(57)【要約】【課題】透過光の屈折率を任意に変化させることができる光学特性可変装置を提供する。【解決手段】光学特性可変素子２０３は、可視光波長より小さな磁場発生コイルを結線で結び、これらを一面に複数配置することで構成される。感光体２０１は、受光することによって、受光した光と同周波数の交流電流を発生させる。増幅回路２０２は、感光体２０１で発生した交流電流を増幅して光学特性可変素子２０３へ供給する。光学特性可変素子２０３は、供給された交流電流と同周波数の光の屈折率を変化させる。【選択図】図２
2010204440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光波長より小さなインダクタを互いに結線で結び、これらを一面に複数配置することで構成される光学特性可変素子と、
入射光によって共振し、当該入射光と同周波数の交流電流を発生させる感光体と、
前記感光体で発生した交流電流を増幅して前記光学特性可変素子へ供給する増幅回路と、を備え、
前記光学特性可変素子は、前記増幅回路からの交流電流の供給により、任意に光の屈折率を変化させることを特徴とする光学特性可変装置。
【請求項２】
前記光学特性可変素子を構成するすべてのインダクタに均一に交流電流を供給することで、前記光学特性可変素子を透過する光の屈折率を均一に変化させて、焦点距離を変えることを特徴とする請求項１に記載の光学特性可変装置。
【請求項３】
前記光学特性可変素子を構成する一部のインダクタについてのみ交流電流を供給することで、前記光学特性可変素子の一部を透過する光の屈折率を変化させることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光学特性可変装置。
【請求項４】
前記光学特性可変素子は、それぞれ独立した、中心を同じくする複数の環状帯で形成されており、
前記各環状帯に対してそれぞれ異なる大きさの交流電流を供給して、前記光学特性可変素子における屈折率分布が不均一になるようにすることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光学特性可変装置。
【請求項５】
前記光学特性可変素子は、それぞれ独立した複数の層で形成されており、
前記各層に対してそれぞれ異なる大きさの交流電流を供給して、前記光学特性可変素子における屈折率分布が不均一になるようにすることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする請求項１に記載の光学特性可変装置。
【請求項６】
ズームポジションやフォーカスポジションに適合するように、前記光学特性可変素子における屈折率分布を設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかひとつに記載の光学特性可変装置。
【請求項７】
前記光学特性可変素子は、撮影レンズ面上に配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかひとつに記載の光学特性可変装置。
【請求項８】
可視光波長より小さなインダクタを互いに結線で結び、これらを一面に複数配置することで構成される光学特性可変素子と、
任意の周波数の交流電流を発生させ、これを前記光学特性可変素子へ供給する電源と、を備え、
前記光学特性可変素子を構成するインダクタの一部に前記電源からの交流電流を供給することで、任意に前記光学特性可変素子の一部を透過する光の屈折率のみを変化させて非球面レンズの機能を実現することを特徴とする光学特性可変装置。
【請求項９】
前記光学特性可変素子は、それぞれ独立したグリッドで形成されており、
前記各グリッドに対してそれぞれ異なる大きさの交流電流を供給して、前記光学特性可変素子における屈折率分布が不均一になるようにすることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする請求項８に記載の光学特性可変装置。
【請求項１０】
前記グリッドは、それぞれ独立した複数の層で形成されており、
前記各層に対してそれぞれ異なる大きさの交流電流を供給して、前記光学特性可変素子における屈折率分布が不均一になるようにすることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする請求項９に記載の光学特性可変装置。
【請求項１１】
所定の入射光の周波数・位相を検知する周波数・位相検知手段を設け、
前記電源は、前記周波数・位相検知手段が検知した周波数・位相と同じ周波数・位相の交流電流を前記光学特性可変素子に供給することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかひとつに記載の光学特性可変装置。
【請求項１２】
結像の歪みを検出する歪み検出手段を設け、
前記周波数・位相検知手段は、前記歪み検出手段が検出した結像の歪みを発生させている光の周波数・位相を検知することを特徴とする請求項１１に記載の光学特性可変装置。
【請求項１３】
前記光学特性可変素子は、望遠鏡を構成する最大口径の光学素子以外の光学素子面上に配置されることを特徴とする請求項８〜１２のいずれかひとつに記載の光学特性可変装置。
【請求項１４】
前記光学特性可変素子は、望遠鏡を構成する最小口径の光学素子面上に配置されることを特徴とする請求項８〜１２のいずれかひとつに記載の光学特性可変装置。
【請求項１５】
前記望遠鏡を構成する光学素子を原因として発生する結像の歪みパターンをあらかじめ予測し、当該結像の歪みパターンに基づいて前記結像の歪みを補正するように前記光学特性可変素子を透過する光の屈折率制御を行うことを特徴とする請求項１３または１４に記載の光学特性可変装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、透過光の屈折率を任意に変化させることが可能な光学特性可変装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、小口径レンズが用いられる機器として、コンパクトデジタルカメラや監視用カメラなどの撮像装置がある。これらの撮像装置では、光学系中の特定のレンズを光軸に沿って移動させたり、あるいはデジタル処理が可能であれば撮像データのデジタル処理を行ったりして、像の拡大縮小処理を実行している。像の合焦は、フォーカスレンズを動かすことで行うことが一般的である。また、レンズでは、光の波長による屈折率の違いなどから収差が存在する。このため、光学系中の特定レンズの曲面を、多項式からなる非球面形状に加工し、収差を取り除く努力がなされている。
【０００３】
しかしながら、従来の撮像装置に備えられているズーム、フォーカス機構では、機構的にレンズを移動させるので、メカニカルなガタによる、光軸ブレ、光軸の傾き、レンズ倒れなどが発生し、結果として画質劣化に繋がる。さらに、公差の累積による固体のばらつきが発生するという問題がある。一方、非球面レンズを用いる場合にも、問題はある。たとえば、非球面レンズをガラスモールドで作成する場合には、高精度の加工技術が必要となる。また、非球面を複合レンズで作成する場合は、ガラスレンズ上にＵＶ硬化樹脂などで非球面形状を形成する必要があり、製造工程の増加をまねく。
【０００４】
一方、大口径レンズが用いられる機器としては、天文台などに備えられる望遠鏡がある。代表的なものとしては、ハワイにあるすばる天文台の望遠鏡があげられる。この望遠鏡は大口径の反射型望遠鏡であるが、最も重要な要素となっている主鏡の平面研磨誤差は１４ｎｍといわれ、非常に高い平面精度を維持している。また、主鏡は軽量化のため薄く作成されているが、裏側から２６１本のアクチュエータで支えられ、姿勢による主鏡の歪みを逐次補正している。さらに、大気の揺らぎに対しては、主鏡とほぼ同じ構造のプリズムを光路内に挿入し、揺らぎを打ち消す方向へ前記プリズムを変形させ、逐次補正を行っている。
【０００５】
しかしながら、このような一枚の主鏡で高解像度を得る望遠鏡においては、前述のように、主鏡に非常に高い平面精度が要求されるため、主鏡の歪みを補正する装置は、当該主鏡の特性に合わせて個々に作成しなければならず、汎用性が極めて低い。また、大気の揺らぎを主鏡の歪み補正と同様の手法で補正する場合、補正に必要なプリズムなどの光学素子を追加する必要があり、その分だけ明度や彩度が低下する。さらに、用いられる光学素子が増えれば、機器の故障率が増加する、といった問題がある。
【０００６】
そこで、かかる問題点を解決しうるものとして、光学特性の改善および、従来存在しなかった光学特性を持つ素子である「プラズモニック・メタマテリアル」（以下、メタマテリアルという）の開発が進んでいる。これは、光学素子表面に微細な構造体を作成し、その構造体の素材としての誘電率と、構造体の配置から得られる特異的な透磁率を用いて、負の屈折率を持つ素子を作成する試みである（たとえば、非特許文献１を参照。）。そして、「メタマテリアル」を用いて光学特性を改善する技術も提案されている（たとえば、特許文献１〜４を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２２６０３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２５６９２９号公報
【特許文献３】特開２００６−３０１３４５号公報
【特許文献４】特開２００５−２６０９６５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】田中拓男著「可視光領域におけるプラズモニック・メタマテリアルの構造設計」日本光学学会  学会誌「光学」、第６巻第１０号（２００７年）ｐ．５８４〜５８９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記小口径レンズにかかる問題点を解決するためには、光学素子を移動させることなく光学系全系の焦点距離を変化させることができることが要求される。また、光学素子に非球面レンズと同等の効果が得られる機能を備えることも要求される。
【００１０】
しかしながら、上記各特許文献に開示された技術では、上記従来技術が有する問題点の解決には至らない。すなわち、上記特許文献１〜３に開示された技術は、いずれもあらかじめ透過光の屈折率がある値（負の屈折率）になるように設定して素子を設計し作成しているため、作成後に屈折率を変化させることはできない。したがって、光学素子を移動させることなく光学系全系の焦点距離を変化させることは不可能である。また、光学素子に対し均一な屈折率分布を付与しているので、たとえば、あえて不均一な屈折率分布にして、非球面レンズと同等の効果を得るといったことはできない。
【００１１】
また、上記特許文献４に開示された技術では、透過光の屈折率を変化させることはできる。しかし、この技術は、無線波領域での使用に限定され、かつ、メタマテリアルとしての特性と通常特性との切替えが行えるのみなので、上記小口径レンズにかかる問題点を解決できない。
【００１２】
一方、上記大口径レンズにかかる問題点を解決するためには、汎用性のある光学素子などで、光学系の歪みや大気の揺らぎなどに対処できるようにすることが好ましい。
【００１３】
しかしながら、上記各特許文献に開示された技術では、上記従来技術が有する問題点の解決には至らない。すなわち、上記特許文献１〜３に開示された技術は、いずれもあらかじめ透過光の屈折率がある値（負の屈折率）になるように設定して素子を設計し作成しているため、リアルタイムでその屈折率を変えることはできない。したがって、特に大口径光学系で問題になる姿勢差による光学素子の歪みを、臨機応変に補正することができない。また、リアルタイムでその屈折率を変化させることができない以上、大気の揺らぎを補正することもできない。
【００１４】
また、上記特許文献４に開示された技術では、透過光の屈折率を変化させることはできる。しかし、この技術は、無線波領域での使用に限定され、かつ、メタマテリアルとしての特性と通常特性との切替えが行えるのみなので、光学素子の歪みや大気の揺らぎに対する補正を行うことはできない。
【００１５】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、透過光の屈折率を任意に変化させることができる光学特性可変装置を提供することを目的とする。さらに、光学素子における屈折率分布を不均一にすることができる光学特性可変装置を提供することも、この発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる光学特性可変装置は、可視光波長より小さなインダクタを互いに結線で結び、これらを一面に複数配置することで構成される光学特性可変素子と、入射光によって共振し、当該入射光と同周波数の交流電流を発生させる感光体と、前記感光体で発生した交流電流を増幅して前記光学特性可変素子へ供給する増幅回路と、を備え、前記光学特性可変素子は、前記増幅回路からの交流電流の供給により、任意に光の屈折率を変化させることを特徴とする。
【００１７】
この請求項１に記載の発明によれば、前記光学特性可変素子に供給する交流電流の大きさやその向きを変えることで、光の屈折率を変化させることが可能になる。
【００１８】
また、請求項２の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項１に記載の発明において、前記光学特性可変素子を構成するすべてのインダクタに均一に交流電流を供給することで、前記光学特性可変素子を透過する光の屈折率を均一に変化させて、焦点距離を変えることを特徴とする。
【００１９】
この請求項２に記載の発明によれば、前記光学特性可変素子に供給する交流電流の大きさやその向きを変えることで、前記光学特性可変素子を移動させることなく、前記光学特性可変素子の焦点距離を変化させることができる。
【００２０】
また、請求項３の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項１に記載の発明において、前記光学特性可変素子を構成する一部のインダクタについてのみ交流電流を供給することで、前記光学特性可変素子の一部を透過する光の屈折率を変化させることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする。
【００２１】
この請求項３に記載の発明によれば、前記光学特性可変素子に交流電流を供給することのみで、非球面レンズの機能を実現することができる。したがって、前記光学特性可変素子に供給する交流電流のＯＮ／ＯＦＦ制御により、球面レンズの機能を実現したり、非球面レンズの機能を実現したりすることができるようになる。
【００２２】
また、請求項４の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項１に記載の発明において、前記光学特性可変素子が、それぞれ独立した、中心を同じくする複数の環状帯で形成されており、前記各環状帯に対してそれぞれ異なる大きさの交流電流を供給して、前記光学特性可変素子における屈折率分布が不均一になるようにすることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする。
【００２３】
この請求項４に記載の発明によれば、前記光学特性可変素子の各部位ごとに細かく屈折率制御を行うことができ、より高精度な非球面レンズの機能を実現できる。
【００２４】
また、請求項５の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項１に記載の発明において、前記光学特性可変素子が、それぞれ独立した複数の層で形成されており、前記各層に対してそれぞれ異なる大きさの交流電流を供給して、前記光学特性可変素子における屈折率分布が不均一になるようにすることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする。
【００２５】
この請求項５に記載の発明によれば、前記光学特性可変素子の各部位ごとに細かく屈折率制御を行うことができ、より高精度な非球面レンズの機能を実現できる。
【００２６】
また、請求項６の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項１〜５のいずれかひとつに記載の発明において、ズームポジションやフォーカスポジションに適合するように、前記光学特性可変素子における屈折率分布を設定することを特徴とする。
【００２７】
この請求項６に記載の発明によれば、ズームポジションやフォーカスポジションに最適な前記光学特性可変素子における屈折率分布を設定することができる。
【００２８】
また、請求項７の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項１〜６のいずれかひとつに記載の発明において、前記光学特性可変素子が、撮影レンズ面上に配置されることを特徴とする。
【００２９】
この請求項７に記載の発明によれば、前記撮影レンズが元来有する屈折率を基準にして、さらに前記光学特性可変素子で透過光の屈折率を変化させることで、より細かい屈折率分布を設定することが可能になり、幅広い用途に適応させることができる。
【００３０】
また、請求項８の発明にかかる光学特性可変装置は、可視光波長より小さなインダクタを互いに結線で結び、これらを一面に複数配置することで構成される光学特性可変素子と、任意の周波数の交流電流を発生させ、これを前記光学特性可変素子へ供給する電源と、を備え、前記光学特性可変素子を構成するインダクタの一部に前記電源からの交流電流を供給することで、前記光学特性可変素子の一部を透過する光の屈折率のみを変化させて非球面レンズの機能を実現することを特徴とする。
【００３１】
この請求項８に記載の発明によれば、より多様な周波数の光に対して対応できる高精度な非球面レンズの機能を実現することができる。
【００３２】
また、請求項９の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項８に記載の発明において、前記光学特性可変素子が、それぞれ独立したグリッドで形成されており、前記各グリッドに対してそれぞれ異なる大きさの交流電流を供給して、前記光学特性可変素子における屈折率分布が不均一になるようにすることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする。
【００３３】
この請求項９に記載の発明によれば、細かい屈折率の制御を行うことができるため、より精度の高い非球面レンズの機能を実現することができる。
【００３４】
また、請求項１０の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項９に記載の発明において、前記グリッドが、それぞれ独立した複数の層で形成されており、前記各層に対してそれぞれ異なる大きさの交流電流を供給して、前記光学特性可変素子における屈折率分布が不均一になるようにすることにより非球面レンズの機能を実現することを特徴とする。
【００３５】
この請求項１０に記載の発明によれば、さらに細かい屈折率の制御を行うことができるため、より精度の高い非球面レンズの機能を実現することができる。
【００３６】
また、請求項１１の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項８〜１０のいずれかひとつに記載の発明において、所定の入射光の周波数・位相を検知する周波数・位相検知手段を設け、前記電源は、前記周波数・位相検知手段が検知した周波数・位相と同じ周波数・位相の交流電流を前記光学特性可変素子に供給することを特徴とする。
【００３７】
この請求項１１に記載の発明によれば、特定の周波数・位相の光に対する屈折率制御を行うことができる。
【００３８】
また、請求項１２の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項１１に記載の発明において、結像の歪みを検出する歪み検出手段を設け、前記周波数・位相検知手段は、前記歪み検出手段が検出した結像の歪みを発生させている光の周波数・位相を検知することを特徴とする。
【００３９】
この請求項１２に記載の発明によれば、結像の歪みを発生させる原因となる光の周波数・位相を検知し、当該周波数・位相の光の屈折率を制御することで、結像の歪みを補正することができる。
【００４０】
また、請求項１３の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項８〜１２のいずれかひとつに記載の発明において、前記光学特性可変素子が、望遠鏡を構成する最大口径の光学素子以外の光学素子面上に配置されることを特徴とする。
【００４１】
この請求項１３に記載の発明によれば、光学特性可変装置を容易に望遠鏡に設置することができる。すなわち、望遠鏡ごとに異なる形状の大口径素子そのものに歪み補正手段を設けていた従来技術と異なり、この光学特性可変装置は汎用的な光学素子に適用できるので、どのようなタイプの望遠鏡であっても適用が容易であり、既存の望遠鏡設備に取り付けるだけで、歪み補正機能を実現できる。
【００４２】
また、請求項１４の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項８〜１２のいずれかひとつに記載の発明において、前記光学特性可変素子が、望遠鏡を構成する最小口径の光学素子面上に配置されることを特徴とする。
【００４３】
この請求項１４に記載の発明によれば、光学特性可変装置を容易に望遠鏡に設置することができる。すなわち、望遠鏡ごとに異なる形状の大口径の素子そのものに歪み補正手段を設けていた従来技術と異なり、この光学特性可変装置は汎用的な光学素子に適用できるので、どのようなタイプの望遠鏡であっても適用が容易であり、既存の望遠鏡設備に取り付けるだけで、歪み補正機能を実現できる。
【００４４】
また、請求項１５の発明にかかる光学特性可変装置は、請求項１３または１４に記載の発明において、前記望遠鏡を構成する光学素子を原因として発生する結像の歪みパターンをあらかじめ予測し、当該結像の歪みパターンに基づいて前記結像の歪みを補正するように前記光学特性可変素子を透過する光の屈折率制御を行うことを特徴とする。
【００４５】
この請求項１５に記載の発明によれば、望遠鏡における像の歪みを容易に補正することができる。
【発明の効果】
【００４６】
この発明にかかる光学特性可変装置によれば、光学素子を透過する光の屈折率を任意に変化させることができるという効果を奏する。このため、光学素子を移動させることなく、光学系の焦点距離を変化させ、変倍を行うことができる。さらに、この光学特性可変装置は、光学素子における屈折率分布を不均一にすることができるため、当該光学素子に非球面レンズと同等の機能を持たせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】メタマテリアルの基本構造を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかる光学特性可変装置の構成を示す図である。
【図３】感光体２０１、増幅回路２０２、および光学特性可変素子２０３の配置例を示す図である。
【図４】光学特性可変装置２００を構成する感光体２０１および光学特性可変素子２０３の配置例を示す図である。
【図５】光学特性可変素子２０３の他の構成例を示す図である。
【図６】複数の層で形成された光学特性可変素子２０３の構成例を示す図である。
【図７】実施の形態２にかかる光学特性可変装置の構成を示す図である。
【図８】光学特性可変素子７０１の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
この発明にかかる光学特性可変装置は、負の屈折率を人工的に作り出すメタマテリアルを用いて構成した光学特性可変素子を備えている。そこで、まず、このメタマテリアルの原理について説明する。
【００４９】
図１は、メタマテリアルの基本構造を示す図である。図１に示すように、メタマテリアル１００は、可視光波長より小さな磁場発生コイル（ナノコイル）１０１（インダクタ）を互いに結線１０２で結び、これらを一面に複数配置することで構成される。これがメタマテリアルの基本構造である。この磁場発生コイル１０１は、何層か積み重なっていても構わない。メタマテリアル１００は、光に対して反磁場を発生させる、すなわち負の屈折率を有する素材である。
【００５０】
ところで、屈折率Ｎは、素材の誘電率をε、透磁率をμとすると、
Ｎ＝（εμ）1/2
で与えられる。
【００５１】
これまで、通常、μ＜０である物質は存在しないとされていた。たとえば、広く光学素子を形成する材質として用いられるガラスなどではε＞０，μ＞０となり、Ｎ＞０となる。また、銀などε＜０である物質の場合、Ｎは虚数となる。これは、光を含む電磁波が、透過できないことを示す。
【００５２】
ここで、ガラス表面に光の波長より小さな銀の磁場発生コイル１０１を配置した場合、光が伴う磁場（および、銀表面の自由電子の共鳴振動）によって磁場発生コイル１０１に磁場が発生する。この磁場は、光が伴う磁場に抗する方向に働き、磁場発生コイル１０１の磁場の方が大きいと、見かけ上、ガラス表面では透磁率μ＜０となる。また、磁場発生コイル１０１の素材である銀はε＜０なので、見かけ上、ガラス表面でも誘電率ε＜０となる。よって、ここに、Ｎ＜０の物質（メタマテリアル）ができあがる。
【００５３】
透磁率μの値は磁場発生コイル１０１に流れる電流の大きさで変わるので、外部から磁場発生コイル１０１に強制的に電流を流すことができれば、Ｎの値も可変とすることができる。独立行政法人理化学研究所（以下、理研という）の試算によれば、透磁率μを変えるために磁場発生コイル１０１の１個当たりに必要とされる電流は、磁場発生コイル１０１に３［Ｖ］印加すると仮定すると、１．６×１０-12［Ａ］である。そこで、この磁場発生コイル１０１をφ２０の光学素子上に単層で配置する場合、全体で２．６×１０-4［Ａ]程度の電流が必要となる。
【００５４】
ここで、たとえば、φ２０で、第１面、第２面の曲率半径がそれぞれ１００ｍｍ、面間隔が２ｍｍのレンズ上に、一様にメタマテリアル１００を分布させた素子を構成したと仮定する。磁場発生コイル１０１の形状は、理研で提案されている形状・材質とする。
【００５５】
前記素子への入射光の周波数を７００ＴＨｚとすると、磁場発生コイル１０１の誘電率εは、ωｐをプラズマ周波数、ωを角周波数として、ドルーデの法則より、
ε＝（（ωｐ）1/2）／（（ω）1/2）
＝（１．４×１０16）1/2／（７×１０14）1/2
＝−３．９９×１０-2
となる。なお、ωｐの値は上記非特許文献１の５８５項を参照した。
【００５６】
磁場発生コイル１０１に特に電流などを印加しなければ、上記非特許文献１によると、前記素子の透磁率μが−１となるので、当該素子の屈折率Ｎは、
Ｎ＝（εμ）1/2≒２０
となる。そして、このとき当該素子の焦点距離は、０．２７ｍｍとなる。
【００５７】
ここで、たとえば、光の入射によって励起され磁場発生コイル１０１に流れる電流に対し、順方向に６．４×１０-12［Ａ］の電流を流すと、透磁率μは−２程度となり、前記素子の焦点距離は０．１９ｍｍとなる。一方、逆方向に１．２×１０-12［Ａ］の電流を流すと、透磁率μは−０．５程度となり、前記素子の焦点距離は０．４１ｍｍとなる。すなわち、前記素子に供給する電流の大きさや方向を変えることにより、屈折率を変化させることが可能になる。
【００５８】
この発明の趣旨は、メタマテリアル１００を用いて光の屈折率を変化させる光学素子（以下、光学特性可変素子という）を構成し、当該光学特性可変素子に電流を供給し、また供給する電流の大きさや方向を変えることで、光学特性可変素子を透過する光の屈折率を変化させることにある。このようにすることで、光学特性可変素子を移動させることなく、ズームレンズの機能を実現できる。また、光学特性可変素子を独立した複数のメタマテリアル１００で構成し、異なる大きさの電流を各メタマテリアル１００に供給することで、前記光学特性可変素子における屈折率分布を不均一にすることができる。このようにすることで、非球面レンズと同等の効果が得られる。
【００５９】
この発明を実現する手段として、次の４つの要素が必要である。
（１）光によって共振を起こし、交流電流を発生させる感光体（感光コイル）を配置する。
（２）交流電流を増幅する増幅手段（増幅回路）を配置する。
（３）光に対して反磁場を発生させる手段（メタマテリアル）を配置する。
（４）以上の３要素を結線する。
【００６０】
以下に、この発明にかかる光学特性可変装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００６１】
（実施の形態１）
図２は、実施の形態１にかかる光学特性可変装置の構成を示す図である。この光学特性可変装置２００は、感光体２０１と、増幅回路２０２と、光学特性可変素子２０３と、により構成される。
【００６２】
感光体２０１は、図１に示した磁場発生コイル１０１と同様の、可視光波長よりも小さい感光コイルで構成される。この、感光体２０１は入射光によって共振し、当該入射光と同じ周波数の交流電流を発生させる。
【００６３】
増幅回路２０２は、感光体２０１で発生した交流電流を増幅して光学特性可変素子２０３へ供給する。この増幅回路２０２は、オペアンプ２０２ａ、可変抵抗２０２ｂを含み構成されている。可変抵抗２０２ｂの抵抗値を変えることで、光学特性可変素子２０３へ供給する交流電流の大きさを変えることができる。可変抵抗２０２ｂの抵抗値は、光学特性可変素子２０３の光学特性可変装置２００の外部から変えることができるようになっている。また、ここでは、オペアンプ２０２ａにより電流の増幅を行う例を示したが、電流の増幅は他の手段を用いてもよい。
【００６４】
光学特性可変素子２０３は、図１に示したメタマテリアル１００を用いて構成されている。すなわち、可視光波長より小さな磁場発生コイル１０１を互いに結線１０２で結び、これらを一面に複数配置することで構成される。なお、光学特性可変素子２０３は、フォトリソグラフィーなどのナノテクノロジーを用いて作成される。また、通常、この光学特性可変素子２０３は、光を透過する光学素子面上に配置されて用いる。
【００６５】
この光学特性可変装置２００では、感光体２０１が受光することによって、受光した光と同周波数の交流電流を発生させる。増幅回路２０２は、感光体２０１で発生した交流電流を増幅して光学特性可変素子２０３へ供給する。すると、光学特性可変素子２０３は、供給された交流電流と同周波数の光（すなわち、感光体２０１が受光した光と同じ光）の屈折率を変化させることができる。
【００６６】
この光学特性可変装置２００では、増幅回路２０２の可変抵抗２０２ｂの抵抗値を任意に変えることができる。このため、光学特性可変素子２０３への供給電流の大きさを任意に変えることで、光学特性可変素子２０３を透過する光の屈折率を任意に変えることができる。また、感光体２０１は交流電流を発生させることができるので、光学特性可変素子２０３への供給電流の向きも変えることができる。したがって、光学特性可変素子２０３への供給電流の向きを変えることによっても、光学特性可変素子２０３を透過する光の屈折率を任意に変えることができる。
【００６７】
なお、光学特性可変素子２０３を構成する磁場発生コイル１０１と感光体２０１を構成する感光コイルとの磁場の向きが逆であっても、磁場発生コイル１０１に供給される電流の方が増幅回路２０２により大きくなっているので、前記感光コイルの磁場は相殺されるため支障はない。
【００６８】
前述のように、光学特性可変装置２００では、装置への入射光によって、電流を発生させ、当該入射光の屈折率を変える。したがって、効率的な屈折率の変換を行うためには、感光体２０１および光学特性可変素子２０３への光の入射条件が同様になることが好ましい。このためには、感光体２０１、増幅回路２０２、および光学特性可変素子２０３を近接させて配置するとよい。
【００６９】
図３は、感光体２０１、増幅回路２０２、および光学特性可変素子２０３の配置例を示す図である。図３に示すように、感光体２０１を構成する感光コイルと、増幅回路２０２と、光学特性可変素子２０３を構成する磁場発生コイル１０１とが近接配置される。このとき、光を透過させる光学素子表面上に、感光体２０１、増幅回路２０２、光学特性可変素子２０３を配置するとよい。感光体２０１と光学特性可変素子２０３との位置関係であるが、感光体２０１を、光学特性可変素子２０３の有効径外に配置してもよいし、光学特性可変素子２０３の有効径内に配置してもよい。
【００７０】
図４は、光学特性可変装置２００を構成する感光体２０１および光学特性可変素子２０３の配置例を示す図である。図４は、円形状に形成された光学特性可変素子２０３の有効径外に、帯状に形成された感光体２０１を配置した例を示している。このようにすることで、感光体２０１および光学特性可変素子２０３への光の入射条件が同一になる。
【００７１】
以上説明したように、この実施の形態１によれば、光学特性可変素子２０３を透過する光の屈折率を任意に変えることができる。このとき、光学特性可変素子２０３を構成するすべての磁場発生コイル１０１に均一に交流電流が流れるように構成すれば、光学特性可変素子２０３における屈折率分布が均一になる。そして、すべての磁場発生コイル１０１に流れる交流電流の大きさを均一に変えていけば、屈折率も均一に変化していくので、焦点距離を変えることができる。すなわち、この光学特性可変素子２０３を含む光学特性可変装置２００で、従来のズーム，フォーカス機構の機能を実現することができる。このため、従来の撮像装置に備えられていたズーム機構、フォーカス機構などの駆動部位が不要となり、構造の簡略化、低ノイズ化、低振動化、軽量化が図れる。
【００７２】
また、駆動機構を介することなく、電気的な信号が直接ズーム、フォーカスの制御信号となるので、反応遅れ、オーバーシュートなどの不具合を解消することができる。さらに、感光体２０１の前方（光の入射側）に、所定周波数の光のみを透過するフィルタなどを設置すれば、所定周波数の光に特化した屈折率制御を行うことができる。
【００７３】
また、光学特性可変素子２０３は、平板形状の光学素子面上に配置しても、レンズ面上に配置しても構わない。レンズ面上に光学特性可変素子２０３を配置した場合は、当該レンズが元来有する屈折率を基準にして、さらに光学特性可変素子２０３で透過光の屈折率を変化させることで、幅広い用途に適応させることができる。さらに、ε＜０の物質かε＞０の物質かを選択して磁場発生コイル１０１を作成すれば、さらなる多様な用途に適用可能になる。
【００７４】
ところで、光学特性可変素子２０３を構成する一部の磁場発生コイル１０１のみに交流電流が流れるように構成すれば、光学特性可変素子２０３における屈折率分布が不均一になる。すなわち、光学特性可変素子２０３の一部分を透過する光の屈折率のみが制御されることになる。この結果、非球面レンズと同等の効果が得られる。
【００７５】
また、非球面レンズと同等の効果を得るためには、光学特性可変素子２０３を構成するメタマテリアル１００の構造を特徴的に配して、当該素子の中で異なる屈折率が発生するようにしてもよい。
【００７６】
図５は、光学特性可変素子２０３の他の構成例を示す図である。この例では、光学特性可変素子２０３を、光を透過する光学素子表面（不図示）に、それぞれ独立したメタマテリアル１００を中心を同じくする環状帯（環状帯２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄ，２０３ｅ）で形成している。それぞれの環状帯２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄ，２０３ｅには互いに独立した増幅回路（不図示）から交流電流が供給されるようになっている。そして、独立した増幅回路に付随する可変抵抗の抵抗値を変えることで、各環状帯２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄ，２０３ｅには異なる大きさの電流を供給することができる。このようにすることにより、各環状帯２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄ，２０３ｅでそれぞれ透過光の屈折率が異なるように設定でき、非球面レンズと同様の効果が得られる。
【００７７】
図５では、複数の環状帯構造を備えた光学特性可変素子２０３で非球面レンズと同等の機能を実現する例を示したが、他の構成を採用することもできる。たとえば、光学特性可変素子２０３を光軸に沿う方向に複数の層を重ねて形成してもよい。
【００７８】
図６は、複数の層で形成された光学特性可変素子２０３の構成例を示す図である。この例では、順に、第１層２０３ｆ、第２層２０３ｇ、第３層２０３ｈを積層して光学特性可変素子２０３を形成している。第１層２０３ｆ、第２層２０３ｇ、第３層２０３ｈは、それぞれ独立したメタマテリアル１００で形成されている。また、第１層２０３ｆ、第２層２０３ｇ、第３層２０３ｈには、それぞれ独立した増幅回路（不図示）から交流電流が供給されるようになっている。そして、独立した増幅回路に付随する可変抵抗の抵抗値を変えることで、第１層２０３ｆ、第２層２０３ｇ、第３層２０３ｈには異なる大きさの電流を供給することができる。このようにすることにより、第１層２０３ｆ、第２層２０３ｇ、第３層２０３ｈでそれぞれ透過光の屈折率が異なるように設定し、光学特性可変素子２０３における屈折率分布が不均一になるようにすることで、非球面レンズと同様の効果が得られる。
【００７９】
以上のように、光学特性可変素子２０３を互いに独立した複数の環状帯または層で構成することにより、ひとつの光学特性可変素子２０３で屈折率分布が均一になるようにしたり、屈折率分布が不均一になるようにしたりすることが可能になる。したがって、ひとつの光学特性可変素子２０３で球面レンズと非球面レンズの機能を実現することが可能になる。このような特徴を有する光学特性可変装置２００を撮像装置に搭載すれば、非球面レンズが不要になるため、非球面レンズの作成・検査工程が不要となり、撮像装置の製造工程を簡略化できる。
【００８０】
また、実施の形態１の光学特性可変装置２００を用いる際、ズームポジションやフォーカスポジションにおける最適な屈折率分布がわかっているのであれば、ズームポジションやフォーカスポジションに合わせて、光学特性可変素子２０３を構成する各環状帯または層を透過する光の屈折率を変化させることで、常に理想的な光学性能が得られる。すなわち、前記各環状帯または層を透過する光の屈折率を、ズームやフォーカスのポジションに合わせて、動的に変化させるようにすることで、常に最適な屈折率分布が得られるレンズを提供できる。
【００８１】
なお、以上の説明は、主に可視領域の周波数の光を扱うことを前提としているが、磁場発生コイル１０１の材質および流れる交流電流の周波数と位相を変化させれば、理論上、どのような電磁波であっても屈折率を変化させることができる。
【００８２】
（実施の形態２）
実施の形態１では、主に小型撮像装置に最適な光学特性可変装置の例を示したが、実施の形態２では、たとえば天文台に設置される天体望遠鏡などに代表される大口径光学系に最適な光学特性可変装置について説明する。
【００８３】
図７は、実施の形態２にかかる光学特性可変装置の構成を示す図である。この図７は、大口径の望遠鏡に搭載された状態を示している。この光学特性可変装置７００は、光学特性可変素子７０１と、周波数・位相検知部７０２と、歪み検出部７０３と、電源７０４と、により構成される。
【００８４】
光学特性可変素子７０１は、図１に示したメタマテリアル１００を用いて構成されている。すなわち、可視光波長より小さな磁場発生コイル１０１を互いに結線１０２で結び、これらを一面に複数配置することで構成される。この光学特性可変素子７０１は、フォトリソグラフィーなどのナノテクノロジーを用いて作成される。また、この光学特性可変素子７０１は、天体望遠鏡を構成する光学素子面上に配置される。この光学特性可変素子７０１は、供給された交流電流と同じ周波数・位相の光の屈折率を変化させる。周波数・位相検知部７０２は、主鏡７０５に入射した光線を集光する集光ミラー７０６からの光線の周波数およびその位相を検知する。図７では、周波数・位相検知部７０２が、集光ミラー７０６からの光線の光路を変更するミラー７０７面において光線の周波数およびその位相を検知する例を示している。歪み検出部７０３は、結像面７０８において光学素子の歪みや大気の揺らぎを原因として発生する像の歪みを検出する。電源７０４は、光学特性可変素子７０１へ交流電流を供給する。電源７０４は、ＴＨｚレベルまでの周波数の交流電流を発生させることができるものとする。この理由は、天体望遠鏡で観察するのは、可視光に限られず、たとえば高周波数の放射線などを観察するので、当該高周波数の光線の屈折率を変化させるためにも、高周波数の電流が必要であるからである。
【００８５】
図７に示した例では、たとえば、周波数・位相検知部７０２が検知した周波数・位相の光の屈折率を変化させたい場合には、電源７０４が周波数・位相検知部７０２で検知された光の周波数・位相と同じ周波数・位相の交流電流を光学特性可変素子７０１に供給すればよい。このようにすることで、特定の周波数・位相の光に対する屈折率のみを制御することができる。
【００８６】
また、天体望遠鏡では、内部の光学素子（特に主鏡７０５）の歪みや大気の揺らぎにより像に歪みが発生する場合がある。そこで、歪み検出部７０３が結像面７０８における像の歪みを検出すると、周波数・位相検知部７０２が当該歪みを発生させる原因となる光の周波数・位相を検知する。そして、電源７０４が周波数・位相検知部７０２で検知された周波数・位相と同じ周波数・位相の交流電流を光学特性可変素子７０１に供給することで、像の歪みの原因となっている周波数・位相の光の屈折率を変化させ、像の歪みを補正することができる。
【００８７】
実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、光学特性可変素子７０１を構成する一部の磁場発生コイル１０１のみに交流電流が流れるように構成すれば、光学特性可変素子７０１における屈折率分布が不均一になる。すなわち、光学特性可変素子７０１の一部分を透過する光の屈折率のみが制御されることになる。この結果、非球面レンズと同等の効果が得られ、より精度の高い像の歪み補正を実現できる。
【００８８】
ところで、天文台に設置される天体望遠鏡では微弱な光を観察しなくてはならないため、高い結像精度が要求される。そこで、光学特性可変素子７０１にも高精度の屈折率制御が必要となる。このため、光学特性可変素子７０１では、より細かい屈折率の設定が可能であることが好ましい。
【００８９】
図８は、光学特性可変素子７０１の構成例を示す模式図である。この光学特性可変素子７０１は、光を透過する光学素子表面に、それぞれ独立した複数のグリッド７０１ａが配置されて形成される。各グリッド７０１ａは、図１に示したメタマテリアル１００で構成されている。そして、グリッド７０１ａごとに、電源７０４から異なる大きさの交流電流や異なる周波数の交流電流が供給されるようになっている。このようにすることで、グリッド７０１ａごとに、光の屈折率を設定することが可能である。と同時に、グリッド７０１ａごとに、特定の周波数の光のみの屈折率制御を行うことも可能である。グリッド７０１ａ全体で透過光の屈折率制御を行えば、可視光領域から紫外・赤外領域に至るまで対応可能である。また、一部のグリッド７０１ａのみにおいて、屈折率制御を行うこともできる。なお、図８では、グリッド７０１ａが四角形であるように示されているが、グリッド７０１ａの形状はこれに限らない。たとえば、五角形であっても、六角形であっても構わない。平面上のグリッド７０１ａは、透過する光の波長よりも短い間隔で配置されていればよい。また、グリッド７０１ａは、複数の層で形成されていてもよい。このとき、上下の層が互いに独立した関係にあってもよい。このようにすることで、より細かい屈折率の制御を行うことができる。
【００９０】
以上説明したように、実施の形態２にかかる光学特性可変装置７００によれば、光学特性可変素子７０１を構成する各グリッド７０１ａがそれぞれ独立して透過光の屈折率を制御することができる。したがって、望遠鏡を構成する大口径光学素子の歪みを原因とする結像の歪みと、大気の揺らぎを原因とする結像の歪みを同時に補正することが可能である。また、特定の周波数の光に特化した歪み補正を行うことも可能である。しかも、光学特性可変素子７０１を移動させることなく、歪み補正を行うことができる。このことは光学特性可変素子７０１を移動させることによって発生する光軸のずれなどを回避することができる。また、光学特性可変素子７０１を移動させるための可動手段が不要となるため、装置の小型化を促進できる。また、光学特性可変素子７０１を構成する各グリッド７０１ａがそれぞれ独立して透過光の屈折率を制御することができるため、光学特性可変素子７０１自体が非球面レンズと同等の機能を有するので、光学特性可変素子７０１の形状に複雑な曲率を付与する必要はない。
【００９１】
また、光学特性可変素子７０１は、平板形状の光学素子面上に配置しても、レンズ面上に配置しても構わない。そこで、実施の形態２にかかる光学特性可変装置７００を望遠鏡に適用する場合は、光学特性可変素子７０１を、望遠鏡の最大口径以外の光学素子、可能であれば最小口径の光学素子面に形成することが好ましい。このようにすることで、光学特性可変装置７００を容易に望遠鏡に設置することができる。すなわち、望遠鏡ごとに異なる形状の大口径の素子そのものに歪み補正手段を設けていた従来技術と異なり、光学特性可変素子７０１は汎用的な光学素子に適用できるので、どのようなタイプの望遠鏡であっても適用が容易であり、既存の望遠鏡設備に取り付けるだけで、歪み補正機能を実現できる。図７に示した例では、光学特性可変装置７００を反射型望遠鏡に適用した例を示したが、この光学特性可変装置７００は屈折式望遠鏡にも適用できる。
【００９２】
また、この光学特性可変装置７００を望遠鏡に適用すれば、光学特性可変素子７０１で歪み補正が行えるため、主鏡７０５などの大口径の光学素子に高い加工精度が要求されない。たとえば、リブなどを設けて大口径の光学素子を全体に薄く特定部位のみが厚くなるように形成した場合、リブ付近で大きな歪みが生じると考えられる。しかし、この場合、歪みパターンはあらかじめ予測可能であるため、予測した歪みパターンの情報に基づいて光学特性可変素子７０１を透過する光の屈折率制御を行うことで、容易に結像の歪みを補正することができる。
【００９３】
また、実施の形態２の光学特性可変装置７００も、実施の形態１と同様に、磁場発生コイル１０１の材質および流れる交流電流の周波数と位相を変化させれば、理論上、どんな電磁波でも屈折率を変化させることができる。
【００９４】
また、実施の形態２では、光学特性可変素子７０１を大口径の光学素子を備えた望遠鏡に適用した例を示したが、この光学特性可変素子７０１は、デジタルカメラや一眼レフカメラ、監視用カメラ、や携帯用カメラなどの小口径の光学素子を備えた小型撮像装置に適用することも可能である。この光学特性可変素子７０１を小型撮像装置に適用した場合、より複雑な光の屈折率制御を行うことができ、高解像度の画像を取得することができる。
【００９５】
以上実施の形態を示して説明したように、この発明にかかる光学特性可変装置によれば、光学素子を透過する光の屈折率を任意に変化させることができる。このため、光学素子を移動させることなく、光学系の焦点距離を変化させ、変倍を行うことができる。さらに、この光学特性可変装置は、光学素子の屈折率分布を不均一にすることができるため、当該光学素子に非球面レンズと同等の機能を持たせることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
以上のように、この発明にかかる光学特性可変装置は、デジタルカメラや一眼レフカメラなどの小型撮像装置はもとより、天文台に設置される大口径望遠鏡にも有用である。この光学特性可変装置を用いることで、光学系を移動させずに焦点距離を変えたり、１つの光学素子で球面レンズと非球面レンズの機能を実現したりすることが可能になる。
【符号の説明】
【００９７】
１００  メタマテリアル
１０１  磁場発生コイル
１０２  結線
２００，７００  光学特性可変装置
２０１  感光体
２０２  増幅回路
２０２ａ  オペアンプ
２０２ｂ  可変抵抗
２０３，７０１  光学特性可変素子
２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄ，２０３ｅ  環状帯
２０３ｆ  第１層
２０３ｇ  第２層
２０３ｈ  第３層
７０１ａ  グリッド
７０２  周波数・位相検知部
７０３  歪み検出部
７０４  電源
７０５  主鏡
７０６  集光ミラー
７０７  ミラー
７０８  結像面
【図１】
2010204440.tif 000003
【図２】
2010204440.tif 000004
【図３】
2010204440.tif 000005
【図４】
2010204440.tif 000006
【図５】
2010204440.tif 000007
【図６】
2010204440.tif 000008
【図７】
2010204440.tif 000009
【図８】
2010204440.tif 000010