WO2013080819A1 - 液晶レンズ - Google Patents

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WO2013080819A1
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liquid crystal
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resistivity
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信之 奥澤
崔 京九
政井 琢
裕二 梅田
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Tdk株式会社
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    • GPHYSICS
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/294Variable focal length devices

Definitions

  • the present invention relates to a liquid crystal lens that can be driven at a low voltage and can be reduced in thickness and size.
  • nematic liquid crystal As an optical element using the characteristics of nematic liquid crystal that can continuously change the electro-optical characteristics with respect to the voltage distribution, a liquid crystal lens that can change the focal length without having a mechanical working part is known. It has been.
  • nematic liquid crystal is a kind of liquid crystal, and its constituent molecules have an alignment order but do not have a three-dimensional positional order.
  • Patent Document 1 discloses a large and thin liquid crystal lens capable of changing the focal length with a low voltage. Specifically, it is a lens in which a glass substrate, a first electrode, an alignment film, a liquid crystal layer, a high resistance layer, a transparent insulating film, and second and third electrodes having openings are laminated in this order. In addition, zinc oxide (ZnO) is mentioned as one of the materials of a transparent high resistance layer. The resistance film of the present invention corresponds to this high resistance layer.
  • ZnO zinc oxide
  • Patent Document 2 discloses a gradient index microlens element provided with a glass substrate having infrared absorbing ability.
  • a glass substrate material As a glass substrate material, a composition containing 17 to 33% by weight of ZnO, 1 to 6% by weight of alumina (Al 2 O 3 ), and 0 to 7% by weight of magnesium oxide (MgO) is possible.
  • ZnO is 21 to 40 at%
  • Al 2 O 3 is 1 to 6 at%
  • MgO is 0 to 17 at%.
  • the film used for the resistive film has a low transmittance and a thin film thickness in a wavelength range of 360 nm to 830 nm which is a visible light region.
  • the conventional resistive film material in order to obtain a desired resistivity, it is necessary to increase the resistivity, and it is mainly necessary to reduce the film thickness, but in the conventional resistive film material, the film thickness is thin. It is technically difficult to form a film in the region, and if the film thickness is made too thin, the variation in resistivity becomes large, so that there is a problem that the operation characteristics become unstable.
  • the gradient index microlens element disclosed in Patent Document 2 is a glass substrate formed of a metal oxide compound containing P 2 O 5 as a main component, the resistance value is too high. There is a problem that it is difficult to obtain a low resistance value corresponding to the semiconductor material required for the liquid crystal lens.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems.
  • the resistance film of the liquid crystal lens is obtained with a desired value of transmittance, and a desired value of resistivity is obtained.
  • the purpose is to stabilize the variation.
  • a liquid crystal lens according to the present invention includes a resistance film and a liquid crystal layer between a first glass substrate on which a first electrode and a second electrode are formed and a second glass substrate on which a third electrode is formed.
  • the second electrode is disposed with a distance from the first electrode with respect to the first electrode with an insulating film interposed therebetween, and the resistance film contains zinc or a zinc compound as a main component. Further, it is characterized by containing 1 to 10 at% of aluminum or aluminum compound as an auxiliary component in terms of Al 2 O 3 and 5 to 25 at% of magnesium or magnesium compound in terms of MgO.
  • the material system of the resistive film of the liquid crystal lens it is possible to obtain a desired value of 50% or more of the transmittance of the resistive film in the wavelength range of 360 to 830 nm that is the visible light region, and It is possible to obtain a stable resistance film with little variation in resistivity when the resistivity of the resistance film is in a desired range of 500 to 50000 ⁇ cm.
  • the present invention it is possible to obtain a desired value of transmittance for the resistive film of the liquid crystal lens, obtain a desired value of resistivity, and stabilize the variation in resistivity.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional configuration diagram of the liquid crystal lens of the present embodiment.
  • the liquid crystal lens 1 according to this embodiment includes a first glass substrate 21 on which a first electrode 31 and a second electrode 32 are formed, and a second glass substrate 22 on which a third electrode 33 is formed.
  • the second electrode 32 includes the resistance film 5 and the liquid crystal layer 6, and is disposed at a distance from the first electrode 31 via the insulating film 4 with respect to the first electrode 31.
  • the first glass substrate 21 on which the first electrode 31 and the second electrode 32 are formed, the second glass substrate on which the insulating film 4, the resistance film 5, the liquid crystal layer 6, and the third electrode 33 are formed.
  • the laminated structure is laminated in the order of 22.
  • a voltage is applied between the first electrode 31 and the third electrode 33 and between the second electrode 32 and the third electrode 33.
  • a non-uniform electric field is formed in the entire liquid crystal layer 6.
  • the refractive index gradient distribution is formed. This realizes a lens effect.
  • FIG. 3 is a perspective view of the liquid crystal lens in the present embodiment.
  • the first electrode 31 is a pattern electrode having an opening at the center of the extending surface of the laminated structure, and the second electrode 32 is located with respect to the first electrode 31.
  • the insulating film 4 is disposed in the opening of the first electrode 31 with a space therebetween.
  • the second electrode 32 extends from the substantially circular central portion so that a part of the second electrode 32 is exposed to the side surface of the liquid crystal lens 1.
  • the first glass substrate 21 used in the present embodiment is a transparent soda glass substrate, on which a first electrode 31 and a second electrode 32 are formed.
  • the thickness of the first glass substrate 21 may be any thickness as long as the liquid crystal layer 6 can be sealed between the first glass substrate 21 and the second glass substrate 22.
  • ITO Indium tin oxide
  • the first electrode 31 is disposed on the outer periphery of the second electrode 32 with the second electrode 32 and the insulating layer 4 interposed therebetween.
  • the material used for the electrode may be a metal such as aluminum (Al) or an oxide such as ZnO or titanium oxide (TiO x ) as long as it is conductive and transparent. Since the second electrode 32 portion becomes a lens portion, an ideal lens can be obtained by making it circular as in this embodiment.
  • the material of the insulating film 4 used in this embodiment is a silicon dioxide (SiO 2 ) film between the first electrode 31 and the second electrode 32 and between the first electrode 31 and the second electrode 32 and the resistance film 5. Each is insulated.
  • the resistance film 5 used in this embodiment can be formed by a sputtering method.
  • a target which is a raw material aluminum or an aluminum compound
  • a sintered compact target of zinc or a zinc compound containing magnesium or a magnesium compound was used.
  • the target may be used individually for aluminum or aluminum compound, magnesium or magnesium compound, zinc or zinc compound.
  • a predetermined substrate may be held at a constant temperature, that is, room temperature to 350 ° C.
  • the resistance film 5 in this embodiment contains zinc or a zinc compound as a main component, magnesium or a magnesium compound as an auxiliary component is 5 to 25 at% in terms of MgO, and aluminum or an aluminum compound is 1 to in terms of Al 2 O 3. Contains 10 at%.
  • the “main component” is a component that is contained most among components constituting the substance.
  • zinc or a zinc compound as a main component is contained at 65 at% or more in terms of ZnO. In this case, the specific resistance value can be adjusted to a desired value with higher stability.
  • the main component zinc or zinc compound is in the range of 65 to 94 at% in terms of ZnO
  • the sub component magnesium or magnesium compound is in the range of 5 to 25 at% in terms of MgO
  • the aluminum or aluminum compound is In the range of 1 to 10 at% in terms of Al 2 O 3
  • the transmittance in the visible light region is 50% or more, and at the same time, a resistivity of 500 to 50000 ⁇ cm can be obtained.
  • the transmittance exceeds 50% in the wavelength region of 360 to 830 nm, which is the visible light region, and the optical intensity ratio between wavelengths is small. Excellent color expression than conventional resistive films.
  • the liquid crystal layer 6 used in this embodiment is a nematic liquid crystal.
  • the nematic liquid crystal can continuously change its substantial refractive index in proportion to the magnitude of the applied voltage, and this embodiment uses this characteristic to generate a lens effect in the second electrode portion. Yes.
  • the third electrode 33 used in the present embodiment is formed on the surface of the second glass substrate 22 facing the liquid crystal layer 6, and the material thereof is ITO.
  • the material used for the electrode may be a metal such as Al or an oxide such as ZnO or TiOx as long as it is conductive and transparent. .
  • the second glass substrate 22 used in the present embodiment is a transparent soda glass substrate, and a third electrode 33 is formed on the surface thereof.
  • the thickness of the second glass substrate 22 may be any thickness as long as the liquid crystal layer 6 can be sealed between the first glass substrate 21 and the second glass substrate 22. .
  • the laminated structure in which the resistive film 5, the liquid crystal layer 6, and the second glass substrate 22 on which the third electrode 33 is formed is laminated in this order.
  • the film 5, the first alignment film 71, the liquid crystal layer 6, the second alignment film 72, and the second glass substrate 22 on which the third electrode 33 is formed are configured in a stacked structure. preferable.
  • the material of the first alignment film 71 and the second alignment film 72 used in this modification is a polyimide resin, and the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 6 sandwiched between the first alignment film 71 and the second alignment film 72 are used. Is a rubbing process in a certain direction in order to arrange them regularly, that is, one of alignment film processing methods, which adds alignment performance by rubbing an alignment film formed of polyimide or the like with a cloth. Has been done.
  • the first alignment film 71 and the second alignment film 72 are arranged so that the rubbing directions of each other are inclined by 90 °. By providing an alignment effect, the transmittance of light transmitted through the liquid crystal lens can be increased.
  • the surface of the first glass substrate 21 opposite to the surface on which the first electrode 31 and the second electrode 32 are formed and the third electrode 33 of the second glass substrate 22 of the first modification are It is desirable that a first antireflection film 81 and a second antireflection film 82 are formed on the surface opposite to the formed surface, respectively.
  • the material of the first antireflection film 81 and the second antireflection film 82 used in this modification is a laminated film of SiO 2 and Ta 2 O 5 . Providing an antireflection film has the effect of reducing the amount of light reflected on the lens surface and increasing the transmittance.
  • the first electrode 31 and the second electrode 32 are formed on the surface opposite to the antireflection film 81 of the first glass substrate 21 having a thickness of 300 ⁇ m, on which the first antireflection film 81 is formed on one surface.
  • a transparent conductive film made of indium tin oxide (ITO) that can be formed was formed by sputtering. It is desirable to make the thickness as thin as possible as long as the conductivity can be maintained.
  • the ITO between the first electrode 31 and the second electrode 32 is removed by an etching method, and the first electrode 31 and the second electrode 32 are removed.
  • the electrode 32 was formed.
  • the insulating film 4 was formed by sputtering.
  • the insulating film 4 may have any thickness as long as the insulation between the first electrode 31 and the second electrode 32 and the resistance film 5 is maintained.
  • the resistance film 5 was formed at room temperature by the RF magnetron sputtering method.
  • a ZnO mixture sintered body target in which ZnO, MgO, and Al 2 O 3 were blended at a desired ratio and sintered was used as the target.
  • a ZnO mixture sintered body target and a substrate are arranged in parallel, and an electric field is generated between the substrate and the target in an atmosphere containing only an argon (Ar) inert gas containing oxygen gas or an Ar inert gas.
  • Ar argon
  • the target Al 2 O 3, MgO, respectively may be used individually ZnO.
  • a first alignment film 71 was formed on the surface of the resistance film 5 and a rubbing process was performed. Further, a second alignment film 72 was formed on the surface of the third electrode 33 formed on the second glass substrate 22 in the same manner as the first electrode 31, and the rubbing process was performed in the same manner.
  • the first glass substrate 21 on which the first alignment film 71 is formed and the second glass substrate 22 on which the second alignment film 72 is formed are opposite to each other in the alignment film surface, and the rubbing directions of the alignment films intersect each other by 90 °. Then, the liquid crystal was vacuum sealed in the gap.
  • the resistance film 5 was formed by the RF magnetron sputtering method.
  • Al 2 O 3 , MgO, and ZnO each used an individual oxide target, and a sample with a varied composition was prepared by controlling the film formation time of each target.
  • the prepared sample was annealed in the air for 1 hour at a temperature of 200 ° C. before measurement.
  • the sample substrate for the above characteristic evaluation is a soda glass substrate as a sample for transmittance measurement, and a silicon (Si) substrate in which a lower electrode is formed of platinum (Pt) as a sample for resistivity measurement. It was used.
  • the transmittance was measured with a spectroscopic ellipsometer in the wavelength range of 250 to 1000 nm.
  • the sample used soda glass for the substrate, and after measuring the transmittance of the original composition gradient sample, the transmittance of only the resistive film was calculated by subtracting the transmittance of the soda lime glass substrate.
  • the resistivity was converted into resistivity after measuring the resistance value of the resistive film at an applied voltage of 1 V with an electrometer using a sample using a Si substrate.
  • the first is the lower limit sample C in the composition range of the present embodiment
  • the second is the sample B having the optimum composition in the composition range of the present embodiment
  • the third is The upper limit sample A in the composition range of the present embodiment.
  • the three samples C, B, and A for this evaluation 1 have a transmittance exceeding 50% in the visible light region, which is better than the conventional resistive film. The value is shown. In addition, all the thickness of a sample is 100 nm.
  • composition range is the same as the samples D, C, B, and A used in evaluation 1.
  • the transmittance at a wavelength of 360 nm exceeds 50% within the thickness of the resistive film 5 within 500 nm.
  • the value is better than that of the resistance film of the sample D having the conventional configuration.
  • FIG. 6 is a graph showing the film thickness on the horizontal axis and the resistivity on the vertical axis for the resistive film of the liquid crystal lens. This evaluation is set to evaluation 3.
  • the sample D is a conventional configuration, the data shows that the resistivity is 500 to 50000 ⁇ cm in the film thickness range of 200 nm to 400 nm, but the resistivity varies greatly with respect to the film thickness, and a desired resistivity is obtained. Therefore, it is difficult to control the film forming conditions. In general, if the resistivity is in the range of 500 to 50000 ⁇ cm, the liquid crystal lens operates.
  • the resistive film having the composition of the present embodiment a desired resistivity can be obtained in the thickness range of 50 nm to 500 nm. Further, since the fluctuation is small, the resistivity can be easily controlled, that is, the film can be formed easily.
  • composition range is the same as the samples D, C, B, and A used in evaluation 1.
  • the three samples C, B, and A of this evaluation 3 have a resistivity in the range of 500 to 50000 ⁇ cm in the range of the thickness of the resistance film of 50 nm to 500 nm. It shows a better value.
  • the first is the lower limit sample C in the composition range of the present embodiment
  • the second is the sample B of the optimum composition in the composition range of the present embodiment
  • the third is It is the upper limit sample A in the composition range of this embodiment.
  • the samples C, B, and A in this evaluation 3 all show better values for transmittance and resistivity, and show the superiority of this embodiment. I was able to.
  • the first is the lower limit sample G in the composition range of Al 2 O 3 in the present embodiment
  • the second is the sample F having the optimum composition of Al 2 O 3 in the present embodiment
  • the third is the upper limit sample E in the composition range of Al 2 O 3 in the present embodiment.
  • 7a, 7b, and 7c are graphs showing the dependence of the MgO composition on the transmittance corresponding to samples G, F, and E, respectively. According to this, in any of samples G, F, and E, that is, when the composition range of Al 2 O 3 is 1 to 10 at%, the transmission of 50% or more is necessary when the composition of MgO is 5 to 25 at%. It was confirmed that the rate could be obtained.
  • the samples G, F, and E of this evaluation 4 all showed a good value of 50% or more for the transmittance, indicating the superiority of this embodiment.
  • the first is the lower limit sample J in the composition range of MgO in the present embodiment
  • the second is the sample I having the optimum composition in the composition range of MgO in the present embodiment
  • the third is the upper limit sample H in the composition range of MgO in the present embodiment.
  • 8a, 8b, and 8c are graphs showing the dependency of the resistivity corresponding to the samples J, I, and H on the Al 2 O 3 composition, respectively. According to this, for any of samples J, I, and H, that is, when the composition range of Al 2 O 3 is 1 to 10 at%, the general resistivity is when the composition of MgO is 5 to 25 at%. It was confirmed that the value was in the range of 500 to 50000 ⁇ cm.
  • the samples J, I, and H of this embodiment all show a resistance value distribution that is more stable in the film thickness range of 50 nm to 500 nm than the value of the sample D of the conventional configuration in terms of resistivity.
  • the superiority of this embodiment could be shown.
  • the transmittance of the resistive film in the wavelength range of 360 to 830 nm, which is the visible light region is more than 50% desired. It is possible to obtain a stable resistance film with a small variation in resistivity when the resistivity of the resistance film is in a desired range of 500 to 50000 ⁇ cm. did it. That is, the resistance film of the liquid crystal lens can be obtained to obtain a desired value of transmittance, to obtain a desired value of resistivity, and to stabilize the variation in resistivity. did it.
  • the range of the composition of magnesium or magnesium compound in the resistive film 5 of the present embodiment is as shown in FIG. 5 at% or more is necessary. Also, from FIGS. 8a, 8b, and 8c, it can be seen that in order to obtain a desired resistivity of 500 ⁇ cm to 50000 ⁇ cm, it is sufficient to be within 25 at% in terms of MgO. Therefore, the composition range of magnesium or magnesium compound is 5 at% to 25 at% in terms of MgO.
  • the range of the composition of aluminum or aluminum compound in the resistance film 5 of the present embodiment is 1 at% to 10 at% in terms of Al 2 O 3 in order to obtain a desired resistivity of 500 ⁇ cm to 50000 ⁇ cm from FIGS. 8a, 8b, and 8c. It is understood that it is good if it is within the range.
  • the zinc or zinc compound calculated by the above formula and represented by the composition of X is a simple substance, but if the above formula holds, zinc or zinc can be used as the substance represented by the composition of X. It may contain a metallic substance of the compound. Moreover, an element or a compound such as an inevitable impurity may be included. Further, the components constituting the resistance film have been described by exemplifying oxides having a stoichiometric composition, but these may be compounds with substances other than oxygen, and even if the stoichiometric composition is shifted. I do not care. For example, an oxide having a non-stoichiometric composition such as ZnO 2 or ZnO 0.5 may be used as the main component zinc or zinc compound.
  • the thickness of the resistive film in this embodiment needs to be 50 nm or more in order to stably obtain a desired resistivity of 500 ⁇ cm to 50000 ⁇ cm. 5 that the thickness must be within 500 nm in order to obtain a transmittance of 50% or more in the wavelength range of 360 nm to 830 nm, which is the visible light region. As described above, the thickness of the resistance film 5 in the present embodiment is in the range of 50 nm to 500 nm.
  • composition of the resistive film used in the liquid crystal lens using the resistive film 5 in this embodiment is as follows: zinc or zinc compound is 80 at% in terms of ZnO, magnesium or magnesium compound is 15 at% in terms of MgO, and aluminum or aluminum compound is Al 2 O. 5 at% is preferable in terms of 3 .
  • the liquid crystal lens according to the present invention does not have a mechanical operating unit, it can be used in various applications such as a camera autofocus lens in a place where a quiet design is required or a place affected by vibration.
  • the high resistance film in the present invention can also be used for a transparent conductive film such as a liquid crystal display.

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Abstract

 液晶レンズの抵抗膜を、透過率の所望の値を得ること、および、抵抗率の所望の値を得て且つ、抵抗率のばらつきを安定化させることを目的とする。 液晶レンズ1は、第1の電極31及び第2の電極32が形成された第1のガラス基板21と、第3の電極33が形成された第2のガラス基板22の間に、抵抗膜5と液晶層6を備え、第2の電極32は第1の電極31に対し絶縁膜4を介して第1の電極41と間隔を置いて配置されており、抵抗膜5は、主成分として亜鉛又は亜鉛化合物を含有し、副成分としてアルミニウム又はアルミニウム化合物をAl換算で1~10at%、マグネシウム又はマグネシウム化合物をMgO換算で5~25at%含有する。

Description

液晶レンズ
 本発明は、低電圧で駆動する薄型化及び小型化に対応した液晶レンズに関する。
 電圧分布に対して連続的に電気光学特性を変化させる事が出来るネマティック液晶の特徴を用いた光学素子として、機械的な作動部分を持たずに焦点距離を変化させる事が可能な液晶レンズが知られている。ちなみに、ネマティック液晶とは、液晶の一種であり、その構成分子が配向秩序を持つが、三次元的な位置秩序を持たない液晶である。
 特許文献1には、低電圧で焦点距離を変えることが可能な大型で薄型の液晶レンズが開示されている。具体的には、ガラス基板、第1の電極、配向膜、液晶層、高抵抗層、透明絶縁膜、開口部を有する第2及び第3の電極の順に積層されたレンズである。なお、透明高抵抗層の材料のひとつとして酸化亜鉛(ZnO)が挙げられている。本発明の抵抗膜は、この高抵抗層に相当する。
 特許文献2には、赤外線吸収能を有するガラス基材を備えた屈折率分布型マイクロレンズ素子が開示されている。ガラス基材の材料として、ZnOが17~33重量%とアルミナ(Al)が1~6重量%及び酸化マグネシウム(MgO)が0~7重量%を含む組成でも可能となっている。ちなみに、これらの数値範囲の単位を、重量パーセントから原子パーセントに換算すると、ZnOが21~40at%とAlが1~6at%及びMgOが0~17at%となる。
特開2011-017742公報 特開2007-047310公報
 しかしながら、特許文献1で開示されている液晶レンズにおいて、抵抗膜に用いる膜は可視光領域である波長360nm~830nmの範囲においてその透過率が低く膜厚を薄くする必要がある。また、従来の抵抗膜材料では、所望の抵抗率を得るためには高抵抗率化が必要で、主に膜厚を薄くすることが必要であるが、従来の抵抗膜材料では膜厚の薄い領域の成膜は技術的に困難であり、膜厚を薄くしすぎると抵抗率のばらつきが大きくなるため、動作特性が不安定になってしまうという問題点がある。
 すなわち、液晶レンズにおいて、所望の透過率を得ること、及び、抵抗膜の抵抗率を所望の値を得て、ばらつきを安定化させ、液晶レンズの動作特性が不安定にならないようにすること、が必要である。
 また、特許文献2で開示されている屈折率分布型マイクロレンズ素子は、Pを主成分とする金属酸化物の化合物により形成されたガラス基材であるため、抵抗値が高すぎて、液晶レンズに必要な半導体材料に相応する低い抵抗値を得ることが難しいという問題点がある。
 そこで、本発明は、上記の問題点を鑑みたものであり、液晶レンズの抵抗膜を、透過率の所望の値を得ること、および、抵抗率の所望の値を得て且つ、抵抗率のばらつきを安定化させることを目的とする。
 本発明に係る液晶レンズは、第1の電極及び第2の電極が形成された第1のガラス基板と、第3の電極が形成された第2のガラス基板の間に、抵抗膜と液晶層を備え、第2の電極は、第1の電極に対し、絶縁膜を介して、第1の電極と間隔を置いて配置されており、抵抗膜は、主成分として亜鉛又は亜鉛化合物を含有し、副成分としてアルミニウム又はアルミニウム化合物をAl換算で1~10at%、マグネシウム又はマグネシウム化合物をMgO換算で5~25at%含有することを特徴とする。
 この様に液晶レンズの抵抗膜の材料系を変更することで、可視光領域である360~830nmの波長範囲における抵抗膜の透過率を所望の50%以上の値を得ることを可能とし、且つ、前記抵抗膜の抵抗率が所望の500~50000Ωcmの範囲で、抵抗率のばらつきの少ない安定した抵抗膜を得ることが可能となる。
 本発明により、液晶レンズの抵抗膜を、透過率の所望の値を得ること、および、抵抗率の所望の値を得て且つ、抵抗率のばらつきを安定化させることが可能になる。
本実施形態における液晶レンズの模式断面構成図である。 本実施形態の変形例における液晶レンズの模式断面構成図である。 本実施形態における液晶レンズの斜視図である。 本実施形態における抵抗膜の透過率と波長の関係図である。 本実施形態における抵抗膜の透過率と膜厚の関係図である。 本実施形態における抵抗膜の抵抗率と膜厚の関係図である。 本実施形態における抵抗膜の透過率とMgO組成の関係図である。 本実施形態における抵抗膜の透過率とMgO組成の関係図である。 本実施形態における抵抗膜の透過率とMgO組成の関係図である。 本実施形態における抵抗膜の抵抗率とAl組成の関係図である。 本実施形態における抵抗膜の抵抗率とAl組成の関係図である。 本実施形態における抵抗膜の抵抗率とAl組成の関係図である。
 以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。
(本実施形態)
 図1は、本実施形態の液晶レンズの模式断面構成図である。本実施形態の液晶レンズ1は、第1の電極31及び第2の電極32が形成された第1のガラス基板21と、第3の電極33が形成された第2のガラス基板22の間に、抵抗膜5と液晶層6を備え、第2の電極32は、第1の電極31に対し絶縁膜4を介して、第1の電極31と間隔を置いて配置されており、具体的には、第1の電極31及び第2の電極32が形成された第1のガラス基板21、絶縁膜4、抵抗膜5、液晶層6、第3の電極33が形成された第2のガラス基板22、の順に積層された積層構造になっている。
 図1に示される本実施形態の液晶レンズ1は、第1の電極31と第3の電極33間及び、第2の電極32と第3の電極33間に電圧が印加される。第1の電極31と第3の電極33間及び、第2の電極32と第3の電極33間に、印加する電圧を個別に制御することにより、液晶層6全体に不均一な電界が形成され、屈折率の勾配の分布が形成される。このことによりレンズ効果が実現される。
図3は本実施形態における液晶レンズの斜視図である。図3に示されるように、第1の電極31は、積層構造の延在する面の中央部に開口部を有するパターン電極であって、第2の電極32は、第1の電極31に対し絶縁膜4を介して第1の電極31の開口部内に間隔を置いて配置されている。この第2の電極32は、略円形状の中央部からその一部が液晶レンズ1の側面に露出するように延びている。
 本実施形態に用いる第1のガラス基板21は、透明なソーダガラス基板でありその表面には第1の電極31及び第2の電極32が形成されている。第1のガラス基板21の厚みは第2のガラス基板22との間に液晶層6を封入出来れば厚みはいくらであっても構わない。
 本実施形態に用いる第1の電極31及び第2の電極32は、酸化インジウムスズ(ITO)を用いた。また第1の電極31は第2の電極32と絶縁層4を介して第2の電極32の外周に配置されている。また電極に用いる材料は導電性があり透明であればアルミ(Al)等の金属又はZnO、酸化チタン(TiO)等の酸化物でも構わない。第2の電極32部分がレンズ部分になる事から本実施形態の様に円形にする事により理想的なレンズとなりうる。
 本実施形態に用いる絶縁膜4の材料は二酸化珪素(SiO)膜で第1の電極31と第2の電極32間及び第1の電極31及び第2の電極32と抵抗膜5の間をそれぞれ絶縁している。
 本実施形態に用いる抵抗膜5は、スパッタリング法により成膜することが出来る。原料であるターゲットとしては、アルミニウム又はアルミニウム化合物、マグネシウム又はマグネシウム化合物を含む亜鉛又は亜鉛化合物の焼結体ターゲットを用いた。またターゲットはアルミニウム又はアルミニウム化合物、マグネシウム又はマグネシウム化合物、亜鉛又は亜鉛化合物それぞれ個別に用いても良い。
 以上の成膜中、所定の基板を一定の温度、すなわち、室温~350℃に保持しても構わない。
 本実施形態における抵抗膜5は、主成分として、亜鉛又は亜鉛化合物を含有し、副成分としてマグネシウム又はマグネシウム化合物をMgO換算で5~25at%、アルミニウム又はアルミニウム化合物をAl換算で1~10at%を含有している。ここで、「主成分」とは、物質を構成している成分のうち、最も多く含まれている成分である。本実施形態においては、主成分である亜鉛又は亜鉛化合物が、ZnO換算で65at%以上含有していると好ましい。この場合、より高い安定度で比抵抗値を所望の値に調整することができる。具体的には、主成分の亜鉛又は亜鉛化合物がZnO換算で65~94at%の範囲で、副成分のマグネシウム又はマグネシウム化合物がMgO換算で5~25at%の範囲で、且つ、アルミニウム又はアルミニウム化合物がAl換算で1~10at%の範囲である場合に、可視光領域における透過率が50%以上であって、また、同時に、500~50000Ωcmの抵抗率を得ることが出来る。
 図4は、液晶レンズの抵抗膜5について、横軸に波長、縦軸に透過率を示したグラフである。従来構成のサンプルであって、抵抗膜の組成が、ZnO=95at%であって、Al=5at%のサンプルDであるが、そのデータを見ると、色合いで紫から青の波長範囲である短波長側で透過率が急激に低下しており、他の色合いの波長との光学的な強度の比が大きくなる事から色彩表現性に乏しく理想的な光学レンズの実現には不十分である。
 それに対し、図4で、本実施形態の組成においては、可視光領域である360~830nmの波長領域内において透過率50%を超えており、波長間の光学的な強度の比が小さくなるため従来の抵抗膜よりも色彩表現性に優れる。
 図6は、液晶レンズの抵抗膜について、横軸に膜厚、縦軸に抵抗率を示したグラフである。従来構成のサンプルであって、ZnO=95at%であって、Al=5at%のサンプルDであるが、そのデータを見ると、膜厚に対する抵抗率の変動が大きく所望の抵抗率を得るためには成膜条件の制御が困難である。一般的に、抵抗率500~50000Ωcmという値の範囲にあれば、液晶レンズの設計上から、レンズとして稼動するが、本実施形態の組成における抵抗膜5は膜厚に対する抵抗率変化が小さいため抵抗率の制御が容易、すなわち、成膜が容易になり、特性再現性の良いレンズの作製が可能である。
 本実施形態に用いる液晶層6は、ネマティック液晶である。ネマティック液晶は印加電圧の大きさに比例してその実質的な屈折率を連続的に変化させる事が出来、本実施形態はこの特性を利用して第2の電極部分にレンズ効果を発生させている。
 本実施形態に用いる第3の電極33は、第2のガラス基板22の液晶層6と対向する面に形成されておりその材料はITOである。また電極に用いる材料は導電性があり透明であればAl等の金属又はZnO、TiOx等の酸化物でも構わない。     
 本実施形態に用いる第2のガラス基板22は、透明なソーダガラス基板でありその表面には第3の電極33が形成されている。第2のガラス基板22の厚みは第1のガラス基板21との間に液晶層6を封入出来れば厚みはいくらであっても構わない。      
(変形例)
 本実施形態の、抵抗膜5、液晶層6、第3の電極33が形成された第2のガラス基板22、の順に積層された積層構造は、図2の変形例で示したように、抵抗膜5、第1の配向膜71、液晶層6、第2の配向膜72、第3の電極33が形成された第2のガラス基板22、の順に積層された積層構造で構成されることが好ましい。
 本変形例に用いる第1の配向膜71、第2の配向膜72の材料はポリイミド樹脂であり、第1の配向膜71と第2の配向膜72に挟まれた液晶層6内の液晶分子を規則正しく配列させるため一定方向にラビング(Rubbing)処理、すなわち、配向膜処理方法の一つでありポリイミドなどで形成された配向膜を布などで擦ることによって配向性能を付加するものである、が行われている。第1の配向膜71と第2の配向膜72はお互いのラビング方向が90°傾く様に配置されている。配向効果をより持たせる事により液晶レンズを透過する光の透過率を上げる効果がある。
 本変形例の、第1のガラス基板21における、第1の電極31及び第2の電極32が形成されている面と反対側の面及び、第2のガラス基板22における第3の電極33が形成されている面と反対側の面には、それぞれ第1の反射防止膜81と第2の反射防止膜82が形成されている事が望ましい。
 本変形例に用いる第1の反射防止膜81および第2の反射防止膜82の材料は、SiOとTaの積層膜である。反射防止膜を持たせる事によりレンズ表面で反射する光量を少なくし透過率を高める効果がある。
 図2を用いて、本実施形態の構成の液晶レンズの製造方法について説明する。片側の面に第1の反射防止膜81が形成された厚み300μmの第1のガラス基板21の反射防止膜81とは反対側の面上に、第1の電極31及び第2の電極32となりうる酸化インジウムスズ(ITO)を材料とした透明導電膜をスパッタ法により成膜した。厚みは導電性を維持出来る範囲内であれば極力薄くする事が望ましい。その後フォトリソ工法により第1の電極31及び第2の電極32のパターニングを行った後、エッチング工法により第1の電極31と第2の電極32間のITOを取り除き、第1の電極31及び第2の電極32を形成した。
 その後、絶縁膜4をスパッタ法により成膜した。絶縁膜4の厚みは第1の電極31及び第2の電極32と抵抗膜5の間の絶縁性が保たれれば厚みはいくらでも構わない。
 抵抗膜5は、RFマグネトロンスパッタリング法により室温にて成膜を実施した。ターゲットにはZnO、MgO、Alを所望の割合で配合し焼結させたZnO混合物焼結体ターゲットを用いた。スパッタリング装置内にはZnO混合物焼結体ターゲットと基板を平行に配置し、酸素ガスを含むアルゴン(Ar)不活性ガス又はAr不活性ガスのみの雰囲気中で、この基板とターゲットとの間に電界を印加して、基板とターゲット間にプラズマを発生させることによって、抵抗膜5を所定の基板上に作成した。なお、ターゲットはAl、MgO、ZnOそれぞれ個別に用いても良い。
 その後、抵抗膜5の表面に第1の配向膜71を形成しラビング処理を実施した。また、第2のガラス基板22上に第1の電極31と同様に形成された第3の電極33の表面に第2の配向膜72を形成し同様にラビング処理を行った。
 第1の配向膜71を形成した第1のガラス基板21と、第2の配向膜72を形成した第2のガラス基板22を配向膜面が対向し且つ各配向膜のラビング方向が90°交差する様に配置し固定させた後、その隙間に液晶を真空封入した。
 ZnO、MgO、Alの各組成における特性評価を行うサンプルはRFマグネトロンスパッタリング法により抵抗膜5を成膜した。その際Al、MgO、ZnOはそれぞれ個別の酸化物ターゲットを用い、各ターゲットの成膜時間をそれぞれに制御することにより組成を変動させたサンプルを作製した。作製したサンプルは測定前に200℃の温度で1時間大気中でアニールを実施した。
 上述の特性評価を行うサンプルの基板には透過率測定のための試料にはソーダガラス基板を、抵抗率測定のための試料には白金(Pt)にて下部電極を形成したシリコン(Si)基板を使用した。
(評価方法)
 透過率は分光エリプソメーターにて250~1000nmの波長範囲において測定を実施した。試料は基板にソーダガラスを使用したものを用い、元組成傾斜サンプルの透過率を測定した後、ソーダライムガラス基板の透過率を差し引くことで、抵抗膜のみの透過率を算出した。
 抵抗率は、Si基板を使用した試料を使用してエレクトロメーターにて印加電圧1Vにおける抵抗膜の抵抗値を測定後、抵抗率へ換算した。
(透過率と抵抗率の波長及び膜厚依存性の評価)
(評価1)
 図4は、液晶レンズの抵抗膜5について、横軸に波長、縦軸に透過率を示したグラフである。本評価を、評価1とする。従来構成のサンプルであって、抵抗膜5の組成が、ZnO=95at%であって、Al=5at%のサンプルDであるが、そのデータを見ると、色合いで紫から青の波長範囲である短波長側で透過率が急激に低下しており、他の色合いの波長とのコントラスト比が大きくなる事から色彩表現性に乏しく、不十分である。
 また、図4の、本評価1用のサンプルは3つであり、1つは、抵抗膜の組成が、ZnO=94at%であって、MgO=5at%、Al=1at%のサンプルC。2つめは、ZnO=80at%であって、MgO=15at%、Al=5at%のサンプルB。3つめは、ZnO=65at%であって、MgO=25at%、Al=10at%のサンプルAである。
 本評価1用の3つのサンプルは、1つめが、本実施形態の組成範囲における下限サンプルCであり、2つめが、本実施形態の組成範囲における最適な組成のサンプルBであり、3つめは、本実施形態の組成範囲における上限サンプルAである。
 従来構成のサンプルDのデータに対し、図4で、本評価1用の3つのサンプルC、B、Aにおいては、可視光領域で透過率50%を超えており、従来の抵抗膜よりも良い値を示している。なお、サンプルの厚みは全て100nmである。
(評価2)
 図5は、液晶レンズの抵抗膜5について、横軸に膜厚、縦軸に透過率を示したグラフである。本評価を、評価2とする。従来構成のサンプルであって、抵抗膜の組成が、ZnO=95at%であって、Al=5at%のサンプルDであるが、そのデータを見ると波長360nmにおける透過率にて抵抗膜の厚みが厚くなると極端に低下していることが判る。
 また、本評価2のサンプルは3つであり、その組成範囲は評価1で用いたサンプルD、C、B、Aと同じである。
 従来構成のサンプルDのデータに対し、図5で、本実施形態の3つのサンプルC、B、Aにおいては、抵抗膜5の厚み500nm以内において、360nmの波長における透過率が50%を超えており、従来構成のサンプルDの抵抗膜よりも良い値を示している。
(評価3)
 図6は、液晶レンズの抵抗膜について、横軸に膜厚、縦軸に抵抗率を示したグラフである。本評価を、評価3とする。従来構成のサンプルDであるが、そのデータを見ると、膜厚200nmから400nmの範囲で、抵抗率500~50000Ωcmとなっているが、膜厚に対する抵抗率の変動が大きく所望の抵抗率を得るためには成膜条件の制御が困難である。一般的に、抵抗率500~50000Ωcmという値の範囲にあれば、液晶レンズとしては稼動するが、本実施形態の組成における抵抗膜では厚み50nm~500nmの範囲で所望の抵抗率を得る事が出来、また変動が小さいことから抵抗率の制御が容易、すなわち、成膜が容易になる。
 また、本評価3のサンプルは3つであり、その組成範囲は評価1で用いたサンプルD、C、B、Aと同じである。
 図6で、本評価3の3つのサンプルC、B、Aにおいては、抵抗膜の厚み50nm~500nmの範囲において、抵抗率が500~50000Ωcmの範囲内にあり、従来構成のサンプルDの抵抗膜よりも良い値を示している。
 本評価3の3つのサンプルは、1つめが、本実施形態の組成範囲における下限サンプルCであり、2つめが、本実施形態の組成範囲における最適な組成のサンプルBであり、3つめは、本実施形態の組成範囲における上限サンプルAである。
 すなわち、本評価3のサンプルC、B、Aは、3つとも、抵抗率について、膜厚に対する変化率が小さく、且つ、所望の値の抵抗率を得られる組成及び膜厚範囲を確認することができたため、本実施形態の優位性を示すことができた。
 すなわち、従来構成のサンプルDに比較して、本評価3のサンプルC、B、Aのほうが、全てにおいて、透過率と抵抗率について良い値を示しており、本実施形態の優位性を示すことができた。
(MgOによる透過率の改善効果の評価)
(評価4)
 図7a、7b、7cは、液晶レンズの抵抗膜5について、横軸にMgOの組成、縦軸に透過率を示したグラフである。本評価を、評価4とする。透過率に最も寄与するのがMgOであるので、透過率の最適化には、MgOの組成により調整をした。このときに準備をしたサンプルは3つであり、1つは、ZnO=74at%~99at%であって、Al=1at%のサンプルG。2つめは、ZnO=70at%~95at%であって、Al=5at%のサンプルF。3つめは、ZnO=65at%~90at%であって、Al=10at%のサンプルEであり何れも厚みは100nmである。
 本評価4の3つのサンプルは、1つめが、本実施形態におけるAlの組成範囲における下限サンプルGであり、2つめが、本実施形態におけるAlの最適な組成のサンプルFであり、3つめは、本実施形態におけるAlの組成範囲における上限サンプルEである。
 図7a、7b、7cは、それぞれ、サンプルG、F、Eに対応した透過率のMgO組成の依存性を示すグラフである。これによると、サンプルG、F、Eのいずれについても、すなわち、Alの組成範囲が、1~10at%においては、MgOの組成が、5~25at%においては、50%以上の透過率を得ることができることを確認することができた。
 すなわち、本評価4のサンプルG、F、Eは、3つとも、透過率について、50%以上の良い値を示しており、本実施形態の優位性を示すことができた。
(Alによる抵抗率の改善効果の評価)
(評価5)
 図8a、8b、8cは、液晶レンズの抵抗膜5について、横軸にAlの組成、縦軸に抵抗率を示したグラフである。本評価を、評価5とする。抵抗率に最も寄与するのがAlであるので、抵抗率の最適化には、Alの組成により調整をした。このときに準備をしたサンプルは3つであり、1つは、ZnO=85at%~94at%であって、MgO=5at%のサンプルJ。2つめは、ZnO=75at%~84at%であって、MgO=15at%のサンプルI。3つめは、ZnO=65at%~74at%であって、MgO=25at%のサンプルHであり、いずれも厚みは100nmである。
 本評価5の3つのサンプルは、1つめが、本実施形態におけるMgOの組成範囲における下限サンプルJであり、2つめが、本実施形態におけるMgOの組成範囲における最適な組成のサンプルIであり、3つめは、本実施形態におけるMgOの組成範囲における上限サンプルHである。
 図8a、8b、8cは、それぞれ、サンプルJ、I、Hに対応した抵抗率のAl組成の依存性を示すグラフである。これによると、サンプルJ、I、Hのいずれについても、すなわち、Alの組成範囲が、1~10at%においては、MgOの組成が、5~25at%においては、一般的な抵抗率500~50000Ωcmという値の範囲内であることを確認することができた。
 すなわち、本実施形態のサンプルJ、I、Hは、3つとも、抵抗率について、従来構成のサンプルDの値よりも、膜厚50nm~500nmの範囲において安定した抵抗値分布を示しており、本実施形態の優位性を示すことができた。
(評価のまとめ)
 したがって、上記の評価結果から、液晶レンズの抵抗膜5の材料系を本実施形態に変更することで、可視光領域である360~830nmの波長範囲における抵抗膜の透過率を所望の50%以上の値を得ることを可能とし、且つ、前記抵抗膜の抵抗率が所望の500~50000Ωcmの範囲で、前記抵抗率のばらつきの少ない安定した抵抗膜を得ることが可能となることを示すことができた。すなわち、液晶レンズの抵抗膜を、透過率の所望の値を得ること、および、抵抗率の所望の値を得て且つ、抵抗率のばらつきを安定化させることが可能になることを示すことができた。
 本実施形態の抵抗膜5におけるマグネシウム又はマグネシウム化合物の組成の範囲は、図7a、7b、7cから可視光領域である360nm~830nmの波長範囲において50%以上の透過率を得るためにMgO換算で5at%以上必要である。また図8a、8b、8cから所望の抵抗率500Ωcm~50000Ωcmを得るためにはMgO換算で25at%以内であれば良いことが判る。そのため、マグネシウム又はマグネシウム化合物の組成の範囲はMgO換算で5at%~25at%となる。
 本実施形態の抵抗膜5におけるアルミニウム又はアルミニウム化合物の組成の範囲は、図8a、8b、8cから所望の抵抗率500Ωcm~50000Ωcmを得るためには、Al換算で1at%~10at%の範囲であれば良い事が判る。
 本実施形態は、亜鉛又は亜鉛化合物を主成分とした場合のマグネシウム又はマグネシウム化合物とアルミニウム又はアルミニウム化合物の組成比が重要である。したがって、主成分である亜鉛又は亜鉛化合物の組成については、次のように定義できる。亜鉛又は亜鉛化合物の組成をZnO換算でXat%、アルミニウム又はアルミニウム化合物の組成をAl換算でYat%、マグネシウム又はマグネシウム化合物の組成をMgO換算でZat%とすると、X=100-(Y+Z)〔at%〕以内(但し、Xは65at%以上とする。)の関係が成り立つ。また、上式で計算され、Xの組成で表される亜鉛又は亜鉛化合物は、単体であることが望ましいが、上式が成り立つのであれば、Xの組成で表される物質として、亜鉛又は亜鉛化合物の金属物質を含んでいても構わない。また、不可避不純物のような元素又は化合物を含んでいても構わない。さらに、抵抗膜を構成する成分について、化学量論組成を持つ酸化物を例示して説明したが、これらは酸素以外の物質との化合物であってもよく、化学量論組成がずれていても構わない。例えば、主成分の亜鉛又は亜鉛化合物として、ZnOあるいはZnO0.5といった非化学量論組成を持つ酸化物を用いても構わない。
 本実施形態における抵抗膜の厚みは、図6から所望の抵抗率500Ωcm~50000Ωcmを安定して得るためには、50nm以上の厚みが必要であることが判る。また、図5から、可視光領域である360nm~830nmの波長範囲において50%以上の透過率を得るためには厚みが500nm以内でなければならない事が判る。以上より本実施形態における抵抗膜5の厚みは50nm~500nmの範囲内となる。
 本実施形態における抵抗膜5を用いた液晶レンズに用いる抵抗膜の組成は、亜鉛又は亜鉛化合物をZnO換算で80at%、マグネシウム又はマグネシウム化合物をMgO換算で15at%、アルミニウム又はアルミニウム化合物をAl換算で5at%が好ましい。
 本発明に係わる液晶レンズは、機械的な作動部を所有しない事から静穏設計が必要な場所や振動の影響を受けるような箇所におけるカメラのオートフォーカスレンズ等の様々な用途に利用できる。また本発明における高抵抗膜は液晶ディスプレイ等の透明導電膜への用途にも利用できる。
 1、10  液晶レンズ
 4  絶縁膜
 5  抵抗膜
 6  液晶層
 21  第1のガラス基板
 22  第2のガラス基板
 31  第1の電極
 32  第2の電極
 33  第3の電極
 71  第1の配向膜
 72  第2の配向膜
 81  第1の反射防止膜
 82  第2の反射防止膜

Claims (2)

  1.  第1の電極及び第2の電極が形成された第1のガラス基板と、第3の電極が形成された第2のガラス基板の間に、抵抗膜と液晶層を備え、
    前記第2の電極は、前記第1の電極に対し、絶縁膜を介して、前記第1の電極と間隔を置いて配置されており、
    前記抵抗膜は、主成分として亜鉛又は亜鉛化合物を含有し、副成分としてアルミニウム又はアルミニウム化合物をAl換算で1~10at%、マグネシウム又はマグネシウム化合物をMgO換算で5~25at%含有することを特徴とする液晶レンズ。
  2.  前記抵抗膜の膜厚は50~500nmであることを特徴とする請求項1に記載の液晶レンズ。
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