(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の基板上に液晶層と接する面側に円形状もしくは楕円形状の穴部を設け、前記穴部と連続的に設けられたスリットにより２分割された穴抜きパターン電極を形成し、該電極と対向する基板の液晶層と接する面側に同じ形状の電極を形成して液晶層を封入した液晶マイクロレンズにおいて、前記対向した電極間に電圧を印加することでレンズ効果を示す状態からレンズ効果を示さない状態とするときに、スリットにより分割された一方の対向している電極間に電圧を印加した状態で他方の対向する電極間に印加する電圧の極性を反転することを特徴とした液晶マイクロレンズの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電圧により集光特性や発散特性の可変制御が可能な光結合器などに使われる液晶マイクロレンズの回復特性を改善する駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに、分布屈折率型の平板マイクロレンズ、回折型のマイクロフレネルレンズなど、様々なマイクロレンズが開発されている。これらのマイクロレンズは、ガラスなどの固体材料を用いて作製されるため、レンズとしての特性は固定されており、可変することはできない。
【０００３】
レンズとしての特性を可変できるマイクロレンズとしては、光学材料としてネマティック液晶を用いた液晶マイクロレンズが知られている。この液晶マイクロレンズは、レンズ部分となる領域に穴型の開口部を有する穴抜きパターン電極が形成された２枚のガラス基板によりネマティック液晶層が挟まれ、各ガラス基板が互いの電極の穴部が対向するように配置された構成となっている。この液晶マイクロレンズでは、液晶セル内部の穴部に生じる、穴の中心を通る軸すなわち光軸にほぼ対称な不均一電界に沿って液晶分子が配向される。この穴部における液晶分子の配向効果によりほぼ放物線で近似される屈折率分布が生じ、レンズ効果が得られる。液晶セルに加える電圧の変化によって穴部における屈折率分布を制御することができるので、光軸方向に焦点が移動する焦点可変特性が得られる。
【０００４】
このようなネマティック液晶を用いた液晶マイクロレンズにおいて、レンズ特性は穴部の直径や液晶層の厚みなどの構造寸法に大きく依存することが知られており、屈折率分布状態が理想的な２乗分布となって良好な光学特性を有する液晶マイクロレンズを得るためには、各電極が円形状または楕円形状の穴型領域を設けられたパターン電極であり、穴部の直径または楕円長軸の長さが１ｍｍ以下であり、かつ液晶層の厚みが前記穴部の直径または楕円長軸の長さの１／４倍〜１倍の長さであることが特開平１１−１０９３０３号に開示されている。
【０００５】
また、穴抜きパターン電極を有する液晶マイクロレンズにおいて、穴部と連続的にスリットを設けて電極を複数部分に分割し、それぞれに独立して電圧を印加することで３次元的に焦点移動を行うことができる液晶マイクロレンズが特開平１１−１０９３０４号に開示されている。
【０００６】
さらに、穴抜きパターン電極を有する液晶マイクロレンズにおいて、液晶層がネマティック液晶材料と重合硬化可能なモノマーとの複合材料で構成することにより、電圧無印加状態においても所望のレンズ特性を維持できると共に、液晶セルへの印加電圧を制御することでその維持されたレンズ特性を可変することができる液晶マイクロレンズが特開平１０−２３９６７６号に開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した液晶マイクロレンズのそれぞれには、液晶セルを駆動するための電圧を印加して液晶セルの穴部において液晶分子を不均一電界により再配向させることで所望の屈折率分布が得られるまでに必要な時間すなわち応答時間や，電圧を除去した後液晶セルにおける液晶分子が電界を印加する前の状態に戻ってレンズ効果が消失するまでの時間すなわち回復時間が数秒から数十秒と非常に長いために，液晶マイクロレンズを使用する場合に問題となっている。
【０００８】
液晶マイクロレンズにおける応答回復特性を改善する方法としては、液晶セルにあらかじめバイアス電圧を印加する方法が知られているが、回復特性において改善の効果が少ないという問題がある。
【０００９】
また、前記特開平１０−２３９６７６号に開示されている方法と類似の手法により、ネマティック液晶材料に重合硬化可能な液晶性モノマーを溶解した複合材料を用いることで応答回復特性を大幅に改善できることが「ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ」（Ｖｏｌｓ．３０８−３１１，頁５９１−５９６）に記載されているが、液晶マイクロレンズの焦点可変範囲がきわめて狭くなると共に、液晶マイクロレンズとなる穴部が白濁して入射光を散乱することがあり、集光特性が劣化するなどの問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、上述の各問題を解決し、レンズの特性を損なうことなく回復特性が優れた液晶マイクロレンズの駆動方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一方の基板上に液晶層と接する面側に円形状もしくは楕円形状の穴部を設け、前記穴部と連続的に設けられたスリットにより２分割された穴抜きパターン電極を形成し、該電極と対向する基板の液晶層と接する面側に同じ形状の電極を形成して液晶層を封入した液晶マイクロレンズにおいて、前記対向した電極間に電圧を印加することでレンズ効果を示す状態からレンズ効果を示さない状態とするときに、スリットにより分割された一方の対向している電極間に電圧を印加した状態で他方の対向する電極間に印加する電圧の極性を反転することを特徴とする。
【００１２】
このような方法によると、液晶マイクロレンズの光学的特性を損なうことなく、液晶マイクロレンズの回復時間を短縮することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。まず始めに本発明における実施例以外の例としての駆動法について詳細に説明し、次に本発明の実施の形態の順に説明する。
【００１４】
図１（ａ）、（ｂ）には本発明にかかわる液晶マイクロレンズの駆動方法を示している。図１（ａ）は液晶マイクロレンズの駆動方法として、スリットにより2分割された電極間に電圧を印加することで回復特性を改善する駆動方法の例を示している。液晶マイクロレンズ１は、図示しない一対のガラス等の基板にそれぞれ形成された穴抜きパターン分割電極２，３が、図示しないスペーサを介して所定間隔をおいて対向的に配置され、さらにこの対向面（穴抜きパターン分割電極２，３）上に図示しないポリビニルアルコールやポリイミド等の配向膜がそれぞれ形成されている。配向膜には配向処理としてラビングが施されている。両配向膜電極間に液晶層４が設けられた構造である。液晶層４は、ネマティック液晶などの液晶材料（本実施形態ではＭｅｒｃｋ社製Ｋ１５を使用）が両配向膜間に封入され、図示しない封止手段により封止されたものである。
【００１５】
図１（ａ）に示すように、穴抜きパターン分割電極２，３は、基板上にパターニング形成されたものであり、そのパターンの形状は円形の穴部５が設けられ、この穴部５と連続的にスリット６が設けられている。この穴部５とスリット６により、穴抜きパターン分割電極２は第１部分２ａと第２部分２ｂとに分割されており、穴抜きパターン電極３は第１部分３ａと第２の部分３ｂとに分割されている。両方の電極２，３にはそれぞれ同一形状かつ同一大きさの穴部５およびスリット６が設けられ、両電極２，３の各穴部５およびスリット６が、それぞれ互いに対向するように、両基板が配置されている。
【００１６】
前記に説明した構造の液晶マイクロレンズ１において、電圧を印加していない状態では、すべての液晶分子は液晶層４内で基板に平行に配列したままであり、穴部５の対向位置である円形領域内で屈折率は一様であり屈折率分布が生じないため、集光作用はなくレンズ効果が得られない。
【００１７】
これに対し、両基板上に設けた穴抜きパターン電極２，３間に電圧Ｖ１を印加した場合は、電極２，３に挟まれた部分の液晶分子は基板に垂直な方向に立ち上がる。それとともに、円形領域のうち電極２，３に近い部分、すなわち円形領域の外周付近の液晶分子も立ち上がるが、円形の中心付近では電界が弱いためほとんど基板に平行なままで立ち上がらない。ここで、円形領域外周部から中心部に向けて電界は連続的に弱くなり（電界が不均一）、液晶分子の立ち上がり角は連続的に小さくなっている。この立ち上がり角に応じて円形領域内において連続的に屈折率が変化するような状態が実現されて、集光効果を示すレンズ効果が得られる。
【００１８】
本出願人は、前記構成の液晶マイクロレンズ１を用いて、周波数が１ｋＨｚの電圧を印加した場合の円形領域内の干渉縞の状態を観察した。その例として、Ｖ１の電圧が２．５Ｖのときの干渉縞を図２に示している。この干渉縞の分布から光学的位相差（光路差）を求めてマイクロレンズの直径方向の距離に対して示した結果が図３である。ほぼ２乗分布特性（放物線状）となっており、凸レンズの特性を有していることが分かる。液晶マイクロレンズ１に印加する電圧を可変すると、液晶分子の基板に対する傾きの特性が変化する結果として屈折率分布が変わるため干渉縞の本数が変化する。その結果、通常の凸レンズにおいて凸面の形状（曲率）が変化することと等価の意味を有し、焦点距離を変化させることができる。焦点の位置における集光スポットを図４に、ラビング方向やラビングに垂直方向等における集光特性を図５に示した。
【００１９】
なお、この実施形態において、穴部の直径は３００μｍ、液晶層４の厚みは１００μｍであり、スリット６の幅は１０μｍである。なお、図２、図３および図４、図５から、穴抜きパターン電極を２分割しているスリット６によるレンズ効果への影響は小さいことが分かる。
【００２０】
電極２，３の第１部分２ａ，３ａに印加する電圧と第２の部分２ｂ，３ｂに印加する電圧が異なる場合には、円形領域内で電圧が高い電極部分に近い方が、電圧が低い電極部分に近い方よりも液晶分子の基板に対する立ち上がりの角度が大きくなるため、屈折率分布の中心が円形領域の中心から電圧が低い方にずれてしまう。すなわち、この液晶マイクロレンズを通常の凸レンズとみなして考えると、凸面の中心が円の中心から電圧の低い方にずれた状態となって、焦点の位置が光軸方向と垂直な面内で移動し、円形領域内に入射した光は光軸から偏向して集光する。
【００２１】
液晶マイクロレンズ１に印加した電圧を除去すると、液晶分子に対する電界による配向効果が消失するため、配向膜面に施したラビングによる配向効果によって液晶分子はラビングの方向にそ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。通常、回復時間は液晶層４の厚みの２乗に近い特性で長くなるため、液晶ディスプレイなどに使われている液晶パネルの液晶の厚みが数μｍ程度であるのに対して、液晶層が厚い液晶マイクロレンズでは回復時間が数秒から数十秒と非常に遅くなることが問題である。
【００２２】
液晶分子を基板面に平行方向に強制的に配向させる方法として、基板面内方向に電界を印加する手法があり、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」（Ｖｏｌ．２６，頁６０３）、「液晶とその応用（産業図書株式会社）」（頁１９５）などに記載されている。これは、通常の液晶ディスプレイに使用されている液晶セルでは２枚の電極基板の間に液晶を入れ、電圧を加えて動作させているが、一方の電極を櫛歯形に分割した「三極光ゲート」と呼ばれるものであり、対向する電極間に加える制御電圧と、分割された櫛歯電極の隣どうしの間に加える駆動電圧を互いに独立して加えることで動作させている。なお、同一基板上に設けた電極間に電圧を印加して液晶分子を再配向させることで表示を行う「インプレーンスイッチング」と呼ばれる液晶セルの駆動法も知られている。
【００２３】
そこで、図１（ａ）において、液晶マイクロレンズ１の穴抜きパターン電極２，３間に印加する電圧Ｖ１を除去した後、直ちに電極２の第１部分２ａと第２部分２ｂの間、および電極３の第１部分３ａと第２部分３ｂの間にスリット６を介してそれぞれ電圧Ｖ２を印加すると、円形領域内で不均一電界により配向していた液晶分子が、電圧Ｖ２により生じた基板面に平行方向の電界による配向効果を受け、液晶分子の配向状態は速やかに基板に平行な元の状態になる。ここで、液晶セルが「レンズ効果を示す状態」から電圧を印加していない元の「レンズ効果を示さない状態」に回復するのに要する時間は基板に平行な方向の電界成分の２乗に逆比例する特性を示すことが知られている。基板に平行な電界成分は円形領域内で均一ではないが、前記電圧Ｖ２を大きくすると基板に平行な電界成分も増大し、その結果回復時間が大幅に短縮される。ここで、電圧Ｖ１，Ｖ２の印加および切り替え等はリレー（継電器）もしくは半導体素子によるアナログスイッチを利用することができる。特に高速動作が必要な場合には、アナログスイッチを使用することが望ましい。
【００２４】
液晶マイクロレンズ１への印加電圧Ｖ１を除去した後直ちに電圧Ｖ２を印加したときの焦点における光強度の時間変化すなわち改善された回復特性を図６に示す。ここで、Ｖ２の電圧は３Ｖである。図６から、回復時間がほぼ１秒程度まで短縮されていることが分かる。
【００２５】
液晶マイクロレンズ１に電圧Ｖ１を印加し、液晶セルがレンズ効果を示している場合の焦点における光強度が１０％まで減少する時間を回復時間として、電圧Ｖ２を０から８０Ｖまで変化させたときの回復時間のＶ２電圧依存性を、図７に改善方法１として黒四角で示した。基板に平行方向の電界がない場合、すなわちＶ２を０Ｖとした場合に回復時間が約１０秒程度であったが、Ｖ２を８０Ｖまで大きくすると回復時間は５．５ミリ秒程度まで改善することができた。
【００２６】
次に、図１（ｂ）に本発明の実施形態を示し具体的に説明する。本実施形態では、スリットにより２分割された穴抜きパターン電極を有する液晶マイクロレンズ１において、一方の対向している電極間に印加していた電圧の極性を反転することを特徴とするものである。すなわち、図１（ｂ）において、穴抜きパターン電極２の第１の部分２ａと穴抜きパターン電極３の第１部分３ａとの間に印加している電圧Ｖ'１の極性を反転することで、回復時間の短縮を行うものである。なお、ここで電圧Ｖ１と電圧Ｖ'１は同じ振幅（同電圧値）である。
【００２７】
電極２の第１部分２ａと第２部分２ｂの間、および電極３の第１部分３ａと第２部分３ｂの間にスリット６を介して実効的に印加される電圧成分Ｖ１−Ｖ'１は、Ｖ'１の極性とＶ１の極性が同一の場合には０となっており、基板に平行な電圧成分はない。Ｖ'１の極性を反転すると、Ｖ１−Ｖ'１の実効的な値はＶ１（またはＶ'１）の値の２倍となり、したがってＶ１（またはＶ'１）の値の２倍の電圧がスリットを介して基板に平行に実効的に印加されることになる。すなわち、基板に平行な電界成分が生じることにより、液晶分子は強制的に基板に平行な方向に配向させられ、レンズ効果は急激に消失する。つまり回復時間を短縮させることができる。ここで、Ｖ'１の極性を反転させるためにはリレー（継電器）もしくは半導体アナログスイッチ等が利用できる。特に高速動作が必要な場合には、アナログスイッチを使用することが望ましい。
【００２８】
本発明による実施形態の場合の回復時間と電圧の関係を図７に方法２として白四角で示してある。ここで、本発明の実施形態の場合には、はじめにＶ１及びＶ'１の電圧を２．５Ｖ印加しているが、電圧Ｖ'１の極性を反転すると同時にＶ１およびＶ'１の値を変化させて測定している。本発明の実施形態の場合には、スリットにより2分割された電極間に電圧を印加することで回復特性を改善する駆動する方法と比べて基板に平行な電界成分が２倍になるため、回復特性はより改善されることになる。
【００２９】
なお、本発明の実施形態においては、スリットで分割されて対となっている穴抜きパターン電極は常に電圧が印加されている状態にあり、円形領域以外の電極部においては液晶分子が基板に垂直な方向に配向しているため、再度Ｖ'１の電圧の極性を反転してレンズ特性を示す状態にした場合に、液晶分子が容易に電界方向に再配向することができる。すなわち、応答時間も改善することができるという利点も生じる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によると、スリットで分割された同一形状の穴抜きパターン電極を有する液晶マイクロレンズにおいて、一方の対向する電極に印加している電圧の極性を反転することで、液晶マイクロレンズの光学的特性を損なうことなく、回復特性を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶マイクロレンズの駆動方法の実施形態を示す図である。
【図２】液晶マイクロレンズの干渉像を示す図である。
【図３】液晶マイクロレンズの光学的位相差分布を示す図である。
【図４】液晶マイクロレンズの焦点における集光スポットを示す図である。
【図５】液晶マイクロレンズのラビング方向やラビングに垂直方向等での集光特性を示す図である。
【図６】焦点における光強度の時間変化すなわち改善された回復特性を示す図である。
【図７】本発明による実施形態により液晶マイクロレンズの回復時間特性を改善した結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 液晶マイクロレンズ
２，３ 穴抜きパターン分割電極
２ａ，３ａ 第１の部分
２ｂ，３ｂ 第２の部分
４ 液晶層
５ 穴部
６ 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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