(57)【要約】本発明は、結像性能の高い液晶フレネルレンズを提供することを目的とする。本発明に係る液晶フレネルレンズは、同心円状に分割された輪帯電極群と、輪帯電極群と対向して配置された共通電極と、輪帯電極群と共通電極により狭持された液晶層と、輪帯電極群の内の第１の複数の輪帯電極を含み且つ第１の複数の輪帯電極によって第１のリタデーション分布を形成する第１の部分レンズ領域と、第１の複数の輪帯電極より外側に配置される輪帯電極群の内の第２の複数の輪帯電極を含み且つ第２の複数の輪帯電極によって第２のリタデーション分布を形成する第２の部分レンズ領域を有し、第１及び第２の部分レンズ領域においてフレネルレンズ状のリタデーション分布を形成し、第２の複数の輪帯電極の本数が第１の複数の輪帯電極の本数より少なくなるように設定されていることを特徴とする。
2009072670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶フレネルレンズにおいて、
同心円状に分割された輪帯電極群と、
前記輪帯電極群と対向して配置された共通電極と、
前記輪帯電極群と前記共通電極により狭持された液晶層と、
前記輪帯電極群の内の第１の複数の輪帯電極を含み、前記第１の複数の輪帯電極によって第１のリタデーション分布を形成する第１の部分レンズ領域と、
前記第１の複数の輪帯電極より外側に配置される前記輪帯電極群の内の第２の複数の輪帯電極を含み、前記第２の複数の輪帯電極によって第２のリタデーション分布を形成する第２の部分レンズ領域と、を有し、
前記第１及び第２の部分レンズ領域において、フレネルレンズ状のリタデーション分布を形成し、
前記第２の複数の輪帯電極の本数が、前記第１の複数の輪帯電極の本数より少なくなるように設定されている、
ことを特徴とする液晶フレネルレンズ。
【請求項２】
前記第１の複数の輪帯電極において所定のリタデーションを発生する輪帯電極と、同じリタデーションを発生する前記第２の複数の輪帯電極における輪帯電極に、等しい駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段を更に有する、請求項１に記載の液晶フレネルレンズ。
【請求項３】
前記第１の部分レンズ領域において、前記第１の複数の輪帯電極がそれぞれ発生するリタデーションの輪帯電極間の格差が等しくなるように設定されている、請求項１に記載の液晶フレネルレンズ。
【請求項４】
所定の数の輪帯電極を１つの輪帯電極にまとめることによって、前記第２の複数の輪帯電極の本数を、前記第１の複数の輪帯電極の本数より少なくなるように設定している、請求項１に記載の液晶フレネルレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶フレネルレンズに関し、特に輪帯電極群と共通電極とで狭持した液晶層にフレネルレンズ状のリタデーション分布を形成する液晶フレネルレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
輪帯電極によって、フレネルレンズ状のリタデーション分布を液晶層に形成する液晶フレネルレンズが提案されている（例えば特許文献１参照）。
図１１は、従来の液晶フレネルレンズ３０の断面図である。
液晶フレネルレンズ３０では、液晶１２は上下の透明基板１１に挟持され、シール材１３は液晶１２の周囲を覆うように配置されている。上下の透明基板１１の液晶１２に面する側には、共通電極９及び輪帯電極群８がそれぞれ配置されている。
液晶フレネルレンズ３０は、同心円上に配置された輪帯電極群８と共通電極９との間に電圧を印加し且つ輪帯電極毎にその印加電圧を異ならせることにより、内包された液晶１２のリタデーション分布を変化させている。これによって、液晶フレネルレンズ３０は、レンズ効果を発揮する。
図１２は、従来の液晶フレネルレンズ３０の輪帯電極群の概略を示す平面図である。
図１２に示すように、輪帯電極群８は、透明基板上において、中心４の周囲に同心円状に配置された複数の輪帯電極２を有している。各輪帯電極２は、それぞれ必ずしも均一ではない幅を有し、互いに所定の輪帯間ギャップ３だけ離れて形成されている。この輪帯間ギャップ３では、液晶層に電位が与えられず、レンズとしての機能を有しない。このため、輪帯間ギャップ３は、なるべく狭く形成することが望ましい。しかしながら、輪帯電極間のリークを防ぐために、輪帯間ギャップ３は、所定の幅を有して形成される。
各輪帯電極２に電圧を印加するための引き出し配線５は、図示しない絶縁層を介して各輪帯電極２上に形成されている。各輪帯電極２と各引き出し配線５とは、ビア６により接続されている。各引き出し配線５は、駆動回路ＩＣ７と接続されている。駆動回路ＩＣ７は、図示していない電源回路等に更に接続され、各引き出し配線５を通じて各輪帯電極２に所定の電圧を印加する。
図１３は、従来の液晶フレネルレンズ３０の輪帯電極と液晶層に形成されるリタデーションとの関係を示す図である。
図１２及び１３に示す液晶フレネルレンズ３０では、８つの輪帯電極２が１つの部分レンズ１に対応するように配置されている。各部分レンズ１における中心部からの順番が等しい輪帯電極２には、それぞれ同一の引き出し配線５によりビア６を介して同一の電圧が印加される。
図１２及び図１３に示す様に、輪帯電極２（１−１）〜２（１−８）で部分レンズ１（１）のリタデーション分布を形成し、輪帯電極２（２−１）〜２（２−８）で部分レンズ１（２）のリタデーション分布を形成し、輪帯電極２（３−１）〜２（３−８）で部分レンズ１（３）のリタデーション分布を形成するように構成されている。また、引き出し配線５（１）〜５（８）により、輪帯電極２（１−１）〜２（１−８）、輪帯電極２（２−１）〜２（２−８）及び輪帯電極２（３−１）〜２（３−８）、にそれぞれ電圧が印加される。なお、図１２では、図面の関係上、部分レンズ１（１）及び１（２）のみを表示している。
また、各部分レンズ１のリタデーション分布を形成する輪帯電極２は、中心から離れるに従って幅が狭くなる。すなわち、輪帯電極２（１−２）の幅より、中心から離れた輪帯電極２（１−３）の幅の方が狭く、輪帯電極２（１−３）の幅より、中心から離れた輪帯電極２（１−４）の幅の方が狭い。
さらに、各部分レンズ１のリタデーション分布が形成される幅は、中心から離れるに従って狭くなる。ずなわち、部分レンズ１（１）により形成されるリタデーション分布の幅は、中心から離れて位置する部分レンズ１（２）により形成されるリタデーション分布の幅より狭い。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０２３１６７７
【発明の開示】
【０００３】
従来の液晶フレネルレンズでは、各部分レンズのリタデーション分布は、同じ数の輪帯電極により形成されている。各部分レンズのリタデーション分布が形成される幅は、中心から離れるに従って狭くなる。しかしながら、各輪帯電極は所定の輪帯間ギャップだけ離れて形成される。このため、中心から外側に行くに従って、部分レンズのリタデーション分布が形成される領域における輪帯間ギャップの面積比が大きくなってしまう。
前述したように、輪帯間ギャップにおいては液晶層に電位が与えられず、レンズとして機能しない。特に、液晶フレネルレンズでは、フレネルレンズ状のリタデーション分布を多くの部分レンズにより形成し且つ各部分レンズのリタデーション分布を多くの輪帯電極により形成している。したがって、レンズの外側に行くに従ってレンズとして機能しない領域が広くなると、レンズとしての結像性能が低下するという問題がある。
本発明は、上記課題を解決することを可能とする液晶フレネルレンズを提供することを目的とする。
また、本発明は、結像性能の高い液晶フレネルレンズを提供することを目的とする。
本発明に係る液晶フレネルレンズは、同心円状に分割された輪帯電極群と、輪帯電極群と対向して配置された共通電極と、輪帯電極群と共通電極により狭持された液晶層と、輪帯電極群の内の第１の複数の輪帯電極を含み且つ第１の複数の輪帯電極によって第１のリタデーション分布を形成する第１の部分レンズ領域と、第１の複数の輪帯電極より外側に配置される輪帯電極群の内の第２の複数の輪帯電極を含み且つ第２の複数の輪帯電極によって第２のリタデーション分布を形成する第２の部分レンズ領域を有し、第１及び第２の部分レンズ領域においてフレネルレンズ状のリタデーション分布を形成し、第２の複数の輪帯電極の本数が第１の複数の輪帯電極の本数より少なくなるように設定されていることを特徴とする。
また、本発明に係る液晶フレネルレンズでは、第１の複数の輪帯電極において所定のリタデーションを発生する輪帯電極と、同じリタデーションを発生する第２の複数の輪帯電極における輪帯電極に、等しい駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段を更に有することが好ましい。
さらに、本発明に係る液晶フレネルレンズでは、第１の部分レンズ領域において、第１の複数の輪帯電極がそれぞれ発生するリタデーションの輪帯電極間の格差が等しくなるように設定されていることが好ましい。
本発明の液晶フレネルレンズは、同心円上に分割された複数の輪帯電極からなる輪帯電極群と、輪帯電極群と対向して配置された共通電極とで、液晶層を狭持し、同心円上に分割された複数の部分レンズからなるフレネルレンズ状の屈折率分布を、輪帯電極群と共通電極とで、液晶層に形成する液晶フレネルレンズにおいて、各部分レンズの屈折率分布は、複数の輪帯電極により形成され、各部分レンズを形成する輪帯電極の数は、中心から外側に行くに従って少なくなることを特徴とするものである。
また、本発明の液晶フレネルレンズは、上述した各部分レンズを形成する輪帯電極に、各部分レンズの内側に位置する部分レンズの同一の屈折率分布を形成する輪帯電極と、等しい駆動電圧が印加されることを特徴とするものである。
本発明に係る液晶フレネルレンズでは、外側に位置する幅の狭い部分レンズにおいても、レンズとして機能しない領域である輪帯間ギャップの占める面積の割合の増加を抑えることで、大口径であっても結像性能が高く、視認性が良好で、且つ印加電圧の切替えにより容易に焦点距離を変更可能な液晶フレネルレンズを得ることが可能となった。
本発明に係る液晶フレネルレンズでは、外側に位置する幅の狭い部分レンズにおいても、レンズとして機能しない領域である輪帯間ギャップの占める面積の割合の増加を抑えたので、結像に寄与する面積を増加させることができ、それによって、液晶フレネルレンズが結像し得る光量を増加させることも可能となった。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明に係る液晶フレネルレンズの概略断面図である。
図２は、本発明に係る液晶フレネルレンズの輪帯電極群の構成の概略を示す平面図である。
図３は、本発明に係る液晶フレネルレンズの、各輪帯電極と液晶層に形成されるリタデーションとの関係を示す図である。
図４は、本発明に係る他の液晶フレネルレンズの、各輪帯電極と液晶層に形成されるリタデーションとの関係を示す図である。
図５は、本発明に係る更に他の液晶フレネルレンズの、各輪帯電極と液晶層に形成されるリタデーションとの関係を示す図である。
図６は、本発明に係る更に他の液晶フレネルレンズの、各輪帯電極と液晶層に形成されるリタデーションとの関係を示す図である。
図７は、リタデーションと印加電圧との関係を示す図である。
図８は、本発明に係る液晶フレネルレンズの第１の実施例（１）を示す図である。
図９は、本発明に係る液晶フレネルレンズの第１の実施例（２）を示す図である。
図１０は、液晶フレネルレンズの比較設計例を示す図である。
図１１は、従来の液晶フレネルレンズの断面図である。
図１２は、従来の液晶フレネルレンズの輪帯電極群の構成を示す平面図である。
図１３は、従来の液晶フレネルレンズの輪帯電極毎のリタデーションを示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明に係る液晶フレネルレンズについて図面に基づいて詳細に説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
図１は、本発明に係る液晶フレネルレンズの概略断面図である。
本発明に係る液晶フレネルレンズ１００では、図１１に示す液晶フレネルレンズ３０と同様に、液晶１２は上下の透明基板１１に挟持され、シール材１３は液晶１２の周囲を覆うように配置されている。上下の透明基板１１の液晶１２に面する側には、共通電極９及び輪帯電極群１０８がそれぞれ配置されている。本発明に係る液晶フレネルレンズ１００では、液晶１２にホモジニアス液晶を用いたが、他の種類の液晶（例えば、ホメオトロビック液晶等）を用いることも可能である。また、図示されていないが、フレネルレンズ１００は、配向膜及びスペーサ等を具備している。図１に示す液晶フレネルレンズ１００と、図１１に示す液晶フレネルレンズ３０との主な差異は、輪帯電極群の構成が異なる点である。
本発明に係る液晶フレネルレンズ１００は、同心円上に配置された輪帯電極群１０８と共通電極９との間に電圧を印加し且つ輪帯電極毎にその印加電圧を異ならせるように制御している。ところで、リタデーション値（Ｒ）、液晶の長軸方向と短軸方向の屈折率の差（複屈折率）Δｎ及び液晶層のセルギャップｄは、Ｒ＝Δｎ×ｄの関係にある。液晶フレネルレンズ１００では、液晶１２のセルギャップは常に一定であるため、輪帯電極群１０８への印加電圧によって、液晶１２に所定の複屈折率分布を形成することによって、リタデーション分布を形成している。これによって、液晶フレネルレンズ１００は、レンズ効果を発揮する。
図２は、本発明に係る液晶フレネルレンズの輪帯電極群の構成の概略を示す平面図である。
図２に示すように、輪帯電極群１０８は、透明基板上において、中心１０４の周囲に同心円状に配置された複数の輪帯電極１０２を有している。各輪帯電極１０２は、それぞれ所定の幅を有し、互いに所定の輪帯間ギャップ１０３だけ離れて形成されている。各輪帯電極１０２に電圧を印加するための引き出し配線１０５は、図示しない絶縁層を介して各輪帯電極１０２上に形成されている。各輪帯電極１０２と各引き出し配線１０５とは、ビア１０６により接続されている。各引き出し配線１０５は、駆動回路ＩＣ１０７と接続されている。駆動回路ＩＣ１０７は、図示していない電源回路等に更に接続され、各引き出し配線１０５を通じて各輪帯電極１０２に所定の電圧を印加する。
図３は、本発明に係る液晶フレネルレンズの、各輪帯電極と液晶層に形成されるリタデーションとの関係を示す図である。また、図３は、図２のＡＡ´断面の一部に対応している。
図３に示すように、液晶フレネルレンズ１００では、液晶フレネルレンズ３０と同様に、複数の部分レンズ１０１からなるフレネルレンズ状のリタデーション分布を液晶層１２に形成する。各部分レンズ１０１のリタデーション分布が形成される幅は、中心から離れるに従って狭くなる。すなわち、部分レンズ（領域）１０１（１）より形成されるリタデーション分布の幅より、中心から離れて位置する部分レンズ１０１（領域）（２）により形成されるリタデーション分布の幅の方が狭い。
しかしながら、液晶フレネルレンズ１００においては、各部分レンズ１０１のリタデーション分布を形成する輪帯電極１０２の数は、中心から外側に行くに従って少なくなる。この点において、液晶フレネルレンズ１００は液晶フレネルレンズ３０と構成が異なる。
図２及び３に示す様に、液晶フレネルレンズ１００では、部分レンズ１０１（１）のリタデーション分布１１１を８つの輪帯電極１０２（１−１）〜１０２（１−８）で形成し、部分レンズ１０１（２）のリタデーション分布１１２を５つの輪帯電極１０２（２−１）〜１０２（２−５）で形成し、部分レンズ１０１（３）のリタデーション分布１１３を４つの輪帯電極１０２（３−１）〜１０２（３−４）で形成している。なお、図面の関係上、図２では、部分レンズ１０１（１）及び１０１（２）のみを表示している。
また、液晶フレネルレンズ１００では、部分レンズ１０１（２）の輪帯電極１０２には、その内側に位置する部分レンズ１０１（１）における同一のリタデーションを形成する輪帯電極１０２に印加されるものと、等しい駆動電圧が印加される。例えば、輪帯電極１０２（２−１）には、輪帯電極１０２（１−１）と等しい駆動電圧が印加される。また、部分レンズ１０１（３）の輪帯電極１０２には、その内側に位置する部分レンズ１０１（１）及び１０１（２）における同一のリタデーションを形成する輪帯電極１０２に印加されるものと、等しい駆動電圧が印加される。例えば、輪帯電極１０２（３−４）には、輪帯電極１０２（１−８）及び輪帯電極１０２（２−５）と等しい駆動電圧が印加される。
液晶フレネルレンズ１００では、外側に位置する部分レンズ１０１の輪帯電極１０２に、内側に位置する部分レンズ１０１の輪帯電極１０２と等しい電圧を印加して、各部分レンズ１０１のリタデーション分布を形成している。したがって、液晶フレネルレンズ１００では、引き出し配線１０５の数を増やすことなく、各輪帯電極１０２に必要な電圧を印加することができるように構成されている。
上述したように、液晶フレネルレンズ１００では、外側に位置する部分レンズ１０１が、内側に位置する何れかの部分レンズ１０１においてリタデーション分布を形成する輪帯電極の数より、少ない数の輪帯電極１０２によってリタデーション分を形成するように構成した。したがって、外側に位置する部分レンズ１０１において、レンズとして機能しない領域である輪帯間ギャップ１０３の占める面積の割合の増加を抑えることが可能となった。これにより、大口径であっても結像性能の高い液晶フレネルレンズ得ることが可能となった。
液晶フレネルレンズ１００では、全ての部分レンズ１０１のリタデーション分布が、異なる数の輪帯電極１０２で形成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、いくつかの隣り合う部分レンズ１０１のリタデーション分布が、同じ数の輪帯電極１０２により形成されるように構成しても良い。
図４は、本発明に係る他の液晶フレネルレンズの、各輪帯電極と液晶層に形成されるリタデーションとの関係を示す図である。
図４に示す例は、図１に示す液晶フレネルレンズにおける輪帯電極群１０８を他の輪帯電極群２００に変更したものである。その他の構成は、液晶フレネルレンズ１００と同様であるので説明を省略する。
図４に示す例では、輪帯電極群２００は複数の輪帯電極２０２を有しており、３つの部分レンズ（領域）２０１（１）〜２０１（３）によるリタデーション分布を形成するように構成されている。図４に示すように、部分レンズ２０１（１）のリタデーション分布２１１を８つの輪帯電極２０２（１−１）〜２０２（１−８）で形成し、部分レンズ２０１（２）のリタデーション分布２１２を４つの輪帯電極２０２（２−１）〜２０２（２−４）で形成し、部分レンズ２０１（３）のリタデーション分布２１３を２つの輪帯電極２０２（３−１）〜２０２（３−２）で形成している。
図４の例においても、各部分レンズ２０１のリタデーション分布を形成する輪帯電極２０２の数は、中心から外側に行くに従って少なくなる。したがって、外側に位置する部分レンズ２０１において、レンズとして機能しない領域である輪帯間ギャップの占める面積の割合の増加を抑えることが可能となった。これにより、大口径であっても結像性能の高い液晶フレネルレンズ得ることが可能となった。
図５は、本発明に係る更に他の液晶フレネルレンズの、各輪帯電極と液晶層に形成されるリタデーションとの関係を示す図である。
図５に示す例は、図１に示す液晶フレネルレンズにおける輪帯電極群１０８を他の輪帯電極群２２０に変更したものである。その他の構成は、液晶フレネルレンズ１００と同様であるので説明を省略する。
図５に示す例では、輪帯電極群２２０は複数の輪帯電極２２２を有しており、３つの部分レンズ（領域）２２１（１）〜２２１（３）によるリタデーション分布を形成するように構成されている。図５に示すように、部分レンズ２２１（１）のリタデーション分布２３１を８つの輪帯電極２２２（１−１）〜２２２（１−８）で形成し、部分レンズ２２１（２）のリタデーション分布２３２を７つの輪帯電極２２２（２−１）〜２２２（２−７）で形成し、部分レンズ２２１（３）のリタデーション分布２３３を６つの輪帯電極２２２（３−１）〜２２２（３−６）で形成している。
図５の例においても、各部分レンズ２０１のリタデーション分布を形成する輪帯電極２２２の数は、中心から外側に行くに従って少なくなる。したがって、外側に位置する部分レンズ２２１において、レンズとして機能しない領域である輪帯間ギャップの占める面積の割合の増加を抑えることが可能となった。これにより、大口径であっても結像性能の高い液晶フレネルレンズ得ることが可能となった。
また、図５に示す例においても、外側に位置する部分レンズ２２１の輪帯電極２２２に、内側に位置する部分レンズ２２１の輪帯電極２２２と等しい電圧を印加して、各部分レンズ２２１のリタデーション分布を形成している。したがって、図５の示す例でも、引き出し配線の数を増やすことなく、各輪帯電極２２２に必要な電圧を印加することができるように構成されている。
さらに、図５の例では、所定の部分レンズ領域において、幾つかの輪帯電極をまとめて１つの輪帯電極とすることで輪帯間ギャップが占める面積の割合を小さくするように構成している。例えば、部分レンズ２２１（３）における最外郭の輪帯電極２２２（３−６）は、図１３の部分レンズ１（３）の輪帯電極３（１−６）〜３（１−８）を１つにまとめたものに相当している。このように、複数の輪帯電極を１つにまとめることによって、輪帯間ギャップが占める面積の割合を小さくことが可能である。
図６は、本発明に係る更に他の液晶フレネルレンズの、各輪帯電極と液晶層に形成されるリタデーションとの関係を示す図である。
図６に示す例は、図１に示す液晶フレネルレンズにおける輪帯電極群１０８を他の輪帯電極群２４０に変更したものである。その他の構成は、液晶フレネルレンズ１００と同様であるので説明を省略する。
図６に示す例では、輪帯電極群２４０は複数の輪帯電極２４２を有しており、３つの部分レンズ（領域）２４１（１）〜２４１（３）によるリタデーション分布を形成するように構成されている。図６に示すように、部分レンズ２４１（１）のリタデーション分布２５１を８つの輪帯電極２４２（１−１）〜２４２（１−８）で形成し、部分レンズ２４１（２）のリタデーション分布２５２を７つの輪帯電極２４２（２−１）〜２４２（２−７）で形成し、部分レンズ２４１（３）のリタデーション分布２５３を６つの輪帯電極２４２（３−１）〜２４２（３−６）で形成している。
図６の例においても、各部分レンズ２４１のリタデーション分布を形成する輪帯電極２４２の数は、中心から外側に行くに従って少なくなる。したがって、外側に位置する部分レンズ２４１において、レンズとして機能しない領域である輪帯間ギャップの占める面積の割合の増加を抑えることが可能となった。これにより、大口径であっても結像性能の高い液晶フレネルレンズ得ることが可能となった。
なお、図６に示す例では、各部分レンズ２４１のリタデーション分布を形成する輪帯電極２４２のリタデーションの値は、ちょうど各部分レンズ２４１における最大リタデーション値をその部分レンズ２４１が含む輪帯電極数で割った値を有するように設定されている。即ち、各部分レンズにおいて、各輪帯電極間のリタデーション格差が等しくなるように設定されている。したがって、それぞれのリタデーションを発生する電圧をそれぞれ輪帯電極２４２に印加する必要がある。
図７は、リタデーションと印加電圧との関係を示す図である。
図７は、複屈折率Δｎ＝０．２５のホモジニアス液晶によって、圧さ２０μｍの液晶レンズを作成した場合の、印加電圧と発生するリタデーション値との関係を示す図である。実際には、液晶１２として利用する液晶に応じて、発生させたいリタデーションに対応した電圧を印加するように、駆動ＩＣ１０７等を制御することとなる。
液晶フレネルレンズの結像性能を高くするためには、なめらかなフレネルレンズ状のリタデーション分布を液晶層に形成することが効果的であり、そのためにはリタデーション分布を形成する輪帯電極の本数が多い方が望ましい。例えば、眼鏡用レンズとして用いる場合、ジオプターの値にもよるが、中心から半径１ｍｍ程度のレンズ領域で２０本以上、望ましくは３０本以上の輪帯電極を用いることにより、なめらかなフレネルレンズ状のリタデーション分布を液晶層に形成することができる。
【実施例１】
【０００６】
図８及び９に、直径を１５ｍｍ、内包するホモジニアス液晶の複屈折率Δｎを０．２５、液晶層の厚みを２０μｍとした条件下で、ジオプター２．５を実現する、本発明に係る液晶フレネルレンズの設計例を示す。なお、本件の利用される液晶における印加電圧と発生するリタデーションとの関係は、図７に示す通りである。
ジオプター２．５を実現するためには、約１４００００ｎｍのリタデーションが必要となる。また、液晶層の厚み２０μｍで実現が可能なリタデーションが約３０００ｎｍであることから、レンズの分割数を４７とし、４７個の部分レンズで約１４００００ｎｍのリタデーションを得られるように設計した。
４７個の部分レンズで、この液晶フレネルレンズを形成した場合、中心に位置する最も大きな部分レンズの半径は約１．１ｍｍとなり、最も外側に位置する部分レンズの幅は８０μｍ前後になる。この中心に位置する部分レンズのリタデーション分布を形成する輪帯電極の本数を２５本とした。また、各輪帯電極の間隙である輪帯間ギャップを１μｍとした。
図８では、一部の部分レンズについて、各部分レンズ内に配置した輪帯電極の駆動電圧印加時のリタデーションと、各輪帯電極の内側の半径（中心からの距離）、各部分レンズ内の輪帯電極の本数、及び各部分レンズに占める輪帯間ギャップの面積比（輪帯間ギャップの合計の面積／部分レンズの面積×１００）を示した。
それぞれの輪帯電極には、なだらかなレンズ形状を形成するように、また必要なリタデーションが得られるような駆動電圧を印加した。中心に位置する最も大きい部分レンズの領域では２５本の輪帯電極にそれぞれ異なる駆動電圧が所定の駆動ＩＣ等から印加される。
各部分レンズ１のリタデーション分布が形成される幅は、中心から離れるに従って狭くなる。すなわち、中心に位置する部分レンズ１（１）の幅が約１１００μｍであるのに対して、一つ外側の部分レンズ１（２）の幅は半分以下の約４５０μｍである。
また、本実施例では、中心に位置する部分レンズ１（１）のリタデーション分布を形成する輪帯電極の本数が２５本であるのに対して、中心から２番目の部分レンズ１（２）〜５番目の部分レンズ１（５）を形成する輪帯電極の本数は１３本である。また、中心から６番目に位置する部分レンズ１（６）〜１１番目に位置する部分レンズ１（１１）〜１２番目に位置する部分レンズ１（１２）を形成する輪帯電極の本数は９本であり、同じく１３番目に位置する部分レンズ１（１３）〜２１番目に位置する部分レンズ１（２１）を形成する輪帯電極の本数は７本である。さらに、中心から２２番目に位置する部分レンズ１（２２）〜４１番目に位置する部分レンズ１（４１）〜４７番目（最後）の部分レンズ１（４７）を形成する輪帯電極の本数は４本である。なお、部分レンズ１（１）〜部分レンズ１（１１）までを図８に、部分レンズ１（１２）〜部分レンズ１（４７）までの図９に示した。
本実施例では、各部分レンズ１のリタデーション分布（屈折率分布）を形成する輪帯電極の数が、中心から外側に行くに従って少なくなる。これにより、輪帯間ギャップの面積の割合が、中心に位置する部分レンズ１（１）の３．００％に対して、部分レンズ１（２）は２．７０％、部分レンズ１（６）は３．４４％、部分レンズ１（１３）は３．８８％、部分レンズ１（４７）は３．７６％となる。したがって、外側に位置する幅の狭い部分レンズ１（例えば、部分レンズ１（４７））においても５％以下となり、レンズとして機能しない領域である輪帯間ギャップの占める面積の割合の増加を抑えることができる。これにより、本設計例では、従来技術と比較して、大口径であっても結像性能の高い液晶フレネルレンズ得ることが可能となった。
また、本実施例では、中心に位置する部分レンズ１（１）のリタデーション分布を形成する輪帯電極の数を２５本としている。これにより、部分レンズ１（１）のリタデーション分布が、各輪帯電極により２４分割される。
ここで、外側に位置する部分レンズ１（中心に位置する部分レンズ１以外の部分レンズ１）のリタデーション分布の輪帯電極による分割数を、中心に位置する部分レンズ１の分割数の約数としている。したがって、中心に位置する部分レンズ１の輪帯電極に印加する電圧と等しい電圧を、外側に位置する各部分レンズ１の輪帯電極に印加することが可能となり、多くの種類の電圧を供給する必要がなくなるという効果を有している。
本実施例では、中心に位置する部分レンズ１（１）のリタデーション分布の輪帯電極による分割数を、約数の多い２４とした。これにより、外側に位置する部分レンズ１のリタデーション分布の輪帯電極による分割数を、１２分割、８分割、６分割・・・３分割といった、２４の多くの約数のうちの何れかとすることができる。これにより、部分レンズ１の数が多くても、引き出し配線を増やすことなく、各部分レンズ１のリタデーション分布を適切な分割数でなだらかに形成することが可能となった。
本実施例に示す様に、隣り合う幾つかの部分レンズ１のリタデーション分布が、同じ数の輪帯電極により形成されるようにしても良い。
本実施例において、各輪帯電極の中心からの距離は、適当な位で丸められた数値である。また、本実施例において、部分レンズの数、各部分レンズのリタデーション分布を形成する輪帯電極の数、各輪帯電極の中心からの距離などは、一例であって、これに限定されるものではない。
また、本実施例において、ある程度、使用環境の温度が変動しても液晶により実現可能なリタデーションを考慮したものである。しかし、使用環境の温度を限定することにより、各部分レンズでのリタデーション量を大きくし、その結果、部分レンズの数を減らした設計をすることも可能である。
さらに、本実施例において、全ての輪帯電極に同一の駆動電圧を印加することで、液晶フレネルレンズをレンズ効果のない状態とすることができる。また、各輪帯電極に適切な駆動電圧を印加する事で、液晶層のリタデーション分布を変化させて所定の屈折率分布を形成することにより、様々なジオプターを有するレンズを形成することも可能である。
なお、分割されていないレンズ状のリタデーション分布を液晶層に形成する構成の液晶レンズでは、ジオプター２．５に必要となる約１４００００ｎｍのリタデーションを実現するために、液晶の複屈折率の差Δｎ、液晶層の厚み、液晶の駆動電圧をそれぞれ大きくする必要がある。したがって、このような液晶パネルでは、液晶の応答時間が秒単位となる、液晶を駆動させる電源が大きくなる、等の弊害があり実現が難しい。したがって、ジオプター２．５に必要な約１４００００ｎｍといった大きなリタデーションを実現するためには、上述したような、複数の部分レンズに分割されたフレネルレンズ状のリタデーション分布を液晶層に形成する液晶フレネルレンズの構成が必要となる。
比較例
図１０は、直径を１５ｍｍ、内包する液晶の複屈折率の差Δｎを０．２５、液晶層の厚みを２０μｍとした条件下で、ジオプター２．５を実現する、液晶フレネルレンズの比較設計例を示す。
図１０に示す例では、上記の実施例１及び２に記載した設計例１及び２と同様のジオプター２．５を実現するように、レンズの分割数を４７とし、４７の部分レンズにおいて、全て２５本の輪帯電極を有するように設計した。なお、輪帯間ギャップを１μｍとしている。
図１０に示す様に、輪帯間ギャップの面積比は、中心に位置する部分レンズ１（１）では３．００％であるが、内側から２１番目の部分レンズ１（２１）において１９．８４％、４１番目の部分レンズ１（４１）においては２７．９１％を占めるに至っている。このように、外側の部分レンズにいくに従って、輪帯間ギャップの面積比が大きくなってしまい、実質的に結像に寄与する領域が少なってしまう。
上記の比較例に示すように、輪帯間ギャップの面積比が５％を超えると、結像性能の低下や、光量の減少といった問題が発生すると一般的に言われている。これに対して、実施例に示す例では、４７個の部分レンズ全てにおいて、輪帯間ギャップの面積比が５％以下となるように設計されており、良好な液晶フレネルレンズとして機能することが理解できる。
【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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【国際調査報告】
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