JPH05100201A - 可変焦点レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 液晶１０８が共通電極１０９と輪帯状電極１
０６に挟持されている。電極引き出し線１０２は接続部
１０４を介して輪帯状電極１０６に接続されている。輪
帯状電極１０６と電極引き出し線１０２は異なる面内に
形成されている。輪帯状電極１０６に印加する電圧を制
御して入射光に対する液晶の屈折率分布を形成し、所望
の焦点距離を得るための位相分布を作り出す。 【効果】 輪帯状電極に欠落がないので、良好な結像特
性を持つフレネルレンズ型可変焦点レンズが構成でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焦点距離を電気的に変
えられるレンズの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の可変焦点レンズの例としては、特
開昭６３ー２４９１２５に記載されているように、液晶
を用いてフレネルゾーンプレートを構成する方法が考え
られていた。そこに記載されている電極パターンは図５
に示す様になっており、電極パターン５０１の一部を除
去して電極引き出し線５０２を設けるようになってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フレネ
ルゾーンプレートにおける輪帯状の電極パターンの一部
の欠落は、結像特性を劣化させる、という問題点があっ
た。

【０００４】本発明はこの様な問題を解決するものであ
り、その目的とするところは、欠落のない輪帯状電極か
ら成り、良好な結像特性をもつ可変焦点レンズを提供す
るところにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の可変焦点
レンズは、屈折率可変材料が輪帯状電極と対向電極とに
挟持されている可変焦点レンズにおいて、前記輪帯状電
極の電極引き出し線が前記輪帯状電極とは異なる面内に
あることを特徴とする。

【０００６】本発明の第２の可変焦点レンズは、前記第
１の可変焦点レンズにおいて、電極引き出し線と、該電
極引き出し線と輪帯状電極とを接続する接続部と、前記
輪帯状電極とが順次積層され、各層において導体間を該
導体と同じ厚みの透明絶縁膜で埋めたことを特徴とす
る。

【０００７】本発明の第３の可変焦点レンズは、前記第
１の可変焦点レンズにおいて、屈折率可変材料が液晶で
あることを特徴とする。

【０００８】本発明の第４の可変焦点レンズは、前記第
１の可変焦点レンズにおいて、最内周の電極以外の輪帯
状電極の幅が等しいことを特徴とする。

【０００９】本発明の第５の可変焦点レンズは、前記第
１の可変焦点レンズにおいて、隣合う複数の輪帯状電極
にステップ状に電圧を印加することを特徴とする。

【００１０】本発明の第６の可変焦点レンズは、前記第
１の可変焦点レンズにおいて、輪帯状電極が楕円状のパ
ターンを有することを特徴とする。

【００１１】

【作用】位相の周期構造によってレンズ作用を持つフレ
ネルレンズでは、焦点距離は位相の周期構造のパターン
によって決まる。逆に言えば、位相の周期構造のパター
ンを変えることによって焦点距離を変えることができ
る。どれだけ細かく位相の周期構造を変えてやれば良い
かということから決まる細さの輪帯状電極を用意してお
き、この電極に印加する電圧によって液晶の配向を変
え、入射光に対する液晶の屈折率を変えてやることによ
って位相を変化させる。所望の焦点距離に対応する位相
の周期構造のパターンに合う輪帯状電極を選択して電圧
を印加することによって所望の焦点距離を得ることがで
きる。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明の可変焦点レンズの構成を示
す図である。図１（ａ）は断面図であり、図１（ｂ）は
電極だけを抜き出して描いた平面図である。図１（ａ）
は図１（ｂ）のＡーＢ断面を示している。見やすくする
ために図の電極数は実際より少なく描いてある。

【００１３】透明な基板であるガラス基板１０１上に、
電極引き出し線１０２が形成される。電極引き出し線１
０２は透明導電膜から成る。電極引き出し線１０２のパ
ターン以外の部分には、電極引き出し線１０２と同じ厚
みを持つ透明絶縁膜１０３が形成される。続いて、電極
引き出し線１０２と輪帯状電極１０６を接続するための
接続部１０４が形成される。接続部１０４は透明導電膜
から成る。接続部１０４のパターン以外の部分には、接
続部１０４と同じ厚みを持つ透明絶縁膜１０５が形成さ
れる。

【００１４】さらに、液晶１０８の屈折率を制御してフ
レネルレンズを形成するための輪帯状電極１０６が形成
される。輪帯状電極１０６は透明導電膜から成る。輪帯
状電極１０６のパターン以外の部分には、輪帯状電極１
０６と同じ厚みを持つ透明絶縁膜１０７が形成される。

【００１５】電極引き出し線１０２、接続部１０４、及
び輪帯状電極１０６を構成する透明導電膜としては酸化
インジウムと酸化錫とから成るＩＴＯを用いることがで
きる。

【００１６】また、透明導電膜のパターン以外の部分を
埋める透明絶縁膜１０３、１０５、１０７としては、透
明導電膜との屈折率差による不要な回折を防ぐために、
透明導電膜の屈折率と同じ屈折率を持つ材料を用いるの
が最適であるが、現実的には電極引き出し線の屈折率に
なるべく近い屈折率を持つ材料を使うことになる。例え
ば酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化ケイ素（ＳｉＯ）、
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）などである。

【００１７】液晶１０８はガラス基板１１０に形成され
ている透明導電膜から成る共通電極１０９と、輪帯状電
極１０６および透明絶縁膜１０７の間に封入されてい
る。

【００１８】本実施例における可変焦点レンズは、位相
の周期構造によってレンズ作用を持つフレネルレンズで
あり、その中でもブレーズ型フレネルレンズと呼ばれて
いるものである。図２を用いて本実施例における可変焦
点レンズの動作を説明する。軸対称のプラスレンズの位
相分布を図２（ａ）に示す。横軸はレンズの半径Ｒを表
しており、縦軸は位相を表している。レンズの中心Ｏか
らレンズ外周に向かって位相が周期的に、かつ鋸歯状に
２πずつ変化している。位相が０から−２πにかわる一
周期をゾーンと呼ぶことにする。ゾーンの半径Ｒmは次
式で与えられる。

【００１９】 Ｒm＝（２ｍλｆ＋（ｍλ）²）^1/2 … （１） ここで、ｍは整数、λは波長、ｆは焦点距離である。つ
まり、レンズの焦点距離ｆが決まるとゾーンの位置が決
まる。従って、所望の焦点距離を実現するＲmを計算
し、そのパターンに対応した輪帯状電極を選択して電圧
を印加し、入射光に対する液晶の屈折率を変えて所望の
位相分布をつければ、所望の焦点距離が実現できる。こ
の場合、一つのゾーン内の位相を０からー２πまで連続
的に変化させるのが望ましいが、離散的な輪帯状電極に
よって液晶の屈折率を変えるので、位相変化も離散的に
なる。従って、できるだけ理想的な位相分布に近づける
ように各輪帯状電極に印加する電圧を制御する。これを
図２（ｂ）及び図２（ｃ）を用いて具体的に説明する。

【００２０】図２（ｂ）は焦点距離ｆ_bの場合の輪帯状
電極１０６とそれぞれの電極に印加される電圧の分布を
示したものである。わかりやすくするために、レンズの
一部だけを取り出して描いている。横軸はレンズの半径
Ｒ方向を示しており、Ｏはレンズの中心である。２０１
は電圧分布を示している。

【００２１】ゾーンの半径Ｒm_b、Ｒm_b+1は式（１）よ
り、 Ｒm_b＝（２ｍ_bλｆ_b＋（ｍ_bλ）²）^1/2 … （２ー１） Ｒm_b+1＝（２（ｍ_b＋１）λｆ_b＋（（ｍ_b＋１）λ）²）^1/2 … （２ー２） である。このＲm_bとＲm_b+1の間で位相を０から−２πま
で変えるために、輪帯状電極Ｅmb1とＥmb2の間の電極に
電圧をステップ状に印加する。ステップの大きさは等し
くても良い、すなわち、電極Ｅmb1からＥmb2までの間で
電圧が直線的に変化しても良いが、図２（ａ）に示され
ている位相分布に近づけるようにステップの大きさを電
極ごとに変化させる方が望ましい。

【００２２】一方、図２（ｃ）には焦点距離ｆ_c（≠
ｆ_b）の場合の輪帯状電極１０６とそれぞれの電極に印
加される電圧の分布を示した。図２（ｂ）と同様にレン
ズの一部だけを取り出して描いている。横軸はレンズの
半径Ｒ方向を示しており、Ｏはレンズの中心である。２
０２は電圧分布を示している。

【００２３】焦点距離ｆ_cに対応するゾーンの半径Ｒ
m_c、Ｒm_c+1は式（１）より、 Ｒm_c＝（２ｍ_cλｆ_c＋（ｍ_cλ）²）^1/2 … （３ー１） Ｒm_c+1＝（２（ｍ_c＋１）λｆ_c＋（（ｍ_c＋１）λ）²）^1/2 … （３ー２） である。このＲm_cとＲm_c+1の間で位相を０から−２πま
で変えるために、輪帯状電極Ｅmc1とＥmc2の間の電極に
電圧をステップ状に印加する。

【００２４】以上のようにして、適当な輪帯状電極を選
択して電圧を印加し、入射光に対する液晶の屈折率を変
えて必要な位相分布を作り出すことによって焦点距離を
変えることができる。

【００２５】輪帯状電極１０６一本一本の幅は、位相分
布の変化に対応できる程度に細くなければならず、レン
ズ全面にわたって必要な分解能程度の幅で等しいことが
望ましい。ただし、最内周の輪帯の大きさはある程度の
大きさ以下にはならないので、最内周の輪帯状電極１１
１の半径は、その他の輪帯状電極の幅ほどには小さくす
る必要はない。

【００２６】（実施例２）本実施例における可変焦点レ
ンズは、実施例１と同様にブレーズ型フレネルレンズで
あるが、図３に示すように輪帯状電極３０１が楕円パタ
ーンである。図３は輪帯状電極の平面図であり、見やす
くするために図の電極数は実際より少なく描いてある。
実施例１のレンズとは輪帯状電極と電極引き出し線の平
面的な形状が異なるだけである。

【００２７】楕円パターンを有するフレネルレンズの焦
点距離は図のＹ方向とＸ方向とで異なる。従って、輪帯
状電極３０１に印加する電圧パターンを変えることによ
り、Ｙ方向の焦点距離とＸ方向の焦点距離を変えること
ができる。

【００２８】（実施例３）本実施例における可変焦点レ
ンズは、実施例１、実施例２と同様に位相の周期構造に
よってレンズ作用を持つフレネルレンズであるが、その
中でもバイナリ型フレネルレンズと呼ばれているもので
ある。図４を用いて本実施例における可変焦点レンズの
動作を説明する。

【００２９】軸対称のプラスレンズの位相分布を図４
（ａ）に示す。横軸はレンズの半径Ｒを表しており、縦
軸は位相を表している。レンズの中心Ｏからレンズ外周
に向かって位相が周期的にπずつ変化している。位相が
０から−πにかわる一周期をゾーンと呼ぶことにする。
位相が変化する半径Ｒnは次式で与えられる。

【００３０】 Ｒn＝（ｎλｆ＋（ｎλ／２）²）^1/2 … （４） ここで、ｎは整数、λは波長、ｆは焦点距離である。つ
まり、レンズの焦点距離ｆが決まるとゾーンの位置が決
まる。従って、所望の焦点距離を実現するＲnを計算
し、そのパターンに対応した輪帯状電極を選択して電圧
を印加し、入射光に対する液晶の屈折率を変えて所望の
位相分布をつければ、所望の焦点距離が実現できる。こ
れを図４（ｂ）及び図４（ｃ）を用いて具体的に説明す
る。

【００３１】図４（ｂ）は焦点距離ｆ_bの場合の輪帯状
電極１０６とそれぞれの電極に印加される電圧の分布を
示したものである。わかりやすくするために、レンズの
一部だけを取り出して描いている。横軸はレンズの半径
Ｒ方向を示しており、Ｏはレンズの中心である。４０１
は電圧分布を示している。

【００３２】位相を反転させる半径Ｒn_b、Ｒn_b+1は式
（４）より、 Ｒn_b＝（ｎ_bλｆ_b＋（ｎ_bλ／２）²）^1/2 … （５ー１） Ｒn_b+1＝（（ｎ_b＋１）λｆ_b＋（（ｎ_b＋１）λ／２）²）^1/2 … （５−２） である。Ｒn_bとＲn_b+1の間の位相をπだけ変えるために
は、入射光に対する液晶の屈折率を変えれば良く、これ
は、Ｅnb1からＥnb2の間の輪帯状電極に印加する電圧を
変えれば実現できる。式（４）で決まるパターンに従っ
てレンズの中心Ｏからレンズ最外周へ向かって輪帯状電
極を選択して電圧を印加し、所望の位相分布を形成す
る。

【００３３】一方、図４（ｃ）には焦点距離ｆ_c（≠
ｆ_b）の場合の輪帯状電極１０６とそれぞれの電極に印
加される電圧の分布を示した。図４（ｂ）と同様にレン
ズの一部だけを取り出して描いている。横軸はレンズの
半径Ｒ方向を示しており、Ｏはレンズの中心である。４
０２は電圧分布を示している。

【００３４】位相を反転させる半径Ｒn_c、Ｒn_c+1は式
（４）より、 Ｒn_c＝（ｎ_cλｆ_c＋（ｎ_cλ／２）²）^1/2 … （６ー１） Ｒn_c+1＝（（ｎ_c＋１）λｆ_c＋（（ｎ_c＋１）λ／２）²）^1/2 … （６−２） である。Ｒn_cとＲn_c+1の間の位相をπだけ変えるために
は、Ｅnc1からＥnc2の間の輪帯状電極に印加する電圧を
変えれば良い。

【００３５】以上のようにして、適当な輪帯状電極を選
択して電圧を印加し、入射光に対する液晶の屈折率を変
えて必要な位相分布を作り出すことによって焦点距離を
変えることができる。

【００３６】レンズの透過率は、実施例１のブレーズ型
フレネルレンズの方が本実施例のバイナリ型フレネルレ
ンズより高い。

【００３７】以上、本発明の焦点可変レンズの実施例を
説明したが、本発明の可変焦点レンズは、光ディスク用
光学ヘッドのレンズ、レーザビ−ムプリンタ用のレン
ズ、あるいは眼鏡レンズへの応用が可能である。また、
輪帯状電極と引き出し電極を異なる層で構成し、それぞ
れの電極の間を絶縁膜で埋めて平坦化する構造は、反射
型の焦点可変ミラ−にも適用が可能である。

【００３８】なお、輪帯状電極によって非球面レンズに
相当するゾーンパターンを形成することにより、収差の
コントロールも可能になる。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電極
引き出し線を輪帯状電極とは異なる面に形成することに
より、欠落のない輪帯状電極を形成できるという効果を
有する。

【００４０】従って、良好な結像特性を得ることができ
るという効果を有する。

【００４１】また、電極引き出し線と、この電極引き出
し線と輪帯状電極とを接続する接続部と、輪帯状電極と
を順次積層し、各層において導体間をこれらの導体と同
じ厚みの透明絶縁膜で埋めることによって、段差をなく
して導体の断線が防げると共に、不要な回折光の発生が
抑えられるという効果を有する。

【００４２】また、輪帯状電極の幅を、最内周の電極以
外の部分において等間隔にすることにより、任意の位相
分布を形成できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の可変焦点レンズの構成を示す図であ
る。（ａ）は断面図。（ｂ）は電極だけを描いた平面
図。（ａ）は（ｂ）のＡーＢ断面。

【図２】 本発明の可変焦点レンズの第１の実施例にお
ける可変焦点レンズの動作を説明する図である。（ａ）
はレンズの位相分布を示す図。（ｂ）は焦点距離ｆ_bの
場合に輪帯状電極に印加される電圧の分布を示す図。
（ｃ）は焦点距離ｆ_cの場合に輪帯状電極に印加される
電圧の分布を示す図。

【図３】 本発明の可変焦点レンズの第２の実施例にお
ける輪帯状電極のパターンを示す平面図である。

【図４】 本発明の可変焦点レンズの第３の実施例にお
ける可変焦点レンズの動作を説明する図である。（ａ）
はレンズの位相分布を示す図。（ｂ）は焦点距離ｆ_bの
場合に輪帯状電極に印加される電圧の分布を示す図。
（ｃ）は焦点距離ｆ_cの場合に輪帯状電極に印加される
電圧の分布を示す図。

【図５】 従来の可変焦点レンズにおける電極パターン
を示す図である。

【符号の説明】

１０１、１１０ ガラス基板 １０２ 電極引き出し線 １０３、１０５、１０７ 透明絶縁膜 １０４ 接続部 １０６ 輪帯状電極 １０８ 液晶 １０９ 共通電極 １１１ 最内周の輪帯状電極 ２０１、２０２ 電圧分布 Ｒm、Ｒm+1、Ｒmb、Ｒmb+1、Ｒmc、Ｒmc+1 ゾーン半径 Ｅmb1、Ｅmb2、Ｅmc1、Ｅmc2 輪帯状電極 Ｏ レンズの中心 Ｒ 半径 ３０１ 輪帯状電極 ４０１、４０２ 電圧分布 Ｒn、Ｒn+1、Ｒnb、Ｒnb+1、Ｒnc、Ｒnc+1 半径 Ｅnb1、Ｅnb2、Ｅnc1、Ｅnc2 輪帯状電極 ５０１ 電極パターン ５０２ 電極引き出し線

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 屈折率可変材料が輪帯状電極と対向電極
   とに挟持されている可変焦点レンズにおいて、前記輪帯
   状電極の電極引き出し線が前記輪帯状電極とは異なる面
   内にあることを特徴とする可変焦点レンズ。
2. 【請求項２】 電極引き出し線と、該電極引き出し線と
   輪帯状電極とを接続する接続部と、前記輪帯状電極とが
   順次積層され、各層において導体間を該導体と同じ厚み
   の透明絶縁膜で埋めたことを特徴とする請求項１記載の
   可変焦点レンズ。
3. 【請求項３】 屈折率可変材料が液晶であることを特徴
   とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
4. 【請求項４】 最内周の電極以外の輪帯状電極の幅が等
   しいことを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
5. 【請求項５】 隣合う複数の輪帯状電極にステップ状に
   電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の可変焦
   点レンズ。
6. 【請求項６】 輪帯状電極が楕円状のパターンを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。