JP4349781B2 - 液晶レンズ並びにその駆動方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶レンズ並びにその駆動方法及び駆動装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶を用いた可変焦点距離レンズとしては、透明電極間に配された液晶をレンズ形状を有するガラス基板上に設けたものがある。この液晶レンズは、透明電極に印加する電圧を変化させることによって液晶の屈折率を変化させ、レンズとしての焦点距離を電気的に変化させることができる。しかしながら、この場合、大きな焦点距離変化を得るためには液晶層の厚さを大きくしなければならないために、製造上困難であるばかりか、電圧を印加してから所望の焦点距離になるまでの応答時間が非常に長くなるという欠点があった。応答時間は液晶層の厚さの２乗に比例するからである。
【０００３】
また、他の可変焦点距離レンズとしては、ホログラムレンズ形状を有するガラス基板上に、透明電極間に配された液晶を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この場合、可変できる焦点距離はホログラムの位相段差が使用波長の整数倍に対応する場合しかなく、その中間の電圧を液晶に印加しても透過効率（ホログラムの回折効率）が劣化するのみであった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３４６５６号公報（第３−４頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題には、上記した問題が１例として挙げられる。本発明の目的は、焦点距離を広範囲に変更することが可能な高性能な液晶レンズ並びにその駆動方法及び装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶レンズは、自身を透過する光ビームにその波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状の位相変化を与えるブレーズホログラム形状に封入されたホログラム液晶と、電圧印加により透過する光ビームに与える位相変化の大きさを変更せしめる電極と、を有するホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を有することを特徴としている。また、本発明による他の態様の液晶レンズは、分割電極と、前記分割電極に対向する対向電極と、前記分割電極及び前記対向電極の間に設けられ、前記分割電極及び前記対向電極への電圧印加によりブレーズホログラムの効果を生じる平板形状に封入された液晶と、を有し、光ビームの波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状となる位相変化を、自身を透過する光ビームに与えるホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相段差を解消してその波面が連続となるような位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を有することを特徴としている。
【０００７】
本発明による駆動方法は、電圧印加により透過する光ビームに波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状の位相変化を与えるホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を有する液晶レンズの駆動方法であって、
前記ホログラム液晶パネルを透過した光ビームの位相段差と前記セグメント液晶パネルを透過した光ビームの位相段差とが等しくなるように且つ前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルを透過した後の光ビームの合成波面が連続であるように前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルへの印加電圧を調整する印加電圧調整ステップを有することを特徴としている。
【０００８】
本発明による駆動装置は、電圧印加により透過する光ビームに波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状の位相変化を与えるホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を備えた液晶レンズの駆動装置であって、前記ホログラム液晶パネルを透過した光ビームの位相段差と前記セグメント液晶パネルを透過した光ビームの位相段差とが等しく且つ前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルを透過した後の光ビームの合成波面が連続であるように前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルへの印加電圧を制御するコントローラを有することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する図において、実質的に同等な部分には同一の参照符号を付している。
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例である液晶レンズ２０の平面図及び断面図である。図１下段の断面図に示すように、液晶レンズ２０は、ガラス基板２５Ａ、第１の液晶パネル（ＬＣ１）であるセグメント液晶パネル２１、ガラス基板２５Ｂ、第２の液晶パネル（ＬＣ２）であるホログラム液晶パネル３１、ガラス基板２５Ｃから構成されている。
【００１０】
より詳細には、セグメント液晶パネル２１は、複数のセグメント電極に分割された透明電極２３、透明電極２４、及びこれらの間に封入された液晶２２からなる。また、ホログラム液晶パネル３１は、ガラス基板２５Ｂ及び断面形状が鋸歯状のガラス基板２５Ｃの間に封入され、回折格子の断面形状が鋸歯状のブレーズホログラム形状を有する液晶３２と、液晶３２の両側に液晶３２に電圧を印加できるように配された透明電極３３、３４と、を備えた液晶フレネルレンズとして構成されている。また、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１は、共軸であるように配されている。尚、基板２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、ガラスに限らず透明な材料で形成されていればよく、例えば、樹脂等により形成されていてもよい。
【００１１】
セグメント液晶パネル２１の電極２３は、図１上段の平面図に示すように、ホログラム液晶パネル３１の位相段差に対応し、実質的に同一半径の同心円形状に分割されている。すなわち、電極２３は、ホログラム液晶パネル３１の回折格子の格子間隔に対応する間隔で分割された同心円形状又は円環状の複数の透明セグメント電極から構成されている。例えば、図１に示すように、ホログラム液晶パネル３１の輪帯数は５であり、従って、電極２３は５つの同心円形状又は円環状の透明セグメント電極Ｅi（すなわち、Ｅ0，Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3，Ｅ4）から構成されている。また、透明電極２４は、液晶２２の全面にわたって形成されている。上記した透明電極２３，２４，３３，３４は、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）により形成されている。
【００１２】
なお、以下においては、説明の簡便さのため、ホログラム液晶パネル３１の輪帯数が５である場合について説明するがこれに限られない。なお、この場合、セグメント液晶パネル２１の電極２３は、ホログラム液晶パネル３１の輪帯数に応じて分割されていればよい。
セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１は、それぞれ厚さｄ１，ｄ２を有し、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１には独立に電圧を印加することができるようになっている。
【００１３】
次に、所定波長（λ）のレーザ光が液晶レンズ２０に垂直に、すなわち、レーザ光の光軸（ＯＡ）が液晶レンズ２０の中心軸（ＣＡ）に一致するように入射した場合について説明する。
図２は、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１の電極３３，３４に電圧を印加した場合における、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１の中心を基準としたときの透過光の位相Ｑを模式的に示している。すなわち、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１の電極３３，３４に電圧を印加したときの透過光の波面を表している。なお、図の簡便さのため、ホログラム液晶パネル３１の中心から半径方向の位相について示している。より詳細には、当該電圧の印加によって液晶３２の屈折率が変化し、ホログラム液晶パネル３１を透過する光はホログラム液晶パネル３１のブレーズ形状に応じて位相が変化する。図２に示すように、回折格子の高さ（又は深さ）が均一で回折格子の形状が鋸歯状（直角三角形）である場合には、これに応じて透過光の位相の断面プロファイルは位相段差がΔｐである鋸歯状（直角三角形）となる。この位相段差Δｐが入射光の波長の整数倍である場合には、ホログラム液晶パネル３１はホログラムレンズとして作用するが、Δｐが入射光波長の整数倍でない場合には、回折効率が低下し、レンズとしての作用も低下する。
【００１４】
図３は、セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の電極２３，２４に電圧を印加した場合における、セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の中心を基準としたときの透過光の位相Ｐを模式的に示している。すなわち、セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の電極２３，２４に電圧を印加したときの透過光の波面を表している。なお、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１及びセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の中心は一致するように構成されている。セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の電極２３の各セグメント電極Ｅi（＝Ｅ0〜Ｅ4）には、位相段差がホログラム液晶パネル３１の位相段差に等しいΔｐとなるように電圧が印加される。すなわち、各セグメント電極Ｅi（＝Ｅ0〜Ｅ4）に対応するセグメント領域Ｒi（＝Ｒ0〜Ｒ4）において透過光に与えられる位相差がΔＰi＝（ｉ−１）Δｐであるように電極２３の各セグメント電極Ｅi（＝Ｅ0〜Ｅ4）に電圧Ｖi（＝Ｖ0〜Ｖ4）が印加される。
【００１５】
図４は、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１及びセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１を透過する光の位相変化Ｐ＋Ｑを模式的に示している。すなわち、液晶レンズ２０を通過する光の合成波面を表している。図に示すように、液晶レンズ２０への入射光にはホログラム液晶パネル３１及びセグメント液晶パネル２１によって位相変化が与えられることによって連続した波面が生成される。従って、液晶レンズ２０はレンズとしての機能を発揮する。
【００１６】
なお、本実施例においては、ホログラム液晶パネル３１の回折格子の深さが均一で、回折格子断面が直角三角形のブレーズ形状を有する場合について説明したがこれに限らない。すなわち、ホログラム液晶パネル３１においては、種々のブレーズ形状を有するホログラム液晶を用いて可変焦点距離液晶レンズを得ることができる。要するに、所定のホログラム液晶パネル３１を用いたときに、セグメント液晶パネル２１による位相変化とホログラム液晶パネル３１による位相変化とによって生成される合成波面が連続であるようにセグメント液晶パネル２１の電極２３が複数のセグメント電極に分割され、各セグメント電極Ｅiに電圧Ｖiが印加されるように構成されていればよい。
【００１７】
次に、入射光に大きな位相変化を与え、焦点距離を大きく変化させる場合の液晶レンズ２０の駆動制御方法について説明する。
図５は、液晶レンズ２０の駆動装置４０の構成を示すブロック図である。駆動装置４０は、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１に駆動電圧を供給する液晶ドライバ４１、及び液晶ドライバ４１を制御するコントローラ４２を有している。
【００１８】
焦点距離を大きく変化させるためには厚い液晶を用いる必要が生じるが、上記したように、電圧を印加して所望の焦点距離を得るまでの応答時間が長くなるという問題が生じる。本発明によれば、液晶層の厚さを増大させることなく大きな位相変化を生ぜしめ、焦点距離を大きく変化させることができる。本実施例においては、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１により生成される位相差の合計が液晶２２，３２の厚さで定まる最大位相差λmaxを超えないようにセグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１への印加電圧が制御される。なお、当該最大位相差λmaxは、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１の構成及びこれらに用いられる液晶の厚さ等に応じて適宜定めることができる。
【００１９】
次に、図５〜７を参照しつつ、最大位相差λmaxを超えて焦点距離を変化させる場合の液晶レンズ２０の駆動制御方法について説明する。まず、コントローラ４２は、液晶ドライバ４１を制御して、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１にそれぞれ電圧Ｖc1、Ｖc2を印加する。コントローラ４２は、液晶レンズ２０の中心を基準位置としたとき（すなわち、半径ｒ＝０において合成位相Ｐ＋Ｑ＝０としたとき）の合成位相が最大位相差λmaxに達するまではセグメント液晶パネル２１への印加電圧Ｖc1及び印加電圧Ｖc2を上記した方法により制御する。すなわち、セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１による位相段差がホログラム液晶パネル３１の位相段差に等しく、液晶レンズ２０を通過した後の光の合成波面が連続した波面となる条件を満たすようにセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の各セグメント電極Ｅiに印加する電圧Ｖi（＝Ｖ0〜Ｖ4）及びホログラム液晶パネル３１への印加電圧Ｖc2を増加させる（図６のSTEP１）。
【００２０】
液晶レンズ２０による合成位相が最大位相差λmaxに達したときには、コントローラ４２は、最大位相差λmaxに達した領域（Ｒ4）の位相が波長の整数倍（ｎλ：ｎは自然数）だけ減ずるように当該セグメント電極（Ｅ4）の印加電圧（Ｖ4）を減ずる（STEP２）。この状態においては領域Ｒ3とＲ4の間には位相段差が生じるが、位相段差の大きさは波長の整数倍（ｎλ）であるので領域Ｒ3とＲ4の接続部分で光の波面は連続している。従って、液晶レンズ２０はレンズとしての作用を発揮する。
【００２１】
次に、上記STEP１の場合と同様にして、合成位相が最大位相差λmaxに達するまでセグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１への印加電圧Ｖc1、Ｖc2が制御される（STEP３）。
液晶レンズ２０による合成位相が最大位相差λmaxに達したときには、コントローラ４２は、最大位相差λmaxに達した領域（Ｒ3）の位相が波長の整数倍（ｎλ：ｎは自然数）だけ減ずるように当該セグメント電極（Ｅ3）の印加電圧（Ｖ3）を減ずる（STEP４）。この状態においては領域Ｒ2とＲ3の間には位相段差が生じるが、位相段差の大きさは波長の整数倍（ｎλ）であるので領域Ｒ2とＲ3の接続部分で光の波面は連続している。従って、液晶レンズ２０はレンズとしての作用を発揮している。
【００２２】
上記STEP１〜４として示した制御プロセスを全てのセグメント電極について実行することにより、図７に示すように、液晶レンズ２０は全体としてブレーズホログラムレンズとして機能する。この状態においては、セグメント液晶パネル２１の各セグメント電極Ｅi（＝Ｅ0〜Ｅ4）への印加電圧はゼロである。あるいは、各セグメント電極Ｅi間に電位差が無いように各セグメント電極Ｅiには同一の電圧が印加されていてもよい。また、更に焦点距離を大きくする場合であっても、位相差の最大値がλmaxを超える領域のセグメント電極への印加電圧を減じて当該領域の位相が波長の整数倍だけ減ずるようにすればよい。従って、焦点距離を広範囲に変更することが可能なレンズが得られる。また、薄い液晶パネルによって焦点距離を広範囲に変更できるので、所望の焦点距離になるまでの応答時間が短い高性能なレンズが得られる。さらに、製造が容易であり、コンパクトかつ軽量であるという利点も有する。
［第２の実施例］
図８は、本発明の第２の実施例である液晶レンズ２０の断面図及び第２の液晶パネルＬＣ２の電極構造を示す平面図である。より詳細には、上段の断面図に示すように、本実施例においては、第１の実施例におけるホログラム液晶パネル３１に代わり、第２の液晶パネル（ＬＣ２）としてセグメント型の液晶パネル５１が用いられている。すなわち、セグメント電極を有する液晶パネルを用いてホログラム液晶パネルと同様な液晶パネルを実現している。
【００２３】
より詳細には、液晶パネル（ＬＣ２）５１は、平板形状に封入された液晶５２及び透明電極５３、複数のセグメント電極に分割された透明電極５４を備えて構成されている。透明電極５３は、液晶５２の全面にわたって形成されている。また、透明電極５４は、図８下段の平面図に示すように、セグメント液晶パネル２１の電極２３の１周期を更に細分化したセグメント電極を有している。透明電極５４は、セグメント液晶パネル２１の電極２３の領域（Ｒ0〜Ｒ4）の各々に対応する領域を同心円状に、例えば３分割した構成を有している。すなわち、領域Ｒi(i＝0〜4）に対応する領域はセグメント電極Ｆi1，Ｆi2，Ｆi3により分割されている。
【００２４】
図９に模式的に示すように、液晶パネル（ＬＣ２）５１の各領域の最内周及び最外周のセグメント電極にそれぞれ電圧Ｖh0及びＶh1を印加することにより階段状の電圧分布を得ることができる。かかる構成によってホログラム液晶パネルと同様な液晶パネルを実現できるとともに、セグメント電極への引き出し線（リード線）の数を少なくすることができる。
【００２５】
なお、セグメント液晶パネル２１の電極２３が基板２５Ａ側に形成され、また、液晶パネル５１の電極５４が基板２５Ｃ側に形成されている場合を例に示したが、これらの電極の一方又は双方が基板２５Ｂ側に形成されている構成としてもよい。
上記した第１の実施例の場合と同様にしてセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１及び液晶パネル（ＬＣ２）５１への印加電圧を制御することにより焦点距離を広範囲に変更することが可能となる。また、本実施例においても、上記した第１の実施例の場合と同様な種々の効果を有する。
［第３の実施例］
図１０は、本発明の第３の実施例である液晶レンズ２０の断面図及び第２の液晶パネルＬＣ２の電極構造を示す平面図である。本実施例において、第２の液晶パネル（ＬＣ２）としてセグメント型の液晶パネル５１が用いられ、ホログラム液晶パネルと同様な機能を有する液晶パネルを備えている点は第２の実施例の場合と同様である。
【００２６】
より具体的には、図１０下段の平面図に示すように、液晶パネルＬＣ２の透明電極５４は、セグメント液晶パネル２１の電極２３のセグメント領域Ｒi（＝Ｒ0〜Ｒ4）の各々に対応する領域に同心円状に分割されたセグメント電極Ｆi（＝Ｆ0〜Ｆ4）を有している。また、透明電極５３は、液晶５２の全面にわたって形成されている。
【００２７】
より詳細には、図１１に示すＡ部の部分拡大図をさらに参照すると、セグメント電極Ｆiは、電極Ｆia及びＦibと、電極Ｆia及びＦib間に形成されたＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などを材料とする透明導電膜Ｕiとからなり、各セグメント電極Ｆi間は間隙部Ｗiによって分離されている。電極Ｆia及びＦibは、透明導電膜Ｕiよりも導電率の高い（低抵抗な）材料、例えば金属などで形成されている。透明導電膜（ＩＴＯ膜）Ｕiは電極Ｆia及びＦibに電気的に接続され、間隙部Ｗiは入射光ビームに影響を与えない程度の幅に形成されている。間隙部Ｗiの幅は領域Ｒiの幅に比べて十分小さいことが好ましい。例えば、数マイクロメートル（μｍ）の程度の幅に形成されている。
【００２８】
さらに、図１０及び図１１に示すように、半径方向に沿って形成されたスリット６３内には互いに電気的に分離された引き出し電極６１（ＦＬ１）及び６２（ＦＬ２）が形成され、上記した電極Ｆia（ｉ＝０，１，・・・，４）は引き出し電極６１（ＦＬ１）に、電極Ｆib（ｉ＝０，１，・・・，４）は引き出し電極６２（ＦＬ２）にそれぞれ電気的に接続されている。なお、スリット６３は、位相調整に悪影響を及ぼさないように、液晶パネル２１、５１の実効光路面積に比べて十分小さくなるように形成されている。例えば、数μｍ程度の幅で設けられている。
【００２９】
本実施例においては、電極５３、５４に電圧を印加することによって液晶５２はブレーズホログラム回折格子としての作用を発揮する。図１２は、電極５４の引き出し電極６１（ＦＬ１）、６２（ＦＬ２）にそれぞれ電圧Ｖh0、Ｖh1を印加した場合に液晶５２によって生じる位相を光軸中心の位相を基準として３次元的かつ模式的に示した図である。なお、ハッチングを施した部分はこの位相分布の中心を通る断面における位相を示している。
【００３０】
図１２に示すように、電圧を印加した場合に、透明導電膜（ＩＴＯ膜）Ｕiの抵抗率に応じた同心円ブレーズ形状の位相分布が生じ、液晶パネル５１はブレーズホログラム回折格子と等価な効果を生じる。
かかる構成によってホログラム液晶パネルと同様な液晶パネルを実現できるとともに、セグメント電極への引き出し線（リード線）の数を少なくすることができる。
【００３１】
上記した第１の実施例の場合と同様にしてセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１及び液晶パネル（ＬＣ２）５１への印加電圧を制御することにより焦点距離を広範囲に変更することが可能となる。また、本実施例においても、上記した実施例の場合と同様な種々の効果を有する。
［第４の実施例］
図１３は、本発明の第４の実施例である液晶レンズ２０の断面図である。第１の実施例においては、セグメント型の液晶パネル（ＬＣ１）２１及びホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１を用いているが、１つの液晶パネルとしても構成することができる。
【００３２】
すなわち、液晶パネル７１は、ブレーズホログラム形状を有する液晶７２、及びセグメント型の透明電極７３、透明電極７４から構成されている。セグメント電極７３は、第１の実施例における液晶パネル２１の電極２３と同様な構成を有している。かかる構成によっても、上記した実施例の場合と同様にして電極７３、７４への印加電圧を制御することにより、第１の実施例の場合と同様に焦点距離を広範囲に変更することが可能である。
【００３３】
また、第２の実施例における電極２３、５４により１つの液晶を挟んだ構成とすることにより１つの液晶パネルとしても構成することができる。あるいは、同様にして、第３の実施例における電極２３、５４により１つの液晶を挟んだ構成とすることも可能である。
これらの場合においても、焦点距離を広範囲に変更することが可能である等、上記した実施例と同様な種々の効果を有する。
［第５の実施例］
図１４は、本発明の第５の実施例である液晶レンズ２０の断面図である。液晶パネル８１は、レンズ形状を有するように封入された液晶８２、及びセグメント型の透明電極８３、８４から構成されている。セグメント電極８３は、第１の実施例における液晶パネル２１の電極２３と同様な構成を有している。電極８４は凹面形状を有する液晶面の全面に形成されている。かかる構成によっても、上記した実施例の場合と同様にして電極８３、８４への印加電圧を制御することにより焦点距離を広範囲に変更することが可能である。
【００３４】
以上、詳細に説明したように、上記液晶レンズは、波面がブレーズホログラム形状となる位相変化を光ビームに与えるホログラム液晶パネルと、当該ブレーズホログラム形状に対応して分割された電極への電圧印加により光ビームに位相変化を与えるセグメント液晶パネルと、を有する。ホログラム液晶パネル及びセグメント液晶パネルを透過した後の光ビームの合成波面が連続であるように液晶パネルへの印加電圧を制御することによって焦点距離を広範囲に変更することが可能となる。また、薄い液晶パネルによって焦点距離を広範囲に変更できるので、所望の焦点距離になるまでの応答時間が短い高性能なレンズが得られる。さらに、製造が容易であり、コンパクトかつ軽量である等の種々の利点を有する。
【００３５】
なお、上記液晶レンズは、種々の光学系に広範に適用することができる。例えば、単一のレンズとして、あるいはビームエキスパンダ等としても用いることができる。あるいは、種々の光学系における収差補正光学素子としても用いることができる。例えば、光記録媒体等の記録再生装置における光ピックアップにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である液晶レンズの平面図及び断面図である。
【図２】電圧印加時におけるホログラム液晶パネル（ＬＣ２）の透過光の位相Ｑを模式的に示す図である。
【図３】電圧印加時におけるセグメント液晶パネル（ＬＣ１）の透過光の位相Ｐを模式的に示す図である。
【図４】ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）及びセグメント液晶パネル（ＬＣ１）を透過する光の位相変化Ｐ＋Ｑを模式的に示す図である。
【図５】液晶レンズの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図６】最大位相差λmaxを超えて焦点距離を変化させる場合の液晶レンズの駆動制御方法を示す図である。
【図７】最大位相差λmaxを超えて焦点距離を変化させる場合の液晶レンズの駆動制御方法を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例である液晶レンズの断面図及び第２の液晶パネルＬＣ２の電極構造を示す平面図である。
【図９】液晶パネル（ＬＣ２）の各領域の最内周及び最外周のセグメント電極に電圧を印加した場合に得られる階段状の電圧分布を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施例である液晶レンズの断面図及び第２の液晶パネルＬＣ２の電極構造を示す平面図である。
【図１１】図１０のＡ部の部分拡大図であり、分割電極及び引き出し電極の構造を示す図である。
【図１２】第３の実施例において、引き出し電極に電圧を印加した場合に液晶によって生じる位相を３次元的かつ模式的に示した図である。
【図１３】本発明の第４の実施例である液晶レンズの断面図である。
【図１４】本発明の第５の実施例である液晶レンズの断面図である。
【主要部分の符号の説明】
２０ 液晶レンズ
２１ 液晶パネル（ＬＣ１）
２２，３２，５２，７２，８２ 液晶
２３，２４，３３，３４，５３，５４ 透明電極
３１，５１ 液晶パネル（ＬＣ２）
４０ 駆動装置
４１ 液晶ドライバ
４２ コントローラ
６１，６２ 引き出し電極
７１，８１ 液晶パネル
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶レンズ並びにその駆動方法及び駆動装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶を用いた可変焦点距離レンズとしては、透明電極間に配された液晶をレンズ形状を有するガラス基板上に設けたものがある。この液晶レンズは、透明電極に印加する電圧を変化させることによって液晶の屈折率を変化させ、レンズとしての焦点距離を電気的に変化させることができる。しかしながら、この場合、大きな焦点距離変化を得るためには液晶層の厚さを大きくしなければならないために、製造上困難であるばかりか、電圧を印加してから所望の焦点距離になるまでの応答時間が非常に長くなるという欠点があった。応答時間は液晶層の厚さの２乗に比例するからである。
【０００３】
また、他の可変焦点距離レンズとしては、ホログラムレンズ形状を有するガラス基板上に、透明電極間に配された液晶を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この場合、可変できる焦点距離はホログラムの位相段差が使用波長の整数倍に対応する場合しかなく、その中間の電圧を液晶に印加しても透過効率（ホログラムの回折効率）が劣化するのみであった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３４６５６号公報（第３−４頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題には、上記した問題が１例として挙げられる。本発明の目的は、焦点距離を広範囲に変更することが可能な高性能な液晶レンズ並びにその駆動方法及び装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶レンズは、自身を透過する光ビームにその波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状の位相変化を与えるブレーズホログラム形状に封入されたホログラム液晶と、電圧印加により透過する光ビームに与える位相変化の大きさを変更せしめる電極と、を有するホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を有することを特徴としている。また、本発明による他の態様の液晶レンズは、分割電極と、前記分割電極に対向する対向電極と、前記分割電極及び前記対向電極の間に設けられ、前記分割電極及び前記対向電極への電圧印加によりブレーズホログラムの効果を生じる平板形状に封入された液晶と、を有し、光ビームの波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状となる位相変化を、自身を透過する光ビームに与えるホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相段差を解消してその波面が連続となるような位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を有することを特徴としている。
【０００７】
本発明による駆動方法は、電圧印加により透過する光ビームに波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状の位相変化を与えるホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を有する液晶レンズの駆動方法であって、
前記ホログラム液晶パネルを透過した光ビームの位相段差と前記セグメント液晶パネルを透過した光ビームの位相段差とが等しくなるように且つ前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルを透過した後の光ビームの合成波面が連続であるように前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルへの印加電圧を調整する印加電圧調整ステップを有することを特徴としている。
【０００８】
本発明による駆動装置は、電圧印加により透過する光ビームに波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状の位相変化を与えるホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を備えた液晶レンズの駆動装置であって、前記ホログラム液晶パネルを透過した光ビームの位相段差と前記セグメント液晶パネルを透過した光ビームの位相段差とが等しく且つ前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルを透過した後の光ビームの合成波面が連続であるように前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルへの印加電圧を制御するコントローラを有することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する図において、実質的に同等な部分には同一の参照符号を付している。
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例である液晶レンズ２０の平面図及び断面図である。図１下段の断面図に示すように、液晶レンズ２０は、ガラス基板２５Ａ、第１の液晶パネル（ＬＣ１）であるセグメント液晶パネル２１、ガラス基板２５Ｂ、第２の液晶パネル（ＬＣ２）であるホログラム液晶パネル３１、ガラス基板２５Ｃから構成されている。
【００１０】
より詳細には、セグメント液晶パネル２１は、複数のセグメント電極に分割された透明電極２３、透明電極２４、及びこれらの間に封入された液晶２２からなる。また、ホログラム液晶パネル３１は、ガラス基板２５Ｂ及び断面形状が鋸歯状のガラス基板２５Ｃの間に封入され、回折格子の断面形状が鋸歯状のブレーズホログラム形状を有する液晶３２と、液晶３２の両側に液晶３２に電圧を印加できるように配された透明電極３３、３４と、を備えた液晶フレネルレンズとして構成されている。また、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１は、共軸であるように配されている。尚、基板２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、ガラスに限らず透明な材料で形成されていればよく、例えば、樹脂等により形成されていてもよい。
【００１１】
セグメント液晶パネル２１の電極２３は、図１上段の平面図に示すように、ホログラム液晶パネル３１の位相段差に対応し、実質的に同一半径の同心円形状に分割されている。すなわち、電極２３は、ホログラム液晶パネル３１の回折格子の格子間隔に対応する間隔で分割された同心円形状又は円環状の複数の透明セグメント電極から構成されている。例えば、図１に示すように、ホログラム液晶パネル３１の輪帯数は５であり、従って、電極２３は５つの同心円形状又は円環状の透明セグメント電極Ｅi（すなわち、Ｅ0，Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3，Ｅ4）から構成されている。また、透明電極２４は、液晶２２の全面にわたって形成されている。上記した透明電極２３，２４，３３，３４は、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）により形成されている。
【００１２】
なお、以下においては、説明の簡便さのため、ホログラム液晶パネル３１の輪帯数が５である場合について説明するがこれに限られない。なお、この場合、セグメント液晶パネル２１の電極２３は、ホログラム液晶パネル３１の輪帯数に応じて分割されていればよい。
セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１は、それぞれ厚さｄ１，ｄ２を有し、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１には独立に電圧を印加することができるようになっている。
【００１３】
次に、所定波長（λ）のレーザ光が液晶レンズ２０に垂直に、すなわち、レーザ光の光軸（ＯＡ）が液晶レンズ２０の中心軸（ＣＡ）に一致するように入射した場合について説明する。
図２は、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１の電極３３，３４に電圧を印加した場合における、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１の中心を基準としたときの透過光の位相Ｑを模式的に示している。すなわち、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１の電極３３，３４に電圧を印加したときの透過光の波面を表している。なお、図の簡便さのため、ホログラム液晶パネル３１の中心から半径方向の位相について示している。より詳細には、当該電圧の印加によって液晶３２の屈折率が変化し、ホログラム液晶パネル３１を透過する光はホログラム液晶パネル３１のブレーズ形状に応じて位相が変化する。図２に示すように、回折格子の高さ（又は深さ）が均一で回折格子の形状が鋸歯状（直角三角形）である場合には、これに応じて透過光の位相の断面プロファイルは位相段差がΔｐである鋸歯状（直角三角形）となる。この位相段差Δｐが入射光の波長の整数倍である場合には、ホログラム液晶パネル３１はホログラムレンズとして作用するが、Δｐが入射光波長の整数倍でない場合には、回折効率が低下し、レンズとしての作用も低下する。
【００１４】
図３は、セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の電極２３，２４に電圧を印加した場合における、セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の中心を基準としたときの透過光の位相Ｐを模式的に示している。すなわち、セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の電極２３，２４に電圧を印加したときの透過光の波面を表している。なお、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１及びセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の中心は一致するように構成されている。セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の電極２３の各セグメント電極Ｅi（＝Ｅ0〜Ｅ4）には、位相段差がホログラム液晶パネル３１の位相段差に等しいΔｐとなるように電圧が印加される。すなわち、各セグメント電極Ｅi（＝Ｅ0〜Ｅ4）に対応するセグメント領域Ｒi（＝Ｒ0〜Ｒ4）において透過光に与えられる位相差がΔＰi＝（ｉ−１）Δｐであるように電極２３の各セグメント電極Ｅi（＝Ｅ0〜Ｅ4）に電圧Ｖi（＝Ｖ0〜Ｖ4）が印加される。
【００１５】
図４は、ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１及びセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１を透過する光の位相変化Ｐ＋Ｑを模式的に示している。すなわち、液晶レンズ２０を通過する光の合成波面を表している。図に示すように、液晶レンズ２０への入射光にはホログラム液晶パネル３１及びセグメント液晶パネル２１によって位相変化が与えられることによって連続した波面が生成される。従って、液晶レンズ２０はレンズとしての機能を発揮する。
【００１６】
なお、本実施例においては、ホログラム液晶パネル３１の回折格子の深さが均一で、回折格子断面が直角三角形のブレーズ形状を有する場合について説明したがこれに限らない。すなわち、ホログラム液晶パネル３１においては、種々のブレーズ形状を有するホログラム液晶を用いて可変焦点距離液晶レンズを得ることができる。要するに、所定のホログラム液晶パネル３１を用いたときに、セグメント液晶パネル２１による位相変化とホログラム液晶パネル３１による位相変化とによって生成される合成波面が連続であるようにセグメント液晶パネル２１の電極２３が複数のセグメント電極に分割され、各セグメント電極Ｅiに電圧Ｖiが印加されるように構成されていればよい。
【００１７】
次に、入射光に大きな位相変化を与え、焦点距離を大きく変化させる場合の液晶レンズ２０の駆動制御方法について説明する。
図５は、液晶レンズ２０の駆動装置４０の構成を示すブロック図である。駆動装置４０は、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１に駆動電圧を供給する液晶ドライバ４１、及び液晶ドライバ４１を制御するコントローラ４２を有している。
【００１８】
焦点距離を大きく変化させるためには厚い液晶を用いる必要が生じるが、上記したように、電圧を印加して所望の焦点距離を得るまでの応答時間が長くなるという問題が生じる。本発明によれば、液晶層の厚さを増大させることなく大きな位相変化を生ぜしめ、焦点距離を大きく変化させることができる。本実施例においては、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１により生成される位相差の合計が液晶２２，３２の厚さで定まる最大位相差λmaxを超えないようにセグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１への印加電圧が制御される。なお、当該最大位相差λmaxは、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１の構成及びこれらに用いられる液晶の厚さ等に応じて適宜定めることができる。
【００１９】
次に、図５〜７を参照しつつ、最大位相差λmaxを超えて焦点距離を変化させる場合の液晶レンズ２０の駆動制御方法について説明する。まず、コントローラ４２は、液晶ドライバ４１を制御して、セグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１にそれぞれ電圧Ｖc1、Ｖc2を印加する。コントローラ４２は、液晶レンズ２０の中心を基準位置としたとき（すなわち、半径ｒ＝０において合成位相Ｐ＋Ｑ＝０としたとき）の合成位相が最大位相差λmaxに達するまではセグメント液晶パネル２１への印加電圧Ｖc1及び印加電圧Ｖc2を上記した方法により制御する。すなわち、セグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１による位相段差がホログラム液晶パネル３１の位相段差に等しく、液晶レンズ２０を通過した後の光の合成波面が連続した波面となる条件を満たすようにセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１の各セグメント電極Ｅiに印加する電圧Ｖi（＝Ｖ0〜Ｖ4）及びホログラム液晶パネル３１への印加電圧Ｖc2を増加させる（図６のSTEP１）。
【００２０】
液晶レンズ２０による合成位相が最大位相差λmaxに達したときには、コントローラ４２は、最大位相差λmaxに達した領域（Ｒ4）の位相が波長の整数倍（ｎλ：ｎは自然数）だけ減ずるように当該セグメント電極（Ｅ4）の印加電圧（Ｖ4）を減ずる（STEP２）。この状態においては領域Ｒ3とＲ4の間には位相段差が生じるが、位相段差の大きさは波長の整数倍（ｎλ）であるので領域Ｒ3とＲ4の接続部分で光の波面は連続している。従って、液晶レンズ２０はレンズとしての作用を発揮する。
【００２１】
次に、上記STEP１の場合と同様にして、合成位相が最大位相差λmaxに達するまでセグメント液晶パネル２１及びホログラム液晶パネル３１への印加電圧Ｖc1、Ｖc2が制御される（STEP３）。
液晶レンズ２０による合成位相が最大位相差λmaxに達したときには、コントローラ４２は、最大位相差λmaxに達した領域（Ｒ3）の位相が波長の整数倍（ｎλ：ｎは自然数）だけ減ずるように当該セグメント電極（Ｅ3）の印加電圧（Ｖ3）を減ずる（STEP４）。この状態においては領域Ｒ2とＲ3の間には位相段差が生じるが、位相段差の大きさは波長の整数倍（ｎλ）であるので領域Ｒ2とＲ3の接続部分で光の波面は連続している。従って、液晶レンズ２０はレンズとしての作用を発揮している。
【００２２】
上記STEP１〜４として示した制御プロセスを全てのセグメント電極について実行することにより、図７に示すように、液晶レンズ２０は全体としてブレーズホログラムレンズとして機能する。この状態においては、セグメント液晶パネル２１の各セグメント電極Ｅi（＝Ｅ0〜Ｅ4）への印加電圧はゼロである。あるいは、各セグメント電極Ｅi間に電位差が無いように各セグメント電極Ｅiには同一の電圧が印加されていてもよい。また、更に焦点距離を大きくする場合であっても、位相差の最大値がλmaxを超える領域のセグメント電極への印加電圧を減じて当該領域の位相が波長の整数倍だけ減ずるようにすればよい。従って、焦点距離を広範囲に変更することが可能なレンズが得られる。また、薄い液晶パネルによって焦点距離を広範囲に変更できるので、所望の焦点距離になるまでの応答時間が短い高性能なレンズが得られる。さらに、製造が容易であり、コンパクトかつ軽量であるという利点も有する。
［第２の実施例］
図８は、本発明の第２の実施例である液晶レンズ２０の断面図及び第２の液晶パネルＬＣ２の電極構造を示す平面図である。より詳細には、上段の断面図に示すように、本実施例においては、第１の実施例におけるホログラム液晶パネル３１に代わり、第２の液晶パネル（ＬＣ２）としてセグメント型の液晶パネル５１が用いられている。すなわち、セグメント電極を有する液晶パネルを用いてホログラム液晶パネルと同様な液晶パネルを実現している。
【００２３】
より詳細には、液晶パネル（ＬＣ２）５１は、平板形状に封入された液晶５２及び透明電極５３、複数のセグメント電極に分割された透明電極５４を備えて構成されている。透明電極５３は、液晶５２の全面にわたって形成されている。また、透明電極５４は、図８下段の平面図に示すように、セグメント液晶パネル２１の電極２３の１周期を更に細分化したセグメント電極を有している。透明電極５４は、セグメント液晶パネル２１の電極２３の領域（Ｒ0〜Ｒ4）の各々に対応する領域を同心円状に、例えば３分割した構成を有している。すなわち、領域Ｒi(i＝0〜4）に対応する領域はセグメント電極Ｆi1，Ｆi2，Ｆi3により分割されている。
【００２４】
図９に模式的に示すように、液晶パネル（ＬＣ２）５１の各領域の最内周及び最外周のセグメント電極にそれぞれ電圧Ｖh0及びＶh1を印加することにより階段状の電圧分布を得ることができる。かかる構成によってホログラム液晶パネルと同様な液晶パネルを実現できるとともに、セグメント電極への引き出し線（リード線）の数を少なくすることができる。
【００２５】
なお、セグメント液晶パネル２１の電極２３が基板２５Ａ側に形成され、また、液晶パネル５１の電極５４が基板２５Ｃ側に形成されている場合を例に示したが、これらの電極の一方又は双方が基板２５Ｂ側に形成されている構成としてもよい。
上記した第１の実施例の場合と同様にしてセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１及び液晶パネル（ＬＣ２）５１への印加電圧を制御することにより焦点距離を広範囲に変更することが可能となる。また、本実施例においても、上記した第１の実施例の場合と同様な種々の効果を有する。
［第３の実施例］
図１０は、本発明の第３の実施例である液晶レンズ２０の断面図及び第２の液晶パネルＬＣ２の電極構造を示す平面図である。本実施例において、第２の液晶パネル（ＬＣ２）としてセグメント型の液晶パネル５１が用いられ、ホログラム液晶パネルと同様な機能を有する液晶パネルを備えている点は第２の実施例の場合と同様である。
【００２６】
より具体的には、図１０下段の平面図に示すように、液晶パネルＬＣ２の透明電極５４は、セグメント液晶パネル２１の電極２３のセグメント領域Ｒi（＝Ｒ0〜Ｒ4）の各々に対応する領域に同心円状に分割されたセグメント電極Ｆi（＝Ｆ0〜Ｆ4）を有している。また、透明電極５３は、液晶５２の全面にわたって形成されている。
【００２７】
より詳細には、図１１に示すＡ部の部分拡大図をさらに参照すると、セグメント電極Ｆiは、電極Ｆia及びＦibと、電極Ｆia及びＦib間に形成されたＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などを材料とする透明導電膜Ｕiとからなり、各セグメント電極Ｆi間は間隙部Ｗiによって分離されている。電極Ｆia及びＦibは、透明導電膜Ｕiよりも導電率の高い（低抵抗な）材料、例えば金属などで形成されている。透明導電膜（ＩＴＯ膜）Ｕiは電極Ｆia及びＦibに電気的に接続され、間隙部Ｗiは入射光ビームに影響を与えない程度の幅に形成されている。間隙部Ｗiの幅は領域Ｒiの幅に比べて十分小さいことが好ましい。例えば、数マイクロメートル（μｍ）の程度の幅に形成されている。
【００２８】
さらに、図１０及び図１１に示すように、半径方向に沿って形成されたスリット６３内には互いに電気的に分離された引き出し電極６１（ＦＬ１）及び６２（ＦＬ２）が形成され、上記した電極Ｆia（ｉ＝０，１，・・・，４）は引き出し電極６１（ＦＬ１）に、電極Ｆib（ｉ＝０，１，・・・，４）は引き出し電極６２（ＦＬ２）にそれぞれ電気的に接続されている。なお、スリット６３は、位相調整に悪影響を及ぼさないように、液晶パネル２１、５１の実効光路面積に比べて十分小さくなるように形成されている。例えば、数μｍ程度の幅で設けられている。
【００２９】
本実施例においては、電極５３、５４に電圧を印加することによって液晶５２はブレーズホログラム回折格子としての作用を発揮する。図１２は、電極５４の引き出し電極６１（ＦＬ１）、６２（ＦＬ２）にそれぞれ電圧Ｖh0、Ｖh1を印加した場合に液晶５２によって生じる位相を光軸中心の位相を基準として３次元的かつ模式的に示した図である。なお、ハッチングを施した部分はこの位相分布の中心を通る断面における位相を示している。
【００３０】
図１２に示すように、電圧を印加した場合に、透明導電膜（ＩＴＯ膜）Ｕiの抵抗率に応じた同心円ブレーズ形状の位相分布が生じ、液晶パネル５１はブレーズホログラム回折格子と等価な効果を生じる。
かかる構成によってホログラム液晶パネルと同様な液晶パネルを実現できるとともに、セグメント電極への引き出し線（リード線）の数を少なくすることができる。
【００３１】
上記した第１の実施例の場合と同様にしてセグメント液晶パネル（ＬＣ１）２１及び液晶パネル（ＬＣ２）５１への印加電圧を制御することにより焦点距離を広範囲に変更することが可能となる。また、本実施例においても、上記した実施例の場合と同様な種々の効果を有する。
［第４の実施例］
図１３は、本発明の第４の実施例である液晶レンズ２０の断面図である。第１の実施例においては、セグメント型の液晶パネル（ＬＣ１）２１及びホログラム液晶パネル（ＬＣ２）３１を用いているが、１つの液晶パネルとしても構成することができる。
【００３２】
すなわち、液晶パネル７１は、ブレーズホログラム形状を有する液晶７２、及びセグメント型の透明電極７３、透明電極７４から構成されている。セグメント電極７３は、第１の実施例における液晶パネル２１の電極２３と同様な構成を有している。かかる構成によっても、上記した実施例の場合と同様にして電極７３、７４への印加電圧を制御することにより、第１の実施例の場合と同様に焦点距離を広範囲に変更することが可能である。
【００３３】
また、第２の実施例における電極２３、５４により１つの液晶を挟んだ構成とすることにより１つの液晶パネルとしても構成することができる。あるいは、同様にして、第３の実施例における電極２３、５４により１つの液晶を挟んだ構成とすることも可能である。
これらの場合においても、焦点距離を広範囲に変更することが可能である等、上記した実施例と同様な種々の効果を有する。
［第５の実施例］
図１４は、本発明の第５の実施例である液晶レンズ２０の断面図である。液晶パネル８１は、レンズ形状を有するように封入された液晶８２、及びセグメント型の透明電極８３、８４から構成されている。セグメント電極８３は、第１の実施例における液晶パネル２１の電極２３と同様な構成を有している。電極８４は凹面形状を有する液晶面の全面に形成されている。かかる構成によっても、上記した実施例の場合と同様にして電極８３、８４への印加電圧を制御することにより焦点距離を広範囲に変更することが可能である。
【００３４】
以上、詳細に説明したように、上記液晶レンズは、波面がブレーズホログラム形状となる位相変化を光ビームに与えるホログラム液晶パネルと、当該ブレーズホログラム形状に対応して分割された電極への電圧印加により光ビームに位相変化を与えるセグメント液晶パネルと、を有する。ホログラム液晶パネル及びセグメント液晶パネルを透過した後の光ビームの合成波面が連続であるように液晶パネルへの印加電圧を制御することによって焦点距離を広範囲に変更することが可能となる。また、薄い液晶パネルによって焦点距離を広範囲に変更できるので、所望の焦点距離になるまでの応答時間が短い高性能なレンズが得られる。さらに、製造が容易であり、コンパクトかつ軽量である等の種々の利点を有する。
【００３５】
なお、上記液晶レンズは、種々の光学系に広範に適用することができる。例えば、単一のレンズとして、あるいはビームエキスパンダ等としても用いることができる。あるいは、種々の光学系における収差補正光学素子としても用いることができる。例えば、光記録媒体等の記録再生装置における光ピックアップにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である液晶レンズの平面図及び断面図である。
【図２】電圧印加時におけるホログラム液晶パネル（ＬＣ２）の透過光の位相Ｑを模式的に示す図である。
【図３】電圧印加時におけるセグメント液晶パネル（ＬＣ１）の透過光の位相Ｐを模式的に示す図である。
【図４】ホログラム液晶パネル（ＬＣ２）及びセグメント液晶パネル（ＬＣ１）を透過する光の位相変化Ｐ＋Ｑを模式的に示す図である。
【図５】液晶レンズの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図６】最大位相差λmaxを超えて焦点距離を変化させる場合の液晶レンズの駆動制御方法を示す図である。
【図７】最大位相差λmaxを超えて焦点距離を変化させる場合の液晶レンズの駆動制御方法を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例である液晶レンズの断面図及び第２の液晶パネルＬＣ２の電極構造を示す平面図である。
【図９】液晶パネル（ＬＣ２）の各領域の最内周及び最外周のセグメント電極に電圧を印加した場合に得られる階段状の電圧分布を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施例である液晶レンズの断面図及び第２の液晶パネルＬＣ２の電極構造を示す平面図である。
【図１１】図１０のＡ部の部分拡大図であり、分割電極及び引き出し電極の構造を示す図である。
【図１２】第３の実施例において、引き出し電極に電圧を印加した場合に液晶によって生じる位相を３次元的かつ模式的に示した図である。
【図１３】本発明の第４の実施例である液晶レンズの断面図である。
【図１４】本発明の第５の実施例である液晶レンズの断面図である。
【主要部分の符号の説明】
２０ 液晶レンズ
２１ 液晶パネル（ＬＣ１）
２２，３２，５２，７２，８２ 液晶
２３，２４，３３，３４，５３，５４ 透明電極
３１，５１ 液晶パネル（ＬＣ２）
４０ 駆動装置
４１ 液晶ドライバ
４２ コントローラ
６１，６２ 引き出し電極
７１，８１ 液晶パネル
Claims (8)
- 液晶レンズであって、
自身を透過する光ビームにその波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状の位相変化を与えるブレーズホログラム形状に封入されたホログラム液晶と、電圧印加により透過する光ビームに与える位相変化の大きさを変更せしめる電極と、を有するホログラム液晶パネルと、
前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を有することを特徴とする液晶レンズ。 - 液晶レンズであって、
分割電極と、前記分割電極に対向する対向電極と、前記分割電極及び前記対向電極の間に設けられ、前記分割電極及び前記対向電極への電圧印加によりブレーズホログラムの効果を生じる平板形状に封入された液晶と、を有し、光ビームの波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状となる位相変化を、自身を透過する光ビームに与えるホログラム液晶パネルと、
前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相段差を解消してその波面が連続となるような位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を有することを特徴とする液晶レンズ。 - 前記第１電極は、複数の透明電極からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶レンズ。
- 前記分割電極は、複数の透明電極と、前記複数の透明電極よりも高導電率材料からなり、前記透明電極のエッジ部に形成された低抵抗電極と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の液晶レンズ。
- 電圧印加により透過する光ビームに波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状の位相変化を与えるホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を有する液晶レンズの駆動方法であって、
前記ホログラム液晶パネルを透過した光ビームの位相段差と前記セグメント液晶パネルを透過した光ビームの位相段差とが等しくなるように且つ前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルを透過した後の光ビームの合成波面が連続であるように前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルへの印加電圧を調整する印加電圧調整ステップを有することを特徴とする液晶レンズの駆動方法。 - 前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルを透過する光ビームに与える位相差が所定値以上であるか否かを判別するステップと、
前記判別するステップにおいて当該位相差が所定値以上であると判別された場合に、前記第１電極の分割電極への印加電圧を調整し、当該分割電極による位相変化量を前記光ビームの波長の整数倍に対応する位相量を減じた値に変更せしめるステップと、を更に有することを特徴とする請求項５に記載の駆動方法。 - 電圧印加により透過する光ビームに波面が不連続となる位相段差部を有するブレーズホログラム形状の位相変化を与えるホログラム液晶パネルと、前記ブレーズホログラム形状の位相段差部に対応して分割された第１電極、前記第１電極に対向する第２電極、及び前記第１及び第２電極への電圧印加により透過する光ビームに位相変化を与える液晶を含み、前記ホログラム液晶パネルに対して共軸状に配されたセグメント液晶パネルと、を備えた液晶レンズの駆動装置であって、
前記ホログラム液晶パネルを透過した光ビームの位相段差と前記セグメント液晶パネルを透過した光ビームの位相段差とが等しくなるように且つ前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルを透過した後の光ビームの合成波面が連続であるように前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルへの印加電圧を制御するコントローラを有することを特徴とする駆動装置。 - 前記ホログラム液晶パネル及び前記セグメント液晶パネルを透過する光ビームに与える位相差が所定値以上であるか否かを判別する判別器を有し、
前記コントローラは、前記判別器において当該位相差が所定値以上であると判別された場合に、前記第１電極の分割電極への印加電圧を調整し、当該分割電極による位相変化量を前記光ビームの波長の整数倍に対応する位相量を減じた値に変更せしめることを特徴とする請求項７に記載の駆動装置。
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