JP2009128555A

JP2009128555A - 液晶レンズ

Info

Publication number: JP2009128555A
Application number: JP2007302449A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Yukinari; 俊郎行成; Megumi Horiuchi; 恵堀内
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】写真画質がぼけることのない液晶レンズを提供する。
【解決手段】複数の輪帯電極２を設けた一方側のセグメント基板１の内面に垂直配向膜６を設け、他方側の対向電極１２を設けた対向基板１１の内面に垂直配向膜１６を設け、セグメント基板１と対向基板１１との間隙に誘電率異方性が負のネマティック液晶１７を封止して液晶レンズ２０を構成する。垂直配向膜６、１６はラビング処理を施してラビング方向が１８０°反対側を向いた配置にする。また、ｎ型ネマティック液晶１７にはカイラル材を配合する。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶レンズに関し、特に写真撮影に使われる液晶レンズに関する。

液晶レンズは液晶材料の複屈折性を利用して印加電圧によって焦点を可変とするもので、近年、光ディスク装置やカメラ等の合焦点機構における可変焦点レンズして用いられるようになってきている。

また、液晶レンズの構成も様々な構成のものが提案されており、下記特許文献１に記載された液晶レンズの構成もその一つとして挙げられる。

図９は特許文献１に示された液晶レンズの断面図を示している。図９に示された液晶レンズは、対向する一対の基板１１０、１２０の内部に液晶１１５がシール材１１６を介して封止されている。また、一方の基板１１０の内面には、円状の電極１１１、この円状の電極１１１の中心を軸として対称に輪状の電極１１２、１１３が設けられ、更に、これらの電極１１１、１１２、１１３の面上に配向膜１１４を設けた構成をなしている。また、他方の基板１２０の内面にも、基板１１０と同様に、円状の電極１２１、輪状の電極１２２、１２３が設けられ、その上に配向膜１２４を設けた構成をなしている。

なお、基板１１０に設けた多重なる輪状の電極１１２、１１３、並びに、基板１２０に設けた多重なる輪状の電極１２２、１２３はフレネルレンズとしての機能を持たせるために、その繰り返しの周期は中心から周辺に行くにつれ、その電極の周期は小さくなっている。また、基板１１０または基板１２０に設けた電極で、一方の電極は全面ベタ面なる電極でも良いとされている。

また、配向膜１１４、１２４はポリイミド、ポリアミド等の有機高分子膜やＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等の無機物の膜からなり、ラビング等の処理により水平配向処理を施している。

また、液晶１１５は誘電率異方性が正のネマティック液晶（以降、ｐ型ネマティック液晶と云う）を用いており、光学活性物質を含んでいて捻れを持ったものも含むとしている。

このような構成をなすことにより、電界が印加されていないときには、液晶分子は液晶分子１１７の如く基板１１０、１２０に平行に配列している。一方、ある程度の電界を印加すると、液晶分子は液晶分子１１８の如く立ち上がりはじめ、そして、より高い電界が印加されれば、捻れがとれて垂直に配列する。

そして、印可する電界の値を適当に選ぶことにより、液晶はある角度に立ち上がる。この立ち上がり角に依存して、直線偏光に対して偏光角を回転させるだけでなく、入射光と出射光の間に、電界に応じた位相差を生じせしめる。そのため、それぞれの領域を透過した光は位相が異なり、回折する。

印加する電界の値、液晶の常光屈折率、異常光屈折率、基板間隔を適切に選ぶことにより、高い効率で入射光を回折でき、このとき、電極の繰り返し周期（電極のピッチ）を周辺に向かって小さくすることにより、レンズ機能を持たせることができ、フレネルレンズとして機能させることができるとされている。

特開平９−３０４７４８号公報

現状、液晶レンズはそれほど大きなレンズパワーを持たないために、他の光学レンズとの組合せでマクロ写真撮影などの特殊な写真撮影を行う時などに使われ、それ以外の場合は液晶レンズを駆動せずに用いられている。
前述の構成をなす液晶レンズをカメラに用いた場合に、液晶レンズを駆動するしないに拘わらず写真映像画質をぼかすと云う問題が発生する。特に、写真映像に太陽や蛍光灯などの光源が含まれてくると、光源の回りが顕著に白くぼやける現象が現れる。

これは、ホモジニアス分子配列を持つｐ型ネマティック液晶を水平配向していることによる影響と思われる。
図１０の（ａ）は電圧を印加した時におけるホモジニアス分子配列を持つｐ型ネマティック液晶の液晶分子の配向状態を模式的に示した図で、図１０の（ｂ）はｐ型ネマティック液晶の電圧と実効複屈折率との電気光学特性を模式的に示したグラフである。

図１０の（ａ）において、矢印はラビングによる配向方向を示しており、配向方向を１８０°反対向きにした配置をなしている。
電圧無印加時においては、液晶分子１３４は基板１３１ａ、１３１ｂと平行なるホモジニアス配向をなし、しきい値以上の交流電圧を印加すると、複屈折率（分子の長軸と短軸の屈折率差）を持つ液晶分子１３４は電場に沿って傾き始める。液晶層の層内においては電圧分布に応じて電位勾配が発生し、輪状電極１３２ａのある基板１３１ａ、及び、ベタ面なる電極１３２ｂのある基板１３１ｂに近い所の液晶分子１３４はその（長軸の）傾き角は小さく、層の中央に行くに従って液晶分子は傾き角が大きくなって起立する配向を示す。つまり、液晶分子は基板近傍においてはホモジニアス配向（水平配向）に近い状態の配向を示し、層の中央に行くに従ってホメオトロピック配向（垂直配向）状態になる。

また、印加電圧の振幅（実効値）による位相変調に相当する液晶の実効複屈折率（液晶分子の長軸の傾きによって通過する光に影響を及ぼす屈折率に相当した値）の変化は、図１０の（ｂ）に示されるように、印加電圧（駆動電圧）が小さいと複屈折率は大きく、印加電圧が大きいと複屈折率は小さくなり、２乗曲線の如くの曲線カーブを描いた変化を示す。なお、このカーブはプレティルト角によって多少異なるカーブを描き、プレティルト角が大きくなると複屈折率は僅かに小さくなる。

映像画質がぼけると云う問題は、基板近傍における液晶分子はホメオトロピック配向状態になっておらず、ホモジニアス配向に近い配向状態になっていて複屈折率が大きいために光漏れなどが発生して映像画質がぼけるものと思われる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑みてなされたもので、ぼけることのない映像画質が得られる液晶レンズを得ることを目的とするものである。

上記の課題を解決するための手段として、本発明の請求項１に記載の液晶レンズの特徴は、内面に複数の輪帯電極と配向膜を設けた第１透明基板と、内面に対向電極と配向膜を設けた第２透明基板との間隙にシール材を介して封止した液晶層を有する液晶レンズにおいて、前記第１透明基板の配向膜と前記第２透明基板の配向膜は垂直配向膜からなり、前記液晶層の液晶は誘電率異方性が負のネマティック液晶からなることを特徴とするものである。

上記の構成は配向膜を垂直配向膜で構成し、液晶を誘電率異方性が負のネマティック液晶でもって構成する。
この構成の下では、電圧無印加時においては、液晶分子（の長軸）は基板に対して垂直配向、即ち、ホメオトロピック配向をなす。電圧印加時においては、基板近傍の液晶分子は垂直配向に近い配向状態をなし、層の中央にいくに従って長軸の傾きが水平方向に向かって大きくなり、ある電圧の下で水平配向の状態をなす。
電圧印加時においては、上記したように基板近傍の液晶分子は垂直配向に近い配向をなして複屈折率も小さい。このため、光漏れ発生もなくなって写真映像にぼける現象はなくなる。そして、コントラストの高い鮮明な映像が得られる。

また、本発明の請求項２に記載の液晶レンズの特徴は、前記垂直配向膜にはラビング処理を施してあることを特徴とするものである。

ラビング処理により配向方向を揃えることにより光の回折方向を同一方向に揃えられる。

また、本発明の請求項３に記載の液晶レンズの特徴は、前記誘電率異方性が負のネマティック液晶材料はカイラル材が含まれていることを特徴とするものである。

カイラル材を配合することでコレステリック相を持つカイラルネマティック液晶が得られ、液晶分子は螺旋状に捻れを持つ。電圧を印加すると捻れが解け、電圧印加を解除すると元の捻れ状態に戻る。螺旋状の捻れを有することで、電圧解除したときに元の分子形状に戻る速度が速くなる。つまり、応答速度が早くなる効果を生む。

また、本発明の請求項４に記載の液晶レンズの特徴は、前記複数の輪帯電極の中心の電極には印加電圧を一番高くし、前記中心の電極から外側の電極に行くに従って印加電圧を順次低くすることによって凸レンズの機能をなすことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載の液晶レンズの特徴は、前記複数の輪帯電極の中心の電極には印加電圧を一番低くし、前記中心の電極から外側の電極に行くに従って印加電圧を順次高くすることによって凹レンズの機能をなすことを特徴とするものである。

凸レンズ、凹レンズの機能をなすことで焦点距離の調整が高い精度で行えるようになる。

また、本発明の請求項６に記載の液晶レンズの特徴は、電圧無印加時においては透明であることを特徴とするものである。

液晶レンズはそれほど大きなレンズパワーを持たないために他の光学レンズとの組合せで用いられる。そして、液晶レンズはマクロ写真撮影などの特殊な写真撮影を行う時に使われ、それ以外の場合は液晶レンズを駆動せずに写真撮影が行われる。液晶レンズを駆動していない時は液晶レンズに透明性が求められるが、本発明の液晶レンズは、電圧無印加時においては、液晶分子はホメオトロピック配向をなして、複屈折を起こすことなく光が透過して透明状態になる。透明であることにより、写真画質に悪い影響を及ぼさない。

また、本発明の請求項７に記載の液晶レンズの特徴は、前記液晶層は２層有して積層していることを特徴とするものである。

液晶層を２層設けて積層することで、レンズの焦点位置をレンズの中心軸上に持ってくることができる。

以上述べたように、本発明の液晶レンズにおいては、写真画質がぼけることのない、コントラストの良い鮮明な映像画質が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以降、実施形態と云う）について図を用いて説明する。
（第１実施形態）
最初に、本発明の第１実施形態に係る液晶レンズを図１〜図６を用いて説明する。なお、図１は本発明の第１実施形態に係る液晶レンズの要部断面図、図２は図１における輪帯電極を設けた第１透明基板の平面図を示している。また、図３は図１の構成の下での電圧無印加時、及び、電圧印加時における液晶分子の配向状態を模式的に表した図で、図３の（ａ）は電圧無印加時における液晶分子の配向状態図、図３の（ｂ）は電圧印加時における液晶分子の配向状態図を示している。また、図４は図１における構成の下での液晶の電圧と実効複屈折率との電気光学特性を模式的に示した説明グラフである。また、図５、図６は図１に示す輪帯電極に印加する電圧によってレンズとして作用する説明図で、図５の（ａ）は輪帯電極２の中心部位に一番高い電圧を印加し、外側の輪帯電極２に行くに従って電圧を低くした場合の説明グラフ、図５（ｂ）は図５の（ａ）の時における位相変調の変化を説明するグラフを示している。また、図６の（ａ）は輪帯電極の中心部位に一番低い電圧を印加し、外側の輪帯電極に行くに従って電圧を高くした場合の説明グラフ、図６（ｂ）は図６の（ａ）の時における位相変調の変化を説明するグラフを示している。

第１実施形態の液晶レンズ２０は、図１に示すように、輪帯電極２と配向膜６を設けた第１透明基板１と、対向電極１２と配向膜１６を設けた第２透明基板１１を所定の間隙を設けて対向して配置し、間隙の中に液晶をシール材１８を介して封止して液晶層１７を設けた構成をなす。

第１透明基板１と第２透明基板１１は透明なガラスなどからなり、第１透明基板１の輪帯電極２と第２透明基板１１の対向電極１２はＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜からなる。
輪帯電極２は、図２に示すように、複数の電極からなり、中心部に円形なる輪帯電極２ａと、所要の間隙ｄを設けて輪帯電極２ａと同心なる複数の環状の輪帯電極２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅとから構成している。
なお、図２においては、輪帯電極２として２ａ〜２ｅの５個を描いているが、これはレンズの仕様などに応じて所要の数で構成されるものである。
また、輪帯電極２ａには外部と接続する接続電極３が設けられており、また、輪帯電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅと接続する電圧降下抵抗膜４が設けられている。
なお、接続電極３及び電圧降下抵抗膜４はその一方端に端子部３ｂ、４ｂをそれぞれ有し、この端子部３ｂ、４ｂを介して外部から電圧を印加するようになっている。この端子部３ｂ、４ｂは第１透明基板１の延設部１ｂに設けていて、シール材１８の外側に設けている。

対向電極１２はベタ面なる電極をなしており、図示はしていないが、その一部分から配線電極が引き出され、第１透明基板１の延設部１ｂに設けた端子部１２ｂと接続が取られている。

本実施形態における液晶レンズの構成で前述の背景技術で図９をもって説明した液晶レンズと大きく異なっている点は、本実施形態においては、配向膜を垂直配向膜で構成している点と、液晶層の液晶を誘電率異方性が負のネマティック液晶（以降、ｎ型ネマティック液晶と云う）で構成している点である。以下、配向膜と液晶について説明する。

本実施形態においては、第１透明基板１の配向膜６と第２透明基板１１の配向膜１６は垂直配向膜でもって構成している。電圧無印加時においては液晶分子が垂直配向、即ち、ホメオトロピック配向をなす。
垂直配向膜の材料は、一般に、可溶性ポリイミド、ポリアミック酸、変性ポリイミドなどの有機材料が用いられるが、他に無機材料で形成することも可能である。
また、本実施形態においては、この垂直配向膜にラビング処理を施し、配向膜６のラビング方向と配向膜１６のラビング方向を丁度１８０°反対側に向けた配置を取っている。
ラビングを施し、ラビング方向を丁度１８０°反対側に向けた配置を取ることによって、電圧印加時における液晶分子の配向方向を揃えることができ、配向の乱れを防止することができる。

液晶層１７の液晶はｎ型ネマティック液晶でもって構成している。ｎ型ネマティック液晶は液晶分子の短軸の方が長軸より誘電率が大きく、印加電圧を高くしていくと長軸が横に寝て、基板に対して水平配向をなす特性を有する。この特性を利用して位相変調量を変え、レンズ効果を出現させている。

また、液晶１７にはカイラル材を配合している。カイラル材を配合することでコレステリック相を持つカイラルネマティック液晶が得られ、液晶分子は螺旋状に捻れを持つ。電圧を印加すると捻れが解け、電圧印加を解除すると元の捻れ状態に戻る。螺旋状の捻れを有することで、電圧解除したときに元の分子形状に戻る速度が速くなり、応答速度を早くできる効果を生む。
なお、このカイラル材の配合割合は０．０５〜０．５重量％程度で良い。

次に、上記構成の下での作用、効果について図３、図４を用いて説明する。電圧無印加時は、図３の（ａ）に示すように、垂直配向膜からなる配向膜６、配向膜１６の作用を受けてｎ型ネマティック液晶からなる液晶分子１７ａの長軸はセグメント基板１、対向基板１１に対して垂直に起立してホメオトロピック配向をなす。

しきい値以上の電圧を印加した時は、図３の（ｂ）に示すように、液晶分子１７ａの長軸はセグメント基板１、対向基板１１の近傍では垂直配向に近い配向状態を示し、層間の中央に行くに従って水平方向に傾きはじめ、十分な電圧の下では水平配向の状態になる。

また、ｎ型ネマティック液晶の印加電圧の振幅（実効値）による位相変調に相当する実効複屈折率（液晶分子の長軸の傾きによって通過する光に影響を及ぼす屈折率に相当した値）の変化は、図４に示されるように、印加電圧（駆動電圧）が低いと複屈折率は小さく、印加電圧が高いと複屈折率は大きくなる。これは、前述の背景技術での図１０の（ｂ）で説明したホモジニアス配向をなしたｐ型ネマティック液晶の場合と全く逆の作用が現れる。

本実施形態の構成は、ｎ型ネマティック液晶を用いることで、垂直配向をなした液晶分子長軸を印加電圧によって配向方向を水平方向に寝かせていくことにより複屈折率を大きくし、位相変調を得るものである。

図１に示した矢印の方向から輪帯電極２を設けたセグメント基板１に入射した入射光は、輪帯電極２及び対向電極１２への電圧印加によって液晶層１７の液晶分子１７ａの複屈折特性による位相変調が生じ、位相変調した光は対向基板１１側から出射する。
ｎ型ネマティック液晶の液晶分子１７ａは、図３の（ｂ）に示されるように、対向基板１１の近傍においては垂直配向に近い配向状態になっており、複屈折率も小さい状態をなしている。このため、光の漏れも少なくなり、写真映像の画質がぼける現象の発生は少なくなる。そして、コントラストの高い鮮明な映像画質が得られるようになる。

次に、輪帯電極２に印加する電圧によって液晶レンズ２０がどのような作用をなすかについて図５、図６を用いて説明する。尚、図５、図６において、半径は輪帯電極２の中心Ｃ、即ち、輪帯電極２ａの中心Ｃからの複数有るそれぞれの輪帯電極２ｂ〜２ｅまでの距離をさしている。図５は輪帯電極２の中心に一番高い電圧を印加し、外側の輪帯電極２に行くに従って電圧を低くした場合の液晶の位相変調を示しており、図６は輪帯電極２の中心に一番低い電圧を印加し、外側の輪帯電極２に行くに従って電圧を高くした場合の液晶の位相変調を示している。なお、輪帯電極２はそれぞれの電極間に間隙ｄを有しているが、図５、図６は模式的に連続線で表したものである。

図５において、図５の（ａ）に示すように、輪帯電極２の中心に、即ち、輪帯電極２ａに一番高い電圧を印加し、外側の輪帯電極２ｄ〜２ｅに行くに従って電圧を低くした場合は、図５の（ｂ）に示すように、輪帯電極２ａの部位が位相変調（量）が一番大きく、外側の輪帯電極２ｄ〜２ｅに行くに従って小さくなる。位相変調は実効複屈折率に相当するもので、図４に示されるように、印加電圧が大きいと実効複屈折率は大きくなる。つまり、位相変調は大きくなる。一方、印加電圧が小さいと実効複屈折率は小さく、つまり、位相変調は小さくなる。従って、図５の（ｂ）に示される位相変調カーブが得られる。これは、凸レンズの作用をなすもので、凸レンズとしての機能をなす。

これに対して、図６の（ａ）に示すように、輪帯電極２の中心に、即ち、輪帯電極２ａに一番低い電圧を印加し、外側の輪帯電極２ｄ〜２ｅに行くに従って電圧を高くした場合は、図４に示された実効複屈折率のカーブから、輪帯電極２ａの部位が実効複屈折率、つまり、位相変調（量）が一番小さく、外側の輪帯電極２ｄ〜２ｅに行くに従って大きくなり、図６の（ｂ）に示す位相変調カーブが得られる。つまり、凹レンズの作用が生まれて凹レンズの機能をなす。

前述の背景技術で説明したｐ型ネマティック液晶を用いてホモジニアス配向をした構成は本実施形態の構成における作用と全く逆の作用をなす。
ｐ型ネマティック液晶を用いてホモジニアス配向をした構成では、輪帯電極２ａに一番高い電圧を印加し、外側の輪帯電極２ｄ〜２ｅに行くに従って電圧を低くした場合には、図１０の（ｂ）に示されるように、印加電圧が高いと実効複屈折率は小さくなり、印加電圧が低いと実効複屈折率は大きくなる。位相変調は実効複屈折率に相当する故、印加電圧が高いと位相変調は小さくなり、印加電圧が低いと位相変調は大きくなる。
このことから、印加電圧が一番高い輪帯電極２ａの部位は位相変調が小さくなり、外側の輪帯電極２ｄ〜２ｅに行くに従って位相変調は大きくなる。これは、図６の（ｂ）に示される位相変調カーブに近くなり、凹レンズの機能が現れる。

これに対し、輪帯電極２ａに一番低い電圧を印加し、外側の輪帯電極２ｄ〜２ｅに行くに従って高い電圧を印加した場合は、図１０の（ｂ）の実効複屈折率のカーブから輪帯電極２ａの部位は位相変調が大きくなり、外側の輪帯電極２ｄ〜２ｅに行くに従って位相変調は小さくなる。これは、図５の（ｂ）の位相変調カーブに近くなり、凸レンズの機能が現れる。

このように、前述の背景技術でのｐ型ネマティック液晶を用いてホモジニアス配向をした構成は本実施形態での構成と全く逆の作用が現れる。

次に、本実施形態においては、電圧無印加時は、図３の（ａ）に示すように、液晶分子１７ａはセグメント基板１、対向基板１１に対して垂直に起立してホメオトロピック配向をなす。このため、入射した光は複屈折を起こすことなく透過する。つまり、液晶レンズ２０は透明状態になる。
現状、液晶レンズはそれほど大きなレンズパワーを持たないために他の光学レンズと組合わせで用いられ、特殊な写真撮影（例えば、マクロ写真撮影）行う時に使われている。それ以外の場合は液晶レンズを駆動せずに写真撮影が行われる。液晶レンズを駆動していない時は、液晶レンズが写真画質に悪い影響を及ぼさないようにするために液晶レンズの透明性が求められる。
上記したように、電圧無印加時において、液晶レンズ２０が透明状態であることから写真画質に悪い影響を及ぼさない。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る液晶レンズを図７、図８を用いて説明する。図７は本発明の第２実施形態に係る液晶レンズの要部断面図、図８は図７に示す液晶レンズの電圧印加時における液晶分子の配向状態を示した配向状態図である。

図７より、第２実施形態に係る液晶レンズ４０は、第２透明基板１１を共通基板にして第１の液晶レンズ４０Ａと第２の液晶レンズ４０Ｂを積層したものからなる。第１の液晶レンズ４０Ａは液晶層１７を有し、第２の液晶レンズ４０Ｂは液晶層３７を有して、液晶レンズ４０は液晶層１７と液晶層３７の２層の液晶層を積層したものからなる。

第１の液晶レンズ４０Ａは前述の第１実施形態での液晶レンズと同じ構成をなしたものであるので同一符号を付している。従って、第１の液晶レンズ４０Ａの説明は必要限度に留めることにする。

第１の液晶レンズ４０Ａは、輪帯電極２と配向膜６を設けた第１透明基板１と、対向電極１２と配向膜１６を設けた第２透明基板１１を所定の間隙を設けて対向して配置し、間隙の中に液晶をシール材１８を介して封止して液晶層１７を設けた構成をなす。

第２の液晶レンズ４０Ｂは、第２透明基板１１を共通基板として用い、対向電極３２と配向膜３６を設けた第２透明基板１１と輪帯電極２２と配向膜２６を設けた第３透明基板２１を所定の間隙を設けて対向して配置し、間隙の中に液晶をシール材３８を介して封止して液晶層３７を設けた構成をなす。

第１透明基板１に設けた輪帯電極２は、前述の第１実施形態での図２に示したように、複数の電極からなり、中心部に円形なる輪帯電極２ａと、所要の間隙ｄを設けて輪帯電極２ａと同心なる複数の環状の輪帯電極２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅとから構成している。
また、第３透明基板２１に設けた輪帯電極２２は、第１透明基板１に設けた輪帯電極２と同じ構成、同じ形状をなしている。即ち、中心部に円形の輪帯電極２２ａと、所要の間隙ｄを設けて輪帯電極２２ａと同心なる複数の環状の輪帯電極２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅとから構成している。

共通基板である第２透明基板１１の両面に設けた対向電極１２、３２はベタ面からなる電極をなしている。

ここで、液晶層１７の両面側に設けた配向膜６、１６、及び、液晶層３７の両面側に設けた配向膜２６、３６は垂直配向膜からなる。この垂直配向膜の下では、電圧無印加時においては液晶分子が基板に対して垂直配向、即ち、ホメオトロピック配向をなす。
また、この垂直配向膜にラビング処理を施している。図８において、矢印のｒ６、ｒ１６、ｒ３６、ｒ２６はラビング方向を示しており、ｒ６は配向膜６、ｒ１６は配向膜１６、ｒ３６は配向膜３６、ｒ２６は配向膜２６のラビング方向を示している。
本実施形態においては、液晶層１７を挟んだ配向膜６、１６のラビング方向ｒ６、ｒ１６は丁度１８０°反対側に向いた配置をなしている。また、液晶層３７を挟んだ配向膜３６、２６のラビング方向ｒ３６、ｒ２６も丁度１８０°反対側に向いた配置をなしている。また、配向膜１６のラビング方向ｒ１６と配向膜３６のラビング方向ｒ３６は同一方向を向いた配置をなしている。

液晶層１７、３７の液晶は、前述の第１実施形態と同様に、ｎ型ネマティック液晶を用いており、カイラル材を配合したものからなっている。

次に、上記の構成をなした液晶レンズ４０の作用・効果を図８を用いて説明する。液晶層１７、３７の液晶はｎ型ネマティック液晶を用いており、配向膜６、１６、２６、３６は垂直配向膜を用いている。このため、第１の液晶レンズ４０Ａ及び第２の液晶レンズ４０Ｂは前述の第１実施形態の液晶レンズと同じ作用・効果をもたらす。また、第１の液晶レンズＡと第２の液晶レンズＢを積層して形成した液晶レンズ４０も同じ作用・効果をもたらす。
即ち、電圧無印加時においては、液晶分子１７ａ、３７ａはホメオトロピック配向をなしているために入射した光は複屈折を起こすことなく液晶層１７、３７を透過する。つまり、液晶レンズ４０は透明になり、写真画質にぼけるなどの悪い影響を与えない。
また、電圧印加時においては、基板近傍の液晶分子１７ａ、３７ａはアンカリングの作用で垂直配向に近い配向状態になっていて複屈折率も小さい。このため、光の漏れも少なくなり、写真映像の画質がぼける現象の発生は少なくなる。そして、コントラストの高い鮮明な映像画質が得られるようになる。

更にまた、図８に示すように、配向膜６、１６のラビング方向ｒ６、ｒ１６を丁度１８０°反対側に向いた配置をなし、配向膜３６、２６のラビング方向ｒ３６、ｒ２６を丁度１８０°反対側に向いた配置をなし、配向膜１６と配向膜３６のラビング方向ｒ１６、ｒ３６を同一方向に向いた配置をなすことで、電圧印加時においては、液晶層１７の液晶分子１７ａと液晶層３７の液晶分子３７ａの配向方向は逆向きの配向をなす。つまり、図８での第２透明基板１１近傍において、液晶層１７の液晶分子１７ａの配向角をθ１とすると、液晶層３７の液晶分子３７ａの配向は液晶分子１７ａと逆向きの方向に配向し、同じ配向角θ１が得られる。

第１の液晶レンズＡ及び第２の液晶レンズＢは、それぞれ単独では液晶分子の複屈折率によって光路差が現れ、その焦点位置はレンズ中心軸（レンズの光軸）の位置から偏心する。しかしながら、上記の構成にすることにより、第１の液晶レンズ４０Ａで偏心した焦点位置は第２の液晶レンズＢによって第１の液晶レンズ４０Ａの偏心方向と逆方向に同じ量補正される。そして、液晶レンズ４０の焦点位置はレンズ中心軸上にくる。このことは、所望の焦点位置を正確に写真画像に映し出すことができるようになる。

なお、本実施形態においては、第２透明基板を共通基板として用いて液晶レンズを構成したが、それぞれ別個になった液晶レンズを２組重ね合わせて構成しても同じ効果を生むものである。

次に、第１実施形態に係る液晶レンズの実施例を表１で説明する。表１はフェイズ値を示したもので、フェイズ値でもって画質のぼける程度を表したものである。１の実施例は本発明の第１実施形態での液晶レンズの構成でのフェイズ値を示し、２の比較例は前述した背景技術で説明した構成でのフェイズ値を示している。いずれも電圧無印加時の場合と電圧印加時の場合を示している。

１の実施例の構成は、液晶のｎ型ネマティック液晶は大立高分子工業製のＮｏ．５０６２（複屈折率Δｎ＝０．２１６、誘電率異方性Δε＝−４．４７）を用い、垂直配向膜はＪＳＲ製のＡＬ−００１０を用いて６００Åの薄膜で印刷形成し、ラビングを施して、ラビング方向が１８０°反対側を向いた配置にしている。また、液晶レンズのセルギャップは２１〜２４μｍの範囲に設定している。
２の比較例の構成は、液晶はｐ型ネマティック液晶を用い、配向膜は水平配向膜を用いたもので、液晶はメルク社製のＥ−７（Δｎ＝０．２２５、Δε＝１２）を用い、水平配向膜は日産化学工業社製のＳＥ−１５０を使用し、ラビングを施して、ラビング方向が１８０°反対側を向いた配置にしている。また、液晶レンズのセルギャップは２１〜２４μｍの範囲に設定している。
印加電圧は５Ｖ、６４Ｈｚ矩形波を印加する。
フェイズ値は日本電色工業製の濁度計（曇り度計）ＮＤＨ２０００を用いて測定。

表１において、１の実施例では、フェイズ値は電圧無印加時０．３、電圧印加時１．５であった。一方、２の比較例では、電圧無印加時３．０、電圧印加時２．０であった。フェイズ値が２以上になると曇りが視認されるようになる。
表１から、１の実施例での本発明の構成においては、電圧無印加時においてはフェイズ値が０．３と非常に小さく、透明状態であると云える。また、電圧印加時はフェイズ値が１．５と小さく、曇りが殆ど視認されない。
一方、２の比較例で示した背景技術での構成では、電圧無印加時においてはフェイズ値が３．０と大きく、曇りがはっきりと現れる。つまり、液晶レンズを駆動していないにも拘わらず写真画質をぼかすと云う影響を及ぼす。また、電圧印加時においてはフェイズ値は２．０に下がるものの曇りが視認され、写真画質が僅かにぼける。
表１の結果から、液晶レンズを本発明の構成にすることで写真画質がぼけると云う問題は解消する。

以上の結果から、背景技術でのｐ型ネマティック液晶を用いてホモジニアス配向をした構成においては写真映像画質がぼけると云う問題を有するが、本発明でのn型ネマティック液晶を用いてホメオトロピック配向をなすことによりこの問題は解消する。

本発明の実施形態に係る液晶レンズの要部断面図である。図１における輪帯電極を設けたセグメント基板の平面図である。図１における構成の下での電圧無印加時、及び、電圧印加時における液晶分子の配向状態を模式的に表した図で、図３の（ａ）は電圧無印加時における液晶分子の配向状態図、図３の（ｂ）は電圧印加時における液晶分子の配向状態図を示している。また、図１における構成の下での液晶の電圧と実効複屈折率との電気光学特性を模式的に示した説明グラフである。（ａ）は輪帯電極２の中心部位に一番高い電圧を印加し、外側の輪帯電極２に行くに従って電圧を低くした場合の説明グラフで、（ｂ）は（ａ）の時における位相変調の変化を説明するグラフである。（ａ）は輪帯電極２の中心部位に一番低い電圧を印加し、外側の輪帯電極２に行くに従って電圧を高くした場合の説明グラフで、（ｂ）は（ａ）の時における位相変調の変化を説明するグラフである。本発明の第２実施形態に係る液晶レンズの要部断面図である。図７に示す液晶レンズの電圧印加時における液晶分子の配向状態を示した配向状態図である。特許文献１に示された液晶レンズの断面図である。（ａ）は電圧を印加した時におけるホモジニアス分子配列を持つｐ型ネマティック液晶の液晶分子の配向状態を模式的に示した図で、（ｂ）はｐ型ネマティック液晶の電圧と実効複屈折率との電気光学特性を模式的に示したグラフである。

符号の説明

１第１透明基板
１ｂ延設部
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、輪帯電極
３接続電極
３ｂ、４ｂ、１２ｂ端子部
４電圧降下抵抗
６、１６、２６、３６配向膜
１１第２透明基板
１２、３２対向電極
１７、３７液晶層
１７ａ、３７ａ液晶分子
１８、３８シール材
２０、４０、液晶レンズ
２１第３透明基板
４０Ａ第１の液晶レンズ
４０Ｂ第２の液晶レンズ

Claims

内面に複数の輪帯電極と配向膜を設けた第１透明基板と、内面に対向電極と配向膜を設けた第２透明基板との間隙にシール材を介して封止した液晶層を有する液晶レンズにおいて、
前記第１基板の配向膜と前記第２基板の配向膜は垂直配向膜からなり、前記液晶層の液晶は誘電率異方性が負のネマティック液晶からなることを特徴とする液晶レンズ。
前記垂直配向膜にはラビング処理を施してあることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
前記誘電率異方性が負のネマティック液晶はカイラル材が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
前記請求項１乃至３のいずれかに記載の液晶レンズにおいて、前記複数の輪帯電極の中心の電極には印加電圧を一番高くし、前記中心の電極から外側の電極に行くに従って印加電圧を順次低くすることによって凸レンズの機能をなすことを特徴とする液晶レンズ。
前記請求項１乃至３のいずれかに記載の液晶レンズにおいて、前記複数の輪帯電極の中心の電極には印加電圧を一番低くし、前記中心の電極から外側の電極に行くに従って印加電圧を順次高くすることによって凹レンズの機能をなすことを特徴とする液晶レンズ。
前記請求項１乃至５のいずれかに記載の液晶レンズにおいて、電圧無印加時においては透明であることを特徴とする液晶レンズ。
前記請求項１乃至６いずれかに記載の液晶レンズにおいて、前記液晶層は２層有して積層していることを特徴とする液晶レンズ。