(57)【要約】  機械的な可動機構や他のレンズの着脱をおこなうことなく通常撮影と近接撮影の切替えなどのレンズ特性を切替えることができる撮像レンズを提供する。  液晶回折レンズと屈折レンズを組み合わせ、液晶レンズの液晶層への印加電圧によりレンズ機能の切り替えを実現する。液晶レンズは、レンズ機能を有する偏光方向が直交する２つの液晶レンズを積層し、焦点距離、アッベ数を適切に選択することにより、色収差を抑制し、良好な撮像特性を達成する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶レンズと屈折レンズとが積層された撮像レンズにおいて、
前記屈折レンズは正の屈折力をもつ屈折レンズであって、
前記液晶レンズは、
一対の透明基板が対向して配設されていて、
前記一対の透明基板の、相対向する２つの面のうち一方の透明基板においては鋸歯状の断面形状を有する輪帯状の凹凸部が同心円状に配置されたフレネル回折レンズ面と透明電極とが、他方の透明基板においては透明電極が、それぞれ形成されており、
前記透明基板間には、前記凹凸部を充填する液晶層が挟持されていて、
前記透明電極に対して外部電源から給電することにより液晶層に電圧を印加して液晶層の配向状態を変化可能とされた液晶レンズであって、
前記液晶レンズへの印加電圧を変化させることにより焦点距離を変化させることを特徴とする撮像レンズ。
【請求項２】
積層液晶レンズと屈折レンズとが積層された撮像レンズにおいて、
前記屈折レンズは正の屈折力をもつ屈折レンズであって、
前記積層液晶レンズは、第１および第２の液晶レンズを備えていて、
前記第１および第２の液晶レンズのそれぞれは、
一対の透明基板が対向して配設されていて、
前記一対の透明基板の、相対向する２つの面のうち一方の透明基板においては鋸歯状の断面形状を有する輪帯状の凹凸部が同心円状に配置されたフレネル回折レンズ面と透明電極とが、他方の透明基板においては透明電極が、それぞれ形成されており、
前記透明基板間には、前記凹凸部を充填する液晶層が挟持されていて、
前記透明電極に対して外部電源から給電することにより液晶層に電圧を印加して液晶層の配向状態を変化させて所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折力を変化可能とされた液晶レンズであって、
前記積層液晶レンズは、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズとが、それぞれの所定の偏光方向が互いに直交するように積層されていて、
前記積層液晶レンズへの印加電圧を変化させることにより焦点距離を変化させることを特徴とする撮像レンズ。
【請求項３】
前記積層液晶レンズを構成するそれぞれの液晶レンズのフレネル回折レンズ面の位相関数が互いに異なる請求項２に記載の撮像レンズ。
【請求項４】
前記液晶レンズの焦点距離、アッベ数をそれぞれｆＤ、νＤ、前記正の屈折力をもつ屈折レンズの焦点距離、アッベ数をそれぞれｆＲ、νＲとしたときに、
【数１】
2006115147.tif 000011
を満足する請求項１、２または３に記載の撮像レンズ。
【請求項５】
前記液晶層が、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、前記印加電圧の大きさにかかわらず前記液晶の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率を示すとともに、前記液晶レンズが次の（１）から（４）のいずれか1つの要件を満たす請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
（１）前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率ｎｏに等しく、電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率ｎｅ（ｎｅ≠ｎｏ）に等しく、前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料からなる。
（２）前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率ｎｅに等しく、電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率ｎｏ（ｎｅ≠ｎｏ）に等しく、前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料からなる。
（３）前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率ｎｅに等しく、電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率ｎｏ（ｎｅ≠ｎｏ）に等しく、前記フレネル回折レンズ面が、液晶層の異常光屈折率ｎｅと実質的に同じ値の異常光屈折率ｎＦｅと前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に同じ値の常光屈折率ｎＦｏを有する透明複屈折材料からなり、前記所定の偏光方向の直線偏光に対してｎＦｅを、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対してｎＦｏをそれぞれ示す。
（４）（１）または（２）において、液晶レンズの前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料に代えて、前記液晶層の異常光屈折率ｎｅと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料からなっていて、さらに、前記液晶レンズが、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して発生する位相差を相殺するための偏光位相補正面を備えている。
【請求項６】
前記液晶レンズは、前記所定の偏光方向の直線偏光に対する、電圧非印加時および印加時の液晶層の屈折率ｎ１およびｎ２、前記フレネル回折レンズ面の屈折率ｎＦについて、｜ｎ１−ｎＦ｜と｜ｎ２−ｎＦ｜との屈折率差のうち小さい方をΔｎとしたときに、Δｎとフレネル回折レンズ面の凹凸部の深さｄ［ｎｍ］との積Δｎ×ｄが、
３９０×ｍ≦Δｎ×ｄ≦６５０×ｍ
（ただしｍ＝１、２、または３のいずれか）
を満たす液晶レンズである請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像レンズ。
【請求項７】
前記液晶レンズのフレネル回折レンズ面が形成されていない前記他方の透明基板の前記対向面上には、前記フレネル回折レンズ面と中心を一致させて輪帯状に配置された凹凸形状を有する位相補正面がまず備えられ、前記位相補正面上に前記透明電極が形成されている請求項６に記載の撮像レンズ。
【請求項８】
前記電圧印加の有無により請求項１〜７のいずれか１項に記載の液晶レンズの屈折力を、実質的にゼロの状態と、正の屈折力をもつ状態と、に切替えることにより、通常撮影と近接撮影とを切替え可能な撮像レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像光学系において通常撮影と近接撮影とを切替えておこなうためには、複数のレンズにより構成されるレンズを用い、通常撮影から近接撮影への切替え時に構成する複数のレンズのうち少なくとも１つのレンズを光軸上で移動させる（特開平１０−１０４４９１号公報）、あるいは、他のレンズを撮像レンズの前に装着する（実用新案登録第３０９４１５６号公報）、等をおこなう必要があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特開平１０−１０４４９１号公報に開示されたようなレンズを光軸方向に移動させる方式では、レンズを光軸上で移動させるための可動機構が必要となり、撮像光学系を作製するときに、可動機構の組み立てや光学調整を要し、また、可動部の磨耗等による性能の経時劣化が避けられない。また実用新案登録第３０９４１５６号公報に開示されるような、近接撮影時に他のレンズを装着して用いる方法では、かかる他のレンズを装着、取り外したり、非装着時に収納したりするための工夫が必要になるため、撮像光学系の構成が複雑になり小型化に制約がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、以下の要旨を有する。【０００５】
１．液晶レンズと屈折レンズとが積層された撮像レンズにおいて、
前記屈折レンズは正の屈折力をもつ屈折レンズであって、
前記液晶レンズは、
一対の透明基板が対向して配設されていて、
前記一対の透明基板の、相対向する２つの面のうち一方の透明基板においては鋸歯状の断面形状を有する輪帯状の凹凸部が同心円状に配置されたフレネル回折レンズ面と透明電極とが、他方の透明基板においては透明電極が、それぞれ形成されており、
前記透明基板間には、前記凹凸部を充填する液晶層が挟持されていて、
前記透明電極に対して外部電源から給電することにより液晶層に電圧を印加して液晶層の配向状態を変化可能とされた液晶レンズであって、
前記液晶レンズへの印加電圧を変化させることにより焦点距離を変化させることを特徴とする撮像レンズ。【０００６】
２．積層液晶レンズと屈折レンズとが積層された撮像レンズにおいて、
前記屈折レンズは正の屈折力をもつ屈折レンズであって、
前記積層液晶レンズは、第１および第２の液晶レンズを備えていて、
前記第１および第２の液晶レンズのそれぞれは、
一対の透明基板が対向して配設されていて、
前記一対の透明基板の、相対向する２つの面のうち一方の透明基板においては鋸歯状の断面形状を有する輪帯状の凹凸部が同心円状に配置されたフレネル回折レンズ面と透明電極とが、他方の透明基板においては透明電極が、それぞれ形成されており、
前記透明基板間には、前記凹凸部を充填する液晶層が挟持されていて、
前記透明電極に対して外部電源から給電することにより液晶層に電圧を印加して液晶層の配向状態を変化させて所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折力を変化可能とされた液晶レンズであって、
前記積層液晶レンズは、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズとが、それぞれの所定の偏光方向が互いに直交するように積層されていて、
前記積層液晶レンズへの印加電圧を変化させることにより焦点距離を変化させることを特徴とする撮像レンズ。【０００７】
３．前記積層液晶レンズを構成するそれぞれの液晶レンズのフレネル回折レンズ面の位相関数が互いに異なる上記２に記載の撮像レンズ。【０００８】
４．前記液晶レンズの焦点距離、アッベ数をそれぞれｆＤ、νＤ、前記正の屈折力をもつ屈折レンズの焦点距離、アッベ数をそれぞれｆＲ、νＲとしたときに、
【数１】
2006115147.tif 000002
を満足する上記１、２または３に記載の撮像レンズ。【０００９】
５．前記液晶層が、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、前記印加電圧の大きさにかかわらず前記液晶の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率を示すとともに、前記液晶レンズが次の（１）から（４）のいずれか1つの要件を満たす上記１〜４のいずれか１つに記載の撮像レンズ。【００１０】
（１）前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率ｎｏに等しく、電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率ｎｅ（ｎｅ≠ｎｏ）に等しく、前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料からなる。【００１１】
（２）前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率ｎｅに等しく、電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率ｎｏ（ｎｅ≠ｎｏ）に等しく、前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料からなる。【００１２】
（３）前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態では、液晶分子の配向方向が基板面に対して実質的に平行であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に異常光屈折率ｎｅに等しく、電圧印加時のオン状態では、前記配向方向は基板面に対して実質的に垂直であって前記所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率が実質的に常光屈折率ｎｏ（ｎｅ≠ｎｏ）に等しく、前記フレネル回折レンズ面が、液晶層の異常光屈折率ｎｅと実質的に同じ値の異常光屈折率ｎＦｅと前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に同じ値の常光屈折率ｎＦｏを有する透明複屈折材料からなり、前記所定の偏光方向の直線偏光に対してｎＦｅを、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対してｎＦｏをそれぞれ示す。【００１３】
（４）（１）または（２）において、液晶レンズの前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料に代えて、前記液晶層の異常光屈折率ｎｅと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料からなっていて、さらに、前記液晶レンズが、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して発生する位相差を相殺するための偏光位相補正面を備えている。【００１４】
６．前記液晶レンズは、前記所定の偏光方向の直線偏光に対する、電圧非印加時および印加時の液晶層の屈折率ｎ１およびｎ２、前記フレネル回折レンズ面の屈折率ｎＦについて、｜ｎ１−ｎＦ｜と｜ｎ２−ｎＦ｜との屈折率差のうち小さい方をΔｎとしたときに、Δｎとフレネル回折レンズ面の凹凸部の深さｄ［ｎｍ］との積Δｎ×ｄが、
３９０×ｍ≦Δｎ×ｄ≦６５０×ｍ
（ただしｍ＝１、２、または３のいずれか）
を満たす液晶レンズである上記１〜４のいずれか１つに記載の撮像レンズ。【００１５】
７．前記液晶レンズのフレネル回折レンズ面が形成されていない前記他方の透明基板の前記対向面上には、前記フレネル回折レンズ面と中心を一致させて輪帯状に配置された凹凸形状を有する位相補正面がまず備えられ、前記位相補正面上に前記透明電極が形成されている上記６に記載の撮像レンズ。【００１６】
８．前記電圧印加の有無により上記１〜７のいずれか１つに記載の液晶レンズの屈折力を、実質的にゼロの状態と、正の屈折力をもつ状態と、に切替えることにより、通常撮影と近接撮影とを切替え可能な撮像レンズ。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の撮像レンズは、外部からの印加電圧によりレンズ機能を変化させることができる。可動機構が不要なため構成が簡略化されて、組立て調整が容易になり小型化が可能となる。また機械的な磨耗がないので信頼性が向上する。さらにレンズ機能を高速で切替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の撮像レンズの概略断面図である。
【図２】本発明の撮像レンズに用いられる積層液晶レンズの概略断面図である。
【図３】液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を表すグラフであって、αは、中心からの距離ｒに対する光路長差を、波長λ単位で標記したグラフ。βはαの光路長差を波長λで分割して光路長差ゼロの面に投影し、ゼロ以上λ以下の位相差とした光路長差を表すグラフ。γは透過波面変化のない光路長差ゼロを表すグラフ。
【図４】液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を表すグラフであって、α１、α２は横軸を半径ｒとし、光路長差を波長λ単位で標記したグラフ。β１、β２はα１、α２の光路長差を波長λで分割して光路長差ゼロの面に投影し、ゼロ以上λ以下の位相差とした光路長差を表すグラフ。γは透過波面変化のない光路長差ゼロを表すグラフ。
【図５】本発明の撮像レンズに用いられる、位相補正層をもつ液晶レンズの輪帯部分の概略断面図である。
【図６】位相補正層を持たない液晶レンズ（ａ）と持つ液晶レンズ（ｂ）のそれぞれが発生する位相差の、印加電圧に対する挙動を示すグラフである。
【図７】本発明の撮像レンズに用いられる、位相補正層をもつ液晶レンズの概略断面図である。
【図８】本発明の撮像レンズに用いられる、正、ゼロ、負の屈折力をもつ液晶レンズの結像特性の印加電圧に対する挙動を示すグラフである。実施例のレンズ断面図である。
【図９】本発明の撮像レンズに用いられる、偏光位相補正面を備えた液晶レンズの結像特性の概略断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
２：第１の液晶レンズのフレネル回折レンズ面、液晶層、透明電極、など
４：第２の液晶レンズのフレネル回折レンズ面、液晶層、透明電極、など
５：石英ガラス基板
６：屈折レンズ
７：非球面
８：非球面
９：絞り
１０：積層液晶レンズ
１０Ａ：第１の液晶レンズ
１０Ｂ：第２の液晶レンズ
１１：石英ガラス基板
１１Ａ、１１Ｂ：石英ガラス基板
１２：石英ガラス基板
１３、１３Ａ、１３Ｂ：シール
１４、１４Ａ、１４Ｂ：液晶層
１５、１５Ａ、１５Ｂ、１６、１６Ａ、１６Ｂ：透明電極
１７、１７Ａ、１７Ｂ：フレネル回折レンズ面
１８：位相補正面
１９：外部電源
２０：偏光位相補正面を備えた液晶レンズ
２１：透明基板
２２：偏光位相補正面
２３：等方性材料層
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の撮像レンズの実施形態について図面を用いて説明するが、本発明の撮像レンズには、本明細中に記載した以外にも多種の実施形態があり、以下の説明に限定されない。【００２１】
図１に概略断面図を示す本発明の撮像レンズは、物体側から、積層液晶レンズ１０と、絞り９と、非球面７、８を有し正の屈折力をもつ単レンズ６とが、光軸を一致させてこの順番で配置されている。絞り９は積層液晶レンズ１０の物体側に置いてもよく、あるいは、単レンズ（屈折レンズ）６を途中で平面で分割し、そこに挟持させる構成としてもよい。また、正の屈折力をもつ単レンズ６に換えて正の屈折力をもつ屈折レンズ群や複数の屈折レンズ群を用いて、積層液晶レンズ１０を、屈折レンズ群の途中や、屈折レンズ群と屈折レンズ群の間に配置したりすることもできる。さらにまた、物体側から、正の屈折力をもつ単レンズ６、絞り９、積層液晶レンズ１０の順番で配置することもできる。【００２２】
まず、積層液晶レンズ１０を図２の模式的断面図を用いて説明するが、本発明の撮像レンズに用いられる積層液晶レンズは以下に限定されない。積層液晶レンズ１０は、第１の液晶レンズ１０Ａと第２の液晶レンズ１０Ｂとが、それぞれの液晶レンズがレンズ機能をもつ偏光方向（以下、所定の偏光方向という）が直交するように積層されている。このように積層された積層液晶レンズをもつ撮像レンズとすると、入射光の偏光状態によらずレンズ機能を切り替え可能で、撮像特性が良好な撮像レンズが得られるので好ましい。【００２３】
第１および第２の液晶レンズ１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ一対の透明基板（１１Ａと１２、１１Ｂと１２）を用いて形成されていて、一対の透明基板の一方１２を共通で用いている。それぞれの液晶レンズの透明基板１１Ａ、１１Ｂ上には、透明材料からなる輪帯状の鋸歯状の断面形状を有する凹凸部が同心円状に配置されたフレネル回折レンズ面（以下単に、フレネル回折レンズ面という）１７Ａ、１７Ｂ、および、透明電極１６Ａ、１６Ｂと、が備えられ、透明基板１２の両面には、透明電極１５Ａ、１５Ｂが備えられている。それぞれの１対の透明基板は、フレネル回折レンズ面１７Ａ、１７Ｂ、透明電極１５Ａ、１６Ａおよび１５Ｂ、１６Ｂ、および配向膜を形成した後、これらが形成された面を対向させて、周囲にスペーサを混入したシール１３Ａ、１３Ｂを設けて所望の間隔となるように圧着され、セル化される。次いでシールに設けられた注入孔（図示せず）から、フレネル回折レンズ面１７Ａ、１７Ｂの凹部および前記透明基板間（凹凸部）を充填するように液晶が注入され、注入孔を封止して、液晶層１４Ａ、１４Ｂを形成して、第１および第２の液晶レンズ１０Ａ、１０Ｂとされる。それぞれの液晶レンズの液晶層１４Ａ、１４Ｂへは、それぞれ透明電極１５Ａと１６Ａ、１５Ｂと１６Ｂの間に外部電源１９を用いて電圧を印加することにより、電圧を印加可能とされている。【００２４】
第１および第２の液晶レンズは、上述の説明のように一対の透明基板の一方を共用して形成してもよいが、それぞれの液晶レンズを別々に作製したのち、積層一体化させてもよい。また、図２ではフレネル回折レンズ面１７Ａ、１７Ｂはそれぞれ透明基板１１Ａ、１１Ｂ上に形成されているが、透明基板１２上に形成されていてもよい。【００２５】
それぞれの透明基板の液晶が接する面には配向処理を施すことが好ましい。電圧非印加時に液晶を基板面と実質的に平行に配列させる水平配向をおこなわせる場合には、基板面にポリイミド膜を形成し表面を一方向にラビング処理する水平配向処理を施すことが好ましいが、これに限定されず他の水平配向処理法を用いてもよい。とくに、液晶層を基板面に水平配向させるホモジニアス配向とするときは、前記ラビング処理の方向、すなわち配向処理方向は、対向させた透明基板間で同一方向とすることが好ましい。また、電圧非印加時に、基板面と実質的に垂直に液晶を配列させる垂直配向としたい場合には、一方の基板面にアミノシラン系などの垂直配向膜による垂直配向処理を施すとともに、液晶が、電圧印加時に面内で向く方向を規制するために、他方の基板面には一方向に水平配向処理を施すことが好ましいが、これに限定されず他の垂直配向処理法を用いてもよい。【００２６】
また、第１および第２の、２枚の液晶レンズが積層され備えられた撮像レンズ構成に代えて、１枚の液晶レンズのみが備えられた撮像レンズ構成としてもよい。この構成によれば、例えば、一方の偏光方向の直線偏光の入射光についてのみレンズ機能をもつ撮像レンズが実現される。【００２７】
本発明で用いる透明基板は、撮像レンズを用いる光の波長に対して透明な材料で形成された平板基板であればよく、石英ガラスや光学ガラスなどの無機材料からなる平板基板、ポリカーボネートやアクリルなどの樹脂からなる透明基板を用いることができる。基板による複屈折の影響を避けるためには等方性の透明材料であることが好ましい。複屈折性を示さず耐久性が優れるので、石英ガラス、光学ガラス平板が好ましく用いられる。透明基板の厚さとしては０．０５〜１．０ｍｍが例示されるが、これに限定されない。【００２８】
前記液晶層に電圧を印加するための透明電極としては、ＩＴＯ（酸化錫ドープ酸化インジウム）膜、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）膜、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）膜などの酸化物透明導電膜が高い透明性と導電率とが得られるため好ましく用いられる。【００２９】
前記フレネル回折レンズ面は、前記透明基板の表面を切削、プレス、あるいはフォトリソグラフィとエッチングなどの手法により加工して形成される。そのとき前記透明基板自体の表面を加工して形成してもよいが、透明基板上に透明材料からなる層を形成し、その層を前述の手法により加工して形成してもよい。透明基板上に層形成するための透明材料としては、各種の無機材料や、感光性樹脂や熱硬化樹脂などの有機材料を用いることができる。無機材料としてはＳｉＯｘＮｙ膜（ｘ、ｙはＳｉに対するＯおよびＮの原子数比）、ＳｉＯ２膜、Ｓｉ３Ｎ４膜、Ａｌ２Ｏ３膜などを用いることができるが、なかでもＳｉＯｘＮｙ膜が、成膜条件によりｘ、ｙを変化させて所望の屈折率に調整可能であり、透明性、耐久性にも優れる点から好ましく用いられる。有機材料としては感光性ポリイミド、高分子液晶などを用いることができ、特に複屈折材料でフレネル回折レンズ面を形成する場合には、光重合性の高分子液晶が、屈折率および配向方向を、用いる液晶化合物の性状、組成や配向処理により制御可能な点から好ましく用いられる。【００３０】
フレネル回折レンズ面の光学設計は、既知の位相関数法を用いておこなうことができる。すなわち、液晶レンズの光軸中心である輪帯状の中心からの距離ｒの関数である位相関数ＯＰＤ（ｒ）は、
ＯＰＤ（ｒ）＝ａ２ｒ２＋ａ４ｒ４＋ａ６ｒ６＋・・・        （１）
（ａ２、ａ４、ａ６、・・・・は各項の係数）
を用いて、各項の係数ａ２、ａ４、ａ６、・・・をパラメーターとして、設計をおこなうことができる。ただし（１）式の光路長差ＯＰＤ（ｒ）は［μｍ］単位で、ｒは［ｍｍ］単位である。また、（１）式の位相関数以外の関数形を用いて設計してもよい。さらに非球面レンズや、回転対称ではないアナモルフィックなレンズを表現できる関数形を用いてもよい。【００３１】
（１）式で表記される位相関数ＯＰＤ（ｒ）曲線の具体例を図３に示す。プロットαは、各位置ｒにおける、光軸中心（ｒ＝０）に対する光路長差であり、入射光の波長λの単位で表わされている。入射光の波長λの整数倍の光路長差をもつ透過波面は同等とみなすことができるので、プロットαを波長λ間隔で分割して光路長差ゼロの面に射影した鋸歯状のプロットβは、プロットαと実質的に同等の光路長差となる。したがって、光路長差λに対応する凹凸部深さｄで、プロットβに相当する鋸歯状の凹凸部を形成すると、波長λを中心とする波長帯の光に対して、浅い凹凸部の深さｄでプロットαと同等の所望の屈折力をもつフレネル回折レンズ面が得られる。ここで光路長差は、フレネル回折レンズ面の凸部を形成する透明材料と凹部を埋める媒質との屈折率差と、光が進む距離と、の積で定義される。このようなフレネル回折レンズ面を用いた液晶レンズは、凹凸部の加工が容易になり、また液晶層が薄くなるため駆動電圧を低電圧化できるとともに応答性が向上するので好ましい。【００３２】
可視光領域の全域に対して良好な撮像特性を得るためには、前記フレネル回折レンズ面の凹凸部の深さに対応する波長λは５００〜５５０ｎｍの範囲から決められることが好ましい。すなわち、前記所定の偏光方向の直線偏光に対する、前記液晶レンズがレンズ機能をもつ状態での、液晶層とフレネル回折レンズ面との屈折率差Δｎと、フレネル回折レンズ面の凹凸部の深さｄ［ｎｍ］との積Δｎ×ｄが、
（ｍ−０．２５）×５００≦Δｎ×ｄ≦（ｍ＋０．２５）×５５０
（ただしｍ＝１、２、または３のいずれか）
を満たすようにすることが好ましい。この構成により、前記液晶層に印加する電圧により、第１、第２の透明電極の間に印加する電圧Ｖのうち、Ｍ個（但し、Ｍは２以上の自然数）の所定の印加電圧のそれぞれに対応して可視領域の波長の光線に対する焦点距離が存在し、可視領域の波長の光線に対してレンズ機能を有する状態と、レンズ機能を持たない状態とを切替え可能な液晶レンズが実現できるので好ましい。特に、
（ｍ−０．２５）×５２０≦Δｎ×ｄ≦（ｍ＋０．２５）×５２０
（ただしｍ＝１、２、または３のいずれか）
とすると、可視光線の全波長域に対してより優れた撮像特性が得られるため、より好ましい。【００３３】
このとき、ｍ＝１の場合、すなわち、
３７５≦Δｎ×ｄ≦６８７．５
とすると、可視領域の波長の光線に対して効率の良くレンズ機能を有する状態と、レンズ機能を持たない状態との２つの状態を切替え可能な液晶レンズが実現される。さらに、
３９０≦Δｎ×ｄ≦６５０
とすると、可視領域の波長の光線に対するレンズ機能の有無が切替え可能で、可視光線の全波長域に対してより優れた撮像特性が得られて、より好ましい。【００３４】
第１の液晶レンズと第２の液晶レンズとは、積層した時のフレネル回折レンズ面の間隔の分だけ焦点距離を異なる設計とすることが好ましい。この光学設計により、積層液晶レンズとしたときにより良好な撮影特性が得られる。なお、焦点距離ｆＤは、ｒ２の係数であるａ２を用いて、
ｆＤ＝π／（λ・ａ２）
のように表される。また、液晶レンズのアッベ数νＤは、撮像レンズを用いる際の波長をλ１、λ２、λ３（λ１＜λ２＜λ３）として、
νＤ＝（ｎ（λ２）-1）／（ｎ（λ１）−ｎ（λ３））        ・・・・（２）
で定義される。すなわち、λ１＝４８６ｎｍ（Ｆ線）、λ２＝５８９ｎｍ（Ｄ線）、λ３＝６５６ｎｍ（Ｃ線）として、νＤ＝−３．４６である（光学ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１２（１９９６）  ｐ６８５参照）。ここで、例えばｎ（λ２）はＤ線に対する屈折率を意味する。【００３５】
本発明の撮像レンズに用いる屈折レンズは、正の屈折力をもち、略無限遠の物体に対して収差補正された屈折レンズが用いられ、両面が非球面の単レンズ、複数のレンズが組み合わされたレンズ群からなるレンズ、また複数のレンズ群が組み合わされたレンズであってもよい。【００３６】
単レンズを用いる場合は、両面が非球面からなる単レンズとすることが好ましい。このような非球面の形状は、下記の（３）式によって決定することができる。（３）式においてｊはレンズが持つ面を表す。例えば両凸レンズならば、面は２面なので、ｊ＝１、２である。ｉ（ただしｉ＝２、４、６、８、１０・・）は非球面次数を示す。ｈは光軸からの高さであり、ｚｊは第ｊ面非球面の頂点の接平面からその非球面上の高さｈの点までの距離であり、ｒｊ、ｋｊ、ａｉ，ｊは係数である。【００３７】
【数２】
2006115147.tif 000003
【００３８】
屈折レンズとして単レンズを用いる場合、アッベ数は用いる材料で決まり、例えばポリメチルメタクリレート樹脂を用いる場合には５７．４である。【００３９】
本発明の撮像レンズでは、屈折力を切替え可能な液晶レンズと、正の屈折力を持つレンズとを組み合わせることにより、撮像レンズの焦点距離を切替える機能が実現される。とくに、液晶レンズがゼロの屈折力をもつ状態で無限遠の撮影が可能であって、液晶レンズが正のレンズ機能を持つ状態で物体面から撮像レンズまでの距離を略液晶レンズの焦点距離に等しくすることで、近接撮影が可能とすることができる。【００４０】
本発明の撮像レンズにおいて、撮像レンズのレンズ機能を切替えても、いずれの状態においても良好な撮像特性を実現するためには、液晶レンズの、切替えて用いる全ての焦点距離ｆＤとアッベ数νＤ、正の屈折力を持つ屈折レンズの焦点距離ｆＲとアッベ数νＲについて、【００４１】
【数３】
2006115147.tif 000004
【００４２】
で定義される式の値が０以上かつ２以下であることが好ましい。この関係を満足する構成とすることにより、本発明の撮像レンズでは、切替えて用いる液晶レンズのいずれの屈折力の状態に対しても、色収差を十分小さく良好な撮像特性が実現される。（４）式の値が２より大きいと、本発明の撮像レンズの色収差が大きくなり好ましくない。より良好な色収差を達成するためには１．５以下がより好ましい。一方、０より小さいと、液晶レンズにより焦点距離を切り替える効果が小さくなり好ましくない。また、液晶レンズによる焦点距離切替えの効果を高めるために０．５以上とすることがより好ましい。【００４３】
液晶レンズのフレネル回折レンズ面を、透明基板上にフレネル回折レンズ面を形成し、次いで透明電極を形成する構成とすると、液晶レンズの駆動電圧を低くすることができて好ましい。
また、透明基板上にまず透明電極を形成し、次いでフレネル回折レンズ面を形成する構成としてもよく、この構成では、面内で均一な導電性をもつ透明電極が形成し易くまた断線や短絡が発生し難く信頼性が高まるので好ましい。このとき、フレネル回折レンズ面と対向する透明基板上の透明電極との間隔は、液晶レンズの応答速度を速くしたり、低電圧で駆動可能としたりするためには、凹凸部の最も厚い部分と対向する基板の最表面との間隔を１０μｍ以下とすることが好ましい。一方、あまり間隔を狭めると短絡の可能性が増大するために、０．５μｍ以上とすることが好ましい。さらに同様の理由で１μｍ以上３μｍ以下がより好ましい。【００４４】
ここで、透明材料の電気体積抵抗率ρＦが液晶の電気体積抵抗率ρＬＣに比べて充分低い場合、具体的にはρＦ／ρＬＣが１０−５以下の場合は、それぞれの液晶レンズの対向する２つの透明電極間に印加された電圧は実効的に液晶層に印加されるため、フレネル回折レンズ面内で液晶層の屈折率は均一であり、フレネル回折レンズ面の実効的な形状は、液晶層の均一な屈折率と凹凸部の幾何学的形状とで決まる。しかしながら、フレネル回折レンズの凹凸部の透明材料の電気体積抵抗率ρＦが液晶の電気体積抵抗率ρＬＣに比べて充分低くない場合、具体的にはρＦ／ρＬＣが１０−５超の場合には、フレネル回折レンズ面の凹凸部の高さｄＦにより、液晶層に印加される電圧ＶＬＣが異なるため、液晶層の実質的な屈折率ｎＬＣに空間分布が生じる。したがって、フレネル回折レンズの光学的形状は、凹凸部の透明材料の屈折率ｎＦおよび高さｄＦと、空間分布をもつ液晶の屈折率ｎＬＣ、凹凸部の最も厚い部分と対向する基板の最表面との間隔により決定される。そのため、この間隔は前述の条件に加えて、さらに回折効率が最適な値になるように調整することが好ましい。【００４５】
本発明の撮像レンズに用いる液晶レンズは、備えられた前記液晶層が、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、前記印加電圧にかかわらず前記液晶の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率を示すとともに、次の（１）から（４）のいずれかの要件を満たす構成とすることが好ましい。【００４６】
（１）前記液晶レンズの液晶層は、液晶分子長軸方向の比誘電率ε／／と液晶分子短軸方向の比誘電率ε⊥との差である誘電異方性△ε（＝ε／／−ε⊥）が負のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態の液晶分子は前記液晶層に対して実質的に垂直に揃う垂直配向であり、電圧印加時のオン状態の液晶分子は液晶層内の前記所定の方向に揃う水平配向である。また、前記フレネル回折レンズ面は、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率の透明等方性材料からなる。【００４７】
（２）前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正（△ε＞０）のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態の液晶分子は液晶層内の前記所定の方向に揃う水平配向であり、電圧印加時のオン状態の液晶分子は前記液晶層に対して実質的に垂直に揃う垂直配向である。また、前記フレネル回折レンズ面は、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率の透明等方性材料からなる。【００４８】
（３）前記液晶レンズの液晶層は、誘電異方性が正（△ε＞０）のネマティック液晶からなり、電圧非印加時のオフ状態の液晶分子は液晶層内の前記所定の方向に揃う水平配向であり、電圧印加時のオン状態の液晶分子は前記液晶層に対して実質的に垂直に揃う垂直配向である。また、前記フレネル回折レンズ面は、液晶層の異常光屈折率ｎｅと実質的に同じ値の異常光屈折率ｎＦｅと前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に同じ値の常光屈折率ｎＦｏを有する透明複屈折材料からなり、前記所定の偏光方向の直線偏光に対してｎＦｅを、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対してｎＦｏをそれぞれ示すように形成されている。【００４９】
（４）（１）または（２）において、液晶レンズの前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料に代えて、前記液晶層の異常光屈折率ｎｅと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料からなっていて、さらに、前記液晶レンズが、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して発生する位相差を相殺するための偏光位相補正面を備えている。【００５０】
以下それぞれの構成について説明する。
（１）の構成では、電圧非印加時には、液晶層はフレネル回折レンズ面と実質的に屈折率差をもたないためレンズ機能をもたない。電圧を印加していくと、液晶分子は、電界と垂直方向かつフレネル回折レンズ面と対向する面に施された水平配向処理の方向に揃っていき、液晶層が前記所定の偏光方向の直線偏光に対して示す屈折率は異常光屈折率ｎｅに近づいてフレネル回折レンズ面と屈折率差を生じ、レンズ機能をもつようになる。この構成によれば、電圧非印加時にレンズ機能をもたず、電圧印加時にレンズ機能をもたせるよう制御可能なレンズ機能を、簡単な構成で実現できるため好ましい。また、フレネル回折レンズの凹凸部に水平配向処理を施す必要がないため均一な配向が得やすく好ましい。【００５１】
（２）の構成では、電圧非印加時には、液晶層はフレネル回折レンズ面との屈折率差によりレンズ機能をもつ。電圧を印加していくと、液晶分子は電界方向に揃っていき、液晶分子が垂直方向に揃うとレンズ機能を示さない。この構成によれば、電圧印加時にレンズ機能をもたず、電圧非印加時にレンズ機能をもたせるよう制御可能なレンズ機能を、簡単な構成で実現できるため好ましい。【００５２】
また、（１）または（２）の構成では、レンズ機能をもつ状態で前記所定の偏光方向の直線偏光に対して液晶層とフレネル回折レンズ面とで大きな屈折率差が得られるので、フレネル回折レンズ面の凹凸部を浅くできて加工が容易になる。また、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、前記液晶層は常に常光屈折率ｎｏを示し、フレネル回折レンズ面と実質的に屈折率差をもたないため、位相差を生じさせない。【００５３】
（３）の構成では、前記フレネル回折レンズ面は透明複屈折材料からなり、電圧非印加時にはレンズ機能をもたないで、電圧の印加とともに液晶層が、前記所定の偏光方向の直線偏光に対して示す屈折率は異常光屈折率ｎｅに近づいて、レンズ機能をもつようになる。また、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、前記液晶層は常に常光屈折率ｎｏを示し、フレネル回折レンズ面と実質的に屈折率差をもたないため、位相差を生じさせない。この構成では、電圧印加時に前記所定の偏光方向の直線偏光に対して液晶層とフレネル回折レンズ面とで大きな屈折率差が得られるのでフレネル回折レンズ面の凹凸部を浅くでき加工が容易になって好ましい。また、電圧非印加時にレンズ機能をもたず、電圧印加時にレンズ機能をもたせるよう制御可能なレンズ機能を簡単な構成で実現できる。この構成におけるフレネル回折レンズ面を形成する透明複屈折材料として、光重合性液晶組成物を光重合させて形成する高分子液晶を用いると、種々の液晶組成物を選択し必要により調合して屈折率などの特性が調整可能なため好ましい。【００５４】
（２）および（３）の構成では、水平配向の液晶に代えて、フレネル回折レンズ面形成側の面には垂直配向処理を、対向する基板面には水平配向処理をそれぞれ施した、ハイブリッド配向の液晶を用いてもよい。この構成では、フレネル回折レンズ面の凹凸面上に水平配向処理を施さなくてよいので、配向の乱れが生じないため好ましい。この場合、液晶層は、水平配向処理方向と平行な偏光方向の直線偏光に対して電圧非印加時に（ｎｏ＋ｎｅ）／２に実質的に等しい屈折率を示し、電圧印加時には常光屈折率ｎｏを示す。また、水平配向処理方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、常に常光屈折率ｎｏを示す。【００５５】
（１）または（２）の構成の液晶レンズにおいて、前記フレネル回折レンズ面が、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料に代えて、前記液晶層の異常光屈折率ｎｅと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料からなる場合、前記液晶レンズは、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、常に位相差を生じる。（４）の構成では、この位相差を相殺するための偏光位相補正面をさらに備えている。この構成により、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、液晶レンズが位相差を常に発生させないので、レンズ機能をもつ状態とレンズ機能をもたない状態とを切り替え可能な液晶レンズを実現できて好ましい。【００５６】
この偏光位相補正面を備えた液晶レンズ２０を、図９を用いて説明する。図９の構成では、液晶レンズ１０に対して、透明複屈折材料からなるフレネル回折レンズ形状の偏光位相補正面２２が形成された透明基板２１が、フレネル回折レンズ形状の凹部を充填する等方性材料層２３により、液晶レンズの一方の透明基板１２に固定されている。【００５７】
偏光位相補正面２２は、水平配向処理された透明基板２１上に形成された高分子液晶層を、フレネル回折レンズ形状に加工して作製される。偏光位相補正面２２が形成された透明基板２１は、等方性材料層２３により、両基板間および偏光位相補正面２２の凹部を充填され固定される。このとき、偏光位相補正面２２の水平配向処理方向と、液晶レンズ１０の前記所定の偏光方向とが直交するように積層される。等方性材料層２３の等方性材料は、前記高分子液晶層の常光屈折率と実質的に等しい屈折率の材料とされる。偏光位相補正面２２は、液晶レンズ１０の前記所定の偏光方向の直線偏光に対しては透過波面を変化させず、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、液晶レンズ１０がこの偏光方向に対して常に発生する位相差を打ち消す位相差を発生するように設計される。【００５８】
この構成では、前記所定の偏光方向の直線偏光に対して、それぞれ電圧非印加時または電圧印加時にレンズ機能を持たず、電圧印加時または電圧非印加時にレンズ機能を持つように制御可能なレンズ機能を、簡単な構成で実現できる。また、レンズ機能をもつ状態で前記所定の偏光方向の直線偏光に対して液晶層とフレネル回折レンズ面とで大きな屈折率差が得られるので、フレネル回折レンズ面の凹凸部を浅くできるため加工が容易になる。また、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、前記液晶層は常に常光屈折率ｎｏを示し、フレネル回折レンズ面と実質的に屈折率差をもたないため、位相差を生じさせない。さらに、偏光位相補正面２２を形成する高分子液晶の常光屈折率、異常光屈折率は、液晶レンズの液晶の常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅに制約されないため、高分子液晶の材料選択の自由度が高いという長所もある。【００５９】
また、別の態様として、（１）および（２）の構成で、液晶レンズの前記フレネル回折レンズ面を、前記液晶層の常光屈折率ｎｏと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料に代えて、前記液晶層の異常光屈折率ｎｅと実質的に等しい屈折率ｎＦの透明等方性材料からなるフレネル回折レンズ面とし、（４）で説明したような偏光位相補正面を備えない構成の液晶レンズとしてもよい。このようにすることにより、前記所定の偏光方向の直線偏光に対して、それぞれ電圧印加時と電圧非印加時とでレンズ機能を切替えて制御することが可能な液晶レンズを、簡単な構成で実現できる。この構成では、前記所定の偏光方向の直線偏光に対して、液晶層とフレネル回折レンズ面とで大きな屈折率差が得られるので、フレネル回折レンズ面の凹凸部を浅くできて加工が容易になる。また、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、前記液晶層とフレネル回折レンズ面は常に屈折率差をもつため、常にレンズ機能をもつ。そのため、この構成の液晶レンズを２枚、それぞれのレンズ機能を制御することができる所定の偏光方向を互いに直交させて積層させた積層液晶レンズとすると、２枚の液晶レンズのいずれか一方のみがレンズ機能をもつ状態と、両方がレンズ機能をもつ状態とを切替えることにより、入射光の偏向状態によらずレンズ機能を切替え可能な積層液晶レンズが得られる。【００６０】
本発明の撮像レンズに用いられる液晶レンズのさらに別の態様として、前述の（１）〜（４）の構成に代えて、前記液晶層は、前記所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して常に常光屈折率ｎｏを示し、前記所定の偏光方向の直線偏光に対して、屈折率が電圧非印加時のオフ状態のｎ１から電圧印加時のオン状態のｎ２まで変化し、フレネル回折レンズ面の屈折率ｎＦはｎ１とｎ２の中間の値であって、｜ｎ１−ｎＦ｜、｜ｎ２−ｎＦ｜のうち小さい方（フレネル回折レンズ面が複屈折性材料（常光屈折率をｎＦｏ、異常光屈折率をｎＦｅとする）からなるときは｜ｎ１−ｎＦｏ｜、｜ｎ２−ｎＦｅ｜のうち小さい方）をδｎとしたときに、δｎと前記フレネル回折レンズ面の凹凸部の深さｄＦ［ｎｍ］との積δｎ×ｄＦが、
（ｍ−０．２５）×５００≦δｎ×ｄＦ≦（ｍ＋０．２５）×５５０
（ただしｍは１以上の自然数）
とすることもできる。この構成によれば、前記液晶層の屈折率ｎ（Ｖｋ）が次式
ｎ（Ｖｋ）＝ｎ１＋［（ｍ−ｋ）／ｍ］×（ｎｓ−ｎ１）
（ただし、ｋは−ｍ≦ｋ≦ｍを満たす整数）
の関係を満たす（２ｍ＋１）個の印加電圧Ｖｋに対応して（２ｍ＋１）個の焦点距離を有する液晶レンズが実現することができる。とくに、
（ｍ−０．２５）×５２０≦δｎ×ｄＦ≦（ｍ＋０．２５）×５２０
（ただしｍは自然数）
とすると、可視光線の全波長域に対してより優れた撮像特性が得られるため、より好ましい。【００６１】
この構成では、液晶層への印加電圧を変化させることにより、正、ゼロ、および負の屈折力を切替え可能な液晶レンズが得られる。このような液晶レンズを屈折レンズと組合せて用いると、幅広くレンズ機能を変化可能な撮像レンズが得られるので好ましい。【００６２】
前記液晶レンズの、フレネル回折レンズ面形成面と対向する透明基板については、透明基板上に、まず、屈折率ｎＣの等方性透明材料で、フレネル回折レンズ面と光軸が一致するように輪帯状の凹凸形状である位相補正面１８を形成し、さらにその上に透明電極１６を形成した構成としてもよい（図５参照）。【００６３】
図５は本発明の撮像レンズに用いられる第１または第２の液晶レンズの、中心からｍ番目のフレネル回折レンズ面１７の輪帯部分近傍の模式的断面図である。フレネル回折レンズ面１７の輪帯ｍにおいて、輪帯の幅で規格化した座標系ｒｍを定義し、輪帯ｍの光軸側をｒｍ＝０、外周側をｒｍ＝１とする。透明電極の厚さは十分薄いので、対向する透明基板間の距離Ｇは、フレネンルレンズ面１７の凹凸厚さｄＦ（ｒｍ）、液晶層１４の厚さｄＬＣ（ｒｍ）、位相補正面１８の凹凸厚さｄＣ（ｒｍ）の和と等しいとみなすことができる。【００６４】
Ｇ＝ｄＦ（ｒｍ）＋ｄＬＣ（ｒｍ）＋ｄＣ（ｒｍ）
また、液晶層１４に印加される実効的な電圧ＶＬＣは、フレネル回折レンズ面１７を構成する材料の比誘電率εＦおよびフレネル回折レンズ面の厚さｄＦ（ｒｍ）に応じて変化する。具体的には、透明電極１５、１６間に印加した交流電圧をＶとすると、ＶＬＣは、次式で記載される。【００６５】
【数４】
2006115147.tif 000005
【００６６】
ここで、εＬＣは液晶層１４の実効的な比誘電率である。液晶層１４の比誘電率εＬＣは、液晶分子長軸方向の比誘電率ε／／と単軸方向の比誘電率ε⊥とが異なるため、電圧印加に伴い配向状態が変化すると、液晶分子の方向により変化する。以上より（５）式で表される液晶層に印加される実効的な電圧ＶＬＣは、フレネル回折レンズ面上の位置ｒｍの関数ということができる。よって以下、ｒｍの関数としてＶＬＣ（ｒｍ）と表記する。【００６７】
図５において、透明基板１１、１２間を透過する光の光路長ＯＰ（ｒｍ）は、位相補正面１８、液晶層１４、フレネル回折レンズ面１７の各媒質で生じる光路長の和であり、【００６８】
【数５】
2006115147.tif 000006
【００６９】
と表される。ここでｎＦ、ｎＬＣ、ｎＣはそれぞれフレネル回折レンズ面、液晶層、位相補正面の、所定の偏光方向の直線偏光に対する屈折率である。したがって、透明基板間を通過したときに、輪帯上の位置ｒｍへの入射光が、位置ｒｍ＝０への入射光に対して生じる位相差はｒｍの関数であり、これをＯＰＤ（ｒｍ）とすると、【００７０】
【数６】
2006115147.tif 000007
【００７１】
と表される。すなわち、位置ｒｍにより液晶層の実質的な屈折率ｎ（ＶＬＣ（ｒｍ））が異なるため、位相差ＯＰＤ（ｒｍ）は、光学計算によって設計した位相差からのずれが生じるおそれがある。よって、かかるずれを補正するために、前述の位相補正面を設けることが好ましい。【００７２】
このことを、フレネル回折レンズ面を構成する等方性透明材料の屈折率ｎＦを、所定の偏光方向の直線偏光に対する電圧非印加時のオフ状態の液晶層の屈折率ｎ１と電圧印加時のオン状態の液晶層の屈折率ｎ２の中間の値とし、所定の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に対して、液晶層が常に常光屈折率ｎｏを示し、液晶層への印加電圧を切替えて正、ゼロ、負の屈折力を発生する液晶レンズを例にさらに詳しく説明する。【００７３】
図６は、フレネル回折レンズ面１７の１つの輪帯内に生じる位相差ＯＰＤ（ｒｍ）の印加電圧Ｖに対する変化を示す模式図である。同図（ａ）に示すグラフは、位相補正面がない液晶レンズ構成の場合、同図（ｂ）に示すグラフは、位相補正面をもつ液晶レンズ構成の場合であり、図中の実線はＯＰＤ（ｒｍ＝１）、破線はＯＰＤ（ｒｍ＝０．５）の場合である。ｒｍ＝１での位相差、すなわちＯＰＤ（ｒｍ＝１）が実質的に−λとなる電圧Ｖ＋１では、液晶レンズに入射する平面波は図４のβ１に示すように変調され、その結果、図４のα１に示すような＋１次の回折波面として、正のパワーを含む波面に変換され収束光となる。他方、ＯＰＤ（１）≒λとなる電圧Ｖ−１では、液晶レンズに入射する平面波が図４のβ２に示すように変調される結果、α２に示すような−１次の回折波面として、負のパワーを含む波面に変換され発散光となる。次に、ＯＰＤ（１）≒０となる電圧Ｖ０では、入射する波面が変化しないので、光線の集光位置は変化しない（図４のγ）。しかし、位相補正面がない構成である図６（ａ）においては、このときフレネル回折レンズ面１７の輪帯中央での位相差ＯＰＤ（０．５）がゼロにならない。これは、輪帯内の位置ｒｍにより液晶層１４の実質的な屈折率ｎＬＣ（ＶＬＣ（ｒｍ））が異なることによるものであり、輪帯内で位相ズレが生じて波面収差が発生する問題が生じる。かかる問題はεＬＣ／εＦが大きくなるほど顕著になる。【００７４】
一方、位相補正面がある構成である図６（ｂ）では、位相補正面を形成する材料の屈折率ｎＣおよび厚さｄＣ（ｒｍ）を、位相補正面の液晶層に対する屈折率差と厚さｄＣ（ｒｍ）との積が、前述の位相ズレを相殺するように設計することにより、輪帯の全域にわたって電圧Ｖ０での位相差ズレを実質的に無くして、波面の乱れを生じさせないようにすることができる。例えば電圧Ｖ０においてｎＣ＜ｎ（ＶＬＣ）であれば、図５に示すように、輪帯中央で凸となる形状の位相補正面１８とすればよい。【００７５】
この位相補正面による位相補正は、以上説明した、正、ゼロ、負の屈折力が切替え可能な液晶レンズに対する以外に、前述の位相差αを波長ｍ・λ（ｍは２または３）間隔で区切った位相差を発生し、屈折力がゼロの状態と複数の正または負の状態とを切替え可能な液晶レンズに対しても同様に有効に用いられる。すなわちこの構成の液晶レンズでは、輪帯内の位置ｒｍにより液晶層１４の実質的な屈折率ｎ（ＶＬＣ）が異なり、それぞれの屈折力における波面の乱れが生じるおそれがあるが、かかる問題を有効に抑制することができる。【００７６】
このように、位相補正面により位相補正を行うことで、それぞれの屈折力における結像効率を向上することができる。前述の説明では、正、ゼロ、および負の屈折力が切替え可能な液晶レンズを例に取ったが、正または負の屈折力を複数段とゼロの屈折力とを切替え可能な液晶レンズに対しても、同様に切替え可能な各屈折力において、輪帯内で所望の位相が得られるようになり、好ましく用いることができる。【００７７】
また、本発明の液晶レンズ素子は、一対の電極間にフレネル回折レンズ面を有し、かつ、位相補正面を一対の電極外に備えることにより、液晶とフレネル回折レンズ面の屈折率および比誘電率、凹凸厚さ、および液晶層厚さなどの選択により、得られる位相差の電気光学特性の設計自由度が高いため、所望の面内分布の位相差を容易に実現することができて、さらに低電圧駆動あるいは多種多様の透過波面を生成することができる。【００７８】
本願発明の撮像レンズを用いる好ましい形態としては、通常撮影とマクロ撮影との切替えや、ズーム範囲の切替えが可能な撮像レンズが例示される。
以下に、実施例について説明する。【００７９】
［例１］
図１は、本発明の実施の形態に係る撮像レンズの断面図である。本例の撮像レンズは、物体側から、第１の液晶レンズ２および第２の液晶レンズが積層された積層液晶レンズ１０、絞り９、および樹脂で作成した正の屈折力の屈折レンズ６を備えている。本例の撮像レンズに用いられる積層液晶レンズ１０の概略断面図を図２に示す。積層液晶レンズの透明基板１０Ａおよび１０Ｂは、厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板を、透明基板１２は厚さ０．１ｍｍの石英ガラス基板をそれぞれ用いる。液晶には、負の誘電異方性をもち、常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅがそれぞれ１．５２、１．７５のネマティック液晶を用いる。【００８０】
フレネル回折レンズ面１７Ａ、１７Ｂは、透明基板１０Ａおよび１０Ｂ上に形成したＳｉＯｘＮｙ膜（ｘ、ｙはＳｉに対するＯおよびＮの原子数比）をフォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングにより加工して形成される。等方性で透明なＳｉＯｘＮｙ膜は、Ｓｉターゲットを用いてＡｒガスに酸素および窒素を混入した混合ガス雰囲気中で反応性スパッタリング法により、屈折率ｎｓが１．５２となるようにｘおよびｙを調整して形成される。ＳｉＯｘＮｙ膜の膜厚ｄは、屈折率が１．７５と１．５２のＳｉＯｘＮｙ膜と液晶層に対して波長５２０ｎｍに相当する光路長差を与えるため、２．３μｍとする。【００８１】
第１および第２の液晶レンズのそれぞれのフレネル回折レンズ面は、物体面を透明基板１１Ａの物体側の面から２０ｍｍの位置に想定し、第１および第２の液晶レンズの焦点距離ｆ２、ｆ２をそれぞれ２２．３１ｍｍおよび２２．３０ｍｍとして、既知の位相関数法を用いて光学設計される。すなわち、まず、（１）式の位相関数における係数：ａ２、ａ４、ａ６を求めると、第１および第２の液晶レンズ２および４のそれぞれに対して表１および表２に示す通りとなる。なお、ｒ８以上の係数はいずれも全てゼロである。【００８２】
【表１】
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【００８３】
【表２】
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【００８４】
電圧非印加時の透過波面が表１および表２の係数ａ２〜ａ６の値を用いて（１）式で表記される図３のプロットαを、波長５２０ｎｍに対応する光路長差で分割すると、図３の鋸歯状のプロットβが得られる。フォトリソグラフィグラフィおよびドライエッチングを繰り返して、ＳｉＯｘＮｙ膜を微細加工して、この光路長差となるようにプロットβを多段の階段状で近似して、フレネル回折レンズ面を形成する。【００８５】
次いで、フレネル回折レンズ面上にＩＴＯ膜をスパッタリング法により成膜して透明導電膜を形成し、これを第１透明電極１６Ａ、１６Ｂとする。さらに、ポリイミド膜を第１透明電極１６Ａ、１６Ｂ上に膜厚約５０ｎｍとなるよう塗布、焼成し、表面をラビング処理して配向膜（図示せず）とする。また、透明基板１２の両面にＩＴＯ膜をスパッタリング法により第２透明電極１５Ａ、１５Ｂとして形成し、さらにその上にポリイミド膜を膜厚約５０ｎｍ塗布した後に焼成し、表面をラビング処理して配向膜（図示せず）とする。前記ラビング処理の方向は、後述の工程で透明基板１１Ａと１２、１１Ｂと１２とを、セル化のためそれぞれ対向させたときに同じセル内で同一方向となるようにされ、かつ第１および第２の液晶レンズとで互いに直交するようにおこなう。【００８６】
次に、透明基板１１Ａと１２、１１Ｂと１２のそれぞれを、フレネル回折レンズ面および透明電極が形成された面を対向させて、スペーサを混入したシール１３Ａ，１３Ｂを用いて重ね合わせて圧着し、空セルを作製する。その後、前述のネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず）から注入し、注入口を封止して液晶層を形成し、第１および第２の液晶レンズ１０Ａ、１０Ｂとする。この液晶レンズのアッベ数νＤは、前述の（２）式より−３．４６と求められる。【００８７】
本例では、正の屈折力をもつ屈折レンズ６として、ＰＭＭＡを射出成形して作製された、中心厚が１．００ｍｍで両面が非球面７および８の単レンズを用いる。本例の屈折レンズ６の非球面の形状は、前述の（３）式によって決定される。このようにして決定された各係数を表３に示す。この単レンズのアッベ数は、５７．４である。【００８８】
【表３】
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【００８９】
このようにして作製された、積層液晶レンズ１０、正の屈折力をもつ非球面の屈折レンズ６、および絞り９を、光軸を一致させて配置する。すなわち、液晶レンズ１０の物体側と反対側の面から絞り９までの距離を０．１ｍｍ、絞り９から０．３ｍｍ離して屈折レンズを配置し、本例の撮像レンズとする。絞り９は厚さ０．１ｍｍとして作製される。【００９０】
本例の撮像レンズに対して、第１の液晶レンズ２および第２の液晶レンズ４のそれぞれの焦点距離２２．３１ｍｍ、２２．３０ｍｍを用いて前述の（４）式で定義される式の値を計算すると、ともに０．８３となる。また電圧非印加時のレンズ機能を持たない状態に対しては、（４）式で定義される式の値は、１となる。【００９１】
本例の撮像レンズは、第１および第２の液晶レンズのそれぞれの透明電極への電圧印加の有無により積層液晶レンズ１０の焦点距離を変化させ、その焦点距離を変化させることができる。すなわち本例の撮像レンズは、電圧非印加時に液晶レンズがレンズ機能を持たないときは、無限遠に対して、焦点距離  ３．２ｍｍ、後側焦点距離  ３．３ｍｍ、撮像半画角  ３３°１６′である。第１および第２の液晶レンズのそれぞれ１０Ａ、１０Ｂの、透明電極間に、外部電源１９を用いて電圧印加することによりレンズ機能を持たせて、撮像レンズの焦点距離を変化させることができる。
また本例の撮像レンズは、液晶レンズに対して電圧非印加時および印加時のいずれの場合においても色収差が小さく、良好な撮像特性であった。【００９２】
［例２］
本例の撮像レンズは、例１の撮像レンズにおける第１および第２の液晶レンズのそれぞれを、図７の概略断面図が示す液晶レンズに置き代えた構成をもつ。本例の撮像レンズの第１および第２の液晶レンズのそれぞれの部分について、図７を用いて説明する。【００９３】
石英ガラスからなる透明基板１１の片面にスパッタリングによりＩＴＯ膜を形成し、透明電極１５とする。さらにその透明電極１５上に、屈折率ｎＦが１．５２、比誘電率εＦが４の等方性透明材料であるＳｉＯｘＮｙ膜を膜厚２．９μｍとなるようにスパッタリングにより形成する。次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、図３のプロットβの位相差に相当するようにＳｉＯｘＮｙ膜を加工し、光軸を中心とした、断面形状が最大深さ２．１μｍの鋸歯状で輪帯状の凹凸部からなるフレネル回折レンズ面１７を形成する。【００９４】
一方、石英ガラスからなる他方の透明基板１２の表面に、屈折率ｎＣが１．５２の等方性透明材料であるＳｉＯｘＮｙ膜を膜厚０．２７μｍとなるように形成し、次いでエッチング技術により該ＳｉＯｘＮｙ膜を加工して所望の断面形状をもつ凹凸部を形成し、位相補正面１８とする。凹凸部の断面形状は、液晶レンズとしたときに輪帯内の位置ｒｍにより液晶層１４の実質的な屈折率ｎＬＣ（ＶＬＣ（ｒｍ））が異なることにより生じる位相ズレを相殺するように設計されていて、断面形状が輪帯中央部で凸とされている。さらに、位相補正面１８の表面に、ＩＴＯ膜を形成し、透明電極１６とする。【００９５】
その後、例１と同様に、透明基板１１、１２の最表面に、Ｘ方向に配向させる水平配向膜を形成し、シール１３を形成して圧着し、基板間隔が１２μｍの空セルを形成する。その後、常光屈折率ｎｏ１．５２、異常光屈折率ｎｅ１．７９の正の誘電異方性のネマティック液晶を空セルに注入してホモジニアス配向の液晶層を形成し、セルを封止して液晶レンズ１０とする。【００９６】
このようにして形成された液晶レンズに対して、外部電源を用いて液晶層１４に電圧を印加し、そのときのレンズ機能を調べる。印加電圧を０Ｖから増加させると、液晶に印加される実効的な電圧ＶＬＣは、（５）式に示したようにフレネル回折レンズ面１７、位相補正面１８の形状および場所により異なるため、液晶レンズ１０が発生する位相差ＯＰＤは、前述の（７）式のように変化する。【００９７】
図８は、第１の実施例における液晶レンズ素子１０の波長５２０ｎｍの入射光束に対するフレネル回折効率を示す図である。なお、同図において、横軸は透明電極１５、１６間に印加した電圧である。【００９８】
この液晶レンズに対して、偏光方向がＸ方向の直線偏光を入射すると、印加電圧に応じて図６（ｂ）に示すように位相差が変化し、液晶レンズ素子１０を透過する光の波面が変化する。例えば、印加電圧３．０ＶではｎＬＣ（ＶＬＣ）＜ｎＦであり、位相差が−λとなって、入射平面波は＋１次のフレネル回折波として、集光する波面に変換される。＋１次のフレネル回折効率は、図８のプロットＡのように印加電圧３．０Ｖで最大値９８％となる。同様に、印加電圧１．０６ＶではｎＬＣ（ＶＬＣ）＞ｎＳであり、位相差が＋λとなって、入射平面波は−１次のフレネル回折波として、発散する波面に変換される。−１次のフレネル回折効率は、図８のプロットＣのように印加電圧１．０６Ｖで最大値９５％となる。一方、印加電圧１．５２Ｖの印加電圧時では、図６（ｂ）に印加電圧Ｖ０の場合を示したように、位相補正面１８の効果により位相差および位相差ズレは生じないため、０次のフレネル回折として波面を変化させずに透過する。０次のフレネル回折効率は、図８のプロットＢのように印加電圧１．５２Ｖで最大値９８％になる。【００９９】
以上のように、印加電圧を１．０６Ｖ、１．５２Ｖ、３．０Ｖと変化させると、前述の構成の液晶レンズは“凹レンズ”、“レンズ作用なし”、“凸レンズ”として作用する。
次に、この液晶レンズに対して、偏光方向がＹ方向の直線偏光を入射すると、液晶層１４が示す実質的な屈折率はｎｏで、フレネル回折レンズ面と屈折率差が生じないのでレンズ作用はない。【０１００】
本例の撮像レンズの積層液晶レンズは、第１および第２の液晶レンズとして前述の液晶レンズを用いていて、レンズ機能をもつ偏光方向が互いに直交するように積層されている。したがって本例の撮像レンズは、それぞれの液晶レンズの透明電極間に印加する電圧によりレンズ特性を３段階に切替えることができる。また、（４）式の値は、３段階に切替えた液晶レンズのそれぞれの焦点距離に対して、第１の液晶レンズおよび第２の液晶レンズに対しては０から２の間であり、３段階に切替えた液晶レンズのいずれの焦点距離に対しても色収差が小さく抑えられて良好な撮像特性が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明の撮像レンズは、可動機構を持たず、構成が簡略で、色収差が小さく抑えられている。そのため、信頼性に優れ、小型化が可能で高速にレンズ機能の切替えが可能で、良好な撮像特性が得られる。したがって、小型ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を感光体として用いたデジタルカメラ用、テレビ電話機用等に好適に利用することができる。
なお、２００５年４月２５日に出願された日本特許出願２００５−１２６４９９号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
【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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【国際調査報告】
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