(57)【要約】  本発明は、例えば調節可能な焦点深度を与える液晶をベースとするレンズを使用する携帯電話に用いられるカメラ装置に関連している。このカメラ装置は、固定された単一的な装置に配されたフォトセンサ２０１のアレイと、少なくとも２つのレンズ２０２，２０３，２０４とを有している。レンズのうちの少なくとも１つ２０２は、当該レンズにおいて調節可能な焦点距離を与える液晶層１０１を有している。追加のレンズ２０３，２０４は、用途に依存して固定された又は調節可能な焦点距離を持つ。一実施の形態によれば、上記カメラ装置は、少なくとも１つの追加の調節可能なレンズを有し、各レンズは、調節可能な焦点深度及び調節可能な電界の深さを与えるように配される。
2007528506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのユニットを形成する固定された構成において少なくとも２つのレンズとフォトセンサアレイとを一体的に有し、前記レンズのうちの第１のレンズは、調節可能な焦点距離を持つとともに、
第１のアライメント面と第２のアライメント面とを有する第１の液晶セルであって、前記アライメント面のうちの少なくとも１つがポリマ体により規定されるレンズ形状の面であり、異方性の屈折率を持ち、予め規定された分子の配向が引き起こされるように前記アライメント面の間に配された液晶分子の層を更に有する当該第１の液晶セルと、
前記液晶分子の層の両サイドに設けられ、与えられる電界によって前記液晶分子の層における屈折率を制御するように作用する電極のペアと
を有するカメラ装置であって、
前記レンズは、当該カメラ装置が調節可能な焦点深度を持つように前記固定された構成において配されている当該カメラ装置。
【請求項２】
前記第１のレンズは、前記液晶分子の前記配向に依存する予め規定された偏光の光に対して作用し、当該カメラ装置は、前記予め規定された偏光の光に対してのみ透明である偏光子を更に有する請求項１記載のカメラ装置。
【請求項３】
前記第１のレンズは、前記第１の液晶セルにおける前記分子の配向に実質的に垂直である分子の配向を持つ第２の液晶セルを更に有し、前記２つの液晶セルは反対の偏光の光に対して作用し、それにより前記第１のレンズはランダムな偏光光に対して調節可能である請求項１記載のカメラ装置。
【請求項４】
第２のレンズが調節可能な焦点距離を持ち、前記第１及び第２のレンズは、当該カメラ装置が調節可能な電界の深さを持つように配された請求項１記載のカメラ装置。
【請求項５】
追加の電子部品とともに請求項１記載のカメラ装置を支持する回路基板。
【請求項６】
請求項１記載のカメラ装置を有する携帯電話。
【請求項７】
調節可能な焦点距離を持ち、液晶分子を有する第１のレンズを形成する工程を含むカメラ装置の製造方法であって、
前記形成する工程は、
レンズ形状のモノマ体が第１の基板に形成されるように、前記第１の基板と型との間にモノマを配する工程と、
前記モノマを重合する工程であって、それにより前記第１の基板にレンズ形状のポリマ体を形成する当該工程と、
前記ポリマ体から前記型を取り除く工程と、
前記ポリマ体にアライメント層を配する工程と、
アライメント層を備えた第２の基板を与える工程と、
前記第１及び前記第２の基板に電極を配する工程と、
前記ポリマ体と前記第２の基板との間に液晶分子の層を挟む工程であって、それにより調節可能な焦点距離を持つレンズを形成する当該工程と
を有し、当該方法が、
第２のレンズを与える工程と、
フォトセンサアレイを与える工程と、
調節可能な焦点深度が前記カメラ装置において与えられるように１つのユニットを形成する固定された構成において前記第１のレンズ、第２のレンズ及びフォトセンサアレイを配列する工程と
を更に有する当該カメラ装置の製造方法。
【請求項８】
前記フォトセンサアレイのセンサ面は、前記第１の基板及び前記第２の基板のうちの一方として利用される請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記重合する工程は、電磁放射線に前記モノマを曝すことを含む請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記電磁放射線は紫外光である請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記重合する工程は、３０℃よりも高い温度及び好ましくは１２０℃よりも高い温度で前記モノマを加熱することを含む請求項７記載の方法。
【請求項１２】
毛管力が利用され、液晶分子の層を挟む請求項７記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の基板と前記第２の基板との間にスペーサ素子が配される請求項７記載の方法。
【請求項１４】
前記スペーサ素子は前記ポリマ体の一体化している一部としてポリマから形成される請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
透明電極が前記各基板に直接設けられる請求項７記載の方法。
【請求項１６】
前記ポリマ体及び前記第２の基板の上の前記アライメント層は、実質的に平行であるが、反対のアライメント方向を持つ請求項７記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の基板に配された前記電極は、前記レンズ形状のポリマ体上に配される請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
例えば携帯電話に用いられるようなカメラ装置に関する市場は、この１０年で非常に大きくなっている。携帯電話に関する利用可能な機能の数は、市場の成長とともに絶えず増えている。利用可能な機能は、フルカラーディスプレイ、インターネット接続及びメッセージオプションを含んでいる。内蔵カメラを備えた携帯電話は、より最近の寄与の１つである。そのようなカメラ装置の他の適用分野は、例えば、ウェブカム，セキュリティ及び監視装置，デジタルスチル及びビデオカメラである。
【０００２】
例えば携帯電話、ウェブカム又は低コストのデジタルカメラに用いられるような今日のカメラは、通常単焦点を有している。従って、そのようなカメラは、短距離の物体に対する焦点距離の違いにあまり影響を受けなくする手ごろな焦点深度で設計されている。しかしながら、固定された焦点は、長距離の物体に対する焦点距離の違いに関してかなり高い感度をもたらす。従って、得られる画像は、ぼやけているか又はぼやけた背景をもつことが多い。
【０００３】
機械的な焦点の調節を伴うレンズは、スペース及びコストの制限のためにオプションではないことが多い。この問題を解決するための１つの取り組みは、種々の距離において鮮明な画像を可能にするオートフォーカス機能を備えたレンズを用いることである。しかしながら、今日現在、携帯電話のカメラに搭載されるコスト及びスペースの要求を満たす利用可能なオートフォーカスレンズは存在しない。商業上の成功のための非常に重要な観点は、製造の容易さである。
【０００４】
米国特許出願２００２／０１８１１２６公報には、可変焦点距離を有するレンズが開示されている。この公報において説明されている１つの実施の形態によれば、レンズは、それぞれ透明電極層と配向層とを備えた凹面を持つ２つの透明基板を有している。上記凹面は、屈折率の負の異方性を持つ液晶分子により満たされるセルの体積を規定している。上記液晶は、以下の条件を満たす楕円屈折率を有している。
ｎｅ＜ｎｏｘ，ｎｅ＜ｎｏｚ  （１）
ここで、ｎｅは異常光の屈折率であり、ｎｏｘはＸ方向に偏光した通常光の屈折率であり、ｎｏｚはＺ方向に偏光した通常光の屈折率である。たいていの液晶の場合、屈折率は実際には以下の条件も満足させる。
ｎｏｘ＝ｎｏｚ＝ｎｏ  （２）
ここで、ｎｏは偏光に依存しない通常光の屈折率である。
【０００５】
配向フィルムは、液晶分子が各配向フィルムと平行に配向されるように配されている。しかしながら、上記２つの電極の間にＡＣ又はＤＣ電圧が与えられると、液晶分子の配向は９０°傾斜し、その場合、レンズに当たる光に対する有効屈折率ｎｅｆｆは、以下の式に従って低下する。
ｎｅｆｆ＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２  （３）
【０００６】
この屈折率の低下のために、光学素子の屈折力が減少し、それによりレンズは焦点距離を大きくする。更に、可変抵抗器を用いて電圧を制御することにより、焦点距離は常に変化し得る。実質的に、上記レンズは可変焦点距離を示す。
【０００７】
ＵＳ２００２／０１８１１２６公報にはデバイスの製造について詳細に説明されていないが、このようなデバイスは、通常、部品一つ一つ製造され、その後１つのユニットに組み立てられる。デバイスの凹「レンズ」の表面は、いかなる表面の欠陥又は粗さもレンズの性能を大きく損なうので特に製造するのに複雑である。従って、そのような表面は、典型的にはガラスから作られ、最終的な形状に研磨される。レンズの動作のために必要な電極は、通常上記湾曲した表面の内側に与えられる。電極は、典型的には蒸着又はスパッタリングを用いて塗布される。しかしながら、急傾斜又は更には階段状の表面のために、これらの方法を用いて電極を塗布することは非常に複雑である。また、湾曲している面に配された電極を持つことは、不均一な電界を招き、これはレンズの精度に影響を及ぼす。
【０００８】
更に、上述したように、例えば携帯電話の用途においてサイズは重要なファクタである。従って、携帯電話の用途に関する上述の特許出願において説明されているようなレンズを用いたあらゆる試みは、カメラのレンズの完全な光路が、典型的には焦点レンズだけではなく主（primary）レンズ，コリメータレンズ及びフォトセンサアレイにも対応する必要がある点で、深刻な問題に直面するであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、可変焦点距離、小型さ及び製造の容易さを与え、携帯電話における民生用のアプリケーションに適したレンズが必要である。従って、本発明の目的は、小型で、製造を容易にするカメラ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、後に付されている特許請求の範囲に定義されているような本発明によりかなえられる。更なる利点は、以下の説明から明らかであろう。
【００１１】
本発明の１つの観点は、カメラ装置を提供する。この装置は、１つのユニットを形成する固定された構成においてフォトセンサアレイと少なくとも２つのレンズとを一体的に有している。上記フォトセンサアレイは、撮影されるべき物体が投影される映像面を一緒に形成する多数の画像素子（すなわち画素）を有している。上記レンズのうちの少なくとも第１のレンズは、調節可能な焦点距離を持ち、第１のアライメント面及び第２のアライメント面を持つ液晶セルを有している。上記アライメント面のうちの少なくとも一方は、レンズ形状（例えば凸又は凹）をしており、ポリマ体により規定されている。上記液晶セルは、異方性の屈折率を持ち、予め規定された分子の配向が引き起こされるアライメント面の間に配された液晶分子を更に有している。液晶分子の両サイドに電極のペアが更に設けられており、与えられる電界を用いて液晶分子の層の有効屈折率を制御するように動作し、液晶分子を再配向する。
【００１２】
上記レンズは、当該カメラ装置が調節可能な焦点深度を持つように固定された構成において配されている。調節可能な焦点深度は、例えば、オートフォーカス制御ユニットにより制御されるオートフォーカス装置により、又はユーザの入力により制御される手動焦点装置により利用され得る。上記オートフォーカス制御ユニットは、典型的には距離計及び制御ユニットを有している。制御ユニットは、異なる距離を異なるレンズ設定と結び付けるルックアップテーブルを含み得る。しかしながら、種々のオートフォーカス制御ユニットは関連技術においてよく知られており、従って更なる説明は省略する。
【００１３】
上記第１のレンズは、液晶分子の層の有効屈折率は、電界により順に制御可能であるこの層の液晶分子の配向に依存するという事実に基づいて動作する。しかしながら、屈折率は、典型的には分子の配向に依存するある偏光の光に関してのみ制御可能である。例えば、アライメント層が平行である場合には、液晶分子はネマティック相に存在し、平行な一軸配向と傾斜された配向との間において制御可能である。ほとんどの傾斜された状態では、分子は典型的にはホメオトロピック配向を持つ。すなわち、分子は９０°傾斜する。
【００１４】
分子の配向と平行に直線偏光された光に関してのみ屈折率の変化が経験される。この状況は、種々のやり方で対処され得る。偏光に感度の高いカメラ装置が許容できる場合又はそれが望まれる場合には、必要な偏光を与える偏光子が当該カメラ装置に設けられ得る。従って、１つの形態によれば、上記第１のレンズは、液晶分子の配向に依存する予め規定された偏光の光に対してのみ作用し、カメラ装置は、上記予め規定された偏光の光に対してのみ透明である偏光子を更に有している。この設計は、低コストで小型のカメラ装置を提供するという点で有利である。
【００１５】
しかしながら、上記偏光子は、典型的には衝突する光（必要とされる偏光を持たない部分）の少なくとも５０％を吸収する。これは、フォトセンサアレイに実際に到達する光の量を大きく低減し、画像のより低い輝度を招く。
【００１６】
従って、代替の形態によれば、上記第１のレンズは、第１の液晶セルにおける分子の配向と実質的に垂直である分子の配向を持つ第２の液晶セルを更に有する。上記第１のレンズの２つの液晶セルは、反対の補完的な偏光の光に対して作用し、それにより第１のレンズはランダムな偏光光に対して作用する。各セルに関する焦点が正確に調整されると、２つのセルは共通の偏光に依存しないレンズとしての役割を果たす。
【００１７】
一形態によれば、上記電極は実質的に平坦な界面、例えば平坦な基板の表面に配される。そのような場合、これらの平坦な面の１つがレンズ形状のポリマ体を支持し、電極は液晶分子の層によってだけではなく、ポリマ体によっても分離される。これにより、電極は、液晶／ポリマ界面の凸又は凹（レンズ）形状に従う必要がないが、代わりに実質的に平坦で互いに平行であり得る。これは、得られる電界が液晶分子全体にわたってより均一であるので有利である。実際には、ポリマ基板の誘電率と液晶分子の通常光及び異常光の誘電率とが同じオーダーである限り、電界の分布は非常に小さい。従って、これは、レンズ形状の面に配された電極と比較して、レンズの周囲に沿ってより均一なレンズ強度をもたらす。更に、通常用いられるスパッタリング又は蒸着プロセスは湾曲した面に対して行われるために非常に複雑であるので、平坦な電極は典型的にはより容易な製造を与える。更に１つの利点は、平坦な基板がガラス又はレンズ形状のポリマ体よりも高い温度抵抗を持つ何らかの他の材料から形成され得ることである。従って、ポリマの表面にではなく、ガラス基板に電極を与えることがより高い温度で行われ、これはより速くより正確なアプリケーションプロセスを与える。
【００１８】
しかしながら、電極の場所はこの場所に限定されない。代替として、一方又は両方の電極は、対応する配向層と関連して設けられてもよく、その場合には対応する液晶界面の形状に従う。
【００１９】
また、セグメント化された電極（例えば中心電極部及びこの中心電極部を囲む環状電極部のような別々にアドレス可能な下位部分（sub-portion）に分割された電極）が用いられてもよく、それによりレンズは非常に正確に制御される。電極層は、サイド部分に接触している。電極又はリード部は、典型的にはリード部と伝導層との間に電気的な接触をつくる電気伝導性の材料を用いて取り付けられる。
【００２０】
上記カメラ装置は、調節可能な焦点深度を持つレンズに基づく調節可能な集束機能を容易にする。しかしながら、より要求の厳しいカメラの用途は調節可能な焦点深度だけではなく、調節可能な電界の深さ（例えばズーム機能）も必要とする。ズーム機能は、別々に調節可能な焦点距離を持つ２つのレンズを有するレンズ構成により与えられ得る。従って、上記カメラ装置の一形態によれば、追加の第２のレンズは、調節可能な焦点距離を持ち、第１及び第２のレンズは、当該カメラ装置が調節可能な電界の深さを持つ（すなわち、レンズが望遠鏡構成で配される）ように配される。第２のレンズは上述した第１のレンズと同様に設計されることが好ましいが、必須ではない。
【００２１】
容易に理解されるように、上記カメラ装置のレンズは、多くの異なる態様で配され得る。また、多くのレンズ構成は、固定された及び／又は調節可能な焦点距離を持つ多数のレンズを有する。明らかに、任意のそのようなレンズ構成が本発明の範囲内に入っている。本発明によるカメラ装置の特徴的な機能は、一体化されたユニットにおいて互いから固定された距離に配されたレンズとフォトセンサアレイとを有しており、少なくとも１つのレンズがセル内の液晶分子を再配向することにより調節可能な焦点距離を持っていることである。
【００２２】
本発明によるカメラ装置は、回路基板に直接実装されるアプリケーションによく適しており、非常に小型の設計を可能にする。従って、本発明の他の観点は、他の電子部品とともに上述したようなカメラ装置を支持する回路基板を提供する。
【００２３】
更に本発明の一観点は、上述したようなカメラ装置を有する携帯電話を提供する。
【００２４】
上記カメラ装置は、非常に合理的な製造プロセスを容易にする点で特に有利である。従って、本発明の一観点は、カメラ装置を製造する方法を提供する。この方法は、調節可能な焦点距離を持ち、液晶分子を有する第１のレンズを形成する工程を含むカメラ装置の製造方法であって、前記形成する工程が、レンズ形状のモノマ体が第１の基板上に形成されるように、前記第１の基板と型との間にモノマを配する工程と、前記モノマを重合する工程であって、それにより前記第１の基板上にレンズ形状のポリマ体を形成する当該工程と、前記ポリマ体から前記型を取り除く工程と、前記ポリマ体にアライメント層を配する工程と、アライメント層を備えた第２の基板を与える工程と、前記第１及び前記第２の基板に電極を配する工程と、前記ポリマ体と前記第２の基板との間に液晶分子の層を挟む工程であって、それにより調節可能な焦点距離を持つレンズを形成する当該工程とを有し、当該方法が、第２のレンズを与える工程と、フォトセンサアレイを与える工程と、調節可能な焦点深度が前記カメラ装置において与えられるように１つのユニットを形成する固定された構成において前記第１のレンズ、第２のレンズ及びフォトセンサアレイを配する工程とを更に有する。
【００２５】
一形態によれば、上記フォトセンサアレイのセンサ面は第１又は第２の基板として利用される。それにより、ポリマ体がフォトセンサアレイ上に直接設けられ得るので、カメラ装置は簡素化される。
【００２６】
上記モノマを重合する工程は、多くの異なるやり方で行われ得る。しかしながら、１つの特に好適な手法は、光重合プロセスを用いることである。従って、一形態によれば、上記モノマを重合する工程は、モノマを電磁放射線に曝すことを含んでいる。上記電磁放射線は紫外光であることが好ましく、上記モノマは光重合プロセスを促進する光開始剤を有し得る。
【００２７】
代替として又は組み合わせて、上記重合する工程は、モノマのポストキュアのために３０℃よりも、好ましくは１２０℃よりも高い温度にモノマを加熱することを含んでいる。必要とされるこの特定の温度は、考慮中のモノマの種類および用いられる開始剤の種類に大きく依存する。
【００２８】
電磁放射線の照射が熱処理と組み合わされる場合、モノマを電磁放射線に曝すことは、レンズの形状を設定する重要な作用を有しており、レンズが型からはずされることを可能にする。しかしながら、電磁放射線のみを用いるモノマの重合は、モノマのゲル化及び／又はガラス化が反応基の移動度を低減するので１００％に到達しないようである。従って、移動度を一時的に大きくし、１００％に向けて重合を推し進めるために、上記示された範囲内又はそれを上回る範囲の高温でのポストキュア工程が用いられることが好ましい。
【００２９】
しかしながら、モノマは電磁放射線に曝されている間に既に加熱されている。放射線により開始される重合及び重合の間に熱により引き起こされる移動度の同時の作用は、重合の速度に対して相乗作用を持ち、従って１００％に近い重合を推し進める。
【００３０】
上記液晶分子の層を挟む工程は、ポリマ体と第２の基板との間の穴部（すなわちセル）に自然に生じる毛管力を利用することが好ましい。これは、他の方法ではセルを完全に充填することが幾らか難しいので有利である。
【００３１】
第１の基板と第２の基板との間の正しい距離及びこれらのアライメントを確実にするために、一形態は、２つの基板の間に配されるスペーサ素子を用いる。その場合、スペーサ素子は各基板に接着剤を用いて接着されることが好ましい。しかしながら、１つの特別な形態によれば、スペーサ素子は重合工程の間にポリマ体の一体化された一部として形成される。これは、例えば、スペーサ素子がレンズ形状の物体として同時に規定される好適な型の構成により実現され得る。
【００３２】
代替として、上記基板は、接着剤、例えばエポキシを用いて単独で互いに固定されてもよい。
【００３３】
液晶分子の配向及び従ってレンズの有効屈折率と焦点距離とを制御するために、典型的には透明電極が各基板に配される。上記電極は、例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）から形成され得る。第２の基板には、電極が典型的にはアライメント層と同じサイド、すなわち液晶分子と対向する面に配される。しかしながら、第１の基板に関しては、電極は基板自体の上に配されてもよいし、ポリマ体上に配されてもよい。電極が基板自体の上に配される場合、典型的には、電極は、ポリマ体が重合される前に基板上に設けられる。第１の基板自体が平坦であると仮定すると、電極の塗布は、典型的には湾曲したポリマの表面に塗布よりも非常に容易である。これは、蒸着及びスパッタリングのようなアプリケーションプロセスを複雑にする表面の湾曲形状及び典型的には（典型的にはガラスから形成される）基板よりも熱に敏感であるポリマの両方のためである。
【００３４】
各基板上のアライメント層は、セル内において引き起こされる液晶分子の配向を決定する。上記アライメント層は、例えば、それぞれアライメント方向（すなわち所謂ラビング方向）を規定するラビングされたポリイミド層から形成され得る。その場合、液晶分子は対応するアライメント方向に沿って配向される。
【００３５】
偏光の影響を受けやすいレンズと偏光の影響を受けないレンズとの間には違いが存在する。偏光の影響を受けやすいレンズは、ある偏光の光に対してのみ制御可能である。そのようなレンズの一例は、平行なアライメント層を持ち、対応するアライメント層の方向と平行である明確な一軸分子配向を引き起こす液晶セルにより形成される。そのような分子の構成の有効屈折率ｎｅｆｆは、分子の配向と平行に直線偏光された光に関するｎｅ及び分子の配向を横切るように直線偏光された光に関するｎｏに等しい。しかしながら、分子が９０°傾斜している場合および従ってホメオトロピック配向を持つ場合には、全ての光がｎｏに等しい有効屈折率を経験する。実際には、レンズは、光の半分に関して制御不可能であり、光の他の半分に関してｎｅとｎｏとの間において制御可能である。従って、屈折率に関する切替可能な範囲は、｜ｎｏ−ｎｅ｜により制限される。
【００３６】
代替として、液晶分子は、ホメオトロピック配向と「ランダムな」平行な配向との間において制御可能であり得る。上記ランダムな平行配向は、平均の分子の配向が基板の平面と平行であるが、分子が当該平面においてランダムに配向される点で特徴付けられる。そのような配向は、例えばホメオトロピック配向を引き起こすアライメント層を用いて与えられ得る。その場合、分子は、電界が与えられないとホメオトロピック配向され、十分な電界が与えられるとランダムに配向された平面状態に対して傾斜する。上記アライメント層は各基板の平面においていかなる指向性の配向も引き起こさないので、ランダムな分子の配向が確実にされる。代替として、実際には平面分子配向を引き起こすが各平面において指向性の配向を引き起こさないアライメント層を用いることにより同じ効果が実現可能である。これは、例えばラビングされていないポリイミドの層を用いて可能である。そのような層の有効屈折率は、分子がホメオトロピック配向にあると全ての光に関してｎｏであり、分子が各基板の平面においてランダムに配向されていると全ての光に関して（ｎｏ＋ｎｅ）／２である。従って、この手法は、上述した相手方に依存する偏光の半分のパワーを持つ偏光に影響を受けないレンズを与える。屈折率に関する切替可能な範囲は、｜（ｎｏ−ｎｅ）／２｜により限定される。
【００３７】
偏光に影響を受けないレンズを得るための更に他のやり方は、液晶分子のらせん配列を用いることである。そのような場合には、液晶混合物内のらせんのピッチが可視光の波長よりも小さいこと（＜３５０ｎｍ）が重要である。この要求が満たされれば、液晶混合物の有効屈折率は、当該波長を上回る光に関して本質的には偏光に影響を受けない。そのようなレンズの分かりやすい説明は、同時係属の欧州特許出願０３１０３９３６．５において見出される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に、本発明によるカメラ装置の実施の形態が、添付の例示する図面を参照して更に詳細に説明される。
【００３９】
図１は、固体ポリマ体１０２と切替可能な液晶混合物１０１とを有する調節可能なレンズ１００の断面を模式的に示している。固体ポリマ体１０２は永久的な屈折率を有し、上記切替可能な液晶混合物は切替可能な屈折率を有している。この目的のために、液晶分子は、レンズの最短及び最長の焦点距離を決定する２つの異なる極限状態の間で切替可能である。中間の焦点距離は、中間の分子状態を利用することにより与えられ得る。上記構成は、凹形状が切替可能な液晶より成り、凸形状がポリマ体から形成されるようにもなされ得る。また、幾つかの実施の形態は、楕円又は両凹の液晶体が形成されるように両方の基板上に配されたポリマ体を有している。そのような液晶体は、２つの光学的に活性な界面を持っており、高められた集束効果を示す。
【００４０】
上記可変焦点レンズは、典型的にはフォトセンサアレイ（例えば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）撮像素子（imager））に隣接して設けられる。全体のレンズ積層体は、少なくとも更に１つのレンズを有している。図２は、ＣＭＯＳ撮像素子層２０１が最も下部である状態で互いに順に積層されたＣＭＯＳ撮像素子２０１、可変焦点レンズ２０２、コリメータレンズ２０３及び主レンズ２０４を有するレンズ積層体２００に関する可能な構成を模式的に示している。ここでは、ＣＭＯＳ撮像素子は単に一例として用いられている。多数の他のフォトセンサアレイが代わりに用いられてもよく、これは考慮中の用途に依存する。
【００４１】
上記液晶レンズ積層体のレンズの合計の厚さは、主に（典型的にはガラスより成る）基板の厚さにより決定され、考慮中の構成、特に(典型的にはレンズ積層体をより厚くする)ズームレンズが組み込まれているか否かに依存して０．５ないし５ｍｍのオーダーである。上記レンズ積層体全体の合計の厚さは、４ないし１０ｍｍのオーダーであり得る。直径はケーシングを含めて約８ｍｍであり得る。
【００４２】
本発明の１つの利点は、上記ポリマ体が、その場（in situ）光重合工程を含み、例えばガラス研磨技術と比較してかなり容易に得られる種々の形状及び迅速な試作を可能にする光複製（photoreplication）を用いて形成され得ることである。１つの特に注目すべき利点は、ウェハスケール加工が容易になることである。光重合は、上述したように、例えば熱により引き起こされる重合により置き換えられるか又は補完され得る。
【００４３】
上記重合プロセスの結果は、液晶分子により充填されたセルに一体化され得るレンズである。また、セルの加工は、標準的な液晶ディスプレイの製造において現在用いられている通常の工程と同様である。
【００４４】
幾つかの実施の形態は、固定された焦点距離を持つレンズを有している。そのようなレンズは、上記液晶レンズ用のポリマ体と同様の重合工程を用いて有利に製造される。
【００４５】
本発明による切替可能なレンズ３００の一例が、図３の断面図によって示されている。このレンズ３００はともにセルを形成する２つの基板３０１，３０２を有しており、これらの基板はスペーサ素子３０３により封止されている。上記セルは、正の異方性を持つ（ｎｅ＞ｎｏ）液晶混合物３０５と、この液晶混合物３０５との界面を成す凹面を持つ固体ポリマ体３０５とを有している。上記各基板には透明電極３０６，３０８が設けられており、上記液晶の各界面には配向層３０７，３０９が配されている。上記各配向層は、平行であり好ましくは反対のラビング方向を有しており、液晶層における一軸配向を引き起こす。この目的のために、上記液晶混合物は、ネマティック層にあるように選択されることが好ましい。説明上の理由のために、図３に３次元の座標系が示されている。この座標系を参照すると、上記基板はＸＺ平面に延在し、Ｙ軸方向は光路（すなわち光軸）を規定する。平坦な配向層３０７はＸ方向にラビングされ、その場合、凹形の配向層３０９は反対のＸ軸方向にラビングされ得る。電極３０８は、代替として平坦な基板３０２の上に直接配されてもよい。
【００４６】
（Ｙ軸方向に）レンズを通って進み、ラビング方向に沿って（すなわちＸ軸方向に沿って）直線偏光を持つ光は、液晶の異常光の屈折率ｎｅに等しい液晶の有効屈折率ｎｅｆｆを経験する。しかしながら、液晶分子がＸＺ平面から傾斜している場合には、直線偏光光により経験される有効屈折率は、通常光の屈折率ｎｏに向かって徐々に変化する。液晶分子が９０°傾斜している場合、及び従って液晶分子と平行である場合には、有効屈折率はｎｏに等しい。
【００４７】
上記有効屈折率は、
【数１】
2007528506.tif 000003
により与えられるようなＸＺ平面に対するチルト角
2007528506.tif 000004
の関数である。
【００４８】
液晶が凸形状を有し、固体ポリマ体が凹形状を有する場合、レンズ形状のポリマ体と液晶の層との間に半径Ｒの球面上の界面（すなわち球形のレンズ面）を持つ液晶レンズの焦点距離は、
ｆＬＣ＝Ｒ／（ｎｅｆｆ−ｎｉ）
により与えられる。ここで、ｎｉは凹状のポリマ体の（等方性）屈折率である。
【００４９】
しかしながら、Ｘ軸方向に沿って直線偏光されていない光は、屈折率のシフトを経験しない。従って、そのような光は、静的であり、液晶分子のいかなる傾斜にも依存しないものとしてレンズを認識する。実際には、そのような光は、常にｎｏに等しい屈折率を経験する。固体の凹体がｎｏに等しい等方性屈折率を持つ材料から形成されている場合には、そのような光は実際にはレンズを通って影響を受けることなく進む。
【００５０】
必要な偏光を与えるために、典型的にはレンズ構造体３００の上に直線偏光子３１０が設けられる。しかしながら、通常の偏光子は、光を吸収し、正しくない偏光を持つ任意の光線を吸収することにより光を偏光する。実際にはランダムな偏光光の５０％が典型的には偏光子により吸収され、かなり低減された明るさをもたらす。
【００５１】
従って、他の実施の形態によれば、上記レンズは、図４の断面図により模式的に示されているように各偏光方向に対して１つの、２つの重ね合わされた液晶セルを備えている。この目的のために、上記レンズは、配向層のラビング方向のみセル４０４とは異なる追加の液晶セル４０５を備え得る。従って、レンズは、図３に示されているレンズの全ての素子を別個に有する２つのレンズ部４０１，４０２を有する。しかしながら、上記２つのレンズ部は、１つの共通基板４０３を共有してもよく、好ましくは（それぞれＸ軸方向及びＺ軸方向に）互いに垂直に配向された対応する液晶をもつべきである。原則的に、基板のサイドのうち直接的又はポリマ体を介して間接的に液晶と対向する各サイドは、４つの電極を得るような分離した電極を備え得る。中央の電極は、各電極に短配線することにより共有の共通電極として機能する。ある好適な材料の場合、共通基板４０３の２つの電極が単一のサイド上の１つの電極のみに取り替えられ得る。１つのセル（４０４又は４０５）の場合、電界は基板を透過する。共通電極４０３に配された少なくとも１つの電極は、セルの個々のスイッチングを与え、両方の偏光の光に対して正確な集束作用を可能にする。
【００５２】
基本的には、全ての光は２つのレンズのうちの１つのみにより影響を及ぼされるので、垂直な分子の配向を持つ２つの重ね合わされたセルは、偏光に依存しないレンズをもたらす。しかしながら、鮮明な画像を与えるため、各レンズは、光路内の各レンズ部の異なる場所のためにわずかに異なる焦点距離を補償するようわずかに異なる曲率及び／又は屈折率の差を与えられなければならないかもしれない。
【００５３】
上述したように、好ましくはレンズはできる限り小型であるべきである。この目的のために、上記偏光に依存しないレンズは、共通基板４０３を取り除き、代わりに図５に示されているような設計を用いることにより更に簡素化され得る。この実施の形態によれば、レンズ５００は、２つの基板５０２，５０２と、専ら１つの（共通の）固体レンズ体５０１とを有している。図示されている共通レンズ体５０１は、各液晶層５０４，５０５に凸形の界面を与える楕円形状を有している。上記レンズは各基板５０２，５０３に１つの電極、よって２つの電極のみを必要とし、これらは一緒に両方の液晶層にわたって１つの共通の電界を与える。勿論、凹形の界面が望まれる場合には、楕円形状は両凹形状に置き換えられ得る。楕円形状又は両凹形状が用いられる場合、一方の混合物の有効屈折率がポリマ体の屈折率よりも高く、他方の液晶混合物の有効屈折率がポリマ体の屈折率よりも低くなるように、２つのセルの液晶混合物は好ましくは異なるべきである。それにより、２つのレンズ部の集束作用は同じ符号及び大きさ（正又は負のいずれか一方）を持つ。勿論、代替の解決策は、１つの凹面と１つの凸面とを持つポリマ体を用いることである。それにより、両方のレンズ部に関して同じ液晶混合物が用いられる一方で、２つのレンズ部において一致する光集束作用（正又は負）を維持する。
【００５４】
図５に示されている実施の形態では、２つの電極のみが存在する。従って、各セルは個々に調整され得ない。個々のアドレスの可能性と比較して、２つのセルに関する部分的に重なる焦点を確実にするためにレンズ体５０１の曲面の正確な設計及び形状がより重要である。
【００５５】
上記レンズ積層体は、例えば調節可能な焦点深度及び調節可能な電界の深さを与える多くの異なる構成を持つことが可能である。原則的に、（可動レンズを備えた）既存の構成に対して動作する任意の構成も、本明細書において述べられる液晶レンズとともに用いられ得る。液晶レンズを用いる２つの大きな利点は、組立の高さが低減され得ること及び可動部品が不要であることである。
【００５６】
調節可能な電界の深さを与えるズームレンズは少なくとも２つのレンズを要し、１つのレンズは正の屈折力を持ち、１つのレンズは負の屈折率を持ち、これらはともに望遠鏡設備（setup）を形成する。
【００５７】
正のレンズと負のレンズとの組み合わせは、電界の深さ及び従ってズーム力を大きく又は小さくする一方で、全ての画像の場所において光軸と平行な画像を維持する。
【００５８】
明らかに、ほとんどのレンズ積層体は、１つ（又は複数）の調節可能なレンズだけではなく、固定された焦点を持つ幾つかのレンズも有している。そのようなレンズは、上記調節可能な液晶レンズにおけるレンズ形状の物体と同様に形成され得る。
【００５９】
上述したような可変焦点レンズは、２つの連続する工程段階において製造され得る。第１の工程段階では、図６に示されているような以下の工程を含む光複製プロセスにより固体の物体が製造され得る。
１．型６０１が所定の位置にもたらされ、光重合された生成物をこの型から容易にはずすことができるように処理されるとともに、透明導体を支持する透明基板６０２が準備される。
２．基板６０２の上又は型６０１の内部に少量のモノマ６０３が与えられる。このモノマ６０３は、最終生成物の内部におけるいかなる気泡の発生をも防止するために脱気されることが好ましく、更に少量の光開始剤と混合される。
３．型６０１と基板６０２とが接合され、任意の過剰のモノマがその結果得られる穴部から押し出される。実際には、上記モノマは、型と基板との間に挟まれる。
４．その後、上記モノマは、紫外光６０４に曝され、重合する。紫外光６０４は、基板６０２を介して又は透明な型が用いられる場合には型６０１を介してモノマ６０３に入る。しかしながら、例えば熱を用いる代替の重合プロセスが等しく可能である。そのような場合には、光開始剤が典型的には省略されるか、又は他の好適な開始剤に取り替えられる。
５．重合されると、型のわずかな曲げにより又は衝撃パルスにより固体６０５は型からはずされ得る。
【００６０】
第２の工程段階では、上記第１の工程段階において準備された固体の物体が、図７に従って部品を完成させるために用いられる。第２の工程段階は、以下のステップを含んでいる。
１．固体レンズ体６０５に配向層が与えられる。この配向層は、そのような使用に好適な任意の利用可能な材料、例えばポリイミドから形成され得る。ポリイミドが用いられる場合には、その溶液が例えばスピンコートされ、高温（例えば９０℃）で乾燥させた後布地を用いてラビングされる。
２．第２の透明電極を支持する第２の透明基板６０６は、第２の配向層を備える。ここでは、固体レンズ体６０５に関してと同じ材料及び使用技術（application technique）が用いられ得る。しかしながら、上記基板は、典型的にはガラスから形成されており、従って配向層の硬化のためのかなり強力な熱処理（例えば１８０℃）に耐性があり、より急速な硬化プロセスを可能にする。
３．その後、正しいアライメントを確実にするために接着剤とスペーサ素子６０７とを用いて固体レンズ体６０５と第２の基板６０６とが接合される。平行な液晶分子の配向が望まれる場合には、上記素子は各配向層と平行に接続される。しかしながら、ねじれ配向が代替として可能であり、これは互いに対して配向層を９０°回転させることにより与えられる。スペーサ素子６０７は、分離した素子であってもよいし、基板又はポリマ体のいずれか一方に一体化されてもよい。
４．上記セルは、最後に液晶分子６０８で満たされ、封止される。充填は、自然に発生する毛管力のために典型的には非常に容易であり、接着剤の液滴が封止を与える。
【００６１】
２つのレンズ部を持つ偏光に影響を受けないレンズが望まれる場合には、典型的には第２の部分のための開始基板として第１の部分の基板を用いて上記各工程がもう一度繰り返される。各レンズ部のために分離した電極が必要とされる場合には、勿論当該基板は各サイドに１つの電極層を持つ必要がある。
【００６２】
図５に示されているようなレンズが望まれる場合には、２つの型の間においてモノマが圧搾され得る。両方の型は、重合された物体を容易にはずすことができるように処理されなければならない。その後、両方のレンズの表面がアライメント層、例えば液晶層の垂直な配向を与えるように垂直にラビングされたポリイミドとともに配される。続いて、接着剤及びスペーサ素子を用いるが液晶混合物を注入するための小さな穴部を残して、それぞれ電極とラビングされたアライメント層とを備えた２つの基板の間にポリマ体が配される。その後、２つのセルが液晶で満たされ、最後に接着剤の液滴がセルを閉じるために用いられる。
【００６３】
一般に、ポリマ体において架橋されたポリマ鎖を得ることが大いに望ましく、これは化学薬品及び熱劣化に曝された際に当該ポリマ体をより安定にする。上述したように、ポリマ体は光開始剤及び紫外光を用いて与えられ得る。しかしながら、ポリマ体を重合する代替のやり方が使用され得る。この目的のために、２つの主要な重合メカニズムが確認されている。第１の反応は、フリーラジカル光開始剤を用いるフリーラジカルにより開始される重合メカニズムにより与えられ、第２の反応は、典型的にはルイス酸の使用により開始されるカチオン重合メカニズムにより与えられる。上記フリーラジカルのメカニズムに適した限定されない種類のモノマは、（メタ）アクリレート及びビニルモノマよりなる群に含まれる。そのようなモノマの１つの例は、２，２−ビス[４−（２−ヒドロキシ−３−アクリロイルプロポキシ）フェニル]プロパン（Bis-GAA）である。上記カチオン反応メカニズムのために、エポキシド，オキセタン及びビニルエーテルモノマが用いられ得る。そのようなモノマの１つの例は、ビスフェノール−Ａのジグリシドエーテルである。
【００６４】
上述したモノマは、全て熱重合され得る。好適な開始剤を用いると、室温に近い温度で十分である。
【００６５】
上述したように、モノマは重合開始剤も含んでいてもよい。開始剤はフリーラジカル開始剤又は酸発生器であり得る。熱的かつ電磁的な放射（例えば紫外線の放射）により活性化され得る単一の開始剤が用いられることが好ましい。アゾビスイソブチロニトリルが１つの実現可能な例であるが、多くのアゾエステルも用いられ得る。アゾエステル開始剤は、光化学的な分解は別として、かなり低温でかなり高い分解速度を持ち、低温及び単に少し高い温度でも当該開始剤を使用可能にするという利点を有する。
【００６６】
専らより高い温度で分解する実現可能な光開始剤の例は、イルガキュア１８４及びダロキュア１１７３（ともにチバガイギー株式会社の登録商標）のようなα−ヒドロキシ−ケトン、イルガキュア９０７及びイルガキュア３６９（ともにチバガイギー株式会社の登録商標）のようなα−アミノ−ケトン、イルガキュア６５１（＝ＤＭＰＡ：α，α−ジメトキシ−α−フェニル−アセトフェノン）（チバガイギー株式会社の登録商標）のようなベンジルジメチル−ケタールである。
【００６７】
上述した例は、全てフリーラジカル開始剤である。あるモノマのカチオン重合に好適な酸発生器の２つの種類、ジフェニルヨードニウム塩（例えばジフェニルヨードニウムヘキサフロロヒ酸塩）及びトリフェニルスルフォニウム塩（トリフェニルスルフォニウムヘキサフロロアンチモン酸塩）が存在する。これら２つの種類は、所謂ルイス酸であり、変形例は主に対イオンのタイプに見出される。２番目の種類（トリフェニルスルフォニウム塩）では、フェニル環の量も変化し、各フェニル環は硫黄の結合を介して互いに接続されている。
【００６８】
一般的な光酸発生器に加えて、種々の塩又は塩の混合物も実現可能である。また、開始剤の吸収スペクトル又は効率をシフトさせるために促進剤が加えられてもよい。実現可能な促進剤の例は、アントラセン又はチオキサントンを含んでいる。
【００６９】
要するに、本発明は、調節可能な焦点深度を与える液晶をベースとするレンズを使用する例えば携帯電話に用いられるようなカメラ装置に関連している。このカメラ装置は、固定された単一的な（unitary）装置に配されたフォトセンサ２０１のアレイと、少なくとも２つのレンズ２０２，２０３，２０４とを有している。レンズのうちの少なくとも１つ２０２は、当該レンズにおいて調節可能な焦点距離を与える液晶層１０１を有している。その他のレンズ２０３，２０４は、用途に依存して固定された又は調節可能な焦点距離を持つ。一実施の形態によれば、上記カメラ装置は、少なくとも１つの追加の調節可能なレンズを有し、各レンズは、調節可能な焦点深度及び調節可能な電界の深さを与えるように配される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】液晶レンズの模式的な図を示している。
【図２】カメラ装置のための予想されるレンズ積層体の一例を示している。
【図３】液晶の切替可能なレンズの断面を示している。
【図４】２つの切替可能な液晶層を有する液晶の切替可能なレンズの断面を示している。
【図５】１つの共通のポリマ体を備えた２つの切替可能な液晶層を有する液晶の切替可能なレンズの断面を示している。
【図６】本発明による調節可能な焦点距離を持つレンズに関する予想される製造プロセスの第１の工程を示している。
【図７】本発明による調節可能な焦点距離を持つレンズに関する予想される製造プロセスの第２の工程を示している。
【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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【国際調査報告】
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