JP2009198906A - 液晶光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】透明基板にフレネルレンズ面を有する液晶光学素子において、液晶層の場所による屈折率の差を小さくして、レンズとしての収差を抑え、所望のレンズ特性を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明の液晶光学素子は、第１の透明基板１と第２の透明基板６とで液晶層７を挟持する。第１の透明基板１には第１の電極２が設けられ、第１の電極２の上に、分割されたレンズ面が段差を介して接続されたフレネルレンズ面１１を有するフレネルレンズ構造３が形成される。第２の透明基板６は平面１０を有し、第２の電極５が設けられる。第２の電極５は、フレネルレンズ面１１のブレーズと向かい合った各ブレーズ投影領域に、それぞれ分割された電極（分割電極部）を備える。各分割電極部は、対応する各ブレーズにおいて液晶層７の電界強度の差が最小になるような半径位置で同心円状に分割された２つの電極からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶光学素子に関し、特に光ディスク装置、カメラ、顕微鏡、めがね等の光学装置において焦点距離の調整用に用いられる液晶レンズに関する。

従来、液晶を用いた光学素子として、印加する電圧により焦点距離を制御することができる液晶レンズが知られている。方式として平板の透明基板に輪帯形状の電極を形成したものや、透明基板に凸レンズや凹レンズのレンズ形状を持たせたものがある。前者の輪帯形状電極を有するものは、電圧の印加方式を変えるだけで凸レンズにも凹レンズにもなり、使う上で利便性が高いが、液晶の複屈折率と液晶層の厚みの制約からレンズパワーが大きくとれない。

後者の透明基板にレンズ形状を有するものは、凸レンズや凹レンズ形状の透明基板上への形成を、安価に行うことができない。しかし、フレネルレンズ形状の透明基板上への形成は、近年のナノインプリント技術を用いると比較的安価に行うことが可能であり、基本的に凸レンズや凹レンズと同等の性能を実現することが可能である。

ここで、上述した透明基板にフレネルレンズ形状を有する液晶レンズに関して従来技術を説明する。

特許文献１には、フレネルレンズ面と液晶層とを組み合わせて、電界印加により液晶の配向を変化させ、それによりフレネルレンズ面による回折効果の有無を切替えて焦点距離を変化させる偏光選択性をもつ液晶レンズ、およびこの液晶レンズを用いた光ヘッド装置の発明が記載されている。

また、特許文献２には、一方の透明基板に電極が設けられ、その上にフレネルレンズ構造が形成され、他方の平らな透明基板とで液晶層を狭持した構成の液晶光学素子の発明が記載されている。

特開平９−２３０３００号公報（第４頁、図１−３） 特開２００７−７３０８８号公報（第５頁、図１）

しかし、透明基板にフレネルレンズ形状を有する液晶レンズの従来技術では、次のような問題がある。以下の説明では、フレネルレンズ形状の一つ一つの刃形状をブレーズと呼ぶ。
特許文献１に記載の液晶レンズでは、フレネルレンズ面上に形成された電極により液晶層に電圧が印加される。しかし、フレネルレンズ面の形状により、液晶層の厚みが半径方向において変化するため、電圧を印加した際に半径方向で電界強度が異なる。

また、特許文献２に記載の液晶レンズでは、フレネルレンズ構造と透明基板との間に形成された電極により液晶層に電圧が印加される。このような構成では電極間の距離は半径方向において一定である。しかし、フレネルレンズ構造を例えば紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂で形成したとすると、それらの樹脂の誘電率は液晶の誘電率と比較してかなり小さいので、液晶層にかかる電界強度がフレネルレンズ構造の厚みで変化する。このため、電圧を印加した際に半径方向で液晶の電界強度が異なる。

ここで、特許文献１、２に記載の液晶レンズで、各ブレーズにおけるフレネルレンズ構造の厚みを、最も厚い箇所で１０．０［μｍ］、最も薄い箇所で３．０［μｍ］とし、フレネルレンズ構造が最も厚い箇所（液晶層が最も薄い箇所）の液晶層の厚みが１３［μｍ］、フレネルレンズ構造が最も薄い箇所（液晶層が最も厚い箇所）の液晶層の厚みが２０［μｍ］となる構成について、液晶の電界強度を計算する。
フレネルレンズ構造を形成する樹脂の比誘電率は２．３とし、液晶の比誘電率は４．５として計算する。

このとき、特許文献１に記載の液晶レンズにおいて、対向する２つの電極の間に１２［Ｖ］を印加すると、液晶の電界強度は、フレネルレンズ構造が最も厚い箇所で９．２×１０^５［Ｖ／ｍ］となり、フレネルレンズ構造が最も薄い箇所で６．０×１０^５［Ｖ／ｍ］となる。よってフレネルレンズ構造の最も薄い箇所と最も厚い箇所とで、液晶の電界強度の差は３．２×１０^５［Ｖ／ｍ］となる。

また、特許文献２に記載の液晶レンズにおいて、同様に、対向する２つの電極の間に１２［Ｖ］を印加すると、液晶の電界強度は、フレネルレンズ構造が最も厚い箇所で３．７×１０^５［Ｖ／ｍ］となり、フレネルレンズ構造が最も薄い箇所で４．６×１０^５［Ｖ／ｍ］となる。よってフレネルレンズ構造の最も薄い箇所と最も厚い箇所とで、液晶の電界強度の差は０．９×１０^５［Ｖ／ｍ］となる。

このように、従来の液晶レンズにおいては、電圧を印加した際に半径方向で液晶の電界強度の差が大きく異なる。これにより、場所により液晶層の屈折率の差が生じ、レンズとして収差の原因になる問題がある。

フレネルレンズ構造に対して相対的に液晶層を厚くすれば、場所による液晶の電界強度の差を小さくすることは可能である。しかし、液晶層を厚くすると液晶の応答速度が遅くなり、フレネルレンズ構造を薄くするとレンズパワーが小さくになり、電気光学的な可変焦点レンズに要求される性能を低下させることになり好ましくない。

そこで、この発明は上述した従来技術による問題を解消し、液晶層の場所による屈折率の差を小さくして、レンズとしての収差を抑え、所望のレンズ特性を得ることを可能とする液晶レンズを提供することを目的とする。

上述した課題を解決して目的を達成するため、本発明の液晶光学素子は、基本的に下記記載の構成を採用するものである。

本発明にかかる液晶光学素子は、第１の電極が設けられ、第１の電極の上に、同心円状に分割されたレンズ面が段差を介して接続されたフレネルレンズ面を有するフレネルレンズ構造が形成された第１の透明基板と、第２の電極が設けられた第２の透明基板と、第１及び第２の透明基板で挟持された液晶層とを備えた液晶光学素子において、第１の電極または第２の電極の少なくとも一方が、フレネルレンズ面の分割された各レンズ面に応じた位置で同心円状に分割された複数の分割電極部として構成され、各分割電極部はさらに同心円状に分割された複数の電極から成ることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる液晶光学素子は、前述した構成に加えて、各分割電極部が同心円状に分割された同数の電極を有し、各分割電極部における中心からの順番が同じそれぞれの電極に等しい駆動電圧が印加されることを特徴とするものである。

本発明の液晶光学素子では、フレネルレンズ面の形状により液晶層の厚みが半径方向において変化する箇所に、同心円状に分割された複数の電極により電圧を印加する。よって、各電極に液晶層の厚みに応じた電圧をそれぞれ印加することで、液晶層に印加される電界強度の半径方向による差を小さくすることができる。これにより、液晶層の場所による屈折率の差を小さくすることができる。

本発明の液晶光学素子によれば、液晶層の場所による屈折率の差を小さくして、レンズとしての収差を抑え、所望のレンズ特性を得ることが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明にかかる液晶光学素子の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の液晶光学素子の概略を示す断面図である。

本発明の液晶光学素子は、第１の透明基板１と第２の透明基板６とで、液晶層７を挟持した構成を備える。第１の透明基板１は、両側が平面である透明な材質でできた基板である。第１の透明基板１の液晶層７の側にはスパッタなどにより全面に渡り透明電極材料を用いて第１の電極２を形成している。透明電極材料とはレンズ作用を期待する光の波長範囲において透過率が高い材料で、可視光範囲であればインジウム・スズ酸化物（以下ＩＴＯと略す）などが用いられる。

第１の電極２の上にはフレネルレンズ構造３が配設されている。フレネルレンズ構造３のレンズ面は同心円状に分割され、分割された各レンズ面（分割レンズ面１１ａ）が段差を介して接続された形状のフレネルレンズ面１１が形成されている。
前述したように、フレネルレンズ形状の、分割レンズ面１１ａを含む一つ一つの刃形状をブレーズと呼ぶ。

フレネルレンズ面１１は直接透明基板に金型の形状を転写するか、または透明基板に樹脂を塗布した後に金型の形状を転写するか、射出成型により作成することが可能である。

さらにフレネルレンズ面１１の上には液晶を配向させるための配向膜４が形成されている。配向膜４にはポリイミドなどが用いられる。ポリイミドは焼成した後にラビング処理を行い、液晶が所定のプレチルト角をもつようにする。

フレネルレンズ構造３に対向する位置関係に、平面１０を有する第２の透明基板６がある。第２の透明基板６の平面１０上には複数の領域に分割された第２の電極５が形成される。第２の電極５は、第１の電極２と同様にＩＴＯなどがスパッタなどによって成膜された後、フォトリソグラフィの技術を用いてパターン形成が行われる。
第２の電極５の上には第１の透明基板１と同様に配向膜４が形成され、ラビング処理が施される。

フレネルレンズ構造３と第２の透明基板６は、ラビング処理された面が対向するように配置され、それらの作る間隙に液晶層７が存在している。液晶層７は、シール部材８により面内方向に封止されている。また液晶層７の厚みはガラスファイバーなどのスペーサによりある設定された寸法に管理される。

次に、第２の電極５の構成について詳細に説明する。図２は第２の電極５の構成を示す平面図である。図３は、第２の電極５を構成する各電極と、フレネルレンズ面１１の各ブレーズとの位置関係を示す説明図である。
以下の説明では、フレネルレンズ面１１のブレーズの数を４とする例を示す。ここで、
第２の透明基板面１０上の、フレネルレンズ面１１の各ブレーズと向かい合う領域（各ブレーズが投影された領域）をブレーズ投影領域と呼ぶ。

図２及び図３に示すように、第２の電極５は、各ブレーズと向かい合った各ブレーズ投影領域に、それぞれ分割された、分割電極部Ａ１〜Ａ４を備えて構成される。分割電極部Ａ１〜Ａ４は、図３に示す、各ブレーズのフレネルレンズ構造が所定の厚さとなる線Ｂと、各分割レンズ面１１ａとが交差する半径位置で、同心円状に分割された２つの電極からなる。

ここで、各分割電極部Ａ１〜Ａ４の分割された電極を、中心に近い側からａ、ｂと呼び、第２の電極５の各輪帯電極を、中心から順にＡ１ａ、Ａ１ｂ、Ａ２ａ、Ａ２ｂ、Ａ３ａ、Ａ３ｂ、Ａ４ａ、Ａ４ｂと呼ぶ。

図２に示すように、第２の電極５の各輪帯電極は一部に開口部を有し、この開口部内に、各輪帯電極に電圧を印加するための引出線２０、２１が配設される。輪帯電極Ａ１ａ、Ａ２ａ、Ａ３ａ、Ａ４ａは引出線Ａ２０に接続されている。同様に輪帯電極Ａ１ｂ、Ａ２ｂ、Ａ３ｂ、Ａ４ｂは引出線Ｂ２１に接続されている。
このような構成にすることにより、各輪帯電極に１つおきに同じ駆動電圧を印加するための引出線の本数を最小限に留めることが可能になる。

次に、本発明の液晶光学素子において、各電極に電圧を印加した際の液晶の電界強度について説明する。
本発明の液晶光学素子では、各ブレーズ内で中心寄りに位置する輪帯電極Ａ１ａ、Ａ２ａ、Ａ３ａ、Ａ４ａは、外側よりに位置する輪帯電極Ａ１ｂ、Ａ２ｂ、Ａ３ｂ、Ａ４ｂに比べ厚い液晶層に対応する。
このため、輪帯電極Ａ１ａ、Ａ２ａ、Ａ３ａ、Ａ４ａより、輪帯電極Ａ１ｂ、Ａ２ｂ、Ａ３ｂ、Ａ４ｂに高い電圧を印加することにより、それぞれの輪帯電極上の液晶層の電界強度の差を小さくすることが可能となる。

また、フレネルレンズ構造の形成材の誘電率、液晶の誘電率、フレネルレンズ構造のブレーズの形状等に応じて、各輪帯電極に印加される電圧、及び各分割電極部が分割される半径位置を定めることにより、液晶層の電界強度の差をより小さくすることが可能となる。

ここで、本発明の液晶光学素子で、各ブレーズにおけるフレネルレンズ構造の厚みを、最も厚い箇所で１０．０［μｍ］、最も薄い箇所で３．０［μｍ］とし、フレネルレンズ構造が最も厚い箇所（液晶層が最も薄い箇所）の液晶層の厚みが１３［μｍ］、フレネルレンズ構造が最も薄い箇所（液晶層が最も厚い箇所）の液晶層の厚みが２０［μｍ］となる構成について、液晶の電界強度を計算する。
フレネルレンズ構造を形成する樹脂の比誘電率は２．３とし、液晶の比誘電率は４．５として計算する。

また、図３に示す線Ｂが、各ブレーズのフレネルレンズ構造の厚さが６．４［μｍ］なる箇所に位置し、この線Ｂと各分割レンズ面１１ａとが交差する半径位置で、各分割電極部Ａ１〜Ａ４が分割された構成とする。

輪帯電極Ａ１ａ、Ａ２ａ、Ａ３ａ、Ａ４ａに１２［Ｖ］を印加した時、輪帯電極Ａ１ａ、Ａ２ａ、Ａ３ａ、Ａ４ａにおいて液晶層７の厚い方の端点における電界強度は４．６×１０^５［Ｖ／ｍ］で、液晶層７の薄い方の端点における電界強度は４．１×１０^５［Ｖ／ｍ］である。
また、輪帯電極Ａ１ｂ、Ａ２ｂ、Ａ３ｂ、Ａ４ｂに１３．５［Ｖ］を印加したとき、輪帯電極Ａ１ｂ、Ａ２ｂ、Ａ３ｂ、Ａ４ｂにおいて液晶層７の厚い方の端点における電界強度は、４．６×１０^５［Ｖ／ｍ］で、液晶層７の薄い方の端点における電界強度は４．２×１０^５［Ｖ／ｍ］である。
よって、１つのブレーズ内で、液晶の電界強度の最も大きい箇所と、最も小さい箇所の差は、０．５×１０^５［Ｖ／ｍ］となる。

このように、本発明の液晶光学素子では、上述した従来技術と比較して電界強度分布の幅を小さくすることができる。これにより、液晶層の場所による屈折率の差を小さくして、レンズとしての収差を抑え、所望のレンズ特性を得ることが可能となる。

上述した本発明の実施例では、各ブレーズ投影領域の各分割電極部を２分割した例を説明した。しかし本発明はこれに限定されるものではなく、各ブレーズ投影領域の各分割電極部を３分割、４分割と、同心円状により多くの電極に分割した構成としてもよい。
各分割電極部をより多くの電極に分割し、各分割電極部における中心からの順番が同じ電極に、等しい駆動電圧を印加することにより、液晶層に印加される電界強度の半径方向による差をより小さくすることができる。これにより、液晶層の場所による屈折率の差をより小さくして、レンズとしての収差を抑え、所望のレンズ特性を得ることが可能となる。

各分割電極部を３以上に分割した構成では、各輪帯電極と引出線とを１つの層に形成するには、例えば、輪帯電極と同数の引出線を配設する必要がある。このような構成では、輪帯電極の開口部が大きくなり、液晶層に所望の電圧が印加される領域が狭くなってしまう。
このため、各分割電極部を３以上に分割した構成では、例えば、各輪帯電極と各引出配線とを絶縁層を介して異なる層に形成し、各輪帯電極と各引出配線とをビアを介して接続する構成にする必要がある。

各分割電極部を２分割した構成であっても、各輪帯電極と各引出配線とを絶縁層を介して異なる層に形成し、各輪帯電極と各引出配線とをビアを介して接続するとしてもよい。これにより、各輪帯電極を、開口部の無い輪帯形状とすることができ、液晶層のより広い領域に所望の電圧を印加することが可能となる。

また、特に限定しないが、一例としてフレネルレンズ面１１の有効エリア径は例えばφ１．５［ｍｍ］である。また各輪帯電極の間の幅は、例えば３μｍである。また、液晶は例えばネマティック液晶であり、印加する駆動電圧の周波数は例えば１［ｋＨｚ］である。また、液晶の配向方法には、ホモジニアス（水平）配向、ホメオトロピック（垂直）配向が可能である。

上述した本発明の液晶光学素子の実施例では、第２の透明基板６上の第２の電極５が、フレネルレンズ面１１の各分割レンズ面１１ａに応じた位置に分割電極部を有する例を示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、第１の透明基板１の第１の電極部２が分割電極部を有する構成としてもよい。

第１の透明基板１の第１の電極２が分割電極部を有する構成であっても、各輪帯電極に液晶層の厚みに応じた電圧を印加することで、液晶層に印加される電界強度の半径方向の差を小さくすることができる。これにより、液晶層の場所による屈折率の差を小さくして、レンズとしての収差を抑え、所望のレンズ特性を得ることが可能となる。

また、上述した本発明の液晶光学素子の実施例では、各ブレーズの高さが一定である例
を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。フレネルレンズ面の設計において、外周側に向かってブレーズの高さが増大する構成であっても、透明基板に形成された電極が上述した分割電極部を有することにより、液晶の電界強度の半径方向の差を小さくする効果がある。

本発明は上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法や特性値などの値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、液晶の種類もネマティック液晶に限定されるものではない。

本発明にかかる液晶光学素子の断面図である。 本発明にかかる液晶光学素子の第２の電極の平面図である。 本発明にかかる液晶光学素子の第２の電極とフレネルレンズ面との位置関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 第１の透明基板
２ 第１の電極
３ フレネルレンズ構造
４ 配向膜
５ 第２の電極
６ 第２の透明基板
７ 液晶層
８ シール部材
１０ 第２の透明基板面（平面）
１１ フレネルレンズ面
１１ａ 分割レンズ面
２０ 引出線Ａ
２１ 引出線B
Ａ１〜Ａ４ 分割電極部

Claims (2)

1. 第１の電極が設けられ、前記第１の電極の上に、同心円状に分割されたレンズ面が段差を介して接続されたフレネルレンズ面を有するフレネルレンズ構造が形成された第１の透明基板と、
   第２の電極が設けられた第２の透明基板と、
   前記第１及び第２の透明基板で挟持された液晶層と、を備えた液晶光学素子において、
   前記第１の電極または前記第２の電極の少なくとも一方が、前記フレネルレンズ面の分割された各レンズ面に応じた位置で同心円状に分割された、複数の分割電極部として構成され、
   前記各分割電極部は、さらに同心円状に分割された複数の電極から成る
   ことを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記各分割電極部は、同心円状に分割された同数の電極を有し、
   前記各分割電極部における中心からの順番が同じそれぞれの電極に、等しい駆動電圧が印加される
   ことを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。

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