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高性能・大開口径液晶レンズとその応用

秋田大学大学院理工学研究科数理・電気電子情報学専攻

准教授 河村 希典

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大きな複屈折(低電圧駆動)光学位相差制御 (液晶分子の再配向)

・佐藤，菊池：ネマチック液晶セルによる光偏向，応用物理，Vol.45, No.10, pp.938-942 (1976). ・S. Sato: Liquid-Crystal Lens-Cells with Variable Focal Length, Jpn. J. Appl. Phys. 18, pp.1679-1684 (1979).

液晶材料

液晶プリズム・液晶レンズ

液晶を用いた光デバイス応用

300

position (mm)

光学位相差

(2)

同心円状輪帯電極を用いた液晶レンズ

L. Li, D. Bryant, T. V. Heugten, D. Duston, and P. J. Bos: Opt. Eng. 52(3), 035007 (2013).

円形パターン電極を用いた液晶レンズ

液晶を用いた光デバイス応用

M. Ye, B. Wang, M. Uchida, S. Yanase, S. Takahasi, M. Yamaguchi, and S. Sato: Jpn. J. Appl. Phys. 49(2010)100204-1

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従来技術とその問題点固体レンズ 液体レンズ 液晶レンズ

機械的駆動 ○ 必機械的駆動サーボモータ

ボイスコイルモータ

△機械的駆動

ピエゾアクチュエタ水に電圧を加えることで水と油

の境界面を変化

× 必要なし

電圧 中 高 低

電力 中 中 低

レンズの大きさ 大 小 小〜大

焦点可変 △ ○ ○

複雑なレンズ制御 × × ○

振動 弱 弱 強

縦置 ○ × ○

音 有 無 無

応答速度 早 早 中

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新技術の特徴• 機械的駆動部を必要とせず，電子的に焦点距離を連続的に制御可能な屈折率分布型液晶レンズの技術

• 少数の輪帯電極でも滑らかな放物面状の光学位相差分布（屈折率分布）を実現でき，これまでの液晶レンズに比べ液晶層の利用効率が高く，駆動周波数の帯域が広い

• 輪帯電極・高抵抗膜を有する液晶レンズを試作し，理想的な球面状のレンズ特性を示す有効なレンズ径の拡大を実現

• 高抵抗円形パターン膜を有する大開口径のフレネル屈折率分布型液晶レンズの提案

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輪帯電極構造・高抵抗膜を有する液晶レンズ

液晶レンズⅠ 液晶レンズⅡ

ネマティック液晶（Dn=0.298@l=589nm）

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f 14.8mm高抵抗膜：無

f = 1.0kHz V1 = 0.2V, V2 = 1.3V, V3 = 1.8V, V4 = 2.0V, V5 = 1.0V, V6 = 5.0V （凸レンズ特性）

y

x

f 14.8mm高抵抗膜：有

yラビング方向

x

y

x

干渉縞観察

液晶レンズⅠ

8

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

10

20

30

position(mm)光学位相差

(2p )

レンズパワー： 0.58m-1RMS = 0.63

0

2

4

6

8

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

光学位相差

(2p)

position (mm)

高抵抗膜：無 高抵抗膜：有

レンズ特性が得られない

光学位相差分布

液晶レンズⅠ

9

y

x

f 14.8mm

f = 1.0kHz V1 = 7.0V, V2 = 2.6V, V3 = 1.8V, V4 = 1.7V, V5 = 1.6V, V6 = 0V （凹レンズ特性）

レンズパワー： -0.62m-1RMS = 0.39x

yラビング方向

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

10

20

30

x-position (mm)

光学位相差

(2)

液晶レンズⅠ

干渉縞観察・光学位相差分布

10

yxラビング方向

x

y

f = 4.5kHz V1 = 0.4V, V2 = 1.3V, V3 = 1.7V, V4 = 1.9V, V5 = 2.0V, V6 = 6.5V

14.8mm15.2mm

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

10

20

30

position (mm)

光学位相差

(2)

-8 -6

液晶レンズⅡ

レンズパワー： 0.54m-1 RMS = 0.23

干渉縞観察・光学位相差分布

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フレネル型大口径液晶レンズ

液晶レンズⅢ

~f 31 mm

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凸レンズにおける光学位相差分布

レンズパワー： 0.63m-1

液晶層断面における液晶分子配向シミュレーション

液晶レンズⅢ

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凹レンズにおける光学位相差分布

レンズパワー： -0.61m-1

液晶レンズⅢ

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想定される用途

•視力矯正のための焦点可変眼鏡レンズ

•光学計測装置用の焦点可変レンズ

•光学センサ用収差補正制御素子

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実用化に向けた課題

• 少数の輪帯電極構造・高抵抗膜を有する屈折率分布型液晶レンズ，大開口径のフレネル屈折率分布型液晶レンズの試作が可能なところまで開発済み。

• 今後，試作した液晶レンズの電気光学特性について実験データを取得し、焦点可変眼鏡レンズ，光学計測装置，光学センサに適用していく場合の条件設定を行う。

• 実用化に向けて，理想的な放物面状の光学位相差分布の精度（RMS）を0.1λまで向上できるよう技術を確立する。

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企業への期待

• 未解決のレンズ特性のさらなる向上について，微細な半導体技術により克服できる。

• 微細電極作製技術，電子部品作製技術，光学部品作製技術，光学センサ技術を持つ企業との共同研究を希望。

• 液晶を用いた撮像センサデバイスの開発，光学素子応用展開を考えている企業には，本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権

発明の名称 液晶レンズ

出願番号 特願２０１６－１６９２４９

出願人 秋田大学

発明者 河村希典，佐藤進

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お問い合わせ先

秋田大学 産学連携推進機構

リサーチ ・ アドミニストレータ

特任講師 伊藤 慎一

ＴＥＬ 018－889－2702

ＦＡＸ 018－837－5356

e-mail s-ito@crc.akita-u.ac.jp