(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、開口部を有しかつ接地される第３の電極とを有する中間層と、
を具備し、
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く、
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液晶レンズ。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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乃至４のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項６】
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乃至５のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項７】
前記請求項１乃至６のいずれか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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３０４７０８２号公報
【特許文献２】特開２０００−８１６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、開口部を有しかつ接地される第３の電極とを有する中間層とを具備する。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。前記液晶レンズは、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。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】液晶レンズ１００の動作原理を説明する断面図。
【図４】液晶レンズ１００の動作原理を説明する斜視図。
【図５】電圧制御回路２００の電圧制御動作を説明するグラフ。
【図６】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。
【図７】比較例に係る液晶レンズの電圧分布を説明する図。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】位相ずらし時間τと焦点距離ｆとの関係を示すグラフ。
【図１１】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。
【図１２】スプレイ配向及びベンド配向を説明する図。
【図１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
［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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。電極１２１と透明基板１３７との距離は、例えばスペーサ１２３によって調整される。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ている。
【００２４】
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。
【００２５】
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（または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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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する。高誘電率層１２２の厚さは５０μｍ程度、比誘電率は２０程度である。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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／（ｙ２−Ｒｅ２）
≒２Ｒｅ／ｙ２             ・・・（３）
“１／ｆ”はレンズパワーである。
【００３６】
式（３）を変形して、Ｒｅ（ｙ）は以下の式で表される。
【００３７】
Ｒｅ（ｙ）≒ｙ２／２ｆ           ・・・（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
［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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
［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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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装置に適用することができる。例えば、カメラ付携帯電話、デジタルカメラ、防犯用カメラ、光ピックアップ、及びバーコード読み取り装置などに使用されるレンズに適用可能である。
【００６９】
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。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］  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、開口部を有しかつ接地される第３の電極とを有する中間層と、
を具備し、
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液晶レンズ。
［２］  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［１］に記載の液晶レンズ。
［３］  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［１］に記載の液晶レンズ。
［４］  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［１］に記載の液晶レンズ。
［５］  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［１］乃至［４］のいずれかに記載の液晶レンズ。
［６］  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［１］乃至［５］のいずれかに記載の液晶レンズ。
［７］  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［１］乃至［６］のいずれかに記載の液晶レンズ。
［８］  ［１］乃至［７］のいずれか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。
【符号の説明】
【００７０】
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…電極、１１３，１１６…配向膜、１１４…液晶層、１１５…シール材、１２０…中間層、１２１…電極、１２２…高誘電率層、１２３…スペーサ、１３０…第２の液晶セル、１３１，１３７…透明基板、１３２…電極、１３３，１３６…配向膜、１３４…液晶層、１３５…シール材、２００…電圧制御回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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