JPS62129814A - 焦点距離可変液晶レンズ - Google Patents

焦点距離可変液晶レンズ

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JPS62129814A
JPS62129814A JP27012385A JP27012385A JPS62129814A JP S62129814 A JPS62129814 A JP S62129814A JP 27012385 A JP27012385 A JP 27012385A JP 27012385 A JP27012385 A JP 27012385A JP S62129814 A JPS62129814 A JP S62129814A
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JP
Japan
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liquid crystal
lens
refractive index
focal length
crystal cell
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JP27012385A
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Susumu Sato
進 佐藤
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JIESU KK
Original Assignee
JIESU KK
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/12Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

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〕 本発明は焦点距離可変液晶レンズに係り、特に印加電圧
等を変化させることにより凹レンズおよび凸レンズのい
ずれにもなるように焦点距離が変化される焦点距離可変
液晶レンズに関するものである。
〔従来の技術〕
白内障などの眼の疾病により眼球の水晶体が摘出されて
しまった場合に、従来の焦、直距離が固定のレンズを用
いたIll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Il[l鏡を用意してそれぞれの情況に応
じて使い分ける必要があり、実生活において多大なる不
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Ill鏡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るズームレンズと
呼ばれる可変焦、ζχレンズの焦、l、’7.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
同士の間隔を変化させることによって行なっている。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
できる焦点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、幅が約数への細長い棒状
分子枯造をもっており、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間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r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6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が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るため、
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。っホリ、
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。すなわち、液晶
分子を適宜の方向に配向させたレンズの形状を有する基
板の間に誘電異方性が正の液晶を封入し、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、液晶レンズの焦点距離を
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、は距離の
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
による焦点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〕
しかしながら、従来の液晶レンズでは、焦点距離を変化
させることができるが、印加電圧を変化させるだけで凹
レンズと凸レンズを切り換えたり、凹レンズおよび凸レ
ンズのいずれにも焦点距離を変化させながら連続的に切
り換えることができなかった。特に液晶レンズをメガネ
に応用した場合において、たとえば老視用メガネでは遠
方を見る時tこは凹レンズにより視力を矯正し、近方を
見る時には凸レンズにより視力を矯正する必要がある。
しかし、従来の液晶レンズでは一個のレンズで凹レンズ
と凸レンズとを共用することができず、遠用メガネと近
用メガネの二1fIMのメガネを携帯しなければならず
極めて不便であった。なお、一般に使用されるガラス等
の眼鏡レンズには、遠用と近用の屈折率を有する二重焦
点レンズや、レンズ面を非球面に研摩して焦点距離を連
続的に変化させた多重焦点レンズ(オムニ7オカルレン
ズ)がある。しかしながら、二重焦点レンズは遠用部と
近用部の境界が目立つうえ、像のジャンプが避けられな
い問題点があり、オムニ7オカルレンズは非球面の研摩
に手間ががかりコスト高となる問題点があった。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記の問題点に鑑み案出されたもので、液晶分
子を適宜の方向に配向させたレンズの形状を有する液晶
セルに外部より電界又は磁界を印加して該液晶分子の配
向状態を制御し、液晶の屈折率を段階的又は連続的に変
化させるようにしだ液晶レンズにおいて、前記液晶セル
を構成する基板がその屈折率を前記液晶の常光線に対す
る屈折率よりも大きく、異常光線に対する屈折率よりも
小さい値をとる材料から形成されており、前記電界又は
磁界を変化させることにより、前記液晶レンズが凹レン
ズおよび凸レンズのいずれにもなるように焦点距離が変
化されることを特徴とするものである。そして、液晶セ
ルを構成する基板の一方が7レネルレンズ枯遺であって
もよく、さらに、TN液晶を使用することもできる。
〔作用〕
本発明は液晶セルを構成する基板がその屈折率を液晶の
常光線に対する屈!R率よりも大きく、異常光線に対す
る屈折率よりも小さい値をとる材料から形成されている
ので、印加電圧又は磁界を変化させることにより、液晶
レンズが凹レンズおよび凸レンズのいずれにもなるよう
に焦点距離が変化されるものである。特に液晶セルを構
成する基板の少なくとも一方が7レネルレンズ構造であ
ってもよく、さらにTN液晶を使用してもよい。これら
の場合は液晶層の厚みを実効的に薄(することができ、
さらに特性の優れた液晶レンズを提供することができる
〔実施例〕
本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、Pt51
図は本実施例の構成を示す図であり、液晶セル本体1は
、液晶2と、この液晶を挟んで対向する透明電極を付け
た基板(以下、基板という)3゜3と、この基板3,3
の間には該基板間を電気的に絶縁するとともに11fj
記液晶が外部に漏洩するのを防止するための絶縁スペー
サ4とからなっている。そして、前記透明電極には、液
晶2に電界を印加するための印加手段5が接続されてい
る。本実施例においては、一方の基板3が凹レンズを形
成しており、液晶セル1に封入された液晶2はそれ自体
が凸レンズの形状になっている。
次に#&2図に基づいて、本液晶セル1の焦、ζ距離を
計算することにする。ここで、基板3の凹レンズの屈折
率をnlとし、その曲率半径をR5とする。
また液晶2で形成された凸レンズの屈折率は印加電圧の
関数でるからn(v)とし、その曲率半径をR2とする
ところで、平凸レンズ又は平凹レンズの焦点距離は屈折
率と曲率半径により次式で表わされる。
ただし、凸レンズでは正となり、凹レンズでは負となる
。。
そこで、基板3の凹レンズ(焦、α距離計、)と液晶2
で形成された凸レンズ’(焦点距離「2)の合成焦点距
離を計算すると下記の様になる。
合成焦点距離「は、 で表わされ、第2図よりR=R,=R2であり。基板3
のレンズは凹レンズであるからr、は負となるので、(
1)式を(2)式に代入すると合成焦点距離「は、n(
v)  Ill となる。つまり、n(v)は、印加電圧により異常光に
対応する屈折率+11と常光に対応する屈折率n。の聞
で変化することができるので(no≦n(v)≦ne)
液晶2の屈折率と合成焦点距離との関係は第3図の様に
なる。すなわち、液晶2の屈折率が10となる様な電圧
から、基板3の屈折率であるnlと等しくなる様な電圧
(■→■)まで変化させると焦点距離は負となる。また
液晶2の屈折率が【11となる様な電圧か呟n(どなる
様な電圧(■→■)まで変化させると焦ノ基距離が正と
なる。従って液晶セル1に対する印加電圧が■から■の
間では、この液晶レンズは凹レンズとなり、印加電圧が
■から■の間では凸レンズとなる。従って基板3の屈折
率n。
を、異常光に対応する屈折率n、と常光に対応する屈折
率の開に設定(すなわち、基板3を該当する材料で製作
する)rれば、本液晶レンズは凸レンズにも凹レンズに
も変化させることができる。なお、液晶2の屈折率が1
1.となる様な電圧を印加すれば、液晶レンズの焦点距
離は無限大となり度なしレンズとなる。
次に第4図は合成焦点距離rの逆数を示すものである6
第3図と同様の現象が理解される。従って、本実施例を
メガネレンズに適用した場合には、遠近両用のメがネが
実現される。
また゛、基板3の焦点距離等を定めるために少なくとも
一方の基板3が、液晶2に対して内面が曲面構造となっ
ていてもよく、更に7レネルレンズ構造でもよい。そし
て、少なくとも一方の基板3が両凸レンズ状又は両凹レ
ンズ状にしてもよい。
また、TN液晶からなる液晶セルを用いれば液晶分子の
配列が良好となるため、特性のよい液晶レンズを提供で
きる。そして液晶分子の配向方向は同心円状、放射状、
又は平行状等いずれでもよいが、1枚のレンズで可変焦
、αを行なうためには、例えば同心円状配向の場合では
同心円状の偏光特性を有する偏光板と組み合わせる必要
があり、同様に放射状配向の場合では放射状の偏光特性
を有する偏光板と組み合わせる必要がある。
なお、本発明はメガネレンズに限定されることなく、一
般尤学槻器にも適用できる事はもちろんである。
〔効果〕
以上の様に構成された本発明は、液晶セルを構成する基
板がその屈折率を液晶の常光線に対する屈折率より大き
く、異常光線に対する屈折率よりも小さい値をとる材料
から形成されているので、印加電圧又は磁界を変化させ
ることにより、液晶レンズが凹レンズ及び凸レンズのい
ずれにもなるように焦、α距離を変化させることができ
る。従つて、本発明は1個のレンズで凹レンズと凸レン
ズを共用することができ、焦点距離を変化させることも
でさるうえ、研摩等が容易なのでコスFが安いという卓
越した効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本実施例の構成を示す図であり、ttS2図、
第3図、tjS4図は、本液晶レンズの合成焦点距離を
示すための図である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)液晶分子を適宜の方向に配向させたレンズの形状
    を有する液晶セルに外部より電界又は磁界を印加して該
    液晶分子の配向状態を制御し、液晶の屈折率を段階的又
    は連続的に変化させるようにした液晶レンズにおいて、
    前記液晶セルを構成する基板がその屈折率を前記液晶の
    常光線に対する屈折率よりも大きく、異常光線に対する
    屈折率よりも小さい値をとる材料から形成されており、
    前記電界又は磁界を変化させることにより、前記液晶レ
    ンズが凹レンズおよび凸レンズのいずれにもなるように
    焦点距離が変化されることを特徴とする焦点距離可変液
    晶レンズ。
  2. (2)液晶セルを構成する基板の少なくとも一方が、液
    晶に対して内面が曲面構造となっている特許請求の範囲
    第1項記載の焦点距離可変液晶レンズ。
  3. (3)液晶セルを構成する基板の少なくとも一方がフレ
    ネルレンズ構造となっている特許請求の範囲第1項記載
    の焦点距離可変液晶レンズ。
  4. (4)液晶セルを構成する基板の少なくとも一方が両凸
    レンズ状又は両凹レンズ状となっている特許請求の範囲
    第1項記載の焦点距離可変液晶レンズ。
  5. (5)液晶セルがTN液晶よりなる特許請求の範囲第1
    〜4項のいずれか1項記載の焦点距離可変液晶レンズ。
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Cited By (3)

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