TWI550330B

TWI550330B - Liquid crystal lens and liquid crystal lens unit

Info

Publication number: TWI550330B
Application number: TW102103573A
Authority: TW
Inventors: Masaaki Kadomi; Hirokazu Tanaka; Masanori Wada; Takasi Akimoto
Original assignee: Nippon Electric Glass Co
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2016-09-21
Also published as: KR20140125768A; US20140368776A1; US9405167B2; WO2013114933A1; TW201337422A; CN104081260B; CN104081260A

Description

液晶透鏡及液晶透鏡用單元

本發明係關於液晶透鏡及液晶透鏡用單元。

先前提案有折射率可變之液晶透鏡。例如，在具有1層之液晶層之液晶透鏡中，通常僅折射特定之偏光，而未折射其他偏光。因此，必需將配光板配置於液晶透鏡之前方，且僅藉由液晶層折射之特定之偏光入射至液晶層。因此，存在光量損失較大之問題。

鑒於此種問題，例如在專利文獻1中，提案有藉由使第1液晶透鏡與第2液晶透鏡以彼此之定向方向在垂直面內與光軸正交之方式而配置，獲得無需偏光板之液晶透鏡。

又，專利文獻1內提案有在第1液晶透鏡及第2液晶透鏡中，使像面側之液晶透鏡之焦點距離比物體側之液晶透鏡之焦點距離更短。藉此，專利文獻1中記述有抑制例如P偏光與S偏光之成像位置之偏差，從而獲得優異之成像性能之要旨。

〔先前技術文獻〕〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本專利特開2010-107686號公報

近年來，有進而想要改善液晶透鏡之成像性能之期望。

本發明之主要目的在於提供一種具有優異之成像性能之液晶透鏡。

本發明之液晶透鏡具備於光軸上依序配置之第1液晶層、第2液晶層、第3液晶層、及第4液晶層。第1液晶層之定向方向、與第2液晶層之定向方向在與光軸垂直之面內相差90°。第1液晶層之定向方向、與第4液晶層之定向方向在與光軸垂直之面內相差180°。第2液晶層之定向方向、與第3液晶層之定向方向在與光軸垂直之面內相差180°。

較好的是，第1液晶層及第4液晶層之對於第1偏光方向之入射光之合成焦點距離，與第2液晶層及第3液晶層之對於第2偏光方向之入射光之合成焦點距離相等。

本發明之液晶透鏡亦可進而具備夾持第1~第4液晶層，且對第1~第4液晶層施加電場之第1電極及第2電極。

可行的是，本發明之液晶透鏡進而具備：第1電極及第2電極，該等係夾持第1及第2液晶層，且對第1及第2液晶層施加電場；及第3電極及第4電極，該等係夾持第3及第4液晶層，且對第3及第4液晶層施加電場。

可行的是，第1及第4液晶層中之位於光軸之一側之液晶層比位於另一側之液晶層薄，且第2及第3液晶層中之位於光軸之一側之液晶層比位於另一側之液晶層薄。

又，可行的是，第1及第4液晶層中之位於光軸之一側之液晶層中之液晶分子之預傾角比位於另一側之液晶層中之液晶分子之預傾角小，且第2及第3液晶層中之位於光軸之一側之液晶層中之液晶分子之預傾角比位於另一側之液晶層中之液晶分子之預傾角小。

本發明之液晶透鏡用單元係以沿一個方向依序設置有注入液晶之第1內部空間、注入液晶之第2內部空間、注入液晶之第3內部空間、及注入液晶之第4內部空間。本發明之液晶透鏡用單元具備：第1 定向膜、第2定向膜、第3定向膜、及第4定向膜。第1定向膜係以面對第1內部空間之方式設置。第2定向膜係以面對第2內部空間之方式設置。第3定向膜係以面對第3內部空間之方式設置。第4定向膜係以面對第4內部空間之方式設置。第1~第4定向膜係在液晶被注入第1~第4之內部空間各者時，以使第1液晶層之定向方向與第2液晶層之定向方向在與光軸垂直之面內相差90°，第1液晶層之定向方向與第4液晶層之定向方向在與光軸垂直之面內相差180°，第2液晶層之定向方向與第3液晶層之定向方向在與光軸垂直之面內相差180°之方式而設置。

根據本發明，可提供具有優異成像性能之液晶透鏡。

1‧‧‧液晶透鏡

2‧‧‧液晶透鏡

3‧‧‧液晶透鏡

11‧‧‧第1液晶層

12‧‧‧第2液晶層

13‧‧‧第3液晶層

14‧‧‧第4液晶層

20‧‧‧液晶透鏡用單元

21‧‧‧第1電極

21a‧‧‧第1部分

21b‧‧‧第2部分

22‧‧‧第2電極

23a‧‧‧第1電極

23b‧‧‧第2電極

31‧‧‧第1基板

31a‧‧‧第1基板之表面

32‧‧‧第2基板

32a‧‧‧第2基板之表面

33‧‧‧中間基板

34‧‧‧中間基板

35‧‧‧中間基板

36‧‧‧隔離壁構件

37‧‧‧隔離壁構件

38‧‧‧隔離壁構件

39‧‧‧隔離壁構件

41‧‧‧第1光學構件

42‧‧‧第2光學構件

51‧‧‧內部空間

51a‧‧‧第1定向膜

51b‧‧‧第1定向膜

52‧‧‧內部空間

52a‧‧‧第2定向膜

52b‧‧‧第2定向膜

53‧‧‧內部空間

53a‧‧‧第3定向膜

53b‧‧‧第3定向膜

54‧‧‧內部空間

54a‧‧‧第4定向膜

54b‧‧‧第4定向膜

圖1係第1實施形態之液晶透鏡之簡略之剖視圖。

圖2係第1實施形態中第1電極之簡略之俯視圖。

圖3係第1參考例之液晶透鏡之簡略之剖視圖。

圖4係第2實施形態之液晶透鏡之簡略之剖視圖。

圖5係第3實施形態之液晶透鏡之簡略之剖視圖。

圖6係第1變化例之液晶透鏡之簡略之剖視圖。

圖7係第2變化例之液晶透鏡之簡略之剖視圖。

以下，說明實施本發明之較好之形態之一例。其中，下述實施形態係僅為例示者。本發明並非限定於下述任意之實施形態。

又，在參照實施形態等之各圖式中，具有實質性相同之功能之構件係以相同編號加以參照。又，實施形態中參照之圖式係被模式化記述者，圖式所描繪之物體之尺寸之比例等存在與現實物體之尺寸比例等不同之情形。在圖式彼此間，亦存在物體尺寸比例等不同之情形。具體之物體尺寸比例等應參酌以下說明而加以判斷。

(第1實施形態)

圖1係第1實施形態相關之液晶透鏡1之簡略之剖視圖。液晶透鏡1具備：單元20；及第1~第4液晶層11~14，該等包含設置於單元20內之液晶分子。第1~第4液晶層11~14係按該順序配置於光軸C上。該等第1~第4液晶層11~14係藉由第1及第2電極21、22夾持。藉由第1及第2電極21、22，將電場施加於第1~第4液晶層11~14，且藉由該等使液晶透鏡1之折射率變化。另，光軸C係作為液晶透鏡1整體之光軸，第1~第4液晶層11~14各者之光軸未必與光軸C一致。

更具體而言，液晶透鏡1係具有以彼此對向之方式配置之第1基板31與第2基板32。於第1基板31與第2基板32之間，配置有3片之中間基板33~35。在藉由該等3片之中間基板33~35、第1及第2基板31、32、與隔離壁構件36~39而區劃形成之4個空間內，設置有第1~第4液晶層11~14。藉由3片之中間基板33~35、第1及第2基板31、32、與隔離壁構件36~39而構成液晶透鏡用單元20。第1基板31與中間基板33之間，形成第1內部空間51。中間基板33與中間基板34之間，形成第2內部空間52。中間基板34與中間基板35之間，形成第3內部空間53。中間基板35與第2基板32之間，形成第4內部空間54。用以將液晶注入內部空間51~54之液晶注入孔可設置於基板31~35，亦可設置於隔離壁構件36~39。藉由於中間基板33~35設置貫通孔，而連通第1~第4內部空間51~54亦可。即，第1~第4液晶層11~14連通亦可。該情形時，可抑制發生第1~第4液晶層11~14中之壓力不均。

進而具體而言，在藉由第1基板31、以對向於第1基板31之方式配置之中間基板33、及隔離壁構件36而區劃形成之大致圓柱狀之空間內(第1內部空間51)，設置第1液晶層11。

第1基板31、中間基板33、及隔離壁構件36例如可由玻璃構成。第2基板32、中間基板34、35及隔離壁構件37~39亦同樣可由玻璃構成。

第1基板31及第2基板32之厚度例如可設為0.1 mm~1 mm左右。中間基板33~35之厚度例如可設為3 μm~80 μm左右。隔離壁構件36~39之厚度係可因應於藉由所欲獲得之光學功率而決定之第1~第4液晶層11~14之厚度、或於第1~第4液晶層11~14所要求之應答速度等而適當設定。隔離壁構件36~39之厚度例如可設為1 μm~80 μm左右。

在第1基板31之第1液晶層11側之表面31a上，配置有第1電極21。第1電極21之形狀並非特別限定。本實施形態中，如圖2所示，第1電極21具有：圓形之第1部分21a、及包圍第1部分21a之第2部分21b。第1電極21例如可藉由銦錫氧化物(ITO)等之透明導電性氧化物而構成。

另，雖省略圖示，但本實施形態中，於第1基板31之表面31a上，絕緣膜係以覆蓋第1電極21之方式而配置。絕緣膜係藉由高電阻膜來覆蓋。高電阻膜係藉由面向第1內部空間51之第1定向膜51a而覆蓋。此外，中間基板33之第1液晶層11側之表面上，亦配置有面向第1內部空間51之第1定向膜51b。藉由該等定向膜51a、51b，進行第1液晶層11中之液晶分子之定向。然而，絕緣膜或高電阻膜等於本發明中並非必需。

另，絕緣膜可例如藉由氧化矽等構成。高電阻膜可例如藉由氧化鋅等構成。定向膜可例如藉由摩擦處理後之聚醯亞胺膜等構成。在本實施形態中出現之其他絕緣膜、高電阻膜、定向膜亦可藉由相同之材料而構成。

在藉由中間基板33、以對向於中間基板33之方式配置之中間基板34、與隔離壁構件37而區劃形成之大致圓柱狀之空間內(第2內部空間52)，設置有第2液晶層12。

另，在中間基板33、34之各者之第2液晶層12側之表面上，配置有面向第2內部空間52之第2定向膜52a、52b。藉由該等之第2定向膜 52a、52b，進行第2液晶層12中之液晶分子之定向。

在藉由中間基板34、以對向於中間基板34之方式配置之中間基板35、及藉由隔離壁構件38而區劃形成之大致圓柱狀之空間內(第3內部空間53)，設置有第3液晶層13。

另，在中間基板34、35之各者之第3液晶層13側之表面上，設置有面向第3內部空間53之第3定向膜53a、53b。藉由該等第3定向膜53a、53b，進行第3液晶層13中之液晶分子之定向。

在藉由中間基板35、以對向於中間基板35之方式配置之第2基板32、及隔離壁構件39而區劃形成之大致圓柱狀之空間內(第4內部空間54)，設置有第4液晶層14。

於第2基板32之第4液晶層14側之表面32a上，設置有第2電極22。第2電極22係以對向於第1電極21之第1及第2部分21a、21b之方式，設置成面狀。第2電極22係配置於設置有表面32a之液晶層11~14之區域之實質性整體上。在表面32a上覆蓋第2電極22，且以面向第4內部空間54之方式設置有第4定向膜54b。又，中間基板35之第4液晶層14側之表面上，亦設置有面向第4內部空間54之第4定向膜54a。藉由該等第4定向膜54a、54b，進行第4液晶層14中液晶分子之定向。

液晶透鏡1中，第1液晶層11之定向方向與第2液晶層12之定向方向係在與光軸C垂直之面內相差90°。第1液晶層11之定向方向與第4液晶層14之定向方向係在與光軸C垂直之面內相差180°。第2液晶層12之定向方向與第3液晶層13之定向方向係在與光軸C垂直之面內相差180°。

例如，在第1及第4液晶層11、14之各者對於P偏光之入射光具有光線偏光作用之情形時，第2及第3液晶層12、13之各者對於S偏光之入射光具有光線偏光作用。相反，例如，在第1及第4之液晶層11、14之各者對於S偏光之入射光具有光線偏光作用之情形時，第2及第3之液晶層12、13之各者對於P偏光之入射光，具有光線偏光作用。如此，在液晶透鏡1中，例如將針對P偏光及S偏光中一偏光之入射光具有光線偏光作用之2個液晶層11、14，配置於光軸C方向之兩側，且該等2個液晶層11、14間，配置有針對P偏光及S偏光中另一偏光之入射光具有光線偏光作用之2個液晶層12、13。接著，在4個液晶層11~14中，以使對於相同偏光具有光線偏光作用之2個液晶層，在與光軸C垂直之面內中，定向方向相差180°。

然而，例如在僅具有一個液晶層之液晶透鏡中，必需以不使該液晶層具有光線偏光作用之偏光以外之光入射至液晶層之方式，將偏光板配置於液晶透鏡之前方。因此，光量損失變大。

與之相對，如圖3所示，例如，具備針對P偏光之入射光而具有光線偏光作用之第1液晶層111、與針對S偏光之入射光具有光線偏光作用之第2液晶層112之液晶透鏡100係無需偏光板。因而，可抑制光量損失。

然而，若第1液晶層111之光學功率與第2液晶層112之光學功率相等，則針對P偏光之入射光之第1液晶層111之焦點位置、與針對S偏光之入射光之第2液晶層112之焦點位置係在光軸方向中不同。從而，因P偏光與S偏光聚光於光軸方向中不同之位置上，故未獲得足夠之成像性能。

例如，亦考慮藉由使第2液晶層112比第1液晶層111更厚，且令針對S偏光之入射光之第2液晶層112之光學功率比針對P偏光之入射光之第1液晶層111之光學功率更強，而匹配針對P偏光之入射光之第1液晶層111之焦點位置、與針對S偏光之入射光之第2液晶層112之焦點位置。該技術中，例如可在第1及第2液晶層111、112之折射率為特定折射率之情形時，匹配P偏光之焦點位置與S偏光之焦點位置。然而，難以忽視第1液晶層111及第2液晶層112之折射率而使P偏光之焦點位置與S偏光之焦點位置匹配。因此，雖然液晶透鏡100中，在特定之折射率時獲得優異之成像性能，但難以在其以外之折射率時獲得優異之成像性能。

又，在液晶透鏡100中，配置於第1液晶層111之兩側之定向膜之摩擦方向、與配置於第2液晶層112之兩側之定向膜之摩擦方向係正交。此處，將配置於第1液晶層111之兩側之定向膜之摩擦方向作為x方向，且將配置於第2液晶層112之兩側之定向膜之摩擦方向作為y方向。藉此，第1液晶層111之焦點係由自第1及第2液晶層111、112之z方向觀察時之幾何學中心偏離至x方向。與此相對，第2液晶層112之焦點係由自第1及第2液晶層111、112之z方向觀察時之幾何學中心偏離至y方向。因此，P偏光之焦點位置與S偏光之焦點位置在相對光軸垂直之面內彼此不同。故，假設即使可使P偏光之焦點位置與S偏光之焦點位置一致，亦不能令P偏光之焦點位置與S偏光之焦點位置一致。從而，未能使液晶透鏡100獲得足夠優異之成像性能。

再者，由第1及第2液晶層111、112之z方向觀察時之幾何學中心、與垂直於z方向之面內之P偏光及S偏光之焦點位置之間之距離亦產生有所謂之與第1或第2液晶層111、112之折射率同時發生變化之問題。

相對於此，在液晶透鏡1中，對於第1偏光方向之入射光具有光線偏光作用之第1及第4液晶層11、14係配置於光軸C方向之兩側，對於第2偏光方向之入射光具有光線偏光作用之第2及第3液晶層12、13係於光軸C方向中，配置於第1液晶層11與第4液晶層14之間。因此，可縮小第1偏光方向之入射光與第2偏光方向之入射光之焦點距離差。從而，可實現優異之成像性能。

根據實現更優異之成像性能之觀點，較好的是，第1液晶層11及第4液晶層14之對於第1偏光方向之入射光之合成焦點距離、與第2液晶層12及第3液晶層13之對於第2偏光方向之入射光之合成焦點距離相等。

此處，所謂第1液晶層及第4液晶層之合成焦點距離、與第2液晶層及第3液晶層之合成焦點距離相等係指第1液晶層及第4液晶層之合成焦點距離、與第2液晶層及第3液晶層之合成焦點距離之差，在第1液晶層及第4液晶層之合成焦點距離、與第2液晶層及第3液晶層之合成焦點距離之平均值之85%~115%之範圍內。

再者，於液晶透鏡1中，設置有相對第1液晶層11，定向方向相差180°之第4液晶層14。相對作為第1液晶層11單體之光軸C而垂直之面內之焦點位置之偏差方向、與相對作為第4液晶層14單體之光軸C而垂直之面內之焦點位置之偏差方向係相差180°。因而，可使相對第1液晶層11之光軸C而垂直之面內之焦點位置之偏差、與相對第4液晶層14之光軸C而垂直之面內之焦點位置之偏差彼此抵消，且令針對作為相對於第1偏光方向之入射光之光軸C而垂直之面內之液晶透鏡1整體之焦點位置之光軸C之偏差量縮小。同樣，在液晶透鏡1中，設置有相對第2液晶層12，定向方向相差180°之第3液晶層13。因此，可使相對第2液晶層12之光軸C而垂直之面內之焦點位置之偏差、與相對第3液晶層13之光軸C而垂直之面內之焦點位置之偏差彼此抵消，且令針對作為相對於第2偏光方向之入射光之光軸C而垂直之面內之液晶透鏡1整體之焦點位置之光軸C之偏差量縮小。從而，可進而獲得優異之成像性能。

然而，將物體(被攝物體)置於相對基板31之側(Z1側)，且於相對基板32之側(Z2側)形成像面之情形時，第1液晶層11係與第4液晶層14相比，位於物體側z1，且自像面分離。因此，第1液晶層11與像面之間之光路長比第4液晶層14與像面間之光路長要長。藉此，若第1液晶層11與第4液晶層14厚度相同，則依據第1液晶層11之光線偏光作用之焦點位置之偏差量與依據位於像面側z2之第4液晶層14之光線偏光作用之焦點位置之偏差量相比變得更大。

根據該觀點，如圖6及圖7所示之液晶透鏡，位於物體側z1之第1液晶層11之厚度較好比位於像面側z2之第4液晶層14之厚度薄。該情形時，依據第1液晶層11之光線偏光作用之焦點位置之偏差量、與依據位於像面側z2之第4液晶層14之光線偏光作用之焦點位置之偏差量之差係變得更小。同樣，位於物體側z1之第2液晶層12之厚度較好比位於像面側z2之第3液晶層13之厚度薄。該情形時，依據第2液晶層12之光線偏光作用之焦點位置之偏差量、與依據位於像面側z2之第3液晶層13之光線偏光作用之焦點位置之偏差量之差係變得更小。因此，可使第1及第4液晶層11、14具有光線偏光作用之偏光之焦點位置、與第2及第3液晶層12、13具有光線偏光作用之偏光之焦點位置之偏差量更小。其結果，可獲得更高之成像性能。

此外，位於物體側z1之第1液晶層11之液晶分子之預傾角較好比位於像面側z2之第4液晶層14之液晶分子之預傾角小。該情形時，依據第1液晶層11之光線偏光作用之焦點位置之偏差量、與依據位於像面側z2之第4液晶層14之光線偏光作用之焦點位置之偏差量之差係變得更小。同樣，位於物體側z1之第2液晶層12之液晶分子之預傾角較好比位於像面側z2之第3液晶層13之液晶分子之預傾角要小。該情形時，依據第2液晶層12之光線偏光作用之焦點位置之偏差量、與依據位於像面側z2之第3液晶層13之光線偏光作用之焦點位置之偏差量之差係變得更小。從而，可使第1及第4之液晶層11、14具有光線偏光作用之偏光之焦點位置、與第2及第3之液晶層12、13具有光線偏光作用之偏光之焦點位置之偏差量更小。其結果，可獲得更高之成像性能。

又，由於藉由第1電極21與第2電極22，於第1~第4液晶層11~14上施加電場，故液晶透鏡1中，在第1電極21與第2電極22之間之電壓發生變化時，令第1液晶層11之光學功率與第4液晶層14之光學功率連動而變化，且使第2液晶層12之光學功率與第3液晶層13之光學功率連動而變化。因此，即使第1~第4液晶層11~14之光學功率變化，相對液晶透鏡1之光軸C而垂直面內之焦點位置亦不易自光軸C偏離。

然而，根據提高液晶透鏡之光學功率之控制自由度之觀點，考慮針對第1~第4液晶層個別地設置施加電場之電極對。但，該情形係藉由某電極對發生之電場之z方向之方向、與藉由其他電極對發生之電場之z方向之方向不同之情形。該情形係對於液晶層，除藉由夾持該液晶層之電極對而發生之電場之影響外，亦附加有藉由其他電極對發生之不同於z方向之電場方向之電場之影響。從而，於此種情形下，因電力線之形狀變得容易從期望之形狀偏離，故存在波面像差變大之情形。

與此相對，本實施形態中，藉由一對之第1及第2電極21、22，夾持第1~第4液晶層11~14，且藉由一對之第1及第2電極21、22，於第1~第4液晶層11~14上施加電場。藉此，對於第1~第4液晶層11~14之各者，僅施加單一之電場。從而，可降低波面像差。

另，亦可考慮採用如下構成。

例如，圖4所示之液晶透鏡2係具有：第1及第2電極23a、23b，該等係夾持第1及第2液晶層11、12，且於第1及第2液晶層11、12上施加電場；及第3及第4電極24a、24b，該等係夾持第3及第4液晶層13、14，且於第3及第4液晶層13、14上施加電場。在第1及第2電極23a、23b中，位於z1側之第1電極23a係具有第1及第2部分21a、21b，而在第3及第4電極24a、24b中，位於z1側之第3電極24a係具有第1及第2部分21a、21b。

又，如圖5所示，使液晶透鏡3藉由具有第1及第2液晶層11、12之第1光學構件41、及具有第3及第4液晶層13、14之第2光學構件42而構成亦可。該情形時，第1光學構件41與第2光學構件42係密著而配置亦可，介隔空氣層而配置亦可。

如上所述，藉由針對第1及第2液晶層設置一對電極，且針對第3及第4液晶層設置一對之電極，可使液晶透鏡之應答速度變快。