JP2006106329A

JP2006106329A - 光学装置

Info

Publication number: JP2006106329A
Application number: JP2004292542A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakane; 毅中根; Kimihiko Nishioka; 公彦西岡
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】高精度で、消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与する光学特性可変光学素子を含む光学装置を提供する。
【解決手段】変形可能な反射面７０１a，７０１bとそれに対向した曲面形状の部材７０７を有し、前記曲面形状の部材７０７に前記変形可能な反射面７０１a，７０１bを密着させることにより前記反射面７０１a，７０１bを変形させることを特徴とする可変形状ミラー７０１，７０２と、撮像素子４０８を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変ミラー、可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、可変偏角プリズム等の光学特性可変光学素子、及びこれらの光学特性可変光学素子を含む光学系を備えた、例えば、デジタルカメラ、テレビカメラ、内視鏡、眼鏡、ビデオプロジェクター、望遠鏡、カメラのファインダー、携帯電話の撮像装置（携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ）、光情報処理装置、光インターコネクション装置等の各種光学装置に関するものである。

従来のレンズは、ガラスを研磨して製造したレンズを用いており、レンズ自体で焦点距離を変化させることができないため、例えば、カメラのピント合わせ或いはズーム、変倍のためにレンズ群を光軸方向に移動させるためにレンズ群を光軸方向に移動させるために、機械的構造が複雑になっている。
そして、レンズ群の一部を移動させるためにモーター等を用いていたため、消費電力が大きい、音がうるさい、応答時間が長く、レンズの移動に時間がかかる等の欠点があった。

また、ブレ防止を行なう場合でも、レンズをモータ，ソレノイド等で機械的に移動させるため、消費電力が大きい、機械的構造が複雑でコストアップにつながる、等の欠点があった。

また、従来、可変ミラーを用いた光学装置として、特許文献１乃至４に開示された提案があるが、このうち特許文献１乃至３には、球面収差を補正することのみで、変倍、ブレ補正、フォーカスについては何も開示されていない。また、特許文献４には、反射面の基板への密着を利用した可変ミラーは開示されていない。
特開平９−１５２５０５号公報特開平１０−３１１０７号公報特開平１０−５５５５７号公報特開平２００２−１２２７１９号公報

そこで、本発明はこれらの問題点に鑑み、高精度で、消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与する可変ミラー、可変焦点レンズ、可変プリズム等の光学特性可変光学素子及びその製造方法、並びにこれらの光学特性可変光学素子を含む光学系を備えた光学装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明による光学装置は、例えば、変形可能な反射面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な反射面を密着させることにより前記反射面を変形させることを特徴とする可変形状ミラーと、撮像素子を有する。

また、本発明による光学装置は、例えば、変形可能な反射面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な反射面を密着させることにより前記反射面を変形させることを特徴とする可変形状ミラーを複数個有する。

また、本発明による光学装置は、例えば、変形可能な光学面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な光学面を密着させることにより前記光学面を変形させることを特徴とする光学特性可変光学素子を複数個有する。

また、本発明による可変焦点レンズは、例えば、変形可能な透過面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な透過面を密着させることにより前記透過面を変形させることを特徴とする。

本発明によれば、光学特性可変光学素子の光学面が大きく変形したときでも、その形状が高精度に保てる等の特徴を出せるので、高品質、小型、軽量、低騒音の光学系並びに光学装置を実現できる。

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１は、光学特性可変光学素子としての形状可変ミラー７０１と７０２を用いた撮像光学系３０１を備えた、本発明にかかる光学装置３０２の説明図である。この光学装置３０２は、例えば、デジタルカメラ，デジタルカメラ付携帯電話等に応用できる。図中、３０３は画像処理装置、３０４は駆動回路、３０５は記憶装置、３０６は画像表示装置、３０８は信号処理装置、３０９は凹レンズ、３１３はＬＵＴ（ルックアップテーブル）データ部、３１６は電話機能、４０８は撮像素子、４１４は演算装置、４１５は光学装置の使用環境データを取り込む温度センサー、４１６は湿度センサー、４２４はブレセンサー、５２１は絞り、７０３及び７０４は自由曲面プリズム、９０１は凸レンズである。

物体から出た光は、凹レンズ３０９，自由曲面プリズム７０３を通り、形状可変ミラー７０１で反射され、絞り５２１，凸レンズ９０１を通り、自由曲面プリズム７０４に入る。自由曲面プリズム７０４を通った光は、形状可変ミラー７０２で反射され、撮像素子４０８に物体像を結像する。この場合、形状可変ミラー７０１と７０２の反射面７０１aと７０２aの形状を変化させることで、撮像光学系３０１はフォーカス，ズーミング，ブレ補正，光学系の温度変化及び湿度変化に対する補正，製造誤差の補正等が行なえるようになっている。

図１の撮像光学系３０１では、形状可変ミラー７０１の反射面７０１aはほぼ平面、形状可変ミラー７０２の反射面７０２aは強い凹面になっており、広角のズーム状態を示している。逆に、図２の状態では、形状可変ミラー７０１の反射面７０１aは強い凹面、形状可変ミラー７０２の反射面７０２aはほぼ平面になっており、望遠のズーム状態を示している。このように、撮像光学系３０１は、２状態切り換え式のズーム光学系になっている。
また、形状可変ミラー７０１の反射面７０１aを弱い凹面、形状可変ミラー７０２の反射面７０２aも弱い凹面にして、画角を広角と望遠の中間の標準状態とし、ズーム状態をさらに増やしても良い。

広角状態では、形状可変ミラー７０１の反射面７０１aを平面から僅かに凹面に変形させることで、無限遠から近点（例えば、１０ｃｍ）までのフォーカスが行なえる。また、反射面７０１aを僅かに傾斜させることで、ブレ補正、製造誤差の補正等も行なえる。

望遠状態では、形状可変ミラー７０２の反射面７０２aを平面から僅かに凹面に変形させることで、無限遠から近点（例えば、１０ｃｍ）までのフォーカスが行なえる。また、反射面７０２aを僅かに傾斜させることで、ブレ補正、製造誤差の補正等も行なえる。勿論、オートフォーカスも可能である。

更に、図１に示す光学装置３０２では、画像処理装置３０３を用いて電子ズーム（デジタルズームとも呼ばれる）を行なうことにより、広角から望遠までの任意の中間の倍率の画像を得ることもできる。なお、絞り５２１は自由曲面プリズム７０３と反射面７０１aの隙間に配置しても良い。或いは、自由曲面プリズム７０４と反射面７０２aの隙間に配置しても良い。

図３は、形状可変ミラー７０１の詳細な説明図である。この図は、形状可変ミラー７０１を静電駆動型の形状可変ミラーの例として示しているが、形状可変ミラー７０２も同様の構造を有する。図中、４１１a〜４１１dは可変抵抗、４１２は電池、４１３はスイッチ、７０１b１〜７０１b４は固定電極、７０１jは変形可能な基板、７０１kは変形可能な電極、７０６は接着剤、７０７は凹状表面７０８を有する下側基板、７１１a〜７１１dは抵抗である。

スイッチ４１３がオフの場合、変形可能な基板７０１jの張力のために反射面７０１aは平面となっている。スイッチ４１３をオンにし、変形可能な電極７０１kと固定電極７０１b１〜７０１b４の間に小さな電圧を加えると、両者は静電気力によって引き合い、図４に示すように、反射面７０１aは弱い凹面になる。この状態で、反射面７０１aの変形のさせ方を選ぶことにより、フォーカス，ブレ補正，光学系の製造誤差，温湿度変化及び経時変化等の補正等を行なうことができる。反射面７０１aの変形のさせ方は、ＬＵＴデータ部３１３（図１参照）を参照した上で、その値に応じて可変抵抗４１１a〜４１１dの抵抗値を変化させることにより、決めることができる。

更に、変形可能な電極７０１kと固定電極７０１b１〜７０１b４の間に加わる電圧を高くして、臨界電圧Ｖcを越える電圧を加えると、図５に示すように、反射面７０１a，変形可能な基板７０１j及び変形可能な電極７０１kは一体となって、下側の基板７０７の表面７０８に密着する。そして、反射面７０１aは強い凹面になる。この状態では、撮像光学系３０１の焦点距離が大きく変わるので、変倍（ズーミング）が行えるのである。マクロ撮影などのようにフォーカス範囲を大きく変えるため等にも、この密着変形は用いることができる。

下表に二つの可変ミラー７０１，７０２を制御する可変ミラー駆動電圧ルックアップテーブルの一例を示す。この例では、近点は２００ｍｍである。オートフォーカスはコントラスト方式（山登り方式）である。

広角状態では、臨界電圧Ｖｃをこえる電圧が可変ミラー７０２に加わり、可変ミラー７０２の反射面は、可変ミラー７０２の基板に蜜着状態となっている。この例で、可変ミラー７０２に印加されている臨界電圧Ｖｃは８０ボルトである。固定電極７０１b１〜７０１b４に加わる電圧（臨界電圧Ｖｃ未満）を変えることで、近点余裕から遠点余裕までの範囲でピントを変えることができる。
近点余裕、遠点余裕は、オートフォーカスのために近点より更に近点、あるいは遠点より更に遠点にピントを大きく変える状態のことである。
望遠状態では、逆に、可変ミラー７０１に臨界電圧Ｖｃをこえる電圧が加わり、反射面７０１aは固定基板７０７の面７０８に密着状態となる。この例では、可変ミラー７０１に印加されている臨界電圧Ｖｃは７５ボルトである。この時、可変ミラー７０２の固定電極７０２b１，７０２b２，７０２b３，７０２b４に臨界電圧Ｖｃ未満の電圧を加えることで、近点余裕から遠点余裕までの範囲でピントを変えることができる。

下側基板７０７の変形可能な電極７０１kと対向する表面７０８は、密着時の反射面７０１aの形状を決定する。このため、焦点距離変化，収差の補正等を含めて、表面７０８の形状を決める必要があり、そのためには、表面７０８の形状は、自由曲面，回転非対称な面，偏心した回転対称面等にするのが良い。特に面形状を１つ以下の対称面を有する形状とすれば、収差補正で更に有利であり良い。なお、製作し易いので球面としても良い。
このように、本発明では、光学面（反射面，屈折面等）が大きく変形したとき、対向する基板に蜜着するため、大きく変形したときの面形状を精度良く出せる。このメリットは、後述の可変焦点レンズ（図８、図９）の例を含め、本発明の光学装置に共通にあるものである。

固定電極７０１b１〜７０１b４は、例えば、下側基板７０７の表面７０８に金属を蒸着して、或いは、金属を表面に埋め込んで作れば良い。下側基板７０７は、例えば、ガラス，合成樹脂，セラミックス等を成形あるいは切削して作れば良い。
この固定電極７０１b１〜７０１b４は、図６に示す如く、下側基板７０７の表面７０８と反対側の表面７０９に設けても良い。この時、下側基板７０７を比誘電率εが１．４より大きい物質で作れば、少ない電圧で反射面７０１aを変形できるので良い。ε>２．０の物質で作ればなお良い。ε>３．０とすれば更に良い。
図６に示すような構造は、可変焦点レンズ等にも応用できる。
また、図６に示す如く、変形可能な電極７０１kを省略し、反射面７０１aで代用しても良い。
例えばこの形状可変ミラー７１０を作る場合、上側の基板７１１を金属あるいは半導体，セラミックス，合成樹脂，ガラス等で作っておき、それにポリイミド等で出来た薄膜を接着し、加熱して収縮させ、張力を与えて、変形可能な基板７０１jとする。そして、この基板７０１jの表面にアルミニウム等を蒸着して反射面７０１aとし、下側基板７０７と接着すれば良い。なお、変形可能な上記薄膜の材質によっては、加熱，収縮させるプロセスは省略しても良い。

図７に示すように、自由曲面プリズム７０３の表面７１３に透明電極７１２を設け、変形する電極兼用の反射面７０１aとの間に臨界電圧Ｖc以上の電圧を掛け、反射面７０１aと変形可能な基板７０１jを自由曲面プリズム７０３の表面７１３に密着させて変形させ、ズーミング，フォーカス等に用いても良い。
また、反射面７０１aに対して自由曲面プリズム７０３の表面７１３と反対側の表面７０８に固定電極７０１b１，７０１b２，７０１b３，７０１b4を設けておけば、スイッチ４１３Ｂをオフ、スイッチ４１３Ｃをオンにすることによって、反射面７０１aを逆に密着変形させることができる。つまり、反射面７０１aは凸にも凹にも密着変形できるのである。このようにすれば、ズーム比，フォーカス範囲等を大きくすることができ、メリットが大きい。

以上の説明では、静電駆動型の形状可変ミラーの例を述べたが、本発明はこれに限るものではなく、後述するように、電磁気力駆動の可変ミラー，圧電効果を利用した可変ミラー，流体によって駆動される可変ミラー，或いはフォトメカニカル効果によって駆動される可変ミラー等でも、変形する反射面とこれに対向する基板を密着させることが可能で、これにより、反射面を所望の形に変形させることができる。そして、これにより変倍，フォーカス等の範囲を大きく拡大することが可能なのである。

図８（a）及び（b）は、可変焦点レンズ７２０の一例としての流体駆動の可変焦点レンズの互いに異なる例である。図８（a）の例では、レンズ形状をした透明基板７２１，７２２間に変形可能な透明基板７２０jがあり、その片側が透明流体（水、油等）７２３で埋められている。この透明流体７２３は、シリンダー７２４とピストン７２５により出し入れ可能である。シリンダー７２４とピストン７２５とでポンプ７９１を形成している。７２６は空気出し入れ用の穴である。
ピストン７２５を押し下げて流体７２３を入れると、変形可能な透明基板７２０jは変形して左に凸の形状となり、やがて透明基板７２１の右の面７２７に密着し、可変焦点レンズ７２０は凸作用が強くなる。ピストン７２５を引き上げると、変形可能な透明基板７２０jは右に凸の形状となり、やがて透明基板７２２の左の面７２８に密着し、可変焦点レンズ７２０は凸作用が弱くなる。
このように、変形可能な透明基板７２０jを左右に密着させることで、高精度の面形状を持つ可変焦点レンズが得られるのである。なお、図８（b）に示すように、穴７２６に空気出し入れ用のポンプ７９２を接続し、ポンプ７９１と連動して動かしても良い。

面７２７，７２８の形状としては、球面，非球面等の通常の回転対称面に限らず、自由曲面，回転非対称面，偏心した回転対称面等の曲面、平面を用いることができる。
この可変焦点レンズ７２０は、撮像装置は勿論のこと観察装置，表示装置等様々な光学装置のフォーカス，ズーミング（変倍）等に用いることができる。

この実施例では、変形可能な透明基板７２０jを変形させるのに流体を用いたが、その代わりに図３の例に示した静電気力，後述の電磁気力（図１９），圧電効果（図４４及び図４７），フォトメカニカル効果（図４８）等を用いて変形させるようにしても良い。

図９は、可変焦点レンズ７２０の一例としての圧電効果で駆動する可変焦点レンズ７４０の例である。この例において、変形可能な透過面７４１は、左側から順に、透明電極７４２、圧電材料７４３，７４４、及び透明電極７４５で構成されて、一体化されている。圧電材料７４３と７４４とは、材料の異方性が逆向きになるように接合されている。この透過面７４１は、レンズ状の透明基板７４６と７４７により挟まれており、透明電極７４５と透明基板７４７との間には、流体７２３が入れられている。７４８は液溜めである。

図９において、極性切換スイッチ７４９が上方に倒されると、圧電材料７４３はちじみ圧電材料７４４は伸びるので、透過面７４１は右へ凸の形状となって、透明基板７４７の左側の面７５０に密着し、可変焦点レンズ７４０の凸レンズ作用は弱い状態となる。
次に、極性切換スイッチ７４９を下方へ倒すと、電圧の極性が変わるので、圧電材料７４３は伸び圧電材料７４４はちじむ。このため、透過面７４１は図１０に示す如く左に凸となって、透明基板７４６の右側の面７５１に密着し、可変焦点レンズ７４０の凸レンズ作用は強くなる。
可変抵抗４１１aを調節して、加える電圧の大きさを小さくすれば、透過面７４１は面７５０，７５１の何れにも密着しない中間の位置にくるようになり、可変焦点レンズ７４０の凸レンズ作用を図９と図１０の中間の値にできる。

図１１に示すように、可変焦点レンズ７２０を複数個（７２０Ａと７２０Ｂ）用いれば、ズーム光学系７３０を実現できる。この場合、可変焦点レンズ７２０Ａの透明基板７２０jが面７２７又は７２８に密着しているとき、可変焦点レンズ７２０Ｂの透明基板７２０jは面７２７にも７２８にも密着しないようにする。このようにすれば、透明基板７２０jが密着している方の可変焦点レンズ７２０で主に変倍を行い、もう一方の可変焦点レンズ７２０でフォーカス、ブレ補正、温湿度，製造誤差および光学系の経時変化の補正等を行なうことができるので良い。
また、図１１で可変焦点レンズ７２０として可変焦点レンズ７４０を用いても良い。特に、ブレ補正，製造誤差の補正等を行なう場合には、透明電極７４２又は７４５を複数に分割し、それぞれに異なる電圧を加えることで、透過面７４１を回転非対称な形状に変形させれば良い。つまり、可変焦点レンズ７４０の光偏向作用を回転非対称に変化させることで、ブレ補正，製造誤差の補正等を行なうのである。

一つの光学系の中に、形状可変ミラー７０１或いは可変焦点レンズ７２０は、併せて複数個存在して良い。例えば、形状可変ミラー７０１を２個，可変焦点レンズ７２０を２個の併せて４個である。そして、光学面を基板に密着させていない形状可変ミラー７０１或いは可変焦点レンズ７２０が一つ以上あれば、それを用いて、フォーカス、ブレ補正、温湿度，製造誤差および光学系の経時変化の補正等を行なえば良い。このとき、光学面が密着している形状可変ミラー７０１及び可変焦点レンズ７２０では、光学面の面形状を密着のさせ方を変えることで変化させて、ズーミング，フォーカス範囲の大幅な変更（例えば接写），フォーカス等を行なえば良い。
或いは、光学面は平面あるいは総て対向する基板面に密着させる状態で、形状可変ミラー７０１又は可変焦点レンズ７２０を用い、ズーミング，フォーカス範囲の大幅な変更，フォーカスだけを行なっても良い。
更に、形状可変ミラー７０１又は可変焦点レンズ７２０を、後述の図１３〜図５１に示す光学特性可変光学素子と組合せて光学系を構成しても良い。

図１２はその一例で、可変焦点レンズ７２０を１個と、後述する図１３，図１４，図１７，図１８，図１９，図２１又は図５１に示される可変ミラー４０９を１個用いたズーム撮像光学系の例である。ここでは、可変ミラー４０９の反射面の変形で主にフォーカス、ブレ補正、製造誤差，温湿度変化及び光学系の経時変化の補正等を行ない、可変焦点レンズ７２０の透明基板７２０jの密着のさせ方の変化で主に変倍を行う。
可変ミラー４０９の代わりに、可変ミラー１８８（図２６）や可変焦点ミラー５６５（図３８）等を用いても良い。或いは、図１２で、可変ミラー４０９の代わりに、後述の図３２，図３４，図４０，図４２，図４３，図４６，図４８等に示す可変焦点レンズを用いて、可変ミラー４０９と同様の機能に用いても良い。
或いは、図１２の可変ミラー４０９の代わりに、通常のミラーを用い、レンズ９０１を光軸に沿って移動することでフォーカス或いは接写等を行ない、可変焦点レンズ７２０で変倍あるいはフォーカス範囲の変更或いはフォーカス等を行っても良い。
或いは、光学系に一つの形状可変ミラー７０１又は可変焦点レンズ７２０を用いて、基板７０１jあるいは透明基板７２０jの密着の様子を変えることで、変倍（ズーミング），フォーカスを行っても良い。
本願の撮像光学系をデジタルカメラ等に用いる場合、図１，図１１，図１２，図２５，図３２，図３９の例に共通にいえることであるが、オートフォーカスを行なうときに、絞りは開放でオートフォーカスを行ない、ピントの合ったところで絞りを絞って撮像すると良い。高精度にピント合わせできる。

本願の説明で、フォーカスとはオートフォーカスも含むものとする。
また、実施例では、主に撮像光学系について述べたが、物体と像の関係を入れかえ、撮像素子を表示素子で置きかえれば、表示光学系にも用いることができる。
なお、形状可変ミラー７０１及び７０２，可変焦点レンズ７２０の電極は、例えば、後述の図１５あるいは図１６に示すように、複数に面内で分割された形状にすると良い。
図１，図１１，図１２に示す光学系は、防水のデジタルカメラ，テレビカメラ等の光学装置に用いると良い。機械的に動く部分が少ないので、防水構造を実現しやすい。

次に、上記本発明の光学装置に用いる光学系に適用可能な形状可変ミラー、可変焦点レンズ等、光学特性可変光学素子の構成例について説明する。
図１３は上記本発明の光学装置に用いる光学系に適用可能な光学特性可変光学素子として形状可変ミラーの一構成例を示す概略図である。
図１３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。

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１５、図１６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、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、可変ミラーを変形させるようにすればよい。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１３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。
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１３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１４は可変ミラー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２３に示すように、同心分割であってもよいし、図１６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１４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１７は可変ミラー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１４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可変ミラー面の大きな変形が実現できてよい。

なお、図１４、図１８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１８は可変ミラー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、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１９は可変ミラー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、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２０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２１は可変ミラー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２２は本構成例におけるコイル４２７の一配置例を示し、図２３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１９に示した構成例にも適用することができる。なお、図２４はコイル４２７の配置を図２３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２４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１９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１９及び図２１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１８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２５は本発明のさらに他の実施例に係る、光学装置に適用可能な可変ミラー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、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。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、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２５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可変ミラー、可変焦点レンズに有用である。なお可変ミラー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。
このようなオートフォーカスの方式をコントラスト方式（山登り方式）という。
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。同様に上記の効果が得られる。この場合、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２６は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２７は図２６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２７では静電気力により振動する例を示しており、図２７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２６で示した可変ミラー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、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２５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、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２８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２９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２８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３０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３１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２８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２９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(22)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３１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、(26)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３０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３０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、(26)式で与えられる焦点距離ｆ₁と、(29)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(21)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２８に示した状態と図３０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２８の状態でも、図３０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３６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３２は、図３１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３２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３３は図３１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２８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、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３４および図３５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３５に示すように、ホメオトロピック配向となり、図３４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３４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３４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３６(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３６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３６(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３６(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３３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４５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３６および図３７に示す構成例では、液晶分子の図示を省略してある。

図３８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、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２８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３８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３３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３６(a)の構成例における透明基板５６３、図３６(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２８から図３８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３９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３９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３９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４０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４０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４１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４０、図４１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３９、図４０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４２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４２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２７で示したようなマイクロポンプ１８０を、例えば、図４２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４３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４３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４４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４２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４５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４５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４３〜図４５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４６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４６に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図４７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３９〜図４７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４８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４８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４９(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４９(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５０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５０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５０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２５に示した構成例のように、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５１(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可変ミラーの構造を示した図である。
図５１(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、監視装置のカメラ、各種センサーの眼、録音装置のデジタルカメラ、人工視覚、レーザ走査型顕微鏡等がある。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、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、録音装置のデジタル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、コンタクトレンズ、眼内レンズ、人工視覚等がある。

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、人工視覚等がある。

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、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。

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。

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、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。
可変ミラーは反射型の光学特性可変光学素子の一例である。可変焦点レンズ，光偏向作用の変化するプリズム等は、透過型の光学特性可変光学素子の例である。

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）前記可変形状ミラーのうち一つの反射面が前記曲面形状の部材に密着しているときに、もう一つの可変形状ミラーの反射面は前記曲面形状の部材に密着していないことを特徴とする請求校２に記載の光学装置。

（２）前記光学特性可変光学素子のうちの一つ光学面が前記曲面形状の部材に密着しているときに、もう一つの光学特性可変光学素子の光学面は前記曲面形状の部材に密着していないことを特徴とする請求校３に記載の光学装置。

（３）請求項４に記載の可変焦点レンズを有する光学装置。

（４）請求項４に記載の可変焦点レンズを複数有する光学装置。

（５）前記可変焦点レンズのうちの一つの変形可能な透過面が前記曲面形状の部材に密着しているときに、もう一つの可変焦点レンズの変形可能な透過面は前記曲面形状の部材に密着していないことを特徴とする上記（４）に記載の光学装置。

（６）変形可能な反射面とそれに対向した曲面形状の部材を有し前記曲面形状の部材に前記変形可能な反射面を密着させることにより前記反射面を変形させることを特徴とする可変形状ミラー或いは請求項４に記載の可変焦点レンズと、光学特性可変光学素子を備えた光学装置。

（７）前記光学特性可変光学素子が可変ミラーである上記（６）に記載の光学装置。

（８）前記光学特性可変光学素子が可変焦点レンズである上記（６）に記載の光学装置。

（９）変形可能な反射面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な反射面を密着させることにより、前記反射面を変形させることを特徴とする可変形状ミラーと請求項４に記載の可変焦点レンズとを備えた光学装置。

（１０）変倍時に電子ズームも併用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）乃至（９）に何れかに記載の光学装置。

（１１）前記曲面形状の部材の曲面の形状が自由曲面である請求項１乃至４の何れか又は上記（１）乃至（１０）に何れかに記載の光学装置。

（１２）前記曲面形状の部材の曲面の形状が非球面又は球面である請求項１乃至４の何れか又は上記（１）乃至（１０）に何れかに記載の光学装置。

（１３）前記変形可能な光学面が、前記対向配置された曲面上状の部材に密着していない状態で、フォーカス，ブレ補正，光学系の、製造誤差の補正，温度変化の補正，湿度変化の補正，経時変化の補正のうちの何れかを行なうことを特徴とする、請求項１乃至３の何れか又は上記（１）乃至（１２）に何れかに記載の光学装置。

（１４）変倍時に、前記変形可能な光学面が、前記対向配置された曲面状の部材に蜜着する状態にな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（１３）に何れかに記載の光学装置。

（１５）自由曲面プリズム又は自由曲面を有する、請求項１乃至３の何れか又は上記（１）乃至（１４）に何れかに記載の光学装置。

（１６）前記変形可能な光学面、または反射面、または屈折面が静電気力によって駆動され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（１５）に何れかに記載の光学装置。

（１７）前記変形可能な光学面、または反射面、または屈折面が圧電効果によって駆動され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（１５）に何れかに記載の光学装置。

（１８）枠に合成樹脂の薄膜を貼り付け、その後加熱することで前記薄膜に張力を与え、変形可能な光学面の基板とする、光学特性可変光学素子の光学面の製法。

（１９）上記（１８）に記載した変形可能な光学面の基板の上に、金属薄膜をコートすることを特徴とする、反射型光学特性可変光学素子の光学面の製法。

（２０）固定電極を有するもう一つの基板と、上記（１８）又は（１９）に記載の光学面を有する枠とを貼り合わせる、光学特性可変光学素子の製法。

（２１）変形可能な反射面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な反射面を密着させることにより前記反射面を変形させることを特徴とする、可変形状ミラーと表示素子を有する光学装置。

（２２）変形可能な透過面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な透過面を密着させることにより、前記透過面を変形させることを特徴とする透過型の光学特性可変光学素子。

（２３）上記（２２）に記載の透過型の光学特性可変光学素子を有する光学装置。

（２４）上記（２２）に記載の透過型の光学特性可変光学素子を複数有する光学装置。

（２５）透過型光学特性可変光学素子を有し、前記透過型光学特性可変光学素子の光偏向作用を回転非対象に変化させることで、ブレ補正あるいは製造誤差の補正を行なう光学装置。

（２６）前記透過型光学特性可変光学素子が可変焦点レンズである上記（２５）に記載の光学装置。

（２７）光学特性可変光学素子を有し、絞り開放の状態で前記光学特性可変光学素子の光偏向作用を変化させてオートフォーカスを行ない、合焦状態検出後に絞りを所定の値に絞って撮像を行なう光学装置。

（２８）光学特性可変光学素子を有し、絞り開放の状態で前記光学特性可変光学素子の光偏向作用を変化させてコントラスト方式のオートフォーカスを行ない、合焦状態検出後に絞りを所定の値に絞って撮像を行なう光学装置。

（２９）変形可能な光学面と、固定電極があり、前記光学面と固定電極との間に、前記光学面に対向配置された曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材の誘電率が１．４より大きいことを特徴とする光学特性可変光学素子。

（３０）変形可能な反射面と、固定電極があり、前記反射面と固定電極との間に、前記反射面に対向配置された曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材の誘電率が１．４より大きいことを特徴とする反射型の光学特性可変光学素子。

（３１）変形可能な透過面と、固定電極があり、前記透過面と固定電極との間に、前記透過面に対向配置された曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材の誘電率が１．４より大きいことを特徴とする反射型の光学特性可変光学素子。

（３２）前記光学特性可変光学素子が、静電気力によって駆動されることを特徴とする、上記（２９）乃至（３１）の何れかに記載の光学特性可変光学素子。

（３３）自由曲面形状の光学面と、前記光学面に対向配置された光学特性可変光学素子と、前記光学面と前記光学特性可変光学素子との間に配置された絞りとを有する光学系。

（３４）自由曲面形状の光学面を有する光学素子を複数個と、前記自由曲面形状の光学面に対向配置された光学特性可変光学素子と、前記光学特性可変光学素子と前記自由曲面形状の光学面との間に配置された絞りとを有する光学系。

（３５）前記光学特性可変光学素子が反射型の光学特性可変光学素子であることを特徴とする上記（３４）に記載の光学系。

（３６）光学特性可変光学素子を備えた防水機能を有する光学装置。

（３７）前記光学装置が撮像装置である上記（３６）に記載の光学装置。

（３８）枠に合成樹脂の膜を貼り付けて、変形可能な光学面の基板とする光学特性可変光学素子の光学面の製法。

（３９）変形可能な光学面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に変形可能な光学面を密着させることにより、前記変形可能な光学面を変形させることが可能な光学特性可変光学素子。

（４０）上記（３９）に記載の光学特性可変光学素子を有し、使用状態において前記変形可能な光学面が前記曲面形状の部材に密着している状態と密着していない状態の両方を取り得ることを特徴とする光学装置。

（４１）上記（３９）に記載の光学特性可変光学素子を有し、使用状態において、前記変形可能な光学面が前記曲面形状の部材に密着している状態と、変形力が加わらない状態の両方を取り得ることを特徴とする光学装置。

（４２）上記（３９）に記載の光学特性可変光学素子を有し、使用状態において、前記変形可能な光学面が前記曲面形状の部材に密着している状態と、変形力が加わるが前記曲面形状の部材に密着していない状態と、変形力の加わらない状態の３状態を取り得ることを特徴とする光学装置。

（４３）上記（４０）乃至（４２）の何れかにおいて、光学特性可変光学素子の前記変形可能な光学面が変形することによって、光学系が変倍作用あるいはフォーカス作用を有することを特徴とする光学装置。

（４４）上記（３９）に記載の光学特性可変光学素子を有し、前記変形可能な光学面が前記曲面形状の部材に密着していない状態において、フォーカス，ブレ補正，光学系の、製造誤差の補正，温度変化の補正，経時変化の補正のうちの何れかを行なうことを特徴とする光学装置。

（４５）前記光学特性可変光学素子が透過型の光学特性可変光学素子である上記（３９）乃至（４４）の何れかに記載の光学装置。

（４６）前記光学特性可変光学素子が反射型の光学特性可変光学素子である上記（３９）乃至（４４）の何れかに記載の光学装置。

本発明の光学装置の第１実施形態を示す概略構成図である。図１の光学装置における形状可変ミラーの一方の変形状態を示す要部構成図である。図１の光学装置における形状可変ミラーの詳細構成を示す説明図である。図３に示す形状可変ミラーの一変形例の概略構成図である。図４の形状可変ミラーの変形状態を示す説明図である。図３に示す形状可変ミラーの他の変形例の概略構成図である。図３に示す形状可変ミラーの更に他の変形例の概略構成図である。（a）は本発明にかかる可変焦点レンズの一実施形態の概略構成図、（b）はその変形例の概略構成図である。本発明にかかる可変焦点レンズの他の実施形態の概略構成図である。図９の可変焦点レンズの変形状態を示す概略構成図である。図８の２つの可変焦点レンズを用いたズーム光学系の概略構成図である。１つの可変焦点レンズと１つの形状可変ミラーを用いたズーム光学系の概略構成図である。本発明の光学装置に用いる光学系に適用可能な光学特性可変光学素子として形状可変ミラーの一構成例を示す概略図である。可変ミラーの他の構成例を示す概略図である。図１３及び図１４の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１３及び図１４の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。可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。図１９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。可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略図である。図２１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２１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１９に示した構成例において、コイルの配置を図２３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を示す説明図である。本発明の光学装置の光学系に適用可能な可変ミラーの概略構成図である。可変ミラー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形状鏡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。本発明の光学装置の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２８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２８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。本発明の光学装置に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。本発明の光学装置の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３４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。本発明の光学装置の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３６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。本発明の光学装置の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。本発明の光学装置の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４７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４０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を用いた可変焦点レンズの概略図である。図４３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枚の薄板を用いた可変焦点レンズの概略図である。本発明の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図である。図４６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ニカル効果を用いた可変焦点レンズの概略図である。図４８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。本発明の光学装置の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

４５可変ミラー
５９透明電極
１０２レンズ
１０３制御系
１０４，１４１撮像ユニット
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
３０１撮像光学系
３０１ａフィルター
３０２光学装置
３０３画像処理装置
３０４，３０４ｂ駆動回路
３０５記憶装置
３０６表示装置
３０７プリンター
３０８情報処理回路
３０９凹レンズ
３１３ＬＵＴ（ルックアップテーブル）格納部
３１６電話機能
４０９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，４１１c，４１１d1 可変抵抗
４１２電源
４１３，４１３Ｂ，４１３Ｃ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
７０１，７０２形状可変ミラー
７０１a，７０２a 反射面
７０１b１，７０１b２，７０１b３，７０１b４固定電極
７０１j 可撓性基板
７０１k 可撓性電極
７０６接着剤
７０７固定基板
７０８面
７１０形状可変ミラー
７１１上側基板
７１１a，７１１b，７１１c，７１１d 抵抗
７１２透明電極
７１３表面
７２０可変焦点レンズ
７２０Ａ，７２０Ｂ可変焦点レンズ
７２０j 変形可能な透明基板
７２１，７２２透明基板
７２３透明流体
７２４シリンダー
７２５ピストン
７２６穴
７２７，７２８面
７３０ズーム光学系
７４０可変焦点レンズ
７４１透過面
７４２，７４５透明電極
７４３，７４４圧電材料
７４６，７４７透明電極
７４８液溜め
７４９極性切換スイッチ
７５０，７５１面
７９１，７９２ポンプ

Claims

変形可能な反射面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な反射面を密着させることにより前記反射面を変形させることを特徴とする可変形状ミラーと、撮像素子を有する光学装置。
変形可能な反射面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な反射面を密着させることにより前記反射面を変形させることを特徴とする可変形状ミラーを複数個有する光学装置。
変形可能な光学面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な光学面を密着させることにより前記光学面を変形させることを特徴とする光学特性可変光学素子を複数個有する光学装置。
変形可能な透過面とそれに対向した曲面形状の部材を有し、前記曲面形状の部材に前記変形可能な透過面を密着させることにより前記透過面を変形させることを特徴とする可変焦点レンズ。