(57)【要約】【課題】従来の単レンズの中に焦点距離の異なる複数のレンズを設けた多焦点眼鏡は、手元など近傍を見る場合と遠方を見る場合では、被装着者がレンズ内の視線の位置を変えるか、レンズ自体の焦点距離を切り替える作業が必要であった。【解決手段】本発明の多焦点眼鏡は、可変焦点機能を有する可変焦点レンズと、前記可変焦点レンズを駆動する駆動ユニットを備え、可変焦点レンズは、一方向の偏光のみを透過させる偏光板と、印加された電圧値により前記偏光板からの透過光の偏光方向を切り替える機能を有する第１の液晶と、複屈折性を有するレンズとが配置され、前記駆動ユニットは、前記偏光ユニットに、予め設定した複数の電圧値を所定の周期以下でステップ的に繰返し印加する電圧印加手段を有する。これにより被装着者が認識できない周期で複数の焦点距離をステップ的に繰返し切換ることが可能となり、多焦点眼鏡を実現できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を備えた多焦点眼鏡において、前記可変焦点レンズは、一方向の偏光のみ透過させる偏光板と、印加する電圧により前記偏光板の透過光の偏光方向を、直交する２方向のどちらかに切り替える機能を有する第１の液晶層と、前記第１の液晶層の透過光の直交する２方向の偏向方向が、常光と異常光の位置関係になるよう配置された複屈折性を有するレンズとを有し、前記駆動ユニットは、前記第１の液晶層に、予め設定した２値の電圧値を所定の周期でステップ的に繰返し印加する印加手段を有することを特徴とした多焦点眼鏡。
【請求項２】
前記複屈折性を有するレンズは、第２の液晶層であることを特徴とした請求項１に記載の多焦点眼鏡。
【請求項３】
前記複屈折性を有するレンズは、第２の液晶層であって、第２の液晶層の入射側の液晶分子の配向方向と出射側の液晶分子の配向方向が９０度異なることを特徴とした請求項１に記載の多焦点眼鏡。
【請求項４】
前記駆動ユニットは、前記第１の液晶層に、予め設定した２値の電圧値を所定の周期以下でステップ的に繰返し印加することを特徴とした請求項３に記載の多焦点眼鏡。
【請求項５】
前記駆動ユニットは、前記第１の液晶層に、予め設定した２値の電圧値を２０ｍｓｅｃ以下の周期でステップ的に繰返し印加することを特徴とした請求項３に記載の多焦点眼鏡。
【請求項６】
前記第１の液晶層に、印加する電圧は１ｋＨｚ以上の周波数の交流電圧であることを特徴とした請求項４に記載の多焦点眼鏡。
【請求項７】
前記第１の液晶層に、印加する電圧は直流電圧であることを特徴とした請求項４に記載の多焦点眼鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複屈折性を有するレンズを用いた多焦点眼鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主に高齢者が用いる多焦点レンズを有する遠近両用眼鏡は、単レンズの中に焦点の異なる２種類以上の焦点距離のレンズを配置し、被装着者のレンズ内の視線の位置を変えることで焦点を切り替える方式、レンズを回転させることで焦点を切り替える方式、単レンズを上下にシフトさせて切り替える方式、さらには、眼鏡自体を上下逆さにかけ直す方式が提案されている。また、新たな方式として、液晶を可変焦点レンズとして用いた方式や、複屈折材料からなるレンズを用いた方式などが提案されている。液晶を用いた可変焦点眼鏡は、レンズ内に配置された液晶部に印加する電圧を調整することで、液晶部の屈折率を変化させ、最適な焦点距離に調整することを特徴とするものであり、また、複屈折材料からなるレンズを用いた可変焦点眼鏡は、前記レンズへの入射光の偏光面を制御することで、焦点距離を切り替えることを特徴とするものである。（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３参照）
【特許文献１】特開昭６３−１３５９１６号公報
【特許文献２】特開平１１−３５２４４５号公報
【特許文献３】特開２００２−３２３６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の単レンズの中に焦点の異なる複数のレンズを設けた多焦点眼鏡は、手元など近傍を見る場合と風景など遠方を見る場合では、レンズ内の視線の位置を変えるか、レンズ自体を回転もしくは上下に切り替える作業が必要であった。また、従来の液晶を用いた可変焦点眼鏡においても、液晶に印加する電圧の切り替え作業が必要であり、複屈折材料からなるレンズを用いた可変焦点眼鏡においても、レンズへの入射光の偏光の切換作業が必要であった。特に、自動車の運転において、運転者は、近傍のスピードメータなどの確認と遠方の道路情報の認識を常に行う必要があるが、従来の多焦点眼鏡や可変焦点眼鏡では、注視点に合わせた焦点距離の切り替えが難しかった。
【０００４】
本発明は、これらの課題を解決するもので、複屈折性を有するレンズへの入射光線の偏光方向を、短時間の周期でステップ的に常光と異常光とに繰返し変化させることにより、２つの焦点距離を有する多焦点眼鏡を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の課題を解決するために、本発明の多焦点眼鏡は、可変焦点機能を有する可変焦点レンズと、前記可変焦点レンズを駆動する駆動ユニットを備え、前記可変焦点レンズは、光源側から同一光軸上に、一方向の偏光のみを透過させる偏光板と、印加された電圧値により前記偏光板からの透過光の偏光方向を直交する２方向のどちらかに切り替える機能を有する第１の液晶層と、前記第１の液晶層から透過光の直交する２方向の偏光方向に対して、常光と異常光の位置関係になるように配置された複屈折性を有するレンズとが順次配置され、前記駆動ユニットは、前記第１の液晶層に、予め設定した複数の電圧値を所定の周期以下でステップ的に繰返し印加する電圧印加回路を有する手段を有する。これにより、前記可変焦点レンズの焦点距離は、人間の視覚で認識できない短時間の周期でステップ的に繰返し変化し、前記可変焦点レンズを有する眼鏡は、多焦点眼鏡としての機能を発生する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の多焦点眼鏡によれば、非装着者から注視点までの距離が近傍の場合でも遠方の場合でも、注視点までの焦点距離が合うようにレンズ内の視線を移動したり、眼鏡の焦点距離の切換作業をすることが不要となり、簡単かつ快適に多焦点眼鏡からなる遠近両用眼鏡を利用できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の眼鏡の実施の形態を図面とともに説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、多焦点眼鏡の基本構成を示す。１は、可変焦点レンズで、１６は、可変焦点レンズ１を保持するリム、１７は左右のリム１６を連結するブリッジである。また、１８はヨロイであり、テンプル１９とリム１６を連結する。また、２０はモダンでありテンプル１９の一端に設けられた耳当て、２１はパッドでありリム１６に設けられた鼻当てである。また、８は可変焦点レンズ１に電圧を印加する駆動ユニットであり、接続線７ａおよび接続線７ｂで左右の可変焦点レンズ１が並列に接続されている。図１では、左右の可変焦点レンズ１が接続線７ａおよび接続線７ｂにより駆動ユニット８に並列に接続されているが、左右の可変焦点レンズ１に独立の駆動ユニット８を接続しても良い。
【０００９】
図２は、可変焦点レンズ１および駆動ユニット８の基本構成を示す。ここで、ｚ軸は、可変焦点レンズ１の中心光軸とし、左側が光源で右側が被装着者の眼の方向とする。また、ｙ軸はｚ軸に垂直な１方向とし、ｘ軸はｚ軸およびｙ軸と垂直な方向とする。
【００１０】
可変焦点レンズ１は、ｚ軸を光軸中心として配列された、第１面および第２面からなる偏光板３０と、偏光ユニット３と、レンズユニット２とから構成される。偏光板３０は、プラスティック製のダイクロック偏光シートをガラス板の間に挟み込んだ構造を有しており、光源からの入射した自然光線の内、ｘ方向の偏光成分を吸収し、ｙ方向の偏光成分のみ透過させる性質を有する。偏光ユニット３は、第３面および第４面からなる第１の光学ウィンドウ２４と、第５面および第６面からなる第２の光学ウィンドウ２５と、第１の光学ウィンドウ２４の第４面に形成された透明電極２６と、第２の光学ウィンドウ２５の第５面に形成された透明電極２７と、透明電極２６と透明電極２７との間に充填された第１の液晶層２８から構成されている。また、透明電極２６と透明電極２７は、接続線７ａおよび接続線７ｂを介して、駆動ユニット８に接続され、透明電極２６と透明電極２７の間に駆動電圧が印加されるようになっている。さらに、透明電極２６はｙ方向に、透明電極２７はｘ方向に、それぞれポリビニールアルコール（以下、ＰＶＡ）によるラビング処理が施されている。そのため、透明電極２６および透明電極２７の間に電圧が印加されない場合、液晶分子２２は、透明電極２６の近傍ではｙ方向に配向し、透明電極２７に近づくにつれて徐々に捩れ、透明電極２７の近傍ではｘ方向に配向する。したがって、駆動ユニット８から所定の電圧が印加されてない状態では、偏光板３０を透過したｙ方向に偏光した透過光線は、偏光ユニット３を透過することで９０度変換され、ｘ方向の偏光成分の光線に変換される。また、透明電極２６および透明電極２７の間に所定の電圧が印加された場合、第１の液晶層２８の液晶分子２２は、ｚ軸方向に配向する。（図３を参照）従って、駆動ユニットから所定の電圧が印加された状態では、偏光板３０を透過したｙ方向に偏光した透過光線は、偏光ユニット３を透過しても偏光方向は変換されない。即ち、偏光ユニット３は、駆動ユニット８からの印加電圧の電圧値により、透過した光線の偏光方向を直交するｙ方向またはｘ方向のどちらかに切り替える機能を有する。
【００１１】
レンズユニット２は、第７面および第８面からなる両凸レンズの形状を有する第１のレンズ４と、第９面および第１０面からなる一面が凸面で他面が凹面の形状を有するメニスカスレンズの第３のレンズ６と、第８面と第９面の間に充填された第２の液晶層２９からなる凹面の形状を有するメニスカスレンズの第３のレンズ６から構成されている。また、第１のレンズ４の第８面と第３のレンズの第９面には、それぞれ、ｙ方向とｘ方向のＰＶＡによるラビング処理が施されており、第２の液晶層２９の液晶分子２３は、第１のレンズ４の第８面の近傍でｙ方向に配向され、第３のレンズ６の第９面の近傍でｘ方向に配向されている。一般的に配向された液晶層は、配向方向に平行な方向の偏光（異常光線）に対する屈折率ｎｅと配向方向と直角な方向の偏光（常光線）に対する屈折率ｎｏが異なっており、屈折率ｎｅが屈折率ｎｏより大きな値の複屈折性を有している。レンズユニット２においては、偏光ユニット３からの入射光線の偏光方向がｙ方向の場合、第２のレンズ５には異常光線として入射し、偏光方向が９０度変換されｘ方向の偏光として第３のレンズ６に射出される。また、偏光ユニット３からの入射光線の偏光方向がｘ方向の場合、第２のレンズ５には常光線として入射し、偏光方向が９０度変換されｙ方向の偏光として第３のレンズ６に射出される。これにより、第２のレンズ５の単体は、偏光ユニット３からの入射光線の偏光方向が、ｙ方向（異常光線）の場合、正負の焦点距離が短くなり、ｘ方向（常光線）の場合、正負の焦点距離が長くなる。即ち、焦点距離が変化する機能を有する。
【００１２】
ここで、第１のレンズ４の第８面のラビング方向と、第３面のレンズ６の第９面のラビングの配向に９０度の違いを設けているのは、第１のレンズ４の第８面および第３のレンズの第９面において、透過光線の位置によりラビング方向（＝液晶分子の分子軸方向）とレンズの曲率方向が異なるために発生した屈折率の違いを相殺するためである。ここで、第１のレンズ４の第８面の曲率半径と、第３のレンズ６の第９面の曲率半径はほぼ等しく、さらに、第１のレンズ４と第３のレンズ６の屈折率もまたほぼ等しいことが望ましい。また、第２の液晶層２９からなる第２のレンズ５は、負の焦点距離を有する両凹レンズの形状として説明したが、正の焦点距離を有する両凸レンズの形状でも良い。但し、可変焦点レンズ１を近視補正および手元補正用の遠近両用レンズとして用いるには、第１のレンズ４および第３のレンズ６の少なくても一方の焦点距離の符号は、第２のレンズ５の焦点距離の符号と逆である負でなければならない。このように、偏光板３０と偏光ユニット３とレンズユニット２を組み合わせることで、駆動ユニットからの電圧値により、可変焦点レンズ１の焦点距離を切り替えることが可能となる。
【００１３】
駆動ユニット８は、発振回路９、信号波発生回路１０、変調回路１４、スイッチ１１から構成されている。信号波発生回路１０は、２値の直流電圧の電圧値を所定の周期でステップ的で繰り返す信号波を発生する。発振回路９は、第１の液晶層２８に印加する交流電圧の基本波（搬送波）を発生する。また、変調回路１４は、基本波を信号波で振幅変調し、接続線７ａおよび接続線７ｂを介して透明電極４および透明電極５に交流電圧として印加する。スイッチ１１は、接続線７ｂの途中に設けられ透明電極２６および透明電極２７に印加する電圧を入・切できるようになっている。第１の液晶層２８に印加する交流電圧の周期は、液晶２２の配向の応答速度より高くすることが必要で、一般的に用いられる周波数（＝１／周期）は、０．１ＫＨｚから１００ＫＨｚ程度が望ましい。しかし、本発明において、信号波発生回路１０からの信号波の周期は、４０ｍｓｅｃから５ｍｓｅｃ程度であり、交流電圧の周波数は、信号波の周波数（＝１／周期）より約１桁以上で、かつ、高分子分散液晶層６の応答速度より高いことが望ましい。具体的に望ましい信号波の周波数は、１ＫＨｚから１００ＫＨｚである。
【００１４】
次に、変調回路１４から出力され、透明電極２６および透明電極２７に印加される交流電圧の波形について図４を用いて説明する。図４の交流電圧は、周期ｔ１（周波数ｆ１）であり、Ｅｍ１およびＥｍ２（≒０Ｖ）の２つの電圧値を、周期ｔ４で、ステップ的に繰り返す波形である。信号波の周期ｔ４のうち、電圧値Ｅｍ１の時間をｔ２、電圧値Ｅｍ２の時間をｔ３とすると、第１の液晶層２８の液晶分子２２は、ｔ２の時間でｚ軸方向に配向し、ｔ３の時間でラビング方向に配向する。従って、第２のレンズ５の単体での焦点距離は、ｔ２の時間で短く、ｔ３の時間で長くなる。すなわち、可変焦点レンズ１を有する眼鏡を装着した被装着者は、遠方に焦点が合った像と近傍に焦点が合った像を、ｔ４の周期で繰返し見ることになる。
【００１５】
次にｔ４の周期の違いによる多焦点レンズ１の見え方について説明する。ｔ４の周期が約４０ｍｓｅｃ以上の場合、被装着者には可変焦点レンズ１の焦点距離の切り替えを明確に認識される。そのため、４０ｍｓｅｃ以上の周期ｔ４は、遠近両用の眼鏡としては用いられない。また、ｔ４の周期が４０ｍｓｅｃから２０ｍｓｅｃ程度の場合、被装着者には、遠方に焦点があった像と近傍に焦点が合った像が合成された像として認識されるが、焦点距離の切り替えは、ちらつきとして認識される。さらに、ｔ４の周期が２０ｍｓｅｃ以下になると、遠方に焦点があった像と近傍に焦点が合った像が合成された像として認識され、焦点距離の切り替えによるちらつきは認識されなくなる。すなわち、可変焦点レンズの焦点距離の切り替えを４０ｍｓｅｃ以下の周期で行うと擬似的な多焦点レンズを実現でき、さらには、焦点距離の切り替えを２０ｍｓｅｃ以下の周期で行うと、ちらつきもなく良好な多焦点レンズを実現できる。
【００１６】
図２、図３および図４では、交流電圧を透明電極２６および透明電極２７に印加する場合について説明したが、図５で示すような直流電圧を印加しても良い。この場合は、図２で示す発振回路９および変調回路１４が不要であり、信号波発生回路１０からの電圧信号を増幅するだけで、透明電極２６および透明電極２７に印加することができる。
（実験結果）
次に実験結果について、図６および表１を用いて説明する。
【００１７】
まず、実験に用いた可変焦点レンズについて、図６を用いて説明する。
【００１８】
偏光板３０は、波長域が３５０から６５０ｎｍのダイクロックシート偏光板を用いた。
第１の光学ウィンドウ２４および第２の光学ウィンドウ２５は、予め約０．１μｍ程度ＩＴＯ膜が形成とラビング処理が施されたガラスを用いた。引出し線７ａおよび引出し線７ｂは、導電ペーストを用いて、第１の光学ウィンドウ２４および第２の光学ウィンドウ２５のＩＴＯ電極に接続した。第１の液晶層２８には、９０度ツイストが可能なネマティック液晶を用いた。第１のレンズ４は、ｆ（焦点距離）９５ｍの平凸レンズで、第８面のＲ１は、４９ｍｍ、材質はｎ（屈折率）１．５１８のＢＫ７とした。第３のレンズ６は、ｆ（焦点距離）２００のメニスカスレンズで、第９面のＲ２は、４９ｍｍ、材質は、ｎ（屈折率）１．５１８のＢＫ７とした。また、第１のレンズ４の第８面と第３のレンズ６の第９面は、ＰＶＡに役２０分程度浸漬した後、ラビング処理を施した。第２の液晶層２９には、ｎｏ＝１．５１、ｎｅ＝１．７２の屈折率を有する光学素子用の液晶を用いた。組立は、リム１６の内部に、偏光板３０、第１の光学ウィンドウ２４、第２の光学ウィンドウ、第１のレンズ４、第３のレンズ６は、ラビング処理の方向を所定の向きになるように取り付けた。その時点で、第１の液晶層２８の間隔Ｌ１は約１０μｍで、第２の液晶層２９の間隔Ｌ２は０．５ｍｍであった。その後、リム１６の充填口（不表示）から、第１の液晶層２８、第２の液晶層２９を充填した。その後、可変焦点レンズ１の焦点距離の測定を行い、印加電圧が０Ｖで−４０００ｍｍ、１０Ｖで−４７０ｍｍの値を得た。各レンズおよび、第１の透明電極２６と透明電極２７との間の印加電圧条件を以下に示す。
【００１９】
第１のレンズ  ：  
平凸レンズ
ｆ（焦点距離）＝９５ｍｍ  
ｎ（屈折率）＝１．５１８  
Ｒ１  ＝  ４９ｍｍ
第２のレンズ  ：  
メニスカスレンズ
ｆ  ＝  ２００ｍｍ  
ｎ  ＝  １．５１８  
Ｒ２  ＝  ４９ｍｍ
可変焦点レンズ１  ：
ｆ（焦点距離）  ＝  約−４０００ｍｍ  （  ０Ｖ印加時  ）
ｆ  ＝  −４７０ｍｍ  （  ２５Ｖ印加時  ）
印加電圧  ：
周波数５ＫＨｚの交流電圧
電圧  １Ｖ、２５Ｖ
信号波の周期  １００ｍｓｅｃ、４０ｍｓｅｃ、２０ｍｓｅｃ、１３ｍｓｅｃ、１０ｍｓｅｃ、５ｍｓｅｃ
上記眼鏡を装着する被験者は、度数−３の近視と、手元補正度数−２の老眼を有する被験者とした。また、評価方法は、被験者が多焦点眼鏡を装着し、遠方２０ｍと近傍０．３ｍに設置した所定の物体のフォーカスの状態と、ちらつき度合いについて評価した。
【００２０】
実験結果を図７に示す。実験の結果、信号波の周期（ｔ２）が２０ｍｓｅｃ以下の条件では、ちらつきが殆ど無いことが判明した。さらに、信号波の周期が１３ｍｓｅｃ以下且つ５ｍｓｅｃ以上の条件では、ちらつきが全くないことも判明した。また、どの信号波の周期の条件においても、遠方（２０ｍ）および近傍（０．３ｍ）のフォーカスの状態は、ほぼ良好以上であった。但し、信号の周期が１００ｍｓｅｃの条件では、他の条件と比較してフォーカスの状態がやや劣化した。
【００２１】
ところで、被験者は、全ての条件において、遠方（２０ｍ）および近傍（０．３ｍ）の両方ともフォーカスが合ってない像も見ているはずである。しかし、全ての条件でフォーカスの状態がほぼ良好であったのは、人間が、フォーカスの状態が合った像を無意識に選択的していると思われる。
【００２２】
以上の実験結果から、可変焦点レンズの２種類の焦点距離の切り替えを、４０ｍｓｅｃ以下の周期でステップ的に行うことで、遠方と近傍の両方にフォーカス状態が合った２焦点眼鏡を実現できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明にかかる多焦点眼鏡は、可変焦点レンズの複数の焦点距離を人間が認識できない周期でステップ的に切り替えることにより、近場と遠方の両方に同時に焦点が合った眼鏡を実現することができ、従来の多焦点眼鏡のような、レンズ内の視線の移動や、焦点距離の切換作業が不要となる。特に、高齢者が自動車の運転等を行う場合に、遠方の道路情報の認識と近傍のメータ等の確認を、眼鏡の焦点が合った状態で行えるため、安全運転等に有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の多焦点眼鏡の概要を示す図
【図２】本発明の可変焦点レンズ１と駆動ユニット８の基本構成を示す図
【図３】偏光ユニット３に電圧を印加する状態を示す図
【図４】透明電極２６および透明電極２７に印加される交流電圧の波形を示す図
【図５】透明電極２６および透明電極２７に印加される直流電圧の波形を示す図
【図６】実験に用いた多焦点眼鏡の概要を示す図
【図７】実験結果を示す図
【符号の説明】
【００２５】
１  可変焦点レンズ
２  レンズユニット 
３  偏光ユニット 
４  第１のレンズ 
５  第２のレンズ
６  第３のレンズ
７ａ  接続線
７ｂ  接続線
８  駆動ユニット
９  発振回路
１０  信号波発生回路
１１  スイッチ
１２  マイクロカプセル
１３  液晶分子
１４  変調回路
１５  高分子
１６  リム
１７  ブリッジ
１８  ヨロイ
１９  テンプル
２０  モダン
２２  液晶分子
２３  液晶分子
２４  第１の光学ウィンドウ
２５  第２の光学ウィンドウ
２６  透明電極
２７  透明電極
２８  第１の液晶層
２９  第２の液晶層
３０  偏光板 
【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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