JPH0527214A - 焦点距離可変液晶レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 偏光板が不要で構造が簡単な焦点距離可変液
晶レンズを提供する。 【構成】 レンズの形状を有し液晶分子が一方向に配向
された液晶セル１と、１／４波長板２と、反射板３とを
順次重合わせて構成されている。液晶セル１の入射光を
互いに直交する２つの偏光成分、つまり液晶分子の配向
方向と平行な偏光成分とこれと直交する方向の偏光成分
とに分けた場合、液晶分子の配向方向と平行な偏光成分
は液晶分子に対して異常光となり、電界印加により屈折
率が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。この偏光成分が１／４波長板２に入射すると
円偏光となり、これが反射板３の働きで反対回りの円偏
光となって再び１／４波長板２に入射すると入射時とは
直交方向の偏光成分となるので、再び液晶セル１に入射
しても焦点距離可変の効果は受けない。一方、液晶分子
の配向方向と直交する偏光成分はこの逆となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焦点距離可変液晶レン
ズに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、液晶の電気光学効果を利用し
て焦点距離を可変とした焦点距離可変液晶レンズが知ら
れている。例えば、特開昭６０−５０５１０号公報に
は、レンズの形状を有し、一対の透明基板で画定された
空間に誘電異方性が正の電界効果形液晶を封入した液晶
セルよりなり、液晶分子を基板に平行となるように一方
向に配向させた焦点距離可変液晶レンズが開示されてい
る。

【０００３】この液晶レンズにしきい値以上の交流電圧
を印加すると、電子分極により分極している液晶分子は
長軸の向きを電圧印加方向に変える。このため、印加電
圧の大きさを制御することにより、基板に平行に配向し
ていた液晶分子の長軸の向きを基板に対して垂直方向に
連続的に変えることができる。したがって、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。このように、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、レンズの焦点距離を異常光に対す
る値から常光に対する値まで連続的に変化させることが
できる。

【０００４】なお、基板に対して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。また、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
可変のレンズとすることもできる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の焦
点距離可変液晶レンズでは、入射光の偏光方向を液晶分
子の配向方向に一致させるために、偏光板を必要とす
る。このため、常に偏光板による６０〜７０％の透過損
失が避けられず、明るい焦点距離可変レンズとすること
ができないという問題点がある。

【０００６】このような問題点を解決するものとして、
偏光板を不要とした焦点距離可変液晶レンズが特開昭６
０−５１８１８号公報に開示されている。この液晶レン
ズは、同一の特性を有する２枚の液晶による焦点距離可
変レンズＡ、Ｂを、電圧を印加していないときの各々の
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
た構造としたものである。このレンズで、偏光板が不要
となる理由は以下の通りである。

【０００７】入射光は、互いに直交する２つの偏光成
分、つまりレンズＡの液晶分子の配向方向とレンズＢの
液晶分子の配向方向とに分解することができる。まず、
レンズＡにおける配向方向と平行な偏光成分がレンズＡ
に入射した場合を考える。この偏光成分はレンズＡに対
して異常光線となる。したがって、この状態でレンズＡ
に電圧を印加すると、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、異常光線成分に対
して液晶レンズＡ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Ａに対しての
異常光線成分はレンズＢでは常光成分となるため、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。
したがって、そのまま直進する。一方、もう一方の入射
光成分であるレンズＡで常光に相当する偏光成分はレン
ズＡではみかけの屈折率は変化せず、焦点距離可変の効
果は受けないが、レンズＢでは異常光に相当する成分と
なるため、上述のレンズＡに異常光が入射した場合と同
様に、液晶レンズＢの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。ここで、レンズＡ及び
レンズＢに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。したがって、２枚の焦
点距離可変レンズの光軸方向を互いに直交するように重
ねることにより、あらゆる方向に対して焦点距離可変の
レンズとして動作することとなり、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。

【０００８】このように、上記特開昭６０−５１８１８
号公報に開示された焦点距離可変液晶レンズでは、偏光
板を不要にすることはできたが、偏光板を不要とするた
めにレンズを２枚必要とするので、コストがかかりすぎ
る上、かさばり重くなるという欠点がある。本発明は上
記実情に鑑みてなされたものであり、偏光板が不要で、
かつ簡単構造をもち、しかも安価な焦点距離可変液晶レ
ンズを提供することを解決すべき技術課題とするもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の焦点距離可変液
晶レンズは、レンズの形状を有し液晶分子が少なくとも
一方向に配向された液晶セルと、１／４波長板と、反射
板とを順次重合わせてなることを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明の焦点距離可変液晶レンズでは、液晶セ
ルの液晶分子が少なくとも一方向に配向されている。こ
の液晶セルに入射する入射光は、互いに直交する２つの
偏光成分、つまり上記液晶分子の配向方向と平行な方向
の偏光成分とこれと直交する方向の偏光成分とに分解す
ることができる。

【００１１】まず、上記液晶分子の配向方向と平行な偏
光成分が液晶レンズに入射した場合を考える。上記液晶
分子の配向方向と平行な入射光の偏光成分は、液晶分子
の長軸方向と一致しこれらの液晶分子に対して異常光線
成分となる。したがって、この状態で液晶セルに電界又
は磁界を印加すると、液晶分子は電界又は磁界方向に向
きを変えるので、異常光線成分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
連続的に変化し、焦点距離可変の効果を受ける。この偏
光成分は次に１／４波長板に入射し、１／４波長板の効
果により円偏光となる。この円偏光は次に反射板で反射
して反対回りの円偏光となる。そして、再び１／４波長
板に入射し、１／４波長板の効果を受けて入射時とは直
交方向の偏光成分となる。このため、再び液晶セルに入
射しても、この偏光成分は液晶分子に対して常光線成分
となり、液晶セルの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。

【００１２】一方、上記液晶分子の配向方向と直交方向
の偏光成分は、液晶セルに入射しても常光線成分となり
焦点距離可変の効果を受けない。この偏光成分が次に１
／４波長板に入射すると、１／４波長板の効果により円
偏光となる。この円偏光は次に反射板で反射して反対回
りの円偏光となる。そして、再び１／４波長板に入射
し、１／４波長板の効果により入射時とは直交方向、つ
まり液晶分子の配向方向と平行な方向の偏光成分とな
る。このため、再び液晶セルに入射した時は異常光線成
分となりみかけの屈折率が変化し焦点距離可変の効果を
受ける。

【００１３】したがって、本発明の焦点距離可変液晶レ
ンズでは、入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を可変
できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例を説明する。
本実施例の焦点距離可変液晶レンズは、液晶セル１と、
１／４波長板２と、反射板３とを順次重ね合わせて構成
されている。液晶セル１は、図２の断面図に示すよう
に、平凹レンズ１１と、平凹レンズ１１の内周面に形成
された第１透明導電膜１２と、第１透明導電膜１２の表
面に形成された第１配向膜１３と、平板ガラス１４と、
平板ガラス１４の内周面に形成された第２透明導電膜１
５と、第２透明導電膜１５の表面に形成された第２配向
膜１６と、平凹レンズ１１及び平板ガラス１４の周囲を
封止して密閉空間を形成するシール剤１７と、上記密閉
空間内に封入された液晶１８とから構成されている。な
お、第１透明導電膜１２及び第２透明導電膜１５は、図
示しない電界印加手段に接続されている。

【００１５】上記第１配向膜１３及び第２配向膜１６
は、ポリビニルアルコールの溶液を塗布することにより
約１０００Åの膜厚で形成されている。なお、ポリイミ
ド溶液を塗布してもよい。また、第１配向膜１３及び第
２配向膜１６は図２の左右方向にラビング処理されてお
り、上記液晶１８の液晶分子はホモジニアス分子配列を
している。

【００１６】１／４波長板２は、厚さ０．６ｍｍのフィ
ルムで構成されている。反射板３は、厚さ１．１ｍｍの
表面をアルミニウムで被覆したガラスで構成されてい
る。以下、上記構成を有する本実施例の焦点距離可変液
晶レンズの作用について、図１を参照しつつ説明する。
なお、図１（ａ）は液晶分子の配向方向に平行な偏光成
分の変化を矢印で示し、図１（ｂ）は液晶分子の配向方
向に直交する偏光成分の変化を同じく矢印で示す。ま
た、図１中、点線の矢印は液晶分子の配向方向を示し、
実線の直線状矢印は液晶分子の配向方向に平行な偏光成
分を示し、実線の円状矢印は円偏光の向きを示し、丸点
印は液晶分子の配向方向に直交する偏光成分を示す。

【００１７】本実施例の焦点距離可変液晶レンズに入射
する入射光は、互いに直交する２つの偏光成分、つまり
上記液晶分子の配向方向と平行な方向の偏光成分とこれ
と直交する方向の偏光成分とに分解することができる。
まず、上記液晶分子の配向方向と平行な偏光成分が液晶
レンズに入射した場合を考える（図１（ａ）参照）。上
記液晶分子の配向方向と平行な入射光の偏光成分は、液
晶分子の長軸方向と一致しこれらの液晶分子に対して異
常光線成分となる。したがって、この状態で液晶セル１
に電界を印加すると、液晶分子は電界方向に向きを変え
るので、異常光線成分に対して液晶セル１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。この偏光成分
は次に１／４波長板２に入射し、１／４波長板２の効果
により円偏光となる。この円偏光は次に反射板３で反射
して反対回りの円偏光となる。そして、再び１／４波長
板２に入射し、１／４波長板２の効果を受けて入射時と
は直交方向の偏光成分となる。このため、再び液晶セル
１に入射しても、この偏光成分は液晶分子に対して常光
線成分となり、液晶セル１の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。

【００１８】一方、上記液晶分子の配向方向と直交方向
の偏光成分が液晶レンズに入射した場合を考える（図１
（ｂ）参照）。この液晶分子の配向方向と直交方向の偏
光成分が液晶セル１に入射しても常光線成分となり焦点
距離可変の効果を受けない。この偏光成分が次に１／４
波長板２に入射すると、１／４波長板２の効果により円
偏光となる。この円偏光は次に反射板３で反射して反対
回りの円偏光となる。そして、再び１／４波長板２に入
射し、１／４波長板２の効果により入射時とは直交方
向、つまり液晶分子の配向方向と平行な方向の偏光成分
となる。このため、再び液晶セル１に入射した時は異常
光線成分となりみかけの屈折率が変化し焦点距離可変の
効果を受ける。

【００１９】したがって、本発明の焦点距離可変液晶レ
ンズでは、入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を可変
できる。しかも、本実施例の液晶レンズは、単独の液晶
セル１に厚さの薄い１／４波長板２及び反射板３を重ね
合わせた構造であるので、薄型軽量化を図るとともに、
コスト低減を図ることができる。なお、上記実施例で
は、液晶セル１としてホモジニアス分子配列をもつもの
を用いたが、ホメオトロピック分子配列やツイスト分子
配列をもつものでも適用可能である。また、上記実施例
では、電界を印加することにより液晶分子の配向状態を
制御する例を示したが、磁界を印加する場合にも本発明
を適用することができる。また、フレネルレンズ等を利
用した液晶レンズにも本発明を適用することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の焦点距離
可変液晶レンズは、偏光板を用いることなく、単独の液
晶セルに厚さの薄いの１／４波長板及び反射板を重ね合
わせたもので、入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を
可変できるので、薄型軽量化及びコスト低減をを図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の焦点距離可変液晶レンズにおける入
射偏光成分の変化を説明する模式図で、図１（ａ）は液
晶分子の配向方向に平行な偏光成分の変化を示し、図１
（ｂ）は液晶分子の配向方向に直交する偏光成分の変化
を示す。

【図２】本実施例にかかる液晶セルの断面図を示す。

【符号の説明】

１は液晶セル、２は１／４波長板、３は反射板である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 レンズの形状を有し液晶分子が少なくと
   も一方向に配向された液晶セルと、１／４波長板と、反
   射板とを順次重合わせてなることを特徴とする焦点距離
   可変液晶レンズ。