JP5876734B2

JP5876734B2 - 液晶レンズ

Info

Publication number: JP5876734B2
Application number: JP2012016630A
Authority: JP
Inventors: 角見　昌昭; 昌昭角見; 田中　宏和; 宏和田中; 和田　正紀; 正紀和田; 隆秋元
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd; New Manpower Service Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd; New Manpower Service Co Ltd
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: JP2013156423A

Description

本発明は、液晶レンズに関する。

従来、屈折率が可変な液晶レンズが提案されている。例えば１層の液晶層を有する液晶レンズでは、通常、特定の偏光のみが屈折し、その他の偏光は屈折しない。このため、液晶レンズの前方に偏光板を配し、液晶層により屈折する特定の偏光のみが液晶層に入射するようにする必要がある。従って、光量損失が大きいという問題がある。

このような問題に鑑み、例えば特許文献１では、第１の液晶レンズと、第２の液晶レンズとを互いの配向方向が光軸と垂直な面内で直交するように配置することにより偏光板を要さない液晶レンズを得ることが提案されている。

また、特許文献１では、第１の液晶レンズ及び第２の液晶レンズのうち、像面側の液晶レンズの焦点距離を、物体側の液晶レンズの焦点距離よりも短くすることが提案されている。このようにすることにより、例えばＰ偏光とＳ偏光との結像位置のずれを抑制し、優れた結像性能が得られる旨が特許文献１に記載されている。

特開２０１０−１０７６８６号公報

近年、液晶レンズの結像性能をさらに改善したいという要望がある。

本発明は、優れた結像性能を有する液晶レンズを提供することを主な目的とする。

本発明に係る液晶レンズは、光軸上にこの順番で配置された、第１の液晶層、第２の液晶層、第３の液晶層及び第４の液晶層を備える。第１の液晶層における配向方向と、第２の液晶層における配向方向とが光軸と垂直な面内において９０°異なっている。第１の液晶層における配向方向と、第４の液晶層における配向方向とが光軸と垂直な面内において１８０°異なっている。第２の液晶層における配向方向と、第３の液晶層における配向方向とが光軸と垂直な面内において１８０°異なっている。

第１の偏光方向の入射光に対する第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の偏光方向の入射光に対する第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離が等しいことが好ましい。

本発明に係る液晶レンズは、第１〜第４の液晶層を挟持しており、第１〜第４の液晶層に電界を印加する第１の電極及び第２の電極をさらに備えていてもよい。

本発明に係る液晶レンズは、第１及び第２の液晶層を挟持しており、第１及び第２の液晶層に電界を印加する第１の電極及び第２の電極と、第３及び第４の液晶層を挟持しており、第３及び第４の液晶層に電界を印加する第３の電極及び第４の電極とをさらに備えていてもよい。

本発明によれば、優れた結像性能を有する液晶レンズを提供することができる。

第１の実施形態に係る液晶レンズの略図的断面図である。第１の実施形態における第１の電極の略図的平面図である。第１の参考例に係る液晶レンズの略図的断面図である。第２の実施形態に係る液晶レンズの略図的断面図である。第３の実施形態に係る液晶レンズの略図的断面図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る液晶レンズ１の略図的断面図である。液晶レンズ１は、液晶分子を含む第１〜第４の液晶層１１〜１４を備えている。第１〜第４の液晶層１１〜１４は、光軸Ｃ上にこの順番で配されている。これら第１〜第４の液晶層１１〜１４は、第１及び第２の電極２１，２２により挟持されている。第１及び第２の電極２１，２２により、第１〜第４の液晶層１１〜１４に電界が印加され、これにより液晶レンズ１の屈折率が変化する。なお、光軸Ｃは、液晶レンズ１全体としての光軸であって、第１〜第４の液晶層１１〜１４のそれぞれの光軸は、光軸Ｃと必ずしも一致していない。

より具体的には、液晶レンズ１は、互いに対向するように配された第１の基板３１と第２の基板３２とを有する。第１の基板３１と第２の基板３２との間には、３枚の中間基板３３〜３５が配されている。これら３枚の中間基板３３〜３５と、第１及び第２の基板３１，３２と、隔壁部材３６〜３９とにより区画形成された４つの空間に第１〜第４の液晶層１１〜１４が設けられている。

さらに具体的には、第１の基板３１と、第１の基板３１に対向するように配された中間基板３３と、隔壁部材３６とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第１の液晶層１１が設けられている。

第１の基板３１、中間基板３３及び隔壁部材３６は、例えばガラスにより構成することができる。第２の基板３２、中間基板３４，３５及び隔壁部材３７〜３９も、同様に、ガラスにより構成することができる。

第１の基板３１及び第２の基板３２の厚みは、例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とすることができる。中間基板３３〜３５の厚みは、例えば、３μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。隔壁部材３６〜３９の厚みは、得ようとする光学的パワーにより決定される第１〜第４の液晶層１１〜１４の厚みや、第１〜第４の液晶層１１〜１４に要求される応答速度等に応じて適宜設定することができる。隔壁部材３６〜３９の厚みは、例えば、１μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。

第１の基板３１の第１の液晶層１１側の表面３１ａの上には、第１の電極２１が配されている。第１の電極２１の形状は、特に限定されない。本実施形態では、図２に示すように、第１の電極２１は、円形の第１の部分２１ａと、第１の部分２１ａを包囲する第２の部分２１ｂとを有する。第１の電極２１は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物により構成することができる。

なお、図示は省略するが、本実施形態では、第１の基板３１の表面３１ａの上には、絶縁膜が第１の電極２１を覆うように配されている。絶縁膜は、高抵抗膜により覆われている。高抵抗膜は、配向膜により覆われている。また、中間基板３３の第１の液晶層１１側の表面の上にも配向膜が配されている。これら配向膜により、第１の液晶層１１中の液晶分子の配向が行われている。もっとも、絶縁膜や高抵抗膜等は本発明において必ずしも必須ではない。

なお、絶縁膜は、例えば酸化ケイ素などにより構成することができる。高抵抗膜は、例えば酸化亜鉛などにより構成することができる。配向膜は、例えば、ラビング処理されたポリイミド膜などにより構成することができる。本実施形態において登場する他の絶縁膜、高抵抗膜、配向膜も、同様の材料により構成することができる。

中間基板３３と、中間基板３３に対向するように配された中間基板３４と、隔壁部材３７とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第２の液晶層１２が設けられている。

なお、図示は省略するが、中間基板３３，３４のそれぞれの第２の液晶層１２側の表面の上には、配向膜が配されている。これら配向膜により、第２の液晶層１２中の液晶分子の配向が行われている。

中間基板３４と、中間基板３４に対向するように配された中間基板３５と、隔壁部材３８とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第３の液晶層１３が設けられている。

なお、図示は省略するが、中間基板３４，３５のそれぞれの第３の液晶層１３側の表面の上には、配向膜が設けられている。これら配向膜により、第３の液晶層１３中の液晶分子の配向が行われている。

中間基板３５と、中間基板３５に対向するように配された第２の基板３２と、隔壁部材３９とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第４の液晶層１４が設けられている。

第２の基板３２の第４の液晶層１４側の表面３２ａの上には、第２の電極２２が設けられている。第２の電極２２は、第１の電極２１の第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂに対向するように、面状に設けられている。第２の電極２２は、表面３２ａの液晶層１１〜１４が設けられた領域の実質的に全体の上に配されている。図示は省略するが、表面３２ａの上には、第２の電極２２を覆うように配向膜が設けられている。また、中間基板３５の第４の液晶層１４側の表面の上にも配向膜が設けられている。これら配向膜によって、第４の液晶層１４中の液晶分子の配向が行われている。

液晶レンズ１においては、第１の液晶層１１における配向方向と、第２の液晶層１２における配向方向とが光軸Ｃと垂直な面内において９０°異なっている。第１の液晶層１１における配向方向と、第４の液晶層１４における配向方向とが光軸Ｃと垂直な面内において１８０°異なっている。第２の液晶層１２における配向方向と、第３の液晶層１３における配向方向とが光軸Ｃと垂直な面内において１８０°異なっている。

例えば、第１及び第４の液晶層１１，１４のそれぞれが、Ｐ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ場合は、第２及び第３の液晶層１２，１３のそれぞれは、Ｓ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ。逆に、例えば、第１及び第４の液晶層１１，１４のそれぞれが、Ｓ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ場合は、第２及び第３の液晶層１２，１３のそれぞれは、Ｐ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ。このように、液晶レンズ１では、例えば、Ｐ偏光及びＳ偏光のうちの一方の偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ２つの液晶層１１，１４を光軸Ｃ方向における両側に配し、それら２つの液晶層１１，１４の間に、Ｐ偏光及びＳ偏光のうちの他方の偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ２つの液晶層１２，１３が配されている。そして、４つの液晶層１１〜１４のうち、同じ偏光に対して光線偏光作用を有する２つの液晶層で、光軸Ｃと垂直な面内において配向方向が１８０°異なっている。

ところで、例えば、液晶層をひとつのみ有する液晶レンズにおいては、その液晶層が光線偏光作用を有する偏光以外の光が液晶層に入射しないように、液晶レンズの前方に偏光板を配する必要がある。このため、光量損失が大きくなる。

それに対して図３に示すように、例えば、Ｐ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ第１の液晶層１１１と、Ｓ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ第２の液晶層１１２とを有する液晶レンズ１００は、偏光板を要さない。従って、光量損失を抑制することができる。

しかしながら、第１の液晶層１１１の光学的パワーと第２の液晶層１１２の光学的パワーとが等しいと、Ｐ偏光の入射光に対する第１の液晶層１１１の焦点位置と、Ｓ偏光の入射光に対する第２の液晶層１１２の焦点位置とが光軸方向において異なる。従って、Ｐ偏光とＳ偏光とが光軸方向において異なる位置に集光するため、十分な結像性能が得られない。

例えば、第２の液晶層１１２を第１の液晶層１１１よりも厚くし、Ｓ偏光の入射光に対する第２の液晶層１１２の光学的パワーを、Ｐ偏光の入射光に対する第１の液晶層１１１の光学的パワーよりも強くすることにより、Ｐ偏光の入射光に対する第１の液晶層１１１の焦点位置と、Ｓ偏光の入射光に対する第２の液晶層１１２の焦点位置とを整合させることも考えられる。この手法では、例えば、第１及び第２の液晶層１１１，１１２の屈折率が所定の屈折率である場合にＰ偏光の焦点位置とＳ偏光の焦点位置とを整合させることはできる。しかしながら、第１の液晶層１１１及び第２の液晶層１１２の屈折率に関わらず、Ｐ偏光の焦点位置とＳ偏光の焦点位置とを整合させることは困難である。従って、液晶レンズ１００では、特定の屈折率のときに優れた結像性能が得られるものの、それ以外の屈折率のときにおいて優れた結像性能を得ることは困難である。

また、液晶レンズ１００では、第１の液晶層１１１の両側に配されている配向膜のラビング方向と、第２の液晶層１１２の両側に配されている配向膜のラビング方向とは、直交している。ここで、第１の液晶層１１１の両側に配されている配向膜のラビング方向をｘ方向とし、第２の液晶層１１２の両側に配されている配向膜のラビング方向をｙ方向とする。すると、第１の液晶層１１１の焦点は、第１及び第２の液晶層１１１，１１２のｚ方向から視たときの幾何学的な中心からｘ方向にずれる。それに対して、第２の液晶層１１２の焦点は、第１及び第２の液晶層１１１，１１２のｚ方向から視たときの幾何学的な中心からｙ方向にずれる。従って、Ｐ偏光の焦点位置と、Ｓ偏光の焦点位置とは、光軸に対して垂直な面内において相互に異なる。従って、仮に、Ｐ偏光の焦点位置とＳ偏光の焦点位置とを一致させることができたとしても、Ｐ偏光の焦点位置とＳ偏光の焦点位置とを合致させることはできない。従って、液晶レンズ１００では、十分に優れた結像性能が得られない。

さらに、第１及び第２の液晶層１１１，１１２のｚ方向から視たときの幾何学的な中心と、ｚ方向に垂直な面内におけるＰ偏光及びＳ偏光の焦点位置との間の距離は、第１または第２の液晶層１１１，１１２の屈折率と共に変化するという問題も生じる。

それに対して、液晶レンズ１では、第１の偏光方向の入射光に対して光線偏光作用を持つ第１及び第４の液晶層１１，１４が光軸Ｃ方向の両側に配されており、第２の偏光方向の入射光に対して光線偏光作用を持つ第２及び第３の液晶層１２，１３が光軸Ｃ方向において第１の液晶層１１と第４の液晶層１４との間に配されている。このため、第１の偏光方向の入射光と、第２の偏光方向の入射光との焦点位置の差を小さくすることができる。従って、優れた結像性能を実現することができる。

より優れた結像性能を実現する観点からは、第１の偏光方向の入射光に対する第１の液晶層１１と第４の液晶層１４との合成焦点距離と、第２の偏光方向の入射光に対する第２の液晶層１２と第３の液晶層１３との合成焦点距離とが等しいことが好ましい。

ここで、第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離とが等しいとは、第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離との差が、第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離との平均値の８５％〜１１５％の範囲内にあることをいう。

さらに、液晶レンズ１では、第１の液晶層１１に対して配向方向が１８０°異なる第４の液晶層１４が設けられている。第１の液晶層１１単体としての光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレ方向と、第４の液晶層１４単体としての光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレ方向とが１８０°異なる。従って、第１の液晶層１１による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレと、第４の液晶層１４による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレとが打ち消しあい、第１の偏光方向の入射光に対する光軸Ｃに垂直な面内における液晶レンズ１全体としての焦点位置の光軸Ｃに対するズレ量を小さくすることができる。同様に、液晶レンズ１では、第２の液晶層１２に対して配向方向が１８０°異なる第３の液晶層１３が設けられている。このため、第２の液晶層１２による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレと、第３の液晶層１３による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレとが打ち消しあい、第２の偏光方向の入射光に対する光軸Ｃに垂直な面内における液晶レンズ１全体としての焦点位置の光軸Ｃに対するズレ量を小さくすることができる。従って、さらに優れた結像性能を得ることができる。

また、第１の電極２１と第２の電極２２とにより、第１〜第４の液晶層１１〜１４に電界が印加されるため、液晶レンズ１では、第１の電極２１と第２の電極２２との間の電圧が変化したときに、第１の液晶層１１の光学的パワーと第４の液晶層１４の光学的パワーとが連動して変化し、第２の液晶層１２の光学的パワーと第３の液晶層１３の光学的パワーとが連動して変化する。従って、第１〜第４の液晶層１１〜１４の光学的パワーが変化しても、液晶レンズ１の光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置が光軸Ｃからずれにくい。

ところで、液晶レンズの光学的パワーの制御の自由度を高める観点からは、第１〜第４の液晶層のそれぞれに対して、電界を印加する電極対を個別に設けることが考えられる。しかしながら、その場合は、ある電極対により発生した電界のｚ方向における方向と、別の電極対により発生した電界のｚ方向における方向とが異なる場合がある。その場合は、液晶層に対して、その液晶層を挟持している電極対により発生した電界の影響に加え、他の電極対により発生した、ｚ方向における電界方向が異なる電界の影響が加わることとなる。従って、このような場合には、電気力線の形状が所望の形状からずれやすくなるため、波面収差が大きくなる場合がある。

それに対して本実施形態では、一対の第１及び第２の電極２１，２２により第１〜第４の液晶層１１〜１４が挟持されており、一対の第１及び第２の電極２１，２２により第１〜第４の液晶層１１〜１４に電界が印加される。よって、第１〜第４の液晶層１１〜１４のそれぞれには、単一の電界のみが加わる。従って、波面収差を低減することができる。

なお、以下のような構成を採用することも考えられる。

例えば、図４に示される液晶レンズ２は、第１及び第２の液晶層１１，１２を挟持しており、第１及び第２の液晶層１１，１２に電界を印加する第１及び第２の電極２３ａ、２３ｂと、第３及び第４の液晶層１３，１４を挟持しており、第３及び第４の液晶層１３，１４に電界を印加する第３及び第４の電極２４ａ、２４ｂとを有する。第１及び第２の電極２３ａ、２３ｂのうち、ｚ１側に位置する第１の電極２３ａが第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂを有し、第３及び第４の電極２４ａ、２４ｂのうち、ｚ１側に位置する第３の電極２４ａが第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂを有する。

また、図５に示されるように、液晶レンズ３を、第１及び第２の液晶層１１，１２を有する第１の光学部材４１と、第３及び第４の液晶層１３，１４を有する第２の光学部材４２とにより構成してもよい。この場合、第１の光学部材４１と第２の光学部材４２とは密着するように配されていてもよし、空気層を介して配されていてもよい。

以上のように、第１及び第２の液晶層に対して一対の電極を設け、第３及び第４の液晶層に対して一対の電極を設けることにより、液晶レンズの応答速度を速くし得る。

１〜３…液晶レンズ
１１…第１の液晶層
１２…第２の液晶層
１３…第３の液晶層
１４…第４の液晶層
２１、２３ａ…第１の電極
２１ａ…第１の部分
２１ｂ…第２の部分
２２、２３ｂ…第２の電極
３１…第１の基板
３１ａ…第１の基板の表面
３２…第２の基板
３２ａ…第２の基板の表面
３３〜３５…中間基板
３６〜３９…隔壁部材
４１…第１の光学部材
４２…第２の光学部材

Claims

光軸上にこの順番で配置された、第１の液晶層、第２の液晶層、第３の液晶層及び第４の液晶層を備え、
前記第１の液晶層における配向方向と、前記第２の液晶層における配向方向とが前記光軸と垂直な面内において９０°異なっており、
前記第１の液晶層における配向方向と、前記第４の液晶層における配向方向とが前記光軸と垂直な面内において１８０°異なっており、
前記第２の液晶層における配向方向と、前記第３の液晶層における配向方向とが前記光軸と垂直な面内において１８０°異なっている、液晶レンズ。
第１の偏光方向の入射光に対する前記第１の液晶層と前記第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の偏光方向の入射光に対する前記第２の液晶層と前記第３の液晶層との合成焦点距離が等しい、請求項１に記載の液晶レンズ。
前記第１〜第４の液晶層を挟持しており、前記第１〜第４の液晶層に電界を印加する第１の電極及び第２の電極をさらに備える、請求項１または２に記載の液晶レンズ。
前記第１及び第２の液晶層を挟持しており、前記第１及び第２の液晶層に電界を印加する第１及び第２の電極と、
前記第３及び第４の液晶層を挟持しており、前記第３及び第４の液晶層に電界を印加する第３及び第４の電極と、
をさらに備える、請求項１または２に記載の液晶レンズ。