(57)【要約】    【課題】組み立て治具とレンズの取り付け安定性がよく、量産性に優れた屈曲光学系用レンズ筐体を提供する。    【解決手段】光軸と平行に延びる直線状のガイドロッドＧＲと可動レンズ保持枠を一方向から組込み可能にする空洞部Ｖ２，Ｖ３と、レンズ群組込み治具２〜５を前記光軸に対し垂直方向に移動可能にする空洞部Ｖ２，Ｖ３とを有し、一方向への型抜き成形が可能である。【選択図】図４
2005106855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸と平行に延びる直線状のガイドロッドと可動レンズ保持枠を一方向から組込み可能にする空洞部と、レンズ群組込み治具を前記光軸に対し垂直方向に移動可能にする空洞部とを有し、一方向への型抜き成形が可能な屈曲光学系用レンズ筐体。
【請求項２】
前記レンズ群組込み治具が前記ガイドロッドを衝にしてレンズ組込み位置に位置決めされたとき、前記レンズ群組込み治具により組込まれたレンズの外周の一部に固着されるレンズ保持枠部を有している、請求項１に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
【請求項３】
光学特性可変光学素子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
【請求項４】
前記光学特性可変光学素子は可変ミラーであることを特徴とする請求項３に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
【請求項５】
前記光学特性可変光学素子は可変焦点レンズであることを特徴とする請求項３に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
【請求項６】
ミラーを有することを特徴とする請求項１または２に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銀塩カメラ，ビデオカメラ及び電子スチルカメラ等に用いられる、特に屈曲光学系を保持するのに適するレンズ筐体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可変ミラーを介して光路が被写体側と撮影素子側とに屈曲された屈曲光学系は、知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種の屈曲光学系は、真直光学系に比して、入射光軸に対してのレンズ，レンズ群の偏芯や傾きの光学性能に及ぼす影響が大きい。換言すれば、屈曲光学系では、光軸に対して偏芯や傾きを有する光学要素を使用する必要がるが、この偏芯や傾きをレンズ枠等の構成部品の製作精度で保証するのは難しい。
そこで、従来、治具組み立て方式を採用して、組立て治具とレンズの製作精度及び案内部材のみによって、光学性能を殆ど劣化させないよいにする方法が提案されている（例えば、特許文献１，２及び３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平２００３−１０７３１０号公報
【特許文献２】特開平０５−２５７０４９号公報
【特許文献３】特開２０００−１５５２５４公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これら従来の治具組み立て方式は、治具を光軸に平行な方向に組み入れる方式であったり、治具を光軸に対して直角に組み入れる方式ではあるが、治具と筐体が二分割になっているものであった。
屈曲光学系においては、屈曲部光学系を治具組み立てしなければならず、光軸にのみ平行な組立て治具ではスペース的に増大となり、採用できないという問題がある。また、二分割治具においては、治具とレンズの取り付け安定性が全周胴付けに比べて不利になる場合がある。
また、レンズ筐体は成形品で構成されるが、一般的に屈曲筐体は一方向のみでの型抜きで成形することができず、例えば、上下型等の一対の、一つの成形型で成形することができないため、一回の成型で多数の成型品を作製できるいわゆる多数個取りができず、コスト高になるという問題があった。なお、図６４は、多数個取りの一例として８個取りの例を示している。図中、Ｐは成型機、ＭＤは成型機Ｐの周りに放射状に配置された８個の上下型、Ｇは成型機Ｐより各上下型ＭＤに成型材料を注入するためのゲートである。
【０００５】
本発明は、従来技術の有する上記の如き問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、組み立て治具とレンズの取り付け安定性がよく、量産性に優れた屈曲光学系用レンズ筐体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明による屈曲光学系用レンズ筐体は、入射光軸と平行に延びたガイドロッドとレンズ保持枠を一方向から組込み可能にする空洞部と、レンズ群組立て治具と撮像素子組立て治具と屈曲部組立て治具が前記光軸に対し直角方向に移動することを可能にする空洞部とを有し、一方向での型抜きができる構造を持つている。これにより、コスト削減を図ることができる。
【０００７】
本発明によれば、前記レンズ筐体は、前記ガイドロッドを衝にして前記レンズ群組立て治具により組込まれたレンズの外周の一部に固着されるレンズ保持枠部を有している。これにより、レンズの接着代を大きくとることができ、安定した屈曲光学系を提供できる。
また、本発明による屈曲光学系用レンズ筐体は、光学特性可変光学素子またはミラーを有している。
また、本発明によれば、光学特性可変光学素子は、可変ミラーまたは可変焦点レンズである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、多数個成形が可能で且つ治具による光学部材の組込み可能なコストメリットのある屈曲光学系用レンズ筐体を提供することができる。また、本発明によれば、分割レンズ枠を提供できるため、筐体内へのレンズ等の接着剤による固定を容易にするスペースメリットのある屈曲光学系用レンズ筐体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】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を説明するのに先立ち、本発明にかかる屈曲光学系の基本的な特徴について説明する。形状可変ミラーに対して、軸上光線が斜入射する光学系では、形状可変ミラーの光偏向特性の変化によって生ずる収差の変動を小さく抑える必要がある。このために、光学系を構成するレンズ等の光学素子または撮像素子を、図１に示すように、軸上光線の進行方向に対して偏心させたり傾けたりするが、製作誤差に敏感な光学系になることがある。つまり、製作誤差があると、結像性能が低下し易い光学系になることがある。あるいは、上記誤差の変動を小さくするために、形状可変ミラーより像側の結像倍率の絶対値を上げる必要がある。このために、製作誤差に敏感な光学系になることがある。図２の矢印は、以下に説明する実施例における各光学要素の偏心及び傾きの方向を例示している。
【００１０】
また、可変焦点レンズを用いた光学系においても、可変焦点レンズより像側の結像倍率を上げる方が収差変動が少ない場合があり、製作誤差に敏感な光学系になることがある。
【００１１】
次に、本発明の実施例について説明する。
図３は図２の光学配置を対応させて示した本発明によるレンズ筐体の一部破断平面図、図４は図３の一部破断底面図である。図中、Ｆ１は第１レンズ群Ｇ１と形状可変ミラーＤＭを保持する筐体の屈曲枠部、Ｆ２は固定の第３レンズ群Ｇ３を保持する筐体のレンズ保持枠部、Ｆ３は固定の第５レンズ群Ｇ５と撮像素子ＩＤを保持する筐体のレンズ保持枠部、ＧＲは入射光の光軸と平行に屈曲枠部Ｆ１とレンズ保持枠部Ｆ２，Ｆ３間に取付けられた一対のガイドロッド、Ｖ１は屈曲枠部Ｆ１により画成された空洞部、Ｖ２は屈曲枠部Ｆ１とレンズ保持枠部Ｆ２とで画成された空洞部、Ｖ３はレンズ保持枠部Ｆ２とＦ３とで画成された空洞部である。なお、本実施例では、第２レンズ群Ｇ２と第４レンズ群Ｇ４は、ズーミングのための可動レンズ群として構成されている。
【００１２】
図５は屈曲枠部Ｆ１を成形するための金型の概略構成を示す説明図である。図中、Ｍ１は突出部Ｍ１'を設けた１群枠型下型、Ｍ２−１は形状可変ミラー下型、Ｍ２−２は形状可変ミラー型下型、Ｍ３はガイドロッド逃げ部Ｍ３'を有する２群型下型である。なお、１群枠型下型Ｍ１は屈曲枠部Ｆ１のI-I線に沿って見た正面図、形状可変ミラー下型Ｍ２−１及び形状可変ミラー型下型Ｍ２−２は屈曲枠部Ｆ１のII-II線に沿って見た正面図、２群型下型Ｍ３は屈曲枠部Ｆ１のIII-III線に沿って見た正面図であって、斜線部分はこれらの下型と組合される上型部分をそれぞれ示している。そして、屈曲枠部Ｆ１を含む筐体Ｆは、これらの下型をそれぞれ反矢印方向へ摺動させて組合せ、上型との間に形成されるキャビティー内へ樹脂を注入することにより成形され、その後、上型を分離し、これらの下型をそれぞれ矢印方向へ引き離すことにより、製品として取り出される。
【００１３】
図６は本発明のレンズ筐体内へレンズ等の光学部材を組込む組立て治具が非組付け位置にある場合の全体配置を示す平面図、図７は図６に示す組立て治具が各光学部材を組付けた状態にある場合の平面図である。図中、Aは後述する各治具ブロックを保持する一対の基板を結合してなる組立て台、１は組立て台Aに取付けられた治具ブロック１a上に矢印方向（光軸方向）へ摺動可能に取付けられていてレンズ枠１bを有する１群治具、２は組立て台Aに取付けられていて位置決め治具２aを有する治具ブロック２b上に矢印方向（光軸方向及び光軸と直交する方向）へ摺動可能に取付けられレンズ枠２cを有する２群治具、３は組立て台A上に矢印方向（光軸方向）へ摺動・固定可能に取付けられていてレンズ枠３aを有する３群治具、４は組立て台Aに取付けられていて位置決め治具４aを有する治具ブロック４b上に矢印方向（光軸方向及び光軸と直交する方向）へ摺動可能に取付けられレンズ枠４cを有する４群治具、５は３群冶具３上に矢印方向（光軸方向）へ摺動・固定可能に取付けられていてレンズ枠５aを有する５群治具、６は組立て台A上に取付けられていてミラー枠６aを有するたミラー治具、７は組立て台Aに取付けられた治具ブロック７a上に矢印方向（光軸方向）へ摺動可能に取付けられていてID枠７bを有するID治具である。上記各冶具は高精度で製作されており、そのレンズ枠は、レンズ胴付け面の寸法が精密に製作されている。また、各摺動部は極めて円滑且つ正確に摺動が行われ得るように製作されている。
【００１４】
次に、上記組立て冶具を用いて、上記のようにして製作された屈曲筐体Ｆへの各光学部材の組付けについて説明する。組み付けに先立ち、屈曲筐体Ｆの所定位置（第５レンズ群Ｇ５と撮像素子ＩＤとの間）に、予め用意された図８に示す如き形状のロッド受けＲが、固定ビスＢにより取り付けられる。このロッド受けＲは、鎖線で示した筐体Ｆの内側形状と一致した外形を有し、上下にはガイドロッドＧＲを挿通させ得る一対の貫通孔Ｒ１が設けられている。次に、予め用意され全周接着でレンズを保持した第２レンズ群Ｇ２と第４レンズ群Ｇ４のためのスリーブ付きレンズ保持枠を筐体Ｆ内に配置して、ロッド受けＲの貫通孔Ｒ１と各レンズ保持枠のスリーブにガイドロッドＧＲをそれぞれ挿通し、その各先端部を屈曲枠部Ｆ１に形成された受け孔に嵌入させる。
【００１５】
ここで、図９及び図１０を用いて第２レンズ群Ｇ２のためのスリーブ付きレンズ保持枠の一実施例とその成形方法を説明しておく。図中、８は光軸方向へ延びていて、基部にレンズ保持枠８aを、先端部に図示しないズーミングカムに係合する突起８bをそれぞれ有するカムフォロアである。この場合、レンズ保持枠８aは図１０に明示されているように２分割されて、筐体Ｆ内への組み込みが容易なように構成されている。カムフォロア８を成形する場合、一般的には矢印方向に型抜きするのが常であるが、これでは一対の型にならないので、本方法では、図９に一点鎖線ＰＬで示すように型割り面を設けて、一対の型となるようにした。この場合、突起８bの表面にパーティングによるバリダレが生じるが、ズームカム面がそのバリダレを避けた位置で突起８bの表面と摺接するように構成されていから、性能動作に不具合を生じることはない。なお、第４レンズ群Ｇ４のためのスリーブ付きレンズ保持枠の場合も、上記と同様に構成され且つ成形され得るから、説明を省略する。
【００１６】
上記のようにして予め準備された屈曲筐体Ｆを、ミラー枠装着用凹部Ｆ１が形状可変ミラーＤＭを仮保持したミラー枠冶具６と整合するような姿勢で、上方より３群及び５群冶具３及び５の上方に位置させ、次に、第３レンズ群Ｇ３を仮嵌めした３群冶具３のレンズ枠３aが、筐体Ｆの３群レンズ保持枠部Ｆ２に隣接する所定位置（図１２参照）に、また、第５レンズ群Ｇ５を仮嵌めした５群冶具５のレンズ枠５aが、筐体Ｆの５群レンズ保持枠部Ｆ３に隣接する所定位置（図１５参照）にそれぞれ来るように、３群冶具３及び５群冶具５の位置を調整して固定する。これにより、筐体Ｆは、組立て台Ａの上方所定位置に定置される（図１４参照）。
【００１７】
このとき、３群冶具３のレンズ枠３aに形成された一対の段部３a'はガイドロッドＧＲに当接し（図１３参照）、この段部３a'と協働してガイドロッドＧＲを挟持する斜面３b'を有する固定板３bを、固定ビス３cにより、３群冶具３に固定することにより、ガイドロッドＧＲは光軸と平行になるように保持され、レンズ枠３aに保持された第３レンズ群Ｇ３は、３群レンズ保持枠部Ｆ２に嵌入した３群レンズ保持枠３Ａを介して、光軸上の位置に正しく位置せしめられる（図１３及び１４参照）。
【００１８】
また、５群冶具５のレンズ枠５aに形成された一対の段部５a'はガイドロッドＧＲに当接し（図１６参照）、この段部５a'と協働してガイドロッドＧＲを挟持する斜面５b'を有する固定板５bを、固定ビス５cにより、５群冶具５に固定することにより、ガイドロッドＧＲは光軸と平行になるように保持され、レンズ枠５aに保持された第５レンズ群Ｇ５は、光軸上に正しく位置せしめられる（図１５参照）。
【００１９】
この場合、レンズ枠５aのレンズ保持胴部は、図１６に示すように、円周に沿って３等分割されているため、これと相補的に円周に沿って３等分割されている５群レンズ保持枠５Ａのレンズ保持胴部に進入して組み合わされる（図１５参照）ため、レンズ枠５aに保持された第５レンズ群Ｇ５は、５群レンズ保持枠部Ｆ３に嵌入せしめられた５群レンズ保持枠５Ａを介して光軸上に正しく位置せしめられる。
【００２０】
この状態で、一対のガイドロッドＧＲは、光軸と平行な正しい位置に高精度で位置決めされた結果となるので、ロッド受けＲの挿通孔Ｒ１とガイドロッドＧＲとの間の隙間に全周に渡って接着剤が注入され、また、各ガイドロッドＧＲの先端部と屈曲枠部Ｆ１の第２レンズ群側に形成された受け部との隙間に接着剤が注入されて、ガイドロッドＧＲは筐体Ｆに強固に固定され、３群レンズ保持枠３Ａの３群レンズ保持枠部Ｆ２への接着、５群レンズ保持枠５Ａの５群レンズ保持枠部Ｆ３への接着、第２レンズ群Ｇ２及び第４レンズ群Ｇ４の治具組み立て時の、衝としての役割を果たすことが出来るようになる。
【００２１】
次に、この状態で、レンズ枠１aに、予め１群レンズ保持枠１Ａを接着した第１レンズ群Ｇ１を仮嵌めして、１群冶具１を図６において矢印方向へ摺動させ、第１群レンズＧ１を屈曲枠部Ｆ１の１群レンズ保持枠部Ｆ１−２へ挿入する（図１７及び図１８参照）。そして、所定の調整後、１群レンズ保持枠部Ｆ１−２と１群レンズ保持枠１Ａとの間の隙間に接着剤を注入して、第１レンズ群Ｇ１を筐体Ｆに固着する。
【００２２】
この場合、１群レンズ保持枠１Ａと１群レンズ保持枠部Ｆ１−２とは、本来半円領域に渡って接着されるのみであるが、本実施例によれば、１群レンズ保持枠１Ａに凸部１Ａ'を、１群レンズ保持枠部Ｆ１−２に凹部Ｆ１−３をそれぞれ形成してこれらを組合せ、接着代を多くしてあるから、第１レンズ群Ｇ１はより安定に固着され得る。かくして、１群冶具１を図７において矢印方向へ摺動させることにより、第１レンズ群Ｇ１の筐体Ｆへの組み付けは完了する。
【００２３】
次に、図６に示す位置で、２群冶具２のレンズ枠２cに第２群レンズＧ２を仮嵌めした後、２群冶具２を矢印ｙ方向へ所定量摺動させ、次にこれを２群位置決め冶具２aに当接するまで矢印ｘ方向へ摺動させる。このとき、２群冶具２のレンズ枠２cに形成された一対の段部２c'はガイドロッドＧＲに当接し（図９及び１０参照）、この段部２c'と協働してガイドロッドＧＲを挟持する斜面２d'を有する固定板２dを、固定ビス２eにより２群冶具２に固定することにより、２群冶具２は、ガイドロッドＧＲを衝にして正しい位置に保持される。その結果、レンズ枠２cに保持された第２レンズ群Ｇ２は、光軸上に正しく位置せしめられ、予め筐体Ｆ内に組み込まれている、図示しないカム環により光軸に沿って移動せしめられるズーミング用カムフォロア８の２群レンズ保持枠８aに隣接せしめられる（図９参照）。
【００２４】
その状態で、第２群レンズＧ２の一方の構成レンズＧ２−２の胴付け面と２群レンズ保持枠８aの内周面との間、及び上記構成レンズＧ２−２の表面とこれに対応する第２群保持枠８aの受け面との間に接着剤を注入して、第２レンズ群Ｇ２を２群レンズ保持枠８aに固着する。かくして、固定ビス２eを取り外して固定片２dをレンズ枠２cから分離した後、２群冶具２を図７において、先ず左方（矢印方）へ所定量摺動させ、次に上方（矢印方向）へ所定量摺動させることにより、第２レンズ群Ｇ１のズーミング用カムフォロア８への組み付けは完了する。
【００２５】
次に、図６に示す位置で、４群冶具４のレンズ枠４cに第４群レンズＧ４を仮嵌めした後、４群冶具４を矢印ｘ方向へ所定量摺動させ、次にこれを位置決め冶具４aに当接するまで矢印ｙ方向へ摺動させる。このとき、４群冶具４のレンズ枠４cに形成された一対の斜面４c'はガイドロッドＧＲに当接し（図１９参照）、この斜面４c'と協働してガイドロッドＧＲを挟持する段部４d'を有する固定片４dを、固定ビス４eによりレンズ枠４cに固定することにより、４群冶具４は、ガイドロッドＧＲを衝にして正しい組込み位置に持ち来たされる。
【００２６】
この場合、レンズ枠４cのレンズ保持胴部は、円周に沿って３等分割されているため、これと相補的に円周に沿って３等分割されている第４群レンズ保持枠９のレンズ保持胴部に進入して組み合わされる（図１９及び図２０参照）ため、レンズ枠４cに保持された第４レンズ群Ｇ４は、光軸上に正しく位置せしめられる。
【００２７】
この状態で、図１９に示した如く、第４群レンズＧ４の胴付け面と第４群レンズ保持枠９のレンズ保持胴部の内周面との間、及び第４群レンズＧ４の表面とこれに対応する第４群レンズ保持枠９の受け面との間に接着剤を注入することにより、第４群レンズＧ４は、第４群レンズ保持枠９のレンズ保持胴部に固着される。かくして、固定ビス４eを取り外して固定片４dをレンズ枠４cから分離した後、４群冶具４を、図７において、先ず下方（矢印方）へ所定量摺動させ、次に右方（矢印方向）へ所定量摺動させることにより、第４レンズ群Ｇ４の第４群レンズ保持枠９への組み付けは完了する。
【００２８】
最後に、図６に示す位置で、ＩＤ冶具７のＩＤ枠７bの胴付部７b'に固体撮像素子ＩＤを保持するＩＤ保持枠１０を仮嵌めした後、ＩＤ冶具７を矢印方向へ所定量摺動させ、筐体Ｆの所定位置に位置せしめる（図７，図２１及び図２２参照）。そして、所要の調整後、接着剤注入穴７c（図２１参照）より接着剤を注入することにより固体撮像素子ＩＤを筐体Ｆに固着し、図７においてＩＤ冶具７を矢印方向へ所定量摺動させることにより、固体撮像素子ＩＤの筐体Ｆ内への組み込みを完了する。この場合、ＩＤ保持枠１０の胴付部７b'による保持は、図２２に示す如く、対向する二つのコーナ部でのみ行うように設計されている。
【００２９】
上述のようにして各光学部材の筐体内への組込みを行なうが、前述の如き各光学部材の偏心及び傾き調整、ズーミングによる広角及び望遠撮影時でのピント位置のズレをなくすためのズーミングピント調整等は、各光学部材を筐体に固着する前に組み立て治具を利用して行われる。そのために、冶具は、図２３に例示すようにレンズを偏心量eだけ偏心させた状態で組付けたり、図２４に例示するようにレンズ等を角度αだけ傾けて組付けたりすることが出来るように、必要に応じ６軸（ｘ,ｙ及びｚ方向の移動と回転）調整可能に構成されている。
【００３０】
本実施例においては、第１レンズ群Ｇ１と固体撮像素子ＩＤが光軸に対して所定量傾き、また、第５レンズ群Ｇ５が光軸に対して所定量偏心するように設計されているが、上記の組込み状態で、既述の測定方法等を用いてモニタしながら、最良の光学性能が得られるようにすると共に、固体撮像素子の出力を検出できる図示しないＭＴＦ検査機や、撮像面でのピント位置を検出できる図示しないコリメータ等を用いて、ズーミングピント調整やＦＣ調整を行いながら、冶具を動かして各光学要素の位置を微調整して、最良の光学性能が得られるように組み込まれる。各冶具の最終調整位置は適宜の方法で記憶され、極めて均質且つ高性能の屈曲光学系を多量に提供することを可能にする。
【００３１】
以上説明したようにして、筐体Ｆ内の所定位置に各光学要素を固定した後、上記の組込み手順と全く逆の順序と方法により、各冶具を図６の位置に戻した後、筐体Ｆを持上げれば、完成品として取り出すことが出来る。この場合、各冶具のレンズ枠等には、レンズ等が仮嵌めされているだけであるから、この仮嵌め状態は容易に外され得る。
【００３２】
以上説明したような冶具の組込み及び取出し動作を繰返すことにより、筐体自身は高精度で製作されていなくても、治具と光学要素さえ高精度で製作してあれば、各種サイズの優れた光学性能を有する高品質の屈曲光学筐体を、比較的廉価に且つ容易に量産することが出来る。
【００３３】
以上、形状可変ミラーを有する光学系について述べたが、それ以外の可変ミラー、通常のミラー、可変焦点レンズを用いた光学系の場合にも本発明は適用できる。
【００３４】
本発明による屈曲筐体は、共通の一方向が開放状態にある空洞部を有しているから、一方向での型抜き成形が可能であり、従って、比較的廉価に製作することができる。
本発明は、特に小型の光学系、例えば、ＰＤＡ，携帯電話等の撮像光学系に用いるとメリットが大きい。
【００３５】
次に、本発明の屈曲筐体に組込まれる光学系に適用可能な形状可変ミラー、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。
【００３６】
図２５は上記本発明の屈曲筐体に組込まれる光学系に適用可能な光学特性可変光学素子としての形状可変ミラーの一構成例を示す概略図である。
図２５の構成例では、形状可変ミラー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】
形状可変ミラーの反射面は、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２７、図２８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及び距離センサー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画像処理装置３０３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４０８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、形状可変ミラーを変形させるようにすればよい。形状可変ミラー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２５の構成例では変形する基板４０９ｊをはさ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。
形状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２５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形状可変ミラー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２６は形状可変ミラー４０９の他の構成例を示す概略図である。
本構成例の形状可変ミラーは、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２７に示すように、同心分割であってもよいし、図２８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２６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２９は形状可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略構成図である。
本構成例の形状可変ミラーは、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２６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２６、図３０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３０は形状可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の形状可変ミラーは、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、形状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２６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３１は形状可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の形状可変ミラーは、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、形状可変ミラー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４２７の巻密度を、図３２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３３は形状可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の形状可変ミラーでは、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３４は本構成例におけるコイル４２７の一配置例を示し、図３５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３１に示した構成例にも適用することができる。なお、図３６はコイル４２７の配置を図３５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３６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３１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３１及び図３３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】
以上いくつかの形状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３０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３７は本発明かかる光学系に適用可能な形状可変ミラー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、形状可変ミラー４０９と、レンズ９０２と、固体撮像素子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形状可変ミラー４０９で集光され、固体撮像素子４０８の上に結像する。形状可変ミラー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。
【００５５】
本実施例によれば、物体距離が変わっても形状可変ミラー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、形状可変ミラー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３７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形状可変ミラー、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形状可変ミラー、可変焦点レンズに有用である。なお形状可変ミラー４０９でピント合わせを行うためには、たとえば固体撮像素子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、たとえば固体撮像素子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い。
同様に上記の効果が得られる。この場合、形状可変ミラー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３８は形状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形状可変ミラー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３０４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３９は図３８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３９では静電気力により振動する例を示しており、図３９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３８で示した形状可変ミラー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、形状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、圧電効果を用いた形状可変ミラー、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３７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、形状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４０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                                            …(1)
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４１に示すような形状となり、
ｎox＝ｎoy＝ｎo                                            …(2)
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４０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４２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４３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４０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４１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’                            …(3)
となる。また、上記(2)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、
（２ｎo＋ｎe）／３≡ｎLC                                    …(4)
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                          …(5)
で与えられる。
【００６６】
したがって、図４３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）                      …(6)
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、(6)式で与えられる。
【００６７】
また、常光線の平均屈折率を、
（ｎox＋ｎoy）／２＝ｎo’                                    …(7)
とすれば、図４２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                            …(8)
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）                      …(9)
で与えられる。なお、高分子分散液晶層５１４に、図４２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、(6)式で与えられる焦点距離ｆ1と、(9)式で与えられる焦点距離ｆ2との間の値となる。
【００６８】
上記(6)および(9)式から、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）｜      …(10)
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’）                            …(11)
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                          …(12)
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(1)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 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                                          …(13)
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。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４０に示した状態と図４２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                                    …(14)
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４０の状態でも、図４２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’                                          …(15)
とすればよい。
【００７４】
上記(14)式を満足すれば、上記(13)式は、さらに緩和され、
Ｄ・ｔ≦λ・６０μｍ                                          …(16)
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  …(17)
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                                      …(18)
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(17)式は、好ましくは、
4×10-6〔μｍ〕2≦Ｄ・ｔ≦λ・45μｍ・(1.585−1.45)2/(ｎu−ｎP)2…(19)
とする。なお、ｔの下限値は、図４０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                                          …(20)
とする。
【００７８】
図４４は、図４３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４４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４５は図４３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４０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                                                …(21)
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                                        …(22)
ｈ（ｎB−ｎ33）＝ｋλ                                        …(23)
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(22)式および(23)式の両辺の差を求めると、
ｈ（ｎA−ｎB）＝（ｍ−ｋ）λ                                  …(24)
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(22)式から、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、レンズ系の光束が平行でない部分に配置して、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、この実施形態において、上記(22)〜(24)式は、実用上、
０．７ｍλ≦ｈ（ｎA−ｎ33）≦１．４ｍλ                      …(25)
０．７ｋλ≦ｈ（ｎB−ｎ33）≦１．４ｋλ                      …(26)
０．７（ｍ−ｋ）λ≦ｈ（ｎA−ｎB）≦１．４（ｍ−ｋ）λ        …(27)
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４６および図４７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４７に示すように、ホメオトロピック配向となり、図４６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４６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                                          …(28)
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４６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(28)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４８(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４０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４８(a)に示す構成例では、透明基板５６２の内面５６２ｂをフレネル状に形成したが、例えば、図４８(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４５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(21)式〜(27)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４５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４８および図４９に示す構成例では、液晶分子の図示を省略してある。
【００９０】
図５０は本発明にかかる光学系の中で、形状可変ミラー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４０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５０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４５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。以上に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４８(a)の構成例における透明基板５６３、図４８(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４０から図５０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５１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５１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５１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５２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としてシリンダー１４６を省略した構造にしてもよい。
図５２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４４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５３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５２、図５３中、１４８は変形可能な部材で、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５１、図５２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５４は本発明にかかる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５４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３９で示したようなマイクロポンプ１８０を、例えば、図５４に示す可変焦点レンズ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５５は本発明にかかる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５５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、電圧を切ったときに、図５６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５４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５７は本発明にかかる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５７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５５〜図５７の構成例において、基板２０２、薄板２００，２００Ａ，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５８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５８に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図５９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５１〜図５９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６０は本発明にかかる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を経由して紫外光が照射されるようになっている。
図６０中、２１２，２１３はそれぞれ中心波長がλ1，λ2の例えば紫外ＬＥＤ、紫外半導体レーザー等の紫外光源である。
【０１０８】
本構成例において、中心波長がλ1の紫外光が図６１(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６１(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の紫外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、凸レンズ作用が増加する。
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。
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紫外光が全反射するので外部に光がもれず、効率がよい。
【０１０９】
図６２は本発明の屈曲筐体に組込まれる光学系に適用可能な形状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６２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。
本構成例の形状可変ミラー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６２中、４４９は光学系の変倍、あるいはズームを行なう釦であり、形状可変ミラー４５は、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、以上述べた形状可変ミラーに共通して言えることであるが、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３７に示した構成例のように、形状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、そのように形状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６３(a)，(b)は本発明にかかる光学系に適用可能な電磁駆動型の形状可変ミラーの構造を示した図である。
図６３(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】
最後に、以上の説明で用いた用語の定義を述べておく。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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、音声録音装置のデジタルカメラ、各種センサーの眼等がある。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、音声録音装置のデジタルカメラ、等はいずれも電子撮像装置の一例である。
【０１１６】
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等がある。
【０１１７】
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（ソニー社製プレイステーション）、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）、携帯電話等がある。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】屈曲光学系の特徴を説明するための光学配置図である。
【図２】本発明のレンズ筐体に組込まれる屈曲光学系の一例の光学配置図である。
【図３】図２の光学配置に対応して示した本発明によるレンズ筐体の一実施例の一部破断平面図である。
【図４】一部を破断して示す図３の底面図である。
【図５】屈曲枠部を成形するための金型の概略構成を示す説明図である。
【図６】筐体内へ光学部材を組み込むための組立て治具の作業前の状態を示す全体平面図である。
【図７】図６の組立て治具の組込み作業完了時の状態を示す全体平面図である。
【図８】筐体に取り付けられたロッド受けの正面図である。
【図９】組立て治具による第２群レンズの組込み状態を示す部分拡大図である。
【図１０】図９の右側面図である。
【図１１】組立て治具による形状可変ミラーの組込み状態を示す部分拡大図である。
【図１２】組立て治具による第３群レンズの組込み状態を示す部分拡大図である。
【図１３】図１２の左側面図である。
【図１４】図１３に対応する組立て治具部分の全体配置図である。
【図１５】組立て治具による第５群レンズの組込み状態を示す部分拡大図である。
【図１６】図１２の左側面図である。
【図１７】第１群レンズの組込み状態を示す部分拡大図である。
【図１８】図１７に対応する組立て治具部分の全体配置図である。
【図１９】組立て治具による第４群レンズの組込み状態を示す拡大図である。
【図２０】図１９の右側面図である。
【図２１】組立て治具による固体撮像素子の組込み状態を示す部分拡大図である。
【図２２】図２１の右側面図である。
【図２３】レンズ等に偏心量を与えて組込む組立て治具の一例を示す全体配置図である。
【図２４】レンズ等に傾き量を与えて組込む組立て治具の一例を示す全体配置図である。
【図２５】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる形状可変ミラーの一構成例を示す概略図である。
【図２６】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる形状可変ミラーの他の構成例を示す概略図である。
【図２７】図２５及び図２６の形状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２８】図２５及び図２６の形状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２９】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図３０】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図３１】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図３２】図３１の構成例における薄膜コイルの巻き密度の状態を示す説明図である。
【図３３】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図３４】図３３に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３５】図３３に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３６】図３１に示した構成例においてコイルの配置を図３５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例を示す説明図である。
【図３７】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図３８】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図３９】マイクロポンプの一構成例を示す概略構成図である。
【図４０】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる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４１】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４２】図４０に示す高分子分散液晶層に電界を印加状態を示す図である。
【図４３】図４０に示す高分子分散液晶層への印加電圧を可変にする場合の一構成例を示す図である。
【図４４】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４５】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる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４６】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４７】図４６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４８】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる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４９】図４８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５０】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる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５１】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる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５２】図５１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５３】図５２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５４】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる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５５】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる光学系に適用可能な圧電材料を用いた可変焦点レンズの概略図である。
【図５６】図５５の変形例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。
【図５７】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる光学系に適用可能な圧電材料からなる２枚の薄板を用いた可変焦点レンズの概略図である。
【図５８】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる光学系に適用可能な可変焦点レンズの更に他の構成例を示す概略図である。
【図５９】図５８の構成例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。
【図６０】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる光学系に適用可能な光学特性可変光学素子の更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６１】図６０の構成例にかか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６２】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる光学系に適用可能な形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。
【図６３】本発明にかかるレンズ筐体に組込まれる光学系に適用可能な電磁駆動型の形状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６４】成形機による多数個取りの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１                        １群治具
１Ａ                      １群レンズ保持枠
１Ａ'                      凸部
１a                       レンズ枠
１a'                      切り欠き
１b                       治具ブロック
２                        ２群治具
２a                       位置決め治具
２b                       治具ブロック
２c                       レンズ枠
２c'                      段部
２d                       固定板
２d'                      斜面
２e                       固定ビス
３                        ３群治具
３Ａ                      ３群レンズ保持枠
３a                       レンズ枠
３a'                      段部
３b                       固定板
３b'                      斜面
３c                       固定ビス
４                        ４群治具
４a                       位置決め治具
４b                       治具ブロック
４c                       レンズ枠
４c'                      斜面
４d                       固定板
４d'                      段部
５                        ５群治具
５Ａ                      ５群レンズ保持枠
５a                       レンズ枠
５a'                      段部
５b                       固定片
５b'                      斜面
５c                       固定ビス
６                        ミラー治具
６a                       ミラー枠
７                        ＩＤ治具
７a                       治具ブロック
７b                       ＩＤ枠
７b'                       胴付部
８                        ズーミング用カムフォロア
８a                       ２群レンズ保持枠
８b                       突起
９                        従動部材
９a                       ４群レンズ保持枠
１０                      ＩＤ保持枠
４５                      形状可変ミラー
５９                      透明電極
１０２                    レンズ
１０３                    制御系
１０３’                  回路
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                    形状可変ミラー
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            紫外光源
２１４                    可変焦点レンズ
４０３                    撮像光学系
４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｅ          レンズ
４０３ｃ                  絞り
４０３ｄ                  可変焦点レンズ
４０４                    プリズム
４０５                    二等辺三角プリズム
４０６                    ミラー
４０８                    撮像素子
４０９                    形状可変ミラー
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
４１１，４２５ａ，４２５ｂ  駆動回路
４１１ａ，４１１ｂ        可変抵抗器
４１２                    電源
４１３                    電源スイッチ
４１４                    演算回路（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                    釦
４５０                    反射膜
４５１                    変形可能な基板
４５２                    電極
４５３                    電歪材料
５１１，５５１            可変焦点レンズ
５３２，５３３，５６２，５６３，５６６，５６７  透明基板
５１３ａ，５１３ｂ        透明電極
５１２ａ，５１２ｂ，５２２，５５２，５５３  レンズ
５２３                    固体撮像素子
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
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
５３１                    可変焦点回折光学素子
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
９００                    観察光学系
９０１                    接眼レンズ
９０２                    対物レンズ
Ａ                        組立て台
Ｂ                        固定ビス
Ｆ                        レンズ筐体
Ｆ１                      屈曲枠部
Ｆ１−１                  ミラー枠装着用凹部
Ｆ１−２                  １群保持枠部
Ｆ１−３                  凹部
Ｆ２                      ３群保持枠部
Ｆ３                      ５群保持枠部
Ｇ１                      第１レンズ群
Ｇ２                      第２レンズ群
Ｇ３                      第３レンズ群
Ｇ４                      第４レンズ群
Ｇ５                      第５レンズ群
ＧＲ                      ガイドロッド
ＩＤ                      固体撮像素子
ＤＭ                      形状可変ミラー
Ｍ１                      １群枠型下型
Ｍ１'                     突出部
Ｍ２−１                  形状可変ミラー型下型
Ｍ２−２                  形状可変ミラー下型
Ｍ３                      ２群型下型
Ｍ３'                     ガイドロッド逃げ部
Ｒ                        ロッド受け
Ｒ１                      ロッド挿通孔
Ｓ                        スリーブ
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３          空洞部
【図２５】
2005106855.tif 000003
【図２６】
2005106855.tif 000004
【図２７】
2005106855.tif 000005
【図２８】
2005106855.tif 000006
【図２９】
2005106855.tif 000007
【図３０】
2005106855.tif 000008
【図３１】
2005106855.tif 000009
【図３２】
2005106855.tif 000010
【図３３】
2005106855.tif 000011
【図３４】
2005106855.tif 000012
【図３５】
2005106855.tif 000013
【図３６】
2005106855.tif 000014
【図３９】
2005106855.tif 000015
【図４０】
2005106855.tif 000016
【図４１】
2005106855.tif 000017
【図４２】
2005106855.tif 000018
【図４３】
2005106855.tif 000019
【図４４】
2005106855.tif 000020
【図４５】
2005106855.tif 000021
【図４６】
2005106855.tif 000022
【図４７】
2005106855.tif 000023
【図４８】
2005106855.tif 000024
【図４９】
2005106855.tif 000025
【図５０】
2005106855.tif 000026
【図５１】
2005106855.tif 000027
【図５２】
2005106855.tif 000028
【図５３】
2005106855.tif 000029
【図５４】
2005106855.tif 000030
【図５５】
2005106855.tif 000031
【図５６】
2005106855.tif 000032
【図５７】
2005106855.tif 000033
【図５８】
2005106855.tif 000034
【図５９】
2005106855.tif 000035
【図６０】
2005106855.tif 000036
【図６１】
2005106855.tif 000037
【図６２】
2005106855.tif 000038
【図６３】
2005106855.tif 000039
【図１】
2005106855.tif 000040
【図２】
2005106855.tif 000041
【図３】
2005106855.tif 000042
【図４】
2005106855.tif 000043
【図５】
2005106855.tif 000044
【図６】
2005106855.tif 000045
【図７】
2005106855.tif 000046
【図８】
2005106855.tif 000047
【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３７】
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【図３８】
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【図６４】
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