(57)【要約】【課題】明るく応答速度が速い焦点距離を変更可能な液晶レンズを提供する。【解決手段】湾曲した第１の透明基板１０１上には、第１の透明電極１０３が形成されている。同様に、湾曲した第２の透明基板１０２上には、第２の透明電極１０４が形成されている。これら第１の透明基板１０１と第２の透明基板１０２とは、絶縁性スペーサ１０５を挟んで重ねられている。第１の透明基板１０１と第２の透明基板１０２の間には、ブルー相液晶が封入され、液晶層１０６を形成している。本液晶レンズにおいて、第１の透明電極１０３及び第２の透明電極１０４に印加する電圧を制御し、液晶層１０６に形成する電場の強度を変化させることで、当該液晶レンズ１００の焦点距離ｆを変化させることができる。また、ブルー相液晶を用いているため、偏光を使用する必要がなく、偏光板を用いることがないので明るく、さらに応答速度が速いレンズを実現できる。【選択図】図１
2011118168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の透明基板と、
前記第１の透明基板上に形成された第１の透明電極と、
前記第１の透明電極が形成されている面の側において前記第１の透明基板と対峙する第２の透明基板と、
前記第２の透明基板上の前記第１の透明基板側の面に形成された第２の透明電極と、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とに挟持され、該透明電極間に電圧差がない場合には光学的に等方性、該透明電極間に電圧差がある場合には複屈折性を発現する液晶により形成される液晶層と、
前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に印加する電圧を制御し、前記液晶層に形成する電場を制御する電圧制御手段と、
を具備することを特徴とする液晶レンズ。
【請求項２】
前記液晶は、ブルー相液晶または高分子安定化ブルー相液晶であることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
【請求項３】
前記第１の透明基板の前記第１の透明電極が形成されている側の面は凹面であり、前記第１の透明基板の前記第１の透明電極が形成されている面と反対側の面は凸面であり、
前記第２の透明基板の前記第２の透明電極が形成されている側の面は凹面であり、前記第２の透明基板の前記第２の透明電極が形成されている面と反対側の面は凸面であり、
前記液晶層は凸レンズ形状である、
ことを特徴とする請求項２に記載の液晶レンズ。
【請求項４】
前記第１の透明基板の前記第１の透明電極が形成されている側の面は凸面であり、前記第１の透明基板の前記第１の透明電極が形成されている面と反対側の面は凹面であり、
前記第２の透明基板の前記第２の透明電極が形成されている側の面は凸面であり、前記第２の透明基板の前記第２の透明電極が形成されている面と反対側の面は凹面であり、
前記液晶層は凹レンズ形状である、
ことを特徴とする請求項２に記載の液晶レンズ。
【請求項５】
請求項３に記載の液晶レンズと請求項４に記載の液晶レンズとが重ね合わせて構成されており、
請求項３に記載の液晶レンズの光軸と請求項４に記載の液晶レンズの光軸とが一致している、
ことを特徴とする液晶レンズ。
【請求項６】
請求項５に記載の液晶レンズにおいて、
請求項３に記載の液晶レンズの、請求項４に記載の液晶レンズ側に位置している第２の透明基板と、
請求項４に記載の液晶レンズの、請求項３に記載の液晶レンズ側に位置している第１の透明基板と、
は１枚の透明基板によって兼ねられて構成されていることを特徴とする液晶レンズ。
【請求項７】
第１の透明基板と、
前記第１の透明基板上に形成された第１の透明電極と、
前記第１の透明電極上に配置され、前記第１の透明基板側に凹レンズ形状の窪みを有する第２の透明基板と、
前記第２の透明基板の前記凹レンズ形状の窪みを有する面と反対の面に形成された第２の透明電極と、
前記凹レンズ形状の窪みに封入されたブルー相液晶により形成される液晶層と、
前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、
を具備することを特徴とする液晶レンズ。
【請求項８】
前記ブルー相液晶は、高分子安定化ブルー相液晶であることを特徴とする請求項７に記載の液晶レンズ。
【請求項９】
前記液晶層中に、凸レンズ形状の透明部材を更に有することを特徴とする請求項２に記載の液晶レンズ。
【請求項１０】
第１の透明基板と、
前記第１の透明基板上に形成された第１の透明電極と、
前記第１の透明電極上に配置され、前記第１の透明基板側に角柱形状の窪みを有する第２の透明基板と、
前記第２の透明基板の前記角柱形状の窪みを有する面と反対の面に形成された第２の透明電極と、
前記角柱形状の窪みに封入されたブルー相液晶により形成される液晶層と、
前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、
を具備することを特徴とする液晶レンズ。
【請求項１１】
前記ブルー相液晶は、高分子安定化ブルー相液晶であることを特徴とする請求項９に記載の液晶レンズ。
【請求項１２】
前記液晶層中に、角柱形状の透明部材を更に有することを特徴とする請求項２に記載の液晶レンズ。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項９のうちいずれか１項に記載の液晶レンズと、
距離測定手段と、
前記距離測定手段の測定結果に基づいて前記液晶レンズの目標焦点距離を設定する目標焦点距離設定部と、
を更に具備し、
前記電圧制御手段は、前記目標焦点距離に基づいて、前記液晶層に形成する電場を制御する
ことを特徴とする液晶レンズ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の液晶レンズを眼鏡のレンズとして用いることを特徴とする焦点距離可変眼鏡。
【請求項１５】
使用者の視力情報を記録する使用者情報記録手段を更に具備し、
前記目標焦点距離設定部は、前記距離測定手段の測定結果に加えて前記使用者の視力情報に基づいて前記目標焦点距離を設定する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の焦点距離可変眼鏡。
【請求項１６】
光ディスクに照射するレーザー光を発生するレーザー光源と、
請求項１１に記載の液晶レンズと、
前記光ディスクの記録面からの反射光を受光する受光素子と、
を有する光ピックアップ装置であって、
前記目標焦点距離設定部は、前記液晶レンズの目標焦点距離を、該液晶レンズから前記光ディスクの記録面までの距離に設定し、
前記液晶レンズは、
前記レーザー光を前記光ディスクの記録面に集光させ、
前記光ディスクの記録面に集光したレーザー光の反射光を平行光にする、
ことを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項１２のうち何れか１項に記載の液晶レンズを有する光スイッチであって、
前記液晶レンズは、前記電圧制御手段が制御する前記液晶層に形成する電場の変化により、該液晶レンズに入射した光の射出光路を、少なくとも２つの射出光路のうち何れか１つに切り替えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項１２のうちいずれか１項に記載の液晶レンズを並べた構成を有する液晶レンズアレイ。
【請求項１９】
平面上に配置され、表示光を射出する複数の画素から成る、画像を表示する表示面と、
前記表示面に重ねられた、前記液晶層に形成する電場を制御することで光路を変化させる請求項１８に記載の液晶レンズアレイと、
を有する３次元表示装置であって、
２次元表示時においては、
前記表示面は、前記画素の全てを用いて２次元画像の表示をし、
前記液晶レンズアレイは、前記表示光を直進させ、
３次元表示時においては、
前記表示面は、
前記画素のうち一部を右目用画素とし、前記右目用画素以外の前記画素を左目用画素とし、
前記右目用画素には右目用画像を表示し、前記左目用画素には左目用画像を表示し、
前記液晶レンズアレイは、前記右目用画素から射出した表示光と前記左目用画素から射出した表示光との光路を異ならせる、
ことを特徴とする３次元表示装置。
【請求項２０】
表示面の裏側に光源を有し表示面から画像を表す表示光を射出する光透過型の表示素子と、
前記表示素子に重ねられ、前記液晶層に形成する電場を制御することで光路を変化させて前記表示光の指向性を変化させる請求項１８に記載の液晶レンズアレイと、
を具備することを特徴とする指向性制御表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶レンズ、特にブルー相液晶を用いた液晶レンズと、それを用いた焦点距離可変眼鏡、光ピックアップ装置、光スイッチ、液晶レンズアレイ、３次元表示装置、及び指向性制御表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
互いに対向する透明電極を形成した一対の透明基板で液晶分子を挟持した構成を有する液晶レンズが、例えば特許文献１に開示されている。この様な液晶レンズは、透明電極によって挟持されているネマティック液晶の層に、不均一な電場を形成することで、液晶分子の位置によって、その配向が徐々に変化することを利用し、当該液晶レンズに入射した光が結ぶ焦点までの距離を変化させることができる。
【０００３】
ところで、近年、ブルー相液晶と呼ばれている液晶が注目されている。このブルー相液晶は、無電場状態では光学的にみて等方性を有し、電場印加時に複屈折性を発現する。ブルー相液晶は、カイラルネマティック液晶の螺旋軸が３次元格子を形作っていると考えられており、そこに電場を形成することで、局所的な分子再配向、格子歪み、ネマティック相への相転移のいずれかが発生する。このため、電場を形成していない時に光学的等方性であったものが、電場を形成すると複屈折性を発現する。さらに、ブルー相液晶の配向変化の応答時間はおよそ１ミリ秒以下である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２８５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来の液晶レンズは、液晶分子による複屈折を利用しているため、レンズの効果を発揮できるのは異常光に対してのみである。そのため、従来の液晶レンズは、偏光板を設置する必要があり、偏光した入力光を用いなければ、レンズとして機能しない。従って、無偏光の入力光に対しては二分の一以下の光量しか有効に使用できない。また、従来のネマティック液晶層の配向変化の応答時間はおよそ数１０ミリ秒である。
【０００６】
そこで本発明は、焦点距離を変更可能で、明るく応答速度が速い液晶レンズを提供することを目的とする。更に、その液晶レンズを利用した、焦点距離可変眼鏡、光ピックアップ装置、光スイッチ、液晶レンズアレイ、３次元表示装置、及び指向性制御表示装置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】
【０００７】
前記目的を果たすため、本発明の液晶レンズの一態様は、第１の透明基板と、前記第１の透明基板上に形成された第１の透明電極と、前記第１の透明電極が形成されている面の側において前記第１の透明基板と対峙する第２の透明基板と、前記第２の透明基板上の前記第１の透明基板側の面に形成された第２の透明電極と、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とに挟持され、該透明電極間に電圧差がない場合には光学的に等方性、該透明電極間に電圧差がある場合には複屈折性を発現する液晶により形成される液晶層と、前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に印加する電圧を制御し、前記液晶層に形成する電場を制御する電圧制御手段と、を具備することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の液晶レンズを用いた焦点距離可変眼鏡の一態様は、前記液晶レンズと、距離測定手段と、前記距離測定手段の測定結果に基づいて前記液晶レンズの目標焦点距離を設定する目標焦点距離設定部と、を更に具備し、前記電圧制御手段は、前記目標焦点距離に基づいて、前記液晶層に形成する電場を制御する液晶レンズを眼鏡のレンズとして用いることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の液晶レンズを用いた光ピックアップ装置の一態様は、光ディスクに照射するレーザー光を発生するレーザー光源と、前記液晶レンズと、前記光ディスクの記録面からの反射光を受光する受光素子と、を有する光ピックアップ装置であって、前記目標焦点距離設定部は、前記液晶レンズの目標焦点距離を、該液晶レンズから前記光ディスクの記録面までの距離に設定し、前記液晶レンズは、前記レーザー光を前記光ディスクの記録面に集光させ、前記光ディスクの記録面に集光したレーザー光の反射光を平行光にする、ことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の液晶レンズを用いた光スイッチの一態様は、前記液晶レンズを有する光スイッチであって、前記液晶レンズは、前記電圧制御手段が制御する前記液晶層に形成する電場の変化により、該液晶レンズに入射した光の射出光路を、少なくとも２つの射出光路のうち何れか１つに切り替えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の液晶レンズを用いた液晶レンズアレイの一態様は、前記液晶レンズを並べた構成を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の液晶レンズを用いた３次元表示装置の一態様は、平面上に配置され、表示光を射出する複数の画素から成る、画像を表示する表示面と、前記表示面に重ねられた、前記液晶層に形成する電場を制御することで光路を変化させる前記液晶レンズアレイと、を有する３次元表示装置であって、２次元表示時においては、前記表示面は、前記画素の全てを用いて２次元画像の表示をし、前記液晶レンズアレイは、前記表示光を直進させ、３次元表示時においては、前記表示面は、前記画素のうち一部を右目用画素とし、前記右目用画素以外の前記画素を左目用画素とし、前記右目用画素には右目用画像を表示し、前記左目用画素には左目用画像を表示し、前記液晶レンズアレイは、前記右目用画素から射出した表示光と前記左目用画素から射出した表示光との光路を異ならせる、ことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の液晶レンズを用いた指向性制御表示装置の一態様は、表示面の裏側に光源を有し表示面から画像を表す表示光を射出する光透過型の表示素子と、前記表示素子に重ねられ、前記液晶層に形成する電場を制御することで光路を変化させて前記表示光の指向性を変化させる前記液晶レンズアレイと、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、液晶レンズにブルー相液晶を用いることで、焦点距離を変更可能で、明るく応答速度が速い液晶レンズを提供できる。更に、その液晶レンズを用いた焦点距離可変眼鏡、光ピックアップ装置、光スイッチ、液晶レンズアレイ、３次元表示装置、及び指向性制御表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の各実施形態に係る液晶レンズの構成の一例を示す図。
【図２】本発明の各実施形態に係る液晶レンズの焦点距離の変化を説明する図。
【図３】本発明の各実施形態に係る液晶レンズの構成の別の一例を示す図。
【図４】本発明の各実施形態に係る液晶レンズの焦点距離の変化を説明する図。
【図５】本発明の各実施形態に係る液晶レンズの構成の別の一例を示す図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る、液晶レンズを用いた焦点距離可変眼鏡の構成の一例を示す図。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る、液晶レンズを用いた焦点距離可変眼鏡の制御系の構成の一例を示すブロック図。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る、液晶レンズを用いた光ピックアップ装置の構成の一例を示す図。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る、液晶レンズを用いた光スイッチの構成の一例を示す図。
【図１０】本発明の第７の実施形態に係る、液晶レンズアレイの構成の一例を示す図。
【図１１】本発明の第８の実施形態に係る、液晶レンズアレイを用いた３次元表示装置の構成の一例を示す図。
【図１２】本発明の第９の実施形態に係る、液晶レンズアレイを用いた指向性制御液晶ディスプレイの構成の一例と、液晶レンズアレイによる光の指向性の概略を示す図。
【図１３】本発明の第９の実施形態に係る、液晶レンズアレイを用いた指向性制御液晶ディスプレイの構成の一例と、液晶レンズアレイによる光の指向性の概略を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。初めに、本実施形態に係る液晶レンズ１００の構造を図１に示す。この図に示す通り、当該液晶レンズ１００は、第１の透明基板１０１と、第２の透明基板１０２と、第１の透明電極１０３と、第２の透明電極１０４と、絶縁性スペーサ１０５と、液晶層１０６とを有する。
【００１７】
湾曲した例えばガラス基板等の透明基板である第１の透明基板１０１上には、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜等の透明導電膜から成る第１の透明電極１０３が形成されている。同様に、湾曲したガラス基板等の第２の透明基板１０２上には、ＩＴＯ膜等の第２の透明電極１０４が形成されている。これら第１の透明基板１０１と第２の透明基板１０２とは、第１の透明電極１０３が形成された面と第２の透明電極１０４が形成された面とが対向する様に、絶縁性スペーサ１０５を挟んで重ねられている。第１の透明基板１０１と第２の透明基板１０２と絶縁性スペーサ１０５とによって凸レンズ型の中空が形成され、また、第１の透明基板１０１と第２の透明基板１０２と絶縁性スペーサ１０５とによって形成される容器の外形も凸レンズ型の形状をしている。前記凸レンズ型の中空には、液晶が封入され、液晶層１０６を形成している。
【００１８】
本液晶レンズの液晶層１０６を形成する液晶には、ブルー相液晶と呼ばれている液晶を用いる。ブルー相液晶はカイラルネマティック液晶の螺旋軸が３次元格子を形作っていると考えられている。ブルー相液晶は、電場が形成されていない場合には光学的に等方である。一方、電場が形成されていると、局所的な分子再配向、格子歪み、ネマティック相への相転移のいずれかが発生することによって、複屈折を発現する。典型的なブルー相の温度範囲は非常に狭い。一方近年、液晶中に光重合高分子を数％〜数十％混入させ、ブルー相の温度範囲でその高分子を光重合させることで、熱的に安定なブルー相を形成する技術が開発されている。この様な高分子安定化ブルー相液晶と呼ばれる液晶のブルー相の温度範囲は典型的なブルー相の温度範囲に比べて広くなる。また、ブルー相液晶は、ネマティック液晶に比べて、その液晶分子の配向を変化させる応答速度が速いことも特徴である。液晶層１０６を形成する液晶には、典型的なブルー相液晶を用いても良く、また高分子安定化ブルー相液晶を用いることもできる。
【００１９】
第１の透明電極１０３及び第２の透明電極１０４は、印加電圧制御部１２１と電気的に接続されている。また、印加電圧制御部１２１は電源部１２２に接続している。電源部１２２は、印加電圧制御部１２１に電源を供給する。印加電圧制御部１２１は、第１の透明電極１０３及び第２の透明電極１０４に印加する電圧を制御し、液晶層１０６中に形成される電場を制御する。
【００２０】
この様に、例えば第１の透明基板１０１は第１の透明基板として機能し、例えば第１の透明電極１０３は前記第１の透明基板上に形成された第１の透明電極として機能し、例えば第２の透明基板１０２は第１の透明基板と対峙する第２の透明基板として機能し、例えば第２の透明電極１０４は第２の透明基板上の第１の透明基板側の面に形成された第２の透明電極として機能し、例えば液晶層１０６はブルー相液晶により形成される液晶層として機能し、例えば印加電圧制御部１２１は第１の透明電極及び第２の透明電極に印加する電圧を制御する電圧制御手段として機能する。
【００２１】
次に、本液晶レンズの動作について説明する。図２（ａ）に、液晶層１０６に電場を形成していない場合の当該液晶レンズ１００に入射する光の進路の概略を示す。液晶層１０６に電場を形成していない場合、液晶層１０６は光学的に等方であるため、入射光は、第１の透明基板１０１及び第２の透明基板１０２の形状に依存した屈折を示す。これに対して、液晶層１０６に電場を形成した場合の当該液晶レンズに入射する光の進路の概略を図２（ｂ）に示す。
【００２２】
図２（ａ）に示す電場を形成していない場合の液晶層１０６の光軸方向の屈折率をＮｏｆｆとし、図２（ｂ）に示す電場を形成している場合の液晶層１０６の光軸方向の屈折率をＮｏｎとすると、一般にＮｏｆｆ＞Ｎｏｎである。ここで、屈折率Ｎｏｎは液晶層１０６に形成された電場の強度によって変化するものである。
【００２３】
レンズの屈折力をあらわす量として、焦点距離ｆの逆数であるディオプターＤを用いる。第１の透明基板１０１及び第２の透明基板１０２の内側の曲率半径をＲとすると、液晶層１０６に電場を形成していない場合のディオプターＤｏｆｆは、下記式（１）で表される。
【数１】
2011118168.tif 000003
【００２４】
ここで、ｆｏｆｆは、液晶層１０６に電場を形成していない場合の焦点距離ｆである。
【００２５】
同様に、液晶層１０６に電場を形成している場合のディオプターＤｏｎは、下記式（２）で表される。
【数２】
2011118168.tif 000004
【００２６】
ここで、ｆｏｎは、液晶層１０６に電場を形成している場合の焦点距離ｆである。従って、焦点距離ｆは、屈折率がＮｏｆｆ＞Ｎｏｎの場合、ｆｏｆｆ＜ｆｏｎとなる。
【００２７】
液晶層１０６に電場を形成している場合といない場合のディオプターＤの差であるΔＤは、下記式（３）で表される。
【数３】
2011118168.tif 000005
【００２８】
ここで、ΔＮ＝Ｎｏｎ−Ｎｏｆｆである。
【００２９】
以上の通り、印加電圧制御部１２１によって、第１の透明電極１０３及び第２の透明電極１０４に印加する電圧を制御し、液晶層１０６に形成する電場の強度を変化させることで、当該液晶レンズ１００の焦点距離ｆを変化させることができる。
【００３０】
尚、図２を参照した説明では、第１の透明基板１０１と第２の透明基板１０２と絶縁性スペーサ１０５とによって形成される容器を凸レンズ型の形状とした場合の説明を行ったが、凹レンズ型の形状とした場合も同様の効果が得られる。但し、凹レンズ型の場合はディオプターＤの値は負の数で定義されることになる。
【００３１】
本実施形態に依れば、液晶レンズ１００は、第１の透明電極１０３及び第２の透明電極１０４に印加する電圧を制御することで、焦点距離を変えることができる。更に、本実施形態に係る液晶レンズ１００の液晶層１０６を形成する液晶にブルー相液晶を用いているため、偏光を使用する必要がない。従って偏光板を用いることがないので明るいレンズを実現できる。また、光源があらかじめ偏光している場合であっても、その偏光面の向きに関わらず当該液晶レンズ１００はレンズの効果を発揮する。また、ブルー相液晶を用いた当該液晶レンズ１００はネマティック液晶を用いた液晶レンズに比べて応答速度が速いことも特徴である。
【００３２】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。ここで本実施形態の説明では、第１の実施形態との相違点について説明し、第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。本実施形態に係る液晶レンズ２００は、第１の実施形態に係る凸型の液晶レンズと凹型の液晶レンズとを組み合わせたものである。
【００３３】
図３に示す通り、当該液晶レンズ２００は、湾曲した例えばガラス基板等の透明基板である第１の透明基板２０１と、第２の透明基板２０２と、第３の透明基板２０３とを有する。第１の透明基板２０１の凹面側には、例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から成る第１の透明電極２０４が形成されている。また、第３の透明基板２０３の凸面側には、同様に、例えばＩＴＯ膜等の第４の透明電極２０７が形成されている。また、第２の透明基板２０２の凹面側には、例えばＩＴＯ膜等の第２の透明電極２０５が形成されており、第２の透明基板２０２の凸面側には、例えばＩＴＯ膜等の第３の透明電極２０６が形成されている。
【００３４】
そして、第１の透明電極２０４及び第２の透明電極２０５が対向する様に、第１の透明基板２０１及び第２の透明基板２０２は、第１の絶縁性スペーサ２０８を挟んで貼り合わされている。また、第３の透明電極２０６及び第４の透明電極２０７が対向する様に、第２の透明基板２０２及び第３の透明基板２０３は、第２の絶縁性スペーサ２０９を挟んで貼り合わされている。
【００３５】
第１の透明基板２０１と第２の透明基板２０２との間に形成された空間には、ブルー相液晶が封入され第１の液晶層２１０を形成している。また、第２の透明基板２０２と第３の透明基板２０３との間に形成された空間には、ブルー相液晶が封入され第２の液晶層２１１を形成している。
【００３６】
ここで、第１の透明基板２０１、第２の透明基板２０２、及び第３の透明基板２０３の曲率半径は、全てＲとする。このため、前記の様に構成した液晶レンズ２００は、第１の液晶層２１０及び第２の液晶層２１１に共に電場を形成していない場合、光学的に等方である。
【００３７】
第１の透明電極２０４、第２の透明電極２０５、第３の透明電極２０６、及び第４の透明電極２０７は、それぞれ印加電圧制御部１２１に電気的に接続されている。また、印加電圧制御部１２１は電源部１２２に接続している。電源部１２２は、印加電圧制御部１２１に電源を供給する。印加電圧制御部１２１は、第１の透明電極２０４、第２の透明電極２０５、第３の透明電極２０６、及び第４の透明電極２０７に印加する電圧を制御し、第１の液晶層２１０及び第２の液晶層２１１中に形成される電場を制御する。
【００３８】
この様に、例えば第２の透明基板２０２は、液晶レンズを２枚重ね合わされて構成される液晶レンズにおいて、該２枚の液晶レンズの接する２枚の透明基板と置き換えた１枚の透明基板として機能する。
【００３９】
次に本実施形態に係る液晶レンズ２００の動作を説明する。図４に、液晶レンズ２００の各液晶層に電場を形成した或いは形成しない場合の、当該液晶レンズ２００に入射する光の進路の概略を示す。図４（ａ）は第１の液晶層２１０に電場を形成せず、第２の液晶層２１１に電場を形成した場合の、入射光の光路を表す。図４（ｂ）は第１の液晶層２１０及び第２の液晶層２１１に共に電場を形成しない場合の、入射光の光路を示す。図４（ｃ）は第１の液晶層２１０に電場を形成し、第２の液晶層２１１に電場を形成しない場合の、入射光の光路を表す。
【００４０】
図４（ｂ）に示す場合の、合成されたディオプターＤｏｆｆ，ｏｆｆは、第１の液晶層２１０及び第２の液晶層２１１は、共に複屈折性を有しないため、当該液晶レンズ２００の形状のため、Ｄｏｆｆ，ｏｆｆ＝０となる。
【００４１】
一方、図４（ａ）に示す場合のディオプターＤｏｆｆ，ｏｎは、下記式（４）となり、液晶レンズ２００は凸レンズとして機能する。
【数４】
2011118168.tif 000006
【００４２】
同様に、図４（ｃ）に示す場合のディオプターＤｏｎ，ｏｆｆは、下記式（５）となり、液晶レンズ２００は凹レンズとして機能する。
【数５】
2011118168.tif 000007
【００４３】
即ち、当該液晶レンズ２００は、ディオプターＤが±２ΔＮ／Ｒの範囲で、連続的に焦点距離が変更可能である。本実施形態の説明では、第１の透明基板２０１、第２の透明基板２０２、及び第３の透明基板２０３の曲面の曲率半径がすべてＲで等しいと仮定したため、合成されたディオプターＤは０を中心に制御範囲が決定されたが、第１の透明基板２０１、第２の透明基板２０２、及び第３の透明基板２０３の曲面の曲率半径を適切に設計することにより、制御中心値をずらして設定することもできる。
【００４４】
本実施形態に依れば、当該液晶レンズ２００は第１の実施形態の液晶レンズ１００と比較して、焦点距離をより広い範囲に変化させることができる。更に、第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る液晶レンズ２００にはブルー相液晶を用いているため、偏光を使用する必要がない。従って偏光板を用いることがないので明るいレンズを実現できる。また、光源があらかじめ偏光している場合であっても、その偏光面の向きに関わらず当該液晶レンズ２００はレンズの効果を発揮する。また、ブルー相液晶を用いた当該液晶レンズ２００はネマティック液晶を用いた液晶レンズに比べて応答速度が速いことも特徴である。
【００４５】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。ここで本実施形態の説明では、第１の実施形態との相違点について説明し、第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００４６】
本実施形態に係る液晶レンズ３１０は、図５（ａ）に示す様な構成を有する。即ち、例えばガラス基板等の絶縁性の第１の透明基板３１１上には、例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から成る第１の透明電極３１２が形成されている。また、例えばガラス基板等の絶縁性の第２の透明基板３１３には、一方の面に凹レンズ状の曲面を有する窪みを設け、他方の面上には例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から成る第２の透明電極３１４が形成されている。
【００４７】
第１の透明基板３１１の第１の透明電極３１２が形成されている面と、第２の透明基板３１３の窪みが設けられている面とが貼り合わされており、第２の透明基板３１３の窪みにより形成されている空間には、ブルー相液晶が封入され、凸レンズ形状の液晶層３１５が形成されている。また、第１の透明電極３１２と、第２の透明電極３１４とには、それぞれ、図示を省略している印加電圧制御部１２１と同様の印加電圧制御部が接続されている。
【００４８】
この様に、例えば第１の透明基板３１１は第１の透明基板として機能し、例えば第１の透明電極３１２は第１の透明基板上に形成された第１の透明電極として機能し、例えば第２の透明基板３１３は第１の透明基板側に凹レンズ形状の窪みを有する第２の透明基板として機能し、例えば第２の透明電極３１４は第２の透明基板の前記凹レンズ形状の窪み有する面と反対の面に形成された第２の透明電極として機能し、例えば液晶層３１５は凹レンズ形状の窪みに封入されたブルー相液晶により形成される液晶層として機能し、例えば印加電圧制御部１２１と同様の印加電圧制御部は第１の透明電極及び第２の透明電極に印加する電圧を制御する電圧制御手段として機能する。
【００４９】
本実施形態に係る液晶レンズ３２０は、図５（ｂ）に示す様な構成を有する。即ち、例えばガラス基板等の絶縁性の第１の透明基板３２１上には、例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から成る第１の透明電極３２２が形成されている。そして、第１の透明電極３２２の上には、例えばガラス等、透明な構造物から成る凸レンズ状構造物３２３が貼り合わされている。また、例えばガラス基板等の絶縁性の第２の透明基板３２４上には、例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から成る第２の透明電極３２５が形成されている。
【００５０】
第１の透明基板３２１と第２の透明基板３２４とは、第１の透明電極３２２と第２の透明電極３２５とを対向させ、図示しない絶縁性スペーサによって一定間隔を維持するように貼り合わされている。そして、形成された間隙には、ブルー相液晶が封入され、凹レンズ形状の液晶層３２６が形成されている。また、第１の透明電極３２２と、第２の透明電極３２５とには、それぞれ、図示を省略している印加電圧制御部１２１と同様の印加電圧制御部が接続されている。
【００５１】
この様に、例えば凸レンズ状構造物３２３は液晶層中に存在する凸レンズ形状の透明部材として機能する。
【００５２】
本実施形態に係る液晶レンズ３３０は、図５（ｃ）に示す様な構成を有する。即ち、例えばガラス基板等の絶縁性の第１の透明基板３３１上には、例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から成る第１の透明電極３３２が形成されている。また、例えばガラス基板等の絶縁性の第２の透明基板３３３には、一方の面にプリズム形状を有する窪みを設け、他方の面上には例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から成る第２の透明電極３３４が形成されている。
【００５３】
第１の透明基板３３１の第１の透明電極３３２が形成されている面と、第２の透明基板３３３の窪みが設けられている面とが貼り合わされており、第２の透明基板３３３の窪みにより形成されている空間には、ブルー相液晶が封入され、プリズム形状の液晶層３３５が形成されている。また、第１の透明電極３３２と、第２の透明電極３３４とには、それぞれ、図示を省略している印加電圧制御部１２１と同様の印加電圧制御部が接続されている。
【００５４】
この様に、例えば第１の透明基板３３１は第１の透明基板として機能し、例えば第１の透明電極３３２は第１の透明基板上に形成された第１の透明電極として機能し、例えば第２の透明基板３３３は第１の透明基板側にプリズム形状の窪みを有する第２の透明基板として機能し、例えば第２の透明電極３３４は第２の透明基板の前記プリズム形状の窪み有する面と反対の面に形成された第２の透明電極として機能し、例えば液晶層３３５はプリズム形状の窪みに封入されたブルー相液晶により形成される液晶層として機能し、例えば印加電圧制御部１２１と同様の印加電圧制御部は第１の透明電極及び第２の透明電極に印加する電圧を制御する電圧制御手段として機能する。
【００５５】
本実施形態に係る液晶レンズ３４０は、図５（ｄ）に示す様な構成を有する。即ち、例えばガラス基板等の絶縁性の第１の透明基板３４１上には、例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から成る第１の透明電極３４２が形成されている。そして、第１の透明電極３４２の上には、例えばガラス等、透明な構造物から成るプリズム状構造物３４３が貼り合わされている。また、例えばガラス基板等の絶縁性の第２の透明基板３４４上には、例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から成る第２の透明電極３４５が形成されている。
【００５６】
第１の透明基板３４１と第２の透明基板３４４とは、第１の透明電極３４２と第２の透明電極３４５とを対向させ、図示しない絶縁性スペーサによって一定間隔を維持するように貼り合わされている。そして、形成された間隙には、ブルー相液晶が封入され、液晶層３４６が形成されている。また、第１の透明電極３４２と、第２の透明電極３４５とには、それぞれ、図示を省略している印加電圧制御部１２１と同様の印加電圧制御部が接続されている。
【００５７】
この様に、例えばプリズム状構造物３４３は前記液晶層中のプリズム形状の透明部材として機能する。
【００５８】
次に本実施形態に係る液晶レンズ３１０の動作を説明する。当該液晶レンズ３１０のレンズ効果は、第２の透明基板３１３の屈折率Ｎｇと、液晶層３１５に電場を形成しているときの液晶層３１５の屈折率Ｎｏｎと、液晶層３１５に電場を形成していないときの液晶層３１５の屈折率Ｎｏｆｆとの、大きさの関係で決定される。Ｎｇ＜Ｎｏｎ＜Ｎｏｆｆの場合、液晶レンズ３１０は凸レンズとして機能する。また、Ｎｏｎ＜Ｎｏｆｆ＜Ｎｇの場合、液晶レンズ３１０は凹レンズとして機能する。また、Ｎｏｎ＜Ｎｇ＜Ｎｏｆｆの場合、液晶レンズ３１０は凹凸両用レンズとして機能する。何れの場合においても、液晶レンズ３１０は、第１の透明電極３１２及び第２の透明電極３１４に印加する電圧によって、焦点距離を変化させることができる。
【００５９】
次に本実施形態に係る液晶レンズ３２０の動作を説明する。当該液晶レンズ３２０のレンズ効果も、凸レンズ状構造物３２３の屈折率Ｎｇと、液晶層３２６に電場を形成しているときの液晶層３２６の屈折率Ｎｏｎと、液晶層３２６に電場を形成していないときの液晶層３２６の屈折率Ｎｏｆｆとの、大きさの関係で決定される。Ｎｏｎ＜Ｎｏｆｆ＜Ｎｇの場合、液晶レンズ３２０は凸レンズとして機能する。また、Ｎｇ＜Ｎｏｎ＜Ｎｏｆｆの場合、液晶レンズ３２０は凹レンズとして機能する。また、Ｎｏｎ＜Ｎｇ＜Ｎｏｆｆの場合、液晶レンズ３２０は凹凸両用レンズとして機能する。何れの場合も、液晶レンズ３２０は、第１の透明電極３２２及び第２の透明電極３２５に印加する電圧によって、焦点距離を変化させることができる。
【００６０】
液晶レンズ３３０及び液晶レンズ３４０の動作も、それぞれ液晶レンズ３１０及び液晶レンズ３２０と同様であり、第１の透明電極３３２及び第２の透明電極３３４、或いは第１の透明電極３４２及び第２の透明電極３４５に印加する電圧によって、液晶層３３５或いは液晶層３４６の屈折率を変化させることができる。従ってこれら屈折率の変化を制御することによって、光の出射方向を制御することができる。
【００６１】
本実施形態に依れば、液晶レンズ３１０及び液晶レンズ３２０は、第１の実施形態の液晶レンズ１００や第２の実施形態の液晶レンズ２００と同様に、焦点距離を変化させる可変焦点距離レンズとして機能する。また、液晶レンズ３３０及び液晶レンズ３４０は、光の出射方向を変化させる光学素子として機能する。その他、第１の実施形態と同様に、ブルー相液晶を用いているため、偏光を使用する必要がない。従って偏光板を用いることがないので明るいレンズを実現できる。また、光源があらかじめ偏光している場合であっても、その偏光面の向きに関わらず当該液晶レンズはレンズの効果を発揮する。また、ブルー相液晶を用いた当該液晶レンズはネマティック液晶を用いた液晶レンズに比べて応答速度が速いことも特徴である。
【００６２】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、液晶レンズ１００、液晶レンズ２００、液晶レンズ３１０、或いは液晶レンズ３２０を用いた焦点距離可変眼鏡４００である。
【００６３】
本実施形態に係る焦点距離可変眼鏡４００は、図６及び図７に示す様に、液晶レンズ４０１と、測距センサ４０２とを有する。また、制御部４０３と、電源部４０４、使用者情報記録部４０５とを含む本体部４０６を有する。制御部４０３は、測距センサ制御部４０７と、印加電圧制御部４０８とを含む。液晶レンズ４０１は、第１の実施形態の液晶レンズ１００、第２の実施形態の液晶レンズ２００、第３の実施形態の液晶レンズ３１０、或いは第３の実施形態の液晶レンズ３２０であり、印加電圧制御部４０８は、第１の実施形態等における印加電圧制御部１２１と同じである。従って、これらの説明は省略する。
【００６４】
測距センサ４０２は、例えば公知の赤外線照射型の測距センサ等である。測距センサ制御部４０７は、測距センサ４０２の動作の制御、距離測定の演算等を行う。制御部４０３は、測距センサ制御部４０７が算出した測定結果に基づいて、液晶レンズ４０１の目標焦点距離を決定し、それを印加電圧制御部４０８に送る。印加電圧制御部４０８は、制御部４０３から入力された液晶レンズ４０１の目標焦点距離に基づいて、液晶レンズ４０１の焦点距離を設定する。使用者情報記録部４０５は、当該焦点距離可変眼鏡の使用者の視力に関する情報を記録している。
【００６５】
この様に、例えば測距センサ４０２及び測距センサ制御部４０７は距離測定手段として機能し、例えば制御部４０３は距離測定手段の測定結果に基づいて目標焦点距離を設定する目標焦点距離設定部として機能し、例えば使用者情報記録部４０５は使用者の視力情報を記録する使用者情報記録手段として機能する。
【００６６】
次に本実施形態に係る焦点距離可変眼鏡の動作について説明する。測距センサ４０２は、測距センサ制御部４０７の制御の下、例えば赤外線照射型の測距センサであれば、赤外線を照射し、反射光を受光し、受光信号を測距センサ制御部４０７に出力する。測距センサ制御部４０７は、測距センサ４０２から入力された受光信号に基づき、対象物、即ち例えば赤外線を反射した物体と、当該測距センサ４０２との距離を算出する。測距センサ制御部４０７は、算出した対象物と当該測距センサ４０２との距離を、制御部４０３に出力する。
【００６７】
制御部４０３は、測距センサ制御部４０７から入力された対象物と当該測距センサ４０２との距離に基づいて、液晶レンズ４０１の焦点距離の目標値である目標焦点距離を決定する。この際、予め使用者情報記録部４０５に記録しておいた、当該焦点距離可変眼鏡の使用者の視力に関する情報を参照する。この使用者の視力に関する情報には、例えば、使用者の視力を矯正するために最適な、液晶レンズ４０１の焦点距離を、使用者から観察対象物までの距離に応じて記録しておく。その結果、制御部４０３は、例えば、近視と老眼の症状を呈している使用者について、使用者から観察対象物までの距離が予め設定した距離よりも長い場合、当該使用者の近視を矯正するのに最適な液晶レンズ４０１の焦点距離を目標焦点距離とし、使用者から観察対象物までの距離が予め設定した距離よりも短い場合、当該使用者の老眼を矯正するのに最適な液晶レンズ４０１の焦点距離を目標焦点距離とする。
【００６８】
ここでは、使用者から観察対象物までの距離が予め設定した距離よりも長い場合と短い場合の２つの設定値を選択する例を説明したが、３つ以上の設定値を選択するようにしても良い。また、測距センサ制御部４０７から入力された対象物と当該測距センサ４０２との距離が次々と変化する場合、それに応じて液晶レンズ４０１の焦点距離を次々と変化させると使用者に不快感を与えることから、短時間の変化では液晶レンズ４０１の焦点距離を変化させない様にしても良い。また、例えば図示しない設定切り替えボタンを使用者が押した時のみ、制御部４０３が前記の通り、液晶レンズ４０１の目標焦点距離を設定するようにしても良い。
【００６９】
制御部４０３が、液晶レンズ４０１の目標焦点距離を決定したら、制御部４０３はそれを印加電圧制御部４０８に出力する。印加電圧制御部４０８は、制御部４０３から入力された目標焦点距離に基づいて液晶レンズ４０１の各透明電極に印加する電圧を決定し制御する。その結果、液晶レンズ４０１の焦点距離は、測距センサ４０２によって検出した使用者から観察対象物までの距離に応じて、制御部４０３が決定した目標焦点距離と成る。
【００７０】
本実施形態に係る焦点距離可変眼鏡４００に依れば、測距センサ４０２によって使用者から観察対象物までの距離を測定し、その情報に基づいて液晶レンズ４０１の焦点距離を自動調整することができる。また、当該焦点距離可変眼鏡４００を用いれば、使用者情報記録部４０５に記録しておく使用者情報を書き換えれば、使用者の視力が変化しても、眼鏡を交換することなく、その時に応じた焦点距離を有する眼鏡を提供できる。更に、従来の遠近両用眼鏡では、レンズの一部を近視矯正用に用い、その他の部分を老眼矯正用に用いるべく、焦点距離の異なるレンズを１枚のレンズにて実現している。このため、従来の遠近両用眼鏡の使用に際しては、視野範囲に制限がある。これに対して、本実施形態に係る焦点距離可変眼鏡４００は、レンズ全面の焦点距離を変えることで、複数の焦点距離を実現することができるため、広い視野を実現できる。
【００７１】
［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態に係る、液晶レンズ１００、液晶レンズ２００、液晶レンズ３１０、或いは液晶レンズ３２０を用いた光ピックアップ装置について図面を参照して説明する。図８は、液晶レンズ１００、液晶レンズ２００、液晶レンズ３１０、或いは液晶レンズ３２０を用いた当該光ピックアップ装置５００の概略を示す。本光ピックアップ装置５００は、光学式記録媒体である光ディスク５１０の、記録面５１１に記録された情報を読み取る装置である。本光ピックアップ装置５００は、公知の微小変位計測器である変位センサ５２１と、例えば半導体レーザーであるレーザー光源５２２と、ビームスプリッター５２３と、公知の光センサ５２４と、制御部５２５とを有する。また、光ピックアップ装置５００は、液晶レンズ５４１と、印加電圧制御部５４２とを有する。
【００７２】
制御部５２５は、当該光ピックアップ装置５００の各部を制御する。液晶レンズ５４１は、第１の実施形態の液晶レンズ１００、第２の実施形態の液晶レンズ２００、第３の実施形態の液晶レンズ３１０、或いは第３の実施形態の液晶レンズ３２０であり、印加電圧制御部５４２は、第１の実施形態等における印加電圧制御部１２１と同じである。従って、これらの説明は省略する。
【００７３】
この様に、例えば変位センサ５２１は距離測定手段として機能し、例えば制御部５２５は距離測定手段の測定結果に基づいて目標焦点距離を設定する目標焦点距離設定部として機能し、例えばレーザー光源５２２は光ディスクに照射するレーザー光を発生するレーザー光源として機能し、例えば液晶レンズ５４１は光ディスクの記録面に前記レーザー光源から発生したレーザー光を集光させ、前記光ディスクの記録面に集光したレーザー光の反射光を平行光にする液晶レンズとして機能し、例えば光センサ５２４は光ディスクの記録面からの反射光を受光する受光素子として機能する。
【００７４】
次に本実施形態に係る光ピックアップ装置５００の動作を説明する。光ディスク５１０は高速で回転しており、当該光ディスク５１０の記録面５１１は、上下に微小な変位をする。そこで、変位センサ５２１によって、当該光ディスク５１０の微小変位を計測する。変位センサ５２１による変位の計測結果は、制御部５２５へ出力される。
【００７５】
レーザー光源５２２から射出されたレーザー光は、ビームスプリッター５２３に入射し、液晶レンズ５４１へと向かう。このとき、制御部５２５は、変位センサ５２１から入力された光ディスク５１０の変位に基づいて、前記レーザー光が光ディスク５１０の記録面５１１に焦点を結ぶために必要な、液晶レンズ５４１の焦点距離を算出する。そして、制御部５２５は、算出した液晶レンズ５４１の焦点距離を印加電圧制御部５４２に出力する。印加電圧制御部５４２は、制御部５２５から入力された液晶レンズ５４１の焦点距離に基づいて、液晶レンズ５４１に入力する電圧を制御する。
【００７６】
前記の様に焦点距離を制御された液晶レンズ５４１によって、収束されたレーザー光は、光ディスク５１０の記録面５１１に焦点を結び、その反射光は、液晶レンズ５４１及びビームスプリッター５２３を介して光センサ５２４に入射する。光センサ５２４は、受光信号を制御部５２５に出力する。制御部５２５は、光センサ５２４から入力された受光信号に基づいて、記録面５１１に記録された情報を取得する。前記説明では、光ディスクの読み取りについて述べたが、勿論、書き込みも同様の構成で可能である。
【００７７】
本実施形態に係る光ピックアップ装置５００に依れば、光ディスク５１０の変位に合わせて高速に情報読み取り用のレーザー光の焦点位置を調整し、正確な読み取りが可能となる。この際、ブルー相液晶の早い時間応答性が有効である。また、光ディスクは、例えばオーディオＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク（ＢＤ）（登録商標）等、光ディスクの規格によって、使用するレーザー光の波長が異なる。一般にレンズの屈折率には波長分散があるため、異なった波長の光に対する焦点距離は異なる。そのため一般に、波長に応じた光学系の調整が必要となる。しかし、本実施形態の液晶レンズを用いれば、液晶レンズに印加する電圧を調整することによって使用するレーザー光の波長に合わせてレンズの焦点距離を調節できる。このため、複数種類の規格の光ディスクを扱う装置においても、光学系を簡素に設計できる。
【００７８】
［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態に係る、第３の実施形態の液晶レンズ３３０或いは液晶レンズ３４０を用いた光スイッチについて図面を参照して説明する。図９は、第３の実施形態の液晶レンズ３３０或いは液晶レンズ３４０を用いた当該光スイッチ６００の概念図を示す。光スイッチ６００は、第１の入力光導波路６０１と、第２の入力光導波路６０２と、第１の出力光導波路６０３と、第２の出力光導波路６０４と、プリズム状の液晶レンズ６１１と、印加電圧制御部６１２とを有する。
【００７９】
プリズム状の液晶レンズ６１１は、例えば第３の実施形態に係る液晶レンズ３４０であり、印加電圧制御部６１２の制御の下、光路を制御することができる。ここで、プリズムの形状が図５（ｄ）と異なるが、本質は同じであり、光の進行方向が異なって記載されているのみである。この様に、液晶レンズ６１１の形状は、光スイッチ６００の形状によって適宜設定できる。ここでは、液晶レンズ６１１については、第３の実施形態の説明と同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００８０】
次に本実施形態に係る光スイッチの動作について説明する。まず、液晶レンズ６１１の液晶層３４６に電場を形成していない第1の状態においては、液晶レンズ６１１内を入射光は直進する。従って、第１の入力光導波路６０１を通り液晶レンズ６１１に入射した光は、液晶レンズ６１１を直進し、第１の出力光導波路６０３に導かれる。同様に、第２の入力光導波路６０２を通り液晶レンズ６１１に入射した光は、液晶レンズ６１１を直進し、第２の出力光導波路６０４に導かれる。
【００８１】
一方、液晶レンズ６１１の液晶層３４６に電場を形成している第２の状態においては、液晶レンズ６１１内で入射光は屈曲する。従って、第１の入力光導波路６０１を通り液晶レンズ６１１に入射した光は、液晶レンズ６１１で屈曲し、第２の出力光導波路６０４に導かれ、第２の入力光導波路６０２を通り液晶レンズ６１１に入射した光は、液晶レンズ６１１で屈曲し、第１の出力光導波路６０３に導かれる。
【００８２】
以上の様に、本実施形態に依れば、プリズム状の液晶レンズ６１１と光導波路を組み合わせることによって、二組の入出力を互いに切り替えるクロスバー型の光スイッチが作製できる。
【００８３】
上記の実施形態は一例であり、例えば、液晶レンズ６１１の液晶層３４６に電場を形成していない第1の状態において、入射光が液晶レンズ６１１内で屈曲し、液晶層３４６に電場を形成している第２の状態において、入射光が液晶レンズ６１１内を直進する様に、プリズム状構造物３４３と液晶層３４６の屈折率を設定しても良い。また、入力となる入力光導波路を、第１の入力光導波路６０１のみとし、液晶レンズ６１１の第１の状態と第２の状態とを切り替えることにより、光の出力が第１の出力光導波路６０３又は第２の出力光導波路６０４に切り替わるように設計しても良い。また、入出力は２つに限らず、３つ以上の入出力を切り替えるようにしても良い。
【００８４】
［第７の実施形態］
次に、本発明の第７の実施形態に係る、第１乃至第３の実施形態に係る液晶レンズをアレイ状に並べた液晶レンズアレイについて図面を参照して説明する。図１０（ａ）に示す液晶レンズアレイ７１０は多数の円形レンズをアレイ状に並べた液晶レンズアレイである。当該液晶レンズアレイ７１０は、図示しない第１の透明電極を形成した第１の透明基板７１１と、図示しない第２の透明電極を形成し、第２の透明電極を形成していない面に多数の円形レンズ形状の窪みを設けた第２の透明基板７１２とを貼り合わせ、前記円形レンズ形状の窪みにブルー相液晶を封入し、液晶層７１３を形成したものである。
【００８５】
図１０（ｂ）に示す液晶レンズアレイ７２０は多数の円筒面形状のレンズをアレイ状に並べた液晶レンズアレイである。当該液晶レンズアレイ７２０は、図示しない第１の透明電極を形成した第１の透明基板７２１と、図示しない第２の透明電極を形成し、第２の透明電極を形成していない面に多数の円筒面形状の窪みを設けた第２の透明基板７２２とを貼り合わせ、前記円筒面形状の窪みにブルー相液晶を封入し、液晶層７２３を形成したものである。
【００８６】
図１０（ｃ）に示す液晶レンズアレイ７３０は多数のピラミッド形状のプリズムをアレイ状に並べた液晶レンズアレイである。当該液晶レンズアレイ７３０は、図示しない第１の透明電極を形成した第１の透明基板７３１と、図示しない第２の透明電極を形成し、第２の透明電極を形成していない面に多数のピラミッド形状の窪みを設けた第２の透明基板７３２とを貼り合わせ、前記ピラミッド形状の窪みにブルー相液晶を封入し、液晶層７３３を形成したものである。
【００８７】
図１０（ｄ）に示す液晶レンズアレイ７４０は多数の三角柱形状のプリズムをアレイ状に並べた液晶レンズアレイである。当該液晶レンズアレイ７４０は、図示しない第１の透明電極を形成した第１の透明基板７４１と、図示しない第２の透明電極を形成し、第２の透明電極を形成していない面に多数の三角柱形状の窪みを設けた第２の透明基板７４２とを貼り合わせ、前記三角柱形状の窪みにブルー相液晶を封入し、液晶層７４３を形成したものである。
【００８８】
何れの液晶レンズアレイにおいても、第１の透明電極及び第２の透明電極に印加する電圧を制御することにより、前記第３の実施形態の場合と同様に、各円形レンズ、各円筒面形状、各ピラミッド形状、或いは各三角柱形状の液晶層における屈折によって、光源からの光の向きを各々変化させることができる。従って、液晶レンズアレイ全体では、光源からの光の集光性や拡散性、指向性を電気的に制御できるようになる。
【００８９】
例えば、図１０（ａ）に示した液晶レンズアレイ７１０においては、液晶層７１３に形成する電場によって、円形レンズ形状の液晶層７１３を１つ含むユニット毎に、例えば第１の透明基板７１１の側から前記ユニット毎に入射した光を、それぞれ収束させたり、拡散させたりすることができる。同様に、図１０（ｃ）に示した液晶レンズアレイ７３０においては、液晶層７３３に形成する電場によって、ピラミッド形状の液晶層７３３を１つ含むユニット毎に、例えば第１の透明基板７３１の側から前記ユニット毎に入射した光を、それぞれ収束させたり、拡散させたりすることができる。
【００９０】
また、図１０（ｂ）に示した液晶レンズアレイ７２０においては、液晶層７２３に形成する電場によって、第１の透明基板７２１の側から液晶レンズアレイ７２０に入射した光を、図１０（ｂ）における左右方向に収束又は拡散させることができる。同様に、図１０（ｄ）に示した液晶レンズアレイ７４０においては、液晶層７４３に形成する電場によって、第１の透明基板７４１の側から液晶レンズアレイ７４０に入射した光を、図１０（ｄ）における左右方向に収束又は拡散させることができる。
【００９１】
各液晶レンズアレイにおいて、各透明基板と液晶層の屈折率の関係を適宜設定することによって、第３の実施形態の説明に記載したとおり、当該液晶レンズアレイに光が入射した際の、当該液晶層に形成する電場と光の収束又は拡散の関係を設定することができる。
【００９２】
尚、上記の液晶レンズアレイの形状は例であり、用途に応じて光の進行方向を変化させる種々の形状の液晶レンズアレイにおいても、同様の効果を奏する。
【００９３】
［第８の実施形態］
次に、本発明の第８の実施形態に係る第７の実施形態の液晶レンズアレイ７４０を応用した３次元表示装置ついて図面を参照して説明する。一般に３次元表示装置は、右目で観察する画素に右目用の画像情報を、左目で観察する画素に左目用の画像情報を、それぞれ表示することで、３次元表示を可能にしている。つまり１画素分の画像情報を表示するために右目用と左目用の実質２画素を必要とする。このため、従来の３次元表示装置で２次元の画像を表示する場合、表示画素は表示装置が有する実質的な画素数の２分の１になってしまうため、文字等の細かい情報の表示が困難であるという課題がある。そこで、本実施形態に係る３次元表示装置８００は、液晶レンズアレイ７４０を用いて、３次元表示モードと２次元表示モードとを切り替えることにより、２次元表示モードにおいては、右目用の画素と、左目用の画素とを用いて、３次元表示モードにおける画素数の２倍の画素数の画像を表示できるようにしている。
【００９４】
本実施形態に係る３次元表示装置８００は、複数の画素８１１を有する表示パネル８１０と、液晶レンズアレイ８２０と、印加電圧制御部８２２とを有する。液晶レンズアレイ８２０は、第７の実施形態に係る液晶レンズアレイ７４０である。ここでは、第７の実施形態の説明と同じ符号を付し、その構成を説明する。当該液晶レンズアレイ８２０は、第１の透明電極７４４を形成した第１の透明基板７４１と、第２の透明電極７４５を形成した第２の透明基板７４２とを有する。第２の透明基板７４２の第２の透明電極７４５を形成していない面に多数の三角柱形状の窪みを設けてある。第１の透明基板７４１の第１の透明電極７４４を形成している面と、第２の透明基板７４２の三角柱形状の窪みを設けている面とが貼り合わされており、前記三角柱形状の窪みにはブルー相液晶が封入され、液晶層７４３が形成されている。
【００９５】
この様に、例えば表示パネル８１０は、平面上に配置され、表示光を射出する複数の画素から成る、画像を表示する表示面として機能し、例えば液晶レンズアレイ８２０は、前記表示面に重ねられた、前記液晶層に形成する電場を制御することで光路を変化させる液晶レンズアレイとして機能する。
【００９６】
次に、３次元表示装置８００の動作を説明する。当該３次元表示装置８００は、液晶レンズアレイ８２０をオフにしている状態（２次元表示モード）、即ち、図１１中にその光路を破線で示す様に、液晶レンズアレイ８２０による光の屈折が起こらないように印加電圧を制御している場合、一般的な２次元表示の表示素子と同様に機能する。一方、液晶レンズアレイ８２０をオンにしている状態（３次元表示モード）、即ち、図１１中にその光路を実線で示す様に、液晶レンズアレイ８２０による光の屈折が起こるように印加電圧を制御している場合、右目で観察する画素に右目用の画像情報を、左目で観察する画素に左目用の画像情報を、それぞれ表示し、３次元表示を可能にする。
【００９７】
本実施形態に依れば、３次元表示モードでは、右目用と左目用の画素とを使い分け、３次元表示を可能にする一方で、２次元表示モードにおいては、右目用の画素と、左目用の画素とを用いて、３次元表示モードにおける画素数の２倍の画素数の画像を表示できる。さらに液晶レンズアレイ８２０の印加電圧を制御することで、屈折角を変化させる、３次元表示に適した当該表示装置と目の間の距離を可変できるという特長がある。また、ブルー相液晶の早い時間応答性を利用して３次元表示モードと２次元表示モードとの切り替えを高速に行うことが可能である。また、本実施形態の液晶レンズは偏光を利用しないため、液晶ディスプレイに限らず、本質的に偏光を用いないプラズマ・ディスプレイや有機ＥＬディスプレイにも使用できる。更にその際、表示の輝度を損なわない。
【００９８】
［第９の実施形態］
次に、本発明の第９の実施形態に係る、第７の実施形態の液晶レンズアレイ７４０を応用した指向性制御液晶ディスプレイについて図面を参照して説明する。本実施形態の指向性制御液晶ディスプレイ９００は、図１２及び図１３に示す通り、一般的な液晶表示素子である液晶表示パネル９１０と、そのバックライト９１１と、液晶レンズアレイ９２０と、印加電圧制御部９２２と、環境の明るさを測定する照度センサ９２３と、当該液晶表示パネル９１０を制御する制御部９２４とを有する。
【００９９】
液晶レンズアレイ９２０は、第７の実施形態に係る液晶レンズアレイ７４０である。ここでは、第８の実施形態において説明した液晶レンズアレイ８２０と同じ符号を付し、その説明は省略する。
【０１００】
この様に、例えば液晶表示パネル９１０は、表示面の裏側に光源を有し表示面から画像を表す表示光を射出する光透過型の表示素子として機能し、例えば液晶レンズアレイ９２０は、表示素子に重ねられ、前記表示光の指向性を変化させる液晶レンズアレイとして機能する。
【０１０１】
次に、指向性制御液晶ディスプレイ９００の動作を説明する。照度センサ９２３は、当該指向性制御液晶ディスプレイ９００が設置されている環境の明るさを測定する。照度センサ９２３は測定結果の信号を制御部９２４に出力する。
【０１０２】
液晶レンズアレイ９２０は、第７の実施形態の説明において、説明した通り、光源からの光の集光性や拡散性、指向性を電気的に制御できる。そこで、制御部９２４は、照度センサ９２３から入力された環境の明るさが予め設定された閾値より高ければ、バックライト９１１からの光を図１２及び図１３中の上部に点線で示す様に、指向性を強めるべく、液晶レンズアレイ９２０の液晶層７４３に形成される電圧を制御するように印加電圧制御部９２２に指令する。
【０１０３】
印加電圧制御部９２２は、制御部９２４からの指令に基づき、液晶レンズアレイ９２０の液晶層７４３に形成する電圧を制御し、バックライト９１１からの光の指向性を強める。
【０１０４】
一方、制御部９２４は、照度センサ９２３から入力された環境の明るさが予め設定された閾値より低ければ、バックライト９１１からの光を図１２及び図１３中の上部に実線で示した様に、指向性を弱めるべく、液晶レンズアレイ９２０の液晶層７４３に形成される電圧を制御するように印加電圧制御部９２２に指令する。
【０１０５】
印加電圧制御部９２２は、制御部９２４からの指令に基づき、液晶レンズアレイ９２０の液晶層７４３に形成する電圧を制御し、バックライト９１１からの光の指向性を弱める。
【０１０６】
以上の様に、例えば、明るい晴天の野外等における使用では、液晶レンズアレイ９２０により、バックライト９１１からの光を図１２及び図１３中の上部に点線で示した様に、指向性を強める。これにより、液晶表示パネル９１０の表示の視野角を犠牲にして、正面の輝度を高め、視認性を向上させることができる。一方、暗い環境における使用では、バックライト９１１からの光を図１２及び図１３中の上部に実線で示した様に、指向性を弱める。これにより、視野角を優先させることができる。
【０１０７】
この様に、本実施形態に依れば、使用環境に応じて、表示状態を変化させて用いることができる指向性制御液晶ディスプレイ９００を提供できる。
【０１０８】
尚、本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わせにより、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、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１０９】
１００…液晶レンズ、１０１…第１の透明基板、１０２…第２の透明基板、１０３…第１の透明電極、１０４…第２の透明電極、１０５…絶縁性スペーサ、１０６…液晶層、１２１…印加電圧制御部、１２２…電源部、２００…液晶レンズ、２０１…第１の透明基板、２０２…第２の透明基板、２０３…第３の透明基板、２０４…第１の透明電極、２０５…第２の透明電極、２０６…第３の透明電極、２０７…第４の透明電極、２０８…第１の絶縁性スペーサ、２０９…第２の絶縁性スペーサ、２１０…第１の液晶層、２１１…第２の液晶層、３１０…液晶レンズ、３１１…第１の透明基板、３１２…第１の透明電極、３１３…第２の透明基板、３１４…第２の透明電極、３１５…液晶層、３２０…液晶レンズ、３２１…第１の透明基板、３２２…第１の透明電極、３２３…凸レンズ状構造物、３２４…第２の透明基板、３２５…第２の透明電極、３２６…液晶層、３３０…液晶レンズ、３３１…第１の透明基板、３３２…第１の透明電極、３３３…第２の透明基板、３３４…第２の透明電極、３３５…液晶層、３４０…液晶レンズ、３４１…第１の透明基板、３４２…第１の透明電極、３４３…プリズム状構造物、３４４…第２の透明基板、３４５…第２の透明電極、３４６…液晶層、４００…焦点距離可変眼鏡、４０１…液晶レンズ、４０２…測距センサ、４０３…制御部、４０４…電源部、４０５…使用者情報記録部、４０６…本体部、４０７…測距センサ制御部、４０８…印加電圧制御部、５００…光ピックアップ装置、５１０…光ディスク、５１１…記録面、５２１…変位センサ、５２２…レーザ光源、５２３…ビームスプリッター、５２４…光センサ、５２５…制御部、５４１…液晶レンズ、５４２…印加電圧制御部、６００…光スイッチ、６０１…第１の入力光導波路、６０２…第２の入力光導波路、６０３…第１の出力光導波路、６０４…第２の出力光導波路、６１１…液晶レンズ、６１２…印加電圧制御部、７１０…液晶レンズアレイ、７１１…第１の透明基板、７１２…第２の透明基板、７１３…液晶層、７２０…液晶レンズアレイ、７２１…第１の透明基板、７２２…第２の透明基板、７２３…液晶層、７３０…液晶レンズアレイ、７３１…第１の透明基板、７３２…第２の透明基板、７３３…液晶層、７４０…液晶レンズアレイ、７４１…第１の透明基板、７４２…第２の透明基板、７４３…液晶層、７４４…第１の透明電極、７４５…第２の透明電極、８００…３次元表示装置、８１１…画素、８１０…表示パネル、８２０…液晶レンズアレイ、８２２…印加電圧制御部、９００…３次元表示装置、９１０…液晶表示パネル、９１１…バックライト、９２０…液晶レンズアレイ、９２２…印加電圧制御部、９２３…照度センサ、９２４…制御部。
【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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