(57)【要約】【課題】可変焦点距離範囲をより広げることが可能な光学素子を提供する。【解決手段】第１液体２０と、この第１液体２０と混合しない第２液体１９とを備えて容器１２内に封入し、この容器１２内に加える電圧（物理量）を変化させることで、第１液体２０と第２液体１９との境界面２１の形状を変化させることが可能な液体レンズを有して光学素子１０が構成される。そして、第１液体２０側に位置し、第１液体２０と第２液体１９との境界面２１を貫くように構成した液体レンズの光軸Ｘが貫くハーフプリズム１６と、第２液体１９側に位置し、第１液体２０と第２液体１９との境界面２１を貫くように構成した液体レンズの光軸Ｘが貫く光学部材１７とを有し、ハーフプリズム１６に選択的光線透過反射面１６ａを設けている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１液体と、当該第１液体と混合しない第２液体とを備えて容器内に封入し、前記容器内に加える物理量を変化させることで、前記第１液体と前記第２液体との境界面形状を変化させることが可能な液体レンズを有する光学素子であって、
前記第１液体側に位置し、前記第１液体と前記第２液体との境界面を貫く前記液体レンズの光軸が貫く第１光学部材と、
前記第２液体側に位置し、前記第１液体と前記第２液体との境界面を貫く前記液体レンズの光軸が貫く第２光学部材とを有し、
前記第１光学部材に選択的光線透過反射面が設けられている光学素子。
【請求項２】
前記第２光学部材に反射面が設けられ、
入射した光線が、光の進む順に前記第１液体及び前記第２液体を通過後、前記反射面で反射し、再び前記第２液体及び前記第１液体を通過して、射出されるように構成された請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１液体および前記第２液体のいずれか一方は導電性であり、他方は絶縁性である請求項１もしくは２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記物量は電圧である請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１光学部材は、少なくとも２つ以上のプリズムを接合して構成されている請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記選択的光線透過反射面は、前記２つのプリズムの接合面に配置されている請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記選択的光線透過反射面を有する光学部材は、偏光ビームスプリッタで構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記液体レンズの内壁面は前記境界面に対して前記液体レンズの光軸の周りの全周で接して構成された請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子。
【請求項９】
前記液体レンズの内壁面を形成する部材に設けられた電極と、
前記電極と、前記第１液体及び前記第２液体との間に設けられた絶縁手段とを有し、
前記導電性の液体と前記電極との間に電圧を印加することにより前記境界面形状を変化させるように構成された請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第１液体及び前記第２液体はほぼ同密度である請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記第１液体及び前記第２液体は異なる屈折率を有するように構成された請求項１〜１０のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１２】
前記液体レンズの内壁面が、前記液体レンズの光軸に対して回転対称に形成された請求項１〜１１のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１３】
全体として正の屈折力を有する撮影光学系であって、
光路中に、請求項１〜１２のいずれかに記載の光学素子を有して構成された撮影光学系。
【請求項１４】
物体側から光軸に沿って順に、
第１の固定焦点距離レンズと、
前記光学素子と、
正の屈折力を有する複数のレンズとを有する請求項１３に記載の撮影光学系。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれかに記載の光学素子を用いて結像する結像方法。
【請求項１６】
請求項１３または１４に記載の撮影光学系により撮影する撮影方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及びこの光学素子を有する撮影光学系と、これらを用いた結像方法及び撮影方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォーカシングや変倍などを行う光学系では、固定焦点距離レンズを光軸方向に移動させることで、これらのフォーカシング、変倍を行ってきた。固定焦点距離レンズを移動させるためには、モーターなどの動力源と、この動力源からの駆動力を固定焦点距離レンズの光軸方向への移動に変換するためのギアやカムなどのメカニカル機構が必要であったが、これらのメカニカル機構によって、カメラ等が大型化する、また、駆動音が発生するなどの問題があった。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、エレクトロウェティング現象を用いた可変焦点距離レンズや、面形状変化によって焦点距離を変えることができる可変形状ミラーなどを用い、動力源やメカニカル機構なしに電気的にフォーカシングや変倍、視度調整などを行うことができる光学系が近年数多く提案されている（例えば、特許文献１または２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４９２８２号公報
【０００５】
【特許文献２】特開２００４−１９８６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光学素子では、各液体材料及び印加電圧の制限により可変焦点距離範囲を大きく取ることができないという課題があった。また、形状変化を反射面で行うように構成すると、可変反射面の形状誤差による光学収差への影響が大きくなるという課題があった。さらに、可変焦点距離素子を用いた光学系では、可変焦点距離素子の可変範囲と光路長には密接な関係があり、可変焦点距離素子の可変範囲を狭めるためには光路長を長くする必要があった。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、可変焦点距離範囲をより広げることが可能であり、可変面形状誤差による光学収差への影響が少なく、外観寸法をあまり大型化することなく光路長を長くすることができる光学素子及びこの光学素子を有する撮影光学系と、これらを用いた結像方法及び撮影方法を提供することを目的とする
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本願に係る光学素子は、第１液体と、当該第１液体と混合しない第２液体とを備えて容器内に封入し、この容器内に加える物理量を変化させることで、第１液体と第２液体との境界面形状を変化させることが可能な液体レンズを有するものである。そして、この光学素子は、第１液体側に位置し、第１液体と第２液体との境界面を貫く液体レンズの光軸が貫く第１光学部材（例えば、実施形態におけるハーフプリズム１６）と、第２液体側に位置し、第１液体と第２液体との境界面を貫く液体レンズの光軸が貫く第２光学部材（例えば、実施形態における光学部材１７）とを有し、第１光学部材に選択的光線透過反射面が設けられている。
【０００９】
この光学素子において、第２光学部材に反射面が設けられ、入射した光線が、光の進む順に第１液体及び第２液体を通過後、反射面で反射し、再び第２液体及び第１液体を通過して、射出されるように構成されるのが好ましい。
【００１０】
また、第１液体および第２液体のいずれか一方は導電性であり、他方は絶縁性であるのが好ましい。さらに、上記物量は電圧であるのが好ましい。
【００１１】
上記光学素子において、第１光学部材は、少なくとも２つ以上のプリズムを接合して構成されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、選択的光線透過反射面が、２つのプリズムの接合面に配置されていることが好ましい。あるいは、選択的光線透過反射面を有する光学部材は、偏光ビームスプリッタで構成されていることが好ましい。
【００１３】
また、上記光学素子は、液体レンズの内壁面が境界面に対して液体レンズの光軸の周りの全周で接して構成されるのが好ましい。この場合に、この液体レンズの内壁面を形成する部材に設けられた電極（例えば、実施形態における第２電極１３）と、この電極と、第１液体及び第２液体との間に設けられた絶縁手段（例えば、実施形態における第２絶縁体１５）とを有し、導電性の液体と電極との間に電圧を印加することにより境界面形状を変化させるように構成されることが好ましい。
【００１４】
このとき、第１液体及び第２液体はほぼ同密度であることが好ましい。
【００１５】
また、上記光学素子において、第１液体及び第２液体は異なる屈折率を有するように構成されるのが好ましい。
【００１６】
なお、上記光学素子は、液体レンズの内壁面が、液体レンズの光軸に対して回転対称に形成されていることが好ましい。
【００１７】
また、本願に係る撮影光学系は、全体として正の屈折力を有し、光路中に、上述の光学素子のいずれかを有して構成される。このとき、この撮影光学系は、物体側から光軸に沿って順に、第１の固定焦点距離レンズ（例えば、実施形態における負メニスカスレンズ３１）と、上述の光学素子と、正の屈折力を有する複数のレンズとを有して構成されることが好ましい。
【００１８】
さらに、本願に係る結像方法は、上述の光学素子のいずれかを用いて結像する方法であり、本願に係る撮影方法は、上述の撮影光学系により撮影する方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本願に係る光学素子、この光学素子を用いた撮影光学系、並びに、これらを用いた結像方法及び撮影方法を以上のように構成すると、可変焦点距離範囲をより広げることが可能で、可変面形状誤差による光学収差への影響が少なく、外観寸法をあまり大型化することなく光路長を長くできる光学素子を提供することができるとともに、この光学素子を用いた撮影光学系と、これらを用いた結像方法及び撮影方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本発明に係る光学素子について説明する。この光学素子１０は、導電性材料が円筒形の碗状に形成された第１電極１１、プラスチック等の絶縁性材料が円筒状に形成された容器１２、導電性材料が二重円筒状に形成された第２電極１３、絶縁性材料が円筒状に形成された第１絶縁体１４、光を透過する絶縁性材料が円筒形の碗状に形成された第２絶縁体１５、光を透過する材料で形成された２個のプリズムが接合され、その接合面に選択的光線透過反射面１６ａが形成された第１光学部材であるハーフプリズム１６、及び、光を透過する材料が円板状に形成された第２光学部材１７から構成される。なお、選択的光線透過反射面１６ａは、光線の一部を透過し、残りを反射する面であり、このハーフプリズム１６の代わりに偏光ビームスプリッタを用いることも可能である。
【００２１】
第２電極１３は、断面がコの字状に形成されており、容器１２の内周面、下面及び外周面を覆うように取り付けられている。また、第１絶縁体１４の外径は、第２電極１３及び容器１２の内径と略同一大きさに形成されており、第２電極１３及び容器１２の内周面に対して、第１絶縁体１４が挿入されて取り付けられている。さらに、第２絶縁体１５の外径は、第１絶縁体１４の内径と略同一大きさに形成されており、この第２絶縁体１５の開口部１５ａが上方に向くように、第１絶縁体１４内に挿入されて取り付けられている。
【００２２】
この容器１２に対して第２電極１３、第１絶縁体１４及び第２絶縁体１５が取り付けられた状態で、これらの下面は略同一平面上に位置しており、この下面に対してハーフプリズム１６が接合されている。また、容器１２、第１絶縁体１４及び第２絶縁体１５の上面も略同一平面上に位置しており、この上面に対して第１電極１１の開口部１１ａが上方に向くように底部１１ｂが接合されている。第１電極１１の底部１１ｂには、円形の開口窓１１ｃが設けられており、この開口窓１１ｃの内径は、第２絶縁体１５の開口部１５ａの内径よりやや小さく形成されており、開口窓１１ｃと開口部１５ａとはその回転対称軸（後述する液体レンズの光軸Ｘ）が一致している。また、第１電極１１の内径と第２光学部材１７の外形とは略同一大きさに形成されており、この第１電極１１には、開口部１１ａから内部に第２光学部材１７が挿入されて取り付けられており、この第２光学部材１７が開口窓１１ｃを塞いでいる。なお、第２光学部材１７の上端面には、反射率の高い材料が蒸着された反射層１８が形成され反射面１８ａとして機能している。
【００２３】
第２絶縁体１５と第１電極１１及び第２光学部材１７とで囲まれた空間には、導電性の塩化リチウム水溶液（これを「第２液体１９」と呼ぶ）と、この第２液体１９と同密度の絶縁性のシリコンオイル（これを「第１液体２０」と呼ぶ）とが充填されて封入されている。このとき、第２液体１９と第１液体２０とは混合せず、表面張力により境界面２１が形成され（図１においては第２液体１９が境界面２１の上側の第２光学部材１７側に、第１液体２０は境界面２１の下側の第１光学部材であるハーフプリズム１６側に位置する）、この境界面２１を境にこれらの液体１９，２０が配置されて液体レンズをなしている。なお、第１液体２０と第２液体１９とが同密度で構成されることで、境界面２１へ重力が全く影響しなくなるため、この境界面２１にかかる重力方向の影響を回避することができ、また、振動による混合を回避することができる。
【００２４】
図１において、第２絶縁体１５の内壁面１５ｂは回転対称に形成されており、この内壁面１５ｂに対する回転対称軸と液体レンズの光軸Ｘは一致し、この液体レンズの光軸Ｘは、ハーフプリズム１６、境界面２１及び第２光学部材１７を貫いている。ハーフプリズム１６の左方から入射した光線の一部は選択的光線透過反射面１６ａで上方に反射され液体レンズの光軸Ｘを光軸として第２絶縁体１５に入射する。すなわち、入射光線光軸Ｉは、ハーフプリズム１６で折り曲げられた状態で、液体レンズの光軸Ｘとほぼ一致している。そして、第２絶縁体を透過した光線は、第１液体２０、第２液体１９及び第２光学部材１７を透過し、反射層１８の下面（反射面１８ａ）で反射し、再び、第２光学部材１７、第２液体１９及び第１液体２０を透過してハーフプリズム１６に入射し、この光線の一部が選択的光線透過反射面１６ａを透過して、液体レンズの光軸Ｘと一致する光軸の光線として射出される。すなわち、この液体レンズの光軸Ｘは、上方から下方に向かって射出する射出光線Ｏの光軸と一致している。
【００２５】
この光学素子１０において、第１液体２０と第２液体１９との境界面２１は、液体レンズの光軸Ｘ周りの全周で内壁面１５ｂに接している。また、第２電極１３は第１及び第２絶縁体１４，１５により第１液体２０及び第２液体１９とは絶縁されており、一方、第１電極１１の開口部１１ｃは第２液体１９に接して電気的に接続されている。したがって、第１電極１１及び第２電極１３に物理量である電圧を印加することで、境界面２１と内壁面１５ｂとの表面張力を変更可能であり、電圧の変化に対して、境界面形状の変更が可能な構成となっている。ここで、第２液体１９のｄ線における屈折率はｎ＝１．４１であり、第１液体２０のｄ線における屈折率はｎ＝１．５５であることから、電圧変化に伴う境界面形状の変化により、この光学素子１０全体の焦点距離を変更可能としている。また、光線は境界面２１を２回通過することになり、この境界面２１を１回通過する場合に比べて約２倍の屈折力を得ることができ、可変焦点距離範囲をより広げることが可能な光学素子を提供することができる。
【００２６】
このとき、可変焦点面（境界面２１）は屈折面であるため、反射面を可変焦点面に利用した場合に比べて可変面形状誤差の影響を受けにくく、可変面形状誤差による光学収差への影響が少ない光学素子を提供することができる。さらに、選択的光線透過反射面１６ａから反射面１８ａまでの距離を光線が２回通過することにより、効率的に光路長を延ばすことが可能であり、外観寸法をあまり大型化することなく光路長を長くできる光学素子を提供することができる。
【００２７】
なお、以上の説明においては、第２絶縁体１５の内壁面１５ｂを回転対称に形成した場合について説明したが、本実施例がこの形状に限定されることはなく、例えば内壁面１５ｂの形状を、液体レンズの光軸Ｘを含む面対称に構成することも可能である。あるいは内壁面１５ｂは非対称形状であっても良い。また、第１液体２０及び第２液体１９として、屈折率がほぼ同一で、アッベ数が異なる２つの液体を用いることにより、電圧変化に伴う境界面形状の変化により、この光学素子１０全体の色収差を変更可能に構成することもできる。また、第１絶縁体１４と第２絶縁体１５を透明な一体の絶縁体で構成しても良い。あるいは、第１絶縁体１４と第２絶縁体１５を透明な絶縁性薄膜で構成することもできる。
【００２８】
次に、図２を用いて撮影光学系に対して上述の光学素子を適用した場合について説明する。この撮影光学系３０は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ３１、上述の光学素子１０及び両凸レンズ３２からなる第１レンズ群３３と、両凹レンズ、両凹レンズ及び両凸レンズからなり負の屈折力を有する第２レンズ群３４と、両凸レンズ、両凸レンズ及び両凹レンズからなり正の屈折力を有する第３レンズ群３５と、両凸レンズ、両凸レンズ及び両凹レンズからなり正の屈折力を有する第４レンズ群３６と、光学ローパスフィルタ３７と、撮像素子３８とから構成される。なお、図２よりこの撮像光学系３０は４つの正の屈折力を有するレンズが設けられていることが分かる。
【００２９】
図２の左方から第１レンズ群３３に入射した光線は、第１の固定焦点距離レンズである負メニスカスレンズ３１に入射し、さらにハーフプリズム１６に入射してこの光線の一部が選択的光線透過反射面１６ａで上方に反射され、第１液体２０、第２液体１９及び第２光学部材１７を透過して反射面１８ａで反射する。そして、再び同じ光路を透過してハーフプリズム１６に再度入射し、一部の光線が選択的光線透過反射面１６ａを透過してハーフプリズム１６の下方から射出され、凸レンズ３２、第２〜第４レンズ群３４〜３６及び光学ローパスフィルタ３７を透過して撮像素子３８に結像する。そのため、この撮影光学系３０において、光学素子１０は、焦点距離変換機能によって、第２レンズ群３４への入射光を変化させ、ズームレンズのコンペンセータ及び合焦をさせている。
【００３０】
本実施例に示す光学素子及び撮影光学系を以上のように構成し、これらの光学素子等による結像方法及び撮影方法を用いると、可変焦点距離をより広げることが可能で、可変面形状誤差による光学収差への影響が少なく、外観寸法をあまり大型化することなく光路長を長くできる光学素子を提供することができるとともに、この光学素子を用いた撮影光学系と、これらを用いた結像方法及び撮影方法を提供することができる。
【００３１】
なお、本実施例に係る光学素子は、焦点距離変換手段を用いて光スイッチや、光ディスク用ピックアップレンズ光学系のＮＡ変換機能などにも利用可能である。また、本発明の液体容器の形態は、同じ機能を有していれば本明細書中に示される実施例に限定されることはない。また、液体材料（第１及び第２液体）は、同じ機能を有していれば、本明細書中に示される実施例に限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る光学素子の側断面図である。
【図２】上記光学素子を用いた撮影光学系の側断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  光学素子      １２  容器      １３  第２電極（電極）
１５  第２絶縁体（絶縁手段）      １５ｂ  内壁面
１６  ハーフプリズム（第１光学部材）      １６ａ  選択的光線透過反射面
１７  第２光学部材      １８ａ  反射面
１９  第２液体      ２０  第１液体      ２１  境界面
３０  撮影光学系      ３１  負メニスカスレンズ（第１固定焦点距離レンズ）
Ｘ  液体レンズの光軸
【図１】
2008176082.tif 000003
【図２】
2008176082.tif 000004