JPH06308453A - 液晶光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】液晶分子の均一制御を可能とし、入射光の散乱
の問題を解消した焦点距離又は照射角可変の液晶光学素
子を提供する。 【構成】レンズ基板１、平板ガラス基板２間に均一厚さ
の液晶層３が挟持された液晶セルよりなる。一方の基板
１側では液晶分子が基板表面に対して平行な方向で、か
つ、レンズの光学的対称性に対応して対称に配向され、
他方の基板２側では液晶分子が基板表面に対して平行な
方向で基板１側の液晶分子の配向方向と垂直方向に配向
されている。また、液晶層３の厚さは該液晶層３が旋光
性を示さない範囲内に小さく設定されている。所定方向
に偏光した入射光に対して、液晶層３は凸レンズ又は凹
レンズ機能を発揮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶セルを利用した液
晶光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、液晶の電気光学効果を利用し
て焦点距離を可変とした焦点距離可変液晶レンズよりな
る液晶光学素子が知られている。例えば、特開昭６０−
５０５１０号公報には、凹レンズ形状の透明基板と、こ
れに対向配設された平板状の透明基板と、両基板の周縁
部に配設、挟持されたスペーサとで確定された空間に、
液晶を封入してなる焦点距離可変液晶レンズが開示され
ている。この液晶レンズでは、両基板の相対向する内面
にそれぞれ透明導電膜及び水平配向処理膜が形成され、
誘電異方性が正の電界効果形液晶が封入されている。

【０００３】この液晶レンズにしきい値以上の交流電圧
を印加すると、電子分極により分極している誘電異方性
が正の各液晶分子は長軸の向きを電圧印加方向に変え
る。このため、印加電圧の大きさを制御することによ
り、基板に平行に配向していた液晶分子の長軸の向きを
基板に対して垂直方向に連続的に変えることができる。
したがって、液晶分子の配向の方位に偏光した入射光に
対して、液晶レンズのみかけの屈折率は異常光に対する
値から常光に対する値まで連続的に変化する。このよう
に、印加電圧により液晶分子の配向方向を制御して液晶
レンズのみかけの屈折率を変化させることにより、レン
ズの焦点距離を異常光に対する値から常光に対する値ま
で連続的に変化させることができる。

【０００４】また、実開平１−１４２９２８号公報に
は、図２７に示すように、発光源８１と、この発光源８
１の光照射方向を決める反射板８２と、発光源８１の側
近位置に配置されて照射光の屈折力を可変する液晶光学
素子９０と、この液晶光学素子９０の駆動回路８３と、
発光源８１の駆動源８４とで構成された光照射角を可変
とした照明器が開示されている。この照明器において、
液晶光学素子９０は、図２８に示すように、凸レンズ形
状の透明基板９１と、これに対向配設された平板状の透
明基板９２と、両基板９１、９２の周縁部に配設、挟持
されたスペーサ９３とで確定された空間に、液晶９４を
封入した液晶レンズよりなる。なお、両基板９１、９２
の相対向する内面にそれぞれ透明導電膜９５及び垂直配
向処理膜９６が形成され、誘電異方性が負の電界効果形
液晶が封入されている。

【０００５】この液晶レンズよりなる液晶光学素子９０
において、電圧無印加時、液晶９４の液晶分子は一対の
基板９１、９２間で垂直配向しており、液晶９４はほぼ
常光に対する屈折率ｎ_o に等しい屈折率のみを示してい
る。この状態で、発光源８１が駆動源８４により発光す
ると、図２７に示すように、液晶光学素子９０を透過し
た光束は実線矢印の範囲（θ_o ）に拡がって照射され
る。そして、駆動回路８３によりしきい値より十分に高
い交流電圧を液晶光学素子９０の透明導電膜９５に印加
すると、電子分極により分極している誘電異方性が負の
各液晶分子は電圧印加方向と垂直な方向に９０°長軸の
向きを変える。これにより、液晶光学素子９０の液晶９
４は、常光に対する屈折率ｎ_o の他に、異常光に対する
屈折率ｎ_eの両者を示すようになる。したがって、この
電圧印加時では、液晶光学素子９０を透過した光束は、
一部の光が実線矢印の範囲（θ_o ）に拡がると共に、残
りの光が点線矢印の範囲（θ_e ）に拡がり、全体として
光照射角範囲が（θ_e ）に拡がって照射されることとな
る。なお、上記点線矢印の範囲（θ_e ）は、印加電圧の
大きさを制御することにより、θ_o 〜θ_e の間でその広
がりを任意に調整できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
液晶レンズよりなる液晶光学素子において、電圧を印加
した場合の液晶分子配向の応答・回復時間は、液晶層の
厚さのほぼ２乗に比例して長くなる。このため、上記従
来の凹レンズ基板や凸レンズ基板を用いて液晶層の厚さ
を連続的に変化させた液晶レンズは、液晶レンズの中心
部と周辺部とで液晶層の厚さが異なるので、液晶分子を
均一に制御することが難しく、入射光が散乱してしまう
という欠点がある。

【０００７】これに対し、平板状基板同士を対向配設
し、その間に液晶を封入してなる液晶セルは、上記液晶
層の厚さが均一となるので、液晶分子の挙動を安定に制
御することができ、表示品質に優れる。しかし、このよ
うな平板状基板同士を対向配設させて液晶層を均一厚さ
とした液晶素子では、焦点距離や照射角の可変機能をも
たせることが従来できなかった。

【０００８】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、液晶分子の均一な制御を可能とし、入射光の散
乱の問題を解消した焦点距離や照射角の可変機能を有す
る液晶光学素子を提供することを目的とするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本第
１発明の液晶光学素子は、対向配設された一対の透明基
板間に均一厚さの液晶層が挟持された液晶セルの少なく
とも入射光側にレンズを備え、前記一方の透明基板側で
は液晶分子が該基板表面に対して平行な方向で、かつ、
前記レンズの光学的対称性に対応して対称に配向され、
前記他方の透明基板側では液晶分子が前記一方の透明基
板側での液晶分子配向と異なる方向に配向されるととも
に、前記液晶層の厚さは該液晶層が旋光性を示さない範
囲内に小さく設定されていることを特徴とするものであ
る。

【００１０】なお、液晶セルの少なくとも入射光側にレ
ンズを備えるには、一対の透明基板のうちの少なくとも
入射光側の透明基板自身をレンズ形状の透明基板とした
り、あるいは一対の透明基板を平板状の透明基板とし、
かつ、入射光側の透明基板に別体としてのレンズを並設
させたりすることにより行うことができる。液晶光学素
子の構造の簡素化や小型化を求めたり、偏向角等の計算
の単純化を求めたりする観点からは、透明基板自身をレ
ンズ形状とすることが好ましい。

【００１１】このレンズ形状としては、凸状又は凹状の
円筒面をもつシリンドリカルレンズ形状としたり、凸状
又は凹状の球面レンズ形状としたりすることができる。
ここで、レンズの光学的対称性に対応して対称であると
は、レンズがシリンドリカルレンズ形状の場合、レンズ
に垂直でかつ円筒面の軸芯を含む平面を中心として対称
性を有することをいい、レンズが球面レンズ形状の場
合、球面の中心軸を中心として対称性を有することをい
う。

【００１２】上記課題を解決する本第２発明の液晶光学
素子は、対向配設された一対の平板状透明基板間に均一
厚さの液晶層が挟持された液晶セルの側近位置に、発散
光を放射する光源が配置されてなり、前記一方の透明基
板側の液晶分子配向と前記他方の透明基板側の液晶分子
配向とが異なる方向に配向されるとともに、前記液晶層
の厚さは該液晶層が旋光性を示さない範囲内に小さく設
定されていることを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】本第１発明の液晶光学素子では、入射光側に備
えられたレンズを介して光が液晶層に斜め入射する。詳
しくは、入射光側に凸レンズが備えられれば光が収束し
ながら液晶層に斜め入射し、入射光側に凹レンズが備え
られれば光が拡がりながら液晶層に斜め入射する。ま
た、本第２発明の液晶光学素子では、液晶セルの側近位
置に配置された発散光を放射する光源からの光が拡がり
ながら液晶層に斜め入射する。このように液晶層に斜め
入射する入射光は、後述する作用原理に従って、液晶層
の入射側の界面における液晶分子の見掛けの屈折率と、
液晶層の出射側の界面における液晶分子の見掛けの屈折
率との違いに応じて、該液晶層を通過する際に所定角度
偏向される。またこのとき、液晶層への電界又は磁界の
印加状態を変化させて液晶層の液晶分子の配向状態を制
御することにより、該液晶層における屈折力が可変とさ
れ、その偏向角を可変とした偏向機能を発揮する。

【００１４】すなわち、本第１発明及び第２発明の液晶
光学素子では、後述するように、液晶層の入射側の界面
において平行配向した液晶分子の長軸方向に偏光した光
が収束しながら該液晶層に斜め入射すると該液晶層は凹
レンズ機能を発揮し、同様の光が拡がりながら該液晶層
に斜め入射すると該液晶層は凸レンズ機能を発揮する。
一方、液晶層の出射側の界面において平行配向した液晶
分子の長軸方向に偏光した光が収束しながら該液晶層に
斜め入射すると該液晶層は凸レンズ機能を発揮し、同様
の光が拡がりながら該液晶層に斜め入射すると、該液晶
層は凹レンズ機能を発揮する。しかも、このような液晶
層における凹レンズ機能や凸レンズ機能は、液晶層の液
晶分子の配向状態を電界又は磁界の印加により制御する
ことにより屈折力が可変とされる。したがって、本第１
発明及び第２発明の液晶光学素子は、焦点距離を可変と
したり又は照射角を可変としたりすることのできる液晶
光学素子として機能する。

【００１５】そして、本第１発明及び第２発明の液晶光
学素子においては、液晶層が均一厚さとされているた
め、上記電界又は磁界の印加による液晶分子の配向状態
を均一に制御することができ、入射光の散乱を招くこと
がない。上記した液晶層に斜め入射した入射光に対する
所定の偏向機能は、液晶層が旋光性を示さない範囲内に
液晶層の厚さが小さく設定されている場合に発揮される
もので、液晶層の厚さが厚すぎて該液晶層が旋光性を示
すようになると上記偏向機能は失われる。これは、入射
光が液晶層を進行する間に、該液晶層の旋光性により入
射光の偏光面が回転すると、液晶層の出射側での液晶分
子の見掛けの屈折率が上記偏光面の回転に応じて変化す
るので、後述する作用原理に従わなくなり、偏向機能が
失われるからである。

【００１６】この液晶層の厚さは、入射光の波長を基準
として設定することができ、具体的には液晶層の厚さを
入射光の波長の同等以下とすることにより、液晶層が旋
光性を示さない範囲内とすることができる。以下、本第
１発明及び第２発明の液晶光学素子において、所定方向
に偏光した光が液晶層に斜め入射した場合に、該液晶層
が所定の偏向機能を発揮する作用原理について、（イ）
入射側の一方の透明基板では液晶分子が該一方の透明基
板の表面に対して平行な方向に配向され、出射側の他方
の透明基板側では液晶分子が該他方の透明基板の表面に
対して平行で、かつ、前記一方の透明基板側での液晶分
子の配向方向と垂直な方向に配向されている場合、及び
（ロ）入射側の一方の透明基板では液晶分子が該一方の
透明基板の表面に対して平行な方向に配向され、出射側
の他方の透明基板側では液晶分子が該他方の透明基板の
表面に対して垂直な方向に配向されている場合に分けて
説明する。

【００１７】まず、本第１発明及び第２発明の液晶光学
素子において、上記（イ）の場合について、図２６の光
学系に示すように、一方の透明基板１側の液晶分子の長
軸方向に偏光した光が、該一方の透明基板１と液晶層と
の第１界面（１）の法線に対して入射角θ₀ をもって斜
め入射したときの作用について、（Ａ）電界無印加状
態、（Ｂ）液晶層の液晶分子の配向方向が多少変化する
程度に電界を印加した状態、（Ｃ）上記液晶分子の配向
が完全に変化しきるまで十分に電界を印加した状態に分
けて以下説明する。なお、誘電異方性が正の液晶を用い
た場合を想定する。また、一対の透明基板１、２の屈折
率は同じと想定する。

【００１８】（Ａ）電界無印加状態では、一方の透明基
板１側で液晶分子が該基板１表面に対して平行な方向に
配向され、他方の透明基板２側で液晶分子が該基板２表
面に対して平行な方向で、かつ、該一方の透明基板１側
の液晶分子の配向方向と垂直な方向に配向されている。
入射光は一方の透明基板１と液晶層との第１界面（１）
での液晶分子の長軸方向に偏光した光だから、第１界面
（１）での液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L1は、異常光に
対する屈折率ｎ_e となる。すなわち、 ｎ_L1＝ｎ_e …（ａ） となる。

【００１９】また、第１界面（１）の法線に対して入射
角θ₀ をもって入射した光は、第１界面（１）において
スネルの法則に従って、第１界面（１）の法線に対して
屈折角θ₁ をもって屈折する。このため、第１界面
（１）での屈折角θ₁ は、一方の透明基板１の屈折率を
ｎ₁ とすると、スネルの法則に従って、次式（ｂ）で計
算される。

【００２０】 ｎ₁ ｓｉｎθ₀ ＝ｎ_L1ｓｉｎθ₁ …（ｂ） 次に、液晶層内を伝播した光は、液晶層と他方の透明基
板２との第２界面（２）に第２界面（２）の法線に対し
て入射角θ₁ をもって入射し、該第２界面（２）で第２
界面（２）の法線に対して屈折角θ₂ をもって屈折す
る。この第２界面（２）における液晶分子は基板２の表
面、つまり第２界面（２）に対して平行な方向に配向さ
れているが、上記第１界面（１）での液晶分子の配向方
向と垂直な方向に配向されている。このため、第２界面
（２）での液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L2は、常光に対
する屈折率ｎ_o となる。すなわち、 ｎ_L2＝ｎ_o …（ｃ） となる。

【００２１】また、第２界面（２）での屈折角（出射
角）θ₂ は、他方の透明基板２の屈折率をｎ₂ とする
と、スネルの法則に従って、次式（ｄ）で計算される。 ｎ_L2ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₂ ｓｉｎθ₂ …（ｄ） このように、電界無印加状態で、液晶層に入射角θ₀ を
もって斜め入射した光は、液晶層から出射角θ₂ をもっ
て出射することとなる。そして、上記式（ｂ）及び
（ｄ）において、ｎ₁ ＝ｎ₂ 、かつ、ｎ_L1≠ｎ_L2より、
θ₀ ≠θ₂ となる。したがって、液晶層にθ₀ の入射角
で入射した入射光は、Δθ（（θ₂ −θ₀ ）の絶対値）
の偏向角をもって偏向されて液晶層から出射する。ま
た、 ｎ₁ ＝ｎ₂ ≦ｎ_L2（＝ｎ_o ）＜ｎ_L1（＝ｎ_e ） より、θ₁ ＜θ₂ ＜θ₀ となる。

【００２２】したがって、本第１発明の液晶光学素子に
おいて、電界無印加状態で、入射側の第１界面（１）で
の液晶分子の長軸方向に偏光した光が収束しながら液晶
層に斜め入射した場合、凹レンズ機能が発揮される。一
方、本第１発明及び第２発明の液晶光学素子において、
電界無印加状態で、入射側の第１界面（１）での液晶分
子の長軸方向に偏光した光が拡がりながら液晶層に斜め
入射した場合、凸レンズ機能が発揮される。

【００２３】なお、入射側の第１界面（１）での液晶分
子の長軸方向と垂直方向、つまり出射側の第２界面
（２）での液晶分子の長軸方向に偏光した光が液晶層に
斜め入射した場合、 ｎ₁ ＝ｎ₂ ≦ｎ_L1（＝ｎ_o ）＜ｎ_L2（＝ｎ_e ） より、θ₁ ＜θ₀ ＜θ₂ となる。

【００２４】したがって、本第１発明の液晶光学素子に
おいて、電界無印加状態で、出射側の第２界面（２）で
の液晶分子の長軸方向に偏光した光が収束しながら液晶
層に斜め入射した場合、凸レンズ機能が発揮される。一
方、本第１発明及び第２発明の液晶光学素子において、
電界無印加状態で、出射側の第２界面（２）での液晶分
子の長軸方向に偏光した光が拡がりながら液晶層に斜め
入射した場合、凹レンズ機能が発揮される。

【００２５】なお、液晶層の厚さが厚くなって、該液晶
層が旋光性を示すようになると、入射光の偏光面の回転
により、第２界面（２）での液晶分子の見掛けの屈折
率：ｎ _L2が第１界面（１）での液晶分子の見掛けの屈折
率：ｎ_L1と同じになり、したがってこの作用原理にも従
わなくなって偏向機能が失われる。（Ｂ）液晶層の液晶
分子の配向方向が多少変化する程度に電界を印加した状
態では、一方の透明基板１に平行に配向していた液晶分
子が徐々に立ち上がる。このとき、第１界面（１）での
液晶分子が透明基板１の表面、つまり第１界面（１）の
法線に対して角度αで傾いたとすると、第１界面（１）
での液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L1は、次式（ｅ）で計
算される。

【００２６】 ｎ_L1＝（ｎ_e −ｎ_o ）ｓｉｎα＋ｎ₀ …（ｅ） また、第１界面（１）での屈折角θ₁ は、スネルの法則
に従って、上記式（ｂ）で計算される。次に、他方の透
明基板２側の液晶分子は、電界無印加時と配向状態が変
化しないので、上記第２界面（２）での液晶分子の見掛
けの屈折率ｎ_L2、及び第２界面（２）での屈折角θ
₂ は、上記（Ａ）電界無印加状態の場合と同様に、それ
ぞれ上記式（ｃ）及び（ｄ）で計算される。

【００２７】したがって、上記（Ａ）電界無印加状態と
同様に、液晶層に入射角θ₀ をもって斜め入射した光
は、液晶層から出射角θ₂ をもって出射することとな
る。そして、上記式（ｂ）及び（ｄ）において、ｎ₁ ＝
ｎ₂ 、かつ、ｎ_L1≠ｎ_L2より、θ ₀ ≠θ₂ となる。した
がって、この場合もΔθ（（θ₂ −θ₀ ）の絶対値）の
偏向角をもって偏向される。ただし、上記上記（Ａ）電
界無印加状態と比較して、偏向角Δθは小さくなる。

【００２８】（Ｃ）上記液晶分子の配向が完全に変化し
きるまで十分に電界を印加した状態では、液晶層内の液
晶分子は全て透明基板１、２に対して垂直に立つので、
第１界面（１）での液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L1と、
第２界面（２）での液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L2は、 ｎ_L1＝ｎ_L2＝ｎ_o …（ｆ） となり、等しくなる。このため、上記式（ｂ）及び
（ｄ）より、θ₀ ＝θ₂ となり、偏向しなくなる。

【００２９】次に、本第１発明及び第２発明の液晶光学
素子において、前記（ロ）の場合について、図２６の光
学系に示すように、一方の透明基板１側から、該一方の
透明基板１側の液晶分子の長軸方向に偏光した光が斜め
入射し、該一方の透明基板１と液晶層との第１界面
（１）の法線に対して入射角θ₀ をもって入射したとき
の作用について、（Ａ）電界無印加状態、（Ｂ）液晶層
の液晶分子の配向方向が多少変化する程度に電界を印加
した状態、（Ｃ）上記液晶分子の配向が完全に変化しき
るまで十分に電界を印加した状態に分けて以下説明す
る。なお、誘電異方性が正の液晶を用いた場合を想定す
る。また、一対の透明基板１、２の屈折率は同じと想定
する。

【００３０】（Ａ）電界無印加状態では、一方の透明基
板１側で液晶分子が該基板１の表面に対して平行な方向
に配向され、他方の透明基板２側で液晶分子が該基板２
の表面に対して垂直な方向に配向されている。入射光は
一方の透明基板１と液晶層との第１界面（１）での液晶
分子の長軸方向に偏光した光だから、第１界面（１）で
の液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L1は、異常光に対する屈
折率ｎ_e となる。すなわち、 ｎ_L1＝ｎ_e …（ａ） となる。

【００３１】また、第１界面（１）の法線に対して入射
角θ₀ をもって入射した光は、第１界面（１）において
スネルの法則に従って、第１界面（１）の法線に対して
屈折角θ₁ をもって屈折する。このため、第１界面
（１）での屈折角θ₁ は、一方の透明基板１の屈折率を
ｎ₁ とすると、スネルの法則に従って、次式（ｂ）で計
算される。

【００３２】 ｎ₁ ｓｉｎθ₀ ＝ｎ_L1ｓｉｎθ₁ …（ｂ） 次に、液晶層内を伝播した光は、液晶層と他方の透明基
板２との第２界面（２）に第２界面（２）の法線に対し
て入射角θ₁ をもって入射し、該第２界面（２）で第２
界面（２）の法線に対して屈折角θ₂ をもって屈折す
る。この第２界面（２）における液晶分子は基板２の表
面、つまり第２界面（２）に対して垂直な方向に配向さ
れており、第２界面（２）に入射する光はこの液晶分子
に対して入射角θ₁ をもって入射することとなるので、
第２界面（２）での液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L2は、
次式（ｃ’）で計算される。

【００３３】 ｎ_L2＝（ｎ_e −ｎ_o ）ｓｉｎθ₁ ＋ｎ_o …（ｃ’） また、第２界面（２）での屈折角（出射角）θ₂ は、他
方の透明基板２の屈折率をｎ₂ とすると、スネルの法則
に従って、次式（ｄ）で計算される。 ｎ_L2ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₂ ｓｉｎθ₂ …（ｄ） このように、電界無印加状態で、液晶層に入射角θ₀ を
もって斜め入射した光は、液晶層から出射角θ₂ をもっ
て出射することとなる。そして、上記式（ｂ）及び
（ｄ）において、ｎ₁ ＝ｎ₂ 、かつ、ｎ_L1≠ｎ_L2より、
θ₀ ≠θ₂ となる。したがって、液晶層にθ₀ の入射角
で入射した入射光は、Δθ（（θ₂ −θ₀ ）の絶対値）
の偏向角をもって偏向されて液晶層から出射する。ま
た、 ｎ₁ ＝ｎ₂ ≦ｎ_L2（＝ｎ_o ）＜ｎ_L1（＝ｎ_e ） より、θ₁ ＜θ₂ ＜θ₀ となる。

【００３４】したがって、本第１発明の液晶光学素子に
おいて、電界無印加状態で、入射側の第１界面（１）で
の液晶分子の長軸方向に偏光した光が収束しながら液晶
層に斜め入射した場合、凹レンズ機能が発揮される。一
方、本第１発明及び第２発明の液晶光学素子において、
電界無印加状態で、入射側の第１界面（１）での液晶分
子の長軸方向に偏光した光が拡がりながら液晶層に斜め
入射した場合、凸レンズ機能が発揮される。

【００３５】なお、入射側の第１界面（１）での液晶分
子の長軸方向と垂直方向、つまり出射側の第２界面
（２）での液晶分子の長軸方向に偏光した光が液晶層に
斜め入射した場合、 ｎ₁ ＝ｎ₂ ≦ｎ_L1（＝ｎ_o ）＜ｎ_L2（＝ｎ_e ） より、θ₁ ＜θ₀ ＜θ₂ となる。

【００３６】したがって、本第１発明の液晶光学素子に
おいて、電界無印加状態で、出射側の第２界面（２）で
の液晶分子の長軸方向に偏光した光が収束しながら液晶
層に斜め入射した場合、凸レンズ機能が発揮される。一
方、本第１発明及び第２発明の液晶光学素子において、
電界無印加状態で、出射側の第２界面（２）での液晶分
子の長軸方向に偏光した光が拡がりながら液晶層に斜め
入射した場合、凹レンズ機能が発揮される。

【００３７】なお、液晶層の厚さが厚くなって、該液晶
層が旋光性を示すようになると、入射光の偏光面の回転
により、第２界面（２）での液晶分子の見掛けの屈折
率：ｎ _L2が第１界面（１）での液晶分子の見掛けの屈折
率：ｎ_L1と同じになり、したがってこの作用原理にも従
わなくなって偏向機能が失われる。（Ｂ）液晶層の液晶
分子の配向方向が多少変化する程度に電界を印加した状
態では、一方の透明基板１に平行に配向していた液晶分
子が徐々に立ち上がる。このとき、第１界面（１）での
液晶分子が透明基板１の表面、つまり第１界面（１）の
法線に対して角度αで傾いたとすると、第１界面（１）
での液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L1は、次式（ｅ）で計
算される。

【００３８】 ｎ_L1＝（ｎ_e −ｎ_o ）ｓｉｎα＋ｎ₀ …（ｅ） また、第１界面（１）での屈折角θ₁ は、スネルの法則
に従って、上記式（ｂ）で計算される。次に、他方の透
明基板２側の液晶分子は、電界無印加時と配向状態が変
化しないので、上記第２界面（２）での液晶分子の見掛
けの屈折率ｎ_L2、及び第２界面（２）での屈折角θ
₂ は、上記（Ａ）電界無印加状態の場合と同様に、それ
ぞれ上記式（ｃ）及び（ｄ）で計算される。

【００３９】したがって、上記（Ａ）電界無印加状態と
同様に、液晶層に入射角θ₀ をもって斜め入射した光
は、液晶層から出射角θ₂ をもって出射することとな
る。そして、上記式（ｂ）及び（ｄ）において、ｎ₁ ＝
ｎ₂ 、かつ、ｎ_L1≠ｎ_L2より、θ ₀ ≠θ₂ となる。した
がって、この場合もΔθ（（θ₂ −θ₀ ）の絶対値）の
偏向角をもって偏向される。ただし、上記（Ａ）電界無
印加状態と比較して、偏向角Δθは小さくなる。

【００４０】（Ｃ）液晶層の液晶分子の配向が完全に変
化しきるまで十分に電界を印加した状態では、液晶層内
の液晶分子は全て透明基板１、２に対して垂直に立つの
で、第１界面（１）での液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L1
と、第２界面（２）での液晶分子の見掛けの屈折率ｎ_L2
は、 ｎ_L1＝ｎ_L2＝（ｎ_e −ｎ_o ）ｓｉｎθ₁ ＋ｎ₀ …（ｇ） となり、等しくなる。このため、上記式（ｂ）及び
（ｄ）より、θ₀ ＝θ₂ となり、偏向しなくなる。

【００４１】

【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。な
お、実施例１〜５及び実施例７〜１１は本第１発明に係
る実施例であり、実施例６及び実施例１２は本第２発明
に係る実施例である。また、実施例１〜５に係る液晶光
学素子は、入射側の透明基板に凸状のシリンドリカルレ
ンズ基板を用いたものであり、実施例７〜１１に係る液
晶光学素子は入射側の透明基板に凸状の球面レンズ基板
を用いたものである。

【００４２】（実施例１）図１、図２に示す本実施例１
の液晶光学素子は、対向配設された一対の透明基板とし
てのシリンドリカルレンズ基板１、平板ガラス基板２
と、両基板１、２の間に挟持された液晶層３と、入射側
のシリンドリカルレンズ基板１の円筒面に対して垂直に
平行光たる入射光Ｌ_INを入射させる入射手段（図示せ
ず）と、出射側の平板ガラス基板２に並設された偏光板
４とから主に構成されている。

【００４３】入射側の透明基板としてのシリンドリカル
レンズ基板１は、ソーダライムガラスからなり、凸状の
円筒面１ａをもつシリンドリカルレンズから形成されて
いる。また出射側の透明基板としての平板ガラス基板２
は、ソーダライムガラスからなる平板状のガラス基板か
ら形成されている。このシリンドリカルレンズ基板１の
屈折率：ｎ₁ 、及び平板ガラス基板２の屈折率：ｎ
₂ は、ｎ₁ ＝ｎ₂ ＝１．５３０である。また、シリンド
リカルレンズ基板１は、焦点距離５５ｍｍのものであ
る。

【００４４】両基板１、２の互いに対向する内表面に
は、それぞれＩＴＯ膜（１００Ω／□、膜厚３００Å）
よりなる透明導電膜５、６が形成されている。この透明
導電膜５、６には、それぞれリード線（図示せず）が接
続されて用いられる。そして、入射側のシリンドリカル
レンズ基板１の表面に形成された透明導電膜５の表面に
は、さらにポリイミド（「ＳＰ９１０」東レ（株）製）
からなり厚さ約１０００Åの平行配向処理膜７が形成さ
れている。また出射側の平板ガラス基板２の表面に形成
された透明導電膜６の表面にも、同じくポリイミド
（「ＳＰ９１０」東レ（株）製）からなり厚さ約１００
０Åの平行配向処理膜８が形成されている。なお、シリ
ンドリカルレンズ基板１側に形成された平行配向処理膜
７は、液晶層３の液晶分子がシリンドリカルレンズ基板
１側で該基板１に垂直で該基板１の円筒面の軸芯を含む
平面を中心として対称に配向するように、図１の紙面と
垂直方向に配向処理されている。また、平板状ガラス基
板２側に形成された平行配向処理膜８は、シリンドリカ
ルレンズ基板１側の平行配向処理膜７の配向方向と垂直
な方向に配向処理されている。

【００４５】平板ガラス基板１、２間のギャップは０．
５μｍに設定され、したがって液晶層３の厚さｄは０．
５μｍに設定されている。なお本実施例では、図示しな
い入射手段からの入射光としてＨｅ−Ｎｅレーザ光（波
長：λ＝６３２ｎｍ）を用いており、したがって入射光
の波長λに対する液晶層３の厚さの比：ｄ／λは、ｄ／
λ＝０．７９である。なお、レーザ発振器から照射され
たレーザ光をコリメータレンズを通過させて入射光とし
ての平行光を得ている。

【００４６】両基板１、２の周縁部はエポキシ系接着剤
よりなるシール剤９で封止され、両基板１、２の間には
密閉空間が形成されている。そして密閉空間内には、誘
電異方性が正のネマティック液晶が封入されて、液晶層
３を形成している。なお、この液晶分子の異常光に対す
る屈折率：ｎ_e は、ｎ_e ＝１．７２０であり、液晶分子
の常光に対する屈折率：ｎ_o は、ｎ_o ＝１．５３０であ
る。

【００４７】出射側の平板ガラス基板２に並設された偏
光板４の偏光方向は、入射側のシリンドリカルレンズ基
板１側に形成された平行配向処理膜７の配向方向（図１
の紙面と垂直方向）と同一であり、したがってシリンド
リカルレンズ基板１側の液晶分子の長軸方向と同一方向
とされている。本実施例の液晶光学素子は上記したよう
に液晶層３の厚さｄが０．５μｍとされ、入射光の波長
λに対する液晶層３の厚さｔの比：ｄ／λが０．７９と
されているので、該液晶層３は旋光性を示さない。ま
た、液晶層３の液晶分子の配向状態が、上記したように
一方の平板ガラス基板１側で平行配向とされ、他方の平
板ガラス基板２側で垂直配向とされている。したがっ
て、本実施例の液晶光学素子においては、液晶層３への
電界の印加状態を変化させて液晶層３の液晶分子の配向
状態を変化させることにより、シリンドリカルレンズ基
板１を介して該液晶層３に斜め入射した入射光を前述の
作用原理に従って該液晶層３で偏向させたり、またその
偏向角を零から所定の角度まで変化させたりすることが
でき、これにより焦点距離可変のレンズとして機能す
る。

【００４８】具体的には、図示しない入射手段から一方
のシリンドリカルレンズ基板１のレンズ中心から２０ｍ
ｍ離れた位置に入射した入射光が、シリンドリカルレン
ズ基板１と液晶層３との第１界面（１）に入射角θ₀ ＝
２０°で入射した場合について、以下計算する。一対の
透明導電膜５、６に電圧を印加していない状態では、前
述した本発明の作用原理（イ）の場合における（Ａ）電
圧無印加状態に相当するので、第１界面（１）での液晶
分子の見掛けの屈折率は前記式（ａ）、及びｎ_e ＝１．
７２０より ｎ_L1＝ｎ_e ＝１．７２０ となる。また、この第１界面（１）での屈折角θ₁ は、
前記式（ｂ）、ｎ₁ ＝１．５３０、及びθ₀ ＝２０°よ
り、 ｎ₁ ｓｉｎθ₀ ＝ｎ_L1ｓｉｎθ₁ １．５３０ｓｉｎ２０°＝１．７２０ｓｉｎθ₁ となり、これより、 θ₁ ＝１７．７° となる。また、液晶層３と他方の平板ガラス基板２との
第２界面（２）での液晶分子の見掛けの屈折率は、前記
式（ｃ）、及びｎ_o ＝１．５３０より、 ｎ_L2＝ｎ_o ＝１．５３０ となる。また、この第２界面（２）での屈折率θ₂ は、
前記式（ｄ）、及びｎ₂＝１．５３０より、 ｎ_L2ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₂ ｓｉｎθ₂ １．５３０ｓｉｎ１７．７°＝１．５３０ｓｉｎθ₂ となり、これより、 θ₂ ＝１７．７° となる。したがって、液晶層３に入射角θ₀ ＝２０°で
入射した入射光は、液晶層３を出射角θ₂ ＝１７．７°
で出射することとなり、液晶層３における偏向角Δθ
は、 Δθ＝（θ₀ −θ₂ の絶対値）＝２．３° となる。つまり、液晶層３は、該液晶層３の入射側の第
１界面（１）における液晶分子の長軸方向に偏光し、該
液晶層３に斜め入射した入射光に対して、凹レンズ機能
を発揮する。

【００４９】そして、さらに平板ガラス基板２を伝播し
た光は、平板ガラス基板２と空気との界面で屈折して大
気に出射する。この界面においてもスネルの法則に従っ
て屈折するので、平板ガラス基板２からの出射角をθ₃
とし、大気の屈折率を１とすると、 ｎ₂ ｓｉｎθ₂ ＝１・ｓｉｎθ₃ …（ｈ） １．５３０ｓｉｎ１７．７°＝１・ｓｉｎθ₃ となり、これより、 θ₃ ＝２７．７° となる。したがって、電圧無印加時の焦点距離ｆ
_OFF は、 ｆ_OFF ＝（２０ｍｍ）／ｔａｎθ₃ ＝３８．１ｍｍ と計算される。

【００５０】次に、透明導電膜５、６にしきい値より十
分に大きな電圧を印加した場合は、液晶層３の液晶分子
が全てシリンドリカルレンズ基板１、平板ガラス基板２
間で、該基板１、２の表面に対して垂直に配向するの
で、第１界面での液晶分子の見掛けの屈折率と第２界面
（２）での液晶分子の見掛けの屈折率とは同じとなり、
液晶層３により屈折角変化は生じないので、液晶層３へ
の入射角θ₀ と液晶層３からの出射角θ₂ とは等しく、 θ₀ ＝θ₂ ＝２０° となり、偏向角Δθ＝０°となる。そして、さらに平板
ガラス基板２を伝播した光が、平板ガラス基板２と空気
との界面で屈折して大気に出射する際の出射角θ ₃ は、 ｎ₂ ｓｉｎθ₂ ＝１・ｓｉｎθ₃ １．５３０ｓｉｎ２０°＝１・ｓｉｎθ₃ となり、これより、 θ₃ ＝３１．６° となる。したがって、電圧印加時の焦点距離ｆ_ONは、 ｆ_ON＝（２０ｍｍ）／ｔａｎθ₃ ＝３２．５ｍｍ と計算される。

【００５１】したがって、本実施例１の液晶光学素子
は、電圧のＯＮ／ＯＦＦの切り換えにより、液晶層３で
２．４度偏向させることができ、これにより焦点距離を
ｆ_OFF〜ｆ_ON、つまり３８．１〜３２．５ｍｍまで変化
させることができる。なお、上記実施例１で、出射側の
平板ガラス基板２に並設された偏光板４の偏光方向を、
出射側の平板ガラス基板２側に形成された平行配向処理
膜８の配向方向（図１の紙面と平行方向）、つまり平板
ガラス基板２側の液晶分子の長軸方向と同一方向とする
ことも可能で、この場合は、液晶層３が凸レンズ機能を
発揮する。

【００５２】また、上記実施例１で、凸状のシリンドリ
カルレンズ基板１の代わりに凹状のシリンドリカルレン
ズ基板を用いることも可能で、この場合は、液晶層３に
おける凸レンズ機能及び凹レンズ機能の凹凸が逆とな
り、また照射角可変の機能を発揮する。 （旋光性の評価）上記実施例１の液晶光学素子につい
て、液晶層３の厚さｄと旋光性との関係を調べた。これ
は、本実施例１の液晶光学素子の入射光側にも偏光板４
と同一方向の偏光方向をもつ偏光板を配置し、出射光の
明るさをホトマルにより測定して行った。液晶光学素子
の入射側に配置した偏光板の偏光方向を出射側の偏光板
４と同一方向にしたので、液晶層３に旋光性があれば、
電圧ＯＮ時に暗くなる。このため、電圧ＯＮ時の明るさ
（透過率）をｔ_ONとし、電圧ＯＦＦ時の明るさ（透過
率）をｔ_OFF とし、これらより計算した透過率（％）Ｔ
（Ｔ＝ｔ_ON／ｔ_OFF ）が、液晶層３の厚さｄを種々変更
することによりどのように変化するかを調べた。その結
果を図３に示す。なお、図３の横軸は、入射光の波長：
λ（＝６３２ｎｍ）に対する液晶層３の厚さ：ｄの比、
つまりｄ／λとした。

【００５３】この結果から、液晶層３の厚さｄ（液晶層
３の厚さ）／（波長）の値が１．０以下、好ましくは
０．８以下であれば、液晶層３が旋光性を示さないこと
がわかる。 （実施例２）図４、図５に示す本実施例２の液晶光学素
子は、上記実施例１の液晶光学素子において、シリンド
リカルレンズ基板１側の平行配向処理膜７の配向方向を
図４の紙面と平行方向とし、平板ガラス基板２側の平行
配向処理膜８の配向方向を上記平行配向処理膜７の配向
方向と垂直な方向、つまり図４の紙面と垂直方向にし、
かつ、偏光板４の偏光方向を入射側のシリンドリカルレ
ンズ基板１側に形成された平行配向処理膜７の配向方向
（図１の紙面と平行方向）と同一にしたもので、それ以
外の構成は基本的には上記実施例１と同様である。な
お、平行配向処理膜７は、シリンドリカルレンズ基板１
の円筒面１ａの中心軸芯から両外側（図４の上側及び下
側）に向かって図４の紙面と平行方向にラビング処理し
たものである。これは、一方向にラビング処理した場
合、ラビングした方向に向かって表面から液晶分子が微
小角度起き上がる（プレティルト）傾向があることを考
慮して、上記円筒面１ａの中心軸芯を中心として液晶分
子がより厳密に対称に配向するようにしたものである。

【００５４】本実施例２の液晶光学素子も、上記実施例
１と同様の作用、効果を奏する。 （実施例３）図６、図７に示す本実施例３の液晶光学素
子は、上記実施例１の液晶光学素子において、平板ガラ
ス基板２側の配向処理膜８としてを平行配向処理膜の代
わりに垂直配向処理膜とすること以外は前記実施例１と
同様の構成を有する。

【００５５】本実施例３の液晶光学素子においても、液
晶層３への電界の印加状態を変化させることにより、液
晶層３の液晶分子の配向状態を変化させ、これにより、
前述の作用原理に従って該液晶層３に斜め入射した入射
光を偏向させたり、またその偏向角を零から所定の角度
まで変化させたりすることができる。

【００５６】具体的には、図示しない入射手段から一方
のシリンドリカルレンズ基板１のレンズ中心から２０ｍ
ｍ離れた位置に入射した入射光が、シリンドリカルレン
ズ基板１と液晶層３との第１界面（１）に入射角θ₀ ＝
２０°で入射した場合について、以下計算する。一対の
透明導電膜５、６に電圧を印加していない状態では、前
述した本発明の作用原理（ロ）の場合における（Ａ）電
圧無印加状態に相当するので、第１界面（１）での液晶
分子の見掛けの屈折率は前記式（ａ）、及びｎ_e ＝１．
７２０より ｎ_L1＝ｎ_e ＝１．７２０ となる。また、この第１界面（１）での屈折角θ₁ は、
前記式（ｂ）より、 ｎ₁ ｓｉｎθ₀ ＝ｎ_L1ｓｉｎθ₁ １．５３０ｓｉｎ２０°＝１．７２０ｓｉｎθ₁ となり、これより、 θ₁ ＝１７．７° となる。また、液晶層３と他方の平板ガラス基板２との
第２界面（２）での液晶分子の見掛けの屈折率は、前記
式（ｃ’）より、 ｎ_L2＝（ｎ_e −ｎ_o ）ｓｉｎθ₁ ＋ｎ_o ＝（１．７２０−１．５３０）ｓｉｎ１７．７°＋１．５３０ ＝１．５９ となる。また、この第２界面（２）での屈折率θ₂ は、
前記式（ｄ）より、 ｎ_L2ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₂ ｓｉｎθ₂ １．５９ｓｉｎ１７．７°＝１．５３０ｓｉｎθ₂ となり、これより、 θ₂ ＝１８．４° となる。したがって、液晶層３に入射角θ₀ ＝２０°で
入射した入射光は、液晶層３を出射角θ₂ ＝１８．４°
で出射することとなり、液晶層３における偏向角Δθ
は、 Δθ＝（θ₀ −θ₂ の絶対値）＝１．６° となる。つまり、液晶層３は、該液晶層３の入射側の第
１界面（１）における液晶分子の長軸方向に偏光し、該
液晶層３に斜め入射した入射光に対して、凹レンズ機能
を発揮する。

【００５７】そして、さらに平板ガラス基板２を伝播し
た光は、平板ガラス基板２と空気との界面で屈折して大
気に出射する。この界面においてもスネルの法則に従っ
て屈折するので、平板ガラス基板２からの出射角をθ₃
とし、大気の屈折率を１とすると、 ｎ₂ ｓｉｎθ₂ ＝１・ｓｉｎθ₃ １．５３０ｓｉｎ１８．４°＝１・ｓｉｎθ₃ となり、これより、 θ₃ ＝２８．９° となる。したがって、電圧無印加時の焦点距離ｆ
_OFF は、 ｆ_OFF ＝（２０ｍｍ）／ｔａｎθ₃ ＝３６．２ｍｍ と計算される。

【００５８】次に、透明導電膜５、６に十分な電圧を印
加した場合は、液晶層３の液晶分子が全てシリンドリカ
ルレンズ基板１、平板ガラス基板２間で、該基板１、２
の内表面に対して垂直に配向するので、第１界面での液
晶分子の見掛けの屈折率と第２界面（２）での液晶分子
の見掛けの屈折率とは同じとなり、液晶層３による屈折
角変化は生じないので、 θ₀ ＝θ₂ ＝２０° となり、偏向角Δθ＝０°となる。そして、さらに平板
ガラス基板２を伝播した光は、平板ガラス基板２と空気
との界面で屈折して大気に出射する際の出射角をθ
₃ は、 ｎ₂ ｓｉｎθ₂ ＝１・ｓｉｎθ₃ １．５３０ｓｉｎ２０°＝１・ｓｉｎθ₃ となり、これより、 θ₃ ＝３１．６° となる。したがって、電圧印加時の焦点距離ｆ_ONは、 ｆ_ON＝（２０ｍｍ）／ｔａｎθ₃ ＝３２．５ｍｍ と計算される。

【００５９】したがって、本実施例３の液晶光学素子
は、電圧のＯＮ／ＯＦＦの切り換えにより、液晶層３で
１．６度偏向させることができ、これにより焦点距離を
ｆ_OFF〜ｆ_ON、つまり３６．２〜３２．５ｍｍまで変化
させることができる。なお、上記実施例３で、入射側の
シリンドリカルレンズ基板１に垂直配向処理膜を形成
し、出射側の平板ガラス基板２に平行配向処理膜（図６
の紙面と垂直方向、つまり偏光板４の偏光方向と同一方
向）を形成することもでき、この場合は、液晶層３が凸
レンズ機能を発揮する。

【００６０】また、上記実施例３で、凸状のシリンドリ
カルレンズ基板１の代わりに凹状のシリンドリカルレン
ズ基板を用いることも可能で、この場合は、液晶層３に
おける凸レンズ機能及び凹レンズ機能の凹凸が逆とな
り、また照射角可変の機能を発揮する。 （実施例４）図８、図９に示す本実施例４の液晶光学素
子は、前記実施例３の液晶光学素子において、シリンド
リカルレンズ基板１側の平行配向処理膜７の配向方向を
図８の紙面と平行方向とし、偏光板４の偏光方向を入射
側のシリンドリカルレンズ基板１側に形成された平行配
向処理膜７の配向方向（図１の紙面と平行方向）と同一
にしたもので、それ以外の構成は基本的には上記実施例
１と同様である。なお、平行配向処理膜７は、前記実施
例２と同様に、シリンドリカルレンズ基板１の円筒面１
ａの中心軸芯から両外側（図８の上側及び下側）に向か
って図４の紙面と平行方向にラビング処理したものであ
る。

【００６１】本実施例４の液晶光学素子も、前記実施例
３と同様の作用、効果を奏する。 （焦点距離収差の計算）前記実施例１の液晶光学素子に
おいては、厳密にはレンズ中心からの距離に応じた焦点
距離の収差を生ずる。この焦点距離収差を低減する方法
を以下に示す。電圧印加時、シリンドリカルレンズ基板
１のレンズ中心から１０ｍｍ離れた位置に平行光が入射
した場合の焦点距離ｆ_ON（１０ｍｍ）と、レンズ中心か
ら２０ｍｍ離れた位置に平行光が入射した場合の焦点距
離ｆ_ON（２０ｍｍ）とが同じになれば、電圧印加時にお
ける焦点距離収差を無くすことができる。このため、ま
ず、レンズ中心から１０ｍｍ離れた位置に入射した光が
シリンドリカルレンズ基板１と液晶層３との第１界面
（１）に何度の入射角θ₀ で入射すれば、上記ｆ_ON（１
０ｍｍ）とｆ_ON（２０ｍｍ）とが同じになるかを計算す
る。ｆ_ON（２０ｍｍ）は前記したように３２．５ｍｍで
あり、平板ガラス基板２からの出射角がθ₃なので、 ｆ_ON＝（１０ｍｍ）／ｔａｎθ₃ ＝３２．５ｍｍ より、 θ₃ ＝１７．１° となり、これを前記式（ｈ）に代入すれば、 ｎ₂ ｓｉｎθ₂ ＝１・ｓｉｎθ₃ １．５３０ｓｉｎθ₂ ＝１・ｓｉｎ１７．１° より、 θ₂ ＝１１．１° となる。これを前記式（ｄ）に代入すれば、 ｎ_L2ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₂ ｓｉｎθ₂ １．５３０ｓｉｎθ₁ ＝１．５３０ｓｉｎ１１．１° より、 θ₁ ＝１１．１° となる。これを前記式（ｂ）に代入すれば、 ｎ₁ ｓｉｎθ₀ ＝ｎ_L1ｓｉｎθ₁ １．５３０ｓｉｎθ₀ ＝１．５３０ｓｉｎ１１．１° より、 θ₀ ＝１１．１° となり、したがってレンズ中心から１０ｍｍ離れた位置
に入射した光がシリンドリカルレンズ基板１と液晶層３
との第１界面（１）に入射角θ₀ ＝１１．１°で入射す
れば、上記ｆ_ON（１０ｍｍ）とｆ_ON（２０ｍｍ）とが同
じになることがわかり、このような値を満足するように
レンズ形状を設計すれば、電圧印加時のレンズ中心から
１０ｍｍの位置と２０ｍｍの位置とにおける焦点距離収
差を無くすことができる。

【００６２】そして、この場合の電圧無印加時の焦点距
離については、以下のように計算される。θ₀ ＝１１．
１°、ｎ₁ ＝１．５３０、ｎ_L1＝ｎ_e ＝１．７２０を前
記式（ｂ）に代入すれば、 ｎ₁ ｓｉｎθ₀ ＝ｎ_L1ｓｉｎθ₁ １．５３０ｓｉｎ１１．１°＝１．７２０ｓｉｎθ₁ より、 θ₁ ＝９．９° となる。これを前記式（ｄ）に代入すれば、ｎ_L2＝ｎ_o
＝１．５３０より、 ｎ_L2ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₂ ｓｉｎθ₂ １．５３０ｓｉｎ９．９°＝１．５３０ｓｉｎθ₂ より、 θ₂ ＝９．９° となり、これを前記式（ｈ）に代入すれば、 ｎ₂ ｓｉｎθ₂ ＝１・ｓｉｎθ₃ １．５３０ｓｉｎ９．９°＝１・ｓｉｎθ₃ より、 θ₃ ＝１５．３° となる。したがって、電圧無印加時の焦点距離ｆ
_OFF は、 ｆ_OFF ＝（１０ｍｍ）／ｔａｎθ₃ ＝３６．６ｍｍ と計算される。これにより、電圧無印加時、レンズ中心
から１０ｍｍの位置と２０ｍｍの位置との間において
は、前述したようにｆ_OFF （２０ｍｍ）＝３８．１ｍｍ
より、 ｆ_OFF （２０ｍｍ）−ｆ_OFF （１０ｍｍ） ＝３８．１−３６．６＝１．５ｍｍ の焦点距離収差が発生していることがわかる。

【００６３】そして、この電圧無印加時の焦点距離収差
は、電圧を部分的に印加して、レンズ中心部から周辺部
に向かって徐々に電圧印加量を変化させることにより低
減又は無くすことができる。これを具体化した実施例を
以下に示す。 （実施例５）図１０、図１１に示す本実施例５の液晶光
学素子は、前記実施例４の液晶光学素子において、シリ
ンドリカルレンズ基板１側の透明導電膜５がレンズ中心
軸に対して対称となるように分割して形成されている。
つまり、透明導電膜５は、レンズ中心軸上に平行に延び
る中央導電膜５ａと、この中央導電膜５ａの両外側（図
１０の上側及び下側）に間隔をおいて平行に形成された
中間導電膜５ｂ、５ｂと、各中間導電膜５ｂ、５ｂのそ
れぞれの外側に間隔をおいて平行に形成された周縁導電
膜５ｃ、５ｃとから構成されている。また、中央導電膜
５ａと、中間導電膜５ｂ、５ｂと、周縁導電膜５ｃ、５
ｃとにはそれぞれ別の電圧を印加できるようにされてい
る。

【００６４】そして、シリンドリカルレンズ基板１の形
状は、電圧印加時に、レンズ中心から１０ｍｍ離れた位
置に入射した光がシリンドリカルレンズ基板１と液晶層
３との第１界面（１）にθ₀ ＝１１．１°の入射角で入
射して、上記ｆ_ON（１０ｍｍ）とｆ_ON（２０ｍｍ）とが
同じとなり、電圧印加時のレンズ中心から１０ｍｍの位
置と２０ｍｍの位置とにおける焦点距離収差を無くすこ
とができるように、設計されている。具体的には、シリ
ンドリカルレンズ基板１として、非球面形状を有するも
のを用いた。

【００６５】本実施例５の液晶光学素子は、このように
電圧印加時における焦点距離収差を低減、又は無くすこ
とができる。また電圧無印加時においては、前述したよ
うにレンズ中心から１０ｍｍの位置における焦点距離ｆ
_OFF （１０ｍｍ）と２０ｍｍの位置における焦点距離ｆ
_OFF （２０ｍｍ）との間に１．５ｍｍの収差が発生して
いる。しかし、本実施例５の液晶光学素子では、シリン
ドリカルレンズ基板１側に形成された透明導電膜５がパ
ターニングされており、それぞれ別の電圧を印加できる
ようにされている。このため、中央導電膜５ａよりも中
間導電膜５ｂ、５ｂに若干強い電圧を印加し、かつ、中
間導電膜５ｂ、５ｂよりも周縁導電膜５ｃ、５ｃに若干
強い電圧を印加することにより、液晶分子の配向状態
（角度）を制御して、電圧無印加時の上記焦点距離収差
を低減、又は無くすことが可能となる。

【００６６】なお、上記したように、シリンドリカルレ
ンズ基板１と液晶層３との間の第１界面（１）に入射光
が入射する際の入射角θ₀ と、液晶層３の液晶分子の配
向状態（角度）とをうまく制御することにより焦点距離
収差を低減又は無くすことができる。上記実施例５で
は、まず電圧印加時における焦点距離収差を低減又は無
くすことができるように、レンズ形状を調整することに
より上記第１界面（１）への入射光の入射角θ₀ を調整
し、電圧無印加時における焦点距離収差については、液
晶層３に部分的に異なる電圧を印加して液晶分子の配向
状態を制御することにより該収差を低減又は無くす方法
を示した。一方、まず電圧無印加時における焦点距離収
差を低減又は無くすことができるように、シリンドリカ
ルレンズ基板１のレンズ形状を調整することにより上記
第１界面（１）への入射光の入射角θ₀ を調整し、電圧
印加時における焦点距離収差については液晶層３に部分
的に異なる電圧を印加して液晶分子の配向状態を制御す
ることにより該収差を低減又は無くす方法も採用するこ
とができる。

【００６７】（実施例６）図１２、図１３に示す本実施
例６の液晶光学素子は、前記実施例１の液晶光学素子に
おいて、シリンドリカルレンズ基板１の代わりに平板ガ
ラス基板１’を用い、入射側の平板ガラス基板１’の配
向処理膜７を垂直配向処理膜とし、かつ、偏光板４の偏
光方向を出射側の平板ガラス基板２に形成された平行配
向処理膜８の配向方向（図１の紙面と平行方向）と同一
にしたものである。また、入射側の平板ガラス基板１’
の側近位置には、発散光を放射する光源（半導体レー
ザ、波長λ：７８０ｍｍ）Ｐが設置されている。

【００６８】本実施例６の液晶光学素子は、液晶層３の
厚さｄが０．５μｍとされ、入射光の波長λに対する液
晶層３の厚さｔの比：ｄ／λが０．６４とされているの
で、該液晶層３は旋光性を示さない。また、液晶層３の
液晶分子の配向状態が、上記したように一方の平板ガラ
ス基板１側で垂直配向とされ、他方の平板ガラス基板２
側で平行配向とされている。したがって、本実施例６の
液晶光学素子においては、液晶層３への電界の印加状態
を変化させて液晶層３の液晶分子の配向状態を変化させ
ることにより、発散光を放射する光源Ｐから該液晶層３
に斜め入射した入射光を前述の作用原理（ロ）に従って
該液晶層３で偏向させたり、またその偏向角を零から所
定の角度まで変化させたりすることができ、これにより
照射角可変の光学素子として機能する。

【００６９】つまり、光源Ｐから同心円状に拡がって放
射された発散光としての入射光Ｌ_INは、平板ガラス基板
１’を通過して、平板ガラス基板１’と液晶層３との間
の第１界面（１）に所定の入射角θ₀ で斜め入射する。
このため、透明導電膜５、６に電圧を印加していない状
態では、前述の作用原理（ロ）の場合における（Ａ）の
欄に説明したように、液晶層３で所定の偏向機能が発揮
される。本実施例では、偏光板４が出射側の液晶分子の
配向方向と同一方向、つまり図１２の紙面と平行方向に
偏光した光のみを通過させるので、該方向に偏光した光
に対して、液晶層３が凹レンズ機能を発揮する。このた
め、平板ガラス基板１’、２と大気との界面における屈
折を無視すれば、本実施例６の液晶光学素子は、電圧無
印加状態で、拡がりながら入射した入射光をさらに外側
に拡がるように曲げて出射させることができる。出射光
Ｌ_OUT は内側に所定角度曲げられて出射する。また、透
明導電膜５、６に十分な電圧を印加した状態では、前述
の作用原理（ロ）の場合における（Ｃ）の欄に説明した
ように、液晶層３による偏向機能は無くなるので、出射
光Ｌ_OUT はそのまま出射する。

【００７０】したがって、本実施例６の液晶光学素子
は、電圧印加の制御により照射角を可変とすることがで
きる。なお、上記実施例６で、入射光側の平板ガラス基
板１’の配向処理膜７を平行配向処理膜とし、出射光側
の平板ガラス基板２の配向処理膜８を垂直配向処理膜と
し、かつ偏光板４の偏光方向を入射光側の平板ガラス基
板１’の配向方向と同一方向とする態様とすることも可
能で、この場合は、液晶層３が凸レンズ機能を発揮し、
拡がりながら入射した入射光を内側に曲げて出射させる
ことができる。

【００７１】（実施例７）図１４、図１５に示す本実施
例７の液晶光学素子は、前記実施例１の液晶光学素子に
おいて、シリンドリカルレンズ基板１の代わりに凸状の
球面レンズ基板１０を用い、入射側の球面レンズ基板１
０の配向処理膜７をレンズ中心と中心を同じにした放射
状の平行配向処理膜とし、出射側の平板ガラス基板２の
配向処理膜８をレンズ中心と中心を同じにした同心円状
の平行配向処理膜とし、かつ、偏光板４を入射側の配向
処理膜７と同様の放射状偏光板としたものである。その
他の基本的な構成は前記実施例１の液晶光学素子と同様
である。

【００７２】本実施例７の液晶光学素子も、液晶層３が
凹レンズ機能を発揮し、前記実施例１と同様の作用、効
果を奏する。なお、上記実施例７で、凸状の球面レンズ
基板１０の代わりに凹状の球面れんズ基板を用いること
も可能で、この場合は、液晶層３における凸レンズ機能
及び凹レンズ機能の凹凸が逆となり、また照射角可変の
機能を発揮する。

【００７３】（実施例８）図１６、図１７に示す本実施
例８の液晶光学素子は、前記実施例７の液晶光学素子に
おいて、入射側の球面レンズ基板１０の配向処理膜７を
レンズ中心と中心を同じにした同心円状の平行配向処理
膜とし、出射側の平板ガラス基板２の配向処理膜８をレ
ンズ中心と中心を同じにした放射円状の平行配向処理膜
としたものである。なお、偏光板４は放射状偏光板をそ
のまま用いた。

【００７４】本実施例８の液晶光学素子の作用、効果
は、液晶層３が凸レンズ機能を発揮すること以外は上記
実施例７と同様である。 （実施例９）図１８、図１９に示す本実施例９の液晶光
学素子は、前記実施例７の液晶光学素子において、出射
側の平板ガラス基板２の配向処理膜８を球面レンズ基板
１０のレンズ中心と中心を同じにした同心円状の垂直配
向処理膜としたもので、それ以外の構成は基本的には前
記実施例７と同様である。

【００７５】本実施例９の液晶光学素子も、液晶層３が
凹レンズ機能を発揮し、前記実施例７と同様の作用、効
果を奏する。 （実施例１０）図２０、図２１に示す本実施例１０の液
晶光学素子は、前記実施例７の液晶光学素子において、
入射側の球面レンズ基板１０の配向処理膜７をレンズ中
心と中心を同じにした同心円状の平行配向処理膜とし、
出射側の平板ガラス基板２の配向処理膜８を球面レンズ
基板１０のレンズ中心と中心を同じにした同心円状の垂
直配向処理膜とし、かつ、偏光板４を入射側の配向処理
膜７と同様の同心円状偏光板としたもので、それ以外の
構成は基本的には前記実施例７と同様である。

【００７６】本実施例１０の液晶光学素子も、液晶層３
が凹レンズ機能を発揮し、前記実施例７と同様の作用、
効果を奏する。 （実施例１１）図２２、図２３に示す本実施例１１の液
晶光学素子は、前記実施例９の液晶光学素子において、
球面レンズ基板１０側の透明導電膜５がレンズ中心と中
心を同じにした同心円状に分割して形成されている。つ
まり、透明導電膜５は、レンズ中心軸上に配置された中
央導電膜５ａと、この中央導電膜５ａの外側に間隔をお
いて同心円状に形成された中間導電膜５ｂと、中間導電
膜５ｂの外側に間隔をおいて同心円状に形成された周縁
導電膜５ｃとから構成されている。なお、中央導電膜５
ａ、中間導電膜及び周縁導電膜５ｃは連結導電膜５ｄに
より連結されている。また、中央導電膜５ａと、中間導
電膜５ｂと、周縁導電膜５ｃとにはそれぞれ別の電圧を
印加できるようにされている。

【００７７】本実施例１１の液晶光学素子は、前記実施
例５の液晶光学素子と同様に、焦点距離収差を低減、又
は無くすことができる。 （実施例１２）図２４、図２５に示す本実施例１２の液
晶光学素子は、前記実施例８の液晶光学素子において、
球面レンズ基板１０の代わりに平板ガラス基板１’を用
い、入射側の平板ガラス基板１’の配向処理膜７を同心
円状の垂直配向処理膜としたものである。また、入射側
の平板ガラス基板１’の側近位置には、発散光を放射す
る前記実施例６と同様の光源Ｐが設置されている。

【００７８】本実施例１２の液晶光学素子は、前記実施
例６の液晶光学素子と同様に、電圧印加の制御により照
射角を可変とすることができる。なお、前述の実施例で
は、液晶層３に誘電異方性が正の液晶を用いる例につい
て示したが、誘電異方性が負の液晶を用いることもでき
る。また、前述の実施例では、液晶層３に電界を印加す
ることにより、偏向機能を変化させる例について示した
が、磁界の印加によっても同様に偏向機能を変化させる
ことが可能である。

【００７９】

【発明の効果】以上詳述したように、本第１発明及び第
２発明の液晶光学素子は、液晶層が均一厚さとされてい
るため、電界又は磁界の印加による液晶分子の配向状態
を均一に制御することができ、入射光の散乱の問題を解
消することが可能である。そして、電界又は磁界の無印
加状態で、所定方向に偏光し、収束又は拡がりながら液
晶層に斜め入射する入射光に対して凹レンズ機能又は凸
レンズ機能を発しする。また電界又は磁界の印加量に応
じて液晶層の液晶分子の配向状態を確実に制御すること
により、上記凹レンズ機能又は凸レンズ機能を増減させ
たり、又は無くしたりすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態を示
す断面図である。

【図２】実施例１の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を示す
断面図である。

【図３】実施例１の液晶光学素子について、液晶層の厚
さと旋光性との関係を示すグラフである。

【図４】実施例２の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態を示
す断面図である。

【図５】実施例２の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を示す
断面図である。

【図６】実施例３の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態を示
す断面図である。

【図７】実施例３の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を示す
断面図である。

【図８】実施例４の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態を示
す断面図である。

【図９】実施例４の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を示す
断面図である。

【図１０】実施例５の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態を
示す断面図である。

【図１１】実施例５の液晶光学素子の透明導電膜を示す
平面図である。

【図１２】実施例６の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態を
示す断面図である。

【図１３】実施例６の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を示
す断面図である。

【図１４】実施例７の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態を
示す断面図である。

【図１５】実施例７の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を示
す断面図である。

【図１６】実施例８の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態を
示す断面図である。

【図１７】実施例８の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を示
す断面図である。

【図１８】実施例９の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態を
示す断面図である。

【図１９】実施例９の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を示
す断面図である。

【図２０】実施例１０の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態
を示す断面図である。

【図２１】実施例１０の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を
示す断面図である。

【図２２】実施例１１の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態
を示す断面図である。

【図２３】実施例１１の液晶光学素子の透明導電膜を示
す平面図である。

【図２４】実施例１２の液晶光学素子の電圧ＯＦＦ状態
を示す断面図である。

【図２５】実施例１２の液晶光学素子の電圧ＯＮ状態を
示す断面図である。

【図２６】本発明の液晶光学素子の液晶層の光学機能を
説明する図である。

【図２７】従来の液晶光学素子に係る断面図である。

【図２８】従来の液晶光学素子の要部を示す拡大断面図
である。

【符号の説明】

１、１’は平板ガラス基板、１０は球面レンズ基板、２
はシリンドリカルレンズ基板、３は液晶層である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向配設された一対の透明基板間に均一
   厚さの液晶層が挟持された液晶セルの少なくとも入射光
   側にレンズを備え、 前記一方の透明基板側では液晶分子が該基板表面に対し
   て平行な方向で、かつ、前記レンズの光学的対称性に対
   応して対称に配向され、前記他方の透明基板側では液晶
   分子が前記一方の透明基板側での液晶分子配向と異なる
   方向に配向されるとともに、 前記液晶層の厚さは該液晶層が旋光性を示さない範囲内
   に小さく設定されていることを特徴とする液晶光学素
   子。
2. 【請求項２】 対向配設された一対の透明基板間に均一
   厚さの液晶層が挟持された液晶セルの側近位置に、発散
   光を放射する光源が配置されてなり、 前記一方の透明基板側の液晶分子配向と前記他方の透明
   基板側の液晶分子配向とが異なる方向に配向されるとと
   もに、前記液晶層の厚さは該液晶層が旋光性を示さない
   範囲内に小さく設定されていることを特徴とする液晶光
   学素子。