JP2011048235A - 液晶光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ゾーン内に複数の電極を備えていても透過率の高いフレネルレンズ用液晶光学素子を提供すること。
【解決手段】輪帯電極を第1電極１１ａ〜ｇと第２電極１２ａ〜ｅに分け、ゾーン１０１，１０２，１０３の境界部に第２電極１２ａ〜ｅを配置する。第1電極１１ａ〜ｇは第１透明基板１９と樹脂膜１８（透明絶縁層）との間に形成され、第２電極１２ａ〜ｅは樹脂膜１８と液晶層１６との間に形成される。この結果、ゾーン１０１，１０２，１０３内で透過光の位相が滑らかに変化し、ゾーン１０１，１０２，１０３間で位相が急激に変化するため透過率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フレネルレンズなどとして用いられる液晶光学素子に関する。

輪帯状の電極（以下輪帯電極と呼ぶ）を組み合わせ液晶層に同心円状且つ鋸歯形状（ブレーズ）の屈折率分布を持たせたフレネルレンズやプリズム等（以下、フレネルレンズについてのみ説明する。）が知られている。例えば特許文献１には輪帯電極の組み合わせ方を変えてフレネルレンズの焦点距離を切り替える手法が示されている。特許文献１では所望の焦点距離を得ようとするとき、段落（００１９）に記載された式（１）により、位相が０から−２πまで変わる輪帯電極の組み合わせ（以下ゾーンと呼ぶ）を決め、各ゾーンの各輪帯電極に電圧を印加し鋸歯形状の位相分布を持たせている。

特開平５−１００２０１号公報（段落（００１９））

理想的なフレネルレンズは、ゾーン内で半径方向に位相が滑らかに変化し、ゾーン境界では位相が０から−２πに急激に変わる。ところが特許文献１のようにゾーン内に複数の輪帯電極を備え、その輪帯電極で液晶層に電圧を印加し、液晶層を通過する光に位相差を発生させるフレネルレンズは、ゾーン内の位相変化が階段状になるため透過率低下を招く。

そこで本発明は、ゾーン内に複数の電極を備えていても透過率の高いフレネルレンズ用液晶光学素子を提供することを目的とする。

本発明は、第１透明基板と第２透明基板の間に液晶層を挟持し、第２透明基板と液晶層との間に対向電極を備え、液晶層に電圧を印加して該液晶層を通過する光に位相差を発生させる液晶光学素子において、複数の第１電極を有する第１電極層と複数の第２電極を有する第２電極層とが透明絶縁層を介して第１透明基板上にこの順に積層されており、第１と第２電極層の積層方向から見たとき、所定間隔で配列する複数の第１電極で構成された第１電極群と、所定間隔で配列する複数の第２電極で構成された第２電極群とが形成されていると共に、第２電極群が隣り合う第１電極群の間に位置していることを特徴とするものである。

この場合、第１電極群は液晶層を通過する光の位相を滑らかに変化させる位置に対応して配置されており、第２電極群は光の位相を急峻に変化させる位置に対応して配置されていることが好ましい。さらにこの場合、第２電極群は、０〜−２πの位相分布を持つゾーン同士が隣り合う境界部分に位置することが好ましい。

本発明では、例えばゾーン境界部に第２電極群が配置されることにより、第２電極群に含まれる一本の第2電極は一方のゾーンに属し、隣接する別の一本の第２電極は他方のゾーンに属する。このとき、ゾーン中央部には第１電極群が位置するため、ゾーン境界部にある第２電極群を一方のゾーンに属する第１電極群と他方のゾーンに属する第１電極群で挟んだ電極配列構成となる。

そして、液晶層を通過する光にブレーズ状の位相分布を与えるため、各ゾーンにおいて電極配列方向に階段状に変化する電圧を第１および第２電極群に印加する。このとき、第１電極上には液晶層に加え透明絶縁層があるため、各々の第１電極から対向電極に向かう電界に斜め方向の成分が多くなる。このため隣り合う第１電極の境界近傍はこの斜め電界が重なり合って電界強度が平均化され、透過光の位相差が第１電極の配列方向に沿って滑らかに変化するようになる。

また、ゾーン中央部の位相分布に対しゾーン境界部では、一方のゾーンに属する第２電極には最小の電圧を印加し、他方のゾーンに属する第2電極には最大の電圧を印加するにも関わらず、これらの第２電極と対向電極との間には液晶層しか存在しないため、各第２電極と対向電極との間の電界に斜め方向の成分が少なくなり透過光の位相変化が急峻になる。

第１電極及び第2電極が輪帯電極であっても良い。この場合、液晶光学素子は円形レンズとして機能する。

また、第１電極及び第2電極が帯状電極であっても良い。この場合、液晶光学素子は柱状レンズとして機能する。

以上の説明から明らかなように本発明の液層光学素子は、透過光の位相変化がゾーン内で滑らかに変化しゾーン境界で急峻に変化する。この結果、理想的なフレネルレンズの位相変化に近づくため透過率が向上する。

本発明の実施形態１に係る液晶光学素子の断面図である。 図１の液晶光学素子の第１電極を示す平面図である。 図１の液晶光学素子の第２電極を示す平面図である。 図１の液晶光学素子の第１，第２電極を示す平面図である。 図１の液晶光学素子の斜視図と平面図である。 図１の液晶光学素子の位相変化を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る第１電極の一部を拡大して示す拡大平面図（ａ）と第２電極の一部を拡大して示す拡大平面図（ｂ）である。 参考例の液晶光学素子の位相変化を示すグラフである。

以下、添付図１〜８を参照しながら、本発明の液晶光学素子の好適な実施形態及び参考例について詳細に説明する。実施形態１は円形のレンズとして機能する液晶光学素子、実施形態２は柱状レンズとして機能する液晶光学素子であり、図８に示す参考例は２通りの焦点距離を持つレンズとして機能する液晶光学素子である。なお、同一または相当要素には同一の符号を付し重複する説明は省略する。
（実施形態１）

実施形態１を図１〜６で説明する。図１は、実施形態１の液晶光学素子の要部断面図である。図２と図３は、それぞれ液晶光学素子の第１，第２電極を示す平面図であり、図４は、第１，第２電極の重なり具合を示す平面図である。図５は、液晶光学素子を示す斜視図（ａ）と平面図（ｂ）である。図６は、透過光の位相変化を示すグラフである。

図１により実施形態１の液晶光学素子における部材の積層状況を説明する。第1透明基
板１９と第２透明基板１３の間には液晶層１６が挟持されている。第2透明基板１３と液晶層１６との間に対向電極１４と配向膜１５がある。第１透明基板１９と液晶層１６との間には複数の第１電極１１ａ〜ｇと、樹脂膜１８（透明絶縁層）と、複数の第２電極１２ａ〜ｅと、配向膜１７がある。第1電極１１ａ〜ｇは第１透明基板１９と樹脂膜１８との間に形成され、第２電極１２ａ〜ｅは樹脂膜１８と液晶層１６との間に形成される。配向膜１７は第２電極１２ａ〜ｅを覆っている。３本の第１電極１１ａ〜ｃと３本の第１電極１１ｄ〜ｆはそれぞれ第1電極群をなし、第１電極１１ｇは別の第１電極群に属している。２本の第２電極１２ｂ〜ｃと２本の第２電極１２ｄ〜ｅもそれぞれ第２電極群をなしている。第１電極群１１ａ〜ｃと第１電極群１１ｄ〜ｆとの間に第2電極群１２ｂ〜ｃがあり、第１電極群１１ｄ〜ｆと第１電極１１ｇが属する第１電極群との間に第2電極群１２ｄ〜ｅがある。なお図中、説明のため縮尺を適宜変更し、第１電極１１ａ〜ｇ及び第２電極１２ａ〜ｅの幅も均等にした。

第２電極１２ａ，１２ｂと第１電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃが中心から最も内側にあるゾーン１０１を形成する。同様に第２電極１２ｃ，１２ｄと第１電極１１ｄ，１１ｅ，１１ｆが中心から２番目のゾーン１０２を形成する。第２電極１２ｅと第１電極１１ｇは中心から３番目のゾーン１０３に属する。ゾーン１０１とゾーン１０２の境界部には第２電極群１２ｂ，１２ｃが配置されている。すなわち第２電極群１２ｂ，１２ｃのうちの第2電極１２ｂはゾーン１０１に属し、第２電極１２ｃはゾーン１０２に属する。ゾーン１０１の中央部には第１電極群１１ａ〜ｃがあり、ゾーン１０２の中央部には第１電極群１１ｄ〜ｆがある。ゾーン１０２とゾーン１０３の境界部でも同様に第２電極群１２ｄ〜ｅが第１電極群１１ｄ〜ｆと第１電極１１ｇを含む第１電極群とに挟まれる。以上のようにしてゾーン境界部では第２電極群を一方のゾーンに属する第１電極群と他方のゾーンに属する第１電極群が挟む電極配列となる。

第１電極１１ａ〜ｇ及び第２電極１２ａ〜ｅと対向電極１４は厚さが１２ｎｍのＩＴＯからなる。第１及び第２透明基板１９，１３は厚さが０．４ｍｍのガラスである。配向膜１５，１７は、表面にラビング処理が施された厚さが５０ｎｍのポリイミド膜である。液晶層１６は、厚さが４μｍでありホモジニアス配向している。樹脂膜１８は厚さが２μｍのアクリル樹脂膜である。

図２により第１電極１１ａ〜ｉの平面形状を説明する。第１電極１１ａ〜ｉは同心円状の輪帯を為して配列している。ゾーン１０１に属する第１電極１１ａは隘路でゾーン１０２に属する第１電極１１ｄと接続し、この第１電極１１ｄはゾーン１０３に属する第１電極１１ｇと隘路で接続している。さらに第１電極１１ｄは外部回路と接続する隘路を有している。同様に第１電極１１ｂは第１電極１１ｅとゾーン１０３に属する第１電極１１ｈと隘路で接続し、第１電極１１ｈには外部回路と接続する隘路がある。第１電極１１ｃ，１１ｆ，１１ｉも同様である。なお隣接する第１電極（例えば１１ａと１１ｂ）間の隙間は図示していない（以下同様）。

図３により第２電極１２ａ〜ｆの平面形状を説明する。第２電極１２ａ〜ｆも同心円状の輪帯（第２電極１２ａは円形）を為して配列している。ゾーン１０１に属する第２電極１２ａはゾーン１０２に属する第２電極１２ｃ及びゾーン１０３に属する第２電極１２ｅと隘路で接続し、第２電極１２ｅは外部回路（図示せず）と接続する隘路を有している。これらの第２電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃは各ゾーン１０１，１０２，１０３の最内周の電極である。ゾーン１０１に属する第２電極１２ｂはゾーン１０２に属する第２電極１２ｄ及びゾーン１０３に属する第２電極１２ｆと隘路で接続し、第２電極１２ｆは外部回路と接続する隘路を有している。これらの第２電極１２ｂ，１２ｄ，１２ｆは各ゾーン１０１，１０２，１０３の最外周の電極である。

図４により第１電極１１ａ〜ｉ及び第２電極１２ａ〜ｆの配列状況を説明する。なお隘路は図示していない。第１電極１１ａ〜ｇ及び第２電極１２ａ〜ｆは同心円状に配列している。図１，２と比較すると第１電極１１ａ〜ｇの隙間に第２電極１２ａ〜ｆがはまりこむようになっている。例えばゾーン１０３では、内側から第２電極１２ｄ、第１電極１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ、第２電極１２ｆが配列している。

図５により実施形態１の光学素子の外観を説明する。第２透明基板１３は第１透明基板１９上に積層し、第１透明基板１９は第２透明基板１３に対し延出している。この延出部上には６本の引き出し電極５１が形成されている。この引き出し電極５１は、対向電極１４、第１電極１１ａ〜ｉの３本の外部回路接続用隘路（図２）、第２電極１２ａ〜ｆの２本の外部回路接続用隘路（図３）と接続する。平面的には第２透明基板１３の周辺部にシール５２があり、その内側にレンズ領域５３がある。なおシール５２は第２透明基板１３と第１透明基板１９の対向面間に形成され、第１及び第２透明基板１９，１３とシール５２からなる空間に液晶層１６が封入されている。

各ゾーン１０１，１０２，１０３の最内周にある第２電極１２ａ，１２ｃ，１２ｄには最も低い電圧を印加し、最外周にある第２電極１２ｂ，１２ｄ，１２ｆには最も高い電圧を印加する。この中間の電圧を３段階に分け、第１電極１１ａ，１１ｄ，１１ｇには最も低い中間電圧、第１電極１１ｂ，１１ｅ，１１ｈには２番目の中間電圧、第１電極１１ｃ，１１ｆ，１１ｉには最も高い中間電圧を印加する。すなわち各ゾーン１０１，１０２，１０３において第１及び第２電極に印加する電圧値は電極配列方向に階段状に分布する。

このとき液晶層１６を通過する光に加えられる位相変化量（リターデーション）は電圧分布と逆になる。ゾーン１０２を中心にこの様子を図６で説明する。図中、点線は第１電極１１ｂ〜ｆ及び第２電極１２ｂ〜ｅと対向電極１４間の電界が平行である(電界に斜め成分がない)と仮定した場合のリターデーション分布である。これは第１電極１１ｂ〜ｆ及び第２電極１２ｂ〜ｅが対向電極１４に充分近接していれば実現できる。一方実線は本実施形態のリターデーション分布である。第２電極１２ｂ〜ｅは対向電極１４に近接しているため、この領域の実践は点線に近づく。つまり各ゾーン１０１，１０２，１０３の境界（例えば第２電極１２ｂと第２電極１２ｃの間）では急激にリターデーションが変化する。

一方第１電極１１ｄ〜ｆの占める領域では実際のリターデーション変化を示す実線が点線に対し滑らかになっている。これは第１電極１１ｄ，１１ｅ，１１ｆと対向電極１４の間に液晶層１６に加え樹脂膜１８が存在するため、各第１電極１１ｄ，１１ｅ、１１ｆと対向電極１４との間の電界に斜め成分が増加するからである。つまり第１電極間の境界近傍（例えば第１電極１１ｄ，１１ｅの隙間の近傍）では各々の第１電極が形成する電界が交じり合い平均化するためリターデーションも中間的になる。

以上のように本実施形態では、リターデーション変化がゾーン１０１，１０２，１０３間で急峻、ゾーン１０１，１０２，１０３内で滑らかなものとなる。この結果、点線に近いリターデーション分布となるフレネルレンズに比べ本実施形態は理想的なフレネルレンズに近づくため透過率が向上する。なお中心及び最外周の電極を第２電極１２ａ，１２ｆはゾーン境界部にないので樹脂膜１８の下に形成される第１電極としても良い。
（実施形態２）

実施形態２の液晶光学素子を図７で説明する。図７は、実施形態２の第１電極の一部を拡大して示す拡大平面図（ａ）と第２電極の一部を拡大して示す拡大平面図（ｂ）である。実施形態１が円形のレンズとして機能していたの対し、実施形態２は柱状レンズのように機能する。このため実施形態１では第１及び第２電極が輪帯形状であったのに対し、第
２実施形態では第１及び第２電極が長方形（帯状）になる。そこで第１及び第２電極の配列方向の断面および位相分布及び外形（レンズ領域５３を除く）は第１実施形態の図１，５，６と等しくなるので図示していない。また両実施形態間で相当する関係にある電極には同一の番号を付した。

図７（ａ）により第１電極１１ａ〜ｉの平面形状を説明する。第１電極１１ａ〜ｉは長方形で図中では一部が示されている。ゾーン１０１に属する第１電極１１ａは、図示していない電極端部において隘路でゾーン１０２に属する第１電極１１ｄと接続する。同様にこの第１電極１１ｄはゾーン１０３に属する第１電極１１ｇと隘路で接続する。さらに第１電極１１ｂ，１１ｃは、ゾーン１０２に属する第１電極１１ｅ，１１ｆ、ゾーン１０３に属する第１電極１１ｈ，１１ｉと隘路で接続する。外部回路と接続する隘路（図示せず）が３本あること、及び隣接する第１電極間の隙間を図示していないことは実施形態１と同様である（以下同様）。

図７（ｂ）により第２電極１２ａ〜ｆの平面形状を説明する。第２電極１２ａ〜ｆは長方形で図中では一部が示されている。各ゾーン１０１，１０２，１０３の最も内側に位置する第２電極１２ａ，１２ｃ，１２ｅは、図示していない電極端部において隘路で接続する。同様に各ゾーン１０１，１０２，１０３の最も外側に位置する第２電極１２ｂ，１２ｄ，１２ｆも隘路で接続する。２本の外部回路接続用隘路（図示せず）があるのも実施形態１と同様である。
（参考例）

参考例の液晶光学素子を図８で説明する。図８は、参考例の位相変化を示すグラフであり、（ａ）が焦点距離の短い場合を示し、（ｂ）が焦点距離の長い場合を示している。本参考例は、実施形態１又は実施形態２の光学素子を使い、各電極に印加する電圧をそれぞれの場合で異ならせたものである。このため断面図は実施形態１又は２と共通であるため図示していない。なお、第１又は第２電極は特許文献１と同様に一本ずつ引き出され外部回路と接続する（図示せず）。

図８では各電極領域で透過光に与える位相変化量（リターデーション）を単純化して示している。つまり各ゾーン１０１，１０２，１０３，８０１ではリターデーションが直線的に減衰し、ゾーン１０１，１０２，１０３，８０１，８０２間ではリターデーションが垂直に立ち上がるよう描いている。（ａ）は図６に相当する使い方である。（ｂ）は最も内側のゾーン８０１が第１電極１１ａ〜ｆと第２電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ、からなる。ゾーン８０１の第２電極１２ａには最も低い電圧を印加し、最外周にある第２電極１２ｄには最も高い電圧を印加する。この中間の電圧を８段階に分け、第１電極１１ａから第１電極１１ｆに向かって順番に高くなる電圧を第１電極１１ａ〜ｃ、第２電極１２ｂ〜ｃ、第１電極１１ｄ〜ｆに印加する。この結果、リターデーションは電圧分布（図示せず）とは逆に外側に向かって小さくなる。このように電圧の印加方法を変えることで焦点距離を変えられる。

なお、実施形態１，２及び参考例では、それぞれの第１電極群１１ａ〜ｃ，１１ｄ〜ｆ，１１ｇ〜ｈが３本の第１電極からなっていたが、３本に限定されることはない。同様に第２電極群１２ｂ〜ｃ，１２ｄ〜ｅも第２電極からなっていたが、２本に限定されることはない。しかしながら本発明の光学素子はゾーン内の位相変化を滑らかにするのに斜め電界を利用しているのでいたずらに電極数を増す必要はない。

図６、８に示した透過光の位相分布は凸レンズに対応するものであったが、ゾーン１０１，１０２，１０３内で電極に印加する電圧の順番を逆にすると凹レンズにできる。また本発明の液晶光学素子はラビング方向で決まる直線偏光に対しレンズとして機能するので
、円偏光に対してはラビング方向が直交するもう一枚の液晶光学素子を重ねることで対応する。

対向電極１４は単一のベタ電極としていたが、対向電極を分割し、光ピックアップ装置用液晶光学素子で知られている球面収差や非点収差、コマ収差を補正する機能を追加できる。また、アクリル樹脂からなる樹脂膜１８を透明絶縁層として使用していたが、他の材料でも良く、透明基板や透明電極と屈折率が近いものが好ましい。

１１ａ〜ｇ…第１電極、１２ａ〜ｆ…第２電極、１３…第2透明基板、１４…対向電極、１５，１７…配向膜、１６…液晶層、１８…樹脂膜（透明絶縁層）、１９…第1透明基板、５１…引き出し電極、５２…シール、５３…レンズ領域、１０１，１０２，１０３，８０１，８０２…ゾーン。

Claims (4)

1. 第１透明基板と第２透明基板の間に液晶層を挟持し、前記第２透明基板と前記液晶層との間に対向電極を備え、前記液晶層に電圧を印加して該液晶層を通過する光に位相差を発生させる液晶光学素子において、
   複数の第１電極を有する第１電極層と複数の第２電極を有する第２電極層とが透明絶縁層を介して前記第１透明基板上にこの順に積層されており、
   前記第１と第２電極層の積層方向から見たとき、所定間隔で配列する複数の前記第１電極で構成された第１電極群と、所定間隔で配列する複数の前記第２電極で構成された第２電極群とが形成されていると共に、前記第２電極群が隣り合う前記第１電極群の間に位置していることを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記第１電極群は前記液晶層を通過する光の位相を滑らかに変化させる位置に対応して配置されており、前記第２電極群は前記光の位相を急峻に変化させる位置に対応して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記第２電極群は、０〜−２πの位相分布を持つゾーン同士が隣り合う境界部分に位置することを特徴とする請求項２に記載の液晶光学素子。
4. 前記第１電極及び前記第２電極が輪帯電極又は帯状電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
   

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