JP2017111250A - 光学素子および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】広い波長域において高い回折効率を有する光学素子を提供する。【解決手段】光学素子は、第１の状態と第２の状態とに切り替え可能な光学素子であって、第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の材料と、第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の材料とを含み、第２の状態において、第１の屈折率、第１のアッベ数、第２の屈折率、および、第２のアッベ数は、所定の関係を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、可変焦点機能を有する液晶回折レンズに関する。

現在、一般的に流通している老眼鏡として、単焦点レンズ、遠近両用累進レンズ、または、二重焦点レンズなどを用いた眼鏡がある。正視の高齢者にとって、読書時などの近点に焦点を合わせる際にのみ、単焦点レンズの老眼鏡を用いれば老視が解消される。一方、非正視の高齢者は、無限遠などの遠点に焦点が合うように調整されたレンズにおいて、その一部が老眼用に加工された遠近両用累進レンズや二重焦点レンズを備えた眼鏡を用いる必要がある。

しかしながら、遠近両用累進レンズや二重焦点レンズを用いた眼鏡では、レンズ内に光学的パワー（焦点距離）の異なる領域が混在しているため、眼鏡を用いて遠方を見る際に景色が歪んで見え、または、ピントが合わない部分が生じてぼけて見えてしまう。また、二重焦点レンズにおいては、老眼用パワー部の小玉がレンズの一部分に付加されている形状のため、眼鏡自体の見た目が好ましくない。

特許文献１には、老眼用パワー部を可変パワーとし、無限遠などの遠方を見る際はパワーを付加させことなく読書距離などの至近を見る際にのみパワーを付加する電気活性素子（液晶回折レンズ）を用いた眼鏡が開示されている。

特開２０１３−１３７５４４号公報

しかしながら、特許文献１の液晶回折レンズは、電気活性化状態において回折面を挟んで低屈折率かつ低分散な液晶材料と高屈折率かつ高分散な基板とを組み合わせて用いられているため、広い波長域において高い回折効率を実現することが困難である。

そこで本発明は、広い波長域において高い回折効率を有する光学素子および光学機器を提供する。

本発明の一側面としての光学素子は、第１の状態と第２の状態とに切り替え可能な光学素子であって、第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の材料と、第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の材料とを含み、前記第２の状態において、前記第１の屈折率をｎ１、前記第１のアッベ数をν１、前記第２の屈折率をｎ２、および、前記第２のアッベ数をν２は、所定の関係を満たす。

本発明の他の側面としての光学機器は、前記光学素子と、前記光学素子を前記第１の状態または前記第２の状態に設定可能な制御部とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、広い波長域において高い回折効率を有する光学素子および光学機器を提供することができる。

本実施形態における光学素子の構成図である。 本実施形態における光学素子を構成する材料の屈折率およびアッベ数である。 本実施形態における光学素子の回折効率である。 本実施形態における変形例としての光学素子の構成図である。 本実施形態における変形例としての光学素子を構成する材料の屈折率およびアッベ数である。 本実施形態における変形例としての光学素子の回折効率である。 本実施形態における他の変形例としての光学素子の構成図である。 比較例としての光学素子の構成図である。 比較例としての光学素子を構成する材料の屈折率およびアッベ数である。 比較例としての光学素子の回折効率である。 本実施形態における光学機器の概略図である。

以下、本発明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。

まず、図８乃至図１０を参照して、比較例としての光学素子（液晶回折レンズまたは電気活性レンズ）について説明する。図８は、比較例としての液晶回折レンズの構成図（断面図）である。液晶回折レンズ４００は、略平坦な表面を有する基板４１０、レリーフ面を有する基板４２０、および、基板４１０と基板４２０との間に設けられた液晶材料４３０を備えて構成される。レリーフ面とは、高さ（深さ）が光の波長程度の微細なレリーフ形状（起伏形状または凹凸形状）を有する面である。液晶材料４３０に面する２つの基板４１０、４２０の表面は、光学的に透明な単一の電極４４０、４５０でそれぞれ被覆されている。

図９は、比較例としての光学素子を構成する材料（基板４２０、液晶材料４３０）の屈折率およびアッベ数である。図９に示されるように、基板４２０の屈折率およびアッベ数と、電気不活性化状態での液晶材料４３０の屈折率およびアッベ数とをそれぞれ略一致させ、電気活性化状態において液晶材料４３０の屈折率を変化させることによりパワーを発生させる。しかしながら、このような構成の液晶回折レンズでは、電気活性化状態において回折面を挟んで低屈折率・低分散な液晶材料と高屈折率・高分散な基板との組み合わせとなり、広い波長域において高い回折効率を得ることは困難である。なお本実施形態において、回折効率は、入射光束に対する各回折方向へ伝播する光束の割合として定義される。

図１０は、比較例としての光学素子（液晶回折レンズ４００）の回折効率である。設計波長である５５０ｎｍにおいて、設計次数である１次光の回折効率は高いが、設計波長から離れた波長では回折効率が低下し、特に短波長域では大きく低下してしまう。そして、設計次数で回折効率が低下した分の光は、他の回折次数の光となる。設計次数以外の光はフレア光となり、コントラストを低下させる。このため、読書時などに液晶回折レンズ４００を用いると、不要回折光（０次光や２次光）によるフレアが顕著となり、文字の視認性が低下して好ましくない。

本実施形態の光学素子（液晶回折レンズまたは電気活性レンズ）は、少なくとも２つの光学的状態（第１の状態および第２の状態）に切り替え可能である。ここで、光学的状態とは、電気活性レンズの光学的パワー（焦点距離）を意味し、電気活性レンズは、電気不活性化状態（第１の状態）と電気活性化状態（第２の状態）とで異なるパワーを有する。代表的な例としては、電気不活性化状態において実質的にパワーを有しておらず、電気活性化状態において所望のパワー（例えば＋３Ｄ）を有する。このような電気活性レンズを老眼鏡（光学機器）に用いることにより、無限遠などの遠方を見る際は老眼用パワー部にパワーを付加させず、読書距離などの至近を見る際にのみ老眼用パワー部にパワーを付加することが可能となる。

次に、図１乃至図３を参照して、本実施形態における光学素子（電気活性レンズ）について説明する。本実施形態の光学素子は、可変焦点機能を有する液晶回折レンズである。図１は、本実施形態における光学素子（電気活性レンズ１００）の構成図（断面図）である。

電気活性レンズ１００は、第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の電気活性材料１１０（第１の材料、液晶材料）と、第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の電気活性材料１２０（第２の材料、液晶材料）とを有する。第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれの少なくとも一方の面はレリーフ面である。また電気活性レンズ１００は、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０を保持するため、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０を挟むように設けられた一対の基板１３０、１４０を有する。

また電気活性レンズ１００は、第１の電気活性材料１１０または第２の電気活性材料１２０に近接して設けられた光学的に透明な電極１５０、１６０、１７０を有する。光学的に透明な電極１５０、１６０、１７０は、例えばＩＴＯから構成される。電極１５０、１７０は、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０を挟むように設けられた一対の第１の透明電極である。また、基板１３０、１４０は、一対の第１の透明電極を挟むように設けられた一対の基板である。電極１６０は、第１の電気活性材料１１０と第２の電気活性材料１２０との間に設けられた第２の透明電極である。

電極１５０、１６０、１７０のそれぞれ面のうち対応する電気活性材料に接する面に配向膜を設けてもよく、この構成により電気活性材料の配向を制御することができる。電極１５０、１６０、１７０は、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれに所定の電圧を印加し、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれの屈折率およびアッベ数を所望の値に変化させる。このように第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれは、印加される電圧に応じて、電気不活性化状態と電気活性化状態との間で変化する。

電気活性化状態において、垂直入射（図１中の上下方向の入射）に対する回折効率を最大にするには、レリーフ面の山と溝との間の光路長差（レリーフ形状の高さ）を波長の整数倍とすればよい。このとき、以下の式（１）が成立する。

（ｎ２（λ０）−ｎ１（λ０））ｄ＝ｍλ０ … （１）
式（１）において、λ０は設計波長、ｄはレリーフ形状の高さ、ｎ１（λ）、ｎ２（λ）はそれぞれ電気活性化状態における波長λに関する第１の屈折率および第２の屈折率、ｍは回折次数である。式（１）が成立しない他の波長λにおけるｍ次の回折効率ηは、以下の式（２）のように表される。

η（λ）＝［ｓｉｎ｛π（φ（λ）−ｍ）｝／｛π（φ（λ）−ｍ）｝］^２ … （２）
式（２）において、φ（λ）＝（ｎ２（λ）−ｎ１（λ））ｄ／λである。式（１）が全ての波長λで満たされている場合、回折効率ηの波長依存性は解消される。設計次数をｍ＝１とし、ｄ、Ｃ、Ｆ線のそれぞれに関して式（１）が満たされる場合、以下の式（３）が導出される。

（ｎ２（λｄ）−ｎ１（λｄ））／｛（ｎ２（λＦ）−ｎ２（λＣ））−（ｎ１（λＦ）−ｎ１（λＣ））｝＝λｄ／（λＦ−λＣ） … （３）
式（３）において、λｄ、λＣ、λＦはそれぞれ、ｄ、Ｃ、Ｆ線の波長である。式（３）から、広い波長域において高い回折効率を実現するには、高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組み合わせにより電気活性レンズを構成する必要があることが分かる。このため本実施形態において、電気活性化状態での第１の屈折率ｎ１および第２の屈折率ｎ２は、以下の式（４）を満たす。

ｎ１＜ｎ２ …（４）
また本実施形態において、電気活性化状態での第１のアッベ数ν１および第２のアッベ数ν２は、以下の式（５）を満たす。

ν１＜ν２ …（５）
式（４）において、第１の屈折率ｎ１および第２の屈折率ｎ２はそれぞれ、ｄ線に対する値である。式（５）において、第１のアッベ数ν１および第２の屈折率ν２はそれぞれ、ｄ線を基準波長としたアッベ数である。

図２は、電気活性レンズ１００を構成する材料（第１の電気活性材料１１０、第２の電気活性材料１２０）の屈折率およびアッベ数である。図２において、実線は第１の電気活性材料１１０に対応し、破線は第２の電気活性材料１２０に対応している。電気不活性化状態において第１の電気活性材料１１０の屈折率およびアッベ数と第２の電気活性材料１２０の屈折率およびアッベ数とをそれぞれ略一致させ、電気活性化状態においてそれぞれの屈折率を変化させることによりパワーを発生させる。

電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０は、電気不活性化状態（第１の状態）と電気活性化状態（第２の状態）との間で第１の屈折率および第１のアッベ数が変化する。同様に、第２の電気活性材料１２０は、電気不活性化状態と電気活性開状態との間で第２の屈折率および第２のアッベ数が変化する。本実施形態において、電気不活性化状態から電気活性化状態へ変化すると、電気活性化状態における第１の電気活性材料１１０の第１の屈折率ｎ１および第１のアッベ数ν１がそれぞれｎ１＝１．４８５、ν１＝３６．７３となるように変化する。同様に、電気活性化状態における第２の電気活性材料１２０の第２の屈折率ｎ２および第２のアッベ数ν２はそれぞれｎ２＝１．５１５、ν２＝３７．１２となるように変化する。このような構成により、電気活性化状態において、高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組み合わせとなり、広い波長域において高い回折効率を実現することが可能となる。

図３は、電気活性レンズ１００の回折効率である。図３から明らかなように、比較例としての液晶回折レンズ４００（図１０）と比較して、短波長および長波長での１次光の回折効率が向上しており、特に短波長側において回折効率は大きく改善している。これにより、不要回折光（０次光や２次光）によるフレアを低減させることができ、視認性を向上させることが可能となる。

電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０は、以下の式（６）を満たすことが好ましい。

Δｎ１／Δν１＜Δｎ２／Δν２ …（６）
式（６）において、Δｎ１、Δｎ２はそれぞれ、電気不活性化状態から電気活性化状態へ変化したときの第１の屈折率ｎ１および第２の屈折率ｎ２の変化量である。Δν１、Δν２はそれぞれ、電気不活性化状態から電気活性化状態へ変化したときの第１のアッベ数ν１および第２のアッベ数ν２の変化量である。

屈折率の変化量Δｎ（変化量Δｎ１、変化量Δｎ２）とアッベ数の変化量Δν（変化量Δν１、変化量Δν２）との比Δｎ／Δνは、電気活性材料の屈折率およびアッベ数のｎ−ν図上での変化曲線の傾きを表す。本実施形態において、第１の電気活性材料１１０として、変化曲線の傾きがΔｎ１／Δν１＝−０．０１２となる材料を用いる。また第２の電気活性材料１２０として、変化曲線の傾きがΔｎ２／Δν２＝−０．００７となる材料を用いる。このような構成により、電気活性化状態にて高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組み合わせにより電気活性レンズが構成されるため、広い波長域において高い回折効率を実現することが可能となる。

電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０はそれぞれ、０．０８以上の複屈折率を有することが好ましい。液晶などの一軸性光学材料は、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅを有し、複屈折率は両者の差分ｎｅ−ｎｏと定義される。本実施形態においては、第１の電気活性材料１１０として常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅがそれぞれ、ｎｏ＝１．４８５、ｎｅ＝１．６０５となる材料を用いる。また第２の電気活性材料１２０として、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅがそれぞれ、ｎｏ＝１．４９２、ｎｅ＝１．６０４となる材料を用いる。

この場合、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０の複屈折率はそれぞれ、０．１２０、０．１１２となる。このように、複屈折率が０．０８以上の電気活性材料を用いることにより、電気不活性化状態から電気活性化状態への変化に伴う屈折率の変化のダイナミックレンジを広くすることができ、電気活性化状態における屈折率を容易に制御することが可能となる。

電気活性レンズ１００において、電気活性化状態における第１の屈折率ｎ１および第２の屈折率ｎ２は、以下の式（７）を満たすことが好ましい。

０．００６＜（ｎ２−ｎ１）＜０．０６ … （７）
電気活性化状態において、垂直入射での回折効率を最大にするには、レリーフ面の山と溝の光路長差（レリーフ形状の高さｄ）を波長λの整数倍とする必要がある。ヒトの視覚システムは、可視光スペクトルの全ての波長の光に対して一様に応答しない。ヒトの視覚システムは、可視光スペクトルの中央付近で大きい応答を示すが、両端部の赤や青の波長に対しては、その応答は小さくなる。明順応条件での応答ピークは５５０ｎｍ付近にあるため、設計波長を５５０ｎｍとすることが一般的である。設計波長を５５０ｎｍ、設計回折次数を１次とする場合、式（１）より、（ｎ２−ｎ１）＝５５０ｎｍ／ｄが得られる。

このように、式（７）の上限値を上回ると、レリーフ形状の高さｄが小さくなり過ぎ、レリーフ形状の加工が困難となるため、好ましくない。レリーフ形状は、機械加工、型による転写、または、エッチングを含む多数の技術を用いて成形することが可能であるが、理想的にはレリーフ形状の高さが１０〜１００μｍとなることが好ましい。一方、式（７）の下限値を下回ると、屈折率の差が小さくなり過ぎ、回折によるパワーの付加が困難となるため、好ましくない。

電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０は、以下の式（８）を満たすことが好ましい。

（Δｎ１／Δν１）／（Δｎ２／Δν２）＞１．５ … （８）
屈折率の変化量Δｎおよびアッベ数の変化量Δνの比Δｎ／Δνは、電気活性材料の屈折率およびアッベ数のｎ−ν図上での変化曲線の傾きを表す。式（８）の下限値を下回ると、第１の電気活性材料１１０と第２の電気活性材料１２０との変化曲線の傾きが互いに近い値となる。この場合、電気活性化状態において電気活性材料間の屈折率の差を確保しつつ、効果的に高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組み合わせを実現することが困難となり、好ましくない。

故障や電力消費により、電気活性材料に電圧を印加することができない場合、電気活性レンズの使用者に及ぼす影響を避けなければならない。通常の老眼鏡は、無限遠などの遠点に焦点が合うように使用者の視力を矯正した上で、読書距離などの近点に焦点を移した際の調節力の不足分を老眼用パワー部に付加している。このため、電気活性材料に電圧が印加されていない電気不活性化状態においては、電気活性レンズにパワーを与えず、電気活性材料に電圧が印加されている電気活性化状態において、電気活性レンズにパワーが付加される構成を採用することが好ましい。このような構成により、故障などで電気活性材料に電圧を印加することができない状況でも、電気活性レンズが遠点に焦点が合った状態に初期化され、使用者に及ぼす影響を回避することが可能となる。

このような構成を実現するため、電気活性レンズ１００において、好ましくは、電気不活性化状態における第１の屈折率ｎ１と第２の屈折率ｎ２との差は、電気活性化状態における第１の屈折率ｎ１と第２の屈折率ｎ２との差よりも小さい。また好ましくは、電気不活性化状態での第１の屈折率ｎ１および第２の屈折率ｎ２は互いに略等しい値である。このような構成により、電気不活性化状態において、電気活性レンズに屈折力が生じず、遠点に正しく焦点を合わせることが可能となる。

また電気活性レンズ１００において、好ましくは、電気不活性化状態における第１のアッベ数ν１と第２のアッベ数ν２との差は、電気活性化状態における第１のアッベ数ν１と第２のアッベ数ν２との差よりも小さい。また好ましくは、電気不活性化状態での第１のアッベ数ν１および第２のアッベ数ν２は互いに略等しい値である。このような構成により、電気不活性化状態において、設計波長の光だけでなく他の波長の光に対しても屈折力が生じず、色収差を低減した電気活性レンズを提供することが可能となる。

電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０はそれぞれ、コレステリック液晶、またはカイラルツイスト剤が添加されたネマチック液晶であることが好ましい。コレステリック液晶は、ネマチック液晶と同様に、光学的に一軸性であり複屈折性を有する。ただし、コレステリック液晶に関しては、液晶分子のディレクタが液晶材料の厚さ方向に渡って螺旋状に回転する。液晶分子のディレクタが３６０°回転するまでの回転軸に沿った長さをツイストピッチと呼ぶ。ツイストピッチに相当する波長を有し、液晶分子のディレクタに垂直に伝播する光波に対して、コレステリック液晶は平均屈折率ｎａｖｅ＝（ｎｏ＋ｎｅ）／２を有する。十分に強い電圧が印加された場合、液晶分子のディレクタは印加された電場と平行になる。このため、電場方向に伝播する光波に対して、コレステリック液晶は常光屈折率ｎｏを有する。したがって、コレステリック液晶は、印加された電場強度に従って液晶分子の配向を変化させ、ディレクタの回転軸に沿って伝播する光波に対して平均屈折率ｎａｖｅと常光屈折率ｎｏとの間の屈折率値を有する。

また、ネマチック液晶にカイラルツイスト剤を添加することにより、コレステリック液晶と同等の特性を得ることが可能である。カイラルツイスト剤を添加したネマチック液晶は、元のネマチック液晶と同じ常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅを有し、添加するカイラルツイスト剤のヘリカルツイスト力によりツイストピッチを所望の値に調整することが可能である。コレステリック液晶やカイラルツイスト剤を添加したネマチック液晶の平均屈折率ｎａｖｅは、入射光波の偏光状態に依存しない一定値となるため、コレステリック液晶やカイラルツイスト剤を添加したネマチック液晶は偏光不感受性を有する。このため、第１の電気活性材料１１０または第２の電気活性材料１２０として、コレステリック液晶、またはカイラルツイスト剤を添加したネマチック液晶を用いることにより、ランダムに偏光された光波に対して一様に収束力を付加することが可能となる。

次に、図４乃至図６を参照して、本実施形態における変形例としての光学素子（電気活性レンズまたは液晶回折レンズ）について説明する。図４は、変形例としての光学素子（電気活性レンズ２００）の構成図（断面図）である。

電気活性レンズ２００は、第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の電気活性材料２１０（第１の材料）と、第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の電気活性材料２２０（第２の材料）とを有する。また電気活性レンズ２００は、第１の電気活性材料２１０および第２の電気活性材料２２０を保持するため、第１の電気活性材料２１０および第２の電気活性材料２２０を挟むように設けられた一対の基板２３０、２４０を有する。第１の電気活性材料２１０および第２の電気活性材料２２０のそれぞれの面のうち一対の基板（基板２３０、２４０）に近い面は、レリーフ面である。

また電気活性レンズ２００は、第１の電気活性材料２１０または第２の電気活性材料２２０に近接して設けられた光学的に透明な電極２５０、２６０、２７０を有する。光学的に透明な電極２５０、２６０、２７０は、例えばＩＴＯから構成される。電極２５０、２６０、２７０のそれぞれ面のうち対応する電気活性材料に接する面に配向膜を設けてもよく、この構成により電気活性材料の配向を制御することができる。電極２５０、２６０、２７０は、第１の電気活性材料２１０および第２の電気活性材料２２０のそれぞれに所定の電圧を印加し、第１の電気活性材料２１０および第２の電気活性材料２２０のそれぞれの屈折率およびアッベ数を所望の値に変化させる。

電気活性レンズ２００においては、基板２３０、２４０のそれぞれの一方の面をレリーフ面とすることにより、レリーフ面を容易に成形することができる。電気活性レンズ２００において、電気活性化状態での垂直入射の回折効率を最大にするための条件は、以下の式（９）のように表される。

（ｎｓｕｂ（λ０）−ｎ２（λ０））ｄ２＋（ｎ１（λ０）−ｎｓｕｂ（λ０））ｄ１＝ｍλ０ … （９）
式（９）において、ｄ１は基板２３０に近接したレリーフ形状の高さ、ｄ２は基板２４０に近接したレリーフ形状の高さ、ｎｓｕｂ（λ０）は設計波長λ０での基板２３０、２４０の屈折率である。レリーフ形状の高さｄ１、ｄ２を互いに一致させてｄ１＝ｄ２＝ｄが成立する場合、式（９）は、以下の式（９’）のように書き換えられる。

（ｎ１（λ０）−ｎ２（λ０））ｄ＝ｍλ０ … （９’）
このように、式（９’）は、レリーフ形状の高さｄを逆符号にした場合の式（１）と一致する。

図５は、電気活性レンズ２００を構成する材料（第１の電気活性材料２１０、第２の電気活性材料２２０）の屈折率およびアッベ数である。図５において、実線は第１の電気活性材料２１０に対応し、破線は第２の電気活性材料２２０に対応している。図５中の点線は、式（３）を満たす電気活性材料の組み合わせの一例を示している。電気不活性化状態において第１の電気活性材料２１０の屈折率およびアッベ数と第２の電気活性材料２２０の屈折率およびアッベ数とをそれぞれ略一致させ、電気活性化状態においてそれぞれの屈折率を変化させることによりパワーを発生させる。

電気活性レンズ２００において、第１の電気活性材料２１０として、ｎｅ＝１．８０４、ｎｏ＝１．５１０の液晶材料を用い、第２の電気活性材料２２０として、ｎｅ＝１．７８６、ｎｏ＝１．５２８の液晶材料を用いる。また電気活性レンズ２００において、電気不活性化状態から電気活性化状態へ変化すると、電気活性化状態における第１の電気活性材料２１０の第１の屈折率ｎ１および第１のアッベ数ν１がそれぞれｎ１＝１．５１０、ν１＝２２．００となるように変化する。同様に、電気活性化状態における第２の電気活性材料２２０の第２の屈折率ｎ２および第２のアッベ数ν２はそれぞれｎ２＝１．５４０、ν２＝２５．６４となるように変化する。このとき、変化曲線の傾きは、Δｎ１／Δν１＝−０．０２９、Δｎ２／Δν２＝−０．０１３である。このような構成により、電気活性化状態において、高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組み合わせとなり、広い波長域において高い回折効率を実現することが可能となる。

図６は、電気活性レンズ２００の回折効率である。図６から明らかなように、式（３）を満たす組み合わせに近い構成を採用することにより、比較例としての液晶回折レンズ４００（図１０）と比較して、短波長および長波長での１次光の回折効率が向上しており、特に短波長側において回折効率は大きく改善している。これにより、不要回折光（０次光や２次光）によるフレアを低減させることができ、視認性を向上させることが可能となる。

次に、図７を参照して、本実施形態における他の変形例としての光学素子（電気活性レンズまたは液晶回折レンズ）について説明する。図７は、変形例としての光学素子（電気活性レンズ３００）の構成図（断面図）である。

電気活性レンズ３００は、第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の電気活性材料３１０（第１の材料）と、第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の電気活性材料３２０（第２の材料）とを有する。また電気活性レンズ３００は、第１の電気活性材料３１０および第２の電気活性材料３２０を保持するため、第１の電気活性材料３１０および第２の電気活性材料３２０を挟むように設けられた一対の基板３３０、３４０を有する。また電気活性レンズ３００は、第１の電気活性材料３１０および第２の電気活性材料３２０を保持するため、第１の電気活性材料３１０と第２の電気活性材料３２０との間に設けられた基板３５０を有する。電気活性レンズ３００において、第１の電気活性材料３１０および第２の電気活性材料３２０のそれぞれの面のうち基板３５０に近い面は、レリーフ面である。

また電気活性レンズ３００は、第１の電気活性材料３１０または第２の電気活性材料３２０に近接して設けられた光学的に透明な電極３６０、３７０、３８０、３９０を有する。光学的に透明な電極３６０、３７０、３８０、３９０は、例えばＩＴＯから構成される。電極３６０、３７０、３８０、３９０のそれぞれ面のうち対応する電気活性材料に接する面に配向膜を設けてもよく、この構成により電気活性材料の配向を制御することができる。電極３６０、３７０、３８０、３９０は、第１の電気活性材料３１０および第２の電気活性材料３２０のそれぞれに所定の電圧を印加し、第１の電気活性材料３１０および第２の電気活性材料３２０のそれぞれの屈折率およびアッベ数を所望の値に変化させる。電気活性レンズ３００は、基板３５０の両面をレリーフ面とすることにより、レリーフ面を容易に成形することができる。

次に、図１１を参照して、本実施形態における光学素子（電気活性レンズ）を備えた光学機器について説明する。図１１は、光学機器（眼鏡１０）の概略図である。図１１に示されるように、眼鏡１０のレンズとして、電気活性レンズ１００（または、電気活性レンズ２００、３００）を用いる。制御部２０は、電気活性レンズ１００の第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれに印加する電圧を制御し、電気活性レンズ１００を電気不活性化状態または電気活性化状態に設定可能である。

以上のように、本実施形態の光学素子は、少なくとも２つの光学的状態を有する電気活性レンズであって、電気活性化状態においても広い波長域において高い回折効率を実現することができる。

なお、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば本発明の光学素子（電気活性レンズ）は、老視矯正用の眼鏡だけでなく、双眼鏡やヘッドマウントディスプレイなど種々の光学機器へ適用することができる。

１００、２００、３００ 電気活性レンズ（レンズ）
１１０、２１０、３１０ 第１の電気活性材料（第１の材料）
１２０、２２０、３２０ 第２の電気活性材料（第２の材料）

Claims (18)

1. 第１の状態と第２の状態とに切り替え可能な光学素子であって、
   第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の材料と、
   第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の材料と、を含み、
   前記第２の状態において、前記第１の屈折率をｎ１、前記第１のアッベ数をν１、前記第２の屈折率をｎ２、前記第２のアッベ数をν２、とするとき、
   ｎ１＜ｎ２
   ν１＜ν２
   なる条件を満たすことを特徴とする光学素子。
2. 前記第１の材料は、前記第１の状態と前記第２の状態との間で前記第１の屈折率および前記第１のアッベ数が変化し、
   前記第２の材料は、前記第１の状態と前記第２の状態との間で前記第２の屈折率および前記第２のアッベ数が変化することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の材料および前記第２の材料のそれぞれは、印加される電圧に応じて、前記第１の状態と前記第２の状態との間で変化する電気活性材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記第１の状態は、電気不活性化状態であり、
   前記第２の状態は、電気活性化状態であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記第１の材料および前記第２の材料のそれぞれの少なくとも一方の面はレリーフ面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記第１の状態から前記第２の状態へ変化したときの前記第１の屈折率の変化量および前記第２の屈折率の変化量をそれぞれΔｎ１、Δｎ２、該第１の状態から該第２の状態へ変化したときの前記第１のアッベ数の変化量および第２のアッベ数の変化量をそれぞれΔν１、Δν２とするとき、
   Δｎ１／Δν１＜Δｎ２／Δν２
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記第１の屈折率の変化量Δｎ１、前記第２の屈折率の変化量Δｎ２、前記第１のアッベ数の変化量Δν１、および、前記第２のアッベ数の変化量Δν２は、
   （Δｎ１／Δν１）／（Δｎ２／Δν２）＞１．５
   を満たすことを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
8. 前記第１の材料および前記第２の材料はそれぞれ、０．０８以上の複屈折率を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学素子。
9. 前記第２の状態において、前記第１の屈折率ｎ１および前記第２の屈折率ｎ２は、
   ０．００６＜（ｎ２−ｎ１）＜０．０６
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学素子。
10. 前記第１の状態における前記第１の屈折率と前記第２の屈折率との差は、前記第２の状態における該第１の屈折率と該第２の屈折率との差よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学素子。
11. 前記第１の状態における前記第１のアッベ数と前記第２のアッベ数との差は、前記第２の状態における該第１のアッベ数と該第２のアッベ数との差よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学素子。
12. 前記第１の材料および前記第２の材料はそれぞれ、コレステリック液晶、またはカイラルツイスト剤が添加されたネマチック液晶であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学素子。
13. 前記第１の材料および前記第２の材料を挟むように設けられた一対の第１の透明電極と、
    前記一対の第１の透明電極を挟むように設けられた一対の基板と、を更に有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光学素子。
14. 前記第１の材料および前記第２の材料のそれぞれの面のうち前記一対の基板に近い面は、レリーフ面であることを特徴とする請求項１３に記載の光学素子。
15. 前記第１の材料と前記第２の材料との間に設けられた第２の透明電極を更に有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学素子。
16. 前記第１の材料と前記第２の材料との間に設けられた基板を更に有し、
    前記第１の材料および前記第２の材料のそれぞれの面のうち前記基板に近い面は、レリーフ面であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子。
17. 前記光学素子は、可変焦点機能を有する液晶回折レンズであることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光学素子。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記光学素子を前記第１の状態または前記第２の状態に設定可能な制御部と、を有することを特徴とする光学機器。