(57)【要約】  【課題】  消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与する光学装置を提供すること。  【解決手段】  光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、光学系のＦナンバーの増加と共に、より強いエンハンスを掛ける。【選択図】  図６
2007108791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、
光学系のＦナンバーの増加と共に、より強いエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、
光学系のズーム状態が広角から望遠になるにつれて、より強いエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【請求項３】
光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、
物体距離が近距離の場合に、より強いエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【請求項４】
光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、
光学特性可変素子の形状に対応したエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【請求項５】
光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、
光学特性可変素子の駆動情報から該光学特性可変素子の形状を推定して、該光学特性可変素子の形状に対応したエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【請求項６】
光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、
光学系の対称性にあわせて、画像の部分毎に異なるエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【請求項７】
光学特性可変素子と、撮像素子を備えた撮像装置において、
シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
光学特性可変素子と、撮像素子と、偏心光学系を備えた撮像装置において、
シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
光学特性可変素子と、偏心した撮像素子または撮像系が偏心した光学素子を備えた撮像装置において、
シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
光学特性可変素子と、撮像素子と、ズーム光学系を備えた撮像装置において、
シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
光学特性可変素子と、撮像素子を備えた撮像装置において、
像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
複数の光学特性可変素子と、撮像素子を備えた撮像装置において、
像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
複数の光学特性可変素子と、撮像素子を備えたズーム光学系を有する撮像装置において、
像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
複数の光学特性可変素子と、撮像素子と、自由曲面プリズムを備えたズーム光学系を有する撮像装置において、
像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点レンズ，可変焦点回折光学素子，可変偏角プリズム，可変焦点ミラー等の光学特性可変光学素子及びこれらの光学特性可変光学素子を含む光学系を備えた、例えば、眼鏡，ビデオプロジェクター，デジタルカメラ，テレビカメラ，内視鏡，望遠鏡，カメラのファインダー，光学情報処理装置等の光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レンズはガラスを研磨して製造され、レンズ自体では焦点距離を変化させることが出来ないため、例えば、カメラのピント合わせやズーミングや変倍は、複雑な機械的機構を介してレンズ群を光軸方向に移動させることにより行われている。このような光学装置に用いられる光学特性可変光学素子としては、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されているようなものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２６７０１０号公報
【特許文献２】特開２０００−２９８２３７号公報
【特許文献３】特開２００１−２０１６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そして、レンズ群の一部を移動させるのにモーター等を用いる場合は、消費電力が大きく、音がうるさく、応答時間が長く、レンズの移動に時間がかかる等の欠点があった。
また、ブレ防止を行う場合でも、レンズをモーターやソレノイド等で機械的に移動させるため、消費電力が大きく、機械的構造が複雑で製作コストが高くつく等の欠点があった。
【０００５】
本発明は、従来技術の有するこれらの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、消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与する、可変焦点レンズ，可変形状ミラー，可変プリズム等の光学特性可変光学素子及びこれらの光学素子を含む光学系を備えた光学装置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、本発明による光学装置は、光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、光学系のＦナンバーの増加と共に、より強いエンハンスを掛けたことを特徴としている。
【０００７】
また、本発明による光学装置は、光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、光学系のズーム状態が広角から望遠になるにつれて、より強いエンハンスを掛けたことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明による光学装置は、光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、物体距離が近距離の場合に、より強いエンハンスを掛けたことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明による光学装置は、光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、光学特性可変素子の形状に対応したエンハンスを掛けたことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明による光学装置は、光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、光学特性可変素子の駆動情報から該光学特性可変素子の形状を推定して、該光学特性可変素子の形状に対応したエンハンスを掛けたことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明による光学装置は、光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、光学系の対称性にあわせて、画像の部分毎に異なるエンハンスを掛けたことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明による撮像装置は、光学特性可変素子と、撮像素子を備えた撮像装置において、シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明による撮像装置は、光学特性可変素子と、撮像素子と、偏心光学系を備えた撮像装置において、シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
また、本発明による撮像装置は、光学特性可変素子と、偏心した撮像素子または撮像系が偏心した光学素子を備えた撮像装置において、シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴としている。
【００１５】
また、本発明による撮像装置は、光学特性可変素子と、撮像素子と、ズーム光学系を備えた撮像装置において、シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明による撮像装置は、光学特性可変素子と、撮像素子を備えた撮像装置において、像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴としている。
【００１７】
また、本発明による撮像装置は、複数の光学特性可変素子と、撮像素子を備えた撮像装置において、像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明による撮像装置は、複数の光学特性可変素子と、撮像素子を備えたズーム光学系を有する撮像装置において、像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴としている。
【００１９】
また、本発明による撮像装置は、複数の光学特性可変素子と、撮像素子と、自由曲面プリズムを備えたズーム光学系を有する撮像装置において、像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
上述の如く本発明によれば、消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与し得る、各種光学装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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は電子撮像装置として構成された本発明による光学装置の一実施例の概略構成図である。図中、１はレンズ枠、２はレンズ枠１に結合された保持枠、３は保持枠２に取付けられた凹レンズ、４は保持枠２に反射面が凹レンズ３の光軸に対して実質上４５度の角度をなすように取付けられた後述する形状可変ミラー、５は絞り、６は保持枠２に形状可変ミラー４で反射された光束の光軸上に取付けられた凸レンズ、７はレンズ枠１に凸レンズ６の光軸上を移動可能に取付けられた変倍レンズ、８はレンズ枠１に取付けられた非球面の結像レンズ、９は撮像面９ａが結像レンズ８の焦点位置に来るようにレンズ枠１に取付けられた撮像素子、１０は変培レンズ７の移動量を検出するエンコーダーである。
【００２２】
形状可変ミラー４は、例えば、図示の如く、アルミコーティング等で作られた薄膜状の反射面４ａと、これを一体に支持する変形可能な基板４ｂと、基板４ｂと一体の変形可能な電極４ｃと、電極４ｃの背面側に間隔を置いて配置された複数の電極４ｄからなっている。
反射面４ａを構成する薄膜は、例えば、P.Rai-choudhury編のhandbook of Michrolithography,Michromachining and Michrofabrication,Volume 2:Michro-machining 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ンミラーのように、複数の電極４ｄと電極４ｃとの間に電圧が印加されると、静電気力により薄膜が変形してその面形状が変化するようになっており、これにより、観察者の視度に合わせたピント調整が出来るだけでなく、更に、レンズ３，６〜８の温度や温度変化による変形や屈折率の変化、或いは、レンズ枠の伸縮や変形及び光学素子や枠等の部品の組立誤差による結像性能の低下が抑制され、常に適性にピント調整並びにピント調整で生じた収差の補正が行われ得る。
なお、電極４ｄの形は、例えば図２，３に示すように、反射面４ａの変形のさせ方に応じて選べば良い。
この形状可変ミラー４は、リソグラフィーを用いて作ると加工精度が良く、良品質のものが得られ易い。また、基板４ｂは、ポリイミド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。
【００２３】
再び図１において、１１は形状可変ミラー４の変形を制御するための駆動回路、１２は演算装置、１３はＬＵＴ、１４は撮像素子９からの画像信号を処理するための電子回路、１５は記憶装置、１６はＴＶモニター、１７は温度センサー、１８は湿度センサー、１９はカバーレンズ３の前方の所定位置に置かれたテスト用物体としての解像力チャートである。
【００２４】
本実施例によれば、物体からの光は、レンズ３より入射し、形状可変ミラー４で反射され、レンズ６，変倍レンズ７及び結像レンズ８を通過して、撮像素子９の撮像面９ａ上に結像し、電子回路１４を介してＴＶモニター１６により物体像が観察される。そして、モーター又は手動で変倍レンズ７を動かすことにより変倍が行われる。この場合、形状可変ミラー４により、物体距離の変動に伴うピント合わせと、変倍時のピント移動が補償され、モニター画面上では常に鮮明な物体像を見ることが出来る。
【００２５】
即ち、反射面４ａの形状は、レンズ３，６，７及び８から成るレンズ系の結像性能が最適になるように、演算装置１２からの信号に基づき、駆動回路１１により制御される。即ち、演算装置１２へは、温度センサー１７及び湿度センサー１８から周囲温度及び湿度に応じた大きさの信号が入力され、演算装置１２は、これらの入力信号に基づき周囲の温度及び湿度条件による結像性能の低下を補償すべく、反射面４ａの形状が決定されるような電圧を駆動回路１１を介して電極４ｄに印加する。このように、反射面４ａは電極４ｄに印加される電圧即ち静電気力で変形させられるため、その形状は状況により非球面を含む様々な形状をとる。
【００２６】
上記説明では、形状可変ミラー４を駆動するのに電圧を用いたが、駆動方式によっては、電圧の代わりに電流や流体等を用いても良く、本願では、これらを駆動源と呼び、その値を駆動情報と呼ぶことにする。また、結像レンズ８は、ガラス，プラスチック，ゴム，合成樹脂または有機無機のハイブリッド材料等の何れで作られても良い。また、レンズ枠１は合成樹脂で作られても良いし、金属で出来ていても良い。
【００２７】
上記実施例による光学装置は、例えば、ＴＶカメラ，デジタルカメラ，カムコーダ，監視用カメラ，ロボットの眼等に用いられるが、以下、装置組立後の調整方法について説明する。
装置組立後、先ず、変倍レンズ７を予め定めた基準位置に持って行く。この位置は、精度の良い調整が出来ることから、変倍レンズ７の倍率の絶対値が「１」になるように選ぶと良い。また、撮像素子９は、形状可変ミラー４に解像力チャート１９までの距離（物体距離）に応じた電圧を与えた上で、解像力チャート１９を撮影しながら、撮像素子９を光軸（Ｚ軸）方向に前後させ、チャート像のピント或いはコントラストが最も良くなる位置を見出して、その位置に固定する。
【００２８】
次に、再度解像力チャート１９を撮影して、そのチャート像のピントまたはコントラストが最大になるように、形状可変ミラー４に印加する電圧を微調整し、その値をＥ2−ＰＲＯＭ等の記憶装置に書き込み、ＬＵＴ１３として用いても良い。このようにすれば、更に精度の良いピント調整を行うことができ、そして、このＬＵＴ１３の値を参照しつつ撮影を行えば、常に鮮明な物体像を観察することが出来る。この調整作業を、解像力チャート１９までの距離を何種類か変えて行えば、更に良いピント調整を行うことが出来る。また、解像力チャート１９を何種類か用意して、同様なピント調整を行うようにしても良い。
【００２９】
また、形状可変ミラー４に印加する電圧を微調整するのに、予め定めたＬＵＴ１３の中から最もピントが良くなる値を選択するようにして、そのＬＵＴ１３の番地を記憶させて置き、その番地を参照しつつ撮影を行うようにしても良い。
図４及び５は、そのＬＵＴ１３の例を示している。図４はズーム状態と物体距離を二つに軸にもつＬＵＴの例であり、図５は物体距離だけを軸にもつＬＵＴの例である。
以上述べた調整方法は、単焦点レンズのピント調整にも用いることが出来る。
【００３０】
次に、上記とは異なる別の調整方法について説明する。この方法では、解像力チャート１９を基準の距離に固定して置き、変倍レンズ７をＺ方向へ動かして変倍を行い、形状可変ミラー４で物体距離が変化した時のフォーカス，ズーミングに伴うピント移動を補正する場合を考える。
先ず、設計上変倍レンズ７の倍率の絶対値が１になる状態へ変倍レンズ７を移動させる。形状可変ミラー４は、その状態での駆動情報で駆動させる。次に、撮像素子９をＺ方向へ動かして、解像力チャート１９のピントが最良になるように或いはコントラストが略最大になるように、撮像素子９を位置決めする。
【００３１】
次に、変倍レンズ７を広角端，望遠端へ動かし、形状可変ミラー４は夫々の状態に対応する駆動情報で駆動し、その時のピント移動量を調べる。ピント移動量を調べるのには、撮像素子９を前後させて夫々の状態での最良のピントになる撮像素子の位置を調べれば良い。
そして、広角端，望遠端でのピント移動量が、設計上想定される移動量に近づくように、変倍レンズ７を駆動するときの原点をＺ方向へ僅かに動かす。この動き量をΔＺとすると、ΔＺはあらゆるズーム状態に対する変倍レンズ７の位置の補正量となる。
【００３２】
このように変倍レンズ７の位置を調整した後で、ズーム状態と物体距離の組合せ毎に解像力チャート１９のピント或いはコントラストが略最良になるように、形状可変ミラー４の駆動情報を最適化し、それらをＬＵＴ１３に書き込んで置く。そして、実際の撮像をＬＵＴ１３に従って行えば良い。或いは、最適な駆動情報をＬＵＴ１３に書き込む代わりに、予め算出してあるＬＵＴ１３の中から夫々の状態に対応した最適なＬＵＴの値を選び出し、その番地をＲＯＭ等に記憶させておいても良い。
【００３３】
ズーム状態及び物体距離が分かっている時の撮影にはＲＯＭを経由してＬＵＴを参照することになる。マニュアルフォーカスによる撮影が、そのような場合の例である。
そして撮影が行われる際のズーム状態が既知であっても、物体距離が未知である場合には、ＬＵＴ１３を参照しつつ形状可変ミラー４を駆動させて撮影し、その中から物体像のコントラストが最良になるＬＵＴの値を選んで撮影を行えば良い。オートフォーカスの撮影時がこれに対応する。
【００３４】
以上述べた一群ズームに対する調整方法は、以下に述べる光学補正型ズーム光学系にも適用することが出来る。
図６はこの型のズーム光学系の一例を示している。この例では、絞り５と固定レンズ２０を挟んで、レンズ６と変倍レンズ７とが一体的に動かされるように構成されている。即ち、レンズ６と変倍レンズ７とは同一のレンズ枠に保持されていて、このレンズ枠が、演算装置１２で制御される駆動回路２１により駆動されるステッピングモーター２２により、移動せしめられるようになっている。
【００３５】
以上は、本発明を撮像装置としての光学装置に適用した場合について記述したが、これに限らず、形状可変ミラーを用いた観察装置，表示装置，光通信装置及び光情報処理装置等の各種光学装置にも、本発明は適用できる。
例えば、図７に示すファインダーの場合、温湿度の変化或いは製作誤差に伴う視度のズレは、可変形状ミラー駆動用のＬＵＴ１３を物体距離方向にずらして読み出すことにより、補正可能である。図５は、ＬＵＴのこの例を示している。なお、図７において、物体からの光は、対物レンズ２３及びプリズム２４の各入射面と射出面で屈折され、形状可変ミラー４で反射され、プリズム２４を透過して二等辺直角プリズム２５で更に反射され（図示された光路中、＋印は紙面の裏側へ向かって光が進むことを示している）、ミラー２６で反射され、接眼レンズ２７を介して眼に入射するようになっている。
【００３６】
以上の説明では、総て可変形状ミラー４を用いた例について述べてきたが、これらの補正方法，調整方法及び制御方法は、後述する可変焦点レンズ等の光学特性可変光学素子にも全く同様に適用できる。
なお、ここで用いるＬＵＴとしては、記憶装置内の数表でも良いし、幾つかの引数を持った関数でも良く、引数に対して値が読めれば良い。
【００３７】
次に、再び図６を参照して電子撮像系のＭＴＦについて説明する。ズーミングと共に、変倍レンズ７のためのＦナンバーは変化する。殆どの場合、広角端よりも望遠端のＦナンバーの方が暗くなる。ところが、Ｆナンバーが暗くなると、光の回折現象によりＭＴＦが低下してしまう。この影響は、撮像素子９の１画素の寸法が４μｍ以下の場合に、特に目立ってくる。そこで、本発明では、Ｆナンバーの低下と共に画像に掛けるエンハンス量を強くすることで、ＭＴＦの低下を補正するようにしている。この実施例の場合には、撮装素子９で得た画像情報は、電子回路１４でデジタル化され、画像処理機能を有する演算装置１２でエンハンス処理される。
【００３８】
この時駆動回路２１から得たズームレンズの状態の情報から、演算装置１２でＦナンバーが計算され、Ｆナンバーに応じた最適なエンハンスが掛けられる。エンハンスを掛けるには、例えば、図８に示すようなフィルターと画像のコンボリューションを取れば良い。図中、Ｐx，Ｐyは撮像素子９の１ピクセルの寸法である。
より強いエンハンスを掛けるのであれば、例えば、図９に示すようなフィルターとのコンボリューションを取れば良い。
【００３９】
光学系のＭＴＦはＦナンバーによっても変化するが、可変形状ミラー４を含めた光学系の収差によっても変化する。特に、反射面４ａの平面からの変形量が大きい場合、一般にＭＴＦは低下し易い。そこで、反射面４ａの形状に応じてエンハンスの掛け方を加減すれば、良い画像が得られる。可変形状ミラー４の変形量は、駆動情報から知ることが出来るので、例えば、参照しているＬＵＴを調べれば良い。静電式の可変形状ミラーの場合、変形量は近距離で大きくなる場合が多い。従って、物体が近距離の場合には、エンハンスを強く掛けると良い。また、反射面４ａの形状によっては、画像の中心部でＭＴＦの値が大きく異なる場合もある。その場合は、画像の場所毎に異なるエンハンスを掛けると良い。
【００４０】
図１０は、撮像素子９をＺ軸方向から見た場合の形状を示しているが、この場合、光学系はＹ−Ｚ平面について対称であるから、エンハンスもＹ軸について対称に掛ければ良い。即ち、エンハンスは光学系の対称性に合わせて掛ければ良いのである。
【００４１】
次に、図１または６に示すような、動くレンズ群或いは光学素子群を有する光学系における光学素子群の駆動方法の一例について説明する。図１１は、静電気力で動くモーター２８を用いた例で、固定された枠２９の内面には複数の電極２９ａが、可動のレンズ枠３０の外面には複数の電極３０ａが夫々列設されている。電極２９ａと３０ａは、図示のように常態では位相がずれるように配置されていて、これらに異符号の電圧が印加された時、静電引力でレンズ枠３０は矢印方向（左方）へ引っ張られるようになっている。そして、電極２９ａと３０ａに印加される電圧の符号を、レンズ枠３０の移動と共に変えていくことにより、レンズ枠３０を駆動することが出来る。
【００４２】
モーター２８の駆動には高電圧のＤＣ電源３１が必要であるが、これは形状可変ミラー４の駆動電源及びストロボ３２の駆動電源と兼用することが出来る。３３はモーター２８の駆動用制御回路、３４は可変形状ミラー４の駆動用制御回路、３５はストロボ３２の駆動用制御回路である。実際上、可変形状ミラー４，モーター２８及びストロボ３２の駆動には、数十〜数百ボルトのＤＣ電源を必要とするので、兼用できればコスト，寸法及び重量の点で有利である。
モーター２８を用いない場合でも、可変形状ミラー４とストロボ３２用の駆動電源を共通にすれば、上記と同様の利点が得られる。
【００４３】
図１２は、静電気力で駆動されるモーターの別の例を示している。図中、３６は部分スリット３６ａを穿設し中央部にレンズ３７を固定した電極を兼ねる板ばね、３８は板ばね３６と平行に近接配置されていてレンズ３７と整合した開口の周りに区分された電極３８ａ，３８ｂ，３８ｃを配置してなる絶縁板であって、板ばね３６と電極３８ａ，３８ｂ，３８ｃとの間には、互いに異なる直流電圧が印加されている。従って、静電気力により両電極は引き合い、レンズ３７を動かすことが出来る。効果は、図１１に示した例と同様である。
【００４４】
次に、図６に示した光学装置を例にとって、シェーディングの電気的補正について説明する。図６に示した如きズーム光学系では、撮像素子９に入射する光線の角度θ（図１３参照）がズーム状態によって変化する。この角度θは、物体距離によっても変化する場合があるし、可変形状ミラー４の変形量が大きい（５μｍ以上）場合にも変化する。このため、撮像素子９の受像面９ａのうち特に周辺部での感度が低下する、即ち、シェーディングがズーム状態によって変化するという不都合を生ずる。
【００４５】
そこで、シェーディングの変化の対策としては、撮像素子９で撮影した画像に演算装置１２で明るさの補正処理を行えば良い。殆どの場合、撮像素子９による画像の周辺部は暗くなることが多いので、周辺部ほどゲインを上げれば良い。このようなシェーディングは、ズーム光学系に限らず単焦点光学系で行っても良いことはいうまでもない。
【００４６】
また、図６に示した光学装置は、形状可変ミラー４がへこむと軸対称光学系ではなくなり、偏心収差が発生する。この偏心収差を補正するためは、例えば、レンズ３をＺ方向に多少（０．０２〜１ｍｍ）移動させるか、或いは、レンズ３をＸ軸回りに多少（３分〜５度）回転させるか、或いは、撮像素子９をＸ軸回りに多少（０．５〜８°）回転させる等の調整を行えば良いが、何れにせよ光軸に対して非対称なシェーディングが発生する。この場合にも、演算装置１２により、撮像素子９で撮影した画像に対してシェーディングの補正を行えば良い。この場合、シェーディングはＹ軸について対称になるので、Ｙ軸について対称，Ｘ軸については非対称な補正を行えば良い。
【００４７】
以上、シェーディングを画像処理で行う例について説明したが、電子回路等でアナログ的に補正を行っても良い。この方法は、補正に要する時間が短いので、動画にも用いられ得る。
図１４は、二つの可変形状ミラー４Ａ，４Ｂを用いたズーム撮像装置の例である。図中、３９は撮像装置の外装壁４０の内側に摺動可能に取付けられていて平板部分３９ａを有する接写用補助レンズ、４１は自由曲面プリズム、４２は液晶表示素子である。
【００４８】
この例では、望遠状態の時は、撮像素子４Ａのパワーが強くて撮像素子４Ｂのパワーが弱く、広角状態の時は、撮像素子４Ａのパワーが弱くて撮像素子４Ｂのパワーが強くなる。ここでは、パワーは正負の符号も考慮するものとする。
このために、ズーム状態が変化すると、歪曲収差が変化してしまう欠点がある。そこで、この例では、演算装置１２による画像処理で歪曲収差を補正している。
図１５は、方眼のチャートを図１４に示した撮像装置で撮影した場合の像を示したもので、その形状は破線で示されている。ここでは、樽型と台形の歪曲収差が発生している。これを、演算装置１２で画像処理することにより、図１５に実線で示すような形に直せば良いわけである。このような画像処理による歪曲の補正は、本願の他の実施例にも適用することが出来る。
【００４９】
なお、接写用補助レンズ３９は、可変形状ミラー４Ａ，４Ｂの変形量が小さい場合に、近点にピントを合わせるのに用いると良い。即ち、通常の撮影時には、これを摺動させて光路外に移動させ、接写時には、図示のように光路内に戻して撮影すれば良い。また、通常撮影時にレンズ３を保護する目的で、平板部分３９ａを光路内にもって来るようにすれば、なお良い。この例は、本願の他の実施例にも適用できることは云うまでもない。
【００５０】
図１６は、本願実施例に用いられる形状可変ミラー４の他の例を示している。この種の形状可変ミラーにおいては、駆動電圧は低い方が駆動回路の設計が楽でコストも下がるので良い。そのために、この例では、電極４ｃを多数の穴４ｃ’のあいたメッシュ状にして、反射面４ａ及び基板４ｂを含めた変形する膜の剛性を低くしてある。図１７は、電極４ｃを電極４ｄ側から見た場合の形状である。
【００５１】
このように、膜の剛性を低くするためには、光の反射に使わない膜の構成要素をメッシュ状にしておけば良い。従って、基板４ｂをメッシュ状にしても良い。なお、電極４ｃには貫通した穴でなくて窪みを設けるようにしても良い。要するに、厚さの薄い部分を作っておけば、剛性を下げることは出来る。また、電極４ｃは、例えば、チタン等の金属で作ると、リソグラフィーで加工でき便利である。また、電極４ｃを有機導電体や有機半導体で作れば、更に剛性が下げられるので良い。その場合、基板４ｂと電極４ｃを一つの部材で兼用しても良く、加工が簡略化できるので好都合である。また、基板４ｂはポリイミド等の合成樹脂で作ると、剛性が低くて良い。
【００５２】
上記の各実施例において、レンズ３，６，７，８，２０，２３，２７，３７及び３９、プリズム２４，２５及び４１、ミラー２６は、プラスチックモールド等で形成することにより、任意の所望形状の曲面を容易に形成することができ、製作も簡単である。また、これらの一部或いは全部をガラスで製作しても良く、これにより更に精度の良い撮像装置が得られる。また、形状可変ミラー４の反射面４ａの形状は、収差補正が容易であることから、自由曲面にするのが良い。
【００５３】
本発明で使用する自由曲面とは以下の式で定義されるものである。この定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
M
Ｚ＝ｃｒ2／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ2ｒ2｝］＋Σ  ＣjＸmＹn
j=2
ここで、上記式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2＋Ｙ2）
である。
【００５４】
自由曲面項は
M
Σ  ＣjＸmＹn
j=2
＝Ｃ2Ｘ＋Ｃ3Ｙ＋Ｃ4Ｘ2＋Ｃ5ＸＹ＋Ｃ6Ｙ2＋Ｃ7Ｘ3＋Ｃ8Ｘ2Ｙ
＋Ｃ9ＸＹ2＋Ｃ10Ｙ3＋Ｃ11Ｘ4＋Ｃ12Ｘ3Ｙ＋Ｃ13Ｘ2Ｙ2
＋Ｃ14ＸＹ3＋Ｃ15Ｙ4＋Ｃ16Ｘ5＋Ｃ17Ｘ4Ｙ＋Ｃ18Ｘ3Ｙ2
＋Ｃ19Ｘ2Ｙ3＋Ｃ20ＸＹ4＋Ｃ21Ｙ5＋Ｃ22Ｘ6＋Ｃ23Ｘ5Ｙ
＋Ｃ24Ｘ4Ｙ2＋Ｃ25Ｘ3Ｙ3＋Ｃ26Ｘ2Ｙ4＋Ｃ27ＸＹ5＋Ｃ28Ｙ6
＋Ｃ29Ｘ7＋Ｃ30Ｘ6Ｙ＋Ｃ31Ｘ5Ｙ2＋Ｃ32Ｘ4Ｙ3＋Ｃ33Ｘ3Ｙ4
＋Ｃ34Ｘ2Ｙ5＋Ｃ35ＸＹ6＋Ｃ36Ｙ7……
ただし、Ｃj（ｊは２以上の整数）は係数である。
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。
【００５５】
図１８は、形状可変ミラー４の他の実施例を示す概略構成図である。本実施例の形状可変ミラー４は、反射面４ａと電極４ｄとの間に圧電素子４ｅが介装されていて、これらが支持台上に設けられている。そして、圧電素子４ｅに加わる電圧を各電極４ｄ毎に変えることにより、圧電素子４ｅに部分的に異なる伸縮を生じさせて、反射面４ａの形状を変えることができるようになっている。電極４ｄの形状は反射面４ａの変形のさせ方に応じて選べばよい。これは、例えば、図２に示したように、同心分割であってもよいし、図３に示すように、矩形分割であってもよく、その他、適宜の形状を選択することができる。
【００５６】
図１８中、４３は演算装置１２に接続された振れセンサーであって、例えば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反射面４ａを変形させるべく、演算装置１２及び可変抵抗器４４を介して電極４ｄに印加される電圧を変化させる。このとき、温度センサー１７、湿度センサー１８及び距離センサー４５からの信号も同時に考慮され、ピント（焦点）合わせ、温湿度補償等が行われる。この場合、反射面４ａには圧電素子４ｅの変形に伴う応力が加わるので、反射面４ａ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。
【００５７】
図１９は形状可変ミラー４の更に他の実施例を示す概略構成図である。本実施例の形状可変ミラー４は、反射面４ａと電極４ｄ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４ｅ及び４ｅ’で構成されている点で、図１８に示された形状可変ミラーとは異なる。即ち、圧電素子４ｅと４ｅ’が強誘電性結晶で作られているとすれば、結晶軸の向きが互いに逆になるように配置されている。この場合、圧電素子４ｅと４ｅ’は電圧が印加されると逆方向に伸縮するので、反射面４ｅを変形させる力が図１８に示した実施例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。
【００５８】
圧電素子４ｅ，４ｅ’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４ｅ，４ｅ’を利用する場合、厚さを不均一にすれば、上記実施例において反射面４ａの形状を適切に変形させることも可能である。
【００５９】
また、圧電素子４ｅ，４ｅ’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ミラー面の大きな変形が実現できてよい。
【００６０】
図２０は形状可変ミラーの更に他の実施例を示す概略構成図である。本実施例の形状可変ミラー４は、圧電素子４ｅが反射面４ａと電極４ｆとにより挟持され、反射面４ａと電極４ｆ間に演算装置１２により制御される駆動回路１１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、支持台上に設けられた電極４ｄにも演算装置１２により制御される駆動回路１１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、本実施例では、反射面４ａは電極４ｆとの間に印加される電圧と電極４ｄ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。
【００６１】
そして、反射面４ａ、電極４ｆ間の電圧の符号を変えれば、形状可変ミラー４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い、微細な形状変化を静電気力で行うようにしても良い。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るようにしても良い。なお、電極４ｆは電極４ｄのように複数の電極から構成されても良い。この様子を図１９に示した。
【００６２】
図１８、図２０の圧電素子４ｅ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には、圧電素子４ｅを図１８に示すように別の基板４ｅ−１と電歪材料４ｅ−２を貼り合わせた構造にしてもよい。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まれるものとする。
【００６３】
図２１は、形状可変ミラーの更に他の実施例を示す概略構成図である。本実施例の形状可変ミラー４は、電磁気力を利用して反射面４ａの形状を変化させ得るようにしたもので、支持台の内部底面上には永久磁石４６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４ｂの周縁部４ｂ’が載置固定されており、基板４ｂの表面にはアルミニウム等の金属コートで作られた反射面４ａが付設されていている。基板４ｇの下面には薄膜状の複数のコイル４７が配設されており、これらのコイル４７はそれぞれ駆動回路１１を介して演算装置１２に接続されている。従って、各センサー１７，１８，４３，４５からの信号によって演算装置１２において求められる光学系の変化に対応した演算装置１２からの出力信号により、各駆動回路１１から各コイル４７にそれぞれ適当な電流が供給されると、永久磁石４６との間に働く電磁気力で各コイル４７は反発又は吸着され、基板４ｂ及び反射面４ａを変形させる。
【００６４】
この場合、各コイル４７はそれぞれ異なる量の電流を流すようにすることも出来る。また、コイル４７は１個でもよいし、永久磁石４６を基板４ｂに付設しコイル４７を支持台の内部底面側に設けるようにしても良い。また、コイル４７はリソグラフィー等の手法で作ると良く、更に、コイル４７には強磁性体よりなる鉄心を入れるようにしても良い。
【００６５】
この場合、コイル４７の巻密度を、図２２に示すように、場所によって変化させることにより、基板４ｂ及び反射面４ａに所望の変形を与えるようにすることも出来る。また、コイル４７は１個でもよいし、また、これらのコイル４７には強磁性体よりなる鉄心を挿入しても良い。
【００６６】
図２３は形状可変ミラー４の更に他の実施例を示す概略構成図である。本実施例の形状可変ミラー４では、基板４ｂは鉄等の強磁性体で作られており、膜状の反射面４ａはアルミニウム等からなっている。この場合、薄膜状のコイル４７を設けなくても済むから、構造が簡単で、製造コストを低減することが出来る。また、電源スイッチ４８を切換え兼電源開閉用スイッチに置換すれば、コイル４７に流れる電流の方向を変えることができ、基板４ｂ及び反射面４ａの形状を自由に変えることができる。
【００６７】
図２４は本実施例におけるコイル４７の配置を示し、図２５はコイル４７の他の配置例を示しているが、これらの配置は、図２１に示した実施例にも適用することが出来る。なお、図２５は、図２１に示した実施例において、コイル４７の配置を図２６に示したようにした場合に適する永久磁石４６の配置を示している。即ち、図２５に示すように、永久磁石４６を放射状に配置すれば、図２１に示した実施例に比べて、微妙な変形を基板４ｂ及び反射面４ａに与えることが出来る。また、このように電磁気力を用いて基板４ｂ及び反射面４ａを変形させる場合（図２１及び図２３の実施例）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。
【００６８】
以上いくつかの形状可変ミラー４の実施例を述べたが、形状可変ミラー４の形を変形させるために、図２０の実施例に示すように、２種類以上の力を用いても良い。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、電磁波等の内から２つ以上を同時に用いて形状可変ミラー４を変形させてもよい。このように、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、精度の良い反射面が実現できる。
【００６９】
図２７は、本発明の更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（携帯情報端末）用デジタルカメラ等に用いられ得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４と、レンズ４８と、固体撮像素子９と、制御系４９とで一つの撮像ユニット５０を構成している。本実施例の撮像ユニット５０では、レンズ４８を通った物体からの光は形状可変ミラー４で集光され、固体撮像素子９の上に結像する。この場合、形状可変ミラー４は、光学特性可変光学素子として機能し、可変焦点ミラーとも呼ばれる。
【００７０】
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４を変形させることでピント合わせをすることができ、レンズをモーター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５０は本発明の撮像系として全ての実施例で用いることができる。さらに、形状可変ミラー４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。
【００７１】
図２７では、制御系４９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、本発明のすべての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出来るが、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。
【００７２】
なお、形状可変ミラー４でピント合わせを行うためには、例えば、固体撮像素子９に物体像を結像させ、形状可変ミラー４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良い。高周波成分を検出するには、例えば、固体撮像素子９にマイクロコンピュータを含む処理装置を接続し、その中で高周波成分を検出するようにすれば良い。
【００７３】
図２８は、本発明の形状可変ミラーに関する更に他の実施例に係るマイクロポンプ５１で流体５２を出し入れし、反射面５３ａを変形させる形状可変ミラー５３の概略構成図である。本実施例によれば、反射面５３ａ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。なお、図中、５４は液溜である。
マイクロポンプ５１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等がある。
【００７４】
図２９は、本発明に適用可能なマイクロポンプの一実施例を示す概略構成図である。本実施例のマイクロポンプ５５では、振動板５６は静電気力、圧電効果等の電気力により振動する。図２９では静電気力により振動する例を示しており、図中、５７，５８は電極である。また、点線は変形した時の振動板５６を示している。振動板５６の振動に伴い、二つの弁５９，６０が開閉し、流体５２を右から左へ送るようになっている。
【００７５】
本実施例の形状可変ミラー５３では、反射面５３ａが流体５２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。形状可変ミラー５３は流体５２で駆動されている。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。
なお、静電気力、圧電効果を用いた形状可変ミラー、可変焦点レンズ等において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２７に示したように、昇圧用のトランス或いは圧電トランス等を用いて制御系を構成すると良い。
また、反射用の薄膜は、変形しない部分にも設けておくと、形状可変ミラー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。
【００７６】
図３０は、本発明にかか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６１は、第１，第２の面としてのレンズ面６２ａ，６２ｂを有する第１のレンズ６２と、第３，第４の面としてのレンズ面６３ａ，６３ｂを有する第２のレンズ６３と、これらレンズ間に透明電極６４、６５を介して設けた高分子分散液晶層６６とを有し、入射光を第１，第２のレンズ６２，６３を経て収束させるものである。透明電極６４，６５は、スイッチ６７を介して交流電源６８に接続して、高分子分散液晶層６６に交流電界を選択的に印加するようにする。なお、高分子分散液晶層６６は、それぞれ液晶分子７０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７１の集合体から成り、その体積は、高分子セル７１を構成する高分子および液晶分子７０がそれぞれ占める体積の和に一致させる。
【００７７】
ここで、高分子セル７１の大きさは、球状とする場合、その平均の直径をＤ、使用する光の波長をλとするとき、例えば、
２ｎｍ≦Ｄ≦λ／５                                            ・・・（１）
とする。即ち、液晶分子７０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６１の光軸方向における高分子分散液晶層６６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７０の屈折率との差により、高分子セル７１の境界面で光が散乱して高分子分散液晶層６６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６１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６６の透明度は、厚さｔが厚いほど悪くなる。
【００７８】
また、液晶分子７０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７０の屈折率楕円体は、図３１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。
【００７９】
ここで、図３０に示すように、スイッチ６９をオフ、すなわち高分子分散液晶層６６に電界を印加しない状態では、液晶分子７０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６６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３２に示すように、スイッチ６７をオンとして高分子分散液晶層６６に交流電界を印加すると、液晶分子７０は、屈折率楕円体の長軸方向が可変焦点レンズ６１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。
【００８０】
なお、高分子分散液晶層６６に印加する電圧は、例えば、図３３に示すように、可変抵抗器６９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７０は、その楕円長軸が徐々に可変焦点レンズ６１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。
【００８１】
ここで、図３０に示す状態、すなわち高分子分散液晶層６６に電界を印加しない状態での、液晶分子７０の平均屈折率ｎLC’は、図３１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６６の屈折率ｎAは、高分子セル７１を構成する高分子の屈折率をｎPとし、高分子分散液晶層６６の体積に占める液晶分子７０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。
【００８２】
したがって、図３３に示すように、レンズ６２および６３の内側の面、すなわち高分子分散液晶層６６側の面の曲率半径を、それぞれＲ1およびＲ2とすると、可変焦点レンズ６１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６２および６３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６６のみによるレンズの焦点距離が、（６）式で与えられる。
【００８３】
また、常光線の平均屈折率を、
（ｎox＋ｎoy）／２＝ｎo’                                ・・・（７）
とすれば、図３２に示す状態、すなわち高分子分散液晶層６６に電界を印加した状態での、高分子分散液晶層６６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６６のみによるレンズの焦点距離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６６に、図３２における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。
【００８４】
上記（６）および（９）式から、高分子分散液晶層６６による焦点距離の変化率は、
｜（ｆ2−ｆ1）／ｆ2｜＝｜（ｎB−ｎA）／（ｎB−１）｜    ・・・（１０）
で与えられる。従って、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６６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。
【００８５】
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、かかる文献第206の図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。
【００８６】
ここで、例えば、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。
【００８７】
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。従って、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。
【００８８】
また、高分子分散液晶層６６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６６の透過率は悪くなる。図３０の状態と図３２の状態とで、平均して高分子分散液晶層６６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。
【００８９】
ここで、可変焦点レンズ６１は、レンズとして使用するものであるから、図３０の状態でも、図３２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７１を構成する高分子の材料および液晶分子７０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。
【００９０】
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７１を構成する高分子と液晶分子７０との境界での光の反射、すなわち高分子分散液晶層６６の透過率の減少は、およそ上記の高分子と液晶分子７０との屈折率の差の２乗に比例するからである。
【００９１】
以上は、ｎo’≒１．４５、ｎLC’≒１．５８５の場合であるが、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。但し、（ｎu−ｎP）2は、（ｎLC’−ｎP）2と（ｎo’−ｎP）2とのうち、大きい方である。
【００９２】
また、可変焦点レンズ６１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７１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３０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。
【００９３】
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７１を構成する高分子と液晶分子７０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。
【００９４】
図３４は、図３３に示す可変焦点レンズ６１を用いた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、絞り５、可変焦点レンズ６１及びレンズ４８を介して、例えばＣＣＤよりなる固体撮像素子９上に結像させる。なお、図３４では、液晶分子の図示を省略してある。
【００９５】
かかる撮像光学系によれば、可変抵抗器６９により可変焦点レンズ６１の高分子分散液晶層６６に印加する交流電圧を調整して、可変焦点レンズ６１の焦点距離を変えることより、可変焦点レンズ６１及びレンズ４８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（ピントを合わせる）ことが可能となる。
【００９６】
図３５は本発明にかかる可変焦点回折光学素子の一例の構成を示す図である。この可変焦点回折光学素子７２は、平行な第１，第２の面７３ａ，７３ｂを有する第１の透明基板７３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７４ａおよび平坦な第４の面７４ｂを有する第２の透明基板７４とを有し、入射光を第１，第２の透明基板７３，７４を経て出射させるものである。第１，第２の透明基板７３、７４間には、図３０で説明したのと同様に、透明電極６４，６５を介して高分子分散液晶層６６を設け、透明電極６４、６５をスイッチ６７を経て交流電源６８に接続して、高分子分散液晶層６６に交流電界を印加するようにする。
【００９７】
かかる構成において、可変焦点回折光学素子７２に入射する光線は、第３の面７４ａ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７４の屈折率をｎ74とし、ｋを整数とすると、
ｈ（ｎA−ｎ74）＝ｍλ                                      ・・・（２２）
ｈ（ｎB−ｎ74）＝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。
【００９８】
ここで、上記（２２）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７４の屈折率ｎ74は、上記(22)式から、ｎ74＝１．５であればよい。また、可変焦点回折光学素子７２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。
【００９９】
かかる可変焦点回折光学素子７２は、高分子分散液晶層６６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。
【０１００】
なお、この実施例において、上記(（２２）〜（２４）)式は、実用上、
０．７ｍλ≦ｈ（ｎA−ｎ74）≦１．４ｍλ                    ・・・（２５）
０．７ｋλ≦ｈ（ｎB−ｎ74）≦１．４ｋλ                    ・・・（２６）
０．７（ｍ−ｋ）λ≦ｈ（ｎA−ｎB）≦１．４（ｍ−ｋ）λ     ・・・（２７）
を満たせば良い。
【０１０１】
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本発明に含まれる。図３６および図３７は、この場合の可変焦点眼鏡７５の構成を示すものであり、可変焦点レンズ７６は、レンズ７７及び７８と、これらレンズの内面上にそれぞれ透明電極６４，６５を介して設けた配向膜７９，８０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８１とから構成され、その透明電極６４，６５を可変抵抗器６９を介して交流電源６８に接続して、ツイストネマティック液晶層８１に交流電界を印加するようにする。
【０１０２】
かかる構成において、ツイストネマティック液晶層８１に印加する電圧を高くすると、液晶分子８２は、図３７に示すようにホメオトロピック配向となり、図３６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８１の屈折率は小さくなり、焦点距離が長くなる。
【０１０３】
ここで、図３６に示すツイストネマティック状態における液晶分子８２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３６の状態でツイストネマティック液晶層８１が等方媒質として振る舞うために必要な値であり、この上限値の条件を満たさないと、可変焦点レンズ７６は偏光方向によって焦点距離の異なるレンズとなり、これがため二重像が形成されてぼけた像しか得られなくなる。
【０１０４】
図３８（ａ）は、本発明にかかる可変偏角プリズムの構成を示すものである。この可変偏角プリズム８３は、第１，第２の面８４ａ，８４ｂを有する入射側の第１の透明基板８４と、第３，第４の面８５ａ，８５ｂを有する出射側の平行平板状の第２の透明基板８５とを有する。入射側の透明基板８４の内面（第２の面）８４ｂは、フレネル状に形成し、この透明基板８４と出射側の透明基板８５との間に、図３０で説明したのと同様に、透明電極６４，６５を介して高分子分散液晶層６６を設ける。透明電極６４，６５は、可変抵抗器６９を介して交流電源６９に接続され、これにより高分子分散液晶層６６に交流電界を印加して、可変偏角プリズム８３を透過する光の偏角を制御するようにする。
【０１０５】
なお、図３８（ａ）では、透明基板８４の内面８４ｂをフレネル状に形成したが、例えば、図３８（ｂ）に示すように、透明基板８４及び８５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出来るし、図３５に示した回折格子状に形成することも出来る。回折格子状に形成する場合には、上記の（２１）〜（２７）式が同様にあてはまる。
【０１０６】
かかる構成の可変偏角プリズム８３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８３の屈折方向（偏向方向）は、上下方向とするのが望ましいが、更に性能を向上させるためには、２個の可変偏角プリズム８３を偏向方向を異ならせて、例えば図３９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３８及び図３９では、液晶分子の図示を省略してある。
【０１０７】
図４０は本発明に係る可変焦点レンズを用いた可変焦点ミラーを示すものである。この可変焦点ミラー８６は、第１，第２の面８７ａ，８７ｂを有する第１の透明基板８７と、第３，第４の面８８ａ，８８ｂを有する第２の透明基板８８とを有する。第１の透明基板８７は、平板状またはレンズ状に形成して、内面（第２の面）８７ｂに透明電極６４を設け、第２の透明基板８８は、内面（第３の面）８８ａを凹面状に形成して、該凹面上に反射膜８９を施し、更にこの反射膜８９上に透明電極６５を設ける。透明電極６４，６５間には、図３０で説明したのと同様に、高分子分散液晶層６６を設け、これら透明電極６４，６５をスイッチ６７及び可変抵抗器６９を介して交流電源６８に接続して、高分子分散液晶層６６に交流電界を印加するようにする。なお、図４０でも液晶分子の図示を省略してある。
【０１０８】
かかる構成によれば、透明基板８７側から入射する光線は、反射膜８９により高分子分散液晶層６６を折り返す光路となるので、高分子分散液晶層６６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６６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８６に入射した光線は、高分子分散液晶層６６を２回透過するので、高分子分散液晶層６６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８７または８８の内面を、図３５に示したように回折格子状にして、高分子分散液晶層６６の厚さを薄くすることも出来る。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。
【０１０９】
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６８を用いて、液晶に交流電界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界を印加するようにすることも出来る。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、或いは液晶の温度等を変化させることによっても良い。以上に示した実施例において、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６２，６３の一方、透明基板７３、レンズ７４、レンズ７７，７８の一方、図３８（ａ）における透明基板８５、図３８（ｂ）における透明基板８４，８５の一方はなくてもよい。
【０１１０】
以上、図３０から図４０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のメリットは、形状が変化しないため、機械設計が容易であり、機械的構造が簡単になる、等である。
【０１１１】
図４１は本発明の光学装置の更に他の実施例に係る、可変焦点レンズ９０を用いた撮像ユニットの概略構成図である。この撮像ユニットは本発明の撮像系として用いることができる。
本実施例では、レンズ４８と可変焦点レンズ９０とで、撮像レンズを構成している。そして、この撮像レンズと固体撮像素子９とで撮像ユニットを構成している。可変焦点レンズ９０は、透明部材９１と圧電性のある合成樹脂等の柔らかい透明物質９２とで、光を透過する流体あるいはゼリー状物質９３を挟んで構成されている。
【０１１２】
流体あるいはゼリー状物質９３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９２の両面には透明電極６４，６５が設けられており、直流電源９４により電圧を加えることで、透明物質９２の圧電効果により透明物質９２が変形し、可変焦点レンズ９０の焦点距離が変わるようになっている。
従って、本実施例によれば、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。
【０１１３】
図４１中、９５は流体をためるシリンダーである。また、透明物質９２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。
また、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好ましい。なお、可変焦点レンズ９０には透明な圧電材料を用いると良い。
【０１１４】
なお、図４１の例で、可変焦点レンズ９０は、シリンダー９５を設けるかわりに、図４２に示すように、抑止部材９６を設けてシリンダー９５を省略した構造にしても良い。
抑止部材９６は、間に透明電極６４を挟んで、透明物質９２の一部の周辺部分を固定している。本実施例によれば、透明物質９２に電圧をかけることによって、透明物質９２が変形しても、図４３に示すように、可変焦点レンズ９０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９５が不要になる。なお、図４２及び４３中、９７は変形可能部材で、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。
【０１１５】
図４１及び４２に示す実施例では、電圧を逆に印加すると透明物質９２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９２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９２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。
【０１１６】
図４４は本発明の可変焦点レンズの更に他の実施例に係る、マイクロポンプ５１で流体５２を出し入れし、レンズ面を変形させる可変焦点レンズ９８の概略構成図である。
マイクロポンプ５１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あり、電力で動くように構成されている。流体５２は、透明基板９９と、弾性体１００との間に挟まれている。図４４中、１０１は弾性体１００を保護するための透明基板で、設けなくても良い。
【０１１７】
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。
そして、図２９に示したようなマイクロポンプ５５を、例えば、図４４に示した可変焦点レンズに用いるマイクロポンプ５１のように、２つ用いるようにしてもよい。
【０１１８】
なお、静電気力、圧電効果を用いた可変焦点レンズ等においては、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、或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にできてよい。
【０１１９】
図４５は本発明にかかる光学特性可変光学素子の他の実施例であって、圧電材料１０２を用いた可変焦点レンズ１０３の概略構成図である。
圧電材料１０２には、透明物質９２と同様の材料が用いられており、圧電材料１０２は、透明で柔らかい基板１０４の上に設けられている。なお、この基板１０４には、合成樹脂や有機材料を用いるのが望ましい。
本実施例においては、２つの透明電極６４，６５を介して電圧を圧電材料１０２に加えることで圧電材料１０２は変形し、図４５において凸レンズとしての作用を持っている。
【０１２０】
なお、基板１０４の形をあらかじめ凸状に形成しておき、且つ、２つの透明電極６４，６５のうち、少なくとも一方の電極の大きさを基板１０４と異ならせておく、例えば、一方の透明電極６５を基板１０４よりも小さくしておくと、電圧を切ったときに、図４６に示すように、２つの透明電極６４，６５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１０４は、流体５２の体積が変化しないように変形するので、液溜５４（図２８参照）が不要になるというメリットがある。
【０１２１】
本実施例では、流体５２を保持する基板の一部分を圧電材料で変形させて、液溜５４を不要としたところに大きなメリットがある。
なお、図４４の実施例にも言えることであるが、透明基板６４，６５はレンズとして構成しても、或いは平面で構成しても良い。
【０１２２】
図４７は、本発明にかかる光学特性可変光学素子の更に他の実施例であって、圧電材料からなる２枚の薄板１０２Ａ，１０２Ｂを用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
本実施例の可変焦点レンズは、薄板１０２Ａと１０２Ｂ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４７中、１０５はレンズ形状の透明基板である。
本実施例においても、本発明の他の実施例と同様に、右側の透明電極６５は基板１０４よりも小さく形成されている。
【０１２３】
なお、図４５〜図４７の実施例において、基板１０４、薄板１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ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するようにしてもよい。
このようにすれば、レンズの収差補正等もすることができ、便利である。
【０１２４】
図４８は本発明にかかる可変焦点レンズの更に他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変焦点レンズ１０６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１０７を用いて構成されている。
本実施例の構成によれば、電圧が低いときには、図４６に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図４７に示すように、電歪材料１０７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。
本実施例の可変焦点レンズ１０６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。
【０１２５】
以上述べた図４１〜図４９の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、大きさが自由に選べる等のメリットがある。
【０１２６】
図５０は、本発明にかかる光学特性可変光学素子の更に他の実施例であって、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。
本実施例の可変焦点レンズ１０８は、透明弾性体１０９，１１０でアゾベンゼン１１１を挟むことにより構成されており、アゾベンゼン１１１には、透明なスペーサー１１２を介して、紫外光源１１３，１１４から紫外光が夫々照射されるようになっている。
紫外光源１１３，１１４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である。
【０１２７】
本実施例において、中心波長がλ1の紫外光が図５１（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１１１は、図５１（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１０８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の紫外光が図５１（ｂ）に示すシス型のアゾベンゼン１１１に照射されると、アゾベンゼン１１１はシス型から図５１（ａ）に示す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１０８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、本実施例の光学素子は可変焦点レンズとして作用する。
また、可変焦点レンズ１０８では、透明弾性体１０９，１１０の空気との境界面で光が全反射するので外部に光がもれず、効率がよい。
【０１２８】
図５２は、本発明にかかる形状可変ミラーの更に他の実施例を示す概略構成図である。本実施例では、デジタルカメラに用いられるものとして説明する。なお、図中、１１５は、光学系の変倍或いはズームを行うための操作釦である。
本実施例の形状可変ミラー４は、アクリルエラストマー等の有機材料からなる電歪材料４ｈと間を隔てて分割電極４ｄを設け、電歪材料ｈの上に順に電極４ｃ、変形可能な基板４ｂを設け、更にその上に入射光を反射するアルミニウム等の金属からなる反射面４ａを設けて構成されている。
このように構成すると、分割電極４ｄを電歪材料４ｈと一体化した場合に比べて、反射面４ａ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４ｂと電極４ｃの配置は逆でも良い。
形状可変ミラー４は、操作釦１１５を押すことにより反射面４ａの形を変形させて、変倍あるいはズーミングを行うことが出来るように演算装置１２を介して制御される。
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。
【０１２９】
なお、本願の形状可変ミラーに共通して言えることであるが、反射面４ａ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、例えば楕円、多角形等にするのが良い。何故なら、図２７の例のように、形状可変ミラーは斜入射で用いることが多いが、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ためには、反射面の変形する部分を反射面に垂直な方向から見たときの形を、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。
【０１３０】
なお、本願発明においては、撮像素子、表示素子、観察光学系の視野枠等を統合して画像素子と呼ぶこととし、また、光学装置は、光学系或いは光学素子を含む装置及びその一部を意味し、撮像装置、観察装置、表示装置、照明装置、信号処理装置等を含むものとする。
【０１３１】
撮像装置の例としては、フィルムカメラ、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、電子内視鏡等がある。デジカメ、カード型デジカメ、テレビカメラ、ＶＴＲカメラ、動画記録カメラ等は、何れも電子撮像装置の一例である。
【０１３２】
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、ビュファインダー等がある。
【０１３３】
表示装置の例としては、液晶ディスプレイ、ビュファインダー、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、ＨＭＤ（頭部装着型画像表示装置）、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話等が或る。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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等がある。
【０１３６】
撮像素子は、例えば、ＣＣＤ、撮像管、固体撮像素子、写真フィルムとを指す。また、光学特性可変光学素子とは、可変焦点レンズ、可変ミラー、形状可変ミラー、面形状の変化する偏光プリズム、頂角可変プリズム、面形状の変化しない可変ミラー、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。
【０１３７】
可変焦点レンズには、焦点距離が変化せずに収差量が変化するような可変レンズも含むものとする。形状可変ミラーについても同様とする。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得るものを光学特性可変光学素子と呼ぶ。また、上記説明では、可変ミラーを用いた発明について主に述べたが、可変ミラーを通常のミラーで置き換えてもメリットがある場合には、そのような発明も本願に含まれる。
【０１３８】
以上説明したように、本発明の光学装置は、特許請求の範囲に記載された特徴の他に下記のような特徴も備えている。
（１）一つのレンズ群或いは一体化されたレンズ群によって変倍を行う光学系と、形状可変ミラーと、該形状可変ミラーを駆動する駆動回路と、画像素子を備えた光学装置において、距離の分かった所定の物体を設け、その距離に応じた駆動情報を前記形状可変ミラーに加えて、前記物体の像を撮影し、その像のコントラストが実質上最大となる位置に前記画像素子を調整し固定し、ズーム状態を変化させてピント移動を調べ、設計状態でのピント移動との差が実質上最小になるようにレンズ群の移動原点を微調整し、再度距離の分かった所定の物体を撮影し、そのコントラストが実質上最大になるように形状可変ミラーに加わる駆動情報を変化させ、その時の駆動情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた値で前記形状可変ミラーを制御することを特徴とする、形状可変ミラーを備えた光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１３９】
（２）一つのレンズ群或いは一体化されたレンズ群によって変倍を行う光学系と、形状可変ミラーと、該形状可変ミラーを駆動する駆動回路と、画像素子を備えた光学装置において、距離の分かった所定の物体を設け、その距離に応じた駆動情報を前記形状可変ミラーに加えて、前記物体の像を撮影し、その像のコントラストが実質上最大となる位置に前記画像素子を調整し固定し、ズーム状態を変化させてピント移動を調べ、設計状態でのピント移動との差が実質上最小になるようにレンズ群の移動原点を微調整し、再度距離の分かった所定の物体を撮影し、そのコントラストが実質上最大になるように形状可変ミラーを駆動するＬＵＴの中から駆動情報を選択し、その時の駆動情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた値で前記形状可変ミラーを制御することを特徴とする、形状可変ミラーを備えた光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４０】
（３）一つのレンズ群或いは一体化されたレンズ群によって変倍を行う光学系と、形状可変ミラーと、該形状可変ミラーを駆動する駆動回路と、画像素子を備えた光学装置において、距離の分かった所定の物体を設け、その距離に応じた駆動情報を前記形状可変ミラーに加えて、前記物体の像を撮影し、その像のコントラストが実質上最大となる位置に前記画像素子を調整し固定し、ズーム状態を変化させてピント移動を調べ、設計状態でのピント移動との差が実質上最小になるようにレンズ群の移動原点を微調整するようにしたことを特徴とする、形状可変ミラーを備えた光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４１】
（４）一つのレンズ群或いは一体化されたレンズ群によって変倍を行う光学系と、可変焦点レンズと、該可変焦点レンズを駆動する駆動回路と、画像素子を備えた光学装置において、距離の分かった所定の物体を設け、その距離に応じた駆動情報を前記可変焦点レンズに加え、前記物体の像を撮影し、その像のコントラストが実質上最大となるように前記画像素子の位置を調整して固定するようにしたことを特徴とする光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４２】
（５）上記（４）に記載の調整を行った後、ズーム状態を変化させてピント移動を調べ、設計状態でのピント移動との差が実質上最小になるようにレンズ群の移動原点を微調整し、再度距離の分かった所定の物体を撮影し、そのコントラストが実質上最大になるように可変焦点レンズに加わる駆動情報を変化させ、その時の駆動情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた値で前記可変焦点レンズを制御するようにしたことを特徴とする、光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４３】
（６）上記（４）に記載の調整を行った後、ズーム状態を変化させてピント移動を調べ、設計状態でのピント移動との差が実質上最小になるようにレンズ群の移動原点を微調整し、再度距離の分かった所定の物体を撮影し、そのコントラストが実質上最大になるように可変焦点レンズを駆動するＬＵＴの中から駆動情報を選択し、その時の駆動情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた値で前記可変焦点レンズを制御するようにしたことを特徴とする、可変焦点レンズを備えた光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４４】
（７）上記（４）に記載の調整を行った後、ズーム状態を変化させてピント移動を調べ、設計状態でのピント移動との差が実質上最小になるようにレンズ群の移動原点を微調整するようにしたことを特徴とする、可変焦点レンズを備えた光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４５】
（８）一つのレンズ群或いは一体化されたレンズ群によって変倍を行う光学系と、光学特性可変素子と、該光学特性可変素子を駆動する駆動回路と、画像素子を備えた光学装置において、距離の分かった所定の物体を設け、その距離に応じた駆動情報を前記光学特性可変素子に加え、前記物体の像を撮影し、その像のコントラストが実質上最大となるように前記画像素子の位置を調整して固定するようにしたことを特徴とする光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４６】
（９）上記（８）に記載の調整を行った後、ズーム状態を変化させてピント移動を調べ、設計状態でのピント移動との差が実質上最小になるようにレンズ群の移動原点を微調整し、再度距離の分かった所定の物体を撮影し、そのコントラストが実質上最大になるように光学特性可変素子に加わる駆動情報を変化させ、その時の駆動情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた値で前記光学特性可変素子を制御するようにしたことを特徴とする、光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４７】
（１０）上記（８）に記載の調整を行った後、ズーム状態を変化させてピント移動を調べ、設計状態でのピント移動との差が実質上最小になるようにレンズ群の移動原点を微調整し、再度距離の分かった所定の物体を撮影し、そのコントラストが実質上最大になるように光学特性可変素子を駆動するＬＵＴの中から駆動情報を選択し、その時の駆動情報を記憶装置に記憶させ、記憶させた値で前記光学特性可変素子を制御するようにしたことを特徴とする、光学特性可変素子を備えた光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４８】
（１１）上記（８）に記載の調整を行った後、ズーム状態を変化させてピント移動を調べ、設計状態でのピント移動との差が実質上最小になるようにレンズ群の移動原点を微調整するようにしたことを特徴とする、光学特性可変素子を備えた光学装置の製造方法、または、制御方法、または、該製造方法によって作られた光学装置。
【０１４９】
（１２）形状可変ミラーと、該形状可変ミラーを駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、前記光学系のFナンバーの増加と共に、より強いエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【０１５０】
（１３）形状可変ミラーと、該形状可変ミラーを駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、光学系のズーム状態が広角から望遠になるにつれて、より強いエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【０１５１】
（１４）形状可変ミラーと、該形状可変ミラーを駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、物体距離が近距離の場合に、より強いエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【０１５２】
（１５）形状可変ミラーと、該形状可変ミラーを駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、形状可変ミラーの形状に対応したエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【０１５３】
（１６）形状可変ミラーと、該形状可変ミラーを駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、形状可変ミラーの駆動情報から該形状可変ミラーの形状を推定して、該形状可変ミラーの形状に対応したエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【０１５４】
（１７）形状可変ミラーと、該形状可変ミラーを駆動する駆動回路と、撮像素子と、画像処理手段を備えた光学装置において、光学系の対称性にあわせて、画像の部分毎に異なるエンハンスを掛けたことを特徴とする光学装置。
【０１５５】
（１８）移動する光学素子または光学素子群の駆動に、静電気で駆動されるモータを用い、形状可変ミラーとストロボを備えた撮像装置。
【０１５６】
（１９）移動する光学素子または光学素子群の駆動に、静電気で駆動されるモータを用い、且つ形状可変ミラーまたはストロボを備え、前記モータと、前記形状可変ミラーまたはストロボとが共通の電源を利用するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【０１５７】
（２０）形状可変ミラーと、撮像素子を備えた撮像装置において、シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【０１５８】
（２１）形状可変ミラーと、撮像素子と、偏心光学系を備えた撮像装置において、シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【０１５９】
（２２）形状可変ミラーと、偏心した撮像素子または撮像系が偏心した光学素子を備えた撮像装置において、シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【０１６０】
（２３）形状可変ミラーと、撮像素子と、ズーム光学系を備えた撮像装置において、シェーディングを画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【０１６１】
（２４）形状可変ミラーと、撮像素子を備えた撮像装置において、像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【０１６２】
（２５）複数の形状可変ミラーと、撮像素子を備えた撮像装置において、像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【０１６３】
（２６）複数の形状可変ミラーと、撮像素子を備えたズーム光学系を有する撮像装置において、像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【０１６４】
（２７）複数の形状可変ミラーと、撮像素子と、自由曲面プリズムを備えたズーム光学系を有する撮像装置において、像の歪曲収差を画像処理で補正するようにしたことを特徴とする撮像装置。
【０１６５】
（２８）形状可変ミラーと、撮像素子を備えた撮像装置において、接写用のレンズと撮像光学系保護用カバーを、撮像光学系前方に挿脱可能に配置したことを特徴とする撮像装置。
【０１６６】
（２９）光を反射する反射面と基板から成る変形可能の膜を備えた形状可変ミラーにおいて、前記反射面以外の基板部分を剛性を下げるためにメッシュ状にしたことを特徴とする形状可変ミラー。
【０１６７】
（３０）光を反射する反射面と基板から成る変形可能の膜を備えた形状可変ミラーにおいて、電極となる変形する基板部分を剛性を下げるためにメッシュ状にしたことを特徴とする形状可変ミラー。
【０１６８】
（３１）前記電極となる変形する基板部分が金属で出来ていることを特徴とする上記（３０）に記載の形状可変ミラー。
【０１６９】
（３２）前記電極となる変形する基板部分が有機導電体あるいは有機半導体で出来ていることを特徴とする上記（３０）に記載の形状可変ミラー。
【０１７０】
（３３）上記（１）乃至（３２）のうちの、（１）〜（３）、（１２）〜（３２）において、形状可変ミラーを可変ミラーで置き換えたもの。
【０１７１】
（３４）上記（１）乃至（３２）のうちの、（１）〜（３）、（１２）〜（３２）において、形状可変ミラーをミラーで置き換えたもの。
【図面の簡単な説明】
【０１７２】
【図１】本発明による光学装置の一実施例の概略構成図である。
【図２】図１の実施例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３】図１の実施例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４】図１の実施例に用いるＬＵＴ１３の一例を示す説明図である。
【図５】図１の実施例に用いるＬＵＴ１３の他の例を示す説明図である。
【図６】本発明による光学装置の他の実施例の概略構成図である。
【図７】本発明による光学装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図８】エンハンスを掛けるためのフィルターと画像のコンボリューションの一例を示す説明図である。
【図９】エンハンスを掛けるためのフィルターと画像のコンボリューションの他の例を示す説明図である。
【図１０】撮像素子をＺ軸方向から見た場合の形状を示す図である。
【図１１】本発明による光学装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図１２】本発明による光学装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図１３】撮像素子に入射する光線の角度がズーム状態によって変化することを示す説明図である。
【図１４】本発明による光学装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図１５】方眼のチャートを図１４に示した撮像装置で撮影した場合の像の歪みを示す説明図である。
【図１６】形状可変ミラーの他の実施例の概略構成図である。
【図１７】図１６に示した形状可変ミラーの電極の形状を示す説明図である。
【図１８】形状可変ミラーの更に他の実施例の概略構成図である。
【図１９】形状可変ミラーの更に他の実施例の概略構成図である。
【図２０】形状可変ミラーの更に他の実施例の概略構成図である。
【図２１】形状可変ミラーの更に他の実施例の概略構成図である。
【図２２】図２１の実施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２３】形状可変ミラーの更に他の実施例の概略構成図である。
【図２４】図２３の実施例におけるコイルの一配置例を示す説明図である。
【図２５】図２３の実施例におけるコイルの他の配置例を示す説明図である。
【図２６】図２１の実施例においてコイルの配置を図２５に示したようにした場合に適する永久磁石の配置を示す説明図である。
【図２７】本発明による光学装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図２８】形状可変ミラーの更に他の実施例の概略構成図である。
【図２９】図２８に示した実施例に適用可能なマイクロポンプの一例の概略構成図である。
【図３０】本発明に係る可変焦点レンズの原理的構成を示す図である。
【図３１】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３２】図３０に示した高分子分散液晶層に電圧を印加した状態を示す図である。
【図３３】図３０に示した高分子分散液晶層への印加電圧を可変にした場合の一例を示す図である。
【図３４】本発明による光学装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図３５】本発明による光学装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図３６】本発明による光学装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図３７】図３６に示した実施例において液晶層への印加電圧を高くした時の液晶分子の配向状態を示す図である。
【図３８】本発明に係る可変偏角プリズムの二つの例の構成を示す図である。
【図３９】図３８に示した可変偏角プリズムの使用状態を説明するための図である。
【図４０】本発明に係る可変焦点ミラーの一例の構成を示す図である。
【図４１】本発明による光学装置の更に他の実施例の概略構成図である。
【図４２】図４１に示した実施例における可変焦点レンズの変形例を示す図である。
【図４３】図４２の可変焦点レンズが変形した状態を示す図である。
【図４４】本発明に係る可変焦点レンズの更に他の実施例の概略構成図である。
【図４５】本発明に係る可変焦点レンズの更に他の実施例の概略構成図である。
【図４６】図４５に示した可変焦点レンズの状態説明図である。
【図４７】本発明に係る可変焦点レンズの更に他の実施例の概略構成図である。
【図４８】本発明に係る可変焦点レンズの更に他の実施例の概略構成図である。
【図４９】図４８に示した可変焦点レンズの状態説明図である。
【図５０】本発明に係る可変焦点レンズの更に他の実施例の概略構成図である。
【図５１】図５０に示した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、（ａ）はトランス型、（ｂ）はシス型を示している。
【図５２】本発明に係る形状可変ミラーの更に他の実施例の概略構成図である。
【符号の説明】
【０１７３】
１，３０                                            レンズ枠
２                                                  保持枠
３，６，８，２０，２３，３７，６１，６３            レンズ
４，４Ａ，４Ｂ，５３                                形状可変ミラー
４ａ，５３ａ                                        反射面
４ｂ，４ｇ                                          基板
４ｃ，４ｄ，４ｆ，５７，５８，２９ａ，２９ｂ，３０ａ，３８ａ，３８ｂ，３８ｃ
電極
４ｅ，４ｅ’                                        圧電素子
４ｅ−１，４ｅ−２，４ｈ                            電歪材料
５                                                  絞り
７                                                  変倍レンズ
９                                                  撮像素子
１０                                                エンコーダー
１１，２１                                          駆動回路
１２                                                演算装置
１３                                                ＬＵＴ
１４                                                電子回路
１５                                                記憶装置
１６                                                ＴＶモニター
１７                                                温度センサー
１８                                                湿度センサー
１９                                                解像力チャート
２２，２８                                          モーター
２４，２５，４１                                    プリズム
２６                                                ミラー
２７                                                接眼レンズ
２９                                                枠
３１                                                電源
３２                                                ストロボ
３３，３４，３５                                    駆動用制御回路
３６                                                板ばね
３６ａ                                              スリット
３８                                                絶縁板
３９                                                接写用補助レンズ
３９ａ                                              平板部分
４０                                                外装壁
４２                                                液晶表示素子
４３                                                振れセンサー
４４                                                可変抵抗器
４５                                                距離センサー
４６                                                永久磁石
４７                                                コイル
４９                                                制御系
５０                                                撮像ユニット
５１，５５                                          マイクロポンプ
５２                                                流体
５４                                                液溜
５６                                                振動板
５９，６０                                          弁
６１，７６，９０，９８，１０３，１０６，１０８      可変焦点レンズ
６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂ                      レンズ面
６４，６５，７３，７４，８４，８５，８７，８８，９０，１０１，１０４，
１０５                                              透明電極
６６                                                高分子分散液晶層
６７                                                スイッチ
６８                                                交流電源
６９                                                可変抵抗器
７０                                                液晶分子
７１                                                高分子セル
７２                                              可変焦点回折光学素子
７５                                                可変焦点眼鏡
７９，８０                                          配向膜
８１                                                液晶層
８２                                                液晶分子
８３                                                可変偏角プリズム
８６                                                可変焦点ミラー
８９                                                反射膜
９１                                                透明部材
９２                                                透明物質
９３                                                ゼリー状物質
９４                                                直流電源
９５                                                シリンダー
９６                                                抑止部材
９７                                                変形可能部材
１００                                              弾性体
１０２，１０７                                      圧電材料
１０２Ａ，１０２Ｂ                                  薄板
１０９，１１０                                      透明弾性体
１１１                                              アゾベンゼン
１１２                                              透明スペーサー
１１３，１１４                                      紫外光源
１１５                                              操作釦
【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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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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