JP6414994B2 - 液晶可変焦点レンズおよび焦点距離制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶可変焦点レンズおよび焦点距離制御方法に関する。

カメラモジュールに搭載される光学レンズとして、可変焦点レンズが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された可変焦点レンズは、圧電アクチュエータによってレンズ形状が変わり、焦点距離が変わる。この可変焦点レンズがカメラモジュールに搭載された場合、圧電アクチュエータの存在により、カメラモジュールの薄型化が制限される。

別の光学レンズとして、液晶可変焦点レンズが知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載された液晶可変焦点レンズは、透明電極に電圧が印加されることによって液晶層の屈折率が変わり、焦点距離が変わる。透明電極には、一般に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）が用いられる。酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）は、レアメタルであるインジウムを含むこと、高い透明度と低い抵抗率の両立が困難であること、透明電極の作成手法が困難であること等の問題がある。

特開２００１−２５７９３２号公報 特開２００９−８０１５２号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、薄型化が可能で、かつ透明電極を用いることなく焦点距離を変えることが可能な、液晶可変焦点レンズおよび焦点距離制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る液晶可変焦点レンズは、
液晶分子からなる液晶層と前記液晶層を挟んで対向配置された第１基板および第２基板とを含む液晶レンズを備える、液晶可変焦点レンズであって、
前記第１基板または前記第２基板の少なくとも一方の基板に配置された、前記液晶レンズの共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させる超音波振動子を備え、
前記超音波振動子は、
振動強度が前記液晶層の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなる１次モードのたわみ振動を前記液晶レンズに発生させ、前記液晶層の厚みを変化させて前記液晶分子の配向を変化させる
ことを特徴とする。

上記液晶可変焦点レンズにおいて、
前記超音波振動子は、前記第１基板に配置され、かつ前記液晶層および前記第２基板から離れている
ことが好ましい。

上記液晶可変焦点レンズは、
前記第１基板は、円盤形状に形成され、
前記液晶層および前記第２基板は、前記第１基板よりも小径の円盤形状に形成され、前記第１基板の中心側に配置され、
前記超音波振動子は、前記液晶層および前記第２基板の径よりも大きく、かつ前記第１基板の径よりも小さい内径をもつ円環形状に形成され、開口部に前記液晶層および前記第２基板が収まるように前記第１基板に配置されている
ように構成できる。

上記液晶可変焦点レンズにおいて、例えば、
前記液晶層は、ネマティック液晶層である。

上記課題を解決するために、本発明に係る焦点距離制御方法は、
第１基板および第２基板で液晶層を挟み込んだ液晶レンズの焦点距離を制御する焦点距離制御方法であって、
前記液晶レンズの共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させる超音波振動子を用いて、振動強度が前記液晶層の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなる１次モードのたわみ振動を前記液晶レンズに発生させ、前記液晶層の厚みを変化させて前記液晶層の液晶分子の配向を変化させる
ことを特徴とする。

上記焦点距離制御方法は、
前記超音波振動子に印加する入力電圧の周波数を固定した状態で、前記入力電圧の振幅値を変化させる
ことが好ましい。

本発明によれば、薄型化が可能で、かつ透明電極を用いることなく焦点距離を変えることが可能な、液晶可変焦点レンズおよび焦点距離制御方法を提供することができる。

（Ａ）は、本発明に係る液晶可変焦点レンズを示す図である。（Ｂ）は、（Ａ）のＢ枠内における拡大図である。 （Ａ）は、本発明における超音波振動子の下面側を示す図である。（Ｂ）は、本発明における超音波振動子の上面側を示す図である。 たわみ振動が発生している時の、本発明における液晶分子の配向の一例を示す図である。 （Ａ）は、超音波を発生させていない時のリタデーション変化を示す図である。（Ｂ）は、周波数６０［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時のリタデーション変化を示す図である。（Ｃ）は、周波数２１７［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時のリタデーション変化を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、超音波を発生させていない時のテストターゲットの見え方を示す図である。（Ｃ）は、周波数６０［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時のテストターゲットの見え方を示す図である。（Ｄ）は、周波数２１７［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時のテストターゲットの見え方を示す図である。 （Ａ）は、周波数６０［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時の、液晶レンズ表面の振動強度を示す図である。（Ｂ）は、周波数２１７［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時の、液晶レンズ表面の振動強度を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る液晶可変焦点レンズおよび焦点距離制御方法の実施形態について説明する。本実施形態では、図１のＺ軸方向を厚み方向とする。

［液晶可変焦点レンズ］
図１（Ａ）に、本実施形態に係る液晶可変焦点レンズ１を示す。液晶可変焦点レンズ１は、円盤形状に形成された液晶レンズ２と、円環形状に形成された超音波振動子３とを備える。

図１（Ｂ）に示すように、液晶レンズ２は、液晶層４と、液晶層４を挟んで対向配置された第１ガラス基板５（本発明の「第１基板」に相当）および第２ガラス基板６（本発明の「第２基板」に相当）とを含む。第１ガラス基板５および第２ガラス基板６は、それぞれ液晶層４側の面に配向膜７、８が設けられている。

第１ガラス基板５は、径が４０［ｍｍ］、厚みが０．７［ｍｍ］の円盤形状に形成されている。第２ガラス基板６は、径が２５［ｍｍ］、厚みが０．７［ｍｍ］の円盤形状に形成されている。第１ガラス基板５と第２ガラス基板６の間に、厚みが５０［μｍ］の液晶層４が形成されている。

液晶層４は、誘電率異方性が負のネマティック液晶の液晶分子４ａからなる。液晶層４は、スペーサ（例えば、ＰＥＴフィルム）によって、５０［μｍ］の厚みが確保されている。液晶層４の周囲は、エポキシ樹脂によってシールされている。

上下１対の配向膜７、８は、液晶分子４ａのプレチルト角が９０度となる垂直配向膜である。配向膜７、８は、ポリイミド系の材料で構成される。配向膜７、８により液晶層４を挟み込むことで、超音波振動子３が超音波を発生させていない時、液晶分子４ａは配向膜７、８に対して垂直に立ち上がった状態になる（図１（Ｂ）参照）。

図１（Ａ）に示すように、液晶層４および第２ガラス基板６は、第１ガラス基板５における中心側の領域に配置されている。第１ガラス基板５における周縁側の領域には、円環形状の超音波振動子３が配置されている。

超音波振動子３は、内径が３０［ｍｍ］、外径が４０［ｍｍ］、厚みが１［ｍｍ］の円環形状に形成されている。超音波振動子３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されたアニュラ型の圧電超音波振動子である。超音波振動子３は、液晶層４および第２ガラス基板６から離れた状態で、開口部に液晶層４および第２ガラス基板６が収まるように、エポキシ樹脂等の接着手段によって第１ガラス基板５に固着されている。

図２（Ａ）に示すように、超音波振動子３の下面側（第１ガラス基板５側）は、アルミニウムからなる負電極３ａが形成されている。図２（Ｂ）に示すように、超音波振動子３の上面側は、下面側から折り返された負電極３ａと、アルミニウムからなる正電極３ｂとが形成されている。負電極３ａと正電極３ｂとの間は、絶縁されている。

超音波振動子３は、正電極３ｂおよび負電極３ａに印加される交流の入力電圧に応じた超音波を発生させる。本実施形態では、超音波振動子３は、液晶レンズ２の共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させる。

液晶レンズ２の共振周波数に一致した周波数をもつ超音波が液晶レンズ２に伝搬すると、液晶レンズ２では、１次モードのたわみ振動が発生する。１次モードのたわみ振動とは、振動強度が液晶層４の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなる振動のことをいう。

液晶レンズ２で１次モードのたわみ振動が発生すると、液晶層４では、１次モードのたわみ振動に応じた音響定在波が発生する。液晶層４と第１ガラス基板５（配向膜７）との境界面、第１ガラス基板５と空気との境界面、液晶層４と第２ガラス基板６（配向膜８）との境界面、第２ガラス基板６と空気との境界面には、音響放射力（静圧）が働く。この音響放射力によって、液晶層４の厚みがわずかに変化する。

本実施形態では、液晶層４の厚みが大きくなる。すなわち、第１ガラス基板５が下側に変位し、第２ガラス基板６が上側に変位する。第１ガラス基板５の変位と第２ガラス基板６の変位との関係は、上下対称にはならず、いずれか一方が大きくなる。

液晶層４の厚みが変化すると、液晶分子４ａの配向が変化する。液晶層４の厚みの変化は、液晶層４の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなるので、液晶分子４ａの配向変化も、液晶層４の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなる。また、音響放射力は、境界面に働き、液晶層４の厚み方向において連続的に変化するので、液晶分子４ａの配向も、液晶層４の厚み方向において連続的に変化する。図３に、音響放射力により変化した液晶分子４ａの配向の一例を示す。図３では、液晶分子４ａの配向変化のみを示し、液晶層４の厚みの変化は示していない。

上記のとおり、液晶分子４ａの配向は、液晶層４の中心側から周縁側に向かって連続的に変化し、かつ液晶層４の厚み方向においても連続的に変化する。すなわち、液晶層４は、空間的に屈折率が変化し、焦点を形成するレンズとして機能する。

また、超音波振動子３は、入力電圧の周波数が変化すると超音波の周波数を変化させ、入力電圧の振幅値が変化すると超音波の振動強度を変化させる。このため、例えば、入力電圧の周波数を固定し、入力電圧の振幅値を変化させることにより、超音波振動子３は、液晶レンズ２の焦点距離を変化させることができる。

結局、液晶可変焦点レンズ１は、超音波振動子３によって液晶レンズ２に１次モードのたわみ振動を発生させることで、液晶層４の厚みを変化させることができる。したがって、液晶可変焦点レンズ１は、レンズ形状を変化させるための機械的可動部（例えば、圧電アクチュエータ）がいらないので、薄型化が可能になる。また、液晶可変焦点レンズ１は、透明電極を用いることなく焦点距離を変えることが可能になる。

［焦点距離制御方法］
次に、本実施形態に係る焦点距離制御方法について説明する。

本実施形態に係る焦点距離制御方法は、超音波振動子３を用いて液晶レンズ２の焦点距離を制御するための方法である。すなわち、本実施形態に係る焦点距離制御方法では、液晶レンズ２の共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を、超音波振動子３で発生させて、液晶レンズ２に伝搬させる。

そのために、超音波振動子３に印加する入力電圧の周波数を、予め決めておくことが好ましい。入力電圧の周波数は、超音波振動子３、第１ガラス基板５、第２ガラス基板６の物性値（例えば、第１ガラス基板５および第２ガラス基板６のヤング率、ポアソン比および密度、超音波振動子３の弾性定数マトリックス、密度および圧電定数マトリックス）を用いて、シミュレーションで計算することができる。

液晶レンズ２の共振周波数に一致した周波数をもつ超音波が、液晶レンズ２に伝搬すると、液晶レンズ２では、１次モードのたわみ振動が発生し、液晶層４では、１次モードのたわみ振動に応じた音響定在波が発生する。

そして、液晶層４と第１ガラス基板５（配向膜７）との境界面、第１ガラス基板５と空気との境界面、液晶層４と第２ガラス基板６（配向膜８）との境界面、第２ガラス基板６と空気との境界面には、音響放射力（静圧）が働く。この音響放射力によって、液晶層４の厚みがわずかに変化する。

液晶層４の厚みの変化は、液晶層４の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなる。このため、液晶分子４ａの配向変化も、液晶層４の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなる。また、音響放射力は、境界面に働き、液晶層４の厚み方向において連続的に変化する。このため、液晶分子４ａの配向も、液晶層４の厚み方向において連続的に変化する。その結果、液晶層４が、焦点を形成するレンズとして機能する。

さらに、本実施形態に係る焦点距離制御方法では、超音波振動子３に印加する入力電圧の周波数を固定した状態で、入力電圧の振幅値を変化させてもよい。液晶レンズ２において１次モードのたわみ振動が発生している場合、入力電圧の振幅値を大きくすることで、焦点距離を短くすることができる一方、入力電圧の振幅値を小さくすることで、焦点距離を長くすることができる。

結局、本実施形態に係る焦点距離制御方法は、超音波振動子３によって液晶層４の厚みを変化させることにより、液晶レンズ２の焦点距離を制御できる。したがって、本実施形態に係る焦点距離制御方法は、レンズ形状を変化させるための機械的可動部（例えば、圧電アクチュエータ）を液晶レンズ２に設ける必要がないので、液晶レンズ２の薄型化が可能になる。また、本実施形態に係る焦点距離制御方法は、液晶レンズ２に透明電極を用いることなく焦点距離を変えることが可能になる。

［評価実験］
次に、液晶可変焦点レンズ１の評価実験について説明する。評価実験では、ピーク間電圧値Ｖｐｐが５［Ｖ］の入力電圧（連続正弦波電圧）を、超音波振動子３に印加した。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、偏光顕微鏡（倍率５倍の対物レンズ）を用いて、クロスニコル下でオルソスコープ観察を行った時の液晶レンズ２（第２ガラス基板６の上面）の画像である。図４（Ａ）は、超音波振動子３が超音波を発生させていない時、図４（Ｂ）は、超音波振動子３が周波数６０［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時、図４（Ｃ）は、超音波振動子３が周波数２１７［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時の画像である。これらの図は、液晶レンズ２のリタデーションの変化を示す。なお、周波数６０［ｋＨｚ］および周波数２１７［ｋＨｚ］は、いずれも液晶レンズ２の共振周波数である。

図４（Ａ）に示すように、超音波振動子３が超音波を発生させていない時は、配向膜７、８によって液晶分子４ａが垂直配向しており、面内方向において屈折率が変化していないため、画像は全体的に暗い。一方、図４（Ｂ）、（Ｃ）では、画像中にリタデーションの変化に伴う色調変化が見られる。図４（Ｂ）、（Ｃ）の画像から、超音波によって液晶分子４ａの配向が変化したことが分かる。

図５（Ａ）〜（Ｄ）は、光学顕微鏡を用いて、単ニコル観察を行った時のテストターゲットの画像である。単ニコル観察では、光学顕微鏡とテストターゲットとの間に、液晶可変焦点レンズ１および偏光板を挿入した。図５（Ａ）、（Ｂ）は、超音波振動子３が超音波を発生させていない時、図５（Ｃ）は、超音波振動子３が周波数６０［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時、図５（Ｄ）は、超音波振動子３が周波数２１７［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時の画像である。なお、超音波振動子３が超音波を発生させていない時に、予め光学顕微鏡の焦点をテストターゲットの表面に合わせた。

図５（Ａ）の画像と比較して図５（Ｃ）の画像がぼやけていることから、超音波によって、焦点位置が変化したことが分かる。同様に、図５（Ｂ）の画像と比較して図５（Ｄ）の画像がぼやけていることから、超音波によって、焦点位置が変化したことが分かる。この結果は、液晶分子４ａの配向が、液晶層４の厚み方向において連続的に変化したことを示す。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、レーザドップラー振動計（ＬＤＶ）を用いて観察した、第２ガラス基板６上面の振動強度分布を示す画像である。図６（Ａ）は、超音波振動子３が周波数６０［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時、図６（Ｂ）は、超音波振動子３が周波数２１７［ｋＨｚ］の超音波を発生させた時の画像である。

図６（Ａ）、（Ｂ）から、液晶レンズ２において、１次モードのたわみ振動が発生したことが分かる。また、たわみ振動の振動強度が、第２ガラス基板６の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなっていることが分かる。この結果は、液晶分子４ａの配向変化が、液晶層４の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなっていることを示す。

図６（Ａ）、（Ｂ）から分かるように、たわみ振動の波長は、超音波の周波数が大きいほど小さくなる。また、図４（Ａ）、（Ｂ）から分かるように、リタデーションの変化に伴う色調変化のピッチも、超音波の周波数が大きいほど小さくなる。この結果は、たわみ振動とリタデーションの変化との間に相関があることを示す。

以上、本発明に係る液晶可変焦点レンズおよび焦点距離制御方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

液晶レンズ２は、超音波振動子３により１次モードのたわみ振動が発生して、液晶層４の厚みが変化するのであれば、液晶層４、第１ガラス基板５、第２ガラス基板６の構造、形状、寸法、材料等を適宜変更することができる。例えば、液晶層４は、誘電率異方性が負のネマティック液晶以外の液晶分子で構成してもよい。第１ガラス基板５および第２ガラス基板６の代わりに、高分子フィルム等のフィルム材を使用してもよい。

超音波振動子３は、液晶レンズ２の共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させることができるのであれば、構造、形状、寸法、材料等を適宜変更することができる。例えば、第１基板および第２基板としてフィルム材を使用する場合、スパッタリング等の方法で、フィルム材に超音波振動子３を形成してもよい。

超音波振動子３は、液晶レンズ２に１次モードのたわみ振動を発生させることができるのであれば、液晶レンズ２の任意の場所に配置することができる。超音波振動子３は、分割して配置することもできる。

上下１対の配向膜７、８は、垂直配向膜以外のものを使用することができる。例えば、配向膜７、８として、超音波振動子３が超音波を発生させていない時に液晶分子４ａが配向膜７、８に対して水平に寝た状態になる水平配向膜を使用してもよい。この場合、超音波振動子３が超音波を発生させると、一部の液晶分子４ａが起き上がり、液晶層４の屈折率が空間的に変化する。また、配向膜７、８のいずれか一方に垂直配向膜を使用し、他方に水平配向膜を使用してもよい。

１ 液晶可変焦点レンズ
２ 液晶レンズ
３ 超音波振動子
４ 液晶層
４ａ 液晶分子
５ 第１ガラス基板（第１基板）
６ 第２ガラス基板（第２基板）
７、８ 配向膜

Claims (6)

1. 液晶分子からなる液晶層と前記液晶層を挟んで対向配置された第１基板および第２基板とを含む液晶レンズを備える、液晶可変焦点レンズであって、
   前記第１基板または前記第２基板の少なくとも一方の基板に配置された、前記液晶レンズの共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させる超音波振動子を備え、
   前記超音波振動子は、
   振動強度が前記液晶層の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなる１次モードのたわみ振動を前記液晶レンズに発生させ、前記液晶層の厚みを変化させて前記液晶分子の配向を変化させる
   ことを特徴とする液晶可変焦点レンズ。
2. 前記超音波振動子は、前記第１基板に配置され、かつ前記液晶層および前記第２基板から離れている
   ことを特徴とする請求項１に記載の液晶可変焦点レンズ。
3. 前記第１基板は、円盤形状に形成され、
   前記液晶層および前記第２基板は、前記第１基板よりも小径の円盤形状に形成され、前記第１基板の中心側に配置され、
   前記超音波振動子は、前記液晶層および前記第２基板の径よりも大きく、かつ前記第１基板の径よりも小さい内径をもつ円環形状に形成され、開口部に前記液晶層および前記第２基板が収まるように前記第１基板に配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の液晶可変焦点レンズ。
4. 前記液晶層は、ネマティック液晶層である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶可変焦点レンズ。
5. 第１基板および第２基板で液晶層を挟み込んだ液晶レンズの焦点距離を制御する焦点距離制御方法であって、
   前記液晶レンズの共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させる超音波振動子を用いて、振動強度が前記液晶層の中心側から周縁側に向かって連続的に小さくなる１次モードのたわみ振動を前記液晶レンズに発生させ、前記液晶層の厚みを変化させて前記液晶層の液晶分子の配向を変化させる
   ことを特徴とする焦点距離制御方法。
6. 前記超音波振動子に印加する入力電圧の周波数を固定した状態で、前記入力電圧の振幅値を変化させる
   ことを特徴とする請求項５に記載の焦点距離制御方法。