JPH01179911A - 液晶レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は液晶レンズ、詳しくは単一の焦点に切換可能な
２焦点の液晶レンズに関する。

［従来の技術］ ２枚の透明基板を貼り合わせて形成されるレンズ状の空
間内に液晶を封入して光学的レンズとする技術手段は、
既に特開昭５２−３２３４８号公報、特開昭５４−９９
６５４号公報および特公昭５８−５０３３９号公報など
によって提供されている。

この従来の液晶を用いたレンズ（以下、液晶レンズとい
う）はその−例を第７図および第８図に示すように構成
されている。即ち、この液晶レンズ２０は、透明基板を
形成する球面凹レンズ２１と平板ガラス２２にそれぞれ
透明導電層２３゜２４を設け、これらを絶縁層２５を介
して貼り合わせたときに形成される空室内に液晶２６を
封入して構成されている。上記透明導電層２３と２４間
には、交流電源２７からの交流電圧が可変抵抗２９を通
じて調整自在に印加されるようになっている。また、こ
の交流電圧を印加していないときにおいても、ある特定
方向に液晶分子が揃うように配向処理が施されており、
図面中では液晶分子はホモジニアス配向となっている。

この液晶レンズ２０に電圧を印加すると、液晶レンズ２
０中の液晶２６の分子は電界方向に分子の長軸方向を揃
えるように回転する（′ｔ４！ＩＣ晶の誘電異方性が正
の液晶の場合）。ここで、Ｐ型の液晶を用い、液晶レン
ズ２０に第９図に示すように偏光板からなる偏光素子２
８を組み合わせれば、電圧を印加しないとき液晶レンズ
２０は異常光に対する屈折力を示し、電圧を十分かけた
後には、常光に対する屈折力を示すような、所謂、屈折
力可変レンズとして動作するようになる。なお、第８゜
９図中の符号ｎは液晶ディレクターの方向を示す。

また、このような従来の屈折力可変の液晶レンズは、第
８図に示すように、液晶を挾む２枚の透明基板に施す配
向処理が少なくとも１枚の透明基板内においては一方向
とされていたので、その結果、印加電圧に応じ液晶レン
ズの屈折力がレンズ全体に亘って一様に変化するように
なっていた。

［発明が解決しようとする課Ｈ ところが、上記従来の液晶レンズを屈折力可変の眼鏡に
応用すると、液晶レンズの屈折力が全視野に亘って変化
するので、次のような問題点かある。即ち、近くに焦点
を合わせて近傍の物体を凝視している状態から遠くの物
体を見ようとするとき笠には液晶レンズの焦点位置を遠
方に合わせ変えるために、ボリュームやスイッチなどで
液晶レンズに印加している電圧を調節する必要があるが
、この調節操作は人間の動作として即座に対応すること
は困難であり、このうな人間の応答性の悪い動作がから
むため、液晶レンズの屈折力を瞬時に調節することがで
きず、非常に時間がかかってしまうことになる。この点
では、多焦点レンズや累進焦点レンズを使用した眼鏡に
おいて、人間が頭を伜かに傾けて所望の屈折力を持った
部分に現線を移動しさえすれば、極く短時間で焦点を合
わせられるのと対称的であり、液晶レンズを屈折力可変
の眼鏡としたときのデメリットで改善が望まれていた。

そこで、特開昭６１−１５６２２７号公報記載のように
、フレネル液晶眼鏡においては、液晶レンズの屈折力可
変という特徴を生かしながら、通常の多焦点レンズと同
様の使い易さを実現するレンズとして、複数のフレネル
レンズ面を有する液晶レンズを用いた眼鏡が提案されて
いる。この液晶眼鏡を用いれば、上記のデメリットは解
決されるが、複数のフレネルレンズ面を有するレンズは
製造上、非常にコスト高となってしまうという別の問題
点がある。

また、光学ガラスレンズの一部分のみを液晶レンズにし
た複合レンズも、第１０図〜第１２図に示すようなもの
が考えられる。即ち、第１０図（Ａ）は、下方に四部３
２ａを有する球面凹レンズ３２と、透明な光学ガラス片
３３で覆った上記凹部３２ａ内に液晶を封入して凹レン
ズ３２の一部分のみを液晶レンズ３１とした２９Ａ点レ
ンズであり、また第１０図（Ｂ）では、第１０図（＾）
とは逆に、透明な光学ガラス片３５側に凹部３５ａを設
け、このガラス片３５と球面凹レンズ３６の一部とで形
成される上記四部３５ａ内の空間に液晶を封入して構成
した液晶レンズ３４と上記凹レンズ３６とで２焦点レン
ズを構成している。

また、第１１図に示す２焦点レンズは、上記第１０図（
Ｂ）の液晶レンズ３４を、球面凹レンズ３９の下方に穿
設した凹部３７内に埋設したものである。更に第１２図
に示すものは、球面凹レンズ４０と、同凹レンズ４０と
ほぼ同一形状で下方に四部４２ａを有する球面凹レンズ
４２とを貼り合わせ、上記四部４２ａ内に液晶を封入し
て液晶レンズ４１を形成したものであって、この液晶レ
ンズ４１と上記凹レンズ４０．４２とて２焦点レンズを
構成している。

しかし、このように光学ガラスレンズの一部分を液晶レ
ンズとした２焦点レンズにおいても第１０図（Ａ）　、
　（Ｂ）に示すレンズでは、基板を貼り合わせる箇所に
おける像のジャンプが問題となり、また第１１図のレン
ズでは製作が難しくコスト高となってしまう。更にこれ
らのレンズでは、電極の取出し部分の信頼性が低く、ま
た外観が見苦しくなるという別の問題点も生じる。さら
にまた、第１２図に示すレンズでは、液晶の封止が難し
く、球面凹レンズ４０と４２との貼り合わせ箇所４３に
液晶が滲出し、光学特性を悪くするという問題点があっ
た。

そこで、本発明の目的は、上記従来の問題点を解消する
ために、１枚の液晶レンズの中に屈折力の異なる領域を
簡便な手段で設け、この領域のうち、何れか一つの領域
の屈折力が印加電圧によって変化するようにした液晶レ
ンズを提供するにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明では上記問題点を解決するために、液晶がホモジ
ニアス配向となるように配向処理された２枚の透明基板
により形成されるレンズ状の空間内に液晶を封入し、こ
れと偏光板を組み合わせてなる液晶レンズにおいて、少
なくとも１枚の透明基板上に、配向方向が他とは９０°
異なる方向に処理された部分を有していることを特徴と
するものである。

［作　用コ この液晶レンズでは、透明基板内の配向処理を単一方向
とせず、複数の方向に行なっているから、屈折力の異な
る領域が同一レンズ内に形成されることになる。従って
、液晶レンズの透明基板に印加される電圧を変えると屈
折力も変わるから、これによって屈折力の異なる領域を
単一の屈折力を有する領域に変えることができる。

［実　施　例］ 以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。なお
、以下の実施例において、前記第７図〜第９図中に示し
た従来例における構成部材と全く同一の構成部材につい
ては、同一符号を付してその説明を省略する。

第１図（Ａ）　、　（Ｂ）は、本発明に係る液晶レンズ
の一実施例の概略構成を示す図で、液晶分子２の配向方
向を理解しやすくするために、液晶レンズセル１内のレ
ンズ状の空間に封入された液晶分−Ｆ２の状態が、液晶
レンズセル１の基板表面に投影して描かれている。そし
て、このようなホモジニアス配向された液晶分子２の分
子配列が得られるように、本発明では、透明基板２１．
２２の液晶に接する側が液晶レンズセル１の中心を境に
して上半分と下半分とが互いに９０°異なる方向に配向
処理されている。このため、液晶レンズセル１は上半分
と下半分とでは異なった屈折力を有することになり、そ
れぞれの焦点位置は、上半分の液晶レンズに対しＦＰＨ
となり、下半分の液晶レンズに対しＦＰＬとなる。

そこで、このような液晶レンズセル１を偏光板３と組合
わせると、光は偏光板３を通り、液晶レンズセル１に入
射し、屈折され、Ａの方向へ透過して行く。この場合、
封入されている液晶の複屈折を表わす屈折率楕円体が、
図中で表わす楕円型の液晶分子と同じ方向で定義される
ような液晶であれば、第１図（Ａ）に示す液晶レンズセ
ル１の上半分は常光に対する屈折力を示し、下半分は異
常光に対する屈折力を示すようになって、所謂、２焦点
レンズとすることができる。これにより液晶レンズの特
徴を持ちつつ、従来の多焦点レンズの使い品さを持つ、
従来なかった液晶レンズが実現できる。

配向方向が互いに９０°異なる２つの領域を１枚の透明
基板２２あるいは２１上に形成するには、周知の真空斜
め蒸青やラビング等の配向方法が適用される。これら薄
青やラビング等のいずれの方法においても、配向方向の
異なった領域を形成するには、マスキングを行ない、配
向処理を数回に分けて行なうのが好ましい。例えば、第
１図のような配向方向を得るためには、まず透明基板２
１゜２２の上の部分をマスクフィルムやマスク板で覆い
、液晶ディレクターが上下の方向となるように配向処理
し、つづいて下の部分をマスクし、前工程でマスクして
いた上の部分を液晶ディレクターが左右の方向となるよ
うに配向処理すればよい。

この結果、第４図に示すように、２枚のＭ＆２１゜２２
は、矢印で示されるように上半分が左右方向に、下１６
分が上下方向にそれぞれ配向処理され、最後に両透明基
板２１．２２を貼り合わせて形成されるレンズ状の空間
内に液晶２を封入すれば本発明の液晶レンズを得ること
かできる。ただ配向処理時のマスキングに関しては必然
の過程ではなく、例えば透明基板全体を上下方向にラビ
ングにより配向処理した後、上半分のみラビング装置の
端部を用いて左右方向に配向処理すれば、上述のマスキ
ングを行なった時と同様、第４図のような配向処理が施
せる。

このように構成した本実施例に係る２焦点液晶レンズで
は、従来の２焦点レンズの使い易さが実現され、しかも
従来の２焦点レンズが屈折力の異なるレンズ片をレンズ
母体に埋め込んで作製していたのに比べ、配向処理方向
を９０″変えるといった非常に簡単な方法で同等のレン
ズを作製することができるというメリットがある。

また、第１０図〜第１２図の液晶レンズで電圧を加えな
いタイプと比べても非常にシンプルな形状とすることが
できる。

ところで、屈折力の選択は従来の液晶レンズと同様に行
われ、レンズの異なる屈折力の差をΔＤ。

液晶の常光・異常光に対する屈折力をｎ。およびｎ　１
そしてΔｎ＝ｎ　　−ｎｏとし、例えば第１ｅ 図（Ｂ）のように、液晶層が平凸レンズを形成し、その
曲率半径がｒであるとすると、 ΔＤ−Δｎ・　（１／　ｒ　） の式か成り立つので、Δｎまたはｒを適当に選ぶことに
より２焦点レンズとしての各屈折力値か選択される。

第２図は本発明に係る液晶レンズの他の実施例の概略構
成図である。第２図において、液晶レンズセル１１にお
ける２枚の透明基板の液晶分子１２に接する側には透明
導電層が設けてられており、交流電源２７により液晶分
子１２に電圧が印加されるようになっている。第２図は
この交流電源２７から液晶分子１２に電圧を印加したと
き、液晶分子１２が回転し、その軸方向を電界の方向に
揃えたときの様子が第１図同様、基板表面に投影する形
で描かれている。

交流電源２７より電圧を印加しないときの液晶分子の状
態は、第１図の液晶レンズセル１と同様にセル１１の中
心を境にして９０°異る方向にホモジニアス配向されて
いる。従って、第１図（Ａ）と第２図の比較から明らか
なように、本実施例レンズには、印加電圧とともにレン
ズ屈折力の変化する領域と、印加電圧に依存せず一定の
屈折力を保つ領域の２つの領域があり、本実施例はいわ
ば部分的に屈折力可変な２焦点液晶レンズであるという
ことができる。

以下、この屈折力可変の原理について説明を加える。第
２図のような向きで偏光板３を組み合せ、電圧を印加し
ない初期の液晶の配向状態を第１図（Ａ）に示すように
した場合、封入されている液晶の複屈折を表わす屈折率
楕円体が第１図および第２図中で表わす楕円型の液晶分
子と同じ方向で定義されるような液晶であれば、第２図
の実施例のレンズの上半分は電圧を印加しないとき、常
に常光線のみが入射し、下半分には異常光となる成分の
光のみが入射することになる。

一方、十分に電圧を印加した後には液晶分子は第２図の
ような配列になり、レンズの上下いずれも常光成分が入
射するようになる。この結果、レンズの上半分は常に常
光に対する屈折力を示し印加電圧に応じ変化することは
ないが、下半分は印加する電圧に応じ液晶分子が回転す
るにつれ異常光に対する屈折力から常光に対する屈折力
まで屈折力を連続的に変化させられるようになる。

ところで、液晶レンズは貼合わせレンズであるので、貼
合わせ精度がレンズとしての性能を左右することになる
が、液晶自身、秩序パラメータで現わされる程度の揺ら
ぎを常に持っており、液晶を挾む２枚の透明基板の貼合
わせ粘度もそれに応じてあまり高精度である必要はない
。第４図を例に取れば透明基板２１と２２の貼合わせ精
度は、光軸がズレないならば多少回転していても支障は
ない。ただ、偏光板３と透明基板２１の貼合わせ、また
は組合わせに当たっては、中に液晶のような揺らぎを持
った物質を介さないので、より高精度に貼合わせあるい
は組合わせを行なった方が、液晶レンズの光学性能は良
くなり、具体的には二重像という現象が現われにくくな
る。

第３図は、上記第２図に示した実施例の液晶レンズを眼
鏡レンズ５１に応用し、部分的に屈折力可変の液晶眼鏡
５０としたものである。この眼鏡レンズ５１には偏光板
として図示しない偏光フィルムが貼り合わされており、
内部の液晶分子のディレクターは、電圧を印加しない状
態において第１図と同じ状態にある。

このように構成した液晶眼鏡の眼鏡レンズは、上半分は
常に一定の屈折力を示し、下半分は電源５２により印加
される電圧に応じて変化する。そして十分な電圧が印加
された後は、それまで視野内に屈折力の異なる領域が存
在していたのが無くなり、全視野に亘って屈折力が一定
となる。

このような部分的に屈折力可食の液晶眼鏡は、水晶体摘
出手術を受けた患者の視力矯正用眼鏡どして、あるいは
老眼用眼鏡として適している。即ち、人間が遠方を見る
ときは、周囲全体の状況を把握しようとしている場合で
あり、近くを見るときは、むしろ注目すべき点や物が決
まっているときであるから、眼鏡をかけた人は遠方を見
るとき、レンズ中できるだけ広い視野にわたって像のジ
ャンプや歪が無いことを望む。反対に近くを見るときに
は、矢張りできるだけ広い視野にわたって像のジャンプ
や歪が無い方が好ましいが、注目すべき点や物が決まっ
ているから、多少視野が狭くてもかまわない。

このようにある特定の屈折力についてはレンズ視野全体
の屈折力を１つにするといったことは、従来の多焦点レ
ンズや累進焦点レンズでは実現不可能であり、遠くを見
るときに使う屈折力の小さい領域の面積を広く取り、前
記の人間の習性に合わせるのがせいぜいであった。

また、その意味で、特開昭６１−１５６２２７号公報に
開示された複数のフレネルレンズ面を持った液晶レンズ
はこれを満足し得るか、製造コストが高い。

以上のことにより、配向方向を９０°かえるだけで簡単
に人間の習性に合ったレンズを作れる本発明による液晶
レンズは水晶体摘出患者用の視力矯正用眼鏡あるいは老
眼用眼鏡などに応用するに適していると言える。

また、第１０図〜第１２図に示した液晶レンズと比べて
も、貼合わせ部分の像のジャンプや電極の取り出しにく
さ、あるいは液晶のしみ出しなどの欠点がなく好ましい
。

配向方向については、第３図は１例であって、その他の
方向も種々考えられるが、特開昭６２−１２９８１３号
公報に記載されているように基本的に眼鏡フレーム中心
に対して鏡面対称となっていることか望ましい。

以上は眼鏡レンズへの応用を中心に説明したが、当然他
の光学機器への応用も可能であることは言う迄もない。

また第５図に示すように液晶レンズセル１４を上下方向
に３分割し上下部分と中央部分とで互いに９０’異なる
方向にホモジニアス配向したり、また、第６図に示すよ
うにレンズセル１５を同心円状に２分割し、中央部と外
周部とを、それぞれに互いに９０°異なる方向にホモジ
ニアス配向し、これらと偏光３とを組合わせて構成され
る液晶レンズも作製可能である。従って、このように用
途に応じ適宜、設計受更すればよい。

次に、本発明によって製作された液晶レンズの具体例と
応用例について述べる。

（第１具体例） 透明アクリル材からなる平板と凹タイプのフレネルレン
ズの片面にＩＴＯ（インジウム・チタン・オキサイド）
透明導電層を形成し、更にその上にＰＶＡ　（ポリ・ビ
ニール・アルコール）配向膜をスピンコードして形成し
た後、ナイロン布により第４図に示すように、透明１２
２１．２２上の９０″異なる方向にラビング配向処理を
行ない、しかるのち、２枚の透明基板２１．２２を貼り
合わせたときに形成される空間内にネマティック液晶を
真空封入した。そして、偏光板３を貼り合わせ、本発明
の液晶レンズの第１具体例レンズを作製した。

このようにして作製した上記第１具体例のレンズは、下
半分が＋１．２５Ｄｐｔｒ　、下半分か＋８．７５Ｄｐ
Ｌｒの屈折力を示し、上記のように非富に簡！１１−な
方法にて２焦点レンズか作製できた。

なお、第１具体例のレンズにおいては、電圧を液晶に印
加しないため本来ならばＩＴＯ透明透明層電層要である
が、アクリルか疎水性なのでＰＶＡ水溶液がはじかれて
しまってコーティングしにくいことから設けた。

（第２具体例） 上記第１具体例のレンズとほぼ同様にして第２具体例の
液晶レンズを作製した。第１具体例のレンズと異なる所
は、液晶に電圧がかけられるようにした点と、それに伴
い、２枚の透明基板上のＩＴｏ透明導電層がショートし
ないように、平板をＩＴＯ透明導電層とＰＶＡ配向膜の
間に５ｉｎ２透明絶縁層を設けたものに置き換えた点で
ある。

このようにして作製した第２具体例のレンズは、電圧を
０■〜ｌ０Ｖ（ＡＣ）の間で変化させたとき、下半分は
＋８．７５〜＋１．２５ＤｐＬｒで連続的に屈折力が変
化したのに対し、上半分は＋１．２５Ｄ　ｐａｒで一定
であった。

（応用例） 次に、上記第２具体例のレンズ２枚を −ＩＤｐｔｒの補正レンズと一緒に検眼用の眼鏡フレー
ムに取り付け、実際に液晶眼鏡として装着して使用して
みた所、近くを見るときは従来の２焦点レンズを用いた
眼鏡と同様に使い品く、むしろ電圧に応じて屈折力調整
ができる分だけ従来以上の使い易さが実現できた。また
、遠方を見るときには全視野に亘って屈折力が＋０．２
５Ｄｐｔｒになるようにｌ０Ｖ（ＡＣ）の電圧を印加し
て使用した。

このときは従来の２焦点レンズでの像のジャンプや累進
焦点レンズでの像の歪みがなく、従来にない使い易さが
実現された。

〔発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、透明基板上に配向方
向が他とは９０°異なる方向に配向処理するという簡便
な方法で、１枚の液晶レンズ中に２つの屈折力の異なる
領域を持たせたものであるから、眼鏡等に応用し得る低
価格の２焦点レンズを提供することができる。また、液
晶レンズに印加する電圧を変えることにより、部分的に
屈折力を可変する液晶レンズを非常に簡便に作製するこ
とができるから、眼鏡等に適用した場合、従来の２焦点
レンズや累進焦点レンズになかった使い易さが実現され
る。従って、水晶体摘出手術を受けた患者の矯正眼鏡用
レンズ、あるいは老眼鏡用レンズとして最適のレンズを
提供できるという顕著な効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）　、　（Ｂ）は、本発明の一実施例を示す
液晶レンズの斜視図と縦断面図、 第２図は、本発明の他の実施例を示す液晶レンズの斜視
図、 第３図は、上記第２図に示す液晶レンズを使用した液晶
眼鏡の斜視図、 第４図は、本発明の液晶レンズの配向方向を説明する斜
視図、 第５図、第６図は、本発明の液晶レンズの他の配向処理
をそれぞれ示す斜視図、 第７図、第８図は、従来の液晶レンズの一例を示す拡大
断面図と要部縦断面図、 第９図は、液晶レンズに偏光板を組合わせた斜視図、 第１０図（Ａ）　、　（Ｂ）〜第１２図は、従来め光学
ガラスレンズに液晶レンズを付加して形成した２焦点レ
ンズをそれぞれ示す断面図である。 １．１１．２０・・・・・・液晶レンズセル２．１２．
２６・・・・・・液晶分子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）液晶がホモジニアス配向となるように配向処理さ
   れた２枚の透明基板により形成されるレンズ状の空間内
   に液晶を封入し、これに偏光板を組み合わせてなる液晶
   レンズにおいて、 少なくとも１枚の透明基板上に、配向方向が他とは９０
   ゜異なる方向に処理された部分を有していることを特徴
   とする液晶レンズ。
2. （２）配向方向の異なる部分の何れか一方の屈折力が、
   印加電圧に応じて変化させられることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の液晶レンズ。