JP4311782B2 - 光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のデジタルカメラ１７０は、図２２に示すように、ＣＣＤ５５、レンズ１７１、絞り１７３、シャッター１７４、レンズフォーカシング用ソレノイド１７５等をそれぞれ別体の部品として集めてこれらを組立てることにより作られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、部品点数が多くなり、組立ても面倒で、製品の小型化、高精度化、コストダウンに限界があった。
そこで本発明は、撮像素子、光学素子などの部品をリソグラフィー等の手法を用いて一体化することで、小型化、低コスト化しうる、デジタルカメラ、電子内視鏡、ＰＤＡ（携帯情報端末）、テレビ電話、ＶＴＲカメラ、テレビカメラ等の電子撮像系、電子表示系等又はそれらの一部を構成する板状ユニット等の光学装置の提供を課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明による光学装置は、光学特性可変光学素子と、自由曲面光学素子と、撮像素子と、表示素子と、電源と、マイクロプロセッサーと、メモリーと、電話機能を持つ回路と、透明基板を備え、前記光学特性可変光学素子、前記自由曲面光学素子、前記撮像素子、前記表示素子、前記マイクロプロセッサー、前記メモリー及び前記電話機能を持つ回路は、いずれも前記透明基板の表面上に設けられ、前記撮像素子と前記表示素子は分離して設けられ、前記光学特性可変光学素子は複数の電極を有する反射型の光学素子であって、該複数の電極に印加する電圧を変化させることで焦点距離が変化し、前記マイクロプロセッサーは前記印加する電圧を制御し、前記表示素子はリソグラフィープロセスを用いて形成されると共に、前記撮像素子によって撮像された画像を表示し、前記光学特性可変光学素子と前記自由曲面光学素子は、遠方の物体の像を所定の位置に形成する単眼の光学系、またはその一部を構成し、前記撮像素子は前記所定の位置に配置され、前記透明基板の表面、側面または内部であり迷光を除去する位置に、遮光用の膜が設けられている。
【０００５】
また、本発明による光学装置は、前記自由曲面光学素子が前記透明基板上に薄膜レンズ技術を用いて形成されたことが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光学装置の実施形態を図面を用いて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態を示す図である。本実施形態の光学装置は、レンズ１８１，１８２，１８３、プリズム１８４、ミラー１８５等を用いた電子撮像ユニット１８０として構成されている。なお、図中５２はアルミコーティングされた薄膜５３と電極５４から成る反射鏡、５５は固体撮像素子、５６は基板、５７は電源、５８はスイッチ、５９は可変抵抗器である。
【０００９】
反射鏡５２は、例えば、オプティックス コミュニケーションズ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ），１４０巻（１９９７年）１８７ないし１９０頁に示されているメンブレインミラーのように、薄膜５３と電極５４の間に電圧を印加すると静電気力により薄膜５３が変形してその焦点距離が変化するようになっており、これによりピント調整ができるようになっている。本実施形態の撮像装置では、物体からの光６０は、光学素子としてのレンズ１８１，１８２、プリズム１８４のそれぞれの入射面および出射面で屈折され、反射鏡５２によって反射され、ミラー１８５の反射面で反射され、レンズ１８３で屈折されてから固体撮像素子５５に入射するようになっている。
【００１０】
このように、本実施形態の光学装置は、光学素子１８１，１８２，１８４，１８５，１８３および反射鏡５２とで撮像光学系を構成している。そして、本実施形態の構成では、特に、各光学素子の面と肉厚を最適化することにより物体像の収差を最小にすることができるようになっている。
【００１１】
図１の光学装置において、反射鏡５２の形状は、非点収差等を補正するためにＹ軸方向に長い楕円形にするのがよく、具体的には、反射鏡５２への入射光と反射鏡５２からの出射光を含む平面と反射鏡５２とが交わる方向に沿って長い楕円形にするのがよい。また、図１の光学装置では、反射鏡５２と固体撮像素子５５とをそれぞれ別体で作って基板５６上に配置している。しかし、反射鏡５２はシリコンリソグラフィープロセス等で作ることもできるので、基板５６をシリコンで形成し、固体撮像素子５５と共にリソグラフィープロセスで反射鏡５２の少なくとも一部を基板５６上に形成してもよい。
【００１２】
これにより、固体撮像素子５５と共に光学素子の一つである反射鏡５２とが一体化されるので、小型化、低コスト化等の点で有利である。また反射鏡５２は固定焦点のミラーとして構成しても良い。この場合でも反射鏡５２はリソグラフィープロセスで作ることができる。なお、反射鏡５２、固体撮像素子５５、基板５６を合わせて板状ユニット１８６と呼ぶことにする。板状ユニットは光学装置の一例である。
【００１３】
又、図示を省略するが、基板５６上に表示素子の一つである反射型液晶ディスプレー又は透過型液晶ディスプレー等の表示素子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。なお、この基板５６は、ガラスあるいは石英等の透明物質で形成してもよい。その場合は、このガラス基板上に薄膜トランジスター等の技術を用いて固体撮像素子や液晶ディスプレーを形成すればよい。あるいは、これらの表示素子を別体で作り、基板５６上に配置してもよい。
【００１４】
光学素子１８１，１８２，１８４，１８５，１８３は、プラスチックモールドやガラス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、本実施形態の撮像装置では、レンズ１８１のみがプリズム１８４から離れて形成されているが、レンズ１８１を設けることなく収差を除去することができるように光学素子１８２，１８３，１８４，１８５，５２を設計すれば、反射鏡５２を除く光学素子は一つの光学ブロックとなり組立てが容易となる。
【００１５】
図２は、本発明の第２実施形態を示す図である。
本実施形態の撮像装置では、一つのシリコン基板１８７の上に反射鏡５２、マイクロマシン技術で作られた静電気力で動くマイクロシャッター１８８、撮像素子５５等は、リソグラフィープロセスで作られている。
そして、このシリコン基板１８７とモールドで作った自由曲面プリズム１８９とを組合わせれば、光学装置として小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８０が出来上がる。
なお、マイクロシャッター１８８は、絞りを兼ねることもできるようになっている。
【００１６】
自由曲面プリズム１８９は、プラスチックモールドで作ると安価にできる。また、自由曲面プリズム１８９をエネルギー硬化型樹脂で作れば、熱可塑性樹脂で作るよりも耐久性があるので好ましい。
また、自由曲面プリズム１８９を赤外光を吸収する性質の材質を用いて構成して、赤外カットフィルター効果を持たせてもよい。
あるいは、自由曲面プリズム１８９の光路中のいづれかの面に赤外光を反射する干渉膜を設けて、赤外光をカットするようにしてもよい。
ミラー１９０は、シリコン基板１８７を凹面に加工し、アルミコートすることによって形成されている。
マイクロシャッター１８８は、例えば、特開平１０−３９２３９号の図８，図９に示されているようなシャッターを改良したものを用いることができる。
【００１７】
図３は図２の光学装置を上方から見た、マイクロシャッター１８８付近の拡大図である。
マイクロシャッター１８８は、固定電極１９１と遮光板１９２のそれぞれに設けられた電極１９３に電位差を与えることによって、静電気力で二つの遮光板１９２を左右に開いたり閉じたりすることができるようになっている。
ここで、二つの遮光板１９２のそれぞれに、他方の遮光板１９２に近い側の中央に三角形の凹部を設け、かつ二枚の遮光板１９２を段違いに設置して、遮光板１９２を途中まで開いた状態で撮像を行えば絞りとして動作し、遮光板１９２を完全に閉じればシャッターとなるようになっている。
電源１９６は＋−の極性を変えることができるようになっており、それに伴い、二つの遮光板１９２は逆方向に動くようになっている。また、二つの遮光板１９２は、完全に閉じた時には図２に示すように多少重なるように設計されている。
マイクロシャッター１８８は、リソグラフィープロセスで反射鏡５２、固体撮像素子５５と共に一緒に作ることができるというメリットがある。
なお、マイクロシャッター１８８としては、上記以外にも、特開平１０−３９２３９号の図４７に示すようなマイクロシャッターを用いてもよい。
あるいは、本実施形態の撮像装置に用いるシャッターとして、通常のフィルムカメラのシャッターのように、バネで動作するシャッターを製作して、これをシリコン基板１８７に設置してもよい。
【００１８】
また、本実施形態の撮像装置を、例えば、図２に示すように、別途に絞り１９７を設けた構成としてもよい。
絞り１９７としては、フィルムカメラのレンズに用いるような虹彩絞りでもよく、または、図４に示すような複数の穴あき板をスライドさせるような構成のものでもよい。
あるいは、絞りの開口面積の変わらない固定絞りであってもよい。
また、絞りとしては、マイクロシャッター１８８を絞りとしてのみ動作させ、シャッター機能については、固体撮像素子５５の素子シャッターを用いて果たすようにしてもよい。
また、本実施形態の撮像装置を、電極５４、ミラー１９０、マイクロシャッター１８８、撮像素子５５の少なくとも一つを別部品として作り、残りの部材と共に一つの基板上に配置した構成としてもよい。
なお、本実施形態の撮像装置を、図５に示すように、光学特性可変光学素子の一つである反射鏡５２の別の一例として、液晶可変焦点レンズをミラーの前面に配置した液晶可変ミラー２５２等を配設した構成としてもよい。
【００１９】
図５は、液晶可変ミラー２５２を用いた撮像装置の一例（撮像装置２５３）を示す図である。
液晶可変ミラー２５２は、透明電極２５４とフレネルレンズ状の基板２５５の表面にコートされた電極２５６との間にツイストネマチック液晶２５７を配置した構成となっている。ツイストネマチック液晶２５７のらせんピッチＰは、
Ｐ ＜ ３λ ・・・（１）
を満たすようになっている。ここで、λは光の波長である。
式（１）を満たすとき、ツイストネマチック液晶２５７は入射光の偏光方向によらず屈折率がほぼ等方的になるので、偏光板を設けることなくボケのない可変焦点ミラーが得られる。
なお、低コストのデジタルカメラなどでは、ツイストネマチック液晶２５７のらせんピッチＰが、
Ｐ ＜ １５λ ・・・（２）
であっても実用上は使用できる場合もある。
【００２０】
図６は、本発明の第３実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２０４は、透明基板１９８に反射型ＬＣＤ１９９、反射鏡５２、固体撮像素子５５を設け、かつ光学ブロックである自由曲面プリズム１８９を組合せた構成となっている。
透明基板１９８には、光学素子であるレンズ２００、ローパスフィルター２０１、ＩＣ２０３も合わせて設けられており、これらにより透明な板状ユニット２０２を形成している。
ＩＣ２０３は、反射型ＬＣＤ１９９、反射鏡５２、固体撮像素子５５等をドライブするＩＣ、あるいは制御、演算を行なうＣＰＵ、メモリー等の機能をもつＬＳＩである。
固体撮像素子５５、反射鏡５２、反射型ＬＣＤ１９９、ＩＣ２０３を、それぞれ別途に製作して、透明基板１９８に貼りつけてもよいが、透明基板１９８の表面にアモルファスシリコン、低温ポリシリコン、連続粒界結晶シリコン（’９８．１．１４付朝日新聞）等を材料として薄膜トランジスター技術を用いて形成すれば、小型化、軽量化、高精度化の面で有利である。
【００２１】
図７は、本実施形態の光学装置２０４に用いるローパスフィルター２０１の斜視図である。
ローパスフィルター２０１は、瞳分割型のローパスフィルターであり、捩じれ関係にある二つの平面より構成されている。なお、このローパスフィルター２０１も光学素子の一つである。
その他、本実施形態において透明基板１９８は、ガラス又は樹脂のモールドで作るのが良い。
【００２２】
本実施形態の光学装置２０４は、光を反射、屈折する面を自由曲面プリズム１８９、透明な板状ユニット２０２の両方に設けることができる点で、収差の補正がしやすく、図２に示す実施形態の撮像ユニット１８０よりすぐれている。
なお、レンズ等の光学素子は、例えばレンズ２００ｂのように、透明部材の表面に曲面状の樹脂薄膜２０５を貼りつけて作ってもよい。このような方法を薄膜レンズ技術という。
【００２３】
図８は、本発明の第４実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２０７は、透明な板状ユニット２０２と板状ユニット１８６とを組合せることにより構成されている。
なお、透明基板１９８とは別体にレンズ２０８を設けると、収差補正の自由度がふえるので、収差補正上有利であるが、レンズ２０８は設けなくてもよい。
透明な板状ユニット２０２には、ディスプレー２０９、ＩＣ２０３が設けられ、さらに薄膜レンズ技術により製作したレンズ２１０，２１１が設けられている。なお、レンズ２１２は、透明基板１９８を製作する際にモールドの技術で透明基板１９８に一体形成されている。
板状ユニット１８６は、図２に示す実施形態の板状ユニット１８６と同様に構成されている。
斜線部２１４は、迷光を除くための黒い遮光用の膜であり、Ｃｒ−ＣｒＯ2 −Ｃｒの三層蒸着、黒い塗料の塗装、あるいは印刷等で作れられている。
なお、斜線部２１４は、必要に応じて、透明基板１９８の表面、側面、内部に設ければよく、設けなくてもよい場合もある。
【００２４】
ディスプレー２０９の一例である液晶ディスプレーは薄膜トランジスター技術でガラス等の透明基板上に作ることができるが、固体撮像素子５５等はシリコン基板上でないと作りにくい。
本実施形態の光学装置２０７は、固体撮像素子５５、ディスプレー２０９を設けるべき基板を分けて構成したので、同一の基板上に作るよりもコストが安くできる。
なお、本実施形態の光学装置２０７の透明基板１９８あるいはレンズ２１１の材質に赤外光吸収効果を持たせて、赤外カットフィルターの役割を持たせるようにしてもよい。あるいは、薄膜５３又はレンズ２１２又は透明基板１９８等の表面に赤外カット機能を有する干渉膜を設けてもよい。
さらに、本実施形態の光学装置２０７は、固体撮像素子５５を取り除き、光学系にたとえばオペラグラスのような観察機能を持たせた表示装置として構成されてもよい。
【００２５】
図９は、本発明の第５実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２４６は、板状ユニット２４５と自由曲面プリズム１８９とを組合せることにより構成されている。
板状ユニット２４５は、一つの基板２４０の上に、低品質のシリコン等からなる基板２４１に反射鏡５２とミラー１９０とマイクロシャッター１８８を形成した板状ユニット２４３と、高品質のシリコンからなる基板２４２に基板２４０とＩＣ２０３を形成した板状ユニット２４４とを配設して構成されている。
固体撮像素子５５、ＩＣ２０３等は高品質のシリコン上でないと形成しにくいが、ミラー１９０、マイクロシャッター１８８、反射鏡５２等は低品質のシリコンでもよい。
本実施形態の光学装置２４６によれば、光学ユニットである板状ユニット２４３，２４４を品質の異なる別個の基板に形成したので、その分、高品質のシリコンの使用量を減らすことができ、コスト上有利である。
自由曲面プリズム１８９には、足２４７，２４８が設けられており、足２４７，２４８は、板状ユニット２４５と一体化する時、各面間の光学的長さを所望の設計値通りに調整できるようになっている。
【００２６】
図１０は、本発明の第６実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置は、自由曲面プリズム１８９に板状ユニット２４３と固体撮像素子５５とを組合せてデジタルカメラ用撮像装置を構成している。
本実施形態の光学装置によれば、固体撮像素子５５を低品質のシリコン等からなる基板２４１から分離して構成したので、固体撮像素子５５として市販のＣＣＤ等を使うことができ、コストを低減することができる。
なお、図示していないが、本実施形態の光学装置にさらに別に液晶ディスプレー等を設けて、デジタルカメラのファインダーとして用いるとよい。
【００２７】
また、本実施形態において反射鏡５２とミラー１９０とマイクロシャッター１８８とを一枚の基板上に配置するかわりに、図１１に示すように、それぞれ別体に自由曲面プリズム１８９の周囲に配置してもよい。
この場合、反射鏡５２、ミラー１９０、マイクロシャッター１８８等の光学部品を別個に作ることができるので、それらの部品を他製品の部品と共通化することが可能になる。また、それぞれの光学部品の歩留り（製作時の合格率）が悪い場合でも、良い部品だけを集めて製品を作ることができるので、それぞれの光学部品を一枚の基板上に作る場合と比べて製品としての歩留りを向上させることができる。
【００２８】
また、図１０に示すように、固体撮像素子５５の前面に透過率可変素子の一つである液晶シャッター２４９を配置しても良い。
この場合、マイクロシャッター１８８は絞りとして動作させてもよいし、液晶シャッター２４９と合わせてシャッターとして動作させてもよい。あるいは、マイクロシャッター１８８を省いて、液晶シャッター２４９と固体撮像素子５５の素子シャッター機能とでシャッターの動作をさせてもよい。
なお、液晶シャッター２４９には機械的可動部が無いので、マイクロシャッター１８８を省いた構成とすれば、機械的な構造を簡単化できる。
【００２９】
図１２は、本発明の第７実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２１７は、可動光学素子の一例である足付きレンズ２１６を設けた構成となっている。なお、光学装置２１７は、足付きレンズ２１６の他に、透明基板１９８に、固体撮像素子５５、自由曲面プリズム１８９を組合せた構成となっている。
足付きレンズ２１６は、レンズ２１８の下にフリースペースオプティックス（M. C. Mu, L. -Y. Lin, S-S. Lee, K. S. J. Pister 著 Sensors and Actuators A50 (1995) 127-134 等を参照）のマイクロマシン技術等で作った足２１９が付いて構成されている。
足２１９は、後述の図１７に示す電極１９３ｂに相当する、静電気力でスライドする電極２１９ｂ（図１３）に接続されており、電極２１９ｂがスライドすることにより、図１３に示す角θが変化するように作られている。足２１９との交点Ｐ1，Ｐ2は、角θが変化するとき、透明基板１９８の表面上を動くようになっている。そして足付きレンズ２１６は、足２１９の角θを変えてレンズ２１８と透明基板１９８との距離Ｚを変えることでピント調整ができるようになっている。
なお、図１２に示す透明基板１９８と自由曲面プリズム１８９との間には、物体からの光６０が点Ａにおいて全反射するように、わずかに空気間隔が設けられている。
また、図１３は、本実施形態の変形例として足付きレンズ２１６と透明基板１９８と固体撮像素子５５とを組合せてなるシンプルな構成の撮像装置の一例を示す図である。
【００３０】
図１４は、本発明の第８実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置は、観察装置の一例として、デジタルカメラのファインダーを構成している。本実施形態の光学装置は、図１２、図１３に示す足付きレンズ２１６のレンズ２１８をミラー２１８Ｂでおきかえた足付きミラー２１６Ｂを備えた構成となっている。
なお、本実施形態の光学装置は、足付きミラー２１６Ｂの他に、透明基板１９８とレンズ２１１とからなる板状ユニット１８６と、自由曲面プリズム１８９を備えている。
本実施形態の光学装置は、足２１９をスライドさせてミラー２１８Ｂと透明基板１９８との距離Ｚを変えることで視度調整を行なうことができるようになっている。
【００３１】
図１２、図１３に示す足付きレンズ２１６は、可動光学素子の一つである可動レンズの一例として用いたものである、可動レンズの他の例としては、静電レンズがある。
図１５は、本発明の実施形態に用いる可動レンズの他の例を示す静電レンズの構成概要図である。
静電レンズ２２０は、レンズ２１８、電極２２１，２２２、ダンパー２２３などを備えた構成となっている。この静電レンズ２２０は、電極２２１と電極２２２との間に電圧を掛けることにより、静電気力でレンズ２１８と透明基板１９８との間の距離を変えてピント合わせ、ズーミング等に用いることができるようになっている。なおダンパー２２３は、レンズ２１８を保持し、かつレンズ２１８が移動するときの衝撃を緩和するようになっている。
なお、レンズ２１８を図１６に示すようなミラー２２５におきかえて可動ミラー２２６とし、これを本発明の実施形態に用いる可動光学素子としてもよい。
【００３２】
図１６は、本発明の第９実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２２８は、光学特性可変光学素子の一つである反射鏡５２、可動光学素子の一つである可動ミラー２２６、可動光学素子の一つである可動レンズの一例である自走レンズ２２７を備えた構成となっている。また、光学装置２２８は、その他にシリコン基板１８７と自由曲面プリズム１８９を備えている。
そして光学装置２２８は、反射鏡５２の焦点距離、自走レンズ２２７、ミラー２２５の位置を変えることによってＺＯＯＭとフォーカスとを行うことができるようになっている。
なお、本実施形態に用いる自由曲面プリズム１８９を、赤外光を吸収する材料を用いて赤外カット効果を持たせるようにしてもよい。
自走レンズ２２７は、図１７に示すように、電極１９３ａ，１９３ｂと、電極１９３ｂに固定されたレンズ２１８とを備えて構成されており、くし状の二つの電極１９３ａ，１９３ｂの間に電位差を与えて静電気力で電極１９３ｂに固定されたレンズ２１８を動かすことができるようになっている。
【００３３】
ところで、近年、デジタルカメラの小型化が望まれており、特に、薄いカード型のデジタルカメラは携帯性に優れ便利である。
しかし、図２２に示すような従来の光学系と電気系を組合せた撮像装置では小型化に限界があった。
そこで、本発明では、薄いカード型デジタルカメラ等に用いる撮像装置、光学装置を提供することもできるようにしている。
【００３４】
図１８は、本発明の第１０実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置は、板状ユニットに光学ブロックの一つである自由曲面プリズム２３０を組合せた撮像ユニット２３１を用いてデジタルカメラ２３２を構成している。デジタルカメラ２３２には、その他に、例えば液晶ディスプレーなどのディスプレー２０９が設けられている。
そして、本実施形態のデジタルカメラ２３２は、撮像ユニット２３１がデジタルカメラ２３２の厚さ方向と平行な方向に位置する物体を撮像することができるようになっている。
図１９、図２０は、自由曲面プリズム２３０の形状を詳しく示した図で、図１９は自由曲面プリズム２３０を上方からみた図、図２０は自由曲面プリズム２３０を物体側からみた図である。
自由曲面プリズム２３０は、物体からの光６０を反射面Ｒ１によって反射し、ＸＹ平面内で、且つ、反射鏡５２に向かう方向に向きを変え、反射鏡５２により反射された後に、反射面Ｒ２で反射されて固体撮像素子５５と結像することができるように形成されている。
このように物体から自由曲面プリズム２３０に入射する入射光６０と自由曲面プリズム２３０を出射して固体撮像素子５５に入射する光線ｍとが捩じれの関係になるように自由曲面プリズム２３０の形を作れば、デジタルカメラ２３２の厚さを固体撮像素子５５の巾Ｗと同程度に薄型化することができる。
なお、自由曲面プリズム２３０のかわりに、固体撮像素子５５に入射する光線ｍと物体からの入射光６０とが捩じれの関係になるように、通常用いるレンズ、プリズム、図２に示す光学ブロック１８９のような自由曲面プリズム等の光学素子を配置して光学系を形成してもよい。
また、自由曲面プリズム２３０の光路中の面に、赤外光をカットする干渉膜２３３を設けて赤外光をカットするようにしてもよい。
【００３５】
図２１は本発明の第１１実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置は、図１８に示すデジタルカメラとは別の一例で、図２に示す小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８０を用いてデジタルカメラ２３４を構成している。
そして、本実施形態のデジタルカメラ２３４は、小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８０がデジタルカメラ２３４の厚さ方向と直角方向の物体が撮像できるようになっている。
本実施形態のデジタルカメラ２３４によれば、小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８０が、物体からの入射光６０とデジタルカメラ２３４の厚さ方向とが直交するように配置されているので、デジタルカメラ２３４の厚さを薄くすることができる。
なお、デジタルカメラの撮像系には、図１８，図２１に示す撮像ユニットの他に、本発明の板状ユニット、装置のいづれを用いてもよい。
また、本発明の板状ユニット、装置は、デジタルカメラ以外、例えばＰＤＡの光学系、撮像装置に用いてもよい。
【００３６】
ところで、近年、電子カメラ、ビデオカメラ等の電子撮像装置が増えてきている。それらは図３３に示すように、固体撮像素子１にレンズ系２を組み合せたものがほとんどであった。
しかしながら、上記のものは構造が複雑なため、部品点数が多く、組み立ても面倒で、小型化、コストダウンに限界があった。
そこで、本発明では小型でコストの安い電子撮像装置を提供することもできるようにしている。
【００３７】
上記目的を達成する本発明の光学装置は、一枚の透明基板の表面に少なくとも撮像素子と光学素子とを配設し、それ自体で、あるいは別部品を追加することにより撮像機能を有するようになっている。
【００３８】
図２３は、本発明の第１２実施形態を示す図である。
第１２実施形態の光学装置は、ガラス、結晶、プラスチック等からなる一枚の透明基板３の両面に、光学素子である自由曲面４、６、回折光学素子（以下、ＤＯＥという）５を形成し、さらにシリコン薄膜技術等を用いて固体撮像素子１を形成したものである。これを板状撮像ユニット７と呼ぶ。自由曲面とは、非回転対称面で構成される面であり、さらに、対称面を一面のみ有するもしくは対称面を有しない曲面である。自由曲面は、屈折作用、反射作用のいずれにも用いられる。本実施形態では、図示しない物体からの光７’は自由曲面４で屈折され、オフアクシス型ＤＯＥ５で偏向、反射され、自由曲面６で反射し、固体撮像素子１上に結像する。自由曲面４、６、ＤＯＥ５で収差の補正がなされているので、固体撮像素子１には通常のレンズ系で結像したのと同様の良好な画像が入射する。自由曲面４、６はモールド等の方法で、またＤＯＥ５はモールドあるいはリソグラフィ等の方法で、固体撮像素子１と同時に形成してもよい。固体撮像素子１は透明基板３の上に直接リソグラフィの手法で形成してもよいが、それが難しい場合には固体撮像素子１を別個に製作しておきあとで透明基板３と一体化してもよい。あるいは、図示していないが、板状撮像ユニット７の外部にレンズ等の部品を追加し、それらと板状撮像ユニット７とで撮像機能を有するように構成してもよい。
【００３９】
図２４は、本発明の第１３実施形態を示す図である。
第１３実施形態の光学装置は、第１２実施形態における撮像ユニット７を、ＴＦＴ液晶ディスプレー８、周辺回路のＩＣ９、マイクロプロセッサ１０と一緒に透明基板３の上に形成した、携帯情報端末装置用のユニットである。撮像ユニット７にはさらに、メモリ、電話等の機能をもつＩＣ（ＬＳＩ）を一緒に形成してもよい。また、透明基板３には電子撮像装置のファインダー１１も形成してある。これは、透明基板３上に視野枠を設けただけの簡単なものでもよいし、図２５に示すように透明基板３の両面に凹レンズ１２、凸レンズ１３を設け、ガリレオ望遠鏡型のファインダーとしたものなどでもよい。あるいは、凹レンズ１２、凸レンズ１３の少なくとも一方を透明基板３の外部に設け、透明基板３上のレンズと合わせてファインダーとしてもよい。
【００４０】
図２６は、本発明の第１４実施形態を示す図である。
第１４実施形態の光学装置は、焦点調整の可能な板状撮像ユニットである。板状撮像ユニット１４で焦点調節をおこなう場合、図２３に示したＤＯＥ５、自由曲面６等の位置を機械的に動かすことは不可能である。そこで、本実施形態の板状撮像ユニット１４では、焦点距離が可変の光学素子１５を用いている。図２７は光学素子１５の一例を示し、高分子分散液晶１６を用いた可変焦点ＤＯＥ１７である。透明基板１８の少なくとも一方の面に光の波長程度の溝が形成されており、透過電極１９に電圧を加えると液晶分子２０の方向は図２８に示すように揃うので、高分子分散液晶１６の屈折率は下がる。一方、電圧を加えなければ液晶分子２０の方向はランダムなので高分子分散液晶１６の屈折率は上がる。したがって、可変焦点ＤＯＥ１７は電圧のＯＮ、ＯＦＦで焦点距離を切り替えることができる。高分子分散液晶１６は、液晶分子２０に対する重量比をある程度以上（たとえば２５％以上）に大きくすればほぼ固体になるので、高分子分散液晶１６の右側には基板を設けなくてもよい。また、図２９に示すように高分子分散液晶１６の右側の面および透明基板１８の左側の面を曲面２１にして、レンズ作用、収差補正に用いてもよい。図２７および図２９に示した例では、ともに、透明基板１８の右側の面をＤＯＥ面でなくフレネル面としてもよい。このときＤＯＥ１７は可変焦点フレネルレンズとして作用する。さらに、図５４に示すように、透明基板１８の右側の面を通常のレンズのような曲面としてもよい。
【００４１】
また、上述した透明基板３、１８には赤外カットフィルタの効果をもたせてもよい。
図３０は、本発明の第１５実施形態を示す図である。
第１５実施形態の光学装置は、反射型の可変焦点フレネルミラー２２を用いた板状撮像ユニットである。可変焦点フレネルミラー２２は、図３１に示すように反射面２３が設けられており、電圧の可変をスイッチ２４の開閉または可変抵抗２５でおこなうことによってフレネル面２６の屈折力が変わるので可変焦点のフレネルミラーとして動作する。フレネル面２６の代わりにＤＯＥとしてもよい。
【００４２】
なお、上記の実施形態における可変焦点ＤＯＥ１７、フレネルミラー２２は、板状撮像ユニット７に用いるのみならず、図３２に示すように通常の撮像装置あるいは厚さの異なる光ディスク用の可変焦点レンズ、電子内視鏡、ＴＶカメラ、フィルムカメラ等に用いてもよい。また、用いる液晶としてはトラン系の液晶たとえば大日本インキＤＯＮ−６０５：Ｎ−１（日化協月報１９９７年２月号ｐ．１４〜ｐ．１８）等を用いると光学的異方性が大きく（Δｎ＝０．２８３；Δｎは光学的異方性を表し、屈折率楕円体の主軸の長さの差である）、液晶の粘性が低く、高速の焦点距離の切り換えができなおよい。
次に、電子撮像系のひとつである電子内視鏡あるいはファイバスコープ、硬性鏡等の内視鏡あるいは工業用検査装置に用いられるライトガイド用の光源光学系について述べる。
【００４３】
従来技術では図３４に示すように、ライトガイド３１の手前に非球面レンズ３２があり、ランプ３３からの光をライトガイド３１の端面に集めるようになっている。ランプ３３はランプ以外の光源たとえば半導体レーザ等でもよい。ライトガイド３１の入射面の法線に対して入射光がなす角をθとし、入射光強度をＩとすると、θとＩとの関係は図３５に示すようになる。Ｉの値はθに対してほぼ一定値を保っておりθL のところで光線がなくなるので０になる。入射光束の立体角を考えれば入射光エネルギーが最大となるのはθ＝θL の近傍である。したがってライトガイド３１は入射角θL の光を伝達できるよう、
ＮＡ ≧ θL ・・・（３）
を満たすことが必要であった。しかし、ＮＡを大きくするにつれてライトガイドのガラスが黄色に着色し、色再現の低下、伝送光量の低下を生ずる欠点があった。
【００４４】
以下、上記の従来技術の問題点を解決し得る光源光学系について説明する。
第１の例は、図３６に示すように、ＤＣＣレンズ３４を配設し、ランプ３３からの光束のうち中心と周辺とをＤＣＣレンズ３４の側面３４’での全反射により反転させ、集光レンズ３５に入射させるものである。なおＤＣＣレンズ３４とは、K.Kono et al.:Opt. Rev. 4(1997)423. に説明があるとおり、両端が円錐形にへこみ側面が光を反射する円筒状の光学素子であり、入射光を側面３４’にて全反射させるかあるいは側面に金属膜を付けて反射させ、入射光束のうち中心の光線ａと周辺の光線ｂとを反転し、集光レンズ３５の周辺に光線ａが、集光レンズ３５の中心に光線ｂが入射するようにする。このようにすると、θとＩとの関係は図３７に示すように、中心では高く（理論的には無限大）周辺では低く（理論的には０）なるので、ＮＡの小さいライトガイドでも大量の光量を伝送でき、前述の問題点が解消する。なお、ＤＣＣレンズ３４はガラス、プラスチック、ゴム等の透明物質の成形あるいは研削で作ることができる。図３６に示した形状のＤＣＣ３４が加工しにくい場合は、図３８に示すように、二つの部材３６、３７に分割して作ってもよく、とくに同形の二つの部材に分割して作れば型が共有できコスト的に有利である。
【００４５】
ＤＣＣレンズの設計例を以下に示す。図３９に示すように、ＤＣＣレンズ３４の中心厚をｔ、屈折率をｎ、入射光束高（＝射出光束高）をｈ、ＤＣＣレンズの頂角の１／２をα、φを下記式（５）で定義すると、
ｔ＝｛１−cot α・cot （α＋φ）｝・ｈ／cot （α＋φ） ・・・（４）
sin φ＝cos α／ｎ ・・・（５）
の関係がある。ここで、ｎ＝１．５３、ｈ＝１２．７mm、α＝４５°とすると、φ＝２７．５２７°、ｔ＝２７．６４５mmとなるが、ＤＣＣレンズ３４の直径Ｄを、やや余裕をみて３０mmとすると、ｔは下記式（６）のｔ’ほど大きくする必要がある。
【００４６】
ｔ’＝（Ｄ／２−ｈ）・tan （９０°−α−φ） ・・・（６）
したがって、ｔ＝２８．３６９mmとするのがよい。一方、Ｄを２ｈより大きくしすぎるとコスト的に不利で、
Ｄ≦３ｈ＋５ ・・・（７）
を満足させるのがよい。したがってｔは、下記条件（８）を満たすように決めるのがよい。
【００４７】
０．６×｛（１−cot α・cot （α＋φ）／cot （α＋φ）｝×ｈ≦ｔ≦
｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ＋５（Ｄ／２−ｈ）・cot （α＋φ） ・・・（８）
条件（８）の下限を下回ると光源中心付近の光束のケラレが生じ損であり、上限を上回ると光源周辺の光束のケラレが生じ損である。以上のように、ＤＣＣレンズの中心厚ｔは上記条件（５）、（８）を満たすように決めるとよい。なお、図３８に示したようにＤＣＣレンズ３４を二つに分割して製作した場合でも、その中心厚ｔとして３６と３７のそれぞれの中心厚の和をとれば上記条件（５）、（７）、（８）を適用できる。また、図４０に示すようにランプ３３の中心部のフィラメントが原因でランプ３３からの射出光束の中心部が黒く抜けてしまう場合がある。つまり、直径ｄの斜線部の光エネルギーがないのである。しかし、この場合もＤＣＣレンズ３４によって射出光束の黒い抜けをなくすことができる。
【００４８】
第２の例は、図４１に示すように、ＤＣＣレンズを二つに分割した一方の部材３８を凸レンズ作用をもつ曲面としたものである。この場合は集光レンズを省略できるのでコスト低減ができるメリットがある。部材３８の断面の凸カーブ３８’の半径をＲ、省略する集光レンズの焦点距離をｆ、部材３８の屈折率をｎとすると、
１／ｆ≒（ｎ−１）／Ｒ ・・・（９）
を満たすようにＲを決めればよい。本実施形態においても部材３６、３８を一体とする形状にしてもよい。また、同様にランプ３３からの射出光束が平行光束でない場合は部材３６の入射面３６’の断面形状を曲面にして、部材３６内を通る光束が平行光束になるようにしてもよい。上記の他、部材３６の射出面、部材３８の入射面をそれぞれ曲面とすることも可能である。
【００４９】
以上に説明した光源光学系によれば、ＮＡが比較的小さく着色の少ないライトガイドでも大量の光量を伝送できる。
次に、微小レンズを基板上に整列させる方法について述ペる。
【００５０】
内視鏡などに用いられるライトガイド用の光源装置において、一般的には図４２に示すように、ライトガイド１０４の端面に凹レンズ１００を配置する光学系が知られている。また、ライトガイド光学系を大きくすることなく配光特性を向上させる方法として、従来技術では図４３に示すように、球状レンズ１０１を基板１０２上に２次元的にアレイ状に並べた球状レンズアレイ１０３をライトガイド１０４の端面に設ける方法が考えられている。良好な配光特性を得るには、図４４に示すように、球状レンズ１０１が稠密に並んでいることが望ましい。しかしここで用いられる球状レンズは数μｍ程度であり、このような微粒子を稠密に整列させる手段として重力を利用する方法が考えられるが、直径１μｍ〜数十μｍ程度の微粒子を重力を用いて２次元的に規則正しく整列させるのは極めて困難である。また、工業的に量産を考えると、短時間で比較的面積の大きな基板に形成させる必要が生ずる。
【００５１】
以下、上記の従来技術の問題点を解決し得る方法について説明する。
球状部材を分散させた液体中に基板を入れ、基板を液体から引き上げる際、境界付近では液体の表面張力と液体の蒸発に伴う流れが発生し微粒子が基板上に結晶状に整列する、自己集積現象が知られている（K.Nagayama ed.:“Protein Array -An Alternative Biomolecular System", Adv. Biophys.(Tokyo) 34(1997),Japan Scientific Soc．Press ）。第１の例は、微小レンズを基板上に整列させる手段としてこの自己集積現象を利用するものである。図４５に示すように、微小球状レンズ１０１を分散させた液体１０５の中に、基板１０２となる部材を浸し、基板１０２を垂直または水平に引き上げ液体を蒸発させることによって、微小球状レンズ１０１を基板１０２上に稠密に整列させ、球状レンズアレイを製作することができる。
【００５２】
第２の例は、図４６に示すように、基板１０２上に球状レンズ１０１を分布させ、基板１０２を振動させることにより、球状レンズ１０１を基板１０２に整列させることができる。
【００５３】
以上に説明した方法により整列させた球状レンズを接着剤等で固定すれば、規則正しく並んだ球状レンズアレイを容易に製作できる。特に、比較的広い面積の基板でも容易に製作でき工業的にもメリットがある。
【００５４】
また、図４７に示すように球状レンズアレイ１０３を２層にすると、さらに配光特性が向上する。図４８は、光源装置の配光特性すなわち射出光の角度θに対する強度Ｉの分布を示す。実線はライトガイド１０４の端面に凹レンズを配置した場合、破線は上記第１、第２の例の単層レンズアレイを配置した場合、一点鎖線は図４７に示した２層レンズアレイを配置した場合を示し、２層レンズアレイを配置した場合は配光特性が向上している。
【００５５】
また、本手法で製作された球状レンズアレイは、図４９に示すように、液晶表示素子のバックライトの集光にも適用できる。本図において、バックライト１０９からの光束は球状レンズアレイ１０３を透過し液晶表示素子１１０を照明する。これによってバックライト１０９からの光を効率よく集光でき、明るい液晶表示素子を実現できる。
【００５６】
さらに、図５０に示すように、ＣＣＤなどの撮像素子１１１の直前に本手法で製作した球状レンズアレイ１０３を設けることによって、撮像素子の開口効率が大幅に向上する。
【００５７】
なお、基板上に整列した微小粒子を固定する方法としては、図５１に示すように、接着剤１１３の使用が考えられるが、粘性の高い接着剤を使用すると整列した粒子の配列が乱れるおそれがある。また、接着剤自体の化学的変化により、透過率が低下するおそれがある。特に医療用内視鏡の場合、高温での滅菌作業が不可欠なので接着剤を用いない方法が望ましい。そこで、図５２に示すように、もう１枚の基材１１２を用いて挟み、両端を封止する方法が考えられる。さらに、図５３に示すように、基板または球状レンズを加熱することにより溶かし、互いに固定させることもできる。
【００５８】
以上に説明した方法によれば、微小な球状レンズを基板上に容易に稠密に並べることができ、内視鏡先端部の小型化、液晶表示素子の明るいバックライト、固体撮像素子の集光効率の向上等を実現することができる。
【００５９】
以上説明したように、本発明による光学装置、撮像装置、表示装置、結像装置等は、以下の付記に示す特徴を備えていることが好ましい。
付記
【００６０】
１．一枚の基板に少なくとも光学素子、シャッター、絞り、表示素子のうちの一つ以上と撮像素子と、を配設した光学装置。
【００６１】
２．一枚の基板に光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子等のうちの二つ以上を配設した光学装置。
【００６２】
３．一枚の基板に光学素子、シャッター、絞り等のうちの二つ以上を配設した光学装置。
【００６３】
４．一枚の基板に、少なくとも撮像素子、光学素子、シャッター、絞り、のうちの一つ以上と表示素子と、を配設した光学装置。
【００６４】
５．前記光学素子が、光学特性可変光学素子であることを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００６５】
６．前記光学特性可変光学素子が、可変焦点光学素子であることを特徴とする付記項５に記載の光学装置。
【００６６】
７．前記光学特性可変光学素子が、可変焦点ミラーであることを特徴とする付記項５に記載の光学装置。
【００６７】
８．前記光学素子が、可動光学素子であることを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００６８】
９．前記光学素子が、薄膜レンズ技術を用いて作られたことを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００６９】
１０．前記光学素子が、ミラーであることを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００７０】
１１．前記光学素子が、赤外光カット機能を有することを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００７１】
１２．シリコン基板上に形成したことを特徴とする付記項１ないし付記項１１のいづれかに記載の光学装置。
【００７２】
１３．前記基板が透明であることを特徴とする付記項１ないし付記項１１のいづれかに記載の光学装置。
【００７３】
１４．前記基板が赤外光除去機能を有することを特徴とする付記項１３に記載の光学装置。
【００７４】
１５．前記基板の少なくとも一部が不透明であることを特徴とする付記項１ないし付記項１４のいづれかに記載の光学装置。
【００７５】
１６．前記光学装置を製作するのにリソグラフィープロセスを用いる付記項１ないし付記項１５のいづれかに記載の光学装置。
【００７６】
１７．各種ＩＣまたはＬＳＩを含む付記項１ないし付記項１６のいづれかに記載の光学装置。
【００７７】
１８．光学ブロックと前記光学装置とを備えた付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の装置。
【００７８】
１９．光学素子と光学ブロックと前記光学装置とを備えた付記項１ないし付記項１８のいづれかに記載の装置。
【００７９】
２０．前記光学ブロックが赤外光カット機能を有する付記項１８または付記項１９に記載の装置。
【００８０】
２１．付記項１ないし付記項１１、付記項１７のいづれかに記載の光学装置と付記項１３ないし付記項１５のいづれかに記載の透明な光学装置を組み合わせた装置。
【００８１】
２２．光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子の一つ以上と光学ブロックとを備えた光学装置。
【００８２】
２３．光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子の二つ以上と光学ブロックとを備えた光学装置。
【００８３】
２４．光学ブロックの複数の面に対向して光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子のうちの二つ以上を配置した光学装置。
【００８４】
２５．光学特性可変光学素子または可動光学素子を少なくとも一つ含み、ＺＯＯＭを行う付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２１のいづれかに記載の装置を含む光学装置。
【００８５】
２６．付記項１ないし付記項２５のいづれかに記載の装置を備えた撮像装置。
【００８６】
２７．付記項１ないし付記項２５のいづれかに記載の装置を備えた結像装置。
【００８７】
２８．撮像または観察方向と、撮像素子または眼に入射する光線とが捩じれの関係にある光学装置を用いた撮像装置。
【００８８】
２９．撮像または観察方向と、撮像素子または眼に入射する光線とが捩じれの関係にある、付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２５のいづれかに記載の装置を含む光学装置。
【００８９】
３０．付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２５のいづれかに記載の装置を含む、請求項２に記載の光学装置。
【００９０】
３１．撮像または観察方向が厚さ方向とほぼ直角であることを特徴とする付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２５のいづれかに記載の装置または付記項３０に記載の光学装置を含む撮像装置。
【００９１】
３２．撮像または観察方向が厚さ方向とほぼ平行であることを特徴とする付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２５、請求項１、請求項２のいづれかに記載の装置を含む撮像装置。
【００９２】
３３．請求項３に記載の足つき光学素子。
【００９３】
３４．請求項３に記載の静電光学素子。
【００９４】
３５．請求項３に記載の自走光学素子。
【００９５】
３６．フォーカスまたはズームを行う請求項３に記載の可動光学素子を備えた光学装置。
【００９６】
３７．静電気力又は電磁力によって駆動されるリソグラフィープロセスを含む加工法で製作された絞り。
【００９７】
３８．静電気力又は電磁力によって駆動されるリソグラフィープロセスを含む加工法で製作されたシャッター。
【００９８】
３９．静電気力又は電磁力によって駆動されるリソグラフィープロセスを含む加工法で製作された絞りと兼用のシャッター。
【００９９】
４０．固体撮像素子の素子シャッター機能を用いる撮像装置。
【０１００】
４１．透過率可変素子を備えた付記項４０に記載の撮像装置。
【０１０１】
４２．請求項１ないし請求項３、付記項１ないし付記項３７、付記項４０に記載の撮像装置。
【０１０２】
４３．基板が不透明である。（遮光効果があり、フレア、ゴーストを抑制できる。）
【０１０３】
４４．基板が、光路上は透明であり、光路外の少なくとも一部に遮光手段を設けている。（基板を介して光学系を構成できるため薄型化できる。且つフレア、ゴーストを抑えられる。）
【０１０４】
４５．基板の一方の面に光学素子と撮像素子を並列させて配置した。
【０１０５】
４６．基板の一方の面に光学素子と表示素子を並列させて配置した。
【０１０６】
４７．基板の一方の面に複数の光学手段を並列させて配置した。（光学系、装置全体を薄型化できる。）
【０１０７】
４８．基板が透明であり、一部に内面反射面を有する。（基板中で光路を折り返せるので、光学系全体の薄型化がはかれる。）
【０１０８】
４９．光学素子と撮像素子とが互いに偏心している。
【０１０９】
５０．基板が透明のほぼ平行平面板であり、且つ面の一部が曲面にて構成された光学面である。
【０１１０】
５１．主光線または光軸が屈曲している。
【０１１１】
５２．一枚の基板上に光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子のうち複数を非共軸に配置した光学装置。
【０１１２】
５３．一枚の基板上に光学素子、シャッター、絞り、表示素子の少なくともいづれかの素子と、前記素子とは非共軸の撮像素子とを配置した光学装置。
【０１１３】
５４．光学特性可変光学素子を基板上に配すると共に、上記基板上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学素子のうち何れかを配置した光学装置。
【０１１４】
５５．可動光学素子を基板上に配すると共に、上記基板上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学素子のうち何れかを配置した光学装置。
【０１１５】
５６．反射面を有する基板上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学素子のうち何れかを配置した光学装置。
【０１１６】
５７．赤外カットフィルターを有する基板上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学素子のうち何れかを配置した光学装置。
【０１１７】
５８．一枚の透明基板の表面に少なくとも撮像素子と光学素子とを配設し、撮像機能を有することを特徴とする板状撮像ユニット。
【０１１８】
５９．一枚の透明基板の表面に、撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設し、撮像機能を有することを特徴とする板状撮像ユニット。
【０１１９】
６０．一枚の透明基板の表面に、ファインダーと撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設し、撮像機能を有することを特徴とする板状撮像ユニット。
【０１２０】
６１．一枚の透明基板の表面に、撮像素子と表示装置と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面とファインダーのうち一つ以上とを配設し、撮像機能を有することを特徴とする板状撮像ユニット。
【０１２１】
６２．製作段階でリソグラフィープロセスを用いることを特徴とする、付記項５８ないし付記項６１のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１２２】
６３．可変焦点光学素子を備えたことを特徴とする、付記項５８ないし付記項６２のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１２３】
６４．前記透明基板が赤外カットフィルタ効果を有することを特徴とする、付記項５８ないし付記項６３のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１２４】
６５．付記項５８ないし付記項６４のいづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた撮像装置。
【０１２５】
６６．付記項５８ないし付記項６４のいづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた携帯情報端末装置。
【０１２６】
６７．一枚の透明基板とその表面に形成された高分子分散液晶とからなることを特徴とする可変屈折力光学素子。
【０１２７】
６８．一枚の透明基板とその表面に形成された高分子分散液晶とからなることを特徴とする可変焦点光学素子。
【０１２８】
６９．一枚の透明基板とその表面に形成された高分子分散液晶とからなることを特徴とする可変焦点回折光学素子。
【０１２９】
７０．液晶に対する高分子の重量比を２５％以上にしたことを特徴とする、付記項６７ないし付記項６９のいづれかに記載の光学素子。
【０１３０】
７１．前記透明基板が赤外カットフィルタ効果を有することを特徴とする、付記項６７ないし付記項７０のいづれかに記載の光学素子。
【０１３１】
７２．付記項６７ないし付記項７１に記載の光学素子を備えた撮像装置。
【０１３２】
７３．光線が透過する少なくとも一面が凹曲面で、側面が光線を反射する光学素子を少なくとも一つ備えたことを特徴とするライトガイド用光源光学系。
【０１３３】
７４．一面が光線が透過する凹曲面で、側面が光線を反射する同形の光学素子二つを備えたことを特徴とするライトガイド用光源光学系。
【０１３４】
７５．両端が光線が透過する凹曲面で、側面が光線を反射する光学素子を備えたことを特徴とするライトガイド用光源光学系。
【０１３５】
７６．下記条件（５）、（８）を満たすことを特徴とする、付記項７３ないし付記項７５のいづれかに記載のライトガイド用光源光学系。
sin φ＝coS α／ｎ ・・・（５）
０．６×｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ≦ｔ≦
｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ＋５（Ｄ／２−ｈ）・cot （α＋φ） ・・・（８）
ただし、φは式（５）で定義される角、αはＤＣＣレンズの頂角の１／２、ｎはＤＣＣレンズの屈折率、ｈは入射光束高、ｔはＤＣＣレンズの中心厚、ＤはＤＣＣレンズの直径である。
【０１３６】
７７．下記条件（５）、（７）、（８）を満たすことを特徴とする、付記項７３ないし付記項７５のいづれかに記載のライトガイド用光源光学系。
sin φ＝cos α／ｎ ・・・（５）
Ｄ≦３ｈ＋５ ・・・（７）
０．６×｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ≦ｔ≦
｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ＋５（Ｄ／２−ｈ）・cot （α＋φ） ・・・（８）
ただし、φは式（５）で定義される角、αはＤＣＣレンズの頂角の１／２、ｎはＤＣＣレンズの屈折率、ｈは入射光束高、ｔはＤＣＣレンズの中心厚、ＤはＤＣＣレンズの直径である。
【０１３７】
７８．光線射出面の断面形状が下記条件（９）を満たすことを特徴とする、付記項７３ないし付記項７５のいづれかに記載のライトガイド用光源光学系。
１／ｆ≒（ｎ−１）／Ｒ ・・・（９）
ただし、ＲはＤＣＣレンズを二つに分割した部材のうち凸レンズ作用をもつ曲面とした一方の部材の断面の凸カーブの半径をＲ、ｎは該部材の屈折率、ｆはこれにより省略できる集光レンズの焦点距離である。
【０１３８】
７９．付記項７３ないし付記項７８のいづれかに記載の光学系を備えた光源装置。
【０１３９】
８０．基板上に球状レンズを稠密に整列させる手段として自己集積現象を用いた球状レンズアレイの製作方法。
【０１４０】
８１．基板上に球状レンズを稠密に整列させる手段として基板または球状レンズを振動させる球状レンズアレイの製作方法。
【０１４１】
８２．球状レンズがガラスであることを特徴とする、付記項８０または付記項８１に記載の方法。
【０１４２】
８３．球状レンズが樹脂であることを特徴とする、付記項８０または付記項８１に記載の方法。
【０１４３】
８４．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた照明光学系。
【０１４４】
８５．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた内視鏡用照明光学系。
【０１４５】
８６．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた顕微鏡用照明光学系。
【０１４６】
８７．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた液晶表示素子のバックライト照明光学系。
【０１４７】
８８．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた撮像素子。
【０１４８】
８９．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作した球状レンズの基板への固定手段として、接着剤を用いて固定する方法。
【０１４９】
９０．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作した球状レンズの基板への固定手段として、別の基板を用いて前記球状レンズを挟むことにより固定する方法。
【０１５０】
９１．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作した球状レンズの基板への固定手段として、前記球状レンズまたは前記基板を加熱することにより固定する方法。
【０１５１】
９２．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作した球状レンズアレイ。
【０１５２】
９３．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって球状レンズアレイを製造する製造装置。
【０１５３】
９４．一枚の透明基板の表面に少なくとも撮像素子と光学素子とを配設した板状撮像ユニット。
【０１５４】
９５．一枚の透明基板の表面に、撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設した板状撮像ユニット。
【０１５５】
９６．一枚の透明基板の表面に、ファインダーと撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設した板状撮像ユニット。
【０１５６】
９７．一枚の透明基板の表面に、撮像素子と表示装置と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面とファインダーのうちの一つ以上とを配設した板状撮像ユニット。
【０１５７】
９８．制作段階でリソグラフィープロセスを用いることを特徴とする、付記項９４ないし付記項９７のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１５８】
９９．可変焦点光学素子を備えたことを特徴とする、付記項９４ないし付記項９８のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１５９】
１００．前記透明基板が赤外カットフィルタ効果を有することを特徴とする、付記項９４ないし付記項９９のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１６０】
１０１．付記項９４ないし付記項１００のいづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた撮像装置。
【０１６１】
１０２．付記項９４ないし付記項１００のいづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた携帯情報端末装置。
【０１６２】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明によれば、小型でコストの安い撮像装置、観察装置等の光学装置あるいはそれらに用いられるユニット等の部品を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す図である。
【図２】 本発明の第２実施形態を示す図である。
【図３】 図２の光学装置を上方から見たマイクロシャッター付近の拡大図である。
【図４】 本発明の第２実施形態に用いる絞りの変形例を示す図である。
【図５】 本発明の第２実施形態の変形例として、光学特性可変光学素子の一つである可変焦点ミラーの別の一例である液晶可変焦点レンズをミラーの前面に配置した液晶可変ミラーを用いた撮像装置の一例を示す図である。
【図６】 本発明の第３実施形態を示す図である。
【図７】 本発明の第３実施形態の撮像装置に用いるローパスフィルターの斜視図で、捩じれ関係にある二つの平面よりなる瞳分割型のローパスフィルターを示す。
【図８】 本発明の第４実施形態を示す図である。
【図９】 本発明の第５実施形態を示す図である。
【図１０】 本発明の第６実施形態を示す図である。
【図１１】 本発明の第６実施形態の変形例を示す図である。
【図１２】 本発明の第７実施形態を示す図である。
【図１３】 本発明の第７実施形態の変形例として足付きレンズと透明基板と固体撮像素子とを組合せてなるシンプルな構成の撮像装置の一例を示す図である。
【図１４】 本発明の第８実施形態を示す図である。
【図１５】 本発明の実施形態に用いる可動レンズの他の例として静電レンズを示す図である。
【図１６】 本発明の第９実施形態を示す図である。
【図１７】 本発明の第９実施形態に用いる自走レンズの構成概要図である。
【図１８】 本発明の第１０実施形態を示す図である。
【図１９】 本発明の第１０実施形態に用いる自由曲面プリズムを上方からみた図である。
【図２０】 本発明の第１０実施形態に用いる自由曲面プリズムを物体側からみた図である。
【図２１】 本発明の第１１実施形態を示す図である。
【図２２】 デジタルカメラの従来例を示す図である。
【図２３】 本発明の第１２実施形態を示す図である。
【図２４】 本発明の第１３実施形態を示す図である。
【図２５】 本発明の第１３実施形態のファインダ部の断面図である。
【図２６】 本発明の第１４実施形態を示す図である。
【図２７】 本発明の第１４実施形態に用いる光学素子を示す図である。
【図２８】 電圧を加えたときの液晶分子の状態を示す図である。
【図２９】 光学素子の変形例を示す図である。
【図３０】 本発明の第１５実施形態を示す図である。
【図３１】 本発明の第１５実施形態に用いる可変焦点フレネルミラーを示す図である。
【図３２】 可変焦点ＤＯＥの応用例を示す図である。
【図３３】 撮像装置の従来例を示す図である。
【図３４】 ライトガイド用の光源光学系の従来例を示す図である。
【図３５】 従来例において入射角と入射光強度との関係を示す図である。
【図３６】 光源光学系の第１の例を示す図である。
【図３７】 第１の例において入射角と入射光強度との関係を示す図である。
【図３８】 ＤＣＣレンズの変形例を示す図である。
【図３９】 ＤＣＣレンズの設計例を説明するための図である。
【図４０】 ＤＣＣレンズの効果を示す図である。
【図４１】 光源光学系の第２の例を示す図である。
【図４２】 ライトガイドの先端部の従来例を示す図である。
【図４３】 ライトガイドの先端部に球状レンズアレイを設けた例を示す図である。
【図４４】 球状レンズが稠密に並んだ状態を示す図である。
【図４５】 微小レンズを基板上に整列させる方法の第１の例を示す図である。
【図４６】 微小レンズを基板上に整列させる方法の第２の例を示す図である。
【図４７】 球状レンズアレイを２層にした例を示す図である。
【図４８】 各種の光源装置の配光特性を比較する図である。
【図４９】 球状レンズアレイの応用例を示す図である。
【図５０】 球状レンズアレイの別の応用例を示す図である。
【図５１】 基板上に整列した微小粒子を固定する方法を示す図である。
【図５２】 基板上に整列した微小粒子を固定する別の方法を示す図である。
【図５３】 基板上に整列した微小粒子を固定するさらに別の方法を示す図である。
【図５４】 本発明の第３実施形態に用いる光学素子の別の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１ 固体撮像素子
２ レンズ系
３、１８、１９８ 透明基板
４、６ 自由曲面
５ 回折光学素子（ＤＯＥ）
７、１４ 板状撮像ユニット
７’ 光
８ ＴＦＴ液晶ディスプレー
９、２０３ ＩＣ
１０ マイクロプロセッサ
１１ ファインダ
１２、１００ 凹レンズ
１３ 凸レンズ
１５ 光学素子
１６ 高分子分散液晶
１７ 可変焦点ＤＯＥ
１９ 透過電極
２０ 液晶分子
２１ 曲面
２２ 可変焦点フレネルミラー
２３ 反射面
２４、５８ スイッチ
２５ 可変抵抗
２６ フレネル面
３１、１０４ ライトガイド
３２ 非球面レンズ
３３ ランプ
３４ ＤＣＣレンズ
３４’ 側面
３５ 集光レンズ
ａ、ｂ 光線
３６、３７、３８ 部材
３６’ 入射面
３８’ 凸カーブ
５２ 可変焦点ミラー
５３ 薄膜
５４、１９３、１９３ａ、１９３ｂ、２１９ｂ、２２１、２２２、２５６ 電極
５５ 固体撮像素子，ＣＣＤ
５６、１０２、２４０ 基板
５７、１９６ 電源
５９ 可変抵抗器
６０ 物体からの光
１０１ 球状レンズ
１０３ 球状レンズアレイ
１０５ 液体
１０９ バックライト
１１０ 液晶表示素子
１１１ 撮像素子
１１２ 基材
１１３ 接着剤
１７０、２３２、２３４ デジタルカメラ
１７１、１８１、１８２、１８３、２００、２００ｂ、２０８、２１０、
２１１、２１２、２１８ レンズ
１７３、１９７ 絞り
１７４ シャッター
１７５ レンズフォーカシング用ソレノイド
１８０ 電子撮像ユニット
１８４ プリズム
１８５、１９０、２１８Ｂ、２２５ ミラー
１８６、２４３、２４４、２４５ 板状ユニット
１８７ シリコン基板
１８８ マイクロシャッター
１８９、２３０ 自由曲面プリズム
１９１ 固定電極
１９２ 遮光板
１９９ 反射型ＬＣＤ
２０１ ローパスフィルター
２０２ 透明な板状ユニット
２０４、２０７、２１７、２２８、２４６、２５３ 撮像装置
２０５ 曲面状の樹脂薄膜
２０９ ディスプレー
２１４ 斜線部
２１６ 足付きレンズ
２１６Ｂ 足付きミラー
２１９、２４７、２４８ 足
２２０ 静電レンズ
２２３ ダンパー
２２６ 可動ミラー
２２７ 自走レンズ
２３１ 撮像ユニット
２３３ 干渉膜
２４１ 低品質のシリコン等からなる基板
２４２ 高品質のシリコンからなる基板
２４９ 液晶シャッター
２５２ 液晶可変ミラー
２５４ 透明電極
２５５ フレネルレンズ状の基板
２５７ ツイストネマチック液晶
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のデジタルカメラ１７０は、図２２に示すように、ＣＣＤ５５、レンズ１７１、絞り１７３、シャッター１７４、レンズフォーカシング用ソレノイド１７５等をそれぞれ別体の部品として集めてこれらを組立てることにより作られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、部品点数が多くなり、組立ても面倒で、製品の小型化、高精度化、コストダウンに限界があった。
そこで本発明は、撮像素子、光学素子などの部品をリソグラフィー等の手法を用いて一体化することで、小型化、低コスト化しうる、デジタルカメラ、電子内視鏡、ＰＤＡ（携帯情報端末）、テレビ電話、ＶＴＲカメラ、テレビカメラ等の電子撮像系、電子表示系等又はそれらの一部を構成する板状ユニット等の光学装置の提供を課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明による光学装置は、光学特性可変光学素子と、自由曲面光学素子と、撮像素子と、表示素子と、電源と、マイクロプロセッサーと、メモリーと、電話機能を持つ回路と、透明基板を備え、前記光学特性可変光学素子、前記自由曲面光学素子、前記撮像素子、前記表示素子、前記マイクロプロセッサー、前記メモリー及び前記電話機能を持つ回路は、いずれも前記透明基板の表面上に設けられ、前記撮像素子と前記表示素子は分離して設けられ、前記光学特性可変光学素子は複数の電極を有する反射型の光学素子であって、該複数の電極に印加する電圧を変化させることで焦点距離が変化し、前記マイクロプロセッサーは前記印加する電圧を制御し、前記表示素子はリソグラフィープロセスを用いて形成されると共に、前記撮像素子によって撮像された画像を表示し、前記光学特性可変光学素子と前記自由曲面光学素子は、遠方の物体の像を所定の位置に形成する単眼の光学系、またはその一部を構成し、前記撮像素子は前記所定の位置に配置され、前記透明基板の表面、側面または内部であり迷光を除去する位置に、遮光用の膜が設けられている。
【０００５】
また、本発明による光学装置は、前記自由曲面光学素子が前記透明基板上に薄膜レンズ技術を用いて形成されたことが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光学装置の実施形態を図面を用いて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態を示す図である。本実施形態の光学装置は、レンズ１８１，１８２，１８３、プリズム１８４、ミラー１８５等を用いた電子撮像ユニット１８０として構成されている。なお、図中５２はアルミコーティングされた薄膜５３と電極５４から成る反射鏡、５５は固体撮像素子、５６は基板、５７は電源、５８はスイッチ、５９は可変抵抗器である。
【０００９】
反射鏡５２は、例えば、オプティックス コミュニケーションズ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ），１４０巻（１９９７年）１８７ないし１９０頁に示されているメンブレインミラーのように、薄膜５３と電極５４の間に電圧を印加すると静電気力により薄膜５３が変形してその焦点距離が変化するようになっており、これによりピント調整ができるようになっている。本実施形態の撮像装置では、物体からの光６０は、光学素子としてのレンズ１８１，１８２、プリズム１８４のそれぞれの入射面および出射面で屈折され、反射鏡５２によって反射され、ミラー１８５の反射面で反射され、レンズ１８３で屈折されてから固体撮像素子５５に入射するようになっている。
【００１０】
このように、本実施形態の光学装置は、光学素子１８１，１８２，１８４，１８５，１８３および反射鏡５２とで撮像光学系を構成している。そして、本実施形態の構成では、特に、各光学素子の面と肉厚を最適化することにより物体像の収差を最小にすることができるようになっている。
【００１１】
図１の光学装置において、反射鏡５２の形状は、非点収差等を補正するためにＹ軸方向に長い楕円形にするのがよく、具体的には、反射鏡５２への入射光と反射鏡５２からの出射光を含む平面と反射鏡５２とが交わる方向に沿って長い楕円形にするのがよい。また、図１の光学装置では、反射鏡５２と固体撮像素子５５とをそれぞれ別体で作って基板５６上に配置している。しかし、反射鏡５２はシリコンリソグラフィープロセス等で作ることもできるので、基板５６をシリコンで形成し、固体撮像素子５５と共にリソグラフィープロセスで反射鏡５２の少なくとも一部を基板５６上に形成してもよい。
【００１２】
これにより、固体撮像素子５５と共に光学素子の一つである反射鏡５２とが一体化されるので、小型化、低コスト化等の点で有利である。また反射鏡５２は固定焦点のミラーとして構成しても良い。この場合でも反射鏡５２はリソグラフィープロセスで作ることができる。なお、反射鏡５２、固体撮像素子５５、基板５６を合わせて板状ユニット１８６と呼ぶことにする。板状ユニットは光学装置の一例である。
【００１３】
又、図示を省略するが、基板５６上に表示素子の一つである反射型液晶ディスプレー又は透過型液晶ディスプレー等の表示素子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。なお、この基板５６は、ガラスあるいは石英等の透明物質で形成してもよい。その場合は、このガラス基板上に薄膜トランジスター等の技術を用いて固体撮像素子や液晶ディスプレーを形成すればよい。あるいは、これらの表示素子を別体で作り、基板５６上に配置してもよい。
【００１４】
光学素子１８１，１８２，１８４，１８５，１８３は、プラスチックモールドやガラス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、本実施形態の撮像装置では、レンズ１８１のみがプリズム１８４から離れて形成されているが、レンズ１８１を設けることなく収差を除去することができるように光学素子１８２，１８３，１８４，１８５，５２を設計すれば、反射鏡５２を除く光学素子は一つの光学ブロックとなり組立てが容易となる。
【００１５】
図２は、本発明の第２実施形態を示す図である。
本実施形態の撮像装置では、一つのシリコン基板１８７の上に反射鏡５２、マイクロマシン技術で作られた静電気力で動くマイクロシャッター１８８、撮像素子５５等は、リソグラフィープロセスで作られている。
そして、このシリコン基板１８７とモールドで作った自由曲面プリズム１８９とを組合わせれば、光学装置として小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８０が出来上がる。
なお、マイクロシャッター１８８は、絞りを兼ねることもできるようになっている。
【００１６】
自由曲面プリズム１８９は、プラスチックモールドで作ると安価にできる。また、自由曲面プリズム１８９をエネルギー硬化型樹脂で作れば、熱可塑性樹脂で作るよりも耐久性があるので好ましい。
また、自由曲面プリズム１８９を赤外光を吸収する性質の材質を用いて構成して、赤外カットフィルター効果を持たせてもよい。
あるいは、自由曲面プリズム１８９の光路中のいづれかの面に赤外光を反射する干渉膜を設けて、赤外光をカットするようにしてもよい。
ミラー１９０は、シリコン基板１８７を凹面に加工し、アルミコートすることによって形成されている。
マイクロシャッター１８８は、例えば、特開平１０−３９２３９号の図８，図９に示されているようなシャッターを改良したものを用いることができる。
【００１７】
図３は図２の光学装置を上方から見た、マイクロシャッター１８８付近の拡大図である。
マイクロシャッター１８８は、固定電極１９１と遮光板１９２のそれぞれに設けられた電極１９３に電位差を与えることによって、静電気力で二つの遮光板１９２を左右に開いたり閉じたりすることができるようになっている。
ここで、二つの遮光板１９２のそれぞれに、他方の遮光板１９２に近い側の中央に三角形の凹部を設け、かつ二枚の遮光板１９２を段違いに設置して、遮光板１９２を途中まで開いた状態で撮像を行えば絞りとして動作し、遮光板１９２を完全に閉じればシャッターとなるようになっている。
電源１９６は＋−の極性を変えることができるようになっており、それに伴い、二つの遮光板１９２は逆方向に動くようになっている。また、二つの遮光板１９２は、完全に閉じた時には図２に示すように多少重なるように設計されている。
マイクロシャッター１８８は、リソグラフィープロセスで反射鏡５２、固体撮像素子５５と共に一緒に作ることができるというメリットがある。
なお、マイクロシャッター１８８としては、上記以外にも、特開平１０−３９２３９号の図４７に示すようなマイクロシャッターを用いてもよい。
あるいは、本実施形態の撮像装置に用いるシャッターとして、通常のフィルムカメラのシャッターのように、バネで動作するシャッターを製作して、これをシリコン基板１８７に設置してもよい。
【００１８】
また、本実施形態の撮像装置を、例えば、図２に示すように、別途に絞り１９７を設けた構成としてもよい。
絞り１９７としては、フィルムカメラのレンズに用いるような虹彩絞りでもよく、または、図４に示すような複数の穴あき板をスライドさせるような構成のものでもよい。
あるいは、絞りの開口面積の変わらない固定絞りであってもよい。
また、絞りとしては、マイクロシャッター１８８を絞りとしてのみ動作させ、シャッター機能については、固体撮像素子５５の素子シャッターを用いて果たすようにしてもよい。
また、本実施形態の撮像装置を、電極５４、ミラー１９０、マイクロシャッター１８８、撮像素子５５の少なくとも一つを別部品として作り、残りの部材と共に一つの基板上に配置した構成としてもよい。
なお、本実施形態の撮像装置を、図５に示すように、光学特性可変光学素子の一つである反射鏡５２の別の一例として、液晶可変焦点レンズをミラーの前面に配置した液晶可変ミラー２５２等を配設した構成としてもよい。
【００１９】
図５は、液晶可変ミラー２５２を用いた撮像装置の一例（撮像装置２５３）を示す図である。
液晶可変ミラー２５２は、透明電極２５４とフレネルレンズ状の基板２５５の表面にコートされた電極２５６との間にツイストネマチック液晶２５７を配置した構成となっている。ツイストネマチック液晶２５７のらせんピッチＰは、
Ｐ ＜ ３λ ・・・（１）
を満たすようになっている。ここで、λは光の波長である。
式（１）を満たすとき、ツイストネマチック液晶２５７は入射光の偏光方向によらず屈折率がほぼ等方的になるので、偏光板を設けることなくボケのない可変焦点ミラーが得られる。
なお、低コストのデジタルカメラなどでは、ツイストネマチック液晶２５７のらせんピッチＰが、
Ｐ ＜ １５λ ・・・（２）
であっても実用上は使用できる場合もある。
【００２０】
図６は、本発明の第３実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２０４は、透明基板１９８に反射型ＬＣＤ１９９、反射鏡５２、固体撮像素子５５を設け、かつ光学ブロックである自由曲面プリズム１８９を組合せた構成となっている。
透明基板１９８には、光学素子であるレンズ２００、ローパスフィルター２０１、ＩＣ２０３も合わせて設けられており、これらにより透明な板状ユニット２０２を形成している。
ＩＣ２０３は、反射型ＬＣＤ１９９、反射鏡５２、固体撮像素子５５等をドライブするＩＣ、あるいは制御、演算を行なうＣＰＵ、メモリー等の機能をもつＬＳＩである。
固体撮像素子５５、反射鏡５２、反射型ＬＣＤ１９９、ＩＣ２０３を、それぞれ別途に製作して、透明基板１９８に貼りつけてもよいが、透明基板１９８の表面にアモルファスシリコン、低温ポリシリコン、連続粒界結晶シリコン（’９８．１．１４付朝日新聞）等を材料として薄膜トランジスター技術を用いて形成すれば、小型化、軽量化、高精度化の面で有利である。
【００２１】
図７は、本実施形態の光学装置２０４に用いるローパスフィルター２０１の斜視図である。
ローパスフィルター２０１は、瞳分割型のローパスフィルターであり、捩じれ関係にある二つの平面より構成されている。なお、このローパスフィルター２０１も光学素子の一つである。
その他、本実施形態において透明基板１９８は、ガラス又は樹脂のモールドで作るのが良い。
【００２２】
本実施形態の光学装置２０４は、光を反射、屈折する面を自由曲面プリズム１８９、透明な板状ユニット２０２の両方に設けることができる点で、収差の補正がしやすく、図２に示す実施形態の撮像ユニット１８０よりすぐれている。
なお、レンズ等の光学素子は、例えばレンズ２００ｂのように、透明部材の表面に曲面状の樹脂薄膜２０５を貼りつけて作ってもよい。このような方法を薄膜レンズ技術という。
【００２３】
図８は、本発明の第４実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２０７は、透明な板状ユニット２０２と板状ユニット１８６とを組合せることにより構成されている。
なお、透明基板１９８とは別体にレンズ２０８を設けると、収差補正の自由度がふえるので、収差補正上有利であるが、レンズ２０８は設けなくてもよい。
透明な板状ユニット２０２には、ディスプレー２０９、ＩＣ２０３が設けられ、さらに薄膜レンズ技術により製作したレンズ２１０，２１１が設けられている。なお、レンズ２１２は、透明基板１９８を製作する際にモールドの技術で透明基板１９８に一体形成されている。
板状ユニット１８６は、図２に示す実施形態の板状ユニット１８６と同様に構成されている。
斜線部２１４は、迷光を除くための黒い遮光用の膜であり、Ｃｒ−ＣｒＯ2 −Ｃｒの三層蒸着、黒い塗料の塗装、あるいは印刷等で作れられている。
なお、斜線部２１４は、必要に応じて、透明基板１９８の表面、側面、内部に設ければよく、設けなくてもよい場合もある。
【００２４】
ディスプレー２０９の一例である液晶ディスプレーは薄膜トランジスター技術でガラス等の透明基板上に作ることができるが、固体撮像素子５５等はシリコン基板上でないと作りにくい。
本実施形態の光学装置２０７は、固体撮像素子５５、ディスプレー２０９を設けるべき基板を分けて構成したので、同一の基板上に作るよりもコストが安くできる。
なお、本実施形態の光学装置２０７の透明基板１９８あるいはレンズ２１１の材質に赤外光吸収効果を持たせて、赤外カットフィルターの役割を持たせるようにしてもよい。あるいは、薄膜５３又はレンズ２１２又は透明基板１９８等の表面に赤外カット機能を有する干渉膜を設けてもよい。
さらに、本実施形態の光学装置２０７は、固体撮像素子５５を取り除き、光学系にたとえばオペラグラスのような観察機能を持たせた表示装置として構成されてもよい。
【００２５】
図９は、本発明の第５実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２４６は、板状ユニット２４５と自由曲面プリズム１８９とを組合せることにより構成されている。
板状ユニット２４５は、一つの基板２４０の上に、低品質のシリコン等からなる基板２４１に反射鏡５２とミラー１９０とマイクロシャッター１８８を形成した板状ユニット２４３と、高品質のシリコンからなる基板２４２に基板２４０とＩＣ２０３を形成した板状ユニット２４４とを配設して構成されている。
固体撮像素子５５、ＩＣ２０３等は高品質のシリコン上でないと形成しにくいが、ミラー１９０、マイクロシャッター１８８、反射鏡５２等は低品質のシリコンでもよい。
本実施形態の光学装置２４６によれば、光学ユニットである板状ユニット２４３，２４４を品質の異なる別個の基板に形成したので、その分、高品質のシリコンの使用量を減らすことができ、コスト上有利である。
自由曲面プリズム１８９には、足２４７，２４８が設けられており、足２４７，２４８は、板状ユニット２４５と一体化する時、各面間の光学的長さを所望の設計値通りに調整できるようになっている。
【００２６】
図１０は、本発明の第６実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置は、自由曲面プリズム１８９に板状ユニット２４３と固体撮像素子５５とを組合せてデジタルカメラ用撮像装置を構成している。
本実施形態の光学装置によれば、固体撮像素子５５を低品質のシリコン等からなる基板２４１から分離して構成したので、固体撮像素子５５として市販のＣＣＤ等を使うことができ、コストを低減することができる。
なお、図示していないが、本実施形態の光学装置にさらに別に液晶ディスプレー等を設けて、デジタルカメラのファインダーとして用いるとよい。
【００２７】
また、本実施形態において反射鏡５２とミラー１９０とマイクロシャッター１８８とを一枚の基板上に配置するかわりに、図１１に示すように、それぞれ別体に自由曲面プリズム１８９の周囲に配置してもよい。
この場合、反射鏡５２、ミラー１９０、マイクロシャッター１８８等の光学部品を別個に作ることができるので、それらの部品を他製品の部品と共通化することが可能になる。また、それぞれの光学部品の歩留り（製作時の合格率）が悪い場合でも、良い部品だけを集めて製品を作ることができるので、それぞれの光学部品を一枚の基板上に作る場合と比べて製品としての歩留りを向上させることができる。
【００２８】
また、図１０に示すように、固体撮像素子５５の前面に透過率可変素子の一つである液晶シャッター２４９を配置しても良い。
この場合、マイクロシャッター１８８は絞りとして動作させてもよいし、液晶シャッター２４９と合わせてシャッターとして動作させてもよい。あるいは、マイクロシャッター１８８を省いて、液晶シャッター２４９と固体撮像素子５５の素子シャッター機能とでシャッターの動作をさせてもよい。
なお、液晶シャッター２４９には機械的可動部が無いので、マイクロシャッター１８８を省いた構成とすれば、機械的な構造を簡単化できる。
【００２９】
図１２は、本発明の第７実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２１７は、可動光学素子の一例である足付きレンズ２１６を設けた構成となっている。なお、光学装置２１７は、足付きレンズ２１６の他に、透明基板１９８に、固体撮像素子５５、自由曲面プリズム１８９を組合せた構成となっている。
足付きレンズ２１６は、レンズ２１８の下にフリースペースオプティックス（M. C. Mu, L. -Y. Lin, S-S. Lee, K. S. J. Pister 著 Sensors and Actuators A50 (1995) 127-134 等を参照）のマイクロマシン技術等で作った足２１９が付いて構成されている。
足２１９は、後述の図１７に示す電極１９３ｂに相当する、静電気力でスライドする電極２１９ｂ（図１３）に接続されており、電極２１９ｂがスライドすることにより、図１３に示す角θが変化するように作られている。足２１９との交点Ｐ1，Ｐ2は、角θが変化するとき、透明基板１９８の表面上を動くようになっている。そして足付きレンズ２１６は、足２１９の角θを変えてレンズ２１８と透明基板１９８との距離Ｚを変えることでピント調整ができるようになっている。
なお、図１２に示す透明基板１９８と自由曲面プリズム１８９との間には、物体からの光６０が点Ａにおいて全反射するように、わずかに空気間隔が設けられている。
また、図１３は、本実施形態の変形例として足付きレンズ２１６と透明基板１９８と固体撮像素子５５とを組合せてなるシンプルな構成の撮像装置の一例を示す図である。
【００３０】
図１４は、本発明の第８実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置は、観察装置の一例として、デジタルカメラのファインダーを構成している。本実施形態の光学装置は、図１２、図１３に示す足付きレンズ２１６のレンズ２１８をミラー２１８Ｂでおきかえた足付きミラー２１６Ｂを備えた構成となっている。
なお、本実施形態の光学装置は、足付きミラー２１６Ｂの他に、透明基板１９８とレンズ２１１とからなる板状ユニット１８６と、自由曲面プリズム１８９を備えている。
本実施形態の光学装置は、足２１９をスライドさせてミラー２１８Ｂと透明基板１９８との距離Ｚを変えることで視度調整を行なうことができるようになっている。
【００３１】
図１２、図１３に示す足付きレンズ２１６は、可動光学素子の一つである可動レンズの一例として用いたものである、可動レンズの他の例としては、静電レンズがある。
図１５は、本発明の実施形態に用いる可動レンズの他の例を示す静電レンズの構成概要図である。
静電レンズ２２０は、レンズ２１８、電極２２１，２２２、ダンパー２２３などを備えた構成となっている。この静電レンズ２２０は、電極２２１と電極２２２との間に電圧を掛けることにより、静電気力でレンズ２１８と透明基板１９８との間の距離を変えてピント合わせ、ズーミング等に用いることができるようになっている。なおダンパー２２３は、レンズ２１８を保持し、かつレンズ２１８が移動するときの衝撃を緩和するようになっている。
なお、レンズ２１８を図１６に示すようなミラー２２５におきかえて可動ミラー２２６とし、これを本発明の実施形態に用いる可動光学素子としてもよい。
【００３２】
図１６は、本発明の第９実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置２２８は、光学特性可変光学素子の一つである反射鏡５２、可動光学素子の一つである可動ミラー２２６、可動光学素子の一つである可動レンズの一例である自走レンズ２２７を備えた構成となっている。また、光学装置２２８は、その他にシリコン基板１８７と自由曲面プリズム１８９を備えている。
そして光学装置２２８は、反射鏡５２の焦点距離、自走レンズ２２７、ミラー２２５の位置を変えることによってＺＯＯＭとフォーカスとを行うことができるようになっている。
なお、本実施形態に用いる自由曲面プリズム１８９を、赤外光を吸収する材料を用いて赤外カット効果を持たせるようにしてもよい。
自走レンズ２２７は、図１７に示すように、電極１９３ａ，１９３ｂと、電極１９３ｂに固定されたレンズ２１８とを備えて構成されており、くし状の二つの電極１９３ａ，１９３ｂの間に電位差を与えて静電気力で電極１９３ｂに固定されたレンズ２１８を動かすことができるようになっている。
【００３３】
ところで、近年、デジタルカメラの小型化が望まれており、特に、薄いカード型のデジタルカメラは携帯性に優れ便利である。
しかし、図２２に示すような従来の光学系と電気系を組合せた撮像装置では小型化に限界があった。
そこで、本発明では、薄いカード型デジタルカメラ等に用いる撮像装置、光学装置を提供することもできるようにしている。
【００３４】
図１８は、本発明の第１０実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置は、板状ユニットに光学ブロックの一つである自由曲面プリズム２３０を組合せた撮像ユニット２３１を用いてデジタルカメラ２３２を構成している。デジタルカメラ２３２には、その他に、例えば液晶ディスプレーなどのディスプレー２０９が設けられている。
そして、本実施形態のデジタルカメラ２３２は、撮像ユニット２３１がデジタルカメラ２３２の厚さ方向と平行な方向に位置する物体を撮像することができるようになっている。
図１９、図２０は、自由曲面プリズム２３０の形状を詳しく示した図で、図１９は自由曲面プリズム２３０を上方からみた図、図２０は自由曲面プリズム２３０を物体側からみた図である。
自由曲面プリズム２３０は、物体からの光６０を反射面Ｒ１によって反射し、ＸＹ平面内で、且つ、反射鏡５２に向かう方向に向きを変え、反射鏡５２により反射された後に、反射面Ｒ２で反射されて固体撮像素子５５と結像することができるように形成されている。
このように物体から自由曲面プリズム２３０に入射する入射光６０と自由曲面プリズム２３０を出射して固体撮像素子５５に入射する光線ｍとが捩じれの関係になるように自由曲面プリズム２３０の形を作れば、デジタルカメラ２３２の厚さを固体撮像素子５５の巾Ｗと同程度に薄型化することができる。
なお、自由曲面プリズム２３０のかわりに、固体撮像素子５５に入射する光線ｍと物体からの入射光６０とが捩じれの関係になるように、通常用いるレンズ、プリズム、図２に示す光学ブロック１８９のような自由曲面プリズム等の光学素子を配置して光学系を形成してもよい。
また、自由曲面プリズム２３０の光路中の面に、赤外光をカットする干渉膜２３３を設けて赤外光をカットするようにしてもよい。
【００３５】
図２１は本発明の第１１実施形態を示す図である。
本実施形態の光学装置は、図１８に示すデジタルカメラとは別の一例で、図２に示す小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８０を用いてデジタルカメラ２３４を構成している。
そして、本実施形態のデジタルカメラ２３４は、小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８０がデジタルカメラ２３４の厚さ方向と直角方向の物体が撮像できるようになっている。
本実施形態のデジタルカメラ２３４によれば、小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８０が、物体からの入射光６０とデジタルカメラ２３４の厚さ方向とが直交するように配置されているので、デジタルカメラ２３４の厚さを薄くすることができる。
なお、デジタルカメラの撮像系には、図１８，図２１に示す撮像ユニットの他に、本発明の板状ユニット、装置のいづれを用いてもよい。
また、本発明の板状ユニット、装置は、デジタルカメラ以外、例えばＰＤＡの光学系、撮像装置に用いてもよい。
【００３６】
ところで、近年、電子カメラ、ビデオカメラ等の電子撮像装置が増えてきている。それらは図３３に示すように、固体撮像素子１にレンズ系２を組み合せたものがほとんどであった。
しかしながら、上記のものは構造が複雑なため、部品点数が多く、組み立ても面倒で、小型化、コストダウンに限界があった。
そこで、本発明では小型でコストの安い電子撮像装置を提供することもできるようにしている。
【００３７】
上記目的を達成する本発明の光学装置は、一枚の透明基板の表面に少なくとも撮像素子と光学素子とを配設し、それ自体で、あるいは別部品を追加することにより撮像機能を有するようになっている。
【００３８】
図２３は、本発明の第１２実施形態を示す図である。
第１２実施形態の光学装置は、ガラス、結晶、プラスチック等からなる一枚の透明基板３の両面に、光学素子である自由曲面４、６、回折光学素子（以下、ＤＯＥという）５を形成し、さらにシリコン薄膜技術等を用いて固体撮像素子１を形成したものである。これを板状撮像ユニット７と呼ぶ。自由曲面とは、非回転対称面で構成される面であり、さらに、対称面を一面のみ有するもしくは対称面を有しない曲面である。自由曲面は、屈折作用、反射作用のいずれにも用いられる。本実施形態では、図示しない物体からの光７’は自由曲面４で屈折され、オフアクシス型ＤＯＥ５で偏向、反射され、自由曲面６で反射し、固体撮像素子１上に結像する。自由曲面４、６、ＤＯＥ５で収差の補正がなされているので、固体撮像素子１には通常のレンズ系で結像したのと同様の良好な画像が入射する。自由曲面４、６はモールド等の方法で、またＤＯＥ５はモールドあるいはリソグラフィ等の方法で、固体撮像素子１と同時に形成してもよい。固体撮像素子１は透明基板３の上に直接リソグラフィの手法で形成してもよいが、それが難しい場合には固体撮像素子１を別個に製作しておきあとで透明基板３と一体化してもよい。あるいは、図示していないが、板状撮像ユニット７の外部にレンズ等の部品を追加し、それらと板状撮像ユニット７とで撮像機能を有するように構成してもよい。
【００３９】
図２４は、本発明の第１３実施形態を示す図である。
第１３実施形態の光学装置は、第１２実施形態における撮像ユニット７を、ＴＦＴ液晶ディスプレー８、周辺回路のＩＣ９、マイクロプロセッサ１０と一緒に透明基板３の上に形成した、携帯情報端末装置用のユニットである。撮像ユニット７にはさらに、メモリ、電話等の機能をもつＩＣ（ＬＳＩ）を一緒に形成してもよい。また、透明基板３には電子撮像装置のファインダー１１も形成してある。これは、透明基板３上に視野枠を設けただけの簡単なものでもよいし、図２５に示すように透明基板３の両面に凹レンズ１２、凸レンズ１３を設け、ガリレオ望遠鏡型のファインダーとしたものなどでもよい。あるいは、凹レンズ１２、凸レンズ１３の少なくとも一方を透明基板３の外部に設け、透明基板３上のレンズと合わせてファインダーとしてもよい。
【００４０】
図２６は、本発明の第１４実施形態を示す図である。
第１４実施形態の光学装置は、焦点調整の可能な板状撮像ユニットである。板状撮像ユニット１４で焦点調節をおこなう場合、図２３に示したＤＯＥ５、自由曲面６等の位置を機械的に動かすことは不可能である。そこで、本実施形態の板状撮像ユニット１４では、焦点距離が可変の光学素子１５を用いている。図２７は光学素子１５の一例を示し、高分子分散液晶１６を用いた可変焦点ＤＯＥ１７である。透明基板１８の少なくとも一方の面に光の波長程度の溝が形成されており、透過電極１９に電圧を加えると液晶分子２０の方向は図２８に示すように揃うので、高分子分散液晶１６の屈折率は下がる。一方、電圧を加えなければ液晶分子２０の方向はランダムなので高分子分散液晶１６の屈折率は上がる。したがって、可変焦点ＤＯＥ１７は電圧のＯＮ、ＯＦＦで焦点距離を切り替えることができる。高分子分散液晶１６は、液晶分子２０に対する重量比をある程度以上（たとえば２５％以上）に大きくすればほぼ固体になるので、高分子分散液晶１６の右側には基板を設けなくてもよい。また、図２９に示すように高分子分散液晶１６の右側の面および透明基板１８の左側の面を曲面２１にして、レンズ作用、収差補正に用いてもよい。図２７および図２９に示した例では、ともに、透明基板１８の右側の面をＤＯＥ面でなくフレネル面としてもよい。このときＤＯＥ１７は可変焦点フレネルレンズとして作用する。さらに、図５４に示すように、透明基板１８の右側の面を通常のレンズのような曲面としてもよい。
【００４１】
また、上述した透明基板３、１８には赤外カットフィルタの効果をもたせてもよい。
図３０は、本発明の第１５実施形態を示す図である。
第１５実施形態の光学装置は、反射型の可変焦点フレネルミラー２２を用いた板状撮像ユニットである。可変焦点フレネルミラー２２は、図３１に示すように反射面２３が設けられており、電圧の可変をスイッチ２４の開閉または可変抵抗２５でおこなうことによってフレネル面２６の屈折力が変わるので可変焦点のフレネルミラーとして動作する。フレネル面２６の代わりにＤＯＥとしてもよい。
【００４２】
なお、上記の実施形態における可変焦点ＤＯＥ１７、フレネルミラー２２は、板状撮像ユニット７に用いるのみならず、図３２に示すように通常の撮像装置あるいは厚さの異なる光ディスク用の可変焦点レンズ、電子内視鏡、ＴＶカメラ、フィルムカメラ等に用いてもよい。また、用いる液晶としてはトラン系の液晶たとえば大日本インキＤＯＮ−６０５：Ｎ−１（日化協月報１９９７年２月号ｐ．１４〜ｐ．１８）等を用いると光学的異方性が大きく（Δｎ＝０．２８３；Δｎは光学的異方性を表し、屈折率楕円体の主軸の長さの差である）、液晶の粘性が低く、高速の焦点距離の切り換えができなおよい。
次に、電子撮像系のひとつである電子内視鏡あるいはファイバスコープ、硬性鏡等の内視鏡あるいは工業用検査装置に用いられるライトガイド用の光源光学系について述べる。
【００４３】
従来技術では図３４に示すように、ライトガイド３１の手前に非球面レンズ３２があり、ランプ３３からの光をライトガイド３１の端面に集めるようになっている。ランプ３３はランプ以外の光源たとえば半導体レーザ等でもよい。ライトガイド３１の入射面の法線に対して入射光がなす角をθとし、入射光強度をＩとすると、θとＩとの関係は図３５に示すようになる。Ｉの値はθに対してほぼ一定値を保っておりθL のところで光線がなくなるので０になる。入射光束の立体角を考えれば入射光エネルギーが最大となるのはθ＝θL の近傍である。したがってライトガイド３１は入射角θL の光を伝達できるよう、
ＮＡ ≧ θL ・・・（３）
を満たすことが必要であった。しかし、ＮＡを大きくするにつれてライトガイドのガラスが黄色に着色し、色再現の低下、伝送光量の低下を生ずる欠点があった。
【００４４】
以下、上記の従来技術の問題点を解決し得る光源光学系について説明する。
第１の例は、図３６に示すように、ＤＣＣレンズ３４を配設し、ランプ３３からの光束のうち中心と周辺とをＤＣＣレンズ３４の側面３４’での全反射により反転させ、集光レンズ３５に入射させるものである。なおＤＣＣレンズ３４とは、K.Kono et al.:Opt. Rev. 4(1997)423. に説明があるとおり、両端が円錐形にへこみ側面が光を反射する円筒状の光学素子であり、入射光を側面３４’にて全反射させるかあるいは側面に金属膜を付けて反射させ、入射光束のうち中心の光線ａと周辺の光線ｂとを反転し、集光レンズ３５の周辺に光線ａが、集光レンズ３５の中心に光線ｂが入射するようにする。このようにすると、θとＩとの関係は図３７に示すように、中心では高く（理論的には無限大）周辺では低く（理論的には０）なるので、ＮＡの小さいライトガイドでも大量の光量を伝送でき、前述の問題点が解消する。なお、ＤＣＣレンズ３４はガラス、プラスチック、ゴム等の透明物質の成形あるいは研削で作ることができる。図３６に示した形状のＤＣＣ３４が加工しにくい場合は、図３８に示すように、二つの部材３６、３７に分割して作ってもよく、とくに同形の二つの部材に分割して作れば型が共有できコスト的に有利である。
【００４５】
ＤＣＣレンズの設計例を以下に示す。図３９に示すように、ＤＣＣレンズ３４の中心厚をｔ、屈折率をｎ、入射光束高（＝射出光束高）をｈ、ＤＣＣレンズの頂角の１／２をα、φを下記式（５）で定義すると、
ｔ＝｛１−cot α・cot （α＋φ）｝・ｈ／cot （α＋φ） ・・・（４）
sin φ＝cos α／ｎ ・・・（５）
の関係がある。ここで、ｎ＝１．５３、ｈ＝１２．７mm、α＝４５°とすると、φ＝２７．５２７°、ｔ＝２７．６４５mmとなるが、ＤＣＣレンズ３４の直径Ｄを、やや余裕をみて３０mmとすると、ｔは下記式（６）のｔ’ほど大きくする必要がある。
【００４６】
ｔ’＝（Ｄ／２−ｈ）・tan （９０°−α−φ） ・・・（６）
したがって、ｔ＝２８．３６９mmとするのがよい。一方、Ｄを２ｈより大きくしすぎるとコスト的に不利で、
Ｄ≦３ｈ＋５ ・・・（７）
を満足させるのがよい。したがってｔは、下記条件（８）を満たすように決めるのがよい。
【００４７】
０．６×｛（１−cot α・cot （α＋φ）／cot （α＋φ）｝×ｈ≦ｔ≦
｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ＋５（Ｄ／２−ｈ）・cot （α＋φ） ・・・（８）
条件（８）の下限を下回ると光源中心付近の光束のケラレが生じ損であり、上限を上回ると光源周辺の光束のケラレが生じ損である。以上のように、ＤＣＣレンズの中心厚ｔは上記条件（５）、（８）を満たすように決めるとよい。なお、図３８に示したようにＤＣＣレンズ３４を二つに分割して製作した場合でも、その中心厚ｔとして３６と３７のそれぞれの中心厚の和をとれば上記条件（５）、（７）、（８）を適用できる。また、図４０に示すようにランプ３３の中心部のフィラメントが原因でランプ３３からの射出光束の中心部が黒く抜けてしまう場合がある。つまり、直径ｄの斜線部の光エネルギーがないのである。しかし、この場合もＤＣＣレンズ３４によって射出光束の黒い抜けをなくすことができる。
【００４８】
第２の例は、図４１に示すように、ＤＣＣレンズを二つに分割した一方の部材３８を凸レンズ作用をもつ曲面としたものである。この場合は集光レンズを省略できるのでコスト低減ができるメリットがある。部材３８の断面の凸カーブ３８’の半径をＲ、省略する集光レンズの焦点距離をｆ、部材３８の屈折率をｎとすると、
１／ｆ≒（ｎ−１）／Ｒ ・・・（９）
を満たすようにＲを決めればよい。本実施形態においても部材３６、３８を一体とする形状にしてもよい。また、同様にランプ３３からの射出光束が平行光束でない場合は部材３６の入射面３６’の断面形状を曲面にして、部材３６内を通る光束が平行光束になるようにしてもよい。上記の他、部材３６の射出面、部材３８の入射面をそれぞれ曲面とすることも可能である。
【００４９】
以上に説明した光源光学系によれば、ＮＡが比較的小さく着色の少ないライトガイドでも大量の光量を伝送できる。
次に、微小レンズを基板上に整列させる方法について述ペる。
【００５０】
内視鏡などに用いられるライトガイド用の光源装置において、一般的には図４２に示すように、ライトガイド１０４の端面に凹レンズ１００を配置する光学系が知られている。また、ライトガイド光学系を大きくすることなく配光特性を向上させる方法として、従来技術では図４３に示すように、球状レンズ１０１を基板１０２上に２次元的にアレイ状に並べた球状レンズアレイ１０３をライトガイド１０４の端面に設ける方法が考えられている。良好な配光特性を得るには、図４４に示すように、球状レンズ１０１が稠密に並んでいることが望ましい。しかしここで用いられる球状レンズは数μｍ程度であり、このような微粒子を稠密に整列させる手段として重力を利用する方法が考えられるが、直径１μｍ〜数十μｍ程度の微粒子を重力を用いて２次元的に規則正しく整列させるのは極めて困難である。また、工業的に量産を考えると、短時間で比較的面積の大きな基板に形成させる必要が生ずる。
【００５１】
以下、上記の従来技術の問題点を解決し得る方法について説明する。
球状部材を分散させた液体中に基板を入れ、基板を液体から引き上げる際、境界付近では液体の表面張力と液体の蒸発に伴う流れが発生し微粒子が基板上に結晶状に整列する、自己集積現象が知られている（K.Nagayama ed.:“Protein Array -An Alternative Biomolecular System", Adv. Biophys.(Tokyo) 34(1997),Japan Scientific Soc．Press ）。第１の例は、微小レンズを基板上に整列させる手段としてこの自己集積現象を利用するものである。図４５に示すように、微小球状レンズ１０１を分散させた液体１０５の中に、基板１０２となる部材を浸し、基板１０２を垂直または水平に引き上げ液体を蒸発させることによって、微小球状レンズ１０１を基板１０２上に稠密に整列させ、球状レンズアレイを製作することができる。
【００５２】
第２の例は、図４６に示すように、基板１０２上に球状レンズ１０１を分布させ、基板１０２を振動させることにより、球状レンズ１０１を基板１０２に整列させることができる。
【００５３】
以上に説明した方法により整列させた球状レンズを接着剤等で固定すれば、規則正しく並んだ球状レンズアレイを容易に製作できる。特に、比較的広い面積の基板でも容易に製作でき工業的にもメリットがある。
【００５４】
また、図４７に示すように球状レンズアレイ１０３を２層にすると、さらに配光特性が向上する。図４８は、光源装置の配光特性すなわち射出光の角度θに対する強度Ｉの分布を示す。実線はライトガイド１０４の端面に凹レンズを配置した場合、破線は上記第１、第２の例の単層レンズアレイを配置した場合、一点鎖線は図４７に示した２層レンズアレイを配置した場合を示し、２層レンズアレイを配置した場合は配光特性が向上している。
【００５５】
また、本手法で製作された球状レンズアレイは、図４９に示すように、液晶表示素子のバックライトの集光にも適用できる。本図において、バックライト１０９からの光束は球状レンズアレイ１０３を透過し液晶表示素子１１０を照明する。これによってバックライト１０９からの光を効率よく集光でき、明るい液晶表示素子を実現できる。
【００５６】
さらに、図５０に示すように、ＣＣＤなどの撮像素子１１１の直前に本手法で製作した球状レンズアレイ１０３を設けることによって、撮像素子の開口効率が大幅に向上する。
【００５７】
なお、基板上に整列した微小粒子を固定する方法としては、図５１に示すように、接着剤１１３の使用が考えられるが、粘性の高い接着剤を使用すると整列した粒子の配列が乱れるおそれがある。また、接着剤自体の化学的変化により、透過率が低下するおそれがある。特に医療用内視鏡の場合、高温での滅菌作業が不可欠なので接着剤を用いない方法が望ましい。そこで、図５２に示すように、もう１枚の基材１１２を用いて挟み、両端を封止する方法が考えられる。さらに、図５３に示すように、基板または球状レンズを加熱することにより溶かし、互いに固定させることもできる。
【００５８】
以上に説明した方法によれば、微小な球状レンズを基板上に容易に稠密に並べることができ、内視鏡先端部の小型化、液晶表示素子の明るいバックライト、固体撮像素子の集光効率の向上等を実現することができる。
【００５９】
以上説明したように、本発明による光学装置、撮像装置、表示装置、結像装置等は、以下の付記に示す特徴を備えていることが好ましい。
付記
【００６０】
１．一枚の基板に少なくとも光学素子、シャッター、絞り、表示素子のうちの一つ以上と撮像素子と、を配設した光学装置。
【００６１】
２．一枚の基板に光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子等のうちの二つ以上を配設した光学装置。
【００６２】
３．一枚の基板に光学素子、シャッター、絞り等のうちの二つ以上を配設した光学装置。
【００６３】
４．一枚の基板に、少なくとも撮像素子、光学素子、シャッター、絞り、のうちの一つ以上と表示素子と、を配設した光学装置。
【００６４】
５．前記光学素子が、光学特性可変光学素子であることを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００６５】
６．前記光学特性可変光学素子が、可変焦点光学素子であることを特徴とする付記項５に記載の光学装置。
【００６６】
７．前記光学特性可変光学素子が、可変焦点ミラーであることを特徴とする付記項５に記載の光学装置。
【００６７】
８．前記光学素子が、可動光学素子であることを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００６８】
９．前記光学素子が、薄膜レンズ技術を用いて作られたことを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００６９】
１０．前記光学素子が、ミラーであることを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００７０】
１１．前記光学素子が、赤外光カット機能を有することを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載の光学装置。
【００７１】
１２．シリコン基板上に形成したことを特徴とする付記項１ないし付記項１１のいづれかに記載の光学装置。
【００７２】
１３．前記基板が透明であることを特徴とする付記項１ないし付記項１１のいづれかに記載の光学装置。
【００７３】
１４．前記基板が赤外光除去機能を有することを特徴とする付記項１３に記載の光学装置。
【００７４】
１５．前記基板の少なくとも一部が不透明であることを特徴とする付記項１ないし付記項１４のいづれかに記載の光学装置。
【００７５】
１６．前記光学装置を製作するのにリソグラフィープロセスを用いる付記項１ないし付記項１５のいづれかに記載の光学装置。
【００７６】
１７．各種ＩＣまたはＬＳＩを含む付記項１ないし付記項１６のいづれかに記載の光学装置。
【００７７】
１８．光学ブロックと前記光学装置とを備えた付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の装置。
【００７８】
１９．光学素子と光学ブロックと前記光学装置とを備えた付記項１ないし付記項１８のいづれかに記載の装置。
【００７９】
２０．前記光学ブロックが赤外光カット機能を有する付記項１８または付記項１９に記載の装置。
【００８０】
２１．付記項１ないし付記項１１、付記項１７のいづれかに記載の光学装置と付記項１３ないし付記項１５のいづれかに記載の透明な光学装置を組み合わせた装置。
【００８１】
２２．光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子の一つ以上と光学ブロックとを備えた光学装置。
【００８２】
２３．光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子の二つ以上と光学ブロックとを備えた光学装置。
【００８３】
２４．光学ブロックの複数の面に対向して光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子のうちの二つ以上を配置した光学装置。
【００８４】
２５．光学特性可変光学素子または可動光学素子を少なくとも一つ含み、ＺＯＯＭを行う付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２１のいづれかに記載の装置を含む光学装置。
【００８５】
２６．付記項１ないし付記項２５のいづれかに記載の装置を備えた撮像装置。
【００８６】
２７．付記項１ないし付記項２５のいづれかに記載の装置を備えた結像装置。
【００８７】
２８．撮像または観察方向と、撮像素子または眼に入射する光線とが捩じれの関係にある光学装置を用いた撮像装置。
【００８８】
２９．撮像または観察方向と、撮像素子または眼に入射する光線とが捩じれの関係にある、付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２５のいづれかに記載の装置を含む光学装置。
【００８９】
３０．付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２５のいづれかに記載の装置を含む、請求項２に記載の光学装置。
【００９０】
３１．撮像または観察方向が厚さ方向とほぼ直角であることを特徴とする付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２５のいづれかに記載の装置または付記項３０に記載の光学装置を含む撮像装置。
【００９１】
３２．撮像または観察方向が厚さ方向とほぼ平行であることを特徴とする付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２５、請求項１、請求項２のいづれかに記載の装置を含む撮像装置。
【００９２】
３３．請求項３に記載の足つき光学素子。
【００９３】
３４．請求項３に記載の静電光学素子。
【００９４】
３５．請求項３に記載の自走光学素子。
【００９５】
３６．フォーカスまたはズームを行う請求項３に記載の可動光学素子を備えた光学装置。
【００９６】
３７．静電気力又は電磁力によって駆動されるリソグラフィープロセスを含む加工法で製作された絞り。
【００９７】
３８．静電気力又は電磁力によって駆動されるリソグラフィープロセスを含む加工法で製作されたシャッター。
【００９８】
３９．静電気力又は電磁力によって駆動されるリソグラフィープロセスを含む加工法で製作された絞りと兼用のシャッター。
【００９９】
４０．固体撮像素子の素子シャッター機能を用いる撮像装置。
【０１００】
４１．透過率可変素子を備えた付記項４０に記載の撮像装置。
【０１０１】
４２．請求項１ないし請求項３、付記項１ないし付記項３７、付記項４０に記載の撮像装置。
【０１０２】
４３．基板が不透明である。（遮光効果があり、フレア、ゴーストを抑制できる。）
【０１０３】
４４．基板が、光路上は透明であり、光路外の少なくとも一部に遮光手段を設けている。（基板を介して光学系を構成できるため薄型化できる。且つフレア、ゴーストを抑えられる。）
【０１０４】
４５．基板の一方の面に光学素子と撮像素子を並列させて配置した。
【０１０５】
４６．基板の一方の面に光学素子と表示素子を並列させて配置した。
【０１０６】
４７．基板の一方の面に複数の光学手段を並列させて配置した。（光学系、装置全体を薄型化できる。）
【０１０７】
４８．基板が透明であり、一部に内面反射面を有する。（基板中で光路を折り返せるので、光学系全体の薄型化がはかれる。）
【０１０８】
４９．光学素子と撮像素子とが互いに偏心している。
【０１０９】
５０．基板が透明のほぼ平行平面板であり、且つ面の一部が曲面にて構成された光学面である。
【０１１０】
５１．主光線または光軸が屈曲している。
【０１１１】
５２．一枚の基板上に光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子のうち複数を非共軸に配置した光学装置。
【０１１２】
５３．一枚の基板上に光学素子、シャッター、絞り、表示素子の少なくともいづれかの素子と、前記素子とは非共軸の撮像素子とを配置した光学装置。
【０１１３】
５４．光学特性可変光学素子を基板上に配すると共に、上記基板上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学素子のうち何れかを配置した光学装置。
【０１１４】
５５．可動光学素子を基板上に配すると共に、上記基板上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学素子のうち何れかを配置した光学装置。
【０１１５】
５６．反射面を有する基板上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学素子のうち何れかを配置した光学装置。
【０１１６】
５７．赤外カットフィルターを有する基板上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学素子のうち何れかを配置した光学装置。
【０１１７】
５８．一枚の透明基板の表面に少なくとも撮像素子と光学素子とを配設し、撮像機能を有することを特徴とする板状撮像ユニット。
【０１１８】
５９．一枚の透明基板の表面に、撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設し、撮像機能を有することを特徴とする板状撮像ユニット。
【０１１９】
６０．一枚の透明基板の表面に、ファインダーと撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設し、撮像機能を有することを特徴とする板状撮像ユニット。
【０１２０】
６１．一枚の透明基板の表面に、撮像素子と表示装置と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面とファインダーのうち一つ以上とを配設し、撮像機能を有することを特徴とする板状撮像ユニット。
【０１２１】
６２．製作段階でリソグラフィープロセスを用いることを特徴とする、付記項５８ないし付記項６１のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１２２】
６３．可変焦点光学素子を備えたことを特徴とする、付記項５８ないし付記項６２のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１２３】
６４．前記透明基板が赤外カットフィルタ効果を有することを特徴とする、付記項５８ないし付記項６３のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１２４】
６５．付記項５８ないし付記項６４のいづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた撮像装置。
【０１２５】
６６．付記項５８ないし付記項６４のいづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた携帯情報端末装置。
【０１２６】
６７．一枚の透明基板とその表面に形成された高分子分散液晶とからなることを特徴とする可変屈折力光学素子。
【０１２７】
６８．一枚の透明基板とその表面に形成された高分子分散液晶とからなることを特徴とする可変焦点光学素子。
【０１２８】
６９．一枚の透明基板とその表面に形成された高分子分散液晶とからなることを特徴とする可変焦点回折光学素子。
【０１２９】
７０．液晶に対する高分子の重量比を２５％以上にしたことを特徴とする、付記項６７ないし付記項６９のいづれかに記載の光学素子。
【０１３０】
７１．前記透明基板が赤外カットフィルタ効果を有することを特徴とする、付記項６７ないし付記項７０のいづれかに記載の光学素子。
【０１３１】
７２．付記項６７ないし付記項７１に記載の光学素子を備えた撮像装置。
【０１３２】
７３．光線が透過する少なくとも一面が凹曲面で、側面が光線を反射する光学素子を少なくとも一つ備えたことを特徴とするライトガイド用光源光学系。
【０１３３】
７４．一面が光線が透過する凹曲面で、側面が光線を反射する同形の光学素子二つを備えたことを特徴とするライトガイド用光源光学系。
【０１３４】
７５．両端が光線が透過する凹曲面で、側面が光線を反射する光学素子を備えたことを特徴とするライトガイド用光源光学系。
【０１３５】
７６．下記条件（５）、（８）を満たすことを特徴とする、付記項７３ないし付記項７５のいづれかに記載のライトガイド用光源光学系。
sin φ＝coS α／ｎ ・・・（５）
０．６×｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ≦ｔ≦
｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ＋５（Ｄ／２−ｈ）・cot （α＋φ） ・・・（８）
ただし、φは式（５）で定義される角、αはＤＣＣレンズの頂角の１／２、ｎはＤＣＣレンズの屈折率、ｈは入射光束高、ｔはＤＣＣレンズの中心厚、ＤはＤＣＣレンズの直径である。
【０１３６】
７７．下記条件（５）、（７）、（８）を満たすことを特徴とする、付記項７３ないし付記項７５のいづれかに記載のライトガイド用光源光学系。
sin φ＝cos α／ｎ ・・・（５）
Ｄ≦３ｈ＋５ ・・・（７）
０．６×｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ≦ｔ≦
｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ＋５（Ｄ／２−ｈ）・cot （α＋φ） ・・・（８）
ただし、φは式（５）で定義される角、αはＤＣＣレンズの頂角の１／２、ｎはＤＣＣレンズの屈折率、ｈは入射光束高、ｔはＤＣＣレンズの中心厚、ＤはＤＣＣレンズの直径である。
【０１３７】
７８．光線射出面の断面形状が下記条件（９）を満たすことを特徴とする、付記項７３ないし付記項７５のいづれかに記載のライトガイド用光源光学系。
１／ｆ≒（ｎ−１）／Ｒ ・・・（９）
ただし、ＲはＤＣＣレンズを二つに分割した部材のうち凸レンズ作用をもつ曲面とした一方の部材の断面の凸カーブの半径をＲ、ｎは該部材の屈折率、ｆはこれにより省略できる集光レンズの焦点距離である。
【０１３８】
７９．付記項７３ないし付記項７８のいづれかに記載の光学系を備えた光源装置。
【０１３９】
８０．基板上に球状レンズを稠密に整列させる手段として自己集積現象を用いた球状レンズアレイの製作方法。
【０１４０】
８１．基板上に球状レンズを稠密に整列させる手段として基板または球状レンズを振動させる球状レンズアレイの製作方法。
【０１４１】
８２．球状レンズがガラスであることを特徴とする、付記項８０または付記項８１に記載の方法。
【０１４２】
８３．球状レンズが樹脂であることを特徴とする、付記項８０または付記項８１に記載の方法。
【０１４３】
８４．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた照明光学系。
【０１４４】
８５．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた内視鏡用照明光学系。
【０１４５】
８６．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた顕微鏡用照明光学系。
【０１４６】
８７．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた液晶表示素子のバックライト照明光学系。
【０１４７】
８８．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作したレンズアレイを備えた撮像素子。
【０１４８】
８９．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作した球状レンズの基板への固定手段として、接着剤を用いて固定する方法。
【０１４９】
９０．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作した球状レンズの基板への固定手段として、別の基板を用いて前記球状レンズを挟むことにより固定する方法。
【０１５０】
９１．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作した球状レンズの基板への固定手段として、前記球状レンズまたは前記基板を加熱することにより固定する方法。
【０１５１】
９２．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって製作した球状レンズアレイ。
【０１５２】
９３．付記項８０または付記項８１に記載の方法によって球状レンズアレイを製造する製造装置。
【０１５３】
９４．一枚の透明基板の表面に少なくとも撮像素子と光学素子とを配設した板状撮像ユニット。
【０１５４】
９５．一枚の透明基板の表面に、撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設した板状撮像ユニット。
【０１５５】
９６．一枚の透明基板の表面に、ファインダーと撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設した板状撮像ユニット。
【０１５６】
９７．一枚の透明基板の表面に、撮像素子と表示装置と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面とファインダーのうちの一つ以上とを配設した板状撮像ユニット。
【０１５７】
９８．制作段階でリソグラフィープロセスを用いることを特徴とする、付記項９４ないし付記項９７のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１５８】
９９．可変焦点光学素子を備えたことを特徴とする、付記項９４ないし付記項９８のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１５９】
１００．前記透明基板が赤外カットフィルタ効果を有することを特徴とする、付記項９４ないし付記項９９のいづれかに記載の板状撮像ユニット。
【０１６０】
１０１．付記項９４ないし付記項１００のいづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた撮像装置。
【０１６１】
１０２．付記項９４ないし付記項１００のいづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた携帯情報端末装置。
【０１６２】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明によれば、小型でコストの安い撮像装置、観察装置等の光学装置あるいはそれらに用いられるユニット等の部品を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す図である。
【図２】 本発明の第２実施形態を示す図である。
【図３】 図２の光学装置を上方から見たマイクロシャッター付近の拡大図である。
【図４】 本発明の第２実施形態に用いる絞りの変形例を示す図である。
【図５】 本発明の第２実施形態の変形例として、光学特性可変光学素子の一つである可変焦点ミラーの別の一例である液晶可変焦点レンズをミラーの前面に配置した液晶可変ミラーを用いた撮像装置の一例を示す図である。
【図６】 本発明の第３実施形態を示す図である。
【図７】 本発明の第３実施形態の撮像装置に用いるローパスフィルターの斜視図で、捩じれ関係にある二つの平面よりなる瞳分割型のローパスフィルターを示す。
【図８】 本発明の第４実施形態を示す図である。
【図９】 本発明の第５実施形態を示す図である。
【図１０】 本発明の第６実施形態を示す図である。
【図１１】 本発明の第６実施形態の変形例を示す図である。
【図１２】 本発明の第７実施形態を示す図である。
【図１３】 本発明の第７実施形態の変形例として足付きレンズと透明基板と固体撮像素子とを組合せてなるシンプルな構成の撮像装置の一例を示す図である。
【図１４】 本発明の第８実施形態を示す図である。
【図１５】 本発明の実施形態に用いる可動レンズの他の例として静電レンズを示す図である。
【図１６】 本発明の第９実施形態を示す図である。
【図１７】 本発明の第９実施形態に用いる自走レンズの構成概要図である。
【図１８】 本発明の第１０実施形態を示す図である。
【図１９】 本発明の第１０実施形態に用いる自由曲面プリズムを上方からみた図である。
【図２０】 本発明の第１０実施形態に用いる自由曲面プリズムを物体側からみた図である。
【図２１】 本発明の第１１実施形態を示す図である。
【図２２】 デジタルカメラの従来例を示す図である。
【図２３】 本発明の第１２実施形態を示す図である。
【図２４】 本発明の第１３実施形態を示す図である。
【図２５】 本発明の第１３実施形態のファインダ部の断面図である。
【図２６】 本発明の第１４実施形態を示す図である。
【図２７】 本発明の第１４実施形態に用いる光学素子を示す図である。
【図２８】 電圧を加えたときの液晶分子の状態を示す図である。
【図２９】 光学素子の変形例を示す図である。
【図３０】 本発明の第１５実施形態を示す図である。
【図３１】 本発明の第１５実施形態に用いる可変焦点フレネルミラーを示す図である。
【図３２】 可変焦点ＤＯＥの応用例を示す図である。
【図３３】 撮像装置の従来例を示す図である。
【図３４】 ライトガイド用の光源光学系の従来例を示す図である。
【図３５】 従来例において入射角と入射光強度との関係を示す図である。
【図３６】 光源光学系の第１の例を示す図である。
【図３７】 第１の例において入射角と入射光強度との関係を示す図である。
【図３８】 ＤＣＣレンズの変形例を示す図である。
【図３９】 ＤＣＣレンズの設計例を説明するための図である。
【図４０】 ＤＣＣレンズの効果を示す図である。
【図４１】 光源光学系の第２の例を示す図である。
【図４２】 ライトガイドの先端部の従来例を示す図である。
【図４３】 ライトガイドの先端部に球状レンズアレイを設けた例を示す図である。
【図４４】 球状レンズが稠密に並んだ状態を示す図である。
【図４５】 微小レンズを基板上に整列させる方法の第１の例を示す図である。
【図４６】 微小レンズを基板上に整列させる方法の第２の例を示す図である。
【図４７】 球状レンズアレイを２層にした例を示す図である。
【図４８】 各種の光源装置の配光特性を比較する図である。
【図４９】 球状レンズアレイの応用例を示す図である。
【図５０】 球状レンズアレイの別の応用例を示す図である。
【図５１】 基板上に整列した微小粒子を固定する方法を示す図である。
【図５２】 基板上に整列した微小粒子を固定する別の方法を示す図である。
【図５３】 基板上に整列した微小粒子を固定するさらに別の方法を示す図である。
【図５４】 本発明の第３実施形態に用いる光学素子の別の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１ 固体撮像素子
２ レンズ系
３、１８、１９８ 透明基板
４、６ 自由曲面
５ 回折光学素子（ＤＯＥ）
７、１４ 板状撮像ユニット
７’ 光
８ ＴＦＴ液晶ディスプレー
９、２０３ ＩＣ
１０ マイクロプロセッサ
１１ ファインダ
１２、１００ 凹レンズ
１３ 凸レンズ
１５ 光学素子
１６ 高分子分散液晶
１７ 可変焦点ＤＯＥ
１９ 透過電極
２０ 液晶分子
２１ 曲面
２２ 可変焦点フレネルミラー
２３ 反射面
２４、５８ スイッチ
２５ 可変抵抗
２６ フレネル面
３１、１０４ ライトガイド
３２ 非球面レンズ
３３ ランプ
３４ ＤＣＣレンズ
３４’ 側面
３５ 集光レンズ
ａ、ｂ 光線
３６、３７、３８ 部材
３６’ 入射面
３８’ 凸カーブ
５２ 可変焦点ミラー
５３ 薄膜
５４、１９３、１９３ａ、１９３ｂ、２１９ｂ、２２１、２２２、２５６ 電極
５５ 固体撮像素子，ＣＣＤ
５６、１０２、２４０ 基板
５７、１９６ 電源
５９ 可変抵抗器
６０ 物体からの光
１０１ 球状レンズ
１０３ 球状レンズアレイ
１０５ 液体
１０９ バックライト
１１０ 液晶表示素子
１１１ 撮像素子
１１２ 基材
１１３ 接着剤
１７０、２３２、２３４ デジタルカメラ
１７１、１８１、１８２、１８３、２００、２００ｂ、２０８、２１０、
２１１、２１２、２１８ レンズ
１７３、１９７ 絞り
１７４ シャッター
１７５ レンズフォーカシング用ソレノイド
１８０ 電子撮像ユニット
１８４ プリズム
１８５、１９０、２１８Ｂ、２２５ ミラー
１８６、２４３、２４４、２４５ 板状ユニット
１８７ シリコン基板
１８８ マイクロシャッター
１８９、２３０ 自由曲面プリズム
１９１ 固定電極
１９２ 遮光板
１９９ 反射型ＬＣＤ
２０１ ローパスフィルター
２０２ 透明な板状ユニット
２０４、２０７、２１７、２２８、２４６、２５３ 撮像装置
２０５ 曲面状の樹脂薄膜
２０９ ディスプレー
２１４ 斜線部
２１６ 足付きレンズ
２１６Ｂ 足付きミラー
２１９、２４７、２４８ 足
２２０ 静電レンズ
２２３ ダンパー
２２６ 可動ミラー
２２７ 自走レンズ
２３１ 撮像ユニット
２３３ 干渉膜
２４１ 低品質のシリコン等からなる基板
２４２ 高品質のシリコンからなる基板
２４９ 液晶シャッター
２５２ 液晶可変ミラー
２５４ 透明電極
２５５ フレネルレンズ状の基板
２５７ ツイストネマチック液晶
Claims (2)
- 光学特性可変光学素子と、自由曲面光学素子と、撮像素子と、表示素子と、電源と、マイクロプロセッサーと、メモリーと、電話機能を持つ回路と、透明基板を備え、
前記光学特性可変光学素子、前記自由曲面光学素子、前記撮像素子、前記表示素子、前記マイクロプロセッサー、前記メモリー及び前記電話機能を持つ回路は、いずれも前記透明基板の表面上に設けられ、
前記撮像素子と前記表示素子は分離して設けられ、
前記光学特性可変光学素子は複数の電極を有する反射型の光学素子であって、該複数の電極に印加する電圧を変化させることで焦点距離が変化し、
前記マイクロプロセッサーは前記印加する電圧を制御し、
前記表示素子はリソグラフィープロセスを用いて形成されると共に、前記撮像素子によって撮像された画像を表示し、
前記光学特性可変光学素子と前記自由曲面光学素子は、遠方の物体の像を所定の位置に形成する単眼の光学系、またはその一部を構成し、
前記撮像素子は前記所定の位置に配置され、
前記透明基板の表面、側面または内部であり迷光を除去する位置に、遮光用の膜が設けられていることを特徴とする光学装置。 - 前記自由曲面光学素子が前記透明基板上に薄膜レンズ技術を用いて形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
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