JP6711606B2 - 光学素子および光学機器 - Google Patents
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Description
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)、n2(λ)はそれぞれ電気活性化状態における波長λに関する第1の屈折率および第2の屈折率、mは回折次数である。式(1)が成立しない他の波長λにおけるm次の回折効率ηは、以下の式(2)のように表される。
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で満たされている場合、回折効率ηの波長依存性は解消される。設計次数をm=1とし、d、C、F線のそれぞれに関して式(1)が満たされる場合、以下の式(3)が導出される。
式(3)において、λd、λC、λFはそれぞれ、d、C、F線の波長である。式(3)から、広い波長域において高い回折効率を実現するには、高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組み合わせにより電気活性レンズを構成する必要があることが分かる。このため本実施形態において、電気活性化状態での第1の屈折率n1および第2の屈折率n2は、以下の式(4)を満たす。
また本実施形態において、電気活性化状態での第1のアッベ数ν1および第2のアッベ数ν2は、以下の式(5)を満たす。
式(4)において、第1の屈折率n1および第2の屈折率n2はそれぞれ、d線に対する値である。式(5)において、第1のアッベ数ν1および第2の屈折率ν2はそれぞれ、d線を基準波長としたアッベ数である。
式(6)において、Δn1、Δn2はそれぞれ、電気不活性化状態から電気活性化状態へ変化したときの第1の屈折率n1および第2の屈折率n2の変化量である。Δν1、Δν2はそれぞれ、電気不活性化状態から電気活性化状態へ変化したときの第1のアッベ数ν1および第2のアッベ数ν2の変化量である。
電気活性化状態において、垂直入射での回折効率を最大にするには、レリーフ面の山と溝の光路長差(レリーフ形状の高さd)を波長λの整数倍とする必要がある。ヒトの視覚システムは、可視光スペクトルの全ての波長の光に対して一様に応答しない。ヒトの視覚システムは、可視光スペクトルの中央付近で大きい応答を示すが、両端部の赤や青の波長に対しては、その応答は小さくなる。明順応条件での応答ピークは550nm付近にあるため、設計波長を550nmとすることが一般的である。設計波長を550nm、設計回折次数を1次とする場合、式(1)より、(n2−n1)=550nm/dが得られる。
屈折率の変化量Δnおよびアッベ数の変化量Δνの比Δn/Δνは、電気活性材料の屈折率およびアッベ数のn−ν図上での変化曲線の傾きを表す。式(8)の下限値を下回ると、第1の電気活性材料110と第2の電気活性材料120との変化曲線の傾きが互いに近い値となる。この場合、電気活性化状態において電気活性材料間の屈折率の差を確保しつつ、効果的に高屈折率・低分散材料と低屈折率・高分散材料との組み合わせを実現することが困難となり、好ましくない。
式(9)において、d1は基板230に近接したレリーフ形状の高さ、d2は基板240に近接したレリーフ形状の高さ、nsub(λ0)は設計波長λ0での基板230、240の屈折率である。レリーフ形状の高さd1、d2を互いに一致させてd1=d2=dが成立する場合、式(9)は、以下の式(9’)のように書き換えられる。
このように、式(9’)は、レリーフ形状の高さdを逆符号にした場合の式(1)と一致する。
110、210、310 第1の電気活性材料(第1の材料)
120、220、320 第2の電気活性材料(第2の材料)
Claims (21)
- 第1及び第2の状態に切り替え可能な光学素子であって、
該第1及び第2の状態の間で光学的性質が変化する第1及び第2の光学要素を有し、
前記第2の状態において、前記第1の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n1及びν1、前記第2の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n2及びν2、前記第1の状態から前記第2の状態に変化したときの、前記第1及び第2の光学要素の夫々の屈折率の変化量をΔn1及びΔn2、前記第1及び第2の光学要素の夫々のアッベ数の変化量をΔν1及びΔν2とするとき、
n1<n2
ν1<ν2
Δn1/Δν1<Δn2/Δν2
なる条件を満たすことを特徴とする光学素子。 - 前記第1及び第2の光学要素の夫々の屈折率及びアッベ数は、前記第1及び第2の状態の間で変化することを特徴とする請求項1に記載の光学素子。
- 前記第1及び第2の光学要素の夫々の光学的性質は、印加される電圧に応じて変化することを特徴とする請求項1又は2に記載の光学素子。
- 前記第1の状態は電気不活性化状態であり、前記第2の状態は電気活性化状態であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の光学素子。
- 前記第1及び第2の光学要素の夫々は、レリーフ面を含む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。
- 前記第1の状態から前記第2の状態に変化したときの、前記第1及び第2の光学要素の夫々の屈折率の変化量をΔn1及びΔn2、前記第1及び第2の光学要素の夫々のアッベ数の変化量をΔν1及びΔν2とするとき、
(Δn1/Δν1)/(Δn2/Δν2)>1.5
なる条件を満たす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。 - 第1及び第2の状態に切り替え可能な光学素子であって、
該第1及び第2の状態の間で光学的性質が変化する第1及び第2の光学要素を有し、
前記第2の状態において、前記第1の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n1及びν1、前記第2の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n2及びν2、前記第1の状態から前記第2の状態に変化したときの、前記第1及び第2の光学要素の夫々の屈折率の変化量をΔn1及びΔn2、前記第1及び第2の光学要素の夫々のアッベ数の変化量をΔν1及びΔν2とするとき、
n1<n2
ν1<ν2
(Δn1/Δν1)/(Δn2/Δν2)>1.5
なる条件を満たすことを特徴とする光学素子。 - 前記第1及び第2の光学要素の夫々の複屈折率は、0.08以上であることを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の光学素子。
- 0.006<(n2−n1)<0.06
なる条件を満たすことを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の光学素子。 - 第1及び第2の状態に切り替え可能な光学素子であって、
該第1及び第2の状態の間で光学的性質が変化する第1及び第2の光学要素を有し、
前記第2の状態において、前記第1の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n1及びν1、前記第2の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n2及びν2とするとき、
n1<n2
ν1<ν2
0.006<(n2−n1)<0.06
なる条件を満たすことを特徴とする光学素子。 - 前記第1の状態における前記第1及び第2の光学要素の屈折率の差は、前記第2の状態における前記第1及び第2の光学要素の屈折率の差よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の光学素子。
- 第1及び第2の状態に切り替え可能な光学素子であって、
該第1及び第2の状態の間で光学的性質が変化する第1及び第2の光学要素を有し、
前記第1の状態における前記第1及び第2の光学要素の屈折率の差は、前記第2の状態における前記第1及び第2の光学要素の屈折率の差よりも小さく、
前記第2の状態において、前記第1の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n1及びν1、前記第2の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n2及びν2とするとき、
n1<n2
ν1<ν2
なる条件を満たすことを特徴とする光学素子。 - 前記第1の状態における前記第1及び第2の光学要素のアッベ数の差は、前記第2の状態における前記第1及び第2の光学要素のアッベ数の差よりも小さい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。
- 第1及び第2の状態に切り替え可能な光学素子であって、
該第1及び第2の状態の間で光学的性質が変化する第1及び第2の光学要素を有し、
前記第1の状態における前記第1及び第2の光学要素のアッベ数の差は、前記第2の状態における前記第1及び第2の光学要素のアッベ数の差よりも小さく、
前記第2の状態において、前記第1の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n1及びν1、前記第2の光学要素の屈折率及びアッベ数を各々n2及びν2とするとき、
n1<n2
ν1<ν2
なる条件を満たすことを特徴とする光学素子。 - 前記第1及び第2の光学要素の夫々は、コレステリック液晶、又はカイラルツイスト剤が添加されたネマチック液晶で構成されることを特徴とする請求項1乃至14の何れか一項に記載の光学素子。
- 前記第1及び第2の光学要素を挟むように設けられた一対の第1の透明電極と、該一対の第1の透明電極を挟むように設けられた一対の第1の基板とを有することを特徴とする請求項1乃至15の何れか一項に記載の光学素子。
- 前記第1及び第2の光学要素の夫々における前記第1の基板に近い面は、レリーフ面であることを特徴とする請求項16に記載の光学素子。
- 前記第1及び第2の光学要素の間に設けられた第2の透明電極を有することを特徴とする請求項1乃至17の何れか一項に記載の光学素子。
- 前記第1及び第2の光学要素の間に設けられた第2の基板を有し、前記第1及び第2の光学要素の夫々における前記第2の基板に近い面はレリーフ面であることを特徴とする請求項1乃至16の何れか一項に記載の光学素子。
- 前記第1及び第2の状態の間で焦点距離を切り替え可能であることを特徴とする請求項1乃至19の何れか一項に記載の光学素子。
- 請求項1乃至20の何れか一項に記載の光学素子と、該光学素子を前記第1又は第2の状態に設定する制御部とを備えることを特徴とする光学機器。
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