(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された液晶層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記液晶層に屈折率分布が生じるようになっている、
液晶レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の外側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記液晶レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
液晶レンズ。
【請求項２】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された液晶層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記液晶層に屈折率分布が生じるようになっている、
液晶レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の外側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、前記透明電極と対にされた前記板の少なくとも一方の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記液晶レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
液晶レンズ。
【請求項３】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された液晶層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記液晶層に屈折率分布が生じるようになっている、
液晶レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の内側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記液晶レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
液晶レンズ。
【請求項４】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された液晶層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記液晶層に屈折率分布が生じるようになっている、
液晶レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の内側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側に設けられた透明な透明層の少なくとも一方の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記液晶レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
液晶レンズ。
【請求項５】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された液晶層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記液晶層に屈折率分布が生じるようになっている、
液晶レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の外側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側に設けられた透明な透明層の少なくとも一方の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記液晶レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
液晶レンズ。
【請求項６】
前記２枚の板が、互いに平行に配されている、
請求項１〜５のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項７】
前記２枚の板がともに平らな板であり、互いに平行に配されている、
請求項１〜５のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項８】
前記誘電率分布形成手段が与える誘電率分布は、
前記２枚の板に垂直に入射した場合の光の屈折率が、光軸を中心として漸増するか又は漸減するようなものとされている、
請求項１〜５のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項９】
前記誘電率分布形成手段が与える誘電率分布は、
同心円状の分布となっている、
請求項８記載の液晶レンズ。
【請求項１０】
前記誘電体は、チタン酸バリウムである、
請求項１〜５のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項１１】
前記２つの透明電極の間に所望の電圧を印加する電圧印加手段を更に有する請求項１〜５のいずれかに記載の液晶レンズと、
前記液晶レンズの前記板を、ユーザの眼の前方に固定するための固定手段と、
を備えており、
前記電圧印加手段は、時間の経過にしたがって自動的に前記透明電極の間に印加される電圧を変化させるようになっている、
眼へ刺激を与えるための装置。
【請求項１２】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された所定の物質による層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記層に屈折率分布が生じるようになっている、
可変焦点レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の外側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記可変焦点レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
可変焦点レンズ。
【請求項１３】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された所定の物質による層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記層に屈折率分布が生じるようになっている、
可変焦点レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の外側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、前記透明電極と対にされた前記板の少なくとも一方の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記可変焦点レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
可変焦点レンズ。
【請求項１４】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された所定の物質による層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記層に屈折率分布が生じるようになっている、
可変焦点レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の内側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記可変焦点レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
可変焦点レンズ。
【請求項１５】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された所定の物質による層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記層に屈折率分布が生じるようになっている、
可変焦点レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の内側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側に設けられた透明な透明層の少なくとも一方の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記可変焦点レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
可変焦点レンズ。
【請求項１６】
所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、
前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、
前記２つの透明電極の間に配された所定の物質による層と、
前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２つの透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、
を備えており、
前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記層に屈折率分布が生じるようになっている、
可変焦点レンズであって、
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の外側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられており、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側に設けられた透明な透明層の少なくとも一方の面に設けられているとともに、
前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記可変焦点レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって誘電率分布を形成するようになっている、
可変焦点レンズ。
【請求項１７】
前記２つの透明電極の間に所望の電圧を印加する電圧印加手段を更に有する請求項１２〜１６のいずれかに記載の可変焦点レンズと、
前記可変焦点レンズの前記板を、ユーザの眼の前方に固定するための固定手段と、
を備えており、
前記電圧印加手段は、時間の経過にしたがって自動的に前記透明電極の間に印加される電圧を変化させるようになっている、
眼へ刺激を与えるための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に液晶レンズとして構成される焦点を可変とする可変焦点レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な分野に応用されている液晶の応用分野の１つに、レンズがある。液晶レンズと呼ばれるそのレンズは、その配向の状態によって屈折率が変わるという液晶が持つ性質を利用するものとなっている。光の透過方向に対して垂直に配された液晶層を、光の透過方向に対して垂直な方向における部分毎に配向の状態が異なるように制御することによって、例えば、均一な厚さの液晶であっても、レンズの如き性質を持つようにすることができる。
かかる液晶レンズは、液晶の配向の状態を変化させることで、レンズの性質（例えば、焦点距離）を変化させたり、レンズとしての性質を持たせたり失わせたりすることができるという大きな特徴がある。つまり、液晶レンズは可変焦点レンズとして機能する。
この特徴は、透明なガラスや樹脂に凸又は凹の形状を与えて作られる、その性質が固定されている古典的なレンズとは一線を画すものであり、その製品化が望まれている。
従来の液晶レンズは、例えば、以下のように構成されている。
従来の液晶レンズのうち、あるタイプのものは、平行に配された２枚の透明な板と、それら２枚の板に沿って（例えば、板の内側に）設けられたそれらの間に電圧を印加するための透明電極と、２枚の板の間に充填された液晶層と、を備える。一般的には、２枚の板はともに矩形とされる。２つの透明電極はともに、一般的には２枚の板と同じ大きさ、形状とされるが、それらのうちの少なくとも一方に、多くの場合は円形の開口が設けられる。このような透明電極を用いた場合、２つの透明電極の間に所定の電位差を与えると、透明電極の開口の中心に生じる電界が最も弱くなり、透明電極の開口の縁に生じる電界が最も強くなるため、透明電極の開口の中心から外側にかけて、電界の強弱が生じる。その電界の分布に基づいて、２枚の板の間に充填された液晶層中の液晶は部位により配向の状態を変えるため、上述の液晶レンズは、レンズとしての機能を有することになる。
従来の液晶レンズのうち、他のタイプのものは、平行に配された２枚の透明な板と、２枚の板に沿って層状に設けられた、それらの間に電圧を印加するための透明電極と、２枚の板の間に充填された液晶層と、を備える。一般的には、２枚の板はともに矩形とされる。２枚の板のうちの一方は平らな板状であり、例えばその内側に、層状の透明電極が設けられる。２枚の板のうちの他方は、例えばその中央に外側に向かって膨らむドーム型の凸部を有しており、他方の透明電極はその凸部及び凸部の周辺に沿って配される（この場合、凸部を有する板に沿う透明電極は、凸部の表面を含む板の外側に設けられる。）。このような透明電極を用いた場合、２つの透明電極の間に所定の電位差を与えると、ドーム型の部材の頂点に近い部分ほど２つの透明電極間の距離が大きくなるため、ドーム型の部材の頂点から裾野の方向に向けて、透明電極間に生じる電界が大きくなることになる。その電界の分布に基づいて、２枚の板の間に充填された液晶層中の液晶は部位により配向の状態を変えるため、上述の液晶レンズは、レンズとしての機能を有することになる。
これら液晶レンズはともに、一応の成功を収めてはいるものの、改良すべき点がないわけではない。
前者の液晶レンズでは、透明電極の少なくとも一方に開口を設けることとしているが、かかる開口の内側に位置する液晶層には、それに電位差を与える透明電極が近接しては存在しないため（液晶層のうち開口の内側に位置する部分は、両側から透明電極に挟まれていない。）、開口が大きい場合、開口の縁から開口の中心にかけての電界の勾配を、所望の状態に保つのが難しい。両透明電極間に作る電位差を大きくすれば、かかる電界の勾配を好ましい範囲に保つことができるかもしれないが、開口が大きくなればなるほど両透明電極間に印加すべき電位差が大きくなるため、前者の液晶レンズでは応用分野に制限が生じやすい。また、両透明電極間に与える電位差を大きくする場合には、高電圧を発生させるための電源が必要となるためコスト的に難があり、また、安全性の面でもやや難がある。これらも、また、液晶レンズの応用分野の制限に繋がり易い。
凸部を有する液晶レンズも、両透明電極間に印加すべき電位差が大きいという難点がある上、凸部の存在によりその全体的な厚さが大きくなりがちである。
つまり、従来の液晶レンズには、形状、大きさについての規制が大きく、また、全体の面積に比べてレンズとして機能しない部分の割合が大きく、また、液晶レンズの面積の割りに低電圧で駆動させることが難しいという不具合がある。
液晶レンズの他にも、液晶レンズの液晶を、電界の分布に応じて部位によりその屈折率を変える所定の物質（その一例として、電気光学結晶、例えば、ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム、ＫＴａ１−ｘＮｂｘ０３）を挙げることができる。）に置換えることにより、より一般的な可変焦点レンズを得ることも可能であるが、そのような可変焦点レンズであっても、液晶レンズに存する上述の如き不具合が存在する点については同じである。
【特許文献１】特開２００５−９２００９
【特許文献２】特開２００６−３１３２４８
【非特許文献１】液晶分子配向効果と新規光学デバイスへの応用（秋田大学電気電子工学科  佐藤  進／２００６年日本液晶学会討論会）
【０００３】
本発明は、形状、大きさについての規制が小さく、全体の大きさに比べてレンズとして機能しない部分の割合が小さく、また、大きくとも従来より低電圧で駆動させることのできる液晶レンズを初めとする可変焦点レンズを提供することを、その主な課題とする。
【発明の概要】
【０００４】
上述の課題を解決するために、本願発明者は、以下の液晶レンズを提案する。
その液晶レンズは、所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、前記２つの透明電極の間に配された液晶層と、前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２枚の透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、を備えており、前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記液晶層に屈折率分布が生じるようになっている、液晶レンズである。
この液晶レンズでは、２枚の透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段を、前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けることとしている。そして、誘電率分布形成手段によって形成される誘電率の変化に従って透明電極間に電位差を与えたときに透明電極間に形成される電界の分布により、前記液晶層の場所毎における屈折率分布が異なるものとされるようになっている。つまり、本発明による液晶レンズは、２つの透明電極のどちらにも開口がなくても、或いは、２つの透明電極が平行であり且つ２つの透明電極のどの部分でも透明電極間の距離が一定だとしても、両透明電極間に電位差を形成した場合、上述の誘電率の変化によって、２枚の透明な板の間に生じる電界を、板の場所によって変化させることができ、それにより液晶層の場所によって液晶の配向状態を変化させられるようになる。このような本発明による液晶レンズは、従来技術の如く透明電極に孔を空けたり、板に凸部を設けたりすることが不要となり、両透明電極間の距離を両透明電極のすべての範囲で小さく保ち得るものとなるため、透明電極間に与える電位差を小さくすることができる。
即ち、本発明の液晶レンズは、形状、大きさについての規制が小さく、全体の大きさに比べてレンズとして機能しない部分の割合が小さく、また、少なくとも従来よりも低電圧で駆動させることのできるものとなる。
上述の発明は、それが持つ液晶レンズを可変焦点レンズに置換えることにより、より一般化することができる。つまり、上述の発明では、それらが持っていた液晶層を、２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、屈折率分布が生じるようになっている、２つの透明電極の間に配された所定の物質による層に置換えることが可能である。
そのような場合、上述の発明は、所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板と、前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極と、前記２つの透明電極の間に配された所定の物質による層と、前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２枚の透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段と、を備えており、前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記層に屈折率分布が生じるようになっている、可変焦点レンズとすることができる。
以上説明した本発明は、以下のようなバリエーションを持ちうる。
なお、以下の説明では、説明を具体的なものとするために、可変焦点レンズが液晶レンズであるという前提で記述を行なうが、液晶レンズの液晶を上述の如き「所定の物質」に置換えることは可能であり、そのような「所定の物質」を有する可変焦点レンズを液晶レンズに代えて持つ発明もが以下の説明で開示されていることは、当業者であれば当然に理解できるであろう。つまり、以下の説明における「液晶層」は「層」と、「液晶レンズ」は「可変焦点レンズ」と読み替えることが可能である。  本発明の液晶レンズに用いられる板は平らな板でもよいが、必ずしも平らな板である必要はない。例えば、板は、湾曲していてもよい。また、本発明の液晶レンズに用いられる板の少なくとも一方の面には、凹凸があってもよい。２枚の板は、略平行に配されるが、完全に平行でなくともよい。２枚の板がともに平らな板で、凹凸がなく、且つ互いに完全に平行であれば、液晶レンズを薄くすることが可能となる。
本発明における誘電率分布形成手段が形成する誘電率の分布は、液晶レンズが持つべき目的に応じて適当に選択すればよい。誘電率の変化は、例えば、板の形状（形状次第で板自体がレンズとして機能する場合も想定できる。）、液晶レンズと組合される他の光学系との兼ね合いで設計すればよい。
例えば、本発明における前記誘電率分布形成手段が与える誘電率分布は、例えば２つの前記透明電極に電圧を印加しているときに前記２枚の板に垂直に入射した場合の光の屈折率が、光軸を中心として漸増するか又は漸減するようなものとされていてもよい。このようにすれば、液晶レンズをレンズとして機能させ易くなる。この場合、前記誘電率分布形成手段が与える誘電率分布は、同心円状の分布となっていてもよい。このようにすれば、液晶レンズをレンズとして更に機能させ易くなる。
本発明における誘電率分布形成手段は、誘電率分布を形成できるのであれば具体的な構成は不問である。例えば、前記誘電率分布形成手段は、その粒径が前記液晶レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布によって形成されていてもよい。
前記誘電体は、どのようなものでもよいが、例えば、チタン酸バリウムとすることができる。
前記誘電体の粒径は、前記液晶レンズの透明度（多くの場合、可視光に対する透明度）に影響を与えない程度であればよいが、例えば、その直径がμｍ以下のオーダーであればよいと考えられる。
前記誘電率分布形成手段は、層状であってもよい。この場合の『層状』という文言には、全体として連続である層の他、全体として不連続な層をも含むものとする。全体として不連続な層とは、例えば、層の一部に抜けがある場合、層が散点状である場合である。
本発明では、上述した誘電率分布形成手段は、既に述べたように、２つの透明電極に挟まれた空間内に設けられていればよい。なお、本願で『２つの透明電極に挟まれた空間内』という文言には、２つの透明電極に挟まれた空間に加え、２つの透明電極のその空間に臨む面をも含むものとする。
本発明では、２つの透明電極は、２枚の板のそれぞれと対とされる。つまり、本発明には、板と透明電極の組が２対ある。これら２対の板と透明電極の組はともに、板が内側透明電極が外側という位置関係にあってもよく、その逆の位置関係にあってもよい（なお、本願で『外側』という文言は、液晶層の厚さ方向の中心から遠い側を意味する）。２対の板と透明電極の組の双方で、透明電極と板の位置関係（内外の位置関係）が同じである必要性は存在しない。
透明電極は、板に沿って設けられるが、板と必ずしも密着している必要はない。透明電極と板の間に他の部材が存在していてもよい。
対になった板と透明電極の位置関係にもよるが、本発明における誘電率の変化は、以下に例示する場所に設けることができる。
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の外側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられている場合、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側の面に設けられていてもよい。
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の外側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられている場合、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極と対にされた前記板に設けられていてもよい。この場合、誘電率分布形成手段は、２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板のどの部分（例えばその内部）に設けられていてもよいが、２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の少なくとも一方の面に設けられていてもよい。
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の外側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられている場合、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側（例えば、当該透明電極と当該透明電極と対にされた前記板との間、或いは当該透明電極と対にされた前記板の内側）に設けられた透明な透明層に設けられていてもよい。透明層がある場合、誘電率分布形成手段は、透明層のどの部分（例えばその内部）に設けられていてもよいが、前記誘電率分布形成手段は、前記透明層の少なくとも一方の面に設けられていてもよい。
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の内側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられている場合には、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側の面に設けられていてもよい。
２対の前記板と前記透明電極のうちの一対に含まれる前記板の内側に当該板と対にされた前記透明電極が設けられている場合には、前記誘電率分布形成手段は、当該透明電極の内側に設けられた透明な透明層に設けられていてもよい。透明層がある場合、誘電率の変化は透明層のどの部分（例えばその内部）に設けられていてもよいが、前記誘電率分布形成手段は、前記透明層の少なくとも一方の面に設けられていてもよい。
なお、誘電率の変化は、２対ある板と透明電極（と、場合によっては透明層）からなる組の双方に設けられていてもよい。
透明電極の内側の面に誘電率分布形成手段が設けられる場合、前記誘電率分布形成手段は、前記透明電極の内側の面に、その粒径が前記液晶レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布を設けることによって、誘電率分布を形成するようなものとすることができる。
板の表面に前記誘電率分布形成手段が設けられる場合、前記誘電率分布形成手段は、前記板の少なくとも一方の面に、その粒径が前記液晶レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布を設けることによって、誘電率分布を形成するようなものとすることができる。
透明層の表面に誘電率分布形成手段が設けられる場合、前記誘電率分布形成手段は、前記透明層の少なくとも一方の面に、その粒径が前記液晶レンズの透明度に影響を与えない程度とされた誘電体の粉末の濃度の分布を設けることによって、誘電率分布を形成するようなものとすることができる。
板、透明電極、透明層などの所定の物の表面に誘電体の粉末を分布させる場合には、何らかのバインダに誘電体の粉末を混入したインク様のものを用いて印刷を行うことで、その所定の物の表面に誘電体の粉末の濃度の分布を作ることができる。印刷の技術は、高度に完成しているので、板、透明電極、透明層等の表面に誘電体の粉末の濃度分布を作るには大きな困難はない。
本願の液晶レンズは、様々な分野での応用が期待されるが、例えば、以下のような眼へ刺激を与えるための装置（以下、単に「刺激装置」という場合がある。）への応用が期待される。
その眼へ刺激を与えるための装置は、所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板、前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極、前記２つの透明電極の間に配された液晶層、前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２枚の透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段、前記２つの透明電極の間に所望の電圧を印加する電圧印加手段、を有し、前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記液晶層に屈折率分布が生じるようになっている、液晶レンズと、前記液晶レンズの前記板を、ユーザの眼の前方に固定するための固定手段と、を備えている。
そして、この装置における前記電圧印加手段は、時間の経過にしたがって自動的に前記透明電極の間に印加される電圧を変化させるようになっている。
この刺激装置では、電圧印加手段が透明電極の間に印加される電圧を変化させることで、液晶レンズの焦点を自動的に変化させることができるようになる。それにより、この眼の刺激装置を身につけ、眼の前方にある液晶レンズを通して外部を見ることになるユーザは、液晶レンズの焦点の自動的な変化によって、強制的に眼の焦点を変化させられることになる。これは、遠視、近視等の予防に有用であると考えられる。
なお、この装置は、液晶レンズを両眼用に２つ備えていてもよいし、片眼用に１つだけ備えていてもよい。
眼へ刺激を与えるための上述の装置の液晶レンズも、より一般的な可変焦点レンズに置き換え可能である。
その場合における眼へ刺激を与えるための装置は、所定の間隔をおいて配された２枚の透明な板、前記２枚の板に沿って前記板のそれぞれと対にして設けられた２つの透明電極、前記２つの透明電極の間に配された所定の物質による層、前記２つの透明電極に挟まれた空間に設けられている、前記２枚の透明電極の面方向に誘電率分布を与える誘電率分布形成手段、前記２つの透明電極の間に所望の電圧を印加する電圧印加手段、を有し、前記２つの透明電極の間に電圧を印加した場合に、前記誘電率分布形成手段に従って生じる電界分布によって、前記層に屈折率分布が生じるようになっている、可変焦点レンズと、前記可変焦点レンズの前記板を、ユーザの眼の前方に固定するための固定手段と、を備えており、前記電圧印加手段は、時間の経過にしたがって自動的に前記透明電極の間に印加される電圧を変化させるようになっている、眼へ刺激を与えるための装置となる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
図１は、第１実施形態による液晶レンズの構成を示す斜視図である。
図２は、図１に示した液晶レンズの透明電極の一面を概念的に示す平面図である。
図３は、変形例１による液晶レンズの構成を示す斜視図である。
図４は、変形例２による液晶レンズの構成を示す斜視図である。
図５は、変形例３による液晶レンズの構成を示す斜視図である。
図６は、変形例４による液晶レンズの構成を示す斜視図である。
図７は、第２実施形態による眼へ刺激を与えるための装置の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、本発明の好ましい第１、第２実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、両実施形態で共通する事項には共通の符号を付すこととし、共通する説明は省略することにする。
≪第１実施形態≫
図１に、第１実施形態における液晶レンズ１００Ａを示す。
この液晶レンズ１００Ａは、２枚の透明な板１０を有している。この実施形態の透明な板１０は、必ずしもこの限りではないが、厚さが均一な、平らな板とされている。この実施形態では、これら板１０は、ガラス製であるが、例えば、アクリルなどの樹脂製とすることができる。この実施形態では、２枚の透明な板１０は同形状の矩形であり、互いに平行とされている。
２枚の透明な板１０それぞれの内側には、透明電極２０が設けられている。透明電極２０は、公知のものでよく、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）、酸化亜鉛、酸化スズなどを材料として形成されている。透明電極２０は、スパッタリング法、真空蒸着法、ゾル・ゲル法、クラスタービーム蒸着法、ＰＬＤ法などの公知の方法で、この実施形態では板１０の内側の面に密着させた状態で設けられている。
２枚の板１０の間には、液晶層３０が設けられている。この実施形態では、２枚の板１０の間に、透明電極２０を介して液晶層３０が設けられている。必ずしもこの限りではないが、この実施形態では、液晶層３０は、それが位置する部分における電界の大きさが大きくなる程、その部分の液晶の配向の程度が大きくなり、屈折率が小さくなるようなものとされている。なお、この実施形態で使用する液晶は、サーモトロピック液晶であり、より詳細には、誘電異方性が正のネマティック液晶である。
もっとも、その名前にも関わらず、液晶層３０は必ずしも液晶で構成されている必要はなく、２つの透明電極２０の間に電圧を印加した場合に、電界に応じた屈折率分布を生じるような性質を持つ所定の物質により構成されていればよい。そのような物質で作られた層の一例が液晶で作られた液晶層であり、他の例が電気光学結晶、例えば、ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム、ＫＴａ１−ｘＮｂｘ０３）により作られた電気工学結晶層である。
透明電極２０は、外部の電源回路４０とケーブル４１で接続されている。電源回路４０は、２つの透明電極２０の間に所望の電位差を印加できるようなものになっている。
この実施形態では、両透明電極２０が、板１０の内側にあるため、透明電極２０の内側の面に、誘電率を変化させるための工夫を行ってある。
その工夫とは、以下のようなものである。
この実施形態では、２つの透明電極２０のうちの一方の内側の面に、平面視した場合の透明電極２０の中心を中心とし、同心円状の濃度分布を有するようにして、誘電体の粉末が付着させられている。
誘電体としては、例えば、Ｒｏｃｈｅｌｌｅ塩（略称：Ｒ塩）、リン酸２水素カリ（略称：ＫＤＰ）、ＫＤＰの同類物質のヒ酸カリなどの公知のものを用いることができるが、この実施形態では、より汎用されているチタン酸バリウム（略称：ＢＴ）を用いることとしている。
誘電体の粉末の粒径は、液晶レンズ１００Ａの透明度（この実施形態では、可視光に対する透明度）に影響を与えない程度に小さければよいが、この実施形態では、μｍオーダー以下の大きさとし、より詳細にはｎｍのオーダーとしている。つまり、この実施形態における誘電体の粉末は、いわゆるナノ粒子である。
誘電体の透明電極２０への付着は、ポリビニルアルコール等のバインダと、誘電体の粉末とを含むディスパージョンを、インクジェット印刷の装置を用いて透明電極２０の内側の面に印刷することにより行うことができる。
透明電極２０の誘電体が印刷された面の状態を概念的に、図２に示す。図２における破線で示した円で囲まれた範囲に、誘電体の印刷がなされている。円の中心は、上述したように透明電極２０の中心と一致している。円の中心における誘電体の濃度は、この実施形態では、略０である。円の縁における透明電極２０の濃度は、この部分に生じさせるべき屈折率の大きさに応じて決定する。誘電体の濃度は、この実施形態では、円の半径方向で見た場合、円の中心から外側に向けて滑らかに漸増するようになっている。
誘電体の粉末を含むバインダは、必ずしもこの限りではないが、この実施形態では、層状になる。誘電体の粉末を含むバインダは、連続的な層状になっていても不連続な層状になっていても構わないが、この実施形態では、インクジェット式の印刷により、不連続な層状になる。
なお、この実施形態では、２つの透明電極２０のうちの一方の内側の面に設けられる誘電体の濃度分布は、所定の点を中心として、内から外に向けてその濃度が漸増するような同心円状の分布とされているが、これとは逆に、所定の点を中心として内から外に濃度が漸減するような同心円状の分布とすることも可能である。
また、この実施形態では、２つの透明電極２０のうちの一方の内側の面に、上述した如き誘電体の粉末による濃度分布を形成することとしたが、２つの透明電極２０の双方の内側の面に、上述の如き誘電体の粉末による濃度分布を形成してもよい。もっとも、２つの透明電極２０の双方の内側の面に、上述の如き誘電体の粉末による濃度分布を形成する場合には、透明電極２０の内側の面に形成する誘電体の粉末による濃度分布の態様は、必ずしも同じである必要はない。
この実施形態の液晶レンズ１００Ａは、以下のように動作する。
まず、液晶レンズ１００Ａに含まれる２つの透明電極２０の間に電位差がない場合（電源回路４０が、２つの透明電極２０の間に電位差を与えていない場合）には、この実施形態の液晶レンズ１００Ａはレンズとして機能せず、基本的にはその焦点距離は無限遠である。もっとも、液晶レンズ１００Ａは、上述した誘電体の粉末の濃度分布により、その広さ方向の部分によって誘電率が異なるため、それに基づいてその広さ方向の部分によって屈折率が異なる場合がある。この場合には、液晶レンズ１００Ａは、誘電体の粉末の濃度分布に応じた屈折率の分布によりレンズとして機能することになるが、それを考慮してもその焦点距離はかなり長いものとなる。
上述の電源回路４０が、２つ透明電極２０の間に電位差を与えた場合には、液晶レンズ１００Ａはレンズとして機能することになる。電源回路４０が２つの透明電極２０の間に電位差を与えた場合、２枚の透明電極２０の間に電界が生じるが、この電界は一方の透明電極２０の内側に設けられた上述の円の中心（透明電極２０の中心）に近い程低くされた誘電体の粉末の濃度分布にしたがって、上述の円の中心（透明電極２０の中心）に近いほど弱く、円の中心から離れる程強くなる。ただし、円の外側の電界は一様である。そのため、２つの透明電極２０の間に電位差を与えた場合における液晶層３０の配向の程度は、透明電極２０の中心から遠いほど強くなり、透明電極２０の中心に近いほど液晶による屈折率が大きくなる。これは、液晶レンズ１００Ａが（より正確には、液晶レンズ１００Ａのうち上述の円に対応した部分が）、正のパワーを持つ凸レンズと同様に機能することを意味する。電源回路４０が２つの透明電極２０の間に与える電位差が大きくなると、全体的に液晶層３０中の液晶の配向の程度が大きくなるので、一定の閾値に電位差が到達するまでは、２つの透明電極２０の間に設けられる電位差が大きくなればなるほど液晶レンズ１００Ａのパワーが大きくなる。
なお、誘電体の濃度分布を中心に近い程高くした場合には、２つの透明電極２０間に電位差を与えた場合における屈折率の分布は、透明電極２０の中心に近い場所程小さくなる。これは、そのような液晶レンズ１００Ａが負のパワーを持つ凹レンズと同様に機能することを意味する。この場合には、電源回路４０が２つの透明電極２０の間に与える電位差が大きくなると、液晶レンズ１００Ａのパワーはそれに連れて小さくなる。
＜変形例１＞
変形例１による液晶レンズ１００Ｂについて説明する。
変形例１による液晶レンズ１００Ｂは、基本的に第１実施形態による液晶レンズ１００Ａと同様の構成を備える。
変形例１による液晶レンズ１００Ｂは、図３に示したように、第１実施形態による液晶レンズ１００Ａの場合と同様に、外側から、２枚の板１０、２つの透明電極２０、及び液晶層３０を備え、２つの透明電極２０と接続された電源回路４０を備えている。変形例１の液晶レンズ１００Ｂの板１０、透明電極２０、液晶層３０の機能は、第１実施形態の場合のそれらと、それぞれ同様である。
変形例１の液晶レンズ１００Ｂが、第１実施形態による液晶レンズ１００Ａと異なるのは、変形例１の液晶レンズ１００Ｂは、第１実施形態による液晶レンズ１００Ａが備えていなかった透明層５０を、透明電極２０と液晶層３０の間に２つ備えているという点である。透明層５０は、透明な層であり、この変形例１では、薄い膜状に形成された樹脂によって構成されている。透明層５０を構成する樹脂の種類は特に問わない。この実施形態では、２つの透明層５０の少なくとも一方に、誘電体の粉末による図２に示したような濃度分布が設けられている。かかる濃度分布は、必ずしもこの限りではないが、この変形例１では、２つの透明層５０の少なくとも一方の少なくとも片面に設けられている。透明層５０に誘電体による濃度分布を形成する方法は、第１実施形態の場合と同様の印刷によればよい。
なお、２つの透明層５０の双方に誘電体の濃度分布を形成しない場合には、透明層５０は１層でよい。
＜変形例２＞
変形例２による液晶レンズ１００Ｃについて説明する。
変形例２による液晶レンズ１００Ｃは、基本的に第１実施形態による液晶レンズ１００Ａと同様の構成を備える。
変形例２による液晶レンズ１００Ｃは、図４に示したように、第１実施形態による液晶レンズ１００Ａが備えるのと同様の、２枚の板１０、２つの透明電極２０、液晶層３０、及び２つの透明電極２０と接続された電源回路４０を備えている。
変形例２の液晶レンズ１００Ｃが、第１実施形態による液晶レンズ１００Ａと異なるのは、変形例２の液晶レンズ１００Ｃでは、第１実施形態の場合とは逆に、２つの透明電極２０がともに、板１０の外側にそれぞれ設けられているという点である。
この変形例２では、２枚の板１０の少なくとも一方の片面に、誘電体の粉末が、第１実施形態の場合と同様の手法、濃度分布で配されている。
なお、変形例２の液晶レンズ１００Ｃでは、板１０の表面に誘電体の粉末を配するのと同時に、或いはそれに代えて、誘電体の粉末が、第１実施形態の場合と同様の手法、濃度分布で透明電極２０の内側の面に配されていてもよい。
＜変形例３＞
変形例３による液晶レンズ１００Ｄについて説明する。
変形例３による液晶レンズ１００Ｄは、基本的に変形例１による液晶レンズ１００Ｂと同様の構成を備える。
変形例３による液晶レンズ１００Ｄは、図５に示したように、変形例１による液晶レンズＢが備えるのと同様の、２枚の板１０、２つの透明電極２０、液晶層３０、２つの透明層５０、及び２つの透明電極２０と接続された電源回路４０を備えている。
変形例３の液晶レンズ１００Ｄが、変形例１による液晶レンズ１００Ｂと異なるのは、変形例３の液晶レンズ１００Ｄでは、２つの透明電極２０がともに、変形例１の場合とは逆に板１０の外側にそれぞれ設けられており、且つ対になっている板１０と透明電極２０の間に２つの透明層５０がそれぞれ設けられている、という点である。
この変形例３では、誘電体の粉末が、変形例１の場合と同様の手法、濃度分布でいずれかの透明層５０（例えば、透明層５０のいずれかの面）に配されている。
なお、上述の如き誘電体の粉末によって濃度分布が設けられた透明層５０は、２つの板１０の内側に（例えば、２つの板１０の内側の面に密接して）設けられていてもよい。
ただし、２つの透明層５０の片方にしか誘電体の濃度分布を形成しない場合には、透明層５０は１層でよい。
＜変形例４＞
変形例４による液晶レンズ１００Ｅについて説明する。
変形例４による液晶レンズ１００Ｅは、基本的に変形例３による液晶レンズ１００Ｄと同様の構成を備える。
変形例４による液晶レンズ１００Ｅは、図６に示したように、変形例３による液晶レンズ１００Ｂが備えるのと同様の、２枚の板１０、２つの透明電極２０、液晶層３０、２つの透明層５０、及び２つの透明電極２０と接続された電源回路４０を備えている。
変形例４の液晶レンズ１００Ｅが、変形例３による液晶レンズ１００Ｄと異なるのは、変形例４の液晶レンズ１００Ｄでは、変形例３の場合では、対になっている板１０と透明電極２０の間にそれぞれ設けられていた２つの透明層５０がともに、板１０の内側にそれぞれ設けられているという点である。
この変形例４では、誘電体の粉末が、変形例３の場合と同様の手法、濃度分布でいずれかの透明層５０（例えば、透明層５０のいずれかの面）に配されている。
なお、２つの透明層５０の双方に誘電体の濃度分布を形成する必要がない場合には、誘電体の濃度分布を形成しない透明層５０は不要である。その場合には、透明層５０は一層となる。
≪第２実施形態≫
第２実施形態では、上述の如き液晶レンズ１００（１００Ａ〜１００Ｅのいずれか）を応用した、眼へ刺激を与えるための装置について説明する。
この装置２００は、図７に示したように眼鏡様に構成されている。
この装置２００は、２つのフレーム２１０と、２つのフレーム２１０を繋ぐブリッジ２２０と、２つのフレーム２１０の外側に取付けられたテンプル２３０と、を備えている。フレーム２１０、ブリッジ２２０、テンプル２３０は、例えば金属で構成することができるが、この実施形態では、樹脂で作られている。テンプル２３０は、フレーム２１０に対して折り畳むことができるようになっていてもよい。また、ブリッジ２２０又はフレーム２１０の内側部分には、公知のノーズパッドが設けられていてもよい。
フレーム２１０は、この実施形態では、必ずしもこの限りではないが、円形のドーナツ形状とされている。両フレーム２１０の内側の空間には、第１実施形態で説明したのと同様の液晶レンズ１００が嵌めこまれている。液晶レンズ１００は、第１実施形態の場合と同様、２枚の透明な板１０、２つの層状の透明電極２０、液晶層３０、及び場合によっては２つの透明層５０を備えている。ただし、第１実施形態で矩形とされていたこれら２枚の透明な板１０、２つの層状の透明電極２０、液晶層３０、及び場合により存在する２つの透明層５０は、第２実施形態の場合にはすべて、フレーム２１０の内側の空間の形状に対応した円形とされている。より詳細には、第２実施形態の液晶レンズ１００に含まれる板１０は、図２で示した破線の内側の部分に対応したものとされている。つまり、第２実施形態の液晶レンズ１００は、第１実施形態の液晶レンズのうち、破線で囲まれた部分の板１０、及びそれに対応する透明電極２０と液晶層３０、及び場合によっては透明層５０を切出したような形状となっている。
テンプル２３０には、制御ユニット１１０が取付けられている。制御ユニット１１０は、この実施形態では直方体形状に形成された樹脂製のケースに、第１実施形態で説明した電源回路４０を収納したものとされている。制御ユニット１１０は、また、電源回路４０の制御を行う制御回路を収納している。なお、図７では、電源回路、制御回路の図示をともに省略している。制御回路は、いずれも周知技術であるため図示を省略するＣＰＵとメモリを含んで構成されており、ＣＰＵがメモリに記録されたプログラムを実行することにより、２つの透明電極に与える電位差を所定のタイミングで自動的に変化させるように電源回路４０を制御するようなものとなっている。
電源回路４０は、その一端がフレーム２１０の内部の透明電極２０と接続されたケーブル４１の他端に接続されており、ケーブル４１を介して２つの透明電極２０の間の電位差を制御できるようにされている。
ユーザは、通常の眼鏡と同様の方法で、２つのテンプル２３０を両耳にかけてこの装置２００を用いる。その状態で、２つの液晶レンズ１００はそれぞれ、ユーザの右眼と左眼の前に位置することになる。ユーザは、この装置２００を使用するとき、液晶レンズ１００を通して外界を見ることになる。
このとき、電源回路４０は、制御回路に制御されて、所定のタイミングで、自動的に、液晶レンズ１００の２つの透明電極２０の間の電位差を変化させる。これにより、液晶レンズ１００は、第１実施形態の場合と同様に、焦点距離を変化させる。この装置２００を身に付けたユーザは、外界を見るにあたり、強制的に眼の焦点を変化させられることになる。
なお、電源回路４０による透明電極２０の間の電位差は、右眼用の液晶レンズ１００と左眼用の液晶レンズ１００とで同期されるようにしてもよいし、ユーザの右眼と左眼の状態に応じて同期がされないようにしてもよい。
また、第２実施形態では、液晶レンズ１００と制御ユニット１１０は、右眼用と左眼用の２つ存在したが、いずれかの眼用に１つだけとすることも可能である。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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