專利名稱：液晶光學(xué)元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用作對入射光進(jìn)行梯度折射的梯度折射率透鏡的液晶光學(xué)元件及其制造方法，特別涉及可用作可變焦光學(xué)機(jī)構(gòu)中的可變焦用的梯度折射率透鏡的液晶光學(xué)元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
對于按照對液晶施加的電壓，可改變焦距的所謂液晶透鏡的要求越來越高。在用于歷來的數(shù)碼相機(jī)等中的自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)和倍率可變光學(xué)機(jī)構(gòu)中，使透鏡移動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)是必須的，因此需要相應(yīng)的空間和成本。對此，在液晶透鏡中不需要可動(dòng)部件，因此可提供占用空間小且低成本的自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)和倍率可變光學(xué)機(jī)構(gòu)。
例如，在2塊玻璃基板間配置液晶，將1塊玻璃基板磨削成透鏡狀，通過向液晶施加電壓，使液晶的有效折射率發(fā)生變化，利用玻璃和液晶的折射率差來改變焦距的液晶透鏡的技術(shù)已經(jīng)公知(例如，參考專利文獻(xiàn)1)。在這樣的將玻璃磨削成透鏡狀的液晶透鏡中，可使其具有理想的折射率分布。
但是，將玻璃基板磨削成透鏡狀費(fèi)手工和成本，不能提供便宜的、像差小的、高性能的、可改變焦距的液晶透鏡。
此外，已知在自動(dòng)調(diào)焦用透鏡機(jī)構(gòu)中，使用可變焦距的液晶透鏡可微小改變焦距(例如，參考專利文獻(xiàn)2)。
但是，在專利文獻(xiàn)2中，沒有顯示可變焦距的液晶透鏡的具體構(gòu)成，此外，可變焦距的液晶透鏡具有僅可微小改變焦距，不可變其他焦距的調(diào)焦透鏡及其移動(dòng)機(jī)構(gòu)。
此外，在2塊透明基板間，通過形成多個(gè)同心圓狀的電極圖案及對置電極配置液晶，在電極圖案上施加電壓，形成液晶菲涅耳波帶片，通過可變菲涅耳波帶片的圖案進(jìn)行空間調(diào)頻，改變焦距的液晶控制板的技術(shù)也已經(jīng)公知(例如，參考專利文獻(xiàn)3)。
但是，為了可變焦距，必須變更電極圖案本身，需要有根據(jù)狀況改變電極圖案本身的特別技術(shù)。即，專利文獻(xiàn)3中記載的液晶控制板不能構(gòu)成使用固定電極圖案作為可變焦用梯度折射率透鏡的液晶光學(xué)元件。
還有，在平行配置的2塊平面基板間，通過以等間隔間距多個(gè)形成的同心圓狀的電極及對置電極配置液晶，在各電極間配置電阻，通過用電阻分割驅(qū)動(dòng)向各電極施加所定電壓，改變電極和對置電極間的液晶的有效折射率，使用可變焦距的液晶的合焦裝置的技術(shù)也是公知的(例如，參照專利文獻(xiàn)4)。
圖17(a)表示專利文獻(xiàn)4中記載的電極圖案12。電極圖案12具有等間隔間距配置的同心圓狀的4個(gè)電極12-1～12-4。圖17(b)表示通過電阻分割驅(qū)動(dòng)方式，向電極圖案12的各電極施加等電勢差的電勢V1～V4。
圖18(a)表示圖17(b)中的施加電壓。圖18(b)表示在施加如圖18(a)中表示的電勢時(shí)，對應(yīng)各電極發(fā)生的有效折射率n1～n4。向電極圖案12的各電極12-1～12-4施加通過電阻分割驅(qū)動(dòng)而形成的等電勢差的電勢V1～V4時(shí)，就產(chǎn)生如圖18(b)所示的等階梯的階段性變化的有效折射率n1～n4。但是，為了得到如專利文獻(xiàn)4中圖15所示的理想的折射率分布(圖18(b)的1800)，必須如圖18(b)中箭頭表示的那樣分別單獨(dú)微調(diào)各同心電極12-1～12-4產(chǎn)生的有效折射率n1～n4。
這樣，為了在以等間隔間距配置的同心圓狀的電極圖案12中，形成與設(shè)計(jì)一樣的折射率梯度，電阻分割的設(shè)定和施加電壓的微調(diào)是非常困難的。并且，由于電阻分割驅(qū)動(dòng)不能細(xì)微的調(diào)整施加在各電極的電壓，因此，不能形成具有理想的折射率分布的液晶透鏡。
專利文獻(xiàn)1特開昭62-56918號(hào)公報(bào)(圖2)
專利文獻(xiàn)2特開昭62-36632號(hào)公報(bào)(第3頁、圖1)專利文獻(xiàn)3專利第2651148號(hào)公報(bào)(第1頁、圖1)專利文獻(xiàn)4專利第3047082號(hào)公報(bào)(第4頁、圖1、3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供可以解決上述問題點(diǎn)的液晶光學(xué)元件及其制造方法。
此外，本發(fā)明的目的是提供作為便宜且具有理想的折射率分布、高性能梯度折射率透鏡的液晶光學(xué)元件及其制造方法。
并且，本發(fā)明的目的是提供作為沒有可動(dòng)部件也可改變焦距的梯度折射率透鏡的液晶光學(xué)元件及其制造方法。
并且，本發(fā)明的目的是提供作為沒有視角特性的高性能梯度折射率透鏡的液晶光學(xué)元件及其制造方法。
本發(fā)明液晶光學(xué)元件，是一種對從光源發(fā)射出的光束有可變焦用梯度折射率透鏡功能的液晶光學(xué)元件，其特征是，其構(gòu)成為具有第1平面基板；第2平面基板；夾在第1和第2平面基板間的液晶；由在第1或第2平面基板的一方上形成的、使光束的有效折射率分別變化的多個(gè)區(qū)域構(gòu)成的電極圖案；在第1或第2平面基板的另一方上形成的、在其與電極圖案之間施加電壓的對置電極；通過向電極圖案和上述對置電極之間施加電壓，沿液晶光學(xué)元件的半徑方向，以距液晶光學(xué)元件中心的距離的2次方的比例變化上述光束的有效折射率。
本發(fā)明液晶光學(xué)元件，是一種對入射光有可變焦用梯度折射率透鏡功能的液晶光學(xué)元件，其特征是，其構(gòu)成為具有第1平面基板；第2平面基板；夾在第1和第2平面基板間的液晶；具有在第1或第2平面基板的一方上形成的、使入射光的有效折射率分別以不同程度變化的多個(gè)區(qū)域的電極圖案；在第1或第2平面基板的另一方上形成的、在其與電極圖案之間施加電壓的對置電極；通過向電極圖案和上述對置電極之間施加電壓，距電極圖案中心的距離X與光束的有效折射率N的關(guān)系基本如下面的式(1)，N＝N0-aX2-(bX4-cX6-dX8-…) (1)這里，N0為上述液晶的基準(zhǔn)有效折射率，a為非零常數(shù)，b、c和d為常數(shù)。
并且，本發(fā)明液晶光學(xué)元件，最好用作有成像功能的可變焦用梯度折射率透鏡。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，最好距電極圖案中心的距離X和光束的有效折射率N的關(guān)系基本如式(1)構(gòu)成的多個(gè)區(qū)域?yàn)殡姌O圖案的一部分。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，最好僅在液晶光學(xué)元件的開口部分具有距電極圖案中心的距離X和光束的有效折射率N的關(guān)系基本如式(1)構(gòu)成的多個(gè)區(qū)域。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，最好還具有為了僅使配置在電極圖案周邊的區(qū)域的有效折射率不發(fā)生變化，而選擇地施加電壓的選擇性電壓施加裝置。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，最好還具有在多個(gè)區(qū)域間各自連接的、向多個(gè)區(qū)域的各部分施加電阻分割電壓的電阻。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，最好還具有向多個(gè)區(qū)域間施加各不相同的電壓值的電壓施加裝置。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，最好多個(gè)區(qū)域變化的有效折射率的變化量設(shè)定為基本固定。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，最好多個(gè)區(qū)域的各自的電勢差設(shè)定為基本固定。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，最好多個(gè)區(qū)域變化的有效折射率的變化量設(shè)定為基本固定且上述多個(gè)區(qū)域的各自電勢差設(shè)定為基本固定。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，最好在電極圖案的中心部配置多個(gè)區(qū)域，使得與電極圖案的周邊相比，可以細(xì)致地設(shè)定對上述光束的有效折射率。這是為了順滑地形成折射率分布的中央部分。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，液晶最好是以使得液晶分子的長軸方向成為至少部分包含正交的2個(gè)方向的多個(gè)方向的方式配置在液晶層中。這是為了構(gòu)成無視角特性的液晶光學(xué)元件。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，液晶最好是以使得液晶分子的長軸方向部分無規(guī)則的方式配置在液晶層中。這是為了構(gòu)成無視角特性的液晶光學(xué)元件。
并且，在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件中，液晶最好被微膠囊化配置在液晶層中。
在本發(fā)明的液晶光學(xué)元件的制造方法中，其特征是，液晶光學(xué)元件的構(gòu)成為具有第1平面基板；第2平面基板；夾在第1及第2平面基板間的液晶；具有在第1或第2平面基板的一方上形成的、使入射光的有效折射率分別以不同程度變化的多個(gè)區(qū)域的電極圖案；在第1或第2平面基板的另一方上形成的、在其與電極圖案之間施加電壓的對置電極；通過向電極圖案和上述對置電極之間施加電壓，距電極圖案中心的距離X與光束的有效折射率N的關(guān)系基本如式(1)；制造方法有以下工序，確定表示光瞳坐標(biāo)的有效折射率所希望的可變焦用梯度折射率透鏡特性，按照多個(gè)區(qū)域的個(gè)數(shù)分割具有透鏡特性的最大有效折射率，確定分割的有效折射率和透鏡特性相交的交點(diǎn)的光瞳坐標(biāo)，設(shè)定各交點(diǎn)的光瞳坐標(biāo)為多個(gè)區(qū)域間隔的中心間距。
根據(jù)本發(fā)明，可提供能作為構(gòu)造簡單且可容易得到所需的折射率分布的高性能梯度折射率透鏡的液晶光學(xué)元件。
此外，利用本發(fā)明的液晶光學(xué)元件可構(gòu)成無可動(dòng)部件的可變焦光學(xué)機(jī)構(gòu)。利用本發(fā)明的液晶光學(xué)元件的可變焦光學(xué)機(jī)構(gòu)，由于沒有可動(dòng)部件，因此可制造低成本和/或占用空間小的可變焦距光學(xué)機(jī)構(gòu)。
并且，在歷來的中空型液晶透鏡(例如，參照專利文獻(xiàn)1)中可實(shí)現(xiàn)的理想的折射率分布不能在歷來的平行配置的平面基板型液晶元件(例如，參照專利文件4)中實(shí)現(xiàn)，僅能得到距設(shè)計(jì)值相差較遠(yuǎn)的特性。對此，本發(fā)明利用平行配置的平面基板，可實(shí)現(xiàn)作為具有理想折射率分布的梯度折射率透鏡功能的液晶光學(xué)元件。
并且，本發(fā)明可提供能作為不僅不難有偏振光依存，而且視角依存性也少的高性能梯度折射率透鏡的液晶光學(xué)元件。


圖1是表示本發(fā)明的液晶光學(xué)元件的截面圖的一個(gè)示例的附圖。
圖2是表示透明電極圖案的一個(gè)示例的附圖。
圖3(a)是表示透明電極圖案的一部分的放大圖，圖3(b)是向各波帶施加電壓的示例的附圖。
圖4是透明電極圖案的設(shè)計(jì)方法的說明圖。
圖5是各波帶的設(shè)計(jì)方法的說明圖。
圖6是表示透明電極圖案設(shè)計(jì)值的一個(gè)示例的附圖。
圖7是表示液晶的施加電壓和有效折射率的關(guān)系的附圖。
圖8是表示向透明電極圖案施加電壓的示例的附圖。
圖9(a)是表示光學(xué)機(jī)構(gòu)在無限遠(yuǎn)間距處的示例的附圖，圖9(b)是表示光學(xué)機(jī)構(gòu)在近距離間距處的示例的附圖。
圖10是向透明電極圖案施加電壓的其他方法的說明圖。
圖11是表示波帶圖案的變形例的附圖。
圖12是表示向透明電極圖案施加的其他電壓的示例的附圖。
圖13是透明電極圖案的其他設(shè)計(jì)方法的說明圖。
圖14是表示向透明電極圖案施加的其他電壓的示例的附圖。
圖15(a)是表示液晶106的分子的取向方向的一個(gè)示例的附圖，圖15(b)是表示其他液晶的示例的附圖。
圖16是表示可用于本發(fā)明液晶光學(xué)元件100的其他液晶的一個(gè)示例的附圖。
圖17(a)是表示歷來電極圖案的附圖，圖17(b)是表示向圖17(a)施加的施加電壓的附圖。
圖18(a)表示是圖17(b)表示的施加電壓的附圖，圖18(b)是表示與圖17(a)相對應(yīng)的有效折射率圖案的附圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖，說明本發(fā)明的液晶光學(xué)元件及其制造方法。
圖1是本發(fā)明的液晶光學(xué)元件100的截面圖。
圖中箭頭A所示的方向是表示光入射到液晶光學(xué)元件100的方向。圖1中，在入射側(cè)的透明基板101上，形成具有折射率調(diào)制用的透明電極圖案200的透明電極107及取向膜102。此外，在相反一側(cè)的透明基板105上，形成透明性對置電極108及取向膜104。液晶106被密封在2塊透明基板101及105與密封構(gòu)件103之間，其厚度為20μm。圖1表示的各要素是為方便說明的放大的圖示，與實(shí)際的厚度不同。
2塊透明基板101及105由玻璃材質(zhì)構(gòu)成，密封構(gòu)件103由樹脂構(gòu)成。在本實(shí)施方式中，夾在2塊透明基板101及105之間的液晶106，可使用平行取向型的液晶，但也可利用垂直取向型的液晶。此外，該液晶106也可使用90度TN型液晶。對液晶施加一定程度以上的電壓的話，90度TN型液晶的液晶分子的螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，射出偏振光面轉(zhuǎn)動(dòng)，但在本用途中可不會(huì)出現(xiàn)問題的使用。另外，90度TN型液晶與上述平行取向型的液晶相比，具有難產(chǎn)生視角依存的優(yōu)點(diǎn)。
圖2表示圖1所示的液晶光學(xué)元件100的折射率調(diào)制用的透明電極圖案200的一個(gè)示例。
電極圖案200，如圖2所示，在有效直徑10的范圍內(nèi)配置有同心圓狀的波帶201～215，且為使彼此絕緣空有微小間隔。此外，在波帶201和波帶215之間施加電源20的所定的AC電壓，在波帶201和202之間設(shè)置電阻R1，在波帶202和203之間設(shè)置電阻R2，…，在波帶214和215之間設(shè)置電阻R14，依此類推在所有波帶間設(shè)置電阻R1～R14。此外，電阻R1～R14全部為同一電阻值。
圖3表示各波帶201～215與施加電壓的關(guān)系。
圖3(a)放大了透明基板101上的透明電極圖案200的截面的一部分。波帶間的微小間隔全部設(shè)定為3μm(另外，為了方便，放大顯示)。此外，如圖2所示各波帶，由電阻R1～R14相互連接，由電源20施加AC電壓。
圖3(b)表示相對于基準(zhǔn)電壓(向波帶201施加的電壓，這里為0[V])的各波帶201～215的有效電壓。另外，用于液晶光學(xué)元件的液晶一般顯示對施加電壓的有效值的應(yīng)答。此外，在該液晶上長時(shí)間施加直流電壓成分時(shí)，會(huì)產(chǎn)生液晶燒結(jié)和分解等的不妥。因此，為了不向液晶光學(xué)元件的各透明電極施加直流電壓成分，施加交流電壓驅(qū)動(dòng)液晶。此外，對液晶光學(xué)元件的基準(zhǔn)電壓0[V]是正確向液晶層施加的電壓，可任意設(shè)定該電壓。一般，多以施加電壓是0[V]的狀態(tài)為基準(zhǔn)，也可當(dāng)其為其他電壓值(例如3[V])時(shí)為基準(zhǔn)電壓。
利用圖4說明透明電極圖案200的設(shè)計(jì)方法。
首先，決定具有液晶光學(xué)元件100的透鏡的所需的特性。圖4中的曲線401是具有液晶光學(xué)元件100的透鏡的所需的特性的一個(gè)示例，表示有效折射率(N)與光瞳坐標(biāo)上的位置(X)的關(guān)系，如下面的式(1)所示。
N＝N0-aX2-(bX4-cX6-dX8-…) (1)這里，N0為液晶106的基準(zhǔn)有效折射率，a為非0常數(shù)，b～d為常數(shù)。此外，上述公式只顯示4次X，但必要時(shí)，可考慮更多次數(shù)的項(xiàng)。
此外，作為一個(gè)示例，a～d可按下面的式(2)～(5)定義。
a＝1/(2·f·w) (2)b＝1/(2·a2) (3)c＝1/(4·a4) (4)d＝1/(8·a6) (5)這里，f為折射率分布型透鏡的焦距，w為液晶106的厚度。
b＝c＝d＝0時(shí)，式(1)變成下面的式(6)，變成對應(yīng)球面透鏡的公式。即，有效折射率以距中心的距離的2次方的比例變化。
N＝N0-aX2(6)這時(shí)液晶光學(xué)元件100的液晶106的厚度為20μm，N0(基準(zhǔn)有效折射率)為1.74，液晶光學(xué)元件100的有效直徑(Xmax)為1.22mm，N的最小值N(Xmin)為1.5，所以根據(jù)上述式(6)及式(2)，f為155mm。
此外，上述的透鏡特性401是在式(1)中的b～d全部假設(shè)為0的情況下決定的，但當(dāng)式(1)中的b～d不全都為0時(shí)，透鏡特性與非球面透鏡相對應(yīng)。
接著，決定波帶數(shù)，在透鏡特性(曲線401)具有的最大有效折射率N0和最小有效折射率N15之間，按構(gòu)成透明電極圖案200的波帶數(shù)(本實(shí)施方式中為15)等量分割。
接著，15等分的有效折射率值(N1～N15)與曲線401的交點(diǎn)為P1～P15。
接著，求出分別對應(yīng)交點(diǎn)P1～P15的光瞳坐標(biāo)X1～X15。
接著，波帶間隔全部設(shè)定為3μm，設(shè)定波帶201～215的光瞳坐標(biāo)X1～X15為各波帶的間隔中心半徑。此外，圖4的示例中，波帶201應(yīng)調(diào)制的有效折射率不是N0而是N1，這是量化方法的問題。因此，可按照將N1換成N0，N2換成N1，同樣的將Nn換成Nn-1，這樣的方式替換各波帶的電勢分布。這時(shí)可得到同樣的效果。
圖5表示各波帶與間隔中心半徑的關(guān)系。
圖5表示波帶204的波帶寬度501(mm)，內(nèi)側(cè)半徑502(mm)，外側(cè)半徑503(mm)，間隔中心半徑504(mm)及間隔寬度505(mm)。由于全部波帶間的間隔寬度505設(shè)定為0.003mm(3μm)，利用圖4得到的間隔中心半徑504(mm)，求出各波帶的波帶寬度501(mm)，內(nèi)側(cè)半徑502(mm)，外側(cè)半徑503(mm)，將各波帶作為設(shè)計(jì)值。
圖6是透明電極圖案200的各波帶設(shè)計(jì)值的一個(gè)示例，即，表示波帶寬度501(mm)，內(nèi)側(cè)半徑502(mm)，外側(cè)半徑503(mm)，間隔中心半徑504(mm)及間隔寬度505(mm)。
本實(shí)施方式中，由于最外層的波帶215的外側(cè)不存在波帶，因此，按照將波帶215的間隔半徑中心設(shè)為利用液晶光學(xué)元件100的光學(xué)系的有效直徑10(半徑1.22mm)來設(shè)計(jì)波帶201～215，作成與之相應(yīng)的透明電極圖案200。
圖7表示利用本實(shí)施方式的液晶106的施加電壓與有效折射率的關(guān)系701。
如圖7所示，平行取向型(Homogeneous)液晶106具有在入射的直線偏振光和液晶106的取向方向一致時(shí)，隨著施加電壓的增大，有效折射率逐漸減小的非線性特性。但是，由于存在如同施加電壓范圍V1～V2間，基本呈線型變化的區(qū)域，最好利用該區(qū)域作為控制有效折射率的區(qū)域。
本實(shí)施方式中，對于透明電極圖案200，由向波帶201施加V1為1.4[V](基準(zhǔn)電壓)，向波帶215施加V2為2.7[V]而構(gòu)成。這時(shí)，圖7中N01的值為上述的基準(zhǔn)有效折射率。此外，向透明性對置電極108施加基準(zhǔn)電壓0[V](基準(zhǔn)電壓)。
圖8表示該種情況下，向透明電極圖案200的各波帶施加的施加電壓的示例。如圖8所示，各波帶間由于用相同電阻值的電阻R1～R14連接，將向波帶215施加的電壓V215等分(電阻分割)，施加給各波帶。
如圖7所示，液晶106顯示與施加電壓呈反比的有效折射率，因此通過向各波帶201～215施加如圖8所示的電壓，液晶光學(xué)元件100具有如圖4的402所示的折射率分布。即，通過向透明電極圖案200施加如圖8所示的電壓，液晶光學(xué)元件100，具有與最初決定的透鏡特性401基本近似的折射率分布402的梯度折射率透鏡的功能。即，電極圖案200是，通過向電極圖案200和對置電極108之間施加如圖8所示的電壓，距電極圖案的中心的距離X與光束的有效折射率N的關(guān)系基本如上述式(1)的構(gòu)成。
如上所述，具有液晶光學(xué)元件100的折射率分布402，中央部的折射率高，周圍的折射率低，因此液晶光學(xué)元件100具有凸透鏡的功能。此外，向各波帶201～215施加圖8所示的電壓，具有圖4所示的折射率分布402時(shí)，液晶光學(xué)元件100具有焦距約為155mm的梯度折射率透鏡的功能。
此外，增大向電極201施加的電壓，有如有基本為圖4的402的一半的最大有效折射率403所示的折射率分布時(shí)，液晶光學(xué)元件100具有，具有折射率分布402時(shí)的約2倍，即焦距約310mm的梯度折射率透鏡的功能。此外，不改變向電極201施加的電壓，即使減小向電極215施加的電壓，也可得到同樣的效果。
并且，可改變向電極201施加的電壓，V2基本為2.7[V]，得到如圖4的404所示的基本平緩的折射率分布時(shí)，液晶光學(xué)元件100具有焦距無限大，即與透明玻璃板相同的功能。這時(shí)，可向全部的波帶201～215施加包含基準(zhǔn)電壓在內(nèi)的相同的電壓。即，不僅限于相同的電壓值，而是平緩的折射率分布，與透明的玻璃板相同。此外，即使不向液晶106施加電壓，基本上也是玻璃板，但是為了保有液晶106的有序性，最好施加一定程度的相同的偏壓。另外，為了具有凹透鏡的功能，可顛倒圖8所示的電壓分布圖向各電極施加電壓，因此，這里省略了以上的說明。
另外，在圖4的403及404的情況下，通過在電極圖案200和對置電極108之間施加如圖8所示的電壓，距電極圖案中心的距離X與光束的有效折射率N的關(guān)系基本為上述式(1)所述。但是，在圖4的403及404的情況下，由于各自的f值不同，與其相對應(yīng)的常數(shù)a的值也不同。
這樣，通過改變向波帶201～215施加的電壓，在規(guī)定的范圍內(nèi)可改變液晶光學(xué)元件100的焦距。例如，可將液晶光學(xué)元件100在作為凸透鏡或凹透鏡的梯度折射率透鏡或透明玻璃板之間轉(zhuǎn)換。
上述的透明電極圖案200的設(shè)計(jì)中，在曲線401的最大有效折射率N0和最小折射率N15之間，按照構(gòu)成透明電極圖案200的波帶數(shù)(本實(shí)施方式為15)等量分割。但是，由于距電極圖案中心的距離X與對光束的折射率N的關(guān)系如上述式(1)所述，可設(shè)定向透明電極圖案200的各波帶施加的電壓呈階梯式變化，根據(jù)電阻分割的方式可容易對各波帶施加所定的電壓。這時(shí)，由于距電機(jī)模型中心的距離X與光束的有效折射率N的關(guān)系基本如上述式(1)所述，液晶光學(xué)元件可具有基本與最初決定的透鏡特性401近似的折射率分布的梯度折射率透鏡的功能。
圖9表示使用本發(fā)明液晶光學(xué)元件100的光學(xué)裝置1的一個(gè)示例。光學(xué)裝置1是數(shù)碼照相機(jī)等的光學(xué)裝置，是由第1液晶光學(xué)元件100-1、第2液晶光學(xué)元件100-2、單焦點(diǎn)透鏡2、CCD攝像元件3、及包含AC電源20的電壓控制部4等構(gòu)成的。
這里，第1液晶光學(xué)元件100-1及第2液晶光學(xué)元件100-2具有與上述液晶光學(xué)元件100相同的構(gòu)成。但是，兩者第1液晶光學(xué)元件100-1的液晶分子的長軸方向和第2液晶光學(xué)元件100-2的液晶分子的長軸方向垂直正交地配置在光學(xué)裝置1的光軸上。
要使折射率變化時(shí)，液晶光學(xué)元件會(huì)產(chǎn)生視角特性。這是因?yàn)橥ㄟ^液晶層的光的中，只有偏振光方向與液晶分子的長軸方向稍一致的光，受到液晶的折射率變化的影響。于是，為使圖9所示的光學(xué)裝置1作為數(shù)碼照相機(jī)等可具有良好的功能，垂直正交配置2個(gè)液晶光學(xué)元件，使其可對應(yīng)入射到照相機(jī)的光的全部偏振光方向。另外，也可使用2個(gè)以上的液晶光學(xué)元件。
圖9(a)是對準(zhǔn)無限遠(yuǎn)目標(biāo)的情況下，由于向第1液晶光學(xué)元件100-1及第2液晶光學(xué)元件100-2的各自的透明電極圖案200施加相同的電壓，液晶光學(xué)元件100沒有電源，入射到光學(xué)裝置1的具有有效直徑10的入射光，僅通過單焦點(diǎn)透鏡2就可在CCD攝像元件3上聚光。
圖9(b)是對準(zhǔn)近距離目標(biāo)的情況，通過向第1液晶光學(xué)元件100-1及第2液晶光學(xué)元件100-2的各自的透明電極圖案200施加如圖8所示801的電壓，液晶光學(xué)元件100具有如圖4的402所示的折射率分布402的凸透鏡的功能。因此，入射到光學(xué)裝置1的入射光，如圖中的6所示，通過液晶光學(xué)元件100及單焦點(diǎn)透鏡2，以僅與單焦點(diǎn)透鏡2的焦距(參照圖中的7)不同的焦距，在CCD攝像元件3上聚光。
此外，若對應(yīng)從所定的自動(dòng)對焦調(diào)節(jié)電路發(fā)出的信號(hào)，改變向第1液晶光學(xué)元件100-1及第2液晶光學(xué)元件100-2的各自的透明電極圖案200施加的電壓值，不使用可動(dòng)部件，就可容易地構(gòu)成自動(dòng)調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)。若不使用這種可動(dòng)部件，在數(shù)碼照相機(jī)和手機(jī)中利用可轉(zhuǎn)換焦距的光學(xué)系統(tǒng)或自動(dòng)調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)，具有占有空間小且低成本的優(yōu)點(diǎn)。
圖10表示可適用于本發(fā)明液晶光學(xué)元件100的其他電壓施加方法的一個(gè)示例。
在圖2及圖3中，在各波帶201～215之間分別配置電阻值基本相同的電阻，根據(jù)電阻分割方式施加電壓。對此，在圖10中，配置驅(qū)動(dòng)IC電路21，可向各波帶201～215分別施加設(shè)定的電壓值。因此，若使用圖10所示的驅(qū)動(dòng)IC電路21，各波帶201～215之間不必分別用電阻R1～R14連接。此外，若可向各波帶201～215分別施加預(yù)設(shè)電壓，例如圖8所示的15等級(jí)的電壓，驅(qū)動(dòng)IC電路21可為任意構(gòu)成，可根據(jù)公知的電路技術(shù)容易構(gòu)成。而且，利用驅(qū)動(dòng)IC電路21時(shí)，向各波帶201～215施加電壓的設(shè)定值可全部通過外部信號(hào)控制，此外，也可在驅(qū)動(dòng)IC電路21中設(shè)置存儲(chǔ)部，將其預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)部中。
另外，圖10所示的電壓施加方法，也可同樣適應(yīng)圖4所示的403及404的情況。
并且，圖10所示的電壓施加方法，在利用圖7所示的線性部分以外的部分(例如，V1′～V1及V2～V2′的范圍)與線性部分(V1～V2)相對應(yīng)時(shí)，特別有效。因?yàn)闉榱烁鶕?jù)非線性的特性確定折射率，不局限于液晶的非線性特性，從系統(tǒng)全體上修正線形，需要稍稍調(diào)整電壓。
圖11表示可適用于本發(fā)明液晶光學(xué)元件100的其他的透明電極圖案的設(shè)定例。
圖11表示具有液晶光學(xué)元件100的其他的折射率分布1100。分布1100和圖4所示的折射率分布402的差異是，(1)在分布1100中，分布402的中央部分A更加細(xì)分化；(2)在分布1100中，省略了分布402的周邊部分B及C。
在中央部分A中，設(shè)置分布402的值為(N0+N1)/2的點(diǎn)P0，相應(yīng)的，將中央部的波帶201分割形成201-1及201-2。這是由于形成的中央部分A的波帶201比其他的大，沒有平緩地形成具有液晶光學(xué)元件100的折射率分布402的中央部分，因此，接近于以具有液晶光學(xué)元件100的折射率分布為理想的透鏡特性401。另外，也可按照交點(diǎn)P1和Y軸的中間與分布402的交點(diǎn)，將中央部的波帶201分割為201-1及201-2。
此外，在周邊部分B及C中，形成透鏡特性401的交點(diǎn)P11～P15全部為有效折射率N15的1條波帶220。此外，也可為全部用N15代替焦點(diǎn)P11～P16定為N13的1條波帶220。這是由于，折射率分布的周邊部分對透鏡特性的影響不大；與周邊部分對應(yīng)的波帶的寬度變得很小，難以形成等原因。如圖11的周邊部分B及C即使不形成波帶211～215，用1條波帶220替代，對具有液晶光學(xué)元件100的透鏡特性特別是改變焦距的功能也不會(huì)有太大的影響。另外，也可不用1條波帶220，而是使波帶211～215短路。
并且，雖沒有圖示，但也可在折射率分布的周邊部分形成不是對應(yīng)圖4所示的周邊部分的波帶、而是寬度相等的波帶。例如，可設(shè)置5條寬度為波帶211～215的平均寬度的波帶，代替圖4所示的波帶211～215。如上所述，即使這樣，對具有液晶光學(xué)元件100的透鏡特性，特別是改變焦距的功能沒有太大影響。
這樣，有時(shí)，距電極圖案中心的距離X和對光的有效折射率N的關(guān)系未必一定基本符合上述式(1)地構(gòu)成液晶光學(xué)元件100的透明電極圖案200中的全部波帶201～215，在對透鏡特性無太大影響的部分，也可不這樣構(gòu)成。
圖12表示具有液晶光學(xué)元件100的其他折射率分布1200的示例。
圖12表示使用與圖4所示的波帶相同的波帶201～215使液晶光學(xué)元件100具有不同的折射率分布的示例。這里，將最大有效折射率N010等分，具有僅使用波帶201～210的分布1200。由此，雖然有相同波帶201～215，但是卻具有與圖4所示折射率分布402不同的分布1200。與分布1200近似的透鏡特性1201，由于其描繪出比圖4所示透鏡特性401的曲線彎度更急的曲線，因此，具有分布1200時(shí)，與具有分布402的情況相比，液晶光學(xué)元件100可縮短焦距。
這樣，不改變波帶的模型，通過改變液晶光學(xué)元件100具有的折射率分布，可改變液晶光學(xué)元件100的焦距。另外，這時(shí)，最好另外設(shè)置向周邊部的波帶211～215施加等電勢的選擇性電壓施加裝置。
圖13表示液晶光學(xué)元件100具有的其他的折射率分布1300的示例。
在圖4的示例中，在具有透鏡特性(曲線401)的最大有效折射率N0和最小有效折射率N15之間，按照構(gòu)成透明電極圖案200的波帶數(shù)(本實(shí)施方式為15)等量分割。但是，在圖13的示例中，按照構(gòu)成透明電極圖案200的波帶數(shù)(本實(shí)施方式為15)等量分割有效直徑10(1.22mm)，制成15條波帶1301～1315。在圖13的示例中，各波帶為等間隔制成，但對應(yīng)各波帶的有效折射率N1′～N15′卻為不等間隔。
圖14表示向圖13所示波帶1301～1315施加電壓的示例。
如圖14所示，各波帶施加的電壓的示例，與各波帶的有效折射率N1′～N15′相對應(yīng)為不等間隔。因此，圖13所示的示例中，不是根據(jù)如圖2所示的電阻分割方式施加，而使用如圖10所示的通過驅(qū)動(dòng)IC電路21的個(gè)別電壓值的施加方法。
如圖13所示，當(dāng)?shù)乳g隔形成波帶，對于各波帶使用如圖10所示的根據(jù)驅(qū)動(dòng)IC電路21的個(gè)別電壓值的施加方式時(shí)，可稍稍調(diào)整。因此，例如，如圖7所示，利用液晶的施加電壓與有效折射率的關(guān)系為非線性的區(qū)域，可控制對補(bǔ)償該非線性區(qū)域的各波帶施加個(gè)別的電壓。即，由于可再圖7的V1′～V2′的范圍內(nèi)利用液晶，因此可利用更廣范圍內(nèi)的折射率。由于利用相同的液晶106也可增大有效的折射率差，因此，在利用相同的液晶光學(xué)元件100的同時(shí)，可得到小焦距。
圖15是可用于本發(fā)明的液晶光學(xué)元件100的其他的液晶的一個(gè)示例的示意圖。圖15(a)表示上述液晶106的分子的長軸方向(摩擦方向)的一個(gè)示例，圖15(b)是可用于本發(fā)明的液晶光學(xué)元件100的其他液晶的示例的示意圖。
如圖15(a)所示，上述液晶106的分子的取向方向全部為如圖所示的箭頭1500的方向。但是，如圖9的說明，這樣的液晶光學(xué)元件100具有偏振光依存性。于是，如圖15(b)所示，將液晶106劃分為微小區(qū)域(200nm×200nm)，每個(gè)微小區(qū)域，如箭頭1510及1520，使摩擦方向正交構(gòu)成。根據(jù)這種構(gòu)成方式，可用一個(gè)液晶光學(xué)元件代用圖9所示第1液晶光學(xué)元件100-1及第2液晶光學(xué)元件100-2。
此外，圖15(b)所示的微小區(qū)域最好為200nm以下。這是因?yàn)槿粼诳梢姽獠ㄩL范圍(400～700nm)的最短波長的1/2以下，對任何可見光，液晶取向分布為等方向作用，可影響液晶的折射率變化。
另外，圖15(b)中，僅在正交的2個(gè)方向的1510及1520中設(shè)定摩擦方向，但可隨機(jī)設(shè)定每個(gè)微小區(qū)域的摩擦方向。并且，可每個(gè)微小區(qū)域的摩擦方向設(shè)定為包含至少2個(gè)直行方向的多個(gè)方向。
圖16是可用于本發(fā)明液晶光學(xué)元件100的其他的液晶的一個(gè)示例的示意圖。
圖16所示的液晶叫做PD(聚合物分散polymer dispersion)液晶，是一種在粘合劑中分散包含液晶分子的微膠囊1600的液晶。其一個(gè)特征為，由于液晶分子包含在微膠囊中，液晶分子間不能相互作用，微膠囊為任意方向。微膠囊中的液晶分子的長軸方向與在膠囊中的方向一樣。因此，如圖16所示，所有液晶層的液晶分子的長軸方向?yàn)槿我夥较?。另外，圖16的示例中，微膠囊1600的直徑設(shè)定為約200nm。
因此，若利用圖16所示的PD液晶作為液晶光學(xué)元件100的液晶106，可沒有上述的偏振光依存性地制造元件。
并且，若微膠囊的直徑約為200nm～2nm，由于微膠囊的大小在可見光波長范圍(400～700nm)的最短波長的1/2以下，任何可見光都可受到液晶的折射率變化的影響。此外，如圖15(b)和圖16構(gòu)成的液晶光學(xué)元件100具有，不僅難有偏振光依存，而且隨之的液晶特有的視角依存性也減少的效果。
圖16所示的PD液晶的基準(zhǔn)有效折射率No為液晶分子的長軸方向的折射率Ne和短軸方向的折射率No的平均值。因此，在利用PD液晶代替液晶106時(shí)，需要根據(jù)這樣的基準(zhǔn)有效折射率No設(shè)計(jì)液晶光學(xué)元件100。
權(quán)利要求
1.一種對從光源發(fā)射出的光束有可變焦用梯度折射率透鏡功能的液晶光學(xué)元件，其特征是，其構(gòu)成為具有第1平面基板；第2平面基板；夾在上述第1及第2平面基板間的液晶；由在上述第1或第2平面基板的一方上形成的、使上述光束的有效折射率分別變化的多個(gè)區(qū)域構(gòu)成的電極圖案；在上述第1或第2平面基板的另一方上形成的、在其與上述電極圖案之間施加電壓的對置電極；通過向上述電極圖案和上述對置電極之間施加電壓，沿上述液晶光學(xué)元件的半徑方向，以距上述液晶光學(xué)元件中心的距離的2次方的比例變化上述光束的有效折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，通過在上述電極圖案和上述對置電極之間施加電壓，距上述電極圖案中心的距離X與上述光束的有效折射率N的關(guān)系基本如下面的式(1)構(gòu)成，N＝N0-aX2-(bX4-cX6-dX8-…) (1)這里，N0為上述液晶的基準(zhǔn)有效折射率，a為非零常數(shù)，b、c及d為常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，距上述電極圖案中心的距離X與上述光束的有效折射率N的關(guān)系基本如上述式(1)地構(gòu)成的區(qū)域?yàn)樯鲜鲭姌O圖案的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，僅在上述電極圖案的中心部分，距上述電極圖案中心的距離X與上述光束的有效折射率N的關(guān)系基本如上述式(1)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，還具有為了僅使配置在上述電極圖案周邊的區(qū)域的有效折射率不發(fā)生變化，而選擇性施加電壓的選擇性電壓施加裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，還具有在上述多個(gè)區(qū)域間各自連接的、向上述多個(gè)區(qū)域的各個(gè)部分施加電阻分割電壓的電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，還具有向上述多個(gè)區(qū)域間施加各不相同的電壓值的電壓施加裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，上述多個(gè)區(qū)域變化的有效折射率的變化量設(shè)定為基本固定。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，上述多個(gè)區(qū)域的各自的電位差設(shè)定為基本固定。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，上述多個(gè)區(qū)域變化的有效折射率的變化量設(shè)定為基本固定且上述多個(gè)區(qū)域的各自的電位差設(shè)定為基本固定。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，在上述電極圖案的中心部配置，與上述電極圖案的周邊相比，細(xì)致地設(shè)定了上述光束的有效折射率的多個(gè)區(qū)域。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，上述液晶，液晶分子的長軸方向至少部分包含正交的2個(gè)方向地多個(gè)方向地被配置在液晶層中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，上述液晶，液晶分子的長軸方向部分無規(guī)則地被配置在液晶層中。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的液晶光學(xué)元件，其特征是，上述液晶被微膠囊化配置在液晶層中。
15.一種對從光源發(fā)射出的光束有可變焦用梯度折射率透鏡功能的液晶光學(xué)元件的制造方法，上述液晶光學(xué)元件的構(gòu)成為具有第1平面基板；第2平面基板；夾在上述第1及第2平面基板間的液晶；具有在上述第1或第2平面基板的一方上形成的、使上述入射光的有效折射率分別以不同程度變化的多個(gè)區(qū)域的電極圖案；在上述第1或第2平面基板的另一方上形成的、在其與上述電極圖案之間施加電壓的對置電極；通過向上述電極圖案和上述對置電極之間施加電壓，距電極圖案中心的距離X與上述光束的有效折射率N的關(guān)系基本如式(1)，N＝N0-aX2-(bX4-cX6-dX8-…) (1)這里，N0為上述液晶的基準(zhǔn)有效折射率，a為非零常數(shù)，b、c及d為常數(shù)，上述制造方法具有以下工序，確定表示光瞳坐標(biāo)的有效折射率所希望的可變焦用梯度折射率透鏡特性，在具有上述透鏡特性的最大有效折射率和最小有效折射率之間，按照上述多個(gè)區(qū)域的個(gè)數(shù)進(jìn)行分割，確定分割的有效折射率和上述透鏡特性相交的交點(diǎn)的光瞳坐標(biāo)，設(shè)定各交點(diǎn)的光瞳坐標(biāo)為上述多個(gè)區(qū)域間隔的中心間距。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種可用作便宜且具有理想的折射率分布、高性能梯度折射率透鏡的液晶光學(xué)元件。該液晶光學(xué)元件的特征是，其構(gòu)成為具有第1平面基板(101)；第2平面基板(105)；夾在第1和第2平面基板間的液晶(106)；具有在第1或第2平面基板的一方上形成的、使入射光的有效折射率分別以不同程度變化的多個(gè)區(qū)域(201－205)的電極圖案(200)；在第1或第2平面基板的另一方上形成的、在其與電極圖案之間施加電壓的對置電極(108)；通過在電極圖案和對置電極之間施加電壓，沿液晶光學(xué)元件的半徑方向，以距液晶光學(xué)元件中心的距離的2次方的比例變化光束的折射率。
文檔編號(hào)G02F1/13GK101061419SQ20058003970
公開日2007年10月24日 申請日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者橋本信幸 申請人:西鐵城控股株式會(huì)社