JP2020118777A - 液晶回折レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 少なくとも２つの光学的状態を有する電気活性レンズにおいて、電気活性化状態においても色収差が十分良く補正された電気活性レンズを提供すること。【解決手段】 少なくとも２つの光学状態を有する電気活性レンズであり、前記電気活性材料からなるレンズＬｑと、少なくとも一つ以上の回折面と、少なくとも２つのレンズＬ１、Ｌ２を有しており、回折面におけるパワーをφＤ、レンズＬ１の屈折によるパワーをφ１、レンズＬ１のアッベ数をν１、レンズＬ２のアッベ数をν２、レンズＬ１とレンズＬ２のアッベ数の差をΔνとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする。φＤ×φ１×Δν＜０ただし、Δν＝ν１−ν２【選択図】図６

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。

近年、高齢化が進み高齢者人口の増加が顕著になっている。そして、多くの高齢者が抱える共通の悩みとして老視が上げられ、老視は高齢者が快適な生活をしていく上での解決すべき課題となっている。

老視は年齢とともに、眼の屈折力の調整幅が徐々に縮小してゆくことによって生じ、調整力の縮小によって読書距離などの近点に焦点を合わせることが困難になる。多くの高齢者にとって、老視を解消する一般的な手段は、老眼鏡を用いることである。

現在、一般的に流通している老眼鏡には、単焦点レンズや遠近両用累進レンズ、二重焦点レンズなどを用いたタイプがある。正視の高齢者にとっては、読書時などの近点に焦点を合わせる際にのみ、単焦点レンズの老眼鏡を用いれば老視が解消される。

一方、非正視の高齢者は、無限遠などの遠点に焦点が合うように調整されたレンズにおいて、その一部が老眼用に加工された遠近両用累進レンズや二重焦点レンズを眼鏡に用いる必要がある。

しかしながら、遠近両用累進レンズや二重焦点レンズを用いた眼鏡では、レンズ内に光学的パワー（焦点距離）の異なる領域が混在しているため、眼鏡を用いて遠方を見る際に景色が歪んで見える、ピントが合わない部分が生じてぼけて見える等の課題がある。

また、二重焦点レンズにおいては、老眼用パワー部の小玉がレンズの一部分に付加されている形状のため、眼鏡自体の見た目がよくないという問題もある。

これらの課題を解決するため、老眼用パワー部を可変パワーとし、無限遠などの遠方を見る際はパワーを付加させず、読書距離などの至近を見る際にのみパワーを付加する方法として、液晶回折レンズを用いた眼鏡が特許文献１に開示されている。

また、特許文献２には、眼鏡レンズで発生する色収差を、回折光学素子を用いて低減された眼鏡レンズが開示されている。

特開２０１３−１３７５４４号公報 特開２０００−２８４２３８号公報

しかしながら、特許文献１のように回折面にて屈折力を付加する眼鏡レンズの場合、回折面において、色収差が発生する。特許文献１においては、回折光学面によって発生する色収差については述べておらず、色収差が低減された構成の眼鏡レンズではない。

特許文献２においては、屈折光学系からなる眼鏡レンズで発生する色収差を低減するために回折面を用いた構成となっており、読書距離などの至近を見る際にのみパワーを付加する液晶回折レンズのような眼鏡レンズにおいて、適切に色収差を補正した構成となっていない。

そこで、本発明は、少なくとも２つの光学的状態を有する電気活性レンズにおいて、電気活性化状態においても色収差が十分良く補正された電気活性レンズを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る電気活性レンズは、
少なくとも２つの光学状態を有し、かつ、前記電気活性材料からなるレンズＬｑと、少なくとも一つ以上の回折面と、少なくとも２つのレンズＬ１、Ｌ２を有しており、回折面におけるパワーをφＤ、レンズＬ１の屈折によるパワーをφ１、レンズＬ１のアッベ数をν１、レンズＬ２のアッベ数をν２、レンズＬ１とレンズＬ２のアッベ数の差をΔνとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする。

φＤ×φ１×Δν＜０
ただし、Δν＝ν１−ν２

本発明によれば、少なくとも２つの光学的状態を有する電気活性レンズにおいて、電気活性化状態においても色収差が十分良く補正された電気活性レンズを得ることができる。

比較例の電気活性レンズを含む光学系のレンズ断面図 比較例の電気活性レンズ、及び部分断面図 比較例の電気活性レンズにおける、電圧を付加した状態の横収差図 比較例の電気活性レンズにおける、電圧を付加しない状態の横収差。 実施例１の電気活性レンズを含む光学系のレンズ断面。 実施例１の電気活性レンズ、及び部分断面図 実施例１の電気活性レンズにおける、電圧を付加した状態の横収差図 実施例１の電気活性レンズにおける、電圧を付加しない状態の横収差図 実施例２の電気活性レンズを含む光学系のレンズ断面図 実施例２の電気活性レンズ、及び部分断面図 実施例２の電気活性レンズにおける、電圧を付加した状態の横収差図 実施例３の電気活性レンズを含む光学系のレンズ断面図 実施例３の電気活性レンズ、及び部分断面図 実施例３の電気活性レンズにおける、電圧を付加した状態の横収差図 実施例４の電気活性レンズを含む光学系のレンズ断面図 実施例４の電気活性レンズ、及び部分断面図 実施例４の電気活性レンズにおける、電圧を付加した状態の横収差。 実施例５の電気活性レンズを含む光学系のレンズ断面図 実施例５の電気活性レンズ、及び部分断面図 実施例５の電気活性レンズにおける、電圧を付加した状態の横収差図 実施例６の電気活性レンズを含む光学系のレンズ断面図 実施例６の電気活性レンズ、及び部分断面図 実施例６の電気活性レンズにおける、電圧を付加した状態の横収差図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の電気活性レンズは、少なくとも２つの光学的状態を有する。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）を意味しており、本発明の電気活性レンズは電気不活性化状態と電気活性化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（ディオプター）を有するものである。

このような電気活性レンズを老眼鏡に用いることで、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、比較例を用いながら、本発明の実施形態である電気活性レンズの収差について説明する。

図１（ａ）に、比較例の構成の電気活性レンズの断面図を示す。

レンズ断面図において、左方が物体側（前方）で、右方が像側（後方）である。レンズ断面図において、ＳＰは絞り（瞳・虹彩）である。

ＩＰは像面であり、デジタルスチルカメラなどの撮影光学系として使用する際にはＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）の撮像面に相当する。眼鏡レンズや双眼鏡などの観察光学系として使用する場合には、ＩＰは目の網膜に相当する。

５００は比較例の電気活性レンズであり、図１（ａ）に示す光路図においては、電圧を印可することにより、パワーを付加させた状態となっている。Ｌｅｙｅは眼の水晶体等による屈折力を模した理想レンズであり、虹彩絞りＳＰと同じ位置に設定している。また、ＲＰは眼の回旋点である。

図１（ｂ）に、回旋点ＲＰを中心に眼球を１０°回転させた状態の断面図を示す。

図１（ａ）と同様に電気活性レンズ５００を眼の物体側に配置しており、電気活性レンズ５００は動かさずに、眼球（ＳＰ、Ｌｅｙｅ、ＩＰ）のみを回転させた構成としている。

回旋点ＲＰは、眼を模した理想レンズＬｅｙｅから１３ｍｍの場所に設定している。

図１（ｂ）の構成においても、図１（ａ）と同様に、電圧を印可することにより、パワーを付加させた状態となっている。

図２に、図１（ａ）に示した電気活性レンズの詳細断面図を示す。但し、図４は格子深さ方向にかなりデフォルメされた図となっている。

比較例の電気活性レンズ５００は、光入射側（図中上側）から順に、基板５１０、電気活性材料５３０、基板５２０の順で積層された構成となっている。また、電気活性材料５３０と基板５２０の間に回折面５６０を有している。

さらに、電気活性レンズ５００は、電極５４０、５５０を有する。電極は光学的に透明であり、たとえばＩＴＯから構成される。

電極５４０、５５０は、電気活性材料５３０に所望の電圧を印加し、電気活性材料の屈折率および屈折率分散を所望の値に変化させることで、回折面５６０に回折パワーを付加して、至近物体などの観察を容易にするものである。

しかし、＋２Ｄほどの回折パワーを付加した場合、回折面で発生する色収差も多くなってしまう。特に図１（ｂ）に示すように眼を回旋させた場合に、大きな偏心倍率色収差が発生する。

図１（ａ）に示す光路における横収差図を図３（ａ）に示し、図１（ｂ）に示す光路における横収差図を図３（ｂ）に示す。

収差図において、ｄ、ｇ、Ｃ、Ｆはそれぞれｄ線、ｇ線、Ｃ線およびＦ線に関する収差であることを示す。ωは半画角、ＦｎｏはＦナンバーである。

また、図１（ａ）における構成で、電圧を印可せず、回折面５６０によるパワーを付加していない状態における横収差を図４（ａ）に示し、図１（ｂ）における構成で、電圧を印可せず、回折面５６０によるパワーを付加していな状態における横収差を図４（ｂ）に示す。

電圧を印可せずに回折面によるパワー付加が小さい状態においては、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように色収差は少ない。

しかし、回折面によるパワー付加されている状態においては、図３（ａ）に示すように、軸上色収差が発生したり、図３（ｂ）に示すように、偏心倍率色収差が大きく発生したりしてしまう。

図５（ａ）に、実施例１の構成の電気活性レンズの断面図を示す。

電気活性レンズ以外の構成は図１（ａ）に示す比較例の電気活性レンズと同等である。図５（ａ）に示す光路図においては、電圧を印可することにより、パワーを付加させた状態となっている。

図５（ｂ）に、回旋点ＲＰを中心に眼球を１０°回転させた状態の断面図を示す。

図５（ａ）と同様に電気活性レンズ１００を眼の物体側に配置しており、電気活性レンズ１００は動かさずに、眼球（ＳＰ、Ｌｅｙｅ、ＩＰ）のみを回転させた構成としている。

回旋点ＲＰは、眼を模した理想レンズＬｅｙｅから１３ｍｍの場所に設定している。

図５（ｂ）の構成においても、図５（ａ）と同様に、電圧を印可することにより、パワーを付加させた状態となっている。

図６に、図５（ａ）に示した電気活性レンズの詳細断面図を示す。但し、図６は格子深さ方向にかなりデフォルメされた図となっている。

本実施例１の電気活性レンズ１００は、光入射側（図中上側）から順に、基板１１０、第１のレンズ１２０、電気活性材料（第１の格子材料）１３０、第２の格子材料１４０、第２のレンズ１５０、基板１６０の順で積層された構成となっている。

また、電気活性材料１３０と第２の格子材料１４０の間に回折面２００を有している。２１０は、回折面２００の格子先端を連ねた包絡線である。

さらに、電気活性レンズ１００は、電極１７０、１８０、１９０を有する。電極は光学的に透明であり、たとえばＩＴＯから構成される。透明電極１７０及び１９０はセグメント化された電極である。

電極１７０および１８０の電気活性材料に接する面に配向膜を設けても良く、これにより電気活性材料の配向を制御しても良い。

電極１７０、１８０および１９０は、電気活性材料１３０に所望の電圧を印加し、２つの電気活性材料の屈折率および屈折率分散を所望の値に変化させる。

電気活性材料１３０は、電圧非印可時の屈折率及び分散は、Ｎｄ＝１．５９３、νｄ＝２４．４であり、格子材料１４０の屈折率及び分散は、Ｎｄ＝１．５９８、νｄ＝４２．１である。そのため、電圧非印可時は、電気活性材料１３０と格子材料１４０の間の屈折率差は小さく、回折面２００において発生する回折パワーは小さい。

電気活性材料１３０に電圧を印可すると、電気活性材料１３０の屈折率は下がり、Ｎｄ＝１．５０５、νｄ＝３２．２となり、格子材料１４０との間に屈折率差が生じ、＋２Ｄの回折パワーが発生する。

なお、本発明において、アッベ数νｄ、部分分散比θｇＦの定義は一般に用いられるものと同じであり、フラウンホーファー線のｇ線、Ｆ線、ｄ線、Ｃ線に対する屈折率をそれぞれＮｇ，ＮＦ，Ｎｄ，ＮＣとするとき、それぞれ次式で表される。

νｄ＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ） ・・・（ａ）
θｇＦ＝（Ｎｇ−ＮＦ）／（ＮＦ−ＮＣ） ・・・（ｂ）
電気活性化状態に、波長λの場合に電気活性レンズの回折面において、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件は、光路長差Φ（λ）が、
Φ（λ）＝（ｎ０２−ｎ０１）×ｄ１＝ｍλ ・・・（ｃ）
なる条件を満足することである。

ここで、上記（ｃ）式において、ｎ０２は格子材料１４０を形成する材料の波長λの光に対する屈折率であり、同様に、ｎ０１は電気活性材料１３０を形成する材料の波長λの光に対する屈折率である。ｄ１は格子面２００の格子厚である。

格子厚ｄ１は、電気活性レンズの使用波長域で、（ｃ）式のφ（λ）が高くなるように設定される。実施例１の回折光学素子において、格子厚ｄ１は６．０１μｍである。

本発明の電気活性レンズは、上記のように電圧を印可することで回折パワーを付加して、至近物体などの観察を容易にするものである。

また、本発明の電気活性レンズにおいては、回折面２００で発生する色収差を、第１のレンズ１２０と第２のレンズ１５０で低減するよう、第１のレンズ１２０と第２のレンズ１５０のパワーと分散を選択している。

図５（ａ）に示す光路における横収差図を図７（ａ）に示し、図５（ｂ）に示す光路における横収差図を図７（ｂ）に示す。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、本実施例の電気活性レンズにおいては、電圧を印可して回折面によるパワーを付加した状態において、図３（ａ）、図３（ｂ）に示す比較例よりも色収差を低減できていることがわかる。

回折面におけるパワーをφＤ、レンズＬ１の屈折によるパワーをφ１、レンズＬ１のアッベ数をν１、レンズＬ２のアッベ数をν２、レンズＬ１とレンズＬ２のアッベ数の差をΔνとしたとき、以下の条件式を満たすことで、回折面で発生した色収差を低減することができる。

φＤ×φ１×Δν＜０ ・・・（１）
ただし、Δν＝ν１−ν２ ・・・（１ａ）
なお、各数値実施例の回折光学素子の各回折面の位相形状ψは、次式によって表される。
ψ（ｈ，ｍ）＝（２π／ｍλ_０）（Ｃ_２ｈ^２＋Ｃ_４ｈ^４＋Ｃ_６ｈ^６…）・・・（ｄ）
ここに、
ｈ：光軸に対して垂直方向の高さ
ｍ：回折光の回折次数
λ_０：設計波長
Ｃｉ：位相係数（ｉ＝２，４，６…）
である。

また、任意の波長λ、任意の回折次数ｍに対する回折格子のパワーφＤは、最も低次の位相係数Ｃ_２を用いて次のように表すことができる。

φＤ（λ，ｍ）＝−２Ｃ_２ｍλ／λ_０・・・（ｅ）
各数値実施例において、回折光学素子を構成する各回折格子の回折次数ｍは全て１であり、設計波長λ_０ は全てｄ線の波長（５８７．５６ｎｍ）である。

また、各レンズＬ１、Ｌ２の屈折によるパワーφ１、φ２は、それぞれ空気中におけるレンズの屈折力を表わし、各レンズの焦点距離の逆数で与えられ、回折によるパワーを含まない値である。

各レンズＬ１、Ｌ２の表面に回折面が設けられていても本発明の効果は失われるものではなく、レンズＬ１、Ｌ２の表面に回折面が設けられている場合、パワーφ１、φ２は、回折格子の先端を連ねた包絡線（例えば図６における曲線２１０）の曲率半径を用いて計算したものである。

次に、図５（ａ）における構成で、電圧を印可せず、回折面２００によるパワーを付加していない状態における横収差を図８（ａ）に示し、図５（ｂ）における構成で、電圧を印可せず、回折面２００によるパワーを付加していな状態における横収差を図８（ｂ）に示す。

図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、電圧非印可時に若干の色収差が発生している。これは、電圧印可時の色収差を補正した逆効果のためである。しかし、色収差の量は少ないため、眼鏡レンズように観察光学系として使用する場合、影響が少ない量に抑えられている。

また、レンズＬ１とレンズＬ２のアッベ数の逆数の差をΔνｒとしたとき、以下の条件式を満たすことで、さらに良好に色収差の補正が可能となる。

０．００３＜Δνｒ＜０．１ ・・・（２）
ただし、Δνｒ＝｜１／ν１−１／ν２｜ ・・・（２ａ）
（２）式の下限を下回ると、十分な補正効果が得られず、（２）式の上限を超えると、電圧を印可しない状態における色収差の発生が多くなってしまう。

（２）式は好ましくは以下の範囲とするのがよい。

０．０１＜Δνｒ＜０．０５ ・・・（２ｂ）
電圧印可状態と電圧非印可状態の両方において、色収差をバランスよく抑えるためには、レンズＬ１とレンズＬ２で補正する色収差量を適切に設定することが望ましい。

電気活性レンズの中心部における屈折レンズによる色収差の合計をＣｓとし、電気不活性化状態における前記電気活性レンズ全体のパワーをφｏｆｆとしたとき、以下の条件式を満たすことで、電圧印可状態と電圧非印可状態の両方において、色収差をバランスよく補正することができる。

０．０３＜（Ｃｓ−φｏｆｆ／３５）×１０００＜０．５・・・（３）
ただし、Ｃｓは、各レンズＬｉ（ｉ＝１、２、・・・）のｄ線におけるパワーをφｉ、アッベ数をνｉとしたとき、

で与えられる。

ここで、各レンズＬｉのパワーφｉは、レンズＬｉの空気中における焦点距離の逆数であり、表面上に回折格子が形成されている場合は、回折格子の先端を連ねた包絡線（例えば図６における曲線２１０）の曲率半径を用いて計算したものである。

（３）式の下限を下回ると、十分な色収差補正効果が得られず、（３）式の上限を超えると、電圧を印可しない状態における色収差の発生が多くなってしまう。

（３）式は好ましくは以下の範囲とするのがよい。

０．０５＜（Ｃｓ−φｏｆｆ／３５）×１０００＜０．３５・・・（３ｂ）
（３）式はさらに好ましくは以下の範囲とするのがよい。

０．１０＜（Ｃｓ−φｏｆｆ／３５）×１０００＜０．２５・・・（３ｃ）
また、屈折レンズ（Ｌ１、Ｌ２）を用いた色収差の補正量は回折光学素子で発生する色収差とのバランスを考えて設定することが望ましい。具体的には、電気活性化状態における回折面における色収差をＣｄとしたとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。

−０．８＜（Ｃｓ−φｏｆｆ／３５）／Ｃｄ＜０ ・・・（４）
ここで、回折面における色収差Ｃｄは、回折格子のパワーφＤを回折レンズにおけるアッベ数で割った数値、すなわち以下の式であらわされる。

Ｃｄ＝−φＤ／３．４５ ・・・（４ａ）
（４）式の下限を下回ると、電圧を印可しない状態における色収差の発生が多くなってしまう。（４）式の上限を上回ると、回折面で発生する色収差の補正が足りなくなり、電圧を印可した状態における色収差の発生を抑制できなくなる。

（４）式は好ましくは以下の範囲とするのがよい。

−０．６＜（Ｃｓ−φｏｆｆ／３５）／Ｃｄ＜−０．０５ ・・・（４ｂ）
（４）式はさらに好ましくは以下の範囲とするのがよい。

−０．４５＜（Ｃｓ−φｏｆｆ／３５）／Ｃｄ＜−０．１ ・・・（４ｃ）
また、レンズＬ１とレンズＬ２のｄ線における屈折率差をΔＮとしたとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。

｜ΔＮ｜＜０．１ ・・・（５）
（５）式の上限を超えると、色収差以外の諸収差が低下するため好ましくない。

電気活性レンズ１００において、電気活性材料１３０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、電気活性材料１３０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。

実施例１の電気活性レンズにおいては、有効径全域において回折面を有し、電圧印可時と電圧非印可時でパワーが変化する構成であったが、本発明の効果はこれに限るものではない。

図９に、実施例２の構成の電気活性レンズの断面図を示す。

図９に示す光路図においては、電圧を印可することにより、パワーを付加させた状態となっている。

図９に示すレンズ断面図は、回旋点ＲＰを中心に眼球を１０°回転させた状態である。回旋点ＲＰは、眼を模した理想レンズＬｅｙｅから１３ｍｍの場所に設定している。電気活性レンズ１００以外の構成は実施例１の電気活性レンズと同様である。

図９に示す電気活性レンズにおいては、中心部の領域Ｒ１と周辺部の領域Ｒ２で異なるレンズ構成としている。

また、本実施例２の電気活性レンズにおいては、電圧を印可しない状態においても負のパワーを持つ構成となっている。例えば近眼の人の場合、遠方を見る際にはレンズに負のパワーを持たせることにより眼の毛様体筋を酷使することなく焦点を合わせやすくなる。

至近物体を見る際には、電圧を印可することで、負のパワーに加えて正のパワーを付加することで、眼にストレスなく至近物体に焦点を合わせることができる。

図１０に、図９に示した電気活性レンズの詳細断面図を示す。但し、図１０は格子深さ方向及び径方向にかなりデフォルメされた図となっている。

本実施例２の電気活性レンズ１００は、中心部Ｒ１の領域においては、実施例１の電気活性レンズと同様の構成となっている。

実施例２の電気活性レンズにおいても、中心部Ｒ１においては、実施例１と同様に、第１のレンズ１２０と第２のレンズ１５０のパワーと分散を適切に選択することで、回折面２００で発生する色収差を低減した構成となっている。

電気活性材料１３０、及び格子材料１４０は、実施例１と同一の材料を用いており、電圧非印可時は、回折面２００において発生する回折パワーは小さく、電気活性材料１３０に電圧を印可すると、回折面２００において回折による正のパワーが発生する。

周辺部Ｒ２の領域においては、光入射側（図中上側）から順に、基板１１１、電気活性材料１３１、第２の材料層１４１、基板１６１の順で積層された構成となっている。

ここで、中心部Ｒ１と周辺部Ｒ２で、基板１１０と１１１、電気活性材料１３０と１３１、第２の材料層１４０と１４１、及び基板１６０と１６１をそれぞれ同一の材料とすることで、中心部と周辺部を一体化することができ、製造上好ましい。

さらに、電気活性レンズ１００は、外周部Ｒ２において電極１７１、１８１、１９１を有する。電極は光学的に透明であり、たとえばＩＴＯから構成される。透明電極１７１及び１９１は中心部Ｒ１とは異なり、セグメント化されていない電極である。

本発明の電気活性レンズは、中心部Ｒ１においては、電圧を印可することで回折パワーを付加して、至近物体などの観察を容易にするものである。

それに対し、周辺部Ｒ２においては、電気活性材料１３１からなる層は回折面を設けておらず、かつ、光学的にパワーを持たないため、電圧を印可してもパワーが変化しない。

前述したように、電気活性レンズに回折面を設けたことにより回折面で大きな色収差が発生するが、回折面で発生する色収差は光軸から離れるほど大きくなる。そのため、回折面の有効径を大きくすると周辺部で発生する色収差が増大してしまう。

そのため、本実施例２の電気活性レンズのように、中心部のみに回折面を設けて、中心部のみを電圧印可によってパワーを変化させる構成にすると、周辺部の色収差を増大させない構成となるため好ましい。

その際に、電圧を印可していない状態において、領域Ｒ１におけるパワーをφＲ１、領域Ｒ２におけるパワーをφＲ２としたとき、以下の条件式を満たすことで、領域Ｒ１と領域Ｒ２の境界において画像の飛びが少なく、違和感の少ない画像とすることができる。

０．９＜φＲ２／φＲ１＜１．１ ・・・（６）
（６）式は好ましくは以下の範囲とするのがよい。

０．９５＜φＲ２／φＲ１＜１．０５ ・・・（６ｂ）
図９に、示す光路における横収差図を図１１に示す。

本実施例２の電気活性レンズのように、電圧を印可しない状態においても負のパワーを持つ構成の場合、パワーを持たないレンズに比べて色収差が多く発生するため、電圧印可時の色収差も多く発生してしまう。

しかし、図１１に示すように、本実施例の電気活性レンズにおいては、電圧を印可して回折面によるパワーを付加した状態においても色収差を低減できており、至近物体を観察する時にも物体の色にじみが少ない状態で観察することができる。

さらに、中心部に近い領域Ｒ１における屈折レンズによる色収差の合計をＣｓ１、Ｒ２における屈折レンズによる色収差の合計をＣｓ２、Ｃｓ１とＣｓ２の差をΔＣｓとしたとき、以下の条件式を満たすことで、電圧印可状態と電圧非印可状態の両方において、色収差をバランスよく補正することができる。

０．０３＜ΔＣｓ×１０００＜０．５ ・・・（７）
ただし、ΔＣｓ＝Ｃｓ１−Ｃｓ２ ・・・（７ａ）
（７）式の下限を下回ると、十分な色収差補正効果が得られず、（７）式の上限を超えると、電圧を印可しない状態における色収差の発生が多くなってしまう。

（７）式は好ましくは以下の範囲とするのがよい。

０．０５＜ΔＣｓ×１０００＜０．３５ ・・・（７ｂ）
（７）式はさらに好ましくは以下の範囲とするのがよい。

０．１０＜ΔＣｓ×１０００＜０．２５ ・・・（７ｃ）
前記電気活性レンズの領域Ｒ１における回折面における色収差をＣｄ１、領域Ｒ２における回折面における色収差をＣｄ２、Ｃｄ１とＣｄ２の差をΔＣｄとしたとき、以下の条件式を満たすことで、電圧印可時と電圧非印可時の両方の状態においてバランスよく色収差を抑制することができる。

−０．８＜ΔＣｓ／ΔＣｄ＜０ ・・・（８）
（８）式の下限を下回ると、電圧を印可しない状態における色収差の発生が多くなってしまう。（８）式の上限を上回ると、回折面で発生する色収差の補正が足りなくなり、電圧を印可した状態における色収差の発生を抑制できなくなる。

（８）式は好ましくは以下の範囲とするのがよい。

−０．６＜ΔＣｓ／ΔＣｄ＜−０．０５ ・・・（８ｂ）
（８）式はさらに好ましくは以下の範囲とするのがよい。

−０．４５＜ΔＣｓ／ΔＣｄ＜−０．１ ・・・（８ｃ）
さらに、電気活性材料からなるレンズＬｑは、屈折によるパワーが少ない方がのぞましい。電気活性材料からなるレンズＬｑがパワーを有していると、電圧を印可して屈折率が変化した際にレンズＬｑのパワーが変わってしまうため、電気活性レンズ全体のパワーも変わってしまう。

レンズＬｑのパワーをφＬｑとしたとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。

｜φＬｑ／φＤ｜＜２．０ ・・・（９）
（９）式は好ましくは以下の範囲とするのがよい。

｜φＬｑ／φＤ｜＜０．５ ・・・（９ｂ）

実施例１及び実施例２の電気活性レンズにおいては、図１０に示すように、基板レンズ１１０と色補正用レンズ１２０をそれぞれ設けていたが、本発明はそれに限るものではない。

図１２に、実施例３の構成の電気活性レンズの断面図を示す。

図１２に示す光路図においては、電圧を印可することにより、パワーを付加させた状態となっている。

図１２に示すレンズ断面図は、回旋点ＲＰを中心に眼球を１０°回転させた状態である。回旋点ＲＰは、眼を模した理想レンズＬｅｙｅから１３ｍｍの場所に設定している。電気活性レンズ１００以外の構成は実施例２の電気活性レンズと同様である。

図１２に示す電気活性レンズにおいては、中心部の領域Ｒ１と周辺部の領域Ｒ２で異なるレンズ構成としている。実施例３の電気活性レンズにおいては、光入射側の基板レンズと色補正レンズを同一の材料とすることで、より簡素な構成としている。

さらに、一部のレンズを領域Ｒ１と領域Ｒ２で一体化しており、簡素で製造容易な構成としている。

図１３に、図１２に示した電気活性レンズの詳細断面図を示す。但し、図１３は格子深さ方向及び径方向にかなりデフォルメされた図となっている。

実施例３の電気活性レンズにおいては、基板レンズとレンズＬ１を同一材料とすることで、レンズ１１０に基板レンズの役割と色補正レンズの役割を両立させている。

また、レンズ１１０とレンズ１６０においては、中心部の領域Ｒ１と周辺部の領域Ｒ２で一体化した構成としており、製造容易な構成となっている。

実施例３の電気活性レンズにおいても、中心部Ｒ１においては、実施例１と同様に、第１のレンズ１１０と第２のレンズ１５０のパワーと分散を適切に選択することで、回折面２００で発生する色収差を低減した構成となっている。

電気活性材料１３０、及び格子材料１４０は、実施例１と同一の材料を用いており、電圧非印可時は、回折面２００において発生する回折パワーは小さく、電気活性材料１３０に電圧を印可すると、回折面２００において回折による正のパワーが発生する。

図１２に示す光路における横収差図を図１４に示す。

図１４に示すように、実施例３の電気活性レンズにおいても、電圧を印可して回折面によるパワーを付加した状態において色収差を低減できており、至近物体を観察する時にも物体の色にじみが少ない状態で観察することができる。

実施例１〜３の電気活性レンズにおいては、回折面の向きを物体側に凸となるように設定していたが、本発明の効果はこれに限るものではない。

図１５に、実施例４の構成の電気活性レンズの断面図を示す。

図１５に示す光路図においては、電圧を印可することにより、パワーを付加させた状態となっている。

図１５に示すレンズ断面図は、回旋点ＲＰを中心に眼球を１０°回転させた状態である。回旋点ＲＰは、眼を模した理想レンズＬｅｙｅから１３ｍｍの場所に設定している。電気活性レンズ１００以外の構成は実施例１の電気活性レンズと同様である。

図１６に、図１５に示した電気活性レンズの詳細断面図を示す。但し、図１６は格子深さ方向及び径方向にかなりデフォルメされた図となっている。

実施例４の電気活性レンズにおいても、実施例１と同様に、第１のレンズ１２０と第２のレンズ１５０のパワーと分散を適切に選択することで、回折面２００で発生する色収差を低減した構成となっている。

電気活性材料１３０、及び格子材料１４０は、実施例１と同一の材料を用いており、電圧非印可時は、回折面２００において発生する回折パワーは小さく、電気活性材料１３０に電圧を印可すると、回折面２００において回折による正のパワーが発生する。

図１５に示す光路における横収差図を図１７に示す。

図１７に示すように、実施例４の電気活性レンズにおいても、電圧を印可して回折面によるパワーを付加した状態において色収差を低減できており、至近物体を観察する時にも物体の色にじみが少ない状態で観察することができる。

図１８に、実施例５の構成の電気活性レンズの断面図を示す。

図１８に示す光路図においては、電圧を印可することにより、パワーを付加させた状態となっている。

図１８に示すレンズ断面図は、回旋点ＲＰを中心に眼球を１０°回転させた状態である。回旋点ＲＰは、眼を模した理想レンズＬｅｙｅから１３ｍｍの場所に設定している。電気活性レンズ１００以外の構成は実施例４の電気活性レンズと同様である。

図１８に示す電気活性レンズにおいては、中心部の領域Ｒ１と周辺部の領域Ｒ２で異なるレンズ構成としている。実施例５の電気活性レンズにおいては、光出射側の基板レンズと色補正レンズを合わせて一体のレンズ１２０とすることで、より簡素な構成としている。

さらに、一部のレンズを領域Ｒ１と領域Ｒ２で一体化しており、簡素で製造容易な構成としている。

図１９に、図１８に示した電気活性レンズの詳細断面図を示す。但し、図１３は格子深さ方向及び径方向にかなりデフォルメされた図となっている。

実施例５の電気活性レンズにおいては、基板レンズと色補正用レンズＬ１を同一材料とすることで、レンズ１２０に基板レンズの役割と色補正レンズの役割を両立させている。

また、レンズ１１０とレンズ１２０においては、中心部の領域Ｒ１と周辺部の領域Ｒ２で一体化した構成としており、製造容易な構成となっている。

実施例５の電気活性レンズにおいても、中心部Ｒ１においては、実施例１と同様に、第１のレンズ１２０と第２のレンズ１５０のパワーと分散を適切に選択することで、回折面２００で発生する色収差を低減した構成となっている。

電気活性材料１３０、及び格子材料１４０は、実施例１と同一の材料を用いており、電圧非印可時は、回折面２００において発生する回折パワーは小さく、電気活性材料１３０に電圧を印可すると、回折面２００において回折による正のパワーが発生する。

図１８に示す光路における横収差図を図２０に示す。

図２０に示すように、実施例５の電気活性レンズにおいても、電圧を印可して回折面によるパワーを付加した状態において色収差を低減できており、至近物体を観察する時にも物体の色にじみが少ない状態で観察することができる。

実施例１〜５の電気活性レンズにおいては、回折面に接する格子材料層のパワーがほとんどない構成のものであったが、本発明の効果はこれに限るものではない。

図２１に、実施例６の構成の電気活性レンズの断面図を示す。

図２１に示す光路図においては、電圧を印可することにより、パワーを付加させた状態となっている。

図２１に示すレンズ断面図は、回旋点ＲＰを中心に眼球を１０°回転させた状態である。回旋点ＲＰは、眼を模した理想レンズＬｅｙｅから１３ｍｍの場所に設定している。電気活性レンズ１００以外の構成は実施例１の電気活性レンズと同様である。

図２２に、図２１に示した電気活性レンズの詳細断面図を示す。但し、図２２は格子深さ方向及び径方向にかなりデフォルメされた図となっている。

実施例６の電気活性レンズにおいては、基板レンズと色補正用レンズＬ２を同一材料とすることで、レンズ１５０に基板レンズの役割と色補正レンズの役割を両立させている。

さらに、回折面を形成する格子材料と色補正レンズＬ１を同一材料とすることで、レンズ１２０に格子材料の役割と色補正レンズの役割を両立させている。

実施例６の電気活性レンズにおいても、実施例１と同様に、第１のレンズ１２０と第２のレンズ１５０のパワーと分散を適切に選択することで、回折面２００で発生する色収差を低減した構成となっている。

電極１７０、１８０および１９０は、電気活性材料１３０に所望の電圧を印加し、２つの電気活性材料の屈折率および屈折率分散を所望の値に変化させる。

電気活性材料１３０は、電圧非印可時の屈折率及び分散は、Ｎｄ＝１．６４６、νｄ＝１６．５であり、格子材料（第１のレンズ）１２０の屈折率及び分散は、Ｎｄ＝１．６４５、νｄ＝３８．８である。

そのため、電圧非印可時は、電気活性材料１３０と格子材料１２０の間の屈折率差は小さく、回折面２００において発生する回折パワーは小さい。

電気活性材料１３０に電圧を印可すると、電気活性材料１３０の屈折率は下がり、Ｎｄ＝１．５２５５、νｄ＝２５．９となり、格子材料１２０との間に屈折率差が生じ、回折パワーが発生する。

格子厚ｄ１は、電気活性レンズの使用波長域で、（ｃ）式のφ（λ）が高くなるように設定される。実施例６の回折光学素子において、格子厚ｄ１は４．６５μｍである。

図２１に示す光路における横収差図を図２３に示す。

図２３に示すように、実施例６の電気活性レンズにおいても、電圧を印可して回折面によるパワーを付加した状態において色収差を低減できており、至近物体を観察する時にも物体の色にじみが少ない状態で観察することができる。

以下、上記各実施例に対応する数値例を示す。各数値例において、ｍは光入射側から数えた面または光学素子の番号を示す。例えば、Ｒｍは第ｍ番目の光学面（第ｍ面）の曲率半径である。Ｄｍは第ｍ面と第（ｍ＋１）面との間の軸上間隔である。Ｒｍ、Ｄｍの単位はｍｍである。

本実施例における非球面の形状は、Ｘを光軸方向の面頂点からの変位量とし、ｈを光軸に直交する方向の光軸からの高さとし、ｒを近軸曲率半径とし、ｋを円錐定数とし、Ａｉ（ｉ＝４，６，８…）を各次数の非球面係数とするとき、以下の式で表す。

「Ｅ±ＸＸ」は「×１０^±ＸＸ」を意味する。ｆは焦点距離、Ｆｎｏは有効Ｆナンバーである。ωは半画角であり、単位は度である。Ｙｍは最大像高を示している。

（比較例）
ｆ＝４９９（電圧付加状態） Ｆｎｏ＝３．９〜３．８４

（実施例１）
ｆ＝４９９（電圧付加状態） Ｆｎｏ＝３．９〜３．８４

（実施例２）
ｆ＝−３３０．８（電圧付加状態） Ｆｎｏ＝４．３８〜４．３３

（領域Ｒ１：光軸から０〜２０ｍｍ）

（領域Ｒ２：光軸から２０〜４０ｍｍ）

（実施例３）
ｆ＝−３３０．４（電圧付加状態） Ｆｎｏ＝４．３８〜４．３３

（領域Ｒ１：光軸から０〜２０ｍｍ）

（領域Ｒ２：光軸から２０〜４０ｍｍ）

（実施例４）
ｆ＝−３２９．７（電圧付加状態） Ｆｎｏ＝４．３８〜４．３３

（実施例５）
ｆ＝−３２９．８（電圧付加状態） Ｆｎｏ＝４．３８〜４．３３

（領域Ｒ１：光軸から０〜２０ｍｍ）

（領域Ｒ２：光軸から２０〜４０ｍｍ）

（実施例６）
ｆ＝−３２２．８（電圧付加状態） Ｆｎｏ＝４．３８〜４．３３

又前述の条件式（１）〜（９）と数値実施例との関係を表１１に示す。

１００ 電気活性レンズ、１１０ 基板、１２０ 第１のレンズ、
１３０ 電気活性材料、１５０ 第２のレンズ、１６０ 基板

Claims (10)

1. 少なくとも２つの光学状態を有する電気活性レンズにおいて、前記電気活性材料からなるレンズＬｑと、少なくとも一つ以上の回折面と、少なくとも２つのレンズＬ１、Ｌ２を有しており、回折面におけるパワーをφＤ、レンズＬ１の屈折によるパワーをφ１、レンズＬ１のアッベ数をν１、レンズＬ２のアッベ数をν２、レンズＬ１とレンズＬ２のアッベ数の差をΔνとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする電気活性レンズ。
   φＤ×φ１×Δν＜０
   ただし、Δν＝ν１−ν２
2. 前記電気活性レンズにおけるレンズＬ１とレンズＬ２のアッベ数の逆数の差をΔνｒとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の電気活性レンズ。
   ０．００３＜Δνｒ＜０．１
   ただし、Δνｒ＝｜１／ν１−１／ν２｜
3. 前記電気活性レンズにおけるレンズＬ１とレンズＬ２のｄ線における屈折率差をΔＮとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気活性レンズ。
   ｜ΔＮ｜＜０．１
4. 前記電気活性レンズの中心部における屈折レンズによる色収差の合計をＣｓとし、電気不活性化状態における前記電気活性レンズ全体のパワーをφｏｆｆとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の電気活性レンズ。
   ０．０３＜（Ｃｓ−φｏｆｆ／３５）×１０００＜０．５
   ただし、Ｃｓは、各レンズＬｉ（ｉ＝１、２、・・・）のパワーをφｉ、アッベ数をνｉとしたとき、
   で与えられる。
5. 前記電気活性レンズにおいて、電気活性化状態における回折面における色収差をＣｄとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の電気活性レンズ。
   −０．８＜（Ｃｓ−φｏｆｆ／３５）／Ｃｄ＜０
6. 前記電気活性レンズは、パワーが異なる少なくとも２つの領域Ｒ１、Ｒ２を有しており、中心部に近い領域Ｒ１における屈折レンズによる色収差の合計をＣｓ１、領域Ｒ２における屈折レンズによる色収差の合計をＣｓ２、Ｃｓ１とＣｓ２の差をΔＣｓとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の電気活性レンズ。
   ０．０３＜ΔＣｓ×１０００＜０．５
   ただし、ΔＣｓ＝Ｃｓ１−Ｃｓ２
7. 前記電気活性レンズの領域Ｒ１における回折面による色収差をＣｄ１、領域Ｒ２における回折面による色収差をＣｄ２、Ｃｄ１とＣｄ２の差をΔＣｄとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の電気活性レンズ。
   −０．８＜ΔＣｓ／ΔＣｄ＜０
8. 前記電気活性レンズにおいて、電圧を印可していない状態において、領域Ｒ１におけるパワーをφＲ１、領域Ｒ２におけるパワーをφＲ２としたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の電気活性レンズ。
   ０．９＜φＲ２／φＲ１＜１．１
9. 前記電気活性レンズにおいて、電気活性材料からなるレンズＬｑの屈折によるパワーをφＬｑとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の電気活性レンズ。
   ｜φＬｑ／φＤ｜＜２．０
10. 前記電気活性材料が、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乃至請求項９に何れか一項に記載の電気活性レンズ。