JP4311905B2 - 光学系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系に関し、特に、可変ミラー等の光学特性可変光学素子を含む光学系に関し、例えば、ビデオプロジェクター、デジタルカメラ、テレビカメラ、内視鏡、望遠鏡、カメラのファインダー等の光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレンズは、ガラスを研磨して製造したレンズを用いており、レンズ自体で焦点距離を変化させることができないため、例えば、カメラのピント合わせあるいはズーム、変倍のためにレンズ群を光軸方向に移動させるために、機械的構造が複雑になっている。
【０００３】
そして、レンズ群の一部を移動させるためにモーター、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】
また、ブレ防止を行う場合でも、レンズをモータ、ソレノイド等で機械的に移動させるため、消費電力が大きい、機械的構造が複雑でコストアップにつながる等の欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与するピント調節可能レンズ系、可変焦点レンズ系等の光学系とそのような光学系を備えた光学装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の光学系等は、以下に示す構成のものである。
（１）可変ミラーと、絞りを有し、絞り位置が式（６０１）を満たすことを特徴とする光学系。
（２）可変ミラーと、絞りと有し、式（５９９）を満たすことを特徴とする光学系。
（３）可変ミラーと、絞りを有し、式（５９９）と式（６０１）を満たすことを特徴とする光学系。
（４）回転対称面を有すレンズを有することを特徴とする（１）乃至（３）記載の光学系。
（５）回転対称面を有す凸レンズと凹レンズを有することを特徴とする（１）乃至（３）記載の光学系。
（６）光学系がズーム光学系であることを特徴とする（１）乃至（５）記載の光学系。ただし、式（５９９）と式（６０１）はズーム光学系の場合、全ての状態で満たされなくてもよい。つまり、少なくとも１つの状態で式（５９９）あるいは式（６０１）を満たしていればよい。
（７）物体側から順に、光学素子群と可変ミラー又は可変焦点レンズとレンズ群又は空気間隔と変倍群と光学素子群とを有するズーム光学系。
（８）移動する凸パワーの光学素子又は光学素子群を有す（６）又は（７）記載の光学系。
（９）移動する凹パワーの光学素子又は光学素子群を有す（６）又は（７）記載の光学系。
（１０）明るさ絞りが可変ミラーの後方にあることを特徴とする（６）又は（７）記載の光学系。
（１０−１）可変ミラーと変倍機能を有する変倍群を有し、可変ミラーがピント合わせ機能を有し、変倍群の前方に可変ミラーを配置したことを特徴とするズーム光学系。
（１０−２）可変ミラーと移動する光学素子群を有し、光学素子群が変倍機能を有する変倍群であり、可変ミラーがピント合わせ機能とコンペンセータ機能を有し、変倍群の前方に可変ミラーを配置したことを特徴とするズーム光学系。
（１１）自由曲面を有す光学素子を備えた（１）乃至（３）記載の光学系。
（１２）自由曲面を有す光学素子と絞りとを備え可変ミラーの前又は後に回転対称面を有すレンズ又は平行平面板を備えた（１）乃至（１１）記載の光学系。
（１３）自由曲面を有す光学素子を２つ以上有する（１）乃至（１２）記載の光学系。
（１４）自由曲面を有す反射型光学素子を１つ有する（１）乃至（１２）記載の光学系。
（１５）自由曲面を有す反射型光学素子と可変ミラーとの間に絞りがある（１）乃至（１４）記載の光学系。
（１６）自由曲面を有す反射型光学素子の前方に絞りがあり、かつその前方に可変ミラーがある（１）乃至（１４）記載の光学系。
（１７）複数の自由曲面光学素子の間に絞りがある（１）乃至（１５）記載の光学系。
（１８）絞り後方に配置された自由曲面を有す反射型光学素子の面に可変ミラーが対向配置されたことを特徴とする（１）乃至（１７）記載の光学系。
（１９）自由曲面を有す光学素子が自由曲面プリズムである（１）乃至（１８）記載の光学系。
（２０）全開状態の絞りを式（６０１）を満たす位置に有し、さらに開口の大きさが変化する絞りを前記絞りとは別の位置に設けたことを特徴とする可変ミラーを有す光学系。
（２１）全開状態の絞りを式（６０１）を満たす位置に有し、さらに開口の大きさが変化する絞りを前記絞りとは別の位置に設けたことを特徴とする（１）乃至（１１）記載の可変ミラーを有す光学系。
（２２）可変ミラーを有し、可変ミラーへの入射角が式（６１３）乃至式（６１５）を満たす光学系。
（２３）可変ミラーを有し、可変ミラーの前又は後に回転対称面を有すレンズ又は平行平面板を備え、式（６１３）乃至式（６１５）を満たす光学系。
（２４）可変ミラー１枚だけを有する（２３）記載の光学系。
（２５）回転対称面を有すレンズと可変ミラー１枚だけを有する（２３）記載の光学系。
（２６）自由曲面光学素子を有する（２２）乃至（２５）記載の光学系。
（２７）（２２）乃至（２６）記載の光学系であって（１）乃至（２１）に記載の光学系。
（２８）可変ミラーを有し、式（６１６）又は式（６１７）を満たす光学系。
（２９）可変ミラーを有し、式（６１６）又は式（６１７）を満たす（１）乃至（２７）に記載の光学系。
（３０）光学系がズーム光学系である（２９）に記載の光学系。
（３１）光学系が移動するレンズ又はレンズ群を含むズーム光学系である（３０）に記載の光学系。
（３２）移動するレンズ又はレンズ群が凸パワーを有する（３１）に記載の光学系。
（３３）移動するレンズ又はレンズ群が凹パワーを有す（３１）に記載の光学系。
（３４）撮像素子を有する（１）乃至（２９）に記載の光学系。
（３５）光学特性可変素子と、画像面を有す光学装置において、光学特性可変素子の変化に伴う光学系の結像面の動きを補正するために、画像面を、光学特性可変素子の変化に伴う像面の動き変化の範囲の中に置いたことを特徴とする光学装置。
（３６）可変ミラーと、画像面を有す光学装置において、可変ミラーの変化に伴う光学系の結像面の動きを補正するために、画像面を、可変ミラーの変化に伴う像面の動き変化の範囲の中に置いたことを特徴とする光学装置。
（３７）可変焦点レンズと画像面を有す光学装置において、可変焦点レンズの変化に伴う結像面の動きを補正するために、画像面を、可変焦点レンズの変化に伴う結像面の動き変化範囲の中に置いたことを特徴とする表示装置。
（３８）光学特性可変光学素子と、撮像素子を有す撮像装置において、光学特性可変光学素子の変化に伴う結像面の傾きの変化を補償するために、撮像素子を偏心、あるいは傾斜させて、光学特性可変光学素子の変化に伴う結像性能の低下を補償したことを特徴とする撮像装置。
（３９）可変ミラーと、撮像素子を有す撮像装置において、可変ミラーの変化に伴う像面の動きを補正するために、撮像素子の撮像面を、可変ミラーの変化に伴う像面の動き変化範囲の中に置いたことを特徴とする撮像装置。
（４０）可変焦点レンズと撮像素子を有す撮像装置において、可変焦点レンズの変化に伴う像面の動きを補正するために、撮像素子の撮像面を、可変焦点レンズの変化に伴う像面の動き変化範囲の中に置いたことを特徴とする撮像装置。
（４１）光学特性可変光学素子と、表示素子を有す光学装置において、光学特性可変光学素子の変化に伴う結像面の傾きの変化を補償するために、表示素子を偏心させて、光学特性可変光学素子の変化に伴う表示性能の低下を補償したことを特徴とする光学装置。
（４２）可変ミラーと、表示素子を有す表示装置において、可変ミラーの変化に伴う結像面の動きを補正するために、表示素子の表示面を、可変ミラーの変化に伴う結像面の動き変化範囲の中に置いたことを特徴とする表示装置。
（４３）可変焦点レンズと、表示素子を有す表示装置において、可変焦点レンズの変化に伴う結像面の動きを補正するために、表示素子の表示面を、可変焦点レンズの変化に伴う結像面の動き変化範囲の中に置いたことを特徴とする表示装置。
（４４）光学特性可変素子と、画像面を有し、光学特性可変素子の変化に伴う結像面の傾き変化範囲の端から式（６１１）又は式（６１２）を満たすΔＭだけ離して画像面を配置したことを特徴とする光学装置。
（４５）可変ミラーと、撮像素子を有し、可変ミラーの変化に伴う結像面の傾き変化範囲の端から式（６１１）を満たすΔＭだけ離して撮像面を配置したことを特徴とする撮像装置。
（４６）可変ミラーと、表示素子を有し、可変ミラーの変化に伴う結像面の傾き変化範囲の端から式（６１１）を満たすΔＭだけ離して撮像面を配置したことを特徴とする表示装置。
（４７）式（６０７）又は式（６０８）を満たす（３５）乃至（４６）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（４８）式（６０５）かつ式（６０６）を満たす（３５）乃至（４６）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（４９）式（６０５）かつ式（６０４）を満たす（３５）乃至（４６）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（５０）光学特性可変光学素子と、光学素子と、固定された画像面を有す光学装置において、光学特性可変光学素子の変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、光学特性可変光学素子の変化に伴う結像面の傾き変化の範囲内に固定された画像面を設定したことを特徴とする光学装置。
（５１）可変ミラーと、光学素子と、固定された画像面を有す光学装置において、可変ミラーの変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、可変ミラーの変化に伴う結像面の動き変化の範囲内に固定された画像面を設定したことを特徴とする光学装置。
（５２）可変焦点レンズと、光学素子と、固定された画像面を有す光学装置において、可変焦点レンズの変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、可変焦点レンズの変化に伴う結像面の動き変化の範囲内に固定された画像面を設定したことを特徴とする光学装置。
（５３）可変ミラーと、光学素子と、撮像素子を有す撮像装置において、可変ミラーの変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、可変ミラーの変化に伴う結像面の動き変化の範囲内に撮像面を設定したことを特徴とする光学装置。
（５４）可変ミラーと、光学素子と、表示素子を有す表示装置において、可変ミラーの変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、可変ミラーの変化に伴う結像面の動き変化の範囲内に表示素子の表示面を設定したことを特徴とする表示装置。
（５５）式（６０７）又は式（６０８）を満たす（５０）乃至（５４）記載の光学装置、表示装置。
（５６）式（６０５）かつ式（６０６）を満たす（５０）乃至（５４）記載の光学装置、表示装置。
（５７）式（６０５）かつ式（６０４）を満たす（５０）乃至（５４）記載の光学装置、表示装置。
（５８）光学特性可変光学素子と、光学素子と、画像面を有す光学装置において、光学特性可変光学素子の変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、光学特性可変光学素子の変化に伴う動く結像面に画像面を近づけたことを特徴とする光学装置。
（５９）可変ミラーと、光学素子と、画像面を有す光学装置において、可変ミラーの変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、可変ミラーの変化で生ずる動く結像面に画像面を近づけたことを特徴とする光学装置。
（６０）可変焦点レンズと、光学素子と画像面を有す光学装置において、可変ミラーの変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、可変焦点レンズの変化で生ずる動く結像面に画像面を近づけたことを特徴とする光学装置。
（６１）可変ミラーと、光学素子と、撮像素子を有す撮像装置において、可変ミラーの変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、可変ミラーの変化で生ずる動く結像面に画像面を近づけたことを特徴とする光学装置。
（６２）可変ミラーと、光学素子と、表示素子を有す表示装置において、可変ミラーの変化に伴う光学系の結像面の動きを補償するために、光学素子を偏心させて結像面を傾かせ、可変ミラーの変化で生ずる動く結像面に表示素子の表示面を近づけたことを特徴とする光学装置。
（６３）式（６１８）又は式（６１９）を満たす（５８）乃至（６２）記載の光学装置。
（６４）光学特性可変光学素子と、光学素子を有す光学装置において、光学特性可変光学素子の変化に伴う収差の変化を補償するために、光学素子を偏心させて収差を発生させ、光学特性可変光学素子の変化に伴う収差変化を補償したことを特徴とする光学装置。
（６５）可変ミラーと、光学素子を有す光学装置において、可変ミラーの変化に伴う収差の変化を補償するために、光学素子を偏心させて収差を発生させ、可変ミラーの変化に伴う収差変化を補償したことを特徴とする光学装置。
（６６）可変ミラーと、光学素子と、撮像素子を有す撮像装置において、可変ミラーの変化に伴う収差の変化を補償するために、光学素子を偏心させて収差を発生させ、可変ミラーの変化に伴う収差変化を補償したことを特徴とする撮像装置。
（６７）可変焦点レンズと、光学素子を有す光学装置において、可変焦点レンズの変化に伴う収差の変化を補償するために、光学素子を偏心させて収差を発生させ、可変焦点レンズの変化に伴う収差変化を補償したことを特徴とする光学装置。
（６８）光学素子の偏心量を変化させるために、他の光学素子に対して偏心した軸に沿って光学素子を移動することを特徴とする（５０）乃至（６７）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（６９）光学特性可変光学素子の変化に連動して光学素子で発生する偏心収差を変化させるために、ある軸に対して偏心した光学素子が、その軸に沿って移動することを特徴とする（５０）乃至（６８）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（７０）光学素子の偏心量を変化させるために、他の光学素子に対して偏心した軸に沿って光学素子を移動し、かつ前記光学素子の移動が変倍機能を有すことを特徴とする変倍光学系を備えた（５０）乃至（６８）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（７１）光学特性可変光学素子の変化に連動して光学素子で発生する偏心収差を変化させるために、ある軸に対して偏心した光学素子がその軸に沿って移動し、かつ、前記光学素子の移動が変倍機能を有することを特徴とする変倍光学系を備えた（５０）乃至（７０）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（７２）少なくとも１つ以上のレンズ又は光学面又は光学素子又は撮像素子に対して、Ｚ軸と垂直な方向に０≦｜Δ｜／ｆ＜１を満たす範囲で故意にΔのシフト偏心を加えたことを特徴とする１つ以上の可変ミラーを用いた光学装置。
（７３）（５０）乃至（７０）記載の光学装置、表示装置、撮像装置であって、（７２）記載の構成を備えた光学装置、表示装置、撮像装置。
（７４）少なくとも１つ以上のレンズ又は光学面又は光学素子又は撮像素子又は表示素子又は画像面に対して、Ｚ軸と垂直な直線を回転軸として、０≦｜Ｃ｜＜１５を満たす範囲で故意にＣのティルト偏心を加えたことを特徴とする１つ以上の可変ミラーを用いた光学装置。Ｃの単位は°
（７５）（５０）乃至（７０）記載の光学装置、表示装置、撮像装置であって、（７４）記載の構成を備えた光学装置、表示装置、撮像装置。
（７６）偏心した光学素子が回転対称面を有することを特徴とする（６４）乃至（７１）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（７７）相互に偏心した３つ以上の回転対称な光学面を有す光学素子を備えたことを特徴とする（６４）乃至（７１）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（７８）固定された画像面を備え、前記画像面が、画像面へ入射する光軸に対して直交する平面に対してＣだけ傾斜していることを特徴とする（６４）乃至（７７）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（７９）（１）乃至（２９）記載の光学系を備えた（３５）乃至（６８）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（８０）可変ミラーを用いて、フォーカスを行うことを特徴とする（７９）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（８１）フォーカスを行う際に、少なくとも一つの可変ミラーが、少なくともある状態で自由曲面形状になることを特徴とする（８０）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（８２）フォーカスを行う際に撮像素子に物体像を結像させ、可変ミラー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さがすことでフォーカスを行う（８０）又は（８１）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（８３）何れかの可変ミラーについて、近点では可変ミラーの収束作用が強くなり、遠点では可変ミラーの収束作用が弱くなることを特徴とする（８０）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（８４）可変ミラーを用いて、ズームを行うことを特徴とする（７９）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（８５）ズームを行う際に、少なくとも一つの可変ミラーが少なくともある状態で自由曲面形状になることを特徴とする（８０）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（８６）フォーカスを行う際に撮像素子に物体像を結像させ、可変ミラーの焦点距離を変化させつつ、物体像の高周波成分か最大になる状態を探すことでフォーカスを行う（８４）又は（８５）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（８７）何れかの可変ミラーについて、近点では可変ミラーの収束作用が強くなり、遠点では可変ミラーの収束作用が弱くなることを特徴とする（８４）乃至（８６）記載の光学装置、表示装置、撮像装置。
（８８）用いられている可変ミラーの駆動方式が静電駆動方式、電磁駆動方式、圧電効果、流体駆動の何れかである可変ミラーを有する（１）乃至（８７）記載の光学系、光学装置、表示装置、撮像装置。
（８９）可変ミラーが反射面の形状が変化する可変形状鏡であり、かつ、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が、軸上光線の入射面の方向に長い形状である可変形状鏡であることを特徴とする（１）乃至（８８）記載の光学系、光学装置、表示装置、撮像装置。
（９０）光軸の折り曲げ方が長辺折の場合、カメラの略横方向に折り曲げ後の光軸を配置したことを特徴とするカメラ。
（９１）（１）乃至（８３）の構成を備えた（９０）記載のカメラ。
（９２）光軸の折り曲げ方が短辺折の場合、カメラの略縦方向に折り曲げ後の光軸を配置したことを特徴とするカメラ。
（９３）（１）乃至（８３）の構成を備えた（９２）記載のカメラ。
（９４）ストロボが撮影レンズ最前面よりも上方にあることを特徴とする（９０）乃至（９３）記載のカメラ。
（９５）少なくとも１つ以上のレンズ又は光学面又は光学素子又は撮像素子又は画像面に対して、Ｚ軸と垂直な方向に、式（１０１）を満たす範囲で故意にシフト偏心を加えたことを特徴とする一つ以上の可変ミラーを用いた撮像光学系。
（９６）少なくとも１つ以上のレンズ又は光学面又は光学素子又は撮像素子又は画像面に対して、Ｚ軸と垂直な直線を回転軸として、式（１０３）を満たす範囲で故意にティルト偏心を加えたことを特徴とする一つ以上の可変ミラーを用いた光学系。
（９７）形状が変わらないミラーと、絞りを有し、絞り位置が式（６０１）を満たすことを特徴とする光学系。
（９８）形状が変わらないミラーと、絞りと有し、式（５９９）を満たすことを特徴とする光学系。
（９９）形状が変わらないミラーを有し、式（６１６）又は式（６１７）を満たす光学系。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、まず、本発明の光学系等で使用する光学特性可変光学素子及び光学装置等について図面を用いて説明する。
【０００８】
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。
【０００９】
図１は本発明の光学装置の一実施例にかかる、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。
【００１０】
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、単に可変形状鏡と言う。）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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、本実施例の光学装置の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。
【００１５】
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。
【００１６】
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ことができる。
【００１７】
また、図示を省略したが、可変形状鏡４０９の基板上に固体撮像素子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。
【００１８】
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用意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。
【００１９】
本発明で使用する自由曲面とは、次式（ａ）により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。
【００２０】

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。Ｍは２以上の自然数である。
【００２１】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ）
である。
【００２２】
自由曲面項は、

ただし、Ｃ_j （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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すむから、構造が簡単で、製造コストを低減することができる。また、電源スイッチ４１３を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。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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、
ｎ_ox＝ｎ_oy＝ｎ_o …(2)
である。ただし、ｎ_o は常光線の屈折率を示し、ｎ_oxおよびｎ_oy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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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ｎ_LC' 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
（ｎ_ox＋ｎ_oy＋ｎ_z ）／３≡ｎ_LC' …(3)
となる。また、上記(2) 式が成り立つときの平均屈折率ｎ_LCは、ｎ_z を異常光線の屈折率ｎ_e と表して、
（２ｎ_o ＋ｎ_e ）／３≡ｎ_LC …(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ｎ_P 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、
ｎ_A ＝ｆｆ・ｎ_LC' ＋（１−ｆｆ）ｎ_P …(5)
で与えられる。
【００６０】
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 ＝（ｎ_A −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。
【００６１】
また、常光線の平均屈折率を、
（ｎ_ox＋ｎ_oy）／２＝ｎ_o ' …(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ｎ_B は、
ｎ_B ＝ｆｆ・ｎ_o ' ＋（１−ｆｆ）ｎ_P …(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 ＝（ｎ_B −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。
【００６２】
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 ｜＝｜（ｎ_B −ｎ_A ）／（ｎ_B −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、｜ｎ_B −ｎ_A ｜を大きくすればよい。ここで、
ｎ_B −ｎ_A ＝ｆｆ（ｎ_o ' −ｎ_LC' ） …(11)
であるから、｜ｎ_o ' −ｎ_LC' ｜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、ｎ_B が、１．３〜２程度であるから、
０．０１≦｜ｎ_o ' −ｎ_LC' ｜≦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、｜ｎ_o ' −ｎ_LC' ｜は、液晶物質の制限から、１０を越えることはできない。
【００６３】
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/tra nsparent 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、ｎ_P ＝１．４５、ｎ_LC＝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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
また、高分子分散液晶層５１４の透過率は、ｎ_P の値がｎ_LC' の値に近いほど良くなる。一方、ｎ_o ' とｎ_P 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、
ｎ_P ＝（ｎ_o ' ＋ｎ_LC' ）／２ …(14)
を満足するときである。
【００６７】
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、
ｎ_o ' ≦ｎ_P ≦ｎ_LC' …(15)
とすればよい。
【００６８】
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。
【００６９】
以上は、ｎ_o ' ≒１．４５、ｎ_LC' ≒１．５８５の場合であったが、より一般的に定式化すると、

であればよい。ただし、（ｎ_u −ｎ_P ）² は、（ｎ_LC' −ｎ_P ）² と（ｎ_o ' −ｎ_P ）² とのうち、大きい方である。
【００７０】
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、

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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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（ｎ_A −ｎ₃₃）＝ｍλ …(22)
ｈ（ｎ_B −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。
【００７７】
ここで、上記(22)および(23)式の両辺の差を求めると、
ｈ（ｎ_A −ｎ_B ）＝（ｍ−ｋ）λ …(24)
が得られる。したがって、例えば、λ＝５００ｎｍ、ｎ_A ＝１．５５、ｎ_B ＝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。
【００７８】
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。
【００７９】
なお、この実施形態において、上記(22)〜(24)式は、実用上、
０．７ｍλ≦ｈ（ｎ_A −ｎ₃₃）≦１．４ｍλ …(25)
０．７ｋλ≦ｈ（ｎ_B −ｎ₃₃）≦１．４ｋλ …(26)
０．７（ｍ−ｋ）λ≦ｈ（ｎ_A −ｎ_B ）≦１．４（ｍ−ｋ）λ …(27)
を満たせば良い。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
なお、図３３中、２０４はレンズ形状の透明基板である。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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３８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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
なお、変形可能な基板４５１と電極４５２の配置は逆でも良い。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
なお本願の可変形状鏡に共通して言えることであるが、反射面の変形する部分を反射面に垂直な方向から見た時の形は、軸上光線の入射面の方向に長い形状、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。
【０１３６】
本発明では、光軸は物体面中心と絞り中心あるいは射出瞳を通る光線の通り道で定義する。
【０１３７】
絞りあるいは射出瞳のない光学系の場合は物体面中心を出て物体面に垂直な光線の通り道で定義する。
【０１３８】
したがって、光軸は一般的には可変ミラーの変形と共に変化することになるが、その変化はわずかである場合が多い。
【０１３９】
そして、実施例４、５を除いて、他の実施例では、Ｚ軸と光軸とが略一致している。
【０１４０】
したがって、本発明で以下に出てくるＣ、ｈ、ψ、Δ等は、実施例４、５を除く他の実施例では、Ｚ軸を基準として測っても、光軸を基準として測っても、略同一の値をとることになる。
【０１４１】
さて、図３９は、本発明の光学系を用いた１例であって、可変ミラー４０９を用いたデジタルカメラ用の撮像装置６０１の例を示すＹ−Ｚ断面図である。この例は後記の実施例１が対応する。絞り６０２は可変ミラー４０９からＳｍだけ離れた位置に配置されている。この距離Ｓｍは空気換算長で測るものとする。
【０１４２】
可変ミラー４０９の物体側には、凹レンズ６０３と凹レンズ６０４が配置され、絞り６０２の後方には、凸レンズ６０５、凸レンズ６０６、凹レンズ６０８、凸レンズ６０７が配置されている。
【０１４３】
その後方にはローパスフィルター６０９と、赤外カットフィルター６１０と、カバーガラス６１１が配置され、その後方に固体撮像素子の撮像面６１２が物体距離∞のときの光軸６１３、つまりＺ軸に垂直な面に対して２０′傾斜して配置されている。この傾斜角を、以下Ｃで表すものとする。
【０１４４】
以上のレンズ系の部分は、全体としてレトロフォーカスタイプになっている。
【０１４５】
可変ミラー４０９の反射面４０９ａの形は、物体距離∞のとき平面で、近距離になるにつれて強い凹面の自由曲面になる。
【０１４６】
物体距離∞のときは、光軸６１３は可変ミラー４０９で折り曲げられても、レンズ６０３、６０４、６０５、６０６、６０８、６０７の各レンズの光軸を通るように配置されている。つまり、可変ミラー４０９の反射面が平面のとき、光学的には撮像装置６０１の光学系６１４は、無偏心系となっている。
【０１４７】
可変ミラー４０９の反射面４０９ａが凹面の場合、光学系６１４は偏心系となる。
【０１４８】
可変ミラー４０９の位置は、絞り６０２に近い方がよい。なぜならば、可変ミラー４０９の反射面が平面でない時に、光束の像面湾曲（Ｙ−Ｚ平面内の光束の像面湾曲）と球欠光束の像面湾曲（紙面に垂直な方向の光束の像面湾曲）の差の像位置による変化を小さく抑えられるからである。つまり、像位置によって変化する子午光束像面と球欠光束像面の変化量を小さく抑えられるからである。
【０１４９】
この絞り６０２の位置を可変ミラー４０９に近づけるメリットは、図３９の例に限らず、自由曲面を用いた光学系、偏心光学系等でも一般にある。
【０１５０】
そして、この絞り位置を可変ミラー４０９に近づけるメリットは、可変ミラー４０９への光軸６１３の入射角をφとする時、φが大きい程大きくなる。
３９°≦φ≦６０° …(599)
であれば、この効果は特に大きくなる。
【０１５１】
φがこの式（５９９）の上限の６０°を越えると、斜入射による収差の発生が大きくなり、好ましくない。
３９°≦φ≦５０° …(600)
であれば、さらに高性能の光学系が得られる。
【０１５２】
上記の理由から、本発明の光学系は、光学系６１４の焦点距離をｆとすると、０≦｜Ｓｍ／ｆ｜≦１０ …(601)
を満たすことが望ましい。
【０１５３】
式（６０１）の上限の１０を越えると、像面湾曲が大きく結像性能が低下する。さらに高精細な撮像装置では、
０≦｜Ｓｍ／ｆ｜≦５ …(602)
を満たすことが望ましい。
【０１５４】
さらに高性能を要求される場合は、
０≦｜Ｓｍ／ｆ｜≦３ …(603)
を満たすことが望ましい。
【０１５５】
なお、全開状態の絞り６０２の位置は上述した通りであるが、開口の小さい状態の絞り６０２の位置は、必ずしも式（６０１）乃至式（６０３）を満たす必要はない。つまり、開口の変化する絞りを全開状態の絞りと異なる位置においてもよい。例えば、凸レンズ６０５と凸レンズ６０６の間である。
【０１５６】
このようにするメリットは、開口の変化する絞りを式（６０１）乃至式（６０３）を満たす位置に置くことは、機械設計的に困難な場合があり、そのときは別の場所に置けばよいからである。
【０１５７】
絞りを絞った場合、収差は全般に良くなるため、結像性能は上がるので、絞り位置は式（６０１）乃至式（６０３）を満たさなくても問題ないのである。
【０１５８】
図４０のような開口が不連続的に変化する絞り６０２’を用いると、特に上記のメリットが大きい。この絞り６０２’は光路にスライド式に挿脱され、Ｆナンバーを変えるようにできている。
【０１５９】
次に、本発明のもう一つの特徴である、撮像面６１２をＺ軸に垂直な面に対してＣだけ傾斜させているメリットについて述べる。
【０１６０】
反射面４０９ａが最も強い凹面に変形した時、光学系６１４は偏心光学系となるため、結像面はＺ軸に垂直な面に対して角度Ｂだけ傾斜することになる。つまり、光学系６１４の結像面が可変ミラー４０９の変形と共に動くのである。したがって、撮像面６１２を結像面に合うように角度Ｂだけ傾ければ、解像は最も良くなる。しかし、それでは反射面４０９ａが平面の時の解像が低下してしまう。そこで、撮像面６１２をおよそ角度Ｂ／２だけ傾けるのが良い。
【０１６１】
式で表現すれば、
｜Ｂ｜／４＜｜Ｃ｜＜３｜Ｂ｜／４ …(604)
かつ、
Ｂ・Ｃ＞０ …(605)
を満たせばよい。
【０１６２】
実用的には、物体距離の重要度が製品毎に異なるので、
０＜｜Ｃ｜＜｜Ｂ｜ …(606)
かつ、
Ｂ・Ｃ＞０ …(605)
を満たせばよい。
【０１６３】
なお、以上では、反射面４０９ａの形が平面から凹面に変わる例について述べたが、これに限ることはない。一般に可変ミラーの変化に伴って像面の傾きが最大Ｂ_M 、最小Ｂ_m であったとすれば、式（６０６）に対応して、
Ｂ_m ＜Ｃ＜Ｂ_M …(607)
を満たすようにＣを選べばよい。
【０１６４】
同様に式（６０４）に対応して、
（Ｂ_M ＋３Ｂ_m ）／４＜Ｃ＜（３Ｂ_M ＋Ｂ_m ）／４ …(608)
を満たせばよい。
【０１６５】
像面の傾きは３次元的偏心（つまり、傾き角、方位角の両方の自由度を有する傾き）も含むものとし、上記式（６０４）〜式（６０８）はこの場合にも当てはまる。
【０１６６】
要するに、可変ミラーの変形に伴って生ずる像面の変化の範囲内に撮像面を置けばよいのである。撮像面の配置は、固定されていてもよいし、あるいは可変ミラーの変形と共に変化してもよい。この考え方は、撮像装置に限らず、表示装置、観察装置にも当てはまるが、実施例は後述する。
【０１６７】
また、可変ミラーに限ることなく、可変焦点レンズ等の光学特性可変素子を用いた光学装置にも適用できる。
【０１６８】
一方、光学系のＦナンバーをＦ_No、撮像素子４０８の１画素の大きさをＰ_x （Ｘ方向）、Ｐ_y （Ｙ方向）とすると、片側の焦点深度Ｄ_f は、
Ｄ_f ＝ｋ・√（Ｐ_x ・Ｐ_y ）・Ｆ_No …(609)
で与えられる。ここで、ｋは比例定数で、通常１．５〜４程度の値をとる。
【０１６９】
撮像面６１２の傾きで生ずる光軸６１３上の像面位置に対する撮像面６１２のＺ方向の最大のずれをΔＭとすると、
ΔＭ＝｜ｈ・ｔａｎＣ｜ …(610)
ここで、ｈは光軸６１３から測った撮像面６１２の最大のずれを与える点までの距離である。
【０１７０】
ΔＭの値がＤ_f に比べて小さすぎると、撮像面６１２を傾ける効果がない。そこで、
｜ΔＭ｜≧Ｄ_f ／２０ …(611)
を満たすと良い。
【０１７１】
より効果を出すには、
｜ΔＭ｜≧Ｄ_f ／１０ …(612)
を満たすと良い。
【０１７２】
式（６１１）又は（６１２）の考え方は後に述べる表示系にも適用できる。また、回転対称なレンズ面を有するレンズ系と可変ミラーの組み合わせに限らず、自由曲面と可変ミラーを用いた光学系にも適用できる。
【０１７３】
図４１は、図３９の光学系を実装したデジタルカメラ６１７の例の構成を示す図である。図中、符号６１８はストロボ、６１９はファインダーを示す。図４１はデジタルカメラを被写体側から見た図である。
【０１７４】
図４１から明らかなように、光学系６１４は横に長いので、デジタルカメラ６１７に実装する場合に、図４１のように配置することになる。
【０１７５】
デジタルカメラ、ＶＴＲカメラ、ＴＶカメラ等の撮像装置は、通常直方体の形状をしているので、可変ミラー４０９による光軸６１３（図３９）の折り曲げ角２φはおよそ９０°が望ましい。
【０１７６】
実用的には、
３９°≦φ≦５５° …(613)
であれば、撮像装置のデザインを損なうことなく、光学系を撮像装置に納めることができる。
【０１７７】
よりコンパクトな形状を求められる撮像装置では、
３９°≦φ≦５０° …(614)
を満たす方が望ましい。
【０１７８】
さらに、組立・加工を容易にするためには、
４２°≦φ≦４８° …(615)
を満たすと良い。
【０１７９】
図３９の例のように、撮像素子の撮像エリアの長手方向が可変ミラー４０９への軸上光線の入射面と略平行な光軸の曲げ方を長辺折りと言う。これに対して撮像エリアが略９０°回っている光軸の曲げ方を短辺折りと言う。後記の図４６の実施例２がその例である。
【０１８０】
長辺折りの場合、撮像範囲を横長にするために、図４１のようにカメラの横方向に折り曲げ後の光軸を配置するのが望ましい。
【０１８１】
逆に、短辺折りの場合は、撮像範囲を横長にするためにカメラの縦方向に折り曲げ後の光軸を配置するのが望ましい。
【０１８２】
何れの配置でも、ストロボ６１８は正面から見たレンズの前面位置よりも上方にあることが望ましい。なぜなら、人物を撮った時にストロボの影が出難いからである。
【０１８３】
ここで、カメラとは、フィルムカメラ、デジタルカメラ、ＴＶカメラ、携帯電話の撮像装置等を指すものとする。
【０１８４】
図３９の例で、可変ミラー４０９の中心Ｏから凹レンズ６０３の中心までの距離Ｍ１（空気換算長で測るものとする。）は、デジタルカメラ６１７のような撮像装置の厚さを決めることになる。したがって、Ｍ１の値は小さい方が良いが、小さすぎると、可変ミラー４０９に前群レンズ等がぶつかってしまう。そこで、
０．５＜Ｍ１／ｆ＜５ …(616)
を満たすと良い。
【０１８５】
さらにコンパクトさを要求される場合には、
０．５＜Ｍ１／ｆ＜３ …(617)
を満たすと良い。
【０１８６】
図４２は、本発明の光学系を用いた１例であって、可変ミラー４０９をファインダー系に用いたデジタルカメラ６１７を横から見た図である。この実施例のデジタルカメラ６１７は、液晶ディスプレイ等の表示素子６２３を自由曲面プリズム６２４と可変ミラー４０９からなる拡大光学系６２６で見るビューファインダーを備えている。可変ミラー４０９によって視度調整が行える。表示素子６２３の表示面６２５は、視度−１ディオプターのときの光軸６１３に垂直な面に対して角度Ｃだけ傾けてある。
【０１８７】
いま、拡大光学系６２６の光学系を眼側から逆に光線追跡して考えると、可変ミラー４０９が変形すると、図４３に示すように、結像面は面６２７から面６２８まで変化する。
【０１８８】
そこで、表示面６２５を面６２７と面６２８の略中間に選べば、画面のどの部分も良く見えるファインダーが得られるのである。
【０１８９】
式（６０４）〜式（６０８）及びその考え方は、同様に図４２のファインダーにも適用できる。その場合、Ｐ_x 、Ｐ_y を表示素子６２３の１画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ３色の場合は、各色一つずつ計３色分を１画素と考える。）の寸法で置き換えれば、式（６１１）、式（６１２）も同様に適用できる。
【０１９０】
すでに、撮像面６１２を角度Ｃだけ傾けて、可変ミラー４０９の変形で生ずる結像面の変化で引き起こされる結像性能の変化を補償することができることを示した。
【０１９１】
しかしながら、結像面の変化の補償手段は、撮像面６１２の傾斜だけではない。略同様の補償をするのに、図３９の例では、レンズ６０３と６０４を０．０２５ｍｍだけ物体距離∞のときの光軸６１３に対して左に、つまり−Ｚ方向（図４５の座標系では−Ｙ方向）に偏心させてもよい。このようにすれば、結像面は可変ミラー４０９の変形をキャンセルする方向に傾くので、平均して良い解像の光学系が得られる。
【０１９２】
あるいは、図３９の光学系で、後記の実施例１の数値データの１３面（つまり、凸レンズ６０７の右側の面）を４．５′時計回りに回転させても良い。回転の中心は、凸レンズ６０７の右側の面と物体距離∞のときの光軸６１３の交点である。このようにしても、可変ミラー４０９の変形に伴う結像面の傾き変化、つまり、結像面の動きを緩和することができる。
【０１９３】
このように、光学素子あるいは光学素子の群あるいは光学面を偏心させることによっても、可変ミラー４０９の変形で生ずる像面の変化は補償できるのである。
【０１９４】
光学素子又は光学素子の群あるいは光学面の偏心で生ずる像面の傾きをＡとすれば、式（６０４）〜式（６０８）のＣを−Ａで置き換えることで、式（６０４）〜式（６０８）は同様に成り立つ。式（６１１）、式（６１２）についても、Ｃを−Ａで置き換えることで同様に成り立つ。
【０１９５】
また、さらに、光学素子を偏心させることでコマ収差、歪曲収差等の結像性能を低下させる収差を補償することもできる。
【０１９６】
可変ミラーが変形すれば、それに伴って像面の傾き以外の収差が変化し、結像性能が低下する。光学素子を適宜偏心させることで、これらの収差を補償することも可能となるのである。
【０１９７】
以上の光学素子を偏心させることは、撮像光学系だけでなく、表示光学系、観察光学系等にも適用できる。
【０１９８】
また、撮像素子、表示素子、光学素子の偏心は、一つの値に限ることなく、可変ミラーの変形と共にこれらの偏心量を変化させても良い。
【０１９９】
そのためには、例えば図４４に示す電子撮像系のように、レンズ群６３０をある状態での光軸６１３に対して傾斜あるいはシフトさせた軸６３１に沿って動かすようにしても良い。可変ミラー４０９の変形量に応じてレンズ群６３０が動き、レンズ群６３０の軸６３１に対する偏心が変わる訳である。
【０２００】
したがって、光学素子、表示素子、撮像素子等の偏心量は固定である必要はない。この場合は、可変ミラーの変形のある状態で次式を満たすと良い。
Ｂｖ／３＜Ｃ＜５Ｂｖ／３ …(618)
ここで、Ｂｖは可変ミラーの変化で生ずる結像面の傾きである。Ｂ_V ＝Ｃならば、像面の傾きはキャンセルすることになる。
Ｂｖ／２＜Ｃ＜２Ｂｖ／３ …(619)
を満たせばさらに良い。
【０２０１】
また、結像面の動き量が式（６１１）又は式（６１２）を満たすようにすればなお良い。この場合、式（６１１）又は式（６１２）で、ΔＭを結像面の動き量と見なすことにする。
【０２０２】
光学素子の傾きについては、式（６１８）、式（６１９）のＣを−Ａで置き換えれば、２つの式は同様に成り立つ。
【０２０３】
また、偏心させる光学素子としては、レンズ以外にミラー、プリズム等の光学素子でもよい。また、光学面を偏心させてもよい。
【０２０４】
なお、以上の式（５９９）、式（６００）、式（６０１）〜式（６０３）、式（６１３）〜式（６１７）に関しては、可変ミラーの代わりに形状が変わらないミラーを用いる光学系にも当てはまるものである。
【０２０５】
それらの式を満たせば、それぞれに応じた効果が得られ、性能の良い光学系が得られる。また、上記以外の式に対しても、支障がない限り適用してよく、例えば光学系の製作のバラツキで像面が変動する場合に、画像面を傾けて調整を行なってもよく、その場合、式（６０４）〜式（６１２）を拡張して適用することができる。上記の式を２つ以上満たせばさらに良い。
【０２０６】
撮像素子、表示素子、画像面、光学素子あるいは光学面のティルト偏心（回転偏心）量をＣで表せば（Ｃの単位は°）、
０≦｜Ｃ｜＜１５ …(619-2)
を満たすとよい。Ｃがその上限の１５°を越えると、像のシェーディングがひどくなったり、高次の偏心収差が発生して好ましくない。
０≦｜Ｃ｜＜７．５ …(619-3)
とすれば、像のシェーディングはより良くなる。高次の偏心収差の発生も抑えられる。
０≦｜Ｃ｜＜３ …(619-4)
とすればさらによい。
【０２０７】
また、前記の［課題を解決する手段］の（１）〜（９９）についても、適用可能な項目は、通常のミラーを用いる光学系に適用して良い。さらに良い光学系、撮像装置が得られる。
【０２０８】
また、これまでに述べた可変ミラーについての議論は、それ以外に可変焦点レンズ等を偏心させて用いている場合にも適用できる。つまり、可変焦点レンズの焦点距離あるいは収差の変化に伴って光学系の収差が変化する場合にも、撮像素子、光学素子、表示素子を偏心させることで収差を補償することができるのである。さらに、偏心だけでなく、撮像素子、光学素子、表示素子を移動させても良い。撮像素子、光学素子、表示素子の偏心を２つ以上組み合わせて用いてももちろん良い。そうすれは、収差補償の自由度が増えるのでなお良い。
【０２０９】
なお、ここで本願で用いる用語をまとめておく。
【０２１０】
光学特性可変素子は、可変ミラー、可変焦点レンズ、可変プリズム等を指すものとする。
【０２１１】
また、撮像素子の撮像面、表示素子の表示面、スクリーン、ファインダーの視野絞り、観察装置の視野絞り等をひとまとめにして画像面と呼ぶことにする。像の入出力が行われる面である。
【０２１２】
以下に、本発明の実施例について述べる。なお、各実施例の構成パラメータは後に示す。
【０２１３】
各実施例において、物体面における座標系のＺ軸を、物体中心を出て物体面に垂直な方向で定義する。 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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
偏心を行うときの座標系の原点は、実施例１〜３、６〜１０では、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。
【０２１６】
偏心面は、その座標系の原点から、その面の面頂位置のシフト（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とするティルト（それぞれα，β，γ（°））で与えられる。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【０２１７】
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。
【０２１８】
なお、以下の実施例１〜３、６〜１０において、偏心はディセンタアンドリターンで行われる。つまり、ｋ面が偏心していたときに、ｋ＋１面の面頂位置は、偏心前の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。
【０２１９】
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＋１８０°だけ回転させたものとして定義する。 これによって、光学系のＺ軸正方向に沿って光線が進行することになる。
【０２２０】
また、実施例４〜５では、偏心を行うときの座標系の原点は、光学系の第１面（カバーガラス、凹レンズの入射側の面）の面頂位置とする。
【０２２１】
偏心面は、他の実施例と同様、その座標系の原点から、その面の面頂位置のシフト（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とするティルト（それぞれα，β，γ（°））で与えられる。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【０２２２】
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。また、焦点距離は実施例４、５を除いて、次のように定義する。
【０２２３】
焦点距離は可変ミラーを除く光学系の焦点距離である。
【０２２４】
実施例１〜３は回転対称なレンズと可変ミラーの組み合わせによる撮像光学系の例でデジタルカメラ、ＴＶカメラ、携帯電話の撮像装置等に用いられる。
【０２２５】
実施例１は、図４５にＹ−Ｚ断面図に示すように、物体側から順に、物体側に凸の負メニスカスレンズ６０３、６０４が配置され、その後側に可変ミラー４０９が配置され、可変ミラー４０９の後側に、絞り６０２、像側の面が非球面の両凸正レンズ６０５、両凸正レンズ６０６と両凹負レンズ６０８の接合レンズ、像側の面が非球面の両凸正レンズ６０７が配置され、その後方にローパスフィルター６０９と赤外カットフィルター６１０とカバーガラス６１１が配置され、その後方に固体撮像素子の撮像面６１２が物体距離∞のときの光軸６１３に垂直な面に対して傾斜角Ｃ（＝２０′）傾斜して配置されている。以上のレンズ系の部分は、全体としてレトロフォーカスタイプになっている。可変ミラー４０９の形状は、物体距離∞のとき平面で、近距離になるにつれて強い凹面の自由曲面になる。物体距離∞で可変ミラー４０９が平面のとき、全系６１４は無偏心系となっている。このように撮像素子の撮像面６１２を光軸に対して傾斜させることで、可変ミラー４０９の焦点距離変化に伴う収差変動を緩和している。
【０２２６】
この実施例の撮像面６１２はＹ方向に長い長辺折りとなっており、その寸法は、Ｘ方向２．６６２ｍｍ、Ｙ方向３．５５２ｍｍであり、画素寸法はＰ_x ＝Ｐ_y ＝２．２μｍであり、後記の数値データ（構成パラメータ）には、物体距離ＯＤ＝１０００ｃｍの遠点とＯＤ＝２０ｃｍの近点のデータを示してある。
【０２２７】
なお、図４５には、前記の定義に従って回転される座標系を図示してある。
【０２２８】
実施例２は、実施例１と同様のレンズ構成である。すなわち、図４６にＹ−Ｚ断面図に示すように、物体側から順に、物体側に凸の負メニスカスレンズ６０３、６０４が配置され、その後側に可変ミラー４０９が配置され、可変ミラー４０９の後側に、絞り６０２、両凸正レンズ６０５、両凸正レンズ６０６と両凹負レンズ６０８の接合レンズ、両凸正レンズ６０７が配置され、その後方にローパスフィルター６０９と赤外カットフィルター６１０とカバーガラス６１１が配置され、その後方に固体撮像素子の撮像面６１２が物体距離∞のときの光軸６１３に垂直な面に対して傾斜角Ｃ傾斜して配置されている。以上のレンズ系の部分は、全体としてレトロフォーカスタイプになっている。可変ミラー４０９の形状は、物体距離∞のとき平面で、近距離になるにつれて強い凹面の自由曲面になる。物体距離∞で可変ミラー４０９が平面のとき、全系は無偏心系となっている。この実施例においても、撮像素子の撮像面６１２を光軸に対して傾斜させることで、可変ミラー４０９の焦点距離変化に伴う収差変動を緩和している。
【０２２９】
この実施例の撮像面６１２はＸ方向に長い短辺折りとなっており、その寸法は、Ｘ方向４．５１６ｍｍ、Ｙ方向３．３８７ｍｍであり、画素寸法はＰ_x ＝Ｐ_y ＝２．８μｍであり、後記の数値データ（構成パラメータ）には、物体距離ＯＤ＝１０００ｃｍの遠点とＯＤ＝２０ｃｍの近点のデータを示してある。
【０２３０】
この実施例の前記の定義に従って回転される座標系は図４５の場合と同様であるので図示は省いてある。
【０２３１】
実施例３は、実施例１と略同様のレンズ構成である。すなわち、図４７にＹ−Ｚ断面図に示すように、物体側から順に、物体側に凸の負メニスカスレンズ６０３、６０４が配置され、その後側に可変ミラー４０９が配置され、開口絞りを兼用する可変ミラー４０９、像面側に凸の正メニスカスレンズ６０５、両凸正レンズ６０６と両凹負レンズ６０８の接合レンズ、両凸正レンズ６０７が配置され、その後方にローパスフィルター６０９と赤外カットフィルター６１０とカバーガラス６１１が配置され、その後方に固体撮像素子の撮像面６１２が配置されている。以上のレンズ系の部分は、全体としてレトロフォーカスタイプになっている。可変ミラー４０９の形状は、物体距離∞のとき平面で、近距離になるにつれて強い凹面の自由曲面になる。物体距離∞で可変ミラー４０９が平面のとき、全系は無偏心系となっている。
【０２３２】
この実施例の撮像面６１２は長辺折りとなっており、その寸法は、Ｘ方向２．６６２ｍｍ、Ｙ方向３．５５ｍｍであり、画素寸法はＰ_x ＝Ｐ_y ＝２．２μｍであり、後記の数値データ（構成パラメータ）には、物体距離ＯＤ＝１０００ｃｍの遠点とＯＤ＝２０ｃｍの近点のデータを示してある。
【０２３３】
この実施例の前記の定義に従って回転される座標系は図４５の場合と同様であるので図示は省いてある。
【０２３４】
なお、実施例１〜３の可変ミラー４０９は、変形する反射面の周辺部を固定してある。そして、反射面の中央部が変位する。
【０２３５】
実施例４、５は、自由曲面プリズムと可変ミラーを組み合わせたもので、実施例１〜３と同様に、デジタルカメラ、ＴＶカメラ、携帯電話の撮像装置等のに用いられる。
【０２３６】
実施例４は、図４８にＹ−Ｚ断面図に示すように、物体側から順に、平行平板のカバーガラス６３３、第１プリズム６３４、開口絞り６０２、第２プリズム６３５、形状可変ミラー４０９、固体撮像素子の撮像面６１２からなり、第１プリズム６３４は、カバーガラス６３３を通った物体光の入射面である第１面６３４₁ 、第１面６３４₁ を経てプリズム内に入った光を反射する反射面である第２面６３４₂ 、第２面６３４₂ で反射された光をプリズム外に射出する射出面である第３面６３４₃ で構成されており、第２プリズム６３５は、第１プリズム６３４を出て開口絞り６０２を通った光の入射面である第１面６３５₁ 、第１面６３５₁ を経てプリズム内に入った光を一旦プリズム外に射出させ、その射出光が形状可変ミラー４０９で反射されて再び第２プリズム６３５内にその反射光を入射させる第２面６３５₂ 、第２面６３５₁ を経て再びプリズム内に入った光を反射する反射面である第３面６３５₃ 、第３面６３５₃ で反射された光をプリズム外に射出する射出面である第４面６３５₄ で構成されており、第４面６３５₄ から出た物体光は撮像面６１２に結像する。
【０２３７】
第１プリズム６３４の第１面６３４₁ から第３面６３４₃ 、第２プリズム６３５の第１面６３５₁ から第４面６３５₄ は何れも自由曲面からなり、形状可変ミラー４０９の形状は、物体距離∞のとき平面で、近距離になるにつれて強い凹面の自由曲面になる。
【０２３８】
なお、図４８には、各面の偏心位置を決める座標系とその原点が図示されており、その原点はカバーガラス６３３の入射側の面の面頂位置である。
【０２３９】
また、実施例４では、式（６１６）、式（６１７）におけるＭ１は、カバーガラス６３３の前面から反射面の第２面６３４₂ の光軸との交点までの空気換算長である。このように、実施例４以外でも、第１反射面が可変ミラーでない場合は、Ｍ１はその反射面の光軸との交点から光学系の第１面までの空気換算長と定義する。
【０２４０】
実施例５は、図４９にＹ−Ｚ断面図に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向け物体側の面が非球面の負メニスカスレンズ６３６、形状可変ミラー４０９、開口絞り６０２、プリズム６３７、固体撮像素子の撮像面６１２からなり、プリズム６３７は、負メニスカスレンズ６３６から開口絞り６０２を経た光の入射面である第１面６３７₁ 、第１面６３７₁ を経てプリズム内に入った光を反射させる第１反射面である第２面６３７₂ 、第２面６３７₂ で反射された光を反射させる第２反射面である第３面６３７₃ 、第３面６３７₃ で反射された光をプリズム外に射出する射出面である第４面６３７₄ で構成されており、第４面６３７₄ から出た物体光は撮像面６１２に結像する。
【０２４１】
プリズム６３７の第１面６３７₁ から第４面６３７₄ は何れも自由曲面からなり、形状可変ミラー４０９の形状は、物体距離∞のとき平面で、近距離になるにつれて強い凹面の自由曲面になる。
【０２４２】
なお、この実施例でも、実施例４と同様に、各面の偏心位置を決める座標系の原点は負メニスカスレンズ６３６の入射側の面の面頂位置である。
【０２４３】
上記実施例４、５共に、形状可変ミラー４０９をフォーカシング機能を持つように構成している。通常、フォーカシングする際には、レンズを機械的に駆動するが、これらの実施例の場合は、レンズを駆動する必要がなく、鏡枠構造が非常に簡素化できる等のメリットがある。また、これら実施例では、物点距離無限遠時に平面で、物体距離が至近になるにつれて、形状が変化するが、例えは、至近のときに平面で、物点距離無限遠時にパワーを持たせることも同様に可能である。
【０２４４】
実施例４、５は何れも、撮像面６１２のサイズが４．４８ｍｍ×３．３６ｍｍであり、撮影画角は水平画角５１．０°、垂直画角３９．３°、入射瞳径φ１．６６ｍｍであり、Ｆナンバーは２．８相当である。
【０２４５】
なお、実施例４、５において、ΔＭは次のように定義される。
ΔＭ＝ｈ・ｔａｎ｜Ｂ_M −Ｃ｜又はｈ・ｔａｎ｜Ｂ_m −Ｃ｜の小さい方。
【０２４６】
実施例４、５以外でも、回転対称なレンズ群がない光学系の場合には、上記のΔＭの定義が適用される。
【０２４７】
また、実施例４、５において、ｆは物体距離無限遠のときのＸ方向（対称面に垂直方向）焦点距離とＹ方向（対称面内の方向）焦点距離との平均である。
【０２４８】
実施例６は、デジタルカメラ、ＴＶカメラ等に用いられる２倍ズームレンズの例である。
【０２４９】
この実施例は、図５０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図に示すように、物体側から順に、物体側に凸の正メニスカスレンズと像側の面が非球面の両凹負レンズとからなり固定の第１レンズ群Ｇ１が配置され、その後側に可変ミラー４０９が配置され、可変ミラー４０９の後側に、絞り６０２、物体側の面が非球面の両凸正レンズと、両凸正レンズと、物体側に凸の負メニスカスレンズと、像側の面が非球面の両凹負レンズとからなる移動群の第２レンズ群Ｇ２が配置され、その後側に、像側の面が非球面の両凸正レンズ１枚からなる固定の第３レンズ群Ｇ３が配置され、その後方にローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター６３８とカバーガラス６１１が配置され、その後方に固体撮像素子の撮像面６１２が、物体距離∞、標準状態のときの光軸に垂直な面に対して、図５０（ａ）に示したように、傾斜角２３′傾斜して配置されている。
【０２５０】
この実施例の可変ミラー４０９（後記の数値データの５面）は凹面又は平面（無限遠合焦時で標準状態のとき）である。可変ミラー４０９は反射面の中心が固定されたまま変形するが、反射面の周辺を固定したまま変形させるようにしてもよい。なお、光軸は可変ミラー４０９との交点で９０°曲げられる。光軸と可変ミラーの交点が可変ミラー４０９の面形状の原点である。
【０２５１】
なお、図５０には、前記の定義に従って回転される座標系を図示してある。１〜４面と、５面と、６面以後とでは座標軸の方向が異なるので、注意する必要がある。
【０２５２】
この実施例において、可変ミラー４０９は絞り６０２と共に第２レンズ群Ｇ２を移動して変倍するときの生ずるピント移動を補償ため、及び、物体距離が変化したときにピントを合わせるために変形する。後記の数値データの７面から１４面が変倍のために移動する第２レンズ群Ｇ２で、光軸に沿って移動する。
【０２５３】
この実施例の撮像面６１２はＸ方向に長い短辺折りとなっており、その寸法は、Ｘ方向４ｍｍ、Ｙ方向３ｍｍであり、画素寸法はＰ_x ＝Ｐ_y ＝２．５μｍであり、後記の数値データ（構成パラメータ）には、物体距離ＯＤ＝∞の遠点のときの広角端ＷＥ、標準状態ＳＴ、望遠端ＴＥでのデータと、ＯＤ＝３０ｃｍの近点のときの標準状態ＳＴのデータを示してある。
【０２５４】
実施例７は、デジタルカメラ、ＴＶカメラ等に用いられる１．８倍ズームレンズの例である。
【０２５５】
この実施例は、図５１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図に示すように、物体側から順に、物体側に凸の正メニスカスレンズと像側の面が非球面の両凹負レンズとからなり固定の第１レンズ群Ｇ１が配置され、その後側に可変ミラー４０９が配置され、可変ミラー４０９の後側に、両凸正レンズ１枚からなりその像側の面が絞りを兼ねる固定の第２レンズ群Ｇ２、両凹負レンズ１枚からなる移動群の第３レンズ群Ｇ３、両凸正レンズと、像側の面が非球面の両凸正レンズと、両凹負レンズとからなる固定の第４レンズ群Ｇ４が配置され、その後方にローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター６３８とカバーガラス６１１が配置され、その後方に固体撮像素子の撮像面６１２が配置されている。
【０２５６】
この実施例においては、可変ミラー４０９（後記の数値データの５面）の面形状を変化させることで、第３レンズ群Ｇ３を移動して変倍するときの生ずるピント移動、物体距離変化に伴うピント移動の補償を行う。
【０２５７】
この実施例の可変ミラー４０９は凹面又は平面（無限遠合焦時で標準状態のとき）である。可変ミラー４０９は、実施例６と同様、反射面の中心が固定されたまま変形するが、反射面の周辺を固定したまま変形させるようにしてもよい。なお、光軸は可変ミラー４０９との交点で９０°曲げられる。光軸と可変ミラーの交点が可変ミラー４０９の面形状の原点である。
【０２５８】
図５１において、前記の定義に従って回転される座標系は図５０の場合と同様である。
【０２５９】
この実施例のように、負レンズを移動して変倍とすると、正レンズを移動して変倍を行う場合に比べて、少ないレンズの移動量で大きな変倍を行うことができるメリットがある。
【０２６０】
この実施例の撮像面６１２はＸ方向に長い短辺折りとなっており、その寸法は、Ｘ方向４ｍｍ、Ｙ方向３ｍｍであり、画素寸法はＰ_x ＝Ｐ_y ＝２．５μｍであり、後記の数値データ（構成パラメータ）には、物体距離ＯＤ＝∞の遠点のときの広角端ＷＥ、標準状態ＳＴ、望遠端ＴＥでのデータを示してある。
【０２６１】
実施例８は、図５２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図に示すように、可変ミラーを用いたデジタルカメラ用の撮像光学系の例である。
【０２６２】
この実施例は、物体側から順に、像側の面が非球面の両凹負レンズ１枚からなる固定で負パワーの第１レンズ群Ｇ１が配置され、その後側に可変ミラー４０９が配置され、可変ミラー４０９の後側に、物体側に凸の負メニスカスレンズと物体側に凸の正メニスカスレンズとからなる固定で正パワーの第２レンズ群Ｇ２が配置され、その後側に絞り６０２が配置され、その後に、物体側の面が非球面の物体側に凸の正メニスカスレンズと、両凸正レンズと、像側の面が非球面の両凹負レンズとからなる移動群の第３レンズ群Ｇ３が配置され、その後側に、両凸正レンズと、像側の面が非球面の像側に凸の負メニスカスレンズとからなる固定の第４レンズ群Ｇ４が配置され、その後方にローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター６３８とカバーガラス６１１が配置され、その後方に固体撮像素子の撮像面６１２が配置されている。第３レンズ群Ｇ３は正のパワーを持つバリエーターで、光学系の画角を変えるために絞り６０２と共にＺ軸と平行方向に移動する。第４レンズ群Ｇは正のパワーを持つレンズ群である。
【０２６３】
この実施例では、第３レンズ群Ｇ３がバリエーターとして機能し、可変ミラー４０９がコンペンセータ及び物体距離が変化したときのピント合わせ用として機能することで、ズーム比２．０倍の変倍が可能な光学系となっている。
【０２６４】
この実施例の数値データは後述するが、Ｆナンバーは２．８４〜３．４９であり、焦点距離は、広角端４．２ｍｍ、標準状態６．３ｍｍ、望遠端８．４ｍｍである。また、対角画角は、広角端６１．５３°、標準状態４３．２９°、望遠端３３．１５°である。撮像面のサイズは、４．４ｍｍ×３．３ｍｍである。
【０２６５】
この実施例では、第１レンズ群Ｇ１と第３レンズ群Ｇ３のそれぞれのレンズと固体撮像素子の撮像面６１２に故意にＺ軸に対して垂直方向（図５２（ａ）の矢印の方向）に偏心を加えている。さらに、固体撮像素子の撮像面６１２にはＸ軸を回転中心とするティルトも加えてある。可変ミラー４０９は自由曲面形状に変形することで、反射による偏心収差を抑えているが、それでも残存する偏心収差に対して、上記のようなレンズの偏心や撮像面のティルトが有効に作用する。
【０２６６】
なお、可変ミラー４０９の反射面の座標系（図５０（ｂ）参照）のＺ軸正方向は、表面から裏面側に向かう方向になるが、その反射面が自由曲面形状に変形しているとき、パワー成分であるＣ₄ ，Ｃ₆ （前記（ａ）式）が正のとき、凸面ミラーになる。つまり、負のパワーを持つミラーになる。逆に、パワー成分であるＣ₄ ，Ｃ₆ が負のとき、凹面ミラーつまり正のパワーを持つミラーになる。
【０２６７】
ここで、図５２（ａ）の矢印の方向に偏心を加えることで、屈曲光学系に特有な台形ディストーションを抑える効果がある。
【０２６８】
ここで、それぞれのレンズに加えた偏心量をΔ、光学系の焦点距離をｆとしたとき、ある状態で、
０≦｜Δ｜／ f＜１ …(101)
を満たすことが望ましい。
【０２６９】
式（１０１）の範囲でレンズを偏心させることで、台形ディストーション等の収差を効果的に抑えることができる。上限である０．２を越えると、偏心量が大きくなりすぎてしまい、周辺光線の収差が大きくなってくるので、バランスの良い収差補正が困難になってしまう。
【０２７０】
さらに、ある状態で、
０≦｜Δ｜／ f＜０．５ …(102)
を満たせば、収差補正の点でさらに良い。
【０２７１】
さらに、ある状態で、
０≦｜Δ｜／ f＜０．２ …(102-2)
を満たせばなおよい。
【０２７２】
また、レンズに限らず、光学素子、光学面、撮像素子をΔだけ偏心させてもよく、その場合でも、式（１０１）、式（１０２）、式（１０２−２）は適用される。
【０２７３】
また、レンズ、光学素子、光学面、固体撮像素子の撮像面６１２に加えたティルト量をΨ（°）としたとき、ある状態で、
０≦｜Ψ｜＜１５ …(103)
となることが望ましい。理由は、図３９の説明で述べたことに加えて以下の通りである。
【０２７４】
式（１０３）の範囲でレンズあるいは光学素子あるいは光学面あるいは撮像素子を偏心させることで、非対称成分を含む収差を効果的に抑えることができる。上限である１５°を越えると、像面の両端における入射光の主光線傾角の差が大きくなりすぎてしまい、シェーディング等によって像面の両端での明るさが変わってきてしまう。
【０２７５】
さらに、ある状態で、
０≦｜Ψ｜＜７．５ …(104)
を満たせば、像面を略均等な明るさにできるので、さらに良い。
０≦｜Ψ｜＜３ …(105)
とすればなお良い。
【０２７６】
式（１０１）〜式（１０５）は本発明全般に適用でき、さらに性能の良い光学系が得られる。
【０２７７】
実施例９は、図５３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図に示すように、可変ミラーを用いたデジタルカメラ、テレビカメラ等の用いられる１．４倍ズーム撮像光学系である。
【０２７８】
この実施例は、物体側から順に、像側の面が非球面の両凹負レンズと、両凸正レンズとからなる固定で負パワーの第１レンズ群Ｇ１が配置され、その後側に可変ミラー４０９が配置され、可変ミラー４０９の後側に、物体側に凸の正メニスカスレンズ１枚からなる固定で正パワーの第２レンズ群Ｇ２が配置され、その後側に絞り６０２が配置され、その後に、物体側の面が非球面の両凸正レンズと、両凸正レンズと、両凹負レンズとからなり絞り６０２と共に移動する正パワーの第３レンズ群Ｇ３が配置され、その後側に、像側の面が非球面の両凸正レンズ１枚からなる固定で正パワーの第４レンズ群Ｇ４が配置され、その後方にローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター６３８とカバーガラス６１１が配置され、その後方に固体撮像素子の撮像面６１２が配置されており、全体でレトロフォーカスタイプの光学系となっている。
【０２７９】
正パワーの第３レンズ群Ｇ３はバリエータであり、光軸方向（図のＺ軸方向）に移動することによって変倍を行う。可変ミラー４０９は、コンペンセータ及びフォーカシングレンズの機能を持っており、変倍に伴うピント位置のずれ及び物体距離の変化に伴うピントずれを補償するために変形する。形状は、物体距離∞かつ標準状態のときに平面であり、それ以外の状態では自由曲面形状である。
【０２８０】
なお、図５３（ａ）には、前記の定義に従って回転される座標系を図示してある。
【０２８１】
この実施例の固体撮像素子の撮像面６１２の撮像面サイズは、４ｍｍ×３ｍｍである。
【０２８２】
実施例１０は、図５４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図に示すように、可変ミラーを用いたデジタルカメラ、テレビカメラ等の用いられる１．４倍ズーム撮像光学系であり、実施例９とは、可変ミラー４０９への軸上光線入射角のみが異なっており、そのＸ軸回りの傾きαが４０°となっている。その他の構成は実施例９と同じである。
【０２８３】
このような構成によれば、実質的に利用できないデットスペースに光学系を配置することができ、カメラ全体を小型及び軽量化することができる。
【０２８４】
以下に、上記実施例１〜９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、“ＡＳＳ”は非球面、“ＲＥ”は反射面、“ＤＭ”は可変ミラー、また、偏心、面間隔に関して、“ＷＥ”、“ＳＴ”、“ＴＥ”はそれぞれ広角端、標準状態、望遠端を示し、“ＯＤ”は物体距離を示す。また、“ｆ”は焦点距離を、Ｆ_NOはＦナンバーを、２ωは画角を示す。また、屈折率、アッベ数はｄ線のものである。
【０２８５】

【０２８６】

【０２８７】

【０２８８】

【０２８９】

【０２９０】

【０２９１】

【０２９２】

【０２９３】

【０２９４】
次に、前記実施例１〜１０の上記条件式（５９９）〜（６１９）に関するパラメータの値を示す。
【０２９５】

。
【０２９６】

。
【０２９７】

。
【０２９８】
ところで、本発明の光学系に共通して言えることであるが、明るさ絞りは可変ミラーの後方に配置するのが良い。なぜなら、可変ミラーの前方に配置すると、絞りから可変ミラーより後の群までの距離が長くなりすぎ、主光線の高さが絞りより後の群で高くなりすぎ、軸外の収差補正が困難になるからである。
【０２９９】
また、本願に共通して言えることであるが、ズーム光学系の場合、本願の各種条件式に対して、少なくとも一つのズーム状態でその条件式を満たしていれば良い。
【０３００】
また、ズーム光学系の場合、変倍群が正パワーを持てば、レンズ構成はレトロフォーカスタイプを取りやすく、広角化が容易でよい。変倍群が負パワーを持てば、少ない変倍群の移動で大きな変倍が実現できて良い。
【０３０１】
なお、可変ミラーは変倍を主に行うレンズ群の前方に配置するのが望ましい。なぜなら、可変ミラーがピント合わせ機能を有する場合、物体距離の変化と共に、可変ミラーのパワーを変化させることになるが、変倍群が可変ミラーの後方にあれば、変倍群の倍率に関係なく物体距離に応じて可変ミラーのパワーを変化させてフォーカスを行えばよく、光学設計上、可変ミラーの制御上、考え方がシンプルになり、撮像系を設計しやすいからである。そして、このメリットは、可変ミラーがコンペンセータ機能を有する場合でも、有しない場合でも言える。
【０３０２】
最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。
【０３０３】
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。
【０３０４】
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。
【０３０５】
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。
【０３０６】
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。
【０３０７】
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。
【０３０８】
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。
【０３０９】
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。
【０３１０】
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。
【０３１１】
拡張曲面の定義は以下の通りである。
【０３１２】
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。
【０３１３】
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。
【０３１４】
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。
【０３１５】
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。
【０３１６】
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。
【０３１７】
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。
【０３１８】
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。
【０３１９】
情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。
【０３２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与するピント調節可能レンズ系、可変焦点レンズ系等の光学系とそのような光学系を備えた光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【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】本発明の光学系を用いたデジタルカメラ用の撮像装置の例を示すＹ−Ｚ断面図である。
【図４０】開口が不連続的に変化する絞りを示す図である。
【図４１】図３９の光学系を実装したデジタルカメラの例の構成を示す図である。
【図４２】本発明の光学系をファインダー系に用いたデジタルカメラを横から見た図である。
【図４３】可変ミラーの変形に伴う結像面の変化を示す図である。
【図４４】レンズ群を光軸に対して傾斜あるいはシフトさせた軸に沿って動かすようにした電子撮像系を示す図である。
【図４５】実施例１の光学系のＹ−Ｚ断面図である。
【図４６】実施例２の光学系のＹ−Ｚ断面図である。
【図４７】実施例３の光学系のＹ−Ｚ断面図である。
【図４８】実施例４の光学系のＹ−Ｚ断面図である。
【図４９】実施例５の光学系のＹ−Ｚ断面図である。
【図５０】実施例６のズームレンズの無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図である。
【図５１】実施例７のズームレンズの無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図である。
【図５２】実施例８のズームレンズの無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図である。
【図５３】実施例９のズームレンズの無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図である。
【図５４】実施例１０のズームレンズの無限遠合焦時のそれぞれ広角端、標準状態、望遠端でのＹ−Ｚ断面図である。
【符号の説明】
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（可変ミラー）
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
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
６０１…撮像装置
６０２…絞り
６０２’…開口が不連続的に変化する絞り
６０３…凹レンズ
６０４…凹レンズ
６０５…凸レンズ
６０６…凸レンズ
６０７…凸レンズ
６０８…凹レンズ
６０９…ローパスフィルター
６１０…赤外カットフィルター
６１１…カバーガラス
６１２…撮像面
６１３…光軸
６１４…光学系
６１７…デジタルカメラ
６１８…ストロボ
６１９…ファインダー
６２３…表示素子
６２４…自由曲面プリズム
６２５…表示素子の表示面
６２６…拡大光学系
６２７、６２８…結像面が変化する範囲を示す面
６３０…レンズ群
６３１…レンズ群の軸
６３３…カバーガラス
６３４…第１プリズム
６３４₁ …第１プリズムの第１面
６３４₂ …第１プリズムの第２面
６３４₃ …第１プリズムの第３面
６３５…第２プリズム
６３５₁ …第２プリズムの第１面
６３５₂ …第２プリズムの第２面
６３５₃ …第２プリズムの第３面
６３５₄ …第２プリズムの第４面
６３６…負メニスカスレンズ
６３７…プリズム
６３７₁ …プリズムの第１面
６３７₂ …プリズムの第２面
６３７₃ …プリズムの第３面
６３７₄ …プリズムの第４面
６３８…フィルター
９０１…接眼レンズ
９０２…対物レンズ
Ｇ１…第１レンズ群
Ｇ２…第２レンズ群
Ｇ３…第３レンズ群
Ｇ４…第４レンズ群

Claims (2)

1. 可変ミラーと、絞りと、光学素子と、固体撮像素子を有する光学系であって、
   前記光学系の焦点距離が有限であって、
   前記可変ミラーの形状は、対称面を１つだけ有する自由曲面に変形可能であり、
   前記光学系の使用時に前記可変ミラーが変形し、
   前記可変ミラーはフォーカスあるいはズームのために変形し、
   前記可変ミラーの変化に伴う前記光学系の結像面の傾きの変化を補正するために、前記可変ミラーの変化に伴う結像面の傾きの変化の範囲内に前記固体撮像素子を位置させ、
   前記絞りの位置が式（６０１）を満たすと共に、
   前記固体撮像素子の撮像面が式（６０７）及び式（６１１）を満足し、
   前記可変ミラーの変化に伴う収差の変化を補償するために、前記光学素子のそれぞれを、式（１０１’）を満たす範囲内で偏心あるいは式（１０３’）を満たす範囲内でティルトさせて収差を発生させ、前記可変ミラーの変化に伴う収差変化を補償したことを特徴とする光学系。
   ０≦｜Ｓｍ／ｆ｜≦１０ …(601)
   Ｂ _m ＜Ｃ＜Ｂ _M …(607)
   ｜ΔＭ｜≧Ｄ _f ／２０ …(611)
   0.025/3.530 ≦｜Δ｜／ f＜１ …(101')
   ０．０７５≦｜Ψ｜＜１５ …(103')
   ここで、Ｓｍは前記可変ミラーから前記絞りまでの距離、ｆは前記光学系の焦点距離、Ｂ _m は前記結像面の傾きの最小値、Ｂ _M は前記結像面の傾きの最大値、Ｃは前記光軸に垂直な面に対する前記撮像面の傾き、ΔＭは前記撮像面の傾きで生ずる光軸上の像面位置に対する前記撮像面の前記光軸方向の最大のずれであって、ΔＭ＝｜ｈ・ｔａｎＣ｜で表され、Ｄ _f は前記光学系における片側の焦点深度、ｈは前記光軸から測った前記撮像面の最大のずれを与える点までの距離、Δはそれぞれの前記光学素子に加えた光軸からの偏心量、Ψは前記光学素子及び前記撮像面に加えた光軸に対するティルト量（°）である。
2. 可変ミラーと、絞りと、光学素子と、表示素子を有する光学系であって、
   前記光学系の焦点距離が有限であって、
   前記可変ミラーの形状は、対称面を１つだけ有する自由曲面に変形可能であり、
   前記光学系の使用時に前記可変ミラーが変形し、
   前記可変ミラーはフォーカスあるいはズームのために変形し、
   逆光線追跡で考えた時、前記可変ミラーの変化に伴う前記光学系の結像面の傾きの変化を補正するために、前記可変ミラーの変化に伴う結像面の傾きの変化の範囲内に前記表示素子を位置させ、
   前記絞りの位置が式（６０１）を満たすと共に、
   前記表示素子の表示面が式（６０７）及び式（６１１）を満足し、
   前記可変ミラーの変化に伴う収差の変化を補償するために、前記光学素子のそれぞれを、式（１０１’）を満たす範囲内で偏心あるいは式（１０３’）を満たす範囲内でティルトさせて収差を発生させ、前記可変ミラーの変化に伴う収差変化を補償したことを特徴とする光学系。
   ０≦｜Ｓｍ／ｆ｜≦１０ …(601)
   Ｂ _m ＜Ｃ＜Ｂ _M …(607)
   ｜ΔＭ｜≧Ｄ _f ／２０ …(611)
   0.025/3.530 ≦｜Δ｜／ f＜１ …(101')
   ０．０７５≦｜Ψ｜＜１５ …(103')
   ここで、Ｓｍは前記可変ミラーから前記絞りまでの距離、ｆは前記光学系の焦点距離、Ｂ _m は前記結像面の傾きの最小値、Ｂ _M は前記結像面の傾きの最大値、Ｃは前記光軸に垂直な面に対する前記表示面の傾き、ΔＭは前記表示面の傾きで生ずる光軸上の像面位置に対する前記表示面の前記光軸方向の最大のずれであって、ΔＭ＝｜ｈ・ｔａｎＣ｜で表され、Ｄ _f は前記光学系における片側の焦点深度、ｈは前記光軸から測った前記表示面の最大のずれを与える点までの距離、Δはそれぞれの前記光学素子に加えた光軸からの偏心量、Ψは前記光学素子及び前記表示面に加えた光軸に対するティルト量（°）である。

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