(57)【要約】【課題】  安価で且つ理想的な屈折率分布を有する、高性能な屈折率勾配型レンズとして働く液晶光学素子を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明に係る可焦点用の液晶光学素子（１００）は、第１の平面基板（１０１）と、第２の平面基板（１０５）と、第１及び第２の平面基板間に挟持された液晶（１０６）と、第１又は第２の平面基板の一方に形成され且つ入射光に対する実効屈折率をそれぞれ異なった度合いに変化させるための複数の領域（２０１〜２１５）を有する電極パターン（２００）と、第１又は第２の平面基板の他方に形成され、電極パターンとの間に電圧を印加するための対向電極（１０８）とを有し、複数の領域は同心円状に各々間隔を空けて配置され且つ複数の領域間の間隔の中心のピッチは不等間隔に形成されている、ことを特徴とする。【選択図】      図２
2006145957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に対して可変焦点用屈折率勾配型レンズとして働く液晶光学素子において、
第１の平面基板と、
第２の平面基板と、
前記第１及び第２の平面基板間に挟持された液晶と、
前記第１又は第２の平面基板の一方に形成され、前記入射光に対する実効屈折率をそれぞれ異なった度合いに変化させるための複数の領域を有する電極パターンと、
前記第１又は第２の平面基板の他方に形成され、前記電極パターンとの間に電圧を印加するための対向電極とを有し、
前記複数の領域は同心円状に各々間隔を空けて配置され、前記複数の領域間の間隔の中心のピッチは不等間隔に形成されている、
ことを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
間隔の中心のピッチが不等間隔に形成されている複数の領域が、前記複数の領域の一部である、請求項１に記載された液晶光学素子。
【請求項３】
前記液晶光学素子の開口の中心部分にのみ、間隔の中心のピッチが不等間隔に形成されている複数の領域を有する、請求項２に記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記液晶光学素子の周辺部に配置された領域に対してのみ実効屈折率を変化させないように選択的に電圧を印加する選択的電圧印加手段を、さらに有する請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項５】
前記複数の領域間に各々接続され、抵抗分割された電圧を前記複数の領域の各々に印加するための抵抗を、さらに有する請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項６】
前記複数の領域間に各々異なった電圧値を印加するための電圧印加手段を、さらに有する請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項７】
前記複数の領域が変化させる実効屈折率の変化量はほぼ一定になるように設定されている、請求項１〜７の何れか一項に記載の液晶光学素子。
【請求項８】
前記複数の領域のそれぞれの電位差はほぼ一定になるように設定されている、請求項１〜７の何れか一項に記載の液晶光学素子。
【請求項９】
前記複数の領域が変化させる実効屈折率の変化量はほぼ一定になるように設定されており且つ前記複数の領域のそれぞれの電位差はほぼ一定になるように設定されている、請求項１〜７の何れか一項に記載の液晶光学素子。
【請求項１０】
前記複数の領域の間隔の中心ピッチは、
瞳座標に対する実効屈折率値を示す所望の可変焦点用屈折率勾配型レンズ特性を決定し、
前記レンズ特性が有する最大実効屈折率を前記複数の領域の個数で分割し、
分割された実効屈折率と前記レンズ特性とが交わる交点の瞳座標を決定し、
前記各交点の瞳座標が前記複数の領域の間隔の中心ピッチとなるように設定されている、請求項１〜９の何れか一項に記載の液晶光学素子。
【請求項１１】
入射光に対して可変焦点用屈折率勾配型レンズとして働く液晶光学素子の製造方法であって、前記液晶光学素子は、第１の平面基板と、第２の平面基板と、前記第１及び第２の平面基板間に挟持された液晶と、前記第１又は第２の平面基板の一方に形成され且つ前記入射光に対する実効屈折率をそれぞれ異なった度合いに変化させるための複数の領域を有する電極パターンと、前記第１又は第２の平面基板の他方に形成され且つ前記電極パターンとの間に電圧を印加するための対向電極とを有し、前記複数の領域は同心円状に各々間隔を空けて配置され且つ前記複数の領域間の間隔の中心のピッチは不等間隔に形成されており、前記製造方法は、
瞳座標に対する屈折率値を示す所望の可変焦点用屈折率勾配型レンズ特性を決定し、
前記レンズ特性が有する最大実効屈折率を前記複数の領域の個数で分割し、
分割された屈折率と前記レンズ特性とが交わる交点の瞳座標を決定し、
前記各交点の瞳座標が前記複数の領域の間隔の中心ピッチとなるように設定する、
工程を有することを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光に対して屈折率勾配型レンズとして利用することができる液晶光学素子に関するものであり、特に可焦点光学機構において可変焦点用の屈折率勾配型レンズとして利用することができる液晶光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶への電圧の印加に応じて、焦点距離を可変することができる所謂液晶レンズへの要望が高まっている。これは、従来のデジタルカメラ等で用いられる光学式倍率可変機構では、レンズを移動させるメカニカル機構が必須であって、そのためのスペースとコストが必要であるのに対し、液晶レンズでは可動部品が必要ないため、小スペースで且つ低コストな倍率可変機構を提供することが可能であるからである。
【０００３】
例えば、２枚のガラス基板間に液晶を配置し、一方のガラス基板をレンズ状にくり貫き、液晶に電圧を印加することによって液晶の実効屈折率を変化させ、ガラスと液晶の屈折率差を利用して焦点距離を変化させた液晶レンズが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなガラスをレンズ状にくり貫いた液晶レンズでは、理想的な屈折率分布を持つ様にすることができる。
【０００４】
しかしながら、ガラス基板をレンズ状にくり貫くのには手間とコストがかかり、安価で収差の少ない高性能な焦点距離を可変することができる液晶レンズを提供することはできなかった。
【０００５】
また、自動焦点整合用レンズ装置に、焦点距離可変の液晶レンズを用いて、焦点距離を微小変化させることが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
しかしながら、焦点距離可変の液晶レンズの具体的構成は示されず、また、焦点距離可変の液晶レンズは焦点距離を微小変化させるにとどまり、他に焦点距離を可変するためのフォーカシングレンズ及びその移動機構を有していた。
【０００７】
さらに、２枚の透明基板間に、同心円状に複数形成された電極パターン及び対向電極を介して液晶を配置し、電極パターンに電圧を印加することによって、液晶によるフレネルゾーンプレートを形成し、フレネルゾーンプレートのパターンを可変することによって空間周波数変調を行って、焦点距離を変化させた液晶パネルが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
しかしながら、焦点距離を可変するためには、電極パターン自体を変更しなければならず、電極パターン自体を状況に応じて変化させる特別の技術が必要であった。すなわち、特許文献３に記載される液晶パネルは、固定された電極パターンを用いて可変焦点用屈折率勾配型レンズとして働く液晶光学素子を構成するものではなかった。
【０００９】
さらに、２枚の透明基板間に、等間隔ピッチで同心円状に複数形成された電極及び対向電極を介して液晶を配置し、各電極間に抵抗を配置して、抵抗分割駆動によって各電極に所定の電圧を印加することによって、電極と対向電極間の液晶の実効屈折率を変化させて、焦点距離を可変する液晶を用いた合焦点機構が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【００１０】
図１３（ａ）に、特許文献４に記載されるような電極１２を示す。電極パターン１２は、同心円状に等間隔ピッチで配置された４つの電極１２−１〜１２−４を有している。図１３（ｂ）に、抵抗分割駆動方式によって、電極パターン１２の各電極に印加される等電位差の電位Ｖ１〜Ｖ４を示す。
図１４（ａ）に図１３（ｂ）に示した印加電圧を示す。図１４（ｂ）に図１４（ａ）に示すような電位を印加した場合に各電極に応じて発生する実効屈折率ｎ１〜ｎ４を示す。図１４（ｂ）に示す様に、電極パターン１２の各電極１２−１〜１２−４に、抵抗分割駆動により形成等される等電位差の電位Ｖ１〜Ｖ４を印加すれば、それに対応した等ステップで段階的に変化する実効屈折率ｎ１〜ｎ４が発生する。しかしながら、特許文献４の図１３に示されるような、理想的な屈折率分布（図１４（ｂ）の１４００参照）を得るためには、各同心電極１２−１〜１２−４が発生する実効屈折率ｎ１〜ｎ４を図１４（ｂ）に示すように、それぞれ独自に微調整しなければならない。
【００１１】
このように、等間隔ピッチに配置された同心円状の電極パターン１２では、設計通りに屈折率の勾配を形成するためには、抵抗分割の設定、印加する電圧の微調整等をすることが非常に難しく、さらに、抵抗分割駆動では、各電極に印加する電圧を微妙に調整することはできなかっので、理想的な屈折率分布を有する液晶レンズを形成することが出来なかった。
【００１２】
【特許文献１】特開昭６２−５６９１８号公報（第２図）
【特許文献２】特開昭６２−３６６３２号公報（第３頁、第１図）
【特許文献３】特許第２６５１１４８号公報（第１頁、第１図）
【特許文献４】特許第３０４７０８２号公報（第４頁、第１、３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は、上記問題点を解消することを可能とする液晶光学素子を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、安価で且つ理想的な屈折率分布を有する、高性能な屈折率勾配型レンズとして働く液晶光学素子を提供することを目的とする。
【００１５】
さらに、本発明は、可動部品を有しなくても焦点を可変することが可能な用屈折率勾配型レンズとして働く液晶光学素子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】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明に係る液晶光学素子は、第１の平面基板と、第２の平面基板と、第１及び第２の平面基板間に挟持された液晶と、第１又は第２の平面基板の一方に形成され且つ入射光に対する実効屈折率をそれぞれ異なった度合いに変化させるための複数の領域を有する電極パターンと、第１又は第２の平面基板の他方に形成され、電極パターンとの間に電圧を印加するための対向電極とを有し、複数の領域は同心円状に各々間隔を空けて配置され且つ複数の領域間の間隔の中心のピッチは不等間隔に形成されている、ことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る液晶光学素子は、結像作用を有する焦点距離可変用の屈折率勾配型レンズとして適用されることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る液晶光学素子では、間隔の中心のピッチが不等間隔に形成されている複数の領域が、複数の領域の一部であることが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、液晶光学素子の開口の中心部分にのみ、間隔の中心のピッチが不等間隔に形成されている複数の領域を有することが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、液晶光学素子の周辺部に配置された領域に対してのみ実効屈折率を変化させないように選択的に電圧を印加する選択的電圧印加手段を、さらに有することが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域間に各々接続され、抵抗分割された電圧を複数の領域の各々に印加するための抵抗を、さらに有することが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域間に各々異なった電圧値を印加するための電圧印加手段を、さらに有することが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域が変化させる実効屈折率の変化量はほぼ一定になるように設定されている、ことが好ましい。
【００２４】
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域のそれぞれの電位差はほぼ一定になるように設定されている、ことが好ましい。
【００２５】
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域が変化させる実効屈折率の変化量はほぼ一定になるように設定されており且つ前記複数の領域のそれぞれの電位差はほぼ一定になるように設定されている、ことが好ましい。
【００２６】
さらに、本発明に係る液晶光学素子では、複数の領域の間隔の中心ピッチは、瞳座標に対する実効屈折率値を示す所望の可変焦点用屈折率勾配型レンズ特性を決定し、レンズ特性が有する最大実効屈折率を前記複数の領域の個数で分割し、分割された屈折率とレンズ特性とが交わる交点の瞳座標決定し、各交点の瞳座標が前記複数の領域の間隔の中心ピッチとなるように設定されている、ことが好ましい。
【００２７】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る液晶光学素子の製造方法では、液晶光学素子は、第１の平面基板と、第２の平面基板と、第１及び第２の平面基板間に挟持された液晶と、第１又は第２の平面基板の一方に形成され且つ入射光に対する実効屈折率をそれぞれ異なった度合いに変化させるための複数の領域を有する電極パターンと、第１又は第２の平面基板の他方に形成され且つ電極パターンとの間に電圧を印加するための対向電極とを有し、複数の領域は同心円状に各々間隔を空けて配置され且つ複数の領域間の間隔の中心のピッチは不等間隔に形成されており、製造方法は、瞳座標に対する実効屈折率値を示す所望の可変焦点用屈折率勾配型レンズ特性を決定し、レンズ特性が有する最大実効屈折率を複数の領域の個数で分割し、分割された実効屈折率とレンズ特性とが交わる交点の瞳座標を決定し、各交点の瞳座標が複数の領域の間隔の中心ピッチとなるように設定する、工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、構造が簡単で、かつ必要とする屈折率分布を容易に得ることができる高性能な屈折率勾配型レンズとして利用することができる液晶光学素子を提供することが可能となった。
【００２９】
また、本発明に係る液晶光学素子を利用すれば、可動部品のない焦点距離可変光学機構を構成することが可能となる。本発明に係る液晶光学素子を利用した焦点距離可変光学機構では、可動部品が無いことから、低コスト及び／又は省スペースで焦点距離可変光学機構を製造することが可能となった。
【００３０】
さらに、従来の中空型液晶レンズ（例えば、特許文献１参照）において実現可能であった理想的な屈折率分布は、従来の平行に配置した平面基板型の液晶素子（例えば、特許文献４参照）では実現することができず、設計値からかけ離れた特性しか得ることが出来なかった。これに対して、本発明では、平行に配置した平面基板を用いながら、理想的な屈折率分布を有する屈折率勾配型レンズとして機能する液晶光学素子を実現することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下図面を参照して、本発明に係る液晶光学素子及び光学装置について説明する。
【００３２】
図１に、本発明に係る液晶光学素子１００の断面図を示す。
【００３３】
図中の矢印Ａの示す方向は、光が液晶光学素子１００に入射する方向を示している。図１において、入射側の透明基板１０１には、屈折率補正用の透明電極パターン２００を有する透明電極１０７及び配向膜１０２が形成されている。また、反対側の透明基板１０５には、透明性対向電極１０８及び配向膜１０４が形成されている。液晶１０６は、２枚の透明基板１０１及び１０５と、シール部材１０３との間に、２０μｍの厚さで封入されている。図１に示される各要素は、説明の便宜上、誇張して図示されており、実際の厚さの比と異なる。
【００３４】
２枚の透明基板１０１及び１０５はガラス材で構成され、シール部材１０３は樹脂から構成されている。本実施形態では、２枚の透明基板１０１及び１０５間に挟持される液晶１０６はホモジニアス型の液晶が用いられるが、垂直配向型の液晶を利用することも可能である。
【００３５】
図２に、図１に示された液晶光学素子１００における屈折率補正用の透明電極パターン２００の一例を示す。
【００３６】
電極パターン２００は、図２に示すように、有効径１０の範囲内に同心円状の輪体２０１〜２１５を有しており、それぞれを絶縁のために微小な間隔を空けて配置した。また、輪体２０１と輪体２１５との間には電源２０から所定のＡＣ電圧を印加し、輪体２０１と２０２との間には抵抗Ｒ１を、輪体２０２と２０３との間には抵抗Ｒ２を、輪体２１４と２１５との間には抵抗Ｒ１４をという様に全ての輪体間に抵抗Ｒ１〜Ｒ１４を配置した。また、抵抗Ｒ１〜Ｒ１４は全て同一の抵抗値とした。
【００３７】
図３に、各輪体２０１〜２１５と、印加される電圧との関係を示す。
【００３８】
図３（ａ）は、透明基板１０１上の透明電極パターン２００の断面の一部分を拡大したものである。輪体間の微小な間隔は全て３μｍに設定した（なお、便宜上、拡大して示している）。また、図２に示したように各輪体は、抵抗Ｒ１〜Ｒ１４によって相互に接続され、電源２０よりＡＣ電圧が印加されている。
【００３９】
図３（ｂ）は、基準電圧（輪体２１５に印加される電圧、ここでは０［Ｖ］とする）に対する各輪体２０１〜２１５の実効電圧を示している。なお、液晶光学素子に用いる液晶は一般に印加電圧に対し実効値応答を示す。また直流電圧成分を長時間この液晶に加えると、液晶の焼きつきや分解等の不都合を生ずる。従って液晶光学素子の各透明電極には直流電圧成分を印加しないように交流電圧を印加して液晶を駆動する。また、液晶光学素子に対する基準電圧０［Ｖ］は正確には液晶層に印加される電圧であり、その電圧を任意に設定することができる。一般的には印加電圧が０［Ｖ］の状態を基準とする事が多いが、他の電圧値（例えば３［Ｖ］）の時を基準電圧とすることも可能である。
【００４０】
図４を用いて、透明電極パターン２００の設計方法について説明する。
【００４１】
最初に、液晶光学素子１００が有することが期待されるレンズ特性を決定する。図４における曲線４０１は、液晶光学素子１００が有することが期待されるレンズ特性の一例であり、実効屈折率（Ｎ）と瞳座標上の位置（Ｘ）との関係を示すものであって、以下の式（１）によって表される。
【００４２】
Ｎ＝Ｎ01−ａ1Ｘ2                                              （１）
また、この場合、ａ1は以下の式（２）で表すことができる。
ａ1＝１／（２・ｆ・ｄ）                                       （２）
ここで、Ｎは瞳座標Ｘにおける実効屈折率、Ｎ01は基準実効屈折率、ｆは屈折率分布型レンズの焦点距離、ｄは液晶１０６の厚さを示す。
【００４３】
液晶光学素子１００の液晶１０６の厚さは２０μｍ、Ｎ01（基準実効屈折率）は１．７４、液晶光学素子１００の有効径（Ｘmax）は１．２２ｍｍ、Ｎの最小値であるＮ（Ｘmax）が１．５であるので、上記式（１）及び（２）より、ｆは１５５ｍｍとなる。
なお、式（１）は球面レンズを想定した場合であって、非球面レンズを想定した場合には、液晶光学素子１００が有することが期待されるレンズ特性を以下の式（２）のように表しても良い。
【００４４】
Ｎ＝Ｎ02−ａ2Ｘ2−（ｂ2Ｘ4−ｃ2Ｘ6＋ｄ2Ｘ8＋・・・）      （２）
ここで、Ｎ02は基準実効屈折率を示し、ａ2〜ｄ2はそれぞれ所定の定数である。
【００４５】
次に、輪体の数を決定し、レンズ特性（曲線４０１）が有する最大実効屈折率Ｎ01を透明電極パターン２００を構成する輪体の数（本実施形態では１５）で等分に分割する。
【００４６】
次に、１５等分した実効屈折率値（Ｎ1〜Ｎ15）と曲線４０１との交点をＰ1〜Ｐ15とする。
【００４７】
次に、交点Ｐ1〜Ｐ15に対応するそれぞれの瞳座標をＸ1〜Ｘ15を求める。
【００４８】
次に、輪体間隔を全て３μｍと設定し、瞳座標Ｘ1〜Ｘ15が各輪体のギャップ中心半径となるように、輪体２０１〜２１５を設定する。
【００４９】
図５に、各輪体とギャップ中心半径との関係を示す。
【００５０】
図５には、輪体２０４に関する輪体幅５０１（ｍｍ）、内側半径５０２（ｍｍ）、外側半径５０３（ｍｍ）、ギャップ中心半径５０４（ｍｍ）及びギャップ幅５０５（ｍｍ）が示されている。全ての輪体間のギャップ幅５０５は０．００３ｍｍ（３μｍ）と設定されているので、図４から得られたギャップ中心半径５０４（ｍｍ）を用いて、各輪体について、輪体幅５０１（ｍｍ）、内側半径５０２（ｍｍ）、外側半径５０３（ｍｍ）を求めて、各輪体を設計した。
【００５１】
図６に、本実施形態における透明電極パターン２００における各輪体の設計値の一例、即ち、輪体幅５０１（ｍｍ）、内側半径５０２（ｍｍ）、外側半径５０３（ｍｍ）、ギャップ中心半径５０４（ｍｍ）及びギャップ幅５０５（ｍｍ）を示す。
【００５２】
本実施形態では、最外郭の輪体２１５の外側には輪体が存在しないことから、輪体２１５についての中心ギャップ半径中心を、液晶光学素子１００を利用する光学系の有効径１０（半径１．２２ｍｍ）に合わせるようにして輪体２０１〜２１５を設計し、それに合わせて透明電極パターン２００を作成した。
【００５３】
図７に、本実施形態で利用する液晶１０６における、印加電圧と実効屈折率との関係７０１を示す。
【００５４】
図７に示すように、ホモジニアス型液晶１０６を用い、液晶１０６に入射する直線偏光と液晶１０６の配向方向とを一致させた場合、印加電圧が上がるに従って、実効屈折率が徐々に減少する非線形な特性を有している。しかしながら、印加電圧範囲Ｖ1〜Ｖ2間の様に、ほぼ線形に変化する領域が存在するので、この領域を実効屈折率を制御する領域として利用することが好ましい。
【００５５】
本実施形態では、透明電極パターン２００に対して、Ｖ１を１．４［Ｖ］（基準電圧）として輪体２０１に印加し、Ｖ２を２．７［Ｖ］として輪体２１５に印加するように構成した。また、透明性対向電極１０８には、１．４［Ｖ］（基準電圧）を印加した。
【００５６】
図８に、このようにして、透明電極パターン２００の各輪体に印加された印加電圧例を示す。図８に示すように、各輪体間は同じ抵抗値を有する抵抗Ｒ1〜Ｒ14で接続されているため、輪体２１５に印加される電圧Ｖ２が１５等分されて（抵抗分割されて）、各輪体に印加されることとなる。
【００５７】
図７に示すように、液晶１０６は、印加電圧と反比例した実効屈折率を表すので、図８に示すような電圧が各輪体２０１〜２１５に印加されることによって、液晶光学素子１００は、図４の４０２に示すような屈折率分布を有することとなる。即ち、液晶光学素子１００は、透明電極パターン２００に図８に示すような電圧が印加されることによって、最初に決定されたレンズ特性４０１とほぼ近似した屈折率分布４０２を有する屈折率勾配型レンズとして機能する。
【００５８】
前述したように、液晶光学素子１００が有する屈折率分布４０２は、中央部の屈折率が高く、周囲の屈折率が低いので、液晶光学素子１００は凸レンズとして働く。また、図８に示す電圧を各輪体２１０〜２１５に印加して図４に示す屈折率分布４０２を有する場合、液晶光学素子１００は焦点距離約１５５ｍｍの屈折率勾配型レンズとして機能する。
【００５９】
また、印加電圧を可変して、図４の４０２のほぼ半分の最大実効屈折率を有する４０３に示すような屈折率分布を有する場合、液晶光学素子１００は、屈折率分布４０２を有する場合の約２倍、すなわち焦点距離約３１０ｍｍの屈折率勾配型レンズとして機能する。
【００６０】
さらに、印加電圧を可変して、図４の４０４に示すようなほぼ平坦な屈折率分布を有する場合、液晶光学素子１００は、無限大の焦点距離、すなわち素通しのガラス板と同様に機能する。この場合、全ての輪体２０１〜２１５に、基準電圧を印加するようにすればよい。なお、凹レンズとして機能させるためには、図８に示した電圧プロファイルを逆にして各電極に電圧を印加すればよいので、ここでのこれ以上の説明は省略する。
このように、輪体２０１〜２１５に印加する電圧を可変することによって、液晶光学素子１００の焦点距離を所定範囲内で可変させることが可能となる。例えば、液晶光学素子１００を、凸レンズ又は凹レンズとして働く屈折率勾配型レンズ又は素通しのガラス板として切換えて機能させることも可能となった。
【００６１】
上記の透明電極パターン２００の設計では、曲線４０１の最大実効屈折率Ｎ01を透明電極パターン２００を構成する輪体の数（本実施形態では１５）で等分に分割しているので、各輪体のギャップ中心が不等間隔となっているので、透明電極パターン２００の各輪体への印加電圧を同じステップずつ変化するように設定でき、抵抗分割の方式によって容易に各輪体に対して所定の電圧を印加することが可能となった。即ち、各輪体のギャップ中心が不等間隔と設定されていることから、液晶光学素子は、最初に決定されたレンズ特性４０１とほぼ近似した屈折率分布を有する屈折率勾配型レンズとして機能できる。
【００６２】
図９に、本発明に係る液晶光学素子１００を用いた光学装置１の一例を示す。光学装置１は、デジタルカメラ等の光学装置であって、液晶光学素子１００、単焦点レンズ２、ＣＣＤ撮像素子３、及びＡＣ電源２０を含む電圧制御部４等から構成される。
【００６３】
図９（ａ）は、無限遠にピントを合わせた場合であって、液晶光学素子１００の透明電極パターン２００に基準電圧を印加したので、液晶光学素子１００はパワーを有せず、光学装置１に入射した有効径１０を有する入射光は、単焦点レンズ２のみによって、ＣＣＤ撮像素子３上に集光される。
【００６４】
図９（ｂ）は、近距離にピントを合わせた場合であって、液晶光学素子１００の透明電極パターン２００に例えば図８に示す８０１のような電圧を印加したことにより、液晶光学素子１００は、図４の４０２に示すような屈折率分布４０２を有する凸レンズとして機能する。したがって、光学装置１に入射した入射光は、図中６に示すように、液晶光学素子１００及び単焦点レンズ２によって、単焦点レンズ２のみ焦点距離（図中の７参照）とは異なった焦点距離で、ＣＣＤ撮像素子３上に集光される。
【００６５】
また、所定の自動焦点調整回路からの信号に応じて、液晶光学素子１００の透明電極パターン２００に印加される電圧値を可変すれば、可動部品を用いずに、オートフォーカス光学系を容易に構成することが可能である。このような可動部品を用いずに、焦点距離を切替え可能な光学系又はオートフォーカス光学系を、デジタルカメラや携帯電話に利用すれば、省スペース且つ低コスト化を図れるという大きな利点を有する。
【００６６】
図１０に、本発明に係る液晶光学素子１００に適用可能な他の電圧印加方法の一例を示す。
【００６７】
図２及び図３では、各輪体２０１〜２１５間にそれぞれほぼ同じ抵抗値を有する抵抗を配置し、抵抗分割方式によって電圧を印加するように構成した。これに対して、図１０では、駆動ＩＣ回路２１を配置して、各輪体２０１〜２１５にそれぞれ設定された電圧値を印加できるようにしたものである。したがって、図１０に示す駆動ＩＣ回路２１を用いれば、各輪体２０１〜２１５間を抵抗Ｒ1〜Ｒ14でそれぞれ接続する必要はない。また、各輪体２０１〜２１５のそれぞれに、予め設定された電圧、例えば図８に示すＶ１〜Ｖ１５を印加することができれば、駆動ＩＣ回路２１はどのような構成であってもよく、公知の回路技術によって容易に構成することが可能である。さらに、駆動ＩＣ回路２１を利用する場合、各輪体２０１〜２１５に印加する電圧の設定値は全て外部からの信号によって制御されるようにしても良く、また駆動ＩＣ回路２１に記憶部を設け、予め記憶部に記憶されるようにしても良い。
【００６８】
図１１に、本発明に係る液晶光学素子１００に適用可能な他の透明電極パターンの設定例を示す。
【００６９】
図１１では、液晶光学素子１００が有する他の屈折率分布１１００が示されている。分布１１００と図４に示す屈折率分布４０２との差異は、（１）分布１１００では分布４０２の中央部分Ａをさらに細分化した点、（２）分布１１００では分布４０２の周辺部分Ｂ及びＣを省略した点である。
【００７０】
中央部分Ａでは、交点Ｐ１とＹ軸との中間と実効屈折率Ｎ01との交点Ｐ0を設け、それに応じて、中央部の輪体２０１を２０１−１及び２０１−２に分割して形成した。これは、中央部分Ａの輪体２０１が他に比べて大きく形成され液晶光学素子１００が有する屈折率分布４０２の中央部分がなだらかに形成されないことから、より液晶光学素子１００が有する屈折率分布を理想とするレンズ特性４０１に近づけようとしたものである。
【００７１】
また、周辺部分Ｂ及びＣでは、レンズ特性４０１における交点Ｐ11〜Ｐ15を全て実効屈折率Ｎ15となるように１つの輪体２２０を形成した。なお、交点Ｐ11〜Ｐ16を全てＮ15に代えてＮ13となるように１つの輪体２２０としても構わない。これは、屈折率分布の周辺部分は、レンズ特性に大きく影響しない事、周辺部分に対応した輪体の幅は非常に小さくなり、形成が困難である事等の理由による。図１１の周辺部分Ｂ及びＣのように、輪体２１１〜２１５を形成せず、１つの輪体２２０に置きかえても、液晶光学素子１００が有するレンズ特性特に焦点距離を変化させる機能には大きな影響はない。
【００７２】
さらに、図示してはいないが、屈折率分布の周辺部分では、図４に示すような周辺部分に対応した輪体ではなく、幅の等しい輪体を形成するようにしても良い。例えば、図４に示す輪体２１１〜２１５の代わりに、輪体２１１〜２１５の平均幅を有する輪体を５本設けるようにしても良い。前述したように、このように形成しても、液晶光学素子１００が有するレンズ特性、特に焦点距離を変化させる機能には大きな影響はない。
【００７３】
このように、液晶光学素子１００の透明電極パターン２００における全ての輪体２０１〜２１５を、それらの間隔の中心のピッチが不等間隔に形成する必要は必ずしもなく、、レンズ特性に大きな影響を与えない部分では、不等間隔に形成しないても良い場合がある。
【００７４】
図１２に、液晶光学素子１００が有する他の屈折率分布１２００の例を示す。
【００７５】
図１２の例では、図４に示す輪体と同じ輪体２０１〜２１５を用いて、液晶光学素子１００が、異なった屈折率分布を有する例を示している。ここでは、最大実効屈折率Ｎ01を１０等分するようにして、輪体２０１〜２１０のみを用いて分布１２００を有するように構成した。これによって、同じ輪体２０１〜２１５を有していながら、図４に示す屈折率分布４０２とは異なった分布１２００を有することとなった。分布１２００によって近似されるレンズ特性１２０１は、図４に示すレンズ特性４０１の曲線より急なカーブを描くことから、分布１２００を有する場合、液晶光学素子１００は、分布４０２を有するときより、より焦点距離を短くすることが可能となる。
このように、輪体のパターンを変更することなく、液晶光学素子１００が有する屈折率分布を変更することによって、液晶光学素子１００の焦点距離を変更することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係わる液晶光学素子の断面図の一例を示す図である。
【図２】透明電極パターンの一例を示す図である。
【図３】（ａ）は透明電極パターンの一部拡大図を示し、（ｂ）は各輪体に印加される電圧例を示す図である。
【図４】透明電極パターンの設計方法を説明するための図である。
【図５】各輪体の設計方法を説明するための図である。
【図６】透明電極パターンの設計値の一例を示す図である。
【図７】液晶の印加電圧と実効屈折率との関係を示す図である。
【図８】透明電極パターンに印加される電圧例を示す図である。
【図９】本発明に係る液晶光学素子を利用した光学機構の一例を示す図である。
【図１０】透明電極パターンへの他の電圧印加方法を説明するための図である。
【図１１】輪体パターンの変更例を示す図である。
【図１２】透明電極パターンに印加される更に他の電圧例を示す図である。
【図１３】従来例を示す図である。
【図１４】従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１００    液晶光学素子
１０１、１０５    透明基板
１０６    液晶
１０７    透明電極
１０８    透明性対向電極
２００    透明電極パターン
２０１〜２１５    輪体
【図１】
2006145957.tif 000003
【図２】
2006145957.tif 000004
【図３】
2006145957.tif 000005
【図４】
2006145957.tif 000006
【図５】
2006145957.tif 000007
【図６】
2006145957.tif 000008
【図７】
2006145957.tif 000009
【図８】
2006145957.tif 000010
【図９】
2006145957.tif 000011
【図１０】
2006145957.tif 000012
【図１１】
2006145957.tif 000013
【図１２】
2006145957.tif 000014
【図１３】
2006145957.tif 000015
【図１４】
2006145957.tif 000016