JP2009080286A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶レンズの有効径の外周近傍における液晶層の配向を安定させ、所望の光学特性を得ることを可能とする光学装置を提供する。
【解決手段】光学装置１は、液晶レンズ１０と絞り５とを有する。液晶レンズ１０は、透明基板５５、５６が、パターン電極５８とパターン電極５９とが対向するようにシール５３を介して貼り合わされる。透明性基板５５には、パターン電極５９として共通電極が形成され、透明性基板５６には、パターン電極５８として輪帯パターン電極は形成される。絞り５は、液晶レンズ１０に対して外光側に設置されている。パターン電極５８の輪帯パターン電極は、有効径４０内に液晶５０の屈折率分布を形成する屈折率分布形成電極群２７と、屈折率分布形成電極群２７の周囲に設けられた配向安定電極３０とからなる。屈折率分布形成電極群２７の最外周輪帯パターン電極２８は、配向安定電極３０と一体に有効レンズ径４０を跨いで形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶レンズを用いた光学装置に関し、特に、液晶レンズの有効径の外周近傍における液晶層の配向を安定させることで、液晶の配向乱れによる散乱光を抑えて、光学特性を向上させることを可能とするものである。

従来より、光学系の焦点距離または焦点位置を変化させる合焦点機構として、レンズを移動させることにより焦点を合わせる方式が広く用いられている。しかし、この方式では、レンズ駆動機構が必要であるため、機構が複雑になるという欠点や、レンズ駆動用モータに比較的多くの電力を要するという欠点がある。また、一般に耐衝撃性が低いという欠点もある。そこで、レンズ駆動機構が不要な合焦点機構として、液晶レンズの屈折率を変化させることにより焦点を合わせる方式が提案された。この液晶レンズを用いた方式は、液晶レンズを駆動するために液晶レンズに印加する電圧（駆動電圧）を変化させることによって、液晶レンズの屈折率分布を変化させて、可変焦点レンズとして機能する方式である。

液晶レンズは、２枚のガラス基板を重ねて構成される。ガラス基板には、所望の屈折率勾配分布を得るために液晶を駆動する電極として、透明電極がパターニングされている。この透明電極として、輪帯状にパターニングされた電極を備える液晶レンズが知られている。（例えば、特許文献１参照）。

図８は、特許文献１に記載された液晶レンズの輪帯パターン電極の構成を示す説明図である。図８（a）は輪帯パターン電極の全体図であり、図８（ｂ）は、最外周電極の近傍Eの拡大図である。図８に示すように、特許文献１に記載された液晶レンズは、レンズとして作用する有効径４０内に、中心部からの距離に応じて異なる幅に形成された輪帯パターン電極を有するものである。

特開２００６―１４５９５７号公報（第６頁、第１、２図）

しかし、上述した従来の液晶レンズを備える光学装置では、次のような問題がある。特許文献１に記載された従来の液晶レンズは、液晶に電圧を印加するための輪帯パターン電極を、有効径内に有したものであり、有効径外側の液晶の配向が乱れた状態となる。よって、このような従来の液晶レンズを備える光学装置では、液晶レンズの有効径外側における液晶の配向乱れにより生じた散乱光が迷光となり、結像性能が劣化してしまう問題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、液晶レンズの有効径の外周近傍における液晶層の配向を安定させ、所望の光学特性を得ることを可能とする光学装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の光学装置は、基本的には下記記載の構成を採用するものである。

本発明にかかる光学装置は、第１の透明基板に設けられた第１の電極部と、第２の透明
基板に設けられた第２の電極部とで液晶層を挟持した液晶レンズと、液晶レンズの有効径を決定する絞りとを有する光学装置において、第１の電極部は、複数の電極により、有効径内に液晶層の屈折率分布を形成する屈折率分布形成電極群と、前記屈折率分布形成電極群の周囲に設けられ、有効径の外周近傍における液晶層の配向を安定させる配向安定電極と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明にかかる光学装置は、配向安定電極は、屈折率分布形成電極群の最も外側に位置する電極より、太い幅で形成されることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる光学装置は、屈折率分布形成電極群は、複数の輪帯状パターンの電極により、液晶層の位相分布を形成することを特徴とするものである。

また、本発明にかかる光学装置は、配向安定電極と、屈折率分布形成電極群の最外周の電極とは、有効径の外周を跨いで一体に形成されたことを特徴とするものである。

また、本発明にかかる光学装置は、屈折率分布形成電極により有効径内に形成される液晶層の屈折率分布を、配向安定電極の位置まで延長するように、配向安定電極に電圧が印加されることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる光学装置は、屈折率分布形成電極群の最外周の電極への印加電圧と略同一の電圧が、配向安定電極に印加されることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる光学装置は、第２の電極部は、少なくとも、屈折率分布形成電極群と配向安定電極とに対向する領域に設けられることを特徴とするものである。

本発明の光学装置によれば、配向安定電極により、液晶レンズの有効径の外周近傍おける液晶層の配向が安定する。これにより、液晶の配向乱れによる散乱光の発生を抑え、光学特性を向上させることが可能となる。

以下、添付図面を参照して、この発明にかかる液晶レンズを用いた光学装置、特に小型カメラモジュールに用いられる好適な実施の形態を詳細に説明する。

まず、本発明の光学装置の構成例について説明する。図１は、本発明の光学装置１の構成例を示す説明図である。図１（ａ）は、本発明の光学装置として絞り付き液晶レンズの断面図であり、図１（ｂ）は液晶レンズの輪帯パターン電極の平面図である。

図１に示すように、本発明の光学装置１は、液晶レンズ１０と絞り５とを有する。液晶レンズ１０は、２枚の透明基板５５、５６が、内側面に形成されたパターン電極５８、パターン電極５９が対向するようにシール５３を介して貼り合わされた構成を有する。シール５３には、セルギャップを決めるスペーサ５４が混入されており、透明基板５５、５６の外縁部に設けられている。シール５３の内側には、液晶５０が充填されている。

パターン電極５８、パターン電極５９の上には、液晶５０を並ばせるための配向膜５２がラビング処理を施され形成されている。配向膜５２は、シール５３に重なる位置まで形成されており、シール５３の際まで液晶５０を配向させている。
透明性基板５５には、パターン電極５９として第２の電極部の一例である共通電極が形成されている。透明性基板５６には、パターン電極５８として第１の電極部の一例である
輪帯パターン電極は形成されている。共通電極と輪帯パターン電極間の電位差によって液晶分子を駆動させ、液晶５０に屈折率の分布を形成することで、液晶レンズ１０にレンズの効果を持たせる。輪帯パターン電極の構成および駆動方法の詳細については、後述する。

絞り５は、液晶レンズ１０に対して外光側に設置されている。絞り５の開口部の径（絞り径４１）および、開口部の傾斜角により、液晶レンズ１０に入射する外光の直径（有効径４０）および、液晶レンズ１０の画角が決定される。
前述したように、屈折率分布が形成される液晶５０は透明基板に挟持されており、絞り５は、透明基板５５を介して液晶５０に対して配置される。
このため、図１（ａ）の、絞り５の開口部の端部に画角で入射した入射光７０の光路に示すように、入射光は、絞り５の開口部を通過後、透明基板５５内を進んで液晶５０に入射する。したがって、画角、透明基板５５の厚さ及び透明基板５５の屈折率に応じて、有効レンズ径４０より絞り径４１の方が大きくなる。

次に、本発明の光学装置１における液晶レンズ１０の輪帯パターン電極の構成について説明する。図２は、透明性基板５６のパターン電極５８である輪帯パターン電極の構成を示す平面図である。図２（ａ）は輪帯パターン電極の全体図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡで示す、有効径の外周近傍の拡大図である。
図３は、透明性基板５６のパターン電極５８である輪帯パターン電極の設計例を示す説明図である。横軸は半径方向の距離であり、縦軸が屈折率である。
図２及び図３では、表示上の問題から、それぞれ異なる本数の輪帯パターン電極を示している。本発明は輪帯パターン電極の本数に依存するものではない。
図２及び図３に示すように、透明性基板５６のパターン電極５８の輪帯パターン電極は、有効径４０内に液晶５０の屈折率分布を形成する屈折率分布形成電極群２７と、屈折率分布形成電極群２７の周囲に設けられた配向安定電極３０とからなる。

各輪帯パターン電極からは、１対１対応で電極端子を出すために引出配線３５が引き回されている。つまり、輪帯パターン電極への電圧印加させるために、各輪帯パターン電極１本ずつに独立した電極端子を持つ独立輪帯方式であり、本発明において以後説明上は、この独立輪帯方式を用いて行う。
また、各輪帯パターン電極は、輪帯パターン電極間ギャップ３６（例えば、１．５μｍ）だけ離して形成されており、輪帯パターン間ギャップ３６は、後述するように、輪帯パターン間ギャップ領域の電圧降下を防ぐために狭ければ狭いほど好ましい。

まず、屈折率分布形成電極群２７の各輪帯パターン電極の構成について説明する。液晶レンズ１０は、屈折率可変焦点レンズであり、使用する液晶の屈折率ｎeからｎoの範囲、すなわちｎeからｎoを引いた複屈折Δｎの範囲を、図３に示す有効屈折率範囲４２として使用する。
屈折率分布形成電極群２７の各輪帯パターン電極は、有効径４０の半径の２乗を、総輪帯本数で割り、有効屈折率範囲４２を等間隔で分割し、隣り合う分割点の屈折率が、隣り合う分割点同士の屈折率の平均となる位置に輪帯パターン電極間のギャップ３６を設けるように設計している。そのため、レンズ中心から外側に行くに連れて輪帯幅は細くなっている。

また、本発明の光学装置１における液晶レンズ１０においては、屈折率分布形成電極群２７の最外周輪帯パターン電極２８が、有効径４０の外周近傍における液晶分子の挙動を安定させるための配向安定電極３０と一体に形成されている。つまり、最外周輪帯パターン電極２８は、配向安定電極３０と一体に有効レンズ径４０を跨いで形成されている。
図２及び図３に示す例では、最外周輪帯パターン電極２８は、配向安定電極３０と一体
に、絞り径４１の範囲も含めてパターン領域が形成されている。

なお、図３では、中心側の屈折率が小さく、外周側の屈折率が高い凹レンズ特性を示しているが、特に凹レンズに限定されるものではなく、液晶に印可する電圧を中心側と外周側で変えることにより、中心の屈折率を高く、外周側の屈折率を小さい凸レンズ形状にすることも可能である。

ここで、図１に戻り、各パターン電極の構成について説明する。図１に示すように、絞り径４１は、配向安定電極３０の領域内に収まっている。また、できるだけ液晶の配向を安定させる領域を広く形成できるように、配向安定電極３０はシール５３に近い領域まで設けている。
図示はしていないが、シール５３の中にはスペーサに加えて、透明基板間を上下導通させるための導電粒が混入されている。よって、配向安定電極３０とシール５３内の導電粒との導通を防ぐため、配向安定電極３０をシール５３下まで形成させていない。シール５３の中に導電粒を混入させない構成であれば、配向安定領域を広くするためにシール５３下まで配向安定電極３０を形成させても良い。

また、配向安定電極３０を広い領域に形成させたとしても、対向する共通電極を、配向安定電極３０よりも小さい領域で形成させた場合には、電圧印加時に横電界の発生によって、共通電極が形成されていない領域での液晶分子の配向が乱れてしまう。このため、図１に示すように、共通電極は、配向安定電極３０の外周と同じか、それ以上の大きさを有し、配向安定電極３０と対向する領域に形成することが望ましい。
なお、共通電極はパターンが形成されていても構わないが、分割されていない一様な電極、いわゆるベタ電極で形成することが望ましい。共通電極にパターンが形成されている場合においては、液晶５０に印加される電圧を一様とするため、共通電極のパターン電極間ギャップと、屈折率分布形成電極群２７と配向安定電極３０のパターン電極間ギャップの位置が重ならないように、それぞれの電極を形成することが望ましい。

また、上述した液晶レンズ１０の構成例では、液晶層を１つとしているが、これに限定されるものではなく、特にＰ偏光、Ｓ偏光それぞれの変調素子として液晶層が２層であっても構わない。２層液晶構成となった場合でも、単層液晶構成と同様に、配向安定電極３０、共通電極のパターンは同じ構成とすることが望ましい。

さらに、液晶５０の配向は、図面上は層内で一様に同じ向きに並んでいるホモジニアス配向としてあるが、本発明では配向安定電極による配向の安定は、液晶の配向方式に依存しないので、ツイスト配向、ベンド配向、スプレイ配向、ハイブリッド配向としても構わないし、ｎ型液晶を用い、垂直配向でも構わない。

次に、本発明の光学装置の光学的な動作について、カメラモジュールに用いた構成を例として説明する。図４（ａ）は液晶レンズと絞りを有する光学装置を用いたカメラモジュール１１の一例を示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の液晶レンズ１０の有効径近傍Ｂを拡大した断面図である。図４（ａ）に示すように、カメラモジュール１１では、外部からの入射光７０が、順番に、液晶レンズ１０、光学レンズ６２、光学レンズ６３、光学レンズ６４、赤外線カットフィルタ６６を通り、イメージセンサ素子６７に結像される。

光学レンズ６２〜６４はレンズ枠体６１により保持されてレンズ系を構成する。液晶レンズ１０は、光学レンズ６２〜６４の外光側に設置されている。また、鏡筒６０の一部が開口されて液晶レンズ１０用の有効径を決定する絞り５が設けられている。
光学レンズ６２の絞りはレンズ枠体６１に設けられており、光学レンズ６３〜６４の絞
りはそれぞれ遮光性フィルム６５で設けられている。それぞれの絞りによって、各光学レンズの有効径が決められている。

液晶レンズ１０には、フレキシブルプリント基板（Flexible Printed Circuit：ＦＰＣ）６８が圧着され接続されており、ＦＰＣ６８上には液晶レンズ駆動ＩＣ６９が実装されており、外部からの信号によって自由にレンズ状態を変化させることが可能となっている。

ここで、図４（ｂ）を用いてさらに詳細に液晶レンズ１０の有効径４０と絞り径４１と外部からの入射光との関係について説明する。図１を用いて説明したとおり、鏡筒６０に設けられた絞り５によって、液晶レンズ１０の有効径および画角は決定される。また、同じく図１を用いて説明したとおり、画角、透明基板の厚さ及び透明基板の屈折率に応じて、有効レンズ径４０より絞り径４１の方が大きい。
図４（ｂ）に示すように、絞り径４１と有効径４０との差の領域への外部からの入射光７１は、光学レンズ６２のレンズ枠体６１の絞りによって遮光されるように設計されている。

しかしながら、有効径４０の外周近傍における液晶５０の配向状態によっては、液晶によって光が散乱されて迷光７２となり、レンズ枠体６１の絞りで遮光できずに、イメージセンサ素子まで届いて結像し、画像特性の劣化を引き起こす。特に、従来技術の液晶レンズの構造では、パターン電極により液晶に電圧を印加させる際に発生する電圧の急激な勾配や横電界によって液晶の配向が乱され、局所的に散乱が発生してしまっていた。

ここで、透明電極のパターン形状と、液晶の配向乱れ現象の起因となる液晶の電圧分布との関係について説明する。図５は、透明基板８１と透明基板８２の２枚の間に液晶８０が配向されて充填され、透明基板８１の内側に形成された透明電極８３に０Ｖの電圧が印加され、透明基板８２の内側に形成された透明電極８４ａ〜８４ｃに８．４Ｖの電圧が印加された場合での、液晶８０の電圧分布の静的シミュレーション結果を示している。

図５（ａ）から図５（ｃ）は、透明基板８２に形成されている透明電極８４のパターンが異なっている。透明性基板８１に形成されている透明電極８３は共通電極として、分割されていない一様な電極、いわゆるベタ電極に形成されている。透明性基板８１と透明性基板８２の間に示されている曲線は等電位曲線８６であり、１区間０．６Ｖ差である。

また、液晶層の厚みは１８μｍと設定し、液晶層の厚みに対して透明電極の厚みは１７ｎｍと非常に薄いので、厚みは０とみなしてシミュレーションを行っている。図５においては、表示上の問題から、透明電極は厚く、透明基板は薄く表しており、実物のアスペクト比とは大きく異なっている。

図５（ａ）は、従来技術の液晶レンズの輪帯パターン電極についてのシミュレーション結果であり、液晶レンズの有効径４０内に最外周輪帯パターン電極としてパターン電極８４ａが形成され、有効径４０より外側に関してはパターン電極が形成されない構成である。
図５（ａ）の等電位曲線８６に示すとおり、有効径４０の外周の位置であるパターン電極８４ａの端部で急激に電圧降下が起きており、パターン電極８４ａから離れていくに従い電圧降下度合はなだらかになっていく。
このようなパターン電極８４ａの端部で急激な電圧降下による勾配により、横電界が発生しており、生じた横電界の向きに沿って液晶が並んでしまい、一様な配向状態が崩れてしまい液晶の配向乱れを発生させている。

さらに、有効径４０内のパターン電極８４ａが形成されている領域内でも、有効径４０の外周近傍では、パターン電極８４ａが形成されない領域からの影響により電圧降下が生じている。すなわち、有効径４０内のパターン電極８４ａが形成されている領域内でも、液晶の配向乱れが生じている。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のパターン電極８４ａに加えて、パターン電極８４ａから所定のギャップを空けて、透明基板８２にパターン電極８４ｂを設けた構成のシミュレーション結果である。このような構成とすることで、図５（ａ）の構成と比較して、パターン電極８４ａの端部での電圧降下がなだらかになり、パターン電極が形成されない領域の電圧降下量も低減する。また、有効径４０内のパターン電極８４ａが形成されている領域内での電圧降下も低減しており、有効径４０の外周近傍の等電位曲線８６が透明基板と平行に近くなってきている。
なお、パターン電極８４ａとパターン電極８４ｂの間のギャップは狭ければ狭いほど電圧降下量が小さくなり、液晶の配向乱れが少なくなる。図５（ｂ）に示す例では、パターン電極８４ａとパターン電極８４ｂの間のギャップを１．５μｍとしてシミュレーションを行った。

図５（c）は、実施例１の光学装置の液晶レンズにおける輪帯パターン電極についてのシミュレーション結果であり、有効レンズ径４０を跨ぐようにパターン電極８４ｃを設けた構成である。この構成とすることで、有効径４０の外周近傍において、有効径４０の外周の外側および内側での液晶８０の電圧降下は全くなくなっており、有効径４０の外周近傍の等電位曲線８６は透明基板と完全な平行直線である。これにより、有効径４０の外周近傍における液晶の配向乱れがなくなる。
実際には、液晶セルのサイズなどの制限から、有効径４０に対してパターン電極８４ｃを形成できる領域にも制限が生じる。有効径４０に対してパターン電極８４ｃが、最低でも数十μｍ程度を広く形成されれば、有効径４０内の電圧降下の抑制に十分効果がある。

本発明の光学装置１では、液晶レンズの屈折率分布形成電極群２７の最外周輪帯パターン電極２８が、配向安定電極３０と一体に有効レンズ径４０を跨いで形成されている。このため、図５（ｃ）に示すように、有効径４０外周近傍の電圧降下がなくなり、有効径４０の外周近傍における液晶の配向が安定する。これにより、例えば、図４に示すようなカメラモジュールに用いた場合に、有効径４０の外周近傍における液晶分子の配向状態の乱れによる散乱光の発生が抑えられ、光学装置としての特性を向上させることができる。

また、本発明の光学装置１では、液晶レンズ１０が、有効径４０より大きい径で形成された配向安定電極３０を備えることで、液晶の配向の安定した領域が、有効径４０の領域より大きい。このため、他の光学レンズ系の光軸中心と液晶レンズ１０の有効径中心がずれて組み立てられたとしても、光学特性の劣化を少なくすることができる。すなわち、液晶レンズの組み込み位置決め公差の影響を極力小さくすることができ、液晶レンズを組み込んだ光学装置の生産性を向上させることができる。

また、本発明の光学装置は、液晶レンズの有効径外周近傍における液晶の配向乱れによる散乱光の発生を防ぐものである。このため、広角化や光量増といった画角などの条件から、液晶レンズの有効径よりも絞り径の方が大きく、液晶レンズの有効径外周近傍の領域に多くの光が入射する光学装置において、特に有効である。
さらに、本発明の光学装置は、液晶レンズの液晶の配向方式、輪帯パターン電極の構成・設計方法等に依らないので、液晶レンズを用いた光学装置に広く適用することができる。

次に、本発明の実施例２の光学装置について説明する。実施例２の光学装置は、図１から図３を用いて説明した実施例１の光学装置と、透明基板５６にパターン電極５８として形成された輪帯パターン電極の構成のみが異なり、その他の構成としては、同じである。したがって、下記の説明では、実施例１との相違点について主に説明し、他の共通の部材についての説明は割愛する。

図６は、実施例２の液晶レンズにおける輪帯パターン電極の構成を示す平面図である。図６（ａ）は輪帯パターン電極の全体図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣで示す、有効径の外周近傍の拡大図である。
図６に示すように、実施例２のパターン電極５８の輪帯パターン電極は、実施例１と同様に、有効径４０内に液晶５０の屈折率分布を形成する屈折率分布形成電極群２７と、屈折率分布形成電極群２７の周囲に設けられた配向安定電極３１とからなり、各輪帯パターン電極からは、１対１対応で電極端子を出すために引出配線３５が引き回されている。また、各輪帯パターン電極は、互いに輪帯パターン電極間ギャップ３６（例えば、１．５μｍ）だけ離して形成されている。

図６に示す、実施例２の屈折率分布形成電極部群２７の各輪帯パターン電極は、液晶レンズの有効径４０内に応じた位置に、実施例１と同様の設計方法により形成される。屈折率形成電極群２７の最外周輪帯パターン電極２８の端部は、有効径４０の外周に応じた位置に形成される。
また、実施例２のパターン電極５８の輪帯パターン電極は、屈折率分布形成電極群２７の最外周輪帯パターン電極２８の周囲に、最外周輪帯パターン電極２８と輪帯パターン電極間ギャップ３６（例えば、１．５μｍ）だけ離して形成された配向安定電極３１を備える。配向安定電極３１は、絞り径４１の範囲も含めてパターン領域が形成されている。

このような構成を備える実施例２の光学装置の液晶レンズにおいて、配向安定電極３１に、最外周輪帯パターン電極２８に印加される電圧波形と同じ電圧波形を印加させることで、図５（ｂ）で説明したように、輪帯パターン電極２８の端部での電圧降下がなだらかになり、パターン電極が形成されない領域の電圧降下量も低減する。また、有効径４０内の輪帯パターン電極２８が形成されている領域内での電圧降下も低減する。
これにより、有効径４０の外周近傍における液晶の配向が安定する。よって、有効径４０の外周近傍における液晶分子の配向状態の乱れによる散乱光の発生が抑えられ、光学装置としての特性を向上させることができる。
なお、パターン電極２８と配向安定電極２７の間のギャップは狭ければ狭いほど電圧降下量が小さくなり、液晶の配向乱れが少なくなる。

また、実施例２の光学装置の液晶レンズにおいて、屈折率分布形成電極群２７により有効径４０内に形成される液晶の屈折率分布を、配向安定電極３１の位置まで延長するように、配向安定電極３１に電圧を印加することにより、有効径４０の外周近傍の電圧降下を減少させ、液晶の配向を安定させることができる。
さらに、配向安定電極３１にこのような電圧を印加することにより、レンズとしての機能を持つ屈折率勾配の範囲が広くなることから、他の光学レンズ系の光軸中心と液晶レンズ１０の有効径中心がずれて組み立てられたとしても、光学特性の劣化を少なくすることができる。

次に、本発明の実施例３の光学装置について説明する。実施例３の光学装置も、実施例１の光学装置と、液晶レンズの透明基板５６にパターン電極５８として形成された輪帯パターン電極の構成のみが異なり、その他の構成としては、同じである。したがって、下記の説明では、実施例１との相違点について主に説明し、他の共通の部材についての説明は
割愛する。

図７は、実施例３の液晶レンズにおける輪帯パターン電極の構成を示す平面図である。図７（ａ）は輪帯パターン電極の全体図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＤで示す、有効径の外周近傍の拡大図である。
図７に示すように、実施例３のパターン電極５８の輪帯パターン電極は、実施例１と同様に、有効径４０内に液晶５０の屈折率分布を形成する屈折率分布形成電極群２７と、屈折率分布形成電極群２７の周囲に設けられた配向安定電極３２とからなり、各輪帯パターン電極からは、１対１対応で電極端子を出すために引出配線３５が引き回されている。また、各輪帯パターン電極は、互いに輪帯パターン電極間ギャップ３６（例えば、１．５μｍ）だけ離して形成されている。

図７に示す、実施例３の屈折率分布形成電極部群２７の各輪帯パターン電極は、液晶レンズの有効径４０内に応じた位置に、実施例１と同様の設計方法により形成される。屈折率形成電極群２７の最外周輪帯パターン電極２８の端部は、有効径４０の外周に応じた位置に形成される。
また、実施例３の透明性基板５６におけるパターン電極５８の輪帯パターン電極は、屈折率分布形成電極群２７の最外周輪帯パターン電極２８の周囲に、最外周輪帯パターン電極２８と輪帯パターン電極間ギャップ３６（例えば、１．５μｍ）だけ離して形成された配向安定電極３２を備える。実施例３の配向安定電極群３２は、輪帯パターン電極間ギャップ３６を有してさらに分割された、輪帯パターン電極３３、３４からなる。

この、配向安定電極３２を構成する輪帯パターン電極３３は、屈折率分布形成電極２７の各電極と同様の設計方法により、輪帯パターンの幅およびピッチが設計される。また、輪帯パターン電極３４は、輪帯パターン電極３３の周囲で、広い範囲での液晶分子の配向を安定させるために設けられている。

このような構成を備える実施例３の光学装置の液晶レンズにおいて、屈折率分布形成電極群２７により有効径４０内に形成される液晶の屈折率分布を、配向安定電極３２の輪帯パターン電極３３、３４の位置まで延長するように、輪帯パターン電極３３、３４に電圧を印加することにより、有効径４０の外周近傍の電圧降下を減少させ、液晶の配向を安定させることができる。
さらに、配向安定電極３２にこのような電圧を印加することにより、レンズとしての機能を持つ屈折率勾配の範囲が広くなることから、他の光学レンズ系の光軸中心と液晶レンズ１０の有効径中心がずれて組み立てられたとしても、光学特性の劣化を少なくすることができる。

ここで、配向安定電極３２の独立した輪帯パターン電極の数はこれに限定されるものではなく、液晶レンズに求められる画角が大きい場合や、組込位置決め公差が大きい場合などには、独立した輪帯パターン電極の数を多くすることで、より光学特性の劣化を少なくすることができる。
また、輪帯パターン電極の数の増加に伴い、電極端子数もまた比例して多くなってしまうが、このような構成においては、後述する抵抗分圧方式で接続し、電極端子数を少なくするという手法を用いることができる。

上述した実施例２および実施例３の光学装置においても、実施例１と同様に、有効径の外周近傍の電圧降下を減少させ、液晶の配向を安定させることができる。これにより、有効径外周近傍における液晶分子の配向状態の乱れによる散乱光の発生が抑えられ、光学装置としての特性を向上させることができる。

また、液晶レンズの有効径内における輪帯パターン電極の設計方法としては、上記の本発明の実施例で説明したものの他、輪帯パターン電極面積が均一になるように各輪帯パターン電極を設計する方法、輪帯パターン電極幅が均一になるように各輪帯パターン電極を設計する方法、これらの２つの方法に対して、一部の輪帯パターン電極をさらに分割する設計方法などがあるが、本発明は、どの輪帯パターン電極の設計方法に対しても適用可能である。

さらに、上述した本発明の各実施例では、輪帯パターン電極への電圧印加の方法として、各輪帯パターン電極１本ずつに独立した電極端子を持つ独立輪帯方式の例を示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、隣り合う輪帯パターン電極どうしが抵抗で接続され、最内周輪帯パターン電極と最外周輪帯パターン電極から電極端子を出し、その２電極端子に電圧を印加させることで抵抗により電圧を分圧し各輪帯パターン電極に所望の電圧を印可させる抵抗分圧（分割）方式であってもよい。

独立輪帯方式では、輪帯パターン電極に任意の電圧を印加できるメリットがあるが、端子数が多くなるデメリットがある。また、抵抗分圧方式では端子数を少なくできるメリットがあるが全部の輪帯パターンに連動して電圧を印加することになるため、ある輪帯パターン電極に任意の電圧を掛けられないデメリットがある。
そのため、輪帯パターン電極をいくつかのゾーンに分けて、ゾーンごとに、独立輪帯方式または抵抗分圧方式により電圧を印加する方式もあるが、本発明はこの方式に対しても適用可能である。

また、ナノインプリント、レーザー加工などにより形成されたフレネルレンズ形状を有する透明基板を有し、透明基板上のパターン電極で液晶に電圧を印加する液晶レンズに対しても、同様に本発明は適用可能である。

上述した実施の形態では、本発明の光学装置をカメラモジュールに用いた構成を例として説明した。しかし本発明はこれに限定されるものではなく、デジタルカメラ、ムービーカメラ、カメラ付き携帯電話のカメラ部、車等に搭載されて後方確認用モニターなどに用いられるカメラなどの撮像光学系に広く適用可能である。
また、本発明の光学装置は、撮像光学系のみならず、プロジェクタ、レーザーポインタ、などの投影光学系に対しても適用可能である。

本発明にかかる光学装置の構成例を示す断面図ならびに平面図である（実施例１）。 本発明にかかる光学装置のおける液晶レンズの構成例を示す平面図ならびに有効レンズ周辺の拡大図である（実施例１）。 本発明にかかる光学装置における液晶レンズの輪帯パターン電極設計例を示す図である（実施例１）。 液晶レンズと絞りを有する光学装置を用いたカメラモジュールの構成を示す断面図である。 透明電極の構成の違いによる電圧分布のシミュレーション結果を示す断面図である。 本発明にかかる光学装置における液晶レンズの他の構成例を示す図である（実施例２）。 本発明にかかる光学装置における液晶レンズの他の構成例を示す図である（実施例３）。 液晶レンズの輪帯パターン電極の従来例を示す図である。

符号の説明

１ 光学装置
５ 絞り
１０ 液晶レンズ
１１ カメラモジュール
２７ 屈折率分布形成電極群
２８ 最外周輪帯パターン電極
３０〜３４ 配向安定電極
３５ 引出配線
３６ 輪帯パターン電極間ギャップ
４０ 有効径
４１ 絞り径
４２ 有効屈折率範囲
５０ 液晶
５２ 配向膜
５３ シール
５４ スペーサ
５５〜５７ 透明基板
５８、５９ パターン電極
６０ 鏡筒
６１ レンズ枠体
６２〜６４ 光学レンズ
６５ 遮光性フィルム
６６ 赤外線カットフィルタ
６７ イメージセンサ素子
６８ フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）
６９ 液晶レンズ駆動ＩＣ
７０ 入射光
７１ 液晶レンズ有効レンズ径以外への入射光
７２ 迷光
８０ 液晶
８１、８２ 透明性基板
８３、８４ａ〜８４ｃ パターン電極
８６ 等電位曲線

Claims (7)

1. 第１の透明基板に設けられた第１の電極部と、第２の透明基板に設けられた第２の電極部とで液晶層を挟持した液晶レンズと、前記液晶レンズの有効径を決定する絞りとを有する光学装置において、
   前記第１の電極部は、複数の電極により、前記有効径内に前記液晶層の屈折率分布を形成する屈折率分布形成電極群と、前記屈折率分布形成電極群の周囲に設けられ、前記有効径の外周近傍における前記液晶層の配向を安定させる配向安定電極と、を有する
   ことを特徴とする光学装置。
2. 前記配向安定電極は、前記屈折率分布形成電極群の最も外側に位置する電極より、太い幅で形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記屈折率分布形成電極群は、複数の輪帯状パターンの電極により、前記液晶層の位相分布を形成する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記配向安定電極と、前記屈折率分布形成電極群の最外周の電極とは、前記有効径の外周を跨いで一体に形成された
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
5. 前記屈折率分布形成電極により前記有効径内に形成される前記液晶層の屈折率分布を、前記配向安定電極の位置まで延長するように、前記配向安定電極に電圧が印加される
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
6. 前記屈折率分布形成電極群の最外周の電極への印加電圧と略同一の電圧が、前記配向安定電極に印加される
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の光学装置。
7. 前記第２の電極部は、少なくとも、前記屈折率分布形成電極群と前記配向安定電極とに対向する領域に設けられる
   ことを特徴とする請求項１から６の何れか１つに記載の光学装置。

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