(57)【要約】      （修正有）【課題】構造が簡単で、光量損失が少なく、低電圧により駆動可能で、光学特性を変化させ得る明るい光学特性可変光学素子及びそれを用いた各種の光学装置や光学機器を提供する。【解決手段】光学装置が、偏心した非球面の反射、屈折による結像作用を実現する自由曲面光学素子と焦点距離が連続的に変化する液晶レンズのような可変焦点レンズ等の光学特性可変光学素子を有する。【選択図】図２３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由曲面光学素子と光学特性可変光学素子を有する光学装置。
【請求項２】
非回転対称面，面内面外共に対称軸を有しない面，光学作用面に回転対称軸を有しない面，面内面外共に対称面を一面のみ有する面の内の何れかと、光学特性可変光学素子とを備えた撮像装置。
【請求項３】
複数の自由曲面プリズムと、その間に配置された可変焦点レンズを含む光学系を備えた光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学特性可変光学素子、更に詳しくは光学特性を変化させる光学特性可変光学素子を有する光学装置又は撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ズームレンズ或いは撮像装置のピント合わせでは、通常レンズを機械的に移動することが行なわれている。
【０００３】
しかし、レンズ系の全体、或いは一部を移動させることは、超小型であることが要求される電子内視鏡やマイクロマシンの眼等では不可能であり、又、テレビカメラ、電子スチルカメラや銀塩フィルムカメラ等でも、軽量化、コストダウンのためには、レンズ系を移動させずにズーム、ピント合わせができることが望ましい。
【０００４】
そこで、従来より、これらの課題をレンズの移動を行わずに解決する手段として、例えば特開平５−３４６５６号公報や特開平４−３４５１２４号公報に、可変焦点レンズが提案されている。
【０００５】
また、図３１は、この種の可変焦点レンズの別の一例である液晶レンズを示している。図中の１はシール部材２により封止された斜め配向のネマティック液晶で、ドーナツ状の電極３を設けた一対の基板４，５の間に挟まれている。６は透明基板４，５の内側表面に設けられた配向膜、７は基板４の前側（左側）に設けられていて紙面内で振動する光のみを透過する偏光板、８はスイッチ９と可変抵抗器１０を介して電極３に接続された交流電源である。
【０００６】
この液晶レンズにおいて、スイッチ９がオフの場合、液晶１は図示のように一様に斜めに配向していて、光線Ｌは直進する。これに対し、スイッチ９をオンにして電極３に電圧を印加すると、電極３がドーナツ状をしているため電場Ｅの方向は図５に示すように不均一になり、液晶１は図３２に示すように配向する。つまり、液晶レンズの中心付近では電場が弱いため液晶１は斜め配向を保っているが、電極３に近づくにつれて電場が強くなるため液晶１は基板４，５に垂直となる。このため、偏光板７を透過した偏光に対して液晶１の屈折率は液晶レンズの中心ほど高く周辺ほど低くなり、液晶レンズの半径方向（ｙ方向）に屈折率分布をもつようになる。このため、液晶レンズは凸レンズ作用を持つ不均質レンズとなり、入射した光線Ｌは収束する。
また、自由曲面光学素子を用いた光学装置や撮像装置が知られている。
【特許文献１】特開平５−  ３４６５６号
【特許文献２】特開平４−３４５１２４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、自由曲面光学素子は、偏心した非球面の反射、屈折により結像作用を実現するもので、プラスチックやガラス等で作られているが、その形が非対称であるために、ピント合わせを行う場合、固体撮像素子との距離を変化させるための機械的構造が複雑になるという欠点があった。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、光量損失が少なく、低電圧により駆動可能で、光学特性を変化させ得る光学特性可変光学素子を備えた光学装置又は撮像装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の光学装置は、自由曲面光学素子と光学特性可変光学素子を有する。
【００１０】
又、本発明の撮像装置は、非回転対称面，面内面外共に対称軸を有しない面，光学作用面に回転対称軸を有しない面，面内面外共に対称面を一面のみ有する面の内の何れかと、光学特性可変光学素子とを備える。
【００１１】
又、本発明の光学装置は、複数の自由曲面プリズムと、その間に配置された可変焦点レンズを含む光学系を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、明るい光学特性可変光学素子及びそれを用いた各種の光学装置や光学機器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】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図示した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としての可変焦点レンズを示しており、図中、従来技術で説明したのと実質上同一の部材には同一符号が付されている。この可変焦点レンズは、ネマティック液晶２を、内側にドーナツ状の電極３を夫々被膜させた基板４と５との間に配向膜６を介して挾み、シール部材２により封止した構成が基本構成となっており、ネマティック液晶１の捩れのピッチＰ（図２）は使用光の波長λに比べ非常に小さいものとする。即ち、
Ｐ≪λ                                             （１）
である。このように、ピッチＰが光の波長λに比べて非常に小さいと、この可変焦点レンズは入射光の偏光によらず、屈折率ｎ′をもつ媒質として作用する。
【００１４】
ｎ′＝（ｎｅ＋ｎ0）／２                            （２）
ここで、ｎｅは液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率、ｎ0は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率である。図３にネマティック液晶１の入射側の液晶分子に対応する屈折率楕円体を示す。ここで、ｘ軸及びｚ軸は、液晶分子の短軸方向、ｙ軸は液晶分子の長軸方向になっている。なお、ｎｅ＞ｎ0とする。
【００１５】
次に、ジョーンズのベクトルと行列によって、なぜ、ネマティック液晶１が実効的に屈折率ｎ′の等方的な媒質としてふるまうのかを、以下に説明する。
【００１６】
吉野勝美、岡崎雅則共著：液晶とディスプレイ応用の基礎  コロナ社のＰ８５〜９２に示される式３．１０，式３．１１０及び式３．１２６によれば、絶対的な位相の変化ｅｘｐ（−ｉα）を含めた時、図１に示した厚さｄのネマティック液晶１に対するジョーンズの行列ｗtは、
2008003576.tif 000003
で与えられる。但し、
Φ＝２πｄ／Ｐ                                    （４）
Γ＝２π(ｎｅ−ｎ0）ｄ／λ                        （５）
α＝２π｛（ｎｅ＋ｎ0）／２｝・ｄ／λ             （６）
Ｘ＝（Φ2＋Γ2／２）1/2                           （７）
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である。ここで、常光を液晶分子の短軸方向の偏光と定義し、異常光を液晶分子の長軸方向の偏光、又は、長軸を光軸に垂直な平面へ投影した時の方向の偏光と定義すると、Γはネマティック液晶１による常光と異常光の位相差を表わす。
【００１７】
尚、Φはネマティック液晶１の液晶分子の捩れ角をラジアンで表わしたものである。又、式（３）、式（８）の座標系は、図１に示すｘ，ｙ，ｚ軸のように取るものとする。つまり、ｘ軸は紙面の表から裏側へ向かっており、ｙ軸はネマティック液晶１の入射面での液晶分子の長軸の方向である。
【００１８】
次に、式（１）の条件のもとで、式（３）のＷtがどのようになるかを調べてみる。まず、式（１）は、
０＜Ｐ／λ≪１                                （９）
と変形できる。そこで、Ｐ／λ→０の時、式（３）のＷtの極限値ＷtＬを求めてみる。
Γ／Φ＝（ｎｅ−ｎ0）Ｐ／λ                   （１０）
であるから、Ｐ／λ≪１のとき
｜Γ／Φ｜≪１                                （１１）
となり、Ｐ／λ→０のとき｜Γ／Φ｜→０となる。
【００１９】
式（１１）の条件のもとで
2008003576.tif 000005
と近似でき、Ｐ／λ→０のとき、それぞれ、
Ｘ→Φ                                        （１６）
ｃｏｓＸ→ｃｏｓΦ                            （１７）
2008003576.tif 000006
となるので、Ｐ／λ→０のとき、
2008003576.tif 000007
となる。これは屈折率ｎ′＝（ｎｅ＋ｎ0）／２、厚さｄの、光軸に沿って等方な媒質のジョーンズ行列にほかならない。従って、Ｐ／λ≪１であるので、図１の可変焦点レンズは、屈折率ｎ′の媒質として作用する。
【００２０】
又、図４に示すようにスイッチ９をオンにすると、図５に示すような電場が液晶１に加わるので、液晶１の配向は図４に示すように変わる。つまり、液晶レンズの光軸付近ではほぼ螺旋状の配向のままであり、光軸から離れるにつれて液晶分子の方向は徐々に基板４，５に対して垂直に近づき、電極３に挟まれた部分では基板４，５に対してほぼ垂直となる。図２は、光軸から多少離れたところに於ける液晶１の配向のようすを示している。液晶分子はこのように配向しているので、その屈折率は光軸付近ではｎ′、周辺部ではｎ0となり、不均質レンズとして作用する。上記の式（３）〜（２０）の考え方は、液晶１の微小部分に対して適用される。従って、偏光板なしの明るい可変焦点レンズが得られるのである。
【００２１】
次に、上記の可変焦点レンズの具体的な構成例を説明する。図１に示すように、可変焦点レンズは、具体的には、可変抵抗器１０により電圧を連続的に可変にした構成になり、液晶分子の配列を、図１と図４の中間にもってくることができるように構成する。これにより、焦点距離が連続的に変化する液晶レンズを実現できる。
【００２２】
なお、図６に示すような中間の配列の場合においても、ｎｅの値を、ｎｅとｎ0のある中間の値である異常光の屈折率ｎｅ′で置き換えることで、上記の式（３）〜式（２０）は満たされる。
【００２３】
なお、図１に示すように構成することで、電圧の印加のしかたとしては、連続可変に限らず、いくつかの離散的な電圧値から印加電圧を選択するようにしても、可変焦点レンズが実現できる。
【００２４】
ここで、図１のように構成した可変焦点レンズの実際的な例について、詳細に説明する。
【００２５】
式（２０）にはＰ／λ→０の極限の場合が示されているが、実際の液晶レンズ、可変焦点レンズでは必ずしも極限値があてはまらない場合もあるので、式（３）の近似式を導いてみる。
【００２６】
式（３）をＰ／λの１次までを考えて近似すると、次のようになる。つまり、式（１２）〜式（１４）で、Ｐ／λの１次まで、即ち式（１０）より、Γ／Φの１次までを残しＰ／λの２次以上、Γ／Φの２次以上を省略すると、
2008003576.tif 000008
を得る。従って、ＷtＮの値が等方媒質のジョーンズ行列とほぼ等しいと見なせるためには、｜ｉ・Γ／２Φ｜が０に近ければよい。この時ＷtＮは、
2008003576.tif 000009
に近づくが、この式は、液晶１が入射光の偏光方向はΓ／４・Γ／Φだけ回転するが、等方媒質であるとみなせることを意味している。
【００２７】
2008003576.tif 000010
であれば、ボケのない可変焦点レンズが得られる。式（１０）より
2008003576.tif 000011
となる。
【００２８】
実際のレンズ付撮像装置、例えば電子カメラ、ＶＴＲカメラ、電子内視鏡などの、比較的低コストの製品等のレンズに本発明の可変焦点レンズを用いる場合、高解像を要求しない場合もあるので、式（２６）は条件をゆるめることができ、
｜Γ／２Φ｜＜１                                     （２８）
であれば良い。
【００２９】
画素数の多い電子撮像装置のレンズ、フィルムカメラ、顕微鏡などの高画質の製品等のレンズでは高解像が要求されるので、
｜Γ／２Φ｜＜π／６                                 （２９）
であればよい。
【００３０】
光ディスクのレンズ等結像に用いないレンズ或いは画素数の少ない電子撮像装置などの場合、条件はさらにゆるめられ、
｜Γ／２Φ｜＜π                                     （３０）
であればよい。
【００３１】
なお、本実施の形態に共通していえることであるが、液晶１が螺旋状の配列の時、液晶分子の長軸方向が光軸に対して垂直でない時、つまり斜めの時は、式（１）、式（２６）〜式（３０）のｎｅを上記のｎｅ′で置き換えればよい。
【００３２】
以下に、いくつかの設計例を上げる。ネマティック液晶１の厚さｄは、薄いとレンズのパワーが弱く役に立たないし、厚いと光を散乱して、フレアの原因となるので、
２μ＜ｄ＜３００μ                                   （３１）
ぐらいが適当である。光の波長λの例としては可視光を考えれば、
０．３５μ＜λ＜０．７μ                             （３２）
である。
【００３３】
ｎｅ−ｎ0の値は液晶の物性で決まるが、
０．０１＜｜ｎｅ−ｎ0｜＜０．４                      （３３）
ぐらいの物質が多い。そこで、第１の設計例として、
ｄ＝１５μ
λ＝０．５μ
ｎｅ−ｎ0＝０．２
Ｐ＝０．０５μ
φ＝６０μ  （可変焦点レンズの有効径）
とすれば、
Γ／２Φ＝１／２・０．２×０．０５／０．５＝０．０１となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３０）を満たす。
【００３４】
第２の設計例として、
ｄ＝３０μ
λ＝０．６μ
ｎｅ−ｎ0＝０．２５
Ｐ＝０．３μ
φ＝１８０μ
とすれば、
Γ／２Φ＝１／２・０．３×０．２５／０．６＝０．０６２５となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３０）を満たす。
【００３５】
また、第３の設計例として、
ｄ＝５０μ
λ＝０．５５μ
ｎｅ−ｎ0＝０．２
Ｐ＝５μ
φ＝１５０μ
とすれば、
Γ／２Φ＝１／２・０．２×５．０／０．５５＝０．９０９となり、式（２８）、式（３０）を満たす。
【００３６】
さらに、第４の設計例として、近赤外光用の可変焦点レンズを考え、
ｄ＝２００μ
λ＝０．９５μ
ｎｅ−ｎ0＝０．２
Ｐ＝４μ
φ＝２０００μ
とすれば、
Γ／２Φ＝１／２・０．２×４／０．９５＝０．４２となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３０）を満たす。
【００３７】
以上の各設計例では、ネマティック液晶を例にとって説明したが、ネマティック液晶の螺旋のピッチを、用いる光の波長よりも小さくするためには、カイラル剤を液晶に混ぜると良い。
【００３８】
カイラル剤としては、コレステリック液晶又は合成品の光学活性化合物などが用いられる。以下の化学式（１）、化学式（２）にネマティック液晶の例を、化学式（３）、化学式（４）にカイラル剤の例を示す。
【００３９】
2008003576.tif 000012
【００４０】
以上の説明において、可変焦点レンズに用いる液晶１としては、ネマティック液晶を用いて説明したが、本実施の形態はこれに限らず、可変焦点レンズの第１の変形例として、図７に示すようなスメクティック液晶を用いて構成することができる。この図７は、スメクティックＣ相の液晶分子配列を示したもので、これを用いた可変焦点レンズの構造を図８に示す。
【００４１】
これに電圧を印加すると、一対の電極３に挟まれた各層の液晶分子は、図８のように、座標系のｚ軸方向に配列し、スメクティック液晶１１の屈折率は、図８の状態の光軸上の屈折率ｎ′から、周辺部の屈折率ｎ0に低下し、可変焦点レンズの焦点距離が変化する。
【００４２】
この図７及び８に示した第１の変形例についても、式（１）〜式（３０）はあてはまり、特に式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３０）を満たせばボケの少ない可変焦点レンズが得られる。又、図８の構成においても、スメクティック液晶１１に加わる電圧は連続的に変えることができ、それに伴って焦点距離も連続的に変わる。
又、一対の電極３の中心穴の大きさを図８に示すように互いに変えることでスメクティック液晶１１の屈折率変化を収差が小さくなるように変えることもできる。これは図１，９等に示した可変焦点レンズにも適用できる。
【００４３】
ここで、スメクティック液晶１１を用いた可変焦点レンズの設計例を示すと、パラメータとして、
ｄ＝２５μ
λ＝０．５５μ
ｎｅ−ｎ0＝０．３
Ｐ＝１．０μ
φ1＝５０μ
φ2＝７０μ
とすると、
Γ／２Φ＝１／２・０．３×１．０／０．５５＝０．２７２５となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３０）を満たす。
【００４４】
なお、化学式（５）に、スメクティック液晶１１の分子構造の１例である「４−（ｎ−ヘキシルオキシ）フェニルオキシ−４″−（２−メテルブチル）ビフェニル−４′−カルボキシレート」を示した。なお、ピッチＰはおよそ０．２μである。
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また、可変焦点レンズの第２の変形例として、図９に示すように、コレステリック液晶１２を用いた可変焦点レンズを構成することができる。
【００４５】
コレステリック液晶１２では、液晶分子の配向方向は各層でレンズ表面に平行で方位角が周期Ｐで、ｚ軸方向に螺旋を描いて変わる。この状態で式（１）〜式（３０）があてはまる。電圧が加わると、液晶分子の配向が図９に示すように周辺にいくにつれて螺旋が無くなり、凸レンズ作用が生ずる。又、この変形例では基板５の内面形状を凸レンズ状とし、コレステリック液晶１２の形状によるレンズ効果も兼ね備えた可変焦点レンズである。基板５の内面の形状はフレネルレンズ状にしてもよい。
【００４６】
なお、コレステリック液晶１２には選択反射の性質があり、波長λｓ＝Ｐ・ｎ′近傍の右又は左の円偏光を全反射してしまう。図１０は、自然偏光に対するコレステリック液晶の反射率の実測値の例を示している。
【００４７】
従って、波長λｓは、この可変焦点レンズで用いる光の波長範囲外にあることが望ましい。つまり、Ｐ・ｎ′が、この可変焦点レンズを利用する光の波長域外にあることが、さらに透過率の良い、着色のない液晶レンズを得るために必要である。可視光であれば、
Ｐ・ｎ′＜０．４μ                                （３４）
であることが必要である。
【００４８】
なお、上述した第１の変形例である図７に示したスメティックＣ相の液晶でも選択反射は生じる場合があり、上記の理由で式（３４）は図７に示した例にも適用される。
【００４９】
コレステリック液晶１２を用いた可変焦点レンズの設計例として、
ｄ＝１５μ
ｎｅ−ｎ0＝０．４
λ＝０．４５μ
Ｐ＝０．０１μ
ｎ′＝１．７
φ＝３００μ
とすると、
Γ／２Φ＝１／２・０．４×０．０１／０．４５＝０．００４４５となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３０）を満たし、Ｐ・ｎ′＝０．０１７μであるから、式（３４）も満たしている。
【００５０】
化学式（６）はコレステリック液晶１２の１例で、安息香酸コレステロールの化学式である。
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又、可変焦点レンズの第３の変形例として、コレステリック液晶１２の代りにディスコチック液晶を用いてもよい。
【００５１】
本実施の形態並びに各変形例及び後述する他の実施の形態で述べる可変焦点レンズに共通して言えることであるが、螺旋のピッチＰが、用いる光の波長λに比べて小さいか、或いは波長の２０倍程度以下であることが、ボケのより少ない可変焦点レンズを得るためにより望ましいことであり、例えば可視光の場合、０．４μ＜λ＜０．７μで使用する光学装置では、
０．００１μ＜Ｐ＜１４μ                             （３５）
が望ましい条件となる。さらに充分ボケを減らすためには、
０．００１μ＜Ｐ≦５μ                               （３６）
であることが望まれる。Ｐの下限は液晶分子自体の大きさから決まっている。
【００５２】
また、本実施の形態並びに各変形例では、各液晶の配向を変化させるのに、電場を用いてきたが、これに限らず、図１１に示すように、コイル１３及び鉄芯１４を用いて、例えばコレステリック液晶１２に磁場Ｈを印加し、磁場の空間的不均一によって液晶の方向を変えて、屈折率変化を生じさせるようにしても良い。なお、図１１はコレステリック液晶１２より成る可変焦点レンズの例であるが、ネマティック液晶１或いはスメクティック液晶１１等より成る可変焦点レンズに適用してもよい。
【００５３】
又、各液晶の配向を変化させるのに、図１２に示すように、ヒータ１５を用いて温度の変化によって、例えばコレステリック液晶１２の配向を変えるようにしてもよく、これまで述べた他の液晶、ネマティック液晶１或いはスメクティック液晶１１等の可変焦点レンズにも適用できる。この構成では、温度を変えることによって、液晶に相転移を生じさせ、レンズの焦点距離を変えるようになっている。基板４，５はフレネルレンズ形状をしていてもよい。
【００５４】
以上の例で液晶のピッチＰは波長λに比べて小さい程よいが、実際には波長より１０〜５０倍大きくてもよい場合もある。今、これを式（１０）と（３０）を用いて考えてみる。
即ち、
｜Γ／２Φ｜＜π
｜１／２（ｎｅ−ｎ0）Ｐ／λ｜＜π
ここでλ＝０．５μ，ｎｅ−ｎ0＝０．２とすると、
Ｐ＜１０πλ＝３１．４λ                    （３７）
を得る。式（２８）、（２９）、（３０）等は図４の光軸付近の液晶に対するものであるが、図４の光軸から離れたところの液晶では液晶分子の傾きがあるため、実効的なｎｅ−ｎ0の値は光軸付近より小さい。従って液晶レンズ全体としては式（３７）を更に緩めることができ、
Ｐ＜６０λ                                  （３８）
でよい。
【００５５】
やや高精度な光学系では、式（２８）より同様にして
Ｐ＜２０λ                                  （３９）
であればよい。
【００５６】
又、Ｐの値が液晶の場所ごとに異なる場合、Ｐとしてはそれらの平均値をとるものとする。
【００５７】
図１３は、本発明に係る可変焦点レンズの第３の変形例を示すもので、高分子分散液晶層１６を用いた例である。即ち、この可変焦点レンズでは一対の基板４，５の間に高分子分散液晶層１６が配設されており、スイッチ９をオンにすると、電極３を介して高分子分散液晶層１６に電場が加えられるようになっている。高分子分散液晶層１６は、図１４に明示したように、それぞれ液晶分子１６ａ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１６ｂから構成されている。
【００５８】
ここで高分子セル１６ｂの大きさは、例えば球状の場合、その平均直径をＤ、使用する光の波長をλとするとき、例えば、
２ｎｍ≦Ｄ≦λ／５                          （４０）
とする。即ち、液晶分子１６ａの大きさは、２ｎｍ程度以上であるので、直径Ｄの下限値は、２ｎｍ以上とする。又、直径Ｄの上限値は、可変焦点レンズの光軸方向における高分子分散液晶層１６の厚さｔにも依存するが、波長λに比べて大きいと、高分子の屈折率と液晶分子１６ａの屈折率との差により、高分子セル１６ｂの境界面で光が散乱して高分子分散液晶層１６が不透明になってしまうため、波長λ以下或いは後述するように、好ましくは、λ／５以下とする。なお、高分子分散液晶層１６の透明度は、厚さｔが厚いほど悪くなる。
【００５９】
また、液晶分子１６ａとしては、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１６ａの屈折率楕円体は、図１５に示すような形状となり、
ｎox＝ｎoy＝ｎ0                              （４１）
である。但し、ｎ0は常光線の屈折率を示し、ｎox及び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。
【００６０】
ここで、図１３に示すように、スイッチ９をオフ即ち高分子分散液晶層１６に電界を印加しない状態では、液晶分子１６ａが様々な方向を向いているので、可変焦点レンズは平行平面板と等価となりレンズとしては作用しない。この時の可変焦点レンズの焦点距離をｆ1とすると、ｆ1＝∞である。これに対し、図１６に示すようにスイッチ９をオンにすると、一対の電極３に挟まれた部分では、液晶分子１６ａの方向は基板４，５に垂直に向き、光軸に近づくにつれて基板４，５に対して斜めを向くようになり、光軸付近ではその方向はランダムになる。従って光軸付近では図１３の状態とほぼ同じ配列となる。このため、高分子分散液晶層１６の屈折率は光軸付近では高く、光軸から離れるにつれて低下していく。これにより、可変焦点レンズは凸レンズ作用を持つ不均質レンズとして作用するようになる。
【００６１】
なお、高分子の割合を増やすと、高分子分散液晶層１６は固体に近づくので、その場合には、基板４又は５の少なくとも一方はなくてもよい。そして、これは後述の図１７，図１８等に示す液晶可変焦点レンズにも適用され得る。
【００６２】
なお、高分子分散液晶層１６に印加する電圧は、図１３に示すように、可変抵抗器１０により段階的或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１６ａは、その楕円長軸が徐々に可変焦点レンズの光軸と平行となるように配向するので、屈折力を段階的或いは連続的に変えることができる。
【００６３】
ここで、図１３に示す状態、即ち高分子分散液晶層１６に電界を印加しない状態での、液晶分子１６ａの平均屈折率ｎLC′は、図１５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′             （４２）
となる。又、上記（４１）式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、
（２ｎ0＋ｎｅ）／３≡ｎLC                    （４３）
で与えられる。このとき、高分子分散液晶層１６の屈折率ｎAは、高分子セル１６ｂを構成する高分子の屈折率をｎPとし、高分子分散液晶層１６の体積に占める液晶分子１６ａ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           （４４）
で与えられる。
【００６４】
又、常光線の平均屈折率を、
（ｎox＋ｎoy）／２＝ｎｏ′                   （４５）
とすれば、図１６に示す状態、即ち高分子分散液晶層１６に電界を印加した状態での電極３の間の高分子分散液晶層１６の屈折率ｎBは、
ｎB＝ｆｆ・ｎ0′＋（１−ｆｆ）ｎP            （４６）
で与えられる。又、図１６に示す状態で高分子分散液晶層１６の屈折率が光軸からの距離ｙに対して、２乗で変化していると仮定して、この可変焦点レンズの焦点距離ｆ2を求めてみる。高分子分散液晶層１６のｙにおける屈折率ｎ（ｙ）を
ｎ（ｙ）＝ｎ0＋ｎ02ｙ2                       （４７）
と表わせば、
ｆ2-1≒−２ｎ02ｔ                            （４８）
と近似的に表わされる。
ｎ（ｙ）−ｎ0＝ｎ02ｙ2                       （４９）
であり、レンズの周縁ではｎ（ｙ）＝ｎBで、またｎ0＝ｎAであるから、
ｎB−ｎA＝ｎ02ｙ2                            （５０）
ｆ2＝−ｙ2／｛２（ｎB−ｎA）ｔ｝             （５１）
となる。但し、ｔは高分子分散液晶層１６の厚さである。
【００６５】
上記（５１）式から、高分子分散液晶層１６による焦点距離の変化を大きくするには｜ｎB−ｎA｜を大きくすればよい。ここで、
ｎB−ｎA＝ｆｆ（ｎ0′−ｎLC′）              （５２）
であるから、｜ｎ0′−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≦｜ｎ0′−ｎLC′｜≦１０              （５３）
とすれば、ｆｆ＝０．５のとき、高分子分散液晶層１６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、｜ｎ0′−ｎLC′｜は、液晶物質の制限から、１０を越えることはできない。
【００６６】
次に、上記（４０）式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 Bck, 1993.
Elesvier 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、この文献の第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。
【００６７】
ここで、例えば、ｔ＝１５０μｍとして、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。
【００６８】
これらの結果から、
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ                        （５４）
であれば、τは７０％〜８０％以上となり、レンズとして十分実用になる。従って、例えば、τ＝７５μｍの場合、Ｄ≦λ／５で、十分な透過率が得られることになる。
【００６９】
また、高分子分散液晶層１６の透過率は、ｎPの値がｎLC′の値に近いほど良くなる。一方、ｎ0′とｎPとが異なる値になると、高分子分散液晶層１６の透過率は悪くなる。図１３の状態と図１６の状態とで、平均して高分子分散液晶層１６の透過率が良くなるのは、
ｎP＝（ｎ0′＋ｎLC′）／２                   （５５）
をほぼ満足するときである。
【００７０】
ここで、この可変焦点レンズは、レンズとして使用するものであるから、図１３の状態でも、図１６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１６ｂを構成する高分子の材料および液晶分子１６ａの材料に制限があるが、実用的には、
ｎ0′≦ｎP≦ｎLC′                           （５６）
とすればよい。
【００７１】
上記（５５）式をおよそ満足すれば、上記（５４）式は、さらに緩和され、
Ｄ・ｔ≦λ・６０μｍ                        （５７）
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１６ｂを構成する高分子と液晶分子１６ａとの境界での光の反射、即ち高分子分散液晶層１６の透過率の減少は、およそ上記の高分子と液晶分子１６ａとの屈折率の差の２乗に比例するからである。上記（５７）式でｔ＝７５μｍとすれば、Ｄ≦０．８λとなり、およそＤ≦λであればよいことになる。
【００７２】
以上は、ｎ0′≒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    （５８）
であればよい。但し、（ｎu−ｎP）2は、（ｎLC′−ｎP）2と（ｎ0′−ｎP）2とのうち、大きい方である。
【００７３】
又、この可変焦点レンズの焦点距離変化を大きくするには、ｆｆの値が大きいほうが良いが、ｆｆ−１では、高分子の体積がゼロとなり、高分子セル１６ｂを形成できなくなるので、
０．１≦ｆｆ≦０．９９９                      （５９）
とする。一方、ｆｆは小さいほどτは向上するので、上記（５８）式はゆるめられる場合もあり、好ましくは、
４×１０-6〔μｍ〕2
≦Ｄ・ｔ
≦λ・４５μｍ・（１．５８５−１．４５）2／（ｎu−ｎP）2         （６０）
とする。なお、ｔの下限値は、図１３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、即ち４×１０-6〔μｍ〕2となる。
【００７４】
以上は可変焦点レンズによる光の散乱、透過率にかなり良い値を要求した場合であった。しかし、低コストの光学系、撮像装置の照明系、信号処理系などでは、それほど光の散乱、透過率を良くしなくてもよい場合もあり、上記（６０）式はさらに以下のように緩和され得る。
４×１０-6〔μｍ〕2
≦Ｄ・ｔ
≦λ・４５０μｍ・（１．５８５−１．４５）2／（ｎu−ｎP）2      （６１）
【００７５】
なお、物質の光学特性を屈折率で表わ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１６ｂを構成する高分子と液晶分子１６ａ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                          （６２）
とする。
【００７６】
図１３に示す構成において、上記のｎox，ｎoy，ｎ0，ｎｚ，ｎｅ，ｎP，ｆｆ，Ｄ，ｔ，λ，ｎLC′，ｎLC，ｎA，ｎB，ｆ1，ｆ2および可変焦点レンズの有効径φは、具体的には、それぞれ以下の値にする。
ｎox＝ｎoy＝ｎ0＝１．５
ｎｚ＝ｎｅ＝１．７５
ｎP＝１．５４
ｆｆ＝０．５
Ｄ＝５０ｎｍ
ｔ＝１２５μｍ
λ＝５００ｎｍ
ｎLC′＝ｎLC＝１．５８３３
ｎA＝１．５６１７
ｎB＝１．５２
ｆ1＝∞
ｆ2＝５９９．５ｍｍ
φ＝５ｍｍ
【００７７】
この場合、上記（６０）式の右辺は、
λ・４５μｍ・（１．５８５−１．４５）2／（ｎu−ｎP）2
＝５００ｎｍ・４５μｍ・（０．１３５）2／（０．０４３３）2
≒２１８７１２ｎｍ・μｍ
となる。また、Ｄ・ｔは、
Ｄ・ｔ＝５０ｎｍ・１２５μｍ＝６２５０ｎｍ・μｍ
となり、確かに上記（６０）式を満足する。
【００７８】
また、上記の具体例において、通常のレンズのように基板４，５の表面を曲面とすることもできる。
【００７９】
図１７は、図１３に示す可変焦点レンズを用いるデジタルカメラ用の撮像光学系の構成を示すものである。この撮像光学系においては、物体（図示せず）の像を、可変焦点レンズＶＦＬおよびレンズ１７を介して、例えばＣＣＤよりなる固体撮像素子１８上に結像させる。なお、図１７では、液晶分子１６ａの図示を省略してある。また、この光学系の絞りは電極３で兼ねており、基板４，５は曲面になっている。
【００８０】
かかる撮像光学系によれば、可変抵抗器１０により可変焦点レンズＶＦＬの高分子分散液晶層１６に印加する交流電圧を調整して、可変焦点レンズＶＦＬの焦点距離を変えることにより、可変焦点レンズＶＦＬおよびレンズ１７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。
【００８１】
図１８は、強誘電性液晶１９を用いた可変焦点レンズの第４の変形例である。図中、２０は透明電極である。基板４，５の少なくとも一方は曲面となっているので、印加される電場が一様であってもレンズ作用を持つ。そして可変抵抗器１０により、このレンズ作用を変化させることができる。なお、強誘電性液晶１９の代りに反強誘電性液晶を用いてもよい。いずれの場合も、ネマティック液晶を用いた場合に比べて応答時間が早いので有利である。強誘電性液晶又は反強誘電性液晶のいずれを用いた高分子分散液晶レンズの場合でも、上記式（４０）〜（４６）及び上記式（５２）〜（６２）は適用される。
【００８２】
本発明のすべての液晶レンズに共通して言えることであるが、液晶のアツベ数（通常νdと表わされる。）は小さくて４０〜１０程度のものが多い。従って、液晶レンズは強い色収差を発生するので、これを補正するために少なくとも基板４又は５の一方をレンズ形状とし、且つその材質としてはアツベ数が５０以下とするのが良い。
例えば、重フリント系のガラスがこれに該当する。そして、液晶レンズが凸作用なら、基板の少なくとも一方を凹レンズ、液晶レンズが凹作用なら基板の少なくとも一方を凸レンズとするのが良い。
【００８３】
図１９は、光学特性可変光学素子の他の実施例を示しており、可変偏角プリズムの例である。この実施例では、２つの基板４，５の間に高分子分散液晶層１６が挟まれており、電圧の変化で光の偏向を変えることができるようになっている。この場合の基板４にもアツベ数が５０以下の硝材を使うのがよい。また、ここで用いられる液晶２１はネマティック液晶でも、強誘電性液晶でも、反強誘電性液晶等でも良い。
【００８４】
図２０は本発明の更に他の実施例を示しており、２枚の液晶可変焦点レンズＶＦＬ1，ＶＦＬ2を組み合わせて用いた例である。液晶可変焦点レンズの一方ＶＦＬ1は、高分子分散液晶層１６をドーナツ状の電極３とドーナツ状の透明電極２０を有する基板４，５で挾んで構成したものであり、可変抵抗器１０を夫々調節して各電極間に加えられる電圧を適宜選ぶことにより、屈折率の分布形状を変え、収差を制御することができるようにしたものであり、凸の可変焦点レンズとして作用する。液晶可変焦点レンズの他方ＶＦＬ2はネマティック液晶１を配向膜６を介して透明電極２０を形成した基板４，５で構成したものであり、凹の可変焦点レンズとして作用する。このように、２枚の液晶可変焦点レンズＶＦＬ1，ＶＦＬ2を用いると、どちらも液晶を用いているのでアツベ数が小さく、色収差を補正することが容易となる。一方が凸レンズなら他方は凹レンズであることが、色収差の補正には必要である。
【００８５】
図２１は、液晶の屈折率ｎdの変化に伴うアツベ数νdの変化を表わした特性線図である。ここには２種類の液晶のｎd−νd特性曲線が表わされている。一般に、屈折率の増大とともにアツベ数は減少する傾向にある。
従って、液晶可変焦点レンズＶＦＬ1，ＶＦＬ2を含むレンズ系の屈折率を変化させた場合、色収差の変動を減らすためには、液晶可変焦点レンズＶＦＬ1，ＶＦＬ2のいずれか一方のアツベ数νdが大きい状態の時には、他方のアツベ数νdも大きい状態で用いるのがよい。逆に、一方のアツベ数νdが小さい状態の時には、他方のアツベ数νdも小さい状態で用いるのが良い。そして、このレンズ系を色収差の少ない凸レンズとして作用させるには、凸レンズを構成する方の液晶のアツベ数νdを大きく、凹レンズを構成する方の液晶のアツベ数νdを小さく選ぶのが良い。図２１で言えば、凸レンズに左側のグラフで示されるような特性の液晶を、凹レンズに右側のグラフで示されるような特性の液晶を用いるのが良い。なお、図２１のＥ７，ＭＢＢＡは何れも液晶の名称である。凸レンズと凹レンズに用いる液晶のグラフは、液晶の屈折率ｎdの小さいところで交わっていても良く、要するにある屈折率範囲に於いて凹レンズの液晶のグラフの方が凸レンズの液晶のグラフより右にあれば良い。そして更に、色収差を除去するためには、液晶のアツベ数νdは５０を超えないことが望ましい。図２０を参照して、ＶＦＬ１の焦点距離をｆ1、ＶＦＬ2の焦点距離をｆ2とすると、色収差を除去するためには、下記条件
１／２＜｜ｆ1／ｆ2｜＜２                     （６３）
を満たすことが望ましい。何故ならば、図２０の例で言えば、｜ｆ1／ｆ2｜が式（６３）の上限を越えれば色収差は補正過剰となり、｜ｆ1／ｆ2｜が式（６３）の下限を満たさなければ色収差は補正不足となるからである。
【００８６】
また、本発明の光学特性可変液晶光学素子全般に言えることであるが、液晶としてトラン系の液晶を用いれば、屈折率変化が大きく、且つ粘性が小さいので、応答時間が短く有利である。図２２は、トラン系液晶の例として４−アルキルシクロヘキシル−４′−アルキルトランを示している。ここでＲはアルキル基を、Ｒ′はアルコキン基を夫々示す。又、液晶の応答時間を短くするためには、液晶に常時低い電圧を加えておくとよい。この電圧は、液晶の屈折率が変化をおこす相転移電圧と同程度か、それより低ければよい。
【００８７】
又、本発明の光学特性可変光学素子全般に対して言えることであるが、液晶の代りに電気光学効果、磁気光学効果、熱光学効果を（温度によって屈折率が変わる）有する物質並びに強誘電体等を用いてもよいことは言うまでない。電気光学効果を有する物質の例としてはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）が、磁気光学効果を有する物質の例としては鉛ガラス，水晶が熱光学効果を有する物質の例としては水が強誘電体物質の例としてはチタン酸バリウム，ロッシェル塩等がある。
【００８８】
図２３は、液晶可変焦点レンズＶＦＬの応用例を示すもので、自由曲面光学素子２２，２３を用いたデジタルカメラ用撮像装置を示している。自由曲面光学素子２２，２３は、偏心した非球面の反射、屈折により結像作用を実現するもので、プラスチックやガラス等で作られているが、その形が非対称系であるために、ピント合わせを行う場合、固体撮像素子１８との距離を変化させるための機械的構造が複雑になると云う欠点があった。そこで、この例では、２つの自由曲面光学素子２２，２３の間の絞り近傍位置に液晶可変焦点レンズＶＦＬを配置し、その屈折力を変えることにより、ピント合わせを実現したものである。この場合、機械的に自由曲面光学素子２２，２３を動かすことなくピント合わせができるので、構造が単純となり有利である。また、この構成によれば、液晶可変焦点レンズＶＦＬの基板の一方は自由曲面光学素子２２の外面で代用しているので、コストが安くでき有利である。
【００８９】
なお、本撮像装置の光学系は、固体撮像素子１８をフィルムに置き換えれば、フィルムカメラ等に用いることもできる。又、自由曲面光学素子と本発明による光学特性可変光学素子を組み合わせて、ズームレンズ付の撮像装置或いは光学装置としてもよい。又、自由曲面光学素子の変わりに、不均質レンズ（通常ＧＲＩＮレンズとも呼ばれる）又は回折光学素子又は非球面レンズと本発明による光学特性可変光学素子とを組み合わせて、焦点距離可変の撮像装置或いは光学装置としてもよい。この場合の光学装置としては、光ディスク用のピックアップ，顕微鏡等をあげることが出来る。
【００９０】
本発明による光学特性可変光学素子は、例えば可変焦点レンズとして構成すれば、電子カメラ，ＴＶカメラ，電子内視鏡のオートフォーカス装置，ズームレンズ等に利用することができる。又、双眼鏡，カメラのファインダー，顕微鏡の接眼レンズ等の光学機器の視度調整装置や変倍装置等にも用いることができる。さらに、可変焦点眼鏡にも用いることができる。
【００９１】
以下に、その実施形態を例示する。
図２４〜図２６は、本発明による光学特性可変光学素子を電子カメラのファインダー部の対物光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。図２４は電子カメラ２４の外観を示す前方斜視図、図２５は同後方斜視図、図２６は電子カメラ２４の内部構成を示す断面図である。電子カメラ２４は、この例の場合、撮影用光路２５を有する撮影光学系２６、ファインダー用光路２７を有するファインダー光学系２８、レリーズ２９、フラッシュ３０、液晶表示モニター３１等を含み、カメラ２４の上部に配置されたレリーズ２９を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系３２を通して撮影が行われる。撮影用対物光学系３２によって形成された物体像が、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタ等のフィルタ３３を介してＣＣＤ１８の撮像面１８ａ上に形成される。このＣＣＤ１８で受光された物体像は、処理手段３４を介し電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター３１に表示される。また、この処理手段３４にはメモリ等が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、このメモリは処理手段３４と別体に設けてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書き込みを行うように構成してもよい。また、ＣＣＤ１８に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
【００９２】
さらに、ファインダー用光路２７上には、光学特性可変光学素子をファインダー用対物光学系３５として配置してある。また、カバー部材として正のパワーを有するカバーレンズ３６を配置し、画角を拡大している。なお、このカバーレンズ３６と結像光学系の絞り３７より物体側の光学特性可変光学素子ＶＦＬとでファインダー用対物光学系３５の前群を、結像光学系の絞り３７より像側の光学特性可変光学素子ＶＦＬとでファインダー用対物光学系３５の後群を構成している。絞り３７を挟んだ前群と後群の各々に光学特性可変光学素子ＶＦＬを配し、液晶への印加電圧等を制御することによって、ズーミングとフォーカシングを行っている。またこの制御は、処理手段により撮影用対物光学系３２のズーミング、フォーカシング作用に連動して行われる。このファインダー用対物光学系３５によって形成された物体像は、像正立部材であるポロプリズム３８の視野枠３９上に形成される。なお、視野枠３９は、ポロプリズム３８の第１反射面３８ａと第２反射面３８ｂとの間を分離し、その間に配置されている。このポロプリズム３８の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球に導く接眼光学系４０が配置されている。このように構成されたカメラ２４は、ファインダー用対物光学系３５を少ない光学部材で構成でき、高性能及び小型化が実現できる。
【００９３】
図２７は、本発明の光学特性可変光学素子ＶＦＬを電子カメラ２４の撮影用対物光学系３２に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、撮影用光路２５上に配置された撮影用対物光学系３２は、光学特性可変光学素子ＶＦＬを用いている。この撮影用対物光学系により形成された物体像は、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタ等のフィルタ３３を介してＣＣＤ１８の撮像面１８ａ上に形成される。このＣＣＤ１８で受光された物体像は、処理手段３４を介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）４０上に電子像として表示される。また、この処理手段３４は、ＣＣＤ１８で撮影された物体像を電子情報として記録する記録手段４１の制御も行う。ＬＣＤ４０に表示された画像は、接眼光学系４２を介して観察者眼球に導かれる。この接眼光学系４２は、対物光学系３２に用いられているものと同様の形態をもつ光学特性可変光学素子ＶＦＬからなり、液晶への印加電圧等を制御することによって、観察者の視度に合わせてＬＣＤ４０の虚像の奥行きを調節可能としている。このように構成されたカメラ２４は、撮影用対物光学系３２を少ない光学部材で構成でき、高性能・小型化が実現できる。
【００９４】
図２８は、本発明の光学特性可変光学素子ＶＦＬを電子内視鏡の観察用対物光学系５５に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合も、観察系の対物光学系５５は、ズーミング・フォーカシングを行うのに光学特性可変光学素子を用いている。この電子内視鏡４３は、図２８（ａ）に示すように、照明光を供給する光源装置４４と、電子内視鏡４３に対応する信号処理を行うビデオプロセッサ４５と、このビデオプロセッサ４５から出力される映像信号を表示するモニター４６と、このビデオプロセッサ４５と接続され映像信号等に記録するＶＴＲデッキ４７及びビデオディスク４８と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオプリンタ４９と共に構成されており、電子内視鏡４３の挿入部５０の先端部５１は、図２８（ｂ）に示すように構成されている。光源装置４４からの照明光束は、ライトガイドファイバー束５２を通って照明用対物光学系５３により、観察部位を照明する。そして、この観察部位からの光が、カバー部材５４を介して、観察用対物光学系５５によって物体像として形成される。この物体像は、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタ等のフィルタ５６を介してＣＣＤ１８の撮像面１８ａ上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ１８によって映像信号に変換され、その映像信号は、図２８（ａ）に示すビデオプロセッサ４５により、モニター４６上に直接表示されると共に、ＶＴＲデッキ４７、ビデオディスク４８中に記録され、また、ビデオプリンタ４９から映像としてプリントアウトされる。このように構成された内視鏡は、ズーミングやフォーカシング機能を備えているにも拘わらず少ない光学部材で構成でき、高性能・小型化が実現できる。
【００９５】
図２９は、本発明の光学特性可変光学素子ＶＦＬを双眼鏡の光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合も、対物光学系５６に光学特性可変光学素子ＶＦＬを用いている。対物光学系５６の後方には、像反転光学系としてペカンプリズム５７が配置され、このペカンプリズム５７の後方には、正立正像にされた像を観察者の眼球に導く接眼光学系５８が配置されている。対物光学系５６は、上述した実施形態と同様の形態をもつ光学特性可変光学素子ＶＦＬを含み、液晶への印加電圧等を制御することによって、対物光学系５６の焦点距離を調節可能とし、ズーミング・フォーカシングをおこなっている。なお、本図では双眼鏡の片側の構成しか示していないが、もう一方の側も同様な構成を有する。このように構成された双眼鏡は、ズーミングやフォーカシング機能を備えているにも拘わらず少ない光学部材で構成でき、高性能・小型化が実現できる。
【００９６】
図３０は、本発明の光学特性可変光学素子ＶＦＬを眼鏡の光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合は、眼鏡レンズに光学特性可変光学素子ＶＦＬを用いている。かかる構成の眼鏡においては、液晶への印加電圧を制御することによって、眼鏡レンズ全体の視度を調節することが出来る。
【００９７】
なお、本発明の光学装置又は撮像装置に用いる光学特性可変光学素子は、以下のような特徴を有したものを用いても良い。
（１）捩れのピッチが使用光の波長の６０倍以下の液晶を含み、該液晶に空間的に不均一な電場又は磁場又は温度を加えることにより屈折率分布を形成するようにして、電場又は磁場又は温度を変化させることにより屈折率分布を変えるようにした学特性可変光学素子。
【００９８】
（２）高分子分散液晶を含み、該液晶に空間的に不均一な電場又は磁場又は温度を加えることにより屈折率分布を形成するようにして、電場又は磁場又は温度を変化させることにより屈折率分布を変えるようにした光学特性可変光学素子。
【００９９】
（３）凸、凹の２つ以上の液晶レンズを組み合わせて成る光学特性可変光学素子。
【０１００】
（４）使用波長を可視光波長域とした上記（１）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１０１】
（５）上記（１）に記載の光学特性可変光学素子から成る可変焦点レンズ。
【０１０２】
（６）前記式（２８），（２９），（３０），（３５），（３６），（３７），（３９）の何れかを満たす上記（１）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１０３】
（７）液晶粒子の平均直径が使用波長の５００倍以下で且つ７ｎｍ以上の高分子分散液晶に、空間的に不均一な電場又は磁場又は温度を加えることにより屈折率分布を形成し、電場又は磁場又は温度を変化させて前記屈折率分布を変化させるようにした光学特性可変光学素子。
【０１０４】
（８）液晶粒子の平均直径が使用波長以下で且つ液晶分子の大きさ以上の高分子分散液晶に、空間的に不均一な電場又は磁場又は温度を加えることにより屈折率分布を形成し、電場又は磁場又は温度を変化させて前記屈折率分布を変化させるようにした光学特性可変光学素子。
【０１０５】
（９）前記式（５３），（５４），（５７），（５９），（６０），（６１）の何れかを満たす上記（２）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１０６】
（１０）形状の異なる２つ以上の電極により液晶に電場を加えるようにしたことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１０７】
（１１）形状の異なる２つ以上の電極により液晶に電場を加えるようにしたことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１０８】
（１２）高分子分散液晶の基板が１枚以下であることを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１０９】
（１３）強誘電性液晶又は反強誘電性液晶を用いた高分子分散液晶を用いた光学特性可変光学素子。
【０１１０】
（１４）液晶の基板にアツベ数５０以下の媒質を用いたことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１１１】
（１５）液晶の所定の屈折率範囲において凸液晶レンズの液晶のアツベ数が凹液晶レンズの液晶のアツベ数よりも大きいことを特徴とする上記（３）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１１２】
（１６）凸液晶レンズの焦点距離をｆ1、凹液晶レンズの焦点距離をｆ2としたとき、条件式１／２＜｜ｆ1／ｆ2｜＜２を満たすことを特徴とする上記（３）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１１３】
（１７）前記液晶レンズの液晶としてトラン系液晶を用いたことを特徴とする上記（１６）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１１４】
（１８）アツベ数が５０以下の液晶を用いたことを特徴とする上記（３）又は上記（１５）乃至（１７）の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
【０１１５】
（１９）トラン系液晶を用いた光学特性可変光学素子。
【０１１６】
（２０）液晶に代えて電気光学効果又は磁気光学効果又は熱光学効果を有する物質を用いたことを特徴とする上記（１）乃至（１５）の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
【０１１７】
また、上記した光学特性可変光学素子は、以下のように用いても良い。
（２１）上記（１）乃至（２０）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用いた光学機器。
【０１１８】
（２２）自由曲面と、上記（１）乃至（２０）の何れかに記載の光学特性可変光学素子とを備えた焦点距離可変の撮像装置又は光学装置。
【０１１９】
（２３）不均質レンズ又は回折光学素子又は非球面レンズと、上記（１）乃至（２０）の何れかに記載の光学特性可変光学素子とを備えた焦点距離可変の撮像装置又は光学装置。
【０１２０】
（２４）上記（１）乃至（２０）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用いたオートフォーカス装置。
【０１２１】
（２５）上記（１）乃至（２０）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用いた視度調整装置。
【０１２２】
（２６）上記（１）乃至（２０）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用いた可変焦点眼鏡。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】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す図である。
【図２】図１に示したネマティック液晶の捩れの様子を示す説明図である。
【図３】ネマティック液晶の入射側の液晶分子に対応する屈折率楕円体を示す図である。
【図４】図１に示した光学特性可変光学素子に電場を加えた時の液晶の配向の変化を示す図である。
【図５】図１に示した光学特性可変光学素子に加えられた電場の様子を示す図である。
【図６】図１に示した光学特性可変光学素子に電場を加えた時の液晶の図４と状態を示す図である。
【図７】スメクティック液晶を用いて構成した図１に示した光学特性可変光学素子の第１の変形例を示す概略図である。
【図８】図７に示した光学特性可変光学素子に電場を加えた時の配向状態を示す図である。
【図９】コレステリック液晶を用いて構成した図１に示した光学特性可変光学素子の第２の変形例を示す概略図である。
【図１０】自然偏光に対するコレステリック液晶の波長に対する反射率の実測値の例を示す特性線図である。
【図１１】コレステリック液晶に磁場を印加して屈折率変化を生じさせるように構成した光学特性可変光学素子の概略図である。
【図１２】コレステリック液晶に熱を加えて屈折率変化を生じさせるように構成した光学特性可変光学素子の概略図である。
【図１３】高分子分散液晶層を用いて構成した図１に示した光学特性可変光学素子の第３の変形例を示す概略図である。
【図１４】図１３における高分子分散液晶層の部分拡大図である。
【図１５】図１３に示した変形例に用いられる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１６】図１３に示した光学特性可変光学素子に電場を加えた時の液晶分子の配向の変化を示す図である。
【図１７】図１３に示した光学特性可変光学素子を用いたデジタルカメラ用の撮像光学系の構成を示す図である。
【図１８】強誘電性液晶を用いて構成した図１に示した光学特性可変光学素の第４の変形例を示す概略図である。
【図１９】本発明に係る光学特性可変光学素子の他の実施例を示す図である。
【図２０】本発明に係る光学特性可変光学素子の更に他の実施例を示す図である。
【図２１】液晶の屈折率変化に伴うアツベ数の変化を示す特性線図である。
【図２２】トラン系液晶の化学構造を示す図である。
【図２３】本発明に係る光学特性可変光学素子を自由曲面光学素子と組み合わせて用いたデジタルカメラ用撮像装置の構成を示す図である。
【図２４】本発明による光学特性可変光学素子をファインダー光学系に組み込んだ電子カメラの前方斜視図である。
【図２５】図２４に示す電子カメラの後方斜視図である。
【図２６】図２４に示した電子カメラの内部構成を示す概略断面図である。
【図２７】本発明による光学特性可変光学素子を撮影用対物光学系に組み込んだ電子カメラの概略構成図である。
【図２８】本発明による光学特性可変光学素子を観察用対物光学系に組み込んだ電子内視鏡装置の概略構成図で、（ａ）はシステム全体の構成図、（ｂ）は内視鏡先端部の内部構成図である。
【図２９】本発明による光学特性可変光学素子を光学系に組み込んだ双眼鏡の概略構成図である。
【図３０】本発明による光学特性可変光学素子を光学系に組み込んだ眼鏡の概略構成図である。
【図３１】従来の液晶レンズの基本構成を示す図である。
【図３２】図３１に示した液晶レンズに電場を加えた時の液晶の配向の変化を示す図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１            ネマティック液晶
２            シール部材
３            ドーナツ状の電極
４，５        透明基板
６            配向膜
７            偏光板
８            電源
９            スイッチ
１０          可変抵抗器
１１          スメクティック液晶
１２          コレステリック液晶
１３          コイル
１４          鉄芯
１５          ヒータ
１６          高分子分散液晶層
１６ａ        液晶分子
１６ｂ        高分子セル
１７          レンズ
１８          固体撮像素子
１９          強誘電性液晶
２０          透明電極
２１          液晶
２２，２３    自由曲面光学素子
２４          電子カメラ
２５          撮影用光路
２６          撮影光学系
２７          ファインダー用光路
２８          ファインダー光学系
２９          レリーズ
３０          フラッシュ
３１          液晶表示モニター
３２          撮影用対物光学系
３３，５６    フィルタ
３４          処理手段
３５          ファインダー用対物光学系
３６          カバーレンズ
３７          絞り
３８          ポロプリズム
３９          視野枠
４０          液晶表示素子（ＬＣＤ）
４１          記録手段
４２          接眼光学系
４３          電子内視鏡
４４          光源装置
４５          ビデオプロセッサ
４６          モニター
４７          ＶＴＲデッキ
４８          ビデオディスク
４９          ビデオプリンタ
５０          挿入部
５１          先端部
５２          ライトガイドファイバー束
５３          照明用対物光学系
５４          カバー部材
５５          観察用対物光学系
５６          対物光学系
５７          像反転光学系
５８          接眼光学系
ｄ            ネマティック液晶の厚さ
Ｅ            電場
Ｌ            光線
Ｐ            ネマティック液晶の捩れのピッチ
ＶＦＬ，ＶＦＬ1，ＶＦＬ2    可変焦点レンズ（光学特性可変光学素子）
【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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