JP2004077921A - ズーム光学系及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】形状可変素子を用いているにも拘わらず収差変動の少ない高性能のズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を提供すること。
【解決手段】物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、正パワーを有する第３群Ｇ３とからなり、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることにより変倍を行い、それによる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けた形状可変ミラー（形状可変素子）Ｍの反射面を介して補正することが出来るように構成されている。
【選択図】図２
【解決手段】物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、正パワーを有する第３群Ｇ３とからなり、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることにより変倍を行い、それによる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けた形状可変ミラー（形状可変素子）Ｍの反射面を介して補正することが出来るように構成されている。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状可変素子を含むズーム光学系とそれを用いた電子撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ズーム光学系は、変倍作用を有するバリーエータ群と、変培にともなう像面ずれ及び収差を補償するコンペンセータ群と、被写体に焦点をあわせるためのフォーカシング群等から成っている。これらの群はレンズで構成されていることが多いが、近年、フォーカシングを形状可変ミラーを用いて行わせるようにしたものが提案されている（特開２００２−１２２７７９号公報、特開２００２−１２２７１９号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ズーム光学系において、形状可変ミラーを用いてフォーカシングを行うようにすれば、従来のようにフォーカシングのための機械的な機構を用いる必要が無くなる。そのため、装置全体を小型且つ軽量化することが出来るという利点はあるが、フォーカシング時のミラー面の変形により収差変動が生じ易いという問題点がある。
【０００４】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、形状可変ミラーを用いているにも拘わらず収差変動の少ない高性能のズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明によるズーム光学系は、フォーカシング作用を有する形状可変素子と、変倍時に移動可能で且つ変倍作用もしくは像面の移動を補正するコンペンセート作用を有する２つのレンズ群と、を含んでいる。
本発明によれば、前記形状可変素子より像側にある全てのレンズ群の最も広角端での倍率をβＤＭＷとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．４０ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ １．０ （１−１）
また、本発明によれば、前記レンズ群を構成するレンズの少なくとも１つの回転対称なレンズ面が光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
実施例の説明に先立ち、本発明の作用を説明する。なお、形状可変素子としては、形状可変ミラーや液晶レンズ等があるが、ここでは、形状可変ミラーを例にして説明する。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、フォーカシング作用を形状可変ミラーの反射面に持たせることで、メカ的な駆動機構は変倍レンズ群のみとなる。そのためフォーカシングのためのモーター及び駆動回路などを使用する必要がなく、非常に鏡枠構造が簡易的となる。この結果、撮像装置全体として、小型化、低コスト化が可能となる。
さらに形状可変ミラーは静電駆動で、形状を瞬間的に変化させることが可能であることから、フォーカシングが非常に高速でできる。また、消費電力が非常に小さく、動作音が静かなズーム光学系を実現できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、広角端における倍率を規定し、形状可変素子を適切な変形量でフォーカシングすることが可能な条件を規定したものである。｜βＤＭＷ｜が条件式（１−１）の下限を下回ると倍率が小さいため、フォーカシングに必要な形状可変ミラーの変軽量が大きくなり、消費電力が増大し好ましくない。さらに変軽量が増大すると形状可変ミラーが光軸に対して偏心した位置に配置されているため、非対称な偏心収差、特に非対称コマ収差の発生量が大きくなり好ましくない。また、上限を上回ると倍率が大きいため、形状可変ミラーの小さい変軽量でフォーカシングすることが可能であるが、その他の製造誤差に対しても敏感になり、製造難易度が高くなってしまう。
なお、好ましくは、下記の条件を満足するのがよい。
０．５０ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ ０．９ （１−２）
０．５５ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ ０．８ （１−３）
｜βＤＭＷ｜が上記範囲内であれば、形状可変ミラーの変形量をより適切にすることが可能である。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、形状可変ミラーの偏心収差を補正することが可能となり、高性能なズーム光学系を提供することが可能となる。
【００１０】
また、本発明によれば、上記形状可変ミラーが、回転非対称な曲面形状すなわち自由曲面を有していることを特徴としている。この構成をとることで、形状可変ミラーで発生する偏心収差を非常に小さくすることが可能となる。
【００１１】
また、本発明によれば、ズーム光学系が、形状可変ミラーと変倍機能を有する変倍群を有し、形状可変ミラーが、ピント合わせ機能を有し、且つ変倍群の前方に配置されていることを特徴としている。
この特徴により、ズーミングによるピントズレをなくすことが可能となる。
形状可変ミラーは、変倍を主に行うレンズ群の前方に配置されるのが望ましい。この点について説明する。形状可変ミラーをピント合わせに用いる場合、物体距離の変化とともに、形状可変ミラーのパワーを変化させることになる。ここで形状可変ミラーが変倍群より後方にあると、物点距離が同一でもズーミングしたとき、前記形状可変ミラーより物体側にあるレンズ郡の倍率が高くなる。そのため、広角側と比較して、変倍の倍率分、反射面の変形量が大きく必要になってくる。反射面の変形量が大きくなりすぎると、偏心収差が大きく発生し好ましくない。そこで、本発明のように形状可変ミラーが変倍群よりも前方（物体側）にあれば、該ミラーより物体側のレンズのズーミングによる倍率変化がない。例えば、物点距離を無限遠から至近までフォーカシングした場合、広角端から望遠端まで、面の同じ変形量でフォーカシングすることができる。これは、光学性能の面において有利な点を有するということである。また、形状可変ミラーの制御上、考え方がシンプルになるという点でも有利である。このように、本発明では撮像系を設計しやすいことから、上記構成を採用している。
【００１２】
また、本発明によれば、形状可変ミラーが、所定の第１状態から無限遠にある物体にフォーカスした第２状態、該第２状態から最短距離にある物体にフォーカスした第３状態、該第３状態から前記第１状態とは別の所定の第４状態に変形可能であって、広角端において前記第１状態から前記第２状態に変化したときの像面の移動量、及び前記第３状態から前記第４状態に形状が変化したときの像面の移動量をＺｆとしたとき、下記条件を満足することを特徴としている。
４・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ３０・Ｆｎｏ・Ｐ （２−１）
ただし、Ｐ＝√（Ｐｘ・Ｐｙ）で、Ｐｘは撮像素子の１画素のｘ方向の寸法、Ｐｙは撮像素子の１画素のｙ方向の寸法、Ｆｎｏは撮影光学系のＦナンバーである。
上記条件式（２−１）は、ＣＣＤなどの撮像素子を用いて、適切にコントラスト方式でフォーカシングを行うための条件式で、像のぼかし量を規定したものである。通常、オートフォーカスでピントを探すときは、ピント位置前後に像をぼかし、コントラストのピークを探し、ピント位置を検出する。
Ｚｆが、この条件式の下限を下回ると像のぼかし量が足りず、特に低コントラストの被写体や、暗い場所においてコントラストを検出することが困難となる。また、上限を上回ると、必要以上にデフォーカスさせるため、形状可変ミラーの最大変形量が大きく必要となり、偏心収差の発生量が大きくなる。
この場合、下記範囲内であれば、オートフォーカスの精度が上がるのでなお良い。
５・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ２５・Ｆｎｏ・Ｐ （２−２）
６・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ２０・Ｆｎｏ・Ｐ （２−３）
【００１３】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、フォーカシングを行うに際し、形状可変ミラーの最大変形量をｍｄ（μｍ）、広角端における光学系の焦点距離をｆｗ、望遠端における光学系の焦点距離をｆｔとしたときに、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．１ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ５．０ （３−１）
上記条件式（３−１）は形状可変ミラーの最大変形量を規定したもので、焦点距離で規格化してある。上記条件式を満足することで、形状可変ミラーの変形量を適正な範囲に抑えることができる。
｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜の値が上記条件式の下限を下回ると、変形量が不足し、最短撮影距離を長くせざるを得ない。あるいは光学系の形状可変ミラーより像側のレンズ群の倍率を上げる必要があるが、その場合他のレンズ等の製造精度が厳しくなる。また、上限を上回ると、変形量が大きくなりすぎて偏心収差の発生量が増大し、所望の光学性能を満足することが難しくなる。
なお、下記の範囲であればより好ましい。
０．３ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ４．０ （３−２）
０．５ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ３．０ （３−３）
【００１４】
また、本発明によれば、ズーミングのいずれかの状態で、光軸と撮像面とのなす角度θｉが下記の条件式を満足することを特徴としている。
０．２ ＜ θｉ ＜ ４．０ （４−１）
上記条件式（４−１）は、光軸と撮像面との成す角度を規定したもので、レンズ系の非対称な像面湾曲を適切に補正するための条件を示している。θｉの大きさが、この条件式の下限を下回ると、非対称な像面湾曲及び像面の倒れ等が補正不足で、所望の光学性能を満足することが難しくなる。また、上限を上回ると、中心光と周辺光（上下あるいは左右）とで入射角に大きく差がでる。そのためセンサの中心部と周辺部とでシェーディング特性が異なり、左右あるいは上下での光量低下が大きくなり好ましくない。
下記範囲内であれば、さらに非対称な像面湾曲、及び非対称な周辺光量低下を防ぐことが可能である。
０．２ ＜ θｉ ＜ ３．０ （４−２）
０．２ ＜ θｉ ＜ ２．０ （４−３）
【００１５】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、少なくとも１つ以上の屈折面が、回転非対称な面即ち自由曲面で構成されていることを特徴としている。
形状可変ミラーで発生する偏心収差を、すべてのズーム時、すべての物点距離で無収差とすることはできない。そのため、その偏心収差をコンペンセートする補正素子として、もう１つの回転非対称な面即ち自由曲面を用いることで、非常に良好な結像性能を得ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、形状可変ミラーによって発生する偏心収差を補正するために、各レンズ面にシフトを加え、そのシフト量をδとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．００１ ≦ ｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ０．５ （５−１）
上記条件式（５−１）は、光学系のレンズ面のシフト量を規定するもので、光学系の中で最も偏心量の大きな面に対する条件を規定したものである。｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜の値が、この条件式の下限を下回ると、偏心収差を補正することができなくなる。また、上限を上回ると、レンズ面自身で非常に大きな偏心収差を発生してしまう。
なお、下記条件を満たすように構成することで、さらに適切に偏心収差を補正することが可能となる。
０．０１０ ≦ ｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ０．２ （５−２）
【００１７】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、物体側から順に、変倍時固定の負のパワーを有する第１群、変倍時可動で正のパワーを有する第２群、変倍時可動の第３群で少なくとも構成され、前記第１群に形状可変ミラーを配置し、前記第１群の形状可変ミラーより物体側にある負のレンズ群のパワーをｆ１ａ、、前記第１群の形状可変ミラーより像側に配置した正レンズ群のパワーをｆ１ｂとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴としている。
−０．５ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０３ （６−１）
上記条件式（６−１）は、第１群の形状可変ミラー前後のレンズ群のパワーを規定したものである。
形状可変ミラーは半導体プロセスで製造する場合を考えると、有効径が小さいほど、安価に生産することが可能である。そこで上記形状可変ミラーよりも物体側の負レンズ群のパワーを強くすることで、特に広角端の軸外光線高を低く抑えている。このように本発明では、上記形状可変ミラーに入射する光線のエリアを小さくすることができるため、低価格化を実現することが可能となる。ｆ１ａ／ｆ１ｂの値が、この条件式の下限を下回ると、形状可変ミラーより物体側の負レンズ群のパワーが非常に弱くなる。この場合、形状可変ミラーの広角端での軸外光線高を小さくすることはできない。その結果形状可変ミラーの大型化をまねくとともに、その形状可変ミラーで発生する偏心収差を小さく抑えることができず好ましくない。また、上限を上回ると、形状可変ミラーを小さくすることは可能である。しかしながら、その負レンズ群で発生する、回転対称な収差、特にコマ収差や倍率色収差を補正することが難しくなり好ましくない。
さらに、下記の条件式の範囲内であれば、形状可変素子の小型化、低価格化、及び良好な性能の確保を達成できて好ましい。
−０．３ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０５ （６−２）
−０．２ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０７ （６−３）
【００１８】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、上記第２群が主に変倍作用を有し、該第２群のパワーが下記条件式を満足することを特徴としている。
０．５ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ５．０ （７−１）
上記条件式（７−１）は変倍群の焦点距離を規定したものである。ｆ２／√（ｆｗ×ｆｔ）の値が、この条件式の下限を下回ると、焦点距離が短くなる。この場合、第２群内の個々のレンズのパワーを強める必要があるが、特に軸上マージナル光線が高い位置にあるため、球面収差の補正が困難になる。また色収差を第２群内で補正することが難しくなり、ズーミングによる収差変動が大きくなる。また、上限を上回ると、焦点距離が長くなるため、全長を短縮化できず、装置の大型化を招く。
さらに、下記条件を満たせば、小型、高性能のズーム光学系を提供でき、好都合である。
１．０ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ４．０ （７−２）
１．５ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ３．０ （７−３）
【００１９】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、上記第２群の前側主点位置から、上記第２群の最も物体側の面までの距離をＳＤ、上記第２群から最終レンズ群までの広角端の倍率をβ２Ｗとしたとき、下記の条件式のいずれかもしくは両方を満足することを特徴としている。
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８ （８−１）
０．５ ＜ ＳＤ／ｆｗ ＜ ５．０ （９−１）
上記条件式（８−１）は倍率を規定したものであり、上記条件式（９−１）は第２群の主点の位置を規定したものである。これらの条件式は、極力光学系の全長を短くするための条件式である。
説明を簡単にするために２群ズームレンズで説明する。負正の２群ズームでは、近軸的には、バリエータの焦点距離をｆＶ、倍率をηとしたときに、物体から像面までの距離ＩＯは
ＩＯ＝ｆＶ（ −η −（１／η）−２ ）
で与えられる。η＝−１とした場合に、ズーム光学系の全長を最も小さくできるため、上記バリエーターは、広角端から望遠端の間で倍率−１を挟むことが望ましい。そのため、広角端の倍率を上記条件式の範囲内にすることで、全長を短くすることが可能となる。
また、上記条件式から変倍群の焦点距離ｆＶを短くすることによっても全長を短くすることが可能となる。しかし、単純にｆＶを小さくしても、本発明のズーム光学系は、形状可変ミラーを挿入するための間隔と、第１群と第２群の間にズーミングに必要な空気間隔とが夫々必要であり、所望の倍率で、前記第１群で形成する物体の像（虚像）を、変倍群でリレーして結像させることは難しい。そのため、上記条件式を満足することで、変倍群の主点位置をなるべく物体側に持っていくことができる。その結果、所望の倍率で、変倍群の焦点距離を小さくすることができ、結果的に全長を短くすることが可能となる。
また、主点位置を極力物体側にすることで、第２群の焦点距離を短くすることが可能となり、上記条件式（８−１），（９−１）の範囲内であれば、小型化が可能となる。
さらに、下記条件式を満たせば、より高性能で小型のズームレンズを提供することが可能となる。
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８ （８−２）
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８ （８−３）
１．０ ＜ ＳＤ／ｆｗ ＜ ４．０ （９−２）
１．５ ＜ ＳＤ／ｆｗ ＜ ３．０ （９−３）
【００２０】
さらに、本発明は、撮像装置が、上記のズーム光学系を用いていることを特徴としている。これにより、可動のレンズを極めて少なくすることができ、また、小型で消費電力が極めて少なくて済み、且つ作動音が静かな撮像装置を提供することができる。
【００２１】
なお、上述のような負レンズ群前置型のズームレンズでは、変倍群として正レンズを移動させるものが主流であるが、これにより、広角ズームレンズが可能となる。さらに、上記負レンズ群に形状可変ミラーを配置すれば、形状可変ミラーを小さくすることが可能で、低価格化等のメリットがある。また、正レンズ群前置型のズームレンズにしても良いが、その場合、変倍群としては負レンズ群が好ましく、そのような構成にすることで、高変倍なズームレンズを達成することが可能となる。
【００２２】
また、形状可変ミラーの反射面をレンズの製作誤差による光学性能の劣化を補正するような形状に変形するように構成してもよい。このようにすれば、不良品の数を極端に減らすことができ、製作コストを抑えることができる。
【００２３】
また、ズーム時において、絞り面を独立に移動させて、絞り面をできる限り形状可変ミラーの反射面近くに配置するようにしてもよい。このようにすれば、形状可変ミラーの反射面の光線有効径を小さくすることができるため好ましい。
【００２４】
また、形状可変ミラーの反射面の偏心方向に対して、撮像素子の短辺方向が平行になるように配置しても良い。このようにすれば、形状可変ミラーの反射面の光線有効径を小さくすることができ、かつ、収差補正上も有利なため望ましい。一方、デジタルカメラ等でデザイン上のメリット等の為には、形状可変ミラーの反射面の偏心方向に対して撮像素子の長辺方向が平行になるように配置するのが好ましい。
【００２５】
その他、形状可変ミラーの反射面がコンペンセータ作用のみを有するようにし、その他のレンズ群を介してパンフォーカスとなるようにズーム光学系を構成してもよい。このようにすれば、小型化、低コスト化できるので良い。
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明に係るズーム光学系の実施例について説明する。
先ず、各実施例に亘って共通の事項について述べることにする。すべての実施例は、形状可変ミラーにフォーカシングの機能をもたせたズーム光学系を示しており、像面の撮像素子の画素ピッチを２．５μｍ、水平及び垂直の画素数をそれぞれ１６００画素、１２００画素、像面サイズ３．０×４．０ｍｍとしている。
【００２７】
各レンズデータ中、“ＡＳＰ”は非球面、“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＤＭ”は形状可変ミラーを表す。データに記載されていない非球面、自由曲面等に関する項は０である。また、“Ｗ”、“Ｓ”、“Ｔ”はそれぞれ広角端、中間状態、望遠端を表す。可変の間隔Ｄｉ（ｉ＝１、２、３）は、順に広角端、中間状態、望遠端での値を表す。屈折率、アッベ数はともに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、角度の単位はｄｅｇである。また、各実施例ともに最像面側に２枚の平行平板を挿入しているが、これは撮像素子のカバーガラス、ＩＲカットフィルタ、ローパスフィルタである。
【００２８】
各実施例では、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している。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軸としている。
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（ｄｅｇ））で与えられる。偏心を行うときの座標系の原点は、偏心を行う面をｋ面としたとき、ｋ−１面の面頂位置からＺ軸方向に面間隔の分だけ移動した点とする。偏心の順序は、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。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している。
【００２９】
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（以下ＤＡＲ）とディセンタオンリー（以下ＤＥＯ）の２種類がある。ＤＡＲによる偏心では、ｋ面が偏心しているとき、ｋ＋１面以降の座標系が、ｋ−１面の座標系と一致する。ｋ＋１面の面頂位置は、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して定義されている。一方、ＤＥＯでは、ｋ面が偏心しているとき、ｋ＋１面以降の座標系は、偏心後のｋ面の座標系と一致する。ｋ＋１面の面頂位置は、偏心後のｋ面の面頂位置からＺ軸方向に面間隔の分だけ移動した点として定義されている。
【００３０】
また形状可変ミラーの形状データは、物点距離無限時と至近時、またフォーカス方式としてコントラスト方式を用いているため、最も変形の大きい形状の時（遠点余裕と近点余裕）の形状を示している。
形状可変ミラーは、所定の第１状態から無限遠にある物体にフォーカスした第２状態、該第２状態から最短距離にある物体にフォーカスした第３状態、該第３状態から前記第１状態とは別の所定の第４状態に変形する。この変形に伴って、像面（物体の像位置）も変化する。前記条件式（２−１）を満足するように変化する。条件式（２−１）において、像面の移動量Ｚｆを広角端で規定したのは、広角端で像面の移動量が大きいからである。図１は、３倍ズームレンズを例にとって、上記の第１状態乃至第４状態と形状可変ミラーの反射面（大きさ：１０×７ｍｍの楕円）の変形量との関係を示している。ここで、横軸は反射面の変形量である。また、Ｔは望遠時、Ｓは中間状態、Ｗは広角端である。各ズーム状態において、第１状態は反射面が平面の状態である。そして、第２状態は物体が無限遠にあるときにフォーカスした時の変形量、第３状態は物体がある至近の位置にあるときにフォーカシングした時の変形量、第４状態は至近物体のコントラストを検出するために必要な最大変形量を示している。
【００３１】
なお、非球面形状は、光軸方向をＺ、光軸に直行する方向をＹにとり、円錐係数をｋ、非球面係数をａ、ｂ、ｃ、ｄとしたとき、次式（ｃ）で表される。
Ｚ＝（Ｙ２／ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）・（Ｙ／ｒ）２｝１／２］＋ａｙ４＋ｂｙ６＋ｃｙ８＋ｄｙ１０ …（ｃ）
【００３２】
実施例１
図２は、本発明に係るズーム光学系の第１実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、正パワーを有する第３群Ｇ３とを配置してなる２倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、このズーム光学系は、焦点距離が４．４２〜８．８５、開放Ｆｎｏが２．８〜４．７、撮影至近距離が３００、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。
なお、図２において物体面は図示されていない。また基準面から測ったときの間隔ｄ１，ｄ３〜ｄ８も図示を省略している。
【００３３】
図３乃至８は、本実施例のズーム光学系の広角端、中間状態及び望遠端ごとの各波長域における横収差図を示している。図３は広角端で物点距離無限遠時の横収差図、図４は中間状態で物点距離無限遠時の横収差図、図５は望遠端で物点距離無限遠時の横収差図、図６は広角端で物点距離３００ｍｍ時の横収差図、図７は中間状態で物点距離３００ｍｍ時の横収差図、図８は望遠端で物点距離３００ｍｍ時の横収差図である。
【００３４】
また、図３において、（ａ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、（ｂ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、（ｃ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、（ｄ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、（ｅ）はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、（ｆ）はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、（ｇ）はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、（ｈ）はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、（ｉ）はＸ正方向最大画角、Ｙ方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、（ｊ）はＸ正方向最大画角、Ｙ方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、（ｋ）はＸ正方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、（ｌ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差を、それぞれ示している。
【００３５】
第１実施例の数値データは下記の通りである。
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
実施例２
図９は、本発明に係るズーム光学系の第２実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、正パワーを有する第３群Ｇ３とを配置してなる２倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．４３〜８．８６、開放Ｆｎｏが２．８〜４．７、撮影至近距離が１８０、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。なお、形状可変ミラーは９０度反射ではない。
【００４１】
第２実施例の数値データは下記の通りである。
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
【００４６】
実施例３
図１０は、本発明に係るズーム光学系の第３実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、負パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、このズーム光学系は、焦点距離が４．４３〜１３．３１、開放Ｆｎｏが２．４〜５．１、撮影至近距離が１８０、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。なお、形状可変ミラーは９０度反射ではない。
【００４７】
第３実施例の数値データは下記の通りである。
【００４８】
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
実施例４
図１１は、本発明に係るズーム光学系の第４実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、負パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．４３〜１３．０５、開放Ｆｎｏが２．４〜４．９、撮影至近距離が３００、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。
【００５３】
第４実施例の数値データは下記の通りである。
【００５４】
【００５５】
【００５６】
【００５７】
【００５８】
実施例５
図１２は、本発明に係るズーム光学系の第５実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、負パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。なお、第１レンズに自由曲面が使用されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．４２〜１３．１６、開放Ｆｎｏが２．４〜４．９、撮影至近距離が３００、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。
【００５９】
第５実施例の数値データは下記の通りである。
【００６０】
【００６１】
【００６２】
【００６３】
【００６４】
実施例６
図１３は、本発明に係るズーム光学系の第６実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、負パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。なお、第１レンズと第９レンズに自由曲面が使用されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．６０〜１３．１６、開放Ｆｎｏが２．４〜４．９、撮影至近距離が３００に設計されている。
【００６５】
第６実施例の数値データは下記の通りである。
【００６６】
【００６７】
【００６８】
【００６９】
【００７０】
実施例７
図１４は、本発明に係るズーム光学系の第７実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、正パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．４２〜１３．２６、開放Ｆｎｏが２．８〜５．４、撮影至近距離が３００、第２レンズが光軸に対してチルトに設計されている。
【００７１】
第７実施例の数値データは下記の通りである。
【００７２】
【００７３】
【００７４】
【００７５】
なお、各実施例における前記各条件式の値は下表に示す通りである。
【００７６】
以上説明した本発明によるズーム光学系は、フィルムカメラ、デジタルカメラ、テレビカメラ、携帯端末用のカメラ、監視カメラ、ロボットの眼、電子内視鏡等に適用可能である。
また、上述のズーム光学系では、レンズ群中に反射面を有する構成のズーム光学系について説明したが、反射面を有しない構成のズーム光学系についても可変形状面を備えた光学素子、例えば、可変焦点レンズ等を用いて構成すれば、小型化、低コスト化、省電力化、作動音の静音化等の効果を達成することが可能である。更に、可変形状面を有しない可変焦点ミラーを上記実施例に用いても良い。なお、可変焦点ミラーについては、その一例を図４０を用いて後述する。
【００７７】
次に、本発明のズーム光学系に適用可能な可変ミラー、可変焦点レンズの構成例について説明する。
【００７８】
図１５は本発明のズーム光学系に適用可能な可変ミラーとして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。
【００７９】
光学特性可変形状鏡４０９は、アルミコーティングされた薄膜（反射面）４０９ａと複数の電極４０９ｂからなる光学特性可変形状鏡（以下、単に可変形状鏡という。）であり、４１１は各電極４０９ｂにそれぞれ接続された複数の可変抵抗器、４１２は可変抵抗器４１１と電源スイッチ４１３を介して薄膜４０９ａと電極４０９ｂ間に接続された電源、４１４は複数の可変抵抗器４１１の抵抗値を制御するための演算装置、４１５，４１６及び４１７はそれぞれ演算装置４１４に接続された温度センサー、湿度センサー及び距離センサーで、これらは図示のように配設されて１つの光学装置を構成している。
【００８０】
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。
【００８１】
また、薄膜４０９ａは、例えば、Ｐ．Ｒａｉ−ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ編、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ＭｉｃｈｒｏｌｉｔｈｏＧｒａｐｈｙ， ＭｉｃｈｒｏｍａｃｈｉｎｉｎＧ ａｎｄ Ｍｉｃｈｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ， Ｖｏｌｕｍｅ ２：ＭｉｃｈｒｏｍａｃｈｉｎｉｎＧ ａｎｄ Ｍｉｃｈｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，Ｐ４９５，ＦｉＧ．８．５８， ＳＰＩＥ ＰＲＥＳＳ刊やＯｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， １４０巻（１９９７年）Ｐ１８７〜１９０に記載されているメンブレインミラーのように、複数の電極４０９ｂとの間に電圧が印加されると、静電気力により薄膜４０９ａが変形してその面形状が変化するようになっており、これにより、観察者の視度に合わせたピント調整ができるだけでなく、さらに、レンズ９０１，９０２及び／又はプリズム４０４、二等辺直角プリズム４０５、ミラー４０６の温度や湿度変化による変形や屈折率の変化、あるいは、レンズ枠の伸縮や変形及び光学素子、枠等の部品の組立誤差による結像性能の低下が抑制され、常に適正にピント調整並びにピント調整で生じた収差の補正が行われ得る。
なお、電極４０９ｂの形は、例えば図１７、１８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。
【００８２】
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２９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。
【００８３】
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り、印加される電圧の極性を変えれば凸面とすることもできる。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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
また、レンズ９０１，９０２、プリズム４０４，４０５、ミラー４０６は、プラスチックモールド等で形成することにより任意の所望形状の曲面を容易に形成することができ、製作も簡単である。なお、本実施例の撮像装置では、レンズ９０１，９０２がプリズム４０４から離れて形成されているが、レンズ９０１，９０２を設けることなく収差を除去することができるようにプリズム４０４，４０５、ミラー４０６、可変形状鏡４０９を設計すれば、プリズム４０４，４０５、可変形状鏡４０９は１つの光学ブロックとなり、組立が容易となる。また、レンズ９０１，９０２、プリズム４０４，４０５、ミラー４０６の一部あるいは全部をガラスで作製してもよく、このように構成すれば、さらに精度の良い撮像装置が得られる。
【００８７】
なお、図１５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。
【００８８】
図１６は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９の他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、薄膜４０９ａと電極４０９ｂとの間に圧電素子４０９ｃが介装されていて、これらが支持台４２３上に設けられている。そして、圧電素子４０９ｃに加わる電圧を各電極４０９ｂ毎に変えることにより、圧電素子４０９ｃに部分的に異なる伸縮を生じさせて、薄膜４０９ａの形状を変えることができるようになっている。電極４０９ｂの形は、図１７に示すように、同心分割であってもよいし、図１８に示すように、矩形分割であってもよく、その他、適宜の形状のものを選択することができる。図１６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。
【００８９】
図１９は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、薄膜４０９ａと電極４０９ｂの間に介置される圧電素子が逆方向の圧電特性を持つ材料で作られた２枚の圧電素子４０９ｃ及び４０９ｃ’で構成されている点で、図１６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１６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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
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。
【００９２】
なお、図１６、２０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。
【００９３】
図２０は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、圧電素子４０９ｃが薄膜４０９ａと電極４０９ｄとにより挟持され、薄膜４０９ａと電極４０９ｄ間に演算装置４１４により制御される駆動回路４２５を介して電圧が印加されるようになっており、さらにこれとは別に、支持台４２３上に設けられた電極４０９ｂにも演算装置４１４により制御される駆動回路４２５を介して電圧が印加されるように構成されている。したがって、本実施例では、薄膜４０９ａは電極４０９ｄとの間に印加される電圧と電極４０９ｂに印加される電圧による静電気力とにより二重に変形され得、上記実施例に示した何れのものよりもより多くの変形パターンが可能であり、かつ、応答性も速いという利点がある。
【００９４】
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ない、微細な形状変化を静電気力で行なってもよい。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２０に示した。なお、ここでは、圧電効果と電歪効果、電歪をすべてまとめて圧電効果と呼んでいる。従って、電歪材料も圧電材料に含むものとする。
【００９５】
図２１は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、電磁気力を利用して反射面の形状を変化させ得るようにしたもので、支持台４２３の内部底面上には永久磁石４２６が、頂面上には窒化シリコン又はポリイミド等からなる基板４０９ｅの周縁部が載置固定されており、基板４０９ｅの表面にはアルミニウム等の金属コートで作られた薄膜４０９ａが付設されていて、可変形状鏡４０９を構成している。基板４０９ｅの下面には複数のコイル４２７が配設されており、これらのコイル４２７はそれぞれ駆動回路４２８を介して演算装置４１４に接続されている。したがって、各センサー４１５，４１６，４１７，４２４からの信号によって演算装置４１４において求められる光学系の変化に対応した演算装置４１４からの出力信号により、各駆動回路４２８から各コイル４２７にそれぞれ適当な電流が供給されると、永久磁石４２６との間に働く電磁気力で各コイル４２７は反発又は吸着され、基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａを変形させる。
【００９６】
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。
【００９７】
この場合、薄膜コイル４２７の巻密度を、図２２に示すように、場所によって変化させることにより、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。
【００９８】
図２３は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡では、基板４０９ｅは鉄等の強磁性体で作られており、反射膜としての薄膜４０９ａはアルミニウム等からなっている。この場合、薄膜コイルを設けなくてもすむから、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２４は本実施例におけるコイル４２７の配置を示し、図２５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２１に示した実施例にも適用することができる。なお、図２６は、図２１に示した実施例において、コイル４２７の配置を図２５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２６に示すように、永久磁石４２６を放射状に配置すれば、図２１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２１及び図２３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。
【００９９】
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２０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。また、形状可変鏡の変形する部分の外形は、軸上光線の入射面に平行な方向に長い形状とするのが好ましく、このように構成すれば、収差補正に有利な楕円面に近い形状に変形させやすいという利点がある。上記入射面に長い形状としては、トラック形状、多角形、楕円等が利用できる。
【０１００】
図２７は本発明のさらに他の実施例に係る、ズーム光学系を用いた撮像装置に適用可能な可変ミラーとして可変形状鏡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。
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１０２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。
【０１０１】
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。
なお、図２７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。
【０１０２】
図２８は本発明のズーム光学系に係る形状可変ミラーとして適用可能なさらに他の実施例に係る、マイクロポンプ１８０で流体１６１を出し入れし、ミラー面を変形させる可変形状鏡１８８の概略構成図である。本実施例によれば、ミラー面を大きく変形させることが可能になるというメリットがある。
マイクロポンプ１８０は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。
マイクロマシンの技術で作られたポンプの例としては、熱変形を利用したもの、圧電材料を用いたもの、静電気力を用いたものなどがある。
【０１０３】
図２９は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラー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２９では静電気力により振動する例を示しており、図中、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。
【０１０４】
本実施例の形状可変ミラー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、形状可変ミラーとして機能する。形状可変ミラー１８８は流体１６１で駆動される。駆動流体としては、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。
【０１０５】
なお、静電気力、圧電効果を用いた形状可変ミラー、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２７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。
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、形状可変ミラー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。
【０１０６】
図３０は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な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。
【０１０７】
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 …（１０）
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。
【０１０８】
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３１に示すような形状となり、
ｎｏｘ＝ｎｏｙ＝ｎｏ …（１１）
である。ただし、ｎｏは常光線の屈折率を示し、ｎｏｘおよびｎｏｙは、常光線を含む面内での互いに直交する方向の屈折率を示す。
【０１０９】
ここで、図３０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３２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。
【０１１０】
なお、高分子分散液晶層５１４に印加する電圧は、例えば、図３３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。
【０１１１】
ここで、図３０に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電界を印加しない状態での、液晶分子５１７の平均屈折率ｎＬＣ’は、図３１に示すように屈折率楕円体の長軸方向の屈折率をｎｚとすると、およそ
（ｎｏｘ＋ｎｏｙ＋ｎＺ）／３≡ｎＬＣ’ …（１２）
となる。また、上記（１１）式が成り立つときの平均屈折率ｎＬＣは、ｎｚを異常光線の屈折率ｎｅと表して、
（２ｎｏ＋ｎｅ）／３≡ｎＬＣ …（１３）
で与えられる。このとき、高分子分散液晶層５１４の屈折率ｎＡは、高分子セル５１８を構成する高分子の屈折率をｎＰとし、高分子分散液晶層５１４の体積に占める液晶分子５１７の体積の割合をｆｆとすると、マックスウェル・ガーネットの法則により、
ｎＡ＝ｆｆ・ｎＬＣ’＋（１−ｆｆ）ｎＰ …（１４）
で与えられる。
【０１１２】
したがって、図３３に示すように、レンズ５１２ａおよび５１２ｂの内側の面、すなわち高分子分散液晶層５１４側の面の曲率半径を、それぞれＲ１およびＲ２とすると、可変焦点レンズ５１１の焦点距離ｆ１は、
１／ｆ１＝（ｎＡ−１）（１／Ｒ１−１／Ｒ２） …（１５）
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、（１５）式で与えられる。
【０１１３】
また、常光線の平均屈折率を、
（ｎｏｘ＋ｎｏｙ）／２＝ｎｏ’ …（１６）
とすれば、図３２に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電界を印加した状態での、高分子分散液晶層５１４の屈折率ｎＢは、
ｎＢ＝ｆｆ・ｎｏ’＋（１−ｆｆ）ｎＰ …（１７）
で与えられるので、この場合の高分子分散液晶層５１４のみによるレンズの焦点距離ｆ２は、
１／ｆ２＝（ｎＢ−１）（１／Ｒ１−１／Ｒ２） …・（１８）
で与えられる。なお、高分子分散液晶層５１４に、図３２におけるよりも低い電圧を印加する場合の焦点距離は、（１５）式で与えられる焦点距離ｆ１と、（１８）式で与えられる焦点距離ｆ２との間の値となる。
【０１１４】
上記（１５）および（１８）式から、高分子分散液晶層５１４による焦点距離の変化率は、
｜（ｆ２−ｆ１）／ｆ２｜＝｜（ｎＢ−ｎＡ）／（ｎＢ−１）｜ …（１９）
で与えられる。したがって、この変化率を大きくするには、｜ｎＢ−ｎＡ｜を大きくすればよい。ここで、
ｎＢ−ｎＡ＝ｆｆ（ｎｏ’−ｎＬＣ’） …（２０）
であるから、｜ｎｏ’−ｎＬＣ’｜を大きくすれば、変化率を大きくすることができる。実用的には、ｎＢが、１．３〜２程度であるから、
０．０１≦｜ｎｏ’−ｎＬＣ’｜≦１０ …（２１）
とすれば、ｆｆ＝０．５のとき、高分子分散液晶層５１４による焦点距離を、０．５％以上変えることができるので、効果的な可変焦点レンズを得ることができる。なお、｜ｎｏ’−ｎＬＣ’｜は、液晶物質の制限から、１０を越えることはできない。
【０１１５】
次に、上記（１０）式の上限値の根拠について説明する。「Ｓｏｌａｒ ＥｎｅｒＧｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ」３１巻，Ｗｉｌｓｏｎ ａｎｄ Ｅｃｋ，１９９３， Ｅｌｅｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ Ｂ．ｖ．発行の第１９７ 〜２１４ 頁、「Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｕｓｉｎＧ ｓｃａｔｔｅｒｉｎＧ／ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎＧ ｆｉｌｍｓ 」には、高分子分散液晶の大きさを変化させたときの透過率τの変化が示されている。そして、かかる文献の第２０６ 頁、図６には、高分子分散液晶の半径をｒとし、ｔ＝３００μｍ、ｆｆ＝０．５、ｎＰ ＝１．４５、ｎＬＣ＝１．５８５、λ＝５００ｎｍとするとき、透過率τは、理論値で、ｒ＝５ｎｍ（Ｄ＝λ／５０、Ｄ・ｔ＝λ・６μｍ（ただし、Ｄおよびλの単位はｎｍ、以下も同じ））のときτ≒９０％となり、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０）のときτ≒５０％になることが示されている。
【０１１６】
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。
【０１１７】
これらの結果から、
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ …（２２）
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。
【０１１８】
また、高分子分散液晶層５１４の透過率は、ｎＰの値がｎＬＣ’の値に近いほど良くなる。一方、ｎｏ’とｎＰとが異なる値になると、高分子分散液晶層５１４の透過率は悪くなる。図３０の状態と図３２の状態とで、平均して高分子分散液晶層５１４の透過率が良くなるのは、
ｎＰ＝（ｎｏ’＋ｎＬＣ’）／２ …（２３）
を満足するときである。
【０１１９】
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３０の状態でも、図３２の状態でも、透過率はほぼ同じで、かつ高い方が良い。そのためには、高分子セル５１８を構成する高分子の材料および液晶分子５１７の材料に制限があるが、実用的には、
ｎｏ’≦ｎＰ≦ｎＬＣ’ …（２４）
とすればよい。
【０１２０】
上記（２３）式を満足すれば、上記（２２）式は、さらに緩和され、
Ｄ・ｔ≦λ・６０μｍ …（２５）
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。
【０１２１】
以上は、ｎｏ’≒１．４５、ｎＬＣ’≒１．５８５の場合であったが、より一般的に定式化すると、
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ・（１．５８５−１．４５）２／（ｎｕ−ｎＰ）２ …（２６）
であればよい。ただし、（ｎｕ−ｎＰ）２は、（ｎＬＣ’−ｎＰ）２と（ｎｏ’−ｎＰ）２とのうち、大きい方である。
【０１２２】
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 …（２７）
とする。一方、ｆｆは、小さいほどτは向上するので、上記（２６）式は、好ましくは、
４×１０−６〔μｍ〕２≦Ｄ・ｔ≦λ・４５μｍ・（１．５８５−１．４５）２／（ｎｕ−ｎＰ）２…（２８）
とする。なお、ｔの下限値は、図３０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。
【０１２３】
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 …（２９）
とする。
【０１２４】
図３４は図３３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３４では、液晶分子の図示を省略してある。
【０１２５】
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。
【０１２６】
図３５は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な可変焦点回折光学素子の一例の構成を示す図である。
この可変焦点回折光学素子５３１は、平行な第１，第２の面５３２ａ，５３２ｂを有する第１の透明基板５３２と、光の波長オーダーの溝深さを有する断面鋸歯波状のリング状回折格子を形成した第３の面５３３ａおよび平坦な第４の面５３３ｂを有する第２の透明基板５３３とを有し、入射光を第１，第２の透明基板５３２，５３３を経て出射させるものである。第１，第２の透明基板５３２，５３３間には、図３０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。
【０１２７】
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、
ｐｓｉｎθ＝ｍλ …（３０）
を満たす角度θだけ偏向されて出射される。また、溝深さをｈ、透明基板３３の屈折率をｎ３３とし、ｋを整数とすると、
ｈ（ｎＡ−ｎ３３）＝ｍλ …（３１）
ｈ（ｎＢ−ｎ３３）＝ｋλ …（３２）
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。
【０１２８】
ここで、上記（３１）および（３２）式の両辺の差を求めると、
ｈ（ｎＡ−ｎＢ）＝（ｍ−ｋ）λ …（３３）
が得られる。したがって、例えば、λ＝５００ｎｍ、ｎＡ＝１．５５、ｎＢ＝１．５とすると、
０．０５ｈ＝（ｍ−ｋ）・５００ｎｍ
となり、ｍ＝１，ｋ＝０とすると、
ｈ＝１００００ｎｍ＝１０μｍ
となる。この場合、透明基板５３３の屈折率ｎ３３は、上記（３７）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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
なお、この実施形態において、上記（３１）〜（３３）式は、実用上、
０．７ｍλ≦ｈ（ｎＡ−ｎ３３）≦１．４ｍλ …（３４）
０．７ｋλ≦ｈ（ｎＢ−ｎ３３）≦１．４ｋλ …（３５）
０．７（ｍ−ｋ）λ≦ｈ（ｎＡ−ｎＢ）≦１．４（ｍ−ｋ）λ …（３６）
を満たせば良い。
【０１３１】
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３６および図３７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。
【０１３２】
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３７に示すようにホメオトロピック配向となり、図３６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。
【０１３３】
ここで、図３６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 …（３７）
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３６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。
【０１３４】
図３８（ａ）は、本発明にかかるズーム光学系に適用可能な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３０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３８（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３８（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３５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（３０）〜（３６）式が同様にあてはまる。
【０１３５】
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３９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３８および図３９では、液晶分子の図示を省略してある。
【０１３６】
図４０は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズを応用し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３０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４０では、液晶分子の図示を省略してある。
【０１３７】
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３５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。
【０１３８】
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３８（ａ）における透明基板５６３、図３８（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。なお、本願では図４０のような、形状の変化しない可変焦点ミラーも、可変形状鏡の中に含めるものとする。
【０１３９】
図４１は本発明のズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例に係る、可変焦点レンズ１４０を用いた撮像ユニット１４１の概略構成図である。撮像ユニット１４１は本発明の撮像系として用いることができる。
本実施例では、レンズ１０２と可変焦点レンズ１４０とで、撮像レンズを構成している。そして、この撮像レンズと固体撮像素子４０８とで撮像ユニット１４１を構成している。可変焦点レンズ１４０は、透明部材１４２と圧電性のある合成樹脂等の柔らかい透明物質１４３とで、光を透過する流体あるいはゼリー状物質１４４を挟んで構成されている。
【０１４０】
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。
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。
【０１４１】
なお、図４１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。
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。
【０１４２】
なお、図４１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４２に示すように、支援部材１４７を設けてシリンダー１４６を省略した構造にしてもよい。
支援部材１４７は、間に透明電極１４５を挟んで、透明物質１４３の一部の周辺部分を固定している。本実施例によれば、透明物質１４３に電圧をかけることによって、透明物質１４３が変形しても、図４３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４２、４３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。
【０１４３】
図４１、４２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。
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。
【０１４４】
図４４は本発明のズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例に係る、マイクロポンプ１６０で流体１６１を出し入れし、レンズ面を変形させる可変焦点レンズ１６７の概略構成図である。
マイクロポンプ１６０は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。流体１６１は、透明基板１６３と、弾性体１６４との間に挟まれている。図中、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。
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。
【０１４５】
そして、図２９で示したようなマイクロポンプ１８０を、例えば、図４４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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
図４５は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な光学特性可変光学素子の他の実施例であって圧電材料２００を用いた可変焦点レンズ２０１の概略構成図である。
圧電材料２００には透明物質１４３と同様の材料が用いられており、圧電材料２００は、透明で柔らかい基板２０２の上に設けられている。なお、基板２０２には、合成樹脂、有機材料を用いるのが望ましい。
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４５において凸レンズとしての作用を持っている。
【０１４８】
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４６に示すように、２つの透明電極５９が対向する所定部分だけが凹状に変形して凹レンズの作用を持つようになり、可変焦点レンズとして動作する。
このとき基板２０２は、流体１６１の体積が変化しないように変形するので、液溜１６８が不要になるというメリットがある。
【０１４９】
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１６８を不要としたところに大きなメリットがある。
なお、図４４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。
【０１５０】
図４７は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な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。
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。
なお、図４７中、２０４はレンズ形状の透明基板である。
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。
【０１５１】
なお、図４５〜図４７の実施例において、基板２０２、薄板２００，２００Ａ，２００Ｂの厚さを不均一にして、電圧を掛けたときの変形のさせかたをコントロールしてもよい。
そのようにすれば、レンズの収差補正等もすることができ、便利である。
【０１５２】
図４８は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変焦点レンズ２０７は、例えばシリコンゴムやアクリルエラストマー等の電歪材料２０６を用いて構成されている。
本実施例の構成によれば、電圧が低いときには、図４８に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図４９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。
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。
【０１５３】
図５０は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な光学特性可変光学素子のさらに他の実施例であってフォトメカニカル効果を用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
本実施例の可変焦点レンズ２１４は、透明弾性体２０８，２０９でアゾベンゼン２１０が挟まれており、アゾベンゼン２１０には、透明なスペーサー２１１を経由して光が照射されるようになっている。
図５０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。
【０１５４】
本実施例において、中心波長がλ１の光が図５１（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５１（ｂ）に示すシス型に変化して体積が減少する。このため、可変焦点レンズ２１４の形状はうすくなり、凸レンズ作用が減少する。
一方、中心波長がλ２の光がシス型のアゾベンゼン２１０に照射されると、アゾベンゼン２１０はシス型からトランス型に変化して、体積が増加する。このため、可変焦点レンズ２１４の形状は厚くなり、凸レンズ作用が増加する。
このようにして、本実施例の光学素子２１４は可変焦点レンズとして作用する。
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。
【０１５５】
図５２は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な形状可変ミラー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５２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。
本実施例の形状可変ミラー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。
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。
なお、変形可能な基板４５１と電極４５２の配置は逆でも良い。
また、図５２中、４４９は光学系の変倍、あるいはズームを行なう釦であり、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。
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。
【０１５６】
最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
なお、本発明のズーム光学系は小型軽量であるので、電子撮像装置、信号処理装置、特に、デジタルカメラ、携帯電話の撮像系に用いると効果がある。
【０１６５】
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。
【０１６６】
拡張曲面の定義は以下の通りである。
球面、平面、回転対称非球面のほか、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは対称面を有する非球面、対称面を１つだけ有する非球面、対称面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点、線を有する面等、いかなる形をしていても良い。反射面でも、屈折面でも、光になんらかの影響を与えうる面ならば良い。
本発明では、これらを総称して拡張曲面と呼ぶことにする。
【０１６７】
光学特性可変光学素子とは、可変焦点レンズ、形状可変ミラー、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。
【０１６８】
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。形状可変ミラーについても同様である。
要するに、光学素子で、光の反射、屈折、回折等の光偏向作用が変化しうるものを光学特性可変光学素子と呼ぶ。
【０１６９】
情報発信装置とは、携帯電話、固定式の電話、ゲームマシン、テレビ、ラジカセ、ステレオ等のリモコンや、パソコン、パソコンのキーボード、マウス、タッチパネル等の何らかの情報を入力し、送信することができる装置を指す。
撮像装置のついたテレビモニター、パソコンのモニター、ディスプレイも含むものとする。
情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。
【０１７０】
以上説明したように、本発明のズーム光学系は、特許請求の範囲に記載した発明の他に、次に示すような特徴も備えている。
【０１７１】
（１）前記形状可変素子より像側にある前記レンズ群の最も広角端での倍率をβＤＭＷとしたとき、以下の何れかの条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のズーム光学系。
０．５０ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ ０．９
０．５５ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ ０．８
【０１７２】
（２）形状可変素子と変倍機能を有する変倍群を有し、形状可変素子が、ピント合わせ機能を有し、且つ変倍群の前方に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか又は上記（１）に記載のズーム光学系。
【０１７３】
（３）形状可変素子が、所定の第１状態から無限遠にある物体にフォーカスした第２状態、該第２状態から最短距離にある物体にフォーカスした第３状態、該第３状態から前記第１状態とは別の所定の第４状態に変形可能であって、広角端において前記第１状態から前記第２状態に変化したときの像面の移動量、及び前記第３状態から前記第４状態に形状が変化したときの像面の移動量をＺｆとしたとき、下記条件を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか又は上記（１）又は（２）に記載のズーム光学系。
４・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ３０・Ｆｎｏ・Ｐ
ただし、Ｐ＝√（Ｐｘ・Ｐｙ）で、Ｐｘは撮像素子の１画素のｘ方向の寸法、Ｐｙは撮像素子の１画素のｙ方向の寸法、Ｆｎｏは撮影光学系のＦナンバーである。
【０１７４】
（４）形状可変素子が、所定の第１状態から無限遠にある物体にフォーカスした第２状態、該第２状態から最短距離にある物体にフォーカスした第３状態、該第３状態から前記第１状態とは別の所定の第４状態に変形可能であって、広角端において前記第１状態から前記第２状態に変化したときの像面の移動量、及び前記第３状態から前記第４状態に形状が変化したときの像面の移動量をＺｆとしたとき、下記条件の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか又は上記（１）又は（２）に記載のズーム光学系。
５・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ２５・Ｆｎｏ・Ｐ
６・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ２０・Ｆｎｏ・Ｐ
ただし、Ｐ＝√（Ｐｘ・Ｐｙ）で、Ｐｘは撮像素子の１画素のｘ方向の寸法、Ｐｙは撮像素子の１画素のｙ方向の寸法、Ｆｎｏは撮影光学系のＦナンバーである。
【０１７５】
（５）フォーカシングを行うに際し、形状可変素子の最大変形量をｍｄ（μｍ）、広角端における光学系の焦点距離をｆｗ、望遠端における光学系の焦点距離をｆｔとしたときに、下記条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（４）の何れかに記載のズーム光学系。
０．１ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ５．０
０．３ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ４．０
０．５ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ３．０
【０１７６】
（６）ズーミングのいずれかの状態で、光軸と撮像面とのなす角度θｉが下記条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（５）の何れかに記載のズーム光学系。
０．２ ＜ θｉ ＜ ４．０
０．２ ＜ θｉ ＜ ３．０
０．２ ＜ θｉ ＜ ２．０
【０１７７】
（７）少なくとも１つ以上の屈折面が、回転非対称な面即ち自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（６）の何れかに記載のズーム光学系。
【０１７８】
（８）形状可変素子によって発生する偏心収差を補正するために、各レンズ面にシフトを加え、そのシフト量をδとしたとき、下条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項３又は上記（１）乃至（７）の何れかに記載のズーム光学系。
０．００１ ≦ ｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ０．５
０．０１０ ≦ ｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ０．２
【０１７９】
（９）物体側から順に、変倍時固定の負のパワーを有する第１群、変倍時可動で正のパワーを有する第２群、変倍時可動の第３群で少なくとも構成され、前記第１群に形状可変素子を配置し、前記第１群の形状可変素子より物体側にある負のレンズ群のパワーをｆ１ａ、、前記第１群の形状可変素子より像側に配置した正レンズ群のパワーをｆ１ｂとしたとき、下記条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（８）の何れかに記載のズーム光学系。
−０．５ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０３
−０．３ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０５
−０．２ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０７
【０１８０】
（１０）前記第２群が主に変倍作用を有し、該第２群のパワーが下記条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（９）の何れかに記載のズーム光学系。
０．５ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ５．０
１．０ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ４．０
１．５ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ３．０
【０１８１】
（１１）ズーム光学系は、前記第２群の前側主点位置から、前記第２群の最も物体側の面までの距離をＳＤ、上記第２群から最終レンズ群までの広角端の倍率をβ２Ｗとしたとき、下記条件式の何れかもしくは組合せの何れかを満足することを特徴とする上記（１０）に記載のズーム光学系。
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８
０．５ ＜ ＳＤ／ｆＷ ＜ ５．０
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８
１．０ ＜ ＳＤ／ｆＷ ＜ ４．０
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８
１．５ ＜ ＳＤ／ｆＷ ＜ ３．０
【０１８２】
（１２）前記形状可変素子が、回転非対称な曲面形状すなわち自由曲面を有していることを特徴とする
請求項１乃至３の何れか又は上記（１）乃至（１１）の何れかに記載のズーム光学系。
【０１８３】
（１３）請求項１乃至３の何れか又は上記（１）乃至（１１）の何れかに記載のズーム光学系を用いた撮像装置。
【０１８４】
【発明の効果】
上述の説明から明らかなように、本発明によれば、形状可変素子を用いているにも拘わらず、収差の良く補正された高変倍なズーム光学系を提供することができる。また、本発明によれば、レンズの可動群が少なく、非常に小型で消費電力が極めて少なく、動作音が静かな撮像装置を提供することができる、
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のズーム光学系に用いられる形状可変素子（形状可変ミラー）の変形量を説明するための図である。
【図２】本発明にかかる第１実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図３】第１実施例のズーム光学系の物体距離無限遠の場合の広角端での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図４】第１実施例のズーム光学系の物体距離無限遠の場合の中間状態での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図５】第１実施例のズーム光学系の物体距離無限遠の場合の望遠端での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図６】第１実施例のズーム光学系の物体距離３００ｍｍの場合の広角端での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図７】第１実施例のズーム光学系の物体距離３００ｍｍの場合の中間状態での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図８】第１実施例のズーム光学系の物体距離３００ｍｍの場合の望遠端での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図９】本発明にかかる第２実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１０】本発明にかかる第３実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１１】本発明にかかる第４実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１２】本発明にかかる第５実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１３】本発明にかかる第６実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１４】本発明にかかる第７実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１５】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子として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。
【図１６】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーの他の実施例を示す概略構成図である。
【図１７】図１６の形状可変素子に用いる電極の一形態を示す説明図である。
【図１８】図１６の形状可変素子に用いる電極の他の形態を示す説明図である。
【図１９】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図２０】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図２１】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図２２】図２１の実施例に用いる薄膜コイルの巻密度の状態を示す説明図である。
【図２３】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図２４】図２３の実施例に用いるコイルの一配置例を示す説明図である。
【図２５】図２３の実施例に用いるコイルの他の配置例を示す説明図である。
【図２６】図２１に示した実施例においてコイルの配置を図２５に示したようにした場合に適する永久磁石の配置を示す説明図である。
【図２７】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子を用いた撮像系、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２８】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子のさらに他の実施例で、マイクロポンプで流体を出し入れしてミラー面を変形させるようにした形状可変ミラーの概略構成図である。
【図２９】本発明のズーム光学系に用いる形状可変素子に適用可能なマイクロポンプの一実施例の概略構成図である。
【図３０】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての可変焦点レンズの原理的構成を示す図である。
【図３１】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３２】図３０に示す可変焦点レンズの高分子分散液晶層に電界を印加した状態を示す図である。
【図３３】図３０に示す可変焦点レンズの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３４】図３３に示す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構成を示す図である。
【図３５】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての可変焦点回折光学素子の一例の構成を示す図である。
【図３６】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３７】図３６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３８】本発明にかかるズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての可変偏角プリズムの２つの例の構成を示す図である。
【図３９】図３８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４０】本発明ズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズを応用した可変焦点ミラーを示す図である。
【図４１】本発明のズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例を用いた撮像ユニットの概略構成図である。
【図４２】図４１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４３】図４２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４４】本発明のズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例で、マイクロポンプで流体を出し入れしてレンズ面を変形させるようにした可変焦点レンズの概略構成図である。
【図４５】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子の他の実施例であって、圧電材料を用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
【図４６】図４５に示した可変焦点レンズの変形例の状態説明図である。
【図４７】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子のさらに他の実施例であって、圧電材料からなる２枚の薄板を用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
【図４８】本発明のズーム光学系に適用可能な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４９】図４８の実施例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。
【図５０】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変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。
【図５１】図５０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５２】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての形状可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
Ｇ１ 第１群
Ｇ２ 第２群
Ｇ３ 第３群
Ｇ４ 第４群
Ｍ 形状可変ミラー（形状可変素子）
１８８ 形状可変鏡（形状可変素子）
１４０，１６７，２０１，２０７，２１４，５１１，５５１ 可変焦点レンズ（形状可変素子）
１６１ 流体
１６３，１６５，２０４，５３２，５３３，５６２，５６３，５６６，５６７透明基板
５９，１４５，５１３ａ，５１３ｂ 透明電極
５１２ａ，５１２ｂ，５２２，５５２，５５３ レンズ
１０３ 制御系
１０３’ 回路
１０４，１４１ 撮像ユニット
１４２ 透明部材
１４３ 圧電性のある透明物質
１４４ 流体あるいはゼリー状物質
１４６ シリンダー
１４７ 支援部材
１４８ 変形可能な部材
１６０，１８０ マイクロポンプ
１６４ 弾性体
１６８ 液溜
１８１ 振動板
１８２，１８３，４０９ｂ，４０９ｄ，４５２ 電極
１８４，１８５ 弁
１８９，４５０ 反射膜
２００ 圧電材料
２００Ａ，２００Ｂ 薄板
２０２ 透明で柔らかい基板
２０６，４０９ｃ−２ 電歪材料
２０８，２０９ 透明弾性体
２１０ アゾベンゼン
２１１ スペーサー
２１２，２１３ 光源
４０３ 撮像レンズ
４０４ プリズム
４０５ 二等辺直角プリズム
４０６ ミラー
４０８，５２３ 固体撮像素子
４０９ 光学特性形状可変鏡
４０９ａ 薄膜
４０９ｃ，４０９ｃ’ 圧電素子
４０９ｃ−１，４０９ｅ 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 振れセンサー
４２５，４２８ 駆動回路
４２６ 永久磁石
４２７ コイル
４４９ 釦
４５１ 変形可能な基板
４５３ 電歪材料
５０８ａ，５３２ａ，５６２ａ，５６６ａ 第１の面
５０８ｂ，５３２ｂ，５６２ｂ，５６６ｂ 第２の面
５０９ａ，５３３ａ，５６３ａ，５６７ａ 第３の面
５０９ｂ，５３３ｂ，５６３ｂ，５６７ｂ 第４の面
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
５３１ 可変焦点回折光学素子
５３９ａ，５３９ｂ 配向膜
５５０ 可変焦点眼鏡
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
５６５ 可変焦点ミラー
５６８ 反射膜
９０１ 接眼レンズ
９０２ 対物レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状可変素子を含むズーム光学系とそれを用いた電子撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ズーム光学系は、変倍作用を有するバリーエータ群と、変培にともなう像面ずれ及び収差を補償するコンペンセータ群と、被写体に焦点をあわせるためのフォーカシング群等から成っている。これらの群はレンズで構成されていることが多いが、近年、フォーカシングを形状可変ミラーを用いて行わせるようにしたものが提案されている（特開２００２−１２２７７９号公報、特開２００２−１２２７１９号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ズーム光学系において、形状可変ミラーを用いてフォーカシングを行うようにすれば、従来のようにフォーカシングのための機械的な機構を用いる必要が無くなる。そのため、装置全体を小型且つ軽量化することが出来るという利点はあるが、フォーカシング時のミラー面の変形により収差変動が生じ易いという問題点がある。
【０００４】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、形状可変ミラーを用いているにも拘わらず収差変動の少ない高性能のズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明によるズーム光学系は、フォーカシング作用を有する形状可変素子と、変倍時に移動可能で且つ変倍作用もしくは像面の移動を補正するコンペンセート作用を有する２つのレンズ群と、を含んでいる。
本発明によれば、前記形状可変素子より像側にある全てのレンズ群の最も広角端での倍率をβＤＭＷとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．４０ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ １．０ （１−１）
また、本発明によれば、前記レンズ群を構成するレンズの少なくとも１つの回転対称なレンズ面が光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
実施例の説明に先立ち、本発明の作用を説明する。なお、形状可変素子としては、形状可変ミラーや液晶レンズ等があるが、ここでは、形状可変ミラーを例にして説明する。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、フォーカシング作用を形状可変ミラーの反射面に持たせることで、メカ的な駆動機構は変倍レンズ群のみとなる。そのためフォーカシングのためのモーター及び駆動回路などを使用する必要がなく、非常に鏡枠構造が簡易的となる。この結果、撮像装置全体として、小型化、低コスト化が可能となる。
さらに形状可変ミラーは静電駆動で、形状を瞬間的に変化させることが可能であることから、フォーカシングが非常に高速でできる。また、消費電力が非常に小さく、動作音が静かなズーム光学系を実現できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、広角端における倍率を規定し、形状可変素子を適切な変形量でフォーカシングすることが可能な条件を規定したものである。｜βＤＭＷ｜が条件式（１−１）の下限を下回ると倍率が小さいため、フォーカシングに必要な形状可変ミラーの変軽量が大きくなり、消費電力が増大し好ましくない。さらに変軽量が増大すると形状可変ミラーが光軸に対して偏心した位置に配置されているため、非対称な偏心収差、特に非対称コマ収差の発生量が大きくなり好ましくない。また、上限を上回ると倍率が大きいため、形状可変ミラーの小さい変軽量でフォーカシングすることが可能であるが、その他の製造誤差に対しても敏感になり、製造難易度が高くなってしまう。
なお、好ましくは、下記の条件を満足するのがよい。
０．５０ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ ０．９ （１−２）
０．５５ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ ０．８ （１−３）
｜βＤＭＷ｜が上記範囲内であれば、形状可変ミラーの変形量をより適切にすることが可能である。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、形状可変ミラーの偏心収差を補正することが可能となり、高性能なズーム光学系を提供することが可能となる。
【００１０】
また、本発明によれば、上記形状可変ミラーが、回転非対称な曲面形状すなわち自由曲面を有していることを特徴としている。この構成をとることで、形状可変ミラーで発生する偏心収差を非常に小さくすることが可能となる。
【００１１】
また、本発明によれば、ズーム光学系が、形状可変ミラーと変倍機能を有する変倍群を有し、形状可変ミラーが、ピント合わせ機能を有し、且つ変倍群の前方に配置されていることを特徴としている。
この特徴により、ズーミングによるピントズレをなくすことが可能となる。
形状可変ミラーは、変倍を主に行うレンズ群の前方に配置されるのが望ましい。この点について説明する。形状可変ミラーをピント合わせに用いる場合、物体距離の変化とともに、形状可変ミラーのパワーを変化させることになる。ここで形状可変ミラーが変倍群より後方にあると、物点距離が同一でもズーミングしたとき、前記形状可変ミラーより物体側にあるレンズ郡の倍率が高くなる。そのため、広角側と比較して、変倍の倍率分、反射面の変形量が大きく必要になってくる。反射面の変形量が大きくなりすぎると、偏心収差が大きく発生し好ましくない。そこで、本発明のように形状可変ミラーが変倍群よりも前方（物体側）にあれば、該ミラーより物体側のレンズのズーミングによる倍率変化がない。例えば、物点距離を無限遠から至近までフォーカシングした場合、広角端から望遠端まで、面の同じ変形量でフォーカシングすることができる。これは、光学性能の面において有利な点を有するということである。また、形状可変ミラーの制御上、考え方がシンプルになるという点でも有利である。このように、本発明では撮像系を設計しやすいことから、上記構成を採用している。
【００１２】
また、本発明によれば、形状可変ミラーが、所定の第１状態から無限遠にある物体にフォーカスした第２状態、該第２状態から最短距離にある物体にフォーカスした第３状態、該第３状態から前記第１状態とは別の所定の第４状態に変形可能であって、広角端において前記第１状態から前記第２状態に変化したときの像面の移動量、及び前記第３状態から前記第４状態に形状が変化したときの像面の移動量をＺｆとしたとき、下記条件を満足することを特徴としている。
４・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ３０・Ｆｎｏ・Ｐ （２−１）
ただし、Ｐ＝√（Ｐｘ・Ｐｙ）で、Ｐｘは撮像素子の１画素のｘ方向の寸法、Ｐｙは撮像素子の１画素のｙ方向の寸法、Ｆｎｏは撮影光学系のＦナンバーである。
上記条件式（２−１）は、ＣＣＤなどの撮像素子を用いて、適切にコントラスト方式でフォーカシングを行うための条件式で、像のぼかし量を規定したものである。通常、オートフォーカスでピントを探すときは、ピント位置前後に像をぼかし、コントラストのピークを探し、ピント位置を検出する。
Ｚｆが、この条件式の下限を下回ると像のぼかし量が足りず、特に低コントラストの被写体や、暗い場所においてコントラストを検出することが困難となる。また、上限を上回ると、必要以上にデフォーカスさせるため、形状可変ミラーの最大変形量が大きく必要となり、偏心収差の発生量が大きくなる。
この場合、下記範囲内であれば、オートフォーカスの精度が上がるのでなお良い。
５・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ２５・Ｆｎｏ・Ｐ （２−２）
６・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ２０・Ｆｎｏ・Ｐ （２−３）
【００１３】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、フォーカシングを行うに際し、形状可変ミラーの最大変形量をｍｄ（μｍ）、広角端における光学系の焦点距離をｆｗ、望遠端における光学系の焦点距離をｆｔとしたときに、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．１ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ５．０ （３−１）
上記条件式（３−１）は形状可変ミラーの最大変形量を規定したもので、焦点距離で規格化してある。上記条件式を満足することで、形状可変ミラーの変形量を適正な範囲に抑えることができる。
｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜の値が上記条件式の下限を下回ると、変形量が不足し、最短撮影距離を長くせざるを得ない。あるいは光学系の形状可変ミラーより像側のレンズ群の倍率を上げる必要があるが、その場合他のレンズ等の製造精度が厳しくなる。また、上限を上回ると、変形量が大きくなりすぎて偏心収差の発生量が増大し、所望の光学性能を満足することが難しくなる。
なお、下記の範囲であればより好ましい。
０．３ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ４．０ （３−２）
０．５ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ３．０ （３−３）
【００１４】
また、本発明によれば、ズーミングのいずれかの状態で、光軸と撮像面とのなす角度θｉが下記の条件式を満足することを特徴としている。
０．２ ＜ θｉ ＜ ４．０ （４−１）
上記条件式（４−１）は、光軸と撮像面との成す角度を規定したもので、レンズ系の非対称な像面湾曲を適切に補正するための条件を示している。θｉの大きさが、この条件式の下限を下回ると、非対称な像面湾曲及び像面の倒れ等が補正不足で、所望の光学性能を満足することが難しくなる。また、上限を上回ると、中心光と周辺光（上下あるいは左右）とで入射角に大きく差がでる。そのためセンサの中心部と周辺部とでシェーディング特性が異なり、左右あるいは上下での光量低下が大きくなり好ましくない。
下記範囲内であれば、さらに非対称な像面湾曲、及び非対称な周辺光量低下を防ぐことが可能である。
０．２ ＜ θｉ ＜ ３．０ （４−２）
０．２ ＜ θｉ ＜ ２．０ （４−３）
【００１５】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、少なくとも１つ以上の屈折面が、回転非対称な面即ち自由曲面で構成されていることを特徴としている。
形状可変ミラーで発生する偏心収差を、すべてのズーム時、すべての物点距離で無収差とすることはできない。そのため、その偏心収差をコンペンセートする補正素子として、もう１つの回転非対称な面即ち自由曲面を用いることで、非常に良好な結像性能を得ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、形状可変ミラーによって発生する偏心収差を補正するために、各レンズ面にシフトを加え、そのシフト量をδとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．００１ ≦ ｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ０．５ （５−１）
上記条件式（５−１）は、光学系のレンズ面のシフト量を規定するもので、光学系の中で最も偏心量の大きな面に対する条件を規定したものである。｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜の値が、この条件式の下限を下回ると、偏心収差を補正することができなくなる。また、上限を上回ると、レンズ面自身で非常に大きな偏心収差を発生してしまう。
なお、下記条件を満たすように構成することで、さらに適切に偏心収差を補正することが可能となる。
０．０１０ ≦ ｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ０．２ （５−２）
【００１７】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、物体側から順に、変倍時固定の負のパワーを有する第１群、変倍時可動で正のパワーを有する第２群、変倍時可動の第３群で少なくとも構成され、前記第１群に形状可変ミラーを配置し、前記第１群の形状可変ミラーより物体側にある負のレンズ群のパワーをｆ１ａ、、前記第１群の形状可変ミラーより像側に配置した正レンズ群のパワーをｆ１ｂとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴としている。
−０．５ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０３ （６−１）
上記条件式（６−１）は、第１群の形状可変ミラー前後のレンズ群のパワーを規定したものである。
形状可変ミラーは半導体プロセスで製造する場合を考えると、有効径が小さいほど、安価に生産することが可能である。そこで上記形状可変ミラーよりも物体側の負レンズ群のパワーを強くすることで、特に広角端の軸外光線高を低く抑えている。このように本発明では、上記形状可変ミラーに入射する光線のエリアを小さくすることができるため、低価格化を実現することが可能となる。ｆ１ａ／ｆ１ｂの値が、この条件式の下限を下回ると、形状可変ミラーより物体側の負レンズ群のパワーが非常に弱くなる。この場合、形状可変ミラーの広角端での軸外光線高を小さくすることはできない。その結果形状可変ミラーの大型化をまねくとともに、その形状可変ミラーで発生する偏心収差を小さく抑えることができず好ましくない。また、上限を上回ると、形状可変ミラーを小さくすることは可能である。しかしながら、その負レンズ群で発生する、回転対称な収差、特にコマ収差や倍率色収差を補正することが難しくなり好ましくない。
さらに、下記の条件式の範囲内であれば、形状可変素子の小型化、低価格化、及び良好な性能の確保を達成できて好ましい。
−０．３ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０５ （６−２）
−０．２ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０７ （６−３）
【００１８】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、上記第２群が主に変倍作用を有し、該第２群のパワーが下記条件式を満足することを特徴としている。
０．５ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ５．０ （７−１）
上記条件式（７−１）は変倍群の焦点距離を規定したものである。ｆ２／√（ｆｗ×ｆｔ）の値が、この条件式の下限を下回ると、焦点距離が短くなる。この場合、第２群内の個々のレンズのパワーを強める必要があるが、特に軸上マージナル光線が高い位置にあるため、球面収差の補正が困難になる。また色収差を第２群内で補正することが難しくなり、ズーミングによる収差変動が大きくなる。また、上限を上回ると、焦点距離が長くなるため、全長を短縮化できず、装置の大型化を招く。
さらに、下記条件を満たせば、小型、高性能のズーム光学系を提供でき、好都合である。
１．０ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ４．０ （７−２）
１．５ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ３．０ （７−３）
【００１９】
また、本発明によれば、ズーム光学系は、上記第２群の前側主点位置から、上記第２群の最も物体側の面までの距離をＳＤ、上記第２群から最終レンズ群までの広角端の倍率をβ２Ｗとしたとき、下記の条件式のいずれかもしくは両方を満足することを特徴としている。
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８ （８−１）
０．５ ＜ ＳＤ／ｆｗ ＜ ５．０ （９−１）
上記条件式（８−１）は倍率を規定したものであり、上記条件式（９−１）は第２群の主点の位置を規定したものである。これらの条件式は、極力光学系の全長を短くするための条件式である。
説明を簡単にするために２群ズームレンズで説明する。負正の２群ズームでは、近軸的には、バリエータの焦点距離をｆＶ、倍率をηとしたときに、物体から像面までの距離ＩＯは
ＩＯ＝ｆＶ（ −η −（１／η）−２ ）
で与えられる。η＝−１とした場合に、ズーム光学系の全長を最も小さくできるため、上記バリエーターは、広角端から望遠端の間で倍率−１を挟むことが望ましい。そのため、広角端の倍率を上記条件式の範囲内にすることで、全長を短くすることが可能となる。
また、上記条件式から変倍群の焦点距離ｆＶを短くすることによっても全長を短くすることが可能となる。しかし、単純にｆＶを小さくしても、本発明のズーム光学系は、形状可変ミラーを挿入するための間隔と、第１群と第２群の間にズーミングに必要な空気間隔とが夫々必要であり、所望の倍率で、前記第１群で形成する物体の像（虚像）を、変倍群でリレーして結像させることは難しい。そのため、上記条件式を満足することで、変倍群の主点位置をなるべく物体側に持っていくことができる。その結果、所望の倍率で、変倍群の焦点距離を小さくすることができ、結果的に全長を短くすることが可能となる。
また、主点位置を極力物体側にすることで、第２群の焦点距離を短くすることが可能となり、上記条件式（８−１），（９−１）の範囲内であれば、小型化が可能となる。
さらに、下記条件式を満たせば、より高性能で小型のズームレンズを提供することが可能となる。
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８ （８−２）
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８ （８−３）
１．０ ＜ ＳＤ／ｆｗ ＜ ４．０ （９−２）
１．５ ＜ ＳＤ／ｆｗ ＜ ３．０ （９−３）
【００２０】
さらに、本発明は、撮像装置が、上記のズーム光学系を用いていることを特徴としている。これにより、可動のレンズを極めて少なくすることができ、また、小型で消費電力が極めて少なくて済み、且つ作動音が静かな撮像装置を提供することができる。
【００２１】
なお、上述のような負レンズ群前置型のズームレンズでは、変倍群として正レンズを移動させるものが主流であるが、これにより、広角ズームレンズが可能となる。さらに、上記負レンズ群に形状可変ミラーを配置すれば、形状可変ミラーを小さくすることが可能で、低価格化等のメリットがある。また、正レンズ群前置型のズームレンズにしても良いが、その場合、変倍群としては負レンズ群が好ましく、そのような構成にすることで、高変倍なズームレンズを達成することが可能となる。
【００２２】
また、形状可変ミラーの反射面をレンズの製作誤差による光学性能の劣化を補正するような形状に変形するように構成してもよい。このようにすれば、不良品の数を極端に減らすことができ、製作コストを抑えることができる。
【００２３】
また、ズーム時において、絞り面を独立に移動させて、絞り面をできる限り形状可変ミラーの反射面近くに配置するようにしてもよい。このようにすれば、形状可変ミラーの反射面の光線有効径を小さくすることができるため好ましい。
【００２４】
また、形状可変ミラーの反射面の偏心方向に対して、撮像素子の短辺方向が平行になるように配置しても良い。このようにすれば、形状可変ミラーの反射面の光線有効径を小さくすることができ、かつ、収差補正上も有利なため望ましい。一方、デジタルカメラ等でデザイン上のメリット等の為には、形状可変ミラーの反射面の偏心方向に対して撮像素子の長辺方向が平行になるように配置するのが好ましい。
【００２５】
その他、形状可変ミラーの反射面がコンペンセータ作用のみを有するようにし、その他のレンズ群を介してパンフォーカスとなるようにズーム光学系を構成してもよい。このようにすれば、小型化、低コスト化できるので良い。
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明に係るズーム光学系の実施例について説明する。
先ず、各実施例に亘って共通の事項について述べることにする。すべての実施例は、形状可変ミラーにフォーカシングの機能をもたせたズーム光学系を示しており、像面の撮像素子の画素ピッチを２．５μｍ、水平及び垂直の画素数をそれぞれ１６００画素、１２００画素、像面サイズ３．０×４．０ｍｍとしている。
【００２７】
各レンズデータ中、“ＡＳＰ”は非球面、“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＤＭ”は形状可変ミラーを表す。データに記載されていない非球面、自由曲面等に関する項は０である。また、“Ｗ”、“Ｓ”、“Ｔ”はそれぞれ広角端、中間状態、望遠端を表す。可変の間隔Ｄｉ（ｉ＝１、２、３）は、順に広角端、中間状態、望遠端での値を表す。屈折率、アッベ数はともに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、角度の単位はｄｅｇである。また、各実施例ともに最像面側に２枚の平行平板を挿入しているが、これは撮像素子のカバーガラス、ＩＲカットフィルタ、ローパスフィルタである。
【００２８】
各実施例では、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している。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軸としている。
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（ｄｅｇ））で与えられる。偏心を行うときの座標系の原点は、偏心を行う面をｋ面としたとき、ｋ−１面の面頂位置からＺ軸方向に面間隔の分だけ移動した点とする。偏心の順序は、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。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している。
【００２９】
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（以下ＤＡＲ）とディセンタオンリー（以下ＤＥＯ）の２種類がある。ＤＡＲによる偏心では、ｋ面が偏心しているとき、ｋ＋１面以降の座標系が、ｋ−１面の座標系と一致する。ｋ＋１面の面頂位置は、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して定義されている。一方、ＤＥＯでは、ｋ面が偏心しているとき、ｋ＋１面以降の座標系は、偏心後のｋ面の座標系と一致する。ｋ＋１面の面頂位置は、偏心後のｋ面の面頂位置からＺ軸方向に面間隔の分だけ移動した点として定義されている。
【００３０】
また形状可変ミラーの形状データは、物点距離無限時と至近時、またフォーカス方式としてコントラスト方式を用いているため、最も変形の大きい形状の時（遠点余裕と近点余裕）の形状を示している。
形状可変ミラーは、所定の第１状態から無限遠にある物体にフォーカスした第２状態、該第２状態から最短距離にある物体にフォーカスした第３状態、該第３状態から前記第１状態とは別の所定の第４状態に変形する。この変形に伴って、像面（物体の像位置）も変化する。前記条件式（２−１）を満足するように変化する。条件式（２−１）において、像面の移動量Ｚｆを広角端で規定したのは、広角端で像面の移動量が大きいからである。図１は、３倍ズームレンズを例にとって、上記の第１状態乃至第４状態と形状可変ミラーの反射面（大きさ：１０×７ｍｍの楕円）の変形量との関係を示している。ここで、横軸は反射面の変形量である。また、Ｔは望遠時、Ｓは中間状態、Ｗは広角端である。各ズーム状態において、第１状態は反射面が平面の状態である。そして、第２状態は物体が無限遠にあるときにフォーカスした時の変形量、第３状態は物体がある至近の位置にあるときにフォーカシングした時の変形量、第４状態は至近物体のコントラストを検出するために必要な最大変形量を示している。
【００３１】
なお、非球面形状は、光軸方向をＺ、光軸に直行する方向をＹにとり、円錐係数をｋ、非球面係数をａ、ｂ、ｃ、ｄとしたとき、次式（ｃ）で表される。
Ｚ＝（Ｙ２／ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）・（Ｙ／ｒ）２｝１／２］＋ａｙ４＋ｂｙ６＋ｃｙ８＋ｄｙ１０ …（ｃ）
【００３２】
実施例１
図２は、本発明に係るズーム光学系の第１実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、正パワーを有する第３群Ｇ３とを配置してなる２倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、このズーム光学系は、焦点距離が４．４２〜８．８５、開放Ｆｎｏが２．８〜４．７、撮影至近距離が３００、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。
なお、図２において物体面は図示されていない。また基準面から測ったときの間隔ｄ１，ｄ３〜ｄ８も図示を省略している。
【００３３】
図３乃至８は、本実施例のズーム光学系の広角端、中間状態及び望遠端ごとの各波長域における横収差図を示している。図３は広角端で物点距離無限遠時の横収差図、図４は中間状態で物点距離無限遠時の横収差図、図５は望遠端で物点距離無限遠時の横収差図、図６は広角端で物点距離３００ｍｍ時の横収差図、図７は中間状態で物点距離３００ｍｍ時の横収差図、図８は望遠端で物点距離３００ｍｍ時の横収差図である。
【００３４】
また、図３において、（ａ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、（ｂ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、（ｃ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、（ｄ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、（ｅ）はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、（ｆ）はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、（ｇ）はＸ正方向最大画角、Ｙ負方向画角がゼロを通る主光線のＹ方向の横収差、（ｈ）はＸ正方向最大画角、Ｙ方向画角がゼロを通る主光線のＸ方向の横収差、（ｉ）はＸ正方向最大画角、Ｙ方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、（ｊ）はＸ正方向最大画角、Ｙ方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差、（ｋ）はＸ正方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＹ方向の横収差、（ｌ）はＸ方向画角がゼロ、Ｙ正方向最大画角を通る主光線のＸ方向の横収差を、それぞれ示している。
【００３５】
第１実施例の数値データは下記の通りである。
実施例２
図９は、本発明に係るズーム光学系の第２実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、正パワーを有する第３群Ｇ３とを配置してなる２倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．４３〜８．８６、開放Ｆｎｏが２．８〜４．７、撮影至近距離が１８０、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。なお、形状可変ミラーは９０度反射ではない。
【００４１】
第２実施例の数値データは下記の通りである。
実施例３
図１０は、本発明に係るズーム光学系の第３実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、負パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、このズーム光学系は、焦点距離が４．４３〜１３．３１、開放Ｆｎｏが２．４〜５．１、撮影至近距離が１８０、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。なお、形状可変ミラーは９０度反射ではない。
【００４７】
第３実施例の数値データは下記の通りである。
実施例４
図１１は、本発明に係るズーム光学系の第４実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、負パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．４３〜１３．０５、開放Ｆｎｏが２．４〜４．９、撮影至近距離が３００、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。
【００５３】
第４実施例の数値データは下記の通りである。
実施例５
図１２は、本発明に係るズーム光学系の第５実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、負パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。なお、第１レンズに自由曲面が使用されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．４２〜１３．１６、開放Ｆｎｏが２．４〜４．９、撮影至近距離が３００、像面（撮像素子）が光軸に対してチルトに設計されている。
【００５９】
第５実施例の数値データは下記の通りである。
実施例６
図１３は、本発明に係るズーム光学系の第６実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、負パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。なお、第１レンズと第９レンズに自由曲面が使用されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．６０〜１３．１６、開放Ｆｎｏが２．４〜４．９、撮影至近距離が３００に設計されている。
【００６５】
第６実施例の数値データは下記の通りである。
実施例７
図１４は、本発明に係るズーム光学系の第７実施例の光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
この実施例は、物体側から順に、負パワーを有する第１群Ｇ１と、正パワーを有する第２群Ｇ２と、正パワーを有する第３群Ｇ３と、正パワーを有する第４群Ｇ４とを配置してなる３倍ズーム光学系で、第１群Ｇ１と第４群Ｇ４を固定し、第２群Ｇ２と第３群Ｇ３を移動させることによりズーミングを行い、それにより生じる焦点ずれを、第１群Ｇ１中に設けられた形状可変ミラーＭの反射面を変形させることで、補正することができるように構成されている。
また、、このズーム光学系は、焦点距離が４．４２〜１３．２６、開放Ｆｎｏが２．８〜５．４、撮影至近距離が３００、第２レンズが光軸に対してチルトに設計されている。
【００７１】
第７実施例の数値データは下記の通りである。
なお、各実施例における前記各条件式の値は下表に示す通りである。
以上説明した本発明によるズーム光学系は、フィルムカメラ、デジタルカメラ、テレビカメラ、携帯端末用のカメラ、監視カメラ、ロボットの眼、電子内視鏡等に適用可能である。
また、上述のズーム光学系では、レンズ群中に反射面を有する構成のズーム光学系について説明したが、反射面を有しない構成のズーム光学系についても可変形状面を備えた光学素子、例えば、可変焦点レンズ等を用いて構成すれば、小型化、低コスト化、省電力化、作動音の静音化等の効果を達成することが可能である。更に、可変形状面を有しない可変焦点ミラーを上記実施例に用いても良い。なお、可変焦点ミラーについては、その一例を図４０を用いて後述する。
【００７７】
次に、本発明のズーム光学系に適用可能な可変ミラー、可変焦点レンズの構成例について説明する。
【００７８】
図１５は本発明のズーム光学系に適用可能な可変ミラーとして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。
【００７９】
光学特性可変形状鏡４０９は、アルミコーティングされた薄膜（反射面）４０９ａと複数の電極４０９ｂからなる光学特性可変形状鏡（以下、単に可変形状鏡という。）であり、４１１は各電極４０９ｂにそれぞれ接続された複数の可変抵抗器、４１２は可変抵抗器４１１と電源スイッチ４１３を介して薄膜４０９ａと電極４０９ｂ間に接続された電源、４１４は複数の可変抵抗器４１１の抵抗値を制御するための演算装置、４１５，４１６及び４１７はそれぞれ演算装置４１４に接続された温度センサー、湿度センサー及び距離センサーで、これらは図示のように配設されて１つの光学装置を構成している。
【００８０】
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。
【００８１】
また、薄膜４０９ａは、例えば、Ｐ．Ｒａｉ−ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ編、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ＭｉｃｈｒｏｌｉｔｈｏＧｒａｐｈｙ， ＭｉｃｈｒｏｍａｃｈｉｎｉｎＧ ａｎｄ Ｍｉｃｈｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ， Ｖｏｌｕｍｅ ２：ＭｉｃｈｒｏｍａｃｈｉｎｉｎＧ ａｎｄ Ｍｉｃｈｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，Ｐ４９５，ＦｉＧ．８．５８， ＳＰＩＥ ＰＲＥＳＳ刊やＯｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， １４０巻（１９９７年）Ｐ１８７〜１９０に記載されているメンブレインミラーのように、複数の電極４０９ｂとの間に電圧が印加されると、静電気力により薄膜４０９ａが変形してその面形状が変化するようになっており、これにより、観察者の視度に合わせたピント調整ができるだけでなく、さらに、レンズ９０１，９０２及び／又はプリズム４０４、二等辺直角プリズム４０５、ミラー４０６の温度や湿度変化による変形や屈折率の変化、あるいは、レンズ枠の伸縮や変形及び光学素子、枠等の部品の組立誤差による結像性能の低下が抑制され、常に適正にピント調整並びにピント調整で生じた収差の補正が行われ得る。
なお、電極４０９ｂの形は、例えば図１７、１８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。
【００８２】
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２９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。
【００８３】
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り、印加される電圧の極性を変えれば凸面とすることもできる。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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
また、レンズ９０１，９０２、プリズム４０４，４０５、ミラー４０６は、プラスチックモールド等で形成することにより任意の所望形状の曲面を容易に形成することができ、製作も簡単である。なお、本実施例の撮像装置では、レンズ９０１，９０２がプリズム４０４から離れて形成されているが、レンズ９０１，９０２を設けることなく収差を除去することができるようにプリズム４０４，４０５、ミラー４０６、可変形状鏡４０９を設計すれば、プリズム４０４，４０５、可変形状鏡４０９は１つの光学ブロックとなり、組立が容易となる。また、レンズ９０１，９０２、プリズム４０４，４０５、ミラー４０６の一部あるいは全部をガラスで作製してもよく、このように構成すれば、さらに精度の良い撮像装置が得られる。
【００８７】
なお、図１５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。
【００８８】
図１６は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９の他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、薄膜４０９ａと電極４０９ｂとの間に圧電素子４０９ｃが介装されていて、これらが支持台４２３上に設けられている。そして、圧電素子４０９ｃに加わる電圧を各電極４０９ｂ毎に変えることにより、圧電素子４０９ｃに部分的に異なる伸縮を生じさせて、薄膜４０９ａの形状を変えることができるようになっている。電極４０９ｂの形は、図１７に示すように、同心分割であってもよいし、図１８に示すように、矩形分割であってもよく、その他、適宜の形状のものを選択することができる。図１６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。
【００８９】
図１９は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、薄膜４０９ａと電極４０９ｂの間に介置される圧電素子が逆方向の圧電特性を持つ材料で作られた２枚の圧電素子４０９ｃ及び４０９ｃ’で構成されている点で、図１６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１６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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
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。
【００９２】
なお、図１６、２０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。
【００９３】
図２０は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、圧電素子４０９ｃが薄膜４０９ａと電極４０９ｄとにより挟持され、薄膜４０９ａと電極４０９ｄ間に演算装置４１４により制御される駆動回路４２５を介して電圧が印加されるようになっており、さらにこれとは別に、支持台４２３上に設けられた電極４０９ｂにも演算装置４１４により制御される駆動回路４２５を介して電圧が印加されるように構成されている。したがって、本実施例では、薄膜４０９ａは電極４０９ｄとの間に印加される電圧と電極４０９ｂに印加される電圧による静電気力とにより二重に変形され得、上記実施例に示した何れのものよりもより多くの変形パターンが可能であり、かつ、応答性も速いという利点がある。
【００９４】
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ない、微細な形状変化を静電気力で行なってもよい。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２０に示した。なお、ここでは、圧電効果と電歪効果、電歪をすべてまとめて圧電効果と呼んでいる。従って、電歪材料も圧電材料に含むものとする。
【００９５】
図２１は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、電磁気力を利用して反射面の形状を変化させ得るようにしたもので、支持台４２３の内部底面上には永久磁石４２６が、頂面上には窒化シリコン又はポリイミド等からなる基板４０９ｅの周縁部が載置固定されており、基板４０９ｅの表面にはアルミニウム等の金属コートで作られた薄膜４０９ａが付設されていて、可変形状鏡４０９を構成している。基板４０９ｅの下面には複数のコイル４２７が配設されており、これらのコイル４２７はそれぞれ駆動回路４２８を介して演算装置４１４に接続されている。したがって、各センサー４１５，４１６，４１７，４２４からの信号によって演算装置４１４において求められる光学系の変化に対応した演算装置４１４からの出力信号により、各駆動回路４２８から各コイル４２７にそれぞれ適当な電流が供給されると、永久磁石４２６との間に働く電磁気力で各コイル４２７は反発又は吸着され、基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａを変形させる。
【００９６】
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。
【００９７】
この場合、薄膜コイル４２７の巻密度を、図２２に示すように、場所によって変化させることにより、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。
【００９８】
図２３は本発明のズーム光学系にかかる可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡４０９のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡では、基板４０９ｅは鉄等の強磁性体で作られており、反射膜としての薄膜４０９ａはアルミニウム等からなっている。この場合、薄膜コイルを設けなくてもすむから、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２４は本実施例におけるコイル４２７の配置を示し、図２５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２１に示した実施例にも適用することができる。なお、図２６は、図２１に示した実施例において、コイル４２７の配置を図２５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２６に示すように、永久磁石４２６を放射状に配置すれば、図２１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２１及び図２３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。
【００９９】
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２０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。また、形状可変鏡の変形する部分の外形は、軸上光線の入射面に平行な方向に長い形状とするのが好ましく、このように構成すれば、収差補正に有利な楕円面に近い形状に変形させやすいという利点がある。上記入射面に長い形状としては、トラック形状、多角形、楕円等が利用できる。
【０１００】
図２７は本発明のさらに他の実施例に係る、ズーム光学系を用いた撮像装置に適用可能な可変ミラーとして可変形状鏡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。
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１０２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。
【０１０１】
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。
なお、図２７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。
【０１０２】
図２８は本発明のズーム光学系に係る形状可変ミラーとして適用可能なさらに他の実施例に係る、マイクロポンプ１８０で流体１６１を出し入れし、ミラー面を変形させる可変形状鏡１８８の概略構成図である。本実施例によれば、ミラー面を大きく変形させることが可能になるというメリットがある。
マイクロポンプ１８０は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。
マイクロマシンの技術で作られたポンプの例としては、熱変形を利用したもの、圧電材料を用いたもの、静電気力を用いたものなどがある。
【０１０３】
図２９は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラー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２９では静電気力により振動する例を示しており、図中、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。
【０１０４】
本実施例の形状可変ミラー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、形状可変ミラーとして機能する。形状可変ミラー１８８は流体１６１で駆動される。駆動流体としては、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。
【０１０５】
なお、静電気力、圧電効果を用いた形状可変ミラー、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２７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。
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、形状可変ミラー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。
【０１０６】
図３０は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な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。
【０１０７】
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 …（１０）
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。
【０１０８】
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３１に示すような形状となり、
ｎｏｘ＝ｎｏｙ＝ｎｏ …（１１）
である。ただし、ｎｏは常光線の屈折率を示し、ｎｏｘおよびｎｏｙは、常光線を含む面内での互いに直交する方向の屈折率を示す。
【０１０９】
ここで、図３０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３２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。
【０１１０】
なお、高分子分散液晶層５１４に印加する電圧は、例えば、図３３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。
【０１１１】
ここで、図３０に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電界を印加しない状態での、液晶分子５１７の平均屈折率ｎＬＣ’は、図３１に示すように屈折率楕円体の長軸方向の屈折率をｎｚとすると、およそ
（ｎｏｘ＋ｎｏｙ＋ｎＺ）／３≡ｎＬＣ’ …（１２）
となる。また、上記（１１）式が成り立つときの平均屈折率ｎＬＣは、ｎｚを異常光線の屈折率ｎｅと表して、
（２ｎｏ＋ｎｅ）／３≡ｎＬＣ …（１３）
で与えられる。このとき、高分子分散液晶層５１４の屈折率ｎＡは、高分子セル５１８を構成する高分子の屈折率をｎＰとし、高分子分散液晶層５１４の体積に占める液晶分子５１７の体積の割合をｆｆとすると、マックスウェル・ガーネットの法則により、
ｎＡ＝ｆｆ・ｎＬＣ’＋（１−ｆｆ）ｎＰ …（１４）
で与えられる。
【０１１２】
したがって、図３３に示すように、レンズ５１２ａおよび５１２ｂの内側の面、すなわち高分子分散液晶層５１４側の面の曲率半径を、それぞれＲ１およびＲ２とすると、可変焦点レンズ５１１の焦点距離ｆ１は、
１／ｆ１＝（ｎＡ−１）（１／Ｒ１−１／Ｒ２） …（１５）
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、（１５）式で与えられる。
【０１１３】
また、常光線の平均屈折率を、
（ｎｏｘ＋ｎｏｙ）／２＝ｎｏ’ …（１６）
とすれば、図３２に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電界を印加した状態での、高分子分散液晶層５１４の屈折率ｎＢは、
ｎＢ＝ｆｆ・ｎｏ’＋（１−ｆｆ）ｎＰ …（１７）
で与えられるので、この場合の高分子分散液晶層５１４のみによるレンズの焦点距離ｆ２は、
１／ｆ２＝（ｎＢ−１）（１／Ｒ１−１／Ｒ２） …・（１８）
で与えられる。なお、高分子分散液晶層５１４に、図３２におけるよりも低い電圧を印加する場合の焦点距離は、（１５）式で与えられる焦点距離ｆ１と、（１８）式で与えられる焦点距離ｆ２との間の値となる。
【０１１４】
上記（１５）および（１８）式から、高分子分散液晶層５１４による焦点距離の変化率は、
｜（ｆ２−ｆ１）／ｆ２｜＝｜（ｎＢ−ｎＡ）／（ｎＢ−１）｜ …（１９）
で与えられる。したがって、この変化率を大きくするには、｜ｎＢ−ｎＡ｜を大きくすればよい。ここで、
ｎＢ−ｎＡ＝ｆｆ（ｎｏ’−ｎＬＣ’） …（２０）
であるから、｜ｎｏ’−ｎＬＣ’｜を大きくすれば、変化率を大きくすることができる。実用的には、ｎＢが、１．３〜２程度であるから、
０．０１≦｜ｎｏ’−ｎＬＣ’｜≦１０ …（２１）
とすれば、ｆｆ＝０．５のとき、高分子分散液晶層５１４による焦点距離を、０．５％以上変えることができるので、効果的な可変焦点レンズを得ることができる。なお、｜ｎｏ’−ｎＬＣ’｜は、液晶物質の制限から、１０を越えることはできない。
【０１１５】
次に、上記（１０）式の上限値の根拠について説明する。「Ｓｏｌａｒ ＥｎｅｒＧｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ」３１巻，Ｗｉｌｓｏｎ ａｎｄ Ｅｃｋ，１９９３， Ｅｌｅｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ Ｂ．ｖ．発行の第１９７ 〜２１４ 頁、「Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｕｓｉｎＧ ｓｃａｔｔｅｒｉｎＧ／ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎＧ ｆｉｌｍｓ 」には、高分子分散液晶の大きさを変化させたときの透過率τの変化が示されている。そして、かかる文献の第２０６ 頁、図６には、高分子分散液晶の半径をｒとし、ｔ＝３００μｍ、ｆｆ＝０．５、ｎＰ ＝１．４５、ｎＬＣ＝１．５８５、λ＝５００ｎｍとするとき、透過率τは、理論値で、ｒ＝５ｎｍ（Ｄ＝λ／５０、Ｄ・ｔ＝λ・６μｍ（ただし、Ｄおよびλの単位はｎｍ、以下も同じ））のときτ≒９０％となり、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０）のときτ≒５０％になることが示されている。
【０１１６】
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。
【０１１７】
これらの結果から、
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ …（２２）
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。
【０１１８】
また、高分子分散液晶層５１４の透過率は、ｎＰの値がｎＬＣ’の値に近いほど良くなる。一方、ｎｏ’とｎＰとが異なる値になると、高分子分散液晶層５１４の透過率は悪くなる。図３０の状態と図３２の状態とで、平均して高分子分散液晶層５１４の透過率が良くなるのは、
ｎＰ＝（ｎｏ’＋ｎＬＣ’）／２ …（２３）
を満足するときである。
【０１１９】
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３０の状態でも、図３２の状態でも、透過率はほぼ同じで、かつ高い方が良い。そのためには、高分子セル５１８を構成する高分子の材料および液晶分子５１７の材料に制限があるが、実用的には、
ｎｏ’≦ｎＰ≦ｎＬＣ’ …（２４）
とすればよい。
【０１２０】
上記（２３）式を満足すれば、上記（２２）式は、さらに緩和され、
Ｄ・ｔ≦λ・６０μｍ …（２５）
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。
【０１２１】
以上は、ｎｏ’≒１．４５、ｎＬＣ’≒１．５８５の場合であったが、より一般的に定式化すると、
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ・（１．５８５−１．４５）２／（ｎｕ−ｎＰ）２ …（２６）
であればよい。ただし、（ｎｕ−ｎＰ）２は、（ｎＬＣ’−ｎＰ）２と（ｎｏ’−ｎＰ）２とのうち、大きい方である。
【０１２２】
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 …（２７）
とする。一方、ｆｆは、小さいほどτは向上するので、上記（２６）式は、好ましくは、
４×１０−６〔μｍ〕２≦Ｄ・ｔ≦λ・４５μｍ・（１．５８５−１．４５）２／（ｎｕ−ｎＰ）２…（２８）
とする。なお、ｔの下限値は、図３０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。
【０１２３】
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 …（２９）
とする。
【０１２４】
図３４は図３３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３４では、液晶分子の図示を省略してある。
【０１２５】
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。
【０１２６】
図３５は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な可変焦点回折光学素子の一例の構成を示す図である。
この可変焦点回折光学素子５３１は、平行な第１，第２の面５３２ａ，５３２ｂを有する第１の透明基板５３２と、光の波長オーダーの溝深さを有する断面鋸歯波状のリング状回折格子を形成した第３の面５３３ａおよび平坦な第４の面５３３ｂを有する第２の透明基板５３３とを有し、入射光を第１，第２の透明基板５３２，５３３を経て出射させるものである。第１，第２の透明基板５３２，５３３間には、図３０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。
【０１２７】
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、
ｐｓｉｎθ＝ｍλ …（３０）
を満たす角度θだけ偏向されて出射される。また、溝深さをｈ、透明基板３３の屈折率をｎ３３とし、ｋを整数とすると、
ｈ（ｎＡ−ｎ３３）＝ｍλ …（３１）
ｈ（ｎＢ−ｎ３３）＝ｋλ …（３２）
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。
【０１２８】
ここで、上記（３１）および（３２）式の両辺の差を求めると、
ｈ（ｎＡ−ｎＢ）＝（ｍ−ｋ）λ …（３３）
が得られる。したがって、例えば、λ＝５００ｎｍ、ｎＡ＝１．５５、ｎＢ＝１．５とすると、
０．０５ｈ＝（ｍ−ｋ）・５００ｎｍ
となり、ｍ＝１，ｋ＝０とすると、
ｈ＝１００００ｎｍ＝１０μｍ
となる。この場合、透明基板５３３の屈折率ｎ３３は、上記（３７）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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
なお、この実施形態において、上記（３１）〜（３３）式は、実用上、
０．７ｍλ≦ｈ（ｎＡ−ｎ３３）≦１．４ｍλ …（３４）
０．７ｋλ≦ｈ（ｎＢ−ｎ３３）≦１．４ｋλ …（３５）
０．７（ｍ−ｋ）λ≦ｈ（ｎＡ−ｎＢ）≦１．４（ｍ−ｋ）λ …（３６）
を満たせば良い。
【０１３１】
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３６および図３７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。
【０１３２】
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３７に示すようにホメオトロピック配向となり、図３６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。
【０１３３】
ここで、図３６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 …（３７）
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３６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。
【０１３４】
図３８（ａ）は、本発明にかかるズーム光学系に適用可能な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３０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３８（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３８（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３５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（３０）〜（３６）式が同様にあてはまる。
【０１３５】
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３９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３８および図３９では、液晶分子の図示を省略してある。
【０１３６】
図４０は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズを応用し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３０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４０では、液晶分子の図示を省略してある。
【０１３７】
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３５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。
【０１３８】
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３８（ａ）における透明基板５６３、図３８（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。なお、本願では図４０のような、形状の変化しない可変焦点ミラーも、可変形状鏡の中に含めるものとする。
【０１３９】
図４１は本発明のズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例に係る、可変焦点レンズ１４０を用いた撮像ユニット１４１の概略構成図である。撮像ユニット１４１は本発明の撮像系として用いることができる。
本実施例では、レンズ１０２と可変焦点レンズ１４０とで、撮像レンズを構成している。そして、この撮像レンズと固体撮像素子４０８とで撮像ユニット１４１を構成している。可変焦点レンズ１４０は、透明部材１４２と圧電性のある合成樹脂等の柔らかい透明物質１４３とで、光を透過する流体あるいはゼリー状物質１４４を挟んで構成されている。
【０１４０】
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。
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。
【０１４１】
なお、図４１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。
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。
【０１４２】
なお、図４１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４２に示すように、支援部材１４７を設けてシリンダー１４６を省略した構造にしてもよい。
支援部材１４７は、間に透明電極１４５を挟んで、透明物質１４３の一部の周辺部分を固定している。本実施例によれば、透明物質１４３に電圧をかけることによって、透明物質１４３が変形しても、図４３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４２、４３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。
【０１４３】
図４１、４２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。
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。
【０１４４】
図４４は本発明のズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例に係る、マイクロポンプ１６０で流体１６１を出し入れし、レンズ面を変形させる可変焦点レンズ１６７の概略構成図である。
マイクロポンプ１６０は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。流体１６１は、透明基板１６３と、弾性体１６４との間に挟まれている。図中、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。
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。
【０１４５】
そして、図２９で示したようなマイクロポンプ１８０を、例えば、図４４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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
図４５は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な光学特性可変光学素子の他の実施例であって圧電材料２００を用いた可変焦点レンズ２０１の概略構成図である。
圧電材料２００には透明物質１４３と同様の材料が用いられており、圧電材料２００は、透明で柔らかい基板２０２の上に設けられている。なお、基板２０２には、合成樹脂、有機材料を用いるのが望ましい。
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４５において凸レンズとしての作用を持っている。
【０１４８】
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４６に示すように、２つの透明電極５９が対向する所定部分だけが凹状に変形して凹レンズの作用を持つようになり、可変焦点レンズとして動作する。
このとき基板２０２は、流体１６１の体積が変化しないように変形するので、液溜１６８が不要になるというメリットがある。
【０１４９】
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１６８を不要としたところに大きなメリットがある。
なお、図４４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。
【０１５０】
図４７は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な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。
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。
なお、図４７中、２０４はレンズ形状の透明基板である。
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。
【０１５１】
なお、図４５〜図４７の実施例において、基板２０２、薄板２００，２００Ａ，２００Ｂの厚さを不均一にして、電圧を掛けたときの変形のさせかたをコントロールしてもよい。
そのようにすれば、レンズの収差補正等もすることができ、便利である。
【０１５２】
図４８は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変焦点レンズ２０７は、例えばシリコンゴムやアクリルエラストマー等の電歪材料２０６を用いて構成されている。
本実施例の構成によれば、電圧が低いときには、図４８に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図４９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。
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。
【０１５３】
図５０は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な光学特性可変光学素子のさらに他の実施例であってフォトメカニカル効果を用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
本実施例の可変焦点レンズ２１４は、透明弾性体２０８，２０９でアゾベンゼン２１０が挟まれており、アゾベンゼン２１０には、透明なスペーサー２１１を経由して光が照射されるようになっている。
図５０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。
【０１５４】
本実施例において、中心波長がλ１の光が図５１（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５１（ｂ）に示すシス型に変化して体積が減少する。このため、可変焦点レンズ２１４の形状はうすくなり、凸レンズ作用が減少する。
一方、中心波長がλ２の光がシス型のアゾベンゼン２１０に照射されると、アゾベンゼン２１０はシス型からトランス型に変化して、体積が増加する。このため、可変焦点レンズ２１４の形状は厚くなり、凸レンズ作用が増加する。
このようにして、本実施例の光学素子２１４は可変焦点レンズとして作用する。
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。
【０１５５】
図５２は本発明にかかるズーム光学系に適用可能な形状可変ミラー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５２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。
本実施例の形状可変ミラー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。
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。
なお、変形可能な基板４５１と電極４５２の配置は逆でも良い。
また、図５２中、４４９は光学系の変倍、あるいはズームを行なう釦であり、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。
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。
【０１５６】
最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
なお、本発明のズーム光学系は小型軽量であるので、電子撮像装置、信号処理装置、特に、デジタルカメラ、携帯電話の撮像系に用いると効果がある。
【０１６５】
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。
【０１６６】
拡張曲面の定義は以下の通りである。
球面、平面、回転対称非球面のほか、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは対称面を有する非球面、対称面を１つだけ有する非球面、対称面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点、線を有する面等、いかなる形をしていても良い。反射面でも、屈折面でも、光になんらかの影響を与えうる面ならば良い。
本発明では、これらを総称して拡張曲面と呼ぶことにする。
【０１６７】
光学特性可変光学素子とは、可変焦点レンズ、形状可変ミラー、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。
【０１６８】
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。形状可変ミラーについても同様である。
要するに、光学素子で、光の反射、屈折、回折等の光偏向作用が変化しうるものを光学特性可変光学素子と呼ぶ。
【０１６９】
情報発信装置とは、携帯電話、固定式の電話、ゲームマシン、テレビ、ラジカセ、ステレオ等のリモコンや、パソコン、パソコンのキーボード、マウス、タッチパネル等の何らかの情報を入力し、送信することができる装置を指す。
撮像装置のついたテレビモニター、パソコンのモニター、ディスプレイも含むものとする。
情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。
【０１７０】
以上説明したように、本発明のズーム光学系は、特許請求の範囲に記載した発明の他に、次に示すような特徴も備えている。
【０１７１】
（１）前記形状可変素子より像側にある前記レンズ群の最も広角端での倍率をβＤＭＷとしたとき、以下の何れかの条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のズーム光学系。
０．５０ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ ０．９
０．５５ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ ０．８
【０１７２】
（２）形状可変素子と変倍機能を有する変倍群を有し、形状可変素子が、ピント合わせ機能を有し、且つ変倍群の前方に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか又は上記（１）に記載のズーム光学系。
【０１７３】
（３）形状可変素子が、所定の第１状態から無限遠にある物体にフォーカスした第２状態、該第２状態から最短距離にある物体にフォーカスした第３状態、該第３状態から前記第１状態とは別の所定の第４状態に変形可能であって、広角端において前記第１状態から前記第２状態に変化したときの像面の移動量、及び前記第３状態から前記第４状態に形状が変化したときの像面の移動量をＺｆとしたとき、下記条件を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか又は上記（１）又は（２）に記載のズーム光学系。
４・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ３０・Ｆｎｏ・Ｐ
ただし、Ｐ＝√（Ｐｘ・Ｐｙ）で、Ｐｘは撮像素子の１画素のｘ方向の寸法、Ｐｙは撮像素子の１画素のｙ方向の寸法、Ｆｎｏは撮影光学系のＦナンバーである。
【０１７４】
（４）形状可変素子が、所定の第１状態から無限遠にある物体にフォーカスした第２状態、該第２状態から最短距離にある物体にフォーカスした第３状態、該第３状態から前記第１状態とは別の所定の第４状態に変形可能であって、広角端において前記第１状態から前記第２状態に変化したときの像面の移動量、及び前記第３状態から前記第４状態に形状が変化したときの像面の移動量をＺｆとしたとき、下記条件の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか又は上記（１）又は（２）に記載のズーム光学系。
５・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ２５・Ｆｎｏ・Ｐ
６・Ｆｎｏ・Ｐ ＜ Ｚｆ ＜ ２０・Ｆｎｏ・Ｐ
ただし、Ｐ＝√（Ｐｘ・Ｐｙ）で、Ｐｘは撮像素子の１画素のｘ方向の寸法、Ｐｙは撮像素子の１画素のｙ方向の寸法、Ｆｎｏは撮影光学系のＦナンバーである。
【０１７５】
（５）フォーカシングを行うに際し、形状可変素子の最大変形量をｍｄ（μｍ）、広角端における光学系の焦点距離をｆｗ、望遠端における光学系の焦点距離をｆｔとしたときに、下記条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（４）の何れかに記載のズーム光学系。
０．１ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ５．０
０．３ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ４．０
０．５ ≦ ｜ｍｄ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ３．０
【０１７６】
（６）ズーミングのいずれかの状態で、光軸と撮像面とのなす角度θｉが下記条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（５）の何れかに記載のズーム光学系。
０．２ ＜ θｉ ＜ ４．０
０．２ ＜ θｉ ＜ ３．０
０．２ ＜ θｉ ＜ ２．０
【０１７７】
（７）少なくとも１つ以上の屈折面が、回転非対称な面即ち自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（６）の何れかに記載のズーム光学系。
【０１７８】
（８）形状可変素子によって発生する偏心収差を補正するために、各レンズ面にシフトを加え、そのシフト量をδとしたとき、下条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項３又は上記（１）乃至（７）の何れかに記載のズーム光学系。
０．００１ ≦ ｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ０．５
０．０１０ ≦ ｜δ／√（ｆｗ×ｆｔ）｜ ＜ ０．２
【０１７９】
（９）物体側から順に、変倍時固定の負のパワーを有する第１群、変倍時可動で正のパワーを有する第２群、変倍時可動の第３群で少なくとも構成され、前記第１群に形状可変素子を配置し、前記第１群の形状可変素子より物体側にある負のレンズ群のパワーをｆ１ａ、、前記第１群の形状可変素子より像側に配置した正レンズ群のパワーをｆ１ｂとしたとき、下記条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（８）の何れかに記載のズーム光学系。
−０．５ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０３
−０．３ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０５
−０．２ ＜ ｆ１ａ ／ ｆ１ｂ ＜ −０．０７
【０１８０】
（１０）前記第２群が主に変倍作用を有し、該第２群のパワーが下記条件式の何れかを満足することを特徴とする請求項１乃至３又は上記（１）乃至（９）の何れかに記載のズーム光学系。
０．５ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ５．０
１．０ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ４．０
１．５ ＜ ｆ２ ／ √（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ３．０
【０１８１】
（１１）ズーム光学系は、前記第２群の前側主点位置から、前記第２群の最も物体側の面までの距離をＳＤ、上記第２群から最終レンズ群までの広角端の倍率をβ２Ｗとしたとき、下記条件式の何れかもしくは組合せの何れかを満足することを特徴とする上記（１０）に記載のズーム光学系。
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８
０．５ ＜ ＳＤ／ｆＷ ＜ ５．０
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８
１．０ ＜ ＳＤ／ｆＷ ＜ ４．０
０．２ ＜ ｜β２Ｗ｜ ＜ ０．８
１．５ ＜ ＳＤ／ｆＷ ＜ ３．０
【０１８２】
（１２）前記形状可変素子が、回転非対称な曲面形状すなわち自由曲面を有していることを特徴とする
請求項１乃至３の何れか又は上記（１）乃至（１１）の何れかに記載のズーム光学系。
【０１８３】
（１３）請求項１乃至３の何れか又は上記（１）乃至（１１）の何れかに記載のズーム光学系を用いた撮像装置。
【０１８４】
【発明の効果】
上述の説明から明らかなように、本発明によれば、形状可変素子を用いているにも拘わらず、収差の良く補正された高変倍なズーム光学系を提供することができる。また、本発明によれば、レンズの可動群が少なく、非常に小型で消費電力が極めて少なく、動作音が静かな撮像装置を提供することができる、
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のズーム光学系に用いられる形状可変素子（形状可変ミラー）の変形量を説明するための図である。
【図２】本発明にかかる第１実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図３】第１実施例のズーム光学系の物体距離無限遠の場合の広角端での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図４】第１実施例のズーム光学系の物体距離無限遠の場合の中間状態での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図５】第１実施例のズーム光学系の物体距離無限遠の場合の望遠端での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図６】第１実施例のズーム光学系の物体距離３００ｍｍの場合の広角端での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図７】第１実施例のズーム光学系の物体距離３００ｍｍの場合の中間状態での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図８】第１実施例のズーム光学系の物体距離３００ｍｍの場合の望遠端での各波長域における横収差を表す収差図である。
【図９】本発明にかかる第２実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１０】本発明にかかる第３実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１１】本発明にかかる第４実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１２】本発明にかかる第５実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１３】本発明にかかる第６実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１４】本発明にかかる第７実施例のズーム光学系のレンズ構成を示す光軸に沿う断面図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端の状態を示している。
【図１５】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子として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。
【図１６】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーの他の実施例を示す概略構成図である。
【図１７】図１６の形状可変素子に用いる電極の一形態を示す説明図である。
【図１８】図１６の形状可変素子に用いる電極の他の形態を示す説明図である。
【図１９】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図２０】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図２１】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図２２】図２１の実施例に用いる薄膜コイルの巻密度の状態を示す説明図である。
【図２３】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての光学特性可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【図２４】図２３の実施例に用いるコイルの一配置例を示す説明図である。
【図２５】図２３の実施例に用いるコイルの他の配置例を示す説明図である。
【図２６】図２１に示した実施例においてコイルの配置を図２５に示したようにした場合に適する永久磁石の配置を示す説明図である。
【図２７】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子を用いた撮像系、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２８】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子のさらに他の実施例で、マイクロポンプで流体を出し入れしてミラー面を変形させるようにした形状可変ミラーの概略構成図である。
【図２９】本発明のズーム光学系に用いる形状可変素子に適用可能なマイクロポンプの一実施例の概略構成図である。
【図３０】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての可変焦点レンズの原理的構成を示す図である。
【図３１】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３２】図３０に示す可変焦点レンズの高分子分散液晶層に電界を印加した状態を示す図である。
【図３３】図３０に示す可変焦点レンズの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３４】図３３に示す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構成を示す図である。
【図３５】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての可変焦点回折光学素子の一例の構成を示す図である。
【図３６】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３７】図３６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３８】本発明にかかるズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての可変偏角プリズムの２つの例の構成を示す図である。
【図３９】図３８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４０】本発明ズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズを応用した可変焦点ミラーを示す図である。
【図４１】本発明のズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例を用いた撮像ユニットの概略構成図である。
【図４２】図４１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４３】図４２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４４】本発明のズーム光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の実施例で、マイクロポンプで流体を出し入れしてレンズ面を変形させるようにした可変焦点レンズの概略構成図である。
【図４５】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子の他の実施例であって、圧電材料を用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
【図４６】図４５に示した可変焦点レンズの変形例の状態説明図である。
【図４７】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子のさらに他の実施例であって、圧電材料からなる２枚の薄板を用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
【図４８】本発明のズーム光学系に適用可能な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４９】図４８の実施例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。
【図５０】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変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。
【図５１】図５０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５２】本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変素子としての形状可変ミラーのさらに他の実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
Ｇ１ 第１群
Ｇ２ 第２群
Ｇ３ 第３群
Ｇ４ 第４群
Ｍ 形状可変ミラー（形状可変素子）
１８８ 形状可変鏡（形状可変素子）
１４０，１６７，２０１，２０７，２１４，５１１，５５１ 可変焦点レンズ（形状可変素子）
１６１ 流体
１６３，１６５，２０４，５３２，５３３，５６２，５６３，５６６，５６７透明基板
５９，１４５，５１３ａ，５１３ｂ 透明電極
５１２ａ，５１２ｂ，５２２，５５２，５５３ レンズ
１０３ 制御系
１０３’ 回路
１０４，１４１ 撮像ユニット
１４２ 透明部材
１４３ 圧電性のある透明物質
１４４ 流体あるいはゼリー状物質
１４６ シリンダー
１４７ 支援部材
１４８ 変形可能な部材
１６０，１８０ マイクロポンプ
１６４ 弾性体
１６８ 液溜
１８１ 振動板
１８２，１８３，４０９ｂ，４０９ｄ，４５２ 電極
１８４，１８５ 弁
１８９，４５０ 反射膜
２００ 圧電材料
２００Ａ，２００Ｂ 薄板
２０２ 透明で柔らかい基板
２０６，４０９ｃ−２ 電歪材料
２０８，２０９ 透明弾性体
２１０ アゾベンゼン
２１１ スペーサー
２１２，２１３ 光源
４０３ 撮像レンズ
４０４ プリズム
４０５ 二等辺直角プリズム
４０６ ミラー
４０８，５２３ 固体撮像素子
４０９ 光学特性形状可変鏡
４０９ａ 薄膜
４０９ｃ，４０９ｃ’ 圧電素子
４０９ｃ−１，４０９ｅ 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 振れセンサー
４２５，４２８ 駆動回路
４２６ 永久磁石
４２７ コイル
４４９ 釦
４５１ 変形可能な基板
４５３ 電歪材料
５０８ａ，５３２ａ，５６２ａ，５６６ａ 第１の面
５０８ｂ，５３２ｂ，５６２ｂ，５６６ｂ 第２の面
５０９ａ，５３３ａ，５６３ａ，５６７ａ 第３の面
５０９ｂ，５３３ｂ，５６３ｂ，５６７ｂ 第４の面
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
５３１ 可変焦点回折光学素子
５３９ａ，５３９ｂ 配向膜
５５０ 可変焦点眼鏡
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
５６５ 可変焦点ミラー
５６８ 反射膜
９０１ 接眼レンズ
９０２ 対物レンズ
Claims (3)
- フォーカシング作用を有する形状可変素子と、変倍時に移動可能で且つ変倍作用もしくは像面の移動を補正するコンペンセート作用を有する２つのレンズ群と、を含むズーム光学系。
- 前記形状可変素子より像側にある全てのレンズ群の最も広角端での倍率をβＤＭＷとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のズーム光学系。
０．４０ ＜ ｜βＤＭＷ｜ ＜ １．０ - 前記レンズ群を構成するレンズの少なくとも１つの回転対称なレンズ面が光軸に対して偏心していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のズーム光学系。
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