JP2019120786A - 光学素子および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】軸上色収差の発生を抑制することが可能な光学素子を提供する。【解決手段】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の材料１１０で構成される第１の光学要素と、第２の材料１２０で構成される第２の光学要素と、第１の光学要素および第２の光学要素の少なくとも一方に隣接した基板１３０、１４０とを有し、第１の光学要素および第２の光学要素の少なくとも一方は、凹凸形状の光学面を有し、第２の状態において、前記光学素子のパワーをφ、前記凹凸形状の光学面のパワーをφＤＯとするとき、所定の条件を満足する。【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。

特許文献１には、利用者が遠方を見る際はパワーを付加せず、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に開示された液晶回折レンズでは、基板の液晶材料側の面が曲率を有しないため、回折面に起因する軸上色収差が発生してしまう。

そこで本発明は、軸上色収差の発生を抑制することが可能な光学素子および光学機器を提供することを目的とする。

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の材料で構成される第１の光学要素と、第２の材料で構成される第２の光学要素と、前記第１の光学要素および前記第２の光学要素の少なくとも一方に隣接した基板とを有し、第１の光学要素および前記第２の光学要素の少なくとも一方は、凹凸形状の光学面を有し、前記第２の状態において、前記光学素子のパワーをφ、前記凹凸形状の光学面のパワーをφ_ＤＯとするとき、所定の条件を満足する。

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、軸上色収差の発生を抑制することが可能な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のパワー配置の説明図である。 本実施形態における光学素子のレリーフ面のパワーと曲率半径との関係図である。 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第１の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第１の変形例としての光学素子のレリーフ面のパワーと曲率半径との関係図である。 本実施形態における第１の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第２の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第３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。 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１０および図１１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１０は、比較例としての液晶回折レンズ５００の構成図（断面図）である。液晶回折レンズ５００は、略平坦な表面を有する基板５１０、レリーフ面（凹凸形状の光学面）を有する基板５２０、および、基板５１０と基板５２０との間に設けられた液晶材料５３０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５３０に面する２つの基板５１０、５２０の表面は、光学的に透明な単一の電極５４０、５５０でそれぞれ被覆されている。図１１は、比較例としての液晶回折レンズを構成する材料（基板５２０、液晶材料５３０）の屈折率およびアッベ数である。図１１に示されるように、基板５２０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５３０の屈折率およびアッベ数とをそれぞれ略一致させ、電気活性化状態にて液晶材料５３０の屈折率を変化させることによりパワーを発生させる。

一般的に、６０歳代での眼の屈折力の調節幅は１Ｄ程度となるため、読書距離（２０〜３０ｃｍ）の近点に焦点を合わせるには２Ｄ以上の付加パワーが必要となる。このような比較的大きな付加パワーを回折面にて発生させた場合、基準波長よりも長波長または短波長の光の網膜上でのスポット径が、視細胞である錐体の直径（中心窩では約２．５μｍ）より大きくなり、回折面により発生する軸上色収差を無視することができない。このため、読書時などに液晶回折レンズ５００を用いると、軸上色収差による色付きが顕著となり、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＋２Ｄ）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の光学要素と第２の光学要素とを有する。第１の光学要素は、第１の屈折率（第１の材料の屈折率）および第１のアッベ数（第１の材料のアッベ数）を有する第１の電気活性材料１１０（第１の材料、液晶材料）で構成される。第２の光学要素は、第２の屈折率（第２の材料の屈折率）および第２のアッベ数（第２の材料のアッベ数）を有する第２の電気活性材料１２０（第２の材料、液晶材料）で構成される。本実施形態において、第１の電気活性材料１１０と第２の電気活性材料１２０は、互いに異なる光学的性質（屈折率やアッベ数など）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（凹凸形状の光学面）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。基板１３０、１４０はそれぞれ、第１の電気活性材料１１０または第２の電気活性材料１２０の一方側に設けられている。すなわち基板１３０、１４０は、第１の光学要素および第２の光学要素の少なくとも一方に隣接している（または近傍に配置されている）。基板１３０は、第１の電気活性材料１１０に近接する光学面が第１の電気活性材料１１０に向かって凸形状を有する。基板１４０は、第２の電気活性材料１２０に近接する光学面が第２の電気活性材料１２０側へ向かって凸形状を有する。

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１６０、１７０はそれぞれ、セグメント化された電極である。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。

電気活性化状態での軸上色収差を補正するため、電気活性レンズ１００において、基板１３０、１４０のそれぞれの電気活性材料側の面は、電気活性材料側へ向けて凸形状となっている。ここで、図２を参照して、電気活性レンズ１００を構成する第１の電気活性材料１１０、第２の電気活性材料１２０、レリーフ面、および、基板１３０、１４０を薄肉単レンズとして考え、色消し条件について説明する。図２は、電気活性レンズ１００のパワー配置の説明図である。

第１の電気活性材料１１０の薄肉単レンズのパワーをφ１、第２の電気活性材料１２０の薄肉単レンズのパワーをφ２とする。また、第１の電気活性材料１１０に近接した基板１３０のパワーをφ１’、第２の電気活性材料１２０に近接した基板１４０のパワーをφ２’とする。このとき、色消し条件は、以下の式（１）、（２）のように表される。

φ１’＋φ１＋φ_ＤＯ＋φ２＋φ２’＝φ … （１）
φ１’／ν０＋φ１／ν１＋φ_ＤＯ／ν_ＤＯ＋φ２／ν２＋φ２’／ν０＝０ … （２）
式（１）において、φは電気活性レンズ１００のパワー、φ_ＤＯはレリーフ面のパワーである。式（２）において、ν０は基板１３０、１４０のアッベ数であり、ν_ＤＯ＝λｄ／（λＦ−λＣ）＝−３．４５３である。電気活性材料とその電気活性材料に近接した基板とは曲率面を共有している（共通の曲率を有する）ため、電気活性材料の薄肉単レンズのパワーは、基板の薄肉単レンズのパワーを用いて、以下の式（３）、（４）のように表される。

φ１＝−（ｎ１−１）／（ｎ０−１）φ１’ … （３）
φ２＝−（ｎ２−１）／（ｎ０−１）φ２’ … （４）
式（３）、（４）において、ｎ０は基板１３０、１４０の屈折率、ｎ１は第１の電気活性材料１１０の屈折率、ｎ２は第２の電気活性材料１２０の屈折率である。式（３）、（４）を色消し条件に関する式（１）、（２）に代入することで、レリーフ面のパワーφ_ＤＯの値に対応する色消し条件を満たす基板のパワーφ１’、φ２’を求めることができる。また、以下の曲率半径とパワーに関する以下の式（５）、（６）とに基づいて、基板のパワーに対応する曲率半径を求めることが可能である。

φ１’＝−（ｎ０−１）／ｒ１ … （５）
φ２’＝（ｎ０−１）／ｒ２ … （６）
式（５）、（６）において、ｒ１は第１の電気活性材料１１０と基板１３０との間の面の曲率半径、ｒ２は第２の電気活性材料１２０と基板１４０との間の面の曲率半径である。電気活性レンズ１００の基板１３０、１４０として、屈折率ｎ０およびアッベ数ν０がそれぞれｎ０＝１．５４５、ν０＝３０．００なる材料を用いる。電気活性化状態において、第１の電気活性材料１１０の屈折率ｎ１およびアッベ数ν１はそれぞれｎ１＝１．４８５、ν１＝３６．７３であり、第２の電気活性材料１２０の屈折率ｎ２およびアッベ数ν２はそれぞれｎ２＝１．５１５、ν２＝３７．１２である。

図３は、電気活性レンズ１００におけるレリーフ面のパワーφ_ＤＯと色消し条件を満たす曲率半径ｒ１、ｒ２との関係図である。図３において、横軸はφ_ＤＯ／φ、縦軸は曲率半径（ｍｍ）をそれぞれ示している。図３において、実線は曲率半径ｒ１に対応し、破線は曲率半径ｒ２に対応している。例えば、φ_ＤＯ／φ＝０．２５において、ｒ１＝−８７．３２３、ｒ２＝５１．８８３となり、電気活性材料に近接した基板の電気活性材料側の面が電気活性材料側に向かって凸形状であることが分かる。このような構成により、電気活性化状態において、軸上色収差が良好に補正された視認性の高い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、電気活性化状態における全系のパワーφとレリーフ面のパワーφ_ＤＯは、以下の式（７）を満足する。

０．２≦φ_ＤＯ／φ≦０．４ … （７）
式（７）の上限値を上回ると、電気活性レンズ１００の色消し条件を満足するには、基板１３０の第１の電気活性材料１１０側の面が基板１３０側へ向けて凸形状となる（すなわち第１の電気活性材料１１０に対して凹形状となる）。このため、基板１４０の第２の電気活性材料１２０側の面の曲率半径が小さくなる。その結果、第２の電気活性材料１２０の周辺部の厚みが増してしまい、好ましくない。一方、式（７）の下限値を下回ると、電気活性レンズ１００の色消し条件を満足するには、基板１４０の第２の電気活性材料１２０側の面が基板１４０側へ向けて凸形状となる（すなわち第２の電気活性材料１２０に対して凹形状となる）。このため、基板１３０の第１の電気活性材料１１０側の面の曲率半径が小さくなる。その結果、第１の電気活性材料１１０の周辺部の厚みが増してしまい、好ましくない。

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に近接したセグメント化された透明電極（電極１６０、１７０）を有することが好ましい。電気活性化状態において軸上色収差を補正するため、基板の電気活性材料側の面に曲率を持たせる必要がある。これにより、基板とレリーフ面との間に位置する電気活性材料は、中心部と周辺部にて厚さが異なる。このため、各電気活性材料に近接したそれぞれの透明電極をセグメント化し、セグメントごとに異なる電圧を印加することにより、各電気活性材料に印加される電場強度が場所によらず一定になるようにする。このような構成により、径方向に厚さの異なる電気活性材料に対しても、電気活性化状態にて、電気活性材料の屈折率およびアッベ数を所望の値に変化させることが可能となる。

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）に対する光の回折効率を最大にするには、レリーフ形状の山と溝の光路長差を波長の整数倍とすればよい。このとき、以下の式（８）が成立する。

｛ｎ２（λ０）−ｎ１（λ０）｝ｄ＝ｍλ０ … （８）
式（８）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は電気活性化状態における設計回折次数である。式（８）が成立しない他の波長λの光におけるｍ次の回折効率ηは、以下の式（９）のように表される。

η（λ）＝［ｓｉｎ｛π（φ（λ）−ｍ）｝／｛π（φ（λ）−ｍ）｝］^２ … （９）
式（９）において、φ（λ）＝（ｎ２（λ）−ｎ１（λ））ｄ／λである。式（８）が全ての波長λに関して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。設計回折次数をｍ＝１とし、ｄ、Ｃ、Ｆ線のそれぞれに関して式（８）を満足する場合、以下の式（１０）が導出される。

｛ｎ２（λｄ）−ｎ１（λｄ）｝／［｛ｎ２（λＦ）−ｎ２（λＣ）｝−｛ｎ１（λＦ）−ｎ１（λＣ）｝］＝λｄ／（λＦ−λＣ） … （１０）
式（１０）において、λｄ、λＣ、λＦはそれぞれ、ｄ、Ｃ、Ｆ線の波長である。式（１０）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（１１）を満足することが好ましい。

ｎ１＜ｎ２ … （１１）
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（１２）を満足することが好ましい。

ν１＜ν２ …（１２）
式（１１）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（１２）において、第１のアッベ数ν１および第２のアッベ数ν２はそれぞれ、ｄ線を基準波長としたアッベ数である。

図４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４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化状態との間で第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。その結果、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、視認性を高め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（１３）を満足することが好ましい。

Δｎ１／Δν１＜Δｎ２／Δν２ … （１３）
式（１３）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（１４）を満足することが好ましい。

０．００６≦（ｎ２−ｎ１）≦０．０６０ … （１４）
電気活性化状態において、垂直入射での光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（８）より、（ｎ２−ｎ１）＝５５０ｎｍ／ｄが得られる。

このため、式（１４）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（１４）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（１５）を満足することが好ましい。

（Δｎ１／Δν１）／（Δｎ２／Δν２）≧１．５ … （１５）
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（１５）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。より好ましくは、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。より好ましくは、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は、軸上色収差を補正するため、基板と電気活性材料との間の面が曲率を有する面（曲面、凸形状面）である。このため好ましくは、電気不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のそれぞれと、基板の屈折率ｎ０との差は、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のそれぞれと、屈折率ｎ０との差よりも小さい。より好ましくは、電気不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はそれぞれ、屈折率ｎ０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および第２のアッベ数ν２のそれぞれと、基板のアッベ数ν０との差は、電気活性化状態における第１のアッベ数ν１および第２のアッベ数ν２のそれぞれと、アッベ数ν０との差よりも小さい。より好ましくは、電気不活性化状態における第１のアッベ数ν１および第２のアッベ数ν２はそれぞれ、アッベ数ν０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５乃至図７を参照して、本実施形態における第１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５は、第１の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。また電気活性レンズ２００は、第１の電気活性材料２１０と第２の電気活性材料２２０との間に設けられた基板２５０を有する。基板２５０の両面はレリーフ面である。また、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基板２５０に近接する面は、レリーフ面である。基板２３０は、第１の電気活性材料２１０に近接する面が第１の電気活性材料２１０側へ向けて凸形状となっている。基板２４０は、第２の電気活性材料２２０に近接する面が第２の電気活性材料２２０側へ向けて凸形状となっている。電気活性レンズ２００は、基板２５０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。

電気活性レンズ２００は、電気活性材料に近接した光学的に透明な電極２６０、２７０、２８０、２９０を有する。光学的に透明な電極２６０、２７０、２８０、２９０はそれぞれ、例えばＩＴＯから構成される。電極２８０、２９０は、セグメント化された電極である。電極２６０、２７０、２８０、２９０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２６０、２７０、２８０、２９０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、基板２３０、２４０として、屈折率ｎ０およびアッベ数ν０がそれぞれｎ０＝１．６５７、ν０＝１６．７５なる材料が用いられる。電気活性化状態において、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はそれぞれ、ｎ１＝１．５１０、ν１＝２２．００である。また、電気活性化状態において、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である。

図６は、電気活性レンズ２００におけるレリーフ面のパワーφ_ＤＯと色消し条件を満たす曲率半径ｒ１、ｒ２との関係図である。図６において、横軸はφ_ＤＯ／φ、縦軸は曲率半径（ｍｍ）をそれぞれ示している。図６において、実線は曲率半径ｒ１に対応し、破線は曲率半径ｒ２に対応している。例えば、φ_ＤＯ／φ＝０．３０において、ｒ１＝−１５５．５５７、ｒ２＝２５７．１３８となり、電気活性材料に近接した基板の電気活性材料側の面が電気活性材料側に向かって凸形状となることが分かる。このような構成により、電気活性化状態において、軸上色収差が良好に補正された視認性の高い電気活性レンズを提供することが可能となる。

図７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７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７中の点線は、式（１０）を満足する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、ｎｏ＝１．５１０、ｎｅ＝１．８０４の液晶材料を用い、第２の電気活性材料２２０として、ｎｏ＝１．５２８、ｎｅ＝１．７８６の液晶材料を用いる。電気活性レンズ２００おいて、第１の電気活性材料２１０は、電気不活性化状態と電気活性化状態との間で第１の屈折率ｎ１および第１のアッベ数ν１が変化する。同様に、第２の電気活性材料２２０は、電気不活性化状態と電気活性化状態との間で第２の屈折率ｎ２および第２のアッベ数ν２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の屈折率ｎ１および第１のアッベ数ν１はそれぞれ、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。また、式（１０）を満たす組み合わせに近い構成とすることで、不要回折光（０次光や２次光）によるフレアをより低減させることができ、視認性を大幅に高めることが可能となる。

次に、図８を参照して、本実施形態における第２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８は、第２の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に近接した面は、レリーフ面である。基板３５０は、第１の電気活性材料３１０に近接する面が第１の電気活性材料３１０側へ向けて凸形状となっている。基板３４０は、第２の電気活性材料３２０に近接する面が第２の電気活性材料３２０側へ向けて凸形状となっている。電気活性レンズ３００は、基板３３０、３５０の電気活性材料側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。

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３８０、３９０は、セグメント化された電極である。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３３０、３５０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３００において、電気活性化状態での垂直入射の光の回折効率を最大にするための条件は、以下の式（１６）のように表される。

｛ｎ１（λ０）−ｎｓｕｂ（λ０）｝ｄ１＋｛ｎ２（λ０）−ｎｓｕｂ（λ０）｝ｄ２＝ｍλ０ … （１６）
式（１６）において、ｄ１は基板３３０に近接したレリーフ形状の高さ、ｄ２は基板３５０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３３０、３５０の屈折率である。レリーフ形状の高さｄ１、ｄ２をｄ１＝−ｄ、ｄ２＝ｄとすると、式（１６）は、以下の式（１６’）のように書き換えられる。

｛ｎ２（λ０）−ｎ１（λ０）｝ｄ＝ｍλ０ … （１６’）
このように、式（１６’）は式（８）と一致し、レリーフ面の成形性を考慮してレリーフ面を設ける面を移動させても、同様の効果が得られる。

次に、図９を参照して、本実施形態における第３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９は、第３の変形例としての光学素子（電気活性レンズ４００）の構成図（断面図）である。

電気活性レンズ４００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４１０（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４２０（第２の材料）とを有する。また電気活性レンズ４００は、第１の電気活性材料４１０および第２の電気活性材料４２０を保持するため、第１の電気活性材料４１０および第２の電気活性材料４２０を挟むように設けられた一対の基板４３０、４４０を有する。また電気活性レンズ４００は、第１の電気活性材料４１０および第２の電気活性材料４２０を保持するため、第１の電気活性材料４１０と第２の電気活性材料４２０との間に設けられた基板４５０を有する。電気活性レンズ４００において、第１の電気活性材料４１０および第２の電気活性材料４２０のそれぞれの面のうち基板４５０に近接した面は、レリーフ面である。基板４３０は、第１の電気活性材料４１０に近接する面が第１の電気活性材料４１０側へ向けて凸形状となっている。基板４５０は、第２の電気活性材料４２０に近接する面が第２の電気活性材料４２０側へ向けて凸形状となっている。電気活性レンズ４００は、基板４４０、４５０の電気活性材料側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。

また電気活性レンズ４００は、第１の電気活性材料４１０または第２の電気活性材料４２０に近接して設けられた光学的に透明な電極４６０、４７０、４８０、４９０を有する。光学的に透明な電極４６０、４７０、４８０、４９０は、例えばＩＴＯから構成される。電極４８０、４９０は、セグメント化された電極である。電極４６０、４７０、４８０、４９０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４６０、４７０、４８０、４９０は、第１の電気活性材料４１０および第２の電気活性材料４２０のそれぞれに所定の電圧を印加し、第１の電気活性材料４１０および第２の電気活性材料４２０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。

次に、図１２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１２は、光学機器（眼鏡１０）の概略図である。図１２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、４００）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。

本実施形態によれば、状態を切り換えた際の軸上色収差の発生を抑制することが可能な光学素子および光学機器を提供することができる。

以上、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、あるいは撮像装置（カメラ等）など種々の光学機器へ適用することができる。

１００ 電気活性レンズ（レンズ）
１１０ 第１の電気活性材料（第１の材料）
１２０ 第２の電気活性材料（第２の材料）
１３０、１４０ 基板

Claims (21)

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の材料で構成される第１の光学要素と、
   第２の材料で構成される第２の光学要素と、
   前記第１の光学要素および前記第２の光学要素の少なくとも一方に隣接した基板とを有し、
   前記第１の光学要素および前記第２の光学要素の少なくとも一方は、凹凸形状の光学面を有し、
   前記第２の状態において、前記光学素子のパワーをφ、前記凹凸形状の光学面のパワーをφ_ＤＯとするとき、
   ０．２≦φ_ＤＯ／φ≦０．４
   なる条件を満足することを特徴とする光学素子。
2. 前記基板は、前記第１の光学要素または前記第２の光学要素に向かって凸形状の光学面を有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および第２の材料の光学的性質は、前記第１の状態と前記第２の状態とで変化す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および第２の材料の屈折率は、前記第１の状態と前記第２の状態とで変化す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および第２の材料のアッベ数は、前記第１の状態と前記第２の状態とで変化す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乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 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６のいずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記第１の材料または前記第２の材料に隣接した、セグメント化された透明電極を更に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の材料の屈折率をｎ１、前記第２の材料の屈折率をｎ２とするとき、
   ｎ１＜ｎ２
   なる条件を満足する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２の状態において、前記第１の材料のアッベ数をν１、前記第２の材料のアッベ数をν２とするとき、
    ν１＜ν２
    なる条件を満足する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の状態から前記第２の状態へ変化したときの前記第１の材料の屈折率の変化量および前記第２の材料の屈折率の変化量をそれぞれΔｎ１、Δｎ２、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の材料のアッベ数の変化量および第２の材料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
    なる条件を満足する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の材料の屈折率の変化量Δｎ１、前記第２の材料の屈折率の変化量Δｎ２、前記第１の材料のアッベ数の変化量Δν１、および、前記第２の材料のアッベ数の変化量Δν２は、
    （Δｎ１／Δν１）／（Δｎ２／Δν２）≧１．５
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１１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１２のいずれか１項に記載の光学素子。
14. 前記第２の状態において、前記第１の材料の屈折率ｎ１および前記第２の材料の屈折率ｎ２は、
    ０．００６≦（ｎ２−ｎ１）≦０．０６０
    を満たす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。
15. 前記第１の状態における前記第１の材料の屈折率と前記第２の材料の屈折率との差は、前記第２の状態における前記第１の材料の屈折率と前記第２の材料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１４のいずれか１項に記載の光学素子。
16. 前記第１の状態における前記第１の材料のアッベ数と前記第２の材料のアッベ数との差は、前記第２の状態における前記第１の材料のアッベ数と前記第２の材料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１５のいずれか１項に記載の光学素子。
17. 前記第１の状態における前記第１の材料の屈折率および前記第２の材料の屈折率のそれぞれと、前記基板の屈折率との差は、前記第２の状態における前記第１の材料の屈折率および前記第２の材料の屈折率のそれぞれと、前記基板の前記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１６のいずれか１項に記載の光学素子。
18. 前記第１の状態における前記第１の材料のアッベ数および前記第２の材料のアッベ数ν２のそれぞれと、前記基板のアッベ数との差は、前記第２の状態における前記第１の材料のアッベ数および前記第２の材料のアッベ数のそれぞれと、前記基板の前記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１７のいずれか１項に記載の光学素子。
19. 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１８のいずれか１項に記載の光学素子。
20. 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１９のいずれか１項に記載の光学素子。
21. 請求項１乃至２０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。