(57)【要約】【課題】液晶光学素子は温度変化によって液晶層のセルギャップが部分的に異なることで液晶レンズとしての特性に誤差が生じていた。【解決手段】上下基板間にシール部材によって形成された液晶セル内に、液晶材料を封入してなる液晶光学素子と、該液晶光学素子に屈折率を制御するための駆動電圧を供給する駆動制御手段を有する液晶光学装置において、液晶光学素子を構成するシール部材の体積膨張率と液晶材料の体積膨張率とを略等しくした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下基板間にシール部材によって形成された液晶セル内に、液晶材料を封入してなる液晶光学素子と、該液晶光学素子に屈折率を制御するための駆動電圧を供給する駆動制御手段とを有する液晶光学装置において、
前記液晶光学素子を構成するシール部材の体積膨張率と、前記液晶材料の体積膨張率とを略等しくしたことを特徴とする液晶光学装置。
【請求項２】
前記駆動制御手段は、液晶光学素子に駆動電圧を供給する駆動回路と、該駆動回路の供給電圧を可変する制御回路と、該制御回路に温度情報を供給する温度検出手段とを備え、
前記温度検出手段からの温度情報に基づき、前記液晶光学素子への駆動電圧を可変制御することを特徴とする請求項１に記載の液晶光学装置。
【請求項３】
前記駆動制御手段は、温度情報が常温より高い温度情報の場合は、第１の駆動電圧を供給し、常温より低い温度情報の場合は、前記第１の駆動電圧よりも低い値の駆動電圧を供給することを特徴とする請求項２に記載の液晶光学装置。
【請求項４】
前記シール部材が、ポリエチレン樹脂であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液晶光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ピックアップ装置のコマ収差、球面収差等を補償する収差補正装置や、カメラの自動合焦点装置に用いられ、液晶レンズとして機能する液晶光学素子を備えた液晶光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＤあるいはＤＶＤ等のディスクに情報を書き込んだり、読み取ったりするための光ピックアップ装置における収差補正を行うために、収差補正用の液晶光学素子が用いられている。このような液晶光学素子は、ディスクに照射されるレーザー光の光軸が傾くことにより、ＤＶＤ等のディスク内に生じるコマ収差や、ディスクの厚み方向の球面収差や、光ピックアップ装置を構成する光学部材に起因する非点収差を含む波面収差を光学的に補正する。
【０００３】
従来の赤色レーザーを用いたＤＶＤでは、従来の液晶光学素子で問題なく補正が出来ていたが、青色レーザーが使用されてディスクの記録密度が高密度化された結果、従来の液晶光学素子では収差補正が困難となってきた。
【０００４】
また、カメラの自動合焦点装置におけるオートフォーカス（ＡＦ）制御にも液晶レンズとして機能する液晶光学素子が用いられているが、従来の液晶光学素子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、液晶光学素子が使用環境温度の変化によって液晶層のセルギャップが変動してしまうことに起因して、液晶光学素子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３は、従来の液晶光学素子の断面図で、その問題となる状況を模式的に表している。  図３（ａ）は使用環境温度が常温環境下、図３（ｂ）は低温環境下、図３（ｃ）は高温環境下の液晶光学素子１０の状態を示している。
図３（ａ）において、１０は液晶光学素子、２は上基板、３は下基板、１５は上下基板２、３を接着するシール部材、４は液晶材料が封入された液晶層で、上下基板２、３とシール部材１５によって密閉された空間に充填形成されている。また７は制御電極、８は対向電極であり、各々上下基板２、３の内面側に設けられており、各制御電極７と対向電極８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７に対応する位置の液晶層４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】
常温環境下の液晶光学素子１０は、図３（ａ）に示したように、液晶層４の層厚であるセルギャップは図示していないスぺーサーによって設計値に保たれているため、上下基板２、３は略平行になっており、液晶光学素子１０の全面が同一のセルギャップＬＮとなる。
【０００８】
それに対して低温環境下の液晶光学素子１０は、温度変化によって液晶層４を構成する液晶材料が収縮するが、液晶材料に比べて体積膨張率の小さいシール部材１５は形状変化をしないので、上下基板２、３が内側に引っ張られ、図３（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４のセルギャップは、中心付近で図示のＬＬのごとく常温での値ＬＮよりも小さく、しかも液晶光学素子１０のセルギャップが部分的に異なる形状となる。
【０００９】
また、高温環境下の液晶光学素子１０は、液晶層４を構成する液晶材料が膨張するため、上下基板２、３が外側に押され、図３（ｃ）に示すような中凸形状（タイコ形状）となる。すなわち液晶層４のセルギャップは、中心付近で図示のＬＨのごとく常温での値ＬＮよりも大きく、しかも液晶光学素子１０のセルギャップが部分的に異なる形状となる。
【００１０】
一般に液晶レンズとして用いられる液晶光学素子では、上下基板２、３が平行状態に保たれて液晶層４全体の層厚が同一の条件において、液晶光学素子１０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７と対向電極８間に印加するよう設計されている。
【００１１】
このため、図３（ｂ）（ｃ）のように温度変化によって液晶光学素子１０のセルギャップが部分的に異なってしまうと、液晶光学素子１０で補正される設定補正量からずれてしまい、光ピックアップ装置の収差補正や、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。
【００１２】
一般に光ピックアップ装置における液晶光学素子１０の液晶層４のセルギャップ変動は、レーザー光の波長をλとした時、λ／６以内ならば問題ないとされてきたが、青色レーザーが使われ始め、該青色レーザー光の波長λ（４０５ｎｍ）がＣＤおよびＤＶＤで用いられる波長（７４５ｎｍ、６９５ｎｍ）に対して小さいため、液晶光学素子１０の全使用温度範囲でのより精密なセルギャップの管理が必要となってきている。
【００１３】
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）。
【００１４】
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）。
【００１５】
【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】
【００１６】
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３（ｂ）に示した中凹形状にしてしまうという問題がある。
【００１７】
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。
【００１８】
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を内側に引っ張られ、液晶セルを図３（ｂ）に示した中凹形状にしてしま
うという、特許文献１に於ける問題と同様の問題を有している。
【００１９】
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。
【００２０】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、液晶光学素子の温度変化による液晶層のセルギャップの部分的変動を抑え、使用温度範囲全般にわたって補正される設定補正量からずれることのない液晶光学装置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】
【００２１】
上記課題を解決するための本発明における液晶光学装置の構成は、上下基板間にシール部材によって形成された液晶セル内に、液晶材料を封入してなる液晶光学素子と、該液晶光学素子に屈折率を制御するための駆動電圧を供給する駆動制御手段とを有する液晶光学装置において、液晶光学素子を構成するシール部材の体積膨張率と液晶材料の体積膨張率とを略等しくしたことを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の液晶光学装置は、前述した駆動制御手段が、液晶光学素子に駆動電圧を供給する駆動回路と、該駆動回路の供給電圧を可変する制御回路と、該制御回路に温度情報を供給する温度検出手段とを備え、温度検出手段からの温度情報に基づき、液晶光学素子への駆動電圧を可変制御することを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の液晶光学装置は、前述した駆動制御手段が、温度情報が常温より高い温度情報の場合は第１の駆動電圧を供給し、常温より低い温度情報の場合は第１の駆動電圧よりも低い電圧の第２の駆動電圧を供給することを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の液晶光学装置は、前述したシール部材がポリエチレン樹脂であ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、液晶材料とシール部材との体積膨張率を略等しくしたため、環境温度が大きく変化した場合、液晶光学素子の液晶層のセルギャップは変化するが、液晶材料とシール部材とが同じ率で変化するため、従来のように液晶光学素子のセルギャップが部分的に変化して中凹形状や中凸形状になることを防止する事が出来る。
【００２６】
また、温度検出手段を用いて駆動電圧を制御する事によって、平行に変化した液晶層のセルギャップに合せた駆動を行うことが可能となり、温度変化に関わらず液晶光学素子で補正される設定補正量を確保する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の液晶光学装置は、上下基板間にシール部材によって形成された液晶セル内に、液晶材料を封入してなる液晶光学素子と、該液晶光学素子に屈折率を制御するための駆動電圧を供給する駆動制御手段を有する液晶光学装置において、液晶光学素子を構成するシール部材の体積膨張率と液晶材料の体積膨張率とを略等しくしたものである。以下に、本発明の液晶光学装置について図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は、本発明による液晶光学素子の断面図であり、先に示した図３に示す従来の液晶光学素子１０と同様に 図１（ａ）は使用環境温度が常温環境下、図１（ｂ）は低温環境下、図１（ｃ）は高温環境下の液晶光学素子の状態を示している。
図１に示す液晶光学素子の基本的構成は、図３の液晶光学素子１０と同様であり、従って図１における本発明の液晶光学素子の説明において図３の液晶光学素子１０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。
【００２９】
図１において１は液晶光学素子であり、従来の液晶光学素子１０と異なるところはシール部材５が液晶層４を構成する液晶材料と略同じ体積膨張率を有する材料にて構成されていることである。
【００３０】
図１（ａ）は常温環境下の液晶光学素子１の状態であり、液晶層４の層厚であるセルギャップは図示していないスぺーサーによって設計値に保たれているため、上下基板２、３は平行になっており液晶光学素子１の全面が同一のセルギャップＬＮとなる。
【００３１】
図１（ｂ）は低温環境下の液晶光学素子１の状態であり、温度低下によって液晶層４を構成する液晶材料が収縮するが、液晶材料と略同一の体積膨張率を有するシール部材５も略同じ量の収縮を行うため、上下基板２、３の平行を保ったまま液晶層４のセルギャップはＬＬのごとく常温での値ＬＮよりも小さくなる。しかし、本発明の液晶光学素子１は、従来のように液晶光学素子１のセルギャップが部分的に異なることはなく、液晶光学素子１の全面が一定のセルギャップＬＬに保たれる。
【００３２】
図１（ｃ）は高温環境下の液晶光学素子１の状態であり、温度上昇によって液晶層４を構成する液晶材料が膨張するが、液晶材料と略同一の体積膨張率を有するシール部材５も略同じ量の膨張を行うため、上下基板２、３の平行を保ったまま液晶層４のセルギャップはＬＨのごとく常温での値ＬＮよりも大きくなる。しかし、本発明の液晶光学素子１は、従来のように液晶光学素子１のセルギャップが部分的に異なることはなく、液晶光学素子１の全面が一定のセルギャップＬＨに保たれる。
【００３３】
上記のごとく本発明における液晶光学素子１は、温度変化に対してセルギャップが変化するものの、液晶光学素子１の全面が略一定のセルギャップに保たれるため、従来の液晶光学素子のようにセルギャップが部分的に異なってしまうことによる設定補正量からのずれを改善する事ができる。
【００３４】
次に液晶材料とシール部材の体積膨張率について説明する。
従来の液晶光学素子１０に使用されている液晶層４の液晶材料は（トラン系の液晶材料）であり、その体積膨張率が０.７×１０−３／Ｋであり、またシール材１５にエポキシ系樹脂で構成し、その体積膨張率が０.１６×１０−３／Ｋであるため、両者の体積膨張率に差がある材料を用いていた。そのため、温度変化に対して先に示した図３（ｂ）（ｃ）のように、中凹形状や中凸形状に変形する結果となっていた。
【００３５】
これに対して本発明における液晶光学素子１では、液晶層４の液晶材料は従来と同じ（トラン系の液晶材料）を使用しており、その体積膨張率が０.７×１０−３／Ｋ従前と同じであるが、シール部材５に、ポリエチレン樹脂を使用した。このポリエチレン樹脂の体積膨張率は、０.６×１０−３／Ｋであり、この体積膨張率は、液晶材料の体積膨張率０.７×１０−３／Ｋに非常に近い材料である。このように、略同一の体積膨張率のシール部材５と液晶層４を組み合わせて用いれば、図１（ａ）（ｂ）に示す如く温度変化に対して上下基板２、３の平行が保たれて、液晶レンズとしての設定補正量からのずれを改善する事ができた。
【００３６】
また、シール部材５の他の材料としては、例えば体積膨張率の小さいエポキシ系樹脂と体積膨張率の大きいシリコン系樹脂を適当に混合する事によっても液晶材料に近い体積膨張率のシール材を得る事もできる。
【実施例２】
【００３７】
次に、本発明の液晶光学装置における他の構成例について説明する。図２は、本発明の第２実施例である液晶光学装置を組み込んだ自動合焦点装置のブロック図である。以下に、この自動合焦点装置の構成を説明する。
図２において５０は自動合焦点装置、２０は液晶レンズである。この液晶レンズ２０は、先に説明した液晶光学素子１（図１参照）によって構成されている。２２は光学レンズ、２３は撮像装置、２４はデジタルシグナルプロセッサ（以後ＤＳＰと略記する）、２５はオートフォーカス制御回路（以後ＡＦ制御回路と略記する）であり、ＣＰＵ２６と記憶装置２７とを有する。３０は駆動制御手段であり、液晶光学素子１に駆動電圧を供給する駆動回路３１と、該駆動回路３１の供給電圧を可変する制御回路３２と、該制御回路３２に温度情報を供給する温度検出手段３３を備えている。
【００３８】
液晶レンズ２０は、Ｐ波用とＳ波用と２個の液晶光学素子１を組み合わせた構成となっており、光学レンズ２２は、絞り、パンフォーカス組レンズ及び赤外線カットフィルタを有する。また撮像素子２３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子よりなるイメージセンサとＡ−Ｄ変換器を有する。そして液晶光学素子１によって構成される液晶レンズ２０と駆動制御手段３０とにより、本発明の液晶光学装置４０が構成される。
【００３９】
次に、自動合焦点装置５０の動作を説明する。
液晶レンズ２０及び光学レンズ２２を通過して結象した光学像は、撮像素子２３により電気信号に変換される。撮像素子２３から出力された電気信号は、Ａ−Ｄ変換器によりデジタル信号に変換される。ＤＳＰ２４は、Ａ−Ｄ変換器から出力されたデジタル信号に対して画像処理を行う。ＡＦ制御回路２５は、液晶レンズ２０の通過応答中にＤＳＰ４から出力された画像信号を所定の周期でサンプリングすることにより焦点整合度に対応した複数の焦点信号（オートフォーカス信号）を抽出する。そして、ＡＦ制御回路２５は、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号のレベルが最大となる時のサンプリングタイミングを判定し、その判定結果に基づいて液晶レンズ２０を構成する液晶光学素子１の駆動条件の制御を行うＡＦ制御信号Ｓａｆを出力する。
【００４０】
ＡＦ制御回路２５は、上述した一連の制御を行うＣＰＵ２６と記憶装置２７を有し、記憶装置２７は、ＣＰＵ２６が実行するプログラムや最適な駆動電圧を求めるために必要なデータなどを格納した読み出し専用メモリ部（ＲＯＭ）と、ＣＰＵが作業領域として使用する書き込み可能なメモリ部（ＲＡＭ）を有する。
【００４１】
駆動制御手段３０は、ＡＦ制御回路２５から出力されたＡＦ制御信号Ｓａｆが制御回路３２に入力されると、制御回路３２は、ＡＦ制御信号Ｓａｆによって指定された最適な駆動電圧を作成し駆動回路３１に供給する。駆動回路３１は、最適な駆動電圧Ｖａｆを出力して液晶レンズ２０を構成する液晶光学素子１を制御してＡＦ制御が行なわれる。以上が通常の自動合焦点装置５０のＡＦ制御動作である。
【００４２】
しかし、前述の如く温度が変化すると液晶光学素子１は、図１に示すようにセルギャップが変化する。このセルギャップの変化があると、通常の自動合焦点装置５０の動作におけるＡＦ制御に誤差が生じて、合焦点が少し甘くなってしまう結果となる。そのため本発明においては、駆動制御手段３０に温度検出手段３３を設け、この温度検出手段３３からの温度情報信号Ｓｔｈを制御回路３２に供給するようにしている。
【００４３】
制御回路３２は、ＡＦ制御回路２５から出力されたＡＦ制御信号Ｓａｆと温度検出手段３３からの温度情報信号Ｓｔｈとを入力し、ＡＦ制御信号Ｓａｆによって指定された最適な駆動電圧条件に対して、温度変化によって液晶光学素子１のセルギャップが変化したこ
とによる誤差分を補正するために駆動電圧条件を可変する。すなわち制御回路３２は、ＡＦ制御信号Ｓａｆによって指定された最適な駆動電圧Ｖａｆに対して、温度情報信号Ｓｔｈに基づく補正を行うことによって駆動電圧を可変し、この可変された温度補正駆動電圧Ｖｔａｆを液晶光学素子１に供給する。
【００４４】
すなわち液晶光学素子１は、使用環境温度が図１（ａ）に示す常温環境下においては、ＡＦ制御信号Ｓａｆのみによって駆動電圧条件が決められるが、図１（ｂ）に示す低温環境下や図１（ｃ）に示す高温環境下においては、ＡＦ制御信号Ｓａｆに液晶光学素子１のセルギャップ変化量を示す温度情報信号Ｓｔｈを加算して駆動電圧条件を決めることで、温度補償を行うものである。
【００４５】
なお、駆動制御手段３０は、温度情報信号Ｓｔｈが常温より高い温度情報の場合は、高い値の温度補正駆動電圧Ｖｔａｆを供給し、常温より低い温度情報信号Ｓｔｈの場合は、温度補正駆動電圧Ｖｔａｆよりも低い値の温度補正駆動電圧Ｖｔａｆを液晶光学素子１に対して供給する。
【００４６】
上記のごとく、本発明においては、液晶光学素子１におけるシール部材の体積膨張率と液晶材料の体積膨張率とを略等しくしたことで、環境温度変化に対して液晶光学素子１全面のセルギャップが一定に保たれるため、液晶レンズの温度特性を大幅に改善する事ができた。また上記改善に加えて、温度情報の基づく駆動電圧の補正を行うことで、さらに液晶レンズの温度特性を高めることが出来た。
【００４７】
以上、本発明における液晶光学素子１として自動合焦点装置５０に用いられる液晶レンズを実施形態として示したが、これに限定されるものではなく、前述の光ピックアップ装置は勿論、その他にもメガネや顕微鏡等の液晶レンズとして屈折率制御を行うすべてのものに適用可能な事は当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の液晶光学素子の構成を示す断面図である
【図２】本発明の液晶光学素子を搭載した自動合焦点装置のブロック図である。
【図３】従来の液晶光学素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、１０      液晶光学素子
２            上基板
３            下基板
４            液晶層
５、１５      シール部材
７            制御電極、
８            対向電極
２０          液晶レンズ
２５          ＡＦ制御回路
３０          駆動制御手段
４０          液晶光学装置
５０          自動合焦点装置
【図１】
2007248983.tif 000003
【図２】
2007248983.tif 000004
【図３】
2007248983.tif 000005