特開2020-201396(P2020-201396A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-201396(P2020-201396A)
(43)【公開日】2020年12月17日
(54)【発明の名称】液晶可変焦点レンズ
(51)【国際特許分類】
   G02F 1/13 20060101AFI20201120BHJP
   G02B 1/08 20060101ALI20201120BHJP
【FI】
   G02F1/13 505
   G02B1/08
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2019-108487(P2019-108487)
(22)【出願日】2019年6月11日
(71)【出願人】
【識別番号】000003193
【氏名又は名称】凸版印刷株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100169063
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 洋平
(72)【発明者】
【氏名】古谷 ひとみ
(72)【発明者】
【氏名】海老澤 功
(72)【発明者】
【氏名】蛭田 直也
(72)【発明者】
【氏名】高木 紀明
(72)【発明者】
【氏名】寺園 晃二
【テーマコード(参考)】
2H088
【Fターム(参考)】
2H088EA42
2H088EA67
2H088HA01
2H088HA03
2H088JA29
2H088MA01
(57)【要約】
【課題】焦点距離の可変範囲が十分に広く且つ像のゆがみが十分に小さい液晶可変焦点レンズを提供する。
【解決手段】本開示に係る液晶可変焦点レンズは、第1の面及び第2の面を有する透明基板と、透明基板の第1の面上に設けられた第1の液晶層と、透明基板の第2の面上であって第1の液晶層に対面する位置に設けられた第2の液晶層と、透明基板の第1の面上であって第1の液晶層を囲うように配置された一つ又は複数の超音波振動子とを備え、超音波振動子の出力に応じて焦点距離が可変である。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の面及び第2の面を有する透明基板と、
前記透明基板の前記第1の面上に設けられた第1の液晶層と、
前記透明基板の前記第2の面上であって前記第1の液晶層に対面する位置に設けられた第2の液晶層と、
前記透明基板の前記第1の面上であって前記第1の液晶層を囲うように配置された一つ又は複数の超音波振動子と、
を備え、
前記超音波振動子の出力に応じて焦点距離が可変である、液晶可変焦点レンズ。
【請求項2】
前記透明基板の厚さが100〜900μmである、請求項1に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項3】
前記第1の液晶層の外側に、一つの環状の前記超音波振動子が配置されている、請求項1又は2に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項4】
前記第1の液晶層の外周に沿って並ぶように、複数の前記超音波振動子が配置されている、請求項1又は2に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項5】
複数の前記超音波振動子に対して印加する電圧をそれぞれ調整することによって光軸の位置が可変である、請求項4に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項6】
平面視において、前記第1の液晶層及び前記第2の液晶層は円形である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の液晶可変焦点レンズ。
【請求項7】
前記第1の液晶層及び前記第2の液晶層の直径が3〜30mmである、請求項6に記載の液晶可変焦点レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、液晶可変焦点レンズに関する。
【背景技術】
【0002】
焦点距離を変更可能な光学レンズの一種として液晶レンズが知られている。特許文献1は、超音波によって駆動する液晶可変焦点レンズを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2018−92069号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に記載の液晶可変焦点レンズは、超音波の強度、すなわち、超音波振動子に印加する電圧の大きさによって焦点距離が可変であるものの、焦点距離の可変範囲が狭いため、実用化のレベルに至っていないのが現状である。
【0005】
本開示は、焦点距離の可変範囲が十分に広く且つ像のゆがみが十分に小さい液晶可変焦点レンズを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示に係る液晶可変焦点レンズは、第1の面及び第2の面を有する透明基板と、透明基板の第1の面上に設けられた第1の液晶層と、透明基板の第2の面上であって第1の液晶層に対面する位置に設けられた第2の液晶層と、透明基板の第1の面上であって第1の液晶層を囲うように配置された一つ又は複数の超音波振動子とを備え、超音波振動子の出力に応じて焦点距離が可変である。
【0007】
本開示に係る液晶可変焦点レンズによれば、透明基板を挟むように第1及び第2の液晶層が配置されていることで、超音波によって第1及び第2の液晶層に生じる応力を相殺でき、レンズ全体の反りや変形を抑制でき、像のゆがみを十分に抑制できる。これに加え、超音波振動子から第1及び第2の液晶層の両方に対して正弦波に近い波形の振動を伝搬させることができ、この正弦波に近い波形の振動が像のゆがみ及びにじみ等の低減に寄与すると推察される。例えば、透明基板が厚さ100〜900μmの薄いガラス板等である場合、透明基板を挟むように第1及び第2の液晶層が配置されていることで、透明基板の反りや変形を抑制できるとともに、透明基板が厚い場合と比較して第2の液晶層に超音波が伝わりやすい。
【0008】
本開示に係る液晶可変焦点レンズによれば、透明基板等の共振周波数と一致した周波数をもつ超音波によって、第1及び第2の液晶層の屈折率がそれぞれ変化し、焦点距離を変化させることができる。超音波によって二つの液晶層の屈折率を同時に変化させることで、一つの液晶層の屈折率を変化させる構成と比較して、焦点距離の可変範囲を広くすることができる。
【0009】
平面視において、第1及び第2の液晶層は、例えば、円形である。その場合、第1及び第2の液晶層の直径は、例えば、3〜10mmである。このようなサイズの液晶可変焦点レンズはスマートフォン等の小型デバイスに有用である。
【0010】
本開示において、一つの環状の超音波振動子が第1の液晶層の外側に配置されていてもよく、複数の超音波振動子が第1の液晶層の外周に沿って並ぶよう配置されていてもよい。後者の場合、液晶可変焦点レンズが複数の超音波振動子に対して異なる電圧を印加可能な電源部を備えてもよい。各超音波振動子に対して印加する電圧をそれぞれ調整することによって光軸の位置を可変とすることができる。
【発明の効果】
【0011】
本開示によれば、焦点距離の可変範囲が十分に広く且つ像のゆがみが十分に小さい液晶可変焦点レンズが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1図1は、本開示に係る液晶可変焦点レンズの第一実施形態を模式的に示す斜視図である。
図2図2(a)及び図2(b)は図1に示す液晶可変焦点レンズの上面図及び縦断面図である。
図3図3は、本開示に係る液晶可変焦点レンズの第二実施形態を模式的に示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本開示の複数の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比は図示の比率に限られるものではない。
【0014】
<第一実施形態>
図1図2(a)及び図2(b)に示すように、本実施形態に係る液晶可変焦点レンズ10は、第1の面1a及び第2の面1bを有する透明基板1と、これを挟むように設けられた二つの液晶レンズユニットC1,C2と、透明基板1の第1の面1a側に配置された超音波振動子8とを備える。図2(b)に示すように、液晶レンズユニットC1は、透明基板1の第1の面1a側に設けられており、一対の配向膜2a,3aと、これらの間に設けられた第1の液晶層5aと、外側透明基板6aと、封止材7aとによって構成されている。液晶レンズユニットC2は、透明基板1の第2の面1b側に設けられており、一対の配向膜2b,3bと、これらの間に設けられた第2の液晶層5bと、外側透明基板6bと、封止材7bとによって構成されている。
【0015】
超音波振動子8は、透明基板1及び液晶レンズユニットC1,C2の共振周波数と一致した周波数をもつ超音波を発する。この超音波によって、液晶レンズユニットC1,C2に含まれる液晶層5a,5bの屈折率がそれぞれ変化し、液晶可変焦点レンズ10の焦点距離が変化する。以下、液晶可変焦点レンズ10の各構成について説明する。
【0016】
(透明基板)
透明基板1はガラス板である。透明基板1の厚さは、例えば、100〜900μmである。透明基板1の厚さが100μm以上であることで液晶可変焦点レンズ10に十分な耐久性を付与することができる。他方、透明基板1の厚さが900μm以下であることで超音波振動子8からの超音波が第2の面1b側の液晶層5bにも十分に伝播するとともに、液晶可変焦点レンズ10の全体の厚さを十分に薄くできる。なお、透明基板1の材質はガラスに限定されず、例えば、透明樹脂材料であってもよい。透明基板1の形状は、液晶可変焦点レンズ10の適用対象又はサイズに応じて適宜設定すればよく、図1に示すように円形であってもよいし、他の形状(例えば、正方形、長方形、楕円形)であってもよい。
【0017】
(液晶層)
液晶層5a,5bは液晶分子5cをそれぞれ含む。液晶分子5cとして、例えば、誘電率異方性が負のネマティック液晶が挙げられる。液晶層5a,5bの厚さは、例えば、30〜80μmである。液晶層5a,5bの厚さが30μm以上であることで液晶可変焦点レンズ10の焦点距離の可変範囲を十分に広くすることができる。他方、液晶層5a,5bの厚さが80μm以下であることで液晶可変焦点レンズ10の全体の厚さを十分に薄くできる。液晶層5aの厚さと液晶層5bの厚さは同じであってもよいし、異なっていてもよい。液晶層5a,5bの厚さは、例えば、透明基板1と外側透明基板6a,6bとの間にスペーサを配置することによって調整することができる。なお、液晶層5a,5bの厚さは、3〜30μm又は80〜150μmであってもよい。
【0018】
液晶層5a,5bは、平面視において円形である。液晶層5a,5bの直径は、液晶可変焦点レンズ10の適用対象及び要求性能等に応じて適宜設定すればよい。例えば、液晶可変焦点レンズ10をスマートフォン等の小型デバイスに適用する場合、液晶層5a,5bの直径は3〜10mmとすればよい。なお、液晶可変焦点レンズ10を他の用途(例えば、業務用カメラ)に適用する場合、液晶層5a,5bの直径は10〜30mmであってもよい。なお、液晶層5a,5bの形状は円形に限られず、他の形状(例えば、正方形、長方形、楕円形)であってもよい。
【0019】
(配向膜)
図2に示す配向膜2a,3a,2b,3bは垂直配向膜である。垂直配向膜は、超音波が発生していない状態において、液晶分子5cの長軸が配向膜の主面に対して垂直となるように液晶分子5cを配向する。なお、配向膜として、垂直配向膜の代わりに水平配向膜を採用してもよい。水平配向膜は、超音波が発生していない状態において、液晶分子の長軸が配向膜の主面に対して水平となるように液晶分子を配向する。配向膜として垂直配向膜及び水平配向膜のうち一方のみを用いてもよく、両方を組み合わせて用いてもよい。
【0020】
(外側透明基板)
外側透明基板6a,6bはガラス板である。外側透明基板6a,6bの厚さは、例えば、100〜900μmである。外側透明基板6a,6bの厚さが100μm以上であることで液晶可変焦点レンズ10に十分な耐久性を付与することができる。他方、外側透明基板の厚さが900μm以下であることで液晶可変焦点レンズ10の全体の厚さを十分に薄くできる。なお、外側透明基板6a,6bの材質はガラスに限定されず、例えば、透明樹脂材料であってもよい。
【0021】
外側透明基板6a,6bの形状は、平面視において円形である。外側透明基板6a,6bの直径は、液晶可変焦点レンズ10の適用対象及び要求性能等に応じて適宜設定すればよい。なお、外側透明基板6a,6bの形状は、液晶可変焦点レンズ10の適用対象又はサイズに応じて適宜設定すればよく、図1に示すように円形であってもよいし、他の形状(例えば、正方形、長方形、楕円形)であってもよい。
【0022】
(封止材)
封止材7aは、透明基板1と外側透明基板6aの外周に沿って設けられており、これらの間に液晶層5aを封止している。封止材7bは、透明基板1と外側透明基板6bの外周に沿って設けられており、これらの間に液晶層5bを封止している。封止材7a,7bとしては、例えば、エポキシ樹脂が挙げられる。
【0023】
(超音波振動子)
超音波振動子8は、平面視において環状であり、透明基板1の第1の面1a側に配置されている。超音波振動子8は、液晶レンズユニットC1を囲うように配置されている。超音波振動子8の内周は液晶レンズユニットC1の外周と離間している。超音波振動子8は、例えば接着剤によって透明基板1の第1の面1a上に固定されている。例えば、封止材7aの外周の直径が5mmである場合、超音波振動子8の内径は、例えば、5.1〜6.0mmであり、超音波振動子8の外径は、例えば、7〜10mmである。
【0024】
超音波振動子8は、振動部8aと、これを挟むように設けられた一対の電極8b,8cとによって構成されている。電極8b,8cは電源部15に接続されている。超音波振動子8は、透明基板1及び液晶レンズユニットC1,C2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。上記共振周波数に一致した周波数をもつ超音波により、一次モードのたわみ振動が発生する。一次モードのたわみ振動は、振動強度が液晶層5a,5bの中心側から周縁部に向かって連続的に小さくなる振動である。この一次モードのたわみ振動に起因して液晶層5a,5bにおいて音響定常波が発生し、更に音響放射力が生じて液晶層5a,5bの厚さ及び配向が変化する。これらの変化によって、液晶層5a,5bの焦点距離が変化する。
【0025】
超音波振動子8が生じる超音波の周波数は電源部15から印加される電圧の周波数に依存する。超音波振動子8の超音波の強度は電源部15から印加される電圧の振幅値に依存する。電圧の周波数を一定の値とし、電圧の振幅値を制御することで、液晶層5a,5bの屈折率の変化の程度を調整することができ、液晶可変焦点レンズ10の焦点距離を調整できる。すなわち、超音波振動子8に印加する電圧の振幅値を大きくすることで、液晶可変焦点レンズ10の焦点距離を短くすることができ、他方、印加する電圧の振幅値を小さくすることで、液晶可変焦点レンズ10の焦点距離を長くすることができる。
【0026】
超音波振動子8は、例えば、圧電超音波振動子である。振動部8aの材質として、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム及びチタン酸鉛等のセラミックス、ポリビニリデンフルオライド−トリフルオロエチレン共重合体(P(VDF−TrFE))等の高分子、並びに、酸化亜鉛等の金属酸化物が挙げられる。セラミックスからなる振動部8aは、例えば、上記セラミックスの粉体を焼結し、得られた焼結体に対して分極処理を施すことによって得ることができる。高分子膜からなる振動部8aは、例えば、上記高分子を含む溶液を塗工及び乾燥することによって高分子膜を形成し、この高分子膜に対して分極処理を施すことによって得ることができる。金属酸化物からなる振動部8aは、例えば、上記金属酸化物の膜をスパッタリング等によって成膜し、金属酸化物膜に対して分極処理を施すことによって得ることができる。
【0027】
電極8b,8cの材質は、例えば、銀あるいはニッケルである。電極8b,8cは電圧を印加可能な電源部15に接続されている。電極8b,8cは、例えば、高温焼付の銀電極や化学めっきのニッケル電極によって構成されていてもよい。電極8b,8cは電源部15と配線によって電気的に接続されている(図2(b)参照)。
【0028】
超音波振動子8に対して電源部15から印加する電圧の周波数は、例えば、透明基板1、液晶レンズユニットC1,C2の物性値(例えば、透明基板1、外側透明基板6a,6bのヤング率、ポアソン比及び密度等)及び超音波振動子8の物性値(例えば、超音波振動子8の弾性定数マトリックス、密度及び圧電定数マトリックス等)を用いて、シミュレーションを行うことで算出することができる。
【0029】
上記構成の液晶可変焦点レンズ10によれば、以下の効果が奏される。すなわち、液晶可変焦点レンズ10によれば、超音波によって二つの液晶層5a,5bの屈折率を同時に変化させることで、焦点距離の可変範囲を十分に広くすることができる。また、透明基板1を挟むように液晶レンズユニットC1,C2を配置したことで、超音波によって液晶層5a,5bに生じる応力を相殺でき、液晶可変焦点レンズ10全体の反りや変形を抑制でき、像のゆがみを十分に抑制できる。これに加え、一つの超音波振動子8から液晶層5a,5bの両方に対して正弦波に近い波形の振動を伝搬させることができ、これにより、像のゆがみ及びにじみ等をより一層抑制できる。
【0030】
<第二実施形態>
第一実施形態においては、一つの環状の超音波振動子8を備える液晶可変焦点レンズ10を例示したが、図3に示すように、透明基板1の第1の面1a上において、液晶レンズユニットC1を囲うように四つの超音波振動子9a,9b,9c,9dが配置されていてもよい。図3に示す液晶可変焦点レンズ20は、超音波振動子8の代わりに超音波振動子9a,9b,9c,9dを備えることの他は、第一実施形態に液晶可変焦点レンズ10と同様の構成を有する。以下、液晶可変焦点レンズ20に関し、液晶可変焦点レンズ10との相違点について主に説明する。
【0031】
超音波振動子9a,9b,9c,9dは、液晶レンズユニットC1の外周に沿って並ぶように配置されている。図3に示すように、超音波振動子9a,9b,9c,9dはそれぞれ中心角が90°の円弧状である。超音波振動子9a,9b,9c,9dは互いに異なる電圧を印加可能な電源部25に接続されている。液晶可変焦点レンズ20は、超音波振動子9a,9b,9c,9dに印加する電圧の振幅値を制御することによって、光軸の位置を可変とすることができる。すなわち、超音波振動子9a,9b,9c,9dに印加する電圧の振幅値を制御することによって、各超音波振動子が発する超音波の強度をそれぞれ調整することができる。これにより、各超音波振動子に対応する液晶層5a,5bの屈折率分布を制御することができ、その結果、光軸の位置を可変とすることができる。光軸の位置が可変である液晶可変焦点レンズは、例えば、手ブレ補正機能を有するカメラに適用し得る。
【0032】
第一実施形態に係る液晶可変焦点レンズ10の具体的な構成の一例は以下のとおりである。
・透明基板…ガラス板、厚さ:500μm、直径:10mm
・透明基板の第1の面側の液晶層…液晶分子:ネマティック液晶、厚さ:50μm、直径:5mm(封止材を含む)
・透明基板の第2の面側の液晶層…液晶分子:ネマティック液晶、厚さ:50μm、直径:5mm(封止材を含む)
・配向膜…垂直配向膜、材質:ポリイミド系樹脂、厚さ:2μm
・外側透明基板…ガラス板、厚さ:500μm、直径:5mm
・封止材…エポキシ樹脂
・超音波振動子…内径:5.5mm、外径:9.5mm
・超音波振動子の振動部…材質:PZT、厚さ:1mm
・超音波振動子の電極…材質:銀(Ag)、厚さ:8μm
【符号の説明】
【0033】
1…透明基板、1a…第1の面、1b…第2の面、2a,2b,3a,3b…配向膜、5a…第1の液晶層、5b…第2の液晶層、5c…液晶分子、6a,6b…外側透明基板、7a,7b…封止材、8,9a,9b,9c,9d…超音波振動子、8a…振動部、8b,8c…電極、10,20…液晶可変焦点レンズ、C1,C2…液晶レンズユニット
図1
図2
図3