WO2012099127A1

WO2012099127A1 - 液晶レンズ、液晶レンズの駆動方法、レンズユニット、カメラモジュール、及びカプセル型医療機器

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Publication number: WO2012099127A1
Application number: PCT/JP2012/050870
Authority: WO
Inventors: 山口　稔; 吉田　守
Original assignee: 株式会社オルタステクノロジー
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-07-26
Also published as: CN103477269A; EP2667244A1; EP2667244A4; US9389454B2; EP2667244B1; US20140028924A1; CN103477269B; JPWO2012099127A1

Abstract

　液晶レンズは、第１の液晶セルと、第２の液晶セルと、これらに挟まれた中間層とを含む。第１の液晶セルは、一対の第１及び第２の透明基板と、第１及び第２の透明基板に挟まれた第１の液晶層と、第１の透明基板と第１の液晶層との間に配置された第１の電極とを含む。第２の液晶セルは、一対の第３及び第４の透明基板と、第３及び第４の透明基板に挟まれかつ第１の液晶層と直交する方向に配向された第２の液晶層と、第４の透明基板と第２の液晶層との間に配置された第２の電極とを含む。中間層は、第２の透明基板と第３の透明基板とに接するようにして第１の液晶セルと第２の液晶セルとに挟まれた高誘電率層と、開口部を有しかつ接地される第３の電極とを含む。

Description

液晶レンズ、液晶レンズの駆動方法、レンズユニット、カメラモジュール、及びカプセル型医療機器

　本発明は、電気信号によって焦点距離を変化させることが可能な液晶レンズ及びその駆動方法に関する。また、本発明は、液晶レンズを備えたレンズユニット、カメラモジュール、及びカプセル型医療機器に関する。

　液晶レンズは、その焦点距離を電気的に制御できるという特徴を活かして、カメラのオートフォーカス機能や光ピックアップ装置などへの応用が期待されている。従来のオートフォーカス機能では、ボイスコイルモータを使用してレンズの位置を移動させる方式が用いられてきたが、焦点距離を変化させることのできる液晶レンズを用いることによって、機械的な可動部分が無くなり、レンズユニットの小型化や省電力化を図ることができる。

　液晶レンズは、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。これらの文献に開示された液晶レンズは、同心円状にパターニングされた透明電極を用い、レンズの中心から外周に向かって印加電圧の勾配を作る。そして、液晶分子の平均的傾斜角を変化させることによって、レンズの働きを得るものである。

　このような構造を用いた場合、レンズの中心部の同心円電極を外部に引き出すために、回転対称性を損なう引き出し線のパターンが必要であり、レンズの歪みが避けられない。また、レンズの光が通過する部分に透明電極の微細なパターンが存在することになるが、透明電極の屈折率がガラス基板や液晶よりも無視できないほど大きいために、パターン端で光の散乱や反射が発生し、結像の妨げとなる。また、上記文献では、多数の電極の電圧を細かく制御する必要があり、駆動回路が複雑になる。

　また、上記文献の別の例では、パターニングされた透明電極に電流を流し、抵抗の電圧降下によって液晶に印加される電圧の勾配を作り出している。この場合は、電圧の制御は単純であるが、駆動するための消費電力が大きくなる。

　近年、携帯電話などに組み込まれる小型カメラモジュールには、焦点調整機能や画角調整機能が付加された製品が実用化されている。焦点調整機能や画角調整機能は、例えば、レンズユニット内部の一部のレンズをボイスコイルモーターなどで空間的に移動させることで実現させる。しかし、このような方式では、レンズを空間的に移動させる機構が必要であるため、小型化が難しい。

　医療現場では、立体画像を撮影可能な内視鏡を使用した医療行為が行われている。ここで使用される内視鏡は、例えば、ファイバーを用いた直管型内視鏡である。また、小型カメラモジュールが組み込まれたカプセル型医療機器が実用化されており、カプセル型医療機器を被検者が口より飲み込み、小腸や大腸などの消化器官を撮影することが可能である。さらに、消化器官の立体画像を撮影するカプセル型医療機器が研究及び開発されているが、実用化はされていない。その理由の１つは、限られたスペースに小型カメラモジュールを２つ以上設けることの難易度が非常に高いためである。

　しかし、複眼化したレンズユニットをカプセル型医療機器に組み込むことで、立体画像の撮影に必要な視差のある複数の画像を得ることが可能であり、それらの画像より観察部位の立体画像を生成することができる。その立体画像を観察することで、患部の凹凸などの表面状態を詳しく観察することが可能となり、精度の高い検査及び治療ができることが期待される。

　また、カプセル型医療機器の駆動電力を体外より電磁誘導方式などの非接触電力伝送により伝播することが研究されている。その際、強力な電磁波がカプセル型医療機器内部の部品類に影響を与えてしまうことが懸念される。特に、カプセル型医療機器に組み込まれる小型カメラモジュールのボイスコイルモーターは、強力な電磁波による磁場の影響を受けて誤動作してしまう。これにより、焦点調整機能や画角調整機能が正確に機能しなくなってしまう。

特許第３０４７０８２号公報特開２０００－８１６００号公報特開２００１－０９５７５６号公報特開２００１－１７０００２号公報特開２００４－２４８７５３号公報

　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、電極用の複雑な微細パターンの加工が不必要であり、かつ消費電力が低減でき、かつ結像性能の優れた液晶レンズ及びその駆動方法を提供することを目的とする。

　また、本発明は、製造コストが低減でき、かつ焦点ずれによるピンボケを低減できる液晶レンズを提供することを目的とする。

　また、本発明は、焦点調整機能又は画角調整機能を有しかつより小型化が可能な液晶レンズ、レンズユニット、カメラモジュール、及びカプセル型医療機器を提供することを目的とする。また、本発明は、立体画像を生成可能でありかつより小型化が可能な液晶レンズ、レンズユニット、カメラモジュール、及びカプセル型医療機器を提供することを目的とする。

　本発明の一態様に係る液晶レンズは、一対の第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板に挟まれた第１の液晶層と、前記第１の透明基板と前記第１の液晶層との間に配置された第１の電極とを有する第１の液晶セルと、一対の第３及び第４の透明基板と、前記第３及び第４の透明基板に挟まれかつ前記第１の液晶層と直交する方向に配向された第２の液晶層と、前記第４の透明基板と前記第２の液晶層との間に配置された第２の電極とを有する第２の液晶セルと、前記第２の透明基板と前記第３の透明基板とに接するようにして前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルとに挟まれた高誘電率層と、１つ又は複数の開口部を有する第３の電極とを含む中間層とを具備することを特徴とする。

　本発明の一態様に係る液晶レンズの駆動方法は、前記第３の電極を接地する工程と、前記第１及び第２の電極にそれぞれ第１及び第２の交流電圧を印加する工程と、前記第１及び第２の交流電圧の位相差を変化させることで、前記液晶レンズの焦点距離を変化させる工程とを具備することを特徴とする。

　本発明の一態様に係るレンズユニットは、前記液晶レンズと、前記液晶レンズの光軸に配置され、かつ焦点距離が固定された固定レンズとを具備し、前記液晶レンズの焦点距離を変化させることで、焦点又は画角を調整することを特徴とする。

　本発明の一態様に係るカメラモジュールは、前記レンズユニットと、前記レンズユニットから光を受ける撮像素子と、前記前記液晶レンズ及び前記撮像素子を制御する制御回路とを具備することを特徴とする。

　本発明の一態様に係るカプセル型医療機器は、前記レンズユニットと、前記レンズユニットから光を受ける撮像素子と、前記前記液晶レンズ及び前記撮像素子を制御する制御回路と、前記レンズユニット、前記撮像素子及び前記制御回路を密閉するカプセルとを具備することを特徴とする。

　本発明によれば、電極用の複雑な微細パターンの加工が不必要であり、かつ消費電力が低減でき、かつ結像性能の優れた液晶レンズ及びその駆動方法を提供することができる。

　また、本発明によれば、製造コストが低減でき、かつ焦点ずれによるピンボケを低減できる液晶レンズを提供することができる。

　また、本発明によれば、焦点調整機能又は画角調整機能を有しかつより小型化が可能な液晶レンズ、レンズユニット、カメラモジュール、及びカプセル型医療機器を提供することができる。また、本発明によれば、立体画像を生成可能でありかつより小型化が可能な液晶レンズ、レンズユニット、カメラモジュール、及びカプセル型医療機器を提供することができる。

第１の実施形態に係る液晶レンズ１００の構成を示す断面図。液晶レンズ１００に電圧を印加する電圧制御回路２００の構成を示す概略図。液晶レンズ１００の動作原理を説明する断面図。液晶レンズ１００の動作原理を説明する斜視図。電圧制御回路２００の電圧制御動作を説明するグラフ。電圧分布を数値シミュレーションした領域を説明する図。比較例に係る液晶レンズの電圧分布を説明する図。同相の電圧を印加した場合の液晶レンズ１００の電圧分布を説明する図。逆相の電圧を印加した場合の液晶レンズ１００の電圧分布を説明する図。位相ずらし時間τと焦点距離ｆとの関係を示すグラフ。第２の実施形態に係る液晶レンズ１００の動作原理を説明する断面図。スプレイ配向及びベンド配向を説明する図。第３の実施形態に係る液晶レンズ１００の動作原理を説明する断面図。第４の実施形態に係る液晶レンズの製造工程を示す図。図１４に続く液晶レンズの製造工程を示す図。図１５に続く液晶レンズの製造工程を示す図。シール材の実施例を示す平面図。図１６に続く液晶レンズの製造工程を示す図。図１８に続く液晶レンズの製造工程を示す図。図１９に続く液晶レンズの製造工程を示す図。図２０に続く液晶レンズの製造工程を示す平面図。図２１に示したＡ－Ａ´線に沿った液晶レンズの製造工程を示す断面図。液晶レンズの焦点ずれを説明する模式図。図２３に示した上面図及び側面図を合成した模式図。ＸレンズとＹレンズとの収差を説明する模式図。第５の実施形態に係る液晶レンズの製造工程を示す図。液晶セルの他の構成例を示す図。図２６に続く液晶レンズの製造工程を示す図。図２８に続く液晶レンズの製造工程を示す図。図２９に続く液晶レンズの製造工程を示す図。第６の実施形態に係る液晶レンズの製造工程を示す図。図３１に続く液晶レンズの製造工程を示す図。図３２に続く液晶レンズの製造工程を示す図。図３３に続く液晶レンズの製造工程を示す平面図。図３４に示したＡ－Ａ´線に沿った液晶レンズの製造工程を示す断面図。図３５に続く液晶レンズの製造工程を示す平面図。図３６に示したＡ－Ａ´線及びＢ－Ｂ´線に沿った液晶レンズの製造工程を示す断面図。第７の実施形態に係る焦点調整機能を有するカメラモジュールの構成を示す模式図。液晶レンズの配向を説明する概略図。第７の実施形態に係る画角調整機能を有するカメラモジュールの構成を示す模式図。液晶レンズの配向を説明する概略図。画角調整機能を有するカメラモジュールの他の構成を示す模式図。実施例１に係るカメラモジュールの構成を示す断面図。実施例２に係るカメラモジュールの構成を示す断面図。実施例３に係るカメラモジュールの構成を示す断面図。第８の実施形態に係る複眼型液晶レンズの構成を示す断面図。複眼型液晶レンズの構成を示す斜視図。実施例１に係る多眼式カメラモジュールの構成を示す平面図。実施例１に係る多眼式カメラモジュールの構成を示す断面図。実施例２に係る多眼式カメラモジュールの構成を示す断面図。実施例３に係る多眼式カメラモジュールの構成を示す断面図。実施例４に係る多眼式カメラモジュールの構成を示す断面図。多眼式カメラモジュールで撮影した画像を説明する図。第９の実施形態に係るカプセル型医療機器の構成を示す上面図。実施例１に係るカプセル型医療機器の構成を示す断面図。実施例２に係るカプセル型医療機器の構成を示す断面図。実施例３に係るカプセル型医療機器の構成を示す断面図。第１０の実施形態に係る多眼式カプセル型医療機器の構成を示す上面図。実施例１に係る多眼式カプセル型医療機器の構成を示す断面図。実施例２に係る多眼式カプセル型医療機器の構成を示す断面図。実施例３に係る多眼式カプセル型医療機器の構成を示す断面図。液晶レンズの概略を示す斜視図。第１１の実施形態に係るカメラモジュールの構成を示す平面図。図６３に示したＡ－Ａ´線に沿ったカメラモジュールの断面図。カメラモジュールの他の構成例を示す断面図。カメラモジュールの他の構成例を示す断面図。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。本発明の技術思想は、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることができる。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

　［第１の実施形態］
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る液晶レンズ１００の構成を示す断面図である。液晶レンズ１００は、第１の液晶セル１１０と、第２の液晶セル１３０と、これらに挟まれた中間層１２０とを備えている。

　第１の液晶セル１１０は、例えばガラス基板からなる一対の透明基板１１１及び１１７と、電極１１２と、一対の配向膜１１３及び１１６と、液晶層１１４とを備えている。透明基板１１１上には、電極１１２が設けられている。電極１１２は、透明な光透過性を有する導電材料で構成されており、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ：indium-tin oxide）が用いられる。

　電極１１２上には、配向膜１１３が設けられている。また、透明基板１１７の透明基板１１１と対向する面には、配向膜１１６が設けられている。液晶層１１４は、配向膜１１３及び１１６に挟持されている。液晶層１１４を構成する液晶材料は、これに印加される電界に応じて液晶分子の配向方向が操作され、光学特性が変化する。配向膜１１３及び１１６の液晶層１１４と接する面には、電界を印加していないとき（初期配向時）の液晶分子の配向方向を決定するために、配向処理が施されている。

　配向膜１１３及び１１６の間には、これらに接するようにシール材１１５が設けられている。シール材１１５としては、球状シリカまたは円柱状ガラス小片を混入させた接着剤が用いられ、シール材１１５は、レンズ部分の外縁部を周方向に囲んでいる。シール材１１５は、液晶層１１４を所定の厚さに保持する機能と、液晶層１１４の液晶材料を封止する機能と、透明基板１１１及び１１７を貼り合せる機能とを有している。シール材１１５としては、例えば、アクリル系粘着剤やエポキシ系粘着剤などの接着性を有する樹脂が用いられる。また、光硬化型樹脂（例えば、アクリル系の光硬化型樹脂）など、光を当てて成形することができる樹脂や、熱硬化型樹脂（例えば、エポキシ系の熱硬化型樹脂）など、熱によって成形できる樹脂を用いることができる。

　第２の液晶セル１３０は、例えばガラス基板からなる一対の透明基板１３１及び１３７と、電極１３２と、一対の配向膜１３３及び１３６と、液晶層１３４とを備えている。

　透明基板１３１上には、電極１３２が設けられている。電極１３２は、透明な光透過性を有する導電材料で構成されており、例えば電極１１２と同じ材料が用いられる。

　電極１３２上には、配向膜１３３が設けられている。また、透明基板１３７の透明基板１１１と対向する面には、配向膜１３６が設けられている。液晶層１３４は、配向膜１３３及び１３６に挟持されている。液晶層１３４を構成する液晶材料は、これに印加される電界に応じて液晶分子の配向方向が操作され、光学特性が変化する。配向膜１３３及び１３６の液晶層１３４と接する面には、電界を印加していないときの液晶分子の配向方向を決定するために、配向処理が施されている。

　配向膜１３３及び１３６の間には、これらに接するようにシール材１３５が設けられている。シール材１３５としては、例えばシール材１１５と同じ材料が用いられ、シール材１３５は、レンズ部分の外縁部を周方向に囲んでいる。シール材１３５は、液晶層１３４を所定の厚さに保持する機能と、液晶層１３４の液晶材料を封止する機能と、透明基板１３１及び１３７を貼り合せる機能と有している。

　第１の液晶セル１１０と第２の液晶セル１３０との間には、中間層１２０が設けられている。第１の液晶セル１１０は、透明基板１１７が中間層１２０と接するように配置され、第２の液晶セル１３０は、透明基板１３７が中間層１２０と接するように配置される。

　中間層１２０は、電極１２１と、高誘電率層１２２とを備えている。電極１２１は、レンズ口径（レンズ有効領域）となる例えば円形の開口部を有しており、導電材料からなる例えばリング状電極である。電極１２１の開口部の形状は、液晶レンズ１００がレンズとしての機能を果たすのであれば、円形以外の形状であってもよい。電極１２１は、例えば、透明基板１１７に接するように配置されている。電極１２１の位置には特に制限はなく、電極１２１は、透明基板１３７に接するように配置されていてもよいし、高誘電率層１２２の中間部に埋め込まれていてもよい。

　高誘電率層１２２は、透明基板１１７と透明基板１３７との間、及び電極１２１と透明基板１３７との間に設けられている。高誘電率層１２２は、透明な絶縁材料からなる。高誘電率層１２２の比誘電率は、透明基板の材料であるガラスの比誘電率より大きく、ガラスの比誘電率の２倍以上であることが望ましい。具体的には、高誘電率層１２２の比誘電率は、ガラスの比誘電率を５程度とすると、１０以上かつ５０以下の範囲が望ましい。このような条件を満たすことで、所望の口径を有する液晶レンズ１００を構成することができる。なお、液晶レンズ１００の口径を大きくするには、高誘電率層１２２の比誘電率を大きくする、高誘電率層１２２の厚さを厚くする、及びその両方のいずれかの手法を操作すればよい。

　電極１２１と透明基板１３７との間には、これらに接するようにシール材１２３が設けられている。シール材１２３としては、例えばシール材１１５と同じ材料が用いられ、シール材１２３は、レンズ部分の外縁部を周方向に囲んでいる。シール材１２３は、高誘電率層１２２を所定の厚さに保持する機能と、高誘電率層１２２の材料を封止する機能と、電極１２１及び透明基板１３７を貼り合せる機能とを有している。なお、シール材１１５に替えて、電極１２１と透明基板１３７との距離を調整するスペーサを配置してもよい。スペーサ１２３は、プラスチックやガラスなどにより構成される。

　レンズ内の不要な散乱光や反射光を防ぐためには、高誘電率層１２２と透明基板１１７（又は１３７）との界面の反射率が低いことが望ましい。このために、高誘電率層１２２の屈折率は、これに接する透明基板１１７及び１３７の屈折率や、電極１１２及び１３２の屈折率に近い値かそれ以下に設定される。具体的には、高誘電率層１２２の屈折率は、透明基板１１７（又は１３７）の屈折率以上、かつ電極１１２（又は１３２）の屈折率以下に設定される。また、透明基板１１７及び１３７としてのガラスの屈折率が１．５程度とすると、ガラス基板との界面における光の反射を小さくするために、高誘電率層１２２の屈折率は２．０以下が望ましい。

　透明基板１１１の電極１１２が設けられた面と反対面には、反射防止膜１０１が設けられている。同様に、透明基板１３１の電極１３２が設けられた面と反対面には、反射防止膜１０２が設けられている。反射防止膜１０１及び１０２としては、例えば、フッ化マグネシウム薄膜、または、酸化チタン及び酸化シリコンなどの積層薄膜が用いられる。また、反射防止膜１０１及び１０２の替わりに反射防止コーティングを施した樹脂フィルムを貼り付けてもよい。

　ここで、液晶層１１４は、液晶分子の長軸が面内方向（透明基板面に沿った方向）に平行であり、かつ長軸方向が第１の方向（Ｘ方向）であるホモジニアス配向（homogenious alignment）されている。ホモジニアス配向された液晶層の誘電率異方性は正である。液晶層１１４の配向は、前述したように、配向膜１１３及び１１６と配向処理工程とによって制御される。また、液晶層１３４は、液晶分子の長軸が面内方向に平行であり、かつ長軸方向がＸ方向に直交する第２の方向（Ｙ方向）であるホモジニアス配向されている。液晶層１３４の配向は、前述したように、配向膜１３３及び１３６と配向処理工程とによって制御される。

　図２は、液晶レンズ１００に電圧を印加する電圧制御回路２００の構成を示す概略図である。電圧制御回路２００は、第１の液晶セル１１０の電極１１２に電圧を印加する第１の電圧制御回路２０１と、第２の液晶セル１３０の電極１３２に電圧を印加する第２の電圧制御回路２０２とを備えている。電極１２１は、接地されている。電圧制御回路２００の動作については後述する。

　（実施例）
　以下に、液晶レンズ１００の実施例について説明する。　
　液晶層１１４及び１３４の厚さはそれぞれ５０μｍ程度である。透明基板（ガラス基板）１１７及び１３７の厚さはそれぞれ５０μｍ程度であり、ガラスの比誘電率は５程度である。透明基板（ガラス基板）１１１及び１３１の厚さは５００μｍ程度としたが、これらは液晶レンズ１００の動作に関与しないので任意である。ガラス基板１１７及び１３７は最初から５０μｍ厚のガラスを用いてもよいが、初期は５００μｍ厚などを使用して、ガラス基板１１１またはガラス基板１３１と貼り合わせた後にエッチングや研磨によって５０μｍ厚にすることも可能である。

　電極１２１は、導電性薄膜からなり、内径１．５ｍｍ程度である。電極１２１は、クロム（Ｃｒ）等の金属薄膜をガラス基板１１７に成膜した後、この金属薄膜をフォトリソグラフィで加工する、または、導電性インクを印刷及び焼成することによって形成する。電極１２１の材料は、カーボン系の導電性インク、例えばグラファイト粒子を含む導電性樹脂のように光の反射率が低いものが好ましい。電極１２１に黒系の導電材料を用いた場合、電極１２１による不要な反射光が低減され、液晶レンズ１００の結像特性が向上する。

　高誘電率層１２２は、例えば炭酸プロピレンからなる。炭酸プロピレンは液体であるため、製造過程で気泡などが入りづらく、固体の絶縁膜に比べて製造工程が容易である。また、液晶と同じ製造工程で高誘電率層１２２を形成することができるため、製造コストが低減できる。高誘電率層１２２の厚さは５０μｍ程度、比誘電率は２０程度である。また、高誘電率層１２２は、チタン酸バリウムを主成分とする強誘電性物質の微粒子を樹脂のバインダに分散したものを塗布し、熱または紫外線（ＵＶ）により硬化させて形成してもよい。

　（動作）
　まず、液晶レンズ１００の動作原理について説明する。図３は、液晶レンズ１００の動作原理を説明する断面図である。図３には、レンズとして機能する液晶層１３４を抽出して示している。

　ホモジニアス配向させた液晶層１３４に不均一な電場を与え、液晶分子の長軸の平均的傾斜角がレンズ中心では小さく、レンズ周辺部へ行くにしたがって大きくなるような配向分布を作り出す。平面波がこの液晶層１３４に入射すると、液晶層１３４の屈折率異方性のためにレンズ中心とレンズ周辺部とでは光路差が生じ、液晶層１３４を通過した光の波面は曲面となる。

　図３において、“ｙ”はレンズ中心からの高さ（半径）、“ｆ”は焦点距離、“Ｒｅ（ｙ）”はレンズ中心と半径ｙとの位置の光路差である。Ｒｅ（ｙ）は、“Δｎ×ｄ”で表される。“Δｎ”は屈折率異方性、“ｄ”は液晶層の厚さである。

　半径ｙ、光路差Ｒｅ（ｙ）はそれぞれ以下の式で表される。　
　ｆ・tanθ＝ｙ　　　　　　　　　・・・（１）
　ｆ・（secθ－１）＝Ｒｅ　　　　・・・（２）
式（１）及び式（２）からθを消去して、
　１／ｆ＝２Ｒｅ／（ｙ^２－Ｒｅ^２）
　　　　≒２Ｒｅ／ｙ^２　　　　　　・・・（３）
“１／ｆ”はレンズパワーである。

　式（３）を変形して、Ｒｅ（ｙ）は以下の式で表される。

　Ｒｅ（ｙ）≒ｙ^２／２ｆ　　　　　・・・（４）
　式（４）から、半径ｙの２乗に比例した光路差Ｒｅ（ｙ）が発現するように液晶層１３４を動作させる。

　ただし、１枚の液晶層１３４では一方向の偏光のみに作用するため、あらゆる方向の偏光に対して有効な液晶レンズを作成するには、図４に示したように、液晶分子の配向方向が互いに垂直な２枚の液晶層１１４及び１３４を組み合わせて用いればよい。これにより、液晶層１１４及び１３４を通過した光の波面が球面になるように制御できるため、液晶レンズ１００を通過した光は光軸上の一点に集まり、図４の例では凸レンズの役割を果たす。液晶層１１４は、Ｘ方向の偏光に作用するＸ－レンズとして機能し、液晶層１３４は、Ｙ方向の偏光に作用するＹ－レンズとして機能する。

　このように、液晶層１１４及び１３４に電圧勾配を与えることにより、細長い棒状の形状をした液晶（例えば、ネマチック液晶）分子がその長軸を電界方向に向けて配向する。その結果、液晶層１１４及び１３４の配向分布の変化により、屈折率分布がレンズ中心からレンズ周辺部まで変化するため、液晶層１１４及び１３４をレンズとして機能させることができる。電極１１２、１２１及び１３２への電圧の掛け方によって液晶層１１４及び１３４の屈折率分布を自由に変化させることができ、凸レンズとしての光学特性の制御を行うことが可能となる。

　次に、液晶レンズ１００のレンズ中心からレンズ周辺部に向かって滑らかな電圧勾配を得る手法について説明する。　
　図５は、電圧制御回路２００の電圧制御動作を説明するグラフである。　
　電圧制御回路２０１は、電極１１２に片側振幅がＶ１で周期Ｔである矩形波の交流電圧Ｖ１（ｔ）を印加する。電圧制御回路２０２は、電極１３２に片側振幅がＶ２で周期Ｔである矩形波の交流電圧Ｖ２（ｔ）を印加する。電圧Ｖ１（ｔ）と電圧Ｖ２（ｔ）との位相ずらし時間をτとする。電圧Ｖ１（ｔ）と電圧Ｖ２（ｔ）との周期Ｔは同じである。

　電圧制御回路２０１は、電圧Ｖ１（ｔ）の片側振幅Ｖ１、周期Ｔ、位相を制御することができる。同様に、電圧制御回路２０２は、電圧Ｖ２（ｔ）の片側振幅Ｖ２、周期Ｔ、位相を制御することができる。片側振幅Ｖ１及びＶ２の大きさは、液晶層１１４及び１３４に印加される電界の大きさが同じになるように適宜制御される。第１の実施形態では、図１に示すように、電極１３２と電極１２１との距離が、電極１１２と電極１２１との距離より大きくなっている。この距離の差を補正するため、図５の例では、片側振幅Ｖ２が片側振幅Ｖ１に比べて大きくなっている。

　図７乃至図９は、液晶レンズ１００の断面の電圧分布を数値シミュレーションによって求めたものである。図７乃至図９は、図６の斜線で示した断面部分、すなわちレンズ断面の半分の領域における電圧分布を示している。図７乃至図９の縦軸と横軸の単位は、［μｍ］である。Ｖ１＝Ｖ２＝１５Ｖとしている。等電位線は、１Ｖ間隔である。なお、図８及び図９の電圧分布は、上記実施例で説明した液晶レンズ１００の数値を用いている。

　図７は、Ｖ１（ｔ）＝Ｖ２（ｔ）なる電圧を印加した場合、すなわち電圧Ｖ１（ｔ）と電圧Ｖ２（ｔ）とが同相である場合で、かつ高誘電率層が無い場合の等電位線である。図７では、例えば高誘電率層の部分にガラスを用いており、従って、液晶層１１４及び１３４の間はガラスで満たされている。ガラスの比誘電率を５でシミュレーションしている。高誘電率層が無い場合は、レンズ周辺部の電極１２１に近い領域の液晶層には印加電圧の勾配が集中しているが、レンズ中心付近の液晶層にはほとんど電場が印加されない。よって、図７の例では、液晶層に電圧勾配を与えることができないので、凸レンズとしての機能を果たしていない。

　図８は、Ｖ１（ｔ）＝Ｖ２（ｔ）なる電圧を印加した場合、すなわち電圧Ｖ１（ｔ）と電圧Ｖ２（ｔ）とが同相である場合で、かつ高誘電率層１２２を含む場合の等電位線である。高誘電率層１２２の比誘電率を２０でシミュレーションしている。高誘電率層１２２を含む場合は電場がレンズ中心付近まで侵入し、レンズ中心からレンズ周辺部まで滑らかな電圧勾配が得られることが分かる。このような場合、レンズ中心からレンズ周辺部にかけてなだらかに光路差が変化し、良好な凸レンズの性能が得られる。また、高誘電率層１２２の比誘電率を大きくする、高誘電率層１２２の厚さを厚くする、及びその両方のいずれかの手法を操作することで、等電位線がレンズ中心方向に大きく入り込むように制御できる。これにより、電圧勾配を得られる領域（すなわちレンズ口径）を大きくすることができる。

　図９は、Ｖ１（ｔ）＝－Ｖ２（ｔ）なる電圧を印加した場合、すなわち電圧Ｖ１（ｔ）と電圧Ｖ２（ｔ）とが逆相となる場合で、かつ高誘電率層１２２を含む場合の等電位線である。このとき、レンズ中心からレンズ周辺部まで一様に電場が印加される。この状態はレンズの働きが無い状態で、焦点距離は無限大である。

　図８の状態は振幅が等しくて同相の矩形波交流電圧Ｖ１（ｔ）及びＶ２（ｔ）を印加した場合に相当し、図９の状態は振幅が等しくて逆相の矩形波交流電圧Ｖ１（ｔ）及びＶ２（ｔ）を印加した場合に相当する。電圧Ｖ１（ｔ）と電圧Ｖ２（ｔ）との位相が同相と逆相との中間の状態を作る、すなわち電圧Ｖ１（ｔ）と電圧Ｖ２（ｔ）との位相をずらすことによって、液晶層１１４及び１３４に印加される実効電圧を連続的に変化させることができる。

　図１０は、位相ずらし時間τと焦点距離ｆとの関係を示すグラフである。図１０の横軸は周期Ｔに対する位相ずらし時間τの比“τ／Ｔ”を示し、縦軸はレンズパワー（diopter）を示している。Ｖ１＝Ｖ２＝１５Ｖとしている。

　図１０から分かるようにτ／Ｔが０の時、すなわち電圧Ｖ１（ｔ）と電圧Ｖ２（ｔ）とが同相であるときにレンズパワーが大きくなり、すなわち焦点距離ｆの短い凸レンズとなる。一方、τ／Ｔが０．５の時、すなわち電圧Ｖ１（ｔ）と電圧Ｖ２（ｔ）とが逆相であるときにレンズパワーは０となり、すなわち焦点距離ｆが無限大である。このように、電圧Ｖ１（ｔ）及びＶ２（ｔ）の間の位相ずらし時間τを制御することによって、液晶レンズ１００の焦点距離ｆを変化させることができる。

　（効果）
　以上詳述したように第１の実施形態では、液晶レンズ１００は、第１の液晶セル１１０、第２の液晶セル１３０、及びこれらに挟まれた中間層１２０を備えている。第１の液晶セル１１０は電極１１２及び液晶層１１４を備え、第２の液晶セル１３０は電極１３２及び液晶層１３４を備え、中間層１２０は開口部を有する電極１２１及び高誘電率層１２２を備えている。また、液晶層１１４はホモジニアス配向され、液晶層１３４は液晶層１１４と９０度異なる方向にホモジニアス配向される。そして、電極１２１を接地した状態で、電極１１２に交流電圧Ｖ１（ｔ）を印加し、電極１３２に交流電圧Ｖ２（ｔ）を印加し、さらに、交流電圧Ｖ１（ｔ）と交流電圧Ｖ２（ｔ）との位相差を変化させるようにしている。

　従って第１の実施形態によれば、交流電圧Ｖ１（ｔ）と交流電圧Ｖ２（ｔ）との位相をずらすという簡単な駆動方法だけで、液晶レンズ１００の焦点距離を変化させることができる。さらに、配向方向が異なる２つの液晶層１１４及び１３４を備えることで、あらゆる方向の偏光に対して有効な凸レンズの機能を有する液晶レンズ１００を構成することができる。

　また、液晶レンズ１００の上下の電極１１２及び１３２に印加する交流電圧のそれぞれの振幅と両者の位相ずれという２つのパラメータを用いて焦点距離を制御するため、簡素な駆動回路で液晶レンズ１００を駆動することができ、さらに消費電力を小さくすることができる。

　また、従来の液晶レンズのような複雑な形状で高精度の加工が必要な電極パターンを設ける必要がない。このため、液晶レンズ１００の製造コストを低減することができる。

　また、光が通過する部分に電極パターンが無いため、パターンエッジによる散乱光でレンズの結像性能を劣化させることが無い。よって、結像性能の優れた液晶レンズ１００を実現することができる。

　［第２の実施形態］
　第２の実施形態は、ホメオトロピック配向（homeotropic alignment）された２つの液晶層を用いて液晶レンズ１００を構成するようにしている。

　液晶層１１４は、液晶分子の長軸が面内方向にほぼ垂直であるホメオトロピック配向されている。ホメオトロピック配向された液晶層１１４は、屈折率の大きくなる方向が誘電率の小さくなる方向と同じ、すなわち誘電率異方性が負である。このため、初期配向として、すなわち無電圧の状態で面内方向にほぼ垂直に液晶分子を配向させた場合、電圧印加によって液晶分子が傾斜する。液晶層１１４は、電圧印加時に液晶分子が傾斜する方向を同じにするために、垂直方向から膜面の第１の方向（Ｘ方向）にわずかに傾けて初期配向させる。すなわち、液晶層１１４の液晶分子は、一様にＸ方向にわずかなプレチルト角を有している。プレチルト角とは、膜面に垂直方向に対する液晶分子の長軸の傾斜角である。液晶層１１４の配向は、配向膜１１３及び１１６と配向処理工程とによって制御される。

　液晶層１３４は、液晶層１１４と同様に、ホメオトロピック配向されている。また、液晶層１３４は、電圧印加時に液晶分子が傾斜する方向を同じにするために、垂直方向から膜面のＸ方向に直交する第２の方向（Ｙ方向）にわずかに傾けて初期配向させる。すなわち、液晶層１３４の液晶分子は、一様にＹ方向にわずかなプレチルト角を有している。このように、液晶層１１４及び１３４の液晶分子を傾ける方向は、レンズ光軸から見て直交させる。

　液晶レンズ１００の構成は、液晶層１１４及び１３４の初期配向が異なることを除いては、第１の実施形態で示した図１及び図２と同じである。また、液晶レンズ１００に電圧を印加する電圧制御回路２００の動作についても、第１の実施形態と同じである。

　図１１は、第２の実施形態に係る液晶レンズ１００の動作原理を説明する断面図である。図１１には、レンズとして機能する液晶層１３４を抽出して示している。液晶層１１４の動作は、配向方向が９０度異なる以外は、図１１の液晶層１３４と同じである。

　電圧制御回路２００を用いて液晶層１３４に図８のような電圧勾配を与えると、液晶層１３４の液晶分子は、レンズ中心部では面内方向にほぼ垂直方向に配向し、レンズ周辺部に近づくにしたがって面内方向に傾斜する。ホメオトロピック配向された液晶層１３４を用いた場合、第１１図のようにレンズ中心部の光路差がレンズ周辺部の光路差より小さくなる。このため、凹レンズの働きをする、すなわちレンズパワーが負である液晶レンズ１００を実現できる。

　以上詳述したように第２の実施形態によれば、焦点距離が可変な凹レンズの機能を有する液晶レンズ１００を構成することができる。その他の効果は、第１の実施形態と同じである。

　［第３の実施形態］
　第３の実施形態は、ベンド配向（bend alignment）された２つの液晶層を用いて液晶レンズ１００を構成するようにしている。

　液晶層１１４は、初期配向、すなわち無電圧の状態ではスプレイ（splay）配向されるが、電圧印加によってベンド配向に転移する。図１２（ａ）はスプレイ配向を説明する図、図１２（ｂ）はベンド配向を説明する図である。スプレイ配向は、液晶分子群が面内方向に対して小さいチルト角を持ってスプレイ状に配列している。ベンド配向は、液晶分子群が弓なり状に配列している。また、液晶層１１４は、液晶分子の長軸が膜面の第１の方向（Ｘ方向）に向くようにしてスプレイ配向されている。液晶層１１４の配向は、配向膜１１３及び１１６と配向処理工程とによって制御される。

　液晶層１３４は、液晶層１１４と同様に、無電圧の状態ではスプレイ配向されるが、電圧印加によってベンド配向に転移する。また、液晶層１３４は、液晶分子の長軸が膜面のＸ方向に直交する第２の方向（Ｙ方向）に向くようにしてスプレイ配向されている。このように、液晶層１１４及び１３４の液晶分子の配向方向は、レンズ光軸から見て直交させる。

　図１３は、第３の実施形態に係る液晶レンズ１００の動作原理を説明する断面図である。図１３には、レンズとして機能する液晶層１３４を抽出して示している。液晶層１１４の動作は、配向方向が９０度異なる以外は、図１３の液晶層１３４と同じである。

　電圧制御回路２００を用いて液晶層１３４に図８のような電圧勾配を与えると、液晶層１３４はスプレイ配向からベンド配向に転移するとともに、レンズ中心部からレンズ周辺部に近づくにつれて、液晶分子が膜面に垂直方向に大きく傾斜する。その結果、液晶層１３４の配向分布の変化により、屈折率分布がレンズ中心からレンズ周辺部まで変化するため、液晶層１３４をレンズとして機能させることができる。また、電極１１２、１２１及び１３２への電圧の掛け方によって液晶層１３４の屈折率分布を自由に変化させることができ、凸レンズとしての光学的な特性の制御を行うことが可能となる。

　以上詳述したように第３の実施形態によれば、焦点距離が可変な凸レンズの機能を有する液晶レンズ１００を構成することができる。ベンド配向モードは、同一のセルギャップであれば、ホモジニアス配向モードに比べて、電圧変化による光路差の変化が小さいため、レンズパワーは小さくなるが、応答速度が大きいという特長がある。その他の効果は、第１の実施形態と同じである。

　なお、上記各実施形態で説明した液晶レンズ１００は、レンズを扱う様々な光学装置や電子機器に適用することができる。例えば、カメラモジュール、カメラ、カメラ付携帯型電子機器（携帯電話、携帯情報端末など）、及び光ピックアップ、バーコードやＱＲ（Quick Response）コード等を読み取るリーダ、並びにスキャナなどの小型電子機器に適用可能である。

　［第４の実施形態］
　第４の実施形態では、本発明の液晶レンズ１００のピンボケを抑制する手法と、本発明の液晶レンズ１００に適した構造を実現するための製造方法について説明する。

　図１４（ａ）は、液晶レンズ１００の製造工程を示す平面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示したＡ－Ａ´線に沿った断面図である。なお、図１４（ａ）の平面図は、後工程に単個化される液晶セル１１０を概略化して示している。

　図１４に示すように、２枚のマザーガラス１１１及び１１７を貼り合わせてユニット３００を作成するが、一方のマザーガラス１１１は透明電極１１２を有し、他方のマザーガラス１１７は透明電極を有さない素ガラスである。現行の一般的な液晶パネルの製造工程にてこのユニット３００を作製するので、それぞれのマザーガラスの厚さは０．５ｍｍ～１．１ｍｍ程度である。マザーガラス１１１及び１１７のそれぞれに配向膜１１３及び１１６を形成し、これら配向膜１１３及び１１６にラビング処理を施す。

　続いて、シール材１１５及び３０１をマザーガラス１１１（若しくはマザーガラス１１７）に印刷した後、２枚のマザーガラス１１１及び１１７を貼り合わせてユニット３００を作製する。シール材１１５には液晶層の厚さを制御するために、所望のサイズのスペーサが含まれている。シール材１１５の外形は、例えば四角形である。シール材３０１は、マザーガラス１１１の端部に沿って形成されている。

　続いて、図１５に示すように、素ガラス側のマザーガラス１１７を薄くすることで、ユニット３００を薄型化（薄膜化）加工する。ガラスを薄膜化する加工には、研磨剤でガラス表面を機械的に削り取る機械研磨法と、化学反応でガラス表面を削り取る化学研磨法とがあるが、今回の実施形態においては機械研磨法と化学研磨法とのどちらの方式を用いてもよい。薄膜化されるガラス基板１１７（及びガラス基板１３７）の膜厚の条件については、後述する。

　続いて、ユニット３００を単個の液晶セル１１０に切り分ける、スクライブ及びブレイク工程を行う。具体的には、ユニット３００にレーザスクライブなどによってスクライブラインを形成するスクライブ処理を行った後、スクライブラインを加圧してユニット３００を分割するブレイク処理を行う。図１６（ａ）は、単個化された液晶セル１１０の平面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に示したＡ－Ａ´線に沿った断面図である。液晶セル１１０は、図の横方向が縦方向より長い長方形を有している。同様に、シール材１１５の外形も長方形を有している。

　セル内部の透明電極１１３を外部に引き出すために、薄膜化されたガラス基板１１７のサイズを透明電極１１３側のガラス基板１１１のサイズより一回り小さくしている。図１６では、平面図においてガラス基板１１１（及び透明電極１１２）の一部が露出するように、薄膜化されたガラス基板１１７のサイズを図の横方向に小さくしている。なお、図１６には、液晶層の厚さを制御するスペーサ３０２を図示している。スペーサ３０２は、プラスチックやガラスなどにより構成されている。

　スクライブ及びブレイク工程では、ユニット３００に圧力が加わるため、液晶セル１１０（特にガラス基板）が歪むことが懸念される。この時、シール材１１５が四角形であると、液晶セル１１０も四角形に応じた形状に歪むことになり、円形のレンズを構成する場合には望ましくない。この対策として、図１７（ａ）に示すように、シール材１１５をレンズと同じリング状（円形）にする。これにより、液晶セル１１０のうちシール材１１５で囲まれた円形の領域は、円形に応じた形状に歪むことになる。これにより、スクライブ及びブレイク工程を経た場合でも、レンズの特性劣化を抑制することができる。

　また、図１７（ｂ）及び図１７（ｃ）に示すように、液晶を封止するための四角形のシール材１１５Ａの内側に、一部が欠けたリング状のシール材１１５Ｂを形成してもよい。換言すると、シール材１１５Ｂは、円弧状の２個の部材から構成されている。このような構成の場合、図１７（ａ）の効果に加えて、四角形のシール材１１５Ａによって液晶セル１１０の強度を保つことが可能となる。なお、シール材１１５Ｂの欠けた部分は、液晶の注入口となる。シール材１３５についても、図１７の例が適用される。

　続いて、図１８に示すように、液晶セル１１０内に液晶を注入し、その後、シール材１１５の開口部を封止材３０３で封止する。なお、後工程で２つの液晶セルを貼り合わせるため、封止材３０３は、外部へのはみ出しが無い方が望ましい。ここまでの製造工程で、液晶セル１１０が完成する。液晶セル１３０は、単個化された液晶セル１１０と同じものが使用される。

　続いて、図１９に示すように、ガラス基板１１７上にリング状の電極１２１を形成する。この時、リング状の電極１２１から接続端子（引き出し電極）３０４を引き出す。本実施形態では、接続端子３０４は、透明電極１３２が露出している側に引き出される。リング状の電極１２１には、レンズとして動作させる時にリング電極による光の反射を低減させるために、黒色のカーボン系の導電ペーストを使用する。導電ペーストをスクリーン印刷にてガラス基板１１７の上面に印刷し、リング状の電極１２１を形成する。リング状の電極１２１の厚さは、次工程で高誘電体膜シートを貼り付ける際に段差部分が十分に充填できるように、５μｍ～１０μｍ程度が望ましい。本実施形態の実証実験では、東洋インキ製造（株）製の「ＳＳリオフェーズ」を用いてリング状の電極を作成した。

　図２０（ａ）は、単個化された液晶セル１３０の平面図であり、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示したＡ－Ａ´線に沿った断面図である。図２０に示すように、液晶セル１３０のガラス基板１３７上に、リング電極よりサイズの大きい高誘電率層１２２を形成する。高誘電率層１２２は、厚さ３０μｍ程度のシート状の高誘電体膜をガラス基板１３７上に貼り付けて形成される。この高誘電体膜シートは、チタン酸バリウムを主成分とする強誘電性物質の微粒子を樹脂のバインダに分散させたシートである。この樹脂のバインダは、熱軟化性をもち、ＵＶを照射させることで硬化反応する特性を有している。図２０の工程では、高誘電体膜シートを加熱して軟化させ、この高誘電体膜シートを液晶セル１３０の表面に貼り付けるが、ＵＶでの硬化工程は次工程にて実施する。

　続いて、図２１及び図２２に示すように、リング状の電極１２１が形成された液晶セル１１０と、高誘電率層１２２が形成された液晶セル１３０とを貼り合わせる。具体的には、液晶層１１４と液晶層１３４との配向方向が９０度異なるように、液晶セル１１０と液晶セル１３０とを向かい合わせた後、リング状の電極１２１と高誘電率層１２２とを接触させる。そして、高誘電率層１２２を加熱して軟化させた状態で、２つの液晶セル同士を加圧する。この時、高誘電率層１２２が軟化しているので、電極１２１の開口部の段差を埋めることができる。なお、この貼り合わせ工程は、２つの液晶セル間に気泡が入り込む可能性があるので、真空中で行うことが望ましい。２つの液晶セル同士を圧着させた後、貼り合わせた液晶セル全体にＵＶを照射させ、高誘電率層１２２を硬化させ、２つの液晶セルを接着する。このようにして、第４の実施形態に係る液晶レンズ１００が作製される。

　次に、薄膜化されるガラス基板１１７（及びガラス基板１３７）の膜厚条件について説明する。図２３は、液晶レンズ１００の焦点ずれを説明する模式図である。図２３には、液晶レンズ１００の上面図及び側面図を示している。図２４は、図２３に示した上面図及び側面図を合成した模式図である。図２５は、ＸレンズとＹレンズとの収差を説明する模式図である。Ｘレンズは、液晶セル１１０に対応し、Ｙレンズは、液晶セル１３０に対応する。

　図２３において、焦点距離Ｌ、レンズ口径２Ｒである。ＸレンズとＹレンズとの光出射面（出光面）の距離をΔＬとする。本実施形態では、光出射面（出光面）とは、液晶セルによって屈折した屈折光が出射される基準面をいう。この時、光軸方向におけるＸレンズとＹレンズとの焦点は、ほぼΔＬ（≒ΔＬ）だけずれる。すなわち、光軸方向におけるＸレンズとＹレンズとの収差（焦点ズレ量）は、“≒ΔＬ”である。また、本実施形態では、光軸に直交する方向（レンズ口径方向）におけるＸレンズとＹレンズとの焦点ズレ量を横収差Δｄと呼ぶ。

　図２５において、液晶レンズ１００の出射光の屈折角θ、空気の屈折率ｎ_ａ、ガラス基板（透明基板１１１，１１７，１３１，１３７）の屈折率ｎ_ｇ及び屈折角θ_ｇ、液晶（液晶層１１４、１３４）の屈折率ｎ_ＬＣ及び屈折角θ_ＬＣ、誘電体（高誘電率層１２２）の屈折率ｎ_ε及び屈折角θ_ε、ガラス基板１１７の厚さｔ_１、高誘電率層１２２の厚さｔ_２、ガラス基板１３７の厚さｔ_３、液晶層１３４の厚さｔ_４とする。よって、ＸレンズとＹレンズとの出光面の距離“ΔＬ＝ｔ_１＋ｔ_２＋ｔ_３＋ｔ_４”である。Δｄ_１は、ガラス基板１１７を通過した光がレンズ口径方向に進む距離であり、Δｄ_２は、高誘電率層１２２を通過した光がレンズ口径方向に進む距離であり、Δｄ_３は、ガラス基板１３７を通過した光がレンズ口径方向に進む距離であり、Δｄ_４は、液晶層１３４を通過した光がレンズ口径方向に進む距離である。

　スネルの法則により、“α＝ｎ_ａ・sinθ＝ｎ_ｇ・sinθ_ｇ＝ｎ_ＬＣ・sinθ_ＬＣ＝ｎ_ε・sinθ_ε”が成り立つ。αは定数である。図２５に示した距離Δｄ_１～Δｄ_４は、式（５）～（８）で表される。sinθは、式（９）で表される。

　例えば、Δｄ_４に関しては、式（１０）のように算出される。

　Δｄ_１～Δｄ_３は、Δｄ_４と同様にして算出される。

　横収差Δｄは、Δｄ_１～Δｄ_４の和であるため、各層の屈折率に依存する。屈折率ｎ_ｇ，ｎ_ε，ｎ_ＬＣは、一般的に空気の屈折率ｎ_ａより大きいため、“ｎ_ｇ→ｎ_ａ，ｎ_ε→ｎ_ａ，ｎ_ＬＣ→ｎ_ａで、Δｄ→大”となる。よって、横収差Δｄが最大となるのは、“ｎ_ｇ＝ｎ_ａ，ｎ_ε＝ｎ_ａ，ｎ_ＬＣ＝ｎ_ａ”となる場合であり、この条件での横収差Δｄは、式（１１）で表される。

　本実施形態では、例えば、レンズ口径２Ｒが２ｍｍ程度、焦点距離Ｌ≧１００ｍｍを満たす液晶レンズを想定する。この条件での横収差Δｄは、式（１２）で表される。

　撮像素子数が１００万画素程度のＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサでは、撮像素子ピッチ（画素ピッチ）は５μｍ程度である。よって、液晶レンズ１００のピンボケを低減するためには、Δｄを５μｍ以内に収める必要がある。よって、“Δｄ＝１０^－２・ΔＬ≦５μｍ”が成り立ち、“ΔＬ≦５００μｍ”が算出される。

　なお、上記説明では、１個の液晶セルに入射した光が屈折する基準面（１個の液晶セルを通過する光の出射面）として液晶層とガラス基板との界面を用いているが、上記説明は、液晶層のレンズ口径方向の中心面を基準とした場合でも同様に成り立つ。

　また、“ΔＬ≦５００μｍ”を満たすためには、高誘電率層１２２の厚さを１００μｍ以下、液晶層１１４及び１３４の厚さを１００μｍ以下とすると、薄膜化されるガラス基板１１７及び１３７の厚さは、１５０μｍ以下に加工することが望ましい。

　また、前述した説明では、撮像素子数が１００万画素程度を例に挙げて説明しているが、撮像素子数が１００万画素以上である場合にも、同様に、Δｄを５μｍ以内に収める必要がある。よって、“ΔＬ≦５００μｍ”という条件は、撮像素子数が１００万画素以上である場合にも同様に成り立つ。

　（効果）
　以上詳述したように第４の実施形態では、透明基板１１７及び１３７を所定の厚さに薄膜化加工することで、液晶層１１４と液晶層１３４との距離を調整する。これにより、Ｘレンズ（液晶セル１１０）とＹレンズ（液晶セル１３０）との横収差を低減するようにしている。具体的には、ＸレンズとＹレンズとの横収差を、液晶レンズ１００が組み込まれる液晶表示装置の画素ピッチ以下にするようにしている。

　従って第４の実施形態によれば、液晶レンズ１００のピンボケを低減することが可能となる。また、第４の実施形態で示した構造を有することにより、所望の性能及び所望の強度を備えた液晶レンズ１００を実現することができる。

　また、透明電極１１２，１３２、及びリング状の電極１２１にそれぞれ電気的に接続される接続端子が露出しているため、液晶レンズ１００が組み込まれるレンズユニットへの電気的接続を行うことができる。

　また、２枚のマザーガラスを含む１個のユニットを用いて２個の液晶セル１１０及び１３０を作製することができる。これにより、液晶レンズ１００の製造コストを低減することが可能となる。

　［第５の実施形態］
　液晶レンズは、最終的には様々な種類のレンズユニットに組み込まれ、このレンズユニットに接続端子を介して電気的に接続される。よって、液晶レンズの接続端子が複雑な配置であると、レンズユニットへの組み込みが難しいものとなる。そこで、第５の実施形態では、レンズユニットに接続が容易な接続端子を有する液晶レンズを実現するようにしている。

　図２６（ａ）は、液晶セル１１０及び１３０の製造工程を示す平面図であり、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）に示したＡ－Ａ´線に沿った液晶セル１１０の断面図である。液晶セル１３０の断面図は、配向膜のラビング方向が異なる以外は、図２６（ｂ）と同じである。まず、第４の実施形態と同じ製造方法により、液晶セル１１０及び１３０を作製する。この時、液晶セル１１０及び１３０は、互いのラビング方向が９０度異なるように作製される。これは、配向膜のラビング処理を制御することで実現できる。すなわち、第４の実施形態では、ラビング方向が同じ２個の液晶セルを９０度交差して配置することで、Ｘレンズ及びＹレンズを作製していたが、第５の実施形態では、液晶セルの作製段階でラビング方向が９０度異なる２個の液晶セルを作製する。例えば、第５の実施形態では、図１４のユニット３００を作製する段階で、液晶セル１１０及び液晶セル１３０それぞれのユニットを作製する。

　なお、図２７に示すように、液晶セル１１０及び１３０は、配向膜のラビング方向が横方向に対して４５度傾いていてもよい。

　続いて、図２８に示すように、リング状の電極１２１を含む絶縁性のフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit）３１０を作製する。基板３１０は、３層の配線層を備えている。基板３１０の上面には、液晶セル１３０の透明電極１３２に電気的に接続される接続端子３１１が形成されている。

　基板３１０の中間層には、リング状の電極１２１と、電極１２１に電気的に接続された引き出し電極３０４が形成されている。また、基板３１０の上面には、リング状の電極１２１に電気的に接続される接続端子３１２が形成されている。リング状の電極１２１は、引き出し電極３０４及びコンタクト３１３を介して、接続端子３１２に電気的に接続されている。

　基板３１０の底面には、液晶セル１１０の透明電極１１２に電気的に接続される接続端子３１４が形成されている。また、基板３１０の上面には、接続端子３１４に電気的に接続される接続端子３１６が形成されている。接続端子３１４は、コンタクト３１５を介して、接続端子３１６に電気的に接続されている。

　続いて、図２６の状態から液晶セル１３０を裏返した後、図２９に示すように、ＦＰＣ３１０を間に挟むようにして、液晶セル１１０と液晶セル１３０とを貼り合わせる。この時、高誘電率層１２２として液状若しくはペースト状のバインダを使用し、高誘電率層１２２を液晶セル１１０と液晶セル１３０とを貼り合わせる接着剤として兼用する。

　続いて、液晶セル１１０とＦＰＣ３１０との間に、透明電極１１２と接続端子３１４とを電気的に接続する導電層３２０を形成する。同様に、液晶セル１３０とＦＰＣ３１０との間に、透明電極１３２と接続端子３１１とを電気的に接続する導電層３２１を形成する。図３０（ａ）は導電層の製造工程を示す平面図、図３０（ｂ）は図３０（ａ）に示したＡ－Ａ´線に沿った断面図、図３０（ｃ）は図３０（ａ）に示したＢ－Ｂ´線に沿った断面図である。導電層３２０及び３２１は、これらの形成箇所に導電ペーストを塗布して形成される。これにより、透明電極１１２は、接続端子３１６に電気的に接続され、透明電極１３２は、接続端子３１１に電気的に接続される。

　（効果）
　以上詳述したように第５の実施形態によれば、液晶レンズ１００は、液晶セル１１０の透明電極１１２に電気的に接続された接続端子３１６と、リング状の電極１２１に電気的に接続された接続端子３１２と、液晶セル１３０の透明電極１３２に電気的に接続された接続端子３１１とを備えることができる。さらに、液晶レンズ１００の一箇所に同じレベルの配線層として３個の接続端子を引き出すことが可能となる。これにより、レンズユニットへの接続が容易な液晶レンズ１００を実現することができる。

　また。液晶セル１１０と液晶セル１３０とを長手方向を同じにして貼り合わせているため、液晶レンズ１００の形状が複雑にならず、また液晶レンズ１００の長手方向と直交する方向のサイズを低減することができる。これにより、レンズユニットへの収納が容易になる。

　［第６の実施形態］
　第６の実施形態では、第５の実施形態と同様に液晶レンズ１００が外部への接続端子を備えつつ、さらに、サイズ及び製造コストを低減するようにしている。

　図３１（ａ）は、液晶セル１１０の製造工程を示す平面図であり、図３１（ｂ）は、図３１（ａ）に示したＡ－Ａ´線に沿った断面図である。液晶セル１１０は、例えば、８ｍｍ角以下の正方形である。液晶セル１１０のシール材１１５の外形は円形にて形成する。液晶セル１１０内の透明電極１１２も、円形を有している。透明電極１１２を円形にパターニングする際に、透明電極１１２に電気的に接続された引き出し電極３３０を形成する。この引き出し電極３３０は、透明電極１１２から液晶セル１１０の右上の角に引き出される。液晶セル１３０の構成も図３１と同じである。液晶セル１１０及び１３０を単個化するまでの製造工程は、第４の実施形態と同じである。そして、液晶セル１１０及び１３０内に液晶を注入し、シール材の開口部を封止材３０３で封止する。

　続いて、図３２に示すように、液晶セル１１０のガラス基板１１７上に、透明電極１１２と同一の中心を持つリング状の電極１２１を形成する。リング状の電極１２１をパターニングする際に、リング状の電極１２１に電気的に接続された引き出し電極３０４Ａ及び３０４Ｂを形成する。引き出し電極３０４Ａ及び３０４Ｂはそれぞれ、リング状の電極１２１から液晶セル１１０の左上及び右下に引き出される。

　続いて、液晶セル１３０のガラス基板１３７上に、高誘電率層１２２を形成する。図３３（ａ）は、高誘電率層１２２の製造工程を示す平面図であり、図３３（ｂ）は、図３３（ａ）に示したＢ－Ｂ´線に沿った断面図である。液晶セル１３０は、液晶セル１１０と同じものを用いており、よって、液晶セル１３０は、透明電極１３２から液晶セル１３０の右上の角に引き出された引き出し電極３３１を備える。高誘電率層１２２は、透明電極１３２を全て覆うように形成される。

　続いて、図３３の状態の液晶セル１３０を裏返し、かつ左に９０度回転させた状態で、液晶セル１１０と液晶セル１３０とを貼り合わせる。図３４は、この貼り合わせ工程を説明する平面図であり、図３５は、図３４に示したＡ－Ａ´線に沿った断面図である。具体的には、第４の実施形態と同様に、高誘電率層１２２は、熱軟化性をもち、ＵＶを照射させることで硬化反応する特性を有しており、高誘電率層１２２を加熱して軟化させた状態で、２つの液晶セル同士を加圧する。これにより、液晶レンズ１００の一方の対角に、透明電極１１２に電気的に接続された引き出し電極３３０と、透明電極１３２に電気的に接続された引き出し電極３３１とが露出される。また、液晶レンズ１００の他方の対角に、リング状の電極１２１に電気的に接続された引き出し電極３０４Ａ及び３０４Ｂが露出される。

　続いて、外部（レンズユニットなど）への接続端子を形成する。図３６は、接続端子の形成工程を説明する平面図であり、図３７（ａ）は、図３６に示したＡ－Ａ´線に沿った断面図であり、図３７（ｂ）は、図３６に示したＢ－Ｂ´線に沿った断面図である。液晶レンズ１００の四隅にそれぞれ導電ペーストを塗布し、液晶レンズ１００の四隅にそれぞれ接続端子３４０～３４３を形成する。この導電ペーストは、液晶レンズ１００の上面及び底面に露出するように塗布される。これにより、透明電極１１２に引き出し電極３３０を介して電気的に接続された接続端子３４０と、透明電極１３２に引き出し電極３３１を介して電気的に接続された接続端子３４１と、リング状の電極１２１に引き出し電極３０４Ａ及び３０４Ｂを介して電気的に接続された接続端子３４２及び３４３が形成される。

　（効果）
　以上詳述したように第６の実施形態によれば、液晶レンズ１００のサイズを低減しつつ、液晶レンズ１００が組み込まれるレンズユニットへの接続端子を備えることができる。さらに、液晶レンズ１００の上面及び底面に接続端子３４０～３４３を引き出すことが可能となる。これにより、レンズユニットへの接続が容易な液晶レンズ１００を実現することができる。

　また、第５の実施形態で使用したＦＰＣを使用せずに外部接続端子を形成することができるため、液晶レンズ１００の製造コストを低減することが可能となる。

　［第７の実施形態］
　第７の実施形態は、前述した各実施形態の液晶レンズ１００を備えたカメラモジュール１の構成例である。最初に、焦点調整機能を有するカメラモジュール１について説明する。図３８は、焦点調整機能を有するカメラモジュール１の構成を示す模式図である。カメラモジュール１は、レンズユニット２と、撮像素子３とを備えている。

　撮像素子３は、レンズユニット２から入射した光を取り込み、取り込んだ光量を電気信号に変換する半導体素子である。撮像素子３は、例えばＣＭＯＳイメージセンサから構成され、複数の画素を含んでいる。各画素は、光電変換素子（フォトダイオード）、カラーフィルタ、及びマイクロレンズ（集光レンズ）などを備えている。

　レンズユニット２は、固定レンズ群４と液晶レンズ１００とを備えている。固定レンズ群４及び液晶レンズ１００はそれぞれ、特定の位置に固定されている。固定レンズ群４は、焦点距離が固定されており、単焦点レンズとして機能する。固定レンズ群４は、所望の焦点距離が得られるように複数のレンズから構成され、この複数のレンズを透過した光が一定の焦点距離になるように構成される。固定レンズ群４は、凸レンズの働きをする。固定レンズ群４は、焦点距離が固定された１個の固定レンズで構成してもよい。

　液晶レンズ１００は、ホモジニアス配向された液晶層を用いており、すなわち、液晶レンズ１００は、焦点距離が可変であり、かつレンズパワーが正の凸レンズとして機能する。図３９は、液晶レンズ１００の配向を説明する概略図である。図３９（ａ）は、図３８（ａ）の液晶レンズ１００の配向状態を示しており、図３９（ｂ）は、図３８（ｂ）の液晶レンズ１００の配向状態を示している。

　図３８（ａ）は、撮像素子３から距離Ｄａにある物体Ａに焦点（ピント）を合わせた状態の光路図を表している。図３８には、レンズユニット２を１つのレンズとして見た場合の屈折面を主面として示している。

　図３９（ａ）に示すように、ホモジニアス配向された液晶層１１４及び１３４に電圧勾配を与え、液晶分子の長軸がレンズ中心部では面内方向に配向し、レンズ周辺部に近づくにしたがって面内方向にほぼ垂直方向に配向するような配向分布を作り出す。そして、レンズユニット２の焦点距離をｆ１に設定することで、物体Ａは、撮像素子３上に像Ａとして結像する。一方、撮像素子３から距離Ｄｂにある物体Ｂは、撮像素子３の撮像面の手前で結像するので、撮像素子３上に結像しない物体Ｂの像は、焦点の合わないぼやけた像となる。

　図３８（ｂ）は、撮像素子３から距離Ｄｂにある物体Ｂに焦点を合わせた状態の光路図を表している。図３９（ｂ）に示すように、ホモジニアス配向された液晶層１１４及び１３４に電圧勾配を与え、レンズ中心部において液晶分子の長軸が図３９（ａ）よりも面内方向にほぼ垂直方向に配向するような配向分布を作り出す。そして、レンズユニット２の焦点距離をｆ２に設定することで、物体Ｂは、撮像素子３上に像Ｂとして結像する。一方、撮像素子３から距離Ｄａにある物体Ａは、撮像素子３の撮像面の後方で結像するので、撮像素子３上に結像しない物体Ａの像は、焦点の合わないぼやけた像となる。

　このように、レンズユニット２に組み込まれた液晶レンズ１００の焦点距離を調整することで、レンズユニット２の焦点距離と主面の位置とを調整することができる。これにより、カメラモジュール１に焦点調整機能を付加することが可能となる。

　次に、画角調整機能を有するカメラモジュール１について説明する。図４０は、画角調整機能を有するカメラモジュール１の構成を示す模式図である。

　液晶レンズ１００は、ホメオトロピック配向された液晶層を用いており、すなわち、液晶レンズ１００は、焦点距離が可変であり、かつレンズパワーが負の凹レンズとして機能する。図４１は、液晶レンズ１００の配向を説明する概略図である。図４１（ａ）は、図４０（ａ）の液晶レンズ１００の配向状態を示しており、図４１（ｂ）は、図４０（ｂ）の液晶レンズ１００の配向状態を示している。

　図４０（ａ）は、撮像素子３から距離Ｄにある物体に焦点を合わせた状態の光路図を表している。図４１（ａ）に示すように、ホメオトロピック配向された液晶層１１４及び１３４に電圧勾配を与え、液晶分子の長軸が全体的に面内方向に配向するような配向分布を作り出す。この時の液晶レンズ１００のレンズパワーは、ほぼゼロである。そして、レンズユニット２の焦点距離をｆ１に設定することで、撮像素子３上には、物体の全体像が結像する。

　図４０（ｂ）は、撮像素子３から距離Ｄにある物体の一部分を拡大した状態の光路図を表している。図４１（ｂ）に示すように、ホメオトロピック配向された液晶層１１４及び１３４に電圧勾配を与え、液晶分子の長軸がレンズ中心部では面内方向にほぼ垂直方向に配向し、レンズ周辺部に近づくにしたがって面内方向に配向するような配向分布を作り出す。そして、レンズユニット２の焦点距離をｆ２に設定することで、撮像素子３上には、物体の一部分（ズーム領域）が拡大された像が結像する。

　このように、レンズユニット２に組み込まれた液晶レンズ１００の焦点距離を調整することで、レンズユニット２の焦点距離と主面の位置とを調整することができる。これにより、カメラモジュール１に画角調整機能を付加することが可能となる。

　図４２は、画角調整機能を有するカメラモジュール１の他の構成を示す模式図である。レンズユニット２は、主レンズ群４とサブレンズ群５とを備えている。サブレンズ群５は、固定レンズ群６と液晶レンズ１００とを備えている。主レンズ群４及びサブレンズ群５はそれぞれ、特定の位置に固定されている。

　主レンズ群４は、焦点距離が固定されており、単焦点レンズとして機能する。主レンズ群４は、凸レンズの働きをする。主レンズ群４は、焦点距離が固定された１個の主レンズで構成してもよい。固定レンズ群６は、焦点距離が固定されており、単焦点レンズとして機能する。固定レンズ群６は、凹レンズの働きをする。固定レンズ群６は、焦点距離が固定された１個の固定レンズで構成してもよい。

　液晶レンズ１００は、ホモジニアス配向された液晶層を用いており、すなわち、液晶レンズ１００は、焦点距離が可変であり、かつレンズパワーが正の凸レンズとして機能する。

　図４２（ａ）は、撮像素子３から距離Ｄにある物体に焦点を合わせた状態の光路図を表している。液晶レンズ１００の配向状態は、図３９（ａ）と同じである。液晶レンズ１００の電圧を制御することで、レンズユニット２の焦点距離をｆ１に設定する。これにより、撮像素子３上には、物体の全体像が結像する。例えば、主レンズ群４のみで物体に焦点が合うように、主レンズ群４の焦点距離を設計したとする。この場合、サブレンズ群５の屈折率が１になるように（すなわち、サブレンズ群５によって光がほとんど屈折しないように）液晶レンズ１００の焦点距離を調整する。

　図４２（ｂ）は、撮像素子３から距離Ｄにある物体の一部分を拡大した状態の光路図を表している。液晶レンズ１００の配向状態は、図３９（ｂ）と同じである。液晶レンズ１００の電圧を制御することで、レンズユニット２の焦点距離をｆ２に設定する。これにより、撮像素子３上には、物体の一部分（ズーム領域）が拡大された像が結像する。例えば、主レンズ群４及び固定レンズ群６で物体のズーム領域が撮像素子３上に結像するように主レンズ群４及び固定レンズ群６の焦点距離を設計したとする。この場合、液晶レンズ１００のレンズパワーがほぼゼロになるように、液晶レンズ１００の電圧を制御する。

　（カメラモジュール１の実施例）
　次に、第７の実施形態に係るカメラモジュール１の具体的な構成例について説明する。図４３は、実施例１に係るカメラモジュール１の構成を示す断面図である。

　周辺回路基板１０上には、撮像素子３が設けられている。撮像素子３の上方には、固定レンズ群４、及び液晶レンズ１００が順に配置されている。固定レンズ群４及び液晶レンズ１００は、レンズホルダー（支持体）１１によって保持される。レンズホルダー１１は、撮像素子３を囲むように筒状に形成される。レンズホルダー１１は、例えば樹脂から構成される。レンズホルダー１１は、例えば接着材によって周辺回路基板１０に接着される。

　液晶レンズ１００及び撮像素子３は、周辺回路基板１０に配線される。周辺回路基板１０は、撮像素子３３及び液晶レンズ１００を駆動及び制御するための制御回路を含み、また、電圧制御回路２００を含む。

　図４４は、実施例２に係るカメラモジュール１の構成を示す断面図である。撮像素子３の上方には、液晶レンズ１００、及び固定レンズ群４が順に配置されている。すなわち、液晶レンズ１００は、撮像素子３側に配置される。

　図４５は、実施例３に係るカメラモジュール１の構成を示す断面図である。撮像素子３の上方には、液晶レンズ１００、固定レンズ群４、及び液晶レンズ１００が順に配置されている。すなわち、実施例３に係るカメラモジュール１は、固定レンズ群４を挟むようにして２個の液晶レンズ１００を備えている。

　このように、液晶レンズ１００及び固定レンズ群４の配置は、自由に設計することが可能である。また、液晶レンズ１００や固定レンズの数も自由に設計することが可能である。組み合わせるレンズ群の特性に合わせて実施例１～３のいずれかを選択することで、焦点調整機能又は画角調整機能を有するカメラモジュール１を実現することができる。

　（効果）
　以上詳述したように第７の実施形態では、互いの初期配向が９０度異なるようにホモジニアス配向された２つの液晶層を含む液晶レンズ１００と、固定レンズ群４と、撮像素子３とを用いてカメラモジュール１を構成する。そして、液晶レンズ１００に印加される電圧勾配を制御することで、液晶レンズ１００の焦点距離を変化させるようにしている。これにより、焦点調整機能を有するカメラモジュール１を実現することができる。

　また、互いに９０度異なる方向にわずかに傾けるようにホメオトロピック配向された２つの液晶層を含む液晶レンズ１００と、固定レンズ群４と、撮像素子３とを用いてカメラモジュール１を構成する。そして、液晶レンズ１００に印加される電圧勾配を制御することで、液晶レンズ１００の焦点距離を変化させるようにしている。これにより、画角調整機能を有するカメラモジュール１を実現することができる。

　また、ボイスコイルモーターなどの機械的な機構を用いずに焦点調整機能や画角調整機能が付加されたカメラモジュール１を実現することができるため、カメラモジュール１のより小型化が可能となる。

　［第８の実施形態］
　第８の実施形態は、立体画像を生成するために使用される複眼型液晶レンズの構成例である。図４６は、第８の実施形態に係る複眼型液晶レンズ１００の構成を示す断面図である。図４７は、複眼型液晶レンズ１００の構成を示す斜視図である。

　第１の液晶セル１１０と第２の液晶セル１３０との間には、中間層１２０が設けられている。第１の液晶セル１１０及び第２の液晶セル１３０の構成は、図１と同じである。第１の液晶セル１１０は、透明基板１１７が中間層１２０と接するように配置され、第２の液晶セル１３０は、透明基板１３７が中間層１２０と接するように配置される。

　中間層１２０は、電極１２１と、高誘電率層１２２とを備えている。電極１２１は、複数の円形の開口部１２１Ａを有している。各開口部１２１Ａは、複眼レンズを構成する各レンズのレンズ口径（レンズ有効領域）となる。複数の開口部１２１Ａの直径は同じである。図４６及び図４７では、開口部１２１Ａの数が４つの場合を例示しており、４つの開口部１２１Ａは、正方形状に配置されている。なお、開口部１２１Ａの数は２つ以上であれば任意に設定可能である。その他の構成は、図１と同じである。

　複眼型液晶レンズ１００の電圧制御方法は、第１の実施形態と同じである。複眼型液晶レンズ１００は、複数の開口部１２１Ａに対応する複数のレンズ部分を備えており、各レンズ部分は、第１の実施形態の液晶レンズと同じ動作をする。従って、複数の開口部１２１Ａに対応する複数のレンズ部分は、それぞれの焦点距離が同じであり、かつそれぞれの焦点距離を変化させることができる。また、第８の実施形態では、電極１２１の電圧を制御する１つの電気信号のみで、複眼型液晶レンズ１００の複数のレンズ部分の焦点距離をそれぞれ同じに制御することが可能である。

　（多眼式カメラモジュール１の構成）
　次に、複眼型液晶レンズ１００を備えた多眼式カメラモジュール１の構成について説明する。最初に、複眼型液晶レンズ１００を含まない多眼式カメラモジュール１について説明する。図４８は、実施例１に係る多眼式カメラモジュール１の構成を示す平面図である。図４９は、実施例１に係る多眼式カメラモジュール１の構成を示す断面図である。

　周辺回路基板１０上には、撮像素子３が設けられている。撮像素子３の上方には、複眼レンズ４が配置されている。複眼レンズ４を構成する各レンズは、焦点距離が固定されており、単焦点レンズとして機能する。複眼レンズ４は、複数の複眼レンズを組み合わせて所望のレンズ特性を得るように構成してもよい。複眼レンズ４は、例えば４個のレンズが正方形状に配置されて構成されている。複眼レンズ４を構成するレンズの数は、２つ以上であれば任意に設定可能である。複眼レンズ４は、レンズホルダー１１によって保持される。レンズホルダー１１は、撮像素子３を囲むように筒状に形成される。また、レンズホルダー１１のうち複眼レンズ４を保持する部分は、レンズの形状と同じ円形の開口部を有する。レンズホルダー１１は、例えば接着材によって周辺回路基板１０に接着される。

　図５０は、実施例２に係る多眼式カメラモジュール１の構成を示す断面図である。撮像素子３の上方には、複眼レンズ４、及び複眼型液晶レンズ１００が順に配置されている。すなわち、複眼レンズ４は、撮像素子３側に配置される。複眼レンズ４及び複眼型液晶レンズ１００は、レンズホルダー１１によって保持される。複眼型液晶レンズ１００のレンズ数は、複眼レンズ４のレンズ数と同じである。複眼型液晶レンズ１００の電極１２１の４つの開口部１２１Ａ（レンズ部分）はそれぞれ、複眼レンズ４を構成する４つのレンズの上方に配置される。また、複眼型液晶レンズ１００の１つのレンズ部分は、複眼レンズ４の１つのレンズの光軸上に配置される。これにより、複眼型液晶レンズ１００の１つのレンズと複眼レンズ４の１つのレンズとからなる１つのレンズユニットは、液晶層にホモジニアス配向を用いた場合は、図３８及び図３９と同じ焦点調整機能を実現でき、また、液晶層にホメオトロピック配向を用いた場合は、図４０及び図４１と同じ画角調整機能を実現することができる。

　図５１は、実施例３に係る多眼式カメラモジュール１の構成を示す断面図である。撮像素子３の上方には、複眼型液晶レンズ１００、及び複眼レンズ４が順に配置されている。すなわち、複眼型液晶レンズ１００は、撮像素子３側に配置される。

　図５２は、実施例４に係る多眼式カメラモジュール１の構成を示す断面図である。撮像素子３の上方には、複眼型液晶レンズ１００、複眼レンズ４、及び複眼型液晶レンズ１００が順に配置されている。すなわち、実施例４に係る多眼式カメラモジュール１は、複眼レンズ４を挟むようにして２個の複眼型液晶レンズ１００を備えている。

　このように、多眼式カメラモジュール１を構成するにあたり、複眼型液晶レンズ１００及び複眼レンズ４の配置は、自由に設計することが可能である。そして、組み合わせるレンズ群の特性に合わせて実施例１～４のいずれかを選択することで、多眼式カメラモジュール１を実現することができる。図５３は、多眼式カメラモジュール１で撮影した画像を説明する図である。多眼式カメラモジュール１を用いて１個の被写体（図５３では球状の物体）を撮影すると、撮像素子３に結像する１つの画像で視差のある４つの画像データを得ることができる。そして、視差のある４つの画像データを画像処理することで、立体画像を生成することができる。

　（効果）
　以上詳述したように第８の実施形態によれば、液晶レンズ１００の電極１２１に複数の円形の開口部１２１Ａを設けることで、液晶レンズ１００を複眼化することができる。そして、複眼型液晶レンズ１００の電圧を制御することで、複眼型液晶レンズ１００の複数のレンズの焦点距離をそれぞれ変化させることが可能となる。

　また、複眼型液晶レンズ１００と焦点距離が固定された複眼レンズ４とを組み合わせることで、多眼式カメラモジュール１を実現することができる。そして、多眼式カメラモジュール１で撮影した視差のある複数の画像データを画像処理することで、立体画像を得ることが可能となる。この場合、レンズは複眼であるが、撮像素子３を１つにすることで、多眼式カメラモジュール１を小型化することができる。

　また、多眼式カメラモジュール１は、第１の実施形態と同様に、複眼型液晶レンズ１００にホモジニアス配向された液晶層を用いることで、焦点調整機能を有するように構成することができる。また、多眼式カメラモジュール１は、第２の実施形態と同様に、複眼型液晶レンズ１００にホメオトロピック配向された液晶層を用いることで、画角調整機能を有するように構成することができる。

　［第９の実施形態］
　第９の実施形態は、カプセル型医療機器２０の構成例である。カプセル型医療機器２０は、被検者に嚥下させて使用するもので、体腔内で、光源によって照明される観察部位をレンズを介して撮像素子の表面に結像させ、この像を処理し、画像信号として送信するものである。

　図５４は、第９の実施形態に係るカプセル型医療機器２０の構成を示す上面図である。図５５は、第９の実施形態に係るカプセル型医療機器２０の構成を示す断面図である。カプセル型医療機器２０は、送受信部２１、電源部２２、制御回路２３、画像処理回路２４、撮像素子３、固定レンズ群４、液晶レンズ１００、レンズホルダー１１、及び複数の照明ユニット（光源部）２５を備えている。カプセル型医療機器２０は、外装ケース２６と透明カバー２７とを接着して形成される密閉カプセル内に、前述した複数の回路部が収納されている。

　基板（図示せず）上には、撮像素子３が設けられている。撮像素子３の上方には、固定レンズ群４、及び液晶レンズ１００が順に配置されている。液晶レンズ１００としては、第１の実施形態で示した液晶レンズが用いられる。固定レンズ群４及び液晶レンズ１００は、レンズホルダー１１によって保持される。レンズホルダー１１は、固定レンズ群４及び液晶レンズ１００の周囲を保持するように形成されている。レンズホルダー１１の最上部には、例えば４個の照明ユニット２５が設けられている。照明ユニット２５から発せられた光は、透明カバー２７を透して、カプセル型医療機器２０が通過中の消化器官（小腸や大腸など）内の壁面を所定の範囲で照明する。

　送受信部２１は、アンテナ、送信及び受信を切り替える切替回路、受信した信号を増幅する受信アンプなどから構成される。送受信部２１は、画像データなどを外部に送信する。また、送受信部２１によって受信された制御信号は、制御回路２３に送られる。

　電源部２２は、各回路部に電力を供給する。電源部２２としては、例えば電池が用いられる。また、電源部２２は、電磁誘導方式などの非接触電力伝送が可能な回路で構成してもよい。画像処理回路２４は、撮像素子３に取り込まれた像を用いて画像データを生成する。また、画像処理回路２４は、画像データの圧縮処理なども行う。

　制御回路２３は、カプセル型医療機器２０内の各回路部を制御する。操作者からの指示に基づいて撮影タイミングを制御する処理や、液晶レンズ１００の電圧制御も制御回路２３により行われる。液晶レンズ１００は、図示しない配線によって制御回路２３に電気的に接続される。制御回路２３は、電圧制御回路２００を含む。制御回路２３には、画像データを格納するためのメモリなども含まれる。

　なお、液晶レンズ１００及び固定レンズ群４を配置する位置は、図５５（実施例１）に限らず、様々な形態を用いることが可能である。以下に、カプセル型医療機器２０の他の構成例について説明する。

　図５６は、実施例２に係るカプセル型医療機器２０の構成を示す断面図である。撮像素子３の上方には、液晶レンズ１００、及び固定レンズ群４が順に配置されている。すなわち、液晶レンズ１００は、撮像素子３側に配置される。

　図５７は、実施例３に係るカプセル型医療機器２０の構成を示す断面図である。撮像素子３の上方には、液晶レンズ１００、固定レンズ群４、及び液晶レンズ１００が順に配置されている。すなわち、実施例３に係るカプセル型医療機器２０は、固定レンズ群４を挟むようにして２個の液晶レンズ１００を備えている。

　このように構成されたカプセル型医療機器２０は、焦点調整機能又は画角調整機能を備えることができる。焦点調整機能及び画角調整機能の原理は、第７の実施形態と同じである。また、組み合わせるレンズ群の特性に合わせて実施例１～３のいずれかを選択することで、焦点調整機能又は画角調整機能を有するカプセル型医療機器２０を実現することができる。

　［第１０の実施形態］
　第１０の実施形態は、多眼式カプセル型医療機器の構成例である。図５８は、第１０の実施形態に係る多眼式カプセル型医療機器２０の構成を示す上面図である。図５９は、第１０の実施形態に係る多眼式カプセル型医療機器２０の構成を示す断面図である。

　基板（図示せず）上には、撮像素子３が設けられている。撮像素子３の上方には、複眼レンズ４、及び複眼型液晶レンズ１００が順に配置されている。複眼型液晶レンズ１００としては、第８の実施形態で示した複眼型液晶レンズが用いられる。複眼レンズ４及び複眼型液晶レンズ１００は、レンズホルダー１１によって保持される。

　レンズホルダー１１は、複眼レンズ４の各レンズの周囲を保持するように形成されている。また、レンズホルダー１１は、複眼型液晶レンズ１００の上面及び底面のうち電極１２１が形成されている部分に対応する領域を保持するように形成されている。換言すると、レンズホルダー１１は、複眼型液晶レンズ１００のレンズ有効部分以外を保持するように形成されている。レンズホルダー１１の最上部には、例えば５個の照明ユニット２５が設けられている。その他の構成は、第９の実施形態と同じである。

　なお、複眼型液晶レンズ１００及び複眼レンズ４を配置する位置は、図５９（実施例１）に限らず、様々な形態を用いることが可能である。以下に、多眼式カプセル型医療機器２０の他の構成例について説明する。

　図６０は、実施例２に係る多眼式カプセル型医療機器２０の構成を示す断面図である。撮像素子３の上方には、複眼型液晶レンズ１００、及び複眼レンズ４が順に配置されている。すなわち、複眼型液晶レンズ１００は、撮像素子３側に配置される。

　図６１は、実施例３に係る多眼式カプセル型医療機器２０の構成を示す断面図である。撮像素子３の上方には、複眼型液晶レンズ１００、複眼レンズ４、及び複眼型液晶レンズ１００が順に配置されている。すなわち、実施例３に係る多眼式カプセル型医療機器２０は、複眼レンズ４を挟むようにして２個の複眼型液晶レンズ１００を備えている。

　このように構成された多眼式カプセル型医療機器２０は、１個の物体に対して視差のある複数の画像データ（本実施形態では、４つの画像データ）を撮影することが可能となる。そして、多眼式カプセル型医療機器２０によって撮影された視差のある４つの画像データを処理することで、立体画像を生成することができる。

　また、組み合わせるレンズ群の特性に合わせて実施例１～３のいずれかを選択することで、焦点調整機能又は画角調整機能を有する多眼式カプセル型医療機器２０を実現することができる。

　［第１１の実施形態］
　液晶レンズを小型カメラモジュールに搭載するには、液晶レンズの接続端子を固定レンズの固定部分との干渉を避けて液晶レンズ制御用の周辺回路に電気的に配線する必要がある。液晶レンズと液晶レンズ制御用の周辺回路とを電気的に接続する方法として、リード線を用いて接続する方法が考えられる。液晶レンズと周辺回路とをリード線で接続するには、液晶レンズと周辺回路との接続端子にリード線を半田付けする必要がある。しかし、液晶レンズと周辺回路とが向い合った状態で液晶レンズ及び周辺回路にリード線を半田付けするのは容易ではない。また、液晶レンズを支持体へ組み込む工程でリード線を半田付けすると、支持体がプラスチックである場合、半田付け時の熱にて支持体の変形が発生する。

　第１１の実施形態は、液晶レンズと液晶レンズ制御用の周辺回路とを電気的に接続するための構成例であり、すなわち、液晶レンズと固定レンズとを保持する支持体の一部にパイプ状の穴を貫通させ、そのパイプ状の穴の内部にスプリング状の導電材を配置させることで、液晶レンズと周辺回路とを電気的に接続するようにしている。

　図６２は、液晶レンズ１００の概略を示す斜視図である。液晶レンズ１００の四隅角には、外部回路との接続用の接続端子３４０～３４３が設けられている。

　図６３は、第１１の実施形態に係るカメラモジュール１の構成を示す平面図である。図６４は、図６３に示したＡ－Ａ´線に沿ったカメラモジュール１の断面図である。

　周辺回路基板１０上には、撮像素子３３及び４つの外部端子３３が設けられている。撮像素子３３及び４つの外部端子３３は、周辺回路基板１０に電気的に接続されている。周辺回路基板１０は、撮像素子３３及び液晶レンズ１００を駆動及び制御するための制御回路を含み、また、電圧制御回路２００を含む。撮像素子３の上方には、固定レンズ群４、及び液晶レンズ１００が順に配置されている。固定レンズ群４及び液晶レンズ１００は、レンズホルダー（支持体）１１によって保持される。

　第１図の四角い液晶レンズ１００と円形の固定レンズ群４とを同一の光軸に配置することで、液晶レンズ１００の四隅角には円形の固定レンズ群４と干渉しないエリアが発生する。その干渉しないエリアに対応するレンズホルダー１１内にパイプ状の穴３１を貫通させる。パイプ状の穴３１の内部には、穴３１の長さより長いスプリング状の導電材３２を配置する。これにより、液晶レンズ１００の接続端子と周辺回路基板１０の外部端子とは、スプリング３２の弾性力を利用して電気的に接続される。

　なお、スプリング状の導電材３２は、伸縮性のある導電性ゴムを用いてもよい。また、導電材３２は、金属、異方性導電性樹脂、或いは導電性樹脂などを、スプリング状、或いは柱状に形成してもよい。

　液晶レンズ１００の設置位置は、固定レンズ群４０の前面（図６４）、固定レンズ群４の間（図６５）、及び固定レンズ群４の後面（図６６）のどの位置に設置してもよい。また、図６４乃至図６６では固定レンズ群４が２枚のレンズで構成されているが、これは一例であって、固定レンズ群は１枚のレンズで構成してもよいし、もしくは３枚以上のレンズで構成してもよい。

　（効果）
　以上詳述したように第１１の実施形態によれば、リード線を使わず、かつ半田付け工程を行わずに、液晶レンズ１００と周辺回路基板１０とを電気的に接続することが可能である。また、小型カメラモジュールの限られたサイズの中で、液晶レンズ１００と周辺回路基板１０とを電気的に接続することが可能である。

　本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

　１…カメラモジュール、２…レンズユニット、３…撮像素子、４…レンズ、５…サブレンズ群、６…固定レンズ群、１０…周辺回路基板、１１…レンズホルダー、２０…カプセル型医療機器、２１…送受信部、２２…電源部、２３…制御回路、２４…画像処理回路、２５…照明ユニット、２６…外装ケース、２７…透明カバー、３０…外部端子、３１…穴、３２…スプリング、１００…液晶レンズ、１０１，１０２…反射防止膜、１１０…第１の液晶セル、１１１，１１７…透明基板、１１２，１２１，１３２…電極、１１３，１１６，１３３，１３６…配向膜、１１４…液晶層、１１５，１２３，１３５…シール材、１２０…中間層、１２２…高誘電率層、１３０…第２の液晶セル、１３１，１３７…透明基板、１３４…液晶層、２００…電圧制御回路、３００…ユニット、３０１…シール材、３０２…スペーサ、３０３…封止材、３０４…引き出し電極、３１０…基板、３１１，３１２，３１４，３１６…接続端子、３１３，３１５…コンタクト、３２０，３２１…導電層、３３０，３３１…引き出し電極、３４０～３４３…接続端子。

Claims

　一対の第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板に挟まれた第１の液晶層と、前記第１の透明基板と前記第１の液晶層との間に配置された第１の電極とを含む第１の液晶セルと、
　一対の第３及び第４の透明基板と、前記第３及び第４の透明基板に挟まれかつ前記第１の液晶層と直交する方向に配向された第２の液晶層と、前記第４の透明基板と前記第２の液晶層との間に配置された第２の電極とを含む第２の液晶セルと、
　前記第２の透明基板と前記第３の透明基板とに接するようにして前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルとに挟まれた高誘電率層と、１つ又は複数の開口部を有する第３の電極とを含む中間層と、
　を具備することを特徴とする液晶レンズ。
　前記第１の液晶層は、第１の方向にホモジニアス配向され、
　前記第２の液晶層は、前記第１の方向に直交する第２の方向にホモジニアス配向されることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第１の液晶層は、液晶分子が第１の方向にプレチルト角を有するようにしてホメオトロピック配向され、
　前記第２の液晶層は、液晶分子が前記第１の方向に直交する第２の方向にプレチルト角を有するようにしてホメオトロピック配向されることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第１の液晶層は、第１の方向にスプレイ配向され、
　前記第２の液晶層は、前記第１の方向に直交する第２の方向にスプレイ配向されることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第１の電極の交流電圧と前記第２の電極の交流電圧との位相差に応じて焦点距離が変化することを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記高誘電率層の比誘電率は、ガラスの比誘電率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記高誘電率層は、チタン酸バリウムを主成分とする微粒子を分散させた樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第３の電極は、カーボンを含む導電材料からなることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第１の液晶セル及び前記第２の液晶セル間の口径方向の収差は、画素ピッチ以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第１の液晶層の出光面と前記第２の液晶層の出光面との距離が５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第２の透明基板は、前記第１の透明基板より薄く加工され、
　前記第３の透明基板は、前記第４の透明基板より薄く加工されることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第２及び第３の透明基板の厚さは、１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第１及び第２の液晶層をそれぞれ封止する第１及び第２のシール材をさらに具備し、
　前記第１及び第２のシール材の各々は、リング状であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第１及び第２の液晶層をそれぞれ封止する第１及び第２のシール材をさらに具備し、
　前記第１及び第２のシール材の各々は、リング状の第１の部材と、前記第１の部材を囲む四角形の第２の部材とを含むことを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第３の電極の厚さは、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第３の電極は、絶縁性の基板上に設けられ、
　前記基板は、前記高誘電率層を接着材として前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルとに挟まれることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記基板は、前記第１の電極に電気的に接続された第１の端子と、前記第２の電極に電気的に接続された第２の端子と、前記第３の電極に電気的に接続された第３の端子とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の液晶レンズ。
　前記第１の電極は、円形の第１の電極部分と、前記第１の電極部分から前記第１の液晶セルの角へ引き出された第１の端子とを含み、
　前記第２の電極は、円形の第２の電極部分と、前記第２の電極部分から前記第２の液晶セルの角へ引き出された第２の端子とを含み、
　前記第３の電極は、リング状の第３の電極部分と、前記第３の電極部分から前記第１の液晶セルの角に引き出された第３の端子とを含み、
　前記第１乃至第３の端子は、互いに重ならないように配置されることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記第１及び第２の液晶セルの各々は、平面形状が正方形であることを特徴とする請求項１８に記載の液晶レンズ。
　前記複数の開口部の直径が同じであり、
　前記複数の開口部に対応する複数のレンズ部分は、それぞれの焦点距離が同じであることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
　前記請求項１に記載の液晶レンズの駆動方法であって、
　前記第３の電極を接地する工程と、
　前記第１及び第２の電極にそれぞれ第１及び第２の交流電圧を印加する工程と、
　前記第１及び第２の交流電圧の位相差を変化させることで、前記液晶レンズの焦点距離を変化させる工程と、
　を具備することを特徴とする液晶レンズの駆動方法。
　請求項１に記載の液晶レンズと、
　前記液晶レンズの光軸に配置され、かつ焦点距離が固定された固定レンズと、
　を具備し、
　前記液晶レンズの焦点距離を変化させることで、焦点又は画角を調整することを特徴とするレンズユニット。
　請求項１に記載の液晶レンズと、
　前記液晶レンズの光軸に配置され、かつ焦点距離が固定された複眼レンズと、
　を具備し、
　前記液晶レンズの焦点距離を変化させることで、焦点又は画角を調整することを特徴とするレンズユニット。
　請求項２２に記載のレンズユニットと、
　前記レンズユニットから光を受ける撮像素子と、
　前記前記液晶レンズ及び前記撮像素子を制御する制御回路と、
　を具備することを特徴とするカメラモジュール。
　請求項２２に記載のレンズユニットと、
　前記レンズユニットから光を受ける撮像素子と、
　前記前記液晶レンズ及び前記撮像素子を制御する制御回路と、
　前記レンズユニット、前記撮像素子及び前記制御回路を密閉するカプセルと、
　を具備することを特徴とするカプセル型医療機器。
　焦点距離が固定された複眼レンズと、
　前記複眼レンズから光を受ける撮像素子と、
　前記前記液晶レンズ及び前記撮像素子を制御する制御回路と、
　を具備することを特徴とするカメラモジュール。