(57)【要約】【課題】温度変化による透明基板の変形の中心が、有効レンズ中心と略一致した液晶レンズを提供すること。【解決手段】可変焦点レンズとして機能させるための有効レンズ領域を設けた透明性基板を、シールを介して貼り合わせして液晶層を挟持する液晶セルを用いた液晶レンズにおいて、シールは、液晶セルの厚み方向を規制するギャップ強制高さを持つ第１のスペーサが内包されて透明性基板の外縁部に設けられた枠状の第１のシールと、当該第１のスペーサよりもギャップ強制高さが小さい第２のスペーサが内包されて、第１シールの配置位置から内側等距離であり、且つ有効レンズ領域におけるレンズ中心に対する同心円上に配置された第２のシールとを有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変焦点レンズとして機能させるための有効レンズ領域を設けた透明性基板を、シールを介して貼り合わせして液晶層を挟持する液晶セルを用いた液晶レンズにおいて、
前記シールは、前記液晶セルの厚み方向を規制するギャップ強制高さを持つ第１のスペーサが内包されて前記透明性基板の外縁部に設けられた枠状の第１のシールと、当該第１のスペーサよりもギャップ強制高さが小さい第２のスペーサが内包されて、前記第１シールの配置位置から内側等距離であり、且つ前記有効レンズ領域におけるレンズ中心に対する同心円上に配置された第２のシールとを有することを特徴とする液晶レンズ。
【請求項２】
前記第１、第２のシールは、ともに円形状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、第２のシールは、ともに前記有効レンズ領域外に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２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、液晶セルを用いた液晶レンズに関し、特に簡単な構成であるにも拘わらず、温度低下によるセル内の中凹形状の中心位置精度の高い液晶レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学系の焦点距離または焦点位置を変化させる合焦点機構として、レンズを移動させることにより焦点を合わせる方式が広く用いられている。しかし、この方式では、レンズ駆動機構が必要であるため、機構が複雑になるという欠点や、レンズ駆動用モータに比較的多くの電力を要するという欠点がある。また、一般に耐衝撃性が低いという欠点もある。そこで、レンズ駆動機構が不要な合焦点機構として、液晶レンズの屈折率を変化させることにより焦点を合わせる方式が知られている。この液晶レンズを用いた方式は、液晶レンズを駆動するために液晶レンズに印加する電圧（駆動電圧）を変化させることによって、液晶レンズの屈折率分布を変化させて、可変焦点レンズとして機能する方式である。
【０００３】
液晶レンズを可変焦点レンズとして利用する場合、プラスチックレンズやガラスレンズといった他の光学部品と同様に面精度がレンズとしての特性を表す上で重要となる。ここでの液晶レンズの場合の面精度とは、有効レンズ領域面内での相対値である平坦度と、面内セルギャップ分布の絶対値としての均一性の両方における特性値に相当する。
【０００４】
この液晶レンズはカメラの自動合焦点装置におけるオートフォーカス（ＡＦ）制御にも用いられているが、従来の液晶レンズでは温度変化があった場合には充分なオートフォーカス制御が出来ないという問題があった。
【０００５】
その主な原因は、液晶レンズが使用環境温度の変化によって前記面内セルギャップ分布が変動してしまうことに起因して、液晶レンズで補正される設定補正量からずれてしまうという問題に起因する。
【０００６】
この現象について更に詳細に説明をする。図４は、従来の液晶レンズの断面図で、その問題となる状況を模式的に表している。  図４（ａ）は使用環境温度が常温環境下、図４（ｂ）は低温環境下の液晶レンズ２０の状態を示している。
図４（ａ）において、２０は液晶レンズ、２は透明上基板、３は透明下基板、７は上下透明基板２、３を接着する第１のシール、８は第１のシール７に内包された第１のスペーサ、６は液晶材料が封入された液晶層で、上下透明基板２、３と第１のシール部７によって密閉された空間に充填形成されている。また４は制御電極、５は対向電極であり、各々上下透明基板２、３の内面側に設けられており、各制御電極４と対向電極５間に異なる制御電圧を印加することによって、各制御電極４に対応する位置の液晶層６の制御状態を変化させてレンズとしての機能を果たすことになる。
【０００７】
図４では下透明基板を共通基板として上下に液晶層６を持つ３枚基板の２層セル構造を示している。構成としては液晶層６の配向方向に違いがあるが、上下透明基板の動きに関しては同様であり、以後単層の動きとして説明する。
【０００８】
常温環境下の液晶レンズ２０は、図４（ａ）に示したように、液晶層６の層厚であるセルギャップは第１のスペーサ８によって設計値に保たれているため、上下透明基板２、３は略平行になっており、液晶レンズの全面が同一のセルギャップとなる。
【０００９】
それに対して低温環境下の液晶レンズ２０は、温度変化によって液晶層６を構成する液晶材料が収縮するが、第１のスペーサ８によって高さを規制される第１のシール７は形状変化が少なく上下基板２、３が内側に引っ張られ、図４（ｂ）に示すような中凹形状（ベコ形状）となる。すなわち液晶層６のセルギャップは、中心付近で図示のごとく常温での値よりも小さく、しかも液晶レンズ２０のセルギャップが部分的に異なる形状となる。
【００１０】
また、第１のシール７内の第１のスペーサ８が、上記中凹形状支点となるのため、中凹形状の中心１３が有効レンズの中心１２からずれた位置に生じてしまうことがある。
【００１１】
図５は、従来の液晶レンズの構成を示す正面図である。中凹形状の中心１３が有効レンズの中心１２からずれた位置に生じた例を示した物である。
【００１２】
一般に液晶レンズでは、上下基板２、３が平行状態に保たれて液晶層６全体の層厚が同一の条件において、液晶レンズ２０で補正される設定補正量を決めており、この設定補正量に対応した制御電圧を各制御電極４と対向電極５との間に印加するよう設計されている。
【００１３】
このため、図４（ｂ）のように温度変化によって液晶レンズ２０のセルギャップが部分的に異なってしまうと、液晶レンズ２０で補正される設定補正量からずれてしまい、カメラの自動合焦点装置のオートフォーカス制御が充分行なわれなくなる。
【００１４】
特に、凹形状の中心が有効レンズの中心１２からずれた位置に生じた場合には、有効レンズ内に同心円状に設けられた制御電極４と対向電極５との間に如何なる制御電圧を印加しても精度の良いレンズ形状を得ることが出来なくなる。
【００１５】
この温度変化に対するセルギャップ管理の方法として、液晶光学素子内に液晶層と気泡の双方を狭持し、かつ気泡と液晶層間に気泡固定手段を設けて気泡が光学的有効領域に進入しないよう構成し、温度変化による液晶光学素子内部の圧力の増減を該気泡層の体積の増減により吸収しようという提案がされている（例えば特許文献１参照）。
【００１６】
また、液晶セル内の表示部位以外の場所に、少なくとも一方の基板を貫通して、液晶層の気泡を削減出来る充填物層を設けるという提案もある（例えば特許文献２参照）。
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−４５０６５号公報（第２頁、第１−２図）
【特許文献２】特開２００１−１３４８６号公報（第２−３頁、第３−４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、特許文献１の提案による構成では、液晶光学素子のセルギャップを一定に保つことが出来るものの、気泡層を構成する気体が液晶層に溶け込んでしまい圧力の吸収体として機能しなくなってしまうという問題がある。また、気体が液晶層に溶け込むにしたがって、気体から液体に変化することによる体積収縮が起きるため、液晶光学素子内の圧力低下が起こることに起因して上下基板を内側に引っ張るため、液晶光学素子を図４（ｂ）に示した中凹形状にしてしまい、その中凹形状の中心１３が有効レンズの中心１２と一致するとは限らない。
【００１９】
さらには、液晶層中に溶け込んだ気体は環境温度が高温から低温に変化した時再び気化することとなるが、このような状況で気化した気体が光学的有効領域に集まってしまうことを阻止することは出来ないという問題もある。
【００２０】
また、特許文献２提案は「気泡による表示不良を防止する」ことが目的で、液晶層のセルギャップを均一にすることは目的としていない。その結果、液晶層の中に出現した気体が充填物層に吸収されると、液晶層内の体積収縮が起きるため、液晶層内の圧力低下が起こって上下基板が内側に引っ張られ、液晶セルを図４（ｂ）に示した中凹形状にしてしまい、その中凹形状の中心１３が有効レンズの中心１２と一致するとは限らないという、特許文献１に於ける問題と同様の問題を有している。
【００２１】
さらに、この充填材に溶け込んだ気泡は、環境が変われば再度出現してしまうことは明らかであり、気化した気体が光学的有効領域に集まってしまうことを阻止することは出来ないという問題もあり、この点も特許文献１に於ける問題と同様である。
【００２２】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、液晶光学素子の温度低下による液晶層のセルギャップの部分的変動について、その中凹形状の中心位置を有効レンズの中心と一致させることによって温度低下の状態でも良好なレンズ形状を得られる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】
【００２３】
上記課題を解決するための本発明における液晶レンズは、可変焦点レンズとして機能させるための有効レンズ領域を設けた透明性基板を、シールを介して貼り合わせして液晶層を狭持する液晶セルを用いた液晶レンズにおいて、前記シールは、前記液晶セルの厚み方向を規制するギャップ強制高さを持つ第１のスペーサが内包された前記透明性基板の外縁部に設けられた枠状の前記第１のシールと、当該第１のスペーサよりもギャップ強制高さが小さい第２のスペーサが内包されて、前記第１シールの配置位置から内側等距離であり、且つ前記有効レンズ領域におけるレンズ中心に対する同心円上に配置された第２のシールとを有することを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明の液晶レンズは、有効レンズ領域に同心円上の制御電極を持つ透明性基板と対向電極を持つ透明性基板と、且つ制御電極への印加電圧を可変制御することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、第１のスペーサを内包した第１のシールと、第１のスペーサとサイズの異なる第２のスペーサを内包した第２のシールを配置したため、環境温度が低下した場合、液晶レンズの液晶層のセルギャップは変形するが、その変形は有効レンズ中心から同心円上の変形となり、従来のように部分的に変化して且つ中凹形状がばらつくことなく、制御電極への印加電圧により、良好なレンズ形状を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明の液晶レンズについて図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）（ｂ）は、本発明による液晶レンズの断面図である。先に示した図４に示す従来の液晶レンズ２０と同様に 図１（ａ）は常温環境下、図１（ｂ）は低温環境下の液晶レンズの状態を示している。図１に示す液晶レンズ１の基本構成は図４の液晶レンズ２０と同様であり、従って図１における本発明の液晶レンズの説明において図４の液晶レンズ２０と同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。
【００２７】
図１において１は液晶レンズである。液晶レンズ１は、第１のスペーサ８を内包した第１のシール７の内側に第２のスペーサ１０を内包した第２のシール９を配置した点が従来技術における液晶レンズ２０と異なる点である。
【００２８】
図１（ａ）において、第２のスペーサ１０は、第１のスペーサ８と比較してギャップ強
制高さが小さいため、常温環境下において上下透明基板２、３が略平行になっている状態では両方の透明基板に同時に触れることはなく、第２のシール９内で、ギャップ強制には寄与しない状態で存在している。
【００２９】
図２は、本発明による液晶レンズの正面図である。ここでは第１のシール７と第２のシール９及び有効レンズ領域１１、有効レンズ領域の中心１２の位置関係を記している。
【００３０】
第１のスペーサ８を内包する第１のシール７と第２のスペーサ１０を内包する第２のシール９は制御電極４の同心円上の中心でもある有効レンズ領域の中心１２の同心円上、且つ有効レンズ領域１１の外側に配置されている。従って図１（ａ）で示す左側の第１のシール７から有効レンズ中心１２までの距離１４―１ａと、右側の第１のシール７から有効レンズ中心１２までの距離１４―１ｂは等しい。同様に左側の第２のシール９から有効レンズ中心１２までの距離１４―２ａと、右側の第２のシール１０から有効レンズ中心１２までの距離１４―２ｂも等しい。
【００３１】
図１（ｂ）では、温度環境の変化による液晶層４の収縮により上透明基板２が中凹形状に湾曲している。この時に第１のシール７に内包されるスペーサ８のみならず、第２のシール９に内包されるスペーサ１０にも当接する事となる。断面図で言えば、４カ所のスペーサで上透明基板２の中凹形状の湾曲を受け止める形になっている。
【００３２】
この中凹形状は第１のシール７に内包される第１のスペーサ８のギャップ強制高さと、第２のシール９に内包される第２のスペーサ１０の強制高さによってその傾きが規制され、且つ、その傾きは左右どちらからも有効レンズ中心１２を中心とした中凹形状となる。
【００３３】
この有効レンズ１２を中心とした中凹形状は、前記第１のシール７と有効レンズ中心１２までの距離１４−１ａと、右側の第１のシール７と有効レンズ中心１２までの距離１４−１ｂは等しく、同様に左側の第２のシール９と有効レンズ中心１２までの距離１４―２ａと、右側の第２のシール１０と有効レンズ中心１２までの距離１４―２ｂも等しいことによって生じるものである。
【００３４】
図３（ａ）、（ｂ）は図１（ａ）、（ｂ）の各状態において同様なレンズ状態にするための制御電極４への印加電圧の例を示すグラフである。簡略化のため、制御電極は中心を含めて４本としているが、断面的に見るために７本の制御電極を記した。縦軸はそれぞれの制御電極にかける印加電圧の例を示している。
【００３５】
図３の１５−１ａ、１５−１ｂは最外周の制御電極、１５−２ａ、１５−２ｂはより内側の制御電極を示すものである。１５−１ａと１５−１ｂ、１５−２ａと１５−２ｂはそれぞれ同一輪帯であるためにそこに印加出来る電圧も同一の値となる。
【００３６】
液晶レンズによるレンズ状態は各制御電極にかけられる印加電圧と液晶セルギャップに依存している。同一の印加電圧の場合、セルギャップが小さくなるにつれ位相差量も小さくなることが知られている。中凹形状の場合、有効レンズ中心に向かって徐々にセルギャップが小さくなっているため、印加電圧は有効レンズ中心に向かって徐々に増加する必要がある。
【００３７】
また、制御電極は有効レンズ中心から同心円上に、輪帯状に配置されるため、その輪の下のセル間のギャップが同一であることが必要である。本発明の液晶レンズではギャップ規制高さの異なる複数のスペーサを含んだシールを有効レンズ中心から同心円上に配置することにより、中凹形状の中心と有効レンズ中心を略一致させることにより、前記各制御電極の下のセルギャップを同一にし、印加電圧の変化によって環境変化に因らず良好なレ
ンズ状態を作成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の液晶レンズの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の液晶レンズの構成を示す正面図である。
【図３】本発明の液晶レンズの制御電極に印加する電圧例のグラフである。
【図４】従来の液晶レンズの構成を示す断面図である。
【図５】従来の液晶レンズの構成を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１、２０        液晶レンズ
２              透明上基板
３              透明下基板
４              制御電極
５              対向電極
６              液晶層
７              第１のシール
８              第１のスペーサ
９              第２のシール
１０            第２のスペーサ
１１            有効レンズ領域
１２            有効レンズ領域の中心
１３            中凹形状の中心  
１４−１ａ、ｂ  有効レンズ中心から第１のシールまでの距離
１４−２ａ、ｂ  有効レンズ中心から第２のシールまでの距離
１５−１ａ、ｂ  最外周の制御電極
１５−２ａ、ｂ  より内側の制御電極
【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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