(57)【要約】      （修正有）【課題】液晶レンズに入射する入射光を減衰させることなく、しかも液晶レンズを用いて入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を可変としたとしても、非点収差が発生しない可変焦点レンズを提供する。【解決手段】第１の液晶レンズ１ａを構成するレンズ基台２ａの曲率に対し、第２の液晶レンズ１ｂを構成するレンズ基台２ｂの曲率を、それぞれの液晶レンズの主点の格差が同じとなるように設定することで、第１の液晶レンズ１ａと第２の液晶レンズ１ｂから出射される直線偏光光が同じ位置で結像するようにした。【選択図】図１
2005128518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射側に位置し、光軸をｚ軸とした場合のｘ軸に沿った直線偏光光の焦点位置を可変とする第１の液晶レンズと、前記第１の液晶レンズの後段に配し、前記ｚ軸に対するｙ軸に沿った直線偏光光の焦点位置を可変とする第２の液晶レンズと、前記第１、第２の液晶レンズを電圧制御する制御手段を有する可変焦点レンズにおいて、
前記第１、第２の液晶レンズは、所定の曲率の内壁面を有するレンズ基台と平板基台により構成された中空レンズであり、前記第１の液晶レンズにおけるレンズ基台の曲率に対する前記第２の液晶レンズの曲率を、それぞれの液晶レンズの主点の格差が同じとなるように設定することで、前記第１、第２の液晶レンズから出射される直線偏光光が同じ位置で結像するようにしたことを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項２】
前記レンズ基台の曲率は、レンズのパワーが最大としたときに、前記第１、第２の液晶レンズから出射される直線偏光光が同じ位置で結像するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
【請求項３】
前記レンズ基台の形状は、凹型レンズ形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の可変焦点レンズ。
【請求項４】
前記レンズ基台の形状は、凸型レンズ形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の可変焦点レンズ。
【請求項５】
前記レンズ基台の形状は、フレネルレンズ形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
前記第１、第２の液晶レンズは、前記平板基台を挟持して前記レンズ基台を両側に配置して構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項７】
前記レンズ基台の曲率は、前記第１の液晶レンズが最大パワーとなるように制御された焦点距離をｆ、前記第１の液晶レンズにおける前記曲率をｒａ、前記第２の液晶レンズにおける前記曲率をｒｂ、前記平板基台の厚みをｔ、液晶の屈折率をｎとしたときに、
ｒｂ＝ｒａ−ｔ（ｎ−１）
の関係を満たすことを特徴とする請求項６に記載の可変焦点レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光入射側に位置し、光軸をｚ軸とした場合のｘ軸に沿った直線偏光光の焦点位置を可変とする第１の液晶レンズと、この第１の液晶レンズの後段に配し、ｚ軸に対するｙ軸に沿った直線偏光光の焦点位置を可変とする第２の液晶レンズと、第１、第２の液晶レンズを電圧制御する制御手段を有し、第１、第２の液晶レンズから出射される直線偏光光が同じ位置で結像するようにして、非点収差の発生を極力抑えることができるようにした可変焦点レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
［従来の可変焦点レンズ構成：図５］
可変焦点レンズは、電気信号によりその焦点距離を自動的に変えることができる自動焦点投光装置に適用され、特に、ディスクやテープ等の光学的データ蓄積媒体に記録された情報トラックに光スポットを照射して読みとることができるようにした光学読取装置に用いられている。この光学読取装置の構成部品の移動を焦点誤差信号に応じて機械的に制御する機構の代わりに、可変焦点レンズを用いれば、装置が振動したり雑音を発生したりする等の欠点を解消させることができるようになる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この様に、この光学読取装置に可変焦点レンズとして液晶レンズを用いれば、焦点距離を変化させために用いられていた機械的な可動部分が不要となるため、振動等に強い装置とすることが出来る。ここで、この光学読取装置に液晶レンズを用いた可変焦点レンズについて、以下に詳細に説明する。
【０００４】
図５は従来の液晶レンズの一具体例を示す図である。本図面は液晶レンズを説明のため、特許文献１に記載の趣旨を逸脱しない範囲で書き直したものである。
【０００５】
まず、従来の液晶レンズ１ａの構成について説明をする。
この液晶レンズ１ａは、環状ライナ４によって隔離され、ガラスを成形して得られた平板基台３と、所定の曲率の内壁面を有するレンズ基台２ａは、それぞれの内壁面に透明電極７ａと６ａが被覆されている。これらの透明電極７ａ，６ａは、酸化スズと酸化インジウムの混合物を透明ガラス壁にスパッタリングして付着させることにより得られる。
【０００６】
さらに、本図面では図示しない注入口を通して平板基台３とレンズ基台２ａの間に液晶５ａが注入され、このネマチック状態の液晶５ａの分子が所与の方向Δに内壁と平行に整列されるように、これら透明電極７ａ，６ａは表面処理される。この処理は、例えば一酸化ケイ素（ＳｉＯ）のような界面剤を透明電極表面に射突させて蒸着することにより実行される。この様にして形成された蒸着層（本図面では省略）により、液晶５ａがレンズ内部に導入されたとき、液晶分子を方向Δに整列させることで可変焦点レンズとして作用させることができる様になる。
【０００７】
そしてこの液晶レンズ１ａにおける２つの透明電極６ａ，７ａとの間に、制御手段８による交番電圧の印加の有無により、液晶５ａの状態を変化させることができるようになる。なお、両透明電極６ａ，７ａ間に交番電圧が印加されない場合は、液晶分子は内壁に平行の方向Δに整列するのに対して、交番電圧が印加される場合は、印加された交番電圧によって発生する電界の作用によって、液晶分子は光束の光軸に平行になるように立ち上がる。
【０００８】
そのため、液晶５ａの示す屈折率が、常態屈折率ｎｏと異常状態屈折率ｎｅとの間で変
化して、焦点を可変とすることが可能となる。例えば、平均屈折率が１．６の液晶５ａの場合、屈折率変化量Δｎは０．２程度に変化させることができる。なお、本構成の場合、本液晶レンズ１ａは、入射光束の偏光方向が方向Δに平行な光束にのみ有効となるため、偏光方向Δの光束のみを通過させるための偏光板９を設ける必要がある。
【０００９】
前述した液晶レンズ１ａに配した偏光板９は、一方向の直線偏光光である偏光方向Δの光束のみを通過する性質を持つため、当然偏光方向Δと直交する向きに偏光された光は遮断され、結果として光の透過率は半分以下となってしまう。そのため、偏光板９を使用せずに２つの液晶レンズを用いて、液晶レンズに入射する入射光を減衰させることなく、入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を可変とすることができるという技術思想が既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
その可変焦点レンズの構成と作用について以下に説明する。
前述した様に、液晶レンズを２つ使用し、偏光板を用いずに可変焦点レンズの構成に適用することを考えると、図６のようになる。本構成では、所定の曲率の内壁面を有するレンズ基台２ａ、透明電極６ａ、液晶５ａ、透明電極７ａ、平板基台３よりなるｘ軸の直線偏光光用の第１の液晶レンズ１ａと、平板基台３を第１の液晶レンズ１ａと共用し、透明電極７ｂ、液晶５ｂ、透明電極６ｂ、レンズ基台２ｃよりなるｙ軸の直線偏光光用の第２の液晶レンズ１ｃを備え、ハイブリッド液晶レンズを構成している。この様な形態をとれば、前述した構成の様に、偏光板を配設する必要がないため、入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を可変とすることができ、光量を減ずることなく、明るい光学系を実現できるようになる。
【００１１】
【特許文献１】特公昭５９−１９３２４号公報（第５項、第２図）
【特許文献２】特開昭６２−５６９１８号公報（第４項、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、パワーの同じ２組の第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｃを組み合わせる図６に示した構成では、中央に存在する平板基台３のガラス厚ｔによる主点のズレが発生し、非点収差が発生するという課題があった。その現象について下記に詳細に説明する。
【００１３】
［従来のハイブリッド液晶レンズ構成：図６］
図６における可変焦点レンズに相当するハイブリッド液晶レンズは、図５に示した第１の液晶レンズ１ａにもう一つの液晶レンズを光入射側の後段側に配した構成であり、この追加配置した第２の液晶レンズ１ｃ以外は図５に示したのと同一の構成および機能を有するため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００１４】
第１の液晶レンズ１ａと同じパワーを持つ第２の液晶レンズ１ｃは、平板基台３で仕切られ、制御手段８によって駆動される。
【００１５】
ここで、液晶レンズにおける片側を厚みｔの平板基台３とし、両対向面に同じ曲率ｒを有するレンズ基台２ａ，２ｃで構成する第１の液晶レンズ１ａと第２の液晶レンズ１ｃの焦点距離ｆは、下記に示す数１で表される。
【００１６】
【数１】
2005128518.tif 000003
【００１７】
また、平板基台３は厚みｔを有し、第１の液晶レンズ１ａと第２の液晶レンズ１ｃは光軸に垂直であって、かつ互いに直交する偏光軸を有する。そのため、液晶レンズの最大パワーにおける互いに直交する直線偏光光が結像する点ｆは、第１の液晶レンズ１ａと第２の液晶レンズ１ｃとでは主点の位置が平板基台３の厚みｔ分だけずれるために、結像点も距離ｔだけずれてしまうことになる。これにより、上述した非点収差が発生してしまうのである。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、液晶レンズに入射する入射光を減衰させることなく、しかも液晶レンズを用いて入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を可変としたとしても、非点収差が発生しない可変焦点レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前述した課題を解決するために、本発明の可変焦点レンズは下記の特徴を有することである。
本発明の可変焦点レンズは、光入射側に位置し、光軸をｚ軸とした場合のｘ軸に沿った直線偏光光の焦点位置を可変とする第１の液晶レンズと、この第１の液晶レンズの後段に配し、ｚ軸に対するｙ軸に沿った直線偏光光の焦点位置を可変とする第２の液晶レンズと、第１、第２の液晶レンズを電圧制御する制御手段を有する可変焦点レンズにおいて、第１、第２の液晶レンズが、所定の曲率の内壁面を有するレンズ基台と平板基台により構成された中空レンズであり、第１の液晶レンズにおけるレンズ基台の曲率に対する第２の液晶レンズの曲率を、それぞれの液晶レンズの主点の格差が同じとなるように設定することで、第１、第２の液晶レンズから出射される直線偏光光が同じ位置で結像するようにしたことを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の可変焦点レンズは、レンズ基台の曲率が、レンズのパワーが最大としたときに、第１、第２の液晶レンズから出射される直線偏光光が同じ位置で結像するように設定されていることを特徴とするものである。
【００２１】
さらに、本発明の可変焦点レンズは、レンズ基台の形状を、凹型レンズ形状としたことを特徴とするものである。
【００２２】
またさらに、本発明の可変焦点レンズは、レンズ基台の形状を、凸型レンズ形状としたことを特徴とするものである。
【００２３】
またさらに、本発明の可変焦点レンズは、レンズ基台の形状を、フレネルレンズ形状としたことを特徴とするものである。
【００２４】
またさらに、本発明の可変焦点レンズは、平板基台を挟持してレンズ基台を両側に配置してなる構成としたことを特徴とするものである。
【００２５】
またさらに、本発明の可変焦点レンズは、レンズ基台の曲率を、液晶レンズが最大パワーとなるように制御された焦点距離をｆ、第１の液晶レンズにおける曲率をｒａ、第２の液晶レンズにおける曲率をｒｂ、平板基台の厚みをｔ、液晶の屈折率をｎとしたときに、ｒｂ＝ｒａ−ｔ（ｎ−１）の関係を満たすことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のハイブリッド液晶レンズの構成を適用すれば、入射する光の減衰が起こらない状態で、液晶レンズのパワーが正の凸レンズ、および液晶レンズのパワーが負の凹レンズのいずれの構成においても、２組の液晶レンズを組み合わせることによって発生する非点
収差をなくした可変焦点レンズとすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の可変焦点レンズに相当するハイブリッド液晶レンズの構成は、背景技術で説明したものと同じ部材で構成されており、この可変焦点レンズレンズにおけるレンズ基台の曲率の値を工夫することで非点収差が発生しないようにしている。なお図中の符合は、背景技術で説明した符合と同じ部材は同一の機能を有するため、特に本発明の主旨を逸脱しない限りにおいては説明を省略する。
【実施例１】
【００２８】
［本発明の可変焦点レンズの構成例：図１］
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の可変焦点レンズの一例を示す図である。
図１において、可変焦点レンズは、互いに直交する直線偏光光を集光する第１の液晶レンズ１ａと、第２の液晶レンズ１ｂとで構成される。そして、光入射側に位置し、ｘ軸の直線偏光光を制御するこの第１の液晶レンズ１ａは、表面に透明電極６ａが被覆されて方向性を持つように表面処理された所定の曲率の内壁面を有するレンズ基台２ａと、表面に透明電極７ａが被覆されて方向性を持つように表面処理された厚さｔの平板基台３、および環状ライナ４によって仕切られて中空レンズとなっている。また、この中空レンズの空隙には、液晶５ａが封入されており、ここで用いられる液晶５ａは、透明電極６ａと透明電極７ａに施された図示しない表面処理層により、互いに直交する向きに分子の向きが揃えられている。
【００２９】
さらに、平板基台３のもう一方の面に位置し、ｙ軸の直線偏光光を制御する第２の液晶レンズ１ｂは、表面に透明電極６ｂが被覆されて方向性を持つように表面処理された所定の曲率の内壁面を有するレンズ基台２ｂと、表面に透明電極７ｂが被覆されて方向性を持つように表面処理された平板基台３、および環状ライナ４によって仕切られて中空レンズとなっている。これも同様に、第２の液晶レンズ１ｂにおける中空レンズの空隙に、液晶５ａと同じ材料の液晶５ｂが封入されており、ここで用いられる液晶５ｂも、透明電極６ｂと透明電極７ｂに施された図示しない表面処理層により、互いに直交する向きに分子の向きが揃えられている。
【００３０】
なお、ここでは、液晶５ａ，５ｂの材料と同様に、レンズ基台２ａと平板基台３とのギャップと、レンズ基台２ｂと平板基台３とのギャップ、さらには両レンズに配する透明電極６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂの抵抗値とをそれぞれ同じとしている。この様な構成とすることで、第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂを制御する実効値電圧と位相変調量との関係が両液晶レンズ共に同じとなるので、図１に示す様に第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂと制御手段８とを並列に結線することによって、第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂに封入された液晶５ａ，５ｂの光学的異方特性を変化させて、第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂの屈折率を同じ様に変化させることができるようになる。
【００３１】
ここで、制御手段８によって最大パワーとなるように制御された第１の液晶レンズ１ａの焦点距離をｆ、レンズ基台２ａの内壁面の曲率をｒａとおき、第２の液晶レンズ１ｂの焦点距離を平板基台３の厚みｔ分だけ短くする。具体的には、焦点距離をｆ−ｔとするために、第２の液晶レンズ１ｂを構成するレンズ基台２ｂの内壁面の曲率ｒｂを下記に示す（数２）となるように設定すれば、第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂを同じ実効値電圧で制御しても非点収差が発生しない可変焦点レンズとすることが可能となる。
【００３２】
【数２】
2005128518.tif 000004
【００３３】
上述した（数２）に示すように、第２の液晶レンズ１ｂを構成するレンズ基台２ｂの内壁面の曲率を設定することで、第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂが最大パワーの時に同一結像点に入射光を集光させることができるようになる。それに対し、パワーが最少、すなはち焦点距離無限大の場合に、第１の液晶レンズ１ａと第２の液晶レンズ１ｂの焦点距離の差がｔとなってしまう。しかしながら、この場合ｆ＞＞ｔの関係となるため、（数２）から容易に理解できる様に、主点の位置の差ｔを無視することが可能となることが判る。したがって、上記（数２）を満足する曲率にレンズ基台２ａ，２ｂを設定すれば、いずれの焦点位置においても非点収差が発生しない可変焦点レンズとすることができる。
【００３４】
なお、前述した第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂがともに最大パワーとなる場合での曲率の設定のみならず、使用者が焦点位置を得たい目的の位置で非点収差が発生しない様には、（数２）を満足する様に、第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂのレンズ基台２ａ，２ｂの内壁面の曲率を設定した構成としても構わない。
【００３５】
また、上述した本実施例においては、平板基台３を第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂで兼用した形態を示したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、（数２）の関係を満たす構成であれば、第１、第２の液晶レンズ１ａ，１ｂをそれぞれ別々の平板基台とレンズ基台とで構成するようにしても、上述したと同様な効果を得ることができることは言うまでもない。
【実施例２】
【００３６】
［本発明の可変焦点レンズの他の構成例：図２］
図２は、ハイブリッド液晶レンズに相当する本発明の可変焦点レンズの他の一例を示す図である。図２では、図１と同じ符合の部材は同じ機能を示すため、ここでの各部材の機能の説明は省略する。
図２において、第１の液晶レンズ１ｄと第２の液晶レンズ１ｅのパワーは、負の値を示す凹レンズとなるようにレンズ基台２ｄとレンズ基台２ｅの表面の曲率が、前述した（数２）を満たす様に設定される。これら第１、第２の液晶レンズ１ｄ，１ｅの個々の作用は、レンズパワーが正の凸レンズの場合と同様である。
【００３７】
その作用について詳細に説明をする。
実施例１で説明した凸レンズの場合は、光束の集光する点を焦点と呼び、例えば焦点距離ｆを有すると表記した。それに対し、本実施例における凹レンズの場合の焦点は、その点より光が発せられた如く振る舞うこととなる。つまり、凹レンズによって屈折した光束の進行方向とは反対に辿って、その光束の重なる点を仮想焦点とすれば、実施例１と同じ現象として第１、第２の液晶レンズ１ｄ，１ｅのレンズ基台２ｄ，２ｅの内壁面の曲率を設定すれば良い。具体的には、第１の液晶レンズ１ｄの焦点ｆと等しい点となるように、第２の液晶レンズ１ｅの曲率を設定する。この様に、図中における第２の液晶レンズ１ｅの焦点位置をｆ＋ｔとなるように設定することで、実施例１で示したと同様に、いずれの焦点位置においても非点収差をなくすことができる。
【実施例３】
【００３８】
図３は、実施例１で示した可変焦点レンズを構成する一方の液晶レンズにおけるレンズ基台の曲率と、本実施例で示すフレネルレンズの曲率との関係を説明のための液晶レンズの模式図である。なお、図３（ａ）は、このフレネルレンズが有する機能を説明するための図面であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の機能を備え、レンズ基台の形状をフレネルレンズ形状とした場合の液晶レンズの構成を示す図面である。
【００３９】
まず、本実施例で適用する液晶レンズの機能について説明をする。
図３（ａ）における中空レンズを構成する、内壁面の曲率を曲率ｒとした場合のレンズ基台１０で光が屈折する部分は、破線で囲った部分、すなはち屈折率の変化する境界面となる。他の部分においては、この液晶レンズに入射する直線偏光光が直進するのみで、光の屈折には寄与しない。そのため、破線の端面を図３（ｂ）に示す様に同一平面内に揃えて、他の部分を省略してもレンズとしての効果は何ら変わらない。以下の説明では、実際に端面をそろえてレンズを構成したものをフレネルレンズと呼ぶ。
【００４０】
このフレネルレンズ１１は焦点距離ｆ、曲率ｒのレンズ基台１０をフレネルレンズ化したもので、中空レンズと同様に焦点距離ｆ、曲率ｒで特性を表記することができる。
【００４１】
［本発明の可変焦点レンズのさらに他の構成例：図４］
図４は、ハイブリッド液晶レンズに相当する本発明の可変焦点レンズの他の一例を示す図である。図４では、図１と同じ符合の部材は同じ機能を示すため、ここでの説明は省略する。
図４において、本実施例における可変焦点レンズを構成する第１の液晶レンズ１ｆと、第２の液晶レンズ１ｇのパワーは、正の値を示す凸レンズとなるように所定の曲率の内壁面を有するレンズ基台２ｆと、所定の曲率の内壁面を有するレンズ基台２ｇの表面の曲率が、前述した（数２）を満たす様に設定される。これら第１、第２の液晶レンズ１ｆ，１ｇの個々の作用は、レンズ形状が正の凸レンズの場合と同様であり、いずれの焦点位置においても、非点収差が発生しない可変焦点レンズとすることが出来る。
【００４２】
なお、上記説明では、レンズパワーが正の場合の構成例を示したが、実施例２で示した様に、レンズパワーが負とした構成としても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の可変焦点レンズの構成例およびその作用を説明するための図面である。（実施例１）
【図２】本発明の可変焦点レンズの他の構成例およびその作用を説明するための図面である。（実施例２）
【図３】本発明の可変焦点レンズを構成する液晶レンズの構成例を説明するための図面である。（実施例３）
【図４】本発明の可変焦点レンズのさらに他の構成例およびその作用を説明するための図面である。（実施例３）
【図５】従来の可変焦点レンズの構成例と、作用を説明するための図面である。
【図６】従来の可変焦点レンズの他の構成例と、作用を説明するための図面である。
【符号の説明】
【００４４】
１ａ，１ｄ，１ｆ  第１の液晶レンズ
１ｂ，１ｃ，１ｅ，１ｇ  第２の液晶レンズ
２ａ〜２ｇ  レンズ基台
３  平板基台
４  環状ライナ
５ａ，５ｂ  液晶
６ａ，６ｂ  透明電極
７ａ，７ｂ  透明電極
８  制御手段
【図１】
2005128518.tif 000005
【図２】
2005128518.tif 000006
【図３】
2005128518.tif 000007
【図４】
2005128518.tif 000008
【図５】
2005128518.tif 000009
【図６】
2005128518.tif 000010