JPS61138922A - 可変焦点液晶レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野Ｊ 本発明は液晶によろ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〕

白内障などの限の疾病により１球の水晶体が摘出されて
しまった場合に、従来の焦、克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った
数種類の＠策を用意してそれぞれの情況に応じて使い号
ける必要が島９、実生活においで多大なろ不便さを強い
られている。したがって、焦点距離を自由に変化させる
ことのできるｍ＊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ろ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開隔を変化させることに
上って行なっている。したがっ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、α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１０Ａ、幅が約数Ａの細長い棒状
分子構造をもっており、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闇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。したがって
、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討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って決まろため、
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って異なっ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。したがって、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［Ｅ３　、３間に平行配向させたき型具方性が
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ＩＩＩ
ＩＩ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、く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、α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、α距離可変のし／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ら
のや、Ｗ４２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った。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っているため
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っている。

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は晶による可変焦点レンズの問題点
であった。

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。

本発明者は上述の饅点に留意し、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町Ｖ焦点レンズ
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、同心固状配向又は放
射状配向の特性を有する２枚の液晶によるレンズの闇に
ＴＮ液晶セルをはさみこんで重ね合ｈすた構造とするか
、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って中心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って放射状に配向
させても同様に中心対称となり曲面状の壁面に沿って一
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討して可変焦点として
いるので、あらゆる方向の偏光に討して可変焦点のし／
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って中心
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って放射状に配向させても同様に
中心対称となり曲面状の壁面に沿っ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、液晶セル基板を回松させながら綿布等で摩擦す
る方法や、同様に基板を回軒させながら真空斜方蒸着法
により行なうことがでさる。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１４常光に相当する焦、く距離の二つ
の焦、６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、く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の開に液晶分子の配向の方
向が液晶セルの内部で９０度ねじれているツィステッド
ネマティック（ＴＮＩ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Ｖ見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討する値
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によってその偏光方向が９０度
何回転るため、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ではみが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によってその偏
光方向が９０度何回転るためレンズ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。従って、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ｉ！！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
点距離を可変でさ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
のネマティック液晶であるシアノペンチルビフェニル（
ＣＰＢ）及び焦ｉ語離が−７，６ｃｍである凹レンズ形
の７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、く距離を１５Ｃ−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
可変体、αレンズを構成することができる。

〔発明の効果〕

以上、本発明においては数ボルト程度の低電圧で作動し
、消費電力の極めて少ない液晶セルを用いて分子配向特
性の均一な可変焦点レンズを構成しており、集積回路素
子と直結でき、薄形軽量であり、又偏光板を使用してい
ないので明ろいレンＸとなるので、通常の［競レンズと
して使用することが可能であり、又他の光学素子への応
用ももちろん可能である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例と、その動作Ｗ１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１ｗ４３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６しれ易いこ
とを示したものである。ｔＩ４４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［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
によろ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′ｌｌ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１
０・・・放射状の分子配向をとる液晶によるレンズ図面
の浄書（内容に変更、なし） 第１図 第２図　　　第３図 第４図　　　　　第５図 第６図　　　　　第７図 手続補正書（自発） 昭和６０年１月１８日 昭和５９年特許願第２０１３９２号 ２）　発明の名称 可変焦点液晶レンズ ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 秋田県横手市金沢中野字蛭沢７９４番地の１株式会社ノ
エス 代表取締役　石　井　陛　光 ４、代理人 〒１１１（電）８６２−４９７７（代）東京都台東区蔵
前３丁目１番４号 パンダイ蔵前ビル２階

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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同一の特性を有する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
   合わせた構造の可変焦点液晶レンズ。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の液晶分子を同心円状
   に配向させたレンズの形状をした液晶セルと該液晶セル
   と同じ形状で液晶分子を放射状に配向させた液晶セルと
   を重ね合わせ、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て液晶の屈折率を連続的に変化さ
   せるようにした可変焦点液晶レンズ。