JP2015001698A - 液晶レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】レンズパワーを向上させることができる液晶レンズを提供する。【解決手段】液晶層４１，４２と、開口を有する第１の電極部３と、開口内に配置された第２の電極部４とを有する第１の電極１と、液晶層４１，４２を介して第１の電極１と対向している第２の電極２と、第１の電極１の少なくとも第２の電極部４と液晶層４１との間に配置される高抵抗層６とを備える液晶レンズ１０であって、第１の電極１と第２の電極２との間に、導電部２１ａ、２２ａ、２３ａ、及び２４ａが設けられており、導電部２１ａ、２２ａ、２３ａ、及び２４ａが第２の電極２に電気的に接続されていることを特徴としている。【選択図】図１

Description

本発明は、液晶レンズに関するものである。

従来より、屈折率が可変なレンズとして、液晶レンズが検討されている。液晶レンズにおいては、薄いリボン状のガラスをスペーサとして用い、液晶層の厚みを薄くすることにより、レンズパワーを向上させることが提案されている（特許文献１等）。また、駆動電圧を低減するため、高抵抗層を設けることが提案されている（特許文献２等）。

特開２０１１−１７５１０４号公報 特開２０１１−１７７４２号公報

液晶レンズにおいては、レンズパワーをさらに向上させたいという要望がある。

本発明の目的は、レンズパワーを向上させることができる液晶レンズを提供することにある。

本発明は、液晶層と、開口を有する第１の電極部と、開口内に配置された第２の電極部とを有する第１の電極と、液晶層を介して第１の電極と対向している第２の電極と、第１の電極の少なくとも第２の電極部と液晶層との間に配置される高抵抗層とを備える液晶レンズであって、第１の電極と第２の電極との間に、導電部が設けられており、導電部が第２の電極に電気的に接続されていることを特徴としている。

本発明においては、第１の電極と第２の電極との間に、液晶層の側壁を形成するためのスペーサを設けることができる。この場合、第１の電極とスペーサとの間及び／またはスペーサと第２の電極との間に、導電部を設けてもよい。

また、スペーサを導電部としてもよい。

本発明においては、第１の電極と第２の電極との間に、中間板を設け、中間板で液晶層が第１の液晶層と第２の液晶層に分割されていてもよい。この場合、第１の電極と中間板との間に、第１の液晶層の側壁を形成するための第１のスペーサを設け、中間板と第２の電極との間に、第２の液晶層の側壁を形成するための第２のスペーサを設けてもよい。この場合、第１の電極と第１のスペーサとの間、第１のスペーサと中間板との間、中間板と第２のスペーサとの間、及び第２のスペーサと第２の電極との間の少なくとも１箇所に、導電部を設けてもよい。

また、第１のスペーサ及び第２のスペーサの内の少なくとも一方が、導電部であってもよい。

導電部は、液晶層の側壁の少なくとも一部を構成していることが好ましい。

本発明によれば、液晶レンズのレンズパワーを向上させることができる。

本発明の実施形態の液晶レンズを示す模式的断面図である。 本発明の実施形態の液晶レンズの製造工程を説明するための模式的斜視図である。 本発明の実施形態の液晶レンズにおける第１の電極が形成された第１の基板を示す平面図である。 本発明の他の実施形態の液晶レンズを示す模式的断面図である。 本発明の実施形態の液晶レンズを凸レンズとした場合の屈折率と液晶層における径方向の位置との関係を示す図である。 本発明の実施形態の液晶レンズを凹レンズとした場合の屈折率と液晶層における径方向の位置との関係を示す図である。 比較形態の液晶レンズを凸レンズとした場合の屈折率と液晶層における径方向の位置との関係を示す図である。 比較形態の液晶レンズを凹レンズとした場合の屈折率と液晶層における径方向の位置との関係を示す図である。 実施形態の液晶レンズを凸レンズとした場合の干渉縞を示す写真である。 実施形態の液晶レンズを凹レンズとした場合の干渉縞を示す写真である。 比較形態の液晶レンズを凸レンズとした場合の干渉縞を示す写真である。 比較形態の液晶レンズを凹レンズとした場合の干渉縞を示す写真である。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態等を説明する図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号を用いて参照する。

図１は、本発明の実施形態の液晶レンズを示す模式的断面図である。液晶レンズ１０は、互いに間隔をおいて対向するように配置された第１の基板１１と第２の基板１２とを備えている。第１の基板１１と第２の基板１２との間には、中間板１３が配置されている。第１の基板１１と中間板１３との間には、第１のスペーサ１４が配置されている。第１のスペーサ１４を設けることにより、第１の基板１１と中間板１３との間に、第１の液晶層４１を形成するための空間が設けられている。中間板１３と第２の基板１２との間には、第２のスペーサ１５が配置されている。第２のスペーサ１５を設けることにより、中間板１３と第２の基板１２との間に、第２の液晶層４２を形成するための空間が設けられている。

第１の基板１１及び第２の基板１２は、例えば、ガラス基板などの透明基板から構成することができる。第１の基板１１及び第２の基板１２の厚みは、例えば、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とすることができる。本実施形態において、中間板１３、第１及び第２のスペーサ１４及び１５は、例えば、第１の基板１１や第２の基板１２よりも厚みの薄いガラス板から構成することができる。中間板１３、第１及び第２のスペーサ１４及び１５の厚みは、例えば、５μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。

第１の基板１１の上には、第１の電極１が設けられている。第１の電極１は、第１の電極部３及び第２の電極部４を有している。

図３は、本発明の実施形態の液晶レンズにおける第１の電極が形成された第１の基板１１を示す平面図である。図３に示すように、第１の電極部３には、略円形状の開口３ａが形成されている。第２の電極部４は、開口３ａ内に配置されている。第２の電極部４は、第１の電極部３に形成されたスリット３ｂ内を通る引き出し部４ａの一方端に接続されている。引き出し部４ａの他方端は、第１の基板１１の上に形成された第２の電極部端子１１ｂに接続されている。第１の電極部３は、第１の基板１１の上に形成された第１の電極部端子１１ａに接続されている。基板１１の上には、後述する第２の電極２に電気的に接続されるグランド電極端子１１ｃが形成されている。

図１を参照して、第１の電極１の上には、高抵抗層６が形成されている。高抵抗層６の上には、絶縁膜７が形成されている。本発明において、高抵抗層６は、電気抵抗値が表面抵抗で１×１０^４Ω/□〜１×１０^１４Ω/□であり、上記各電極よりも高く、絶縁膜７よりも低い電気抵抗を有する膜である。高抵抗層６は、例えば、酸化亜鉛、アルミニウム亜鉛酸化物、インジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、ガリウム亜鉛酸化物、シリコン亜鉛酸化物、スズ亜鉛酸化物、ホウ素亜鉛酸化物及びゲルマニウム亜鉛酸化物のうちの少なくとも一種から形成されていることが好ましい。絶縁膜７は、例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ及び酸化ジルコニウムの少なくとも一種から形成されていることが好ましい。

高抵抗層６の厚みは、例えば、１０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。絶縁膜７の厚みは、１ｎｍ〜２μｍ程度であることが好ましく、１００ｎｍ〜１．５μｍ程度であることがより好ましい。

絶縁膜７の上には、第１のスペーサ１４が設けられている。絶縁膜７と第１のスペーサ１４との間には、金属膜２１が設けられている。第１のスペーサ１４と中間板１３との間には、金属膜２２が設けられている。中間板１３と第２のスペーサ１５との間には、金属膜２３が設けられている。第２のスペーサ１５と第２の基板１２との間には、金属膜２４が設けられている。本実施形態において、金属膜２１〜２４は、アルミニウム膜から構成されている。金属膜２１〜２４の厚みは、例えば、５０ｎｍ〜１μｍ程度であることが好ましい。

第１の基板１１と対向する第２の基板１２の表面上には、第２の電極２が形成されている。第２の電極２は、金属膜２４と電気的に接続されている。図１に示すように、第１のスペーサ１４、中間板１３、及び第２のスペーサ１５には、貫通孔１４ａ、貫通孔１３ａ、及び貫通孔１５ａがそれぞれ形成されている。貫通孔１４ａ、貫通孔１３ａ、及び貫通孔１５ａ内には、導電性物質が充填され、導通部３１、導通部３２、及び導通部３３が形成されている。導通部３１により、金属膜２１と金属膜２２が電気的に接続され、導通部３２により、金属膜２２と金属膜２３が電気的に接続され、導通部３３により、金属膜２３と金属膜２４が電気的に接続されている。したがって、金属膜２１〜２４は、第２の電極２に電気的に接続されている。

図１に示すように、第１のスペーサ１４には、開口１４ｂが形成され、第２のスペーサ１５には、開口１５ｂが形成されている。開口１４ｂ及び開口１５ｂの端面は、それぞれ第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２の側壁を形成している。また、金属膜２１からなる導電部２１ａ、金属膜２２からなる導電部２２ａ、金属膜２３からなる導電部２３ａ、及び金属膜２４からなる導電部２４ａも、それぞれ第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２の側壁を形成している。第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２の側壁の一部を構成する導電部２１ａ、導電部２２ａ、導電部２３ａ、及び導電部２４ａは、第２の電極２に電気的に接続されている。なお、第１の液晶層４１が接する絶縁膜７の上及び中間板１３の表面上、並びに第２の液晶層４２が接する中間板１３の表面上及び第２の電極２の上には、液晶を配向させるための配向膜が形成されているが、図１においては図示省略している。本実施形態では、第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２の内の一方を、Ｐ偏光とし、他方をＳ偏光としている。

図２は、本発明の実施形態の液晶レンズの製造工程を説明するための模式的斜視図である。図２は、図１に示す実施形態の液晶レンズを分解斜視図として示している。図２に示す第１の基板１１には、第１の電極部３及び第２の電極部４を有する第１の電極１が形成されている。第１の電極１の上には、高抵抗層６及び絶縁膜７が形成されているが、図２においては図示省略している。

第１の基板１１の上に、金属膜２１としてのアルミニウム膜を形成する。アルミニウム膜の形成方法としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法などが挙げられる。金属膜２１には、開口２１ｂと、開口２１ｂに接続された２つの液晶導入孔２１ｄが設けられている。また、金属膜２１には、端子部２１ｃが設けられている。端子部２１ｃは、第１の基板１１の上のグランド電極端子１１ｃの上に形成され、グランド電極端子１１ｃと電気的に接続される。金属膜２１のパターニングは、マスクなどを用いることにより行うことができる。

第１の基板１１上の金属膜２１に、第１のスペーサ１４を陽極接合で接合する。この陽極接合は、金属膜２１を形成した第１の基板１１及び第１のスペーサ１４を、１８０〜２５０℃程度に加熱し、ガラスである第１のスペーサ１４にマイナス電圧、金属膜２１にプラス電圧を印加することにより行うことができる。第１のスペーサ１４には、貫通孔１４ａ及び開口１４ｂが形成されている。

次に、第１のスペーサ１４の上に、金属膜２２としてのアルミニウム膜を、金属膜２１と同様にして形成する。金属膜２２には、開口２２ｂが設けられている。開口２１ｂ、開口１４ｂ、及び開口２２ｂから、第１の液晶層４１の側壁が形成される。

次に、金属膜２２に、中間板１３を陽極接合で接合する。中間板１３には、貫通孔１３ａが形成されている。次に、中間板１３の上に、金属膜２３としてのアルミニウム膜を、金属膜２１と同様にして形成する。金属膜２３には、開口２３ｂが設けられている。次に、金属膜２３に、第２のスペーサ１５を陽極接合で接合する。第２のスペーサ１５には、貫通孔１５ａ及び開口１５ｂが形成されている。

次に、第２のスペーサ１５の上に、金属膜２４としてのアルミニウム膜を、金属膜２１と同様にして形成する。金属膜２４には、開口２４ｂと、開口２４ｂに接続された２つの液晶導入孔２４ｄが設けられている。次に、金属膜２４の上に、第２の基板１２を陽極接合で接合する。尚、第１の基板１１と対向する第２の基板１２の表面上には、陽極接合に先立って第２の電極２を形成する。

貫通孔１４ａ、貫通孔１３ａ、及び貫通孔１５ａ内には、その上に金属膜２２，２３、及び２４を形成する際、これらの金属膜の一部が導電性物質として充填される。これにより、図１に示す導通部３１、導通部３２、及び導通部３３が形成される。また、このような導通部の形成方法に代えて、貫通孔１４ａ、貫通孔１３ａ、及び貫通孔１５ａ内に、導電性ペーストなどを充填し、その後乾燥または加熱して、導通部３１、導通部３２、及び導通部３３を形成してもよい。図１は、図３に示すＩ−Ｉ線に沿う液晶レンズの断面図である。図３に示す想像線３５は、貫通孔１４ａ、貫通孔１３ａ、及び貫通孔１５ａの位置を示している。また、想像線３４は、第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２の側壁の位置を示している。

上記のようにして、陽極接合を用いて、液晶レンズのセルを組み立てた後、セル内に液晶を注入する。液晶導入孔２１ｄ、２４ｄは、セルの端面に露出しているので、これらの液晶導入孔からセル内に液晶を注入することができる。具体的には、セル内の空気を液晶導入孔から排出させた後、第１の液晶層４１には液晶導入孔２１ｄから、第２の液晶層４２には液晶導入孔２４ｄから液晶を注入する。液晶を導入した後、液晶導入孔は、紫外線硬化樹脂等を用いて封止される。

以上のようにして、図１に示す液晶レンズを製造することができる。図１に示すように、導電部２１ａ、導電部２２ａ、導電部２３ａ、及び導電部２４ａは、第２の電極２に電気的に接続されている。また、導電部２１ａ、導電部２２ａ、導電部２３ａ、及び導電部２４ａは、図２に示す金属膜２１の端子部２１ｃを介して、第１の基板１１のグランド電極端子１１ｃに電気的に接続されている。一般に、第１の電極１の第１の電極部３及び第２の電極部４は、液晶の駆動電極として用いられ、第２の電極２はグランド電極として用いられる。したがって、導電部２１ａ、導電部２２ａ、導電部２３ａ、及び導電部２４ａは、グランド電極に電気的に接続されている。

図５及び図６は、導電部２１ａ、導電部２２ａ、導電部２３ａ、及び導電部２４ａを、第２の電極２すなわちグランド電極と電気的に接続した本実施形態の液晶レンズにおける屈折率と液晶層における径方向の位置との関係を示す図である。図５は、液晶レンズを凸レンズとした場合の関係を示しており、図６は、液晶レンズを凹レンズとした場合の関係を示している。

図７及び図８は、導電部２１ａ、導電部２２ａ、導電部２３ａ、及び導電部２４ａを、第２の電極２すなわちグランド電極と電気的に接続していない比較形態の液晶レンズにおける屈折率と液晶層における径方向の位置との関係を示す図である。図７は、液晶レンズを凸レンズとした場合の関係を示しており、図８は、液晶レンズを凹レンズとした場合の関係を示している。

図５に示すように、液晶レンズを凸レンズとした場合、本実施形態では、径方向の中心において屈折率は、ｎ_０（１．７）であり、外周へ向かうにつれて屈折率は、ｎ_ｅ（１．５）に近づく。また、図６に示すように、液晶レンズを凹レンズとした場合、本実施形態では、径方向の中心において屈折率は、ｎ_ｅ（１．５）であり、外周へ向かうにつれて屈折率は、ｎ_０（１．７）に近づく。

これに対して、比較形態では、液晶レンズを凸レンズとした場合あるいは凹レンズとした場合、図７及び図８に示すように、外周での屈折率は、１．６である。

したがって、導電部２１ａ、導電部２２ａ、導電部２３ａ、及び導電部２４ａを、第２の電極２すなわちグランド電極と電気的に接続することにより、液晶レンズのレンズパワーを向上させることができる。その理由として、第１の電極１と第２の電極２との間に、グランド電極と電気的に接続された導電部を設けることにより、高抵抗層６に電荷をチャージすることができ、より強い電場を第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２に印加することができるからであると思われる。また、第１の電極１と第２の電極２との間に、グランド電極と電気的に接続された導電部を設けることにより、第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２の側壁を形成する部分を、電気力線が通過したときの減衰を小さくできることによるものと思われる。

図９は、実施形態の液晶レンズを凸レンズとした場合の干渉縞を示す写真である。図１０は、実施形態の液晶レンズを凹レンズとした場合の干渉縞を示す写真である。ここでは、１つの液晶層の厚みを３０μｍとし、レンズ有効径を２．５４ｍｍとしている。

液晶レンズを凸レンズとした場合、第１の電極部３の駆動電圧（Ｖ１）を１５Ｖｒｍｓとし、第２の電極部４の駆動電圧（Ｖ２）を５Ｖｒｍｓとした。その結果、ジオプトリは、＋５．１ｍ^−１であった。液晶レンズを凹レンズとした場合、第１の電極部３の駆動電圧（Ｖ１）を１Ｖｒｍｓとし、第２の電極部４の駆動電圧（Ｖ２）を９Ｖｒｍｓとした。その結果、ジオプトリは、−４．４ｍ^−１であった。

図１１は、比較形態の液晶レンズを凸レンズとした場合の干渉縞を示す写真である。図１２は、比較形態の液晶レンズを凹レンズとした場合の干渉縞を示す写真である。ここでは、１つの液晶層の厚みを３０μｍとし、レンズ有効径を２．５４ｍｍとしている。

液晶レンズを凸レンズとした場合、第１の電極部３の駆動電圧（Ｖ１）を９Ｖｒｍｓとし、第２の電極部４の駆動電圧（Ｖ２）を４Ｖｒｍｓとした。その結果、ジオプトリは、＋３ｍ^−１であった。液晶レンズを凹レンズとした場合、第１の電極部３の駆動電圧（Ｖ１）を３Ｖｒｍｓとし、第２の電極部４の駆動電圧（Ｖ２）を８Ｖｒｍｓとした。その結果、ジオプトリは、−２．７ｍ^−１であった。

上記の結果から明らかなように、本実施形態では、比較形態に比べ、ジオプトリが約１．６倍になっており、レンズパワーが向上していることがわかる。したがって、本発明によれば、レンズパワーを向上できることがわかる。

図４は、本発明の他の実施形態の液晶レンズを示す模式的断面図である。本実施形態では、第１のスペーサ１６及び第２のスペーサ１７として、開口１６ｂ、１７ｂ及び金属膜２１、２４と同様の形状の液晶導入孔（図示せず）を有する金属製のスペーサを用いている。具体的には、アルミニウム製のスペーサを用いている。このような金属製のスペーサは、例えば、アルミニウム箔などの金属箔を用いて形成することができる。金属製のスペーサを用いる場合、第１の基板１１、中間板１３、及び第２の基板１２と金属製のスペーサとを陽極接合で接合することができる。このため、図１に示す実施形態のように、金属膜２１〜２４を設ける必要がなくなる。したがって、本実施形態では、第２の電極２に第２のスペーサ１７が電気的に接続され、第２スペーサ１７は導通部３２を介して第１のスペーサ１６に電気的に接続されている。

第１のスペーサ１６には、開口１６ｂ及び液晶導入孔（図示せず）が形成されている。この開口１６ｂが、第１の液晶層４１の壁面となる。同様に、第２のスペーサ１７には、開口１７ｂ及び液晶導入孔（図示せず）が形成されており、この開口１７ｂが、第２の液晶層４２の壁面となる。したがって、本実施形態では、第１のスペーサ１６からなる導電部１６ａが、第１の液晶層４１の壁面全体を構成しており、第２のスペーサ１７からなる導電部１７ａが、第２の液晶層４２の壁面全体を構成している。

本実施形態においても、導電部１６ａ及び導電部１７ａが、第２の電極２すなわちグランド電極と電気的に接続されているので、液晶レンズのレンズパワーを向上させることができる。

上記実施形態では、導電部が液晶層の側壁の少なくとも一部を構成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１の電極と第２の電極との間において、液晶層の側壁の近傍に導電部を設けることによっても、本発明の効果を得ることができる。

上記実施形態では、２つの液晶層を有する液晶レンズを例にして説明しているが、本発明をこれ限定されるものではなく、例えば、１つの液晶層を有する液晶レンズであってもよい。

１…第１の電極
２…第２の電極
３…第１の電極部
３ａ…開口
３ｂ…スリット
４…第２の電極部
４ａ…引き出し部
６…高抵抗層
７…絶縁膜
１０…液晶レンズ
１１…第１の基板
１１ａ…第１の電極部端子
１１ｂ…第２の電極部端子
１１ｃ…グランド電極端子
１２…第２の基板
１３…中間板
１３ａ…貫通孔
１４…第１のスペーサ
１５…第２のスペーサ
１４ａ，１５ａ…貫通孔
１４ｂ，１５ｂ…開口
１６…第１のスペーサ
１７…第２のスペーサ
１６ａ，１７ａ…導電部
１６ｂ，１７ｂ…開口
２１〜２４…金属膜
２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ…導電部
２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ…開口
２１ｃ…端子部
２１ｄ，２４ｄ…液晶導入孔
３１〜３３…導通部
３４…想像線（液晶層の側壁の位置）
３５…想像線（貫通孔の位置）
４１…第１の液晶層
４２…第２の液晶層

Claims (13)

1. 液晶層と、
   開口を有する第１の電極部と、前記開口内に配置された第２の電極部とを有する第１の電極と、
   前記液晶層を介して前記第１の電極と対向している第２の電極と、
   前記第１の電極の少なくとも前記第２の電極部と前記液晶層との間に配置される高抵抗層とを備える液晶レンズであって、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に、導電部が設けられており、前記導電部が前記第２の電極に電気的に接続されている、液晶レンズ。
2. 前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記液晶層の側壁を形成するためのスペーサが設けられている、請求項１に記載の液晶レンズ。
3. 前記第１の電極と前記スペーサとの間に、前記導電部が設けられている、請求項２に記載の液晶レンズ。
4. 前記スペーサと前記第２の電極との間に、前記導電部が設けられている、請求項２または３に記載の液晶レンズ。
5. 前記スペーサが、前記導電部である、請求項２に記載の液晶レンズ。
6. 前記第１の電極と前記第２の電極との間に、中間板が設けられており、前記中間板で前記液晶層が第１の液晶層と第２の液晶層に分割されている、請求項１に記載の液晶レンズ。
7. 前記第１の電極と前記中間板との間に、前記第１の液晶層の側壁を形成するための第１のスペーサが設けられており、前記中間板と前記第２の電極との間に、前記第２の液晶層の側壁を形成するための第２のスペーサが設けられている、請求項６に記載の液晶レンズ。
8. 前記第１の電極と前記第１のスペーサとの間に、前記導電部が設けられている、請求項７に記載の液晶レンズ。
9. 前記第１のスペーサと前記中間板との間に、前記導電部が設けられている、請求項７または８に記載の液晶レンズ。
10. 前記中間板と前記第２のスペーサとの間に、前記導電部が設けられている、請求項７〜９のいずれか一項に記載の液晶レンズ。
11. 前記第２のスペーサと前記第２の電極との間に、前記導電部が設けられている、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の液晶レンズ。
12. 前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサの内の少なくとも一方が、前記導電部である、請求項７に記載の液晶レンズ。
13. 前記導電部が、前記液晶層の側壁の少なくとも一部を構成している、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の液晶レンズ。