JP2011180373A - 低電圧駆動液晶レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で低電圧により安定に駆動することができ、大形で多機能且つ薄型のレンズを実現する。
【解決手段】第１の電極を有する第１の基板、孔を有する第２の電極、及び液晶層を備え、前記第１と前記第２の電極との間に第１の電圧を加えられるように構成され、第３の電極が配置され、前記第３の電極に対して第２の電圧を加えられるように構成され、かつ、前記第１の電圧又は前記第２の電圧のいずれか一方が固定の値とされ、前記第１の電圧に対して前記第２の電圧、又は前記第２の電圧に対して前記第１の電圧が可変されることで光学的特性を可変制御することができる液晶レンズである。前記第２の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層または透明媒質及び透明な高抵抗層を配置され、前記透明な高抵抗層の抵抗値が、前記第３の電極の中心から軸対称で且つ半径方向で階段状に又は連続的に変化していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、簡単な構造を有し、低電圧により焦点距離を変えることが可能な大形で多機能且つ薄型のレンズを実現し得る低電圧駆動液晶レンズに関する。

ネマティック液晶と呼ばれる液晶は、液体のような流動性を持ち、電気光学的特性に異方性を示し、電圧印加により実効的な屈折率を概異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという特徴を持っており、この特徴を利用することで、種々の電圧可変型の光学デバイスが提案されている。

すなわち、ネマティック液晶セルにおいて、電界の方向に液晶分子が配向する性質を利用したものがある。これは、直径が数１００ミクロンの円形の孔型パターンを有する電極を用いて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果を利用することで、空間的な放物面状の屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法が特許文献１、特許文献２に報告されている。このような口径がミリメートル以下の小さな液晶レンズは液晶マイクロレンズと呼ばれている。

特許文献１、２で提案されている液晶マイクロレンズ構造で、液晶層の厚みを一定として円形孔型パターンの直径を大きくして開口径が大きなレンズを構成すると、電極の開口部により生じる軸対称の不均一電界が開口部の中心付近まで生じないために、レンズ特性を得るために必要な液晶分子の空間配向分布が得られないという問題があった。この有効開口径を大きくする方法として、液晶層を挟む２枚の基板上の電極に設けた円形の開口部に配向膜を介して液晶層に接するように透明な高抵抗の膜を付与することで、高抵抗膜面の電気抵抗による電位分布を利用して開口部の中心部まで電界が生じるようにした構造の液晶レンズが提案されている（特許文献３）。

しかしこの方法では、液晶層に面する基板面に設けた抵抗膜による電位分布が液晶分子の配向分布に基づく放物面状の屈折率分布が得られるような所定の電位分布の形状となるように設定することは非常に困難であり、また電界強度の分布と液晶分子配向効果の関係が非線形であるため、良好なレンズ特性を保持した状態で広範囲に焦点距離を変化させることはきわめて困難であるという問題があった。

また、特許文献１で提案されている液晶マイクロレンズに類似した構造で、開口部を有する電極を液晶層に接触させずに、液晶層からある一定の距離を置くように配置することで、電極の開口部分の直径を大きくしても、軸対称の不均一電界が開口部の中心付近まで生じるようにすることが可能となる。この原理に基づき、液晶層と円形の孔型パターン電極との間に絶縁層を挿入することで、液晶層から前記円形の孔形電極との距離を保持する方法が提案されており（特許文献４、非特許文献１、２）、液晶マイクロレンズにおいて最良の特性が得られる円形孔型パターンの直径と液晶層の厚みの比が２対１から３対１程度とする必要があるという条件が緩和され、直径が大きな液晶レンズを構成できることが示されている。

さらに、液晶層と円形の孔型パターン電極との間に絶縁層を挿入した液晶レンズにおいて、円形孔型パターン電極の外部又は円形パターン電極内に透明な第３の電極を配置して２電圧で駆動することで良好な特性を維持した状態で凹レンズ特性から凸レンズ特性まで広範囲に焦点距離を可変できる液晶レンズが開示されている(特許文献５)。

前記絶縁層として、比誘電率が高いガラス材料を使用することで、液晶レンズの駆動電圧を低下できることが、非特許文献３及び非特許文献４に報告されている。

しかし、特許文献４、５で提案されている液晶層と円形孔型パターン電極の間に距離を設定するために絶縁層を設けた構造では、液晶層と電極との間に配置した絶縁層のために駆動電圧が高くなるという問題があり、特に開口部が大きいレンズを得るためには絶縁層の厚みがさらに厚くなって高電圧が必要とされるため口径が大きいレンズを得ることが困難であるという問題があり、絶縁層の厚みのために液晶レンズ全体の厚みを薄くすることができないという問題があった。

また、この問題を解決するために、透明絶縁層の中に透明な高抵抗層として高抵抗の液体層又は高抵抗の薄膜等を設けて電位分布を中継すること、すなわち高抵抗膜面の電位分布を利用して軸対称の不均一電界が中心部まで生じるようにした構造とすることで透明絶縁層の実効的な厚みを薄くして、その結果として駆動電圧を低下する方法が特許文献６及び非特許文献４、５に報告されている。

しかし、透明絶縁層の中に透明な高抵抗層を挿入した場合には、透明絶縁層基板が少なくとも２枚必要となり、製造工程が複雑になること、及びレンズ全体としての厚みを薄くすることに限界があるという問題があった。また、液晶層における実効的な屈折率の可変範囲すなわち焦点の可変範囲を広くできないという問題があり、さらに単純な凸レンズ又は凹レンズ特性の他に複雑な機能を有するレンズを構成することは困難であった。

特開平１１−１０９３０３号公報 特開平１１−１０９３０４号公報 特開２００３−２９００１号公報 特開２００４−４６１６号公報 特開２００６−９１８２６号公報 特開２００８−２０３３６０号公報

葉茂、佐藤進（M.Ye and S.Sato),「任意寸法の液晶レンズの光学的特性（Optical properties of liquid crystal lens of any size）」第４９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、２００２年３月、２８ｐ-Ｘ-１０, Ｐ．１２７７ 葉茂、佐藤進（M.Ye and S.Sato),「任意寸法の液晶レンズの光学的特性（Optical properties of liquid crystal lens of any size）」，Japanese Journal of Applied Physics, ２００２年５月、Vol. 41, No.5, P.L571-L573 葉茂, 王濱, 佐藤進（M. Ye, B. Wang and S. Sato），「液晶レンズの特性に対するガラス基板の誘電率の効果（Effects of Dielectric Constant of Glass Substrates on Properties of Liquid Crystal Lens）」, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 19, No. 17, P.1295-1297 (２００７年) 葉茂, 王濱, 佐藤進，「液晶レンズの低電圧駆動法の研究」，２００７年日本液晶学会討論会講演予稿集、２００７年９月、２ｐＣ０１ 葉茂、王濱、山口真紀、佐藤進（M. Ye, B. Wang, M. Yamaguchi and S. Sato），「低導電性薄膜を用いた液晶レンズにおける駆動電圧の低下（Lowering Driving Voltages for Liquid Crystal Lens Using Weakly Conductive Thin Film）」, Japanese Journal of Applied Physics, ２００８年６月、Vol. 47, No. 6, pp.4597-4599

そこでこの発明の目的は、上記問題を解決し、低電圧で安定に駆動でき、良好な光学的特性を保持した状態で口径が大きな液晶レンズを提供することにある。またこの発明は、多様な機能を有し、液晶層の利用効率を改善し、大形のレンズでありながら再現性がよく低電圧で焦点距離を大きく変えることが可能な液晶レンズを提供することにある。

この発明の低電圧駆動液晶レンズは、上記の課題を解決するために、その基本として、透明な第１の電極を有する第１の基板、孔を有し且つ前記第１の電極に対向した第２の電極、及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第２の電極に対して第１の電圧を加えられるように構成され、前記第２の電極と前記孔に対して絶縁層を介して、又は前記孔内で前記第２の電極に対して間隔を置いて第３の電極が配置され、前記第３の電極に対して前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えられるように構成され、かつ、前記第１の電圧又は前記第２の電圧のいずれか一方が固定の値とされ、前記第１の電圧に対して前記第２の電圧、又は前記第２の電圧に対して前記第１の電圧が可変されることで光学的特性を可変制御することができる液晶レンズであって、
前記孔と前記液晶層及び前記第２の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層または透明媒質及び透明な高抵抗層による二重層を配置され、
前記透明な高抵抗層の抵抗値が、前記第３の電極の中心から軸対称で且つ半径方向で階段状に又は連続的に変化していることを特徴とする。

前記透明な高抵抗層は前記第３の電極の中心に対して円帯状に配置されてもよい。

前記第２の電極が同心円状に、又は半径方向に複数に分割されており、各分割された電極と前記第1の電極との間に独立した電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うようにしてもよい。

前記第１の基板及び前記第２の電極を有する第２の基板及び透明絶縁層又は透明媒質の少なくとも何れかがレンズ効果を有してもよい。

前記透明な高抵抗層が液晶分子に対する配向効果を有しても良い。

またレンズ効果を有する領域からレンズ効果を有しない領域の間で連続的に又は階段状にレンズ効果が弱くなる特性を有しても良い。

またレンズ効果を示す領域の中心が前記透明な第１の基板の中心から周辺部にずれた位置に有してもよい。

この発明は、第１の基板の一方の面に第１の孔を有する第１の電極が配置され、前記第１の孔内で前記第１の電極に間隔を置いて第２の電極が配置され、前記第１及び第２の電極に対して透明絶縁層または透明媒質及び透明な高抵抗層による第１の二重層が重なり、前記第１の二重層に対して透明絶縁層又は透明絶縁膜によるセンター層の一方の面が対向し、前記第１の二重層と前記センター層一方の面との間に第１の液晶分子を一方向に配向させる第１の液晶層を備え、前記センター層の他方の面に対向して、透明絶縁層または透明媒質及び透明な高抵抗層による第２の二重層が対応し、前記センター層の他方の面と前記第２の二重層との間に第２の液晶層を備え、前記第２の二重層の前記第２の液晶層と反対側の面には、第２の孔を有する第３の電極及び前記第２の孔内で前記第３の電極に間隔を置いて第４の電極が配置され、かつ前記第３及び第４の電極を有する第２の基板が配置されており、前記第１の電極と前記第３の電極間、前記第２の電極と前記第４の電極間にそれぞれ独立した第１の電圧と第２の電圧を供給するように構成されてもよい。

上記の手段により、簡単な構造であって、低電圧により駆動することができる多機能で且つ薄型のレンズを実現し得る。また、レンズの口径を大きくしても低電圧で焦点距離を変えることができる。そして従来の如くレンズを機械的に前後移動させるような動作を伴うことなく、低電圧により焦点距離を電気的制御により大幅に効率よく可変することができる。

図１(Ａ)は、本発明に係る低電圧駆動液晶レンズの一実施の形態を示し、透明絶縁層の厚みを薄くするために、孔を有する第２の電極２２及び第２の電極の孔内に間隔を置いて配置された第３の電極を有する第２の基板１２を液晶層に対して反対側に配置し、前記第２の電極及び第３の電極を液晶側に配置した場合の構成説明図であり、図１(Ｂ)は図１(Ａ)の電極２２の平面図である。 図２は、図１の構成において透明な高抵抗層の面抵抗を３ＭΩとして、Ｖ１＝５Ｖｒｍｓ，Ｖ２＝０Ｖｒｍｓ，１Ｖｒｍｓ，２Ｖｒｍｓを加えた場合の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果である。 図３は、図１に示した構成の低電圧駆動液晶レンズにおいて、透明な高抵抗層を開口部内に設けた第３の電極と対応する部分及びその外側の第２の電極に対応する部分に分割領域とし、それぞれの領域を異なる抵抗値とした場合の構成説明図である。 図４は、図３の構成において透明な高抵抗層の面抵抗の値をそれぞれ７ＭΩ及び１０ＧΩとして、Ｖ１＝３．５Ｖｒｍｓ，Ｖ２＝０．５Ｖｒｍｓを加えた場合の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果である。 図５は、さらに具体的な一実施例の形態を示す構成説明図であり、図３に示した構成を対称構造とし、レンズパワーを大きくするために液晶層を２層有し、且透明な高抵抗層を２層有する低電圧駆動液晶レンズの構成説明図である。 図６は、図３に示した構成において、孔を有する第２の電極を同心円状に分割し、さらに透明な高抵抗層も同様に同心円状に分割領域にしてそれぞれの領域を異なる値に設定した場合の構成説明図である。 図７は、図６の構成において透明な高抵抗層４１，４２，４３の面抵抗の値をそれぞれ３ＭΩ，１０ＧΩ及び６ＭΩとして、Ｖ１＝４Ｖｒｍｓ，Ｖ２＝０Ｖｒｍｓ、Ｖ３＝１Ｖｒｍｓを加えた場合の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果である。

以下この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１において、その基本構成を述べる。

図１（Ａ）は、この発明の一実施の形態による液晶レンズの基本構成を断面から見た構成を示している。透明な第１の電極２１は第１の基板１１の上に形成され、第２の基板１２を所定の厚みを保つための図示されていないスペーサを介して重ね合わせることで液晶セルを構成する。第１の基板１１と前記第２の基板１２の間には、第１の電極２１と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させた第１の液晶層３１を備える。

前記第１の基板１１の前記液晶層３１に接する面には液晶分子を一方向に配向させる効果を有する配向膜５１が配置されている。また、第２の基板１２の液晶層に面する側には透明な高抵抗層４１として高抵抗膜が配置されている。なお、この高抵抗膜はいずれの電極とも接続されておらず、直接電圧を印加していない。

前記配向膜５１及び透明な高抵抗層４１には一方向にラビング処理を行うことで、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタがプレティルト角と呼ばれる基板面から１〜２度程度傾いた角度をなして配向するような状態となっている。透明な高抵抗層４１に対してラビング処理をしないときは、配向膜５２が配置される。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の液晶レンズを平面的に見た図であり、前記第２の基板１２は、第２の電極２２を有し、第２の電極２２には円形孔２２−１が形成されている。前記第１の電極２１と第２の電極２２の間には第１の駆動電源からの第１の電圧Ｖ１を加える。また、前記円形孔２２−１の中にはスリットにより電気的に絶縁された同一の中心をもつ円状の透明な第３の電極２３が形成されている。この円形の透明な第３の電極２３に、同様にスリットで第２の電極から絶縁された引き出し部２３−１を通して外部の第２の駆動電源からの第２の電圧Ｖ２を印加することができるように配置されている。

ここで図１に示した構成から第３の電極２３を除いた構成とした場合について説明する。第１の電極２１と第２の電極２２の間にしきい値よりも高い第１の電圧Ｖ１を加えると、液晶層３１に軸対称の不均一電界が加わり、液晶分子が配向膜面による配向規制力と軸対称不均一電界の配向効果が弾性的に釣り合った状態に配向し、主として凸レンズ効果が得られる。この動作原理の詳細については特許文献４に開示されている。

図１に示した構成から第３の電極２３を除いた構成の液晶レンズでは、外部印加電圧の増加に対する液晶レンズの焦点距離の変化特性が、一度最短となった後増加に転ずるという複雑な特性を示し、また凹レンズ特性を得ることが難しいという問題があったことから、図１に示したように第２の電極の他に第３の電極を設ける構成となっている。図１に示した第３の電極を配置した構成とした場合では、前記第３の電極２３に第１の電圧Ｖ１とは独立した第２の電圧Ｖ２を加えられるように構成されている。そして、第１の電圧Ｖ１に基づく第１段階の光学特性、前記第２の電圧Ｖ２に基づく第２段階の光学特性を得られる液晶レンズが構成される。この液晶レンズの動作原理の詳細については特許文献５に開示されており、凸レンズ、凹レンズとしての機能が得られる。

特にこの液晶レンズでは、透明絶縁層１２と液晶層３１の間に透明な高抵抗層４１としての高抵抗膜を配置しているため、交流電圧を加えた場合には孔を有する第２の電極２２（円形パターン電極）と液晶層３１との間に透明な高抵抗層４１を仲介して誘電結合が生じる結果としての電位分布の中継効果により、透明絶縁層１２の厚みが薄くなっても軸対称の不均一電界が液晶層中で円形孔の中心部に対応する位置まで生じるようになるため、駆動電圧を低下することができる。なお、透明絶縁層の中に高抵抗層を挿入した構造において駆動電圧を低下する効果については特許文献６及び非特許文献４等に開示されている。

次に、簡単な構成で薄型化を行うと共に駆動電圧を大きく低下することができる構成である特徴的な実施の形態について説明する。すなわち図１に示すように、透明絶縁層１５の厚みを薄くするために、孔を有する第２の電極２２及び第２の電極２２の孔２２−１内に間隔を置いて配置された第３の電極２３を有する第２の基板１２を、液晶層３１に対して反対側に配置し、前記第２の電極２２及び第３の電極２３を液晶側に配置した液晶レンズを構成した。なお、この構成は透明絶縁層１５を得るために従来の第２の基板１２を単純に薄くしたという発想ではない。第２及び第３の電極２２、２３を製造するときは第２の基板１２の強度を保つ必要がある。このために、第２の基板１２を単純に薄くすればよいというわけではなく、第２の基板に対して第２及び第３の電極２２、２３を配置し、次に上記のように第２の基板１２の面を裏表反転して配置している。

この実施例では、透明絶縁層１５と液晶層の間に透明な高抵抗層４１及び液晶分子に対する配向層５２を配置している。なお、透明絶縁層１５の厚みは１μｍ程度もしくはさらに薄い薄膜等で形成することができるため、駆動電圧を大幅に低下することが可能となる。

図１の構成において、第３の電極２３を配置した円形の開口部の直径を２ｍｍ、液晶層３１の厚みを３０μｍとし、透明絶縁層１５の厚みを１μｍ、透明な高抵抗層４１の面抵抗の値を３ＭΩとして、駆動電源（１ｋＨｚ）８１、８２からＶ１＝５Ｖｒｍｓ、Ｖ２＝０Ｖｒｍｓ，１Ｖｒｍｓ，２Ｖｒｍｓ印加した場合の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果を図２に示した。なお以降の実施例すべてにおいて、駆動電源は１ｋＨｚ、光源の波長は６３３ｎｍであり、液晶材料としてはＭＬＣ６０８０（メルク社製）を使用し、液晶層の厚みは３０μｍとしている。直径が２ｍｍ以内における光学位相差分布からレンズとしての焦点距離を求めると、それぞれ１７ｃｍ，３１ｃｍ，７３ｃｍ程度となり、良好な光学特性を有する凸レンズ特性が得られている。

さらに、レンズパワーを大幅に増大できる方法として、他の実施例における実施の形態による液晶レンズの基本構成を断面から見た構成を図３に示す。すなわち、図１に示した構成の液晶レンズにおいて、第２の電極に対応する領域及び第３の電極２３を配置した円形の開口部内に設けた第３の電極と対応する領域それぞれに透明な高抵抗層４１を分割し、それぞれ分割領域を異なる抵抗値とした液晶レンズの構成を図３に示す。なお、図３では透明な高抵抗層４１及び４２（透明な高抵抗層領域４１、４２と称してもよい）の分離を明確にするために、その間が離れているように図示しているが、実際にはスリット部が無く透明な高抵抗層４１及び４２はそれぞれが接続されている。レンズパワーは、焦点距離をメートルで表した場合の逆数に対応するもので、単位はジオプトリ（１／ｍ）が採用される。

図３に示したように、異なる抵抗値を有する透明な高抵抗層がスリット等により分離されている場合には、前記スリット等により分離された領域の抵抗値を非常に大きい値とした場合に対応することとなる。すなわち、非常に抵抗値が大きい輪帯状の独立層を設けた構成となり、この実施例で示す構成とは異なる特性が得られることになる。したがって、実際にはスリット部が無く透明な高抵抗層４１及び４２はそれぞれが接続されている。

図３の構成において、第２の電極に対応する透明な高抵抗層４１の面抵抗を１０ＧΩ、円形の開口部内に設けた第３の電極２３と対応する透明な高抵抗層４２の面抵抗を７ＭΩとして、Ｖ１として３．５Ｖｒｍｓ、Ｖ２を０Ｖｒｍｓとした場合の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果を図４に示す。第３の電極２３を配置した円形の開口部内で光学位相差分布はほぼ２乗特性（放物線）となり、また円形開口部の外部では一定の値をとることから液晶層の利用効率が増大し、焦点距離がさらに短い１２ｃｍ程度の良好な光学特性を有する低電圧で駆動できる凸レンズ特性が得られている。

図３の構成では、第３の電極２３に対応する透明な高抵抗層４２の外部に異なる抵抗値を有する透明な高抵抗層４１を配置しているが、前記高抵抗層４１を高抵抗層４２の周辺に輪帯状あるいは円帯上に配置することもできる。この輪帯状あるいは円帯状の高抵抗層の幅を小さくすることで、液晶レンズの外形をより小さくすることが可能となる。

さらに具体的な一実施例について説明する。液晶レンズにおける焦点距離の可変範囲すなわちレンズパワーの可変範囲は液晶層の厚みに比例するので、この観点から液晶層を厚くすることは有利であるが、一方印加電圧に対する応答特性は液晶層の厚みの２乗に逆比例することが難点であった。そこで液晶層を２分割する方法が行われている。しかし、このような構成では、開口部を有する第２の電極２２側の液晶層３２における電位分布が急峻になるため液晶分子配向が不連続となるディスクリネーションが生じやすくなるという問題がある。

そこで、このような問題を解消する方法として、液晶レンズ全体を対称構造とした実施の形態について説明する。すなわち、図３に示した構成において液晶層３１から第２の基板１２までを一つのユニットとして、図５に示したように、液晶層を２層に分割する第３の基板１３を挟んで上下が対称となるように構成した。このような対称構造とすることで、ディスクリネーションの発生が抑制されるという利点の他に、さらに液晶分子が電界印加により基板面から立ち上がる方向に依存する異方性を相殺することが可能となるため、収差が小さい液晶レンズを構成することができる。なお、図５では透明な高抵抗層４１−ａ及び４２−ａ、４１−ｂ及び４２−ｂの分離を明確にするために、その間が離れているように図示しているが、実際にはスリット部が無くそれぞれの透明高抵抗層は接続されている。図５のレンズは、次のように説明できる。第１の基板１１の一方の面に第１の孔を有する第１の電極２２−ａが配置され、第１の孔内に間隔を置いて第２の電極２３−ａが配置される。第１及び第２の電極２２−ａ，２３−ａに対して透明絶縁層１５−ａ及び透明な高抵抗層４１−ａ，４２−ａによる第１の二重層が重なり、前記第１の二重層に対して透明絶縁層又は透明絶縁膜によるセンター層１３の一方の面が対向する。前記第１の二重層と前記センター層１３の一方の面との間に第１の液晶分子を一方向に配向させる第１の液晶層３１を備える。前記センター層１３の他方の面に対向して、透明絶縁層１５−ｂ及び透明な高抵抗層４１−ｂ、４２−ｂによる第２の二重層が対応する。センター層１３の他方の面と前記第２の二重層との間に第２の液晶層３２を備える。前記第２の二重層の前記第２の液晶層３２と反対側の面には、第２の孔を有する第３の電極２２−ｂ及び前記第２の孔内に間隔を置いて配置された第４の電極２３−ｂが配置され、かつ前記第３及び第４の電極を有する第２の基板１２が配置されている。ここで前記第１の電極と前記第３の電極間、前記第２の電極と前記第４の電極間にそれぞれ独立した第１の電圧Ｖ1と第２の電圧Ｖ２を供給する駆動電源８１，８３が接続される。第１と第２の孔は基本的には同軸である。上記の構成において、透明な高抵抗層４１−ａ，４２−ａはそれぞれラビング処理が施されるが、このラビング処理が施されない場合には液晶層に対応する面に配向膜が配置される。

さらに高機能を有する液晶レンズを構成する実施例について説明する。図３に示した構成において、孔を有する第２の電極２２を同心円状に分割してそれぞれに独立した電圧を印加し、さらに透明な高抵抗層４１も同様に同心円状に分割してそれぞれ異なる抵抗値に設定した構成説明図を図６に示した。なお、図６では透明な高抵抗層４１、４２及び４３の分離を明確にするために、その間が離れているように図示しているが、実際にはスリット部が無く透明な高抵抗層４１、４２及び４３それぞれが接続されている。

図７は、図６の構成において透明な高抵抗層４１，４２，４３の面抵抗の値をそれぞれ３ＭΩ，１０ＧΩ及び６ＭΩとして、駆動電源８１、８２、８３からＶ１＝４Ｖｒｍｓ，Ｖ２＝０Ｖｒｍｓ、Ｖ３＝１Ｖｒｍｓを加えた場合の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果である。このような電極及び透明高抵抗層を分割することで、中央の直径が２ｍｍよりも小さい領域では焦点距離が９ｃｍ程度の凸レンズ特性が、またその周辺の領域では焦点距離が９０ｃｍ程度の凹レンズ特性を有する複合レンズが構成されている。これらの分割した電極に加える電圧、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を適宜可変することで、内側及び外側各々のレンズの焦点距離を可変調整することができる。

電極及び透明高抵抗層をさらに多数に分割し、それぞれのパラメータを調整し、また印加電圧や周波数を可変することで、より多彩な特性を有する光学デバイスを構成することができる。

本発明における透明高抵抗膜を具備した液晶レンズでは、透明な高抵抗膜４１，４２，４３等は主としてキャパシタンス成分から成る透明絶縁層１５及び液晶層３１との関係により、抵抗成分とキャパシタンス成分により構成されるインピーダンスとして作用しているので、印加電源の周波数依存性がある。そこで、分割されたそれぞれの透明高抵抗層を構成する材料における抵抗率値及び誘電率を適宜調整することで、印加電圧の周波数を可変することで実効的なインピーダンスの値を調整することができる。

したがって、分割された各電極に印加する電圧の値及び周波数を調整することで、凹レンズの中に凸レンズ特性を有する複合レンズのみならず、凸レンズの中に凹レンズ特性を有する複合レンズ、さらに焦点距離の短い凸レンズの周辺に焦点距離が長い凸レンズ特性を有するレンズや、これらの特性を反転した特性を有する複合レンズなど、それぞれの領域で焦点距離が異なる凸レンズや凹レンズ、さらには光学位相差分布特性が軸対称状に折り返した構造を取り実効的に全体がフレネルレンズのような効果を有する大面積のレンズなどを構成することが可能である。

透明絶縁層の代わりにわずかに導電性を有する透明媒質を使用することもできる。この場合には透明媒質が誘電率と抵抗率を併せ持つインピーダンスとして働くため、より低い印加電圧により液晶レンズを駆動することが可能となる。

以上、それぞれの構成による液晶レンズにおいて、第１の基板及び透明絶縁層又は透明媒質の何れかもしくは両方の基板としてレンズ効果を有する基板を使用することで、ある一定の固定焦点から焦点を可変することができ、全体が一体化したコンパクトなレンズ系を構成することができる。ここで、基板にレンズ効果を持たせるためには、基板の形状が曲面形状となっているものでもよいが、平行平板型で屈折率が軸対称状に分布している場合の方が便利である。

本発明における実施例で説明したように、透明高抵抗層として使用した樹脂系の膜（ジェムコ社（現在の社名は「三菱マテリアル電子化成株式会社」）製ＴＷＨ-１）をラビングすることで液晶分子に対して配向効果を持たせることができる。そこで、ポリイミド系の膜のように、さらに配向効果が優れた樹脂系の膜で高抵抗特性を有する膜を使用することで、より安定な液晶レンズを構成することができる。

さらに、円形開口部周辺において液晶層における電界分布に伴う液晶分子の配向効果を連続的に変化させることで、レンズ効果を有する領域からレンズ効果を有しない領域に連続的にレンズ効果が弱くなるような特性を有することを特徴とする低電圧駆動液晶レンズを構成することができる。

本発明における液晶レンズを眼鏡レンズとして使用する場合に、レンズ効果を示す領域の中心、すなわち円形孔型パターンの中心が前記透明な第１の基板の中心から周辺部、特に斜め下部のようにずれた位置に配置することで、読書などの場合には凸レンズ状態とし、それ以外の場合では電圧除去による素通し状態もしくはやや凹レンズ状態とするなどの切り替えを行うことができる遠近両用の眼鏡を構成することができる。本発明によると、透明高抵抗層を用いることで、低電圧で動作する大口径の液晶レンズを構成することができるため、このような遠近両用の眼鏡レンズとして有用である。

本実施例では、透明絶縁層１２と液晶層の間に透明な高抵抗層４１を配置しているが、透明絶縁層１２の液晶層に対して反対側で円形パターン電極２２と透明絶縁層１２の間に絶縁層を挟んで設けられてもよい。なお、透明絶縁層１２は、その呼び名としてこの名称に限定されるものではなく、透明高抵抗層を有した透明絶縁体、あるいは電界中継層を有した透明絶縁体、あるいは誘電結合機能を有する透明絶縁体、又は非常に抵抗値が高い透明媒質などの呼び名が可能である。

本実施例では主に円形パターン電極が１層のみとした場合について説明したが、図５のように円形パターン電極を液晶層の両側に設けることもできる。いずれのレンズ構造においても、このような対称な構造とすることにより、液晶分子の配向が不連続となるディスクリネーションの発生を抑え、屈折率の空間分布特性や光学特性において対称性が優れた液晶レンズを構成することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。また、液晶レンズを１つ示したが、複数が配列される構成であってもよい。また複眼のような２次元的な配列であってもよい。

本発明の低電圧駆動液晶レンズは、通常の受動型の光学デバイスとは異なり、電極間に電圧を印加して媒質である液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、特性や光学系の収差を調節できるレンズが実現される。したがって、オートフォーカス用のレンズや、拡大レンズ、ズームレンズ、ロボットにおいて視覚機能として用いられる撮像部のレンズなど、さらには口径を大きくすることで遠近両用の眼鏡レンズなど、種々の用途が可能である。

１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板（透明な絶縁層）、１３・・・中間ガラス板、１５・・・透明絶縁層、４１、４２、４３・・・透明な高抵抗層、２１・・・第１の電極、２２・・・第２の電極、２２−１・・・開口部、２３・・・第３の電極、２３−１・・・電極取り出し部、２４・・・第３の電極、３１、３２・・・液晶層、５１、５２、５３・・・配向膜、８１，８２，８３・・・駆動電源。

Claims (8)

1. 透明な第１の電極を有する第１の基板、孔を有し且つ前記第１の電極に対向した第２の電極、及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第２の電極に対して第１の電圧を加えられるように構成され、前記第２の電極と前記孔に対して絶縁層を介して、又は前記孔内で前記第２の電極に対して間隔を置いて第３の電極が配置され、前記第３の電極に対して前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えられるように構成され、かつ、前記第１の電圧又は前記第２の電圧のいずれか一方が固定の値とされ、前記第１の電圧に対して前記第２の電圧、又は前記第２の電圧に対して前記第１の電圧が可変されることで光学的特性を可変制御することができる液晶レンズであって、
   前記孔と前記液晶層及び前記第２の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層または透明媒質及び透明な高抵抗層による二重層を配置され、
   前記透明な高抵抗層の抵抗値が、前記第３の電極の中心から軸対称で且つ半径方向で階段状に又は連続的に変化していることを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。
2. 請求項１の低電圧駆動液晶レンズにおいて、前記透明な高抵抗層は前記第３の電極の中心に対して円帯状に配置されていることを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。
3. 請求項１ないし請求項２に記載の低電圧駆動液晶レンズにおいて、前記第２の電極が同心円状に、又は半径方向に複数に分割されており、各分割された電極と前記第1の電極との間に独立した電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。
4. 請求項１ないし請求項３に記載の低電圧駆動液晶レンズにおいて、前記第１の基板及び前記第２の電極を有する第２の基板及び透明絶縁層又は透明媒質の少なくとも何れかがレンズ効果を有することを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。
5. 請求項１ないし請求項４に記載の低電圧駆動液晶レンズにおいて、前記透明な高抵抗層が液晶分子に対する配向効果を有することを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。
6. 請求項１ないし請求項５に記載の低電圧駆動液晶レンズにおいて、レンズ効果を有する領域からレンズ効果を有しない領域の間で連続的に又は階段状にレンズ効果が弱くなる特性を有することを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。
7. 請求項１ないし請求項６に記載の低電圧駆動液晶レンズにおいて、レンズ効果を示す領域の中心が前記透明な第１の基板の中心から周辺部にずれた位置に有ることを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。
8. 第１の基板の一方の面に第１の孔を有する第１の電極が配置され、
   前記第１の孔内で前記第１の電極に間隔を置いて第２の電極が配置され、
   前記第１及び第２の電極に対して透明絶縁層または透明媒質及び透明な高抵抗層による第１の二重層が重なり、
   前記第１の二重層に対して透明絶縁層又は透明絶縁膜によるセンター層の一方の面が対向し、
   前記第１の二重層と前記センター層一方の面との間に第１の液晶分子を一方向に配向させる第１の液晶層を備え、
   前記センター層の他方の面に対向して、透明絶縁層または透明媒質及び透明な高抵抗層による第２の二重層が対応し、
   前記センター層の他方の面と前記第２の二重層との間に第２の液晶層を備え、
   前記第２の二重層の前記第２の液晶層と反対側の面には、第２の孔を有する第３の電極及び前記第２の孔内で前記第３の電極に間隔を置いて第４の電極が配置され、かつ前記第３及び第４の電極を有する第２の基板が配置されており、
   前記第１の電極と前記第３の電極間、前記第２の電極と前記第４の電極間にそれぞれ独立した第１の電圧と第２の電圧を供給するようにしたことを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。

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