(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、外径が細く小型で、フォーカシングが可能な光学系を提供する。【解決手段】  光学系は、回転対称なレンズＧを有し、形状可変ミラーＤＭを用いてフォーカシングを行うか、あるいは視度調整を行うように構成されている。形状可変ミラーは、少なくとも一つの状態で自由曲面形状になる。【選択図】図３９
2007121944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学特性可変光学素子を用いてフォーカシングを行う撮像光学系。
【請求項２】
レンズと光学特性可変光学素子を用いてフォーカシングを行う撮像光学系。
【請求項３】
少なくとも一つの状態において、前記光学特性可変光学素子が自由曲面形状となることを特徴とする、請求項１または２に記載の撮像光学系。
【請求項４】
物点距離が正の領域にある物体に対して、フォーカシング可能であることを特徴とする、請求項１、２または３に記載の撮像光学系。
【請求項５】
物点距離が正から負の領域に渡る物体に対して、フォーカシング可能であることを特徴とする、請求項１、２または３に記載の撮像光学系。
【請求項６】
光学特性可変光学素子を用いて視度調整を行う観察光学系。
【請求項７】
レンズと光学特性可変光学素子を用いて視度調整を行う観察光学系。
【請求項８】
少なくとも一つの状態において、前記光学特性可変光学素子が自由曲面形状となることを特徴とする、請求項６または７に記載の観察光学系。
【請求項９】
視度を表すディオプターの値が負であることを特徴とする、請求項６、７または８に記載の観察光学系。
【請求項１０】
視度を表すディオプターの値が正から負へ連続的に変化することを特徴とする、請求項６、７または８に記載の観察光学系。
【請求項１１】
前記光学特性可変光学素子が、反射型の光学特性可変光学素子であることを特徴とする、請求項１乃至１０の何れかに記載の光学系。
【請求項１２】
前記光学特性可変光学素子が、形状可変ミラーであることを特徴とする、請求項１乃至１１の何れかに記載の光学系。
【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、カメラやデジタルカメラやＴＶカメラのファインダー、望遠鏡や顕微鏡や双眼鏡等の観察光学系、眼鏡、ビデオプロジェクター、カメラ、デジタルカメラ、ＴＶカメラ、内視鏡、カメラ、デジタルカメラ、ＴＶカメラ等の光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレンズ系は、ガラスを研磨して製造したレンズ、又は成形して製造したレンズを用いており、レンズ自体では焦点距離を変化させることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
フォーカシングやズーミングを行うのには、レンズ群を光軸方向に移動させる必要があり、そのため、機械的構造が複雑になっている。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ていたため、消費電力が大きい、音がうるさい、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。
【０００４】
本発明は、従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カメラやデジタルカメラやＴＶカメラや撮像機能付き携帯電話のファインダー、望遠鏡や双眼鏡や顕微鏡等の観察光学系、内視鏡や監視用カメラや小型のデジタルカメラの撮像光学系等の光学系において、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と共に、外径が細く小型であるにもかかわらず、フォーカシング及びズーミングが可能な光学系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に、本発明による撮像光学系は、光学特性可変光学素子を用いてフォーカシングを行うようになっている。
【０００６】
また、本発明による撮像光学系は、レンズと光学特性可変光学素子を用いてフォーカシングを行うようになっている。
【０００７】
また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、物点距離が正の領域にある物体に対して、フォーカシング可能であるように構成されている。
【０００８】
また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、物点距離が正から負の領域に渡る物体に対して、フォーカシング可能であるように構成されている。
【０００９】
また、本発明による撮像光学系は、光学特性可変光学素子を用いて視度調整を行うようになっている。
【００１０】
また、本発明による撮像光学系は、レンズと光学特性可変光学素子を用いて視度調整を行うようになっている。
【００１１】
また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、少なくとも一つの状態において、前記光学特性可変光学素子が自由曲面形状となるように構成されている。
【００１２】
また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、視度を表すディオプターの値が負であるように構成されている。
【００１３】
また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、前記視度を表すディオプターの値が正から負へ連続的に変化するように構成されている。
【００１４】
また、本発明によれば、好ましくは、前記光学特性可変光学素子が、反射型の光学特性可変光学素子または形状可変ミラーである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、反射型の光学特性可変光学素子または形状可変ミラーを用いることにより、レンズ群を前後に駆動させることなく、前記光学特性可変光学素子またはミラーの表面形状を変化させるだけで、フォーカシングを行うことができる、あるいは、視度調整を行うことができる観察光学系等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】
【００１６】
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が、その説明に先立ち、本発明を適用できる光学系及び本発明に使える光学特性可変光学素子について説明する。
形状可変ミラーは、可変ミラーの一つであり、表面形状を凸面、平面、凹面に自由に変化させることで、光学パワー又は収差を自由に変化させることができるミラーである。これによって、撮像系の物体距離が変化した場合でも、可変ミラーの形状を変化させるだけでピントを合わせることができる。このとき、可変ミラーの形状は、回転対称な曲面でもよいが、収差補正をより良く行うためには、回転非対称な自由曲面であることが望ましい。
【００１７】
その理由を以下に詳述する。まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。軸上主光線が、光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。光線の追跡方向は、物体から像面に向かう順光線追跡で説明する。
【００１８】
一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正し合い、全体として収差を少なくする構成になっている。
【００１９】
一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。
【００２０】
しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。
【００２１】
まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図４１に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。
【００２２】
この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。
【００２３】
また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
【００２４】
次に、回転非対称な非点収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図４２に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。
【００２５】
さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍでは、軸上光線に対しても図４３に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。
【００２６】
また、本発明の偏心光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、レンズの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。
【００２７】
そして、本発明の偏心光学系の構成反射面の１つである形状可変ミラー、屈折率可変ミラーの面形状を回転非対称な面とすることが偏心収差を補正する上で望ましい。
【００２８】
なお、本発明で用いる上記の回転非対称面は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。 ここで、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。
【００２９】
2007121944.tif 000003
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【００３０】
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 ）
Ｎ：２以上の自然数である。
【００３１】
自由曲面項は、
2007121944.tif 000004
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００３２】
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。
【００３３】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。 この面の形状は以下の式により定義される。 その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸回りの方位角で、Ｘ軸から測った回転角で表せられる。
【００３４】
ｘ＝Ｒ×cos(A)
ｙ＝Ｒ×sin(A)
Ｚ＝Ｄ2 
＋Ｄ3 Ｒcos(A)＋Ｄ4 Ｒsin(A)
＋Ｄ5 Ｒ2  cos(2A)＋Ｄ6 （Ｒ2 −１）＋Ｄ7 Ｒ2  sin(2A)
＋Ｄ8 Ｒ3 cos(3A) ＋Ｄ9 （３Ｒ3 −２Ｒ）cos(A)
＋Ｄ10（３Ｒ3 −２Ｒ）sin(A)＋Ｄ11Ｒ3 sin(3A) 
＋Ｄ12Ｒ4cos(4A)＋Ｄ13（４Ｒ4 −３Ｒ2 ）cos(2A) 
＋Ｄ14（６Ｒ4 −６Ｒ2 ＋１）＋Ｄ15（４Ｒ4 −３Ｒ2 ）sin(2A) 
＋Ｄ16Ｒ4 sin(4A) 
＋Ｄ17Ｒ5 cos(5A) ＋Ｄ18（５Ｒ5 −４Ｒ3 ）cos(3A) 
＋Ｄ19（１０Ｒ5 −１２Ｒ3 ＋３Ｒ）cos(A)
＋Ｄ20（１０Ｒ5 −１２Ｒ3 ＋３Ｒ）sin(A)
＋Ｄ21（５Ｒ5 −４Ｒ3 ）sin(3A) ＋Ｄ22Ｒ5 sin(5A)
＋Ｄ23Ｒ6cos(6A)＋Ｄ24（６Ｒ6 −５Ｒ4 ）cos(4A) 
＋Ｄ25（１５Ｒ6 −２０Ｒ4 ＋６Ｒ2 ）cos(2A) 
＋Ｄ26（２０Ｒ6 −３０Ｒ4 ＋１２Ｒ2 −１）
＋Ｄ27（１５Ｒ6 −２０Ｒ4 ＋６Ｒ2 ）sin(2A) 
＋Ｄ28（６Ｒ6 −５Ｒ4 ）sin(4A) ＋Ｄ29Ｒ6sin(6A)・・・・・
・・・・（ｂ）
ただし、Ｄm （ｍは２以上の整数）は係数である。なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ4 ，Ｄ5 ，Ｄ6 、Ｄ10，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【００３５】
その他の面の例として、次の定義式（ｃ）があげられる。
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
Ｚ＝Ｃ2 
＋Ｃ3 Ｙ＋Ｃ4 ｜Ｘ｜
＋Ｃ5 Ｙ2 ＋Ｃ6 Ｙ｜Ｘ｜＋Ｃ7 Ｘ2 
＋Ｃ8 Ｙ3 ＋Ｃ9 Ｙ2 ｜Ｘ｜＋Ｃ10ＹＸ2 ＋Ｃ11｜Ｘ3 ｜
＋Ｃ12Ｙ4 ＋Ｃ13Ｙ3 ｜Ｘ｜＋Ｃ14Ｙ2 Ｘ2 ＋Ｃ15Ｙ｜Ｘ3 ｜＋Ｃ16Ｘ4 
＋Ｃ17Ｙ5 ＋Ｃ18Ｙ4 ｜Ｘ｜＋Ｃ19Ｙ3 Ｘ2 ＋Ｃ20Ｙ2 ｜Ｘ3 ｜
＋Ｃ21ＹＸ4 ＋Ｃ22｜Ｘ5 ｜
＋Ｃ23Ｙ6 ＋Ｃ24Ｙ5 ｜Ｘ｜＋Ｃ25Ｙ4 Ｘ2 ＋Ｃ26Ｙ3 ｜Ｘ3 ｜
＋Ｃ27Ｙ2 Ｘ4 ＋Ｃ28Ｙ｜Ｘ5 ｜＋Ｃ29Ｘ6 
＋Ｃ30Ｙ7 ＋Ｃ31Ｙ6 ｜Ｘ｜＋Ｃ32Ｙ5 Ｘ2 ＋Ｃ33Ｙ4 ｜Ｘ3 ｜
＋Ｃ34Ｙ3 Ｘ4 ＋Ｃ35Ｙ2 ｜Ｘ5 ｜＋Ｃ36ＹＸ6 ＋Ｃ37｜Ｘ7 ｜
・・・（ｃ）
【００３６】
なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記（ｂ）式、（ｃ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。
【００３７】
本発明においては、前記（ａ）式の中のＸの奇数時の項を全て０とすることで、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面を持つ自由曲面としている。
【００３８】
また、上記定義式は、回転非対称な曲面形状の面の例示のために示したものであり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。数学的に同値ならば他の定義で曲面形状を表してもよい。
【００３９】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
先ず、本発明に適用可能な可変形状鏡、可変焦点レンズの構成例について説明する。図１は本発明の一実施例である、光学特性可変ミラーを用いたデジタルカメラのケプラー式ファインダーの概略構成図である。本実施例の構成は、もちろん、銀塩フィルムカメラにも使うことができる。まず、光学特性可変形状鏡４０９について説明する。
【００４０】
光学特性可変形状鏡４０９は、アルミコーティングされた薄膜（反射面）４０９ａと複数の電極４０９ｂからなる光学特性可変形状鏡（以下、単に可変形状鏡という。）であり、４１１は各電極４０９ｂにそれぞれ接続された複数の可変抵抗器、４１２は可変抵抗器４１１と電源スイッチ４１３を介して薄膜４０９ａと電極４０９ｂ間に接続された電源、４１４は複数の可変抵抗器４１１の抵抗値を制御するための演算装置、４１５，４１６及び４１７はそれぞれ演算装置４１４に接続された温度センサー、湿度センサー及び距離センサーで、これらは図示のように配設されて１つの光学装置を構成している。
【００４１】
なお、対物レンズ９０２、接眼レンズ９０１、及び、プリズム４０４、二等辺直角プリズム４０５、ミラー４０６及び可変形状鏡の各面は、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、いかなる形状をしていてもよく、さらに、反射面でも屈折面でも光に何らかの影響を与え得る面ならばよい。以下、これらの面を総称して拡張曲面という。
【００４２】
また、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おり、これにより、観察者の視度に合わせたピント調整ができるだけでなく、さらに、レンズ９０１，９０２及び／又はプリズム４０４、二等辺直角プリズム４０５、ミラー４０６の温度や湿度変化による変形や屈折率の変化、あるいは、レンズ枠の伸縮や変形及び光学素子、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、常に適正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４０９ｂの形は、例えば図３、図４に示すように、薄膜４０９ａの変形のさせ方に応じて選べばよい。
【００４３】
本実施例によれば、物体からの光は、対物レンズ９０２及びプリズム４０４の各入射面と射出面で屈折され、可変形状鏡４０９で反射され、プリズム４０４を透過して、二等辺直角プリズム４０５でさらに反射され（図１中、光路中の＋印は、紙面の裏側へ向かって光線が進むことを示している。）、ミラー４０６で反射され、接眼レンズ９０１を介して眼に入射するようになっている。このように、レンズ９０１，９０２、プリズム４０４，４０５、及び、可変形状鏡４０９によって、本発明実施例である観察光学系を構成しており、これらの各光学素子の面形状と肉厚を最適化することにより、物体面の収差を最小にすることができるようになっている。
【００４４】
すなわち、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４１１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及び距離サンサー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による結像性能の低下を補償すべく、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、可変抵抗器４１１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。なお、距離センサー４１７はなくてもよく、その場合、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、デジタルカメラの撮像レンズ４０３を動かし、その位置から逆に物体距離を算出し、可変形状鏡４０９を変形させて観察者の眼にピントが合うようにすればよい。
【００４５】
可変形状鏡４０９はリソグラフィーを用いて作ると加工精度が良く、良い品質のものが得られやすく、好ましい。
【００４６】
また、薄膜４０９ａを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。なお、プリズム４０４と可変形状鏡４０９を一体的に形成してユニット化すると組み立て上便利である。
【００４７】
図１の例では、変形する基板４０９ｊを挟んで反射面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４０９ａで変形する電極４０９ｋを兼ねるようにしても良い。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。
【００４８】
また、図示を省略したが、可変形状鏡４０９の基板４０９ｊ上に固体撮像素子４０８をリソグラフィープロセスにより一体的に形成してもよい。
【００４９】
また、レンズ９０１，９０２、プリズム４０４，４０５、ミラー４０６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。なお、本実施例の撮像装置では、レンズ９０１，９０２がプリズム４０４から離れて形成されているが、レンズ９０１，９０２を設けることなく収差を除去することができるように、プリズム４０４，４０５、ミラー４０６、可変形状鏡４０９を設計すれば、プリズム４０４，４０５、可変形状鏡４０９は１つの光学ブロックとなり、組立が容易となる。また、レンズ９０１，９０２、プリズム４０４，４０５、ミラー４０６の一部あるいは全部をガラスで作製してもよく、このように構成すれば、さらに精度の良い撮像装置が得られる。可変形状鏡４０９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。
【００５０】
なお、図１の例では、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形状鏡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、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を省き、観察者の視度変化のみを可変形状鏡４０９で補正するようにしてもよい。
【００５１】
図２は本発明にかかる可変形状鏡４０９の他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、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３に示すように、同心分割であってもよいし、図４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２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。
【００５２】
図５は本発明にかかる可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、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' で構成されている点で、図２に示された実施例の可変形状鏡とは異なる。すなわち、圧電素子４０９ｃと４０９ｃ' 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２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。
【００５３】
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、上記実施例において薄膜４０９ａの形状を適切に変形させることも可能である。
【００５４】
また、圧電素子４０９ｃ，４０９ｃ' 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。
【００５５】
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形状鏡面の大きな変形が実現できてよい。
【００５６】
なお、図２、図６の圧電素子４０９ｃ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４０９ｃを別の基板４０９ｃ−１と電歪材料４０９ｃ−２を貼り合わせた構造にしてもよい。
【００５７】
図６は本発明にかかる可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、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間に演算装置４１４により制御される駆動回路４２５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４２５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、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。
【００５８】
そして、薄膜４０９ａ、電極４０９ｄ間の電圧の符号を変えれば、可変形状鏡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６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。
【００５９】
図７は本発明にかかる可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、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、可変形状鏡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は反発又は吸着され、基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａを変形させる。
【００６０】
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。
【００６１】
この場合、薄膜コイル４２７の巻密度を、図８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。
【００６２】
図９は本発明にかかる可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡では、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、薄膜コイルを設けなくても済むから、構造が簡単で、製造コストを低減させることができる。また、電源スイッチ４１３を切換え兼電源開閉用スイッチに置換すれば、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。
【００６３】
図１０は本実施例におけるコイル４２７の配置を示し、図１１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７に示した実施例にも適用することができる。なお、図１２は、図７に示した実施例において、コイル４２７の配置を図１１に示したようにした場合に適する永久磁石４２６の配置を示している。すなわち、図１２に示すように、永久磁石４２６を放射状に配置すれば、図７に示した実施例に比べて、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７及び図９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。
【００６４】
以上、いくつかの可変形状鏡の実施例を述べたが、ミラーの形を変形させるのに、図６の例に示すように、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可変形状鏡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。
【００６５】
図１３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可変形状鏡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。
【００６６】
本実施例の撮像系は、可変形状鏡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９０２を通った物体からの光は可変形状鏡４０９で集光され、固体撮像素子４０８の上に結像する。可変形状鏡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。
【００６７】
本実施例によれば、物体距離が変わっても可変形状鏡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、可変形状鏡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。
【００６８】
なお、図１３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。昇圧回路は本発明のすべての電気を用いる可変形状鏡、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可変形状鏡、可変焦点レンズに有用である。なお、可変形状鏡４０９でピント合わせを行うためには、例えば、固体撮像素子４０８に物体像を結像させ可変形状鏡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、例えば、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。
【００６９】
図１４は本発明の可変形状鏡のさらに他の実施例に係る、マイクロポンプ１８０で流体１６１を出し入れし、ミラー面を変形させる可変形状鏡１８８の概略構成図である。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。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。
【００７０】
図１５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１５では静電気力により振動する例を示しており、図１５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。
【００７１】
本実施例の可変形状鏡１８８では、反射膜１８９が流体１６１の量に応じて凹凸に変形することで、可変形状鏡として機能する。可変形状鏡１８８は流体１６１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。
【００７２】
なお、静電気力、圧電効果を用いた可変形状鏡、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１３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。
【００７３】
また、反射用の薄膜４０９ａは、変形しない部分にも設けておくと、可変形状鏡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。
【００７４】
図１６（図１８）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とを有し、入射光を第１，第２のレンズ５１２ａ，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。
【００７５】
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。
【００７６】
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１７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。
【００７７】
ここで、図１６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１８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に交流電界を印加すると、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。
【００７８】
なお、高分子分散液晶層５１４に印加する電圧は、例えば、図１９に示すように、可変抵抗器５１９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。
【００７９】
ここで、図１６に示す状態、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の、液晶分子５１７の平均屈折率ｎLC' は、図１７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。
【００８０】
したがって、図１９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、可変焦点レンズ５１１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のみによるレンズの焦点距離が、(6) 式で与えられる。
【００８１】
また、常光線の平均屈折率を、
（ｎox＋ｎoy）／２＝ｎo '                                  …(7) 
とすれば、図１８に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電界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１８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。
【００８２】
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 ）／（ｎB −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。
【００８３】
次に、上記(1) 式の上限値の根拠について説明する。「Solar Energy Material s 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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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１６の状態と図１８の状態とで、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。
【００８７】
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１６の状態でも、図１８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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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１６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。
【００９１】
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。
【００９２】
図２０は、図１９に示す可変焦点レンズ５１１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２０では、液晶分子の図示を省略してある。
【００９３】
かかる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。
【００９４】
図２１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１６で説明したと同様に、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に交流電界を印加するようにする。
【００９５】
かかる構成において、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、
ｐsin θ＝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５３３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。
【００９６】
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。
【００９７】
かかる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。
【００９８】
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。
【００９９】
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２２および図２３は、この場合の可変焦点眼鏡５５０の構成を示すものであり、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とを有して構成し、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に交流電界を印加するようにする。
【０１００】
かかる構成において、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２３に示すようにホメオトロピック配向となり、図２２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。
【０１０１】
ここで、図２２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２２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り、この上限値の条件を満たさないと、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、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。
【０１０２】
図２４（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１６で説明したと同様に、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に交流電界を印加して、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２４（ａ）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２４（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るし、あるいは図２１に示した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)〜(27)式が同様にあてはまる。
【０１０３】
かかる構成の可変偏角プリズム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２５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２４および図２５では、液晶分子の図示を省略してある。
【０１０４】
図２６は本発明にかか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１６で説明したと同様に、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に交流電界を印加するようにする。なお、図２６では、液晶分子の図示を省略してある。
【０１０５】
かかる構成によれば、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２１に示したように回折格子状にして、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。
【０１０６】
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。以上に示した実施形態において、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５１２ａ，５１２ｂの一方、透明基板５３２、レンズ５３８、レンズ５５２，５５３の一方、図２４（ａ）における透明基板５６３、図２４（ｂ）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。
【０１０７】
以上、図１６から図２６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る、機械的構造が簡単になる、等である。
【０１０８】
図２７は本発明の光学装置のさらに他の実施例に係る、可変焦点レンズ１４０を用いた撮像ユニット１４１の概略構成図である。撮像ユニット１４１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、この撮像レンズと固体撮像素子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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
なお、図２７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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
なお、図２７の例で、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２８に示すように、支援部材１４７を設けてシリンダー１４６を省略した構造にしてもよい。支援部材１４７は、間に透明電極１４５を挟んで、透明物質１４３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２９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２８、図２９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。
【０１１４】
図２７、図２８に示す実施例では、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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
図３０は本発明の可変焦点レンズのさらに他の実施例に係る、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１６７の概略構成図である。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３０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。
【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。
【０１１８】
そして、図１５で示したようなマイクロポンプ１８０を、例えば、図３０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。
【０１１９】
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にできてよい。
【０１２０】
図３１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。
【０１２１】
本実施例においては、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３１において凸レンズとしての作用を持っている。
【０１２２】
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３２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、液溜が不要になるというメリットがある。
【０１２３】
本実施例では、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、液溜を不要としたところに大きなメリットがある。
【０１２４】
なお、図３０の実施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。
【０１２５】
図３３は本発明にかかる光学特性可変光学素子のさらに他の実施例であって、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。
【０１２６】
本実施例の可変焦点レンズは、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。
【０１２７】
なお、図３３中、２０４はレンズ形状の透明基板である。
【０１２８】
本実施例においても、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。
【０１２９】
なお、図３１〜図３３の実施例において、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。
【０１３０】
図３４は本発明にかかる可変焦点レンズのさら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。
【０１３１】
本実施例の構成によれば、電圧が低いときには、図３４に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図３５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。
【０１３２】
本実施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。
【０１３３】
以上述べた図２７から図３５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、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。
【０１３４】
図３６は本発明にかかる光学特性可変光学素子のさら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を経由して光が照射されるようになっている。図３６中、２１２，２１３はそれぞれ中心波長がλ1 ，λ2 の例えばＬＥＤ、半導体レーザー等の光源である。
【０１３５】
本実施例において、中心波長がλ1 の光が図３７（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３７（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の形状はうすくなり、凸レンズ作用が減少する。一方、中心波長がλ2 の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、本実施例の光学素子２１４は可変焦点レンズとして作用する。
【０１３６】
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光が全反射するので外部に光がもれず、効率がよい。なお、レンズとして利用する光の波長は可視光に限らず赤外光等でもよい。また、アゾベンゼン２１０としては、アゾベンゼンと他の液体の混合物を用いてもよい。
【０１３７】
図３８は本発明にかかる可変形状鏡のさら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、４１１は可変抵抗器、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。
【０１３８】
本実施例の可変形状鏡４５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からなる反射膜４５０を設けて構成されている。
【０１３９】
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。
【０１４０】
なお、変形可能な基板４５１と電極４５２の配置は逆でも良い。
【０１４１】
また、図３８中、４４９は光学系の変倍、あるいはズームを行う釦であり、可変形状鏡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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
なお本願の可変形状鏡に共通していえることであるが、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、例えば楕円、卵形、多角形、等にするのが良い。なぜなら、図１３の例のように可変形状鏡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、そのように可変形状鏡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。
【０１４４】
以下、本発明の実施例を説明する。なお、各実施例の構成パラメータは後に示す。
各実施例において、物体面における座標系のＺ軸を、物体中心を通り、物体面に垂直な直線で定義する。このＺ軸と直交する方向をＹ軸とし、このＹ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸とする。
【０１４５】
以下の実施例では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。偏心を行うときの座標系の原点は、偏心を行う面をｋ面とするとき、ｋ−１面の面頂位置からＺ軸方向に面間隔の分だけ移動した点とする。偏心面は、その座標の原点から、その面の面頂位置のシフト距離（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ）と、その面のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をそれぞれ回転軸とするチルト角度（それぞれα、β、γ、単位を°とする）で与えられる。ただし、チルト角度の符号については、各回転軸の正の方向から見たときに、αとβは時計回りをチルト角度の正とし、γは反時計周りをチルト角度の正とする。偏心の順序は、Ｘシフト、Ｙシフト、Ｚシフト、αティルト、βティルト、γティルトの順である。
【０１４６】
なお、以下の実施例において、偏心はディセンタアンドベンドで行われる。つまり、ｋ面が偏心していたときに、ｋ＋１面の面頂位置は、偏心後のｋ面の面頂位置からＺ軸方向に面間隔の分だけ移動した点とする。
【０１４７】
また、光線が反射面で反射された後の光学系の座標系は、反射面の回転角がαのとき、反射前の座標系を２αだけ回転させたものとして定義し、さらに反射面以降の面間隔を負の値とする。これによって、光学系のＺ軸負方向に沿って光線が進行することになる。
【０１４８】
以下の実施例１および２は、撮像光学系および観察光学系に関するものであるが、様々な用途に適用することができる。撮像光学系の具体的用途としては、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。観察光学系の具体的用途としては、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などがある。観察者が乱視である場合でも、乱視を矯正して良好な画像を観察することができる。また、観察装置のルーペに用いる場合、撮影する物体距離の変化で生ずる視度の変化を補正することもできる。
【０１４９】
実施例１は、図３９に軸上主光線を含む光路図に示すように、可変形状ミラーを用いて視度調整を行う観察光学系である。ここで、撮像を行う場合と視度調整を行う場合の動作の関係について、図４４を用いて説明する。
【０１５０】
図４４において、光線が絞りＳＴからレンズ群Ｇ、形状可変ミラーＤＭを経て像面Ｉに達する光路を逆光路と呼ぶことにし、逆に光線が像面Ｉから形状可変ミラーＤＭ、レンズ群Ｇをへて絞りＳＴに達する光路を順光路と呼ぶことにする。
【０１５１】
逆光路で絞りＳＴへ入射する光線群は物点距離によって定義され、正および負の値を含む所定の範囲内の物点距離に対応する入射光線群を像面Ｉに結像させるべく、形状可変ミラーＤＭの形状を制御する。この状況における本実施例の機能は撮像に対応する。
【０１５２】
一方、順光路の場合には、像面Ｉに結像している光線群が形状可変ミラーＤＭで反射された後に、絞りＳＴを介して物体面Ｏに再び結像する。ここで、絞りＳＴの位置に人間の眼を持ってくることで、拡大された像面Ｉ上の像を観察することができる。一般的なズームファインダーの構成においては、対物光学系により像面Ｉ上に中間像を形成し、この中間像を前記順光路によって人間の網膜へ伝搬する。図３９には図示されていないが、順光路において絞りＳＴと人間の網膜との間には、角膜表面や水晶体などの屈折面があり、これらの屈折面によるレンズ作用を通じて観察像の画質が決まる。
【０１５３】
しかしながら、前記角膜表面の形状や水晶体の調節機能には個人差があるため、形状可変ミラーの形状調整機能によって前記物点距離、すなわち視度を変化させられることが好ましい。そこで本実施例では、形状可変ミラーの形状を調整して、視度１から視度４までの４通りの視度に対して良好な観察像が得られるように、観察光学系の設計を行った。ここで、視度１、２、３及び４はそれぞれ−４Ｄ、−２Ｄ、−１Ｄ及び＋１Ｄ（Ｄはディオプターを表す）であり、物体面Ｏから絞りＳＴまでの面間隔で表される物点距離に換算すれば、それぞれ−２５０ｍｍ、−５００ｍｍ、−１０００ｍｍ及び＋１０００ｍｍとなる。ただし、前記物点距離は、逆光路において物体面Ｏから絞りＳＴへ向かう線分が左向きのときに負、右向きのときに正の符号をそれぞれとるものと定義する。
【０１５４】
形状可変ミラーを用いて撮像を行う場合と視度調整を行う場合とで、図３９における光線群の進行方向は異なるが、物体面Ｏと像面Ｉという互いに共役な平面間での光線追跡を行う場合、結像性能を表す収差やＭＴＦなどのパラメータは順光路でも逆光路でも殆ど変わらない。そこで本実施例では、観察光学系の結像性能を評価するために逆光路の場合のＭＴＦを利用した。
【０１５５】
本実施例の目的は、前記４通りの視度に対してそれぞれ最適な形状可変ミラーＤＭの形状を設計することとし、物点距離と形状可変ミラーＤＭ以外のパラメータは以下に示す値で共通とした。像面Ｉにおける最大像高を３．８６０ｍｍ（Ｘ軸方向の最大像高２．３１６ｍｍ、Ｙ軸方向の最大像高３．０８８ｍｍ）、絞りの直径を５．００ｍｍ、視度１における形状可変ミラーＤＭの形状を平面とし、このときの近軸主光線の入射角を４５°とした。視度２、３及び４においては、形状可変ミラーＤＭの形状が基本的に自由曲面となるので、Ｙの奇数次項からの寄与によって、軸上主光線の入射角は４５°から若干変化する。
【０１５６】
次に、上記実施例１および２の構成パラメータを示すが、本発明で使用する自由曲面とは前記の式（ａ）で定義されるものである。その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【０１５７】
また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
Ｚ＝（Ｙ2 ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｙ2 ／Ｒ2 ｝1 /2］
＋ＡＹ4 ＋ＢＹ6 ＋ＣＹ8 ＋ＤＹ10＋……
…（ｄ）
ただし、Ｚを、物体中心を通り物体面に垂直な直線とし、ＹをＺと垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【０１５８】
以下に、上記実施例１の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の"ＦＦＳ"は自由曲面示す。なお、データの記載されていない自由曲面、非球面等に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。なお、データ中、例えば、４.０３９９e-００５は、４.０３９９×１０-5を意味するものである。
［視度1：-4D］
面番号  曲率半径                  面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                  -250.0000 
絞り面      ∞                    17.0000 
2    非球面[1]                  2.6465           1.4957    69.5
3    -11.1874                   3.3535           1.6044    38.4
4    非球面[2]                  6.0000 
5    FFS[1]                   -16.9000  偏心(1) 
像  面      ∞                     0.0000 
非球面[1]
曲率半径   15.8922
k   0.0000e+000
a   4.0399e-005    b   8.5655e-006    c  -2.8943e-007 
d   4.0562e-009 
非球面[2]
曲率半径  -44.0279
k   0.0000e+000
a   2.4061e-005    b   9.0354e-006    c  -2.6204e-007 
d   3.2911e-009 
FFS[1]
曲率半径      ∞
偏心[1] 
Ｘ   0.0000   Ｙ   0.0000  Ｚ   0.0000 
α   45.0000  β   0.0000  γ   0.0000 
［視度2：-2D］
面番号  曲率半径                  面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                  -500.0000 
絞り面      ∞                    17.0000 
2    非球面[1]                  2.6465           1.4957    69.5
3    -11.1874                   3.3535           1.6044    38.4
4    非球面[2]                  6.0000 
5    FFS[1]                   -16.9000  偏心(1) 
像  面      ∞                     0.0000 
非球面[1]
曲率半径   15.8922
k   0.0000e+000
a   4.0399e-005    b   8.5655e-006    c  -2.8943e-007 
d   4.0562e-009 
非球面[2]
曲率半径  -44.0279
k   0.0000e+000
a   2.4061e-005    b   9.0354e-006    c  -2.6204e-007 
d   3.2911e-009 
FFS[1]
曲率半径      ∞
Ｃ4   -1.5683e-003    Ｃ6   -7.7971e-004    Ｃ8    4.6707e-005
Ｃ10   2.0270e-005    Ｃ11   1.4426e-005    Ｃ13   4.2636e-006
Ｃ15   1.9631e-006    Ｃ17   1.0900e-006    Ｃ19  -1.2983e-006
Ｃ21   1.9465e-007    Ｃ22  -5.0935e-007    Ｃ24  -4.5578e-007
Ｃ26  -1.3716e-007    Ｃ28  -5.4330e-008
偏心[1] 
Ｘ   0.0000   Ｙ   0.0000  Ｚ   0.0000 
α   45.0000  β   0.0000  γ   0.0000 
［視度3：-1D］
面番号  曲率半径                  面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                  -1000.0000
絞り面      ∞                     17.0000
2    非球面[1]                   2.6465          1.4957    69.5
3    -11.1874                    3.3535          1.6044    38.4
4    非球面[2]                   6.0000
5    FFS[1]                    -16.9000  偏心(1) 
像  面      ∞                      0.0000
非球面[1]
曲率半径   15.8922
k   0.0000e+000
a   4.0399e-005    b   8.5655e-006    c  -2.8943e-007 
d   4.0562e-009 
非球面[2]
曲率半径  -44.0279
k   0.0000e+000
a   2.4061e-005    b   9.0354e-006    c  -2.6204e-007 
d   3.2911e-009 
FFS[1]
曲率半径      ∞
Ｃ4   -2.4007e-003    Ｃ6   -1.1450e-003    Ｃ8    7.5546e-005
Ｃ10   3.7600e-005    Ｃ11   1.5134e-005    Ｃ13   1.2730e-006
Ｃ15   9.6704e-007    Ｃ17   8.3269e-007    Ｃ19  -1.2385e-006
Ｃ21  -2.5462e-009    Ｃ22  -5.3037e-007    Ｃ24  -2.8803e-007
Ｃ26  -1.3508e-007    Ｃ28  -4.2862e-008
偏心[1] 
Ｘ   0.0000   Ｙ   0.0000  Ｚ   0.0000 
α   45.0000  β   0.0000  γ   0.0000 
［視度4：+1D］
面番号  曲率半径                  面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                   1000.0000
絞り面      ∞                     17.0000
2    非球面[1]                   2.6465          1.4957    69.5
3    -11.1874                    3.3535          1.6044    38.4
4    非球面[2]                   6.0000
5    FFS[1]                    -16.9000  偏心(1) 
像  面      ∞                      0.0000
非球面[1]
曲率半径   15.8922
k   0.0000e+000
a   4.0399e-005    b   8.5655e-006    c  -2.8943e-007 
d   4.0562e-009 
非球面[2]
曲率半径  -44.0279
k   0.0000e+000
a   2.4061e-005    b   9.0354e-006    c  -2.6204e-007 
d   3.2911e-009 
FFS[1]
曲率半径      ∞
Ｃ4   -3.8395e-003    Ｃ6   -1.8094e-003    Ｃ8    1.2748e-004
Ｃ10   6.4026e-005    Ｃ11   1.6074e-005    Ｃ13  -9.3559e-006
Ｃ15  -1.0120e-007    Ｃ17   1.6437e-006    Ｃ19  -2.7487e-006
Ｃ21   8.4396e-008    Ｃ22  -5.4634e-007    Ｃ24  -2.0311e-007
Ｃ26   2.6676e-007    Ｃ28  -9.3455e-008
偏心[1] 
Ｘ   0.0000   Ｙ   0.0000  Ｚ   0.0000 
α   45.0000  β   0.0000  γ   0.0000 
【０１５９】
実施例２は、図４０に示すように形状可変ミラーを用いた撮像用光学系である。視度１において、形状可変ミラーＤＭへの軸上主光線の入射角を２５°としており、レンズ群Ｇの設計も前記入射角に応じて好ましい形状とした。視度の設定値、絞り径、像高、評価波長は実施例１と同じ値とした。
【０１６０】
偏心光学系において一般に、曲率のある偏心面への入射角が大きいほど、その偏心面で発生する収差量は大きくなる傾向がある。本発明に係る実施例においても、偏心面への入射角が４５°である実施例１の設計より、偏心面への入射角が２５°である実施例２の方がより良好なＭＴＦ特性を示した。ただし、偏心面への入射角が２５°より小さくなると、反射した光線群がレンズＧなどの光学部品と機械的に干渉してしまい、不要な迷光となったり結像性能を劣化させたりして好ましくない。
【０１６１】
以下に、上記実施例２の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の"ＦＦＳ"は自由曲面示す。なお、データの記載されていない自由曲面、非球面等に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。なお、データ中、例えば、-７.９６８５e-００５は、-７.９６８５×１０-5を意味するものである。
［視度1：-4D］
面番号  曲率半径                  面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                  -250.0000 
絞り面      ∞                    17.0000 
2    非球面[1]                  3.2248           1.5098    68.1
3     -7.4027                   2.7752           1.6262    35.7
4    非球面[2]                 10.0000 
5    FFS[1]                   -12.9000  偏心(1) 
像  面      ∞                     0.0000 
非球面[1]
曲率半径   37.6065
k   0.0000e+000
a  -7.9685e-005    b   6.6052e-006    c  -3.6249e-007 
d   6.8395e-009 
非球面[2]
曲率半径  -15.4059
k   0.0000e+000
a  -7.8413e-005    b   5.3255e-006    c  -2.2088e-007 
d   3.0818e-009 
FFS[1]
曲率半径      ∞
偏心[1] 
Ｘ   0.0000   Ｙ   0.0000  Ｚ   0.0000 
α   25.0000  β   0.0000  γ   0.0000 
［視度2：-2D］
面番号  曲率半径                  面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                  -500.0000 
絞り面      ∞                    17.0000 
2    非球面[1]                  3.2248           1.5098    68.1
3     -7.4027                   2.7752           1.6262    35.7
4    非球面[2]                 10.0000 
5    FFS[1]                   -12.9000  偏心(1) 
像  面      ∞                     0.0000 
非球面[1]
曲率半径   37.6065
k   0.0000e+000
a  -7.9685e-005    b   6.6052e-006    c  -3.6249e-007 
d   6.8395e-009 
非球面[2]
曲率半径  -15.4059
k   0.0000e+000
a  -7.8413e-005    b   5.3255e-006    c  -2.2088e-007 
d   3.0818e-009 
FFS[1]
曲率半径      ∞
Ｃ4   -1.8380e-003    Ｃ6   -1.4650e-003    Ｃ8    5.2173e-005
Ｃ10   4.0020e-005    Ｃ11   1.1427e-006    Ｃ13  -6.0540e-006
Ｃ15  -1.4391e-006    Ｃ17   3.5338e-007    Ｃ19  -1.8183e-006
Ｃ21   1.5986e-007    Ｃ22   3.9744e-008    Ｃ24   2.6963e-007
Ｃ26   2.1113e-007    Ｃ28   1.0422e-007
偏心[1] 
Ｘ   0.0000   Ｙ   0.0000  Ｚ   0.0000 
α   25.0000  β   0.0000  γ   0.0000 
［視度3：-1D］
面番号  曲率半径                  面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                  -1000.0000
絞り面      ∞                     17.0000
2    非球面[1]                   3.2248          1.5098    68.1
3     -7.4027                    2.7752          1.6262    35.7
4    非球面[2]                  10.0000
5    FFS[1]                    -12.9000  偏心(1) 
像  面      ∞                      0.0000
非球面[1]
曲率半径   37.6065
k   0.0000e+000
a  -7.9685e-005    b   6.6052e-006    c  -3.6249e-007 
d   6.8395e-009 
非球面[2]
曲率半径  -15.4059
k   0.0000e+000
a  -7.8413e-005    b   5.3255e-006    c  -2.2088e-007 
d   3.0818e-009 
FFS[1]
曲率半径      ∞
Ｃ4   -2.7058e-003    Ｃ6   -2.1693e-003    Ｃ8    6.4411e-005
Ｃ10   5.5062e-005    Ｃ11  -1.4466e-007    Ｃ13  -4.6813e-006
Ｃ15  -2.9083e-006    Ｃ17   5.2926e-007    Ｃ19  -1.7679e-006
Ｃ21   1.4804e-007    Ｃ22   7.5115e-008    Ｃ24   2.0391e-007
Ｃ26   1.6700e-007    Ｃ28   1.3092e-007
偏心[1] 
Ｘ   0.0000   Ｙ   0.0000  Ｚ   0.0000 
α   25.0000  β   0.0000  γ   0.0000 
［視度4：+1D］
面番号  曲率半径                  面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                   1000.0000
絞り面      ∞                     17.0000
2    非球面[1]                   3.2248          1.5098    68.1
3     -7.4027                    2.7752          1.6262    35.7
4    非球面[2]                  10.0000
5    FFS[1]                    -12.9000  偏心(1) 
像  面      ∞                      0.0000
非球面[1]
曲率半径   37.6065
k   0.0000e+000
a  -7.9685e-005    b   6.6052e-006    c  -3.6249e-007 
d   6.8395e-009 
非球面[2]
曲率半径  -15.4059
k   0.0000e+000
a  -7.8413e-005    b   5.3255e-006    c  -2.2088e-007 
d   3.0818e-009 
FFS[1]
曲率半径      ∞
Ｃ4   -4.3500e-003    Ｃ6   -3.4888e-003    Ｃ8    1.2411e-004
Ｃ10   7.8783e-005    Ｃ11   2.4296e-006    Ｃ13   1.5983e-006
Ｃ15   1.5650e-006    Ｃ17   1.9974e-007    Ｃ19  -2.4199e-006
Ｃ21   6.1783e-007    Ｃ22   3.7634e-008    Ｃ24  -7.7169e-008
Ｃ26   3.4108e-008    Ｃ28  -5.2002e-008
偏心[1] 
Ｘ   0.0000   Ｙ   0.0000  Ｚ   0.0000 
α   25.0000  β   0.0000  γ   0.0000 
【０１６２】
さて、本発明の撮像光学系あるいは観察光学系は、次の条件式のいずれか１つ以上を満たすと、小型、高性能のフォーカシング可能な撮像光学系あるいは視度調整可能な観察光学系が得られるので、なお良い。
【０１６３】
軸上主光線（以後、主光線という）の形状可変ミラーＤＭへの入射角をθとしたときに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
５°＜θ＜７０°                                       …(29)
を満たすことが望ましい。
【０１６４】
式（２９）を満たすことで、形状可変ミラーＤＭで反射された光線の偏心収差を抑えられる。
【０１６５】
さらに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
１０°＜θ＜６０°                                       …(30)
を満たせば、実用的な製品として良好な性能が実現できるので、なお良い。
【０１６６】
さらに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
２０°＜θ＜５０°                                       …(31)
を満たせば、多様な用途に用いることのできる製品として良好な性能が実現できるので、なお良い。
【０１６７】
また、レンズＧと形状可変ミラーＤＭとからなる光学系において、形状可変ミラーの反射面形状を平面とした場合の後側焦点距離をfとしたときに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０＜｜Ｃ4ｆ｜＜１  かつ  ０＜｜Ｃ6ｆ｜＜１                …(32)
を満たすことが望ましい。
【０１６８】
式（３２）を満たすことで、形状可変ミラーＤＭの変形量を適正な範囲で抑えられるので、形状可変ミラーデバイスの製造コストを抑えることができる。
【０１６９】
さらに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０＜｜Ｃ4ｆ｜＜０．２５  かつ  ０＜｜Ｃ6ｆ｜＜０．２５    …(33)
を満たせば、形状可変ミラーで反射された光線の偏心収差を小さくすることができるので、なお良い。
【０１７０】
また、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０．１＜｜Ｃ4／Ｃ6｜cos2θ＜１０                           …(34)
を満たすことが望ましい。
【０１７１】
式（３４）を満たすことで、ｘ軸方向の軸上の近軸光線（以後、近軸光線）とｙ軸方向の近軸光線とがほぼ同一の点で軸上主光線と交わり、像面Ｉにおける非点収差を適正な範囲に抑えることができる。その理由について、図４５を用いて説明する。
【０１７２】
図４５（ａ）は、形状可変ミラーＤＭへ入射する主光線ＲＣの入射角θが０°の場合に、近軸光線ＲＰが形状可変ミラーＤＭで反射される様子を表している。主光線ＲＣは反射前も反射後もｚ軸に重なっている。入射角が０°の場合はｚ軸を中心に回転対象な光学系となるため、ｘ軸方向とｙ軸方向の区別がなくなる。そこでｘ軸とｙ軸をまとめてｒ軸として図示した。形状可変ミラーＤＭの反射面形状を表す自由曲面が２次の係数Ｃのみを持つものとし、したがって形状可変ミラーの反射面のｒｚ平面による断面は、ｚ＝Ｃｒ2で表される放物線となる。図４５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のいずれにおいても、形状可変ミラーＤＭへ入射する主光線ＲＣと近軸光線ＲＰとは互いに平行であり、両光線間の間隔をｄとした。
【０１７３】
近軸光線ＲＰの形状可変ミラーＤＭへの入射角をδとすれば、tanδは入射点Ａにおける放物線の傾きに等しいので、
tanδ＝２Ｃｄ                                              …(35)
が成り立つ。入射点Ａから反射後の集光点Ｆまでの距離をfR(d)とすると、形状可変ミラーＤＭの焦点距離fRは
2007121944.tif 000005
となる。
【０１７４】
図４５（ｂ）は、形状可変ミラーＤＭへ入射する主光線の入射角θが０°より大きい場合に、主光線ＲＣおよび近軸光線ＲＰが形状可変ミラーＤＭによって反射、集光される様子を、ｙｚ平面上で示したものである。ここでも形状可変ミラーＤＭの反射面形状を表す自由曲面が２次の係数のみを持つものとし、ｘ軸方向およびｙ軸方向の係数をそれぞれＣ4およびＣ6とした。したがって、図４５（ｂ）に図示されているｙ軸方向の放物線はｚ＝Ｃ6ｙ2で表される。
【０１７５】
図４５（ｂ）より、主光線ＲＣおよび近軸光線ＲＰの形状可変ミラーＤＭへの入射角はそれぞれθおよびθ＋δで表され、δと点Ａ’における放物線の傾きとの関係からtanδ＝２Ｃ6ｄ／cosθが成り立つ。入射点Ａ’から反射後の集光点Ｆ’までの距離をｆY（ｄ）とすれば、
2007121944.tif 000006
となるので、ｙｚ平面上における焦点距離、すなわち、平行光を入射角θで形状可変ミラーＤＭへ入射させたときの、入射点からｙ軸方向の近軸結像点までの距離をｆYとすれば、ｆYは以下の式によって与えられる。
2007121944.tif 000007
【０１７６】
図４５（ｃ）は図４５（ｂ）における光線図を立体的に示したものである。入射角θを変化させても、主光線ＲＣ、近軸光線ＲＰをｘｚ平面に投影した光路はθ＝０°の場合と正確に一致するので、ｘｚ平面に投影した光線図上での形状可変ミラーＤＭの焦点距離は、式（３６）と同様ｆ0＝１／４Ｃとなる。しかしながら、f0はあくまでｘｚ平面に投影した光線図における焦点距離であり、形状可変ミラーＤＭのｘ軸方向の曲率による実際の焦点距離fXは、図４５（ｃ）からわかるように、
2007121944.tif 000008
となる。
【０１７７】
ｘ軸方向とｙ軸方向の近軸光線ＲＰがほぼ同一の点で主光線ＲＣと交わる、つまり非点収差を小さくするためには、fX＝fYとなることが望ましい。つまり、式（３８）および式（３９）を用いれば、非点収差が小さくなるための条件は、
（Ｃ4／Ｃ6）cos2θ＝１                                       …(40)
であることがわかる。
【０１７８】
以上が、式（３４）が成り立つことの説明であるが、実際の設計では近軸近似が成り立たない領域や軸外光線も含めて良好な結像状態を実現するために、式（４０）が厳密に成り立つわけではない。それでもなお、式（４０）の左辺の値が、１からあまり大きくずれてしまうことは、好ましくない。
【０１７９】
さらに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０．８＜｜Ｃ4／Ｃ6｜cos2θ＜１．２                          …(41)
を満たせば、形状可変ミラーで反射された光線の非点収差をさらに小さくすることができるので、なお良い。
【０１８０】
また、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０．１＜｜Ｃ8／Ｃ10｜cos2θ＜１０                           …(42)
を満たすことが望ましい。
【０１８１】
式（４２）を満たすことで、ｘ軸方向の近軸光線とｙ軸方向の近軸光線がほぼ同一の点で軸上主光線と交わり、像面Ｉにおける非点収差を適正な範囲に抑えることができる。その理由については、図４５を用いた前記の説明と同様である。
【０１８２】
さらに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０．５＜｜Ｃ8／Ｃ10｜cos2θ＜２                             …(43)
を満たせば、形状可変ミラーで反射された光線の非点収差をさらに小さくすることができるので、なお良い。
【０１８３】
また、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０＜｜（Ｃ10／Ｃ6）ｆ｜＜１０                              …(44)
を満たすことが望ましい。
【０１８４】
式（４４）を満たすことで、形状可変ミラーＤＭのｙ軸方向の形状をさほど複雑なものとする必要がないので、形状可変ミラーデバイスの製造コストを低くすることができる。
【０１８５】
さらに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０＜｜（Ｃ10／Ｃ6）ｆ｜＜２                                …(45)
を満たせば、偏心収差を抑えられるので、なお良い。
【０１８６】
以上の実施例では、可変ミラーの中心部は固定としたが、必ずしも固定する必要はなく、中心部が変動してもよく、あるいは可変ミラーの周辺部が固定されていてもよい。
【０１８７】
なお、可変ミラーの駆動方式としては、静電駆動方式、電磁駆動方式、圧電効果を用いた方式等、本願で示したどのタイプを用いても良い。静電駆動方式を用いれば、ミラー駆動時の消費電力を低く抑えることができるので良い。電磁駆動方式を用いれば、ミラー駆動の制御を行いやすいので良い。
【０１８８】
また、上記光学系以外にも、ロボットの目、撮像機能付き携帯電話、ドアスコープ用カメラ、車載カメラ等にも利用できることは言うまでもない。
【０１８９】
次に、前記実施例１及び２の上記条件式（３２）〜（３４）、（４１）〜（４５）に関するパラメータの値を示す。
2007121944.tif 000009
【０１９０】
従来の撮像装置に用いられる撮像光学系においては、物点距離は正の値に限定されることが一般的である。本発明に関わる実施例１及び２では物点距離が正および負の値となっているが、物点距離が正の値に限定される場合であっても良好な結像性能が得られることはいうまでもない。
【０１９１】
また、従来の観察装置に用いられる観察光学系においては、一般に視度を表すディオプターの値が正から負へ連続的に変化する場合と、負のみの場合とがある。本発明に関わる実施例１及び２では、視度を表すディオプターの値を正から負へ変化させたが、視度を表すディオプターの値が負のみの場合であっても良好な性能が得られることはいうまでもない。
【０１９２】
最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。
【０１９３】
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。光学装置には、撮像装置、観察装置、表示装置、照明装置、信号処理装置等が含まれる。
【０１９４】
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、動画記録カメラなどはいずれも電子撮像装置の一例である。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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。
【０２０１】
光学特性可変光学素子とは、可変焦点レンズ、可変形状鏡、面形状の変わる偏光プリズム、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。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。可変形状鏡についても同様である。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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
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発明の他に、次に示すような特徴も備えている。
［１］回転対称なレンズを有し、形状可変ミラーを用いてフォーカシングを行う撮像光学系。
【０２０４】
［２］回転対称なレンズを有し、形状可変ミラーを用いて視度調整を行う観察光学系。
【０２０５】
［３］軸上主光線（以後、主光線）の形状可変ミラーＤＭへの入射角をθとしたときに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
５°＜θ＜７０°
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
【０２０６】
［４］レンズＧと形状可変ミラーＤＭとからなる光学系の後側焦点距離をfとしたときに、形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０＜｜Ｃ4ｆ｜＜１  かつ  ０＜｜Ｃ6ｆ｜＜１
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
【０２０７】
［５］形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０．１＜｜Ｃ4／Ｃ6｜cos2θ＜１０
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
【０２０８】
［６］形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０．１＜｜Ｃ8／Ｃ10｜cos2θ＜１０
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
【０２０９】
［７］形状可変ミラーＤＭのある状態において、
０＜｜（Ｃ10／Ｃ6）ｆ｜＜１０
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
【０２１０】
［８］ある状態において、形状可変ミラーＤＭの反射面形状が凸面にはならない、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
【０２１１】
［９］請求項１から７の何れか１項に記載された光学系を用いた光学装置。
【図面の簡単な説明】
【０２１２】
【図１】本発明の光学装置の一実施例にかかるに光学特性ミラーを用いたデジタルカメラのケプラー式ファインダーの概略構成図である。
【図２】本発明にかかる可変形状鏡４０９の他の実施例を示す概略構成図である。
【図３】図２の実施例の可変形状鏡に用いる電極の一形態を示す説明図である。
【図４】図２の実施例の可変形状鏡に用いる電極の他の形態を示す説明図である。
【図５】本発明にかかる可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図６】本発明にかかる可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図７】本発明にかかる可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図８】図７の実施例における薄膜コイル４２７の巻密度の状態を示す説明図である。
【図９】本発明にかかる可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図１０】図９の実施例におけるコイル４２７の一配置例を示す説明図である。
【図１１】図９の実施例におけるコイル４２７の他の配置例を示す説明図である。
【図１２】図７に示した実施例において、コイル４２７の配置を図１１に示したようにした場合に適する永久磁石４２６の配置を示す説明図である。
【図１３】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可変形状鏡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。
【図１４】本発明の可変形状鏡のさらに他の実施例に係る、マイクロポンプ１８０で流体１６１を出し入れし、レンズ面を変形させる可変形状鏡１８８の概略構成図である。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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１８】図１６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１９】図１６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例の構成を示す図である。
【図２０】本発明にかかる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例の構成を示す図である。
【図２１】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。
【図２２】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を示す図である。
【図２３】図２２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２４】本発明にかか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２５】図２４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２６】本発明にかかる可変焦点レンズとしての可変焦点ミラーの一例の構成を示す図である。
【図２７】本発明の光学装置のさらに他の実施例に係る、可変焦点レンズ１４０を用いた撮像ユニット１４１の概略構成図である。
【図２８】図２７の実施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２９】図２８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３０】本発明の可変焦点レンズのさらに他の実施例に係る、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１６７の概略構成図である。
【図３１】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２００を用いた可変焦点レンズ２０１の概略構成図である。
【図３２】図３１の変形例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。
【図３３】本発明にかかる光学特性可変光学素子のさらに他の実施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。
【図３４】本発明にかかる可変焦点レンズのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図３５】図３４の実施例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。
【図３６】本発明にかかる光学特性可変光学素子のさらに他の実施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構成図である。
【図３７】図３６の実施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３８】本発明にかかる可変形状鏡のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図３９】本発明の実施例１の形状可変ミラーを用いたフォーカシング用光学系の光路図である。
【図４０】本発明の実施例２の形状可変ミラーを用いたフォーカシング用光学系の光路図である。
【図４１】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説明するための概念図である。
【図４２】偏心した反射面により発生する非点収差を説明するための概念図である。
【図４３】偏心した反射面により発生するコマ収差を説明するための概念図である。
【図４４】本発明のフォーカシング機能と視度調整機能を説明するための概念図である。
【図４５】軸上主光線の入射角と光学系の焦点距離との関係を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【０２１３】
ＳＴ        絞り
Ｇ          レンズ群
ＤＭ        形状可変ミラー
Ｏ          物体面
Ｉ          像面
Ｍ          凹面鏡
ＲＣ        軸上主光線
ＲＰ        軸上の近軸光線
４５        可変形状鏡
５９        透明電極
１０２      レンズ
１０３      制御系
１０４      撮像ユニット
１４０      可変焦点レンズ
１４１      撮像ユニット
１４２      透明部材
１４３      透明物質
１４４      ゼリー状物質
１４５      透明電極
１４６      シリンダー
１４７      支援部材
１４８      変形可能な部材
１６１      流体
１８０      マイクロポンプ
１８１      振動板
１８２、１８３  電極
１８４、１８５  弁
１８８      可変形状鏡
１８９      反射膜
１６０      マイクロポンプ
１６７      可変焦点レンズ
１６３      透明基板
１６４      弾性体
１６５      透明基板
２００      圧電材料
２００Ａ、２００Ｂ  薄板
２０１      可変焦点レンズ
２０２      基板
２０４      透明基板
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  光源
２１４      可変焦点レンズ
４０４      プリズム
４０５      二等辺直角プリズム
４０６      ミラー
４０８      固体撮像素子
４０９      光学特性可変形状鏡
４０９ａ    薄膜（反射面）
４０９ｂ    電極
４０９ｃ、４０９ｃ'  圧電素子
４０９ｃ−１        基板
４０９ｃ−２        電歪材料
４０９ｄ    電極
４０９ｅ    基板
４０９ｊ    変形する基板
４０９ｋ    変形する電極
４１１      可変抵抗器
４１２      電源
４１３      電源スイッチ
４１４      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（ブレ）センサー
４２５      駆動回路
４２６      永久磁石
４２７、４２８'  コイル
４２８      駆動回路
４５３      電歪材料
４５２      電極
４５１      変形可能な基板
４５０      反射膜
４４９      釦
５０８ａ、５０８ｂ、５０９ａ、５０９ｂ  レンズ面
５１１      可変焦点レンズ
５１２ａ    第１のレンズ
５１２ｂ    第２のレンズ
５１３ａ、５１３ｂ  透明電極
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
５２２      レンズ
５２３      固体撮像素子
５３１      可変焦点回折光学素子
５３２      第１の透明基板
５３２ａ    第１の面
５３２ｂ    第２の面
５３３      第２の透明基板
５３３ａ    第３の面
５３３ｂ    第４の面
５３９ａ、５３９ｂ  配向膜
５５０      可変焦点眼鏡
５５１      可変焦点レンズ
５５２、５５３      レンズ
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
５６２      第１の透明基板
５６２ａ    第１の面
５６２ｂ    第２の面
５６３      第２の透明基板
５６３ａ    第３の面
５６３ｂ    第４の面
５６５      可変焦点ミラー
５６６      第１の透明基板
５６６ａ    第１の面
５６６ｂ    第２の面
５６７      第２の透明基板
５６７ａ    第３の面
５６７ｂ    第４の面
５６８      反射膜
９０１      接眼レンズ
９０２      対物レンズ
【図１】
2007121944.tif 000010
【図２】
2007121944.tif 000011
【図３】
2007121944.tif 000012
【図４】
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【図５】
2007121944.tif 000014
【図６】
2007121944.tif 000015
【図７】
2007121944.tif 000016
【図８】
2007121944.tif 000017
【図９】
2007121944.tif 000018
【図１０】
2007121944.tif 000019
【図１１】
2007121944.tif 000020
【図１２】
2007121944.tif 000021
【図１３】
2007121944.tif 000022
【図１４】
2007121944.tif 000023
【図１５】
2007121944.tif 000024
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2007121944.tif 000028
【図２０】
2007121944.tif 000029
【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】
2007121944.tif 000044
【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
2007121944.tif 000048
【図４０】
2007121944.tif 000049
【図４１】
2007121944.tif 000050
【図４２】
2007121944.tif 000051
【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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