JP5921251B2

JP5921251B2 - 液晶レンズ

Info

Publication number: JP5921251B2
Application number: JP2012034685A
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: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: JP2013171156A

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、その他の偏光の光は屈折しない。このため、液晶レンズの前方に偏光板を配し、液晶層により光線偏光作用を受け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２００８−３０９９００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、光軸上に配された第１〜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１８０°異なっている。第３の液晶層における配向方向と、第１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３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１及び第２の液晶層のうちの光軸の一方側に位置する液晶層が他方側に位置する液晶層よりも薄い。第３及び第４の液晶層のうちの光軸の一方側に位置する液晶層が他方側に位置する液晶層よりも薄い。

光軸上において、第１及び第２の液晶層が第３の液晶層と第４の液晶層との間に配されていることが好ましい。

第１及び第２の液晶層により光線偏光作用を受ける第１の偏光方向の入射光に対する第１及び第２の液晶層の合成焦点距離と、第３及び第４の液晶層により光線偏光作用を受ける第２の偏光方向の入射光に対する第３及び第４の液晶層の合成焦点距離とが等しいことが好ましい。

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２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、光軸Ｃ上に配された第１の液晶エレメント４１と、第２の液晶エレメント４２とを有する。第１の液晶エレメント４１と第２の液晶エレメント４２とは、それぞれ、互いに対向するように配された第１の基板１１と第２の基板１２とを有する。第１の基板１１と第２の基板１２との間には、中間基板１３が配されている。第１の液晶エレメント４１においては、第１の基板１１と中間基板１３との間に第１の液晶層２１が配されている。中間基板１３と第２の基板１２との間に第３の液晶層２３が配されている。一方、第２の液晶エレメント４２においては、第１の基板１１と中間基板１３との間に第４の液晶層２４が配されている。中間基板１３と第２の基板１２との間に第２の液晶層２２が配されている。

第１及び第２の基板１１，１２並びに中間基板１３のそれぞれは、例えばガラスなどの透光部材により構成することができる。第１及び第２の基板１１，１２の厚みは、ぞれぞれ、例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とすることができる。中間基板１３の厚みは、例えば、３μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。第１の基板１１と中間基板１３との間の間隔、即ち第１または第４の液晶層２１，２４の厚みは、得ようとする光学的パワー等に応じて決定することができる。同様に、第２の基板１２と中間基板１３との間の間隔、即ち第３または第２の液晶層２３，２２の厚みは、得ようとする光学的パワー等に応じて決定することができる。

なお、第１〜第４の液晶層２１〜２４に含まれる液晶分子の種類は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。

第１及び第２の液晶エレメント４１，４２のそれぞれにおいて、第１の基板１１の第１の液晶層２１側の表面の上には、第１の電極３１が配されている。第１の電極３１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３１は、円形の開口を有する第１の電極部３１ａと、第１の電極部３１ａの開口内に配された第２の電極部３１ｂとを有する。第１の電極３１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１１の第１の液晶層２１側の表面の上には、第１の絶縁膜が第１の電極３１を覆うように配されている。第１の絶縁膜は、高抵抗膜により覆われている。高抵抗膜は、第２の絶縁膜により覆われている。第２の絶縁膜は、配向膜により覆われている。また、中間基板１３の第１の液晶層２１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または第４の液晶層２１，２４中の液晶分子の配向が行われている。

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。

第１及び第２の液晶エレメント４１，４２のそれぞれにおいて、第２の基板１２の第２の液晶層２２側の表面の上には、第２の電極３２が配されている。第２の電極３２は、第１の電極３１の第１及び第２の電極部３１ａ、３１ｂに対向するように、面状に設けられている。第２の電極３２は、第１及び第２の液晶層２１，２２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、第２の基板１２の第２の液晶層２２側の表面の上には、第２の電極３２を覆うように配向膜が設けられている。また、中間基板１３の第２の液晶層２２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３または第２の液晶層２３，２２中の液晶分子の配向が行われている。

第１及び第２の液晶エレメント４１，４２では、第１の電極３１の第１の電極部３１ａと第２の電極３２との間の電圧と、第１の電極３１の第２の電極部３１ｂと第２の電極３２との間の電圧とを変化させることによって、第１〜第４の液晶層２１〜２４の屈折率を変化させることができる。その結果、液晶レンズ１の光学的パワーを変化させることができる。

液晶レンズ１においては、第１の液晶層２１における液晶分子の配向方向と、第２の液晶層２２における液晶分子の配向方向とが１８０°異なっている。また、第３の液晶層２３における液晶分子の配向方向と、第４の液晶層２４における液晶分子の配向方向とも１８０°異なっている。第１及び第２の液晶層２１，２２における液晶分子の配向方向と第３及び第４の液晶層２３，２４における液晶分子の配向方向とは９０°異なっている。このため、第１の液晶層２１と第２の液晶層２２とでは、光線偏光作用を有する光の偏光方向が等しい。第３の液晶層２３と第４の液晶層２４とでは、光線偏光作用を有する光の偏光方向が等しい。第１及び第２の液晶層２１，２２と、第３及び第４の液晶層２３，２４とでは、光線偏光作用を有する光の偏光方向が９０°異なっている。例えば、第１及び第２の液晶層２１，２２がＰ偏光に対して光線偏光作用を有する場合は、第３及び第４の液晶層２３，２４はＳ偏光に対して光線偏光作用を有する。一方、例えば、第１及び第２の液晶層２１，２２がＳ偏光に対して光線偏光作用を有する場合は、第３及び第４の液晶層２３，２４はＰ偏光に対して光線偏光作用を有する。このように、液晶レンズ１は、第１の偏光方向の偏光に対して光線偏光作用を有する液晶層を２つ有し、かつ、第１の偏光方向に対して垂直な第２の偏光方向の偏光に対して光線偏光作用を有する液晶層を２つ有する。

液晶レンズ１では、光軸Ｃ上において、第１の偏光方向の偏光に対して光線偏光作用を有する第１及び第２の液晶層２１，２２が外側に配されており、第１の偏光方向に対して垂直な第２の偏光方向の偏光に対して光線偏光作用を有する第３及び第４の液晶層２３，２４が中央寄りに配されている。より具体的には、光軸Ｃ上において、第１の液晶層２１、第３の液晶層２３、第４の液晶層２４及び第２の液晶層２２がこの順番で配されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明の液晶レンズにおいては、第１〜第４の液晶層の配置の順番は特に限定されない。

ところで、ある方向に沿って液晶分子が配向しているひとつの液晶層のみを有する液晶レンズの波面画像においては、波面の中心が、液晶層の図形上の中心から、液晶分子の配向方向にずれる。このため、例えば特許文献１に記載のように、互いの配向方向が光軸と垂直な面内において直交するように配された第１及び第２の液晶層を設けた場合は、高い結像性能が得られない。以下、その理由を詳細に説明する。例えば第１の液晶層がＰ偏光に対して光線偏光作用を有し、第２の液晶層がＳ偏光に対して光線偏光作用を有するものとする。すると、第１の液晶層により光線偏光作用を受けたＰ偏光の焦点位置は、液晶レンズの中心から一の方向にずれるのに対して、第２の液晶層により光線偏光作用を受けたＳ偏光の焦点位置は、液晶レンズの中心から一の方向に垂直な他の方向にずれる。従って、Ｐ偏光の焦点位置と、Ｓ偏光の焦点位置とが、光軸に垂直な面内において異なる。その結果、高い結像性能が得られない。

それに対して液晶レンズ１では、光線偏光作用を有する偏光の偏光方向が互いに等しい第１の液晶層２１と第２の液晶層２２とで、液晶分子の配向方向が１８０°異なっている。このため、第１の液晶層２１の光線偏光作用による焦点位置のズレと、第２の液晶層２２の光線偏光作用による焦点位置のズレとが打ち消し合う。具体的には、例えば第１の液晶層２１の光線偏光作用により焦点位置がｘ１側にずれる場合は、第２の液晶層２２の光線偏光作用により焦点位置がｘ２側にずれる。このため、第１及び第２の液晶層２１，２２が光線偏光作用を有する偏光の焦点位置が液晶レンズ１の図形上の中心からずれにくい。

同様に、光線偏光作用を有する偏光の偏光方向が互いに等しい第３の液晶層２３と第４の液晶層２４とで、液晶分子の配向方向が１８０°異なっている。このため、第３の液晶層２３の光線偏光作用による焦点位置のズレと、第４の液晶層２４の光線偏光作用による焦点位置のズレとが打ち消し合う。具体的には、例えば第３の液晶層２３の光線偏光作用により焦点位置がｙ１側にずれる場合は、第４の液晶層２４の光線偏光作用により焦点位置がｙ２側にずれる。このため、第３及び第４の液晶層２３，２４が光線偏光作用を有する偏光の焦点位置が液晶レンズ１の図形上の中心からずれにくい。

従って、第１及び第２の液晶層２１，２２が光線偏光作用を有する偏光の焦点位置と、第３及び第４の液晶層２３，２４が光線偏光作用を有する偏光の焦点位置とのズレ量を小さくすることができる。その結果、高い結像性能を得ることができる。

ところで、第１の液晶層２１は第２の液晶層２２よりも物体側ｚ１に位置しており、像面から離れている。このため、第１の液晶層２１と像面との間の光路長が、第２の液晶層２２と像面との間の光路長よりも長い。よって、第１の液晶層と第２の液晶層とで厚みが同じであれば、第１の液晶層の光線偏光作用による焦点位置のズレ量の方が、像面側ｚ２に位置する第２の液晶層の光線偏光作用による焦点位置のズレ量よりも大きくなる。

ここで、液晶レンズ１では、物体側ｚ１に位置している第１の液晶層２１の厚みが、像面側ｚ２に位置している第２の液晶層２２の厚みよりも薄くされている。このため、第１の液晶層２１の光線偏光作用による焦点位置のズレ量と、像面側ｚ２に位置する第２の液晶層２２の光線偏光作用による焦点位置のズレ量との差がより小さくされている。同様に、物体側ｚ１に位置している第３の液晶層２３の厚みが、像面側ｚ２に位置している第４の液晶層２４の厚みよりも薄くされている。このため、第３の液晶層２３の光線偏光作用による焦点位置のズレ量と、像面側ｚ２に位置する第４の液晶層２４の光線偏光作用による焦点位置のズレ量との差がより小さくされている。従って、第１及び第２の液晶層２１，２２が光線偏光作用を有する偏光の焦点位置と、第３及び第４の液晶層２３，２４が光線偏光作用を有する偏光の焦点位置とのズレ量をより小さくすることができる。その結果、より高い結像性能を得ることができる。

また、液晶レンズ１では、光軸Ｃ上において、第３及び第４の液晶層２３，２４が、第１及び第２の液晶層２１，２２の中央寄りに配されている。すなわち、光軸Ｃ上において、第１の液晶層２１と第２の液晶層２２との間に、第３及び第４の液晶層２３，２４が配されている。このため、第１及び第２の液晶層２１，２２により光線偏光作用を受ける第１の偏光方向の入射光に対する第１及び第２の液晶層２１，２２の合成焦点距離と、第３及び第４の液晶層２３，２４により光線偏光作用を受ける第２の偏光方向の入射光に対する第３及び第４の液晶層２３，２４の合成焦点距離との差が小さい。このため、第１及び第２の液晶層２１，２２により光線偏光作用を受ける第１の偏光方向の入射光の光軸Ｃの延びる方向における焦点位置と、第３及び第４の液晶層２３，２４により光線偏光作用を受ける第２の偏光方向の入射光の光軸Ｃの延びる方向における焦点位置との間の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。

さらに優れた結像性能を得る観点からは、第１及び第２の液晶層２１，２２により光線偏光作用を受ける第１の偏光方向の入射光に対する第１及び第２の液晶層２１，２２の合成焦点距離と、第３及び第４の液晶層２３，２４により光線偏光作用を受ける第２の偏光方向の入射光に対する第３及び第４の液晶層２３，２４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。

以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図３は、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１の実施形態では、液晶レンズ１が分離された複数の液晶エレメント４１，４２を有する例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図３に示すように、液晶レンズは、一体に構成されていてもよい。その場合は、例えば、第１〜第４の液晶層２１〜２４に電圧を印加するための第１及び第２の電極３１，３２を一対のみ設けてもよい。勿論、第１の実施形態と同様に、第１及び第３の液晶層２１，２３に電圧を印加するための電極と、第４及び第２の液晶層２４，２２に電圧を印加するための電極とを別個に設けてもよい。また、第１〜第４の液晶層２１〜２４のそれぞれに、電極を別個に設けてもよい。

１…液晶レンズ
１１…第１の基板
１２…第２の基板
１３…中間基板
２１…第１の液晶層
２２…第２の液晶層
２３…第３の液晶層
２４…第４の液晶層
３１…第１の電極
３１ａ…第１の電極部
３１ｂ…第２の電極部
３２…第２の電極
４１…第１の液晶エレメント
４２…第２の液晶エレメント

Claims

光軸上に配された第１〜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１８０°異なっており、
前記第３の液晶層における配向方向と、前記第１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３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１及び第２の液晶層のうちの光軸の物体側に位置する液晶層が像面側に位置する液晶層よりも薄く、かつ、第３及び第４の液晶層のうちの光軸の物体側に位置する液晶層が像面側に位置する液晶層よりも薄い、液晶レンズ。
光軸上において、前記第３及び第４の液晶層が前記第１の液晶層と前記第２の液晶層との間に配されている、請求項１に記載の液晶レンズ。
前記第１及び第２の液晶層により光線偏光作用を受ける第１の偏光方向の入射光に対する前記第１及び第２の液晶層の合成焦点距離と、前記第３及び第４の液晶層により光線偏光作用を受ける第２の偏光方向の入射光に対する前記第３及び第４の液晶層の合成焦点距離とが等しい、請求項１または２に記載の液晶レンズ。