JP5486465B2

JP5486465B2 - 二重層液晶レンズ装置

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Publication number: JP5486465B2
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Authority: JP
Inventors: 吉龍張
Original assignee: 點晶科技股▲フン▼有限公司
Priority date: 2010-03-26
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Publication date: 2014-05-07
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Description

本発明は、液晶レンズの品質を調整することができ、薄膜トランジスタ（thin film transistors, TFT）により制御可能であって、且つ高い透過率を有する液晶レンズに関するものであり、特に、二重層液晶レンズ装置（double-layer liquid crystal lens apparatus）に関するものである。

長年にわたって、液晶光学デバイスに関する技術が数多く開示されており、外部電圧が印加された時に屈折率を調整することのできる特殊な光学特性を持った液晶材料を使用することによって、レンズの焦点距離を変化させ、様々な分野に応用することが研究されている。液晶を用いて屈折光学デバイスを製造する概念は、最初に、特許文献１で開示され、外部電圧を印加して、液晶分子の回転方向を調整することによって、屈折率を変化させ、それによって、液晶材料内で偏向される入射ビームを生成することを説明している。その後、液晶の調整可能な特性を利用した液晶光学デバイスが数多く公開された。例えば、液晶を駆動する特許文献２の電極設計では、同心円に設計された回折ゾーンプレート（zone plate）を用いて回折型液晶デバイスを形成することによって、所定の偏光方向の入射ビームに対する１次回折ビームおよび０次非回折ビームを生成する。このデバイスは、集光レンズを組み合わせて異なる位置の２つの焦点を生成するもので、多層データを読み取り／書き込む光ピックアップヘッド（optical pickup head）や収差補正素子（aberration correction unit）に応用される。

また、特許文献３における液晶デバイスの駆動電極は、同心円に設計された周期性環状構造である。各環状電極を高、低の異なる電圧で駆動して連続的に電圧を降下させ、電極が作用している時の液晶分子の屈折率を連続的に分布する。そのため、光路差（optical path difference, OPD）を位相調整して、フレネルレンズ（Fresnel lens）のような構造を形成することによって、デバイスを光ピックアップヘッド焦点の収差補正に応用することができる。さらに、特許文献４に開示されている電極設計は、対称する２つの上下半円区域を有し、光ピックアップヘッドの収差補正、特に、傾斜によるコマ収差（coma aberration）の補正に応用される。

また、特許文献５は、不均質な高分子分散型液晶（polymer dispersed liquid crystal, PDLC）を紫外線（UV light）照射と組み合わせて利用することによって、液晶分子が不均等な大きさの液滴（droplet）を形成し、外部から印加した電圧を変えることによって光学焦点特性を連続的に調整することができることを説明している。さらに、非特許文献１において、液晶媒質層よりもはるかに厚いガラスの別の側に電極を構成することが開示されている。大幅に高い電圧を印加することによって、電位が分布してガラスを通過した後、電位は連続的な曲面の分布を有し、それによって、連続的な位相分布を有するレンズに類似した連続的な液晶屈折率分布になり、優れた焦点特性と単純なデバイス構造を備える。しかしながら、必要とされる駆動電圧は、高くて１００Ｖに達するため、一般の液晶デバイスの駆動電圧である約５Ｖをはるかに上回る。

米国特許第４，０６６，３３４号明細書米国特許第６，５７７，３７６号米国特許第６，６９０，５００号米国特許第７，２６２，８２０号米国特許第６，８６４，９５１号米国特許第６，８５９，３３３号

国際科学誌APPLIED OPTICS（Vol. 43, No. 35, p. 6407, December, 2004）国際科学誌OPTICS EXPRESS（Vol. 15, No. 6, p. 2900, March, 2007）

上述した従来の液晶光学デバイスは、特許文献２および特許文献３に開示されているように、ストリップ形状またはフレネルレンズの回折デバイス設計を採用している。しかしながら、回折により生じる回折次数によって、光ビームの全体的な利用効率が低下する。また、紫外線露光プロセスの制限的な複雑性のために、ＰＤＬＣ構造を採用する特許文献５の開示は、分散効果による低い透過率、および高い駆動電圧の必要性等の要因によって、媒質が多くの制限を受ける。最も重要なことは、液晶の複屈折（birefringence）特性により、調整可能な光学特性は、所定の偏光の入射ビームにしか応用できないため、応用の範囲が制限される。上述した従来の技術は、一般の光源を採用した画像化システムには効果的に用いることができないため、レーザー光源を用いた光学システム、または偏光器（polarizer）や分析器（analyzer）を含む光学システムにしか応用することができない。

また、特許文献６に開示されているように、二重層液晶層構造を採用した液晶レンズによって、液晶デバイスの偏光選択性（polarization selectivity）の問題を解決しようとしている。しかしながら、この発明は、球面の電極基板と均等に分布された液晶媒質を採用しており、電圧を印加して液晶を駆動し、球面電極の固定された曲率を補正することによって、調整可能な焦点距離を達成するが、この発明の主な難点は、球面電極の製造である。さらに、非特許文献２において発表されているように、光配向（photo-alignment）法を用いて、光の偏光方向とは独立した液晶レンズを実現している。しかしながら、液晶レンズは、複雑な製造プロセスを有するため、考慮すべき重要な要因がまだ残っている。

本発明は、単純な構造を有し、好適な光学焦点距離調整機能を達成することのできる二重層液晶レンズ装置を提供する。

本発明は、第１電極素子と、第２電極素子と、第３電極素子と、２つの液晶層とを含む二重層液晶レンズ装置を提供する。第１電極素子は、第１基板と、少なくとも１つの第１能動素子と、第１電極と、第１配向層とを含む。第１能動素子、第１電極および第１配向層は、第１基板の上に配置される。第１能動素子は、第１電極に電気接続され、第１電極は、第１開口を有する。第２電極素子は、第２基板と、少なくとも１つの第２能動素子と、第２電極と、第２配向層とを含む。第２能動素子、第２電極および第２配向層は、第２基板の上に配置される。第２能動素子は、第２電極に電気接続され、第２電極は、第１開口に対応する第２開口を有する。第３電極素子は、第１電極素子と第２電極素子の間に配置される。第３電極素子は、第３基板と、共通電極と、第３配向層と、第４配向層とを含む。共通電極、第３配向層および第４配向層は、第３基板の上に配置される。第３配向層および第４配向層は、それぞれ第３基板の異なる側に配置され、共通電極は、第３配向層と第３基板の間に配置される。２つの液晶層は、それぞれ第１電極素子と第３電極素子の間、および第２電極素子と第３電極素子の間に配置される。第１配向層および第３配向層は、液晶層の１つを一列に並べ、第２配向層および第４配向層は、液晶層の別の１つの一列に並べる。

本発明の１つの実施形態において、第１能動素子は、ゲートと、能動層と、ソースと、ドレインとを含む。ドレインは、第１電極に電気接続され、ゲートが駆動された時、ソースおよびドレインが能動層を介して互いに電気接続される。本発明の１つの実施形態において、第２能動素子は、ゲートと、能動層と、ソースと、ドレインとを含む。ドレインは、第２電極に電気接続され、ゲートが駆動された時、ソースおよびドレインが能動層を介して互いに電気接続される。

本発明の１つの実施形態において、第１電極の電位と第２電極の電位は同じであり、第１電極および第２電極の電位は、共通電極の電位と異なる。本発明の別の実施形態において、第１電極の電位は、第２電極の電位と異なり、第１電極および第２電極の電位は、共通電極の電位と異なる。

本発明の別の実施形態において、少なくとも１つの第１能動素子および少なくとも１つの第２能動素子がそれぞれ複数の第１能動素子および複数の第２能動素子である時、二重層液晶レンズ装置は、さらに、少なくとも１つの第１環状電極と、少なくとも１つの第２環状電極とを含む。第１環状電極は、第１開口の中に配置され、第１能動素子は、それぞれ第１電極および第１環状電極に電気接続される。第２環状電極は、第２開口の中に配置され、第２能動素子は、それぞれ第２電極および第２環状電極に電気接続される。

本発明の１つの実施形態において、第１能動素子のそれぞれは、ゲートと、能動層と、ソースと、ドレインとを含む。各第１能動素子のドレインは、第１電極および第１環状電極に電気接続され、ゲートが駆動された時、ソースおよびドレインが能動層を介して互いに電気接続される。

本発明の１つの実施形態において、第２能動素子のそれぞれは、ゲートと、能動層と、ソースと、ドレインとを含む。各第２能動素子のドレインは、第２電極および第２環状電極に電気接続され、ゲートが駆動された時、ソースおよびドレインが能動層を介して互いに電気接続される。

本発明の１つの実施形態において、第１開口の中に配置された少なくとも１つの第１環状電極は、同心円に配列され、第２開口の中に配置された少なくとも１つの第２環状電極は、同心円に配列される。

本発明の１つの実施形態において、第１電極と少なくとも１つの第１環状電極の電位の少なくとも一部は、同じである。

本発明の１つの実施形態において、第１電極と少なくとも１つの第１環状電極の電位は、異なる。

本発明の１つの実施形態において、第２電極と少なくとも１つの第２環状電極の電位の少なくとも一部は、同じである。

本発明の１つの実施形態において、第２電極と少なくとも１つの第２環状電極の電位は、異なる。

本発明の１つの実施形態において、第１配向層の配向方向は、第３配向層の配向方向と平行で、且つ反対向きであり、第２配向層の配向方向は、第４配向層の配向方向と平行で、且つ反対向きであり、第１配向層の配向方向は、第２配向層の配向方向と垂直である。

本発明の１つの実施形態において、第１電極は、第１基板の一側に配置され、第１配向層は、第１基板の他側に配置される。

本発明の１つの実施形態において、第１電極および第１配向層は、第１基板の同じ側に配置され、第１電極は、第１配向層と第１基板の間に配置される。

本発明の１つの実施形態において、第２電極は、第２基板の一側に配置され、第２配向層は、第２基板の他側に配置される。

本発明の１つの実施形態において、第２電極および第２配向層は、第２基板の同じ側に配置され、第２電極は、第２配向層と第２基板の間に配置される。

本発明の１つの実施形態において、第１電極素子、第２電極素子および第３電極素子は、同じ駆動電源を共有するか、あるいは、それぞれ異なる駆動電源を使用する。

本発明の１つの実施形態において、二重層液晶レンズ装置は、さらに、第１電極素子と第３電極素子の間、および第２電極素子と第３電極素子の間にそれぞれ配置された複数のシーラント（sealant）を含み、それぞれ第１電極素子と第３電極素子の間の第１収容空間、および第２電極素子と第３電極素子の間の第２収容空間を保持する。液晶層は、それぞれ第１収容空間および第２収容空間の中に配置される。

以上のように、第１電極素子、第２電極素子および第３電極素子を用いて二重層液晶レンズ構造を形成し、液晶レンズに印加された電圧を適切に制御することによって、本発明の実施形態に係る二重層液晶レンズ装置は、好適な焦点距離調整能力を有し、二重焦点（double focus point）の状況が容易に発生しなくなる。また、二重層液晶レンズ装置は、能動素子（例えば、ＴＦＴ）を使用して二重層液晶レンズの屈折率を制御するため、二重層液晶レンズ装置の全体のサイズを効果的に減らすことができる。さらに、外部ＩＣの使用が減るため、それによって、製造コストを下げ、構造を単純化することができる。

本発明の上記及び他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。

本発明の実施形態に係る二重層液晶レンズ装置の一部を示す概略図である。図１に示した第１基板の上に配置された第１能動素子および第１電極の一部、または第２基板の上に配置された第２能動素子および第２電極の一部を示す概略図である。第１電極素子または第２電極素子の一部を示す概略的断面図である。第１電極素子上の第１能動素子の一部、または第２電極素子上の第２能動素子の一部を示す概略図である。第３基板の上に配置された共通電極の一部を示す概略図である。本発明の別の実施形態に係る二重層液晶レンズ装置の一部を示す概略的断面図である。図３に示した第１基板の上に配置された第１能動素子、第１電極および第１環状電極の一部、または、第２基板の上に配置された第２能動素子、第２電極および第２環状電極の一部を示す概略図である。図３に示した第１電極素子または第２電極素子の一部を示す概略的断面図である。

図１は、本発明の実施形態に係る二重層液晶レンズ装置の一部を示す概略図である。図２Ａは、図１に示した第１基板の上に配置された第１能動素子(active device)および第１電極の一部、または第２基板の上に配置された第２能動素子および第２電極の一部を示す概略図である。図２Ｂは、第１電極素子または第２電極素子の一部を示す概略的断面図である。図２Ｃは、第１電極素子上の第１能動素子の一部、または第２電極素子上の第２能動素子の一部を示す概略図である。図２Ｄは、第３基板の上に配置された共通電極の一部を示す概略図である。図１および図２Ａ〜図２Ｄを同時に参照すると、本実施形態に係る二重層液晶レンズ装置１０００は、第１電極素子１１００と、第２電極素子１２００と、第３電極素子１３００と、２つの液晶層１４２０および１４４０とを含む。

第１電極素子１１００は、第１基板１１２０と、少なくとも１つの第１能動素子１１４０と、第１電極１１６０と、第１配向層１１８０とを含む。第１能動素子１１４０、第１電極１１６０および第１配向層１１８０は、第１基板１１２０の上に配置される。第１能動素子１１４０は、第１電極１１６０に電気接続され、第１電極１１６０は、第１開口１１６２を有する。本実施形態において、第１基板１１２０は、第１表面１１２２と、第２表面１１２４とを有する。図１、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、第１能動素子１１４０および第１電極１１６０は、第１基板１１２０の第１表面１１２２に配置され、第１配向層１１８０は、第１基板１１２０の第２表面１１２４に配置される。本実施形態において、第１開口１１６２は、説明を容易にするため、円形であることを例として説明するが、本発明はこれに限定されない。別の実施形態において、第１開口１１６２は、ユーザーが要求する光学効果に基づいて、適切に調整してもよい。さらに、第１電極１１６０は、透明または不透明であってもよい。本実施形態に係る第１電極１１６０は、説明を容易にするため、透明であることを例として説明するが、本発明はこれに限定されない。

さらに詳しく説明すると、第１能動素子１１４０は、ゲート１１４２と、能動層１１４４(active layer)と、ソース１１４６と、ドレイン１１４８とを含む。ドレイン１１４８は、第１電極１１６０に電気接続される。また、ゲート１１４２が駆動された時、ソース１１４６およびドレイン１１４８が能動層１１４４を介して互いに電気接続されるため、ソース１１４６からの電圧信号は、能動層１１４４およびドレイン１１４８を順番に通過することによって、第１電極１１６０に伝送される。つまり、第１能動素子１１４０は、主に、第１電極１１６０のスイッチとして使用され、第１能動素子１１４０は、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）である。

本実施形態において、第１電極１１６０は、また、蓄積コンデンサ１１４３(storage capacitor)にも電気接続され、蓄積コンデンサ１１４３を充電または放電することができる。本実施形態において、蓄積コンデンサ１１４３の電極１１４３ａおよびゲート１１４２は、同じ層に配置され、蓄積コンデンサ１１４３の別の電極１１４３ｂおよびソース１１４６またはドレイン１１４８は、同じ層に配置される。

引き続き図１および図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、第２電極素子１２００は、第２基板１２２０と、少なくとも１つの第２能動素子１２４０と、第２電極１２６０と、第２配向層１２８０とを含む。第２能動素子１２４０、第２電極１２６０および第２配向層１２８０は、第２基板１２２０の上に配置される。第２能動素子１２４０は、第２電極１２６０に電気接続され、第２電極１２６０は、第１開口１１６２に対応する第２開口１２６２を有する。本実施形態において、第２基板１２２０は、第１表面１２２２と、第２表面１２２４とを有する。図１、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、第２能動素子１２４０および第２電極１２６０は、第２基板１２２０の第１表面１２２２に配置され、第２配向層１２８０は、第２基板１２２０の第２表面１２２４に配置される。本実施形態において、第２開口１２６２は、説明を容易にするため、円形であることを例として説明するが、本発明はこれに限定されない。別の実施形態において、第２開口１２６２は、ユーザーが要求する光学効果に基づいて、適切に調整してもよい。

同様に、第２能動素子１２４０は、ゲート１２４２と、能動層１２４４と、ソース１２４６と、ドレイン１２４８とを含む。ドレイン１２４８は、第２電極１２６０に電気接続される。また、ゲート１２４２が駆動された時、ソース１２４６およびドレイン１２４８が能動層１２４４を介して互いに電気接続されるため、ソース１２４６からの電圧信号は、能動層１２４４およびドレイン１２４８を順番に通過することによって、第２電極１２６０に伝送される。つまり、第２能動素子１２４０は、主に、第２電極１２６０のスイッチとして使用され、第２能動素子１２４０は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）である。

また、第２電極１２６０は、蓄積コンデンサ１２４３にも電気接続され、蓄積コンデンサ１２４３を充電または放電することができる。本実施形態において、蓄積コンデンサ１２４３の電極１２４３ａおよびゲート１２４２は、同じ層に配置され、蓄積コンデンサ１２４３の別の電極１２４３ｂおよびソース１２４６またはドレイン１２４８は、同じ層に配置される。

引き続き図１および図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、第３電極素子１３００は、第１電極素子１１００と第２電極素子１２００の間に配置される。第３電極素子１３００は、第３基板１３２０と、共通電極１３４０と、第３配向層１３６０と、第４配向層１３８０とを含む。共通電極１３４０、第３配向層１３６０および第４配向層１３８０は、第３基板１３２０の上に配置される。第３配向層１３６０および第４配向層１３８０は、それぞれ第３基板１３２０の異なる側に配置され、共通電極１３４０は、第３配向層１３６０と第３基板１３２０の間に配置される。本実施形態において、第３基板１３２０は、第１表面１３２２と、第２表面１３２４とを有する。図１および図２Ｃに示すように、第３配向層１３６０は、第３基板１３２０上の第１表面１３２２に配置され、第４配向層１３８０は、第３基板１３２０上の第２表面１３２４に配置される。本実施形態において、蓄積コンデンサ１１４３および１２４３の電極１１４３ａおよび１２４３ａは、共通電極１３４０の電位を共有することができる。つまり、図１、図２Ａ、図２Ｃおよび図２Ｄに示すように、共通電極１３４０の電位を接地電位（ground potential, ＧＮＤ）として使用することによって、電圧源１５２０および１５４０をそれぞれ外部結合して、第１能動素子１１４０および第２能動素子１２４０に電気接続することができる。

本実施形態において、第１配向層１１８０の配向方向は、第３配向層１３６０の配向方向と平行で、且つ反対向きであり、第２配向層１２８０の配向方向は、第４配向層１３８０の配向方向と平行で、且つ反対向きであり、第１配向層１１８０の配向方向は、第２配向層１２８０の配向方向と垂直である。

引き続き図１および図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、液晶層１４２０および１４４０は、それぞれ第１電極素子１１００と第３電極素子１３００の間、および第２電極素子１２００と第３電極素子１３００の間に配置される。また、液晶層１４２０は、第１配向層１１８０と第３配向層１３６０の間に挟まれ、第１配向層１１８０の配向方向は、第３配向層１３６０の配向方向と平行で、且つ反対向きであるため、第１配向層１１８０および第３配向層１３６０は、液晶層１４２０を一列に並べる(align)ことができる。また、液晶層１４４０は、第２配向層１２８０と第４配向層１３８０の間に挟まれ、第２配向層１２８０の配向方向は、第４配向層１３８０の配向方向と平行で、且つ反対向きであるため、第２配向層１２８０および第４配向層１３８０は、液晶層１４４０を一列に並べることができる。

上述した構造に基づき、第１電極素子１１００の上の第１能動素子１１４０を使用することによって、第１電極素子１１００と第３電極素子１３００の間に挟まれた液晶層１４２０が第１電極１１６０と共通電極１３４０の間の電圧の差を制御することができるため、液晶層１４２０は、屈折率の変化を生じさせることができる。第１電極１１６０は、第１開口１１６２を有するため、第１開口１１６２の中に配置された液晶層１４２０の全体の屈折率分布は変えられる（varied）。つまり、第１電極素子１１００と第３電極素子１３００の間に形成された電界分布は、第１開口１１６２の端から中心部に向かって次第に減少する。したがって、開口１１６２の中に配置された液晶層１４２０は、屈折率分布型レンズ（gradient-index lens, GRIN Lens）の屈折率分布を形成し、それによって、凸レンズのように光の焦点調節を行う焦点距離調整機能を達成することができる。また、この焦点効果は、第１能動素子１１４０の駆動信号の電圧の大きさによって、制御可能である。

同様にして、第２電極素子１２００の上の第２能動素子１２４０を使用することによって、第２電極素子１２００と第３電極素子１３００の間に挟まれた液晶層１４４０が、第２電極１２６０と共通電極１３４０の間の電圧の差を制御することができるため、液晶層１４４０は、屈折率の変化を生じさせることができる。第２電極１２６０は、第１開口１１６２に対応する第２開口１２６２を有するため、第２開口１２６２の中に配置された液晶層１４４０の全体の屈折率分布は変えられる（varied）。つまり、第２電極素子１２００と第３電極素子１３００の間に形成された電界分布は、第２開口１２６２の端から中心部に向かって次第に減少する。したがって、開口１２６２の中に配置された液晶層１４４０は、ＧＲＩＮレンズの屈折率分布を形成し、それによって、凸レンズのように光の焦点調節を行う焦点距離調整機能を達成することができる。また、この焦点効果は、第２能動素子１２４０の駆動信号の電圧の大きさによって、制御可能である。

以上を考慮して、注意すべきことは、所定の入射方向を有する入射ビームの２つの異なる偏光方向から見ると、液晶分子は複屈折材料である。この屈折率は、異常光線（extraordinary ray, E-ray）屈折率（n_e）および常光線（ordinary ray, O-ray）屈折率（n_o）で表される。そのため、一般の液晶レンズが偏光子を設置していない時、入射ビームは、液晶レンズを通過した後、二重焦点を生成する。一方、偏光子が設置されている時は、入射ビームの光度が弱まる。そのため、上述した構造を採用することによって、本実施形態に係る二重層液晶レンズ装置１０００は、二重焦点の問題を改善し、好適な光学焦点距離調整品質を達成することができる。

さらに詳しく説明すると、入射ビームが液晶層１４２０を通過した時、入射ビームを偏光させる偏光子が設置されていなければ、上述した二重焦点の問題が発生する。したがって、別の液晶レンズ構造（例えば、上述した第２、第３電極素子および液晶層１４４０によって形成される液晶レンズ構造）を構成し、ここで、液晶層１４４０の配向方向と液晶層１４２０の配向方向が異なることによって、本実施形態に係る二重液晶レンズ装置１０００は、適切な電圧制御により上述した二重焦点の問題を補正することができる。それによって、二重液晶レンズ装置１０００は、好適な光学焦点距離調整品質を有する。

また、本実施形態に係る二重液晶レンズ装置１０００は、能動素子１１４０および１２４０を用いて、それぞれ第１電極１１６０および第２電極１２６０の電位を制御するため、二重液晶レンズ装置１０００の全体の大きさを適切に縮小できる他に、好適な電気特性を得ることもでき、さらに、外部ＩＣの使用が減ることによって、コスト削減の効果も達成することができる。

以上の説明からわかるように、本発明の１つの実施形態に基づき、第１電極１１６０と第２電極１２６０の電位は同じであり、第１電極１１６０および第２電極１２６０の電位は、共通電極１３４０の電位と異なる。また、１つの実施形態において、第１電極１１６０と第２電極１２６０の電位は異なり、第１電極１１６０および第２電極１２６０の電位は、共通電極１３４０の電位と異なる。

本実施形態において、二重液晶レンズ装置１０００は、図１に示すように、さらに、複数のシーラント１６２０（sealant）および１６４０を含む。シーラント１６２０および１６４０は、それぞれ第１電極素子１１００と第３電極素子１３００の間、および第２電極素子１２００と第３電極素子１３００の間に配置され、それぞれ第１電極素子１１００と第３電極素子１３００の間にある第１収容空間Ｌ１、および第２電極素子１２００と第３電極素子１３００の間にある第２収容空間Ｌ２を保持する。また、液晶層１４２０および１４４０は、それぞれ第１収容空間Ｌ１および第２収容空間Ｌ２の中に配置される。

一般的に、接着剤は、第１電極素子１１００、第２電極素子１２００または第３電極素子１３００の上に配置される。そして、第１電極素子１１００、第２電極素子１２００および第３電極素子１３００を一列に並べて接合する。その後、接着剤が硬化した時、上述したシーラント１６２０および１６４０が形成される。本実施形態において、シーラント１６２０および１６４０は、例えば、液晶表示パネル（LCD panel）のプラスチックフレーミング（plastic framing）技術、あるいはその他の適切なプラスチックフレーミング技術と材料を採用するが、これらは単なる例として説明しているだけであるため、本発明の実施形態はこれらに限定されない。１つの実施形態において、シーラント１６２０および１６４０は、スペーサー（spacer）であってもよい。

言及すべきこととして、図１に示すように、本実施形態では、説明を容易にするため、例として、第１電極１１６０および第１配向層１１８０を第１基板１１２０の異なる側に配置する。しかしながら、ここに図示していない実施形態において、第１電極１１６０および第１配向層１１８０は、第１基板１１２０の同じ側、つまり、第１基板１１２０の第２表面１１２４に配置されてもよい。また、第１基板１１６０は、第１配向層１１８０と第１基板１１２０の間に配置される。したがって、第１基板１１６０と共通電極１３４０の間の距離が減少し、それに応じて、第１電極１１６０に印加された電圧が適切に低下することによって、部分的に電力を節約することができる。同様に、第２電極１２６０および第２配向層１２８０は、第２基板１２２０の同じ側に配置されてもよい。

図３は、本発明の別の実施形態に係る二重層液晶レンズ装置の一部を示す概略的断面図である。図４Ａは、図３に示した第１基板の上に配置された第１能動素子、第１電極および第１環状電極の一部、または、第２基板の上に配置された第２能動素子、第２電極および第２環状電極の一部を示す概略図である。図４Ｂは、図３に示した第１電極素子または第２電極素子の一部を示す概略的断面図である。図１、図２Ａ〜図２Ｄ、図３、および図４Ａ〜図４Ｂを同時に参照すると、二重層液晶レンズ装置２０００は、上述した二重層液晶レンズ装置１０００と類似するため、同じ構成要素には同じ参照符号を付す。これらの相違点は、二重層液晶レンズ装置２０００が複数の第１能動素子１１４０と、複数の第２能動素子１２４０と、少なくとも１つの第１環状電極２１００と、少なくとも１つの第２環状電極２２００とを有することである。本実施形態に係る第１環状電極および第２環状電極の数は、説明を容易にするため、４個を例として説明するが、本発明はこれに限定されない。

第１環状電極２１００は、第１開口１１６２の中に配置され、第１基板１１２０の第１表面１１２２に構成される。第１能動素子１１４０のうちの１つは、第１電極１１６０に電気接続され、第１能動素子１１４０の残りは、それぞれ４つの第１環状電極２１００に電気接続される。本実施形態において、第１能動素子１１４０のドレイン１１４８は、それぞれ第１電極１１６０および第１環状電極２１００に電気接続される。また、ゲート１１４２が駆動された時、ソース１１４６およびドレイン１１４８は、能動層１１４４を介して互いに電気接続される。つまり、それぞれの電気接続された第１能動素子１１４０によって、第１電極１１６０および第１環状電極２１００は、駆動されるか、あるいは電圧が印加される。

同様に、図４Ａに示すように、第２環状電極２２００は、第２開口１２６２の中に配置され、第２基板１２２０の第２表面１２２２に構成される。第２能動素子１２４０のうちの１つは、第２電極１２６０に電気接続され、第２能動素子１２４０の残りは、それぞれ４つの第２環状電極２２００に電気接続される。本実施形態において、第２能動素子１２４０のドレイン１２４８は、それぞれ第２電極１２６０および第２環状電極２２００に電気接続される。また、ゲート１２４２が駆動された時、ソース１２４６およびドレイン１２４８は、能動層１２４４を介して互いに電気接続される。つまり、それぞれの電気接続された第２能動素子１２４０によって、第２電極１２６０および第２環状電極２２００は、駆動されるか、あるいは電圧が印加される。

本実施形態において、図４Ａに示すように、第１開口１１６２の中に配置された第１環状電極２１００は、同心円に配列され、第２開口１２６２の中に配置された第２環状電極２２００は、同心円に配列される。また、各環状電極２１００および２２００は、ＴＦＴ電圧制御メカニズムを採用し、第３電極素子１３００の上に共通電極１３４０の構造と結合するため、平行板コンデンサに似た構造を形成することができる。そのため、各環状電極２１００および２２００に異なる電圧を印加することによって、二重層液晶レンズ装置２０００の集光特性を調整することができる。

例えば、一般の正の一軸性液晶（n_e>n_o）(positive uniaxial liquid crystal)については、内輪に近接する環状電極に低い電位が印加され、外輪に近接する環状電極に高い電位が印加された時、内輪に近接する液晶層１４２０および１４４０の位相遅延量は、外輪に近接する液晶層１４２０および１４４０の位相遅延量よりも高くなる。そのため、全体の液晶レンズは、正レンズの光学効果を達成する。逆に、内輪に近接する環状電極に高い電位が印加され、外輪に近接する環状電極に低い電位が印加された時、内輪に近接する液晶層１４２０および１４４０の位相遅延量は、外輪に近接する液晶層１４２０および１４４０の位相遅延量よりも低くなる。そのため、全体の液晶レンズは、負レンズの光学効果を達成する。つまり、上述した電圧印加の設計によって、二重層液晶レンズ装置２０００は、無焦点特性（外輪と内輪の電圧が等しい）、正レンズ焦点特性（外輪の電圧が内輪の電圧よりも高い）、負レンズ焦点特性（外輪の電圧が内輪の電圧よりも低い）等の異なる焦点モードで操作することができる。それによって、二重層液晶レンズ装置２０００は、主要特徴の１つを達成する。

以上のように、二重層液晶レンズ装置１０００または２０００が採用する駆動電源量およびユーザーの設計と要求に基づき、第１電極１１６０と第１環状電極２１００の電位の少なくとも一部は、同じである。あるいは、第１電極１１６０と第１環状電極２１００の電位は、異なる。同様に、第２電極１２６０と第２環状電極２２００の電位の少なくとも一部は、同じである。あるいは、第２電極１２６０と第２環状電極２２００の電位は、異なる。

二重層液晶レンズ装置１０００および２０００の相違点は、二重層液晶レンズ装置２０００が、第１開口１１６２および第２開口１２６２の中にそれぞれ少なくとも１つの第１環状電極および少なくとも１つの第２環状電極を配置していることのみである。そのため、上述した利点を有する他に、二重層液晶レンズ装置２０００は、二重層液晶レンズ装置１０００の利点も有するが、ここでは説明を省略する。

注意すべきこととして、図１および図３に示した実施形態は、第１電極素子１１００、第２電極素子１２００および第３電極素子１３００に対してそれぞれ異なる駆動電源を使用する。しかしながら、別の実施形態において、同じ駆動電源を共有してもよい。また、上述した第１基板１１２０、第２基板１２２０および第３基板１３２０は、例えば、透明基板である。

以上のように、本発明の実施形態に係る二重層液晶レンズ装置は、少なくとも以下の利点を有する。まず、第１電極素子、第２電極素子および第３電極素子によって形成された二重層液晶レンズ構造により、液晶レンズに印加された電圧を適切に制御することによって、GＲＩＮレンズの屈折率分布を生成することができる。また、通過する光を補正することによって、二重層液晶レンズ装置が好適な焦点調節能力を有するため、二重焦点の状況が容易に発生しない。そのため、二重層液晶レンズ装置は、凸レンズまたは凹レンズのように光を集光／拡散する焦点距離調整機能を有することができる。さらに、二重層液晶レンズ装置は、能動素子（例えば、ＴＦＴ）を使用することによって二重層液晶レンズの屈折率を制御するため、二重層液晶レンズ装置の全体の大きさを効果的に減らすだけでなく、外部ＩＣの使用が減ることによって、製造コストを下げ、構造を単純化することもできる。また、二重層液晶レンズ装置は、開口の中に配置された複数の環状電極を有するため、各環状電極に印加された電圧を少しずつ調整することによって、好適な光学性能を達成することができる。

以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

１０００、２０００二重層液晶レンズ装置
１１００第１電極素子
１１２０第１基板
１１２２、１２２２、１３２２第１表面
１１２４、１２２４、１３２４第２表面
１１４０第１能動素子
１１４２、１２４２ゲート
１１４３、１２４３蓄積コンデンサ
１１４３ａ、１１４３ｂ、１２４３ａ、１２４３ｂ電極
１１４４、１２４４能動層
１１４６、１２４６ソース
１１４８、１２４８ドレイン
１１６０第１電極
１１６２第１開口
１１８０第１配向層
１２００第２電極素子
１２２０第２基板
１２４０第２能動素子
１２６０第２電極
１２８０第２配向層
１２６２第２開口
１３００第３電極素子
１３２０第３基板
１３４０共通電極
１３６０第３配向層
１３８０第４配向層
１４２０、１４４０液晶層
１５２０、１５４０電圧源
１６２０、１６４０シーラント
２１００第１環状電極
２２００第２環状電極
Ｌ１第１収容空間
Ｌ２第２収容空間

Claims

第１基板と、少なくとも１つの第１能動素子と、第１電極と、第１配向層と、第１蓄積コンデンサとを備え、前記第１能動素子、前記第１電極、前記第１配向層および前記第１蓄積コンデンサが、前記第１基板の上に配置され、前記第１能動素子および前記第１蓄積コンデンサが、前記第１電極に電気接続され、前記第１電極が、第１開口を有する第１電極素子と、
第２基板と、少なくとも１つの第２能動素子と、第２電極と、第２配向層と、第２蓄積コンデンサとを備え、前記第２能動素子、前記第２電極、前記第２配向層および前記第２蓄積コンデンサが、前記第２基板の上に配置され、前記第２能動素子および前記第２蓄積コンデンサが、前記第２電極に電気接続され、前記第２電極が、前記第１開口に対応する第２開口を有する第２電極素子と、
前記第１電極素子と前記第２電極素子の間に配置されて、第３基板と、１つの共通電極と、第３配向層と、第４配向層とを備え、前記１つの共通電極、前記第３配向層および前記第４配向層が、前記第３基板の上に配置され、前記第３配向層および前記第４配向層が、それぞれ前記第３基板の異なる側に配置され、前記１つの共通電極が、前記第３配向層と前記第３基板の間に配置され、前記第１蓄積コンデンサおよび前記第２蓄積コンデンサに電気接続され、前記１つの共通電極の電位を接地電位として使用することによって、第１および第２の電圧源が前記１つの共通電極により直列に接続され、前記第１および第２の電圧源の他の端子がそれぞれ前記第１電極および第２電極に電気接続された第３電極素子と、
前記第１電極素子と前記第３電極素子の間、および前記第２電極素子と前記第３電極素子の間にそれぞれ配置され、１つが前記第１配向層および前記第３配向層によって一列に並べられ、別の１つが前記第２配向層および前記第４配向層によって一列に並べられた２つの液晶層と、を備えた二重層液晶レンズ装置。
前記第１能動素子が、ゲートと、能動層と、ソースと、ドレインとを備え、前記ドレインが、前記第１電極に電気接続され、前記ゲートが駆動された時、前記ソースおよび前記ドレインが、前記能動層を介して互いに電気接続される請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第２能動素子が、ゲートと、能動層と、ソースと、ドレインとを備え、前記ドレインが、前記第２電極に電気接続され、前記ゲートが駆動された時、前記ソースおよび前記ドレインが、前記能動層を介して互いに電気接続される請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１電極の電位と前記第２電極の電位が同じであって、前記第１電極および前記第２電極の前記電位が前記共通電極の電位と異なる請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１電極の電位と前記第２電極の電位が異なり、前記第１電極および前記第２電極の前記電位が前記共通電極の電位と異なる請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記少なくとも１つの第１能動素子および前記少なくとも１つの第２能動素子が、それぞれ複数の第１能動素子および複数の第２能動素子であり、前記二重層液晶レンズ装置が、さらに、少なくとも１つの第１環状電極と、少なくとも１つの第２環状電極とを備え、
前記第１環状電極が、前記第１開口の中に配置され、前記第１能動素子が、それぞれ前記第１電極および前記第１環状電極に電気接続され、
前記第２環状電極が、前記第２開口の中に配置され、前記第２能動素子が、それぞれ前記第２電極および前記第２環状電極に電気接続された請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１能動素子のそれぞれが、ゲートと、能動層と、ソースと、ドレインとを備え、前記各第１能動素子の前記ドレインが、それぞれ前記第１電極および前記第１環状電極に電気接続され、前記ゲートが駆動された時、前記ソースおよび前記ドレインが、前記能動層を介して互いに電気接続される請求項６記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第２能動素子のそれぞれが、ゲートと、能動層と、ソースと、ドレインとを備え、前記各第２能動素子の前記ドレインが、それぞれ前記第２電極および前記第２環状電極に電気接続され、前記ゲートが駆動された時、前記ソースおよび前記ドレインが、前記能動層を介して互いに電気接続される請求項６記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１開口の中に配置された前記少なくとも１つの第１環状電極が、同心円に配列され、前記第２開口の中に配置された前記少なくとも１つの第２環状電極が、同心円に配列された請求項６記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１電極と前記少なくとも１つの第１環状電極の前記電位の少なくとも一部が同じである請求項６記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１電極と前記少なくとも１つの第１環状電極の前記電位が異なる請求項６記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第２電極と前記少なくとも１つの第２環状電極の前記電位の少なくとも一部が同じである請求項６記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第２電極と前記少なくとも１つの第２環状電極の前記電位が異なる請求項６記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１配向層の配向方向が、前記第３配向層の配向方向と平行で、且つ反対向きであり、
前記第２配向層の配向方向が、前記第４配向層の配向方向と平行で、且つ反対向きであり、
前記第１配向層の前記配向方向が、前記第２配向層の前記配向方向と垂直である請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１電極が、前記第１基板の一側に配置され、前記第１配向層が、前記第１基板の他側に配置された請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１電極および前記第１配向層が、前記第１基板の同じ側に配置され、
前記第１電極が、前記第１配向層と前記第１基板の間に配置された請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第２電極が、前記第２基板の一側に配置され、前記第２配向層が、前記第２基板の他側に配置された請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第２電極および前記第２配向層が、前記第２基板の同じ側に配置され、
前記第２電極が、前記第２配向層と前記第２基板の間に配置された請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１電極素子、前記第２電極素子および前記第３電極素子が、同じ駆動電源を共有するか、あるいは、それぞれ異なる駆動電源を使用する請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。
前記第１電極素子と前記第３電極素子の間、および前記第２電極素子と前記第３電極素子の間にそれぞれ配置された複数のシーラントをさらに備え、
それぞれ前記第１電極素子と前記第３電極素子の間の第１収容空間、および前記第２電極素子と前記第３電極素子の間の第２収容空間を保持し、
前記液晶層が、それぞれ前記第１収容空間および前記第２収容空間の中に配置される請求項１記載の二重層液晶レンズ装置。