JP2018197847A - 液晶光学素子およびそれを有する光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易で、光学パワーが可変である液晶光学素子を提供する。【解決手段】光学パワーが可変である液晶光学素子１００は、第１の基板１１０および第２の基板１２０と、第１および第２の基板の間に設けられた液晶層１３０と、液晶層に電圧を印加して該液晶層を電気不活性化状態から電気活性化状態に変化させるための電極１６０，１７０と、第１の基板と液晶層との間に設けられた水平配向処理膜１４０と、第２の基板と液晶層との間に設けられた垂直配向処理膜１５０とを有する。第２の基板１２０の液晶層１３０側の面には、回折格子が設けられている。【選択図】図７

Description

本発明は、可変焦点機能を有する液晶光学素子に関する。

加齢による老視に対して用いられる遠近両用眼鏡として、遠近両用累進レンズや二重焦点レンズを有するものが知られている。ただし、遠近両用累進レンズや二重焦点レンズでは、１つのレンズ内に互いに光学パワー（焦点距離）が異なる複数のレンズ領域が混在しているため、遠方の景色が歪んで見えたり、ピントが合わない部分が生じてぼけて見えたりする等の欠点がある。

特許文献１には、老眼用レンズ領域の光学パワーを可変とし、使用者が遠方を見る際は老眼用レンズ領域に光学パワーを付加せず、至近を見る際に光学パワーを付加することが可能な液晶（回折）レンズが開示されている。この液晶レンズを含めて、従来の液晶レンズでは、平坦な両面を有する基板と、レリーフ面を有する基板と、これら基板の間に設けられた液晶材料（液晶層）を有する。各基板における液晶層側の面には、配向処理膜と光学的に透明な電極が形成されている。配向処理膜にはラビング処理が行われる。また、配向処理膜間の配向方向の相対的回転アライメントも必要となる。

特開２０１３−１３７５４４号公報

しかしながら、レリーフ面へのラビング処理は、レリーフ構造を変形させたり傷付けたりする等の問題を生じさせるため、好ましくない。また、配向処理膜のそれぞれの配向方向の相対的回転アライメントについても、歩留まりを低下させる原因となるため、好ましくない。このように、従来の液晶レンズには、種々の問題がある。

本発明は、製造が容易で、光学パワーが可変である液晶光学素子を提供する。

本発明の一側面としての液晶光学素子は、光学パワーが可変である液晶光学素子であって、第１の基板および第２の基板と、前記第１および第２の基板の間に設けられた液晶層と、前記液晶層に電圧を印加して該液晶層を電気不活性化状態から電気活性化状態に変化させるための電極と、前記第１の基板と前記液晶層との間に設けられた水平配向処理膜と、前記第２の基板と前記液晶層との間に設けられた垂直配向処理膜とを有し、前記第２の基板の前記液晶層側の面に回折格子が設けられていることを特徴とする。

なお、上記液晶光学素子を用いた光学機器も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、光学パワーが可変でありながらも、製造が容易な液晶光学素子を実現することができる。

本発明の実施例である液晶レンズの構造を示す断面図。 実施例の液晶レンズにおける液晶層の屈折率および屈折率分散を示す図。 実施例の液晶レンズの平面図。 実施例の液晶レンズにおいて水平配向処理膜によって配向された液晶分子を示す平面図。 実施例の液晶レンズにおいて垂直配向処理膜によって配向された液晶分子を示す平面図。 実施例の液晶レンズにおける液晶層の電気不活性化状態での配向を示す断面図。 実施例における液晶層の電気活性化状態での配向を示す断面図。 実施例の液晶レンズを用いた光学機器を示す図。 従来の液晶レンズの構成を示す断面図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１には、本発明の実施例である液晶光学素子としての液晶レンズ１００の断面構造（光が伝搬する厚さ方向の断面構造）を示している。本実施例の液晶レンズ１００は、互いに光学パワー、すなわち焦点状態が異なる複数の光学的状態に変化可能である。これらの光学的状態は、後述する液晶層１３０を電気不活性化状態と電気活性化状態にすることによって生じさせることができる。具体的には、例えば、電気不活性化状態において有意な光学パワー（以下、単にパワーという）を有さず、電気活性化状態において有意なパワー（＋２Ｄ等）を有する。このような液晶レンズ１００を老眼鏡に用いると、使用者が遠方を見る際はパワーを付加せず、至近を見る際にパワーを付加することが可能な老眼鏡を実現することができる。

液晶レンズ１００は、それぞれ平滑な両面を有する第１の基板１１０と、レリーフ面を有する第２の基板１２０と、これら第１および第２の基板１１０，１２０の間に設けられた液晶層１３０とを有する。平滑な面は平面であっても曲面であっても良い。第２の基板１２０における液晶層側のレリーフ面のレリーフ形状は、回折格子を構成するものであって、機械加工、型による転写またはエッチング等を用いて成形することが可能である。レリーフ面は、高さ（深さ）が光の波長の数倍程度の微細な周期的凹凸形状を有する面である。

また、第１の基板１１０と液晶層１３０との間には、水平配向処理膜１４０が設けられている。水平配向処理膜１４０は、液晶層１３０内の液晶分子を第１の基板１１０に対して平行（水平）に配向させる機能を有する。水平配向処理膜１４０は、アゾベンゼン等の光異性化材料に直線偏光にした紫外線を照射してその分子を特定の方向に配向させることにより形成される。さらに、第１の基板１１０と水平配向処理膜１４０との間には、光学的に透明な単一の電極１６０が設けられている。

一方、第２の基板１２０と液晶層１３０との間には、垂直配向処理膜１５０が設けられている。垂直配向処理膜１５０は、液晶分子を第２の基板１２０に対して垂直に配向させる機能を有する。垂直配向処理膜１５０は、ポリイミド等の有機材料にアルキル基やフッ素含有基等の疎水構造を導入することにより形成される。さらに、第２の基板１２０と垂直配向処理膜１５０との間には、光学的に透明な単一の電極１７０が設けられている。

電極１６０，１７０は、例えばインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）により形成される。電極１６０，１７０は、液晶層１３０に電圧を印加して、液晶層１３０を後述する電気不活性化状態から電気活性化状態に変化させて、該液晶層１３０の屈折率と屈折率分散を変化させるために設けられている。液晶層１３０は、液晶材料である、誘電率異方性が負のネマチック液晶により形成されている。

図２は、液晶層１３０を形成する液晶材料の屈折率および屈折率分散（アッベ数）の例を示す。この図に示すように、液晶材料は、電気不活性化状態と電気活性化状態とで屈折率および屈折率分散が変化する。具体的には、電気不活性化状態における液晶材料の屈折率および屈折率分散は、第１および第２の基板１１０，１２０の屈折率および屈折率分散と同じである。ここにいう「同じ」とは、厳密に一致することだけでなく、一致するとみなせる程度の微差（例えば、５％以内の差）を有することも含む。この電気不活性化状態ではパワーはほとんど発生しない。そして、電気活性化状態において、液晶材料の屈折率および屈折率分散を電気不活性化状態に対して変化させる。この屈折率の変化に起因して第２の基板１２０との境界において回折が生じることによりパワーを発生させる。すなわち、液晶レンズ１００は電圧によって回折によるパワーを変化させることができる。

図２に示す例では、第１および第２の基板１１０，１２０の屈折率ｎｓｕｂおよび屈折率分散νｓｕｂはそれぞれ、ｎｓｕｂ＝１．５２８、νｓｕｂ＝２８．００である。一方、液晶材料の電気不活性化状態における屈折率ｎ０および屈折率分散ν０はそれぞれ、ｎ０＝１．５２８、ν０＝２７．５７である。また、液晶材料の電気活性化状態における屈折率ｎおよび屈折率分散νはそれぞれ、ｎ＝１．６５７、ν＝１６．５９である。このような構成とすることで、電気不活性化状態において実質的にパワーを有さず、電気活性化状態において有意なパワーを有する液晶レンズ１００を実現することができる。言い換えれば、液晶層１３０の電気不活性化状態よりも電気活性化状態でのパワーが大きい液晶レンズ１００を実現することができる。

図３は、液晶レンズ１００を光の入射方向から見て示している。液晶レンズ１００は、２次元方向に多数の微小領域１０１を有する。図４は、１つの微小領域１０１において水平配向処理膜１４０によって配向された液晶分子を図３と同方向から見て示す。微小領域１０１内において、水平配向処理膜１４０に近接した液晶分子は、その長軸方向が第１の基板１１０の面内方向に平行な水平方向において放射状に配向される。水平配向処理膜１４０は、アゾベンゼン等の光異性化材料に直線偏光の紫外線を照射して、その分子を特定の方向に配向させることにより形成される。配向処理膜は、直線偏光を照射する位置によってその偏光方向を変化させることで分子配向方向の制御が可能であるため、図４に示したように液晶分子の長軸方向を放射状に配向させることができる。なお、配向処理膜の材料としては、光異性化材料だけでなく、二量化反応材料や分解反応材料を用いることもできる。

図５は、本実施例の液晶レンズ１００のうち１つの微小領域１０１において垂直配向処理膜１５０によって配向された液晶分子を図３と同方向から見て示す。微小領域１０１内において、垂直配向処理膜１５０に近接した液晶分子は、その長軸方向が第２の基板１２０の面内方向に対して垂直となるように配向される。垂直配向処理膜１５０は、ポリイミド等の有機材料にアルキル基やフッ素含有基等の疎水構造を導入することにより形成される。このように、本実施例では、第２の基板１２０におけるレリーフ面に、ラビングや光配向処理を必要としない垂直配向処理膜１５０を形成する。これにより、レリーフ面への配向処理を簡素化することができ、レリーフ面構造を変化させたり傷付けたりすることなく容易に液晶レンズ１００を製造することができる。また、水平配向処理膜１４０と垂直配向処理膜１５０を組み合わせて用いる構成とすることで、歩留まりの低下の要因となっていた２つの配向処理膜の相対的回転アライメントが不要となる。これにより、液晶レンズ１００を製造する際の歩留まりを改善することができる。

図９は、従来の液晶レンズ２００の断面構造を示している。液晶レンズ２００は、平滑な両面を有する基板２１０と、レリーフ面を有する基板２２０と、これら基板２１０，２２０の間に設けられた液晶材料（液晶層）２３０を有する。２つの基板２１０、２２０における液晶層側の面には、配向処理膜２４０，２５０および光学的に透明な電極２６０，２７０がそれぞれ形成されている。液晶層２３０は、コレステリック液晶またはカイラルツイスト剤が添加されたネマチック液晶により形成されている。電極２６０，２７０間に印加される電圧によって、液晶層２３０の屈折率が変化する。この液晶ため、配向処理膜２４０，２５０のそれぞれにラビング処理、もしくは紫外線を直線偏光にして照射した光配向処理が必要となる。

図９に示すように、電気不活性化状態（初期状態）において、液晶層２３０の液晶分子のディレクタは各基板に対して平行を向く。また、液晶分子のディレクタが液晶層２３０の厚さ方向にわたって螺旋状に回転しており、これにより偏光不感受性が実現される。液晶分子のディレクタが３６０°回転するまでの回転軸に沿った長さをツイストピッチと呼ぶ。コレステリック液晶は、ツイストピッチに相当する波長を有し、液晶分子のディレクタに垂直に伝播する光波に対して、平均屈折率ｎａｖｅ＝（ｎｏ＋ｎｅ）／２を有する。ｎｏは常光屈折率であり、ｎｅは異常光屈折率である。

電極２６０，２７０間の電場が十分に強い場合、液晶分子のディレクタは電場の向きと同じとなり、配向方向と垂直になる。コレステリック液晶は、この場合おいて、ディレクタの回転軸に平行に伝播する光波に対して、その偏光状態に依らず、常光屈折率ｎｏを有する。このため、液晶層２３０の屈折率は、印加電圧の大きさに依存して、常光屈折率ｎｏから平均屈折率ｎａｖｅまでの間で変化する。コレステリック液晶の屈折率を所望の値にするためには、ツイストピッチを精度良く制御する必要があり、配向処理膜２４０，２５０による液晶分子のディレクタの制御が必要となる。このため、配向処理膜２４０，２５０のそれぞれにラビング処理、もしくは紫外線を直線偏光にして照射した光配向処理が必要となる。また、配向処理膜２４０，２５０のそれぞれの配向方向の相対的回転アライメントも必要となる。

前述したように、レリーフ面へのラビング処理は、レリーフ構造を変形させたり傷付けたりする等の問題を生じさせる。特に、回折格子のような微細な構造が設けられている場合にはラビング処理は極めて困難となり得る。また、配向処理膜のそれぞれの配向方向の相対的回転アライメントも容易ではない。

一方、図６は、本実施例の液晶レンズ１００において、液晶層１３０が電気不活性化状態にあるときの１つの微小領域１０１内での液晶分子の配向を図１と同じ断面で示している。なお、図６では、微小領域１０１を拡大して示している。また、１７１は電極１７０において微小領域１０１ごとに（すなわち、レリーフ面の凹凸に合わせて）セグメント化された電極部を示している。

液晶層１３０において水平配向処理膜１４０に近接した液晶分子は水平方向において放射状に配向され、垂直配向処理膜１５０に近接した液晶分子は垂直に配向されている。また、液晶層１３０のうち第１および第２の基板１１０，１２０との界面から十分に離れた領域では、水平および垂直配向処理膜１４０，１５０によるアンカリングの効果は消えている。液晶材料は負の誘電率異方性を有するため、電気不活性化状態では、水平および垂直配向処理膜１４０，１５０から十分離れた領域の液晶分子はほぼ垂直に配向される。このため、電気不活性化状態の液晶層１３０は、液晶レンズ１００の厚さ方向に伝播する光に対して、その光の偏光方向によらず一定の屈折率を有する。

図７は、本実施例の液晶レンズ１００において、液晶層１３０が電気活性化状態にあるときの１つの微小領域１０１内での液晶分子の配向を図１と同じ断面で示している。なお、図７でも、微小領域１０１を拡大して示している。図６にも示したように微小領域１０１ごとにセグメント化された電極部１７１を設けることで、液晶層１３０の液晶材料の厚さが異なる微小領域同士で印加電圧を異ならせることが可能となる。これにより、全ての微小領域において液晶材料の厚さが異なっても電場強度を同じにすることができ、液晶層１３０の屈折率を全ての微小領域において同じにすることができる。

電気活性化状態と同様に、液晶層１３０において水平配向処理膜１４０に近接した液晶分子は水平方向において放射状に配向され、垂直配向処理膜１５０に近接した液晶分子は垂直に配向されている。液晶層１３０のうち第１および第２の基板１１０，１２０との界面から十分に離れた領域では、水平および垂直配向処理膜１４０，１５０によるアンカリングの効果は消えている。

ここで、前述したように液晶材料が負の誘電率異方性を有すると、電気活性化状態では、水平および垂直配向処理膜１４０，１５０から十分離れた領域の液晶分子はほぼ水平に配向される。本実施例で用いる液晶材料はネマチック液晶であるため、コレステリック液晶のように、液晶分子のディレクタが厚さ方向にわたって螺旋状に回転することはなく、厚さ方向にわたってほぼ同じ向きとなる。このため、厚さ方向に伝播する光に対する液晶層１３０の屈折率がその光の偏光方向に応じて異なることになる。すなわち、液晶レンズ１００のパワーが偏光依存性を持ち、眼鏡用レンズとしては適さない特性を持つことになる。

この問題に対して本実施例の液晶レンズ１００では、微小領域１０１内で液晶分子が水平方向において放射状に配向されるようにしている。これにより、微小領域１０１内では液晶分子の長軸方向が実質的にあらゆる方向に向いているとみなすことができ、液晶層１３０がすべての偏光方向の光に対して平均的に一定の屈折率を有することになる。これにより、電気活性化状態での液晶レンズ１００の偏光不感受性を実現することができる。

液晶レンズ１００において、液晶層１３０を形成する液晶材料は、０．０８以上の複屈折率を有することが好ましい。液晶材料を含む一軸性光学材料は、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅを有し、複屈折率は両者の差分ｎｅ−ｎｏと定義される。本実施例では、液晶材料として常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅがそれぞれ、ｎｏ＝１．５２８、ｎｅ＝１．７８６の材料を用いる。この場合、液晶材料の複屈折率は、０．２５８となる。このように、複屈折率が０．１以上の液晶材料を用いることにより、電気不活性化状態から電気活性化状態への変化に伴う屈折率の変化のダイナミックレンジを広くすることができ、電気活性化状態における屈折率を容易に制御することが可能となる。

ところで、上記のような液晶レンズ１００を用いた老眼鏡においては、故障や電力不足によって液晶層１３０に電圧を印加することができない場合に使用者に及ぼす影響を低減する必要がある。一般的な老眼鏡は、遠方に焦点が合うように使用者の視力を矯正しつつ、至近に焦点を移した際の調節力の不足分を補うパワーを老眼用レンズ領域に付加している。このため、液晶材料に電圧が印加されていない電気不活性化状態においては液晶レンズ１００にパワーを生じさせず、液晶材料に電圧が印加されている電気活性化状態において液晶レンズ１００にパワーが生じる構成を採用することが好ましい。このような構成により、故障等で液晶層１３０に電圧を印加することができない状況でも、液晶レンズ１００が遠方に焦点が合う状態に初期化され、使用者に及ぼす影響を低減することができる。

このような構成を実現するため、本実施例の液晶レンズ１００では、図２でも示したように、電気不活性化状態での液晶層１３０の屈折率が第１および第２の基板１１０，１２０の屈折率と同じであることが望ましい。そして、屈折率が「同じ」とみなせる範囲として、電気不活性化状態での液晶層１３０の屈折率と第１および第２の基板１１０，１２０の屈折率との差が０．０２以下であることが望ましく、さらに該差が０．０１以下であることがより望ましい。このような構成により、液晶層１３０の電気不活性化状態において液晶レンズ１００にパワーが生じず、使用者は遠方に焦点を合わせることが可能となる。

また、本実施例の液晶レンズ１００において、電気不活性化状態の液晶層１３０の屈折率分散が第１および第２の基板１１０，１２０の屈折率分散と同じであることが望ましい。そして、屈折率分散が同じとみなせる範囲として、電気不活性化状態の液晶層１３０の屈折率分散と第１および第２の基板１１０，１２０の屈折率分散との差が５．０以下であることが望ましく、さらに該差が１．０以下であることがより望ましい。このような構成により、液晶層１３０の電気不活性化状態において、設計波長の光（例えば、可視光）だけでなく他の波長の光に対してもパワーが生じず、色収差を低減した液晶レンズ１００を実現することができる。

なお、本実施例では、液晶層１３０に対する電圧の印加と非印加により液晶レンズ１００をパワーを有さない状態とパワーを有する状態の２つの状態に変化させる場合について説明した。しかし、液晶層１３０に印加する電圧を制御することで、液晶レンズ１００が有するパワーを変化させてもよい。例えば、基板の屈折率を液晶の活性化状態と不活性化状態の屈折率の中間値と一致させれば、０Ｖで−２Ｄ、５Ｖで０Ｄ、１０Ｖで＋２Ｄに設定することが可能である。

図８は、本実施例の液晶レンズ１００を備えた光学機器としての眼鏡（老眼鏡）１０を示している。眼鏡１０のレンズとして、液晶レンズ１００を用いる。

眼鏡フレーム３０には、左眼用および右眼用の２つの液晶レンズ１００が保持されている。制御部２０は、各液晶レンズ１００の電極（１６０，１７０）を介して液晶層（１３０）に印加する電圧を制御して、該液晶層を電気不活性化状態と電気活性化状態とに切り替える。すなわち、液晶レンズ１００にパワーを付加しない状態とパワーを付加する状態とに切り替える。

液晶レンズ１００またはこれと同様の構成を有する液晶光学素子は、眼鏡だけでなく、双眼鏡やヘッドマウントディスプレー等、種々の光学機器に用いることができる。本実施例によれば、互いにパワーが異なる複数の状態を有する液晶光学素子およびこれを用いた光学機器を、容易に製造することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１００ 液晶レンズ
１１０ 第１の基板
１２０ 第２の基板
１３０ 液晶層
１４０ 水平配向処理膜
１５０ 垂直配向処理膜
１６０，１７０ 電極

Claims (9)

1. 光学パワーが可変である液晶光学素子であって、
   第１の基板および第２の基板と、
   前記第１および第２の基板の間に設けられた液晶層と、
   前記液晶層に電圧を印加して該液晶層を電気不活性化状態から電気活性化状態に変化させるための電極と、
   前記第１の基板と前記液晶層との間に設けられた水平配向処理膜と、
   前記第２の基板と前記液晶層との間に設けられた垂直配向処理膜とを有し、
   前記第２の基板の前記液晶層側の面に回折格子が設けられていることを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記液晶層のうち前記水平配向処理膜に面する領域において、液晶分子の長軸方向が放射状に配向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。
3. 前記第１の基板の前記液晶層側の面は平滑面であることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光学素子。
4. 前記電極が前記回折格子の凹凸形状に合わせてセグメント化されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
5. 前記液晶層を形成する液晶材料が、負の誘電率異方性を有するネマチック液晶であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
6. 前記液晶層を形成する液晶材料が、０．１以上の複屈折率を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
7. 前記電気不活性化状態において、前記液晶層の屈折率が前記第１および第２の基板の屈折率と同じであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
8. 前記電気不活性化状態において、前記液晶層の屈折率分散が前記第１および第２の基板の屈折率分散と同じであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の液晶光学素子と、
   前記液晶層を電気不活性化状態と電気活性化状態とに変化させる制御部とを有することを特徴とする光学機器。