JP5451986B2 - 液晶レンズ及びそれを用いた視力補正装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変焦点距離を備えたレンズ及びそれを用いた視力補正装置に係り、特に液晶分子の勾配プロファイルが入射光に対する光学レンズとして機能する液晶レンズに関する。

大型の光学システムやこのようなシステムを調節する機構を集積することが難しい機器に対しては、電子制御を用いてレンズの焦点距離を高速に変更する性能が必要とされる。

本発明は、光学機器用のレンズ及びマイクロレンズの製造に応用され、特に、適応光学、オプトエレクトロニクス、マシンビジョン、立体ディスプレイ及び眼鏡に応用される。

本発明は、レンズの液晶とこのレンズの配向層との間の非一様な表面状態を用いることによって、特に、アンカリングエネルギーの非一様な空間分布を用いることによって、可変焦点距離を備えた液晶レンズの代替的なアプローチを開示する。液晶分子の配向は、印加される外部電場または磁場、液晶の弾性、誘電性（電場が印加される場合）、磁性（磁場が印加される場合）、並びにアンカリングエネルギーに依存することが知られている。アンカリングエネルギーの勾配プロファイルによって、液晶分子の勾配プロファイルが生じる。そして、これによって、液晶を通過する異常波に対する屈折率の勾配プロファイルが生じ、この液晶が光学レンズとして機能する。この液晶の分子の勾配プロファイルの値は、外部電場または磁場で制御される。結果として、屈折率プロファイルの値や液晶レンズの焦点距離も制御される。アンカリングエネルギーの非一様な分布によって、外部電場または磁場が一様であり、液晶層が一様な厚さを有する場合においてさえも、分子及び屈折率の勾配プロファイルが生じる。

液晶分子の勾配プロファイルを達成するために非一様なアンカリングエネルギーを採用することは新規である。

非特許文献１には、プロファイルによる液晶の配向の性質について説明されていて、可能な配向状態について考察されていて、方程式が導出されている。

Ｅ．Ｔａｊｉｍａによる“Ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｓ ｐａｎｅｌ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ”というタイトルの特許文献１（２００１年）には、可変焦点距離レンズパネル及びその製造方法が開示されている。この可変焦点距離レンズパネルにおいては、円形透明電極が第一の基板の中心上に提供されている。複数の環状透明電極が、この円形透明電極の外側に同心円状に配置されていて、また、外側に向かうにつれて幅及び間隔が短くされている。延長電極は、中心から外部ターミナル電極に向けて外側に横方向に延伸している。これらの電極の上には配向層が存在する。また、第二の基板の全表面上にも透明電極が提供されていて、この透明電極の上にも配向層が提供されている。ここで、第一と第二の配向層は平行配向処理されている。第一の基板と第二の基板は互いに結合されているが、環状透明電極の外側に配置されたギャップ部材によって所定の間隔が保たれている。ネマティック液晶が第一の基板と第二の基板との間のギャップ内に封入されている。

Ｇ．Ｍｅｒｅｄｉｔｈ、Ｂ．Ｋｉｐｐｅｌｅｎ、Ｄ．Ｍａｔｈｉｎｅによる“Ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏ‐ａｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓ”というタイトルの特許文献２（２００６年）には、少なくとも二つの焦点距離を備えたレンズを提供するために少なくとも一つの電気活性セルを含むレンズが開示されている。ここで、電気活性セルは、この電気活性セルに印加される電圧に基づいてその焦点距離を調節することができる。フライングキャパシタ回路を含む交流電源によって、電圧が供給される。電気活性レンズは、単一のコレステリック液晶の電気活性セルを用いることによって、複屈折性を減少させる。

Ｈ．Ｒｅｎ、Ｙ．‐Ｈ．Ｆａｎ、Ｓ．‐Ｔ．Ｗｕによる“Ａｄａｐｔｉｖｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌｅｎｓｅｓ”というタイトルの特許文献３（２００５年）には、適応光学レンズ装置、それを用いたシステム及び方法が開示されており、少なくとも二つの平坦基板及び少なくとも一つの一様なネマティック液晶（ＬＣ）層から構成されている。平坦基板の一つは、その内部に、球形または環状リング状のフレネル型の溝付きの透明電極を有する。もう一方の平坦基板はその内側にコーティングされた透明電極を有する。ＬＣ層の厚さは一様である。ＬＣ層に電圧が印加されると、ＬＣ層内部で屈折率の中心対称の分布勾配が生じる。従って、ＬＣ層は、光を集束させる。印加電圧を制御することによって、レンズの焦点距離を連続的に調整可能である。

Ｙ．Ｓｕｎ、Ｓ．Ｋｏｗｅｌ、Ｇ．Ｎｏｒｄｉｎによる特許文献４（２００４年）には、基準プレートと、この基準プレートと電気的にやり取りするように配置された液晶層と、この液晶層と電気的にやり取りするように配置された複数の閉ループ電極とを含む液晶適応レンズが開示されている。閉ループ電極は可変制御電圧を受容できるようにされていて、液晶層の少なくとも一部の屈折率が、液晶層を通過する光の向きを変更できるように調節される。閉ループ電極を含むことによって、液晶適応レンズの液晶層が、動径方向に変化する屈折率を有することができる。
Ｄｗｉｇｈｔ Ｗ．Ｂｅｒｒｅｍａｎ、"Ｓｏｌｉｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ Ａｄｊａｃｅｎｔ Ｎｅｍａｔｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ"、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、１９７２年、第２８巻、ｐｐ．１６８３‐１６８６ 米国特許第６１９１８８１号明細書 米国特許第７０１９８９０号明細書 米国特許第６８５９３３３号明細書 米国特許第６７７８２４６号明細書

本発明は、可変焦点距離を備えた液晶レンズ及びそれを用いた視力補正装置を開示する。屈折率の勾配プロファイルを作り出す液晶分子の勾配プロファイルは、非一様なアンカリングエネルギー及び印加される外部電場または磁場によって達成される。このレンズの焦点距離は外部電場または磁場で制御される。

以下において、本発明の電気光学レンズの構成の非限定的な詳細を提供する。本発明は、液晶物質で充填され、外部電場または磁場によって制御される電気光学レンズを提供する。典型的な液晶セルが図１に示されており、液晶物質（１００）が、導電性内側表面（１０３、１０４）及び配向層（１０５、１０６）を有する二枚の基板（１０１、１０２）の間に挟まれている。基板は、所望の光透過性を提供し、本願で開示される装置及び方法において機能するものであればどのような物質でもよく、当該分野において知られているように石英、ガラス、プラスチックが挙げられる。導電性表面１０３、１０４用に用いられる導電性物質は適切な物質のいずれかであり得、本願において特に開示されるものや当該分野において知られている他の物質が挙げられる。導電性物質は透明であることが好ましく、インジウム酸化物、錫酸化物、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）が挙げられる。各導電層の厚さは典型的には３０ｎｍから２００ｎｍである。層は適切な導電性を提供するのに充分厚くなければならないが、レンズ構造全体に対して余分な厚さを提供するような厚さでないことが好ましい。配向層１０５、１０６は、表面付近の液晶物質１００の分子の配向を決める。液晶物質１００の分子と配向層（１０５または１０６）との相互作用は、アンカリングエネルギーによって特徴付けられる。配向層１０５、１０６は、異方性の体積または表面特性を有し、表面付近の液晶物質１００の分子を配向させるために用いられる材料のいずれかであり得る。例えば、光誘起異方性を有するポリイミドである。基板は、スペーサまたは当該分野において知られている他の手段によって所定の間隔が保たれている。スペーサは、マイラー（Ｍｙｌａｒ）、ガラス、石英、または所望の間隔を提供することのできる他の物質等の所望の物質のいずれかであり得る。

液晶物質１００の分子は、印加電場または磁場の影響下で再配向する。ネマティック液晶は一軸性で、光学軸は分子軸に一致する。分子が場の存在下で再配向すると、屈折率楕円体全体が回転して、屈折率の大きな変化が生じる。

液晶は二つのグループに分けることができる。誘電テンソルが、分子軸（また光学軸）に沿った成分が軸に垂直な成分よりも大きいものである場合（ε_//＞ε_⊥）には、液晶は正の誘電異方性を有し、その分子は印加される場に平行に配向する傾向がある。誘電テンソルが、分視軸（また光学軸）に沿った成分が軸に垂直な成分よりも小さいものである場合（ε_//＜ε_⊥）には、液晶は負の誘電異方性を有し、その分子は印加される場に垂直に配向する傾向がある。どちらのタイプも液晶レンズを形成するのに用いることができる。液晶物質１００の分子の配向は、外場の値、アンカリングエネルギー、セル内の分子の位置、液晶物質の弾性に依存する。

液晶レンズの公知の製造方法では、アンカリングエネルギーの一様な分布を備えた配向層が用いられ、外部電場の非一様な分布で用いられる。本発明で開示される液晶レンズの新規製造方法では、液晶物質１００の分子の勾配プロファイルが、印加電場または磁場及びアンカリングエネルギーの非一様な分布によって達成される。アンカリングエネルギーの非一様な分布を達成する方法はいくつかある。例えば、配向層１０５、１０６に光誘起異方性を有する物質を使用する光配向法によって実現可能である。特に、下記の一般式（１）によって表される光化学的に安定で二色性の異方性吸収物質を用いることが好ましい。
Ｂ^１−Ｎ＝Ｎ−Ａ−Ｎ＝Ｎ−Ｂ^２ （１）
ここで、Ａは、

であり、Ｍはそれぞれ独立的に、水素原子、アルカリ金属またはＮＨ_４を表す。また、Ｂ^１、Ｂ^２は、

であり、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５は独立的に、水素原子、ハロゲン原子、カルボキシル基、モノまたはジまたはトリハロメチル基、モノまたはジまたはトリハロメトキシ基、シアノ基、アミノ基、または、ヒドロキシル基である。ＳＤ１（ＣＡＳ Ｎｏ．６２３２−４９−１）は、この目的のために非常に適していて、以下の化学構造を有する。

上述の物質のアンカリングエネルギーは、光重合中の照射光量によって決められる。照射光量の分布によって、アンカリングエネルギーの分布を生じさせる。例えば、照射光量の分布は、分布型の透過率を有するフィルタ及び光源の組み合わせによって、または、可変強度を有するレーザー光で走査することによって、実現可能である。

他の例はラビング法に基づく。表面（例えばポリイミドの表面）をラビングすることによって、液晶物質の分子を配向させることができる表面上の異方性が形成されることは周知である。アンカリングエネルギーは、ラビングローラーの回転速度、基板に対するラビングローラーの圧力、アンカリングエネルギーの非一様な分布を生じさせるラビングの非一様な条件等のラビングのパラメータに依存する。また、アンカリングエネルギーが物質に依存することも知られている。配向層１０５、１０６は、異なるアンカリングエネルギーを有する二つの物質の混合物から構成可能である。これらの物質の濃度の空間分布によって、アンカリングエネルギーの空間分布が生じる。例えば、濃度分布は、インクジェット法を用いて実現可能である。正の液晶レンズ及びこれを伝播する光波が概略的に図２に示されている。液晶物質１００の分子の勾配プロファイルは、配向層１０５、１０６のアンカリングエネルギーの非一様な空間分布及び一様な電場または磁場で形成される。光学レンズとして機能する液晶物質１００の一方の側から、入射または出射する光波２０１は平面波面を有することができる一方で、入射または出射する光波２０２は球面波面を有することができる。

負の液晶レンズ及びこれを伝播する光波が概略的に図３に示されている。液晶物質１００の分子の勾配プロファイルは、配向層１０５、１０６のアンカリングエネルギーの非一様な空間分布及び一様な電場または磁場で形成される。光学レンズとして機能する液晶物質１００の一方の側から、入射または出射する光波３０１は平面波面を有することができる一方で、入射または出射する光波３０２は球面波面を有することができる。

図４は、図２に示される正レンズの液晶物質１００の分子の勾配プロファイルを生じさせる配向層１０５、１０６のアンカリングエネルギーの空間分布の計算結果を示す。導電性表面１０３、１０４に印加される電圧によって、勾配プロファイルの値が制御され、結果として液晶レンズの焦点距離が制御される。

図５は、図３に示される負レンズの液晶物質１００の分子の勾配プロファイルを生じさせる配向層１０５、１０６のアンカリングエネルギーの空間分布の計算結果を示す。導電性表面１０３、１４０に印加される電圧によって、勾配プロファイルの値が制御され、結果として液晶レンズの焦点距離が制御される。

図４及び図５に示される液晶レンズの焦点距離は以下の式を用いて求められる。
ｆ＝πｒ^２／（ΔΦλ）
ここで、ｆは焦点距離、ｒはレンズ半径、ΔΦは液晶レンズの中心及び周囲を通過する異常波の間の位相差、λは光の波長である。

図６は、印加電圧が０．３５Ｖの場合に、図２に示される液晶レンズを通過する光波の位相プロファイルの計算結果を示す。計算は、メルク（Ｍｅｒｃｋ）社の液晶物質Ｅ７に対して行われ、液晶物質１００の厚さは１５μｍであり、レンズ直径は１ｍｍである。

図７は、印加電圧が０．７５Ｖの場合に、図２に示される液晶レンズを通過する光波の位相プロファイルの計算結果を示す。計算は、メルク社の液晶物質Ｅ７に対して行われ、液晶物質１００の厚さは１５μｍであり、レンズ直径は１ｍｍである。

図８は、印加電圧が１Ｖの場合に、図２に示される液晶レンズを通過する光波の位相プロファイルの計算結果を示す。計算は、メルク社の液晶物質Ｅ７に対して行われ、液晶物質１００の厚さは１５μｍであり、レンズ直径は１ｍｍである。

液晶レンズの屈折力が最小値Ｄ_ｍｉｎから最大値Ｄ_ｍａｘの範囲内で変化する場合、屈折力Ｄ_０を有する他の電界レンズまたは光学システムとのマッチングによって、Ｄ_０＋Ｄ_ｍｉｎからＤ_０＋Ｄ_ｍａｘの新しい範囲がもたらされる。電界レンズを作り出す方法の一つは、曲面状の基板１０１、１０２で上述の液晶レンズを用いることである。この電界レンズは、外部電場または磁場がゼロの時に屈折力Ｄ_０＋Ｄ_ｍｉｎを有する。

図２または図３に示される液晶レンズの基板１０１、１０２の一方が、光を反射する物質でコーティングされていると、液晶レンズは反射性レンズとして機能する。反射性レンズの屈折率は、このような透過性レンズの屈折力よりも二倍大きい。図９は、反射性基板１０１を備えた正の反射性液晶レンズを概略的に示す。光は液晶物質１００を二度通過し、これによって、レンズの屈折力が二倍に増大し、印加される外部電場または磁場で屈折力が変化する範囲が二倍広くなる。

典型的な液晶セルの一例を示す。 非一様なアンカリングエネルギーを有し、一様な電場が印加された正の液晶レンズの一例を示す。 非一様なアンカリングエネルギーを有し、一様な電場が印加された負の液晶レンズの一例を示す。 正の液晶レンズに対するアンカリングエネルギーの分布の一例を示す。 負の液晶レンズに対するアンカリングエネルギーの分布の一例を示す。 ０．３５Ｖが印加された際の異常波の位相分布を示す。 ０．７Ｖが印加された際の異常波の位相分布を示す。 １Ｖが印加された際の異常波の位相分布を示す。 反射性液晶レンズを示す。

符号の説明

１００ 液晶物質
１０１、１０２ 基板
１０３、１０４ 導電性表面
１０５、１０６ 配向層
２０１、２０２、３０１、３０２ 光波

Claims (6)

1. 二枚の基板の間に挟まれた液晶層を少なくとも一層有する、可変焦点距離を備えた調整可能液晶レンズであって、
   前記基板の少なくとも一方が、アンカリングエネルギーの非一様な空間分布を備えた配向層を有し、
   前記液晶レンズの前記基板の一方が反射性の内部表面を有し、前記液晶レンズが反射性レンズとなっており、
   前記配向層が少なくとも二つの異なる物質から成り、前記アンカリングエネルギーの空間分布が該少なくとも二つの異なる物質の濃度分布によって達成されていることを特徴とする可変焦点距離を備えた調整可能液晶レンズ。
2. 前記基板が平坦であることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点距離を備えた調整可能液晶レンズ。
3. 前記基板の少なくとも一方が曲面状であることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点距離を備えた調整可能液晶レンズ。
4. 一様な外部電圧が印加されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可変焦点距離を備えた調整可能液晶レンズ。
5. 一様な外部磁場が印加されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可変焦点距離を備えた調整可能液晶レンズ。
6. 非一様な空間分布を備えた外部磁場が印加されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可変焦点距離を備えた調整可能液晶レンズ。

Images