JP4863403B2 - Liquid crystal optical device - Google Patents

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本発明は、簡単な構造を有し、低電圧により焦点距離を変えることが可能な大形且つ薄型のレンズを再現性良く実現し得る液晶光学デバイスに関する。   The present invention relates to a liquid crystal optical device having a simple structure and capable of realizing a large and thin lens capable of changing a focal length with a low voltage with good reproducibility.

液体のような流動性を持ち、電気光学的特性に異方性を示す液晶は、電圧印加により実効的な屈折率を概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特徴を持っており、この特徴を利用することで、焦点可変レンズが提案されている(後で示す特許文献1)。この焦点可変レンズは、透明電極付きのガラス基板が湾曲し、液晶層自身がレンズ形となる構造であり、電極間に電圧を印加することで液晶分子の配向制御を行い、実効的な屈折率を変化させるレンズである。   Liquid crystals that have liquid-like fluidity and anisotropy in electro-optical characteristics have the feature that the effective refractive index can be continuously varied from a value for almost extraordinary light to a value for ordinary light by applying a voltage. By using this feature, a variable focus lens has been proposed (Patent Document 1 shown later). This variable focus lens has a structure in which a glass substrate with a transparent electrode is curved and the liquid crystal layer itself is shaped like a lens. By applying a voltage between the electrodes, the orientation of the liquid crystal molecules is controlled, and the effective refractive index. It is a lens that changes

次に、ネマティック液晶セルにおいて、電界の方向に液晶分子が配向する性質を利用したものがある。これは、円形の孔形パターンを有する電極を用いて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果を利用することで、空間的な放物面状の屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法として報告されている(特許文献2、特許文献3)。   Next, there is a nematic liquid crystal cell that utilizes the property that liquid crystal molecules are aligned in the direction of an electric field. This is because a liquid crystal lens having a spatial parabolic refractive index distribution characteristic is obtained by using an electrode having a circular hole pattern and utilizing a liquid crystal molecular alignment effect due to an axially symmetric non-uniform electric field. It has been reported as a method to obtain (Patent Document 2, Patent Document 3).

また、特許文献4では、液晶中に網目状の高分子ネットワークを作ることで、特性の改善がなされている。このような液晶を用いたレンズでは、多数の微小なマイクロレンズと呼ばれるレンズを平板状に2次元的に配列したマイクロレンズアレイとすることが比較的容易にできる。   In Patent Document 4, characteristics are improved by forming a network polymer network in the liquid crystal. In a lens using such a liquid crystal, it is relatively easy to form a microlens array in which a large number of microlenses called a microlens are two-dimensionally arranged in a flat plate shape.

特許文献2、3で提案されている液晶マイクロレンズ構造で、液晶層の厚みを一定とした状態で電極の開口部分の直径を大きくしてレンズの開口径を大きくすると、軸対称の不均一電界が開口部の中心付近まで生じないために、レンズ特性が得られないという問題があった。この有効開口径を大きくする方法として、電極の開口部に透明な高抵抗の膜を付けて、高抵抗膜面の電位分布を利用して中心部まで電界が生じるようにした構造の液晶レンズが提案されている(特許文献5、非特許文献1)。   In the liquid crystal microlens structure proposed in Patent Documents 2 and 3, when the diameter of the electrode opening is increased and the lens opening diameter is increased in a state where the thickness of the liquid crystal layer is constant, the axially symmetric non-uniform electric field is obtained. Is not generated up to the vicinity of the center of the opening, and there is a problem that lens characteristics cannot be obtained. As a method of increasing the effective aperture diameter, there is a liquid crystal lens having a structure in which a transparent high resistance film is attached to the opening of the electrode and an electric field is generated up to the center using the potential distribution on the surface of the high resistance film. It has been proposed (Patent Document 5, Non-Patent Document 1).

また特許文献2、3及び4で提案されている液晶マイクロレンズに類似した構造で、開口部を有する電極を液晶層に接触させずに、液晶層からある一定の距離を置くように配置することで、電極の開口部分の直径を大きくしても、軸対称の不均一電界が開口部の中心付近まで生じるようにすることが可能となる。この原理に基づき、液晶層と円形の孔形パターン電極との間に絶縁層を挿入することで、液晶層から前記円形の孔形電極との距離を保持する方法が提案されており(特許文献6、非特許文献2、3)、液晶マイクロレンズにおいて最良の特性が得られる円形孔形パターンの直径と液晶層の厚みの比が2対1から3対1程度とする必要があるという条件が緩和され、直径が大きな液晶レンズを構成できることが示されている。   In addition, a structure similar to the liquid crystal microlens proposed in Patent Documents 2, 3, and 4 is arranged such that an electrode having an opening is placed at a certain distance from the liquid crystal layer without contacting the liquid crystal layer. Thus, even if the diameter of the opening of the electrode is increased, an axially symmetric non-uniform electric field can be generated up to the vicinity of the center of the opening. Based on this principle, a method has been proposed in which an insulating layer is inserted between a liquid crystal layer and a circular hole pattern electrode to maintain the distance from the liquid crystal layer to the circular hole electrode (Patent Document). 6, Non-Patent Documents 2 and 3), there is a condition that the ratio of the diameter of the circular hole pattern and the thickness of the liquid crystal layer for obtaining the best characteristics in the liquid crystal microlens needs to be about 2: 1 to 3: 1. It has been shown that liquid crystal lenses that are relaxed and have a large diameter can be constructed.

一方、液晶層と円形の孔形パターン電極との間に絶縁層を挿入した液晶レンズにおいて、円形孔形パターン電極の外部に透明な第3の電極を配置して2電圧で駆動することで良好な特性を維持した状態で凹レンズ特性から凸レンズ特性まで広範囲に焦点距離を可変できる液晶レンズが報告されている(特許文献7)。   On the other hand, in a liquid crystal lens in which an insulating layer is inserted between a liquid crystal layer and a circular hole pattern electrode, a transparent third electrode is disposed outside the circular hole pattern electrode and driven by two voltages. There has been reported a liquid crystal lens in which the focal length can be varied over a wide range from a concave lens characteristic to a convex lens characteristic while maintaining such characteristics (Patent Document 7).

これらの液晶を用いた光学デバイスは、通常の受動型の光学デバイスとは異なり、電極間に電圧を印加して媒質である液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、特性や光学系の収差を調節できるレンズが実現される。   Unlike ordinary passive optical devices, these liquid crystal optical devices apply a voltage across the electrodes to variably control the effective refractive index of the liquid crystal, which is a medium. A lens capable of adjusting the aberration is realized.

上記した、円形孔形パターン電極により生じる軸対称の不均一電界により液晶分子の空間配向分布特性を利用した液晶マイクロレンズでは、開口部の直径をミリメートル程度よりも大きいレンズを得ることができないという構造上の問題があった。特許文献5で提案されているように、開口部に液晶層に配向膜を介して接するように高抵抗膜を設けるという方法では、液晶分子の配向分布に基づく放物面状の屈折率分布が得られるように電位分布を最適な状態に設定することが極めて困難であり、良好なレンズ特性を得ることが困難であるという問題があった。   The above-described liquid crystal microlens utilizing the spatial alignment distribution characteristics of the liquid crystal molecules due to the axisymmetric non-uniform electric field generated by the circular hole pattern electrode cannot obtain a lens having a diameter of the opening larger than about millimeters. There was a problem above. As proposed in Patent Document 5, in the method of providing a high resistance film so as to be in contact with the liquid crystal layer through the alignment film in the opening, a parabolic refractive index distribution based on the alignment distribution of liquid crystal molecules is obtained. As a result, it is extremely difficult to set the potential distribution to an optimum state, and it is difficult to obtain good lens characteristics.

さらに、特許文献6及び7で提案されている液晶層と円形孔形パターン電極の間に距離を設定するために絶縁層を設けた構造では、液晶層と電極との間に配置した絶縁層のために駆動電圧が高くなるという問題があり、特に開口部が大きいレンズを得るためには絶縁層の厚みがさらに厚くなって高電圧が必要とされるため口径が大きいレンズを得ることが困難であるという問題があり、絶縁層の厚みのために液晶レンズ全体の厚みを薄くすることができないという問題があった。   Furthermore, in the structure in which an insulating layer is provided in order to set the distance between the liquid crystal layer and the circular hole pattern electrode proposed in Patent Documents 6 and 7, the insulating layer disposed between the liquid crystal layer and the electrode For this reason, there is a problem that the driving voltage becomes high, and in particular, in order to obtain a lens having a large aperture, it is difficult to obtain a lens having a large aperture because the thickness of the insulating layer is further increased and a high voltage is required. There is a problem that the thickness of the entire liquid crystal lens cannot be reduced due to the thickness of the insulating layer.

この問題を解決するために、透明絶縁層の中に透明高抵抗層として高抵抗の液体層を設けて電位分布を中継することで透明高抵抗層の実効的な厚みを薄くして、その結果として駆動電圧を低下する方法が非特許文献4に報告されている。   In order to solve this problem, the effective thickness of the transparent high resistance layer is reduced by providing a high resistance liquid layer as a transparent high resistance layer in the transparent insulating layer and relaying the potential distribution. A method for reducing the driving voltage is reported in Non-Patent Document 4.

しかし、透明絶縁層の中に透明高抵抗層を挿入した場合には、円形孔形パターン電極と透明高抵抗層とが絶縁層を介して誘電的に結合することで透明高抵抗層の電位が決まるため、周辺部の影響を受けやすく、再現性や動作が不安定となることが多いという問題があった。さらに不均一電界による分子配向効果が液晶層の一部に限定されるため、液晶層における実効的な屈折率の可変範囲すなわち焦点の可変範囲を広くできないという問題があった。   However, when a transparent high resistance layer is inserted into the transparent insulating layer, the circular hole pattern electrode and the transparent high resistance layer are dielectrically coupled via the insulating layer, so that the potential of the transparent high resistance layer is increased. Therefore, there is a problem that the reproducibility and operation are often unstable due to the influence of the peripheral part. Furthermore, since the molecular alignment effect due to the non-uniform electric field is limited to a part of the liquid crystal layer, there is a problem that the effective variable range of the refractive index in the liquid crystal layer, that is, the variable range of the focus cannot be widened.

特開昭54−151854号公報JP 54-151854 A 特開平11−109303号公報JP-A-11-109303 特開平11−109304号公報JP-A-11-109304 特開平10−239676号公報JP-A-10-239676 特開2003−29001号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-29001 特開2004−4616号公報JP 2004-4616 A 特開2005−115266号公報JP 2005-115266 A F. Naumov, M. Yu. Loktev, I. R. Guralnik, and G. Vdovin, Liquid crystal adaptive lenses with modal control, Opt. Lett., Vol. 23, pp 992-994, (1998)F. Naumov, M. Yu. Loktev, I. R. Guralnik, and G. Vdovin, Liquid crystal adaptive lenses with modal control, Opt. Lett., Vol. 23, pp 992-994, (1998) 葉茂、佐藤進(M.Ye and S.Sato),「任意寸法の液晶レンズの光学的特性(Optical properties of liquid crystal lens of any size)」第49回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、2002年3月、28p-X-10, P.1277Proceedings of the 49th Applied Physics-related Joint Lecture Meeting, “M.Ye and S. Sato”, “Optical properties of liquid crystal lens of any size” , March 2002, 28p-X-10, P.M. 1277 葉茂、佐藤進(M.Ye and S.Sato),「任意寸法の液晶レンズの光学的特性(Optical properties of liquid crystal lens of any size)」,Japanese Journal of Applied Physics, 2002年5月、Vol. 41, No.5, P.L571-L573M. Ye and S. Sato, “Optical properties of liquid crystal lens of any size”, Japanese Journal of Applied Physics, May 2002, Vol. 41, No.5, P.L571-L573 葉茂, 王濱, 佐藤進:液晶レンズの低電圧駆動法の研究,2007年日本液晶学会討論会講演予稿集、2007年9月、2pC01Hashige, Wang Xun, Susumu Sato: Research on low-voltage driving method of liquid crystal lens, 2007 Proceedings of the Japanese Liquid Crystal Society Annual Meeting, September 2007, 2pC01

そこでこの発明の目的は、上記問題を解決し、低電圧で安定に駆動でき、良好な光学的特性を保持した状態で口径が大きな液晶光学デバイスを提供することにある。またこの発明は、液晶層を効率よく利用し、大形のレンズでありながら再現性がよく低電圧で焦点距離を大きく変えることが可能な液晶光学デバイスを提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a liquid crystal optical device that solves the above problems, can be stably driven at a low voltage, and has a large aperture while maintaining good optical characteristics. It is another object of the present invention to provide a liquid crystal optical device that uses a liquid crystal layer efficiently and is a large lens, has good reproducibility and can greatly change the focal length at a low voltage.

この発明は、上記の課題を解決するために、その基本として、透明な第1の電極を有する第1の基板、孔を有する第2の電極、及び前記第1の基板と前記第2の電極との間に、前記第1の電極と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第2の電極と前記液晶層との間に、配向膜部分とは異なり、前記第2の電極と前記液晶層との間の距離を設定する透明絶縁層とを配置し、前記第2の電極に対して絶縁層を介して第3の電極を配置し、前記第1と前記第2の電極との間に第1の電圧を加えられ、前記第3の電極に前記第1の電圧とは独立した第2の電圧を加えられるように構成して液晶分子の配向制御を行なうことができ、前記透明絶縁層の中に透明な高抵抗層を配置した液晶光学デバイスであり、
前記第2の電極が有する孔と同一の中心に位置し前記第2の電極の孔と等しいか又はより大きい寸法の孔を有する導電層を、前記透明な高抵抗層に一体にし、かつこの一体となった層を前記液晶層及び前記第2、第3の電極に対して間隔をおいて配置し、
前記第1の電圧又は前記第2の電圧値のいずれか一方を固定する手段と、
前記第1の電圧又は前記第2の電圧値のいずれか一方を固定し、他方を調整してレンズパワーをほぼ最大とした第1段階の光学特性を得るとともに、第2段階の光学特性として、前記第1の電圧に対して前記第2の電圧を可変することで凸レンズとして動作させる、又は前記第2の電圧に対して第1の電圧を可変することで凹レンズとして動作させる手段とを有し、
前記透明な高抵抗層には、電圧を印加することなく、光学的特性を可変制御することができる。
In order to solve the above-described problems, the present invention basically includes a first substrate having a transparent first electrode, a second electrode having a hole, and the first substrate and the second electrode. Between the second electrode and the liquid crystal layer, and a liquid crystal layer that is accommodated so as to face the first electrode and that aligns liquid crystal molecules in one direction. Unlike the above, a transparent insulating layer that sets a distance between the second electrode and the liquid crystal layer is disposed, and a third electrode is disposed with respect to the second electrode through an insulating layer, A first voltage is applied between the first electrode and the second electrode, and a second voltage independent of the first voltage is applied to the third electrode. A liquid crystal optical device that can perform orientation control and has a transparent high-resistance layer disposed in the transparent insulating layer,
A conductive layer located in the same center as the hole of the second electrode and having a hole having a size equal to or larger than the hole of the second electrode is integrated with the transparent high resistance layer. The layer is arranged with a space from the liquid crystal layer and the second and third electrodes,
Means for fixing either the first voltage or the second voltage value;
While fixing either one of the first voltage or the second voltage value and adjusting the other to obtain the first stage optical characteristics that maximize the lens power, as the second stage optical characteristics, Means for operating as a convex lens by varying the second voltage with respect to the first voltage, or operating as a concave lens by varying the first voltage with respect to the second voltage. ,
Optical characteristics can be variably controlled without applying a voltage to the transparent high resistance layer.

さらに、前記透明な高抵抗層に配置した導電層又は液晶層に面し前記第2の電極が有する孔と同一の中心に位置し前記第2の電極の孔より大きい寸法の孔を有する第4の電極に外部から第3の電圧を加え、前記第3の電圧を可変することで光学的特性を可変制御することができることを特徴とする。   Furthermore, the fourth electrode has a hole that faces the conductive layer or the liquid crystal layer disposed in the transparent high resistance layer, is located at the same center as the hole of the second electrode, and has a size larger than the hole of the second electrode. An optical characteristic can be variably controlled by applying a third voltage from the outside to the electrode and changing the third voltage.

上記の手段により、まず簡単な構造であって、低電圧により安定に再現性良く駆動することができる大形で且つ薄型のレンズを実現し得る。また、大形のレンズでありながら低電圧で焦点距離を変えることができる。そして従来の如くレンズを機械的に前後移動させるような動作を伴うことなく、低電圧により焦点距離を電気的制御により大幅に可変することができる。   By the above means, it is possible to realize a large and thin lens having a simple structure and capable of being stably driven with a low voltage with good reproducibility. In addition, the focal length can be changed with a low voltage even though it is a large lens. The focal length can be greatly varied by electrical control with a low voltage without the conventional mechanical movement of the lens.

以下この発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図1において、その基本構成を述べる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In FIG. 1, the basic configuration will be described.

図1(A)はこの発明の一実施の形態によるデバイスの基本構成を示している。図1(B)は、図1(A)の孔22−1を有する第2の電極22及び前記孔22−1内に間隔を置いて配置された第3の電極23を平面的に見た図である。第3の電極23はスリット50により第2の電極22から電気的に絶縁されており、外部から電圧を加えられるように電極取り出し部23−1が付けられている。また、前記第2の電極22が有する孔22−1と同一の中心に位置し前記第2の電極22の孔22−1より大きい寸法の孔115−1を有する導電層115と、その孔115−1を破線で示している。第1の基板111は、透明な第1の電極21を有する。一方22は、先に述べた孔22−1を有する第2の電極である。第1の基板111と前記第2の電極22との間には、第1の電極21と対向するように収容され、液晶分子を一方向に配向させる液晶層31が存在する。   FIG. 1A shows a basic configuration of a device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a plan view of the second electrode 22 having the hole 22-1 shown in FIG. 1A and the third electrode 23 arranged in the hole 22-1. FIG. The third electrode 23 is electrically insulated from the second electrode 22 by the slit 50, and an electrode extraction portion 23-1 is attached so that a voltage can be applied from the outside. In addition, the conductive layer 115 having the hole 115-1 positioned at the same center as the hole 22-1 of the second electrode 22 and having a size larger than the hole 22-1 of the second electrode 22, and the hole 115 thereof. -1 is indicated by a broken line. The first substrate 111 has a transparent first electrode 21. On the other hand, 22 is the second electrode having the hole 22-1 described above. Between the first substrate 111 and the second electrode 22, there is a liquid crystal layer 31 that is accommodated so as to face the first electrode 21 and aligns liquid crystal molecules in one direction.

ここで、第2の電極22と液晶層31との間に、配向膜部分とは異なり、第2の電極22と液晶層31との間の距離を設定する透明絶縁層112が配置されている。そして、前記第1と前記第2の電極21、22との間に電圧V1を加えて液晶分子の配向制御を行なうことができる。したがつて、電圧V1のオンオフによりレンズ機能のオンオフを得ることができる。   Here, unlike the alignment film portion, the transparent insulating layer 112 that sets the distance between the second electrode 22 and the liquid crystal layer 31 is disposed between the second electrode 22 and the liquid crystal layer 31. . Then, the voltage V1 can be applied between the first and second electrodes 21 and 22 to control the alignment of liquid crystal molecules. Therefore, the lens function can be turned on / off by turning on / off the voltage V1.

特にこのデバイスでは、透明絶縁層112の中に透明な高抵抗層114を配置している。このため孔22−1を有する第2の電極22(円形パターン電極)と液晶層31との間に高抵抗層114を仲介して誘電結合が生じ、このような透明高抵抗層を有しない液晶レンズに比べて、この発明のデバイスでは動作電圧を10ボルト程度の低電圧まで低下することが可能となる。   In particular, in this device, a transparent high resistance layer 114 is disposed in the transparent insulating layer 112. For this reason, dielectric coupling occurs between the second electrode 22 (circular pattern electrode) having the hole 22-1 and the liquid crystal layer 31 through the high resistance layer 114, and the liquid crystal without such a transparent high resistance layer. Compared with the lens, the device of the present invention can reduce the operating voltage to a low voltage of about 10 volts.

上記した構成はレンズの口径を大形化する基本的な思想である。次に、上記のレンズ機能に加えて、焦点距離可変機能を有するデバイスについて説明する。   The above-described configuration is a basic idea for increasing the diameter of the lens. Next, a device having a focal length variable function in addition to the above lens function will be described.

すなわち、図1に示すように、このデバイスは、透明な第1の電極21を有する第1の基板111、孔22−1を有する第2の電極22、及び前記第1の電極21と前記第2の電極22との間に、前記第1の電極21と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層31を備える。そして、前記第2の電極22と前記液晶層31との間に、配向膜部分とは異なり、前記第2の電極22と前記液晶層31との間の距離を設定する透明絶縁層112とが配置される。   That is, as shown in FIG. 1, the device includes a first substrate 111 having a transparent first electrode 21, a second electrode 22 having a hole 22-1, and the first electrode 21 and the first electrode 21. Between the two electrodes 22, there is provided a liquid crystal layer 31 accommodated so as to face the first electrode 21 and aligns liquid crystal molecules in one direction. And, unlike the alignment film portion, between the second electrode 22 and the liquid crystal layer 31, there is a transparent insulating layer 112 that sets the distance between the second electrode 22 and the liquid crystal layer 31. Be placed.

ここで第1と第2の電極21、22の間に電圧V1を加えて液晶分子の配向制御を行なうことができ、前記第2の電極22に対して電気的に絶縁された透明な第3の電極23が配置され、この第3の電極23に第1の電圧V1とは独立した第2の電圧V2を加えられるように構成される。そして、第1の電圧V1に基づく第1段階の光学特性、前記第2の電圧V2に基づく第2段階の光学的特性を得られる液晶光学デバイスが構成される。   Here, the voltage V1 can be applied between the first and second electrodes 21 and 22 to control the alignment of the liquid crystal molecules, and the transparent third electrically insulated from the second electrode 22 can be controlled. The third electrode 23 is arranged, and a second voltage V2 independent of the first voltage V1 can be applied to the third electrode 23. A liquid crystal optical device is obtained that can obtain the first stage optical characteristics based on the first voltage V1 and the second stage optical characteristics based on the second voltage V2.

この液晶光学デバイスによると、凸レンズ、凹レンズとしての機能を得られ、さらに、前記透明絶縁層112の中に透明な高抵抗層114を配置し、大形のレンズを得られるようにしている。   According to this liquid crystal optical device, functions as a convex lens and a concave lens can be obtained, and a transparent high resistance layer 114 is disposed in the transparent insulating layer 112 to obtain a large lens.

図1において、111は第1の基板(厚みが300μmの透明ガラス)であり、内面側に、第1の電極21としてインジウム・錫系の酸化物透明導電材料 (ITO材)が形成されている。前記第2の電極22及びこの第2の電極22に対して電気的に絶縁された透明な第3の電極23はいずれもITO材から形成され、第2の電極22が有する孔22−1の直径は6mmとした。   In FIG. 1, reference numeral 111 denotes a first substrate (transparent glass having a thickness of 300 μm), and an indium / tin oxide transparent conductive material (ITO material) is formed as the first electrode 21 on the inner surface side. . The second electrode 22 and the transparent third electrode 23 that is electrically insulated from the second electrode 22 are both made of an ITO material, and the second electrode 22 has a hole 22-1. The diameter was 6 mm.

ここで、第1の電極21と第2の電極間22間には、第1の電極21と対向するように収容され、液晶分子を一方向に配向させる液晶層31(例えば厚み75μm)が封入されている。液晶材料としてはネマティック液晶E44 (メルク社製)を使用した。なお図示していないが75μmの厚みの液晶層31を得るためのスペーサが存在する。   Here, a liquid crystal layer 31 (for example, 75 μm thick) that is accommodated between the first electrode 21 and the second electrode 22 so as to face the first electrode 21 and aligns liquid crystal molecules in one direction is enclosed. Has been. As the liquid crystal material, nematic liquid crystal E44 (manufactured by Merck) was used. Although not shown, there is a spacer for obtaining the liquid crystal layer 31 having a thickness of 75 μm.

さらに、第2の電極22と液晶層31との間に配置される透明絶縁層112は、具体的には、透明なガラス板113(例えば300μmの厚み)、 116(例えば300μmの厚み)と、このガラス板113、116により挟まれた透明な高抵抗層114(例えば1μmの厚み)と孔115−1を有する導電層115(例えばアルミニウム0.2μmの厚み)で構成されている。この部分の構成は、この液晶デバイスの特徴的な構成である。また、それぞれのガラス板の厚みを変えることで、電圧V1やV2の最適な電圧値が異なってくる。   Further, the transparent insulating layer 112 disposed between the second electrode 22 and the liquid crystal layer 31 specifically includes a transparent glass plate 113 (for example, a thickness of 300 μm), 116 (for example, a thickness of 300 μm), The transparent high resistance layer 114 (for example, thickness of 1 μm) sandwiched between the glass plates 113 and 116 and a conductive layer 115 (for example, thickness of aluminum of 0.2 μm) having a hole 115-1. The configuration of this part is a characteristic configuration of the liquid crystal device. Moreover, the optimal voltage value of voltage V1 or V2 changes by changing the thickness of each glass plate.

この透明絶縁層112は、新しい構成であるため導電層115を有しない場合においても使用されるが、その呼び名としてこの名称に限定されるものではなく、透明高抵抗層を有した透明絶縁体、あるいは電界中継層を有した透明絶縁体、あるいは誘電結合機能を有する透明絶縁体、などの呼び名が可能である。導電層を有する場合においても、便宜上この名称を使用している。   Although this transparent insulating layer 112 is used even when it does not have the conductive layer 115 because it is a new configuration, it is not limited to this name as its name, a transparent insulator having a transparent high resistance layer, Or names such as a transparent insulator having an electric field relay layer or a transparent insulator having a dielectric coupling function are possible. Even in the case of having a conductive layer, this name is used for convenience.

透明高抵抗層114としては厚みが約1μmの樹脂系の導電膜を使用した。本実施例で使用した樹脂系の導電膜の面積抵抗は50MΩ/m〜200MΩ/m程度であった。他の無機系薄膜、たとえば抵抗値を最適な値に設定したシリコンを添加したITOや酸化亜鉛、酸化チタン、硫化亜鉛、又はこれらの材料の混合系などの透明な薄膜を使うこともできる。抵抗層114に無機系の薄膜を使用すると構造がより簡単になり、安定で寿命も長くなるという利点がある。 As the transparent high resistance layer 114, a resin-based conductive film having a thickness of about 1 μm was used. Sheet resistance of the conductive film of the resin system used in this example was 50MΩ / m 2 ~200MΩ / m 2 approximately. Other inorganic thin films, for example, transparent thin films such as ITO, zinc oxide, titanium oxide, zinc sulfide, or a mixed system of these materials to which silicon having a resistance value set to an optimum value can be used. When an inorganic thin film is used for the resistance layer 114, there is an advantage that the structure becomes simpler, stable and has a longer life.

なお、液晶層を挟む基板の面には、配向膜としてポリイミドがコーティングされている。また一方向にラビング処理されている。   Note that the surface of the substrate sandwiching the liquid crystal layer is coated with polyimide as an alignment film. Moreover, it is rubbed in one direction.

導電層115としては真空蒸着により作製したアルミニウム薄膜を用いた。前記導電層115には第2の電極22が有する孔22−1と同一の中心に中心が位置し前記第2の電極22の孔22−1より大きい寸法の孔115−1(たとえば直径が9mm)が形成されている。   As the conductive layer 115, an aluminum thin film manufactured by vacuum deposition was used. The conductive layer 115 is centered on the same center as the hole 22-1 of the second electrode 22, and has a hole 115-1 having a size larger than the hole 22-1 of the second electrode 22 (for example, a diameter of 9 mm). ) Is formed.

ここで上記の液晶光学デバイスを液晶レンズとして機能させる場合を説明する。まず第1の電極21と第2の電極22との間に第1の電圧V1を加える。第1の電圧V1を加える場合、第2電圧V2は、当初は0ボルトとしておいて、第1の電圧V1を最適な値に設定する。   Here, a case where the above-described liquid crystal optical device functions as a liquid crystal lens will be described. First, the first voltage V <b> 1 is applied between the first electrode 21 and the second electrode 22. When the first voltage V1 is applied, the second voltage V2 is initially set to 0 volts, and the first voltage V1 is set to an optimum value.

この電圧V1は、第1の電圧供給部から供給される。ここで凸レンズとして最良、あるいはレンズパワーがほぼ最大となる光学特性(この時の特性を、第1段譜の光学特性と称することにする)が得られる電圧値が設定される。次に、第1の電圧V1とは、独立して、第1の電極21と第3の電極23間に第2の電圧V2が加えられる。この第2の電圧V2は、第2の電圧供給部から供給される。この第2の電圧V2を可変することにより、レンズの光学的特性(第2段階の光学特性と称する)を制御することができる。なお電圧V1とV2は周波数及び位相が等しく設定されている。   The voltage V1 is supplied from the first voltage supply unit. Here, a voltage value is set so as to obtain an optical characteristic that is the best as a convex lens or has a maximum lens power (this characteristic will be referred to as an optical characteristic of the first stage). Next, the second voltage V2 is applied between the first electrode 21 and the third electrode 23 independently of the first voltage V1. The second voltage V2 is supplied from the second voltage supply unit. By varying the second voltage V2, the optical characteristic of the lens (referred to as the second stage optical characteristic) can be controlled. The voltages V1 and V2 are set to have the same frequency and phase.

上記の説明では液晶レンズが凸レンズとして機能する場合の例を説明した。しかしこの発明では、液晶レンズを凹レンズとして簡単に機能させることが可能である。この場合は、第1の電極21と第3の電極23との間に第3の電圧供給部から一定の交流電圧V2’を与える。そして、第1の電極21と第2の電極22との間に、第4の電圧供給部から電圧V1'を与える。ここで電圧V1'は、可変制御することができる。その他の構成は、上述した実施の形態と同じである。   In the above description, an example in which the liquid crystal lens functions as a convex lens has been described. However, in the present invention, the liquid crystal lens can be easily functioned as a concave lens. In this case, a constant AC voltage V <b> 2 ′ is applied between the first electrode 21 and the third electrode 23 from the third voltage supply unit. A voltage V1 ′ is applied between the first electrode 21 and the second electrode 22 from the fourth voltage supply unit. Here, the voltage V1 ′ can be variably controlled. Other configurations are the same as those of the above-described embodiment.

さらにこのデバイスは、スイッチを有してもよい。そして、スイッチにより第1及び第2の電圧供給部を選択した第1の状態と、第3及び第4の電圧供給部を選択した第2の状態とに切り替えることが可能とされている。第1の状態では、液晶レンズが凸レンズとして機能し、第2の状態では液晶レンズが凹レンズとして機能する。   The device may further include a switch. Then, it is possible to switch between a first state in which the first and second voltage supply units are selected by a switch and a second state in which the third and fourth voltage supply units are selected. In the first state, the liquid crystal lens functions as a convex lens, and in the second state, the liquid crystal lens functions as a concave lens.

本発明によると、第2段階の光学特性は、非常に焦点距離が近い状態から無限に近い(あるいは無限)の状態まで、つまり焦点距離をメートルの単位で表した場合の逆数で与えられるレンズのパワー(単位はジオプトリ:1/m)が可変される。電圧V2'を高い値に設定し、電圧V1'の値を可変することで焦点距離が負の値すなわち凹レンズの状態となり、同様にレンズのパワーを負の値で種々可変される。このために、焦点距離の可変範囲が広くなり、実用的であり各種の周途が可能となる。   According to the present invention, the optical characteristics of the second stage are from the state where the focal length is very close to the infinite (or infinite) state, that is, the reciprocal of the lens given by the focal length expressed in meters. The power (unit is diopter: 1 / m) is variable. By setting the voltage V2 ′ to a high value and changing the value of the voltage V1 ′, the focal length becomes a negative value, that is, a concave lens state. Similarly, the power of the lens can be variously changed by a negative value. For this reason, the variable range of the focal length is widened, which is practical and allows various paths.

絶縁層112の中に挿入する高抵抗層114の面積抵抗値を57MΩ/mとして直径が6mmの液晶光学デバイスを作製した。液晶光学デバイスが凸レンズとして動作する第1の状態として、固定の電圧(例えば30kHz)V1=30Vが第1の電極21と第2の電極22の間に加えられ、第3の電極23に与えられる電圧V2が10V,15V,20V,25Vと可変されたとき、レンズパワーをジオプトリ(D)で示すと、それぞれのV2の値に対応してレンズパワーが1.6D,1.3D,0.9D,0.4Dと変化した。つまり、光の屈折率の勾配が小さくなり焦点距離が長くなるので、焦点距離の逆数であるレンズパワーが小さくなる。 A liquid crystal optical device having a diameter of 6 mm was prepared with the sheet resistance value of the high resistance layer 114 inserted into the insulating layer 112 being 57 MΩ / m 2 . As a first state in which the liquid crystal optical device operates as a convex lens, a fixed voltage (for example, 30 kHz) V1 = 30 V is applied between the first electrode 21 and the second electrode 22, and is applied to the third electrode 23. When the voltage V2 is varied to 10V, 15V, 20V, and 25V, the lens power is expressed by diopter (D), and the lens power is 1.6D, 1.3D, and 0.9D corresponding to each V2 value. , 0.4D. That is, since the gradient of the refractive index of light becomes small and the focal length becomes long, the lens power that is the reciprocal of the focal length becomes small.

液晶光学デバイスが凹レンズとして動作する第2の状態として、固定の電圧V2'=20Vが第1の電極21と第3の電極23の間に加えられ、第2の電極22に与えられる電圧V1'が10V,13V,17Vと可変されたとき、それぞれのV1’の値に対応してレンズパワーが−0.8D,−0.5D,−0.2Dと変化した。つまり、光の屈折率の勾配が小さくなるので凹レンズとしての焦点距離が長くなり、焦点距離の逆数であるレンズパワーの絶対値が小さくなった。   As a second state in which the liquid crystal optical device operates as a concave lens, a fixed voltage V2 ′ = 20V is applied between the first electrode 21 and the third electrode 23, and the voltage V1 ′ applied to the second electrode 22 is applied. Was varied to 10V, 13V, and 17V, the lens powers changed to -0.8D, -0.5D, and -0.2D corresponding to the respective values of V1 '. That is, since the gradient of the refractive index of light is reduced, the focal length as a concave lens is increased, and the absolute value of the lens power, which is the reciprocal of the focal length, is reduced.

電圧を可変することで、レンズのパワーが負から正まで可変されるが、本発明の一実施形態は、上記の構成に限定されるものではない。図1(A)、図1(B)に示した構成において、円形パターンの直径すなわち液晶光学デバイスの直径を6mmとした場合では、透明高抵抗層112を用いないときには液晶層と円形パターン電極とを隔てる絶縁層の厚みは約2mm程度必要となり、駆動電圧が100ボルト以上の高電圧となるため、特別な電源が必要とされる。   By changing the voltage, the power of the lens can be changed from negative to positive. However, one embodiment of the present invention is not limited to the above configuration. In the configuration shown in FIGS. 1A and 1B, when the diameter of the circular pattern, that is, the diameter of the liquid crystal optical device is 6 mm, the liquid crystal layer and the circular pattern electrode are formed when the transparent high resistance layer 112 is not used. A thickness of the insulating layer that separates the electrodes is required to be about 2 mm, and a driving voltage becomes a high voltage of 100 volts or more, so that a special power source is required.

しかし本発明によると、絶縁層112の中に高抵抗層114を挿入することで、円形パターン電極と液晶層31との間に高抵抗層114を仲介して誘電結合が生じるため、数ボルトから30ボルト程度の低電圧により直径が6mmの液晶レンズを駆動することが可能となる。さらに、高抵抗層114に円形の孔115−1を有する導電層115を設けているため、誘電結合が素子の形状や外部からの影響を受けずに安定した特性を得ることができた。また、再現性良く素子を作製することができた。   However, according to the present invention, since the high resistance layer 114 is inserted into the insulating layer 112, the high resistance layer 114 is mediated between the circular pattern electrode and the liquid crystal layer 31 so that dielectric coupling occurs. A liquid crystal lens having a diameter of 6 mm can be driven by a low voltage of about 30 volts. Further, since the conductive layer 115 having the circular hole 115-1 is provided in the high resistance layer 114, stable characteristics can be obtained without the dielectric coupling being affected by the shape of the element or the outside. In addition, the device could be manufactured with good reproducibility.

本実施例では、絶縁層112の厚みがそれぞれ300μm厚のガラス板113、116による2枚のガラス板の厚みの和である600μmとなっていたが、より薄いガラス板を用いることで、さらに低電圧で駆動することができる。   In this embodiment, the thickness of the insulating layer 112 is 600 μm, which is the sum of the thicknesses of the two glass plates by the glass plates 113 and 116 each having a thickness of 300 μm. However, by using a thinner glass plate, the thickness can be further reduced. It can be driven by voltage.

さらに、円形パターンすなわち光学デバイスの直径や絶縁層112の中に挿入する高抵抗層114の抵抗値、また高抵抗層114の上下に配置するガラス基板の厚みなどの値は駆動電圧とも関連するため、適宜変更設定することができる。   Furthermore, since the circular pattern, that is, the diameter of the optical device, the resistance value of the high resistance layer 114 inserted into the insulating layer 112, and the thickness of the glass substrate disposed above and below the high resistance layer 114 are also related to the driving voltage. It can be changed and set as appropriate.

図1では、液晶層を1層のみとしているが、液晶層を複数層に分割することで、実効的な厚みを減少させ、応答特性の改善を行うことや、液晶分子の配向方向が互いに直交するように配置することで、偏光成分に依存しない自然光対応の液晶光学デバイスを構成することもできる。   In FIG. 1, only one liquid crystal layer is used. However, by dividing the liquid crystal layer into a plurality of layers, the effective thickness is reduced to improve response characteristics, and the alignment directions of the liquid crystal molecules are orthogonal to each other. By arranging in such a manner, a liquid crystal optical device compatible with natural light that does not depend on the polarization component can be configured.

他の実施の形態として、導電層115を第4の電極として使用して外部から第3の電圧を加えて液晶の屈折率分布を制御することもできる。この導電層115の口径を第2の電極22の孔の直径よりも大きくすることで、実効的なレンズの口径を拡大することもできる。   As another embodiment, the conductive layer 115 can be used as the fourth electrode, and a third voltage can be applied from the outside to control the refractive index distribution of the liquid crystal. By making the diameter of the conductive layer 115 larger than the diameter of the hole of the second electrode 22, the effective diameter of the lens can be enlarged.

さらに、他の実施の形態を図2(A)び(B)に示す。図2(A)はこの実施の形態を示す基本構成であり、図2(B)は電極22と23及び液晶層側に設けた第4の電極の関係を示す平面図である。この実施の形態における電極の構成は、特許文献2,3で提案されている液晶マイクロレンズにおける電極構造及び特許文献6,7で提案されている絶縁層を介して孔を有する電極を設けた構造による各々の特長を利用して、レンズパワーを維持したままで利用可能な口径の拡大を図り、併せて薄型化及び低電圧化を行うものである。   Furthermore, another embodiment is shown in FIGS. 2A is a basic configuration showing this embodiment, and FIG. 2B is a plan view showing the relationship between the electrodes 22 and 23 and the fourth electrode provided on the liquid crystal layer side. The structure of the electrode in this embodiment is a structure in which an electrode structure in a liquid crystal microlens proposed in Patent Documents 2 and 3 and an electrode having a hole is provided through an insulating layer proposed in Patent Documents 6 and 7. By utilizing the features of the above, the diameter can be increased while maintaining the lens power, and the thickness and voltage are reduced.

この実施の形態では、図1の構成における透明高抵抗層114に配置した導電層115を液晶層31側に移動することで第4の電極115’として用いる構造としたものである。すなわち、図1に示した液晶光学デバイスの構成と同様に、第2の電極22に対して絶縁された第3の電極23が配置され、この第3の電極に前記第1の電圧V1とは独立した第2の電圧V2を加えられるように構成され、さらに液晶層31に面し前記第2の電極22が有する孔22−1と同一の中心に中心が位置し前記第2の電極22の孔22−1より大きい寸法の孔115’−1を有する第4の電極115’が配置され、この第4の電極115’に前記第1の電圧V1及び第2の電圧V2とは独立した第3の電圧V3を加えることで液晶光学デバイスの特性を制御することができる。ここで、第4の電極115’の孔115’−1の直径を第2の電極22に設けた孔22−1の直径と同じ大きさにすると、第4の電極115’による静電的な遮蔽効果が働いて液晶層31に加わる電界が弱くなるため、所定の特性を得ることができない。したがって、第4の電極115’に設ける孔115’−1の大きさを第2の電極22の孔22−1よりも大きく設定する必要がある。さらに前記第4の電極115’に設ける孔115’−1の直径は、第2の電極22の孔22−1の直径の他に絶縁層の厚みにも関連して適宜設定することができる。   In this embodiment, the conductive layer 115 disposed on the transparent high resistance layer 114 in the configuration of FIG. 1 is moved to the liquid crystal layer 31 side to be used as the fourth electrode 115 ′. That is, as in the configuration of the liquid crystal optical device shown in FIG. 1, a third electrode 23 insulated from the second electrode 22 is disposed, and the first voltage V1 is applied to the third electrode. An independent second voltage V2 can be applied, and the liquid crystal layer 31 is faced and the center is located at the same center as the hole 22-1 of the second electrode 22, and the second electrode 22 A fourth electrode 115 ′ having a hole 115′-1 having a size larger than the hole 22-1 is disposed, and the fourth electrode 115 ′ has a first electrode independent of the first voltage V1 and the second voltage V2. By applying the voltage V3 of 3, the characteristics of the liquid crystal optical device can be controlled. Here, if the diameter of the hole 115′-1 of the fourth electrode 115 ′ is the same as the diameter of the hole 22-1 provided in the second electrode 22, electrostatic discharge by the fourth electrode 115 ′. Since the electric field applied to the liquid crystal layer 31 is weakened due to the shielding effect, predetermined characteristics cannot be obtained. Therefore, it is necessary to set the size of the hole 115 ′-1 provided in the fourth electrode 115 ′ larger than the size of the hole 22-1 of the second electrode 22. Furthermore, the diameter of the hole 115 ′-1 provided in the fourth electrode 115 ′ can be appropriately set in relation to the thickness of the insulating layer in addition to the diameter of the hole 22-1 of the second electrode 22.

第2の電極22に設けた孔22−1の直径を6mmとし、第4の電極115’の孔115’−1の直径を8mmとした液晶光学デバイスを構成した。他の寸法等は図1に示した実施例の値と同じにしている。この電極構造の液晶光学デバイスにより液晶レンズとしてのパワーは同程度で有効口径を約8mmまで拡大することが可能となり、その結果として液晶層の利用効率を従来の構造(約40%)に比べて70%以上に改善することが可能となった。   A liquid crystal optical device in which the diameter of the hole 22-1 provided in the second electrode 22 was 6 mm and the diameter of the hole 115'-1 of the fourth electrode 115 'was 8 mm was configured. Other dimensions and the like are the same as those of the embodiment shown in FIG. The liquid crystal optical device with this electrode structure has the same power as a liquid crystal lens, and the effective aperture can be expanded to about 8 mm. As a result, the utilization efficiency of the liquid crystal layer is higher than that of the conventional structure (about 40%). It became possible to improve to more than 70%.

さらにまた、透明高抵抗層の抵抗値を絶縁層と同程度の値とすること、すなわち透明高抵抗層を無くした液晶光学デバイスとして動作させることもできる。この場合には高抵抗層による誘電結合効果が働かないため低電圧駆動を行うことができないが、絶縁層112を構成する2枚のガラス板113,116の厚みと導電層すなわち第4の電極に設けた孔の直径を適宜調整し、前記第4の電極に加える第3の電圧を制御することで、第2の電極に設けた孔よりも大きな大口径のレンズを構成することができ、各電極に加える電圧を調整することで複雑な屈折率分布を有する光学デバイスを構成することも可能である。   Furthermore, the resistance value of the transparent high resistance layer can be set to the same value as that of the insulating layer, that is, the liquid crystal optical device can be operated without the transparent high resistance layer. In this case, low voltage driving cannot be performed because the dielectric coupling effect by the high resistance layer does not work, but the thickness of the two glass plates 113 and 116 constituting the insulating layer 112 and the conductive layer, that is, the fourth electrode By appropriately adjusting the diameter of the provided hole and controlling the third voltage applied to the fourth electrode, a lens having a larger aperture than the hole provided in the second electrode can be configured. It is also possible to configure an optical device having a complicated refractive index distribution by adjusting the voltage applied to the electrode.

なお図2に示した構成で、透明高抵抗層114に図1の構成と同様に孔115−1を有する導電層115を付与することもできる。この場合には、安定で再現性がよい液晶光学デバイスを構成することができる。   In the configuration shown in FIG. 2, the transparent high resistance layer 114 can be provided with the conductive layer 115 having the holes 115-1 as in the configuration of FIG. In this case, a stable liquid crystal optical device with good reproducibility can be configured.

また、高抵抗層の抵抗値を適宜設定することで、絶縁層112を構成する2枚のガラス板113,116のどちらか、又は両方の厚みを数μm以下の非常に薄い薄膜状とすることもでき、113として配向膜として用いるポリイミド膜のみとすることもできるので、液晶光学デバイスの実効厚みをさらに薄くした薄型光学デバイスを構成することも可能である。   Moreover, by setting the resistance value of the high resistance layer as appropriate, one or both of the two glass plates 113 and 116 constituting the insulating layer 112 are formed into a very thin thin film having a thickness of several μm or less. Since only the polyimide film used as the alignment film can be used as the alignment film 113, a thin optical device in which the effective thickness of the liquid crystal optical device is further reduced can be configured.

本実施例では、透明絶縁層112内に配置される高抵抗層114は1層としているが、1層のみならず、複数層が設けられてもよい。   In this embodiment, the high resistance layer 114 disposed in the transparent insulating layer 112 is one layer, but not only one layer but also a plurality of layers may be provided.

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。また、液晶レンズを1つ示したが、複数が配列される構成であってもよい。また複眼のような2次元的な配列であってもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment. Further, although one liquid crystal lens is shown, a configuration in which a plurality of liquid crystal lenses are arranged may be used. Further, it may be a two-dimensional array such as a compound eye.

本発明の光学素子は、オートフォーカス用のレンズや、拡大レンズ、ズームレンズ、ロボットにおいて視覚機能として用いられる撮像部のレンズなど、種々の用途が可能である。   The optical element of the present invention can be used in various applications such as an autofocus lens, a magnifying lens, a zoom lens, and a lens for an imaging unit used as a visual function in a robot.

図1(A)は、本発明に係る液晶光学デバイスの一実施の形態を示す構成説明図であり、図1(B)は図1(A)の電極22の平面図である。FIG. 1A is a configuration explanatory view showing an embodiment of a liquid crystal optical device according to the present invention, and FIG. 1B is a plan view of an electrode 22 in FIG. 図2(A)は、本発明に係る液晶光学デバイスの一実施の形態を示す構成説明図であり、図2(B)は図2(A)の電極22の平面図である。FIG. 2A is a configuration explanatory view showing an embodiment of a liquid crystal optical device according to the present invention, and FIG. 2B is a plan view of an electrode 22 in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

111・・・第1の基板、112・・・絶縁層、113・・・ガラス板、114・・・高抵抗層、115・・・導電層、116・・・ガラス板、21・・・第1の電極、22・・・第2の電極、23・・・第3の電極、115’・・・第4の電極、31・・・液晶層、50・・・スリット。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 111 ... 1st board | substrate, 112 ... Insulating layer, 113 ... Glass plate, 114 ... High resistance layer, 115 ... Conductive layer, 116 ... Glass plate, 21 ... 1st DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 electrode, 22 ... 2nd electrode, 23 ... 3rd electrode, 115 '... 4th electrode, 31 ... Liquid crystal layer, 50 ... Slit.

Claims (4)

透明な第1の電極を有する第1の基板、孔を有する第2の電極、及び前記第1の基板と前記第2の電極との間に、前記第1の電極と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第2の電極と前記液晶層との間に、配向膜部分とは異なり、前記第2の電極と前記液晶層との間の距離を設定する透明絶縁層とを配置し、前記第2の電極に対して絶縁層を介して第3の電極を配置し、前記第1と前記第2の電極との間に第1の電圧を加えられ、前記第3の電極に前記第1の電圧とは独立した第2の電圧を加えられるように構成して液晶分子の配向制御を行なうことができ、前記透明絶縁層の中に透明な高抵抗層を配置した液晶光学デバイスであり、
前記第2の電極が有する孔と同一の中心に位置し前記第2の電極の孔と等しいか又はより大きい寸法の孔を有する導電層を、前記透明な高抵抗層に一体にし、かつこの一体となった層を前記液晶層及び前記第2、第3の電極に対して間隔をおいて配置し、
前記第1の電圧又は前記第2の電圧値のいずれか一方を固定する手段と、
前記第1の電圧又は前記第2の電圧値のいずれか一方を固定し、他方を調整してレンズパワーをほぼ最大とした第1段階の光学特性を得るとともに、第2段階の光学特性として、前記第1の電圧に対して前記第2の電圧を可変することで凸レンズとして動作させる、又は前記第2の電圧に対して第1の電圧を可変することで凹レンズとして動作させる手段とを有し、
前記透明な高抵抗層には、電圧を印加することなく、光学的特性を可変制御することができる液晶光学デバイス。
A first substrate having a transparent first electrode, a second electrode having a hole, and a space between the first substrate and the second electrode so as to face the first electrode. In addition, a liquid crystal layer for aligning liquid crystal molecules in one direction is provided, and the distance between the second electrode and the liquid crystal layer is different between the second electrode and the liquid crystal layer, unlike the alignment film portion. A transparent insulating layer that sets a first voltage between the first and second electrodes, the third electrode being disposed with respect to the second electrode through an insulating layer. In addition, the second electrode independent of the first voltage can be applied to the third electrode to control the alignment of liquid crystal molecules, and the transparent insulating layer is transparent. It is a liquid crystal optical device with a high resistance layer,
A conductive layer located in the same center as the hole of the second electrode and having a hole having a size equal to or larger than the hole of the second electrode is integrated with the transparent high resistance layer. The layer is arranged with a space from the liquid crystal layer and the second and third electrodes,
Means for fixing either the first voltage or the second voltage value;
While fixing either one of the first voltage or the second voltage value and adjusting the other to obtain the first stage optical characteristics that maximize the lens power, as the second stage optical characteristics, Means for operating as a convex lens by varying the second voltage with respect to the first voltage, or operating as a concave lens by varying the first voltage with respect to the second voltage. ,
A liquid crystal optical device capable of variably controlling optical characteristics without applying a voltage to the transparent high resistance layer .
請求項1の液晶光学デバイスにおいて、前記第3の電極は、前記第2の電極の前記孔内に間隔を置いて配置されていることを特徴とする液晶光学デバイス。 2. The liquid crystal optical device according to claim 1, wherein the third electrode is disposed in the hole of the second electrode at an interval . 3. 透明な第1の電極を有する第1の基板、孔を有する第2の電極、及び前記第1の基板と前記第2の電極との間に、前記第1の電極と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第2の電極と前記液晶層との間に、配向膜部分とは異なり、前記第2の電極と前記液晶層との間の距離を設定する透明絶縁層とを配置し、前記第1と前記第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なうことができ、前記透明絶縁層の中に透明な高抵抗層を配置した液晶光学デバイスにおいて、
前記第2の電極に対して絶縁された第3の電極が配置され、この第3の電極に前記第1の電圧とは独立した第2の電圧を加えられるように構成され、前記透明な高抵抗層を前記液晶層及び前記第2、第3の電極に対して間隔をおいて配置し、さらに前記液晶層に面し前記第2の電極が有する孔と同一の中心に位置し前記第2の電極の孔より大きい寸法の孔を有する第4の電極が配置され、この第4の電極に前記第1の電圧及び第2の電圧とは独立した第3の電圧を加えられるように構成されたことを特徴とする液晶光学デバイス。
A first substrate having a transparent first electrode, a second electrode having a hole, and a space between the first substrate and the second electrode so as to face the first electrode. In addition, a liquid crystal layer for aligning liquid crystal molecules in one direction is provided, and the distance between the second electrode and the liquid crystal layer is different between the second electrode and the liquid crystal layer, unlike the alignment film portion. A transparent insulating layer for setting the liquid crystal molecules, and controlling the orientation of liquid crystal molecules by applying a voltage between the first and second electrodes. In a liquid crystal optical device in which layers are arranged,
A third electrode insulated from the second electrode is disposed, and a second voltage independent of the first voltage can be applied to the third electrode. A resistance layer is disposed at a distance from the liquid crystal layer and the second and third electrodes, and further faces the liquid crystal layer and is located at the same center as the hole of the second electrode. A fourth electrode having a hole with a size larger than that of the first electrode, and a third voltage independent of the first voltage and the second voltage can be applied to the fourth electrode. A liquid crystal optical device characterized by the above .
請求項1又は2又は3記載の液晶光学デバイスにおいて、前記透明な高抵抗層の面積抵抗値が100Ω/m 以上であることを特徴とする液晶光学デバイス。 4. The liquid crystal optical device according to claim 1, wherein the transparent high resistance layer has an area resistance value of 100 Ω / m 2 or more .
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