JPH07128631A - 液晶光偏向素子および液晶可変焦点光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶分子の配向方向がほぼ一様である液晶層
領域を確保する。 【構成】 液晶光偏向素子１は平板状の液晶層２を備え
る。第１電極対３を構成する第１印加電極膜３ａと第１
接地電極膜３ｂとを液晶層２に沿い変位量Δだけ変位さ
せて液晶層２に対面配置させる。第２電極対４も第１電
極対３と同様に構成する。各電極対３，４に電圧を印加
すると電極膜３ａ，３ｂ間に延びる電気力線Ｅ１はこれ
ら電極膜３ａ，３ｂの内側面の垂線Ｎに対して斜めに延
び、その結果液晶分子２ａが電気力線Ｅ１に沿う方向Ｌ
に配向され、したがって液晶光偏向素子１を通過した光
を方向Ｌに偏向できる。このとき第１電極対３に印加す
る電圧極性を第２電極対４に印加する電圧極性に対して
逆極性にし、また電極対３，４間の距離を方向Ｌに関す
る電極膜３ａ，３ｂ間の距離よりも大きくして液晶分子
の配向方向がほぼ一様である液晶層２領域を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶光偏向素子および液
晶可変焦点光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】平板状に広がる液晶層の一側面に平板状
の第１の印加電極および第２の印加電極を対面配置する
と共に液晶層の他側面に平板状の接地電極を配置し、第
１印加電極に印加する電圧と第２印加電極に印加する電
圧とを異ならしめるようにした液晶光偏向素子が公知で
ある（特開昭６３−２４０５３４号公報参照）。この液
晶光偏向素子では、第１印加電極に印加する電圧と第２
印加電極に印加する電圧とを異ならしめることにより第
１印加電極および第２印加電極から接地電極に向かう電
気力線が接地電極内側面の垂線に対し斜めに延びるよう
にし、これによって液晶層中の液晶分子を電気力線に沿
う方向に配向させて接地電極に入射した光を液晶分子の
配向方向に偏向させるようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
液晶光偏向素子のように第１印加電極に印加する電圧と
第２印加電極に印加する電圧とを異ならしめるようにす
るとこのとき電気力線に沿う方向が第１印加電極から第
２印加電極に向けて連続的に異なっていくので液晶分子
の配向方向がが第１印加電極から第２印加電極に向けて
連続的に異なるようになり、その結果液晶分子の配向方
向がほぼ一様の液晶層領域が非常に狭い領域にのみ形成
されることとなり、したがって上述の液晶光偏向素子を
用いた場合この液晶光偏向素子からの出射光を予め定め
られた方向に偏向されるためには入射光径を非常に小さ
くしなければならないという問題がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、平板状に広がる液晶層の一側面に
対面配置された平板状の透明電極と液晶層の他側面に対
面配置された平板状の透明電極とにより電極対を形成
し、該電極対を液晶層に沿い互いに離間して複数個形成
した液晶素子において、上記電極対に印加する電圧の極
性を互いに隣接する電極対間において逆極性にし、上記
電極対を構成する一対の透明電極を液晶層に沿い互いに
変位させて一方の透明電極から他方の透明電極に向かう
電気力線が透明電極内側面の垂線に対し斜めに延びるよ
うにし、互いに隣接する電極対間の距離が上記電気力線
に沿う透明電極間の直線距離よりも大きくなるように各
透明電極を配置して各電極対に入射した光を上記電気力
線に沿う方向に偏向させるようにしている。また上記問
題点を解決するために本発明によれば、平板状に広がる
液晶層の一側面に対面配置された平板状の透明電極と液
晶層の他側面に対面配置された平板状の透明電極とによ
り電極対を形成し、該電極対を液晶層に沿い互いに離間
して複数個形成した液晶素子において、上記電極対に印
加する電圧の極性を互いに隣接する電極対間において逆
極性にし、上記電極対を構成する一対の透明電極を液晶
層に沿い互いに変位させて一方の透明電極から他方の透
明電極に向かう電気力線が透明電極内側面の垂線に対し
斜めに延びるようにし、各電極対を通過した光がほぼ同
一点に集光されるように一対の透明電極の液晶層に沿う
変位量を上記同一点から離れた電極対ほど大きくし、互
いに隣接する電極対間の距離が上記電気力線に沿う透明
電極間の直線距離よりも大きくなるように各透明電極を
配置して各電極対に入射した光を上記電気力線に沿う方
向に偏向させるようにしている。

【０００５】

【作用】請求項１に記載の発明では液晶分子の配向方向
がほぼ一様である液晶層領域が拡大される。請求項２に
記載の発明でも液晶分子の配向方向がほぼ一様である液
晶層領域が拡大され、さらに液晶可変焦点光学素子によ
り偏向された光がほぼ同一点に集光される。

【０００６】

【実施例】図１を参照すると、１は液晶光偏向素子、２
は平板状をなす水平配向型の液晶層、３は第１の電極
対、４は第１電極対３とは液晶層２に沿う方向に離間し
て設けられた第２の電極対をそれぞれ示す。液晶層２は
例えば平行をなす一対のガラス板間に設けられた間隙内
に液晶分子を封入することにより形成される。また、第
１電極対３は液晶層２の一側面に対面配置された第１の
印加電極膜３ａと液晶層２の他側面に対面配置された第
１の接地電極膜３ｂとから構成され、これら電極膜３
ａ，３ｂは例えばＩＴＯ膜からなる透明電極膜から構成
される。第２電極対４も液晶層２に対面配置された第２
印加電極膜４ａと第２接地電極膜４ｂとから構成されて
おり、これら第２印加電極膜４ａおよび第２接地電極膜
４ｂも透明電極膜から構成される。図１に示すように第
１電極対２を構成する第１印加電極膜２ａと第１接地電
極膜２ｂとは液晶層２に沿う方向に変位量Δだけ互いに
変位されて配置されており、第２電極対３を構成する第
２印加電極膜２ａと第１接地電極膜２ｂとについても第
１電極対３と同様に液晶層２に沿う方向に変位量Δだけ
変位されて配置されている。なお、第１電極対３と第２
電極対４間の位置関係については後述する。さらに、第
１印加電極膜３ａおよび第２印加電極膜４ａは共通の端
子５に接続され、第１接地電極膜３ｂおよび第２接地電
極膜４ｂは共通の端子６に接続され、したがって第１電
極対３に印加される電圧の極性と第２電極対４に印加さ
れる電圧の極性とが互いに逆極性にされることとなる。

【０００７】図２は各電極対３，４に液晶層２の電気光
学効果に関するしきい値電圧よりも高いパルス電圧を印
加した場合を示している。この場合、第１印加電極膜３
ａと第１接地電極膜３ｂ間の液晶層２に延びる電気力線
Ｅ１はその平均的な方向が第１印加電極膜３ａの内側面
３Ａおよび第１接地電極膜３ｂの内側面３Ｂの各垂線に
沿う方向Ｎに対して斜めに、すなわち図２に示した矢印
Ｌの方向に延びるようになる。図１に示した実施例にお
いて液晶層２中の液晶分子２ａはその長軸が電気力線に
沿う方向に対して平行となるように配列されるので、こ
の場合第１印加電極膜３ａと第１接地電極膜３ｂ間に位
置する液晶分子２ａはその長軸が電気力線Ｅ１に沿う方
向（矢印Ｌの方向）に対して平行となるように配列され
る。液晶分子２ａが矢印Ｌの方向に配列されると第１電
極対３に入射した光Ｉｉは矢印Ｌの方向に偏向され、し
たがって矢印Ｌの方向に進行する出射光Ｉｏを得ること
ができる。また、これら第１印加電極膜３ａと第１接地
電極膜３ｂ間の液晶層２に延びる電気力線Ｅ１の大部分
は矢印Ｌの方向に延びており、したがってこれら第１印
加電極膜３ａと第１接地電極膜３ｂ間に位置する液晶分
子２ａのほとんどが矢印Ｌの方向に配列される。その結
果入射光Ｉｉの直径が比較的大きい場合であっても入射
光Ｉｉを矢印Ｌの方向に偏向できる。

【０００８】また、第１電極対３と同様に、第２印加電
極膜４ａと第２接地電極膜４ｂ間の液晶層２に延びる電
気力線Ｅ２もその平均的な方向が第２印加電極膜４ａの
内側面４Ａおよび第２接地電極膜４ｂの内側面４Ｂの各
垂線に沿う方向Ｎに対して斜めに延びるようになる。と
ころで図１に示した実施例では、第２電極対４における
電極膜４ａ，４ｂ間の変位量は第１電極対３における電
極膜３ａ，３ｂ間の変位量と等しくなっており（共に
Δ）、したがって第２印加電極膜４ａと第２接地電極膜
４ｂ間の液晶層２に延びる電気力線Ｅ２も図２に示した
矢印Ｌの方向に延びている。その結果第２印加電極膜４
ａと第２接地電極膜４ｂ間に位置する液晶分子２ａも矢
印Ｌの方向に配列され、したがって第２電極対４からの
出射光Ｉｏも方向Ｌに偏向される。

【０００９】一方、各電極対３，４に電圧を印加しない
ときには液晶分子２ａは図３に示すように液晶層２に沿
う方向に配向し、その結果出射光Ｉｏは液晶光偏向素子
１によって偏向されず、すなわち出射光Ｉｏは入射光Ｉ
ｉの進行方向を維持しつつ進行する。

【００１０】ところで、図１に示した実施例では第１電
極対３に印加する電圧の極性を第２電極対４に印加する
電圧の極性に対して逆極性にしている。これに対し、図
４に示すように第１電極対３′に印加する電圧の極性を
第２電極対４′に印加する電圧の極性に対して同極性に
すると、すなわち第１印加電極膜３ａ′と第２印加電極
膜４ａ′とを並べて配置すると共に第１接地電極膜３
ｂ′と第２接地電極膜４ｂ′とを並べて配置すると例え
ば第１印加電極膜３ａ′と第１接地電極膜３ｂ′間に電
界が生じるだけでなく第１印加電極膜３ａ′と第２接地
電極膜４ｂ′間にも電界が生じてしまう。この場合、図
４に示すように、第１印加電極膜３ａ′と第１接地電極
膜３ｂ′間の液晶層２′に電気力線Ｅ′が延び、また第
１印加電極膜３ａ′と第２接地電極膜４ｂ′間の液晶層
２′にも電気力線Ｅ″が延びることとなる。図４からわ
かるように電気力線Ｅ′に沿う方向と電気力線Ｅ″に沿
う方向とは互いに異なっているので液晶層２′中には電
気力線Ｅ′に沿う方向に配向した液晶分子２ａ′と電気
力線Ｅ″に沿う方向に配向した液晶分子２ａ′とが存在
するようになる。しかしながら、この場合各電極対
３′，４′に光Ｉｉが入射すると出射光Ｉｏの一部が電
気力線Ｅ′に沿う方向に偏向され、残りの出射光Ｉｏは
電気力線Ｅ″に沿う方向に偏向され、したがって出射光
Ｉｏの進行方向が異なる二方向になってしまう。そこ
で、図１に示した実施例では上述したように第１電極対
３に印加する電圧の極性を第２電極対４に印加する電圧
の極性に対し逆極性にして第１電極対３と第２電極対４
間に生じる電界ができるだけ小さくなるようにしてい
る。その結果液晶分子２ａの配向方向がほぼ一様である
液晶層２領域を大きくすることができる。

【００１１】ところが、第１電極対３に印加する電圧の
極性を第２電極対４に印加する電圧の極性に対し逆極性
にした場合でも例えば第１印加電極膜３ａと第２接地電
極膜４ｂ間の距離が非常に短いとこれら第１印加電極膜
３ａと第２接地電極膜４ｂ間に電界が生じてしまう。そ
こで図１に示した実施例では、第１電極対３と第２電極
対４間の距離ｄが電気力線Ｅ１，Ｅ２に沿う、矢印Ｌの
方向に関する第１印加電極膜３ａと第１接地電極膜３ｂ
間の距離Ｄよりも大きくなるようにこれら第１電極対３
および第２電極対４を配置するようにしている。その結
果第１印加電極膜３ａと第２接地電極膜４ｂ間に生じる
電界、および第２印加電極膜４ａと第１接地電極膜３ｂ
間に生じる電界を低減することができ、したがって各電
極対３，４間の液晶層２にほぼ一様の電界を生じること
ができる。その結果液晶分子２ａの配向方向がほぼ一様
である液晶層２領域を大きくすることができる。

【００１２】これまで述べてきた実施例において、液晶
層２は水平配向型の液晶層から構成されている。しかし
ながら、液晶層２を液晶層２の一側においては水平配向
型でありかつ液晶層２の他側においては垂直配向型であ
る、いわゆるハイブリッド配向型の液晶層から構成する
こともできる。

【００１３】図６および図７には第２の発明による実施
例が示される。図６および図７を参照すると、１１は液
晶可変焦点光学素子、１２は円板状をなす液晶層、１３
は第１の環状電極対、１４は第１環状電極対１３と同心
配置された第２の環状電極対、１５は第１環状電極対１
３と同心配置された第３の環状電極対をそれぞれ示す。
この実施例において液晶層１２は液晶分子１２ａが液晶
層１２の半径方向に配向されかつ水平配向された、いわ
ゆる放射状水平配向型の液晶層から構成される。第１環
状電極対１３は液晶層１２の一側面に対面配置された第
１の環状印加電極膜１３ａと液晶層１２の他側面に対面
配置された第１の環状接地電極膜１３ｂとから構成さ
れ、これら電極膜１３ａ，１３ｂは例えばＩＴＯ膜から
なる透明電極膜から構成される。同様に、第２環状電極
対１４は第２環状印加電極膜１４ａと第２環状接地電極
膜１４ｂとから構成され、第３環状電極対１５は第３印
加環状電極膜１５ａと第３環状接地電極膜１５ｂとから
構成される。図６および図７に示すように液晶可変焦点
光学素子１１の光出射側に位置する第１印加電極膜１３
ａ、第２接地電極膜１４ｂ、第３印加電極膜１５ａは互
いに等間隔で配置される。一方、液晶可変焦点光学素子
１１の光入射側に位置する第１接地電極膜１３ｂは第１
印加電極膜１３ａに対して液晶層１２の半径方向外側に
変位量Δ１だけ変位されて配置され、第２印加電極膜１
４ａは第２接地電極膜１４ｂに対して液晶層１２の半径
方向外側に変位量Δ２だけ変位されて配置され、第３接
地電極膜１５ｂは第３印加電極膜１５ａに対して液晶層
１２の半径方向外側に変位量Δ３だけ変位されて配置さ
れる。このとき各環状電極対１３，１４，１５を構成す
る電極膜の各変位量Δ１，Δ２，Δ３についてΔ１＜Δ
２＜Δ３となるように各環状電極対１３，１４，１５が
構成されている（後述する）。また、液晶可変焦点光学
素子１１の光入射側に位置する第１接地電極膜１３ｂ、
第２印加電極膜１４ａおよび第３接地電極膜１５ｂ以外
の液晶層１２側面には遮光板１６が配置されている。さ
らに、第１印加電極膜１３ａ、第２印加電極膜１４ａお
よび第３印加電極膜１５ａは共通の端子１７に接続さ
れ、第１接地電極膜１３ｂ、第２接地電極膜１４ｂおよ
び第３接地電極膜１５ｂは共通の端子１８に接続され
る。したがって第１環状電極対１３に印加される電圧の
極性と第２環状電極対１４に印加される電圧の極性とが
互いに逆極性にされ、第２環状電極対１４に印加される
電圧の極性と第３環状電極対１５に印加される電圧の極
性とも互いに逆極性にされることとなる。

【００１４】図８は各環状電極対１３，１４，１５に液
晶層１２の電気光学効果に関するしきい値電圧よりも高
いパルス電圧を印加した場合を示している。この場合、
第１印加電極膜１３ａと第１接地電極膜１３ｂ間の液晶
層１２に延びる電気力線Ｅ１はその平均的な方向が第１
印加電極膜１３ａおよび第１接地電極膜１３ｂの各内側
面の垂線に沿う方向Ｎに対して斜めに、すなわち図８に
おいて矢印Ｌ１で示した方向に延びるようになる。その
結果、第１印加電極膜１３ａと第１接地電極膜１３ｂ間
に位置する液晶分子１２ａはその長軸が電気力線Ｅ１に
沿う方向Ｌ１に対して平行となるように配列され、した
がって第１環状電極対１３に光Ｉｉが入射すると矢印Ｌ
１の方向に偏向された出射光Ｉｏ１を得ることができ
る。また、これら第１印加電極膜１３ａと第１接地電極
膜１３ｂ間の液晶層１２に延びる電気力線Ｅ１の大部分
は矢印Ｌ１の方向に延びており、したがってこれら第１
印加電極膜１３ａと第１接地電極膜１３ｂ間に位置する
液晶分子１２ａのほとんどが矢印Ｌ１の方向に配列され
る。その結果入射光Ｉｉの直径が比較的大きい場合であ
っても第１環状電極対１３に入射した光Ｉｉを矢印Ｌ１
の方向に偏向できる。

【００１５】同様に、第２印加電極膜１４ａと第２接地
電極膜１４ｂ間の液晶層１２に延びる電気力線Ｅ２はそ
の平均的な方向が図８において矢印Ｌ２で示した方向に
延びるようになる。その結果、第２印加電極膜１４ａと
第２接地電極膜１４ｂ間に位置する液晶分子１２ａは電
気力線Ｅ２に沿う方向Ｌ２に配列され、したがって第２
環状電極対１４に光Ｉｉが入射すると方向Ｌ２に偏向さ
れた出射光Ｉｏ２を得ることができる。さらにまた、第
３印加電極膜１５ａと第３接地電極膜１５ｂ間の液晶層
１２に延びる電気力線Ｅ３はその平均的な方向が図８に
おいて矢印Ｌ３で示した方向に延びるようになる。その
結果、第３印加電極膜１５ａと第３接地電極膜１５ｂ間
に位置する液晶分子１２ａは電気力線Ｅ３に沿う方向Ｌ
３に配列され、したがって第３環状電極対１５に光Ｉｉ
が入射すると方向Ｌ３に偏向された出射光Ｉｏ３を得る
ことができる。なお、例えば第１環状電極対１３と第２
環状電極対１４間の液晶層１２領域、あるいは第２環状
電極対１４と第３環状電極対１５間の液晶層１２領域に
は液晶分子１２ａの配向方向が図８に示した方向Ｌ１，
Ｌ２，Ｌ３のいずれとも異なる液晶層１２領域が存在す
る恐れがある。この液晶層１２領域に光が入射したする
とその出射光は図８に示した方向Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のい
ずれとも異なる方向に偏向されることとなる。そこで図
６および図７に示した実施例では光入射側に位置する、
例えば第１接地電極膜１３ｂと第２印加電極膜１４ａ間
の液晶層１２側面に遮光板１６を設けて、液晶分子１２
ａの配向方向が図８に示した方向Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のい
ずれとも異なる液晶層１２領域内に入射光が入射しない
ようにしている。

【００１６】第１環状電極対１３からの出射光Ｉｏ１
は、図９に示すように、次いで例えば環状電極対１３，
１４，１５に関する対称軸線Ｋ−Ｋ上に予め設けられた
点Ｆに向かい、第２環状電極対１４からの出射光Ｉｏ２
および第３環状電極対１５からの出射光Ｉｏ３も点Ｆに
向かい、したがって各環状電極対１３，１４，１５に電
圧が印加されたときには各環状電極対１３，１４，１５
からの出射光Ｉｏ１，Ｉｏ２，Ｉｏ３が共通の点Ｆに集
光されるようになる。その結果、各環状電極対１３，１
４，１５に電圧が印加されたとき液晶可変焦点光学素子
１１は焦点Ｆを有する凸レンズと同様の集光作用を有す
ることとなる。

【００１７】ところで環状電極対からの出射光の進行方
向はこの環状電極対を構成する一対の電極膜間に延びる
電気力線に沿う方向によって定まり、この電気力線に沿
う方向はこの一対の電極膜の、液晶層１２の半径方向に
関する変位量によって定まる。そこで図６および図７に
示した実施例では第１環状電極対１３からの出射光Ｉｏ
１が同一点Ｆに向かうように変位量Δ１を予め定めてい
る。同様に、第２環状電極対１４からの出射光Ｉｏ２が
同一点Ｆに向かうように変位量Δ２を予め定め、さらに
同様に第３環状電極対１５からの出射光Ｉｏ３も同一点
Ｆに向かうように変位量Δ３を予め定めている。このと
き上述したようにΔ１＜Δ２＜Δ３となっており、同一
点Ｆから離れた環状電極対ほど環状電極対を構成する一
対の電極膜の変位量が大きくなっている。

【００１８】一方、各環状電極対１３，１４，１５に電
圧を印加しないときには液晶分子１２ａは液晶層１２に
沿う方向に配向し、その結果出射光Ｉｏ１，Ｉｏ２，Ｉ
ｏ３は液晶可変焦点光学素子１１によって偏向されず、
すなわち出射光Ｉｏ１，Ｉｏ２，Ｉｏ３は図１０に示す
ように入射光Ｉｉの進行方向を維持しつつ進行する。し
たがって、液晶可変焦点光学素子１１は各環状電極対１
３，１４，１５に電圧を印加した場合としない場合とに
よって異なる２つの焦点を有することとなる。

【００１９】図６および図７に示した実施例において
も、図１に示した実施例と同様に、互いに隣接する電極
対間の電圧極性が互いに逆極性となるようにしている。
その結果第１環状電極対１３と第２環状電極対１４間に
生じる電界を低減でき、また第２環状電極対１４と第３
環状電極対１５間に生じる電界を低減できる。したがっ
て液晶分子１２ａの配向方向がほぼ一様である液晶層１
２領域を確保することができる。

【００２０】また、図１１に示すように、第１環状電極
対１３と第２環状電極対１４間の距離ｄ１が電気力線Ｅ
２に沿う、矢印Ｌ２の方向に関する第２印加電極膜１４
ａと第２接地電極膜１４ｂ間の距離Ｄ２よりも大きくな
るようにこれら第１環状電極対１３および第２環状電極
対１４を配置している。同様に第２環状電極対１４と第
３環状電極対１５間の距離ｄ２が電気力線Ｅ３に沿う、
矢印Ｌ３の方向に関する第３印加電極膜１５ａと第３接
地電極膜１５ｂ間の距離Ｄ３よりも大きくなるようにこ
れら第２環状電極対１４および第３環状電極対１５を配
置している。その結果第１環状電極対１３と第２環状電
極対１４間に生じる電界を低減でき、また第２環状電極
対１４と第３環状電極対１５間に生じる電界を低減でき
る。したがって液晶分子１２ａの配向方向がほぼ一様で
ある液晶層１２領域を確保することができる。

【００２１】これまで述べてきた実施例において、液晶
層１２は放射状水平配向型の液晶層から構成されてい
る。しかしながら、液晶層１２を液晶層１２と同心円状
に配向されかつ水平配向された、いわゆる同心円状水平
配向型の液晶層から構成することもできる。あるいは液
晶層１２を液晶層１２の一側においては放射状水平配向
型または同心円状水平配向型でありかつ液晶層１２の他
側においては垂直配向型である、いわゆるハイブリッド
配向型の液晶層から構成することもできる。また、上述
の実施例では第１接地電極膜１３ｂ、第２印加電極膜１
４ａおよび第３接地電極膜１５ｂが位置する液晶可変焦
点光学素子１１側面から光Ｉｉが入射するようにしてい
る。しかしながら、第１印加電極膜１３ａ、第２接地電
極膜１４ｂおよび第３印加電極膜１５ａが位置する液晶
可変焦点光学素子１１側面から光Ｉｉが入射するように
してもよい。この場合各環状電極対１３，１４，１５に
電圧が印加されると液晶可変焦点光学素子１１は凸レン
ズと同様の光学的作用を有するようになる。

【００２２】図１２および図１３には第２の発明による
別の実施例が示される。この実施例において液晶可変焦
点光学素子２０は対称平面Ｊ−Ｊに関して互いに対称的
に配置された第１の液晶可変焦点光学素子２１と第２の
液晶可変焦点光学素子３１とから構成されている。図１
２および図１３を参照すると、２２は第１液晶可変焦点
光学素子２１の液晶層、２３は第１の印加電極膜２３ａ
と第１の接地電極膜２３ｂとから構成される第１の電極
対、２４は第２の印加電極膜２４ａと第２の接地電極膜
２４ｂとから構成される第２の電極対、２５は第３の印
加電極膜２５ａと第３の接地電極膜２５ｂとから構成さ
れる第３の電極対、３２は第２液晶可変焦点光学素子３
１の液晶層、３３は第４の印加電極膜３３ａと第４の接
地電極膜３３ｂとから構成される第４の電極対、３４は
第５の印加電極膜３４ａと第５の接地電極膜３４ｂとか
ら構成される第５の電極対、３５は第６の印加電極膜３
５ａと第６の接地電極膜３５ｂとから構成される第６の
電極対をそれぞれ示す。この実施例において液晶層２
２，３２は水平配向型の液晶層からそれぞれ構成され
る。第１電極対２３、第２電極対２４および第３電極対
２５は第１液晶可変焦点光学素子２１に形成され、第４
電極対３３、第５電極対３４および第６電極対３５は第
２液晶可変焦点光学素子３１に形成されている。また、
第１電極対２３と第４電極対３３とは対称平面Ｊ−Ｊに
関して互いに対称的に配置され、第２電極対２４と第５
電極対３４とは対称平面Ｊ−Ｊに関して互いに対称的に
配置され、第３電極対２５と第６電極対３５とは対称平
面Ｊ−Ｊに関して互いに対称的に配置される。なお、長
方形状をなす各電極膜２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４
ｂ，２５ａ，２５ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４
ｂ，３５ａ，３５ｂはそれぞれ対応する液晶層２２，３
２に対面配置され、また透明電極膜から構成されてい
る。

【００２３】図１２および図１３に示すように液晶可変
焦点光学素子２０の光出射側に位置する第１印加電極膜
２３ａ、第２接地電極膜２４ｂ、第３印加電極膜２５
ａ、第４印加電極膜３３ａ、第５接地電極膜３４ｂ、第
６印加電極膜３５ａは互いに等間隔で配置される。一
方、液晶可変焦点光学素子２０の光入射側に位置する第
１接地電極膜２３ｂは第１印加電極膜２３ａに対して対
称平面Ｊ−Ｊに垂直な方向に変位量Δ１だけ変位されて
配置され、第２印加電極膜２４ａは第２接地電極膜２４
ｂに対して同方向に変位量Δ２だけ変位されて配置さ
れ、第３接地電極膜２５ｂは第３印加電極膜２５ａに対
して同方向に変位量Δ３だけ変位されて配置される。上
述したように第４電極対３３は対称平面Ｊ−Ｊに関して
第１電極対２３と対称的に配置されており、したがって
第４電極対３３を構成する電極膜３３ａ，３３ｂに関す
る変位量はΔ１となっている。同様にして、第５電極対
３４を構成する電極膜３４ａ，３４ｂに関する変位量は
Δ２であり、第６電極対３５を構成する電極膜３５ａ，
３５ｂに関する変位量はΔ３である。このとき各電極対
２３，２４，２５，３３，３４，３５に関する電極膜の
各変位量Δ１，Δ２，Δ３についてΔ１＜Δ２＜Δ３と
なるように各電極対２３，２４，２５，３３，３４，３
５が構成されている（後述する）。また、液晶可変焦点
光学素子２０の光入射側に位置する第１接地電極膜２３
ｂ、第２印加電極膜２４ａ、第３接地電極膜２５ｂ、第
４接地電極膜３３ｂ、第５印加電極膜３４ａ、第６接地
電極膜３５ｂ以外の液晶層２２，３２側面には遮光板２
６が配置されている。さらに、各電極対の印加電極膜２
３ａ，２４ａ，２５ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａは共通
の端子２７に接続され、各電極対の接地電極膜２３ｂ，
２４ｂ，２５ｂ，３３ｂ，３４ｂ，３５ｂは共通の端子
２８に接続される。したがって第１電極対２３に印加さ
れる電圧の極性と第２電極対２４に印加される電圧の極
性とが互いに逆極性にされ、第２電極対２４に印加され
る電圧の極性と第３電極対２５に印加される電圧の極性
とも互いに逆極性にされることとなる。同様に第４電極
対３３に印加される電圧の極性と第５電極対３４に印加
される電圧の極性とが互いに逆極性にされ、第５電極対
３４に印加される電圧の極性と第６電極対３５に印加さ
れる電圧の極性とも互いに逆極性にされる。

【００２４】図１４は各電極対２３，２４，２５，３
３，３４，３５に液晶層２２，３２の電気光学効果に関
するしきい値電圧よりも高いパルス電圧を印加した場合
を示している。この場合、第１印加電極膜２３ａと第１
接地電極膜２３ｂ間の液晶層２２に延びる電気力線はそ
の平均的な方向が図１４において矢印Ｌ１で示した方向
に延びるようになり、その結果第１印加電極膜２３ａと
第１接地電極膜２３ｂ間に位置する液晶分子が矢印Ｌ１
の方向に配列される。したがって第１環状電極対１３に
光Ｉｉが入射すると矢印Ｌ１の方向に偏向された出射光
Ｉｏ１を得ることができる。また、これら第１印加電極
膜２３ａと第１接地電極膜２３ｂ間の液晶層２２に延び
る電気力線の大部分は矢印Ｌ１の方向に延びており、し
たがってこれら第１印加電極膜２３ａと第１接地電極膜
２３ｂ間に位置する液晶分子のほとんどが矢印Ｌ１の方
向に配列される。その結果入射光Ｉｉの直径が比較的大
きい場合であっても第１電極対２３に入射した光Ｉｉを
矢印Ｌ１の方向に偏向できるようになる。

【００２５】同様に、第２印加電極膜２４ａと第２接地
電極膜２４ｂ間の液晶層２２に延びる電気力線はその平
均的な方向が図１４において矢印Ｌ２で示した方向に延
びるようになり、その結果第２印加電極膜２４ａと第２
接地電極膜２４ｂ間に位置する液晶分子は矢印Ｌ２の方
向に配列される。したがって第２電極対２４に光Ｉｉが
入射すると方向Ｌ２に偏向された出射光Ｉｏ２を得るこ
とができる。さらにまた、第３印加電極膜２５ａと第３
接地電極膜２５ｂ間の液晶層２２に延びる電気力線はそ
の平均的な方向が図１４において矢印Ｌ３で示した方向
に延びるようになり、その結果第３印加電極膜２５ａと
第３接地電極膜２５ｂ間に位置する液晶分子は矢印Ｌ３
の方向に配列される。したがって第３電極対２５に光Ｉ
ｉが入射すると方向Ｌ３に偏向された出射光Ｉｏ３を得
ることができる。

【００２６】一方、第４印加電極膜３３ａと第２接地電
極膜３３ｂ間の液晶層３２に延びる電気力線はその平均
的な方向が図１４において矢印Ｌ４で示した方向に延び
るようになり、その結果第２印加電極膜２４ａと第２接
地電極膜２４ｂ間に位置する液晶分子は矢印Ｌ４の方向
に配列される。したがって第４電極対３３に光Ｉｉが入
射すると方向Ｌ４に偏向された出射光Ｉｏ４を得ること
ができる。ところで、第４電極対３３は対称平面Ｊ−Ｊ
に関して第１電極対２３と対称的に配置されているので
方向Ｌ４は対称平面Ｊ−Ｊに関して方向Ｌ１と対称的な
方向に指向することとなる。同様に、第５印加電極膜３
４ａと第５接地電極膜３４ｂ間の液晶層３２には対称平
面Ｊ−Ｊに関して矢印Ｌ２の方向と対称的な方向であ
る、矢印Ｌ５の方向に電気力線が延び、その結果第５印
加電極膜３４ａと第５接地電極膜３４ｂ間に位置する液
晶分子は矢印Ｌ５の方向に配列される。したがって第５
電極対３４に光Ｉｉが入射すると方向Ｌ５に偏向された
出射光Ｉｏ５を得ることができる。さらに、第６印加電
極膜３５ａと第６接地電極膜３５ｂ間の液晶層３２には
対称平面Ｊ−Ｊに関して矢印Ｌ３の方向と対称的な方向
である、矢印Ｌ６の方向に電気力線が延び、その結果第
６印加電極膜３５ａと第６接地電極膜３５ｂ間に位置す
る液晶分子は矢印Ｌ６の方向に配列される。したがって
第６電極対３５に光Ｉｉが入射すると方向Ｌ６に偏向さ
れた出射光Ｉｏ６を得ることができる。

【００２７】第１液晶可変焦点光学素子２１の各電極対
２３，２４，２５からの各出射光Ｉｏ１，Ｉｏ２，Ｉｏ
３は次いで、例えば対称平面Ｊ−Ｊ上でありかつ図１４
の紙面上に予め設けられた点Ｆに向かい、したがって図
１４に示すように第１液晶可変焦点光学素子２１の出射
光Ｉｏ１，Ｉｏ２，Ｉｏ３が共通の点Ｆに集光されるよ
うになる。また第２液晶可変焦点光学素子３１の各電極
対３３，３４，３５からの各出射光Ｉｏ４，Ｉｏ５，Ｉ
ｏ６も次いで同一の点Ｆに向かい、したがって出射光Ｉ
ｏ１，Ｉｏ２，Ｉｏ３，Ｉｏ４，Ｉｏ５，Ｉｏ６が共通
の点Ｆに集光されるようになる。ところで図１２および
図１３に示した実施例では各電極膜は長方形状をなして
おり、したがって図１４に示した点Ｆは図１５に示すよ
うな液晶層２２，２３に対して平行な直線Ｇ上に設けら
れていることとなる。すなわち、液晶可変焦点光学素子
２０を通過した光Ｉｏは直線Ｇに向かうようになる。そ
の結果、各電極対２３，２４，２５，３３，３４，３５
に電圧が印加されたとき液晶可変焦点光学素子２０はシ
リンドリカルレンズと同様の集光作用を有することとな
る。

【００２８】ところで電極対からの出射光の進行方向は
この電極対を構成する一対の電極膜間に延びる電気力線
に沿う方向によって定まり、この電気力線に沿う方向は
この一対の電極膜の変位量によって定まる。そこで図１
２および図１３に示した実施例では第１電極対２３から
の出射光Ｉｏ１が同一点Ｆに向かうように変位量Δ１を
予め定めている。同様に、第２電極対２４からの出射光
Ｉｏ２が同一点Ｆに向かうように変位量Δ２を予め定
め、さらに同様に第３電極対２５からの出射光Ｉｏ３も
同一点Ｆに向かうように変位量Δ３を予め定めている。
このとき上述したようにΔ１＜Δ２＜Δ３となってお
り、同一点Ｆから離れた電極対ほど電極対を構成する一
対の電極膜の変位量が大きくなっている。また、上述し
たように第４電極対３３を構成する一対の電極膜の変位
量はΔ１であり、第５電極対３４を構成する一対の電極
膜の変位量はΔ２であり、第６電極対３５を構成する一
対の電極膜の変位量はΔ３である。したがって第２液晶
可変焦点光学素子３１についても同一点Ｆから離れた電
極対ほど電極対を構成する一対の電極膜の変位量が大き
くなっている。

【００２９】一方、各電極対２３，２４，２５，３３，
３４，３５に電圧を印加しないときには液晶分子は液晶
層２２，３２に沿う方向に配向し、その結果出射光Ｉｏ
１，Ｉｏ２，Ｉｏ３，Ｉｏ４，Ｉｏ５，Ｉｏ６は液晶可
変焦点光学素子２０によって偏向されず、すなわち出射
光Ｉｏ１，Ｉｏ２，Ｉｏ３，Ｉｏ４，Ｉｏ５，Ｉｏ６は
図１６に示すように入射光Ｉｉの進行方向を維持しつつ
進行する。したがって、液晶可変焦点光学素子２０は各
電極対２３，２４，２５，３３，３４，３５に電圧を印
加した場合としない場合とによって異なる２つの焦点を
有することとなる。

【００３０】第１液晶可変焦点光学素子２１において、
図１に示した実施例と同様に互いに隣接する電極対間の
電圧極性が互いに逆極性となるようにしている。その結
果第１電極対２３と第２電極対２４間に生じる電界を低
減でき、また第２電極対２４と第３電極対２５間に生じ
る電界を低減できる。したがって液晶分子の配向方向が
ほぼ一様である液晶層２２領域を確保することができ
る。また、第２液晶可変焦点光学素子３１においても互
いに隣接する電極対間の電圧極性が互いに逆極性となる
ようにしている。その結果第４電極対３３と第５電極対
３４間に生じる電界を低減でき、また第５電極対３４と
第６電極対３５間に生じる電界を低減できる。したがっ
て液晶分子の配向方向がほぼ一様である液晶層３２領域
を確保することができる。

【００３１】また第１液晶可変焦点光学素子２１におい
て、図１７に示すように、第１電極対２３と第２電極対
２４間の距離ｄ１が第２印加電極膜２４ａと第２接地電
極膜２４ｂ間に延びる電気力線に沿う、矢印Ｌ２の方向
に関する第２印加電極膜２４ａと第２接地電極膜２４ｂ
間の距離Ｄ２よりも大きくなるようにこれら第１電極対
２３および第２電極対２４を配置している。その結果第
１電極対２３と第２電極対２４間に生じる電界を低減で
きる。同様に、第２電極対２４と第３電極対２５間の距
離ｄ２が第３印加電極膜１５ａと第３接地電極膜１５ｂ
間に延びる電気力線に沿う、矢印Ｌ３の方向に関する第
３印加電極膜２５ａと第３接地電極膜２５ｂ間の距離Ｄ
３よりも大きくなるようにこれら第２電極対２４および
第３電極対２５を配置している。その結果第２電極対２
４と第３電極対２５間に生じる電界を低減できる。した
がって液晶分子の配向方向がほぼ一様である液晶層２２
領域を確保することができる。一方、第２液晶可変焦点
光学素子３１においては第１液晶可変焦点光学素子２１
との対称性を考えればよいので説明を省略するが、第２
液晶可変焦点光学素子３１においても液晶分子の配向方
向がほぼ一様である液晶層３２領域を確保することがで
きる。

【００３２】これまで述べてきた実施例において、液晶
層２２，３２は水平配向型の液晶層から構成されてい
る。しかしながら、液晶層２２，３２を液晶層２２，３
２の一側においては水平配向型でありかつ液晶層２２，
３２の他側においては垂直配向型である、いわゆるハイ
ブリッド配向型の液晶層から構成することもできる。

【００３３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明では液晶分子の配
向方向がほぼ一様である液晶層領域を確保できるので入
射光径を制限することなく偏向光を得ることができる。
請求項２に記載の発明では液晶分子の配向方向がほぼ一
様である液晶層領域を確保しつつこの液晶分子の配向方
向を連続的に変化させているので出射光をほぼ同一点に
集光することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明による液晶光偏向素子の部分拡大断
面図である。

【図２】各電極対に電圧を印加した場合を示す、液晶光
偏向素子の部分拡大断面図である。

【図３】各電極対に電圧を印加しない場合を示す、液晶
光偏向素子の部分拡大断面図である。

【図４】好ましくない実施例を示す、液晶光偏向素子の
部分拡大断面図である。

【図５】各電極膜の配置方法を説明するための液晶光偏
向素子の部分拡大断面図である。

【図６】第２の発明による液晶可変焦点光学素子の平面
図である。

【図７】図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿ってみた、液晶可
変焦点光学素子の断面図である。

【図８】各電極対に電圧を印加した場合を示す、液晶可
変焦点光学素子の部分拡大断面図である。

【図９】出射光の進行方向を説明するための、図７と同
様な液晶可変焦点光学素子の断面図である。

【図１０】各電極対に電圧を印加しない場合を示す、図
８と同様な液晶可変焦点光学素子の部分拡大断面図であ
る。

【図１１】各電極膜の配置方法を説明するための液晶可
変焦点光学素子の部分拡大断面図である。

【図１２】第２の発明の別の実施例を示す、液晶可変焦
点光学素子の平面図である。

【図１３】図１２の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに沿ってみ
た、液晶可変焦点光学素子の断面図である。

【図１４】各電極対に電圧を印加した場合を示す、図１
３と同様な液晶可変焦点光学素子の断面図である。

【図１５】出射光の進行方向を説明するための、液晶可
変焦点光学素子の斜視図である。

【図１６】各電極対に電圧を印加しない場合を示す、図
１３と同様な液晶可変焦点光学素子の断面図である。

【図１７】各電極膜の配置方法を説明するための液晶可
変焦点光学素子の部分拡大断面図である。

【符号の説明】

１…液晶光偏向素子 ２…液晶層 ２ａ…液晶分子 ３…第１電極対 ３ａ…第１印加電極膜 ３ｂ…第１接地電極膜 ４…第２電極対 ４ａ…第２印加電極膜 ４ｂ…第２接地電極膜 １１…液晶可変焦点光学素子 ２０…液晶可変焦点光学素子 ２１…第１液晶可変焦点光学素子 ３１…第２液晶可変焦点光学素子 Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３…電気力線 Ｆ…同一点 Ｉｉ…入射光 Ｉｏ…出射光 Δ１，Δ２，Δ３…電極膜の変位量

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状に広がる液晶層の一側面に対面配
   置された平板状の透明電極と液晶層の他側面に対面配置
   された平板状の透明電極とにより電極対を形成し、該電
   極対を液晶層に沿い互いに離間して複数個形成した液晶
   素子において、上記電極対に印加する電圧の極性を互い
   に隣接する電極対間において逆極性にし、上記電極対を
   構成する一対の透明電極を液晶層に沿い互いに変位させ
   て一方の透明電極から他方の透明電極に向かう電気力線
   が透明電極内側面の垂線に対し斜めに延びるようにし、
   互いに隣接する電極対間の距離が上記電気力線に沿う透
   明電極間の直線距離よりも大きくなるように各透明電極
   を配置して各電極対に入射した光を上記電気力線に沿う
   方向に偏向させるようにした液晶光偏向素子。
2. 【請求項２】 平板状に広がる液晶層の一側面に対面配
   置された平板状の透明電極と液晶層の他側面に対面配置
   された平板状の透明電極とにより電極対を形成し、該電
   極対を液晶層に沿い互いに離間して複数個形成した液晶
   素子において、上記電極対に印加する電圧の極性を互い
   に隣接する電極対間において逆極性にし、上記電極対を
   構成する一対の透明電極を液晶層に沿い互いに変位させ
   て一方の透明電極から他方の透明電極に向かう電気力線
   が透明電極内側面の垂線に対し斜めに延びるようにし、
   各電極対を通過した光がほぼ同一点に集光されるように
   一対の透明電極の液晶層に沿う変位量を上記同一点から
   離れた電極対ほど大きくし、互いに隣接する電極対間の
   距離が上記電気力線に沿う透明電極間の直線距離よりも
   大きくなるように各透明電極を配置して各電極対に入射
   した光を上記電気力線に沿う方向に偏向させるようにし
   た液晶可変焦点光学素子。