JP2023509133A - 高速電気活性レンズ切替システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

従来の液晶レンズは、オンとオフを非常にゆっくりと切り替えるので、人は高屈折力から低屈折力へのレンズの段階的移行を知覚できる。このため、従来の液晶レンズは、拡張現実、複合現実、または仮想現実システムで虚像を素早く集束させるのに不向きとなる。逆に、発明の高速切替電気活性レンズシステムは、非常に高速（例えば、３５ミリ秒以下）で切り替えることができるため、人はその屈折力が瞬時に変化するのを知覚する。システムは、より低速な液晶レンズと共に直列の電気活性波長板を使用して、この高速切替を達成する。波長の位置は、垂直偏光または水平偏光の放射の間で素早く切り替えることができる。各レンズは、垂直または水平の偏光を集束し、直交偏光を透過する。偏光状態を切り替えることによって、いずれかのレンズがそれ自体で切り替われるよりもはるかに速く、波長板は一つのレンズを効果的にオンにし、他方のレンズをオフにする。【選択図】図３Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法（３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．）１１９条（ｅ）の下で、米国特許出願第６２／９５４，７４３号（２０１９年１２月３０日出願）の優先権を主張し、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。

電気活性レンズを使用して、眼から固定された仮想位置で、しかし様々なシミュレーション距離での、拡張現実または仮想現実ディスプレイに提示されるデジタル画像上への人の目の焦点を調整することができる。典型的な電気活性レンズは、質量および体積が小さく、ほとんどエネルギーを消費しないが、屈折力は素早く切り替わらない。典型的な３０～４０ミリメートル幅の電気活性レンズは、一つの屈折力から別の屈折力に切り替わるのに数百ミリ秒かかる。この遅延はユーザーによって識別可能であり、視覚的体験の質を低下させる。

発明の電気活性レンズシステムは、一つの屈折力から別の屈折力へ、数百ミリ秒ではなく、数十ミリ秒、またはより速く、切り替えることができる（ように見える）。それは、直交偏光状態（例えば、水平および垂直の偏光状態）の光に対して動作するように構成された一対の電気活性レンズ素子（電気活性レンズとも呼ばれる）、および数十ミリ秒でそれらの直交偏光状態の間で光を切り替えることができる動的偏光切替器を用いてこれを行う。例えば、第一の電気活性レンズ素子は、水平偏光を集束するが、垂直偏光は集束しないように構成されてもよく、第二の電気活性レンズ素子は、垂直偏光を集束するが、水平偏光は集束しないように構成されてもよい。電気活性レンズ素子が、例えば数百ミリ秒単位でゆっくりとオン／オフする場合でも、偏光調整器は、光を数十ミリ秒で水平偏光状態と垂直偏光状態の間で切り替えることができる。第一および第二の電気活性レンズ素子が、異なる屈折力を有する場合、偏光調整器は、光を水平偏光状態と垂直偏光状態の間で素早く切り替えることによって、レンズの屈折力を数十ミリ秒以内に効果的に変化させることができる。

屈折力は、数十ミリ秒以下で切り替えられるべきであるが、切替事象間の時間が、そう短いことはめったにない。実際には、切替事象間の時間は、数秒またはそれ以上でありうる。電気活性レンズを切り替えるのにかかる時間と、切替事象間の時間の差を利用して、高速偏光調整器（偏光配向変更器または可変位相子とも呼ばれる）および一つ以上の低速焦点変更装置（電気活性または液晶レンズ素子）を有する装置における切替速度を増加させることができる。高速の偏光変更構成要素を一つ以上のより低速の焦点変更構成要素（例えば、第一および第二の電気活性レンズ素子）と組み合わせることによって、偏光変更構成要素は、一つだけの焦点変更構成要素の屈折力が、一度に光学系中に「光学的に存在する」ことを可能にする。一つの焦点変更装置は光学的に存在するが、他の焦点変更構成要素は光学的に存在せず、その逆も同様である。偏光変更構成要素は、入射光を一つの偏光配向から他方へ素早く切り替えることができるため、システムは、可動部品なしで、一つの焦点変更構成要素から他方へ素早く切り替えることができる。単一の焦点変更素子のみを有する高速変化電気活性レンズシステムでは、システムは、「レンズオン」状態から「レンズオフ」状態へと素早く切り替えることができる。単一の電気活性レンズシステムで使用できる焦点変更素子の数に制限はない。

発明の電気活性レンズシステムは、偏光変更器、偏光変更器と光学的に連通する第一の電気活性レンズ、および偏光切替器および第一の電気活性レンズと光学的に連通する第二の電気活性レンズを含んでもよい。偏光変更器は、偏光変更器が、第一の偏光状態と第二の偏光状態（例えば、直交直線偏光状態）の間で光の偏光を切り替える第一の状態と、偏光変更器が第一の偏光状態で光を透過する第二の状態の間で切り替え可能である。第一の電気活性レンズは、第一の電気活性レンズが第一の偏光状態で光を集束し、第二の偏光状態で光を透過する第一の集束状態と、第一の電気活性レンズが第一および第二の偏光状態で光を透過する第一の透過状態の間で切り替え可能である。また第二の電気活性レンズは、第二の電気活性レンズが第一の偏光状態で光を集束し、第二の偏光状態で光を透過する第二の集束状態と、第二の電気活性レンズが第一および第二の偏光状態で光を透過する第二の透過状態の間で切り替え可能である。

偏光切替器は、液晶波長板を含んでもよく、第一の状態では、π／２ の位相差を有し、第二の状態では、０の位相差を有してもよい。偏光切替器は、（ｉ）第一の電気活性レンズが、第一の集束状態と第一の非集束状態の間で切り替えるように構成されているよりも速く、かつ（ｉｉ）第二の電気活性レンズが、第二の集束状態と第二の非集束状態の間で切り替えるように構成されているよりも速く、第一の状態と第二の状態の間で切り替えるように構成されうる。例えば、偏光切替器は、第一の状態と第二の状態の間を、１００ミリ秒、５０ミリ秒、３５ミリ秒、３０ミリ秒、２５ミリ秒、２０ミリ秒、１５ミリ秒、１０ミリ秒、５ミリ秒以内、またはそれより速く切り替えうる。同様に、第一および第二の電気活性レンズはそれぞれ、それぞれの集束状態と非集束状態の間を、１００ミリ秒超で切り替えるように構成されうる。

偏光切替器および電気活性レンズは、例えば、構成要素間のエアギャップなしに、一緒に統合されてもよい。例えば、偏光切替器および第一の電気活性レンズは、第一の共通基材を共有することができる。同様に、第一および第二の電気活性レンズは、第二の共通基材を共有することができる。

この電気活性レンズシステムは、偏光切替器を第一または第二の状態に設定すること、第一の電気活性レンズを第一の集束状態または第一の非集束状態に設定すること、第二の電気活性レンズを第二の集束状態または第二の非集束状態に設定すること、ならびに偏光切替器、第一の電気活性レンズ、および第二の電気活性レンズを通して光を透過することによって、使用または動作しうる。偏光切替器が第一の状態にあり、第一の電気活性レンズが第一の集束状態にあり、第二の電気活性レンズが第二の非集束状態にある場合、第二の電気活性レンズは、第二の非集束状態から第二の集束状態に切り替えることができ、その間、システムは、偏光切替器を通して、第一の偏光状態で光を透過し、光を第一の電気活性レンズで集束させ、第二の電気活性レンズよって光を集束させることなく、第二の電気活性レンズを通して光を透過する。第二の電気活性レンズが第二の非集束状態から第二の集束状態に切り替えられた後、偏光切替器を第一の状態から第二の状態に切り替えて、それによって第二の電気活性レンズに光を集束させ、第一の電気活性レンズに光を集束させることなく光を透過させることができる。第二の電気活性レンズの第二の非集束状態から第二の集束状態への切り替え、および偏光切替器の第一の状態から第二の状態への切り替えは、虚像の位置の所望の変化に応答して発生しうる。第二の電気活性レンズの第二の非集束状態から第二の集束状態への切り替えには、少なくとも１００ミリ秒かかり、偏光切替器の第一の状態から第二の状態への切り替えには、１００ミリ秒未満かかりうる。

別の電気活性レンズシステムは、第一および第二の液晶レンズを有する光学系に液晶波長板を含む。液晶波長板は、３５ミリ秒以内で、０波長の位相差と半波長の位相差の間で切り替え可能である。第一の液晶レンズは、第一の直線偏光状態の光を第一の焦点面に集束する第一の状態と、第一の直線偏光状態の光を第二の焦点面に集束する第二の状態の間で切り替え可能である。第二の液晶レンズは、第一の直線偏光状態と直交する第二の直線偏光状態の光を第三の焦点面に集束する第一の状態と、第二の直線偏光状態の光を第四の焦点面に集束する第二の状態の間で切り替え可能である。

液晶波長板および第一の液晶レンズは、第一の共通基材を共有することができ、第一の液晶レンズおよび第二の液晶レンズは、第二の共通基材を共有することができる。第一および第二の液晶レンズは、それぞれ、第二および第一の直線偏光状態の光を透過することができる。第一の液晶レンズは、第一の状態および第二の状態の前に、切り替えるのに３５ミリ秒（例えば、１００ミリ秒以上）より長くかかりうる。

この電気活性レンズシステムはまた、液晶波長板と光学的に連通し、第一の直線偏光状態で光を放射するように構成されたディスプレイを含んでもよい。そして、液晶波長板、第一の液晶レンズ、第二の液晶レンズ、およびディスプレイと動作可能に結合され、液晶波長板、第一の液晶レンズ、第二の液晶レンズ、およびディスプレイの位相差を制御するように構成されたプロセッサを含んでもよい。

前述の概念、および以下でより詳細に論じる追加的概念のすべての組み合わせは（このような概念が相互に矛盾していないという前提で）、本明細書に開示する本発明の主題の一部であると考えられる。特に、本開示の最後に現れる、特許請求の範囲に記載する主題の全ての組み合わせは、本明細書に開示する発明主題の一部であると考えられる。参照により本明細書に組み込まれる、あらゆる開示においても明示的に用いられる用語は、本明細書に開示される特定の概念と最も一致する意味を与える必要がある。

当業者であれば、図面が主として例示的な目的で提示されていて、本明細書に記載の本発明の主題の範囲を制限することを意図していないことを理解するであろう。図面は必ずしも一定の比率ではなく、いくつかの実例では、本明細書に開示する本発明の主題のさまざまな態様は、異なる特徴の理解を容易にするために、図面内で誇張または拡大されて示される場合がある。図面では、同様の参照文字は概して、同様の特徴（例えば、機能的に類似したおよび／または構造的に類似した要素）を意味する。

図１Ａ～１Ｃは、直線偏光についての表記を示す。 図２Ａ～２Ｃは、液晶配向（擦り）方向についての表記を示す。 図３Ａは、高速偏光変更器に続いて一対のより低速な電気活性レンズを有する、例示的な高速切替電気活性レンズシステムの分解図を示す。 図３Ｂは、統合された高速切替電気活性レンズシステムを示す。 図４Ａは、オフ状態の高速偏光配向調整器（可変位相子）の横断図面を示す。図４Ｂは、オン状態にある図４の高速偏光配向調整器（可変位相子）の横断図面を示す。 図５は、高速偏光変更器に続いて、どちらもオフ（光の集束ではない）の、一対のより低速な電気活性レンズを有する高速切替レンズシステムを示す。 図６は、高速偏光変更器がオフ（偏光状態を変えている）、および第一の電気活性レンズがオン（光を集束している）の状態の、図５の高速切替レンズシステムを示す。 図７は、高速偏光変更器がオン（偏光状態を変えていない）、および第二の電気活性レンズがオン（光を集束している）の状態の、図５の高速切替レンズシステムを示す。 図８は、拡張現実または仮想現実システムで、高速偏光変更器に続いて、一対のより低速な電気活性レンズを有する、高速切替レンズシステムを作動させるためのプロセスを示す。

高速切替電気活性レンズシステムは、３５ミリ秒（例えば、３０、２５、２０、１５、１０、５、またはより少ないミリ秒）未満の期間で、物体、例えば、拡張現実ヘッドセット中のディスプレイからの直線偏光の焦点を変えることができる。それは、高速切替波長板および低速切替液晶レンズの組み合わせでこれを行なう。各レンズは、互いに直交し、かつレンズの光軸と直交する二つ固有軸を有する。各レンズは、一つの固有軸（集束固有軸）に沿って偏光された光を集束し、他方の固有軸（透過固有軸）に沿って偏光された光を透過する。レンズの集束固有軸に沿った焦点の量、すなわち、屈折力は、数ある中で、液晶の厚さおよび印加電圧に依存し、連続的に（例えば、－５～＋５ジオプトリで）調整されてもよく、または二つ以上の離散状態（例えば、０～５ジオプトリの間を０．５または１．０ジオプトリの増分で）の間で切り替えてもよい。各レンズは、オフ（電圧が印加されていない時）の時は屈折力を提供せず（ゼロ）、またはオフの時は非ゼロの屈折力を提供することができる。屈折力の他の範囲および値も可能である。

レンズは、その光軸は一致しているが、その固有軸は互いに対して９０°回転するように整列されている。第一のレンズの集束固有軸は、第二のレンズの透過固有軸と平行であり、第一のレンズの透過固有軸は、第二のレンズの集束固有軸と平行である。レンズの光軸は、波長板の光軸と一致し、波長板の固有軸は、レンズの固有軸と整列している。言い換えれば、面法線（高速切替電気活性レンズシステムの光軸）に沿って見たとき、波長板およびレンズは、一致した面法線および整列した固有軸を有する。

レンズは、９０°回転した集束固有軸および透過固有軸と整列しているため、システムがシステムの固有軸の一つに沿って直線偏光された光によって照射されるとき、一つのレンズが光を集束し、他方のレンズが光を透過する。入射光の偏光状態を直交直線偏光状態（例えば、水平から垂直、または＋４５°から-４５°）に変換すると、レンズの動作が切り替わる。波長板は、レンズよりもはるかに速く状態を変化させ、単一のレンズがすべての光学調整を提供する場合よりも、一つの屈折力から他方の屈折力へのはるかに速い、ユーザーが観察可能な移行を可能にする。また、移行が頻繁に発生しない場合（例えば、レンズ切り替え時間よりも長い間隔で）、一つのレンズを屈折力レベルの間で切り替えることができ、その間、他方のレンズは、次の移行の準備ができているように、光を集束する。

偏光状態および液晶配向方向
図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃは、異なる直線偏光の配向または状態を記述するために本開示で使用される記号を示す。図１Ａのシンボル５は、直線偏光の方向が、まるで「図の平面を出入りしている」かのようであることを示す。図１Ｂのシンボル１０は、直線偏光の方向が、シンボル５で示される方向と直交することを示す。この場合、直線偏光の方向は、「図の平面を横切って左右」である。図１Ｃのシンボル１５は、直線偏光の方向がまた、シンボル５で示される方向と直交することを示す。シンボル１５によって示される直線偏光の方向は、「図の平面を横切って上下」である。

図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、液晶焦点変更器（電気活性レンズ）で使用される配向層の擦り方向または配向方向を記述するために本開示で使用されるシンボルを示す。図２Ａのシンボル２０は、擦り方向の方向が、まるで「図の平面の中に出入りしている」かのようであることを示す。図２Ｂのシンボル２５は、擦り方向の方向が、シンボル２０によって示される方向と直交していることを示し、この場合、擦り方向の向きは、「図の平面を横切って左右」である。図２Ｃのシンボル３０は、擦り方向が、シンボル２０および２５によって示される方向と直交していることを示し、擦り方向は「図の平面を横切って上下」である。各液晶レンズは、典型的には、二つの配向層、すなわち、液晶材料の片側に一つを有し、その擦り方向は、互いに平行、反平行、または直交であってもよい。一部の事例では、一つの配向層のみが、コスト削減のために使用されうる。二つの配向層を使用すると、切替速度と視野の幅の両方が増加する。

図１Ａ～１Ｃおよび図２Ａ～２Ｃに示すシンボルは、相対的な方向を示す。異なる図面が、異なる視点からのものである場合、異なる記号を使用して、異なる図面で同じ偏光状態を示すことができる。同様に、異なる図面が、異なる視点からのものである場合、同じ記号を使用して、異なる図面で異なる偏光状態を示すことができる。例えば、光学構成要素の側面図または投影図では、シンボル５は水平偏光状態を示してもよく、シンボル１０は垂直偏光状態を示してもよい。同じ光学構成要素のエンドオン図（すなわち、光軸に沿った図）では、シンボル１０は水平偏光状態を示してもよく、シンボル１５は垂直偏光状態を示してもよい。

高速電気活性レンズ切替システム
図３Ａは、第一の電気活性レンズ５０および第二の電気活性レンズ６０と光学的に連通する偏光配向変更器（偏光回転子、偏光調整器、または可変位相子とも呼ばれる）４０を含む高速切替レンズシステム３００の分解図を示す。偏光配向変更器４０、第一の電気活性レンズ５０、および第二の電気活性レンズ６０は、互いに光学的に直列であるか、または互いに積み重ねられている。レンズシステム３００は、三つの構成要素４０、５０、および６０のすべてにおいて、平面液晶、例えば、Ｍｅｒｃｋ ＭＬＣ－２１４０を利用しうる。第一の電気活性レンズ５０は、その配向層が、第二の電気活性レンズ６０の配向層と直交して配向されている。この場合、第一の電気活性レンズ５０は、水平配向の液晶擦り方向２５を有し、第二の電気活性レンズ６０は、垂直配向の液晶擦り方向３０を有する。他の擦り方向（例えば、±４５°の擦り方向）も可能であり、典型的には、１００％未満の焦点化が必要な場合に使用される（言い換えれば、光の一部分のみを集束する一方、他の部分は焦点が合わないまま通過させる）。

図３Ａに示す装置３００は好ましい実施形態であるが、機能的制御オプションを追加するために、追加の偏光切替器を追加してもよい。例えば、図３Ａの装置３００は、レンズ５０とレンズ６０の屈折力を素早く切り替えることができる。追加の偏光切替器がレンズ５０とレンズ６０の間に位置付けられている場合、両方の偏光切替器を作動させると、システムを通して伝搬する光の偏光状態を、両方のレンズ５０、６０が光を集束するように変えることが可能になる。より具体的には、第一の偏光切替器４０は、光を第二の偏光状態１０から第一の偏光状態１５に切り替えることができ、第二の偏光切替器（図示せず）は、光を第一の偏光状態１５から第二の偏光状態１０に切り替えることができる。別の方法として、一方または両方のレンズが屈折力を提供するように作動している、または状態の間で切り替えられているにもかかわらず、どちらのレンズ５０、６０も光を集束しないように、両方の偏光切替器を作動させることができる。これは、単一のレンズによって提供されるよりも大きな屈折力を提供するのに有用でありうる。

動作中、物体からの直線偏光３５（例えば、拡張現実または仮想現実システムにおけるディスプレイまたは空間光変調器）は、第二の偏光状態（例えば、シンボル１０によって示されるように垂直に偏光された）で偏光回転子４０に入る。偏光回転子４０が、図３Ａに示すように、第一の状態（例えば、オフ）にある場合、第一の偏光状態の光４５を放射し、これは第二の偏光状態（例えば、シンボル１５で示されるような水平偏光）に対して９０°回転されうる。偏光回転子４０が第二の状態（例えば、オン）にある場合は、その偏光状態が入力光３５（この実施例では水平偏光）と同じ偏光状態である光４５を放射する。

偏光調整器４０を出ている光４５は、第一の電気活性レンズ５０に入り、これは光４５が第一の偏光状態（例えば、垂直偏光）にあり、第一の電気活性レンズ５０が第一の状態（例えば、オン）にある場合、光４５を第一の焦点面に集束させる。光４５が第一の偏光状態にあり、第一の電気活性レンズ５０が第二の状態（例えば、オフ）にある場合、第一の電気活性レンズ５０は光を第二の焦点面に集束させる。また、光４５が第二の偏光状態（例えば、水平偏光）にある場合、第一の電気活性レンズ５０によって集束されることなく、第一の電気活性レンズ５０を通過する。

第一の電気活性レンズ５０を出ている光５５は、第二の電気活性レンズ６０に入り、これは第一の電気活性レンズ５０と同様に、二つの状態（例えば、オン状態とオフ状態）の間で切り替え可能である。しかしながら、第一の電気活性レンズ５０とは異なり、第二の電気活性レンズ６０は、第二の偏光状態（例えば、水平に偏光）にある光にのみ作用する。第二の電気活性レンズ６０が第一の状態にあるとき、第二の偏光状態にある光を第三の焦点面に集束させる。また、第二の電気活性レンズ６０が第二の偏光状態にあるとき、第二の偏光状態にある光を第四の焦点面に集束させる。第一の偏光状態（例えば、垂直に偏光）にある光５５は、第二の電気活性レンズ６０によって集束されることなく、第二の電気活性レンズ６０を通過する。光６５は、第二の電気活性レンズ６０およびシステム３００を出る。

第一の電気活性レンズ５０および第二の電気活性レンズ６０が、異なる屈折力レベルを提供する場合、レンズシステム３００は、偏光切替器４０、第一の電気活性レンズ５０、および第二の電気活性レンズ６０を作動させることによって、一連の異なる屈折力レベルの焦点距離の間で切り替えることができる。例えば、第一の電気活性レンズ５０が、０．０ジオプトリと１．０ジオプトリ（それぞれ第一／オンの状態および第二／オフの状態）の屈折力レベルの間で切り替えることができ、第二の電気活性レンズ５０が、０．５ジオプトリと１．５ジオプトリ（それぞれ第一／オンの状態および第二／オフの状態）の屈折力レベルの間で切り替えることができる場合、レンズシステム３００は、偏光切替器４０、第一の電気活性レンズ５０、および第二の電気活性レンズ６０を作動させることによって、０．０、０．５、１．０および１．５ジオプトリの屈折力レベルの間で切り替えることができる。これらの屈折力レベルは単なる例であって、他の光パワーレベルも可能であり、物体を近距離、近中距離、中距離、遠中距離、および／または遠距離の平面で焦点を合わせるように選択された屈折力など、均等に間隔を空けていない屈折力レベルを含む。

偏光調整器４０の高速切替速度は、第一および第二の電気活性レンズ５０および６０がゆっくりと（例えば、１００ミリ秒以上）切り替えうる場合であっても、レンズシステム３００がこれらの屈折力レベルを素早く（例えば、３０ミリ秒以内）切り替えることを可能にする。例えば、第一の電気活性レンズ５０がオンであり、偏光調整器４０がオフである間、第二の電気活性レンズ６０は、レンズシステム３００を通して伝搬する光に影響を与えることなく、一つの屈折力から他方へと移行しうる。第二のレンズ６０がその移行を完了して、準備完了となり、所望の屈折力にあると、偏光調整器４０は状態を切り替えて、第二の電気活性レンズ６０に光を集束させる一方、第一の電気活性レンズ５０はまだオンであったとしても、第一の電気活性レンズ５０はもはや光を集束させない。

図３Ａは、構成要素間にギャップを有する、分解された斜視図における構成要素を示す。レンズシステムは、図３Ａに示すようにギャップがあっても働くが、レンズシステムはまた、構成要素が互いに隣り合って、接合または統合されて作製され、境界面での反射を除去することができる。例えば、第一の電気活性レンズ５０は、第一の基材を偏光配向変更器４０と共有し、第二の基材を第二の電気活性レンズ６０と共有することができる。

図３Ｂは、統合された高速切替電気活性レンズシステム３５０を示す。このシステム３５０では、基材４１および４３は、液晶層４２と共に偏光調整器４０を形成する。基材４３および４６は、液晶層４４と共に、第一のレンズ５０を形成する。そして基材４６および４８は、液晶層４７と共に第二のレンズ６０を形成する。基材４３および４６は、複数の構成要素によって共有され、それゆえ、別個の配向層および独立して起動される電極（図示せず）で各側面上に被覆されている。

高速偏光調整器（可変位相子）
図４Ａおよび図４Ｂは、偏光調整器４０の断面の側面図を示す。図４Ａは、無給電状態またはオフ（第一の）状態の調整器４０を示す一方、図４Ｂは、給電状態またはオン（第二の）状態の調整器４０を示す。

偏光調整器４０は、第一の基材７２と第二の基材８０とで構成され、平面液晶（例えば、Ｍｅｒｃｋ ＭＬＣ－２１４０ネマチック液晶）は、二つの基材７２と８０との間に挟まれ封止されている。下側基材７２の表面上には、電極（例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ））とも呼ばれる、透明な導電性コーティング７５がある。この電極７５の上には、透明な配向層（例えば、Ｎｉｓｓａｎ Ｓｕｎｅｖｅｒ ４１０ポリイミドワニスから作製されたポリイミド）がある。典型的には、配向層は、適用され、硬化され、その後、所望の配向方向に沿ってフェルト布で磨かれる。（図２Ａ～２Ｃは、配向層に対する可能な擦り方向を示す。）電極７５に隣接するのは、液晶である。上部基材８０の表面上には、別の導電性コーティング（電極）８５があり、これは第一の電極７５が作製されているのと同じ材料で作製されうる。

図４Ａは、電極７５と８５の間の差異を示す。偏光調整器４０がオフの時、第一の電極７５上の配向層は、隣接する液晶分子をシンボル２５で示す方向に配向するように構成されているが、第二の電極８５上の配向層は、隣接する液晶分子をシンボル２０で示する方向に配向するように構成されている。この構成の結果、液晶分子は、第一の電極７５では配向／方向２５に整列し、第二の電極８５で配向／方向２０に整列し、液晶層の中間では、配向２５と配向２０の間の中途の配向／方向に整列し、液晶がそれぞれ第一の電極７５および第二の電極８５に近づくにつれて、配向２５および２０に近づくにつれて次第にねじれる。このねじれた構成は、図４Ａの３つのシンボル１００によって示されている。液晶分子のこのねじれは、偏光調整器４０に入るときの偏光配向１０から、偏光調整器４０を出るときには偏光配向５へ、光１０５の偏光方向を調整または変更する。

図４Ｂは、電圧供給部１１０が第一の電極７５に電場電位を印加している一方で、反対の電場電位が第二の電極８５に印加されている偏光調整器４０を示す。印加電圧は、正弦波または方形波などの交流（ＡＣ）信号であってもよい。電力が印加されると、液晶分子は、図４Ｂに示されるように、方向１００から方向１１５に再配向する。この状態では、偏光調整器に入る光１０５の偏光配向１０は、偏光調整器を出るときの、光１０５の偏光配向１０と同一である。言い換えれば、電極７５および８５に電圧を印加すると、偏光調整器の位相差が、π／２から０に変化する。偏光調整器４０は、光の伝搬の方向を変化させない。

偏光調整器の他の構成も可能である。例えば、配向層は、図４Ａおよび４Ｂの交差または直交する擦り方向の代わりに、平行または反平行の擦り方向を有しうる。平行または反平行擦り方向では、偏光調整器は、入射光がオフのときに（すなわち、電極によって液晶に電圧が印加されていないとき）入射光の偏光状態を変化させず、その公称位相差は０である。代わりに、偏光調整器は、オンの時（すなわち、電極によって電圧が液晶を横切って印加されている時）、例えば、水平偏光または垂直偏光を、位相差変化π／２に対して変化させることによって、入射光の偏光状態を変化させる。

液晶材料および液晶厚さを含む偏光調整器の設計パラメータは、切替速度を増加するように選択されうる。以下の式は、高速切替速度および高い光学効率を達成するための設計セットの例を示す。いくつかの例示的なターンオフ時間（２．４マイクロメートルまたは５．３マイクロメートルのいずれかの好ましい液晶厚さを示す）が示されているが、ターンオン時間は、必要以上に高い切り替え電圧を使用することによって低減されうる。好ましい実施形態で使用される液晶は、中国のＪｉａｎｇｓｕ Ｈｅｃｈｅｎｇ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．によって製造されたＨＡＥ６１４７５２である。他の液晶、例えばドイツのＭｅｒｃｋ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社製のＭＬＣ２１３６なども使用されうる。

それぞれの表面分子ディレクターに対して平行および垂直に整列した二つの偏光子の間に配置されたねじれネマチック液晶セルについては、透過は以下の通りである：

式中

は、液晶ねじれ角であり、

はセルの厚さであり、

は、液晶材料の屈折率異方性であり、

は透過波長である。平行偏光子（すなわち、

）間のねじれネマチック液晶セルについて、透過は以下のようになる：

式中

この式に対する透過極小は、

について発生し、式中、

は正の整数である。第一の極小値は

に対して発生し、これは、

および

に対応する。

半波長の位相差（すなわち、

）を提供する偏光切替器は、その厚さが上述の方程式を使用した最小伝達の基準を満たす液晶層を有するべきである。

粘度１００ｍＰａ、およびＫ＝１０ｐＮを有する液晶層の場合、液晶層の厚さは、それぞれ、６ミリ秒または２９ミリ秒の切り替え時間に対して２．４μｍまたは５．３μｍであるべきである。これらの切り替え時間は、人によって知覚できる遅延なしに偏光切替器が状態を変化させる（例えば、オンまたはオフにする）のに十分なほど短い。

高速切替電気活性レンズシステムの動作
図５～７は、互いに光学的に直列である偏光調整器１２０、第一の電気活性（液晶）レンズ１２５、および第二の電気活性（液晶）レンズ１３０を有する、高速切替電気活性レンズシステム５００の動作を示す。第一の電気活性レンズ１２５は、配向３０で擦られた配向層を有し、第二の電気活性レンズ１３０は、直交配向２０で擦られた配向層を有する。図５～７は、構成要素間のギャップを示すが、構成要素は、互いに接触し、一緒に結合されるか、またはそうでなければ、統合されて、図３Ｂのシステム３５０のような単一ユニットを形成する。高速切替電気活性レンズシステム５００は、拡張現実システムにおける透明な有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイなどのディスプレイ５２０を放射する偏光を集束および／または透過する。高速切替電気活性レンズシステム５００およびディスプレイ５２０は、プロセッサ５１０に動作可能に結合され、プロセッサ５１０は、ディスプレイ５２０上に表示されるコンテンツ（ビデオ画像）に応答して、偏光調整器１２０、第一の電気活性レンズ１２５、および第二の電気活性レンズ１３０を制御することができる。

図５では、偏光調整器１２０はオフ状態であり、電気活性レンズ１２５および１３０も同様である。光は、偏光配向５で偏光調整器１２０に入り、配向１５で出る（すなわち、一つの直線偏光状態から直交直線偏光状態へと変化する）。この例では、偏光調整器１２０およびレンズ１２５が電気的オフ状態にあり、レンズ１３０が電気的オン状態に切り替えられる場合、レンズ１３０の擦り方向の配向がレンズ１３０に入る光の偏光状態に直交するため、光学的集束は起こらない。言い換えれば、第一の電気活性レンズ１２５がオフ状態で屈折力を有さず、第二の電気活性レンズ１３０が偏光配向１５の光に作用しない場合、システム５００は入射光を集束しない。

図６は、依然として電気的オフ状態にある偏光調整器１２０、および電気的オン状態にある第一および第二の電気活性レンズ１２５および１３０を示す。この構成では、第一の電気活性レンズ１２５は、その液晶材料を作動させ、その屈折率分布を変化させる電圧のおかげで、屈折力を有する。第一の電気活性レンズ１２５に入る光の偏光は、第一の電気活性レンズの擦り方向３０の配向に合致するため、第一の電気活性レンズ１２５は入射光を集束させる。しかしながら、第二の電気活性レンズ１３０は、その擦り方向２０が光の偏光配向１５に直交するため、その設定にかかわらず、光を集束しない。

図７は、電気的オン状態（すなわち、その液晶層に電圧が印加されている）の偏光調整器１２０、第一の電気活性レンズ１２５、および第二の電気活性レンズ１３０を示す。この状態では、偏光調整器１２０は入射光の偏光状態を変換せず、代わりに偏光調整器１２０は入射光を偏光配向５で透過する。これは、偏光調整器１２０から出てくる光は、第一の電気活性レンズ１２５の擦り方向３０の同じ配向にもはや偏光されないが、今では第二の電気活性レンズ１３０の擦り方向２０の同じ配向に偏光されることを意味する。結果として、第二の電気活性レンズ１３０は入射光を集束するが、第一の電気活性レンズ１２５は集束しない。第二の電気活性レンズ１３０が、図７に示すように、第一の電気活性レンズ１２５よりも高い屈折力（より短い焦点距離）を有する場合、偏光状態のこの変化は、第一および第二の電気活性レンズ１２５および１３０の状態は変化しなかったにもかかわらず、レンズシステム５００の屈折力（焦点距離）を変化させる。

高速切替電気活性レンズシステムでのビデオの表示
図８は、図３および図５～７のシステムのような高速切替電気活性レンズシステムを使用して、拡張現実、複合現実、または仮想現実システムを介して提示されるビデオまたは他の動的環境に現われる虚像の焦点を調整することができるプロセスを示す。以下の例では、電気活性レンズシステムは、３５ミリ秒で状態Ａ（例えば、π／２位相差）と状態Ｂ（例えば、０位相差）との間で切り替えることができる偏光変更構成要素（または偏光変更器）、およびそれぞれ約３５０ミリ秒で状態を切り替えることができる二つの焦点変更構成要素（電気活性レンズまたは焦点変更器、レンズＡおよびＢ）を含む。電気活性レンズシステムは、持続時間８秒のビデオクリップを表示する拡張／仮想現実システムで使用される。ビデオクリップの表示には、２秒ごとに焦点を変更することが含まれ、焦点の変化は観察者に明らかなように３５ミリ秒で生じる。

このビデオクリップの例は、遠距離でのデジタル画像で始まる。２秒のマークでは、図８の下部の線に示すように、デジタル画像のシミュレーション距離は遠距離から遠中距離に変化する。４秒のマークでは、シミュレーション距離は遠中距離から近距離に変化する。６秒のマークでは、シミュレーション距離は近距離から中距離に変化する。そして８秒のマークでは、シミュレーション距離は中距離からまた遠距離に変化する。

この例の目的のために、遠距離、遠中距離、中距離、および近距離のシミュレーション距離は、それぞれ６メートル、２メートル、１メートル、および０．５メートルである。これらの距離で画像を見るために、電気活性レンズシステムは、それぞれ同じ順序で、０ジオプトリ、１／２ジオプトリ、１ジオプトリ、および２ジオプトリの屈折力の正味知覚可能屈折力を提供する。この例では、レンズＡおよびレンズＢはそれぞれ、これらの屈折力の少なくともサブセット間で切り替え可能であり、レンズＡは、０ジオプトリ状態と２ジオプトリ状態との間で切り替え可能であり、レンズＢは、０ジオプトリ状態、１／２ジオプトリ状態、および１ジオプトリ状態の間で切り替え可能である。

この例では、偏光変更器が状態Ａにあるとき、レンズＡは光学的に存在し、レンズＢは存在しない。偏光変更器が状態Ｂにあるとき、レンズＡは光学的に存在せず、レンズＢは存在する。すなわち、レンズＡは、状態Ａにある偏光変更器によって透過された光を集束するが、偏光変更器がＢの状態にあるときは集束せず、レンズＢは、状態Ｂにある偏光変更器によって透過された光を集束するが、偏光変更器がＡの状態にあるときは集束しない。レンズが作動していないか、または入射光がレンズによって集束されていない偏光状態であるために、光を集束していないレンズは、０ジオプトリの屈折力を提供する。

ビデオの開始時に、偏光変更器は状態Ａにあり、レンズＡはオフであるため０ジオプトリであり、レンズＢもオフであるため、および偏光変更器が状態Ａにあるために０ジオプトリである。電気活性レンズシステムの正味知覚可能屈折力は０ジオプトリである。

ビデオクリップが始まってすぐ後、例えば、１秒のマークで、電気活性レンズに結合された、または統合されたプロセッサは、レンズＢに、屈折力を０ジオプトリから１／２ジオプトリに切り替えるよう指示する。レンズＢが焦点を変える間、偏光変更器がレンズＢを光学的に存在しない状態にした（偏光変更器はまだ状態Ａにある）ため、観察者はレンズＢで起こっている光学効果を見ることができない。レンズＢは、新しい屈折力への変更を完了するのにまる１秒かかり、これは必要とされるよりもはるかに長い時間である。ビデオクリップの２秒のマークでは、偏光変更器は状態Ａから状態Ｂに状態を切り替えて、レンズＢを光学的に存在させ、システムの正味知覚可能屈折力を０ジオプトリから１／２ジオプトリに３５ミリ秒で変化させる。

２秒のマークが過ぎたすぐ後に、例えば、３秒のマークで、プロセッサは、レンズＡに、屈折力を０から２ジオプトリに切り替えるよう指示する。レンズＡが焦点を変える間、偏光変更器がレンズＡを光学的に存在しない状態にした（偏光変更器はまだ状態Ｂにあるため、電気活性レンズシステムの正味知覚可能屈折力は１／２ジオプトリのままである）ため、観察者はレンズＡで起こっている光学効果を見ることができない。レンズＡは、新しい屈折力への変更を完了するのにまる１秒かかり、これは必要とされるよりもはるかに長い時間である。ビデオクリップの４秒のマークでは、偏光変更器は再び状態を切り替えて、レンズＡを光学的に存在させ、レンズＢを光学的に存在しないようにさせ、その結果、システムの正味知覚可能屈折力は、１／２ジオプトリから２ジオプトリに３５ミリ秒で変化する。

４秒のマークが過ぎたすぐ後、例えば、５秒のマークで、プロセッサは、レンズＢに、屈折力を１／２ジオプトリから１ジオプトリに切り替えるよう指示する。変化の移行状態の間、偏光変更器がレンズＢを光学的に存在しない状態にしたので、ユーザーは、いかなる光学効果も見ることができない。レンズＢは、新しい屈折力への変更を完了するのにまる１秒かかり、これは必要とされるよりもはるかに長い時間である。ビデオクリップの６秒の時点で、偏光変更器は状態を切り替え、その結果、システムの正味知覚可能屈折力が、２ジオプトリから１ジオプトリに３５ミリ秒で変化する。

６秒のマークが過ぎたすぐ後、例えば、７秒の時点で、レンズＡは、屈折力を１ジオプトリから０ジオプトリに切り替えるよう指示される。レンズＡが再び焦点を変える間、偏光変更器がレンズＡを光学的に存在しない状態にした（偏光変更器はまだ状態Ｂにある）ため、観察者はレンズＡで起こっている光学効果を見ることができない。レンズＡは、新しい屈折力への変更を完了するのにまる１秒かかり、これは必要とされるよりもはるかに長い時間である。ビデオクリップの８秒のマークでは、偏光変更器は再び状態を切り替えて、レンズＡを光学的に存在させ、レンズＢを光学的に不在（存在しない）にさせ、その結果、システムの正味知覚可能屈折力は、２ジオプトリから０ジオプトリに３５ミリ秒で変化する。

この配列は、所望に応じて変更および反復され、デジタル画像を提示するコントローラまたはプロセッサからの信号に関連付けられ、それによって調整されてもよい。

レンズは焦点を変えるのに数百ミリ秒かかる場合があるが、観察者は各焦点の変化が３５ミリ秒以内で起こるのを観察する。

ビデオ出力は、事前に準備することができ、また電気活性レンズ構成要素と調整されるようにプログラム／制御して、焦点切替時間の観察者の知覚を低減することができる。しかしながら、一部の場合、ビデオ画像は事前に準備されていない場合があり、この事前プログラムされた様式で切り替えを制御するために使用できない。代わりに、電気活性レンズは、スイッチまたは他のコマンドデバイスを用いて観察者によって制御されるオンデマンド切り替えモードで動作する。これらの場合、偏光変更器が状態を一つの状態から別の状態へと変化させるのを、焦点変更期間が完了するまで遅延することができ、その結果、ユーザーが３５ミリ秒の光学切り替え期間、および切り替えコマンドと実行との間の３５０ミリ秒の遅延を見ることになる、類似の戦略が採用されてもよく、これは、３５０ミリ秒の焦点変更持続時間のユーザー体験をさせるよりも望ましい場合がある。

別の実施形態では、単一の電気活性レンズが偏光回転子と共に使用されうる。二つの調整可能レンズを使用することで、一つの屈折力から別の屈折力へ、例えば、１ジオプトリから２ジオプトリへ、１／２ジオプトリへ、１ジオプトリへ、そして１／２ジオプトリへなど、高速切替構成のほぼ無限の組み合わせが可能になる一方、単一レンズを使用することで、次に０ジオプトリ、次に別の屈折力、次に０ジオプトリなど、ゼロと別の屈折力との間の高速切替が可能になる。

システムは、ランダムな偏光がシステムに入ると機能するが（例えば、非偏光ＯＬＥＤディスプレイからの非偏光放射）、偏光で最も良く機能する。非偏光またはランダム偏光は、システムの光入口点に位置する偏光フィルタで、またはＬＥＤディスプレイもしくは偏光ＯＬＥＤディスプレイなどの偏光を放射する表示技術を使用することによって偏光されうる。

結論
発明に関するさまざまな実施形態を本明細書に記述し、かつ例示してきたが、当業者は、本明細書に記載の機能を実施するための、ならびに／または結果および／もしくは一つ以上の利点を得るための、さまざまな他の手段および／または構造を容易に想定し、またこうした変形および／または修正のそれぞれは、本明細書に記載の発明に関する実施形態の範囲内であるものと見なされる。より一般的に、当業者は、本明細書に記載のすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示であることを意味することと、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される特定の用途（複数可）に依存することとを容易に理解するであろう。当業者は、本明細書に記載の特定の発明に関する実施形態の多くの同等物を、単に通常の実験を用いて認識し、または確認することができるであろう。従って、前述の実施形態は、例としてのみ提示されていて、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、発明に関する実施形態は、具体的に記述および特許請求される以外の形で実践されうることが理解される。本開示の発明に関する実施形態は、本明細書に記載の各個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、二つ以上のこうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、こうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の発明の範囲内に含まれる。

上記の実施形態は、多数の手段のいずれかで実施することができる。例えば、本明細書に開示される技術の設計および作製の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを使用して実施されてもよい。ソフトウェアに実装される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピュータに提供されるか、複数のコンピュータ間に分散されるかにかかわらず、任意の適切なプロセッサまたはプロセッサの集合で実行され得る。

また、さまざまな発明に関する概念が、一つ以上の方法として具現化されてもよく、その例を提供してきた。方法の一部として行われる行為は、任意の好適なやり方で順序付けられてもよい。その結果、行為が例示するものとは異なる順序で実施される実施形態を構築してもよく、それは、例示的な実施形態に連続する行為として示されている場合であってさえも、一部の行為を同時に実施することを含んでもよい。

本明細書で定義および使用されるすべての定義は、辞書による定義、参照により組み込まれる文書中の定義、および／または定義された用語の通常の意味を統制するものと理解されるべきである。

本明細書および特許請求の範囲で使用する不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、明確にそうでないと示されない限り、「少なくとも一つ」を意味すると理解されるべきである。

本明細書および特許請求の範囲で使用する「および／または」という語句は、結合された要素の「いずれかまたは両方」を意味し、すなわち一部の場合において接続的に存在し、他の場合において離接的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。「および／または」で挙げられる複数の要素は、同じ様式、すなわち等位接続される要素のうちの「一つ以上」と解釈されるべきである。具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「および／または」節によって具体的に識別される要素以外に、他の要素が随意に存在し得る。それゆえに、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「含む」などの制限のない語法と連動して使われる時に、一実施形態においてＡのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態においてＢのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態においてＡとＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）などを指すことができる。

本明細書および特許請求の範囲において使用する場合、「または」は、上で定義した「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を分離する時、「または」または「および／または」は包括的なもの、すなわち多数の要素または要素のリスト、および任意選択的にリストに無い追加の項目のうちの少なくとも一つを含むが、二つ以上も含むと解釈されるものとする。それとは反対であると明確に指示される用語、例えば「のうちの一つのみ」もしくは「のうちのまさに一つ」、または特許請求の範囲において使用する時の「から成る」などの用語のみ、多数のまたは列挙された要素のうちのまさに一つの要素を包含することを指す。概して、本明細書で使用する「または」という用語は、「いずれか」、「のうちの一つ」、「のうちの一つのみ」、または「のうちのまさに一つ」など、排他的な用語が先行する時に、排他的な選択肢（すなわち「両方ではなく一方または他方」）を示すとのみ解釈されるものとする。「から基本的に成る」は、特許請求の範囲で使用する場合、特許法の分野において使用される通常の意味を有するものとする。

本明細書および特許請求の範囲で使用する場合、一つ以上の要素のリストに関連する「少なくとも一つ」という語句は、要素のリストの中の要素のいずれか一つ以上から選択される、少なくとも一つの要素を意味するが、要素のリスト内で具体的に列挙したありとあらゆる要素のうちの、少なくとも一つを必ずしも含むわけではなく、要素のリストのいかなる要素の組み合せも除外するものではないと理解されるべきである。またこの定義によって、「少なくとも一つ」という語句が指す、要素のリスト内で具体的に識別される以外の要素が、具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、任意に存在し得ることも許容される。それゆえに、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも一つ」（または等価的に「ＡまたはＢのうちの少なくとも一つ」、もしくは等価的に「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも一つ」）は、一実施形態においてＢは存在せず、任意選択的に二つ以上のＡを含む、少なくとも一つのＡ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態においてＡは存在せず、任意選択的に二つ以上のＢを含む、少なくとも一つのＢ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、また別の実施形態において任意選択的に二つ以上のＡを含む、少なくとも一つのＡ、および任意選択的に二つ以上のＢを含む、少なくとも一つのＢ（任意選択的に他の要素を含む）を指すことなどができる。

特許請求の範囲、ならびに上記の明細書において、すべての移行句、例えば「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「持つ（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保つ（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ）」、およびこれに類するものは制限がないと理解され、すなわち含むがそれに限定はされないということを意味する。「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」および「から本質的に成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」という移行句のみが、米国特許局の特許審査手続便覧、セクション２１１１．０３に規定の通り、それぞれ閉鎖的または半閉鎖的な移行句であるものとする。

液晶波長板および第一の液晶レンズは、第一の共通基材を共有することができ、第一の液晶レンズおよび第二の液晶レンズは、第二の共通基材を共有することができる。第一および第二の液晶レンズは、それぞれ、第二および第一の直線偏光状態の光を透過することができる。第一の液晶レンズは、第一の状態および第二の状態との間に、切り替えるのに３５ミリ秒（例えば、１００ミリ秒以上）より長くかかりうる。

図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、液晶焦点変更器（電気活性レンズ）で使用される配向層の擦り方向または配向方向を記述するために本開示で使用されるシンボルを示す。図２Ａのシンボル２０は、擦り方向が、まるで「図の平面の中に出入りしている」かのようであることを示す。図２Ｂのシンボル２５は、擦り方向が、シンボル２０によって示される方向と直交していることを示し、この場合、擦り方向は、「図の平面を横切って左右」である。図２Ｃのシンボル３０は、擦り方向が、シンボル２０および２５によって示される方向と直交していることを示し、擦り方向は「図の平面を横切って上下」である。各液晶レンズは、典型的には、二つの配向層、すなわち、液晶材料の片側に一つを有し、その擦り方向は、互いに平行、反平行、または直交であってもよい。一部の事例では、一つの配向層のみが、コスト削減のために使用されうる。二つの配向層を使用すると、切替速度と視野の幅の両方が増加する。

Claims (20)

1. 電気活性レンズシステムであって、
   偏光変更器であって、前記偏光変更器が、第一の偏光状態と第二の偏光状態の間で光の偏光を切り替える第一の状態と、前記偏光変更器が前記第一の偏光状態で光を透過する第二の状態との間で、切り替え可能な偏光変更器と、
   第一の電気活性レンズであって、前記偏光切替器と光学的に連通し、前記第一の電気活性レンズが前記第一の偏光状態で光を集束し、前記第二の偏光状態で光を透過する第一の集束状態と、前記第一の電気活性レンズが前記第一の偏光状態および前記第二の偏光状態で光を透過する第一の透過状態との間で切り替え可能な第一の電気活性レンズと、
   第二の電気活性レンズであって、前記偏光切替器および前記第一の電気活性レンズと光学的に連通し、前記第二の電気活性レンズが前記第一の偏光状態で光を透過し、前記第二の偏光状態で光を集束する第二の集束状態と、前記第二の電気活性レンズが前記第一の偏光状態および前記第二の偏光状態で光を透過する第二の透過状態との間で切り替え可能な第二の電気活性レンズと、を備える電気活性レンズシステム。
2. 前記偏光切替器が液晶波長板を備える、請求項１に記載の電気活性レンズシステム。
3. 前記偏光切替器が、前記第一の状態でπ／２の位相差、および前記第二の状態で０の位相差を有する、請求項１に記載の電気活性レンズシステム。
4. （ｉ）前記第一の電気活性レンズが、前記第一の集束状態と前記第一の非集束状態との間を切り替えるように構成されているよりも速く、かつ（ｉｉ）前記第二の電気活性レンズが、前記第二の集束状態と前記第二の非集束状態との間を切り替えるように構成されているよりも速く、前記偏光切替器が、前記第一の状態と前記第二の状態との間を切り替えるように構成されている、請求項１に記載の電気活性レンズシステム。
5. 前記偏光切替器が、前記第一の状態と前記第二の状態との間を１００ミリ秒以内で切り替えるように構成されている、請求項４に記載の電気活性レンズシステム。
6. 前記第一の電気活性レンズが、前記第一の集束状態と前記第一の非集束状態との間を１００ミリ秒超で切り替えるように構成されていて、前記第二の電気活性レンズが、前記第二の集束状態と前記第二の非集束状態との間を１００ミリ秒超で切り替えるように構成されている、請求項５に記載の電気活性レンズシステム。
7. 前記偏光切替器が、前記第一の状態と前記第二の状態との間を３０ミリ秒以内で切り替えるように構成されている、請求項５に記載の電気活性レンズシステム。
8. 前記偏光切替器および前記第一の電気活性レンズが、第一の共通基材を共有し、前記第一の電気活性レンズおよび前記第二の電気活性レンズが、第二の共通基材を共有する、請求項１に記載の電気活性レンズシステム。
9. 前記第一の偏光状態が、第一の直線偏光状態であり、前記第二の偏光状態が、前記第一の直線偏光状態に直交する第二の直線偏光状態である、請求項１に記載の電気活性レンズシステム。
10. 電気活性レンズシステムで光を集束させる方法であって、前記電気活性レンズシステムが、
    偏光変更器であって、前記偏光変更器が、第一の偏光状態と第二の偏光状態の間で光の偏光を切り替える第一の状態と、前記偏光変更器が前記第一の偏光状態で光を透過する第二の状態との間で、切り替え可能な偏光変更器と、
    第一の電気活性レンズであって、前記偏光切替器と光学的に連通し、前記第一の電気活性レンズが前記第一の偏光状態で光を集束し、前記第二の偏光状態で光を透過する第一の集束状態と、前記第一の電気活性レンズが前記第一の偏光状態および前記第二の偏光状態で光を透過する第一の透過状態との間で切り替え可能な第一の電気活性レンズと、
    第二の電気活性レンズであって、前記偏光切替器および前記第一の電気活性レンズと光学的に連通し、前記第二の電気活性レンズが前記第一の偏光状態で光を透過し、前記第二の偏光状態で光を集束する第二の集束状態と、前記第二の電気活性レンズが前記第一の偏光状態および前記第二の偏光状態で光を透過する第二の透過状態との間で切り替え可能な第二の電気活性レンズと、を備え、前記方法が、
    前記偏光切替器を前記第一の状態または前記第二の状態のうちの一つに設定することと、
    前記第一の電気活性レンズを前記第一の集束状態または前記第一の非集束状態のうちの一つに設定することと、
    前記第二の電気活性レンズを前記第二の集束状態または前記第二の非集束状態のうちの一つに設定することと、
    前記偏光切替器、前記第一の電気活性レンズ、および前記第二の電気活性レンズを通して前記光を送ることと、を含む、電気活性レンズシステムで光を集束させる方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記偏光切替器が前記第一の状態にあり、前記第一の電気活性レンズが前記第一の集束状態にあり、前記第二の電気活性レンズが前記第二の非集束状態にあり、さらに、
    前記第二の電気活性レンズを、前記第二の非集束状態から前記第二の集束状態に切り替える一方、前記偏光切替器を通して前記第一の偏光状態で光を透過し、前記第一の電気活性レンズで前記光を集束させ、前記第二の電気活性レンズによって前記光を集束させることなく、前記第二の電気活性レンズを通して前記光を透過することと、
    前記第二の電気活性レンズが前記第二の非集束状態から前記第二の集束状態に切り替わった後に、前記第一の状態から前記第二の状態に前記偏光切替器を切り替え、それによって前記第二の電気活性レンズに前記光を集束させ、前記第一の電気活性レンズに、前記光を集束させることなく前記光を透過させることと、を含む、方法。
12. 前記第二の電気活性レンズを、前記第二の非集束状態から前記第二の集束状態に切り替え、前記偏光切替器を、虚像の位置の所望の変化に応答して、前記第一の状態から前記第二の状態に切り替える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第二の電気活性レンズを、前記第二の非集束状態から前記第二の集束状態に切り替えるのに少なくとも１００ミリ秒かかり、前記偏光切替器を、前記第一の状態から前記第二の状態に切り替えるのに１００ミリ秒未満かかる、請求項１１に記載の方法。
14. 前記第一の偏光状態が、第一の直線偏光状態であり、前記第二の偏光状態が、前記第一の直線偏光状態に直交する第二の直線偏光状態である、請求項１０に記載の方法。
15. 電気活性レンズシステムであって、
    ０波長位相差と半波長位相差との間を３５ミリ秒以内で切り替え可能な液晶波長板と、
    第一の液晶レンズであって、前記液晶波長板と光学的に連通し、前記第一の液晶レンズが第一の直線偏光状態で光を第一の焦点面に集束する第一の状態と、前記第一の液晶レンズが前記第一の直線偏光状態で光を第二の焦点面に集束する第二の状態との間で切り替え可能な、第一の液晶レンズと、
    第二の液晶レンズであって、前記液晶波長板および前記第一の液晶レンズと光学的に連通し、前記第二の液晶レンズが、前記第一の直線偏光状態に直交する第二の直線偏光状態で光を第三の焦点面に集束する第一の状態と、前記第二の液晶レンズが、前記第二の直線偏光状態で光を第四の焦点面に集束する第二の状態との間で切り替え可能な、第二の液晶レンズと、を備える、電気活性レンズシステム。
16. 前記液晶波長板および前記第一の液晶レンズが、第一の共通基材を共有し、前記第一の液晶レンズおよび前記第二の液晶レンズが、第二の共通基材を共有する、請求項１５に記載の電気活性レンズシステム。
17. 前記第一の液晶レンズが、前記第二の直線偏光状態で光を透過するように構成されていて、前記第二の液晶レンズが、前記第一の直線偏光状態で光を透過するように構成されている、請求項１５に記載の電気活性レンズシステム。
18. 前記第一の液晶レンズが、前記第一の状態および前記第二の状態の前に３５ミリ秒超で切り替えるように構成されている、請求項１５に記載の電気活性レンズシステム。
19. 請求項１５に記載の電気活性レンズシステムであって、
    前記液晶波長板と光学的に連通し、前記第一の直線偏光状態で光を放射するように構成されているディスプレイをさらに備える、電気活性レンズシステム。
20. 請求項１５に記載の電気活性レンズシステムであって、
    前記液晶波長板、前記第一の液晶レンズ、前記第二の液晶レンズ、および前記ディスプレイに動作可能に結合され、前記液晶波長板、前記第一の液晶レンズ、前記第二の液晶レンズ、および前記ディスプレイの位相差を制御するように構成されたプロセッサをさらに備える、電気活性レンズシステム。
    

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