(57)【要約】  【課題】  ２つの液晶層を用いた液晶レンズにおいて、偏光方向による焦点距離やピント位置などの光学特性のズレを抑える。  【解決手段】  第１透明基板1の一方面に、第１透明基板1から順に、第１透明電極11a、第１配向膜12a、第１液晶層13、第２配向膜12b、第２透明基板14、孔111を有する第２電極11bを形成する。そして第１透明基板1のもう一方面に、第１透明基板1から順に、第３透明電極21a、第３配向膜22a、第２液晶層23、第４配向膜22b、第３透明基板24、孔211を有する第４電極21bを形成する。第１配向膜12aと第２配向膜12bの配向方向を同方向とし、第３配向膜22aと第４配向膜22bの配向方向も同方向とする。そして配向膜12a,12bの配向方向に対して配向膜22a,22bの配向方向を直交させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１透明基板の一方面に、第１透明基板側から順に、第１透明電極、第１配向膜、第１液晶層、第２配向膜、第２透明基板、孔を有する第２電極が形成されるとともに、第１透明基板のもう一方面に、第１透明基板側から順に、第３透明電極、第３配向膜、第２液晶層、第４配向膜、第３透明基板、孔を有する第４電極が形成され、
第１配向膜と第２配向膜の配向方向は同方向で、第３配向膜と第４配向膜の配向方向も同方向で、且つ第１配向膜と第２配向膜の配向方向に対して第３配向膜と第４配向膜の配向方向が直交する方向であることを特徴とする液晶レンズ。
【請求項２】
第５透明電極が形成された第４透明基板と、孔を有する第６電極が形成された第５透明基板との間に、対向する一対の配向膜で挟まれた液晶層が透明基板を介して偶数個積層され、対となる配向膜の配向方向は同方向で、且つ一対の配向膜の半数個と残りの半数個とはその配向方向が直交していることを特徴とする液晶レンズ。
【請求項３】
第４透明基板の一方面に形成された、前記の第５透明電極と、偶数個の液晶層、透明基板、第５透明基板とが、第４透明基板を中心として対称に第４透明基板のもう一方面に形成された請求項２記載の液晶レンズ。
【請求項４】
液晶層に電界を与える２つ電極間距離を、液晶層の層厚の１０倍以上とした請求項１〜３のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項５】
前記各配向膜の配向方向が、光軸を中心とした軸対称である請求項１〜４のいずれかに記載の液晶レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶レンズに関し、より詳細には２以上の液晶層を備えた液晶レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学材料として液晶材料を用いた液晶レンズが、機械的駆動を必要とすることなくレンズの光学特性を可変できることから、光通信等の分野において注目されている。液晶レンズの機構を図９によって概説すると、まずこの図の液晶レンズは、第１透明基板１４ａと第２透明基板１４ｂとが離隔対向配置され、第１透明基板１４ａの表面に第１透明電極１１ａが、第２透明基板１４ｂの表面に、円形の孔１１１を有する第２電極１１ｂがそれぞれ形成されている。そして、第１透明電極１１ａの上に形成された第１配向膜１２ａと、第２透明基板１４ｂの下面に形成された第２配向膜１２ｂとの間に液晶層１３が封入されている。
【０００３】
このような構造の液晶レンズにおいて、第１透明電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に電圧が印加されていないとき、液晶層１３の屈折率は均一である（同図（ａ））。一方、両電極間に電圧が印加されると（同図（ｂ））、円形の孔１１１に対向する位置において、孔１１１の中心軸を中心とする軸対称状の不均一電界が発生し、液晶分子が再配向される。これにより、孔１１１内において液晶層１３の屈折率が一様でなくなり、二乗分布に近い屈折率分布が生じてレンズ作用が生じる。すなわち、孔１１１の中心部付近と外周部付近とでは液晶分子の角度（傾き）が異なり、これが屈折率の違いを生んで、孔１１１の中心部に向かって屈折率が高くなるように分布しレンズとして作用する。両電極間に印加する電圧を制御することによって、孔内における屈折率分布を制御でき、光軸方向に焦点距離を移動させることができるようになる。なお、レンズ作用が得られるのは、液晶分子の配向方向に偏光した入射光に対してである。
【０００４】
特許文献１では、図１０に示すような、第２電極１１’を共通にして図９の液晶レンズを対称に２つ積層させたものが提案されている。この液晶レンズＬ’では、２対の配向膜１２ａ，１２ｂ、配向膜２２ａ，２２ｂの配向方向を直交させている。このような構成の液晶レンズＬ’によれば、特定方向の偏光だけでなく自然光に対しても偏光板を用いることなくレンズ作用が得られる。また、偏光板を使用しないため高い光透過率が得られる。
【０００５】
図１１に、図１０の液晶レンズＬ’をカメラに用いた場合の概説図を示す。液晶レンズＬ’をカメラユニットＵの前に配設し、カメラユニットＵの光学系の焦点を無限遠としておくと、液晶レンズＬ’に印加する電圧を調整することによって、所望の被写体にピントが合うように液晶レンズＬ’の焦点距離を変化させることができ、所望の被写体を鮮明に撮影することができるようになる。
【特許文献１】特開２００４−４６１６号公報（特許請求の範囲、（００５６）〜（００６０）段、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図１０の液晶レンズＬ’では、２つの液晶層１３，２３が２つの透明基板１４ａ，２４ａによって大きく隔てられているため、カメラユニットＵの画面周縁部の光束は、カメラユニットＵに近い側の液晶層１３では光軸に近い領域を通過するが、カメラユニットの前端から距離Ｓ’離れた液晶層２３では、光軸から距離Ｄ’離れた部分を通過することになる。液晶層の光軸に近い領域と遠い領域とでは屈折率が異なるため、液晶レンズＬ’では偏光方向による２つの像がズレて２重像となるおそれがある。このような偏光方向による焦点距離やピント位置などの光学特性のズレは、光学デバイスとしては重大な問題となる。また、周辺部の光束を通して、カメラの画角を確保するためには、カメラから液晶層までの距離が離れていると、液晶レンズに必要な孔径が非常に大きくなってしまう。
【０００７】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、２つの液晶層を用いた液晶レンズにおいて液晶層間の距離を短くし、偏光方向による焦点距離やピント位置などの光学特性のズレがないようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため第１の発明に係る液晶レンズでは、第１透明基板の一方面に、第１透明基板側から順に、第１透明電極、第１配向膜、第１液晶層、第２配向膜、第２透明基板、孔を有する第２電極を形成するとともに、第１透明基板のもう一方面に、第１透明基板側から順に、第３透明電極、第３配向膜、第２液晶層、第４配向膜、第３透明基板、孔を有する第４電極を形成し、第１配向膜と第２配向膜の配向方向は同方向で、第３配向膜と第４配向膜の配向方向も同方向で、且つ第１配向膜と第２配向膜の配向方向に対して第３配向膜と第４配向膜の配向方向が直交する方向であることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明に係る液晶レンズでは、第５透明電極が形成された第４透明基板と、孔を有する第６電極が形成された第５透明基板との間に、対向する一対の配向膜で挟まれた液晶層が透明基板を介して偶数個積層され、対となる配向膜の配向方向は同方向で、且つ一対の配向膜の半数個と残りの半数個とはその配向方向が直交していることを特徴とする。
【００１０】
ここで第４透明基板の一方面に形成された、前記の第５透明電極、偶数個の液晶層、透明基板、第５透明基板とを、第４透明基板を中心として対称に第４透明基板のもう一方面に形成してもよい。
【００１１】
また、レンズとしての光学特性を一層向上させる観点からは、液晶層に電界を与える２つ電極間距離を、液晶層の層厚の１０倍以上とするのが好ましい。
【００１２】
そしてまた、優れたレンズ効果を得る観点からは、前記各配向膜の配向方向を、光軸を中心に軸対称にするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明に係る液晶レンズでは、第１透明基板を共通にしてその両側に液晶レンズを２つ積層させたので、従来のものに比べ透明基板を１枚減らすことができた。これにより２つの液晶層間の距離を短くでき、偏光方向による焦点距離やピント位置などの光学特性のズレが抑えられる。また、従来の液晶レンズよりも薄くできる。
【００１４】
また、第２の発明に係る液晶レンズでは、第４透明基板と第５透明基板との間に、偶数個の液晶層を積層したので、第１の発明と同様に、従来に比べ透明基板の枚数を減らすことができ、これにより２つの液晶層間の距離を短くでき、偏光方向による焦点距離やピント位置などの光学特性のズレが抑えられる。
【００１５】
ここで第４透明基板の一方面に形成された、前記の第５透明電極、偶数個の液晶層、透明基板、第５透明基板とを、第４透明基板を中心として対称に第４透明基板のもう一方面に形成すると、可変焦点範囲を広くできるあるいは光学特性を向上させることができるようになる。
【００１６】
また液晶層に電界を与える２つ電極間距離を液晶層の層厚の１０倍以上とすると、レンズとしての光学特性が向上する。
【００１７】
そしてまた、前記各配向膜の配向方向を、光軸を中心とした軸対称にすると、液晶の配向がプレティルト角を含めて光軸に対して対称になる。これにより、液晶レンズに対する入射角が同じならば、入射光に対する液晶分子の傾きは同じになり、撮像系に用いた場合に、画面の周辺部の位置によってピントがずれる、いわゆる片ボケの発生が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明について図に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
図１は、第１の発明に係る液晶レンズＬの一例を示す概説図である。図１の液晶レンズは、第１透明基板１の一方面（図の右側面）に、ＩＴＯ膜（インジウム・スズ酸化物）などからなる第１透明電極１１ａが形成され、その表面にポリイミドなどからなる第１配向膜１２ａが形成されている。そして、第２透明基板１４の第１透明基板側の面には第２配向膜１２ｂが形成され、その反対側面にはアルミニウムなどからなる第２電極１１ｂが形成されている。第２電極１１ｂの中央部には円形の孔１１１（図２を参照）が形成されている。第１透明基板１と第２透明基板１４とは離隔対向して平行に配置され、不図示のシール部材によって基板間の周囲は封止され、基板間に形成された空間には液晶剤が封入されて液晶層１３を構成している。また、第１配向膜１２ａと第２配向膜１２ｂの配向方向は同方向とされている。
【００２０】
一方、第１透明基板１のもう一方面（図の左側面）には、右側面と同様の積層構造が第１透明基板１を中心として対称に形成されている。すなわち、第１透明基板１から順に第３透明電極２１ａ、第３配向膜２２ａ、第２液晶層２３、第４配向膜２２ｂ、第３透明基板２４、第４電極２１ｂが形成されている。そして、第４電極２１ｂの中央部には円形の孔２１１（図２を参照）が形成されている。また、第３配向膜２２ａと第２配向膜２２ｂの配向方向は同方向であって、且つ第１配向膜１２ａと第２配向膜１２ｂの配向方向と直交するようにされている。
【００２１】
図２に、図１の液晶レンズの側面図を示す。同図（ａ）は、図１の液晶レンズの左側面図であって、第４電極２１ｂの中央に円形の孔２１１が形成され、ラビング処理によって第４配向膜２２ｂに形成された溝がこの孔２１１から見えている。この溝の方向が配向方向である。同図（ｂ）は、図１の液晶レンズの右側面図であって、前記と同様に、第２電極１１ｂの中央に円形の孔１１１が形成され、ラビング処理によって第２配向膜１２ｂに形成された溝がこの孔１１１から見えている。これらの図から理解されるように、第２配向膜１２ｂ（第１配向膜１２ａも同じ）と第４配向膜２２ｂ（第３配向膜２２ａも同じ）の配向方向は直交している。
【００２２】
ここで図３及び図４に、配向膜の他の実施形態を示す。図３及び図４に示す、対となる配向膜は、配向方向を光軸を中心として軸対称としたものである。図３（ａ）の配向膜では、配向方向を光軸を中心に半径方向とし、同図（ｂ）の配向膜では、配向方向を光軸を中心に同心円状としている。また図４（ａ）と（ｂ）の配向膜では、配向方向を半径方向からの傾きが＋４５°と−４５°となるようにしている。配向方向が光軸に対して非対称の場合には、液晶レンズに対して斜めに入射した光は、その方向によってその光に対する液晶分子の傾きが異なり、撮像系に用いた場合には画像の周辺部の位置によってピントの合う位置が異なる現象（いわゆる片ボケ）が生じることがあるが、上記のように、配向膜の配向方向を光軸に対して対称とすると、液晶レンズに対する入射角が同じであれば、方向によらず光に対する液晶分子の傾きは同じとなり、本発明の液晶レンズを撮像系に用いた場合にもいわゆる片ボケは生じなくなる。
【００２３】
このような構成の液晶レンズにおいて、図１に示す、第１透明電極１１ａと第２電極１１ｂとの間及び第３透明電極２１ａと第４電極２１ｂとの間に所定の交流電圧が印加されると、前述のように、液晶層１３，２３内に不均一電界が発生する。これによって液晶層１３，２３内に屈折率分布が生じ、液晶層１３，２３においてレンズ作用が奏される。
【００２４】
液晶層１３と液晶層２３の液晶分子は配向膜によって直交するように配向されている。液晶層１３によって、仮にＰ偏光が集光し、Ｓ偏光は透過したとすると、液晶層２３ではＰ偏光は透過し、Ｓ偏光は集光する。その逆の場合はＰ偏光とＳ偏光の集光と透過が逆になる。したがって、液晶層１３と液晶層２３を通過した光はすべて集光することになり、この液晶レンズでは自然光に対しても偏光板を用いることなくレンズ作用が得られる。加えて偏光板を用いないので、従来に比べ高い光透過率が得られるようになる。
【００２５】
図１の液晶レンズでは、液晶層１３と液晶層２３との距離が従来に比べて近い。これにより、偏光方向によって２重に像が形成されることが抑えられる。また、図５に示すように、図１の液晶レンズＬをカメラユニットＵの前に配設した場合には、液晶層１３と液晶層２３との距離が近くなった分だけ、カメラユニットＵの前面から液晶層２３までの距離Ｓが従来よりも短くなる。これによりカメラユニットＵの画面周縁部の光束は、光軸から距離Ｄの液晶層２３の領域（図の斜線部分）を通過するようになり、液晶レンズの有効径、すなわち第４電極２１ｂおよび第２電極１１ｂに形成する孔２１１および孔１１１を小さくできる。電極間距離の最適値は、有効径と比例関係にあることが知られている。したがって、有効径を小さくすれば、最適な電極間距離を短くでき、液晶レンズＬの厚みを薄くできる。液晶レンズＬの厚みが薄くなれば、液晶レンズＬとカメラユニットＵとをさらに接近させることができ、これによって有効径をさらに小さくできる。このように液晶層間の距離を短くすることによって相乗的に、液晶レンズＬとそれを用いた装置の小型化および性能の向上を図れるようになる。
【００２６】
なお、図１の液晶レンズＬでは、第１透明基板１の両面に第１透明電極１１ａと第３透明電極２１ａを形成しているが、電界に影響を与えない程に第１透明基板１の厚みを薄くした場合には、第１透明電極１１ａ及び第３透明電極２１ａの一方の透明電極のみを形成するようにしても構わない。さらに、剛性を有する透明電極を使用する場合には、第１透明基板も使用しなくてもよい。
【００２７】
次に、第２の発明に係る液晶レンズについて説明する。この発明の液晶レンズの大きな特徴は、１組の電極間に偶数個の液晶層を積層させたことにある。この発明に係る液晶レンズの一例を図６に示す。図６の液晶レンズでは、第５透明電極３１ａが表面に形成された第４透明基板４と、第６電極３１ｂが表面に形成された第５透明基板５との間に、一対の配向膜３２ａ，３２ｂで挟まれた液晶層３３ａと、一対の配向膜３５ａ，３５ｂで挟まれた液晶層３３ｂとが、透光性基板３４を介して積層されてなる。対となる配向膜の配向方向は同方向で、配向膜３２ａ，３２ｂと配向膜３５ａ，３５ｂの配向方向は直交する。なお、第５透明電極３１ａと第６電極３１ｂとの間隔を狭くすることによって、液晶層３３ａと液晶層３３ｂに作用する不均一電界のわずかの差は無視できる。
【００２８】
このような構成の液晶レンズでは、図１の液晶レンズに比べて、１組の電極をさらに無くすことができ、液晶レンズの厚みをさらに薄くすることができる。また電極数が減った分だけ配線が容易になる。
【００２９】
図７に、第２の発明に係る液晶レンズの他の実施形態を示す。図７の液晶レンズでは、第５透明電極３１ａと第６電極３１ｂとの間に、４つの液晶層３３ａ〜３３ｄを配置している。前記と同様に、対となる配向膜の配向方向は同方向で、配向膜対の配向方向は交互に９０°回転している。説明を簡単にするために、直交する配向方向の一方を”タテ方向”、他方を”ヨコ方向”とすると、配向膜３２ａ，３２ｂと配向膜３６ａ，３６ｂの配向方向がタテ方向で、配向膜３５ａ，３５ｂと配向膜３７ａ，３７ｂの配向方向がヨコ方向となっている。もちろん、連続する配向膜３２ａ，３２ｂ，３５ａ，３５ｂの配向方向をタテ方向とし、連続する配向膜３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂの配向方向をヨコ方向としてもよいが、液晶レンズの光学特性を向上させる観点からは、配向膜対の配向方向はタテ方向とヨコ方向とが交互になるようにするのが望ましい。
【００３０】
図７の液晶レンズにおいて、各液晶層３３ａ〜３３ｄの厚みが図６の液晶レンズの各液晶層と同じであれば、印加電圧によって変えることのできる焦点距離範囲が広くなる。他方、液晶層３３ａ〜３３ｄの厚みが図６の液晶レンズの各液晶層の半分で、液晶層全体の総厚みが同じであれば、可変焦点距離は同じであるが、偏光方向による焦点距離やピント位置などのズレを一層抑えることができる。また液晶層の厚みが薄くなるため液晶分子の配向応答性が速くなる。
【００３１】
図７の液晶レンズでは、４つの液晶層３３ａ〜３３ｄを積層しているが、偶数個であれば液晶層の個数に限定はない。液晶層の個数および層厚は、必要とする可変焦点距離や光学特性などから適宜決定すればよい。
【００３２】
図８の液晶レンズは、図６の液晶レンズにおいて第４透明基板４の一方面に形成された構造を、第４透明基板４を中心として対称に、第４透明基板４のもう一方面に形成したものである。この液晶レンズにおいても、各液晶層３３ａ，３３ａ’，３３ｂ，３３ｂ’の厚みが図６の液晶レンズの各液晶層と同じであれば、印加電圧によって変えることのできる焦点距離範囲が広くなる。他方、液晶層３３ａ，３３ａ’，３３ｂ，３３ｂ’の厚みが図６の液晶レンズの各液晶層の半分で、液晶層全体の総厚みが同じであれば、可変焦点距離は同じであるが、偏光方向による焦点距離やピント位置などのズレを一層抑えることができ、また液晶層の厚みを薄くすることによって液晶分子の配向応答性が速くなる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１の発明に係る液晶レンズの一例を示す概説図である。
【図２】図１の液晶レンズの左・右側面図である。
【図３】配向膜の他の実施形態を示す図である。
【図４】配向膜のさらに他の実施形態を示す図である。
【図５】図１の液晶レンズをカメラの光学系に用いた場合の概説図である。
【図６】第２の発明に係る液晶レンズの一例を示す概説図である。
【図７】第２の発明に係る液晶レンズの他の例を示す概説図である。
【図８】第２の発明に係る液晶レンズのさらに他の例を示す概説図である。
【図９】液晶レンズの機構を説明するための図である。
【図１０】従来の液晶レンズを示す概説図である。
【図１１】図１０の液晶レンズをカメラの光学系に用いた場合の概説図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    第１透明基板
４    第４透明基板
５    第５透明基板
１１ａ    第１透明電極
１１ｂ    第２電極
１２ａ    第１配向膜
１２ｂ    第２配向膜
１３    第１液晶層
１４    第２透明基板
２１ａ    第３透明電極
２１ｂ    第４電極
２２ａ    第３配向膜
２２ｂ    第４配向膜
２３    第２液晶層
２４    第３透明基板
３１ａ    第５透明電極
３１ｂ    第６電極
３２ａ，３２ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ    配向膜
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ    液晶層
１１１，２１１    孔
【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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