JP2009192791A - Liquid crystal lens - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可視光の広い波長帯域によらず、色収差の小さい良好な光学性能を維持し、かつ簡素な構成で実現可能な液晶レンズに関するものである。 The present invention relates to a liquid crystal lens that maintains good optical performance with small chromatic aberration and can be realized with a simple configuration regardless of a wide wavelength band of visible light.
従来から、眼鏡やカメラなどの結像光学系において、また、プロジェクターなどの投影光学系において、それぞれの用途に合わせて光線の集光や発散を自在に切り替えることができる液晶レンズが提案されている(例えば、特許文献1参照のこと)。 2. Description of the Related Art Conventionally, liquid crystal lenses have been proposed that can freely switch light focusing and divergence in accordance with each application in imaging optical systems such as glasses and cameras and in projection optical systems such as projectors. (For example, refer to Patent Document 1).
以下、従来の液晶レンズの構成を図面に基づいて説明する。図5は、特許文献1に記載されている液晶レンズの断面図を示したものである。
Hereinafter, a configuration of a conventional liquid crystal lens will be described with reference to the drawings. FIG. 5 shows a cross-sectional view of the liquid crystal lens described in
図5に示す液晶レンズ101は、液晶分子を配向するための配向膜(図示せず)と、液晶に電圧を印加するための透明電極(図示せず)をそれぞれ有する二枚の透明基板102a、102bによって、液晶103を挟持した構成となっている。また、図5に示す通り、二枚の透明基板102a、102bと液晶103と接する面がレンズ面となっている。
A
この液晶レンズ101は、電圧印加により対向する透明基板102a、102bの表面にそれぞれ形成された透明電極(図示せず)の間に電界を発生させ、ここで発生した電界に沿って液晶103中の液晶分子が配列することにより、透明基板102a、102bと液晶103が屈折率差を得て、焦点可変のレンズ効果を得ることができる様になっている。
The
この図5に示す液晶レンズ101は、凹部を持つ透明基板102a、102bと液晶103の屈折率差によって焦点可変レンズとして作用するため、無限系と有限系の切り替えが可能であり、例えば、凹部を持つ透明基板102a、102bの屈折率と、液晶103の液晶分子の常光屈折率を同一にしておけば、透明基板102a、102bと液晶103の屈折率差によるレンズ効果は発生せず無限系となり、液晶レンズへの入射光線105を素通しする平板効果が得られ、電圧印加によって液晶分子の異常光屈折率成分が発現すれば、透明基板102a、102bと液晶103の屈折率差によるレンズ効果を持たせ有限系とすることができる。
Since the
ところで、一般的には液晶103のアッベ数は、透明基板102a、102bよりも小さいため、液晶レンズ101は強い色収差が発生することとなる。そこで、図5に示す液晶レンズ101は、凸レンズとしての効果を有するために、凹レンズの効果を有する透明基板102a、102bと組み合わせて、色収差を低減した液晶レンズとすることができる。
By the way, since the Abbe number of the
しかしながら、図5に示す液晶レンズ101は、入射光線105が示すように、400nmの光線と700nmの光線では、集光位置が変わってしまうため、このような構成では、広い波長帯域の可視光では色収差の影響により、波面収差を小さく抑えることができない。例えば、光学性能の指標として、波面収差のRMS値がλ/14以下(マレシャル基準)を満たせば、回折限界の高い精度を持ち光学性能が十分に得られるという判断が一
般的になされるが、この液晶レンズ101の構成では、これを満たすことが難しい。その特性について図6を用いて説明する。
However, the
図6は、図5に示した液晶レンズ101について、広い波長帯域の可視光における光学特性を示す図である。図6に記載されている波面収差λ/14のラインは、光学性能の指標となるマレシャル基準を示したものであり、一般的には、液晶レンズ101で発生する波面収差を、λ/14以下に抑えることができれば、回折限界の高い精度を持ち光学性能が十分に得られるという判断がなされる。
FIG. 6 is a diagram showing optical characteristics of visible light in a wide wavelength band for the
図5に示すように、液晶103に電圧を印加することで、この液晶レンズ101は、レンズ効果を得ることができる。このとき、図6に示すように広い波長帯域の可視光において、液晶103の波長分散の影響によって、広い波長帯域の入射光線105では同じ位置に集光することができず、色収差が発生するために回折限界となるλ/14以下を満たすことはできない。
As shown in FIG. 5, the
また、図5に示した従来の液晶レンズ101は、透明基板102a、102bのそれぞれがレンズ面を有するが、液晶レンズの製造工程において、両透明基板102a、102bのレンズ光軸を、正確に重ね合わせて貼り合わせることは、非常に困難である。このレンズ光軸がズレたまま、透明基板102a、102bを貼り合わせると、レンズの光軸芯ズレが発生し、これがレンズの光学性能を落とす要因となる。
Further, in the conventional
このように、従来の液晶レンズ101は、焦点可変レンズとして有限系と無限系の切り替えは可能だが、色収差により光学性能が著しく低下してしまうという問題を有していた。また、液晶103を挟持する透明基板102a、102bにそれぞれレンズ面104があると、光軸芯ズレにより特性が低下するため、製造が難しくなるといった課題があった。
As described above, the conventional
そこで、本発明は、焦点可変レンズとして有限系と無限系のダイナミックな切り替えが可能でありながら、可視光の広い波長帯域でも、有限系あるいは無限系のいずれか一方を確実に波面収差のRMS値がλ/14以下(マレシャル基準)を満たし、回折限界の高い精度を持ち光学性能が十分に得ることができ、かつ安価な構成で量産性に優れた液晶レンズを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention enables dynamic switching between a finite system and an infinite system as a variable focus lens, but reliably ensures that either a finite system or an infinite system has a RMS value of wavefront aberration even in a wide wavelength band of visible light. An object of the present invention is to provide a liquid crystal lens satisfying λ / 14 or less (Marechial standard), having a high diffraction limit accuracy, sufficiently obtaining optical performance, and having an inexpensive structure and excellent mass productivity.
上記課題を解決するために、本発明の液晶レンズは、基本的に下記の構成を有するものである。 In order to solve the above problems, the liquid crystal lens of the present invention basically has the following configuration.
本発明の液晶レンズは、液晶を挟持する2枚の透明基板における液晶に接する少なくとも一方の面に、レンズ面が形成されている液晶レンズにおいて、このレンズ面を含む透明基板を構成する部材のアッベ数と、液晶における常光屈折率のアッベ数、または異常光屈折率のアッベ数と、を等しくしたことを特徴とするものである。 The liquid crystal lens of the present invention is a liquid crystal lens in which a lens surface is formed on at least one surface in contact with the liquid crystal in the two transparent substrates sandwiching the liquid crystal, and an Abbe of a member constituting the transparent substrate including the lens surface. The number is equal to the Abbe number of the ordinary light refractive index or the Abbe number of the extraordinary light refractive index in the liquid crystal.
また、本発明の液晶レンズは、前述した2枚の透明基板の内の一方の基板に、レンズ面が形成されており、他方の基板に、レンズ面が形成されていない平板基板であることを特徴とするものである。 The liquid crystal lens of the present invention is a flat substrate in which a lens surface is formed on one of the two transparent substrates described above and a lens surface is not formed on the other substrate. It is a feature.
また、本発明の液晶レンズは、前述したレンズ面が、入射する光束の光軸と直交する面内で、光軸に対して回転対称となる球面または非球面形状であることを特徴とするものである。 The liquid crystal lens of the present invention is characterized in that the lens surface described above has a spherical or aspherical shape that is rotationally symmetric with respect to the optical axis in a plane orthogonal to the optical axis of the incident light beam. It is.
また、本発明の液晶レンズは、前述したレンズ面が形成された透明基板が、樹脂基板であることを特徴とするものである。 The liquid crystal lens of the present invention is characterized in that the transparent substrate on which the lens surface is formed is a resin substrate.
また、本発明の液晶レンズは、前述した樹脂基板が、主剤に対して分極率の高いイオンが含む材料で形成されていることを特徴とするものである。 The liquid crystal lens of the present invention is characterized in that the above-described resin substrate is formed of a material containing ions having a high polarizability with respect to the main agent.
また、本発明の液晶レンズは、前述した透明基板が、主剤に対して分極率の高いイオンを含む材料で形成されたガラス基板であることを特徴とするものである。 In the liquid crystal lens of the present invention, the transparent substrate described above is a glass substrate formed of a material containing ions having a high polarizability with respect to the main agent.
本発明により、簡易で安価な構成で、量産性に優れ、可変焦点レンズとして有限系から無限系へとダイナミックな切り替えが可能でありながら、可視光の広い波長帯域に関わらず、有限系あるいは無限系のいずれか一方を確実に波面収差のRMS値がλ/14以下(マレシャル基準)を満たし、回折限界の高い精度を持ち光学性能が十分に得ることができる液晶レンズが提供できる。 The present invention has a simple and inexpensive configuration, is excellent in mass productivity, and can be dynamically switched from a finite system to an infinite system as a variable focus lens. It is possible to provide a liquid crystal lens in which either one of the systems can reliably satisfy the RMS value of wavefront aberration of λ / 14 or less (Marechial criterion), have high diffraction limit accuracy, and sufficient optical performance.
本発明の液晶レンズの構成をについて以下に説明する。 The configuration of the liquid crystal lens of the present invention will be described below.
本発明における第一の実施形態の液晶レンズについて、液晶レンズがレンズ効果を持った際の構成について図1を用いて説明する。図1は、第1の実施形態である液晶レンズ1の構成を示す断面図であり、レンズとして作用した状態を示している。
With respect to the liquid crystal lens of the first embodiment of the present invention, the configuration when the liquid crystal lens has a lens effect will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the
図1に示す様に、本発明における第一の実施形態の液晶レンズ1は、液晶3と接する面にレンズ面4を形成した樹脂6を有する透明基板2a(凹レンズの効果を有する透明基板2a)と、対向する、レンズ形状を有さない透明基板2b(平板基板)によって構成されている。ここでは、レンズ面4は、液晶3の一方の面のみに、入射光線5aの光軸と直交する面内で、光軸に対して回転対称となる球面または非球面形状で形成されている。このレンズ面4を球面または非球面とするのかは、設計仕様に応じて任意である。また、このレンズ面4は曲率によって液晶3の厚さに大きく影響するので、液晶レンズ1の応答性に大きく関わる。そのため、液晶3の厚さを薄くするためにレンズ面4をフレネルレンズ形状としてもよい。さらに、ここで示した凹レンズ効果を有する透明基板2aだけでなく、仕様に応じて凸レンズ効果を有する形態としても構わない。
As shown in FIG. 1, the
また、レンズ面4を有する透明基板2aおよび対向する透明基板2bには、それぞれの基板表面に形成された透明電極(図示せず)と配向膜(図示せず)とによって、基板間に挟持する液晶3に給電を行って、樹脂6のレンズ面4の入射光線5aに対して液晶3との屈折率差を付与できる様になっている。
Further, the
また、図1で示す液晶レンズ1において、レンズ面4を形成した樹脂6には、例えば、アクリル樹脂からなる主剤に対して分極率の高いイオンを含む、高屈折率でありかつ低アッベ数の材料を採用している。ここで示す分極率とは、物質の光による変位の受けやすさを表すものであるため、分極率が高い物質ほど高い屈折率を示す。また、ここで使用する樹脂6は、例えば、高い分極率を示す有機基であるベンゼン環、硫黄、ヨウ素、臭素などを有する高分子材料を用いることで、その樹脂材料の屈折率から更に高い屈折率に調整することができる。また、この様に上記有機基を備えた高分子材料によりレンズ面4を形成して屈折率を上昇させると、液晶レンズ1に入射する入射光線5aの波長による分散の影響が大きくなるため、高屈折率の材料は必然的に波長分散の大きい低アッベ数の材料となることに留意すべきである。
Further, in the
また、図1で示す本発明における第一の実施形態の液晶レンズ1において、液晶3はホモジニアス配向を有するネマテック液晶が用いられるが、垂直配向型液晶を利用することも可能である。いずれの配向モードにおいても、液晶3の異常光屈折率Neを樹脂6の屈折率と一致させる。そうすることで、図1に示すように液晶分子が透明基板2bと平行(紙面に対して上下方向)になるように駆動した場合、入射光線5aに対して液晶3の常光屈折率Noが作用するために、液晶3の常光屈折率Noと樹脂6の屈折率の差によって、レンズ面4で入射光線5aが屈折することにより、液晶レンズ1にレンズ効果を持たせることができる。
In the
また、液晶3は、異常光屈折率Neと常光屈折率Noのそれぞれにおいて、屈折率が異なるために、必然的に波長分散の大きさを示すアッベ数もそれぞれ異なる。そこで、液晶3とレンズとして作用させる樹脂材料のアッベ数を考慮せずに液晶レンズを構成すると、屈折率の大きい異常光屈折率Neの方が、屈折率の小さい常光屈折率Noよりも波長分散の大きい低アッベ数となるが、この異常光屈折率Neのアッベ数は、樹脂6のアッベ数と比べても小さくなってしまうこととなる。そのため、本発明においては、液晶3の常光屈折率Noにおけるアッベ数と、高屈折率である樹脂6のアッベ数とをほぼ一致するように構成した。このとき、当然ながら液晶3の異常光屈折率Neのアッベ数と、樹脂6のアッベ数とは異なる値となる。
Further, since the refractive index of the liquid crystal 3 is different for each of the extraordinary refractive index Ne and the ordinary refractive index No, the Abbe number indicating the magnitude of chromatic dispersion is inevitably different. Therefore, if the liquid crystal lens is formed without considering the Abbe number of the resin material that acts as the liquid crystal 3 and the lens, the extraordinary refractive index Ne having a large refractive index is more wavelength-dispersed than the ordinary refractive index No having a small refractive index. However, the Abbe number of the extraordinary light refractive index Ne is smaller than the Abbe number of the
そこで、樹脂6のアッベ数と液晶3の常光屈折率Noにおけるアッベ数とを一致させるために、具体的には、液晶3の常光屈折率Noにおけるアッベ数が35前後であるため、樹脂6を先に述べた分極率の高い有機基を有する高分子材料用いて、屈折率とアッベ数を調整する。このとき、樹脂6の屈折率は1.6〜1.9程度、アッベ数が20〜40前後の範囲で調整可能となるため、樹脂6のアッベ数を35前後になるように調整すれば、液晶3の常光屈折率Noのアッベ数にほぼ一致することになる。
Therefore, in order to match the Abbe number of the
また、液晶3の常光屈折率Noは1.5前後であり、樹脂材料の屈折率は1.6〜1.9前後となるため、両者の屈折率差が0.1〜0.4程度得られることになる。そして、液晶レンズ1は、この屈折率差の範囲内において色収差のない焦点可変レンズを実現することができる。
Moreover, since the ordinary light refractive index No of the liquid crystal 3 is around 1.5, and the refractive index of the resin material is around 1.6 to 1.9, the difference in refractive index between them is about 0.1 to 0.4. Will be. The
このように、図1で示す本発明における第一の実施形態の液晶レンズ1は、レンズ効果を持つように液晶3を駆動させた場合に、常光屈折率Noが作用しても、この常光屈折率Noにおけるアッベ数と、樹脂6のアッベ数とが一致するので、例え図1に示すように、400nmから700nmの広い波長帯域の入射光線5aであったとしても、各波長の光の全てを同じ位置に集光させて、その結果、色収差を抑えることができるのである。
As described above, the
次に、本発明における液晶レンズ1について、液晶レンズ1が平板効果を持った際(液晶3を駆動させなかったとき)の形態について図2を用いて説明する。図2は、液晶レンズ1を図1に示したレンズ効果から、平板効果に切り替えたときを示す図面である。
Next, the
先の説明の通り、本発明の液晶レンズ1は、液晶3の常光屈折率Noを樹脂6の屈折率と一致させている。そのため、図2に示すように液晶分子が透明基板2bと垂直になるように駆動した場合、入射光線5bには液晶3の異常光屈折率Neが作用することとなり、図1で示した形態とは異なり、レンズ面4で入射光線5bが屈折することなく、液晶レンズ1は平板として作用して、入射光線5bを素通しとすることができる。
As described above, in the
しかしながら、図2で示す本発明における第一の実施形態の液晶レンズ1は、平板効果を持つように液晶3を駆動させた場合に、異常光屈折率Neが作用しているため、この異
常光屈折率Neにおけるアッベ数と、樹脂6のアッベ数とが異なることから、図2に示すように、広い波長帯域の入射光線5bは、各波長の光が同じ位置に集光することができず、色収差を抑えることは難しくなる。
However, the
次に、本発明の液晶レンズ1の性能について示す。図3は、図1と図2により説明した本発明における液晶レンズ1に、広い波長帯域の可視光の入射光線を入射させ、この液晶レンズ1から出射する光線における波面収差を示している。本図における縦軸は波面収差量であり、横軸は波長を示している。また、本図に示す実線は、液晶レンズ1がレンズ効果を持った際の波面収差を示し、点線が液晶レンズ1が平板効果を持った際の波面収差を示す。また、図3に記載されている波面収差λ/14のラインは、光学性能の指標となるマレシャル基準を示したものであり、一般的にはこのλ/14以下に波面収差を抑えることができれば、回折限界の高い精度を持ち光学性能が十分に得られるという判断がなされる。
Next, the performance of the
図3に示すように、本発明における液晶レンズ1がレンズ効果を持った際には、回折限界であるλ/14を満たすことができる。これは、先に述べたとおり、常光屈折率Noにおけるアッベ数と、樹脂6のアッベ数とがほぼ一致することから、液晶レンズ1を透過した光線の色収差を、極力抑えることができるためである。
As shown in FIG. 3, when the
また、本発明における液晶レンズ1が平板効果を持った際には、回折限界であるλ/14を満たすことが難しいことが判る。これも、先に述べたとおり、このときには、異常光屈折率Neにおけるアッベ数と、樹脂6のアッベ数が異なることから、液晶レンズ1を透過した光線の色収差を、抑えることは難しくなる。
It can also be seen that when the
また、本発明における第一の実施形態では、液晶レンズ1がレンズ効果を持った際に波面収差を最も小さくなるように構成しているため、平板効果の際には波面収差が悪化することとなるが、液晶レンズ1の実際の用途に合わせて、平板効果の際に波面収差を最も小さくすることも可能である。この平板効果の際に波面収差を最も小さくするためには、樹脂6のアッベ数が、液晶3の異常光屈折率Neにおけるアッベ数と一致するように設定すれば、その効果を得ることができる。
In the first embodiment of the present invention, the wavefront aberration is reduced when the
このように、本発明における第一の実施形態における液晶レンズ1によって、液晶レンズ1が有限系から無限系へとダイナミックな切り替えが可能となり、液晶レンズのそれぞれの用途に合わせて、可視域である、広い波長帯域の入射光に対して色収差の発生を極力抑え、回折限界まで波面収差を抑えることが可能となる。また、本発明の構成は、レンズ面が1面であるため、光軸芯ズレの問題も起こらないために、安価な構成で量産性に優れた液晶レンズを提供することができる。
As described above, the
なお、レンズ効果と平板効果の両方において色収差を極力抑えたい場合には、レンズ面を形成する材料のアッベ数を、液晶の常光屈折率Noにおけるアッベ数と、異常光屈折率Neにおけるアッベ数の中間となるように調整すればよい。 In order to suppress chromatic aberration as much as possible in both the lens effect and the flat plate effect, the Abbe number of the material forming the lens surface is set to the Abbe number in the ordinary light refractive index No of the liquid crystal and the Abbe number in the extraordinary light refractive index Ne. What is necessary is just to adjust so that it may become intermediate.
また、本実施例では、レンズ面4が一方の透明基板2b側に形成した構成例を示したが、必要に応じて他方の面の透明基板2a表面にも、レンズ面を設けても構わない。この構成とすることにより、レンズ面を一方に設けた図1、図2の構成に比べて、液晶レンズの製造工程において、レンズの光軸芯ズレが発生する可能性が増すが、他の収差を低減する、またはレンズ効果を高める等、レンズ設計の自由度を広げながらにして、色収差の発生を極力抑えた形態とすることができる。
In the present embodiment, the configuration example in which the lens surface 4 is formed on the one
次に、本発明における第一の実施形態の液晶レンズの他の構成について、液晶レンズがレンズ効果を持った際の構成について図4を用いて説明する。図4は、第2の実施形態である液晶レンズ11の構成を示す断面図であり、レンズとして作用した状態を示している。 Next, another configuration of the liquid crystal lens according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4 when the liquid crystal lens has a lens effect. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the liquid crystal lens 11 according to the second embodiment, and illustrates a state in which the liquid crystal lens 11 has acted as a lens.
図4に示す様に、本発明における第二の実施形態の液晶レンズ11は、液晶13と接する面にレンズ面14を形成した透明基板12aと、対向する透明基板12bによって構成されている。本形態においても、レンズ面14は、液晶13に対して一方の面に、入射光線15aの光軸と直交する面内で光軸に対して回転対称となる球面または非球面形状で形成されている。このレンズ面形状を球面または非球面形状とするかは、仕様用途に応じて任意である。さらには、このレンズ面14は曲率によって液晶13の厚さに大きく影響するので、液晶レンズ11の応答性に大きく関わる。そのため、液晶13の厚さを薄くするためにレンズ面14をフレネルレンズ形状としてもよい。
As shown in FIG. 4, the liquid crystal lens 11 according to the second embodiment of the present invention includes a
また、レンズ面14を有する透明基板12aおよび対向する透明基板12bには、それぞれの基板表面に形成された透明電極(図示せず)と配向膜(図示せず)とによって、基板間に挟持する液晶13に給電を行って、レンズ面14の入射光線15aに対して液晶13との屈折率差を付与できる様になっている。
The
また、図4で示す本発明における第二の実施形態の液晶レンズ11において、レンズ面14を有する透明基板12aはガラス基板であり、主剤に対して分極率の高いイオンを含む、高屈折率でありかつ低アッベ数の材料を採用している。ここで示す分極率とは、物質の光による変位の受けやすさを表すものであるため、分極率が高い物質ほど高い屈折率を示す。この透明基板12aについては、例えば、ガラス材料に、高い分極率を示す鉛やバリウムの含有量を調整することで、高い屈折率を有する透明基板12aとすることができる。また、高い屈折率の透明基板12aとすると、入射光線の波長による分散の影響が大きくなるため、高屈折率の材料は必然的に波長分散の大きい低アッベ数の材料となることに留意する必要がある。
Moreover, in the liquid crystal lens 11 of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 4, the
また、図4で示す本発明における第二の実施形態の液晶レンズ11において、液晶13はホモジニアス配向を有するネマテック液晶が用いられるが、垂直配向型液晶を利用することも可能である。いずれの配向モードにおいても、液晶13の異常光屈折率Neを透明基板12aの屈折率と一致させる。そうすることで、図4に示すように液晶分子が透明基板12bと平行(紙面に対して上下方向)になるように駆動した場合、入射光線15aには液晶13の常光屈折率Noが作用するために、液晶13の常光屈折率Noと透明基板12aの屈折率の差によって、レンズ面14で入射光線15aが屈折することにより、液晶レンズ11にレンズ効果を持たせることができる。
Also, in the liquid crystal lens 11 of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 4, nematic liquid crystal having homogeneous alignment is used as the
また、液晶13は、異常光屈折率Neと常光屈折率Noのそれぞれにおいて、屈折率が異なるために、必然的に波長分散の大きさを示すアッベ数もそれぞれ異なる。そこで、液晶13とレンズとして作用させる透明基板材料を考慮せずに液晶レンズを構成すると、屈折率の大きい異常光屈折率Neの方が、屈折率の小さい常光屈折率Noよりも波長分散の大きい低アッベ数となるが、この異常光屈折率Neのアッベ数は、透明基板12aのアッベ数と比べても小さくなってしまうこととなる。そのため、本発明においては、常光屈折率Noにおけるアッベ数と高屈折率である透明基板12aのアッベ数をほぼ一致するように構成した。このとき、当然ながら液晶13の異常光屈折率Neのアッベ数と、透明基板12aのアッベ数とは異なる値となる。
Further, since the
そこで、透明基板12aのアッベ数と液晶13の常光屈折率Noにおけるアッベ数とを一致させるために、具体的には、液晶13の常光屈折率Noにおけるアッベ数が35前後
であるため、透明基板12aを先に述べた分極率の高い鉛やバリウムをの含有量を調整して、屈折率とアッベ数を調整する。このとき、透明基板12aの屈折率は1.6〜1.9程度、アッベ数が20〜40前後の範囲で調整可能となるため、透明基板12aのアッベ数を35前後になるように調整すれば、液晶13の常光屈折率Noのアッベ数にほぼ一致することになる。また、液晶13の常光屈折率Noは1.5前後であり、樹脂材料の屈折率は1.6〜1.9前後となるため、両者の屈折率差が0.1〜0.4程度得られることになる。液晶レンズ11は、この屈折率差の範囲内において色収差のない焦点可変レンズを実現することができる。
Therefore, in order to match the Abbe number of the
このように、図4で示す本発明の液晶レンズ11は、レンズ効果を持つように液晶13を駆動させた場合に、常光屈折率Noが作用しても、この常光屈折率Noにおけるアッベ数と、透明基板12aのアッベ数とが一致するので、例え図4に示すように、400nmから700nmの広い波長帯域の入射光線15aであったとしても、各波長の光の全てを同じ位置に集光させて、色収差を抑えることができるのである。
As described above, the liquid crystal lens 11 of the present invention shown in FIG. 4 has the Abbe number at the normal light refractive index No, even when the normal light refractive index No acts when the
また、本発明の第二の実施形態における液晶レンズ11が、レンズ効果を持った際の波面収差と平板効果を持った際の波面収差の関係については、実施例1で説明した図1および図2とそれぞれと同様の効果を持つため、ここでの説明は省略する。 The relationship between the wavefront aberration when the liquid crystal lens 11 according to the second embodiment of the present invention has a lens effect and the wavefront aberration when it has a flat plate effect is described with reference to FIGS. 2 have the same effects as those of No. 2 and will not be described here.
また、第二の実施形態における液晶レンズ11も、先に説明したと同様に、レンズ効果を持った際に波面収差を最も小さくなるように構成しているため、平板効果の際には波面収差が悪化することとなるが、液晶レンズ11の実際の用途に合わせて、平板効果の際に波面収差を最も小さくすることも可能である。この平板効果の際に波面収差を最も小さくするためには、透明基板12aのアッベ数が、液晶13の異常光屈折率Neにおけるアッベ数と一致するように設定すれば、その効果を得ることができる。
Further, as described above, the liquid crystal lens 11 in the second embodiment is also configured to minimize the wavefront aberration when having a lens effect. However, in accordance with the actual use of the liquid crystal lens 11, it is possible to minimize the wavefront aberration during the flat plate effect. In order to minimize the wavefront aberration during the flat plate effect, the effect can be obtained if the Abbe number of the
このように、本発明の第二の実施形態における液晶レンズ11によっても、液晶レンズ11が有限系から無限系へとダイナミックな切り替えが可能となり、液晶レンズのそれぞれの用途に合わせて、可視光の広い波長帯域の入射光に対して色収差の発生を極力抑え、回折限界まで波面収差を抑えることが可能となる。また、本発明の構成は、レンズ面が1面であるため、光軸芯ズレの問題も起こらないために、安価な構成で量産性に優れた液晶レンズを提供することができる。 As described above, the liquid crystal lens 11 according to the second embodiment of the present invention can also dynamically switch the liquid crystal lens 11 from the finite system to the infinite system. It is possible to suppress the occurrence of chromatic aberration as much as possible to incident light in a wide wavelength band, and to suppress wavefront aberration to the diffraction limit. In addition, since the configuration of the present invention has a single lens surface, the problem of optical axis misalignment does not occur, so that a liquid crystal lens with an inexpensive configuration and excellent mass productivity can be provided.
1、11、101 液晶レンズ
2a、2b、12a、12b 透明基板
3、13 液晶
4、14 レンズ面
5a、5b、15a 入射光線
6 樹脂
1, 11, 101
Claims (6)
前記レンズ面を含む前記透明基板を構成する部材のアッベ数と、前記液晶における常光屈折率のアッベ数、または異常光屈折率のアッベ数と、を等しくした
ことを特徴とする液晶レンズ。 In a liquid crystal lens in which a lens surface is formed on at least one surface in contact with the liquid crystal in the two transparent substrates sandwiching the liquid crystal,
A liquid crystal lens characterized in that an Abbe number of a member constituting the transparent substrate including the lens surface is equal to an Abbe number of an ordinary light refractive index or an Abbe number of an extraordinary light refractive index in the liquid crystal.
ことを特徴とする請求項1に記載の液晶レンズ。 The lens substrate is formed on one of the two transparent substrates, and the other substrate is a flat substrate on which no lens surface is formed. Liquid crystal lens.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の液晶レンズ。 The liquid crystal lens according to claim 1, wherein the lens surface has a spherical or aspherical shape that is rotationally symmetric with respect to the optical axis in a plane orthogonal to the optical axis of the incident light beam.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の液晶レンズ。 The liquid crystal lens according to any one of claims 1 to 3, wherein the transparent substrate on which the lens surface is formed is a resin substrate.
ことを特徴とする請求項4に記載の液晶レンズ。 The liquid crystal lens according to claim 4, wherein the resin substrate is made of a material containing ions having a high polarizability with respect to the main agent.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の液晶レンズ。 The liquid crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein the transparent substrate on which the lens surface is formed is a glass substrate formed of a material containing ions having a high polarizability with respect to the main agent. lens.
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