(57)【要約】【課題】焦点距離を電気的制御により大幅に可変できるようにする。【解決手段】第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、この第２の基板の外部に配置した第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子である。第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、この第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えるようにし光学的特性を制御できるようにしている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、前記第２の基板の外部に配置した穴を有する第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、
前記第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、この第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えられるように構成し、
かつ、前記第１の電圧に基づく第１段階の光学的特性が最良となる状態に前記第１の電圧の電圧値を固定し、前記第２の電圧を可変することで第２段階の光学的特性を可変制御することを特徴とする記載の光学素子。
【請求項２】
第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、前記第２の基板の外部に配置した穴を有する第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、
前記第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、この第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えられるように構成し、
かつ、前記第２の電圧に基づく第１段階の光学的特性が最良となる状態に前記第２の電圧の電圧値を固定し、前記第１の電圧を可変することで第２段階の光学的特性を可変制御することを特徴とする記載の光学素子。
【請求項３】
前記穴を有する第２の電極は、光軸を中心として軸周り方向へ複数に分割されており、それぞれに対して独立した制御電圧を与えられるように構成されている請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項４】
前記第３の電極の形状が、正弦波関数または正弦波関数の重畳関数、又はべき乗の関数のいずれかで与えられていることを特徴とする請求項１または２または３記載の光学素子。
【請求項５】
前記液晶層は、１層または複数の絶縁層により分割されて第１の液晶層と第２の液晶層又は各々前記絶縁層により分割された複数の液晶層であることを特徴とする請求項１または２または３または４のいずれかに記載された光学素子。
【請求項６】
前記液晶層は、１層または複数の絶縁層により分割された液晶層であり、この液晶層は、液晶分子の配向方法が各々平行若しくは直交するように配置していることを特徴とする請求項１または２または３または４のいずれかに記載された光学素子。
【請求項７】
前記液晶層の液晶材料としては、駆動信号が低周波ではＰ型として動作し、駆動信号が高周波数ではＮ型として動作する２周波駆動型の液晶材料が用いられていることを特徴とする請求項１または２または３または４または５または６のいずれかに記載された光学素子。
【請求項８】
内面に第１の電極を有する第１の基板と、
前記第１の基板の前記内面に対向した第２の基板と、
前記第２の基板の外部に配置した穴を有する第２の電極と、
前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子でなる第１の液晶層と、
前記第２の電極に対して絶縁部を介して配置された第３の電極と、
前記第２の電極と前記第３の電極を挟んで、前記第２の基板と対称に配置されている第３の基板と、
前記第２の電極と第３の電極及び前記第３の基板を挟んで前記第１の液晶層及び第１の基板と対称に配置された第２の液晶層及び第４の電極を有した第４の基板と、
前記第１と第２の電極、及び前記第４と前記第２の電極間に第１の電圧を与えると共に、この第１の電圧とは独立した、第２の電圧を前記第３の電極に与えるための手段を具備したことを特徴とする光学素子。
【請求項９】
前記第１の液晶層と、第２の液晶層は、それぞれ、絶縁層により分割されており、第１の液晶層は第３と第４の液晶層からなり、第２の液晶層は第５と第６の液晶層からなることを特徴とする請求項８記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第３の電極は、前記第２の電極の前記穴内に間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項８または９に記載の光学素子。
【請求項１１】
第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、前記第２の基板の外部に配置した穴を有する第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、
前記第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、この第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えられるように構成し、
前記第１の電圧の電圧値を固定した状態で、前記第２の電圧を可変することで前記光学的特性を凸レンズとして可変制御する回路と、
前記第２の電圧の電圧値を固定し、前記第１の電圧を可変することで前記光学的特性を凹レンズとして可変制御する回路と
を有する光学素子。
【請求項１２】
第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、前記第２の基板の外部に配置した穴を有する第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、
前記第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、この第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えられるように構成し、
前記第１の電圧に基づく第１段階の光学的特性が最良となる状態に前記第１の電圧の電圧値を固定し、前記第２の電圧を可変することで第２段階の光学的特性を可変制御する回路と、
前記第２の電圧に基づく第３段階の光学的特性が最良となる状態に前記第２の電圧の電圧値を固定し、前記第１の電圧を可変することで第４段階の光学的特性を可変制御する回路と、
上記第１と第２の回路を切換えるスイッチとを有する光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶セルを構成する基板上に設けた電極と外部に設けた電極との間に２種類の電圧を印加することにより液晶分子の配向制御を行うことができ、かつ所定の光学的特性に容易に調整することができる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体のような流動性を持ち、電気−光学的特性に異方性を示す液晶は、その分子配向状態を種々制御できる。この特徴を利用することで、近年薄型軽量の平板型表示素子が目覚しい発展を続けている。液晶分子の配向状態は、液晶素子を構成する２枚の透明導電膜を設けたガラス基板の表面処理と、外部印加電圧により容易に制御することができる。またこの種の、液晶素子は、電圧印加により実効的な屈折率を概異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという、他の光学材料にないすぐれた特性を有している。
【０００３】
これまでネマチック液晶における電気−光学効果を利用することで、通常液晶ディスプレイにおける平行平板型の素子構造とは異なり、透明電極付きのガラス基板が湾曲し、液晶層自身がレンズ形となるようにし、電極間に電圧を印加することで液晶分子の配向制御を行い、実効的な屈折率を変化させる焦点可変レンズが提案されている（後で示す特許文献１、非特許文献１および２）。
【０００４】
次に光学媒質に空間的な屈折率分布を与えることでレンズ効果を得る方法があり、セルフォックレンズとして市販されている。ネマチック液晶セルにおいて、液晶分子は電界の方向に配向する性質を利用したもので、円形の穴型パターンを有する電極を用いて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果を利用することで、空間的な屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法が報告されている（特許文献２、特許文献３、非特許文献３及び４）。
【０００５】
また、特許文献４では、液晶中に網目状の高分子ネットワークを作ることで、特性の改善がなされている。このような液晶を用いたレンズでは、多数の微小なマイクロレンズと呼ばれるレンズを平板状に２次元的に配列したマイクロレンズアレイとすることが比較的容易にできる。
【０００６】
さらに、液晶マイクロレンズにおいて、円形穴型パターン電極の外部にさらに１対の電極を配置して電圧を印加することで、レンズの特性が改善されることが提案されている（非特許文献５）。また液晶層と円形の穴型パターン電極との間に絶縁層を挿入する方法が提案されており（非特許文献６、７）、液晶マイクロレンズにおいて最良の特性が得られる円形穴型パターンの直径と液晶層の厚みの比が２対１から３対１程度とする必要があるという条件が緩和されることが示されている。
【０００７】
一方、結像光学系に収差補正機構を備えた光学系から得られる光学像を撮像装置で検出し、検出された信号から収差及び収差を補正する信号を求めることで、大気の揺らぎなどにより発生する光学系の収差を補正し、ゆがみのない光学像を得る光学装置として、レンズミラーなどの代わりに液晶素子を利用する光学装置が提案されている（特許文献５）。また、液晶光学素子を利用したレンズとして、楕円形状の屈折率分布特性を有する、すなわち電界制御アナモルフィック液晶レンズが提案されている（非特許文献８）。
【０００８】
これらの液晶を用いた光学素子は、通常の受動型の光学素子とは異なり、電極間に電圧を印加して媒質である液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、焦点距離などの光学特性や光学系の収差を調節できるレンズが実現される。
【０００９】
また液晶材料として重合硬化型液晶を用いて焦点距離を調節したあと重合硬化させることで高分子レンズを得ることができる（特許文献６）。
【特許文献１】特開昭５４−１５１８５４号公報
【特許文献２】特開平１１−１０９３０３
【特許文献３】特開平１１−１０９３０４
【特許文献４】特開平１０−２３９６７６号公報
【特許文献５】特開平０３−２６５８１９号公報
【特許文献６】特開平０９−００５６９５号公報
【非特許文献１】佐藤進（S. Sato）, 「焦点距離可変液晶レンズセル(Liquid-crystal lens-cell with variable focal length)」, Japanese Journal of Applied Physics, １９７９年，Vol. 18, P.1679-1683
【非特許文献２】佐藤進、「液層とその応用」、産業図書株式会社、１９８４年１０月１４日、Ｐ．２０４−２０６
【非特許文献３】能勢敏明、佐藤進（T. Nose and S. Sato）,「不均一電界を用いた液晶マイクロレンズ(Liquid-crystal micro lens obtained with a non uniform electric field)」, Liquid Crystals,１９９４年４月１５日、P.1425-1433
【非特許文献４】佐藤進、「液晶の世界」、産業図書株式会社、１９９４年４月１５日、P.186-189
【非特許文献５】本間道則、能勢敏明、佐藤進（M. Honma, T. Nose and S. Sato）,  「積層電極構造による液晶マイクロレンズの開口数の増大(Enhancement of numerical aperture of liquid crystal microlenses using a stacked electrode structure)」, Japanese Journal of Applied Physics, ２０００年８月，Vol. 39, No.8, P.4799-4802
【非特許文献６】葉茂、佐藤進（M. Ye and S. Sato），「任意寸法の液晶レンズの光学的特性(Optical properties of liquid crystal lens of any size)」,  第４９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、２００２年３月、２８ｐ−Ｘ−１０，Ｐ．１２７７
【非特許文献７】葉茂、佐藤進（M. Ye and S. Sato），「任意寸法の液晶レンズの光学的特性(Optical properties of liquid crystal lens of any size)」, Japanese Journal of Applied Physics,２００２年５月、Vol. 41, No.5, P.L571-L573
【非特許文献８】横山義孝、葉  茂、佐藤  進、「電界制御アナモルフィック液晶レンズ」、２００４年日本液晶学会討論会講演予稿集  ２００４年９月２６日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記した、液晶層がレンズ形の構造の液晶レンズ、円形穴型パターン電極により生じる、軸対称の不均一電界により液晶分子の空間配向分布特性を利用した液晶マイクロレンズ、さらに、非特許文献５で提案されている円形穴型パターン電極の外部に１対の電極を配置する方法や、非特許文献６および７で提案されている液晶層と円形穴型パターン電極の間に絶縁層を設けた構造では、限られた電圧範囲においては良好な光学的特性を得ることができる。しかしながら、広い印加電圧範囲に渡って良好な光学的特性を得ることが困難であるという問題があった。
【００１１】
そこでこの発明の一実施形態による目的は、上記問題を解決し、良好な光学的特性を保持した状態で、光学的特性を容易且つ迅速に大きく可変できるようにした光学素子を提供することにある。
【００１２】
又この発明の他の実施形態による目的は、焦点位置を３次元で移動制御できるようにした光学素子を提供することにある。
【００１３】
さらにまたこの発明の他の実施形態による目的は、光学的特性を凸レンズ、凹レンズのいずれの特性でも制御できるようにした光学特性を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明は、上記の問題を解決するために、その基本として、第１の電極を有する第１の基板と、第２の基板と、前記第２の基板の外部に配置した穴を有する第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を一方向に配向させた液晶層とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１の電圧を加えて液晶分子の配向制御を行うことで動作する光学素子において、前記第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、この第３の電極に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えて光学的特性を制御できることを基本とする。
【発明の効果】
【００１５】
上記の手段により、従来の如くレンズを機械的に前後移動させるような動作を伴うことなく、焦点距離を電気的制御により大幅に可変することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下この発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図１において、１１１は、第１の基板（透明ガラス）であり、内面側に、第１の電極２１（材料としてはＩＴＯ材）が形成されている。この第１の電極２１側に、平行に対向して、第２の基板（透明ガラス）１１２が配置されている。第２の基板１１２の外部には第２の電極２２（材料としてはＡｌ）が形成されている。この第２の電極２２は、図１（Ｂ）に示すように、丸穴２２２（例えば直径４．５ｍｍ）を有する。
【００１７】
第１の基板１１１の第１の電極２１側と、第２の基板１１２との間には、液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１１（例えば厚さ１３０μｍ）が形成されている。４１，４２は、液晶層３１１を得るためのスペーサである。
【００１８】
さらに、前記第２の電極２２の上部面には、絶縁層１１３（例えば７０μｍの薄いガラス）を介して、第３の電極２３（材料としてはＩＴＯ材）が形成されている。この第３の電極２３の上面には保護層（ガラス）１１４が配置されている。液晶層を挟む第１と第２の基板の面には、ポリイミドがコーティングされている。またｘ軸方向にラビング処理されている。
【００１９】
ここで、上記の光学素子を液晶レンズとして機能させる場合、第１の電極２１と第２の電極２２との間に第１の電圧Ｖｏを加える。第１の電圧Ｖｏを加える場合、第２の電圧Ｖｃは、当初は０ボルトとしておいて、Ｖｏを最適な値に設定する。この電圧Ｖｏは、電圧供給部５１から供給される。ここで、最良の光学的特性（この時の特性を、第１段階の光学的特性と称することにする）が得られる電圧値が設定される。次に、第１の電圧Ｖｏとは、独立して、第１の電極２１と第３の電極２３に第２の電圧Ｖｃが加えられる。この第２の電圧Ｖｃは、電圧供給部５２から供給される。この第２の電圧Ｖｃを可変することにより、レンズの光学的特性（第２段階の光学的特性と称する）を制御することができる。なおＶｏとＶｃは周波数及び位相が等しく設定されている。
【００２０】
本発明によると、第２段階の光学的特性は、非常に焦点距離が近い状態から無限に近い（あるいは無限）の状態まで可変される。このために、焦点距離の可変範囲が広くなり、実用的であり各種の用途が可能となる。
【００２１】
図２には、第１の電極２１と第２の電極２２間にＶｏ＝７０Ｖの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値）を加えており、第３の電極２３に第２の電圧（制御電圧）Ｖｃ＝１０Ｖを与えたときの第１の電極と第２の電極の間の空間の電位分布を示している。ｚは、光軸方向であり、ｙは、光軸と直交する方向である。ｚ、ｙ、ｘは、図１と共通である。電位分布を示す複数の等電位線の勾配が急な場合は、レンズの焦点距離が短く、等電位線の勾配が緩やかな場合は、レンズの焦点距離が長くなる。
【００２２】
図３（Ａ）と図３（Ｂ）には、さらに別の電位分布、すなわち液晶層の電位分布の例を示している。図３（Ａ）では、第１の電極２１と第２の電極２２間にＶｏ＝７０Ｖの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値）を加え、且つ、第２の電圧（制御電圧）Ｖｃ＝１０Ｖを与えたときの電位分布を示している。図３（Ｂ）では、制御電圧を可変し、第２の電圧（制御電圧）Ｖｃ＝２０Ｖを与えたときの電位分布を示している。この電位分布の変化は液晶分子の傾斜角に対応し、かつ光の屈折角にも対応している。図３（Ｂ）の状態のときが、図３（Ａ）の状態のときより焦点距離が長い。
【００２３】
図４（Ａ），図４（Ｂ），図４（Ｃ）、図４（Ｄ）は、本発明の光学素子を光軸方向から見た光波の位相分布の様子を示している。つまり、固定の電圧Ｖｏ＝７０Ｖが第１の電極２１と第２の電極２２間に加えられ、第３の電極２３に与えられる制御電圧Ｖｃが０Ｖ，２０Ｖ、４０Ｖ、６０Ｖと可変されたとき光波の位相分布が変化する様子を示している。図４（Ａ）は、複数の干渉縞の間隔が密であり、制御電圧Ｖｃが０Ｖ，２０Ｖ、４０Ｖ、６０Ｖと可変されると、次第に複数の干渉縞の間隔が大きくなっていることが理解できる。複数の干渉縞の間隔が大きくなるに従い、光の屈折が小さくなり焦点距離が大きくなる。
【００２４】
図５には、上記の実施形態において、液晶レンズにおける光の位相遅れφの様子を示している。基本的には、ｙ軸の中心から周囲に向って次第に位相遅れが小さくなる2乗分布特性を示している。ここで、制御電圧（第２の電圧）Ｖｃを増加していくと中心と周囲の位相差が小さくなっている。つまり、Ｖｃ＝１０Ｖのときよりも、Ｖｃ＝５０Ｖのほうが焦点距離は長くなっている。
【００２５】
図６には、この発明の光学素子の焦点距離の変化と先の制御電圧Ｖｃとの関係を示している。制御電圧Ｖｃを可変することで、焦点距離が可変される。本発明の一実施形態は、上記の構成に限定されるものではない。
【００２６】
図７には、この発明の他の実施の形態を示している。図１の実施の形態と同じ部分には同一符号を付している。図１の実施の形態と異なる部分を説明すると、液晶層３１１の構成が異なる。この実施の形態では、液晶層３１１は、絶縁層３１２（透明ガラス）により分割されて第１の液晶層３１１ａと第２の液晶層３１１ｂである。
【００２７】
このように構成した場合、応答速度が極めて速くなる。液晶の応答速度は、層の厚みの二乗に逆比例する。したがって、図１に示した液晶層３１１を分割して、第１と第２の液晶層３１１ａ，３１１ｂとした場合、図１の素子に比べて４倍の速度で制御信号に応答できる。
【００２８】
さらに液晶層３１１が、２層構造になると、次のような利点も得ることができる。即ち、液晶層３１１ａと３１１ｂにおけるラビング方向が同じであると、液晶の配向方向も同じであり、レンズとしては、同じ厚みの液晶層が一層の場合に比べて、２倍のパワー（倍率）を得ることができる。つまりレンズを２枚重ねたものと同様な効果を得ることができ、焦点距離を短くする場合有効である。
【００２９】
また液晶層３１１ａと３１１ｂにおけるラビング方向が直交する方向であると、偏光板が不要な液晶素子として機能する。
【００３０】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）には、さらにこの発明の他の実施の形態を示している。この光学素子は、図７に示した素子にさらに同様な素子を追加し、上下対称な２重構造に構成している。したがって、図７の素子と同様な部分（第１の素子部分）には同一符号を付している。そして第２の電極２２、第３の電極２３を共有して、第２の素子部分が、第１の素子部分に重ね合わせられている。第２の素子部分は、基板１１１−２、１１２−２、電極２１−２、第１、第２の液晶層３１１ａ−１，３１１ｂ−２，絶縁層３１２−２、及び共通の第２の電極２２、第３の電極２３を有する。この実施の形態では、第２の電極２２と、第３の電極２３が同じ平面上に位置するので、両者の絶縁のためには、間隔Ｇが設けられている。また、第２の電極２２は、その穴部と外周との間に切り抜き部が設けられ、この切り抜き部を介して第３の電極２３の引き出しライン２３ａが導出されている。この引き出しライン２３ａを介して、制御電圧Ｖｃが与えられる。
【００３１】
なお、図７に示した上下対称な各二層の液晶層はより多層にすることも可能であり、その場合にはさらなるレンズパワーの増大や応答速度の改善が得られる。
【００３２】
またこの発明において、液晶層の液晶材料としては、駆動信号が高周波（数１０ＫＨｚ程度）ではＮ型として動作し、駆動信号が低周波数（１００Ｈｚ程度）ではＰ型として動作する２周波駆動型の液晶材料が用いられてもよい。このような材料を用いると、周波数を切り替えて使用することで、配向動作の応答速度を早くすることができる。
【００３３】
図９（Ａ），図９（Ｂ）には、さらにこの発明の他の実施の形態を示している。先の実施の形態では、第２の電極２２は、一枚であり、この電極に与える電圧は一定に保持した。しかし、この実施の形態は、第２の電極２２を複数に分割する。たとえば、第２の電極２２は、図９（Ｂ）に示すように４分割される。そして、それぞれの電極２２ａ−２２ｄに与える電圧は、コントロール部５５により、微小に可変制御することができる。その他の構成は、先の実施の形態と同じである。
【００３４】
図１０（Ａ）は、上記コントロール部５５の具体的構成例であり、図１０（Ｂ）は、コントロール部５５により焦点位置が制御された場合の各種の焦点の移動位置を示す説明図である。
【００３５】
電極２２ａに与える電圧は、可変抵抗５５ａの摺動子から取り出されており、電圧＋Ｖと、電圧−Ｖの間の分割電圧が取り出されている。同様に電極２２ｂに与える電圧は、可変抵抗５５ｂの摺動子から取り出されており、電圧＋Ｖと、電圧−Ｖの間の分割電圧が取り出されている。電極２２ｃに与える電圧は、可変抵抗５５ｃの摺動子から取り出されており、電圧＋Ｖと、電圧−Ｖの間の分割電圧が取り出されている。そして電極２２ｄに与える電圧は、可変抵抗５５ｄの摺動子から取り出されており、電圧＋Ｖと、電圧−Ｖの間の分割電圧が取り出されている。
【００３６】
各電極に与える電圧を微小に可変することにより、焦点位置は、図１０（Ｂ）に示すように、ｘ軸方向又はｙ軸方向へ、さらには両方向へ移動させることができる。また、ｚ軸方向へも移動させることができる。つまり三次元の範囲内で焦点位置を移動制御することが可能である。
【００３７】
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）には、Ｖｃを調節して、焦点位置を焦点面に保持した状態でｘ軸方向へ移動制御したときの測定例を示している。図１１（Ａ）は、第２の電極２２に与えた電圧を可変することで焦点の空間位置を変化させた場合であり、図１１（Ｂ）は、対応する焦点面における焦点の位置である。
【００３８】
図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）には、焦点位置をｙ軸方向へ移動制御したときの測定例を示している。図１２（Ａ）は、第２の電極２２に与えた可変電圧であり、図１２（Ｂ）は、焦点の移動距離である。
【００３９】
図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）には、焦点位置をｘ軸及びｙ軸方向の両方へ移動制御したときの測定例を示している。図１３（Ａ）は、第２の電極２２に与えた可変電圧であり、図１３（Ｂ）は、焦点の移動距離である。
【００４０】
この発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。上記の説明では液晶レンズが凸レンズとして機能する場合の例を説明した。しかしこの発明では、液晶レンズを凹レンズとして簡単に機能させることが可能である。
【００４１】
図１４には、凹レンズとして機能させたときの実施の形態を示している。この場合は、第１の電極２１と第３の電極２３との間に電圧供給部６１から一定の交流電圧Ｖｏを与える。そして、第１の電極２１と第２の電極２２との間に、電圧供給部６２から電圧Ｖｃを与える。ここで電圧Ｖｃは、可変制御することができる。その他の構成は、上述した実施の形態と同じである。
【００４２】
図１５には、第１の電極２１と第３の電極２３間にＶｏ＝６０Ｖの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値）を加えており、第２の電極２２に第２の電圧（制御電圧）Ｖｃ＝１０Ｖを与えたときの電位分布を示している。ｚは、光軸方向であり、ｙは、光軸と直交する方向である。ｚ、ｙ、ｘは、図１と共通である。この電位分布は、図２に示した凸レンズの場合と逆であり、凹レンズ特性を示すことが理解できる。
【００４３】
図１６（Ａ）と図１６（Ｂ）には、さらに別の電位分布の例を示している。図１６（Ａ）では、第１の電極２１と第３の電極２３間にＶｏ＝６０Ｖの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値）を加え、且つ、第２の電極２２に第２の電圧（制御電圧）Ｖｃ＝５Ｖを与えたときの電位分布を示している。また図１６（Ｂ）では、制御電圧を可変し、第２の電圧（制御電圧）Ｖｃ＝２０Ｖを与えたときの電位分布を示している。この電位分布の変化は液晶分子の傾斜角に対応し、かつ光の屈折角にも対応している。この図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）は、図３（Ｂ）、図３（Ｂ）の状態に比べて、逆特性を示し、凹レンズの機能を奏することが理解できる。
【００４４】
図１７には、上記の実施形態において、液晶レンズにおける光の位相遅れφの様子を示している。基本的には、ｙ軸の中心から周囲に向って次第に位相遅れが大きくなる2乗分布特性を示している。ここで、制御電圧（第２の電圧）Ｖｃを可変していくと中心と周囲の位相差を制御することができる。つまり、凹レンズ特性を可変できることが理解できる。
【００４５】
図１８には、この発明の光学素子の焦点距離の変化と先に述べた制御電圧Ｖｃとの関係を示している。制御電圧Ｖｃを可変することで、焦点距離が可変される。
【００４６】
この発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。上記の説明では凸レンズと凹レンズの構成を別々に示したが、これらが組み合わせされていてもよい。
【００４７】
図１９には、図１に示した実施形態（凸レンズ機能を実現する実施形態）と、図９に示した実施形態（焦点位置を３次元で移動制御できる実施形態）と、図１４に示した実施形態（凹レンズ機能を実現する実施形態）とを組み合わせた多機能レンズを示している。スイッチ６４、６５を切換えることにより、凸レンズと凹レンズ機能を切換えることができる。凸レンズ機能のときは、さらに第２の電極の分割領域に与える電圧を独立して微調整することで、焦点距離を３次元で移動させることができる。なお凹レンズ機能においても分割電極の電位を独立して制御してもよい。
【００４８】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。第３の電極の形状が、正弦波関数または正弦波関数の重畳関数、又はべき乗の関数のいずれかで与えられていてもよい。また、液晶レンズを１つ示したが、複数が配列される構成であってもよい。また複眼のような２次元的な配列であってもよい。
【００４９】
本発明の光学素子は、拡大レンズ、ロボットにおいて視覚機能として用いられる撮像部のレンズなど種々の用途が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る光学素子の一実施の形態を示す構成説明図。
【図２】本発明に係る光学素子の機能を説明するために素子の電位分布の例を示す説明図。
【図３】本発明に係る光学素子の機能を説明するために素子の電位分布が変化した例を示す説明図。
【図４】本発明に係る光学素子の機能を説明するために、光学素子を通過する光波の位相が変化する様子を光軸方向からみて示す説明図。
【図５】本発明に係る光学素子の機能を説明するために、光学素子を通過する光波の位相が変化する様子を示す説明図。
【図６】本発明に係る光学素子の機能を説明するために、制御電圧に対する焦点距離が変化する様子を示す説明図。
【図７】本発明に係る光学素子の他の実施の形態を示す構成説明図。
【図８】本発明に係る光学素子のさらに他の実施の形態を示す構成説明図。
【図９】本発明に係る光学素子のさらにまた他の実施の形態を示す構成説明図。
【図１０】図９に示したコントロール部の具体的構成例と、液晶レンズの焦点位置の遷移を説明するために示した説明図。
【図１１】図１０の分割電極に与える電位と焦点位置のｘ方向への移動状況を測定した例を示す説明図。
【図１２】図１０の分割電極に与える電位と焦点位置のｙ方向への移動状況を測定した例を示す説明図。
【図１３】図１０の分割電極に与える電位と焦点位置のｘ、ｙ方向に対して角度を持った方向への移動状況を測定した例を示す説明図。
【図１４】本発明に係る光学素子のまた他の実施の形態を示す構成説明図。
【図１５】図１４の光学素子の機能を説明するために素子の電位分布の例を示す説明図。
【図１６】図１４の光学素子の機能を説明するために素子の電位分布が変化した例を示す説明図。
【図１７】図１４の光学素子の機能を説明するために、光学素子を通過する光波の位相が変化する様子を示す説明図。
【図１８】図１４の光学素子の機能を説明するために、制御電圧に対する焦点距離が変化する様子を示す説明図。
【図１９】本発明に係る光学素子のまた他の実施の形態を示す構成説明図。
【符号の説明】
【００５１】
２１…第１の電極、２２…第２の電極、２２２…穴、２３…第３の電極、５１，５２，６１，６２…電圧供給部、５５…コントロール部、１１１…第１の基板、１１２…第２の基板、１１３…絶縁層、１１４…保護層。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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