JP2016004197A

JP2016004197A - 液晶レンズ

Info

Publication number: JP2016004197A
Application number: JP2014125361A
Authority: JP
Inventors: 祥吾米村; Shogo Yonemura
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2016-01-12
Also published as: US20150370125A1

Abstract

【課題】膜剥がれが無く、優れた光学特性を有し、液晶に安定して理想的な電位分布を形成できる低電圧駆動液晶レンズを提供する。
【解決手段】第１の電極３３を有する第１の基板２２と、孔を有する第２の電極３１と前記第２の電極の孔内に間隔を置いて配置された第３の電極３２を有する第２の基板２１と、前記第１の基板の電極形成面と前記第２の基板の電極形成面との間に形成された液晶層５、とを有する液晶レンズにおいて、前記第２の基板２１と液晶層５との間に機能膜４を配置し、前記機能膜は少なくとも一部に膜厚方向に連続的に組成傾斜している領域を有し、前記機能膜は第２、第３の電極に接する領域のシート抵抗値が液晶層の接する領域のシート抵抗値よりも高く、且つ、シート抵抗値の比が５桁以上の範囲にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、低電圧駆動が可能な液晶レンズに関する。

ネマティック液晶は、その構成分子が配向秩序を持つが、三次元的な位置秩序は持たない液晶材料である。ネマティック液晶は、外部電圧の印加により実効的な屈折率を可変できるという特徴がある。この特徴を利用して機械的駆動部を持たずに焦点位置を変化させることができる液晶レンズが提案されている（特許文献１および２参照）。

特許文献１では、液晶レンズの焦点位置変化を低電圧でおこなう技術が開示されている。具体的には、ガラス基板、第１の電極、配向膜、液晶層、高抵抗層、透明絶縁膜、開口部を有する第２及び第３の電極によって構成されており、高抵抗層の電位分布の中継効果を利用することで駆動電圧の低電圧化が可能であると報告されている。

特許文献１の低電圧駆動液晶レンズに使用される高抵抗層は、可視光領域（波長３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）において透過率が低くなる傾向がある。対策として、高抵抗層の薄層化が考えられるところ、これは液晶レンズに適した電位分布を得るために高抵抗層や透明絶縁膜を高抵抗率化する必要がある、というニーズへの対策ともなる。しかし、高抵抗層や透明絶縁膜の膜厚を薄くしすぎると、抵抗率にばらつきが生じ、液晶レンズの動作特性がかえって不安定になってしまう傾向がある。

上記課題を解決するために、高抵抗層にＺｎＯに、Ａｌ_２Ｏ_３とＭｇＯを添加した材料を使用した低電圧駆動液晶レンズが提案されている（特許文献２）。高抵抗層にこのような材料を用いることで、薄すぎない膜厚で所望の抵抗率を得ることができ、且つ、高い透過率を有する高抵抗層を安定して形成できることが示されている。

特開２０１１−０１７７４２号公報特開２０１２−０７９８８２号公報

本発明者らは、特許文献１、特許文献２に示した液晶レンズにおいて、以下のような課題があることを見出した。
（１）絶縁層、高抵抗層を用いた構造では、両者の膜応力が大きく異なる場合、高抵抗層のシート抵抗値を安定化させるための熱処理工程や、配向膜の熱処理工程で絶縁層と高抵抗層の界面から膜剥がれが生じる問題がある。
（２）絶縁層と高抵抗層との光学特性（屈折率、等）が異なる場合、絶縁層と高抵抗層との界面で入射光の反射や散乱が生じ、液晶レンズの光学特性が低下する傾向がある。
（３）液晶にレンズ効果を持たせるためには理想的な二次曲線形状の電位分布が必要であるが、絶縁層と高抵抗層との組み合わせによっては理想的な電位分布が得られない場合がある。

本発明は、上記の問題点を鑑みたものであり、界面での膜剥がれが無く、優れた光学特性を有し、液晶に安定して理想的な電位分布を形成できる低電圧駆動液晶レンズを提供することを目的とする。

上記の課題は、第１および／または第２の電極を有する第１の基板と、第３の電極を有する第２の基板と、が準備され、第１の基板の電極形成面と第２の基板の電極形成面との間に液晶層が形成されている液晶レンズが、以下の特徴を有することで解決される。
（１）第１の基板と液晶層との間には機能膜が配置されている。
（２）機能膜は少なくとも一部に膜厚方向に連続的に組成傾斜している領域を有する。

ここで、「機能膜」とは、従来は二層構造（絶縁層と高抵抗層との積層）でなければ実現できなかった機能を、単層のみで実現した、低電圧駆動液晶レンズ用の薄膜層をいう。機能膜は、少なくとも一部に膜厚方向への連続的な組成傾斜を有する。ここで「組成傾斜」とは、機能膜の構成元素の濃度が膜厚方向に変化することをいい、構成元素を別の元素に置き換えることを意味しない。これによって機能膜には膜厚方向に抵抗率の勾配が生ずる。また、組成傾斜が構成元素を置き換えることなく濃度のみを変化させることから、機能膜の屈折率は膜厚方向に急激な変化を示さず、緩やかな変化を示す。同様に、機能膜の内部応力も膜厚方向に緩やかな変化を示すため、膜の内部での急激な応力の変化が存在しない。これらによって、界面を起点とした膜剥がれや、可視光領域における透過率の損失などの問題を生じること無く、液晶レンズに必要な理想的な二次曲線形状の電位分布を形成することが可能となる。なお、抵抗率の勾配を最適化する方策の一つとして、第２の電極は孔を有し、第３の電極はその孔の中であって第２の電極と接しない（第２の電極と間隔を置いた）位置に配置されることが多いが、本発明は、必ずしも孔を有する液晶レンズに限定されるものではない。
なお、本発明中では「抵抗率」と「シート抵抗値」という二つの類似した用語が使われているが、これらは膜厚をパラメータとして相関を持つものである。

機能膜の膜厚方向に沿ったシート抵抗値の分布は、第１、第２の電極に接する領域（以下、「領域Ａ」という。）のシート抵抗値が、液晶層に接する領域（以下、「領域Ｂ」という。）のシート抵抗値に対して５桁以上大きいことが好ましい。これにより、電位分布をさらに理想的な二次関数曲線に近づけることができる。

機能膜は、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔaの元素のうちの２種類以上を必ず含む薄膜にて形成され、且つ、それらのうち少なくとも２種類の元素の組成比を機能膜の全領域において０より大きくすることが好ましい。なお、前述した元素群を２種類以上含み、さらに他の元素を追加して機能膜を形成する構造であってもよい。前述した元素群から適切な主元素と添加元素を選択することで、光学素子である液晶レンズに要求される理想的な電位分布を形成しつつ、透明性をより高めることができる場合がある。また、少なくとも２種類の元素の組成比を機能膜の全領域で０より大きくすることで、機能膜の膜厚方向での屈折率や応力の変化をさらに低減でき、光学特性の向上や膜剥がれの抑制が容易となる。

機能膜は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｏの元素の４種を組み合わせてなる薄膜にて形成され、且つ、少なくとも３種類の原子の組成比が前記機能膜の全領域において０より大きくすることが好ましい。このような元素を使用することで、さらに高い透明性を確保できる。また。同元素群を用いると、組成比に応じてシート抵抗値が幅広い範囲で制御できることから、理想的な電位分布を得ることが容易になる。

機能膜の組成傾斜部は領域Ａよりも領域Ｂに近いことが好ましい。このようにすることで、電極側のシート抵抗値のバラつきを抑制することができ、電極間の短絡が防止でき、安定して理想的な電位分布を得ることが可能となる。

さらに、機能膜の領域Ａのシート抵抗値が、領域Ｂのシート抵抗値よりも５桁から６桁大きいことが好ましい。このようにすることで、液晶レンズの周波数依存性が小さくなり、幅広い周波数範囲で液晶レンズを適切に機能させるための理想的な電位分布を得ることが可能となる。

上記の手段により、膜界面を起点とした膜剥がれが無く、優れた光学特性を有し、幅広い周波数範囲で液晶に安定して理想的な電位分布を形成することが可能となる。

本実施形態における液晶レンズの模式断面構成図である。本実施形態の変形例における液晶レンズの模式断面構成図である。本実施形態における液晶レンズの斜視図である。理想的な液晶レンズの電位分布形状を示す模式図である。好ましくない液晶レンズの電位分布形状を示す模式図である。本実施形態における液晶レンズの膜厚方向の組成傾斜を表す図である。実施例１における液晶レンズの電位分布に関する図である実施例１における機能膜４の透過率データを表す図である。本実施形態における絶縁不良のある液晶レンズの干渉縞評価画像である。本実施形態における良品の液晶レンズの干渉縞評価画像である。実施例１１における液晶レンズの電位分布に関する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。

まず、図１および図３を参照して、本発明の実施形態に係る液晶レンズ１の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る液晶レンズ１の模式断面構成図、図３は本実施形態に係る液晶レンズ１の斜視図である。本実施形態の液晶レンズ１は、孔を有する第１の電極３１と前記第１の電極３１の孔内に間隔を置いて配置された第２の電極３２を有する第１の基板２１と、第３の電極３３を有する第２の基板２２と、前記第１の基板２１の電極形成面と前記第２の基板２２の電極形成面との間に形成された液晶層５、とを有し、前記第１の基板２１と液晶層５との間に機能膜４を配置し、前記機能膜４は少なくとも一部に膜厚方向に連続的に組成傾斜している領域を有し、前記機能膜４は前記第１の電極３１、前記第２の電極３２に接する領域のシート抵抗値が液晶層に接する領域のシート抵抗値よりも高く、且つ、シート抵抗値の比が５桁以上の範囲にあることを特徴としている。

図１に示される本実施形態の液晶レンズ１は、第１の電極３１と第３の電極３３間及び、第２の電極３２と第３の電極３３間に電圧が印加される。第１の電極３１と第３の電極３３間及び、第２の電極３２と第３の電極３３間に、印加する電圧を個別に制御することにより、液晶層５全体に二次曲線形状の電位が形成され、屈折率の勾配の分布が形成される。このことによりレンズ効果が実現される。

図３に示されるように、第１の電極３１は積層構造の延在する面の中央部に開口部を有するパターン電極であって、第２の電極３２は、第２の電極３２に対し機能膜４を介して第２の電極３２の開口部内に間隔を置いて配置されている。なお、開口部の形状は図２では円形としているが、楕円形であってもよいし、四角形、六角形などの多角形であってもよい。

本実施形態における第１の基板２１、第２の基板２２は、それぞれ透明基板から構成されている。ここで、透明基板とは、光線透過率が５０％以上の基板を指す。より具体的には、金属イオンの溶出による配向乱れの影響を抑えるため、無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板等が好適に用いられる。ただし、透明基板は、上述のガラス基板に限定されるものではなく、例えばパッシベーション膜を備えた透明樹脂基板であってもよい。第１の基板２１、および第２の基板２２の厚みは第２の基板２２との間に液晶層５を封入出来れば厚みはいくらであっても構わない。

本実施形態における第１の電極３１、第２の電極３２、および第３の電極３３の材料は、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アルミドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）フッ素ドープスズ（ＦＴＯ）等の酸化物や、アルミ（Ａｌ）等の金属などが挙げられる。各電極は、高い光透過性、光透過率の波長依存性が低いこと、化学的安定性が高いことが求められるが、これらの中では、特に低い抵抗率と高い光透過率を示すＩＴＯが好ましい。また、第１の電極３１は機能膜４を介して第２の電極３２の外周に配置されている。

本実施形態に用いる機能膜４は少なくとも一部に膜厚方向に組成傾斜部を有し、第１の電極３１および第２の電極３２に接する領域（領域Ａに等しい）のシート抵抗値が、液晶層５に接する領域（領域Ｂに等しい）のシート抵抗値よりも高くなるように形成されている。図４−ａに理想的な液晶レンズの電位分布形状を示す模式図を、図４−ｂに好ましくない液晶レンズの電位分布形状を示す模式図を、それぞれ示す。本実施形態の構成においてレンズ効果を得るためには、図４−ａに示したような二次曲線状の電位分布形状を得ることが望ましい。そのためには、領域Ｂに対して領域Ａのシート抵抗値の大きさが５桁以上大きいことが必要である。さらに、領域Ａのシート抵抗値を５桁から６桁の範囲に設定すると、幅広い周波数範囲で二次曲線形状の電位分布を得られることから、より好ましい。一方、領域Ａのシート抵抗値の大きさを４桁以下とした場合は、図４−ｂのような鍋底形状の電位分布となるためにレンズ効果を得ることは困難となる。

また、本実施形態に用いる機能膜４は、前述した各領域のシート抵抗値の関係を満たしていれば、図５の系列２のように膜厚方向の組成傾斜領域が機能膜４の全体に及んでいても良いし、系列１、系列３のように機能膜４の一部が組成傾斜していても良い。ただし、組成傾斜領域ではシート抵抗値の制御が難しくなるため、組成傾斜領域は機能膜の一部と側に近い領域に形成すると良い。このようにすることで、機能膜の電極にすることが好ましい。より好ましくは、系列１のように組成傾斜部を電極側よりも液晶層接する領域でのシート抵抗値のバラつきを抑制することができ、電極間の短絡が防止できることから、安定して理想的な電位分布を得ることが可能となる。

機能膜４の材料は、高い透過率を有し、組成比の変化に応じて抵抗率が変動する材料から選択するとよい。具体的にはＮ、Ｏ、Ｆ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔaのいずれかの元素を必ず含む２種類以上の元素を組み合わせてなる薄膜にて形成し、且つ、少なくとも２種類の元素の組成比を機能膜の全領域において０より大きくするとよい。なお、前述した元素群の元素を２種類以上含み、さらに他の元素を追加して薄膜を形成する、としてもよい。

我々の検討結果では、その中でも、ＺｎＯにＡｌ_２Ｏ_３とＭｇＯを添加した材料が特に優れた透過率と、組成比に対して幅広い抵抗率変動を示したことから、好適であるとわかっている。

機能膜４の組成傾斜部を形成させる方法としては、複数のターゲットを用意して多元スパッタ機を用いてスパッタ条件を連続的に変化させ、組成比を連続的に変化させながら成膜する方法、組成比の異なる層を複数層成膜した後に適切な熱処理をおこなうことで元素を熱拡散させる方法、組成比の異なる前躯体液を複数用意して、前躯体液を基板に塗布、熱処理を繰り返しおこなうゾル−ゲル法などが挙げられる。

本実施形態に用いる液晶層５は、例えばネマティック液晶が挙げられる。ネマティック液晶は印加電圧の大きさに応じてその実質的な屈折率を連続的に変化させる事が出来、本実施形態はこの特性を利用して第２の電極３２部分にレンズ効果を発生させている。また、液晶の応答特性を向上させるために、ＶＡ（ＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＩＰＳ（ＩｎＰｌａｎｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＯＣＢ（ＯｐｔｉｃａｌｌｙＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＢｅｎｄ）モードに適した液晶や、液晶内部に高分子による周期的な構造を形成することで安定化されたブルー相を示す液晶を用いても良い。またさらには、液晶光学素子の屈折率の可変範囲を拡大するために、屈折率の異方性（Δｎ）が大きな液晶を用いても良い。例えば、ネマティック液晶の置換基として、シアノ基に代表される液晶分子の分極率を大きくする置換基を導入することが考えられる。

（変形例）
図２に、本実施形態の変形例における液晶レンズの模式断面構成図を示す。本変形例の、機能膜４、液晶層５、第３の電極３３が形成された第２の基板３２、の順に積層された積層構造は、図２の変形例で示したように、機能膜４、第１の配向膜６１、液晶層５、第２の配向膜６２、第３の電極３３が形成された第２の基板２２、の順に積層された積層構造で構成することができる。

本変形例に用いる第１の配向膜６１、第２の配向膜６２の材料はポリイミド樹脂であり、第１の配向膜６１と第２の配向膜６２に挟まれた液晶層５内の液晶分子を規則正しく配列させるため一定方向にラビング（Ｒｕｂｂｉｎｇ）処理、すなわち、配向膜処理方法の一つでありポリイミドなどで形成された配向膜を布などで擦ることによって配向性能を付加するものである、が行われている。第１の配向膜６１と第２の配向膜６２はお互いのラビング方向が反並行となるように配置されている。配向効果をより持たせる事により液晶レンズを透過する光の透過率を上げる効果やディスクリネーションの発生を抑制する効果がある。また、ラビング処理以外で配向性能を付与する手法としては、光感応性の配向膜を用いてＵＶ照射によって配向を形成する手法、配向膜に斜方蒸着膜を用いる手法などが挙げられる。

本変形例の、第１の基板２１における、第１の電極３１及び第２の電極３２が形成されている面と反対側の面及び、第２の基板２２における第３の電極３３が形成されている面と反対側の面には、それぞれ第１の反射防止膜７１と第２の反射防止膜７２が形成されている事が好ましい。

本変形例に用いる第１の反射防止膜７１および第２の反射防止膜７２の材料は、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５の積層膜である。反射防止膜を持たせる事によりレンズ表面で反射する光量を少なくし透過率を高める効果がある。

以下、実施例および比較例を通じて、本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。
（実施例１）

まず、ガラス基板上に第１の電極と第２の電極を形成した。片側の面に第１の反射防止膜が形成された厚み３００μｍの第１のガラス基板を用意した。第１のガラス基板の、反射防止膜とは反対側の面上に、電極である酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）をスパッタ法により成膜した。その後エッチング工程で電極を部分的に除去し、分割することで、第１の電極および第２の電極を形成した。なお、レンズ部となる第２の電極の直径は２ｍｍとした。

次に、機能膜を作製した。機能膜は、ＮｉＯ、Ａｇ_２Ｏの組成傾斜膜とした。多元スパッタ機を用いてＮｉＯ、Ａｇ_２Ｏの２つのターゲットに対する投入出力を連続的に変化させて、組成傾斜領域が機能膜全体に及ぶように成膜した。その後、シート抵抗値を安定化させるために大気中で３００℃、１時間の熱処理をおこなった。この熱処理工程において、アニール後の機能膜には膜剥がれの発生が生じることはなかった。ダミーサンプルを用いて４探針測定器で機能膜のシート抵抗値を評価したところ、最表面側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］であった。機能膜を膜厚の１０％の位置までエッチングして電極側のシート抵抗値を測定したところ、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１４［Ω／□］であった。この結果、得られた機能膜の最表面側と電極側とのシート抵抗値の比は約７桁であることが確認された。

続いて、機能膜の表面にポリイミドからなる第１の配向膜を形成し、ラビング処理を実施した。

一方で、第２のガラス基板上にＩＴＯをスパッタ法により成膜して第３の電極を形成した。その後、第３の電極が形成された面にポリイミドからなる第２の配向膜を形成し、第１の配向膜と同様にラビング処理を行った。

最後に、第１の配向膜を形成した第１の基板と、第２の配向膜を形成した第２の基板を配向膜面が対向し且つ各配向膜のラビング方向が反並行となる様に配置し固定させた後、その隙間に液晶材料と直径３０μｍの球状スペーサとを真空封入し、厚さ３０μｍの液晶層を形成し、液晶レンズを作製した。

作製した液晶レンズおよび機能膜単体について、以下の手順で評価をおこなった。

（電位分布評価）
作製した液晶レンズに、第１の電極、第３の電極間に３．５Ｖｒｍｓ、第２の電極、第３の電極間に１．０Ｖｒｍｓの電圧を１０Ｈｚ，１００Ｈｚ，１ｋＨｚでそれぞれ印加した。このときに液晶にかかる電位分布を図６に示した。駆動周波数１ｋＨｚにおいて二次曲線形状で、且つ、大きな電位差が得られており、レンズ効果が得られていることがわかる。

（密着性評価）
機能膜の密着性評価として、ダミーサンプルを用いてテープ引き剥がし試験を実施した。カット幅１ｍｍ間隔、１００マス中でテープに付着した小片の個数を計測することで密着性を評価した。実施例１における密着性評価の試験結果を表１に示す。試験結果より、良好な密着性が確認された。また、３００℃の熱処理工程でも膜剥がれが発生しなかったことからも、強い密着性を有しているといえる。

（光学特性の評価）
機能膜の光学特性の評価として、ダミーサンプルを用いて、透過率を分光エリプソメーターにて２５０〜１０００ｎｍの波長範囲において測定を実施した。試料はガラス基板を用いて、サンプルの透過率を測定した後、ガラス基板の透過率を差し引くことで、機能膜のみの透過率を算出した。実施例１における透過率の評価結果を図７に、波長５３２ｎｍでの透過率を表１に示す。可視光領域で透過率が６５％以上を示しており、高い光学特性を有していることが確認された。

（実施例２）
実施例２では、機能膜をＮｉＯ、Ａｇ_２Ｏ、ＭｇＯの組成傾斜膜として、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１５［Ω／□］、となるように組成傾斜比を調整して成膜した。その他の構成や条件等は実施例１と同様とし、同様の評価をおこなった。評価結果を表１に示した。

（実施例３）
実施例３では、機能膜をＴｉＯ_２、ＮｂＯの組成傾斜膜として、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１４［Ω／□］、となるように組成傾斜比を調整して成膜した。その他の構成や条件等は実施例１と同様とし、同様の評価をおこなった。評価結果を表１に示した。

（実施例４）
実施例４では、機能膜をＴａ_２Ｏ_５、Ｎ_２の組成傾斜膜として、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１４［Ω／□］、となるように組成傾斜比を調整して成膜した。その他の構成や条件等は実施例１と同様とし、同様の評価をおこなった。評価結果を表１に示した。

（実施例５）
実施例５では、機能膜をＦ、ＳｎＯ_２の組成傾斜膜として、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１５［Ω／□］、となるように組成傾斜比を調整して成膜した。その他の構成や条件等は実施例１と同様とし、同様の評価をおこなった。評価結果を表１に示した。

（実施例６）
実施例６では、機能膜をＳｂ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２の組成傾斜膜として、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１４［Ω／□］、となるように組成傾斜比を調整して成膜した。その他の構成や条件等は実施例１と同様とし、同様の評価をおこなった。評価結果を表１に示した。

（実施例７）
実施例７では、機能膜をＧａ_２Ｏ_３、ＺｎＯの組成傾斜膜として、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１４［Ω／□］、となるように組成傾斜比を調整して成膜した。その他の構成や条件等は実施例１と同様とし、同様の評価をおこなった。評価結果を表１に示した。

（実施例８）
実施例８では、機能膜をＩｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２の組成傾斜膜として、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１５［Ω／□］、となるように組成傾斜比を調整して成膜した。その他の構成や条件等は実施例１と同様とし、同様の評価をおこなった。評価結果を表１に示した。

（実施例９）
実施例９では、機能膜をＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯの組成傾斜膜として、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１５［Ω／□］、となるように組成傾斜比を調整して成膜した。その他の構成や条件等は実施例１と同様とし、同様の評価をおこなった。評価結果を表１に示した。評価結果から、機能膜にＺｎＯにＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯを添加した材料を用いることで、光学特性の向上と膜剥がれの抑制効果がより顕著であることがわかった。

（実施例１０）
実施例１０では、機能膜をＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯの組成傾斜膜とし、且つ、組成傾斜領域が液晶層側に近い領域に存在するように機能膜を成膜して、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１４［Ω／□］、となるように組成傾斜比を調整して成膜した。その他の構成や条件は実施例１と同様とした。評価結果を表１に示した。

実施例１０では、組成傾斜の位置の効果を評価するため、干渉縞の画像評価をおこなった。液晶レンズが正常に駆動しているときの干渉縞の写真を図１０、第１の電極、第２の電極間の絶縁不良が原因で干渉縞がひしゃげている写真を図９にそれぞれ示す。実施例１から実施例３の機能膜を用いた場合、稀に図９のような干渉縞を示すサンプルが見られた。実施例１から実施例９の方法では、組成傾斜が機能膜全体に及んでいるために、機能膜の電極に近い領域で狙いからの組成変化が生じてシート抵抗値が変動した場合、電極間のショートが起こる可能性があった。実施例４では電極に近い領域では組成傾斜部を設けていないために、狙い組成からのズレが抑制できており、絶縁性が保てる構造となっている。実施例１０のように機能膜の成膜の際、電極間の絶縁を確保するための領域を、組成傾斜させずに成膜することで、多少の組成変化が生じた場合も安定して絶縁性を確保することができ、より安定して理想的な電位分布を形成させることができる。

（実施例１１）
実施例１１では、機能膜をＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯの組成傾斜膜とし、且つ、組成傾斜領域が液晶層側に近い領域に存在するように機能膜を成膜して、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１３［Ω／□］となるように組成傾斜比を調整して成膜した（シート抵抗値の比が約６桁）。なお、その他の構成や条件は実施例１と同様とした。

（実施例１２）
実施例１２では、機能膜をＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯの組成傾斜膜として、液晶レンズを作製した。機能膜の液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１２［Ω／□］となるように組成傾斜比を調整して成膜した（シート抵抗値の比が約５桁）。なお、その他の構成や条件は実施例１と同様とした。

実施例１１、１２では、シート抵抗値の比の効果を明らかにするため電位分布の評価をおこなった。実施例１１の電位分布の評価結果を図１１に、その他の評価結果を表１に示す。図６（実施例１）を見ると、駆動周波数１ｋＨｚ以外の周波数では電位差が小さく、レンズパワーの小さいレンズしかできないことがわかる。図１１を見ると、１ｋＨｚのときの電位差の大きさには劣るが、１０Ｈｚ、１Ｈｚの周波数でもレンズ効果を得るための電位差が確保できており、且つ、二次曲線形状の電位分布が得られている。また図には示していないが、実施例１２においても実施例１１と同様の結果が得られた。この結果、両者のシート抵抗値の比を５〜６桁とすることで、このような周波数依存性の小さい液晶レンズを作製できることがわかった。

（実施例１３）
実施例１３では、機能膜をＮｉＯ、Ａｇ_２Ｏの組成傾斜膜として、且つ、液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１０［Ω／□］となるように組成傾斜比を調整して成膜し、液晶レンズを作製した。その他の構成や実験条件は実施例１と同様とした。評価結果を表１に示す。

（実施例１４）
実施例１４では、機能膜をＮｉＯ、Ａｇ_２Ｏの組成傾斜膜として、且つ、液晶層側のシート抵抗値は約１．０×１０^７［Ω／□］、電極側のシート抵抗値は約１．０×１０^１１［Ω／□］となるように組成傾斜比を調整して成膜し、液晶レンズを作製した。その他の構成や実験条件は実施例１と同様とした。評価結果を表１に示す。

（比較例）
比較例として、機能膜を使用せずに、従来の２層構造を用いて絶縁層にＳｉＯ_２、高抵抗層にＮｉＯにＡｇ_２Ｏを添加した膜を用いて液晶レンズを作製した。その他の構成や実験条件は実施例１と同様とした。評価結果を表１に示す。

実施例１３、１４のように、液晶層側のシート抵抗値と電極側のシート抵抗値の比を小さくした場合は、いずれの周波数においても図４−ｂのような鍋底形状の電位分布となり、レンズ効果を得るのが困難になる傾向が認められる。二次曲線上の電位分布を得るためには液晶層側のシート抵抗値と電極側のシート抵抗値の比をある程度大きくする必要があり、評価結果から、その比を５桁以上とすることが望ましいことがわかった。一方、比較例のような従来の絶縁層と高抵抗層を用いた２層構造とした場合、シート抵抗値の比が７桁と大きく、好ましい電位分布が得られるように見えても、剥離試験の結果に明らかなように十分な密着性が得られていない。比較例の構造では、熱処理工程においても膜剥がれを生じることがあった。屈折率に関しても２層の界面で急激な変化を生じるために、透過率も実施例１から１４に劣るという結果であった。

以上の結果から、本発明によれば、膜剥がれが無く、優れた光学特性を有し、液晶に安定して理想的な電位分布を形成できる低電圧駆動液晶レンズを提供できることが示された。

本発明の低電圧駆動液晶レンズは、機械的な駆動部分を持たず、電圧印加により静的な焦点可変が可能である。したがって、携帯電話のカメラや内視鏡カメラのオートフォーカス用レンズ、ズーム用レンズなどに利用できることから、高い産業上の利用可能性を有する。

１、１０液晶レンズ
４機能膜
５液晶層
２１第１の基板
２２第２の基板
３１第１の電極
３２第２の電極
３３第３の電極
６１第１の配向膜
６２第２の配向膜
７１第１の反射防止膜
７２第２の反射防止膜

Claims

第１の電極と第２の電極とを一の面上に有する第１の基板と、
第３の電極を一の面上に有する第２の基板と、
前記第１の基板の前記第１の電極および前記第２の電極が形成された面と、前記第２の基板の前記第３の電極が形成された面と、の間に設けられた液晶層と、を有し、
前記第２の基板と前記液晶層との間には、機能膜が配置されており、
前記機能膜は、少なくとも一部において、膜厚方向に連続的に組成が傾斜している組成傾斜部を有する
ことを特徴とする液晶レンズ。
前記機能膜は、前記第１の電極および／または前記第２の電極に接する領域（領域Ａ）のシート抵抗値が、前記液晶層に接する領域（領域Ｂ）のシート抵抗値に対して５桁以上大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
前記機能膜は、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ａｇ、Iｎ、Ｓn、Ｓｂ、Ｔaの元素のうちの２種類以上を必ず含む薄膜で形成され、且つ、そのうち少なくとも２種類の元素の組成比が、前記機能膜の全領域において０より大きくなっている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶レンズ。
前記機能膜は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｏの元素の４種を組み合わせてなる薄膜にて形成され、且つ、そのうち少なくとも３種類の原子の組成比が前記機能膜の全領域において０より大きくなっている
ことを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の液晶レンズ。
前記機能膜は、前記組成傾斜部が、前記領域Ａの側よりも、前記領域Ｂの側に近い
ことを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の液晶レンズ。
前記機能膜は、前記領域Ａのシート抵抗値は、前記領域Ｂのシート抵抗値よりも、５桁〜６桁大きい
ことを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか一項に記載の液晶レンズ。