JP2008003576A - 光学装置又は撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光学装置が、偏心した非球面の反射、屈折による結像作用を実現する自由曲面光学素子と焦点距離が連続的に変化する液晶レンズのような可変焦点レンズ等の光学特性可変光学素子を有する。
【選択図】図23
Description
また、自由曲面光学素子を用いた光学装置や撮像装置が知られている。
P≪λ (1)
である。このように、ピッチPが光の波長λに比べて非常に小さいと、この可変焦点レンズは入射光の偏光によらず、屈折率n′をもつ媒質として作用する。
ここで、neは液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率、n0は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率である。図3にネマティック液晶1の入射側の液晶分子に対応する屈折率楕円体を示す。ここで、x軸及びz軸は、液晶分子の短軸方向、y軸は液晶分子の長軸方向になっている。なお、ne>n0とする。
で与えられる。但し、
Φ=2πd/P (4)
Γ=2π(ne−n0)d/λ (5)
α=2π{(ne+n0)/2}・d/λ (6)
X=(Φ2+Γ2/2)1/2 (7)
である。ここで、常光を液晶分子の短軸方向の偏光と定義し、異常光を液晶分子の長軸方向の偏光、又は、長軸を光軸に垂直な平面へ投影した時の方向の偏光と定義すると、Γはネマティック液晶1による常光と異常光の位相差を表わす。
0<P/λ≪1 (9)
と変形できる。そこで、P/λ→0の時、式(3)のWtの極限値WtLを求めてみる。
Γ/Φ=(ne−n0)P/λ (10)
であるから、P/λ≪1のとき
|Γ/Φ|≪1 (11)
となり、P/λ→0のとき|Γ/Φ|→0となる。
と近似でき、P/λ→0のとき、それぞれ、
X→Φ (16)
cosX→cosΦ (17)
となるので、P/λ→0のとき、
となる。これは屈折率n′=(ne+n0)/2、厚さdの、光軸に沿って等方な媒質のジョーンズ行列にほかならない。従って、P/λ≪1であるので、図1の可変焦点レンズは、屈折率n′の媒質として作用する。
を得る。従って、WtNの値が等方媒質のジョーンズ行列とほぼ等しいと見なせるためには、|i・Γ/2Φ|が0に近ければよい。この時WtNは、
に近づくが、この式は、液晶1が入射光の偏光方向はΓ/4・Γ/Φだけ回転するが、等方媒質であるとみなせることを意味している。
|Γ/2Φ|<1 (28)
であれば良い。
|Γ/2Φ|<π/6 (29)
であればよい。
|Γ/2Φ|<π (30)
であればよい。
2μ<d<300μ (31)
ぐらいが適当である。光の波長λの例としては可視光を考えれば、
0.35μ<λ<0.7μ (32)
である。
0.01<|ne−n0|<0.4 (33)
ぐらいの物質が多い。そこで、第1の設計例として、
d=15μ
λ=0.5μ
ne−n0=0.2
P=0.05μ
φ=60μ (可変焦点レンズの有効径)
とすれば、
Γ/2Φ=1/2・0.2×0.05/0.5=0.01となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たす。
d=30μ
λ=0.6μ
ne−n0=0.25
P=0.3μ
φ=180μ
とすれば、
Γ/2Φ=1/2・0.3×0.25/0.6=0.0625となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たす。
d=50μ
λ=0.55μ
ne−n0=0.2
P=5μ
φ=150μ
とすれば、
Γ/2Φ=1/2・0.2×5.0/0.55=0.909となり、式(28)、式(30)を満たす。
d=200μ
λ=0.95μ
ne−n0=0.2
P=4μ
φ=2000μ
とすれば、
Γ/2Φ=1/2・0.2×4/0.95=0.42となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たす。
又、一対の電極3の中心穴の大きさを図8に示すように互いに変えることでスメクティック液晶11の屈折率変化を収差が小さくなるように変えることもできる。これは図1,9等に示した可変焦点レンズにも適用できる。
d=25μ
λ=0.55μ
ne−n0=0.3
P=1.0μ
φ1=50μ
φ2=70μ
とすると、
Γ/2Φ=1/2・0.3×1.0/0.55=0.2725となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たす。
また、可変焦点レンズの第2の変形例として、図9に示すように、コレステリック液晶12を用いた可変焦点レンズを構成することができる。
P・n′<0.4μ (34)
であることが必要である。
d=15μ
ne−n0=0.4
λ=0.45μ
P=0.01μ
n′=1.7
φ=300μ
とすると、
Γ/2Φ=1/2・0.4×0.01/0.45=0.00445となり、式(26)、式(28)、式(29)、式(30)を満たし、P・n′=0.017μであるから、式(34)も満たしている。
0.001μ<P<14μ (35)
が望ましい条件となる。さらに充分ボケを減らすためには、
0.001μ<P≦5μ (36)
であることが望まれる。Pの下限は液晶分子自体の大きさから決まっている。
即ち、
|Γ/2Φ|<π
|1/2(ne−n0)P/λ|<π
ここでλ=0.5μ,ne−n0=0.2とすると、
P<10πλ=31.4λ (37)
を得る。式(28)、(29)、(30)等は図4の光軸付近の液晶に対するものであるが、図4の光軸から離れたところの液晶では液晶分子の傾きがあるため、実効的なne−n0の値は光軸付近より小さい。従って液晶レンズ全体としては式(37)を更に緩めることができ、
P<60λ (38)
でよい。
P<20λ (39)
であればよい。
2nm≦D≦λ/5 (40)
とする。即ち、液晶分子16aの大きさは、2nm程度以上であるので、直径Dの下限値は、2nm以上とする。又、直径Dの上限値は、可変焦点レンズの光軸方向における高分子分散液晶層16の厚さtにも依存するが、波長λに比べて大きいと、高分子の屈折率と液晶分子16aの屈折率との差により、高分子セル16bの境界面で光が散乱して高分子分散液晶層16が不透明になってしまうため、波長λ以下或いは後述するように、好ましくは、λ/5以下とする。なお、高分子分散液晶層16の透明度は、厚さtが厚いほど悪くなる。
nox=noy=n0 (41)
である。但し、n0は常光線の屈折率を示し、nox及び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。
(nox+noy+nz)/3≡nLC′ (42)
となる。又、上記(41)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、
(2n0+ne)/3≡nLC (43)
で与えられる。このとき、高分子分散液晶層16の屈折率nAは、高分子セル16bを構成する高分子の屈折率をnPとし、高分子分散液晶層16の体積に占める液晶分子16a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 (44)
で与えられる。
(nox+noy)/2=no′ (45)
とすれば、図16に示す状態、即ち高分子分散液晶層16に電界を印加した状態での電極3の間の高分子分散液晶層16の屈折率nBは、
nB=ff・n0′+(1−ff)nP (46)
で与えられる。又、図16に示す状態で高分子分散液晶層16の屈折率が光軸からの距離yに対して、2乗で変化していると仮定して、この可変焦点レンズの焦点距離f2を求めてみる。高分子分散液晶層16のyにおける屈折率n(y)を
n(y)=n0+n02y2 (47)
と表わせば、
f2 -1≒−2n02t (48)
と近似的に表わされる。
n(y)−n0=n02y2 (49)
であり、レンズの周縁ではn(y)=nBで、またn0=nAであるから、
nB−nA=n02y2 (50)
f2=−y2/{2(nB−nA)t} (51)
となる。但し、tは高分子分散液晶層16の厚さである。
nB−nA=ff(n0′−nLC′) (52)
であるから、|n0′−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≦|n0′−nLC′|≦10 (53)
とすれば、ff=0.5のとき、高分子分散液晶層16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、|n0′−nLC′|は、液晶物質の制限から、10を越えることはできない。
「Solar Energy Materials and Solar Cells」31巻, Wilson and Bck, 1993.
Elesvier 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、この文献の第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。
D・t≦λ・15μm (54)
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。従って、例えば、τ=75μmの場合、D≦λ/5で、十分な透過率が得られることになる。
nP=(n0′+nLC′)/2 (55)
をほぼ満足するときである。
n0′≦nP≦nLC′ (56)
とすればよい。
D・t≦λ・60μm (57)
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16bを構成する高分子と液晶分子16aとの境界での光の反射、即ち高分子分散液晶層16の透過率の減少は、およそ上記の高分子と液晶分子16aとの屈折率の差の2乗に比例するからである。上記(57)式でt=75μmとすれば、D≦0.8λとなり、およそD≦λであればよいことになる。
D・t≦λ・15μm・(1.585−1.45)2/(nu−nP)2 (58)
であればよい。但し、(nu−nP)2は、(nLC′−nP)2と(n0′−nP)2とのうち、大きい方である。
0.1≦ff≦0.999 (59)
とする。一方、ffは小さいほどτは向上するので、上記(58)式はゆるめられる場合もあり、好ましくは、
4×10-6〔μm〕2
≦D・t
≦λ・45μm・(1.585−1.45)2/(nu−nP)2 (60)
とする。なお、tの下限値は、図13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、即ち4×10-6〔μm〕2となる。
4×10-6〔μm〕2
≦D・t
≦λ・450μm・(1.585−1.45)2/(nu−nP)2 (61)
7nm≦D≦500λ (62)
とする。
nox=noy=n0=1.5
nz=ne=1.75
nP=1.54
ff=0.5
D=50nm
t=125μm
λ=500nm
nLC′=nLC=1.5833
nA=1.5617
nB=1.52
f1=∞
f2=599.5mm
φ=5mm
λ・45μm・(1.585−1.45)2/(nu−nP)2
=500nm・45μm・(0.135)2/(0.0433)2
≒218712nm・μm
となる。また、D・tは、
D・t=50nm・125μm=6250nm・μm
となり、確かに上記(60)式を満足する。
例えば、重フリント系のガラスがこれに該当する。そして、液晶レンズが凸作用なら、基板の少なくとも一方を凹レンズ、液晶レンズが凹作用なら基板の少なくとも一方を凸レンズとするのが良い。
従って、液晶可変焦点レンズVFL1,VFL2を含むレンズ系の屈折率を変化させた場合、色収差の変動を減らすためには、液晶可変焦点レンズVFL1,VFL2のいずれか一方のアツベ数νdが大きい状態の時には、他方のアツベ数νdも大きい状態で用いるのがよい。逆に、一方のアツベ数νdが小さい状態の時には、他方のアツベ数νdも小さい状態で用いるのが良い。そして、このレンズ系を色収差の少ない凸レンズとして作用させるには、凸レンズを構成する方の液晶のアツベ数νdを大きく、凹レンズを構成する方の液晶のアツベ数νdを小さく選ぶのが良い。図21で言えば、凸レンズに左側のグラフで示されるような特性の液晶を、凹レンズに右側のグラフで示されるような特性の液晶を用いるのが良い。なお、図21のE7,MBBAは何れも液晶の名称である。凸レンズと凹レンズに用いる液晶のグラフは、液晶の屈折率ndの小さいところで交わっていても良く、要するにある屈折率範囲に於いて凹レンズの液晶のグラフの方が凸レンズの液晶のグラフより右にあれば良い。そして更に、色収差を除去するためには、液晶のアツベ数νdは50を超えないことが望ましい。図20を参照して、VFL1の焦点距離をf1、VFL2の焦点距離をf2とすると、色収差を除去するためには、下記条件
1/2<|f1/f2|<2 (63)
を満たすことが望ましい。何故ならば、図20の例で言えば、|f1/f2|が式(63)の上限を越えれば色収差は補正過剰となり、|f1/f2|が式(63)の下限を満たさなければ色収差は補正不足となるからである。
図24〜図26は、本発明による光学特性可変光学素子を電子カメラのファインダー部の対物光学系に組み込んだ構成の概念図を示す。図24は電子カメラ24の外観を示す前方斜視図、図25は同後方斜視図、図26は電子カメラ24の内部構成を示す断面図である。電子カメラ24は、この例の場合、撮影用光路25を有する撮影光学系26、ファインダー用光路27を有するファインダー光学系28、レリーズ29、フラッシュ30、液晶表示モニター31等を含み、カメラ24の上部に配置されたレリーズ29を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系32を通して撮影が行われる。撮影用対物光学系32によって形成された物体像が、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタ等のフィルタ33を介してCCD18の撮像面18a上に形成される。このCCD18で受光された物体像は、処理手段34を介し電子画像としてカメラ背面に設けられた液晶表示モニター31に表示される。また、この処理手段34にはメモリ等が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、このメモリは処理手段34と別体に設けてもよいし、フロッピーディスク等により電子的に記録書き込みを行うように構成してもよい。また、CCD18に代わって銀塩フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。
(1)捩れのピッチが使用光の波長の60倍以下の液晶を含み、該液晶に空間的に不均一な電場又は磁場又は温度を加えることにより屈折率分布を形成するようにして、電場又は磁場又は温度を変化させることにより屈折率分布を変えるようにした学特性可変光学素子。
(21)上記(1)乃至(20)の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用いた光学機器。
2 シール部材
3 ドーナツ状の電極
4,5 透明基板
6 配向膜
7 偏光板
8 電源
9 スイッチ
10 可変抵抗器
11 スメクティック液晶
12 コレステリック液晶
13 コイル
14 鉄芯
15 ヒータ
16 高分子分散液晶層
16a 液晶分子
16b 高分子セル
17 レンズ
18 固体撮像素子
19 強誘電性液晶
20 透明電極
21 液晶
22,23 自由曲面光学素子
24 電子カメラ
25 撮影用光路
26 撮影光学系
27 ファインダー用光路
28 ファインダー光学系
29 レリーズ
30 フラッシュ
31 液晶表示モニター
32 撮影用対物光学系
33,56 フィルタ
34 処理手段
35 ファインダー用対物光学系
36 カバーレンズ
37 絞り
38 ポロプリズム
39 視野枠
40 液晶表示素子(LCD)
41 記録手段
42 接眼光学系
43 電子内視鏡
44 光源装置
45 ビデオプロセッサ
46 モニター
47 VTRデッキ
48 ビデオディスク
49 ビデオプリンタ
50 挿入部
51 先端部
52 ライトガイドファイバー束
53 照明用対物光学系
54 カバー部材
55 観察用対物光学系
56 対物光学系
57 像反転光学系
58 接眼光学系
d ネマティック液晶の厚さ
E 電場
L 光線
P ネマティック液晶の捩れのピッチ
VFL,VFL1,VFL2 可変焦点レンズ(光学特性可変光学素子)
Claims (3)
- 自由曲面光学素子と光学特性可変光学素子を有する光学装置。
- 非回転対称面,面内面外共に対称軸を有しない面,光学作用面に回転対称軸を有しない面,面内面外共に対称面を一面のみ有する面の内の何れかと、光学特性可変光学素子とを備えた撮像装置。
- 複数の自由曲面プリズムと、その間に配置された可変焦点レンズを含む光学系を備えた光学装置。
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