JP7395330B2 - 光学機器および光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、光学機器および光学素子に関する。

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。このような問題を解決するために、一定の曲率を有する固定パワーレンズの一部に可変パワー領域を配置すると、中間領域にピントを合わせることができなくなってしまい、好ましくない。

本発明は、中間領域および遠方領域において良好な視認性を実現することができる光学機器および光学素子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機器は、同心円状に配列される複数の輪帯電極と、複数の輪帯電極と対向する電極層と、複数の輪帯電極と電極層との間に設けられる液晶層と、複数の輪帯電極と液晶層との間に設けられる抵抗層と、複数の輪帯電極と抵抗層との間に設けられる絶縁層とを備える光学素子と、該光学素子を電気活性化状態と電気不活性化状態とに変化させる制御部とを有し、抵抗層の面抵抗率をＲ１、絶縁層の面抵抗率をＲ２とするとき、
１×１０ ^－５ ＜Ｒ１／Ｒ２＜１×１０ ^－２
なる条件式を満足し、
複数の輪帯電極は、第１の輪帯電極、第２の輪帯電極、第３の輪帯電極、および第４の輪帯電極を含み、電気活性化状態は、光学素子が第１の光学的パワーを有する第１の状態、および第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の状態を含み、第１の輪帯電極には、第１および第２の状態において第１の電圧が印加され、第２の輪帯電極には、第１および第２の状態において第１の電圧より高い第２の電圧が印加され、第３の輪帯電極には、第１の状態において第１の電圧が印加され、第２の状態において第１の電圧より高く第２の電圧より低い第３の電圧が印加され、第４の輪帯電極には、第１の状態において第２の電圧が印加され、第２の状態において第１の電圧より高く第２の電圧より低い第４の電圧が印加されることを特徴とする。

本発明によれば、中間領域および遠方領域において良好な視認性を実現することができる光学機器および光学素子を提供することができる。

本発明の実施形態に係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の状態である場合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の状態である場合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。 複数の輪帯電極の作製方法の説明図である。 実施例１の第１の状態での液晶分子の配向分布を示す図である。 実施例１の第１の状態での液晶層で生じる光学位相差分布を示す図である。 実施例１の第２の状態での液晶分子の配向分布を示す図である。 実施例１の第２の状態での液晶層で生じる光学位相差分布を示した図である。 実施例２の第１の状態での液晶分子の配向分布を示す図である。 実施例２の第１の状態での液晶層で生じる光学位相差分布を示す図である。 実施例２の第２の状態での液晶分子の配向分布を示す図である。 実施例２の第２の状態での液晶層で生じる光学位相差分布を示す図である。 実施例３の第１の状態での液晶層の電位分布を示す図である。 図１８の電位分布から取得される光学位相差分布を示す図である。 比較例の液晶層の電位分布を示す図である。 比較例の液晶層の電位分布を示す図である。

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

図１は、本発明の実施形態に係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、およびテンプル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、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、および電源部４１、４２を有する。センサー部２１，２２、コントローラー部３１，３２、および電源部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はそれぞれ、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。

各電気活性レンズでは、各可変パワー領域が光学的パワーを実質的に付加されていない光学的状態（電気不活性化状態）と光学的パワーを付加されている光学的状態（電気活性化状態）とを切り替え可能である。例えば、各可変パワー領域は、電気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、電気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。したがって、電子眼鏡１０では、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させず、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、各電気活性レンズでは、電気活性化状態において、各可変パワー領域が第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の状態とを切り換え可能である。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。本実施形態では、第２の光学的パワーは、第１の光学的パワーの１／２の値に略等しくなるように設定されている。具体的には、第１の光学的パワーをＤ１、第２の光学的パワーをＤ２とするとき、以下の条件式（１）を満足している。

０．４５＜Ｄ２／Ｄ１＜０．５５ （１）
したがって、電子眼鏡１０では、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の外形の形状は、フレーム１３の形状に対応して加工されている。また、電気活性レンズ１１の前面および後面の形状は、使用者の矯正すべき度数に対応して加工されている。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ている。可変パワー領域１０１は、同心円状に配置されている複数の輪帯電極を有する。複数の輪帯電極は、輪帯電極１，２，３，４を有する。輪帯電極１，２，３，４はそれぞれ、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、各可変パワー領域が第１の状態と第２の状態とに切り換えられ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の状態である場合の可変パワー領域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の状態である場合の可変パワー領域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の状態である場合の可変パワー領域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。

複数の輪帯電極は、光学的に透明な輪帯電極１，２，３，４を有する。電極層５は、光学的に透明であり、複数の輪帯電極に対向するように設けられている。各輪帯電極および電極層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。

液晶層６は、複数の輪帯電極と電極層５との間に設けられている。コントローラー部３１（３２）により複数の輪帯電極および電極層５に印加する電圧を制御することで、液晶層６の配向分布を調整することができる。液晶層６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６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６の内部の液晶分子の初期配向を制御することができる。

抵抗層７は、光学的に透明であり、複数の輪帯電極と液晶層６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）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。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。

絶縁層８は、光学的に透明であり、複数の輪帯電極と抵抗層７との間に設けられている。絶縁層８は、輪帯電極間を電気的に絶縁する。絶縁層８は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で構成される。絶縁層８の厚みは、０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。

図５（Ｂ）は、可変パワー領域１０１（１０２）が第１の状態である場合に液晶層６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６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、複数の輪帯電極は同心円状に配置されている。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。複数の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は中心から中心に最も近い光学位相差が切り替わる位置までの距離であり、ｎは整数である。

複数の輪帯電極は、二つの輪帯電極を一対とする複数の電極対を有する。複数の電極対はそれぞれ、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。

複数の電極対は、輪帯電極１，２からなる電極対（第１の電極対）、および輪帯電極３，４からなる電極対（第２の電極対）を有する。第２の電極対は、複数の電極対のうち複数の輪帯電極の中心から最も近い位置に配置されている。また、第１の電極対は、第２の電極対に隣接する位置、すなわち複数の電極対のうち複数の輪帯電極の中心から２番目に近い位置に配置されている。本実施形態では、このような順番にしたがって、第１および第２の電極対は複数の輪帯電極の中心から交互に配置されている。

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より高い第２の電圧Ｖ２が印加されている。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ている。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の状態である場合の可変パワー領域１０１（１０２）１０１の構成図である。図６（Ｂ）は、可変パワー領域１０１（１０２）が第２の状態である場合に液晶層６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が印加されている。また、輪帯電極３には第１の電圧より高い第３の電圧Ｖ３が印加され、輪帯電極４には第２の電圧Ｖ２より低い第４の電圧Ｖ４が印加されている。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ている。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。

このように、可変パワー領域１０１（１０２）に付加する光学的パワーを切り替えることで、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を実現することができる。

なお、本実施形態では、第３および第４の電圧Ｖ３，Ｖ４の差分の絶対値が第１および第２の電圧Ｖ１，Ｖ２の差分の絶対値より小さくなるように設定されている。本実施形態では、第３および第４の電圧Ｖ３，Ｖ４は互いに略等しくなるように設定されている。

また、本実施形態では、第３および第４の電圧Ｖ３，Ｖ４は、第１および第２の電圧Ｖ１，Ｖ２の平均値（＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２）に略等しくなるように設定されている。すなわち、光学位相差が切り替わる位置のうち、式（１）で表される複数の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電極対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。

また、本実施形態では、第１の状態において、輪帯電極１，３に第１の電圧Ｖ１を印加し、輪帯電極２，４に第２の電圧Ｖ２を印加しているが、輪帯電極１，３に第２の電圧Ｖ２を印加し、輪帯電極２，４に第１の電圧Ｖ１を印加してもよい。このとき、第２の状態において、輪帯電極３に第４の電圧Ｖ４を印加し、輪帯電極４に第３の電圧Ｖ３を印加すればよい。

以下、図９を参照して、複数の輪帯電極の作製方法について説明する。図９は、複数の輪帯電極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、複数の輪帯電極を作製する。次に、図９（Ｃ）に示されるように、蒸着やスパッタを用いて複数の輪帯電極の上に均一な絶縁層８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を成形する。最後に、図９（Ｆ）に示されるように、手順Ｆでは、蒸着やスパッタを用いて均一な抵抗層７を成膜する。

本実施形態では、抵抗層７の面抵抗率をＲ１、絶縁層８の面抵抗率をＲ２とするとき、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。

１×１０^－５＜Ｒ１／Ｒ２＜１×１０^－２ （３）
条件式（３）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（３）の上限値を上回ると、液晶層６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６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（３）の下限値を下回ると、液晶層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６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（３）の数値範囲を以下の条件式（３ａ）の範囲とすることが好ましい。

０．５×１０^－４＜Ｒ１／Ｒ２＜０．８×１０^－２ （３ａ）
また、条件式（３）の数値範囲は、以下の条件式（３ｂ）の範囲とすることがさらに好ましい。

１．０×１０^－４＜Ｒ１／Ｒ２＜０．６×１０^－２ （３ｂ）
また、抵抗層７の面抵抗率Ｒ１は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。

１×１０^５≦Ｒ１≦１×１０^１０ （４）
また、絶縁層８の面低効率Ｒ２は、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。

１×１０^１１≦Ｒ２≦１×１０^１５ （５）
また、電気活性レンズ１１，１２また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。本実施形態の構成によれば、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およびこれを用いた光学機器を容易に製造することができる。

以下、各実施例において、具体的な数値を用いて電子眼鏡１０の構成について説明する。

図１０は、本実施例の第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１１は、本実施例の第１の状態での液晶層６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。複数の輪帯電極、および電極層５の材料はＩＴＯである。液晶層６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６の厚みは３０μｍである。液晶層６の上面と下面において、プレチルト角は３°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０．５μｍである。抵抗層７の面抵抗率は２×１０^８Ωであり、電気抵抗率は１×１０^４Ω・ｃｍである。絶縁層８の材料は二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。絶縁層８の厚みは１μｍである。絶縁層８の面抵抗率は１×１０^１１Ωであり、電気抵抗率は１×１０^７Ω・ｃｍである。抵抗層７の面抵抗率と絶縁層８の面抵抗率との比率は２．０×１０^－３であり、条件式（３）を満足する。第１および第２の電圧Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ、周波数１ｋＨｚのＡＣ１Ｖの電圧、および周波数１ｋＨｚのＡＣ３Ｖの電圧である。電極層５をグランドとし、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および第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、本実施例の第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、本実施例の第２の状態での液晶層６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および第４の電圧Ｖ３，Ｖ４が異なる。

第３および第４の電圧Ｖ３，Ｖ４はそれぞれ、波数１ｋＨｚのＡＣ２．１Ｖの電圧、および周波数１ｋＨｚのＡＣ１．９Ｖの電圧である。第３および第４の電圧Ｖ３，Ｖ４は、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および第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、複数の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電極対に第１および第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、本実施例の第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１５は、本実施例の第１の状態での液晶層６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。複数の輪帯電極、および電極層５の材料はＩＴＯである。液晶層６の材料はネマチック液晶ＰＣＨ－５である。ネマチック液晶ＰＣＨ－５の複屈折Δｎは、波長５５０ｎｍの光に対して０．１２である。液晶層６の厚みは６０μｍである。液晶層６の上面と下面において、プレチルト角は３°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０．５μｍである。抵抗層７の面抵抗率は５×１０^８Ωであり、電気抵抗率は２．５×１０^４Ω・ｃｍである。絶縁層８の材料は二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。絶縁層８の厚みは１μｍである。絶縁層８の面抵抗率は１×１０^１１Ωであり、電気抵抗率は１×１０^７Ω・ｃｍである。抵抗層７の面抵抗率と絶縁層８の面抵抗率との比率は５．０×１０^－３であり、条件式（３）を満足する。第１および第２の電圧Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ、周波数１ｋＨｚのＡＣ１Ｖの電圧、および周波数１ｋＨｚのＡＣ３Ｖの電圧である。電極層５をグランドとし、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。本実施例では、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を複数の輪帯電極の中心に配置している。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および第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、本実施例の第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１７は、本実施例の第２の状態での液晶層６で生じる光学位相差分布を示す図である。

図１６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１４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および第４の電圧Ｖ３，Ｖ４が異なる。

第３および第４の電圧Ｖ３，Ｖ４はそれぞれ、波数１ｋＨｚのＡＣ２．１Ｖの電圧、および周波数１ｋＨｚのＡＣ１．９Ｖの電圧である。第３および第４の電圧Ｖ３，Ｖ４は、電圧Ｖ１，Ｖ２の平均値２Ｖ（＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２）に略等しい。

図１６において、第３および第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１７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、複数の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電極対に第１および第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１８は、本実施例の第１の状態での液晶層６の電位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１９は、図１８の電位分布から取得される光学位相差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。

以下、シミュレーションの条件について説明する。複数の輪帯電極、および電極層５の材料はＩＴＯである。液晶層６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６の厚みは５０μｍである。液晶層６の上面と下面において、プレチルト角は３°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０．５μｍである。抵抗層７の面抵抗率は２．５×１０^８Ωであり、電気抵抗率は１．２５×１０^４Ω・ｃｍである。絶縁層８の材料は二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。絶縁層８の厚みは１μｍである。絶縁層８の面抵抗率は１×１０^１２Ωであり、電気抵抗率は１×１０^８Ω・ｃｍである。抵抗層７の面抵抗率と絶縁層８の面抵抗率との比率は２．５×１０^－４であり、条件式（３）を満足する。第１および第２の電圧Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ、周波数１ｋＨｚのＡＣ０．５Ｖの電圧、および周波数１ｋＨｚのＡＣ２．２Ｖの電圧である。電極層５をグランドとし、電極層５に印加する電圧は０Ｖである。

図１８に示されるように、液晶層６に滑らかなフレネルレンズ形状の電位分布を与えることができる。また、図１９に示されるように、滑らかなフレネルレンズ形状の光学位相差分布を取得することができる。

図２０は、比較例の液晶層６の電位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２０の液晶層６の電位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１８の液晶層６の電位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、抵抗層７の面抵抗率を２．５×１０^６Ωに変更している。抵抗層７の面抵抗率と絶縁層８の面抵抗率との比率は２．５×１０^－６であり、条件式（３）を満足していない。図２０に示されるように、液晶層６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６に滑らかな屈折率分布を与えることができていない。

図２１は、比較例の液晶層６の電位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２１の液晶層６の電位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１８の液晶層６の電位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、抵抗層７の面抵抗率を２．５×１０^１０Ωに変更している。抵抗層７の面抵抗率と絶縁層８の面抵抗率との比率は２．５×１０^－２であり、条件式（３）を満足していない。図２１に示されるように、液晶層６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６に十分な屈折率分布を与えることができていない。

このように、液晶層６に所望の屈折率分布を与えるためには、抵抗層７の面抵抗率および絶縁層８の面抵抗率は条件式（３）を満足することが好ましい。

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。

１ 輪帯電極（第１の輪帯電極）
２ 輪帯電極（第２の輪帯電極）
３ 輪帯電極（第３の輪帯電極）
４ 輪帯電極（第４の輪帯電極）
５ 電極層
６ 液晶層
１０ 電子眼鏡（光学機器）
１１，１２ 電気活性レンズ（光学素子）
３１，３２ コントローラー部（制御部）

Claims (9)

1. 同心円状に配列される複数の輪帯電極と、該複数の輪帯電極と対向する電極層と、前記複数の輪帯電極と前記電極層との間に設けられる液晶層と、前記複数の輪帯電極と前記液晶層との間に設けられる抵抗層と、前記複数の輪帯電極と前記抵抗層との間に設けられる絶縁層とを備える光学素子と、
   該光学素子を電気活性化状態と電気不活性化状態とに変化させる制御部とを有し、
   前記抵抗層の面抵抗率をＲ１、前記絶縁層の面抵抗率をＲ２とするとき、
   １×１０ ^－５ ＜Ｒ１／Ｒ２＜１×１０ ^－２
   なる条件式を満足し、
   前記複数の輪帯電極は、第１の輪帯電極、第２の輪帯電極、第３の輪帯電極、および第４の輪帯電極を含み、
   前記電気活性化状態は、前記光学素子が第１の光学的パワーを有する第１の状態、および前記第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の状態を含み、
   前記第１の輪帯電極には、前記第１および第２の状態において第１の電圧が印加され、
   前記第２の輪帯電極には、前記第１および第２の状態において前記第１の電圧より高い第２の電圧が印加され、
   前記第３の輪帯電極には、前記第１の状態において前記第１の電圧が印加され、前記第２の状態において前記第１の電圧より高く前記第２の電圧より低い第３の電圧が印加され、
   前記第４の輪帯電極には、前記第１の状態において前記第２の電圧が印加され、前記第２の状態において前記第１の電圧より高く前記第２の電圧より低い第４の電圧が印加されることを特徴とする光学機器。
2. 前記複数の輪帯電極は、互いに隣接する前記第１および第２の輪帯電極からなる第１の電極対と、互いに隣接する前記第３および第４の輪帯電極からなる第２の電極対とを含み、
   前記第２の電極対は前記複数の輪帯電極の中で該複数の輪帯電極の中心に最も近く、
   前記第１の電極対は前記第２の電極対に隣接していることを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
3. 前記複数の輪帯電極は、夫々が互いに隣接する前記第１および第２の輪帯電極からなる複数の第１の電極対と、夫々が互いに隣接する前記第３および第４の輪帯電極からなる複数の第２の電極対とを含み、
   前記第１および第２の電極対は、交互に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学機器。
4. 前記第３および第４の電圧の差分の絶対値は、前記第１および第２の電圧の差分の絶対値より小さい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機器。
5. 前記第３および第４の電圧は互いに等しい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機器。
6. 前記第３および第４の電圧は、前記第１および第２の電圧の平均値に等しい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機器。
7. 前記第１の光学的パワーをＤ１、前記第２の光学的パワーをＤ２とするとき、
   ０．４５＜Ｄ２／Ｄ１＜０．５５
   なる条件式を満足する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. 前記抵抗層の面抵抗率をＲ１とするとき、
   １×１０^５≦Ｒ１≦１×１０^１０
   なる条件式を満足す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機器。
9. 前記絶縁層の面抵抗率をＲ２とするとき、
   １×１０^１１≦Ｒ２≦１×１０^１５
   なる条件式を満足する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機器。