JP4277775B2 - 電界制御アナモルフィック液晶レンズ - Google Patents

Description

本発明は、楕円形状の屈折率の空間分布特性を有する液晶レンズにおいて、楕円の長軸方向及び長軸と短軸の比を電圧により可変することができ、かつ焦点距離特性を容易に調整することができる電界制御アナモルフィック液晶レンズに関する。

近年薄型軽量の平板型表示パネルに利用されている液晶素子は、液晶素子を構成する２枚の基板表面の処理や、外部印加電圧により、液晶分子の配向状態を容易に制御することができ、また電圧印加により実効的な屈折率を異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという、優れた特性を有している。

このように、低電圧印加により分子配向状態を大幅に可変制御できる液晶は、ディスプレイを始め各種の光学素子に応用され始めている。これまで液晶素子における屈折率の空間分布特性を利用した光学素子として、液晶分子が基板に平行で一方向に配向するような強い配向規制力を有する配向処理を行い、直径が数１００μｍの円形の穴型パターンを有する電極を用いて作製した液晶素子おいて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果に基づく屈折率の空間分布特性を利用して、空間的な屈折率分布特性を有する液晶マイクロレンズを得る方法が報告されている（特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２）。

また、円形穴型パターン電極と液晶層の間に絶縁性媒質を挿入することで、レンズの有効径を大きくした液晶レンズが考案され（特許文献２）、印加電圧により焦点距離やレンズ特性を大幅に可変制御できるという優れた特徴を有していることから、種々の微小光学デバイスへの応用が期待されている。

対向する一対の直径が数１００μｍ以下の円形穴型パターンをスリットにより分割し、各電極部分にそれぞれ異なる電圧を印加することで、光軸に垂直な平面内で焦点の位置を変える液晶マイクロレンズが考案されている（特許文献３）。

また、同様に直径が数１００μｍ以下の円形穴型パターンをスリットにより分割した構造をとり、基板界面における液晶分子の配向規制力が非常に弱い配向膜を使用することで、入射光の偏光方向を回転制御できる液晶偏光制御装置が報告されている（特許文献４）。

さらに、寸法が数１００μｍの円形の穴型パターンを楕円形の形状とすることで、屈折率分布が楕円形状となり、楕円の長軸方向と短軸方向で屈折率分布や焦点距離特性が異なる、大きな非点収差を有する電界制御アナモルフィック液晶レンズを構成できることが報告されている（非特許文献３）。

特開平１１−１０９３０３ 特開２００４−４６１６ 特開平１１−１０９３０４ 特開２００１−２７２６８７ 能勢敏明，佐藤進（T. Nose and S. Sato），「不均一電界を用いた液晶マイクロレンズ（Liquid-crystal microlens obtained with a nonuniformelectric field）」，Liquid Crystals，１９８９年，Vol.5，P. 1425-1433 佐藤進、「液晶の世界」、産業図書株式会社、１９９４年４月１５日、P. 186-189 本間道則、能勢敏明、佐藤進（M. Honma, T. Nose and S. Sato）, 「アナモルフィック液晶マイクロレンズの光学的特性及びそのレーザダイオードコリメーションへの応用（Optical properties of anamorphic liquid crystal microlensand their application for laser diode collimation, Japanese Journal of Applied Physics, １９９９年，Vol. 38, No. 1A, P.89-94

しかしながら、液晶マイクロレンズ構造において、電極を分割した構造では液晶分子の配向方向が異なる領域の境界部に生じるディスクリネーションラインが発生して光学特性が劣化するという問題があり、また直径が数１００μｍ程度と制限され、比較的大きな寸法のレンズ構造とすることは困難であった。

さらに、楕円形状の穴型パターン電極を利用する電界制御アナモルフィック液晶レンズでは、楕円の長軸及び短軸方向とその形状すなわち長軸と短軸の比が定まっており、印加電圧可変等により、これらのパラメータを変化させることは困難であるという問題があった。

本発明の目的は、上述の各問題を解決し、機械的な可動部分を持たずに簡単な構成で、寸法が数ｍｍ以上の開口部を有すると共に、ディスクリネーションラインの発生を抑制し、きわめて迅速に楕円形状の屈折率分布を有し、楕円の長軸方向の回転及び長軸と短軸の比等の楕円形状、及び各焦点距離等を連続的に制御することができる電界制御アナモルフィック液晶レンズを提供することにある。

本発明は前記課題を解決するために、第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、前記第２の基板の外部に配置した円形状の穴型パターンが設けられている第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と第２の電極との間に電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する液晶レンズにおいて、前記第２の電極が前記穴型パターン部と連続的に設けられたスリットにより複数部分に分割された穴型分割パターン電極であり、前記複数部分に分割された電極の穴型パターンの直径方向に対向する対の電極を同電位とする電圧を加えて電位分布を形成することで、楕円形状の屈折率分布に基づく光学的特性の可変制御を得られるようにしたことを特徴とする電界制御アナモルフィック液晶レンズを提供する。

また、第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、前記第２の基板の外部に配置した円形状の穴型パターンが設けられている第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と第２の電極との間に電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する液晶レンズにおいて、前記第２の電極が前記穴型パターン部と連続的に設けられたスリットにより複数部分に分割された穴型分割パターン電極であり、前記複数部分に分割された電極の穴型パターンの直径方向に対向する対の電極を異なる電位とする電圧を加えて電位分布を形成することで、楕円の中心が円形穴型開口部の中心軸からずれた屈折率分布に基づく光学的特性の可変制御を得られるようにしたことを特徴とする電界制御アナモルフィック液晶レンズを提供する。

さらに、前記第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、この第３の電極に前記第１の電極と第２の電極との間に加える電圧とは独立した第２の電圧を加えて光学的特性の可変制御を得られるようにしたことを特徴とする電界制御アナモルフィック液晶レンズを提供する。

上記の手段により、機械的な動作を伴うことなく、楕円の長軸方向及び長軸と短軸の比、並びに長軸及び短軸各々の焦点距離等の光学的特性を連続的に可変制御することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。実施の形態の断面図として示した図１（Ａ）において、１１は第１の基板（例えば厚みが１．３ｍｍの透明ガラス）であり、内面側に、第１の電極２１（材料としてはＩＴＯ、インジウム・スズ・酸化物）が形成されている。この第１の電極２１側に、平行に対向して、第２の基板（例えば厚みが１．３ｍｍの透明ガラス）１２が配置されている。第２の基板１２の外側には第２の電極２２（材料としては約１５０ｎｍの厚みのアルミニウム薄膜）が形成されている。この第２の電極２２は、図１（Ｂ）に示すように円形の穴型パターン２２ａ（例えば直径７ｍｍ）を有しており、１０μｍ幅のスリットで８分割されている。

第１の基板１１の第１の電極２１側と、第２の基板１２との間には、液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１（材料としてはメルク社製Ｅ４４、例えば厚みが１３０μｍ）が形成されている。４１、４２は、液晶層３１の厚みを一定に保つためのスペーサである。液晶層を挟む第１と第２の基板の面には、液晶を一方向に配向させるために図示されていないポリイミド膜ＳＥ−２１７０を約１５０ｎｍの厚みに塗布し、熱処理を行い安定化させた後に一方向にラビング処理が施されている。

このような構成によると、８分割された円形穴型パターン電極の直径方向に対応するそれぞれ対をなす電極、図１（Ｂ）で例えばＡ１−Ａ２に電源５１（１ｋＨｚ）から可変抵抗器を通して同電位とする電圧Ｖａを加え、他の対をなす電極Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２、Ｄ１−Ｄ２にそれぞれ異なる所定の電圧Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄを加えて、電位分布を形成することで、液晶分子が最も低い電位の電極対を長軸方向とした楕円形状に分布した屈折率特性、すなわち楕円形状の光学位相分布を形成することができる。

８分割されたすべての電極Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２、Ｄ１−Ｄ２を同電位とする電圧を第１の電極との間に加えることで、特許文献２に記述されている液晶レンズと同様のレンズ特性及び焦点可変特性が得られる。

図２には、第１の電極２１と８分割されたすべての電極Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２、Ｄ１−Ｄ２が同電位となるように電圧を加えたとき、この第２の電極との間に加える電圧を４０Ｖｒｍｓから１３０Ｖｒｍｓまで変化したときの焦点距離の変化と電圧の関係を示している。電圧を可変することで、焦点距離が連続的に可変される。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、本発明の電界制御アナモルフィック液晶レンズを光軸方向からみた光波の位相分布（干渉縞）を示している。８分割された円形穴型パターン電極の直径方向に対応するそれぞれ対をなす電極Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２、Ｄ１−Ｄ２、に同一の電圧６０Ｖｒｍｓを加えると、図３（Ａ）に示したように同心円状の干渉パターンとなり、良好なレンズ特性を示している。ここで、各々の隣り合う干渉縞が光波の位相差が２πすなわち１波長分のずれに対応している。図３（Ｂ）は、電極対Ａ１−Ａ２の電位Ｖａを最も低い２０Ｖｒｍｓとし、電極対Ａ１−Ａ２と直交する電極対Ｃ１−Ｃ２の電位Ｖｃを最も高い６０Ｖｒｍｓとし、その間にある電極対Ｂ１−Ｂ２、Ｄ１−Ｄ２の電位Ｖｂ、Ｖｄを中間の値４０Ｖｒｍｓとしたときの干渉パターンを示している。図３（Ｃ）は、同様にＶａ＝３０Ｖｒｍｓ、Ｖｃ＝９０Ｖｒｍｓ、Ｖｂ＝Ｖｄ＝６０Ｖｒｍｓとなる電圧を加えたときの干渉パターンを示している。各々の対をなす電極に異なる電圧を加えると、最も低い電位の電極対の方向を長軸とする楕円形状の干渉パターンが得られる。また、各電極対の電位を可変することで、干渉縞の密度、すなわち光波の位相差分布特性を可変することができる。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、上記の実施形態において、電界制御アナモルフィック液晶レンズにおける光の位相遅れφの様子を示している。図４（Ａ）は、Ｖａ＝２０Ｖｒｍｓ、Ｖｂ＝４０Ｖｒｍｓ、Ｖｃ＝６０Ｖｒｍｓ、Ｖｄ＝４０Ｖｒｍｓの電圧を加えたときの光の位相遅れ特性を示している。図４（Ｂ）は、Ｖａ＝３０Ｖｒｍｓ、Ｖｂ＝４０Ｖｒｍｓ、Ｖｃ＝９０Ｖｒｍｓ、Ｖｄ＝６０Ｖｒｍｓの電圧を加えたときの光の位相遅れ特性を示している。図４（Ａ）、（Ｂ）で、黒丸印は楕円状の屈折率分布の長軸方向、白丸印は楕円状の屈折率分布の短軸方向に対するそれぞれ実測値であり、実線は実測値に最も近くなるように定めた２乗曲線である。楕円の長軸方向と短軸方向とで異なる２ 乗分布の位相特性を示している。図４（Ａ）では長軸方向及び短軸方向の焦点距離が概略６４ｃｍ、２４ｃｍとなり、図４（Ｂ）ではそれぞれ４７ｃｍと２０ｃｍとなっている。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）は、楕円状の屈折率分布特性の長軸方向、すなわち最も低い電位とした電極対をＡ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２、Ｄ１−Ｄ２と順次変化したときの干渉パターンを示している。楕円の長軸方向が回転移動しており、その方向を制御できることを示している。

なお、本発明では第２の電極２２を８分割した実施例について説明したが、電極の分割数をさらに多くすると、楕円の長軸方向の制御をより高精細に行うことができる。また、上記の構成に限定されるものではない。

さらに、各対となる電極間に電位差を設けることで、楕円の中心が円形穴型パターンの中心から変位した非対称の屈折率分布特性を得ることができる。この場合には、非点収差特性及び偏向特性を有する液晶レンズを構成することが可能となる。

また、第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、この第３の電極に前記第１の電極と第２の電極との間に加える電圧とは独立した第２の電圧を加えることで、楕円の長軸及び短軸方向及びその楕円型の屈折率分布の形状が一定で、且つ長軸及び短軸方向の焦点距離を広範囲にわたって連続的に可変することができる。

本発明の電界制御アナモルフィック液晶レンズは、半導体レーザのような楕円形状の出力光ビームの形状補正や、非点収差を有する光学系の収差補正など、特に収差が回転する場合など種々の用途が可能である。

本発明における電界制御アナモルフィック液晶レンズの一実施の形態を示す構成説明図。 本発明に係わる電界制御アナモルフィック液晶レンズの機能を説明するために、印加電圧に対する焦点距離が変化する様子を示す説明図。 本発明に係わる電界制御アナモルフィック液晶レンズの機能を説明するために、電界制御アナモルフィック液晶レンズを通過する光波の位相が変化する様子を光軸方向から見て示す説明図。 本発明に係わる電界制御アナモルフィック液晶レンズの機能を説明するために、電界制御アナモルフィック液晶レンズの光波に対する位相遅れの分布が変化した例を示す説明図。 本発明に係わる電界制御アナモルフィック液晶レンズの機能を説明するために、電界制御アナモルフィック液晶レンズを通過する光波の位相が変化する様子を光軸方向から見て示す説明図。

１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、２１・・・第１の電極、２２・・・第２の電極、２２ａ・・・円形穴、３１・・・液晶層、４１・・・スペーサ、４２・・・スペーサ、５１・・・電源（１ｋＨｚ）。

Claims (3)

1. 第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、前記第２の基板の外部に配置した円形状の穴型パターンが設けられている第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と第２の電極との間に電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する液晶レンズにおいて、
   前記第２の電極が前記穴型パターン部と連続的に設けられたスリットにより複数部分に分割された穴型分割パターン電極であり、前記複数部分に分割された電極の穴型パターンの直径方向に対向する対の電極を同電位とする電圧を加えて電位分布を形成することで、楕円形状の屈折率分布に基づく光学的特性の可変制御を得られるようにしたことを特徴とする電界制御アナモルフィック液晶レンズ。
2. 第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、前記第２の基板の外部に配置した円形状の穴型パターンが設けられている第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と第２の電極との間に電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する液晶レンズにおいて、
   前記第２の電極が前記穴型パターン部と連続的に設けられたスリットにより複数部分に分割された穴型分割パターン電極であり、前記複数部分に分割された電極の穴型パターンの直径方向に対向する対の電極を異なる電位とする電圧を加えて電位分布を形成することで、楕円の中心が円形穴型開口部の中心軸からずれた屈折率分布に基づく光学的特性の可変制御を得られるようにしたことを特徴とする電界制御アナモルフィック液晶レンズ。
3. 請求項１または請求項２に記載の電界制御アナモルフィック液晶レンズにおいて、前記第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、この第３の電極に前記第１の電極と第２の電極との間に加える電圧とは独立した第２の電圧を加えて光学的特性の可変制御を得られるようにしたことを特徴とする電界制御アナモルフィック液晶レンズ。

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