JP2009139623A - 液晶レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 焦点距離のピントが広い範囲で合う液晶レンズを提供する。
【解決手段】 液晶レンズの液晶にカイラル材を添加して液晶分子をツイスト配向させ、前記液晶層の厚みｄと前記カイラル材の添加によって調整される液晶のねじれピッチｐの比ｄ／ｐを、一対の配向膜の配向処理交差角をθとすると、（θ／３６０°−０．２２）＜ｄ／ｐ＜（θ／３６０°＋０．１７）で表される範囲に設定する。ねじれのあるツイスト配向させることで屈折率に等方性が得られ、光路長に偏差が小さくなり焦点距離のピントが合うようになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は液晶レンズに関し、特に焦点距離のピント合わせ改善を図った液晶レンズに関する。

従来より、焦点距離を可変にする液晶レンズが知られており、既にその一部が光ピックアップ装置などに使用されてきている。この液晶レンズの構成は様々な構成のものが技術開示されており、例えば下記の特許文献１に記載された輪帯電極を設けた構成もその一つに挙げられる。

特許文献１に記載された輪帯電極を設けた液晶レンズの構成は、図１２に示されるように、第１の基板１１と第２の基板１２を対向して配置し、第１の基板１１と第２の基板１２の間隙に第１のシール材２０及び第２のシール材２１を設け、この第１のシール材２０及び第２のシール材２１の内部にカイラル材が添加されていないネマティック液晶２５を封入した構成をなす。

また、第１の基板１１には、図１１に示されるように、中心部に円形透明電極１３と円形透明電極１３の外周に第１のスペース１６ａ、第２のスペース１６ｂ、第３のスペース１６ｃなどの複数のスペース１６を順次設けて第１の環状透明電極１５ａ、第２の環状透明電極１５ｂ、第３の環状透明電極１５ｃなどの複数の環状透明電極１５をスペース１６を挟んで順次設けて輪帯電極を構成している。また、各環状透明電極１５を接続するために円形透明電極１３で交差するように十字形に外方へ延びる引き出し電極１８のパターンを設けた構成をなしている。

また、第１の基板１１に設けた円形透明電極１３や複数の環状透明電極１５上には第１の配向膜２３を設けている。

また、第２の基板１２には全面に透明電極３７を設け、その上に第２の配向膜２４を設けた構成をなす。

また、第１のシール材２０と第２のシール材２１との間にはギャップ材２２を設けた構成をなす。

第１の配向膜２３と第２の配向膜２４はラビング処理が施され、第１の配向膜２３のラビング方向と第２の配向膜２４のラビング方向は丁度１８０°反対側を向いた状態で組合せられていて、図１２に示されるように、第１の基板１１側での液晶分子のプレチルト角θと第２の基板１２側での液晶分子のプレチルト角θは互いに反対側に起きる。

特許公開２０００−８１６００号公報

このような構成をなした液晶レンズを写真撮影のカメラなどに用いた場合に次のような問題が現れる。以下、その問題点を図１３、図１４を用いて説明する。なお、図１３は電圧印加時における透過光の光路長を説明する模式的に示した説明図である。また、図１４は液晶レンズの輪帯電極を透過して映し出される像の領域部の形状状態を模式的に示した説明図で、分かり易くするために少し誇張して描いてある。

第１の問題点は焦点距離のピントが全体的に合わないと云う問題である。
図１３において、Ｃ、Ｄはラビングによる配向方向を示していて、Ｃは第１の基板１１の配向膜２３の配向方向、Ｄは第２の基板１２の配向膜２４の配向方向を示している。
また、Ｅ、Ｆ、Ｇは入射光で、入射光Ｅは第２の基板１２に垂直に入射する入射光を示している。入射光Ｆと入射光Ｇは第２の基板１２に対して斜めに入射した入射光で、入射光Ｅに対して左右等角をなして入射した入射光である。

液晶２５は誘電率異方性が正のネマティック液晶をもちいているが、誘電率異方性が正のネマティック液晶は液晶分子の長軸方向の誘電率が短軸方向の誘電率より大きく、誘電率異方性の特性を持つ。このため、電圧無印加時においては液晶分子２５ａは前述の図１２で示された僅かなプレチルト角θを持って第１の基板１１、第２の基板１２と平行なホモジニアス配向をなす。また、しきい値以上の電圧を印加すると電場に沿って液晶分子２５ａが傾き始める。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、第１の基板１１及び第２の基板１２に近い部位にある液晶分子２５ａは、図１３に示すように、その（長軸の）傾き角αは小さく、層の中央に行くに従って液晶分子２５ａは傾き角が大きくなって起立する配向をなす。つまり、液晶分子２５ａは基板近傍においてはホモジニアス（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配向傾斜角が大きくなっていって、ある電圧の下ではホメオトロピック配向（垂直配向）状態になる。

また、誘電率異方性が正のネマティック液晶は、液晶分子２５ａの（長軸の）配向方向の屈折率はその配向方向に垂直な方向の屈折率より大きく、屈折率異方性の特性も有している。

図１３に示す配向をなした液晶分子２５ａに入射する入射光Ｅ、入射光Ｆ、入射光Ｇは、液晶分子２５ａへの入射角がそれぞれ異なるために屈折率異方性の作用で屈折率がそれぞれ異なってくる。そのために、入射光Ｅ、入射光Ｆ、入射光Ｇは液晶層を透過したときにはそれぞれ位相差が生じ、入射光Ｅ、入射光Ｆ、入射光Ｇは光路長がそれぞれ異なった値をなす。つまり、屈折率に等方性がないために光路長にその偏差が大きく現れる。

このため、液晶レンズでピントを合わせた場合、画面のセンター部、右方向、左方向で最適ピント距離が違ってくる。これは、センター部と上下方向に対しても同じことが起き、センター部でピントを合わせると周辺部はピントが合わず、結果的には、一枚の写真でピントが合わないと云う問題が生まれる。

次に、第２の問題点は映し出される画像の形状に乱れが発生すると云う問題である。
図１４において、Ｏは液晶レンズの中心部で、これは、図１１で示した円形透明電極１３の中心部を表している。また、Ｏは一点鎖線で示したｘ軸、ｙ軸の交差点でもある。ｘ軸は図１３で示したラビングによる配向方向Ｃ、Ｄの方向軸をなしている。
楕円形状した１３Ｓは円形透明電極１３によって作用された光が透過して映し出される像の領域部を示しており、１３Ｓの周りの楕円状のリング１５ａＳは第１の環状透明電極１５ａによって作用された光が透過して映し出される像の領域部、楕円状のリング１５ｂＳは第２の環状透明電極１５ｂによって作用された光が透過して映し出される像の領域部を示している。
なお、図１４は見易くするために円形透明電極１３、第１の環状透明電極１５ａ、第２の環状透明電極１５ｂによって作用された光が透過して映し出される領域の部分のみを取り上げて描いている。

円形透明電極１３によって作用された光が透過して映し出される像の領域部１３Ｓは液晶分子２５ａの屈折率異方性の作用を受けてｘ軸方向、即ち、配向方向（Ｄ、Ｃ）に広がりを持ち、ｘ軸方向には半径Ｒｘ、ｙ軸方向には半径Ｒｙの楕円形状をなす領域になる。
第１の環状透明電極１５ａによって作用された光が透過して映し出される像の領域部１５ａＳ、第２の環状透明電極１５ｂによって作用された光が透過して映し出される像の領域部１５ｂＳも同様に楕円リング形状をなす領域になる。

このように楕円形状が現れるのは屈折率に等方性が無いことに起因する。これによって、写真画像に形状乱れが発生し、画像の形状が正しく映し出されないと云う問題を生む。

更にまた、第３の問題点として、映し出される領域部の中心部Ｏ’が液晶レンズの中心部Ｏからずれると云う問題がある。図１４において、液晶レンズの中心部Ｏから距離ｍだけずれた位置に映し出される領域部の中心部Ｏ’がきている。これは、液晶レンズの中心部Ｏを透過する光も屈折率によって回折し、位置がずれることによる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、焦点距離のピントが合い、画像の形状が正しく映し出され、また、位置ずれの起きない写真画像が得られる液晶レンズを得ることである。

上記の目的を達成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、前記第１透明基板と前記第２透明基板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、
前記液晶層の液晶はカイラル材を含有して液晶分子がツイスト配向をなしており、
前記液晶層の厚みｄと前記カイラル材の添加によって調整される液晶のねじれピッチｐの比ｄ／ｐは、前記一対の配向膜の配向処理交差角をθとすると、
（θ／３６０°−０．２２）＜ｄ／ｐ＜（θ／３６０°＋０．１７）
で表される範囲にあることを特徴とするものである。

カイラル材を添加することで液晶に螺旋状のねじれが生まれてくる。そして、液晶分子はそのねじれに沿ってツイスト配向をなす。つまり、液晶分子（の長軸）の配向方向がねじれ沿って配向方向が変わる。
例えば、誘電率異方性が正のネマティック液晶を用いた場合には、電圧無印加時においては、ツイスト配向をなしながらプレチルト角を有して上下の基板と略平行な配向をなす。また、電圧印加時においては、液晶のねじれが解けてくると共に液晶分子の配向傾斜角が増して起立するようになり、ある電圧の下で液晶のねじれが完全に解け、液晶分子は上下基板に対して垂直な配向をなす。
このため、液晶のねじれに沿って液晶分子がツイスト配向することで液晶を透過する光の屈折率に等方性が得られるようになる。そして、透過する光の光路長に偏差（光路長差）は小さくなる。これによって、画面のセンター部、左右方向、上下方向でのピント距離の差異が小さくなり、全体的にピントの合った写真画像が得られる。また、画像の形状が正しい形状で写真画像に映し出されるようになる。
また、ｄ／ｐが（θ／３６０°−０．２２）＜ｄ／ｐ＜（θ／３６０°＋０．１７）の範囲にあると、液晶分子の動きが安定動作モード領域となり、電圧印加によって液晶を駆動した場合に液晶分子は正常な動きをなし、また、電圧を解除した場合に液晶分子が元の配向状態に戻り、液晶分子の配向に安定した可逆性が得られる。

また、本発明の請求項２に記載の液晶レンズの特徴は、前記配向処理交差角が９０°のときは前記ｄ／ｐが０．０４〜０．４１であることを特徴とし、本発明の請求項３に記載の液晶レンズの特徴は、前記配向処理交差角が１８０°のときは前記ｄ／ｐが０．２９〜０．６６であることを特徴とし、本発明の請求項４に記載の液晶レンズの特徴は、前記配向処理交差角が２７０°のときは前記ｄ／ｐが０．５４〜０．９１であることを特徴とするものである。

配向処理交差角が９０°のときは液晶分子のツイスト角は概ね９０°のツイスト角が得られる。また、配向処理交差角が１８０°のときは液晶分子のツイスト角は概ね１８０°のツイスト角が得られ、配向処理交差角が２７０°のときは液晶分子のツイスト角は概ね２７０°のツイスト角が得られる。
また、配向処理交差角が９０°のときにｄ／ｐが０．０４〜０．４１であるとツイスト角９０°での可逆性のある安定的なツイスト配向が得られる。また、配向処理交差角が１８０°のときにｄ／ｐが０．２９〜０．６６であるとツイスト角１８０°での可逆性のある安定的なツイスト配向が得られ、配向処理交差角が２７０°のときにｄ／ｐが０．５４〜０．９１であるとツイスト角２７０°での可逆性のある安定的なツイスト配向が得られる。

また、本発明の請求項５に記載の液晶レンズの特徴は、前記液晶層は第１の液晶層と第２の液晶層の２層からなり、第１の液晶層を有する第１の液晶レンズ層と第２の液晶層を有する第２の液晶レンズ層とが積層しており、前記第１の液晶層の前記液晶分子のツイスト配向方向と前記第２の液晶層の前記液晶分子のツイスト配向方向は逆向きをなすことを特徴とするものである。

液晶レンズの中心部を透過する光は第１の液晶層の屈折率によって回折して位置がずれる。この位置ずれはツイスト配向方向が逆向きをなす第２の液晶層により補正されて液晶レンズの中心部に戻る。つまり、位置ずれが生じない。

以上のことによって、ピントの合った、そして、画像の形状が正しく映し出され、位置ズレの起きない写真画質が得られる。

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）を図を用いなから説明する。

（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における液晶分子の配向状態を模式的に表した配向状態図で、図３の（ａ）は側面から見た配向状態図、図３の（ｂ）は上面から見た配向状態図を示している。また、図４は電圧印加時における透過光の光路長を説明する模式的に示した説明図で、図５は図１における液晶レンズの輪帯電極を透過して映し出される像の領域の形状状態を模式的に示した説明図である。また、図６は配向処理交差角とｄ／ｐの関係を表したグラフである。

第１実施形態の液晶レンズ４０は、図１に示すように、輪帯電極４２と配向膜４６を設けた第１透明基板４１と、対向電極５２と配向膜５６を設けた第２透明基板５１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５８を介して封止して液晶層５７を設けた構成をなす。

第１透明基板４１と第２透明基板５１は透明なガラスなどからなり、第１透明基板４１の輪帯電極４２と第２透明基板５１の対向電極５２はＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜からなる。

輪帯電極４２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４２ａと、所要の間隙ｄを設けて輪帯電極４２ａと同心なる複数の環状の輪帯電極４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅとから構成している。
なお、図２においては、輪帯電極４２として４２ａ〜４２ｅ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４２ａには外部と接続する接続電極４３が設けられており、また、輪帯電極４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅと接続する電圧降下抵抗膜４４が設けられている。
なお、接続電極４３及び電圧降下抵抗膜４４はその一方端に端子部４３ｂ、４４ｂをそれぞれ有し、この端子部４３ｂ、４４ｂ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４３ｂ、４４ｂは第１透明基板４１の延設部４１ｂに設けていて、シール材５８の外側に設けている。

対向電極５２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４１の延設部４１ｂに設けた端子部５２ｂと接続が取られている。

配向膜４６、配向膜５６はポリイミド樹脂やＰＶＡ（ポリビニールアルコール）樹脂などの樹脂を印刷法やスピンコート法などで塗布し、乾燥後に加熱処理を行って形成する。
また、この配向膜４６、配向膜５６にはラビング処理を施している。本実施形態においては、配向膜４６のラビング方向と配向膜５６のラビング方向を丁度１８０°反対側に向けた配置をなしている。図３において矢印のＣ、Ｄがラビング方向を示していて、矢印Ｃが配向膜５６のラビング方向、矢印Ｄが配向膜４６のラビング方向を示している。

液晶層１７の液晶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、カイラル材を添加している。カイラル材を添加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、液晶が螺旋状にねじれを持ち、液晶分子はそのねじれに沿って分子配向する。つまり、液晶分子がツイスト配向をなす。電圧を印加するとねじれが解け、電圧印加を解除すると元のねじれ状態に戻る。
ｐ型ネマティック液晶は液晶分子の長軸の方が短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立ち上がり、基板に対して垂直配向をなす特性を有する。この特性を利用し、輪帯電極４２のそれぞれの電極への印加電圧量を調整して位相変調量を変え、レンズ効果を出現させている。

以上の構成をなした液晶レンズ４０においては、液晶層５７の液晶分子の配向状態は図３に示すような配向をなす。図３は電圧無印加時における液晶分子の配向状態を示したものである。
図３の（ａ）において、配向膜４６、５６のラビング方向Ｃ、Ｄが丁度１８０°反対側を向いているため、配向膜４６、５６近傍の液晶分子５７ａはプレチルト角θを持って互いに反対側を向いた状態で配向する。ここでのプレチルト角θは１°〜２．５°の範囲に抑えている。また、液晶は螺旋状に左回りで１８０°ねじれており、液晶分子５７ａはこのねじれに沿って左回りにツイスト配向する。図３の（ｂ）は液晶分子５７ａが左回りに１８０°旋回しながら配向した状態を表している。この図から、液晶分子５７ａがｘ方向（ｘ方向はラビング方向Ｃ、Ｄ方向を示している）、並びにｙ方向にも１８０°旋回しながら配向していることが分かる。

ツイスト配向のツイスト角は一対のラビング処理した配向膜のラビング方向の配置交差角によって決まってくるので、本実施形態でのツイスト角は概ね１８０°をなす。

このように配向した液晶に電圧が印可されると、液晶のねじれが解けていくと共に、液晶分子５７ａは層内の電圧分布に応じて電位勾配が発生し、図４に示すように、第１透明基板４１及び第２透明基板５２に近い部位にある液晶分子５７ａはアンカリングの作用を受けて分子長軸の傾き角は小さく、層の中央に行くに従って傾き角が大きくなって起立する配向をなす。

このような配向をなす液晶レンズにおいては、図４で示した入射光Ｅ（基板４１に垂直に入射した入射光）、Ｆ、Ｇ（入射光Ｅに対して入射光Ｆと等角をなして入射した入射光）の透過光に光路長の差は大きくならない。これは、ねじれによる液晶分子５７ａのツイスト配向の影響によるもので、液晶層内での屈折率に等方性が得られ、入射光Ｅ、Ｆ、Ｇの透過した光の光路長に偏差（光路長差）は小さくなる。
そして、それによって、画面のセンター部、左右方向、上下方向でのピント距離の差異が小さくなり、全体的にピントの合った写真画像が得られる。

更に、図５に示す効果も得られる。図５において、Ｏは液晶レンズの中心部で、これは、図２で示した輪帯電極４２ａの中心部を表している。また、Ｏは一点鎖線で示したｘ軸、ｙ軸の交差点でもある。ｘ軸は図３で示したラビング方向Ｃ、Ｄの方向軸をなしている。
円形の形状した４２ａＳは輪帯電極４２ａによって作用された光が透過して映し出される像の領域部を示している。環状円をなす４２ｂＳは輪帯電極４２ｂによって作用された光が透過して映し出される像の領域部、同様に、環状円の４２ｃＳ、４２ｄＳ、４２ｅＳは輪帯電極４２ｃ、４２ｄ、４２ｅによって作用された光が透過して映し出されるそれぞれの像の領域部を示している。
Ｏ’は輪帯電極４２ａによって作用された光が透過して映し出される像の領域部４２ａＳの中心部を表示している。この中心部Ｏ’は液晶レンズの中心部Ｏから距離ｎ分ずれて現れている。

光路長に偏差が小さくなることで、輪帯電極４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅによって作用された光が透過して映し出される像の領域部４２ａＳ、４２ｂＳ、４２ｃＳ、４２ｄＳ、４２ｅＳは円形をなして輪帯電極４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅの形状と同じ形状が得られるようになる。このことは、映し出される写真画像の形状がありのままの形状を正しく映し出されると云う効果が得られる。
しかしながら、液晶レンズの中心から距離ｎ分だけ位置ずれを起こして写真画像が映し出される。

なお、本実施形態においては、液晶分子のツイスト配向はラビング方向を１８０°反対側に向けて概ね１８０°のツイスト角を持たせた。前述したように、ツイスト角は、一対の配向膜のラビングによる配向処理方向の交差角によって概ねツイスト角が決まる。そして、安定的なツイスト配向は液晶の層厚ｄと液晶のねじれピッチｐとの比ｄ／ｐに大きく影響される。

図６は配向処理交差角とｄ／ｐの関係について実験の結果得られたデータである。ここでの配向処理交差角はラビングによる配向処理方向の交差角を表している。
図６において、静的低次ツイストモード領域とはｄ／ｐが小さい場合にねじれが足りずに所望のツイスト角が得られない領域を指し、静的高次ツイストモード領域とはｄ／ｐが大きい場合にねじれ過ぎて所望のツイスト角が得られない領域をさしている。また、静的安定ツイストモード領域とはその配向処理交差角で静的には絶えず安定したツイスト角が得られる領域を指している。
配向処理交差角をθとすると、静的安定ツイストモード領域におけるｄ／ｐは、
（θ／３６０°−０．２５）＜ｄ／ｐ＜（θ／３６０°＋０．２５）
の範囲にある。

また、静的安定ツイストモード領域内であっても電圧を印加して液晶を駆動した場合に、ｄ／ｐの下限側においては低次ツイストが発生し、ｄ／ｐの上限側においてはストライブドメイン発生領域が現れる。そのため、実質的には太い矢印線で示した安定動作モード領域のｄ／ｐが好適なｄ／ｐとして選択される。従って、安定した配向性や安定した可逆性、安定した品質などが得られｄ／ｐは太い矢印線の安定動作モード領域のｄ／ｐが好適なｄ／ｐとして設定される。
この安定動作モード領域のｄ／ｐは、
（θ／３６０°−０．２２）＜ｄ／ｐ＜（θ／３６０°＋０．１７）
の範囲で与えることができる。

例えば、配向処理交差角が９０°のときは、ｄ／ｐは０．０４〜０．４１の範囲が好適な範囲となる。また、配向処理交差角が１８０°のときはｄ／ｐが０．２９〜０．６６の範囲、配向処理交差角が２７０°のときはｄ／ｐが０．５４〜０．９１の範囲が好適な範囲となる。

ｄ／ｐの値は、液晶層の層厚を一定にすると液晶のねじれｐによって変動する。このねじれｐはカイラル材の添加量によって調整することができ、所望のｄ／ｐを得るに必要とする量を選択する。

次に、本実施形態における他の形態としてツイスト角を概ね９０°に設定した場合を図７を用いて説明する。ツイスト角９０°は一対の配向膜のそれぞれの配向方向を９０°に交差させることによって得られる。図７は配向処理交差角が９０°の場合の液晶分子の配向状態を示した配向状態図で、図７の（ａ）は側面から見た液晶分子の配向状態図、図７の（ｂ）は上面から見た液晶分子の配向状態図である。

図７において、矢印Ｃ、Ｄで示した上下の配向膜のラビング方向Ｃ、Ｄが９０°交差している。そして、液晶が概ね左回りに９０°のねじれ、そのねじれに沿って液晶分子５７ａが左回りに概ねツイスト角９０°のツイスト配向をなしている。

ツイスト角９０°のツイスト配向をなした場合でも屈折率に等方性が得られ、光路長の偏差は小さくなる。そして、ピントの合った写真画像が得られるようになる。

また、概ね９０°のツイスト角は配向処理交差角を９０°にすることによって得られるが、この場合のｄ／ｐは、前述したごとく、０．０４〜０．４１の範囲に設定するのが好ましい。

本発明においては、液晶分子をツイスト配向させることで光路長の偏差を小さくし、焦点距離のピント合わせ精度を高めている。ツイスト角は１０°〜３５０°の範囲まで取ることが可能で、好ましい範囲としては９０°〜２７０°、最も好ましい角度としては１８０°である。

（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について図８〜図１０を用いて説明する。なお、図８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９は図８における液晶レンズの液晶分子の配向状態を説明する模式的に示した配向状態図を示している。また、図１０は図８における液晶レンズを透過して映し出される像の領域の形状状態を模式的に示した説明図である。

図８より、第２実施形態に係る液晶レンズ８０は、第２透明基板５１を共通基板にして第１の液晶レンズ層８０Ａと第２の液晶レンズ層８０Ｂを積層したものからなる。第１の液晶レンズ層８０Ａは液晶層５７を有し、第２の液晶レンズ層８０Ｂは液晶層７７を有する。ここでの液晶層は２層有するので区別するために、第１の液晶レンズ層８０Ａの液晶層を第１の液晶層５７、第２の液晶レンズ層８０Ｂの液晶層を第２の液晶層７７と表すことにする。このように、第２実施形態の液晶レンズ８０は第１の液晶層５７と第２の液晶層７７を積層したものからなる。

第１の液晶レンズ層８０Ａ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の液晶レンズ層８０Ａの説明は必要限度に留めることにする。

第１の液晶レンズ層８０Ａは、輪帯電極４２と配向膜４６を設けた第１透明基板４１と、対向電極５２と配向膜５６を設けた第２透明基板５１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５８を介して封止して第１の液晶層５７を設けた構成をなす。

第２の液晶レンズ層８０Ｂは、第２透明基板５１を共通基板として用い、対向電極６２と配向膜６６を設けた第２透明基板５１と、輪帯電極７２と配向膜７６を設けた第３透明基板７１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７８を介して封止して第２の液晶層７７を設けた構成をなす。

第１透明基板４１に設けた輪帯電極４２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４２ａと、所要の間隙ｄを設けて輪帯電極４２ａと同心なる複数の環状の輪帯電極４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅとから構成している。
また、第３透明基板７１に設けた輪帯電極７２は、第１透明基板４１に設けた輪帯電極４２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７２ａと、所要の間隙ｄを設けて輪帯電極７２ａと同心なる複数の環状の輪帯電極７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、７２ｅとから構成している。

共通基板である第２透明基板５１の両面に設けた対向電極５２、６２はベタ面からなる電極をなしている。

ここで、第１の液晶層５７の両面側に設けた配向膜４６、５６、及び、第２の液晶層７７の両面側に設けた配向膜６６、７６は水平配向膜からなる。この水平配向膜の下では、電圧無印加時においては液晶分子が基板に対して水平配向、即ち、ホモジニアス配向をなす。
また、この水平配向膜にラビング処理を施している。図９において、矢印のｒ４６、ｒ５６、ｒ６６、ｒ７６はラビング方向を示しており、ｒ４６は配向膜４６、ｒ５６は配向膜５６、ｒ６６は配向膜６６、ｒ７６は配向膜７６のラビング方向を示している。
本実施形態においては、第１の液晶層５７を挟んだ配向膜４６、５６のラビング方向ｒ４６、ｒ５６は丁度１８０°反対側に向いた配置をなし、第２の液晶層７７を挟んだ配向膜６６、７６のラビング方向ｒ６６、ｒ７６も丁度１８０°反対側に向いた配置をなしている。また、配向膜５６のラビング方向ｒ５６と配向膜６６のラビング方向ｒ６６は同一方向を向いた配置をなしている。

第１の液晶層５７、第２の液晶層７７の液晶は、前述の第１実施形態と同様に、ｐ型ネマティック液晶を用いており、カイラル材を添加したものからなっている。
図９において、カイラル材を添加した第１の液晶層５７の液晶分子５７ａは、液晶のねじれに沿って概ね１８０°のツイスト角をもって上面側（第１透明基板側）から見て左回りにツイスト配向している。また、カイラル材を添加した第２の液晶層７７の液晶分子７７ａは、液晶のねじれに沿って概ね１８０°のツイスト角をもって上面側（第１透明基板側）から見て右回りにツイスト配向している。つまり、液晶分子５７ａのツイスト配向と液晶分子７７ａのツイスト配向は丁度逆向きをなして配向している。

以上、第１の液晶レンズ層８０Ａと第２の液晶レンズ層８０Ｂの構成を説明したが、第２の液晶レンズ層Ｂは第１の液晶レンズ層Ａを裏返しにした構成と同じ構成をなしている。

次に、上記の構成をなした液晶レンズ８０の作用・効果を図１０を用いて説明する。図１０において、鎖線で示した８０Ａは第１の液晶レンズ層８０Ａ単独での輪帯電極４２によって作用された光が透過して映し出される像の領域部を指しており、鎖線で示した８０Ｂは第２の液晶レンズ層８０Ｂ単独での輪帯電極７２によって作用された光が透過して映し出される像の領域部を指している。また、８０は第１の液晶レンズ層８０Ａと第２の液晶レンズ層８０Ｂの合成された液晶レンズ８０での映し出される像の領域部を指している。

また、Ｏは液晶レンズ８０のレンズ中心部を示しており、これは、輪帯電極４２及び輪帯電極７２の中心部にもなっている。また、Ｏ’は第１の液晶レンズ層８０Ａの輪帯電極４２によって作用された光が透過して映し出される像の領域部４２Ｓの中心部、Ｏ”は輪帯電極７２によって作用された光が透過して映し出される像の領域部７２Ｓの中心部を指している。

また、ｘ軸はラビング方向ｒ４６、ｒ５６、ｒ６６、ｒ７６の方向軸を示しており、ｙ、ｙ’、ｙ”軸はｘ軸と直交し、中心部Ｏ、Ｏ’、Ｏ”を通る軸を示している。

第１の液晶レンズ層８０Ａ側については、前述の第１実施形態で説明したように、輪帯電極４２によって作用された光が透過して映し出される像の領域部４２Ｓは、４２ａＳ、４２ｂＳ、４２ｃＳ、４２ｄＳ、４２ｅＳから構成され、屈折率に等方性が現れて光路長に偏差が小さくなることから、その形状は円形となって輪帯電極４２と同じ形状が得られる。また、像の領域部４２Ｓの中心部Ｏ’は中心部Ｏより距離ｎだけ離れて現れる。

第２の液晶レンズ層８０Ｂ側については、第２の液晶レンズ層８０Ｂは第１の液晶レンズ層８０Ａを丁度裏返しにした構成と同じ構成をなしているので、輪帯電極７２によって作用された光が透過して映し出される像の領域部７２Ｓは中心部Ｏを挟んで第１の液晶レンズ層８０Ａ側の領域部４２Ｓと反対側に現れる。
そして、この輪帯電極７２によって作用された光が透過して映し出される像の領域部７２Ｓは７２ａＳ、７２ｂＳ、７２ｃＳ、７２ｄＳ、７２ｅＳから構成され、屈折率に等方性が現れて光路長に偏差が小さくなることから、その形状は円形となって輪帯電極７２と同じ形状が得られる。また、領域部７２Ｓの中心部Ｏ”は中心部Ｏより距離ｎだけ離れて現れる。

そして、第１の液晶レンズ層８０Ａと第２の液晶レンズ層８０Ｂを積層することで、第１の液晶レンズ層８０Ａ側の輪帯電極４２によって作用された光が透過して映し出される像の領域部４２Ｓと、第２の液晶レンズ層８０Ｂ側の輪帯電極７２によって作用された光が透過して映し出される像の領域部７２Ｓとが合成され、中心部Ｏの位置に液晶レンズ８０から映し出される像の領域が現れる。

つまり、レンズ中心部を透過した光で映し出される像は写真画像の中心に位置するようになる。
以上のことによって、焦点距離のピントが合い、画像の形状が正しく映し出され、また、位置ずれの起きない写真画像が得られる。

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層を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。

また、本実施形態においては、液晶分子のツイスト角を概ね１８０°に設定した構成としたが、ツイスト角を１８０°以外の角度、例えば９０°や２７０°の角度に設定しても同様な効果が得られる。

また、第１実施形態、第２実施形態においては、液晶は誘電率異方性が正のネマティック液晶を用いたものであるが、誘電率異方性が負のネマティック液晶を用いことも可能である。この場合は配向膜を垂直配向膜で構成する。誘電率異方性が負のネマティック液晶を用いた場合も同様な効果を得ることができる。

本発明の第１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第１透明基板の平面図である。 図１の構成の下での電圧無印加時における液晶分子の配向状態を模式的に表した配向状態図で、図３の（ａ）は側面から見た配向状態図、図３の（ｂ）は上面から見た配向状態図である。 電圧印加時における透過光の光路長を説明する模式的に示した説明図である。 図１における液晶レンズの輪帯電極を透過して映し出される像の領域の形状状態を模式的に示した説明図である。 配向処理交差角とｄ／ｐの関係を表したグラフである。 他の実施形態として、ツイスト角が９０°の場合の液晶分子の配向状態を示した配向状態図で、図７の（ａ）は側面から見た液晶分子の配向状態図、図７の（ｂ）は上面から見た液晶分子の配向状態図である。 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８における液晶レンズの液晶分子の配向状態を説明する模式的に示した配向状態図である。 図８における液晶レンズを透過して映し出される像の領域の形状状態を模式的に示した説明図である。 引用文献１に記載された焦点距離可変レンズパネルの一実施形態を示すレーザ光照射側から見た透視図である。 図１１のＡ−Ａ線に沿う模式的な断面図である。 電圧印加時における透過光の光路長を説明する模式的に示した説明図である。 液晶レンズの輪帯電極を透過して映し出される領域部の形状状態を模式的に示した説明図である。

符号の説明

４０、８０ 液晶レンズ
４１ 第１透明基板
４１ｂ 延設部
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、７２、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、７２ｅ 輪帯電極
４３ 接続電極
４３ｂ、４４ｂ、５２ｂ 端子部
４４ 電圧降下抵抗膜
４６、５６、６６、７６ 配向膜
５１ 第２透明基板
５２、６２ 対向電極
５７ 液晶層（第１の液晶層）
５７ａ、７７ａ 液晶分子
５８、７８ シール材
４２Ｓ、４２ａＳ、４２ｂＳ、４２ｃＳ、４２ｄＳ、４２ｅＳ、７２Ｓ、７２ａＳ、７２ｂＳ、７２ｃＳ、７２ｄＳ、７２ｅＳ 領域部
７１ 第３透明基板
７７ 第２の液晶層
８０Ａ 第１の液晶レンズ層
８０Ｂ 第２の液晶レンズ層

Claims (5)

1. 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、前記第１透明基板と前記第２透明基板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、
   前記液晶層の液晶はカイラル材を含有して液晶分子がツイスト配向をなしており、
   前記液晶層の厚みｄと前記カイラル材の添加によって調整される液晶のねじれピッチｐの比ｄ／ｐは、前記一対の配向膜の配向処理交差角をθとすると、
   （θ／３６０°−０．２２）＜ｄ／ｐ＜（θ／３６０°＋０．１７）
   で表される範囲にあることを特徴とする液晶レンズ。
2. 前記配向処理交差角が９０°のときは前記ｄ／ｐが０．０４〜０．４１であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
3. 前記配向処理交差角が１８０°のときは前記ｄ／ｐが０．２９〜０．６６であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
4. 前記配向処理交差角が２７０°のときは前記ｄ／ｐが０．５４〜０．９１であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
5. 前記請求項１乃至４のいずれかに記載の液晶レンズにおいて、前記液晶層は第１の液晶層と第２の液晶層の２層からなり、第１の液晶層を有する第１の液晶レンズ層と第２の液晶層を有する第２の液晶レンズ層とが積層しており、前記第１の液晶層の前記液晶分子のツイスト配向方向と前記第２の液晶層の前記液晶分子のツイスト配向方向は逆向きをなすことを特徴とする液晶レンズ。

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