JPH02110428A - 複数の液晶素子を備えた光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数の液晶素子を備えた光学系に関する。

〔従来の技術〕

最近、内視鏡用結像光学系等において、液晶絞りや液晶
レンズ等の液晶素子を組み込むことにより機械的移動部
分を少なくすることが提案されている。

そして、複数個の液晶素子を組み込む場合、個々の液晶
素子毎に駆動電源を設けるのは不経済なので準−電源が
好ましい反面、個々の液晶素子は別々に制御する必要が
あるので電源ラインが多くて複雑になるという問題があ
った。

そこで、電源ラインの一部を共通化することが考えられ
た。

第９図はその一例を示しており、１．２．３は夫々図示
しない内視鏡先端部内に配設された液晶レンズ、　ｉ＄
ｉ品絞り、他のレンズ群、Ｐ、ＶＲ，ＳＷ、、ＳＷ、は
夫々図示しない手元操作部に配設された駆動電源、可変
抵抗、液晶レンズ用スイッチ、液晶絞り用スイッチであ
って、液晶レンズｌは１１ライン１．　、　　ｊ！、を
介して抵抗ＶＲ，スイッチＳＷ、、　　電源Ｐと接続さ
れ、液晶絞り２は電源ライン’ｔ＋’２を介してスイッ
チＳＷ、、電源Ｐと接続されでいる。このように、電源
ライン１ｔが共通ラインとして用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記構成の場合内視鏡先端部に組み込まれる
液晶素子の数が増えれば共通ラインの数も増えてしまう
ことになり、電源ラインを通すべき可撓性中間部のでき
る限りの細径化が望まれる内視鏡にとって甚だ不十分な
ものであった。

本発明は、上記問題点に鑑み、液晶素子の数が多くても
電源ラインが２本で済み、その結果内視鏡可撓性中間部
の細径化に極めて有効である、複数の液晶素子を備えた
光学系を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明による光
学系は、複数の液晶素子を備えた光学系において、前記
複数の液晶素子を電源に対して直列又は共通電極を介し
て並列に接続し、前記複数の液晶素子のうちの１つは電
源の周波数に応じて誘電異方性が逆転する性質を有する
第１の液晶から成り、他の１つは誘電率の周波数依存性
が前記第１の液晶とは異なる第２の液晶から成り、前記
電源の周波数及び電圧を可変としたこと少な（１もスノ
２ により、電源ライン２本だけで転ｉ年嬶の液晶素子を別
々に制御し得るようにしたものである。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づき本発明の詳細な説明する
。

第１図は第１実施例を示している。１１及び１２は２本
の電源ライン１．．１．を介して電源Ｐに直列に接続さ
れた液晶レンズ（正レンズ）及び液晶絞りである。ここ
で、液晶レンズ１１は、例えば第２図に示した如く、二
枚のうち少なくとも一枚が湾曲したガラス、アクリル等
製の透明板１５．１５の互いに対向する面に夫々透明電
極１６及び配向膜１７を被覆し、この対向する面によっ
て形成される凸レンズ状の空隙（セル）内にネマティッ
ク液晶Ａを封入することにより構成されている。

そして、スイッチＳＷが０ＦＦ７′電圧が印加されてい
ない状態では、液晶への分子配列は分子の長軸の配列さ
れた方向（ラビング方向）を偏光板１８の偏光方向と一
致させたホモジニアス配列となっている。従って、液晶
Ａの屈折率は偏光＋ｆｆｌ　１８を透過して来た入射光
に対して高屈折率の状態となり、液晶レンズ１１の焦点
距離が短くなる。

又、スイッチＳＷがＯＮで一定値以上の電圧が印加され
た場合、液晶Ａの分子配列がホメオトロピック配列即ち
分子の長軸方向が偏光板１８の偏光方向と直交する配列
となるので、入射光に対する液晶Ａの屈折率が低くなり
、ン佼晶レンズ１１の焦点距離が長くなる。

又、液晶絞り１２の一例としてツイストネマチック（Ｔ
Ｎ）　液晶セルを用いたものの構成を示すと第３図のよ
うになる。ＴＮ液晶セル１９は透明基板２０上に透明電
極２１と配向膜２２とを積層したちの二枚を配向方向が
９０゛ねじれるように対向させて形成した空室内にネマ
チック液晶Ｂを封入して成るが、可変絞りとするために
一方の透明電極２１が図示したように中央部分を欠いた
リング状に形成されている。そして、この液晶セル１９
を互いに振動方向が直交する２枚の偏光板２３．２４で
挾んで液晶絞り１２が構成されている。

そして、スイッチＳＷがＯＦＦの状態では、液晶分子が
ツイスト配列であるため、偏光板２３を通ってＴＮ液晶
セル１９に入射した直線偏光はＴＮ液晶セル１９により
偏光面が９０゛回転せしめられ、偏光板２４を通って出
て来る。ところが、スイッチＳＷをＯＮとしてＴＪ、　
ａＰから一定値以上の電圧が加わると、液晶分子が電界
に沿って配列されてホメオトロピック配列となり、偏光
面を回転させる作用がなくなるため、ＴＮ液晶セル１９
を通った光は偏光板２４を通り抜けることが出来なくな
る。この効果は透明型ｉ２１のない所では生しないので
、液晶絞り１２の中央ではスイッチＳＷの０Ｎ−ＯＦＦ
に拘わらず常に光が通るが、その外側のリング状部分で
はスイッチＳＷの０Ｎ−ＯＦＦにより遮蔽−透過の切換
えが行われることになる。

以上の液晶レンズ１１に使用される液晶Ａ、！：液晶絞
り１２に使用される液晶Ｂは共に正の誘電異方性（ε１
〉ε□）を有するネマチック液晶であるが、何れも電源
周波数が大きくなると誘電異方性が逆転する性質を有し
ており、且つ逆転する電源周波数が互いに異なっている
。例えば、第４図に示した如く、液晶Ａ及びＢは夫々誘
電異方性が逆転する電源周波数ωえ及びω８を有してい
るが、ω、〉ω、となっている。又、電源ラインＩ。

ａ２の途中（手元操作部内）には夫々可変抵抗■Ｒ１及
びＶＲ，が設けられており、抵抗ＶＲ，によって液晶レ
ンズ１１及び液晶絞り１２に印加する電圧（分圧）を変
え且つ抵抗ＶＲ２によって該電圧を程良く調整するよう
になっている。又、電＃Ｐは周波数を変え得るようにな
っている。

尚、ε１及びε□は各液晶素子を構成する液晶分子の長
軸方向と夫々平行及び垂直に振動する光に対する誘電率
である。

本実施例は上述の如く構成されているから、電源周波数
ωがω〈ω、の状態で、可変抵抗ＶＲＶ　Ｒ２を調整し
て液晶レンズ１１に加わる電圧Ｖを変えると、その値が
液晶Ａのしきい値ｖｔｈ’以下の場合液晶分子はホモジ
ニアス配列のままであり、誘電率εはε＝ε１であるが
、しきい値ｖｔｈ’を越えると電圧上昇と共に液晶分子
はホメオトロピック配列に徐々に移行し、誘電率εはε
−ε□　（くε１）に徐々に変化する。従って、液晶レ
ンズ１１の屈折率ｎ　（ｎ　＝ｇ　）は印加電圧■の変
化に伴って第５図に示した如く変化するので、印加電圧
■を制御することにより屈折率ｎを自在に制ｉｉ１する
ことができる。尚、この場合、電源周波数ωがω、に近
い場合は周波数に応じて屈折率が変動するが、ω≦ω２
のように周波数によらず誘電率εが安定している領域で
は実質的に電圧■のみで屈折率ｎが変化すると考えて良
い。従って、電源周波数ωをω１−ω２のように切換え
ても）夜晶レンズ１１の屈折率ｎは変化せず、液晶レン
ズ１１の屈折率ｎを印加電圧Ｖの変化によって制御でき
る。

一方、電源周波数ωをω−ω１又はω＝ω２にした状態
で可変抵抗ＶＲ，を調整して液晶絞り１２に加わる電圧
Ｖを変えると、第４図に示した特性から明らかなように
、液晶絞り１２の屈折率ｎ＜ｎ＝Ｆ＞の変化は第６図に
示した如（になる。

即ち、ω＝ω１では誘電異方性が正であるから、印加電
圧Ｖが液晶Ｂのしきい値Ｖｔｈを越えると液晶分子の配
列がツイスト配列（分子１１）からホメオトロピック配
列（分子□）に変化し、屈折率ｎもｎ　ｌｌ（＝７　）
からｎ□　（−Ｆ耳）に変わる。

これに対し、ω−ω２では夫々ツイスト配列になってい
るので、印加電圧Ｖがしきい値ｖｔｈを越えても分子配
列がツイスト配列のままで変化せず、屈折率ｎもｎ１１
のままである。従って、しきい値ｖｔｈ以上の適当な電
圧■゛を加えておき、電源周波数ωをωｌ６−Ｉω２　
（ω、〈ω、〈ω２）のように切換えれば、液晶分子配
列はホメオトロブック配列−ツイスト配列のように変化
する（この時誘電率εはε　−６（ε□〉εｌ）のよう
に変ｉ　　　　　　　　Ｉ＋ 化する。）。従って、電源周波数ωを制御することによ
り液晶絞り１２を透過と不透過とに切換えることができ
る。

ところで、第６図に示した如く、印加電圧Ｖがしきい値
ｖｔｈからＶ□　（？＆、晶分子がホメオトロピック配
列となる電圧）の間では、電圧■と周波数ωの両方の変
化が分子配列に影響する。又、しきい値ｖｔｈ以下では
配列が変わらないままωの変化によって屈折率ｎが変化
するので、ここでは絞りとしては機能しない。

従って、液晶Ａのしきい値ｖｔｈが適当な電圧Ｖ゛とな
る即ちｖｔｈ＜ｖｔｈ’で且つｖ−ｖｔｈ’の時液晶Ｂ
の分子配列がω−ω１でホメオトロピック配列（ε＝ε
□）に安定するような（要するにＶ□＜ｖｔｈ’となる
ような）液晶Ａをｉ１！訳すれば、液晶レンズ１１．液
晶絞り１２の両者に同し電圧を印加させる場合でも液晶
絞り１２の開度を変えずに電圧制御で液晶レンズ１１の
屈折力ｎを制御でき、又逆に電源周波数の切換えで／夜
晶レンズ１１の屈折力ｎを変えることなく液晶絞り１２
の開度を制御できる。

かくして、電源ライン２本だけで液晶レンズ１１と液晶
絞り１２とを別個に制御することが可能になる。又、本
実施例のように直列式の場合は、液晶レンズ１１と液晶
絞り１２とを貼り合わせて作ると、両者の間の配線を省
略できるという利点もある。

尚、液晶素子は電気回路素子としてはコンデンサの性質
を持っているので、誘電率εが変わるとキャパシタンス
が変化する。そのため、本実施例のように直列式の場合
は分圧比が変わり、夫々単独で動作させた場合その特性
が多少変わる可能性がある。特に連続的に特性が変化す
る液晶レンズ１１への影響が大きいが、例えば液晶レン
ズ１１への印加電圧■を連続的ではなくステップ的に変
化させるようにすれば、分圧比変化の影響を意識せずに
使用することができる。

第７図は第２実施例を示しており、これは２個の液晶レ
ンズ１１．１３を電′ａＰに対して共ｉＩ電極ａ、ｂ、
電源ラインｊ！、　、　　ＩＬ、を介して並列に接続し
て成るものである。この場合、第１実施例に比べて液晶
レンズ１１．１３の近くで配線が１本増えるが、電源ラ
インは２本で済む。

尚、２個の液晶素子は液晶絞り同志であっても液晶レン
ズ同志であっても良い。又、液晶素子の数は３個以上で
も良い。

特に液晶絞りだけの場合は、例えば第８図に示した如く
大小のリング状の液晶セル１４ａ、１４ｂを組み合わせ
且つ該セル１４ａ、１４ｂに異なる特性の液晶を封入し
て多重リング絞り１４を構成しても良い。

又、本発明光学系は、ビデオスコープ、ファイバースコ
ープ５硬性鏡の何れでも適用できる。特に、ビデオスコ
ープでは２木の電源ラインの１木をアースラインとして
固体撮像素子駆動用のラインと共用させることもできる
。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による複数の液晶素子を備えた光学
系は、液晶素子の数が多くても電源ラインが２本で済み
、その結果内視鏡可撓性中間部の細径化に極めて有効で
あるという実用上重要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明光学系の第１実施例の概略図、第２図及
び第３図は夫々第１実施例の液晶レンズ及び液晶絞りの
構造を示す図、第４図は第１実施例の液晶レンズ及び液
晶絞りに夫々用いられる液晶の誘電率の印加電圧周波数
依存性を示す図、第５図及び第６図は夫々上記液晶レン
ズ及び液晶絞りの印加電圧変化に対する屈折率変化を示
す図、第７図は第２実施例の概略図、第８図は本発明の
応用例である多重リング絞りの正面図、第９図は従来例
の概略図である。 １１．１３・・・・液晶レンズ、１２・・・・液晶絞り
、１４・・・・多重リング絞り、ｉ　、１．・・・・電
源ライン、Ｐ・・・・電源、ＶＲ，、ＶＲ，・・・・可
変抵抗。 才４図 第５図 ｎ（屈折率） １６図 ｎ（屈折率）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の液晶素子を備えた光学系において、前記複数の液
   晶素子を電源に対して直列又は共通電極を介して並列に
   接続し、前記複数の液晶素子のうちの１つは電源の周波
   数に応じて誘電異方性が逆転する性質を有する第１の液
   晶から成り、他の１つは誘電率の周波数依存性が前記第
   １の液晶とは異なる第２の液晶から成り、前記電源の周
   波数及び電圧を可変としたことを特徴とする光学系。