(57)【要約】  本発明はフレネル構造（１０１）を有する光学装置に関する。フレネル構造は、前記フレネル構造を通過する放射ビームに、少なくとも１回の位相のジャンプが導入されるように、設計される。光学素子は、前記位相のジャンプを補償するステップ構造（１０２）をさらに有する。
2008512700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過する放射ビームに、少なくとも１つの位相ジャンプが導入されるように設計されたフレネル構造を有する光学素子であって、前記位相ジャンプを補償するためのステップ構造をさらに有する光学素子。
【請求項２】
前記フレネル構造が第１屈折率を有し、前記ステップ構造が、前記第１屈折率よりも大きな、第２屈折率を有する、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記フレネル構造と接する材料をさらに有する光学素子であって、前記材料は、電圧印加によって変化可能な屈折率を有する、請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記フレネル構造、前記材料及び前記ステップ構造が、１つでかつ同一のセルの一部を形成する、請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
通過する放射ビームに、少なくとも第１位相ジャンプが導入されるように設計される、第１フレネル構造；
通過する放射ビームに、少なくとも第２位相ジャンプが導入されるように設計される、第２フレネル構造；
前記第１フレネル構造に接し、第１異常軸を有する第１複屈折性材料；
前記第２フレネル構造に接し、前記第１異常軸に垂直な第２異常軸を有する第２複屈折性材料；
前記第１複屈折性材料及び前記第２複屈折性材料の異常屈折率が実質的に同一になるように、前記第１複屈折性材料及び前記第２複屈折性材料の異常屈折率を調節する手段；及び
前記第１位相ジャンプ及び前記第２位相ジャンプを補償する手段；
を有する、請求項３に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフレネル構造を有する光学素子に関し、特に可変焦点距離を有するレンズを有する光学素子に関する。前記レンズはフレネル構造を有する。
【０００２】
本発明は、たとえばカメラのような、可変焦点距離が必要な光学素子にとって特に有用である。
【背景技術】
【０００３】
特許文献１は、液晶材料と接するフレネル構造を有する液晶レンズについて説明している。電圧印加によって、この液晶材料の屈折率を変化させることが可能である。電圧印加によって屈折率を変化させることが可能なため、前記液晶レンズの焦点距離を変化させることが可能となる。特許文献１で説明したように、従来のレンズに代わってフレネルレンズを使用することで、液晶材料の厚さを減少させることが可能となる。液晶材料の厚さが減少することで、一の焦点距離から別な焦点距離への切り換えに必要な時間が短くなる。その理由は、液晶材料の切り換え時間は、その厚さに依存するからである。
【０００４】
フレネルレンズは、従来のレンズからその一部を除去することで得られる。そのような除去される一部は、除去されることによって、フレネルレンズを通過する放射ビームの光路に変化が導入されるような部分が選ばれる。導入される変化は、前記放射ビームの波長の倍数である。このようにして、従来のレンズの回折限界特性は、対応するフレネルレンズにおいても維持される。しかしフレネルレンズは、特定波長専用に設計されている。その結果として、フレネルレンズは、たとえばカメラ内の自然光のような、様々な波長を有する光を利用する用途に用いることができない。
【特許文献１】米国特許第４９０４０６３号明細書
【非特許文献１】バラート（Ｊ．Ｊ．Ｍ．Ｂｒａａｔ）、“Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｉｓｃ  ｓｙｓｔｅｍｓ”、”Ｈｕｙｇｅｎｓ’  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ  １６９０−１９９０  ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｐｐ．３３−６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、様々な波長に対して適した、フレネル構造を有する光学素子の提供である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的のため、本発明はフレネル構造を有する光学素子を提案する。そのフレネル構造は、そのフレネル構造を通過する放射ビームに少なくとも１つの位相ジャンプを導入するように設計される。前記光学素子は、前記位相ジャンプを補償するためのステップ構造をさらに有する。フレネル構造は環状領域を有する。２つの環状領域間では、位相ジャンプが常に生じる。フレネル構造の設計波長では、位相ジャンプは２πの倍数である。この位相ジャンプの値は、従来のレンズの回折限界特性が変わらないことを意味する。しかし、フレネル構造の設計波長とは異なる波長では、位相ジャンプが２πの倍数にならないため、フレネル構造を通過する放射ビームに強い収差が発生する。本発明に従うと、ステップ構造は、これらの位相ジャンプを補償する光学素子で使用される。このステップ構造は、フレネル構造に起因する位相ジャンプを補償する位相変化を導入するように設計される。その結果、光学素子の特性は放射ビームの波長に依存せず、光学素子は、たとえば自然光でも使用可能となる。
【０００７】
好適には、光学素子は：
通過する放射ビームに、少なくとも第１位相ジャンプが導入されるように設計される、第１フレネル構造；
通過する放射ビームに、少なくとも第２位相ジャンプが導入されるように設計される、第２フレネル構造；
前記第１フレネル構造に接し、第１異常軸を有する第１複屈折性材料；
前記第２フレネル構造に接し、前記第１異常軸に垂直な第２異常軸を有する第２複屈折性材料；
前記第１複屈折性材料及び前記第２複屈折性材料の異常屈折率が実質的に同一になるように、前記第１複屈折性材料及び前記第２複屈折性材料の異常屈折率を調節する手段；及び
前記第１位相ジャンプ及び前記第２位相ジャンプを補償する手段；
を有する。
【０００８】
光学素子は２つの複屈折性材料を有し、これらの異常軸は互いに垂直である。「実施例」で説明されるように、そのような２つの複屈折性材料の組み合わせは偏光に独立である。そのため、光学素子に偏光子を使用せずに済む。
【０００９】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以降で説明する実施例を参照することで明らかになる。
【発明の効果】
【００１０】
有利になるように、フレネル構造は第１屈折率を有し、かつステップ構造は、前記第１屈折率よりも大きな第２屈折率を有する。フレネル構造及びステップ構造が同一の屈折率を有するとき、ステップ構造のステップの厚さは、フレネル構造が設計された従来レンズの除去された部分の厚さと同一となる。ステップ構造の屈折率をフレネル構造の屈折率より高い値に選ぶとき、ステップ構造のステップの厚さが減少して良い。これは光学素子の大きさの点では有利である。
【００１１】
たとえ従来のレンズの厚さの減少が、ステップ構造の厚さによって、少なくとも部分的に補償されるとしても、本発明は、特に全体の厚さが重要ではない光学素子において有利である。本発明は、特に前述の光学素子に関する。その光学素子は、前記フレネル構造と接する材料を有し、前記材料は、電圧印加によって変化可能な屈折率を有する。この光学素子では、前記材料の厚さのみが重要である。その理由は、切り換え時間は前記厚さに関係するからである。光学素子にステップ構造を付加しても、フレネル構造と接する材料の厚さは変化しない。従って、切り換え時間は従来技術の光学素子と同一のままであり、同時にその光学素子は自然光で利用可能となる。
【００１２】
有利になるように、前記フレネル構造、前記材料及び前記ステップ構造は、１つでかつ同一のセルの一部を形成する。これにより、光学素子の製造プロセスが単純化する。その理由は、ステップ構造とフレネル構造とがすでに前記セル中で整合しているため、両構造を位置合わせする必要がなくなるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１では、本発明に従った光学素子が図示されている。この光学素子はフレネル構造１０１及びステップ構造１０２を有する。フレネル構造は当業者にとって既知である。たとえばフレネルレンズは、非特許文献１に記述がある。図１では、フレネル構造１０１が作られる従来のレンズが細い線で示され、フレネル構造１０１及びステップ構造１０２は太い線で示されている。フレネル構造１０１を作製するために除去された従来レンズの部分は、破線で示されている。
【００１４】
図１では、フレネルレンズ構造１０１とステップ構造１０２とは、別個の部品として図示されている。しかし、フレネル構造１０１とステップ構造１０２とは、１つでかつ同一の素子の一部を形成して良い。そのような素子の例には、たとえば成形プロセスによって得られる光学素子がある。
【００１５】
ステップ構造１０２は次のように設計される。ステップ構造はステップを有し、そのステップの厚さは、フレネル構造が設計された従来のレンズの除去された部分の厚さに等しくなるように選択される。面ＰＰでは、従来のレンズの表面高さはｚｐで表される。この面ＰＰでは、厚さΔＺＰを有する部分は、フレネル構造１０１の設計のために除去された。この面ＰＰでは、ステップ構造の厚さは、ΔＺＰに等しくなるように選ばれる。次の例では、２つの面ＡＡ及びＢＢが、フレネル構造のステップ各面で画定される。その際、ＺＡはほぼＺＢに等しい。
【００１６】
面ＡＡでは、面ＣＣと面Ｃ’Ｃ’との間の光路長は、
ＷＣＣ’（Ａ）＝ｄ＋（ｎ−１）（ＺＡ−ΔＺＡ）
で表される。ここで、ｎはフレネル構造１０１の屈折率である。
【００１７】
面ＢＢでは、面ＣＣと面Ｃ’Ｃ’との間の光路長は、
ＷＣＣ’（Ｂ）＝ｄ＋（ｎ−１）（ＺＢ−ΔＺＢ）
で表される。
【００１８】
その結果、フレネル構造１０１は光路長にジャンプを導入する。そのジャンプの大きさは、
ＷＣＣ’（Ａ）−ＷＣＣ’（Ｂ）＝（ｎ−１）（ΔＺＢ−ΔＺＡ）
で表される。その理由は、ＺＡ＝ＺＢだからである。
【００１９】
非特許文献１で説明されているように、フレネル構造は、ΔＺＰ＝ｍＰλ０／（ｎ−１）となるように設計される。ここでｍＰは整数である。その結果、光路長のジャンプは、
ＷＣＣ’（Ａ）−ＷＣＣ’（Ｂ）＝（ｍＢ−ｍＡ）λ０
となる。この式は、設計波長λ０を有する放射ビームがフレネル構造１０１を通過するとき、このフレネル構造が２πの倍数である位相ジャンプを導入することを意味する。従って、波面収差は導入されない。しかし、波長λ０とは異なる波長λ１を有する放射ビームがフレネル構造１０１を通過するとき、このフレネル構造１０１は２πの倍数ではない位相ジャンプを導入するため、波面収差が導入される。
【００２０】
面ＡＡでは、面Ｃ’Ｃ’と面ＤＤとの間の光路長は、
ＷＣ’Ｄ（Ａ）＝ｎＺＡ＋（ｄ−ΔＺＡ）
で表される。ここでステップ構造１０２の屈折率は、フレネル構造１０１の屈折率ｎと等しくなるように選ばれる。
【００２１】
面ＢＢでは、面Ｃ’Ｃ’と面ＤＤとの間の光路長は、
ＷＣ’Ｄ（Ｂ）＝ｎＺＢ＋（ｄ−ΔＺＢ）
で表される。
【００２２】
その結果、面ＡＡと面ＢＢ、つまり面ＣＣと面ＤＤとの間での光路長差は、
ＷＣＣ’（Ａ）＋ＷＣ’Ｄ（Ａ）−（ＷＣＣ’（Ｂ）＋ＷＣ’Ｄ（Ｂ））＝０
となる。
【００２３】
この式は、ステップ構造１０２が、フレネル構造１０１によって導入される、面ＡＡと面ＢＢとの間での位相ジャンプを補償することを意味する。このことは、フレネル構造１０１及びステップ構造１０２を有する光学素子を通過する放射ビームの波長に依存しない。その結果、放射ビームの波長が如何なる長さであっても、本発明に従った光学素子によって導入される波面収差は、フレネル構造が設計された従来のレンズによって導入される波面収差程度に小さい。このことは、本発明に従った光学素子が、たとえば自然光でも使用可能であることを意味する。
【実施例１】
【００２４】
図２ａでは、本発明に従った光学素子の変化型が図示されている。この変化型では、フレネル構造１０１及びステップ構造１０２はそれぞれ別な素子であり、図１のように一緒になっていない。実際、ステップ構造１０２は、フレネル構造１０１によって導入される位相ジャンプを補償するために、フレネル構造１０１と丁寧に位置合わせされている限り、光学素子中のどこに設けられても良い。
【００２５】
図２ｂでは、本発明に従った光学素子の有利な変化型が図示されている。フレネル構造１０１は、第１屈折率を有し、ステップ構造は、第１屈折率より大きな第２屈折率を有する。このようにすることで、ステップ構造１０２のステップの厚さを薄くすることが可能となる。図２ｂにおいて、Δ’ＺＡ及びΔ’ＺＢが、図１でいうところの面ＡＡ及び面ＢＢでのステップ構造１０２のステップの厚さである場合、ステップ構造１０２は、フレネル構造１０１によって導入される、面ＡＡと面ＢＢとの間での位相ジャンプを補償する。この位相ジャンプは、（Δ’ＺＢ−Δ’ＺＡ）／（ΔＺＢ−ΔＺＡ）＝（ｎ１−１）／（ｎ２−１）で表される。ここでｎ１はフレネル構造１０１の屈折率で、ｎ２はステップ構造１０２の屈折率である。たとえば、ｎ１＝１．５でｎ２＝２の場合、（Δ’ＺＢ−Δ’ＺＡ）＝０．５（ΔＺＢ−ΔＺＡ）であることが分かる。この式は、この場合であれば、ステップ構造１０２の厚さを１／２に薄くできることを意味している。このように薄くできることは特に有利である。なぜなら薄くできることで、光学素子の大きさも小さくできるからである。
【実施例２】
【００２６】
焦点距離が可変である、本発明に従った光学素子が図３ａから図３ｄに図示されている。そのような光学素子は、フレネル構造１０１、ステップ構造１０２、液晶材料３００、第１電極３０１、第２電極３０２及び絶縁体スペーサ３０３を有する。そのような光学素子の機能は、たとえば特許文献１で説明されているようなフレネル液晶レンズの機能である。しかし、図３ａから図３ｄの光学素子は、たとえば自然光のような、様々な波長を有する光で用いることができるように、図１及び図２で説明されたようなステップ構造を有する。
【００２７】
液晶材料はフレネル構造１０１と接している。図３ｂの場合では、ステップ構造１０２もまたフレネル構造１０１と接するように、フレネル構造１０１は第１電極３０１を有していることに留意すべきである。
【００２８】
ステップ構造１０２によって、図３ａから図３ｄの光学素子の全体の厚さは、特許文献１の光学素子と比較して増大する。しかし、このことは重要ではない。なぜなら、液晶材料３００の厚さは、特許文献１と比較しても増大しないからである。従って、これらの光学素子の切り換え時間は増大しない。
【００２９】
図３ａから図３ｃでは、フレネル構造１０１、液晶材料３００及びステップ構造１０２は、１つでかつ同一のセルの一部を形成する。このことは特に有利なことである。なぜなら、フレネル構造１０１がステップ構造１０２に対して自動的に位置合わせされるからである。ただし図３ｄの光学素子については当てはまらない。図３ｄの光学素子では、ステップ構造１０２は、フレネル構造１０１に対して位置合わせされる必要がある。図３ｄでは、ステップ構造１０２は、フレネル構造１０１及び液晶材料３００から分離している。これもまた有利になると考えられる。なぜなら、この場合、ステップ構造１０２は、たとえばレンズ又は回折格子のような別な光学素子と一体化できるからである。
【実施例３】
【００３０】
図４ａでは、本発明に従った、焦点距離が可変である光学素子が図示されている。この光学素子は偏光に対して独立である。この光学素子は、第１フレネル構造４０１、ステップ構造４０２、第１液晶材料４０３、第１電極４０４、第２電極４０５、第１絶縁体スペーサ４０６、第２フレネル構造４１１、第２液晶材料４１３、第３電極４１４、第４電極４１５及び第２絶縁体スペーサ４１６を有する。第１フレネル構造４０１は、少なくとも第１位相ジャンプを、前記第１フレネル構造４０１を通過する放射ビームに導入し、第２フレネル構造４１１は、少なくとも第２位相ジャンプを、前記第２フレネル構造４１１を通過する放射ビームに導入する。第１位相ジャンプと第２位相ジャンプとが同様になるように、第１フレネル構造４０１と第２フレネル構造４１１とは同様である。以降で説明するように、ステップ構造４０２は、第１位相ジャンプ及び第２位相ジャンプを補償するように設計されている。
【００３１】
図４ｂの光学素子は、同一の素子を有するが、ステップ構造４０２は、第１液晶材料４０３と接する第１フレネル構造４０１、及び第２液晶材料４１３と接する第２フレネル構造４１１を有するセルから分離している。
【００３２】
図３ａから図４ｄの例では、液晶材料が用いられている。しかし、他の複屈折性材料が、本発明に従って用いられて良い。たとえば、２つの電極間に印加される電位差によって生じる電流が流れるときに、回転可能な荷電置換基を有する分子を用いても良い。
【００３３】
第１フレネル構造４０１と接する第１液晶材料４０３は第１異常軸を有し、第２フレネル構造４１１と接する第２液晶材料４１３は、第１異常軸に垂直な第２異常軸を有する。これは、第１液晶材料４０３及び第２液晶材料４１３に、適切な異方性ネットワークを用いることで実現されて良い。あるいはその代わりに、液晶の配向を好適な配向に誘起するため、第１液晶材料４０３に接する第２電極４０５、及び第２液晶材料４１３に接する第４電極４１５の化学修飾又は機械的加工が行われても良い。
【００３４】
第２異常軸に平行な偏光を有する光ビームが、図４ａ又は図４ｂに図示されている光学素子を通過するとき、第１フレネル構造４０１は透明板として機能する。このことは、第２フレネル構造４１１のみが前記放射ビームに作用することを意味する。第２異常軸に垂直な偏光を有する光が、図４ａ又は図４ｂに図示されている光学素子を通過するとき、第２フレネル構造４１１は透明板として機能する。このことは、第１フレネル構造４０１のみが前記放射ビームに作用することを意味する。第１フレネル構造４０１及び第２フレネル構造４１１が同様の構造である場合、第２異常軸に平行な偏光を有する光ビームへの光学素子の作用は、第２異常軸に垂直な偏光を有する光ビームへの光学素子の作用と同一になる。換言すると、図４ａ又は図４ｂの光学素子の振る舞いは、前記光学素子を通過する光ビームの偏光に依存しない。
【００３５】
第２異常軸に平行な偏光を有する光ビームが、図４ａ又は図４ｂに図示されている光学素子を通過するとき、第２フレネル構造４１１のみが位相ジャンプを誘起する。第２異常軸に垂直な偏光を有する光ビームが、図４ａ又は図４ｂに図示されている光学素子を通過するとき、第１フレネル構造４０１のみが位相ジャンプを誘起する。その結果、ステップ構造４０２は、第１位相ジャンプ又は第２位相ジャンプのいずれかを補償するだけで良い。これらの位相ジャンプは同様なため、たとえ図４ａ及び図４ｂの素子が２つのフレネル構造４０１及び４１１を有するとしても、ステップ構造は、図１から図３ｄで説明されたように設計される。
【００３６】
この光学素子の光学特性を変化させるため、第１液晶材料４０３及び第２液晶材料４１３の異常屈折率が調節される。光学素子が偏光に対して独立である状態を保持するため、第１液晶材料４０３及び第２液晶材料４１３の異常屈折率を調節する手段は、それらの異常屈折率が実質的に等しくなるように調節されなければならない。これは、第１電極４０４と第２電極４０５との間、及び第３電極４１４と第４電極４１５との間に同一の電位差を印加することで、単純に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に従った光学素子を図示している。
【図２ａ】本発明に従った光学素子の変化型を図示している。
【図２ｂ】本発明に従った光学素子の変化型を図示している。
【図３ａ】本発明に従った、焦点距離が可変である光学素子を図示している。
【図３ｂ】本発明に従った、焦点距離が可変である光学素子を図示している。
【図３ｃ】本発明に従った、焦点距離が可変である光学素子を図示している。
【図３ｄ】本発明に従った、焦点距離が可変である光学素子を図示している。
【図４ａ】本発明に従った、焦点距離が可変である別な光学素子を図示している。
【図４ｂ】本発明に従った、焦点距離が可変である別な光学素子を図示している。
【図１】
2008512700.tif 000003
【図２ａ】
2008512700.tif 000004
【図２ｂ】
2008512700.tif 000005
【図３ａ】
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【図３ｂ】
2008512700.tif 000007
【図３ｃ】
2008512700.tif 000008
【図３ｄ】
2008512700.tif 000009
【図４ａ】
2008512700.tif 000010
【図４ｂ】
2008512700.tif 000011
【国際調査報告】
2008512700.tif 000012
2008512700.tif 000013
2008512700.tif 000014