(57)【要約】【課題】複数の電極が並んで配設された電極群のパターンギャップ領域における液晶の配向を安定させ、所望の光学特性を得ることを可能とする。【解決手段】液晶レンズ１０は、２枚の透明基板５５、５６が、内側面に形成されたパターン電極５８、パターン電極６０が対向するようにシール５３を介して貼り合わされた構成を有する。シール５３の内側には、液晶５０が充填されている。透明基板５５には、共通電極としてパターン電極６０が形成されている。透明基板５６には、所定の誘電率の誘電体層２０が形成されている。誘電体層２０の上には、パターン電極５８が形成されている。透明基板５６のパターン電極５８は、中心部からの距離に応じて異なる幅に形成され、液晶レンズ１０の有効径４０の領域で同心円状に配置された複数の輪帯パターン電極３０と、輪帯パターン電極３０からの引き出し配線３５とを含んでいる。【選択図】図１
2009229963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の透明基板に設けられた第１の電極部と、第２の透明基板に設けられた第２の電極部とで液晶層を挟持し、前記第１及び第２の電極部の少なくとも一方が、複数の電極が並んで配設された電極群を有する液晶光学素子において、
前記電極群が設けられた透明基板より高い誘電率を有し、該電極群と重なり合って形成された誘電体層を有する
ことを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
前記誘電体層は、前記電極群と該電極群が設けられた透明基板との間に形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項３】
前記誘電体層は、前記電極群と前記液晶層との間に形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記誘電体層は、前記電極群と該電極群が設けられた透明基板との間に形成されるとともに、前記電極群と前記液晶層との間に形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項５】
前記電極群は、複数の輪帯電極からなる輪帯電極群を有する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の液晶光学素子。
【請求項６】
前記電極群は、前記各輪帯電極に電圧を印加する引き出し配線を有する
ことを特徴とする請求項５に記載の液晶光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極が形成された透明基板で液晶層を挟持した液晶光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電極が形成された透明基板で液晶層を挟持し、液晶に印加する電圧を変更することにより光学特性を可変とした液晶光学素子が知られている。この液晶光学素子として、輪帯状にパターニングされた透明電極を備え、印加する電圧により焦点距離を制御することができる液晶レンズが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１７は、特許文献１に記載された液晶レンズ１１０の構成を示す説明図である。図１７（ａ）は液晶レンズ１１０の断面図であり、図１７（ｂ）は液晶レンズ１１０のパターン電極の平面図である。図１７に示すように、特許文献１に記載された液晶レンズ１１０は、２枚の透明基板５５、５６が、スペーサ５４が混入されたシール５３を介して貼り合わされ、シール５３の内側に液晶５０が充填された構成を有する。透明基板５５には、共通電極としてパターン電極６０が形成され、透明基板５６には、同心円状に配置された複数の輪帯パターン電極３０と、輪帯パターン電極３０からの引き出し配線３５とを有するパターン電極５８が形成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５―３０２２４８号公報（第６頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の液晶レンズでは、次のような問題がある。特許文献１に記載された液晶レンズ１１０は、輪帯パターン電極３０および引き出し配線３５は所定の間隔（パターンギャップ）だけ離れて形成されている。このパターンギャップ領域（スペース領域とも言う）では、各電極が形成された領域と比べて電圧が降下し、液晶層に所望の電圧が印加されない。このため、パターンギャップ領域において液晶の配向が乱れ、この液晶の配向乱れにより生じた散乱光が迷光となり、光学特性が劣化してしまう問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、複数の電極が並んで配設された電極群のパターンギャップ領域における液晶の配向を安定させ、所望の光学特性を得ることを可能とする液晶光学素子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】
【０００７】
上述した課題を解決し目的を達成するため、本発明の液晶光学素子は、下記記載の構成を採用するものである。
【０００８】
本発明の液晶光学素子は、第１の透明基板に設けられた第１の電極部と、第２の透明基板に設けられた第２の電極部とで液晶層を挟持し、第１及び第２の電極部の少なくとも一方が、複数の電極が並んで配設された電極群を有する液晶光学素子において、電極群が設けられた透明基板より高い誘電率を有し、該電極群と重なり合って形成された誘電体層を有することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の液晶光学素子は、前述した構成に加えて、誘電体層は、電極群と該電極群が設けられた透明基板との間に形成されたことを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、本発明の液晶光学素子は、前述した構成に加えて、誘電体層は、電極群と液晶
層との間に形成されたことを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、本発明の液晶光学素子は、前述した構成に加えて、誘電体層は、電極群と該電極群が設けられた透明基板との間に形成されるとともに、電極群と液晶層との間に形成されたことを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、本発明の液晶光学素子は、前述した構成に加えて、電極群は、複数の輪帯電極からなる輪帯電極群を有することを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、本発明の液晶光学素子は、前述した構成に加えて、電極群は、各輪帯電極に電圧を印加する引き出し配線を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の液晶光学素子は、透明基板より高い誘電率の誘電体層が、複数の電極が並んで配設された電極群と重なり合って形成される。これにより、電極群のパターンギャップ領域における電圧降下量が低減され、パターンギャップ領域における液晶の配向が安定する。よって、本発明の液晶光学素子では、所望の屈折率勾配が得られるとともに、液晶の配向乱れによる散乱光の発生を抑え、光学特性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、この発明にかかる液晶光学素子として、液晶レンズを例に挙げ、好適な実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
＜実施例１の構成：図１、図２＞
まず、本発明の実施例１の液晶レンズの構成について説明する。図１は、実施例１の液晶レンズ１０の構成を示す説明図である。図１（ａ）は、実施例１の液晶レンズ１０の断面図であり、図１（ｂ）は、後述する、液晶レンズ１０の輪帯パターン電極および引き出し配線の平面図である。図２は、液晶レンズ１０の一部を拡大した断面図である。
【００１７】
図１、図２に示すように、実施例１の液晶レンズ１０は、２枚の透明基板５５、５６が、内側面に形成されたパターン電極５８、パターン電極６０が対向するようにシール５３を介して貼り合わされた構成を有する。シール５３には、セルギャップを決めるスペーサ５４が混入されており、透明基板５５、５６の外縁部に設けられている。シール５３の内側には、液晶５０が充填されている。
【００１８】
透明基板５５には、共通電極としてパターン電極６０が形成されている。透明基板５６には、透明基板５６より高い誘電率を有する誘電体層２０が形成されている。誘電体層２０を形成する材料については後述する。誘電体層２０の上には、パターン電極５８が形成されている。図１（ｂ）に示すように、透明基板５６のパターン電極５８は、中心部からの距離に応じて異なる幅に形成され、液晶レンズ１０の有効径４０の領域で同心円状に配置された複数の輪帯パターン電極３０と、輪帯パターン電極３０からの引き出し配線３５とを含んでいる。ここで、輪帯パターン電極３０及び引き出し配線３５は、複数の電極が並んで配設された電極群の一例である。
【００１９】
引き出し配線３５は、各輪帯パターン電極３０の一部が開口された開口部を通って配設され、各輪帯パターン電極３０と図示しない電極端子とを、１対１の対応で繋ぐ。この構成により、各輪帯パターン電極３０に対して任意の電圧を独立に印加することができる。これは独立輪帯方式と呼ばれるものであり、本発明の以後の説明は、便宜上、この独立輪帯方式を用いて行う。また、本発明は、図１に示す輪帯パターン電極３０及び引き出し配
線３５の本数に限定されるものではない。
【００２０】
各輪帯パターン電極３０及び各引き出し配線３５は、所定のパターンギャップだけ離れて形成されている。独立輪帯方式の場合、輪帯パターン電極の本数が増えるほど、このパターンギャップの領域も多くなる。
【００２１】
パターン電極５８及びパターン電極６０の上には、液晶５０を並ばせるための配向膜５２がラビング処理を施され形成されている。配向膜５２は、シール５３に重なる位置まで形成されており、シール５３の際まで液晶５０を配向させている。配向膜の種類としては、ポリイミド、光配向用高分子といった有機系や、シランカップリング剤、斜方蒸着により形成するＳｉＯｘといった無機系などがある。
【００２２】
このような構成を備え、共通電極と輪帯パターン電極３０との間の電位差によって液晶分子を駆動させ、有効径４０内に液晶５０の屈折率分布を形成することで、液晶レンズ１０はレンズの効果を持つ。
【００２３】
＜実施例１のシミュレーション結果：図３〜図１０＞
次に、実施例１の液晶レンズ１０のパターンギャップ領域における電圧降下のシミュレーション結果について説明する。前述したように、実施例１の液晶レンズ１０は、複数の電極が並んで配設された電極群を有するパターン電極５８と透明基板５６との間に、誘電体層２０が形成されている。
【００２４】
図３は、実施例1の液晶レンズ１０で、パターンギャップ領域における電圧降下のシミュレーションを行うための構成を示す説明図である。図３に示すように、液晶８０が透明基板８１と透明基板８２とに挟まれて位置する。透明基板８１には、共通電極として、分割されていない一様な電極、いわゆるベタ電極で透明電極８３が形成されている。透明基板８２には、所定の誘電率の誘電体層２０が形成され、誘電体層２０の上に、透明電極８４ａ、８４ｂが、所定のパターンギャップだけ離れて形成されている。図３において、この透明電極８４ａ、８４ｂが並んだ方向をＸ軸とする。
【００２５】
以下に説明するシミュレーションでは、液晶層の厚みは１８μｍとした。また各透明電極は、液晶層に対して１７ｎｍと非常に薄いことから、厚みは０とみなしてシミュレーションを行っている。透明基板８１、８２の厚みは３００μｍとした。また、誘電体層２０の厚みは、１００ｎｍとした。なお、図３においては、表示上の問題から、透明電極８４ａ、８４ｂ、誘電体層２０、液晶層は厚く、透明基板８１、８２は薄く表しており、実物のアスペクト比とは大きく異なっている。
透明基板８１、８２の誘電率は５．３とした。これは、一般的な無アルカリガラスの誘電率である。本発明で用いる透明基板は、この無アルカリガラスに限定されるわけでなく他の低アルカリガラス、ソーダガラス等でも適用可能である。
【００２６】
また、透明電極８３に０Ｖを印加するとともに透明電極８４ａ、８４ｂに１０．０Ｖを印加し、透明電極８３と透明電極８４ａ、８４ｂとの１０．０Vの電位差を形成する状態でシミュレーションを行った。
【００２７】
また、液晶は誘電率異方性を持つため、印加電圧によって液晶の配向（液晶分子のチルト角度）が変わると誘電率も変化する。しかし以下の説明では、説明を容易にするため、液晶を誘電率等方性の液体とみなしてシミュレーションを行った。
【００２８】
図４から図７は、実施例１の液晶レンズ１０と従来技術とのシミュレーション結果の比較の説明図である。図４から図７では、図３の透明電極８４ａと透明電極８４ｂの間のギ
ャップを３０μｍとした。
図４は液晶５０の誘電率εＬＣを１とした結果を示し、図５は液晶５０の誘電率εＬＣを５とした結果を示す。また、図６は液晶５０の誘電率εＬＣを１０とした結果を示し、図７は液晶５０の誘電率εＬＣを２０とした結果を示す。
【００２９】
図４から図７の横軸は、図３に示すＸ軸上（透明電極８４ａ、８４ｂが並んだ方向）の位置を示している。単位はμｍで、０〜５μｍおよび３５〜４０μｍの位置に、それぞれ透明電極８４ａ、８４ｂが形成されている。５〜３５μｍがパターンギャップ領域である。図４から図７の縦軸は電位を示しており、単位はＶである。
図４から図７の（ａ）は、パターンギャップ領域全体の電圧分布を示している。図４から図７の（ｂ）は、パターンギャップ領域の中心である２０μｍ近傍の位置での電圧分布を示している。ここで、図４から図７に示す曲線に角があるのは、横軸の分解能を１μｍとしたためであり、実際の電圧分布は連続的になだらかな曲線である。
【００３０】
図４から図７において、符号９０は、従来技術として誘電体層２０が無い構成の電位曲線を示す。また、符号９１は、比較例として、透明基板８２の誘電率（５．３）より低い誘電率の誘電体層２０を有する液晶レンズの電位曲線を示す。符号９１〜９６は、透明基板８２の誘電率（５．３）より高い誘電率の誘電体層２０を有する実施例１の液晶レンズ１０の電位曲線を示す。電位曲線９０〜９６の誘電体層２０の誘電率εDLは、表１に示すとおりである。
【００３１】
【表１】
2009229963.tif 000003
【００３２】
図４から図７に示すように、透明電極８４ａの端部と透明電極８４ｂの端部で急激に電圧降下が起きており、透明電極８４ａ、透明電極８４ｂから距離が離れていくに従い電圧降下の度合はなだらかになっている。透明電極８４ａと透明電極８４ｂの中間地点で最も電圧が降下している。
透明基板８２より低い誘電率の誘電体層２０を有する比較例の液晶レンズの電位曲線９１は、従来技術の電位曲線９０と比較して、パターンギャップ領域のすべての位置において電圧降下が大きくなっている。
【００３３】
これに対して、透明基板８２より高い誘電率の誘電体層２０を有する実施例１の液晶レンズ１０の電位曲線９１〜９６は、従来技術の電位曲線９０と比較して、パターンギャップ領域のすべての位置において電圧降下量は低減されている。特に透明電極８４ａの端部と透明電極８４ｂの端部近傍において電圧降下の傾きが小さく、急激な電圧降下を防いでいる。
【００３４】
また、図４から図７の電位曲線９２〜９６に示すとおり、誘電体層２０の誘電率εDLが高い方が、電圧降下量の低減効果が高い。高い誘電率の透明薄膜材料として、例えば、五酸化ニオブＮｂ２Ｏ５（誘電率：４１）、五酸化タンタルＴａ２Ｏ５（誘電率：２７．６
）を用いることができる。このシミュレーションは、実際に使用可能である材料の誘電率を想定して行った。
【００３５】
また、図示しないが、透明基板８２と略同じ誘電率を誘電体層２０が有する構成においては、パターンギャップ領域の電圧降下量は、誘電体層２０が無い従来技術の構成と略同じとなる。
【００３６】
表２は、図４から図７に示す、異なる液晶の誘電率で行った各シミュレーション結果の電圧降下の低減量を示す。表２では、誘電体層２０を形成しない構成（従来技術：電位曲線９０）と比較して、誘電率εDL５０の誘電体層２０を形成した構成（実施例１：電位曲線９６）における電圧降下の低減量を示している。表２に示すように、液晶の誘電率εＬＣが低い程、電位曲線９０の電位値は大きく、液晶の誘電率εＬＣが大きい程、電位曲線９０の電位値は小さくなっているが、液晶の誘電率εＬＣによらず、透明基板より誘電率の高い誘電体層２０を形成することによって電圧降下を低減している。
【００３７】
【表２】
2009229963.tif 000004
【００３８】
また、実施例１の液晶レンズでは、透明電極８４ａ、８４ｂの上に配向膜５２が形成されるため、配向膜５２の分圧により液晶に印加される電圧が若干下がる。特に、図７（ａ）の符号Ｌに示すように、配向膜５２の誘電率より液晶の誘電率εＬＣが大きい構成において、液晶に印加される電圧が、透明電極８４ａ、８４ｂに印加される電圧（１０．０Ｖ）より大きく下がる。この配向膜５２の分圧による電圧の低下量は、液晶の誘電率εＬＣに対して配向膜の誘電率を大きくすることにより低減することができる。
【００３９】
次に、透明電極のパターンギャップの幅の違いによる、電圧降下について説明する。図８は、パターンギャップの幅の違いによる、シミュレーション結果の説明図である。図４〜図７と同様に、図８の横軸は図３に示すＸ軸上の位置を示し、図８の縦軸は電位を示している。
【００４０】
図８は、Ｘ軸上の２０μｍの位置を中心に形成された、異なる幅のパターンギャップ領域について、誘電体層２０を形成しない構成と、誘電率εDLが５０の誘電体層２０を形成
した構成のシミュレーション結果を示す。表３は、図８のシミュレーション結果の、各電位曲線（９０、９６、１２０〜１２５）、誘電体層２０の構成、およびパターンギャップ領域の幅（６、１０、２０、３０μｍ）の関係について示す。さらに図８は、各パターンギャップ領域の中心（Ｘ軸上の２０μｍ）の、誘電率εDL５０の誘電体層２０を形成した構成における電圧降下の低減量を示している。図８においては、液晶５０の誘電率εＬＣは１とした。
【００４１】
【表３】
2009229963.tif 000005
【００４２】
図８に示すように、各パターンギャップの幅で、透明電極８４ａの端部と透明電極８４ｂの端部で急激に電圧降下が起きており、透明電極８４ａ、透明電極８４ｂから距離が離れていくに従い電圧降下の度合はなだらかになっている。透明電極８４ａと透明電極８４ｂの中間地点で最も電圧が降下している。
また、電圧降下量はパターンギャップの幅により異なる。図８に示す例においては、パターンギャップが最も広い３０μｍの電位曲線９０が、電圧降下量が最も大きく、パターンギャップが最も狭い６μｍの電位曲線１２６が、電圧降下量が最も小さい。
【００４３】
図８に示すように、従来技術の電位曲線（９０、１２０、１２２、１２４）と比較して、実施例１の液晶レンズ１０の電位曲線（９６、１２１、１２３、１２５）は、パターンギャップ領域のすべての位置において、電圧降下量は低減されている。
また、図８に示すように、パターンギャップの幅が広くなるにつれて、誘電体層２０を形成したことによる電圧降下量の低減効果が大きくなる。パターンギャップが最も狭い６μｍにおける、実施例１の液晶レンズ１０の構成（電位曲線１２５）では、最も降下した箇所の電位が９．９８Ｖであり、電極に印加された電圧（１０Ｖ）からの降下量が非常に小さい。
【００４４】
また、実施例１の液晶レンズ１０では、誘電体層２０は、透明電極８４ａ、８４ｂと透明基板５６との間に形成されている。このため、誘電体層２０が透明電極８４ａ、８４ｂ上に形成される、後述する実施例２、３の液晶レンズのように、誘電体層２０の分圧により電圧が下がることなく、各透明電極により所望の電圧を液晶に印加することが可能である。
【００４５】
次に、本発明の液晶光学素子の他の実施例について説明をする。以下の説明において、すでに説明した同一の構成には同一の符号を付与しており、その詳細な説明は省略する。
【実施例２】
【００４６】
[実施例２の構成：図９、図１０]
実施例２の液晶レンズの構成について説明する。図９は、実施例２の液晶レンズ１１の
構成を示す説明図である。図９（ａ）は、実施例２の液晶レンズ１１の断面図であり、図９（ｂ）は、液晶レンズ１１の輪帯パターン電極および引き出し配線の平面図である。図１０は、液晶レンズ１１の一部を拡大した断面図である。
【００４７】
図９、図１０に示すように、実施例２の液晶レンズ１１は、透明基板５６に形成されたパターン電極５８の上に、所定の誘電率の誘電体層２０が形成され、誘電体層２０の上に配向膜５２が形成された構成を備える。実施例２の液晶レンズ１１の他の構成は、実施例１と同様である。
【００４８】
[実施例２のシミュレーション結果：図１１、図１２]
次に、実施例２の液晶レンズ１１のパターンギャップ領域における電圧降下のシミュレーション結果について説明する。前述したように、実施例２の液晶レンズ１１は、複数の電極が並んで配設された電極群を有するパターン電極５８の上に、誘電体層２０が形成されている。
【００４９】
図１１は、実施例２の液晶レンズ１１で、パターンギャップ領域における電圧降下のシミュレーションを行うための構成を示す説明図である。図１１に示すように、液晶８０が透明基板８１と透明基板８２とに挟まれて位置する。透明基板８１には、共通電極として、いわゆるベタ電極で透明電極８３が形成されている。透明基板８２には、透明電極８４ａ、８４ｂが、所定のパターンギャップだけ離れて形成されている。透明電極８４ａ、８４ｂの上に、所定の誘電率の誘電体層２０が形成されている。図１１において、透明電極８４ａ、８４ｂが並んだ方向をＸ軸とする。
【００５０】
以下に説明する実施例２のシミュレーションにおいては、実施例１と同様に、液晶層の厚みは１８μｍとした。また各透明電極の厚みは０とみなしてシミュレーションを行っている。透明基板８１、８２の厚みは３００μｍとし、誘電体層２０の厚みは１００ｎｍとした。透明電極８４ａと透明電極８４ｂの間のギャップは３０μｍとした。
また、透明基板８１、８２の誘電率は５．３とした。また、説明を容易にするため、液晶を誘電率等方性の液体とみなしてシミュレーションを行った。液晶の誘電率εＬＣは１とした。また、透明電極８３と透明電極８４ａ、８４ｂとの間に１０．０Vの電位差を形成する状態でシミュレーションを行った。
【００５１】
図１２は、実施例２の液晶レンズ１１と従来技術とのシミュレーション結果の比較の説明図である。図１２の横軸は、図１１に示すＸ軸上の位置を示している。０〜５μｍおよび３５〜４０μｍの位置に、それぞれ透明電極８４ａ、８４ｂが形成されている。５〜３５μｍがパターンギャップ領域である。図１２の縦軸は電位を示している。
【００５２】
図１２（ａ）は、パターンギャップ領域全体の電圧分布を示している。図１２（ｂ）は、パターンギャップ領域の中心である２０μｍ近傍の電圧分布を示している。図１２（ｃ）は透明電極８４ａの端部近傍の電圧分布を示している。
【００５３】
図１２において、符号９０は、従来技術として誘電体層２０が無い構成の電位曲線を示す。また、符号１０１は、比較例として、透明基板８２の誘電率（５．３）より低い誘電率の誘電体層２０を有する図１１の構成の電位曲線を示す。符号１０３、１０６は、透明基板８２の誘電率（５．３）より高い誘電率の誘電体層２０を有する実施例２の液晶レンズ１１の電位曲線を示す。電位曲線１０１、１０３、１０６の誘電体層２０の誘電率εDLは、表４に示すとおりである。また図１２では、比較のため、実施例１の液晶レンズ１０の電位曲線９３、９６を、合わせて示している。
【００５４】
【表４】
2009229963.tif 000006
【００５５】
透明基板８２より低い誘電率の誘電体層２０を有する比較例の液晶レンズの電位曲線１０１は、従来技術の電位曲線９０と比較して、パターンギャップ領域のすべての位置において電圧降下が大きくなっている。
これに対して、透明基板８２より高い誘電率の誘電体層２０を有する実施例２の液晶レンズ１１の電位曲線１０３、１０６は、従来技術の電位曲線９０と比較して、パターンギャップ領域のすべての位置において電圧降下量は低減されている。特に透明電極８４ａの端部と透明電極８４ｂの端部近傍において電圧降下の傾きが小さく、急激な電圧降下を防いでいる。
【００５６】
実施例２の液晶レンズ１１では、透明電極８４ａ、８４ｂの上に誘電体層２０が形成されるため、透明電極に印加される電圧は、液晶層および配向膜５２に加えて誘電体層２０でも分圧される。よって、図１２（ｃ）の電位曲線１０３に示すように、透明電極８４ａ近傍において、実施例１の電位曲線９３に比べて液晶に印加される電圧が若干下がる。このため、実施例２の液晶レンズ１１では、誘電体層２０の分圧を考慮した電圧を各透明電極に印加する必要がある。
なお、実施例２の液晶レンズ１１では、誘電体層２０の誘電率εDLを液晶の誘電率εＬＣに比べて大きくすることにより、この誘電体層２０の分圧の割合を小さくして、液晶層に印加される電圧を大きくすることができる。
【実施例３】
【００５７】
[実施例３の構成：図１３、図１４]
次に、実施例３の液晶レンズの構成について説明する。図１３は、実施例３の液晶レンズ１２の構成を示す説明図である。図１３（ａ）は、実施例３の液晶レンズ１２の断面図であり、図１３（ｂ）は、液晶レンズ１２の輪帯パターン電極および引き出し配線の平面図である。図１４は、液晶レンズ１１の一部を拡大した断面図である。
【００５８】
図１３、図１４に示すように、実施例３の液晶レンズ１２は、透明基板５６に所定の誘電率の誘電体層２０が形成され、この誘電体層２０の上にパターン電極５８が形成される。実施例３の液晶レンズ１２は、パターン電極５８の上に、さらに所定の誘電率の誘電体層２０が形成され、この誘電体層２０の上に配向膜５２が形成された構成を備える。実施例３の液晶レンズ１２の他の構成は、実施例１、２の液晶レンズと同様である。
【００５９】
[実施例３のシミュレーション結果：図１５、図１６]
次に、実施例３の液晶レンズ１２のパターンギャップ領域における電圧降下のシミュレーション結果について説明する。前述したように、実施例３の液晶レンズ１２は、複数の電極が並んで配設された電極群を有するパターン電極５８の上下に、誘電体層２０が形成されている。
【００６０】
図１５は、実施例３の液晶レンズ１２で、パターンギャップ領域における電圧降下のシミュレーションを行うための構成を示す説明図である。図１５に示すように、液晶８０が透明基板８１と透明基板８２とに挟まれて位置する。透明基板８１には、いわゆるベタ電極で透明電極８３が形成されている。透明基板８２には、所定の誘電率の誘電体層２０が
形成され、この誘電体層２０の上に透明電極８４ａ、８４ｂが、所定のパターンギャップだけ離れて形成されている。透明電極８４ａ、８４ｂの上に、さらに所定の誘電率の誘電体層２０が形成されている。図１５において、透明電極８４ａ、８４ｂが並んだ方向をＸ軸とする。
【００６１】
以下に説明する実施例３のシミュレーションにおいても、実施例１、２と同様に、液晶層の厚みは１８μｍとした。また各透明電極の厚みは０とみなしてシミュレーションを行っている。透明基板８１、８２の厚みは３００μｍとし、誘電体層２０の厚みは１００ｎｍとした。透明電極８４ａと透明電極８４ｂの間のギャップは３０μｍとした。
また、透明基板８１、８２の誘電率は５．３とした。また、説明を容易にするため、液晶を誘電率等方性の液体とみなしてシミュレーションを行った。液晶の誘電率εＬＣは１とした。また、透明電極８３と透明電極８４ａ、８４ｂとの間に１０．０Vの電位差を形成する状態でシミュレーションを行った。
【００６２】
図１６は、実施例３の液晶レンズ１２と従来技術とのシミュレーション結果の比較の説明図である。図１６の横軸は、図１５に示すＸ軸上の位置を示している。０〜５μｍおよび３５〜４０μｍの位置に、それぞれ透明電極８４ａ、８４ｂが形成されている。５〜３５μｍがパターンギャップ領域である。図１６の縦軸は電位を示している。
【００６３】
図１６（ａ）は、パターンギャップ領域全体の電圧分布を示している。図１６（ｂ）は、パターンギャップ領域の中心である２０μｍ近傍の電圧分布を示している。図１６（ｃ）は透明電極８４ａの端部近傍の電圧分布を示している。
【００６４】
図１６において、符号９０は、従来技術として誘電体層２０が無い構成の電位曲線を示す。また、符号１１１は、比較例として、透明基板８２の誘電率（５．３）より低い誘電率の誘電体層２０を有する図１５の構成の電位曲線を示す。符号１１３、１１６は、透明基板８２の誘電率（５．３）より高い誘電率の誘電体層２０を有する実施例３の液晶レンズ１２の電位曲線を示す。電位曲線１１１、１１３、１１６の誘電体層２０の誘電率εDLは、表５に示すとおりである。また図１６では、比較のため、実施例１の液晶レンズ１０の電位曲線９３、９６を、合わせて示している。
【００６５】
【表５】
2009229963.tif 000007
【００６６】
透明基板８２より低い誘電率の誘電体層２０を有する比較例の液晶レンズの電位曲線１１１は、従来技術の電位曲線９０と比較して、パターンギャップ領域のすべての位置において電圧降下が大きくなっている。
【００６７】
これに対して、透明基板８２より高い誘電率の誘電体層２０を有する実施例３の液晶レンズ１２の電位曲線１１３、１１６は、従来技術の電位曲線９０と比較して、パターンギャップ領域のすべての位置において電圧降下量は低減されている。特に透明電極８４ａの端部と透明電極８４ｂの端部近傍において電圧降下の傾きが小さく、急激な電圧降下を防いでいる。
【００６８】
また、図１６に示すように、透明電極８４ａ、８４ｂの上下に誘電体層２０が形成され
た実施例３の液晶レンズ１２は、透明電極８４ａ、８４ｂの透明基板側にのみ誘電体層２０が形成された実施例１の液晶レンズと比較して、パターンギャップ領域における電圧降下量を低減することができる。さらに、図示しないが、実施例３の液晶レンズ１２は、透明電極８４ａ、８４ｂの液晶層側にのみ誘電体層２０が形成された実施例２の液晶レンズと比較しても、パターンギャップ領域における電圧降下量を低減することができる。
【００６９】
実施例３の液晶レンズ１２では、透明電極８４ａ、８４ｂの上に誘電体層２０が形成されるため、実施例２と同様に、透明電極に印加される電圧は液晶層および配向膜５２に加えて誘電体層２０でも分圧される。よって、図１６（ｃ）の電位曲線１１３に示すように、透明電極８４ａ近傍において、実施例１の電位曲線９３に比べて液晶に印加される電圧が若干下がる。このため、実施例３の液晶レンズ１２では、誘電体層２０の分圧を考慮した電圧を各透明電極に印加する必要がある。
なお、実施例３の液晶レンズ１２でも、誘電体層２０の誘電率εDLを液晶の誘電率εＬＣに比べて大きくすることにより、この誘電体層２０の分圧の割合を小さくして、液晶層に印加される電圧を大きくすることができる。
【００７０】
ここで、上述した誘電体層２０の作製方法について説明する。蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（化学蒸着法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等を用いて、透明基板上に誘電体を成膜することにより、上述した誘電体層２０を形成することができる。このような成膜方法では、実施例１及び実施例３のように誘電体層２０の上にＩＴＯ等の透明電極が形成される構成において、誘電体層２０及び透明電極を、連続した成膜工程で形成することができるため、工程を簡略化、短縮化すること可能となる。
また、このような成膜方法とは別に、スピンコートやオフセット印刷でも誘電体層２０を形成することが可能である。
【００７１】
実施例２及び実施例３において透明電極の上に形成される誘電体層２０は、透明電極との接続を確保するために、成膜後のパターニングまたはパターン印刷などにより、所定のパターンで形成する必要がある。
これに対して、実施例１及び実施例３において透明電極の下に形成される誘電体層２０は、パターンではなく基板の一面に形成することができるため、前述した透明電極の上に形成される誘電体層２０と比較して容易に作製することが可能となる。
【００７２】
上述したように、本発明の液晶光学素子においては、透明基板より高い誘電率の誘電体層が、複数の電極が並んで配設された電極群と重なり合って形成されることにより、電極群のパターンギャップ領域における電圧降下量が低減され、パターンギャップ領域における液晶の配向が安定する。よって、本発明の液晶光学素子では、液晶層に所望の屈折率勾配が得られるとともに、液晶の配向乱れによる散乱光の発生を抑え、光学特性を向上させることが可能となる。
【００７３】
上述した実施形態の説明においては、一方の透明基板にのみ、該透明基板より高い誘電率を有する誘電体層が形成された例を示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の電極が並んで配設された電極群が２つの透明基板に形成された液晶光学素子においては、それぞれの透明基板の電極群と重なり合って誘電体層を形成することにより、液晶の配向乱れによる散乱光の発生を抑え、光学特性を向上させることが可能となる。
【００７４】
また、本発明は、同一の電圧が印加される電極間のパターンギャップ領域だけでなく、異なる電圧が印加される電極間のパターンギャップ領域においても、電圧降下を低減させて液晶の配向乱れを抑え、光学特性を向上させることが可能となる。
【００７５】
また、上述した実施形態の説明においては、説明を容易にするため、印加電圧による液晶誘電率の変化を考慮せず、液晶を誘電率等方性の液体とみなしてシミュレーションを行ったが、本発明は、液晶材料の誘電率、誘電率異方性によらず適用可能である。また、本発明は、液晶の配向方式に依存するものではなく、ベンド配向、スプレイ配向、ハイブリッド配向としても良く、ｎ型液晶を用いて垂直配向として良い。
【００７６】
本発明の液晶光学素子は、液晶の配向方式、輪帯パターン電極の構成・本数・設計方法、液晶材料の種類、層数等によらないので、液晶光学素子を用いた光学装置に幅広く適用することができ、特に、独立輪帯方式の液晶レンズといったパターンギャップ領域が多く存在する液晶光学素子において非常に有効である。
【００７７】
また、ナノインプリント、レーザー加工などにより形成されたフレネルレンズ形状やマイクロレンズアレイ形状を有する透明基板を備え、透明基板上のパターン電極により液晶に電圧を印加する液晶レンズであっても、複数の電極が並んで配設されたパターンギャップ領域を有する構成であれば、本発明は適用することにより、光学特性を向上させることが可能となる。
【００７８】
本発明の液晶光学素子は、デジタルカメラ、ムービーカメラ、カメラ付き携帯電話のカメラ部、車等に搭載されて後方確認用モニターなどに用いられるカメラなどの撮像光学系、プロジェクタ、レーザーポインタなどの投影光学系、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ（Blu-ray Disc（登録商標））等のピックアップ向けの収差補正素子と、幅広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施例１の液晶レンズの構成を示す断面図および平面図である。
【図２】本発明の実施例１の液晶レンズの構成を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の実施例１の液晶レンズのシミュレーションの構成を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例１の液晶レンズのシミュレーション結果を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例１の液晶レンズのシミュレーション結果を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例１の液晶レンズのシミュレーション結果を示す説明図である。
【図７】本発明の実施例１の液晶レンズのシミュレーション結果を示す説明図である。
【図８】本発明の実施例１の液晶レンズのシミュレーション結果を示す説明図である。
【図９】本発明の実施例２の液晶レンズの構成を示す断面図および平面図である。
【図１０】本発明の実施例２の液晶レンズの構成を示す拡大断面図である。
【図１１】本発明の実施例２の液晶レンズのシミュレーションの構成を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施例２の液晶レンズのシミュレーション結果を示す説明図である。
【図１３】本発明の実施例３の液晶レンズの構成を示す断面図および平面図である。
【図１４】本発明の実施例３の液晶レンズの構成を示す拡大断面図である。
【図１５】本発明の実施例３の液晶レンズのシミュレーションの構成を示す説明図である。
【図１６】本発明の実施例３の液晶レンズのシミュレーション結果を示す説明図である。
【図１７】従来技術の液晶レンズの構成を示す断面図および平面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０、１１、１２  液晶レンズ
２０  誘電体層
３０  輪帯電極
３５  引き出し配線
４０  有効径
５０  液晶
５２  配向膜
５３  シール
５４  スペーサ
５５、５６  透明基板
５８、６０  パターン電極
８１、８２  透明基板
８３、８４ａ、８４ｂ  透明電極
【図１】
2009229963.tif 000008
【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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【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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