(57)【要約】【課題】この発明は、レンズの径が大きくても応答時間を短くすることができる液晶素子の駆動方法及び装置を得る。【解決手段】  不均一な電界分布による分子配向効果を利用した液晶素子において、対向する第１の電極１２と第２の電極１７との間に電圧を印加するとき又は電圧を可変するときに、少なくとも一方の電極（第１の電極１２）に一定時間電位勾配を与えるようにしている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不均一な電界分布による分子配向効果を利用した液晶素子において、
対向電極間に電圧を印加するとき又は電圧を可変するときに、少なくとも一方の電極に一定時間電位勾配を与えるようにしたことを特徴とする液晶素子の駆動方法。
【請求項２】
前記一方の電極に一定時間電位勾配を与えるときに前記対向電極間に所定電圧よりも大きい電圧を与え、その後前記所定電圧を与えることを特徴とする請求項１記載の液晶素子の駆動方法。
【請求項３】
透明な第１の基板と、この第１の基板上の透明な第１の電極と、この第１の電極上に液晶層を挟んで配置された透明の第２の基板と、前記第２の基板上に設けられ孔を有する第２の電極とからなる液晶レンズを駆動する装置であって、
前記第１、第２の電極間に電圧を与えるときに、前記第１の電極に対して一定時間電位勾配を与えるための手段を具備したことを特徴とする液晶素子の駆動装置。
【請求項４】
前記第１の電極は、１００Ω〜１ＭΩの電気抵抗を有することを特徴とする請求項３記載の液晶素子の駆動装置。
【請求項５】
前記第2の電極は、中央にスリットを有して分割され、分割された２つの電極間にも電圧が与えられることを特徴とする請求項４記載の液晶素子の駆動装置。
【請求項６】
透明な第１の基板に設けられ第１の孔を有する第１の電極と、透明な第２の基板に設けられ第２の孔を有する第２の電極と、前記第１と第２の電極間の液晶層とからなる液晶レンズを駆動する装置であって、
前記第１、第２の電極間に電圧を与える時間とは異なる時間に、前記第１、第２の電極の少なくとも一方にスリットを設けて分割した２つの電極間に一定時間電位勾配を与えるための手段を具備したことを特徴とする液晶素子の駆動装置。
【請求項７】
前記第1と第2の電極の両方が、中央にスリットを有して分割されており、各分割電極間にも電圧が与えられることを特徴とする請求項６記載の液晶素子の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば液晶レンズとしての液晶素子の駆動方法と装置に関し、特に駆動時の光学特性に現われる液晶特有の問題点を改善し、結果的には応答速度を速くすることができるという技術に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶の特徴を利用した液晶表示素子は、薄型軽量の平板型表示素子として、目覚ましい発展を続けている。液晶分子の配向状態は、液晶表示素子を構成する２枚の透明導電膜を付したガラス基板の表面の処理や、外部印加電圧により容易に制御することができる。
【０００３】
ネマティック液晶セルにおいて、液晶分子は電界の方向に配向するという性質を利用すると、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果により、空間的な屈折率分布特性を有する液晶レンズを得ることができる。例えば、特開平１１−１０９３０４号公報では、液晶マイクロレンズが開示されており、焦点位置を光軸方向と光軸に垂直な方向とのいずれにも制御できるようにした技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１０９３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の文献は、液晶マイクロレンズについて開示されているが、液晶レンズの利用分野としては、レンズ直径１ｍｍ以上の液晶レンズを要望する分野もある。例えば、撮像用レンズ、顕微鏡、眼鏡、光ファイバーのスイッチ素子などである。そこでレンズ直径１ｍｍ程度の液晶レンズを実現しようとすると、液晶層の厚みが５００μｍ以上となる。しかしこれでは、液晶分子の配向が不十分となり、液晶が白濁するような現象が生じる。
【０００５】
さらにまた問題となるのが、応答特性である。応答特性は、液晶層が厚くなるとそれだけ応答時間が長くなる。このために液晶レンズを採用する製品、及び使用個所によっては、不十分である。そこで、応答時間を早くするために高い電圧を与えることが考えられる。しかしさらにここで問題となるのが、液晶分子の配向が不連続となるディスクリネーションラインと呼ばれる欠陥領域が発生する現象が知られている。この現象は、液晶分子が基板面から立ち上がる方向が、セルの中央付近で例えば左右逆方向となり、ここに不連続線が生じるというものである。
【０００６】
上記した白濁、ディスクリネーションラインのいずれが発生しても、液晶レンズとしての光学的な機能は果せなくなる。
【０００７】
そこで、この発明の目的とするところは、簡単な構成で直径の大きな液晶レンズを容易に実現すること、さらに加えて、このような液晶レンズであってもその応答速度を早くすることができる液晶レンズの駆動方法と装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、上記の目的を達成するために、不均一な電界分布による分子配向効果を利用した液晶素子において、対向電極間に電圧を印加するとき又は電圧を可変するときに、少なくとも一方の電極に一定時間電位勾配を与えるようにした。
【０００９】
また、この発明では、前記一方の電極に一定時間電位勾配を与えるときに前記対向電極間に所定電圧よりも大きい電圧を与え、その後前記所定電圧を与えることで、応答速度を速くしている。
【００１０】
またこの発明は、透明な第１の基板と、この第１の基板上の透明な第１の電極と、この第１の電極上に液晶層を挟んで配置された透明の第２の基板と、前記第２の基板上に設けられ孔を有する第２の電極とからなる液晶レンズを駆動する装置であって、前記第１、第２の電極間に電圧を与えるときに、前記第１の電極に対して一定時間電位勾配を与えるための手段を備えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
上記の手段により、対向電極（第１、第２の電極）間に電圧を与えるときに、一方の電極（第１の電極）に対して、一定時間電位勾配を与えるので、電界により液晶分子が基板面から立ち上がる方向が一方向に整列される。このために対向電極間に電圧を与えたときに、液晶レンズの特性悪化となるディスクリネーションラインの発生が抑制される。結果として、対向電極間に印加する電圧を高くすることができ、応答特性、さらには回復特性の改善を得ることが可能となる。勿論光学特性も良好となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。先ず、本発明が適用された液晶レンズの構成を説明し、その駆動方法について説明する。この発明が適用された液晶レンズは、透明な第１の基板１１と、この第１の基板上の透明な第１の電極１２と、この第１の電極１２上に液晶層１３を挟んで配置された透明の第２の基板１４と、前記第２の基板１４上に設けられ孔２０を有する第２の電極１７とを基本構成としている。そして、第１、第２の電極１２、１４間に電圧を与える前に、第１の電極１２に対して一定時間電位勾配を与えるための手段を備える。
【００１３】
透明な第１の電極１２は、ＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）からなる。一方、第２の電極１７は、アルミニウム薄膜で形成されている。したがって、この液晶レンズは、第１の電極１２と第２の電極１７間に電圧を与えることで、孔２０の中心軸を対称とする不均一な電界を得られる。よって、液晶分子配向効果により、液晶層１３が、空間的に異なる屈折率の分布特性を示し、液晶レンズとして機能する。また、第１の電極１２と、第２の基板１４とが、それぞれ液晶層１３に対向する面は、それぞれポリイミド膜またはポリビニルアルコール膜等の配向膜１５，１６で被覆されている。ポリイミド膜またはポリビニルアルコール膜等の配向膜１５，１６の表面は、液晶分子が均一に配列するように、一方向にラビングされている。
【００１４】
上記のようにこの液晶レンズは,第２の基板１４の液晶層１３に対向する面には、電極は形成されておらず、アルミニウム薄膜である第２の電極１７と液晶層１３との間に、第２の基板１４であるガラス（絶縁層）が介在していることになる。このため液晶層１３の厚みが小さく、直径の大きなレンズを得るのに寄与している。つまり、小さな層厚での液晶分子配向が大きなレンズを構築するのに有効となるからである。また、液晶分子を確実に駆動できるため白濁の問題も生じない。また後述する液晶駆動の容易性にも寄与している。
【００１５】
本実施形態に係る液晶レンズにおいて、液晶層１３の厚さは、１３０μｍ、基板１１，１４の厚さは１．３ｍｍ、孔２０の径は７．０ｍｍとしたが、これらの値は、種々変えることが可能である。
【００１６】
しかし、本実施形態に係る液晶レンズにおいて、特に第２の基板１４の厚さは、第２の電極１７と液晶層１３との間の距離を規定するために重要である。基板１４の厚さは１μｍ〜５ｍｍ、特に数μｍ〜数ｍｍ、例えば２μｍ〜３ｍｍであるのが望ましい。即ち、基板１４はガラス基板に限らず、それ以外の絶縁層とすることも可能である。この場合、薄い絶縁層を保持するために、別途、基板を用いてもよい。絶縁層としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等を用いることが出来る。なお、孔２０の径は、数μｍ〜数１０ｍｍ程度が望ましいが、特に限定されるものではない。
【００１７】
孔２０の周辺に、例えば、基板１４と電極１７との間に、孔２０よりもサイズの小さい開口部を有し、孔２０を通過する光を制限する光遮断部材、いわゆるブラックマトリクスを設けてもよい。即ち、孔２０の周辺部の特性は悪いが、ブラックマトリクスを設けることにより、孔２０の周辺部においても、良好な特性を得ることが出来る。ブラックマトリクスとしては、カーボン等を用いることが出来る。
【００１８】
以上のように構成される、液晶レンズでは、アルミニウム薄膜である第２の電極１７と透明な第１の電極１２の間に電圧を印加すると、不均一な電界が、液晶層１３の広い領域全体にわたって分布する。このために、屈折率の異なる分子配向領域が液晶層１3内に分布して形成される。このようにして、大きなサイズのレンズが実現される。
【００１９】
多様な屈折率の分布は、印加される電圧により変化する。そのため、レンズの焦点距離は、外部電圧の関数であり、外部電圧によって、レンズの焦点距離を任意に変えることが可能である。
【００２０】
図２には、本発明の特徴を説明するために、第１の電極１２と第２の電極１７と、その駆動手段２１、及び第１の電極に対して電位勾配を与えることができる電位勾配設定手段２２を取り出して示している。
【００２１】
この発明では、第１の電極１２は、比較的高抵抗な材料が用いて構成されており、例えば、酸化亜鉛にインジウム酸化物を添加したもの、又は酸化スズを挙げることが出来る。電気抵抗は、１００Ω〜１ＭΩ程度が好ましい。ここでは、約１０ｋΩの抵抗値の電極１２を用いた。端子１１１、１１２が設けられている。端子１１１と１１２が並ぶ方向はラビング方向と平行な方向が好ましい。
【００２２】
本発明は、この電気抵抗を有効に活用し、対向電極１２、１７間に電圧を印加するときに、第１の電極１２に電流を流し、電位勾配を与えるのである。このとき第１の電極１２の端子１１１、１１２間には、例えば図３に示されるように、電圧Ｖ１とＶ２とが一定時間Δｔ与えられる。一定時間経過後は、両端子１１１、１１２はＶ０となる。
【００２３】
一定時間Δｔの間は、液晶層内における電界が一定方向へ傾いた状態となり、液晶分子の配向も一定方向へ揃うことになる。この結果、駆動手段２１で駆動したとき、液晶分子配向が確実に得られ、ディスクリネーションラインが生じないことが確認された。つまり本発明では、ディスクリネーションラインが生じにくいように改善されたものである。この結果、駆動手段２１からは、応答を速くするために、大きな電圧を出力してもよいことになる。
【００２４】
つまり、一方の電極１２に上記した一定時間の電位勾配を与えるときに前記対向電極１１，１２間に、所定電圧よりも大きい電圧を与え、その後前記所定電圧を与えるのである。これにより、ディスクリネーションラインが生じることなく、大きな電圧で駆動することができ、応答速度を速くすることができる。
【００２５】
実験は、電位勾配を与えるための電圧としては、Ｖ１＝２１０Ｖｒｍｓ、Ｖ２＝２７０Ｖｒｍｓ，Ｖ０＝８０ｒｍｓで行った。また、Δｔを種々選択し、フォーカスの焦点変化を観察した。図４には、その観察結果を示している。図４の横軸はフォーカス応答時間である。縦軸は、フォーカス状態である。この結果から、応答時間は、Δｔに依存することが分る。
【００２６】
また、図５には、横軸がΔｔを示し、縦軸が応答時間（τ）を示している。図３のように電位勾配を第１の電極１２に与えることで、応答時間が短くなることが分る。
【００２７】
焦点距離は、透明な第１の電極１２とアルミニウム薄膜の第２の電極１７との間に印加する電圧を変化させることにより変化する。液晶セルの焦点距離は、印加電圧により変化する。つまり光に対する集束力は、電圧により変化することである。最小の焦点距離は約７６ｃｍであり、３５Ｖｒｍｓの近傍で得られる。電圧が増加し続けるに従って、中央付近のダイレクタが回転し続け、一方、孔の近傍のダイレクタは飽和する。屈折率のプロファイルは平坦化し、焦点距離はより長くなる。また位相リターデーションのプロファイルは、孔の径と基板の厚さにより調整することが出来る。良好な性能を得るためには、孔のサイズを基板の厚さに従って増加させることが必要である。このような構造では、中間絶縁層として種々の厚さのガラス基板又は薄膜を用いることにより、殆ど任意のサイズの液晶レンズを実現することが出来る。
【００２８】
液晶層を有する液晶レンズでは、孔の直径に対して相対的に液晶層を薄くすることが出来るので、そのため、動作速度を、従来の液晶レンズよりもはるかに高速にすることが可能である。本発明の液晶レンズのセル構造では、金属のような導電体の近傍では電界は面に垂直であるという事実により、電界と、液晶レンズの任意の位置にあるダイレクタとの間の角度は、殆ど同一であり、すべてのダイレクタは同じ方向に回転する。そのため、電圧を印加した場合でも、ディスクリネーションラインは生じない。このことは、動作速度を速めるために高電圧を印加することが出来ることを示している。特に、図3で説明した電位勾配を与える手法を用いたので、ディスクリネーションラインの発生を確実に抑圧できるというものである。
【００２９】
本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。上記の実施の形態では、第１の電極１２に対して、図３に示したような波形で電圧を印加した。しかしこれに限らず、駆動中においても、第１の電極１２に対して電位勾配を与えてもよい。このようにすると、液晶層１３の液晶分子が電位勾配の方向に配向する。その結果、第１の電極１２に電位勾配がないときに軸対称であった屈折率分布が、電位勾配の方向に非対称な分布となり、入射光が直進する方向から偏向するという機能が得られる。
【００３０】
この場合、電極１２へ電圧が印加される部分、即ち、電極１２の両端に設ける端子の位置を適宜変えることにより、入射光の偏向の方向を変化させることが出来る。これにより電極１２と電極１７との間に印加する電圧、及び電極１２の両端部に印加する電圧を変化させることにより、３次元的な焦点可変特性を得ることが可能である。この液晶レンズは、自由空間での光スイッチや光ファイバー間の切り替えスイッチ等の種々の広範囲の用途への適用が可能である。
【００３１】
図６にはさらにこの発明の別の実施の形態を示している。勿論上述した実施の形態と本実施の形態とを組み合せて構成してもよいし、また、一部の実施の形態を削除した状態で実施しても本発明の範疇である。図６は、第２の電極１７が分割されて電極１７１、１７２とされている。他の構成部分は、図２に示した構成と同じである。図６に示した実施の形態であると、回復時間を短くすることができる。第１と第２の電極１２、１７間に印加する電圧を除去すると、液晶分子に対する電界による配向効果が消失する。すると、ラビングによる配向効果により、液晶分子はラビングの方向に沿って基板に平行に配向した元の状態に戻る。このときに要する時間が回復時間である。回復時間は、液晶層１３の厚みの２乗に近い特性で長くなる。
【００３２】
そこでこの実施の形態では、第１と第２の電極１２、１７間に印加する電圧Ｖａ，Ｖａを除去した後、続いて、電極１７１、１７２間に電圧Ｖｂを一定時間印加するようにしている。するとランビング方向に電界が勾配し、これに沿って液晶分子も配列することになる。つまりレンズ状態から非レンズ状態に回復することになる。電圧Ｖｂの印加により、回復時間が大きく短縮される。したがって、先に延べた応答時間の改善と相俟って、本実施例であると、回復時間も改善され、結果として、大型で、高速応答が可能な液晶レンズを提供できるものである。なおこの発明の思想は、液晶レンズのみならず、不均一電界に基く分子配向効果を利用する液晶素子全般に適応できるものである。
【００３３】
図６に示した実施の形態では、第２の電極１７に対して、孔２０及びスリットを形成した。しかしこれに限らず、図7に示すように、第１の電極１２を第２の電極１７と同様な構造に構成してもよい。この場合は、液晶マイクロレンズを構成する場合に有効となる。またこの場合は、図１の構成と異なり、電極間にあえて絶縁層を設けずともよく、対向基板の対向面に第１と第２の電極１２、１７を設ける構造となる。第１と第２の電極１２、１７は、それぞれの分割電極間に電圧Ｖｂが印加される。この電圧Ｖｂの印加タイミングは、駆動開始時、及び回復時である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施の形態の基本構成を示す断面図。
【図２】本発明の一実施の形態における特徴部を示す説明図。
【図３】本発明の一実施の形態の動作を説明するために示した電圧波形の例を示す図。
【図４】本発明による液晶レンズのフォーカス位置の変化の例を示す図。
【図５】本発明のレンズ特性への応答速度を測定した結果を示す図。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す説明図。
【図７】本発明のさらに他の実施の形態を示す説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１１…第１の基板、１２…第１の電極、１３…液晶層、１４…第２の基板、１７…第２の電極、２０…穴、２１…駆動手段、２２…電気勾配設定手段、２３…コントロール手段。
【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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