JP6941926B2

JP6941926B2 - 光学装置

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Publication number: JP6941926B2
Application number: JP2016179477A
Authority: JP
Inventors: 高橋　崇; 崇高橋; 龍也小嶋; 沙希小高
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2036-09-14
Also published as: JP2018045076A

Description

本発明は、ＶＣＣ(Variable cross cylinder)として利用できる光学装置に関する。

乱視の検査に利用される光学装置として、ＣＣ（クロスシリンダ）(Cross cylinder)が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平０５−１７６８９３号公報

乱視の検査では、クロスシリンダを回転させる必要がある。通常このクロスシリンダの回転は、手動またはモータ等の駆動源を用いて機械的に行っている。また、複数のクロスシリンダを用意し、それを切り替える方式もある。いずれにしても、機械制御のための高精度の可動部を必要とし、高コストであり、また装置全体が大型化する。また精密機械機器であるので性能を維持するためのメンテナンスが必要である。また、手動で行う方式は、検査員の負担や技量による精度のバラツキといった問題があり、現代では一般的ではない。

このような背景において、本発明は、回転や切り替えのための機械的な機構を必要としないクロスシリンダを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、隙間を有して配置された一対の光透過性の基板と、前記一対の基板の間に封入された透明で第１の屈折率を有する有極性液および前記有極性液と分離し透明で第２の屈折率を有する無極性液と、前記一対の基板の間に電圧を加えるための、前記一対の一方の基板側に設けられた透明導電膜と、他方の基板側に設けられた電極と、前記電圧の前記一対の基板間における面内分布を制御する制御部と、前記有極性液または前記無極性液により形成されるレンズとを備え、前記一対の基板の間に前記透明導電膜と前記電極とによって電圧を加えるものであり、前記電極は、中央部に配置された光透過性のアクティブマトリクス電極と、該アクティブマトリクス電極周縁部に放射状に配置された複数の光透過性の電極を含み、光学部材として有効に働く領域に延在するように設けられたものであり、前記レンズは、前記面内分布を調整することで、第１の径方向において第１の光学特性を有し、前記第１の径方向と異なる第２の径方向において第２の光学特性を有することを特徴とする光学装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記有極性液と前記無極性液との界面の形状によりクロスシリンダが構成されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記電圧の前記一対の基板間における前記面内分布を変更することで、前記クロスシリンダを回転させることを特徴とする。請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明において、前記クロスシリンダの制御パラメータから被検眼の乱視情報を取得することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、被検眼の乱視情報に基づき、前記電圧の前記一対の基板間における前記面内分布を制御することで、前記有極性液または前記無極性液により形成されるレンズを前記被検眼の乱視を矯正する乱視矯正用レンズとすることを特徴とする。

本発明によれば、回転や切り替えのための機械的な機構を必要としないクロスシリンダが得られる。

実施形態の原理を示す原理図である。実施形態の電極構造を示す図である。制御系のブロック図である。実施形態で実現されるレンズの一例である。実施形態で実現されるレンズの一例である。発明を利用した眼科装置の一例である。

（構成）
図１には、発明を利用した液体光学装置１００の断面構造が示されている。液体光学装置１００は、ＶＣＣ(Variable cross cylinder)として利用できる。本明細書において、クロスシリンダとは２つの経線の度数が±0.50Dのようなレンズのことであり、ＶＣＣ(Variable cross cylinder)とは２つの経線の度数を可変にできるレンズのことをいう。光軸の方向から見た液体光学装置１００の形状は、略円形の外観を有している。液体光学装置１００は、隙間を有した状態で対向して配置された一対のガラス基板１２１と１２２を用いて構成されている。基板としては、可視光の透過性を有する材料であれば、ガラス以外であってよい。例えば、基板として透明なプラスチック材料を用いることもできる。

下側のガラス基板１２１上には、アクティブ電極層１２３と高誘電フィルム１２４が積層されている。図２には、アクティブ電極層１２３を光軸方向から見た概要が示されている。アクティブ電極層１２３は、中央の円形の領域がアクティブマトリクス電極とされ、中央以外の領域が放射状電極とされている。アクティブマトリクス電極は、複数の電極が格子状に配置されている。放射状電極は、７２個の長手形状の電極が５°間隔で放射状に配置された形状を有している。放射状電極の分割数は、図２に例示する数に限定されない。分割数を多くすると、より精度の高い制御が可能となるが、構造は複雑化する。

アクティブ電極層１２３を構成するアクティブマトリクス電極と放射状電極は、透明導電膜（ＩＴＯ膜）により構成され、各透明導電膜には、当該透明導電膜の電位（対向する透明導電膜１２９に対する電位）を決定する薄膜トランジスタが接続されている。このあたりの構造は、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイと同じである。なお、アクティブマトリクス電極と放射状電極を構成する電極のそれぞれは、電圧印加の有無に加えて、印加される電圧のレベルを可変することができる。印加電圧のレベルの可変は連続的であっても良いし、複数段の段階的なステップであってもよい。

図１に戻り、高誘電フィルム１２４としては、例えばPVdF（ポリフッ化ビニリデン）やPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。高誘電フィルム１２４に接して撥水膜１２５が配置されている。撥水膜１２５は、撥水性を有する膜で、例えばテフロンAF（登録商標）やサイトップが用いられる。

撥水膜１２５に接してリング部材１２６が配置されている。リング部材１２６は、リング状の部材で、撥水膜１２５と高誘電膜１２７に接し、その内側に内部空間１２８が形成されている。上側の高誘電膜１２７は、上側の透明導電膜（ＩＴＯ膜）１２９に接し、透明導電膜１２９は上側のガラス基板１２２に接している。透明導電膜１２９は、光学部材として有効に働く領域の全面に一様に設けられている。リング部材１２６の周囲は、封止材１３０により封止され、内部空間１２８を密閉空間としている。

高誘電膜１２７の内部空間１２８の側には、親水膜１３１が配置されている。親水膜１３１は、親水機能を有する膜で、例えばトリシラノールやシリカなどの無機分散体により構成されている。内部空間１２８は、透明な水系の有極性液１３２と、透明な無極性液１３３で満たされている。有極性液１３２の具体的な例としては、水やメタノール等が挙げられる。無極性液１３３としては、炭化水素系合成油、シリコーンオイル等のオイルが挙げられる。有極性液１３２と無極性液１３３は、透明で、屈折率に差があり、また水と油のように互い混じり合わずに分離する性質のものが選択される。この例では、無極性液１３３の屈折率が有極成液１３２の屈折力よりも高い関係に設定され、無極性液１３３の部分でレンズが構成されるようにしている。勿論、無極性液１３３の屈折率を有極成液１３２の屈折力よりも小さく設定することで、有極性液１３２の部分でレンズが構成されるようにしてもよい。

各部の寸法としては、一例であるが、液体光学装置１００の有効面（レンズとして有効に機能する領域）の寸法が直径２５ｍｍ〜４０ｍｍ程度の円形、ガラス基板１２１，１２２の厚みが０．１〜０．５ｍｍ、高誘電フィルム１２４の厚みは０．３〜５μｍ、撥水膜１２５の厚みは数〜５００ｎｍ、内部空間の高さ（撥水膜１２５と親水膜１３１との間の距離）が０．１〜５ｍｍ、高誘電膜１２７の厚みが０．３〜５μｍ、親水膜１３１の厚みが数〜５００μｍ、透明導電膜１２９の厚みが１０〜２００ｎｍが採用される。アクティブ電極層１２３各部の寸法は、公知の液晶ディスプレイ用のアクティブマトリクス基板で採用される値とする例が挙げられる。

無極性液１３３部分でレンズが構成される。無極性液１３３により構成されるレンズはその形状を制御できる。例えば、アクティブ電極層１２３の外周側で相対的に高電圧を加え、中心近くで相対的に低電圧を加えると、無極性液１３３により構成されるレンズは図１（Ａ）に示す断面形状の凸レンズとなる。これは電界密度の大きい外周側に有極性液１３２が集中することで、無極性液１３３が中心付近に集中する結果として得られる。

他方で、アクティブ電極層１２３の外周側で低電圧を加え、中心近くで高電圧を加えると、無極性液１３３により構成されるレンズは図１（Ｂ）に示す断面形状の凹レンズとなる。これは電界密度の大きな中心側に有極性液１３２が集中することで、無極性液１３３が中心付近で薄く、外周で厚くなる結果として得られる。

図２に示すアクティブ電極層１２３を構成する電極は、個別に電圧の印加レベルを調整することが可能である。ここで、図２のＸ軸の方向に沿った断面での電圧印加のプロファイルを図１（Ａ）の状態を得る形態とし、図２のＹ軸に沿った断面での電圧印加のプロファイルを図１（Ａ）と異なる形態とすると、Ｘ軸に沿った断面とＹ軸に沿った断面では、形状の異なるレンズを得ることができる。また、凸レンズや凹レンズの中心の位置は、加える電圧分布を調整することで、中央から偏心させることもできる。また、対称性が崩れた断面形状のレンズも実現可能である。

また、上記の形態において、Ｙ軸方向における電圧勾配が生じないように調整することで、Ｘ軸に沿った断面が図１（Ａ）の凸レンズであり、Ｙ軸に沿った断面がレンズとして機能しない円柱レンズを得ることができる。この円柱レンズの一例を図４（Ｂ）に示す。

上記の原理により、クロスシリンダの機能を実現することができる。この構成では、クロスシリンダの反転や回転に機械的な可動部は必要なく、クロスシリンダの反転や回転はアクティブ電極層１２３に供給する駆動信号により、電気制御に行われる。

最も簡単な制御の場合、図２におけるクロスシリンダの軸角度ピッチ(回転角のピッチ)は、５°となる（放射状電極が５°ピッチであるので）。なお、図２示すアクティブ電極層１２３において、５°よりも細かいステップでクロスシリンダの回転角を調整することも可能である。ただしこの場合、放射状電極の電位を多段階または連続して可変する必要がある。

図４（Ａ）には、光軸に直交する２軸（９０°で交わる２つの径方向）で球面度数の異なるレンズの例が示されている。図４（Ｂ）には、円柱レンズ（シリンドリカルレンズ）を実現した場合の例が示されている。アクティブ電極層１２３の各電極の電位を調整することで、図４（Ａ）および（Ｂ）のレンズが実現可能である。なお、図４は、断面が分かり易いようにレンズを矩形に切断した状態が示されているが、実際に液体光学装置１００を光軸の方向から見たレンズの形状は円形である。なお、電圧の加え方によっては、楕円や歪んだ円形のレンズも可能である。

図１の液体光学装置１００の構成を有する光学装置を２つ用意し、それを光軸上で重ねて使用することもできる。この場合、図５に示す凹型の円柱レンズと凸型の円柱レンズを直交配置したレンズを得ることができる。図５のレンズは、乱視矯正用のレンズに適用することができる。

（制御系）
液体光学装置１００の制御系について説明する。図３には、液体光学装置１００の制御を行う制御装置２００が示されている。制御装置２００は、コンピュータとしての機能を有し、ＣＰＵ、メモリ、各種のインターフェースを備えている。演算部２００は、汎用のマイコンを用いて構成されているが、その一部または全部を専用の電子回路で構成してもよい。

制御装置２００は、パラメータ入力部２０１、演算部２０２、制御信号生成部２０３を備えている。パラメータ入力部２０１は、被検眼のＳ値、Ｃ値、Ａ値の情報が入力される。ここで、Ｓ値は、球面度数（−近視，＋遠視）であり、近視または遠視の矯正に用いる凹レンズ・凸レンズの屈折力である。Ｃ値は、乱視度数であり、乱視矯正に用いる円柱レンズの屈折力である。Ａ値は、乱視用円柱レンズの入る角度を１°〜１８０°の間で数値化したものである。Ｃ値とＡ値は、乱視の状態を規定するパラメータであり、乱視情報の一例である。

（第１の例）
Ｓ値、Ｃ値、Ａ値を指定することで、液体光学装置１００を用いたＶＣＣ(Variable cross cylinder)が得られる。液体光学装置１００を用いたＶＣＣは、電気的な制御により、クロスシリンダを光軸回りで電気的に回転させることができる。図２の場合でいうと、クロスシリンダを５°ステップで回転させることができる。この回転は、液体光学装置１００に供給する制御信号により制御される。この際、物理的に移動するのは、有極性液１３２と、有極性液１３２の動きに応じて受動的に動く無極性液１３３のみであり、機械部品が可動する箇所は一切ない。

液体光学装置１００は、Ｓ値、Ｃ値、Ａ値の一または複数の値を変更することが簡単に行えるので、物理的なレンズの交換を行うことなしに電子的にＳ値、Ｃ値、Ａ値の一または複数の値を変更したレンズを無極性液１３３の形を変えることで実現できる。したがって、液体光学装置１００を用いることで、クロスシリンダ方式の検眼（乱視の検査）をより効率よく行うことができる。すなわち、クロスシリンダ方式の検眼では、クロスシリンダを反転および回転させる作業が必要であるが、液体光学装置１００では、この作業は電気制御により行われる。また、定数の変更（Ｓ値、Ｃ値、Ａ値の一または複数の値の変更）もスイッチの操作等により簡単に行える。

（第２の例）
被検眼のＳ値、Ｃ値、Ａ値が判っている場合、液体光学装置１００を用いることで、当該被検眼の近視、遠視、乱視の状態を矯正できるレンズを作成できる。この例では、パラメータ入力部２０１に入力されたＳ値、Ｃ値、Ａ値は、演算部２０２に送られる。演算部２０２は、入力されたＳ値、Ｃ値、Ａ値に基づき、それらの値を規定の値に矯正できるレンズ形状を演算する。Ｓ値、Ｃ値、Ａ値と望まれるレンズ形状の関係は予め調べてあり、そのデータは制御装置２００のメモリに記憶されている。このデータに基づき、演算部２０２はレンズの形状を算出する。

また、レンズの形状と液体光学装置１００における各電極に加える電圧との関係も予め調べられており、そのデータは制御装置２００のメモリに記憶されている。このデータに基づき、制御信号生成部２０３は、液体光学装置１００に送る制御信号を生成し、演算部２０２で算出された形状のレンズを液体光学装置１００で形成する。

この技術によれば、被検眼のＳ値、Ｃ値、Ａ値に基づき、電気的な処理により、被検眼に合った矯正用のレンズを液体光学装置１００によって作成できる。また、レンズの光軸方向の微妙な調整等も可能であるので、Ｓ値、Ｃ値、Ａ値では追求しきれない光学特性を被検眼に合わせて調整したレンズを得ることもできる。

（第３の例）
図６には、検眼装置４００が示されている。検眼装置４００は、乱視の検眼を行う機能を有する（勿論、他の検眼機能を有していてもよい）。検眼装置４００は、図１の液体光学装置１００と同様の構造および機能を有する液体光学装置１００Ａと液体光学装置１００Ｂを有する。液体光学装置１００Ａと液体光学装置１００Ｂのそれぞれは、図３に示す制御装置２００によって個別に制御される。

検眼装置４００は、パラメータ算出部３００を備えている。パラメータ算出部３００は、被検眼のＣ値とＡ値を算出する。なお、Ｃ値は、乱視度数であり、乱視矯正に用いる円柱レンズの屈折力である。また、Ａ値は、乱視用円柱レンズの入る角度である。なお、検眼装置４００は、Ｓ値（球面度数（−近視，＋遠視））を検査する機能も有するが、これは既存の検眼装置と同じであるので、説明は省略する。

Ｃ値とＡ値の検査は、以下のようにして行われる。液体光学装置１００Ａと１００Ｂは、角度位置および度数の設定を可変できるクロスシリンダの機能を有する。この機能を利用し、クロスシリンダ視標を用いた検眼を行いＣ値とＡ値が求められる。Ｃ値とＡ値の求め方は、公知のクロスシリンダ試験の場合と同じである。なお、クロスシリンダでは左右同時に検査は行わず、クロスシリンダ視標は、片眼ずつ表示され、検査が行われる。

すなわち、クロスシリンダ試験で最適な円柱レンズを選択した際における液体光学装置１００Ａ，１００Ｂの制御パラメータから、そこで実現される円柱レンズの度数が算出できる。これがＣ値（乱視度数：乱視矯正に用いる円柱レンズの屈折力）の算出原理である。また、上記の状態で、液体光学装置１００Ａ，１００Ｂの制御パラメータから、そこで実現される円柱レンズの基準方向（例えば、鉛直方向）に対する角度が算出できる。これにより、Ａ値が求まる。こうして、パラメータ算出部３００において、左右の被検眼それぞれのＣ値とＡ値が算出される。

Ｃ値とＡ値を算出したら、別に取得したＳ値と共に、それらデータを制御装置２００に入力し、図３に関連した説明した制御により、被検眼にあった矯正レンズを液体光学装置１００Ａおよび１００Ｂにおいて実現する。

以下、具体的な一例を説明する。例えば、上記のクロスシリンダ試験の結果、当該被検眼について、Ｓ値：＋１．００度、Ｃ値：＋１．００度、Ａ値：１８０°であったとする。この場合、Ｓ値：＋１．００度、Ｃ値：＋１．００度、Ａ値：１８０°に対応するレンズの形状になるように、アクティブ電極層１２３を電子制御し、各電極の電位を調整する。その結果、無極性液１３３の形状が、直交する径方向で異なるものとなり（例えば、図４参照）、上記Ｓ値，Ｃ値，Ａ値に対応した乱視矯正用のレンズが得られる。

（むすび）
以上述べたように、図１に示す液体光学装置１００は、隙間を有して配置された一対のガラス基板１２１，１２２と、一対のガラス基板１２１，１２２の間に封入された透明で第１の屈折率を有する有極性液１３２および有極性液１３２と分離し透明で第２の屈折率を有する無極性液１３３と、ガラス基板１２１，１２２の間に電圧を加える電極と、前記電圧のガラス基板１２１，１２２間における面内分布を制御する制御部２００（図３参照）と、有極性液１３２または無極性液１３３により形成されるレンズとを備え、前記レンズは、前記面内分布を調整することで、図４に例示するような第１の径方向において第１の光学特性を有し、前記第１の径方向と異なる第２の径方向において第２の光学特性を示す構造を有する。

この構成では、回転や切り替えのための機械的な機構を必要としないクロスシリンダが得られる。また、電気的にレンズの形状を変化させることができるので、Ｃ値，Ａ値のような乱視情報に基づき、乱視矯正用のレンズが得られる。

１００…液体光学装置、１００Ａ…左眼用のＶＣＣ、１００Ｂ…右眼用の液体光学装置、１２１…ガラス基板、１２２…ガラス基板、１２３…アクティブ電極層、１２４…高誘電フィルム、１２５…撥水膜、１２６…リング部材、１２７…高誘電膜、１２８…内部空間、１２９…透明導電膜、１３０…封止材、１３１…親水膜、１３２…有極性液、１３３…無極性液、４００眼科装置。

Claims

隙間を有して配置された一対の光透過性の基板と、
前記一対の基板の間に封入された透明で第１の屈折率を有する有極性液および前記有極性液と分離し透明で第２の屈折率を有する無極性液と、
前記一対の基板の間に電圧を加えるための、前記一対の一方の基板側に設けられた透明導電膜と、他方の基板側に設けられた電極と、
前記電圧の前記一対の基板間における面内分布を制御する制御部と、
前記有極性液または前記無極性液により形成されるレンズと
を備え、
前記一対の基板の間に前記透明導電膜と前記電極とによって電圧を加えるものであり、
前記電極は、中央部に配置された光透過性のアクティブマトリクス電極と、該アクティブマトリクス電極周縁部に放射状に配置された複数の光透過性の電極を含み、光学部材として有効に働く領域に延在するように設けられたものであり、
前記レンズは、前記面内分布を調整することで、第１の径方向において第１の光学特性を有し、前記第１の径方向と異なる第２の径方向において第２の光学特性を有することを特徴とする光学装置。
前記有極性液と前記無極性液との界面の形状によりクロスシリンダが構成されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
前記電圧の前記一対の基板間における前記面内分布を変更することで、前記クロスシリンダを回転させることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
前記クロスシリンダの制御パラメータから被検眼の乱視情報を取得することを特徴とする請求項２または３に記載の光学装置。
被検眼の乱視情報に基づき、前記電圧の前記一対の基板間における前記面内分布を制御することで、前記有極性液または前記無極性液により形成されるレンズを前記被検眼の乱視を矯正する乱視矯正用レンズとすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学装置。