(57)【要約】【課題】  広い波長域において高い回折効率を有する光学素子を提供する。【解決手段】  光学素子１００は、第１の状態と第２の状態との間で切り換え可能な光学素子であって、第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の材料１１０と、第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の材料１２０とを含み、第２の状態において、第１の屈折率、第２の屈折率、第１のアッベ数、および、第２のアッベ数は、所定の関係を満たす。【選択図】図１
2019074545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の状態と第２の状態との間で切り換え可能な光学素子であって、
第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の材料と、
第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の材料と、を含み、
前記第２の状態において、前記第１の屈折率をｎ１、前記第１のアッベ数をν１、前記第２のお屈折率をｎ２、前記第２のアッベ数をν２とするとき
ｎ１＞ｎ２
ν１＜ν２
を満たすことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１の材料は、前記第１の状態と前記第２の状態との間で前記第１の屈折率および前記第１のアッベ数が変化し、
前記第２の材料は、前記第１の状態と前記第２の状態との間で前記第２の屈折率および前記第２のアッベ数が変化することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１の材料および前記第２の材料のそれぞれは、印加される電圧に応じて、前記第１の状態と前記第２の状態との間で変化する電気活性材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
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のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１の状態から前記第２の状態へ変化したときの、前記第１の屈折率の変化量をΔｎ１、前記第２の屈折率の変化量をΔｎ２、前記第１のアッベ数の変化量をΔν１、前記第２のアッベ数の変化量をΔν２とするとき、
Δｎ１＞０
Δｎ２＜０
Δν１＜０
Δν２＞０
を満たすことを特徴とする請求項1乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１の材料が負の誘電率異方性を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第２の材料が正の誘電率異方性を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の材料に接する配向処理膜を更に有し、
前記配向処理膜は垂直配向処理膜であることを特徴とする請求項１乃至７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第２の材料に接する配向処理膜を更に有し、
前記配向処理膜は水平配向処理膜であることを特徴とする請求項１乃至８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第１の材料および前記第２の材料はそれぞれ、０．１以上の複屈折率を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記第１の状態における前記第１の屈折率と前記第２の屈折率との差は、前記第２の状態における該第１の屈折率と該第２の屈折率との差よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記第１の材料および前記第２の材料との間に設けられた基板を更に有し、
前記基板の厚さをｄｓｕｂとするとき、
３０μｍ≦ｄｓｕｂ≦３００μｍ
を満たすことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記第１の材料および前記第２の材料はそれぞれ、コレステリック液晶、またはカイラルツイスト剤が添加されたネマチック液晶であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記第１の材料を挟むように設けられた一対の第１の透明電極と、
前記第２の材料を挟むように設けられた一対の第２の透明電極と、を更に有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記一対の第１の透明電極の片側および前記一対の第２の透明電極の片側はセグメント化された電極であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１６】
前記光学素子は、可変焦点機能を有する液晶回折レンズであることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１７】
前記第１の材料および前記第２の材料は回折レンズであり、
前記第１の材料と前記第２の材料との間で設計次数が異なることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載に光学素子。
【請求項１８】
前記第１の材料の設計次数および前記第２の材料の設計次数はそれぞれ異符号であることを特徴とする請求項１７に記載の光学素子。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子を前記第１の状態または前記第２の状態に設定可能な制御部と、を有することを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点機能を有する液晶回折レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
老眼鏡として、至近距離及び無限遠に焦点が合うようにパワーを調整することができるもの（単焦点レンズ、遠近両用累進レンズ、または、二重焦点レンズなど）が知られている。特許文献１には、老眼用パワー部を可変パワーとし、無限遠などの遠方を見る際はパワーを付加させことなく読書距離などの至近を見る際にのみパワーを付加する電気活性素子（液晶回折レンズ）を用いた眼鏡が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１３７５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の液晶回折レンズは、電気活性化状態において回折面を挟んで低屈折率かつ低分散な液晶材料と高屈折率かつ高分散な基板とを組み合わせて用いられているため、広い波長域において高い回折効率を実現することが困難である。
【０００５】
そこで本発明は、広い波長域において高い回折効率を有する光学素子および光学機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての光学素子は、第１の状態と第２の状態との間で切り換え可能な光学素子であって、第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の材料と、第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の材料とを含み、第２の状態において、第１の屈折率、第２の屈折率、第１のアッベ数、および、第２のアッベ数は、所定の関係を満たす。
【０００７】
本発明の他の側面としての光学機器は、前記光学素子と、前記光学素子を前記第１の状態または前記第２の状態に設定可能な制御部とを有する。
【０００８】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、広い波長域において高い回折効率を有する光学素子および光学機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態における光学素子の構成図である。
【図２】本実施形態における光学素子を構成する材料の屈折率およびアッベ数である。
【図３】本実施形態における光学素子の回折効率である。
【図４】本実施形態における変形例としての光学素子を構成する材料の屈折率およびアッベ数である。
【図５】本実施形態における変形例としての光学素子の回折効率である。
【図６】本実施形態における光学機器の概略図である。
【図７】比較例としての光学素子の構成図である。
【図８】比較例としての光学素子を構成する材料の屈折率およびアッベ数である。
【図９】比較例としての光学素子の回折効率である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
まず、図７乃至図９を参照して、比較例としての光学素子（液晶回折レンズまたは電気活性レンズ）について説明する。
【００１３】
図７は、比較例としての液晶回折レンズの構成図（断面図）である。液晶回折レンズ２００は、略平坦な表面を有する基板２２０、レリーフ面を有する基板２２１、および、基板２２０と基板２２１との間に設けられた液晶材料２１０を備えて構成される。液晶材料２１０に面する２つの基板２２０、２２１のそれぞれの表面には、光学的に透明な単一の電極２３０、２３１が被覆されている。
【００１４】
図８は、比較例としての光学素子を構成する材料（基板２２１、液晶材料２１０）の屈折率およびアッベ数である。図８に示されるように、基板２２１の屈折率およびアッベ数と、電気不活性化状態での液晶材料２１０の屈折率およびアッベ数とをそれぞれ略一致させ、電気活性化状態において液晶材料２１０の屈折率を変化させることによりパワーを発生させる。しかしながら、このような構成の液晶回折レンズでは、電気活性化状態において回折面を挟んで低屈折率・低分散な液晶材料と高屈折率・高分散な基板との組み合わせとなり、広い波長域において高い回折効率を得ることは困難である。ここで、本実施形態において、回折効率は、入射光束に対する各回折方向へ伝播する光束の割合として定義される。
【００１５】
図９は、比較例としての光学素子（液晶回折レンズ２００）の回折効率である。設計波長である５５０ｎｍにおいて、設計次数である１次光の回折効率は高いが、設計波長から離れた波長では回折効率が低下し、特に短波長域では大きく低下してしまう。そして、設計次数で低回折効率の光は、他の回折次数の光となる。設計次数以外の光はフレア光となり、コントラストを低下させる。このため、読書時などに液晶回折レンズ２００を用いると、不要回折光（０次光や２次光）によるフレアが顕著となり、文字の視認性が低下して好ましくない。
【００１６】
本実施形態の光学素子（液晶回折レンズまたは電気活性レンズ）は、少なくとも２つの光学的状態（第１の状態および第２の状態）を有する。ここで、光学的状態とは、電気活性レンズの光学的パワー（焦点距離）を意味し、電気活性レンズは、電気不活性化状態（第１の状態）と電気活性化状態（第２の状態）とで異なるパワーを有する。代表的な例としては、電気不活性化状態において実質的にパワーを有しておらず、電気活性化状態において所望のパワー（例えば＋３Ｄ）を有する。このような電気活性レンズを老眼鏡（光学機器）に用いることにより、無限遠などの遠方を見る際は老眼用パワー部にパワーを付加させず、読書距離などの至近を見る際にのみ老眼用パワー部にパワーを付加することが可能となる。
【００１７】
次に、図１乃至図３を参照して、本実施形態における光学素子（電気活性レンズ）について説明する。本実施形態の光学素子は、可変焦点機能を有する液晶回折レンズである。図１は、本実施形態における光学素子（電気活性レンズ１００）の構成図（断面図）である。
【００１８】
電気活性レンズ１００は、第１の屈折率および第１のアッベ数を有する第１の電気活性材料１１０（第１の材料、液晶材料）と、第２の屈折率および第２のアッベ数を有する第２の電気活性材料１２０（第２の材料、液晶材料）とを有する。また電気活性レンズ１００は、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０を保持するため、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０を挟むように設けられた基板１３０、１３１、１３２を有する。
【００１９】
電気活性レンズ１００は、第１の電気活性材料１１０または第２の電気活性材料１２０に近接して設けられた光学的に透明なセグメント化された電極１４０、１４１を有する。セグメント化された電極１４０、１４１は、眼鏡用途においては同心円状の形状が好ましい。また電気活性レンズ１００は、第１の電気活性材料１１０または第２の電気活性材料１２０に近接して設けられた光学的に透明な単一の電極１５０、１５１を有する。光学的に透明な電極１４０、１４１、１５０、１５１は、例えばＩＴＯから構成される。電極１４０、１５０は、第１の電気活性材料１１０を挟むように設けられた一対の第１の透明電極である。また電極１４１、１５１は、第２の電気活性材料１２０を挟むように設けられた一対の第２の透明電極である。
【００２０】
電極１４０、１４１、１５０、１５１は、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれに所定の電圧を印加し、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれの屈折率およびアッベ数を所望の値に変化させる。このように第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれは、印加される電圧に応じて、電気不活性化状態と電気活性化状態との間で変化する。セグメント化された電極１４０、１４１にセグメントごとに異なる電圧を印加した場合、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれに屈折率分布を与えることができる。この構成により第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれに回折レンズの効果を与えることができる。
【００２１】
電極１４０、１４１、１５０、１５１のそれぞれの面のうち対応する電気活性材料に接する面に配向膜を設けてもよく、この構成により電気活性材料の配向を制御することができる。電気活性レンズ１００は、第１の電気活性材料１１０に接する配向膜１６０、１６１を有する。また電気活性レンズ１００は、第２の電気活性材料１２０に接する配向膜１７０、１７１を有する。
【００２２】
電気活性レンズ１００は、第１の電気活性材料１１０による第１の回折レンズと第２の電気活性材料１２０による第２の回折レンズを積層して構成される。このような構成の電気活性レンズにおいて、電気活性化状態での回折効率を、式を用いて説明する。積層型の電気活性レンズで垂直入射（図１中の上下方向の入射）において回折効率が最大となるためには、２つの回折レンズの足し合わせた光路長差が波長の整数倍となればよい。このとき、以下の式（１）が成立する。
【００２３】
Δｎ１（λ０）ｄ１＋Δｎ２（λ０）ｄ２＝ｍλ０  …  （１）
式（１）において、λ０は設計波長、ｄ１、ｄ２はそれぞれ第１の電気活性材料および第２の電気活性材料の高さ、ｍは回折次数である。またΔｎ１（λ０）、Δｎ２（λ０）はそれぞれ第１の電気活性材料および第２の電気活性材料の電気活性化状態での屈折率分布の最大屈折率差である。
【００２４】
式（１）が成立しない他の波長λにおけるｍ次の回折効率ηｍは、以下の式（２）のように表される。
【００２５】
ηｍ（λ）＝ｓｉｎｃ２（φ（λ）−ｍ）  …  （２）
ただし、式（２）において、
ｓｉｎｃ（ｘ）＝ｓｉｎ（πｘ）／（πｘ）  …  （３）
φ（λ）＝φ１（λ）＋φ２（λ）  …  （４）
φ１（λ）＝Δｎ１（λ）ｄ１／λ  …  （５）
φ２（λ）＝Δｎ２（λ）ｄ２／λ  …  （６）
である。
【００２６】
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（７）が導出される。
【００２７】
（Δｎ１（λｄ）＋ｃΔｎ２（λｄ））／｛（Δｎ１（λＦ）−Δｎ１（λＣ））＋ｃ（Δｎ２（λＦ）−Δｎ２（λＣ））｝＝λｄ／（λＦ−λＣ）  …  （７）
式（７）において、λｄ、λＣ、λＦはそれぞれ、ｄ、Ｃ、Ｆ線の波長である。また、ｄ２＝ｃｄ１とし式変形を行った。式（７）の左辺分母に含まれる項Δｎ（λＦ）−Δｎ（λＣ）（簡略化のため添え字を省いている）を式変形すると、以下の式（８）のようになる。
【００２８】
Δｎ（λＦ）−Δｎ（λＣ）＝（ｎ’（λＦ）−ｎ’（λＣ））−（ｎ（λＦ）−ｎ（λＣ））  …  （８）
式（８）において、ｎ（λ）、ｎ’（λ）はそれぞれ屈折率分布の最大屈折率差を作る隣り合う領域の屈折率を表している。式（８）より式（７）の左辺分母に含まれる項が、隣り合う領域のアッベ数の差に対応していることがわかる。式（７）の右辺は定数であり、λｄ／（λＦ−λＣ）＝−３．４５である。このため、ｃ＞１の条件において、式（７）を満足させるためには、屈折率分布の最大屈折率差を作る隣り合う領域の屈折率の差およびアッベ数の差が、それぞれ異符号となる電気活性材料の組合せにする必要がある。このような構成とすることで、広い波長域において高い回折効率を実現することが可能となる。
【００２９】
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（９）を満たす。
【００３０】
ｎ１＞ｎ２  …（９）
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（１０）を満たす。
【００３１】
ν１＜ν２  …（１０）
式（９）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（１０）において、第１のアッベ数ν１および第２のアッベ数ν２はそれぞれ、ｄ線を基準波長とした第１のアッベ数および第２のアッベ数である。
【００３２】
図２は、電気活性レンズ１００を構成する材料（第１の電気活性材料１１０、第２の電気活性材料１２０）の屈折率およびアッベ数である。図２において、実線は第１の電気活性材料１１０に対応し、破線は第２の電気活性材料１２０に対応している。電気不活性化状態において第１の電気活性材料１１０の第１の屈折率ｎ１および第１のアッベ数ν１はそれぞれｎ１＝１．５５６、ν１＝２０．３２である。また電気不活性化状態において第２の電気活性材料１２０の第２の屈折率ｎ２および第２のアッベ数ν２はそれぞれｎ２＝１．５５４、ν２＝２９．６８である。
【００３３】
電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０は、電気不活性化状態（第１の状態）と電気活性化状態（第２の状態）との間で第１の屈折率および第１のアッベ数が変化する。同様に、第２の電気活性材料１２０は、電気不活性化状態と電気活性化状態との間で第２の屈折率および第２のアッベ数が変化する。
【００３４】
またセグメント化された電極１４０、１４１にセグメントごとに異なる電圧を印加し、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれに屈折率分布を与える。このような構成により、電気活性化状態において、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれが屈折率分布型の回折レンズとして作用し、電気活性レンズ１００にパワーを発生させる。
【００３５】
本実施形態において、電気不活性化状態から電気活性化状態へ変化すると、十分に高い電圧が印加された領域では、第１の電気活性材料１１０の第１の屈折率ｎ１および第１のアッベ数ν１がそれぞれｎ１＝１．６６１、ν１＝１３．１５となるように変化する。このとき、第１の屈折率の変化量Δｎ１および第１のアッベ数の変化量Δν１はそれぞれΔｎ１＝０．１０１、Δν１＝−７．１７となる。同様に、十分に高い電圧が印加された領域では、第２の電気活性材料１２０の第２の屈折率ｎ２および第２のアッベ数ν２はそれぞれｎ２＝１．４９０、ν２＝３４．８５となるように変化する。このとき、第２の屈折率の変化量Δｎ２および第２のアッベ数の変化量Δν２はそれぞれΔｎ２＝−０．０６４、Δν２＝５．１７となる。このような構成により、屈折率分布の最大屈折率差を作る隣り合う領域の屈折率の差およびアッベ数の差が、それぞれ異符号となる電気活性材料の組合せとなり、広い波長域において高い回折効率を実現することが可能となる。
【００３６】
図３（Ａ）は、第１の電気活性材料による回折レンズの回折効率であり、図３（Ｂ）は、第２の電気活性材料による回折レンズの回折効率である。図３（Ａ）、（Ｂ）より、可視域で複数の回折次数に回折していることがわかる。また次数の指標を隠すと２つの図はよく似ている。これは、各回折次数のピーク波長が２つの回折レンズでほぼ等しいことを意味している。第１の電気活性材料による回折レンズでは、−１次に回折する回折光のピーク波長は５６５ｎｍ、−２次に回折する回折光のピーク波長は４００ｎｍである。また第１の電気活性材料の高さｄ１は、ｄ１＝５．２μｍである。一方、第２の電気活性材料による回折レンズでは、２次に回折する回折光のピーク波長は５５７ｎｍ、３次に回折する回折光のピーク波長は４１３ｎｍであり、ほぼ等しいことがわかる。また第２の電気活性材料の高さｄ２は、ｄ２＝１７．２μｍである。このような構成とすることで、第１の電気活性材料による回折レンズで負の回折次数に回折する光束を、第２の電気活性材料による回折レンズでより大きく正の回折次数へ回折させ、電気活性レンズ１００としては特定の回折次数（設計次数）に回折させることが可能となる。このように２つの電気活性材料による回折レンズを近接して配置することで、第１の電気活性材料に入射した光束が完全に複数の回折次数へ回折を始める前に第２の電気活性材料に入射するので、合成の回折次数で高い回折効率を有することが可能となる。
【００３７】
図３（Ｃ）は、第１の電気活性材料および第２の電気活性材料を合成した電気活性レンズ１００の回折効率である。図３（Ｃ）から明らかなように、比較例としての液晶回折レンズ２００（図９）と比較して、短波長および長波長での１次光の回折効率が向上しており、特に短波長側において回折効率は大きく改善している。これにより、不要回折光（０次光や２次光）によるフレアを低減させることができ、視認性を向上させることが可能となる。
【００３８】
電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０は負の誘電率異方性を持つことが好ましく、第２の電気活性材料１２０は正の誘電率異方性を持つことが好ましい。また第１の電気活性材料１１０に接する配向膜が垂直配向膜であることが好ましく、第２の電気活性材料１２０に接する配向膜が水平配向膜であることが好ましい。このような構成とすることで、電圧印加時に２つの電気活性材料の屈折率の変化およびアッベ数の変化が、それぞれ異符号となる電気活性材料の組合せとすることが可能になる。これにより、広い波長域において高い回折効率を実現することが可能となる。
【００３９】
電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０はそれぞれ、０．１０以上の複屈折率を有することが好ましい。液晶などの一軸性光学材料は、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅを有し、複屈折率は両者の差分ｎｅ−ｎｏと定義される。本実施形態においては、第１の電気活性材料１１０として常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅがそれぞれ、ｎｏ＝１．５５６、ｎｅ＝１．７６５となる材料を用いる。また第２の電気活性材料１２０として、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅがそれぞれ、ｎｏ＝１．４９０、ｎｅ＝１．６１８となる材料を用いる。
【００４０】
この場合、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０の複屈折率はそれぞれ、０．２０９、０．１２８となる。このように、複屈折率が０．１０以上の電気活性材料を用いることにより、電気不活性化状態から電気活性化状態への変化に伴う屈折率の変化のダイナミックレンジを広くすることができ、電気活性化状態における屈折率を容易に制御することが可能となる。
【００４１】
電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０と第２の電気活性材料１２０との間に設けられた基板１３１の厚さｄｓｕｂは、以下の式（１１）を満たすことが好ましい。
【００４２】
３０μｍ≦ｄｓｕｂ≦３００μｍ  …  （１１）
基板１３１の厚さが、式（１１）の下限値を下回ると、２つの電気活性材料を積層する際の加工難易度が著しく上がってしまい好ましくない。また基板１３１の厚さが、式（１１）の上限値を上回ると、第１の電気活性材料による回折レンズに入射した光束が完全に複数の回折次数へ回折してしまう。これにより積層構造の電気活性レンズの合成の回折効率が高くすることが難しくなるため好ましくない。
【００４３】
故障や電力消費により、電気活性材料に電圧を印加することができない場合、電気活性レンズの使用者に及ぼす影響を避けなければならない。通常の老眼鏡は、無限遠などの遠点に焦点が合うように使用者の視力を矯正した上で、読書距離などの近点に焦点を移した際の調節力の不足分を老眼用パワー部に付加している。このため、電気活性材料に電圧が印加されていない電気不活性化状態においては、電気活性レンズにパワーを与えず、電気活性材料に電圧が印加されている電気活性化状態において、電気活性レンズにパワーが付加される構成を採用することが好ましい。このような構成により、故障などで電気活性材料に電圧を印加することができない状況でも、電気活性レンズが遠点に焦点が合った状態に初期化され、使用者に及ぼす影響を回避することが可能となる。
【００４４】
このような構成を実現するため、電気活性レンズ１００において、好ましくは、電気不活性化状態における第１の屈折率ｎ１と第２の屈折率ｎ２との差は、電気活性化状態における第１の屈折率ｎ１と第２の屈折率ｎ２との差よりも小さい。また好ましくは、電気不活性化状態での第１の屈折率ｎ１および第２の屈折率ｎ２は互いに略等しい値である。このような構成により、電気不活性化状態において、電気活性レンズに屈折力が生じず、遠点に正しく焦点を合わせることが可能となる。
【００４５】
電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０はそれぞれ、コレステリック液晶、またはカイラルツイスト剤が添加されたネマチック液晶であることが好ましい。コレステリック液晶は、ネマチック液晶と同様に、光学的に一軸性であり複屈折性を有する。ただし、コレステリック液晶に関しては、液晶分子のディレクタが液晶材料の厚さ方向に渡って螺旋状に回転する。液晶分子のディレクタが３６０°回転するまでの回転軸に沿った長さをツイストピッチと呼ぶ。ツイストピッチに相当する波長を有し、液晶分子のディレクタに垂直に伝播する光波に対して、コレステリック液晶は平均屈折率ｎａｖｅ＝（ｎｏ＋ｎｅ）／２を有する。十分に強い電圧が印加された場合、液晶分子のディレクタは印加された電場と平行になる。このため、電場方向に伝播する光波に対して、コレステリック液晶は常光屈折率ｎｏを有する。したがって、コレステリック液晶は、印加された電場強度に従って液晶分子の配向を変化させ、ディレクタの回転軸に沿って伝播する光波に対して平均屈折率ｎａｖｅと常光屈折率ｎｏとの間の屈折率値を有する。
【００４６】
また、ネマチック液晶にカイラルツイスト剤を添加することにより、コレステリック液晶と同等の特性を得ることが可能である。カイラルツイスト剤を添加したネマチック液晶は、元のネマチック液晶と同じ常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅを有し、添加するカイラルツイスト剤のヘリカルツイスト力によりツイストピッチを所望の値に調整することが可能である。コレステリック液晶やカイラルツイスト剤を添加したネマチック液晶の平均屈折率ｎａｖｅは、入射光波の偏光状態に依存しない一定値となるため、コレステリック液晶やカイラルツイスト剤を添加したネマチック液晶は偏光不感受性を有する。このため、第１の電気活性材料１１０または第２の電気活性材料１２０として、コレステリック液晶、またはカイラルツイスト剤を添加したネマチック液晶を用いることにより、ランダムに偏光された光波に対して一様に収束力を付加することが可能となる。
【００４７】
次に、図４、図５を参照して、本実施形態における変形例としての光学素子（電気活性レンズまたは液晶回折レンズ）について説明する。図４は、電気活性レンズ１００を構成する材料（第１の電気活性材料１１０、第２の電気活性材料１２０）の屈折率およびアッベ数である。図４において、実線は第１の電気活性材料１１０に対応し、破線は第２の電気活性材料１２０に対応している。電気不活性化状態において第１の電気活性材料１１０の第１の屈折率ｎ１および第１のアッベ数ν１はそれぞれｎ１＝１．５２６、ν１＝２５．９４である。また電気不活性化状態において第２の電気活性材料１２０の第２の屈折率ｎ２および第２のアッベ数ν２はそれぞれｎ２＝１．５４５、ν２＝３１．８９である。
【００４８】
電気活性レンズ１００において、第１の電気活性材料１１０として、ｎｅ＝１．７６７、ｎｏ＝１．５２６の液晶材料を用い、第２の電気活性材料１２０として、ｎｅ＝１．６０５、ｎｏ＝１．４８５の液晶材料を用いる。また本実施形態において、電気不活性化状態から電気活性化状態へ変化すると、十分に高い電圧が印加された領域では、第１の電気活性材料１１０の第１の屈折率ｎ１および第１のアッベ数ν１がそれぞれｎ１＝１．６４６、ν１＝１６．５１となるように変化する。このとき、第１の屈折率の変化量Δｎ１および第１のアッベ数の変化量Δν１はそれぞれΔｎ１＝０．１２０、Δν１＝−９．４３となる。同様に、十分に高い電圧が印加された領域では、第２の電気活性材料１２０の第２の屈折率ｎ２および第２のアッベ数ν２はそれぞれｎ２＝１．４８５、ν２＝３６．７３となるように変化する。このとき、第２の屈折率の変化量Δｎ２および第２のアッベ数の変化量Δν２はそれぞれΔｎ２＝−０．０６０、Δν２＝４．８４となる。このような構成により、屈折率分布の最大屈折率差を作る隣り合う領域の屈折率の差およびアッベ数の差が、それぞれ異符号となる電気活性材料の組合せとなり、広い波長域において高い回折効率を実現することが可能となる。
【００４９】
図５（Ａ）は、第１の電気活性材料による回折レンズの回折効率であり、図５（Ｂ）は、第２の電気活性材料による回折レンズの回折効率である。図５（Ａ）、（Ｂ）より、可視域で複数の回折次数に回折していることがわかる。また次数の指標を隠すと２つの図はよく似ている。これは、各回折次数のピーク波長が２つの回折レンズでほぼ等しいことを意味している。第１の電気活性材料による回折レンズでは、−２次に回折する回折光のピーク波長は５６２ｎｍ、−３次に回折する回折光のピーク波長は４４１ｎｍである。また第１の電気活性材料の高さｄ１は、ｄ１＝９．２μｍである。一方、第２の電気活性材料による回折レンズでは、３次に回折する回折光のピーク波長は５５６ｎｍ、４次に回折する回折光のピーク波長は４４５ｎｍであり、ほぼ等しいことがわかる。また第２の電気活性材料の高さｄ２は、ｄ２＝２７．５μｍである。このような構成とすることで、第１の電気活性材料による回折レンズで負の回折次数に回折する光束を、第２の電気活性材料による回折レンズでより大きく正の回折次数へ回折させ、電気活性レンズ１００としては特定の回折次数（設計次数）に回折させることが可能となる。
【００５０】
図５（Ｃ）は、第１の電気活性材料および第２の電気活性材料を合成した電気活性レンズ１００の回折効率である。図５（Ｃ）から明らかなように、比較例としての液晶回折レンズ２００（図９）と比較して、短波長および長波長での１次光の回折効率が向上しており、特に短波長側において回折効率は大きく改善している。これにより、不要回折光（０次光や２次光）によるフレアを低減させることができ、視認性を向上させることが可能となる。
【００５１】
次に、図６を参照して、本実施形態における光学素子（電気活性レンズ）を備えた光学機器について説明する。図６は、光学機器（眼鏡１０）の概略図である。図６に示されるように、眼鏡１０のレンズとして、電気活性レンズ１００を用いる。制御部２０は、電気活性レンズ１００の第１の電気活性材料１１０および第２の電気活性材料１２０のそれぞれに印加する電圧を制御し、電気活性レンズ１００を電気不活性化状態または電気活性化状態に設定可能である。
【００５２】
以上のように、本実施形態の光学素子は、少なくとも２つの光学的状態を有する電気活性レンズであって、電気活性化状態においても広い波長域において高い回折効率を実現することができる。
【００５３】
なお、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。例えば本発明の光学素子（電気活性レンズ）は、老視矯正用の眼鏡だけでなく、双眼鏡やヘッドマウントディスプレイなど種々の光学機器へ適用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１００  光学素子
１１０  第１の電気活性材料（第１の材料）
１２０  第２の電気活性材料（第２の材料）
【図１】
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【図２】
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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８】
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【図９】
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