(57)【要約】【課題】液晶を用いた可変焦点眼鏡では、落下や衝突等によって外部から衝撃が加わると、液晶漏れが発生し焦点が合わないことや、固体結晶膜を用いた可変焦点眼鏡では、電場印加によって誘発される屈折率変化が小さく膜厚を厚くしなくてはならなく、眼鏡としての機能を発揮できなくなる課題を有していた。【解決手段】眼鏡フレームに支持する少なくとも一方の透過性の基体面上に等間隔な周期で形成した固体結晶膜の光学特性可変光学素子と外部より振動を印加する手段を備えたもので、外部振動の印加によって光学特性を変化させ、焦点距離を変化させることが可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
眼鏡フレームと、前記眼鏡フレームに支持する少なくとも一方に透過性の基体と、前記透過性の基体に固体結晶を設けた光学素子と、前記光学素子に外部から振動を印加する振動印加手段とが配置された可変焦点眼鏡において、前記透過性の基体面上に前記固体結晶を等間隔な周期で配列するとともに、前記配列を少なくとも一層以上形成することを特徴とした可変焦点眼鏡。
【請求項２】
前記固体結晶が、ペロブスカイト構造を有することを特徴とする請求項１記載の可変焦点眼鏡。
【請求項３】
前記ペロブスカイト構造を有した固体結晶として、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ４）、リン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４)、リン酸二重水素カリウム（ＫＤ２ＰＯ４)、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＫＴＮ結晶であることを特徴とした請求項２記載の可変焦点眼鏡。
【請求項４】
前記等間隔な周期として７００ｎｍ以下であることを特徴とした請求項１〜３のいずれか記載の可変焦点眼鏡。
【請求項５】
前記外部から振動を印加する振動印加手段として、電場または磁場の少なくとも一つを印加する手段であることを特徴とした請求項１〜４のいずれか記載の可変焦点眼鏡。
【請求項６】
前記電場による振動印加手段として、１５０Ｖ／ｍｍ以上の電位勾配を印加する手段であることを特徴とした請求項５記載の可変焦点眼鏡。
【請求項７】
前記１５０Ｖ／ｍｍ以上の電位勾配を印加する手段として、４０００Ｖ／ｓ以上の走引速度を印加する手段であることを特徴とした請求項６記載の可変焦点眼鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過性の基体に固体結晶の光学特性可変光学素子を設けた可変焦点眼鏡に関するものである。
【０００２】
本発明は、固体結晶の光学特性可変光学素子を設けた可変焦点眼鏡に関し、より詳細には固体結晶の光学特性可変素子を透過性の基体面上に等間隔な周期で形成した可変焦点眼鏡に関するものである。
【０００３】
本発明は、固体結晶の光学特性可変光学素子を透過性の基体面上に等間隔な周期で形成した可変焦点眼鏡に関し、より詳細には等間隔な周期で形成している固体結晶の光学特性可変素子に外部より振動を印加する可変焦点眼鏡に関するものである。
【０００４】
本発明は、等間隔な周期で形成した固体結晶の光学特性可変素子に外部より振動を印加する可変焦点眼鏡に関し、固体結晶の光学特性可変素子に外部より振動を印加することで、光学特性を変化させ、焦点を変化させることが可能となる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００５】
遠近両用眼鏡として使用する可変焦点眼鏡は、単レンズの中に焦点の異なる2枚のレンズを設け、単レンズを回転させて切り替える方式や、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、新たな方式としては、液晶や固体結晶膜等の可変誘電体をレンズとして用いた可変焦点眼鏡がある。液晶や固体結晶膜等の可変誘電体を用いた可変焦点眼鏡は、レンズ内に配置された可変誘電体に電圧を印加し、その印加電圧を調整することで、屈折率を変化させ、被装着者からみた眼鏡のピント位置を調整することを特徴とするものである。（例えば、特許文献１および特許文献２参照）
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の遠近両用のために使用される単レンズの中に焦点の異なる2枚のレンズを設けた可変焦点眼鏡では、１枚のレンズを面で分割しているため、境界部では像が歪んでしまい、使用の際には邪魔になることや常に半分は焦点が合わずぼけて見えてしまい、視野が狭くなるといった課題を有していた。また、従来の液晶を用いた可変焦点眼鏡では、レンズの中に液晶を封入しているため、落下や衝突等によって外部から衝撃が加わると、液晶漏れが発生し焦点が合わず、眼鏡としての機能を発揮できなくなる課題を有していた。さらには、固体結晶膜を用いた可変焦点眼鏡では、電場印加によって誘発される屈折率変化が小さいといった課題を有していた。
【０００７】
本発明は、従来の課題を解決するもので、固体結晶の光学特性可変光学素子を透過性の基体面上に等間隔な周期で形成し、そこに外部から振動を印加する可変焦点眼鏡の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の透過性の基体面上に等間隔な周期で形成した固体結晶の光学特性可変光学素子に外部より振動を印加する可変焦点眼鏡は、眼鏡フレームに支持する少なくとも一方の透過性の基体面上に固体結晶を等間隔な周期で形成した光学特性可変光学素子と、固体結晶を等間隔な周期で形成した光学特性可変光学素子に外部から振動を印加する手段を備えたもので、外部からの振動の印加によって、固体結晶を等間隔な周期で形成した光学特性可変光学素子の光学特性を変化させ、焦点を変化させることが可能となる。そのため、凸レンズ及び凹レンズのいずれにも共用することができるので、従来存在していた境界部での像の歪や落下や外部からの衝撃の影響が緩和される。また、固体結晶膜を用いた可変焦点眼鏡では微弱であった電場印加による屈折率変化を増幅させることが可能となり、膜厚が緩和される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の透過性の基体面上に等間隔な周期で形成した固体結晶の光学特性可変光学素子に外部より振動を印加する可変焦点眼鏡によれば、外部振動の印加によって光学特性を変化させ、焦点を変化させることが可能となる。そのため、凸レンズ及び凹レンズのいずれにも共用することができるので、従来存在していた境界部での像の歪や落下や外部からの衝撃の影響が緩和される。また、固体結晶膜を用いた可変焦点眼鏡では微弱であった電場印加による屈折率変化を増幅させることが可能となり、膜厚の薄い眼鏡を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の可変焦点眼鏡の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の可変焦点眼鏡に用いるレンズの作製方法の一例を示す。１は透過性の基体としてプラスチックレンズ、２Ａおよび２Ｂは電圧を印加する手段としてＩＴＯ薄膜、３Ａ、３Ｂ、３Ｃおよび３Ｄは固体結晶としては金属酸化物系であるチタン酸バリウムである。プラスチックレンズ１をマグネトロンスパッタ装置（アルバック社製）のサンプル台に設置後、チャンバー内を５×１０−５Ｐａまで減圧し、続いてアルゴンと若干の酸素ガスを混合したガスを導入し、０．７Ｐａにした。まず始めに、電圧を印加する手段を設けるために、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）をターゲットとして用い、装置内の設定温度を２５０℃にし、１０〜１００ｎｍのＩＴＯ薄膜２Ａを形成した。
【００１２】
ITO薄膜２Ａを成膜した基体をスピンコータ（ミカサ社製）に装着させた。ポジ型フォトレジスト（東京応化工業社製）をマイクロピペットで基体全体を覆うように滴下した。スピンコータの設定として、１０００ｒｐｍで２０秒間回転させ、次の２０秒間をかけて１０００ｒｐｍから５０００ｒｐｍまで高速にし、５０００ｒｐｍの状態で２０秒間保持させた後に、５秒間かけて回転を止めることで、均一なフォトレジスト膜を塗布した。レジスト膜を塗布した基体を、９５℃に設定したホットプレートに９０秒間設置し、プリベークを行った。フォトマスクと基体のギャップ間距離を１００μｍ、印加電圧を３ｋeVに設定した露光装置（日本電子社製）を用いて、プリベーク後の基体に幅２００nm、周期７００nmのストライプ形状のパターンを形成させ、有機アルカリ現像液（東京応化工業社製）に浸漬させ、現像した。その後、ビーカー内に溜めた純水による２度の洗浄と流水による洗浄を行い、窒素ガスを吹き付け乾燥させ、乾燥後の基体を１２０℃に設定したホットプレートに５分間設置し、ポストベークを行った。
【００１３】
先程形成したストライプ形状のパターンに固体結晶の薄膜を形成する方法として、メタノール（和光純薬工業社製）と２−メトキシエタノール（和光純薬工業社製）を混合させた５０ｍｌの溶媒に１２．７８ｇのバリウムイソプロポキシド（和光純薬工業社製）と１１．４１ｇのチタンエトキシド（和光純薬工業社製）を溶かした後、溶液を摂氏−２０度まで冷却し、攪拌しながら水蒸気量を３から８molの範囲内に調節しながら、少しずつ加えて、ゾル溶液を調製した。調製したゾル溶液をマイクロピペットでストライプ形状のパターンを作製した基体全体に覆うように滴下した。スピンコータの設定として、１０００ｒｐｍで２０秒間回転させ、次の３０秒間をかけて１０００ｒｐｍから５０００ｒｐｍまで高速にし、５０００ｒｐｍの状態で６０秒間保持させた後に、５秒間かけて回転を止めることで、ゾル溶液を均一に塗布した。
【００１４】
ゾル溶液を塗布した基体を２００℃になった炉内で１時間加熱させ水分を除去した後に、５００℃まで温度が上昇させたことを確認し、その後２時間加熱を行い焼成させた。炉から基体を取り出し、露光装置に設置し、基体全体に露光し、有機アルカリ現像液の中で超音波洗浄することで基体に残ったレジストを除去し、図１（ａ）のような一層目としてのチタン酸バリウム結晶３Ａを等間隔な周期で形成させた。
【００１５】
二層目の周期的なチタン酸バリウム結晶を等間隔な周期で形成させるために、一層目の周期的なチタン酸バリウム結晶を作製する時と同様な条件を用い、露光装置に設置するフォトマスクとしては、一層目の等間隔な周期で形成されたチタン酸バリウム結晶３Ａの向きを９０度回転させ、一層目のストライプ形状とが直交するような条件で図１（ｂ）のような幅２００nm、周期７００nmの二層目のストライプ形状のチタン酸バリウム結晶３Ｂを形成した。
【００１６】
三層目の周期的なチタン酸バリウム結晶を等間隔な周期で形成させるために、二層目の周期的なチタン酸バリウム結晶を作製する時と同様な条件を用い、露光装置に設置するフォトマスクとしては、一層目の周期的なチタン酸バリウム結晶のストライプ形状とは重ならず、かつ、二層目の周期的なチタン酸バリウム結晶３Ｂの向きを９０度回転させ、二層目のストライプ形状とが直交するような条件で図１（ｃ）のような幅２００nm、周期７００nmの三層目のストライプ形状のチタン酸バリウム結晶３Ｃを形成した。
【００１７】
四層目の周期的なチタン酸バリウム結晶を等間隔な周期で形成させるために、三層目の周期的なチタン酸バリウム結晶を作製する時と同様な条件を用い、露光装置に設置するフォトマスクとしては、二層目の周期的なチタン酸バリウム結晶のストライプ形状とは重ならず、かつ、三層目の周期的なチタン酸バリウム結晶３Ｃの向きを９０度回転させ、三層目のストライプ形状とが直交するような条件で図１（ｄ）のような幅２００nm、周期７００nmの四層目のストライプ形状のチタン酸バリウム結晶３Ｄで形成した。
【００１８】
始めに電圧を印加する手段として形成したＩＴＯ薄膜２Ａの対極となる手段を設けるために、図１（ｄ）のような四層のストライプ形状が形成された基体をマグネトロンスパッタ装置（アルバック社製）のサンプル台に設置し、チャンバー内を５×１０−５Ｐａまで減圧し、続いてアルゴンと若干の酸素ガスを混合したガスを導入し、０．７Ｐａにした。ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）をターゲットとして用い、装置内の設定温度を２５０℃にし、図１（ｅ）のようなストライプ形状の上に１０〜１００ｎｍのＩＴＯ薄膜２Ｂを形成した。
【００１９】
図１において、プラスチックレンズにチタン酸バリウム結晶の成膜方法として、ゾルゲル法を用いて積層したが、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、有機金属化合物堆積法または有機金属気相成長法によってストライプ形状を３次元に積層することや自己クローニング法によって三角格子状を３次元に積層して作製することも可能である。また、透過性の基体としてプラスチックレンズを用いたが、ガラスレンズやサファイヤレンズを用いることも可能である。
【００２０】
図２は、本発明の可変焦点眼鏡の一例中、等間隔な周期で形成したチタン酸バリウム結晶膜の光の吸収特性の一例を示す図である。横軸は上記作製したプラスチックレンズに等間隔な周期で形成したチタン酸バリウム結晶膜に入力した光の波長、縦軸は入力した光強度に対する出力した光強度の割合を対数で表した吸収率である。２００nm程度の短波長では入力した光がほとんど吸収されるが、波長を長くしていくにつれ吸収される割合が減少する。チタン酸バリウム結晶の周期である７００nm以上になると入力した光は、ほぼ吸収されなくなる。
【００２１】
図３は、本発明の可変焦点眼鏡の模式図である。４は眼鏡フレーム、５はプラスチックレンズ、６Ａおよび６ＢはＩＴＯ薄膜、７はチタン酸バリウム結晶膜、８は電源である。
【００２２】
チタン酸バリウム結晶膜７はバリウム９A、チタン１０A及び酸素原子１１Aが図４（ａ）のような結晶構造を有しプラスチックレンズ５に成膜される。電源８に接続されたＩＴＯ膜６Ａおよび６Ｂを介してチタン酸バリウム結晶膜７に電場１２を印加すると、結晶を形成しているバリウム９B(陽性)、チタン１０B（陽性）及び酸素１１B（陰性）原子がそれぞれ陽性もしくは陰性の電気的な偏りを有しているため、電場に応答し図４（ｂ）のように構造が伸縮し、結晶構造の中心がずれる現象が発生する。結晶構造の中心がずれると電場誘起歪が生じ、その結果、光学特性が変化する。
【００２３】
図５は、本発明の可変焦点眼鏡の一例中、電場の印加による等間隔な周期で形成したチタン酸バリウム結晶膜の電気化学特性の一例を示す。図５において、横軸は電源から印加した電場強度を透過性の基体に成膜したチタン酸バリウム結晶膜の厚さで割った電位勾配であり、縦軸は４００ｎｍの波長における印加した電位勾配での誘電率を電場の未印加（０Ｖ／ｍｍ）の誘電率との差を電場の未印加（０Ｖ／ｍｍ）の誘電率で割った誘電率変化量（％）である。チタン酸バリウム結晶膜に電位勾配を０から２００Ｖ／ｍｍに上昇させながら走引して印加すると、電位勾配が１５０Ｖ／ｍｍ近傍から誘電率変化量が変化し始めた。さらに、電位勾配を２００Ｖ／ｍｍにした状態から０Ｖ／ｍｍに減少させながら走引して印加すると、非対称な光学特性を描きはするものの、可逆的に電場の未印加時と同様な誘電率変化量（％）に戻った。
【００２４】
図６は、本発明の可変焦点眼鏡の一例中、電位勾配を２００Ｖ／ｍｍを印加した際の等間隔な周期で形成したチタン酸バリウム結晶膜の誘電特性の一例を示す図である。横軸は上記作製したプラスチックレンズに等間隔な周期で形成したチタン酸バリウム結晶膜に入力した光の波長、縦軸は電圧を印加していない図２で示した光の吸収特性から見積もった屈折率を波長４００nmの誘電率との差を波長４００nmの誘電率で割った誘電率変化量（％）、実線は２００V／ｍｍの電位勾配を印加した時の誘電特性、点線は電位勾配を印加していない時の誘電特性である。電位勾配４００から７００nmの波長領域に関して、電場を印加することで各波長の誘電率変化量が誘発される。
このように、プラスチックレンズに等間隔な周期で形成したチタン酸バリウム結晶膜を設けた眼鏡において、電場を印加することで、異なる光学特性を作り出すことが可能となり、凹レンズ及び凸レンズのいずれにも共用することができる。このことから、眼球近傍の筋力低下によって引き起こされる老眼で用いる、単レンズの中に焦点の異なる2枚のレンズを設けた眼鏡で発生していたレンズの境界部での像の歪や液晶を用いた眼鏡で発生していた液晶漏れによる焦点距離の変化の影響が緩和される。また、固体結晶膜を用いた可変焦点眼鏡では微弱であった電場印加による屈折率変化を増幅させることが可能となり、膜厚の薄い眼鏡を提供できる。
【００２５】
図７は、本発明の可変焦点眼鏡の一例中、電場の走引速度による認識可能な像の個数の一例を示す。横軸は電場の走引速度（Ｖ／ｓ）であり、縦軸は認識している像の個数（ヶ）である。８００Ｖ／ｓ以下の走引速度であると、遠・近それぞれの２つの像を個別に認識することが可能であるが、２０００Ｖ／ｓ程度の走引速度になると、遠・近それぞれの２つの像の境界が曖昧になり、認識することが困難になる。更に走引速度を高くし、４０００Ｖ／ｓ以上にすると、遠・近それぞれの２つの像を認識することが可能にも関わらず、遠・近両方の像が合わさった１つの像として認識する。このことから、必要に応じてスイッチ等を介して遠・近それぞれの像を認識することなく、遠・近両方の像を同時に認識することが可能となる。
【００２６】
上記可変焦点眼鏡において、固体結晶膜としてチタン酸バリウムを用いたが、リン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４)、リン酸二重水素カリウム（ＫＤ２ＰＯ４)、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＫＴＮ結晶などの電場を加えたとき，光学特性が変化する材料を用いることが可能である。また、等間隔な周期として７００ｎｍとしたが、７００ｎｍに捉われず他の周期でもよく、大きな誘電率変化量が得られる７００ｎｍ以下であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の透過性の基体に等間隔な周期で形成した固体結晶膜の光学特性可変光学素子に外部から振動を印加する可変焦点眼鏡によれば、外部振動の印加によって光学特性を変化させ、焦点を変化させることが可能となる。そのため、凸レンズ及び凹レンズのいずれにも共用することができるので、従来存在していた境界部での像の歪が緩和されるだけでなく、落下や衝撃等の外部からの衝撃に強い眼鏡を提供できる。また、固体結晶膜を用いた可変焦点眼鏡では微弱であった電場印加による屈折率変化を増幅させることが可能となり、膜厚の薄い眼鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の可変焦点眼鏡に用いる光学素子の作製方法の一例を示す模式図
【図２】本発明の可変焦点眼鏡の一例中、等間隔な周期で形成したチタン酸バリウム結晶膜の光の吸収特性の一例を示す図
【図３】本発明の可変焦点眼鏡の模式図
【図４】本発明の可変焦点眼鏡の一例中、チタン酸バリウム結晶膜の結晶構造の一例を示す模式図、（ａ）外部から電場を印加していない状態での結晶構造を示す模式図、（ｂ）外部から電場を印加した状態での結晶構造を示す模式図
【図５】本発明の可変焦点眼鏡の一例中、電場の印加によるチタン酸バリウム結晶膜の電気化学特性の一例を示す図
【図６】本発明の可変焦点眼鏡の一例中、電位勾配を２００Ｖ／ｍｍを印加した際の等間隔な周期で形成したチタン酸バリウム結晶膜の誘電率特性の一例を示す図
【図７】本発明の可変焦点眼鏡の一例中、電場の走引速度に応じて認識可能な像の個数の一例を示す図
【符号の説明】
【００２９】
１、５  プラスチックレンズ
２A、２B、６A、６B  ＩＴＯ薄膜
３A、３B、３C、３D、７  チタン酸バリウム結晶
４  眼鏡フレーム
８  電源
９A、９B  バリウム原子
１０A、１０B  チタン原子
１１A、１１B  酸素原子
１２  電場
【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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