JP2008310101A - 電気光学装置、電子機器、及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】適用するレンズが制限されず高い汎用性を得ることができるようにする。
【解決手段】画素電極９ａを備えるＴＦＴ基板１０と、ＴＦＴ基板１０に対向すると共に対向電極２１を備える対向基板２０と、両基板１０，２０間に挟持されて画素電極９ａと対向電極２１との間に印加される電圧に応じて屈折率が変化する液晶５０とを備え、画素電極９ａがＴＦＴ基板１０に対してマトリクス状に形成されており、各画素電極９ａに電圧を印加し、液晶５０の屈折率を変化させてレンズとして機能させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気光学装置の屈折率を変化させてレンズとして機能させることのできる電気光学装置、電子機器、及びカメラに関する。

電気光学物質の一例である液晶は、液体のような流動性を有し、電気的光学的特性に異方性を示し、かつ分子配向状態を種々制御できるという特徴を有している。かかる液晶の特徴を使用した液晶装置は、薄型軽量の平板型表示素子として、近年、目覚ましい発展を続けている。

液晶分子の配向状態は、液晶装置を構成する、２枚の透明導電膜を付したガラス基板の表面の処理や、外部印加電圧により容易に制御することができる。従って、液晶は、電圧印加により実効的な屈折率を異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという、他の光学材料にないすぐれた特性を有している。

このような液晶を代表とする電気光学物質を用いた光学素子は、通常の受動型の光学素子とは異なり、媒質である液晶の屈折率を電圧印可により比較的容易に可変制御できる。そのため、焦点距離を可変できる液晶レンズとしても採用されている。

例えば特許文献１（特開２００４−２６４５４９号公報）には、液晶分子層の屈折率の変調領域の２次曲線変調領域を用いて液晶光変調装置を凹レンズとして動作させる技術が開示されている。
特開２００４−２６４５４９号公報

しかし、上述した文献に開示されている技術は、一方のガラス基板に形成されている画素電極が、予め必要とするレンズに対応するパターン（レンズパターン）、すなわち、球面凸レンズ或いは球面凹レンズであれば同心円状のレンズパターンに形成されているため、適用するレンズが限定され、汎用性に欠ける問題がある。

更に、上述した文献に開示されている技術では、駆動回路が液晶装置とは別構成になっているため、外部から制御電圧を印加する必要があり、装置全体の構成が大型化してしまうばかりでなく、焦点距離等の微調整を行うことができず、使い勝手が悪いという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、適用するレンズが制限されず高い汎用性を得ることができると共に、装置の小型化が実現でき、更に焦点距離等の微調整を容易に行うことのできる電気光学装置、電子機器、及びカメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明による第１の電気光学装置は、第１の電極を備える第１の基板と、前記第１の基板に対向すると共に第２の電極を備える第２の基板と、前記両基板間に挟持されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される電圧に応じて屈折率が変化する電気光学物質とを備え、前記第１の電極が前記第１の基板に対してマトリクス状に形成されており、該各第１の電極に電圧を印加して前記電気光学物質の屈折率を変化させてレンズとして機能させることを特徴とする。

このような構成では、電気光学物質の屈折率を変化させてレンズとして機能させるようにしたので、適用するレンズが制限されず、高い汎用性を得ることができるばかりでなく、装置の小型化を実現することができる。更に、電圧を調整することで焦点距離等の微調整を容易に行うことができる。

第２の電気光学装置は、第１の電気光学装置において、前記電気光学物質の屈折率分布が、中心から外周へ移行するに従い大きくなるように前記電圧が設定されていることを特徴とする。このような構成では、電気光学装置を凸レンズとして機能させることができる。

第３の電気光学装置は、第１の電気光学装置において、前記電気光学物質の屈折率分布が、中央から外周方向へ移行するに従い次第に小さくなるように前記電圧が設定されていることを特徴とする。このような構成では、電気光学装置を凹レンズとして機能させることができる。

第４の電気光学装置は、第１の電気光学装置において、前記電気光学物質の屈折率分布が、四角い領域内に設定されていると共に、該屈折率分布が、中央から外周の四面方向へ移行するに従い次第に大きくなるように前記電圧が設定されていることを特徴とする。このような構成では、電気光学装置を四角い凸レンズとして機能させることができる。

第５の電気光学装置は、第１の電気光学装置において、前記電気光学物質の屈折率分布が、一方向の中央が大きく、そこから両側へ移行するに従い小さくなるように前記電圧が設定されていることを特徴とする。このような構成では、電気光学装置を２焦点レンズ或いは円筒形レンズとして機能させることができる。

第６の電気光学装置は、第１の電気光学装置において、前記電気光学物質の屈折率分布が、複数の点で最も小さく、この各点を中心としてそれぞれ外周方向へ移行するに従い次第に大きくなるように前記電圧が設定されていることを特徴とする。このような構成では、電気光学装置を凸レンズアレーとして機能させることができる。

第７の電気光学装置は、前記電圧は前記第１の電極の電極電位が設定電圧に達したとき非通電とし、該電極電圧が設定値以下に達したとき通電することを特徴とする。このような構成では、電圧を常時通電する必要がないので電力消費量を削減することができる。

本発明による電子機器は、第１〜７の何れかの電気光学装置を備えて構成されていることを特徴とする。このような構成では、電子機器に組み込まれた電気光学装置を、高い汎用性を有するレンズとして機能させることができる。

本発明によるカメラは、撮像光学系と、前記撮像光学系から入射する光を受光する撮像素子と、前記撮像光学系と前記撮像素子との間に配置される前記第１の電気光学装置と、前記撮像素子の出力信号が入力され、前記第１の電気光学装置に補正信号を出力するコントロールユニットとを備え、前記第１の電気光学装置の電気光学物質の屈折率分布が、前記コントロールユニットの補正信号によって、前記撮像素子において受光した被写体像の歪を補正するように変化することを特徴とする。

このような構成では、本発明による第１の電気光学装置を、カメラに設けられている撮像光学系と撮像素子との間に配置し、コントロールユニットから補正信号により第１の電気光学装置の屈折率分布を補正するようにしたので、撮像光学系から入射した被写体像の像ぶれやゆがみを自動補正することができる。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１〜図１０に本発明の第１実施形態を示す。尚、以下においては、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；ＴＦＴ）を画素スイッチング素子として備えたアクティブマトリクス型の液晶装置を例に挙げて説明する。

図１は電気光学装置である液晶装置をその上に形成された各構成要素と共に対向基板側から見た平面図、図２はＴＦＴ基板と対向基板とを貼り合わせて液晶を封入する組立工程終了後の液晶装置であって、図１のH-H'断面図、図３は液晶装置の画像表示領域においてマトリクス状に形成された複数の画素における各種素子、配線等の等価回路図である。尚、各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。

先ず、一般的な液晶装置１００の全体構成について説明する。図１、図２に示すように、液晶装置１００は、第１の基板としてのＴＦＴ基板１０と、これに対向配置される第２の基板としての対向基板２０とを有し、両基板１０，２０の対向面間の画像表示領域１０ａの周囲に設けたシール領域がシール材５２を介して貼り合わされている。更に、この両基板１０，２０の対向面間とシール材５２とで囲まれた領域内に、電気光学物質としての液晶５０が封入れている。対向基板２０の４隅には、上下導通材１０６が設けられており、ＴＦＴ基板１０に設けられた上下導通端子１０７と対向基板２０に設けられた第２の電極としての対向電極２１との間で電気的に導通されている。

又、シール材５２が配置されたシール領域の内側に並行して、画像表示領域１０ａを規定する遮光性の周辺遮光膜５３が対向基板２０側に設けられている。又、画像表示領域の周辺に広がる周辺領域のうち、シール材５２が配置されたシール領域の外側部分には、データ線駆動回路１０１及び外部回路接続端子１０２がＴＦＴ基板１０の一辺に沿って設けられており、走査線駆動回路１０４が、この一辺に隣接する２辺に沿って設けられている。

更に、ＴＦＴ基板１０の残る一辺には、画像表示領域１０ａの両側に設けられた走査線駆動回路１０４間を電気的に接続するための複数の配線１０５が設けられている。尚、走査線駆動回路１０４、及び配線１０５は、シール材５２の内側の周辺遮光膜５３に対向する位置に配設されている。

更に、ＴＦＴ基板１０上には、後述する画素スイッチング用のＴＦＴ素子や走査線、データ線等の配線が形成された後の画素電極９ａ上に配向膜１６が形成されている。他方、対向基板２０上には、対向電極２１の他、最上層部分に配向膜２２が形成されており、これら一対の配向膜１６，２２間で、所定の配向状態が設定される。

又、図３に示すように、画像表示領域１０ａには、複数のドット１５０がマトリクス状に形成され、当該ドット１５０毎に、第１の電極としての画素電極９ａとＴＦＴ素子４０とが形成されている。又、画像表示領域１０ａには、複数の走査線１３と、この走査線１３と交差する複数のデータ線９とが設けられ、走査線１３は走査線駆動回路１０４により、データ線９はデータ線駆動回路１０１により駆動される。各ドット１５０において、ＴＦＴ素子４０は走査線１３を介して供給される走査信号によりＯＮ状態となり、これによりデータ線９からの画像信号が画素電極９ａに供給される。

ところで、画素電極９ａと対向電極２１との間に駆動交流電圧（例えば数kHzの矩形波）を印加すると、複屈折率（分子の長軸と短軸の屈折率差）を持つネマティック液晶分子は、電場に沿って傾く。つまり、液晶分子（長軸の向き）と平行な方向の直線偏光を有する単色光では、液晶層が電圧分布に応じて局所的に異なった屈折率分布を有する媒質と等価になる。従って、液晶５０を通過した光の波面には、液晶５０の印加電圧の面内分布に応じた空間的な位相変調（或いは波面変調）が加わることになる。

電気光学特性の形状は、液晶５０の弾性定数、誘電率異方性や電圧無印加時の液晶分子の初期配向角から決定される。小さなプレチルト角（５°以下）を有する液晶素子は、電気光学特性の低電圧領域で急峻な立下り（しきい値）が見られるが、電圧を増加するにつれて線形に近い応答を示し、その後、一定値に飽和する特性を有している。一方、大きなプレチルト角を有する液晶素子では、しきい値は消失し、低電圧領域の曲線を二乗曲線で近似できる特性となる。

従って、画素電極９ａと対向電極２１との間に印加する駆動交流電圧を変化させることで、様々なレンズを作り出すことができる。図４〜図９に液晶装置１００を液晶レンズとして用いた場合の態様について例示する。

図４には液晶装置１００を凸レンズとして機能させた態様が示されている。同図（ａ）は画像表示領域１０ａの座標軸が示されている。尚、本実施形態では、便宜的に画像表示領域１０ａの左下を原点としている。同図（ａ）に示す濃淡は、液晶５０の屈折率分布を示す。薄い方から濃い方へ移行するに従い大きくなる。この屈折率分布は、画素電極９ａ毎の印加電圧によって決定される。

このように、画像表示領域１０ａの中心から外周へ移行するに従い大きくなるように駆動交流電圧を設定することで、液晶装置１００は、図４（ｂ）に示す凸レンズと同じ機能が発揮される。

図５には液晶装置１００を凹レンズとして機能させた態様が示されている。同図（ａ）に示すように、画像表示領域１０ａにおける液晶５０の屈折率分布を、中央から外周方向へ移行するに従い次第に小さくなるように、駆動交流電圧を設定することで、液晶装置１００は、図５（ｂ）に示す凹レンズと同じ機能が発揮される。

図６には液晶装置１００を四角の凸レンズとして機能させた態様が示されている。同図（ａ）に示すように、画像表示領域１０ａにおける液晶５０の屈折率分布を四角い領域内に設定し、その周辺を遮光する。更に、屈折率分布を中央から外周の四面方向へ移行するに従い次第に大きくなるように、駆動交流電圧を設定する。その結果、液晶装置１００は、図６（ｂ）に示す四角の凸レンズと同じ機能が発揮される。

図７には液晶装置１００を２焦点レンズとして機能させた態様が示されている。同図（ａ）に示すように、画像表示領域１０ａにおける液晶５０の屈折率分布を、Ｘ軸の中央を大きく、そこからＸ軸方向に沿って両側へ移行するに従い次第に小さくなるように、駆動交流電圧を設定する。その結果、液晶装置１００は、図７（ｂ）に示す２焦点レンズ
と同じ機能が発揮される。

図８には液晶装置１００を３連の円筒形レンズとして機能させた態様が示されている。同図（ａ）に示すように、画像表示領域１０ａにおける液晶５０の屈折率分布をＸ軸方向の中央と、その両側を最も低く、そこからＸ軸に沿って両側へ移行するに従い次第に高くなるように、駆動交流電圧を設定する。

その結果、図８（ｂ）に示す三連の円筒レンズと同じ機能を液晶装置１００で発揮させることができる。

図９には液晶装置１００を４個の凸レンズから成るレンズアレーとして機能させた態様が示されている。同図（ａ）に示すように、画像表示領域１０ａにおける液晶５０の屈折率分布を対角線上の４点で最も小さく、この４点を中心にそれぞれ外周方向へ移行するに従い次第に大きくなるように、駆動交流電圧を設定して、液晶装置１００を４個の凸レンズを集合させたレンズアレーとして機能させる。又、この液晶装置１００は１つの光を４分割するビームスプリッタとして使用することもできる。

尚、上述した実施例１〜６において、駆動交流電圧の強弱により焦点距離を変えることができる。更に、電圧分布を変えることでレンズ収差を調整することも可能となる。

ところで、液晶５０は電界によって屈折率が変化されるが、液晶５０の焼きつき現象を利用することで、電圧の印加時間を減少させることができる。すなわち、図１０に示すように、電極電位が所定電圧に達するまで駆動交流電圧を通電し、所定電圧に達したとき駆動交流電圧を遮断する。駆動交流電圧の供給を遮断しても、焼き付き現象により所定時間電位が保持される。従って、この電極電位が所定に減衰した際に、駆動交流電圧を印加するように駆動交流電圧の供給を断続的に行うことで電力消費量を低減させることができる。

このように、本実施形態によれば、液晶装置１００には既に駆動回路が設けられているため、駆動回路を別途設ける必要が無く、装置の小型化を実現することができる。又、駆動回路が既に設けられているため、この液晶装置１００を液晶レンズとして使用した場合の制御が容易になる。更に、画素電極９ａごとに屈折率を設定することができるので、あらゆるレンズに適用させることができ、高い汎用性を得ることができる。更に、駆動交流電圧を調整することで焦点距離を容易に微調整することが可能となり、又、電圧分布を変えることでレンズ収差を個別に調整する個度ができる。

[第２実施形態］
図１１、図１２に本発明の第２実施形態を示す。本実施形態では、液晶レンズとして用いる液晶装置１００を光ファイバの中途に介装したものであり、液晶装置１００と光ファイバとで電子機器が構成されている。

図１１に示す液晶装置１００は、一方の光ファイバ１２１から出射された光信号を平行光に戻して他方の光ファイバ１２２へ出射させるようにしたものである。尚、この場合、液晶装置１００の出射側に偏光角を検出する光電センサを配設し、液晶装置１００から出射される光信号が常に平行光となるように、液晶装置１００に供給する駆動交流電圧をフィードバック制御するようにしても良い。

又、図１２に示す液晶装置１００は、入射光を２分割するビームスプリッタとして機能させるようにしたものである。

[第３実施形態]
図１３、図１４に本発明の第３実施形態を示す。本実施形態では、液晶装置１００を電子機器としてのカメラのレンズとして用いたものである。

すなわち図１１に示すカメラ１４１では、液晶装置１００を撮像レンズとして用いた態様が示されている。液晶装置１００を撮像レンズとて用いることで、広角やズームを、機械的な駆動系を用いることなく電気的に行うことができるため、カメラ１４１の軽量、小型化を実現することができる。

又、図１４に示すカメラ１５１では、液晶装置１００を補正レンズとして用い、撮像光学系１５２から入射した被写体像の像ぶれやゆがみを自動補正するようにしたものである。すなわち、撮像素子１４１ａにて受光した被写体像の電気信号をカメラコントロールユニット１５３へ出力し、ここで像ぶれやゆがみの有無を検出する。そして、像ぶれやゆがみが検出された場合、液晶装置１００に補正信号を出力し、像ぶれやゆがみを自動的に補正する。

[第４実施形態]
図１５に本発明の第５実施形態を示す。本実施形態では、液晶装置１００を眼鏡レンズとして用いるものである。電子機器としての眼鏡１６１に取付けられている液晶装置１００は、検眼時に調整することができる。従って、眼鏡度数が適合しなくなった場合には、直ちに再調整が可能であり、買い換える必要が無く経済的である。

又、液晶装置１００に遠視時の度数と近視時の度数とを記憶させておくことで、１つの眼鏡１６１で遠視用と近視用とを兼用させることができ、更に多焦点レンズにも対応できるため、使い勝手がよい。

本発明における電気光学装置は、ＴＦＴアクティブマトリクス駆動方式の液晶装置以外に、パッシブマトリックス型の液晶装置、ＴＦＤ（薄型ダイオード）をスイッチング素子として備えた液晶装置であっても良い。

第１実施形態による液晶装置をその上に形成された各構成要素と共に対向基板側から見た平面図 同、図１のH-H'断面図 同、液晶装置の画像表示領域を示す回路図 同、（ａ）は実施例１による凸レンズに対応する屈折率分布を示す概念図、（ｂ）は凸レンズの側面図 同、（ａ）は実施例２による凹レンズに対応する屈折率分布を示す概念図、（ｂ）は凹レンズの側面図 同、（ａ）は実施例３による四角の凸レンズに対応する屈折率分布を示す概念図、（ｂ）は四角の凸レンズの側面図 同、（ａ）は実施例４による２焦点レンズに対応する屈折率分布を示す概念図、（ｂ）は２焦点レンズの側面図 同、（ａ）は実施例５による３連の円筒レンズに対応する屈折率分布を示す概念図、（ｂ）は３連の円筒レンズの側面図 同、レンズアレーに対応する屈折率分布を示す概念図 同、駆動交流電圧の通電或いは非通電と電極電圧との関係を示すタイムチャート 第２実施形態による液晶装置の概略側面図 同、別態様による液晶装置の概略側面図 第３実施形態による液晶装置をカメラのレンズとして適用した状態の概略側面図 同、別態様による液晶装置をカメラのレンズとして適用した状態の概略側面図 第４実施形態による液晶装置を眼鏡レンズとして適用した状態の概略側面図

符号の説明

９ａ…画素電極、１０…ＴＦＴ基板、１０ａ…画像表示領域、２０…対向基板、２１…対向電極、４０…ＴＦＴ素子、５０…液晶、１００…液晶装置、１０１…データ線駆動回路、１０４…走査線駆動回路、１２１…光ファイバ、１４１，１５１…カメラ、１４１ａ…撮像素子、１５２…撮像光学系、１５３…カメラコントロールユニット、１６１…眼鏡

Claims (9)

1. 第１の電極を備える第１の基板と、前記第１の基板に対向すると共に第２の電極を備える第２の基板と、前記両基板間に挟持されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される電圧に応じて屈折率が変化する電気光学物質とを備え、
   前記第１の電極が前記第１の基板に対してマトリクス状に形成されており、該各第１の電極に電圧を印加して前記電気光学物質の屈折率を変化させてレンズとして機能させる
   ことを特徴とする電気光学装置。
2. 前記電気光学物質の屈折率分布が、中心から外周へ移行するに従い大きくなるように前記電圧が設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電気光学装置。
3. 前記電気光学物質の屈折率分布が、中央から外周方向へ移行するに従い次第に小さくなるように前記電圧が設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電気光学装置。
4. 前記電気光学物質の屈折率分布が、四角い領域内に設定されていると共に、該屈折率分布が、中央から外周の四面方向へ移行するに従い次第に大きくなるように前記電圧が設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電気光学装置。
5. 前記電気光学物質の屈折率分布が、一方向の中央が大きく、そこから両側へ移行するに従い小さくなるように前記電圧が設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電気光学装置。
6. 前記電気光学物質の屈折率分布が、複数の点で最も小さく、この各点を中心としてそれぞれ外周方向へ移行するに従い次第に大きくなるように前記電圧が設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電気光学装置。
7. 前記電圧は前記第１の電極の電極電位が設定電圧に達したとき非通電とし、該電極電圧が設定値以下に達したとき通電する
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電気光学装置。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の電気光学装置を備えて構成されている
   ことを特徴とする電子機器。
9. 請求項１に記載の電気光学装置を備えたカメラであって、
   撮像光学系と、
   前記撮像光学系から入射する光を受光する撮像素子と、
   前記撮像光学系と前記撮像素子との間に配置される前記電気光学装置と、
   前記撮像素子の出力信号が入力され、前記電気光学装置に補正信号を出力するコントロールユニットとを備え、
   前記電気光学装置の電気光学物質の屈折率分布が、前記コントロールユニットの補正信号によって、前記撮像素子において受光した被写体像の歪を補正するように変化する
   ことを特徴とするカメラ。