(57)【要約】    【課題】レンズ性能に寄与する機構部材と、寄与しない機構部材とを分離して組み立てられるようにして、寄与する機構部材を単独で管理できるようにした屈曲光学系用レンズ筐体を提供する。    【解決手段】入射光軸と同心的に配置されるシャッタ機構、絞り機構及びズーム機構を、前記入射光軸に沿って延びる直進ガイド２を衝にして、前記入射光軸に対し直角方向から組み込み得るように構成されている。【選択図】図２
2005084654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光軸と同心的に配置されるシャッタ機構、絞り機構及びズーム機構を、前記入射光軸に沿って延びるガイドロッドを衝にして、前記入射光軸に対し直角方向から組み込み得るように構成したレンズ筐体。
【請求項２】
前記ズーム機構が、光学系を構成する少なくとも１つのレンズ群を前記入射光軸と平行な軸を回転することにより移動させられる直進移動部材を有している請求項１に記載のレンズ筐体。
【請求項３】
光学特性可変光学素子を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ筐体。
【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工３に記載のレンズ筐体。
【請求項６】
ミラーを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ筐体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャッタ機構、絞り機構及びズーム機構を含んだレンズ筐体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被写体側より順に配置された、第１レンズ群と、光路を直角に折り曲げる形状可変ミラーと、第２レンズ群と、第３レンズ群と、固体撮像素子とを含む屈曲光学系を保持し、更に、形状可変ミラーの背部に配置された駆動部（モータ）と、ズーミングのためこの駆動部によりレンズ群の何れかを光軸に沿って移動させる直進移動部材（カム板）を備えたレンズ筐体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１０７３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、このレンズ筐体には、光路を開閉するシャッタ機構と露光量を変化させる絞り機構が更に搭載されている。これらの機構は、光軸に対して所定の位置に配置されるが、設計上の光学性能を保証するのに寄与はしない。また、ズーム機構において、レンズ群を移動させるための直進移動部材は、入射光軸に対する位置を規制するだけであり、光学要素のδ（入射光軸に対する偏芯）やε（入射光軸に対する傾き）による光学性能に寄与するのは直進案内ガイド（ロッド）である。
屈曲光学系においては、光学要素のδやεが光学系の光学性能に及ぼす度合いが大きく、設計上δ，εを有するように光学要素を配置する必要がある。そこで、屈曲光学系においては、光学性能に寄与する光学要素を含む機構部分と、寄与しない光学要素を含む機構部分とを分けて、寄与する機構部分を単独で管理する必要があり、更に、これらの機構部分の組立て性の向上を図る必要もある。
【０００４】
本発明は、屈曲光学系における上記事情に鑑みてなされたもであり、その目的とするところは、光学性能に寄与する機構部分と、寄与しない機構部分とを分離して組み立てられるようにして、寄与する機構部分を単独で管理できるようにした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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明によるレンズ筐体は、入射光軸と同心的に配置されるシャッタ機構、絞り機構及びズーム機構を、前記入射光軸に沿って延びるガイドロッドを衝にして、前記入射光軸に対し直角方向から組み込み得るように構成されている。
本発明によれば、前記ズーム機構は、光学系を構成する少なくとも１つのレンズ群を前記入射光軸と平行な軸を回転することにより移動させられる直進移動部材を有している。
また、本発明によるレンズ筐体は、光学特性可変光学素子またはミラーを備えている。
また、本発明によれば、前記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】
【０００６】
本発明によれば、光学系に寄与する組立てユニットと、光学系に寄与しない組立てユニットとを分離し、これらを単独に組み立てることのできる屈曲光学系に最適なレンズ筐体を提供することができる。また、修理に有利で且つ製造管理上コストメリットのある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】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を説明するのに先立ち、本発明が関係する屈曲光学系の特徴について説明することにする。図１に示すように、形状可変ミラーＤＭに対して軸上光線ARが斜入射する屈曲光学系では、形状可変ミラーＤＭの光偏向特性の変化によって生じる収差の変動を小さく抑える必要がある。このため、光学系を構成するレンズ群G２，G３，G４等の光学素子あるいはCCDの如き撮像素子ＩＤのうち、図示のように、例えば、レンズ群G２，G５を軸上光線ARの進行方向（入射光軸）に対して直角にシフト（偏芯）させたり、レンズ群G１，G３，G４及び撮像素子ＩＤをティルト（傾斜）させたりするか、あるいは、形状可変ミラーＤＭより像側のレンズ系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。
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。
【０００８】
以下、本発明の実施例を説明する。図２は本発明にかかるレンズ筐体の平面図、図３はズームレンズ保持枠機構を拡大して示す図２の底面図、図４はシャッタ・絞り基板部分を拡大して示す図２の部分底面図、図５はシャッタ・絞り基板上のシャッター機構部分を示す図４の右側面図、図６はシャッタ・絞り基板上の絞り機構部分を示す図４の右側面図、図７はズーム機構部分を拡大して示す図２の部分底面図、図８は図７のVIII-VIII線断面図である。
【０００９】
図中、１Aは第１レンズ群G1と形状可変ミラーDMを含む筐体の屈曲部、１Bは第２レンズ群G3〜第５レンズ群G5及び固体撮像素子IDを含む筐体の直胴部である。２は入射光軸と平行に直胴部１Bに取付けられた一対のガイドロッド、特に図３を参照して、３はガイドロッド２に嵌着されたスリーブ４を介してガイドロッド２上に摺動可能に装袈されていて、ガイドロッド２と平行に延びた連結竿３aを有する第２レンズ群保持枠、５は第３レンズ群の保持枠を兼ねる筐体部分１B-1に取り付けられていて、右側方から見たとき複数の切欠部５a'を有する環状溝５aを備えた支持筒、６は支持筒５上に回転可能に嵌装されていて、一端に環状溝５aに係合する鍔部６aを、他端にギア部６bを、周壁に第４レンズ群G４を移動させるための公知のカム溝６cを形成したカム環、７はガイドロッド２に嵌着されたスリーブ８を介してガイドロッド２上に摺動可能に装袈された第４レンズ群保持枠、９は第４レンズ群保持枠７に設けられていて、カム溝６cに滑合するカムフォロア、１０は連結竿３aに設けられていて、第２レンズ群G２を移動させるためカム環６の周壁に形成された公知のカム溝６ｄに滑合するカムフォロアである。
【００１０】
この実施例は、第１，第３，第５レンズ群が固定で、第２及び第４レンズ群が可動のズーム光学系を構成している。これらのレンズ群の筐体への組込みは、先ず、一対のガイドロッド２を直胴部１Ｂに光軸方向に挿通し、この一対のガイドロッド２が治具により平行にされた状態で、直胴部１Ｂの両端に接着固定される。その場合、ズーミングによって移動するスリーブ４付きの保持枠３と、スリーブ８付きの保持枠７のそれぞれに、前記一対のガイドロッド２を挿通させる。その後、前記一対のガイドロッド２を衝にした前記治具によって、レンズ群Ｇ１，Ｇ３，Ｇ５，形状可変ミラーＤＭ及び固体撮像素子ＩＤを前記直胴部１Ｂに固定し、更に、レンズ群Ｇ２及びＧ４を保持枠３及び７にそれぞれ固定する。それによって、光学性能に寄与する前記一対のガイドロッド２、レンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４及びＧ５、形状可変ミラーＤＭ及び固体撮像素子ＩＤを組み込んだ、一対のガイドロッド２を衝とする直胴部１Ｂの組み立てユニットが構成される。
【００１１】
前記治具による組み立ての場合、ズーミングによって移動する保持枠３及び７にレンズ群Ｇ２及びＧ４をそれぞれ前もって接着しておき、前記レンズ群Ｇ２及びＧ４と前記一対のガイドロッド２を衝にしてスリーブ４及び８を保持枠３及び７にそれぞれ接着するようにしても良い。
【００１２】
支持筒５とカム環６は、環状溝５a，切欠部５a'及び鍔部６aを利用して、支持筒５に対して回動自在なバヨネットマウント方式にしてある。ズームモーター３１及び後述のギアトレイン３３，３４，３５及び３６と、検出用の羽根輪３８付きギア３７と、フォトインタラプタの如き回転検出センサー３９とを、カバー板１１と基板３０に組み込んだユニットを支持筒５に固定し、ズーム機構駆動アセンブリとする。これによって、光学性能に寄与しないズーム駆動ユニットが構成される。
【００１３】
このようにして構成されたズーム駆動ユニットを、図３の上方から光軸に対して直角方向に組み込み、ガイドロッド２に当接する一対のコーナー部３０aによって位置決めをし、支持筒５を直胴部１Ｂに固定することによって、前記ズーム機構駆動アセンブリを正確に光軸上に固定することができる。その場合、前もってズーム機構駆動アセンブリが光軸に対して直角に組み立てられるように、保持枠３を形状可変ミラーＤＭ側へ、保持枠７を固体撮像素子ＩＤ側へそれぞれ移動させて、カム環３のカムフォロア９と保持枠７のカムフォロア１０とに干渉しないように組み立てる。その後、カム環６を回動させ、カム溝６c及び６dの光軸方向へ延びた開放端よりカムフォロア９及び１０をそれぞれ挿入して、カム環６を回動させることにより、前記カムフォロア９及び１０を所定のカム溝６c及び６dにそれぞれ滑合させる。
【００１４】
次に、特に図４乃至６を参照して、シャッタ及び絞り機構アッセンブリの筐体内への組込みと構造について説明する。
図５において、１２は一対のガイドロッド８に当接する一対のコーナー部１２aと、連結竿３a（図３）を通すための切欠部１２bと、光軸と同心の露出開口１２cとを有するシャッタ及び絞り機構アッセンブリ基板、１３は基板１２上に取り付けられたシャッター駆動モータ、１４はモータ１３の出力軸に取り付けられた駆動ギア、１５は躯動ギア１４に噛合した中間ギア、１６は中間ギア１５に噛合した中間ギア、１７は中間ギア１６に噛合したシャッタレバー駆動ギア、１８は駆動ギア１７と同心一体に回動可能で先端にピン１８aを有するシャッタレバー、１９はシャッタレバー１８に右旋習性を付与するバネ、２０，２１は枢軸ピン２０a，２１aにより基板１２上に回動可能に支持され、且つピン１８aに共通に滑合するスロット（図示せず）を夫々有していて、露出開口１２cを覆い得る一対のシャッタ羽根である。
【００１５】
この実施例の場合、シャッタレバー１８は、バネ１９により右旋方向へ弾圧されていて、図示しないストッパにより図示位置に保持されているから、ピン１８aと図示しない上記スロットとの滑合により、シャッタ羽根２０，２１は常態では、露出開口１２cを開放した位置にある。従って、モータ１３を駆動させて駆動ギア１４を右旋させれば、シャッタレバー１８は、ギア１５，１６及び１７を介して左旋せしめられ、シャッタ羽根２０，２１は、露出開口１２cを閉じる。このモータ１３は、通電により回転子は所定角度だけ回転して、通電中その回転位置に保持されるように構成されているから、その通電を断てば、バネ１９によるシャッタレバー１８の図示位置への復帰と同時に、回転子は初期位置へ戻され、シャッタ羽根２０，２１は再び開放位置へ戻される。なお、この実施例では、２枚のシャッタ羽根を用いたが、公知の他の機構を利用することにより、３枚以上のシャッタ羽根を用いても良い。
【００１６】
図６において、２２は絞り駆動モータ、２３はモータ２２の出力軸に取り付けられた駆動ギア、２４は躯動ギア２３に噛合した大径の中間ギア、２５は中間ギア２４と同心一体の小径の中間ギア、２６は中間ギア２５に噛合した絞り駆動ギア、２７は駆動ギア２６と同心一体に回動可能で先端部に露出開口１２cと整合し得るＮＤフィルタ２８を有する絞りレバー、２９は絞りレバー２７に右旋習性を付与するバネである。なお、絞りレバー２７は、図示しないストッパにより、常態では図示位置（露出開口１２cから退避した位置）を占めている。
【００１７】
従って、モータ１２を駆動させて駆動ギア２３を左旋させれば、絞りレバー２７は、ギア２３，２４，２５及び２６を介して左旋せしめられ、ＮＤフィルタ２８は、露出開口１２cを覆う。これにより、露出開口１２cを透過する光量は減量されて、露出開口を絞ったのと同様の結果となる。このモータ２２は、通電により回転子は所定角度だけ回転して、通電中その回転位置に保持されるように構成されているから、その通電を断てば、バネ２９により絞りレバー２７のは図示位置へもどされ、モータ回転子も初期位置へ戻されて、ＮＤフィルタ２８は再び露出開口より退避せしめられる。この絞り機構は、二段絞りとして機能するが、公知の他の絞り機構を用いて、多段絞りにすることもできる。
【００１８】
シャッタ及び絞り機構アッセンブリは、上記のように構成されているから、筐体への組み込みに当たっては、基板１２上にシャッタ機構及び絞り機構を予め組み付けた後、図５または６の姿勢で右側を前にして、基板１２のコーナー部１２aがガイドロッド２に突き当るまで、これを図３の矢印A方向に差し込めば、露出開口１２cは光軸と整合し、そして基板１２を筐体枠部分１B-1に固定するだけで、組立を完了することができる。このように、本シャッタ及び絞り機構アッセンブリは、その機能の調整や製品としての管理を個別に行うことができ、筐体への組み込みはきわめて簡単である。
【００１９】
次に、特に図７及び８を参照して、ズーム機構駆動アッセブリの構成と作用を説明する。３０は一対のガイドロッド２に当接する一対のコーナー部３０aと、連結竿３a（図３）を通すための切欠部３０bと、カム環６のための逃げ部３０cとを有していて、前記カバー板１１に所定の間隔を置いて連結された基板、３１はカバー板１１に固定されていて、出力軸に駆動ギア３２を取り付けたズームモータ、３３及び３４は基板３０とカバー板１１に軸受けされた一体の大径及び小径の中間ギア、３５及び３６は基板３０とカバー板１１に軸受けされた一体の、小径の中間ギア３４に噛合する大径ギア及びカム環６のギア部６bに噛合する小径ギア、３７は基板３０とカバー板１１に軸受けされていて、ギア部６bに噛合する回転検出ギア、３８は回転検出ギア３７に同心一体に取り付けられた羽根輪、３９はカバー板１１に取りつけられていて、羽根輪３８と協働してカム環６の回動量を検出するためのフォトインタラプタの如き回転検出センサである。
【００２０】
ズーム機構駆動アッセブリは、上記のように構成されているから、筐体への組み込みに当たっては、カバー板１１にズームモータ３１を取り付け、基板３０とカバー板１１との間に、ギア３乃至３５，羽根輪３８付きのギア３７及び回転検出センサ３９を予め組み付けた後、図８の姿勢で左側を前にして、基板３０のコーナー部３０aがガイドロッド２に突き当るまで、これを図３の矢印A方向に差し込み、そして、図７において左方へ僅かに動かすことによりギア３６と３７をギア部６aに噛合させ、基板３０及びカバー板１１を筐体枠部分１B-1に固定することにより、組立を完了することができる。このように、本ズーム機構駆動アッセンブリは、その機能の調整や製品としての管理を個別に行うことができ、筐体への組み込みはきわめて簡単である。
【００２１】
かくして、モータ３１を駆動させて駆動ギア３２を回転させれば、カム環６は回動せしめられ、カム溝６c，６dとカムフォロア９，１０との滑合により、カム環６はガイドロッド２上を光軸に沿って移動し、第２及び第４レンズ群を保持する保持枠３及び７をそれぞれ移動させてズーミングを行なう。カム環６の回動量即ち第２レンズ群G2及び第４レンズ群G4の移動量は、羽根輪３８と回転検出センサ３９とからなる回転検出器により正確に検出し得るから、この回転検出器の出力に基づきモータ３１の回転を制御する図示しない駆動制御装置に、予めモータ３１の回転をカム環６に伝達するギアトレインのバックラッシュ量を記憶させて、モータの回転方向の変化による保持枠３及び７の移動量の変化を補償するようにすれば、常に正確なズーミングを行なわせることができる。
【００２２】
以上、形状可変ミラーを用いた実施例を説明したが、これに限らず、可変焦点レンズを用いた場合にも、同様な効果が得られる。また、以上の説明で述べた本発明は、特に小型の光学系、例えばPDA、携帯電話用等の光学系において特に有利である。
【００２３】
以上、本発明の実施例を説明したが、ここで、本発明のレンズ筐体に組込み可能の形状可変ミラーの製造方法について述べておく。形状可変ミラーを、リソグラフィーを用いて作ることは、特開２００１−２０１６２２号等により既に知られているが、製作コストが高いという欠点がある。そこで、本願では、より安いコストで製作する方法を述べる。
【００２４】
図９は、そのような方法で作った形状可変ミラー３０１を示している。図中、下側基板３０２と上側基板３０３は、接着剤３０４で接合されている。下側基板３０２は、セラミックスや合成樹脂等の絶縁材料で作られていて、エッチングで作られた電極４０９ｂが設けられている。つまり、電極４０９ｂは、プリント配線の技術で作られている。上側基板３０３は、ポイミド，アクリル，エチレン，スチレン，ポリウレタン，ユリア樹脂，メラミン樹脂，エポキシ樹脂，ポリカーボネートまたはサイトップ等の合成樹脂で作られており、スペーサー部３０５及び変形可能の基板４０９ｊを含めて、成形例えば射出成形で作られている。そのため、上側基板３０３は大量に安く作ることができる。
【００２５】
図１０は、成形直後の上側基板３０３の形を示していて、（a）は側面図、（b）は平面図である。このように上側基板３０３を成形した後、基板４０９ｊ上に真空蒸着法にアルミニュウムを蒸着して反射面４９０aを形成し、基板４０９ｊ上に真空蒸着法によりクロムを蒸着して電極４０９ｋを形成する。このようにして、上側基板３０３は完成する。
上側基板３０３の成形方法としては、熱可塑性射出成形のほかに、図１１に示すように、上下の金型３０８，３０９の間に樹脂３１０を流し込んだ後、加熱硬化させる熱硬化性射出成形等がある。この方法は、リソグラフィーを用いる場合に比べて、大量に安く作ることが出来るのが利点である。
同様に下側基板３０２も成形で作っておけば、更に低コストで形状可変ミラー３０１を製作することができる。
【００２６】
なお、メラニン樹脂等の熱硬化性樹脂は熱硬化性射出成形で、アクリル等の熱可塑性樹脂は熱可塑性射出成形で加工すると良い。
このような形状可変ミラーの製法は、静電式，電磁式，圧電式，流体駆動式等の各種駆動方式の形状可変ミラーに適用することができる。
また、同様に、形状可変焦点レンズにも応用でき、低コストで大量に作ることが出来るという利点がある。
また、基板材料として、合成ゴム等のエラストマーを用いてもよい。
【００２７】
次に、本発明にかかるレンズ筐体に組込み可能の形状可変ミラー、可変焦点レンズ等、光学特性可変光学素子の各種構成例を説明する。
図１２は上記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として形状可変ミラーの一構成例を示す概略図である。
図１２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。
【００２８】
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。
【００２９】
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２２、図２３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。
【００３０】
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。
【００３１】
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１２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。
【００３２】
また、図１２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。
【００３３】
図１３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１４に示すように、同心分割であってもよいし、図２４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１３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。
【００３４】
図１６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１３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。
【００３５】
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。
【００３６】
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形状可変ミラー面の大きな変形が実現できてよい。
【００３７】
なお、図１３、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。
【００３８】
図１７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。
【００３９】
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。
【００４０】
図１８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。
【００４１】
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。
【００４２】
この場合、薄膜コイル４２７の巻密度を、図１９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。
【００４３】
図２０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２１は本構成例におけるコイル４２７の一配置例を示し、図２２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１８に示した構成例にも適用することができる。なお、図２３はコイル４２７の配置を図２２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２３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１８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１８及び図２０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。
【００４４】
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１７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。
【００４５】
図２４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。
【００４６】
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２４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形状可変ミラー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。
【００４７】
図２５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。
【００４８】
図２６は図２５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２６では静電気力により振動する例を示しており、図２６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。
【００４９】
図２５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。
【００５０】
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２４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。
【００５１】
図２７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。
【００５２】
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。
【００５３】
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２８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。
【００５４】
ここで、図２７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。
【００５５】
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。
【００５６】
ここで、図２７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２８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。
【００５７】
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）                  …(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。
【００５８】
また、常光線の平均屈折率を、
（ｎox＋ｎoy）／２＝ｎo’                                  …(7)
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                          …(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、(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。
【００５９】
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。
【００６０】
次に、上記(21)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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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２７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                                    …(14)
を満足するときである。
【００６４】
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２７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’                                            …(15)
とすればよい。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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２７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。
【００６８】
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。
【００６９】
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５２３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。
【００７０】
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。
【００７１】
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２７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。
【００７２】
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。
【００７３】
ここで、上記(42)式および(43)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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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                                          …(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(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。
【００７９】
図３５(a)は本発明にかか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２７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(21)式〜(27)式が同様にあてはまる。
【００８０】
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。
【００８１】
図３７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２７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。
【００８２】
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。
【００８３】
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２７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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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としてシリンダー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。
【００８８】
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。
【００８９】
図４１は本発明にかかる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。
【００９０】
そして、図２６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に用いるマイクロポンプ１６０のように、２つ用いればよい。
【００９１】
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。
【００９２】
図４２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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
図４４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。
【００９６】
なお、図４２〜図４４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。
【００９７】
図４５は本発明にかか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。
【００９８】
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。
【００９９】
図４７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４７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。
【０１００】
本構成例において、中心波長がλ1の紫外光が図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。
【０１０１】
図４９は本発明にかか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、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。
【０１０２】
なお、本発明にかかる光学装置に適用可能な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２４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。
【０１０３】
図５０(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５０(b)は反射膜４０９aの反対側から見た図であり、変形部材にコイル（電極）４２７が設けられて駆動回路４２５から電流を流すことで永久磁石４２６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４２７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。
【０１０４】
最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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、音声記録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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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、光情報処理装置等、ＰＤＡがある。
【０１１２】
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、信号発信装置の中に含まれる。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
本発明は、特許請求の範囲に記載の特徴の他に下記のような特徴を有する。
【０１１８】
（１）複数の基板を含む光学特性可変光学素子の製法であって、少なくとも１つの基板が成形にて製作されていることを特徴とする、光学特性可変光学素子の製法及びそれによって製作された光学特性可変光学素子。
【０１１９】
（２）何れかの基板に電極が形成されており、前記電極を形成するのに蒸着またはエッチングの手法が用いられていることを特徴とする上記（１）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１２０】
（３）前記基板の材質が合成樹脂であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の光学特性可変光学素子。
【０１２１】
（４）前記基板の材質が熱硬化性または熱可塑性の合成樹脂であることを特徴とする上記（１）乃至（３）の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
【０１２２】
（５）成形法として射出成形法を用いたことを特徴とする上記（１）乃至（４）の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
【０１２３】
（６）射出成形法で作られた基板を含む、複数の基板を一体化することにより製作する光学特性可変光学素子の製法及びそれによって作られた光学特性可変光学素子。
【０１２４】
（７）可変ミラーまたは可変焦点レンズとして構成されている、上記（１）乃至（６）の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】形状可変ミラーを用いる屈曲光学系の光学特性を説明するための図である。
【図２】本発明にかかるレンズ筐体の一実施例の平面図である。
【図３】ズームレンズ保持枠機構を拡大して示す図２の底面図である。
【図４】シャッタ・絞り基板部分を拡大して示す図２の部分底面図である。
【図５】シャッタ・絞り基板上のシャッター機構部分を示す図４の右側面図である。
【図６】シャッタ・絞り基板上の絞り機構部分を示す図４の右側面図
【図７】ズーム機構部分を拡大して示す図２の部分底面図である。
【図８】図７のVIII-VIII線断面図である。
【図９】本発明にかかるレンズ筐体に組み込まれ得る形状可変ミラーの一例の側面図である。
【図１０】図９に示す形状可変ミラーの上側基板の形を示していて、（a）は側面図、（b）は平面図である。
【図１１】図１０に示す上側基板の成形状態を示す説明図である。
【図１２】本発明にかかる光学系に適用可能な形状可変ミラーの一構成例を示す概略図である。
【図１３】形状可変ミラーの他の構成例を示す概略図である。
【図１４】図１２及び図１３に示した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１５】図１２及び図１３に示した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１６】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１７】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１８】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１９】図１８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２０】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２１】図２０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２２】図２０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２３】図１８に示した構成例において、コイルの配置を図２２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２４】本発明にかかる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２５】形状可変ミラー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】マイクロポンプの一構成例を示す概略構成図である。
【図２７】本発明にかか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２８】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２９】図２７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３０】図２７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３１】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】本発明にかか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】本発明にかか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】本発明にかか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３８】本発明にかか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】本発明にかか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４２】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枚の薄板を用いた可変焦点レンズの概略図である。
【図４５】本発明にかか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】本発明にかか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図である。
【図５０】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り、(a)は側面図、(b)は反射膜の反対側から見た図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１A               屈曲部
１B               直胴部
１B-1             筐体枠部分
２                ガイドロッド
３                第２レンズ群保持枠
３a               連結竿
４，８            スリーブ
５                支持筒
５a               環状溝
５a',１２b        切欠部
６                カム環
６a               鍔部
６b               ギア部
６c,６d            カム溝
７                第４レンズ群保持枠
９，１０          カムフォロア
１１              カバー板
１２              シャッタ及び絞り機構アッセンブリ基板
１２a,３０a       コーナー部
１２c             露出開口
１３              シャッタ駆動モータ
１４，２３，３２  駆動ギア
１５，１６        中間ギア
１７              シャッタレバー駆動ギア
１８              シャッタレバー
１８a             ピン
１９，２９        バネ
２０，２１        シャッタ羽根
２０a,２１a       枢軸ピン
２２              絞り駆動モータ
２４，２５        中間ギア
２６              絞り駆動ギア
２７              絞りレバー
２８              ＮＤフィルタ
３０              基板
３１              ズームモータ
３３，３４        中間ギア
３５，３６        ギア
３７              回転検出ギア
３８              羽根輪
３９              回転検出センサ
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
３０１            撮像光学系
３０１ａ          フィルター
３０２            光学装置
３０３            画像処理装置
３０４，３０４ｂ  駆動回路
３０５            記憶装置
３０６            表示装置
３０７            プリンター
３０８            情報処理回路
３０９            凹レンズ
３１０            凸レンズ
３１１            撮像素子の撮像面
３１２            撮像面の中心部分
３１３            ＬＵＴ（ルックアップテーブル）格納部
３１４            物体（被写体，テストチャート）
３１５            撮像面を４分割した一部分
３１６            電話機能
３１７            斜鏡
３１８            低倍接眼レンズ
３１９            低倍接眼レンズの視野絞り
３２０            利用者の眼
３２１            高倍接眼レンズ
３２２            高倍接眼レンズの視野絞り
３２３，３２４，３２５，３２６    レンズ群
３２７            駆動装置
３２８            反射望遠鏡
３２９            顕微鏡
３３０            形状の変らないミラー
３３１            光学装置
３３２            レンズ群（又は高倍対物レンズ）
３３４            鏡筒レンズ
３３５            視野絞り
３３６            レンズ群（又は接眼レンズ）
３３７            レボルバー
３３８            低倍対物レンズ
３３９            光路切換ミラー
３４１            駆動回路
３４２            ＴＶカメラ
３４３            ＴＶカメラのレンズ
３４４            対物面鏡
３４５            望遠鏡
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，ＤＭ      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，ＩＤ      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
Ｇ１〜Ｇ５        レンズ群
【図１】
2005084654.tif 000003
【図２】
2005084654.tif 000004
【図３】
2005084654.tif 000005
【図４】
2005084654.tif 000006
【図５】
2005084654.tif 000007
【図６】
2005084654.tif 000008
【図７】
2005084654.tif 000009
【図８】
2005084654.tif 000010
【図９】
2005084654.tif 000011
【図１０】
2005084654.tif 000012
【図１１】
2005084654.tif 000013
【図１２】
2005084654.tif 000014
【図１３】
2005084654.tif 000015
【図１４】
2005084654.tif 000016
【図１５】
2005084654.tif 000017
【図１６】
2005084654.tif 000018
【図１７】
2005084654.tif 000019
【図１８】
2005084654.tif 000020
【図１９】
2005084654.tif 000021
【図２０】
2005084654.tif 000022
【図２１】
2005084654.tif 000023
【図２２】
2005084654.tif 000024
【図２３】
2005084654.tif 000025
【図２４】
2005084654.tif 000026
【図２５】
2005084654.tif 000027
【図２６】
2005084654.tif 000028
【図２７】
2005084654.tif 000029
【図２８】
2005084654.tif 000030
【図２９】
2005084654.tif 000031
【図３０】
2005084654.tif 000032
【図３１】
2005084654.tif 000033
【図３２】
2005084654.tif 000034
【図３３】
2005084654.tif 000035
【図３４】
2005084654.tif 000036
【図３５】
2005084654.tif 000037
【図３６】
2005084654.tif 000038
【図３７】
2005084654.tif 000039
【図３８】
2005084654.tif 000040
【図３９】
2005084654.tif 000041
【図４０】
2005084654.tif 000042
【図４１】
2005084654.tif 000043
【図４２】
2005084654.tif 000044
【図４３】
2005084654.tif 000045
【図４４】
2005084654.tif 000046
【図４５】
2005084654.tif 000047
【図４６】
2005084654.tif 000048
【図４７】
2005084654.tif 000049
【図４８】
2005084654.tif 000050
【図４９】
2005084654.tif 000051
【図５０】
2005084654.tif 000052