(57)【要約】【課題】消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与する光学特性可変光学素子と、該光学特性可変光学素子を含む光学系を備えた光学装置とを提供する。【解決手段】光学特性可変光学素子は、規則正しく配列した格子の間に屈折率可変物質を配置して成る材料で作られている。【選択図】図１
2006072266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列した仕切り、あるいは規則正しく配列した格子の間に屈折率可変物質を配置して成る材料で作られた光学特性可変光学素子。
【請求項２】
電気によって駆動される請求項１に記載の光学特性可変光学素子。
【請求項３】
光または電磁波によって駆動される請求項１に記載の光学特性可変光学素子。
【請求項４】
表面を屈折率可変物質以外の材料で覆ったことを特徴とする請求項１に記載の光学特性可変光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変ミラー、可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、可変偏角プリズム等の光学特性可変光学素子、及びこれらの光学特性可変光学素子を含む光学系を備えた、例えば、デジタルカメラ、テレビカメラ、内視鏡、眼鏡、コンタクトレンズ、眼内レンズ、人工視覚、ビデオプロジェクター、望遠鏡、カメラのファインダー、携帯電話の撮像装置（携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ）、光情報処理装置、光インターコネクション装置等の各種光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレンズは、ガラスを研磨して製造されたり、プラスチックを成形して製造されたりしており、何れもレンズ自体で焦点距離を変化させることは出来ない。そのため、例えば、カメラのピント合わせ或いはズームや変倍のためには、レンズ群を構成してその内の一部あるいは全体を光軸方向へ移動させるようにしている。  また、近年、液晶とフォトニック結晶を用いた可変ホログラムの提案（例えば、特許文献１参照）、コステリック液晶を用いた可変焦点レンズの眼鏡、コンタクトレンズ及び眼内レンズへの応用やケーブルの無い可変焦点レンズの提案（例えば、特許文献２参照）、液晶とフォトニック結晶を組合せた光スイッチの提案（例えば、特許文献３参照）、電磁波によってエネルギーを供給する可変焦点眼鏡の提案（例えば、特許文献４参照）、液晶を用いた眼内レンズの提案（参考文献１）等が行なわれている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２０９０３７号公報
【特許文献２】欧州特許出願公開第６９３１８８号明細書
【特許文献３】米国特許第６０６４５０６号明細書
【特許文献４】特開２００２−２１４５４５号公報
【非特許文献１】「OPTICS EXPRESS P810-P817 7th Apr.2003 Vol.11 No. 7」（Gleb Vdovin et al.）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来の如くカメラのピント合わせ或いはズームや変倍のためにレンズ群の一部を光軸方向へ移動させる場合には、機械的構造が複雑になるばかりか、モーター等を用いるため消費電力が大きい、音がうるさい、応答時間が長くレンズの移動に時間がかかる、寸法が大きい等の欠点があった。
また、ブレ防止を行なう場合でも、レンズをモーター、ソレノイド等で機械的に移動させるため、消費電力が大きい、機械的構造が複雑でコストアップにつがる等の欠点があった。
また、特許文献１にはレンズについての記述はなく、特許文献２にはコレステリック液晶以外の他の液晶については言及がなく、特許文献３には可変焦点の光学素子については開示がなく、特許文献４には可変焦点眼鏡以外の眼科機械については何らの開示もなされていない。
また、参考文献１では、眼内レンズは開示されているものの、レンズの光量が半分以下になってしまう。
【０００５】
本発明は、上記の如き従来技術の問題点及び実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与する、可変ミラー、可変焦点レンズ、可変プリズム等の光学特性可変光学素子と、該光学特性可変光学素子を含む光学系を備えた光学装置とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明による光学特性可変光学素子は、配列した仕切り、あるいは規則正しく配列した格子の間に屈折率可変物質を配置して成る材料で作られていることを特徴としている。
また、本発明による光学特性可変光学素子は、電気または電磁波によって駆動されるように構成されている。
また、本発明による光学特性可変光学素子は、表面が屈折率可変物質以外の材料で覆われていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、明るく、小型の光学特性可変光学素子及びそれを用いた小型、軽量の光学装置、観察装置、撮像装置、可変焦点眼鏡、可変焦点コンタクトレンズ、眼内レンズ、人工視覚等を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図示した各種実施例に基づき説明する。
図１は本発明に係る光学特性可変光学素子の一実施例の基本構成を示している。この光学特性可変光学素子は、フォトニック結晶格子３０１の間に液晶分子３０２を含ませたものの表面をレンズ状に形成してなる、可変焦点レンズ３０３として構成されている。この可変焦点レンズ３０３の光軸OはZ軸に平行である。
二つの光学面３０４、３０５は曲面となっており、この光学面３０４、３０５に透明電極３０６、３０７が設けられている。光学面３０４,３０５は、例えば薄いプラスチック膜で形成されていて、液晶分子３０２が外部に漏れるのを防いでいる。透明電極３０６,３０７には、交流電源３０９から交流電圧が印加されるようになっており、図１は電圧が印加されていない状態を示している。
液晶分子３０２としては、例えば、正の誘電異方性を持つ一軸性のネマチック液晶を利用することができる。この液晶分子３０２の屈折率楕円体は、図２に示すような形状となり、
n0x＝n0Y＝n0                                          （１）
である。ただし、n0は常光線の屈折率を示し、n0x及びn0Yは常光線を含む面内での互いに直交する方向の屈折率を示す。図２のz軸の方向を液晶分子３０２のz軸と呼ぶことにする。
【０００９】
この可変焦点レンズ３０３は、スイッチ３０８がオフの状態では液晶分子３０２がフォトニック結晶格子３０１にそって配向するため、液晶分子３０２のz軸が図１のx-y平面に平行になっている。このため液晶分子３０２は入射光に対して屈折率の高い状態となり、可変焦点レンズ３０３は強い凸レンズとして機能する。
次に、スイッチ３０８をオンにすると、図３に示すように液晶分子３０２は、そのz軸を図３のz軸と平行になるように向ける。このため、液晶分子３０２は入射光に対して屈折率の低い状態となり、可変焦点レンズ３０３は凸レンズとしての作用が弱まる。
可変焦点レンズ３０３はこのように機能するので、可変抵抗器３１０の抵抗値を変化させれば、その焦点距離を連続的に変えることができる。
なお、３０９は交流電源、３１０' は固定抵抗であり、ここでは、入射光は図１のz軸にほぼ平行に入射すものとして説明した。
【００１０】
フォトニック結晶格子３０１は、本願では、「規則正しく配列した格子」とも呼ぶことにする。フォトニック結晶格子３０１のx, y, z方向の繰り返しの周期をそれぞれSx, Sy, Szとし、使用する光の波長をλとすると、可変焦点レンズ３０３が入射光を散乱させないためには、
２nm < Sx <λ                                        （２）
２nm < Sy <λ                                        （３）
２nm < Sz <λ                                        （４）
の少なくとも１つ以上を充たすことが望ましい。Sx, Sy, Szの値が上記式（２）〜（４）の上限を上回ると、可変焦点レンズ３０３による入射光の散乱が強くなり、フレアの多いレンズとなってしまう。逆に、下限を下回ると、格子の隙間に液晶分子３０２が入らなくなってしまう。液晶分子３０２の大きさは、約２nmであるからである。
【００１１】
また、上記式（２）〜（４）の代わりに
５nm < Sx <λ/３                                    （５）
５nm < Sy <λ/３                                    （６）
５nm < Sz <λ/３                                    （７）
の少なくとも１つ以上を満たすと、光の散乱が減るのでなお良い。また、上記式（５）〜（７）の下限は、液晶分子が格子に入り易くなるのでなお良い。
【００１２】
さらに、上記式（５）〜（７）の代わりに
５nm < Sx <λ/１０                                  （８）
５nm < Sy <λ/１０                                  （９）
５nm < Sz <λ/１０                                  （１０）
の少なくと１つ以上を満たすようにすれば、さらに光の散乱が減って良い。
【００１３】
Sx, Sy, Szの典型的な値は数１０nmから約１００nmであり、通常のフォトニック液晶に比べて半分から数分の１以下である。この点で、本願発明に係るフォトニック液晶は、これまで知られているフォトニック液晶とは異なる。
【００１４】
また、スイッチ３０８がオフのとき、液晶分子のz軸をx- y平面に平行に向けるために、
Ayz / Sx < 2Axy / Sz                                    （１１）
Axz / Sy < 2Axy / Sz                                    （１２）
の少なくとも一方を満たすことが望ましい。
但し、Axyはフォトニック結晶格子３０１のz軸方向の１周期をx-y平面へ投影したときの影の面積の和、Ayzはフォトニック結晶格子３０１のz軸方向の１周期をy-z平面へ投影したときの影の面積の和、Axzはフォトニック結晶格子３０１のz軸方向の１周期をx-z平面へ投影したときの影の面積の和である。
上記式（１１）または（１２）を満たさないと、液晶分子３０２のz軸は図１のz軸方向に対し傾斜するようになり、可変焦点レンズ３０３の焦点距離の変化量が小さくなってしまう。
【００１５】
なお、実用的には、可変焦点レンズ３０３の焦点距離の変化は多少小さくなっても利用できる用途はあるので、上記式（１１）,（１２）に代わり、
Ayz / Sx < 10Axy / Sz                                  （１３）
Axz / Sy < 10Axy / Sz                                  （１４）
の少なくとも一方を満たせば良い。
【００１６】
特に、可変焦点レンズ３０３の焦点距離の変化を大きくしたい場合には、
Ayz / Sx < Axy /３Sz                                  （１５）
Axz / Sy < Axy /３Sz                                  （１６）
の少なくとも一方を満たせば良い。
なお、フォトニック結晶格子３０１は規則正しく配列していなくても良く、ランダムな格子または仕切りであっても良い。その場合でも上記式（１）〜（１６）は適用できる。Sx、Sy、Sz、Axy、Axz、Ayzとしては、平均的な値を採用すれば良い。
【００１７】
なお、液晶分子３０２の代わりに他の屈折率可変物質を用いても可変焦点レンズは実現できる。屈折率可変物質としては、液晶の他にチタン酸バリウム,ニオブ酸リチウム, 水晶, KDP(リン酸二水素カリウム）, ADP(リン酸二水素アンモニウム）, BSO（Bi12SiO20）, LiTaO3 等の電気光学効果を有する物質が利用可能である。この他磁気光学効果を有する物質を利用しても良い。
【００１８】
また、電圧のオン,オフで可変焦点レンズ３０３を駆動するのではなく、駆動光を可変焦点レンズ３０３に照射することで駆動するようにすることもできる。そのような場合には、液晶分子３０２の代わりに光によって屈折率の変化する物質、例えば、フォトリフラクティブ効果を有する物質を用いれば良い。フォトリフラクティブ効果を有する物質としては、チタン酸バリウム, ニオブ酸リチウム, BSO, BTO,GaAs, InP, GaP , SBN, PLZT, 有機色素（エリトロシンB）を含有するPVA（ポリビニールアルコール）等がある。
【００１９】
ジアリールエテンのようなフォトクロミック分子、フォトクロミック材料も異なる波長の光の照射により屈折率が変化するので、光駆動型の可変焦点レンズや 可変焦点ミラーの材料として利用可能である。低分子ネマチック液晶もフォトリフラクティブ効果を持つので利用可能である。ケイ皮酸エルテルやクマリンのような光配向性の分子も利用可能である。なお、ジアリールエテン、あるいはある種の液晶は、異なる波長の光の照射により体積が変化するので、後述の図４７に示す可変焦点レンズ２１４のアゾベンゼン２１０の代わりに用いても良い。
【００２０】
光としては、可視光のほか、赤外光, 紫外光, 電波等、電磁波全般を用いても良い。光駆動の可変焦点レンズの例は、後述の実施例で説明する。
【００２１】
図４は、フォトニック結晶格子３０１の具体的構造の一例を示している。この例では、結晶格子は、平行な角材を等間隔に配置した層を交互に直交させ、且つ積み上げる位置をSx / 2 或いはSy / 2 ずらして積み上げた形状をしている。そして、角材の隙間には液晶分子３０２が入っている。
【００２２】
図５は、フォトニック結晶格子３０１の具体的構造の他の例を示している。この例では、角柱形状の孔が平行に並んで一つの層を作り、その層が交互に９０°の角度で交叉しつつ重なった構造となっている。孔の中には液晶分子３０２が入っている。
【００２３】
図４及び図５は、何れも電圧オフ時の液晶分子の配列方向を示しており、何れの場合も、液晶分子３０２は、各層の孔或いは角材の長手方向に沿って配向している。フォトニック結晶格子３０１は、このようにz軸方向から見たとき、液晶分子３０２を互いに交叉するように配列させる役目を持っている。もし、z軸方向から見たとき、互いに交叉せずに一方向に揃っているならば、入射光の偏光方向によって屈折率が異なるため、２重焦点レンズとなり、ボケた像しか得られない。
【００２４】
図４及び図５では、何れも、各層は交互に直交しているが、これに限らず各層を順にｘ°ずつｚ軸の周りに回転させて積み重ねるようにしても良い。即ち、
０ < x < ３６０                                        （１７）
である。
また、各層は螺旋状に積み重ねられても良い。図４及び図５に示した例では、ｘ＝９０である。
【００２５】
入射光に対して液晶分子３０２を含むフォトニック結晶格子３０１が、ほぼ等方媒質として振舞うためには、
２nm < Sz < ６００λ・ｘ・（２π/３６０）              （１８）
を満たすことが望ましい。Szの値が上記式（１８）の上限を上回ると、液晶分子３０２を含む結晶格子３０１は、旋光性を有したり、異方性が強くなって、レンズとして好ましくない。Szの値の下限は、液晶分子３０２の大きさを下回ることができないことから、決まっている。
【００２６】
Szの値が、
５nm < Sz < ２００λ・ｘ・（２π/３６０）              （１９）
なる条件を満たせばなお良い。
また、
５nm < Sz < ５０λ・ｘ・（２π/３６０）                （２０）
なる条件を満たせばさらに良い。
【００２７】
フォトニック結晶格子３０１の材料としては、ガラス, 石英（SiO2）等の無機物、合成樹脂, アクリル, スチレン等の有機物を用いることができる。ここで、結晶格子３０１の屈折率をnRとする。光の散乱を減らすためには、屈折率可変物質との屈折率差は小さい方が良い。屈折率可変物質の屈折率楕円体が、図２に示すようであるとする。nox, noy, nz のうち最大のものをnmax, 最小のものをnmin とすれば、
nmin ≦ nR ≦nmax                                    （２１）
を満たすと、光の散乱が減るので良い。実用的には、
nmin−０.３ ≦ nR ≦nmax＋０.８                       （２２）
でも許容できる場合があり、可変焦点レンズ３０３の用途によっては、
nmin−０.５ ≦ nR ≦nmax＋２                          （２３）
を満たせば良いこともある。高精度の用途では、
| nmin − nR | ≦ ０.２                               （２４）
または、
| nmax − nR | ≦ ０.２                               （２５）
の少なくとも一方を満たすと良い。
【００２８】
フォトニック結晶格子３０１と結晶分子３０２とを合わせたものは、一つの光学材料と考えることができる。この光学材料の体積のうちで液晶分子３０２の占める体積の割合をfv とした場合、
０.０１ ≦ fv  ≦ ０.９９９                            (２６）
を満たすと良い。fvの値は大きい程その光学材料の屈折率変化が大きいので良いが、上記式（２６）の上限を上回るとフォトニック結晶格子３０１の占める体積が小さくなりすぎ、格子を形成できなくなる。また、fvの値が上記式（２６）の下限を下回るとその光学材料の屈折率変化が小さくなり、可変焦点レンズとしての効果が出にくくなる。
０.１ ≦ fv  ≦ ０.９５                                (２７）
とすればなお良く、
０.３ ≦ fv  ≦ ０.８５                                (２８）
とすれば更に良い。
【００２９】
図６は、フォトニック結晶格子３０１と液晶分子３０２とからなる可変屈折率の光学材料３１１を用いた可変焦点ミラー３１２の例である。透明基板３１３と凹面鏡３１４との間に可変屈折率の光学材料３１１が設けられている。３１５は金属コートで作られた反射膜で、電圧オフの状態で強い凹面鏡となり、電圧オンの状態で弱い凹面鏡となるように作用する。上記式（１）〜（２８）は、図１及び図３に示した可変焦点レンズの例と同様に適用できる。
可変焦点レンズ, 可変焦点ミラー, 可変偏角プリズム等を総称して、光学特性可変光学素子と呼ぶことにする。
【００３０】
図７は、液晶分子３０２とフォトニック結晶格子３０１を用いた本発明による可変焦点レンズの他の例である。この可変焦点レンズ３１６は、２枚の透明基板からなるレンズ３２０と３２１との間に、フォトニック結晶格子３０１と液晶分子３０２が挟まれて構成されている。３１７は直流電源、３２２はシール部材である。
この例は、図１に示した例に比べてフォトニック結晶格子３０１と液晶分子３０２の両面が厚い透明基板からなるレンズ３２０と３２１で保護されているので、耐久性に富むというメリットがある。レンズ３２０,３２１の表面形状は、平面でも非球面でも自由曲面形状でも良い。
【００３１】
図８は、光駆動の可変焦点レンズ３２５を用いた本発明による可変焦点眼鏡の一例である。光駆動の可変焦点レンズ３２５は、図１に示した可変焦点レンズ３０３と同様にフォトニック結晶格子３０１と屈折率可変物質とを材料とするレンズであるが、光源３２７からの光によって駆動される。光源３２７は、波長λ1とλ2の２つの光が出るようになっており、波長λ1の光を照射すると材料の屈折率が上がり、波長λ2の光を照射すると材料の屈折率が下がるので、可変焦点レンズとして作用する。光源３２７は、紐３２８で首または肩や衣服に装着すると便利である。光源３２７としては、非可視光の半導体レーザ或いはＬＥＤ等を用いると観察の邪魔にならず便利である。波長λ1、λ2の値は、例えば１００nm以上、１００μm以下とすれば良い。
【００３２】
可変焦点眼鏡３２６には、光駆動の可変焦点レンズ３２５の代わりに図１に示した可変焦点レンズ３０３, 図３に示した可変焦点レンズ３１６等他の構造の可変焦点レンズも用いることができるのは勿論である。
また、図９に示すように光によって屈折率の変化する物質３９０で可変焦点レンズ３５２Ｂを作っても良い。この場合、フォトニック結晶格子３０１は必要としない。光によって屈折率の変化する物質３９０としては、ジアリールエテン, フォトリフラクティブ効果を有する物質, フォトクロミック材料等がある。光によって屈折率の変化する物質３９０が固体の場合、レンズ３２０, ３２１及び筒３９１は無くても良い。光源３２７としては、複数の波長或いは複数の波長域の光を用いると、光駆動の可変焦点レンズ３２５Ｂが駆動し易くて良い。
【００３３】
なお、フォトニック結晶格子３０１と液晶分子３０２の代りに、光によって屈折率の変化する物質３９０を用いて可変焦点ミラー３１２のような可変ミラーを、後述の図３５の高分子分散液晶層５１４の代りに光によって屈折率の変化する物質３９０を用いて５６１のような可変偏角プリズムを作ることもできる。また、光によって屈折率の変化する物質３９０を用いて光学面が自由曲面の形状をした後述の図１１の１００１のような可変偏向作用のプリズムを作ることもできる。すなわち光によって屈折率の変化する物質３９０で光学特性可変光学素子を作ることができるのである。
【００３４】
また、図１０或いは後述の図４７に示すように光駆動の可変焦点レンズ９００、可変焦点レンズ２１４等に光を送るのに光ファイバー３９９や透明なスペーサー２１１等の導光部材を用いても良い。このように光ファイバー３９９等の導光部材を用いれば、エネルギーのロスが少なく効率が良い。光源３２７としては、ＬＥＤや半導体レーザー等を用いれば、小型で消費電力も少なくて良い。光ファイバーによる駆動は、可変焦点ミラー, 可変偏角プリズム, 光偏向作用が可変の自由曲面プリズム等の光学特性可変光学素子にも用いることができる。図１１は、自由曲面プリズム１００１を用いた撮像装置の例で、光を当てることにより自由曲面プリズム１００１の屈折力を変えて、フォーカスを行なうことができる。図１０において９０１は集光レンズ、図１１において撮像素子４０８はＣＣＤである。
【００３５】
光ファイバー３９９からの駆動用の光は、光学特性可変光学素子を作る材料, 部材の屈折率を変えるのにも（光駆動の可変焦点レンズ３２５, ３５２Ｂの例）、形状を変えるのにも（後述の可変焦点レンズ２１４の例）用いることができる。
図１２は、図１０に示した可変焦点レンズ９００を用いた可変焦点眼鏡９０２の１例である。
【００３６】
次に、上記発明の光学装置に用いる光学系に適用可能な例えば形状の変わる形状可変ミラーや形状の変わらない可変焦点ミラーのような可変ミラー、可変焦点レンズ等、光学特性可変光学素子の構成例について説明する。
図１３は、本発明の光学装置に用いる光学系に適用可能な光学特性可変光学素子として可変ミラーの一構成例を示す概略図である。
図１３の構成例では、可変ミラー４０９は、変形する基板４０９ｊの上に形成されたアルミコーティング等で作られた薄膜（反射面）４０９ａと、基板４０９ｊの下側に設けられた電極４０９ｋとの３層構造の周辺部が輪帯状の支持台４２３に支持されるとともに、電極４０９ｋとは間隔を設けて支持台４２３に取付けられた複数の電極４０９ｂと、各電極４０９ｂにそれぞれ接続されて駆動回路として機能する複数の可変抵抗器４１１ａと、可変抵抗器４１１ｂと電源スイッチ４１３を介して電極４０９ｋと電極４０９ｂ間に接続された電源４１２と、複数の可変抵抗器４１１ａの抵抗値を制御するための演算装置４１４とで構成されており、演算装置４１４には、さらに温度センサー４１５、湿度センサー４１６及び距離センサー４１７が接続されて、これらは図示のように１つの光学装置の一部を構成している。なお、変形する基板４０９ｊは、薄膜でもよいし、板状でもよい。
【００３７】
可変ミラー４０９の反射面は、演算装置４１４による制御により、平面でなくてもよく、球面、回転対称非球面の他、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは、対称面を有する非球面、対称面を１つだけ有する非球面、対称面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点又は線を有する面等、いかなる形状にも制御される。以下、これらの面を総称して拡張曲面という。薄膜４０９ａで形成される反射面により光線は矢印のように反射される。
【００３８】
前記薄膜４０９ａは、例えば、P.Rai-choudhury編、Handbook of Michrolithography, Michromachining and Michrofabrication, Volume 2:Michromachining and Michrofabrication,P495,Fig.8.58, SPIE PRESS刊やOptics Communication, 140巻（1997年）P187〜190に記載されているメンブレインミラーのように、複数の電極４０９ｂと電極４０９ｋの間に電圧が印加されると、静電気力により薄膜４０９ａが変形してその面形状が変化するようになっている。
なお、電極４０９ｂの形は、例えば図１４, 図１５に示すように、薄膜４０９ａの変形のさせ方に応じて、同心分割、矩形分割にして、選べばよい。
【００３９】
上記のように、反射面としての薄膜４０９ａの形状は、結像性能が最適になるように演算装置４１４からの信号により各可変抵抗器４１１ａの抵抗値を変化させることにより制御される。すなわち、演算装置４１４へ、温度センサー４１５、湿度センサー４１６及び距離サンサー４１７から周囲温度及び湿度並びに物体までの距離に応じた大きさの信号が入力され、演算装置４１４は、これらの入力信号に基づき周囲の温度及び湿度条件と物体までの距離、あるいは電子ズームのための不図示の画像処理装置からの指令に基づき、薄膜４０９ａの形状が決定されるような電圧を電極４０９ｂに印加するように、各変抵抗器４１１ａの抵抗値を決定するための信号を出力する。このように、薄膜４０９ａは電極４０９ｂに印加される電圧すなわち静電気力で変形させられ、その形状は状況により非球面を含む様々な拡張曲面の形状をとる。なお、距離センサー４１７はなくてもよく、その場合、例えば不図示の固体撮像素子からの像の信号の高周波成分が略最大になるように物体距離を算出し、可変ミラー４０９を変形させるようにすればよい。可変ミラー４０９はリソグラフィーを用いて作ると加工精度がよく、良い品質のものが得られやすく、良い。
【００４０】
また、変形する基板４０９ｊをポリイミドあるいは商品名サイトップ（旭硝子（株）製）等の合成樹脂で製作すれば、低電圧でも大きな変形が可能であるので好都合である。
図１３の構成例では変形する基板４０９ｊを挟んで反射面としての薄膜４０９ａと変形する電極４０９ｋを別に設けて一体化しているので、製造法がいくつか選べるメリットがある。また反射面としての薄膜４０９ａを導電性の薄膜としてもよい。このようにすると、変形する電極４０９ｋを兼ねることができ、両者が１つになるので、構造が簡単になるメリットがある。
可変ミラーの反射面の形状は自由曲面にするのが良い。なぜなら収差補正が容易にでき、有利だからである。
【００４１】
また、図１３の構成例では、演算装置４１４、温度センサー４１５、湿度センサー４１６、距離センサー４１７を設け、温湿度変化、物体距離の変化等も可変ミラー４０９で補償するようにしたが、そうではなくてもよい。つまり、温度センサー４１５、湿度センサー４１６、距離センサー４１７を省いても良い。
【００４２】
図１６は可変ミラー４０９の他の構成例を示す概略図である。
本構成例の可変ミラーは、反射面としての薄膜４０９ａと電極４０９ｂとの間に圧電素子４０９ｃが介装されていて、これらが支持台４２３上に設けられている。そして、圧電素子４０９ｃに加わる電圧を各電極４０９ｂ毎に変えることにより、圧電素子４０９ｃに部分的に異なる伸縮を生じさせて、薄膜４０９ａの形状を変えることができるようになっている。電極４０９ｂの形は、図１４に示すように、同心分割であってもよいし、図１５に示すように、矩形分割であってもよく、その他、適宜の形のものを選択することができる。図１６中、４２４は演算装置４１４に接続された振れ（ブレ）センサーであって、例えばこの構成例の光学装置をデジタルカメラに用いる場合には、デジタルカメラの振れを検知し、振れによる像の乱れを補償するように薄膜４０９ａを変形させるべく、演算装置４１４及び可変抵抗器を内蔵した駆動回路４１１を介して電極４０９ｂに印加される電圧を変化させる。このとき、温度センサー４１５、湿度センサー４１６及び距離センサー４１７からの信号も同時に考慮され、ピント合わせ、温湿度補償等が行われる。この場合、薄膜４０９ａには圧電素子４０９ｃの変形に伴う応力が加わるので、薄膜４０９ａの厚さはある程度厚めに作られて相応の強度を持たせるようにするのがよい。
なお、駆動回路４１１は、電極４０９ｂの数に対応して複数配置する構成に限らず、１つの駆動回路でもって複数の電極４０９ｂを制御する構成にしてもよい。
【００４３】
図１７は可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略構成図である。
本構成例の可変ミラーは、薄膜４０９ａと電極４０９ｂの間に介置される圧電素子が逆方向の圧電特性を持つ材料で作られた２枚の圧電素子４０９ｃ及び４０９ｃ’で構成されている。すなわち、圧電素子４０９ｃと４０９ｃ’が強誘電性結晶で作られ、結晶軸の向きが互いに逆になるように配置される。この場合、圧電素子４０９ｃと４０９ｃ’は電圧が印加されると逆方向に伸縮するので、薄膜４０９ａを変形させる力が、図１６に示した１層構造の場合よりも強くなり、結果的にミラー表面の形を大きく変えることができるという利点がある。
【００４４】
圧電素子４０９ｃ，４０９ｃ’に用いる材料としては、例えばチタン酸バリウム、ロッシエル塩、水晶、電気石、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、リン酸二水素アンモニウム（ＡＤＰ）、ニオブ酸リチウム等の圧電物質、同物質の多結晶体、同物質の結晶、ＰｂＺｒＯ3とＰｂＴｉＯ3の固溶体の圧電セラミックス、二フッ化ポリビニール（ＰＶＤＦ）等の有機圧電物質、上記以外の強誘電体等があり、特に有機圧電物質はヤング率が小さく、低電圧でも大きな変形が可能であるので、好ましい。なお、これらの圧電素子を利用する場合、厚さを不均一にすれば、上記構成例において薄膜４０９ａの形状を適切に変形させることも可能である。
【００４５】
また、圧電素子４０９ｃ，４０９ｃ’の材料としては、ポリウレタン、シリコンゴム、アクリルエラストマー、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高分子圧電体、シアン化ビニリデン共重合体、ビニリデンフルオライドとトリフルオロエチレンの共重合体等が用いられる。
圧電性を有する有機材料や、圧電性を有する合成樹脂、圧電性を有するエラストマー等を用いると可変ミラー面の大きな変形が実現できてよい。
【００４６】
なお、図１６, 図１７に示す圧電素子４０９ｃに、例えば、アクリルエラストマー、シリコンゴム等の電歪材料を用いる場合には、１層構造の圧電素子４０９ｃを別の基板４０９ｃ−１と電歪材料４０９ｃ−２とを貼り合わせた２層構造にしてもよい。
【００４７】
図１８は可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の可変ミラーは、圧電素子４０９ｃが薄膜４０９ａと電極４０９ｄとにより挟持され、薄膜４０９ａと電極４０９ｄとの間に演算装置４１４により制御される駆動回路４２５ａを介して電圧が印加されるようになっており、さらにこれとは別に、支持台４２３上に設けられた電極４０９ｂにも演算装置４１４により制御される駆動回路４２５ｂを介して電圧が印加されるように構成されている。したがって、本構成例では、薄膜４０９ａは電極４０９ｄとの間に印加される電圧と電極４０９ｂに印加される電圧による静電気力とにより二重に変形され得、上記実施例に示した何れのものよりもより多くの変形パターンが可能であり、かつ、応答性も速いという利点がある。
【００４８】
そして、薄膜４０９ａ、電極４０９ｄ間の電圧の符号を変えれば、可変ミラーを凸面にも凹面にも変形させることができる。その場合、大きな変形を圧電効果で行ない、微細な形状変化を静電気力で行なってもよい。また、凸面の変形には圧電効果を主に用い、凹面の変形には静電気力を主に用いてもよい。なお、電極４０９ｄは電極４０９ｂのように複数の電極から構成されてもよい。この様子を図１８に示した。なお、本願では、圧電効果と電歪効果、電歪をすべてまとめて圧電効果と述べている。従って、電歪材料も圧電材料に含むものとする。
【００４９】
図１９は可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の可変ミラーは、電磁気力を利用して反射面の形状を変化させ得るようにしたもので、支持台４２３の内部底面上には永久磁石４２６が、頂面上には窒化シリコン又はポリイミド等からなる基板４０９ｅの周縁部が載置固定されており、基板４０９ｅの表面にはアルミニウム等の金属コートで作られた薄膜４０９ａが付設されていて、可変ミラー４０９を構成している。基板４０９ｅの下面には複数のコイル４２７が配設されており、これらのコイル４２７はそれぞれ駆動回路４２８を介して演算装置４１４に接続されている。したがって、各センサー４１５，４１６，４１７，４２４およびその他からの信号によって演算装置４１４において求められる光学系の変化に対応した演算装置４１４からの出力信号により、各駆動回路４２８から各コイル４２７にそれぞれ適当な電流が供給されると、永久磁石４２６との間に働く電磁気力で各コイル４２７は反発又は吸引または吸着され、基板４０９ｅ及び反射面として機能する薄膜４０９ａを変形させる。
【００５０】
この場合、各コイル４２７はそれぞれ異なる量の電流を流すようにすることもできる。また、コイル４２７は１個でもよいし、永久磁石４２６を基板４０９ｅに付設しコイル４２７を支持台４２３の内部底面側に設けるようにしてもよい。また、コイル４２７はリソグラフィー等の手法で作るとよく、さらに、コイル４２７には強磁性体よりなる鉄心を入れるようにしてもよい。
【００５１】
この場合、薄膜コイルで形成されたコイル４２７の巻密度を、図２０に示すように、場所によって変化させたコイル４２８’とすることにより、基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａに所望の変形を与えるようにすることもできる。また、コイル４２７は１個でもよいし、また、これらのコイル４２７には強磁性体よりなる鉄心を挿入してもよい。
【００５２】
図２１は可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の可変ミラーでは、基板４０９ｅは鉄等の強磁性体で作られており、反射膜としての薄膜４０９ａはアルミニウム等からなっている。この場合、薄膜４０９ａ側にコイルを設けなくても、磁力によって薄膜４０９ａを変形させることができるから、構造が簡単で、製造コストを低減することができる。また、電源スイッチ４１３を、各コイル４２７の電流の流れる方向を切換え可能にする切換え兼用の電源開閉用スイッチで置換すれば、コイル４２７に流れる電流の方向を変えることができ、基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａの形状を自由に変えることができる。図２２は本構成例におけるコイル４２７の一配置例を示し、図２３はコイル４２７の他の配置例を示しているが、これらの配置は、図１９に示した構成例にも適用することができる。なお、図２４はコイル４２７の配置を図２３に示したように放射状とした場合に適する永久磁石４２６の一配置例を示している。図２４に示すように、棒状の永久磁石４２６を放射状に配置すれば、図１９に示した構成例に比べて、微妙な変形を基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａに与えることができる。また、このように電磁気力を用いて基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａを変形させる場合（図１９及び図２１の構成例）は、静電気力を用いた場合よりも低電圧で駆動できるという利点がある。
【００５３】
以上いくつかの可変ミラーの構成例を述べたが、薄膜４０９ａで変形されるミラーの形を変形させるのに、図１８の構成例に示すように、２種類以上の力を用いてもよい。つまり静電気力、電磁力、圧電効果、磁歪、流体の圧力、電場、磁場、温度変化、電磁波等のうちから２つ以上を同時に用いて反射面を形成する薄膜を変形させてもよい。つまり２つ以上の異なる駆動方法を用いて光学特性可変光学素子を作れば、大きな変形と微細な変形とを同時に実現でき、精度の良い鏡面が実現できる。
【００５４】
図２５は本発明のさらに他の実施例に係る、光学装置に適用可能な可変ミラー４０９を用いた撮像系、例えば携帯電話のデジタルカメラ、カプセル内視鏡、電子内視鏡、パソコン用デジタルカメラ、ＰＤＡ用デジタルカメラ等に用いられる撮像系の概略構成図である。
本実施例の撮像系は、可変ミラー４０９と、レンズ９０２と、撮像素子４０８と、制御系１０３とで一つの撮像ユニット１０４を構成している。本実施例の撮像ユニット１０４では、レンズ１０２を通った物体からの光は可変ミラー４０９で集光され、撮像素子４０８の上に結像する。可変ミラー４０９は、光学特性可変光学素子の一種であり、可変焦点ミラーとも呼ばれている。本実施例の撮像素子４０８は例えばCCDやX-Yアドレス型（MOS型）の固体撮像素子である。
【００５５】
本実施例によれば、物体距離が変わっても可変ミラー４０９を変形させることでピント合わせをすることができ、レンズをモータ等で駆動する必要がなく、小型化、軽量化、低消費電力化の点で優れている。また、撮像ユニット１０４は本発明の撮像系としてすべての実施例で用いることができる。また、可変ミラー４０９を複数用いることでズーム、変倍の撮像系、光学系を作ることができる。
なお、図２５では、制御系１０３にコイルを用いたトランスの昇圧回路を含む制御系の構成例を示している。特に積層型圧電トランスを用いると、小型化できてよい。昇圧回路は電気を用いる可変ミラー、可変焦点レンズに用いることができるが、特に静電気力、圧電効果を用いる場合の可変ミラー、可変焦点レンズに有用である。なお可変ミラー４０９でピント合わせを行うためには、たとえば撮像素子４０８に物体像を結像させ可変ミラー４０９の焦点距離を変化させつつ物体像の高周波成分が最大になる状態を見つければよい。高周波成分を検出するには、たとえば撮像素子４０８にマイクロコンピュータ等を含む処理装置を接続し、その中で高周波成分を検出すればよい。
なお、レンズ９０２を後述の可変焦点レンズで置き換えても良く、同様に上記の効果が得られる。この場合、可変ミラー４０９は通常のミラーでも良い。また、レンズ９０２と可変焦点レンズを併用しても良い。
【００５６】
図２６は可変ミラーのさらに他の構成例を示し、マイクロポンプ１８０で流体１６１を出し入れし、支持台１８９ａの上部に張った膜で形成されるミラー面を変形させる可変ミラー１８８の概略図である。本実施例によれば、ミラー面を大きく変形させることが可能になるというメリットがある。図中、１６８は支持台１８９ａ内の流体１６１の量を、マイクロポンプ１８０とともに制御する制御装置であり、この制御装置１６８とマイクロポンプ１８０は、膜１８９の変形を制御するので、実施の形態の駆動回路に相当する構成となる。
マイクロポンプ１８０は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。
マイクロマシンの技術で作られたポンプの例としては、熱変形を利用したもの、圧電材料を用いたもの、静電気力を用いたものなどがある。
【００５７】
図２７は図２６に示したマイクロポンプ１８０の構成例を示す概略図である。本構成例のマイクロポンプ１８０では、振動板１８１は静電気力、圧電効果等の電気力により振動する。図２７では静電気力により振動する例を示しており、図２７中、１８２，１８３は電極である。また、点線は変形した時の振動板１８１を示している。振動板１８１の振動に伴い、２つの弁１８４，１８５が開閉し、流体１６１を右から左へ送るようになっている。
【００５８】
図２６で示した可変ミラー１８８では、反射面を構成する膜１８９が流体１６１の量に応じて凹凸に変形することで、可変ミラーとして機能する。流体としては、シリコンオイル、空気、水、ゼリー、等の有機物、無機物を用いることができる。
【００５９】
なお、静電気力、圧電効果を用いた可変ミラー、可変焦点レンズなどにおいては、駆動用に高電圧が必要になる場合がある。その場合には、例えば図２５に示すように、昇圧用のトランス、あるいは圧電トランス等を用いて制御系を構成するとよい。
また、反射面を形成する薄膜４０９ａ又は膜１８９は、支持台４２３あるいは支持台１８９ａなどの輪帯状部分の上部などの変形しない部分に設けておくと、可変ミラーの反射面の形状を干渉計等で測定する場合に、基準面として使うことができ便利である。
【００６０】
図２８は各実施の形態で述べた本発明の光学装置に適用可能な光学系を構成するレンズ、あるいはレンズ群の一部を、可変焦点レンズに置き換えて構成することにより、前記レンズあるいはレンズ群を光軸方向にズーミングしなくて済む構成とする可変焦点レンズの原理的構成を示す図である。この可変焦点レンズ５１１は、第１，第２の面としてのレンズ面５０８ａ，５０８ｂを有する第１のレンズ５１２ａと、第３，第４の面としてのレンズ面５０９ａ，５０９ｂを有する第２のレンズ５１２ｂと、これらレンズ間に透明電極５１３ａ，５１３ｂを介して設けた高分子分散液晶層５１４とで構成される第３のレンズ５１２ｃとを有し、入射光を第１，第３，第２のレンズ５１２ａ，５１２ｃ，５１２ｂを経て収束させるものである。透明電極５１３ａ，５１３ｂは、スイッチ５１５を介して交流電源５１６に接続して、高分子分散液晶層５１４に交流電圧を選択的に印加するようにする。なお、高分子分散液晶層５１４は、それぞれ液晶分子５１７を含む球状、多面体等の任意の形状の多数の微小な高分子セル５１８を有して構成し、その体積は、高分子セル５１８を構成する高分子および液晶分子５１７がそれぞれ占める体積の和に一致させる。
【００６１】
ここで、高分子セル５１８の大きさは、例えば球状とする場合、その平均の直径Ｄを、使用する光の波長をλとするとき、例えば、
２ｎｍ≦Ｄ≦λ／５                                    (２９)
とする。すなわち、液晶分子５１７の大きさは、２ｎｍ程度以上であるので、平均の直径Ｄの下限値は、２ｎｍ以上とする。また、Ｄの上限値は、可変焦点レンズ５１１の光軸方向における高分子分散液晶層５１４の厚さｔにも依存するが、λに比べて大きいと、高分子の屈折率と液晶分子５１７の屈折率との差により、高分子セル５１８の境界面で光が散乱して高分子分散液晶層５１４が不透明になってしまうため、後述するように、好ましくはλ／５以下とする。可変焦点レンズが用いられる光学製品によっては高精度を要求しない場合もあり、そのときＤはλ以下でよい。なお、高分子分散液晶層５１４の透明度は、厚さｔが厚いほど悪くなる。
【００６２】
また、液晶分子５１７は、例えば、一軸性のネマティック液晶分子を用いる。この液晶分子５１７の屈折率楕円体は、図２に示すような形状となり、
ｎox＝ｎoy＝ｎo                                      (３０)
である。ただし、ｎoは常光線の屈折率を示し、ｎoxおよびｎoyは、常光線を含む面内での互いに直交する方向の屈折率を示す。
【００６３】
ここで、図２８に示すように、スイッチ５１５をオフ、すなわち高分子分散液晶層５１４に電界を印加しない状態では、液晶分子５１７が様々な方向を向いているので、入射光に対する高分子分散液晶層５１４の屈折率は高く、屈折力の強いレンズとなる。これに対し、図２９に示すように、スイッチ５１５をオンとして高分子分散液晶層５１４に交流電圧を印加すると、液晶分子５１７は、屈折率楕円体の長軸方向が可変焦点レンズ５１１の光軸と平行となるように配向するので、屈折率が低くなり、屈折力の弱いレンズとなる。
【００６４】
なお、高分子分散液晶層５１４に印加する電圧は、例えば、図３０に示すように、可変抵抗器５１９を用いることにより段階的あるいは連続的に変化させることもできる。このようにすれば、印加電圧が高くなるにつれて、液晶分子５１７は、その楕円長軸が徐々に可変焦点レンズ５１１の光軸と平行となるように配向するので、屈折力を段階的あるいは連続的に変えることができる。
【００６５】
ここで、図２８に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電圧を印加しない状態での、液晶分子５１７の平均屈折率ｎLC’は、図２に示すように、屈折率楕円体の長軸方向の屈折率をｎzとすると、およそ
（ｎox＋ｎoy＋ｎZ）／３≡ｎLC’                      (３１)
となる。また、上記式(３０)が成り立つときの平均屈折率ｎLCは、ｎzを異常光線の屈折率ｎeと表して、
（２ｎo＋ｎe）／３≡ｎLC                              (３２)
で与えられる。このとき、高分子分散液晶層５１４の屈折率ｎAは、高分子セル５１８を構成する高分子の屈折率をｎPとし、高分子分散液晶層５１４の体積に占める液晶分子５１７の体積の割合をｆｆとすると、マックスウェル・ガーネットの法則により、
ｎA＝ｆｆ・ｎLC’＋（１−ｆｆ）ｎP                    (３３)
で与えられる。
【００６６】
したがって、図３０に示すように、レンズ５１２ａおよび５１２ｂの内側の面、すなわち高分子分散液晶層５１４側の面の曲率半径を、それぞれＲ1およびＲ2とすると、高分子分散液晶層で構成される第３のレンズ５１２ｃの焦点距離ｆ1は、
１／ｆ1＝（ｎA−１）（１／Ｒ1−１／Ｒ2）                (３４)
で与えられる。なお、Ｒ1およびＲ2は、曲率中心が像点側にあるとき、正とする。また、レンズ５１２ａおよび５１２ｂの外側の面による屈折は除いている。つまり、高分子分散液晶層５１４のみによるレンズ５１２ｃの焦点距離が、上記式(３４)で与えられる。
【００６７】
また、常光線の平均屈折率を、
（ｎox＋ｎoy）／２＝ｎo’                              (３５)
とすれば、図２９に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電圧を印加した状態での、高分子分散液晶層５１４の屈折率ｎBは、
ｎB＝ｆｆ・ｎo’＋（１−ｆｆ）ｎP                      (３６)
で与えられるので、この場合の高分子分散液晶層５１４のみによるレンズ５１２ｃの焦点距離ｆ2は、
１／ｆ2＝（ｎB−１）（１／Ｒ1−１／Ｒ2）                (３７)
で与えられる。なお、高分子分散液晶層５１４に、図２９に示す状態における電圧よりも低い電圧を印加する場合の焦点距離は、上記式(３４)で与えられる焦点距離ｆ1と、上記式(３７)で与えられる焦点距離ｆ2との間の値となる。
【００６８】
上記式(３４)および式(３７)から、高分子分散液晶層５１４による焦点距離の変化率は、
｜（ｆ2−ｆ1）／ｆ2｜＝｜（ｎB−ｎA）／（ｎA−１）｜  (３８)
で与えられる。したがって、この変化率を大きくするには、｜ｎB−ｎA｜を大きくすればよい。ここで、
ｎB−ｎA＝ｆｆ（ｎo’−ｎLC’）                        (３９)
であるから、｜ｎo’−ｎLC’｜を大きくすれば、変化率を大きくすることができる。実用的には、ｎBが、１．３〜２程度であるから、
０．０１≦｜ｎo’−ｎLC’｜≦１０                      (４０)
とすれば、ｆｆ＝０．５のとき、高分子分散液晶層５１４による焦点距離を、０．５％以上変えることができるので、効果的な可変焦点レンズを得ることができる。なお、｜ｎo’−ｎLC’｜は、液晶物質の制限から、１０を越えることはできない。
【００６９】
次に、上記式(２９)の上限値の根拠について説明する。「Solar Energy Materials and Solar Cells」31巻,Wilson and Eck,1993, Eleevier Science Publishers B.v.発行の第197 〜214 頁、「Transmission variation using scattering/transparent switching films 」には、高分子分散液晶の大きさを変化させたときの透過率τの変化が示されている。そして、かかる文献の第２０６頁、図６には、高分子分散液晶の半径をｒとし、ｔ＝３００μｍ、ｆｆ＝０．５、ｎP ＝１．４５、ｎLC＝１．５８５、λ＝５００ｎｍとするとき、透過率τは、理論値で、ｒ＝５ｎｍ（Ｄ＝λ／５０、Ｄ・ｔ＝λ・６μｍ（ただし、Ｄおよびλの単位はｎｍ、以下も同じ））のときτ≒９０％となり、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０）のときτ≒５０％になることが示されている。
【００７０】
ここで、例えば、ｔ＝１５０μｍの場合を推定してみると、透過率τがｔの指数関数で変化すると仮定して、ｔ＝１５０μｍの場合の透過率τを推定してみると、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０、Ｄ・ｔ＝λ・１５μｍ）のときτ≒７１％となる。また、ｔ＝７５μｍの場合は、同様に、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０、Ｄ・ｔ＝λ・７．５μｍ）のときτ≒８０％となる。
【００７１】
これらの結果から、
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ                                    (４１)
であれば、透過率τは７０％〜８０％以上となり、レンズとして十分実用になる。したがって、例えば、ｔ＝７５μｍの場合は、Ｄ≦λ／５で、十分な透過率が得られることになる。
【００７２】
また、高分子分散液晶層５１４の透過率は、ｎPの値がｎLC’の値に近いほど良くなる。一方、ｎo’とｎPとが異なる値になると、高分子分散液晶層５１４の透過率は悪くなる。図２８に示した状態と図２９に示した状態とで、平均して高分子分散液晶層５１４の透過率が良くなるのは、
ｎP＝（ｎo’＋ｎLC’）／２                            (４２)
を満足するときである。
【００７３】
ここで、可変焦点レンズ５１１は、レンズとして使用するものであるから、図２８の状態でも、図２９の状態でも、透過率はほぼ同じで、かつ高い方が良い。そのためには、高分子セル５１８を構成する高分子の材料および液晶分子５１７の材料に制限があるが、実用的には、
ｎo’≦ｎP≦ｎLC’                                    (４３)
とすればよい。
【００７４】
上記式(４２)を満足すれば、上記式(４１)は、さらに緩和され、
Ｄ・ｔ≦λ・６０μｍ                                  (４４)
であれば良いことになる。なぜなら、フレネルの反射則によれば、反射率は屈折率差の２乗に比例するので、高分子セル５１８を構成する高分子と液晶分子５１７との境界での光の反射、すなわち高分子分散液晶層５１４の透過率の減少は、およそ上記の高分子と液晶分子５１７との屈折率の差の２乗に比例するからである。
【００７５】
以上は、ｎo’≒１．４５、ｎLC’≒１．５８５の場合であったが、より一般的に定式化すると、
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ・（１．５８５−１．４５）2／（ｎu−ｎP）2  (４５)
であればよい。ただし、（ｎu−ｎP）2は、（ｎLC’−ｎP）2と（ｎo’−ｎP）2とのうち、大きい方である。
【００７６】
また、可変焦点レンズ５１１の焦点距離変化を大きくするには、ｆｆの値が大きい方が良いが、ｆｆ＝１では、高分子の体積がゼロとなり、高分子セル５１８を形成できなくなるので、
０．１≦ｆｆ≦０．９９９                              （４６)
とする。一方、ｆｆは、小さいほど透過率τは向上するので、上記式(４５)は、好ましくは、
4×10-6〔μｍ〕2≦Ｄ・ｔ≦λ・45μｍ・(1.585−1.45)2/(ｎu−ｎP)2  (４７)
とする。なお、ｔの下限値は、図２８から明らかなように、ｔ＝Ｄで、Ｄは、上述したように２ｎｍ以上であるので、Ｄ・ｔの下限値は、（２×１０-3μｍ）2、すなわち４×１０-6〔μｍ〕2となる。
【００７７】
なお、物質の光学特性を屈折率で表す近似が成り立つのは、「岩波科学ライブラリー８  小惑星がやってくる」向井正著,1994,岩波書店発行の第５８頁に記載されているように、Ｄが１０ｎｍ〜５ｎｍより大きい場合である。また、Ｄが５００λを越えると、光の散乱は幾何学的となり、高分子セル５１８を構成する高分子と液晶分子５１７との界面での光の散乱がフレネルの反射式に従って増大するので、Ｄは、実用的には、
７ｎｍ≦Ｄ≦５００λ                                    (４８)
とする。
【００７８】
図３１は、図３０に示す可変焦点レンズ５１１を、本発明の実施の形態にかかる光学装置の中で、明るさ絞り５２１と撮像素子との間に用いた撮像光学系、例えば一例として、デジタルカメラ用の撮像光学系に用いた例を示す図である。この撮像光学系においては、物体（図示せず）の像を、絞り５２１、可変焦点レンズ５１１およびレンズ５２２を介して、例えばＣＣＤよりなる固体撮像素子５２３上に結像させる。なお、図３１では、液晶分子の図示を省略してある。
【００７９】
このように構成された撮像光学系によれば、可変抵抗器５１９により可変焦点レンズ５１１の高分子分散液晶層５１４に印加する交流電圧を調整して、可変焦点レンズ５１１の焦点距離を変えることより、可変焦点レンズ５１１およびレンズ５２２を光軸方向に移動させることなく、例えば、無限遠から６００ｍｍまでの物体距離に対して、連続的に合焦させることが可能となる。
【００８０】
図３２は図３０に示した可変焦点レンズと同様に、本発明の実施の形態にかかる光学装置の中で、撮像光学系の焦点距離を可変にするように用いられる可変焦点回折光学素子の一構成例を示す図である。
本構成例の可変焦点回折光学素子５３１は、平行な第１，第２の面５３２ａ，５３２ｂを有する第１の透明基板５３２と、光の波長オーダーの溝深さを有する断面鋸歯波状のリング状回折格子を形成した第３の面５３３ａおよび平坦な第４の面５３３ｂを有する第２の透明基板５３３とを有し、入射光を第１，第２の透明基板５３２，５３３を経て出射させるものである。第１，第２の透明基板５３２，５３３間には、図２８に示した構成例において説明したのと同様に、透明電極５１３ａ，５１３ｂを介して高分子分散液晶層５１４を設け、透明電極５１３ａ，５１３ｂをスイッチ５１５を経て交流電源５１６に接続して、高分子分散液晶層５１４に交流電圧を印加するようにする。
【００８１】
このような構成において、可変焦点回折光学素子５３１に入射する光線は、第３の面５３３ａの格子ピッチをｐとし、ｍを整数とすると、
ｐsinθ＝ｍλ                                          (４９)
を満たす角度θだけ偏向されて出射される。また、溝深さをｈ、透明基板３３の屈折率をｎ33とし、ｋを整数とすると、
ｈ（ｎA−ｎ33）＝ｍλ                                 (５０)
ｈ（ｎB−ｎ33）＝ｋλ                                 (５１)
を満たせば、波長λで回折効率が１００％となり、フレアの発生を防止することができる。
【００８２】
ここで、上記式(５０)および式(５１)の両辺の差を求めると、
ｈ（ｎA−ｎB）＝（ｍ−ｋ）λ                          (５２)
が得られる。したがって、例えば、λ＝５００ｎｍ、ｎA＝１．５５、ｎB＝１．５とすると、
０．０５ｈ＝（ｍ−ｋ）・５００ｎｍ
となり、ｍ＝１，ｋ＝０とすると、
ｈ＝１００００ｎｍ＝１０μｍ
となる。この場合、透明基板５３３の屈折率ｎ33は、上記式(５０)から、ｎ33＝１．５であればよい。また、可変焦点回折光学素子５３１の周辺部における格子ピッチｐを１０μｍとすると、θ≒２．８７°となり、Ｆナンバーが１０のレンズを得ることができる。
【００８３】
このように構成された可変焦点回折光学素子５３１は、高分子分散液晶層５１４への印加電圧のオン・オフで光路長が変わるので、例えば、ピント調整を行うのに用いたり、レンズ系全体の焦点距離等を変えるのに用いることができる。
【００８４】
なお、この実施例において、上記式(５０)〜(５２)は、実用上、
０．７ｍλ≦ｈ（ｎA−ｎ33）≦１．４ｍλ                (５３)
０．７ｋλ≦ｈ（ｎB−ｎ33）≦１．４ｋλ                (５４)
０．７（ｍ−ｋ）λ≦ｈ（ｎA−ｎB）≦１．４（ｍ−ｋ）λ  (５５)
を満たせば良い。
【００８５】
また、ツイストネマティック液晶を用いる可変焦点レンズもある。図３３および図３４は、この場合の可変焦点眼鏡５５０の構成を示す図である。可変焦点レンズ５５１は、レンズ５５２および５５３と、これらレンズの内面上にそれぞれ透明電極５１３ａ，５１３ｂを介して設けた配向膜５３９ａ，５３９ｂと、これら配向膜間に設けたツイストネマティック液晶層５５４とを有して構成されており、その透明電極５１３ａ，５１３ｂを可変抵抗器５１９を経て交流電源５１６に接続して、ツイストネマティック液晶層５５４に交流電圧を印加するようにして構成されている。
【００８６】
このような構成において、ツイストネマティック液晶層５５４に印加する電圧を高くすると、液晶分子５５５は、図３４に示すように、ホメオトロピック配向となり、図３３に示す印加電圧が低いツイストネマティック状態の場合に比べて、ツイストネマティック液晶層５５４の屈折率は小さくなり、焦点距離が長くなる。
【００８７】
ここで、図３３に示すツイストネマティック状態における液晶分子５５５の螺旋ピッチＰは、光の波長λに比べて同じ程度か十分小さくする必要があるので、例えば、
２ｎｍ≦Ｐ≦２λ／３                                  (５６)
とする。なお、この条件式の下限値は、液晶分子の大きさで決まり、上限値は、入射光が自然光の場合に、図３３の状態でツイストネマティック液晶層５５４が等方媒質として振る舞うために必要な値である。また、この条件式の上限値を満たさないと、可変焦点レンズ５５１は偏光方向によって焦点距離の異なるレンズとなり、そのために二重像が形成されてぼけた像しか得られなくなる。但し、それほど高精度を要求しない場合には式（５６）の上限値は３λとして良い。
さらに精度を要求しない用途では上限値を５λとして良い。
【００８８】
図３５(a)は本発明の実施の形態にかかる光学装置に用いる光学系に配置可能な可変偏角プリズムの一構成例を示す図である。この可変偏角プリズム５６１は、第１，第２の面５６２ａ，５６２ｂを有する入射側の第１の透明基板５６２と、第３，第４の面５６３ａ，５６３ｂを有する出射側の平行平板状の第２の透明基板５６３とを有する。入射側の透明基板５６２の内面（第２の面）５６２ｂは、フレネル状に形成し、この透明基板５６２と出射側の透明基板５６３との間に、図２８に示した構成例において説明したのと同様に、透明電極５１３ａ，５１３ｂを介して高分子分散液晶層５１４を設ける。透明電極５１３ａ，５１３ｂは、可変抵抗器５１９を経て交流電源５１６に接続し、これにより高分子分散液晶層５１４に交流電圧を印加して、可変偏角プリズム５６１を透過する光の偏角を制御するようにする。なお、図３５(a)に示す構成例では、透明基板５６２の内面（第２の面）５６２ｂをフレネル状に形成したが、例えば、図３５(b)に示すように、透明基板５６２および５６３の内面を相対的に傾斜させた傾斜面を有する通常のプリズム状に形成することもでき、あるいは図３２に示した構成例のような回折格子状に形成することもできる。回折格子状に形成する場合には、上記の(４９)式〜(５５)式が同様にあてはまる。
【００８９】
このように構成された可変偏角プリズム５６１は、例えば、ＴＶカメラ、デジタルカメラ、フィルムカメラ、双眼鏡等の光学系の中に用いることによりブレ防止用として有効に用いることができる。この場合、可変偏角プリズム５６１の屈折方向（偏向方向）は、上下方向とするのが望ましいが、さらに性能を向上させるためには、２個の可変偏角プリズム５６１を偏向方向を異ならせて、例えば図３６に示すように、上下および左右の直交する方向で屈折角を変えるように配置するのが望ましい。なお、図３５および図３６に示す構成例では、液晶分子の図示を省略してある。
【００９０】
図３７は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系の中で、可変ミラー４０９の替わりに用いる可変焦点ミラー、すなわち、可変焦点レンズの一方のレンズ面に反射膜を設けて形成した可変焦点ミラーの構成例を示す図である。
本構成例の可変焦点ミラー５６５は、第１，第２の面５６６ａ，５６６ｂを有する第１の透明基板５６６と、第３，第４の面５６７ａ，５６７ｂを有する第２の透明基板５６７とを有する。第１の透明基板５６６は、平板状またはレンズ状に形成して、内面（第２の面）５６６ｂに透明電極５１３ａを設け、第２の透明基板５６７は、内面（第３の面）５６７ａを凹面状に形成して、該凹面上に反射膜５６８を施し、さらにこの反射膜５６８上に透明電極５１３ｂを設ける。透明電極５１３ａ，５１３ｂ間には、図２８に示した構成例において説明したのと同様に、高分子分散液晶層５１４を設け、これら透明電極５１３ａ，５１３ｂをスイッチ５１５および可変抵抗器５１９を経て交流電源５１６に接続して、高分子分散液晶層５１４に交流電圧を印加するようにする。なお、図３７では、液晶分子の図示を省略してある。
【００９１】
このような構成によれば、透明基板５６６側から入射する光線は、反射膜５６８により高分子分散液晶層５１４を折り返す光路となるので、高分子分散液晶層５１４の作用を２回もたせることができると共に、高分子分散液晶層５１４への印加電圧を変えることにより、反射光の焦点位置を変えることができる。この場合、可変焦点ミラー５６５に入射した光線は、高分子分散液晶層５１４を２回透過するので、高分子分散液晶層５１４の厚さの２倍をｔとすれば、上記の各式を同様に用いることができる。なお、透明基板５６６または５６７の内面を、図３２に示した構成例のような回折格子状にして、高分子分散液晶層５１４の厚さを薄くすることもできる。このようにすれば、散乱光をより少なくできる利点がある。
【００９２】
なお、以上の説明では、液晶の劣化を防止するため、電源として交流電源５１６を用いて、液晶に交流電圧を印加するようにしたが、直流電源を用いて液晶に直流電圧を印加するようにすることもできる。また、液晶分子の方向を変える方法としては、電圧を変化させること以外に、液晶にかける電場の周波数、液晶にかける磁場の強さ・周波数、あるいは液晶の温度等を変化させることによってもよい。以上説明した高分子分散液晶は、液状ではなく固体に近いものもあるので、その場合はレンズ５１２ａ，５１２ｂの一方、透明基板５３２、レンズ５３８、レンズ５５２，５５３の一方、図３５(a)の構成例における透明基板５６３、図３５(b)の構成例における透明基板５６２，５６３の一方、透明基板５６６，５６７の一方はなくてもよい。
以上、図２８から図３７の構成例で述べたような、媒質の屈折率が変化することで光学素子の焦点距離等が変化するタイプの光学素子は、形状が変化しないため機械設計が容易である、機械的構造が簡単になる等のメリットがある。
【００９３】
図３８は、可変焦点レンズ１４０を、本発明の実施の形態にかかる光学装置の中で、撮像素子４０８の前方に用いた撮像光学系の一構成例を示す図である。撮像光学系は撮像ユニット１４１として用いることができる。
本構成例では、レンズ１０２と可変焦点レンズ１４０とで、撮像レンズを構成している。そして、この撮像レンズと撮像素子４０８とで撮像ユニット１４１を構成している。可変焦点レンズ１４０は、透明部材１４２と一対の電極１４５との間に密閉された圧電性のある合成樹脂等の柔らかい透明物質１４３とで、光を透過する流体あるいはゼリー状物質１４４を挟んで構成されている。
【００９４】
流体あるいはゼリー状物質１４４としては、シリコンオイル、弾性ゴム、ゼリー、水等を用いることができる。透明物質１４３の両面には透明電極１４５が設けられており、回路１０３’を介して電圧を加えることで、透明物質１４３の圧電効果により透明物質１４３が変形し、可変焦点レンズ１４０の焦点距離が変わるようになっている。
従って、本構成例によれば、物体距離が変わった場合でも光学系をモーター等で動かすことなくフォーカスができ、小型、軽量、消費電力が少ない点で優れている。
【００９５】
なお、図３８中、１４５は透明電極、１４６は流体をためるシリンダーである。また、透明物質１４３の材質としては、ポリウレタン、シリコンゴム、アクリルエラストマー、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高分子圧電体、シアン化ビニリデン共重合体、ビニリデンフルオライドとトリフルオロエチレンの共重合体、導電性高分子、イオン導電性高分子、電場応答性高分子、誘電エラストマー等が用いられる。
圧電性を有する有機材料や、圧電性を有する合成樹脂、圧電性を有するエラストマー等を用いると可変焦点レンズ面の大きな変形が実現できてよい。
可変焦点レンズには透明な圧電材料を用いるとよい。
【００９６】
なお、図３８の構成例において、可変焦点レンズ１４０は、シリンンダー１４６を設けるかわりに、図３９に示すように、透明部材１４２に対して平行な位置にリング状の支援部材１４７を設け、透明部材１４２と支援部材１４７との距離を維持した状態にしてシリンダー１４６を省略した構造にしてもよい。
図３９の構成例では、支援部材１４７と透明部材１４２との間には、一対の電極１４５間に密閉された透明物質１４３と、外周側が変形可能な部材１４８で覆われた流体あるいはゼリー状物質１４４とが介挿されており、透明物質１４３に電圧をかけることによって、透明物質１４３が変形しても、図４０に示すように、可変焦点レンズ１４０全体の体積が変わらないように変形するため、シリンダー１４６が不要になる。なお、図３９, 図４０中、１４８は外周側が変形可能な部材で、弾性体、アコーディオン状の合成樹脂または金属等でできている。
【００９７】
図３８, 図３９に示す構成例では、電圧を逆に印加すると透明物質１４３は逆向きに変形するので凹レンズにすることも可能である。
なお、透明物質１４３に電歪材料、例えば、アクリルエラストマー、シリコンゴム等を用いる場合は、透明物質１４３を透明基板と電歪材料を貼り合わせた構造にするとよい。
【００９８】
図４１は本発明の実施の形態にかかる光学装置の撮像光学系の中に挿入可能な可変焦点レンズのさらに他の構成例に係る、マイクロポンプ１６０で流体１６１を出し入れし、レンズ面を変形させる可変焦点レンズ１６２の概略図である。
マイクロポンプ１６０は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。流体１６１は、透明基板１６３と、弾性体１６４との間に挟まれている。図４１中、１６５は弾性体１６４を保護するための透明基板で、設けなくてもよい。
マイクロマシンの技術で作られたポンプの例としては、熱変形を利用したもの、圧電材料を用いたもの、静電気力を用いたものなどがある。
【００９９】
そして、図２７で示したようなマイクロポンプ１８０を、例えば、図４１に示す可変焦点レンズ１６２に用いるマイクロポンプ１６０のように、２つ用いればよい。
【０１００】
なお、静電気力、圧電効果を用いた可変焦点レンズなどにおいては、駆動用に高電圧が必要になる場合がある。その場合には、昇圧用のトランス、あるいは圧電トランス等を用いて制御系を構成するとよい。
特に積層型圧電トランスを用いると小型化できてよい。
【０１０１】
図４２は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な光学特性
可変光学素子の他の構成例であって、圧電材料２００を用いた可変焦点レンズ２０１の概略構成図である。
圧電材料２００には透明物質１４３と同様の材料が用いられており、圧電材料２００は、透明で柔らかい基板２０２の上に設けられている。なお、基板２０２には、合成樹脂、有機材料を用いるのが望ましい。
本構成例においては、２つの透明電極５９を介して電圧を圧電材料２００に加えることで圧電材料２００は変形し、図４２に示す状態においては凸レンズとしての作用を持っている。
【０１０２】
なお、基板２０２の形をあらかじめ凸状に形成しておき、かつ、２つの透明電極５９のうち、少なくとも一方の電極の大きさを基板２０２と異ならせておく、例えば、一方の透明電極５９を基板２０２よりも小さくしておくと、電圧をオフにしたとき、図４３に示すように、２つの透明電極５９が対向する所定部分だけが凹状に変形して凹レンズの作用を持つようになり、可変焦点レンズとして動作する。
このとき基板２０２は、流体１６１の体積が変化しないように変形するので、液溜１６８が不要になるというメリットがある。
【０１０３】
本構成例では、流体１６１を保持する基板の一部分を圧電材料で変形させて、液溜１６８を不要としたところに大きなメリットがある。
なお、図４１に示した構成例にも言えることであるが、透明基板１６３，１６５はレンズとして構成しても、或いは平面で構成してもよい。
【０１０４】
図４４は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な光学特性可変光学素子のさらに他の構成例であって圧電材料からなる２枚の薄板２００Ａ，２００Ｂを用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
本構成例の可変焦点レンズによれば、薄板２００Ａと２００Ｂの材料の方向性を反転させることで、変形量を大きくし、大きな可変焦点範囲が得られるというメリットがある。
なお、図４４中、２０４はレンズ形状の透明基板である。
本構成例においても、紙面の右側の透明電極５９は基板２０２よりも小さく形成されている。
【０１０５】
なお、図４２〜図４４の構成例において、基板２０２、圧電材料２００，薄板２００Ａ，２００Ｂの厚さを不均一にして、電圧を掛けたときの変形のさせかたをコントロールしてもよい。
そのようにすれば、レンズの収差補正等もすることができ、便利である。
【０１０６】
図４５は、本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の構成例を示す概略構成図である。
本構成例の可変焦点レンズ２０７は、例えばシリコンゴムやアクリルエラストマー等の電歪材料２０６を用いて構成されている。
このように構成された可変焦点レンズ２０７は、電圧が低いときには、図４５に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図４６に示すように、電歪材料２０６が上下方向に伸びて左右方向に縮むので、焦点距離が伸びる。従って、可変焦点レンズとして動作する。
従って、本構成例の可変焦点レンズによれば、大電源を必要としないので消費電力が小さくて済むというメリットがある。
以上述べた図３８〜図４６に示した可変焦点レンズに共通して言えるのは、レンズとして作用する媒質の形状が変化することで、可変焦点を実現していることである。屈折率が変化する可変焦点レンズに比べて、焦点距離変化の範囲が自由に選べる、大きさが自由に選べる、等のメリットがある。
【０１０７】
図４７は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な光学特性可変光学素子のさらに他の構成例であってフォトメカニカル効果を用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
本構成例の可変焦点レンズ２１４は、透明弾性体２０８，２０９でアゾベンゼン２１０が挟まれており、アゾベンゼン２１０には、透明なスペーサー２１１を経由して光が照射されるようになっている。
図４７中、２１２，２１３はそれぞれ中心波長がλ1，λ2の例えばＬＥＤ、半導体レーザー等の光源である。
【０１０８】
本構成例において、中心波長がλ1の光が図４８(a)に示すトランス型のアゾベンゼンに照射されると、アゾベンゼン２１０は、図４８(b)に示すシス型に変化して体積が減少する。このため、可変焦点レンズ２１４の形状は薄くなり、凸レンズ作用が減少する。
一方、中心波長がλ2の光がシス型のアゾベンゼン２１０に照射されると、アゾベンゼン２１０はシス型からトランス型に変化して、体積が増加する。このため、可変焦点レンズ２１４の形状は厚くなり、凸レンズ作用が増大する。
このようにして、本構成例の光学素子２１４は可変焦点レンズとして作用する。例えばλ1＝３００ｎｍ、λ2＝４８０ｎｍである。この場合、λ1は紫外光、λ2は可視光である。
また、可変焦点レンズ２１４では、透明弾性体２０８，２０９の空気との境界面で光が全反射するので外部に光がもれず、効率がよい。
なお、可変焦点レンズ２１４でアゾベンゼン２１０を光を透過する流体で置き換え、透明弾性体２０８，２０９をフォトメカニカル効果を有する物質で作っても、可変焦点レンズができる。
【０１０９】
図４９は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略構成図である。本構成例では、デジタルカメラの撮像光学系に用いられるものとして説明する。なお、図４９中、４１１は可変抵抗器を内蔵した駆動回路、４１４は演算装置、４１５は温度センサー、４１６は湿度センサー、４１７は距離センサー、４２４は振れセンサーである。
本構成例の可変ミラー４５は、支持台４２３で外周側が支持されたアクリルエラストマー等の有機材料からなる電歪材料４５３と間を隔てて分割電極４０９ｂを設け、電歪材料４５３の上に順に電極４５２、変形可能な基板４５１を設け、さらにその上に入射光を反射するアルミニウム等の金属の薄膜からなる反射膜４５０を設けた４層構造として構成されている。
このように構成すると、分割電極４０９ｂを電歪材料４５３と一体化した場合に比べて、反射膜４５０の面形状が滑らかになり、光学的に収差を発生させにくくなるというメリットがある。
なお、変形可能な基板４５１と電極４５２の配置は逆でも良い。
また、図４９中、４４９は光学系の変倍、あるいはズームを行なう釦であり、可変ミラー４５は、変倍或いはズーミング用釦４４９を使用者が押すことで反射膜４５０の形を変形させて、変倍あるいは、ズームをすることができるように演算装置４１４を介して制御されている。
なお、アクリルエラストマー等の有機材料からなる電歪材料のかわりに既に述べたチタン酸バリウム等の圧電材料を用いてもよい。
【０１１０】
なお、本発明の光学装置に適用可能な可変ミラーに共通して云えることであるが、反射面の変形する部分を反射面に垂直な方向から見た時の形は、軸上光線の入射面の方向に長い形状、たとえば楕円、卵形、多角形、等にするのが良い。
なぜなら、図２５に示した構成例のように、可変ミラーは斜入射で用いる場合が多いが、このとき発生する収差を抑えるためには、反射面の形状は回転楕円面、回転放物面、回転双曲面に近い形が良く、そのように可変ミラーを変形させる為には、反射面の変形する部分を反射面に垂直な方向から見た時の形を、軸上光線の入射面の方向に長い形状にしておくのが良いからである。
【０１１１】
図５０(a)、(b)は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な
電磁駆動型の可変ミラーの構造を示した図である。
図５０(b)は反射膜の反対側から見た図であり、変形部材にコイル（電極）が設けられて駆動回路から電流を流すことで永久磁石の磁場とで電磁力を生じ、ミラー形状が変化するようになっている。
コイルは薄膜コイル等を用いると製作が容易で、かつ、剛性を下げられるのでミラーが変形し易くて良い。
【０１１２】
なお、図２８、 図３２、 図３５、 図３７等において説明した高分子分散液晶５１４の代わりに高分子安定化液晶を用いても良く、その場合でも、同様の可変焦点レンズ等の光学特性可変光学素子を得ることができる。
また、図３５（a）及び（b）に示した可変偏角プリズム５６１において、高分子分散液晶層５１４の代わりに、フォトニック結晶格子３０１に液晶分子３０２を含ませてなる層、或いは光によって屈折率の変化する物質３９０を用いても、同様の可変偏角プリズムを得ることができる。
また、図４７に示した可変焦点レンズ２１４において、アゾベンゼン２１０の代わりに、アゾベンゼン＋液晶＋グリセリン微粒子の混合物を用いても、同様の効果が得られる。
また、図４５に示した可変焦点レンズ２０７の電歪材料２０６として、電気をかけると伸縮するある種の液晶を用いることもできる。
【０１１３】
次に、以上述べた本発明による可変焦点レンズ及び可変焦点ミラーの利用例について説明する。
その１つは眼科機械であって、可変焦点眼鏡への応用である。これは図８を参照して既に説明された。図５１は、可変焦点コンタクトレンズ３７０としての応用例である。ここでは既述の可変焦点レンズ３０３を用いた場合が示されている。この例では、見ている物体距離に応じて電圧を変えることで、任意の距離にピントを合わせることができる。
【０１１４】
可変焦点レンズ３０３の代わりに、光駆動の可変焦点レンズ３２５、 ３２５Ｂ（図８）や可変焦点レンズ２１４（図４７）を用いても良く、その場合はレンズにつながる配線が無いので、製造が簡単である。
また、可変焦点レンズ３０３の代わりに、可変焦点レンズ３１６（図７）、 ５１１（図３０）、 可変焦点回折光学素子５３１（図３２）、 可変焦点レンズ５５１（図３４）、 １６２（図４１）、 ２０１（図４２）及び２０７（図４５）等を用いても勿論よい。
可変焦点レンズとして光学面の変形しないタイプ、つまり、３０３、 ３１６、 ３２５、 ３２５Ｂ、 ５１１、 ５３１及び５５１等を用いれば、使用時の違和感がなく、また、角膜との密着性が良くてよい。
一方、光学面の形状の変化する可変焦点レンズの場合、材質の制限が少ないので、製造し易いというメリットがある。
【０１１５】
図５２は、可変焦点眼内レンズ３７２を設けた人の眼の概略図である。白内症等で水晶体を摘出した人は、従来、固定焦点レンズを代わりに埋め込んでいたが、物体距離が変わるとピントがボケる欠点があった。可変焦点眼内レンズ３７２を埋め込めば、物体距離が変わってもピントを合わせることができ、常にボケない像を見ることができる。
可変焦点眼内レンズ３７２として、光駆動の可変焦点レンズ３２５（図８）、 ３２５Ｂ（図９）や可変焦点レンズ２１４（図４７）を用いると、光駆動あるいは電磁波駆動であるためレンズにつながる配線がなく、しかも製造が容易で良い。勿論、他のタイプの可変焦点レンズ３０３（図１）、 ３１６（図７）、 ５１１（図２８）、 ５３１（図３２）、 ５５１（図３４）、 １６２（図４１）、 ２０１（図４２）または２０７（図４５）等を用いても良いことは云うまでもない。
【０１１６】
光学面の形状が変化しない可変焦点レンズ３０３、 ３１６、 ３２５、 ３２５Ｂ、 ５１１、 ５３１または５５１等を用いれば、人体の中でレンズの形が変わらないので、人体への侵襲が少なくて良い。
一方、光学面の形状が変化する可変焦点レンズの場合、材質の制限が少ないので、製造し易いというメリットがある。
図５３には、可変焦点眼内レンズ３７２の詳細が示されている。
【０１１７】
図５４は、可変焦点眼内レンズ３７２を用いた人工視覚の例を示している。網膜や水晶体の損傷等により視力を失った人に人工視覚３８０を用いることで、視力を回復することができる。即ち、可変焦点眼内レンズ３７２によって撮像素子３８１上に結像した画像は、電子回路３８２によって視神経を刺激する電気信号に変換され、それによって見ることができるようになる。可変焦点眼内レンズ３７２の焦点距離は、駆動回路３８３で制御される。即ち、電子回路３８２で得た画像信号の高周波成分が最大になるように可変焦点眼内レンズ３７２の焦点距離を駆動回路３８３で調整してやれば、常にピントの合った像が見られる。このような方式を、コントラスト方式のオートフォーカスと呼ぶ。
駆動回路３８３は、電気による駆動であっても良いし、電磁波による駆動であっても良い。また、駆動回路３８３は、体内にあっても体外のあっても良く、後者の場合は、無線で電子回路３８２と情報をやり取りするようにしても良い。
また、図３１に示した撮像装置も人工視覚に用いることができる。
なお、可変焦点眼内レンズ３７２の代りに通常のレンズを機械的に結像面に対して前後させてピント合わせを行っても良い。この場合でも、コントラスト方式のオートフォーカスを用いることができる。
【０１１８】
可変焦点眼内レンズ３７２としては、光駆動の可変焦点レンズ３２５（図８）、 ３２５Ｂ（図９）や、 可変焦点レンズ２１４（図４７）のほか１６２（図４１）、 ２０１（図４２）、 ２０７（図４５）、 ３０３（図１）、 ３１６（図７）、 ５１１（図２８）、 可変焦点回折光学素子５３１（図３２）または可変焦点レンズ５５１（図３４）等を用いることができる。
また、可変焦点眼内レンズ３７２として、図６、 図１３、 図１６〜図１９、 図２１、 図３７、 図４９等に示す形状可変ミラーや可変焦点ミラー（これらを可変ミラーとも呼ぶ）を用いても良い。
【０１１９】
図５５は、可変ミラー３８５を用いた人工視覚の例を示している。この場合、眼内レンズ３８７は固定焦点で良い。眼内レンズ３８７と可変ミラー３８５で結像された物体像は、撮像素子３８１上に投影され、物体が見える。
可変ミラーとして、面形状の変化しない可変焦点ミラー５６４（図３７）や３１２（図６）を選べば、人体に対する悪影響が少なくて良い。
一方、光学面の形状が変化する可変焦点レンズの場合、材質の制限が少ないので、製造し易いというメリットがある。
【０１２０】
図５６は、電磁波或いは電磁誘導で駆動エネルギーを供給する可変焦点レンズ３９６を用いた人工視覚の例を示している。この場合、エネルギーはコントローラー３９７の送信コイル３９２から電磁波の形で送り出されて、受信コイル３９３で受信され、駆動回路３９４を経てレンズ部３９５が駆動されて、ピントの合った物体像を見ることができる。
レンズ部３９５としては、各種可変焦点レンズ３０３（図１）、３１６（図７）、３２５（図８）、３２５Ｂ（図９）、５１１（図２５）、５３１（図２９）、５５１（図３１）、２０１（図３９）、１６２（図４１）、２１４（図４４）、２０７（図４５）等を用いることができる。可変焦点レンズ１６２を用いる場合、駆動用のポンプも可変焦点レンズ３９６の周辺部に相当する部位に内蔵すると良い。
なお、可変焦点レンズ３９６は、眼内レンズ, 人工視覚,コンタクトレンズ等眼科機器のほか携帯電話の撮像光学系, 腕時計に組み込まれたデジタルカメラの撮像光学系等、小型の光学装置に用いるとケーブルが無いので便利である。
なお、本願で示した可変焦点レンズ、光学特性可変光学素子は、偏光板が不要であるメリットを有する。さらに、光量が多く、明るい特徴を有する。
【０１２１】
最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。
光学装置とは、光学系あるいは光学素子を含む装置のことである。光学装置単体で機能しなくてもよい。つまり、装置の一部でもよい。
【０１２２】
光学装置には、撮像装置、観察装置、表示装置、照明装置、信号処理装置、光情報処理装置等が含まれる。
【０１２３】
撮像装置の例としては、フィルムカメラ、デジタルカメラ、ＰＤＡ用デジタルカメラ、ロボットの眼、レンズ交換式デジタル一眼レフカメラ、テレビカメラ、動画記録装置、電子動画記録装置、カムコーダ、ＶＴＲカメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、電子内視鏡、カプセル内視鏡、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、監視装置のカメラ、各種センサーの眼、録音装置のデジタルカメラ、人工視覚、レーザ走査型顕微鏡等がある。デジカメ、カード型デジカメ、テレビカメラ、ＶＴＲカメラ、動画記録カメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、監視装置のカメラ、各種センサーの眼、録音装置のデジタルカメラなどはいずれも電子撮像装置の一例である。
【０１２４】
観察装置の例としては、顕微鏡、望遠鏡、眼鏡、双眼鏡、ルーペ、ファイバースコープ、ファインダー、ビューファインダー、コンタクトレンズ、眼内レンズ、人工視覚等がある。
【０１２５】
表示装置の例としては、液晶ディスプレイ、ビューファインダー、ゲームマシン、ビデオプロジェクター、液晶プロジェクター、頭部装着型画像表示装置（ｈｅａｄ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話、人工視覚等がある。
【０１２６】
照明装置の例としては、カメラのストロボ、自動車のヘッドライト、内視鏡光源、顕微鏡光源等がある。
【０１２７】
信号処理装置の例としては、携帯電話、パソコン、ゲームマシン、光ディスクの読取・書込装置、光計算機の演算装置、光インターコネクション装置、光情報処理装置、ＰＤＡ等がある。
【０１２８】
情報発信装置とは、携帯電話、固定式の電話、ゲームマシン、テレビ、ラジカセ、ステレオ等のリモコンや、パソコン、パソコンのキーボード、マウス、タッチパネル等の何らかの情報を入力し、送信することができる装置を指す。
撮像装置のついたテレビモニター、パソコンのモニター、ディスプレイも含むものとする。
情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。
【０１２９】
撮像素子は、例えばＣＣＤ、撮像管、固体撮像素子、写真フィルム等を指す。また、平行平面板はプリズムの１つに含まれるものとする。観察者の変化には、視度の変化を含むものとする。被写体の変化には、被写体となる物体距離の変化、物体の移動、物体の動き、振動、物体のぶれ等を含むものとする。
【０１３０】
拡張曲面の定義は以下の通りである。
球面、平面、回転対称非球面のほか、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは対称面を有する非球面、対称面を１つだけ有する非球面、対称面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点、線を有する面等、いかなる形をしていても良い。反射面でも、屈折面でも、光になんらかの影響を与えうる面ならば良い。
本発明では、これらを総称して拡張曲面と呼ぶことにする。
【０１３１】
光学特性可変光学素子とは、可変焦点レンズ、可変ミラー、面形状の変わる偏向プリズム、頂角可変プリズム、光偏向作用の変わる可変回折光学素子、つまり可変ＨＯＥ，可変ＤＯＥ等を含む。
【０１３２】
可変焦点レンズには、焦点距離が変化せず、収差量が変化するような可変レンズも含むものとする。可変ミラーには、可変焦点ミラー、焦点距離が変化せず、収差量が変化するようなミラー、可変焦点レンズに反射面を設けたミラー、形状の変わらない可変焦点ミラー、形状の変わる形状可変ミラー等を含むものとする。
要するに、光学素子で、光の反射、屈折、回折等の光偏向作用が変化しうるものを光学特性可変光学素子と呼ぶ。
【０１３３】
以上説明したように、本発明の光学特性可変光学素子は、特許請求の範囲に記載された特徴の他に、下記の如き特徴も有している。
（１）駆動用のエネルギーを電磁波または電磁誘導で供給することを特徴とする請求項２に記載の光学特性可変光学素子。
【０１３４】
（２）駆動用の電磁波が非可視光である請求項３に記載の光学特性可変光学素子。
【０１３５】
（３）駆動用の光が導光部材で伝送される請求項３に記載の光学特性可変光学素子。
【０１３６】
（４）下記条件式の少なくとも１つを満たす請求項１乃至４の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
２nm < Sx <λ
２nm < Sy <λ
２nm < Sz <λ
但し、Sx, Sy, Szはそれぞれフォトニック結晶格子のx, y, z方向の繰り返しの周期、λは使用する光の波長である。
【０１３７】
（５）下記条件式の少なくとも１つを満たす請求項１乃至４の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
Ayz / Sx < 10Axy / Sz 
Axz / Sy < 10Axy / Sz 
但し、Sx, Sy, Szはそれぞれフォトニック結晶格子のx, y, z方向の繰り返しの周期、Axyは結晶格子のz軸方向の１周期をx-y平面へ投影したときの影の面積の和、Ayzは結晶格子のz軸方向の１周期をy-z平面へ投影したときの影の面積の和、Axzは結晶格子のz軸方向の１周期をx-z平面へ投影したときの影の面積の和である。
【０１３８】
（６）下記条件式を満たす請求項１乃至４の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
２nm < Sz < ６００λ・ｘ・（２π/３６０）
但し、Szは前記結晶格子のz軸方向の繰り返しの周期、λは使用する光の波長、ｘは前記ｚ軸の周りの回転角度である。
【０１３９】
（７）下記条件式を満たす請求項１乃至４の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
０.０１ ≦ fv  ≦ ０.９９９
但し、fv は結晶格子と液晶分子を合わせた光学材料の体積のうちで液晶分子の占める体積の割合である。
【０１４０】
（８）下記条件式を満たす請求項１乃至４の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
nmin−０.３ ≦ nR ≦nmax＋０.８
但し、nRは結晶格子の屈折率、ｎmin及びｎmaxは液晶分子の屈折率楕円体の常光線を含む面内での互いに直交する方向の屈折率の最小値及び最大値である。
【０１４１】
（９）下記条件式の何れかを満たす請求項１乃至４の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
| nmin − nR | ≦ ０.２
| nmax − nR | ≦ ０.２
但し、nRは結晶格子の屈折率、ｎmin及びｎmaxは液晶分子の屈折率楕円体の常光線を含む面内での互いに直交する方向の屈折率の最小値及び最大値である。
【０１４２】
（１０）可変焦点レンズである請求項１乃至４の何れか又は上記（１）乃至（７）の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
【０１４３】
（１１）可変焦点ミラーである請求項１乃至４の何れか又は上記（１）乃至（７）の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
【０１４４】
（１２）請求項１乃至４の何れか又は上記（１）乃至（１１）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用いた光学装置。
【０１４５】
（１３）請求項１乃至４の何れか又は上記（１）乃至（１１）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用いた観察装置。
【０１４６】
（１４）請求項１乃至４の何れか又は上記（１）乃至（１１）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用いた撮像装置。
【０１４７】
（１５）上記（１０）に記載の可変焦点レンズを用いた可変焦点眼鏡。
【０１４８】
（１６）上記（１０）に記載の可変焦点レンズを用いた可変焦点コンタクトレンズ。
【０１４９】
（１７）上記（１０）に記載の可変焦点レンズを用いた眼内レンズ。
【０１５０】
（１８）上記（１０）に記載の可変焦点レンズを用いた人工視覚。
【０１５１】
（１９）光学特性を変化させる駆動用の光が、導光部材により伝送されることを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１５２】
（２０）構成材料の屈折率が、光あるいは電磁波により変化せしめられることを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１５３】
（２１）光あるいは電磁波により駆動される可変焦点レンズを用いた可変焦点眼鏡。
【０１５４】
（２２）可変焦点レンズを用いた可変焦点コンタクトレンズ。
【０１５５】
（２３）可変焦点レンズを用いた眼内レンズ。
【０１５６】
（２４）光学特性可変光学素子を用いた人工視覚。
【０１５７】
（２５）構成材料の屈折率が光で変化することを特徴とする上記（１９）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１５８】
（２６）構成部材の形状が光で変化することを特徴とする上記（１９）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１５９】
（２７）可変焦点レンズである上記（１９）または（２０）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１６０】
（２８）可変焦点ミラーである上記（１９）または（２０）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１６１】
（２９）可変偏角プリズムである上記（２０）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１６２】
（３０）複数の波長あるいは複数の波長域の光で駆動される上記（２０）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１６３】
（３１）駆動用の光が導光部材で伝送される上記（２０）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１６４】
（３２）駆動用のエネルギーを電磁波あるいは電磁誘導で供給することを特徴とする上記（２０）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１６５】
（３３）可変焦点レンズの屈折率が変化することを特徴とする上記（２１）に記載の可変焦点眼鏡。
【０１６６】
（３４）導光部材で駆動用の光が伝送される上記（２１）に記載の可変焦点眼鏡。
【０１６７】
（３５）可変焦点レンズの駆動用エネルギーを電磁波あるいは電磁誘導で供給することを特徴とする上記（２１）に記載の可変焦点眼鏡。
【０１６８】
（３６）可変焦点レンズが、高分子分散液晶、高分子安定化液晶あるいはツイストネマチック液晶を用いた面形状の変化しない可変焦点レンズである上記（２２）に記載の可変焦点コンタクトレンズ。
【０１６９】
（３７）可変焦点レンズが、面形状の変化する可変焦点レンズである上記（２２）に記載の可変焦点コンタクトレンズ。
【０１７０】
（３８）可変焦点レンズが、光あるいは電磁波で駆動される上記（２２）に記載の可変焦点コンタクトレンズ。
【０１７１】
（３９）可変焦点レンズの屈折率が変化することを特徴とする上記（２２）に記載の可変焦点コンタクトレンズ。
【０１７２】
（４０）可変焦点レンズがレンズに繋がる配線を有していない上記（２２）に記載の可変焦点コンタクトレンズ。
【０１７３】
（４１）可変焦点レンズの駆動用の光が導光部材で伝送される上記（２２）に記載の可変焦点コンタクトレンズ。
【０１７４】
（４２）可変焦点レンズの駆動用のエネルギーを電磁波あるいは電磁誘導で供給することを特徴とする上記（２２）に記載の可変焦点コンタクトレンズ。
【０１７５】
（４３）可変焦点レンズが、高分子分散液晶、高分子安定化液晶あるいはツイストネマチック液晶を用いた面形状の変化しない可変焦点レンズである上記（２３）に記載の眼内レンズ。
【０１７６】
（４４）可変焦点レンズが、面形状の変化する可変焦点レンズである上記（２３）に眼内レンズ。
【０１７７】
（４５）可変焦点レンズが、光あるいは電磁波で駆動される上記（２３）に記載の眼内レンズ。
【０１７８】
（４６）可変焦点レンズの屈折率が変化することを特徴とする上記（２３）に記載の眼内レンズ。
【０１７９】
（４７）可変焦点レンズの駆動用の光が導光部材で伝送される上記（２３）に記載の眼内レンズ。
【０１８０】
（４８）可変焦点レンズがレンズに繋がる配線を有していない上記（２３）に記載の眼内レンズ。
【０１８１】
（４９）可変焦点レンズの駆動用のエネルギーを電磁波あるいは電磁誘導で供給することを特徴とする上記（２３）に記載の眼内レンズ。
【０１８２】
（５０）可変焦点レンズを用いた人工視覚。
【０１８３】
（５１）可変ミラーを用いた人工視覚。
【０１８４】
（５２）コントラスト方式でオートフォーカスを行う人工視覚。
【０１８５】
（５３）光学特性可変光学素子の面形状が変化しない上記（２４）に記載の人工視覚。
【０１８６】
（５４）光学特性可変光学素子の面形状が変化する上記（２４）に記載の人工視覚。
【０１８７】
（５５）光学特性可変光学素子が、光あるいは電磁波で駆動される可変焦点レンズである上記（２４）に記載の人工視覚。
【０１８８】
（５６）屈折率が変化することを特徴とする上記（５５）に記載の人工視覚。
【０１８９】
（５７）可変焦点レンズの駆動用の光が導光部材で伝送される上記（５５）に記載の人工視覚。
【０１９０】
（５８）光学特性可変光学素子がケーブルを有しない上記（２４）に記載の人工視覚。
【０１９１】
（５９）光学特性可変光学素子の駆動用のエネルギーを電磁波あるいは電磁誘導で供給することを特徴とする上記（２４）に記載の人工視覚。
【０１９２】
（６０）コントラスト方式でオートフォーカスを行なう上記（２４）に記載の人工視覚。
【０１９３】
（６１）光学特性可変光学素子が偏光板を有しないことを特徴とする上記（１９）または（２０）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１９４】
（６２）可変焦点レンズが偏光板を有しないことを特徴とする上記（２１）に記載の可変焦点眼鏡。
【０１９５】
（６３）可変焦点レンズが偏光板を有しないことを特徴とする上記（２２）に記載の可変焦点コンタクトレンズ。
【０１９６】
（６４）可変焦点レンズが偏光板を有しないことを特徴とする上記（２３）に記載の眼内レンズ。
【０１９７】
（６５）光学特性可変光学素子が偏光板を有しないことを特徴とする上記（２４）に記載の人工視覚。
【０１９８】
（６６）形状が変化する可変焦点レンズを備えた上記（３９）、（４０）または（４２）の何れか一つに記載の可変焦点コンタクトレンズ。
【０１９９】
（６７）形状が変化する可変焦点レンズを備えた上記（４８）または（４９）に記載の眼内レンズ。
【図面の簡単な説明】
【０２００】
【図１】本発明に係る可変焦点レンズの一実施例の電圧を印加しないときの状態を示す概略構成図である。
【図２】一軸性のネマティック液晶分子の屈折率楕円体を示す図である。
【図３】図１の可変焦点レンズに電圧を印加したときの状態を示す概略構成図である。
【図４】図１の可変焦点レンズにおける結晶格子の具体的構造の一例を示す斜視図である。
【図５】図１の可変焦点レンズにおける結晶格子の具体的構造の他の例を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る可変ミラーの一実施例の電圧を印加しないときの状態を示す概略構成図である。
【図７】本発明に係る可変焦点レンズの他の実施例の電圧を印加しないときの状態を示す概略構成図である。
【図８】本発明に係る可変焦点レンズを用いた眼鏡の一実施例の斜視図である。
【図９】本発明に係る可変焦点レンズ装置の他の実施例の概略構成図である。
【図１０】本発明に係る可変焦点レンズ装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図１１】自由曲面プリズムを用いた本発明に係る撮像装置の一実施例の概略構成図である。
【図１２】本発明に係る可変焦点レンズを用いた眼鏡の他の実施例の斜視図である。
【図１３】本発明の光学装置に用いる光学系に適用可能な光学特性可変光学素子として可変ミラーの一構成例を示す概略図である。
【図１４】図１３の可変ミラーに用いる電極の一形態を示す説明図である。
【図１５】図１３の可変ミラーに用いる電極の他の形態を示す説明図である。
【図１６】可変ミラーの他の構成例を示す概略図である。
【図１７】可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図１８】可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図１９】可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図２０】図１９の構成例における薄膜コイルの巻密度の状態を示す説明図である。
【図２１】可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図２２】図２１の構成例におけるコイルの一配置例を示す説明図である。
【図２３】図２１の構成例におけるコイルの他の配置例を示す説明図である。
【図２４】図１９に示した構成例において、コイルの配置を図２３に示した構成例のようにした場合に好適な永久磁石の配置を示す説明図である。
【図２５】本発明の光学装置の光学系に適用可能な形状可変ミラーの概略構成図である。
【図２６】マイクロポンプで流体を出し入れして反射面を変形させる形状可変ミラーの概略構成図である。
【図２７】マイクロポンプの一構成例を示す概略構成図である。
【図２８】本発明の光学装置の光学系に適用可能な可変焦点レンズの原理的構成を示す図である。
【図２９】図２８に示す高分子分散液晶層に電界を印加した状態を示す図である。
【図３０】図２８に示す高分子分散液晶層への印加電圧を可変にした場合の一構成例を示す図である。
【図３１】本発明の光学装置に可変焦点レンズを用いたデジタルカメラ用の撮像光学系の一構成例を示す図である。
【図３２】本発明の光学装置の光学系に適用可能な可変焦点回折光学素子の一構成例を示す図である。
【図３３】ツイストネマティック液晶を用いる可変焦点レンズを有する可変焦点眼鏡の構成例を示す図である。
【図３４】図３３に示すツイストネマティック液晶層への印加電圧を高くしたときの液晶分子の配向状態を示す図である。
【図３５】本発明の光学装置の光学系に適用可能な可変偏角プリズムの二つの構成例を示す図である。
【図３６】図３５に示す可変偏角プリズムの使用態様を説明するための図である。
【図３７】本発明の光学装置の光学系に適用可能な可変焦点レンズとして機能できる可変焦点ミラーの一構成例を示す図である。
【図３８】本発明の光学装置の光学系に他の構成例の可変焦点レンズを用いた撮像光学系の概略構成図である。
【図３９】図３８の構成例における可変焦点レンズの変形例を示す説明図である。
【図４０】図３９の可変焦点レンズが変形した状態を示す説明図である。
【図４１】本発明の光学装置の光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の構成例に係る、マイクロポンプで流体を出し入れし、レンズ面を変形させる可変焦点レンズの概略図である。
【図４２】本発明の光学装置の光学系に適用可能な光学特性可変光学素子の他の構成例であって圧電材料を用いた可変焦点レンズの概略図である。
【図４３】図４２の変形例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。
【図４４】本発明の光学装置の光学系に適用可能な光学特性可変光学素子のさらに他の構成例であって圧電材料からなる２枚の薄板を用いた可変焦点レンズの概略図である。
【図４５】本発明の光学装置の光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の構成例を示す概略図である。
【図４６】図４５の構成例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。
【図４７】本発明の光学装置の光学系に適用可能な光学特性可変光学素子のさらに他の構成例であってフォトニカル効果を用いた可変焦点レンズの概略図である。
【図４８】図４７の構成例に係る可変焦点レンズに用いるアゾベンゼンの構造を示す説明図であり、(a)はトランス型、(b)はシス型を示している。
【図４９】本発明の光学装置の光学系に適用可能な可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。
【図５０】本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な電磁駆動型の可変ミラーの構造を示した図であり、(a)は側面図、(b)は反射膜の反対側から見た図である。
【図５１】本発明に係る光学特性可変光学素子をコンタクトレンズとして使用した人間の眼の概略図である。
【図５２】本発明の係る光学特性可変光学素子を可変焦点眼内レンズとして使用した１例を示す人間の眼の概略図である。
【図５３】図５２に示した眼内レンズの斜視図である。
【図５４】本発明の係る光学特性可変光学素子を可変焦点眼内レンズとして使用した他の例を示す人間の眼の概略図である。
【図５５】固定焦点レンズと本発明の係る可変焦点ミラーとを眼内に組み込んだ人間の眼の概略図である。
【図５６】本発明に係る光学特性可変光学素子の他の例をコンタクトレンズとして使用した場合の概略図である。
【符号の説明】
【０２０１】
４５            可変ミラー
５９            透明電極
１０２          レンズ
１０３          制御系
１０４，１４１  撮像ユニット
１４０          可変焦点レンズ
１４２          透明部材
１４３          透明物質
１４４          流体あるいはゼリー状物質
１４５          電極
１４６          シリンダー
１４７          支援部材
１４８          外周側が変形可能な部材
１６０          マイクロポンプ
１６１          流体
１６２          可変焦点レンズ
１６３          透明基板
１６４          弾性体
１６５          透明基板
１６８          制御装置（液溜）
１８０          マイクロポンプ
１８１          振動板
１８２，１８３  電極
１８４，１８５  弁
１８８          可変ミラー
１８９          膜
１８９ａ        支持台
２００          圧電材料
２００Ａ，２００Ｂ          薄板
２０１          可変焦点レンズ
２０２          基板
２０６          電歪材料
２０７          可変焦点レンズ
２０８，２０９  透明弾性体
２１０          アゾベンゼン
２１１          透明なスペーサー
２１２，２１３  光源
２１４          可変焦点レンズ
３０１          フォトニック結晶格子
３０２          液晶分子
３０３          可変焦点レンズ
３０４，３０５  光学面
３０６, ３０７  透明電極
３０８          スイッチ
３０９          交流電源
３１０          可変抵抗器
３１０'          固定抵抗
３１１          可変屈折率の光学材料
３１２          可変焦点ミラー
３１３          透明基板
３１４          凹面鏡
３１５          反射膜
３１６          可変焦点レンズ
３１７          直流電源
３２０,３２１    レンズ
３２２          シール部材
３２５,３２５Ｂ  光駆動の可変焦点レンズ
３２６          可変焦点眼鏡
３２７          光源
３２８          紐
３２９          フレーム
３９０          光によって屈折率の変化する物質
４０８          撮像素子
４０９          可変ミラー
４０９ａ        薄膜
４０９ｂ，４０９ｄ，４０９ｋ          電極
４０９ｃ，４０９ｃ’          圧電素子
４０９ｃ−１，４０９ｅ，４０９ｊ          基板
４０９ｃ−２    電歪材料
４１１          駆動回路
４１１ａ，４１１ｂ          可変抵抗器
４１２          電源
４１３          電源スイッチ
４１４          演算装置
４１５          温度センサー
４１６          湿度センサー
４１７          距離センサー
４２３          支持台
４２４          振れセンサー
４２５ａ，４２５ｂ，４２８          駆動回路
４２６          永久磁石
４２７,４２８’  コイル
４４９          変倍或いはズーミング用釦
４５０          反射膜
４５１          変形可能な基板
４５２          電極
４５３          電歪材料
５０８ａ，５３２ａ，５６２ａ，５６６ａ          第１の面
５０８ｂ，５３２ｂ，５６２ｂ，５６６ｂ          第２の面
５０９ａ，５３３ａ，５６３ａ，５６７ａ          第３の面
５０９ｂ，５３３ｂ，５６３ｂ，５６７ｂ          第４の面
５１１，５５１  可変焦点レンズ
５１２ａ，５１２ｂ，５２２，５５２，５５３          レンズ
５１３ａ，５１３ｂ          透明電極
５１４        高分子分散液晶層
５１５        スイッチ
５１６        交流電源
５１７        液晶分子
５１８        高分子セル
５１９        可変抵抗器
５２１        絞り
５２３          固体撮像素子
５３１        可変焦点回折光学素子
５３２，５３３，５６２，５６３，５６６，５６７          透明基板
５３９ａ，５３９ｂ          配向膜
５５０        可変焦点眼鏡
５５４        ツイストネマティック液晶層
５５５        液晶分子
５６１        可変偏角プリズム
５６５        可変焦点ミラー
５６８        反射膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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