(57)【要約】【課題】焦点距離の可変範囲が十分に広く且つ像のゆがみが十分に小さい液晶可変焦点レンズを提供する。【解決手段】本開示に係る液晶可変焦点レンズは、第１の面及び第２の面を有する透明基板と、透明基板の第１の面上に設けられた第１の液晶層と、透明基板の第２の面上であって第１の液晶層に対面する位置に設けられた第２の液晶層と、透明基板の第１の面上であって第１の液晶層を囲うように配置された一つ又は複数の超音波振動子とを備え、超音波振動子の出力に応じて焦点距離が可変である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面及び第２の面を有する透明基板と、
前記透明基板の前記第１の面上に設けられた第１の液晶層と、
前記透明基板の前記第２の面上であって前記第１の液晶層に対面する位置に設けられた第２の液晶層と、
前記透明基板の前記第１の面上であって前記第１の液晶層を囲うように配置された一つ又は複数の超音波振動子と、
を備え、
前記超音波振動子の出力に応じて焦点距離が可変である、液晶可変焦点レンズ。
【請求項２】
前記透明基板の厚さが１００〜９００μｍである、請求項１に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項３】
前記第１の液晶層の外側に、一つの環状の前記超音波振動子が配置されている、請求項１又は２に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項４】
前記第１の液晶層の外周に沿って並ぶように、複数の前記超音波振動子が配置されている、請求項１又は２に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項５】
複数の前記超音波振動子に対して印加する電圧をそれぞれ調整することによって光軸の位置が可変である、請求項４に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項６】
平面視において、前記第１の液晶層及び前記第２の液晶層は円形である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項７】
前記第１の液晶層及び前記第２の液晶層の直径が３〜３０ｍｍである、請求項６に記載の液晶可変焦点レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液晶可変焦点レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
焦点距離を変更可能な光学レンズの一種として液晶レンズが知られている。特許文献１は、超音波によって駆動する液晶可変焦点レンズを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−９２０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の液晶可変焦点レンズは、超音波の強度、すなわち、超音波振動子に印加する電圧の大きさによって焦点距離が可変であるものの、焦点距離の可変範囲が狭いため、実用化のレベルに至っていないのが現状である。
【０００５】
本開示は、焦点距離の可変範囲が十分に広く且つ像のゆがみが十分に小さい液晶可変焦点レンズを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示に係る液晶可変焦点レンズは、第１の面及び第２の面を有する透明基板と、透明基板の第１の面上に設けられた第１の液晶層と、透明基板の第２の面上であって第１の液晶層に対面する位置に設けられた第２の液晶層と、透明基板の第１の面上であって第１の液晶層を囲うように配置された一つ又は複数の超音波振動子とを備え、超音波振動子の出力に応じて焦点距離が可変である。
【０００７】
本開示に係る液晶可変焦点レンズによれば、透明基板を挟むように第１及び第２の液晶層が配置されていることで、超音波によって第１及び第２の液晶層に生じる応力を相殺でき、レンズ全体の反りや変形を抑制でき、像のゆがみを十分に抑制できる。これに加え、超音波振動子から第１及び第２の液晶層の両方に対して正弦波に近い波形の振動を伝搬させることができ、この正弦波に近い波形の振動が像のゆがみ及びにじみ等の低減に寄与すると推察される。例えば、透明基板が厚さ１００〜９００μｍの薄いガラス板等である場合、透明基板を挟むように第１及び第２の液晶層が配置されていることで、透明基板の反りや変形を抑制できるとともに、透明基板が厚い場合と比較して第２の液晶層に超音波が伝わりやすい。
【０００８】
本開示に係る液晶可変焦点レンズによれば、透明基板等の共振周波数と一致した周波数をもつ超音波によって、第１及び第２の液晶層の屈折率がそれぞれ変化し、焦点距離を変化させることができる。超音波によって二つの液晶層の屈折率を同時に変化させることで、一つの液晶層の屈折率を変化させる構成と比較して、焦点距離の可変範囲を広くすることができる。
【０００９】
平面視において、第１及び第２の液晶層は、例えば、円形である。その場合、第１及び第２の液晶層の直径は、例えば、３〜１０ｍｍである。このようなサイズの液晶可変焦点レンズはスマートフォン等の小型デバイスに有用である。
【００１０】
本開示において、一つの環状の超音波振動子が第１の液晶層の外側に配置されていてもよく、複数の超音波振動子が第１の液晶層の外周に沿って並ぶよう配置されていてもよい。後者の場合、液晶可変焦点レンズが複数の超音波振動子に対して異なる電圧を印加可能な電源部を備えてもよい。各超音波振動子に対して印加する電圧をそれぞれ調整することによって光軸の位置を可変とすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、焦点距離の可変範囲が十分に広く且つ像のゆがみが十分に小さい液晶可変焦点レンズが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本開示に係る液晶可変焦点レンズの第一実施形態を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は図１に示す液晶可変焦点レンズの上面図及び縦断面図である。
【図３】図３は、本開示に係る液晶可変焦点レンズの第二実施形態を模式的に示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本開示の複数の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比は図示の比率に限られるものではない。
【００１４】
＜第一実施形態＞
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係る液晶可変焦点レンズ１０は、第１の面１ａ及び第２の面１ｂを有する透明基板１と、これを挟むように設けられた二つの液晶レンズユニットＣ１，Ｃ２と、透明基板１の第１の面１ａ側に配置された超音波振動子８とを備える。図２（ｂ）に示すように、液晶レンズユニットＣ１は、透明基板１の第１の面１ａ側に設けられており、一対の配向膜２ａ，３ａと、これらの間に設けられた第１の液晶層５ａと、外側透明基板６ａと、封止材７ａとによって構成されている。液晶レンズユニットＣ２は、透明基板１の第２の面１ｂ側に設けられており、一対の配向膜２ｂ，３ｂと、これらの間に設けられた第２の液晶層５ｂと、外側透明基板６ｂと、封止材７ｂとによって構成されている。
【００１５】
超音波振動子８は、透明基板１及び液晶レンズユニットＣ１，Ｃ２の共振周波数と一致した周波数をもつ超音波を発する。この超音波によって、液晶レンズユニットＣ１，Ｃ２に含まれる液晶層５ａ，５ｂの屈折率がそれぞれ変化し、液晶可変焦点レンズ１０の焦点距離が変化する。以下、液晶可変焦点レンズ１０の各構成について説明する。
【００１６】
（透明基板）
透明基板１はガラス板である。透明基板１の厚さは、例えば、１００〜９００μｍである。透明基板１の厚さが１００μｍ以上であることで液晶可変焦点レンズ１０に十分な耐久性を付与することができる。他方、透明基板１の厚さが９００μｍ以下であることで超音波振動子８からの超音波が第２の面１ｂ側の液晶層５ｂにも十分に伝播するとともに、液晶可変焦点レンズ１０の全体の厚さを十分に薄くできる。なお、透明基板１の材質はガラスに限定されず、例えば、透明樹脂材料であってもよい。透明基板１の形状は、液晶可変焦点レンズ１０の適用対象又はサイズに応じて適宜設定すればよく、図１に示すように円形であってもよいし、他の形状（例えば、正方形、長方形、楕円形）であってもよい。
【００１７】
（液晶層）
液晶層５ａ，５ｂは液晶分子５ｃをそれぞれ含む。液晶分子５ｃとして、例えば、誘電率異方性が負のネマティック液晶が挙げられる。液晶層５ａ，５ｂの厚さは、例えば、３０〜８０μｍである。液晶層５ａ，５ｂの厚さが３０μｍ以上であることで液晶可変焦点レンズ１０の焦点距離の可変範囲を十分に広くすることができる。他方、液晶層５ａ，５ｂの厚さが８０μｍ以下であることで液晶可変焦点レンズ１０の全体の厚さを十分に薄くできる。液晶層５ａの厚さと液晶層５ｂの厚さは同じであってもよいし、異なっていてもよい。液晶層５ａ，５ｂの厚さは、例えば、透明基板１と外側透明基板６ａ，６ｂとの間にスペーサを配置することによって調整することができる。なお、液晶層５ａ，５ｂの厚さは、３〜３０μｍ又は８０〜１５０μｍであってもよい。
【００１８】
液晶層５ａ，５ｂは、平面視において円形である。液晶層５ａ，５ｂの直径は、液晶可変焦点レンズ１０の適用対象及び要求性能等に応じて適宜設定すればよい。例えば、液晶可変焦点レンズ１０をスマートフォン等の小型デバイスに適用する場合、液晶層５ａ，５ｂの直径は３〜１０ｍｍとすればよい。なお、液晶可変焦点レンズ１０を他の用途（例えば、業務用カメラ）に適用する場合、液晶層５ａ，５ｂの直径は１０〜３０ｍｍであってもよい。なお、液晶層５ａ，５ｂの形状は円形に限られず、他の形状（例えば、正方形、長方形、楕円形）であってもよい。
【００１９】
（配向膜）
図２に示す配向膜２ａ，３ａ，２ｂ，３ｂは垂直配向膜である。垂直配向膜は、超音波が発生していない状態において、液晶分子５ｃの長軸が配向膜の主面に対して垂直となるように液晶分子５ｃを配向する。なお、配向膜として、垂直配向膜の代わりに水平配向膜を採用してもよい。水平配向膜は、超音波が発生していない状態において、液晶分子の長軸が配向膜の主面に対して水平となるように液晶分子を配向する。配向膜として垂直配向膜及び水平配向膜のうち一方のみを用いてもよく、両方を組み合わせて用いてもよい。
【００２０】
（外側透明基板）
外側透明基板６ａ，６ｂはガラス板である。外側透明基板６ａ，６ｂの厚さは、例えば、１００〜９００μｍである。外側透明基板６ａ，６ｂの厚さが１００μｍ以上であることで液晶可変焦点レンズ１０に十分な耐久性を付与することができる。他方、外側透明基板の厚さが９００μｍ以下であることで液晶可変焦点レンズ１０の全体の厚さを十分に薄くできる。なお、外側透明基板６ａ，６ｂの材質はガラスに限定されず、例えば、透明樹脂材料であってもよい。
【００２１】
外側透明基板６ａ，６ｂの形状は、平面視において円形である。外側透明基板６ａ，６ｂの直径は、液晶可変焦点レンズ１０の適用対象及び要求性能等に応じて適宜設定すればよい。なお、外側透明基板６ａ，６ｂの形状は、液晶可変焦点レンズ１０の適用対象又はサイズに応じて適宜設定すればよく、図１に示すように円形であってもよいし、他の形状（例えば、正方形、長方形、楕円形）であってもよい。
【００２２】
（封止材）
封止材７ａは、透明基板１と外側透明基板６ａの外周に沿って設けられており、これらの間に液晶層５ａを封止している。封止材７ｂは、透明基板１と外側透明基板６ｂの外周に沿って設けられており、これらの間に液晶層５ｂを封止している。封止材７ａ，７ｂとしては、例えば、エポキシ樹脂が挙げられる。
【００２３】
（超音波振動子）
超音波振動子８は、平面視において環状であり、透明基板１の第１の面１ａ側に配置されている。超音波振動子８は、液晶レンズユニットＣ１を囲うように配置されている。超音波振動子８の内周は液晶レンズユニットＣ１の外周と離間している。超音波振動子８は、例えば接着剤によって透明基板１の第１の面１ａ上に固定されている。例えば、封止材７ａの外周の直径が５ｍｍである場合、超音波振動子８の内径は、例えば、５．１〜６．０ｍｍであり、超音波振動子８の外径は、例えば、７〜１０ｍｍである。
【００２４】
超音波振動子８は、振動部８ａと、これを挟むように設けられた一対の電極８ｂ，８ｃとによって構成されている。電極８ｂ，８ｃは電源部１５に接続されている。超音波振動子８は、透明基板１及び液晶レンズユニットＣ１，Ｃ２の共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させる。上記共振周波数に一致した周波数をもつ超音波により、一次モードのたわみ振動が発生する。一次モードのたわみ振動は、振動強度が液晶層５ａ，５ｂの中心側から周縁部に向かって連続的に小さくなる振動である。この一次モードのたわみ振動に起因して液晶層５ａ，５ｂにおいて音響定常波が発生し、更に音響放射力が生じて液晶層５ａ，５ｂの厚さ及び配向が変化する。これらの変化によって、液晶層５ａ，５ｂの焦点距離が変化する。
【００２５】
超音波振動子８が生じる超音波の周波数は電源部１５から印加される電圧の周波数に依存する。超音波振動子８の超音波の強度は電源部１５から印加される電圧の振幅値に依存する。電圧の周波数を一定の値とし、電圧の振幅値を制御することで、液晶層５ａ，５ｂの屈折率の変化の程度を調整することができ、液晶可変焦点レンズ１０の焦点距離を調整できる。すなわち、超音波振動子８に印加する電圧の振幅値を大きくすることで、液晶可変焦点レンズ１０の焦点距離を短くすることができ、他方、印加する電圧の振幅値を小さくすることで、液晶可変焦点レンズ１０の焦点距離を長くすることができる。
【００２６】
超音波振動子８は、例えば、圧電超音波振動子である。振動部８ａの材質として、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム及びチタン酸鉛等のセラミックス、ポリビニリデンフルオライド−トリフルオロエチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））等の高分子、並びに、酸化亜鉛等の金属酸化物が挙げられる。セラミックスからなる振動部８ａは、例えば、上記セラミックスの粉体を焼結し、得られた焼結体に対して分極処理を施すことによって得ることができる。高分子膜からなる振動部８ａは、例えば、上記高分子を含む溶液を塗工及び乾燥することによって高分子膜を形成し、この高分子膜に対して分極処理を施すことによって得ることができる。金属酸化物からなる振動部８ａは、例えば、上記金属酸化物の膜をスパッタリング等によって成膜し、金属酸化物膜に対して分極処理を施すことによって得ることができる。
【００２７】
電極８ｂ，８ｃの材質は、例えば、銀あるいはニッケルである。電極８ｂ，８ｃは電圧を印加可能な電源部１５に接続されている。電極８ｂ，８ｃは、例えば、高温焼付の銀電極や化学めっきのニッケル電極によって構成されていてもよい。電極８ｂ，８ｃは電源部１５と配線によって電気的に接続されている（図２（ｂ）参照）。
【００２８】
超音波振動子８に対して電源部１５から印加する電圧の周波数は、例えば、透明基板１、液晶レンズユニットＣ１，Ｃ２の物性値（例えば、透明基板１、外側透明基板６ａ，６ｂのヤング率、ポアソン比及び密度等）及び超音波振動子８の物性値（例えば、超音波振動子８の弾性定数マトリックス、密度及び圧電定数マトリックス等）を用いて、シミュレーションを行うことで算出することができる。
【００２９】
上記構成の液晶可変焦点レンズ１０によれば、以下の効果が奏される。すなわち、液晶可変焦点レンズ１０によれば、超音波によって二つの液晶層５ａ，５ｂの屈折率を同時に変化させることで、焦点距離の可変範囲を十分に広くすることができる。また、透明基板１を挟むように液晶レンズユニットＣ１，Ｃ２を配置したことで、超音波によって液晶層５ａ，５ｂに生じる応力を相殺でき、液晶可変焦点レンズ１０全体の反りや変形を抑制でき、像のゆがみを十分に抑制できる。これに加え、一つの超音波振動子８から液晶層５ａ，５ｂの両方に対して正弦波に近い波形の振動を伝搬させることができ、これにより、像のゆがみ及びにじみ等をより一層抑制できる。
【００３０】
＜第二実施形態＞
第一実施形態においては、一つの環状の超音波振動子８を備える液晶可変焦点レンズ１０を例示したが、図３に示すように、透明基板１の第１の面１ａ上において、液晶レンズユニットＣ１を囲うように四つの超音波振動子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが配置されていてもよい。図３に示す液晶可変焦点レンズ２０は、超音波振動子８の代わりに超音波振動子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを備えることの他は、第一実施形態に液晶可変焦点レンズ１０と同様の構成を有する。以下、液晶可変焦点レンズ２０に関し、液晶可変焦点レンズ１０との相違点について主に説明する。
【００３１】
超音波振動子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、液晶レンズユニットＣ１の外周に沿って並ぶように配置されている。図３に示すように、超音波振動子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄはそれぞれ中心角が９０°の円弧状である。超音波振動子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは互いに異なる電圧を印加可能な電源部２５に接続されている。液晶可変焦点レンズ２０は、超音波振動子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄに印加する電圧の振幅値を制御することによって、光軸の位置を可変とすることができる。すなわち、超音波振動子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄに印加する電圧の振幅値を制御することによって、各超音波振動子が発する超音波の強度をそれぞれ調整することができる。これにより、各超音波振動子に対応する液晶層５ａ，５ｂの屈折率分布を制御することができ、その結果、光軸の位置を可変とすることができる。光軸の位置が可変である液晶可変焦点レンズは、例えば、手ブレ補正機能を有するカメラに適用し得る。
【００３２】
第一実施形態に係る液晶可変焦点レンズ１０の具体的な構成の一例は以下のとおりである。
・透明基板…ガラス板、厚さ：５００μｍ、直径：１０ｍｍ
・透明基板の第１の面側の液晶層…液晶分子：ネマティック液晶、厚さ：５０μｍ、直径：５ｍｍ（封止材を含む）
・透明基板の第２の面側の液晶層…液晶分子：ネマティック液晶、厚さ：５０μｍ、直径：５ｍｍ（封止材を含む）
・配向膜…垂直配向膜、材質：ポリイミド系樹脂、厚さ：２μｍ
・外側透明基板…ガラス板、厚さ：５００μｍ、直径：５ｍｍ
・封止材…エポキシ樹脂
・超音波振動子…内径：５．５ｍｍ、外径：９．５ｍｍ
・超音波振動子の振動部…材質：ＰＺＴ、厚さ：１ｍｍ
・超音波振動子の電極…材質：銀（Ａｇ）、厚さ：８μｍ
【符号の説明】
【００３３】
１…透明基板、１ａ…第１の面、１ｂ…第２の面、２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ…配向膜、５ａ…第１の液晶層、５ｂ…第２の液晶層、５ｃ…液晶分子、６ａ，６ｂ…外側透明基板、７ａ，７ｂ…封止材、８，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ…超音波振動子、８ａ…振動部、８ｂ，８ｃ…電極、１０，２０…液晶可変焦点レンズ、Ｃ１，Ｃ２…液晶レンズユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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