JP2023060406A - 光学素子及びこれを備える光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】可変パワー領域の面積が十分広く、電気不活性化状態において歪みが少なく視認性の良い光学素子及びこれを備える光学機器を提供すること。【解決手段】光学素子は、焦点距離が互いに異なる第１の状態と第２の状態とに切り替え可能な光学素子であって、順に配置された、第１の電極層、絶縁層、抵抗層、液晶層、及び第２の電極層を有し、抵抗層の第１の位置における電気抵抗率は、抵抗層の第２の位置における電気抵抗率と異なる。【選択図】図１０

Description

本発明は、光学素子及びこれを備える光学機器に関する。

特許文献１には、使用者が遠方領域を見る際に老眼用パワー部に光学的パワーを付加せず、至近領域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（液晶レンズ）が開示されている。

特表２０１１－５１６９２７号公報

特許文献１の液晶レンズは、曲率が滑らかに変化する累進パワーレンズの一部に可変パワー領域を配置することで構成されている。そのため、電気不活性化状態において、使用者が遠方領域を見る際に景色が歪んで見えてしまい、好ましくない。また、基板ガラスに回折格子を形成する必要があるため、可変パワー領域の大面積化が困難である。

本発明は、可変パワー領域の面積が十分広く、電気不活性化状態において歪みが少なく視認性の良い光学素子及びこれを備える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、焦点距離が互いに異なる第１の状態と第２の状態とに切り替え可能な光学素子であって、順に配置された、第１の電極層、絶縁層、抵抗層、液晶層、及び第２の電極層を有し、抵抗層の第１の位置における電気抵抗率は、抵抗層の第２の位置における電気抵抗率と異なることを特徴とする。

本発明によれば、可変パワー領域の面積が十分広く、電気不活性化状態において歪みが少なく視認性の良い光学素子及びこれを備える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を備える光学機器の一例である電子眼鏡の斜視図である。 電子眼鏡の正面図である。 電子眼鏡の構成図である。 電気活性レンズの正面図である。 第１の状態での可変パワー領域の断面図と光学位相差分布を示す図である。 第２の状態での可変パワー領域の断面図と光学位相差分布を示す図である。 第１の状態での可変パワー領域の制御方法の説明図である。 第２の状態での可変パワー領域の制御方法の説明図である。 第１の電極層の作製方法の説明図である。 第１の状態での液晶分子の配向分布を示す図である。 第１の状態において液晶層で生じる光学位相差分布を示す図である。 第２の状態での液晶分子の配向分布を示す図である。 第２の状態において液晶層で生じる光学位相差分布を示した図である。 第１の状態での液晶分子の配向分布の他の例を示す図である。 第１の状態において液晶層で生じる光学位相差分布の他の例を示す図である。 第１の状態での液晶分子の配向分布を示す図である（比較例）。 第１の状態において液晶層で生じる光学位相差分布を示す図である（比較例）。

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１は、本発明の実施形態に係る光学素子を備える光学機器の一例である電子眼鏡１０の斜視図である。図２は、電子眼鏡１０の正面図である。図３は、電子眼鏡１０の構成図である。

電子眼鏡１０は、電気活性レンズ（光学素子）１１，１２、フレーム１３、及びテンプル１４，１５を有する。電気活性レンズ１１，１２は、可変焦点機能を有する液晶レンズである。電気活性レンズ１１は、右眼用であり、可変パワー領域１０１を有する。電気活性レンズ１２は、左眼用であり、可変パワー領域１０２を有する。フレーム１３は、電気活性レンズ１１，１２を保持し、内部に電気活性レンズ１１，１２に接続されているケーブル１６を有する。テンプル１４，１５は夫々、フレーム１３に接続されており、内部にセンサー部２１，２２，コントローラー部（制御部）３１，３２、及び電源部４１、４２を有する。センサー部２１，２２、コントローラー部３１，３２、及び電源部４１，４２は、ケーブル１６に電気的に接続されている。コントローラー部３１，３２は夫々、センサー部２１，２２からの信号に対応して電気活性レンズ１１，１２に印加する電圧を制御する。コントローラー部３１，３２が電気活性レンズ１１，１２に印加する電圧を制御することで、電気活性レンズ１１，１２（可変パワー領域１０１，１０２）の光学的状態を変化させることが可能である。ここで、光学的状態とは、可変パワー領域１０１，１０２の光学的パワー（焦点距離）を意味する。

本実施形態では、電気活性レンズ１１，１２を、可変パワー領域１０１，１０２に光学的パワー（例えば＋２Ｄ）が付加されている状態（電気活性化状態）と光学的パワーが実質的に付加されていない状態（電気不活性化状態）とに切り替えることができる。したがって、電子眼鏡１０では、使用者が遠方領域を見る際に各可変パワー領域に光学的パワーを付加せず、至近領域を見る際に各可変パワー領域に光学的パワーを付加すればよい。これにより、電気不活性化状態において電気活性レンズ１１，１２内に光学的パワーの異なる領域は存在せず、均一なパワー分布を取得することができる。すなわち、電気不活性化状態において、歪みが少なく視認性の良い電子眼鏡１０（電気活性レンズ１１,１２）を実現することができる。

また、本実施形態では、電気活性レンズ１１，１２を、電気活性化状態において、焦点距離が互いに異なる第１の状態と第２の状態とに切り替え可能である。具体的には、電気活性レンズ１１，１２を、電気活性化状態において、可変パワー領域１０１，１０２が第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小さい第２の光学的パワーを有する第２の状態とに切り替えることができる。例えば、各可変パワー領域は、第１の状態において例えば＋２Ｄを有し、第２の状態において例えば＋１Ｄを有する。すなわち、本実施形態では、第１の光学的パワーは、第２の光学的パワーの２倍である。したがって、電子眼鏡１０では、使用者が至近領域を見る際に各可変パワー領域に第１の光学的パワーを付加し、例えばパソコン操作時のモニターとの距離だけ離れた中間領域を見る際に各可変パワー領域に第２の光学的パワーを付加すればよい。このように各可変パワー領域に付加する光学的パワーを変化させることで、至近領域にも中間領域にもピントを合わせることが可能な電子眼鏡１０（電気活性レンズ１１,１２）を実現することができる。

図４は、電気活性レンズ１１の正面図である。電気活性レンズ１１の外形は、フレーム１３の形状に対応して加工される。また、電気活性レンズ１１の前面及び後面は、使用者の矯正すべき度数に対応して加工される。可変パワー領域１０１は、電気活性レンズ１１の中心より使用者の鼻側に形成される。可変パワー領域１０１は、同心円状に配置された、光学的に透明な輪帯電極１，２，３，４を有する。輪帯電極１，２，３，４は夫々、リード線５１，５２，５３，５４に接続されている。各リード線は、電気活性レンズ１１の外周まで延び、ケーブル１６に電気的に接続されている。

以下、図５乃至図８を参照して、各電気活性レンズを第１の状態と第２の状態とに切り替える際の各可変パワー領域の制御方法について説明する。図５は、第１の状態での可変パワー領域１０１（１０２）の断面図と光学位相差分布を示す図である。図６は、第２の状態での可変パワー領域１０１（１０２）の断面図と光学位相差分布を示す図である。図７は、第１の状態での可変パワー領域１０１（１０２）の制御方法の説明図である。図８は、第２の状態での可変パワー領域１０１（１０２）の制御方法の説明図である。

図５（Ａ）は、第１の状態での可変パワー領域１０１（１０２）の構成図（断面図）である。可変パワー領域１０１（１０２）は、平坦面又は一定の曲率を持つ面を有する第１の基板と、平坦面又は一定の曲率を持つ面を有する第２の基板とに挟持されている。

可変パワー領域１０１は、順に配置された、第１の電極層、絶縁層６、抵抗層７、液晶層８、及び第２の電極層５を有する。

第１の電極層は、輪帯電極１，２，３，４を含む。第２の電極層５は、光学的に透明な単一の電極層である。第１の電極層及び第２の電極層５は、例えば透過性の伝導性酸化物（ＩＴＯ、酸化チタン、酸化亜鉛、又はこれらの混合物）、又は伝導性有機材料（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ又はカーボンナノチューブ）で構成される。

絶縁層６は、光学的に透明であり、第１の電極層と抵抗層７との間に設けられ、輪帯電極間を電気的に絶縁する。絶縁層６は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で構成される。絶縁層６の厚みは、０．０１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。絶縁層６の電気抵抗率は、１×１０^８Ω・ｃｍ以上１×１０^１２Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

抵抗層７は、光学的に透明であり、絶縁層６と液晶層８との間に設けられている。抵抗層７を設けることで、異なる大きさの電圧が印加された輪帯電極間において、滑らかに電圧を変化させることが可能になる。抵抗層７は、例えば透過性の伝導性酸化物（酸化亜鉛等）又は伝導性有機材料（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ又はカーボンナノチューブ等）で構成される。抵抗層７の厚みは、０．０１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。抵抗層７の電気抵抗率は、１×１０^２Ω・ｃｍ以上１×１０^７Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

液晶層８は、抵抗層７と第２の電極層５との間に設けられている。コントローラー部３１（３２）により第１の電極層及び第２の電極層５に印加する電圧を制御することで、液晶層８の配向分布を調整することができる。液晶層８の配向分布を調整することで、所望の光学位相差分布を入射光に付与することが可能になる。

配向膜（不図示）は、液晶層８に接するように設けられている。配向膜は、薄膜であり、例えばポリイミド材料等で構成される。配向膜の厚みは、０．１μｍ以下であることが好ましい。配向膜は、ラビング処理、又は紫外線を直線偏光にして照射した光配向処理を施されている。これにより、液晶層８の内部の液晶分子の初期配向を制御することができる。

本実施形態では、絶縁層６の電気抵抗率をＲ１、抵抗層７の電気抵抗率をＲ２とするとき、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。

１×１０^－７＜Ｒ２／Ｒ１＜１×１０^－３ （１）
条件式（１）を満足することで、可変パワー領域１０１（１０２）の面積を十分に広くすることができる。条件式（１）の上限値を上回ると、液晶層８に対する電位分布がフレネルレンズ形状又は回折レンズ形状にならず、液晶層８に滑らかな屈折率分布を与えることができなくなるため、好ましくない。関係式（１）の下限値を下回ると、液晶層８に対する電位の絶対値が小さくなり過ぎてしまい、液晶層８に十分な屈折率分布を与えることができなくなるため、好ましくない。

また、条件式（１）の数値範囲を以下の条件式（１ａ）の範囲とすることが好ましい。

５×１０^－７＜Ｒ２／Ｒ１＜５×１０^－４ （１ａ）
また、条件式（１）の数値範囲は、以下の条件式（１ｂ）の範囲とすることが更に好ましい。

１×１０^－６＜Ｒ２／Ｒ１＜１×１０^－４ （１ｂ）
図５（Ｂ）は、第１の状態において液晶層８で生じる光学位相差分布を示す図である。フレネルレンズ形状又は回折レンズ形状の光学位相差分布とすることで、液晶層８の厚みを薄くすることを可能にしている。フレネルレンズ形状又は回折レンズ形状の光学位相差分布を取得するために、輪帯電極１，２，３，４は同心円状に配置される。各輪帯電極の大きさは、光学位相差分布の形状によって決定される。各輪帯電極の中心から光学位相差が切り替わる位置までの距離（半径）ｒｎは、以下の式（２）により表される。

ｒｎ＝ｎ^１／２×ｒ１ （２）
ただし、ｒ１は各輪帯電極の中心から光学位相差が切り替わる位置のうち各輪帯電極の中心に最も近い位置までの距離であり、ｎは２以上の整数である。

輪帯電極１，２，３，４は、二つの輪帯電極を一対とし、該一対の輪帯電極の間に光学位相差が切り替わる位置が位置するように配置される。本実施形態では、輪帯電極１，２と輪帯電極３，４が一対の輪帯電極である。光学位相差が切り替わる位置のうち各輪帯電極の中心に最も近い位置は輪帯電極３，４の間に位置し、各輪帯電極の中心に２番目に近い位置は輪帯電極１，２の間に位置する。

コントローラー部３１（３２）は、センサー部２１（２２）からの信号に対応して各輪帯電極に印加する電圧を制御する。第１の状態では、輪帯電極１，３には第１の電圧Ｖ１が印加され、輪帯電極２，４には第１の電圧Ｖ１とは異なる第２の電圧Ｖ２が印加される。このとき、スイッチ部ＳＷ１は輪帯電極３に第１の電圧Ｖ１が印加されるように制御され、スイッチ部ＳＷ２は輪帯電極４に第２の電圧Ｖ２が印加されるように制御される。これにより、図５（Ｂ）に示される光学位相差分布を取得することができる。

図６（Ａ）は、第２の状態での可変パワー領域１０１（１０２）１０１の構成図である。図６（Ｂ）は、第２の状態において液晶層８で生じる光学位相差分布を示す図である。

第２の状態では、第１の状態と同様に、輪帯電極１には第１の電圧Ｖ１が印加され、輪帯電極２には第２の電圧Ｖ２が印加される。また、輪帯電極３には第３の電圧Ｖ３が印加され、輪帯電極４には第４の電圧Ｖ４が印加される。このとき、スイッチ部ＳＷ１は輪帯電極３に第３の電圧Ｖ３が印加されるように制御され、スイッチ部ＳＷ２は輪帯電極４に第４の電圧Ｖ４が印加されるように制御される。これにより、図６（Ｂ）に示される光学位相差分布を取得することができる。

本実施形態では、第３の電圧Ｖ３と第４の電圧Ｖ４は、第１の電圧Ｖ１と第２の電圧Ｖ２の平均値（＝Ｖ１＋Ｖ２／２）と略等しくなるように設定されている。すなわち、式（１）で表される各輪帯電極の中心から光学位相差が切り替わる位置までの距離ｒｎの添字ｎが奇数となる位置に配置された一対の輪帯電極に対してこのような電圧（＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２）が印加される。これにより、第２の状態では、第１の状態における光学位相差分布に比べて、光学位相差の切り替わりピッチが２倍である光学位相差分布を取得することが可能になる。

以下、図９を参照して、第１の電極層の作製方法について説明する。図９は、第１の電極層の作製方法の説明図である。まず、図９（Ａ）に示されるように、蒸着やスパッタを用いてガラス基板上に均一な電極層を成膜する。次に、図９（Ｂ）に示されるように、均一な電極層をエッチングによって同心円状の輪帯形状にパターニングし、輪帯電極１，２，３，４を作製する。次に、図９（Ｃ）に示されるように、蒸着やスパッタを用いて輪帯電極１，２，３，４の上に均一な絶縁層６を成膜する。次に、図９（Ｄ）に示されるように、電気的に接続させる輪帯電極上にエッチングによって矩形の開口部を形成する。次に、図９（Ｅ）に示されるように、蒸着やスパッタを用いてリード電極層を成膜し、エッチングによってパターニングを行い、リード線５１，５２，５３，５４を成形する。最後に、図９（Ｆ）に示されるように、蒸着やスパッタを用いて均一な抵抗層７を成膜する。

図１０は、第１の状態での液晶分子の配向分布を示す図であり、シミュレーションによって取得される。図１１は、第１の状態において液晶層８で生じる光学位相差分布を示す図である。

以下、シミュレーションの条件について説明する。輪帯電極１，２，３，４、及び第２の電極層５の材料は、ＩＴＯである。各輪帯電極の厚みは、５０ｎｍである。絶縁層６の材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。絶縁層６の厚みは、０．１μｍである。絶縁層６の面抵抗率は１×１０^１５Ωであり、電気抵抗率は１×１０^１０Ω・ｃｍである。抵抗層７は、夫々が異なる電気抵抗率である抵抗層７１，７２，７３を有する。抵抗層７１，７２，７３の材料は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする化合物である。抵抗層７１，７２，７３の厚みは、０．２５μｍである。抵抗層７１の面抵抗率は４×１０^８Ωであり、電気抵抗率は１×１０^４Ω・ｃｍである。抵抗層７２の面抵抗率は３０×１０^８Ωであり、電気抵抗率は７．５×１０^４Ω・ｃｍである。抵抗層７３の面抵抗率は６０×１０^８Ωであり、電気抵抗率は１５×１０^４Ω・ｃｍである。液晶層８の材料は、ネマチック液晶Ｅ７である。ネマチック液晶Ｅ７の複屈折Δｎは、波長５５０ｎｍの光に対して０．２２である。液晶層８の厚みは、５０μｍである。液晶層８の上面と下面において、プレチルト角は３°である。第１の電圧Ｖ１は１Ｖであり、周波数は１００Ｈｚである。第２の電圧Ｖ２は２．５Ｖであり、周波数は１００Ｈｚである。第２の電極層５をグランドとし、第２の電極層５に印加する電圧は０Ｖである。

図１０において、左端は可変パワー領域１０１（１０２）の中心位置であり、右端から左端までの距離は１０ｍｍである。すなわち、可変パワー領域１０１（１０２）の径は、２０ｍｍである。第１の電圧Ｖ１が印加される位置では、液晶分子は倒れており、実効屈折率は高くなる。第２の電圧Ｖ２が印加される位置では、液晶分子は電場の向きにしたがって立ち上がっており、実効屈折率は低くなる。また、第１及び第２の電圧Ｖ１，Ｖ２が印加される位置の間の領域では、抵抗層７の作用により電圧が滑らかに変化しているため、液晶分子の配向も滑らかに変化している。これにより、滑らかな形状の屈折率分布を実現することができるため、図１１に示されるようにフレネルレンズ形状の滑らかな光学位相差分布を取得することができる。

図１２は、第２の状態での液晶分子の配向分布を示す図であり、シミュレーションによって取得される。図１３は、第２の状態において液晶層８で生じる光学位相差分布を示す図である。

図１２の配向分布を取得する際に用いたシミュレーションの条件は、図１０の配向分布を取得する際に用いたシミュレーションの条件と基本的に同様であるが、輪帯電極３，４に印加する第３及び第４の電圧Ｖ３，Ｖ４が異なる。第３の電圧Ｖ３は１．８Ｖであり、周波数は１００Ｈｚである。第４の電圧Ｖ４は１．７Ｖであり、周波数は１００Ｈｚである。第３及び第４の電圧Ｖ３，Ｖ４は、第１及び第２の電圧Ｖ１，Ｖ２の平均値２Ｖ（＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２）に略等しい。

図１２において、第３及び第４の電圧Ｖ３，Ｖ４が印加される位置では、液晶分子の配向が不連続になることなく滑らかに変化している。図１３に示されるように、第１の状態における光学位相差分布に比べてピッチが２倍であるフレネルレンズ形状の滑らかな光学位相差分布を取得することができる。このように、各輪帯電極の中心から光学位相差が切り替わる位置までの距離ｒｎの添字ｎが奇数となる位置に配置された一対の輪帯電極に第１及び第２の電圧Ｖ１，Ｖ２の平均値が印加される。これにより、第２の状態では、第１の状態における光学位相差分布に比べて、光学位相差の切り替わりピッチが２倍である緩やかな光学位相差分布を取得することができる。

図１４は、第１の状態での液晶分子の配向分布の他の例を示す図であり、シミュレーションによって取得される。図１５は、第１の状態において液晶層８で生じる光学位相差分布の他の例を示す図である。

以下、シミュレーションの条件について説明する。輪帯電極１，２，３，４、及び第２の電極層５の材料は、ＩＴＯである。絶縁層６の材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。絶縁層６の厚みは、０．１５μｍである。絶縁層６の面抵抗率は１×１０^１５Ωであり、電気抵抗率は１．５×１０^１０Ω・ｃｍである。抵抗層７は、夫々が異なる電気抵抗率である抵抗層７１，７２，７３，７４，７５，７６を有する。抵抗層７１，７２，７３，７４，７５，７６の材料は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする化合物である。抵抗層７１，７２，７３，７４，７５，７６の厚みは、０．２５μｍである。抵抗層７１の面抵抗率は４×１０^８Ωであり、電気抵抗率は１×１０^４Ω・ｃｍである。抵抗層７２の面抵抗率は２０×１０^８Ωであり、電気抵抗率は５×１０^４Ω・ｃｍである。抵抗層７３の面抵抗率は３０×１０^８Ωであり、電気抵抗率は７．５×１０^４Ω・ｃｍである。抵抗層７４の面抵抗率は４０×１０^８Ωであり、電気抵抗率は１０×１０^４Ω・ｃｍである。抵抗層７５の面抵抗率は６０×１０^８Ωであり、電気抵抗率は１５×１０^４Ω・ｃｍである。抵抗層７６の面抵抗率は８０×１０^８Ωであり、電気抵抗率は２０×１０^４Ω・ｃｍである。液晶層８の材料は、ネマチック液晶５ＣＢである。ネマチック液晶５ＣＢの複屈折Δｎは、波長５５０ｎｍの光に対して０．１８である。液晶層８の厚みは、５０μｍである。液晶層８の上面と下面において、プレチルト角は３°である。第１の電圧Ｖ１は１Ｖであり、周波数は１００Ｈｚである。第２の電圧Ｖ２は２．５Ｖであり、周波数は１００Ｈｚである。第２の電極層５をグランドとし、第２の電極層５に印加する電圧は０Ｖである。

図１４において、左端は可変パワー領域１０１（１０２）の中心位置であり、右端から左端までの距離は１０ｍｍである。すなわち、可変パワー領域１０１（１０２）の径は、２０ｍｍである。図１４では、可変パワー領域１０１（１０２）の中心部での液晶分子の配向を調整するため、電極９を各輪帯電極の中心に配置している。電極９には、第1の電圧Ｖ１が印加される。第１の電圧Ｖ１が印加される位置では、液晶分子は倒れており、実効屈折率は高くなる。第２の電圧Ｖ２が印加される位置では、液晶分子は電場の向きにしたがって立ち上がっており、実効屈折率は低くなる。また、第１及び第２の電圧Ｖ１，Ｖ２が印加される位置の間の領域では、抵抗層７の作用により電圧が滑らかに変化しているため、液晶分子の配向も滑らかに変化している。これにより、滑らかな形状の屈折率分布を実現することができるため、図１５に示されるようにフレネルレンズ形状の滑らかな光学位相差分布を取得することができる。

図１６は、比較例の第1の状態での液晶分子の配向分布を示す図であり、シミュレーションによって取得される。図１７は、比較例の第１の状態において液晶層８で生じる光学位相差分布を示す図である。

以下、シミュレーションの条件について説明する。輪帯電極１，２，３，４、及び第２の電極層５の材料は、ＩＴＯである。絶縁層６の材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。絶縁層６の厚みは、０．１μｍである。絶縁層６の面抵抗率は１×１０^１５Ωであり、電気抵抗率は１×１０^１０Ω・ｃｍである。抵抗層７の材料は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする化合物である。抵抗層７の厚みは、０．２５μｍである。抵抗層７の面抵抗率は４×１０^８Ωであり、電気抵抗率は１×１０^４Ω・ｃｍである。液晶層８の材料は、ネマチック液晶５ＣＢである。ネマチック液晶５ＣＢの複屈折Δｎは、波長５５０ｎｍの光に対して０．１８である。液晶層８の厚みは、５０μｍである。液晶層８の上面と下面において、プレチルト角は３°である。第１の電圧Ｖ１は１Ｖであり、周波数は１００Ｈｚである。第２の電圧Ｖ２は２．５Ｖであり、周波数は１００Ｈｚである。第２の電極層５をグランドとし、第２の電極層５に印加する電圧は０Ｖである。

図１７において、左端は可変パワー領域１０１（１０２）の中心位置であり、右端から左端までの距離は１０ｍｍである。すなわち、可変パワー領域１０１（１０２）の径は、２０ｍｍである。図１７では、可変パワー領域１０１（１０２）の中心部での液晶分子の配向を調整するため、電極９を各輪帯電極の中心に配置している。電極９には、第1の電圧Ｖ１が印加される。図１７では、周辺部の光学位相差量が中心部の光学位相差量よりも小さくなってしまっている。また、光学位相分布もフレネルレンズ形状からずれてしまっている。このように、単一の電気抵抗率を有する抵抗層を使用した場合、所望の光学位相量や光学位相分布を得ることができず、付加パワー不足や収差による光学性能の低下の原因となってしまうため、好ましくない。

中心部から周辺部まで所望の光学位相分布を実現するためには、抵抗層７の電気抵抗率を場所ごとに変更する必要がある。すなわち、抵抗層７は、抵抗層７の第１の位置における電気抵抗率が抵抗層７の第２の位置における電気抵抗率と異なるように構成されている。抵抗層７の電気抵抗率は、抵抗層７の面抵抗率を抵抗層７の厚みで除した値である。このため、場所ごとに抵抗層７の電気抵抗率を変更するために、場所ごとに抵抗層７の面抵抗率を変更してもよいし、場所ごとに抵抗層７の厚みを変更してもよい。また、異なる電圧が印加された２つの電極間において、電極間の距離に応じて電気抵抗率を変更する必要がある。広い電極間距離においては、電気抵抗率を低く、狭い電極間距離においては、電気抵抗率を高くすることが好ましい。このため、抵抗層７の電気抵抗率は、中心部では小さく、周辺部では大きくすることが好ましい。本実施形態では、抵抗層７の電気抵抗率は、中心部から周辺部に沿って大きくなるように構成されている。

電気活性レンズ１１，１２又はこれと同様の構成を有する光学素子は、電子眼鏡１０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。本実施形態によれば、互いに光学的パワーが異なる複数の状態を有する光学素子及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。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１ 輪帯電極（第１の電極）
２ 輪帯電極（第１の電極）
３ 輪帯電極（第１の電極）
４ 輪帯電極（第１の電極）
５ 第２の電極
６ 絶縁層
７ 抵抗層
８ 液晶層
１１ 電気活性レンズ（光学素子）
１２ 電気活性レンズ（光学素子）

Claims (15)

1. 焦点距離が互いに異なる第１の状態と第２の状態とに切り替え可能な光学素子であって、
   順に配置された、第１の電極層、絶縁層、抵抗層、液晶層、及び第２の電極層を有し、
   前記抵抗層の第１の位置における電気抵抗率は、前記抵抗層の第２の位置における電気抵抗率と異なることを特徴とする光学素子。
2. 前記抵抗層は、夫々が異なる電気抵抗率である複数の抵抗層を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記抵抗層の電気抵抗率は、中心部から周辺部に沿って大きくなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記抵抗層の電気抵抗率は、１×１０^２Ω・ｃｍ以上１×１０^７Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学素子。
5. 前記絶縁層の電気抵抗率は、１×１０^８Ω・ｃｍ以上１×１０^１２Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学素子。
6. 前記絶縁層の電気抵抗率をＲ１、前記抵抗層の電気抵抗率をＲ２とするとき、
   １×１０^－７＜Ｒ２／Ｒ１＜１×１０^－３
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学素子。
7. 前記第１の電極層は、第１の輪帯電極、第２の輪帯電極、第３の輪帯電極、第４の輪帯電極を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学素子。
8. 前記第１の状態において、前記第１の電極層の中心から光学位相差が切り替わる位置までの距離は、該距離をｒｎ（添え字ｎは２以上の整数）、前記中心から光学位相差が切り替わる位置のうち前記中心に最も近い位置までの距離をｒ１とするとき、
   ｒｎ＝ｎ^１／２×ｒ１
   なる式で表され、
   前記第１の状態と前記２の状態とで、添え字ｎが奇数となる場合の光学位相差が切り替わる位置に配置された輪帯電極に印加する電圧を変化させることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
9. 前記第１の状態において、
   前記第１の輪帯電極及び前記第３の輪帯電極には、第１の電圧が印加され、
   前記第２の輪帯電極及び前記第４の輪帯電極には、第２の電圧が印加されることを特徴とする請求項７又は８に記載の光学素子。
10. 前記第２の状態において、
    前記第１の輪帯電極には、第１の電圧が印加され、
    前記第２の輪帯電極には、第２の電圧が印加され、
    前記第３の輪帯電極には、第３の電圧が印加され、
    前記第４の輪帯電極には、第４の電圧が印加されることを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載の光学素子。
11. 前記第３の電圧及び前記第４の電圧の大きさは、前記第１の電圧と前記第２の電圧との平均値と等しいことを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
12. 前記第１の状態における焦点距離は、前記第２の状態における焦点距離よりも短いことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学素子。
13. 前記抵抗層の面抵抗率が同一である場合、前記抵抗層の前記第１の位置における厚みは、前記抵抗層の前記第２の位置における厚みと異なることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光学素子。
14. 前記抵抗層の厚みが同一である場合、前記抵抗層の前記第１の位置における面抵抗率は、前記抵抗層の前記第２の位置における面抵抗率と異なることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光学素子。
15. 請求項１乃至１４の何れか一項に記載の光学素子と、
    前記光学素子を前記第１の状態と前記第２の状態とに切り替え可能な制御部とを有することを特徴とする光学機器。

Images