JP7064256B1

JP7064256B1 - 液晶レンズ

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Publication number: JP7064256B1
Application number: JP2021070151A
Authority: JP
Inventors: 進佐藤
Original assignee: 進佐藤
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2041-04-19
Also published as: JP2022165002A

Abstract

【課題】少ない電極数や駆動電源により、高い液晶層の利用効率でレンズパワーの可変範囲が広く、かつ優れた光学特性を有する液晶レンズを実現する。【解決手段】透明な第１の電極を有する第１の基板、開口孔を有する第２の電極、及び前記第１の基板と前記第２の電極を有する第２の基板の間に、前記第１の電極と対向するように収容された、液晶分子を配向させた液晶層を備え、前記開口孔内にスリットを介して第３の電極が配置され、前記第２の電極及び第３の電極と液晶層に面する側に透明な絶縁層と透明な高抵抗層を積層し、前記第３の電極を同一の中心を有し円帯を形成するようにスリットを介して２分割し、分割された内側の円形状の電極を円形電極とし、外側の円帯状の電極を円帯電極として第１の電極との間に前記第２の電極及び円形電極に加える第１の電圧及び第２の電圧に対して位相が反転した第３の電圧を加えることで動作する。【選択図】図１

Description

本発明は、少ない駆動電源により液晶層の利用効率が高く、滑らかな屈折率分布特性を有し、焦点距離の可変範囲が広い低電圧駆動の液晶レンズに関する。

液晶は誘電異方性及び光学異方性を示し、比較的低い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調整できるという特徴を持っており、例えば、第１の透明電極及び第２の透明電極の間に液晶層を設け、電極間の電圧によって液晶層の実効的な屈折率分布を制御することで動作する電圧可変型の液晶レンズが報告されている。

液晶を使用した可変焦点レンズとして、平板状の第１の電極と円形の開口孔部を有するパターン電極と前記円形の開口孔部内に設けられた円形状の中心電極によって構成された第２の透明電極との間に液晶層を挿入し、第２の透明電極と液晶層との間に透明絶縁層を挿入して第２の透明電極を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、軸対称の不均一電界が開口孔部の中心付近すなわち円形状の中心電極の中心付近まで広がるようになって入射光に対する液晶の実効的な屈折率を可変することで良好なレンズ効果を発揮する方法が報告されている。

しかし、前記液晶レンズでは第２の透明電極と液晶層との間に比較的厚い透明絶縁層を挿入しているので駆動電圧が非常に高くなり、口径が大きくなると数１００Ｖ以上の高電圧を必要とするという難点があった。この難点を解消するものとして、円形の開口孔部を有するパターン電極と開口孔部内に設けられた円形状の中心電極によって構成された前記第２の透明電極と液晶層の間に透明な絶縁層と透明な高抵抗層からなる二重層を設けることで、透明絶縁層の厚みを薄くしても軸対称の不均一電界が高抵抗膜面の電位分布によって円形状の中心電極の中心部まで生じるようにすることが可能となり、透明絶縁層を薄くできることから低電圧で駆動できる液晶レンズとして特許文献１及び特許文献２に報告されている。

前記特許文献１及び特許文献２で開示されている液晶レンズは、円形の開口孔部内に広がる不均一電界の空間分布を利用するもので、電位分布に対応する屈折率分布特性がなめらかで、且つ駆動電圧が低く、また独立した２電圧だけで広範囲にわたって焦点距離の逆数に対応するレンズパワーを可変制御できるという利点が有るが、良好なレンズ特性が得られる条件では液晶層の利用効率が４０％以下程度と低いことが難点であった。

一方、円形状の中心電極と、中心電極の周囲に設けられた同心円状に間隔を空けて配置された複数の円帯状の電極パターンとによって上記の第２の透明電極（同心円状のパターン電極群）を構成し、平板状の第１の電極との間に液晶層を挿入し、前記円形状の中心電極と複数の円帯状電極に電圧を加えて中心電極と複数の円帯電極と前記第１の基板の前記透明な電極とが対向している各々の領域で前記液晶層の実効的な屈折率の分布を調整することで半径方向に屈折率分布を生じさせることができ、低電圧で動作する液晶レンズが報告されている。さらに、前記第２の透明電極と液晶層の間に透明な絶縁層と透明な高抵抗層からなる二重層を設けることで、段差等が無い滑らかな光学位相差分布特性を有し、且つ液晶層の利用効率が高い液晶レンズが特許文献３及び特許文献４に開示されている。

前記の複数の円帯状のパターン電極を用いる液晶レンズでは、中心対称の任意の光学位相差分布特性を実現することができるが、良好な光学位相差分布特性を得るためには円帯電極の数を増やさなければならないため引き出し線が多くなり、結果として駆動電源数も増加するという問題が有った。

特開２０１１－１７７４２号公報特開２０１１－１８０３７３号公報特開２０１２－１３７６８２号公報特開２０１８－３６４８３号公報

前記特許文献１及び特許文献２で開示されている液晶レンズは、２電圧で焦点距離を可変できるという利点が有るが、良好な光学特性を保持した状態で焦点距離又は焦点距離の逆数に対応するレンズパワーを可変する場合には、液晶層の利用効率が半分以下と低いことが難点であり、さらなる可変範囲の拡大、すなわち液晶層の利用効率の改善が課題であった。一方、特許文献３及び特許文献４に開示されている複数の円帯状のパターン電極を用いる液晶レンズでは、良好な光学位相差分布特性を得るためには円帯電極の数を増やさなければならないため引き出し線が多くなり、且つ駆動電源数も増加するという問題が有った。

そこでこの発明の目的は、上記課題や問題を解決するために、電極数すなわち引き出し線や駆動電源の数を少なくすると共に、液晶層の利用効率を高くすることでレンズパワーの可変範囲が広い液晶レンズを提供することにある。

本願は、上記課題を解決するために、透明な第１の電極を有する第１の基板、開口孔を有する第２の電極、及び前記第１の基板と前記第２の電極を有する第２の基板の間に、前記第１の電極と対向するように収容された、液晶分子を配向させた液晶層を備え、前記第２の電極の前記開口孔内にスリットを介して透明な第３の電極が配置され、前記第２の電極及び第３の電極の液晶層に面する側に透明な絶縁層と透明な高抵抗層の順に積層し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加え、また第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えて前記液晶層の実効的な屈折率の分布を調整することで動作する液晶レンズであって、前記第３の電極を同一の中心を有する円帯を形成するようにスリットを介して２分割して、分割された内側の円形状の電極を円形電極として第１の電極との間に第２の電圧を加え、分割された外側の円帯状の電極を円帯電極として第１の電極との間に第１の電圧及び第２の電圧に対して位相が反転した第３の電圧を加えて動作することができる。

また、前記液晶レンズにおいて、第２の電極を同心円帯状の形状とし、前記同心円帯状の第２の電極の外部に複数の同心円帯状の透明な電極群を一組として少なくとも一組以上の複数の円帯電極群を配置し、前記透明な電極群の液晶層に面する側に透明な絶縁層と透明な高抵抗層を積層した液晶レンズにおいて、隣接する各組における光学位相差の分布特性が第２の電極と円帯電極及び円形電極から構成される中央部の液晶レンズの光学位相差分布特性を概略外挿した特性となるような電圧を加えて動作することができる。

さらに、中央部の液晶レンズの光学位相差分布特性を概略外挿した特性となるような電圧を加えて動作する前記の液晶レンズにおいて、前記同心円帯状の第２の電極の外部に配置した複数の同心円帯状の透明な電極群から構成される各組の前記透明な電極群に、前記中央部の液晶レンズの電極群に加える電圧の周波数より高い周波数の電圧を加えて動作することができ、またさらに前記各組の前記透明な電極群の液晶層に面する側に積層した透明な高抵抗層の抵抗値が前記中央部の液晶レンズにおける透明な高抵抗層の抵抗値よりも高い抵抗値とすることもできる。

前記第２の電極の開口孔内にスリットを介して配置された第３の電極を同一の中心を有する円帯を形成するように２分割することで形成された円帯電極の幅は、前記開口孔の半径の１０％から７０％の範囲内であることが好ましい。

本発明は、平板状の透明な電極に対向する円形の開口孔部を有する電極及び開口孔部内にスリットを介して絶縁された円形の電極を更にスリットを介して二分割し、円形開口孔部を有する電極側の電極及び開口孔部内に配置された円形電極に加える電圧に対して位相が反転した電圧を加えて、液晶層に誘起された光学位相差分布特性の断面が２次曲線である放物面の分布からのずれを補正することで液晶層の利用効率及び光学特性を大幅に改善し、レンズパワーの可変範囲を拡大すると共に、少ない引き出し線及び駆動電圧で動作する液晶レンズを提供する。

図１（Ａ）は、本発明に係る液晶レンズの一実施の形態を示す構成説明図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の第２の基板及び各電極２２～２４の平面図である。図２は、実施例１に係る口径が２ｍｍの液晶レンズの開口孔内における光学位相差分布特性のＶ１電圧依存性を示す。図３は、口径が２ｍｍの液晶レンズにＶ１＝５Ｖの電圧を加え、Ｖ２＝Ｖ３とした補正無しの場合、及びＶ３として位相が反転した３Ｖの電圧を加えて補正を行った場合の開口孔内の液晶層に生じる光学位相差分布特性の断面図である。図４は、実施例２に係るフレネル構造の液晶光学デバイスにおける（Ａ）液晶層に生じる光学位相差分布特性の断面図、及び（Ｂ）中心部の光学位相差分布特性を外挿した光学位相差分布特性の断面図であり、図中の点線は２次関数による近似曲線を示している。図５は、実施例３に係るフレネル構造の液晶光学デバイスにおける（Ａ）液晶層に生じる光学位相差分布特性の断面図、及び（Ｂ）中心部の光学位相差分布特性を外挿した光学位相差分布特性の断面図であり、図中の点線は２次関数による近似曲線を示している。

本発明は、従来の技術における種々の課題について解決することを目的として案出されたものである。すなわち、特許文献１及び特許文献２の技術では、液晶層の利用効率を高くすることが課題であり、特許文献３及び特許文献４では、良好な特性を得るためには多数の円帯電極や引き出し及び駆動電源が必要であるため、簡単な構成により駆動を行うことが課題であった。

本発明では、上記の課題を踏まえて、少ない電極や引き出し線及び駆動電源数により、液晶層の利用効率が高く、すぐれた光学特性を有する液晶レンズを開示する。

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。

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液晶層３１を備える。

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図示されていない配向膜が配置されている。

また、第２の基板１２の液晶層に面する側には電極群２２～２４が形成されており、さらに透明な絶縁層４１と透明な高抵抗層としての高抵抗膜５１、及び図示されていない配向膜がそれぞれ積層されている。なお、この高抵抗膜５１には直接電圧を印加していない。

前記透明な電極２１及び透明な高抵抗膜５１の液晶層に接する面に形成された前記図示されていない配向膜にはアンチパラレルと呼ばれる互いに逆の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。

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、前記第２の電極２２には円形の開口孔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の電源８１から第１の電圧Ｖ１を加える。また、前記円形の開口孔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透明な円形電極２３及び透明な円帯電極２４が形成されている。この円形電極２３及び円帯電極２４に、図示されていないスリットで第２の電極から絶縁された図示されていない引き出し部を通して外部から第２の電源８２から第２の電圧Ｖ２及び第３の電源８３から第３の電圧Ｖ３を印加することができるように配置されている。

初めに、図１に示した構成から円形電極２３及び円帯電極２４を取り除いた円形の開口孔部だけの液晶レンズについて説明する。電圧が加えられていない初期状態として、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタが電極面上の配向膜面に対してプレティルト角である１度程度傾いてラビングの方向に配向しているホモジニアス配向になっている場合を考える。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の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、実効的な屈折率が開口孔の周辺から中心に向かって次第に大きくなるような分布が形成され、主として凸レンズ効果を示す液晶レンズＡが構成される。しかし、液晶レンズＡでは外部印加電圧Ｖ１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。

次に、図１に示した構成において、円形電極２３及び円帯電極２４に同じ電圧を加えた場合（Ｖ２＝Ｖ３）について説明する。このような構成は、円形の開口孔の中に第２の電極から絶縁され独立した電極を設けた場合と同じ電極構成となる。前記開口孔の中に設けた電極に第１の電圧Ｖ１とは独立した第２の電圧Ｖ２を加えると、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段階の光学特性が得られ液晶レンズＢが構成される。前記液晶レンズＢの動作原理の詳細については特許文献１及び特許文献２において説明されている。この液晶レンズによると、凸レンズ及び凹レンズとしての機能が得られる。

特に、この液晶レンズでは、透明絶縁層４１と液晶層３１の間に透明な高抵抗層として高抵抗膜５１を配置しているため、開口孔を有する第２の電極２２（円形パターン電極）と液晶層３１との間に高抵抗膜５１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の開口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も特許文献１及び特許文献２において説明されている。

次に、具体的な実施例について説明する。図１において、第１の基板１１は３００μｍ厚の透明ガラス板であり、前記第１の基板１１の液晶層３１に接する内面側に、インジウム・スズ系の酸化物（ＩＴＯ）からなる透明な第１の電極２１が形成されている。第２の基板１２は３００μｍ厚のガラス基板であり、通常のフォトリソグラフィ法によって第２の基板１２の液晶層３１に接する側には口径が２ｍｍの円形状の開口孔２２－１を有するＩＴＯ電極２２、及び中心の円形電極２３及び円帯電極２４が同心円状に形成されている。ここで、前記開口孔２２－１の中に配置されている円形電極２３及び円帯電極２４を分離するスリットの幅は２０μｍとし、円帯電極２４の幅は２００μｍとしているが、この値に限定されるものではない。

本発明における液晶レンズでは、開口孔を有する電極２２と中心の円形電極２３及び同心円状の円帯電極２４を有する第２の基板１２と液晶層３１の間に透明絶縁層４１及び高抵抗膜５１を積層している。また、液晶層３１の液晶材料としてはＲＤＰ８５４７５（ＤＩＣ社製）を使用した。この液晶の複屈折Δｎは波長（λ）が５８９ｎｍにおいて０．２９８である。液晶層を挟む電極２１及び高抵抗膜５１の面には図示しない配向膜としてポリイミド膜を１００ｎｍ程度の厚みに塗布し、熱処理を行い安定化させた後に、対向する基板上の配向膜に対するラビングの方向をそれぞれアンチパラレルと呼ばれる逆向きとなるようにラビング処理が施されている。

なお、液晶層３１を所定の厚みに保つために図示していないが直径が３０μｍの球状スペーサを接着剤に分散したものを用い、また図示していないが各基板の周辺部等は接着剤を用いて液晶が封止されている。

透明絶縁膜４１としては、高周波スパッタリング法により１μｍ厚に成膜した石英膜を使用したが、透明な高分子膜など他の有機系・無機系の膜も使用することができる。

透明な高抵抗膜５１としては、酸化亜鉛に亜酸化銅を添加した材料を高周波スパッタリング法により厚みが約５０ｎｍに製膜した抵抗膜を使用した。本実施例で使用した高抵抗膜は面積抵抗値として１０ＭΩ／ｍ２～２００ＭΩ／ｍ２程度であった。他の無機系薄膜、たとえば抵抗値を最適な値に設定したＩＴＯや酸化亜鉛、酸化チタン、硫化亜鉛、又はこれらの材料の混合系などの透明な薄膜を使うこともできる。

口径が２ｍｍの液晶レンズにおいて、第２の電極及び開口孔内に設けた円形電極及び円帯電極にそれぞれＶ１，Ｖ２，Ｖ３の電圧を印加した場合に液晶層に生じる光学位相差分布特性について、直径方向の断面での位相差分布特性のＶ１電圧依存性を図２に示した。ここで、高抵抗膜５１の抵抗率は１．５Ωｍであり、印加電圧の周波数は１ｋＨｚとした。さらに、Ｖ２電圧とＶ３電圧は同じ値とし、光学位相差分布特性の最大値が液晶層の複屈折と液晶層厚の積の値の８５％となるようにＶ２＝Ｖ３の電圧を調整している。図２から分るように、電圧Ｖ１＝３Ｖとした場合にレンズパワーが８．３５ジオプトリと比較的大きく、且つ放物線状の２次関数特性に対する回帰分析における指標としての決定係数が０．９９９１と、比較的良好な特性が得られている。また、Ｖ１電圧が高くなると共にレンズパワーの可変範囲が広くなり、Ｖ１＝５Ｖではレンズパワーが１１．２ジオプトリと大きくなるが、光学位相差分布特性が理想的なレンズ特性を示す２次関数特性から内側に入ることで特性が劣化することが示されている。

前記の口径が２ｍｍの液晶レンズにＶ１＝５Ｖの電圧を加えた補正無しの場合、及びＶ３としてＶ１及びＶ２に対して位相が反転した３Ｖの電圧を加えて補正を行った場合の開口孔内における液晶層に生じる光学位相差分布特性を図３に示した。円帯電極に位相が反転した３Ｖの電圧を加えることで、光学位相差分布特性が２次関数特性から内側に入る効果が補正された良好な２次関数特性となり、決定係数が補正前の０．９８０５から０．９９９２へと改善され、レンズパワーが１１．４ジオプトリと大きく、光学特性がすぐれた凸レンズ特性を有する液晶レンズを得ることができた。ここで、開口孔内における液晶層に生じる光学位相差分布特性の最大値が液晶層の複屈折と液晶層厚の積の値の８５％となるようにＶ２電圧を調整している。

図１に示した構造の液晶レンズにおいて、第１の電圧Ｖ１と第２の電圧Ｖ２の大小関係を逆にすること、すなわち中心に向かって電圧が次第に高くなるような電圧分布となるような電圧を印加すると、実効的な屈折率が中心から周辺部に向かって次第に大きくなるような屈折率分布特性となり、半径方向で液晶層は液晶のダイレクタの方向に偏光した入射光に対して発散する凹レンズ機能が得られる。この場合においても、円帯電極に印加する位相が反転した電圧Ｖ３を調整することでレンズ特性の改善を図ることができる。

次に、口径がより大きな液晶レンズを作製した。中心の円形電極２３の径を９．２８ｍｍ，円帯電極２４の幅を１．３６ｍｍとし、それぞれの間は幅が８０μｍのスリットで分割されている。第２の電極２２を外径が１２．８ｍｍ、幅が０．１６ｍｍの円帯状電極とし、その外部にスリットを介して同じ中心を有し、各々の幅が０．１６ｍｍ，２ｍｍ，０．１６ｍｍの３個の円帯状電極からなる領域を構成し、内側から順にＶ４，Ｖ５，Ｖ６の電圧を印加する。ここで、第２の電極である円帯状電極２２の外部に同心円状の円帯状電極からなる電極群を設けた部分をフレネル部と呼ぶことにすると、前記の第２の円帯状電極の外部に設けた３個の円帯状電極群からなる領域は第１のフレネル部となる。

さらにスリットを介して同様にそれぞれ３個の円帯状電極群からなる第２及び第３のフレネル部を構成した。各フレネル部の半径は順に９．０５ｍｍ，１１．０９ｍｍ，１２・８ｍｍであり、概ね中心の液晶レンズの半径の２，３，４の平方根倍となるようにした。また、各フレネル部の内側及び外側の円帯状電極の幅はすべて同一の値である０．１６ｍｍとしているが、各フレネル部の中央の円帯状電極の幅は第１フレネル部から順に２ｍｍ，１．５２ｍｍ，１．１２ｍｍとなり、外側になるにしたがって幅が狭くなっている。第１、第２及び第３のフレネル部における内側、中央、外側の各円帯状電極にはそれぞれＶ４，Ｖ５，Ｖ６の電圧を印加している。

上記のような構造寸法で、液晶材料としてはＲＤＰ８５４７５を使用し、液晶層厚が６０μｍで、透明な高抵抗膜５１の抵抗率を０．１２Ωｍとして、口径が約２５ｍｍのフレネル構造の液晶レンズを作製した。なお、中心の液晶レンズと第１のフレネル部、及び各フレネル部間では、透明高抵抗膜にはそれぞれ幅が２４０μｍのスリットを入れることで各領域が電気的に分離されている。

作製したフレネル構造の液晶レンズに対して、以下の条件で各電極に電圧を印加・保持し、光学位相差分布特性を測定した。全体の光学位相差分布特性を図４（Ａ）に、フレネル部の光学位相差の分布特性が概略前記中央部の液晶レンズの光学位相差分布特性を外挿した特性となるように表した特性を図４（Ｂ）に示す。このフレネル構造の液晶レンズは、レンズパワーが０．７ジオプトリで、決定係数が０．９９６の凸レンズの特性を示している。
（条件）
Ｖ１＝５Ｖ
Ｖ２＝１Ｖ
Ｖ３＝３Ｖ（位相反転）
Ｖ４＝１．２Ｖ
Ｖ５＝０．８Ｖ
Ｖ６＝５Ｖ
とした。ここで周波数はいずれも１ｋＨｚである。

次に、他の実施例について説明する。実施例２の液晶レンズの駆動条件では、図４に示したようにフレネル部において光学位相差分布特性が湾曲した二次曲線からのずれが見られ、フレネルの次数が高くなる、すなわち液晶レンズの外部になるにしたがってずれが顕著になることから、光学特性が劣化し決定係数が低下する主な要因となっている。この効果は、中央部の液晶レンズにおける各電極の幅の平均の値に対して、フレネル部における電極幅の平均の値が小さくなっていることが原因であり、中央部の第３の電極を更に分割して各電極の幅を狭くすること、すなわち液晶レンズ全体における電極幅の平均値が各領域において大幅に異なることが無いようにすることで改善される。一方、電極幅の平均値が小さくなるに従い駆動電圧の周波数を高くすることによっても改善が可能である。

実施例２における３個のフレネル部を有する液晶レンズにおいて、中央部の液晶レンズにおける各印加電圧Ｖ１，Ｖ２．Ｖ３の周波数に対して周波数を４倍高くして、Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６の周波数を４ｋＨｚとした場合の全体の光学位相差分布特性を図５（Ａ）に、フレネル部の光学位相差の分布特性が概略前記中央部の液晶レンズの光学位相差分布特性を外挿した特性となるように表した特性を図５（Ｂ）に示す。光学位相差分布特性における湾曲特性が改善されて放物線により近くなり、レンズパワーが０．７ジオプトリで決定係数が０．９９８７へと改善することができた。

さらに他の実施例について説明する。フレネル部において光学位相差分布特性が放物線からずれるという効果は、当該の領域において高抵抗膜５１の抵抗値を高くすることによっても改善することができる。実施例２における３個のフレネル部を有する液晶レンズにおいて、実施例３に示したようにフレネル部における駆動電圧の周波数を４倍高くすると共に、最外側のフレネル部における高抵抗膜の抵抗値を他の領域における高抵抗膜の抵抗値に対して２倍高くした液晶レンズを作製した。この場合の決定係数は０．９９９１とさらに増大し、理想的なレンズ特性を示す放物線特性により近くなり、すぐれた光学特性を有する液晶レンズを実現することができた。なお、これらの手法は凹レンズ特性を補正する場合においても有効である。

実施例４では、フレネル部における駆動電圧の周波数を高くし、且つ高抵抗膜の抵抗値を高くすることで光学位相差特性における湾曲効果の補正を行ったが、駆動周波数は変えないで一定とし、高抵抗膜の抵抗値だけを高くすることでも湾曲効果の補正を行うことができる。さらに、円帯電極の外側となると共に高抵抗膜の抵抗値を段階的にもしくは連続的に高くすることで、より精密な補正を行うことができる。

第２の電極２２の開口孔２２－１の中に設けた円帯状の円帯電極の幅に関しては、前記開口孔内に間隔を置いて配置された第３の電極を同一の中心を有する円帯を形成するように２分割する半径方向の割合が小さ過ぎると補正の効果が弱く十分な補正ができない。一方、割合が大き過ぎると開口孔内における全体の光学位相差分布特性における歪みが増大するために、良好な特性を得ることが難しいという問題が生じる。したがって、液晶レンズの構造や使用目的にもよるが、開口孔の半径の１０％から７０％の範囲内であることが好ましい。

実施例２，３，４に示したフレネル構造の液晶レンズでは、中央部のレンズと第１のフレネル部との境界や各フレネル部の境界において電界が大きく変化することにより光学位相差に乱れが生じているが、これらの境界部に光を通さないブラックマトリクスを配置することで光学特性の劣化を防ぐことができる。

また、前記これらの境界部において電界が大きく変化するため、液晶分子の配向方向が反転するディスクリネーションが発生することがあるが、当該領域において液晶分子配向すなわちダイレクタが基板に垂直となるような処理を行うことでディスクリネーションの発生を抑制し、光学特性の劣化を防ぐことができる。

本発明によると、液晶レンズを構成する電極の数や引き出し線の数及び駆動電源が少なく、液晶層の利用効率が高く広いレンズパワーの可変範囲を有し、且つ光学特性がすぐれた液晶レンズが実現される。さらに、すぐれた光学特性を有する大口径の液晶レンズを構成することができる。

また、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擬態化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせること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構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよく、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の液晶レンズは、小型レンズから中型・大型レンズなど、さまざまな光学レンズや光学系の収差を調節できるデバイス、並びに焦点可変のメガネなどが実現される。

１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、２１・・・第１の電極、２２・・・第２の電極、２２－１・・・第２の電極に設けた開口孔、２３・・・円形電極、２４・・・円帯電極、３１・・・液晶層、４１・・・透明絶縁層、５１・・・高抵抗層（高抵抗膜）、８１、８２、８３・・・駆動電源。

Claims

透明な第１の電極を有する第１の基板、開口孔を有する第２の電極、及び前記第１の基板と前記第２の電極を有する第２の基板の間に、前記第１の電極と対向するように収容された、液晶分子を配向させた液晶層を備え、
前記第２の電極の前記開口孔内にスリットを介して透明な第３の電極が配置され、前記第２の電極及び第３の電極の液晶層に面する側に透明な絶縁層と透明な高抵抗層の順に積層し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加え、また第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えて前記液晶層の実効的な屈折率の分布を調整することで動作する液晶レンズにおいて、
前記第３の電極を同一の中心を有する円帯を形成するようにスリットを介して２分割して、分割された内側の円形状の電極を円形電極として第１の電極との間に第２の電圧を加え、分割された外側の円帯状の電極を円帯電極として第１の電極との間に第１の電圧及び第２の電圧に対して位相が反転した第３の電圧を加えて動作する液晶レンズの第２の電極を同心円帯状の形状とし、前記同心円帯状の電極の外部に複数の同心円帯状の透明な電極群を一組として少なくとも一組以上の複数の電極群を配置し、前記透明な電極群の液晶層に面する側に透明な絶縁層と透明な高抵抗層を積層した液晶レンズにおいて、隣接する各組における光学位相差の分布特性が第２の電極と円帯電極及び円形電極から構成される中央部の液晶レンズの光学位相差分布特性を概略外挿した特性となるような電圧を加えて動作する液晶レンズであって、
前記同心円帯状の第２の電極の外部に配置した複数の同心円帯状の透明な電極群から構成される各組の前記透明な電極群に、前記中央部の液晶レンズの電極群に加える電圧の周波数より高い周波数の電圧を加えて動作することを特徴とする液晶レンズ。
透明な第１の電極を有する第１の基板、開口孔を有する第２の電極、及び前記第１の基板と前記第２の電極を有する第２の基板の間に、前記第１の電極と対向するように収容された、液晶分子を配向させた液晶層を備え、
前記第２の電極の前記開口孔内にスリットを介して透明な第３の電極が配置され、前記第２の電極及び第３の電極の液晶層に面する側に透明な絶縁層と透明な高抵抗層の順に積層し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加え、また第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えて前記液晶層の実効的な屈折率の分布を調整することで動作する液晶レンズにおいて、
前記第３の電極を同一の中心を有する円帯を形成するようにスリットを介して２分割して、分割された内側の円形状の電極を円形電極として第１の電極との間に第２の電圧を加え、分割された外側の円帯状の電極を円帯電極として第１の電極との間に第１の電圧及び第２の電圧に対して位相が反転した第３の電圧を加えて動作する液晶レンズの第２の電極を同心円帯状の形状とし、前記同心円帯状の電極の外部に複数の同心円帯状の透明な電極群を一組として少なくとも一組以上の複数の電極群を配置し、前記透明な電極群の液晶層に面する側に透明な絶縁層と透明な高抵抗層を積層した液晶レンズにおいて、隣接する各組における光学位相差の分布特性が第２の電極と円帯電極及び円形電極から構成される中央部の液晶レンズの光学位相差分布特性を概略外挿した特性となるような電圧を加えて動作する液晶レンズであって、
前記同心円帯状の第２の電極の外部に配置した複数の同心円帯状の透明な電極群から構成される各組の前記透明な電極群の液晶層に面する側に積層した透明な高抵抗層の抵抗値が前記中央部の液晶レンズにおける透明な高抵抗層の抵抗値よりも高い抵抗値であることを特徴とする液晶レンズ。
透明な第１の電極を有する第１の基板、開口孔を有する第２の電極、及び前記第１の基板と前記第２の電極を有する第２の基板の間に、前記第１の電極と対向するように収容された、液晶分子を配向させた液晶層を備え、
前記第２の電極の前記開口孔内にスリットを介して透明な第３の電極が配置され、前記第２の電極及び第３の電極の液晶層に面する側に透明な絶縁層と透明な高抵抗層の順に積層し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加え、また第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えて前記液晶層の実効的な屈折率の分布を調整することで動作する液晶レンズにおいて、
前記第３の電極を同一の中心を有する円帯を形成するようにスリットを介して２分割して、分割された内側の円形状の電極を円形電極として第１の電極との間に第２の電圧を加え、分割された外側の円帯状の電極を円帯電極として第１の電極との間に第１の電圧及び第２の電圧に対して位相が反転した第３の電圧を加えて動作する液晶レンズであって、
前記第２の電極の開口孔内にスリットを介して配置された第３の電極を同一の中心を有する円帯を形成するように２分割することで形成された円帯電極の幅は、前記開口孔の半径の１０％から７０％の範囲内であることを特徴とする液晶レンズ。