(57)【要約】  光の伝搬を制御するための可変光学デバイスは、液晶層（１）と、液晶層に作用する電界を発生するように配置された電極（４）と、前記光学デバイスを通過する光の伝搬を制御するように、前記電界を空間変調するために、電極の間に液晶層に隣接して配置された電界変調層（３、７１）とを有する。電界変調層は、基本的に空間的に均一な光屈折率、または極性液体もしくはゲル、または２０より高く、好ましくは１０００より高い誘電率を有する、非常に高い低周波誘電率の材料のいずれかを有する。【選択図】  図４Ａ
2009528558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶層と、
前記液晶層に作用する電界を発生するように配置された電極と、
光学デバイスを通過する光の伝搬を制御するように、前記電界を空間変調するために、前記電極の間に、前記液晶層に隣接して配置された電界変調層と、を備える、光の伝搬を制御するための可変光学デバイスであって、
前記電界変調層が、
基本的に空間的に均一な光屈折率、
極性液体またはゲル、
２０より大きく、好ましくは１０００より大きい誘電率を有する、非常に高い低周波誘電率の材料、の１つを備えることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記変調層が、前記電界の所望の変調をもたらすように選択された形状で第１の低周波誘電率を有する固体物体と、前記固体物体の周囲のまたはそれに隣接する第２の低周波誘電率材料を備え、前記固体物体および前記第２の材料が層形状を成すようにした、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記電界変調層が基本的に空間的に均一な光屈折率を備える、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第２の材料が極性液体またはゲルである、請求項２または３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記極性液体またはゲルがグリセロールである、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記液晶層が、液晶を包含する２つの透明板を持つ平面形状を有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記電界変調層が、前記平板の１つと一体化された少なくとも１つの構成要素を有する、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記液晶層がその屈折率を前記電界の関数として変化させる、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記デバイスがアクティブ状態と非アクティブ状態との間で制御可能な回折光学デバイスとなるように、前記電界変調層が前記電界の周期的段階空間変調をもたらす、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記デバイスが種々にチューニング可能な屈折光学デバイスとなるように、前記電界変調層が前記電界の周期的な空間可変変調をもたらす、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記デバイスが可変焦点レンズである、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスがビームステアリングデバイスである、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記デバイスが可変焦点レンズ兼ビームステアリングデバイスである、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１４】
光の伝搬の制御が最小限の偏光依存性を持つように、前記デバイスが、異なる偏光を有する少なくとも２つの前記液晶層を備える、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記電界変調層が固定された低周波誘電率空間分布を有し、前記電極に印加される電圧を変調することによって、前記電界が変調される、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１６】
結像レンズを含むカメラを有する携帯電話機であって、前記結像レンズが請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の可変光学デバイスを含むことを特徴とする携帯電話機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的に制御可能な光学デバイスに関し、特に、液晶（ＬＣ）を用いての空間的に不均一な電界の形成ならびに屈折および回折光学要素の光学特性の電気光学的チューニングにおけるその使用のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
当業界で周知の通り、インテリジェント（自己調整可能型）光学撮像システムの実現を成功させるには、それらの光学特性を制御可能に変化させることのできるデバイスが必要である。調整可能であるために要求される最も重要な光学機能の１つは、集束能力および集束距離である。これらの特性は、例えば高品質携帯電話カメラ、格納／読出しシステム、調整可能なコンタクトガラス（adjustable glass of contact）、およびその他の視覚システムの製造に不可欠である。
【０００３】
最新の高性能光学撮像システムでは、光学ズームは機械的な動きの使用によって得られる。これは、これらの撮像システムが比較的大きく（例えばステップモータを収容するため）、重く、かつ一般的に遅いズーム（秒台）を有することを暗に示す。
【０００４】
電気機械式ズームに代る幾つかの方法が探求されてきた。変化する口径を使用する可変焦点液体レンズが実演されたことがある［H.Ren、S‐T Wu、「Variable‐focus liquid lens by changing aperture」、Appl.Phys.Lett.、v.86、211107、2005］。焦点チューニング（focus tuning）を得るために、導電性非混和液中のエレクトロウェッティング効果も使用されたことがある［S.Kuiper、B.H.W.Hendriks、「Variable‐focus liquid lens for miniature cameras」、Appl.Phys.Letters、V.85、No.7、1128、2004］。しかし、どちらの方法でも、セルに供給される可変電圧が形状の機械的変化を引き起こす。したがって、たとえ自由空間の明確な可動構成要素（free-space distinct moving components）が無い場合でも、依然として機械的な動きに基づく焦点変動が存在する。そのようなシステムの動作は環境振動および温度変化の影響を受け易いので、非常に望ましくない。
【非特許文献１】H.Ren、S‐T Wu、「Variable‐focus liquid lens by changing aperture」、Appl.Phys.Lett.、v.86、211107、2005
【非特許文献２】S.Kuiper、B.H.W.Hendriks、「Variable‐focus liquid lens for miniature cameras」、Appl.Phys.Letters、V.85、No.7、1128、2004
【０００５】
ＬＣは電気的に制御される大きい屈折率変化をもたらすことがよく知られている［L.M.Blinov、V.G.Chigrinov、「Electrooptic effects in Liquid Crystal Materials、Springer‐Verlag、N.Y.459pp、1994］。しかし、焦点チューニング（光学ズームのために必要である）は、ＬＣの空間的に変動する屈折率変化の発生を必要とする。これは次に、通常、空間的に不均一なＬＣ層（例えばＬＣセル中に浸漬されたレンズ、またはグラディエントポリマネットワーク安定化ＬＣ［V.V.Presnyakov、K.E.Asatryan、およびT.Galstian、A.Tork、「Tunable polymer‐stabilized liquid crystal microlens」、Optics Express、Vol.10、No.17、August 26、pp.865‐870、2002］）または空間的に変動する電界のいずれかを必要とする。
【非特許文献３】L.M.Blinov、V.G.Chigrinov、「Electrooptic effects in Liquid Crystal Materials、Springer‐Verlag、N.Y.459pp、1994
【非特許文献４】V.V.Presnyakov、K.E.Asatryan、およびT.Galstian、A.Tork、「Tunable polymer‐stabilized liquid crystal microlens」、Optics Express、Vol.10、No.17、August 26、pp.865‐870、2002
【０００６】
空間的に不均一なＬＣ層の略図を図１ａに示す（先行技術）［L.G.Commander、S.E.Day、D.R.Selviah、「Variable focal length micro lenses」、Optics Communications、V.177、pp.157‐170、2000］。ここで、ＬＣ（１）は均一な透明電極（４）で被覆された２つの透明なガラス基板（２）の間に挟まれる。基板（２）は、ＬＣが充填された厚さｄのギャップにより分離される。ＬＣセルの内部には、屈折率ｎmの半球状プロファイルの透明な光学材料（３）が存在する。ＬＣの実効屈折率ｎeff（分子長軸の平均方向であるそのダイレクタｎの配向によって定義される）は、ＬＣ層に電圧Ｖを印加することによって、ｎmに対して変化させることができる。かくして、屈折率の相対的コントラストｎeff（Ｖ）−ｎmを変化させ、その結果としてシステム全体の焦点距離Ｆ（Ｖ）を変化させることができる。しかし、ＬＣ配向は一般的に機械的ラビングによって得られ、この方法を工業生産に適用するのは非常に難しい。また、電圧を印加すると、ディスクリネーションラインが容易に現われる。我々がそのような解決策についてそれ以上解析しないのは、これらの理由による。
【非特許文献５】L.G.Commander、S.E.Day、D.R.Selviah、「Variable focal length micro lenses」、Optics Communications、V.177、pp.157‐170、2000
【０００７】
不均一なＬＣの配向を得るための別の方法として、ＬＣマトリクスを安定化させる不均一なポリマネットワークの導入がある［T.Galstian、V.Presniakov、A.Tork、K.Asatryan、「Electrically variable focus polymer-stabilized liquid crystal lens」、米国特許出願公開第20050018127‐A1号］。しかし、（小規模の不均一なＬＣの再配向ゆえの）比較的高い光散乱のため、この方法の実用化への関心は低い。
【非特許文献６】T.Galstian、V.Presniakov、A.Tork、K.Asatryan、「Electrically variable focus polymer-stabilized liquid crystal lens
【特許文献１】米国特許出願公開第20050018127‐A1号
【０００８】
空間的に変動する電界を得るための最も単純な（製造の観点からではなく）方法は、ＬＣセル基板上に分配された複数（３つ以上）の透明電極（例えばインジウムスズ酸化物／ＩＴＯ）を使用するものである［S.T.Kowel、P.G.Kornreich、D.S.Cleverly、「Adaptive liquid crystal lens」、米国特許第4,572,616号、1986(1982年8月出願)]および[N.A.Riza、M.C.DeJuIe、「Three‐terminal adaptive nematic liquid‐crystal lens device」、Opt.Lett.19、pp.1013‐1015、1994］。しかし、そのような構造の製造はサブマイクロメートルの精度を必要とし、それらの電気駆動はかなり複雑な電子的マイクロプロセッサによる処理を必要とし、それらの動作は光回折および散乱によって低下する。
【非特許文献７】S.T.Kowel、P.G.Kornreich、D.S.Cleverly、「Adaptive liquid crystal lens
【非特許文献８】N.A.Riza、M.C.DeJuIe、「Three‐terminal adaptive nematic liquid‐crystal lens device」、Opt.Lett.19、pp.1013‐1015、1994
【特許文献２】米国特許第4,572,616号
【０００９】
平面電極および湾曲電極の組合せは参考文献［「Liquid Crystal Lens with Spherical Electrode」、B.Wang、M.Ye、M.Honma、T.Nose、S.Sato、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)、pp.L1232‐L1233、Part 2、No.11A、1 November］に記載されており、それは標準（透明）電極および２つの平面状内面を有するＬＣセル（図１ｂ、先行技術）の使用を可能にする。不均一な（中心対称な）電界は、上部電極（４）によって被覆された湾曲「外」面の幾何学的レンズ状の形状（３１）のおかげで得られる。実際、平面ＬＣ（１）層は、２つのガラス基板（２）の間に挟まれる。平面ＩＴＯ電極は１つの基板の底（平）面上に被覆される一方、第２電極は湾曲領域（３１）の上に作製される。そのような構造は作製することが難しく、かつ零電圧レンズ特性（我々が「零電圧時の作動」と呼ぶもの）を有し、それは予期しない電圧障害が発生した場合に問題を引き起こすかもしれない。
【非特許文献９】「Liquid Crystal Lens with Spherical Electrode」、B.Wang、M.Ye、M.Honma、T.Nose、S.Sato、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)、pp.L1232‐L1233、Part 2、No.11A、1 November
【００１０】
この零電圧レンズ効果は、湾曲したＩＴＯ被覆面上に配置されかつ平坦な上面を有する追加ポリマ層を用いることによって除去することができる［H.Ren、Y.H.Fan、S.Gauza、S.T.Wu、「Tunable‐focus flat liquid crystal spherical lens」、Applied Phys.Lett.、V.84、No.23、pp.4789‐4791、(2004)］。この方法は、実際、零電圧レンズ効果を永久に「隠蔽」する（「零電圧時の無作動」をもたらす）ことを可能にするが、その作製は複雑かつ高コストのままである。
【非特許文献１０】H.Ren、Y.H.Fan、S.Gauza、S.T.Wu、「Tunable‐focus flat liquid crystal spherical lens」、Applied Phys.Lett.、V.84、No.23、pp.4789‐4791、(2004)
【００１１】
回折チューナブルレンズ（tunable lens）の作製のために、同様の解決策が参考文献［米国特許第6,859,333号:H.Ren、Y.‐H Fan、S.‐T.Wu、「Adaptive liquid crystal lenses」、２００５年２月、出願２００４年１月）］に記載されている。これは、少なくとも２つの平面基板および少なくとも１つの均質なネマチック液晶（ＮＬＣ）層から構成される、適応光学レンズデバイスである。１つの平面基板は球状または円環状フレネル溝透明電極を内部に有し、他の基板は、内面を被覆された透明電極を有する。ＮＬＣ層の厚さは均一である。ＬＣ層に電圧が印加されると、ＬＣ層内の屈折率の中心対称な傾斜分布が生じる。したがって、ＬＣ層は光を集束させる。印加される電圧を制御することにより、レンズの焦点距離は連続的にチューニング可能である。
【特許文献３】米国特許第6,859,333号
【００１２】
ＬＣセルの平坦な内面は作製がより容易であるが、「外側」表面の複雑な湾曲した形状およびこれらの表面上の電極の堆積は、そのようなレンズの作製を困難にする。
【００１３】
複数の複雑な電極の使用を回避するために、様々な幾何学的解決策が提案されてきた。それらの１つは、２次元の幾何学的形状の電極の使用に基づく。例えば、孔パターン電極（hole patterned electrode）は参考文献［M.Ye、S.Sato、Jpn.J.Appl.Phys.、V.41、(2002)、L571;米国特許第6,768,536号:D.Okuwaki、S.Sato、「Liquid crystal microlens」、２００４年７月、出願２００２年１１月）］、および参考文献［B.Wang、M.Ye、S.Sato、「Liquid‐crystal lens with stacked structure of liquid‐crystal layers」、Optics Communications、250(2005)、pp.266‐273］で使用されている。この方法の基本的概念を図２ａ（先行技術）に示す。これはＬＣ（１）が２つの基板（２）の間に挟まれたむしろ標準的なセルであり、基板の１つ（底側の基板）はＩＴＯ（４）で被覆される。しかし、上部電極（４１）に孔（５）がある。（４）と（４１）との間の電圧を印加すると中心対称な電界（４２）が発生し、それはＬＣダイレクタｎを空間的に不均一に（中心対称に）再配向させる。これは次に、空間ｘに対応する形状を有するｎeff（Ｖ，ｘ）を発生させる。この構造の主な欠点は、ＬＣ層における電界の希望する空間プロファイルを得、かつレンズの良好な光学品質を維持する（特に光学収差を回避する）ことができるために、非常に厚いＬＣ層（大きいｄ）を使用する必要があることである。
【非特許文献１１】M.Ye、S.Sato、Jpn.J.Appl.Phys.、V.41、(2002)、L571
【非特許文献１２】B.Wang、M.Ye、S.Sato、「Liquid‐crystal lens with stacked structure of liquid‐crystal layers」、Optics Communications、250(2005)、pp.266‐273
【特許文献４】米国特許第6,768,536号
【００１４】
この方法の改善版（［B.Wang、M.Ye、S.Sato、「Liquid‐crystal lens with stacked structure of liquid‐crystal layers」、Optics Communications、250(2005)、pp.266‐273］、図２ｂ（先行技術）を参照されたい）は複数の透明な基板（２）と、上部基板（４０）の底面および下部基板（４）の上面に設けられた１対の均一な透明電極とを含む。これらの電極（４）の間に、円形の孔（５）を持つ中間電極（４１）が導入される。受入れ可能なレンズ状屈折率勾配（低収差のため）およびディスクリネーションの無いＬＣ再配向を得るために、孔パターン電極（４１）と均一な電極４との間の距離は、５００〜１３００μｍ（直径が４〜５ｍｍのレンズの場合）より大きくしなければならず、それは高電圧の必要性につながる。最初に高い固定補助Ｖｏ（およそ１５０Ｖ）および次いで制御電圧Ｖｃ（およそ１７５Ｖ）が（電極４と電極４１および４０それぞれとの間に）同時に印加されたときに、ＬＣはレンズ状構造を生成する。次いで、特定の最適遅延Ｔ後に、制御電圧Ｖｃは所望の値まで低下される）。要求される高電圧および複雑な動力学はこの方法の実用化をかなり困難にしている。同じ方法に基づく複雑な複数セル解決策は、製造コストおよび駆動の複雑さを増大している。
【非特許文献１３】B.Wang、M.Ye、S.Sato、「Liquid‐crystal lens with stacked structure of liquid‐crystal layers」、Optics Communications、250(2005)、pp.266‐273］
【００１５】
いわゆる「モード制御」液晶レンズは、文献［A.F.Naumov、M.Yu.Loktev、I.R.Guralnik、G.Vdovin、「Liquid‐crystal adaptive lenses with modal control」、Opt.Lett.23、992‐994、1998;G.D.Love、A.F.Naumov、「Modal liquid crystal lenses」、Liq.Cryst.Today、10(1)、pp1‐4、2000;M.Yu.Loktev、V.N.Belopukhov、F.L.Vladimirov、G.V Vdovin、G.D.Love、A.F.Naumov、「Wave front control systems based on modal liquid crystal lenses」、Review of Scientific Instruments、V.71、No.9、pp.3290‐3297、(2000)］に掲載されている。前述の孔パターン電極とは対照的に、ここでは高抵抗環状電極（４０）が使用される（図２ｃ、先行技術）。底部基板の均一な電極（４）と上部基板の環状電極（４０）との間に電圧が印加される。高抵抗電極（４０）およびＬＣ層（１）によって形成される複合インピーダンスのおかげで、セル全体のｒｍｓ電圧（ならびに対応する制御電界（４２）および（４３））の分布は中心対称であるが、不均一である（中心は電極４０の中心と一致する）。電界（４２）および（４３）はベッセル関数によって表され、電圧‐光学遅延特性依存性はほぼ逆対数関数である。この方法の問題は、高抵抗電極（４０）による強い光吸収、光学収差（任意の大きさおよび位相の電圧がセルに印加されると、結果的に生じる位相分布が放物線からほど遠くなるため）、および電気的制御（電圧および周波数）の複雑さである。
【非特許文献１４】A.F.Naumov、M.Yu.Loktev、I.R.Guralnik、G.Vdovin、「Liquid‐crystal adaptive lenses with modal control」、Opt.Lett.23、992‐994、1998
【非特許文献１５】G.D.Love、A.F.Naumov、「Modal liquid crystal lenses」、Liq.Cryst.Today、10(1)、pp1‐4、2000
【非特許文献１６】M.Yu.Loktev、V.N.Belopukhov、F.L.Vladimirov、G.V Vdovin、G.D.Love、A.F.Naumov、「Wave front control systems based on modal liquid crystal lenses」、Review of Scientific Instruments、V.71、No.9、pp.3290‐3297、(2000)
【００１６】
前述の全ての例（そこでは、湾曲もしくは孔パターン電極の幾何学的形状を使用することによって、またはインピーダンス誘起傾斜を介して、不均一な電界が得られる）とは対照的に、低周波数（例えば１ｋＨｚ）の電界における材料の誘電率εDC（ここでは駆動電界を表わすために「ＤＣ」と呼ぶ）の傾斜を使用する、洗練された解決策が提案された。すなわち、駆動電界の所望の傾斜を発生させるために、２つの制御電極（４）の間に中間層（３）が挿入される［B.Wang、M.Ye、S.Sato、「Lens of electrically controllable focal length made by a glass lens and liquid crystal layers」、Applied Optics、V.43、No.17、pp.3420‐3425、2004］図３（先行技術））。実際、中間層（３）はガラス（ε(g)DCを持つ）で構成され、空間的に不均一な厚さを有する。中間空間の残りの部分（７）にはε(a)DC≒１の空気が充填される。（電極４を通して）低周波電圧を印加すると、中間媒体の誘電率の不均一性（ε(g)DC＞ε(a)DC）のため、ＬＣセルの内部に空間的に不均一な電界が発生する。かくして、セルの中心部の電界４３は境界付近の電界４２とは異なる（より弱い）。図３（先行技術）の特定の事例では、効果を増強するために２つのＬＣセルが使用される。この方法の利点は、適切な形状の中間材料（例えばレンズ）を使用することによって、所望の空間形状（傾斜）が得られることである。
【非特許文献１７】B.Wang、M.Ye、S.Sato、「Lens of electrically controllable focal length made by a glass lens and liquid crystal layers」、Applied Optics、V.43、No.17、pp.3420‐3425、2004
【００１７】
しかし、３つの主要な問題は、この方法でも依然として解決されないままである。それらの１つは、内在する零電圧レンズ効果（「零電圧時の作動」）である。第２の問題は、（光周波数では、屈折率がガラス（ｎｇ≒１．５）および空気（ｎａ≒１）で全く異なるので）、複数のガラス‐空気表面でのフレネル反射によるこの形状の高い光学的損失を回避するために、複数の反射防止コーティングを持つ必要性に関係する。最後に、電界（およびしたがってｎeff（Ｖ，ｘ））の達成可能なコントラストは、ε(g)DC（ガラスの種類によって３．８から１４．５まで変動することができる）とε(a)DC≒１（実際には、高ｎ材料のレンズを使用することができるが、それは著しいフレネル損失を発生する）と間の達成可能な最大コントラストのため、厳しく制限される。
【００１８】
したがって、低損失、効率的、かつ電気的にチューニング可能な集束光学デバイスは依然として非常に望ましい。
【発明の開示】
【００１９】
したがって、本発明の目的は、均一な電極および平面（標準）ＬＣセルを使用して空間的に不均一な電界を形成するための方法および装置、ならびに液晶（ＬＣ）を用いて屈折および回折光学要素の集束特性の電気光学的チューニングを発生させるためのその使用を提供することであり、デバイスは低損失を有し、かつ構成および／または製造が簡単である。一部の実施形態では、効率的な制御を有し、かつ「零電圧の無作動」を可能にする、そのようなデバイスを作製するための方法および装置を提供する。
【００２０】
本発明の第１態様では、一見して非論理的に見えるアーキテクチャを提案する。我々の提案の非自明性を示すために、単なる実施例として前述の幾何学的形状を使用する（図４）。
【００２１】
（ＬＣセルと中間ガラス３との間の）残部空間に特定の材料（７１）を充填することを提案する（かつ我々の提案を実験で実現する（後述参照））。そのような材料の例として、低周波誘電率ε(s)DCおよび高（光学）周波屈折率ｎSを持つ水性溶液がある。特定の双極性分子特性のため、水は大きいε(s)DC（およそ７８）を有する一方で、かなり低いｎS（およそ１．３３）を有することが当業界で周知である。かくして、ｎ(3)＝ｎSを有する中間材料（３）を使用することによって、「零電圧時の無作動」特性を提供することもできる。そのような材料の例として、適切な形状および大きさの（一般的に非常に低ｎPを有する）フッ素化ポリマが挙げられる（後述参照）。かくして、光周波数で、「零電圧時の無作動」をもたらす平面均一性が得られる。加えて、追加的なフレネル反射および光学的損失は生じない。他方、（制御に使用される）低周波電界では、誘電率の極めて大きいコントラストが存在する
【００２２】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面に関連して掲げる、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【００２３】
本発明は、均一な電極によって空間的に不均一な電界を発生する方法、および光の伝搬を制御するためにこの方法を使用するデバイスを提供する。本発明のデバイスは、チューニング可能な集束、回折、ステアリング等に使用することができる。
【００２４】
簡潔を期すために、以下の説明は単純な屈折および回折構造に重点を置くが、他の型の構造、および要素のより複雑な組合せも同等に使用することができる。同様に、静的または電気光学的材料を使用する実施形態を説明するが、同じ目標を達成するために、代わりに他の材料を使用することができることを理解されたい。目標とは、低損失高効率の動作であり、一部の実施形態では「零電圧時の無作動」特性である。
【００２５】
図１ａを参照すると、ＬＣ（１）が透明電極（４）を持つ２つのガラス基板（２）の間に挟まれて成る、先行技術のレンズが示されている。不均一なプロファイルの要素（３）は、デバイスの屈折率の空間的に均一な変調を得るために、ＬＣ層内に浸漬される。そのようなチューナブルレンズを作成しかつ制御することは非常に難しいと思われる。
【００２６】
図１ｂを参照すると、ＬＣ（１）が透明電極（４）を持つ２つのガラス基板（２）の間に挟まれて成る、先行技術のレンズが示されている。ここでは、前の事例とは対照的に、均一なＬＣ層が使用される。しかし、上部基板の上に不均一なプロファイルの要素（３１）が使用され、それは湾曲表面（３１）上に堆積された透明電極（４）によって被覆される。これは、デバイスの屈折率の空間的に均一な変調を得ることを可能にする。しかし、そのようなチューナブルレンズを作成しかつ制御することは非常に難しいと思われ、加えて、そのような装置は「零電圧時の作動」が不可避である。
【００２７】
図２ａを参照すると、均一なＬＣ層（１）が距離ｄだけ離れた２つのガラス基板（２）の間に挟まれて成る、先行技術のレンズが示されている。デバイスを駆動するために、２つの透明電極が使用される。底部電極（４）は均一であるが、頂部電極（４１）は直径（５）の真ん中に孔を有する。均一な電極と不均一な電極との組合せは、セルの境界（４２）と中心部（４３）とで異なる、空間的に不均一な電界を発生させる。これにより、対応する空間的に不均一なダイレクタ再配向および光の集束が発生する。しかし、強い収差を回避するために、非常に厚いＬＣ層を使用しなければならず、それは駆動電圧およびスイッチング時間（数十秒）を著しく増大させる。
【００２８】
図２ｂを参照すると、厚いＬＣ層の使用を回避するように前の方法（図２ａ）を改変した、先行技術のレンズが示されている。孔パターン電極（４１）の上に追加の均一な電極（４０）が使用される。これらの電極は、追加中間ガラス層（２）によって相互に分離される。また、厚さ（６）の追加ガラス層が、孔パターン電極（４１）と、ＬＣ層にて要求される電界形状を提供するＬＣ層（１）との間に導入される。しかし、強いディスクリネーションを回避するために、非常に複雑な動的励起が使用される（最初に電極（４）と（４１）との間に電圧が印加され、次いで電極（４）と（４０）との間に別の電圧が加えられる。これにより制御回路が非常に複雑になり、かつ非常に高い電圧（１５０〜１７０Ｖ）が必要になる。
【００２９】
図２ｃを参照すると、ＬＣ（１）が透明電極（４）および（４０）を持つ２つのガラス基板（２）の間に挟まれて成る、先行技術レンズが示されている。この方法の特殊性は、（前の事例で使用された孔パターン電極とは対照的に）直径（５）の頂部電極（４０）の円形の形状である。また、電極（４０）の高抵抗材料およびパラメータは、（ＬＣ層（１）と組み合わせて）ＬＣ（１）の層内の電界を強力に減衰させ、かつ周辺（４２）および中心（４３）の電界の間に強力な差異を導入させる、強力な電気インピーダンスがもたらされるように選択される。これは空間的に不均一なＬＣ再配向、および光の収束を発生させる。そのようなデバイスの制御（周波数および振幅）は非常に難しく、かつ頂部の高抵抗電極のため、光学的損失は非常に高い。
【００３０】
図３を参照すると、均一なＬＣ層（１）ならびに頂部および底部基板（２）上に堆積された均一な電極（４）を使用した、チューナブルレンズが提示される、先行技術のレンズが示されている。中間のレンズ状構造（３）および空気を含む自由空間（７）があり、それは中間基板（２）によってＬＣ層（１）から分離されている。均一な電極（４）間に電圧を印加すると、デバイスの周辺（４２）および中心部（４３）で異なる電界が発生し、かくして不均一なダイレクタ再配向および光集束が発生する。
【００３１】
この方法には幾つかの欠点がある。最初に、印加電圧の予期しない障害が発生した場合のレンズ効果（「零電圧時の作動」）がある。これは、ＬＣ層（１）に不均一な電界を発生するために必要とされる、ガラスレンズ（３）と空気（７）との間の不可避のコントラストに関係している。
【００３２】
この方法の第２の欠点は、フレネル反射損失である。このため、層（３）の頂面および中間基板（２）の低面に反射防止コーティングを使用することが必要になるが、それは生産コストを増大させる。
【００３３】
この方法の第３の欠点は、電界の限定された空間変調である。これは、ガラス／空気誘電率比がかなり限定されているためである（一般的にε(g)DC／ε(a)DC＜８）。かくして、電界の強力な空間変調を得るために、ガラス（３）のプロファイルを強く湾曲させなければならず、それは第１の問題をさらにいっそう悪化させる。
【００３４】
一部の実施形態では、上記の３つの欠点の無いデバイスを得ることを可能にする材料の組合せを提案する。成功するために、我々は、電界ｖの周波数に対する材料の誘電率εの依存性という基本的特性を使用する。
【００３５】
最初に、前の先行技術のレンズの動作、およびこの方法の欠点の原因について解析しよう。そこで不均一な電界が得られるのは、低周波電界（ｖ≒０．５〜１００ｋＨｚ、添え字「ＤＣ」で表わされる）におけるガラスおよび空気の誘電率の差異のおかげである（ε(g)DC）≠ε(a)DC）。前の方法の第３の欠点は、実際には（低駆動周波数時の）比較的低い比ε(g)DC／ε(a)DCである。同時に、前の方法の第１および第２の欠点は、高い（光）周波数におけるガラスおよび空気の電気感受率（単純にε(g)opt）およびε(a)optと表わされる）が異なるという事実に由来する。
【００３６】
しかし、依存性ε（ｖ）は、材料の特徴（誘電体、半導体、金属）およびその幾何学的形状によって異なる形を取ることがある。かくして、我々は、上述した３つの欠点を全部解消する材料（３）および（７）の組合せを見つけることを提案する。
【００３７】
かくして、本発明の第１実施形態では、図４Ａに示すように、光学的に均一であるが、ＬＣ配向を駆動するために使用される低周波電界に対しては非常に不均一である、隠蔽構造を提案する（かつ、実験で我々の提案を実現する（後述参照））。実際、材料３および７１は特に、種々の電位の２つの均一な電極４間（図４Ａ）に挿入されたときに強力な集束が可能になるが、電圧無しでは集束特性を持たないように選択される。図４Ａの隠蔽構造を使用する効果は、残部空気空間（図４ＡのＬＣセルと中間ガラス（３）との間）に特定の材料（７１）を充填することである。そのような材料の例として、特定低周波数誘電率ε(s)DCおよび高（光）周波数誘電率ε(s)optを持つ水性溶液が挙げられる（この材料の光屈折率ｎSはｎS＝［ε(s)opt］0.5と定義されることを思い出そう）。非常に独特の双極性分子特性のため、水は非常に大きいε(s)DC（およそ７８）を有する一方、非常に低いｎS（およそ１．３）を有する。
【００３８】
かくして、（ε(s)DC≒７８およびｎS≒１．３の）水性溶液と非常に低い光屈折率ｎ(3)およびε(3)ＤＣを有する中間材料（３）との組合せを（要素（７１）として）使用することによって、我々は３つの問題を全部解決することができる。そのような材料の例として、フッ素化ポリマ（一般的に非常に低い値のｎpol≒１．３およびε(3)DC≒３を有する）が挙げられる。かくして、構造（３）は光波（ｎpol≒ｎS）に対して「隠蔽」されるので、光周波数で平面均一性および零電圧時の無レンズ効果がもたらされる。加えて、追加的なフレネル反射および光学的損失は生じない（ｎpol≒ｎS）。一方、（前の事例のε(g)DC−ε(e)DC≒７５とは対照的に）低周波電界では誘電率の極めて大きいコントラスト（ε(s)DC−ε(pol)DC≒７５）が生じる。このコントラストは、必要なときにだけ光波を集束させるために必要な、空間的に不均一な電界およびＬＣダイレクタの再配向の発生を容易にする。
【００３９】
水は高い低周波誘電率を生じる液体の１例にすぎないことは、理解されるであろう。極性液体およびゲルは一般的に高い誘電値を有する。グリセロールは、可視スペクトルで透明であり、かつ広い温度範囲にわたって液体であり続ける一方、望ましい屈折率値を有するので、望ましいことが明らかになった。
【００４０】
一部の実施形態では、零電圧時のレンズ効果は望ましく、かつｎpol≠ｎSである。例えば、結像光学系の一部である固定レンズは、（３）および（７１）の組合せによって提供することができる。そのような場合、構造（３）を中間ガラス層（２）に組み込むことも可能であるかもしれない。
【００４１】
一部の実施形態では、電界変調層（３、７１）の設計によって、電界の強度および向きを適切に変調させることができる。図４Ｂは、複雑な非球形の隠蔽層を示す。図４Ｃでは、可変焦点液晶レンズは、７１の低い誘電率および３の高い誘電率のため、電界線をレンズの中心方向に向ける、コアレンズ構造および周囲の液体を持つ電界変調層を有する。一方、図４Ｄでは、可変焦点液晶レンズは、７１の低い誘電率および３の高い誘電率のため、電界線をレンズの中心から遠ざかる方向に向ける、コアレンズ構造および周囲の液体を持つ電界変調層を有する。７１の誘電率が３の誘電率よりずっと大きければ、図４Ｃの場合と全く同様に、図４Ｄの実施形態における誘電体の全体的なプロファイルが改善されることは理解されるであろう。
【００４２】
図５を参照すると、上記方法に従って、水を材料（７１）として使用し、かつフッ素化ポリマまたは他の種類の材料とすることのできるポリマであって、液体の屈折率と適合すると共に低周波誘電率の強力な差異を有するポリマを要素（３）として使用して、作製されたそのようなチューナブルレンズの具体的な実施例が示されている。
【００４３】
図５の平面構造は、多くの理由から有利である。液晶を含みかつ液晶層を形成する平坦な透明板は、当業界で公知の通り、液晶を受容するように作製するのが簡単である。液晶は電界に応答し、電極間の距離が小さいほど電界は大きいので、平坦な形状は構造を小型に維持するのに有用である。一部の実施形態では、透明板の１つを、隣接する電界変調層の構成要素と一体化することができる。
【００４４】
「隠蔽構造」、すなわち光学デバイスの像形成部分内で基本的に空間的に均一な光屈折率を提供する電界変調層（３、７１）を有することは、多くの場合に望ましいが、電界変調層が光の伝搬を、例えばレンズシステムの集束力をある程度静的に制御することも有利であり得る。これらの場合、一緒に電界変調層を形成する２つの材料の間に屈折率の差があるかもしれず、もしくは光学システムに組み込まれる光学特性または効果を有する単一の材料があるかもしれない。
【００４５】
極性液体またはゲルである単一材料の場合、液体またはゲルは光学エンベロープ内に包封される。例えばグリセロールのブリスタは、所望の形状の電界を提供することができ、画像の形成に対するその光学的な効果はレンズシステム全体に補償／統合することができ、すなわち他のレンズ構成要素がブリスタの光学的結像効果を補完して、像平面に正しい像を提供することができる。
【００４６】
また、電界を変調するために利用することのできる他の型の固体材料も存在する。灰チタン石（チタン酸バリウムストロンチウム）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3もしくはＣａＣｕ3Ｔｉ4Ｏ12もしくは（Ｌｉ，Ｔｉ）ドープトＮｉＯに基づく材料、またはＣａ1-xＬａxＭｎ3（ｘ＜＝０．０３）またはポリマ−セラミックナノ複合材料の薄膜等のような、１０3から１０6の低周波誘電率値を有する種々の高誘電率のセラミック材が公知である。そのような材料は、固体物体として単独で、または所望の高誘電率材料を達成するために、透明なプラスチック、ゲル、または液体への添加剤として使用することができる。単独で使用する場合、電界の有意の変調を達成するために必要な厚さは最小限であり、したがって集束（または収差）効果は最小限または無視できるほど小さくすることができる。
【００４７】
図６Ａは、上述のレンズを使用することによって得られた実験データを示す。チューナブルレンズは、垂直および水平方向にそれぞれ向けられた交差した偏光子とアナライザとの間に、（ダイレクタが４５度に向けられた状態で）配置される。均一な電圧を印加すると、ＬＣ層に空間的に不均一な電界が形成され、かくして対応するダイレクタ再配向が発生する。この再配向は、（図６Ａに「水無し」の破線曲線として表わされた）レンズの中心部の再配向、および次いで（図６Ａで「水有り」実線として表わされた）周辺部の再配向を試験する、（小径の）プローブビームによって検出される。見て分かる通り、ＬＣの再配向は空間的に非常に不均一である。
【００４８】
図６Ｂは、液晶の配向に対する電界の変動の効果、および可変焦点レンズの場合の光パワーに対して結果的に生じる効果を示す。見て分かる通り、電圧が零から上昇するにつれて、電界はレンズの像形成部分で、空間的に多様な向きの変化を生じる。しかし、特定の電圧時に、レンズの中心部分で液晶の配向の完全な変化が達成され、電圧がさらに上昇しても飽和を生じるだけとなり、電圧が上昇し続けると、像形成部分全体が向きの完全な変化を達成し、したがって屈折率の値が同一になるので、レンズは最終的に失われる。電圧の関数としてプロットされた光パワーを、図６Ｃにグラフで示す。
【００４９】
得られたＬＣ再配向の円対称特性を図７に示す。ここに、印加電圧に対する円環構造の依存関係が提示される。各円環は、ＬＣ層内を伝搬する定常波「ｏ」と異常波「ｅ」との間の２π差動位相偏移に対応する。かくして、電圧による円環の展開は、ＬＣ層の異常屈折率ｎeの実効空間湾曲の展開を示す
【００５０】
図８は、像平面の電気的にチューニング可能なずれを示す。光学システムは平行白色光、固定レンズ、および図５のチューナブルレンズから構成される。
【００５１】
本発明の別の実施形態で、図９を参照すると、本発明で提案した基本原理を使用したチューナブル回折構造が概略的に示されており、それは、特定の形状を持つ１つの材料（３）および第１の材料を包囲するもう１つの材料（７１）の２つの材料システムの組合せから構成される。本例の場合、要素３は空間周期的な形状を有する。それは平面周期的または円周期的な形状とすることができ、例えばスイッチング可能なフレネルレンズ動作がもたらす。均一な電圧を均一な電極（４）の対に印加すると、ＬＣ層（１）に周期的に変調する電界が発生する。これは周期的に変調するダイレクタ再配向および回折構造の形成を生じる。
【００５２】
本発明の１実施形態では、回折構造は、対称な正弦曲線状、方形、または三角形の断面のみならず、非対称な回折パターンを提供するために非対称な（例えば「ブレーズド」格子のような傾斜した非対称な）断面を持つこともできる。
【００５３】
本発明の別の実施形態で、図１０を参照すると、中間構造（３）は、線形的または非線形的に変化する厚さ（例えばくさび）のような、空間的に不均一な非対称であるが非周期的な形状を持つことができる。この場合、均一な電圧を電極（４）に印加すると、（構造（３）の形状によって影響される）空間的に不均一な電界が発生し、それは対応する空間内の屈折率の変化を生じる。これにより、電気的に可変の光伝搬がもたらされる。くさび形構造の場合、電圧を印加すると、ＬＣ層（１）の空間的に変化する屈折率変調が生じ、それによりチューニング可能なくさびおよび対応するチューナブルビーム偏向（ステアリング）を得ることが可能になる。このようにして、ビーム（８）は印加電圧に応じてビーム（８１）内に偏向する。
【００５４】
本発明のさらに別の実施形態で、図１１を参照すると、２つの要素（３）＋（７１）の組合せと同じ原理を使用して、偏光独立デバイスを得ることもできる。かくして、第１のＬＣ層（１）に加えて、別のＬＣ層（１１）を使用し、これらの層のダイレクタが交差する（例えば層（１）のダイレクタが図の面内に存在する一方、層（１１）のダイレクタが該面に垂直である）ように構成することができる。組み合わされた構造は、これらの２つの層（１）および（１１）の間に挿入される。製造中に、それは、各々１つの電極、例えば上部セルの頂部基板の底面に堆積された１つだけの電極（４）、および下部セルの底部基板の頂面に堆積された別の電極（４１）しか持たない、２つのＬＣセルの間に単純に挟みこむことができる。構造（３）の形状（概略的に（５１）で提示される）は、空間的に不均一、対称、周期的などの形状とすることができる。このようにして、電極（４）および（４１）の間に電圧を印加すると、上部および下部ＬＣセルの両方に、（形状（５１）によって影響される）空間的に不均一な電界が発生する。これは次に、ダイレクタ再配向および対応する両交差方向の屈折率変化を生じ、かくして両方の光学偏光に影響を及ぼす。
【００５５】
上述の全ての場合に、要素（３）および（７１）の材料組成は、高（光）周波数の波に対して空間的に均一な組合せ構造（３）＋（７１）が得られるように選択することができる。かくして構造（３）は、この場合、「隠蔽」される。明らかに、デバイスの残部（ガラス基板（２）、ＬＣ層（１）、および電極（４））も、横方向に均一となるように選択することができる。この場合、デバイス全体が、光の偏向または集束無く、空間的に（横方向に、かつ必要な場合には縦方向にも）均一なデバイスとして作動する（「零電圧時の無作動」）。
【００５６】
同時に、一部の特定の用途では、材料の組合せおよび形状の選択は、零電圧の場合に特定の光学機能（レンズ効果、回折、偏向等）が得られるように行なうことができ（「零電圧時の作動」）、次いで電圧を印加することによってそれを変化させることができる。
【００５７】
図１２は、ビームステアリングおよび可変焦点の両方を実行するレンズシステムの主要な要素を概略的に示す。レンズ１０は可変焦点レンズであり、レンズ１２は屈折可変ステアリング光学デバイスであり、レンズ１４は、１回に固定角度ずつステアリングを変化させる回折ステアリングデバイスである（それはアクティブまたは非アクティブである）。フルパン、チルト、およびズーム（ＰＴＺ）カメラレンズシステムは、希望する様々な方向およびレンジが得られるように、そのようなチューナブル光学デバイスを組み合わせることによって達成することができることは理解されるであろう。回折デバイスは、光パワーまたはステアリング角度の有意の変化を提供することができる一方、屈折デバイスは可変的にチューニング可能である。ＬＣ層間の透明板および／または電極を共用することによって、レンズシステム全体の厚さを低減することができる。
【００５８】
図１３は、携帯またはセルラ電話機の小型カメラおよびレンズ組立体１５の分解図を示す。チューナブルＬＣレンズ１０は固定レンズ光学システム組立体に組み込まれる。図１４は携帯電話機内の組立体１５を示す。
【００５９】
提示したデバイスの電気的制御機構についてのみ詳細に説明した。しかし、デバイスを駆動し、またはその特性を変化させるために、同じ原理を他の励起機構（磁気、熱等）にも使用することができる。例えば、本発明のさらに別の実施形態では、（セル電極または追加手段によって発生する）熱を使用して、組合せ構造（３）＋（７１）の材料特性を変化させ、零電圧時にそれを「隠蔽」または「顕現」させることができる。例えば、２つの材料（３）および（７１）の屈折率温度変化係数ｄｎ／ｄＴは、所与の温度Ｔ0でそれらの屈折率がｎ3＝ｎ71となるように選択されるが、条件ｄｎ3／ｄＴ＝ｄｎ71／ｄＴが満たされない限り、他の温度に対してはそれが当てはまらない。かくして、材料を適切に選択することにより、単に加熱するだけで隠蔽条件を制御することができる。これにより、追加的レンズ効果の形成、および例えばレンズ全体の収差の制御が可能になる。
【００６０】
光波に対する「隠蔽」状態を提供し、かつ低周波電界に対して非常に強い誘電率コントラストを提供することのできる、要素（３）および（７１）の組合せを主要な要素として有し、本発明で請求する同じデバイスを作製するために、種々の材料組成、種々のＬＣ層、種々の電極、種々のダイレクタアラインメント、種々の形状等を使用することができることを読者は理解されるであろう。
【００６１】
また、上述したデバイスの１つまたはそれ以上の組合せを使用して、種々の光学デバイスを開発することができることも、読者は理解されるであろう。
【００６２】
上述した本発明の実施形態は、単なる例証として意図されたものである。したがって本発明の範囲は、付属の特許請求の範囲のみによって限定される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１ａ】図１ａは、不均一なＬＣ層を使用する先行技術のチューナブルレンズの主要な要素を概略的に示す図である。
【図１ｂ】図１ｂは、零電圧レンズ効果を持つ不均一な外部基板を設けた、均一なＬＣ層を使用する先行技術のチューナブルレンズの主要な要素を概略的に示す図である。
【図２ａ】図２ａは、均一なＬＣ層および均一な基板を使用するが、不均一な孔パターンを持つ２つの制御電極を使用する、先行技術のチューナブルレンズの主要な要素を概略的に示す図である。
【図２ｂ】図２ｂは、均一なＬＣ層および均一な基板を使用するが、不均一な孔パターンを持つ３つの制御電極を使用する、先行技術のチューナブルレンズの主要な要素を概略的に示す図である。
【図２ｃ】図２ｃは、均一なＬＣ層および均一な基板を使用するが、不均一な孔パターンを持つ円形制御電極をも使用する、先行技術のチューナブルレンズの主要な要素を概略的に示す。
【図３】図３は、均一なＬＣ層および均一な電極を使用するが、（電極間に）不均一な中間物体を使用して低周波誘電率の傾斜を形成する、先行技術のチューナブルレンズの主要な要素を概略的に示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、空間的に不均一な電界の発生を可能にする隠蔽された構造（ａ）の主要な要素、および高効率の「零電圧時の無作動」および低損失動作を可能にする均一なＬＣ層および均一な電極を使用するチューナブルレンズ（ｂ）を概略的に示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、複雑な非球面形状の隠蔽層を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、レンズの中心に向かう方向の電界線の向きを導く、コアレンズ構造および周囲の液体を持つ電界変調層を有する可変焦点液晶レンズを示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、レンズの中心から遠ざかる方向の電界線の向きを導く、コアレンズ構造および周囲の液体を持つ電界変調層を有する可変焦点液晶レンズを示す図である。
【図５】図５は、図４に示したチューナブルレンズを実証するために作製された実験サンプルの主要な要素を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５のサンプルを使用して実験的に得られた分子再配向の空間的に不均一な遅延を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、光パワーの対応する変化を導く、電圧の関数としての液晶配向の変化を概略的に示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂの情報をグラフで表わした、電圧の関数としてのチューナブルレンズの光パワーのプロットを示すグラフである。
【図７】図７は、図５のサンプルを０Ｖ、１７．４Ｖ、および６７Ｖの３つの選択電圧で使用して、実験的に得られた空間的に不均一な位相遅延リングの顕微鏡写真である。
【図８】図８は、図５のサンプルを用いて実験的に得られた像平面のずれの写真である。
【図９】図９は、均一なＬＣ層および均一な電極を使用するが、回折中間物体をも使用するチューナブル回折レンズの主要な要素を概略的に示す図である。
【図１０】図１０は、均一なＬＣ層および均一な電極を使用するが、不均一な中間物体をも使用するチューナブルビームステアリングデバイスの主要な要素を概略的に示す図である。
【図１１】図１１は、２つの均一なＬＣ層と、均一な電極の間に配置された不均一な中間要素とを使用する、偏光不感受性チューナブルレンズの主要な要素を概略的に示す図である。
【図１２】図１２は、ビームステアリングおよび可変焦点の両方を実行するレンズシステムの主要な要素を概略的に示す図である。
【図１３】図１３は、回路基板上のカメラシステムのＣＣＤまたはＣＭＯＳ撮像チップの実装が、液晶レンズ、他の固定レンズ、および外部筐体と共に示される、本発明の１実施形態に係る可変焦点液晶レンズを組み込んだ携帯電話機の断面図である。
【図１４】図１４は、図１３に係るチューナブル液晶レンズを含む携帯電話機を示す図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
2009528558.tif 000025
2009528558.tif 000026