特徴とする。

また本発明は、上記構成の光学素子において、前記第２の電極の中心部に第３の電極を設けたことを特徴とする。

また本発明は、上記構成の光学素子において、第２の電極を構成する電極の電位を独立して制御可能であることを特徴とする。

また本発明は、上記構成の光学素子において、第２の電極を構成する電極の電位が内側から順に単調変化していることを特徴とする。

また本発明は、上記構成の光学素子において、第２の電極を構成する電極の電位が内側から順に単調変化していないことを特徴とする。

本発明に係る光学素子は、第１の電極と、開口部を有し、同心円状に配置された複数の電極からなる第２の電極との間に電圧を印加してできる電界によって、液晶層の液晶分子を再配向させて液晶層の屈折率分布を変化させることによって、焦点距離およびレンズの開口径を変化させることができる可変焦点レンズとして作用させることができる。

また、本発明によると、第２の透明基板または第１の絶縁層によって液晶層と第２の電極との間隔があるため、液晶層の第２の電極に直接対向する部分だけでなく、第２の電極に対向しない部分にも広がりを持った電界分布が形成され、液晶層の広い範囲の屈折率分布を制御することができ、例えば滑らかな収差補正を行うことができる。

また、本発明によると、第２の電極の開口部の中心に対向する位置に第３の電極を備えるため、光学素子を凸レンズとしてのみならず凹レンズとしても作用させることができる。

また、本発明によると、第２の電極を構成する電極の電位を独立して制御可能であるため、レンズの球面補正も可能である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図を用いて説明する。図１は第１の実施形態に係る光学素子である可変焦点レンズの平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

まず可変焦点レンズ１０の構成について説明する。可変焦点レンズ１０は、図１および図２に示すように、同じ外径の円形の第１の透明基板１１と第２の透明基板１２とが離隔対向配置されており、その間には液晶層１３が封入されている。第１の透明基板１１の、液晶層１３に対向する側の表面の全面には透明な第１の電極１４が設けられている。

第２の透明基板１２の液晶層１３と対向する側とは反対側の表面には、この面に接するように、透明な第２の電極１５が設けられている。第２の電極１５は、同心円状に配置された環状の個別電極１５ａ〜１５ｆからなり、最も大きい個別電極１５ａの外径は、第２の透明基板１２と同じ外径である。また、個別電極１５ｂ〜１５ｆには、個別電極１５ａの外周まで延長部１６が設けられている。この延長部１６も第２の透明基板１２に接するため、個別電極１５ａ〜１５ｅには他の個別電極に設けられた延長部１６が接しないように切り込みが設けられている。この場合、延長部１６は第２の電極１５と同時に第２の透明基板１２上に設けることができる。

なお、延長部１６は、図３に示す第１の実施形態の別の態様に係る可変焦点レンズの平面図および図４に示す図３のＢ−Ｂ断面図のように、切り込みのない個別電極１５ａ〜１５ｆからなる第２の電極１５を第２の透明基板１２上に形成した後、各個別電極１５ｂ〜１５ｆ上に、それぞれに対応する延長部１６を設けてもよい。この場合、延長部１６を設ける前に延長部１６と、それに対応しない各個別電極１５ａ〜１５ｅとの間に相当する部分に絶縁層１７を設けておく。このようにすることによって、個別電極１５ａ〜１５ｅには切り込みを設ける必要がないため、第１の電極１４と第２の電極１５との間に歪みのない同心円状の電界分布を得ることができ、液晶層１３において第２の電極１５の中心を軸とする軸対称状のきれいな屈折率分布を得ることができる。また、最外周の個別電極１５ａは、第１の電極１４を第２の電極１５上に投影した場合に、その外周が第１の電極１４の外周と一致するか、第１の電極１４を内包する限りにおいて円形でなくても構わない。

絶縁層１７としては、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、ポリイミドまたはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）などを用いることができる。形成方法として、窒化シリコンを用いた場合は熱ＣＶＤまたはプラズマＣＶＤ、二酸化シリコンを用いた場合は熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤまたは真空蒸着、ポリイミドを用いた場合はスピンコート、フッ化マグネシウムを用いた場合は真空蒸着を用いることができる。

第１の透明基板１１および第２の透明基板１２は、ガラスや樹脂などからなる透明な絶縁体であればよい。また、第１の電極１４および第２の電極１５は例えば酸化インジウム酸化錫（ＩＴＯ）など、導電性および透光性のあるものであればよい。

また、可変焦点レンズ１０には、配線２１によって電圧印加手段２０が接続されている。第１の電極１４および最外周の個別電極１５ａは外周から、最外周の個別電極１５ａ以外の第２の電極１５は延長部１６から、電圧印加手段２０に対して金属の導線からなる配線２１が設けられており、電圧印加手段２０によって、第１の電極１４と、第２の電極１５との間には交流電圧が印加され、第２の電極１５の各個別電極１５ａ〜１５ｅの電位は独立して制御することが可能である。なお、電圧印加手段２０によって印加される電圧を交流電圧とするのは、直流電圧が印加されると液晶が固まってしまうことがあるからである。

次に可変焦点レンズ１０の電圧制御について説明する。例えば、第２の電極１５において最外周の個別電極１５ａだけが存在し、他の個別電極１５ｂ〜１５ｆが存在していない場合と同様の電界分布を液晶層１３に形成しようとする場合、個別電極１５ａだけに電圧を印加し、他の個別電極１５ｂ〜１５ｆの電位を第１の電極１４と同じ電位に保ったのでは、個別電極１５ａに印加された交流電圧によって、他の個別電極１５ｂ〜１５ｆに誘導起電力が発生し、意図した電界分布を得ることができない。しかし、図５に示すように、第２の電極１５の個別電極１５ａ〜１５ｆに、内側から順に外側に行くほど電位が高くなるように設定することによって、誘導起電力の影響を小さくし、意図したものに近い電界分布を得ることができる。図５は、横軸の両端が最外周の個別電極１５ａの最大開口径、横軸の中心が第２の電極１５の中心であり、縦軸は個別電極１５ａ〜１５ｆ間の相対電位である。図３には、各個別電極の開口部の縁の部分について電位をプロットしている。電位の設定例として、各個別電極の開口部の縁の電位を結ぶと直線となる直線型や、二次曲線となる曲線型１、２を示している。これらの場合、いずれも第２の電極１５において最外周の個別電極１５ａだけが存在し、他の個別電極１５ｂ〜１５ｆが存在していない場合と同様の電界分布を液晶層１３に形成することができ、おのおのの設定によって可変焦点レンズ１０の焦点距離が異なる。直線型は個別電極１５ａ〜１５ｆ間の電位差が最も大きいので焦点距離がこの３つの設定のうちで最も短く、曲線型１は個別電極１５ａ〜１５ｆ間の電位差が最も小さいので焦点距離が最も長い。

次に、電圧制御についての別の例を示す。図６には、図５に示した直線型の電位設定（設定１）に加えて、最外周から２番目の個別電極１５ｂの電位を設定１よりも低く設定した設定２と、設定１よりも高く設定した設定３とを示している。図７には図６に示した設定の電位によって形成される電界強度の分布を示している。図７は、横軸の両端が最外周の個別電極１５ａの最大開口径、横軸の中心が第２の電極１５の中心であり、縦軸は液晶層１３における電界強度である。

また、図８には、図６に示した設定１に加えて、最外周から４番目の個別電極１５ｄの電位を設定１より低く設定し、５番目の個別電極１５ｅの電位を設定１より高く設定した設定４と、最外周から４番目と５番目の個別電極１５ｄ、１５ｅの電位を設定１より高く設定し、最も内側の個別電極１５ｆの電位を設定１より低く設定した設定５とを示している。図９には図７と同様に、図８に示した設定の電位によって形成される電界強度の分布を示している。

図４〜図７からわかるように、各個別電極１５ａ〜１５ｆの電位を制御することによって、それらに対向する位置周辺の液晶層１３における電界強度を制御することができる。したがって、個別電極１５ａ〜１５ｆの電位の制御によって液晶層１３の屈折率分布を制御し、可変焦点レンズ１０単独で球面収差のないレンズとすることができる。また、可変焦点レンズ１０を、図示しない他のレンズと組み合わせた場合、この他のレンズの収差を補正することもできる。

また、第１の実施形態において、最外周の個別電極１５ａと、それに隣接する個別電極１５ｂとの電位を等しく設定することによって、最外周の個別電極１５ａの電位をそれ以外の個別電極１５ｂ〜１５ｆの電位よりも高く設定した場合よりも、可変焦点レンズ１０がレンズとして作用する開口径を小さくすることができる。この状態で、個別電極１５ｃ〜１５ｆの電位を、個別電極１５ａ、１５ｂの電位よりも低い電位で制御することによって、焦点距離を変化させることができ、さらに球面収差を補正することができる。同様に、最外周から３個またはそれ以上の個別電極の電位を等しく設定し、その内側の個別電極の電位をそれより低い電位で制御することによって、可変焦点レンズ１０の開口径をより小さくしつつ、焦点距離を変化させ、球面収差を補正することができる。つまり、第２の電極１５を構成する個別電極１５ａ〜１５ｆの電位を制御することによって、可変焦点レンズ１０の開口径、焦点距離、球面収差の補正を制御することができる。

また、第２の電極１５と液晶層１３との間に第２の透明基板１２が設けられているため、第２の電極１５と液晶層１３との間には間隔があり、液晶層１３の第２の電極１５に対向する部分だけでなく、第２の電極１５に対向しない部分にも広がりを持った電界分布を形成することができる。よって、液晶層１３の広い範囲の屈折率分布を制御することができ、可変焦点レンズ１０の球面収差の補正を滑らかに行うことができる。
また、第２の電極１５を、図１０に示す第１の実施形態のまた別の態様に係る可変焦点レンズの平面図および図１１に示す図１０のＣ−Ｃ断面図のように、第２の透明基板１２の液晶層１３に対向する側に設けてもよい。この場合、第２の電極１５を第２の透明基板１２の液晶層１３に対向する面上に設け、第２の電極１５と液晶層１３との間に絶縁層１９を設ける。絶縁層１９によって、第２の電極１５と液晶層１３との間隔を広げることができるため、第２の電極１５を第２の透明基板１２の液晶層１３に対向する側の反対側に設けた場合と同様に、可変焦点レンズ１０の球面収差の補正を滑らかに行うことができる。

＜第２の実施形態＞
次に本発明の第２の実施形態について図を用いて説明する。図１２は第２の実施形態に係る可変焦点レンズの平面図、図１３は図１２のＤ−Ｄ断面図である。第２の実施形態は、第２の電極の上に絶縁層および第３の電極が設けられている点が異なる以外は第１の実施形態と同じであり、実質上同一の部分には同一の符号を付してある。

図１２に示すように、第２の実施形態に係る可変焦点レンズ１０は、第２の電極１５の上に絶縁層１７を介して透明の第３の電極１８が設けられている。第３の電極１８は、ＩＴＯなどからなるものであり、外径は第２の透明基板１２と同じ外径である。絶縁層１７として、第１の実施形態で説明した窒化シリコン、二酸化シリコン、ポリイミドまたはフッ化マグネシウムなどを用いることができる。

第２の実施形態において、第３の電極１８の電位を第２の電極１５の電位よりも高く設定することによって、液晶層１３部分において電界が液晶層１３を負の屈折率とするように分布し、可変焦点レンズ１０を凹レンズとして作用させることができる。さらに第２の電極１５の個別電極１５ａ〜１５ｆの電位を制御することによって、凹レンズによる光の発散状態を制御することもできる。

また、第２の実施形態においても、第３の電極１８の電位を第２の電極１５の電位よりも低く設定することによって、第１の実施形態と同様に可変焦点レンズを凸レンズとして作用させることができ、第２の透明基板１２によってあけられた第２の電極１５と液晶層１３との間隔によって可変焦点レンズ１０の球面収差の補正を滑らかに行うことができる。

なお、第３の電極１８は、第２の電極１５の開口部の上に位置するものであれば、第２の電極１５の開口部よりも外径が小さくてもよい。

また、第３の電極１８は、図１４に示す第２の実施形態の別の態様に係る可変焦点レンズの平面図および図１５に示す図１２のＥ−Ｅ断面図のように、第２の電極１５の開口部の内側に、第２の透明基板１２に接するように設けてもよい。この場合、第２の電極１５上に絶縁層を設ける必要がなく、また、第２の透明基板１２上に第２の電極１５と同時に形成することができる。

また、第２の電極１５と第３の電極１８は、第２の透明基板１２の液晶層１３に対向する側に設けてもよい。この例を図１６および図１７に示す。図１６は第２の実施形態のまた別の態様に係る可変焦点レンズの平面図であり、図１７は図１６のＦ−Ｆ断面図である。この場合、第３の電極１８を第２の透明基板１２の液晶層１３に対向する面上に設け、その上に絶縁層１７ａおよび第２の電極１５を順に設ける。続いて第２の電極１５の個別電極１５ａ〜１５ｅのそれぞれに対応する延長部１６を、それぞれに対応して設けられた絶縁層１７ｂ上に設け、第２の電極１５および延長部１６上に絶縁層１９を設ける。第１の透明基板１１と絶縁層１９まで設けられた第２の透明基板１２によって、液晶層１３を封入し、図１６および図１７に示す可変焦点レンズ１０が完成する。絶縁層１７ａ、１７ｂ、１９として窒化シリコン、二酸化シリコン、ポリイミドまたはフッ化マグネシウムなどを用いることができる。

このように構成した場合でも、絶縁層１９によって、第２の電極１５と液晶層１３との間隔を広げることができるため、第２の電極１５を第２の透明基板１２の液晶層１３に対向する側の反対側に設けた場合と同様に、可変焦点レンズ１０の球面収差の補正を滑らかに行うことができる。

なお、第１および第２の実施形態において、第２の電極１５の最外周の個別電極１５をアルミニウムなどからなる不透明なものとしてもよい。このとき、この不透明な電極は凸レンズまたは凹レンズとして作用する可変焦点レンズ１０の、液晶層１３の中心軸から離れた球面収差を発生する部分を遮光する絞りとして作用するため、複雑な電圧制御を行わなくても可変焦点レンズ１０を容易に球面収差の小さいレンズとすることができる。

また、第１の電極１４は、第１の透明基板の液晶層１３に対向する側と反対側の表面に設けてもよい。この場合も、可変焦点レンズ１０は、第１の電極１４を第１の透明基板１１の液晶層１３に対向する側の表面に形成した場合と同様に作用することができる。

第１の実施形態に係る可変焦点レンズの平面図図１のＡ−Ａ断面図第１の実施形態の別の態様に係る可変焦点レンズの平面図図３のＢ−Ｂ断面図第２の電極の電位の設定例第２の電極の電位の別の設定例図６の電位の設定の場合の電界強度第２の電極の電位の別の設定例図８の電位の設定の場合の電界強度第１の実施形態のまた別の態様に係る可変焦点レンズの平面図図１０のＣ−Ｃ断面図第２の実施形態に係る可変焦点レンズの平面図図１０のＤ−Ｄ断面図第２の実施形態の別の態様に係る可変焦点レンズの平面図図１２のＥ−Ｅ断面図第２の実施形態のまた別の態様に係る可変焦点レンズの平面図図１６のＦ−Ｆ断面図

符号の説明

１０可変焦点レンズ
１１第１の透明基板
１２第２の透明基板
１３液晶層
１４第１の電極
１５第２の電極
１５ａ個別電極
１５ｂ個別電極
１５ｃ個別電極
１５ｄ個別電極
１５ｅ個別電極
１５ｆ個別電極
１７絶縁層
１８第３の電極
２０電圧印加手段

Claims

液晶層と、この液晶層の一方に配置された第１の透明基板と、この第１の透明基板に接するように配置された透明な第１の電極と、前記液晶層の他方に配置された第２の透明基板と、前記第２の透明基板の前記液晶層に対向する側の反対側に配置され、円形の開口部を有する電極およびその開口部の内側に同心円状に配置された１個以上の環状の電極を有する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備える光学素子。
液晶層と、この液晶層の一方に配置された第１の透明基板と、この第１の透明基板に接するように配置された透明な第１の電極と、前記液晶層の他方に配置された第２の透明基板と、前記液晶層の他方の、前記第２の透明基板の前記液晶層に対向する側に配置され、円形の開口部を有する電極およびその開口部の内側に同心円状に配置された１個以上の環状の電極を有する第２の電極と、前記液晶層と前記第２の電極との間に配置された第１の絶縁層と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備える光学素子。
前記第２の電極の前記液晶層に対向する側の反対側に、第３の電極を、第２の絶縁層を介して設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
前記第２の電極の中心部に、第３の電極を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光学素子。
前記第２の電極を構成する電極の電位を独立して制御可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子。
前記第２の電極を構成する電極の電位が内側から順に単調変化していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子。
前記第２の電極を構成する電極の電位が内側から順に単調変化していないことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子。