(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子分散液晶を用いた液晶光学素子としての可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、または可変偏角プリズムであって、
前記液晶光学素子は、第１の光学部材と、第２の光学部材と、一対の透明電極を備えており、
前記一対の透明電極は、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材の間に、一方の透明電極が前記第１の光学部材に配置され、他方の透明電極が前記第２の光学部材に配置されるように配置され、
前記一対の透明電極の間に前記高分子分散液晶の層が配置されており、
下記条件
０．０１≦｜ｎo′−ｎLC′｜≦１０
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ
を満足することを特徴とする液晶光学素子。
ただし、ｎo′は、常光線の平均屈折率であり、ｎLC′は、液晶分子の平均屈折率、Ｄは前記高分子分散液晶を構成する液晶分子を含む高分子セルの平均の直径、ｔは前記高分子分散液晶層における光軸方向における厚さ、λは光の波長であってλ＝５００ｎｍである。
【請求項２】
高分子分散液晶を用いた液晶光学素子としての可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、または可変偏角プリズムであって、
前記液晶光学素子は、第１の光学部材と、第２の光学部材と、一対の透明電極を備えており、
前記一対の透明電極は、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材の間に、一方の透明電極が前記第１の光学部材に配置され、他方の透明電極が前記第２の光学部材に配置されるように配置され、
前記一対の透明電極の間に前記高分子分散液晶の層が配置されており、
下記条件
７ｎｍ≦Ｄ≦５００λ
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ
を満足することを特徴とする液晶光学素子。
ただし、Ｄは前記高分子分散液晶層を構成する液晶分子を含む高分子セルの平均の直径、ｔは前記高分子分散液晶層における光軸方向における厚さ、λは光の波長であってλ＝５００ｎｍである。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液晶光学素子としての、可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、および可変偏角プリズムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可変焦点レンズ系を構成するにあたっては、レンズとして、ガラスを研磨して製造したものを用いる場合には、それ自体で焦点距離を変化させることが困難であることから、例えば、カメラのズームレンズにおけるように、レンズ群の一部を光軸方向に移動させることで、レンズ系の焦点距離を変化させるようにしている。しかし、このような構成では、機械的構造が複雑になるという不具合がある。
【０００３】
このような不具合を解決するものとして、例えば、図１８に示すように、偏光板１と液晶レンズ２とを用いる光学系が提案されている。ここで、液晶レンズ２は、レンズ３ａ，３ｂと、これらレンズ間に透明電極４ａ，４ｂを介して設けた液晶層５とを有し、透明電極４ａ，４ｂ間にスイッチ６を介して交流電源７を接続して、液晶層５に選択的に電界を印加することにより、その屈折率を変化させるよう構成されている。
【０００４】
かかる光学系において、偏光板１に、例えば自然光を入射させると、その所定の直線偏光成分のみが偏光板１を透過して液晶レンズ２に入射する。ここで、図１８に示すように、スイッチ６がオフで、液晶層５に電界が印加されない状態では、液晶分子５ａは、その長軸が入射直線偏光と同じ方向に向くので、液晶層５の屈折率が高くなり、液晶レンズ２の焦点距離が短くなる。これに対し、図１９に示すように、スイッチ６がオンで、液晶層５に電界が印加された状態では、液晶分子５ａは、その長軸が光軸と平行となるので、液晶層５の屈折率が低くなり、液晶レンズ２の焦点距離が長くなる。このように、図１８に示す光学系においては、液晶レンズ２に選択的に電界を印加することにより、その焦点距離を可変にしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８に示す液晶レンズ２を用いる光学系にあっては、液晶レンズ２の前方に偏光板１を配置して、所定の直線偏光成分のみを液晶レンズ２に入射させる必要があることから、該偏光板１を透過して液晶レンズ２に入射する光が減少して、光の利用効率が低下するという問題がある。また、このように光の利用効率が低いことから、適用製品が限定され、汎用性に欠けるという問題もある。
【０００６】
この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされたもので、光の利用効率を高めることができ、種々の光学製品に有効に適用できるよう適切に構成した汎用性に優れた、液晶光学素子としての、可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、および可変偏角プリズムをそれぞれ提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明によれば、高分子分散液晶を用いた液晶光学素子としての可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、または可変偏角プリズムであって、
液晶光学素子は、第１の光学部材と、第２の光学部材と、一対の透明電極を備えており、
一対の透明電極は、第１の光学部材と第２の光学部材の間に、一方の透明電極が第１の光学部材に配置され、他方の透明電極が第２の光学部材に配置されるように配置され、
一対の透明電極の間に高分子分散液晶の層が配置されており、
下記条件
０．０１≦｜ｎo′−ｎLC′｜≦１０  
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ
を満足することを特徴とする液晶光学素子を提供できる。  
ただし、ｎo′は、常光線の平均屈折率であり、ｎLC′は、液晶分子の平均屈折率、Ｄは高分子分散液晶を構成する液晶分子を含む高分子セルの平均の直径、ｔは高分子分散液晶層における光軸方向における厚さ、λは光の波長であってλ＝５００ｎｍである。
【０００８】
また、この発明によれば、高分子分散液晶を用いた液晶光学素子としての可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、または可変偏角プリズムであって、
液晶光学素子は、第１の光学部材と、第２の光学部材と、一対の透明電極を備えており、
一対の透明電極は、第１の光学部材と第２の光学部材の間に、一方の透明電極が第１の光学部材に配置され、他方の透明電極が第２の光学部材に配置されるように配置され、
一対の透明電極の間に高分子分散液晶の層が配置されており、
下記条件
７ｎｍ≦Ｄ≦５００λ  
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ
を満足することを特徴とする液晶光学素子を提供できる。  
ただし、Ｄは高分子分散液晶層を構成する液晶分子を含む高分子セルの平均の直径、ｔは高分子分散液晶層における光軸方向における厚さ、λは光の波長であってλ＝５００ｎｍである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、この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。この可変焦点レンズ１１は、第１，第２の面としてのレンズ面８ａ，８ｂを有する第１のレンズ１２ａと、第３，第４の面としてのレンズ面９ａ，９ｂを有する第２のレンズ１２ｂと、これらレンズ間に透明電極１３ａ，１３ｂを介して設けた高分子分散液晶層１４とを有し、入射光を第１，第２のレンズ１２ａ，１２ｂを経て収束させるものである。透明電極１３ａ，１３ｂは、スイッチ１５を介して交流電源１６に接続して、高分子分散液晶層１４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１４は、それぞれ液晶分子１７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１８を有して構成し、その体積は、高分子セル１８を構成する高分子および液晶分子１７がそれぞれ占める体積の和に一致させる。
【００１１】
ここで、高分子セル１８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１７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１１の光軸方向における高分子分散液晶層１４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１７の屈折率との差により、高分子セル１８の境界面で光が散乱して高分子分散液晶層１４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１４の透明度は、厚さｔが厚いほど悪くなる。
【００１２】
また、液晶分子１７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１７の屈折率楕円体は、図２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。
【００１３】
ここで、図１に示すように、スイッチ１５をオフ、すなわち高分子分散液晶層１４に電界を印加しない状態では、液晶分子１７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１４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３に示すように、スイッチ１５をオンとして高分子分散液晶層１４に交流電界を印加すると、液晶分子１７は、屈折率楕円体の長軸方向が可変焦点レンズ１１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。
【００１４】
なお、高分子分散液晶層１４に印加する電圧は、例えば、図４に示すように、可変抵抗器１９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１７は、その楕円長軸が徐々に可変焦点レンズ１１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。
【００１５】
ここで、図１に示す状態、すなわち高分子分散液晶層１４に電界を印加しない状態での、液晶分子１７の平均屈折率ｎLC′は、図２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１４の屈折率ｎA は、高分子セル１８を構成する高分子の屈折率をｎP とし、高分子分散液晶層１４の体積に占める液晶分子１７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。
【００１６】
したがって、図４に示すように、レンズ１２ａおよび１２ｂの内側の面、すなわち高分子分散液晶層１４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１１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１２ａおよび１２ｂ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１４のみによるレンズの焦点距離が、（６）式で与えられる。
【００１７】
また、常光線の平均屈折率を、
（ｎox＋ｎoy）／２＝ｎo ′        （７）
とすれば、図３に示す状態、すなわち高分子分散液晶層１４に電界を印加した状態での、高分子分散液晶層１４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１４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１４に、図３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。
【００１８】
上記（６）および（９）式から、高分子分散液晶層１４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１４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。
【００１９】
次に、上記（１）式の上限値の根拠について説明する。
「Solar Energy Materials and Solar Cells」31巻,Wilson and Eck,1993, Eleevier Science Publishers B.v.発行の第197 〜214 頁、「Transmission variation using scattering/transparent switching films 」には、高分子分散液晶の大きさを変化させたときの透過率τの変化が示されている。そして、かかる文献の第206 頁、図６には、高分子分散液晶の半径をｒとし、ｔ＝３００μｍ、ff＝０．５、ｎP ＝１．４５、ｎLC＝１．５８５、λ＝５００ｎｍとするとき、透過率τは、理論値で、ｒ＝５ｎｍ（Ｄ＝λ／５０、Ｄ・ｔ＝λ・６μｍ（ただし、Ｄおよびλの単位はｎｍ、以下も同じ））のときτ≒９０％となり、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０）のときτ≒５０％になることが示されている。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
また、高分子分散液晶層１４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１４の透過率は悪くなる。図１の状態と図３の状態とで、平均して高分子分散液晶層１４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。
【００２３】
ここで、可変焦点レンズ１１は、レンズとして使用するものであるから、図１の状態でも、図３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１８を構成する高分子の材料および液晶分子１７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。
【００２４】
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１８を構成する高分子と液晶分子１７との境界での光の反射、すなわち高分子分散液晶層１４の透過率の減少は、およそ上記の高分子と液晶分子１７との屈折率の差の２乗に比例するからである。
【００２５】
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。
【００２６】
また、可変焦点レンズ１１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１８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、
0004014722.tif 000002
とする。なお、ｔの下限値は、図１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。
【００２７】
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１８を構成する高分子と液晶分子１７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。
【００２８】
図１または図４に示す構成において、上記のｎox，ｎoy，ｎo ，ｎz ，ｎe ，ｎP ，ff，Ｄ，ｔ，λ，Ｒ1 ，Ｒ2 ，ｎLC′，ｎLC，ｎA ，ｎB ，ｆ1 ，ｆ2 、および可変焦点レンズ１１の直径φは、具体的には、それぞれ以下の値にする。
ｎox＝ｎoy＝ｎo ＝１．５
ｎz ＝ｎe ＝１．７５
ｎP ＝１．５４
ff＝０．５
Ｄ＝５０ｎｍ
ｔ＝１２５μｍ
λ＝５００ｎｍ
Ｒ1 ＝２５ｍｍ
Ｒ2 ＝∞
ｎLC′＝ｎLC＝１．５８３３
ｎA ＝１．５６１７
ｎB ＝１．５２
ｆ1 ＝４４．５ｍｍ
ｆ2 ＝４８．０４ｍｍ
φ＝５ｍｍ
【００２９】
この場合、上記（１９）式の右辺は、
λ・45μｍ・(1.585−1.45) 2 /(  ｎu −ｎP ) 2 
＝500nm ・45μｍ・(0.135) 2 /(0.0433) 2 
≒２１８７１２nm・μｍ
となる。また、Ｄ・ｔは、
0004014722.tif 000003
となり、確かに（１９）式を満足する。
【００３０】
また、上記の具体例において、Ｒ1 ＝Ｒ2 ＝∞、とすることもできる。この場合は、高分子分散液晶層１４の光路長が、電圧のオン・オフで変わることになるので、可変焦点レンズ１１を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。
【００３１】
図５は、図４に示す可変焦点レンズ１１を用いるデジタルカメラ用の撮像光学系の構成を示すものである。この撮像光学系においては、物体（図示せず）の像を、絞り２１、可変焦点レンズ１１およびレンズ２２を介して、例えばＣＣＤよりなる固体撮像素子２３上に結像させる。なお、図５では、液晶分子の図示を省略してある。
【００３２】
かかる撮像光学系によれば、可変抵抗器１９により可変焦点レンズ１１の高分子分散液晶層１４に印加する交流電圧を調整して、可変焦点レンズ１１の焦点距離を変えることより、可変焦点レンズ１１およびレンズ２２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。
【００３３】
図６は、この発明に係る可変焦点レンズを用いる電子内視鏡用の対物光学系の構成を示すものである。この対物光学系では、物体（図示せず）の像を、前方レンズ２５、絞り２６、可変焦点レンズ２７および後方レンズ２８を経て、例えばＣＣＤよりなる固体撮像素子２９上に結像させる。ここで、可変焦点レンズ２７は、高分子分散液晶層１４を挟む一方のレンズ１２ａの内面の曲率半径Ｒ1 を無限大とし、他方のレンズ１２ｂの内面をフレネルレンズ状に形成する他は、図４と同様に構成して、その高分子分散液晶層１４に交流電源１６から可変抵抗器１９およびスイッチ１５を経て交流電圧を印加するようにする。なお、図６では、液晶分子の図示を省略してある。
【００３４】
かかる対物光学系においても、物体距離に応じて可変焦点レンズ２７の高分子分散液晶層１４に印加する交流電圧を調整して、該可変焦点レンズ２７の焦点距離を変えることにより、可変焦点レンズ２７および後方レンズ２８を光軸方向に移動させることなく、ピント調整を行うことが可能となる。
【００３５】
図７は、この発明に係る可変焦点回折光学素子の一例の構成を示すものである。この可変焦点回折光学素子３１は、平行な第１，第２の面３２ａ，３２ｂを有する第１の透明基板３２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３３ａおよび平坦な第４の面３３ｂを有する第２の透明基板３３とを有し、入射光を第１，第２の透明基板３２，３３を経て出射させるものである。第１，第２の透明基板３２，３３間には、図１で説明したと同様に、透明電極１３ａ，１３ｂを介して高分子分散液晶層１４を設け、透明電極１３ａ，１３ｂをスイッチ１５を経て交流電源１６に接続して、高分子分散液晶層１４に交流電界を印加するようにする。
【００３６】
かかる構成において、可変焦点回折光学素子３１に入射する光線は、第３の面３３ａの格子ピッチをｐとし、ｍを整数とすると、
ｐ sinθ＝ｍλ        （２１）
を満たす角度θだけ偏向されて出射される。また、溝深さをｈ、透明基板３３の屈折率をｎ33とし、ｋを整数とすると、
ｈ（ｎA −ｎ33）＝ｍλ        （２２）
ｈ（ｎB −ｎ33）＝ｋλ        （２３）
を満たせば、波長λで回折効率が１００％となり、フレアの発生を防止することができる。
【００３７】
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３３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３１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。
【００３８】
かかる、可変焦点回折光学素子３１は、高分子分散液晶層１４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。
【００３９】
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。
【００４０】
図８および図９は、可変焦点眼鏡３５を示し、眼鏡レンズとして可変焦点回折光学素子３６を用いたものである。可変焦点回折光学素子３６は、レンズ３７および３８を有し、その入射側のレンズ３７の内面には、図７で説明したと同様の断面鋸歯波状のリング状回折格子を形成する。これらレンズ３７，３８の内面上には、それぞれ透明電極１３ａ，１３ｂを介して配向膜３９ａ，３９ｂを設け、これら配向膜３９ａ，３９ｂ間に、図１で説明したと同様の高分子分散液晶層１４を設ける。また、透明電極１３ａ，１３ｂは、スイッチ１５を介して交流電源１６に接続し、これにより高分子分散液晶層１４に交流電界を印加するようにする。
【００４１】
かかる構成の可変焦点眼鏡３５によれば、スイッチ１５を例えば手動でオン・オフすることにより、図８に示すスイッチ１５をオフにしたときと、図９に示すスイッチ１５をオンにしたときとで、高分子分散液晶層１４の液晶分子１７の配列を変えることができるので、眼鏡レンズ全体の視度を変えることができる。したがって、図１０に示す従来の二重焦点レンズ４１を用いる眼鏡４２のように、視線方向で視度が変わるものに比べて、違和感がなくなる。
【００４２】
図１１は、図８に示す可変焦点眼鏡３５において、例えばフレーム３５ａに物体４５までの距離を測定する測距センサ４６を設け、この測距センサ４６の出力に基づいてスイッチ１５をオン・オフ制御して、自動的に視度調整を行うようにしたものである。
【００４３】
このように、物体距離に基づいて自動的に視度調整するようにすれば、特に、視度調整力の衰えた老人に便利な眼鏡が得られる。
【００４４】
なお、図８および図１１に示した可変焦点眼鏡３５においては、眼鏡レンズ全体を可変焦点回折光学素子３６としたが、眼鏡レンズの一部、例えば図１２に示すように、中心よりやや下側に可変焦点回折光学素子３６を設けるようにしてもよい。また、可変焦点回折光学素子３６に代えて、図１に示した可変焦点レンズ１１や、図６に示した可変焦点レンズ２７を用いることもできる。さらに、図１１では、測距センサ４６の出力に基づいてスイッチ１５を自動的に切り換えるようにしたが、新たにスイッチを設けて、測距センサ４６による自動切り換えと、手動による切り換えとを選択できるようにしたり、測距センサ４６による自動切り換え中に、手動による切り換えに変更できるように構成することもできる。さらにまた、上記の可変焦点眼鏡３５に一体的に補聴器を設けることもできる。
【００４５】
また、図１１に示すように測距センサ４６を設ける場合には、可変焦点回折光学素子３６の高分子分散液晶層１４への印加電圧を段階的または連続的に可変できるようにすると共に、ユーザに応じて測距センサ４６の出力と印加電圧との対応関係をプリセットして、測距センサ４６の出力に基づいて印加電圧を制御するようにすることもできる。このようにすれば、ユーザ毎に物体距離に応じたより正確な視度調整を自動的に行うことができる。
【００４６】
さらに、上記の可変焦点眼鏡３５において、交流電源１６は、電池を電源とするインバータ回路をもって構成することができる。この場合、電池としは、マンガン電池、リチウム電池、太陽電池、充電式電池の一種または複数種を、フレーム３５ａに一体的に、すなわち内蔵したり、別体に設けてコードで接続したり、あるいは内蔵電池と外部電池とを有するようにすることもできる。
【００４７】
また、単に、可変焦点眼鏡を構成する場合には、上述した高分子分散液晶を用いる可変焦点レンズに代えて、ツイストネマティック液晶を用いる可変焦点レンズを用いることもできる。図１３および図１４は、この場合の可変焦点眼鏡５０の構成を示すものであり、可変焦点レンズ５１は、レンズ５２および５３と、これらレンズの内面上にそれぞれ透明電極１３ａ，１３ｂを介して設けた配向膜３９ａ，３９ｂ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５４とを有して構成し、その透明電極１３ａ，１３ｂを可変抵抗器１９を経て交流電源１６に接続して、ツイストネマティック液晶層５４に交流電界を印加するようにする。
【００４８】
かかる構成において、ツイストネマティック液晶層５４に印加する電圧を高くすると、液晶分子５５は、図１４に示すようにホメオトロピック配向となり、図１３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５４の屈折率は小さくなり、焦点距離が長くなる。
【００４９】
ここで、図１３に示すツイストネマティック状態における液晶分子５５の螺旋ピッチＰは、光の波長λに比べて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１３の状態でツイストネマティック液晶層５４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５１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。
【００５０】
図１５（Ａ）は、この発明に係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６１は、第１，第２の面６２ａ，６２ｂを有する入射側の第１の透明基板６２と、第３，第４の面６３ａ，６３ｂを有する出射側の平行平板状の第２の透明基板６３とを有する。入射側の透明基板６２の内面（第２の面）６２ｂは、フレネル状に形成し、この透明基板６２と出射側の透明基板６３との間に、図１で説明したと同様に、透明電極１３ａ，１３ｂを介して高分子分散液晶層１４を設ける。透明電極１３ａ，１３ｂは、可変抵抗器１９を経て交流電源１６に接続し、これにより高分子分散液晶層１４に交流電界を印加して、可変偏角プリズム６１を透過する光の偏角を制御するようにする。なお、図１５（Ａ）では、透明基板６２の内面６２ｂをフレネル状に形成したが、例えば、図１５（Ｂ）に示すように、透明基板６２および６３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７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。
【００５１】
かかる構成の可変偏角プリズム６１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６１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６１を偏向方向を異ならせて、例えば図１６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１５および図１６では、液晶分子の図示を省略してある。
【００５２】
図１７は、この発明に係る可変焦点レンズとしての可変焦点ミラーを示すものである。この可変焦点ミラー６５は、第１，第２の面６６ａ，６６ｂを有する第１の透明基板６６と、第３，第４の面６７ａ，６７ｂを有する第２の透明基板６７とを有する。第１の透明基板６６は、平板状またはレンズ状に形成して、内面（第２の面）６６ｂに透明電極１３ａを設け、第２の透明基板６７は、内面（第３の面）６７ａを凹面状に形成して、該凹面上に反射膜６８を施し、さらにこの反射膜６８上に透明電極１３ｂを設ける。透明電極１３ａ，１３ｂ間には、図１で説明したと同様に、高分子分散液晶層１４を設け、これら透明電極１３ａ，１３ｂをスイッチ１５および可変抵抗器１９を経て交流電源１６に接続して、高分子分散液晶層１４に交流電界を印加するようにする。なお、図１７では、液晶分子の図示を省略してある。
【００５３】
かかる構成によれば、透明基板６６側から入射する光線は、反射膜６８により高分子分散液晶層１４を折り返す光路となるので、高分子分散液晶層１４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１４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６５に入射した光線は、高分子分散液晶層１４を２回透過するので、高分子分散液晶層１４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６６または６７の内面を、図７に示したように回折格子状にして、高分子分散液晶層１４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。
【００５４】
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１６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１２ａ，１２ｂの一方、透明基板３２、レンズ３８、レンズ５２，５３の一方、図１５（Ａ）における透明基板６３、図１５（Ｂ）における透明基板６２，６３の一方、透明基板６６，６７の一方はなくてもよい。
【００５５】
次に、レンズの一つである不均質媒質レンズの製造方法について説明する。
不均質媒質レンズとは、レンズの部分ごとの屈折率が異なる媒質でできたレンズのことで、例えば、図２０に示すような半径方向に屈折率が変化するラジアルグラディエントの不均質媒質レンズ７１では、図２１に示すように、分光中心軸（屈折率分布中心軸）である光軸Ｏを中心として、半径ｒが大きくなるに従って屈折率ｎが小さくなっている。なお、光軸に沿った方向では屈折率は変化していない。
【００５６】
このような不均質媒質レンズ７１は、ガラスやプラスチック等の材料を用い、イオン交換法やゾルゲル法等で、その素材が作成される。しかし、図２２に示すように、これらの方法で作成される不均質媒質レンズの素材７２は棒状であるため、最終製品としての不均質媒質レンズ７１を得るためには、切断、研磨、コート等の工程を経る必要がある。
【００５７】
一方、ガラス等よりなる通常の均質レンズを得る場合には、先ず、一枚のレンズの両面を研磨し、次に、二つの球面の中心を結ぶ線（光軸）に対して回転対象となるように外周を削るようにしている。この方法は、一般に広く用いられており、安価にできる利点がある。
【００５８】
しかしながら、不均質媒質レンズの場合には、通常のレンズ加工と異なり、素材７２の分光中心軸がレンズの外周の中心になければならず、また、図２０に示すように、レンズ面７３は分光中心軸と直交しなければならない。このため、上述した通常のレンズの加工法によって製造すると、分光中心軸とレンズ外周の中心とがずれたり、傾いたり、また、レンズ面７３が分光中心軸に対して正確に直交しない場合がある。
【００５９】
以下、このような不具合を解決し得る不均質媒質レンズの製造方法について、図面を参照して説明する。
先ず、レンズ面７３が平面の場合の製造方法の一例について説明する。この場合には、素材７２の中心に分光中心軸があるものと仮定する。この仮定は、イオン交換法、ゾルゲル法等で作られた素材７２では、実際に一致する。先ず、図２３に示すように、分光中心軸が素材７２の中心からずれないように、センターレス７５で素材７２の直径を小さく削る。なお、センターレス７５は、削って小さくなった素材７２ａの外径が必要なレンズの直径となるように、予め２軸の距離を調整しておく。
【００６０】
次に、図２４に示すように、切断機７６で素材７２ａを、研磨しろを加えた必要なレンズ長さに切断する。その後、切断した素材７２ｂを、図２５に示すように、平面上に載置したＶブロック７７のＶ溝の側面に、平面に対して分光中心軸が直交するように接着するか、あるいは、図２６に示すように歯車７８の歯溝の側面に、歯車７８の中心軸と分光中心軸とが平行となるように接着する。
【００６１】
次に、Ｖブロック７７あるいは歯車７８に接着した素材７２ｂを、図２７に示すように平面研削盤８１にセットして、素材７２ｂの一方のレンズ面を、分光中心軸と直交するようにダイヤモンド砥石で削る。その後、図２８に示すように、研磨機８２で、徐々に細かいダイヤモンドペレット８２ａを用いて何段階かの精研削を行ってから、ウレタンシートあるいはピッチ等を用いて、ＣｅＯ2 と水とで研磨してレンズ面を鏡面状に仕上げる。他方のレンズ面についても、図２５〜図２８に示す工程を行って、同様に、鏡面状に仕上げる。
【００６２】
その後、図２９に示すように、ダライ盤８４等で両レンズ面の面取りを行った後、両レンズ面に反射防止用のマルチコートあるいはＭｇＦ2 等の単層コートを施して、両面が平面の不均質媒質レンズを得る。
【００６３】
なお、図２４に示した切断工程で、分光中心軸に対する切断面（レンズ面）の直角度が保たれる場合には、図２５あるいは図２６に示したＶブロック７７あるいは歯車７８に接着することなく、図２７および図２８に示すレンズ面の精研削および研磨を行うようにすることもできる。また、図２８に示す工程で一方のレンズ面の研磨が終了したら、その研磨が終了したレンズ面を、図３０に示すように貼りつけ皿８６に突き当てて貼り、その状態で研磨機８２で精研削および研磨を行うようにしてもよい。このようにすれば、工程が簡単となり、コスト面で有利となる。
【００６４】
さらに、レンズ面７３が平面の場合の他の製造方法においては、図２３で示した外径の研削工程を行うことなく、図２４に示した切断工程を行い、その後、図２５〜図２８に示した工程を両方のレンズ面に対して行う。次に、図３１に示すように、レンズ面の研磨が終了した素材７２ｃをピッチ８８を介してサイダ式芯取り機９０に貼りつける。この貼りつけにあたっては、サイダ式芯取り機９０を回転させたときに素材７２ｃが振れないように、ピックテスタ９１で調べながら、あるいは顕微鏡９２で素材７２ｃの外周を観察しながら行う。この状態で、サイダ式芯取り機９０を回転させながら、砥石９３で素材７２ｃの外周を、仕上がりレンズの外径となるまで研削する。その後、サイダ式芯取り機９０で面取りを行ってから、レンズ面に反射防止コートを施して、レンズ中心と分光中心軸とが一致する不均質媒質レンズを得る。
【００６５】
以上、両面が平面の不均質媒質レンズの製造方法について説明したが、上述した製造方法は、片面が平面の不均質媒質レンズの場合や、仕上がり後に外径を揃える場合にも有効に適用することができる。
【００６６】
次に、レンズ面が半径Ｒの球面の不均質媒質レンズを得る場合の製造方法の一例について説明する。図３２に示すように、先ず、ガラス、金属、樹脂等により半径Ｒの面を持つレンズ面部材９５を作成する。その後、このレンズ面部材９５をサイダ式芯取り機の回転軸に偏芯のないように貼り付けて、回転軸を回転させながら、その中心にダイヤモンド砥石９６を用いて、切断した不均質媒質レンズ素材が入る穴を形成すると共に、外周の芯取りを行う。この穴を形成したレンズ面部材をヤトイと呼ぶことにする。
【００６７】
次に、図３３に示すように、ヤトイ９７の穴に、切断した不均質媒質レンズ素材７２ｄを入れて石膏等で固定し、その状態で、図３４に示すように、研磨機８２でヤトイ９７とともに素材７２ｄを精研削および研磨して、分光中心軸に対して偏芯のない球面を形成する。なお、ヤトイ９７の穴に入れる切断した不均質媒質レンズ素材７２ｃは、予めセンターレスで仕上がりレンズの外径に削っておくこともできる。この場合には、当然のことながら、ヤトイ９７の穴は、仕上がりレンズの外径とほぼ等しい内径とする。
【００６８】
他方の面についても、同様にして球面に形成することができるが、特に、レンズの縁肉（外周面の光軸方向の寸法）が小さい場合には、以下の方法で他方の面を球面に形成することができる。すなわち、図３５に示すように、一方の面を球面に研磨した不均質媒質レンズ素材７２ｅを、その球面側を半径Ｒの凹面を有するヤトイ１０１にピッチ８８を介して貼り付ける。この貼り付けにあたっては、図３１で説明したと同様に、ヤトイ１０１を回転させたときに、素材７２ｅが振れないように、ピックテスタ９１で調べながら、あるいは顕微鏡９２で素材７２ｅの外周を観察しながら行う。ここで、ヤトイ１０１は、後述するカーブジェネレータや芯取り機の回転軸とほぼ同径で、素材７２ｅを貼り付けたまま、カーブジェネレータや芯取り機に取り付けられるようにする。なお、ヤトイ１０１に貼り付ける球面は、最終的に形成する二つの球面のうち、曲率半径の大きい球面とするのが、上記の貼り付け作業を容易に行う点で好ましい。
【００６９】
次に、図３６に示すように、ヤトイ１０１をカーブジェネレータ１０２に取り付けて、素材７２ｅの他方の面（図において、右側の面）を所望の曲率となるように研削する。その後、ヤトイ１０１を芯取り機に取り付けて、素材７２ｅの外周をレンズの仕上がり外径まで研削する。次に、素材７２ｅの他方の面を通常の研磨機で鏡面に研磨してから、両面に必要なコーティングを施して、両面球面の不均質媒質レンズを得る。
【００７０】
なお、芯取り機による素材７２ｅの外周の研削工程は、他方の面の研磨後に行うようにしてもよい。この場合には、図３７に示すように、ベルクランプ芯取り機１０３を用いて、素材７２ｅの外周を研削することもできる。また、他方の面の研磨後に、素材７２ｅの外周を研削する場合には、図３８に示すように、両面研磨した素材７２ｅをピッチ８８を介してヤトイ１０１に貼り付け、ヤトイ１０１を回転させながら砥石で研削することもできる。この場合には、回転振れが生じないように、顕微鏡９２で観察しながら、素材７２ｅをヤトイ１０１に貼り付ける。あるいは、顕微鏡９２を用いず、通常のサイダ式芯取り機で素材７２ｅの球面（図３８において、右側の面）の反射像の振れを観測して、素材７２ｅの外周を研削することもできる。
【００７１】
球面形状の不均質媒質レンズは、上述した製造方法に限らず、特に、レンズの縁肉、すなわちレンズ外周面の光軸方向の寸法が大きい場合には、以下の方法によっても得ることができる。すなわち、図３９に示すように、先ず、切断した素材７２ｂをコレットチャック１０５に取り付け、カーブジェネレータ１０２で一方の面を所望の球面に研削した後、該面を精研削、ピッチ研磨を行って鏡面にする。次に、図４０に示すように、球面を支えるパイプ１０６を有するコレットチャック１０７に、素材７２ｂの他方の面（未研磨面）が外側となるように、該素材７２ｂを取り付けて、同様にして、カーブジェネレータ１０２で他方の面を所望の球面に研削する。なお、パイプ１０６を用いるのは、レンズの縁肉Ｌが所望の値になるようにするため、および素材７２ｂの分光中心軸に対して球面が偏芯しないようにするためである。その後、球面に研削した他方の面に対して、精研削、ピッチ研磨を行って鏡面にする。次に、必要に応じて、上述したいずれかの方法で、素材７２ｂの外径をレンズ仕上がり外径に研削した後、面取り、コーティングを行って、両面球面の不均質媒質レンズを得る。なお、上記の説明では、球面形状の不均質媒質レンズを製造するようにしたが、同様にして、非球面形状の不均質媒質レンズを製造することもできる。
【００７２】
付記項
１．請求項１記載の可変焦点レンズにおいて、該可変焦点レンズは、
第１および第２の面を有し、入射光を前記第１および第２の面を経て透過させる第１の光学部材と、
該第１の光学部材を透過した光を受ける第３の面を有する第２の光学部材と、
前記第１、第２および第３の面の少なくとも一面に形成したレンズ面と、
前記第２および第３の面側にそれぞれ設けた一対の透明電極と、
これら透明電極間に設けた高分子分散液晶層とを有し、
前記一対の透明電極を介して前記高分子分散液晶層に電界を印加することにより、前記第１および第２の光学部材を透過する光、または前記第１の光学部材を透過し、前記第３の面で反射されて再び前記第１の光学部材を透過する光の焦点位置を可変し得るよう構成したことを特徴とする可変焦点レンズ。
２．請求項２記載の可変焦点回折光学素子において、該可変焦点回折光学素子は、
第１および第２の面を有し、入射光を前記第１および第２の面を経て透過させる第１の光学部材と、
第３および第４の面を有し、前記第１の光学部材を透過した光を前記第３および第４の面を経て出射させる第２の光学部材と、
前記第１、第２および第３の面の少なくとも一面に形成した回折面と、
前記第２および第３の面側にそれぞれ設けた透明電極と、
これら透明電極間に設けた高分子分散液晶層とを有し、
前記一対の透明電極を介して前記高分子分散液晶層に電界を印加することにより、前記第１および第２の光学部材を透過する光の焦点位置を可変し得るよう構成したことを特徴とする可変焦点回折光学素子。
３．請求項３記載の可変偏角プリズムにおいて、該可変偏角プリズムは、
第１および第２の面を有し、入射光を前記第１および第２の面を経て透過させる第１の光学部材と、
第３および第４の面を有し、前記第１の光学部材を透過した光を前記第３および第４の面を経て出射させる第２の光学部材と、
前記第１、第２および第３の面の少なくとも一面に形成した傾斜面と、
前記第２および第３の面側にそれぞれ設けた透明電極と、
これら透明電極間に設けた高分子分散液晶層とを有し、
前記一対の透明電極を介して前記高分子分散液晶層に電界を印加することにより、前記第１および第２の光学部材を透過する光の偏角を可変し得るよう構成したことを特徴とする可変偏角プリズム。
４．請求項１，２、付記項１，２のいずれか一項記載の可変焦点レンズまたは可変焦点回折光学素子を有することを特徴とする可変焦点眼鏡。
５．請求項３または付記項３記載の可変偏角プリズムを、偏角方向が異なるように複数個配置したことを特徴とする光偏向装置。
６．請求項１，２，３、付記項１，２，３のいずれか一項記載の可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子または可変偏角プリズムを有することを特徴とする撮像装置。
７．請求項１，２，３、付記項１，２，３のいずれか一項記載の可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子または可変偏角プリズムよりなる液晶光学素子において、
前記高分子分散液晶層の体積に占める液晶分子の体積の割合をffとするとき、０．１≦ff≦０．９９９
を満足するよう構成したことを特徴とする液晶光学素子。
８．請求項１，２，３、付記項１，２，３のいずれか一項記載の可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子または可変偏角プリズムよりなる液晶光学素子において、
4 ×10-6〔μｍ〕2 ≦Ｄ・ｔ≦λ・45μｍ・(1.585−1.45) 2 /(  ｎu −ｎP ) 2 
を満足することを特徴とする液晶光学素子。
ただし、Ｄ：高分子分散液晶層を構成する液晶分子を含む高分子セルの平均の直径
ｔ：光軸方向における高分子分散液晶層１４の厚さ
λ：使用波長
ｎP ：高分子セルを構成する高分子の屈折率
（ｎu −ｎP ）2 ：（ｎLC′−ｎP ）2 と（ｎo ′−ｎP ）2 とのうち大きい方で、
ｎLC′：液晶分子の平均屈折率
ｎo ′：常光線の平均屈折率
９．請求項１，２，３、付記項１，２，３のいずれか一項記載の可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子または可変偏角プリズムよりなる液晶光学素子において、
２ｎｍ≦Ｄ≦λ／５
を満足することを特徴とする液晶光学素子。
９’．請求項１，２，３、付記項１，２，３のいずれか一項記載の可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子または可変偏角プリズムよりなる液晶光学素子において、
２ｎｍ≦Ｄ＜λ
を満足することを特徴とする液晶光学素子。
１０．請求項１，２，３、付記項１，２，３のいずれか一項記載の可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子または可変偏角プリズムよりなる液晶光学素子において、
０．０１≦｜ｎo ′−ｎLC′｜≦１０
を満足することを特徴とする液晶光学素子。
１１．請求項１，２，３、付記項１，２，３のいずれか一項記載の可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子または可変偏角プリズムよりなる液晶光学素子において、
７ｎｍ≦Ｄ≦５００λ
を満足することを特徴とする液晶光学素子。
１２．請求項２、付記項２，７〜１１のいずれか一項記載の可変焦点回折光学素子において、
０．７ｍλ≦ｈ（ｎA −ｎ33）≦１．４ｍλ
０．７ｋλ≦ｈ（ｎB −ｎ33）≦１．４ｋλ
０．７（ｍ−ｋ）λ≦ｈ（ｎA −ｎB ）≦１．４（ｍ−ｋ）λ
を満足することを特徴とする可変焦点回折光学素子。
ただし、ｍ，ｋ：整数
ｈ：格子の溝深さ
ｎA ：電界を印加しない状態での高分子分散液晶層の屈折率
ｎB ：電界を印加した状態での高分子分散液晶層の屈折率
ｎ33：回折格子を形成した透明基板の屈折率
１３．請求項１，２、付記項１，２，７〜１２のいずれか一項記載の可変焦点レンズまたは可変焦点回折光学素子を有することを特徴とする液晶可変焦点眼鏡。
１４．付記項７〜１２いずれか一項記載の可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子または可変偏角プリズムを有することを特徴とする撮像装置。
１５．対向する一対の電極と、これら電極間に設けたツイストネマティック液晶層とを有する眼鏡レンズとしての液晶光学素子を有し、
前記ツイストネマティック液晶層は、ツイストネマティック状態における液晶分子の螺旋ピッチＰが、
２ｎｍ≦Ｐ≦２λ／３
を満足することを特徴とする液晶可変焦点眼鏡。
１６．付記項１記載の可変焦点レンズにおいて、
前記第３の面に反射膜を設けて、入射光線を前記高分子分散液晶層中に折り返して複数回通過させるよう構成したことを特徴とする可変焦点ミラー。
１７．付記項１〜１６のいずれか一項記載の可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子または可変偏角プリズムよりなる液晶光学素子と、該液晶光学素子の前記一対の電極間に電圧を印加する電圧源とを有することを特徴とする液晶光学装置。
１８．付記項１７記載の液晶光学装置において、
前記電圧源は、前記一対の電極間に可変の電圧を印加するよう構成したことを特徴とする液晶光学装置。
１９．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
不均質素材の外径をセンターレスを用いてレンズ仕上がり外径に研削する工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２０．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
ピックテスタまたは顕微鏡を用いて不均質素材の外周の振れを調節して、該不均質素材を芯取り機の回転軸に固定した後、その外径をレンズ仕上がり外径に研削する工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２１．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
不均質素材に、中心が分光中心軸とほぼ一致するように所望の形状の曲面を形成した後、前記不均質素材の外周をベルクランプまたはサイダ式芯取り機を用いてレンズ仕上がり外径に研削する工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２２．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
不均質素材を、その研削面方向に対して垂直となるように治具に固定した状態で、前記不均質素材を平面に研削および研磨する工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２３．付記項２２記載の不均質媒質レンズの製造方法において、
前記治具として、Ｖブロックまたは歯車を用いることを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２４．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
外径が製造すべき不均質媒質レンズの外径よりも大きく、かつ所望の形状の曲面を有し、その中心部に不均質素材の直径にほぼ等しい穴を形成したガラス、金属、樹脂等からなるヤトイを用い、該ヤトイの穴に不均質素材を固定して、該不均質素材を前記ヤトイとともに所望の形状の曲面に研削および研磨する工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２５．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
一方の面を所望の形状の曲面に研削した不均質素材の前記曲面を、逆の形状の曲面を有するヤトイの回転軸に、ピックテスタまたは顕微鏡を用いて外周の振れを調節して固定した後、カーブジェネレータを用いて前記不均質素材の他方の面を所望の形状の曲面に研削する工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２６．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
不均質素材の両端に、中心が分光中心軸にほぼ一致する所望の形状の曲面をそれぞれ形成した後、該不均質素材をベルクランプ法により芯取りする工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２７．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
不均質素材の両端に、中心が分光中心軸にほぼ一致する所望の形状の曲面をそれぞれ形成した後、一方の曲面を、それとは逆の形状の曲面を有するヤトイに固定し、他方の曲面による反射像を観測して、サイダ式芯取り機により前記不均質素材を芯取りする工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２８．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
不均質素材の両端に、中心が分光中心軸にほぼ一致する所望の形状の曲面をそれぞれ形成した後、該不均質素材をサイダ式芯取り機により芯取りする工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
２９．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
不均質素材をコレットチャックにて固定した状態で、カーブジェネレータを用いて一方の面を所望の形状の曲面に研削する工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
３０．不均質媒質レンズを製造するにあたり、
不均質素材の一方の面を、分光中心軸にほぼ一致する中心を有する所望の形状の曲面に形成した後、該曲面をパイプで支えながら不均質素材をコレットチャックにて固定し、その状態でカーブジェネレータを用いて他方の面を所望の形状の曲面に研削する工程を含むことを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
３１．付記項１９〜３０のいずれか一項記載の不均質媒質レンズの製造方法において、
前記不均質素材として、該素材の中心軸と分光中心軸とがほぼ一致しているものを用いることを特徴とする不均質媒質レンズの製造方法。
【００７３】
付記項６記載の撮像装置によれば、液晶光学素子の応答が速いので、動画のオートフォーカスが可能になると共に、光量損失が少ないので、暗いところでも撮像できる利点がある。
付記項１９記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、安価な費用で偏芯の少ない不均質媒質レンズを得ることができる。
付記項２０記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、付記項１９記載の製造方法と比較して、より精度の良い不均質媒質レンズを得ることができ、品質管理がし易くなる。
付記項２１記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、所望の形状の曲面を精度良く形成することにより、簡単な加工で偏芯の少ない不均質媒質レンズを得ることができる。
付記項２２記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、面偏芯の少ない不均質媒質レンズを得ることができる。
付記項２４記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、ヤトイさえ精度良く形成すれば、偏芯の少ない不均質媒質レンズを容易に得ることができる。
付記項２５記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、縁肉の小さい不均質媒質レンズでも容易に得ることができる。
付記項２６記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、偏芯の少ない不均質媒質球面レンズを得ることができる。
付記項２７記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、より偏芯の少ない高精度の不均質媒質球面レンズを得ることができる。
付記項２８記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、簡単な加工で、偏芯の少ない高精度の不均質媒質球面レンズを得ることができる。
付記項２９および３０記載の不均質媒質レンズの製造方法によれば、偏芯の少ない不均質媒質球面レンズを簡単に得ることができる。
【００７４】
【発明の効果】
この発明に係る液晶光学素子としての可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子および可変偏角プリズムによれば、高分子分散液晶を用いるようにしたので、例えば電界の印加によって屈折率を迅速に変化させて、その光学特性を変更することができる。したがって、液晶光学素子を介する光線の光路を迅速に変更することができる。また、高分子分散液晶を用いることにより、必ずしも偏光板を必要としないので、光量低減を抑えることができ、したがって、フィルムカメラ、顕微鏡、ＴＶカメラ、双眼鏡、眼鏡、内視鏡、デジタルカメラ、光ピックアップ等の各種の光学機器の焦点調整、ズームレンズ、ぶれ防止用として広く用いることができる。さらに、特に、可変焦点回折光学素子および可変偏角プリズムにおいては、全体を薄くできるので、光散乱も少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この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２】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３】図１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４】図１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５】この発明に係る可変焦点レンズを用いるデジタルカメラ用の撮像光学系の一例の構成を示す図である。
【図６】同じく、この発明に係る可変焦点レンズを用いる電子内視鏡用の対物光学系の一例の構成を示す図である。
【図７】この発明に係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８】この発明に係る可変焦点回折光学素子を眼鏡レンズとして用いる可変焦点眼鏡を示す図である。
【図９】図８に示す可変焦点回折光学素子に電圧を印加した状態を示す図である。
【図１０】従来の二重焦点レンズを用いる眼鏡を示す図である。
【図１１】図８に示す可変焦点眼鏡の変形例を示す図である。
【図１２】同じく、他の変形例を示す図である。
【図１３】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１４】図１３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１５】この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１６】図１５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１７】この発明に係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１８】従来の液晶レンズを用いる光学系の構成を示す図である。
【図１９】図１８に示す液晶レンズに電界を印加した状態を示す図である。
【図２０】ラジアルグラディエントの不均質媒質レンズを示す図である。
【図２１】図２０に示す不均質媒質レンズの屈折率分布を示す図である。
【図２２】不均質媒質レンズの素材を示す図である
【図２３】センターレスによる不均質素材の研削工程を説明するための図である。
【図２４】切断機による不均質素材の切断工程を説明するための図である。
【図２５】切断した不均質素材のＶブロックへの接着状態を示す図である。
【図２６】切断した不均質素材の歯車への接着状態を示す図である。
【図２７】平面研削盤による不均質素材の研削工程を説明するための図である。
【図２８】研磨機による不均質素材の精研削、研磨工程を説明するための図である。
【図２９】ダライ盤による不均質素材の面取り工程を説明するための図である。
【図３０】研磨機による不均質素材の精研削、研磨工程の他の例を説明するための図である。
【図３１】サイダ式芯取り機による不均質素材の研削工程を説明するための図である。
【図３２】球面の不均質媒質レンズの製造に用いるヤトイの形成工程を説明するための図である。
【図３３】ヤトイへの不均質素材の取り付け状態を示す図である。
【図３４】研磨機による不均質素材の精研削、研磨工程を説明するための図である。
【図３５】不均質素材のヤトイへの貼り付け工程を説明するための図である。
【図３６】カーブジェネレータによる不均質素材の曲率面研削工程を説明するための図である。
【図３７】ベルクランプ芯取り機による不均質素材の外周の研削工程を説明するための図である。
【図３８】両面研磨後の不均質素材の外周の研削工程を説明するための図である。
【図３９】カーブジェネレータによる不均質素材の一方の面の研削工程を説明するための図である。
【図４０】同じく、カーブジェネレータによる不均質素材の他方の面の研削工程を説明するための図である。
【符号の説明】
８ａ  第１の面
８ｂ  第２の面
９ａ  第３の面
９ｂ  第４の面
１１  可変焦点レンズ
１２ａ，１２ｂ  レンズ
１３ａ，１３ｂ  透明電極
１４  高分子分散液晶層
１５  スイッチ
１６  交流電源
１７  液晶分子
１８  高分子セル
１９  可変抵抗器
２１  絞り
２２  レンズ
２３  固体撮像素子
２５  前方レンズ
２６  絞り
２７  可変焦点レンズ
２８  後方レンズ
２９  固体撮像素子
３１  可変焦点回折光学素子
３２，３３  透明基板
３２ａ  第１の面
３２ｂ  第２の面
３３ａ  第３の面
３３ｂ  第４の面
３５  可変焦点眼鏡
３５ａ  フレーム
３６  可変焦点回折光学素子
３７，３８  レンズ
３９ａ，３９ｂ  配向膜
４５  物体
４６  測距センサ
６１  可変偏角プリズム
６２，６３  透明基板
６２ａ  第１の面
６２ｂ  第２の面
６３ａ  第３の面
６３ｂ  第４の面
６５  可変焦点ミラー
６６，６７  透明基板
６６ａ  第１の面
６６ｂ  第２の面
６７ａ  第３の面
６７ｂ  第４の面
６８  反射膜
【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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