JP2014209170A - 液晶光学装置、固体撮像装置、携帯情報端末、および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体奥行き方向距離を得ることができる撮像モードと、高解像な２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた液晶光学装置、固体撮像素子、携帯情報端末、および表示装置を提供する。【解決手段】本実施形態の液晶光学装置は、第１面を有する光透過性の第１基板と、前記第１基板上に設けられた光透過層と、前記光透過層の上に設けられた光透過性の第１電極と、を有し、前記光透過層は前記電極膜と対向する面に第１面と平行な第１方向に沿って配列され前記第１方向に交差する第２方向に延在する凹部を有する第１電極部と、前記第１電極部を介して前記第１基板と対向する第２面を有する光透過性の第２基板と、前記第２基板の第２面に設けられ前記第２方向に配列し前記第１方向に沿って延在する、二つの第２電極と、を有する第２電極部と、前記第１電極部および第２電極部間に挟持された液晶層と、前記第２電極部を介して前記液晶層と対向する第１偏光板と、前記第１電極及び前記第２電極に電圧を印加する駆動部と、を備えている。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、液晶光学装置、固体撮像装置、携帯情報端末、および表示装置に関する。

２次元アレイ情報として被写体までの奥行き方向の距離を得ることができる撮像技術は、参照光を使用する技術、複数カメラを使用したステレオ測距技術など様々な方法が知られている。特に近年は、民生用途での新たな入力デバイスとして比較的廉価な、距離情報を得ることのできる撮像デバイスのニーズが高まっている。

そこで、多眼で多数視差を得ることができ、かつ解像度の低下を抑えるための構成として、結像レンズを持つ複眼構成の撮像装置が提案されている。この撮像装置は、例えば結像系レンズを有し、結像系レンズと撮像素子の中間に、再結像系光学系として複数光学系が配置される。例えば複数光学系としては、平面上に多数のマイクロレンズが形成されたマイクロレンズアレイなどが用いられる。各マイクロレンズの下部には複数の画素がその像を取得するため対応する位置に設けられている。結像レンズにおいて結像された像は、再結像マイクロレンズによって再度撮像素子へ結像し、その再結像した個眼像は、それぞれマイクロレンズの配置位置によって存在する視差の分、視点がずれた画像となる。

多数のマイクロレンズから得られた視差画像群を画像処理することで、三角測量の原理にて被写体の距離推定が可能であり、またつなぎ合わせの画像処理を行うことによって、２次元画像として再構成することも可能である。

一般に、再構成された２次元画像は、複数光学系を除いた状態で得られる２次元画像より解像度が低下する。可変マイクロレンズアレイを用いて、実質的に複数光学系の有無を切り替えると、被写体奥行き方向の距離を得ることができる撮像モードと、高解像な２次元画像の撮像モードとを切り替えることができる。複数光学系として液晶レンズ素子と偏光切替用液晶素子と組み合わせた液晶光学装置を用いて、電圧を印加または除去することにより、液晶光学装置を結像作用と非結像状態とに切り替える技術が開示されている。しかし、２種類の液晶素子を組み合わせているため、部材点数が多く、また、素子が厚くなる。
また、偏光の光路を一方向に偏らせる第１液晶偏光素子と、上記一方向と直交する方向に偏らせる第２液晶偏光素子との間に、偏光回転用液晶素子を設けた液晶光学装置を用いて、光路を上下左右に偏らせる技術が知られている。この液晶光学装置は３個の液晶光学素子を積層しているため、装置を薄型化するのが難しい。

特開２００８−１６７３９５号公報 特開２００２−２１４５７９号公報 特開２００７−２１３０８１号公報

本実施形態は、被写体奥行き方向距離を得ることができる撮像モードと、高解像な２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた液晶光学装置、固体撮像素子、携帯情報端末、および表示装置を提供する。

本実施形態による液晶光学装置は、第１面を有する光透過性の第１基板と、前記第１基板上に設けられた光透過層と、前記光透過層の上に設けられた光透過性の第１電極と、を有し、前記光透過層は前記電極膜と対向する面に第１面と平行な第１方向に沿って配列され前記第１方向に交差する第２方向に延在する凹部を有する第１電極部と、前記第１電極部を介して前記第１基板と対向する第２面を有する光透過性の第２基板と、前記第２基板の第２面に設けられ前記第２方向に配列し前記第１方向に沿って延在する、二つの第２電極と、を有する第２電極部と、前記第１電極部および第２電極部間に挟持された液晶層と、 前記第２電極部を介して前記液晶層と対向する第１偏光板と、前記第１電極及び前記第２電極に電圧を印加する駆動部と、を備えている液晶光学装置。

第１実施形態による固体撮像装置を示す図。 第１実施形態による固体撮像装置を示す断面図。 第１実施形態に係る液晶光学装置の上面図。 図４（ａ）、４（ｂ）は、第１実施形態に係る液晶光学装置の断面図。 図５（ａ）、５（ｂ）は、第１実施形態に係る液晶光学装置の動作を説明する図。 図６（ａ）、６（ｂ）は、第１実施形態に係る液晶光学装置の動作を説明する図。 第１実施形態に係る液晶光学装置を駆動する電圧を示す波形図。 第１実施形態の変形例による液晶光学装置を駆動する電圧を示す波形図。 図８（ａ）、８（ｂ）は、他の例による液晶光学装置の動作を説明する図。 図９（ａ）、９（ｂ）は、他の例による液晶光学装置の動作を説明する図。 他の例による液晶光学装置を駆動する電圧の一例を示す波形図。 第２実施形態に係る一具体例の液晶光学装置の断面図。 第２実施形態に係る一具体例の液晶光学装置の断面図。 第２実施形態に係る一具体例の液晶光学装置を駆動する電圧の一例を示す波形図。 第２実施形態に係る他の具体例の液晶光学装置を駆動する電圧の一例を示す波形図。 第３実施形態に係る一具体例の液晶光学装置の断面図。 第３実施形態に係る一具体例の液晶光学装置の断面図。 第３実施形態に係る他の具体例の液晶光学装置の断面図。 第３実施形態に係る他の具体例の液晶光学装置の断面図。 第３実施形態に係る液晶光学装置を駆動する電圧の一例を示す図。 第４実施形態による液晶光学装置の製造方法を示す図。 第５実施形態による携帯情報端末を示す斜視図。 第６実施形態による表示装置を示すブロック図。 図２３（ａ）、２３（ｂ）は、第１実施形態の変形例に係る液晶光学装置の断面図。 第７実施形態に係る一具体例の液晶光学装置の断面図。 第７実施形態に係る一具体例の液晶光学装置の断面図。 第７実施形態の固体撮像装置を説明する図。 第３実施形態の固体撮像装置の一変形例を説明する図。 第７実施形態に係る液晶光学装置の電圧印加時に生じる屈折率分布の特性プロットを示す図。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１に、第１実施形態による固体撮像装置（カメラモジュール）１を示す。第１実施形態の固体撮像装置１は、撮像モジュール部１０と、撮像信号プロセッサ（以下、ＩＳＰ(Image Signal Processor)ともいう）２０と、を有する。

撮像モジュール部１０は、結像光学系１２と、液晶光学装置１４と、撮像素子１６と、撮像回路１８とを有する。結像光学系１２は、被写体からの光を撮像素子１６へ取り込む撮像光学系として機能する。撮像素子１６は結像光学系１２と対向し、結像光学系１２により取り込まれた光を信号電荷に変換する素子として機能し、複数の画素（光電変換素子としての例えばフォトダイオード）が２次元アレイ状に配列されている。複数の画素は１つの画素ブロックを形成する。すなわち、撮像素子１６は複数の画素ブロックを有し、１つの画素ブロックは複数の画素を有する。液晶光学装置１４は、結像光学系１２と撮像素子１６との間に設けられ、後述するように、例えば、対向する２つの電極間に液晶層が挟持された構造を有している。上記２つの電極に電圧を印加することにより、液晶層の屈折率が変化し、液晶光学装置１４は、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイとなる。また、上記２つの透明電極に電圧を印加しない場合には、液晶層の屈折率は変化せず、液晶光学装置１４に入射した光は液晶光学装置を透過する。液晶光学装置１４は、すなわち、電圧印加の有無によりレンズ状態と非レンズ状態とを切り替えることができる。これにより、固体撮像装置は、被写体奥行き方向距離を得ることができる撮像モードと、高解像な２次元画像の撮像モードとを切り替えることができる。

液晶光学装置１４がマイクロレンズアレイとなる場合には、例えば、撮像素子１６と対向する面に凸状を有し、結像光学系１２と対向する面は平面である。液晶光学装置１４の複数のマイクロレンズのそれぞれは、撮像素子１６上に設けられた複数の画素ブロックそれぞれに対応する。液晶光学装置１４のマイクロレンズの一つは、結像光学系１２を透過した光を、このマイクロレンズに対応する画素ブロックに縮小結像する光学系として機能する。すなわち、結像光学系１２によって結像面に結像する光線群は、撮像素子１６の画素アレイにおいて、液晶光学装置１４のマイクロレンズと対応する画素ブロックに縮小再結像される。

撮像回路１８は、撮像素子１６の各画素を駆動する駆動回路部（図示せず）と、画素から出力される信号を処理する画素信号処理回路部（図示せず）とを有している。あるいは、駆動回路部と、画素信号処理回路部を合わせた機能を有する駆動処理回路とを有していてもよい。以降の実施形態においては、撮像回路１８は駆動処理回路を有することとする。上記駆動回路部は、例えば水平ライン（行）に並んだ画素単位を垂直方向に順次選択する垂直選択回路と、画素を列単位で順次選択する水平選択回路と、垂直選択回路および水平選択回路を各種パルスにて駆動するＴＧ（タイミングジェネレータ）回路、などを有する。上記画素信号処理回路部は、画素領域からのアナログ電気信号をデジタル変換するＡＤ変換回路と、ゲイン調整やアンプ動作を行うゲイン調整／アンプ回路と、デジタル信号の補正処理などを行うデジタル信号処理回路などを有している。

ＩＳＰ２０は、カメラモジュールＩ／Ｆ（インターフェース）２２と、画像取り込み部２４と、信号処理部２６と、ドライバＩ／Ｆ２８とを備えている。撮像モジュール部１０による撮像により得られたＲＡＷ画像、すなわち画像信号処理回路部により得られたＲＡＷ画像は、カメラモジュールＩ／Ｆ２２から画像取り込み部２４へ取り込まれる。信号処理部２６は、画像取り込み部２４に取り込まれたＲＡＷ画像について、信号処理を実施する。ドライバＩ／Ｆ（インターフェース）２８は、信号処理部２６での信号処理を経た画像信号を、図示しない表示ドライバへ出力する。表示ドライバは、固体撮像装置によって撮像された画像を表示する。

図２に第１実施形態による固体撮像装置１の断面を示す。図２に示すように、第１実施形態の固体撮像装置１においては、撮像素子１６は、半導体基板１６ａと、この半導体基板１６ａ上に形成されフォトダイオードを有する複数の画素１６ｂと、これらの画素１６ｂを駆動してこれらの画素１６ｂからの信号を読み出す駆動／読み出し回路（図示せず）を有している。撮像素子１６は、画素１６ｂの上部に設けられたカラーフィルタ１６ｃをさらに有していても良い。カラーフィルタ１６ｃは、例えば、画素１６ｂの各々に対応して設けられたＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のフィルタを有していてもよい。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のフィルタは、例えばベイヤー配列などの配列方法にて形成されていても良い。撮像素子１６は、このカラーフィルタ１６ｃの上部に設けられ画素１６ｂの各々に対応する画素集光用のマイクロレンズ１６ｄを有していてもよい。カラーフィルタ１６ｃの上方に、液晶光学装置１４が形成されている。液晶光学装置１４は、液晶光学装置ホルダ４０に取り付けられる。

液晶光学装置ホルダ４０は、例えば、画素１６ｂが形成された撮像領域の周囲に設けられた樹脂材料のスペーサ４２によって半導体基板１６ａと接合される。なお、半導体基板１６ａと液晶光学装置ホルダ４０とを接合する際の位置合わせは、合わせマーク等を基準にして行う。

また、半導体基板１６ａは、画素１６ｂの読出し用電極パッド４４ａ、４４ｂが設けられ、これらの電極パッド４４ａ、４４ｂの下部には半導体基板１６ｃを貫通する貫通電極４６が形成されている。電極パッド４４ｂは、さらに液晶光学装置１４と電気的に接続され、液晶光学装置１４の駆動用信号を伝達する。

そして半導体基板１６ａは、貫通電極４６およびバンプ４８を介してチップ５０と電気的に接続される。このチップ５０には、撮像装置を駆動し読み出された信号を処理する駆動処理回路（撮像回路１８）が形成されている。

また、液晶光学装置１４の上方には結像レンズ１２が設けられ、この結像レンズ１２はレンズ鏡筒６２に取り付けられ、このレンズ鏡筒６２はレンズホルダ６４に取り付けられる。レンズホルダ６４は液晶光学装置ホルダ４０上に接合される。この結像レンズ１２の取り付け時に、押し付け圧と出力像の関係からレンズ１２の焦点距離の調整をしても良い。なお、半導体基板１６ａ、液晶光学装置ホルダ４０、およびチップ５０の周囲には、不要な光を遮断するための光遮蔽カバー５２が取り付けられる。そして、光遮蔽カバー５２にチップ５０と外部とを電気的に接続するモジュール電極５４が設けられる。なお、上記構成はこの限りではなく、例えば電極パッド４４ａ、４４ｂはワイヤーボンディング等にて外部チップと電気的接続されていても良い。

次に、上記液晶光学装置１４について、図３乃至図１０を参照して説明する。

本実施形態に係る液晶光学装置１４の一具体例の上面を図３に示し、図３に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面を図４（ａ）に示し、図４（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面を図４（ｂ）に示す。なお、図４（ａ）は、図４（ｂ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面でもある。

この液晶光学装置１４は、マイクロレンズとなるレンズ部は、正方配列している。液晶光学装置１４は、対向する一対の電極部１４ａ、１４ｂと、これらの電極部１４ａ、１４ｂに挟持された液晶層１４ｃと、偏光板１４ｄと、を備えている。偏光板１４ｄは、電極部１４ｂに対して液晶層１４ｃと反対側に設けられている。

電極部１４ａは、光透過性の基板１４ａ_１と、型枠部（光透過層）１４ａ_２と、電極１４ａ_３と、を備えている。基板１４ａ_１は、平坦な基板であり、例えば石英が用いられる。基板１４ａ_１は一主面を有し、この一主面をＸＹ面とする。型枠部１４ａ_２は、基板１４ａ_１の一主面上に設けられ、一方向（Ｘ軸方向）に等間隔に配列された複数の凹部を有している。凹部は、液晶層１４ｃと対向する。各凹部は、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に延在し、各凹部は、上記Ｙ軸方向に直交する面（Ｘ−Ｚ面）で切断した断面が例えば半球状である。すなわち、各凹部は、その表面がＹ軸方向に延在する例えば半円筒状の形状を有している。各凹部が、液晶光学装置１４がレンズとして機能するときのレンズの凸部に対応する。型枠部１４ａ_２は、光透過性であり、例えば可視光を透過する。この型枠部１４ａ_２は、後述するように、型枠部の屈折率が液晶層１４ｃの屈折率とほぼ等しくなるよう材料が選択される。例えば、樹脂または酸化シリコンが挙げられる。電極１４ａ_３は、型枠部１４ａ_２の表面に設けられた光透過性の電極材料の膜であり、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)が用いられる。電極１４ａ_３は、液晶層１４ｃと対向する面に凹部を有する。型枠部１４ａ_２と電極１４ａ_３との間に、密着性向上等のための被膜を介在させてもよい。なお、Ｚ軸方向は液晶光学装置１４に入射する光の方向に対して逆方向としている。

電極部１４ｂは、光透過性の基板１４ｂ_１と、Ｘ軸方向に延在する配線状の電極１４ｂ_４とを備えている。電極部１４ｂは、さらに面電極１４ｂ_２と、絶縁膜１４ｂ_３と、を備えていても良い。基板１４ｂ_１は、基板１４ａ_１の第１面と対向する第２面を有する。例えば第１面と第２面は平行である。基板１４ｂ_１は、平坦な基板であり、例えば石英が用いられる。面電極１４ｂ_２は、基板１４ｂ_１の第２面に設けられる。面電極１４ｂ_２は、電極材料、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)から形成され、基板１４ｂ_１上に設けられた面状の電極膜である。絶縁膜１４ｂ_３は、面電極１４ｂ_２上に設けられ、面電極１４ｂ_２と電極１４ｂ_４とを電気的に絶縁する。電極１４ｂ_４は、絶縁膜１４ｂ_３上に設けられる。電極１４ｂ_４は、絶縁膜１４ｂ_３を介して面電極１４ｂ_２と対向し、電極１４ｂ_４は、面電極１４ｂ_２の一部と重なる。電極１４ｂ_４は、Ｘ軸方向に延在する電極１４ｂ_４１と、Ｘ軸方向に延在する電極１４ｂ_４２とが交互に配列された構成を有している。後述するように、液晶光学装置１４がレンズとして機能する場合には、電極１４ｂ_４１と、電極１４ｂ_４２とは異なる電圧が印加される。この場合、電極１４ｂ_４２を挟んだ隣接する電極１４ｂ_４１間の距離がレンズのピッチとなる。なお、電極１４ｂ_４は、同じ電圧が印加される電極から構成されていてもよい。同じ電圧が印加される状態には、振幅が同じで位相の異なる電圧波形が印加される状態も含む。この場合は、隣接する電極１４ｂ_４間の距離がレンズのピッチとなる。また、面電極１４ｂ_２は、設け無くともよい。この場合、絶縁膜１４ｂ_３は不要となり、配線状の電極１４ｂ_４が直接基板１４ｂ_１上に設けられる。いずれの構成においても、面電極１４ｂ_２または電極１４ｂ_４と、基板１４ｂ_１と、の間に、密着性向上等のための被膜を介在させてもよい。この実施形態のように、面電極１４ｂ_２を設けて、配線状の電極１４ｂ_４と協働させた方が、液晶層１４ｃに印加される電界分布の制御性、すなわち電界の垂直性を上げることが容易になり、電圧印加時の液晶光学装置の光学特性を向上させることができる。

電極部１４ａと電極部１４ｂを、電極１４ａ_３と配線状の電極１４ｂ_４とが対向するように配置して、液晶を電極部１４ａと電極部１４ｂとの間に挟持する。この挟持の方法としては、例えば周知の液晶表示装置の製造方法を適用することができる。なお、電極部１４ａおよび電極部１４ｂのそれぞれと、液晶層１４ｃとの間には図示しない配向膜が設けられる。

偏光板１４ｄは、液晶光学装置１４の光入射面に設けられる。偏光板１４ｄは、電極部１４ｂを介して液晶層１４ｃと対向する。偏光板１４ｄは、入射された光を縦横方向（あるいは、その中間方向）に透過軸を有する光に偏光し、この偏光を液晶層１４ｃに入射させる。偏光板１４ｄは、例えば型枠部１４ａ_２の凹部の延在方向（Ｙ軸方向）に光学軸を有する直線偏光板であってもよい。また偏光板１４ｄは、例えば円偏光板であってもよい。また偏光板１４ｄは、例えば液晶層１４ｃにおける液晶分子の配向を平面射影した方向に対して４５度の角度をなす光学軸を有する直線偏光板であってもよい。

電極部１４ａの電極１４ａ_３と、電極部１４ｂの面電極１４ｂ_２および電極１４ｂ_４とは、駆動部によって駆動される。この駆動部は、本実施形態の固体撮像装置においては、図２に示すチップ５０に設けられる。

第１電極部の１つの凹部と、第２電極部の二つの第２電極と、この間に設けられた液晶層とで、１つのレンズが形成される。

図５（ａ）乃至図６（ｂ）は、液晶光学装置１４の動作を示す断面図である。図５（ａ）、５（ｂ）はそれぞれ、図４（ａ）、４（ｂ）に示す断面における動作を示し、図６（ａ）、６（ｂ）はそれぞれ、図４（ａ）、４（ｂ）に示す断面における動作を示す。図５（ａ）、５（ｂ）は、液晶光学装置１４に電圧が印加されないとき、または各電極が電源に接続されないときの動作を示し、図６（ａ）、６（ｂ）は、液晶光学装置１４に電圧が印加されたときの動作を示す。

図５（ａ）、５（ｂ）からわかるように、電圧無印加時、液晶層１４ｃの液晶分子は平面方向から見ると一様に配列している。このとき、液晶配列の平面射影方位は、例えば電極１４ｂ_４が並ぶ方向（Ｙ軸方向）とする。また液晶配列の配向方位は、例えば垂直方向（Ｚ軸方向）とする。この場合、平面射影方位は不定である。型枠部１４ａ_２の屈折率を電圧無印加時の液晶層１４ｃの屈折率とほぼ等しくなるよう材料選択しておくと、液晶層１４ｃと型枠部１４ａ_２とで屈折率が整合する。例えば、型枠部１４ａ_２の屈折率と電圧無印加時の液晶層１４ｃの屈折率との屈折率差を０．３以内とする。このため、図５（ａ）に示すように、液晶光学装置１４に入射した光は、レンズの凸面部で屈折せずに直進する。また、図５（ｂ）に示すように、液晶層１４ｃは面内で一様であり屈折率も一定であるため、同様に入射光は直進する。このとき、液晶光学装置１４は非レンズ状態となる。

図６（ａ）、６（ｂ）に示すように、電極部１４ｂの電極１４ｂ_２、１４ｂ_４に、それぞれ電圧Ｖ１、Ｖ２を印加し、電極部１４ａの電極をＧＮＤにする。このとき、液晶層１４ｃの液晶分子は液晶内に形成される電界分布にしたがい再配列する。これに伴い液晶層１４ｃ内に屈折率分布が生じる。すなわち、液晶層１４ｃの屈折率分布により、液晶層１４ｃと型枠部１４ａ_２の屈折率に不整合が生じる。このため、図６（ａ）において、光入射側の電極部１４ｂの面電極１４ｂ_２と、電極部１４ａの電極１４ａ_３との間の液晶層１４ｃに電圧を印加すると、概ね垂直な電界分布が生じ、液晶層１４ｃが正の誘電異方性を有する材料であれば、液晶分子は垂直に配列する。また液晶層１４ｃが負の誘電異方性を有する材料であれば、液晶分子は水平に配列する。この結果、屈折率が変化し、型枠部１４ａ_２との間に屈折率差が生じる。このときの屈折率は通常、液晶分子が垂直に再配列した場合は低下し、また液晶分子が水平に再配列した場合は上昇する。これにより液晶層１４ｃはレンズとして機能する。従って、液晶層１４ｃは、液晶層１４ｃを透過した光を集光する。

図６（ｂ）において、電極部１４ｂの電極１４ｂ_４（１４ｂ_４1、１４ｂ_４2）の一方の電極、例えば電極１４ｂ_４１と、電極部１４ａの電極１４ａ_３との間の液晶層１４ｃに電圧を印加すると、液晶層１４ｃが正の誘電異方性を有する材料であれば、電圧が印加された電極の直上では相対的に垂直成分が多く、電極１４ｂ_４２と、電極１４ａ_３との間では相対的に水平成分が多い、周期的に変化する電界分布が生じる（液晶層１４ｃ内に、模式的な屈折率分布を破線で示す）。また液晶層１４ｃが負の誘電異方性を有する材料であれば、電圧が印加された電極の直上では相対的に水平成分が多く、電極１４ｂ_４２と、電極１４ａ_３との間では相対的に垂直成分が多い、周期的に変化する電界分布が生じる（この場合、屈折率分布は図６（ｂ）に示す分布に対して、配線状の電極１４ｂ_４の配列方向（Ｙ軸方向）に半周期ずれた分布となる）。この電界分布に沿って液晶配列の傾きも周期的に変化する結果、配線状の電極１４_ｂ４が配列された方向（Ｙ軸方向）に沿って屈折率が周期的に変化し、液晶層１４ｃはＧＲＩＮ（GRadient INdex）レンズとして機能し、光が集光する。このとき、液晶光学装置１４はレンズ状態となる。すなわち、液晶光学装置１４は、電圧印加の有無により、レンズ状態と非レンズ状態とを切り替えることができる。

図５（ａ）乃至図６（ｂ）に示す、非レンズ状態およびレンズ状態となるように駆動する電圧波形の一例を図７Ａに示す。図７Ａは、液晶層１４ｃに負の誘電異方性を有する材料を用いた場合の例である。図７は、電極部１４ａの電極１４ａ_３、電極部１４ｂの面電極１４ｂ_２、配線状の電極１４ｂ_４１、１４ｂ_４２のそれぞれの電圧波形図である。面電極１４ｂ_２には基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖｈ’が増減された交流電圧が印加され、電極１４ｂ_４１には基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖｈ２が増減された交流電圧が印加され、電極１４ｂ_４２には基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖｈが増減された交流電圧が印加される。Ｖｈ’はＶｈ以上であり、Ｖｈ２はＶｈ’以上である。Ｖｈ’は、図６（ａ）、６（ｂ）で説明した液晶層１４ｃへの印加電圧Ｖ１である。Ｖｈ２は、図６（ａ）、６（ｂ）で説明した液晶層１４ｃへの印加電圧Ｖ２である。面電極１４ｂ_２の電圧波形は、電極１４ｂ_４１または電極１４ｂ_４２のいずれかと、実質的に同期すればよい。また、面電極１４ｂ_２、電極１４ｂ_４２の電圧は、変動しない一定の電圧Ｖｃでもよい。面電極１４ｂ_２、電極１４ｂ_４１、および電極１４ｂ_４２の電圧の印加順序は、図７Ａに示す場合とは逆に行ってもよく、また、同時に印加してもよい。図７Ａに示す例では、電極１４ｂ_４１および電極１４ｂ_４２の電圧の印加は同時であったが、印加のタイミングがずれていてもよい。また、図７Ａに示す一例では、面電極１４ｂ_２、電極１４ｂ_４１、および電極１４ｂ_４２の電圧波形は、矩形波形であったが、交流波形であればよい。また、面電極１４ｂ_２と電極１４ａ_３との間に電位差がある状態を保ったまま、電極１４ａ_３に交流波形を印加してもよい。

このように、電極部１４ｂに電圧を印加せずに液晶光学装置１４を非レンズ状態とし、電極部１４ｂに電圧を印加して液晶光学装置１４をレンズ状態とすることが可能である。

なお、電極部１４ａの厚みを電極部１４ｂの厚みより薄くしても良い。例えば、レンズアレイが小径である場合には、このレンズによって得られる像が暗くなりやすい。明るい結像を得るためには、焦点距離を短くし撮像素子と接近させることが望ましいので、第１電極部が薄いことが好ましい。第２電極部も薄くすると、素子全体が変形しやすくなり、取り付け時の不良等が増える恐れがある。従って、電極部１４ａを薄くする場合には、第２電極部はこれより厚いことが好ましい。

なお、図２３（ａ）、２３（ｂ）に示すように、電極部１４ａを光が入射する側とし電極部１４ｂを撮像素子と対向させるように液晶光学装置１４を配置しても良い。電極部１４ａの厚みは、実質的に基板１４ａ_１の厚みと型枠部１４ａ_２の厚みとの和である。基板１４ａ_１は、型枠部１４ａ_２を支持しているため、薄くしにくい場合がある。型枠部１４ａ_２には、凹凸構造の形成上、その深さ以上の厚みが必要である。しかしながら、電極部１４ａ側を光入射側とする場合には、電極部１４ｂの厚み（実質的には、基板１４ｂ_１の厚み）を薄くすることでレンズを撮像素子と接近させることができる。このとき、偏光板１４ｄは、電極部１４ａを介して液晶層１４ｃと対向するように設ける。なお、図２３（ｂ）は、図２３（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面であり、図２３（ａ）は、図２３（ｂ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面である。

なお、図７Ｂに示すように、図５乃至図６に示した液晶光学装置１４の液晶層１４ｃとして正の誘電異方性を有する材料を用いた場合に、別のレンズ状態を実現することもできる。

図７Ｂは、電極部１４ａの電極１４ａ_３、電極部１４ｂの面電極１４ｂ_２、配線状の電極１４ｂ_４１、１４ｂ_４２のそれぞれの電圧波形図である。面電極１４ｂ_２には基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖｈ’が増減された交流電圧が印加され、電極１４ｂ_４１、電極１４ｂ_４２には基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖｈが増減された交流電圧が印加される。Ｖｈ’はＶｈ以上である。Ｖｈ’は、図６（ａ）、６（ｂ）で説明した液晶層１４ｃへの印加電圧Ｖ１である。Ｖｈは、図６（ａ）、６（ｂ）で説明した液晶層１４ｃへの印加電圧Ｖ２である。面電極１４ｂ_２の電圧波形は、電極１４ｂ_４１または電極１４ｂ_４２のいずれかと、実質的に同期すればよい。また、面電極１４ｂ_２の電圧は変動しない一定の電圧Ｖｃでもよい。面電極１４ｂ_２、電極１４ｂ_４１、および電極１４ｂ_４２の電圧の印加順序は、図７Ｂに示す場合とは逆に行ってもよく、また、同時に印加してもよい。図７Ｂに示す例では、電極１４ｂ_４１および電極１４ｂ_４２の電圧の印加は同時であったが、印加のタイミングがずれていてもよい。また、図７Ｂに示す一例では、面電極１４ｂ_２、電極１４ｂ_４１、および電極１４ｂ_４２の電圧波形は、矩形波形であったが、交流波形であればよい。また、面電極１４ｂ_２と電極１４ａ_３との間に電位差がある状態を保ったまま、電極１４ａ_３に交流波形を印加してもよい。

この例では、図６（ａ）に示す素子断面において電極部１４ａの凹凸周期と同じ周期の屈折率分布を生じさせる。一方、図６（ｂ）に示す素子断面における屈折率分布は、破線に示した形状から変化する。図７Ｂに示す例では、電極１４ｂ_４１および電極１４ｂ_４２には振幅が同じで正負が逆転した交流電圧が印加される。このとき、電極１４ｂ_４１と電極１４ｂ_４２との間隔の中央部における電圧は、ほぼＶｃのまま一定であり、対向する電極１４ａ_３と、ほぼ同電位となる。このため、電極１４ｂ_４１および電極１４ｂ_４２の直上では相対的に垂直成分が多く、電極１４ｂ_４２と電極１４ａ_３との間隔の中央部では相対的に水平成分が多い、周期的に変化する電界分布が生じる。さらに、電極１４ｂ_４２と電極１４ａ_３との間には、実質的に振幅が２Ｖｈの交流電圧が印加される。このため、電極１４ｂ_４２と電極１４ａ_３との間では、特に電極部１４ｂ近傍の液晶層１４ｃにおいて、さらに水平成分の多い電界分布が生じる。すなわち、図６（ｂ）に示す素子断面においては、電極１４ｂ_４１および電極１４ｂ_４２の直上では相対的に屈折率が低く、電極１４ｂ_４１と電極１４ｂ_４２との間では相対的に屈折率が高い分布が生じる。

なお、液晶の１４ｃの誘電異方性が負の場合、図７Ｂに示す電圧波形を印加すると、電極１４ｂ_４１および電極１４ｂ_４２の直上では相対的に屈折率が高く、電極１４ｂ_４１と電極１４ｂ_４２との間では相対的に屈折率が低い分布が生じる。

（他の具体例）
次に、他の具体例による液晶光学装置１４について、図８（ａ）乃至図９（ｂ）を参照して説明する。図８乃至図９は、液晶層１４ｃに正の誘電異方性を有する材料を用いた場合の例である。

図８（ａ）、８（ｂ）はそれぞれ、図４（ａ）、４（ｂ）に示す断面における動作を示し、図９（ａ）、９（ｂ）はそれぞれ、図４（ａ）、４（ｂ）に示す断面における動作を示す。図８（ａ）、８（ｂ）は、液晶光学装置１４に比較的弱い電圧Ｖｌが印加されたときの動作を示し、図９（ａ）、９（ｂ）は、液晶光学装置１４に比較的強い電圧Ｖｔが印加されたときの動作を示す。

この他の例による液晶光学装置１４は、電極部１４ｂの電極に比較的弱い電圧Ｖｌを印加したときに、図８（ａ）、８（ｂ）からわかるようにレンズ状態となる。このとき、図８（ａ）に示す断面では、液晶層１４ｃと型枠部１４ａ_２とで屈折率の不整合が生じている。図８（ｂ）に示す断面では、液晶層１４ｃの配列の周期的変化により屈折率分布が発生する。しかし、型枠部１４ａ_２の近傍の液晶の配向状態は未だ変化しない。

また、図９（ａ）、９（ｂ）に示すように、電極部１４ｂの電極に比較的強い電圧Ｖｔを印加したときに非レンズ状態となる。図９（ａ）に示す状態では、型枠部１４ａ_２の近傍の液晶層１４ｃの配向状態まで変化し、液晶層１４ｃと型枠部とで屈折率が整合する。図９（ｂ）に示す状態では、電極部１４ａ、１４ｂ間に概略垂直な電界を発生させ、液晶層１４ｃを一様に配列させる。

図８（ａ）乃至図９（ｂ）に示す、レンズ状態および非レンズ状態となるように駆動する電圧波形の一例を図１０に示す。図１０は、電極部１４ａの電極１４ａ_３、電極部１４ｂの面電極１４ｂ_２、配線状の電極１４ｂ_４１、１４ｂ_４２のそれぞれの電圧波形図である。面電極１４ｂ_２には基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖｔ’が増減された交流電圧が印加され、電極１４ｂ_４１および電極１４ｂ_４２には基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖｔが増減された交流電圧が印加される。Ｖｔ’はＶｔ以上であり、Ｖｔは、Ｖｌより大きい。面電極１４ｂ_２の電圧波形は、電極１４ｂ_４１または電極１４ｂ_４２のいずれかと、実質的に同期すればよい。

このように、電極部１４ｂに第１電圧を印加して液晶光学装置１４をレンズ状態とし、電極部１４ｂに第１電圧より大きい第２電圧を印加して液晶光学装置１４を非レンズ状態とすることが可能である。

第２電圧は、例えば第１電圧の２倍以上とすることができる。第２電圧の値は、液晶層１４ｃの材料によって適宜設定するのが好ましいが、例えば第１電圧の５０倍以下とすることができる。

面電極１４ｂ_２、電極１４ｂ_４１、および電極１４ｂ_４２の電圧の印加順序は、図１０に示す場合とは逆に行ってもよく、また、同時に印加してもよい。図１０に示す例では、電極１４ｂ_４１および電極１４ｂ_４２の電圧の印加は同時であったが、印加のタイミングがずれていてもよい。また、図１０に示す一例では、面電極１４ｂ_２、電極１４ｂ_４１、および電極１４ｂ_４２の電圧波形は、矩形波形であったが、交流波形であればよい。また、レンズ状態において、電極１４ｂ_４１との間に電位差がある状態を保ったまま、電極１４ａ_３、１４ｂ_４２、１４ａ_３に交流波形を印加してもよい。また、非レンズ状態において、面電極１４ｂ_２と電極１４ａ_３との間に電位差がある状態を保ったまま、電極１４ａ_３に交流波形を印加してもよい。

なお、上記他の例の液晶光学装置１４においては、液晶層１４ｃの誘電異方性が正の場合であった。液晶の１４ｃの誘電異方性が負の場合には、屈折率分布は図８（ｂ）に示す分布に対して、配線状の電極１４ｂ_４の配列方向（Ｙ軸方向）に半周期ずれた分布となる。

以上説明したように、本実施形態およびその変形例によれば、被写体奥行き方向距離を得ることができる撮像モードと、高解像な２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた液晶光学装置、および固体撮像素子を提供することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による固体撮像装置について、図１１乃至図１４を参照して説明する。この第２実施形態の固体撮像装置は、第１実施形態の固体撮像装置とは、液晶光学装置１４が異なっている。第２実施形態の固体撮像装置に用いられる液晶光学装置１４Ａを図１１および図１２に示す。図１１および図１２はそれぞれ、第１実施形態で説明した液晶光学装置１４の、図４および図５に示す断面図に対応する。図１１は図１２に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図であり、図１２は図１１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

この第２実施形態に係る液晶光学装置１４Ａは、第１実施形態に係る液晶光学装置１４において、電極部１４ａを電極部１４ｅに置き換えた構成となっている。この電極部１４ｅは、光透過性の基板１４ｅ_１と、面電極１４ｅ_２と、絶縁膜１４ｅ_３と、Ｘ軸方向に延在する配線状の電極１４ｅ_４とを備えている。光透過性の基板１４ｅ_１は、平坦な基板であり、例えば石英が用いられる。面電極１４ｅ_２は、光透過性の電極材料、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)から形成され、基板１４ｅ_１上に設けられる。絶縁膜１４ｅ_３は、面電極１４ｅ_２上に設けられ、面電極１４ｅ_２と電極１４ｅ_３とを電気的に絶縁する。電極１４ｅ_４は、絶縁膜１４ｂ_３上に設けられる。図１１および図１２に示す液晶光学装置１４Ａにおいては、配線状の電極１４ｅ_４は、同じ電圧が印加される同種の電極から構成されている。しかし、第１実施形態で説明したように、異なる電圧が印加される異種の電極から構成されていてもよい。なお、電極部１４ｂの電極１４ｂ_４についても同様である。また、面電極１４ｅ_２は、設け無くともよい。この場合、絶縁膜１４ｅ_３は不要となり、配線状の電極１４ｅ_４が直接基板１４ｅ_１上に設けられる。いずれの構成においても、面電極１４ｅ_２または電極１４ｅ_４と、基板１４ｅ_１と、の間に、密着性向上等のための被膜を介在させてもよい。この第２実施形態のように、面電極１４ｅ_２を設けて、配線状の電極１４ｅ_４と協働させた方が、液晶層１４ｃに印加される電界分布の制御性、すなわち電界の垂直性を上げることが容易になり、電圧印加時の液晶光学装置の光学特性を向上させることができる。すなわち、電極部１４ｅは、第１実施形態の電極部１４ａの型枠部１４ａ_２および電極１４ａ_３の代わりに、面電極１４ｅ_２および配線状に電極１４ｅ_４を設けた構成となっている。なお、電極部１４ｅおよび電極部１４ｂのそれぞれと、液晶層１４ｃとの間には図示しない配向膜が設けられる。

この第２実施形態に係る液晶光学装置１４Ａを駆動する電圧波形の一例を図１３に示す。図１３は、電極部１４ｂの面電極１４ｂ_２および配線状の電極１４ｂ_４と、電極部１２ｅの面電極１４ｅ_２および配線状の電極１４ｅ_４の電圧波形図である。面電極１４ｂ_２および面電極１４ｅ_２には、基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖｈ’が増減された交流電圧が印加され、電極１４ｂ_４および電極１４ｅ_４には基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖｈが増減された交流電圧が印加される。液晶層１４ｃへの印加電圧振幅は±２Ｖｈである。Ｖｈ’はＶｈ以上である。面電極１４ｂ_２、面電極１４ｅ_２、電極１４ｂ_４、および電極１４ｅ_４の電圧の印加順序は、図１３に示す場合とは逆に行ってもよく、また、同時に印加してもよい。図１３に示す例では、面電極１４ｂ_２および面電極１４ｅ_２の電圧の印加は同時であったが、印加のタイミングがずれていてもよい。また、電極１４ｂ_４および電極１４ｅ_４の電圧の印加は同時であったが、印加のタイミングがずれていてもよい。図１３に示す一例では、面電極１４ｂ_２、面電極１４ｅ_２、電極１４ｂ_４、および電極１４ｅ_４の電圧波形は、矩形波形であったが、交流波形であればよい。

電極部１４ｂの面電極１４ｂ_２と配線状の電極部１２ｅの電極１４ｅ_４が、図１２に示す断面において液晶層１４ｃを液晶ＧＲＩＮレンズとして機能させる。また、電極部１２ｅの面電極１２ｅ_２および電極部１４ｂの配線状の電極１４ｂ_４が、図１１に示す断面において液晶層１４ｃを液晶ＧＲＩＮレンズとして機能させる。これにより、液晶光学装置１４Ａは、電圧印加の有無により、レンズ状態と非レンズ状態とを切り替えることができる。

また、電極部１４ｂの配線状の電極１４ｂ_４が、図４（ｂ）に示す場合と同様に、印加される電圧が異なる２種類の配線状の電極１４ｂ_４１、１４ｂ_４２から構成され、電極部１４ｅの配線状の電極１４ｅ_４が、同様に、印加される電圧が異なる２種類の配線状の電極１４ｅ_４１、１４ｅ_４２から構成される場合の、駆動電圧波形を図１４に示す。

この第２実施形態に係る液晶光学装置１４Ａは、型枠部の形成が不要で、より簡便な製法により液晶光学装置１４Ａを作製できる。さらに、本構成を用いることで、電圧無印加時の液晶光学装置の光直進性を向上させることができる。

以上説明したように、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、被写体奥行き方向距離を得ることができる撮像モードと、高解像な２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた液晶光学装置、および固体撮像素子を提供することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による固体撮像装置について図１５乃至図１９を参照して説明する。この第３実施形態の固体撮像装置は、第１実施形態の固体撮像装置とは、液晶光学装置が異なっている。第３実施形態の固体撮像装置に用いられる液晶光学装置１４Ｂの一具体例を図１５および図１６に示す。図１５および図１６はそれぞれ、第１実施形態で説明した液晶光学装置１４の、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す断面図に対応する。図１５は図１６に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図であり、図１６は図１５に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

この第３実施形態に係る一具体例の液晶光学装置１４Ｂは、電極部１４ｆと、電極部１４ｇと、電極部１４ｈと、液晶層１４ｃ_１、１４ｃ_２と、偏光板１４ｄと、を備えている。

電極部１４ｇは電極部１４ｆと電極部１４ｈとの間に設けられる。液晶層１４ｃ_１は電極部１４ｆと電極部１４ｇとの間に挟持され、液晶層１４ｃ_２は電極部１４ｇと電極部１４ｈとの間に挟持される。偏光板１４ｄは、電極部１４ｈに対して液晶層１４ｃ_２と反対側に設けられる。

電極部１４ｆは、光透過性の基板１４ｆ_１と、この基板１４ｆ_１上に設けられた面電極１４ｆ_３とを有している。

電極部１４ｇは、光透過性の基板１４ｇ_１と、この基板１４ｇ_１に対して液晶層１４ｃ_１側に設けられた複数の配線状の電極１４ｇ_２と、基板１４ｇ_１に対して液晶層１４ｃ_２側に設けられた面電極１４ｇ_３と、を備えている。各電極１４ｇ_２は、液晶光学装置１４Ｂがレンズ状態となるときに、異なる電圧が印加される配線状の電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２を有している。電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２は互いに交互に配置される。

電極部１４ｈは、光透過性の基板１４ｈ_１と、この基板１４ｈ_１に対して液晶層１４ｃ_２側に設けられた複数の配線状の電極１４ｈ_２とを備えている。各電極ｈ_２は、液晶光学装置１４Ｂがレンズ状態となるときに、異なる電圧が印加される配線状の電極１４ｈ_２１、１４ｈ_２２を有している。電極１４ｈ_２１、１４ｈ_２２は互いに交互に配置される。また、配線状の電極１４ｈ_２は配線状の電極１４ｇ_２と交差するように配置される。すなわち、電極１４ｈ_２１、１４ｈ_２２と、電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２とは互いに交差するように配置される。この第３実施形態においては、電極１４ｈ_２１、１４ｈ_２２と、電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２とは互いに直交するように配置される。なお、電極部１４ｆおよび電極部１４ｇのそれぞれと、液晶層１４ｃ_１との間、および電極部１４ｇおよび電極部１４ｈのそれぞれと、液晶層１４ｃ_２との間には図示しない配向膜が設けられる。

このように構成された第３実施形態に係る一具体例の液晶光学装置１４Ｂにおいては、面電極１４ｆ_３および複数の電極１４ｇ_２が、図１６に示す断面において、液晶層１４ｃ_１を液晶ＧＲＩＮレンズとして機能させる。また、面電極１４ｇ_３および複数の電極１４ｈ_２が、図１５に示す断面において、液晶層１４ｃ_２を液晶ＧＲＩＮレンズとして機能させる。これにより、第３実施形態に係る液晶光学装置１４Ｂは、電圧印加の有無により、レンズ状態と非レンズ状態とを切り替えることができる。この第３実施形態に係る液晶光学装置１４Ｂを用いることで、電圧印加時の液晶光学装置の結像性能を向上させることができる。

次に、第３実施形態の固体撮像装置に用いられる、他の具体例の液晶光学装置１４Ｃを図１７および図１８に示す。図１７および図１８はそれぞれ、第１実施形態で説明した液晶光学装置１４の、図４および図５に示す断面図に対応する。図１７は図１８に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図であり、図１８は図１７に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

この第３実施形態に係る他の具体例の液晶光学装置１４Ｃは、図１５、図１６に示す一具体例の液晶光学装置１４Ｂにおいて、電極部１４ｆの面電極１４ｆ_３を複数の配線状の電極１４ｆ_３に置き換えるとともに、電極部１４ｇの複数の配線状の電極１４ｇ_２を面電極１４ｇ_４に置き換えた構成となっている。すなわち、電極部１４ｆは、光透過性の基板１４ｆ_１と、この基板１４ｆ_１上に設けられた複数の配線状の電極１４ｆ_３と、を備えている。各電極１４ｆ_２は、配線状の電極１４ｆ_３１、１４ｆ_３２を有している。電極１４ｆ_３１と電極１４ｆ_３２は交互に配列され、液晶光学装置１４Ｃがレンズとして機能するときには、異なる電圧が印加される。

また、電極部１４ｇは、光透過性の基板１４ｇ_１と、この基板１４ｇ_１に対して液晶層１４ｃ_１側に設けられた面電極１４ｇ_４と、基板１４ｇ_１に対して液晶層１４ｃ_２側に設けられた面電極１４ｇ_３とを備えている。このように、電極部１４ｇは、基板１４ｇ_１と、この基板１４ｇ_１の両側に配線状の電極を形成するためのパターニングが不要な面電極１４ｇ_３、１４ｇ_４が設けられているので、図１５および図１６に液晶光学装置１４Ｂに比べて製造が容易となる。

このように構成された第３実施形態に係る他の具体例の液晶光学装置１４Ｃにおいては、複数の電極１４ｆ_３および面電極１４ｇ_４が、図１８に示す断面において、液晶層１４ｃ_１を液晶ＧＲＩＮレンズとして機能させる。また、面電極１４ｇ_３および複数の電極１４ｈ_２が、図１７に示す断面において、液晶層１４ｃ_２を液晶ＧＲＩＮレンズとして機能させる。これにより、第３実施形態に係る他の具体例の液晶光学装置１４Ｃは、電圧印加の有無により、レンズ状態と非レンズ状態とを切り替えることができる。この第３実施形態に係る他の具体例の液晶光学装置１４Ｃを用いることで、電圧印加時の液晶光学装置の結像性能を向上させることができる。

これらの液晶光学装置１４Ｂ、１４Ｃを駆動する電圧波形の一例を図１９に示す。図１９は、電極部１４ｆの面電極１４ｆ_３および配線状の電極１４ｆ_３１、１４ｆ_３２と、電極部１２ｇの面電極１４ｇ_３、１４ｇ_４および配線状の電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２と、電極部１４ｈの複数の電極１４ｈ_２１、１４ｈ_２２の電圧波形図である。電極１４ｆ_３１、１４ｇ_２１、１４ｈ_２１には、基準となる電圧Ｖｃから電圧Ｖが増減された交流電圧が印加され、電極１４ｆ_３２、１４ｇ_２２、１４ｈ_２２および面電極１４ｆ_２、１４ｇ_３、１４ｇ_４には基準となる電圧Ｖｃが印加される。液晶層１４ｃへの印加電圧振幅は±Ｖである。図１９に示す一例では、電極１４ｆ_３１、電極１４ｇ_２１、および電極１４ｈ_２１の電圧波形は、矩形波形であったが、交流波形であればよい。電極１４ｆ_３１、１４ｇ_２１、１４ｈ_２１との間に電位差がある状態を保ったまま、電極１４ｆ_３２、１４ｇ_２２、１４ｈ_２２および面電極１４ｆ_２、１４ｇ_３、１４ｇ_４に交流波形を印加してもよい。

なお、第３実施形態に用いられる液晶光学装置１４Ｃにおいては、配線状の電極１４ｇ_２と光透過性の基板１４ｇ_１との間および配線状の電極１４ｈ_２と光透過性の基板１４ｈ_１との間にそれぞれ、第１実施形態で説明した場合と同様に、面電極を設けてもよい。この場合、この面電極配と線状の電極との間にはそれぞれ絶縁膜が設けられる。同様に、第３実施形態に用いられる液晶光学装置１４Ｃにおいては、配線状の電極１４ｆ_３と光透過性の基板１４ｆ_１との間および配線状の電極１４ｈ_２と光透過性の基板１４ｈ_１との間にそれぞれ、第１実施形態で説明した場合と同様に、面電極を設けてもよい。この場合、この面電極配と線状の電極との間にはそれぞれ絶縁膜が設けられる。また、透明基板と電極との間に、密着性向上等のための被膜を介在させてもよい。

以上説明したように、第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、被写体奥行き方向距離を得ることができる撮像モードと、高解像な２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた液晶光学装置、および固体撮像素子を提供することができる。

上記第１乃至第３実施形態に係る液晶光学装置においては、レンズ状態の光学特性としては、第２実施形態の液晶光学装置１４Ａ、第１実施形態に係る液晶光学装置１４、第３実施形態に係る液晶光学装置１４Ｂ、１４Ｃの順に良くなる。

また、液晶光学装置が非レンズ状態であるときの光学特性は、第３実施形態に係る液晶光学装置１４Ｂ、１４Ｃよりも第２実施形態に係る液晶光学装置１４Ａの方がよい。

製造の容易さは、第３実施形態に係る液晶光学装置１４Ｂ、１４Ｃよりも第２実施形態に係る液晶光学装置の方が良い。

駆動容易性、すなわち回路の簡易性としては、第１実施形態に係る液晶光学装置１４よりも第３実施形態に係る液晶光学装置の方がよい。

（第４実施形態）
第１乃至第３実施形態で説明した液晶光学装置の製造方法について第４実施形態として図２０（ａ）乃至２０（ｌ）を参照して説明する。この第４実施形態の製造方法は、第１実施形態で説明した液晶光学装置１４を製造する。

まず、光透過性の基板１４ａ_１を用意し、この基板１４ａ_１上に型枠部１４ａ_２を形成する（図２０（ａ）、２０（ｂ））。この型枠部１４ａ_２上に電極１４ａ_３を形成し、電極部１４ａを完成する（図２０（ｃ））。型枠部１４ａ_２の外周部にシール剤８０を塗布する（図２０（ｄ））。一方、光透過性の基板１４ｂ_１を用意し、この基板１４ｂ_１上に面電極１４ｂ_２を形成する（図２０（ｅ）、２０（ｆ））。続いて、面電極１４ｂ_２上に絶縁膜１４ｂ_３を形成する（図２０（ｇ））。この絶縁膜１４ｂ_３上に配線状の電極１４ｂ_４を形成し、電極部１４ｂを完成する（図２０（ｈ））。その後、電極部１４ｂを裏返して（図２０（ｉ））、シール剤８−が塗布された電極１４ａに貼り合わせる（図２０（ｊ））。続いて、電極部１４ａと電極部１４ｂとの間に液晶層１４ｃを封入する（図２０（ｋ））。その後、電極部１４ｂの基板１４ｂ１上に偏光板を貼付し、液晶光学装置１４を完成する（図２０（ｌ））。

（第５実施形態）
第５実施形態による携帯情報端末を図２１に示す。この第５実施形態の携帯情報端末２００は、第１乃至第３実施形態の固体撮像装置１を備えている。図２１では、固体撮像装置１の撮像モジュール部１０が示されている。なお、図２１に示す携帯情報端末は一例である。

第５実施形態によれば、被写体の奥行き方向の距離を得ることができる撮像モードと、高解像度の２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた携帯情報端末を提供することができる。

なお、この実施形態の携帯情報端末に用いられる液晶光学装置は、第１乃至第３実施形態のいずれかを用いることができる。

（第６実施形態）
第６実施形態による表示装置について図２２を参照して説明する。図２２は第６実施形態の表示装置を示すブロック図である。この第６実施形態の表示装置３００は、２次元画像と３次元画像とを切り替えて表示することが可能な表示装置であって、表示パネル３１０と、駆動回路３２０と、液晶光学装置３３０とを備えている。

表示パネル３１０は、画素がマトリクス状に配置された表示画面を有している。表示画面内に位置が定められた画素が平面的にマトリクス状に配置されているものであれば、直視型や投影型の液晶表示パネル、プラズマ表示パネル、電界放出型表示パネル、または有機ＥＬ表示パネルなどであってもよい。

駆動回路３２０は、表示パネル３１０を駆動し、外部から送られてくる映像信号（表示データ）を表示パネル３１０に送って表示パネル３１０の画素に上記表示データを割り当て、２次元画像を表示するかまたは３次元画像を表示するように、表示パネル３１０を駆動する。なお、駆動回路３２０は表示パネル３１０と一体となっていてもよいし、表示パネル３１０の外に設けられていてもよい。

液晶光学装置３３０は、表示パネル３１０の前面に設けられ、表示パネル３１０の画素からの光線を制御し、焦点が可変な構成を有している。この液晶光学装置３３０は、例えば、第１乃至第３実施形態のいずれかの液晶光学装置１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃであり、光線を直進させる機能およびレンズ機能を切り替えて用いることができる。例えば、表示装置が２次元画像を表示する場合には光線を直進させる機能を用い、３次元画像を表示する場合にはレンズ機能を用いる。光線を直進させる機能およびレンズ機能の切り替えは、駆動回路３２０に入力する映像信号に基づいて駆動回路３４０が自動的に行ってもよいし、視聴者がリモートコントローラ３５０を用いて駆動回路３４０に指令信号を送り、この指令信号に基づいて駆動回路３４０が行ってもよい。この場合、この表示装置３００においては、外部から送られてくる映像信号が２次元映像信号であるときには、周知の技術を用いて２次元映像信号から奥行き情報を推定または検出し、推定または検出された奥行き情報を用いて３次元映像信号を生成する機能を表示パネル３１０または駆動回路３２０が備えていることが好ましい。奥行き情報の推定または検出は、例えば、画像の動きベクトルを求め、この動きベクトルを用いて行うことができる。

また、液晶光学装置３３０の各レンズには、第１実施形態の場合と同様に、３次元画像を構成する視差数に応じた複数の画素（画素ブロック）が割り当てられる。光線を直進させる機能およびレンズ機能を切り替えて用いることができる液晶光学装置３３０を、３次元画像が表示可能な表示装置に用いると、２次元画像を表示する際に解像度を低下させることなく、表示することができる。

第６実施形態によれば、３次元画像の表示モードと、高解像度の２次元画像の表示モードとを切り替えることのできる機能を備えた表示装置を提供することができる。

（第７実施形態）
第７実施形態による固体撮像装置について図２４乃至図２６を参照して説明する。この第７実施形態の固体撮像装置は、第３実施形態の固体撮像装置とは、液晶光学装置が異なっている。第７実施形態の固体撮像装置に用いられる液晶光学装置１４Ｄの一具体例を図２４および図２５に示す。図２４および図２５はそれぞれ、第３実施形態で説明した液晶光学装置１４の、図１５および図１６に示す断面図に対応する。図２４は図２５に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図であり、図２５は図２４に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

この第７実施形態に係る一具体例の液晶光学装置１４Ｄは、図１５、図１６に示す第３実施形態の液晶光学装置１４Ｂの電極部１４ｇを電極部１４ｇａに置き換えた構成を備えている。電極部１４ｇａは、電極部１４ｇの光透過性の基板１４ｇ_１を偏光回転板１４ｇａ_１に置き換えた構成を備えている。

この第７実施形態に係る一具体例の液晶光学装置１４Ｄは、例えば図２６に示す固体撮像装置に用いられる。この固体撮像装置においては、被写体からの像がメインレンズ１２によって結像され、この結像が液晶光学装置１４Ｄによって撮像素子１６に再結像される。すなわち、メインレンズ１２によって結像された像光線は、偏光板１４ｄによって例えば直線偏光となる。電極部１４ｈ、液晶層１４ｃ_２、および面電極１４ｇ_３からなる第１レンズでは、図面上で奥行き方向に偏光軸を有するように偏光板１４ｄが配置され、偏光入射側界面における液晶分子長軸の初期配向方向も概略奥行き方向となるように液晶層１４ｃ_２が配置され、水平方向、すなわち奥行き方向と直交する方向に電極が延在するように電極部１４ｈが配置され、電極部１４ｈ（電極１４ｈ_２１、１４ｈ_２２）および面電極１４ｇ_３に電圧が印加される。このため、偏光板１４ｄを通過した直線偏光は、第１レンズによって図面上で奥行き方向に集光される。この奥行き方向に集光された光の偏光軸は回転偏光板１４ｇａ_１によって図面上で水平方向、すなわち奥行き方向と直交する方向に回転される。電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２、液晶層１４ｃ_１、および電極部１４ｆからなる第２レンズは、図面上で水平方向に偏光軸を有する偏光が回転偏光板１４ｇａ_１から入射し、偏光入射側界面における液晶分子長軸の初期配向方向も概略水平方向となるように液晶層１４ｃ_１が配置され、奥行き方向に電極が延在するように電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２が配置され、電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２、および電極部１４ｆに電圧が印加される。このため、回転偏光板１４ｇａ_１によって偏光軸の回転した光は、第２レンズによって水平方向に集光される。これにより、高コントラストの点集光を行うことができる。

また、図１５および図１６に示す第３実施形態の一具体例の液晶光学装置１４Ｂにおいて、例えば、電極部１４ｈ、液晶層１４ｃ_２、面電極１４ｇ_３からなる第１レンズおよび電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２、液晶層１４ｃ_１、および電極部１４ｆからなる第２レンズの一方のレンズの液晶層がねじれ配列となるように電圧が印加されている場合も同様に、高コントラストの点集光を行うことができる（図２７参照）。このとき、偏光板１４ｄの偏光軸と、液晶層１４ｃ_２の偏光入射側界面における液晶分子長軸の初期配向方向および電極部１４ｈの配列方向とは、概略平行となるように配置する。これら方位軸と、液晶層１４ｃ_１の偏光入射側界面における液晶分子長軸の初期配向方向および電極部電極１４ｇ_２１、１４ｇ_２２の配列方向とは、概略直交するように配置する。

図２８は、本実施形態に係る液晶光学装置の電圧印加時に生じる屈折率分布の特性プロットを示す図である。二種類の液晶配列を持つレンズ単位区間の分布を示しており、点線が一般に用いられる平行配列モードを採用した場合、実線が捻じれ配列モードを採用した場合である。プロットの横軸は、０がレンズ区間の中心に、±０．５が左右のレンズ端に、各々対応している。プロットの縦軸は、電圧無印加時の値で規格化した相対屈折率である。

図２８に示すように、実線と点線との曲線概形は概ね一致し、レンズ区間内における屈折率変調量（端部での低下量）も同水準である。これより、平行配列モードに換えて捻じれ配列モードを用いた場合も、同等の集光効果を得ることができる。なお、プロット端（縦軸０．５付近）の領域に見られる局所的な屈折率の上昇は、配向欠陥の発生に起因する現象であることが分かっている。この配向欠陥は、基板表面の液晶配向処理方向により決まる液晶分子の自発的な起き上がり方位と、電圧印加時に縞状電極端部より生じる傾斜電場の傾く方位との衝突により、液晶分子に対して双方要因の誘起する分子回転作用が拮抗するために発生する。局所的な屈折率上昇領域では所望のレンズ効果が発現しないため、発生領域は狭いことが望ましい。実線と点線とで発生位置は異なるが、領域長は同程度である。これより、平行配列モードに換えて捻じれ配列モードを用いた場合でも、レンズ特性への影響を同程度に収めることができる。

このように構成された第７実施形態に係る液晶光学装置１４Ｄにおいては、面電極１４ｆ_３および複数の電極１４ｇ_２が、図２５に示す断面において、液晶層１４ｃ_１を液晶ＧＲＩＮレンズとして機能させる。また、面電極１４ｇ_３および複数の電極１４ｈ_２が、図２４に示す断面において、液晶層１４ｃ_２を液晶ＧＲＩＮレンズとして機能させる。これにより、第７実施形態に係る液晶光学装置１４Ｄは、電圧印加の有無により、レンズ状態と非レンズ状態とを切り替えることができる。この第７実施形態に係る液晶光学装置１４Ｄを用いることで、電圧印加時の液晶光学装置の結像性能を向上させることができる。

この第７実施形態に係る液晶光学装置も、第１乃至第３実施形態の液晶光学装置と同様に、例えば図２１に示す携帯情報端末および例えば図２２に示す表示装置に用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 固体撮像装置（カメラモジュール）
１０ 撮像モジュール部
１２ 結像光学系
１４ 液晶光学装置
１４Ａ 液晶光学装置
１４Ｂ 液晶光学装置
１４Ｃ 液晶光学装置
１４ａ 電極部
１４ａ_１ 光透過性の基板
１４ａ_２ 型枠部
１４ａ_３ 電極
１４ｂ 電極部
１４ｂ_１ 光透過性の基板
１４ｂ_２ 面電極
１４ｂ_３ 絶縁膜
１４ｂ_４ 配線状の電極
１４ｂ_４１ 配線状の電極
１４ｂ_４２ 配線状の電極
１４ｃ 液晶層
１４ｃ_１ 液晶層
１４ｃ_２ 液晶層
１４ｄ 偏光板
１４ｅ 電極部
１４ｅ_１ 光透過性の基板
１４ｅ_２ 面電極
１４ｅ_３ 絶縁膜
１４ｅ_４ 配線状の電極
１４ｆ 電極部
１４ｆ_１ 光透過性の基板
１４ｆ_２ 配線状の電極
１４ｆ_２１ 配線状の電極
１４ｆ_２２ 配線状の電極
１４ｆ_３ 面電極
１４ｇ 電極部
１４ｇ_１ 光透過性の基板
１４ｇ_２ 配線状の電極
１４ｇ_２１ 配線状の電極
１４ｇ_２２ 配線状の電極
１４ｇ_３ 面電極
１４ｇ_４ 面電極
１４ｈ 電極部
１４ｈ_１ 光透過性の基板
１４ｈ_２ 配線状の電極
１４ｈ_２１ 配線状の電極
１４ｈ_２２ 配線状の電極
１６ 撮像素子
１６ａ 半導体基板
１６ｂ 画素
１６ｃ カラーフィルタ
１６ｄ マイクロレンズ
１８ 駆動回路
２０ 撮像信号プロセッサ（ＩＳＰ）
２２ カメラモジュールインターフェース
２４ 画像取り込み部
２６ 信号処理部
２８ ドライバインターフェース
４０ 液晶光学装置ホルダ
４２ スペーサ
４４ 電極パッド
４４ａ 電極パッド
４４ｂ 電極パッド
４６ 貫通電極
４８ バンプ
５０ チップ
５２ 光遮蔽カバー
５４ モジュール電極
６２ レンズ鏡筒
６４ レンズホルダ
２００ 携帯情報端末
３００ 表示装置
３１０ 表示パネル
３２０ 駆動回路
３３０ 液晶光学装置
３４０ 駆動回路
３５０ リモートコントローラ

Claims (14)

1. 第１面を有する光透過性の第１基板と、前記第１基板上に設けられた光透過層と、前記光透過層の上に設けられた光透過性の第１電極と、を有し、前記光透過層は前記電極膜と対向する面に第１面と平行な第１方向に沿って配列され前記第１方向に交差する第２方向に延在する凹部を有する第１電極部と、
   前記第１電極部を介して前記第１基板と対向する第２面を有する光透過性の第２基板と、前記第２基板の第２面に設けられ前記第２方向に配列し前記第１方向に沿って延在する、二つの第２電極と、を有する第２電極部と、
   前記第１電極部および第２電極部間に挟持された液晶層と、
   前記第２電極部を介して前記液晶層と対向する第１偏光板と、
   前記第１電極及び前記第２電極に電圧を印加する駆動部と、
   を備えている液晶光学装置。
2. 前記第２電極部は、前記第２基板と前記第２電極との間に設けられた光透過性の面電極と、前記面電極と前記複数の電極との間に設けられた光透過性の絶縁膜と、を更に有し、
   前記第２電極は前記面電極の一部と重なる、請求項１記載の液晶光学装置。
3. 前記第２電極部は、２つの前記第２電極の間に設けられた第３電極をさらに有し、
   前記駆動部は前記第２電極と前記第３電極に異なる電圧を印加する、請求項１または２記載の液晶光学装置。
4. 第１面を有する光透過性の第１基板と、前記第１基板の前記第１面上に設けられ前記第１面に平行な第１方向に沿って配列され前記第１方向に交差する第２方向に延在する、２つの第１電極と、を有する第１電極部と、
   前記第１電極を介して前記第１面と対向し光透過性の第２基板と、前記第２基板の前記第２面上に設けられ前記第２方向に沿って配列され前記第１方向に延在する２つの第２電極と、を有する第２電極部と、
   前記第１電極部および第２電極部間に挟持された液晶層と、
   前記第２電極部を介して前記液晶層と対向する第１偏光板と、
   前記第１電極および前記第２電極に電圧を印加する駆動部と、
   を備えている液晶光学装置。
5. 前記第１電極部は、前記第１基板と前記第１電極との間に設けられた光透過性の第１面電極と、前記第１面電極と前記複数の第１電極との間に設けられた光透過性の第１絶縁膜と、を更に有し、
   前記第１電極は前記第１面電極の一部と重なる、請求項４記載の液晶光学装置。
6. 前記第２電極部は、前記第２基板と前記複数の第２電極との間に設けられた光透過性の第２面電極と、前記第２面電極と前記複数の第２電極との間に設けられた光透過性の第２絶縁膜と、を更に有する請求項４乃至５いずれか一項記載の液晶光学装置。
7. 前記第１電極部は、前記第１電極の間に設けられた第３電極をさらに有し、
   前記駆動部は前記第２電極と前記第３電極に異なる電圧を印加する、請求項４乃至６のいずれか一項記載の液晶光学装置。
8. 前記第２電極部は、前記第２電極の間に設けられた第４電極をさらに有し、
   前記駆動部は前記第２電極と前記第３電極に異なる電圧を印加する、請求項４乃至７のいずれか一項記載の液晶光学装置。
9. 第１面を有し光透過性の第１基板と、前記第１基板の前記第１面上に設けられた第１面電極と、を有する第１電極部と、
   前記第１面と対向する第２面を有し光透過性の第２基板と、前記第２面上に設けられ第１方向に沿って配列され前記第１方向に交差する第２方向に沿って延在する２つの第１電極と、前記第２基板を介して前記第１電極と対向する第２面電極と、を有する第２電極部と、
   前記第１電極部および第２電極部間に挟持された第１液晶層と、
   前記第２面と対向する第３面を有し光透過性の第３基板と、前記第３基板の前記第３面上に設けられ前記第２方向に沿って配列し前記第１方向に延在する２つの第３電極と、を有する第３電極部と、
   前記第２電極部および第３電極部間に挟持された第２液晶層と、
   前記第３電極部を介して前記第２液晶層と対向する第１偏光板と、
   を備えている液晶光学装置。
10. 第１面を有し光透過性の第１基板と、前記第１基板の前記第１面上に設けられた第１面電極と、を有する第１電極部と、
    前記第１面と対向する第２面を有し光透過性の第２基板と、前記第２面上に設けられ第１方向に沿って配列され前記第１方向に交差する第２方向に沿って延在する２つの第１電極と、前記第２基板を介して前記第１電極と対向する第２面電極と、を有する第２電極部と、
    前記第１電極部および第２電極部間に挟持された第１液晶層と、
    前記第２面と対向する第３面を有する回転偏光板と、前記回転偏光板の前記第３面上に設けられ前記第２方向に沿って配列し前記第１方向に延在する２つの第３電極と、を有する第３電極部と、
    前記第２電極部および第３電極部間に挟持された第２液晶層と、
    前記第３電極部を介して前記第２液晶層と対向する第１偏光板と、
    を備えている液晶光学装置。
11. 前記第２電極部は前記第１電極部よりも薄い、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の液晶光学装置。
12. 被写体を結像面に結像可能な結像光学系と、
    前記結像光学系と対向する撮像素子と、
    前記結合光学系と前記撮像素子の間に設けられた請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の液晶光学装置と、
    を備えている固体撮像装置。
13. 請求項１２に記載の固体撮像装置を備えている携帯情報端末。
14. 画素がマトリクス状に配置された表示画面を有している表示パネルと、
    前記表示パネルを駆動し、表示データを表示パネルに送って前記表示パネルの画素に上記表示データを割り当て、２次元画像を表示するかまたは３次元画像を表示するように前記表示パネルを駆動する駆動回路と、
    前記表示パネルと対向する請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の液晶光学装置と、
    を備えている表示装置。