JP2019148665A - 光学素子およびこれを備える光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】設計波長において高い回折効率を有しつつ、広い波長域において十分に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。【課題を解決するための手段】第１の光学的パワーを有する第１の状態と、第１の光学的パワーより大きい第２の光学的パワーを有する第２の状態と、に切り替え可能な光学素子であって、回折面を有する基板と、基板に近接し、印加される電圧に応じて屈折率を変化させる電気活性材料と、を有し、第１の状態において０次回折光の回折効率が最大となる第１の波長と、第２の状態において１次回折光の回折効率が最大となる第２の波長との差は５０ｎｍより小さく、第１の状態において、波長４００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は８５％以上である【選択図】図１

Description

本発明は、可変焦点機能を有する光学素子およびこれを備える光学機器に関する。

従来、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老眼鏡が知られている。正視の高齢者においては、読書時などの近点に焦点を合わせる際に、単焦点レンズの老眼鏡を用いることで老視が解消される。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であって、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備えた眼鏡では、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。そのため、そのような眼鏡を用いて遠方を見る際に景色が歪んで見えたり、ピントが合わない部分が生じてぼけて見えたりしてしまう。また、二重焦点レンズで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おり、眼鏡自体の見た目が好ましくない。

特許文献１には、使用者が遠方を見る際に老眼用パワー部に光学的パワーを付加せず、至近を見る際に老眼用パワー部に光学的パワーを付加することが可能な電気活性素子（液晶回折レンズ）を用いた眼鏡が開示されている。

特表２０１５−５２９８４５号公報

しかしながら、特許文献１では、基板と不活性化状態における電気活性材料の屈折率が短波長域において一致する構成としているため、波長５５０ｎｍ付近での設計波長での回折効率を高めることが困難である。

本発明は、設計波長において高い回折効率を有しつつ、広い波長域において十分に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の光学的パワーを有する第１の状態と、前記第１の光学的パワーより大きい第２の光学的パワーを有する第２の状態と、に切り替え可能な光学素子であって、回折面を有する基板と、前記基板に近接し、印加される電圧に応じて屈折率を変化させる電気活性材料と、を有し、前記第１の状態において０次回折光の回折効率が最大となる第１の波長と、前記第２の状態において１次回折光の回折効率が最大となる第２の波長との差は５０ｎｍより小さく、前記第１の状態において、波長４００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は８５％以上であることを特徴とする。

本発明によれば、設計波長において高い回折効率を有し、かつ、広い波長域において十分に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。

本発明の実施形態に係る光学素子の断面図である。 回折条件を満足するために必要な材料の屈折率を示す図である。 実施例１の光学素子を構成する材料の屈折率および屈折率分散を示す図である。 実施例１の光学素子を構成する材料の波長ごとの屈折率を示す図である。 実施例１の光学素子の回折効率を示す図である。 実施例２の光学素子を構成する材料の屈折率および屈折率分散を示す図である。 実施例２の光学素子を構成する材料の波長ごとの屈折率を示す図である。 実施例２の光学素子の回折効率を示す図である。 実施例３の光学素子を構成する材料の屈折率および屈折率分散を示す図である。 実施例３の光学素子を構成する材料の波長ごとの屈折率を示す図である。 実施例３の光学素子の回折効率を示す図である。 実施例４の光学素子を備える光学機器の一例としての眼鏡を示す図である。 従来例の光学素子を構成する材料の波長ごとの屈折率を示す図である。 従来例の光学素子の回折効率を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１３および図１４を参照して、従来例の光学素子（液晶回折レンズまたは電気活性レンズ）の問題点について説明する。従来例の光学素子は、回折構造を有する基板と電気活性材料とを有する。電気活性材料に電圧を印加することで、電気活性材料の屈折率が変化し、光学素子の光学的パワーが変化する。

図１３は、三井化学株式会社製の基板材料ＭＲ−１０（登録商標）と電気活性材料ＭＤＡ−９８−１６０２の波長ごとの屈折率を示している。電気活性材料に電圧を印加することで、電気活性材料の屈折率は平均屈折率ｎａｖｅから常光屈折率ｎｏに変化し、基板材料と電気活性材料の屈折率差に応じた回折により付加パワーが発生する。また、基板材料の屈折率と電気活性材料の平均屈折率ｎａｖｅは短波長域において一致している。

図１４は、従来例の光学素子の回折効率を示している。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１４（Ａ）および図１４（Ｂ）はそれぞれ、電気活性材料に所定値以上の電圧が印加されていない状態（不活性化状態）および電気活性材料に所定値以上の電圧が印加されている状態（活性化状態）の光学素子の回折効率を示している。不活性化状態および活性化状態では、回折効率が最大となる波長が異なっている。このため、光学素子の状態変化に伴い、観察する対象物の色合いが変化してしまう。また、不活性化状態において、０次回折光の回折効率が波長４７０ｎｍにて最大となり、設計波長である波長５５０ｎｍにて低下している。このため、不活性化状態において、０次回折光以外の不要回折光が設計波長付近で発生している。人の明所視感度は波長５５０ｎｍ付近で最大となるため、波長５５０ｎｍ付近の不要回折光は観察物の見えを大きく悪化させてしまう。

以下、本発明の実施形態に係る光学素子（液晶回折レンズまたは電気活性レンズ）１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光学素子１００の断面図である。

光学素子１００は、第１の基板１１０、第２の基板１２０、液晶層（電気活性材料）１３０、電極１４０、１５０、および配向膜１６０、１７０を有する。光学素子１００は、可変焦点機能を有し、老眼鏡（光学機器）に用いられた場合、無限遠などの遠方を見る際は老眼用パワー部に光学的パワーを付加せず、読書時などに至近を見る際にのみ老眼用パワー部に光学的パワーを付加することができる。

第１の基板１１０は、それぞれ平坦な両面を有する。第２の基板１２０は、液晶層１３０側にレリーフ面（回折面）を有する。レリーフ面のレリーフ形状（周期凹凸形状）は、機械加工、型による転写、またはエッチング等を用いて成形することが可能である。液晶層１３０は、第１の基板１１０および第２の基板１２０の間に、第１の基板１１０および第２の基板１２０に近接するように設けられている。

電極１４０、１５０は、液晶層１３０を挟むように設けられた一対の透明電極であり、不図示の制御部からの指示に応じて液晶層１３０に対して電圧を印加可能である。電極１４０、１５０は、例えば、透過性の伝導性酸化物（ＩＴＯ等）または伝導性有機材料（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳまたはカーボンナノチューブ）などで構成される。電極１４０、１５０の厚さは、例えば、１μｍとすることができるが、０．１μｍであることが好ましい。液晶層１３０に電圧が印加されると、電極１４０、１５０の間に電界が発生し、液晶層１３０内の液晶分子の配向方向が変化する。このような構成により、液晶層１３０の屈折率および屈折率分散が変化する。

配向膜１６０、１７０は、液晶層１３０に接するように設けられた薄膜であり、ポリイミド材料などで構成される。配向膜１６０，１７０の厚さは、０．１μｍ以下であることが好ましい。配向膜１６０、１７０は、ラビング処理、または紫外線を直線偏光にして照射した光配向処理が施される。このような構成により、液晶層１３０内の液晶分子の初期配向を制御することができる。

光学素子１００は、液晶層１３０に印加される電圧に応じて、少なくとも２つの状態に切り替え可能に構成されている。前述したように、液晶層１３０に電圧が印加されると、液晶層１３０の屈折率が変化する。本実施形態では、光学素子１００は、液晶層１３０に所定値以上の電圧が印加されていない場合に不活性化状態（第１の状態）になり、第１の光学的パワー（焦点距離）を有する。また、光学素子１００は、液晶層１３０に所定値以上の電圧が印加されている場合に活性化状態（第２の状態）になり、第１の光学的パワーより大きい第２の光学的パワーを有する。すなわち、光学素子１００は、不活性化状態と活性化状態とで異なる光学的パワーを有する。代表的な例としては、光学素子１００は、不活性化状態において実質的に光学的パワーを有しておらず、活性化状態において所望の光学的パワー（例えば、＋２Ｄ）を有する。なお、所定値以上の電圧が印加されていない場合には、所定値より小さい電圧が印加されている場合および実質的に電圧が印加されていない場合が含まれている。

光学素子１００において、垂直入射（図１の上下方向に沿って入射）した入射光束に対する回折効率を最大にするためには、レリーフ面の山と溝との間の光路長差を波長の整数倍とすればよい。このとき、以下の条件式（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）は波長λに対応する液晶層１３０の屈折率、ｎ２（λ）は波長λに対応する第２の基板１２０の屈折率、ｍは回折次数である。

式（１）が成立しない波長λの光のｍ次回折光の回折効率ηは、以下の式（２）で表される。
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で成立している場合、回折効率ηの波長依存性は解消される。ｄ線、Ｃ線およびＦ線において式（１）が成立する場合、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線、Ｃ線、Ｆ線の波長である。式（３）の右辺は定数であり、−３．４５である。このため、式（３）の左辺において、分子を正の値とすると分母は負の値とする必要がある。すなわち、広い波長域において高い回折効率を実現するためには、高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料とを組み合わせて光学素子１００を構成する必要がある。

一例として、３つの波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおいて、回折効率が最大となる条件を求める。

光学素子１００が活性化状態である場合、各波長の光のｍ１次回折光はそれぞれ、以下の条件式（４）〜式（６）を満足する。

Δｎ１（λ５５０）ｄ＝ｍ１λ５５０ （４）
Δｎ１（λ４５０）ｄ＝ｍ１λ４５０ （５）
Δｎ１（λ６５０）ｄ＝ｍ１λ６５０ （６）
式（４）〜式（６）において、Δｎ１は活性化状態での第２の基板１２０と液晶層１３０との屈折率差、ｍ１は活性化状態において回折効率が最大となる回折次数（設計回折次数）である。

光学素子１００が不活性化状態である場合、各波長の光のｍ２次回折光はそれぞれ、以下の式（７）〜式（９）を満足する。

Δｎ２（λ５５０）ｄ＝ｍ２λ５５０ （７）
Δｎ２（λ４５０）ｄ＝ｍ２λ４５０ （８）
Δｎ２（λ６５０）ｄ＝ｍ２λ６５０ （９）
式（７）〜（９）において、Δｎ２は不活性化状態での第２の基板１２０と液晶層１３０との屈折率差、ｍ２は不活性化状態において回折効率が最大となる回折次数（設計回折次数）である。

式（４）は、以下の式（４’）に変形可能である。

ｄ＝ｍ１λ５５０／Δｎ１（λ５５０） （４’）
式（４’）において、活性化状態での設計回折次数ｍ１および活性化状態での屈折率差Δｎ１を決定することで、レリーフ形状の高さｄを決定することが可能である。式（５）および式（６）はそれぞれ、式（４’）により、以下の式（５’）および式（６’）に変形可能である。

Δｎ１（λ４５０）＝Δｎ１（λ５５０）λ４５０／λ５５０ （５’）
Δｎ１（λ６５０）＝Δｎ１（λ５５０）λ６５０／λ５５０ （６’）
また、式（７）〜式（９）はそれぞれ、式（４’）〜式（６’）により、以下の式（７’）〜式（９’）に変形可能である。

Δｎ２（λ５５０）＝Δｎ１（λ５５０）ｍ２／ｍ１ （７’）
Δｎ２（λ４５０）＝Δｎ１（λ４５０）ｍ２／ｍ１ （８’）
Δｎ２（λ６５０）＝Δｎ１（λ６５０）ｍ２／ｍ１ （９’）
式（５’）〜式（９’）の右辺には、活性化状態における波長５５０ｎｍでの屈折率差が含まれており、それ以外は定数である。すなわち、活性化状態における波長５５０ｎｍでの屈折率差を決定することで、不活性化状態および活性化状態における各波長での屈折率差が満足すべき条件が導出される。

図２は、上述した回折条件を満足するために必要な基板および液晶層の屈折率を示している。図２（Ａ）では、活性化状態での設計回折次数ｍ１を１、不活性化状態での設計回折次数ｍ２を−１としている。この構成では、式（５’）および（６’）より、活性化状態において、波長５５０ｎｍでの屈折率差に対して、波長４５０ｎｍでの屈折率差は小さく、波長６５０ｎｍでの屈折率差は大きくなる。また、式（７’）〜式（９’）より、不活性化状態において、各波長での屈折率差は、活性化状態における屈折率差の逆符号となる。液晶層では、屈折率が高くなるにつれて、屈折率分散が小さくなる（屈折率分散の値が正から負に変化する）。しかしながら、一般的な液晶では、屈折率が低い状態では屈折率分散は小さくなり、屈折率が高い状態では屈折率分散は大きくなる。したがって、図２（Ａ）の構成において求められる不活性化状態および活性化状態において広い波長域で回折効率を高めるための条件（屈折率差）は、現実的な材料から得られる屈折率差の関係から大きく乖離する。

図２（Ｂ）では、活性状態での設計回折次数ｍ１を１、不活性化状態での設計回折次数ｍ２を０としている。この構成では、式（５’）および（６’）より、活性化状態において、波長５５０ｎｍでの屈折率差に対して、波長４５０ｎｍでの屈折率差は小さく、波長６５０ｎｍでの屈折率差は大きくなる。また、式（７’）〜（９’）より、不活性化状態において、各波長での屈折率差は０となる。不活性化状態または活性化状態の一方の状態での設計回折次数を０とすることで、一方の状態において基板および液晶層の屈折率が一致する。これにより、図２（Ｂ）の構成において求められる不活性化状態および活性化状態において広い波長域で回折効率を高めるための条件（屈折率差）と現実的な材料から得られる屈折率差の関係との乖離を小さくすることができる。そのため、不活性化状態および活性化状態において広い波長域で十分に高い回折効率を取得可能である。

本発明では、上述したように、不活性化状態または活性化状態の一方の状態において、設計回折次数を０とし、不活性化状態または活性化状態の他方の状態において、設計回折次数を１とすればよい。本実施形態では、代表的な例として、不活性化状態での設計回折次数を０、活性化状態での設計回折次数を１とする。このような構成により、不活性化状態および活性化状態において広い波長域で十分に高い回折効率を有する光学素子を実現可能となる。

液晶層１３０の複屈折率Δｎ（＝２（ｎａｖｅ―ｎｏ））は、不活性化状態および活性化状態において広い波長域で回折効率を取得するために、以下の条件式（１０）を満足することが好ましい。

０．０３＜Δｎ＜０．２０ （１０）
液晶層１３０の複屈折率Δｎは、以下の条件式（１０’）を満足することがより好ましい。

０．０５＜Δｎ＜０．１８ （１０’）
一般に流通している液晶では、複屈折率が大きくなるほど、不活性化状態と活性化状態との間で屈折率分散の差が大きくなってしまう。そのため、複屈折率Δｎが条件式（１０）の上限値より大きくなると、不活性化状態および活性化状態において広い波長域で回折効率を高めるための条件は、現実的な材料から得られる屈折率差の関係から大きく乖離してしまう。また、複屈折率Δｎが条件式（１０）の下限値より小さくなると、レリーフ形状の高さｄが大きくなり過ぎ、レリーフ形状の加工が困難となる。

第２の基板１２０の屈折率ｎｓｕｂと液晶層１３０の活性化状態での屈折率ｎｏとの屈折率差ｎｓｕｂ−ｎｏは、以下の式（１１）を満足することが好ましい。

０．０３≦ｎｓｕｂ−ｎｏ≦０．１０ （１１）
活性化状態において、垂直入射した入射光束に対する回折効率を最大にするためには、レリーフ面の山と溝との間の光路長差を波長の整数倍とする必要がある。人の視覚システムは、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。具体的には、人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波長５５０ｎｍ付近にあるため、設計波長を５５０ｎｍ付近に設定することが一般的である。例えば、設計波長を５５０ｎｍ、設計回折次数を１とする場合、式（１）より、屈折率差ｎｓｕｂ−ｎｏは５５０ｎｍ／ｄと算出される。

屈折率差ｎｓｕｂ−ｎｏが式（１１）の上限値より大きくなると、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。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は５〜２０μｍとなることが好ましい。また、屈折率差（ｎｓｕｂ−ｎｏ）が式（１１）の下限値より小さくなると、レリーフ形状の高さｄが大きくなり過ぎ、レリーフ形状の加工が困難となる。レリーフ形状の高さｄとレリーフ形状の幅ｐとのアスペクト比ｄ／ｐが１より大きくなると、レリーフ形状の加工が困難になる。

第２の基板１２０の屈折率ｎｓｕｂと液晶層１３０の不活性化状態での屈折率ｎａｖｅとの屈折率差ｎｓｕｂ−ｎａｖｅは、以下の式（１２）を満足することが好ましい。

０．００１≦ｎｓｕｂ−ｎａｖｅ≦０．００３ （１２）
不活性化状態において、設計回折次数を０とすると、式（１）の右辺が０となる。レリーフ形状の高さｄは、活性化状態での１次回折光の回折効率を高める条件によって決定されるため、屈折率差ｎｓｕｂ−ｎａｖｅを０に近い値にする必要がある。屈折率差ｎｓｕｂ−ｎａｖｅが式（１２）の上限値より大きくなると、屈折率差ｎｓｕｂ−ｎａｖｅが０から大きくずれてしまい、０次回折光の回折効率を高めることが困難となる。屈折率差ｎｓｕｂ−ｎａｖｅが式（１２）の下限値より小さくなると、第２の基板１２０と液晶層１３０の組み合わせが高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組み合わせにならず、広い波長域において高い回折効率を取得することが困難になる。

液晶層１３０の不活性化状態でのアッベ数νａｖｅおよび活性化状態でのアッベ数νｏは、以下の式（１３）を満足することが好ましい。

１／νａｖｅ−１／νｏ≦０．０２ （１３）
左辺の値が右辺の値より大きくなると、液晶層１３０の不活性化状態および活性化状態の屈折率差が波長によって大きく異なってしまう。これにより、不活性化状態での０次回折光の回折効率および活性化状態での１次回折光の回折効率を同時に高くすることが困難となる。

液晶層１３０の液晶材料は、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電場の向きに平行になる。このため、電場の向き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、入射光束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、液晶層１３０の液晶材料として、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束に対して一様に収束力を付加することが可能となる。

図３は、本実施例の光学素子１００を構成する材料の屈折率および屈折率分散（アッベ数の逆数）の例を示している。ただし、屈折率はｄ線に対する値であり、アッベ数はｄ線を基準波長とした値である。図４は、各材料の波長ごとの屈折率を示している。図３に示されるように、第１の基板１１０および第２の基板１２０を形成する基板材料Ａの屈折率および屈折率分散は、不活性化状態と活性化状態とで変化しない。液晶層１３０を形成する液晶材料Ａの屈折率および屈折率分散は、不活性化状態と活性化状態とで変化する。そのため、基板材料Ａと液晶材料Ａとの屈折率差は、不活性化状態と活性化状態とで変化する。具体的には、不活性化状態では屈折率差は小さいが、活性化状態では屈折率差は大きい。図３では、基板材料Ａの屈折率ｎｓｕｂおよびアッベ数νｓｕｂはそれぞれ、１．５８６、３８．００である。液晶材料Ａの不活性化状態での屈折率（平均屈折率）ｎａｖｅおよびアッベ数νａｖｅはそれぞれ、１．５８３、２５．７０である。液晶材料Ａの活性化状態での屈折率(常光屈折率)ｎｏおよびアッベ数νｏはそれぞれ、１．５０４、３２．００である。基板材料Ａと液晶材料Ａとの屈折率差は、不活性化状態では０．００３であり、活性化状態では０．０８２である。このような構成により、不活性化状態で０次回折光の回折効率を高め、活性化状態で１次回折光の回折効率を高めることが可能であり、不活性化状態および活性化状態で回折による光学的パワーを変化させることができる。また、活性化状態および不活性化状態において、基板材料Ａおよび液晶材料Ａは高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組合せとなっている。このような構成により、不活性化状態および活性化状態において広い波長域で高い回折効率を取得可能である。また、図４に示されるように、基板材料Ａの屈折率と液晶材料Ａの平均屈折率ｎａｖｅは設計波長付近において一致している。

図５は、本実施例の光学素子１００の回折効率を示す図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）はそれぞれ、不活性化状態および活性化状態での回折効率を示している。

不活性化状態では、波長５２０ｎｍの光の０次回折光の回折効率が最大となっている。活性化状態では、波長５３０ｎｍの光の１次回折光の回折効率が最大となっている。このように、不活性化状態で０次回折光の回折効率が最大となる波長（第１の波長）と活性化状態で１次回折光の回折効率が最大となる波長（第２の波長）とを近づけることにより、それぞれの状態での観察物の色合いを揃えることができる。具体的には、不活性化状態で０次回折光の回折効率が最大となる波長と活性化状態で１次回折光の回折効率が最大となる波長との差は５０ｎｍより小さければよい。これにより、光学素子１００の状態変化に伴う違和感を軽減することができる。なお、活性化状態で１次回折光の回折効率が最大となる波長は、５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であればよい。

不活性化状態において、波長５５０ｎｍの光の０次回折光の回折効率は９５％以上であり、波長５５０ｎｍ付近で不要回折光はほとんど発生していない。また、活性化状態において、波長５５０ｎｍの光の１次回折光の回折効率は９５％以上であり、波長５５０ｎｍ付近で不要回折光はほとんど発生していない。また、不活性化状態および活性化状態において、波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの広い波長域で十分高い回折効率が得られている。不活性化状態において、波長４００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は８５％以上であり、波長７００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は９５％以上である。活性化状態において、波長４００ｎｍの光の１次回折光の回折効率は７０％以上であり、波長７００ｎｍの光の１次回折光の回折効率は８０％以上である。したがって、本実施例の光学素子１００を光学機器に用いることで、不活性化状態および活性化状態において、フレアの少ない良好な視界を得ることが可能である。

図６は、本実施例の光学素子１００を構成する材料の屈折率および屈折率分散（アッベ数の逆数）の例を示している。ただし、屈折率はｄ線に対する値であり、アッベ数はｄ線を基準波長とした値である。図７は、各材料の波長ごとの屈折率を示している。図６では、第１の基板１１０および第２の基板１２０を形成する基板材料Ｂの屈折率ｎｓｕｂおよびアッベ数νｓｕｂはそれぞれ、１．５６０、５０．００である。液晶層１３０を形成する液晶材料Ｂの不活性化状態での屈折率（平均屈折率）ｎａｖｅおよびアッベ数νａｖｅはそれぞれ、１．５５８、３３．８０である。液晶材料Ｂの活性化状態での屈折率（常光屈折率）ｎｏおよびアッベ数νｏはそれぞれ、１．４９７、４１．４０である。基板材料Ｂと液晶材料Ｂとの屈折率差は、不活性化状態では０．００２であり、活性化状態では０．０６３である。このような構成により、不活性化状態で０次回折光の回折効率を高め、活性化状態で１次回折光の回折効率を高めることが可能であり、不活性化状態および活性化状態で回折による光学的パワーを変化させることができる。また、活性化状態および不活性化状態において、基板材料Ｂおよび液晶材料Ｂは高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組合せとなっている。このような構成により、不活性化状態および活性化状態において広い波長域で高い回折効率を取得可能である。また、図６に示されるように、基板材料Ｂの屈折率と液晶材料Ｂの平均屈折率ｎａｖｅは設計波長付近において一致している。

図８は、本実施例の光学素子１００の回折効率を示す図である。図８（Ａ）および図８（Ｂ）はそれぞれ、不活性化状態および活性化状態での回折効率を示している。また、図７に示されるように、基板材料Ｂの屈折率と液晶材料Ｂの平均屈折率ｎａｖｅは設計波長付近において一致している。

不活性化状態では、波長５２０ｎｍにおいて０次回折光の回折効率が最大となっている。活性化状態では、波長５４０ｎｍにおいて１次回折光の回折効率が最大となっている。このように、不活性化状態で０次回折光の回折効率が最大となる波長（第１の波長）と活性化状態で１次回折光の回折効率が最大となる波長（第２の波長）とを近づけることにより、それぞれの状態での観察物の色合いを揃えることができる。これにより、光学素子１００の状態変化に伴う違和感を軽減することができる。

不活性化状態において、波長５５０ｎｍの光の０次回折光の回折効率は９５％以上であり、波長５５０ｎｍ付近で不要回折光はほとんど発生していない。また、活性化状態において、波長５５０ｎｍの光の１次回折光の回折効率は９５％以上であり、波長５５０ｎｍ付近で不要回折光はほとんど発生していない。また、不活性化状態および活性化状態において、波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの広い波長域で十分高い回折効率が得られている。不活性化状態において、波長４００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は８５％以上であり、波長７００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は９５％以上である。活性化状態において、波長４００ｎｍの光の１次回折光の回折効率は７０％以上であり、波長７００ｎｍの光の１次回折光の回折効率は８０％以上である。したがって、本実施例の光学素子１００を光学機器に用いることで、不活性化状態および活性化状態において、フレアの少ない良好な視界を得ることが可能である。

図９は、本実施例の光学素子１００を構成する材料の屈折率および屈折率分散（アッベ数の逆数）の例を示している。ただし、屈折率はｄ線に対する値であり、アッベ数はｄ線を基準波長とした値である。図１０は、各材料の波長ごとの屈折率を示している。図９では、第１の基板１１０および第２の基板１２０を形成する基板材料Ｃの屈折率ｎｓｕｂおよびアッベ数νｓｕｂはそれぞれ、１．５１９、５２．００である。液晶層１３０を形成する液晶材料Ｃの不活性化状態での屈折率（平均屈折率）ｎａｖｅおよびアッベ数νａｖｅはそれぞれ、１．５１８、４０．２０である。液晶材料Ｃの活性化状態での屈折率（常光屈折率）ｎｏおよびアッベ数νｏはそれぞれ、１．４７７、４２．２０である。基板材料Ｃと液晶材料Ｃとの屈折率差は、不活性化状態では０．００１であり、活性化状態では０．０４２である。このような構成により、不活性化状態で０次回折光の回折効率を高め、活性化状態で１次回折光の回折効率を高めることが可能であり、不活性化状態および活性化状態で回折による光学的パワーを変化させることができる。また、活性化状態および不活性化状態において、基板材料Ｃおよび液晶材料Ｃは高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組合せとなっている。このような構成により、不活性化状態および活性化状態において広い波長域で高い回折効率を取得可能である。また、図１０に示されるように、基板材料Ｃの屈折率と液晶材料Ｃの平均屈折率ｎａｖｅは設計波長付近において一致している。

図１１は、本実施例の光学素子１００の回折効率を示す図である。図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）はそれぞれ、不活性化状態および活性化状態での回折効率を示している。

不活性化状態では、波長５３０ｎｍにおいて０次回折光の回折効率が最大となっている。活性化状態では、波長５５０ｎｍにおいて１次光回折効率が最大となっている。このように、不活性化状態で０次回折光の回折効率が最大となる波長（第１の波長）と活性化状態で１次回折光の回折効率が最大となる波長（第２の波長）とを近づけることにより、それぞれの状態での観察物の色合いを揃えることができる。これにより、光学素子１００の状態変化に伴う違和感を軽減することができる。

不活性化状態において、波長５５０ｎｍの光の０次回折光の回折効率は９５％以上であり、波長５５０ｎｍ付近で不要回折光はほとんど発生していない。また、活性化状態において、波長５５０ｎｍの光の１次回折光の回折効率は９５％以上であり、波長５５０ｎｍ付近で不要回折光はほとんど発生していない。また、不活性化状態および活性化状態において、波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの広い波長域で十分高い回折効率が得られている。不活性化状態において、波長４００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は８５％以上であり、波長７００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は９５％以上である。活性化状態において、波長４００ｎｍの光の１次回折光の回折効率は７０％以上であり、波長７００ｎｍの光の１次回折光の回折効率は８０％以上である。したがって、本実施例の光学素子１００を光学機器に用いることで、不活性化状態および活性化状態において、フレアの少ない良好な視界を得ることが可能である。

図１２は、各実施例の光学素子１００を備える光学機器としての一例である眼鏡（老眼鏡）１０を示している。眼鏡１０のレンズとして、光学素子１００が用いられている。

眼鏡フレームには、左眼用および右眼用の２つの光学素子１００が保持されている。制御部１２は、各光学素子の電極を介して液晶層に印加する電圧を制御して、液晶層を不活性化状態と活性化状態とに切り替える。すなわち、光学素子１００にパワーを付加しない状態とパワーを付加する状態とに切り替える。

光学素子１００またはこれと同様の構成を有する液晶光学素子は、眼鏡だけでなく、双眼鏡やヘッドマウントディスプレー等、種々の光学機器に用いることができる。本実施例によれば、互いにパワーが異なる複数の状態を有する光学素子およびこれを備える光学機器を、容易に製造することができる。

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。

１００ 光学素子
１１０ 液晶層（電気活性材料）
１３０ 第２の基板（基板）

Claims (16)

1. 第１の光学的パワーを有する第１の状態と、前記第１の光学的パワーより大きい第２の光学的パワーを有する第２の状態と、に切り替え可能な光学素子であって、
   回折面を有する基板と、
   前記基板に近接し、印加される電圧に応じて屈折率を変化させる電気活性材料と、を有し、
   前記第１の状態において０次回折光の回折効率が最大となる第１の波長と、前記第２の状態において１次回折光の回折効率が最大となる第２の波長との差は５０ｎｍより小さく、
   前記第１の状態において、波長４００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は８５％以上であることを特徴とする光学素子。
2. 前記電気活性材料を挟むように設けられ、前記電気活性材料に対して電圧を印加可能な電極を更に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の状態において、波長５５０ｎｍの光の０次回折光の回折効率は９５％以上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２の状態において、波長５５０ｎｍの光の１次回折光の回折効率は９５％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記第２の状態において、波長４００ｎｍの光の１次回折光の回折効率は７０％以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記第１の状態において、波長７００ｎｍの光の０次回折光の回折効率は９５％以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記第２の状態において、波長７００ｎｍの光の１次回折光の回折効率は８０％以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記第２の波長は、５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光学素子。
9. 前記基板の屈折率をｎｓｕｂ、前記電気活性材料の前記第１の状態での屈折率をｎａｖｅ、前記基板のアッベ数をνｓｕｂ、前記電気活性材料の前記第１の状態でのアッベ数をνａｖｅとするとき、
   ｎｓｕｂ＞ｎａｖｅ
   νｓｕｂ＞νａｖｅ
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光学素子。
10. 前記基板の屈折率をｎｓｕｂ、前記電気活性材料の前記第２の状態での屈折率をｎｏ、前記基板のアッベ数をνｓｕｂ、前記電気活性材料の前記第２の状態でのアッベ数をνｏとするとき、
    νｓｕｂ＞νｏ
    ｎｓｕｂ＞ｎｏ
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光学素子。
11. 前記基板の屈折率をｎｓｕｂ、前記電気活性材料の前記第１の状態での屈折率をｎａｖｅとするとき、
    ０．００１≦ｎｓｕｂ−ｎａｖｅ≦０．００３
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学素子。
12. 前記基板の屈折率をｎｓｕｂ、前記電気活性材料の前記第２の状態での屈折率をｎｏとするとき、
    ０．０３≦ｎｓｕｂ−ｎｏ≦０．１０
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の光学素子。
13. 前記電気活性材料の前記第１の状態および前記第２の状態でのアッベ数をそれぞれνａｖｅ、νｏとするとき、
    １／νａｖｅ−１／νｏ≦０．０２
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の光学素子。
14. 前記電気活性材料は、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から１３のいずれか１項に記載の光学素子。
15. 前記第１の状態において、入射光束に対する回折効率が最大となる回折次数は０であり、
    前記第２の状態において、入射光束に対する回折効率が最大となる回折次数は１であり、
    前記電気活性材料の複屈折率をΔｎとするとき、
    ０．０３＜Δｎ＜０．２０
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の光学素子。
16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記電気活性材料の屈折率を変化させる制御部と、を有することを特徴とする光学機器。