(57)【要約】      （修正有）【課題】ディスクリネーションの発生を防止することが可能な液晶レンズを提供する。【解決手段】液晶レンズ１は、第１の電極２を有する第１の基板３と、第１の電極２に対向する第２の電極４を有する第２の基板５と、第１の電極２と第２の電極４との間に配される液晶層６と、第１の電極２と液晶層６との間に配される高抵抗膜８と、を備える。第１の基板３は、高抵抗膜８と液晶層６との間に設けられる。【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、前記第１の電極に対向する第２の電極を有する第２の基板と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配される液晶層と、前記第１の電極と前記液晶層との間に配される高抵抗膜と、を備える液晶レンズにおいて、
前記第１の基板は、前記高抵抗膜と前記液晶層との間に設けられてなることを特徴とする液晶レンズ。
【請求項２】
前記第１の基板の厚みは、１５μｍ以上１００μｍ以下である請求項１に記載の液晶レンズ。
【請求項３】
前記第２の電極は、前記第２の基板における前記液晶層側とは反対の表面に形成されてなる請求項１又は２に記載の液晶レンズ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の液晶レンズにより構成される第１の液晶レンズ及び第２の液晶レンズを備え、
前記第１の液晶レンズの前記第２の基板と、前記第２の液晶レンズの前記第２の基板とを接合する接合層を有してなる液晶レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶レンズの改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶レンズは、液晶分子が一方向に配向している液晶層に電圧を印加し、この液晶分子の配向制御を行うことで屈折率を変化させるデバイスであり、モータ等の機械的な駆動部を持たずに焦点距離を可変できるという特徴を有する。
【０００３】
従来の液晶レンズは、特許文献１に開示されるように、第１の電極を有する第１の基板と、第１の電極に対向する第２の電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に配される液晶層と、第１の電極と液晶層との間に配される高抵抗膜（層）とを主に備える。第１の電極は、円形の開口を有する第１の電極部と、この開口内に配される第２の電極部とを有する。高抵抗膜は、第１の電極部及び第２の電極部に重なるように、これらに積層されている（同文献の段落０００６、００２７及び図１等参照）。
【０００４】
この液晶レンズは、第１の電極に係る第１の電極部と第２の電極との間に第１の電圧（電圧Ｖ１）を印加するとともに、第１の電極に係る第２の電極部と第２の電極との間に第１の電圧とは独立した第２の電圧（電圧Ｖ２）を印加する（同文献の段落００２１参照）。液晶レンズは、第１の電圧と第２の電圧を制御するとともに、高抵抗膜によって好適な電界を生じさせる。これにより、液晶レンズは、液晶層内の液晶分子を規則的に励起させ、凸レンズ又は凹レンズとして機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９５６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の液晶レンズにおいて、液晶層内の位置によっては液晶分子が所期の励起状態とならない場合がある。例えば、液晶層において第１の電極寄りの領域に存在する液晶分子は、所期のチルト角とは逆方向に傾斜する傾向が強く、これによって液晶分子の配向が不連続となる状態を生じ得る。このような配向欠陥はディスクリネーションと呼ばれ、液晶レンズの機能を阻害する要因となる。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ディスクリネーションの発生を防止することが可能な液晶レンズ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】
本発明は上記の課題を解決するためのものであり、第１の電極を有する第１の基板と、前記第１の電極に対向する第２の電極を有する第２の基板と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配される液晶層と、前記第１の電極と前記液晶層との間に配される高抵抗膜と、を備える液晶レンズにおいて、前記第１の基板は、前記高抵抗膜と前記液晶層との間に設けられてなることを特徴とする。
【０００９】
第１の電極に電圧を印加することにより発生する電界は、この第１の電極に近い領域で急峻となる。電界が急峻となる領域では、液晶層内の液晶分子は、この電界の影響を受けて所期のチルト角とは逆向きに励起され、これによってディスクリネーションが発生しているものと考えられる。
【００１０】
本発明者は、高抵抗膜と液晶層との間に第１の基板を配置し、この第１の基板の内部に急峻な電界を生じさせることで、液晶層の液晶分子にその影響を与えないようにするという着想を得るに至った。これにより、液晶層におけるディスクリネーションの発生を確実に防止できる。
【００１１】
上記構成の液晶レンズにおいて、前記第１の基板の厚みは、１５μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。
【００１２】
上記構成の液晶レンズにおいて、前記第２の電極は、前記第２の基板における前記液晶層側とは反対の表面に形成されることが望ましい。かかる構成によれば、液晶層側の表面に第２の電極を形成する場合と比較して、液晶層の形状等による制約を受けず、第２の電極の形状や厚みを自由に設定できる。  
【００１３】
また、本発明は、上記構成の液晶レンズにより構成される第１の液晶レンズ及び第２の液晶レンズを備え、前記第１の液晶レンズの前記第２の基板と、前記第２の液晶レンズの前記第２の基板とを接合する接合層を有することが望ましい。
【００１４】
これによれば、第１の液晶レンズを、Ｐ偏光の入射光に対する光線偏光作用を有するように構成し、第２の液晶レンズを、Ｓ偏光の入射光に対する光線偏光作用を有するように構成することで、液晶レンズを無偏光タイプのものとして構成することが可能になる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように本発明によれば、液晶レンズにおけるディスクリネーションの発生を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図２】液晶レンズにおける第１の電極を示す平面図である。
【図３】液晶レンズの製造方法を示す断面図である。
【図４】第１の電極と第２の電極との間に作用する電気力線の態様を示す概念図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図４は、本発明に係る液晶レンズの第１実施形態を示す。
【００１８】
図１に示すように、液晶レンズ１は、第１の電極２を有する第１の基板３と、この第１の基板３に対向するともに第２の電極４を有する第２の基板５と、第１の基板３と第２の基板５との間に配される液晶層６と、第１の基板３と第２の基板５との間に配されるスペーサ７とを主に備える。
【００１９】
第１の基板３は、透明なガラス板により構成されるが、これに限定されるものではない。第１の基板３は、第１の電極２の他、高抵抗膜８と、第１の電極２と高抵抗膜８との間に形成される絶縁膜９と、第１の電極２を被覆する保護膜１０を備える。第１の電極２、高抵抗膜８及び絶縁膜９を除き、第１の基板３の厚みは、１５μｍ〜１００μｍが好ましく、１５μｍ〜７０μｍがより好ましく、１５μｍ〜５０μｍが最も好ましい。第１の基板３の厚みはこれに限定されず、第１の電極２に印加される電圧に応じて適宜設定され得る。
【００２０】
第１の電極２は、例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の透明導電性酸化物により構成されるが、これに限定されるものではない。また、第１の電極２は、第１電極部１１と、第２電極部１２とを備える。図２に示すように、第１電極部１１は、第２電極部１２の外側に配されるとともに、円形の開口１３を有する。第２電極部１２は、円形に構成されるとともに、開口１３の内側に設けられる。第１電極部１１及び第２電極部１２は、別個の独立した電源に接続されている。液晶レンズ１は、第１電極部１１と第２の電極４との間の電圧、及び第２電極部１２と第２の電極４との間の電圧を個別に印加して制御し、液晶層６の液晶分子を所定の励起状態とすることで、凹レンズ又は凸レンズとして機能するように構成される。
【００２１】
高抵抗膜８は、第１電極部１１の開口１３の中心部にまで軸対称の電界分布が好適に発生し得るようにするためのものである。高抵抗膜８は、酸化スズ、酸化亜鉛、アルミニウム亜鉛酸化物、インジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、ガリウム亜鉛酸化物、シリコン亜鉛酸化物、スズ亜鉛酸化物、ホウ素亜鉛酸化物、及びゲルマニウム亜鉛酸化物のうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。これに限らず、絶縁膜９が非酸化物で構成される場合には、この高抵抗膜８を例えばＩＧＺＯ（インジウムガリウム亜鉛酸化物）により構成してもよい。
【００２２】
また、高抵抗膜８の厚みは、２０ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましく、５０ｎｍ〜５００ｎｍがより好ましく、７０ｎｍ〜２００ｎｍが最も好ましい。高抵抗膜８のシート抵抗は、１００ｋΩ／ｓｑ〜１００ＧΩ／ｓｑが好ましく、５００ｋΩ／ｓｑ〜１０ＧΩ／ｓｑがより好ましく、１ＭΩ／ｓｑ〜１ＧΩ／ｓｑが最も好ましい。
【００２３】
絶縁膜９は、可視光で透明な膜であり、ＳｉＯ２等の酸化物により構成され、又は、ＡｌＮ、ＳｉＮ等の窒化物、ＭｇＦ２、ＣＦ２等のフッ化物、ＺｎＳ等の硫化物等の非酸化物により構成され得る。絶縁膜９は、第１電極部１１及び第２電極部１２の全てを被覆することで、第１の電極２と高抵抗膜８とを絶縁する。絶縁膜９の厚みは、１００ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましく、２００ｎｍ〜６００ｎｍがより好ましく、３００ｎｍ〜４００ｎｍが最も好ましい。
【００２４】
保護膜１０は、例えば絶縁膜９と同じ材料により構成され得るが、これに限定されない。保護膜１０は、第１の電極２（第１電極部１１及び第２電極部１２）の全体を被覆するように構成される。
【００２５】
第１の基板３は、液晶層６側の表面に配向膜１４を有する。配向膜１４は、例えばラビング処理で微小な溝部が形成されたポリイミド膜により構成され得るが、これに限定されるものではない。液晶層６に含まれる液晶分子は、配向膜１４の作用により、所定のプレチルト角で配向され得る。
【００２６】
第２の基板５は、第１の基板３と同様に透明なガラス板により構成されるが、これに限定されるものではない。第２の基板５の厚みは、１５μｍ〜１００μｍが好ましく、１５μｍ〜７０μｍがより好ましく、１５μｍ〜５０μｍが最も好ましい。
【００２７】
第２の電極４は、第２の基板５の一方の表面に形成される。第２の電極４は、本実施形態ではグラウンド電極として構成される。第２の電極４は、第１の電極２、すなわち、第１電極部１１及び第２電極部１２と対向することが可能な面積を有する円形又は矩形状に構成される。また、第２の電極４は、第１の電極２と同様に、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の透明導電性酸化物により構成されるが、これに限定されるものではない。
【００２８】
第２の基板５は、上記の第２の電極４の他、液晶層６に面するように設けられる配向膜１５を有する。第２の電極４が、液晶層６側の第２の基板５表面に形成されている場合、配向膜１５は、第２の電極４を覆うように、これに積層されている。配向膜１５は、例えばラビング処理されたポリイミド膜などにより構成され得るが、これに限定されない。
【００２９】
液晶層６は、第１の基板３、第２の基板５及びスペーサ７によって構成される空間にネマティック液晶を収容することにより構成される。液晶層６の厚みは、液晶レンズ１に必要とされる光学的パワーに応じて適宜設定され得る。
【００３０】
スペーサ７は、ガラス、金属、その他の材料により環状に構成される。スペーサ７の厚みは、液晶層６の厚みや液晶層６に要求される応答速度等に応じて適宜設定できる。スペーサ７の厚みは、例えば１０μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。スペーサ７は、例えば、陽極接合により、第１の基板３と第２の基板５とを一体に接合する。
【００３１】
以下、上記構成の液晶レンズ１を製造する方法について図３を参照しながら説明する。まず、図３（ａ）に示すように、第１の基板３、第２の基板５及びスペーサ７を接合することにより、液晶層６の収容空間を有するセルを形成する。第１の基板３の一方の表面には、予め配向膜１４が形成されている。同様に第２の基板５の一方の表面（内面）には、予め第２の電極４及び配向膜１５が形成されている。
【００３２】
第１の基板３の配向膜１４と第２の基板５の配向膜１５とを対向させるとともに、その間にスペーサ７を介在させ、陽極接合により第１の基板３と第２の基板５とを接合する。スペーサ７には陽極接合のための接合用膜１６ａ，１６ｂが形成されている。接合用膜１６ａ，１６ｂは、例えばアルミニウムにより構成されるが、これに限定されない。なお、スペーサ７として、アルミニウム等の金属を用いる場合、接合用膜１６ａ、１６ｂは形成しなくてもよい。
【００３３】
第１の基板３の他方の表面（外面）には、ダミー電極（図示せず）が設置される。ダミー電極によって第１の基板３及びスペーサ７を押圧しつつ、これらを加熱する。その後、スペーサ７と第１の基板３との間に介在する接合用膜１６ａを陽極とし、このダミー電極を陰極とし、電極間に所定の電圧を印加する。これにより、第１の基板３とスペーサ７とは、接合用膜１６ａを介して強固に接合される。
【００３４】
同様に、第２の基板５の他方の表面に、ダミー電極（図示せず）が設置される。ダミー電極によってスペーサ７と第２の基板５とを押圧しつつ、これらを加熱する。その後、接合用膜１６ｂを陽極とし、ダミー電極を陰極として、所定の電圧を印加し、これらを接合する。以上によりセルが完成し、第１の基板３、第２の基板５及びスペーサ７によって液晶層６の収容空間が形成される。この空間には、スペーサ７に形成される注入口（図示せず）からネマティック液晶が注入される。注入が終了すると、注入口は、封止剤等によって閉塞される。
【００３５】
なお、スペーサ７として、アルミニウム等の金属を用い、接合用膜１６ａ、１６ｂを設けない場合、スペーサ７を陽極とし、ダミー電極を陰極として、所定の電圧を印加することで、第１の基板３とスペーサ７、第２の基板５とスペーサ７とを強固に接合することができる。
【００３６】
次に、図３（ｂ）に示すように、第１の基板３の一方の表面（外面）には、高抵抗膜８が形成される。その後、図３（ｃ）に示すように、高抵抗膜８上に絶縁膜９が形成される。次に、図３（ｄ）に示すように、絶縁膜９上には、第１の電極２が形成され、さらに、この第１の電極２を被覆するように、保護膜１０が形成される。以上により、液晶レンズ１が完成する。
【００３７】
第１の電極２及び第２の電極４に電圧を印加することにより発生する電界は、第１の電極２に近い領域で急峻となる。電界が急峻となる領域では、液晶層６内の液晶分子は、この電界の影響を受けて所期のチルト角とは逆向きに励起され、これによってディスクリネーションが発生しているものと考えられる。
【００３８】
本発明者は、高抵抗膜８と液晶層６との間に第１の基板３を配置し、この第１の基板３の内部に急峻な電界を生じさせることで、液晶層６の液晶分子にその影響を与えないようにするという着想を得るに至った。これにより、液晶層６におけるディスクリネーションの発生を確実に防止できる。
【００３９】
以下、液晶レンズ１におけるディスクリネーションの発生とその防止に係る原理について、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は、従来の液晶レンズを示している。従来の液晶レンズは、第１の基板３における液晶層６側の表面に第１の電極２を有し、この第１の電極２と液晶層６との間に高抵抗膜８を有する。この場合において、第１の電極２及び第２の電極４に電圧が印加されると、液晶層６内に急峻な電界が発生する。図４（ａ）において、液晶層６内に作用する電気力線ＥＬを例示し、急峻な電界が生じる領域を符号Ａで示す。この領域Ａは、液晶層６内において、第２の電極４よりも第１の電極２寄りに位置する。この領域Ａにおいて、電気力線ＥＬは、第１の電極２に直交する方向（光軸方向）に対して大きく傾斜している。この領域Ａに存在する液晶分子は、急峻な電界の影響により、所期のチルト角とは逆方向に励起し易くなる。すなわち、従来の液晶レンズでは、この領域Ａにおいてディスクリネーションが発生する。
【００４０】
これに対し、本実施形態に係る液晶レンズ１は、図４（ｂ）に示すように、第１の基板３における液晶層６側とは反対の表面（外面）に高抵抗膜８を有し、さらにこの高抵抗膜８上に絶縁膜９を介して第１の電極２を有する。すなわち、液晶レンズ１は、高抵抗膜８と液晶層６との間に第１の基板３が配置されてなる。この場合において、第１の電極２に印加する電圧により発生する急峻な電界は、第１の基板３内の領域Ｂに生じており、液晶層６内には生じていない。このため、液晶層６内では、電気力線ＥＬが大きく傾斜することはない。これにより、液晶層６の液晶分子は、急峻な電界の影響を受けることなく、所定の励起状態となり、液晶レンズ１は、ディスクリネーションの発生を確実に防止できる。
【００４１】
また、本実施形態に係る液晶レンズ１は、第１の基板３、第２の基板５及びスペーサ７によるセルを形成した後に、第１の基板３に、高抵抗膜８、絶縁膜９、第１の電極２及び保護膜１０を形成することができる。これにより、陽極接合における加熱や電圧の印加による影響を考慮することなく、機能性膜の材質を選択でき、液晶レンズ１における設計・製造の自由度を向上させることができる。
【００４２】
図５は、液晶レンズの第２実施形態を示す。本実施形態に係る液晶レンズ１では、第２の電極４の位置が第１実施形態とは異なる。第１実施形態に係る第２の電極４は、第２の基板５の内面側、すなわち、液晶層６側に面する表面に形成されていたが、本実施形態にでは、第２の電極４は、第２の基板５の外面側、すなわち、液晶層６側に面する表面とは反対側の表面に形成されている。
【００４３】
本実施形態に係る液晶レンズを製造するには、まず、第２の基板５の一方の表面（内面）に配向膜１５を形成する。また、第１の基板３の一方の表面（内面）にも配向膜１４を形成する。その後、第１の基板３の配向膜１４と、第２の基板５の配向膜１５とを対向させ、第１実施形態と同様に、陽極接合により、第１の基板３、第２の基板５及びスペーサ７を接合する。
【００４４】
次に、第２の基板５の他方の表面（外面）に第２の電極４を形成する。図５に示すように、第２の電極４は、保護膜１７によって被覆されることが望ましい。また、第１実施形態と同様に、第１の基板３の他方の面（外面）に、高抵抗膜８、絶縁膜９、第１の電極２及び保護膜１０を形成する。
【００４５】
本実施形態に係る液晶レンズ１によれば、第１の基板３、第２の基板５及びスペーサ７を陽極接合した後に、第２の基板５に第２の電極４を形成することが可能になる。これにより、陽極接合における加熱や電圧の印加による影響を考慮することなく、第２の電極４の材質を選択できる。また、スペーサ７や液晶層６の寸法・形状等による制約を受けることなく、第２の電極４の寸法・形状等を設定することが可能になる。これにより、液晶レンズ１における設計・製造の自由度を大幅に向上させることができる。
【００４６】
図６は、液晶レンズの第３実施形態を示す。本実施形態に係る液晶レンズ１は、第１実施形態で例示した液晶レンズを２個接合することにより構成される。すなわち、液晶レンズ１は、２個の液晶レンズ１ａ，１ｂのうち、一方の液晶レンズ（以下「第１の液晶レンズ」という）１ａの第２の基板５と、他方の液晶レンズ（以下「第２の液晶レンズ」という）１ｂの第２の基板５とを接合層１８によって接合してなる。
【００４７】
接合層１８は、光学的接着剤（例えば紫外線硬化型樹脂接着剤）を硬化させることにより構成される。接合層１８は、第１の液晶レンズ１ａの配向方向と、第２の液晶レンズ１ｂの配向方向とが９０°ずれるようにして、両者を接合する。第１の液晶レンズ１ａを、Ｐ偏光の入射光に対する光線偏光作用を有するように構成し、第２の液晶レンズ１ｂを、Ｓ偏光の入射光に対する光線偏光作用を有するように構成することで、液晶レンズ１を無偏光タイプのものとして構成することが可能である。
【００４８】
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４９】
上記の実施形態では、第１の基板３、第２の基板５としてガラス基板を例示したが、これに限定されない。各基板３，５は、例えば透明樹脂基板により構成されてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１          液晶レンズ
１ａ        第１の液晶レンズ
１ｂ        第２の液晶レンズ
２          第１の電極
３          第１の基板
４          第２の電極
５          第２の基板
６          液晶層
７          スペーサ
８          高抵抗膜
９          絶縁膜
１０          保護膜
１１          第１電極部
１２          第２電極部
１３          開口
１４          配向膜
１５          配向膜
１６ａ        接合用膜
１６ｂ        接合用膜
１７          保護膜
１８          接合層
ＥＬ          電気力線
【図１】
2018022051.tif 000003
【図２】
2018022051.tif 000004
【図３】
2018022051.tif 000005
【図４】
2018022051.tif 000006
【図５】
2018022051.tif 000007
【図６】
2018022051.tif 000008