JP2732569B2 - Liquid crystal lens - Google Patents

Liquid crystal lens

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JP2732569B2
JP2732569B2 JP62041079A JP4107987A JP2732569B2 JP 2732569 B2 JP2732569 B2 JP 2732569B2 JP 62041079 A JP62041079 A JP 62041079A JP 4107987 A JP4107987 A JP 4107987A JP 2732569 B2 JP2732569 B2 JP 2732569B2
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JP
Japan
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liquid crystal
lens
crystal lens
layer
transparent
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久乃 島津
孝夫 岡田
明敏 戸田
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、液晶を用いた焦点距離可変の液晶レン
ズ、詳しくは液晶レンズの液晶層を挟む２つの透明電極
の短絡防止および焦点距離調節の応答性および回復時
間、更には光透過率を改善した液晶レンズに関する。 ［従来の技術］ 従来の複屈折率現象を利用して焦点距離の可変なレン
ズとする考えは、既に例えば特開昭52−32348号公報，
特開昭54−99654号公報および特公昭58−50339号公報な
どに見られる。 このような従来の液晶を用いたレンズ（以下、液晶レ
ンズという）の一例を第４図（Ａ）（Ｂ）によって説明
すると、液晶レンズ31は、透明基板で形成された球面凹
レンズ32と同じく透明基板からなる平板ガラス33とを互
いに対向させ、その対向面にそれぞれ透明導電層35およ
び36を設け、これらをスペーサ34を介して接着剤38で貼
り合わせたときに形成される空間に液晶37を封入して構
成されている。 そして、上記スペーサ34は液晶レンズの場合、表示の
有効部分にもスペーサを設ける液晶ディスプレイとは異
なり、レンズの有効部分での集光特性の劣化および光散
乱等を防ぐためにレンズの周囲のみに配置される。上記
透明導電層35と36間には交流電源８からの交流電圧が可
変抵抗器９によって調整自在に印加されるようになって
いる。また、この交流電圧を印加していないときにおい
ても、ある特定方向に液晶分子が揃うように両透明導電
層の液晶に接する側には配向処理が施されており、図面
中では液晶分子はホモジニアス配向となっている。 この液晶レンズ31に電圧を印加すると、液晶レンズ31
中の液晶37の分子は電界方向に分子の長軸方向を揃える
ように回転する（液晶の誘電異方性が正の液晶の場
合）。ここで、第４図（Ｂ）中、矢印ｎで示す液晶分子
のディレクターを有する液晶レンズ31に第５図に示すよ
うに偏光板PLを組み合わせ、液晶レンズ31に対して異常
光のみを入射させることができるように構成すると、液
晶レンズ31内の液晶分子が上記印加電圧の可変により回
転していくにつれ、液晶37の屈折率が異常光線に対する
屈折率neから常光線に対する屈折率noの間で変化してい
く。従って、焦点距離をf,屈折率をn,レンズ両面の曲率
半径をr1,r2とするとレンズの焦点距離は と表わすことができるので、屈折率ｎを変化させること
によって、レンズの焦点距離を変化させることができる
ことになる。 また、特開昭60−50510号公報に記載されたものにお
いては、第４図において符号32で示す球面レンズの代わ
りにフレネルレンズを使用した液晶レンズが開示されて
おり、これによれば同じ口径，等しい屈折力をもった液
晶レンズを使うときには、第４図に示す液晶レンズ31よ
りも薄型・軽量とすることができ、しかも応答・回復時
間の点で改善が図られるとしている。 更に、本出願人の提案した特願昭61−47510号の液晶
レンズでは、フレネルレンズを使用する場合、フレネル
溝を山揃えタイプのものにしたフレネルレンズを用いれ
ば、より一層の応答・回復時間の改善が図れることが解
明されている。即ち、このフレネルレンズを用いた液晶
レンズは第６図に示す如く、レンズ構成部材が山揃えフ
レネル用溝42a0でフレネルレンズ面が形成された山揃え
フレネルレンズ42aと平板ガラス43とで構成され、山揃
えフレネルレンズ42aと平板ガラス43とを絶縁性スペー
サ44を介して接着剤で接合して液晶セルを形成するもの
である。また、フレネルレンズ42aと平板ガラス43との
液晶セルを構成するそれぞれの内面側には、透明導電層
45,45が形成されている。このセル内にはネマティック
形の液晶47が封入されて液晶レンズ41Aが構成されてお
り、透明導電層45,46の一端からは上記第４図と同じよ
うに交流電源８からの交流電圧が可変抵抗器９を介して
印加されるようになっている。そして、セル内の液晶分
子は特定方向に揃うように配向処理が施されていて、ホ
モジニアス配向となっている。 このように構成された平行平面形液晶セルにおける液
晶の応答時間Tresは、印加電圧をV,液晶と弾性定数およ
び粘性定数をそれぞれk,γ1,液晶の平行方向の誘電率と
垂直方向の誘電率の差をΔε（Δε＝ε −ε⊥），真
空の誘電率をε0,液晶層の厚さをｄとすると次のように
表わされる。 ここで、液晶層の厚さｄ以外を一定とすれば、液晶の
応答時間Tresは Tres∝d2 ………（３） であり、液晶層の厚さの２乗に比例することになる。 従って、上記第６図の山揃えフレネルレンズ42aを用
いた液晶フレネルレンズ41Aの液晶層厚dMは、第７図に
示すレンズ構成部材に谷揃えフレネル用溝42b0でフレネ
ル面の形成された谷揃えフレネルレンズ42bを用いた液
晶フレネルレンズ41Bの液晶層厚dVに比べ、非常に薄く
なり、このため調節する所望の焦点距離に素早く調節す
ることができる。 液晶レンズにおけるこれらの応答・回復時間の改善
は、液晶レンズの応答時間（Tres）および回復時間（Tr
ec）が液晶層厚（ｄ）と Tres∝d2 ………（４） Trec∝d2 ………（５） の関係にあることを用いたものである。 上述のようにして、液晶レンズ中の液晶層の厚みを薄
くすることにより応答・回復時間を短縮することができ
るが、より速い応答を求められる分野機器での液晶レン
ズの使用のためには、更に短い応答・回復時間が得られ
る液晶レンズが望まれている。 ［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、スペーサを除くなどして液晶レンズ層
の厚みをさらに薄くすると、透明導電層同士が近づき過
ぎて、短絡を起こしやすくなる。さらに液晶レンズ自体
に外部圧力が掛かった場合には、この問題は特に顕著と
なってしまう。 本発明は、このような問題点を解決するためになされ
たものであり、液晶層の厚みを薄くした液晶レンズであ
っても、透明導電層同士の高い絶縁性を安定的に確保で
きる液晶レンズを提供することを目的とする。 ［問題点を解決するための手段および作用］ 上記問題点を解決するために、本発明に係る第１の液
晶レンズでは、レンズ形状の空間を成すよう対向配置さ
れた２枚の透明基板と、この透明基板の互いに対向する
側の面にそれぞれ設けられた透明導電層と、前記透明導
電層上に設けられた配向層と、レンズ形状の空間内に封
入された液晶とを有する液晶レンズにおいて、前記配向
層が、少なくとも一方の透明導電層上全体に、透明絶縁
層を兼ねるよう2000Å以上の厚さで設けられていること
を特徴としている。 このように、少なくとも一方の透明導電層上全体に透
明絶縁層を兼ねる配向層が2000Å以上の厚さで設けられ
ているため、液晶レンズに外部圧力が掛かったとしても
透明導電層同士の短絡を安定して防止することができ
る。 また、配向層の厚みを2000〜3000Åにすれば、分光透
過率などのレンズ特性を良好に保ちつつ高い絶縁性を確
保することができる。 さらに、本発明に係る第２の液晶レンズでは、レンズ
形状の空間を成すよう対向配置された２枚の透明基板
と、この透明基板の互いに対向する側の面にそれぞれ設
けられた透明導電層と、前記透明導電層上に設けられた
配向層と、前記レンズ形状の空間を満たしている液晶と
を有する液晶レンズにおいて、少なくとも一方の前記配
向層と前記透明導電層との間全体に、前記配向層とは異
なる材料で構成された透明絶縁層を設けたことを特徴と
している。 このように、配向層と絶縁層を異なった材料とする機
能分離型の構成にすれば、それぞれの層の機能にあった
材料を選択することができるので、透明導電層同士の絶
縁を安定して確保したうえで、液晶レンズの特性をさら
に向上させることが可能となる。 ［実施例］ 以下、図示の実施例によって本発明を説明する。 第１〜３図は、本発明の一実施例を示すものであっ
て、本実施例はレンズ構成部材の透明基板2a,2b,2cと透
明基板３の対向面の全域に透明導電層5,6が設けられて
いる液晶レンズ1A,1B,1Cに本発明を適用した場合であ
る。 本発明は、この第１〜３図に示した液晶レンズの実施
例の構成と前記第５図および第7,8図に示した従来の液
晶レンズの構成とを比較すれば、極めて明瞭に理解され
る筈である。即ち、第５図中および第7,8図中に、符号3
4および44で示されたスペーサが第１〜３図に示す本実
施例では取り除かれていて、液晶層厚dM,dV,dSが極端に
薄くなっていることが解る。これにより上記第（４）
（５）式から液晶レンズの応答・回復時間が短くなるこ
とも容易に解る。 上記第１図に示した実施例の液晶レンズ1Aは、透明基
板からなる平板ガラス３と山揃えフレネル用溝を有する
フレネルレンズ2aとの対向内面に、それぞれ透明導電層
5,6を設け、この両導電層5,6を互いに対向させて平板ガ
ラス３とフレネルレンズ2aとを重合し、その両者の周面
に接着剤12を塗布することで両者を一体化し、上記両導
電層5,6間に形成される空間内に液晶７を封入して構成
されている。そして、上記透明導電層５と６とには、交
流電源８から交流電圧が可変抵抗器９により調整自在に
印加されるようになっている。 また、第２図に示す実施例の液晶レンズ1Bは、フレネ
ルレンズ2bを谷揃えフレネル用溝を有するフレネルレン
ズで構成した以外は、上記第１図の実施例の液晶レンズ
1Aと全く同様に構成されているものである。また、第３
図に示した実施例の液晶レンズ1Cは、透明基板2cで形成
されるレンズが球面凹レンズに形成されたものであっ
て、その他の構成は上記第１図および第２図に示した実
施例のものと同様である。 そして、このように構成した各実施例の液晶レンズ1A
〜1Cにおいて、そのレンズ口径を同一にして比較する
と、第３図の実施例の液晶レンズ1Cより第２図の実施例
の液晶レンズ1Bの方が、スペーサ材を取り除いたときの
効果は大きく、また第１図の山揃えフレネルレンズ2aを
用いた構成の液晶レンズ1Aでは更に大きな効果が得られ
る。 本発明のようにスペーサ材を取り除いた構成は、従来
液晶レンズは勿論、液晶ディスプレイでも無かった構成
である。それは液晶ディスプレイは透明平板を貼り合わ
せて構成されるため、その間に液晶を封入する空間を作
るのに、必ずどこかにスペーサ材を配置する必要があ
り、本発明のような構成とはなしえなかったからであ
る。また液晶レンズについてみても、従来その構成は液
晶ディスプレイの構成を基本としていたので、スペーサ
材を全く取り去ってしまうという考えは、見落されてい
て、従来なかった。即ち、液晶レンズはその構成中にレ
ンズ形状をとる透明基板を含むため、例えば第１図の山
揃えフレネルレンズを使い、スペーサ材を介さずに透明
基板を貼り合わせても液晶を封入できる空間は確保さ
れ、光学的な特性としてはスペーサ材を用いた液晶レン
ズとほぼ同等な液晶レンズとすることができる。このよ
うに液晶レンズ特有の形状を利用した本発明の構成は従
来になかった新規な構成である。 そして、上述のようにスペーサ材を取り除き構成した
液晶レンズ1A〜1Cは、そのままでは両透明基板上の透明
導電層5,6が短絡してしまうので、第１図〜第３図の実
施例では透明絶縁層10を少なくとも一方の透明導電層６
上に設け、電気的な絶縁を図っている。この絶縁層10を
形成する材料は、SiO2,Ta2O5,Al2O3などの酸化金属膜を
用いても、いわゆる有機絶縁物質を用いても良い。 また、本実施例では省略されているが、液晶素子を作
成するときには液晶に接する面に必ず配向処理を行なっ
ている。この配向層材料としてはSiO,ポリイミドなども
使用可能であり、これらの材料は抵抗等も高いので、配
向層と共に、上記絶縁層10を兼ねることも可能である。
ただ概して高い絶縁性を安定的に確保するためには、従
来配向のためだけを目的としていたときの膜厚（100Å
〜1000Å）に比べやや厚め（2000Å〜3000Å）にする必
要がある。ところが、このように膜厚を厚くすると、ポ
リイミドの場合、ポリイミドのもっている色が目立つよ
うになってしまい、光学素子である液晶レンズとしては
分光透過率の点においては好ましくない。このように、
配向層と絶縁層を兼用させることは可能であるが材料選
択の幅が狭くなるので、液晶レンズの特性面からすると
配向層と絶縁層を異った材料で構成した、いわば機能分
離型の構成の方が望ましい。 また、従来配向層の材料として使われているポリビニ
ルアルコールなどは抵抗率がやや小さいので、この場合
も別に絶縁層を設ける機能分離型の構成が望ましい。 なお、例えば第２図および第３図のようにレンズの有
効部分に両透明導電層の接触のないものにおいては、接
触のある周辺部分にのみ透明絶縁層を設けるようにして
も良く、この場合は光透過率等のレンズ特性をより良好
にすることができる。 また、上記各実施例では液晶レンズの周面に接着剤1
2,23を塗布するようにしたが、これは、従来、液晶レン
ズの両透明基板の接着はスペーサ材の混った接着剤で行
なっており、本発明ではスペーサ材を使用していないの
で、接着剤を塗布する箇所を液晶レンズの周面としてあ
る。 次に本発明によって製作された液晶レンズと従来の液
晶レンズとを比較した、応答・回復特性および加重によ
るレンズの歪の実験例について述べる。 この実験に使用された本発明による液晶レンズと従来
の液晶レンズとは次のようにして製作したものを用い
た。 即ち、本発明による液晶レンズは前記第１図と第２図
のそれぞれの構成のタイプの液晶レンズ1A,1Bであっ
て、液晶レンズ1Aは、ITO（酸化インジウム，酸化ス
ズ）透明導電層付きのアクリル製山揃えフレネルレンズ
とITO透明導電層付きの平板ガラスを用意し、平板ガラ
スにはITO透明導電層の上に約850Å厚のSiO2透明絶縁層
を蒸着し、次でPVA（ポリビニルアルコール）による配
向層の形成および配向処理を行ない、スペーサを介さず
にフレネルレンズと平板ガラスを貼り合わせた。液晶の
封入は、両者を貼り合わせる前にフレネルレンズ側に液
晶を滴下しその上から平板ガラスを貼り合わせるように
して行なった。 なお、この例では透明絶縁層として約850Å厚のもの
を用いたが、製造上より安定なものを得るには、約2000
Å〜3000Åとするのが好ましい。 また、液晶レンズ1Bは、上記液晶レンズ1Aにおいて山
揃えフレネルレンズを用いる代わりに谷揃えフレネルレ
ンズを用い、その他は同様に作製した。 一方、従来の液晶レンズは前記第７図に示した構成の
ものであって、この液晶レンズ41Aは平板ガラス上に透
明絶縁層を設けずに、φ20μｍのスペーサを介してフレ
ネルレンズと平板ガラスを貼り合わせて作製した。 （スペーサの有無による応答・回復時間の実験） この実験は上記本発明による液晶レンズ1Aと上記従来
の液晶レンズ41Aとを用いたもので、測定に用いた液晶
レンズは、φ26mmのものであって、最も時間のかかる最
周辺部を測定した。この部分におけるフレネルレンズの
溝の深さは、最も深い部分で約100μｍである。また、
従来の液晶レンズに用いたスペーサの厚さは約20μｍで
ある。 まず初めに、16Vの交流電圧を液晶レンズに印加し、
その後電源回路系を開放すると、液晶レンズの焦点距離
は長焦点から短焦点へと変化し、この変化をフォトダイ
オードとそれに接続したオシロスコープで観察し、光量
が初期値より飽和値の90％となる所を回復時間として測
定したところ、従来の液晶レンズでは約10秒であった回
復時間が、本発明による液晶レンズ1Aでは約５秒に短縮
された。 液晶レンズ中央では、スペーサ厚に対するフレネルレ
ンズ溝の深さの割合が明らかに小さくなる（この例のも
のでは約４μｍ）ので、回復速度の改善の度合いは周辺
部に比べて顕著となる。 これによりスペーサ材を取り除いた本発明が応答・回
復特性の改善に有効であることが確認された。また同時
に行なった液晶レンズの光透過率の実験においても従来
のレンズ41Aに対し、本発明によるレンズ1Aでは数％の
光透過率の向上がみられた。これは液晶層厚が薄くなっ
たため、液晶による光の散乱・吸収が少なくなったもの
と理解され、この点においてもスペーサ材を取り除いた
本発明の液晶レンズはメリットを持つ。 （加重によるレンズの歪の実験） 本発明液晶レンズ1A,1Bおよび従来の液晶レンズ41Aを
用い、12Vの交流電圧を印加しながら、フレネルレンズ
側よりφ15mm2の領域に加重を施した。このとき電源回
路系に流れる電流を、その回路内に挿入した抵抗での電
圧降下を電圧計で測定し、液晶レンズの加圧による歪お
よび短絡の状態を観察した。 上記液晶レンズ1Bおよび従来の液晶レンズ41Aは、加
重とともに系に流れる電流は上昇し、液晶レンズ1Bでは
約4kgにて飽和した。また従来の液晶レンズ41Aでは約7k
gまでは徐々に上昇変化したが、8kgの加重により短絡が
起こってしまった。これに対し、上記液晶レンズ1Aでは
殆んど電流の変化がなく安定であった。 また、加重履歴を見るため、上記実験を繰り返し行な
い、加圧中止後、１分以内に加圧無しの状態で電圧降下
を、上記液晶レンズ1Aおよび従来の液晶レンズ41Aに対
し測定したところ、液晶レンズ1Aは繰り返し実験の後も
電圧は殆んど変わらなかったのに対し、従来の液晶レン
ズ41Aでは加圧の回数を重ねると液晶レンズの歪のため
に電圧降下の値が徐々に変化し５回の加圧サイクルの後
には約７％、その値が増加してしまった。 この実験より、レンズ有効部分にフレネルレンズと平
板ガラスの接触する部分がある第１図のような構成の液
晶レンズは機械的な安定性にも優れていることが確認さ
れた。 これは従来液晶レンズは液晶ディスプレイに比べ、集
光特性等に高い光学特性が要求されているので、光の散
乱源となるスペーサはレンズ有効部分に配置することが
できなかった。そのため、レンズ有効部分においては、
透明電極の短絡という電気的問題以外にも、外部圧力に
よるレンズの歪の発生等の光学的特性が設計値からずれ
てしまうという問題があったが、本発明の副次的な効果
として、山揃えフレネルレンズのようなレンズを使用し
液晶レンズを構成することによりそのような問題を解決
することができ、品質、精度の高い液晶レンズを作製す
ることができる。 また、上記実施例で用いた山揃えフレネルレンズは全
ての山の高さが同じものであったが、フレネルレンズの
輪帯の数個おきに、対峙する平板ガラスに接する山があ
るようなフレネルレンズを適用してもこの点については
同様な効果が期待できるのは明らかである。 ［発明の効果］ 以上述べたように本発明に係る液晶レンズによれば、
対向配置された透明導電層同士の絶縁を、透明導電層の
全面にわたって安定的に確保することができる。したが
って、液晶層の厚みを薄くした液晶レンズであっても、
外部圧力による変形に対して、透明導電層同士の短絡を
安定して防止できる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial applications]   The present invention relates to a variable focal length liquid crystal lens using a liquid crystal.
Two transparent electrodes sandwiching the liquid crystal layer of the liquid crystal lens
Of short circuit prevention and responsiveness and recovery of focal length adjustment
The present invention also relates to a liquid crystal lens having improved light transmittance. [Conventional technology]   Variable focal length lens using conventional birefringence phenomenon
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-32348,
JP-A-54-99654 and JP-B-58-50339.
Where can I find it?   Such a lens using a conventional liquid crystal (hereinafter referred to as a liquid crystal lens).
An example will be described with reference to FIGS. 4 (A) and 4 (B).
Then, the liquid crystal lens 31 becomes a spherical concave formed by a transparent substrate.
The lens 32 and the flat glass 33 made of a transparent substrate
The transparent conductive layer 35 and the transparent conductive layer 35
And affix them with an adhesive 38 via a spacer 34.
The liquid crystal 37 is sealed in the space formed when
Has been established.   If the spacer 34 is a liquid crystal lens, the spacer 34
Unlike liquid crystal displays, which have spacers in the effective area
Deterioration of the light collection characteristics and light scattering in the effective part of the lens
It is arranged only around the lens to prevent disturbance and the like. the above
AC voltage from AC power supply 8 is available between transparent conductive layers 35 and 36
The voltage can be adjusted by the variable resistor 9
I have. Also, when this AC voltage is not applied,
Even if both transparent conductive so that the liquid crystal molecules are aligned in a specific direction
The alignment treatment is applied to the side of the layer that contacts the liquid crystal.
Inside, the liquid crystal molecules are in a homogeneous alignment.   When a voltage is applied to the liquid crystal lens 31, the liquid crystal lens 31
The molecules of the liquid crystal 37 inside align the major axis of the molecules with the direction of the electric field
(The liquid crystal where the dielectric anisotropy of the liquid crystal is positive)
). Here, in FIG. 4 (B), liquid crystal molecules indicated by an arrow n
As shown in FIG. 5, a liquid crystal lens 31 having a
Abnormal liquid crystal lens 31 by combining polarizing plate PL
When configured so that only light can enter, the liquid
The liquid crystal molecules in the crystal lens 31 are rotated by changing the applied voltage.
As it turns, the refractive index of the liquid crystal 37 becomes
Refractive index neTo ordinary ray noIs changing between
Good. Therefore, the focal length is f, the refractive index is n, and the curvature on both sides of the lens
Radius r1, rTwoThen the focal length of the lens Change the refractive index n.
Can change the focal length of the lens
Will be.   In addition, it is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-50510.
In place of the spherical lens indicated by reference numeral 32 in FIG.
A liquid crystal lens using a Fresnel lens is disclosed
According to this, liquids with the same diameter and equal refractive power
When using a crystal lens, the liquid crystal lens 31 shown in FIG.
Thinner and lighter, and at the time of response and recovery
It is said that improvements will be made in the meantime.   Furthermore, the liquid crystal of Japanese Patent Application No. 61-47510 proposed by the present applicant is disclosed.
When using Fresnel lens, Fresnel lens
Use a Fresnel lens with grooves aligned in the mountain
Response and recovery time can be further improved.
Has been stated. That is, a liquid crystal using this Fresnel lens
As shown in FIG. 6, the lens components are
Groove for Renel 42a0Mountain alignment with Fresnel lens surface
Consists of Fresnel lens 42a and flat glass 43,
Insulating space between Fresnel lens 42a and flat glass 43
Forming a liquid crystal cell by bonding with an adhesive
It is. Further, the Fresnel lens 42a and the flat glass 43
A transparent conductive layer is formed on the inner surface of each liquid crystal cell.
45,45 are formed. Nematic in this cell
Liquid crystal 47 is enclosed to form a liquid crystal lens 41A.
4 from one end of the transparent conductive layers 45 and 46.
The AC voltage from the AC power supply 8 passes through the variable resistor 9
Is applied. And the liquid crystal content in the cell
The cells are oriented so that they align in a specific direction.
It has a modular orientation.   The liquid in the parallel flat liquid crystal cell thus configured
The response time Tres of the crystal is determined by setting the applied voltage to V,
K and γ1, The dielectric constant in the parallel direction of the liquid crystal
The difference in the dielectric constant in the vertical direction is expressed as Δε (Δε = ε −ε⊥),true
The dielectric constant of the sky is ε0If the thickness of the liquid crystal layer is d, then
Is represented.   Here, if the thickness other than the thickness d of the liquid crystal layer is fixed,
Response time Tres   Tres∝dTwo                            ............ (3) Which is proportional to the square of the thickness of the liquid crystal layer.   Therefore, the mountain-aligned Fresnel lens 42a shown in FIG.
Liquid crystal layer thickness d of the liquid crystal Fresnel lens 41AMIs shown in FIG.
Groove 42b for Fresnel alignment0In Fresnes
Liquid using a valley-aligned Fresnel lens 42b
Crystal layer thickness d of crystal Fresnel lens 41BVVery thin compared to
To quickly adjust to the desired focal length to be adjusted.
Can be   Improvement of these response and recovery time in liquid crystal lens
Is the response time (Tres) and recovery time (Tr
ec) is the thickness of the liquid crystal layer (d)   Tres∝dTwo                            ............ (4)   Trec∝dTwo                            ……… (5) Is used.   As described above, the thickness of the liquid crystal layer in the liquid crystal lens is reduced.
Response and recovery time can be shortened
Liquid crystal lens in field equipment where faster response is required
Use shorter response and recovery times.
Liquid crystal lenses are desired. [Problems to be solved by the invention]   However, liquid crystal lens layer
If the thickness of the transparent conductive layer is reduced further,
Short circuit is likely to occur. In addition, the liquid crystal lens itself
This problem is particularly pronounced when external pressure is applied to
turn into.   The present invention has been made to solve such a problem.
Liquid crystal lens with a thin liquid crystal layer.
High stable insulation between the transparent conductive layers
An object of the present invention is to provide a liquid crystal lens that can be used. [Means and Actions for Solving Problems]   In order to solve the above problems, the first liquid according to the present invention
Crystal lenses, they are arranged facing each other to form a lens-shaped space.
Two transparent substrates and the transparent substrate facing each other
A transparent conductive layer provided on each of the
Sealed in the lens-shaped space with the alignment layer provided on the conductive layer
A liquid crystal lens having
The layer is transparent insulated over at least one of the transparent conductive layers.
At least 2,000 mm thick to serve as a layer
It is characterized by.   As described above, at least one of the transparent conductive layers is entirely transparent.
An orientation layer that also serves as a bright insulating layer is provided with a thickness of 2000 mm or more.
Even if external pressure is applied to the liquid crystal lens,
Short circuit between transparent conductive layers can be prevented stably
You.   In addition, if the thickness of the alignment layer is set to 2000 to 3000 mm, spectral transparency can be improved.
Ensures high insulation while maintaining good lens characteristics such as excess ratio.
Can be maintained.   Further, in the second liquid crystal lens according to the present invention, the lens
Two transparent substrates facing each other to form a space
And the transparent substrate
Transparent conductive layer, and provided on the transparent conductive layer.
An alignment layer, and a liquid crystal filling the lens-shaped space.
A liquid crystal lens having at least one of the above arrangements.
The entirety between the orientation layer and the transparent conductive layer is different from the orientation layer.
Characterized by the provision of a transparent insulating layer made of
doing.   As described above, a machine in which the alignment layer and the insulating layer are made of different materials.
Separation-type configuration has the function of each layer
Since the material can be selected, the transparent conductive layer
After securing a stable edge, further improve the characteristics of the liquid crystal lens.
Can be improved. [Example]   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the illustrated embodiments.   1 to 3 show one embodiment of the present invention.
In this embodiment, the transparent substrate 2a, 2b, 2c of the lens component is transparent.
The transparent conductive layers 5 and 6 are provided on the entire area of the opposing surface of the bright substrate 3.
The present invention is applied to the liquid crystal lenses 1A, 1B, 1C
You.   The present invention is an embodiment of the liquid crystal lens shown in FIGS.
Example structure and the conventional liquid shown in FIGS. 5 and 7 and 8
Compared to the configuration of the crystal lens,
Should be. That is, in FIG. 5 and FIGS.
The spacers indicated by 4 and 44 are the same as those shown in FIGS.
In the example, the liquid crystal layer thickness d has been removed.M, dV, dSIs extremely
You can see that it is getting thinner. Thereby, the above (4)
Equation (5) indicates that the response / recovery time of the liquid crystal lens is shortened.
I understand easily.   The liquid crystal lens 1A of the embodiment shown in FIG.
It has a flat glass plate 3 and a groove for Fresnel alignment
A transparent conductive layer is formed on the inner surface facing the Fresnel lens 2a.
5 and 6 are provided.
The lath 3 and the Fresnel lens 2a are polymerized, and the peripheral surface of both
The two are integrated by applying an adhesive 12 to the
Liquid crystal 7 is sealed in the space formed between the electric layers 5 and 6
Have been. The transparent conductive layers 5 and 6 are
AC voltage from the power supply 8 can be adjusted by the variable resistor 9
Is applied.   The liquid crystal lens 1B of the embodiment shown in FIG.
Fresnel Len with Fresnel groove
The liquid crystal lens of the embodiment shown in FIG.
It is configured exactly the same as 1A. Also, the third
The liquid crystal lens 1C of the embodiment shown in the figure is formed by a transparent substrate 2c.
Lens to be formed into a spherical concave lens
Other configurations are the same as those shown in FIGS.
It is the same as that of the embodiment.   Then, the liquid crystal lens 1A of each embodiment thus configured
At ~ 1C, compare with the same lens aperture
And the liquid crystal lens 1C of the embodiment of FIG. 3 and the embodiment of FIG.
Of the liquid crystal lens 1B when the spacer material is removed
The effect is great, and the mountain-aligned Fresnel lens 2a shown in Fig. 1 is used.
Even greater effects can be obtained with the liquid crystal lens 1A with the configuration used.
You.   The configuration without the spacer material as in the present invention
A configuration without a liquid crystal display as well as a liquid crystal lens
It is. It is a liquid crystal display bonded with a transparent flat plate
To create a space to enclose the liquid crystal between them.
However, it is necessary to place a spacer material somewhere.
Therefore, the configuration of the present invention could not be achieved.
You. In addition, as for the liquid crystal lens, its structure has been
Since it was based on the crystal display configuration, the spacer
The idea of removing wood at all is overlooked
There was no conventional. That is, the liquid crystal lens is
In order to include a transparent substrate in the shape of a
Using aligned Fresnel lenses, transparent without intervening spacer material
Even if the substrates are bonded together, there is enough space to enclose the liquid crystal.
The optical characteristics of a liquid crystal lens using a spacer material
A liquid crystal lens almost equivalent to the lens size can be obtained. This
As described above, the configuration of the present invention utilizing the shape unique to the liquid crystal lens is
This is a new configuration that has never been seen before.   Then, the spacer material was removed as described above.
Liquid crystal lenses 1A-1C are transparent on both transparent substrates
Since the conductive layers 5 and 6 are short-circuited,
In the embodiment, the transparent insulating layer 10 is formed of at least one transparent conductive layer 6.
Provided above for electrical insulation. This insulating layer 10
The material to be formed is SiOTwo, Ta2OFive, AlTwoOThreeMetal oxide film
Or a so-called organic insulating material.   Although omitted in this embodiment, a liquid crystal element is formed.
When forming, be sure to perform orientation treatment on the surface that is in contact with the liquid crystal.
ing. As this alignment layer material, SiO, polyimide, etc.
Since these materials can be used and have high resistance, etc.
The insulating layer 10 can also serve as the facing layer.
However, in general, to ensure high insulation stably,
Film thickness (100 mm)
Must be slightly thicker (2000Å3000Å) than 1000Å)
It is necessary. However, when the film thickness is increased in this way,
In the case of polyimide, the color of the polyimide is noticeable
As a liquid crystal lens which is an optical element,
It is not preferable in terms of spectral transmittance. in this way,
Although it is possible to use both the alignment layer and the insulating layer,
Since the range of choices becomes narrower, considering the characteristics of the liquid crystal lens,
The alignment layer and the insulating layer are made of different materials, so to speak
A release configuration is more desirable.   In addition, the conventional polyvinyl alcohol
Alcohol, etc., has a slightly lower resistivity.
In addition, a function-separated structure in which an insulating layer is separately provided is desirable.   In addition, for example, as shown in FIGS.
If there is no contact between the transparent conductive layers
Be sure to provide a transparent insulating layer only on the touch
In this case, better lens characteristics such as light transmittance
Can be   In each of the above embodiments, the adhesive 1 was applied to the peripheral surface of the liquid crystal lens.
2,23 was applied.
The two transparent substrates are bonded with an adhesive mixed with a spacer material.
In the present invention, no spacer material is used.
The area to which the adhesive is applied is used as the peripheral surface of the liquid crystal lens.
You.   Next, the liquid crystal lens manufactured according to the present invention and the conventional liquid
Response / recovery characteristics and weight
An experimental example of lens distortion will be described.   The liquid crystal lens according to the present invention used in this experiment and the conventional
The following liquid crystal lens is manufactured using
Was.   That is, the liquid crystal lens according to the present invention is the same as that shown in FIGS.
Each type of liquid crystal lens 1A, 1B
The liquid crystal lens 1A is made of ITO (indium oxide, oxide
B) Acrylic mountain-aligned Fresnel lens with transparent conductive layer
Prepare a flat glass with ITO and a transparent conductive layer.
About 850 mm thick SiO2 on the ITO transparent conductive layerTwoTransparent insulating layer
And then distributed by PVA (polyvinyl alcohol).
Performs orientation layer formation and orientation processing without spacers
A Fresnel lens and a flat glass were bonded together. Liquid crystal
Enclose the liquid on the Fresnel lens side before bonding them.
Crystals are dropped and a flat glass is stuck on it
I did it.   In this example, the transparent insulating layer is about 850 mm thick.
Was used, but in order to obtain a more stable product, about 2000
Preferably, it is between Å and 3000 °.   The liquid crystal lens 1B is the same as the liquid crystal lens 1A.
Valley aligned Fresnel lens instead of aligned Fresnel lens
The other components were prepared in the same manner.   On the other hand, the conventional liquid crystal lens has the structure shown in FIG.
The liquid crystal lens 41A is transparent on flat glass.
Brightness is provided through a φ20μm spacer without providing an insulating layer.
It was produced by bonding a flannel lens and a flat glass. (Experiment of response and recovery time with and without spacer)   In this experiment, the liquid crystal lens 1A according to the present invention is compared with the conventional liquid crystal lens 1A.
The liquid crystal lens used for the measurement
The lens is 26mm in diameter and takes the longest time
The periphery was measured. The Fresnel lens in this part
The depth of the groove is about 100 μm at the deepest part. Also,
The thickness of the spacer used for the conventional liquid crystal lens is about 20 μm
is there.   First, an AC voltage of 16V is applied to the liquid crystal lens,
After that, when the power supply circuit is opened, the focal length of the liquid crystal lens
Changes from long focus to short focus, and this change is
Observe with an ode and an oscilloscope connected to it,
Is 90% of the saturation value from the initial value.
The time was about 10 seconds with a conventional liquid crystal lens.
Recovery time is reduced to about 5 seconds with the liquid crystal lens 1A according to the present invention.
Was done.   At the center of the liquid crystal lens, the Fresnel lens
The ratio of the depth of the groove is clearly smaller (in this example, too).
About 4μm), so the degree of improvement in recovery speed is
It becomes remarkable compared with the part.   As a result, the present invention from which the spacer material has been removed can respond and recover.
It was confirmed that it was effective in improving the reverse characteristics. Also at the same time
In the experiment on the light transmittance of the liquid crystal lens performed in
Lens 41A of the present invention, lens 1A of the present invention
The light transmittance was improved. This is because the liquid crystal layer thickness becomes thin
As a result, the scattering and absorption of light by the liquid crystal is reduced.
It was understood that the spacer material was also removed in this regard.
The liquid crystal lens of the present invention has advantages. (Experiment of lens distortion due to weighting)   The liquid crystal lenses 1A and 1B of the present invention and the conventional liquid crystal lens 41A
Using a Fresnel lens while applying an AC voltage of 12V
Φ15mm from sideTwoArea was weighted. At this time,
The current flowing in the circuit
Measure the pressure drop with a voltmeter, and use the
And the state of short circuit was observed.   The liquid crystal lens 1B and the conventional liquid crystal lens 41A are
The current flowing through the system increases with weight, and the liquid crystal lens 1B
Saturated at about 4 kg. The conventional liquid crystal lens 41A is about 7k
g gradually increased, but a short circuit occurred due to the 8kg load.
It has happened. In contrast, the above liquid crystal lens 1A
It was stable with almost no change in current.   Repeat the above experiment to see the weight history.
Voltage drop within 1 minute after pressurization is stopped
To the liquid crystal lens 1A and the conventional liquid crystal lens 41A.
After the measurement, the liquid crystal lens 1A remained
The voltage was almost unchanged, while the conventional liquid crystal
In the 41A, if the number of pressurizations is repeated, the liquid crystal lens will be distorted
The voltage drop gradually changes after 5 pressurization cycles
About 7%, the value has increased.   From this experiment, it was found that a Fresnel lens
A liquid with a configuration as shown in Fig. 1 where there is a portion where the plate glass contacts
Crystal lens is also confirmed to have excellent mechanical stability
Was.   This is because conventional liquid crystal lenses are more collective than liquid crystal displays.
Since high optical characteristics are required for optical characteristics,
Spacers that cause turbulence can be placed in the effective part of the lens.
could not. Therefore, in the lens effective part,
In addition to the electrical problem of short circuit of the transparent electrode,
Optical characteristics such as lens distortion due to
There was a problem that
As a mountain-aligned Fresnel lens
Solving such problems by configuring a liquid crystal lens
To produce high-quality, high-precision liquid crystal lenses.
Can be   In addition, the mountain-aligned Fresnel lens used in
The height of the mountain was the same, but the Fresnel lens
Every few rings, there is a mountain in contact with the flat glass
Even if you apply a Fresnel lens like this,
Clearly, similar effects can be expected. [The invention's effect]   As described above, according to the liquid crystal lens of the present invention,
The insulation between the transparent conductive layers placed opposite to each other is
It can be secured stably over the entire surface. But
Therefore, even with a liquid crystal lens with a thin liquid crystal layer,
Short circuit between transparent conductive layers against deformation due to external pressure
Can be prevented stably.

【図面の簡単な説明】 第１〜３図は、本発明の一実施例を示す液晶レンズの拡
大断面図であって、第１図は山揃えフレネルレンズを用
いた液晶レンズ、第２図は谷揃えフレネルレンズを用い
た液晶レンズ、第３図は球面凹レンズを用いた液晶レン
ズの各断面図、 第４図（Ａ）（Ｂ）は、従来の液晶レンズの一例を示す
ものであって、（Ａ）は拡大断面図、（Ｂ）は要部横断
面図、 第５図は、液晶レンズに偏光板を組合わせた斜視図、 第６図は、山揃えフレネルレンズを用いた、従来の液晶
レンズの拡大断面図、 第７図は、谷揃えフレネルレンズを用いた、従来の液晶
レンズの拡大断面図である。 1A,1B,1C……（液晶レンズ） 21,31,41A,41B……（液晶レンズ） 2a,2b,2c,3,22……（透明基板） 23,32,33,42a,42b,43……（透明基板） 5,6,25,26……（透明導電層） 35,36,45,46……（透明導電層） 7,27,37,47……液晶 10……透明絶縁層BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIGS. 1 to 3 are enlarged sectional views of a liquid crystal lens showing one embodiment of the present invention, FIG. 1 is a liquid crystal lens using a mountain-aligned Fresnel lens, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a liquid crystal lens using a valley-aligned Fresnel lens, FIG. 3 is a cross-sectional view of a liquid crystal lens using a spherical concave lens, and FIGS. 4 (A) and (B) show examples of a conventional liquid crystal lens. (A) is an enlarged sectional view, (B) is a cross-sectional view of a main part, FIG. 5 is a perspective view in which a polarizing plate is combined with a liquid crystal lens, and FIG. 6 is a conventional view using a mountain-aligned Fresnel lens. FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a conventional liquid crystal lens using a valley-aligned Fresnel lens. 1A, 1B, 1C (liquid crystal lens) 21, 31, 41A, 41B (liquid crystal lens) 2a, 2b, 2c, 3, 22 ... (transparent substrate) 23, 32, 33, 42a, 42b, 43 … (Transparent substrate) 5,6,25,26… (Transparent conductive layer) 35,36,45,46… (Transparent conductive layer) 7,27,37,47… Liquid crystal 10… Transparent insulating layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−99654（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−76323（ＪＰ，Ａ)   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page                   (56) References JP-A-54-99654 (JP, A)                 JP-A-55-76323 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 １．レンズ形状の空間を成すよう対向配置された２枚の
透明基板と、 この透明基板の互いに対向する側の面にそれぞれ設けら
れた透明導電層と、 前記透明導電層上に設けられた配向層と、 レンズ形状の空間内に封入された液晶とを有する液晶レ
ンズにおいて、 前記配向層が、少なくとも一方の透明導電層上全体に、
透明絶縁層を兼ねるよう2000Å以上の厚さで設けられて
いることを特徴とする液晶レンズ。 ２．透明絶縁層を兼ねる前記配向層の厚みが、2000〜30
00Åであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の液晶レンズ。 ３．レンズ形状の空間を成すよう対向配置された２枚の
透明基板と、 この透明基板の互いに対向する側の面にそれぞれ設けら
れた透明導電層と、 前記透明導電層上に設けられた配向層と、 前記レンズ形状の空間を満たしている液晶とを有する液
晶レンズにおいて、 少なくとも一方の前記配向層と前記透明導電層との間全
体に、前記配向層とは異なる材料で構成された透明絶縁
層を設けたことを特徴とする液晶レンズ。(57) [Claims] Two transparent substrates disposed so as to face each other so as to form a lens-shaped space; transparent conductive layers provided on surfaces of the transparent substrates facing each other; and an alignment layer provided on the transparent conductive layer. A liquid crystal lens having liquid crystal sealed in a lens-shaped space, wherein the alignment layer is formed on at least one of the transparent conductive layers as a whole.
A liquid crystal lens characterized by being provided with a thickness of 2000 mm or more so as to also serve as a transparent insulating layer. 2. The thickness of the alignment layer also serving as a transparent insulating layer, 2000 to 30
2. The liquid crystal lens according to claim 1, wherein the angle is 00 °. 3. Two transparent substrates disposed so as to face each other so as to form a lens-shaped space; transparent conductive layers provided on surfaces of the transparent substrates facing each other; and an alignment layer provided on the transparent conductive layer. In a liquid crystal lens having a liquid crystal filling the lens-shaped space, a transparent insulating layer made of a material different from the alignment layer is provided entirely between at least one of the alignment layer and the transparent conductive layer. A liquid crystal lens characterized by being provided.
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