JP2017083765A

JP2017083765A - 液晶レンズ

Info

Publication number: JP2017083765A
Application number: JP2015214449A
Authority: JP
Inventors: 隆秋元; Takashi Akimoto
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2017-05-18

Abstract

【課題】液晶レンズにおけるディスクリネーションの発生を抑制する。
【解決手段】液晶レンズ１は、第１の電極２と、第１の電極２に対向する第２の電極４と、第１の電極２と第２の電極４との間に配される液晶層６とを備え、かつ所定の有効径ＥＤを有してなる。第１の電極２は、円形の開口１４を有する第１電極部１１と、この開口１４の内側に配される第２電極部１２と、有効径ＥＤよりも外方側に配される第３電極部１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶レンズの改良技術に関する。

液晶レンズは、液晶分子が一方向に配向している液晶層に電圧を印加し、この液晶分子の配向制御を行うことで屈折率を変化させるデバイスであり、モータ等の機械的な駆動部を持たずに焦点距離を可変できるという特徴を有する。

従来の液晶レンズは、特許文献１に開示されるように、第１の電極を有する第１の基板と、第２の電極及び第３の電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に配される液晶層とを主に備える。この液晶レンズは、第１の電極と第２の電極との間に第１の電圧を印加するとともに、第３の電極に対して第１の電圧とは独立した第２の電圧を印加することにより、凸レンズ又は凹レンズとして機能し得るものである。

特開２０１１−１７７４２号公報

上記のように、液晶レンズは、液晶分子の配向制御を行うことにより屈折率を変化させるものであるが、液晶層における位置によっては液晶分子が所期の励起状態とならない場合がある。例えば、液晶層の周縁部付近に存在する液晶分子は、中心部に存在するものと比較して、所期のチルト角とは逆方向に傾斜する傾向が強く、これによって液晶分子の配向が不連続となる状態を生じ得る。このような配向欠陥はディスクリネーションと呼ばれ、液晶レンズの機能を阻害する要因となる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ディスクリネーションの発生を抑制することが可能な液晶レンズを提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配される液晶層とを備え、かつ所定の有効径を有してなる液晶レンズにおいて、前記第１の電極は、円形の開口を有する第１電極部と、前記開口の内側に配される第２電極部と、前記有効径よりも外方側に配される第３電極部とを備える。

かかる構成によれば、液晶レンズの有効径よりも外方位置に第１の電極における第３電極部を配置し、この第３電極部に所定の電圧を印加することで、この第３電極部と第２の電極との間に生じる電界（電気力線）の作用により、液晶層の周縁部に位置する液晶分子の配向を積極的に制御する。このようにすることで、液晶層の周縁部よりも中心側に位置する液晶分子の配向が不連続となることを防止できる。よって、本発明に係る液晶レンズは、ディスクリネーションの発生を抑制することが可能になる。

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配される液晶層と、前記第１の電極と前記液晶層との間に配される高抵抗膜と、を備える液晶レンズにおいて、前記第１の電極は、円形の開口を有する第１電極部と、前記開口の内側に配される第２電極部と、前記高抵抗膜の外方側に配される第３電極部とを備える。

かかる構成によれば、第１の電極と液晶層との間に高抵抗膜を設けることで、その高抵抗膜面により、液晶層の中心部にまで軸対称の電界を好適に発生させることが可能になる。さらに、本発明では、高抵抗膜よりも外方側に第１の電極の第３電極部を配置し、この第３電極部に所定の電圧を印加することで、この第３電極部と第２の電極との間に生じる電界（電気力線）の作用により、液晶層の周縁部に位置する液晶分子の配向を積極的に制御する。このようにすることで、高抵抗膜の範囲内に位置する液晶分子の配向が不連続となることを防止できる。よって、本発明に係る液晶レンズは、ディスクリネーションの発生を抑制することが可能になる。

また、本発明に係る液晶レンズでは、前記第３電極部は、円形の開口を有し、前記第１電極部は、前記第３電極部に係る前記開口の内側に位置することが望ましい。

また、本発明に係る液晶レンズでは、前記高抵抗膜は、円形に構成されるとともに前記第３電極部に係る前記開口の内側に位置することが望ましい。

本発明によれば、液晶レンズにおけるディスクリネーションの発生を抑制することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る液晶レンズの断面図である。液晶レンズにおける第１の電極を示す平面図である。第１の電極と第２の電極との間に作用する電気力線の態様を示す断面図である。液晶層における液晶分子の配向態様を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図４は、本発明に係る液晶レンズの一実施形態を示す。

図１に示すように、液晶レンズ１は、第１の電極２を有する第１の基板３と、この第１の基板３に対向するともに第２の電極４を有する第２の基板５と、第１の基板３と第２の基板５との間に配される液晶層６と、同じく第１の基板３と第２の基板５との間に配されるスペーサ７とを主に備える。

第１の基板３は、透明なガラス板により構成されるが、これに限定されるものではない。第１の基板３は、第１の電極２の他、この第１の電極２を覆う絶縁膜８と、この絶縁膜８に積層される高抵抗膜９と、この高抵抗膜９に積層される配向膜１０とを備える。

図１及び図２に示すように、第１の電極２は、例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の透明導電性酸化物により構成されるが、これに限定されるものではない。また、第１の電極２は、第１電極部１１と、第２電極部１２と、第３電極部１３とを備える。

第１電極部１１は、第２電極部１２の外側に配されている。第１電極部１１は、円形の開口（以下「第１開口」という）１４を有する。また、第１電極部１１は、この第１開口１４を区画する円形の内縁部１１ａと、同じく円形に形成される外縁部１１ｂとを有する。これにより、第１電極部１１は円環状に構成されている。第１電極部１１は、図１に示すように、電源（以下「第１電源」という）１５に接続されている。この第１電源１５により、第１電極部１１には、所定の電圧が印加される。

本実施形態では、第１電極部１１の内縁部１１ａと一致するように、液晶レンズ１の有効径ＥＤが設定されている。換言すると、液晶レンズ１の有効径ＥＤは、第１開口１４の内径、すなわち円形の内縁部１１ａの径に等しい。しかしながら、液晶レンズ１の有効径ＥＤは、これに限定されるものではない。

第２電極部１２は、円形に構成されるとともに、第１電極部１１の第１開口１４内（内縁部１１ａの内側）に設けられている。図１に示すように、第２電極部１２は、第１電源１５とは独立した他の電源（以下「第２電源」という）１６に接続されている。この第２電源１６により、第２電極部１２には、所定の電圧が印加される。

第３電極部１３は、第１電極部１１の外側に設けられている。第３電極部１３は、円形の開口（以下「第２開口」という）１７を有する。また、第３電極部１３は、この第２開口１７を区画する円形の内縁部１３ａと、同じく円形に形成される外縁部１３ｂとを有する。第２開口１７内（内縁部１３ａの内側）には、第１電極部１１が設けられている。

第３電極部１３は、第１電源１５及び第２電源１６とは独立した別の電源（以下「第３電源」という）１８に接続されている。この第３電源１８により、第３電極部１３には、所定の電圧が印加される。

絶縁膜８は、可視光で透明な膜であり、ＳｉＯ_２等の酸化物により構成され、又は、ＡｌＮ、ＳｉＮ等の窒化物、ＭｇＦ_２、ＣＦ_２等のフッ化物、ＺｎＳ等の硫化物等の非酸化物により構成され得る。絶縁膜８は、第１電極部１１、第２電極部１２及び第３電極部１３の全てを被覆することで、第１の電極２と第２の電極４とを絶縁する。

絶縁膜８の厚みは、３００ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましく、３００ｎｍ〜６００ｎｍがより好ましく、３００ｎｍ〜４００ｎｍが最も好ましい。絶縁膜８の厚みが３００ｎｍより薄い場合には、第１の電極２と、高抵抗膜９との間で、絶縁破壊が生じる可能性がある。絶縁膜８の厚みが１０００ｎｍより厚い場合には、第１の電極２と第２の電極４とにより形成される電界が液晶層６に十分に作用しない可能性がある。

高抵抗膜９は、第１電極部１１の第１開口１４の中心部にまで軸対称の電界が好適に発生し得るようにするためのものである。高抵抗膜９は、酸化亜鉛、アルミニウム亜鉛酸化物、インジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、ガリウム亜鉛酸化物、シリコン亜鉛酸化物、スズ亜鉛酸化物、ホウ素亜鉛酸化物、及びゲルマニウム亜鉛酸化物のうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。これに限らず、絶縁膜８が非酸化物で構成される場合には、高抵抗膜９の抵抗値を安定化させるために、高抵抗膜９を例えばＩＧＺＯ（インジウムガリウム亜鉛酸化物）により構成することが望ましい。

本実施形態では、高抵抗膜９は円形に構成されているが、これに限定されない。高抵抗膜９の直径は、液晶レンズ１の有効径ＥＤよりも大きく設定されている。より具体的には、高抵抗膜９の直径は、第３電極部１３の内径（内縁部１３ａの直径）以下とされることが好ましく、より好ましくは第１電極部１１の外径（外縁部１１ｂの直径）以下とされる。

また、高抵抗膜９の厚みは、２０ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましく、５０ｎｍ〜５００ｎｍがより好ましく、７０ｎｍ〜２００ｎｍが最も好ましい。高抵抗膜９の厚さが２０ｎｍより薄い場合、高抵抗膜９の厚さが１０００ｎｍより厚い場合の何れの場合も、高抵抗膜９としての機能が十分に発揮できない可能性がある。

高抵抗膜９のシート抵抗は、１００ｋΩ／ｓｑ〜１００ＧΩ／ｓｑが好ましく、５００ｋΩ／ｓｑ〜１０ＧΩ／ｓｑがより好ましく、１ＭΩ／ｓｑ〜１ＧΩ／ｓｑが最も好ましい。高抵抗膜９のシート抵抗が、１００ｋΩ／ｓｑより小さい場合、１００ＧΩ／ｓｑより大きい場合の何れの場合も、高抵抗膜９としての機能が十分に発揮できない可能性がある。

配向膜１０は、例えばラビング処理で微小な溝部が形成されたポリイミド膜により構成され得るが、これに限定されるものではない。液晶層６に含まれる液晶分子ＬＣは、配向膜１０の作用により、プレチルト角で配向され得る。

第２の基板５は、透明なガラスにより構成されるが、これに限定されるものではない。第２の基板５は、その一方の表面に固定される第２の電極４を、第１の基板３における第１の電極２に対向させるように設けられる。

第２の基板５に形成される第２の電極４は、本実施形態ではグラウンド電極として構成される。第２の電極４は、第１の電極２、すなわち、第１電極部１１、第２電極部１２及び第３電極部１３の全てと対向することが可能な面積を有する円形又は矩形状に構成される。また、第２の電極４は、第１の電極２と同様に、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の透明導電性酸化物により構成されるが、これに限定されるものではない。

第２の基板５は、上記の第２の電極４の他、液晶層６に面するように設けられる配向膜１９を有する。配向膜１９は、第２の電極４を覆うように積層されている。配向膜１９は、例えばラビング処理されたポリイミド膜などにより構成され得るが、これに限定されない。

液晶層６は、第１の基板３、第２の基板５及びスペーサ７によって構成される空間にホモジニアス液晶を収容することにより構成される。液晶層６の厚みは、液晶レンズ１に必要とされる光学的パワーに応じて設定され得る。

スペーサ７は、ガラスその他の材料により環状に構成される。スペーサ７の厚みは、液晶層６の厚みや液晶層６に要求される応答速度等に応じて適宜設定できる。スペーサ７の厚みは、例えば１０μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。

以下、上記構成の液晶レンズ１の動作について図３及び図４を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、液晶レンズ１を凹レンズとして機能させた場合の動作を例示する。液晶レンズ１は、第１電極２における第１電極部１１と第２電極部１２とに異なる電圧を印加することで、負の光学的パワーを有する凹レンズとして機能する。また、液晶レンズ１は、第３電極部１３に電圧を印加することにより、第３電極部１３と第２の電極４との間に位置する液晶分子を配向制御する。

図３は、液晶レンズ１が作動した場合において、第１の電極２（第１電極部１１、第２電極部１２及び第３電極部１３）と、第２の電極４との間に作用する電気力線を示す。この図３に示すように、第１電極部１１と第２の電極４との間、及び第２電極部１２と第２の電極４との間には、液晶レンズ１を凹レンズとして機能させるべく、液晶分子ＬＣを所定の励起状態とするような曲線状の電気力線が生じている。

一方、第３電極部１３と第２の電極４との間には、第３電極部１３から第２の電極４に向かってほぼ直線状の電気力線が生じている。これにより、液晶層６の周縁部、すなわち、スペーサ７の側壁部の近傍に位置する液晶分子ＬＣが、この電気力線によって配向制御される。

図４は、図３に示す電気力線の作用により制御される液晶分子ＬＣを示す。図４に示すように、第３電極部１３と第２の電極４との間に位置する液晶分子ＬＣは、その間に作用する電気力線により、ほぼ鉛直方向（図４におけるＺ軸方向）を向くように配向される。このように第３電極部１３によって液晶層６の周縁部近傍に位置する液晶分子ＬＣを積極的に配向制御することにより、この第３電極部１３の半径方向内方側（内縁部１３ａよりも内側）に位置する液晶分子ＬＣも、その影響を受けて配向されることになり、逆向きに傾斜すること（リバース）が防止される。これにより液晶レンズ１は、ディスクリネーションの発生を効果的に抑制できることとなる。

本実施形態では、第１の電極２における第３電極部１３の内径（内縁部１３ａの直径）が、液晶レンズ１の有効径ＥＤよりも大きく設定されているが、第３電極部１３による液晶分子ＬＣの配向制御により、有効径ＥＤの範囲内にある液晶分子ＬＣと、有効径ＥＤの範囲外にある液晶分子ＬＣとの間で配向が不連続となる事態を防止できる。

また、本実施形態において、第３電極部１３は、高抵抗膜９における半径方向外方側に設けられていることから、この高抵抗膜９の影響を受けることなく、第２の電極４との間で、液晶分子ＬＣを好適に（ほぼ鉛直方向を向くように）配向制御することが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記の実施形態では、第１の電極２に係る第３電極部１３の外縁部１３ｂを円形に構成した例を示したが、これに限定されない。第３電極部１３の外縁部１３ｂは、四角形状その他の各種形状により構成され得る。

上記の実施形態では、高抵抗膜９を配置した例を示したが、これに限定されない。本発明は、高抵抗膜９を備えていない液晶レンズ１についても適用可能である。

上記の実施形態では、高抵抗膜９を被覆するように配向膜１０を配した例を示したが、これに限定されない。第１の基板３は、配向膜１０を省略するとともに、高抵抗膜９にラビング処理を施すことにより、液晶分子ＬＣの配向制御を行っても良い。

１液晶レンズ
２第１の電極
４第２の電極
６液晶層
９高抵抗膜
１１第１電極部
１２第２電極部
１３第３電極部
１４第１開口（第１電極部の開口）
１７第２開口（第３電極部の開口）
ＥＤ有効径

Claims

第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配される液晶層とを備え、かつ所定の有効径を有してなる液晶レンズにおいて、
前記第１の電極は、円形の開口を有する第１電極部と、前記開口の内側に配される第２電極部と、前記有効径よりも外方側に配される第３電極部とを備える液晶レンズ。
第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配される液晶層と、前記第１の電極と前記液晶層との間に配される高抵抗膜と、を備える液晶レンズにおいて、
前記第１の電極は、円形の開口を有する第１電極部と、前記開口の内側に配される第２電極部と、前記高抵抗膜の外方側に配される第３電極部とを備える液晶レンズ。
前記第３電極部は、円形の開口を有し、
前記第１電極部は、前記第３電極部に係る前記開口の内側に位置する請求項２に記載の液晶レンズ。
前記高抵抗膜は、円形に構成されるとともに前記第３電極部に係る前記開口の内側に位置する請求項３に記載の液晶レンズ。