(57)【要約】【課題】外光による反射によりフレネルレンズ特有の同心円状の縞の映りこみを低減した液晶フレネルレンズを提供する。【解決手段】光透過性基板とフレネルレンズとの間に液晶が充填された液晶フレネルレンズにおいて、前記フレネルレンズのライズ面に前記液晶の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との中間の値の屈折率を持つ屈折率中間層を形成し、前記屈折率中間層の屈折率は、前記液晶に電位差を与えた時の第１の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との差が前記液晶に電位差を与えない時の第２の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との差より大きい場合は前記第１の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との略算術平均値とし、それ以外の場合は前記第２の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との略算術平均値とする請求項１に記載の液晶フレネルレンズ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性基板とフレネルレンズとの間に液晶が充填された液晶フレネルレンズにおいて、
前記フレネルレンズのライズ面に前記液晶の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との中間の値の屈折率を持つ屈折率中間層を形成した液晶フレネルレンズ。
【請求項２】
前記フレネルレンズの形状が凸型、凹型のいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載の液晶フレネルレンズ。
【請求項３】
前記屈折率中間層の屈折率は、
前記液晶に電位差を与えた時の第１の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との差が前記液晶に電位差を与えない時の第２の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との差より大きい場合は前記第１の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との略算術平均値とし、
それ以外の場合は前記第２の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との略算術平均値とする請求項１に記載の液晶フレネルレンズ。
【請求項４】
前記屈折率中間層は、フッ化ハフニウムから成る請求項１に記載の液晶フレネルレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凸型あるいは凹型形状かつ球面あるいは非球面状である液晶フレネルレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
平面あるいは曲面形状である透明基板上に樹脂フレネルレンズを形成し、フレネルレンズ形状に沿って液晶を充填させ、液晶の両端に電圧を印加させることによって液晶の屈折率を変化させる液晶フレネルレンズ方式による焦点可変レンズが考案されている。この方式は液晶の両端面に一定方向にラビングした配向膜及び電極を形成し電圧を印加させることで、液晶の配向の向きが変化し、これにより液晶を透過する光路が変わり、焦点距離を変化させることが可能である。
【０００３】
ラビング配向させた液晶に対して効率良く電圧を印加させるために、光の透過方向に対し垂直面となる液晶部の両端に透明導電膜を成膜している。
【０００４】
従来の液晶フレネルレンズは、図１１に示すように透明基板であるガラス基板上にＳｉＯｘＮｙ膜をスパッタリング法により成膜する。さらにフォトマスクを用いたフォトリゾグラフィにてレジストをパターニングした後、反応性イオンエッチング法によりＳｉＯｘＮｙ膜を加工する。加工したＳｉＯｘＮｙ膜がフレネルレンズとなり、次にその凹凸部の表面に透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、これを透明電極としている。
【０００５】
透明導電膜（ＩＴＯ）はフレネルレンズの凹凸部全面に成膜されており、ＩＴＯは可視光領域において、液晶部、フレネルレンズの屈折率より高い屈折率（ｎ≒２．１）を持つ（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００６−７９６６９号公報（第２１頁、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、液晶フレネルレンズを斜め方向から見ると、液晶部とＩＴ０との屈折率差があるので、液晶フレネルレンズのライズ面で外光が反射する。この反射により、フレネルレンズ特有の同心円状の縞が白く映りこみ目立ちやすく、美観上好ましくないという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、外光による反射によりフレネルレンズ特有の同心円状の縞の映りこみを低減した液晶フレネル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】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の液晶フレネルレンズは、光透過性基板とフレネルレンズとの間に液晶が充填された液晶フレネルレンズにおいて、前記フレネルレンズのライズ面に前記液晶の屈折率と前記フレネルレンズの屈折率との中間の値の屈折率を持つ屈折率中間層を形成したことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の液晶フレネルレンズによれば、レンズに対し斜め方向から光が入射しても、その入射光による映りこみを低減し、フレネルレンズ特有の同心円状の縞を目立たなくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明における液晶フレネルレンズの実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１における液晶フレネルレンズの断面構造図を示す。
【００１２】
液晶フレネルレンズ１０は、基材となる透明基板１１ａ、１１ｂ、透明基板１１ｂに形成された凸レンズ型の樹脂フレネル部１４と、透明基板１１ａと樹脂フレネル部１４のレンズ面１６に形成された透明電極１２ａ、１２ｂと、樹脂フレネル部１４のライズ面１７に形成された屈折率中間層１８と、透明電極１２ａ、１２ｂに挟まれた液晶部１３とシール１５で構成されている。液晶部１３は与える電位差により異常光屈折率ｎｅの屈折率が変わることを利用して、液晶部１３と樹脂フレネル部との屈折率差を可変にすることで焦点距離を可変にしたものである。
【００１３】
液晶部１３は電位差を与えた場合には異常光屈折率ｎｅ(ＯＮ)(＝１．５)、与えない場合には異常光屈折率ｎｅ(ＯＦＦ) (＝１．６)となる特性を持つものを用いる。また、樹脂フレネル部１４の屈折率ｎｆは液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ(ＯＦＦ) (＝１．６)に合わせてｎｆ＝１．６のものを用いる。透明電極１２ａ、１２ｂには、屈折率（ｎ＝２．１）のものを用いる。液晶部１３に電位差を与えない場合（ＯＦＦの状態）には、液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ(ＯＦＦ) (＝１．６)と樹脂フレネル部１４の屈折率（＝１．６）に差が発生しないためレンズ効果は発生しない。
【００１４】
液晶部１３に電位差を与えた場合（ＯＮの状態）には、液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ(ＯＮ)(＝１．５)と樹脂フレネル部１４の屈折率ｎｆ(＝１．６)に屈折率差が生じることで凸レンズの効果が発生する。その時、樹脂フレネル部１４のライズ面１７にはレンズ効果はないが、従来の構成ではライズ面１７にも屈折率が液晶部１３、樹脂フレネル部１４より高い屈折率(ｎ＝２．１)のＩＴ０が形成されており、ＩＴ０との屈折率差が大きいためライズ面１７で反射が発生し、フレネルレンズ特有の同心円状の縞が白く映りこみ目立ちやすかった。そこで、実施の形態1ではライズ面にＩＴＯを形成せず、液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ(ＯＮ)(＝１．５)と樹脂フレネル部１４の屈折率ｎｆ(＝１．６)の間の屈折率を有する屈折率中間層１８を用いて、段階的に屈折率を変化させることでライズ面での反射率を低減する。
【００１５】
屈折率中間層１８の屈折率は、液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ(ＯＮ)(＝１．５)と樹脂フレネル部１４の屈折率ｎｆ(＝１．６)の間の屈折率を有する物質であれば反射率は低減する。また、反射率を最小にするには液晶部１３と樹脂フレネル部１４の屈折率の算術平均の屈折率を有する物質が理想的である。本実施の形態１では屈折率中間層１８の屈折率を算術平均の１．５５に近い屈折率を有するＨｆF４（フッ化ハフニウム）（ｎ＝１．５７）を用いる。しかし、この物質に限るものではない。
【００１６】
図２に本発明の実施の形態１における液晶フレネルレンズの斜視図を示す。分断されているレンズ面１６に形成された透明電極１２ｂを透明電極１２ｃでつなげることで共通電極となる。次に、この液晶フレネルレンズ１０の作成手順の一例について説明する。
【００１７】
本実施の形態では、液晶フレネルレンズ１０内のフレネル形成部（凹凸が形成されている部分）の有効径は４０ｍｍであり、厚さを１．６ｍｍとする。液晶フレネルレンズ１０を構成している透明基板１１ａ、１１ｂの厚さはそれぞれ０．７ｍｍ、樹脂フレネル部１４の底面から中心に位置する頂部までの厚さを０．１２ｍｍ、樹脂フレネル部１４の中心位置での頂部から透明基板１１ａまでの距離を０．０８ｍｍとする。また、樹脂フレネル部１４の曲率は中心部付近で３５ｍｍとする。
【００１８】
透明基板１１ａ、透明基板１１ｂは高屈折ガラス材料あるいはＰＭＭＡ（屈折率１．４９前後）ポリカーボネート（屈折率１．５９前後）等の樹脂材料を用いる。本実施例ではポリカーボネート（屈折率１．６）を用いる。透明基板１１ａ、透明基板１１ｂの面形状は平面であるが、代わりに球面あるいは非球面でも良い。液晶部１３を動作させるために、透明基板１１ａの片面にＩＴＯを蒸着法あるいはスパッタリング法で透明電極１２ａを４００Åの厚さで成膜する。
【００１９】
一方、凸レンズ型のフレネルレンズを形成するために、透明基板１１ｂの上にレンズ樹脂を塗布し、レンズの性能が得られるように最適化設計された凹レンズ型のフレネルレンズ金型を用いて、樹脂フレネル部１４を成型し硬化させる。続いて、樹脂フレネル部１４のライズ面１７のみに屈折率中間層１８を形成する方法を説明する。
【００２０】
図３にフレネルレンズライズ面１７に屈折率中間層を成膜する様子を示した概略図、図４に屈折率中間層１８を成膜するときのプレート１０４の平面図を示す。図３に示すように真空蒸着装置１００による真空蒸着法によって樹脂フレネル部１４のライズ面１７のみに屈折率中間層１８となる所定の屈折率を有する物質の膜１８を形成する。フレネルレンズのレンズ面１６には屈折率中間層１８を形成しないために、図３に示すように樹脂フレネル部１４の中心から中心角３２０ｄｅｇの範囲を囲む扇型のプレートと、残りの中心角６０ｄｅｇの範囲にはライズ面１７へのみ蒸着するためのスリット１０６で構成されるプレート１０４で覆い、且つフレネルレンズを斜め蒸着法により蒸着する。具体的には、樹脂フレネル部１４にフレネルレンズのレンズ面１６とライズ面１７の間の凹部の最大挟角の傾斜を持たせる。すなわち、蒸着の際に樹脂フレネル部１４に傾斜を持たせることによって、フレネルレンズのレンズ面１６に遮られることなくライズ面１７に屈折率中間層１８を形成することができる。
【００２１】
真空槽の下部にあるヒータ１０１で屈折率中間物質であるＨｆＦ４(ｎ＝１．５７)蒸発源１０２を加熱すると、気体状となったＨｆＦ４１０３が昇華し樹脂フレネル部１４のライズ面１７に成膜される。樹脂フレネル部１４の中心を軸に回転台１０５で回転させながら膜の厚さが最適となるように蒸着させることで、樹脂フレネル部１４個々のライズ面１７に屈折率中間層１８が成膜される。
【００２２】
続いて、樹脂フレネル部１４のレンズ面１６（平行光を入射させると光が屈折する面）のみに透明電極１２ｂを形成する方法を説明する。図５にフレネルレンズレンズ面に透明導電膜を成膜する様子を示した概略図を示す。図６に透明導電膜層を成膜するときのフレネルレンズとプレートの平面図を示す。図５に示すように真空蒸着装置１００による真空蒸着法によって樹脂フレネル部１４のレンズ面１６のみ透明電極１２ｂとなる透明誘電膜を形成する。フレネルレンズライズ面１７には透明電極膜を形成しないために、図６に示すように樹脂フレネル部１４の中心から中心角３２０ｄｅｇの範囲を囲むように扇型のプレート１０７で覆い、且つフレネルレンズを斜め蒸着法により蒸着する。具体的には、フレネルレンズの中心より外周のほうが低くなるように、樹脂フレネル部１４に１〜２ｄｅｇ程傾斜を持たせる。すなわち、蒸着の際に樹脂フレネル部１４に傾斜を持たせることによって、フレネルレンズのレンズ面１６のみに透明電極１２ｂとなる透明導電膜を形成することができる。
【００２３】
真空槽の下部にあるヒータ１０１でＩＴＯ蒸発源１１２を加熱すると、気体状となったＩＴＯ１１３が昇華し樹脂フレネル部１４の傾斜面に成膜される。樹脂フレネル部１４の中心を軸に回転台１０５で回転させながら膜の厚さが最適となるように蒸着させることで、樹脂フレネル部１４個々のレンズ面１６に透明電極１２ｂが成膜される。続いて成膜した各々リング状となっている透明電極１２ｂを導通させるために、樹脂フレネル部１４の中心から外周に向かって樹脂フレネル部１４の凹凸形状に沿うように共通電極を形成する。
【００２４】
図７に共通電極となる透明電極１２ｃを成膜した液晶フレネルレンズ１０の平面図を示す。透明電極１２ｃの形成は、先の工程で透明電極１２ｂを成膜した樹脂フレネル部１４に１００μｍの幅のスリットを形成したメタルマスクを貼付し、蒸着法あるいはスパッタリング法でＩＴＯを成膜する。なお、本実施例では透明導電膜で共通電極を構成したが、透明導電膜にこだわる必要はない。
共通電極として透明電極１２ｃを成膜した後、樹脂フレネル部１４の凹凸形状に充填するように常光屈折率ｎｏ(＝１．５)、異常光屈折率ｎｅ(＝１．６)のネマティック液晶を塗布し、その上に透明電極１２ａを成膜した透明基板１１ａを、透明電極１２ａが成膜された面を液晶側に接するようにして挟み込む。そして液晶フレネルレンズ１０を構成する各素子の位置ずれを起こさないよう透明基板１１ａ、１１ｂ及び液晶部１３の縁をシール１５で封をする。
【００２５】
液晶部１３について、塗布したネマティック液晶分子が一定方向に揃うようにするために、２箇所の透明電極１２ａ、１２ｂの表面に配向膜が形成されている。配向膜はポリイミド等が用いられ、特定方向にラビング処理を行っている。透明基板１１ａ、１１ｂと樹脂フレネル部１４で内部保持されている液晶部１３を透明電極１２ａ、１２ｂに電位差を与えることによって液晶分子の配向が変わり、偏光の向きに対して屈折率が変化する。電位差を与えた場合には異常光屈折率ｎｅ(ＯＮ)(＝１．５)、与えない場合には異常光屈折率ｎｅ(ＯＦＦ) (＝１．６)となる。
【００２６】
以上の構成により、従来の構成では透明電極に電圧を与えている状態では、液晶部１３あるいは樹脂フレネル部１４とＩＴＯ等の透明導電膜との屈折率差がΔｎ＝（０．５〜０．６)であったことで、その境界面での反射率が高かったが、樹脂フレネル部１４のライズ面１７に屈折率中間層１８を設けることで、液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ(ＯＮ)(＝１．５)、屈折率中間層１８(ｎ＝１．５７)、樹脂フレネル部１４(ｎ＝１.６)のように液晶部１３と樹脂フレネル部１４との屈折率が段階的に小さくなり（Δｎ＝０．０３〜０．０７）樹脂フレネル部１４のライズ面１７に入射する光については反射を大幅に低減させることが可能となる。
【００２７】
また、実施の形態１において、樹脂フレネル部１４の屈折率ｎｆを液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ(ＯＮ) (＝１．５)に合わせてｎｆ＝１．５のものを用いた場合、
液晶部１３に電位差を与えた場合（ＯＮの状態）には、異常光屈折率ｎｅ(ＯＮ)(＝１．６)と樹脂フレネル部１４の屈折率ｎｆ(＝１．５)には差が発生しないためレンズ効果は発生しない。
液晶部１３に電位差を与えない場合（ＯＦＦの状態）は、液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ(ＯＦＦ)(＝１．６)と樹脂フレネル部１４の屈折率ｎｆ(＝１．５)に屈折率差が生じる。
そのため、液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ(ＯＦＦ)(＝１．６)と樹脂フレネル部１４の屈折率ｎｆ(＝１．６)の間の屈折率を有するＨｆF４（フッ化ハフニウム）（ｎ＝１．５７）を形成することで、屈折率差を低減し、ライズ面１７での反射率を低減することが出来る。
【００２８】
一般的に、液晶部１３の異常光屈折率ｎｅ（ＯＮ）とｎｅ（ＯＦＦ）の内、樹脂フレネル部１４の屈折率ｎｆとの差の絶対値が大きい方をｎｅ(Δmax)とすると、屈折率中間層１８の屈折率はｎｆ〜ｎｅ(Δmax)の間の屈折率にすることで、屈折率差が低減しライズ面１７での反射率を低減することが出来る。
【００２９】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における液晶フレネルレンズ２０の断面構造図を示す。実施の形態１と大きく異なるところは、樹脂フレネル部２４が凹レンズで構成されている点である。以下にこの液晶フレネルレンズ２０の作成手順の実施の形態１と異なるところを説明する。
【００３０】
本実施の形態では、樹脂フレネル部２４の底面から中心に位置する底部までの厚さを０．０８ｍｍ、樹脂フレネル部２４の中心位置での底部から透明基板２１ａまでの距離を０．１２ｍｍとする。また、樹脂フレネル部２４の曲率は中心部付近で−３５ｍｍとする。
【００３１】
凹レンズ型のフレネルレンズを形成するために、透明基板２１ｂの上にレンズ樹脂を塗布し、レンズの性能が得られるように最適化設計された凸レンズ型のフレネルレンズ金型を用いて、樹脂フレネル部２４を成型し硬化させる。
【００３２】
樹脂フレネル部２４のライズ面２７のみに屈折率中間層２８を形成する方法、樹脂フレネル部２４のレンズ面２６（平行光を入射させると光が屈折する面）に電極を形成する方法は回転台２０５の傾斜方向が実施の形態１と逆であるが、その他は実施の形態１と同様である。
【００３３】
図９にフレネルレンズライズ面２７に屈折率中間層２８を成膜する様子を示した概略図、図１０にフレネルレンズレンズ面に透明導電膜を成膜する様子を示した概略図に示す。共通電極の形成法及びネマティック液晶の塗布については実施の形態１と同様の方法であるので説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明にかかる液晶フレネルレンズは、外光による映りこみを低減することを有し、電子制御式眼鏡等として有用である。また、印加電圧によって焦点距離を可変させる液晶フレネルレンズを用いた電子制御式眼鏡に好適に利用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１における液晶フレネルレンズの断面構造図
【図２】本発明の実施の形態１における液晶フレネルレンズの斜視図
【図３】本発明の実施の形態１におけるフレネルレンズライズ面に屈折率中間層を成膜する様子を示した概略図
【図４】本発明の実施の形態１における屈折率中間層を成膜するときのプレートの平面図
【図５】本発明の実施の形態１におけるフレネルレンズレンズ面に透明導電膜を成膜する様子を示した概略図
【図６】本発明の実施の形態１における透明誘電膜層を成膜するときのフレネルレンズとプレートの平面図
【図７】本発明の実施の形態１における本発明の実施の形態１におけるバス線を設置したフレネルレンズの平面図
【図８】本発明の実施の形態２における液晶フレネルレンズの断面構造図
【図９】本発明の実施の形態２におけるフレネルレンズライズ面に屈折率中間層を成膜する様子を示した概略図
【図１０】本発明の実施の形態２におけるフレネルレンズレンズ面に透明導電膜を成膜する様子を示した概略図
【図１１】従来の液晶フレネルレンズの断面構造図
【符号の説明】
【００３６】
１０，２０、３０  液晶フレネルレンズ
１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂ  透明基板
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ  透明電極
１３，２３，３３  液晶部
１４，３４  樹脂フレネル部（凸レンズ型）
１５，２５，３５  シール
１６，２６  レンズ面
１７，２７  ライズ面
１８，２８  屈折率中間層
２４  樹脂フレネル部（凹レンズ型）
１００，２００  真空蒸着装置
１０１，２０１  ヒータ
１０２，２０２  ＨｆＦ４蒸発源
１０３，２０３  ＨｆＦ４（気体）
１１２，２１２  ＩＴＯ蒸発源
１１３，２１３  ＩＴＯ（気体）
１０４，１０７，２０４，２０７  プレート
１０５，２０５  回転台
１０６  スリット
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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