JP2005084655A

JP2005084655A - 屈曲光学系用レンズ筐体

Info

Publication number: JP2005084655A
Application number: JP2003320195A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakane; 毅中根; Kimihiko Nishioka; 公彦西岡
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】屈曲光学系に高精度の光学性能を発揮させ得ると共に、外観的にも体裁の良い構成の屈曲光学系用レンズ筐体を提供すること。
【解決手段】被写体側レンズ群と、該被写体側レンズ群に入射した光束を屈曲させる光学手段と、該光学手段により曲げられた光束を撮像面上に結像させる結像レンズ群とを含み、前記光学手段の光線の通過しない背部に、該光学手段を回動させる駆動機構を設けた。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば銀塩カメラ、ビデオカメラ、電子スチルカメラ等に用いられる屈曲光学系のためのレンズ筐体に関する。

従来、撮影レンズの前側に該撮影レンズへの入射光を屈曲させるミラーを設けて、そのミラーを圧電素子によりX-Y方向に駆動させることによりカメラの手ブレ補正を行うようにしたもの（例えば、特許文献１参照）や、撮影レンズに入射した光束を屈曲させる形状可変ミラーを含む屈曲光学系を用いて、そのミラー面を静電気力等で変形させることによりフォーカシングやカメラの手ブレ補正を行うようにしたもの（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
特許第２７０３１０５号公報特開２００２−２１４６６２号公報

上記前者の従来装置では、撮影レンズの前側に躯動機構があり、しかもこれらが外部に突出した状態になっているため、外観上またはコンパクト化の点で種々の問題があるばかりか、通常のミラーを採用しているため、高性能な光学特性を得ることが難しい。また、ミラー及びその駆動機構等の防塵防水のためにカバーガラス等の光学特性に寄与しない光学部材を必要とし、コスト高、性能劣化になるという問題があった。
また、上記後者の従来装置では、形状可変ミラーをオートフォーカスにも利用しようとすると、ミラーの変形量に余裕がなくなってしまう可能性があり、十分な性能を発揮し得なくなるという問題がある。

本発明は、上記の如き従来技術の有する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、屈曲光学系に高精度の光学性能を発揮させ得ると共に、外観的にも体裁の良い構成の屈曲光学系用レンズ筐体を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による屈曲光学系用レンズ筐体は、被写体側レンズ群と、該被写体側レンズ群に入射した光束を屈曲させる光学手段と、該光学手段により曲げられた光束を撮像面上に結像させる結像レンズ群とを含み、前記光学手段の光線の通過しない背部に、該光学手段を回動させる駆動機構が設けられている。
また、本発明による屈曲光学系用レンズ筐体は、被写体側レンズ群と、該被写体側レンズ群に入射した光束を屈曲させる光学手段と、該光学手段により曲げられた光束を撮像面上に結像させる結像レンズ群とを含み、前記光学手段の光線の通過しない背部に、該光学手段を回動させることにより手ブレを補正し得る手ブレ補正機構が設けられている。
これにより、製作誤差や組立て誤差による光学性能の低化を防止することができるばかりか、ブレ補正精度の良い屈曲光学系を提供できると共に、上記光学手段や駆動機構を外部に露出させないで、それらに対する防塵防水も簡単な屈曲光学系用レンズ筐体を提供することができる。
本発明によれば、前記駆動機構またはブレ補正機構は、前記光学手段を１軸または２軸で回動させるように構成されており、また、前記光学手段は、前記被写体側レンズに入射した光束を偏向する光学特性可変光学素子を含んでいる。
また、本発明によれば、前記光学手段の回動と前記光学特性可変光学素子の光学特性の変化が連動し得るように構成されている。それにより、光学性能の向上を図ることができる。
また、本発明によれば、前記光学特性可変光学素子は可変ミラーである。
また、本発明によれば、前記光学手段の背部に該光学手段の回動を検出する検出機構が設けられている。
また、本発明によれば、前記駆動機構及び手ブレ機構は、ユニットとして構成されている。
また、本発明によれば、光束を屈曲させる手段がミラーであることを特徴としている。

本発明によれば、組立て時に、入射光軸に対する形状可変ミラーのティルト量を適宜調整できるように構成したから、構成部品の製造誤差や組立誤差による光学性能の劣化を防止することができ、形状可変ミラーの変形を併用することによって、高い光学性能を維持できる屈曲光学用レンズ筐体を提供することが出来る。また、本発明によれば、レンズ筐体の光軸と同心方向の寸法を大きくすることなしに実装できるため、形状可変ミラーの駆動装置と共にブレ補正装置をもコンパクトに搭載することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明するのに先立ち、本発明によるレンズ筐体に組み込まれる屈曲光学系の特徴について説明する。図１に示すように、形状可変ミラーＤＭに対して軸上光線ARが斜入射する屈曲光学系では、形状可変ミラーＤＭの光偏向特性の変化によって生じる収差の変動を小さく抑える必要がある。このため、光学系を構成するレンズ群G２，G３，G４，G５等の光学素子あるいはCCDの如き撮像素子ＩＤを、図示のように、軸上光ARの進行方向に対して直角にシフトさせたり（レンズ群G２，G5）、ティルトさせたり（可動レンズ群G１，G３、撮像素子ＩＤ）するか、あるいは、形状可変ミラーＤＭより像側のレンズ系の結像倍率の絶対値を上げる必要がある。そのために、この種の屈曲光学系は、製作誤差に敏感な光学系になることがある。つまり、部品の製作や組立に誤差があると、結像性能が低下し易い光学系になることがある。

また、後述する如く、光学系中に可変焦点レンズを用いる場合もあるが、この場合も、可変焦点レンズより像側の結像倍率を上げる方が収差変動が少ない場合があり、製作誤差に敏感な光学系になることがある。

本発明のように、形状可変ミラーDMを、光学ユニット組立時に上記のようにシフトまたはティルトさせて調整することで、製造誤差で生じた結像性能の低下を補償するすることができる。
また、形状可変ミラーDMに限らず、通常のミラーを用いた光学系でも、後述するシフト，ティルト調整機構は利用することができ、光学性能の向上に寄与することができる。

また、この形状可変ミラーの最適形状は、Ｆナンバーの変化，ズーム状態の変化，物体距離の変化，温度や湿度の如き環境の変化と共に変わるので、Ｆナンバーの変化，ズーム状態の変化，物体距離の変化，温度変化，湿度変化等の各変化あるいは各変化の組合せについて最適な形状を決めておけばよい。それぞれの変化あるいはその組合せ状態について形状可変ミラーの最適な形状を決めることが困難である場合は、主な状態についてテストチャートTCの実写で最適形状あるいは最適な光偏向作用を決めておき、補間または外挿法を用いて他の状態を求めてもよい。

以上、形状可変ミラーを含む屈曲光学系の組立時のティルト，シフト調整と併用して製造誤差を補償する例を述べたが、このティルト，シフト調整を行わずに、形状可変ミラーの光偏向作用の最適化だけで製造誤差を補償するようにしてもよい。
ズーム状態としては、レンズを移動させて行うズーミングだけでなく、電子ズームも含めて考えてもよい。

また、形状可変ミラーDMのティルトによってブレ補正をする時にも、同時に形状可変ミラーDMの光偏向特性を最適化することで、結像性能を向上させるようにしてもよい。例えば、形状可変ミラーDMのティルト毎にテストチャートTCを撮影し、結像光学系の収差が最良になるように形状可変ミラーDMの形状あるいは光偏向差を最適化すればよい。そして、このときの電極に加わる電圧，電流等の、形状可変ミラーDMを駆動する情報を不揮発性の記憶装置に記録させておく。そして、撮影時に形状可変ミラーDMのティルトに合わせて記憶装置から取り出した駆動情報で、形状可変ミラーDMを制御すればよい。

なお、上記の説明では、形状可変ミラーを駆動する情報を、光学装置の使用前に、予め決定しておく場合を述べたが、本願はこれに限るものではない。光学装置の使用時に、形状可変ミラーを駆動する情報を変化させて、結像を行ないつつ最適な結像状態を見出し、その駆動情報で形状可変ミラーを駆動しても良い。

以下、本発明の実施の形態を図示した実施例に基づき説明する。図２は本発明の屈曲光学系用レンズ筐体に収納されるズームレンズ光学系の光学配置の一例を示す光軸に沿う断面図である。図中、Ｇ１は固定の第１レンズ群、ＤＭは形状可変ミラー、Ｇ２は可動の第２レンズ群、Ｇ３は固定の第３レンズ群、Ｇ４は可動の第４レンズ群、Ｇ５は固定の第５レンズ群、IDはＣＣＤの如き固体撮像素子で、これらは、図１に示された同一符号の光学要素にそれぞれ対応している。
このズームレンズ光学系においては、例えば、広角端から望遠端へと変倍する際、第２レンズ群Ｇ２及び第４レンズ群Ｇ４は物体側へのみ移動し、フォーカシング及びブレ補正は、後述する各種の手段を介して、形状可変ミラーＤＭの反射面の変形により行われる。

図３は第１レンズ群Ｇ１，第３レンズ群Ｇ３，第５レンズ群Ｇ５及び撮像素子IDを固定的に保持し且つ形状可変ミラーＤＭ，第２レンズ群Ｇ２及び第４レンズ群Ｇ４を後述するように可動的に保持するのに用いられるレンズ筐体１の平面図、図４は図３の底面図である。

筐体１は、第１レンズ群Ｇ１と形状可変ミラーＤＭを可動的の保持する屈曲枠部１Ａと、第２レンズ群Ｇ２を可動的に保持し、第３レンズ群Ｇ３を固定的に保持し、第４レンズ群Ｇ４を可動的に保持し、且つ第５レンズ群Ｇ５及び撮像素子IDを固定的に保持する直胴枠部１Ｂとからなり、屈曲枠部１Ａと直胴枠部１Ｂとは一体に成形されている。

図５（a）は、形状可変ミラーDMを取付けたティルト枠アッセンブリを組込んだ状態の図４の矢印A方向に見た屈曲枠部１Ａの正面図、図５（b）は図５（a）のB-B線断面図である。屈曲枠部１Ａは、方形の凹陥部１１１と、該凹陥部１１１の底部に形成された小判形の開口１１２と、凹陥部１１１を画成する外枠部頂面に設けられた一対のガイドピン１１３と、一対のビス穴１１４とを有している。

１１５は凹陥部１１１の底面上に設けられた一対の軸受ブロック、１１６は軸受ブロック１１５にそれぞれ嵌着された枢軸１１７に回動可能に装袈されていて、一対の枢軸１１７の共通の中心軸線に対し直交する方向に延びた一対の突堤部１１６a，１１６bを有する第１ティルト枠、１１８は突堤部１１６a上に設けられたピンである。１１９は、第１ティルト枠１１６に嵌着された一対の枢軸１２０にそれぞれ回動可能に装袈されていて、一対の枢軸１１７の共通の中心軸線に沿って延びた突堤部１１９aと、一対の枢軸１２０の共通の中心軸線に沿って延びた突堤部１１９bを有する第２ティルト枠、１２１は突堤部１１９a上に設けられたピンである。
なお、第２ティルト枠１１９は、反射面を下側にした状態で形状可変ミラーDMを保持している。

軸受ブロック１１５，第１ティルト枠１１６，第２ティルト枠１１９及び形状可変ミラーDMは、ティルト枠アッセンブリとして下組みされて、凹陥部１１１内へ落し込ことにより、図５に示す如く屈曲枠部１Aの所定位置に組込まれるようになっている。このようにして組込まれた状態で、第１ティルト枠１１６は、第２ティルト枠１１９と共に、枢軸１１７を中心として矢印V（図５参照）方向へ所定の微小角度範囲内で回動可能であり、また、第２ティルト枠１１９は、枢軸１２０を中心として矢印U（図５参照）方向へ所定の微小角度範囲内で回動可能である。

図６（a）は上記ティルト枠アッセンブリに被着される駆動機構アッセンブリの平面図、図６（b）は図６（a）のB-B線断面図である。図中、１２２は、ガイドピン１１３に嵌合する一対の穴１２２aと、ビス穴１１４に整合する一対の穴１２２bと、ピン１１８を緩く収容する有底穴１２２cと、雌ネジ部１２２d'を有する円筒突起部１２２dと、軸受け穴１２２e'を有するギア収容凹陥部１２２eを備えた基板である。１２３は基板１２２上に取付けられていて、凹陥部１２２e内に突出した回転軸１２３aと、該回転軸１２３aと同心の突起１２３bとを有する第１駆動モータ、１２４は回転軸１２３aに取付けられた駆動ギア、１２５は軸受け穴１２２e'に滑合された下側軸１２５aと、該下側軸１２５aと同心の上側軸１２５bを有していて、駆動ギア１２４に噛合した中間ギア、１２６は円筒突起部１２２dに回転可能に嵌合されていて、中間ギア１２５に噛合したギア部１２６aと、下端が突堤部１１６bの表面に当接した突起部１２６bと、雌ネジ部１２２d'に螺合した雄ネジ部１２６cと、上側軸１２６dを有する押圧ギアである。

駆動モータ１２３，駆動ギア１２４，中間ギア１２５及び押圧ギア１２６は、駆動機構アッセンブリとして、基板１２２に下組みされた後、この駆動機構アッセンブリは、基板１２２を、一対のガイドピン１１３に一対の穴１２２aをそれぞれ嵌合させ、一対の穴１２２bを介して固定ビス１２７をビス穴１１４にそれぞれ捻じ込むことにより、ティルト枠アッセンブリを覆った状態で、屈曲枠部１A上に取付けられる。その際、コイルバネ１２８がピン１１８に巻装された状態で組込まれ、コイルバネ１２９が押圧ギア１２６の回転軸に巻装された状態で組込まれる。そのため、第１ティルト枠１１６はコイルバネ１２８により下方へ弾圧されて、突堤部１１６bと突起部１２６bとが常に当接するようにし、また、押圧ギア１２６はコイルバネ１２９により上方へ弾圧されて、雌ネジ部１２２d'と雄ネジ部１２６cとの螺合におけるバックラッシュが除去されるように働く。
なお、１３０は押圧ギア１２６の上側軸１２６dに嵌着されていて、放射方向に等角度間隔で複数の切り込み１３０aを有する検出羽根輪、１３１は検出羽根輪１３０と協働して押圧ギア１２６の回転数を検出する周知のフォトインタラプタである。

本発明にかかる形状可変ミラーの駆動機構は、上記のように構成されているから、駆動モータ１２３を駆動させれば、駆動ギア１２４の回転は、中間ギア１２５を介して、押圧ギア１２６へ伝達される。押圧ギア１２６は、その雄ネジ部１２６cが雌ネジ部１２２d'に螺合しているため、回転と共に上動または下動して、第１ティルト枠１１６を第２ティルト枠１１９と共に枢軸１１７の周りに回動せしめる（矢印V方向への回動）。その結果、形状可変ミラーDMは、矢印V方向へ回動せしめられる。この場合、形状可変ミラーDMのV方向への回動量すなわち傾き量は、実際には極めて微小な範囲のもので良いのであるが、この量は、検出羽根輪１３０とフォトインタラプタ１３１からなる回転検出装置により、駆動モータ１２３の回転量として検出することができる。

上記説明では、形状可変ミラーDMのV方向への回転駆動機構について述べたが、本発明によれば、実質上同様の別系統の回転駆動機構も用いることにより、第２チルト枠１１９を枢軸１２０の周りに回動せしめることにより、形状可変ミラーDMをU方向へ回動することもできるように構成されている。説明の重複を避けるため、U方向への回転駆動機構の構成部材については、V方向への回転駆動機構の構成部材と実質上同一の、U方向への回転駆動機構の構成部材に対し、同一符号にダッシュを付して示した。この場合、検出羽根輪１３０と検出羽根輪１３０'とは、高さ位置が異なるように配置されている。

この符号表示で明かなように、U方向への回転駆動機構では、中間ギア１２５'と押圧ギア１２６'との間にもう一枚の中間ギア１３２が介在されている。この場合も、ピン１２１にはコイルバネ１２８'が巻装されていて、このコイルバネ１２８'により突堤部１１９aは下方へ弾圧されており、また、押圧ギア１２６'の図示されていない下端突起部１２６'bは突堤部１１６bに常時当接している。従って、駆動モータ１２３'が駆動すれば、押圧ギア１２６'の上動または下動により、第２ティルト枠１１９は、枢軸１２０の周りに回動せしめられ、形状可変ミラーDMを矢印U方向へ回動せしめる。形状可変ミラーDMのU方向への回動量すなわち傾き量は、検出羽根１３０'とフォトインタラプタ１３１'からなる回転検出装置により、駆動モータ１２３'の回転量として検出され得る。

このように、本発明によれば、ティルト枠アッセンブリと駆動機構アッセンブリは、ユニットとして下組みされて、屈曲枠部１Aに順次組み付けられ、図示しないカバーを被着することにより、形状可変ミラーDMの光線の通過しない背部となる関係位置おいて、屈曲枠部１Aに取付けられる。この背部には、形状可変ミラーDMの反射面の形状を変えるための、後述する駆動制御装置も一緒に組み込まれる。

このようにして組立てを完了した後、二つの駆動モータを適宜駆動させて、形状可変ミラーDMをU・V方向へ偏らせ、各レンズ群と共に直胴枠部１Bに組込まれた撮像素子IDの出力を検出できる図示しないMTF検査機や偏芯測定機の出力を検出しながら、光学系全体が所望の光学性能になるように調整し、その調整位置で、必要な構成部材を保持枠に固定する。この説明で明らかなように、光学系を構成する各部品に製作誤差があったり、部品を組み立てる際に組立誤差が生じたりしても、形状可変ミラーDMの基準位置を調整することにより、これらの誤差は補正され得る。

なお、駆動モータ１２３，１２３'から押圧ギア１２６，１２６'へ動力を伝達するギアトレンには、当然のことながらバックラッシュがある。これらのバックラッシュにより、駆動モータ１２３，１２３'の正逆回転による形状可変ミラーDMのティルト量は変化してしまうが、駆動制御装置に予めこのバックラッシュ量を記憶させておき、それに基づいて駆動モータの回転を制御するようにすれば、回転方向の変化による形状可変ミラーDMのティルト量の変化を補償することができる。

また、上述の説明から明らかなように、ブレセンサを設け、このブレセンサの出力により駆動モータの回転を制御するようにすれば、この形状可変ミラーDMを用いて精度の良いブレ補正が可能となる。同様にして、筐体にレンズ系を組込んだ場合、この形状可変ミラーDMを用いて精度の良いAF補正も可能である。

以上、実施例では、構成部品の製造誤差や組立て誤差のために生じた結像性能あるいは光学特性の低下を補償することを説明したが、この補償のために、形状可変ミラーDMのシフトまたはティルト等の位置調整を行うのと合わせて、形状可変ミラーDMの形状または光偏向作用を最適化することも行ってよい。
つまり、レンズ筐体と撮像素子の組立て後に、テストチャートTC（図１参照）のコントラストが最良になるように、形状可変ミラーDMの面形状を決定し、そのときの形状可変ミラーの電極に加わる電圧，電流等の値を不揮発性メモリーに記憶させておけばよい。そして、光学装置の使用時に、その駆動情報を読み出して形状可変ミラーDMの駆動情報とすればよい。

以上は、形状可変ミラー組立て時のティルト，シフト調整と併用して製造誤差を補償する例について述べたが、このティルト，シフト調整を行わずに、形状可変ミラーの光偏向作用の最適化だけで製造誤差を補償するようにしても良い。
ズーム状態としては、レンズを移動させて行うズーミングだけでなく、電子ズームも含めて考えてもよい。

以上、光学特性可変素子として形状可変ミラーを組込んだ実施例について説明したが、これに限らず、形状可変ミラーの代わりに可変焦点レンズ，面形状の変わる偏向プリズム、面形状の変わらない可変ミラー等を用いても、同様の効果が得られる。
また、以上の説明では、主に撮像光学装置について述べたが、これに限らず観察装置，表示装置等の他の光学装置にも本願発明は適用できる。
また、以上述べた製造誤差を補正する方法は、特に小型の光学装置、例えば携帯電話、PDA等の光学系で有利である。

次に、形状可変ミラー、可変焦点レンズ等、光学特性可変光学素子の各種構成例及びそれらを用いた光学装置について説明する。
図７は形状可変ミラーの一構成例を示す概略図である。
この構成例では、形状可変ミラー４０９は、変形する基板４０９ｊの上に形成されたアルミコーティング等で作られた薄膜（反射面）４０９ａと、基板４０９ｊの下側に設けられた電極４０９ｋとの３層構造の周辺部が輪帯状の支持台４２３に支持されるとともに、電極４０９ｋとは間隔を設けて支持台４２３に取付けられた複数の電極４０９ｂと、各電極４０９ｂにそれぞれ接続されて駆動回路として機能する複数の可変抵抗器４１１ａと、可変抵抗器４１１ｂと電源スイッチ４１３を介して電極４０９ｋと電極４０９ｂ間に接続された電源４１２と、複数の可変抵抗器４１１ａの抵抗値を制御するための演算装置４１４とで構成されており、演算装置４１４には、さらに温度センサー４１５、湿度センサー４１６及び距離センサー４１７が接続されて、これらは図示のように１つの光学装置の一部を構成している。なお、変形する基板４０９ｊは、薄膜でもよいし、板状でもよい。

形状可変ミラーの反射面は、演算装置４１４による制御により、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、いかなる形状にも制御される。以下、これらの面を総称して拡張曲面という。薄膜４０９ａで形成される反射面により光線は矢印のように反射される。

前記薄膜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と電極４０９ｋ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いる。
なお、電極４０９ｂの形は、例えば図９、図１０に示すように、薄膜４０９ａの変形のさせ方に応じて、同心分割、矩形分割にして、選べばよい。

上記のように、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４１１ａ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及び距離センサー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、あるいは電子ズームのための画像処理装置３０３からの指令に基づき、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、各変抵抗器４１１ａ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、その形状は状況により非球面を含む様々な拡張曲面の形状をとる。なお、距離センサー４１７はなくてもよく、その場合、例えば不図示の固体撮像素子４０８からの像の信号の高周波成分が略最大になるように物体距離を算出し、形状可変ミラーを変形させるようにすればよい。形状可変ミラー４０９はリソグラフィーを用いて作ると加工精度がよく、良い品質のものが得られやすく、良い。

また、変形する基板４０９ｊをポリイミドあるいは商品名サイトップ（旭硝子（株）製）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。
図７の構成例では変形する基板４０９ｊをはさんで反射面としての薄膜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。また反射面としての薄膜４０９ａを導電性の薄膜としてもよい。このようにすると、変形する電極４０９ｋを兼ねることができ、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。
形状可変ミラー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。

また、図７の構成例では、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形状可変ミラー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、温度センサー４１５、湿度センサー４１６、距離センサー４１７を省いても良い。

図８は形状可変ミラー４０９の他の構成例を示す概略図である。
本構成例の可変ミラーは、反射面としての薄膜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９に示すように、同心分割であってもよいし、図１０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８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、例えばこの構成例の光学装置をデジタルカメラに用いる場合には、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及び可変抵抗器を内蔵した駆動回路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。
なお、駆動回路４１１は、電極４０９ｂの数に対応して複数配置する構成に限らず、１つの駆動回路でもって複数の電極４０９ｂを制御する構成にしてもよい。

図１１は形状可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略構成図である。
本構成例の可変ミラーは、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。すなわち、圧電素子４０９ｃと４０９ｃ’が強誘電性結晶で作られ、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８に示した１層構造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。

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、上記構成例において薄膜４０９ａの形状を適切に変形させることも可能である。

また、圧電素子４０９ｃ，４０９ｃ’の材料としては、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形状可変ミラー面の大きな変形が実現できてよい。

なお、図８、図１２に示す圧電素子４０９ｃに、例えば、アクリルエラストマー、シリコンゴム等の電歪材料を用いる場合には、１層構造の圧電素子４０９ｃを別の基板４０９ｃ−１と電歪材料４０９ｃ−２とを貼り合わせた２層構造にしてもよい。

図１２は形状可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の形状可変ミラーは、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との間に演算装置４１４により制御される駆動回路４２５ａ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４２５ｂ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、本構成例では、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。

そして、薄膜４０９ａ、電極４０９ｄ間の電圧の符号を変えれば、形状可変ミラー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２６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。

図１３は形状可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の形状可変ミラーは、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、形状可変ミラー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およびその他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は反発又は吸引または吸着され、基板４０９ｅ及び反射面として機能する薄膜４０９ａを変形させる。

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。

この場合、薄膜コイル４２７の巻密度を、図１４に示すように、場所によって変化させたコイル４２８’とすることにより、基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａに所望の変形を与えるようにすることもできる。また、コイル４２７は１個でもよいし、また、これらのコイル４２７には強磁性体よりなる鉄心を挿入してもよい。

図１５は形状可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の形状可変ミラーでは、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４０９ａ側にコイルを設けなくても、磁力によって薄膜４０９ａを変形させることができるから、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、各コイル４２７の電流の流れる方向を切換え可能にする切換え兼用の電源開閉用スイッチで置換すれば、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１６は本構成例におけるコイル４２７の一配置例を示し、図１７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１３に示した構成例にも適用することができる。なお、図１８はコイル４２７の配置を図１７に示したように放射状とした場合に適する永久磁石４２６の一配置例を示している。図１８に示すように、棒状の永久磁石４２６を放射状に配置すれば、図１３に示した構成例に比べて、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１３及び図１５の構成例）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。

以上いくつかの形状可変ミラーの構成例を述べたが、薄膜４０９ａで変形されるミラーの形を変形させるのに、図１２の構成例に示すように、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反射面を形成する薄膜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。

図１９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形状可変ミラー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、形状可変ミラー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形状可変ミラー４０９で集光され、固体撮像素子４０８の上に結像する。形状可変ミラー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。

本実施例によれば、物体距離が変わっても形状可変ミラー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、形状可変ミラー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１９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。昇圧回路は電気を用いる形状可変ミラー、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形状可変ミラー、可変焦点レンズに有用である。なお、形状可変ミラー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４０８に物体像を結像させ形状可変ミラー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、たとえば固体撮像素子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。
なお、レンズ９０２を後述の可変焦点レンズで置き換えても良い。その場合も
同様に上記の効果が得られる。この場合、形状可変ミラー４０９は通常のミラーでも良い。またレンズ９０２と可変焦点レンズを併用しても良い。

図２０は形状可変ミラーのさらに他の構成例を示し、マイクロポンプ１８０で流体１６１を出し入れし、支持台１８９ａの上部に張った膜で形成されるミラー面を変形させる可変ミラー１８８の概略図である。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。図中、１６８は支持台１８９ａ内の流体１６１の量を、マイクロポンプ１８０とともに制御する制御装置であり、この制御装置１６８とマイクロポンプ１８０は、膜１８９の変形を制御するので、実施の形態の駆動回路３０４に相当する構成となる。
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。

図２１は図２０に示したマイクロポンプ１８０の構成例を示す概略図である。本構成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２１では静電気力により振動する例を示しており、図２１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。

図２０で示した形状可変ミラー１８８では、反射面を構成する膜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。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。

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１９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、反射面を形成する薄膜４０９ａ又は膜１８９は、支持台４２３あるいは支持台１８９ａなどの輪帯状部分の上部などの変形しない部分に設けておくと、形状可変ミラーの反射面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。

図２２は各実施の形態で述べた本発明の光学装置に適用可能な光学系を構成するレンズ、あるいはレンズ群の一部を、可変焦点レンズに置き換えて構成することにより、前記レンズあるいはレンズ群を光軸方向にズーミングしなくて済む構成とする可変焦点レンズの原理的構成を示す図である。この可変焦点レンズ５１１は、第１，第２の面としてのレンズ面５０８ａ，５０８ｂを有する第１のレンズ５１２ａと、第３，第４の面としてのレンズ面５０９ａ，５０９ｂを有する第２のレンズ５１２ｂと、これらレンズ間に透明電極５１３ａ，５１３ｂを介して設けた高分子分散液晶層５１４とで構成される第３のレンズ５１２ｃとを有し、入射光を第１，第３，第２のレンズ５１２ａ，５１２ｃ，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に交流電圧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。

ここで、高分子セル５１８の大きさは、例えば球状とする場合、その平均の直径Ｄを、使用する光の波長をλとするとき、例えば、
２ｎｍ≦Ｄ≦λ／５ …(1)
とする。すなわち、液晶分子５１７の大きさは、２ｎｍ程度以上であるので、平均の直径Ｄの下限値は、２ｎｍ以上とする。また、Ｄの上限値は、可変焦点レンズ５１１の光軸方向における高分子分散液晶層５１４の厚さｔにも依存するが、λに比べて大きいと、高分子の屈折率と液晶分子５１７の屈折率との差により、高分子セル５１８の境界面で光が散乱して高分子分散液晶層５１４が不透明になってしまうため、後述するように、好ましくはλ／５以下とする。可変焦点レンズが用いられる光学製品によっては高精度を要求しない場合もあり、そのときＤはλ以下でよい。なお、高分子分散液晶層５１４の透明度は、厚さｔが厚いほど悪くなる。

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２３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。

ここで、図２２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２４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に交流電圧を印加すると、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。

なお、高分子分散液晶層５１４に印加する電圧は、例えば、図２５に示すように、可変抵抗器５１９を用いること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。

ここで、図２２に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電圧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２３に示すように、屈折率楕円体の長軸方向の屈折率をｎ_z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ｎ_A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。

したがって、図２５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、高分子分散液晶層で構成される第３のレンズ５１２ｃ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５１２ｃの焦点距離が、(6)式で与えられる。

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２４に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電圧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５１２ｃ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２４に示す状態における電圧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。

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_A−１）｜ …(１０)
で与えられる。したがって、この変化率を大きくするには、｜ｎ_B−ｎ_A｜を大きくすればよい。ここで、
ｎ_B−ｎ_A＝ｆｆ（ｎ_o’−ｎ_LC’） …(１１)
であるから、｜ｎ_o’−ｎ_LC’｜を大きくすれば、変化率を大きくすることができる。実用的には、ｎ_Bが、１．３〜２程度であるから、
０．０１≦｜ｎ_o’−ｎ_LC’｜≦１０ …(１２)
とすれば、ｆｆ＝０．５のとき、高分子分散液晶層５１４による焦点距離を、０．５％以上変えることができるので、効果的な可変焦点レンズを得ることができる。なお、｜ｎ_o’−ｎ_LC’｜は、液晶物質の制限から、１０を越えることはできない。

次に、上記(１１)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、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。

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。

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。

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２２に示した状態と図２４に示した状態とで、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。

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２２の状態でも、図２４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。

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。

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。

また、可変焦点レンズ５１１の焦点距離変化を大きくするには、ｆｆの値が大きい方が良いが、ｆｆ＝１では、高分子の体積がゼロとなり、高分子セル５１８を形成できなくなるので、
０．１≦ｆｆ≦０．９９９ …(１８)
とする。一方、ｆｆは、小さいほど透過率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２２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。

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。

図２６は、図２５に示す可変焦点レンズ５１１を、本発明の実施の形態にかかる光学装置の中で、明るさ絞り５２１と撮像素子との間に用いた撮像光学系、例えば一例として、デジタルカメラ用の撮像光学系に用いた例を示す図である。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２６では、液晶分子の図示を省略してある。

このように構成された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。

図２７は図２５に示した可変焦点レンズと同様に、本発明の実施の形態にかかる光学装置の中で、撮像光学系の焦点距離を可変にするように用いられる可変焦点回折光学素子の一構成例を示す図である。
本構成例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２２に示した構成例において説明したのと同様に、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に交流電圧を印加するようにする。

このような構成において、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 …(２１)
を満たす角度θだけ偏向されて出射される。また、溝深さをｈ、透明基板３３の屈折率をｎ₃₃とし、ｋを整数とすると、
ｈ（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。

ここで、上記(２２)式および(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。

このように構成された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。

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。

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２８および図２９はこの場合の可変焦点眼鏡５５０の構成を示す図である。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とを有して構成されており、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に交流電圧を印加するようにして構成されている。

このような構成において、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２９に示すように、ホメオトロピック配向となり、図２８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。

ここで、図２８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、この条件式の下限値は、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２８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る。また、この条件式の上限値を満たさないと、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、そのために二重像が形成されてぼけた像しか得られなくなる。但し、それほど高精度を要求しない場合には式(２８)の上限値は３λとして良い。
さらに精度を要求しない用途では上限値を５λとして良い。

図３０(a)は本発明の実施の形態にかかる光学装置に用いる光学系に配置可能な可変偏角プリズムの一構成例を示す図である。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２２に示した構成例において説明したのと同様に、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に交流電圧を印加して、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３０(a)に示す構成例では、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３０(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、あるいは図２７に示した構成例のような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)式〜(２７)式が同様にあてはまる。

このように構成された可変偏角プリズム５６１は、例えば、ＴＶカメラ、デジタルカメラ、フィルムカメラ、双眼鏡等の光学系の中に用いることにより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３１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３０および図３１に示す構成例では、液晶分子の図示を省略してある。

図３２は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系の中で、形状可変ミラー４０９の替わりに用いる可変焦点ミラー、すなわち、可変焦点レンズの一方のレンズ面に反射膜を設けて形成した可変焦点ミラーの構成例を示す図である。
本構成例の可変焦点ミラー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２２に示した構成例において説明したのと同様に、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に交流電圧を印加するようにする。なお、図３２では、液晶分子の図示を省略してある。

このような構成によれば、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２７に示した構成例のような回折格子状にして、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。

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、液晶に交流電圧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圧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。以上に説明した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３０(a)の構成例における透明基板５６３、図３０(b)の構成例における透明基板５６２，５６３の一方、透明基板５６６，５６７の一方はなくてもよい。
以上、図２２から図３２の構成例で述べたような、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のメリットがある。

図３３は可変焦点レンズ１４０を、本発明の実施の形態にかかる光学装置の中で、撮像素子４０８の前方に用いた撮像光学系の一構成例を示す図である。撮像光学系は撮像ユニット１４１として用いることができる。
本構成例では、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と一対の電極１４５との間に密閉された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。

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、本構成例によれば、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。

なお、図３３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。

なお、図３３の構成例において、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３４に示すように、透明部材１４２に対して平行な位置にリング状の支援部材１４７を設け、透明部材１４２と支援部材１４７との距離を維持した状態としてシリンダー１４６を省略した構造にしてもよい。
図３４の構成例では、支援部材１４７と透明部材１４２との間には、一対の電極１４５間に密閉された透明物質１４３と、外周側が変形可能な部材１４８で覆われた流体あるいはゼリー状物質４４とが介挿されており、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３５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３４、図３５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。

図３３、図３４に示す構成例では、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。

図３６は本発明の実施の形態にかかる光学装置の撮像光学系の中に挿入可能な可変焦点レンズのさらに他の構成例に係る、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１６２の概略図である。
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３６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。

そして、図２１で示したようなマイクロポンプ１８０を、例えば、図３６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。

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化できてよい。

図３７は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な光学特性可変光学素子の他の構成例であって、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。
本構成例においては、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３７に示す状態においては凸レンズとしての作用を持っている。

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３８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。

本構成例では、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３６に示した構成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。

図３９は本発明の実施の形態にかかる光学装置の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構成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。
本構成例の可変焦点レンズによれば、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３９中、２０４はレンズ形状の透明基板である。
本構成例においても、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。

なお、図３７〜図３９の構成例において、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。

図４０は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の構成例を示す概略構成図である。
本構成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。
このように構成された可変焦点レンズ２０７は、電圧が低いときには、図４０に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図４１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。
従って、本構成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。
以上述べた図３３〜図４１に示した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て、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。

図４２は本発明の実施の形態にかかる光学装置の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構成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。
本構成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を経由して紫外光が照射されるようになっている。
図４２中、２１２，２１３はそれぞれ中心波長がλ₁，λ₂の例えば紫外ＬＥＤ、紫外半導体レーザー等の紫外光源である。

本構成例において、中心波長がλ₁の紫外光が図４３(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４３(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の形状は薄くなり、凸レンズ作用が減少する。
一方、中心波長がλ₂の紫外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、本構成例の光学素子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紫外光が全反射するので外部に光がもれず、効率がよい。

図４４は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な形状可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略構成図である。本構成例では、デジタルカメラの撮像光学系に用いられるものとして説明する。なお、図４４中、４１１は可変抵抗器を内蔵した駆動回路、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。
本構成例の形状可変ミラー４５は、支持台４２３で外周側が支持された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の薄膜からなる反射膜４５０を設けた４層構造として構成されている。
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４４中、４４９は光学系の変倍、あるいはズームを行なう釦であり、形状可変ミラー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。

なお、本発明の光学装置に適用可能な形状可変ミラー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、たとえば楕円、卵形、多角形、等にするのが良い。なぜなら、図１９に示した構成例のように、形状可変ミラー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、そのように形状可変ミラーを変形させる為には、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。

図４５(a)，(b)は本発明の実施の形態にかかる光学装置の光学系に適用可能な電磁駆動型の形状可変ミラーの構造を示した図である。
図４５(b)は反射膜の反対側から見た図であり、変形部材にコイル（電極）が設けられて駆動回路から電流を流すことで永久磁石の磁場とで電磁力を生じ、ミラー形状が変化するようになっている。
コイルは薄膜コイル等を用いると製作が容易で、かつ、剛性を下げられるのでミラーが変形し易くて良い。

最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。

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。

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、光情報処理装置等が含まれる。

撮像装置の例としては、フィルムカメラ、デジタルカメラ、ＰＤＡ用デジタルカメラ、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、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、電子内視鏡、カプセル内視鏡、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、録音装置のデジタルカメラ、監視装置のカメラ、各種センサーの眼等がある。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、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、録音装置のカメラなどはいずれも電子撮像装置の一例である。

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。

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（ｈｅａｄｍｏｕｎｔｅｄｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話等がある。

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。

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、光インターコネクション装置、光情報処理装置、PDA等がある。

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、パソコンのキーボード、マウス、タッチパネルとう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、信号発信装置の中に含まれる。

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、物体のブレ等を含むものとする。

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。

光学特性可変光学素子とは、可変焦点レンズ、可変ミラー、面形状の変わる偏向プリズム、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。

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。可変ミラーには、可変焦点ミラー、焦点距離が変化せず収差量が変化するようなミラー、可変焦点レンズに反射面を設けたミラー、形状の変わらない可変焦点ミラー、形状の変わる形状可変ミラー等を含むものとする。
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。

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。

（１）光学特性可変光学素子を備えた光学系を有する光学装置において、製造誤差で生じた光学性能の低下を補償するために、前記光学特性可変光学素子に、位置調整機構を設けたことを特徴とする光学装置。

（２）光学特性可変光学素子を備えた光学系を有する光学装置において、製造誤差で生じた光学性能の低下を補償するために、前記光学特性可変光学素子に、位置調整機構を設けるとともに、前記光学特性可変光学素子の光線偏向作用を最適化したことを特徴とする光学装置。

（３）光学特性可変光学素子を備えた光学系を有する光学装置において、製造誤差で生じた光学性能の低下を補償するために、前記光学特性可変光学素子に、位置調整機構を設けるとともに、前記光学特性可変光学素子の光線偏向作用を最適化し、記憶装置にその時の駆動情報を記録し、前記光学装置使用時に前記駆動情報を用いて前記光学特性可変光学素子を駆動することを特徴とする光学装置。

（４）光学特性可変光学素子を備えた光学系を有する光学装置において、製造誤差で生じた光学性能の低下を補償するために、前記光学特性可変光学素子に、位置調整機構を設けるとともに、前記光学特性可変光学素子の光線偏向作用をズーム状態，Fナンバー，物体距離或いはブレ補正状態毎に最適化したことを特徴とする光学装置。

（５）光学特性可変光学素子を備えた光学系を有する光学装置において、製造誤差で生じた光学性能の低下を補償するために、前記光学特性可変光学素子に、位置調整機構を設けるとともに、前記光学特性可変光学素子の光線偏向作用をズーム状態，Fナンバー，物体距離或いはブレ補正状態毎に最適化し、その時の駆動情報を記録し、前記光学装置使用時に前記駆動情報を用いて前記光学特性可変光学素子を駆動することを特徴とする光学装置。

（６）前記（１）乃至（５）において、光学特性可変光学素子が可変ミラーである光学装置。

（７）前記（１）乃至（５）において、光学特性可変光学素子が可変焦点レンズである光学装置。

形状可変ミラーを含む屈曲光学系の特徴を説明するための図である。本発明の筐体に組込まれる光学系の一例の光学配置図である。図２に示した光学系を組込んだ本発明にかかる筐体の概略平面図である。図３の底面図である。 (a)は本発明の筐体の屈曲枠部にティルト枠アッセンブリを組込んだ状態の正面図、(b)は(a)のB-B線断面図である。 (a)は本発明の筐体の屈曲枠部に駆動機構アッセンブリと検出装置を組込んだ状態の正面図、(b)は(a)のB-B線断面図である。本発明の筐体に組込まれる形状可変ミラーの一構成例を示す概略図である。本発明の筐体に組込まれる形状可変ミラーの他の構成例を示す概略図である。図７及び図８の形状可変ミラーに用いる電極の一形態を示す説明図である。図７及び図８の形状可変ミラーに用いる電極の他の形態を示す説明図である。本発明の筐体に組込まれる形状可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。本発明の筐体に組込まれる形状可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。本発明の筐体に組込まれる形状可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。図１３の構成例における薄膜コイルの巻密度の状態を示す説明図である。本発明の筐体に組込まれる形状可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。図１５の構成例におけるコイルの一配置例を示す説明図である。図１５の構成例におけるコイルの他の配置例を示す説明図である。図１３に示した構成例において、コイルの配置を図１７に示した構成例のようにした場合に好適な永久磁石の配置例を示す説明図である。本発明の筐体に組込まれる形状可変ミラーのさらに他の構成例の概略構成図である。本発明の筐体に組込まれる形状可変ミラーのさらに他の構成例の概略構成図である。マイクロポンプの一構成例を示す概略構成図である。本発明の筐体に組込まれる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。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２２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２２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構成例を示す図である。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構成例を示す図である。本発明の筐体組込まれる光学系に適用可能な可変焦点回折光学素子の一構成例を示す図である。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例を示す図である。図２８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。本発明の筐体に組込まれる光学系に適用可能な可変偏角プリズムの二つの構成例を示す図である。図３０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。本発明の筐体に組込まれる光学系に適用可能な可変焦点レンズとして機能できる可変焦点ミラーの一構成例を示す図である。本発明の筐体に組込まれる光学系に他の構成例の可変焦点レンズを用いた撮像光学系の概略構成図である。図３３の構成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３４の可変焦点レンズが変形した状態を示す説明図である。本発明の筐体に組込まれる光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の構成例に係る、マイクロポンプで流体を出し入れし、レンズ面を変形させる可変焦点レンズの概略図である。本発明の筐体に組込まれる光学系に適用可能な光学特性可変光学素子の他の構成例であって圧電材料を用いた可変焦点レンズの概略図である。図３７の変形例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。本発明の筐体に組込まれる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構成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図である。本発明の筐体に組込まれる光学系に適用可能な可変焦点レンズのさらに他の構成例を示す概略図である。図４０の構成例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。本発明の筐体に組込まれる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構成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図である。図４２の構成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。本発明の筐体に組込まれる光学系に適用可能な可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。本発明の筐体に組込まれる光学系に適用可能な電磁駆動型の可変ミラーの構造を示した図であり、(a)は側面図、(b)は反射膜の反対側から見た図である。

符号の説明

１筐体
１A 屈曲枠部
１B 直胴枠部
４５可変ミラー
５９透明電極
１０２レンズ
１０３制御系
１０３’ 回路
１０４，１４１撮像ユニット
１１１凹陥部
１１２開口
１１３ガイドピン
１１４ビス穴
１１５軸受ブロック
１１６第１ティルト枠
１１６a,１１６b 突堤部
１１７，１２０枢軸
１１８，１２１ピン
１１９第２ティルト枠
１１９a,１１９b 突堤部
１２２基板
１２２a,１２２b 穴
１２２c 有底穴
１２２d 円筒突起部
１２２d' 雌ネジ部
１２２e ギア収容凹陥部
１２２e' 軸受孔
１２３，１２３' 駆動モータ
１２３a，１２３'a 回転軸
１２３b，１２３'b 突起
１２４，１２４' 駆動ギア
１２５，１２５' 中間ギア
１２５a 下側軸
１２５b，１２５'b 上側軸
１２６，１２６' 押圧ギア
１２６a ギア部
１２６b 突起部
１２６c 雄ネジ部
１２６d 上側軸
１２７固定ビス
１２８，１２９コイルバネ
１３０，１３０' 検出羽根
１３１，１３１' フォトインタラプタ
１３２中間ギア
１４０可変焦点レンズ
１４２透明部材
１４３透明物質
１４４流体あるいはゼリー状物質
１４５電極
１４６シリンダー
１４７支援部材
１４８外周側が変形可能な部材
１６０マイクロポンプ
１６１流体
１６２可変焦点レンズ
１６３透明基板
１６４弾性体
１６５透明基板
１６８制御装置（液溜）
１８０マイクロポンプ
１８１振動板
１８２，１８３電極
１８４，１８５弁
１８８形状可変ミラー
１８９膜
１８９ａ支持台
２００圧電材料
２００Ａ，２００Ｂ薄板
２０１可変焦点レンズ
２０２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紫外光源
２１４可変焦点レンズ
４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｅレンズ
４０３ｃ絞り
４０３ｄ可変焦点レンズ
４０４プリズム
４０５二等辺三角プリズム
４０６ミラー
４０８撮像素子
４０９形状可変ミラー
４０９ａ薄膜
４０９ｂ，４０９ｄ，４０９ｋ電極
４０９ｃ，４０９ｃ’ 圧電素子
４０９ｃ−１，４０９ｅ，４０９ｊ基板
４０９ｃ−２電歪材料
４１１，４２５ａ，４２５ｂ駆動回路
４１１ａ，４１１ｂ可変抵抗器
４１２電源
４１３電源スイッチ
４１４演算回路（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
４２５ａ，４２５ｂ，４２８駆動回路
４２６永久磁石
４２７，４２８’ コイル
４４９釦
４５０反射膜
４５１変形可能な基板
４５２電極
４５３電歪材料
５１１，５５１可変焦点レンズ
５３２，５３３，５６２，５６３，５６６，５６７透明基板
５１３ａ，５１３ｂ透明電極
５１２ａ，５１２ｂ，５２２，５５２，５５３レンズ
５２３固体撮像素子
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
９００観察光学系
９０１接眼レンズ
９０２対物レンズ
ＤＭ形状可変ミラー
Ｇ１第１レンズ群
Ｇ２第２レンズ群
Ｇ３第３レンズ群
Ｇ４第４レンズ群
Ｇ５第５レンズ群
ID 固体撮像素子
TC テストチャート

Claims

被写体側レンズ群と、該被写体側レンズ群に入射した光束を屈曲させる光学手段と、該光学手段により曲げられた光束を撮像面上に結像させる結像レンズ群とを含み、前記光学手段の光線の通過しない背部に、該光学手段を回動させる駆動機構を設けた屈曲光学系用レンズ筐体。
前記駆動機構が、前記光学手段を１軸で回動させるように構成されている請求項１に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記駆動機構が、前記光学手段を２軸で回動させるように構成されている請求項１に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記光学手段が、前記被写体側レンズに入射した光束を偏向する光学特性可変光学素子を含んでいる請求項１乃至３の何れかに記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記光学手段の回動と前記光学特性可変光学素子の光学特性の変化が連動するように構成されている請求項４に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記光学手段は可変ミラーであることを特徴とする請求項４または５に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
被写体側レンズ群と、該被写体側レンズ群に入射した光束を屈曲させる光学手段と、該光学手段により曲げられた光束を撮像面上に結像させる結像レンズ群とを含み、前記光学手段の光線の通過しない背部に、該光学手段を回動させることにより手ブレを補正し得る手ブレ補正機構を設けたことを特徴とする屈曲光学系用レンズ筐体。
前記手ブレ補正機構が、前記光学手段を１軸で回動させるように構成されている請求項７に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記手ブレ補正機構が、前記光学手段を２軸で回動させるように構成されている請求項７に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記光学手段が光学特性可変光学素子を含んでいる請求項７乃至９の何れかに記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記光学手段の回動と前記光学特性可変光学素子の光学特性の変化が連動するように構成されている請求項１０に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記光学特性可変光学素子は可変ミラーであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記光学手段の背部に該光学手段の回動を検出する機構を設けた、請求項７乃至９の何れかに記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記駆動機構をユニットとして構成した請求項１または２に記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記手ブレ補正機構をユニットとして構成した請求項７乃至９の何れかに記載の屈曲光学系用レンズ筐体。
前記光束を屈曲させる手段がミラーであることを特徴とする請求項１、２、３または７の何れかに記載の屈曲光学系用レンズ筐体。