WO2006115147A1

WO2006115147A1 - 撮像レンズ

Info

Publication number: WO2006115147A1
Application number: PCT/JP2006/308228
Authority: WO
Inventors: Hiroaki Shimozono; Koichi Murata
Original assignee: Asahi Glass Company, Limited
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2006-11-02
Also published as: US20080055536A1; US7599128B2; JPWO2006115147A1

Abstract

　機械的な可動機構や他のレンズの着脱をおこなうことなく通常撮影と近接撮影の切替えなどのレンズ特性を切替えることができる撮像レンズを提供する。　液晶回折レンズと屈折レンズを組み合わせ、液晶レンズの液晶層への印加電圧によりレンズ機能の切り替えを実現する。液晶レンズは、レンズ機能を有する偏光方向が直交する２つの液晶レンズを積層し、焦点距離、アッベ数を適切に選択することにより、色収差を抑制し、良好な撮像特性を達成する。

Description

明細書

撮像レンズ

技術分野

[0001] 本発明は、撮像レンズに関する。

背景技術

[0002] 撮像光学系にお、て通常撮影と近接撮影とを切替えておこなうためには、複数のレンズにより構成されるレンズを用い、通常撮影力も近接撮影への切替え時に構成する複数のレンズのうち少なくとも 1つのレンズを光軸上で移動させる（特開平 10— 1 04491号公報）、あるいは、他のレンズを撮像レンズの前に装着する（実用新案登録第 3094156号公報）、等をおこなう必要があった。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] 特開平 10— 104491号公報に開示されたようなレンズを光軸方向に移動させる方式では、レンズを光軸上で移動させるための可動機構が必要となり、撮像光学系を作製するときに、可動機構の組み立てや光学調整を要し、また、可動部の磨耗等による性能の経時劣化が避けられない。また実用新案登録第 3094156号公報に開示されるような、近接撮影時に他のレンズを装着して用いる方法では、力かる他のレンズを装着、取り外したり、非装着時に収納したりするための工夫が必要になるため、撮像光学系の構成が複雑になり小型化に制約がある。

課題を解決するための手段

[0004] 本発明は、以下の要旨を有する。

[0005] 1.液晶レンズと屈折レンズとが積層された撮像レンズにおいて、

前記屈折レンズは正の屈折力をもつ屈折レンズであって、

前記液晶レンズは、

一対の透明基板が対向して配設されていて、

前記一対の透明基板の、相対向する 2つの面のうち一方の透明基板においては鋸歯状の断面形状を有する輪帯状の凹凸部が同心円状に配置されたフレネル回折レンズ面と透明電極とが、他方の透明基板においては透明電極が、それぞれ形成されており、

前記透明基板間には、前記凹凸部を充填する液晶層が挟持されていて、前記透明電極に対して外部電源から給電することにより液晶層に電圧を印加して液晶層の配向状態を変化可能とされた液晶レンズであって、

前記液晶レンズへの印加電圧を変化させることにより焦点距離を変化させることを特徴とする撮像レンズ。

[0006] 2.積層液晶レンズと屈折レンズとが積層された撮像レンズにおいて、

前記屈折レンズは正の屈折力をもつ屈折レンズであって、

前記積層液晶レンズは、第 1および第 2の液晶レンズを備えて、て、

前記第 1および第 2の液晶レンズのそれぞれは、

一対の透明基板が対向して配設されていて、

前記透明基板間には、前記凹凸部を充填する液晶層が挟持されていて、前記透明電極に対して外部電源から給電することにより液晶層に電圧を印加して液晶層の配向状態を変化させて所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折力を変化可能とされた液晶レンズであって、

前記積層液晶レンズは、前記第 1の液晶レンズと前記第 2の液晶レンズとが、それぞれの所定の偏光方向が互、に直交するように積層されて、て、

前記積層液晶レンズへの印加電圧を変化させることにより焦点距離を変化させることを特徴とする撮像レンズ。

[0007] 3.前記積層液晶レンズを構成するそれぞれの液晶レンズのフレネル回折レンズ面の位相関数が互いに異なる上記 2に記載の撮像レンズ。

[0008] 4.前記液晶レンズの焦点距離、アッベ数をそれぞれ f 、 V 、前記正の屈折力をも

D D

つ屈折レンズの焦点距離、アッベ数をそれぞれ f 、 V としたときに、 [数 1]

0 ≤ - (l/f_D + l/f_R)- (l/v_R) /{ l/ (f_D-v_D) + (l/f_R-v_R) } ≤ 2 を満足する上記 1、 2または 3に記載の撮像レンズ。

[0009] 5.前記液晶層が、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、前記印加電圧の大きさにかかわらず前記液晶の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率を示すとともに、前記液晶レンズが次の（1)から (4)のいずれか 1つの要件を満たす上記 1〜4のいずれ力 1つに記載の撮像レンズ。

[0010] (1)前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率 n に等しぐ電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率 n (n≠n )

e e o に等しぐ前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料からなる。

o F

[0011] (2)前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率 n eに等しぐ電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率 n (n≠n )に等しぐ前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料からなる。

o F

[0012] (3)前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率 n eに等しぐ電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率 n (n≠n )に等しぐ前記フレネル回折レンズ面力液晶層の異常光屈折率 n o e o e と実質的に同じ値の異常光屈折率 n と前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に同じ

Fe o

値の常光屈折率 n を有する透明複屈折材料からなり、前記所定の偏光方向の直線

Fo

偏光に対して n を、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して

Fe

n をそれぞれ示す。

Fo

[0013] (4) (1)または（2)にお、て、液晶レンズの前記フレネル回折レンズ面力前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料に代えて、前記液 o F

晶層の異常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料からなってい e F

て、さらに、前記液晶レンズが、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して発生する位相差を相殺するための偏光位相補正面を備えている。

[0014] 6.前記液晶レンズは、前記所定の偏光方向の直線偏光に対する、電圧非印加時および印加時の液晶層の屈折率 nおよび n、前記フレネル回折レンズ面の屈折率 n

1 2

について、 I n— n Iと I n— n |との屈折率差のうち小さい方を Δ ηとしたときに

F 1 F 2 F

、 Δ ηとフレネル回折レンズ面の凹凸部の深さ d[nm]との積 Δ n X dが、

390 X m≤ A nX d≤650 X m

(ただし m= l、 2、または 3のいずれか）

を満たす液晶レンズである上記 1〜4のいずれか 1つに記載の撮像レンズ。

[0015] 7.前記液晶レンズのフレネル回折レンズ面が形成されていない前記他方の透明基板の前記対向面上には、前記フレネル回折レンズ面と中心を一致させて輪帯状に配置された凹凸形状を有する位相補正面がまず備えられ、前記位相補正面上に前記透明電極が形成されている上記 6に記載の撮像レンズ。

[0016] 8.前記電圧印加の有無により上記 1〜7のいずれか 1つに記載の液晶レンズの屈折力を、実質的にゼロの状態と、正の屈折力をもつ状態と、に切替えることにより、通常撮影と近接撮影とを切替え可能な撮像レンズ。

発明の効果

[0017] 本発明の撮像レンズは、外部力ゝらの印加電圧によりレンズ機能を変化させることができる。可動機構が不要なため構成が簡略化されて、組立て調整が容易になり小型化が可能となる。また機械的な磨耗がないので信頼性が向上する。さらにレンズ機能を高速で切替えることができる。図面の簡単な説明

[0018] [図 1]本発明の撮像レンズの概略断面図である。

[図 2]本発明の撮像レンズに用いられる積層液晶レンズの概略断面図である。

[図 3]液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を表すグラフであって、 aは、中心からの距離 rに対する光路長差を、波長 λ単位で標記したグラフ。 |8は αの光路長差を波長 λで分割して光路長差ゼロの面に投影し、ゼロ以上 λ以下の位相差とした光路長差を表すグラフ。 yは透過波面変化のない光路長差ゼロを表すグラフ。

[図 4]液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を表すグラフであって、 a 、 a は横軸を半径 rとし、光路長差を波長 λ単位で標記したグラフ。 j8 、 j8 は α 、 α

2 1 2 1

2の光路長差を波長 λで分割して光路長差ゼロの面に投影し、ゼロ以上 λ以下の位相差とした光路長差を表すグラフ。 γは透過波面変化のない光路長差ゼロを表すグラフ。

[図 5]本発明の撮像レンズに用いられる、位相補正層をもつ液晶レンズの輪帯部分の概略断面図である。

[図 6]位相補正層を持たな、液晶レンズ (a)と持つ液晶レンズ (b)のそれぞれが発生する位相差の、印加電圧に対する挙動を示すグラフである。

[図 7]本発明の撮像レンズに用いられる、位相補正層をもつ液晶レンズの概略断面図である。

[図 8]本発明の撮像レンズに用いられる、正、ゼロ、負の屈折力をもつ液晶レンズの結像特性の印加電圧に対する挙動を示すグラフである。実施例のレンズ断面図である。

[図 9]本発明の撮像レンズに用いられる、偏光位相補正面を備えた液晶レンズの結像特性の概略断面図である。

符号の説明

[0019] 2：第 1の液晶レンズのフレネル回折レンズ面、液晶層、透明電極、など

4 :第 2の液晶レンズのフレネル回折レンズ面、液晶層、透明電極、など

5 :石英ガラス基板

6 :屈折レンズ 8:非球面

9:絞り

10:積層液晶レンズ

10A:第 1の液晶レンズ

10B:第 2の液晶レンズ

11:石英ガラス基板

11A、 1 IB:石英ガラス基板

12:石英ガラス基板

13、 13Aゝ 13B:シーノレ

14、 14A、 14B:液晶層

15、 15A、 15B、 16、 16 A, 16B:透明電極

17、 17A、 17B:フレネル回折レンズ面

18:位相補正面

19:外部電源

20：偏光位相補正面を備えた液晶レンズ

21:透明基板

22:偏光位相補正面

23:等方性材料層

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下本発明の撮像レンズの実施形態について図面を用いて説明するが、本発明の撮像レンズには、本明細中に記載した以外にも多種の実施形態があり、以下の説明に限定されない。

[0021] 図 1に概略断面図を示す本発明の撮像レンズは、物体側から、積層液晶レンズ 10 と、絞り 9と、非球面 7、 8を有し正の屈折力をもつ単レンズ 6と力光軸を一致させてこの順番で配置されている。絞り 9は積層液晶レンズ 10の物体側に置いてもよぐあるいは、単レンズ (屈折レンズ) 6を途中で平面で分割し、そこに挟持させる構成としてもよい。また、正の屈折力をもつ単レンズ 6に換えて正の屈折力をもつ屈折レンズ群や複数の屈折レンズ群を用いて、積層液晶レンズ 10を、屈折レンズ群の途中や、屈折レンズ群と屈折レンズ群の間に配置したりすることもできる。さらにまた、物体側から、正の屈折力をもつ単レンズ 6、絞り 9、積層液晶レンズ 10の順番で配置することもできる。

[0022] まず、積層液晶レンズ 10を図 2の模式的断面図を用いて説明するが、本発明の撮像レンズに用いられる積層液晶レンズは以下に限定されない。積層液晶レンズ 10は、第 1の液晶レンズ 10Aと第 2の液晶レンズ 10Bとが、それぞれの液晶レンズがレンズ機能をもつ偏光方向（以下、所定の偏光方向という）が直交するように積層されている。このように積層された積層液晶レンズをもつ撮像レンズとすると、入射光の偏光状態によらずレンズ機能を切り替え可能で、撮像特性が良好な撮像レンズが得られるので好ましい。

[0023] 第 1および第 2の液晶レンズ 10A、 10Bは、それぞれ一対の透明基板（11Aと 12、 11Bと 12)を用いて形成されて!、て、一対の透明基板の一方 12を共通で用いて、る。それぞれの液晶レンズの透明基板 11A、 1 IB上には、透明材料からなる輪帯状の鋸歯状の断面形状を有する凹凸部が同心円状に配置されたフレネル回折レンズ面（以下単に、フレネル回折レンズ面という） 17A、 17B、および、透明電極 16A、 16Bと、が備えられ、透明基板 12の両面には、透明電極 15A、 15Bが備えられている。それぞれの 1対の透明基板は、フレネル回折レンズ面 17A、 17B、透明電極 15A、 16 Aおよび 15B、 16B、および配向膜を形成した後、これらが形成された面を対向させて、周囲にスぺーサを混入したシール 13A、 13Bを設けて所望の間隔となるように圧着され、セル化される。次いでシールに設けられた注入孔（図示せず）から、フレネル回折レンズ面 17A、 17Bの凹部および前記透明基板間（凹凸部）を充填するように液晶が注入され、注入孔を封止して、液晶層 14A、 14Bを形成して、第 1および第 2 の液晶レンズ 10A、 10Bとされる。それぞれの液晶レンズの液晶層 14A、 14Bへは、それぞれ透明電極 15 Aと 16 A、 15Bと 16Bの間に外部電源 19を用、て電圧を印加することにより、電圧を印加可能とされている。

[0024] 第 1および第 2の液晶レンズは、上述の説明のように一対の透明基板の一方を共用して形成してもよいが、それぞれの液晶レンズを別々に作製したのち、積層一体化させてもよい。また、図 2ではフレネル回折レンズ面 17A、 17Bはそれぞれ透明基板 11 A、 1 IB上に形成されている力透明基板 12上に形成されていてもよい。

[0025] それぞれの透明基板の液晶が接する面には配向処理を施すことが好ましい。電圧非印加時に液晶を基板面と実質的に平行に配列させる水平配向をおこなわせる場合には、基板面にポリイミド膜を形成し表面を一方向にラビング処理する水平配向処理を施すことが好ましヽが、これに限定されず他の水平配向処理法を用いてもょヽ。とくに、液晶層を基板面に水平配向させるホモジ-ァス配向とするときは、前記ラビング処理の方向、すなわち配向処理方向は、対向させた透明基板間で同一方向とすることが好ましい。また、電圧非印加時に、基板面と実質的に垂直に液晶を配列させる垂直配向としたい場合には、一方の基板面にアミノシラン系などの垂直配向膜による垂直配向処理を施すとともに、液晶が、電圧印加時に面内で向く方向を規制するために、他方の基板面には一方向に水平配向処理を施すことが好ましいが、これに限定されず他の垂直配向処理法を用いてもょヽ。

[0026] また、第 1および第 2の、 2枚の液晶レンズが積層され備えられた撮像レンズ構成に代えて、 1枚の液晶レンズのみが備えられた撮像レンズ構成としてもよい。この構成によれば、例えば、一方の偏光方向の直線偏光の入射光についてのみレンズ機能をもつ撮像レンズが実現される。

[0027] 本発明で用いる透明基板は、撮像レンズを用いる光の波長に対して透明な材料で形成された平板基板であればよく、石英ガラスや光学ガラスなどの無機材料力もなる平板基板、ポリカーボネートやアクリルなどの樹脂からなる透明基板を用いることができる。基板による複屈折の影響を避けるためには等方性の透明材料であることが好ましい。複屈折性を示さず耐久性が優れるので、石英ガラス、光学ガラス平板が好ましく用いられる。透明基板の厚さとしては 0. 05-1. Ommが例示される力これに限定されない。

[0028] 前記液晶層に電圧を印加するための透明電極としては、 ITO (酸化錫ドープ酸化ィンジゥム)膜、 AZO (アルミニウムドープ酸ィ匕亜鉛)膜、 GZO (ガリウムドープ酸ィ匕亜鉛 )膜などの酸ィ匕物透明導電膜が高い透明性と導電率とが得られるため好ましく用いられる。 [0029] 前記フレネル回折レンズ面は、前記透明基板の表面を切削、プレス、あるいはフォトリソグラフィとエッチングなどの手法により加工して形成される。そのとき前記透明基板自体の表面を加工して形成してもよ!/ヽが、透明基板上に透明材料からなる層を形成し、その層を前述の手法により加工して形成してもよい。透明基板上に層形成するための透明材料としては、各種の無機材料や、感光性榭脂ゃ熱硬化榭脂などの有機材料を用いることができる。無機材料としては SiO N膜 (x、 yは Siに対する Oおよび Nの原子数比）、 SiO膜、 Si N膜、 Al O膜などを用いることができるが、なかで

2 3 4 2 3

も SiO N膜が、成膜条件により x、 yを変化させて所望の屈折率に調整可能であり、透明性、耐久性にも優れる点カゝら好ましく用いられる。有機材料としては感光性ポリイミド、高分子液晶などを用いることができ、特に複屈折材料でフレネル回折レンズ面を形成する場合には、光重合性の高分子液晶が、屈折率および配向方向を、用いる液晶化合物の性状、組成や配向処理により制御可能な点から好ましく用いられる。

[0030] フレネル回折レンズ面の光学設計は、既知の位相関数法を用いておこなうことができる。すなわち、液晶レンズの光軸中心である輪帯状の中心力もの距離 rの関数である位相関数 OPD (r)は、

OPD (r) = a r² + a r⁴ + a + · · · ( 1)

2 4 6

(a、 a、 a、 · · · ·は各項の係数）

2 4 6

を用いて、各項の係数 a、 a、 a、 · · ·をパラメータ一として、設計をおこなうことができ

2 4 6

る。ただし（1)式の光路長差 OPD (r)は [ m]単位で、 rは [mm]単位である。また、 ( 1)式の位相関数以外の関数形を用いて設計してもよい。さらに非球面レンズや、回転対称ではな、アナモルフィックなレンズを表現できる関数形を用いてもょ、。

[0031] ( 1)式で表記される位相関数 OPD (r)曲線の具体例を図 3に示す。プロット aは、各位置 rにおける、光軸中心 (r= 0)に対する光路長差であり、入射光の波長 λの単位で表わされている。入射光の波長 λの整数倍の光路長差をもつ透過波面は同等とみなすことができるので、プロット ocを波長 λ間隔で分割して光路長差ゼロの面に射影した鋸歯状のプロット βは、プロット aと実質的に同等の光路長差となる。したがつて、光路長差えに対応する凹凸部深さ dで、プロットに相当する鋸歯状の凹凸部を形成すると、波長えを中心とする波長帯の光に対して、浅い凹凸部の深さ dでプロット _αと同等の所望の屈折力をもつフレネル回折レンズ面が得られる。ここで光路長差は、フレネル回折レンズ面の凸部を形成する透明材料と凹部を埋める媒質との屈折率差と、光が進む距離と、の積で定義される。このようなフレネル回折レンズ面を用いた液晶レンズは、凹凸部の加工が容易になり、また液晶層が薄くなるため駆動電圧を低電圧化できるとともに応答性が向上するので好ましい。

[0032] 可視光領域の全域に対して良好な撮像特性を得るためには、前記フレネル回折レンズ面の凹凸部の深さに対応する波長 λは 500〜550nmの範囲から決められることが好ましい。すなわち、前記所定の偏光方向の直線偏光に対する、前記液晶レンズ力 Sレンズ機能をもつ状態での、液晶層とフレネル回折レンズ面との屈折率差 Δ nと、フレネル回折レンズ面の凹凸部の深さ d[nm]との積 Δ n X dが、

(m-O. 25) Χ 500≤ Δ η Χ ά≤ (m+O. 25) X 550

(ただし m= l、 2、または 3のいずれか）

を満たすようにすることが好ましい。この構成により、前記液晶層に印加する電圧により、第 1、第 2の透明電極の間に印加する電圧 Vのうち、 M個（但し、 Mは 2以上の自然数)の所定の印加電圧のそれぞれに対応して可視領域の波長の光線に対する焦点距離が存在し、可視領域の波長の光線に対してレンズ機能を有する状態と、レンズ機能を持たな、状態とを切替え可能な液晶レンズが実現できるので好まし、。特に、

(m-O. 25) Χ 520≤ Δ η Χ ά≤ (m+O. 25) X 520

(ただし m= l、 2、または 3のいずれか）

とすると、可視光線の全波長域に対してより優れた撮像特性が得られるため、より好ましい。

[0033] このとき、 m= 1の場合、すなわち、

375≤ Δ η Χ ά≤687. 5

とすると、可視領域の波長の光線に対して効率の良くレンズ機能を有する状態と、レンズ機能を持たなヽ状態との 2つの状態を切替え可能な液晶レンズが実現される。さらに、

390≤ Δ η Χ ά≤650 とすると、可視領域の波長の光線に対するレンズ機能の有無が切替え可能で、可視光線の全波長域に対してより優れた撮像特性が得られて、より好まし、。

[0034] 第 1の液晶レンズと第 2の液晶レンズとは、積層した時のフレネル回折レンズ面の間隔の分だけ焦点距離を異なる設計とすることが好ましい。この光学設計により、積層液晶レンズとしたときにより良好な撮影特性が得られる。なお、焦点距離 f は、 r²の係

D

数である aを用いて、

2

f =π/(λ -a )

D 2

のように表される。また、液晶レンズのアッベ数 V

Dは、撮像レンズを用いる際の波長をえ、え、 λ (λ < λ < λ )として、

1 2 3 1 2 3

ν =(η(λ )-1)/(η(λ )-η(λ )) ·…（2)

D 2 1 3

で定義される。すなわち、 λ =486nm(F線）、 λ =589nm(D線）、 λ =656nm

1 2 3

(C線）として、 v =-3.46である（光学 vol. 25, No. 12(1996) p685参照）。こ

D

こで、例えば η(λ )は0線に対する屈折率を意味する。

2

[0035] 本発明の撮像レンズに用いる屈折レンズは、正の屈折力をもち、略無限遠の物体に対して収差補正された屈折レンズが用いられ、両面が非球面の単レンズ、複数のレンズが組み合わされたレンズ群カゝらなるレンズ、また複数のレンズ群が組み合わされたレンズであってもよ！/、。

[0036] 単レンズを用いる場合は、両面が非球面力なる単レンズとすることが好まし、。このような非球面の形状は、下記の（3)式によって決定することができる。（3)式において jはレンズが持つ面を表す。例えば両凸レンズならば、面は 2面なので、 j = l、 2である。 i (ただし i=2、 4、 6、 8、 10· ·)は非球面次数を示す。 hは光軸からの高さであり、 zは第 j面非球面の頂点の接平面からその非球面上の高さ hの点までの距離であり、r、k、a は係数である。

] ] i. ]

[0037] [数 2]

_Zj = (1 Tj) h²/[l+{l -(1+1¾) r)^{2 2}}⁰- + · · · · · (3)

[0038] 屈折レンズとして単レンズを用いる場合、アッベ数は用いる材料で決まり、例えばポリメチルメタクリレート榭脂を用いる場合には 57.4である。 [0039] 本発明の撮像レンズでは、屈折力を切替え可能な液晶レンズと、正の屈折力を持つレンズとを組み合わせることにより、撮像レンズの焦点距離を切替える機能が実現される。とくに、液晶レンズがゼロの屈折力をもつ状態で無限遠の撮影が可能であつて、液晶レンズが正のレンズ機能を持つ状態で物体面力ゝら撮像レンズまでの距離を略液晶レンズの焦点距離に等しくすることで、近接撮影が可能とすることができる。

[0040] 本発明の撮像レンズにぉ、て、撮像レンズのレンズ機能を切替えても、 V、ずれの状態においても良好な撮像特性を実現するためには、液晶レンズの、切替えて用いる全ての焦点距離 f とアッベ数 V 、正の屈折力を持つ屈折レンズの焦点距離 f とアツ

D D R

ベ数 V について、

R

[0041] [数 3]

- (l/f_D+ l/f_R)- (l/v_R) /{ 1/ (f_D-v_D) + (l/f_R'v_R) } …… (4)

[0042] で定義される式の値が 0以上かつ 2以下であることが好ましい。この関係を満足する構成とすることにより、本発明の撮像レンズでは、切替えて用いる液晶レンズのいずれの屈折力の状態に対しても、色収差を十分小さく良好な撮像特性が実現される。 ( 4)式の値が 2より大きいと、本発明の撮像レンズの色収差が大きくなり好ましくない。より良好な色収差を達成するためには 1. 5以下がより好ましい。一方、 0より小さいと、液晶レンズにより焦点距離を切り替える効果力、さくなり好ましくない。また、液晶レンズによる焦点距離切替えの効果を高めるために 0. 5以上とすることがより好ましい

[0043] 液晶レンズのフレネル回折レンズ面を、透明基板上にフレネル回折レンズ面を形成し、次いで透明電極を形成する構成とすると、液晶レンズの駆動電圧を低くすることができて好ましい。

また、透明基板上にまず透明電極を形成し、次いでフレネル回折レンズ面を形成する構成としてもよぐこの構成では、面内で均一な導電性をもつ透明電極が形成し易くまた断線や短絡が発生し難く信頼性が高まるので好ましい。このとき、フレネル回折レンズ面と対向する透明基板上の透明電極との間隔は、液晶レンズの応答速度を速くしたり、低電圧で駆動可能としたりするためには、凹凸部の最も厚い部分と対向する基板の最表面との間隔を 10 /z m以下とすることが好ましい。一方、あまり間隔を狭めると短絡の可能性が増大するために、 0. 5 m以上とすることが好ましい。さらに同様の理由で 1 μ m以上 3 μ m以下がより好ましい。

[0044] ここで、透明材料の電気体積抵抗率 p が液晶の電気体積抵抗率 p に比べて充

F LC

分低い場合、具体的には p / p が 10_⁵以下の場合は、それぞれの液晶レンズの

F LC

対向する 2つの透明電極間に印加された電圧は実効的に液晶層に印加されるため、フレネル回折レンズ面内で液晶層の屈折率は均一であり、フレネル回折レンズ面の実効的な形状は、液晶層の均一な屈折率と凹凸部の幾何学的形状とで決まる。しかしながら、フレネル回折レンズの凹凸部の透明材料の電気体積抵抗率 P

Fが液晶の電気体積抵抗率 P

LCに比べて充分低くない場合、具体的には p / p

F LC力超の場合には、フレネル回折レンズ面の凹凸部の高さ dにより、液晶層に印加される電

F

圧 V が異なるため、液晶層の実質的な屈折率 n に空間分布が生じる。したがって

LC LC

、フレネル回折レンズの光学的形状は、凹凸部の透明材料の屈折率 nおよび高さ d

F F

と、空間分布をもつ液晶の屈折率 n 、凹凸部の最も厚い部分と対向する基板の最

LC

表面との間隔により決定される。そのため、この間隔は前述の条件に加えて、さらに回折効率が最適な値になるように調整することが好ましい。

[0045] 本発明の撮像レンズに用いる液晶レンズは、備えられた前記液晶層が、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、前記印加電圧にかかわらず前記液晶の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率を示すとともに、次の（1)から (4) の!、ずれかの要件を満たす構成とすることが好ま、。

[0046] (1)前記液晶レンズの液晶層は、液晶分子長軸方向の比誘電率 ε と液晶分子短軸方向の比誘電率 ε との差である誘電異方性△ ε ( = ε — ε )が負のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態の液晶分子は前記液晶層に対して実質的に垂直に揃う垂直配向であり、電圧印加時のオン状態の液晶分子は液晶層内の前記所定の方向に揃う水平配向である。また、前記フレネル回折レンズ面は、前記液晶層の常光屈折率 ηと実質的に等しい屈折率の透明等方性材料力もなる。

[0047] (2)前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正（△ ε >0)のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態の液晶分子は液晶層内の前記所定の方向に揃う水平配向であり、電圧印加時のオン状態の液晶分子は前記液晶層に対して実質的に垂直に揃う垂直配向である。また、前記フレネル回折レンズ面は、前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率の透明等方性材料からなる。

[0048] (3)前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正（△ ε >0)のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態の液晶分子は液晶層内の前記所定の方向に揃う水平配向であり、電圧印加時のオン状態の液晶分子は前記液晶層に対して実質的に垂直に揃う垂直配向である。また、前記フレネル回折レンズ面は、液晶層の異常光屈折率 ηと実質的に同じ値の異常光屈折率 η と前記液晶層の常光屈折率 ηと実質 e l·e o 的に同じ値の常光屈折率 n を有する透明複屈折材料からなり、前記所定の偏光方

Fo

向の直線偏光に対して n を、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光

Fe

に対して n をそれぞれ示すように形成されている。

Fo

[0049] (4) (1)または（2)にお!/、て、液晶レンズの前記フレネル回折レンズ面力前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料に代えて、前記 o F

液晶層の異常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料からなって e F

いて、さらに、前記液晶レンズが、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して発生する位相差を相殺するための偏光位相補正面を備えている。

[0050] 以下それぞれの構成について説明する。

(1)の構成では、電圧非印加時には、液晶層はフレネル回折レンズ面と実質的に屈折率差をもたないためレンズ機能をもたない。電圧を印加していくと、液晶分子は、電界と垂直方向かつフレネル回折レンズ面と対向する面に施された水平配向処理の方向に揃っていき、液晶層が前記所定の偏光方向の直線偏光に対して示す屈折率は異常光屈折率 nに近づいてフレネル回折レンズ面と屈折率差を生じ、レンズ機 e

能をもつようになる。この構成によれば、電圧非印加時にレンズ機能をもたず、電圧印加時にレンズ機能をもたせるよう制御可能なレンズ機能を、簡単な構成で実現できるため好ましい。また、フレネル回折レンズの凹凸部に水平配向処理を施す必要がな！ヽため均一な配向が得やすく好まし、。

[0051] (2)の構成では、電圧非印加時には、液晶層はフレネル回折レンズ面との屈折率差によりレンズ機能をもつ。電圧を印加していくと、液晶分子は電界方向に揃っていき、液晶分子が垂直方向に揃うとレンズ機能を示さない。この構成によれば、電圧印加時にレンズ機能をもたず、電圧非印加時にレンズ機能をもたせるよう制御可能なレンズ機能を、簡単な構成で実現できるため好ましい。

[0052] また、 (1)または（2)の構成では、レンズ機能をもつ状態で前記所定の偏光方向の直線偏光に対して液晶層とフレネル回折レンズ面とで大きな屈折率差が得られるので、フレネル回折レンズ面の凹凸部を浅くできて加工が容易になる。また、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、前記液晶層は常に常光屈折率 nを示し、フレネル回折レンズ面と実質的に屈折率差をもたないため、位相差を生じさせない。

[0053] (3)の構成では、前記フレネル回折レンズ面は透明複屈折材料力なり、電圧非印加時にはレンズ機能をもたないで、電圧の印加とともに液晶層力前記所定の偏光方向の直線偏光に対して示す屈折率は異常光屈折率 nに近づいて、レンズ機能を e

もつようになる。また、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、前記液晶層は常に常光屈折率 nを示し、フレネル回折レンズ面と実質的に屈折率差をもたないため、位相差を生じさせない。この構成では、電圧印加時に前記所定の偏光方向の直線偏光に対して液晶層とフレネル回折レンズ面とで大きな屈折率差が得られるのでフレネル回折レンズ面の凹凸部を浅くでき加工が容易になって好ましい。また、電圧非印加時にレンズ機能をもたず、電圧印加時にレンズ機能をもたせるよう制御可能なレンズ機能を簡単な構成で実現できる。この構成におけるフレネル回折レンズ面を形成する透明複屈折材料として、光重合性液晶組成物を光重合させて形成する高分子液晶を用いると、種々の液晶組成物を選択し必要により調合して屈折率などの特性が調整可能なため好まし、。

[0054] (2)および（3)の構成では、水平配向の液晶に代えて、フレネル回折レンズ面形成側の面には垂直配向処理を、対向する基板面には水平配向処理をそれぞれ施した、ハイブリッド配向の液晶を用いてもよい。この構成では、フレネル回折レンズ面の凹凸面上に水平配向処理を施さなくてよいので、配向の乱れが生じないため好ましい。この場合、液晶層は、水平配向処理方向と平行な偏光方向の直線偏光に対して電圧非印加時に (n +n ) Z2に実質的に等しい屈折率を示し、電圧印加時には常光 o e 屈折率 n。を示す。また、水平配向処理方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、常に常光屈折率 nを示す。

[0055] (1)または（2)の構成の液晶レンズにお!、て、前記フレネル回折レンズ面力前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料に代えて、前 ο F

記液晶層の異常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料からなる e F

場合、前記液晶レンズは、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、常に位相差を生じる。（4)の構成では、この位相差を相殺するための偏光位相補正面をさらに備えている。この構成により、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、液晶レンズが位相差を常に発生させないので、レンズ機能をもつ状態とレンズ機能をもたない状態とを切り替え可能な液晶レンズを実現できて好ましい。

[0056] この偏光位相補正面を備えた液晶レンズ 20を、図 9を用いて説明する。図 9の構成では、液晶レンズ 10に対して、透明複屈折材料カゝらなるフレネル回折レンズ形状の偏光位相補正面 22が形成された透明基板 21が、フレネル回折レンズ形状の凹部を充填する等方性材料層 23により、液晶レンズの一方の透明基板 12に固定されている。

[0057] 偏光位相補正面 22は、水平配向処理された透明基板 21上に形成された高分子液晶層を、フレネル回折レンズ形状に加工して作製される。偏光位相補正面 22が形成された透明基板 21は、等方性材料層 23により、両基板間および偏光位相補正面 22の凹部を充填され固定される。このとき、偏光位相補正面 22の水平配向処理方向と、液晶レンズ 10の前記所定の偏光方向とが直交するように積層される。等方性材料層 23の等方性材料は、前記高分子液晶層の常光屈折率と実質的に等しい屈折率の材料とされる。偏光位相補正面 22は、液晶レンズ 10の前記所定の偏光方向の直線偏光に対しては透過波面を変化させず、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、液晶レンズ 10がこの偏光方向に対して常に発生する位相差を打ち消す位相差を発生するように設計される。

[0058] この構成では、前記所定の偏光方向の直線偏光に対して、それぞれ電圧非印加時または電圧印加時にレンズ機能を持たず、電圧印加時または電圧非印加時にレンズ機能を持つように制御可能なレンズ機能を、簡単な構成で実現できる。また、レンズ機能をもつ状態で前記所定の偏光方向の直線偏光に対して液晶層とフレネル回折レンズ面とで大きな屈折率差が得られるので、フレネル回折レンズ面の凹凸部を浅くできるため加工が容易になる。また、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、前記液晶層は常に常光屈折率 nを示し、フレネル回折レンズ面と実質的に屈折率差をもたないため、位相差を生じさせない。さらに、偏光位相補正面 22を形成する高分子液晶の常光屈折率、異常光屈折率は、液晶レンズの液晶の常光屈折率 n、異常光屈折率 nに制約されないため、高分子液晶の材料選択 o e

の自由度が高いという長所もある。

[0059] また、別の態様として、 (1)および（2)の構成で、液晶レンズの前記フレネル回折レンズ面を、前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材 o F

料に代えて、前記液晶層の異常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方 e F

性材料カゝらなるフレネル回折レンズ面とし、（4)で説明したような偏光位相補正面を備えない構成の液晶レンズとしてもよい。このようにすることにより、前記所定の偏光方向の直線偏光に対して、それぞれ電圧印加時と電圧非印加時とでレンズ機能を切替えて制御することが可能な液晶レンズを、簡単な構成で実現できる。この構成では、前記所定の偏光方向の直線偏光に対して、液晶層とフレネル回折レンズ面とで大きな屈折率差が得られるので、フレネル回折レンズ面の凹凸部を浅くできて加工が容易になる。また、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、前記液晶層とフレネル回折レンズ面は常に屈折率差をもっため、常にレンズ機能をもつ。そのため、この構成の液晶レンズを 2枚、それぞれのレンズ機能を制御することができる所定の偏光方向を互いに直交させて積層させた積層液晶レンズとすると、 2 枚の液晶レンズの、ずれか一方のみがレンズ機能をもつ状態と、両方がレンズ機能をもつ状態とを切替えることにより、入射光の偏向状態によらずレンズ機能を切替え可能な積層液晶レンズが得られる。

[0060] 本発明の撮像レンズに用いられる液晶レンズのさらに別の態様として、前述の（1) 〜 (4)の構成に代えて、前記液晶層は、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して常に常光屈折率 nを示し、前記所定の偏光方向の直線偏光に対して、屈折率が電圧非印加時のオフ状態の n力電圧印加時のオン状態の nま

1 2 で変化し、フレネル回折レンズ面の屈折率 nは nと nの中間の値であって、 | n—n

F 1 2 1

I、 I n— n Iのうち小さい方（フレネル回折レンズ面が複屈折性材料（常光屈折

F 2 F

率を n 、異常光屈折率を n とする）からなるときは I n—n |、 | n— n |のうち小さい方）を δ ηとしたときに、 δ ηと前記フレネル回折レンズ面の凹凸部の深さ d [n

F

m]との積 S nX d力

F

(m-0. 25) X 500≤ S n X d≤ (m+0. 25) X 550

F

(ただし mは 1以上の自然数）

とすることもできる。この構成によれば、前記液晶層の屈折率 n (V )が次式

k

n (V ) =n + [ (m-k) /m] X (n— n )

k 1 s i

(ただし、 kは一 m≤k≤mを満たす整数）

の関係を満たす (2m+ l)個の印加電圧 Vに対応して（2m+ l)個の焦点距離を有

k

する液晶レンズが実現することができる。とくに、

(m-0. 25) Χ 520≤ δ η Χ ά≤ (m+0. 25) X 520

F

(ただし mは自然数）

[0061] この構成では、液晶層への印加電圧を変化させることにより、正、ゼロ、および負の屈折力を切替え可能な液晶レンズが得られる。このような液晶レンズを屈折レンズと組合せて用いると、幅広くレンズ機能を変化可能な撮像レンズが得られるので好ましい。

[0062] 前記液晶レンズの、フレネル回折レンズ面形成面と対向する透明基板については、透明基板上に、まず、屈折率 n の等方性透明材料で、フレネル回折レンズ面と光

C

軸が一致するように輪帯状の凹凸形状である位相補正面 18を形成し、さらにその上に透明電極 16を形成した構成としてもよい（図 5参照)。

[0063] 図 5は本発明の撮像レンズに用いられる第 1または第 2の液晶レンズの、中心から m 番目のフレネル回折レンズ面 17の輪帯部分近傍の模式的断面図である。フレネル回折レンズ面 17の輪帯 mにおいて、輪帯の幅で規格化した座標系 rを定義し、輪帯 mの光軸側 ¾τ =0、外周側を r =1とする。透明電極の厚さは十分薄いので、対向 m m

する透明基板間の距離 Gは、フレネンルレンズ面 17の凹凸厚さ d (r )、液晶層 14の

F m

厚さ d (r )、位相補正面 18の凹凸厚さ d (r )の和と等しいとみなすことができる。

LC m C m

[0064] G = d (r )+d (r )+d (r )

F m LC m C m

また、液晶層 14に印加される実効的な電圧 V は、フレネル回折レンズ面 17を構

LC

成する材料の比誘電率 ε およびフレネル回折レンズ面の厚さ d (r )に応じて変化

F F m

する。具体的には、透明電極 15、 16間に印加した交流電圧を Vとすると、 V は、次

LC

式で記載される。

[0065] [数 4]

V_LC=V/{l+( ε _LC/ ε _F) X (d_F/d_LC) } · · · (5)

[0066] 二こで、 ε は液晶層 14の実効的な比誘電率である。液晶層 14の比誘電率 ε は

LC LC

、液晶分子長軸方向の比誘電率 ε と単軸方向の比誘電率 ε丄とが異なるため、電圧印加に伴い配向状態が変化すると、液晶分子の方向により変化する。以上より（ 5)式で表される液晶層に印加される実効的な電圧 V は、フレネル回折レンズ面上

LC

の位置 rの関数ということができる。よって以下、 rの関数として V (r )と表記する。

m m LC m

[0067] 図 5において、透明基板 11、 12間を透過する光の光路長 OP(r )は、位相補正面

18、液晶層 14、フレネル回折レンズ面 17の各媒質で生じる光路長の和であり、 [0068] [数 5]

OP (rj = {n_F X d_F (r_m) +n,._c (V_LC ( r _m) ) Xd_LC(r_m) +n_cXd_c(r_m) }/ λ (6)

[0069] と表される。ここで n、 n 、 n はそれぞれフレネル回折レンズ面、液晶層、位相補正

F LC C

面の、所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率である。したがって、透明基板間を通過したときに、輪帯上の位置 rへの入射光が、位置 r =0への入射光に対して m m

生じる位相差は rの関数であり、これを OPD(r )とすると、

m m

[0070] [数 6]

OPD (rj = { OP (r_m)一 OP (0) } /え

= {n_FXd_F(r_m)+n (V_LC (rj) Xd_LC (r_m) + n_c X d_c (r_m)

— n_F X d_F (0)一 n (V_LC (0) ) X d_LC (0)一 n_c X d_c (0) }Z λ (7) [0071] と表される。すなわち、位置 r により液晶層の実質的な屈折率 n (V (r ) )が異なる m LC m

ため、位相差 OPD (r )は、光学計算によって設計した位相差からのずれが生じるおそれがある。よって、力かるずれを補正するために、前述の位相補正面を設けることが好ましい。

[0072] このことを、フレネル回折レンズ面を構成する等方性透明材料の屈折率 nを、所定

F

の偏光方向の直線偏光に対する電圧非印加時のオフ状態の液晶層の屈折率 nと電圧印加時のオン状態の液晶層の屈折率 nの中間の値とし、所定の偏光方向と直交

2

する偏光方向の直線偏光に対して、液晶層が常に常光屈折率 nを示し、液晶層への印加電圧を切替えて正、ゼロ、負の屈折力を発生する液晶レンズを例にさらに詳しく説明する。

[0073] 図 6は、フレネル回折レンズ面 17の 1つの輪帯内に生じる位相差 OPD (r )の印カロ電圧 Vに対する変化を示す模式図である。同図（a)に示すグラフは、位相補正面がない液晶レンズ構成の場合、同図（b)に示すグラフは、位相補正面をもつ液晶レンズ構成の場合であり、図中の実線は OPD (r = 1)、破線は OPD (r =0. 5)の場合である。 r = 1での位相差、すなわち OPD (r = 1)が実質的に—えとなる電圧 V で m m + 1 は、液晶レンズに入射する平面波は図 4の β に示すように変調され、その結果、図 4 の α に示すような + 1次の回折波面として、正のパワーを含む波面に変換され収束光となる。他方、 OPD (1) = λとなる電圧 V では、液晶レンズに入射する平面波が図 4の |8 に示すように変調される結果、 a に示すような 1次の回折波面として、負

2 2

のパワーを含む波面に変換され発散光となる。次に、 OPD (l) 0となる電圧 Vでは

0

、入射する波面が変化しないので、光線の集光位置は変化しない（図 4の γ )。しかし、位相補正面がない構成である図 6 (a)においては、このときフレネル回折レンズ面 1 7の輪帯中央での位相差 OPD (0. 5)がゼロにならない。これは、輪帯内の位置 r により液晶層 14の実質的な屈折率 n (V (r ) )が異なることによるものであり、輪帯内

LC LC m

で位相ズレが生じて波面収差が発生する問題が生じる。かかる問題は ε

LC Ζ ε 力 S F

大きくなるほど顕著になる。

[0074] 一方、位相補正面がある構成である図 6 (b)では、位相補正面を形成する材料の屈折率 nおよび厚さ d (r )を、位相補正面の液晶層に対する屈折率差と厚さ d (r )との積が、前述の位相ズレを相殺するように設計することにより、輪帯の全域にわたつて電圧 Vでの位相差ズレを実質的に無くして、波面の乱れを生じさせないようにする

0

ことができる。例えば電圧 Vにおいて n <n(V )であれば、図 5に示すように、輪帯

0 C LC

中央で凸となる形状の位相補正面 18とすればよい。

[0075] この位相補正面による位相補正は、以上説明した、正、ゼロ、負の屈折力が切替え可能な液晶レンズに対する以外に、前述の位相差 αを波長 m' λ (mは 2または 3)間隔で区切った位相差を発生し、屈折力がゼロの状態と複数の正または負の状態とを切替え可能な液晶レンズに対しても同様に有効に用いられる。すなわちこの構成の液晶レンズでは、輪帯内の位置 r により液晶層 14の実質的な屈折率 n (V )が異な m LC り、それぞれの屈折力における波面の乱れが生じるおそれがあるが、かかる問題を有効に抑制することができる。

[0076] このように、位相補正面により位相補正を行うことで、それぞれの屈折力における結像効率を向上することができる。前述の説明では、正、ゼロ、および負の屈折力が切替え可能な液晶レンズを例に取ったが、正または負の屈折力を複数段とゼロの屈折力とを切替え可能な液晶レンズに対しても、同様に切替え可能な各屈折力において、輪帯内で所望の位相が得られるようになり、好ましく用いることができる。

[0077] また、本発明の液晶レンズ素子は、一対の電極間にフレネル回折レンズ面を有し、かつ、位相補正面を一対の電極外に備えることにより、液晶とフレネル回折レンズ面の屈折率および比誘電率、凹凸厚さ、および液晶層厚さなどの選択により、得られる位相差の電気光学特性の設計自由度が高いため、所望の面内分布の位相差を容易に実現することができて、さらに低電圧駆動あるいは多種多様の透過波面を生成することができる。

[0078] 本願発明の撮像レンズを用いる好ましい形態としては、通常撮影とマクロ撮影との切替えや、ズーム範囲の切替えが可能な撮像レンズが例示される。

以下に、実施例について説明する。

[0079] [例 1]

図 1は、本発明の実施の形態に係る撮像レンズの断面図である。本例の撮像レンズは、物体側から、第 1の液晶レンズ 2および第 2の液晶レンズが積層された積層液晶レンズ 10、絞り 9、および榭脂で作成した正の屈折力の屈折レンズ 6を備えている。本例の撮像レンズに用いられる積層液晶レンズ 10の概略断面図を図 2に示す。積層液晶レンズの透明基板 10Aおよび 10Bは、厚さ 0. 5mmの石英ガラス基板を、透明基板 12は厚さ 0. 1mmの石英ガラス基板をそれぞれ用いる。液晶には、負の誘電異方性をもち、常光屈折率 n、異常光屈折率 nがそれぞれ 1. 52、 1. 75のネマテイツ ο e

ク液晶を用いる。

[0080] フレネル回折レンズ面 17A、 17Bは、透明基板 10Aおよび 10B上に形成した SiO N膜 (x、 yは Siに対する Oおよび Nの原子数比）をフォトリソグラフィおよび反応性ィオンエッチングにより加工して形成される。等方性で透明な SiO N膜は、 Siターゲットを用いて Arガスに酸素および窒素を混入した混合ガス雰囲気中で反応性スパッタリング法により、屈折率 nが 1. 52となるように Xおよび yを調整して形成される。 SiO

N膜の膜厚 dは、屈折率が 1. 75と 1. 52の SiO N膜と液晶層に対して波長 520η x

mに相当する光路長差を与えるため、 2. 3 mとする。

[0081] 第 1および第 2の液晶レンズのそれぞれのフレネル回折レンズ面は、物体面を透明基板 11 Aの物体側の面から 20mmの位置に想定し、第 1および第 2の液晶レンズの焦点距離 f 、 f をそれぞれ 22. 3 lmmおよび 22. 30mmとして、既知の位相関数法

2 2

を用いて光学設計される。すなわち、まず、（1)式の位相関数における係数: a、 a、

2 4 aを求めると、第 1および第 2の液晶レンズ 2および 4のそれぞれに対して表 1および

6

表 2に示す通りとなる。なお、 r⁸以上の係数はいずれも全てゼロである。

[0082] [表 1] 2 2 3 8 . 9 4 3 5 6 2

4 3 4 . 0 0 4 4 1 3

a 6 0

[0083] [表 2]

[0084] 電圧非印加時の透過波面が表 1および表 2の係数 a〜aの値を用いて（1)式で表記される図 3のプロット aを、波長 520nmに対応する光路長差で分割すると、図 3の鋸歯状のプロット βが得られる。フォトリソグラフィグラフィおよびドライエッチングを繰り返して、 SiO N膜を微細加工して、この光路長差となるようにプロット j8を多段の階段状で近似して、フレネル回折レンズ面を形成する。

[0085] 次いで、フレネル回折レンズ面上に ITO膜をスパッタリング法により成膜して透明導電膜を形成し、これを第 1透明電極 16A、 16Bとする。さら〖こ、ポリイミド膜を第 1透明電極 16A、 16B上に膜厚約 50nmとなるよう塗布、焼成し、表面をラビング処理して配向膜 (図示せず)とする。また、透明基板 12の両面に ITO膜をスパッタリング法により第 2透明電極 15A、 15Bとして形成し、さらにその上にポリイミド膜を膜厚約 50nm 塗布した後に焼成し、表面をラビング処理して配向膜 (図示せず)とする。前記ラビング処理の方向は、後述の工程で透明基板 11Aと 12、 11Bと 12とを、セル化のためそれぞれ対向させたときに同じセル内で同一方向となるようにされ、かつ第 1および第 2 の液晶レンズとで互ヽに直交するようにおこなう。

[0086] 次に、透明基板 11Aと 12、 11Bと 12のそれぞれを、フレネル回折レンズ面および透明電極が形成された面を対向させて、スぺーサを混入したシール 13A, 13Bを用いて重ね合わせて圧着し、空セルを作製する。その後、前述のネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず)から注入し、注入口を封止して液晶層を形成し、第 1および第 2の液晶レンズ 10A、 10Bとする。この液晶レンズのアッベ数 V は、前述の（2)

D

式より 3. 46と求められる。

[0087] 本例では、正の屈折力をもつ屈折レンズ 6として、 PMMAを射出成形して作製された、中心厚が 1. 00mmで両面が非球面 7および 8の単レンズを用いる。本例の屈折レンズ 6の非球面の形状は、前述の（3)式によって決定される。このようにして決定された各係数を表 3に示す。この単レンズのアッベ数は、 57. 4である。

[0088] [表 3]

[0089] このようにして作製された、積層液晶レンズ 10、正の屈折力をもつ非球面の屈折レンズ 6、および絞り 9を、光軸を一致させて配置する。すなわち、液晶レンズ 10の物体側と反対側の面から絞り 9までの距離を 0. lmm、絞り 9力ら 0. 3mm離して屈折レンズを配置し、本例の撮像レンズとする。絞り 9は厚さ 0. 1mmとして作製される。

[0090] 本例の撮像レンズに対して、第 1の液晶レンズ 2および第 2の液晶レンズ 4のそれぞれの焦点距離 22. 31mm, 22. 30mmを用いて前述の（4)式で定義される式の値を計算すると、ともに 0. 83となる。また電圧非印加時のレンズ機能を持たない状態に対しては、（4)式で定義される式の値は、 1となる。

[0091] 本例の撮像レンズは、第 1および第 2の液晶レンズのそれぞれの透明電極への電圧印加の有無により積層液晶レンズ 10の焦点距離を変化させ、その焦点距離を変ィ匕させることができる。すなわち本例の撮像レンズは、電圧非印加時に液晶レンズがレンズ機能を持たないときは、無限遠に対して、焦点距離 3. 2mm、後側焦点距離 3. 3mm,撮像半画角 33° 16' である。第 1および第 2の液晶レンズのそれぞれ 10A、 10Bの、透明電極間に、外部電源 19を用いて電圧印加することによりレンズ機能を持たせて、撮像レンズの焦点距離を変化させることができる。

また本例の撮像レンズは、液晶レンズに対して電圧非印加時および印加時のヽずれの場合においても色収差が小さぐ良好な撮像特性であった。

[0092] [例 2]

本例の撮像レンズは、例 1の撮像レンズにおける第 1および第 2の液晶レンズのそれぞれを、図 7の概略断面図が示す液晶レンズに置き代えた構成をもつ。本例の撮像レンズの第 1および第 2の液晶レンズのそれぞれの部分について、図 7を用いて説明する。

[0093] 石英ガラス力もなる透明基板 11の片面にスパッタリングにより ITO膜を形成し、透明電極 15とする。さらにその透明電極 15上に、屈折率 nが 1. 52、比誘電率 ε 力

F F

の等方性透明材料である SiO N膜を膜厚 2. 9 /z mとなるようにスパッタリングにより形成する。次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、図 3のプロットの位相差に相当するように SiO N膜を加工し、光軸を中心とした、断面形状が最大深さ 2. 1 μ mの鋸歯状で輪帯状の凹凸部力もなるフレネル回折レンズ面 17を形成する。

[0094] 一方、石英ガラス力もなる他方の透明基板 12の表面に、屈折率 nが 1. 52の等方

C

性透明材料である SiO N膜を膜厚 0. 27 mとなるように形成し、次いでエッチング技術により該 SiO N膜を加工して所望の断面形状をもつ凹凸部を形成し、位相補正面 18とする。凹凸部の断面形状は、液晶レンズとしたときに輪帯内の位置 r により液晶層 14の実質的な屈折率 n (V (r ) )が異なることにより生じる位相ズレを相殺

LC LC m

するように設計されていて、断面形状が輪帯中央部で凸とされている。さらに、位相補正面 18の表面に、 ITO膜を形成し、透明電極 16とする。

[0095] その後、例 1と同様に、透明基板 11、 12の最表面に、 X方向に配向させる水平配向膜を形成し、シール 13を形成して圧着し、基板間隔が 12 mの空セルを形成する。その後、常光屈折率 n 1. 52、異常光屈折率 n 1. 79の正の誘電異方性のネマ ο e

ティック液晶を空セルに注入してホモジ-ァス配向の液晶層を形成し、セルを封止して液晶レンズ 10とする。

[0096] このようにして形成された液晶レンズに対して、外部電源を用いて液晶層 14に電圧を印加し、そのときのレンズ機能を調べる。印加電圧を 0V力増加させると、液晶に印加される実効的な電圧 V は、（5)式に示したようにフレネル回折レンズ面 17、位

LC

相補正面 18の形状および場所により異なるため、液晶レンズ 10が発生する位相差 OPDは、前述の（7)式のように変化する。

[0097] 図 8は、第 1の実施例における液晶レンズ素子 10の波長 520nmの入射光束に対するフレネル回折効率を示す図である。なお、同図において、横軸は透明電極 15、 16間に印加した電圧である。

[0098] この液晶レンズに対して、偏光方向が X方向の直線偏光を入射すると、印加電圧に応じて図 6 (b)に示すように位相差が変化し、液晶レンズ素子 10を透過する光の波面が変化する。例えば、印加電圧 3. OVでは n (V ) <nであり、位相差が λと

LC LC F

なって、入射平面波は + 1次のフレネル回折波として、集光する波面に変換される。 + 1次のフレネル回折効率は、図 8のプロット Αのように印加電圧 3. OVで最大値 98 %となる。同様に、印加電圧 1. 06Vでは n (V ) >nであり、位相差が + λとなつ

LC LC S

て、入射平面波は 1次のフレネル回折波として、発散する波面に変換される。 1 次のフレネル回折効率は、図 8のプロット Cのように印加電圧 1. 06Vで最大値 95% となる。一方、印加電圧 1. 52Vの印加電圧時では、図 6 (b)に印加電圧 Vの場合を

0 示したように、位相補正面 18の効果により位相差および位相差ズレは生じな、ため、 0次のフレネル回折として波面を変化させずに透過する。 0次のフレネル回折効率は、図 8のプロット Βのように印加電圧 1. 52Vで最大値 98%になる。

[0099] 以上のように、印加電圧を 1. 06V、 1. 52V、 3. OVと変化させると、前述の構成の液晶レンズは"凹レンズ"、 "レンズ作用なし"、 "凸レンズ"として作用する。

次に、この液晶レンズに対して、偏光方向が Y方向の直線偏光を入射すると、液晶層 14が示す実質的な屈折率は nで、フレネル回折レンズ面と屈折率差が生じないのでレンズ作用はない。

[0100] 本例の撮像レンズの積層液晶レンズは、第 1および第 2の液晶レンズとして前述の液晶レンズを用いて、て、レンズ機能をもつ偏光方向が互、に直交するように積層されている。したがって本例の撮像レンズは、それぞれの液晶レンズの透明電極間に印加する電圧によりレンズ特性を 3段階に切替えることができる。また、（4)式の値は、 3段階に切替えた液晶レンズのそれぞれの焦点距離に対して、第 1の液晶レンズおよび第 2の液晶レンズに対しては 0から 2の間であり、 3段階に切替えた液晶レンズのいずれの焦点距離に対しても色収差が小さく抑えられて良好な撮像特性が得られる産業上の利用可能性本発明の撮像レンズは、可動機構を持たず、構成が簡略で、色収差が小さく抑えられている。そのため、信頼性に優れ、小型化が可能で高速にレンズ機能の切替えが可能で、良好な撮像特性が得られる。したがって、小型 CCDや CMOS等の受光素子を感光体として用ヽたデジタルカメラ用、テレビ電話機用等に好適に利用することができる。なお、 2005年 4月 25曰に出願された曰本特許出願 2005— 126499号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。

Claims

請求の範囲

[1] 液晶レンズと屈折レンズとが積層された撮像レンズにぉヽて、

前記屈折レンズは正の屈折力をもつ屈折レンズであって、

前記液晶レンズは、

一対の透明基板が対向して配設されていて、

[2] 積層液晶レンズと屈折レンズとが積層された撮像レンズにぉヽて、

前記屈折レンズは正の屈折力をもつ屈折レンズであって、

前記第 1および第 2の液晶レンズのそれぞれは、

一対の透明基板が対向して配設されていて、

[3] 前記積層液晶レンズを構成するそれぞれの液晶レンズのフレネル回折レンズ面の位相関数が互いに異なる請求項 2に記載の撮像レンズ。

[4] 前記液晶レンズの焦点距離、アッベ数をそれぞれ f 、 V 、前記正の屈折力をもつ

D D

屈折レンズの焦点距離、アッベ数をそれぞれ f 、 V としたときに、

R R

[数 1]

0 ≤ - (l/f_D+ l/f_R)- (l/v_R) /{ l/ (f_D-v_D) + (l/f_R-v_R) } ≤ 2 を満足する請求項 1、 2または 3に記載の撮像レンズ。

[5] 前記液晶層が、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、前記印加電圧の大きさにかかわらず前記液晶の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率を示すとともに、前記液晶レンズが次の（1)から (4)のいずれか 1つの要件を満たす請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の撮像レンズ。

(1)前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率 n に等しぐ電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率 n (n≠n )に等しぐ前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率 e e o

nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料からなる。

o F

(2)前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率 n eに等しぐ電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率 n (n≠n )に等しぐ前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料からなる。

o F

(3)前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率 n eに等しぐ電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率 n (n≠n )に等しぐ前記フレネル回折レンズ面力液晶層の異常光屈折率 n o e o e と実質的に同じ値の異常光屈折率 n と前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に同じ

Fe o

Fo

Fe

n をそれぞれ示す。

Fo

(4) (1)または（2)において、液晶レンズの前記フレネル回折レンズ面力前記液晶層の常光屈折率 nと実質的に等しい屈折率 nの透明等方性材料に代えて、前記液 o F

[6] 前記液晶レンズは、前記所定の偏光方向の直線偏光に対する、電圧非印加時および印加時の液晶層の屈折率 nおよび n、前記フレネル回折レンズ面の屈折率 n

1 2 F について、 I n— n Iと I n— n |との屈折率差のうち小さい方を Δ ηとしたときに、

1 F 2 F

Δ ηとフレネル回折レンズ面の凹凸部の深さ d[nm]との積 Δ n X dが、

390 X m≤ A nX d≤650 X m

(ただし m= l、 2、または 3のいずれか）

を満たす液晶レンズである請求項 1〜4のいずれカゝ 1項に記載の撮像レンズ。

[7] 前記液晶レンズのフレネル回折レンズ面が形成されて、な、前記他方の透明基板の前記対向面上には、前記フレネル回折レンズ面と中心を一致させて輪帯状に配置された凹凸形状を有する位相補正面がまず備えられ、前記位相補正面上に前記透明電極が形成されている請求項 6に記載の撮像レンズ。

[8] 前記電圧印加の有無により請求項 1〜7のいずれか 1項に記載の液晶レンズの屈折力を、実質的にゼロの状態と、正の屈折力をもつ状態と、に切替えることにより、常撮影と近接撮影とを切替え可能な撮像レンズ。