JP3016744B2 - 液晶マイクロレンズ - Google Patents
液晶マイクロレンズInfo
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Description
る光制御素子及び光インターコネクション素子として用
いられる液晶マイクロレンズに関する。
布屈折型の平板マイクロレンズ、セルフォックレンズや
回折型のマイクロフレネルレンズ、さらには微小球面を
利用したマイクロレンズなど、様々なマイクロレンズが
開発されている。これらのマイクロレンズは、ガラスな
どの固体材料を用いて作製されるため、レンズ単体の光
学特性は固定で、可変することはできない。
るものとしては、光学材料として液晶材料を用いた液晶
マイクロレンズが知られている。この液晶マイクロレン
ズは、レンズ部分となる領域にホールを有するホール・
パターン電極が形成された2枚のガラス基板により液晶
層が挟まれ、各ガラス基板が互いの電極のホール部分が
対向するように配置された構成となっている。この液晶
マイクロレンズでは、液晶セル内部のホール部分におい
て発生する、ホールの中心を通る軸(光軸)にほぼ対称
な不均一電界に沿って液晶分子が配向される。このホー
ル部分における液晶分子の配向により屈折率分布が生
じ、レンズ効果が得られる。このときの屈折率分布状態
はほぼ二乗分布であり、良好なレンズ特性が得られてい
る。
は、ネマティック液晶を用いたものがある。このネマテ
ィック液晶を用いたものでは、液晶セルへの印加電圧の
変化によってホール部分における屈折率分布を制御で
き、光軸方向に焦点が移動する焦点可変特性を得られ
る。
ブル液晶)を用いた液晶マイクロレンズもある。紫外線
硬化型液晶は、紫外線硬化前において上述のネマティッ
ク液晶と同様の液晶特性を示し、紫外線硬化後において
はポリマーフィルムと同様な状態となる。この紫外線硬
化型液晶を用いたものでは、その紫外線硬化特性が利用
される。すなわち、このマイクロレンズでは、電圧が印
加されるとホールの中心を通る軸にほぼ対称な不均一電
界に沿って液晶分子が配向されて屈折率分布を生じ、分
子配向が安定した後、紫外線が照射されると、液晶が重
合硬化してポリマーフイルムと同様な状態となり、紫外
線照射前の配向状態が維持される。重合硬化により配向
状態が維持された後は液晶特性を示さず、電圧無印加状
態としてもレンズ効果が維持される。
た液晶マイクロレンズのそれぞれには、以下のような問
題がある。
ンズにおいては、液晶セルへの印加電圧の変化によって
ホール部分における屈折率分布を制御することにより光
軸方向に焦点を移動でき、レンズ特性を可変することが
できるものの、レンズ効果を得られるのは電圧印加状態
のときのみで、電圧無印加状態では、ホール部分に屈折
率分布が発生せず、レンズ効果は得られない。したがっ
て、レンズとして用いるためには、常に安定した電圧を
印加する必要がある。
ら電圧を印加してレンズ効果を得られる配向状態が形成
されるまでの応答速度は、液晶セル厚などに大きく依存
するため、液晶マイクロレンズの液晶セル厚及び電極の
ホール直径などの設定によってはレンズ効果を得られる
まで時間がかかり、すぐには使用できない。
ンズにおいては、重合硬化により分子配向状態が維持さ
れ、電圧無印加状態としてもてレンズ効果が得られるも
のの、一度重合硬化した後は、液晶分子を電界によって
再配向することはできないため、レンズ特性を可変する
ことができない。
電圧無印加状態でも所望のレンズ特性を維持できるとと
もに、液晶セルへの印加電圧を制御することによってそ
の維持されたレンズ特性を可変することができる液晶マ
イクロレンズを提供することにある。
め、本発明の液晶マイクロレンズは、レンズ部分となる
領域にホールを有するホール・パターン電極が形成され
た2枚のガラス基板により液晶層が挟まれ、各ガラス基
板が互いの電極のホール部分が対向するように配置され
た液晶マイクロレンズにおいて、前記液晶層は、ネマテ
ィック液晶材料と重合硬化可能なモノマーとの複合材料
より形成され、前記モノマーを重合硬化することにより
前記ネマティック液晶が所望の配向状態で維持される第
1の状態から、該重合硬化後であり、前記ネマティック
液晶が再配向されて維持される第2の状態へ遷移可能に
構成されていることを特徴とする。
ィック液晶材料は、前記ホール・パターン電極間に所定
の電圧が印加されて液晶分子の配向状態がホールの中心
を通る軸にほぼ対称な不均一電界に沿って揃えられた状
態で前記モノマーが重合硬化されることにより、該モノ
マーの重合硬化後であり、電圧が印加されないときにも
前記液晶分子の配向状態が揃えられた状態を維持する構
成としてもよい。
たは熱硬化型樹脂であってもよい。
のモノマーの濃度は5%以下であることが望ましい。
液晶を用いてもよい。
加してネマティック液晶分子の配向状態を電界に沿って
揃えた後、モノマーを重合硬化するによってそのネマテ
ィック液晶分子の配向状態が維持される。重合硬化後
は、電圧を取り除いても維持されたネマティック液晶分
子の配向状態はそのまま維持される。したがって、従来
のネマティック液晶を用いた液晶マイクロレンズのよう
に、電圧無印加状態で液晶分子が初期の配向状態に戻
り、レンズ特性が失われるといったことは生じない。ま
た、本発明では電圧無印加状態でもレンズ効果が維持さ
れることから、従来のネマティック液晶を用いた液晶マ
イクロレンズのように、レンズ効果を得られるまで時間
がかかるといった問題は生じない。
晶マイクロレンズでは、紫外線硬化型液晶が紫外線によ
り重合硬化されてしまい、液晶特性を持たなくなるため
に、重合硬化した後は、レンズ特性を可変することがで
きなかった。これに対し、本発明の液晶マイクロレンズ
では、液晶層を形成する複合材料中のモノマーのみが重
合硬化され、このモノマーの重合硬化によってネマティ
ック液晶の配向状態が維持されるようになっているの
で、重合硬化後においてもネマティック液晶分子を再配
向することができる。
図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態
の液晶マイクロレンズの構成を説明するための図で、
(a)はホールパターン電極の構造図、(b)は液晶マ
イクロレンズの断面図、(c)は電圧印加時の電界を摸
式的に示した図である。
ック液晶に少量のモノマーを添加した液晶複合材料から
なる液晶層4がガラス基板1a,1bにより挟まれた構
成となっている。各ガラス基板1a,1bは、レンズ部
分となる領域にホールを有するホール・パターン電極
(図1(a)参照)が形成されており、さらにそのホー
ル・パターン電極上にアラインメント層3a,3bが形
成されている。これらガラス基板1a,1bは、互いの
電極のホール部分が対向するような配置とされている
(図1(b)参照)。ここで、ホール・パターン電極
は、アルミなどの導電性薄膜を基板上に蒸着することに
より形成される。液晶配向膜としては、ポリイミド等の
有機薄膜を用いることができ、ネマティック液晶に添加
するモノマーとしては、重合硬化前においてネマティッ
ク液晶に溶解し、熱や光によって重合硬化する材料、例
えば紫外線硬化型や熱硬化型の樹脂など種々のポリマー
材料を用いることができる。液晶層4を形成する液晶複
合材料のモノマーの濃度は、材料によって異なるが、5
%(モノマー:ネマティック液晶=5:95)以下とす
ることが望ましい。
いて説明する。
電極構造を持つ液晶セルでは、ホール・パターン電極間
に所定の電圧が印加されると、図1(c)に示すよう
に、液晶セル内部のホール部分においてそのホールの中
心を通る軸(光軸)にほぼ対称な不均一電界が発生し、
液晶分子の配向状態がその不均一電界に沿って揃えられ
た状態となる。本形態では、このような液晶分子の配向
によって、液晶セル内のホール部分において屈折率分布
が生じ、レンズ効果が得られる。
モノマーが重合硬化する前は、前述した従来のネマティ
ック液晶を用いたマイクロレンズと同様のレンズ特性が
得られる。すなわち、電圧無印加状態では、図2(a)
に示すように、ネマティック液晶は初期配向状態となっ
ており、屈折率は一定で、レンズ効果は得られない。電
圧印加状態では、図2(b)に示すように、ネマティッ
ク液晶は液晶セル内部のホール部分において発生する、
ホールの中心を通る軸(光軸)にほぼ対称な不均一電界
に沿って液晶分子が配向され、この液晶分子の配向によ
り屈折率分布が生じ、レンズ効果が得られる。このとき
の屈折率分布状態はほぼ二乗分布であり、良好なレンズ
特性が得られる。
屈折率分布状態で安定した後、液晶液晶複合材料中のモ
ノマーを重合硬化すると、このモノマーの重合硬化によ
って重合硬化時の液晶分子の配向状態が維持される。モ
ノマーの重合硬化により液晶分子の配向状態が維持され
た後は、電圧無印加状態としてもその液晶分子の配向状
態はそのまま維持され、レンズ効果も維持される。
分子の配向状態は、液晶セルに電圧を印加することによ
り再配向される。すなわち、本形態では、モノマーのみ
が重合硬化され、ネマティック液晶は重合硬化されるこ
とはないので、重合硬化後においても、ネマティック液
晶分子は液晶セルへの印加電圧に応じて再配向される。
このように重合硬化後における液晶分子の再配向が可能
なことから、印加電圧に応じてホール部分における屈折
率分布を制御でき、光軸方向に焦点が移動する焦点可変
特性が得られる。
あるZLI−2471(メルク社製)にモノマーとして
紫外線硬化型液晶材料を混合した液晶複合材料により液
晶層4を形成したものについて説明する。
外線照射前)において通常のネマティック相と同様の性
質を持ち、電界によって液晶分子が配向される。したが
って、この紫外線硬化型液晶材料とネマティック液晶と
を混合した液晶複合材料では、重合硬化前においては、
両者の液晶分子は通常のネマティック相と同様に電界に
よって配向される。
晶複合材料中の紫外線硬化型液晶のみが重合硬化され、
この重合硬化した紫外線硬化型液晶(ポリマーネットワ
ーク)によってネマティック液晶分子の配向状態が保持
される。図3に、液晶セルに電圧を印加しながら紫外線
硬化型液晶材料を重合硬化した後、電圧を取り去った状
態での液晶マイクロレンズの干渉像を示す。図3から分
かるように、本実施例の液晶マイクロレンズでは、重合
硬化後、電圧を取り除いても円形の干渉縞が得られてお
り、良好なレンズ効果を得られている。また、このとき
の焦点面における光強度分布は図4に示すようになって
おり、7.36μmの集光スポット径が得られている。
合硬化しないため、重合硬化後においてもネマティック
液晶分子の配向状態を電界によって変化させることがで
きる。図5に、上述の図3に示した状態の液晶マイクロ
レンズに、35Vの電圧を印加したときの干渉像を示
す。図5から分かるように、図3に示した干渉縞とは若
干異なる干渉縞が得られており、屈折率分布が変化した
ことが分かる。
ィック液晶の配向状態を電界によって変化できることか
ら、液晶セルへの印加電圧の変化によってホール部分に
おける屈折率分布を制御でき、レンズの焦点距離を可変
できる。一例として、図6(a)〜(h)に印加電圧を
0〜35Vにわたって5V単位で変化させたときの液晶
マイクロレンズの干渉像を示す。図6からも分かるよう
に、印加電圧の変化に応じて干渉縞が変化しており、焦
点可変特性が得られていることが分かる。なお、図6
(b)〜(h)の状態から印加電圧を取り去った場合
は、ネマティック液晶は重合硬化時に維持された配向状
態(図6(a))に戻る。
よれば、電圧無印加状態でも所望のレンズ特性を維持で
きるとともに、液晶セルへの印加電圧を制御することに
よってその維持されたレンズ特性を可変することができ
る、焦点可変特性を有する液晶マイクロレンズを提供す
ることができる。
成を説明するための図で、(a)はホールパターン電極
の構造図、(b)は液晶マイクロレンズの断面図、
(c)は電圧印加時の電界を摸式的に示した図である。
向状態およびその屈折率分布を示す図で、(b)は電圧
印加状態における液晶分子の配向状態およびその屈折率
分布を示す図である。
干渉像を示す図である。
おける光強度分布を示す図である。
5Vの電圧を印加したときの干渉像を示す図である。
って5V単位で変化させたときの液晶マイクロレンズの
干渉像を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 レンズ部分となる領域にホールを有する
ホール・パターン電極が形成された2枚のガラス基板に
より液晶層が挟まれ、各ガラス基板が互いの電極のホー
ル部分が対向するように配置された液晶マイクロレンズ
において、 前記液晶層は、ネマティック液晶材料と重合硬化可能な
モノマーとの複合材料より形成され、前記モノマーを重
合硬化することにより前記ネマティック液晶が所望の配
向状態で維持される第1の状態から、該重合硬化後であ
り、前記ネマティック液晶が再配向されて維持される第
2の状態へ遷移可能に構成されていることを特徴とする
液晶マイクロレンズ。 - 【請求項2】 請求項1に記載の液晶マイクロレンズに
おいて、 前記液晶層を形成するネマティック液晶材料は、前記ホ
ール・パターン電極間に所定の電圧が印加されて液晶分
子の配向状態がホールの中心を通る軸にほぼ対称な不均
一電界に沿って揃えられた状態で前記モノマーが重合硬
化されることにより、該モノマーの重合硬化後であり、
電圧が印加されていないときにも前記液晶分子の配向状
態が揃えられた状態を維持することを特徴とする液晶マ
イクロレンズ。 - 【請求項3】 請求項1に記載の液晶マイクロレンズに
おいて、 前記モノマーが紫外線硬化型樹脂または熱硬化型樹脂で
あることを特徴とする液晶マイクロレンズ。 - 【請求項4】 請求項1に記載の液晶マイクロレンズに
おいて、 前記液晶層を形成する複合材料中のモノマーの濃度が5
%以下であることを特徴とする液晶マイクロレンズ。 - 【請求項5】 請求項1に記載の液晶マイクロレンズに
おいて、 前記モノマーとして紫外線硬化型液晶が用いたことを特
徴とする液晶マイクロレンズ。
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JP9045817A JP3016744B2 (ja) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | 液晶マイクロレンズ |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP9045817A JP3016744B2 (ja) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | 液晶マイクロレンズ |
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JPH10239676A JPH10239676A (ja) | 1998-09-11 |
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ID=12729811
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP9045817A Expired - Fee Related JP3016744B2 (ja) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | 液晶マイクロレンズ |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US10191351B2 (en) | 2016-10-27 | 2019-01-29 | Samsung Display Co., Ltd. | Lens panel and display device including the same |
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JP2010204415A (ja) * | 2009-03-04 | 2010-09-16 | Seiko Epson Corp | 液晶装置及び電子機器 |
JP2016145956A (ja) * | 2015-01-29 | 2016-08-12 | 株式会社東芝 | 光学装置並びにそれを備えた頭部装着型画像表示装置及び撮像装置 |
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-
1997
- 1997-02-28 JP JP9045817A patent/JP3016744B2/ja not_active Expired - Fee Related
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