(57)【要約】【課題】光学特性がより向上した液晶光学素子及びそれを備えた画像装置を提供する。【解決手段】液晶光学素子１は、第１の基板１２、第２の基板２２と、第１の電極１４と、対向電極２４と、液晶層３０と、第１の配向膜１８と、第２の配向膜２６とを含む。第１の基板１２は、第１の主面を有する。第２の基板２２は、第２の主面を有する。第１の電極１４は、第１の主面の一部に複数設けられている。対向電極２４は、第２の主面に設けられ、一部が第１の電極１４と対向している。液晶層３０は、第１の主面と第２の主面との間に挟持されている。第１の配向膜１８は、第１の基板１２と液晶層３０との間に設けられ、液晶層３０の液晶分子を水平配向させる。第２の配向膜２６は、第２の基板２２と液晶層３０との間に設けられ、液晶層３０の液晶分子を水平配向させる。第１の配向膜１８の配向規制力は、第２の配向膜２６の配向規制力よりも弱い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面を有する第１の基板と、
前記第１の主面と対向する第２の主面を有する第２の基板と、
前記第１の主面の一部に設けられた複数の第１の電極と、
前記第２の主面に設けられ一部が前記第１の電極と対向する対向電極と、
前記第１の主面と前記第２の主面との間に挟持された液晶層と、
前記第１の基板と前記液晶層との間に設けられ、前記液晶層の液晶分子を水平配向させる第１の配向膜と、
前記第２の基板と前記液晶層との間に設けられ、前記液晶層の液晶分子を水平配向させる第２の配向膜と、
を具備し、
前記第１の配向膜の配向規制力は、前記第２の配向膜の配向規制力よりも弱い液晶光学素子。
【請求項２】
前記第１の配向膜は、光配向によって形成される光配向膜である請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項３】
前記第２の配向膜は、ラビング配向によって形成されるラビング配向膜である請求項１又は２に記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記第１の配向膜に接する前記液晶分子のプレチルト角は、ほぼ０度である請求項１乃至３の何れか１項に記載の液晶光学素子。
【請求項５】
前記第１の配向膜は、４−カルコン基、４’−カルコン基、クマリン基、シンナモイル基の感光性基を有するポリイミドによって形成される配向膜である請求項１乃至４の何れか１項に記載の液晶光学素子。
【請求項６】
前記第１の主面に設けられ、隣り合う前記第１の電極の間に設けられた第２の電極をさらに有する請求項１乃至５の何れか１項に記載の液晶光学素子。
【請求項７】
最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方と前記第２の電極との間の前記第１の電極の延在方向と直交する方向の距離である第１の距離は、最近接する２つの前記第１の電極のうちの他方と前記第２の電極との間の前記第１の電極の延在方向と直交する方向の距離である第２の距離と異なる請求項６に記載の液晶光学素子。
【請求項８】
前記液晶層は、前記最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方から他方に向かう方向に進むにつれて、ダイレクタが前記第１の基板から前記第２の基板に向かう液晶配列を有し、
前記第１の距離は、前記第２の距離よりも長い請求項７に記載の液晶光学素子。
【請求項９】
前記液晶層は、前記最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方から他方に向かう方向に進むにつれて、ダイレクタが前記第１の基板から前記第２の基板に向かう液晶配列を有し、
前記第１の距離は、前記第２の距離よりも短い請求項７に記載の液晶光学素子。
【請求項１０】
前記第１の距離は、前記第２の距離の１．２倍以下である請求項８に記載の液晶光学素子。
【請求項１１】
前記第２の距離は、前記第１の距離の１．２倍以下である請求項９に記載の液晶光学素子。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか１項に記載の液晶光学素子と、
前記液晶光学素子が重ねられるように配置され、画素を有する画像部と、
前記液晶光学素子を駆動する駆動部と、
を具備する画像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、液晶光学素子及びそれを備えた画像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被写体までの奥行き方向の距離を得ることができる技術は、参照光を使用する技術や複数のカメラを使用した測距技術等が知られている。特に近年は、民生用途での新たな入力装置として比較的廉価な構成で距離情報を得ることのできる撮像装置のニーズが高まっている。
【０００３】
そこで、多眼で多数視差を得ることができ、かつ、解像度の低下を抑えるための撮像装置として、結像レンズを持つ複眼構成の撮像装置が提案されている。この撮像装置は、例えば結像系レンズを有し、さらに結像レンズと撮像素子との間に再結像光学系としての複数光学系を有している。複数光学系としては、例えば平面上に多数のマイクロレンズが形成されたマイクロレンズアレイが用いられる。それぞれのマイクロレンズの光射出側には、各マイクロレンズから射出された光束に対応した像を取得するための複数の画素が設けられている。結像レンズによって結像された像は、マイクロレンズによって対応する複数の画素のうちの何れかに再結像される。再結像した像は、それぞれマイクロレンズの位置によって存在する視差の分だけ視点がずれた画像となる。多数のマイクロレンズから得られた視差画像群を画像処理することで、三角測量の原理にて被写体の距離を推定することが可能であり、また、視差画像群に対してつなぎ合わせの画像処理を行うことによって、２次元画像として再構成することも可能である。
【０００４】
一般に、再構成された２次元画像の解像度は、複数光学系を除いた状態で得られる２次元画像の解像度よりも低い。このため、特許文献１の撮像装置は、複数光学系の有無を切り替え可能な構成とすることにより、被写体の奥行き方向の距離を得ることができる撮像モードと高解像な２次元画像の撮像モードとを切り替えることを可能にしている。この特許文献１においては、複数光学系として液晶レンズ素子と偏光切替用液晶素子とを組み合わせた液晶光学素子において電圧の印加と無印加とを切り替えることにより、液晶光学素子を結像状態と非結像状態との間で切り替えている。
【０００５】
レンズ状に屈曲した電極と平らな電極との間に設けられた液晶層への電圧の印加を制御することによって液晶光学素子の結像状態と非結像状態とを切り替える液晶光学素子が知られている。この場合、液晶層の界面は曲面になる。液晶層の界面が曲面になると非結像状態のときに完全な透過状態を得るのが難しくなる。これに対し、液晶光学素子として、電圧印加によって液晶層内の屈折率分布を変化させることによって液晶光学素子の結像状態と非結像状態とを切り替える屈折率分布型（GRadient INdex）レンズを用いるものが提案されてきている。ＧＲＩＮレンズであれば、液晶層の界面が曲面にはならない。その一方で、近年ではＧＲＩＮレンズのさらなる光学特性の向上が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１６７３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本実施形態は、光学特性がより向上した液晶光学素子及びそれを備えた画像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態による液晶光学素子は、第１の基板と、第２の基板と、第１の電極と、対向電極と、液晶層と、第１の配向膜と、第２の配向膜とを含む。第１の基板は、第１の主面を有する。第２の基板は、第２の主面を有する。第１の電極は、第１の主面の一部に複数設けられている。対向電極は、第２の主面に設けられ、一部が第１の電極と対向している。液晶層は、第１の主面と第２の主面との間に挟持されている。第１の配向膜は、第１の基板と液晶層との間に設けられ、液晶層の液晶分子を水平配向させる。第２の配向膜は、第２の基板と液晶層との間に設けられ、液晶層の液晶分子を水平配向させる。第１の配向膜の配向規制力は、第２の配向膜の配向規制力よりも弱い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る液晶光学素子の一具体例を示す図である。
【図２】図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。
【図３】図２に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。
【図４】第１の電極と第２の電極とをそれぞれ示した図である。
【図５】電圧の印加状態に応じた液晶分子の配列を示す図である。
【図６】液晶光学素子の動作を示す断面図である。
【図７】実施例１と比較例１の方法によって作製した液晶光学素子の１つのレンズ部の屈折率分布を示す図である。
【図８】実施例２と比較例２の方法によって作製した液晶光学素子の１つのレンズ部の屈折率分布を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る液晶光学素子の構成を示す断面図である。
【図１０】第２の電極が中心軸に対して非対称でない参考例の液晶光学素子における電気力線の分布及び屈折率の分布を例示する図である。
【図１１】第２の電極が中心軸に対して非対称である液晶光学素子における電気力線の分布及び屈折率の分布を例示する図である。
【図１２】液晶光学素子における屈折率分布を例示したグラフである。
【図１３】第２の実施形態の変形例に係る液晶光学素子の構成を示す断面図である。
【図１４】図１０で示した参考例の液晶光学素子において第１の電極への印加電圧を高くしたときの電気力線の分布及び屈折率の分布を例示する図である。
【図１５】変形例に係る液晶光学素子の電気力線の分布及び屈折率の分布を例示する図である。
【図１６】変形例における液晶光学素子の特性を示すグラフである。
【図１７】液晶光学素子の第１の適用例としての撮像装置の構成を示す模式図である。
【図１８】液晶光学素子の第２の適用例としての表示装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。なお、図面は模式的又は概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率等は、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
［第１の実施形態］  
図１は、第１の実施形態に係る液晶光学素子の一具体例を示す図である。図２は、図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。図３は、図２に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。図２は、図３に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図でもある。
【００１１】
図１の例の液晶光学素子１は、正方配列されたレンズ部からなるマイクロレンズアレイ１００を有する。マイクロレンズアレイ１００は、２層のレンズ部１００ａ、１００ｂによって形成されている。レンズ部１００ａとレンズ部１００ｂとは、光の入射方向から見てレンズ部１００ａ、１００ｂの順で積層されている。また、レンズ部１００ｂの光入射面には偏光板２が設けられている。ここで、レンズ部１００ａとレンズ部１００ｂとは、貼りあわせの際の向きが異なるだけで同一の構成を有している。したがって、以下ではレンズ部１００ａの構成を説明し、レンズ部１００ｂの構成の説明を省略する。
【００１２】
レンズ部１００ａは、第１の基板１２と、第１の電極１４と、第１の配向膜１８と、第２の基板２２と、対向電極２４と、第２の配向膜２６とを有している。さらに、第１の基板１２と第２の基板２２との間には液晶層３０が挟持されている。
【００１３】
第１の基板１２は、第１の主面を有する。第２の基板２２は、第２の主面を有する。第１の主面と第２の主面とは対向する。第１の電極１４は、第１の主面の一部に設けられる。対向電極２４は、第２の主面の一部に設けられる。第１の電極１２は、対向電極２４の一部と対向する。
【００１４】
液晶層３０は、第１の主面と第２の主面との間に挟持される。
【００１５】
第１の配向膜１８は、第１の基板１２と液晶層３０との間に設けられ、液晶層３０の液晶分子を水平配向させる。第２の配向膜２６は、第２の基板２２と液晶層３０との間に設けられ、液晶層３０の液晶分子を水平配向させる。第１の配向膜１８の配向規制力は、第２の配向膜の配向規制力２６よりも弱い。
【００１６】
本実施形態においては、液晶光学素子１の第１の基板１２の主面にさらに第２の電極１６が設けられている場合について説明する。第２の電極１６は、隣り合う一対の第１の電極１４の間に設けられている。第２の電極１６が設けられている場合には、液晶層３０における屈折率分布の特性を向上させる。
【００１７】
第１の基板１２は、光透過性を有する平坦な基板である。第１の基板１２には、例えば石英が用いられる。第１の基板１２は、第１の電極１４及び第２の電極１６を形成するための主面を有する。図２及び図３では、第１の基板１２の主面がＸＹ面となるように図示されている。また、Ｚ軸方向は液晶光学素子１に光の入射方向と平行な方向となるように設定されている。第１の電極１４及び第２の電極１６は、光透過性の電極材料、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)で形成され、Ｙ軸方向に延在する線状の電極である。ここで、第１の電極１４は、所定の電圧Ｖが印加される電極であって、個々のマイクロレンズの端部位置に対応した電極である。この第１の電極１４は、等間隔に配置されている。一方、第２の電極１６は、ＧＮＤに維持される電極であって、第１の電極１４の間に配置され、個々のマイクロレンズの中央位置に対応した電極である。この第２の電極１６は、等間隔に配置されている。図４は、第１の電極１４と第２の電極１６とをそれぞれ示した図である。図４に示すように、第１の電極１４及び第２の電極１６は、例えば櫛型電極として形成されており、Ｘ軸方向に沿って交互に並ぶように配置されている。第１の電極１４及び第２の電極１６は、必ずしも櫛型電極として形成される必要はない。
【００１８】
第１の配向膜１８は、第１の基板１２の主面に形成される、液晶層３０の液晶分子（主に第１の基板１２側）を初期配向させるための水平配向処理膜である。ここで、第１の配向膜１８の配向規制力（アンカリングエネルギー）は、後で説明する第２の配向膜２６の配向規制力よりも弱くなるように、すなわち第１の配向膜１８表面エネルギーは、第２の配向膜２６の表面エネルギーよりも小さくなるように設定されている。このような配向規制力の関係を作るために、第１の配向膜１８には例えば光水平配向膜が用いられている。光水平配向膜は、例えばアゾベンゼン等の光異性化材料に偏光ＵＶを照射して一方向に配向させることにより形成される。光水平配向膜により、液晶分子は、ＵＶ照射方向と平行或いは９０度垂直方向に初期配向する。光配向膜の特性として、偏光ＵＶを垂直照射或いは斜方照射の場合にはプレチルト角がほぼ０度となる。光水平配向膜による液晶分子の配向規制力（アンカリングエネルギー）は、光重合中の照射光量によって決められる。このような配向方法により、「規制力のごく弱い水平配向膜」を形成することができる。なお、光配向膜は、光異性化材料だけでなく、光結合型材料、光分解反応型材料でも適用できる。例えば、光結合型としては、４−カルコン基、４’−カルコン基、クマリン基、シンナモイル基等の感光性基を有するポリイミドを用いることができ、光分解反応型としては、例えば、日産化学社から市販されているＲＮ７２２、ＲＮ７８３、ＲＮ７８４、又は、ＪＳＲ社から市販されているＪＡＬＳ−２０４等を用いることができる。
【００１９】
第２の基板２２は、光透過性を有する平坦な基板である。第２の基板２２には、例えば石英が用いられる。そして、第２の基板２２は、第１の基板１２の主面と例えば平行に対向する主面を有する。なお、図１〜図３で示した例において、第２の基板２２は、レンズ部１００ｂにおける第１の基板でもある。勿論、レンズ部１００ｂのために別途に第１の基板が設けられていても良い。対向電極２４は、光透過性の電極材料、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)で形成され、第２の基板２２の主面に設けられた面状の電極膜である。対向電極２４は、図４に示すように、ＧＮＤに維持される。なお、本実施形態では対向電極２４は連続体として表されているが、これに限られる訳ではない。例えば、第１の電極１４及び第２の電極１６のそれぞれと対向するように複数設けられていても良い。
【００２０】
また、第２の配向膜２６は、第２の基板２２の主面に形成される、液晶層３０の液晶分子（主に第２の基板２２側）を初期配向させるための水平配向処理膜である。前述した配向規制力の関係を作るために、第２の配向膜２６には例えばラビング水平配向膜が用いられている。ラビング水平配向膜では、表面（例えばポリイミドの表面）をラビングすることによって、液晶分子を配向させることができる表面上の異方性が形成される。液晶分子の配向規制力（アンカリングエネルギー）は、ラビングローラーの回転速度、基板に対するラビングローラーの圧力等の条件により制御可能である。配向膜界面で生じる液晶分子のプレチルト角は約１〜３度となる。このような配向方法により、「規制力の弱い水平配向膜」を形成することができる。
【００２１】
液晶層３０は、第１の基板１２と第２の基板２２との間に挟持され、電圧の印加によってその屈折率分布を変化させる。液晶層３０には、例えばネマティック液晶が用いられる。以下では液晶層３０には、正の誘電異方性を有するネマティック液晶が用いられているとする。ただし、液晶層３０は、負の誘電異方性を有していても良い。また、ネマティック液晶以外の液晶が用いられても良い。
【００２２】
レンズ部１００ａの第１の電極１４及び第２の電極１６はＸ軸方向に延在する。レンズ部１００ｂの第１の電極１４及び第２の電極１６は、Ｙ軸方向に延在する。
【００２３】
偏光板２は、レンズ部１００ａの第１の基板１２を介して液晶層３０と対向するように設けられている。偏光板２は、入射された光を縦横方向（或いは、その中間の斜め方向）に透過軸を有する光に偏光し、この偏光を液晶層３０に入射させる。偏光板２は、例えば第１の電極１４及び第２の電極１６の延在方向（Ｘ軸方向）に光学軸を有する直線偏光板であっても良い。また偏光板２は、例えば円偏光板であっても良い。
【００２４】
以下、液晶光学素子１の動作を説明する。図５は、電圧の印加状態に応じた液晶分子の配列を示す図である。図６は、液晶光学素子１の動作を示す断面図である。図５及び図６では、一つのレンズ部のみを示している。
【００２５】
電圧無印加時、図５（ａ）に示すように、液晶層３０内の液晶分子３２は、水平配向膜からの配向規制力を受けてＸＹ平面に対して水平方向に一様に配列している。このとき、液晶分子３２の配列の平面射影方位は、例えば第１の電極１４が並ぶ方向（Ｘ軸方向）である。また液晶分子３２の配列の配向方位は、例えば垂直方向（Ｚ軸方向）である。この場合、平面射影方位は不定である。液晶層３０内の液晶分子３２の配向が面内で一様であるので、液晶層３０内の屈折率は一様になっている。したがって、図６（ａ）に示すように入射光が直進する。このようにして液晶光学素子１は非レンズ状態となる。
【００２６】
一方、第１の電極１４に電圧Ｖを印加する。対向電極２４をＧＮＤにする。第２の電極１６を設ける場合には、第２の電極１６をＧＮＤ        にする。このとき、図５（ｂ）に示すように、液晶層３０内の液晶分子３２は液晶層３０内に形成される電場分布に従って再配列する。これに伴い液晶層３０内に図６で示すような屈折率分布Ｒｘが生じる。図６で示すように、屈折率は、第１の電極１４の配列方向（Ｘ軸方向）に沿って周期的に変化する。このとき、液晶層３０は、ＧＲＩＮ（GRadient INdex）レンズとして機能し、図６（ｂ）に示すように、光を集光させる。このようにして液晶光学素子１はレンズ状態となる。
【００２７】
このように、液晶光学素子１は、電圧印加の有無により、レンズ状態と非レンズ状態とを切り替えることができる。なお、図６の例は、液晶層３０の誘電異方性が正の場合である。液晶層３０の誘電異方性が負の場合には、屈折率分布は図６で示した分布に対して、第１の電極１４の配列方向（Ｘ軸方向）から半周期だけずれた分布となる。
【００２８】
前述したように、レンズ部１００ａの第１の電極１４とレンズ部１００ｂの第１の電極１４とが概略直交するように、レンズ部１００ａとレンズ部１００ｂが貼り合わされている。したがって、レンズ部１００ａとレンズ部１００ｂとでは、屈折率分布の生じる方向が概略直交している。このため、レンズ部１００ａにおいてＸ軸方向に沿う方向について集光された光は、レンズ部１００ｂにおいてＹ軸方向に沿う方向について集光される。したがって、レンズ部１００ａ及びレンズ部１００ｂは、全体としてマイクロレンズとして機能する。一方、レンズ部１００ａ及びレンズ部１００ｂが単体で使用される場合には、シリンドリカルレンズとして機能する。
【００２９】
レンズ部１００ａのシリンドリカルレンズの延在方向は、レンズ部１００ｂのシリンドリカルレンズの延在方向と略直交する。
【００３０】
図１〜図３の例では、レンズ部１００ａとレンズ部１００ｂとで屈折率分布の生じる方向が概略直交している。先に光が通過するレンズ部１００ａで集光効果が最大となる偏光軸方位と、次に光が通過するレンズ部１００ｂで集光効果が最大となる偏光軸方位と、は概略直交している。レンズ部１００ａの液晶層３０を捻じれ配列させておけば、入射光の偏向軸面が液晶層３０において回転する。その結果、レンズ部１００ａから射出された光の偏向軸方位は、その集光効果が最大となる偏光軸方位に合うようになる。例えば、レンズ部１００ａの第１の配向膜１８の配向方向と第２の配向膜２６の配向方向を直交させておくことができる。
【００３１】
さらに、本実施形態においては、第１の基板と第２の基板とで配向規制力の異なる水平配向膜が形成されている。このようにして配向規制力の異なる水平配向膜を形成することにより、液晶光学素子としての光学特性を向上させることが可能である。なお、実施形態では、第１の基板に形成する水平配向膜を光水平配向膜とし、第２の基板に形成する水平配向膜をラビング配向膜としている。第１の基板側の配向規制力が第２の基板側の配向規制力よりも弱ければ良く、第１の基板に形成する水平配向膜は必ずしも光水平配向膜でなくて良い。例えば、第１の基板に形成する水平配向膜をラビング配向膜としても良い。
【００３２】
［実施例１］
以下、前述した第１の実施形態に係る実施例１について説明する。まず、１つのガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）の表面に、電極幅１０μｍ、電極間隔１１５μｍのＩＴＯ櫛形電極を常法により形成した。次に、ポリイミド系配向膜材料であるRN−１３３８（日産化学工業（株）製）を１００ｎｍの厚さにスピナーで電極面にキャストした。波長３６５ｎｍの直線偏光光を０．２Ｊ／ｃｍ2程度の照射光強度で照射することにより、照射直線偏光方向と直交する方向に配向規制方向を持つ水平配向膜を形成した。その後、２３０℃/２０〜３０分焼成した。次に、別のガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）の全表面に、ＩＴＯ電極を常法により形成した。そして、配向膜材料であるSE−７４９７（日産化学工業（株）製）を１００ｎｍの厚さにスピナーで電極面にキャストし、２３０℃/２０〜３０分焼成した。その後、ラビング配向処理を行うことでラビング方向と平行な方向に配向規制方向を持つ水平配向膜を形成した。
【００３３】
上述のようにして得られた第２の基板の表面の所定位置に、貼り合わせのための接着剤を塗布した。接着剤には直径１０μｍのスペーサを１％配合した。第１の基板の表面の絶縁膜部分に直径１０μｍのスペーサを散布し一定のセルギャップを確保した。その後、第１の基板及び第２の基板を、互いに配向膜が対向し、かつ、配向規制方向が同一となるように貼り合わせてから封着して液晶セルを得た。一方、ネマティック液晶ＢＬ０３５（Ｍｅｒｃｋ社製）を、前述の液晶セルに常法により注入した。次に、第１の基板と第２の基板それぞれに偏光板を設けた。この１対の偏光板は、印加電場方向と透過軸が４５°の角度をなし、かつ、互いの透過軸が直交するように設けた。液晶セルに駆動用ドライバを接続することで液晶光学素子１を作製した。
【００３４】
図７の実線は、実施例１の方法によって作製したＰＡモードの液晶光学素子１の１つのレンズ部の屈折率分布である。なお、図７の実線の屈折率分布を得たときの印加電圧は２Ｖである。図７に示すように、本実施例１の液晶光学素子１は、屈折率の変調量が大きく、良好な集光特性を有している。
【００３５】
［比較例１］  
次に、実施例１に対応した比較例１について説明する。本比較例１においては、配向膜の形成以外は実施例１と同一条件で液晶光学素子１を作製した。すなわち、まず、１つのガラス基板の表面に、ＩＴＯ櫛形電極を常法により形成した。次に、配向膜材料であるAL−６０８０５（JSR（株）製）を１００ｎｍの厚さにスピナーで電極面にキャストし、２３０℃/２０〜３０分焼成した。その後、ラビング配向処理を行うことで垂直配向膜を形成して第１の基板を得た。次に、別のガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）の全表面に、ＩＴＯ電極を常法により形成した。そして、配向膜材料であるAL−１２５４（JSR（株）製）を１００ｎｍの厚さにスピナーで電極面にキャストし、２３０℃/２０〜３０分焼成した。その後、ラビング配向処理を行うことでラビング方向と平行な方向に配向規制方向を持つ水平配向膜を形成して第２の基板を得た。
【００３６】
図７の破線は、比較例１の方法によって作製したＨＡＮモードの液晶光学素子１の１つのレンズ部の屈折率分布である。なお、図７の破線の屈折率分布を得たときの印加電圧も２Ｖである。配向欠陥（ディスクリネーション）の少ない素子間で比較すると、第１の基板に形成する配向膜を配向規制力の強い垂直配向膜とした場合、第１の基板に形成する配向膜を配向規制力の弱い水平配向膜とした場合よりも屈折率変調量が小さくなっていることが分かる。
【００３７】
［実施例２］
以下、前述した実施形態に係る実施例２について説明する。まず、１つのガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）の表面に、電極幅３０μｍ、電極間隔２３０μｍのＩＴＯ櫛形電極を常法により形成した。次に、ポリイミド系配向膜材料であるRN−１３３８（日産化学工業（株）製）を１００ｎｍの厚さにスピナーで電極面にキャストし、波長３６５ｎｍの直線偏光光を０．２Ｊ／ｃｍ2程度の照射光強度で照射することにより、照射直線偏光方向と直交する方向に配向規制方向を持つ水平配向膜を形成した。その後、２３０℃/２０〜３０分焼成して第１の基板を得た。次に、別のガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）の全表面に、ＩＴＯ電極を常法により形成した。そして、配向膜材料であるSE−７４９７（日産化学工業（株）製）を１００ｎｍの厚さにスピナーで電極面にキャストし、２３０℃/２０〜３０分焼成した。その後、ラビング配向処理を行うことでラビング方向と平行な方向に配向規制方向を持つ水平配向膜を形成して第２の基板を得た。
【００３８】
上述のようにして得られた第２の基板の所定位置に、貼り合わせのための接着剤を塗布し（接着剤には直径４０μｍのスペーサを１％配合）、第１の基板の表面の絶縁膜部分に直径４０μｍのスペーサを散布し一定のセルギャップを確保した。その後、第１の基板及び第２の基板を、互いに配向膜が対向し、かつ、配向規制方向が同一となるよう貼り合わせてから封着して液晶セルを得た。一方、ネマティック液晶ＢＬ０３５（Ｍｅｒｃｋ社製）を、前述の液晶セルに常法により注入した。次に、印加電場方向と透過軸が４５°の角度をなし、かつ、互いの透過軸が直交するように偏光板を素子の裏面に貼り、駆動用ドライバを接続した液晶光学素子１を作製した。
【００３９】
図８の実線は、実施例２の方法によって作製した第１の基板側の配向規制力がごく弱いＰＡモードの液晶光学素子１の１つのレンズ部の屈折率分布である。なお、図８（ｂ）の実線の屈折率分布を得たときの印加電圧は１.８Ｖである。図８に示すように、本実施例２の液晶光学素子１は、配向欠陥が抑制され、かつ、駆動電圧の低い、良好な集光特性を有している。
【００４０】
［比較例２］
次に、実施例２に対応した比較例２について説明する。本比較例２においては、配向膜の形成以外は実施例２と同一の条件で液晶光学素子１を作製した。すなわち、まず、１つのガラス基板の表面に、ＩＴＯ櫛形電極を常法により形成した。次に、配向膜材料であるAL−１２５４（JSR（株）製）を１００ｎｍの厚さにスピナーで電極面にキャストし、２３０℃/２０〜３０分焼成した。その後、ラビング配向処理を行うことでラビング方向と平行な方向に配向規制方向を持つ水平配向膜を形成して第１の基板を得た。次に、別のガラス基板の表面へも前述と同様の配向膜を形成して第２の基板を得た。
【００４１】
図８の破線は、比較例２の方法によって作製した第１の基板と第２の基板の配向規制力が同じＰＡモードの液晶光学素子１の１つのレンズ部の屈折率分布である。なお、図８の破線の屈折率分布を得たときの印加電圧は５Ｖである。第１の基板側と第２の基板側の両方に強い配向規制力の配向膜を形成した場合、駆動電圧が上昇しただけでなく、電圧印加時に液晶分子が立ち上がる向きが異なるドメインが発生する。このため、配向欠陥（ディスクリネーション）による屈折率分布の異常が観察された。
【００４２】
なお、発明者らは、第１の基板に形成する配向膜と第２の基板に形成する配向膜の両方を光配向膜として同様の比較を行っている。この場合においても配向欠陥による屈折率分布の異常が観察された。この比較から、単に配向規制力を弱くするだけでなく、第１の基板側と第２の基板側とで配向規制力に差を設けることが、配向欠陥の抑制につながることが分かる。
【００４３】
［第２の実施形態］  
次に、第２の実施形態について説明する。図９は、第２の実施形態に係る液晶光学素子の構成を示す断面図である。以下、第１の実施形態と同一の構成については第１の実施形態と同一の参照符号を付すことで説明を省略する。第１の実施形態では、第１の基板側の液晶分子のプレチルト角がほぼ０度であり、第２の基板側の液晶分子のプレチルト角が約１〜３度の例を示している。第２の実施形態の液晶分子のプレチルト角は、０度以上３０度以下程度で良い。
【００４４】
第２の実施形態においては、最近接する２つの第１の電極１４とその間の第２の電極１６とに着目する。以下では、最近接する２つの第１の電極１４のうちの一方（例えば左側）を第１の電極１４ｐとし、他方（例えば右側）を第１の電極１４ｑとする。そして、第１の電極１４ｐと第１の電極１４ｑとの間を２等分する位置に中心軸ｃｘを仮定する。すなわち、中心軸ｃｘは、第１の電極１４ｐの中心ｐｃと第１の電極１４ｑの中心ｑｃとを２等分する線分の中点ｃを通り、Ｙ軸に対して平行な軸である。また、第１の基板１２の主面に対して直交しておりかつ第１の電極１４ｐの中心ｐｃを通る平面と、第１の基板１２の主面に対して直交しておりかつ中心軸ｃｘを通る平面と、の間の領域を第１の領域Ｒ１とする。さらに、第１の基板１２の主面に対して直交しておりかつ第１の電極１４ｑの中心ｑｃを通る平面と、第１の基板１２の主面に対して直交しておりかつ中心軸ｃｘを通る平面と、の間の領域を第２の領域Ｒ２とする。第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２は、第１の基板１２の第１の主面と平行である。
【００４５】
第２の実施形態において、第２の電極１６は、第１の電極１４ｐと第１の電極１４ｑとの間に、かつ、中心軸ｃｘに対して非対称となるように設けられている。図９の例では、第２の電極１６は、第２の領域Ｒ２に設けられており、第１の領域Ｒ１には設けられていない。ここで、第１の電極１４ｐと第２の電極１６とのＸ軸方向の距離を第１の距離ｄ１２とする。また、第２の電極１６と第１の電極１４ｑとの間のＸ軸方向の距離を第２の距離ｄ２１とする。第２の電極１６が中心軸ｃｘに対して非対称に配置されているので、第１の距離ｄ１２と第２の距離ｄ２１とは異なる距離になる。図９の例の場合、第１の電極１４ｐ、１４ｑと第２の電極１６との位置関係は、以下の（１）〜（３）の式で表される。  
Ｌｐ＝Ｗ１＋ｄ１２＋Ｗ２＋ｄ２１  ・・・（１）
ＨＬｐ＝Ｌｐ／２  ・・・（２）
ｄ１２＞ｄ２１    ・・・（３）
ここで、Ｌｐは、第１の電極１４ｐの中心ｐｃと第１の電極１４ｑの中心との間のＸ軸方向の距離（電極ピッチ）である。ＨＬｐは、一方の第１の電極（例えば第１の電極１４ｐ）の中心と中点ｃとの距離である。また、Ｗ１は、第１の電極１４ｐ、１４ｑのＸ軸方向の幅である。Ｗ２は、第２の電極１６のＸ軸方向の幅である。ここで、例えば、第１の距離ｄ１２と第２の距離ｄ２１との差の絶対値（Δｄ＝｜ｄ１２−ｄ２１｜）は、幅Ｗ１及び幅Ｗ２の少なくともいずれかよりも長くすることも可能である。図９は、差の絶対値（Δｄ＝｜ｄ１２−ｄ２１｜）が、幅Ｗ１及び幅Ｗ２の両方よりも長い例を示している。すなわち、（４）及び（５）の関係を満足している。
【００４６】
｜ｄ１２−ｄ２１｜  ＞  Ｗ１    ・・・（４）
｜ｄ１２−ｄ２１｜  ＞  Ｗ２    ・・・（５）
さらに、液晶層３０の厚さをＺｄとする。例えば、Ｚｄは、２マイクロメートル（μｍ）以上２００μｍ以下である。例えば、Ｌｐは、１０μｍ以上６００μｍ以下である。Ｗ１は、例えば、１μｍ以上５０μｍ以下である。Ｗ２は、例えば、１μｍ以上５００μｍ以下である。例えば、Δｄは、Ｗ１の０．５倍以上５０倍以下である。例えば、Δｄは、Ｗ２の０．５倍以上５０倍以下である。例えば、Δｄは、Ｌｐの２％以上９５％以下である。
【００４７】
なお、第１の電極１４ｐと第１の電極１４ｑとの間に、２つ以上の第２の電極１６が設けられても良い。この場合は、複数の第２の電極１６のそれぞれが中心軸ｃｘに対して非対称に配置されていれば良い。
【００４８】
図１０は、第２の電極１６が中心軸ｃｘに対して非対称でない参考例の液晶光学素子における電気力線の分布及び屈折率の分布を例示する図である。ここで、図１０では、配向膜の図示を省略している。また、図１０は、説明の都合上、図９に対して上下反転の状態で図示されている。  
図１０で示す液晶光学素子において、第１の電極１４ｐ、１４ｑに電圧Ｖを印加し、第２の電極１６及び対向電極２４をＧＮＤにしたとき、第１の電極１４ｐ、１４ｑと第２の電極１６及び対向電極２４との間には図１０で示すような電気力線ＥＬが発生する。一般に、液晶層３０の誘電率異方性が正の場合、電気力線ＥＬの密集域（すなわち強電場域）における液晶分子３２の配向（液晶分子３２の長軸の向き）は、電気力線ＥＬの経路に沿って変化する。例えば、第１の電極１４ｐ、１４ｑと対向電極２４とが対向している部分における液晶分子３２は、ほぼ垂直方向に配向する。一方、第２の電極１６と対向電極２４とが対向している部分では、電気力線ＥＬの密度が小さいので、液晶分子３２は、初期配向の状態のまま、すなわち水平方向に配向したままである。また、第１の電極１４と第２の電極１６との間の部分では、第２の電極１６から第１の電極１４ｐ、１４ｑに向かって徐々に垂直方向に近づくように、液晶分子３２の配向が変化する。この結果、液晶層３０には、図１０で示す凸レンズ状の屈折率分布Ｒｘが形成される。
【００４９】
ここで、図１０で示す液晶光学素子において、電気力線ＥＬは、例えば、第１の電極１４ｐ、１４ｑのＸ軸方向の中心を軸として実質的に対称に分布する。しかしながら、屈折率分布Ｒｘは、第１の電極１４ｐ、１４ｑのＸ軸方向の中心を軸として対称にはならない。これは、電気力線ＥＬの傾斜方向が中心軸ｃｘを境界として逆になるためである。図１０の例において、液晶分子３２のプレチルトの方向と同方向側に配置された第１の電極１４ｐの近傍領域（順方向領域ＦＲ）における電気力線ＥＬの方向は、液晶分子３２のプレチルトの方向に沿う。これに対し、液晶分子３２のプレチルトの方向と逆方向側に配置された第１の電極１４ｑの近傍領域（逆方向領域ＲＲ）における電気力線ＥＬの方向は、プレチルトの方向に対して逆方向になる。
【００５０】
図１０の下部には、順方向領域ＦＲ及び逆方向領域ＲＲにおける液晶分子３２の配向状態を抜き出して示している。図１０の下部の液晶分子３２の配向状態において、左側は電気力線ＥＬが作用する前の配向状態であり、右側は電気力線ＥＬが作用した後の状態である。
【００５１】
順方向領域ＦＲでは、第１の電極１４ｐの中心よりも右寄りの最近傍の電気力線ＥＬの作用を受ける液晶分子３２ａの傾斜方向は、この液晶分子３２ａの上方の液晶分子３２ｂ及び３２ｃとの傾斜方向と同じ方向である。この場合、第１の電極１４ｐの中心よりも右寄りの近傍領域において、ダイレクタが傾斜し、その水平成分が増加し易い。したがって、第１の電極１４ｐの中心よりも右寄りの近傍領域における屈折率は上昇する。また、順方向領域ＦＲでは、第１の電極１４ｐの直上でかつ第２の基板２２の近傍領域において、液晶分子３２は、垂直方向（Ｚ軸方向）に伸びる電気力線ＥＬに沿って立ち上がる。この結果、ダイレクタの水平成分が減少し、第１の電極１４ｐの直上領域のうちの第２の基板２２の近傍領域における屈折率は低下する。このように、順方向領域ＦＲでは、第１の電極１４ｐの最近傍領域における屈折率変化と第１の電極１４ｐの直上領域でかつ第２の基板２２の近傍領域における屈折率変化との双方の効果が互いに補償される。このため、第１の電極１４ｐの中心よりも右寄りの上方近傍領域における屈折率の低下傾向は抑制される。
【００５２】
一方、逆方向領域ＲＲでは、第１の電極１４ｑの中心よりも左寄りの電気力線ＥＬの作用を受ける液晶分子３２ｄの傾斜方向は、この液晶分子３２ｄの上方の液晶分子３２ｅ及び３２ｆの傾斜方向と逆方向である。この場合、液晶分子３２ｄと液晶分子３２ｅの回転トルクが互いに補償される。このため、第１の電極１４ｑの中心よりも左寄りの液晶分子３２ｄは傾き難くなる。電場が非常に強い場合は、第１の電極１４ｑの最近傍における液晶分子３２ｄは、その上方の液晶分子３２ｅ及び３２ｆは逆向きに傾く。この結果、ベンド配向歪みが形成される。ベンド配向歪みの中間部は垂直配向である。第１の電極１４ｑの中心よりも左寄りの領域においては、液晶層３０の全体として、ダイレクタの垂直成分の多くが維持される。また、逆方向領域ＲＲでは、第１の電極１４ｑの直上でかつ第２の基板２２の近傍領域において、液晶分子３２は、垂直方向（Ｚ軸方向）に伸びる電気力線ＥＬに沿って立ち上がる。この結果、ダイレクタの水平成分が減少し、第１の電極１４ｑの直上領域のうちの第２の基板２２の近傍領域における屈折率は低下する。順方向領域ＦＲと異なり、逆方向領域では第１の電極１４ｑの近傍領域では屈折率の変化が小さく、第１の電極１４ｑの上方領域では屈折率が低下する。したがって、逆方向領域ＲＲでは、順方向領域ＦＲのような補償効果は発現せず、屈折率の低下量が順方向領域ＦＲに比べて大きくなる。
【００５３】
このように、第１の電極１４の間の中心に第２の電極１６を配置する参考例の構成の場合、屈折率の変化量（例えば低下量）が順方向領域ＦＲと逆方向領域ＲＲとで異なる。この結果、屈折率のピーク位置が、第１の電極１４同士の中心軸ｃｘの位置とは重ならない。図１０の例では、屈折率のピーク位置は、中心軸ｃｘから図中の左方向へ移動している。このため、屈折率分布Ｒｘは、非対称（中心軸ｃｘを通る平面ＰＬに対して非対称）となる。
【００５４】
図１１は、第２の電極１６が中心軸ｃｘに対して非対称である本実施形態に係る液晶光学素子における電気力線の分布及び屈折率の分布を例示する図である。この例では、第２の電極１６は、中心軸ｃｘから右にシフトした位置に設けられている。これにより、順方向領域ＦＲにおいては、第１の電極１４ｐの近傍で横電場成分が弱まるので、屈折率の低下が促進される。一方、逆方向領域ＲＲにおいては、第１の電極１４ｑの近傍で横電場成分が強まるので、屈折率低下が抑制される。この結果、順方向領域ＦＲと逆方向領域ＲＲにおける屈折率の低下量の差が小さくなる。したがって、屈折率分布Ｒｘは、例えば左右対称になるか又は左右対称に近づく。
【００５５】
図１２は、液晶光学素子における屈折率分布を例示したグラフである。ここで、図１２の実線ＥＢは、第２の電極１６が中心軸ｃｘに対して非対称である本実施形態に係る液晶光学素子の屈折率分布を示しており、破線ＣＥは、第２の電極１６が中心軸ｃｘに対して非対称でない参考例の液晶光学素子の屈折率分布を示している。また、図１２の横軸は、Ｘ軸方向の位置である。位置Ｘ１４は、第１の電極１４（第１の電極１４ｐ又は１４ｑ）の中心のＸ位置である。位置「Ｘ１４−ＨＬｐ」又は位置「Ｘ１４＋ＨＬｐ」は、中心軸ｃｘの位置である。なお、中心軸ｃｘは、液晶層３０に形成される屈折率分布Ｒｘによって形成されるレンズの中央位置（Ｘ１４−ＨＬｐはＸ方向に並んで配置される２つのマイクロレンズのうちの例えば左側のレンズの中央位置Ｌｃ１に対応し、Ｘ１４＋ＨＬｐは例えば右側のレンズの中央位置Ｌｃ２に対応する）に実質的に対応する。図１２の縦軸は、液晶層３０の屈折率ｎｅｆｆである。屈折率ｎｅｆｆは、電圧無印加時の値で規格化している。
【００５６】
屈折率分布ＣＥにおいては、屈折率ｎｅｆｆは、左側のレンズ中央Ｌｃ１（Ｘ１４−ＨＬｐ）から第１の電極１４の中心にかけてなだらかに低下（単調減少）している。一方、第１の電極１４の中心と右側のレンズ中央Ｌｃ２との間の領域のうちのレンズ中央Ｌｃ２側（図１２のＡで示した部分）では、屈折率ｎｅｆｆの低下が抑制されている。一方、第１の電極１４と右側のレンズ中央Ｌｃ２との間の領域のうちの第１の電極１４側（図１２のＢで示した部分）では、屈折率ｎｅｆｆの変化が急峻である。
【００５７】
一方、屈折率分布ＥＢにおいては、左側のレンズ中央Ｌｃ１と第１の電極１４の中心の間における屈折率ｎｅｆｆの低下の勾配が屈折率分布ＣＥよりも急峻である。そして、第１の電極１４の中心と右側のレンズ中央Ｌｃ２との間において、屈折率ｎｅｆｆの変化はなだらかである。すなわち、実施形態の屈折率分布ＥＢの対称性は、屈折率分布ＣＥの対称性よりも高い。
【００５８】
以上説明したように第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した構成に加えて、第２の電極１６を、隣り合う第１の電極１４の間の中心軸ｃｘに対して非対称の位置に配置している。この場合、第２の基板２２の付近の液晶分子の配向は、Ｘ軸の正方向（第１の電極１４ｐから第１の電極１４ｑに向かう方向）に進むにつれて第２の基板２２に向くようになる。また、液晶層３０の中央における液晶のダイレクタのチルトも同方向である。全体として、液晶層３０は、Ｘ軸方向の正方向に進むにつれて第１の基板１２から第２の基板２２に向かう液晶配列を有することになる。このとき第１の距離ｄ１２を第２の距離ｄ２１よりも長くしておくことにより、屈折率分布Ｒｘの対称性を向上させることができる。
【００５９】
ここで、液晶層３０の屈折率分布の非対称性は、屈折率分布Ｒｘのピーク位置のずれだけでなくボトムの位置のずれも含む。このボトムの位置のずれ量は必ずしも同じでは無い。このため、本実施形態のように第２の電極１６の位置をシフトして屈折率分布Ｒｘの対称性を向上させたとしても、屈折率分布の周期と電極配置の周期（レンズ周期）との間にずれが生じることがある。そこで、液晶光学素子１を使用する際には、このずれを予め見込んで使用することが望ましい。
【００６０】
［第２の実施形態の変形例］  
次に、第２の実施形態の変形例を説明する。図１３は、第２の実施形態の変形例に係る液晶光学素子の構成を示す断面図である。図１３に示すように、本変形例の係る液晶光学素子においては、第２の電極１６が、第１の電極１４の間の中心軸ｃｘから左方向、すなわち液晶分子のプレチルトの方向と逆方向側にシフトされている。すなわち、第１の距離ｄ１２は、第２の距離ｄ２１よりも短い。また、図１３の例では、第２の電極１６は、第１の領域Ｒ１に設けられており、第２の領域Ｒ２には設けられていない。なお、変形例において、距離の差の絶対値Δｄ（＝｜ｄ２１−ｄ１２｜）は、電極ピッチＬｐの２０％以内、好ましくは１０％以内に見込んだ位置関係に調整することが望ましい。なお、第２の電極１６の配置以外は、図９の構成と同様である。したがって説明を省略する。
【００６１】
図１４は、図１０で示した参考例の液晶光学素子において第１の電極１４への印加電圧を高くしたときの電気力線の分布及び屈折率の分布を例示する図である。図１４の状態においては、第１の電極１４への印加電圧が図１０のときの印加電圧よりも高くなっている。
【００６２】
図１４の例では、第２の領域Ｒ２において、第１の電極１４の近傍にはベンド配向歪みが発生する。第１の電極１４の近傍における液晶配向状態の模式図を、第２の領域Ｒ２に設けられた第１の電極１４の下方に示す。第２の領域Ｒ２の側の第１の電極１４ｑと中心軸ｃｘとの間の領域において、屈折率分布Ｒｘに段差ＲＤ（極小値）が形成されている。
【００６３】
ネマティック液晶の配向歪みは、スプレイ・ツイスト・ベンドの３種類に分類される。液晶の多くは、ベンド配向歪みに対応する弾性係数が最大であり、最も変型し難い。ベンド配向歪みの発生領域では、注入された電気エネルギーの大半が歪み変型のために消費されるため、発生領域の範囲は限定される。ベンド配向歪み領域の外側（図１４において左側に広がる領域）には、ダイレクタの傾きの揃った液晶配向が形成されている（液晶配向状態の模式図を、第２の電極１６の下方に示す）。両者の境界領域では、逆に傾いた液晶のダイレクタは、垂直に立ち上がった状態を経て、周囲と同じ傾きの状態になる。すなわち、図１４において、両者の境界領域を右から左に（−Ｘ軸方向に）辿ると、液晶のダイレクタの水平成分は、若干多い状態から、一旦減少し、再び増大する。その結果、屈折率分布Ｒｘに段差ＲＤ（極小値）が形成される。
【００６４】
このとき、第２の領域Ｒ２の段差ＲＤを伴う屈折率分布は、フレネルレンズのように屈折率がかさ上げされたように振る舞う（図１４における屈折率分布ＲＦ）。この結果、第２の電極１６が第１の電極１４の間の中心に配置される参考例の構成では、屈折率の低下量が中心軸ｃｘの左右で異なる。参考例の液晶光学素子では、高い電圧を印加した場合に、ピーク位置が右へ移動し、屈折率分布（屈折率分布Ｒｘと屈折率分布ＲＦとの合計）は、左右非対称となる。
【００６５】
図１５は、変形例に係る液晶光学素子の電気力線の分布及び屈折率の分布を例示する図である。図１５に示した変形例の液晶光学素子においては、第２の電極１６が第１の電極１４の間の中心軸ｃｘから−Ｘ軸方向（左側）にシフトされている。このとき、第２の領域Ｒ２における第１の電極１４ｑの近傍では横電場成分が弱まり、屈折率のかさ上げ効果が抑制される（屈折率分布ＲＦ）。これに対して、第１の領域Ｒ１における第１の電極１４ｐの近傍では横電場成分が強まり、屈折率低下が抑制される。この結果、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２との間の屈折率の変動量の差が小さくなる。この結果、屈折率分布（屈折率分布Ｒｘと屈折率分布ＲＦとの合計）の対称性が向上する。さらに、本変形例では、高電圧の印加により屈折率の変動量が大きくなり、屈折率分布Ｒｘの最大値と最小値との差が大きくなる。
【００６６】
図１６は、変形例における液晶光学素子の特性を示すグラフである。ここで、図１６の実線ＥＢは、第２の電極１６が中心軸ｃｘに対して非対称である変形例に係る液晶光学素子の屈折率分布を示しており、破線ＣＥは、第２の電極１６が中心軸ｃｘに対して非対称でない参考例の液晶光学素子の屈折率分布を示している。図１６の横軸は、図１２と同様に、Ｘ軸方向の位置である。縦軸は、屈折率ｎｅｆｆである。
【００６７】
参考例の屈折率分布ＣＥにおいては、左側のレンズ中央Ｌｃ１と第１の電極１４の中心との間の領域に段差ＲＤ（極小値）が存在する。左側のレンズ中央Ｌｃ１と第１の電極１４の中心との間の領域における屈折率ｎｅｆｆは、屈折率のかさ上げ効果により、実効的に、右側のレンズ中央Ｌｃ２と第１の電極１４の中心との間の領域における屈折率ｎｅｆｆよりも、全体として高い。
【００６８】
これに対して、変形例の屈折率分布ＥＢにおいては、左側のレンズ中央Ｌｃ１と第１の電極１４の中心との間の領域における屈折率ｎｅｆｆの変化の勾配は参考例のものよりも低い。一方、右側のレンズ中央Ｌｃ２と第１の電極１４の中心との間の領域における屈折率ｎｅｆｆの変化の勾配は参考例よりも高い。このように、変形例においては、屈折率分布ＥＢの対称性が向上する。さらに、図１２で示した屈折率分布ＥＢに比べて、図１６で示した屈折率分布ＥＢにおいては屈折率分布Ｒｘの最大値と最小値との差が増大している。
【００６９】
変形例においても、液晶層３０は、ダイレクタが第１の電極１４ｐから第１の電極１４ｑに向かう＋Ｘ軸方向に進むにつれて第１の基板１２から第２の基板２２に向かう液晶配列を有している。ここで、第１の距離ｄ１２を第２の距離ｄ２１よりも短くしておくことにより、液晶光学素子における屈折率分布Ｒｘの最大値と最小値との差を大きくした状態において、第２の実施形態と同様に屈折率分布Ｒｘの対称性を向上できる。これにより、光変調量が大きく、良好な特性を有する液晶光学素子を実現することができる。
【００７０】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、前述した実施形態に係る液晶光学素子の適用例である。この液晶光学素子は、画素を有する画像部を備えた各種の画像装置に対して適用され得る。
【００７１】
図１７は、液晶光学素子の第１の適用例としての撮像装置の構成を示す模式図である。図１７に示したように、撮像装置は、液晶光学素子１と、撮像部（画像部）８０と、撮像用制御回路６０ａと、液晶光学素子１を駆動する駆動部を含む制御回路７０ａとを含む。また、撮像装置は、図示しない対象物からの光を液晶光学素子１に入射させるための結像光学系を含んでいても良い。この場合、結像光学系は、液晶光学素子１を介して撮像部８０の撮像素子と対向するように配置される。
【００７２】
図１７の例において、液晶光学素子１は、レンズ状態となったときに光が集光される側、すなわち第２の基板２２が撮像部８０の受光面と対向するようにと配置される。液晶光学素子１は、第１の実施形態、第２の実施形態又はその変形例で示した構成を有している。なお、図１７では、液晶光学素子１の１つのレンズ部のみが図示されている。しかしながら、液晶光学素子１が図１〜図３で示したような２つのレンズ部を有する液晶光学素子１であって良いことは言うまでもない。
【００７３】
撮像部８０は、撮像素子と、撮像回路とを有し、対象物を撮像して対象物に係る画像信号を得る。撮像素子は、液晶光学素子１から射出された対象物からの光をその光量に比例した信号電荷に変換するための受光面を有している。受光面には、複数の画素（光電変換素子としての例えばフォトダイオード）が２次元アレイ状に配列されている。ここで、撮像素子は、複数の画素ブロックを有している。画素ブロックは、例えば水平方向又は垂直方向に配列された画素の集まりである。図１７では、例えば画素ＰＩＸ１〜ＰＩＸ６の６画素により、１つの画素ブロックが構成されている。画素ブロックの配列周期は、例えば液晶光学素子１におけるレンズ周期（第１の電極１４の配置周期）と一致させる。なお、前述したように、屈折率分布の周期と電極配置の周期との間にずれが生じている可能性があるので、このずれを見込んで画素ブロックの周期とレンズ周期とをずらすようにしても良い。また、各画素に対応するようにカラーフィルタが設けられていても良い。撮像回路は、撮像素子の各画素を駆動する駆動回路と、画素に蓄積された信号電荷を読みだして処理する画素信号処理回路とを有している。駆動回路は、撮像素子の各画素の電荷蓄積を制御するとともに、各画素に蓄積された信号電荷を例えば電圧信号である画像信号として読みだす。画素信号処理回路は、画像信号のゲインを調整する処理や、アナログ信号として読みだされる画像信号をデジタル信号に変換する処理等の各種の処理を行う。
【００７４】
撮像用制御回路６０ａは、撮像部８０の動作を制御するためのタイミングパルス等を撮像部８０に入力する。また、撮像用制御回路６０ａは、撮像部８０において得られた画像信号を取り込み、取り込んだ画像信号に対して各種の信号処理を実施する。この信号処理は、ホワイトバランス補正、階調補正、色補正、エッジ強調といった画像の表示や記録のために必要な信号処理に加えて距離の算出処理等を含む。
【００７５】
制御回路７０ａは、撮像用制御回路６０ａによる撮像部８０の制御に同期して液晶光学素子１の第１の電極１４、第２の電極１６、対向電極２４に電圧を印加する。前述したように、液晶光学素子１は、第１の電極１４、第２の電極１６、対向電極２４への電圧印加によって液晶層３０の屈折率分布を変化させるように構成されている。すなわち、第１の電極１４に電圧が印加されていない場合には、液晶層３０の屈折率は変化せず、図示しない対象物から液晶光学素子１に入射した光は液晶光学素子１を透過する。このときに撮像装置で得られる画像は、１枚の高解像度の画像である。一方、第１の電極１４に電圧が印加された場合には、液晶層３０の屈折率が変化して、図示しない対象物から液晶光学素子１に入射した光は、液晶光学素子１によって集光される。このときに撮像装置で得られる画像は、視差を持った複数の画像である。画像間の像のずれ量より、対象物までの距離を得ることができる。このようにして、前述した実施形態の液晶光学素子１を撮像装置に適用することが可能である。
【００７６】
図１８は、液晶光学素子の第２の適用例としての表示装置の構成を示す模式図である。図１８に示したように、表示装置は、液晶光学素子１と、表示部（画像部）５０と、表示用制御回路６０と、液晶光学素子１を駆動する駆動部を含む制御回路７０とを含む。
【００７７】
図１８の例において、液晶光学素子１は、レンズ状態となったときに光が集光される側、すなわち第２の基板２２が表示装置の外部に向くように配置される。液晶光学素子１は、第１の実施形態、第２の実施形態又はその変形例で示した構成を有している。なお、図１８では、液晶光学素子１の１つのレンズ部のみが図示されている。しかしながら、液晶光学素子１が図１〜図３で示したような２つのレンズ部を有する液晶光学素子１であって良いことは言うまでもない。
【００７８】
表示部５０は、例えば液晶表示部や有機ＥＬ表示部といった表示部であり、画像を表示するための表示面と、ドライバとを有している。表示面には、複数の画素（例えば、液晶表示部の場合には画素電極と、対向電極と、その間に挟持される液晶層等によって構成される）が２次元アレイ状に配列されている。ここで、表示面は、複数の画素ブロックを有している。画素ブロックは、例えば水平方向に配列された画素の集まりである。図１８では、例えば画素ＰＩＸ１〜ＰＩＸ３の３画素により、１つの画素ブロックが構成されている。画素ブロックの配列周期は、例えば液晶光学素子１におけるレンズ周期（第１の電極１４の配置周期）と一致させる。なお、前述したように、屈折率分布の周期と電極配置の周期との間にずれが生じている可能性があるので、このずれを見込んで画素ブロックの周期とレンズ周期とをずらすようにしても良い。また、各画素に対応するようにカラーフィルタが設けられていても良い。ドライバは、表示用制御回路６０によって入力される映像信号に応じて、対応する画素電極を駆動する。例えば、液晶表示部の場合、ドライバは、映像信号に応じた階調電圧を画素電極に印加する。
【００７９】
表示用制御回路６０は、記録媒体から読みだした映像信号又は外部入力端子から入力される映像信号をドライバに入力していて表示部５０の動作を制御する。
【００８０】
制御回路７０は、表示用制御回路６０による表示部５０の制御に同期して液晶光学素子１の第１の電極１４、第２の電極１６、対向電極２４に電圧を印加する。前述したように、液晶光学素子１は、第１の電極１４、第２の電極１６、対向電極２４への電圧印加によって液晶層３０の屈折率分布を変化させるように構成されている。すなわち、第１の電極１４に電圧が印加されていない場合には、液晶層３０の屈折率が変化しない。このとき、表示部５０に表示された画像は、そのまま観察者の眼に入射する。一方、第１の電極１４に電圧が印加された場合には、液晶層３０の屈折率が変化する。このとき、表示部５０に表示された画像は複数の視差画像として観察者の眼に入射する。例えば、画素ＰＩＸ１の画像が観察者の右眼に入射し、画素ＰＩＸ２の画像が観察者の左眼に入射し、画素ＰＩＸ３の画像が観察者の右眼に入射する。このようにして観察者の右眼と左眼に視差の異なる画像を入射させることにより、観察者に立体視を与えることが可能である。このようにして、前述した実施形態の液晶光学素子１を表示装置に適用することが可能である。
【００８１】
以上説明したように本実施形態によれば、液晶光学素子１を撮像装置や表示装置といった種々の画素を有する画像装置に適用することが可能である。
【００８２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００８３】
ここで、本発明の要旨をまとめると以下のようなものを含む。  
［１］  第１の主面を有する第１の基板と、
前記第１の主面と対向する第２の主面を有する第２の基板と、
前記第１の主面の一部に設けられた複数の第１の電極と、
前記第２の主面に設けられ一部が前記第１の電極と対向する対向電極と、
前記第１の主面と前記第２の主面との間に挟持された液晶層と、
前記第１の基板と前記液晶層との間に設けられ、前記液晶層の液晶分子を水平配向させる第１の配向膜と、
前記第２の基板と前記液晶層との間に設けられ、前記液晶層の液晶分子を水平配向させる第２の配向膜と、
を具備し、
前記第１の配向膜の配向規制力は、前記第２の配向膜の配向規制力よりも弱い液晶光学素子。
［２］  前記第１の配向膜は、光配向によって形成される光配向膜である［１］に記載の液晶光学素子。
［３］  前記第２の配向膜は、ラビング配向によって形成されるラビング配向膜である［１］又は［２］に記載の液晶光学素子。
［４］  前記第１の配向膜に接する前記液晶分子のプレチルト角は、ほぼ０度である［１］乃至［３］の何れか１項に記載の液晶光学素子。
［５］  前記第１の配向膜は、４−カルコン基、４’−カルコン基、クマリン基、シンナモイル基の感光性基を有するポリイミドによって形成される配向膜である［１］乃至［４］の何れか１項に記載の液晶光学素子。
［６］  前記第１の主面に設けられ、隣り合う前記第１の電極の間に設けられた第２の電極をさらに有する［１］乃至［５］の何れか１項に記載の液晶光学素子。
［７］  最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方と前記第２の電極との間の前記第１の電極の延在方向と直交する方向の距離である第１の距離は、最近接する２つの前記第１の電極のうちの他方と前記第２の電極との間の前記第１の電極の延在方向と直交する方向の距離である第２の距離と異なる［６］に記載の液晶光学素子。
［８］  前記液晶層は、前記最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方から他方に向かう方向に進むにつれて、ダイレクタが前記第１の基板から前記第２の基板に向かう液晶配列を有し、
前記第１の距離は、前記第２の距離よりも長い［７］に記載の液晶光学素子。
［９］  前記液晶層は、前記最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方から他方に向かう方向に進むにつれて、ダイレクタが前記第１の基板から前記第２の基板に向かう液晶配列を有し、
前記第１の距離は、前記第２の距離よりも短い［７］に記載の液晶光学素子。
［１０］  前記第１の距離は、前記第２の距離の１．２倍以下である［８］に記載の液晶光学素子。
［１１］  前記第２の距離は、前記第１の距離の１．２倍以下である［９］に記載の液晶光学素子。
［１２］  ［１］乃至［１１］の何れか１項に記載の液晶光学素子と、
前記液晶光学素子が重ねられるように配置され、画素を有する画像部と、
前記液晶光学素子を駆動する駆動部と、
を具備する画像装置。
［１３］  前記第２の電極は、最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方の中心と最近接する２つの前記第１の電極のうちの他方の中心とを結ぶ線分の中点を通り、前記第１の電極の延在方向に対して平行な中心軸で分断された一方の領域のみに設けられている請求項６に記載の液晶光学素子。
［１４］  前記液晶層の誘電異方性は、正又は負である［６］乃至［１３］の何れか１項に記載の液晶光学素子。
［１５］  前記液晶層の液晶分子は、前記第１の電極と前記対向電極との間及び前記第２の電極と前記対向電極との間に電圧が印加されない状態において水平配向している［６］乃至［１４］の何れか１項に記載の液晶光学素子。
［１６］  前記水平配向におけるプレチルト角は、０度以上、３０度以下である［１５］に記載の液晶光学素子。
［１７］  ［６］乃至［１６］の何れか１項に記載の液晶光学素子と、
前記液晶光学素子が重ねられるように配置され、画素を有する画像部と、
前記第１の電極、前記第２の電極及び前記対向電極に電圧を印加する制御回路と、
を具備し、
前記制御回路は、
最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方から前記第２の電極に向かう方向に沿って前記液晶層の屈折率分布を単調増加させるように、かつ、最近接する２つの前記第１の電極のうちの他方から前記第２の電極に向かう方向に沿って前記液晶層の屈折率分布を単調増加させるように、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記対向電極に電圧を印加する画像装置。
［１８］  前記制御回路は、最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方と前記第２の電極の間の前記液晶層の屈折率分布と最近接する２つの前記第１の電極のうちの他方と前記第２の電極の間の前記液晶層の屈折率分布との少なくとも何れかに極小値を形成するように、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記対向電極に電圧を印加する［１７］に記載の画像装置。
［１９］  前記液晶層は、最近接する２つの前記第１の電極のうちの一方から他方に向かう方向に進むにつれて、ダイレクタが前記第１の基板から前記第２の基板に向かう液晶配列を有し、
前記制御回路は、前記屈折率分布の極小値を、最近接する２つの前記第１の電極のうちの他方と前記第２の電極の間の前記液晶層に形成する［１８］に記載の画像装置。
［２０］  前記画像部は、画像を表示する表示部であり、
前記液晶光学素子は、前記画像部に表示される画像をそのまま外部に射出する状態と複数の視差画像に変換してから外部に射出する状態とを切り替える［１７］乃至［１９］の何れか１項に記載の画像装置。
［２１］  前記画像部は、対象物を撮像する撮像部であり、
前記液晶光学素子は、前記対象物からの光をそのまま前記撮像部に射出する状態と前記対象物からの光を集光して前記撮像部に射出する状態とを切り替える［１７］乃至［１９］の何れか１項に記載の画像装置。
【符号の説明】
【００８４】
１  液晶光学素子、２  偏光板、１２  第１の基板、１４，１４ｐ，１４ｑ  第１の電極、１６  第２の電極、１８  第１の配向膜、２２  第２の基板、２４  対向電極、２６  第２の配向膜、３０  液晶層、５０  表示部、６０  表示用制御回路、６０ａ  撮像用制御回路、７０，７０ａ  制御回路、８０  撮像部、１００  マイクロレンズアレイ、１００ａ、１００ｂ  レンズ部
【図１】
2015176104.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015176104.tif 000007
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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