JP2010503026A

JP2010503026A - 抵抗性電極を使用する電気光学レンズ

Info

Publication number: JP2010503026A
Application number: JP2009526867A
Authority: JP
Inventors: メレディス、ジェラルド
Original assignee: Johnson and Johnson Vision Care Inc
Current assignee: Johnson and Johnson Vision Care Inc
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2010-01-28
Also published as: KR20090051111A; US20080212007A1; WO2008027890A3; TW200819816A; BRPI0716076A2; CA2661914A1; AU2007289295A1; AR062574A1; WO2008027890A2; CN101548224A; EP2057502A2

Abstract

電気光学デバイスが提供される。この電気光学デバイスは、一対の互いに対向する透明基板の間の液晶レイヤと；前記液晶レイヤと、第一の透明基板の内側に向いた表面との間に配置された、抵抗によるパターンが形成された電極セットと；前記液晶レイヤと、第二の透明基板の内側に向いた表面との間の導電性レイヤと；を有している。前記導電性レイヤと前記抵抗によるパターンが形成された電極セットは、電気的に接続され、前記抵抗によるパターンが形成された電極セットは、一つまたはそれ以上の電気的に分離された電極を有し、所望の電圧低下が、各電極を横断して与えられ、それにより、所望のフェーズ遅延プロファイルをもたらす。
【選択図】図１

Description

この出願は、米国仮出願 No. 60／824,325 （２００６年９月１日出願）利益を主張し、その内容は、リファレンスによりここに繰り入れられる。

本発明は、光学的なレンズの分野に係る。固定された焦点合わせの性質を備えた眼科用レンズは、老眼及び他の状態を矯正するために、眼鏡及びコンタクト・レンズとして広く使用されている。眼科用レンズは、もしそれが調整可能な集光力（focusing power）を有している（即ち、集光力が固定的ではない）場合には、非常に有用である。調整可能な集光力は、眼に対して、異なる距離にある関心の対象に焦点を合わせるべく、外因的な適応をもたらす。

調整可能な集光力は、機械的なズーム・レンズを使用して実現されることが可能である。しかしながら、機械的なアプローチは、眼鏡を、嵩が大きく且つ価格が高いものにする。様々な光学的な技術が、近く及び遠くの視界の両者を可能にすべく、複焦点の（bifocal）レンズにおいて、これまでに利用されて来た。例えば、ユーザが、それぞれの眼に、異なる集光力を提供するレンズを用いることが考えられ、その場合には、一方は、近くの対象に対して、他方は、遠くの対象に対して使用される。それに代わって、レンズの領域分割、複焦点の回折性レンズ、または他の分割技術を使用することによって、近くの対象及び遠くの対象の両方が、同時に網膜の上に写され、脳が、それらの像を識別する。複焦点の回折性レンズを除いては、これらの光学的な技術を使用する視野は、狭い。

更にまた、これらの光学的な技術は、瞳孔が小さいときに、うまく機能しない。その理由は、虹彩が、レンズの環状の部分を通過する光線を遮るからである。矯正のための他の選択肢は、遠近両用コンタクト・レンズ（monovision lenses）の使用であって、その場合には、それぞれの眼に異なる集光力が与えられる。即ち、一方が近くの対象に対して、他方が遠くの対象に対して、使用される。しかしながら、遠近両用コンタクト・レンズが使用されたときには、両目による深さの知覚が影響を受ける。

電気的にスイッチ可能なレンズ、例えば、二つの導電性のプレートの間に挟まれた液晶のレイヤを有するレンズでは、電場を掛けることにより液晶の方位が変化する。そのような電気的にスイッチ可能なレンズが、光学的システムにおいて使用するために、記載されている（例えば、Kowel, Appl. Opt. 23（16）, 2774-2777 （1984）; Dance, Laser Focus World 28, 34 （1992）を参照方）。電気的にスイッチ可能なレンズにおいて、様々な電極の形態がこれまでに研究されており、その中には、フレネル・ゾーン・プレート電極構造が含まれている（Williams, SPIE Current Developments in Optical Engineering and Commercial Optics, 1168, 352-357 （1989）; McOwan, Optics Communications 103, 189-193 （1993））。しかしながら、液晶レンズは、製造及び動作上の課題を含む多くの要因のために、商業的な成功はまだ実現されていない。

米国特許出願公開第 US2005／0073739 号明細書（April 7, 2005）

G. Smith et al., the eye and visual optical instruments, Cambridge University Press, 1997. G. Vdovin et al., On the possibility of intraocular adaptive optics, Opt. Express 11: 810-817, 2003. G. Williams et al., Electrically controllable Liquid Cristal Fresnel lens, Proc. SPIE 1168: 352-357, 1989. J. S. Patel et al., Electrically controlled polarization-independent liquid-crystal Fresnel lens arrays, Opt. Lett. 16: 532-534, 1991. B. Dance, Liquid Cristal used in switchable Fresnel lens, Laser Focus World 28: 34, 1992. M. C. K. Wiltshire, Non-display applications of Liquid Cristal devices, Geo J. Research 10: 119-125, 1993. H. Ren et al., Tunable Fresnel lens using nanoscale polymer-dispersed Liquid Cristals, Appl. Phys. Lett. 83: 1515-1517, 2003. C. W. Fowler et al., Liquid Cristallens review, Ophthal. Physiol. Opt. 10: 186-194, 1990. J. A. Futhey, Diffractive bifocal intraocular lens, Proc. SPIE 1052: 142-149, 1989. S. Sato et al., Variable-focus Liquid Cristal Fresnel lens, Jpn. J. Appl. Phys. 24: L626- L628, 1985. L. G. Commander et al., Variable focal length microlenses, Opt. Commun. 177: 157-170, 2000. S. T. Kowel et al., focusing by electrical modulation of refraction in a Liquid Cristal cell, Appl. Opt. 23: 278-289, 1984. A. Nouhiet al., Adaptive spherical lens, Appl. Opt. 23: 2774-2777, 1984. A. F. Naumov et al., Liquid-crystal adaptive lenses with modal control, Opt. Lett. 23: 992-994, 1998. M. Y. Loktev et al., Wave front control systems based on modal Liquid Cristal lenses, Rev. Sci. Instrum. 71: 3190-3297, 2000. N. A. Riza et al., Three-terminal adaptive nematic liquid-crystal lens device, Opt. Lett. 19: 1013-1015, 1994. P. W. McOwan et al., A switchable Liquid Cristal binary Gabor lens, Opt. Commun. 103: 189-193, 1993. S. Masuda et al., Liquid-crystal microlens with a beam-steering function, Appl. Opt. 36: 4772-4778, 1997. B. Kress et al., Digital Diffractive Optics, John Wiley & Sons Ltd., 2000.

電気光学デバイスが提供される。
この電気光学デバイスは、
一対の互いに対向する透明基板の間の液晶レイヤと；
液晶レイヤと、第一の透明基板の内側に向いた表面との間に配置された、抵抗によるパターンが形成された電極セットと；
液晶レイヤと第二の透明基板の内側に向いた表面との間の導電性レイヤと；
を有し、
前記導電性レイヤと抵抗によるパターンが形成された電極セットは、電気的に接続され、
前記抵抗によるパターンが形成された電極セットは、一つまたはそれ以上の電気的に分離された電極を有し、
所望の電圧低下が、各電極を横断して与えられ、それにより、所望のフェーズ遅延（phase retardation）プロファイルをもたらす。

また、光を回折させる方法も、提供される。この方法は、ここに記載されたようなパターンが形成された電極セットに、各電極を横断して所望の電圧低下を与えること、
を有している。

図１は、液晶セルの図を示す。図２は、液晶セルを挟んで与えられた電圧を示す。電極の形態についての実施形態であって、図３Ａは、堆積された導電性のリングを示す。電極の形態についての実施形態であって、図３Ｂは、設計された抵抗の例を示し、ここで、（１）リング及びフィルムが一つの材料から形成され、フィルムがより薄い厚さにエッチングされる例；（２）フィルムの抵抗がディンプルにより変えられる例；（３）フィルムの抵抗が孔により変えられる例；（４）フィルムの抵抗が格子により変えられる例；（５）パーコレイション・スレッショルド（トップからボトム）を超えての、第二の（絶縁）材料とのコ・デポジションの例、である電極の形態についての実施形態であって、図３Ｃは、シングル・レイヤの電極の側面図を示す。電極の形態についての実施形態であって、図３Ｄは、マルチ・レイヤの電極の側面図を示す。電圧バスの形態であって、図４Ａは、シンプルな１−バスを示す（同一レイヤ上でまたはバイアスにより、リングへの直接の接続がなされている）。電圧バスの形態であって、図４Ｂは、コメンスレート構造を示し、電極が、繰り返しのパターンの中で、独立のバスに接続され、それが、分流、による焦点の変化を可能にしている。電圧バスの形態で、各電極が専用のバスを有する非コメンスレート形態であって、図４Ｃは、独立のスプリット・バスを示し、このスプリット・バスは、シングル・レイヤ構造の中の接続を可能にする。電圧バスの形態で、各電極が専用のバスを有する非コメンスレート形態であって、図４Ｄは、通常のバス形態を示す。図５は、互いに組み合わされた（同じレイヤの）バス・ラインとリングの接続を示す。他のバス・ラインとリングの接続は、バイアス（導電性材料で満たされた絶縁レイヤを通る孔）；及びブリッジ／サブウェイ（バス・ラインが、ラインを電極から分離する絶縁レイヤの、上または下を、接続の配置まで伸び、この接続部で、絶縁レイヤが取り除かれて導電性のリングとの接触を可能にする）（図示せず）を含んでいる。バイアス及びブリッジ／サブウェイは、途切れていない電極（環及びリング）の使用を可能にする。

以下の説明は、本発明の電気光学レンズを構築する非限定的な詳細を提供する。この発明は、電場の中で再整列（realigned）されることが可能な液晶材料で満たされた電気光学レンズを提供する。レンズは、回折性の光学的な要素（ＤＯＥ：diffractive-optical-element）として機能する。ＤＯＥは、薄い液晶レイヤを挟んで電圧を与えた結果であって、この薄い液晶レイヤは、ディレクター・オリエンテーション場（director-orientation field）を変えることにより応答して、不均一な屈折率パターンを作り出し、この屈折率パターンは、次に、セルの面を挟んで、不均一なフェーズ伝送機能（ＰＴＦ：phase-transmission-function）をもたらす。本発明において、ここで、所望のＤＯＥを作り出すためのＰＴＦの正確なコントロールが、抵抗によるパターンが形成された電極セットを横断して、所望の電圧低下を与えることにより実現される。

ここで使用されているように、''抵抗によるパターンが形成された電極セット''との表現は、電気的に互いから分離された導電性の材料（電極）の一つまたはそれ以上の領域であって、それらの電極に、固定された電圧低下が与えられることが可能である。もし、抵抗によるパターンが形成された電極セットの中に、二つまたはそれ以上の電極がある場合には、それらの電極は、例えばＳｉＯ_２のような絶縁材料、従来技術で知られているまたは他の絶縁材料により分離される。抵抗によるパターンが形成された電極セットの中の電極は、所望の形態に形成されることが可能であり、その形態は、同心の環状のリングを含み、そのリングは、一つまたはそれ以上の電圧接続を含んでいても良い。抵抗によるパターンが形成された電極セットの中の電極は、絶縁材料により分離されて、一つの水平面の上に配置されることが可能であり、または、各電極及び各平面が絶縁材料により分離されて、一つまたはそれ以上の異なる水平面上に配置されることが可能である。

幾つかの非限定的な例が、図の中に示されている。ここで使用されているように、''同心の''または''環状の''との表現は、電極が重なり合っていないこと、異なる半径を備えた実質的にリング状であることを、意味している。''実質的に''との表現は、リング状に関して使用されたときには、リングが完全でなくても良いことを意味することが意図されていて、それは、例えば、電気的な接触が取られるときにそのようになり、または、リング状の構造は、リングの完全な幾何学的形状を形成しなくても良く、全体としての効果が、リング場合と比べて、よりリングに近いことを意味している。

ここで使用されているように、''所望の電圧低下''と言う表現は、抵抗によるパターンが形成された電極セットを横断する電圧低下であって、この電圧低下は、抵抗によるパターンが形成された電極セットを横断して、所望の電圧挙動をもたらす。

本発明で使用される電気光学レンズは、フェーズ遅延（phase retardation）の所望の分布を作り出すべく、抵抗によるパターンが形成された電極セットを使用する回折性レンズであり、そのフェーズ遅延は、レンズがゾーン・プレート・レンズとして機能することを可能にする。回折性レンズは、従来の技術の中で知られている。回折性レンズの機能は、フレネル・ゾーン・パターンによる近接場の回折に基づく。この構造から出現する各ポイントは、球面波の放射源として、機能する。特定の観察ポイントでの光学的な場は、構造の全体に亘って放射された球面波の寄与の合計である。様々なポイントから来る球面波の建設的な干渉は、高い回折効率（diffraction efficiency）に対応する観察ポイントで、高い強度を作り出す。

液晶セルは、従来技術で知られている。全ての従来技術のおいて知られているセル形態、及び液晶セルのオペレーションは、ここでの開示に矛盾しない限りにおいて、リファレンスによりここに繰り入れられる。一つの例として、図１に示されているような、エレクトロ・アクティブな液晶セルについて考える。この図において、液晶材料（２０）は、導電性の内側表面（４０，３０）を有する二つの基板（１００，１０）の間に挟まれている。基板は、所望の光の伝送をもたらすことが可能であり、且つ、ここに記載されたデバイス及び方法において機能することが可能であるいずれかの材料であることが可能であり、それは、従来技術で知られているように、例えば、水晶、ガラスまたはプラスチックなどである。導電性レイヤ３０は、抵抗によるパターンが形成された電極セットでパターンが形成されて、所望の回折パターンをもたらす。

図１において、抵抗によるパターンが形成された電極セットは、二つの電極を示している。抵抗によるパターンが形成された電極セットは、ガラス基板上に堆積された導電性レイヤのフォトリソグラフィ加工により製造され、または、従来技術で知られているように、他の技術により製造される。導電性レイヤ４０には、パターンが形成されていない。

導電性レイヤのために使用される導電性の材料は、何れかの適切な材料であってよく、特にここに記載された材料、及び従来技術で知られている他の材料を含んでいる。導電性の材料は、透明であることが好ましく、それは、例えば、インジウム酸化物、チタン酸化物またはインジウム・チタン酸化物（ＩＴＯ）などである。各導電性レイヤの厚さは、典型的には、３０ｎｍと２００ｎｍの間である。そのレイヤは、適切な導電性をもたらすべく、十分に厚くなければならない。しかし、そのレイヤは、全体のレンズ構造に過剰な厚さをもたらす程には、厚くないことが好ましい。基板は、スペーサ（６０）を用いて、または、従来技術で知られている他の手段を用いて、固定された距離で維持される。スペーサは、何れかの所望の材料であって良く、それは、例えば、マイラー（Mylar：登録商標）、ガラスまたは水晶など、または、所望の間隔をもたらすために有用である他の材料である。

効率の良い回折を実現するため、液晶レイヤは、活性化された遅延（activated retardation）の一つの波をもたらす程度に十分に厚くなければならない（ｄ＞λ／δｎ〜２．５μｍ，ここで、δｎは液晶媒体の複屈折）。しかし、より厚めの液晶レイヤは、飽和現象を避けることを助ける。より厚めのセルの不利な点は、長いスイッチング時間（ｄ²に従って変化する）、及び電気光学的解像力の低下を含む。

特別の実施形態において、透明基板は、３μｍと２０μｍの間の間隔を開けて配置され、全ての個々の値及び範囲は、その中にある。一つの有用な間隔は、５μｍである。基板の表面は、アライメント・レイヤ（５０）で被覆されても良く、それは、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはナイロン６．６などであって、それは、一様な分子方位を与えるべく、ラビングにより処理される。図２の中で矢印で示されているように、一つの基板上のアライメント・レイヤが、他方基板のアライメント・レイヤに対して逆平行にラビングされることが好ましく、これは、従来技術で知られているように、液晶の適切なアライメントを可能にする。

電圧は、従来技術で知られている手段を使用して、抵抗によるパターンが形成された電極セット及び導電性レイヤに与えられる。図２に示されているように、電圧は、基板の内側の導電性の表面に与えられる。電源の両端子は、パターンが形成された電極に接続されなければならない。その理由は、電圧が、電極を横断して、オーミックに低下するからである。パターンが形成されていない導電性レイヤ（図１の中の４０）は、アースとして機能する。本発明の一つの実施形態において、一つのドライバ回路が、導電性レイヤに取り付けられ、別個のドライバ回路が、抵抗によるパターンが形成された電極セットに取り付けられる。電気的な接触は、レンズのエッジで細いワイヤまたは導電性のストリップを使用して、または、従来技術で知られているように、レンズに向かう一セットの導電性バイアスにより、電極に対して作られることが可能である。

導電性レイヤ及び抵抗によるパターンが形成された電極セットに供給される電圧は、使用される特別の液晶、セルの中の液晶の厚さ、所望の光の伝送、及び、従来技術で知られているような他の要因に依存する。所望の電圧低下を作り出すために使用される実際の電圧は、従来技術の知識及びここにおける開示を使用して、過度の実験を伴うことなく、当業者により決定されることが可能である。電極に与えられる電圧の全てのアスペクトをコントロールする様々な方法が、使用されることが可能であることが、従来技術で知られていて、それは、プロセッサ、マイクロ・プロセッサ、集積回路、及びコンピュータ・チップ、を含む。

ここで使用されているように、''レイヤ''と言う表現は、完全に均一なフィルムであることを要求しない。レイヤが、ここに記載されているような、その意図された目的を実行する限り、多少の不均一な厚さ、クラックまたは他の欠陥が、存在しても良い。

容量性の電極構造に特定の電圧を与えることにより活性化されるゾーン・プレート・レンズが、知られている。従来の容量性のゾーン・プレート・レンズにおいては、電圧が、多数の小さい離散した環状の電極に、個別に与えられて、ステップ上のフェーズのゾーン・プレートを作り出す。本発明においては、電圧が、より数少ない（且つより大きい）環状の抵抗性電極（抵抗によるパターンが形成された電極セットを形成する）に沿って、オーミックに、スムーズに低下して、製造及びオペレーションの容易さをもたらす。その理由は、コントロール・エレクトロニクスを必要とする電極の数が、より少ないからである。一つの実施形態において、抵抗性電極は、インジウム・チタン酸化物（ＩＴＯ）の単一のレイヤ（好ましくは、高抵抗率ＩＴＯ）から形成される。

所望の焦点合わせオーダー（focusing order）への回折効率は、本発明において、高い。それは、所望のフェーズ遅延曲線に対する電圧プロファイルの密接な対応のためである。もし必要な場合には、定誤差（systematic errors）が、電極の中にエッチ構造を使用することにより、即ち、''抵抗エンジニアリング''（従来技術で知られている）により、減少されることが可能である。

出願人は、理論に拘束されることを望んでいないが、本発明の理解を助けるために、更なる説明が提供される。

本発明においては、静電容量を使用する場合と比べて、比較的厚い液晶レイヤが使用されることが可能である。これは、三つまたはそれ以上の可視光線の波長領域に対して、異なるオーダーの同時のフェーズ・ラッピング（phase-wrapping）を可能にする。シンプルな薄膜電気光学レンズは、フェーズ遅延（Δφ）を要求し、（高次の項を無視すると）このフェーズ遅延は、レンズ軸（ｒ）からの径方向の距離に、二次の形で依存する。以下の説明において、“ｕ＝ｒ²”である：

Δφ＝ａ・ｒ²＝ａ・ｕ（１）

薄膜の中で、コントロール可能な遅延は、妥当なサイズのレンズを機能させるために要求されるものと比べて小さい。遅延曲線は、２πの整数倍により、''ラップされる（wrapped）''ことが可能である。これを、“ｕ”の周期的な値で行うことは、便利であり且つ秩序立っていて、円形の、径方向に線形に段状の格子を作り出す。恒久的なゾーン・プレート・レンズについては、良く知られている。遅延曲線は、“ｕ”についての等しいサイズのステップで近似されることが可能であり、それは、焦点合わせのオーダーの''デザイン''における、回折効率の、良く知られた正弦曲線による依存性をもたらす。

＜抵抗＞
この発明においては、所望の光学的なフェーズ遅延プロファイルを作り出すべく、抵抗によるパターンが形成された電極セットの中での電圧の低下が、容量性のレンズにおいて使用するために知られているステップ上の関数の代わりに、使用される。均一な抵抗材料の環状のスラブの抵抗は、''理想的な''光学的なフェーズ遅延プロファイルに近似する。もしそれが望ましい場合には、従来技術で知られているように、フィルムに、抵抗を局所的に変えるように、パターンが形成されることも可能である。

抵抗“ｐ”を備え、均一な厚さ“ｔ”の材料の、フィルムまたはスラブの中の環状の構造を規定する、半径“ｒ¹”及び“ｒ²”（ｒ¹＞ｒ²）を備えた、二つの完全に導電性の同心の円筒の間の抵抗“Ｒ（ｒ¹，ｒ²）”は、下記の微分の関係（ｔは厚さである）から導き出されることが可能である:
ｄＲ＝（ρ／２π・ｔ）（ｄｒ／ｒ）（２）
Ｒ（r¹,r²）＝（ρ／２π・ｔ）ln［r¹/r²］（3a）
Ｒ（u¹,u²）＝（ρ／４π・ｔ）ln［u¹/u²］（3a）
これは、ＩＴＯのような透明な導電性材料のフィルムの上に堆積された高い導電性のリングに対する状況に、ぼぼ等しい。

＜電気光学レンズへの適用＞
電気光学レンズにおいて、液晶の薄膜が、フィルムの両側の二つの電極の間の電圧の相違によりストレスが与えられる。二つの電極の内の少なくとも一方には、パターンが形成されていて、ゾーン・プレート・レンズとして機能するフェーズ遅延の分布を作り出す電圧を与えることを可能にする。本発明においては、スムーズに変化する電圧プロファイルが、電圧源からリングまでの、二つの高い導電性接続の間で、抵抗によるパターンが形成された電極セットの中の抵抗性電極に沿って、作り出される。（もしそれが望ましい場合には、より多くの接続が、中間の高い導電性のリングの挿入を可能にし、それにより、電極に沿って特定の値に電圧を''固定する''）。

全ての電流“Ｉ”が、電極を横切って注入される。径方向の電圧分布は、式（３）（“ｒ_c”は荷電注入リングの位置である）の抵抗の径方向の分布に良く近似することになる：
Ｖ（r,r_c）＝ＩＲ（r,r_c）＝（Ｉρ/2πt）ln［r/r_c］（4a）
Ｖ（u,u_c）＝ＩＲ（u,u_c）＝（Ｉρ/4πt）ln［u/u_c］（4b）

もし、背面電極にパターンが形成されていないで、且つ、接地電位にある場合には、そのとき、式（４）は、液晶フィルムを挟んでストレスで誘起された電圧低下を表す。

エレクトロニクス・ドライバから要求される電力を最小にするように、且つ、電極上での電圧変化を減らすＲＣ時間定数を避けるように、パラメータを設定することが望ましい。明らかに、このことは、低周波数のドライバ周波数を示唆しているが、それらは液晶ディレクターの方向を変える時間に対応する値を上回っていなければならない。これらの決定は、過度の実験を伴うことなく、当業者により容易に行われる。

順に続く環状の電極の間の絶縁ギャップが、必要とされる。フェーズ・ラップ当り一つのギャップのみが、必要とされる。それは、フェーズ・ラップの中での２πの整数倍に関係無く、フェーズ・ラップに位置している。これらのギャップの中で、与えられる電圧は、液晶の方向を変える程には十分高くなく、それで、液晶は、スレッショルド値以下の形態を取る。この情報は、電極のデザインの中に含まれることが可能である；その理由は、これが、この位置での正確な遅延であるからである（通常の容量性のゾーン・プレート形態において）。電極は、より高電圧の値で、“ｒ”のより大きな値で、遅延を設定する仕事を、単にピックアップすることが可能である。

＜電圧とフェーズ曲線の対応＞
従来技術で知られているように、もし、セルが、液晶応答曲線の準線形領域の中で動作された場合（例えば、比較的厚いフィルムを使用することにより、または、低いフェーズ・ラップで動作させることにより）、誘起されたフェーズ遅延と完全なゾーン・プレート・レンズの間に、良い相関関係がある。式（４ｂ）の自然対数は、式（１）の線に類似することが可能であり、これは、下記のためである：
（Ａ）各ラップでの、フェーズ遅延の自動的な再同期（通常ゼロ値で）；及び、
（Ｂ）各電極の中のＩの強さの調整、その理由は、順に続く電極の中で抵抗がたとえ変化するとしても、境界条件が端子電圧により設定され、それは、通常、全ての電極に対して同一であるからである。

第一のゾーンにおいて、式（４ｂ）は理想的でない。この事実は、無視されることが可能である。その理由は、第一のゾーンが、場の数パーセントに過ぎないであろうからであり、あるいは、もし、それが要求されまたは望ましい場合には、部分領域曲線が、セルに挿入されることが可能であり、または中間電極がセルの中に挿入されることが可能であり、または、電極の抵抗がエッチングにより適合されることが可能であるからであり、それらについては従来技術で知られている。式（４ｂ）の数学的な関数は、不変の曲率を有している、この曲率の強さは、ごく僅かなフェーズ・ラップの後で、非常に小さい。

計算された平均フェーズ遅延誤差（トータルのフェーズ・ラップのパーセンテージとして表される）は、曲率による定誤差（systematic error）を含んでいる：
− それは、誤差の約半分であって、本発明を使用すると、ラップ・ナンバー｛１，２，３，４，５，１０，及び２０｝に従うラップ・ゾーンにおいて、それぞれ、｛５．８，３．３，２．４，１．８，１．３，０．８，及び０．４｝である。これは、ステップ状のフェーズ容量性のケースにおいて、｛２，４，８または１６｝ステップ近似の中で、それぞれ、計算された値｛１２．５，６．３，３．１，または１．６｝と比べて、遥かに優れている；これらの値は、位置に対して独立であり、定オフセット誤差（systematic offset error）を含んでいない。明らかに、シンプルな固定された電圧を使用する抵抗によるレンズの場合、低強度のフェーズ・ラップの場合に、完全なゾーン・プレート・レンズの区間分けによる近似が非常に良い。相対的な誤差が、半径に依存するので、より大きなレンズが、高強度のフェーズ・ラップに対してうまく機能する。

＜色収差の改良＞
ゾーン・プレートを用いる焦点合わせは、高度にクロマチック（chromatic）である。それは、以下の点に関してクロマチックである：
（ａ）設計回折オーダーの中の焦点距離、及び、
（ｂ）回折の効率の、そのオーダーへの変動。

第一の要因は、ラップ半径の通常の位置に対する式から、理解されることが可能である（強さ２πｍのｉ^thラップ、ｍは整数、ｆは所望の焦点距離、λは設計波長）：

ｒ_i＝［２ｉｍ（λｆ）］^1/2 （５ａ）
ｕ_i＝２ｉｍ（λｆ）（５ｂ）
第二の要因は、薄膜性質に対する、誘起されたフェーズ・シフト（Δφ）の依存性から、理解されることが可能である（ｔはフィルムの厚さ、λは設計波長、ｎは整数）：
Δφ＝２πΔｎ（ｔ／λ）（６）

式（５）から、次のことが理解されることが可能である：即ち、空間的に固定されたラップに対して、（λｆ）は、定数として固定されることになり、そのために、ｆがλに逆比例する。これは、可視の波長領域に亘って、集光力の深刻な分散を示している。この（幾何学的に製造で決定される）焦点合わせオーダーへの回折の効率は、ラップ・ゾーンの内部での、フェーズ・プロファイルの形状に依存することになる。

最高品質の一つの示唆によれば、ラップ・ポイントの二つの側で、式（６）は、２πｍずつ異なっていなければならない。Δｎは、可視の波長領域を挟んで弱い分散のみを有しているが、（ｔ／λ）は大幅に変わることになる。それ故に、一つの波長のみが、式（６）を２πｍに等しくすることになり、より短い波長は、遅延に、大き過ぎる変化を生じさせ、より長い波長は小さ過ぎる変化を生じさせることになる。十分に大きい電気光学フェーズがフィルムの中に投入されることにより、“ｍ”の幾つかの値が実現されることが可能であり、それによって、異なる波長が、異なる回折オーダーへの最高の回折効率を有することになる。

更に、各“ｍ”に対して、２πｍの要求を満足する波長“λｍ”は、次の関係を満足する：
ｍ・λ_ｍ＝Δｎｔ（７）
これは、例えば式（５ｂ）の中に挿入されたとき、その波長での焦点距離“ｆｍ”が、次の式で与えられることを、予測する：
ｆ_ｍ＝ｕ_ｉ／（２ｉΔｎｔ）（８）

式（８）は、“λ_ｍ”で効率が最大化されることに加えて、Δｎの弱い分散を無視すると、全ての“ｍ”に対する支配的な回折オーダーの集光力が同一であることを示している。かくして、固定されたラップ・オーダーによる回折のみがあるときに生ずる、全体の可視範囲に亘る巨大な分散が減らされる。幾つかの波長（整数の比ｍ’／ｍにより関係付けられる）があり、それらは、同一の集光力で、最大限に回折する。“λ”が“λ_ｍ”から“λ_ｍ±１”の方へ移るときに、“ｆ”の分散がまだある。

もし、５５０ｎｍで、２πｎのラッピングに対してデザインする場合には、サテライト・コ・フォーカシング（satellite co-focusing）波長を、計算することが可能である。この状況を実現するために、５５０ｎｍ当り少なくとも２πｎの誘起された遅延を達成することができなければならない。このために、最大の電気光学“Δｎ−０．２”（多くの液晶に対応する）に対応する、フィルムの要求される最小の厚さ“ｔ_min”（単位：μｍ）がある。明らかに、かなり厚めのフィルムは、準線形のレジュームで動作することが要求される。

＜集光力の変形＞
電極接続の全部または一部に異なる電圧を与えることにより、集光力を変えることが可能である。二つのタイプ集光力の変更がある：即ち、コメンスレート（commensurate）及び非コメンスレート（incommensurate）である。両方の場合において、フェーズ・ラップは、電極端子で起こる。コメンスレート集光力の調整においては、端子接続が連結された（例えば、分流された）状態を維持することにより、変数“ｕ”の中のフェーズ遅延の周期性が、維持される。集光力は、電極に同一の電力が供給されることにより、変えられる。非コメンスレート集光力変形は、より多くの電極及び電圧を要求する；適当に線形の（“ｕ”の中の）関数から２πの倍数を単に抜かすだけである。この線の勾配が、レンズの集光力を決定する。いずれの方法においても、色収差における上記の改善が、繰り入れられても良い。

＜製造の信頼性及びシンプルさ＞
抵抗性のアプローチにおいて、二つの電気的な接続のみが、各ラップ・ゾーンのために要求される。もし、電極の平面上の小さな領域を諦めるつもりがある場合には、円を大きな円弧に分割するスロットにより、二つのバスが生ずることが可能であり、また、電極が、互いに組み合わされて接続されることが可能である。製品は、レンズの全体の領域に亘って、可能な限り電気的に完全に近いものでなければならないので、エッチングされたまたは堆積された特徴が少ないほど良くなる。

＜高い効率＞
パターンが形成された抵抗性電極セットのアプローチは、ほぼ１の効率に近付くことが可能である。先に示したように、ラッピングの性質及び電気光学の駆動力は、均一で、パターンが形成されていない、抵抗材料の中に、高いコンプライアンスを要求する。

＜より大きなレンズのサイズ＞
より大きなレンズの創造に対する実用的な限界は、ゾーンのサイズが“ｒ^-1”に比例するのに対して、ゾーンの数が“ｒ²”に比例すると言うことにある。抵抗性電極のアプローチにおいて、電極は、ラップ・ゾーンの幅に広がる。４ｃｍのレンズに対して、そのサイズは、“ｍ＝１”に対して２５μｍ、“ｍ＝２”
に対して５０μｍ、その他、である。これらのレンズに対する製造上の制約は、絶縁ギャップ及び導電性のリングの接続に関係している。これらの制約は、“ｍ”のより大きな値を使用することにより、改善されることが可能である。

＜集光力のより大きい範囲＞
ゾーン・プレート・レンズの中での、特徴的なサイズは、式（５ａ）によれば、“ｆ^1/2”に比例する、製造上の要求の同一の低下は、より大きなレンズ・サイズを可能にし、また、遥かに強い焦点合わせレンズの製造／オペレーションを可能にする。

＜色分散の改良＞
高い“ｍ”の構造を製造することの相対的な容易さのために、抵抗性電極アプローチが、以上で概略的に説明した色分散を改善する方法に単純に適応される。

＜液晶＞
本発明で使用される液晶は、ネマチック、スメクチック、またはコレステリック・フェーズを形成する液晶を含み、それらは、電場でコントロールされることが可能である長い範囲の方向性のオーダーを有している。液晶が、広いネマチックの温度範囲、容易なアライナビリティ、低いスレッショルド電圧、大きな電気光学応答性、及び速いスイッチング速度、並びに、確認された安定性、及び市場からの確実な入手可能を有していることが、好ましい。

一つの好ましい実施形態において、Ｅ７（Ｍｅｒｃｋ社から販売されているシアノビフェニル（cyanobiphenyls）とシアノテルフェニル（cyanoterphenyls）のネマチック液晶の混合物）が使用される。本発明で使用されることが可能な他のネマチック液晶の例は、ペンティル・シアノ・ビフェニル（pentyl-cyano-biphenyl）（５ＣＢ）、（ｎ−オクティロキシ）−シアノビフェニル（（n-octyloxy）-4-cyanobiphenyl）（８０ＣＢ）である。本発明で使用されることが可能な液晶の他の例は、４−シアノ−４−ｎ−アルキルビフェニル（（4-cyano-4-n-alkylbiphenyls））の、ｎ＝３，４，５，６，７，８，９の化合物、４−ｎ−ペンティロキシ−ビフェニル（4-n-pentyloxy-biphenyl）、４−シアノ−４''−ｎーアルキル−ｐ−テルフェニル（4-cyano-4''-n-alkyl- p-terphenyls）、及び、ＢＤＨ（British Drug House）−Ｍｅｒｃｋ社で作られている、例えば、Ｅ３６、Ｅ４６、及びＺＬＩ−シリーズのような市販の混合物である。

エレクトロアクティブ・ポリマーもまた、本発明で使用されることが可能である。エレクトロアクティブ・ポリマーは、何れかの透明な光学的な重合体材料を含み、例えば、''Physical Properties of Polymers Handbook'' by J. E. Mark, American Institute of Physics, Woodburry, N.Y., 1996、の中で開示されているものなどであり、ドナーグループとアクセプター・グループの間に（発色団（chromophore）と呼ばれる）、非対称に偏極された共役ｐ電子を有する分子含み、例えば、''Organic Nonlinear Optical Materials'' by Ch. Bosshard et al., Gordon and Breach Publishers, Amsterdam, 1995. の中に開示されているものなどである。

ポリマーの例は次の通りである：ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（polymethylmethacrylate）、ポリビニルカルバゾール（polyvinylcarbazole）、ポリイミド、ポリシラン；
発色団の例は次の通りである：パラニトロアニリン（ＰＮＡ：paranitroaniline）、ディスパース・レッド１（ＤＲ１：disperse red 1）、３−メチル−４−メトキシ−４’−ニトロスティルベン（3-methyl-4-methoxy-4'-nitrostilbene）、ジエチルアノミノニトロスティルベン（ＤＡＮＳ：diethylaminonitrostilbene）、ジエチル−チオ−バルビツール酸（diethyl-thio-barbituhc acid）；
エレクトロアクティブポリマーは、以下の方法により製造されることが可能である：（ａ）ゲスト／ホスト・アプローチに従って；（ｂ）発色団の共有結合でポリマー（ペンタント及び主鎖）に変えることにより；および／または、（ｃ）例えば架橋のような、ラティス硬化アプローチにより。これらについては、従来技術で知られている。

ポリマー液晶（ＰＬＣ）もまた、本発明で使用されて良い。ポリマー液晶はまた、時には、液晶ポリマー、低分子マス液晶、自己補強ポリマー（self-reinforcing polyner）、インサイチュ合成物（in situ-composite）、および／または分子合成物（molecular composite）などと、呼ばれている。ＰＬＣは、同時に比較的リジットで且つフレキシブルなシーケンス含む共重合体であって、例えば、''Liquid Cristal line Polymers: From structures to Applications'' by W. Brostow; edited by A. A. Collyer, Elsevier, New- York-London, 1992, Chapter 1. の中に開示されているものなどである。ＰＬＣの例は：４−シアノフェニル・ベンゾアート（4-cyanophenyl benzoate）のサイド・グループを有するポリメタクリレート（polymethacrylate）、及び他の同様の化合物である。

ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）もまた、本発明で使用されて良い。ＰＤＬＣは、ポリマー・マトリクスの中での液晶小滴の分散からなる。これらの材料は、幾つかの方法で製造されることが可能である：（ｉ）ＮＣＡＰ（nematic curvilinear aligned phases）により、ＴＩＰＳ（thermally induced phase separation）により、ＳＩＰＳ（solvent-induced phase separation）により、及びＰＩＰＳ（polymerization-induced phase separation）により。これらについては、従来技術で知られている。ＰＤＬＣの例は：液晶Ｅ７（ＢＤＨ−Ｍｅｒｃｋ社）とＮＯＡ６５（Norland products, Inc. NJ）の混合物；Ｅ４４（ＢＤＨ−Ｍｅｒｃｋ社）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ：polymethylmethacrylate）の混合物；Ｅ４９（ＢＤＨ−Ｍｅｒｃｋ社）とＰＭＭＡの混合物；モノマージペンンタエリトロール・ハイドロキシ・ペンタ・アクリレート（dipentaerythrol hydroxy penta acrylate）；液晶Ｅ７；Ｎ−ビニルピロリドン（N- vinylpyrrolidone）；Ｎ−フェニルグリシン（N-phenylglycine）；及び、染料ローズ・ベンガル（dye Rose Bengal）の混合物、である。

ポリマー安定化液晶（ＰＳＬＣ）もまた、本発明で使用されることが可能である。ＰＳＬＣは、ポリマーのネットワークの中の液晶からなる材料であって、ポリマーのネットワークの中で、ポリマーは、液晶の、重量で１０％未満を構成する。光重合可能なモノマーは、液晶及びＵＶ光重合開始剤と混合される。液晶が整列された後に、モノマーの光重合が、典型的に、紫外線照射により開始され、その結果得られたポリマーが、液晶を安定化させるネットワークを作り出す。ＰＳＬＣの例については、例えば、下記を参照されたい：C. M. Hudson et al., Optical Studies of Anisotropic Networks in Polymer-Stabilized Liquid Cristals, Journal of the Society for Information Display, vol. 5／3, 1-5, （1997）; G. P. Wiederrecht et al, Photorefractivity in Polymer-Stabilized Nematic Liquid Cristals, J. of Am. Chem. Soc, 120, 3231-3236 （1998）。

自己集合性の非線形超分子（self-assembled nonlinear supramolecular）構造もまた、本発明で使用されて良い。自己集合性の非線形超分子構造は、エレクトロアクティブ不斉有機フィルムを含み、このフィルムは、以下のアプローチを使用して製造されることが可能である：ラングミュア−ブロドゲット膜（Langmuir-Blodgett films）、水溶液からの高分子電解質堆積（ポリアニオン／ポリカチオン）連続して行う、モレキュラー・ビーム・エピタキシー法、共有結合反応によるシーケンシャルな合成（例えば：オルガノトリクロロシラン（organotrichlorosilane）・ベースの自己集合性のマルチ・レイヤ堆積）。これらの技術は、通常、約１μｍ未満の厚さを有する薄膜をもたらす。

本発明のデバイスは、従来技術で知られている様々な用途で使用されることが可能であり、それらの用途は、人間または動物の視界修正または変更のために使用されるレンズを含んでいる。レンズは、従来技術で知られているように、眼鏡に中に組み入れられることが可能である。眼鏡は、一つのレンズまたは一つ以上のレンズを含むことが可能である。デバイスは、過度の実験を伴うことなく、当業者に知られているように、ディスプレイの用途で使用されても良い。本発明のレンズは、従来のレンズ及び光学系とともに、使用されることが可能である。

記載されまたは励磁されたコンポーネントの全てのデバイスまたは組み合わせは、別段の説明が無い限り、本発明を実施するために使用されることが可能である。更なるコンポーネント、例えば、使用される電圧を与えるためのドライバ、電圧に対するコントローラ、及び何れかの更なる要求される光学的なコンポーネントのようなコンポーネントが、当業者に知られていて、過度の実験を伴うことなく、繰り入れられる。化合物の特定の名前は、例であることが意図されていて、当業者であれば分かるように、同一化合物を異なる名前で呼ぶことが可能である。

化合物の特定の異性体または鏡像異性体が特定されていない表現で、例えば、化学式または化学名で、化合物がここに記載されるとき、その説明は、個々にあるいは何れかの組み合わせで記載された、化合物の各異性体及び鏡像異性体を含むことが意図されている。当業者は、特に例示されたもの以外の、方法、デバイス要素、開始材料、及び製造方法が、過度の実験に頼ることなく、本発明の実施に当たって使用されることが可能であることが分かるであろう。そのような方法、デバイス要素、開始材料、及び製造方法の何れかの、従来技術で知られている全ての機能的に同等なものは、この発明の中に含まれることが意図されている。明細書の中で、例えば、厚さの範囲または電圧の範囲のように、範囲が示される場合にはいつでも、全ての中間範囲及びサブレンジ、並びに、与えられた範囲の中に含まれる全ての個々の値が、開示の中に含まれることが意図されている。

ここで使用されているように、''〜を有する''との表現は、''含む''、''含んでいる''、または''〜を特徴とする''との表現の同義語であって、包括的な意味であってまたは限定的な意味ではなく、更なる、列挙されていない要素または方法ステップを排除するものではない。ここで使用されているように、''〜からなる''との表現は、クレームされた要素の中で規定されていない如何なる要素、ステップ、または構成要素を排除するものである。ここで使用されているように、''実質的に〜からなる''との表現は、クレームの基本的且つ新規性のある特徴に実質的に影響を与えることがない材料またはステップを排除するものではない。''〜を有する''との用語は、この中での何れの使用の場合にも、特に、組成のコンポーネントの説明の中でまたはデバイスの要素の説明の中での使用の場合に、列挙されたコンポーネントまたは要素から実質的になる及びそれらからなる、組成及び方法を包摂するものとして理解される。ここに適切に、例示的に記載された本発明は、ここに特に開示されていない如何なる要素または要素、限定または限定が無い状態で実施されても良い。

これまでに使用された用語及び表現は、説明の用語として使用され、限定の用語として使用されていない。従って、そのような用語及び表現の使用において、示され且つ記載された特徴の如何なる同等物またはその一部を排除する意図はない。しかし、クレームされ且つ説明された本発明の範囲の内部で、様々な変更が可能であることが、理解される。かくして、次のことが理解されるべきである：即ち、本発明が、以上において、好ましい実施形態及び選択的な特徴により、例示的に開示されているが、ここに開示された概念の変更及び変形は、当業者に委ねられても良く、且つ、そのような変更及び変形は、この発明の範囲の内部にあると考えられる。

一般的に、ここに使用された用語及びフレーズは、それらの従来技術において認識されている意味を有していて、それらの意味は、当業者に知られている標準的なテキスト、雑誌文献、及びコンテクストを参照することにより見出されることが可能である。特定の定義が、本発明のコンテクストの中でのそれらの特定の使用を明確化すべく、設けられる。明細書の中で挙げられている全ての特許及び公開公報は、本発明が関係する当業者のレベルを示している。

当業者は、本発明が、対象を実現するために十分に適用され、そして、挙げられた目的及び効果、並びにそれに固有の目的及び効果を得ることを、容易に理解するであろう。好ましい実施形態の目下の代表として、ここに記載されたデバイス及び方法及び付属的な方法は、例であって、本発明の範囲を限定するものとして意図されていない。その中での変化及び他の用途を、当業者は思い付くであろうが、それらは、本発明の精神の内部に包摂され、クレームの範囲により規定される。

ここで、ここに挙げられた全ての文献は、この明細書の開示と矛盾しない限りにおいて、リファレンスによりここに繰り入れられる。ここに示された幾つかの文献は、ここで、リファレンスによりここに繰り入れられて、更なるデバイス・コンポーネント、更なる液晶セル形態、パターンが形成された電極のための更なるパターン、分析の更なる方法、及び本発明の更なる用途、に関する詳細をもたらす。

ここでの説明は、多くの特殊性含んでいるが、これらは、本発明の範囲を限定するものとして、解釈されるべきではなく、単に、本発明の目下のところの好ましい実施形態の例を示すに過ぎない。本発明は、眼鏡の用途のみに限定されない。むしろ、当業者であれば分かるように、本発明は、例えば遠距離通信、光学的なスイッチ、及び医療デバイスのような、他の分野において有用である。所望の波長で所望のフェーズ伝送機能をもたらす、何れかの液晶または液晶の混合物は、本発明において有用であり、それは、当業者であれば分かる。固定されたフェーズ伝送機能を作り出すために、適切な電圧を決定すること及び液晶材料に適切な電圧を与えることは、従来技術で知られている。

Claims

電気光学デバイスであって：
一対の互いに対向する透明基板の間の液晶レイヤと；
液晶レイヤと、第一の透明基板の内側に向いた表面との間に配置された、抵抗によるパターンが形成された電極セットと；
液晶レイヤと、第二の透明基板の内側に向いた表面との間の導電性レイヤと；
を有し、
前記導電性レイヤと前記抵抗によるパターンが形成された電極セットは、電気的に接続され、
前記抵抗によるパターンが形成された電極セットは、一つまたはそれ以上の電気的に分離された電極を有し、所望の電圧低下が、各電極を横断して与えられ、それにより、所望のフェーズ遅延プロファイルをもたらすこと、
を特徴とする電気光学デバイス。
下記特徴を有する請求項１に記載のデバイス：
前記抵抗によるパターンが形成された電極セットは、二つまたはそれ以上の電気的に分離された同心の電極を有している。
下記特徴を有する請求項１に記載のデバイス：
前記液晶はＥ７である。
下記特徴を有する請求項１に記載のデバイス：
前記透明基板はガラスである。
下記特徴を有する請求項１に記載のデバイス：
前記透明基板はプラスチックである。
下記特徴を有する請求項１に記載のデバイス：
前記電極及び導電性レイヤはインジウム・スズ酸化物である。
下記特徴を有する請求項１に記載のデバイス：
当該デバイスは、前記液晶レイヤの周りを取り囲むアライメント・レイヤを、更に有している。
下記特徴を有する請求項７に記載のデバイス：
前記アライメント・レイヤはポリビニルアルコールである。
下記特徴を有する請求項７に記載のデバイス：
前記アライメント・レイヤはナイロン６．６である。
下記特徴を有する請求項１に記載のデバイス：
前記透明基板は、約３μｍと約２０μｍの間の間隔で離れている。
下記特徴を有する請求項１０に記載のデバイス：
前記透明基板は、約３μｍと約８μｍの間の間隔で離れている。
光を回折させる方法であって：
一対の互いに対向する透明基板の間の液晶レイヤと；
液晶レイヤと、第一の透明基板の内側に向いた表面との間に配置された、抵抗によるパターンが形成された電極セットと；
液晶レイヤと第二の透明基板の内側に向いた表面との間の導電性レイヤと；
を設け、
前記導電性レイヤは、前記抵抗によるパターンが形成された電極セットに電気的に接続されており；
前記抵抗によるパターンが形成された電極セットに十分な電圧を与え、それにより、前記液晶の中に、所望の量の光の伝送の変化をもたらすこと、
を特徴とする光を回折させる方法。