JP2007240709A - Multifocal spectacles - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to multifocal glasses using a lens having birefringence.
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)
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。 Multifocal glasses with multiple lenses with different focal points in a conventional single lens can change the position of the line of sight within the lens or rotate the lens itself when looking at the vicinity such as the hand or when looking at the distance such as landscape. Or it was necessary to switch up and down. In addition, even in conventional variable focus glasses using liquid crystals, it is necessary to switch the voltage applied to the liquid crystal, and even in variable focus glasses using lenses made of birefringent materials, the polarization of the light incident on the lenses can be changed. Switching work was necessary. In particular, when driving a car, the driver must always check for nearby speedometers and recognize distant road information. However, with conventional multi-focus glasses and variable-focus glasses, the focus is adjusted to the point of interest. It was difficult to switch distances.
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。 The present invention solves these problems, and by repeatedly changing the polarization direction of the incident light to the birefringent lens into ordinary light and extraordinary light step by step in a short period of time, This is to realize multifocal glasses having a focal length.
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。 In order to solve the above-described problem, the multifocal glasses of the present invention include a variable focus lens having a variable focus function and a drive unit for driving the variable focus lens, and the variable focus lens has the same light from the light source side. A first liquid crystal layer having a polarizing plate that transmits only polarized light in one direction on the axis, and a function of switching the polarization direction of transmitted light from the polarizing plate to one of two directions orthogonal to each other according to an applied voltage value. And birefringent lenses arranged so as to be in a positional relationship between ordinary light and extraordinary light with respect to two directions of polarization orthogonal to transmitted light from the first liquid crystal layer, The drive unit includes means having a voltage application circuit that repeatedly applies a plurality of preset voltage values stepwise within a predetermined period to the first liquid crystal layer. As a result, the focal length of the variable focal length lens repeatedly changes stepwise in a short period that cannot be recognized by human vision, and the spectacles having the variable focal length lens function as multifocal spectacles.
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。 According to the multifocal spectacles of the present invention, the line of sight in the lens is moved so that the focal length to the gazing point matches, whether the distance from the non-wearer to the gazing point is near or far away, It becomes unnecessary to perform the focal length switching operation, and it becomes possible to use the bifocal glasses composed of multifocal glasses easily and comfortably.
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。 Hereinafter, embodiments of the glasses of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 shows a basic configuration of multifocal glasses.
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。
FIG. 2 shows the basic configuration of the
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。
The
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。
The
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。
Here, the difference between the rubbing direction of the eighth surface of the
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。
The
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。
Next, the waveform of the AC voltage output from the
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。
Next, how the
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。
2, 3, and 4, the case where an AC voltage is applied to the
(Experimental result)
Next, experimental results will be described with reference to FIG.
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。 First, the variable focus lens used in the experiment will be described with reference to FIG.
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。
As the
As the first
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。
First lens:
Plano-convex lens f (focal length) = 95 mm
n (refractive index) = 1.518
R1 = 49mm
Second lens:
Meniscus lens f = 200mm
n = 1.518
R2 = 49mm
Variable focus lens 1:
f (focal length) = about −4000 mm (when 0 V is applied)
f = -470mm (when 25V is applied)
Applied voltage:
AC voltage with frequency 5KHz Voltage 1V, 25V
Signal wave period 100 msec, 40 msec, 20 msec, 13 msec, 10 msec, 5 msec
The subject wearing the glasses was a subject having myopia of power -3 and presbyopia of hand correction power -2. In addition, the evaluation method evaluated the state of focus and the degree of flickering of a predetermined object that was placed by a subject wearing multifocal glasses and located 20 m away and 0.3 m nearby.
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。 The experimental results are shown in FIG. As a result of the experiment, it was found that there was almost no flicker under the condition that the period (t2) of the signal wave was 20 msec or less. Further, it has been found that there is no flicker under the condition that the period of the signal wave is 13 msec or less and 5 msec or more. Further, in any signal wave period, the distant (20 m) and near (0.3 m) focus states were substantially better or better. However, under the condition where the signal cycle was 100 msec, the focus state was slightly degraded as compared with other conditions.
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。 By the way, under all conditions, the subject should have also seen an image in which both the distant (20 m) and the vicinity (0.3 m) are out of focus. However, the reason that the focus state was almost good under all conditions seems to be that the human is unconsciously selecting an image in focus.
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。 From the above experimental results, it was confirmed that bifocal spectacles that are in focus at both far and near positions can be realized by switching the two focal lengths of the variable focus lens stepwise with a period of 40 msec or less. did.
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。 The multifocal spectacles according to the present invention can realize spectacles that are simultaneously focused in both the near field and the far field by stepwise switching a plurality of focal lengths of the variable focus lens at a period that cannot be recognized by humans. Thus, it is not necessary to move the line of sight within the lens and to change the focal length as in conventional multifocal glasses. In particular, when an elderly person drives a car or the like, recognition of distant road information and confirmation of a nearby meter or the like can be performed with glasses in focus, which is useful for safe driving and the like.
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
1
3 Polarizing unit
4 First lens
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