JP2019148666A - Optical element and optical device having the same - Google Patents

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聖 伊藤
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Abstract

To provide an optical element which offers high diffraction efficiency over a wide wavelength range, and an optical device having the same.SOLUTION: An optical element is configured to be switchable between a first state, in which the optical element exhibits first optical power, and a second state, in which the optical element exhibits second optical power that is greater than the first optical power, and comprises a substrate with a diffraction surface and an electroactive material disposed in the vicinity of the substrate and configured to change the refractive index according to a voltage applied thereto. In one of the first and second states, a diffraction order corresponding to the maximum diffraction efficiency for incident rays is zero and, in the other of the first and second states, a diffraction order corresponding to the maximum diffraction efficiency for incident rays is one. The birefringence of the electroactive material is set appropriately.SELECTED DRAWING: Figure 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。   The present invention relates to an optical element having a variable focus function and an optical apparatus including the same.

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。   Conventionally, reading glasses using a single focus lens, a progressive lens for both perspective and a bifocal lens are known. In elderly people with normal vision, presbyopia is resolved by using reading glasses with a single-focus lens when focusing on near points such as reading. On the other hand, elderly with non-sightedness are lenses that are adjusted to focus on far points such as infinity, and are equipped with a progressive lens and a bifocal lens, some of which are processed for presbyopia. It is necessary to use glasses.

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。   However, in spectacles equipped with a progressive lens for both perspective and a bifocal lens, regions having different optical power (focal length) are mixed in the lens. For this reason, when viewing from a distance using such glasses, the scenery looks distorted, or a portion out of focus is generated and the image is blurred. Further, in the bifocal lens, the small lens of the power unit for presbyopia is added to a part of the lens, and the appearance of the glasses themselves is not preferable.

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。   Patent Document 1 discloses an electroactive device capable of adding optical power to a presbyopia power unit when the user looks far away without adding optical power to the presbyopia power unit when viewing a distance. Glasses using a (liquid crystal diffractive lens) are disclosed.

特表2015−529845号公報Special table 2015-529845 gazette

しかしながら、特許文献1の液晶回折レンズでは、不活性化状態および活性化状態において、短波長域での回折効率が低くなってしまい、広い波長域において高い回折効率を得ることが困難である。これにより、不要回折光がフレアとなり、視認性を悪化させてしまう。   However, in the liquid crystal diffractive lens of Patent Document 1, the diffraction efficiency in the short wavelength region is low in the inactivated state and the activated state, and it is difficult to obtain high diffraction efficiency in a wide wavelength region. Thereby, unnecessary diffracted light becomes a flare and deteriorates visibility.

本発明は、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。   An object of the present invention is to provide an optical element and an optical apparatus having sufficiently high diffraction efficiency in a wide wavelength range.

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または第2の状態の一方の状態において、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1または第2の状態の他方の状態において、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。
An optical element according to one aspect of the present invention switches between a first state having a first optical power and a second state having a second optical power greater than the first optical power. A possible optical element comprising: a substrate having a diffractive surface; and an electroactive material that is close to the substrate and changes a refractive index in accordance with an applied voltage, and is in the first or second state. The diffraction order at which the diffraction efficiency with respect to the incident light beam is maximum in one state is 0, and the diffraction order with the maximum diffraction efficiency with respect to the incident light beam is 1 in the other state of the first or second state. And when the birefringence of the electroactive material is Δn,
0.03 <Δn <0.20
The following conditional expression is satisfied.

本発明によれば、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。   According to the present invention, it is possible to provide an optical element and an optical apparatus having sufficiently high diffraction efficiency in a wide wavelength range.

本発明の実施形態に係る光学素子の断面図である。It is sectional drawing of the optical element which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the refractive index of the material required in order to satisfy diffraction conditions. 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。It is a figure which shows the refractive index and refractive index dispersion | distribution of the material which comprise the optical element of Example 1. FIG. 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。It is a figure which shows the refractive index for every wavelength of the material which comprises the optical element of Example 1. FIG. 実施例1の光学素子の回折効率を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the diffraction efficiency of the optical element of Example 1. 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。It is a figure which shows the refractive index and refractive index dispersion | distribution of the material which comprise the optical element of Example 2. FIG. 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。It is a figure which shows the refractive index for every wavelength of the material which comprises the optical element of Example 2. FIG. 実施例2の光学素子の回折効率を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the diffraction efficiency of the optical element of Example 2. 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。It is a figure which shows the refractive index and refractive index dispersion | distribution of the material which comprise the optical element of Example 3. 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。It is a figure which shows the refractive index for every wavelength of the material which comprises the optical element of Example 3. FIG. 実施例3の光学素子の回折効率を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the diffraction efficiency of the optical element of Example 3. 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。FIG. 10 is a diagram illustrating eyeglasses as an example of an optical apparatus including the optical element of Example 4. 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。It is a figure which shows the refractive index for every wavelength of the material which comprises the optical element of a prior art example. 従来例の光学素子の回折効率を示す図である。It is a figure which shows the diffraction efficiency of the optical element of a prior art example.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

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。   With reference to FIG. 13 and FIG. 14, problems of the conventional optical element (liquid crystal diffractive lens or electroactive lens) will be described. The conventional optical element includes a substrate having a diffractive structure and an electroactive material. By applying a voltage to the electroactive material, the refractive index of the electroactive material changes and the optical power of the optical element changes.

図13は、三井化学株式会社製の基板材料MR−10(登録商標)と電気活性材料である高複屈折率ネマチック液晶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は波長550nmにおいて一致している。   FIG. 13 shows the refractive index for each wavelength of a substrate material MR-10 (registered trademark) manufactured by Mitsui Chemicals, Inc. and a high birefringence nematic liquid crystal which is an electroactive material. By applying a voltage to the electroactive material, the refractive index of the electroactive material changes from the average refractive index nave to the ordinary light refractive index no, and additional power is generated by diffraction according to the refractive index difference between the substrate material and the electroactive material. To do. Further, the refractive index of the substrate material and the average refractive index “nave” of the electroactive material coincide at a wavelength of 550 nm.

図14は、従来例として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。不活性化状態において、0次回折光の回折効率が短波長域で著しく低下しており、−1次回折光が短波長域で発生している。また、活性化状態においても、1次回折光の回折効率が短波長域で低下しており、0次回折光および2次回折光が短波長域で発生している。このように、複数の回折次数の回折光が混在していると、不要回折光がフレアとなり、観察する対象物の視認性を悪化させてしまう。   FIG. 14 shows the diffraction efficiency of an optical element as a conventional example. The diffraction efficiency is defined as the ratio of the light beam propagating in each diffraction direction to the incident light beam. In FIGS. 14A and 14B, a state where a voltage higher than a predetermined value is not applied to the electroactive material (inactivated state) and a voltage higher than a predetermined value is applied to the electroactive material, respectively. The diffraction efficiency of the optical element in the state (activated state) is shown. In the inactivated state, the diffraction efficiency of the 0th order diffracted light is remarkably reduced in the short wavelength region, and the −1st order diffracted light is generated in the short wavelength region. Even in the activated state, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is reduced in the short wavelength region, and the 0th-order diffracted light and the second-order diffracted light are generated in the short wavelength region. Thus, when diffracted light of a plurality of diffraction orders is mixed, unnecessary diffracted light becomes flare and deteriorates the visibility of an object to be observed.

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。   Hereinafter, the configuration of the optical element (liquid crystal diffraction lens or electroactive lens) 100 according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical element 100 according to an embodiment of the present invention.

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。   The optical element 100 includes a first substrate 110, a second substrate 120, a liquid crystal layer (electroactive material) 130, electrodes 140 and 150, and alignment films 160 and 170. The optical element 100 has a variable focus function. When used in reading glasses (optical equipment), the optical element 100 does not add optical power to the presbyopia power portion when looking far away such as infinity, and is close to reading. The optical power can be added to the presbyopia power section only when viewing the image.

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。   The first substrate 110 has both flat surfaces. The second substrate 120 has a relief surface (diffraction surface) on the liquid crystal layer 130 side. The relief shape (periodic unevenness shape) of the relief surface can be formed by machining, transfer by a mold, etching or the like. The liquid crystal layer 130 is provided between the first substrate 110 and the second substrate 120 so as to be close to the first substrate 110 and the second substrate 120.

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。   The electrodes 140 and 150 are a pair of transparent electrodes provided so as to sandwich the liquid crystal layer 130, and a voltage can be applied to the liquid crystal layer 130 in accordance with an instruction from a control unit (not shown). The electrodes 140 and 150 are made of, for example, a transmissive conductive oxide (such as ITO) or a conductive organic material (PEDOT: PSS or carbon nanotube). The thickness of the electrodes 140 and 150 can be set to 1 μm, for example, but is preferably 0.1 μm. When a voltage is applied to the liquid crystal layer 130, an electric field is generated between the electrodes 140 and 150, and the alignment direction of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 130 changes. With such a configuration, the refractive index and refractive index dispersion of the liquid crystal layer 130 change.

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。   The alignment films 160 and 170 are thin films provided in contact with the liquid crystal layer 130 and are made of a polyimide material or the like. The thickness of the alignment films 160 and 170 is preferably 0.1 μm or less. The alignment films 160 and 170 are subjected to a rubbing process or a photo-alignment process in which ultraviolet rays are irradiated with linearly polarized light. With such a configuration, the initial alignment of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 130 can be controlled.

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。   The optical element 100 is configured to be switchable between at least two states in accordance with the voltage applied to the liquid crystal layer 130. As described above, when a voltage is applied to the liquid crystal layer 130, the refractive index of the liquid crystal layer 130 changes. In the present embodiment, the optical element 100 enters an inactivated state (first state) when a voltage equal to or higher than a predetermined value is not applied to the liquid crystal layer 130, and the first optical power (focal length) is set. Have. The optical element 100 is activated (second state) when a voltage of a predetermined value or higher is applied to the liquid crystal layer 130, and has a second optical power greater than the first optical power. Have. That is, the optical element 100 has different optical powers in the inactivated state and the activated state. As a representative example, the optical element 100 has substantially no optical power in the inactivated state and has a desired optical power (for example, + 2D) in the activated state. In addition, when the voltage more than predetermined value is not applied, the case where the voltage smaller than predetermined value is applied and the case where the voltage is not applied substantially are included.

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。   In the optical element 100, in order to maximize the diffraction efficiency with respect to an incident light beam incident vertically (incident along the vertical direction in FIG. 1), the optical path length difference between the crest and the groove of the relief surface is an integral multiple of the wavelength. And it is sufficient. At this time, the following conditional expression (1) is satisfied.

(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。
(N2 (λ0) −n1 (λ0)) d = mλ0 (1)
In equation (1), λ0 is the design wavelength, d is the height of the relief shape, n1 (λ) is the refractive index of the liquid crystal layer 130 corresponding to the wavelength λ, and n2 (λ) is the second substrate corresponding to the wavelength λ. The refractive index of 120, m is the diffraction order.

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。   The diffraction efficiency η of the m-th order diffracted light of the wavelength λ that does not hold the formula (1) is expressed by the following formula (2).

η(λ)=[sin{π(φ(λ)−m)}/{π(φ(λ)−m)}](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。
η (λ) = [sin {π (φ (λ) −m)} / {π (φ (λ) −m)}] 2 (2)
In the equation (2), φ (λ) = (n2 (λ) −n1 (λ)) d / λ. When equation (1) holds for all wavelengths λ, the wavelength dependence of the diffraction efficiency η is eliminated. When Expression (1) is established for the d line, C line, and F line, the following Expression (3) is derived.

(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。
(N2 (λd) −n1 (λd)) / {(n2 (λF) −n2 (λC)) − (n1 (λF) −n1 (λC))} = λd / (λF−λC) (3)
In Expression (3), λd, λC, and λF are the wavelengths of the d-line, C-line, and F-line, respectively. The right side of Expression (3) is a constant, which is −3.45. For this reason, if the numerator is a positive value on the left side of the expression (3), the denominator needs to be a negative value. That is, in order to realize high diffraction efficiency in a wide wavelength range, it is necessary to configure the optical element 100 by combining a high refractive index / low dispersion material and a low refractive index / high dispersion material.

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。   As an example, conditions for maximizing diffraction efficiency are obtained at three wavelengths of 450 nm, 550 nm, and 650 nm.

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。   When the optical element 100 is in the activated state, the m1-order diffracted light of each wavelength of light satisfies the following conditional expressions (4) to (6).

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。
Δn1 (λ550) d = m1λ550 (4)
Δn1 (λ450) d = m1λ450 (5)
Δn1 (λ650) d = m1λ650 (6)
In Expressions (4) to (6), Δn1 is a refractive index difference between the second substrate 120 and the liquid crystal layer 130 in the activated state, and m1 is a diffraction order (design diffraction) that maximizes the diffraction efficiency in the activated state. Order).

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。   When the optical element 100 is in an inactivated state, the m2 order diffracted light of each wavelength of light satisfies the following formulas (7) to (9).

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。
Δn2 (λ550) d = m2λ550 (7)
Δn2 (λ450) d = m2λ450 (8)
Δn2 (λ650) d = m2λ650 (9)
In Expressions (7) to (9), Δn2 is the refractive index difference between the second substrate 120 and the liquid crystal layer 130 in the inactivated state, and m2 is the diffraction order (design) that maximizes the diffraction efficiency in the inactivated state. Diffraction order).

式(4)は、以下の式(4’)に変形可能である。   Expression (4) can be transformed into the following expression (4 ′).

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。
d = m1λ550 / Δn1 (λ550) (4 ′)
In the equation (4 ′), the height d of the relief shape can be determined by determining the design diffraction order m1 in the activated state and the refractive index difference Δn1 in the activated state. Expressions (5) and (6) can be transformed into the following expressions (5 ′) and (6 ′) by Expression (4 ′), respectively.

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。
Δn1 (λ450) = Δn1 (λ550) λ450 / λ550 (5 ′)
Δn1 (λ650) = Δn1 (λ550) λ650 / λ550 (6 ′)
Moreover, Formula (7)-Formula (9) can be deform | transformed into the following formula | equation (7 ')-Formula (9') by Formula (4 ')-Formula (6'), respectively.

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。
Δn2 (λ550) = Δn1 (λ550) m2 / m1 (7 ′)
Δn2 (λ450) = Δn1 (λ450) m2 / m1 (8 ′)
Δn2 (λ650) = Δn1 (λ650) m2 / m1 (9 ′)
The right side of the equations (5 ′) to (9 ′) includes the refractive index difference at a wavelength of 550 nm in the activated state, and the rest is a constant. That is, by determining the refractive index difference at a wavelength of 550 nm in the activated state, a condition that the refractive index difference at each wavelength in the inactivated state and the activated state should be satisfied is derived.

図2は、上述した回折条件を満足する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。   FIG. 2 shows the refractive indexes of the substrate and the liquid crystal layer that satisfy the diffraction conditions described above. In FIG. 2A, the designed diffraction order m1 in the activated state is 1, and the designed diffraction order m2 in the deactivated state is -1. In this configuration, from the equations (5 ′) and (6 ′), in the activated state, the refractive index difference at a wavelength of 450 nm is smaller than the refractive index difference at a wavelength of 550 nm, and the refractive index difference at a wavelength of 650 nm is growing. Further, from the equations (7 ') to (9'), in the inactivated state, the refractive index difference at each wavelength is opposite to the refractive index difference in the activated state. In the liquid crystal layer, the refractive index dispersion decreases as the refractive index increases (the value of the refractive index dispersion changes from positive to negative). However, in a general liquid crystal, the refractive index dispersion is small when the refractive index is low, and the refractive index dispersion is large when the refractive index is high. Therefore, the condition (refractive index difference) for increasing the diffraction efficiency in a wide wavelength region in the inactivated state and the activated state required in the configuration of FIG. 2A is the refractive index difference obtained from a realistic material. Departs greatly from the relationship.

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。   In FIG. 2B, the designed diffraction order m1 in the active state is 1, and the designed diffraction order m2 in the inactivated state is 0. In this configuration, from the equations (5 ′) and (6 ′), in the activated state, the refractive index difference at a wavelength of 450 nm is smaller than the refractive index difference at a wavelength of 550 nm, and the refractive index difference at a wavelength of 650 nm is growing. Further, from the formulas (7 ') to (9'), the refractive index difference at each wavelength is 0 in the inactivated state. By setting the design diffraction order in one state of the inactivated state or the activated state to 0, the refractive indexes of the substrate and the liquid crystal layer match in one state. Thus, the conditions (refractive index difference) for increasing the diffraction efficiency in a wide wavelength region in the inactivated state and the activated state required in the configuration of FIG. Deviation from the relationship can be reduced. Therefore, sufficiently high diffraction efficiency can be obtained in a wide wavelength region in the inactivated state and the activated state.

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。   In the present invention, as described above, the design diffraction order is 0 in one state of the inactivated state or the activated state, and the design diffraction order is 1 in the other state of the inactivated state or the activated state. do it. In this embodiment, as a typical example, the design diffraction order in the inactivated state is set to 0, and the design diffraction order in the activated state is set to 1. With such a configuration, an optical element having sufficiently high diffraction efficiency in a wide wavelength region in the inactivated state and the activated state can be realized.

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。   The birefringence Δn (= 2 (nave−no)) of the liquid crystal layer 130 satisfies the following conditional expression (10) in order to obtain diffraction efficiency in a wide wavelength region in the inactivated state and the activated state. It is preferable.

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。
0.03 <Δn <0.20 (10)
More preferably, the birefringence Δn of the liquid crystal layer 130 satisfies the following conditional expression (10 ′).

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。
0.05 <Δn <0.18 (10 ′)
In general liquid crystals, as the birefringence increases, the difference in refractive index dispersion between the inactivated state and the activated state increases. Therefore, when the birefringence Δn is larger than the upper limit value of the conditional expression (10), the condition for increasing the diffraction efficiency in a wide wavelength range in the inactivated state and the activated state is a refractive index obtained from a realistic material. It will deviate greatly from the relationship of the difference. On the other hand, when the birefringence Δn is smaller than the lower limit value of the conditional expression (10), the height d of the relief shape becomes too large, and it becomes difficult to process the relief shape.

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。   The refractive index difference nsub-no between the refractive index nsub of the second substrate 120 and the refractive index no in the activated state of the liquid crystal layer 130 preferably satisfies the following formula (11).

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。
0.03 ≦ nsub-no ≦ 0.10 (11)
In the activated state, in order to maximize the diffraction efficiency with respect to the vertically incident incident light beam, it is necessary to set the optical path length difference between the peak and groove of the relief surface to an integral multiple of the wavelength. The human vision system does not respond uniformly to light of all wavelengths in the visible light spectrum. Specifically, the human visual system shows a large response near the center of the visible light spectrum, but the response is small for the red and blue wavelengths at both ends. Since the response peak under the light adaptation condition is in the vicinity of the wavelength of 550 nm, the design wavelength is generally set to be in the vicinity of 550 nm. For example, when the design wavelength is 550 nm and the design diffraction order is 1, the refractive index difference nsub-no is calculated as 550 nm / d from Equation (1). When the refractive index difference nsub-no is larger than the upper limit value of the expression (11), the height d of the relief shape becomes too small, and it becomes difficult to process the relief shape. The relief shape can be formed using a number of techniques including machining, transfer by mold, or etching, but ideally the height of the relief shape is preferably 5 to 20 μm. On the other hand, if the difference in refractive index (nsub-no) is smaller than the lower limit value of the expression (11), the height d of the relief shape becomes too large, and it becomes difficult to process the relief shape. When the aspect ratio d / p between the height d of the relief shape and the width p of the relief shape is greater than 1, it becomes difficult to process the relief shape.

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。   The refractive index difference nsub-nave between the refractive index nsub of the second substrate 120 and the refractive index nave in the inactivated state of the liquid crystal layer 130 preferably satisfies the following formula (12).

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。
0.001 ≦ nsub-nave ≦ 0.003 (12)
In the inactivated state, if the design diffraction order is 0, the right side of Equation (1) is 0. Since the height d of the relief shape is determined by conditions for increasing the diffraction efficiency of the first-order diffracted light in the activated state, the refractive index difference nsub-nave needs to be a value close to zero. When the refractive index difference nsub-nave is larger than the upper limit value of the expression (12), the refractive index difference nsub-nave is greatly deviated from 0, and it is difficult to increase the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light. When the refractive index difference nsub-nave becomes smaller than the lower limit value of the expression (12), the combination of the second substrate 120 and the liquid crystal layer 130 becomes a combination of a high refractive index / low dispersion material and a low refractive index / high dispersion material. Therefore, it becomes difficult to obtain high diffraction efficiency in a wide wavelength range.

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。   The Abbe number νave in the inactivated state and the Abbe number νo in the activated state of the liquid crystal layer 130 preferably satisfy the following formula (13).

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。
1 / νave−1 / νo ≦ 0.02 (13)
When the value on the left side is larger than the value on the right side, the difference in refractive index between the inactivated state and the activated state of the liquid crystal layer 130 varies greatly depending on the wavelength. This makes it difficult to simultaneously increase the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light in the inactivated state and the diffraction efficiency of the 1st-order diffracted light in the activated state.

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。   The liquid crystal material of the liquid crystal layer 130 is preferably cholesteric liquid crystal or nematic liquid crystal to which a chiral twist agent is added. A cholesteric liquid crystal is optically uniaxial and birefringent like a nematic liquid crystal. However, with respect to cholesteric liquid crystals, the director of the liquid crystal molecules rotates in a spiral manner across the thickness direction of the liquid crystal material. The length along the rotation axis until the director of the liquid crystal molecules rotates 360 ° is called a twist pitch. A cholesteric liquid crystal has an average refractive index nave (= (no + ne) / 2) with respect to a light wave having a wavelength corresponding to a twist pitch and propagating perpendicularly to a director of liquid crystal molecules. When a sufficiently strong voltage is applied, the director of the liquid crystal molecules is parallel to the direction of the electric field. For this reason, the cholesteric liquid crystal has an ordinary refractive index no with respect to the light wave propagating in the direction of the electric field. Therefore, the cholesteric liquid crystal changes the orientation of the liquid crystal molecules according to the applied electric field strength, and changes the refractive index value between the average refractive index nave and the ordinary refractive index no for the light wave propagating along the rotation axis of the director. Have.

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。   Further, by adding a chiral twist agent to the nematic liquid crystal, it is possible to obtain the same characteristics as the cholesteric liquid crystal. The nematic liquid crystal to which the chiral twist agent is added has the same ordinary refractive index no and extraordinary refractive index ne as the original nematic liquid crystal, and the twist pitch is adjusted to a desired value by the helical twist force of the added chiral twist agent. Is possible.

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。   Since the average refractive index nave of the nematic liquid crystal to which the cholesteric liquid crystal or the chiral twist agent is added becomes a constant value independent of the polarization state of the incident light beam, the nematic liquid crystal to which the cholesteric liquid crystal or the chiral twist agent is added has polarization insensitivity. Therefore, by using a cholesteric liquid crystal or a nematic liquid crystal to which a chiral twisting agent is added as the liquid crystal material of the liquid crystal layer 130, it is possible to uniformly apply a convergence power to a randomly polarized light beam. .

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、1.594、47.00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0.011であり、活性化状態では0.090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。   FIG. 3 shows an example of the refractive index and refractive index dispersion (reciprocal of the Abbe number) of the material constituting the optical element 100 of the present embodiment. However, the refractive index is a value with respect to the d-line, and the Abbe number is a value with the d-line as a reference wavelength. FIG. 4 shows the refractive index for each wavelength of each material. As shown in FIG. 3, the refractive index and refractive index dispersion of the substrate material A forming the first substrate 110 and the second substrate 120 do not change between the inactivated state and the activated state. The refractive index and refractive index dispersion of the liquid crystal material A forming the liquid crystal layer 130 change between an inactivated state and an activated state. Therefore, the difference in refractive index between the substrate material A and the liquid crystal material A varies between the inactivated state and the activated state. Specifically, the refractive index difference is small in the inactivated state, but the refractive index difference is large in the activated state. In FIG. 3, the refractive index nsub and Abbe number νsub of the substrate material A are 1.594 and 47.00, respectively. The refractive index (average refractive index) nave and Abbe number νave in the inactivated state of the liquid crystal material A are 1.583 and 25.70, respectively. The refractive index (ordinary refractive index) no and the Abbe number νo in the activated state of the liquid crystal material A are 1.504 and 32.00, respectively. The refractive index difference between the substrate material A and the liquid crystal material A is 0.011 in the inactivated state and 0.090 in the activated state. With such a configuration, it is possible to increase the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light in the inactivated state and the diffraction efficiency of the 1st-order diffracted light in the activated state. The power can be changed. In the activated state and inactivated state, the substrate material A and the liquid crystal material A are a combination of a high refractive index / low dispersion material and a low refractive index / high dispersion material. With such a configuration, high diffraction efficiency can be obtained in a wide wavelength range in the inactivated state and the activated state.

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90%以上であり、波長700nmの光の0次回折光の回折効率は90%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80%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。なお、本実施例において、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。   FIG. 5 is a diagram showing the diffraction efficiency of the optical element 100 of the present embodiment. FIGS. 5A and 5B show diffraction efficiencies in the inactivated state and the activated state, respectively. In the inactivated state, the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light with a wavelength of 550 nm is 95% or more, and almost no unnecessary diffracted light is generated near the wavelength of 550 nm. In the activated state, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light of the light having a wavelength of 550 nm is 95% or more, and almost no unnecessary diffracted light is generated near the wavelength of 550 nm. Further, in the inactivated state and the activated state, sufficiently high diffraction efficiency is obtained in a wide wavelength range from 400 nm to 700 nm. In the inactivated state, the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light of the light having a wavelength of 400 nm is 90% or more, and the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light of the light having a wavelength of 700 nm is 90% or more. In the activated state, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light with a wavelength of 400 nm is 80% or more, and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light with a wavelength of 700 nm is 80% or more. Therefore, by using the optical element 100 of this embodiment for an optical instrument, it is possible to obtain a good field of view with less flare in the inactivated state and the activated state. In this embodiment, the wavelength at which the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is maximized in the activated state may be 500 nm or more and 600 nm or less.

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、1.565、59.00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0.007であり、活性化状態では0.068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。   FIG. 6 shows an example of the refractive index and refractive index dispersion (reciprocal of the Abbe number) of the material constituting the optical element 100 of the present embodiment. However, the refractive index is a value with respect to the d-line, and the Abbe number is a value with the d-line as a reference wavelength. FIG. 7 shows the refractive index for each wavelength of each material. In FIG. 6, the refractive index nsub and Abbe number νsub of the substrate material B forming the first substrate 110 and the second substrate 120 are 1.565 and 59.00, respectively. The refractive index (average refractive index) nave and Abbe number νave in the inactivated state of the liquid crystal material B forming the liquid crystal layer 130 are 1.558 and 33.80, respectively. The refractive index (ordinary refractive index) no and the Abbe number νo in the activated state of the liquid crystal material B are 1.497 and 41.40, respectively. The refractive index difference between the substrate material B and the liquid crystal material B is 0.007 in the inactivated state and 0.068 in the activated state. With such a configuration, it is possible to increase the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light in the inactivated state and the diffraction efficiency of the 1st-order diffracted light in the activated state. The power can be changed. In the activated state and the deactivated state, the substrate material B and the liquid crystal material B are a combination of a high refractive index / low dispersion material and a low refractive index / high dispersion material. With such a configuration, high diffraction efficiency can be obtained in a wide wavelength range in the inactivated state and the activated state.

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。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90%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80%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。なお、本実施例において、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。   FIG. 8 is a diagram showing the diffraction efficiency of the optical element 100 of the present embodiment. FIG. 8A and FIG. 8B show the diffraction efficiencies in the inactivated state and the activated state, respectively. In the inactivated state, the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light with a wavelength of 550 nm is 95% or more, and almost no unnecessary diffracted light is generated near the wavelength of 550 nm. In the activated state, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light of the light having a wavelength of 550 nm is 95% or more, and almost no unnecessary diffracted light is generated near the wavelength of 550 nm. Further, in the inactivated state and the activated state, sufficiently high diffraction efficiency is obtained in a wide wavelength range from 400 nm to 700 nm. In the inactivated state, the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light of the light having a wavelength of 400 nm is 90% or more, and the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light of the light having a wavelength of 700 nm is 95% or more. In the activated state, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light with a wavelength of 400 nm is 80% or more, and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light with a wavelength of 700 nm is 80% or more. Therefore, by using the optical element 100 of this embodiment for an optical instrument, it is possible to obtain a good field of view with less flare in the inactivated state and the activated state. In this embodiment, the wavelength at which the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is maximized in the activated state may be 500 nm or more and 600 nm or less.

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、1.521、60.00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、1.519、41.90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、1.476、46.10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0.002であり、活性化状態では0.045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。   FIG. 9 shows an example of the refractive index and refractive index dispersion (reciprocal of the Abbe number) of the material constituting the optical element 100 of the present embodiment. However, the refractive index is a value with respect to the d-line, and the Abbe number is a value with the d-line as a reference wavelength. FIG. 10 shows the refractive index for each wavelength of each material. In FIG. 9, the refractive index nsub and Abbe number νsub of the substrate material C forming the first substrate 110 and the second substrate 120 are 1.521 and 60.00, respectively. The refractive index (average refractive index) nave and Abbe number νave in the inactivated state of the liquid crystal material C forming the liquid crystal layer 130 are 1.519 and 41.90, respectively. The refractive index (ordinary refractive index) no and the Abbe number νo in the activated state of the liquid crystal material C are 1.476 and 46.10. The difference in refractive index between the substrate material C and the liquid crystal material C is 0.002 in the inactivated state and 0.045 in the activated state. With such a configuration, it is possible to increase the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light in the inactivated state and the diffraction efficiency of the 1st-order diffracted light in the activated state. The power can be changed. In the activated state and the deactivated state, the substrate material C and the liquid crystal material C are a combination of a high refractive index / low dispersion material and a low refractive index / high dispersion material. With such a configuration, high diffraction efficiency can be obtained in a wide wavelength range in the inactivated state and the activated state.

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90%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80%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。なお、本実施例において、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。   FIG. 11 is a diagram showing the diffraction efficiency of the optical element 100 of the present embodiment. FIG. 11A and FIG. 11B show the diffraction efficiencies in the inactivated state and the activated state, respectively. In the inactivated state, the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light with a wavelength of 550 nm is 95% or more, and almost no unnecessary diffracted light is generated near the wavelength of 550 nm. In the activated state, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light of the light having a wavelength of 550 nm is 95% or more, and almost no unnecessary diffracted light is generated near the wavelength of 550 nm. Further, in the inactivated state and the activated state, sufficiently high diffraction efficiency is obtained in a wide wavelength range from 400 nm to 700 nm. In the inactivated state, the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light of the light having a wavelength of 400 nm is 90% or more, and the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light of the light having a wavelength of 700 nm is 95% or more. In the activated state, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light with a wavelength of 400 nm is 80% or more, and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light with a wavelength of 700 nm is 80% or more. Therefore, by using the optical element 100 of this embodiment for an optical instrument, it is possible to obtain a good field of view with less flare in the inactivated state and the activated state. In this embodiment, the wavelength at which the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is maximized in the activated state may be 500 nm or more and 600 nm or less.

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。   FIG. 12 shows spectacles (reading glasses) 10 which is an example of an optical apparatus including the optical element 100 of each embodiment. An optical element 100 is used as the lens of the glasses 10.

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。   The eyeglass frame holds two optical elements 100 for the left eye and the right eye. The control unit 12 controls the voltage applied to the liquid crystal layer via the electrodes of each optical element to switch the liquid crystal layer between an inactivated state and an activated state. That is, the state is switched between a state where power is not applied to the optical element 100 and a state where power is added.

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。   The optical element 100 or a liquid crystal optical element having the same configuration as this can be used not only for glasses but also for various optical devices such as binoculars and head mounted displays. According to the present embodiment, it is possible to easily manufacture an optical element having a plurality of states having different powers and an optical apparatus including the same.

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。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

100 電気活性レンズ(光学素子)
110 第1の基板(基板)
130 液晶層(電気活性材料)
100 electroactive lens (optical element)
110 First substrate (substrate)
130 Liquid crystal layer (electroactive material)

Claims (16)

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または第2の状態の一方の状態において、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1または第2の状態の他方の状態において、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光学素子。
An optical element switchable between a first state having a first optical power and a second state having a second optical power greater than the first optical power,
A substrate having a diffractive surface;
An electroactive material that is proximate to the substrate and changes a refractive index in response to an applied voltage,
In one of the first and second states, the diffraction order that maximizes the diffraction efficiency for the incident light flux is zero,
In the other state of the first or second state, the diffraction order that maximizes the diffraction efficiency with respect to the incident light beam is 1.
When the birefringence of the electroactive material is Δn,
0.03 <Δn <0.20
An optical element that satisfies the following conditional expression:
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。   The optical element according to claim 1, further comprising an electrode provided so as to sandwich the electroactive material and capable of applying a voltage to the electroactive material. 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。   3. The optical element according to claim 1, wherein in the first state, the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light of the light having a wavelength of 550 nm is 95% or more. 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。   4. The optical element according to claim 1, wherein in the second state, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light of the light having a wavelength of 550 nm is 95% or more. 5. 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90%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。   5. The optical element according to claim 1, wherein, in the first state, the diffraction efficiency of the zero-order diffracted light of the light having a wavelength of 400 nm is 90% or more. 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80%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。   6. The optical element according to claim 1, wherein in the second state, diffraction efficiency of first-order diffracted light of light having a wavelength of 400 nm is 80% or more. 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90%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。   7. The optical element according to claim 1, wherein, in the first state, the diffraction efficiency of zero-order diffracted light of light having a wavelength of 700 nm is 90% or more. 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7のいずれか1項に記載の光学素子。   8. The optical element according to claim 1, wherein in the second state, diffraction efficiency of first-order diffracted light of light having a wavelength of 700 nm is 80% or more. 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の波長は、500nm以上600nm以下であ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。   9. The optical element according to claim 1, wherein the second wavelength at which the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is maximized in the second state is 500 nm or more and 600 nm or less. 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9のいずれか1項に記載の光学素子。
The refractive index of the substrate is nsub, the refractive index of the electroactive material in the first state is nave, the Abbe number of the substrate is νsub, and the Abbe number of the electroactive material in the first state is νave. and when,
nsub> nave
νsub> νave
The optical element according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.
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10のいずれか1項に記載の光学素子。
The refractive index of the substrate is nsub, the refractive index of the electroactive material in the second state is no, the Abbe number of the substrate is νsub, and the Abbe number of the electroactive material in the second state is νo. and when,
νsub> νo
nsub> no
The optical element according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.
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11のいずれか1項に記載の光学素子。
When the refractive index of the substrate is nsub, and the refractive index of the electroactive material in the first state is nave,
0.001 ≦ nsub-nave ≦ 0.003
The optical element according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.
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12のいずれか1項に記載の光学素子。
When the refractive index of the substrate is nsub and the refractive index of the electroactive material in the second state is no,
0.03 ≦ nsub-no ≦ 0.10
The optical element according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.
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13のいずれか1項に記載の光学素子。
When the Abbe numbers in the first state and the second state of the electroactive material are νave and νo, respectively,
1 / νave-1 / νo ≦ 0.02
The optical element according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.
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14のいずれか1項に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the electroactive material is a cholesteric liquid crystal or a nematic liquid crystal to which a chiral twisting agent is added. 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。
The optical element according to any one of claims 1 to 15,
An optical apparatus comprising: a control unit configured to change a refractive index of the electroactive material.
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