JP5776135B2 - Low voltage liquid crystal lens - Google Patents
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Description
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で多機能且つ薄型のレンズを実現し得る低電圧駆動液晶レンズに関する。 The present invention relates to a low-voltage driving liquid crystal lens that has a simple structure and can realize a large, multifunctional and thin lens capable of changing a focal length by a low voltage.
ネマティック液晶と呼ばれる液晶は、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し、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、種々の電圧可変型の光学デバイスが提案されている。 A liquid crystal called a nematic liquid crystal has fluidity like a liquid, exhibits anisotropy in electro-optical characteristics, and an effective refractive index can be continuously varied from a value for almost extraordinary light to a value for ordinary light by applying a voltage. Various voltage variable optical devices have been proposed by utilizing this feature.
すなわち、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、直径が数100ミクロンの円形の孔型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が特許文献1、特許文献2に報告されている。このような口径がミリメートル以下の小さな液晶レンズは液晶マイクロレンズと呼ばれている。
That is, some nematic liquid crystal cells utilize the property that liquid crystal molecules are aligned in the direction of an electric field. This is a spatial parabolic refractive index distribution by using an electrode having a circular hole pattern with a diameter of several hundreds of microns and utilizing the liquid crystal molecule alignment effect due to an axisymmetric non-uniform electric field.
特許文献1、2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て円形孔型パターンの直径を大きくして開口径が大きなレンズを構成すると、電極の開口部により生じる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、レンズ特性を得るために必要な液晶分子の空間配向分布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、液晶層を挟む2枚の基板上の電極に設けた円形の開口部に配向膜を介して液晶層に接するように透明な高抵抗の膜を付与することで、高抵抗膜面の電気抵抗による電位分布を利用して開口部の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3)。
In the liquid crystal microlens structure proposed in
しかしこの方法では、液晶層に面する基板面に設けた抵抗膜による電位分布が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な所定の電位分布の形状となるように設定することは非常に困難であり、また電界強度の分布と液晶分子配向効果の関係が非線形であるため、良好なレンズ特性を保持した状態で広範囲に焦点距離を変化させることはきわめて困難であるという問題があった。 However, with this method, the potential distribution due to the resistive film provided on the substrate surface facing the liquid crystal layer has a predetermined potential distribution shape that provides a parabolic refractive index distribution based on the orientation distribution of the liquid crystal molecules. It is extremely difficult to change the focal length over a wide range while maintaining good lens characteristics because the relationship between the electric field strength distribution and the liquid crystal molecule alignment effect is nonlinear. There was a problem that there was.
また、特許文献1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、液晶層と円形の孔型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4、非特許文献1、2)、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型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。
Further, an electrode having an opening having a structure similar to the liquid crystal microlens proposed in
さらに、液晶層と円形の孔型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、円形孔型パターン電極の外部又は円形パターン電極内に透明な第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開示されている(特許文献5)。 Further, in a liquid crystal lens in which an insulating layer is inserted between the liquid crystal layer and the circular hole pattern electrode, a transparent third electrode is arranged outside the circular hole pattern electrode or inside the circular pattern electrode, and the voltage is increased by two voltages. A liquid crystal lens is disclosed in which the focal length can be varied over a wide range from concave lens characteristics to convex lens characteristics while maintaining good characteristics by driving (Patent Document 5).
前記絶縁層として、比誘電率が高いガラス材料を使用することで、液晶レンズの駆動電圧を低下できることが、非特許文献3及び非特許文献4に報告されている。
It has been reported in Non-Patent
しかし、特許文献4、5で提案されている液晶層と円形孔型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。
However, 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
また、この問題を解決するために、透明絶縁層の中に透明な高抵抗層として高抵抗の液体層又は高抵抗の薄膜等を設けて電位分布を中継すること、すなわち高抵抗膜面の電位分布を利用して軸対称の不均一電界が中心部まで生じるようにした構造とすることで透明絶縁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特許文献6及び非特許文献4、5に報告されている。
In order to solve this problem, a high-resistance liquid layer or a high-resistance thin film is provided as a transparent high-resistance layer in the transparent insulating layer to relay the potential distribution, that is, the potential of the high-resistance film surface. Patent Document 6 discloses a method for reducing the driving voltage as a result of reducing the effective thickness of the transparent insulating layer by adopting a structure in which an axially symmetric non-uniform electric field is generated up to the center using the distribution. And Non-Patent
しかし、透明絶縁層の中に透明な高抵抗層を挿入した場合には、透明絶縁層基板が少なくとも2枚必要となり、製造工程が複雑になること、及びレンズ全体としての厚みを薄くすることに限界があるという問題があった。また、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り、さらに単純な凸レンズ又は凹レンズ特性の他に複雑な機能を有するレンズを構成することは困難であった。 However, when a transparent high resistance layer is inserted in the transparent insulating layer, at least two transparent insulating layer substrates are required, which complicates the manufacturing process and reduces the thickness of the entire lens. There was a problem that there was a limit. In addition, there is a problem that the effective refractive index variable range in the liquid crystal layer, that is, the variable focal range cannot be widened, and it is difficult to construct a lens having a complicated function in addition to simple convex lens or concave lens characteristics. It was.
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レンズを提供することにある。またこの発明は、多様な機能を有し、液晶層の利用効率を改善し、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レンズ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 lens that solves the above problems, can be stably driven at a low voltage, and has a large aperture while maintaining good optical characteristics. The present invention also provides a liquid crystal lens that has various functions, improves the utilization efficiency of the liquid crystal layer, and is a large-sized lens that has a high reproducibility and can greatly change the focal length at a low voltage. It is in.
この発明の低電圧駆動液晶レンズは、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、孔を有し且つ前記第1の電極に対向した第2の電極、及び前記第1の電極と前記第2の電極との間に収容された、液晶分子を一方向に配向させる液晶層を備え、前記第2の電極に対して第1の電圧を加えられるように構成され、前記第2の電極と前記孔に対して前記孔内で前記第2の電極に対して間隔を置いて第3の電極が配置され、前記第3の電極に対して前記第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、かつ、前記第1の電圧又は前記第2の電圧のいずれか一方が固定の値とされ、前記第1の電圧に対して前記第2の電圧、又は前記第2の電圧に対して前記第1の電圧が可変されることで光学的特性を可変制御することができる液晶レンズであって、
前記孔と前記液晶層及び前記第2の電極と前記液晶層との間に、透明絶縁層及び透明な高抵抗層による第1の二重層、または透明媒質及び透明な高抵抗層による第1の二重層の何れか一方の二重層が配置され、前記透明な高抵抗層はいずれの電極とも非接続であり、該透明な高抵抗層と前記液晶層との間に電極がなく、
前記透明な高抵抗層の抵抗値が、前記第3の電極の中心から軸対称で且つ半径方向で階段状に又は連続的に変化していることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the low-voltage drive liquid crystal lens of the present invention basically includes a first substrate having a transparent first electrode, a hole having a hole and facing the first electrode. 2 and a liquid crystal layer accommodated between the first electrode and the second electrode for aligning liquid crystal molecules in one direction, and applying a first voltage to the second electrode. A third electrode disposed in the hole and spaced from the second electrode within the hole with respect to the second electrode and the hole; The second voltage independent of the first voltage can be applied, and either the first voltage or the second voltage is a fixed value, and the first voltage The first voltage is varied with respect to the second voltage or the second voltage. A liquid crystal lens capable of variably controlling optical characteristics,
Between the hole and the liquid crystal layer and the second electrode and the liquid crystal layer, a first double layer composed of a transparent insulating layer and a transparent high resistance layer, or a first medium composed of a transparent medium and a transparent high resistance layer. Any one of the double layers is disposed , the transparent high resistance layer is not connected to any electrode, and there is no electrode between the transparent high resistance layer and the liquid crystal layer,
The resistance value of the transparent high-resistance layer is characterized by being axially symmetric from the center of the third electrode and stepwise or continuously in the radial direction.
前記透明な高抵抗層は前記第3の電極の中心に対して円帯状に配置されてもよい。 The transparent high resistance layer may be arranged in a circular band shape with respect to the center of the third electrode.
前記第2の電極が同心円状に、又は半径方向に複数に分割されており、各分割された電極と前記第1の電極との間に独立した電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うようにしてもよい。 The second electrode is concentrically or divided into a plurality of radial directions, and an independent voltage is applied between each of the divided electrodes and the first electrode to control the alignment of liquid crystal molecules. It may be.
前記第1の基板及び前記第2の電極を有する第2の基板及び透明絶縁層又は透明媒質の少なくとも何れかがレンズ効果を有してもよい。 At least one of the first substrate and the second substrate having the second electrode and the transparent insulating layer or the transparent medium may have a lens effect.
前記透明な高抵抗層が液晶分子に対する配向効果を有しても良い。 The transparent high resistance layer may have an alignment effect on liquid crystal molecules.
またレンズ効果を有する領域からレンズ効果を有しない領域の間で連続的に又は階段状にレンズ効果が弱くなる特性を有しても良い。 Further, the lens effect may be weakened continuously or stepwise between a region having a lens effect and a region having no lens effect.
またレンズ効果を示す領域の中心が前記透明な第1の基板の中心から周辺部にずれた位置に有してもよい。 Further, the center of the region showing the lens effect may be located at a position shifted from the center of the transparent first substrate to the peripheral portion.
この発明は、第1の基板の一方の面に第1の孔を有する第1の電極が配置され、前記第1の孔内で前記第1の電極に間隔を置いて第2の電極が配置され、前記第1及び第2の電極に対して透明絶縁層または透明媒質及び透明な高抵抗層による第1の二重層が重なり、前記第1の二重層に対して透明絶縁層又は透明絶縁膜によるセンター層の一方の面が対向し、前記第1の二重層と前記センター層一方の面との間に第1の液晶分子を一方向に配向させる第1の液晶層を備え、前記センター層の他方の面に対向して、透明絶縁層または透明媒質及び透明な高抵抗層による第2の二重層が対応し、前記センター層の他方の面と前記第2の二重層との間に第2の液晶層を備え、前記第2の二重層の前記第2の液晶層と反対側の面には、第2の孔を有する第3の電極及び前記第2の孔内で前記第3の電極に間隔を置いて第4の電極が配置され、かつ前記第3及び第4の電極を有する第2の基板が配置されており、前記第1の電極と前記第3の電極間、前記第2の電極と前記第4の電極間にそれぞれ独立した第1の電圧と第2の電圧を供給するように構成されてもよい。 According to the present invention, a first electrode having a first hole is disposed on one surface of a first substrate, and a second electrode is disposed in the first hole with a space from the first electrode. A first insulating layer or a transparent medium and a first double layer of a transparent high-resistance layer overlap the first and second electrodes, and the first insulating layer or the transparent insulating film overlaps the first double layer. A first liquid crystal layer in which one surface of the center layer is opposed to each other, and the first liquid crystal molecules are aligned in one direction between the first double layer and the one surface of the center layer; A second double layer of a transparent insulating layer or a transparent medium and a transparent high resistance layer corresponds to the other surface of the center layer, and a second double layer is formed between the other surface of the center layer and the second double layer. 2 liquid crystal layers, and the second double layer has a second hole on a surface opposite to the second liquid crystal layer. A fourth electrode is disposed in the third electrode and the second hole at a distance from the third electrode, and a second substrate having the third and fourth electrodes is disposed. The first voltage and the second voltage may be supplied independently between the first electrode and the third electrode, and between the second electrode and the fourth electrode.
上記の手段により、簡単な構造であって、低電圧により駆動することができる多機能で且つ薄型のレンズを実現し得る。また、レンズの口径を大きくしても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効率よく可変することができる。 By the above means, it is possible to realize a multifunctional and thin lens that has a simple structure and can be driven by a low voltage. Moreover, even if the aperture of the lens is increased, the focal length can be changed with a low voltage. Further, the focal length can be varied greatly efficiently by electrical control with a low voltage without the operation of mechanically moving the lens back and forth as in the prior art.
以下この発明の実施の形態について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液晶レンズの基本構成を断面から見た構成を示している。透明な第1の電極21は第1の基板11の上に形成され、第2の基板12を所定の厚みを保つための図示されていないスペーサを介して重ね合わせることで液晶セルを構成する。第1の基板11と前記第2の基板12の間には、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た第1の液晶層31を備える。
FIG. 1A shows a configuration in which a basic configuration of a liquid crystal lens according to an embodiment of the present invention is viewed from a cross section. The transparent
前記第1の基板11の前記液晶層31に接する面には液晶分子を一方向に配向させる効果を有する配向膜51が配置されている。また、第2の基板12の液晶層に面する側には透明な高抵抗層41として高抵抗膜が配置されている。なお、この高抵抗膜はいずれの電極とも接続されておらず、直接電圧を印加していない。
An
前記配向膜51及び透明な高抵抗層41には一方向にラビング処理を行うことで、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタがプレティルト角と呼ばれる基板面から1〜2度程度傾いた角度をなして配向するような状態となっている。透明な高抵抗層41に対してラビング処理をしないときは、配向膜52が配置される。
By rubbing the
図1(B)は、図1(A)の液晶レンズを平面的に見た図であり、前記第2の基板12は、第2の電極22を有し、第2の電極22には円形孔22−1が形成されている。前記第1の電極21と第2の電極22の間には第1の駆動電源からの第1の電圧V1を加える。また、前記円形孔22−1の中にはスリットにより電気的に絶縁された同一の中心をもつ円状の透明な第3の電極23が形成されている。この円形の透明な第3の電極23に、同様にスリットで第2の電極から絶縁された引き出し部23−1を通して外部の第2の駆動電源からの第2の電圧V2を印加することができるように配置されている。
FIG. 1B is a plan view of the liquid crystal lens of FIG. 1A, and the
ここで図1に示した構成から第3の電極23を除いた構成とした場合について説明する。第1の電極21と第2の電極22の間にしきい値よりも高い第1の電圧V1を加えると、液晶層31に軸対称の不均一電界が加わり、液晶分子が配向膜面による配向規制力と軸対称不均一電界の配向効果が弾性的に釣り合った状態に配向し、主として凸レンズ効果が得られる。この動作原理の詳細については特許文献4に開示されている。
Here, a case where the
図1に示した構成から第3の電極23を除いた構成の液晶レンズでは、外部印加電圧の増加に対する液晶レンズの焦点距離の変化特性が、一度最短となった後増加に転ずるという複雑な特性を示し、また凹レンズ特性を得ることが難しいという問題があったことから、図1に示したように第2の電極の他に第3の電極を設ける構成となっている。図1に示した第3の電極を配置した構成とした場合では、前記第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ている。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段階の光学特性を得られる液晶レンズが構成される。この液晶レンズの動作原理の詳細については特許文献5に開示されており、凸レンズ、凹レンズとしての機能が得られる。
In the liquid crystal lens having a configuration excluding the
特にこの液晶レンズでは、透明絶縁層15と液晶層31の間に透明な高抵抗層41としての高抵抗膜を配置しているため、交流電圧を加えた場合には孔を有する第2の電極22(円形パターン電極)と液晶層31との間に透明な高抵抗層41を仲介して誘電結合が生じる結果としての電位分布の中継効果により、透明絶縁層15の厚みが薄くなっても軸対称の不均一電界が液晶層中で円形孔の中心部に対応する位置まで生じるようになるため、駆動電圧を低下することができる。なお透明絶縁層の中に高抵抗層を挿入した構造において駆動電圧を低下する効果については特許文献6及び非特許文献4等に開示されている。
In particular, in this liquid crystal lens, since the high resistance film as the transparent
次に、簡単な構成で薄型化を行うと共に駆動電圧を大きく低下することができる構成である特徴的な実施の形態について説明する。すなわち図1に示すように、透明絶縁層15の厚みを薄くするために、孔を有する第2の電極22及び第2の電極22の孔22−1内に間隔を置いて配置された第3の電極23を有する第2の基板12を、液晶層31に対して反対側に配置し、前記第2の電極22及び第3の電極23を液晶側に配置した液晶レンズを構成した。なお、この構成は透明絶縁層15を得るために従来の第2の基板12を単純に薄くしたという発想ではない。第2及び第3の電極22、23を製造するときは第2の基板12の強度を保つ必要がある。このために、第2の基板12を単純に薄くすればよいというわけではなく、第2の基板に対して第2及び第3の電極22、23を配置し、次に上記のように第2の基板12の面を裏表反転して配置している。
Next, a characteristic embodiment will be described which is a configuration capable of reducing the driving voltage while reducing the thickness with a simple configuration. That is, as shown in FIG. 1, in order to reduce the thickness of the transparent insulating
この実施例では、透明絶縁層15と液晶層の間に透明な高抵抗層41及び液晶分子に対する配向層52を配置している。なお、透明絶縁層15の厚みは1μm程度もしくはさらに薄い薄膜等で形成することができるため、駆動電圧を大幅に低下することが可能となる。
In this embodiment, a transparent
図1の構成において、第3の電極23を配置した円形の開口部の直径を2mm、液晶層31の厚みを30μmとし、透明絶縁層15の厚みを1μm、透明な高抵抗層41の面抵抗の値を3MΩとして、駆動電源(1kHz)81、82からV1=5Vrms、V2=0Vrms,1Vrms,2Vrms印加した場合の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果を図2に示した。なお以降の実施例すべてにおいて、駆動電源は1kHz、光源の波長は633nmであり、液晶材料としてはMLC6080(メルク社製)を使用し、液晶層の厚みは30μmとしている。直径が2mm以内における光学位相差分布からレンズとしての焦点距離を求めると、それぞれ17cm,31cm,73cm程度となり、良好な光学特性を有する凸レンズ特性が得られている。
In the configuration of FIG. 1, the diameter of the circular opening in which the
さらに、レンズパワーを大幅に増大できる方法として、他の実施例における実施の形態による液晶レンズの基本構成を断面から見た構成を図3に示す。すなわち、図1に示した構成の液晶レンズにおいて、第2の電極に対応する領域及び第3の電極23を配置した円形の開口部内に設けた第3の電極と対応する領域それぞれに透明な高抵抗層41を分割し、それぞれ分割領域を異なる抵抗値とした液晶レンズの構成を図3に示す。なお、図3では透明な高抵抗層41及び42(透明な高抵抗層領域41、42と称してもよい)の分離を明確にするために、その間が離れているように図示しているが、実際にはスリット部が無く透明な高抵抗層41及び42はそれぞれが接続されている。レンズパワーは、焦点距離をメートルで表した場合の逆数に対応するもので、単位はジオプトリ(1/m)が採用される。
Further, as a method for greatly increasing the lens power, FIG. 3 shows a configuration in which the basic configuration of the liquid crystal lens according to the embodiment in another example is viewed from a cross section. That is, in the liquid crystal lens having the configuration shown in FIG. 1, the region corresponding to the second electrode and the region corresponding to the third electrode provided in the circular opening in which the
図3に示したように、異なる抵抗値を有する透明な高抵抗層がスリット等により分離されている場合には、前記スリット等により分離された領域の抵抗値を非常に大きい値とした場合に対応することとなる。すなわち、非常に抵抗値が大きい輪帯状の独立層を設けた構成となり、この実施例で示す構成とは異なる特性が得られることになる。したがって、実際にはスリット部が無く透明な高抵抗層41及び42はそれぞれが接続されている。 As shown in FIG. 3, when transparent high resistance layers having different resistance values are separated by a slit or the like, the resistance value of the region separated by the slit or the like is set to a very large value. It will correspond. That is, it becomes the structure which provided the ring-shaped independent layer with very large resistance value, and the characteristic different from the structure shown in this Example will be obtained. Therefore, the high resistance layers 41 and 42 which are actually transparent and have no slit are connected to each other.
図3の構成において、第2の電極に対応する透明な高抵抗層41の面抵抗を10GΩ、円形の開口部内に設けた第3の電極23と対応する透明な高抵抗層42の面抵抗を7MΩとして、V1として3.5Vrms、V2を0Vrmsとした場合の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果を図4に示す。第3の電極23を配置した円形の開口部内で光学位相差分布はほぼ2乗特性(放物線)となり、また円形開口部の外部では一定の値をとることから液晶層の利用効率が増大し、焦点距離がさらに短い12cm程度の良好な光学特性を有する低電圧で駆動できる凸レンズ特性が得られている。
3, the surface resistance of the transparent
図3の構成では、第3の電極23に対応する透明な高抵抗層42の外部に異なる抵抗値を有する透明な高抵抗層41を配置しているが、前記高抵抗層41を高抵抗層42の周辺に輪帯状あるいは円帯上に配置することもできる。この輪帯状あるいは円帯状の高抵抗層の幅を小さくすることで、液晶レンズの外形をより小さくすることが可能となる。
In the configuration of FIG. 3, a transparent
さらに具体的な一実施例について説明する。液晶レンズにおける焦点距離の可変範囲すなわちレンズパワーの可変範囲は液晶層の厚みに比例するので、この観点から液晶層を厚くすることは有利であるが、一方印加電圧に対する応答特性は液晶層の厚みの2乗に逆比例することが難点であった。そこで液晶層を2分割する方法が行われている。しかし、このような構成では、開口部を有する第2の電極22側の液晶層32における電位分布が急峻になるため液晶分子配向が不連続となるディスクリネーションが生じやすくなるという問題がある。
A more specific example will be described. Since the variable range of the focal length in the liquid crystal lens, that is, the variable range of the lens power is proportional to the thickness of the liquid crystal layer, it is advantageous to increase the thickness of the liquid crystal layer from this point of view. It was difficult to be inversely proportional to the square of. Therefore, a method of dividing the liquid crystal layer into two is performed. However, in such a configuration, the potential distribution in the
そこで、このような問題を解消する方法として、液晶レンズ全体を対称構造とした実施の形態について説明する。すなわち、図3に示した構成において液晶層31から第2の基板12までを一つのユニットとして、図5に示したように、液晶層を2層に分割する第3の基板13を挟んで上下が対称となるように構成した。このような対称構造とすることで、ディスクリネーションの発生が抑制されるという利点の他に、さらに液晶分子が電界印加により基板面から立ち上がる方向に依存する異方性を相殺することが可能となるため、収差が小さい液晶レンズを構成することができる。なお、図5では透明な高抵抗層41−a及び42−a、41−b及び42−bの分離を明確にするために、その間が離れているように図示しているが、実際にはスリット部が無くそれぞれの透明高抵抗層は接続されている。図5のレンズは、次のように説明できる。第1の基板11の一方の面に第1の孔を有する第1の電極22−aが配置され、第1の孔内に間隔を置いて第2の電極23−aが配置される。第1及び第2の電極22−a,23−aに対して透明絶縁層15−a及び透明な高抵抗層41−a,42−aによる第1の二重層が重なり、前記第1の二重層に対して透明絶縁層又は透明絶縁膜によるセンター層13の一方の面が対向する。前記第1の二重層と前記センター層13の一方の面との間に第1の液晶分子を一方向に配向させる第1の液晶層31を備える。前記センター層13の他方の面に対向して、透明絶縁層15−b及び透明な高抵抗層41−b、42−bによる第2の二重層が対応する。センター層13の他方の面と前記第2の二重層との間に第2の液晶層32を備える。前記第2の二重層の前記第2の液晶層32と反対側の面には、第2の孔を有する第3の電極22−b及び前記第2の孔内に間隔を置いて配置された第4の電極23−bが配置され、かつ前記第3及び第4の電極を有する第2の基板12が配置されている。ここで前記第1の電極と前記第3の電極間、前記第2の電極と前記第4の電極間にそれぞれ独立した第1の電圧V1と第2の電圧V2を供給する駆動電源81,83が接続される。第1と第2の孔は基本的には同軸である。上記の構成において、透明な高抵抗層41−a,42−aはそれぞれラビング処理が施されるが、このラビング処理が施されない場合には液晶層に対応する面に配向膜が配置される。
Therefore, as a method for solving such a problem, an embodiment in which the entire liquid crystal lens is symmetrical is described. That is, in the configuration shown in FIG. 3, the
さらに高機能を有する液晶レンズを構成する実施例について説明する。図3に示した構成において、孔を有する第2の電極22を同心円状に分割してそれぞれに独立した電圧を印加し、さらに透明な高抵抗層41も同様に同心円状に分割してそれぞれ異なる抵抗値に設定した構成説明図を図6に示した。なお、図6では透明な高抵抗層41、42及び43の分離を明確にするために、その間が離れているように図示しているが、実際にはスリット部が無く透明な高抵抗層41、42及び43それぞれが接続されている。
Further, an embodiment that constitutes a liquid crystal lens having a higher function will be described. In the configuration shown in FIG. 3, the
図7は、図6の構成において透明な高抵抗層41,42,43の面抵抗の値をそれぞれ3MΩ,10GΩ及び6MΩとして、駆動電源81、82、83からV1=4Vrms,V2=0Vrms、V3=1Vrmsを加えた場合の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果である。このような電極及び透明高抵抗層を分割することで、中央の直径が2mmよりも小さい領域では焦点距離が9cm程度の凸レンズ特性が、またその周辺の領域では焦点距離が90cm程度の凹レンズ特性を有する複合レンズが構成されている。これらの分割した電極に加える電圧、V1,V2,V3を適宜可変することで、内側及び外側各々のレンズの焦点距離を可変調整することができる。 7 shows that the surface resistance values of the transparent high resistance layers 41, 42, and 43 in the configuration of FIG. 6 are 3 MΩ, 10 GΩ, and 6 MΩ, respectively, and the drive power supplies 81, 82, and 83 are used to obtain V1 = 4 Vrms, V2 = 0 Vrms, and V3. = 1 is a result of obtaining an optical phase difference distribution by simulation when 1 Vrms is applied. By dividing such an electrode and a transparent high resistance layer, a convex lens characteristic with a focal length of about 9 cm is obtained in a region where the central diameter is smaller than 2 mm, and a concave lens characteristic with a focal length of about 90 cm is provided in the peripheral region. The compound lens which has is comprised. By appropriately varying the voltages V1, V2, and V3 applied to these divided electrodes, the focal lengths of the inner and outer lenses can be variably adjusted.
電極及び透明高抵抗層をさらに多数に分割し、それぞれのパラメータを調整し、また印加電圧や周波数を可変することで、より多彩な特性を有する光学デバイスを構成することができる。 By dividing the electrode and the transparent high-resistance layer into a larger number, adjusting each parameter, and varying the applied voltage and frequency, an optical device having more various characteristics can be configured.
本発明における透明高抵抗膜を具備した液晶レンズでは、透明な高抵抗膜41,42,43等は主としてキャパシタンス成分から成る透明絶縁層15及び液晶層31との関係により、抵抗成分とキャパシタンス成分により構成されるインピーダンスとして作用しているので、印加電源の周波数依存性がある。そこで、分割されたそれぞれの透明高抵抗層を構成する材料における抵抗率値及び誘電率を適宜調整することで、印加電圧の周波数を可変することで実効的なインピーダンスの値を調整することができる。
In the liquid crystal lens having the transparent high resistance film according to the present invention, the transparent
したがって、分割された各電極に印加する電圧の値及び周波数を調整することで、凹レンズの中に凸レンズ特性を有する複合レンズのみならず、凸レンズの中に凹レンズ特性を有する複合レンズ、さらに焦点距離の短い凸レンズの周辺に焦点距離が長い凸レンズ特性を有するレンズや、これらの特性を反転した特性を有する複合レンズなど、それぞれの領域で焦点距離が異なる凸レンズや凹レンズ、さらには光学位相差分布特性が軸対称状に折り返した構造を取り実効的に全体がフレネルレンズのような効果を有する大面積のレンズなどを構成することが可能である。 Therefore, by adjusting the value and frequency of the voltage applied to each divided electrode, not only a compound lens having a convex lens characteristic in a concave lens, but also a compound lens having a concave lens characteristic in a convex lens, and a focal length Convex and concave lenses with different focal lengths in each region, such as a lens with a convex lens characteristic with a long focal length around a short convex lens, or a compound lens with a characteristic that reverses these characteristics, and the optical phase difference distribution characteristics It is possible to construct a large-area lens or the like that has a symmetrically folded structure and that effectively has the effect of a Fresnel lens as a whole.
透明絶縁層の代わりにわずかに導電性を有する透明媒質を使用することもできる。この場合には透明媒質が誘電率と抵抗率を併せ持つインピーダンスとして働くため、より低い印加電圧により液晶レンズを駆動することが可能となる。 Instead of the transparent insulating layer, a transparent medium having slightly conductivity can be used. In this case, since the transparent medium functions as an impedance having both a dielectric constant and a resistivity, the liquid crystal lens can be driven with a lower applied voltage.
以上、それぞれの構成による液晶レンズにおいて、第1の基板及び透明絶縁層又は透明媒質の何れかもしくは両方の基板としてレンズ効果を有する基板を使用することで、ある一定の固定焦点から焦点を可変することができ、全体が一体化したコンパクトなレンズ系を構成することができる。ここで、基板にレンズ効果を持たせるためには、基板の形状が曲面形状となっているものでもよいが、平行平板型で屈折率が軸対称状に分布している場合の方が便利である。 As described above, in the liquid crystal lens according to each configuration, the focal point is changed from a certain fixed focal point by using the substrate having the lens effect as the first substrate and / or the transparent insulating layer and / or the transparent medium. And a compact lens system integrated as a whole can be configured. Here, in order to give the substrate a lens effect, the shape of the substrate may be a curved surface shape, but it is more convenient when the refractive index is distributed symmetrically in a parallel plate type. is there.
本発明における実施例で説明したように、透明高抵抗層として使用した樹脂系の膜(ジェムコ社(現在の社名は「三菱マテリアル電子化成株式会社」)製TWH-1)をラビングすることで液晶分子に対して配向効果を持たせることができる。そこで、ポリイミド系の膜のように、さらに配向効果が優れた樹脂系の膜で高抵抗特性を有する膜を使用することで、より安定な液晶レンズを構成することができる。 As described in the embodiments of the present invention, the liquid crystal is rubbed by rubbing the resin film (TWH-1 manufactured by Gemco (currently “Mitsubishi Materials Electronics Kasei”)) used as the transparent high resistance layer. An orientation effect can be given to the molecule. Therefore, a more stable liquid crystal lens can be constructed by using a resin film having a higher orientation effect, such as a polyimide film, and having a high resistance characteristic.
さらに、円形開口部周辺において液晶層における電界分布に伴う液晶分子の配向効果を連続的に変化させることで、レンズ効果を有する領域からレンズ効果を有しない領域に連続的にレンズ効果が弱くなるような特性を有することを特徴とする低電圧駆動液晶レンズを構成することができる。 Furthermore, by continuously changing the alignment effect of the liquid crystal molecules accompanying the electric field distribution in the liquid crystal layer around the circular opening, the lens effect is continuously weakened from the region having the lens effect to the region having no lens effect. Thus, a low-voltage driving liquid crystal lens characterized by having excellent characteristics can be formed.
本発明における液晶レンズを眼鏡レンズとして使用する場合に、レンズ効果を示す領域の中心、すなわち円形孔型パターンの中心が前記透明な第1の基板の中心から周辺部、特に斜め下部のようにずれた位置に配置することで、読書などの場合には凸レンズ状態とし、それ以外の場合では電圧除去による素通し状態もしくはやや凹レンズ状態とするなどの切り替えを行うことができる遠近両用の眼鏡を構成することができる。本発明によると、透明高抵抗層を用いることで、低電圧で動作する大口径の液晶レンズを構成することができるため、このような遠近両用の眼鏡レンズとして有用である。 When the liquid crystal lens according to the present invention is used as a spectacle lens, the center of the region showing the lens effect, that is, the center of the circular hole pattern is shifted from the center of the transparent first substrate to the peripheral portion, particularly the obliquely lower portion. By placing it in a different position, it is possible to configure a pair of glasses that can be switched to a convex lens state for reading, etc., and to switch to a through state by voltage removal or a slightly concave lens state in other cases. Can do. According to the present invention, by using the transparent high resistance layer, a large-diameter liquid crystal lens that operates at a low voltage can be configured, and thus it is useful as a spectacle lens for such a perspective.
本実施例では、透明絶縁層12と液晶層の間に透明な高抵抗層41を配置しているが、透明絶縁層12の液晶層に対して反対側で円形パターン電極22と透明絶縁層12の間に絶縁層を挟んで設けられてもよい。なお、透明絶縁層12は、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、又は非常に抵抗値が高い透明媒質などの呼び名が可能である。
In this embodiment, the transparent
本実施例では主に円形パターン電極が1層のみとした場合について説明したが、図5のように円形パターン電極を液晶層の両側に設けることもできる。いずれのレンズ構造においても、このような対称な構造とすることにより、液晶分子の配向が不連続となるディスクリネーションの発生を抑え、屈折率の空間分布特性や光学特性において対称性が優れた液晶レンズを構成することができる。 In the present embodiment, the case where only one circular pattern electrode is used has been described. However, as shown in FIG. 5, the circular pattern electrode may be provided on both sides of the liquid crystal layer. In any lens structure, such a symmetrical structure suppresses the occurrence of disclination in which the alignment of liquid crystal molecules becomes discontinuous, and has excellent symmetry in the spatial distribution characteristics and optical characteristics of the refractive index. A liquid crystal lens can be constructed.
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.
本発明の低電圧駆動液晶レンズは、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。したがって、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、さらには口径を大きくすることで遠近両用の眼鏡レンズなど、種々の用途が可能である。 The low-voltage drive liquid crystal lens of the present invention is different from ordinary passive optical devices in that the voltage and the effective refractive index of the liquid crystal as a medium are variably controlled by applying a voltage between the electrodes. A lens capable of adjusting the aberration is realized. Therefore, various applications such as an autofocus lens, a magnifying lens, a zoom lens, a lens of an image pickup unit used as a visual function in a robot, and a spectacle lens for both perspective by increasing the aperture are possible. .
11・・・第1の基板、12・・・第2の基板(透明な絶縁層)、13・・・中間ガラス板、15・・・透明絶縁層、41、42、43・・・透明な高抵抗層、21・・・第1の電極、22・・・第2の電極、22−1・・・開口部、23・・・第3の電極、23−1・・・電極取り出し部、24・・・第3の電極、31、32・・・液晶層、51、52、53・・・配向膜、81,82,83・・・駆動電源。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記第2の電極に対して第1の電圧を加えられるように構成され、
前記第2の電極と前記孔に対して前記孔内で前記第2の電極に対して間隔を置いて第3の電極が配置され、
前記第3の電極に対して前記第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、かつ、前記第1の電圧又は前記第2の電圧のいずれか一方が固定の値とされ、前記第1の電圧に対して前記第2の電圧、又は前記第2の電圧に対して前記第1の電圧が可変されることで光学的特性を可変制御することができる液晶レンズであって、
前記孔と前記液晶層及び前記第2の電極と前記液晶層との間に、透明絶縁層及び透明な高抵抗層による第1の二重層、または透明媒質及び透明な高抵抗層による第1の二重層の何れか一方の二重層を配置され、前記透明な高抵抗層はいずれの電極とも非接続であり、該透明な高抵抗層と前記液晶層との間に電極がなく、
前記透明な高抵抗層の抵抗値が、前記第3の電極の中心から軸対称で且つ半径方向で階段状に又は連続的に変化していることを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。 A first substrate having a transparent first electrode; a second electrode having a hole and facing the first electrode; and being accommodated between the first electrode and the second electrode A liquid crystal layer for aligning liquid crystal molecules in one direction,
A first voltage is applied to the second electrode;
A third electrode is disposed in the hole and spaced from the second electrode and the hole in the hole;
A configuration is such that a second voltage independent of the first voltage can be applied to the third electrode, and either the first voltage or the second voltage is a fixed value. A liquid crystal lens capable of variably controlling optical characteristics by varying the second voltage with respect to the first voltage or the first voltage with respect to the second voltage. There,
Between the hole and the liquid crystal layer and the second electrode and the liquid crystal layer, a first double layer composed of a transparent insulating layer and a transparent high resistance layer, or a first medium composed of a transparent medium and a transparent high resistance layer. Any one of the double layers is disposed, the transparent high resistance layer is not connected to any electrode, and there is no electrode between the transparent high resistance layer and the liquid crystal layer,
The low-voltage drive liquid crystal lens, wherein a resistance value of the transparent high-resistance layer is axially symmetric from the center of the third electrode and changes stepwise or continuously in the radial direction.
前記第1の孔内で前記第1の電極に間隔を置いて第2の電極が配置され、
前記第1及び第2の電極に対して、透明絶縁層及び第1の透明な高抵抗層による第1の二重層、または透明媒質及び第1の透明な高抵抗層による第1の二重層の何れか一方の二重層が重なり、前記第1の透明な高抵抗層はいずれの電極とも非接続であり、該第1の透明な高抵抗層と前記液晶層との間に電極がなく、
前記第1の透明な高抵抗層の抵抗値が、前記第1の電極の中心から軸対称で且つ半径方向で階段状に又は連続的に変化しており、
前記第1の二重層とセンター層の一方の面との間に液晶分子を一方向に配向させる第1の液晶層を備え、
前記第1の液晶層に対して透明絶縁層又は透明絶縁膜による前記センター層の一方の面が対向し、
前記センター層の他方の面に対向して、液晶分子を一方向に配向させる第2の液晶層を備え、
前記第2の液晶層に対して、透明絶縁層及び第2の透明な高抵抗層による第2の二重層、または透明媒質及び第2の透明な高抵抗層による第2の二重層の何れか一方の二重層が対応し、前記第2の透明な高抵抗層はいずれの電極とも非接続であり、該第2の透明な高抵抗層と前記液晶層との間に電極がなく、
前記第2の二重層の前記第2の液晶層と反対側の面には、第2の孔を有する第3の電極及び前記第2の孔内で前記第3の電極に間隔を置いて第4の電極が配置され、かつ前記第3及び第4の電極を有する第2の基板が配置されており、
前記第2の透明な高抵抗層の抵抗値が、前記第3の電極の中心から軸対称で且つ半径方向で階段状に又は連続的に変化しており、
前記第1の電極と前記第3の電極間、前記第2の電極と前記第4の電極間にそれぞれ独立した第1の電圧と第2の電圧を供給するようにしたことを特徴とする低電圧駆動液晶レンズ。 A first electrode having a first hole is disposed on one surface of the first substrate;
A second electrode is disposed in the first hole and spaced from the first electrode;
For the first and second electrodes, a first double layer comprising a transparent insulating layer and a first transparent high resistance layer, or a first double layer comprising a transparent medium and a first transparent high resistance layer. Either one of the double layers overlaps, the first transparent high resistance layer is not connected to any electrode, and there is no electrode between the first transparent high resistance layer and the liquid crystal layer,
The resistance value of the first transparent high resistance layer is axially symmetric from the center of the first electrode and changes stepwise or continuously in the radial direction,
A first liquid crystal layer for aligning liquid crystal molecules in one direction between the first double layer and one surface of the center layer;
One surface of the center layer by the transparent insulating layer or the transparent insulating film is opposed to the first liquid crystal layer,
A second liquid crystal layer for aligning liquid crystal molecules in one direction facing the other surface of the center layer,
For the second liquid crystal layer , either a second double layer composed of a transparent insulating layer and a second transparent high resistance layer, or a second double layer composed of a transparent medium and a second transparent high resistance layer One double layer corresponds, the second transparent high resistance layer is not connected to any electrode, and there is no electrode between the second transparent high resistance layer and the liquid crystal layer,
On the surface of the second double layer opposite to the second liquid crystal layer, a third electrode having a second hole and a third electrode in the second hole are spaced apart from the third electrode. 4 electrodes are disposed, and a second substrate having the third and fourth electrodes is disposed,
The resistance value of the second transparent high-resistance layer is axially symmetric from the center of the third electrode and changes stepwise or continuously in the radial direction;
The first voltage and the second voltage that are independent from each other are supplied between the first electrode and the third electrode, and between the second electrode and the fourth electrode, respectively. Voltage-driven liquid crystal lens.
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