JP5451986B2 - Liquid crystal lens and vision correction device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、可変焦点距離を備えたレンズ及びそれを用いた視力補正装置に係り、特に液晶分子の勾配プロファイルが入射光に対する光学レンズとして機能する液晶レンズに関する。 The present invention relates to a lens having a variable focal length and a vision correction device using the same, and more particularly to a liquid crystal lens in which a gradient profile of liquid crystal molecules functions as an optical lens for incident light.
大型の光学システムやこのようなシステムを調節する機構を集積することが難しい機器に対しては、電子制御を用いてレンズの焦点距離を高速に変更する性能が必要とされる。 For devices that are difficult to integrate large optical systems and mechanisms for adjusting such systems, the ability to change the focal length of the lens at high speed using electronic control is required.
本発明は、光学機器用のレンズ及びマイクロレンズの製造に応用され、特に、適応光学、オプトエレクトロニクス、マシンビジョン、立体ディスプレイ及び眼鏡に応用される。 The present invention is applied to the production of lenses and microlenses for optical instruments, and in particular to adaptive optics, optoelectronics, machine vision, stereoscopic displays, and eyeglasses.
本発明は、レンズの液晶とこのレンズの配向層との間の非一様な表面状態を用いることによって、特に、アンカリングエネルギーの非一様な空間分布を用いることによって、可変焦点距離を備えた液晶レンズの代替的なアプローチを開示する。液晶分子の配向は、印加される外部電場または磁場、液晶の弾性、誘電性(電場が印加される場合)、磁性(磁場が印加される場合)、並びにアンカリングエネルギーに依存することが知られている。アンカリングエネルギーの勾配プロファイルによって、液晶分子の勾配プロファイルが生じる。そして、これによって、液晶を通過する異常波に対する屈折率の勾配プロファイルが生じ、この液晶が光学レンズとして機能する。この液晶の分子の勾配プロファイルの値は、外部電場または磁場で制御される。結果として、屈折率プロファイルの値や液晶レンズの焦点距離も制御される。アンカリングエネルギーの非一様な分布によって、外部電場または磁場が一様であり、液晶層が一様な厚さを有する場合においてさえも、分子及び屈折率の勾配プロファイルが生じる。 The present invention provides a variable focal length by using a non-uniform surface state between the lens liquid crystal and the alignment layer of the lens, in particular by using a non-uniform spatial distribution of anchoring energy. An alternative approach to liquid crystal lenses is disclosed. The orientation of the liquid crystal molecules is known to depend on the external or magnetic field applied, the elasticity of the liquid crystal, the dielectric properties (when an electric field is applied), the magnetism (when a magnetic field is applied), and the anchoring energy. ing. The gradient profile of the anchoring energy results in a gradient profile of the liquid crystal molecules. As a result, a gradient profile of refractive index with respect to an extraordinary wave passing through the liquid crystal is generated, and this liquid crystal functions as an optical lens. The value of the gradient profile of the liquid crystal molecules is controlled by an external electric field or magnetic field. As a result, the value of the refractive index profile and the focal length of the liquid crystal lens are also controlled. The non-uniform distribution of anchoring energy results in a molecular and refractive index gradient profile even when the external electric or magnetic field is uniform and the liquid crystal layer has a uniform thickness.
液晶分子の勾配プロファイルを達成するために非一様なアンカリングエネルギーを採用することは新規である。 Employing non-uniform anchoring energy to achieve a gradient profile of liquid crystal molecules is novel.
非特許文献1には、プロファイルによる液晶の配向の性質について説明されていて、可能な配向状態について考察されていて、方程式が導出されている。 Non-Patent Document 1 describes the properties of liquid crystal alignment according to profiles, discusses possible alignment states, and derives equations.
E.Tajimaによる“Variable focal lens panel and fabrication the same”というタイトルの特許文献1(2001年)には、可変焦点距離レンズパネル及びその製造方法が開示されている。この可変焦点距離レンズパネルにおいては、円形透明電極が第一の基板の中心上に提供されている。複数の環状透明電極が、この円形透明電極の外側に同心円状に配置されていて、また、外側に向かうにつれて幅及び間隔が短くされている。延長電極は、中心から外部ターミナル電極に向けて外側に横方向に延伸している。これらの電極の上には配向層が存在する。また、第二の基板の全表面上にも透明電極が提供されていて、この透明電極の上にも配向層が提供されている。ここで、第一と第二の配向層は平行配向処理されている。第一の基板と第二の基板は互いに結合されているが、環状透明電極の外側に配置されたギャップ部材によって所定の間隔が保たれている。ネマティック液晶が第一の基板と第二の基板との間のギャップ内に封入されている。 E. Patent Document 1 (2001) entitled “Variable focal lens panel and fabrication the same” by Tajima discloses a variable focal length lens panel and a manufacturing method thereof. In this variable focal length lens panel, a circular transparent electrode is provided on the center of the first substrate. A plurality of annular transparent electrodes are concentrically arranged outside the circular transparent electrode, and the width and interval are shortened toward the outside. The extension electrode extends laterally outward from the center toward the external terminal electrode. An alignment layer is present on these electrodes. A transparent electrode is also provided on the entire surface of the second substrate, and an alignment layer is also provided on the transparent electrode. Here, the first and second alignment layers are subjected to parallel alignment treatment. Although the first substrate and the second substrate are coupled to each other, a predetermined interval is maintained by a gap member disposed outside the annular transparent electrode. A nematic liquid crystal is enclosed in a gap between the first substrate and the second substrate.
G.Meredith、B.Kippelen、D.Mathineによる“Hybrid electro‐active lens”というタイトルの特許文献2(2006年)には、少なくとも二つの焦点距離を備えたレンズを提供するために少なくとも一つの電気活性セルを含むレンズが開示されている。ここで、電気活性セルは、この電気活性セルに印加される電圧に基づいてその焦点距離を調節することができる。フライングキャパシタ回路を含む交流電源によって、電圧が供給される。電気活性レンズは、単一のコレステリック液晶の電気活性セルを用いることによって、複屈折性を減少させる。 G. Meredith, B.M. Kipppelen, D.M. In US Pat. No. 5,637,028 (2006) entitled “Hybrid electro-active lens” by Mathine, a lens is disclosed that includes at least one electroactive cell to provide a lens with at least two focal lengths. . Here, the focal length of the electroactive cell can be adjusted based on the voltage applied to the electroactive cell. A voltage is supplied by an AC power source including a flying capacitor circuit. Electroactive lenses reduce birefringence by using a single cholesteric liquid crystal electroactive cell.
H.Ren、Y.‐H.Fan、S.‐T.Wuによる“Adaptive liquid crystal lenses”というタイトルの特許文献3(2005年)には、適応光学レンズ装置、それを用いたシステム及び方法が開示されており、少なくとも二つの平坦基板及び少なくとも一つの一様なネマティック液晶(LC)層から構成されている。平坦基板の一つは、その内部に、球形または環状リング状のフレネル型の溝付きの透明電極を有する。もう一方の平坦基板はその内側にコーティングされた透明電極を有する。LC層の厚さは一様である。LC層に電圧が印加されると、LC層内部で屈折率の中心対称の分布勾配が生じる。従って、LC層は、光を集束させる。印加電圧を制御することによって、レンズの焦点距離を連続的に調整可能である。 H. Ren, Y. et al. -H. Fan, S.M. -T. Patent Document 3 (2005) entitled “Adaptive liquid crystal lenses” by Wu discloses an adaptive optical lens device, a system and method using the same, and includes at least two flat substrates and at least one uniform substrate. A nematic liquid crystal (LC) layer. One of the flat substrates has a spherical or annular ring-shaped Fresnel-type grooved transparent electrode therein. The other flat substrate has a transparent electrode coated on the inside thereof. The thickness of the LC layer is uniform. When a voltage is applied to the LC layer, a centrally symmetric distribution gradient of the refractive index is generated inside the LC layer. Thus, the LC layer focuses the light. The focal length of the lens can be continuously adjusted by controlling the applied voltage.
Y.Sun、S.Kowel、G.Nordinによる特許文献4(2004年)には、基準プレートと、この基準プレートと電気的にやり取りするように配置された液晶層と、この液晶層と電気的にやり取りするように配置された複数の閉ループ電極とを含む液晶適応レンズが開示されている。閉ループ電極は可変制御電圧を受容できるようにされていて、液晶層の少なくとも一部の屈折率が、液晶層を通過する光の向きを変更できるように調節される。閉ループ電極を含むことによって、液晶適応レンズの液晶層が、動径方向に変化する屈折率を有することができる。
本発明は、可変焦点距離を備えた液晶レンズ及びそれを用いた視力補正装置を開示する。屈折率の勾配プロファイルを作り出す液晶分子の勾配プロファイルは、非一様なアンカリングエネルギー及び印加される外部電場または磁場によって達成される。このレンズの焦点距離は外部電場または磁場で制御される。 The present invention discloses a liquid crystal lens having a variable focal length and a visual acuity correction apparatus using the same. The gradient profile of the liquid crystal molecules creating a gradient profile of refractive index is achieved by non-uniform anchoring energy and an applied external electric or magnetic field. The focal length of this lens is controlled by an external electric field or magnetic field.
以下において、本発明の電気光学レンズの構成の非限定的な詳細を提供する。本発明は、液晶物質で充填され、外部電場または磁場によって制御される電気光学レンズを提供する。典型的な液晶セルが図1に示されており、液晶物質(100)が、導電性内側表面(103、104)及び配向層(105、106)を有する二枚の基板(101、102)の間に挟まれている。基板は、所望の光透過性を提供し、本願で開示される装置及び方法において機能するものであればどのような物質でもよく、当該分野において知られているように石英、ガラス、プラスチックが挙げられる。導電性表面103、104用に用いられる導電性物質は適切な物質のいずれかであり得、本願において特に開示されるものや当該分野において知られている他の物質が挙げられる。導電性物質は透明であることが好ましく、インジウム酸化物、錫酸化物、インジウム錫酸化物(ITO)が挙げられる。各導電層の厚さは典型的には30nmから200nmである。層は適切な導電性を提供するのに充分厚くなければならないが、レンズ構造全体に対して余分な厚さを提供するような厚さでないことが好ましい。配向層105、106は、表面付近の液晶物質100の分子の配向を決める。液晶物質100の分子と配向層(105または106)との相互作用は、アンカリングエネルギーによって特徴付けられる。配向層105、106は、異方性の体積または表面特性を有し、表面付近の液晶物質100の分子を配向させるために用いられる材料のいずれかであり得る。例えば、光誘起異方性を有するポリイミドである。基板は、スペーサまたは当該分野において知られている他の手段によって所定の間隔が保たれている。スペーサは、マイラー(Mylar)、ガラス、石英、または所望の間隔を提供することのできる他の物質等の所望の物質のいずれかであり得る。
In the following, non-limiting details of the construction of the electro-optic lens of the present invention are provided. The present invention provides an electro-optic lens filled with a liquid crystal material and controlled by an external electric or magnetic field. A typical liquid crystal cell is shown in FIG. 1, where the liquid crystal material (100) is composed of two substrates (101, 102) having a conductive inner surface (103, 104) and an alignment layer (105, 106). It is sandwiched between. The substrate can be any material that provides the desired light transmission and functions in the apparatus and method disclosed herein, including quartz, glass, and plastic as known in the art. It is done. The conductive material used for the
液晶物質100の分子は、印加電場または磁場の影響下で再配向する。ネマティック液晶は一軸性で、光学軸は分子軸に一致する。分子が場の存在下で再配向すると、屈折率楕円体全体が回転して、屈折率の大きな変化が生じる。
The molecules of the
液晶は二つのグループに分けることができる。誘電テンソルが、分子軸(また光学軸)に沿った成分が軸に垂直な成分よりも大きいものである場合(ε//>ε⊥)には、液晶は正の誘電異方性を有し、その分子は印加される場に平行に配向する傾向がある。誘電テンソルが、分視軸(また光学軸)に沿った成分が軸に垂直な成分よりも小さいものである場合(ε//<ε⊥)には、液晶は負の誘電異方性を有し、その分子は印加される場に垂直に配向する傾向がある。どちらのタイプも液晶レンズを形成するのに用いることができる。液晶物質100の分子の配向は、外場の値、アンカリングエネルギー、セル内の分子の位置、液晶物質の弾性に依存する。
Liquid crystals can be divided into two groups. If the dielectric tensor is such that the component along the molecular axis (or optical axis) is larger than the component perpendicular to the axis (ε // > ε ⊥ ), the liquid crystal has positive dielectric anisotropy The molecules tend to be oriented parallel to the applied field. If the dielectric tensor is such that the component along the segmentation axis (or optical axis) is smaller than the component perpendicular to the axis (ε // <ε ⊥ ), the liquid crystal has negative dielectric anisotropy. The molecules tend to be oriented perpendicular to the applied field. Either type can be used to form a liquid crystal lens. The molecular orientation of the
液晶レンズの公知の製造方法では、アンカリングエネルギーの一様な分布を備えた配向層が用いられ、外部電場の非一様な分布で用いられる。本発明で開示される液晶レンズの新規製造方法では、液晶物質100の分子の勾配プロファイルが、印加電場または磁場及びアンカリングエネルギーの非一様な分布によって達成される。アンカリングエネルギーの非一様な分布を達成する方法はいくつかある。例えば、配向層105、106に光誘起異方性を有する物質を使用する光配向法によって実現可能である。特に、下記の一般式(1)によって表される光化学的に安定で二色性の異方性吸収物質を用いることが好ましい。
B1−N=N−A−N=N−B2 (1)
ここで、Aは、
B 1 -N = N-A- N = N-B 2 (1)
Where A is
上述の物質のアンカリングエネルギーは、光重合中の照射光量によって決められる。照射光量の分布によって、アンカリングエネルギーの分布を生じさせる。例えば、照射光量の分布は、分布型の透過率を有するフィルタ及び光源の組み合わせによって、または、可変強度を有するレーザー光で走査することによって、実現可能である。 The anchoring energy of the above-mentioned substances is determined by the amount of irradiation light during photopolymerization. The distribution of the anchoring energy is generated by the distribution of the irradiation light quantity. For example, the distribution of the amount of irradiation light can be realized by a combination of a filter having a distributed transmittance and a light source, or by scanning with a laser beam having a variable intensity.
他の例はラビング法に基づく。表面(例えばポリイミドの表面)をラビングすることによって、液晶物質の分子を配向させることができる表面上の異方性が形成されることは周知である。アンカリングエネルギーは、ラビングローラーの回転速度、基板に対するラビングローラーの圧力、アンカリングエネルギーの非一様な分布を生じさせるラビングの非一様な条件等のラビングのパラメータに依存する。また、アンカリングエネルギーが物質に依存することも知られている。配向層105、106は、異なるアンカリングエネルギーを有する二つの物質の混合物から構成可能である。これらの物質の濃度の空間分布によって、アンカリングエネルギーの空間分布が生じる。例えば、濃度分布は、インクジェット法を用いて実現可能である。正の液晶レンズ及びこれを伝播する光波が概略的に図2に示されている。液晶物質100の分子の勾配プロファイルは、配向層105、106のアンカリングエネルギーの非一様な空間分布及び一様な電場または磁場で形成される。光学レンズとして機能する液晶物質100の一方の側から、入射または出射する光波201は平面波面を有することができる一方で、入射または出射する光波202は球面波面を有することができる。
Another example is based on the rubbing method. It is well known that by rubbing a surface (eg, the surface of a polyimide), an anisotropy on the surface is formed that can align the molecules of the liquid crystal material. The anchoring energy depends on the rubbing parameters such as the rotational speed of the rubbing roller, the pressure of the rubbing roller against the substrate, and the non-uniform conditions of rubbing that cause a non-uniform distribution of anchoring energy. It is also known that anchoring energy depends on a substance. The alignment layers 105 and 106 can be composed of a mixture of two materials having different anchoring energies. The spatial distribution of anchoring energy results from the spatial distribution of the concentrations of these substances. For example, the concentration distribution can be realized using an ink jet method. A positive liquid crystal lens and a light wave propagating through it are schematically shown in FIG. The molecular gradient profile of the
負の液晶レンズ及びこれを伝播する光波が概略的に図3に示されている。液晶物質100の分子の勾配プロファイルは、配向層105、106のアンカリングエネルギーの非一様な空間分布及び一様な電場または磁場で形成される。光学レンズとして機能する液晶物質100の一方の側から、入射または出射する光波301は平面波面を有することができる一方で、入射または出射する光波302は球面波面を有することができる。
A negative liquid crystal lens and a light wave propagating through it are schematically shown in FIG. The molecular gradient profile of the
図4は、図2に示される正レンズの液晶物質100の分子の勾配プロファイルを生じさせる配向層105、106のアンカリングエネルギーの空間分布の計算結果を示す。導電性表面103、104に印加される電圧によって、勾配プロファイルの値が制御され、結果として液晶レンズの焦点距離が制御される。
FIG. 4 shows a calculation result of the spatial distribution of the anchoring energy of the alignment layers 105 and 106 that generates the molecular gradient profile of the
図5は、図3に示される負レンズの液晶物質100の分子の勾配プロファイルを生じさせる配向層105、106のアンカリングエネルギーの空間分布の計算結果を示す。導電性表面103、140に印加される電圧によって、勾配プロファイルの値が制御され、結果として液晶レンズの焦点距離が制御される。
FIG. 5 shows a calculation result of the spatial distribution of the anchoring energy of the alignment layers 105 and 106 that generates the molecular gradient profile of the
図4及び図5に示される液晶レンズの焦点距離は以下の式を用いて求められる。
f=πr2/(ΔΦλ)
ここで、fは焦点距離、rはレンズ半径、ΔΦは液晶レンズの中心及び周囲を通過する異常波の間の位相差、λは光の波長である。
The focal length of the liquid crystal lens shown in FIGS. 4 and 5 is obtained using the following equation.
f = πr 2 / (ΔΦλ)
Here, f is a focal length, r is a lens radius, ΔΦ is a phase difference between abnormal waves passing through the center and the periphery of the liquid crystal lens, and λ is a wavelength of light.
図6は、印加電圧が0.35Vの場合に、図2に示される液晶レンズを通過する光波の位相プロファイルの計算結果を示す。計算は、メルク(Merck)社の液晶物質E7に対して行われ、液晶物質100の厚さは15μmであり、レンズ直径は1mmである。
FIG. 6 shows the calculation result of the phase profile of the light wave passing through the liquid crystal lens shown in FIG. 2 when the applied voltage is 0.35V. The calculation is performed on a Merck liquid crystal material E7, the thickness of the
図7は、印加電圧が0.75Vの場合に、図2に示される液晶レンズを通過する光波の位相プロファイルの計算結果を示す。計算は、メルク社の液晶物質E7に対して行われ、液晶物質100の厚さは15μmであり、レンズ直径は1mmである。
FIG. 7 shows the calculation result of the phase profile of the light wave passing through the liquid crystal lens shown in FIG. 2 when the applied voltage is 0.75V. The calculation is performed on Merck's liquid crystal material E7, where the thickness of the
図8は、印加電圧が1Vの場合に、図2に示される液晶レンズを通過する光波の位相プロファイルの計算結果を示す。計算は、メルク社の液晶物質E7に対して行われ、液晶物質100の厚さは15μmであり、レンズ直径は1mmである。
FIG. 8 shows the calculation result of the phase profile of the light wave passing through the liquid crystal lens shown in FIG. 2 when the applied voltage is 1V. The calculation is performed on Merck's liquid crystal material E7, where the thickness of the
液晶レンズの屈折力が最小値Dminから最大値Dmaxの範囲内で変化する場合、屈折力D0を有する他の電界レンズまたは光学システムとのマッチングによって、D0+DminからD0+Dmaxの新しい範囲がもたらされる。電界レンズを作り出す方法の一つは、曲面状の基板101、102で上述の液晶レンズを用いることである。この電界レンズは、外部電場または磁場がゼロの時に屈折力D0+Dminを有する。
When the refractive power of the liquid crystal lens changes within the range from the minimum value D min to the maximum value D max , D 0 + D min to D 0 + D max are obtained by matching with another electric field lens or optical system having the refractive power D 0. A new range of One method of creating an electric field lens is to use the liquid crystal lens described above with
図2または図3に示される液晶レンズの基板101、102の一方が、光を反射する物質でコーティングされていると、液晶レンズは反射性レンズとして機能する。反射性レンズの屈折率は、このような透過性レンズの屈折力よりも二倍大きい。図9は、反射性基板101を備えた正の反射性液晶レンズを概略的に示す。光は液晶物質100を二度通過し、これによって、レンズの屈折力が二倍に増大し、印加される外部電場または磁場で屈折力が変化する範囲が二倍広くなる。
When one of the
100 液晶物質
101、102 基板
103、104 導電性表面
105、106 配向層
201、202、301、302 光波
100
Claims (6)
前記基板の少なくとも一方が、アンカリングエネルギーの非一様な空間分布を備えた配向層を有し、
前記液晶レンズの前記基板の一方が反射性の内部表面を有し、前記液晶レンズが反射性レンズとなっており、
前記配向層が少なくとも二つの異なる物質から成り、前記アンカリングエネルギーの空間分布が該少なくとも二つの異なる物質の濃度分布によって達成されていることを特徴とする可変焦点距離を備えた調整可能液晶レンズ。 An adjustable liquid crystal lens having a variable focal length having at least one liquid crystal layer sandwiched between two substrates,
At least one of the substrates has an alignment layer with a non-uniform spatial distribution of anchoring energy;
One of the substrates of the liquid crystal lens has a reflective internal surface, the liquid crystal lens is a reflective lens ,
An adjustable liquid crystal lens having a variable focal length, wherein the alignment layer is made of at least two different substances, and the spatial distribution of the anchoring energy is achieved by the concentration distribution of the at least two different substances .
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