JPS62169116A - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は焦点距離可変の液晶レンズ、詳しくは焦点距
離の可変調整と光量調整とを同時に行える液晶レンズに
関する。

［従来の技術］ 液晶の複屈折現象を利用して焦点距離の可変なレンズと
する考えは、既に例えば特開昭５２−３２３４８号公報
、特開昭５４−９９６５４号公報および特公昭５ｇ−５
０３３９号公報などに見られる。このような従来の液晶
を用いたレンズ（以下、液晶レンズという。）の−例を
第３図および第４図の断面図と平面図を用いて説明する
。

球面凹レンズ２１と平板ガラス２２にそれぞれ透明導電
層２３および２４を設け、これらを絶縁層２５を介して
貼り合わせたときに形成される空間に液晶２６を封入し
て液晶レンズ２０は構成されている。上記透明導電層２
３と２４間には交流電源２７からの交流電圧が可変調整
自在に印加されるようになっている。また、この交流電
圧を印加していないときにおいても、ある特定方向に液
晶分子がそろうように配向処理が施されており、図面中
では液晶分子はホモジニアス配向となっている。

この液晶レンズ２０に電圧を印加すると、液晶レンズ２
０中の液晶２６の分子は電界方向に分子の長軸方向をそ
ろえるように回転する（液晶の誘電異方性が正の液晶の
場合）。ここで、第４図中矢印ｎで示す液晶分子のディ
レクターを有する液晶レンズ２０に、第５図に示すよう
に偏光板２８を組み合わせ、液晶レンズ２０に対して異
常光のみを入射させることができるように構成すると、
液晶レンズ２０内の液晶分子が上記印加電圧の可変によ
り回転していくにつれ、液晶２６の屈折率が異常光線に
対する屈折率ｎ　から常光線に対すθ る屈折率ｎ　の間で変化していく。従って、焦点距離を
ｆ、屈折率をｎ、レンズ両面の曲率半径をと表わすこと
ができるので、屈折率ｎを変化させることによって、レ
ンズの焦点距離を変化させることができることになる。

このように液晶レンズを用いれば通常のレンズのような
レンズ群の位置的な移動が少ない、あるいは無くても焦
点合わせができるための各種装置への応用が検討されて
いる。

例えば、ロボットの目としてフォトセンサー。

イメージセンサ−等と組み合せることにより光センサー
としようというのもその一つである。

また、第６図に示すように、分子の長袖方向と短軸方向
で可視光の吸収に異方性をもつ二色性染料（ゲスト）３
１を一定配列の液晶（ホスト）３２に溶解すると、一般
に棒状の形状をしている二色性染料３１は液晶分子と平
行に配列する。したがって、ホストの液晶分子配列を電
場で変化させることにより、ゲストの二色性染料３１の
分子配列も連動的に変化させることができるので、染料
３１の可視光吸収量を電気的に制御できる。このような
電気光学効果がゲスト・ホスト効果として知られている
。このような液晶を使用したセルに１個の偏光子３３を
組み合せることによって、電圧の無印加時と印加時の吸
光度を変えることができる。すなわち、二色性染料とし
て分子長軸方向に光吸収の遷移モーメントを持つＰ形二
色性染料を用いると、無印加時の場合には第６図（Ａ）
のように偏光板３３からの白色直線偏光の振動方向と染
料３１の光吸収軸とが一致するため、光吸収が生じて透
過光は着色したものとなる。一方、電圧印加の場合には
、第６図（Ｂ）のように直線偏光の振動方向が染料３１
の光吸収軸に直交するため、原理的には光吸収が起らず
透過光はほとんど着色しない。また、分子短軸方向に遷
移モーメントを持つｎ形二色性染料を用いれば、これと
は逆の着色作用が起ることが知られている。

［発明が解決しようとする問題点Ｊ 従来の技術において、例えば対象物として点光源を考え
てみると、液晶レンズあるいはその後方に位置するフォ
トセンサー側に入射する光の単位面積当りの光量は、対
象物と液晶レンズ間の距離の２乗に比例して少なくなる
。このため、液晶レンズの焦点可変範囲を広く取れば取
る程、液晶レンズ後方に位置するフォトセンサーおよび
その信号処理回路には、広いダイナミックレンジを持つ
ことが要求され、価格の高いセンサーや複雑な処理回路
が必要となり、全体のコストを上げることになっていた
。

また、液晶レンズは眼鏡への応用も考えられるが、上記
と同様なことが起こるため人間の眼の視感度の限界から
遠くの物体を見るとき、明るければ物体が見えるのに薄
暗いと見え難い。反対に近くの物体を見るときは、照明
が不適正であるとまぶしいと感じることさえある。

特に、この様なことは、焦点調節能力とともに光量調節
能力をも失ってしまった眼に疾患をもつ人にとって非常
に切実な問題である。

さらに、特殊な労働環境下、例えば遠くにある物体が非
常に強力な発光体であり、それと手許の測定器の表示部
との間で視線を往復させる作業を行なうような場合、光
量を減するための着色部材を別に設け、発光体に視線を
向ける度にこの着色部材を使用しなければならないとい
う不便があった。

この発明は、これらの問題点に着目してなされたもので
、液晶レンズの焦点距離の調節に作ってこのレンズ透過
光量を２Ｊ４ｉするようにした液晶レンズを提供するこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段および作１１０この発明
に基づ（液晶レンズでは、レンズ形状ををする液晶セル
に、二色性染料を溶解したゲスト・ホスト効果を有する
液晶を封入している。この構成により、焦点調節を行な
うために液晶セルに印加する印加電圧を変化させること
により、この印加電圧の変化による液晶分子の配向の変
化に伴って、液晶分子の長袖方向と短軸方向とで可視光
の吸収に異方性を持つ二色性染料の分子配列も連動的に
変化させることができる。したがって、液晶レンズの焦
点調節に伴って、この液晶レンズの透過光量の調節が自
動的に連動して行なわれる。

［実　施　例］ 以下、この発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は、電圧印加時における液晶レンズ１を模式的に
拡大して示した断面図である。この液晶レンズ１は透明
材質の球面凹レンズ２と平板ガラス３にそれぞれ透明導
電層の電極４．５を設け、これらを絶縁体のスペーサ６
を介して貼り合せて形成される空間（セル）に、分子の
長軸方向と短軸方向で可視光の吸収に異方性を有する二
色性染料９を一定配列の液晶８に溶解したものを封入す
る。

この二色性染料としては、アントラキノン系。

メロシアニン系、スチリル系、アゾ系およびテトラジン
系染料などが使用される。特にアントラキノン系の染料
は耐光性などの安定性に優れている。

また、通常のディスプレイ用ゲスト・ホストセルにはネ
マティック、コレステリックの各液晶が使用されるが、
本発明の液晶レンズに使われる液晶としては水平方向に
ネマティック液晶が好適に選択され、図中ではＰＷのネ
マティック液晶にホモジニアス配向が施されている。

このように構成された液晶レンズ１においては、電圧印
加時において液晶８の液晶分子は光軸方向に平行であり
、その屈折率は最小となっている。

また、染料９の染料分子もそれに伴って光軸方向に平行
になっている。今、第１図のように、この液晶レンズ１
の入射側に垂直方向に偏光軸を有する偏光板１０を組み
合せて使用すると、この偏光板１０からの直線偏光の振
動方向と染料９の光吸収軸とが直交するために液晶レン
ズ１では光吸収が起らず、透過光量は無色で最大になる
。

したがって、遠距離物体をこの液晶レンズ１を使って見
る場合のように、液晶レンズ１のパワーが最小のときに
無色で透過光量が最大の液晶レンズが得られる。

次に、外部電源７からの交流電圧を液晶レンズ１に加え
なかった場合、第２図に示すように液晶８の液晶分子は
その長軸方向が初期の配向に従い、平板ガラスに平行と
なるようにもどる。これに伴って染料９も初期の配向方
向に回転する。したがって、この場合は、偏光板１０か
らの直線偏光の振動方向と染料９の光吸収軸とが一致す
るようになり、射出光は光吸収が生じて芒色されたもの
となり透過光量の減光の働きが起る。そして、この場合
に液晶レンズ１内の液晶８の液晶分子は光軸に対して垂
直方向にその長軸方向が向っているので、屈折率が最大
になり、液晶レンズ１のパワーは最大となる。このため
この液晶レンズ１を使って近距離物体に対する焦点調節
がなされるとともに、透過光量も着色して減光され、適
切光量のレンズ作用を行なうことになる。

このような液晶レンズ１をロボットのセンサーとして感
度がリニアな光検出索子１２の前面に配置した場合、対
象物体１３．１３’　までの距離の遠近の差により異な
っていた入射光量の差に対して、第７図（＾）に示すよ
うに、入射光量の多くなる近距離物体１３に焦点を合せ
たときには、焦点合わせと同時に減光効果を示すことに
なる。一方、第７図（Ｂ）に示すように、入射光量の少
ない遠距離物体１３′に焦点合わせたときにはその少な
い入射光を有効に利用するために減光効果をなくすとい
ったようにフィルター作用を合せてさせることが可能で
ある。この結果、この発明の液晶レンズ後方に配置され
るリニアな光感度特性ををする光検出索子１２およびそ
の後段の処理回路１４における光感度のダイナミックレ
ンジが狭くても、広い範囲の物体光に対応することがで
きるため、光検出索子１２および処理回路１４に要求さ
れる仕様レベルを下げることが可能となり、装置コスト
の低下を図ることができる。

また、第８図に示すように、本発明の液晶レンズ１を眼
鏡１５に応用した場合には、近くの物体と遠くの物体を
見るときに焦点距離の調節とともに自動的に透過光量が
変る焦点可変の液晶眼鏡とすることができる。そして、
このとき使用する色素は眼にやさしい色の色素を任意に
選択することが可能である。

また、以上はＰ型染材をＰ型ネマティック液晶に溶解さ
せた場合であるが、ｎ型染料を溶解すれば同様な機構に
より距離に対する光量変化が逆のフィルター作用をする
液晶レンズとすることができる。

したがって、特殊な労働環境下、例えば遠くにある物体
が非常に強力な発光体であり、それと手許の測定器の表
示部との間で視線を往復させる作業を行なう場合に、こ
のｎ！染料によるゲスト・ホスト効果ををする液晶眼鏡
を用いることにより、別に着色部材を設ける必要もなく
、また、焦点調整のための操作以外の別の操作とを何ら
必要とせずに適切な光量調整がなされる。

［発明の効果］ 上記のように、この発明の焦点距離可変の液晶レンズは
焦点距離の可変調節とともに光量調節も同時に行なえる
ので、光ｆ′ｉＬ調節の伴った焦点距離可変の液晶レン
ズとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の一実施例を示す可変焦
点液晶レンズの動作状態を示す模式的断面図、 第３図および第４図は、従来の液晶レンズの側断面図お
よび平断面図、 第５図は、液晶レンズと偏光板とを組み合せた斜視図、 第６図（Ａ）　、　（Ｂ）は、ゲスト・ホスト効果を説
明するための斜視図、 第７図（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の液晶レンズをロボッ
トのセンサーとして使用した場合の説明図、第８図は、
本発明の液晶レンズを可変焦点眼鏡としたときの斜視図
である。 １・・・・・・・・・可変焦点液晶レンズ８・・・・・
・・・・液晶 ９・・・・・・・・・二色性染料 第５回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 液晶の複屈折現象を利用した可変焦点液晶レンズにおい
   て、 液晶に二色性染料を溶解したゲスト・ホスト効果を有す
   るものを使用したことを特徴とする可変焦点液晶レンズ
   。