JP3331559B2 - 光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学装置に係わ
り、特に、光学装置の光学的特性、例えば、レンズにお
ける焦点距離、プリズムにおける偏向角、レンティキュ
ラレンズにおける発散角等を、高速、かつ大幅に、また
半連続的に変化できる光学装置に関する。
り、特に、光学装置の光学的特性、例えば、レンズにお
ける焦点距離、プリズムにおける偏向角、レンティキュ
ラレンズにおける発散角等を、高速、かつ大幅に、また
半連続的に変化できる光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の光学装置は、受動的な光学装置が
ほとんどであり、その光学的性質を電圧などによって変
化できる能動的な光学装置の種類は限られていた。その
なかで屈折率可変物質を用いた光学装置としては、例え
ば、図１３に示すような液晶レンズなどが提案されてい
る（昭和５９年度化学研究費補助金研究成果報告書 Ｎ
ｏ．５９８５００４８）。
ほとんどであり、その光学的性質を電圧などによって変
化できる能動的な光学装置の種類は限られていた。その
なかで屈折率可変物質を用いた光学装置としては、例え
ば、図１３に示すような液晶レンズなどが提案されてい
る（昭和５９年度化学研究費補助金研究成果報告書 Ｎ
ｏ．５９８５００４８）。
【０００３】この液晶レンズの構造は、図１３に示すよ
うに、高分子またはガラスなどで形成された平凹レンズ
９１と、その表面に形成された透明電極９３と、その透
明電極９３上に形成されたポリイミド等による配向膜９
５と、液晶層９２と、これらに対向した対向基板９１０
上に形成された透明電極９４と、この透明電極９４上に
形成されたポリイミド等による配向膜９６と、これらを
駆動する駆動装置９１５とから構成される。ここで、液
晶層９２には、誘電率異方性が周波数の違いにより逆転
しない通常のネマティック液晶が使用され、また、配向
膜（９５、９６）は、液晶層９２の液晶分子がほぼ平行
に整列するように、ホモジニアス配向状態にしてある。
うに、高分子またはガラスなどで形成された平凹レンズ
９１と、その表面に形成された透明電極９３と、その透
明電極９３上に形成されたポリイミド等による配向膜９
５と、液晶層９２と、これらに対向した対向基板９１０
上に形成された透明電極９４と、この透明電極９４上に
形成されたポリイミド等による配向膜９６と、これらを
駆動する駆動装置９１５とから構成される。ここで、液
晶層９２には、誘電率異方性が周波数の違いにより逆転
しない通常のネマティック液晶が使用され、また、配向
膜（９５、９６）は、液晶層９２の液晶分子がほぼ平行
に整列するように、ホモジニアス配向状態にしてある。
【０００４】駆動装置９１５から透明電極９３と透明電
極９４との間に電圧を印加しない状態においては、配向
膜（９５、９６）の作用で液晶層９２の液晶分子は対向
基板９１０にほぼ平行に並ぶように配向する。この場
合、この配向方向に平行な偏光状態の入射光９９にとっ
て、液晶層９２は平凹レンズ９１よりも大きな屈折率を
有しているように見えるため、光学装置全体としては平
凸レンズとして作用し、出射光９８のように集束する。
極９４との間に電圧を印加しない状態においては、配向
膜（９５、９６）の作用で液晶層９２の液晶分子は対向
基板９１０にほぼ平行に並ぶように配向する。この場
合、この配向方向に平行な偏光状態の入射光９９にとっ
て、液晶層９２は平凹レンズ９１よりも大きな屈折率を
有しているように見えるため、光学装置全体としては平
凸レンズとして作用し、出射光９８のように集束する。
【０００５】一方、駆動装置９１５から透明電極９３と
透明電極９４との間に適度な電圧を印加した状態におい
ては、印加電圧の作用により、液晶層９２の液晶分子は
対向基板９１０や平凹レンズ９１に対して垂直に配向す
る。この場合、入射光９９にとって、液晶層９２は平凹
レンズ９１とほぼ同じ屈折率を有しているように見える
ため、光学装置全体としては単なるガラス板と同様な作
用しか及ぼさず、出射光９７は入射光とほぼ同様の方向
に出射する。
透明電極９４との間に適度な電圧を印加した状態におい
ては、印加電圧の作用により、液晶層９２の液晶分子は
対向基板９１０や平凹レンズ９１に対して垂直に配向す
る。この場合、入射光９９にとって、液晶層９２は平凹
レンズ９１とほぼ同じ屈折率を有しているように見える
ため、光学装置全体としては単なるガラス板と同様な作
用しか及ぼさず、出射光９７は入射光とほぼ同様の方向
に出射する。
【０００６】このように、図１３に示す液晶レンズにお
いては、図１４に示すように、印加電圧によって、平凸
レンズの焦点距離を連続的に変化させることができる。
いては、図１４に示すように、印加電圧によって、平凸
レンズの焦点距離を連続的に変化させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前記したように、図１
３に示す従来の光学装置においても、印加電圧によって
光学装置の光学的特性、例えば、平凸レンズの焦点距離
を連続的に変化することは可能であった。
３に示す従来の光学装置においても、印加電圧によって
光学装置の光学的特性、例えば、平凸レンズの焦点距離
を連続的に変化することは可能であった。
【０００８】しかしながら、図１３に示す従来の光学装
置においては、電圧を印加しない場合の液晶層９２の液
晶分子の配向を配向膜（９５、９６）の配向規制力のみ
で行っていた。このような光学装置においては、液晶層
９２の厚みが数１００μｍ以上と厚くなるため、図１５
に示すように、その駆動の際の回復時間が数秒以上と極
めて遅くなるという欠点を有していた。しかも、その回
復時間は電圧を印加しない状態であるため、ほとんど改
善は見られず、その短時間化への方策がないのが現状で
あった。
置においては、電圧を印加しない場合の液晶層９２の液
晶分子の配向を配向膜（９５、９６）の配向規制力のみ
で行っていた。このような光学装置においては、液晶層
９２の厚みが数１００μｍ以上と厚くなるため、図１５
に示すように、その駆動の際の回復時間が数秒以上と極
めて遅くなるという欠点を有していた。しかも、その回
復時間は電圧を印加しない状態であるため、ほとんど改
善は見られず、その短時間化への方策がないのが現状で
あった。
【０００９】また、図１６に示すように、配向膜（９
５、９６）の配向規制力のみで液晶層９２の液晶分子を
配向させる場合には、透明電極９３の近くにおいては、
例えば、平凹レンズ９１の曲面に沿って液晶層９２の液
晶分子が配向する。このため、液晶分子の配向が一部分
傾いてしまい、入射光が感じる屈折率が、例えば、平凹
レンズ９１の屈折率に近づき、光学的性質の変化量が小
さくなる他、レンズの位置によって光学的性質の変化量
に分布ができてしまうという欠点を有していた。
５、９６）の配向規制力のみで液晶層９２の液晶分子を
配向させる場合には、透明電極９３の近くにおいては、
例えば、平凹レンズ９１の曲面に沿って液晶層９２の液
晶分子が配向する。このため、液晶分子の配向が一部分
傾いてしまい、入射光が感じる屈折率が、例えば、平凹
レンズ９１の屈折率に近づき、光学的性質の変化量が小
さくなる他、レンズの位置によって光学的性質の変化量
に分布ができてしまうという欠点を有していた。
【００１０】また、例えば、平凹レンズ９１などの表面
上に透明電極９３を形成するため、電圧を印加した状態
においては、透明電極９３の近くでは電界がその表面に
垂直な形でかかり、図１７に示すように、液晶層９２の
液晶分子が透明電極９３の表面に垂直な形で配向する。
このため、液晶分子の配向が一部分傾いてしまい、入射
光が感じる屈折率が、例えば、平凹レンズ９１の屈折率
とかなり異なる領域が形成され、本来なら偏向をほとん
ど受けずに透過するべき入射光が部分的に偏向などを受
けるという欠点を有していた。
上に透明電極９３を形成するため、電圧を印加した状態
においては、透明電極９３の近くでは電界がその表面に
垂直な形でかかり、図１７に示すように、液晶層９２の
液晶分子が透明電極９３の表面に垂直な形で配向する。
このため、液晶分子の配向が一部分傾いてしまい、入射
光が感じる屈折率が、例えば、平凹レンズ９１の屈折率
とかなり異なる領域が形成され、本来なら偏向をほとん
ど受けずに透過するべき入射光が部分的に偏向などを受
けるという欠点を有していた。
【００１１】また、平凹レンズ９１の表面形状が、さら
に複雑な形状、特に、深い溝や鋭い突起を有するような
場合には、透明電極９３の均一な形成が困難になり、さ
らに、液晶層９２の液晶分子を配向させるための配向膜
９５の配向処理、例えば、ラビング処理なども困難にな
るという欠点を有していた。
に複雑な形状、特に、深い溝や鋭い突起を有するような
場合には、透明電極９３の均一な形成が困難になり、さ
らに、液晶層９２の液晶分子を配向させるための配向膜
９５の配向処理、例えば、ラビング処理なども困難にな
るという欠点を有していた。
【００１２】さらに、図１３から分かるように、透明電
極（９３，９４）間の距離は位置によって異なりこれに
同一の電圧を印加するため、狭くなった部分において絶
縁性の劣化、あるいは短絡等が起こり易いという欠点を
有していた。
極（９３，９４）間の距離は位置によって異なりこれに
同一の電圧を印加するため、狭くなった部分において絶
縁性の劣化、あるいは短絡等が起こり易いという欠点を
有していた。
【００１３】以上説明したように、従来の屈折率可変物
質を用いた能動的な光学装置は、長い回復時間、不均一
性、製作上あるいは駆動上の問題等、実用的に用いるに
は多くの欠点を有していた。
質を用いた能動的な光学装置は、長い回復時間、不均一
性、製作上あるいは駆動上の問題等、実用的に用いるに
は多くの欠点を有していた。
【００１４】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、本発明の目的は、光学装
置において、高速な駆動が可能で、均一性がよく、製作
が容易であり、かつ能動的に光学的特性を大幅に半連続
的に変化させることが可能となる技術を提供することに
ある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴
は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにす
る。
るためになされたものであり、本発明の目的は、光学装
置において、高速な駆動が可能で、均一性がよく、製作
が容易であり、かつ能動的に光学的特性を大幅に半連続
的に変化させることが可能となる技術を提供することに
ある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴
は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにす
る。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記の通りである。即ち、本発明は、液晶ホログラム領
域と、前記液晶ホログラム領域側の面が所望の曲面の表
面形状を有する透明物質領域と、前記透明物質領域と前
記液晶ホログラム領域とを挟んで設けられる複数の電極
とを具備する光学装置であって、前記液晶ホログラム領
域は、液晶を含む液晶層と、高分子が主に含まれる高分
子層とが、使用する光の波長と同一オーダーの厚さで層
状構造を成し、かつ、この層状構造が、前記液晶層の屈
折率と高分子層の屈折率とが異なる場合に所望の光学機
能を発現させる体積ホログラム構造を有していることを
特徴とする。
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記の通りである。即ち、本発明は、液晶ホログラム領
域と、前記液晶ホログラム領域側の面が所望の曲面の表
面形状を有する透明物質領域と、前記透明物質領域と前
記液晶ホログラム領域とを挟んで設けられる複数の電極
とを具備する光学装置であって、前記液晶ホログラム領
域は、液晶を含む液晶層と、高分子が主に含まれる高分
子層とが、使用する光の波長と同一オーダーの厚さで層
状構造を成し、かつ、この層状構造が、前記液晶層の屈
折率と高分子層の屈折率とが異なる場合に所望の光学機
能を発現させる体積ホログラム構造を有していることを
特徴とする。
【００１６】また、液晶ホログラム領域と、前記液晶ホ
ログラム領域側の面が所望の曲面の表面形状を有する透
明物質領域と、前記液晶ホログラム領域を挟んで設けら
れる複数の電極とを具備する光学装置であって、前記液
晶ホログラム領域は、液晶を含む液晶層と、高分子が主
に含まれる高分子層とが、使用する光の波長と同一オー
ダーの厚さで層状構造を成し、かつ、この層状構造が、
前記液晶層の屈折率と高分子層の屈折率とが異なる場合
に所望の光学機能を発現させる体積ホログラム構造を有
していることを特徴とする。
ログラム領域側の面が所望の曲面の表面形状を有する透
明物質領域と、前記液晶ホログラム領域を挟んで設けら
れる複数の電極とを具備する光学装置であって、前記液
晶ホログラム領域は、液晶を含む液晶層と、高分子が主
に含まれる高分子層とが、使用する光の波長と同一オー
ダーの厚さで層状構造を成し、かつ、この層状構造が、
前記液晶層の屈折率と高分子層の屈折率とが異なる場合
に所望の光学機能を発現させる体積ホログラム構造を有
していることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、実施の形態を説明す
るための全図において、同一機能を有するものは同一符
号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
施の形態を詳細に説明する。なお、実施の形態を説明す
るための全図において、同一機能を有するものは同一符
号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１８】［実施の形態１］図１は、本発明の実施の
形態１の光学装置の概略構成を示す要部断面図である。
本実施の形態の光学装置は、透明物質領域１１と、液晶
を含む液晶ホログラム領域１２と、これら透明物質領域
１１と液晶ホログラム領域１２とを挟んで設けられる複
数の電極（１３，１４）と、これらを駆動するための駆
動装置１１５とから構成される。ここで、透明物質領域
１１は、例えば、透明な高分子、またはガラス等で形成
される。また、液晶ホログラム領域１２は、例えば、ホ
ログラフィック高分子分散型液晶（文献１；伊達，田
中，加藤，酒井，「ホログラフィック高分子分散型液晶
（ＨＰＤＬＣ）を用いた反射型表示素子」，信学技報，
ＥＩＤ９５−１４７，ｐ．１３１−１３６，１９９６参
照）等で形成される。また、液晶ホログラム領域１２内
の液晶には、例えば、ネマティック液晶またはスメクテ
ィック液晶等が使用される。さらに、電極（１３，１
４）は、例えば、透明電極であるＩＴＯ、酸化スズ（Ｓ
ｎＯｘ）、低抵抗な電極としてアルミニウム（Ａｌ）電
極、あるいはこれらの組み合わせ等で形成される。
形態１の光学装置の概略構成を示す要部断面図である。
本実施の形態の光学装置は、透明物質領域１１と、液晶
を含む液晶ホログラム領域１２と、これら透明物質領域
１１と液晶ホログラム領域１２とを挟んで設けられる複
数の電極（１３，１４）と、これらを駆動するための駆
動装置１１５とから構成される。ここで、透明物質領域
１１は、例えば、透明な高分子、またはガラス等で形成
される。また、液晶ホログラム領域１２は、例えば、ホ
ログラフィック高分子分散型液晶（文献１；伊達，田
中，加藤，酒井，「ホログラフィック高分子分散型液晶
（ＨＰＤＬＣ）を用いた反射型表示素子」，信学技報，
ＥＩＤ９５−１４７，ｐ．１３１−１３６，１９９６参
照）等で形成される。また、液晶ホログラム領域１２内
の液晶には、例えば、ネマティック液晶またはスメクテ
ィック液晶等が使用される。さらに、電極（１３，１
４）は、例えば、透明電極であるＩＴＯ、酸化スズ（Ｓ
ｎＯｘ）、低抵抗な電極としてアルミニウム（Ａｌ）電
極、あるいはこれらの組み合わせ等で形成される。
【００１９】図２は、図１に示す液晶ホログラム領域１
２の概略構成の一例を示す断面図である。図２に示す液
晶ホログラム領域１２は、液晶を含む液晶層２５と、高
分子が主に含まれる高分子層２６とが、使用する光の波
長と同程度の厚さで層状をなす構造を有し、かつこの層
状構造は、液晶層２５の屈折率と高分子層２６の屈折率
とが異なる場合に、所望の光学機能、例えば、凸レンズ
機能、凹レンズ機能、プリズムアレイ機能、レンズアレ
イ機能、レンティキュラレンズ機能、光偏向素子機能、
あるいはそれらを組み合わせた機能等が発現する体積ホ
ログラム構造を成している。この液晶層２５は、例え
ば、使用する光の波長より小さな径を有する液晶粒が透
明な高分子中に分散した構造、あるいは使用する光の波
長より小さいサイズの高分子の集まり、あるいはネット
ワークが液晶中に分散して含まれる構造を含む層から成
る。
２の概略構成の一例を示す断面図である。図２に示す液
晶ホログラム領域１２は、液晶を含む液晶層２５と、高
分子が主に含まれる高分子層２６とが、使用する光の波
長と同程度の厚さで層状をなす構造を有し、かつこの層
状構造は、液晶層２５の屈折率と高分子層２６の屈折率
とが異なる場合に、所望の光学機能、例えば、凸レンズ
機能、凹レンズ機能、プリズムアレイ機能、レンズアレ
イ機能、レンティキュラレンズ機能、光偏向素子機能、
あるいはそれらを組み合わせた機能等が発現する体積ホ
ログラム構造を成している。この液晶層２５は、例え
ば、使用する光の波長より小さな径を有する液晶粒が透
明な高分子中に分散した構造、あるいは使用する光の波
長より小さいサイズの高分子の集まり、あるいはネット
ワークが液晶中に分散して含まれる構造を含む層から成
る。
【００２０】図２に示すような体積ホログラム構造は、
図３に示すように、通常のホログラム写真の記録方法と
同様な方法で作成できる。図３は、図２に示すような体
積ホログラム構造の作成方法の一例を説明するための図
である。まず、通常のホログラム記録における写真乾板
の位置に、照射光の干渉により生じる光強度の相違によ
り液晶層２５と高分子層２６とに分離する混合液、例え
ば、液晶と光硬化樹脂等、あるいは光重合性液晶などを
含む混合液等を注入した液晶ホログラム領域、および透
明物質領域を含む本実施の形態の光学装置１０１を配置
する。次に、ホログラム記録する光学素子１０２、例え
ば、凸レンズ、凹レンズ、プリズムアレイ、レンズアレ
イ、レンティキュラレンズ、光偏向素子、あるいは、こ
れらの組み合わせ等から出力する光束を、例えば、変換
レンズ１０３等を用いて、本実施の形態の光学装置１０
１の位置の近傍で、例えば、逆向きに再現できるように
光学系を配置する。そして、光学素子１０２に入力する
光束１０４と同様な光束を参照光１０５として、例え
ば、ハーフミラー１０６等を用いて、本実施の形態の光
学装置１０１に照射できるように光学系を配置する。さ
らに、光学素子１０２を通過してきた光束と参照光１０
５の光学距離が、本実施の形態の光学装置１０１の作成
に使用する可干渉光１０７のコーヒーレント長よりも短
くなるように光学系を配置し、可干渉光１０７を照射す
ることにより光学素子１０２の光学機能を有する体積ホ
ログラムを光学素子１０１に記録できる。
図３に示すように、通常のホログラム写真の記録方法と
同様な方法で作成できる。図３は、図２に示すような体
積ホログラム構造の作成方法の一例を説明するための図
である。まず、通常のホログラム記録における写真乾板
の位置に、照射光の干渉により生じる光強度の相違によ
り液晶層２５と高分子層２６とに分離する混合液、例え
ば、液晶と光硬化樹脂等、あるいは光重合性液晶などを
含む混合液等を注入した液晶ホログラム領域、および透
明物質領域を含む本実施の形態の光学装置１０１を配置
する。次に、ホログラム記録する光学素子１０２、例え
ば、凸レンズ、凹レンズ、プリズムアレイ、レンズアレ
イ、レンティキュラレンズ、光偏向素子、あるいは、こ
れらの組み合わせ等から出力する光束を、例えば、変換
レンズ１０３等を用いて、本実施の形態の光学装置１０
１の位置の近傍で、例えば、逆向きに再現できるように
光学系を配置する。そして、光学素子１０２に入力する
光束１０４と同様な光束を参照光１０５として、例え
ば、ハーフミラー１０６等を用いて、本実施の形態の光
学装置１０１に照射できるように光学系を配置する。さ
らに、光学素子１０２を通過してきた光束と参照光１０
５の光学距離が、本実施の形態の光学装置１０１の作成
に使用する可干渉光１０７のコーヒーレント長よりも短
くなるように光学系を配置し、可干渉光１０７を照射す
ることにより光学素子１０２の光学機能を有する体積ホ
ログラムを光学素子１０１に記録できる。
【００２１】本実施の形態では、説明を簡単にするた
め、一例として、液晶ホログラム領域１２は、その光学
機能としてレンズ機能を有し、また、透明物質領域１１
の表面形状として、凹フレネルレンズ形状を有する場合
について説明する。また、本実施の形態では、一例とし
て、液晶が電極（１３，１４）に対して垂直に立った場
合に、液晶層２５の光の進行方向の屈折率と高分子層２
６の光の進行方向の屈折率とがほぼ等しくなり、また、
液晶ホログラム領域１２の屈折率と透明物質領域１１の
屈折率とがほぼ等しくなり、かつ液晶の向きによらずに
液晶ホログラム領域１２の屈折率が透明物質領域１１の
屈折率よりも概ね大きい場合について説明するが、例え
ば、これらの屈折率の相違が他のパターンであっても同
様な効果を得られることは明らかである。また本実施の
形態では、液晶の誘電率異方性（液晶の長軸方向の誘電
率から長軸に垂直方向の誘電率の差）が正の場合につい
て説明する。
め、一例として、液晶ホログラム領域１２は、その光学
機能としてレンズ機能を有し、また、透明物質領域１１
の表面形状として、凹フレネルレンズ形状を有する場合
について説明する。また、本実施の形態では、一例とし
て、液晶が電極（１３，１４）に対して垂直に立った場
合に、液晶層２５の光の進行方向の屈折率と高分子層２
６の光の進行方向の屈折率とがほぼ等しくなり、また、
液晶ホログラム領域１２の屈折率と透明物質領域１１の
屈折率とがほぼ等しくなり、かつ液晶の向きによらずに
液晶ホログラム領域１２の屈折率が透明物質領域１１の
屈折率よりも概ね大きい場合について説明するが、例え
ば、これらの屈折率の相違が他のパターンであっても同
様な効果を得られることは明らかである。また本実施の
形態では、液晶の誘電率異方性（液晶の長軸方向の誘電
率から長軸に垂直方向の誘電率の差）が正の場合につい
て説明する。
【００２２】まず、電極（１３，１４）間に充分な電圧
（例えば、直流、交流あるいはその混合）を印加する
と、液晶の誘電率異方性が正であるため、液晶分子は電
界に沿って配向し、電極（１３，１４）に対して垂直と
なる。この場合には、液晶層２５の光の進行方向の屈折
率と、高分子層２６の光の進行方向の屈折率とはほぼ等
しくなるため、液晶ホログラム領域１２における体積ホ
ログラムは発現せず、入射光１６はほぼそのままに液晶
ホログラム領域１２を通過する。さらに、液晶ホログラ
ム領域１２の屈折率と、透明物質領域１１の屈折率もほ
ぼ等しいため、本実施の形態の光学装置への入射光１６
は、ほぼそのままに出射光１７として出射する。
（例えば、直流、交流あるいはその混合）を印加する
と、液晶の誘電率異方性が正であるため、液晶分子は電
界に沿って配向し、電極（１３，１４）に対して垂直と
なる。この場合には、液晶層２５の光の進行方向の屈折
率と、高分子層２６の光の進行方向の屈折率とはほぼ等
しくなるため、液晶ホログラム領域１２における体積ホ
ログラムは発現せず、入射光１６はほぼそのままに液晶
ホログラム領域１２を通過する。さらに、液晶ホログラ
ム領域１２の屈折率と、透明物質領域１１の屈折率もほ
ぼ等しいため、本実施の形態の光学装置への入射光１６
は、ほぼそのままに出射光１７として出射する。
【００２３】また、電極（１３，１４）間に電圧を印加
しない場合には、液晶分子は周囲の高分子等の配向束縛
力により、電極に垂直でない配向状態（例えば、三次元
にほぼランダムな配向状態、電極に水平かつ二次元的に
はランダムな配向状態、あるいは電極に水平かつほぼ一
方向に配向した状態等）となる。この場合に、高分子の
配向束縛力はほとんど変化しないと仮定すれば、液晶層
２５の光の進行方向における屈折率と、高分子層２６の
光の進行方向における屈折率との差は、最も大きくな
る。したがって、液晶ホログラム領域１２における体積
ホログラムは充分に発現し、入射光１６は体積ホログラ
ムの光学機能にしたがって回折して出射する。例えば、
体積ホログラムの光学機能が凸レンズ機能の場合には、
集束して出射する。さらに、液晶ホログラム領域１２の
屈折率と、透明物質領域１１の屈折率との差も大きいた
め、透明物質領域１１の表面形状にしたがい、スネルの
法則により屈折して出射する。例えば、透明物質領域１
１の表面形状が凹レンズ形状の場合には集束して出射光
１８として出射する。このように、電極（１３，１４）
間に電圧を印加しない場合には、液晶ホログラム領域１
２の体積ホログラムによる回折型光学素子と透明物質領
域１１との境界における屈折型光学素子の双方を併せた
効果が発現する。
しない場合には、液晶分子は周囲の高分子等の配向束縛
力により、電極に垂直でない配向状態（例えば、三次元
にほぼランダムな配向状態、電極に水平かつ二次元的に
はランダムな配向状態、あるいは電極に水平かつほぼ一
方向に配向した状態等）となる。この場合に、高分子の
配向束縛力はほとんど変化しないと仮定すれば、液晶層
２５の光の進行方向における屈折率と、高分子層２６の
光の進行方向における屈折率との差は、最も大きくな
る。したがって、液晶ホログラム領域１２における体積
ホログラムは充分に発現し、入射光１６は体積ホログラ
ムの光学機能にしたがって回折して出射する。例えば、
体積ホログラムの光学機能が凸レンズ機能の場合には、
集束して出射する。さらに、液晶ホログラム領域１２の
屈折率と、透明物質領域１１の屈折率との差も大きいた
め、透明物質領域１１の表面形状にしたがい、スネルの
法則により屈折して出射する。例えば、透明物質領域１
１の表面形状が凹レンズ形状の場合には集束して出射光
１８として出射する。このように、電極（１３，１４）
間に電圧を印加しない場合には、液晶ホログラム領域１
２の体積ホログラムによる回折型光学素子と透明物質領
域１１との境界における屈折型光学素子の双方を併せた
効果が発現する。
【００２４】次に、電極（１３，１４）間に、液晶分子
が電極（１３，１４）に完全に垂直にはならない程度の
電圧を印加した場合には、液晶層２５の光の進行方向の
屈折率と、高分子層２６の光の進行方向の屈折率との差
は異なるため、液晶ホログラム領域１２の体積ホログラ
ムは発現し、入射光は回折して、例えば、体積ホログラ
ムの光学機能が凸レンズ機能の場合には、集束して出射
する。
が電極（１３，１４）に完全に垂直にはならない程度の
電圧を印加した場合には、液晶層２５の光の進行方向の
屈折率と、高分子層２６の光の進行方向の屈折率との差
は異なるため、液晶ホログラム領域１２の体積ホログラ
ムは発現し、入射光は回折して、例えば、体積ホログラ
ムの光学機能が凸レンズ機能の場合には、集束して出射
する。
【００２５】但し、この部分は回折型光学素子であるた
め、その光学機能の発現はデジタル的で、光学的特性の
大きさ（例えば、凸レンズ機能における焦点距離等）は
電圧を印加しない場合と同一である。次に、液晶ホログ
ラム領域１２と透明物質領域１１の表面形状にしたが
い、スネルの法則により屈折して、例えば、透明物質領
域１１の表面形状が凹レンズ形状の場合には集束して出
射する。ここで、屈折の大きさは、前者の回折の場合と
異なり、界面での屈折率比によって変化する。このた
め、電極（１３，１４）に印加する電圧にしたがって、
屈折角がアナログ的に変化し、透明物質領域１１の表面
形状によって発現する光学的特性の大きさを連続的に変
化させることができる。例えば、体積ホログラムの光学
機能が凸レンズ機能である場合には、その焦点距離等を
連続的に変化させることができる。
め、その光学機能の発現はデジタル的で、光学的特性の
大きさ（例えば、凸レンズ機能における焦点距離等）は
電圧を印加しない場合と同一である。次に、液晶ホログ
ラム領域１２と透明物質領域１１の表面形状にしたが
い、スネルの法則により屈折して、例えば、透明物質領
域１１の表面形状が凹レンズ形状の場合には集束して出
射する。ここで、屈折の大きさは、前者の回折の場合と
異なり、界面での屈折率比によって変化する。このた
め、電極（１３，１４）に印加する電圧にしたがって、
屈折角がアナログ的に変化し、透明物質領域１１の表面
形状によって発現する光学的特性の大きさを連続的に変
化させることができる。例えば、体積ホログラムの光学
機能が凸レンズ機能である場合には、その焦点距離等を
連続的に変化させることができる。
【００２６】したがって、電極（１３，１４）に、液晶
分子が電極（１３，１４）に完全に垂直にはならない程
度の電圧を印加した場合には、光学的特性の大きさ（例
えば、凸レンズ機能の場合の焦点距離等）は、液晶ホロ
グラム領域１２におけるデジタル的変化と、透明物質領
域１１との境界における電圧の変化によるアナログ的変
化との双方を併せた効果が発現する。
分子が電極（１３，１４）に完全に垂直にはならない程
度の電圧を印加した場合には、光学的特性の大きさ（例
えば、凸レンズ機能の場合の焦点距離等）は、液晶ホロ
グラム領域１２におけるデジタル的変化と、透明物質領
域１１との境界における電圧の変化によるアナログ的変
化との双方を併せた効果が発現する。
【００２７】即ち、通常の回折型光学素子では光学的特
性を大きく変化できるが、変化がデジタル的であり、ま
た通常の屈折型光学素子ではアナログ的に変化できる
が、大きな変化が困難であるのに対し、本実施の形態の
光学装置では、回折型光学素子のデジタル的な大きな変
化に、屈折型光学素子のアナログ的変化を重畳させるこ
とができ、両者の長所を併せることができる特徴を有し
ている。
性を大きく変化できるが、変化がデジタル的であり、ま
た通常の屈折型光学素子ではアナログ的に変化できる
が、大きな変化が困難であるのに対し、本実施の形態の
光学装置では、回折型光学素子のデジタル的な大きな変
化に、屈折型光学素子のアナログ的変化を重畳させるこ
とができ、両者の長所を併せることができる特徴を有し
ている。
【００２８】ここで、液晶層２５の屈折率と高分子層２
６の屈折率とを充分に大きくとれば、回折効率を高くと
れるため、前記説明したようなアナログ動作をさせても
充分に実用的であることは明らかである。また、前記回
折型光学素子と屈折型光学素子は、必ずしも同一の機能
である必要はなく、例えば、凸レンズ、凹レンズ、プリ
ズムアレイ、レンティキュラレンズ、レンズアレイある
いは光偏向素子等のように種々の組み合わせが考えられ
ることは明らかである。
６の屈折率とを充分に大きくとれば、回折効率を高くと
れるため、前記説明したようなアナログ動作をさせても
充分に実用的であることは明らかである。また、前記回
折型光学素子と屈折型光学素子は、必ずしも同一の機能
である必要はなく、例えば、凸レンズ、凹レンズ、プリ
ズムアレイ、レンティキュラレンズ、レンズアレイある
いは光偏向素子等のように種々の組み合わせが考えられ
ることは明らかである。
【００２９】また、本実施の形態における液晶分子の動
きは周囲の高分子によりほぼ規制されるため、前記図１
３に示す従来例に比べて、液晶ホログラム領域等の表面
状態の影響を受けにくい利点も有する。また、本実施の
形態においては、電極１３を透明物質領域１１の表面に
設けないため、複雑な形状の部分に膜を形成する必要が
なく、前記図１３に示す従来例に比べて、作成が容易と
なる利点を有する。さらに、電極（１３，１４）間を概
ね同じ距離とすることも容易であり、かつ電極（１３，
１４）間に透明物質領域１１が存在することもあり、前
記図１３に示す従来例と異なり、絶縁性の劣化や短絡等
が起こりにくいという利点も有する。このように、本実
施の形態の光学装置によれば、従来例に比べて、駆動の
高速化が図れ、かつ均一性、作成の容易化、駆動上の問
題点の解決等が図れる。
きは周囲の高分子によりほぼ規制されるため、前記図１
３に示す従来例に比べて、液晶ホログラム領域等の表面
状態の影響を受けにくい利点も有する。また、本実施の
形態においては、電極１３を透明物質領域１１の表面に
設けないため、複雑な形状の部分に膜を形成する必要が
なく、前記図１３に示す従来例に比べて、作成が容易と
なる利点を有する。さらに、電極（１３，１４）間を概
ね同じ距離とすることも容易であり、かつ電極（１３，
１４）間に透明物質領域１１が存在することもあり、前
記図１３に示す従来例と異なり、絶縁性の劣化や短絡等
が起こりにくいという利点も有する。このように、本実
施の形態の光学装置によれば、従来例に比べて、駆動の
高速化が図れ、かつ均一性、作成の容易化、駆動上の問
題点の解決等が図れる。
【００３０】ここで、本実施の形態において、透明物質
領域１１の誘電率と、液晶ホログラム領域１２の誘電率
とがほぼ同一であれば、電界の方向の制御等もやり易
く、かつ均一性もとり易いことは明らかである。
領域１１の誘電率と、液晶ホログラム領域１２の誘電率
とがほぼ同一であれば、電界の方向の制御等もやり易
く、かつ均一性もとり易いことは明らかである。
【００３１】なお、本実施の形態では、液晶が正の誘電
率異方性を有する場合について説明したが、液晶が負の
誘電率異方性を有する場合であっても、前記と同様な効
果が得られることは明らかである。但し、液晶が負の誘
電率異方性を有する場合には、液晶分子が電界の向きに
対して垂直となろうとするため、その垂直な面内におけ
る自由度が発生し、若干の不安定要因となる可能性があ
る。むろん、通常は電極が対照であるため、その自由度
は制限されると考えられる。
率異方性を有する場合について説明したが、液晶が負の
誘電率異方性を有する場合であっても、前記と同様な効
果が得られることは明らかである。但し、液晶が負の誘
電率異方性を有する場合には、液晶分子が電界の向きに
対して垂直となろうとするため、その垂直な面内におけ
る自由度が発生し、若干の不安定要因となる可能性があ
る。むろん、通常は電極が対照であるため、その自由度
は制限されると考えられる。
【００３２】なお、本実施の形態においては、透明物質
領域１１の屈折率と、屈折率可変物質、例えば、液晶の
正常屈折率（ｎ0）あるいは異常屈折率（ｎe）のどちら
かを同じ値か、または近い値に設定してもよい。しかし
ながら、これらの屈折率を同じ値か、または近い値にす
る必要は必ずしもなく、同様な効果は以下のようにすれ
ば得ることが可能である。即ち、例えば、透明物質領域
１１として固定焦点のレンズの場合を考えると、前記し
た屈折率を同じ値か、または近い値にすることは、その
場合に焦点距離を無限大近くに設定することに相当す
る。例えば、前記屈折率を同じ値か近い値にすることが
材料上困難である場合、あるいはそのような材料が他の
物性値（例えば、誘電率異方性、屈折率異方性、温度特
性、溶媒との混合性、毒性等）の関係から不利な場合で
あっても、単に他の固定焦点のレンズをこの可変焦点レ
ンズの前後に配置して、焦点距離を補正するのみで、こ
れを解決することができる。
領域１１の屈折率と、屈折率可変物質、例えば、液晶の
正常屈折率（ｎ0）あるいは異常屈折率（ｎe）のどちら
かを同じ値か、または近い値に設定してもよい。しかし
ながら、これらの屈折率を同じ値か、または近い値にす
る必要は必ずしもなく、同様な効果は以下のようにすれ
ば得ることが可能である。即ち、例えば、透明物質領域
１１として固定焦点のレンズの場合を考えると、前記し
た屈折率を同じ値か、または近い値にすることは、その
場合に焦点距離を無限大近くに設定することに相当す
る。例えば、前記屈折率を同じ値か近い値にすることが
材料上困難である場合、あるいはそのような材料が他の
物性値（例えば、誘電率異方性、屈折率異方性、温度特
性、溶媒との混合性、毒性等）の関係から不利な場合で
あっても、単に他の固定焦点のレンズをこの可変焦点レ
ンズの前後に配置して、焦点距離を補正するのみで、こ
れを解決することができる。
【００３３】なお、本実施の形態においては、透明物質
領域１１の表面形状として主に凹フレネルレンズ形状を
用いた場合について説明したが、透明物質領域１１の表
面形状として、凸レンズ形状、凹レンズ形状、プリズム
アレイ形状、レンティキュラレンズ形状、レンズアレイ
形状、回折格子形状、あるいは、これらの組み合わせの
曲面を含む形状であっても同様な効果が得られることは
明らかである。
領域１１の表面形状として主に凹フレネルレンズ形状を
用いた場合について説明したが、透明物質領域１１の表
面形状として、凸レンズ形状、凹レンズ形状、プリズム
アレイ形状、レンティキュラレンズ形状、レンズアレイ
形状、回折格子形状、あるいは、これらの組み合わせの
曲面を含む形状であっても同様な効果が得られることは
明らかである。
【００３４】また、本実施の形態においては、液晶ホロ
グラム領域１２のホログラム構造として、主にレンズ機
能を発現させる場合について説明したが、液晶ホログラ
ム領域１２のホログラム構造として、凸レンズ機能、凹
レンズ機能、プリズムアレイ機能、レンティキュラレン
ズ機能、レンズアレイ機能、回折格子機能、あるいは、
これらの組み合わせた機能であっても同様な効果が得ら
れることは明らかである。また、本実施の形態では、透
明物質領域１１の表面形状と液晶ホログラム領域１２の
表面形状とが、たまたま一致しているが、両者が一致す
る必要はなく、かつ異なる場合でも同様な効果が期待で
きることは明らかである。
グラム領域１２のホログラム構造として、主にレンズ機
能を発現させる場合について説明したが、液晶ホログラ
ム領域１２のホログラム構造として、凸レンズ機能、凹
レンズ機能、プリズムアレイ機能、レンティキュラレン
ズ機能、レンズアレイ機能、回折格子機能、あるいは、
これらの組み合わせた機能であっても同様な効果が得ら
れることは明らかである。また、本実施の形態では、透
明物質領域１１の表面形状と液晶ホログラム領域１２の
表面形状とが、たまたま一致しているが、両者が一致す
る必要はなく、かつ異なる場合でも同様な効果が期待で
きることは明らかである。
【００３５】また、本実施の形態においては、液晶分子
が電極に対して垂直に立った場合に、液晶層２５の屈折
率と高分子層２６の屈折率とがほぼ等しくなる場合につ
いて主に説明したが、液晶分子が電極に対して平行にな
った場合に両者がほぼ等しくなるようにした場合、ある
いは液晶分子が電極に対して一定の角度をなした場合に
両者がほぼ等しくなるようにした場合であっても同様な
効果が得られることは明らかである。
が電極に対して垂直に立った場合に、液晶層２５の屈折
率と高分子層２６の屈折率とがほぼ等しくなる場合につ
いて主に説明したが、液晶分子が電極に対して平行にな
った場合に両者がほぼ等しくなるようにした場合、ある
いは液晶分子が電極に対して一定の角度をなした場合に
両者がほぼ等しくなるようにした場合であっても同様な
効果が得られることは明らかである。
【００３６】また、本実施の形態においては、液晶分子
が電極に対して垂直に立った場合に、液晶ホログラム領
域１２の屈折率と透明物質領域１１の屈折率とがほぼ等
しくなる場合について主に説明したが、液晶分子が電極
に対して平行になった場合に両者がほぼ等しくなるよう
にした場合、あるいは液晶分子が電極に対して一定の角
度をなした場合に両者がほぼ等しくなるようにした場合
であっても同様な効果が得られることは明らかである。
が電極に対して垂直に立った場合に、液晶ホログラム領
域１２の屈折率と透明物質領域１１の屈折率とがほぼ等
しくなる場合について主に説明したが、液晶分子が電極
に対して平行になった場合に両者がほぼ等しくなるよう
にした場合、あるいは液晶分子が電極に対して一定の角
度をなした場合に両者がほぼ等しくなるようにした場合
であっても同様な効果が得られることは明らかである。
【００３７】また、本実施の形態においては、液晶ホロ
グラム領域１２の屈折率と透明物質領域１１の屈折率と
電界との関係と、液晶層２５と高分子層２６の屈折率と
電界との関係とがたまたま一致している場合について説
明したが、これらの両者の関係が一致する必要のないこ
とは明らかであり、異なる場合でも同様な効果が得られ
ることは明らかである。
グラム領域１２の屈折率と透明物質領域１１の屈折率と
電界との関係と、液晶層２５と高分子層２６の屈折率と
電界との関係とがたまたま一致している場合について説
明したが、これらの両者の関係が一致する必要のないこ
とは明らかであり、異なる場合でも同様な効果が得られ
ることは明らかである。
【００３８】また、本実施の形態においては、液晶ホロ
グラム領域１２の屈折率が、透明物質領域１１の屈折率
よりも、概ね大きい場合について主に説明したが、液晶
ホログラム領域１２の屈折率を透明物質領域１１の屈折
率よりも概ね小さくした場合、あるいは液晶ホログラム
領域１２の屈折率の可変範囲の中に透明物質領域１１の
屈折率が位置する場合であっても同様な効果が期待でき
ることは明らかである。
グラム領域１２の屈折率が、透明物質領域１１の屈折率
よりも、概ね大きい場合について主に説明したが、液晶
ホログラム領域１２の屈折率を透明物質領域１１の屈折
率よりも概ね小さくした場合、あるいは液晶ホログラム
領域１２の屈折率の可変範囲の中に透明物質領域１１の
屈折率が位置する場合であっても同様な効果が期待でき
ることは明らかである。
【００３９】また、本実施の形態においては、液晶ホロ
グラム領域１２において、使用する光の波長より小さな
径を有する液晶粒が透明な高分子中に分散して含まれる
場合について主に説明したが、使用する光の波長より小
さいサイズの高分子の集まり、あるいはネットワークが
液晶中に分散して含まれる場合や、両者の混合した場合
であっても同様な効果が得られることは明らかである。
グラム領域１２において、使用する光の波長より小さな
径を有する液晶粒が透明な高分子中に分散して含まれる
場合について主に説明したが、使用する光の波長より小
さいサイズの高分子の集まり、あるいはネットワークが
液晶中に分散して含まれる場合や、両者の混合した場合
であっても同様な効果が得られることは明らかである。
【００４０】
【実施の形態２】本発明の光学装置における液晶ホログ
ラム領域１２は、光学的に透過である方が、その用途範
囲が広い。そのためには、液晶層２５において屈折率の
異なる部位が使用する光の波長より小さな部分でもって
分散していれば、屈折率差による散乱成分は充分に抑制
でき、屈折率差がある場合でも液晶ホログラム領域１２
をほぼ透過状態にできる。即ち、例えば、使用する光の
波長より小さな液晶領域が高分子中に分散している構
造、あるいは使用する光の波長より小さな高分子の集ま
り、あるいはネットワークが液晶中に分散している構
造、あるいは液晶と高分子の領域が双方ともに使用する
光の波長より小さな領域で交互に分散している構造であ
ればよい。
ラム領域１２は、光学的に透過である方が、その用途範
囲が広い。そのためには、液晶層２５において屈折率の
異なる部位が使用する光の波長より小さな部分でもって
分散していれば、屈折率差による散乱成分は充分に抑制
でき、屈折率差がある場合でも液晶ホログラム領域１２
をほぼ透過状態にできる。即ち、例えば、使用する光の
波長より小さな液晶領域が高分子中に分散している構
造、あるいは使用する光の波長より小さな高分子の集ま
り、あるいはネットワークが液晶中に分散している構
造、あるいは液晶と高分子の領域が双方ともに使用する
光の波長より小さな領域で交互に分散している構造であ
ればよい。
【００４１】このような構造は、液晶と高分子の接触面
積を増加させ、液晶に対する高分子の配向規制力を強め
るため、液晶の電界に対する応答速度を大幅に高速化で
きるという利点も有する。むろん、このような形状効果
によらずとも、高分子に液晶とのインタラクションの強
い材料を選択すれば、配向規制力を強められることは明
らかであり、このような材料と上記した形状効果を併用
することも有用である。
積を増加させ、液晶に対する高分子の配向規制力を強め
るため、液晶の電界に対する応答速度を大幅に高速化で
きるという利点も有する。むろん、このような形状効果
によらずとも、高分子に液晶とのインタラクションの強
い材料を選択すれば、配向規制力を強められることは明
らかであり、このような材料と上記した形状効果を併用
することも有用である。
【００４２】図４は、本実施の形態２の光学装置の液晶
ホログラム領域１２の概略構成の一例を示す断面図であ
る。図４は、使用する光の波長より小さな液晶領域が高
分子中に分散している構造の一例として、微小粒径ＰＤ
ＬＣ（高分子分散型液晶）を示し、高分子２０１中に使
用波長より小さな径の液晶粒２０２が分散している構造
である。このような構造は、通常の光硬化型ＰＤＬＣ、
例えば、液晶と光硬化樹脂との混合液に光を照射して液
晶と樹脂を層分離させて作成する、あるいは、光重合型
ＰＤＬＣ、例えば、液晶と光重合型液晶の混合液に光を
照射して光重合型液晶を架橋させて作成する際の光の強
度を大きくしたり、あるいは、ホログラフィックＰＤＬ
Ｃのように強制的に液晶の分離する領域を制限したりす
ることで作成できる。
ホログラム領域１２の概略構成の一例を示す断面図であ
る。図４は、使用する光の波長より小さな液晶領域が高
分子中に分散している構造の一例として、微小粒径ＰＤ
ＬＣ（高分子分散型液晶）を示し、高分子２０１中に使
用波長より小さな径の液晶粒２０２が分散している構造
である。このような構造は、通常の光硬化型ＰＤＬＣ、
例えば、液晶と光硬化樹脂との混合液に光を照射して液
晶と樹脂を層分離させて作成する、あるいは、光重合型
ＰＤＬＣ、例えば、液晶と光重合型液晶の混合液に光を
照射して光重合型液晶を架橋させて作成する際の光の強
度を大きくしたり、あるいは、ホログラフィックＰＤＬ
Ｃのように強制的に液晶の分離する領域を制限したりす
ることで作成できる。
【００４３】図５は、本実施の形態２の光学装置の液晶
ホログラム領域１２の概略構成の他の例を示す断面図で
ある。図５は、使用する光の波長より小さな高分子ネッ
トワーク領域が液晶中に分散している構造の一例を示
し、使用波長より小さいサイズの高分子２１１が液晶２
１２中に分散している構造である。
ホログラム領域１２の概略構成の他の例を示す断面図で
ある。図５は、使用する光の波長より小さな高分子ネッ
トワーク領域が液晶中に分散している構造の一例を示
し、使用波長より小さいサイズの高分子２１１が液晶２
１２中に分散している構造である。
【００４４】
【実施の形態３】図６は、本実施の形態３の光学装置の
一例の概略構成を示す要部断面図である。本実施の形態
においては、液晶として、正常屈折率（ｎ0）が透明物
質領域３０１の屈折率とほぼ等しく、異常屈折率
（ｎe）が透明物質領域３０１より概ね大きい液晶を使
用する。図６に示す光学装置は、透明物質領域３０１の
表面形状を凸レンズ形状としたものである。前記実施の
形態１で説明したように、電極（３３，３４）間に印加
する電圧を変化させることにより、透明物質領域３０１
と液晶ホログラム領域３２との屈折率差を変化させるこ
とができる。これにより、図６に示す光学装置は、焦点
距離をアナログ的に変化できる凹レンズとして機能す
る。
一例の概略構成を示す要部断面図である。本実施の形態
においては、液晶として、正常屈折率（ｎ0）が透明物
質領域３０１の屈折率とほぼ等しく、異常屈折率
（ｎe）が透明物質領域３０１より概ね大きい液晶を使
用する。図６に示す光学装置は、透明物質領域３０１の
表面形状を凸レンズ形状としたものである。前記実施の
形態１で説明したように、電極（３３，３４）間に印加
する電圧を変化させることにより、透明物質領域３０１
と液晶ホログラム領域３２との屈折率差を変化させるこ
とができる。これにより、図６に示す光学装置は、焦点
距離をアナログ的に変化できる凹レンズとして機能す
る。
【００４５】図７ないし図１１は、本実施の形態３の光
学装置の他の例の概略構成を示す要部断面図である。図
７ないし図１１に示す光学装置でも、液晶として、正常
屈折率（ｎ0）が透明物質領域（３１１〜３５１）の屈
折率とほぼ等しく、異常屈折率（ｎe）が透明物質領域
（３１１〜３５１）より概ね大きい液晶を使用する。こ
こで、図７に示す光学装置は、透明物質領域３１１の表
面形状を凹レンズ形状、図８に示す光学装置は、透明物
質領域３２１の表面形状を凸フレネルレンズ形状、図９
に示す光学装置は、透明物質領域３３１の表面形状をプ
リズムアレイ形状、図１０に示す光学装置は、透明物質
領域３４１の表面形状を凹レンティキュラレンズ形状、
図１１に示す光学装置は、透明物質領域３５１の表面形
状を回折格子形状としたものである。図７ないし図１１
に示す光学装置では、電極（３３，３４）に印加する電
圧を変化させることにより、それぞれ焦点距離をアナロ
グ的に変化できる凸レンズ、焦点距離をアナログ的に変
化できる凹フレネルレンズ、偏向角をアナログ的に変化
できる偏向素子（例えば、発散角をアナログ的に変化で
きる散乱板）、回折効率をアナログ的に変化できる回折
格子として機能する。
学装置の他の例の概略構成を示す要部断面図である。図
７ないし図１１に示す光学装置でも、液晶として、正常
屈折率（ｎ0）が透明物質領域（３１１〜３５１）の屈
折率とほぼ等しく、異常屈折率（ｎe）が透明物質領域
（３１１〜３５１）より概ね大きい液晶を使用する。こ
こで、図７に示す光学装置は、透明物質領域３１１の表
面形状を凹レンズ形状、図８に示す光学装置は、透明物
質領域３２１の表面形状を凸フレネルレンズ形状、図９
に示す光学装置は、透明物質領域３３１の表面形状をプ
リズムアレイ形状、図１０に示す光学装置は、透明物質
領域３４１の表面形状を凹レンティキュラレンズ形状、
図１１に示す光学装置は、透明物質領域３５１の表面形
状を回折格子形状としたものである。図７ないし図１１
に示す光学装置では、電極（３３，３４）に印加する電
圧を変化させることにより、それぞれ焦点距離をアナロ
グ的に変化できる凸レンズ、焦点距離をアナログ的に変
化できる凹フレネルレンズ、偏向角をアナログ的に変化
できる偏向素子（例えば、発散角をアナログ的に変化で
きる散乱板）、回折効率をアナログ的に変化できる回折
格子として機能する。
【００４６】
【実施の形態４】図１２は、本実施の形態４の光学装置
の概略構成を示す要部断面図である。前記各実施の形態
は、透明物質領域と液晶ホログラム領域との両方を透明
電極で挾んだ構造であった。本実施の形態の光学装置
は、透明物質領域４１の液晶ホログラム領域４２側の表
面に、透明電極４３を設けた点で、前記各実施の形態と
相違する。ただし、本実施の形態では、透明物質領域４
１の表面形状が、深い溝や鋭い突起を有するような場合
には、透明電極４３の均一な形成が困難になる。しかし
ながら、例えば、平凹レンズ等、透明物質領域４１の表
面形状が比較的滑らかな場合には、透明電極４３を均一
に形成することはさほど困難ではない。さらに、本実施
の形態の構造においても、従来例である前記図１３に示
すような配向膜（９５、９６）は不要であり、構造が簡
単になるとともに、従来例における液晶分子の配向の一
部が傾くという問題は発生しない。また、電極（４３，
４４）間の距離が近づくことで、印加電圧を低くできる
という効果がある。
の概略構成を示す要部断面図である。前記各実施の形態
は、透明物質領域と液晶ホログラム領域との両方を透明
電極で挾んだ構造であった。本実施の形態の光学装置
は、透明物質領域４１の液晶ホログラム領域４２側の表
面に、透明電極４３を設けた点で、前記各実施の形態と
相違する。ただし、本実施の形態では、透明物質領域４
１の表面形状が、深い溝や鋭い突起を有するような場合
には、透明電極４３の均一な形成が困難になる。しかし
ながら、例えば、平凹レンズ等、透明物質領域４１の表
面形状が比較的滑らかな場合には、透明電極４３を均一
に形成することはさほど困難ではない。さらに、本実施
の形態の構造においても、従来例である前記図１３に示
すような配向膜（９５、９６）は不要であり、構造が簡
単になるとともに、従来例における液晶分子の配向の一
部が傾くという問題は発生しない。また、電極（４３，
４４）間の距離が近づくことで、印加電圧を低くできる
という効果がある。
【００４７】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本実施の
形態は、前記実施の形態に限定されるものではなく、そ
の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であるこ
とは勿論である。
前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本実施の
形態は、前記実施の形態に限定されるものではなく、そ
の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であるこ
とは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。 （１）本発明によれば、液晶を含む液晶層と、高分子が
主に含まれる高分子層とが使用する光の波長と同一オー
ダーの厚さで層状構造を成す液晶ホログラム領域と、液
晶ホログラム領域側が所望の曲面の表面形状を有する透
明物質領域とを設け、電極間に電圧を印加することによ
り、液晶ホログラム領域の液晶層の屈折率と高分子層の
屈折率とを異ならせて所望の光学機能を発現させるよう
にしたので、高速な駆動が可能で、均一性がよく、製作
が容易であるとともに、光学装置の光学的特性（または
光学的性質）を、能動的に、かつ大幅に連続的に変化さ
せることが可能となる。
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。 （１）本発明によれば、液晶を含む液晶層と、高分子が
主に含まれる高分子層とが使用する光の波長と同一オー
ダーの厚さで層状構造を成す液晶ホログラム領域と、液
晶ホログラム領域側が所望の曲面の表面形状を有する透
明物質領域とを設け、電極間に電圧を印加することによ
り、液晶ホログラム領域の液晶層の屈折率と高分子層の
屈折率とを異ならせて所望の光学機能を発現させるよう
にしたので、高速な駆動が可能で、均一性がよく、製作
が容易であるとともに、光学装置の光学的特性（または
光学的性質）を、能動的に、かつ大幅に連続的に変化さ
せることが可能となる。
【図１】本発明の実施の形態１の光学装置の概略構成を
示す要部断面図である。
示す要部断面図である。
【図２】図１に示す液晶ホログラム領域の概略構成の一
例を示す断面図である。
例を示す断面図である。
【図３】図２に示すような体積ホログラム構造の作成方
法の一例を説明するための図である。
法の一例を説明するための図である。
【図４】本実施の形態２の光学装置の液晶ホログラム領
域の概略構成の一例を示す断面図である。
域の概略構成の一例を示す断面図である。
【図５】本実施の形態２の光学装置の液晶ホログラム領
域の概略構成の他の例を示す断面図である。
域の概略構成の他の例を示す断面図である。
【図６】本実施の形態３の光学装置の一例の概略構成を
示す要部断面図である。
示す要部断面図である。
【図７】本実施の形態３の光学装置の他の例の概略構成
を示す要部断面図である。
を示す要部断面図である。
【図８】本実施の形態３の光学装置の他の例の概略構成
を示す要部断面図である。
を示す要部断面図である。
【図９】本実施の形態３の光学装置の他の例の概略構成
を示す要部断面図である。
を示す要部断面図である。
【図１０】本実施の形態３の光学装置の他の例の概略構
成を示す要部断面図である。
成を示す要部断面図である。
【図１１】本実施の形態３の光学装置の他の例の概略構
成を示す要部断面図である。
成を示す要部断面図である。
【図１２】本実施の形態４の光学装置の概略構成を示す
要部断面図である。
要部断面図である。
【図１３】従来の液晶レンズの概略構成を示す要部断面
図である。
図である。
【図１４】図１３に示す液晶レンズの印加電圧と焦点距
離との関係を示すグラフである。
離との関係を示すグラフである。
【図１５】図１３に示す液晶レンズにおける駆動の際の
回復時間を示すグラフである。
回復時間を示すグラフである。
【図１６】図１３に示す液晶レンズにおける、平凹レン
ズ表面の液晶層の液晶分子の配向状態を説明するための
図である。
ズ表面の液晶層の液晶分子の配向状態を説明するための
図である。
【図１７】図１３に示す液晶レンズにおける、電圧を印
加した時の液晶層の液晶分子の配向状態を説明するため
の図である。
加した時の液晶層の液晶分子の配向状態を説明するため
の図である。
１１，４１，３０１，３１１，３２１，３３１，３４
１，３５１…透明物質領域、１２，３２，４２…液晶ホ
ログラム領域、１３，１４，３３，３４，４３，４４，
９３，９４…透明電極、２５…液晶層、２６…高分子
層、１６，３６，４６，９９…入射光、１７，１８，３
７，３８，４７，４８，９７，９８…出射光、９１…平
凹レンズ、９５，９６…配向膜、１１５，３１５，４１
５，９１５…駆動装置、２０１，２１１…高分子，２０
２，２１２…液晶、４１０，４１１，９１０…対向基
板。
１，３５１…透明物質領域、１２，３２，４２…液晶ホ
ログラム領域、１３，１４，３３，３４，４３，４４，
９３，９４…透明電極、２５…液晶層、２６…高分子
層、１６，３６，４６，９９…入射光、１７，１８，３
７，３８，４７，４８，９７，９８…出射光、９１…平
凹レンズ、９５，９６…配向膜、１１５，３１５，４１
５，９１５…駆動装置、２０１，２１１…高分子，２０
２，２１２…液晶、４１０，４１１，９１０…対向基
板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 河原 英雄 (56)参考文献 特開 平２−72323（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−134266（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−308471（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−230300（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−243806（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−243960（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−258271（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−26705（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02F 1/1333
Claims (11)
- 【請求項１】 液晶ホログラム領域と、前記液晶ホログ
ラム領域側の面が所望の曲面の表面形状を有する透明物
質領域と、前記透明物質領域と前記液晶ホログラム領域
とを挟んで設けられる複数の電極とを具備する光学装置
であって、 前記液晶ホログラム領域は、液晶を含む液晶層と、高分
子が主に含まれる高分子層とが、使用する光の波長と同
一オーダーの厚さで層状構造を成し、かつ、この層状構
造が、前記液晶層の屈折率と高分子層の屈折率とが異な
る場合に所望の光学機能を発現させる体積ホログラム構
造を有していることを特徴とする光学装置。 - 【請求項２】 液晶ホログラム領域と、前記液晶ホログ
ラム領域側の面が所望の曲面の表面形状を有する透明物
質領域と、前記液晶ホログラム領域を挟んで設けられる
複数の電極とを具備する光学装置であって、 前記液晶ホログラム領域は、液晶を含む液晶層と、高分
子が主に含まれる高分子層とが、使用する光の波長と同
一オーダーの厚さで層状構造を成し、かつ、この層状構
造が、前記液晶層の屈折率と高分子層の屈折率とが異な
る場合に所望の光学機能を発現させる体積ホログラム構
造を有していることを特徴とする光学装置。 - 【請求項３】 前記液晶ホログラム領域は、使用光の波
長より小さな径を有する液晶粒が、透明な高分子中に分
散される構造の層を含むことを特徴とする請求項１また
は請求項２に記載された光学装置。 - 【請求項４】 前記液晶ホログラム領域は、使用光の波
長より小さなサイズの高分子の集まり、あるいはネット
ワークが、液晶中に分散される構造の層を含むことを特
徴とする請求項１または請求項２に記載された光学装
置。 - 【請求項５】 前記液晶ホログラム領域は、使用光の波
長より小さな径を有する液晶粒と、使用光の波長より小
さなサイズの高分子とが、交互に分散される構造の層を
含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載さ
れた光学装置。 - 【請求項６】 前記液晶ホログラム領域の液晶層と高分
子層とは、前記電極に電圧を印加した場合に、前記液晶
層の光の進行方向の屈折率と前記高分子層の光の進行方
向の屈折率とが異なり、また、前記電極に電圧を印加し
ない場合に、前記液晶層における光の進行方向の屈折率
と前記高分子層の光の進行方向の屈折率とがほぼ同一と
なることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれ
か１項に記載された光学装置。 - 【請求項７】 前記液晶ホログラム領域の液晶層と高分
子層とは、前記電極に電圧を印加した場合に、前記液晶
層の光の進行方向の屈折率と前記高分子層の光の進行方
向の屈折率とがほぼ同一となり、また、前記電極に所望
の電圧値未満の電圧を印加した場合に、前記液晶層にお
ける光の進行方向の屈折率と前記高分子層の光の進行方
向の屈折率とが異なることを特徴とする請求項１ないし
請求項５のいずれか１項に記載された光学装置。 - 【請求項８】 前記液晶ホログラム領域の液晶層と高分
子層とは、前記電極に一定の電圧を印加した場合に、前
記液晶層の光の進行方向の屈折率と前記高分子層の光の
進行方向の屈折率とがほぼ同一となり、また、前記電極
に前記一定の電圧以外の電圧を印加した場合に、前記液
晶層の光の進行方向の屈折率と前記高分子層の光の進行
方向の屈折率とが異なることを特徴とする請求項１ない
し請求項５のいずれか１項に記載された光学装置。 - 【請求項９】 前記透明物質領域の前記液晶ホログラム
領域側の表面形状は、凸レンズ形状、凹レンズ形状、フ
レネルレンズ形状、プリズムアレイ形状、レンズアレイ
形状、レンティキュラレンズ形状、回折格子形状、ある
いは、それらを組み合せた曲面を含む形状であることを
特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記
載された光学装置。 - 【請求項１０】 前記液晶ホログラム領域により発現さ
れる光学機能は、凸レンズ機能、凹レンズ機能、プリズ
ムアレイ機能、レンズアレイ機能、レンティキュラレン
ズ機能、光偏向素子、あるいはそれらを組み合せた機能
であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいず
れか１項に記載された光学装置。 - 【請求項１１】 前記透明物質領域の誘電率と、前記液
晶ホログラム領域の誘電率とは、ほぼ同一であることを
特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に
記載された光学装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31223597A JP3331559B2 (ja) | 1997-11-13 | 1997-11-13 | 光学装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31223597A JP3331559B2 (ja) | 1997-11-13 | 1997-11-13 | 光学装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11142806A JPH11142806A (ja) | 1999-05-28 |
| JP3331559B2 true JP3331559B2 (ja) | 2002-10-07 |
Family
ID=18026807
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31223597A Expired - Fee Related JP3331559B2 (ja) | 1997-11-13 | 1997-11-13 | 光学装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3331559B2 (ja) |
Families Citing this family (51)
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|---|---|---|---|---|
| JPH11352445A (ja) * | 1998-06-09 | 1999-12-24 | Olympus Optical Co Ltd | 可変焦点眼鏡 |
| JP2001330711A (ja) * | 2000-05-18 | 2001-11-30 | Toppan Printing Co Ltd | 可変型光散乱素子とそれを用いた表示装置 |
| KR100451746B1 (ko) * | 2002-09-17 | 2004-10-08 | 엘지전자 주식회사 | 홀로그램 패턴 액정을 이용한 평판 표시 소자 |
| TWI318235B (en) * | 2005-08-29 | 2009-12-11 | Univ Chung Yuan Christian | Liquid crystal composite material |
| GB0522968D0 (en) | 2005-11-11 | 2005-12-21 | Popovich Milan M | Holographic illumination device |
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