JPH0534656A - 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】 一対の透明基板１、２間に誘電異方性が正の
液晶８を封入し液晶セルを構成する。液晶８は、電界無
印加時にプレーナ分子配列のらせん構造をもつコレステ
リック相となり、電界印加時にホメオトロピック分子配
列のネマティック相となるもので、上記液晶セルはＰＣ
型液晶セルである。電界無印加時、液晶分子はその長軸
方向が３６０度ねじれて配列しており、このように配列
された液晶分子に対して入射光のあらゆる方向の偏光成
分が異常光線となる。電界印加により、液晶分子はその
長軸方向が電界方向に徐々に向きを変えるので、上記あ
らゆる方向の偏光成分に対して液晶８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。

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、構造が複雑で、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、かつ構造が
簡単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、相対向する内周面に
それぞれ配向膜をもつ一対の透明基板で画定された空間
に液晶が封入された液晶セルにより構成され、外部から
の電界又は磁界の印加により液晶分子の配向状態を制御
して液晶セルのみかけの屈折率を連続的に変化させるよ
うにした焦点距離可変液晶レンズであって、前記液晶セ
ルがプレーナ分子配列のらせん構造をもつＰＣ型液晶セ
ルであることを特徴とする。

【００１０】上記プレーナ分子配列とは、液晶分子の長
軸方向が透明基板に平行な方向に揃い、らせん軸が透明
基板に垂直となった分子配列をもっていることをいう。
本発明の焦点距離可変液晶レンズを構成する液晶セル
は、らせん構造をもつＰＣ型液晶セルである。また、本
発明では、誘電異方性が正の液晶を用いることができ
る。本発明に係るＰＣ型液晶セルに電界又は磁界を印加
しない状態では基板に平行ならせん構造をもつコレステ
リック相で、電界又は磁界を印加した状態ではらせん構
造が解けて液晶分子が電界又は磁界方向に揃ったホメオ
トロピック分子配列のネマティック相に相転移する。

【００１１】なお、コレステリック液晶、カイラルネマ
ティック液晶、又はネマティック液晶にコテステリック
液晶やカイラルネマティック液晶を添加して調製した液
晶を透明基板で画定された空間に封入することによりＰ
Ｃ型液晶セルとすることができる。また、本発明にかか
るＰＣ型液晶セルの液晶がらせん構造をもつコレステリ
ック相にあるときは、１ピッチの長さと液晶セルのセル
ギャップとの関係に応じて０．５ピッチ、１ピッチ、
１．５ピッチ、２ピッチ、……のらせん構造で存在す
る。なお、らせん構造の１ピッチとは、らせんの回転が
３６０度回転していることをいい、１ピッチの長さとは
らせんの回転が３６０度回転したときの相の厚みをい
う。このため、焦点距離を可変する有効なレンズ域にお
いて、液晶セルの最小セルギャップを、コレステリック
相の液晶が０．５ピッチのらせん構造をもって存在し得
るように確保する必要がある。このように、０．５ピッ
チのらせん構造をもつコレステリ相の液晶においては、
液晶分子の長軸が１８０度捩じれていることになる。

【００１２】

【作用】本発明の焦点距離可変液晶レンズでは、電界又
は磁界の無印加時、液晶分子の長軸方向が透明基板に平
行な方向に揃い、かつ液晶分子の長軸が１８０度もしく
はそれ以上捩じれて配列している。このため、上記のよ
うに配列した液晶分子に対して、入射光のあらゆる方向
の偏光成分が異常光線となる。

【００１３】そして、電界又は磁界を印加すると、らせ
ん構造が解けて液晶分子は基板に垂直な方向に向きを変
えるので、上記入射光の異常光線成分に対して液晶のみ
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。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。
図１の断面図に示す本実施例の焦点距離可変液晶レンズ
は、平板ガラス（本発明の透明基板をなす）１と、平板
ガラス１の内周面に形成された第１透明導電膜２と、第
１透明導電膜２の表面に形成された第１配向膜３と、フ
レネルレンズ基板（本発明の透明基板をなす）４と、フ
レネルレンズ基板４の内周面に形成された第２透明導電
膜５と、第２透明導電膜５の表面に形成された第２配向
膜６と、平板ガラス１及びフレネルレンズ基板４の周囲
を封止して密閉空間を形成するエポキシ樹脂よりなるシ
ール剤７と、上記密閉空間内に封入された液晶８とから
構成されている。なお、第１透明導電膜２及び第２透明
導電膜５は、図示しない電界印加手段に接続されてい
る。また、第１配向膜３及び第２配向膜６は、それぞれ
ポリビニルアルコール溶液を塗布し、図１の左右方向に
ラビング処理して形成したものである。

【００１５】上記フレネルレンズ基板４としては、焦点
距離が１００ｍｍ、溝ピッチが０．０５ｍｍ、溝の最大
深さが約１９μｍ、寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍの凹状レ
ンズ基板を用いた。またシール剤７の厚さは６μｍとし
た。これにより、平板ガラス１とフレネルレンズ基板４
との間のセルギャップは６〜２５μｍに設定されてい
る。

【００１６】上記液晶８としては、ネマティック液晶
（ＺＬＩ−１８４０）にカイラルネマティック液晶（Ｃ
Ｂ１５）を０．８ｗｔ％添加して調製したものを用い
た。これは誘電異方性が正の液晶で、室温におけるらせ
ん構造の１ピッチの長さが約１９μｍのものである。こ
のため本実施例の液晶レンズにおいて、電界無印加時の
液晶分子状態を図２の模式図に示すように、セルギャッ
プが小さい（６〜１４．５μｍ）図２のＡの範囲では液
晶８が０．５ピッチのらせん構造をもち、セルギャップ
が大きい（１４．５から２５μｍ）図２のｂの範囲では
液晶８が１ピッチのらせん構造をもっている。したがっ
て、本実施例の液晶レンズを構成する液晶セルはプレー
ナ分子配列のらせん構造をもつＰＣ型液晶セルとなされ
ている。

【００１７】本実施例の焦点距離可変液晶レンズでは、
電界無印加時（図２の状態）、液晶８が０．５ピッチ又
は１ピッチのらせん構造をもつコレステリック相であ
り、液晶分子の長軸方向が透明基板に平行な方向に揃
い、かつ液晶分子の長軸が３６０度捩じれて配列してい
る。このため、上記のように配列した液晶分子に対し
て、本実施例の焦点距離可変液晶レンズに入射する入射
光におけるあらゆる方向の偏光成分が異常光線となる。

【００１８】そして、電界を印加すると（図３の状
態）、らせん構造が解けて液晶分子は基板に垂直な方向
に向きを変えてホメオトロピック分子配列のネマティッ
ク相に相転移するので、上記入射光の異常光線成分に対
して液晶８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。

【００１９】したがって、本実施例の焦点距離可変液晶
レンズは、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。しかも、本実施例
の液晶レンズは単独のＰＣ型液晶セルより構成されてい
るので、その構造が簡単で、薄型軽量化を図ることがで
きる。なお、上記第１配向膜３及び第２配向膜６の配向
処理方向が互いに垂直方向となるようにすることもでき
る。さらに上記実施例では、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。

【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
晶セルで入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を可変で
き、構造の簡素化及び薄型軽量化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を示す断面
図である。

【図２】上記焦点距離可変液晶レンズの電界無印加時に
おける液晶分子の状態を模式的に示す図である。

【図３】上記焦点距離可変液晶レンズの電界印加時にお
ける液晶分子の状態を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１は平板ガラス、２は第１透明導電膜、３は第１配向
膜、４はフレネルレンズ基板、５は第２透明導電膜、６
は第２配向膜、７はシール剤、８は液晶である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 レンズの形状を有し、相対向する内周面
   にそれぞれ配向膜をもつ一対の透明基板で画定された空
   間に液晶が封入された液晶セルにより構成され、外部か
   らの電界又は磁界の印加により液晶分子の配向状態を制
   御して液晶セルのみかけの屈折率を連続的に変化させる
   ようにした焦点距離可変液晶レンズであって、 前記液晶セルがプレーナ分子配列のらせん構造をもつＰ
   Ｃ型液晶セルであることを特徴とする焦点距離可変液晶
   レンズ。