JP2003228003A - 観察光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が
短く、機械的構造が簡単で、外径が細く小型で、フォー
カシング及びズーミングが可能な光学系。 【解決手段】 回転対称なレンズＧ１、Ｇ２、ＯＣを有
し、形状可変ミラーＤＭ１、ＤＭ２を用いてフォーカシ
ングあるいはズーミングを行う観察光学系であり、複数
枚の形状可変ミラーを用いており、少なくとも一つの可
変ミラーがある状態で自由曲面形状になる、フォーカシ
ングあるいはズーミングを行う観察光学系。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変焦点レンズ、
可変焦点回折光学素子、可変偏角プリズム、可変焦点ミ
ラー等の光学特性可変光学素子、及びこれらの光学特性
可変光学素子を含む光学系を備えた、例えば、カメラや
デジタルカメラやＴＶカメラのファインダー、望遠鏡や
顕微鏡や双眼鏡等の観察光学系、眼鏡、ビデオプロジェ
クター、カメラ、デジタルカメラ、ＴＶカメラ、内視
鏡、カメラ、デジタルカメラ、ＴＶカメラ等の光学装置
に関するものである。

【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、又は成形して製造したレンズを用いてお
り、レンズ自体で焦点距離を変化させることができない
ため、ある光学系においてフォーカシングやズーミング
を行うためには、レンズ群を光軸方向に移動させる必要
があるので、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】本発明は、従来技術のこのような問題点に
鑑みてなされたものであり、その目的は、カメラやデジ
タルカメラやＴＶカメラや撮像機能付き携帯電話のファ
インダー、望遠鏡や双眼鏡や顕微鏡等の観察光学系、内
視鏡や監視用カメラや小型のデジタルカメラの撮像光学
系等、これらの光学系において、消費電力が小さく、音
が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコスト
ダウンに寄与すると共に、外径が細く小型であるにもか
かわらず、フォーカシング及びズーミングが可能な光学
系を提供するものである。

【０００５】また、上記光学系以外にも、ロボットの
目、撮像機能付き携帯電話、ドアスコープ用カメラ、車
載カメラ等にも利用できることは言うまでもない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による観察光学系は、レンズ群の移動を行わ
ずに、形状可変ミラーの形状変化のみを用いて、次の条
件式を満たすズーミングを行うようにしたことを特徴と
する。 ０．０５＜｜Ｆ_TELE／Ｆ_WIDE｜＜２０ …(103) ここで、Ｆ_WIDEは、広角時の形状可変ミラーの焦点距
離、Ｆ_TELEは、望遠時の形状可変ミラーの焦点距離であ
る。

【０００７】また、本発明による観察光学系は、ズーミ
ングあるいはフォーカシングあるいは視度調節を行う際
に、少なくとも一つの形状可変ミラーがある状態で自由
曲面形状になるようにしたことを特徴とする。

【０００８】また、本発明による撮像光学系は、複数枚
の可変ミラーを用いて、ズーミングあるいはフォーカシ
ングを行うようにしたことを特徴とする。

【０００９】また、上記の条件式を満たせば、形状可変
ミラーを形状の変化しない可変ミラー、あるいは可変焦
点レンズとしても良い。

【００１０】

【発明の実施の形態】形状可変ミラーは、可変ミラーの
一つであり、表面形状を凸面、平面、凹面に自由に変化
させることで、光学パワー又は収差を自由に変化させる
ことができるミラーである。これによって、撮像系の物
体距離が変化した場合でも、可変ミラーの形状を変化さ
せるだけでピントを合わせることができる。このとき、
可変ミラーの形状は、回転対称な曲面でもよいが、収差
補正をより良く行うためには、回転非対称な自由曲面で
あることが望ましい。

【００１１】その理由を以下に詳述する。まず、用いる
座標系、回転非対称な面について説明する。軸上主光線
が、光学系の第１面に交差するまでの直線によって定義
される光軸をＺ軸とし、そのＺ軸と直交し、かつ、偏心
光学系を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、
前記光軸と直交し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸
とする。光線の追跡方向は、物体から像面に向かう順光
線追跡で説明する。

【００１２】一般に、球面レンズでのみ構成された球面
レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収
差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正し
合い、全体として収差を少なくする構成になっている。

【００１３】一方、少ない面数で収差を良好に補正する
ためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球
面で発生する各種収差自体を少なくするためである。

【００１４】しかし、偏心した光学系においては、偏心
により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補
正することは不可能である。この偏心により発生する回
転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上
でも発生する非点収差、コマ収差がある。

【００１５】まず、回転非対称な像面湾曲について説明
する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射
した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線
が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、
像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の
半分になる。すると、図４１に示すように、軸上主光線
に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対
称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可
能である。

【００１６】この傾いた像面湾曲をその発生源である凹
面鏡Ｍ自身で補正するには、凹面鏡Ｍを回転非対称な面
で構成し、この例ではＹ軸正の方向に対して曲率を強く
（屈折力を強く）し、Ｙ軸負の方向に対して曲率を弱く
（屈折力を弱く）すれば、補正することができる。ま
た、上記構成と同様な効果を持つ回転非対称な面を、凹
面鏡Ｍとは別に光学系中に配置することにより、少ない
構成枚数でフラットの像面を得ることが可能となる。

【００１７】また、回転非対称な面は、その面内及び面
外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とす
ることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。

【００１８】次に、回転非対称な非点収差について説明
する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍ
では、軸上光線に対しても図４２に示すような非点収差
が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説
明と同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向
の曲率を適切に変えることによって可能となる。

【００１９】さらに、回転非対称なコマ収差について説
明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡
Ｍでは、軸上光線に対しても図４３に示すようなコマ収
差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転
非対称面のＸ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変
えると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変え
ることによって可能となる。

【００２０】また、本発明の偏心光学系では、前述の反
射作用を有する少なくとも１つの面が軸上主光線に対し
偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可
能である。このような構成をとれば、その反射面にパワ
ーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補
正することが可能となり、プリズムの屈折面のパワーを
緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることがで
きる。

【００２１】そして、本発明の偏心光学系の構成反射面
の１つである形状可変ミラー、屈折率可変ミラーの面形
状を回転非対称な面とすることが偏心収差を補正する上
で望ましい。

【００２２】なお、本発明で用いる上記の回転非対称面
は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面であること
が好ましい。 ここで、本発明で使用する自由曲面とは以
下の式で定義されるものである。この定義式のＺ軸が自
由曲面の軸となる。

【００２３】 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。

【００２４】球面項中、 ｃ：頂点の曲率 ｋ：コーニック定数（円錐定数） ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ） Ｎ：２以上の自然数 である。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】また、自由曲面の他の定義式として、以下
の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。
この面の形状は以下の式により定義する。 その定義式の
Ｚ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面
の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定
義され、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＡはＺ軸回
りの方位角で、Ｘ軸から測った回転角で表せられる。

【００２８】 ｘ＝Ｒ×cos(A) ｙ＝Ｒ×sin(A) Ｚ＝Ｄ₂ ＋Ｄ₃ Ｒcos(A)＋Ｄ₄ Ｒsin(A) ＋Ｄ₅ Ｒ² cos(2A)＋Ｄ₆ （Ｒ² −１）＋Ｄ₇ Ｒ² sin(2A) ＋Ｄ₈ Ｒ³ cos(3A) ＋Ｄ₉ （３Ｒ³ −２Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₁₀（３Ｒ³ −２Ｒ）sin(A)＋Ｄ₁₁Ｒ³ sin(3A) ＋Ｄ₁₂Ｒ⁴cos(4A)＋Ｄ₁₃（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）cos(2A) ＋Ｄ₁₄（６Ｒ⁴ −６Ｒ² ＋１）＋Ｄ₁₅（４Ｒ⁴ −３Ｒ² ）sin(2A) ＋Ｄ₁₆Ｒ⁴ sin(4A) ＋Ｄ₁₇Ｒ⁵ cos(5A) ＋Ｄ₁₈（５Ｒ⁵ −４Ｒ³ ）cos(3A) ＋Ｄ₁₉（１０Ｒ⁵ −１２Ｒ³ ＋３Ｒ）cos(A) ＋Ｄ₂₀（１０Ｒ⁵ −１２Ｒ³ ＋３Ｒ）sin(A) ＋Ｄ₂₁（５Ｒ⁵ −４Ｒ³ ）sin(3A) ＋Ｄ₂₂Ｒ⁵ sin(5A) ＋Ｄ₂₃Ｒ⁶cos(6A)＋Ｄ₂₄（６Ｒ⁶ −５Ｒ⁴ ）cos(4A) ＋Ｄ₂₅（１５Ｒ⁶ −２０Ｒ⁴ ＋６Ｒ² ）cos(2A) ＋Ｄ₂₆（２０Ｒ⁶ −３０Ｒ⁴ ＋１２Ｒ² −１） ＋Ｄ₂₇（１５Ｒ⁶ −２０Ｒ⁴ ＋６Ｒ² ）sin(2A) ＋Ｄ₂₈（６Ｒ⁶ −５Ｒ⁴ ）sin(4A) ＋Ｄ₂₉Ｒ⁶sin(6A)・・・・・ ・・・・（ｂ） ただし、Ｄ_m （ｍは２以上の整数）は係数である。な
お、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、
Ｄ₄ ，Ｄ₅ ，Ｄ₆ 、Ｄ₁₀，Ｄ₁₁，Ｄ₁₂，Ｄ₁₃，Ｄ₁₄，Ｄ
₂₀，Ｄ₂₁，Ｄ₂₂…を利用する。

【００２９】その他の面の例として、次の定義式（ｃ）
があげられる。

【００３０】Ｚ＝ΣΣＣ_nmＸＹ例として、ｋ＝７（７次
項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。

【００３１】 Ｚ＝Ｃ₂ ＋Ｃ₃ Ｙ＋Ｃ₄ ｜Ｘ｜ ＋Ｃ₅ Ｙ² ＋Ｃ₆ Ｙ｜Ｘ｜＋Ｃ₇ Ｘ² ＋Ｃ₈ Ｙ³ ＋Ｃ₉ Ｙ² ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₀ＹＸ² ＋Ｃ₁₁｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₁₂Ｙ⁴ ＋Ｃ₁₃Ｙ³ ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₄Ｙ² Ｘ² ＋Ｃ₁₅Ｙ｜Ｘ³ ｜＋Ｃ₁₆Ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇Ｙ⁵ ＋Ｃ₁₈Ｙ⁴ ｜Ｘ｜＋Ｃ₁₉Ｙ³ Ｘ² ＋Ｃ₂₀Ｙ² ｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₂₁ＹＸ⁴ ＋Ｃ₂₂｜Ｘ⁵ ｜ ＋Ｃ₂₃Ｙ⁶ ＋Ｃ₂₄Ｙ⁵ ｜Ｘ｜＋Ｃ₂₅Ｙ⁴ Ｘ² ＋Ｃ₂₆Ｙ³ ｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₂₇Ｙ² Ｘ⁴ ＋Ｃ₂₈Ｙ｜Ｘ⁵ ｜＋Ｃ₂₉Ｘ⁶ ＋Ｃ₃₀Ｙ⁷ ＋Ｃ₃₁Ｙ⁶ ｜Ｘ｜＋Ｃ₃₂Ｙ⁵ Ｘ² ＋Ｃ₃₃Ｙ⁴ ｜Ｘ³ ｜ ＋Ｃ₃₄Ｙ³ Ｘ⁴ ＋Ｃ₃₅Ｙ² ｜Ｘ⁵ ｜＋Ｃ₃₆ＹＸ⁶ ＋Ｃ₃₇｜Ｘ⁷ ｜ ・・・（ｃ） なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由
曲面で面形状が表現されているが、上記（ｂ）式、
（ｃ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言う
までもない。

【００３２】本発明においては、（ａ）式の中のＸの奇
数時の項を全て０とすることで、Ｙ−Ｚ面と平行な対称
面を持つ自由曲面としている。

【００３３】また、上記定義式は、回転非対称な曲面形
状の面の例示のために示したものであり、他のいかなる
定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでも
ない。数学的に同値ならば他の定義で曲面形状を表して
もよい。

【００３４】以下、本発明の実施の形態を図面を用いて
説明する。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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４
０９ｂ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、４１
５，４１６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。

【００３８】なお、対物レンズ９０２、接眼レンズ９０
１、及び、プリズム４０４、二等辺直角プリズム４０
５、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。

【００３９】また、薄膜４０９ａは、例えば、P.Rai-ch
oudhury 編、Handbook of Michrolithography, Michrom
achining and Michrofabrication, Volume 2:Michromac
hining and Michrofabrication,P495,Fig.8.58, SPIE P
RESS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９
０１，９０２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。

【００４０】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。

【００４１】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４０
４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。

【００４２】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４０
９ｂ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４０９
ａ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。可変形状鏡４０９はリソグ
ラフィーを用いて作ると加工精度が良く、良い品質のも
のが得られやすく、好ましい。

【００４３】また、薄膜４０９ａをポリイミド等の合成
樹脂で製作すれば、低電圧でも大きな変形が可能である
ので好都合である。なお、プリズム４０４と可変形状鏡
４０９を一体的に形成してユニット化すると組み立て上
便利である。

【００４４】図１の例では、変形する基板４０９ｊを挟
んで反射面４０９ａと変形する電極４０９ｋを別に設け
て一体化しているので、製造法がいくつか選べるメリッ
トがある。また、反射面４０９ａで変形する電極４０９
ｋを兼ねるようにしても良い。両者が１つになるので、
構造が簡単になるメリットがある。

【００４５】また、図示を省略したが、可変形状鏡４０
９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。

【００４６】また、レンズ９０１，９０２、プリズム４
０４，４０５、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４
０４から離れて形成されているが、レンズ９０１，９０
２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４
０９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４０４，４
０５、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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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４０
９ｂ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４
１７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４０
９ａ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。

【００５０】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。

【００５１】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４０９
ｃ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。

【００５２】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、ＰｂＺ
ｒＯ3 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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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４０
９ｃ−１と電歪材料４０９ｃ−２を貼り合わせた構造に
してもよい。

【００５６】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。

【００５７】本実施例の可変形状鏡は、圧電素子４０９
ｃ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４０
９ａは電極４０９ｄとの間に印加される電圧と電極４０
９ｂに印加される電圧による静電気力とにより二重に変
形され得、上記実施例に示した何れのものよりもより多
くの変形パターンが可能であり、かつ、応答性も速いと
いう利点がある。

【００５８】そして、薄膜４０９ａ、電極４０９ｄ間の
電圧の符号を変えれば、可変形状鏡を凸面にも凹面にも
変形させることができる。その場合、大きな変形を圧電
効果で行い、微細な形状変化を静電気力で行ってもよ
い。また、凸面の変形には圧電効果を主に用い、凹面の
変形には静電気力を主に用いてもよい。なお、電極４０
９ｄは電極４０９ｂのように複数の電極から構成されて
もよい。この様子を図６に示した。なお、本願では、圧
電効果と電歪効果、電歪をすべてまとめて圧電効果と述
べている。従って、電歪材料も圧電材料に含むものとす
る。

【００５９】図７は本発明にかかる可変形状鏡４０９の
さらに他の実施例を示す概略構成図である。

【００６０】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４０９
ｅ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４０９
ａ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。

【００６１】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４０
９ｅ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４２
７には強磁性体よりなる鉄心を入れるようにしてもよ
い。

【００６２】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４２
８’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。

【００６３】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。

【００６４】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４０
９ｅ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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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１
０３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。

【００６８】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４
０９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。

【００６９】なお、図１３では、制御系１０３にコイル
を用いたトランスの昇圧回路を含む制御系の構成例を示
している。特に積層型圧電トランスを用いると、小型化
できてよい。昇圧回路は本発明のすべての電気を用いる
可変形状鏡、可変焦点レンズに用いることができるが、
特に静電気力、圧電効果を用いる場合の可変形状鏡、可
変焦点レンズに有用である。なお、可変形状鏡４０９で
ピント合わせを行うためには、たとえば固体撮像素子４
０８に物体像を結像させ可変形状鏡４０９の焦点距離を
変化させつつ物体像の高周波成分が最大になる状態を見
つければよい。高周波成分を検出するには、例えば固体
撮像素子４０８にマイクロコンピュータ等を含む処理装
置を接続し、その中で高周波成分を検出すればよい。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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、１８２，１８
３は電極である。また、点線は変形した時の振動板１８
１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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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５０８
ａ，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５
１３ａ，５１３ｂを介して設けた高分子分散液晶層５１
４とを有し、入射光を第１，第２のレンズ５１２ａ，５
１２ｂを経て収束させるものである。透明電極５１３
ａ，５１３ｂは、スイッチ５１５を介して交流電源５１
６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５
１４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。

【００７８】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５１
１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５
１８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。

【００７９】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。

【００８０】ここで、図１６に示すように、スイッチ５
１５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。

【００８１】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５１
９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。

【００８２】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。

【００８３】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Ｒ ₂ 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。

【００８４】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１
８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。

【００８５】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５１
４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。

【００８６】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 Cell
s 」31巻,Wilson and Eck,1993, Eleevier Science Pub
lishers 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。

【００８７】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・１
５μｍ）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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】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。

【００９２】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、 Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ・（１．５８５−１．４５）² ／（ｎ_u −ｎ_P ）² …(17) 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。

【００９３】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、ｆ
ｆ＝１では、高分子の体積がゼロとなり、高分子セル５
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、 4 ×10-6〔μｍ〕² ≦Ｄ・ｔ≦λ・45μｍ・(1.585−1.45)²/(ｎ_u −ｎ_P )² …(19) とする。なお、ｔの下限値は、図１６から明らかなよう
に、ｔ＝Ｄで、Ｄは、上述したように２ｎｍ以上である
ので、Ｄ・ｔの下限値は、（２×１０-3μｍ）²、すな
わち４×１０-6〔μｍ〕² となる。

【００９４】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。

【００９５】図２０は、図１９に示す可変焦点レンズ５
１１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。

【００９６】かかる撮像光学系によれば、可変抵抗器５
１９により可変焦点レンズ５１１の高分子分散液晶層５
１４に印加する交流電圧を調整して、可変焦点レンズ５
１１の焦点距離を変えることより、可変焦点レンズ５１
１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。

【００９７】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。

【００９８】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５３
３ａ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５
３２，５３３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。

【００９９】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。

【０１００】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。

【０１０１】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。

【０１０２】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。

【０１０３】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，５１
３ｂ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。

【０１０４】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５
５４の屈折率は小さくなり、焦点距離が長くなる。

【０１０５】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。

【０１０６】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５
６３ａ，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，５１３
ｂ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。

【０１０７】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２
５では、液晶分子の図示を省略してある。

【０１０８】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５６７
ａ，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５１３
ａ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。

【０１０９】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。

【０１１０】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５５２，５
５３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。

【０１１１】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。

【０１１２】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。

【０１１３】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。

【０１１４】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１４
５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１４
３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。

【０１１５】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。

【０１１６】なお、図２７中、１４５は透明電極、１４
６は流体をためるシリンダーである。また、透明物質１
４３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。

【０１１７】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。

【０１１８】なお、図２７の例で、可変焦点レンズ１４
０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。

【０１１９】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。

【０１２０】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。

【０１２１】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。

【０１２２】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１
６７の概略構成図である。

【０１２３】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、１
６５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。

【０１２４】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。

【０１２５】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。

【０１２６】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。

【０１２７】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。

【０１２８】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２
０２には、合成樹脂、有機材料を用いるのが望ましい。

【０１２９】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。

【０１３０】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。

【０１３１】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。

【０１３２】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。

【０１３３】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。

【０１３４】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。

【０１３５】本実施例の可変焦点レンズは、薄板２００
Ａ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。

【０１３６】なお、図３３中、２０４はレンズ形状の透
明基板である。

【０１３７】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。

【０１３８】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。

【０１３９】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。

【０１４０】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。

【０１４１】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２
０６を用いて構成されている。

【０１４２】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。

【０１４３】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。

【０１４４】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。

【０１４５】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。

【０１４６】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２１
１を経由して光が照射されるようになっている。

【０１４７】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。

【０１４８】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。

【０１４９】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。

【０１５０】このようにして、本実施例の光学素子２１
４は可変焦点レンズとして作用する。

【０１５１】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。

【０１５２】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、４
１７は距離センサー、４２４は振れセンサーである。

【０１５３】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。

【０１５４】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４
５０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。

【０１５５】なお、変形可能な基板４５１と電極４５２
の配置は逆でも良い。

【０１５６】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。

【０１５７】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。

【０１５８】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。

【０１５９】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。

【０１６０】各実施例において、物体面における座標系
のＺ軸を、物体中心を通り、物体面に垂直な直線で定義
する。 このＺ軸と直交する方向をＹ軸とし、このＹ軸、
Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸とする。

【０１６１】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。

【０１６２】偏心を行うときの座標系の原点は、偏心を
行う面をｋ面とするとき、ｋ−１面の面頂位置からＺ軸
方向に面間隔の分だけ移動した点とする。

【０１６３】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。

【０１６４】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。

【０１６５】なお、以下の実施例において、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。

【０１６６】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。

【０１６７】実施例１は、図３９に軸上主光線を含む広
角端での光路図に示すように、形状可変ミラーを用いた
ケプラー式ズームファインダーである。

【０１６８】物体からの入射光は、物体側に凹面を向け
た正メニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた負メニ
スカスレンズからなる負のパワーを持つレンズ群Ｇ１、
物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、両凸正レ
ンズからなる正のパワーを持つレンズ群Ｇ２を通過した
後、形状可変ミラーＤＭ１、ＤＭ２でそれぞれ反射され
て光路が約９０°曲げられ、ダハプリズムＤＰの直前で
中間像を結ぶ。 その後、プリズムへの入射面が凸面、プ
リズムからの射出面が平面のダハプリズムＤＰで中間像
の左右を反転し、物体側に凸面を向けた正メニスカスレ
ンズ１枚からなり物体側の面が非球面の接眼レンズＯＣ
で中間像を拡大する。そして、射出光はフィルターＦを
通った後に射出瞳ＥＰに到達する。 人間の眼を射出瞳Ｅ
Ｐの位置に持ってくることで、拡大された中間像を観察
することができる。

【０１６９】この実施例では、レンズ群の移動をさせる
ことなく、形状可変ミラーＤＭ１とＤＭ２の形状のみを
変化させて、ズーム比１. ７倍の変倍が可能な光学系と
なっている。

【０１７０】この光学系の中間像の像高は３．６３ｍｍ
であり、対物系の焦点距離は、広角端で１２．３３ｍ
ｍ、標準状態で１６．０８ｍｍ、望遠端で２０．９６ｍ
ｍである。また、画角は広角端で３２．４６°、標準状
態で２５．１°、望遠端で１９．４４°である。視度
は、−０．５ディオプタ−となっている。

【０１７１】この実施例１では、光学系の中に形状可変
ミラーを２枚用いているので、ズーミング時の像面にお
けるピント移動が抑えられるメリットがある。もちろ
ん、光学系の中に３枚以上の形状可変ミラーを配置して
もよい。

【０１７２】そして、この実施例では、物体と可変ミラ
ーＤＭ１の間のレンズ系Ｇ１、Ｇ２がレトロフォーカス
系をなしており、ダハプリズムＤＰの直前の中間像まで
のバックフォーカスを長くして、形状可変ミラーＤＭ
１、ＤＭ２を入れるスペースを確保している。

【０１７３】この実施例では、２枚の形状可変ミラーＤ
Ｍ１、ＤＭ２をペンタプリズムの反射面と等価な位置に
配置してある。 このように配置することで、入射光と出
射光の角度を９０°曲げることができ、さらに、それぞ
れの形状可変ミラーＤＭ１、ＤＭ２への入射光軸の角度
を２２．５°と小さくできるので、形状可変ミラーＤＭ
１、ＤＭ２の有効反射面積と収差を小さくできるメリッ
トがある。

【０１７４】実施例２は、実施例１と同様に、図３９に
軸上主光線を含む広角端での光路図に示すように、形状
可変ミラーを用いたケプラー式ズームファインダーであ
る。

【０１７５】この実施例は、実施例１のレンズデータの
形状可変ミラーＤＭ１、ＤＭ２の形状を変えたものであ
り、視度が−０．５ディオプタ−から−４ディオプター
に変化している。このように、可変ミラーＤＭ１、ＤＭ
２の形状を変化するだけで、ファインダーの視度調整を
することができる。

【０１７６】この光学系の中間像の像高は３．６３ｍｍ
であり、対物系の焦点距離は、広角端で１３．２４ｍ
ｍ、標準状態で１７．３１ｍｍ、望遠端で２２．５０ｍ
ｍである。また、画角は広角端で３２．４６°、標準状
態で２５．１°、望遠端で１９．４４°である。視度
は、−４ディオプタ−となっている。

【０１７７】この実施例では、レンズ群の移動をさせる
ことなく、形状可変ミラーＤＭ１とＤＭ２の形状のみを
変化させて、ズーム比１. ７倍の変倍が可能な光学系と
なっている。

【０１７８】実施例３は、図４０に軸上主光線を含む広
角端での光路図に示すように、図３９のファインダーの
中間像面までの光学系を取り出したものに相当する光学
系で、撮像系として使用できる例である。

【０１７９】すなわち、物体からの入射光は、物体側に
凹面を向けた正メニスカスレンズと、物体側に凸面を向
けた負メニスカスレンズからなる負のパワーを持つレン
ズ群Ｇ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ
と、両凸正レンズからなる正のパワーを持つレンズ群Ｇ
２を通過した後、形状可変ミラーＤＭ１、ＤＭ２でそれ
ぞれ反射されて光路が約９０°曲げられ、像面Ｉに結像
する。

【０１８０】この光学系の像高は３．６３ｍｍであり、
焦点距離は、広角端で１１．９２ｍｍ、標準状態で１
５．５４ｍｍ、望遠端で２０．２６ｍｍである。また、
画角は広角端で３２．４６°、標準状態で２５．１°、
望遠端で１９．４４°°である。

【０１８１】この実施例では、レンズ群の移動をさせる
ことなく、形状可変ミラーＤＭ１とＤＭ２の形状のみを
変化させて、ズーム比１. ７倍の変倍が可能な撮像光学
系となっている。

【０１８２】この実施例では、形状可変ミラーＤＭ１、
ＤＭ２の変形の自由度を増すために、形状可変ミラーＤ
Ｍ１、ＤＭ２をミラー面に対して垂直方向に移動させて
いる。このようにミラー面の並進を変数にとることで、
ズーム比を大きくしたままで収差を適正な範囲に抑えた
設計が可能になる。

【０１８３】次に、上記実施例１〜３の構成パラメータ
を示すが、本発明で使用する自由曲面とは前記の式
（ａ）で定義されるものである。その定義式のＺ軸が自
由曲面の軸となる。

【０１８４】また、非球面は、以下の定義式で与えられ
る回転対称非球面である。

【０１８５】 Ｚ＝（Ｙ² ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）Ｙ² ／Ｒ² ｝^{1 /2}］ ＋ＡＹ⁴ ＋ＢＹ⁶ ＋ＣＹ⁸ ＋ＤＹ¹⁰＋…… ・・・（ｄ） ただし、Ｚを、物体中心を通り物体面に垂直な直線と
し、ＹをＺと垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率
半径、Ｋは円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４
次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義
式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。

【０１８６】以下に、上記実施例１〜３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、“ＤＭ”は可変ミラー、“ＥＰ”
は射出瞳面をそれぞれ示す。また、面形状、偏心に関し
て、“ＷＥ”、“ＳＴ”、“ＴＥ”はそれぞれ広角端、
標準状態、望遠端を示す。

【０１８７】なお、データの記載されていない自由曲
面、非球面等に関する項は０である。屈折率について
は、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記
してある。長さの単位はｍｍである。

【０１８８】 実施例１ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ 3000.00 1 -51.03 1.50 1.7552 27.6 2 -20.97 0.10 3 20.22 1.00 1.5322 66.0 4 5.46 13.84 5 21.43 3.09 1.7276 28.8 6 9.97 0.43 7 13.02 2.89 1.5947 55.3 8 -10.70 9.66 9 ＦＦＳ（ＤＭ１） 8.00 偏心(1) 10 ＦＦＳ（ＤＭ２） 10.86 偏心(2) 11 10.81 29.10 1.5254 55.8 12 ∞ 1.36 13 ＡＳＳ 2.10 1.4923 57.6 14 125.27 2.29 15 ∞ 1.20 1.4924 57.6 16 ∞ 13.41 17 ∞（ＥＰ） 31.62 ＡＳＳ Ｒ 9.68 Ｋ 1.3810 Ａ -4.7970×10^-4 Ｂ 6.4148×10^-6 Ｃ -4.8204×10^-7 Ｄ 4.6512×10^-9 ＦＦＳ ＷＥ： Ｃ₄ 8.5936×10^-3 Ｃ₆ 7.0932×10^-3 Ｃ₈ 5.5321×10^-4 Ｃ₁₀ 1.6050×10^-4 Ｃ₁₁ -9.6210×10^-4 Ｃ₁₃ -1.0592×10^-3 Ｃ₁₅ -3.6665×10^-4 ＳＴ：平面 ＴＥ： Ｃ₄ -1.7279×10^-3 Ｃ₆ -3.0676×10^-3 Ｃ₈ -9.5712×10^-4 Ｃ₁₀ -2.3725×10^-4 Ｃ₁₁ -1.8009×10^-4 Ｃ₁₃ -5.1934×10^-4 Ｃ₁₅ 1.1968×10^-5 ＦＦＳ ＷＥ： Ｃ₄ -1.2208×10^-2 Ｃ₆ -1.2585×10^-2 Ｃ₈ -1.2730×10^-3 Ｃ₁₀ -4.7421×10^-4 Ｃ₁₁ -6.2704×10^-4 Ｃ₁₃ -7.0316×10^-4 Ｃ₁₅ -1.7834×10^-4 ＳＴ：平面 ＴＥ： Ｃ₄ 1.1477×10^-2 Ｃ₆ 1.3645×10^-2 Ｃ₈ 2.0338×10^-3 Ｃ₁₀ 8.5954×10^-4 Ｃ₁₁ 3.0051×10^-4 Ｃ₁₃ 1.7679×10^-3 Ｃ₁₅ -1.5926×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 。

【０１８９】 実施例２ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ 3000.00 1 -51.03 1.50 1.7552 27.6 2 -20.97 0.10 3 20.22 1.00 1.5322 66.0 4 5.46 13.84 5 21.43 3.09 1.7276 28.8 6 9.97 0.43 7 13.02 2.89 1.5947 55.3 8 -10.70 9.66 9 ＦＦＳ（ＤＭ１） 8.00 偏心(1) 10 ＦＦＳ（ＤＭ２） 10.86 偏心(2) 11 10.81 29.10 1.5254 55.8 12 ∞ 1.36 13 ＡＳＳ 2.10 1.4923 57.6 14 125.27 2.29 15 ∞ 1.20 1.4924 57.6 16 ∞ 13.41 17 ∞（ＥＰ） 31.62 ＡＳＳ Ｒ 9.68 Ｋ 1.3810 Ａ -4.7970×10^-4 Ｂ 6.4148×10^-6 Ｃ -4.8204×10^-7 Ｄ 4.6512×10^-9 ＦＦＳ ＷＥ： Ｃ₄ 8.9058×10^-3 Ｃ₆ 7.4976×10^-3 Ｃ₈ 6.2420×10^-4 Ｃ₁₀ 2.5429×10^-4 Ｃ₁₁ -8.0571×10^-4 Ｃ₁₃ -9.2481×10^-4 Ｃ₁₅ -2.9993×10^-4 ＳＴ： Ｃ₄ 6.3620×10^-4 Ｃ₆ 7.3554×10^-4 Ｃ₈ 2.6463×10^-5 Ｃ₁₀ 2.0535×10^-5 Ｃ₁₁ 5.5902×10^-5 Ｃ₁₃ 9.2505×10^-5 Ｃ₁₅ 2.3196×10^-5 ＴＥ： Ｃ₄ -1.1120×10^-3 Ｃ₆ -2.8274×10^-3 Ｃ₈ -9.6709×10^-4 Ｃ₁₀ -2.7664×10^-4 Ｃ₁₁ -1.6108×10^-4 Ｃ₁₃ -4.6921×10^-4 Ｃ₁₅ 1.4609×10^-5 ＦＦＳ ＷＥ： Ｃ₄ -1.0327×10^-2 Ｃ₆ -1.0889×10^-2 Ｃ₈ -1.0795×10^-3 Ｃ₁₀ -4.4715×10^-4 Ｃ₁₁ -5.6857×10^-4 Ｃ₁₃ -1.0490×10^-3 Ｃ₁₅ -1.1450×10^-4 Ｃ₁₈ 2.0289×10^-4 ＳＴ： Ｃ₄ 2.5727×10^-3 Ｃ₆ 1.4406×10^-3 Ｃ₈ -6.5130×10^-5 Ｃ₁₀ -5.7879×10^-5 Ｃ₁₁ -1.5142×10^-4 Ｃ₁₃ -5.8866×10^-4 Ｃ₁₅ -4.7791×10^-5 Ｃ₁₈ 2.0289×10^-4 ＴＥ： Ｃ₄ 1.2609×10^-2 Ｃ₆ 1.5324×10^-2 Ｃ₈ 2.2295×10^-3 Ｃ₁₀ 9.9575×10^-4 Ｃ₁₁ 2.3993×10^-4 Ｃ₁₃ 1.1999×10^-3 Ｃ₁₅ -1.5372×10^-4 Ｃ₁₈ 2.0289×10^-4 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 。

【０１９０】 実施例３ 面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数 物体面 ∞ 3000.00 1 -11.64 5.38 1.7072 44.0 2 -12.73 0.10 3 20.66 1.50 1.5512 64.6 4 7.43 12.64 5 16.96 1.50 1.7282 28.7 6 8.99 0.49 7 9.88 3.39 1.6000 61.4 8 -15.76 9.20 9 ＦＦＳ（ＤＭ１） 8.50 偏心(1) 10 ＦＦＳ（ＤＭ１） 10.40 偏心(2) 像 面 ∞ ＦＦＳ ＷＥ： Ｃ₄ 2.4704×10^-3 Ｃ₆ 3.4494×10^-3 Ｃ₈ 2.4088×10^-4 Ｃ₁₀ 1.6255×10^-4 Ｃ₁₁ -1.1023×10^-5 Ｃ₁₃ -2.3911×10^-5 Ｃ₁₅ 6.1045×10^-6 ＳＴ：平面 ＴＥ： Ｃ₄ -3.4553×10^-3 Ｃ₆ -2.8034×10^-3 Ｃ₈ -2.6148×10^-4 Ｃ₁₀ -1.1841×10^-4 Ｃ₁₁ 1.0637×10^-5 Ｃ₁₃ -4.1306×10^-6 Ｃ₁₅ 3.2107×10^-6 ＦＦＳ ＷＥ： Ｃ₄ -7.4056×10^-3 Ｃ₆ -9.5270×10^-3 Ｃ₈ -4.1745×10^-4 Ｃ₁₀ -4.6763×10^-5 Ｃ₁₁ -5.1226×10^-6 Ｃ₁₃ -4.0217×10^-4 Ｃ₁₅ 1.2427×10^-5 ＳＴ：平面 ＴＥ： Ｃ₄ 1.6165×10^-2 Ｃ₆ 1.3129×10^-2 Ｃ₈ 1.6242×10^-3 Ｃ₁₀ 8.6352×10^-5 Ｃ₁₁ 1.3285×10^-4 Ｃ₁₃ 1.9178×10^-4 Ｃ₁₅ 9.1059×10^-5 偏心(1) ＷＥ： Ｘ 0.00 Ｙ -0.07 Ｚ 0.18 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 ＳＴ： Ｘ 0.00 Ｙ 0.06 Ｚ -0.15 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 ＴＥ： Ｘ 0.00 Ｙ 0.07 Ｚ -0.18 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) ＷＥ： Ｘ 0.00 Ｙ -0.07 Ｚ 0.18 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 ＳＴ： Ｘ 0.00 Ｙ -0.07 Ｚ 0.18 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 ＴＥ： Ｘ 0.00 Ｙ 0.07 Ｚ -0.18 α -22.50 β 0.00 γ 0.00 。

【０１９１】さて、本発明の観察光学系は、次の条件式
の何れか１つ以上を満たすと、小型、高性能のズーミン
グ可能な観察光学系が得られるので、なお良い。

【０１９２】形状可変ミラーのパワーをＰ_DFM 、光学系
のレンズ第１面から可変ミラー直前までのレンズ群（以
後、これを撮像系レンズ群と呼ぶ。）の焦点距離をＦ
_TOT としたときに、ある状態で、 ０≦｜Ｐ_DFM ×Ｆ_TOT ｜＜１０ …(101) を満たすことが望ましい。

【０１９３】式（１０１）を満たすことで、形状可変ミ
ラーの変形量を適正な範囲で抑えられるので、形状可変
ミラーで反射された光線の偏心収差を小さくすることが
できる。

【０１９４】なお、ここでの形状可変ミラーのパワーＰ
_DFM は、形状可変ミラー面の自由曲面ＸＹ多項式の２次
の項であるＣ₄ 又はＣ₆ を４倍したもので定義する。

【０１９５】式（１０１）以下の条件式で使われている
形状可変ミラーを含めた光学系のパワー及び焦点距離
は、Ｃ₄ から求めたものとＣ₆ から求めたものの２種類
があるが、少なくとも一方が式（１０１）以下の条件式
を満たしていれば良いものとする。

【０１９６】さらに、ある状態で、 ０≦｜Ｐ_DFM ×Ｆ_TOT ｜＜５ …(102) を満たせば、さらに偏心収差を抑えられるので、なお良
い。

【０１９７】また、広角側に変倍した時の形状可変ミラ
ーの焦点距離をＦ_WIDE、望遠側に変倍したときの形状可
変ミラーの焦点距離をＦ_TELEとしたときに、ある状態
で、 ０．０５＜｜Ｆ_TELE／Ｆ_WIDE｜＜２０ …(103) を満たすことが望ましい。式（１０３）を満たすこと
で、形状可変ミラーの変形量を適正な範囲で抑えること
ができる。

【０１９８】なお、ここでの形状可変ミラーの焦点距離
Ｆ_WIDE及びＦ_TELEは、形状可変ミラーのパワーＰ_DFM の
逆数で定義する。この場合、Ｃ₄ から求めた焦点距離と
Ｃ₆から求めた焦点距離の２種類があるが、上述したよ
うに、少なくとも一方が条件式を満たしていれば良い。

【０１９９】さらに、ある状態で、 ０．１＜｜Ｆ_TELE／Ｆ_WIDE｜＜１０ …(104) を満たせば、収差補正の点でさらに良い。

【０２００】また、２つの形状可変ミラー間の空気換算
長をＤ１、撮像系レンズ群の焦点距離をＦ_TOT としたと
きに、ある状態で、 ０．１＜Ｄ１／Ｆ_TOT ＜５ …(105) を満たすことが望ましい。

【０２０１】式（１０５）を満たすように２つの形状可
変ミラーの間隔をとることで、ズーム比を大きくするこ
とができる。

【０２０２】さらに、ある状態で、 ０．２＜Ｄ１／Ｆ_TOT ＜１ …(106) を満たせば、コンパクト化も容易になり、さらに良い。

【０２０３】また、２つ目の形状可変ミラーから中間像
面までの空気換算長をＤ２、撮像系レンズ群の焦点距離
をＦ_TOT としたときに、ある状態で、 ０．１＜Ｄ２／Ｆ_TOT ＜５ …(107) を満たすことが望ましい。

【０２０４】式（１０７）を満たすように形状可変ミラ
ーを配置することで、屈曲光学系の光路を妨げることな
く、光学系のコンパクト化を容易に行うことができる。

【０２０５】さらに、ある状態で、 ０．２＜Ｄ２／Ｆ_TOT ＜１ …(108) を満たせば、バックフォーカスを適正な長さにすること
ができ、収差補正の点でさらに良い。

【０２０６】また、撮像系レンズ群のレンズ第１面から
中間像面までの距離をＣＪ、撮像系レンズ群の焦点距離
をＦ_TOT としたときに、ある状態で、 ０．５＜ＣＪ／Ｆ_TOT ＜１０ …(109) を満たすことが望ましい。

【０２０７】式（１０９）を満たすことで、コンパクト
な光学系を構成することができる。

【０２０８】さらに、ある状態で、 １＜ＣＪ／Ｆ_TOT ＜６ …(110) を満たせば、よりコンパクトになるので、さらに良い。

【０２０９】また、光学系に入射する光線の最大画角を
２ωとしたときに、ある状態で、 １０°＜２ω＜６７° …(111) を満たすことが望ましい。

【０２１０】式（１０１）を満たすように入射光線の画
角をとることで、カメラのファインダーに適した光学系
になる。

【０２１１】さらに、ある状態で、 １５°＜２ω＜６３° …(112) を満たせば、収差補正の点でさらに良い。

【０２１２】また、撮像系レンズ群に含まれる、負のパ
ワーを持つレンズ群の焦点距離をＦ _N 、撮像系レンズ群
の焦点距離をＦ_TOT としたときに、ある状態で、 ０．１＜｜Ｆ_N ｜／Ｆ_TOT ＜１０ …(113) を満たすことが望ましい。

【０２１３】式（１１３）を満たすように、負のパワー
を持つレンズ群の焦点距離を選ぶことで、レトロフォー
カスタイプの光学系にすることが容易になり、形状可変
ミラーを入れるスペースを確保することができる。｜Ｆ
_N ｜／Ｆ_TOT が下限の０．１を下回ると、ペッツバール
和がマイナスに行き過ぎ、像面湾曲収差の補正が著しく
困難になる。また、｜Ｆ_N ｜／Ｆ_TOT が上限の１０を上
回ると、最終レンズ面から固体撮像素子までの距離が大
きく取れなくなるので、形状可変ミラーを光学系に配置
することが困難になる。 あるいは、広角にすることが困
難になる。

【０２１４】さらに、ある状態で、 ０．２＜｜Ｆ_N ｜／Ｆ_TOT ＜５ …(114) を満たせば、収差の補正が容易になるので、さらに良
い。

【０２１５】また、撮像系レンズ群に含まれる正のパワ
ーを持つレンズ群の焦点距離をＦ_Pとしたときに、ある
状態で、 ０．１＜｜Ｆ_P ｜／Ｆ_TOT ＜１０ …(115) を満たすことが望ましい。

【０２１６】式（１１５）を満たすように正のパワーを
持つレンズ群の焦点距離を選ぶことで、可変ミラーを配
置するスペースを保ちながら、レンズ系の全長を短くす
ることができる。

【０２１７】さらに、ある状態で、 ０．２＜｜Ｆ_P ｜／Ｆ_TOT ＜５ …(116) 式（１１６）を満たせば、収差の補正が容易になるの
で、なお良い。

【０２１８】また、形状可変ミラーの表面形状を表した
式（ａ）の自由曲面の係数Ｃ₄ において、物体距離が異
なる２状態で異なる符号になっても良い。そのようにＣ
₄ をとることで、Ｃ₄ が同符号の場合よりも、物体距離
が変化したときのミラー面の変形量を小さく抑えること
ができる。

【０２１９】同様の理由で、自由曲面の係数Ｃ₆ におい
て、物体距離が異なる２状態で異なる符号になっても良
い。

【０２２０】また、光学系の中の何れかの可変ミラーに
おいて、物体距離が近点では可変ミラーの収束作用が強
くなり、物体距離が遠点では、可変ミラーの収束作用が
弱くなることが望ましい。

【０２２１】また、可変ミラーの形状を表した式（ａ）
の自由曲面の係数Ｃ₄ とＣ₆ において、ある状態で、 ０. ０１＜Ｃ₆ ／Ｃ₄ ＜１０ …(117) を満たすことが望ましい。

【０２２２】式（１１７）を満たすことで、ミラーの変
形量を適正な範囲に抑えることができ、変形を素早く、
容易に行うことができる。

【０２２３】その上、ある状態で、 ０. ０５＜Ｃ₆ ／Ｃ₄ ＜５ …(118) を満たせば、他の収差とのバランスを取れるので、さら
に良い。

【０２２４】また、２つの可変ミラーにおいて、ある状
態で、それぞれの自由曲面係数Ｃ₄が異符号であっても
良い。そのようにすることで、２つの可変ミラーでレト
ロフォーカスタイプから望遠タイプのパワー配置をとれ
るので、ズーム比を大きくすることができる。

【０２２５】同様に、ある状態で、それぞれの自由曲面
係数Ｃ₆ が異符号であっても良い。

【０２２６】また、可変ミラーの形状を表した式（ａ）
の自由曲面の係数Ｃ₈ とＣ₁₀において、ある状態で、 ０. ０１＜Ｃ₁₀／Ｃ₈ ＜１０ …(119) を満たすことが望ましい。

【０２２７】式（１１９）を満たすことで、ミラーの変
形量をあまり大きくせずに、光学系の像位置による像面
の違いを適正な範囲内で抑えることができる。

【０２２８】その上、ある状態で、 ０. ０５＜Ｃ₁₀／Ｃ₈ ＜５ …(120) を満たせば、他の収差とのバランスを取れるので、さら
に良い。

【０２２９】また、式（ａ）の自由曲面の係数Ｃ₁₁とＣ
₁₃において、ある状態で、 ０. ０１＜｜Ｃ₁₃／Ｃ₁₁｜＜１００ …(121) を満たすことが望ましい。

【０２３０】式（１２１）を満たすことで、ミラーの変
形量をあまり大きくせずに、光学系の子午面外の物体位
置に対する結像の収差を適正な範囲内で抑えることがで
きる。

【０２３１】その上、ある状態で、 ０. １＜｜Ｃ₁₃／Ｃ₁₁｜＜８０ …(122) を満たせば、ミラー面の変形を無理なく行うことができ
るので、さらに良い。

【０２３２】また、式（ａ）の自由曲面の係数Ｃ₁₁とＣ
₁₅において、ある状態で、 ０. ０１＜｜Ｃ₁₅／Ｃ₁₁｜＜１０ …(123) を満たすことが望ましい。

【０２３３】式（１２３）を満たすことで、ミラーの変
形量をあまり大きくせずに、視野周辺の像面湾曲の高次
の収差補正を行うことができる。

【０２３４】その上、ある状態で、 ０. ０５＜｜Ｃ₁₅／Ｃ₁₁｜＜５ …(124) を満たせば、視野中心部との収差のバランスが取れるの
で、さらに良い。

【０２３５】また、ある状態で、光学系のある像高にお
ける主光線と光軸の交わる位置が、２つの可変ミラーの
間に位置していることが望ましい。このようにすること
で、可変ミラーの変形量を大きくすることなく、ズーム
比を大きく取れることができる。また、広角端と望遠端
における収差を適正な範囲に抑えることができる。な
お、ここでの光軸とは、軸上主光線のことを指す。

【０２３６】また、ファインダーの視度の調整には、可
変ミラーの片方のみを変形させても良いし、両方を同時
に変形させても良い。片方の可変ミラーを変形させる場
合は、素早い調整が可能になり、また、両方の可変ミラ
ーを変形させる場合は、収差をより良く抑えた調整が可
能になる。

【０２３７】以上の実施例では、可変ミラーの周辺部は
固定としたが、必ずしも固定する必要はなく、周辺部が
変動しても良い。

【０２３８】なお、可変ミラーの駆動方式としては、静
電駆動方式、電磁駆動方式、圧電効果を用いた方式等、
本願で示したどのタイプを用いても良い。静電駆動方式
を用いれば、ミラー駆動時の消費電力を低く抑えること
ができるので良い。電磁駆動方式を用いれば、ミラー駆
動の制御を行いやすいので良い。

【０２３９】次に、前記実施例１〜３の上記条件式（１
０１）〜（１１０）、（１１３）〜（１１６）に関する
パラメータの値を示す。

【０２４０】最後に、本発明で用いる用語の定義を述べ
ておく。

【０２４１】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。

【０２４２】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。

【０２４３】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。

【０２４４】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。

【０２４５】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 ｍｏ
ｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）、ＰＤＡ（携帯
情報端末）、携帯電話等がある。

【０２４６】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。

【０２４７】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。

【０２４８】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。

【０２４９】拡張曲面の定義は以下の通りである。

【０２５０】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。

【０２５１】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。

【０２５２】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。

【０２５３】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。

【０２５４】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。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。

【０２５５】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。

【０２５６】情報発信装置は、信号処理装置の中に含ま
れる。

【０２５７】以上説明したように、本発明の光学装置
は、特許請求の範囲に記載された発明の他に、次に示す
ような特徴も備えている。

【０２５８】〔１〕 回転対称なレンズを有し、形状可
変ミラーを用いてフォーカシングあるいはズーミングを
行う観察光学系。

【０２５９】〔２〕 複数枚の形状可変ミラーを用い
て、フォーカシングあるいはズーミングを行う観察光学
系。

【０２６０】〔３〕 フォーカシングあるいはズーミン
グを行う際に、少なくとも一つの可変ミラーが、ある状
態で自由曲面形状になることを特徴とする観察光学系。

【０２６１】〔４〕 可変ミラーへの軸上光線の入射角
がある状態で１５°以上３０°以内であることを特徴と
する可変ミラーを有する観察光学系。

【０２６２】〔５〕 負のパワーを持つレンズ群と正の
パワーを持つレンズ群とを有し、物体から観察光学系へ
の軸上入射光線と、射出瞳からの軸上出射光線が、ある
状態で略平行（±５°以内）であることを特徴とする可
変ミラーを有する観察光学系。

【０２６３】〔６〕 負のパワーを持つレンズ群と正の
パワーを持つレンズ群とを有すレトロフォーカス型レン
ズ系の後方に可変ミラーを配置し、ズーミングあるいは
フォーカシングを行う可変ミラーを有する観察光学系。

【０２６４】〔７〕 何れかの可変ミラーについて面形
状をあらわすＣ₄ がある状態で異なる符号になる２状態
を含む可変ミラーを有する観察光学系。

【０２６５】〔８〕 何れかの可変ミラーについて面形
状をあらわすＣ₆ がある状態で異なる符号になる２状態
を含む可変ミラーを有する観察光学系。

【０２６６】

〔９〕 何れかの可変ミラーについて、広
角側に変倍したときの可変ミラーの焦点距離をＦ_WIDE、
望遠側に変倍したときの可変ミラーの焦点距離をＦ_TELE
としたときに、ある状態で、 ０．０５＜｜Ｆ_TELE／Ｆ_WIDE｜＜２０ …(103) である可変ミラーを有する観察光学系。

【０２６７】〔１０〕 何れかの可変ミラーについて、
可変ミラーのパワーをＰ_DFM 、光学系のレンズ第１面か
ら可変ミラー直前までのレンズ群の焦点距離をＦ_TOT と
したときに、ある状態で、 ０≦｜Ｐ_DFM ×Ｆ_TOT ｜＜１ …(101) を満たす可変ミラーを有する観察光学系。

【０２６８】〔１１〕 ２つの形状可変ミラー間の空気
換算長をＤ１、撮像系レンズ群の焦点距離をＦ_TOT とし
たときに、ある状態で、 ０．１＜Ｄ１／Ｆ_TOT ＜５ …(105) を満たす可変ミラーを有する観察光学系。

【０２６９】〔１２〕 第２番目の形状可変ミラーから
中間像面までの空気換算長をＤ２、撮像系レンズ群の焦
点距離をＦ_TOT としたときに、ある状態で、 ０．１＜Ｄ２／Ｆ_TOT ＜５ …(107) を満たす可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７０】〔１３〕 撮像系レンズ群のレンズ第１面
から中間像面までの距離をＣＪ、撮像系レンズ群の焦点
距離をＦ_TOT としたときに、ある状態で、 ０．５＜ＣＪ／Ｆ_TOT ＜１０ …(109) を満たす可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７１】〔１４〕 光学系に入射する光線の最大画
角を２ωとしたときに、ある状態で、 １０°＜２ω＜６７° …(111) を満たす可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７２】〔１５〕 何れかの可変ミラーについて、
面形状をあらわすＣ₄ 、Ｃ₆ がある状態で、 ０. ０１＜Ｃ₆ ／Ｃ₄ ＜１０ …(117) である可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７３】〔１６〕 何れかの可変ミラーについて、
面形状をあらわすＣ₈ 、Ｃ₁₀がある状態で、 ０. ０１＜Ｃ₁₀／Ｃ₈ ＜１０ …(119) である可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７４】〔１７〕 何れかの可変ミラーについて、
面形状をあらわすＣ₁₁、Ｃ₁₃３がある状態で、 ０. ０１＜｜Ｃ₁₅／Ｃ₁₁｜＜１０ …(123) である可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７５】〔１８〕 何れかの可変ミラーについて、
面形状をあらわすＣ₁₁、Ｃ₁₅がある状態で、 ０. ０５＜｜Ｃ₁₅／Ｃ₁₁｜＜５ …(124) である可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７６】〔１９〕 撮像系レンズ群に含まれる負の
パワーを持つレンズ群の焦点距離をＦ_N 、撮像系レンズ
群の焦点距離をＦ_TOT としたときに、ある状態で、 ０．１＜｜Ｆ_N ｜／Ｆ_TOT ＜１０ …(113) を満たす可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７７】〔２０〕 撮像系レンズ群に含まれる、正
のパワーを持つレンズ群の焦点距離をＦ_P としたとき
に、ある状態で、 ０．１＜｜Ｆ_P ｜／Ｆ_TOT ＜１０ …(115) を満たす可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７８】〔２１〕 ある状態で、光学系のある像高
における主光線と光軸の交わる位置が、２つの可変ミラ
ーの間に位置している可変ミラーを有する観察光学系。

【０２７９】〔２２〕 視度の調整時に、少なくとも１
つの可変ミラーを変形させて調整を行う可変ミラーを有
する観察光学系。

【０２８０】〔２３〕 何れかの可変ミラーについて、
面形状をあらわすＣ₄ が、物体距離が異なる２状態で異
なる符号になる可変ミラーを有する観察光学系。

【０２８１】〔２４〕 何れかの可変ミラーについて、
面形状をあらわすＣ₆ が、物体距離が異なる２状態で異
なる符号になる可変ミラーを有する観察光学系。

【０２８２】〔２５〕 何れかの可変ミラーについて、
物体距離が近点では可変ミラーの収束作用が強くなり、
物体距離が遠点では可変ミラーの収束作用が弱くなるこ
とを特徴とする可変ミラーを有する観察光学系。

【０２８３】〔２６〕 ２つの可変ミラーについて、あ
る状態で、それぞれの自由曲面係数Ｃ₄ が異符号である
ことを特徴とする可変ミラーを有する観察光学系。

【０２８４】〔２７〕 ２つの可変ミラーについて、あ
る状態で、それぞれの自由曲面係数Ｃ₆ が異符号である
ことを特徴とする可変ミラーを有する観察光学系。

【０２８５】〔２８〕 請求項１から２７の何れか１項
において、観察光学系を撮像光学系に置き換えた撮像光
学系。

【０２８６】〔２９〕 請求項１から２８の何れか１項
に記載された光学系を用いた光学装置。

【０２８７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
形状可変ミラーを用いることにより、レンズ群を前後に
駆動することなく、ミラーの表面形状を変化させるだけ
で、ズーミングやフォーカシングを行うことができる観
察光学装置等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２０
０Ａ，２００Ｂを用いた可変焦点レンズの概略構成図で
ある。

【図３４】本発明にかかる可変焦点レンズのさらに他の
実施例を示す概略構成図である。

【図３５】図３４の実施例に係る可変焦点レンズの状態
説明図である。

【図３６】本発明にかかる光学特性可変光学素子のさら
に他の実施例であってフォトニカル効果を用いた可変焦
点レンズの概略構成図である。

【図３７】図３６の実施例に係る可変焦点レンズに用い
るアゾベンゼンの構造を示す説明図であり、（ａ）はト
ランス型、（ｂ）はシス型を示している。

【図３８】本発明にかかる可変形状鏡のさらに他の実施
例を示す概略構成図である。

【図３９】本発明の実施例１の形状可変ミラーを用いた
ケプラー式ズームファインダーの軸上主光線を含む広角
端での光路図である。

【図４０】本発明の実施例３の撮像系として使用できる
光学系の軸上主光線を含む広角端での光路図である。

【図４１】偏心した反射面により発生する像面湾曲を説
明するための概念図である。

【図４２】偏心した反射面により発生する非点収差を説
明するための概念図である。

【図４３】偏心した反射面により発生するコマ収差を説
明するための概念図である。

【符号の説明】

Ｇ１…負のパワーを持つレンズ群 Ｇ２…正のパワーを持つレンズ群 ＤＭ１、ＤＭ２…形状可変ミラー ＤＰ…ダハプリズム ＯＣ…接眼レンズ Ｆ…フィルター ＥＰ…射出瞳 Ｉ…像面 Ｍ…凹面鏡 ４５…可変形状鏡 ５９…透明電極 １０２…レンズ １０３…制御系 １０４…撮像ユニット １４０…可変焦点レンズ １４１…撮像ユニット １４２…透明部材 １４３…透明物質 １４４…ゼリー状物質 １４５…透明電極 １４６…シリンダー １４７…支援部材 １４８…変形可能な部材 １６１…流体 １８０…マイクロポンプ １８１…振動板 １８２、１８３…電極 １８４、１８５…弁 １８８…可変形状鏡 １８９…反射膜 １６０…マイクロポンプ １６７…可変焦点レンズ １６３…透明基板 １６４…弾性体 １６５…透明基板 ２００…圧電材料 ２００Ａ、２００Ｂ…薄板 ２０１…可変焦点レンズ ２０２…基板 ２０４…透明基板 ２０６…電歪材料 ２０７…可変焦点レンズ ２０８、２０９…透明弾性体 ２１０…アゾベンゼン ２１１…透明なスペーサー ２１２、２１３…光源 ２１４…可変焦点レンズ ４０４…プリズム ４０５…二等辺直角プリズム ４０６…ミラー ４０８…固体撮像素子 ４０９…光学特性可変形状鏡 ４０９ａ…薄膜（反射面） ４０９ｂ…電極 ４０９ｃ、４０９ｃ' …圧電素子 ４０９ｃ−１…基板 ４０９ｃ−２…電歪材料 ４０９ｄ…電極 ４０９ｅ…基板 ４０９ｊ…変形する基板 ４０９ｋ…変形する電極 ４１１…可変抵抗器 ４１２…電源 ４１３…電源スイッチ ４１４…演算装置 ４１５…温度センサー ４１６…湿度センサー ４１７…距離センサー ４２３…支持台 ４２４…振れ（ブレ）センサー ４２５…駆動回路 ４２６…永久磁石 ４２７、４２８’…コイル ４２８…駆動回路 ４５３…電歪材料 ４５２…電極 ４５１…変形可能な基板 ４５０…反射膜 ４４９…釦 ５０８ａ、５０８ｂ、５０９ａ、５０９ｂ…レンズ面 ５１１…可変焦点レンズ ５１２ａ…第１のレンズ ５１２ｂ…第２のレンズ ５１３ａ、５１３ｂ…透明電極 ５１４…高分子分散液晶層 ５１５…スイッチ ５１６…交流電源 ５１７…液晶分子 ５１８…高分子セル ５１９…可変抵抗器 ５２１…絞り ５２２…レンズ ５２３…固体撮像素子 ５３１…可変焦点回折光学素子 ５３２…第１の透明基板 ５３２ａ…第１の面 ５３２ｂ…第２の面 ５３３…第２の透明基板 ５３３ａ…第３の面 ５３３ｂ…第４の面 ５３９ａ、５３９ｂ…配向膜 ５５０…可変焦点眼鏡 ５５１…可変焦点レンズ ５５２、５５３…レンズ ５５４…ツイストネマティック液晶層 ５５５…液晶分子 ５６１…可変偏角プリズム ５６２…第１の透明基板 ５６２ａ…第１の面 ５６２ｂ…第２の面 ５６３…第２の透明基板 ５６３ａ…第３の面 ５６３ｂ…第４の面 ５６５…可変焦点ミラー ５６６…第１の透明基板 ５６６ａ…第１の面 ５６６ｂ…第２の面 ５６７…第２の透明基板 ５６７ａ…第３の面 ５６７ｂ…第４の面 ５６８…反射膜 ９０１…接眼レンズ ９０２…対物レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H018 AA00 AA02 AA21 AA26 BE00 2H042 DA02 DA11 DA21 DD11 DD12 DD13 DE00 2H087 KA02 KA03 KA06 KA09 KA10 KA13 KA14 KA15 KA20 KA23 LA01 RA27 RA28 RA41 RA43 RA47 SA00 TA01 TA04 TA06 UA09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数枚の形状可変ミラーを用いて、フォ
   ーカシングあるいはズーミングを行う観察光学系。
2. 【請求項２】 フォーカシングあるいはズーミングを行
   う際に、少なくとも一つの可変ミラーが、ある状態で自
   由曲面形状になることを特徴とする観察光学系。
3. 【請求項３】 何れかの可変ミラーについて、広角側に
   変倍したときの可変ミラーの焦点距離をＦ_WIDE、望遠側
   に変倍したときの可変ミラーの焦点距離をＦ _TELEとした
   ときに、ある状態で、 ０．０５＜｜Ｆ_TELE／Ｆ_WIDE｜＜２０ …(103) である可変ミラーを有する観察光学系。