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LIQUID CRYSTAL LENS

Patent code P03P001447
File No. RJ006P34
Posted date Jan 23, 2004
Application number P2003-071921
Publication number P2004-004616A
Patent number P3913184
Date of filing Mar 17, 2003
Date of publication of application Jan 8, 2004
Date of registration Feb 9, 2007
Priority data
  • P2002-081922 (Mar 22, 2002) JP
Inventor
  • (In Japanese)佐藤 進
  • (In Japanese)葉 茂
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title LIQUID CRYSTAL LENS
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid crystal lens that has a simple structure and that enables a focal point to be variably controlled very easily and quickly.
SOLUTION: The liquid crystal lens is equipped with a first substrate having a transparent first electrode, a second electrode having a hole, and a first liquid crystal layer which is stored between the first substrate and the second electrode in a manner opposing the first electrode and which has liquid crystal molecules oriented in one direction. This liquid crystal lens performs orientation control for the liquid crystal molecules by applying an electric voltage between the first and second electrodes. It is characterized in that a first insulation layer is arranged between the second electrode having the hole and the first liquid crystal layer.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


液晶は、液体のような流動性を有し、電気的光学的特性に異方性を示し、かつ分子配向状態を種々制御できるという特徴を有している。かかる液晶の特徴を使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、近年、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ので、液晶は、電圧印加により実効的な屈折率を異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという、他の光学材料にないすぐれた特性を有している。



これまで、ネマティック液晶における電気光学効果を利用することで、通常の液晶ディスプレイにおける平行平板形の素子構造とは異なり、2枚の透明電極を付けたガラス基板を互いに傾けて液晶層をプリズム形構造とした光偏向素子や、基板面が湾曲し、液晶層がレンズ構造となるようにした焦点可変レンズが考案されている(例えば、非特許文献1、特許文献1参照)。



また、光学媒質に空間的な屈折率分布を与えることでレンズ効果を得る方法が知られており、セルフォックレンズとして市販されている。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ことが知られている(例えば、特許文献2参照)。また、このような液晶を用いたレンズでは、多数の微小なレンズ(マイクロレンズ)を平板状に2次元的に配列したマイクロレンズアレイとすることが比較的容易にできるという特徴がある。



これらの液晶を用いた光学素子は、通常の受動型の光学素子とは異なり、媒質である液晶の屈折率を電圧印加により容易に可変制御できるため、偏向角を可変できるプリズム素子や焦点距離を可変できる液晶レンズとして実現することが出来る。



さらに、同心円状の輪帯の電極に異なる電圧を加えることで電位の空間分布を形成し、液晶分子の配向分布に基づく屈折率の空間分布を利用した液晶レンズが報告されており、補償光学系への応用が試みられている。



一般に、ネマティック液晶セルにおいて電圧印加により液晶分子が電界方向に配向する場合の電界に対する応答特性は、液晶層の厚みの2乗にほぼ比例して長くなることが知られている。また、液晶層の厚みが数100μm程度になると、液晶セルの基板界面による液晶分子の配向効果が液晶層の中央領域にまで及ばなくなるため、液晶層が白濁し、透過率が減少するという問題点も知られている。



なお、上述したように、液晶レンズは、電圧を印加することにより焦点距離を変えることが出来るが、光軸と垂直な方向へ焦点を変えることは出来なかった。これに対し、円形穴型パターンを有する2枚の対向する電極をスリットで分割して、各分割電極に異なる電圧を印加することで軸対称的な屈折率分布を非対称的な分布とし、入射光に対する偏向効果を生じさせ、光軸と垂直な方向へ焦点の位置を変える技術が知られている(例えば、特許文献3参照)。



【非特許文献1】
応用物理45巻10号938頁(1976)



【特許文献1】
特開昭54-151854号公報



【特許文献2】
特開平10-239676号公報



【特許文献2】
特開平11-109304号公報

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、簡単な構造を有し、外部電圧により焦点距離を変えることの可能な液晶レンズに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
透明な第1の電極を有する第1の基板、孔を有する第2の電極、および前記第1と第2の基板との間に、前記第1の電極と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させる第1の液晶層を備え、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を加えて液晶分子の配向制御を行なう液晶レンズにおいて、
前記孔を有する第2の電極と前記第1の液晶層との間に、配向膜部分とは異なり、前記第2の電極と前記第1の液晶層との間の距離を設定する透明絶縁層とを配置したことを特徴とする液晶レンズ。

【請求項2】
 
前記第2の電極上に、透明な第3の電極を有する第2の基板、および前記第2の基板と前記第2の電極との間に、前記第3の電極と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させた第2の液晶層を更に備え、
前記孔を有する前記第2の電極と前記第2の液晶層との間に、配向膜部分とは異なり、前記第2の電極と前記第2の液晶層との間の距離を設定する透明絶縁層とを配置したことを特徴とする請求項1に記載の液晶レンズ。

【請求項3】
 
前記第2の電極の孔の周辺に、前記孔よりもサイズの小さい開口部を有する、前記孔を通過する光を制限する光遮断部材が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の液晶レンズ。

【請求項4】
 
前記第2の電極の孔が、円形、楕円形、4角形、6角形、又は多角形であることを特徴とする請求項1~3のいずれかの項に記載の液晶レンズ。

【請求項5】
 
前記第1の電極に電位勾配を形成する手段を更に具備することを特徴とする請求項1~4のいずれかの項に記載の液晶レンズ。

【請求項6】
 
前記第1の電極に電位勾配を形成する手段は、前記第1の電極を通過する光軸とは垂直方向の両端に取付けられた電極間に電圧を印加する手段であることを特徴とする請求項5に記載の液晶レンズ。

【請求項7】
 
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5又は6に記載の液晶レンズ。

【請求項8】
 
請求項1~7のいずれかの項に記載の液晶レンズを2次元アレイ状に配置したことを特徴とする液晶レンズアレイ。

【請求項9】
 
請求項1~7のいずれかの項に記載の液晶レンズの前記第1の液晶層は重合硬化性液晶からなり、前記第1の液晶層に所定の電圧を印加して、液晶分子の配向を制御した状態で紫外線又は可視光線を照射して硬化させてなる高分子レンズ。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2003071921thum.jpg
State of application right Registered
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