JPH07507400A - 液晶レンズ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 液晶レンズ回路 技術分野 本発明は、一般に可変光学濃度レンズに関し、特に光学濃度が環境光の強度の関 数として変化する液晶レンズに関する。

背景技術 環境光の変化に対して迅速に反応する液晶眼鏡レンズの一例は、米国特許出願第 ４，２７９．４７４号に説明されており、別の例は、我々の国際特許出願ＰＣＴ ／ＧＢ９　３／Ｏ　Ｏ　ｌ　ｌ　９号に説明されている。この出願では、レンズ を透過する光の量を調整するために、環境光のレベルに応じて液晶レンズを駆動 する波形のデユーティサイクルを制御するための電気回路が開示されており、こ の回路は、環境光の変化に対する回路の応答時間を調整するための手段を含んで いる。その発明は、環境光の変化に応じてデューティサイクル従って光学濃度が 変化する速度を変える手段を含み、更に、暗化が始まるしきい値を設定する装置 と、しきい値より上の所望の暗化特性を得るための手段と、を有する。

しかしながら、米国特許出願第４，２７９，４７４号に提案された方法を実現す る際には、二つの相互に関連した理由、即ち、使用者の快適性と適当な液晶セル の入手不能性のために、実用上の困難が生じる。米国特許出願第４．２７９，４ ７４号に略述された動作原理は、液晶セルを二つの状態の一つ、即ち最大透過状 態か最小透過状態で、液晶セルを動作させることから成る。透過の平均値は、二 つの状態に費やされた時間の比率によって決まる。米国特許出願第４，２７９． ４７４号では、臨界ちらつき融合周波数として知られる一定の値を液晶セルのス イッチング周波数が超えたなら、使用者は透過光の平均値を感じるであろう、と いうことが議論された。

臨界ちらつき融合周波数は、フェリ・ボークの法則に従って光レベルと共に変化 し、米国特許出願第４．２７９，４７４号で重要な光レベル範囲に亘り、ｌＯ乃 至４　５Ｈｚで変化する。

ちらつきに対する人間の感度は、詳細に研究されている（照明と探索技術、６号 （１９７４年）ｌ２７、ＧＷブランドレット参照）。

ブランドレッドは、臨界ちらつき周波数は、平均光レベルと比較されたちらつき の振幅にも依存すると報告している。ここでは、臨界ちらつき融合周波数を超え るちらつきに対する感度が注目され、頭痛、めまい、その他の副作用を引き起こ すとされた。また、光刺激に対する網膜の電位変動データに基づいて、ちらつき に対する人間の感度を測定することも行われた（視覚とオブサルモロジ研究学会 年次集会の要約、１９８８年、第２９巻、ＤＳ．グリーンハウス、ＳＭ．バーマ ン、ＩＬ．ベイリ、Ｔ，ラーチ参照）。この研究は２０　０Ｈｚで測定可能な網 膜反応がまだ存することを示しているが、それは、臨界ちらつき融合周波数にお ける反応の１０００分の１より小さいものであった。従って、米国特許出願第４ ，２７９．４７４号で採用された方法を使用する際には、望ましくない副作用を 防ぐために、スイッチング周波数を少なくとも２　０　０Ｈｚとすべきである。

２　０　０Ｈｚのスイッチング周波数を用いてこのアプローチを実現するために は、セルのスイッチング時間は、二つの透過状態における時間と比較して短くす る必要がある。例えば、ある状態の最小時間の２０％のスイッチング時間を、ガ イドとして取ることができる。

ある状態の最小時間とは、液晶セルがその最も高い平均透過率を示す最小透過状 態の時間であり、また、液晶セルがその最も低い平均透過率を示す最大透過状態 の時間である。最大及び最小透過状態の時間の比率を１：４から４・ｌに変える ことにより、４：１の平均透過率の比が得られる。これにより、従来の透過率を 固定したサングラスで得られるのと同じ最小透過率が得られる。２　０　０Ｈｚ のスイッチング周波数で、これは、ある状態の１ミリ秒の最小時間に対応する。

従って、２００マイクロ秒より小さいセルスイッチング時間が必要となる。

しかしながら、米国特許出願第５．２７９．４７４号で提案された型のネマチッ クセルは、約ｌＯミリ秒の最小スイッチング時間を有するので、使用することが できない。その代わりに、強誘電性セルを使用することができるが、これは、１ ００マイクロ秒以下のスイッチング時間を呈するものの、実用上の欠点を有する 。強誘電性セルは、現在、サングラスに使用するためには強度が不十分であり、 きつく握られると、回復不能な損傷を受ける。液晶の厚さは、通常、ネマチック セルより薄いので、一層正確に制御される必要があり、強誘電性セルの製造をよ り困難なものにしている。更に、ネマチックセルで使用される５Ｖと比較して１ ５Ｖとより高い電圧が必要とされ、また、効果的な動作を達成するために、複雑 な駆動波形が採用されることが多い。この種の波形の生成は、太陽電池アレイの 大きさをできるだけ小さくするために低電圧で最小の電力を使用することが望ま れる太陽電池付きアイウェアにおいては、魅力がない。

従って、ちらつきの問題を軽減するような、特にネマチック型の液晶レンズを作 動させる別の方法が必要とされる。

発明の開示 本発明によれば、液晶レンズの光透過率を制御するための電気回路であって、液 晶レンズを最大及び最小光学濃度の間の遷移領域内で動作させるように、レンズ を駆動する電圧の振幅及び／又はデユーティサイクルを制御するための手段、を 備えた電気回路が提供される。

好ましくは、パルス電圧の実効値は、液晶レンズのしきい値の間に留まるように 制御される。

前記液晶レンズは、環境光のレベルに応じて、前記手段によりそのデユーティサ イクルが調整可能なパルス電圧信号により、駆動される。

本方法の動作の利点は、応答特性が低いセルを使用可能であること、駆動周波数 における透過光のちらつきが極めて小さいことである。これにより、最大及び最 小光透過状態間でセルを駆動させる際に固有の、問題の発生を防止することがで きる。

ネマチック液晶セルの透過率は、広範囲の電圧波形に対する印加電圧の実効値（ ＲＭＳ）により決まる。矩形波形（生成するのに便利）の場合には、実効値従っ て透過率は、波形の振幅、及びデユーティサイクルが少なくとも数％以上のとき はデユーティサイクルの平方根、に応じて決まる。

デユーティサイクルを略一定に維持したまま、振幅を変えることにより実効値を 変えるアプローチは、レンズとして液晶セルを使用するサングラスに利用されて いる（情報表示学会会報３２−３　（１９９１）１９１−１９５頁、Ｈ，セキ、 Ｙ、マスダ、Ｙ、イト−参照）。このアプローチに係る重大な欠点は、ネマチッ ク液晶セルが狭い範囲の実効電圧に対して透過率が急速に変化することであり、 その結果、実効値が直接従属する印加波形の振幅の高精度で安定した制御を必要 とすることである。従って、太陽電池付き眼鏡におけるように、変化し易い供給 電圧により振幅が決定される場合、結果として生じる暗化特性は、最適なものに は成り難い。駆動波形の振幅を正確に変えるための一般にはアナログ増幅器から 成る電気回路構成要素を設けることにより改善は可能ではあるが、太陽電池付き サングラスに望ましい低電力消費特定用途向は集積回路（ＡＳＩＣ：ニーシック ）にアナログ回路を設けることは、実用的ではない。

駆動波形のデユーティサイクルが変化する場合、液晶レンズ用の駆動電気回路の 設計と動作には幾つかの利点がある。即ち、波形の実効値はデユーティサイクル の平方根の関数であるので、実効値従ってセル透過率の変化は一層緩慢なものと なる。駆動波形の振幅を変化させる必要を除去することにより、標準的なデジタ ルＣＭＯ８（相補形モス）技術を使用して、より簡単な駆動回路の設計が可能と なる。かかる回路は、システムの電力要求量を最小化するのに有利である低電力 消費特定用途向は集積回路に容易に実装することができ、電源として小型で邪魔 にならない太陽電池の仕様が可能となる。供給電圧が変化する場合、駆動波形の ＲＭＳ値の不要な変化を避けるために、太陽電池付きサングラスのように、単純 な電圧調整器を採用することができる。また、振幅は、供給電圧及び、波形の実 効値を一定に維持するように補償されたデユーティサイクルと共に、変化するよ うにしてもよい。

透過光のちらつきの制御は、装着者の不愉快な視覚効果を避けるために、或いは 頭痛その他の影響が生じるおそれを最小限にするために、重要である。透過光に おけるちらつきの波形の振幅及び周波数成分は、液晶セルの時間応答特性、駆動 波形の性質、実効値電圧特性に対する透過率の局部勾配によって決まる。他が全 て等しいとすれば、液晶セルの応答が遅いほど、透過光のちらつきは小さくなる 。所与の液晶セルの場合、矩形の駆動波形に係る最も有利な状態は、５０％デユ ーティサイクルであるが、これは、液晶セルの透過率を変えるためにデユーティ サイクルを変化させるシステムにおいては維持され得ないものである。一定周期 の波形の場合、遷移領域の高レベルから低レベル及び低レベルから高レベルの間 の時間が増大してデユーティサイクルが減少するにつれ、ちらつきは増加する。

これを改善するためには、波形に対して同一の実効値を維持しつつ、駆動が高レ ベルの時間を幾つかのより短いパルスに分割することである。また、デユーティ サイクルが減少するにつれ、駆動波形の周期を減少させること、即ち、その周波 数を増大させることである。

駆動波形が低レベルにある時間が、デユーティサイクルと共に変化しない場合は 、ちらつきは減少する。両方の技術に係る欠点は、秒あたりの遷移領域の個数が 増加して、液晶セルのキャパシタンスを充電又は放電するためにより多くの電力 を要することである。　かくして、本発明の回路を備えた従来のネマチックセル を採用することが提案される。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る装置の例を説明する。

図面の簡単な説明 図ＩＡは、レンズの光学濃度を調整するための回路の簡略ブロック図である。

図ＩＢは、それに係る波形を示す。

図２Ａ乃至図２０は、レンズの操作に使用される波形を示す図である。

図３Ａ乃至図３Ｅは、本発明の技術を実現するための別の制御回路の回路図であ る。

図４は、液晶表示器透過百分率とこの液晶表示器の実効電圧との関係を示すグラ フである。

図５は、本発明を実現するための第三の回路の簡略ブロック図である。

発明を実施するための好適な態様 図１に示した回路は、環境光の変化に応じてレンズの光学濃度を調整するための 回路の簡略ブロック図である。この回路は、アナログ又はデジタル回路技術、或 いはこれらの混合技術を用いて、実現可能である。寸法要求条件に係る製造コス トを適当な水準に維持すると共に全体の電力消費量を最小化するために、回路全 体を特定用途向は集積回路上に設けることが好ましい。また、デジタルを主とし た実現が好適と考えられる。

図１を参照すると、回路はフォトダイオードその他の光電素子である検出器ｌを 含む。特定のセンサの選定にあたっては、その応答特性に加えて眼鏡枠への取り 付けの容易さ及びコストが考慮される。

検出器１からの出力は、信号処理ステージ２に供給される。デジタル実現におい て、アナログ−デジタル変換は、このステージで実行される。信号は、光検出器 の特性及びサングラスの所望の応答特性を考慮に入れて、光レベルの関数として 便利な出力を生成するように、例えばその対数をとることにより、変換に先立ち 前処理される。

図５は、このようなデジタル回路（以下参照）を示す。アナログノく−ジョンに おいても同様の機能が実行されるが、その場合には、暗化のしきい値と暗化特性 の形態に合わせての調整を可能とする時定数設定回路が含まれる。

デジタル実現において（図５参照）、パルス幅変調信号Ｃ（即ち、可変デユーテ ィサイクルに係るもの）は、デジタル制御されたパルス発生器から得られる。ア ナログ−デジタル（Ａ　Ｄ）変換器２ｂは、増幅器／信号処理ステージ２ａがら の信号を変換する。時定数の制御は、パルス発生器の入力部にデジタルフィルタ ２ｃを配設することにより可能であり、デジタルフィルタの出力をパルス幅変調 器３用の適当な制御データに変換するためのルックアップテーブル（ＲＯＭ）２ ｄを用いて、任意の応答特性を得ることができる。アナログバージョンにおいて は、その入力を信号処理ステージ２がら得る電圧制御発振器（Ｖ　ＣＯ）が、パ ルス幅変調波形Ｃを生成する。

駆動回路ステージ４は、出力信号りを生成するが、該信号りは、継続時間が信号 Ｃと同じで、振幅が等しく極性が反対の交流パルスから成る。極性が反対のパル スを付与することにより、セル５にＤＣ成分が発生するのを防いでいる。

液晶セルの種類によっては電圧の増加と共に暗化するものもあるが、印加電圧の 増加と共に開化するものもある。本発明においては、いずれも使用可能である。

波形の周期は、所与の環境下でどんな種類の波形を発生すれば最も有利かという ことに応じて、ディーティサイクルと共に変化してもよい。フリッカの制御は、 波形の選択において重要な要素となる。図２（ａ）乃至図２（ｃ）は、デユーテ ィサイクルが可変で周期が一定の適当な波形Ｄ　（ａ）乃至Ｄ　（ｃ）を示す。

図４は、最大光透過率とネマティック液晶（ＬＣ）セルの実効（ＲＭＳ）電圧と の一般的な関係を示し、２０％乃至９２％の最大光透過率の場合、２．Ｏｖ乃至 ２．８Ｖの実効電圧範囲でセルが本発明に応じて動作可能であり、最大透過率と 最大不透明度との間の液晶表示器（Ｌ　ＣＤ）の遷移領域内にある動作特性を付 与し得ることを示している。

図３Ａ乃至図３Ｅに示した駆動及び制御回路において、供給電圧Ｖ、は、線路１ ０４上に供給される。光検出及び信号処理回路は、逆方向バイアスモードで作動 するフォトダイオード１００、コンデンサ１０１、ダイオード１０２、フォトダ イオードに入射する光レベルの対数に比例する電流！、を形成する二つのトラン ジスタ１０５．１０６と抵抗器１０３、がら成る。これにより、広範囲の光レベ ルを収容することができ、可変抵抗器１０３は回路の感度を調整してＬＣレンズ が透過率を変化させ始めるしきい値と該しきい値を越える透過率の変化率とを変 化させる。

アナログ信号は、回路ブロック１１０によりデジタル形態に変換される。コンデ ンサ１０１は、電流■、により決定される速度で最初の放電状態から充電する。

変換中、カウンタ１５０は、マスタクロック１１１からのクロックパルスをカウ ントする。コンデンサ電圧がシュミット入力インバータ１０７のしきい値に達す ると、その点に達したカウントがラッチ回路１１４及び１１５に取り込まれるが 、カウンタ１５０はカウントし続ける。２５５のカウントで、変換サイクルは中 止され、コンデンサｌｏｔは、トランジスタ１３０により放電される。該トラン ジスタ１３０は、シュミットインバータ１３２の正縁側の抵抗器コンデンサネッ トワーク１３１により形成されるパルスで駆動される。このアプローチにより、 コンデンサ１０１にかかる電圧が、光レベルに応じて異なる時間にしきい値に達 したとしても、変換速度は一定となる。

ラッチ回路１１４及び１１５に格納されたデータは、変換が終了すると、回路ブ ロック１１０がらのタイミングパルスの制御下で、ラッチ回路１１６及び１１７ に入力される。これにより、光レベルを表す二進数は、光レベルを表すカウント がデータラッチ回路に取り込まれる時ではなく、変換サイクルの終了時にのみ変 化する。

ランチ回路１１６及び１１７からの出力は、システムの時間応答を設定する回路 ブロック１５１に入力される。この回路からの出力は、大きさ比較器１２３及び １２４がら成るパルス幅変調器を制御する二進数である。パルス幅変調器への「 電流」値出力は、二つのアップダウンカウンタ１２０及び１２１に格納される。

この「電流」出力値は、大きさ比較器＋１８及び１１９により、光レベルを表す ラッチ回路１１６及び１１７からの二進数と比較される。［電流」出力値が最も 新しい入力値より小さい場合は、アップダウンカウンタ１２０及び１２１は、カ ウントアツプするように設定され、大きい場合はカウントダウンするように設定 される。出方の変化率はゲート回路１３３を通過するパルス数によって決まる。

パルス数は、２の倍数で、変換サイクルあたり２５６ビツト（ビット０）から８ サイクルあたりｌビット（ビット１１）までの間から選定される、「任意ビット 」線１２８と共に変化する。サイクルあたりのパルス数が大きければ大きいほど 、入力に対する出方の変化は速くなり、その結果、回路の時定数は短（なる。

パルス幅変調は、大きさ比較器１２３及び１２４により行われる。

所望のパルス幅は、入力Ａに取り込まれ、カウンタ１５０がらの出力は、入力Ｂ に供給される。該出力は、カウンタ１５０の出力が入力Ａの値を超えるまで、低 レベルに留まる。液晶レンズ用バイポーラ出力信号は、Ｊ−にフリップフロップ １２６及び否定積ゲート１２７を含む回路ブロック１２５から得られる。

所与の液晶セルに対して、セルが暗化し始めるしきい値電圧は知られているので （図４参照）、調整抵抗器１０３は、対数表示電流■８が信号処理゛回路により 適当な値で生成されて、制御回路により生成される実効電圧がしきい値を超える ように、適宜設定される。

電流Ｉ８は入射光の対数に応して生成されるので、受領可能な応答をするように システムを調整することができる。その結果、通常得られる光レベルでは、液晶 セルが透過率を変えるのを再び止め始める上限点即ちセルがそれ以上実質的に暗 （なることはない上限点を超える、実効電圧値を生じることはない。しきい値応 答特性及び暗化特性に関しては、ルックアップテーブルを用いて、所望の応答特 性を得ることができる。これは、図５に示したように、デジタルフィルタ２ｃと パルス波変調器３との間にＲＯＭ　（続出専用メモリ）を挿入することにより、 実現可能である。ルックアップテーブルは、光レベルを表す二進数を取ることに より、所望の二値出力制御信号をパルス波変調器に与えて必要なセル透過率を確 保する。

液晶セルは振幅とデユーティサイクルに従属する駆動波形の実効値に応答するの で、振幅の変動の結果としての実効値の不要な変動を防ぐ手段を設ける必要があ る。変動の最も重要な原因は供給電圧の変化であり、これは太陽電池付き装置に おいて生じる。図３Ｅに示した分路調整器１５３は、図３Ａ乃至図３Ｄの回路へ の供給電圧を安定させるために使用する。この回路の動作は、電圧調整器に精通 した者には公知である。抵抗器１６０及び１６１からの供給電圧Ｖ、の分割小数 部は、ダイオード１６２の基準電圧と比較される。

供給電圧が上昇すると、トランジスタ１６３．１６４．１６５を通る電流は増加 する。回路に入力される電流の増加は、それが太陽電池アレイ等の相当な内部イ ンピーダンスを有する電源から得られるならば、供給電圧を引き下げるのに十分 である。

図３Ｃ 図３Ｄ 図３Ｅ 最大透過率（％） 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８の規定による補正ＩＦ）平成６年１１月２９日

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．液晶レンズの光透過率を制御するための電気回路であって、液晶レンズを最 大及び最小光学濃度の間の遷移領域内で動作させるように、レンズを駆動する電 圧の振幅及び／又はデューティサイクルを制御するための手段、 を備えたことを特徴とする電気回路。
2. ２．パルス電圧の実効値が、液晶レンズのしきい値の間に留まるように制御され ることを特徴とする請求の範囲第１項記載の電気回路。
3. ３．前記液晶レンズが、環境光のレベルに応じて、前記手段によりそのデューテ ィサイクルが調整可能なパルス電圧信号により駆動されることを特徴とする請求 の範囲第２項記載の電気回路。
4. ４．二値出力によりパルス電圧のデューティサイクルを制御するために、入力さ れた環境光の二値表現を可能とするルックアップテーブルを備えたことを特徴と する請求の範囲第３項記載の電気回路。
5. ５．前記環境光のレベルが、信号を生成する光検出子により検出され、該信号が 、環境光レベルに対数的に比例した第二の信号を生成するために対数的に圧縮さ れていることを特徴とする前記請求の範囲のいずれか一項に記載の電気回路。
6. ６．前記光検出子の信号が、デジタル信号に変換されるアナログ信号であり、そ の値がラッチ回路内に保持されて、レンズを制御するための信号を出力するパル ス幅変調器に入力されることを特徴とする請求の範囲第５項記載の電気回路。
7. ７．略一定の値に供給電圧を調整するための電圧調整器を含み、太陽電池電源と 併用される、前記請求の範囲第３項又はそれに従属するいずれか一項に記載の電 気回路。
8. ８．レンズを駆動する電圧のデューティサイクルの範囲を調整するために、環境 光レベルを表す信号を前処理するための手段を含むことを特徴とする請求の範囲 第１項乃至第３項のいずれか一項に記載の電気回路。
9. ９．前記請求の範囲のいずれか一項に記載の、液晶レンズと該レンズを制御する ための電気制御回路とを含むサングラス。