JPH11352445A - 可変焦点眼鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 遠点用と近点用の境界が生ずることがな
く、また一方がぼけて見えることがないようにする。 【解決手段】 可変焦点レンズを用いたもので、境界
が生ずることなく、また焦点距離を変えることにより遠
点、近点等各距離の物体がその都度鮮明に見得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学特性可変光学
素子並びに光学特性可変光学素子を用いた可変焦点眼鏡
および光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学装置を、眼鏡を一例として述
べる。

【０００３】従来の眼鏡のうち、老人でも使用できるよ
うにした遠近両用眼鏡は、図１１に示すような構成であ
る。即ち、図１１に示すように眼鏡４２は、近点にピン
トが合うレンズ４１ａと遠点にピントが合うレンズ４１
ｂとを複合させた段付きレンズ４１を用いたものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この眼鏡４２は、二つ
のレンズ４１ａと４１ｂとの間の境界４１ｃが実際に使
用する際に邪魔になり、また画面の半分は常にピントが
合わない状態でぼけて見える等の多くの欠点があった。

【０００５】本発明は光学特性可変光学素子例えば可変
焦点レンズ並びに、この光学特性可変光学素子を備えた
可変焦点眼鏡等の光学装置を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の可変焦点眼鏡お
よび光学装置は、光学特性可変光学素子を備えたことを
特徴とするもので、例えば眼鏡レンズの一部に光学特性
可変光学素子の一つである可変焦点レンズを設けたこと
を特徴とする可変焦点眼鏡である。例えばこの可変焦点
眼鏡によれば、従来例のように境界が存在することなく
観察位置に応じて焦点距離を変化させ得るもので、各観
察位置を明瞭に見得るものである。

【０００７】また、本発明は、光学特性可変光学素子を
用いた光学装置の作成方法に関するものであって、光学
特性可変光学素子とこの光学素子の特性を変化させるた
めの駆動ユニットとを別体にて作り、これを組合わせて
作成することを特徴とするものである。例えば、可変焦
点眼鏡において、可変焦点レンズとこのレンズの焦点距
離を変化させるための駆動ユニットとを別体にて作成
し、それらを任意のフレームと組合わせて作成すること
を特徴とする可変焦点眼鏡の作成方法である。また、本
発明の光学装置は、観察位置、測定位置等を検知して光
学装置に備えられた光学特性可変光学素子の特性を変化
させるようにしたもので、例えば、本発明の可変焦点眼
鏡においては、視線を検知して可変焦点レンズの光学特
性である屈折力を変化させるようにしたものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の可変焦点レンズ
の原理的構成を示す図である。この図に示す可変焦点レ
ンズ１１は、第１面、第２面であるレンズ面８ａ，８ｂ
を有する第１レンズ１２ａと、第３面、第４面であるレ
ンズ面９ａ，９ｂを有する第２のレンズ１２ｂと、これ
らレンズ間に透明電極１３ａ，１３ｂを介して設けた高
分子分散液晶層１４とにて構成され、この可変焦点レン
ズへ入射する光を第１，第２のレンズ１２ａ，１２ｂに
より収束させるものである。この可変焦点レンズに設け
た透明電極１３ａ，１３ｂは、スイッチ１５を介して交
流電源１６に接続され、高分子分散液晶層１４に交流電
界を選択的に印加するようになっている。なお、高分子
分散液晶層１４は、それぞれ液晶分子１７を含む球状、
多面体等の任意の形状の多数の微小な高分子セル１８を
有する構成で、その体積は、高分子セル１８を構成する
高分子および液晶分子１７がそれぞれ占める体積の和に
一致させてある。尚高分子液晶層１４のかわりに高分子
安定化液晶を用いてもよい。

【０００９】ここで、高分子セル１８の大きさは、例え
ばその形状が球状であるとすると、その平均の直径Ｄ
を、使用する光の波長をλとするとき、例えば、下記式
（１）に示す範囲内の値にしたものである。 ２ｎｍ≦Ｄ≦λ／５ （１）

【００１０】すなわち、液晶分子１７の大きさ（平均の
直径）は、２ｎｍ程度以上であるので、平均の直径Ｄの
下限値は、２ｎｍ以上になる。また、Ｄの値は、可変焦
点レンズ１１の光軸方向における高分子分散液晶層１４
の厚さｔにも依存するが、λに比べてＤの値が大きい
と、高分子の屈折率と液晶分子１７の屈折率との差によ
り、高分子セル１８の境界面で光が散乱して高分子分散
液晶層１４が不透明になるため、式（１）の下限値は、
後に述べる理由により、λ／５以下であることが望まし
い。可変焦点レンズが用いられる光学製品によっては高
い精度が要求されない場合もあり、その場合はＤはλ以
下であればよい。なお、高分子分散液晶層１４の透明度
は、厚さｔが厚いほど悪くなる。

【００１１】また、高分子分散液晶の代りに図３に示す
ような高分子安定化液晶４１４を用いる場合には、液晶
の平均直径Ｄは、高分子４１５により隔てられた液晶集
団同士の平均的間隔をとるものとする。

【００１２】また、図１等における液晶分子１７として
は、例えば、一軸性のネマティック液晶分子が用いられ
ている。この液晶分子１７の屈折率楕円体は、図５に示
すような形状で、下記式（２）が成立つ。 ｎ_ox＝ｎ_oy＝ｎ_o （２） ただし、ｎ_o は常光線の屈折率、ｎ_oxおよびｎ_oyは、常
光線を含む内面での互いに直交する方向の屈折率であ
る。

【００１３】ここで、図１に示す可変焦点レンズにおい
て、スイッチ１５がオフ、すなわち高分子分散液晶層１
４に電界が印加されない状態では、液晶分子１７が様々
な方向を向いているため、入射光に対する高分子分散液
晶層１４の屈折率は高く、屈折力の強いレンズになる。
これに対し、図２に示すように、スイッチ１５をオンに
し高分子分散液晶層１４に交流電界が印加されると、液
晶分子１７は、屈折率楕円体の長軸方向が可変焦点レン
ズ１１の光軸と平行になるように配向するので、屈折率
が低くなり、屈折力の弱いレンズになる。

【００１４】なお、高分子分散液晶層１４に印加する電
圧は、例えば、図４に示すように、可変抵抗器１９によ
り段階的あるいは連続的に変化させることもできる。こ
のようにすれば、印加電圧が高くなるにつれて、液晶分
子１７は、その楕円長軸が徐々に可変焦点レンズ１１の
光軸と平行になるように配向するので、屈折力を段階的
あるいは連続的に変えることができる。

【００１５】ここで、可変焦点レンズが図１に示す状
態、すなわち高分子分散液晶層１４に電界を印加しない
状態のとき図５（Ａ）に示すように屈折率楕円体の長軸
方向の屈折率をｎ_z とすると、液晶分子１７の平均屈折
率ｎ_LC′はほぼ下記の式（３）にて与えられる。 （ｎ_ox＋ｎ_oy＋ｎ_z ）／３＝ｎ_LC′ （３）

【００１６】また、上記式（２）が成り立つときの平均
屈折率ｎ_LCは、ｎ_z を異常光線の屈折率ｎ_e とすると、
下記式（４）にて与えられる。 （２ｎ_o ＋ｎ_e ）／３＝ｎ_LC （４）

【００１７】このとき、高分子セル１８を構成する高分
子の屈折率をｎ_P とし、高分子分散液晶層１４の体積に
占める液晶分子１７の体積の割合をｆｆとすると、マッ
クスウェル・ガーネットの法則により、高分子分散液晶
層１４の屈折率は、下記式（５）にて与えられる。 ｎ_A ＝ｆｆ・ｎ_LC′＋（１−ｆｆ）ｎ_P （５）

【００１８】したがって、図４に示すように、レンズ１
２ａおよびレンズ１２ｂの内側の面、すなわち高分子分
散液晶層１４側の面の曲率半径を、それぞれＲ₁ および
Ｒ₂ とすると、可変焦点レンズ１１の焦点距離ｆ₁ は次
の式（６）にて与えられる。 １／ｆ₁ ＝（ｎ_A −１）（１／Ｒ₁ −１／Ｒ₂ ） （６）

【００１９】なお、Ｒ₁ およびＲ₂ は曲率中心が像点側
にあるときを正とする。また、レンズ１２ａおよびレン
ズ１２ｂの内側の面による屈折は除いている。つまり、
高分子分散液晶層１４のみによるレンズの焦点距離は式
（６）にて与えられる。

【００２０】また、図２に示す状態つまり高分子分散液
晶層１４に電界を印加した状態における高分子分散液晶
層１４の屈折率ｎ_B は下記式（７）にて与えられる。 ｎ_B ＝ｆｆ・ｎ_o ′＋（１−ｆｆ）ｎ_P （７）

【００２１】ここでｎ_o ′は常光線の屈折率で下記式
（８）にて表わされる。 ｎ_o ′＝（ｎ_oz＋ｎ_oy）／２ （８）

【００２２】したがって、この状態での高分子分散液晶
層１４のみによるレンズの焦点距離ｆは次の式（９）に
て与えられる。 １／ｆ₂ ＝（ｎ_B −１）（１／Ｒ₁ −１／Ｒ₂ ） （９）

【００２３】なお、高分子分散液晶層１４に、図４にお
けるよりも低い電圧を印加する場合の焦点距離は、
（６）式で与えられる焦点距離ｆ₁ と、（９）式で与え
られる焦点距離ｆ₂ との間の値になる。

【００２４】上記式（６）および式（９）から、高分子
分散液晶層１４による焦点距離の変化率は、下記式（１
０）にて与えられる。 ｜（ｆ₂ −ｆ₁ ）／ｆ₂ ｜＝｜（ｎ_B −ｎ_A ）／（ｎ_B −１）｜ （１０）

【００２５】したがって、この変化率を大きくするに
は、｜ｎ_B −ｎ_A ｜を大きくすればよい。この（ｎ_B −
ｎ_A ）は、下記式で表わされる。 ｎ_B −ｎ_A ＝ｆｆ（ｎ_o ′−ｎ_LC′） （１１）

【００２６】したがって、｜ｎ_o ′−ｎ_LC｜を大きくす
れば、変化率を大きくすることができる。実用的には、
ｎ_B が、１．３〜２程度であるから、 ０．０１≦｜ｎ_o ′−ｎ_LC′｜≦１０ （１２） とすれば、ｆｆ＝０．５のとき、高分子分散液晶層１４
による焦点距離を、０．５％以上変えることができるの
で、効果的な可変焦点レンズを得ることができる。な
お、｜ｎ_o ′−ｎ_LC′｜は、液晶物質の制限から、１０
を越えることはできない。

【００２７】次に、上記（１）式の上限値の根拠につい
て説明する。

【００２８】「Solar Energy Msterials and Solar Cel
ls」３１巻，Wilson and Eck，１９９３，Eleevier Sci
ence Publishers B.V.発行の第１９７〜２１４頁、「Tr
ansmission variation using scattering ／transparen
t switching films 」には、高分子分散液晶の大きさを
変化させたときの透過率τの変化が示されている。そし
て、上記文献の第２０６頁、第６図には、高分子分散液
晶の半径をｒとし、ｔ＝３００μｍ、ｆｆ＝０．５、ｎ
_P ＝１．４５、ｎ_LC＝１．５８５、λ＝５００ｎｍとす
るとき、透過率τは、理論値で、ｒ＝５ｎｍ（Ｄ＝λ／
５０、Ｄ・ｔ＝λ・６μｍ（ただし、Ｄおよびλの単位
はｎｍ、以下も同じ））のときτ≒９０％となり、ｒ＝
２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０）のときτ≒５０％になること
が示されている。

【００２９】ここで、例えば、ｔ＝１５０μｍの場合を
推定すると透過率τがｔの指数関数で変化すると仮定し
て、ｔ＝１５０μｍの場合の透過率τを推定してみる
と、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０、Ｄ・ｔ＝λ・１５μ
ｍ）のときτ≒７１％となる。また、ｔ＝７５μｍの場
合は、同様に、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０、Ｄ・ｔ＝
λ・７．５μｍ）のときτ≒８０％となる。

【００３０】これらの結果から、Ｄ・ｔが下記式（１
３）にて示す範囲内であれば、τは７０％〜８０％以上
となり、レンズとして十分実用になる。したがって、例
えば、ｔ＝７５μｍの場合は、Ｄ≦λ／５で、十分な透
過率が得られることになる。 Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ （１３）

【００３１】また、高分子分散液晶層１４の透過率は、
ｎ_P の値がｎ_LC′の値に近いほど良くなる。一方、ｎ
_o ′とｎ_P とが異なる値になると、高分子分散液晶層１
４の透過率は悪くなる。図１の状態と図２の状態とで、
平均して高分子分散液晶層１４の透過率が良くなるの
は、下記式（１４）を満足するときである。 ｎ_P ＝（ｎ_o ′＋ｎ_LC′）／２ （１４）

【００３２】ここで、可変焦点レンズ１１は、レンズと
して使用するものであるから、図１の状態でも、図２の
状態でも透過率はほぼ同じであってかつ高い方が良い。
そのためには、高分子セル１８を構成する高分子の材料
および液晶分子１７の材料に制限があるが、実用的に
は、屈折率ｎ_P の値が下記式（１５）を満足すればよ
い。 ｎ_o ′≦ｎ_P ≦ｎ_LC′ （１５）

【００３３】上記式（１４）を満足すれば、上記式（１
３）は、さらに緩和され、Ｄ・ｔの値は下記式（１６）
に示す範囲であればよい。 Ｄ・ｔ≦λ・６０μｍ （１６）

【００３４】なぜなら、フルネルの反射則によれば、反
射率は屈折率差の２乗に比例するので、高分子セル１８
を構成する高分子と液晶分子１７との境界での光の反
射、すなわち高分子分散液晶層１４の透過率の減少は、
およそ上記の高分子と液晶分子１７との屈折率の差の２
乗に比例するからである。

【００３５】以上は、ｎ_o ′≒１．４５、ｎ_LC′≒１．
５８５の場合であったが、より一般的に定式化すると、
Ｄ・ｔは下記式（１７）の範囲内であればよい。 Ｄ・ｔ≦λ・15μｍ・（ 1.585− 1.45 ）² ／（ｎ_u −ｎ_P ）² （１７） ただし、（ｎ_u −ｎ_P ）² は、（ｎ_LC′−ｎ_P ）と（ｎ
_o ′−ｎ_P ）² のうち、大きい方である。

【００３６】また、可変焦点レンズ１１の焦点距離変化
を大きくするには、ｆｆの値が大きい方が良いが、ｆｆ
＝１では、高分子の体積がゼロとなり、高分子セル１８
を形成できなくなるので、ｆｆの値は下記式（１８）の
範囲である。 ０．１≦ｆｆ≦０．９９９ （１８）

【００３７】一方、ｆｆは小さいほどτは向上するの
で、上記式（１７）は、好ましくは、Ｄ・ｔの値は下記
式（１９）の範囲が好ましい。 4×10^-6［μｍ］² ≦Ｄ・ｔ≦λ・45μｍ・(1.585−1.45)²／（ｎ_u −ｎ_P ）² （１９）

【００３８】なお、ｔの下限値は、図１から明らかなよ
うに、ｔ＝Ｄで、Ｄは上述のように２ｎｍ以上であるの
で、Ｄ・ｔの下限値は、（２×１０^-3μｍ）² 、すなわ
ち４×１０^-6 ［μｍ］² となる。

【００３９】以上は可変焦点レンズによる光の散乱、透
過率がかなり良い値を要求した場合であった。しかし、
低コストの光学系、撮像装置、照明系、信号処理系など
においては、それほど透過率散乱を良くしなくてもよい
場合もあり、式（１９）はさらに下記式（１９−５）に
示すように緩和される。 4×10^-6［μｍ］² ≦Ｄ・ｔ≦λ・450μｍ・(1.585−1.45)²／（ｎ_u −ｎ_P ）² （１９−５）

【００４０】なお、物質の光学特性を屈折率で表す近似
が成り立つのは、「岩波科学ライブラリー８ 小惑星が
やってくる」向井正著、１９９４、岩波書店発行の第５
８頁に記載されているように、Ｄが１０ｎｍ〜５ｎｍよ
り大きい場合である。また、Ｄが５００λを越えると、
光の散乱は幾何学的となり、高分子セル１８を構成する
高分子と液晶分子１７との界面での光の散乱がフレネル
の反射式に従って増大するので、Ｄは実用的には、下記
式（２０）の範囲内である。 ７ｎｍ≦Ｄ≦５００λ （２０）

【００４１】図１または図３に示す構成において、上記
のｎ_ox，ｎ_oy，ｎ_o ，ｎ_z ，ｎ_e，ｎ_P ，ｆｆ，Ｄ，
ｔ，λ，Ｒ₁ ，Ｒ₂ ，ｎ_LC’，ｎ_A ，ｎ_B ，ｆ₁ ，ｆ₂
および可変焦点レンズ１１の直径φは、具体的には、そ
れぞれ以下の値である。

【００４２】ｎ_ox＝ｎ_oy＝ｎ_o ＝１．５ ｎ_z ＝ｎ_e ＝１．７５ ｎ_p ＝１．５４ ｆｆ＝０．５ Ｄ＝５０ｎｍ ｔ＝１２５μｍ λ＝５００ｎｍ Ｒ₁ ＝２５ｍｍ Ｒ₂ ＝∞ ｎ_LC′＝ｎ_LC＝１．５８３３ ｎ_A ＝１．５６１７ ｎ_B ＝１．５２ ｆ₁ ＝４４．５ｍｍ ｆ₂ ＝４８．０４ｍｍ φ＝５ｍｍ

【００４３】この場合、上記式（１９）の右辺は、下記
のようになる。 λ・４５μｍ・（1.585 −1.45)²／（ｎ_u −ｎ_P ）² ＝５００ｎｍ・４５μｍ・(0.135)²／(0.0433)² ≒２１８７１２ｎｍ・μｍ

【００４４】また、Ｄ・ｔは、下記のようになり式（１
９）を満足する。 Ｄ・ｔ＝５０ｎｍ・１２５μｍ ＝６２５０ｎｍ・μｍ

【００４５】また、上記の具体例において、Ｒ₁ ＝Ｒ₂
＝∞、とすることもできる。この場合は、高分子分散液
晶層１４の光路長が、電圧のオン・オフで変わることに
なるので、可変焦点レンズ１１をレンズ系の光束が平行
でない部分に配置して、ピント調整を行うのに用いた
り、レンズ系全体の焦点距離等を変えるのに用いること
ができる。

【００４６】高分子分散液晶あるいは高分子分散液晶を
作るために液晶分子１７として用いる事ができる液晶物
質の例としては、ネマチック液晶のほかに、スメクチッ
ク液晶、カイラルコレステリック液晶、コレステリック
液晶、スメクチック液晶、スメクチックＣ^*液晶、強誘
電性液晶、反強誘電体液晶、トラン系液晶、ジフルオロ
スチルベン系低粘性化合物、バナナ型液晶等があり、こ
れらの液晶を用いて本発明の光学特性可変光学素子を実
現する事ができる。

【００４７】図６は、図４に示す可変焦点レンズ１１を
用いた撮像装置の一つであるデジタルカメラ用の撮像光
学系の構成を示すものである。この撮像光学系において
は、物体（図示せず）の像を、絞り２１、可変焦点レン
ズ１１およびレンズ２２を介して、例えばＣＣＤよりな
る固体撮像素子２３上に結像させる。なお図６において
は、液晶分子の図示を省略してある。

【００４８】このような撮像光学系によれば、可変抵抗
器１９により可変焦点レンズ１１の高分子分散液晶層１
４に印加する交流電圧を調整して、可変焦点レンズ１１
の焦点距離を変えることにより、可変焦点レンズ１１お
よびレンズ２２を光軸方向に移動させることなしに、例
えば、無限遠から６００ｍｍまでの物体距離に対して、
連続的に合焦させることが可能である。

【００４９】図７は、本発明の可変焦点レンズを用いた
電子内視鏡用の対物光学系の構成を示すものである。こ
の対物光学系は、物体（図示せず）の像を、前方レンズ
２５、絞り２６、可変焦点レンズ２７および後方レンズ
２８により、例えばＣＣＤよりなる固体撮像素子２９上
に結像させる。ここで、可変焦点レンズ２７は、高分子
分散液晶層１４を挟む一方のレンズ１２ａの内面の曲率
半径Ｒ１を無限大（平面）にし、他方のレンズ１２ｂの
内面をフレネルレンズ状にしたこと以外は、図５と同様
の構成で、その高分子分散液晶層１４に交流電源１６か
ら可変抵抗器１９およびスイッチ１５を経て交流電圧が
印加されるようにしている。なお、図７は、液晶分子の
図示を省略してある。

【００５０】このような対物光学系においても、物体距
離に応じて可変焦点レンズ２７の高分子分散液晶層１４
に印加する交流電圧を調整することにより可変焦点レン
ズ２７の焦点距離を変化させ、可変焦点レンズ２７およ
び後方レンズ２８を光軸方向に移動させることなしに、
ピント調整を行うことが可能である。

【００５１】図８は本発明の光学特性可変光学素子の一
つであり、撮像装置、可変焦点眼鏡等の光学装置に用い
られる可変焦点回折光学素子の一例を示すものである。

【００５２】この図に示す可変焦点回折光学素子３１
は、平行な平面の第１面３２ａおよび第２面３２ｂを有
する第１の透明基板３２と、光の波長オーダーの溝の深
さを有する断面鋸歯波状のリング状回折格子を形成した
第３面３３ａおよび平坦な第４面３３ｂを有する第２の
透明基板３３とを有し、入射光を第１，第２の透明基板
３２，３３を経て出射させるものである。第１，第２の
透明基板３２，３３間には、図１で説明したと同様、透
明電極１３ａ，１３ｂを介して高分子分散液晶層１４を
設け、透明電極１３ａ，１３ｂをスイッチ１５を経て交
流電源１６に接続して、高分子分散液晶層１４に交流電
界を印加し得るようになっている。

【００５３】このような構成の可変焦点回折光学素子３
１に入射する光線は、第３面３３ａの格子ピッチをｐと
し、ｍを整数とすると、次の式（２１）に示す角θだけ
偏向されて出射する。 ｐ sinθ＝ｍλ （２１）

【００５４】また、溝の深さをｈ、透明基板３３の屈折
率をｎ₃₃とし、ｋを整数とすると、下記式（２２）、
（２３）を満足すれば、波長λで回折効率が１００％と
なり、フレアの発生を防止することができる。 ｈ（ｎ_A −ｎ₃₃）＝ｍλ （２２） ｈ（ｎ_B −ｎ₃₃）＝ｋλ （２３）

【００５５】ここで、上記（２２）および（２３）式の
両辺の差を求めると、下記式（２４）が得られる。 ｈ（ｎ_A −ｎ_B ）＝（ｍ−ｋ）λ （２４）

【００５６】したがって、たとえば、λ＝５００ｎｍ、
ｎ_A ＝１．５５、ｎ_B ＝１．５とすると、次のようにな
る。 ０．０５ｈ＝（ｍ−ｋ）・５００ｎｍ

【００５７】ここでｍ＝１、ｋ＝０とすると、ｈの値は
下記のようになる。 ｈ＝１００００ｎｍ＝１０μｍ

【００５８】この場合、透明基板３３の屈折率ｎ₃₃は、
上記式（２２）から、ｎ₃₃＝１．５であればよい。ま
た、可変焦点回折光学素子３１の周辺部における格子ピ
ッチｐを１０μｍとすると、θ≒２．８７°となり、Ｆ
ナンバーが１０のレンズを得ることができる。

【００５９】このような、可変焦点回折光学素子３１
は、高分子分散液晶層１４への印加電圧のオン・オフで
光路長が変わるので、例えば、レンズ系の光束が平行で
ない部分に配置して、ピント調整を行うのに用いたり、
レンズ系全体の焦点距離等を変えるのに用いることがで
きる。

【００６０】なお、この実施の形態において、実用上
は、上記式（２２）、（２３）、（２４）の代りに夫々
下記の式（２５）、（２６）、（２７）を満足すればよ
い。 ０．７ｍλ≦ｈ（ｎ_A −ｎ₃₃）≦１．４ｍλ （２５） ０．７ｋλ≦ｈ（ｎ_B −ｎ₃₃）≦１．４ｋλ （２６） ０．７（ｍ−ｋ）λ≦ｈ（ｎ_A −ｎ_B ）≦１．４（ｍ−ｋ）λ （２７）

【００６１】図９、図１０は、眼鏡レンズとして可変焦
点レンズ１１を用いた可変焦点眼鏡を示す。

【００６２】これら図に示す可変焦点眼鏡３５は、スチ
ッチ１５を例えば手動でオン・オフすることにより、ス
イッチ１５をオフにしたとき、スイッチ１５をオンにし
たときとで夫々図９および図１０に示すように、高分子
分散液晶層１４の液晶分子１７の配列を変えることがで
きるので、眼鏡レンズ全体の視度を変えることができ
る。したがって、図１１に示す従来の二重焦点レンズ４
１を用いる眼鏡４２のように、視線方向で視度が変わる
眼鏡に比べて、違和感がなくなる。

【００６３】また、図１２に示す可変焦点眼鏡は、図９
に示す可変焦点眼鏡３５において例えばフレーム３５ａ
に物体４５までの距離を測定する測距センサー４６を設
けてあり、この測距センサーの出力にもとづいてスイッ
チ１５のオン・オフを制御して眼鏡レンズの視度を自動
的に調整し得るようにした。

【００６４】このように物体距離に応じて自動的に視度
調整を行うことができるので、特に視度調整力の衰えた
老人にとって便利な眼鏡が得られる。

【００６５】なお、図１２に示す可変焦点眼鏡３５は、
眼鏡レンズ全体を可変焦点レンズ１１にしたが、眼鏡レ
ンズの一部分例えば図１３に示すように中心よりやや下
側あるいは下側で鼻よりに可変焦点レンズ１１を設ける
ようにしてもよい。

【００６６】また、図１３に示すように、眼鏡レンズの
一部分に設けられた可変焦点レンズ１１の部分を凸レン
ズの形状にした方が、この可変焦点レンズ１１の部分と
それ以外の部分との段差を小さくできるので、眼鏡を通
して見る際に段差があまり邪魔にならず好ましい。尚１
３図において（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。

【００６７】さらに、上記の可変焦点眼鏡３５におい
て、交流電源１６は、電池を電源とする発振回路又はイ
ンバータ回路をもって構成することができる。この場
合、電池としては、マンガン電池、リチウム電池４０
９、太陽電池４１０、充電式電池４１１の一種又は複数
種を１つ以上フレーム３５ａに一体的に、すなわち内蔵
したり、別体に設けてコードで接続したり、レンズ表面
に設けたりあるいは内蔵電池と外部電池とを有するよう
にすることもできる。

【００６８】また、可変焦点眼鏡を構成する場合には、
上述の高分子分散液晶を用いる可変焦点レンズに代え
て、第２の実施の形態であるツイストネマティック液晶
を用いる可変焦点レンズを用いることもできる。図１４
および図１５は、この場合の可変焦点眼鏡５０の構成を
示すものであり、可変焦点レンズ５１は、レンズ５２お
よび５３と、これらレンズの内面上にそれぞれ透明電極
１３ａ，１３ｂを介して設けた配向膜３９ａ，３９ｂ
と、これら配向膜間に設けたツイストネマティック液晶
層５４とを有して構成し、その透明電極１３ａ，１３ｂ
を可変抵抗器１９を経て交流電源１６に接続して、ツイ
ストネマティック液晶層５４に交流電界を印加するよう
にしてある。

【００６９】このような構成の可変眼鏡レンズにおい
て、ツイストネマティック液晶層５４に印加する電圧を
高くすると、液晶分子５５は、図１５に示すようにホメ
オトロピック配向となり、図１４に示す印加電圧が低い
ツイストネマティック状態の場合に比べて、ツイストネ
マティック液晶層５４の屈折率は小さくなり、焦点距離
が長くなる。ここで可変抵抗器１９を調整すれば連続的
に焦点距離を変化させ得る。

【００７０】ここで、図１４に示すツイストネマティッ
ク状態における液晶分子５５の螺旋ピッチＰは、光の波
長λの数十倍以下に小さくする必要があるので、例え
ば、ピッチＰは、下記式（２８）を満足することが好ま
しい。 ２ｎｍ≦Ｐ≦６０λ （２８）

【００７１】なお、この条件の下限値は、液晶分子の大
きさで決まり、上限値は、入射光が自然光の場合に、図
１４の状態でツイストネマティック液晶層５４が等方媒
質として振る舞うために必要な値であり、この上限値の
条件を満足しないと、可変焦点レンズ５１は偏光方向に
よって焦点距離の異なるレンズになり、そのため二重像
が形成されてぼけた像しか得られなくなる。

【００７２】次に液晶層５４が光学的に入射光に対して
等方媒質として振る舞うための条件について説明する。

【００７３】今仮りにネマティック液晶５４の振れのピ
ッチＰ（図１４に示すＰ）が光の波長λに比べて非常に
小さいと、この可変焦点レンズは、入射光の偏光の状態
によらず屈折率ｎ′の媒質として作用する。つまり下記
式（５−１）の通りである。 Ｐ＜＜λ （５−１）

【００７４】このように、ピッチＰが光の波長λに比べ
て非常に小さいと、この可変焦点レンズは入射光の偏光
によらず、下記（５−２）にて与えられる屈折率ｎ’を
もつ媒質として作用する。 ｎ’＝（ｎ_ｅ＋ｎ_ｏ）／２ （５−２）

【００７５】ここで、ｎ_ｅは液晶分子長軸方向の偏光に
対する屈折率、ｎ_ｏは晶分子短軸方向の偏光に対する屈
折率である。図５（Ｂ）にネマティック液晶５４の入射
側の液晶分子に対応する屈折率楕円体を示す。ここで、
ｘ軸及びｚ軸は、液晶分子の短軸方向、ｙ軸は液晶分子
の長軸方向になっている。なおｎ_ｅ＞ｎ_{ｏとする。}

【００７６】次に、ジョーンズのベクトルと行列によっ
て、なぜ、この実施の形態のネマッテク液晶が実行的に
屈折率ｎ’の等方的な媒質としてふるまうのかを説明す
る。

【００７７】コロナ社発行の吉野勝美、尾崎雅則共著
「液晶とディスプレイ応用の基礎」の８５頁〜９２頁に
示される、式３−１０、式３−１１０および式３−１２
６によれば、絶対的な位相の変化ｅｘｐ（−ｉα）を含
めた時、図１４に示した厚さｄのネマテック液晶に対す
るジョーンズの行列Ｗ_ｔは下記の式（５−３）にて与え
られる。

【００７８】ただし、Φ、Γ、α、Ｘ、Ｒ（−Φ）は夫
々下記の式（５−４）、（５−５）、（５−６）、（５
−７）、（５−８）の通りである。 Φ＝２πｄ／Ｐ （５−４）

【００７９】ここで、常光を液晶分子の短軸方向の偏光
と定義し、異常光を液晶分子の長軸方向の偏光、又は、
長軸を光軸に垂直な平面へ投影した時の方向の偏光と定
義すると、Γはネマテック液晶による常光と異常光の位
相差を表わす。

【００８０】なお、Φはネマテック液晶５４の液晶分子
の、捩れ角をラジアンで表わしたものである。又式（５
−３）、式（５−８）の座標系は、図５（Ｂ）に示す
ｘ，ｙ，ｚ軸のように取るものとする。つまり、ｘ軸は
紙面の表から裏側へ向かっており、ｙ軸はカイラルネマ
テック液晶の入射面での液晶分子長軸の方向である。式
（５−１）の条件のもとで、式（５−３）のＷ_ｔがどの
ようになるかを調べてみる。

【００８１】式（５−１）は次の式（５−９）のように
変形できる。 ０＜Ｐ／λ＜＜１ （５−９）

【００８２】そこでｐ／λ→０の時、式（５−３）のＷ
_ｔの極限値Ｗ_ｔＬを求める。

【００８３】Γ／Φは（５−１０）にて与えられる。 Γ／Φ＝（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）（Ｐ／λ） （５−１０）

【００８４】したがって、Ｐ／λ＜＜１のときΓ／Φは
式（５−１１）に示すようになる。 ｜Γ／Φ｜＜＜１ （５−１１）

【００８５】したがってＰ／λ→０のとき｜Γ／Φ｜→
０となる。

【００８６】式（５−１１）の条件のもとでは、式（５
−７）のＸは、下記式（５−１２）、（５−１３）、
（５−１４）のようになる。 と近似でき、Ｐ／λ→０のとき、それぞれ、 Ｘ→Φ （５−１６） ｃｏｓＸ→ｃｏｓΦ （５−１７） となるので、Ｐ／λ→０のとき、Ｗ_ｔＬは（５−２０）
のようになる。

【００８７】これは屈折率ｎ’＝（ｎ_ｅ＋ｎ_ｏ）／２、
厚さｄの、光軸に沿って等方な媒質のジョーンズ行列に
ほかならない。

【００８８】したがって、Ｐ／λ＜＜１であるので、図
１２の可変焦点レンズ２１は、屈折率ｎ’のレンズとし
て作用しぼけのない結像が実現できる。

【００８９】尚、図１６のように液晶が中間の配列の場
合においても、ｎ_ｅの値を、ｎ_ｅとｎ_ｏのある中間の値
である異常光の屈折率ｎ_ｅ’で置きかえることで、上記
の式（５−３）〜（５−２０）を満足するようにするこ
とが可能である。

【００９０】尚、電圧の印加のしかたとしては、連続可
変に限らず、いくつかの離散的な電圧値の中から印加電
圧を選択するようにしても、可変焦点レンズが実現でき
る。

【００９１】ここで、図１４のような構成の可変焦点レ
ンズの実際的な例について、詳細に説明する。

【００９２】式（５−２０）にはＰ／λ→０の極限の場
合が示されているが、実際の液晶レンズ、可変焦点レン
ズでは液晶分子配列の乱れ等のためかならずしも極限値
があてはまらない場合もあるので、式（５−３）の近似
式を導いてみる。Ｐ／λ＜１でなくても良く、Ｐ／λ≧
１の場合も含まれる。

【００９３】式（５−３）をＰ／λの１次までを考えて
近似すると、次のようになる。つまり、式（５−１２）
〜式（５−１４）で、Ｐ／λの１次まで、即ち式（５−
１０）より、Γ／Φの１次までを残し、Γ／Φの２次以
上を省略すると式（５−２１）のようになる。

【００９４】これら式（５−２０）、（５−２１）、
（５−２２）より下記式（５−２３）が得られる。

【００９５】したがって、Ｗ_ｔＮの値が、等方媒質のジ
ョーンズ行列とほぼ等しいとみなせるためには、｜ｉ・
Γ／２Φ｜が０に近ければよい。この時Ｗ_ｔＮは下記式
（５−２４）に近づく。

【００９６】この式（５−２４）は、液晶が入射光の偏
光方向Γ／４・Γ／Φだけ回転するが、等方媒質である
とみなせることを意味している。

【００９７】したがって、下記の式（５−２５）を満足
する、つまりおよそ式（５−２６）を満足すれば、ぼけ
ない可変焦点レンズが得られる。 ｜ｉ・（Γ／２Φ）｜≒０ （５−２５） ｜Γ／２Φ｜＜＜１ （５−２６）

【００９８】式（５−１０）より、Γ／２Φは下記式
（５−２７）にて表わされる。 Γ／２Φ＝（１／２）（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）（Ｐ／λ） （５−２７）

【００９９】実際のレンズ付撮像装置、例えば電子カメ
ラ、ＶＴＲカメラ、電子内視鏡等の、比較的低コストの
製品等のレンズに本発明の可変焦点レンズを用いる場
合、固体撮像素子の画素数が少なく、高解像を要求しな
い場合もあるので、式（５−２６）は条件をゆるめるこ
とができ、下記条件（５−２８）を満足すればよい。 ｜Γ／２Φ｜＜１ （５−２８）

【０１００】画素数の多い電子撮像装置のレンズ、フィ
ルムカメラ、顕微鏡等の高画質の製品等のレンズでは高
解像が要求されるので、下記条件（５−２９）を満足す
ることが望ましい。 ｜Γ／２Φ｜＜π／６ （５−２９）

【０１０１】光ディスクのレンズ等結像に用いないレン
ズあるいは画素数の少ない電子撮像装置等の場合、条件
はさらにゆるめられ、下記条件（５−３０）を満足すれ
ばよい。 ｜Γ／２Φ｜＜π （５−３０）

【０１０２】尚、本実施の形態に共通して言えることで
あるが、液晶が螺旋状の配列の時、液晶分子の長軸方向
が光軸に対して垂直でない時、つまり斜めの時は、式
（５−１）、式（５−２６）〜式（５−３０）のｎ_ｅを
上記のｎ_ｅ’で置きかえればよい。

【０１０３】次に設計例を述べる。この設計例は眼鏡用
にもその他の光学系にも利用できる。

【０１０４】ネマテック液晶の厚さｄは、薄いとレンズ
のパワーが弱く役に立たないし、厚いと光が散乱しフレ
アの原因となるので、厚さｄは下記条件（５−３１）を
満足することが望ましい。 ２μ＜ｄ＜３００μ （５−３１）

【０１０５】又、光の波長λは可視光を考えると、下記
条件（５−３２）の範囲である。 ０．３５μ＜λ＜０．７μ （５−３２）

【０１０６】又、ｎ_ｅ−ｎ_ｏの値は液晶の物性で決ま
り、下記（５−３３）の範囲の物質が多い。 ０．０１＜｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜＜１．０ （５−３３）

【０１０７】また、光学素子に用いる液晶としては、特
に｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜の値が下記式（５−３３−２）の範囲
内のものが化学的に安定なこと、及び光学的効果を有す
ること等からさらに有用である。 ０．１＜｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜＜０．７ （５−３３−２）

【０１０８】次に設計例として第１〜第４の設計例を示
す。 （第１の設計例） ｄ＝１５μ λ＝０．５μ ｎ_ｅ−ｎ_ｏ＝０．２ Ｐ＝０．０５μ φ＝２０ｍｍ（可変焦点レンズの有効径） とすれば、Γ／２Φ＝１／２・０．２×０．０５／０．
５＝０．０１となり、式（５−２６）、式（５−２
８）、式（５−２９）、式（５−３０）を満たす。

【０１０９】（第２の設計例） ｄ＝３０μ λ＝０．６μ ｎ_ｅ−ｎ_ｏ＝０．２５ Ｐ＝１．１μ φ＝５０ｍｍ とすれば、Γ／２Φ＝１／２・１．１×０．２５／０．
６＝０．２２９２となり、式（５−２８）、式（５−２
９）、式（５−３０）を満たす。

【０１１０】（第３の設計例） ｄ＝５０μ λ＝０．５５μ ｎ_ｅ−ｎ_ｏ＝０．２ Ｐ＝５μ φ＝１０ｍｍ とすれば、Γ／２Φ＝１／２・０．１×５．０／０．５
５＝０．９０９となり、式（５−２８）、式（５−３
０）を満たす。

【０１１１】（第４の設計例） ｄ＝２００μ λ＝０．９５μ ｎ_ｅ−ｎ_ｏ＝０．２ Ｐ＝４μ φ＝２０００μ とすれば、Γ／２Φ＝１／２・０．２×４／０．９５＝
０．４２となり、式（５−２６）、式（５−２８）、式
（５−２９）、式（５−３０）を満たす。

【０１１２】第４の設計例は近赤外光用の可変焦点レン
ズ等の例である。

【０１１３】以上の各設計例では、ネマティック液晶を
例にとって説明したが、ネマティック液晶の螺旋のピッ
チを小さくするためには、カイラル剤を液晶に例えば１
％以上、できれば５％以上混ぜると良い。

【０１１４】カイラル剤としては、コレステリック液晶
又は合成品の光学活性化合物等が用いられる。次の化学
式（１）、化学式（２）にネマチック液晶の例を、化学
式（３）、化学式（４）はカイラル剤の例である。

【０１１５】以上の説明において、可変焦点レンズに用
いる液晶５４としては、ネマティック液晶を用いて説明
したが、本実施の形態はこれに限らず、螺旋状の配列の
液晶に適用できるものであり、可変焦点レンズの第３の
変形例として、図１７に示すようなスメクティック液晶
を用いて構成することができる。この図１７は、スメク
ティックＣ相の液晶分子配列を示したもので、これを用
いた可変焦点レンズの構造を図１８に示す。

【０１１６】これに液晶電圧を印加すると、一対の電極
３に挟まれた各層の液晶分子は、座標系のｚ軸方向にほ
ぼ平行に配列し、スメクティック液晶３００の屈折率
は、図１８の状態のｎ′から屈折率ｎ_ｏ に低下し、可
変焦点レンズの焦点距離が変化する。

【０１１７】この図１７及び１８に示した第２の螺旋配
向の液晶レンズの例についても、式（５−１）〜（５−
３０）はあてはまり、特に式（５−２６）、式（５−２
７）、式（５−２８）、式（５−２９）、式（５−３
０）を満たせばボケの少ない可変焦点レンズが得られ
る。又、図１８の構成においても、スメクティック液晶
３００に加わる電圧は連続的に変えることができ、それ
に伴って焦点距離も連続的に変わる。

【０１１８】ここで、スメクティック液晶３００を用い
た可変焦点レンズの設計例を示すと、次の通りである。 ｄ＝２５μ λ＝０．５５μ ｎ_ｅ −ｎ_ｏ ＝０．３ Ｐ＝１．０μ φ＝３５ｍｍ とすると、Γ／２Φ＝１／２・０．３×１．０／０．５
５＝０．２７２５となり、式（５−２６）、式（５−２
８）、式（５−２９）、式（５−３０）を満たす。

【０１１９】なお、化学式（５）に、スメクティック液
晶３００の分子構造の１例である「４−（ｎ−ヘキシル
オキシ）フェニルオキシ−４′−（２−メテルブチル）
ビフェニル−４′−カルボキシレート」を示した。な
お、ピッチＰはおよそ０．２μである。

【０１２０】また、可変焦点レンズの第４の変形例とし
て、図１９に示すように、コレステリック液晶３０１を
用いた可変焦点レンズを構成することができる。

【０１２１】コレステリック液晶３０１は、液晶分子の
配向方向が各層でレンズ表面に平行で方位角が周期Ｐ
で、ｚ軸方向に螺旋を描いて変わる。この状態で式（５
−１）〜式（５−３０）があてはまる。電圧が加わる
と、液晶分子の配向が螺旋で無くなり、凸レンズとして
の作用が生ずる。又、この変形例では基板の内面形状を
凸レンズ状とし、コレステリック液晶３０１の形状によ
るレンズ効果も兼ね備えた可変焦点レンズである。基板
５の内面の形状はフレネルレンズ状にしてもよい。

【０１２２】なお、コレステリック液晶３０１には選択
反射の性質があり、波長λｓ＝Ｐ・ｎ′近傍の右又は左
の円偏光を全反射する。図２０は、自然偏光に対するコ
レステリック液晶の反射率の実測値の例を示している。

【０１２３】従って、波長λｓは、この可変焦点レンズ
で用いる光の波長範囲外にあることが望ましい。つま
り、Ｐ・ｎ′が、この可変焦点レンズを利用する光の波
長域外にあることが、さらに透過率の良い、着色のない
液晶レンズを得るために必要である。可視光であれば、
Ｐ・ｎ′の値は下記式 Ｐ・ｎ′＜０．４μ 又は Ｐ・ｎ′＞０．７μ （５−３４） であることが必要である。

【０１２４】ここで多少の着色をゆるしてもよい、低価
格のカメラレンズに用いる場合などでは式（５−３４）
の代りに下記式（５−３４−２）を満足すればよい。 Ｐ・ｎ′＜０．５μ 又は Ｐ・ｎ′＞０．６μ （５−３４−２）

【０１２５】なお、上述の第３の変形例である図１７に
示したスメティックＣ相の液晶でも選択反射は生じる場
合があり、上記の理由で式（５−３４）、式（５−３４
−２）は図１７に示した例にも適用される。

【０１２６】コレステリック液晶３０１を用いた可変焦
点レンズの設計例として、 ｄ＝１５μ ｎ_ｅ−ｎ_ｏ ＝０．４ λ＝０．４５μ Ｐ＝６μ ｎ′＝１．７ φ＝３ｍｍ とすると、Γ／２Φ＝１／２・０．４×６／０．４５＝
２．６７となり、式（５−３０）を満たし、Ｐ・ｎ′＝
１０．２μであるから、式（５−３４）、（５−３４−
２）も満たしている。

【０１２７】化学式（６）はコレステリック液晶３０１
の１例で、安息香酸コレステロールの化学式である。

【０１２８】又、可変焦点レンズの第５の変形例とし
て、コレステリック液晶１２の代りにティスコチック液
晶を用いてもよい。

【０１２９】この実施の形態並びに各変形例及び後の他
の実施の形態で述べる螺旋状の配向の液晶を用いた光学
素子、たとえば可変焦点レンズに共通して言えることで
あるが、螺旋のピッチＰが、用いる光の波長λに比べて
小さいか、或いは波長の２０倍程度以下であることが、
ボケのより少ない可変焦点レンズを得るためにより望ま
しい。例えば可視光の場合、０．４μ＜λ＜０．７μで
使用する光学装置では次の式（５−３５）を満足するこ
とが望ましい。 ０．００１μ＜Ｐ＜１４μ （５−３５）

【０１３０】さらに充分ボケを減らすためには、次の条
件（５−３６）を満足することが望ましい。 ０．００１μ＜Ｐ≦５μ （５−３６）

【０１３１】ここでＰの下限は液晶分子自体の大きさか
ら決まる。

【０１３２】以上の例で液晶のピッチＰは波長λに比べ
て同じオーダーか小さい程よいが、実際には波長の１０
〜５０でもよい場合もある。今、これを式（５−１０）
と式（５−３０）を用いて考える。

【０１３３】即ち、 ｜Γ／２Φ｜＜π ｜１／２（ｎ_ｅ −ｎ_ｏ ）Ｐ／λ｜＜π ここでλ＝０．５μ、ｎ_ｅ −ｎ_ｏ ＝０．２とすると
式（５−３７）が得られる。 Ｐ＜１０πλ＝３１．４λ （５−３７）

【０１３４】式（５−２８）、式（５−２９）、式（５
−３０）等は、液晶の分子配列が規則正しい場合である
が、実際には部分的にランダムな配列が生じている。こ
の場合は、液晶レンズ全体として式（５−３７）は更に
緩めることが可能であり、Ｐの値が式（５−３８）の範
囲内でもよい。 Ｐ＜６０λ （５−３８）

【０１３５】やや高い精度を必要とする光学系では、次
の式（５−３９）の範囲内が好ましい。 Ｐ＜２０λ （５−３９）

【０１３６】また、液晶の場所ごとにＰの値が異なる場
合は、Ｐの値としてそれらの平均値をとることにする。

【０１３７】一方、光学系の性能を上げる為にはＰは小
さい方がよいのであるが、一般に液晶はＰの値が小さく
なると液晶の粘性が増し、電圧の変化に対する屈折率変
化の応答速度が遅くなる。この点も考慮すと、Ｐの値は
実験結果より、およそλより大きい方が良く、式（５−
２８）、式（５−２９）、式（５−３０）、式（５−３
８）、式（５−３９）等も考慮して、式（５−４）また
は式（５−４１）を満たすことが望ましい。 λ≦Ｐ （５−４１） λ≦Ｐ かつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−４２）

【０１３８】オートフォーカステレビカメラの光学系な
どではさらに早い応答速度が要求されるので式（５−４
３）又は式（５−４４）を満足することが望ましい。 ２λ≦Ｐ （５−４３） ２λ≦Ｐ かつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−４４）

【０１３９】逆にそれほど早い応答が要求されない光学
系、例えば眼鏡、視度調整装置などでは、次の式（５−
４５）又は式（５−４６）を満足すればよい。 ２／３λ≦Ｐ （５−４５） ２／３λ≦Ｐ かつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−４６）

【０１４０】なお厚さ９ミクロン、Ｐ＝１．１ミクロン
のカイラルネマチック液晶の場合、交流電圧の変化に対
する応答時間は１秒以下から３０秒程度であった。

【０１４１】以上第２実施例以後について述べた内容は
螺旋状の配向を持つ液晶、強誘電体等にも当てはまる。
従って式（５−１）から式（５−４６）までは、螺旋状
の配向を持つ液晶、強誘電体等にも適用できる。

【０１４２】そのような螺旋状の配向を実現できる物質
の例としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コ
レステリック液晶、スメクチックＣ^*液晶、強誘電性液
晶、反強誘電体液晶、トラン系液晶、ジフルオロスチル
ベン系低粘性化合物、アジン系液晶、バナナ型液晶、そ
れら液晶を用いた高分子安定化液晶、高分子分散液晶等
があり、これらの液晶を用いて本発明の光学特性可変光
学素子を実現する事ができる。

【０１４３】次に示す化学式７はジフルオロスチルベン
系低粘性化合物の１例である。

【０１４４】次に可変焦点レンズを用いた眼鏡の例をさ
らに述べる。

【０１４５】通常、眼鏡は、利用者の希望に合わせて眼
鏡のフレーム３５ａの形状，デザインが選択される。

【０１４６】したがって例えば図２１に示す眼鏡に用い
る可変焦点眼鏡レンズの電源１６、スイッチ１５、コー
ド１５０等よりなる部品を別の部品にし、これら部品と
可変焦点眼鏡レンズとを電気的に接続した上で眼鏡フレ
ーム３５ａに固定した方が、任意の枠を選ぶことができ
便利である。

【０１４７】図２１は、前記の可変焦点眼鏡の一例を示
すもので、１５１は液晶を用いた可変焦点眼鏡レンズ、
１５２は駆動のためのユニットで、両者はコード１５０
で電気的に接続されている。これら液晶を用いた可変焦
点眼鏡レンズ１５１と駆動ユニット１５２を別々に作り
結合してもよい。

【０１４８】図２２は、図２１に示す液晶を用いた可変
焦点眼鏡レンズ１５１と駆動ユニット１５２を眼鏡のフ
レーム１５４に取付けた状態を示すものでコード１５０
をバンド、熱収縮リング、粘着テープ等の固定具１５３
を用いて固定してある。そしてフレーム１５４として
は、利用者の好みに合わせて用いればよい。又駆動ユニ
ット１５２は、衣服のポケット等に収納すればよい。又
は、図２３に示すようにヘッドホンと同様に頭の上にま
た図２４のように耳の後方、後頭部、肩の背中の側に下
げるようにしてもよい。

【０１４９】又、図２５に示すように、駆動ユニット１
５２を帽子１５３に取り付けてもよい。このとき、図２
６に示すように帽子１６０と眼鏡３５とを分離できるよ
うに駆動ユニット１５２と眼鏡のフレーム３５ａから伸
ばしたコード１５０とをコネクター１５０ａにてつなぐ
ようにするとよい。また、帽子１６０には、駆動用電源
を取り付けてもよく、この場合には電源として例えば太
陽電池などを用いることもできる。この場合も、図２６
に示したように、コード１５０にコネクター１５０ａを
設け、帽子１６０と眼鏡３５とを分離できるようにする
ことが望ましい。

【０１５０】ここで、可変焦点レンズの屈折力の切り換
えを、視線検知により行うようにすることができる。図
２７は、視線検知により可変焦点眼鏡レンズ１５１の屈
折力を変える可変焦点眼鏡の一例を示すものである。こ
の図において、眼鏡３５のフレーム３５ａに視線検知装
置１６５を取り付けたものであり、眼鏡の装着者がこの
視線検知装置１６５の方向を見ると、その度に駆動ユニ
ット１５２がオン、オフし、可変焦点眼鏡レンズの屈折
率が変化し、屈折力も変わる。この視線検知装置１６５
は可変焦点眼鏡レンズ１５１自体に取り付けてもよい。

【０１５１】この図に示す眼鏡を用いれば、手などを使
うことなく視線検知装置１６５に視線を向けるだけで可
変焦点眼鏡レンズ１５１の屈折力を変えることができる
ため、両手を使う作業を行っているときでも可変焦点眼
鏡レンズの焦点距離を変えることができ、ピント合わせ
を行うことができる。

【０１５２】また、この眼鏡において、視線検知装置１
６５により視線を検知して視線が上方を向いている時に
は遠方にピントが合うようにし、視線が下方を向いてい
る時には近点にピントが合うようにして、可変焦点眼鏡
レンズの焦点距離を変えるうにしてもよい。このような
視線検知装置は、図３８，３９に示す表示装置，ＰＤＡ
等に設けて、各種スイッチのＯＮ，ＯＦＦ，視度調整等
に用いてもいい。

【０１５３】また、本発明の可変焦点眼鏡において、眼
鏡レンズ、フレーム、駆動装置、コードのいずれか一つ
または二つ以上に焦点距離を変化させるための手段例え
ばスイッチを二つ以上設けてもよい。これによりどのス
イッチを操作してもピントを変えることができ便利であ
る。ここで、スイッチとは焦点距離を変化させるための
可変抵抗のようなものも含む。また、以上の構成は、本
発明のいずれの構成の可変焦点眼鏡のすべてに適用可能
である。

【０１５４】また、耳かけ１５４の内部又は表面にコー
ドを配設できるようにし、眼鏡のフレームの耳かけ部の
みを交換してコード１５０を配置してもよい。例えば、
図２４に示すように耳かけ１５４の内部に穴をあけてコ
ードを渡すか、耳かけ１５４の表面に、プリント配線で
コードを設ける等の手段が考えられる。又１５５は、例
えば発振回路、インバーター回路等の交流を発生させる
回路である。

【０１５５】図２８は、レンズの外面のいずれかの部分
にスイッチ１５６を設けた例で、これによって駆動ユニ
ット１５２にスイッチを設けた例に比べて駆動ユニット
１５２には触れることなくレンズの外面に触れるのみで
焦点距離を変化させ得る。又スイッチ１５６をタッチス
イッチにすれば切り換え時の力量が小で軽いタッチで操
作出来るため便利である。

【０１５６】図２９は、レンズの周辺部に電源以外の可
変焦点レンズを駆動するための電子回路をレンズ外周部
分に薄膜トランジスター製造技術等を用いて設けた例で
ある。これにより駆動ユニットは簡単な構成になり軽量
になるため便利である。

【０１５７】図３０は、色々なフレームに組合わせ可能
なレンズで大きめの可変焦点レンズ１５８を形成し、そ
のうちの破線１５８ａにて示すようにフレームに合わせ
て切り出すようにした例である。この例では、可変焦点
レンズ部分は実践で示す部分１５９で部材１５８の内部
に設ける。

【０１５８】このような手段にて可変焦点レンズを形成
すれば様々なフレームに合わせた１５８ａのような形状
に作成し得る。

【０１５９】上述のすべての可変焦点眼鏡において、電
池の消耗あるいはコードの断線などにより電源が切れた
場合、駆動ユニット１５２が故障した時には、遠点にピ
ントが合うようにしておけば、例えば自動車運転時に電
源が切れても安全である。また利用者が主として遠方を
みる時間が長い場合も、電池の消費電力を抑えることが
できる。

【０１６０】そのため、図１８に示すように、液晶の部
分に凹レンズの作用を持たせるようにすれば電源がオフ
の時には電源がオンの時に比べてより強い凹レンズの作
用を持つため遠方にピントが合うようになる。

【０１６１】このような可変焦点レンズは眼鏡以外、た
とえばデジタルカメラのフォーカス用にも便利である。

【０１６２】逆に利用者が主として近くの物体を見るこ
とが多い場合等では、電源がオフかあるいは電圧が低い
状態にして可変焦点眼鏡レンズを近点にピントが合うよ
うにすれば電池等の電源の消費を防ぐことができ有利で
ある。

【０１６３】一方眼鏡利用者によっては、遠方でコント
ラストの高い像を見る場合が多く、近点を見ている時間
が少ない場合があり、このような利用者は可変焦点眼鏡
レンズへの電源をオンにし電圧の高い状態にして遠方の
物体にピントが合うようにするのが望ましい。このよう
に電圧を高くすれば液晶分子の配向にゆらぎが少なく、
コントラストの高い像を得ることができる。

【０１６４】これとは逆に、近点をコントラストの良い
像にて見る時間の多い眼鏡利用者に対しては、電圧がオ
ンあるいは電圧が高い状態で近点にピントが合うように
しておくのがよい。

【０１６５】つまり電圧がオンあるいは電圧が高い状態
が利用者がコントラストの良い像を多く見たい状態であ
ればよい。

【０１６６】以上のような特徴をもつ可変焦点レンズは
眼鏡以外の光学系にも適用できる。

【０１６７】眼鏡の利用者は、近視の人、遠視の人、乱
視の人等様々であり、利用者に合わせて可変焦点眼鏡を
作る必要がある。そのため、可変焦点眼鏡レンズを構成
する２枚の基板のうち、１枚の基板を共通とし、他の１
枚の基板を利用者に応じて凸レンズ、凹レンズあるいは
乱視用シリンドリカルレンズ等のいずれかを選択して可
変焦点眼鏡レンズを作るようにすれば、一つの部品を共
通部品として使用できるため、製造コストを下げること
ができ有利である。

【０１６８】液晶のアッベ数は光学ガラスよりも小さ
く、液晶レンズは、強い色収差が発生する。この色収差
を補正するためには、液晶レンズが凸レンズの作用を持
つときは凹レンズの作用を持つ基板（光学部材）と組合
わせ、逆に液晶レンズが凹レンズの作用を持つときは、
凸レンズの作用を持つ基板（光学部材）と組合わせるの
がよい。

【０１６９】図３１は、このような可変焦点眼鏡レンズ
の例で、高分子分散液晶の凸の作用を有するフレネルレ
ンズ１６０に凹レンズの作用を有する基板１６１を組合
わせた例である。

【０１７０】又、可変焦点眼鏡レンズが回折光学素子を
用いたレンズである場合、上記眼鏡レンズとは逆の色収
差が発生するため、凸の作用を有する回折光学素子の可
変焦点レンズに対しては凸の作用を持つ基板を組合わ
せ、凹の作用を有する回折光学素子の可変焦点レンズに
対しては凹の作用を持つ基板を組合わせるのがよい。

【０１７１】図３１に示す可変焦点眼鏡レンズにおいて
は、抵抗１６２によりスイッチ１５がオンのときにバイ
アスがかかるようにしてあるが、これは可変抵抗器１９
により電圧を変えてレンズの焦点距離を変化させたとき
の応答速度をあげるためである。

【０１７２】この液晶レンズは、液晶の破壊を防ぐため
に基板にはナトリウムを含まない材料を用いることが好
ましい。

【０１７３】以上述べた可変焦点眼鏡レンズは、駆動ユ
ニットへ接続するために２本のコードが必要となる。こ
れら２本のコードは図３２に示すように、眼鏡の一方の
レンズの側からひとまとめにして駆動ユニット１５２と
接続することが望ましい。つまり実用上は１本のコード
が眼鏡３５に接続されるだけなので図３１のように構成
すれば眼鏡３５の着脱時にコードがひっかかることなく
便利である。このように一つにまとめたコード１５０
は、図３２のように耳掛け部１５４から出すようにして
もよく、又一方のレンズの近くから外に出すようにして
もよい。

【０１７４】眼鏡３５から外部に出るコードを２系統で
はなく１系統にすることは実用上重要である。この１系
統のコードは利用者の利き手の側とは反対側から出すの
が使用者の邪魔にならず好ましい。

【０１７５】図３３に示す本発明の可変焦点眼鏡は、コ
ード１５０を眼鏡３５のつりひも１６７と一体化して、
駆動ユニット１５２に接続されるようにしたものであ
る。

【０１７６】この可変焦点眼鏡３５は使用しない時に
は、眼鏡３５を顔からはずし、つりひも１６７を利用し
て首に下げるようにでき便利である。

【０１７７】また、コード１５０をつりひも１６７と一
部分または全部を一体化することにより、コード１５０
とつりひも１６７とがからむことなく便利である。

【０１７８】また上記眼鏡において、図３４に示すよう
に、眼鏡３５の一部に電線のコネクター１６８、１６９
を設け、コネクター１６８と１６９を接続したときには
可変焦点眼鏡として動作し、コネクター１６８と１６９
を外したときに通常の眼鏡として使い得るようにしても
よい。邪魔なときにコード１５０をはずしたときには、
遠方にピントが合うように眼鏡３５を構成すれば大体の
使用目的に適合できる。

【０１７９】図３５は、本発明を適用した眼鏡の他の例
で、補聴器３０６を備えた可変焦点眼鏡である。

【０１８０】この可変焦点眼鏡は、電源を可変焦点レン
ズ１５１と共用できるので便利である。この場合、補聴
器３０６は、眼鏡３５の耳かけ１５４に内蔵してもよ
い。

【０１８１】また、図３６に示す眼鏡のように別体の補
聴器３０７を電線にて眼鏡３５に接続してもよい。

【０１８２】なお、眼鏡３５を可変焦点眼鏡でない普通
の眼鏡とし、これに補聴器を備えてもよい。

【０１８３】図３７は、本発明の他の例で、ＰＤＡ（Ｐ
ｏｔａｂｌｅ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ又はＰｏ
ｒａｂｌｅ Ｄｅｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｎｔ）
３０８を備えた可変焦点眼鏡３０９の例である。このＰ
ＡＤ３０８は、ポータブルパソコンと考えてもよい。ま
た耳かけ１５４にはスピーカー３１０が備えられてお
り、音声にて情報を聴くことができる。また、ＰＤＡ３
０８にはディスプレー３１１、キーボード３１２、トラ
ックボール３１３等があり、内部にはＣＰＵ、ＲＡＭ、
ハードディスク等のコンピューターが内蔵されており、
また携帯電話も含まれている。尚図中３１４はアンテナ
である。更にＰＤＡ３０８には可変焦点レンズ共用の電
源、可変焦点レンズ駆動用の回路等も含まれている。こ
のような構成にすることにより、いつでも情報を発信、
受信できるので便利である。

【０１８４】図３８は、可変焦点眼鏡の他の例で、情報
を表示する機能を持つ可変焦点レンズで、小型ディスプ
レイ３１５を可変焦点レンズ１５１に取付けた構成のも
のである。

【０１８５】この可変焦点眼鏡に設けた小型ディスプレ
イ３１５の電源は、可変焦点レンズの電源と共用であ
り、小型ディスプレイ３１５の駆動回路は可変焦点眼鏡
３１６あるいはＰＤＡ３０８の内部に設けられている。
これにより、衣服からＰＤＡ３０８をとりだしてディス
プレイ３１１を見なくとも画像情報を小型ディスプレイ
３１５より得ることができ便利である。

【０１８６】図３６、図３７に示す可変焦点眼鏡は、と
もに駆動ユニット１５２又はＰＡＤ３０８と可変焦点眼
鏡とを切り離し可能にしておけば使用上便利である。ま
た、ＰＤＡ、可変焦点眼鏡ともに補聴器の機能を備えて
おけば老人にとって更に便利なものとなる。

【０１８７】図３９に示す可変焦点眼鏡３２０は、可変
焦点レンズと表示素子の機能を合わせもった光学特性可
変光学素子３１９を用いた表示機能を持つものである。
図において、分割電極３２１−１、３２１−２、・・
・、３２１−Ｎ（Ｎは電極の数で電極の終りの数）に
は、交流電源１６、スイッチ１５−１、１５−２、・・
・、１５−Ｎ、可変抵抗１９−１、１９−２、・・・、
１９−Ｎによって任意の電圧を夫々加えることができ
る。

【０１８８】この図に示す可変焦点眼鏡３２０の動作に
ついて次に述べる。

【０１８９】まず、すべてのスイッチ１５−１、１５−
２、・・・、１５−Ｎをオフにすれば液晶５４は図１４
に示すように螺旋配向になり、可変焦点レンズ３１９
は、屈折力の強いレンズとして作用する。逆にスイッチ
１５−１、１５−２、・・・、１５−Ｎのすべてをオン
にし、可変抵抗１９−１、１９−２、・・・、１９−Ｎ
のすべてを等しい値にしておけば、図１７に示すように
液晶５４はホメオトロピック配向になり、屈折力の弱い
レンズになる。

【０１９０】一方、図３９に示すように分割電極毎に異
なる電圧を加えると、液晶の配向は、場所により異なる
屈折率の液晶となり、そのため可変焦点レンズ３１９
は、ホログラムとして機能し、スイッチ１５−１、１５
−２、・・・、１５−Ｎおよび可変抵抗１９−１、１９
−２、・・・、１９−Ｎを適当に動作調整することによ
り、ＰＤＡ３０８あるいはコンピューター３２からの情
報を表示することができる。

【０１９１】この時、分割電極相互の間隔Ｓが、下記式
（３００）を満足するようにすることが望ましい。 λ／２０＜Ｓ＜１００λ （３００）

【０１９２】間隔Ｓが式（３００）の下限のλ／２０を
下まわると加工が困難になり、また上限の１００λを超
えるとホログラムの画像品位が低下する。

【０１９３】また、間隔Ｓが式（３０１）を満足すれ
ば、やや画像が低下するものの実用上は問題がない。 λ＜Ｓ＜２００λ （３０１）

【０１９４】図４０は、図３９に示す可変焦点眼鏡にお
ける眼鏡レンズ上の分割電極３２１を示すもので、電極
をマトリックス状にリソグラフィープロセスにて形成し
たものである。これら分割電極３２１には電線３２３が
接続されており、ＰＤＡ、コンピューター等で駆動回路
を経て画像、文字等が表示されるようになっている。こ
の場合、分割電極３２１は、眼鏡レンズ全面でなく、一
部分に設けてもよい。例えば、図４０に示すように、レ
ンズ３８の下半分のみに設けてもよい。また図４１のよ
うな格子状でなく放射状の電極にしてもよい。

【０１９５】図３１に示す可変焦点レンズ１６０はフレ
ネルレンズになっているが、そのために段差３０５が存
在する。この段差３０５は観察等に邪魔になるが、一般
の光学装置では、主光線、また眼鏡やカメラのファイン
ダー等の観察光学系の場合は視線方向とこの段差３０５
とがほぼ平行になるようにすれば邪魔になりにくいため
好ましい。この原理は、可変偏角プリズム等のフレネル
状の断面形状を持つ他の光学特性可変光学素子にも適用
できる。

【０１９６】次に、可変焦点眼鏡等に用いられる光学特
性可変光学素子の一つである可変焦点レンズの液晶材料
と駆動法とについて述べる。

【０１９７】可変焦点眼鏡等の携帯性の高い光学装置の
場合、消費電力は小さい方がよい。そのため、ヒステリ
シス特性のある液晶を用いて可変焦点レンズを形成し、
駆動する電源の消耗を小さくすることが考えられる。

【０１９８】図４２は、その一例を示すもので、ヒステ
リシス特性のあるカイラルネマチック液晶４０１を用い
た可変焦点レンズ４０２を示してある。この可変焦点レ
ンズ４０２において、スイッチ４１５をオンにして電圧
Ｖを０から徐々に上げていって電圧がＶ_SU（上限閾値）
になったところでカイラルネマチック液晶４０１は、ほ
ぼホメオトロピック配向になり屈折率は図４３に示すよ
うに（ｎ_ｅ＋ｎ_ｏ）／２（Ａの点）から曲線ａに沿って
ｎ_O 近くまで下がる。ここで、更に電圧を上げると、屈
折率はｎ_o （Ｂの点）まで下る。ここで電圧をゆっくり
下げていき電圧がＶ_SUを通りこしてＶ_SD（下限閾値）ま
で下がっても屈折率は曲線ｂのようにほぼｎ_o のまま
で、電圧を更に下げると屈折率は（ｎ_e ＋ｎ_o ）／２
（Ａの点）に戻る。したがって図４４に示すように可変
焦点レンズ４０２の媒質４０１の屈折率を低くしたいと
きには、電圧ＶをＶ_P まで一度上げた後、次に下記式
（６０）を満足Ｖ_N まで下げれば常時電圧Ｖ_P を保つ場
合に比べて電源を節約できる。 Ｖ_SD＜Ｖ_N ＜Ｖ_SU （６０）

【０１９９】液晶４０１の屈折率を上げる場合には、電
圧Ｖを０にすればよい。

【０２００】上記の可変焦点レンズ等にて用いるヒステ
リシス特性を持つ液晶の例としては、前記のカイラルネ
マチック液晶のほか、カイラルコレステリック液晶、ネ
マチック液晶を用いた高分子分散液晶、高分子安定化液
晶、コレステリック液晶を用いた高分子分散液晶、高分
子安定化液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶、スメク
チックＣ液晶等があり、いずれも可変焦点レンズ４０２
に用いることができる。

【０２０１】また、可変焦点レンズ以外に、光学特性可
変光学素子、可変偏角プリズム（図４５、図４６）、可
変焦点ミラー（図４７）等にも用いることができる。

【０２０２】また、図４５、図４６に示す可変偏角プリ
ズムには、ヒステリシスのない液晶を用いることもでき
る。

【０２０３】また、本発明の光学特性可変光学素子全般
に、液晶の代りに屈折率可変物質、たとえば電気光学効
果、磁気光学効果、熱光学効果を有する物質並びに強誘
電体等を用いてもよい。

【０２０４】前記の電気光学効果を有する物質の例とし
ては、チタン酸バリウム（Ｂ_a Ｔ_i Ｏ₃ ）、磁気光学効
果を有する物質の例としては、鉛ガラス、水晶、また熱
光学効果を有する物質の例としては水がある。強誘電体
の例としてはチタン酸バリウム、ロッシエル塩等があ
る。

【０２０５】図４５（Ａ）は、本発明の光学特性可変光
学素子の一つである可変偏角プリズムの構成を示すもの
である。この図に示す可変偏角プリズム６１は、第１，
第２の面６２ａ，６２ｂを有する入射側の第１の透明基
板（第１の光学部材）６２と、第３，第４の面６３ａ，
６３ｂを有する出射側の平行平板状の第２の透明基板
（第２の光学部材）６３とを有している。これら透明基
板のうち入射側の透明基板６２の内面（第２の面）６２
ｂは、フレネル状に形成され、この透明基板６２と出射
側の透明基板６３との間に、透明電極１３ａ，１３ｂを
介して高分子分散液晶層１４を設けてある。透明電極１
３ａ，１３ｂは、可変抵抗器１９を経て交流電源１６に
接続され、これにより高分子分散液晶層１４に交流電界
を印加して、可変偏角プリズム６１を透過する光の偏角
を制御するようにしている。なお、図４５に示す偏角プ
リズム６１は、透明基板６２の内面６２ｂをフレネル状
に形成したが、例えば、図４５（Ｂ）に示すように、透
明基板６２および６３の内面を相対的に傾斜させた傾斜
面を有する通常のプリズム状に形成することもできる
し、あるいは図８に示すような回折格子状に形成しても
よい。このように回折格子状に形成する場合は、同様に
上記の式（２１）〜式（２７）を満足することが好まし
い。

【０２０６】このような構成の可変偏角プリズム６１
は、例えば、ＴＶカメラ、デジタルカメラ、フィルムカ
メラ、双眼鏡等のブレ防止用として有効に用いることが
できる。この場合、可変偏角プリズム６１の屈折方向
（偏向方向）は、上下方向とするのが望ましいが、さら
に性能を向上させるためには、例えば、図４６に示すよ
うに２個の可変偏角プリズム６１を偏向方向を異ならせ
て、上下および左右の直交する方向で屈折角を変えるよ
うに配置するのが望ましい。なお、図４５および図４６
においては、液晶分子の図示を省略してある。

【０２０７】図４８は、本発明の可変焦点レンズの光学
特性可変光学素子を用いた光学装置としてのデジタルカ
メラの例である。この図に示された本発明のデジタルカ
メラは、撮影レンズ中に設けられた可変焦点レンズ５１
により撮影レンズのピント合わせや、ズーミングを行な
うことができる。

【０２０８】図４７は、本発明の可変焦点レンズとして
の可変焦点ミラーを示すものである。この可変焦点ミラ
ー６５は、第１，第２の面６６ａ，６６ｂを有する第１
の透明基板６６と、第３，第４の面６７ａ，６７ｂを有
する第２の透明基板６７とを有している。第１の透明基
板６６は、平板状またはレンズ状に形成され、その内面
（第２の面）６６ｂには透明電極１３ａを設けられ、第
２の透明基板６７は、内面（第３の面）６７ａを凹面状
に形成したもので、この凹面上には反射膜６８を施さ
れ、さらにこの反射膜６８上に透明電極１３ｂを設けら
れている。透明電極１３ａ，１３ｂ間には、図１にて説
明したのと同様に、高分子分散液晶層１４が設け、これ
ら透明電極１３ａ，１３ｂにスイッチ１５および可変抵
抗器１９を経て交流電源１６が接続され、高分子分散液
晶層１４に交流電界を印加するようにしている。なお、
図４７では、液晶分子の記載を省略してある。

【０２０９】図４７に示すような構成の本発明の可変焦
点レンズは、透明基板６６側から入射する光線を、反射
膜６８により高分子分散液晶層１４を折り返す光路と
し、これにより高分子分散液晶層１４の作用を２回もた
せることができると共に、高分子分散液晶層１４への印
加電圧を変えることにより、反射光の焦点位置を変える
ことができる。この場合、可変焦点ミラー６５に入射し
た光線は、高分子分散液晶層１４を２回透過するので、
高分子分散液晶層１４の厚さの２倍をｔとすれば、上記
の各式を同様に用いることができる。なお、透明基板６
６または６７の内面を、図８に示したように回折格子状
にして、高分子分散液晶層１４の厚さを薄くすることも
できる。このようにすれば、散乱光をより少なくできる
利点がある。なお、透明電極１３ｂを設けずに、反射膜
６８に電極の機能を持たせてもよい。

【０２１０】なお、以上の説明では、液晶の劣化を防止
するため、電源として交流電源１６を用いて、液晶に交
流電界を印加するようにしたが、直流電源を用いて液晶
に直流電界を印加するようにすることもできる。また、
液晶分子の方向を変える方法としては、電圧を変化させ
ること以外に、液晶にかける電場の周波数、液晶に掛け
る磁場の強さ・周波数、あるいは液晶の温度等を変化さ
せることによってもよい。また、図４３、図４４にて述
べたヒステリス特性を生かした電場のかけかたでもよ
い。

【０２１１】以上述べたように、本発明は特許請求の範
囲に記載するもののほか下記の各項に記載するものも発
明の目的に寄与し得る。

【０２１２】（１）一部に設けられた可変焦点レンズを
有するレンズで、前記可変焦点レンズが凸レンズである
眼鏡レンズ。

【０２１３】（２）前記の（１）の項に示す眼鏡レンズ
を用いた可変焦点眼鏡。

【０２１４】（３）可変焦点眼鏡レンズと、眼鏡レンズ
を駆動する電源とを有し、電源を眼鏡フレームあるいは
眼鏡レンズの表面又は内部に設けたことを特徴とする可
変焦点眼鏡。

【０２１５】（４）可変焦点眼鏡レンズと、眼鏡フレー
ムとを別体にして形成し、任意のフレームとレンズとを
組合わせて作成するようにしたことを特徴とする可変焦
点眼鏡の作成方法。

【０２１６】（５）可変焦点眼鏡レンズと駆動ユニット
とを別体にて作り、任意の可変焦点眼鏡レンズと駆動ユ
ニットとを組合わせて作成することを特徴とした可変焦
点眼鏡を作成する方法。

【０２１７】（６）特許請求の範囲の請求項２又は前記
の（４）の項又は（５）の項に記載する方法により作成
された可変焦点眼鏡。

【０２１８】（７）可変焦点レンズと駆動ユニットとを
有し、駆動ユニットを頭上に配置したことを特徴とする
可変焦点眼鏡。

【０２１９】（８）可変焦点レンズと駆動ユニットとを
有し、駆動ユニットを後頭部から肩のあたりに配置した
ことを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２２０】（９）眼鏡レンズと駆動ユニットを接続す
るコードを耳かけ部に配置したことを特徴とする可変焦
点眼鏡。

【０２２１】（１０）眼鏡レンズに、焦点可変のための
スイッチを設けたことを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２２２】（１１）焦点距離を変化させるための手段
を２か所以上設けたことを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２２３】（１２）可変焦点レンズ駆動のための駆動
装置またはその一部を可変焦点レンズの内部あるいは表
面に設けたことを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２２４】（１３）可変焦点レンズ駆動のための電子
回路を可変焦点レンズの内部あるいは表面に設けたこと
を特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２２５】（１４）可変焦点レンズと、レンズを駆動
する電源とを有し、電源が切れた状態あるいは断線時に
おいて遠方にピントが合うようにレンズを構成したこと
を特徴とする可変焦点眼鏡、又はレンズ、又はミラー。

【０２２６】（１５）液晶を有する可変焦点レンズと、
液晶を駆動する電源とを有し、電源がオフあるいは電圧
が低い状態の時に利用者の良く用いるピント位置にピン
トが合うようにしたことを特徴とする可変焦点眼鏡、又
はレンズ、又はミラー。

【０２２７】（１６）液晶を有する可変焦点レンズと、
レンズを駆動する電源とを有し、電源がオンあるいは電
圧が高い状態で利用者がよく観察する位置にピントが合
うようにしたことを特徴とする可変焦点眼鏡、又はレン
ズ、又はミラー。

【０２２８】（１７）前記の（１５）又は（１６）の項
に記載する眼鏡で、利用者が良く用いるピント位置が遠
方の位置であることを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２２９】（１８）前記の（１５）又は（１６）の項
に記載する眼鏡で、利用者が良く用いるピント位置が近
い位置であることを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２３０】（１９）２枚の基板の間に液晶を設けた可
変焦点レンズを用いた眼鏡で、１枚の基板を共通部品と
した可変焦点眼鏡の製造法。

【０２３１】（２０）前記の（１９）の項に記載する製
造法にて作られた可変焦点眼鏡。

【０２３２】（２１）２枚の基板の間に液晶を設けた液
晶レンズで、基板のうちの少なくとも１枚を液晶にて発
生する色収差と逆の色収差を発生させて色収差を補正す
るようにした可変焦点レンズ。

【０２３３】（２２）２枚の基板の間に液晶を設けた凸
の作用を有する液晶レンズで、基板のうちの１枚を凹レ
ンズとした可変焦点レンズ。

【０２３４】（２３）前記の（２０）、（２１）又は
（２２）の項に記載する可変焦点レンズを用いた可変焦
点眼鏡。

【０２３５】（２４）２枚の基板の間に液晶を設けた凹
の作用をする液晶レンズで、基板のうちの１枚を凸レン
ズとした可変焦点レンズ。

【０２３６】（２５）可変焦点眼鏡レンズと、可変焦点
眼鏡駆動ユニットとを備え、前記レンズと駆動ユニット
とを接続するコードを前記レンズから１系統にして出す
ことを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２３７】（２６）前記の（２４）の項に記載する眼
鏡で、コードを眼鏡利用者の利手側とは反対側から出す
ことを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２３８】（２７）可変焦点レンズと駆動ユニットを
結ぶコードを眼鏡の釣り紐と少なくとも一部を一体化し
たことを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２３９】（２８）可変焦点レンズと駆動ユニットを
接続するコードをコネクターにより眼鏡側と駆動ユニッ
ト側とを着脱可能にしたことを特徴とする可変焦点眼
鏡。

【０２４０】（２９）前記の（２８）の項に記載する眼
鏡でコードをはずしたときに遠方に視度が合うようにし
たことを特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２４１】（３０）前記の（２５）の項に記載する眼
鏡で、眼鏡の右眼側からコードを出すようにしたことを
特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２４２】（３１）前記の（２５）の項に記載する眼
鏡で、眼鏡の左眼側からコードを出すようにしたことを
特徴とする可変焦点眼鏡。。

【０２４３】（３２）可変焦点眼鏡において駆動ユニッ
トを帽子に配置した可変焦点眼鏡。

【０２４４】（３３）可変焦点眼鏡において駆動用の電
源を帽子に配置した可変焦点眼鏡。

【０２４５】（３４）可変焦点レンズを有し、視線を検
知してレンズの屈折力を変えることを特徴とする可変焦
点眼鏡。 （３４−１） 視線検知機能を備えた可変焦点眼鏡。 （３４−２） 視線検知機能を備えたＰＤＡ又は表示装
置。

【０２４６】（３５）補聴器を備えた眼鏡。

【０２４７】（３６）補聴器を備えた可変焦点眼鏡。

【０２４８】（３７）可変焦点レンズを用いた眼鏡で、
補聴器を備え、レンズと補聴器の電源を共有することを
特徴とする可変焦点眼鏡。

【０２４９】（３８）ＰＤＡの機能を備えた可変焦点レ
ンズを有する可変焦点眼鏡。

【０２５０】（３９）可変焦点眼鏡の機能を有するＰＤ
Ａ。

【０２５１】（４０）補聴器の機能を持つＰＤＡ。

【０２５２】（４１）補聴器と可変焦点眼鏡との機能を
備えたＰＤＡ。

【０２５３】（４２）ＰＤＡと可変焦点レンズとが電源
を共用するようにした可変焦点眼鏡またはＰＤＡ。

【０２５４】（４３）ＰＤＡと接続可能な可変焦点眼
鏡。

【０２５５】（４４）可変焦点レンズに表示機能を設け
た可変焦点眼鏡。

【０２５６】（４５）液晶を有する表示機能を設けた可
変焦点眼鏡。

【０２５７】（４６）液晶を有するホログラム機能を有
する表示素子を備えた眼鏡。

【０２５８】（４７）液晶を有する表示機能を備えた眼
鏡。

【０２５９】（４８）可変焦点レンズと表示素子の機能
を備えた光学特性可変光学系。

【０２６０】（４９）可変焦点レンズとホログラムの機
能を備えた光学特性可変光学素子。

【０２６１】（５０）レンズとホログラムの機能を備え
た光学特性可変光学素子。

【０２６２】（５１）前記の（４８）又は（４９）の項
に記載する光学素子で、液晶を用いた光学特性可変光学
素子。

【０２６３】（５２）液晶を用いたホログラム機能を備
えた光学特性可変光学素子。

【０２６４】（５３）前記の（４８）、（４９）、（５
１）又は（５２）の項に記載する光学特性可変光学素子
を備えた可変焦点眼鏡。

【０２６５】（５４）前記の（４８）、（４９）、（５
１）又は（５２）の項に記載する光学特性可変光学素子
を備えたＰＤＡ。

【０２６６】（５５）前記の（４８）、（４９）、（５
１）又は（５２）の項に記載する光学特性可変光学素子
を備えた眼鏡。

【０２６７】（５６）フレネルレンズの段差が主光線又
は視線方向とほぼ平行であるフレネル状断面をもつ光学
素子。

【０２６８】（５７）フレネルレンズの段差が主光線又
は視線方向とほぼ平行であるフレネル状断面形状を有す
る光学特性可変光学素子。

【０２６９】（５８）前記の（５７）の項に記載する光
学特性可変光学素子が可変焦点レンズであり、この可変
焦点レンズを用いた可変焦点眼鏡。

【０２７０】（５９）ヒステリシス特性を有する物質を
用いた光学特性可変光学素子。

【０２７１】（６０）ヒステリシス特性を有する液晶を
用いた光学特性可変光学素子。

【０２７２】（６１）ヒステリシス特性を有する液晶を
用いた可変焦点レンズ。

【０２７３】（６２）屈折率がヒステリシス特性を有す
る物質を用いた光学特性可変光学素子。

【０２７４】（６３）前記の（５９）、（６０）、（６
１）又は（６２）の項に記載する光学特性可変光学素子
又は可変焦点レンズを用いた可変焦点眼鏡。

【０２７５】（６４）液晶を有する光学素子で、液晶の
屈折率を変化させるとき一時的に大きな電圧を加えるよ
うにしたことを特徴とする光学特性可変光学素子。

【０２７６】（６５）前記の（６４）の項に記載する可
変焦点レンズを用いた可変焦点眼鏡。

【０２７７】（６６）光学特性可変光学素子を用いたぶ
れ防止装置。

【０２７８】（６７）液晶可変偏角プリズムを用いたぶ
れ防止装置。

【０２７９】（６８）前記の（６７）の項に記載するぶ
れ防止装置を備えた光学装置。

【０２８０】（６９）下記の式（１）、（１２）、（１
７）、（１８）、（１９）、（１９−５）又は（２０）
のいずれかを満足する高分子分散液晶あるいは高分子安
定化液晶を用いる光学特性可変光学素子。 ２ｎｍ≦Ｄ≦λ／５ （１） ０．０１≦｜ｎ_O ′−ｎ_LC′｜≦１０ （１２） Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ・（1.585 −1.45）² ／（ｎ_U −ｎ_P ）² （１７） ０．１≦ｆｆ≦０．９９９ （１８） ４×１０^-6［μｍ］² ≦Ｄ・ｔ≦ λ・４５μｍ・（1.585 −1.45）² ／（ｎ_U −ｎ_P ）² （１９） ４×１０^-6［μｍ］² ≦Ｄ・ｔ≦ λ・４５０μｍ・（1.585 −1.45）² ／（ｎ_U −ｎ_P ）² （１９−５） ７ｎｍ≦Ｄ≦５００λ （２０）

【０２８１】（７０）下記の式（５−２６）、（５−２
８）、（５−２９）、（５−３０）、（５−３１）、
（５−３４）、（５−３４−２）、（５−３７）、（５
−３８）、（５−３９）、（５−４１）、（５−４
２）、（５−４３）、（５−４４）、（５−４５）、
（５−４６）のいずれかを満足する螺旋構造を有する液
晶を用いた光学特性可変光学素子。 ｜Γ／２φ｜≪１ （５−２６） ｜Γ／２φ｜＜１ （５−２８） ｜Γ／２φ｜＜π／６ （５−２９） ｜Γ／２φ｜＜π （５−３０） ２μ＜ｄ＜３００μ （５−３１） Ｐ・ｎ′＜０．４μ又はＰ・ｎ′＞０．７μ （５−３４） Ｐ・ｎ′＜０．５μ又はＰ・ｎ′＞０．６μ （５−３４−２） Ｐ＜１０πλ＝３１．４λ （５−３７） Ｐ＜６０λ （５−３８） Ｐ＜２０λ （５−３９） λ≦Ｐ （５−４１） λ≦Ｐかつ｜Γ／２φ｜＜π （５−４２） ２λ≦Ｐ （５−４３） ２λ≦Ｐかつ｜Γ／２φ｜＜π （５−４４） ２／３λ≦Ｐ （５−４５） ２／３λ≦Ｐかつ｜Γ／２φ｜＜π （５−４６）

【０２８２】（７１）液晶を用いた光学特性可変光学素
子。

【０２８３】（７２）液晶を用いた回折光学素子を含む
光学特性可変光学素子。

【０２８４】（７３）液晶を用いた光学特性可変回折光
学素子。

【０２８５】（７４）高分子安定化液晶を用いた光学特
性可変光学素子。

【０２８６】（７５）屈折率可変物質を用いた光学特性
可変光学素子。

【０２８７】（７６）光学特性可変光学素子を用いた撮
像装置。

【０２８８】（７７）特許請求の範囲の請求項１、２又
は３あるいは前記の（１）、（２１）、（２２）、（２
４）、（４８）、（４９）、（５０）、（５１）、（５
２）、（５６）、（５７）、（５９）、（６０）、（６
１）、（６２）、（６３）、（６４）、（６９）、（７
０）、（７１）、（７２）、（７３）、（７４）又は
（７５）に記載する光学特性可変光学素子を用いた撮像
装置。

【０２８９】（７８）光学特性可変光学素子を用いた観
察装置。

【０２９０】（７９）特許請求の範囲の請求項１、２又
は３あるいは前記の（１）、（２１）、（２２）、（２
４）、（４８）、（４９）、（５０）、（５１）、（５
２）、（５６）、（５７）、（５９）、（６０）、（６
１）、（６２）、（６３）、（６４）、（６９）、（７
０）、（７１）、（７２）、（７３）、（７４）又は
（７５）に記載する光学特性可変光学素子を用いた観察
装置。

【０２９１】（８０）光学特性可変光学素子を用いた光
学装置。

【０２９２】（８１）特許請求の範囲の請求項１、２又
は３あるいは前記の（１）、（２１）、（２２）、（２
４）、（４８）、（４９）、（５０）、（５１）、（５
２）、（５６）、（５７）、（５９）、（６０）、（６
１）、（６２）、（６３）、（６４）、（６９）、（７
０）、（７１）、（７２）、（７３）、（７４）又は
（７５）に記載する光学特性可変光学素子を用いた光学
装置。

【０２９３】（８２）光学特性可変光学素子を備えた眼
鏡。

【０２９４】（８３）液晶を用いた眼鏡。

【０２９５】（８４）液晶を用いた可変焦点眼鏡。

【０２９６】（８５）光学特性可変光学素子を備えた表
示装置。

【０２９７】（８６）液晶を用いた表示装置。

【０２９８】（８７）光学特性可変光学素子を備えたＰ
ＤＡ。

【０２９９】（８８）液晶を用いたＰＤＡ。

【０３００】（８９）特許請求の範囲の請求項３あるい
は前記の（１）、（２１）、（２２）、（２４）、（４
８）、（４９）、（５０）、（５１）、（５２）、（５
６）、（５７）、（５９）、（６０）、（６１）、（６
２）、（６３）、（６４）、（６９）、（７０）、（７
１）、（７２）、（７３）、（７４）又は（７５）に記
載する光学特性可変光学素子を用いた眼鏡。

【０３０１】（９０）特許請求の範囲の請求項３あるい
は前記の（１）、（２１）、（２２）、（２４）、（４
８）、（４９）、（５０）、（５１）、（５２）、（５
６）、（５７）、（５９）、（６０）、（６１）、（６
２）、（６３）、（６４）、（６９）、（７０）、（７
１）、（７２）、（７３）、（７４）又は（７５）に記
載する光学特性可変光学素子を用いた可変焦点眼鏡。

【０３０２】（９１）特許請求の範囲の請求項３あるい
は前記の（１）、（２１）、（２２）、（２４）、（４
８）、（４９）、（５０）、（５１）、（５２）、（５
６）、（５７）、（５９）、（６０）、（６１）、（６
２）、（６３）、（６４）、（６９）、（７０）、（７
１）、（７２）、（７３）、（７４）又は（７５）に記
載する光学特性可変光学素子を用いた表示装置。

【０３０３】（９２）特許請求の範囲の請求項３あるい
は前記の（１）、（２１）、（２２）、（２４）、（４
８）、（４９）、（５０）、（５１）、（５２）、（５
６）、（５７）、（５９）、（６０）、（６１）、（６
２）、（６３）、（６４）、（６９）、（７０）、（７
１）、（７２）、（７３）、（７４）又は（７５）に記
載する光学特性可変光学素子を用いたＰＤＡ。

【０３０４】

【発明の効果】本発明の光学特性可変光学素子、例えば
可変焦点レンズは、光学特性（レンズの焦点距離）を変
化させ得るもので、眼鏡レンズに用いた場合遠点、近点
への観察を切り換えにより夫々観察が可能でありしかも
段差が生ずることがない。したがってこれを用いた可変
焦点眼鏡は極めて便利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変焦点レンズの原理を示す図

【図２】図１のレンズでスイッチをオンにした状態を示
す図

【図３】高分子安定化液晶を用いた本発明の可変焦点レ
ンズを示す図

【図４】図１のレンズで可変抵抗を用いた可変焦点レン
ズの構成を示す図

【図５】屈折率楕円体を示す図

【図６】本発明の撮像装置の構成を示す図

【図７】本発明の電子内視鏡用対物光学系の構成を示す
図

【図８】本発明の可変焦点回折光学素子の構成を示す図

【図９】本発明の可変焦点眼鏡の構成でスイッチがオフ
の状態を示す図

【図１０】図８においてスイッチをオンにした状態を示
す図

【図１１】従来の二重焦点レンズを示す図

【図１２】測距センサーを設けた本発明の可変焦点眼鏡
を示す図

【図１３】レンズの一部を可変焦点レンズにした本発明
の可変焦点眼鏡を示す図

【図１４】ツイストネマティック液晶を用いた可変焦点
眼鏡を示す図

【図１５】図１３に示す眼鏡で印加電圧を高くしたとき
の状態を示す図

【図１６】ツイストネマテック液晶を用いた可変焦点レ
ンズで中間配向の状態を示す図

【図１７】スメチック液晶を示す図

【図１８】スメチック液晶を用いた本発明の可変焦点レ
ンズを示す図

【図１９】コレステリック液晶を用いた可変焦点レンズ
の構成を示す図

【図２０】コレステリック液晶の反射率の実測値であ
る。

【図２１】駆動ユニットを別に設けた本発明の可変焦点
レンズを示す図

【図２２】眼鏡フレームに駆動ユニットを取り付けた状
態の本発明の可変焦点眼鏡を示す図

【図２３】頭上に駆動ユニットを設けた本発明の可変焦
点眼鏡を示す図

【図２４】後頭部下方等に駆動ユニットを設けた本発明
の可変焦点眼鏡を示す図

【図２５】駆動ユニットを帽子に取り付けた本発明の可
変焦点眼鏡

【図２６】図２５において駆動ユニットと可変焦点レン
ズとを接続するコードをコネクターにて着脱可能にした
本発明の可変焦点眼鏡

【図２７】視線検知手段を有する本発明の可変焦点眼鏡

【図２８】レンズ外面にスイッチを設けた本発明の可変
焦点眼鏡レンズを示す図

【図２９】電子回路をレンズ外周部分に設けた本発明の
可変焦点眼鏡レンズを示す図

【図３０】本発明の他の眼鏡レンズを示す図

【図３１】凸の作用のフレネルレンズと凹のレンズとを
組合わせ本発明の可変焦点眼鏡を示す図

【図３２】駆動ユニットに接続するコードを耳かけ部に
設けた本発明の可変焦点眼鏡

【図３３】駆動ユニットに接続するコードをつりひもと
一体化した本発明の可変焦点眼鏡

【図３４】駆動ユニットに接続するコードをコネクタに
より着脱可能にした本発明の可変焦点眼鏡

【図３５】補聴器を備えた本発明の可変焦点眼鏡

【図３６】別体の補聴器を備えた本発明の可変焦点眼鏡

【図３７】ＰＤＡを備えた本発明の可変焦点眼鏡

【図３８】レンズ面に小型ディスプレイを設けた本発明
の可変焦点眼鏡

【図３９】分割電極を設けた本発明の可変焦点眼鏡

【図４０】レンズ面にマトリックス状分割電極を設けた
本発明の可変焦点眼鏡

【図４１】レンズ面に放射状分割電極を設けた本発明の
可変焦点眼鏡

【図４２】ヒステリシス特性をもつ液晶を用いた本発明
の可変焦点レンズ

【図４３】ヒステリシス特性をもつ液晶の電圧の変化に
対する屈折率の変化を示すグラフ

【図４４】ヒステリシス特性をもつ液晶の時間に対する
電圧の変化を示すグラフ

【図４５】本発明の可変偏角プリズムの構成を示す図

【図４６】本発明の他の可変偏角プリズムの構成を示す
図

【図４７】本発明の可変焦点ミラーの構成を示す図

【図４８】本発明の光学装置の１例としてのデジタルカ
メラの構成を示す図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】眼鏡レンズの一部に可変焦点レンズを設け
   たことを特徴とする可変焦点眼鏡。
2. 【請求項２】可変焦点レンズと前記可変焦点レンズを駆
   動する駆動ユニットとを備えた可変焦点眼鏡において、
   前記可変焦点レンズと、前記駆動ユニットとを眼鏡フレ
   ームとは別体にて作り、任意のフレームと組合わせて作
   成することを特徴とする可変焦点眼鏡の作成方法。
3. 【請求項３】視線を検知してレンズの屈折力を変えるよ
   うにした光学装置。