JPH048768B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液晶による可変焦点レンズの液晶分子
の配向特性及び透過特性の改善に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

白内障などの眼の疾病により眼球の水晶体が摘
出されてしまつた場合に、従来の焦点距離が固定
のレンズを用いた眼鏡では使用する距離に応じて
焦点距離の異なつた数種類の眼鏡を用意してそれ
ぞれの情況に応じて使い分ける必要があり、実生
活において多大なる不便さを強いられている。し
たがつて、焦点距離を自由に変化させることので
きる眼鏡レンズの出現が望まれていた。また、光
学レンズに用いられるズームレンズと呼ばれる可
変焦点レンズの焦点距離の制御はその中の複数枚
の単レンズから構成されるレンズ群同士の間隔を
変化させることによつて行なつている。したがつ
てレンズ群の移動のためレンズ可動機構が不可欠
であり、小型化・低コストという要求を十分満足
することができず、レンズの移動なしに焦点距離
が自由に変化できる焦点距離可変レンズの出現が
望まれていた。

液晶は、一般に長さ数10Å、幅が約数Åの細長
い棒状分子構造をもつており、また誘電異方性を
もち、液晶分子の軸方向に平行な誘電率と直角な
方向の誘電率とは一般に一致しない。前者が後者
よりも大きいものを正の液晶といい、逆のものは
負の液晶といわれている。

２枚の透明電極基板の間に誘電異方性が正の電
界効果形液晶を入れ、液晶分子が基板に平行にな
るように配向させた液晶セルにしきい値以上の交
流電圧を印加すると、液晶分子の双極子モーメン
トに働く力により液晶分子は液晶分子軸を電圧印
加方向に向きを変える。したがつて、印加電圧の
大きさにより基板に平行に配向していた液晶分子
を基板に対して垂直方向に連続的にその向きを変
えることができる。よつて液晶分子の配向の方位
に偏光した入射光に対して液晶セルのみかけの屈
折率は異常光に対する値から常光に対する値まで
連続的に変化する。

このいわゆる電界制御複屈折効果は電気的エネ
ルギーと弾性的エネルギーの相対的な関係によつ
て決まるため、液晶セルの厚みに依存せず、また
印加電界ではなく印加電圧に依存して変化するこ
とが知られている。つまり、液晶セルがレンズの
ような形をしており、液晶セルの厚みが各々の場
所によつて異なつていても光学的には一様な屈折
率の変化が得られることになる。したがつて、第
１図に示した構成で偏光板１の後方に配設したレ
ンズ２を透明電極３，３間に平行配向させた誘電
異方性が正の電界効果形液晶を用いて作成し、液
晶の交流駆動電源５による印加電圧により液晶分
子の配向方向を制御して液晶セルのみかけの屈折
率を変化させることにより、レンズ２の焦点距離
を異常光に対する値Feから常光に対する値Foま
で連続的に変化させることができる。垂直配向さ
せた誘電異方性が負の液晶を用いると印加電圧に
対する焦点距離の変化が逆になる。電圧を印加す
る代わりに磁界を加えても液晶分子の配向状態を
変えることができるので、磁界による焦点距離可
変レンズとすることもできる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、従来の液晶による焦点距離可変のレ
ンズでは真空斜方蒸着法や綿布などを用いて一方
向に摩擦するなどの配向処理法により第２図に示
すように液晶セル内で液晶分子が一方向にそろう
ような分子配列状態としており、液晶分子配向の
方位に偏光した入射光を用いるものや、第２図に
模式的に示すような分子配向をとる２枚の液晶セ
ルの液晶分子の配向方向が互いに直交するように
重ね合わせた構造のものであつた。しかし、この
ような分子配向法では第３図に模式的に示すよう
にレンズの形状をした液晶セルの中心部や同図で
斜線で示した領域では良好な分子配向状態を得る
ことができるが、それ以外の領域では液晶セルの
壁面が曲面となつているために液晶分子の配向方
向と壁面の曲率の方位とが斜めの状態となるの
で、均一な液晶分子の配向状態を得ることが難し
く、特に電圧印加等により液晶分子を電界方向に
再配向させる場合に配向の乱れが生じ易いなど、
レンズとしての光学的特性が低下する主たる要因
となつている。

又、一方向に液晶分子が配向されている（ホモ
ジニアス配向）の場合には、液晶分子がレンズの
直径方向（中心点から周辺に向かつて）に配向し
ている領域、又は円周に沿つて配向している領域
或はこれらの中間領域等が存在し、それぞれ曲面
構造の基板に対する液晶分子の配向状態が異なる
ため、レンズの各々の場所に入射する光線に対す
る焦点距離が少しずつ異なつてしまうという問題
点があつた。

更に偏光板の使用に伴なう60％から70％にもお
よぶ光透過損失が従来の液晶による可変焦点レン
ズの問題点であつた。

本発明はレンズの移動なしに、低電圧・低消費
電力で動作する液晶による焦点距離可変レンズを
構成し、その液晶分子の配向特性および液晶レン
ズの透過特性を改善することを目的としている。

本発明者は上述の難点に留意し、レンズの形状
をした液晶セルにおいて液晶セル全域で均一な液
晶分子配向状態を得る手段を案出したものであ
り、更に偏光板の使用に伴なう60％から70％にも
およぶ光透過損失を解消する手段として偏光板を
使用しない明るい焦点距離レンズを構成する手段
を案出して本発明を完成したものである。

〔問題点を解決するための手段〕

配向特性を改善するために、レンズの形状をし
た液晶セルの液晶分子を同心円状又は放射状に配
向させている。

また、透過特性を改善するために、同心円状配
向又は放射状配向の特性を有する２枚の液晶によ
るレンズの間にTN液晶セルをはさみこんで重ね
合わせた構造とするか、あるいは、同心円状に液
晶分子が配向している液晶セルと放射状に液晶分
子が配向している液晶セルとを重ね合わせた構造
としている。

〔作用〕

液晶分子の配向方向の同心円状になるようにす
ると、液晶分子は曲面状の壁面に沿つて中心対称
的（又は軸対称的）に配向することになるため配
向の場所的な不均一さがなくなり、液晶セル全域
で均一な分子配向状態が得られる。一方、液晶分
子をセルの中央部から周辺部に向かつて放射状に
配向させても同様に中心対称（又は軸対称）とな
り曲面状の壁面に沿つて一様な分子配向状態を得
ることができる。

また、TN液晶セルをはさみこんだ重ね合わせ
構造においては、その両側にある２枚の液晶セル
の一方の液晶セルを入射光の常光成分に対して可
変焦点となし、他方の液晶セルを入射光の異常光
成分に対して可変焦点としているので、あらゆる
方向の偏光に対して可変焦点のレンズとして動作
し偏光板が不要である。さらに、同心円状配向特
性の液晶セルと放射状配向特性の液晶セルとを重
ね合わせた構造にしているので同様に偏光板が不
要である。

〔実施例〕

第４図に示すようにレンズの形状をした誘電異
方性が正の液晶セルにおける液晶分子の配向方向
が同心円状になるようにすると、液晶分子は曲面
状の壁面に沿つて中心対称的（又は軸対称的）に
配向することになるため配向の場所的な不均一さ
がなくなり、液晶セル全域で均一な分子配向状態
が得られる。一方、第５図に示すように液晶分子
をセルの中央部から周辺部に向かつて放射状に配
向させても同様に中心対称的（又は軸対称的）と
なり曲面状の壁面に沿つて一様な分子配向状態を
得ることができる。なお、同心円状の分子配向法
としては、液晶セル基板を回転させながら綿布等
で摩擦する方法や、同様に基板を回転させながら
真空斜方蒸着法により行なうことができる。放射
状の分子配向法としては同様に摩擦法や真空斜方
蒸着法等により行なうことができる。このような
同心円状又は放射状の分子配向状態をとるレンズ
の形状をしたセルに特別な偏光特性を有しない自
然光が入射すると、どちらのレンズでも常光に相
当する焦点距離と異常光に相当する焦点距離の二
つの焦点距離を持つレンズとして働くことにな
る。又、このような液晶セルに外部より電界又は
磁界を加えると、常光に相当する焦点距離は変化
しないが異常光に相当する焦点距離を常光に相当
する焦点距離の値まで変化させることができる。
そこで第６図に示すように同心円状又は放射状の
分子配向をとる同一の特性を有する２枚の液晶に
よるレンズ６及び７の間に液晶分子の配向の方向
が液晶セルの内部で90度ねじれているツイステツ
ドネマテイツク（TN）セル８を挿入し、自然光
（無偏光）が入射した場合について考える。入射
光の中でレンズ６で異常光に相当していた成分は
レンズ６に電圧を印加するとと液晶分子は電圧に
応じて徐々に電極に垂直な方向に向きを変えるの
で異常光成分に対して液晶レンズ６のみかけの屈
折率は異常光に対する値から常光に対する値まで
連続的に変化し、焦点距離可変の効果を受けるこ
とができる。このレンズ６に対しての異常光成分
はTNセル８によつてその偏光方向が90度回転す
るため、レンズ７では常光成分となりみかけの屈
折率は変化せず焦点距離可変の効果を受けない。
一方、もう一方の入射光成分であるレンズ６で常
光に相当する成分はレンズ６ではみかけの屈折率
は変化せず、焦点距離可変の効果を受けないが、
TNセル８によつてその偏光方向が90度回転する
ためレンズ７では異常光に相当する成分となるた
め、レンズ６に異常光が入射した場合（前述）と
同様にみかけの屈折率は変化し、焦点距離可変の
効果を受けることになる。レンズ６及びレンズ７
は同じ電圧を印加すれば互いに等しい焦点距離可
変の効果を及ぼすことになる。従つて、同心円状
又は放射状の分子配向をとる同一の２枚の液晶に
よるレンズの間にTNセルを挿入することによ
り、あらゆる方向の偏光に対して可変焦点のレン
ズとして動作することになり、偏光板を使用する
ことなく入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を
可変できるレンズとすることができる。

一方、第７図に示すように、それぞれ同一の曲
率半径を有し、同一の液晶を用いて作られた同心
円状の分子配向をとる液晶によるレンズ９と放射
状の分子配向をとる液晶によるレンズ１０を重ね
ることにより、第６図に示した構成においてTN
セルを省くこともできる。第７図の構成における
焦点距離可変の機構は第６図において説明したも
のと同様である。又、レンズ９とレンズ１０は逆
に配置してもよい。具体的な例として、誘電異方
性が正のネマテイツク液晶であるシアノペンチル
ビフエニル（CPB）及び焦点距離が−7.6cmであ
る凹レンズ形のフレネルレンズを用い、数ボルト
程度の電圧を印加することにより焦点距離を15cm
から40cmまで可変でき、応答速度が１秒以下とい
う特性を有する明るい可変焦点レンズを構成する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上の様に構成された本発明は、液晶分子を同
心円状又は放射状に配向させたレンズの形状をし
た液晶セルに外部より電界又は磁界を印加して液
晶分子の配向状態を制御し、液晶の屈折率を連続
的に変化させる様にした液晶レンズを２枚重ね合
わせて構成されているので、液晶分子が曲面状の
壁面に沿つて中心対称的（又は軸対称的）に配向
され、配向の場所的不均一さがなくなり、液晶セ
ル全域で均一な分子配向状態が得られる効果があ
る。更に、ホモジニアス配向の様に、液晶分子が
レンズの直径方向に配向している領域と、円周に
沿つて配向している領域等で配向分布が異なつて
しまう様な事がないので、レンズの各々の場所で
焦点距離が異なつてしまう様な事がないという卓
越した効果がある。特に、液晶分子を同心円状に
配向した液晶セルと、放射状に配向した液晶セル
とを重ね合わせれば、偏光板のみならず、２枚の
液晶レンズに挟持されるべきTN液晶セルを省略
することができる卓越した効果がある。また、本
発明を眼鏡レンズに適用した場合には、眼の視線
はレンズの中心部から周囲に向かうような運動を
するので、一方向しか配向方向を持たないホモジ
ニアス配向のレンズより、中心対称的（又は軸対
称的）な配向を有する本発明の方が高性能の眼鏡
を提供できる。なお、偏光板が不用で薄型軽量の
本発明は、眼鏡だけでなく他の光学素子にも適用
できることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例と、その動作機構等を説
明するためのもので、第１図は液晶によるレンズ
に電圧を印加して液晶分子の配向を制御して、屈
折率の変化による焦点距離可変の従来のレンズの
構成の断面図を示し、第２図は一方向に液晶分子
を配向させる従来の液晶分子の配向方向を示した
ものである。第３図はレンズの形状をした液晶セ
ルにおける場合であり、図で中心部や斜線で示し
た領域以外では液晶分子の配向状態が乱れ易いこ
とを示したものである。第４図は本発明の一実施
例である同心円状の分子配向をとる場合の液晶分
子の配向方向を、第５図は同様に本発明の他の実
施例である放射状の分子配向をとる場合を示した
ものである。第６図は同心円状又は放射状の分子
配向をとる同一の特性を有する２枚の液晶による
レンズの間にTNセルを挿入した本発明の第１実
施例を示し、第７図は同心円状の分子配向をとる
液晶によるレンズと放射状の分子配向をとる液晶
によるレンズを重ね合わせた構造の偏光板を使用
しない本発明の第２実施例である可変焦点レンズ
の構成を示したものである。第２図、第４図、第
５図で矢印は液晶分子の配向方向を示す。 １……偏光板、２……液晶によるレンズ、３…
…透明電極、４……スペーサ、５……液晶の駆動
電源、６，７……同一の特性を有する液晶による
レンズ、８……TNセル、９……同心円状の分子
配向をとる液晶によるレンズ、１０……放射状の
分子配向をとる液晶によるレンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液晶分子を同心円状又は放射状に配向させた
   レンズの形状をした液晶セルに外部より電界又は
   磁界を印加して液晶分子の配向状態を制御し、液
   晶の屈折率を連続的に変化させるようにした液晶
   レンズを２枚重ね合わせ、同一の配向特性を有す
   る液晶セルを重ね合わせた場合には、その間に
   TN液晶セルを挟み込んだことを特徴とする可変
   焦点液晶レンズ。 ２ 液晶レンズが、液晶分子を同心円状に配向さ
   せた液晶セルと、該液晶セルと同じ形状であつて
   液晶分子を放射状に配向させた液晶セルとからな
   る特許請求の範囲第１項記載の可変焦点液晶レン
   ズ。