JPH1048597A

JPH1048597A - 光学装置

Info

Publication number: JPH1048597A
Application number: JP8202244A
Authority: JP
Inventors: Shiro Suyama; 史朗陶山; Munekazu Date; 宗和伊達; Kinya Kato; 謹矢加藤; Shigenobu Sakai; 重信酒井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1998-02-20
Anticipated expiration: 2016-07-31
Also published as: JP3358150B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速駆動が可能で均一性が良く、製作が容易
であり、しかも能動的に光学的性質を連続的に周期的変
化できる光学装置を提供すること。【解決手段】凹フレネルレンズ形状を有する透明物質
の層２１と、誘電率異方性を有する液晶を含む液晶層２
２とを挟んで２つの電極２３，２４を配置し、装置の駆
動中、これに液晶が静的に配向する電圧以上の電圧を常
に駆動装置２５より加えることによって、電気流体力学
的運動に基づく液晶分子の揺らぎを起こさせ、これによ
り液晶層２２の屈折率を変化させ、装置の光学的性質を
高速に変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、印加電圧により、
光学装置における光学的性質、例えばレンズにおける焦
点距離、プリズムにおける偏向角、レンチキュラレンズ
における発散角等を高速で周期的かつ連続的に変化でき
る光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学装置は、受動的な光学装置が
ほとんどであり、その光学的性質を電圧等によって変化
できる能動的な光学装置の種類は限られていた。その中
で屈折率可変物質を用いた光学装置として、例えば昭和
５９年度科学研究費補助金研究成果報告書Ｎｏ．５９８
５００４８に記載された液晶レンズがある。

【０００３】図１は前記液晶レンズの構造を示すもの
で、高分子やガラス等で形成された平凹レンズ１と、そ
の表面に形成された透明電極２と、該透明電極２上に形
成されたポリイミド等による配向膜３と、液晶（誘電率
異方性が周波数の違いにより逆転しない通常のネマチッ
ク液晶）４と、これらに対向した対向基板５と、該対向
基板５上に形成された透明電極６と、この透明電極６上
に形成されたポリイミド等による配向膜７と、これらを
駆動するための駆動装置８とから構成される。ここで、
配向膜３及び７は液晶４がほぼ平行に整列するようにホ
モジニアス配向状態にしてある。

【０００４】透明電極２と６との間に電圧を印加しない
状態においては、配向膜３，７の作用により液晶４は対
向基板５にほぼ平行に並ぶように配向する。この場合、
この配向方向に対して平行な偏光状態の入射光１１にと
って、液晶４は平凹レンズ１と比較して大きな屈折率を
有しているように見えるため、光学装置全体としては平
凸レンズとして作用し、出射光１２のように集束する。

【０００５】一方、透明電極２と６との間に適度な電圧
を印加した状態においては、印加電圧の作用により、液
晶４は対向基板５や平凹レンズ１に対して垂直に配向す
る。この場合、入射光１１にとって液晶４は平凹レンズ
１とほぼ同じ屈折率を有しているように見えるため、光
学装置全体としては単なるガラス板と同様な作用しか及
ぼさず、出射光１３は入射光１１とほぼ同様な方向に出
射する。

【０００６】このように、従来の光学装置においても、
印加電圧によって平凸レンズの光学的性質、例えば焦点
距離を図２に示すように連続的に変化することは可能で
あった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光学装置においては、電圧を印加しない場合の液晶４の
配向を配向膜３，７の配向規制力のみで行っていた。こ
のような光学装置においては液晶４の厚みが数１００μ
ｍ以上と厚くなるため、その駆動の際の回復時間が図３
に示すように数秒以上と極めて遅くなる欠点を有してい
た。しかも印加電圧を増加してもその回復時間にはほと
んど改善は見られず、短縮化への方策がないのが現状で
あった。

【０００８】また、前述したように、配向膜３，７の配
向規制力のみで液晶４を配向させる場合、透明電極２の
近くにおいては、図４に示すように平凹レンズ１の曲面
に沿って液晶４の分子４ａが配向する。このため、液晶
の配向が一部分傾いてしまい、入射光が感じる屈折率が
平凹レンズ１の屈折率に近づき、光学的性質の変化量が
小さくなる他、レンズの位置によって光学的性質の変化
量に分布ができてしまうという欠点を有していた。

【０００９】また、平凹レンズ１等の表面上に透明電極
２を形成するため、電圧を印加した場合、透明電極２の
近くでは電界がその表面に垂直な形でかかり、図５に示
すように液晶４がその表面に垂直な形で配向する。この
ため、液晶の配向が一部分傾いてしまい、入射光が感じ
る屈折率が平凹レンズ１の屈折率とかなり異なる領域が
形成され、本来なら偏向をほとんど受けずに透過するべ
き入射光が部分的に偏向等を受けるという欠点を有して
いた。

【００１０】また、平凹レンズ１の表面形状がさらに複
雑な形状、特に深い溝や鋭い突起を有するような場合に
は、透明電極の均一な形成が困難となる欠点を有してい
た。また、液晶４を配向させるための配向膜の配向処
理、例えばラビング処理等も困難となる欠点を有してい
た。さらに、透明電極間の距離は、図１から明かなよう
に位置によって異なり、これに同一の電圧を印加するた
め、狭い部分において絶縁性の劣化や短絡が起こり易い
という欠点を有していた。

【００１１】このように、従来の屈折率可変物質を用い
た能動的な光学装置は、長い回復時間、不均一性、製作
上あるいは駆動上の問題点等、実用化上、多くの欠点を
抱えていた。

【００１２】本発明の目的は、高速駆動が可能で均一性
が良く、製作が容易であり、しかも能動的に光学的性質
を連続的に周期的変化できる光学装置を提供することに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記目的を
達成するため、所望の曲面の表面形状を有する透明物質
の層と、正の誘電率異方性を有する液晶を含む層と、こ
れら透明物質の層と液晶を含む層とを挟んだ電極とを備
え、かつ前記液晶を、交流を含む電圧の周波数において
電極に対して実効的に静的に垂直に配向する電圧振幅を
ＶＴとした時、このＶＴ以上の振幅を有する電圧を装置
の駆動中、常に前記電極に供給する駆動装置を備えた光
学装置、あるいは所望の曲面の表面形状を有する透明物
質の層と、負の誘電率異方性を有する液晶を含む層と、
これら透明物質の層と液晶を含む層とを挟んだ電極とを
備え、かつ前記液晶を、交流を含む電圧の周波数におい
て電極に対して実効的に静的に平行に配向する電圧振幅
をＶＴとした時、このＶＴ以上の振幅を有する電圧を装
置の駆動中、常に前記電極に供給する駆動装置を備えた
光学装置を提案する。

【００１４】前記構成によれば、液晶が静的に配向する
ＶＴ以上の電圧を常に電極に加えることにより、液晶分
子に電気流体力学的運動を起こし、これによって液晶分
子の方向を、電極に垂直あるいは平行な状態とこれから
少し傾いた状態との間で印加電圧の周波数の２倍の周波
数に同期して揺らぐようにして、液晶層の屈折率を変化
させるようになしたため、光学的性質を高速、連続的、
周期的かつ均一性良く変化でき、しかも複雑な形状に対
する膜の加工等が必要なく、製作が容易となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学装置の実施の
形態の例を示す。以下に示す例では、主に透明物質の層
の表面としてフレネルレンズ構造を用いた場合について
説明するが、凸レンズ、凹レンズ、プリズムアレイ、レ
ンズアレイ、レンチキュラレンズ、回折格子、またはこ
れらを組み合わせた曲面を含む場合であっても同様な効
果が期待できることは明らかである。

【００１６】また、以下の例では、主に液晶が電極に対
して垂直に立った時に該液晶及び透明物質の屈折率がほ
ぼ等しくなる場合について説明するが、液晶が電極に対
して平行になった時にほぼ等しくなる場合、あるいは液
晶が電極に対して一定の角度をなした時にほぼ等しくな
る場合であっても同様な効果が期待できることは明らか
である。

【００１７】さらに、以下の例では、主に液晶の屈折率
が透明物質の屈折率よりも概ね大きい場合について説明
するが、液晶の屈折率が透明物質の屈折率よりも概ね小
さい場合、あるいは液晶の屈折率の可変範囲内に透明物
質の屈折率の値が含まれる場合であっても同様な効果が
期待できることは明らかである。

【００１８】

【第１の形態】図６は請求項１、２、４、５に対応する
本発明の光学装置の実施の形態の一例を示すもので、所
望の曲面の表面形状を有する透明な高分子やガラス等よ
りなる透明物質の層２１と、例えばネマティック液晶を
含む液晶層２２と、これら透明物質の層２１及び液晶層
２２を含む層を挟んだ複数の電極２３，２４と、これら
を駆動するための駆動装置２５とから構成されている。
なお、電極２３，２４はＩＴＯやＳｎＯ_x等の透明物質
よりなる透明電極、もしくはアルミ膜やクロム膜等から
なる反射電極で構成される。

【００１９】ここでは能動的な光学装置の一つとして、
焦点距離が可変な平凸レンズ（焦点距離がプラス）の提
供を目的とし、例えば液晶層２２の屈折率の方が透明物
質の層２１の屈折率よりも概ね大きい場合には、液晶層
２２を凸レンズ形状とすれば良い。従って、液晶層２２
側の透明物質の層２１の表面形状を、図示したような凹
フレネルレンズ形状等とすれば良い。むろん、液晶層２
２の屈折率の方が透明物質の層２１の屈折率よりも概ね
小さい場合には、液晶層２２側の透明物質の層２１の表
面形状を、例えば凸フレネルレンズ形状とすれば良いこ
とは明らかである。

【００２０】ここで、以下、電極として主に透明電極を
用いる場合を記述するが、この電極が反射電極やハーフ
ミラー状の電極である場合でもその意味することは明ら
かである。また、本例においては、液晶層２２は、正の
誘電率異方性を有している場合を例にとる。また、屈折
率異方性としてはｎ_o（正常屈折率）が透明物質の層２
１の屈折率とほぼ等しく、ｎ_e（異常屈折率）が透明物
質の層２１より概ね大きい例を用いる。

【００２１】従って、液晶層２２の液晶が電極に対して
垂直に配向した場合には、透明物質の層２１と液晶層２
２の屈折率が等しくなり、入射光２６はほとんど変化を
受けずに出射光２７として出射する。一方、液晶層２２
の液晶が電極に対して平行に配向した場合には、透明物
質の層２１より液晶層２２の屈折率が大きくなり、この
液晶の配向方向に平行な偏光を有する入射光２６に対し
て凸フレネルレンズとして機能するため、例えば出射光
２８のように集束する。さらに、液晶層２２の液晶が両
者の中間の傾きに配向した場合には、液晶層２２の屈折
率も中間値をとるため、焦点距離の変化するレンズとし
て機能することは、図１乃至図５に示した従来例の場合
とほぼ同様である。

【００２２】前述したように、従来は、液晶の厚みが数
１００μｍ程度と厚いため、液晶分子の応答速度が数秒
程度であり、印加電圧への高速応答はできない。この
時、液晶層２２の液晶分子は、電圧を印加しない場合、
これに接する層による配向状態を呈する。

【００２３】次に、前記電極２３，２４に加える、交流
を含む印加電圧（その周波数は、前述した液晶分子の応
答速度に対応した周波数より充分に高い、即ち液晶分子
が応答できない周波数、例えば数Ｈｚ〜数１０Ｈｚとす
る。）を大きくしていくと、フレデリック転移を起こす
電圧ＶＡに達し、この電圧ＶＡ以上では、液晶分子は誘
電率異方性により電極に対して平行から垂直方向に立ち
始める。前記印加電圧をさらに大きくすると、一定の電
圧以上では、液晶分子が電極に対して実効的に垂直に静
的に配向する（この一定の電圧をＶＴと定義する。）。

【００２４】従来は、前述した電圧ＶＴと、ＶＡ以下の
電圧（通常は０Ｖ）との間で電圧を変化させることによ
って液晶層を駆動していたため、高速化できなかった
が、本発明では、ＶＴ以上の電圧を印加することによっ
て液晶層２２を高速駆動する。

【００２５】このような高い電圧を印加すると、液晶分
子は静的には不安定となり、電気流体力学的運動を起こ
し、これにより液晶分子は電極に垂直な方向と、これか
ら少し傾いた状態との間を実効的に揺らぐようになる。
この揺らぎ運動は、交流を含む印加電圧の周期に同期す
る。但し、液晶全体としては分極性が小さく、電圧の極
性による前記運動の違いは少ないため、液晶分子の動く
周波数は印加電圧の２倍となる。また、この揺らぎ運動
の大きさは、印加電圧の振幅に応じて大きくなる。さら
に、その緩和時間は、従来例で述べた静的な緩和時間に
比べて大幅に短い。このため、液晶層２２の屈折率を、
印加電圧の周期に同期させて２倍の周波数で変化でき、
高速化が可能となる。

【００２６】このように本例では、その光学的特性（例
えば、焦点距離等）を高速に、印加電圧に同期させて周
期的に変化できる。

【００２７】また、本例では、図１乃至図５に示した従
来例と異なり、前述した印加電圧を大きくすることによ
り電気流体力学的運動を大きくできるため、印加電圧を
大きくすることにより実効的な応答速度を高速化できる
利点を有している。

【００２８】また、本発明における液晶分子の動きは電
気流体力学的運動が主体となるため、液晶層２２の幾何
学的形状等により第１義的な配向状態が決まり、従来例
に比べ、これに接する層の表面状態の影響を受けにくい
利点も有する。

【００２９】また、電極２３を透明物質の層２１の液晶
層２２側に設けないため、複雑な形状の部分に膜を形成
する必要がなく、図１乃至図５に示した従来例に比べて
製作が容易となる。

【００３０】さらにまた、電極２３を透明物質の層２１
の液晶層２２側に設けないため、電極２３，２４間の距
離を概ね同じ距離とすることも容易であり、しかも電極
２３，２４間には常に透明物質の層２１が存在するた
め、図１乃至５に示した従来例と異なり、絶縁性の劣化
や短絡等が起こり難い。

【００３１】このように、本例では、従来例に比べて駆
動の高速化が図れ、均一性、製作の容易化、駆動上の問
題点を解決できることが明らかである。

【００３２】なお、本例では、液晶が正の誘電率異方性
を有する場合について述べたが、負の誘電率異方性を有
する場合でも同様であることは明らかである。

【００３３】前述したように、本例では、透明物質の層
の屈折率と、液晶の正常屈折率（あるいは異常屈折率）
とをほぼ等しい値に設定したが、必ずしもそうしなくて
も良い。即ち、前記屈折率をほぼ等しい値に設定するこ
とはその焦点距離を無限大近くに設定することに相当す
るが、前記屈折率をほぼ等しい値に設定することが材料
上困難である場合、あるいは前記屈折率をほぼ等しい値
に設定できる材料が他の物性値（誘電率異方性、屈折率
異方性、温度特性、溶媒との混合性、毒性等）との関係
から採用し難い場合であっても、単に本装置の前後に他
の固定焦点のレンズを配置して補正すれば、その焦点距
離を無限大近くに設定できるからである。

【００３４】

【第２の形態】本例では、印加電圧の振幅による本発明
の光学装置の光学特性（例えば、偏向角）の挙動を説明
する（後述する光偏向素子の構造を有する光学装置の偏
向角）。

【００３５】図７は、ＶＴ以上の印加雷圧と、従来のよ
うにＶＴ以下の約０Ｖの電圧との間で電圧振幅を変化し
た場合の偏向角の挙動を示すものである。一例として、
印加電圧は周波数３０Ｈｚの正弦波とし、その振幅を正
弦波的に変化させた。なお、図面では印加電圧の振幅変
化による偏向角の挙動を示すため、包絡線的な表現とな
っている（つまり、印加電圧及び偏向角の細かな周期運
動は、塗りつぶして描いている。）。

【００３６】従来のようにＶＴ以下のほぼ０Ｖの電圧ま
で電圧振幅を下げて駆動すると、その電圧振幅の小さな
領域付近で、偏向角が印加電圧の周期とは明らかに異な
る非同期的な挙動を示す欠点がある。また、この非同期
的な挙動を示す領域では、光が大きく散乱され、明確な
偏向角の決定が困難になる欠点もある。

【００３７】一方、図８、図９は、例えば第１の形態で
述べたＶＴ以上の電圧振幅で印加電圧を変化させた場合
の偏向角の挙動を示すもので、図８は図７と同様な包絡
線的な表現によるものを、また、図９は詳細な対応関係
を示している。また、印加電圧は前記同様に周波数３０
Ｈｚの正弦波とし、その振幅を正弦波的に変化させた。

【００３８】図９から、第１の形態で述べたＶＴ以上の
電圧振幅で変化させることにより、偏向角を印加電圧の
周期に同期させて２倍の周波数で変化できることが分か
る。また、印加電圧がＶＴ以上の領域であれば、印加電
圧のステップ状の急激な振幅の変化に対しても、偏向角
はほとんど乱れることなく、同期して追随することが分
かる。また、図８から、偏向角の周期的変化の振幅を、
印加電圧の振幅に応じて変化でき、かつ非同期的な挙動
を含まないことが分かる。さらにまた、第１の形態で述
べたＶＴ以上の電圧振幅で変化させた場合には、光の散
乱を常に低く抑えることもできる。

【００３９】このように、本例によれば、高速応答を実
現できる。

【００４０】

【第３の形態】図１０乃至図１４は請求項３に対応する
本発明の光学装置の実施の形態の一例を示すものであ
る。本例では、印加電圧（振幅＞ＶＴ）の周波数による
本発明の光学装置の光学特性（例えば偏向角）の挙動を
説明する。なお、印加電圧としては、一例として正弦波
を用いた場合について示す。図１０，１１，１２，１３
はそれぞれ、印加電圧の周波数が０．５Ｈｚ，１Ｈｚ，
３Ｈｚ，１００Ｈｚの場合の偏向角の挙動を示す。

【００４１】偏向角は、周波数が０．５Ｈｚと低い場合
でも同期的な応答を見せるが、偏向角の波形が一定でな
く乱れており、また、一周期での平均値の変化も大き
く、全体として乱れている。しかも、この場合には大き
な光の散乱がある欠点を有する。これに対して１Ｈｚの
場合には、０．５Ｈｚの場合のような各波形の大きな乱
れはなく、一周期での平均値の変化も小さい。また、３
Ｈｚの場合にはこれらの乱れはさらに小さくなる。しか
も、これら１Ｈｚや３Ｈｚの場合には、０．５Ｈｚの場
合に見られた光の散乱も極めて小さくなる。さらに、周
波数がこれ以上、例えば１００Ｈｚの場合でも、同様に
乱れや散乱の少ない整然とした応答波形となる。従っ
て、偏向角の乱れや光の散乱等を抑制するには、印加電
圧の周波数を１Ｈｚ以上とすることが望ましい。

【００４２】図１４は、印加電圧の周波数を５Ｈｚ〜１
００Ｈｚまで変化した場合の偏向角の挙動を示すもので
ある（なお、図７，８と同様、印加電圧及び偏向角の細
かな周期運動は塗りつぶして描いている）。偏向角は、
印加電圧の周波数が１０Ｈｚ程度まではほぼ同様の振幅
を示し、それ以上の周波数では徐々に小さくなり、１０
０Ｈｚ程度で極めて小さくなる。従って、偏向角の変化
する振幅を確保する点から、印加電圧の周波数は１００
Ｈｚ以内が望ましい従って、本発明における印加電圧の
周波数としては、１〜１００Ｈｚ程度が実用的な範囲と
なる。

【００４３】なお、本例では、印加電圧として正弦波を
用いた場合を示したが、矩形波、三角波あるいは周期的
な他の波形であっても同様な効果が得られることは明ら
かである。

【００４４】

【第４の形態】図１５は請求項６に対応する本発明の光
学装置の実施の形態の一例を示すもので、図中、図６の
装置と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、２
２は液晶層、２３，２４は電極、２５は駆動装置、３１
は透明物質の層である。

【００４５】本例では、液晶層２２の液晶として、ｎ_o
（正常屈折率）が透明物質の層３１の屈折率とほぼ等し
く、ｎ_e（異常屈折率）が透明物質の層３１より概ね大
きいものを用いるものとする。

【００４６】透明物質の層３１の表面形状は凸レンズを
なしており、第１乃至第３の形態で示したような振幅及
び周波数を有する電圧が電極２３，２４間に印加された
場合、これと同期して、液晶層２２の液晶分子の傾き
は、例えば電極２３，２４に対してほぼ垂直な向きから
変化し、透明物質の層３１と液晶層２２の屈折率の差が
変化する。

【００４７】ここで、透明物質の層３１と液晶層２２と
の屈折率の関係から、液晶層２２の液晶分子が、例えば
電極２３，２４に対してほぼ垂直な向きの場合、入射し
てきた光３２はほとんど変化を受けずに出射光３３とし
て出射する。一方、液晶層２２の液晶分子がこれから傾
いた場合には、その傾きに対応した透明物質の層３１と
液晶層２２との屈折率の差に応じた焦点距離を有する凹
レンズとして機能し、入射光３２は、例えば出射光３４
のように発散する。

【００４８】このように本例では、第１乃至第３の形態
に示した振幅及び周波数の印加電圧により、液晶層２２
の屈折率を変化させ、凹レンズの焦点距離を高速かつ確
実に変化させることができる。

【００４９】

【第５の形態】図１６は請求項６に対応する本発明の光
学装置の実施の形態の他の例を示すもので、ここでは図
１５の例において表面形状を凹レンズとした透明物質の
層３５を用いた例を示す。

【００５０】本装置において、電極２３，２４間に第１
乃至第３の形態で示したような振幅及び周波数を有する
電圧が印加されると、これと同期して、液晶層２２の液
晶分子の傾きは、例えば電極２３，２４に対してほぼ垂
直な向きから変化し、透明物質の層３５と液晶層２２の
屈折率の差が変化する。

【００５１】ここで、透明物質の層３５と液晶層２２と
の屈折率の関係から、液晶層２２の液晶分子が、例えば
電極２３，２４に対してほぼ垂直な向きの場合、入射し
てきた光３２はほとんど変化を受けずに出射光３３とし
て出射する。一方、液晶層２２の液晶分子がこれから傾
いた場合には、その傾きに対応した透明物質の層３５と
液晶層２２との屈折率の差に応じた焦点距離を有する凸
レンズとして機能し、入射光３２は、例えば出射光３６
のように集束する。

【００５２】このように本例では、第１乃至第３の形態
に示した振幅及び周波数の印加電圧により、液晶層２２
の屈折率を変化させ、凸レンズの焦点距離を高速かつ確
実に変化させることができる。

【００５３】

【第６の形態】図１７は請求項６に対応する本発明の光
学装置の実施の形態のさらに他の例を示すもので、ここ
では図１５の例において表面形状を凸フレネルレンズと
した透明物質の層３７を用いた例を示す。

【００５４】本装置において、電極２３，２４間に第１
乃至第３の形態で示したような振幅及び周波数を有する
電圧が印加されると、これと同期して、液晶層２２の液
晶分子の傾きは、例えば電極２３，２４に対してほぼ垂
直な向きから変化し、透明物質の層３７と液晶層２２の
屈折率の差が変化する。

【００５５】ここで、透明物質の層３７と液晶層２２と
の屈折率の関係から、液晶層２２の液晶分子が、例えば
電極２３，２４に対してほぼ垂直な向きの場合、入射し
てきた光３２はほとんど変化を受けずに出射光３３とし
て出射する。一方、液晶層２２の液晶分子がこれから傾
いた場合には、その傾きに対応した透明物質の層３７と
液晶層２２との屈折率の差に応じた焦点距離を有する凹
フレネルレンズとして機能し、入射光３２は、例えば出
射光３８のように発散する。

【００５６】このように本例では、第１乃至第３の形態
に示した振幅及び周波数の印加電圧により、液晶層２２
の屈折率を変化させ、凹フレネルレンズの焦点距離を高
速かつ確実に変化させることができる。

【００５７】

【第７の形態】図１８は請求項６に対応する本発明の光
学装置の実施の形態のさらに他の例を示すもので、ここ
では図１５の例において表面形状をプリズムアレイとし
た透明物質の層３９を用いた例を示す。

【００５８】本装置において、電極２３，２４間に第１
乃至第３の形態で示したような振幅及び周波数を有する
電圧が印加されると、これと同期して、液晶層２２の液
晶分子の傾きは、例えば電極２３，２４に対してほぼ垂
直な向きから変化し、透明物質の層３９と液晶層２２の
屈折率の差が変化する。

【００５９】ここで、透明物質の層３９と液晶層２２と
の屈折率の関係から、液晶層２２の液晶分子が、例えば
電極２３，２４に対してほぼ垂直な向きの場合、入射し
てきた光３２はほとんど変化を受けずに出射光３３とし
て出射する。一方、液晶層２２の液晶分子がこれから傾
いた場合には、その傾きに対応した透明物質の層３９と
液晶層２２との屈折率の差に応じ、かつそのプリズム角
に対応した偏向角を有する偏向素子として機能し、入射
光３２は、例えば出射光４０のように偏向する。

【００６０】このように本例では、第１乃至第３の形態
に示した振幅及び周波数の印加電圧により、液晶層２２
の屈折率を変化させ、偏向素子の偏向角を高速かつ確実
に変化させることができる。

【００６１】

【第８の形態】図１９は請求項６に対応する本発明の光
学装置の実施の形態のさらに他の例を示すもので、ここ
では図１５の例において表面形状を凹レンチキュラレン
ズとした透明物質の層４１を用いた例を示す。

【００６２】本装置において、電極２３，２４間に第１
乃至第３の形態で示したような振幅及び周波数を有する
電圧が印加されると、これと同期して、液晶層２２の液
晶分子の傾きは、例えば電極２３，２４に対してほぼ垂
直な向きから変化し、透明物質の層４１と液晶層２２の
屈折率の差が変化する。

【００６３】ここで、透明物質の層４１と液晶層２２と
の屈折率の関係から、液晶層２２の液晶分子が、例えば
電極２３，２４に対してほぼ垂直な向きの場合、入射し
てきた光３２はほとんど変化を受けずに出射光３３とし
て出射する。一方、液晶層２２の液晶分子がこれから傾
いた場合には、その傾きに対応した透明物質の層４１と
液晶層２２との屈折率の差に応じた焦点距離を有する凸
レンチキュラレンズとして機能し、入射光３２は、例え
ば出射光４２のように発散する。

【００６４】このように本例では、第１乃至第３の形態
に示した振幅及び周波数の印加電圧により、液晶層２２
の屈折率を変化させ、凸レンチキュラレンズの焦点距離
や発散角を高速かつ確実に変化させることができる。

【００６５】

【第９の形態】図２０は請求項６に対応する本発明の光
学装置の実施の形態のさらに他の例を示すもので、ここ
では図１５の例において表面形状を回折格子とした透明
物質の層４３を用いた例を示す。

【００６６】本装置において、電極２３，２４間に第１
乃至第３の形態で示したような振幅及び周波数を有する
電圧が印加されると、これと同期して、液晶層２２の液
晶分子の傾きは、例えば電極２３，２４に対してほぼ垂
直な向きから変化し、透明物質の層４３と液晶層２２の
屈折率の差が変化する。

【００６７】ここで、透明物質の層４３と液晶層２２と
の屈折率の関係から、液晶層２２の液晶分子が、例えば
電極２３，２４に対してほぼ垂直な向きの場合、入射し
てきた光３２はほとんど変化を受けずに出射光３３とし
て出射する。一方、液晶層２２の液晶分子がこれから傾
いた場合には、その傾きに対応した透明物質の層４３と
液晶層２２との屈折率の差に応じた回折効率を有する回
折格子として機能し、入射光３２は、例えば出射光４４
のように回折する。

【００６８】このように本例では、第１乃至第３の形態
に示した振幅及び周波数の印加電圧により、液晶層２２
の屈折率を変化させ、回折格子の回折効率を高速かつ確
実に変化させることができる。

【００６９】

【第１０の形態】図２１は請求項７、８に対応する本発
明の光学装置の実施の形態の一例を示すもので、図中、
図６の装置と同一構成部分は同一符号をもって表す。即
ち、２１は透明物質の層、２２は液晶層、２３，２４は
電極、２５は駆動装置、５１は配向膜である。

【００７０】配向膜５１はポリイミド、ＰＶＡ、ＰＶ
Ｂ、斜方蒸着ＳｉＯ等からなり、液晶層２２側の電極２
４の表面上に形成されている。この配向膜５１はラビン
グ法等による処理を加えることにより、その上の液晶層
２２の液晶分子を一定の方向に配向させることができ
る。

【００７１】このような構成及び処理により、液晶層２
２の液晶分子が配向膜５１に平行な方向に傾く場合にお
いて、液晶層２２の液晶分子を広いドメイン領域におい
て均一な配向状態とすることができる。これにより、液
晶層２２の屈折率変化を入射光に効率良く伝えることが
可能となり、かつ液晶層２２が種々の方向を向くことに
よって生ずる散乱やこれに起因する白濁を防ぐことがで
きる。

【００７２】また、透明物質の層２１をレプリカ法（金
属やガラス、プラスチック等の型のレプリカをとる方
法）によって形成する場合は、その剥す方向によって液
晶を直接配向させることも可能である。この場合は特殊
な膜を塗布したり、表面に凹凸のある面を配向処理する
必要がないため、本装置の作製が容易になる。

【００７３】また、液晶層２２側の透明物質の層２１の
表面上に垂直配向材を塗布することにより、液晶層２２
の透明物質の層２１側を垂直配向とすることも可能であ
る。また、垂直配向材以外にも、例えば弗素等の基を有
しかつ液晶材料との濡れ性が悪い材料を透明物質の層２
１の表面上に塗布することにより、液晶層２２の透明物
質の層２１側を垂直配向に近い配向とすることも可能で
ある。これらの場合は膜を塗布するだけで良く、表面に
凹凸のある面を配向処理する必要がないため、本装置の
作製が容易となる。

【００７４】また、本発明の光学装置は、液晶層側の電
極上にも配向膜を配置し、液晶層２２の両側に配向膜を
有する構成をとることもできる。

【００７５】また、本発明の光学装置は、液晶層側の電
極上にポリイミド、ＰＶＡ、ＰＶＢ、斜方蒸着ＳｉＯ等
からなる配向膜を含み、透明物質の層側に前述したよう
な特別な配向膜を含まない構成もできる。

【００７６】このような構成では、前述した配向処理を
行った配向膜の近傍においては、液晶分子を一定の方向
に配向させることができるが、透明物質の層の近傍で
は、液晶分子が場所によって異なった向きを向いた配向
を示し、入射光に屈折率変化を充分に伝えられず、可変
焦点の効果が充分に発現しない可能性がある。

【００７７】しかしながら、このような構成において
も、例えば入射光を液晶の配向がより均一な方向（例え
ば、配向膜が形成されている側）から入射させることに
より、この問題を解決できる。即ち、入射光の偏光状態
を前記配向方向と一致させることにより、屈折率可変物
質の屈折率変化を入射光に効率良く伝えることが可能と
なる。これは液晶の旋光性によるものであり、液晶分子
の配向方向が入射光の進行方向に、波長に比べてゆっく
りと変化する場合は、入射光の偏光方向はこの液晶分子
の配向方向の変化に追随して変化する（例えば、液晶の
配向方向が右回りに変化する場合は偏光方向も右回りに
変化する。）。このため、透明物質の層付近で液晶の配
向が場所により異なっても入射光は屈折率変化を充分に
感じることになる。

【００７８】このような構成によれば、特殊な膜を塗布
したり、表面に凹凸のある面を配向処理する必要がない
ため、本装置の作製が容易となる。

【００７９】

【第１１の形態】図２２は請求項９に対応する本発明の
光学装置の実施の形態の一例を示すものである。即ち、
６１，６２は図２１で説明した配向膜を備えた光学装置
であり、配向膜の配向方向が互いに直交する如く直列に
並べることにより、入射光の偏光状態によらず各種の機
能を実現できる。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
透明物質の層と、液晶を含む層と、これら透明物質の層
と液晶を含む層とを挟んだ電極とを備え、かつ前記液晶
を、交流を含む電圧の周波数において実効的に静的に配
向する電圧振幅以上の振幅を有する電圧を装置の駆動
中、常に前記電極に供給する駆動装置を備えたため、液
晶分子に電気流体力学的運動を起こし、これによって液
晶分子の方向を、電極に垂直あるいは平行な状態とこれ
から少し傾いた状態との間で印加電圧の周波数の２倍の
周波数に同期して揺らぐようにして、液晶層の屈折率を
変化させることができ、光学的性質を高速、連続的、周
期的かつ均一性良く変化でき、しかも複雑な形状に対す
る膜の加工等が必要なく、製作が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の液晶レンズの一例を示す構成図

【図２】図１の装置における焦点距離と印加電圧との関
係図

【図３】図１の装置における反応時間と印加電圧との関
係図

【図４】図１の装置における配向規制力による液晶分子
の配列の概念図

【図５】図１の装置における電圧印加時の液晶分子の配
列の概念図

【図６】本発明の光学装置の第１の実施の形態を示す構
成図

【図７】従来の光学装置を説明する印加電圧と偏向角と
の関係図

【図８】本発明の光学装置の第２の実施の形態を説明す
る印加電圧と偏向角との関係図

【図９】本発明の光学装置の第２の実施の形態を説明す
る印加電圧と偏向角との詳細関係図

【図１０】本発明の光学装置の第３の実施の形態を説明
する印加電圧と偏向角との関係図

【図１１】本発明の光学装置の第３の実施の形態を説明
する印加電圧と偏向角との関係図

【図１２】本発明の光学装置の第３の実施の形態を説明
する印加電圧と偏向角との関係図

【図１３】本発明の光学装置の第３の実施の形態を説明
する印加電圧と偏向角との関係図

【図１４】本発明の光学装置の第３の実施の形態を説明
する周波数を変化させた際の印加電圧と偏向角との関係
図

【図１５】本発明の光学装置の第４の実施の形態を示す
構成図

【図１６】本発明の光学装置の第５の実施の形態を示す
構成図

【図１７】本発明の光学装置の第６の実施の形態を示す
構成図

【図１８】本発明の光学装置の第７の実施の形態を示す
構成図

【図１９】本発明の光学装置の第８の実施の形態を示す
構成図

【図２０】本発明の光学装置の第９の実施の形態を示す
構成図

【図２１】本発明の光学装置の第１０の実施の形態を示
す構成図

【図２２】本発明の光学装置の第１１の実施の形態を示
す構成図

【符号の説明】

２１，３１，３５，３７，３９，４１，４３…透明物質
の層、２２…液晶層、２３，２４…電極、２５…駆動装
置、５１…配向膜、６１，６２…光学装置。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｆ 1/29 Ｇ０２Ｆ 1/29 (72)発明者酒井重信東京都新宿区西新宿３丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所望の曲面の表面形状を有する透明物質
の層と、正の誘電率異方性を有する液晶を含む層と、こ
れら透明物質の層と液晶を含む層とを挟んだ電極とを備
え、かつ前記液晶を、交流を含む電圧の周波数において電極
に対して実効的に静的に垂直に配向する電圧振幅をＶＴ
とした時、このＶＴ以上の振幅を有する電圧を装置の駆
動中、常に前記電極に供給する駆動装置を備えたことを
特徴とする光学装置。
【請求項２】所望の曲面の表面形状を有する透明物質
の層と、負の誘電率異方性を有する液晶を含む層と、こ
れら透明物質の層と液晶を含む層とを挟んだ電極とを備
え、かつ前記液晶を、交流を含む電圧の周波数において電極
に対して実効的に静的に平行に配向する電圧振幅をＶＴ
とした時、このＶＴ以上の振幅を有する電圧を装置の駆
動中、常に前記電極に供給する駆動装置を備えたことを
特徴とする光学装置。
【請求項３】１Ｈｚ〜１００Ｈｚを主な周波数とする
電圧を前記電極に供給する駆動装置を用いたことを特徴
とする請求項１または２記載の光学装置。
【請求項４】ネマチック液晶を用いたことを特徴とす
る請求項１または２記載の光学装置。
【請求項５】電極間の距離が一定である電極を用いた
ことを特徴とする請求項１または２記載の光学装置。
【請求項６】液晶を含む層側の透明物質の層の表面形
状が、凸レンズまたは凹レンズまたはフレネルレンズま
たはプリズムアレイまたはレンズアレイまたはレンチキ
ュラレンズまたは回折格子あるいはこれらを任意に組み
合わせた曲面であることを特徴とする請求項１または２
記載の光学装置。
【請求項７】液晶を含む層側の電極の表面上に、前記
液晶を一方向に配向させる配向膜を設けたこと特徴とす
る請求項１または２記載の光学装置。
【請求項８】液晶の配向がより均一な面を光の入射側
に向けて配置したことを特徴とする請求項１または２記
載の光学装置。
【請求項９】請求項７または８記載の光学装置を複数
個、配向膜の配向方向が互いに直交するように直列に並
べたことを特徴とする光学装置。