JP5328315B2 - 可変焦点レンズ - Google Patents

Description

本発明は、焦点距離を電気的に変調できる可変焦点レンズに関する。

機械的な可動部が無く、焦点を可変できる可変焦点レンズは、小型化が可能で、信頼性が高いことから、様々なアプリケーションで応用が検討されている。

可変焦点レンズに適用できる構成として、例えば、液晶を用いて、フレネルゾーンプレート型の電極パターンを構成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照のこと）。ここに記載されている電極パターンは図１１のようになっており、各環状パターン１１０３に対して、各々の引き出し配線１１０１を有している。

位相の周期構造によってレンズ作用を持つフレネルレンズでは、焦点距離は位相の周期構造のパターン形状によって決定される。この位相の周期構造のパターン形状を変化させることによって、焦点を変化させることが可能となる。この例では環状電極に印加する電圧を変化させることによって、入射光に対する液晶の屈折率分布を変えてやり、周期構造を変えることで、焦点を変化させることができる。

特開平５−１００２０１号公報（第１図）

しかしながら、上記特許文献１に記載された可変焦点レンズの構成の場合、引き出し配線の本数が非常に多くなり、焦点位置を変調する際の制御がとても複雑になる問題があった。また、引き出し配線の本数が多くなることで、引き出し配線自体の面積が大きくなってしまい、小型化が困難であるといった問題があった。

本発明はこれらの問題を解決するものであり、その目的とするところは、引き出し配線を簡略化し、小型化が可能でありながら、安定した焦点可変効果を持ち合わせた可変焦点レンズを提供するところにある。

本発明は、一対の基板間に電気光学的可変材料が挟持され、一対の基板のうち、少なくとも一方の基板に複数の環状電極が配置され、焦点が複数段に切り替えられる可変焦点レンズにおいて、複数の環状電極は、環の中心から順に外側へ向かって、複数の環状電極群に分けられ、これらの各環状電極群は同数の環状電極を有し、複数の環状電極群は、所定群数離れて配置された環状電極群において、環の中心からの配列順番が同じ環状電極同士が、同一の引き出し配線により接続されていること、を特徴とするものである。

この様に、全ての環状電極についてそれぞれ独立に引き出すのではなく、特定の環状電極群間で環状電極を接続することで、引き出し配線の本数を減らすことが可能となる。

また、可変焦点レンズの環状電極のパターンを、片方の基板だけではなく両方の基板に設けてもよい。これにより、焦点距離の変化量の分解能を上げることができる。

一対の基板のうち、他方の基板にはべた電極が設けられていてもよい。

また、環状電極群における隣接する環状電極は高抵抗で接続されているのが好ましい。これにより、電圧勾配を利用して駆動することで、配線電極の本数をさらに減らすことが可能となる。

本発明の可変焦点レンズによれば、複数の環状電極群のうち所定の環状電極群の中における少なくとも１本の環状電極と他の環状電極群の中における少なくとも１本の環状電極とが接続されているため、引き出し配線が簡略化され、安定した焦点可変を行いつつ素子の小型化を図ることができる。

（第１実施形態）
［可変焦点レンズパターンの構成の説明：図１、図２］
まず、本発明の可変焦点レンズのレンズパターンの構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズの環状電極群の構成を示す図である。

図１（ａ）に示すのは本発明の可変焦点レンズで作り出したいレンズ形状（光の位相分布）を示している。ここでの例では図１（ａ）に示す位相分布１，２の切り替えが可能な可変焦点レンズの構成の説明を行う。

図１（ｂ）に示すのは図１（ａ）で示したレンズ形状の分布を波長１λ毎にレリーフしたフレネルレンズの周期的な位相分布を表している。本発明の可変焦点レンズで作り出す位相分布は図１（ｂ）に示すフレネルレンズの位相分布であり、図１（ａ）の位相分布１，２にそれぞれ対応する位相分布３，４の切り替えを行うことで焦点位置を変化させることができる。

図１（ｃ）に示すのは、図１（ｂ）に示す位相分布１，２の切り替えを実現させる可変焦点レンズ１０１における環状電極の構造を示す図である。可変焦点レンズ１０１は、環状電極１０２が同心円状に複数連なってなる環状電極群を複数有し、環の内側中心から第１の環状電極群１１１、第２の環状電極群１１２…という順番に環状電極群が配置される。そして、第１の環状電極群１１１と第３の環状電極群１１３とにおける、内側からの配列順番が同じ環状電極１０２同志を電極接続部１０３を介して引き出し配線１０４によって電気的に接続する。同様に、第２の環状電極群１１２と第４の環状電極群１１４とにおける、内側からの配列順番が同じ環状電極１０２同志を電極接続部１０３を介して引き出し配線１０４によって電気的に接続する。この第１、第３、・・・、２ｎ−１（ｎは自然数）、・・・群からなる環状電極群と、第２、第４、・・・、２ｎ（ｎは自然数）、・・・群からなる環状電極群とに印加する電圧を変化させることで、電気光学可変材料が電圧に対して反応するため、図１（ｂ）に示す位相分布１，２を切り替えることができる。

図２は、図１に示す可変焦点レンズ１０１の環状電極の領域Ａを拡大した図である。後でも記述するが、発生させるレンズ形状（位相分布）は等位相で領域を分割するため、環状電極１０２のパターン幅は、レンズの中心から外周に向かうほど、フレネルレンズの周期パターンに従って細くなる形状をしている。

それぞれの環状電極１０２同志の間は特定のパターンギャップ幅を持って形成され、本実施形態ではこのパターンギャップ幅を３μｍとした。また、それぞれの環状電極１０２とそれぞれの引き出し配線１０４は、ここでは図示しない絶縁膜で電気的に絶縁されており、電極接続部１０３を介してのみ環状電極１０２とそれに対応する引き出し配線１０４
とが電気的に接続される構造となっている。なお、本実施形態では、電極接続部１０３をφ３０μｍの円形状とし、引き出し配線１０４の幅を５０μｍとして作製した。

［可変焦点レンズ素子の構成の説明：図３、図４］
図３は本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズ素子の構成を示す断面図である。電気光学可変材料の例としては、液晶や電気光学結晶等が挙げられ、ここでは液晶を使用した例について説明する。

図３に示す様に、可変焦点レンズ１０１は、ガラス基板３０１の少なくとも一方に環状電極１０２が形成され、もう一方のガラス基板３０１には透明電極３０２が形成され、これらのガラス基板３０１同志を対向させて、所定の間隙を持って狭持されているセル構造を持ち、その狭持された間隙に、配向された液晶３０３が注入されてなる素子である。この可変焦点レンズ１０１の環状電極１０２と透明電極３０２に電位差を与えることにより、液晶３０３の分子が立ち上がり、入射する光に対しての実効屈折率を変化させることが可能となる。印加する電圧の大きさによって液晶の屈折率が変化するため、それぞれの環状電極１０２のパターンに個別の電圧の値を与えることで位相の分布を作製することが可能となる。

この際に液晶に必要な位相差は１λであり、比較的に小さな位相差であるため、液晶層の厚さを薄く作製することができ、応答速度の速い可変焦点レンズを作製することが可能となる。本実施形態では液晶３０３の配向モードにホモジェニアス配向を選択し、屈折率差ΔＮ＝０．１５、液晶層の厚みを８μｍにて作製を行った。

図４は、上記条件にて作製を行った可変焦点レンズ１０１において、印加した電圧に対しての位相の変化の特性を示す図である。本実施形態では液晶３０３の配向モードにホモジェニアス配向を選択しているため、高電位をかけるほど液晶の実効屈折率は小さくなり、光の位相が進むことになる。

本実施形態で用いた液晶材料は正の誘電異方性を有するネマティック液晶であり、１〜２[Ｖｒｍｓ]の範囲で液晶分子がガラス基板３０１に対して立ち始め、位相差が変化し始める。更に電圧を印加していくと、印加電圧に比例して位相差が減少し、更に高電位を印加すると位相差があまり変化しなくなる。

本実施形態では等位相面をパターンで分割しているので、電圧に対して線形に位相差が変化する電圧範囲で可変焦点レンズ１０１を駆動すると、制御が容易になる。本実施の形態では印加電圧に対して位相差が線形的に変化する領域であるＶ１〜Ｖ２の間のおよそ１〜４[Ｖｒｍｓ]の範囲内で、可変焦点レンズ１０１を駆動を行う。

また、可変焦点レンズ１０１に必要な位相差は上記電圧範囲内で１λあればよく、この印加電圧と位相差の関係特性から液晶層の厚さを設計すればよい。

［可変焦点レンズの動作方法の説明：図５］
図５に示す図は各々の環状電極１０２のパターンに発生させる位相分布の模式図を表している。図５（ａ）は切り替える位相分布ａ−１，ａ−２を示しており、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すパターンの一部を拡大した図である。図５（ｃ）は図５（ｂ）に対して可変焦点レンズで作り出す位相分布を表している。

図５（ｂ）に対して図５（ｃ）の位相分布はデジタル的に近似させた階段状の位相分布となっている。それぞれの環状電極パターンをＡ１〜４、Ｂ１〜４と定めると、ｃ−１の位相形状を発生させたい場合には、Ａ１〜４、Ｂ１〜４共に等位相分割しており、印加電
圧と位相差が線形の関係にあるとして、合計４本の環状電極１０２を１つの組として考え、Ａ１＝Ｖ１、Ａ２＝（Ｖ２−Ｖ１）／３＋Ｖ１、Ａ３＝（Ｖ２−Ｖ１）２／３＋Ｖ１、Ａ４＝Ｖ２、及びＢ１＝Ｖ１、Ｂ２＝（Ｖ２−Ｖ１）／３＋Ｖ１、Ｂ３＝（Ｖ２−Ｖ１）２／３＋Ｖ１、Ｂ４＝Ｖ２となるように可変焦点レンズ１０１に電圧を印加する。

これに対してｃ−２の位相形状を発生させたい場合には、合計８本の環状電極１０２を１つの組として考えて、Ａ１＝Ｖ１、Ａ２＝（Ｖ２−Ｖ１）／７＋Ｖ１、Ａ３＝（Ｖ２−Ｖ１）２／７＋Ｖ１、…Ｂ２＝（Ｖ２−Ｖ１）５／７＋Ｖ１、Ｂ３＝（Ｖ２−Ｖ１）６／７＋Ｖ１、Ｂ４＝Ｖ２となるように順に可変焦点レンズ１０１に電圧を印加する。

これらのｃ−１に対しての印加電圧とｃ−２に対しての印加電圧のスイッチングによって、焦点を可変させることが可能となる。

また、上記の条件で電圧Ｖ１と電圧Ｖ２を切り替えて反転させることで、逆のレンズ形状を発生させることもできるので、凹レンズと凸レンズの双方の効果を与えることが可能である。例えば、ｃ−１の位相形状を発生させたい場合には、Ａ１＝Ｖ２、Ａ２＝（Ｖ２−Ｖ１）２／３＋Ｖ１、Ａ３＝（Ｖ２−Ｖ１）／３＋Ｖ１、Ａ４＝Ｖ１、及びＢ１＝Ｖ２、Ｂ２＝（Ｖ２−Ｖ１）２／３＋Ｖ１、Ｂ３＝（Ｖ２−Ｖ１）／３＋Ｖ１、Ｂ４＝Ｖ１となるように可変焦点レンズ１０１に電圧を印加する。

以上のように、本実施形態に係る可変焦点レンズ１０１によれば、第１の環状電極群１１３と第３の環状電極群１１３とにおける環状電極１０２同志が接続され、第２の環状電極群１１２と第４の環状電極群１１４とにおける環状電極１０２同志が接続されているため、引き出し配線１０４の本数を低減することができる。これにより、安定した焦点可変を行いながら素子の小型化を実現することが可能となる。なお、焦点の切り替え段数は、２段だけではなく３段以上にすることができる。また、環状電極郡内の環状電極の数は２以上の任意の数とすることができる。

（第２実施形態）
［可変焦点レンズ素子の構成の説明：図６、図７］
次に、本発明の第２実施形態に係る可変焦点レンズについて説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態に係る可変焦点レンズの素子の構成を示す断面図である。

図６に示す様に、可変焦点レンズ８０１は、ガラス基板３０１に環状電極１０２が形成され、もう一方のガラス基板３０１にも別の環状電極６０１のパターンが形成され、それぞれのガラス基板３０１同志を対向させて、所定の間隙を持って狭持されているセル構造を持ち、その狭持された間隙に、配向された液晶３０３が注入されてなる素子である。この際、環状電極１０２に対して、環状電極６０１のパターンの周期は異なっている。また、この可変焦点レンズに入射する入射光の光軸に対して、環状電極１０２及び環状電極６０１の環の中心軸は製造公差範囲内で揃っているものとする。

本実施形態において、環状電極１０２における可変焦点と環状電極６０１における焦点移動は同時に行う場合があることから、２つのフレネルレンズの切り替えを行うので、液晶３０３による位相変調量を２λとした。第１実施形態と同様に配向モードにはホモジェニアス配向を選択し、屈折率差ΔＮ＝０．１５、液晶層の厚みを１６μｍにて作製を行った。

また、環状電極１０２におけるパターン形状、駆動方法は第１実施形態と同様であり、変更点は無く、第１実施形態の説明に従うものとする。

図７に示すのが、本実施形態において作製を行った可変焦点レンズ８０１の印加した電圧に対しての位相の変化の特性を示す図である。基本的な構成は第１実施形態と同じであるが、環状電極１０２における可変焦点と環状電極６０１における焦点移動は同時に行えるようにするために液晶による位相変調量を２λに設定している。

印加電圧範囲においても第１実施形態と同様の範囲で駆動を行うが、上下の両基板に電圧分布を持たせてハイブリッドに駆動を行う必要があるため、説明のためにＶ１とＶ２のちょうど中間の電位をバイアス電位Ｖｂと定めておく。

［可変焦点レンズパターンの構成の説明：図８］
図８は、本発明の第２実施形態に係る可変焦点レンズの環状電極群の構成を示す図である。

図８（ａ）に示すのは本発明の可変焦点レンズで作り出したいレンズ形状（光の位相分布）を示している。ここでの例では図８（ａ）に示す位相分布５，６のレンズ形状の切り替えが可能な可変焦点レンズの構成の説明を行う。

図８（ｂ）に示すのは図８（ａ）で示したレンズ形状の分布を波長１λ毎にレリーフしたフレネルレンズの位相分布を表している。本発明の可変焦点レンズで作り出す位相分布は図８（ｂ）に示すフレネルレンズの位相分布であり、図８（ａ）の位相分布５，６にそれぞれ対応する位相分布７，８の切り替えを行うことで焦点位置を変化させることができる。ここで位相分布６は位相差が１λのレンズ形状をしており、レリーフする必要が無いので、位相分布６，８は同じものとなっている。

図８（ｃ）に示すのは、図８（ｂ）に示す位相分布７，８の切り替えを実現させる可変焦点レンズ８０１における環状電極の構造を示す図である。可変焦点レンズ８０１は、環状電極６０１が同心円状に複数連なってなる環状電極群を複数有し、環の内側中心から順に第１の環状電極群８１１と第２の環状電極群８１２が配置されている。そして、各々の環状電極６０１には、電極接続部１０３を介して引き出し配線１０４によって電位を与えることが可能となっている。

［可変焦点レンズの動作方法の説明：図９］
図９に示す図は各々の環状電極６０１のパターンに発生させる位相分布の模式図を表している。図９（ａ）は切り替える位相分布ｄ−１，ｄ−２を示しており、図９（ｂ）は図９（ａ）に対して可変焦点レンズで作り出す位相分布ｅ−１，ｅ−２を表している。

第１実施形態と同様に、図９（ａ）に対して図９（ｂ）の位相分布はデジタル的に近似させた階段状の位相分布となっている。予め両基板間にはバイアス電圧Ｖｂを印加しておき、常に電圧に対しての位相変調が線形に変化する電圧範囲で駆動を行うものとする。それぞれの環状電極パターンをＣ１〜４、Ｄ１〜４と定めると、位相形状ｅ−１を発生させたい場合には、Ｃ１〜４、Ｄ１〜４共に等位相分割しており、印加電圧と位相差が線形の関係にあるとして、合計４本の環状電極６０１を１つの組として考えて、Ｃ１＝Ｄ１＝Ｖｂ、Ｃ２＝Ｄ２＝（Ｖ１−Ｖｂ）／３＋Ｖｂ、Ｃ３＝Ｄ３＝（Ｖ１−Ｖｂ）２／３＋Ｖｂ、Ｃ４＝Ｄ４＝Ｖ１となるように可変焦点レンズ８０１に電圧を印加する。

これに対して位相形状ｅ−２を発生させたい場合には、合計８本の環状電極６０１を１つの組として考えて、Ｃ１＝Ｖｂ、Ｃ２＝（Ｖ１−Ｖｂ）／７＋Ｖｂ、Ｃ３＝（Ｖ１−Ｖｂ）２／７＋Ｖｂ、…Ｄ２＝（Ｖ１−Ｖｂ）５／７＋Ｖｂ、Ｄ３＝（Ｖ１−Ｖｂ）６／７＋Ｖｂ、Ｄ４＝Ｖ１となるように順に可変焦点レンズ８０１に電圧を印加する。

このような、位相分布ｅ−１に対しての印加電圧と位相分布ｅ−２に対しての印加電圧のスイッチングによって、焦点を可変させることが可能となる。

加えて同時に環状電極１０２によってもレンズ形状を発生させる。例えば、環状電極１０２に対して、図５に示した位相分布ｃ−１のレンズ形状を発生させる場合には、Ａ１＝Ｂ１＝Ｖｂ、Ａ２＝Ｂ２＝（Ｖ２−Ｖｂ）／３＋Ｖｂ、Ａ３＝Ｂ３＝（Ｖ２−Ｖｂ）２／３＋Ｖｂ、Ａ４＝Ｂ４＝Ｖ２なる電圧を印加する。

一方の環状電極１０２で発生させる位相分布、及びもう一方の環状電極６０１で発生させる位相分布は重ね合わせて位相分布を発生させることができるので、上記の例で示したように位相分布ｃ−１と位相分布ｅ−１の組み合わせ、あるいはｃ−２とｅ−２の組み合わせといった切り替えを行うことで発生させる位相分布を変化させることができる。

このように、異なる周期の環状電極のパターンを上下基板の双方に配することによって、第１実施形態と比較して、より細かい分解能で焦点の位置を変化させることが可能となる。

また、この際に必要な位相量は、環状電極１０２、及び環状電極６０１で発生させる位相差量の合計２λ分あれば良く、それ以上の位相量は必要としないため、無駄に位相量を大きくする必要が無く、応答速度の速い可変焦点レンズの実現が可能となる。

（第３実施形態）
［可変焦点レンズパターンの構成の説明：図１０］
次に、第３実施形態での可変焦点レンズについて説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係る可変焦点レンズのパターン形状の構成を示す図である。

第３実施形態では、第１実施形態の変形例であり、第２実施形態にも転用できる。本実施形態では、抵抗電極による電圧勾配を利用することで、更に引き出しの配線数を省略できる。１つの環状電極群を構成する環状電極１０２は階段状の位相分布を発生させ、その位相高さは等分割されている。印加する電圧に対して位相の変調が線形的に変化するならば、それぞれの隣り合う環状電極１０２に印加する電圧も等分割された電圧が印加されれば良い。

図１０において、例えば、第１、第３群からなる環状電極群１０１１，１０１３を駆動するための引き出し配線１０４の群を抵抗電極１００１で電気的に接続する。同様に第２、第４群からなる環状電極群１０１２，１０１４を駆動するための引き出し配線１０８の群を抵抗電極７０１で電気的に接続する。それぞれの引き出し配線郡の両端部からだけ、電圧を印加する供給電極１００２を設ける。両端２本の供給電極１００２に対して別々の電位を印加する。例えば、ｃ−１のレンズ形状を発生させたい場合にはＶ−Ａ＝Ｖ−Ｃ＝Ｖ１、Ｖ−Ｂ＝Ｖ−Ｄ＝Ｖ２といった電圧を印加することで、中の引き出し配線１０８に対しては電圧が分圧され、Ｖ１［Ｖ］とＶ２［Ｖ］の中間の電位を与えることができ、結果として、階段状の位相分布を発生させることが可能となる。

この場合、環状電極１０２のパターンを細かくし本数を増やした場合であっても、引き出し配線の本数を省略させることができる。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記第２実施形態では上下基板に環状電極のパターンを形成し
ているが、一方の基板に環状電極パターンを形成し、他方の基板にはべた電極を形成した構成としてもよい。

本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズの電極パターンの配置形態を示す図である。 図１に示す可変焦点レンズの環状電極の構造における領域Ａの拡大図である。 図１に示す可変焦点レンズの構成例を示す図である。 図１に示す可変焦点レンズの特性例を示す図である。 図１に示す可変焦点レンズの作用を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る可変焦点レンズの構成例を示す図である。 図６に示す可変焦点レンズの特性例を示す図である。 図６に示す可変焦点レンズの電極パターンの配置形態を示す図である。 図６に示す可変焦点レンズの作用を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る可変焦点レンズの電極パターンの配置形態を示す図である。 従来の可変焦点レンズの構成を示す図である。

符号の説明

１０１，８０１，１０１０ 可変焦点レンズ
１０２，６０１ 環状電極
１０３ 電極接続部
１０４ 引き出し配線
３０１ ガラス基板
３０２ 透明電極
３０３ 液晶
４０１ 環状電極
１００１ 抵抗電極
１００２ 供給電極

Claims (4)

1. 一対の基板間に電気光学的可変材料が挟持され、前記一対の基板のうち、少なくとも一方の基板に複数の環状電極が配置され、焦点が複数段に切り替えられる可変焦点レンズにおいて、
   前記複数の環状電極は、環の中心から順に外側へ向かって、複数の環状電極群に分けられ、これらの各環状電極群は同数の環状電極を有し、
   前記複数の環状電極群は、所定群数離れて配置された環状電極群において、前記環の中心からの配列順番が同じ環状電極同士が、同一の引き出し配線により接続されていること、
   を特徴とする可変焦点レンズ。
2. 前記一対の基板のうち、他方の基板にも複数の環状電極が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
3. 前記一対の基板のうち、他方の基板にはべた電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
4. 前記環状電極群における隣接する環状電極は高抵抗で接続されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の可変焦点レンズ。

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