WO2006022346A1

WO2006022346A1 - 光学素子

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Publication number: WO2006022346A1
Application number: PCT/JP2005/015464
Authority: WO
Inventors: Susumu Sato; Mao Ye
Original assignee: The Akita Center To Implement Vigorous Enterprises; Japan Science And Thchnology Agency
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2006-03-02
Also published as: JP2006091826A; KR100854183B1; JP4057597B2; US20070139333A1; EP1783538A1; US8194228B2; KR20070033043A; EP1783538A4; EP1783538B1

Abstract

　　焦点距離を電気的制御により大幅に可変できる。第１の電極（２１）を有する第１の基板（１１１）と、第２の基板（１１２）と、この第２の基板の外部に配置した第２の電極（２２）と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層（３１１）とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧（Ｖ０）を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子である。第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極（２３）を配置し、この第３の電極に前記第１の電圧（Ｖ０）とは独立した第２の電圧（Ｖｃ）を加えるようにし光学的特性を制御できるようにしている。

Description

明細書

光学素子

技術分野

[0001] 本発明は、液晶セルを構成する基板上に設けた電極と外部に設けた電極との間に 2種類の電圧を印加することにより液晶分子の配向制御を行うことができ、かつ所定の光学的特性に容易に調整することができる光学素子に関する。

背景技術

[0002] 液体のような流動性を持ち、電気一光学的特性に異方性を示す液晶は、その分子配向状態を種々制御できる。この特徴を利用することで、近年薄型軽量の平板型表示素子が目覚しい発展を続けている。液晶分子の配向状態は、液晶素子を構成する 2枚の透明導電膜を設けたガラス基板の表面処理と、外部印加電圧により容易に制御することができる。またこの種の、液晶素子は、電圧印加により実効的な屈折率を概異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという、他の光学材料にな、すぐれた特性を有して、る。

[0003] これまでネマチック液晶における電気一光学効果を利用することで、通常液晶ディスプレイにおける平行平板型の素子構造とは異なり、透明電極付きのガラス基板が湾曲し、液晶層自身がレンズ形となるようにし、電極間に電圧を印加することで液晶分子の配向制御を行い、実効的な屈折率を変化させる焦点可変レンズが提案されている（後で示す特許文献 1、非特許文献 1および 2)。

[0004] 次に光学媒質に空間的な屈折率分布を与えることでレンズ効果を得る方法があり、セルフオックレンズとして市販されている。ネマチック液晶セルにおいて、液晶分子は電界の方向に配向する性質を利用したもので、円形の穴型パターンを有する電極を用いて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果を利用することで、空間的な屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法が報告されている (特許文献 2、特許文献 3、非特許文献 3及び 4)。

[0005] また、特許文献 4では、液晶中に網目状の高分子ネットワークを作ることで、特性の改善がなされている。このような液晶を用いたレンズでは、多数の微小なマイクロレンズと呼ばれるレンズを平板状に 2次元的に配列したマイクロレンズアレイとすることが比較的容易にできる。

[0006] さらに、液晶マイクロレンズにおいて、円形穴型パターン電極の外部にさらに 1対の電極を配置して電圧を印加することで、レンズの特性が改善されることが提案されている (非特許文献 5)。また液晶層と円形の穴型パターン電極との間に絶縁層を挿入する方法が提案されており（非特許文献 6、 7)、液晶マイクロレンズにおいて最良の特性が得られる円形穴型パターンの直径と液晶層の厚みの比が 2対 1から 3対 1程度とする必要があると、う条件が緩和されることが示されて、る。

[0007] 一方、結像光学系に収差補正機構を備えた光学系から得られる光学像を撮像装置で検出し、検出された信号力収差及び収差を補正する信号を求めることで、大気の揺らぎなどにより発生する光学系の収差を補正し、ゆがみのない光学像を得る光学装置として、レンズミラーなどの代わりに液晶素子を利用する光学装置が提案されている (特許文献 5)。また、液晶光学素子を利用したレンズとして、楕円形状の屈折率分布特性を有する、すなわち電界制御アナモルフィック液晶レンズが提案されている (非特許文献 8)。

[0008] これらの液晶を用いた光学素子は、通常の受動型の光学素子とは異なり、電極間に電圧を印カロして媒質である液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、焦点距離などの光学特性や光学系の収差を調節できるレンズが実現される。

[0009] また液晶材料として重合硬化型液晶を用いて焦点距離を調節したあと重合硬化させることで高分子レンズを得ることができる（特許文献 6)。

特許文献 1：特開昭 54— 151854号公報

特許文献 2：特開平 11― 109303号公報

特許文献 3：特開平 11― 109304号公報

特許文献 4：特開平 10— 239676号公報

特許文献 5 :特開平 03— 265819号公報

特許文献 6：特開平 09— 005695号公報

非特許文献 1 :佐藤進 (S. Sato) ,「焦点距離可変液晶レンズセル (Liquid- crystal lens -cell with variable focal length)」 , Japanese Journal of Applied Physics, 1979年, Vol . 18, P.1679-1683

非特許文献 2 :佐藤進、「液層とその応用」、産業図書株式会社、 1984年 10月 14日、 P. 204- 206

非特許文献 3 :能勢敏明、佐藤進 (T. Nose and S. Sato) ,「不均一電界を用いた液晶マイクロレンズ (Liquid— crystal micro lens obtained with a non uniform electric field)」 , Liquid Crystals, 1994年 4月 15日、 P.1425- 1433

非特許文献 4 :佐藤進、「液晶の世界」、産業図書株式会社、 1994年 4月 15日、 P.18 6-189

非特許文献 5：本間道則、能勢敏明、佐藤進 (M. Honma, T. Nose and S. Sato) , 「積層電極構造による液晶マイクロレンズの開口数の増大 (Enhancement of numerical ap erture of liquid crystal microlenses using a stacked electrode structure)] , Japanese J ournal of Applied Physics, 2000年 8月 , Vol. 39, No.8, P.4799— 4802

非特許文献 6 :葉茂、佐藤進 (M. Ye and S. Sato) , 「任意寸法の液晶レンズの光学的特性 (Optical properties of liquid crystal lens of any size)」 , 第 49回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、 2002年 3月、 28p— X— 10, P. 1277

非特許文献 7 :葉茂、佐藤進 (M. Ye and S. Sato) , 「任意寸法の液晶レンズの光学的特性 (Optical properties of liquid crystal lens of any size)」 , Japanese Journal of Appli ed Physics, 2002年 5月、 Vol. 41, No.5, P丄 571- L573

非特許文献 8 :横山義孝、葉茂、佐藤進、「電界制御アナモルフィック液晶レンズ」、 2004年日本液晶学会討論会講演予稿集 2004年 9月 26日

発明の開示

上記した、液晶層がレンズ形の構造の液晶レンズ、円形穴型パターン電極により生じる、軸対称の不均一電界により液晶分子の空間配向分布特性を利用した液晶マイクロレンズ、さらに、非特許文献 5で提案されている円形穴型パターン電極の外部に

1対の電極を配置する方法や、非特許文献 6および 7で提案されている液晶層と円形穴型パターン電極の間に絶縁層を設けた構造では、限られた電圧範囲においては良好な光学的特性を得ることができる。し力しながら、広い印加電圧範囲に渡って良好な光学的特性を得ることが困難であるという問題があった。 [0011] そこでこの発明の一実施形態による目的は、上記問題を解決し、良好な光学的特性を保持した状態で、光学的特性を容易且つ迅速に大きく可変できるようにした光学素子を提供することにある。

[0012] 又この発明の他の実施形態による目的は、焦点位置を 3次元で移動制御できるようにした光学素子を提供することにある。

[0013] さらにまたこの発明の他の実施形態による目的は、光学的特性を凸レンズ、凹レンズの、ずれの特性でも制御できるようにした光学特性を提供することにある。

[0014] この発明は、上記の問題を解決するために、その基本として、第 1の電極を有する第 1の基板と、第 2の基板と、前記第 2の基板の外部に配置した穴を有する第 2の電極と、前記第 1の基板と第 2の基板との間に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層とを備え、前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に第 1の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、前記第 2の電極の外部に絶縁層を介して第 3の電極を配置し、この第 3の電極に前記第 1の電圧とは独立した第 2の電圧を加えて光学的特性を制御できることを基本とする。

[0015] 上記の手段により、従来の如くレンズを機械的に前後移動させるような動作を伴うことなぐ焦点距離を電気的制御により大幅に可変することができる。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1A]図 1Aは本発明に係る光学素子の一実施の形態を断面から見て示す構成説明図である。

[図 1B]図 1Bは本発明に係る光学素子の一実施の形態を平面から見て示す構成説明図である。

[図 2]図 2は本発明に係る光学素子の機能を説明するために素子の電位分布の例を示す説明図である。

[図 3A]図 3Aは本発明に係る光学素子の機能を説明するために素子の電位分布が変化した第 1の例を示す説明図である。

[図 3B]図 3Bは本発明に係る光学素子の機能を説明するために素子の電位分布が変化した第 2の例を示す説明図である。

[図 4]図 4は本発明に係る光学素子の機能を説明するために、光学素子を通過する光波の位相が変化する様子を光軸方向力みて示す説明図である。

圆 5]図 5は本発明に係る光学素子の機能を説明するために、光学素子を通過する光波の位相が変化する様子を示す説明図である。

圆 6]図 6は本発明に係る光学素子の機能を説明するために、制御電圧に対する焦点距離が変化する様子を示す説明図である。

圆 7]図 7は本発明に係る光学素子の他の実施の形態を示す構成説明図である。

[図 8A]図 8Aは本発明に係る光学素子のさらに他の実施の形態を断面から見て示す構成説明図である。

[図 8B]図 8Bは本発明に係る光学素子のさらに他の実施の形態を平面から見て示す構成説明図である。

圆 9A]図 9Aは本発明に係る光学素子のさらにまた他の実施の形態を断面力も見て示す構成説明図である。

[図 9B]図 9Bは本発明に係る光学素子のさらにまた他の実施の形態を平面から見て示す構成説明図である。

[図 10A]図 10Aは図 9に示したコントロール部の具体的構成例を説明するために示した説明図である。

[図 10B]図 10Bは図 9に示したコントロール部の液晶レンズの焦点位置の遷移を説明するために示した説明図である。

[図 11]図 11は図 10の分割電極に与える電位と焦点位置の X方向への移動状況を測定した例を示す説明図である。

[図 12]図 12は図 10の分割電極に与える電位と焦点位置の y方向への移動状況を測定した例を示す説明図である。

[図 13]図 13は図 10の分割電極に与える電位と焦点位置の x、 y方向に対して角度を持った方向への移動状況を測定した例を示す説明図である。

[図 14A]図 14Aは本発明に係る光学素子のまた他の実施の形態を断面から見て示す構成説明図である。

圆 14B]図 14Bは本発明に係る光学素子のまた他の実施の形態を平面力も見て示す構成説明図である。 [図 15]図 15は図 14A,図 14Bの光学素子の機能を説明するために素子の電位分布の例を示す説明図である。

[図 16A]図 16Aは図 14A,図 14Bの光学素子の機能を説明するために素子の電位分布が変化した第 1の例を示す説明図である。

[図 16B]図 16Bは図 14A,図 14Bの光学素子の機能を説明するために素子の電位分布が変化した第 2の例を示す説明図である。

[図 17]図 17は図 14の光学素子の機能を説明するために、光学素子を通過する光波の位相が変化する様子を示す説明図である。

[図 18]図 18は図 14の光学素子の機能を説明するために、制御電圧に対する焦点距離が変化する様子を示す説明図である。

[図 19]図 19は本発明に係る光学素子のまた他の実施の形態を示す構成説明図である。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 以下この発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図 1A,図 1B において、 111は、第 1の基板 (透明ガラス)であり、内面側に、第 1の電極 21 (材料としては ITO材）が形成されている。この第 1の電極 21側に、平行に対向して、第 2の基板 (透明ガラス） 112が配置されている。第 2の基板 112の外部には第 2の電極 22 (材料としては A1)が形成されている。この第 2の電極 22は、図 1Bに示すように、丸穴 222 (例えば直径 4. 5mm)を有する。

[0018] 第 1の基板 111の第 1の電極 21側と、第 2の基板 112との間には、液晶分子を一方向に配向させた液晶層 311 (例えば厚さ 130 /z m)が形成されている。 41, 42は、液晶層 311を得るためのスぺーサである。

[0019] さらに、前記第 2の電極 22の上部面には、絶縁層 113 (例えば 70 mの薄いガラス )を介して、第 3の電極 23 (材料としては ITO材）が形成されている。この第 3の電極 2 3の上面には保護層（ガラス） 114が配置されている。液晶層を挟む第 1と第 2の基板の面には、ポリイミドがコーティングされている。また X軸方向にラビング処理されている。

[0020] ここで、上記の光学素子を液晶レンズとして機能させる場合、第 1の電極 21と第 2の電極 22との間に第 1の電圧 Voをカ卩える。第 1の電圧 Voを加える場合、第 2の電圧 Vc は、当初は 0ボルトとしておいて、 Voを最適な値に設定する。この電圧 Voは、電圧供給部 51から供給される。ここで、最良の光学的特性 (この時の特性を、第 1段階の光学的特性と称することにする）が得られる電圧値が設定される。次に、第 1の電圧 Vo とは、独立して、第 1の電極 21と第 3の電極 23の間に第 2の電圧 Vcが加えられる。この第 2の電圧 Vcは、電圧供給部 52から供給される。この第 2の電圧 Vcを可変することにより、レンズの光学的特性 (第 2段階の光学的特性と称する)を制御することができる。なお Voと Vcは周波数及び位相が等しく設定されている。

[0021] 本発明によると、第 2段階の光学的特性は、非常に焦点距離が近い状態から無限に近い (あるいは無限)の状態まで可変される。このために、焦点距離の可変範囲が広くなり、実用的であり各種の用途が可能となる。

[0022] 図 2には、第 1の電極 21と第 2の電極 22間に Vo = 70Vの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値)をカ卩えており、第 3の電極 23に第 2の電圧 (制御電圧) Vc = 10Vを与えたときの第 1の電極と第 2の電極の間の空間の電位分布を示している。 zは、光軸方向であり、 yは、光軸と直交する方向である。 z、 y、 xは、図 1と共通である。電位分布を示す複数の等電位線の勾配が急な場合は、レンズの焦点距離が短ぐ等電位線の勾配が緩やかな場合は、レンズの焦点距離が長くなる。

[0023] 図 3Aと図 3Bには、さらに別の電位分布、すなわち液晶層の電位分布の例を示している。図 3Aでは、第 1の電極 21と第 2の電極 22間に Vo = 70Vの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値)を加え、且つ、第 2の電圧 (制御電圧) Vc= 10Vを与えたときの電位分布を示している。図 3Bでは、制御電圧を可変し、第 2の電圧 (制御電圧） Vc = 20Vを与えたときの電位分布を示してヽる。この電位分布の変化は液晶分子の傾斜角に対応し、かつ光の屈折角にも対応している。図 3 (B)の状態のとき力図 3A の状態のときょり焦点距離が長い。

[0024] 図 4の A, B, C、 Dは、本発明の光学素子を光軸方向から見た光波の位相分布の様子を示している。つまり、固定の電圧 Vo = 70Vが第 1の電極 21と第 2の電極 22間にカロえられ、第 3の電極 23に与えられる制御電圧 Vcが OV, 20V、 40V、 60Vと可変されたとき光波の位相分布が変化する様子を示している。図 4の A— Dは、複数の干渉縞の間隔が密であり、制御電圧 Vcが OV, 20V、 40V、 60Vと可変されると、次第に複数の干渉縞の間隔が大きくなつていることが理解できる。複数の干渉縞の間隔が大きくなるに従い、光の屈折が小さくなり焦点距離が大きくなる。

[0025] 図 5には、上記の実施形態において、液晶レンズにおける光の位相遅れ φの様子を示している。基本的には、 y軸の中心力も周囲に向って次第に位相遅れが小さくなる 2乗分布特性を示している。ここで、制御電圧 (第 2の電圧) Vcを増加していくと中心と周囲の位相差力、さくなつている。つまり、 Vc= 10Vのときよりも、 Vc = 50Vのほうが焦点距離は長くなつている。

[0026] 図 6には、この発明の光学素子の焦点距離の変化と先の制御電圧 Vcとの関係を示している。制御電圧 Vcを可変することで、焦点距離が可変される。本発明の一実施形態は、上記の構成に限定されるものではない。

[0027] 図 7には、この発明の他の実施の形態を示している。図 1の実施の形態と同じ部分には同一符号を付している。図 1の実施の形態と異なる部分を説明すると、液晶層 3 11の構成が異なる。この実施の形態では、液晶層 311は、絶縁層 312 (透明ガラス）により分割されて第 1の液晶層 31 laと第 2の液晶層 31 lbである。

[0028] このように構成した場合、応答速度が極めて速くなる。液晶の応答速度は、層の厚みの二乗に逆比例する。したがって、図 1に示した液晶層 311を分割して、第 1と第 2 の液晶層 311a, 311bとした場合、図 1の素子に比べて 4倍の速度で制御信号に応答できる。

[0029] さらに液晶層 311が、 2層構造になると、次のような利点も得ることができる。即ち、液晶層 311aと 311bにおけるラビング方向が同じであると、液晶の配向方向も同じであり、レンズとしては、同じ厚みの液晶層が一層の場合に比べて、 2倍のパワー (倍率 )を得ることができる。つまりレンズを 2枚重ねたものと同様な効果を得ることができ、焦点距離を短くする場合有効である。

[0030] また液晶層 31 laと 31 lbにおけるラビング方向が直交する方向であると、偏光板が不要な液晶素子として機能する。

[0031] 図 8A、図 8Bには、さらにこの発明の他の実施の形態を示している。この光学素子は、図 7に示した素子にさらに同様な素子を追加し、上下対称な 2重構造に構成している。したがって、図 7の素子と同様な部分 (第 1の素子部分）には同一符号を付している。そして第 2の電極 22、第 3の電極 23を共有して、第 2の素子部分が、第 1の素子部分に重ね合わせられている。第 2の素子部分は、基板 111— 2、 112— 2、電極 21— 2、第 1、第 2の液晶層 311a— 1, 311b— 2,絶縁層 312— 2、及び共通の第 2 の電極 22、第 3の電極 23を有する。この実施の形態では、第 2の電極 22と、第 3の電極 23が同じ平面上に位置するので、両者の絶縁のためには、間隔 Gが設けられている。また、第 2の電極 22は、その穴部と外周との間に切り抜き部が設けられ、この切り抜き部を介して第 3の電極 23の引き出しライン 23aが導出されている。この引き出しライン 23aを介して、制御電圧 Vcが与えられる。

[0032] なお、図 7に示した上下対称な各二層の液晶層はより多層にすることも可能であり、その場合にはさらなるレンズパワーの増大や応答速度の改善が得られる。

[0033] またこの発明にお、て、液晶層の液晶材料としては、駆動信号が高周波 (数 10KH z程度)では N型として動作し、駆動信号が低周波数（100Hz程度)では P型として動作する 2周波駆動型の液晶材料が用いられてもよい。このような材料を用いると、周波数を切り替えて使用することで、配向動作の応答速度を早くすることができる。

[0034] 図 9A,図 9Bには、さらにこの発明の他の実施の形態を示している。先の実施の形態では、第 2の電極 22は、一枚であり、この電極に与える電圧は一定に保持した。しかし、この実施の形態は、第 2の電極 22を複数に分割する。たとえば、第 2の電極 22 は、図 9Bに示すように 4分割される。そして、それぞれの電極 22a— 22dに与える電圧は、コントロール部 55により、微小に可変制御することができる。その他の構成は、先の実施の形態と同じである。

[0035] 図 10Aは、上記コントロール部 55の具体的構成例であり、図 10Bは、コントロール部 55により焦点位置が制御された場合の各種の焦点の移動位置を示す説明図である。

[0036] 電極 22aに与える電圧は、可変抵抗 55aの摺動子から取り出されており、電圧 +V と、電圧— Vの間の分割電圧が取り出されている。同様に電極 22bに与える電圧は、可変抵抗 55bの摺動子から取り出されており、電圧 +Vと、電圧 Vの間の分割電圧が取り出されている。電極 22cに与える電圧は、可変抵抗 55cの摺動子から取り出されており、電圧 +Vと、電圧— Vの間の分割電圧が取り出されている。そして電極 22 dに与える電圧は、可変抵抗 55dの摺動子から取り出されており、電圧 +Vと、電圧 Vの間の分割電圧が取り出されて!/ヽる。

[0037] 各電極に与える電圧を微小に可変することにより、焦点位置は、図 10 (B)に示すように、 X軸方向又は y軸方向へ、さらには両方向へ移動させることができる。また、 z軸方向へも移動させることができる。つまり三次元の範囲内で焦点位置を移動制御することが可能である。

[0038] 図 11の Aと Bには、 Vcを調節して、焦点位置を焦点面に保持した状態で x軸方向へ移動制御したときの測定例を示している。図 11の Aは、第 2の電極 22に与えた電圧を可変することで焦点の空間位置を変化させた場合を示し、図 11の Bは、対応する焦点面における焦点の位置を示している。

[0039] 図 12の Aと Bには、焦点位置を y軸方向へ移動制御したときの測定例を示している。図 12の Aは、第 2の電極 22に与えた電圧を可変することで焦点の空間位置を変化させた場合を示し、図 12の Bは、焦点の移動距離を示している。

[0040] 図 13の Aと Bには、焦点位置を X軸及び y軸方向の両方へ移動制御したときの測定例を示している。図 13の Aは、第 2の電極 22に与えた可変電圧であり、図 13の Bは、焦点の移動距離である。

[0041] この発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。上記の説明では液晶レンズが凸レンズとして機能する場合の例を説明した。しかしこの発明では、液晶レンズを凹レンズとして簡単に機能させることが可能である。

[0042] 図 14Aと図 14Bには、凹レンズとして機能させたときの実施の形態を示している。この場合は、第 1の電極 21と第 3の電極 23との間に電圧供給部 61から一定の交流電圧 Voを与える。そして、第 1の電極 21と第 2の電極 22との間に、電圧供給部 62から電圧 Vcを与える。ここで電圧 Vcは、可変制御することができる。その他の構成は、上述した実施の形態と同じである。

[0043] 図 15には、第 1の電極 21と第 3の電極 23間に Vo = 60Vの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値)をカ卩えており、第 2の電極 22に第 2の電圧 (制御電圧) Vc = 10Vを与えたときの電位分布を示している。 zは、光軸方向であり、 yは、光軸と直交する方向である。 z、 y、 xは、図 1と共通である。この電位分布は、図 2に示した凸レンズの場合と逆であり、凹レンズ特性を示すことが理解できる。

[0044] 図 16Aと図 16Bには、さらに別の電位分布の例を示している。図 16Aでは、第 1の電極 21と第 3の電極 23間に Vo = 60Vの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値）を加え、且つ、第 2の電極 22に第 2の電圧（制御電圧) Vc = 5Vを与えたときの電位分布を示している。また図 16Bでは、制御電圧を可変し、第 2の電圧 (制御電圧) Vc = 20Vを与えたときの電位分布を示して、る。この電位分布の変化は液晶分子の傾斜角に対応し、かつ光の屈折角にも対応している。この図 16A、図 16Bは、図 3A、図 3 Bの状態に比べて、逆特性を示し、凹レンズの機能を奏することが理解できる。

[0045] 図 17には、上記の実施形態において、液晶レンズにおける光の位相遅れ φの様子を示している。基本的には、 y軸の中心力も周囲に向って次第に位相遅れが大きくなる 2乗分布特性を示している。ここで、制御電圧 (第 2の電圧) Vcを可変していくと中心と周囲の位相差を制御することができる。つまり、凹レンズ特性を可変できることが理解できる。

[0046] 図 18には、この発明の光学素子の焦点距離の変化と先に述べた制御電圧 Vcとの関係を示している。制御電圧 Vcを可変することで、焦点距離が可変される。

[0047] この発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。上記の説明では凸レンズと凹レンズの構成を別々に示した力これらが組み合わせされていてもよい。

[0048] 図 19には、図 1に示した実施形態（凸レンズ機能を実現する実施形態）と、図 9に示した実施形態 (焦点位置を 3次元で移動制御できる実施形態）と、図 14A,図 14Bに示した実施形態（凹レンズ機能を実現する実施形態)とを組み合わせた多機能レンズを示している。スィッチ 64、 65を切換えることにより、凸レンズと凹レンズ機能を切換えることができる。凸レンズ機能のときは、さらに第 2の電極の分割領域に与える電圧を独立して微調整することで、焦点距離を 3次元で移動させることができる。なお凹レンズ機能にぉ、ても分割電極の電位を独立して制御してもよ、。

[0049] なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなぐ実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体ィ匕できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。第 3の電極の形状が、正弦波関数または正弦波関数の重畳関数、又はべき乗の関数のいずれかで与えられていてもよい。また、液晶レンズを 1つ示した力複数が配列される構成であってもよ、。また複眼のような 2次元的な配列であってもよ、。

産業上の利用可能性

本発明の光学素子は、拡大レンズ、ロボットにおいて視覚機能として用いられる撮像部のレンズなど種々の用途が可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1の電極を有する第 1の基板と、第 2の基板と、前記第 2の基板の外部に配置した穴を有する第 2の電極と、前記第 1の基板と第 2の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に第 1の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、

前記第 2の電極の外部に絶縁層を介して第 3の電極を配置し、この第 3の電極に前記第 1の電圧とは独立した第 2の電圧をカ卩えられるように構成し、

かつ、前記第 1の電圧に基づく第 1段階の光学的特性が最良となる状態に前記第 1 の電圧の電圧値を固定し、前記第 2の電圧を可変することで第 2段階の光学的特性を可変制御することを特徴とする光学素子。

[2] 第 1の電極を有する第 1の基板と、第 2の基板と、前記第 2の基板の外部に配置した穴を有する第 2の電極と、前記第 1の基板と第 2の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に第 1の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、

かつ、前記第 2の電圧に基づく第 1段階の光学的特性が最良となる状態に前記第 2 の電圧の電圧値を固定し、前記第 1の電圧を可変することで第 2段階の光学的特性を可変制御することを特徴とする光学素子。

[3] 前記穴を有する第 2の電極は、光軸を中心として軸周り方向へ複数に分割されており、それぞれに対して独立した制御電圧を与えられるように構成されている請求項

1または 2の、ずれかに記載の光学素子。

[4] 前記第 3の電極の形状が、正弦波関数または正弦波関数の重畳関数、又はべき乗の関数のヽずれかで与えられてヽることを特徴とする請求項 1または 2のヽずれかに記載の光学素子。

[5] 前記液晶層は、 1層または複数の絶縁層により分割されて第 1の液晶層と第 2の液晶層又は各々前記絶縁層により分割された複数の液晶層であることを特徴とする請求項 1または 2の、ずれかに記載された光学素子。

[6] 前記液晶層は、 1層または複数の絶縁層により分割された液晶層であり、この液晶層は、液晶分子の配向方法が各々平行若しくは直交するように配置していることを特徴とする請求項 1または 2のいずれかに記載された光学素子。

[7] 前記液晶層の液晶材料としては、駆動信号が低周波では P型として動作し、駆動信号が高周波数では N型として動作する 2周波駆動型の液晶材料が用いられていることを特徴とする請求項 1または 2のいずれかに記載された光学素子。

[8] 内面に第 1の電極を有する第 1の基板と、

前記第 1の基板の前記内面に対向した第 2の基板と、

前記第 2の基板の外部に配置した穴を有する第 2の電極と、

前記第 1の基板と第 2の基板との間に収容された液晶分子でなる第 1の液晶層と、前記第 2の電極に対して絶縁部を介して配置された第 3の電極と、

前記第 2の電極と前記第 3の電極を挟んで、前記第 2の基板と対称に配置されて、る第 3の基板と、

前記第 2の電極と第 3の電極及び前記第 3の基板を挟んで前記第 1の液晶層及び第 1の基板と対称に配置された第 2の液晶層及び第 4の電極を有した第 4の基板と、前記第 1と第 2の電極、及び前記第 4と前記第 2の電極間に第 1の電圧を与えると共に、この第 1の電圧とは独立した、第 2の電圧を前記第 3の電極に与えるための手段を具備したことを特徴とする光学素子。

[9] 前記第 1の液晶層と、第 2の液晶層は、それぞれ、絶縁層により分割されており、第 1の液晶層は第 3と第 4の液晶層からなり、第 2の液晶層は第 5と第 6の液晶層からなることを特徴とする請求項 8記載の光学素子。

[10] 前記第 3の電極は、前記第 2の電極の前記穴内に間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項 8に記載の光学素子。

[11] 第 1の電極を有する第 1の基板と、第 2の基板と、前記第 2の基板の外部に配置した穴を有する第 2の電極と、前記第 1の基板と第 2の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に第 1の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、

前記第 1の電圧の電圧値を固定した状態で、前記第 2の電圧を可変することで前記光学的特性を凸レンズとして可変制御する回路と、

前記第 2の電圧の電圧値を固定し、前記第 1の電圧を可変することで前記光学的特性を凹レンズとして可変制御する回路と

を有する光学素子。

第 1の電極を有する第 1の基板と、第 2の基板と、前記第 2の基板の外部に配置した穴を有する第 2の電極と、前記第 1の基板と第 2の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に第 1の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、

前記第 1の電圧に基づく第 1段階の光学的特性が最良となる状態に前記第 1の電圧の電圧値を固定し、前記第 2の電圧を可変することで第 2段階の光学的特性を可変制御する回路と、

前記第 2の電圧に基づく第 3段階の光学的特性が最良となる状態に前記第 2の電圧の電圧値を固定し、前記第 1の電圧を可変することで第 4段階の光学的特性を可変制御する回路と、

上記第 1と第 2の回路を切換えるスィッチとを有する光学素子。