JP4429407B2 - Imaging device - Google Patents

Description

【００５５】
ただし、Φ、Γ、α、Ｘ、Ｒ（−Φ）は夫々下記の式（５−４）、（５−５）、（５−６）、（５−７）、（５−８）の通りである。
Φ＝２πｄ／Ｐ （５−４）

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はネマテック液晶による常光と異常光の位相差を表わす。
【００５６】
なお、Φはネマテック液晶の液晶分子の、捩れ角をラジアンで表わしたものである。又式（５−３）、式（５−８）の座標系は、図１２に示すｘ，ｙ，ｚ軸のように取るものとする。つまり、ｘ軸は紙面の表から裏側へ向かっており、ｙ軸はカイラルネマテック液晶の入射面での液晶分子長軸の方向である。式（５−１）の条件のもとで、式（５−３）のＷ_tがどのようになるかを調べてみる。
【００５７】
式（５−１）は次の式（５−９）のように変形できる。
０＜Ｐ／λ＜＜１ （５−９）
【００５８】
そこでｐ／λ→０の時、式（５−３）のＷ_tの極限値Ｗ_tＬを求める。
【００５９】
Γ／Φは（５−１０）にて与えられる。
Γ／Φ＝（ｎ_e−ｎ_o）（Ｐ／λ） （５−１０）
【００６０】
したがって、Ｐ／λ＜＜１のときΓ／Φは式（５−１１）に示すようになる。
【００６１】
｜Γ／Φ｜＜＜１ （５−１１）
【００６２】
したがってＰ／λ→０のとき｜Γ／Φ｜→０となる。
【００６３】
式（５−１１）の条件のもとでは、式（５−７）のＸは、下記式（５−１２）、（５−１３）、（５−１４）のようになる。

と近似でき、Ｐ／λ→０のとき、それぞれ、
Ｘ→Φ （５−１６）
ｃｏｓＸ→ｃｏｓΦ （５−１７）

となるので、Ｐ／λ→０のとき、Ｗ_tLは（５−２０）のようになる。

【００６４】
これは屈折率ｎ’＝（ｎ_e＋ｎ_o）／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。
【００６５】
したがって、Ｐ／λ＜＜１であるので、図１２の可変焦点レンズ２１は、屈折率ｎ’のレンズとして作用しぼけのない結像が実現できる。
【００６６】
尚、図１４のように液晶が中間の配列の場合においても、ｎ_eの値を、ｎ_eとｎ_oのある中間の値である異常光の屈折率ｎ_e’で置きかえることで、上記の式（５−３）〜（５−２０）を満足するようにすることが可能である。
【００６７】
尚、図１２のように構成することにより電圧の印加のしかたとしては、連続可変に限らず、いくつかの離散的な電圧値の中から印加電圧を選択するようにしても、可変焦点レンズが実現できる。
【００６８】
ここで、図１２のような構成の可変焦点レンズの実際的な例について、詳細に説明する。
【００６９】
式（５−２０）にはＰ／λ→０の極限の場合が示されているが、実際の液晶レンズ、可変焦点レンズではかならずしも極限値があてはまらない場合もあるので、式（５−３）の近似式を導いてみる。Ｐ／λ＜１でなくても良い。
【００７０】
式（５−３）をＰ／λの１次までを考えて近似すると、次のようになる。つまり、式（５−１２）〜式（５−１４）で、Ｐ／λの１次まで、即ち式（５−１０）より、Γ／Φの１次までを残し、Γ／Φの２次以上を省略すると式（５−２１）のようになる。

【００７１】
これら式（５−２０）、（５−２１）、（５−２２）より下記式（５−２３）が得られる。

【００７２】
したがって、Ｗ_tNの値が、等方媒質のジョーンズ行列とほぼ等しいとみなせるためには、｜ｉ・Γ／２Φ｜が０に近ければよい。この時Ｗ_tNは下記式（５−２４）に近づく。

【００７３】
この式（５−２４）は、液晶が入射光の偏光方向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。
【００７４】
したがって、式（５−２５）を満足する、つまりおよそ式（５−２６）を満足すれば、ぼけない可変焦点レンズが得られる。
【００７５】
｜ｉ・（Γ／２Φ）｜≒０ （５−２５）
｜Γ／２Φ｜＜０．１１ （５−２６）
式（５−１０）より、Γ／２Φは下記式（５−２７）にて表わされる。

【００７６】
実際のレンズ付撮像装置、例えば電子カメラ、ＶＴＲカメラ、電子内視鏡等の、比較的低コストの製品等のレンズに本発明の可変焦点レンズを用いる場合、固体撮像素子の画素数が少なく、高解像を要求しない場合もあるので、式（５−２６）は条件をゆるめることができ、下記条件（５−２８）を満足すればよい。
｜Γ／２Φ｜＜１ （５−２８）
【００７７】
画素数の多い電子撮像装置のレンズ、フィルムカメラ、顕微鏡等の高画質の製品等のレンズでは高解像が要求されるので、下記条件（５−２９）を満足することが望ましい。
｜Γ／２Φ｜＜π／６ （５−２９）
【００７８】
光ディスクのレンズ等結像に用いないレンズあるいは画素数の少ない電子撮像装置等の場合、条件はさらにゆるめられ、下記条件（５−３０）を満足すればよい。
｜Γ／２Φ｜＜π （５−３０）
【００７９】
尚、本実施の形態に共通して言えることであるが、液晶がらせん状の配列の時、液晶分子の長軸方向が光軸に対して垂直でない時、つまり斜めの時は、式（５−１）、式（５−２６）〜式（５−３０）のｎ_eを上記のｎ_e’で置きかえればよい。
【００８０】
次に設計例を述べる。
【００８１】
ネマテック液晶の厚さｄは、薄いとレンズのパワーが弱く役に立たないし、厚いと光が散乱しフレアの原因となるので、厚さｄは下記条件（５−３１）を満足することが望ましい。
２μ＜ｄ＜３００μ （５−３１）
【００８２】
又、光の波長λは可視光を考えると、下記条件（５−３２）の範囲である。
０．３５μ＜λ＜０．７μ （５−３２）
【００８３】
又、ｎ_e−ｎ_oの値は液晶の物性で決まり、下記（５−３３）の範囲の物質が多い。
０．０１＜｜ｎ_e−ｎ_o｜＜０．４ （５−３３）
【００８４】
次に設計例として下記第１〜第４の設計例を示す。
第１設計例
ｄ＝１５μ
λ＝０．５μ
ｎ_e−ｎ_o＝０．２
Ｐ＝０．０６μ
したがって
Γ／２Φ＝（１／２）・０．２×０．０６／０．５＝０．０１２
となり、式（５−２０）、式（５−２８）、式（５−２９）、式（５−３０）を満たす。
【００８５】
第２設計例
ｄ＝５０μ
λ＝０．６μ
ｎ_e−ｎ_o＝０．２５
Ｐ＝０．５μ
したがって
Γ／２Φ＝（１／２）・０．５×０．２５／０．６＝０．１０４２
となり、式（５−２６）、式（５−２８）、式（５−２９）、式（５−３０）を満たす。
【００８６】
第３設計例
ｄ＝１００μ
λ＝０．５５μ
ｎ_e−ｎ_o＝０．２
Ｐ＝３μ
したがって
Γ／２Φ＝（１／２）・０．２×３／０．５５＝０．５４５４
となり、式（５−２８）、式（５−３０）を満たす。
【００８７】
第４設計例
ｄ＝２００μ
λ＝０．９５μ
ｎ_e−ｎ_o＝０．２
Ｐ＝７μ
したがって
Γ／２Φ＝（１／２）・０．２×７／０．９５＝０．７３７
となり、式（５−２８）、式（５−３０）を満たす。
【００８８】
以上の各設計例は、カイラルネマチック液晶を例にとって説明したが、ネマチック液晶のらせんのピッチを用いる光の波長よりも小さくするためには、カイラル剤を液晶に混ぜるとよい。
【００８９】
カイラル剤としては、コレステリック液晶又は合成品の光学活性化合物等が用いられる。下記化学式（１）、化学式（２）はネマチック液晶の例で又化学式（３）、化学式（４）はカイラル剤の例である。

【００９０】
前記式（５−３０）において、展型的な液晶の例で考えると
ｎ_e−ｎ_o＝０．１ として
（１／２）×０．１（Ｐ／λ）＜π より
Ｐ＜２０π・λ≒６２．８λ （５−６１）が得られる。
同様にｎ_e−ｎ_o＝０．１を式（５−２８）にあてはめると、
Ｐ＜２０λ （５−６２）が得られる。
【００９１】
したがって液晶を用いる製品によって式（５−６１）又は式（５−６２）を満足するようにすれば、ぼけ（フレアー）の少ない可変焦点レンズ等の光学特性可変光学素子が得られる。又式（５−１）〜（５−３０）はネマチック液晶に限らず、ピッチＰの螺旋構造をもつ液晶すべてにあてはまる。そのような液晶の例としては、コレステリック液晶、スメクチック液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等が挙げられる。
光学系の性能を向上させるためには、ピッチＰの値は小さい方がよい。しかし一般に液晶ではピッチＰの値が小になると液晶の粘性が増大し、電場の変化に対する屈折率の変化の応答速度が遅くなる。この点を考慮すると、実験の結果ピッチＰの値は、およそ波長λよりは大きい方がよく、式（５−２８）、式（５−２９）、式（５−３０）、式（５−６１）、式（５−６２）等をも考慮すると下記の式（５−６３）又は式（５−６４）を満足することが望ましい。
λ≦Ｐ＜２０λ （５−６３）
λ≦Ｐかつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−６４）
また、オートフォーカステレビカメラの光学系等では、さらに早い応答速度が要求される。そのためそれらの光学系においては、下記式（５−６５）又は式（５−６６）を満足することが望ましい。
２λ≦Ｐ＜２０λ （５−６５）
２λ≦Ｐかつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−６６）
逆にそれほど早い応答速度が要求されない光学系、例えば眼鏡、視度調整装置等においては下記式（５−６７）または式（５−６８）を満足すればよい。
２／３λ≦Ｐ＜２０λ （５−６７）
２／３λ≦Ｐかつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−６８）
式（５−６３）、式（５−６５）、式（５−６７）におけるＰの値の上限は、高い光学性能を要求しない安価な光学系、例えばカメラのファインダー等では、６０λまで許される。
なお厚さ９ミクロン、Ｐ＝１．１ミクロンのカイラルネマチック液晶の場合、交流電場の変化に対応する応答時間は、１秒以下から３０秒程度であった。
【００９２】
図１３は、図１２に示す撮像装置で用いる可変焦点レンズ２１をＺ方向より見た図で、電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃを可変焦点レンズ２１の外周に６分割して透明電極４とは絶縁して配置されている。これら電極の対２２ａ−２３ａ，２２ｂ−２３ｂ，２２ｃ−２３ｃは、３連スイッチ２４により順番に交流電圧が加わるようになっている。このように電場の方向を変えることにより液晶の配向がほぼ等方的になるようにできる。もし、一方向だけに電場をかけると液晶分子の螺旋がほどけてしまうことがある。
【００９３】
次に図１２、図１３に示す装置の動作について述べる。
【００９４】
まず、スイッチ９がオンの時、３連スイッチ２４はオフにしておく。これにより液晶分子２０は分子長軸が光軸とほぼ平行になっている。この時液晶レンズ部２５は弱いパワーの凹レンズになる。
【００９５】
次にスイッチ９をオフにして、同時に３連スイッチ２４をオンにすると、液晶分子２０には横方向の電場が加わるために、分子２０の配向は高速で図１２に示すように変わる。
【００９６】
又、３連スイッチ２４の三つの電極に加わる電圧の切り換えの周期Ｔは、次の関係を満足させる必要がある。
【００９７】
図１２に示す光学系で、３連スイッチ２４がオフでスイッチ９がオンの状態で、ある時刻にスイッチ９をオフにすると液晶分子２０は配向膜３の配向規制力等により３連スイッチをオンにしなくとも、自然に図１２に示すような配向になる。
【００９８】
このように、自然に図１２に示すような配向になるまでの時間をτとすると次の関係を有することが必要である。
Ｔ≦τ （７）
もしＴがあまり大で上記（７）を満足しないと液晶分子２０の螺旋がほどけて液晶分子２０の配向が配向膜２に平行なホモジニアス配向になるおそれがある。
【００９９】
上記式（７）は実用的には下記式（７−１）を満足すればよい。
Ｔ≦１０τ （７−１）
この式（７−１）を満足しないと、電極２２、２３に加わる電圧が弱いと、液晶分子２０が完全な螺旋状配向になるまでに時間がかかる場合もあるからである。
【０１００】
なお、液晶分子２０の配向が一度図１２に示すような状態に戻った後は、３連スイッチ２４を継続的にオフにしてもよい。つまり、液晶分子２０の配向が光軸７に平行な状態のホメオトロピック配向からスイッチ９をオフにしても図１２に示すような螺旋状配向に変化するまでの間だけ３連スイッチ２４をオンにしておいてもよい。これにより電気を節約でき有利である。
【０１０１】
又、図１４に示すように可変抵抗１３および１７を適当に調整して液晶分子２０の方向を光軸に対して斜めに配列させることによって可変焦点レンズ２１の焦点距離を連続的に変えることができる。つまりズームレンズ等に用いると便利である。
【０１０２】
図１５は、第３の実施の形態を示す図で、図１２乃至図１４に示す可変焦点レンズをズームレンズに用いた例である。図において２１Ａ、２１Ｂは夫々図１２等に示す可変焦点レンズ２１であり、そのうち２１Ａは絞り２６の前方に又、２１Ｂは絞り２６の後方に配置された夫々前群と後群である。つまりこのズームレンズは、凹の作用をもつ可変焦点レンズ２１Ａよりなる負の屈折力の前群と絞り２６と凸の作用をもつ可変焦点レンズ２１Ｂと凸レンズ２９よりなり全体として正の屈折力をもつ後群とよりなり、各レンズを機械的に移動させることなしに可変焦点レンズ２１Ａと２１Ｂの焦点距離を変化させることにより、レンズ系全系の焦点距離を変化させると共に像面の移動を補正することができる。又、同様にピント合わせを行なうことができる。
【０１０３】
又、この例では、可変焦点レンズ２１Ａを駆動してその焦点距離を変化させる際に液晶２５ｂに加える電界強度を変化させる代りに電界の周波数をｆ₁、ｆ₂、ｆ₃、ｆ₄の４段階に変化させるもので、液晶として周波数によって誘電異方性の符号が変わる液晶を用いている。周波数ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃、ｆ₄をｆ₁＜ｆ₂＜ｆ₃＜ｆ₄とすると液晶２５ｂの誘電異方性がｆ₁とｆ₄とで符号が逆になるように選んでいる。
【０１０４】
このズームレンズにおいて、スイッチ２４を切り換えることにより、周波数を変化させる。この場合、電極２２Ｆは省略してもよい。又周波数は、ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃、ｆ₄のように段階的に変化させる代りに連続的に変化させるようにしてもよい。又周波数の変化と同時に電界の強さを変化させてもよい。
【０１０５】
又、液晶２５ｂ、２５Ｇは螺旋状液晶に限らず誘電異方性が周波数とともに変化する液晶を高分子中に分散させた高分子分散液晶を用いてもよい。可変焦点レンズ２１Ｂは、高分子分散液晶を用いた光学特性可変光学素子の一例である。
【０１０６】
周波数を連続的に変え得る交流電源９ｅが二つの電極３に接続され、交流電源の周波数を変えることにより光学素子の焦点距離を変化させ得る。
【０１０７】
また液晶レンズ２１Ａと液晶レンズ２１Ｂとを連動させることによって、ズーミングを行なうことができる。又、液晶レンズ２１Ｂのみを変化させればフォーカシングを行なうことができる。
【０１０８】
尚、電極２２Ｇは用いなくともよいし、交流電源９ｅの周波数ｆの変化に連動させて２２Ｇに加わる電圧を変化させてもよい。
【０１０９】
尚、図１２に示す撮像装置において、液晶分子２０の代わりにカイラルコレスチック液晶、カイラルスメチック液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶、屈折率異方性が負の液晶、強誘電体高分子分散液晶等を用いてもよい。これら液晶を用いた場合も前記式（６）、（７）、（７−１）、（５−２６）、（５−２８）、（５−２９）、（５−３０）、（５−６１）、（５−６２）、（５−６３）、（５−６４）、（５−６５）、（５−６６）、（５−６７）、（５−６８）は同様にあてはまる。
【０１１０】
図１６、図１７に示す光学系は、図１２に示す光学系において、液晶分子２０の代わりにポリマーの中に直径の平均値がＤのネマチック液晶３４を粒状に配置したものである。
【０１１１】
この図１６、１７に示す例は、分割電極２２、２３は、図１３と同じような動作をするがレンズ３２、３３の周辺に透明電極３に対し絶縁させ配置されている。又３連スイッチ２４の動作は、図１２、１３に示す光学系と同じである。
【０１１２】
この図１６、１７に示す光学系は、スイッチ９がオンであり、液晶分子２９が図１６に示すようにホメオトロピック配向の状態であり、又スイッチ９をオフにし、３連スイッチ２４をオンにすると液晶分子２９に横方向の電場が加わり液晶分子２９は高速に、ややランダムではあるがｘｙ平面に平行に配向し、図１７のようになる。又式（７）、（７−１）は、いずれも図１６、１７の光学系にもあてはまる。
【０１１３】
このように、つまり図１７のように液晶分子２９の配列は、光軸６に直角に近く液晶３５の屈折率の変化が一層大になる点で優れている。
【０１１４】
ここで、液晶分子３４の平均径Ｄが下記条件（８）を満足するようにすれば、光の散乱を防ぐことができ望ましい。
Ｄ＜λ／５ （８）
ただしλは入射する光の波長である。
【０１１５】
又、液晶３５の厚さが薄い場合、式（８）の代わりに下記の式（８−１）を満足すれば実用上問題はない。
Ｄ＜２λ （８−１）
【０１１６】
また液晶３５の全体の体積に対して液晶分子３４の占める割合をｆｆとすると可変焦点レンズとしての効果が十分得られるようにするためには下記条件（９）を満足することが望ましい。
０．５＜ｆｆ＜０．９９９ （９）
【０１１７】
ｆｆの値が条件（９）の上限０．９９９を超えるとポリマーが少なくなり、液晶分子３４の粒子が形成できなくなる。又下限の０．５を下回ると可変焦点レンズとしての効果つまり焦点距離の変化量が減少する。
【０１１８】
又ポリマーを多くして液晶３５を固体状に近づけたいときは、条件（９）の代わりに下記条件（９−１）を満足することが望ましい。
０．１＜ｆｆ＜０．５ （９−１）
【０１１９】
図１８は、本発明の光学系の他の実施の形態を示すもので、温度を変化させて液晶の屈折率を変化させるようにした光学系の例を示す。
【０１２０】
正の屈折率異方性をもつネマチック液晶３６は、転移温度Ｔ_C以下の場合、図１８に示すようにＺ方向に分子長軸を向けたホメオトロピック配向であり、屈折率が低いｎ_Oの状態である。この時、図示するようにスイッチ９はオンである。
【０１２１】
次にヒーター４１のスイッチ４３をオンにして、ヒーター４１により液晶を加熱することにより液晶分子３６の温度が転移温度Ｔ_Cよりも高くなると図１９に示すように液晶分子３６がランダムに動く透明な液体になる。この時、スイッチ９はオフにしておく。
【０１２２】
この図１９に示す状態では、液晶分子３６の屈折率ｎは下記の式（１０）にて与えられる。
ｎ＝（２ｎ_O＋ｎ_e）／３ （１０）
【０１２３】
つまり液晶の屈折率ｎは高くなり、その結果、凸レンズ３２ｂの屈折力が強くなる。
【０１２４】
図１８の状態において、配向膜２による配向規制力が充分であれば、スイッチ９はオフでもよい。しかし、スイッチ９をオンにすれば液晶分子３６が規則的に並ぶため液晶分子３６による光の散乱を防止し得るので望ましい。
【０１２５】
液晶に液体への相転移をおこさせるために、図１８、図１９に示す光学系は、ヒーター４１を用いて加熱したが、交流電源の周波数を高周波にして液晶分子３３の分子振動を高めることによって温度を上昇させて相転移をおこさせてもよい。
【０１２６】
以上述べた本発明の光学特性可変光学素子は、光学素子を構成する液晶の分子の配向を変えるために主として電場の強さと方向を変化させることにより行なった。
【０１２７】
しかしながら、液晶分子の配向を変えるためには、電場の強さ等の変化に限ることなく、液晶に加える電場の周波数を変えることによっても行なうことができる。又磁場の強さを変化させることによっても液晶分子の配向を変えることができる。
【０１２８】
又、このように液晶に加える電場の周波数を変化させることによって液晶分子の配向を変化させる方法や、液晶に加える磁場の強さを変化させる方法は、例えば、図１、図３、図８、図９、図１２、図１５、図１６、図１９、図２０等に例として示した各光学系に対して適用することができる。
【０１２９】
電場の周波数の変化により液晶分子の配向を変化させる方法においては、誘電異方性の正、負が入れ替わる液晶を用いれば、電場の周波数の変化により高速に液晶分子の配向を変化させ得るため特に有利である。
【０１３０】
又、図２０は磁場Ｈによって屈折率を変化させるレンズの例を示す。この図において、４５はレンズ、４６は磁気光学効果をもつ物質、４７は基板、４８は配向膜、４９Ａはスイッチ、４９Ｂは交流電源、４９Ｃは可変抵抗、４９Ｄはコイル、４９Ｅは鉄芯である。
【０１３１】
使用する磁気光学効果をもつ物質４６としては、鉛ガラス、水長、液晶等がある。配向膜４８は液晶の場合は設けた方が良い。
【０１３２】
又高速にて液晶分子の配向を変化させるためには、電圧がオフの状態の代わりにある程度の電圧をあらかじめ付与しておくことが好ましい。そして、液晶分子の配向を変化させたい時に、電圧をより高い電圧にすることにより液晶分子の配向を高速で変化させ得る。
【０１３３】
前述の図１２に示す例は、光学特性可変光学素子を用いた本発明のデジタルカメラ用撮像装置であるが、この例について更に詳細に述べる。
【０１３４】
図１２において、絞り２６の後方に可変焦点液晶レンズ２１（凹面を含むレンズ２８と凸レンズ２７と液晶レンズ部２５）と凸レンズ２９とにて構成された光学系が配置されている。凸レンズ２９は、固体撮像素子３０に対して主光線が垂直又はほぼ垂直例えば固体撮像素子の受光面に対して主光線の角度が９０°±２０°で入射するようにするために設けてある。又、凹レンズ２８はペッツバール和を改善して像面湾曲を補正するために設けてある。又絞り２６側（入射側）の凸レンズ２７は、物体側の面が凸面であり、これにより球面収差を良好に補正するようにしている。又液晶レンズ２５は、色収差を補正するために凹レンズの形状にしてある。又、レンズ２７、２８、２９のレンズ面のうちのいずれかの面を非球面にすることにより収差を一層良好に補正することが可能になり好ましい。又液晶レンズ２５は絞り２６の近傍に位置させることが液晶レンズ２５の有効径を小さくすることができ、その厚さを減少させ得るため好ましい。
【０１３５】
更に液晶レンズ２５の中の液晶分子２０の配向が変化した場合、凸レンズ２７、液晶レンズ２５、凹レンズ２８、凸レンズ２９からなる光学系の収差が変動し、又液晶レンズ２５によって生ずる光の散乱の大きさも変化し、これによって光学系３１のＭＴＦが変化する。
【０１３６】
前述の図１２にて示す撮像装置においては、前記の収差の変動や光の散乱の大きさの変化によるＭＴＦの変化を電子回路にて補正するようにしている。つまり物体位置の変化によりピント合わせを行なうために液晶レンズ２５の焦点距離を変化させたときのＭＴＦの変化の補償を、回路４４の中のエンハンス回路あるいは画像処理回路の処理を変えて行なうようにした。具体的には、ウイナーフィルター等のデジタルフィルターの特性を変化させる、あるいはエンハンス回路のエッジ強調の量を変える等の手段を用いればよい。ここでＭＴＦの変化は光学系３１の設計データから求めてもよく、又実際のカメラを１台１台測定してＭＴＦ補償量を変えてもよい。
【０１３７】
図３５は、前記電子回路による補正に付いて説明するための図で、この図では、赤外光投射型のアクティブ測距方式での測距をおこなう例である。ここで得られた距離情報によって、液晶レンズのＭＴＦ変化を補うべく、エンハンス量等が選択される。そしてデジタルフィルターが掛けられて最終画像が作られる。
【０１３８】
図２１は、本発明の撮像装置の他の例を示す図で、自由曲面レンズ５１（非回転対称面を有するレンズ）を用いたデジタルカメラ５０の例である。５２は可変焦点ミラー、５３はアルミコーティングされた薄膜、５４は電極、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。
【０１３９】
可変焦点ミラー５２の例としては、オプティックス コミュニケーションズ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ），１４０巻（１９９７年）１８７頁乃至１９０頁に示されているメンブレインミラーがあり、電極５４の間に電圧を印加すると静電気力により薄膜５３を変形させて反射鏡の焦点距離が変化する。そしてピント調整ができる。物体からの光６０は自由曲面プリズム５１の面Ｒ₁、Ｒ₂で屈折され、反射鏡（薄膜）５３にて反射され、自由曲面プリズム５１の面Ｒ₃で反射され、面Ｒ₄で屈折されてから固体撮像素子５５に入射する。
【０１４０】
このように、この装置は、自由曲面Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄および反射鏡５３とにより撮像光学系を構成する。特に自由曲面Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄の形状を最適化することにより物体像の収差を最小にしている。
【０１４１】
図２１の撮像装置において、反射鏡の開口の形状は、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い。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との交線の方向に長い楕円形にするのがよい。又、この図に示す例では、反射鏡５２と薄膜５３と固体撮像素子５５とを別体で作って基板５６上に配置している。しかし、反射鏡５２および薄膜５３を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をシリコンにて形成し、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。
【０１４２】
これによって、固体撮像素子５５と共に反射鏡５２とが一体化され小型化、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。
【０１４３】
又、図示していないが、基板５６上に反射型液晶ディスプレー又は透過型液晶ディスプレーをリソグラフィープロセスにより一体に形成してもよい。この基板５６は、ガラスにて形成してもよく、このガラス基板上に薄膜トランジスター等の技術により固体撮像素子や液晶ディスプレーを形成すればよい。
【０１４４】
尚、自由曲面プリズム５１は、プラスチックモールドやガラスモールド等にて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。
【０１４５】
図２２は自由曲面プリズム５１を用いたデジタルカメラの他の例である。このデジタルカメラは、図２１に示すデジタルカメラにおける反射鏡５２の代わりに可変焦点ミラー６１を用いた例である。
【０１４６】
可変焦点ミラー６１は、自由曲面プリズム５１の面Ｒ₂にこのプリズム５１と一体に設けてある。この可変焦点ミラー６１は、反射鏡６２、自由曲面プリズムの面Ｒ₂に形成した透明電極６３と、配向膜６４、６５とよりなり、配向膜６４、６５との間に液晶６６を設けたものである。
【０１４７】
ここで、可変焦点ミラー６１は、自由曲面プリズム５１とは別体にて形成し、両者を貼り合わせてもよく、又自由曲面プリズムの面Ｒ₂に透明電極６３と配向膜６４とを形成してもよい。
【０１４８】
物体よりデジタルカメラへ入射する光６０は、図２１に示すカメラと同様に自由曲面プリズム５１の面Ｒ₁、Ｒ₂にて夫々屈折され、その後反射鏡６２にて反射され、配向膜６４、液晶６５、配向膜６３、透明電極６２を通って自由曲面プリズム５１に入射し、面Ｒ₃にて反射され面Ｒ₄より出射して固体撮像素子５５の受光面に入射する。ここで、可変焦点ミラー６１に加える電圧を変化させることによりこのミラー６１の焦点距離を変化させ、ピント調整することが可能である。
【０１４９】
この可変焦点ミラー６１にて用いる液晶６６には高分子分散液晶が用いられており、図１５、図１６、図１７にもとづき説明したように、液晶分子に加わる電場を変化させることによって、例えば、図１６に示す状態から図１７に示す状態に変化し、これにより液晶の屈折率は変化し、可変焦点ミラーの焦点距離は変化する。
【０１５０】
この図２２に示すデジタルカメラの実施の形態の場合、この図に示すように図１６に示すデジタルカメラにて用いられている電極２２、２３は用いなくとも図１６のデジタルカメラと同様の作用を有する。
【０１５１】
つまり図２２において、スイッチ５８がオフの場合、液晶の配列はランダムであり、屈折率の高い状態にある。したがって可変焦点ミラー６１は光を収束させる作用が強い。ここでスイッチ５８をオンにすると液晶は一方向に揃った配列になるので、屈折率は低くなり、光を収束させる作用は弱くなる。したがって可変焦点ミラー６１は焦点調整が行なわれる。
【０１５２】
また可変焦点ミラー６１を自由曲面プリズム５１に二つ以上用いることによりズームレンズとして用いることが可能になる。
【０１５３】
又、図２１に示すデジタルカメラの可変焦点ミラー５２を図２２に示す可変焦点ミラー６１におき代えてもよい。又配向膜６４、６５は用いなくともよい。
【０１５４】
又、可変焦点ミラー６１の液晶光学素子として透明電極６３を電極を兼ねた反射鏡６２で代用してもよい。
【０１５５】
また高分子分散液晶６６の替わりに螺旋配向のネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶等を用いてもよい。
【０１５６】
図２３は、図２１又は図２２に示すデジタルカメラにおける反射鏡５３又は可変焦点ミラー６１の代わりに回折光学素子７０を用いた例である。つまり回折光学素子７０は反射鏡７２上に形成された回折面７１と透明電極７３、配向膜７４と、液晶７５とより構成されている。
【０１５７】
この図２３に示すデジタルカメラ７６は、物体よりの光が、他の例と同様に自由曲面プリズムに入射し、プリズム５１を透過後回折光学素子７０に入射し、ここで回折面７１にて回折作用を受けた後に回折光学素子７０を射出して再び自由曲面プリズム５１に入射し、図示するように反射してからこれより射出して固体撮像素子５５に入射する。
【０１５８】
ここでスイッチ７７をオンにすると液晶分子の配向が垂直方向に変わり回折光学素子７０の回折次数が変化するために焦点距離が変化してフォーカシングを行なうことができる。
【０１５９】
ここで液晶分子のピッチは、図１２に示す液晶と同様に式（６）を満足する。又この例は、回折面７１が反射面になっており、反射型の回折光学素子の例である。
【０１６０】
図２４は図１２に示す可変焦点レンズを用いた可変焦点眼鏡の例である。つまり眼鏡レンズとして可変焦点レンズを用いたもので、レンズ３０Ｈ、３１Ｈと配向膜（図示せず）と電極３等よりなる可変焦点レンズを眼鏡枠８０に取り付けた構成である。
【０１６１】
尚図において、８、１８は交流電源、９、２４はスイッチ、１３、１７は可変抵抗、２５は液晶である。又Ｐはピッチである。
【０１６２】
この可変焦点レンズは、電極２２、２３が図１５に示すものと同様にレンズ３０Ｈ、３１Ｈの周辺部に設けられている。この電極２２、２３を透明電極にすれば、眼鏡の視野の周辺が明るくなり好ましい。
【０１６３】
以上述べた本発明の実施の形態は、光学特性可変光学素子として主として可変焦点レンズを用いたものであるが、光学特性可変光学素子として、回折光学素子、フレネルレンズ、プリズム、レンチキュラーレンズ等を用いてもよい。夫々の素子を構成する光の屈折又は反射する部分を屈折率可変物質つまり種々の液晶、強誘電体、電気光学効果を持つ物質にておきかえればよい。
【０１６４】
又、液晶の分子配向を変化させるために電場以外に磁場、電場の周波数、磁場の周波数を変化させてもよい。
【０１６５】
以上述べた本発明の光学特性可変光学素子を用いた光学系は、物体像を形成しその像をＣＣＤや銀塩フィルムといった撮像素子に受光させて撮影を行なう撮影装置、とりわけカメラや内視鏡に用いることができる。また、物体像を接眼レンズを通して観察する観察装置、とりわけカメラのファインダー部の対物光学系としても用いることが可能である。以下に、その実施形態を例示する。
【０１６６】
図２５、２６、２７は、第５の実施の形態で本発明の光学特性可変光学素子を含む結像光学系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。これらの図のうち図２５は電子カメラ８０の外観を示す前方斜視図、図２６は同後方斜視図、図２７は電子カメラ８０の構成を示す断面図である。電子カメラ８０は、この実施の形態では、撮影用光路８２を有する撮影光学系８１、ファインダー用光路８４を有するファインダー光学系８３、レリーズ８５、フラッシュ８６、液晶表示モニター８７等を含み、カメラ８０の上部に配置されたレリーズ８５を押圧すると、それに連動して撮影用対物光学系８８を通して撮影が行なわれる。撮影用対物光学系は、透過型の光学特性可変光学素子（ここでは液晶を用いている）を、複数備えており、ズーミングやフォーカシング作用を行なう。撮影用対物光学系８８によって形成された物体像が、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルタ９１を介してＣＣＤ８９の撮像面９０上に形成される。このＣＣＤ８９で受光された物体像は、処理手段９２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８７に表示される。また、この処理手段９２にはメモリー等が配置され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、このメモリーは処理手段９２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なうように構成してもよい。またＣＣＤ８９の代わりに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。
【０１６７】
さらに、ファインダー用光路８４には、反射型光学特性可変光学素子を備えた結像光学系をファインダー用対物光学系として配置してある。また、カバー部材として正のパワーを有するカバーレンズ９４を配置し、画角を拡大している。なお、このカバーレンズ９４と結像光学系の絞りＳより物体側のプリズムＶＰ１とでファインダー用対物光学系９３の前群ＧＦを、結像光学系の絞りＳより像側のプリズムＶＰでファインダー用対物光学系９３の後群ＧＲを構成している。絞りＳを挟んだ前群ＧＦと後群ＧＲのおのおのに、光学特性可変光学素子を配置することにより、ズーミングとフォーカシングを行なっている。ここでは、反射プリズムと一体形成した、反射型の光学特性可変光学素子を用いている。ここでは、液晶６６Ｈを用いているが、前述した通り光学特性を変化させることによりズーミングとフォーカシングの操作を行なっている。この制御は、処理手段により撮影用対物光学系のズーミング、フォーカシング作用に連動して行なわれる。このファインダー用対物光学系９３によって形成された物体像は、像正立部材であるポロフリズム９５の視野枠９７上に形成される。尚、視野枠９７は、ポロプリズム９５の第１反射面９６と第２反射面９８との間を分離し、その間に視野枠９７は配置されている。このポリプリズム９５の後方には、正立正像にされた像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系９９が配置されている。
【０１６８】
このように構成されたカメラ８０は、ファインダー用対物光学系９３を少ない光学部材で構成でき、高性能及び小型化が実現できると共に、対物光学系９３の光路自体を折り曲げて構成できるため、カメラ内部での配置の自由度が増し、設計上有利となる。
【０１６９】
次に、図２８は、本発明の結像光学系を電子カメラ８０の撮影部の対物光学系８８に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合、撮影用光路８２上に配置された撮影用対物光学系８８は、反射型の光学特性可変光学素子を用いた結像光学系である。この撮影用対物光学系により形成された物体像は、ローパスフィルター、赤外カットフィルター等のフィルタ９１を介してＣＣＤ８９の撮像面９０上に形成される。このＣＣＤ８９で受光された物体像は、処理手段９２を介し、液晶表示素子（ＬＣＤ）１００上に電子像として表示される。また、この処理手段９２は、ＣＣＤ８９で撮影された物体像を電子情報として記録する記録手段１０１の制御も行なう。ＬＣＤ１００に表示された画像は、接眼光学系９９を介して観察者の眼Ｅに導かれる。この接眼光学系９９は、本発明の結像光学系に用いられているものと同様の形態を持つ光学特性可変光学素子を備えた偏芯プリズムからなり、前記光学素子の特性を変化させることにより観察者の視度に合わせてＬＣＤの虚像の奥行きを調整可能としている。この例では入射面１０２と、反射面１０３と、反射と屈折とを兼用する面１０４の３面から構成されている。また、２つの反射作用を持った面１０３、１０４のうち少なくとも一方の面、望ましくは両方の面が、光束にパワーを与え、かつ、偏芯収差を補正する唯一の対称面を持つ面対称自由曲面にて構成されている。そして、この唯一の対称面は、撮影用対物光学系８８の前後の群ＧＦ、ＧＲに配置された偏芯プリズム、ＶＰ１、ＶＰ２が有する面対称自由曲面の唯一の対称面と略同一平面上に形成されている。ここでも液晶６６Ｈを用いた反射型の光学特性可変光学素子が用いられている。
【０１７０】
このように構成されたカメラ８０は、撮影用対物光学系８８を少ない光学部材で構成でき、高性能で小型にできると共に、光学系全体を同一平面上に並べて配置できるため、この配置平面と垂直方向の厚みの薄型化が実現できる。
【０１７１】
次に、図２９は、本発明の光学特性可変光学素子を電子内視鏡の観察系の対物光学系１２０に組み込んだ構成の概念図を示す。この例の場合も、観察系の対物光学系１２５は、ズーミングフォーカシングを行なう反射型光学特性可変光学素子１２８を備えた結像光学系を用いている。これら反射型光学特性可変光学素子は液晶６６Ｈが用いられている。この電子内視鏡は、図２９（Ａ）に示すように、電子内視鏡１１１と、照明光を供給する光源装置１１２と、その電子内視鏡１１１に対応する信号処理を行なうビデオプロセッサ１１３と、このビデオプロセッサ１１３から出力される映像信号を表示するモニター１１４と、このビデオプロセッサ１１３と接続され映像信号等に記録するＶＴＲデッキ１１５、および、ビデオディスク１１６と、映像信号を映像としてプリントアウトするビデオプリンタ１１７と共に構成されており、電子内視鏡１１１の挿入部１１８の先端部１１９は、図２９（Ｂ）に示すように構成されている。光源装置１１２から照明された光束は、ライトガイドファイバー束１２６を通って照明用対物光学系１２７により、観察部位を照明する。そして、この観察部位からの光が、カバー部材１２４を介して、観察用対物光学系１２５によって物体像として形成される。この物体像は、ローパスフーフィルター、赤外カットフィルター等のフィルター１２１を介してＣＣＤ１２２の撮像面１２３上に形成される。さらに、この物体像は、ＣＣＤ１２２によって映像信号に変換され、その映像信号は、図２９（Ａ）に示すビデオプロセッサ１１３により、モニター１１４上に直接表示されると共に、ＶＴＲデッキ１１５、ビデオディスク１１６中に記録され、また、ビデオプリンタ１１７から映像としてプリントアウトされる。
【０１７２】
このように構成された内視鏡は、ズーミングや、フォーカシング機能を備えているにもかかわらず、少ない光学部材で構成でき、高性能・小型化が実現できる。
【０１７３】
また、以上のプリズムを複数用いた実施の形態の結像光学系の前群や後群に設けられた偏芯プリズムとしては、何れも光学面３面からなり、その中の１面が全反射作用と透過作用とを兼用する面で構成された内部反射回数２回のタイプのプリズムを用いたが、本発明に用いる偏芯プリズムはこれに限られるものではない。
【０１７４】
本発明に用いることができるいくつかの可変焦点プリズムＶＰの例を図３０〜図３２に示す。なお、いずれも像面１３６に結像するプリズムＶＰとして説明するが、光路を逆にして像面１３６側から被写体からの光線が入射し、瞳１３１側に結像するプリズムＶＰとしても使用することができる。又単体で結像光学系や、観察光学系として構成してもよい。又、どの面に光学特性可変光学素子を用いるかは、使用形態により決定してよい。
【０１７５】
図３０の場合は、プリズムＶＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折してプリズムＶＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４に入射して内部反射し、第４面１３５に入射して屈折されて、像面１３６に結像する。光学特性可変光学素子を第３面１３４と第２面１３３に設けることにより、ズーミングとフォーカシングを可能としている。
【０１７６】
図３１の場合は、プリズムＶＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折してプリズムＶＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４に入射して全反射し、第４面１３５に入射して内部反射し、再び第３面１３４に入射して今度は屈折されて、像面１３６に結像する。ここでは、第２面１３３と第４面１３５に光学特性可変光学素子を用いた。
【０１７７】
図３２の場合は、プリズムＶＰは第１面１３２、第２面１３３、第３面１３４、第４面１３５からなり、入射瞳１３１を通って入射した光は、第１面１３２で屈折してプリズムＶＰに入射し、第２面１３３で内部反射し、第３面１３４に入射して内部反射し、第２面１３３に再度入射して内部反射し、第４面１３５に入射して屈折されて、像面１３６に結像する。ここでは第２面１３３と第３面１３４に光学特性可変光学素子を用いた。
【０１７８】
又、本発明の光学特性可変光学素子は、画像表示装置に利用することができる。この画像表示装置を用いた第６の実施の形態として、図３３に頭部装着型の画像表示装置を観察者頭部に装着した状態を、図３４にその断面図を示す。この構成は、本発明の反射型光学特性可変光学素子を視度調節のために用いた偏芯プリズム光学系を図３４に示すように接眼光学系１４０として用いており、接眼光学系１４０と画像表示素子１４１からなる組みを左右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持することにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着型画像表示装置のようなポータブル型の画像表示装置１４２として構成されている。
【０１７９】
すなわち、表示装置本体１４２には、上記のような接眼光学系１４０が左右一対備えられ、それらに対応して像面に液晶表示素子からなる画像表示素子１４１が配置されている。そして、表示装置本体１４２には、図３３に示すように、左右に連続して図示のような側頭フレーム１４３が設けられ、表示装置本体１４２を観察者の眼前に保持できるようになっている。
【０１８０】
また、側頭フレーム１４３にはスピーカー１４４が付設されており、画像観察と共に立体音響を聞くことができるようになっている。このようにスピーカー１４４を有する表示装置本体１４２には、映像音声伝達コード１４５を介してポータブルビデオカセット等の再生装置１４６が接続されているので、観察者はこの再生装置１４６を図示のようにベルト箇所等の任意の位置に保持して、映像音響を楽しむことができるようになっている。図３３の符号１４７は再生装置１４６のスイッチ、ボリューム等の調節部である。なお、表示装置本体１４２の内部に映像処理、音声処理回路等の電子部品を内蔵させてある。
【０１８１】
なお、コード１４５は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよい。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。又、邪魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【０１８２】
本発明において、特許請求の範囲に記載するもののほか下記の各項に記載するものもその目的に寄与する。
【０１８３】
（１） 電気光学効果又は磁気光学効果を持つ物質に電場又は磁場を加えることにより前記物質の屈折率を変化させて光学特性を変化させることを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１８４】
（２） 入射光軸にほぼ垂直な面内での液晶分子の方位が前記面内でほぼ均一な液晶に電場又は磁場または温度を加えることにより液晶の屈折率を変化させて光学特性を変化させるようにしたことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１８５】
（３） 前記（１）の項に記載する光学特性可変光学素子を用いた可変焦点レンズ。
【０１８６】
（４） 電気光学効果を持つ物質の入射光軸にほぼ垂直な面内で方位が前記面内でほぼ均一である物質をもちい、前記物質の屈折率を変化させることにより光学特性を変化させることを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１８７】
（５） 前記（２）の項に記載する光学素子で、前記液晶の方位を規制する部材を備え、前記部材を描画露光とエッチングあるいはリソグラフィー技術を用いて加工したことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１８８】
（６） 電気光学効果を持つ物質あるいは前記磁気光学効果を持つ物質の方位を規制するための部材を設け、前記部材が描画露光とエッチングあるいはリゾグラフィー技術を用いて加工したことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１８９】
（７） 前記の（５）又は（６）の光学素子で、前記方位を規制する部材が下記条件（４）を満足することを特徴とする光学特性可変光学素子。
０．５ｎｍ＜Ｓ＜λ （４）
【０１９０】
（８） 液晶素子よりなり、液晶が負の屈折率異方性を持つことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１９１】
（９） 液晶素子と、前記液晶素子の光軸とほぼ直交する方向に電場を加える部材とを備え、前記部材による電場が時間と共に方向を変化させるようにしたことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１９２】
（１０） 液晶素子と、前記液晶素子の光軸とほぼ平行な方向に電場を加える部材と、前記液晶素子の光軸とほぼ直交する方向に電場を加える部材とを備えたことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１９３】
（１１） 前記の（７）、（８）、（９）又は（１０）に記載する光学素子で、下記式（７）を満足することを特徴とする光学特性可変光学素子。
Ｔ≦τ （７）
【０１９４】
（１２） 前記（１１）の項に記載する光学素子で、条件（７）の代りに下記条件式（７−１）を満足することを特徴とする光学特性可変光学素子。
Ｔ≦１０τ （７−１）
【０１９５】
（１３） 前記の（１）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）又は（１２）の項に記載する光学素子で、前記光学素子が螺旋状の配向の液晶であることを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１９６】
（１４） 前記の（１３）の項に記載する光学素子で、下記式（６）、（５−６１）、（５−６２）、（５−２８）、（５−２９）、（５−３０）のいずれかを満足することを特徴とする光学特性可変光学素子。
Ｐ＜λ （６）
Ｐ＜２０π・λ≒６２．８λ （５−６１）
Ｐ＜２０λ （５−６２）
｜Γ／２Φ｜＜１ （５−２８）
｜Γ／２Φ｜＜π／６ （５−２９）
｜Γ／２Φ｜＜π （５−３０）
【０１９７】
（１５） 前記の（１）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）又は（１２）の項に記載する光学素子で、光学素子として高分子分散液晶素子を用いたことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０１９８】
（１６） 下記式（８）、（８−１）（９）、（９−１）のうちの少なくとも一つの式を満足することを特徴とする高分子分散液晶を用いた光学特性可変光学素子。
Ｄ＜λ／５ （８）
Ｄ＜２λ （８−１）
０．５＜ｆｆ＜０．９９９ （９）
０．１＜ｆｆ＜０．５ （９−１）
【０１９９】
（１７） 前記（１５）の項に記載する光学素子で、下記式（８−１）、（９−１）のうちの少なくとも一つの式を満足することを特徴とする光学特性可変光学素子。
Ｄ＜２λ （８−１）
０．１＜ｆｆ＜０．５ （９−１）
【０２００】
（１８） 温度変化により液晶相と液体の相転移を起こし、屈折力を変える光学特性可変光学素子。
【０２０１】
（１９） 前記の（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）又は（１７）の項に記載する光学素子で、強度可変の磁場を加えて液晶の配向方向を制御することを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０２０２】
（２０） 前記の（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）又は（１７）の項に記載する光学素子で、電場の強さあるいは周波数を変化させることによって液晶の配向方向を制御することを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０２０３】
（２１） 前記の（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）又は（１７）の項に記載する光学素子で、前記光学素子として電場の周波数によって誘電異方性が変化する液晶素子を用いたことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０２０４】
（２２） 前記の（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）、（１９）、（２０）又は（２１）の項に記載する光学素子で、光学素子として電気光学効果を有する物質、磁気光学効果を有する物質、強誘電体等のうちの一つを用いることを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０２０５】
（２３） 液晶に加わる電場の周波数を変化させることにより光学特性を変化させるようにしたことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０２０６】
（２４） 前記の（２３）の項に記載する光学素子で、光学素子として螺旋構造を持つ液晶を備え、下記式（６）、（５−２６）、（５−２８）、（５−２９）、（５−３０）、（５−６１）、（５−６２）、（５−６３）、（５−６４）、（５−６５）、（５−６６）、（５−６７）、（５−６８）のいずれかを満足することを特徴とする光学特性可変光学素子。
Ｐ＜λ （６）
｜Γ／２Φ｜＜０．１１ （５−２６）
｜Γ／２Φ｜＜１ （５−２８）
｜Γ／２Φ｜＜π／６ （５−２９）
｜Γ／２Φ｜＜π （５−３０）
Ｐ＜２０π・λ≒６２．８λ （５−６１）
Ｐ＜２０λ （５−６２）
λ≦Ｐ＜２０λ （５−６３）
λ≦Ｐかつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−６４）
２λ≦Ｐ＜２０λ （５−６５）
２λ≦Ｐかつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−６６）
２／３λ≦Ｐ＜２０λ （５−６７）
２／３λ≦Ｐかつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−６８）
【０２０７】
（２５） 前記の（２３）又は（２４）の項に記載する光学素子で、光学素子として正の屈折率異方性を持つ液晶を用いたことを特徴とする光学特性可変光学素子。
【０２０８】
（２６） 特許請求の範囲の請求項１、２、３又は４あるいは、前記の（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）、（１９）、（２０）、（２１）、（２２）、（２３）、（２４）又は（２５）の項に記載する光学特性可変光学素子を備えた撮像装置。
【０２０９】
（２７） 前記の（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）、（１９）、（２０）、（２１）、（２２）、（２３）、（２４）又は（２５）の項に記載する光学特性可変光学素子を備えた可変焦点眼鏡。
【０２１０】
（２８） 前記の（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）、（１９）、（２０）、（２１）、（２２）、（２３）、（２４）又は（２５）の項に記載する光学特性可変光学素子を備えた光学機器。
【０２１１】
（２９） 螺旋構造を持つ液晶の配向を変化させることにより光学特性が変化する光学特性可変光学素子。
【０２１２】
（３０） 前記の（２９）の項に記載する光学素子で、下記式（６）、（５−２６）、（５−２８）、（５−２９）、（５−３０）、（５−６１）、（５−６２）、（５−６３）、（５−６４）、（５−６５）、（５−６６）、（５−６７）、（５−６８）のいずれかを満足することを特徴とする光学特性可変光学素子。
Ｐ＜λ （６）
｜Γ／２Φ｜＜０．１１ （５−２６）
｜Γ／２Φ｜＜１ （５−２８）
｜Γ／２Φ｜＜π／６ （５−２９）
｜Γ／２Φ｜＜π （５−３０）
Ｐ＜２０π・λ≒６２．８λ （５−６１）
Ｐ＜２０λ （５−６２）
λ≦Ｐ＜２０λ （５−６３）
λ≦Ｐかつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−６４）
２λ≦Ｐ＜２０λ （５−６５）
２λ≦Ｐかつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−６６）
２／３λ≦Ｐ＜２０λ （５−６７）
２／３λ≦Ｐかつ ｜Γ／２Φ｜＜π （５−６８）
【０２１３】
（３１） 前記（３０）項に記載する光学特性可変光学素子を備えた撮像装置。
【０２１４】
（３２） 前記（３０）項に記載する光学特性可変光学素子を備えた観察装置。
【０２１５】
（３３） 前記（３０）項に記載する光学特性可変光学素子を備えた表示装置。
【０２１６】
（３４） 前記（３０）項に記載する光学特性可変光学素子を備えた眼鏡。
【０２１７】
（３５） 前記の（３１）の項に記載する撮像装置で、絞りと、絞りの近傍に配置された凹の作用を有する前記光学特性可変光学素子を含む前群と、前群より後方に配置されている少なくとも凹面と凸面とを有する後群とよりなる光学系を備えていることを特徴とする撮像装置。
【０２１８】
（３６） 前記の（３１）の項に記載する撮像装置で、絞りと、絞りの近傍に配置されている前記光学特性可変光学素子を含む前群と、前群より後方に配置されている少なくとも凹面と凸面とを有する後群とよりなる光学系を備えていることを特徴とする撮像装置。
【０２１９】
（３７） 前記の（３５）又は（３６）の項に記載する撮像装置で、少なくとも一つの非球面を有することを特徴とする撮像装置。
【０２２０】
（３８） 前記の（３５）、（３６）又は（３７）の項に記載する撮像装置で、撮像面が前記光学系の像面に位置する撮像素子を有し、前記撮像素子に入射する主光線の角度が撮像素子の撮像面に対し９０°±２０°の範囲であることを特徴とする撮像装置。
【０２２１】
【発明の効果】
本発明によれば、光学特性可変光学素子を備えたことにより複雑な機構等を用いずに焦点距離等の光学特性が可変であり、又前記光学特性可変光学素子の他に屈折面を設けることにより、少ない光学素子で機械的構造の簡単な撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の構成を示す図
【図２】 屈折率の異方性が負の液晶の屈折率楕円体
【図３】 本発明の第１の実施の形態で電場を加えた状態を示す図
【図４】 液晶分子の配向状態を示す図
【図５】 液晶分子の配向状態を示す図
【図６】 配向膜に形成されているパターン
【図７】 配向膜に形成されている他のパターン
【図８】 本発明の第２の実施の形態の構成を示す図
【図９】 本発明の第２の実施の形態の構成を示す図
【図１０】 図８、９の実施の形態でｚ軸方向より見た図
【図１１】 本発明の第２の実施の形態の変形例
【図１２】 本発明の第２の実施の形態の光学素子を用いた撮像装置を示す図
【図１３】 図１２の撮像装置でＺ方向より見た図
【図１４】 本発明の光学特性可変光学素子を用いた可変焦点光学系の構成を示す図
【図１５】 本発明の光学素子を用いたズームレンズを備えた撮像装置を示す図
【図１６】 液晶の代りにポリマーを用いた液晶素子を示す図
【図１７】 液晶の代りにポリマーを用いた液晶素子を示す図
【図１８】 本発明の第３の実施の形態の構成を示す図
【図１９】 本発明の第３の実施の形態の構成を示す図
【図２０】 本発明の光学素子で磁場により配向を変化させる例を示す図
【図２１】 本発明の第４の実施の形態で可変焦点ミラーの構成を示す図
【図２２】 本発明の第４の実施の形態の他の例を示す図
【図２３】 本発明の第４の実施の形態の他の例を示す図
【図２４】 本発明の光学素子を用いた可変焦点眼鏡である第５の実施の形態を示す図
【図２５】 第６の実施の形態で本発明を適用した電子カメラの前方斜視図
【図２６】 第６の実施の形態の後方斜視図
【図２７】 第６の実施の形態の断面図
【図２８】 第６の実施の形態の変形例
【図２９】 第７の実施の形態で本発明を電子内視鏡に適用した例
【図３０】 本発明に適用可能な偏芯プリズムの例
【図３１】 本発明に適用可能な偏芯プリズムの他の例
【図３２】 本発明に適用可能な偏芯プリズムの他の例
【図３３】 本発明の光学特性可変光学素子を適用した画像表示装置
【図３４】 図３３の画像表示装置の断面図
【図３５】 本発明の撮像装置により得られた画像を補正する電子回路を示す図
【図３６】 従来の液晶レンズを用いた光学系の構成を示す図
【図３７】 他の従来の液晶レンズを用いた光学系の構成を示す図[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging apparatus including an optical system including an optical characteristic variable optical element such as a variable focus lens, a variable focus diffractive optical element, a variable deflection prism, and a variable focus mirror.
[0002]
[Prior art]
A conventional variable focus lens uses a lens manufactured by polishing glass, and the focal length cannot be changed by the lens itself. For example, like a zoom lens of a camera, a part of a lens group is arranged in the optical axis direction. The mechanical structure is complicated in order to change the focal length.
[0003]
In order to eliminate such defects, it is necessary to change the focal length of the lens itself. For example, as shown in FIG. 36, an optical system using a polarizing plate 151 and a liquid crystal lens 152 has been proposed. The liquid crystal lens 152 used in this optical system includes lenses 153a and 153b, and a liquid crystal layer 155 provided between the lenses 153a and 153b via transparent electrodes 154a and 154b. An AC power source 157 is connected between the transparent electrodes 154a and 154b of the liquid crystal lens 152 via a switch 156, and an electric field is selectively applied to the liquid crystal layer 155 to change the refractive index of the liquid crystal layer. ing.
[0004]
When an optical system including the polarizing plate 151 and the liquid crystal lens 152 as shown in FIG. 36, for example, when natural light is incident on the optical system, only the predetermined linearly polarized light component is transmitted through the polarizing plate 151 and the liquid crystal lens. Is incident on.
[0005]
Here, as shown in FIG. 36, in the state where the switch 156 is off and no electric field is applied to the liquid crystal layer 155 of the liquid crystal lens 152, the liquid crystal molecules 155a are oriented in the same direction as the linearly polarized light that enters the liquid crystal layer 155a. The refractive index of 155 increases, and the focal length of the liquid crystal lens 152 decreases.
[0006]
On the other hand, as shown in FIG. 37, when the switch 156 is on and an electric field is applied to the liquid crystal layer 155, the liquid crystal molecules 155a have the major axis direction parallel to the optical axis. The refractive index of 155 becomes lower, and the focal length of the liquid crystal lens 152 becomes longer.
[0007]
As described above, the optical system shown in FIGS. 36 and 37 changes its focal length by selectively applying an electric field to the liquid crystal lens 152.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the optical system using the liquid crystal lens shown in FIGS. 36 and 37, it is necessary to dispose the polarizing plate 151 in front of the liquid crystal lens 152 so that only a predetermined linearly polarized light component is incident on the liquid crystal lens 152. The light that passes through 151 and enters the liquid crystal lens 152 is reduced, so that the light use efficiency is reduced.
[0009]
In addition, since the utilization efficiency is low in this way, products to which this optical system can be applied are limited, and there is a disadvantage that it lacks versatility. Furthermore, there is a drawback that it takes time to change the focal length.
[0010]
Further, the optical characteristic variable optical element such as a liquid crystal lens has a feature that optical characteristics such as a focal length can be changed by one optical element. However, it is not preferable to use only the optical property variable optical element because spherical aberration, distortion, chromatic aberration, and the like occur.
[0011]
The present invention provides an image pickup apparatus including a small optical system in which optical characteristics are variable and various aberrations are favorably corrected by adding another curved surface to the optical characteristic variable optical element.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
    The imaging apparatus of the present inventionAn optical property variable optical element in which the optical property is changed by changing the orientation of the liquid crystal having a spiral structure, and includes the following formulas (5-63), (5-64), (5-65), (5- 66), (5-67), or (5-68) is satisfiedIt is characterized by that.
      λ ≦ P <20λ (5-63)
      λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-64)
      2λ ≦ P <20λ (5-65)
      2λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-66)
      2 / 3λ ≦ P <20λ (5-67)
      2 / 3λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-68)
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the optical property variable optical element of the present invention will be described.
[0014]
The first embodiment of the optical property variable optical element according to the present invention will be described as an example of a variable focus lens as the optical element. In FIG. 1, 1 is a liquid crystal having a negative refractive index anisotropy, 2 is an alignment film, 3 is a transparent electrode, and is provided on transparent substrates 4 and 5.
[0015]
In the optical element having such a configuration, the liquid crystal 1 having negative refractive index anisotropy has a refractive index ellipsoid having a shape as shown in FIG. 2 and a relationship represented by the following formula (1). It is characterized by.
[0016]
n_e<N_ox, N_e<N_oy      (1)
Where n_eIs the refractive index of extraordinary rays, n_oxIs the refractive index of the x-direction polarization, n_oyIs the refractive index of the y-direction polarization.
[0017]
The liquid crystal 1 satisfies the following formula (2).
n_ox= N_oy≡n_o                  (2)
Where n_oIs the refractive index of ordinary light.
[0018]
In such a varifocal optical element made of a liquid crystal having a negative refractive index anisotropy, when no voltage is applied, the alignment film 3 is arranged such that the z direction of the molecules of the liquid crystal 1 faces the direction of the optical axis, that is, the Z direction. Is formed.
[0019]
At this time, the refractive index of the liquid crystal with respect to the incident light is n_oThus, the optical element acts as a convex lens.
[0020]
Next, when the switch 9 is turned on in FIG. 1, the direction of the liquid crystal molecules 10 is oriented as shown in FIG.
n = (n_e+ N_o) / 2 (3)
[0021]
Due to such a decrease in refractive power, the element has a weak refractive power as a convex lens and a focal length is increased, thereby acting as a variable focus lens. Further, by changing the variable resistor 13, the change of the refractive index becomes continuous, so that the focal length of the optical element can be changed continuously.
[0022]
Here, the alignment film 2 is formed so as to vertically align the liquid crystal molecules 10, and the azimuth angle A of the liquid crystal molecules 10 is random in the x, y plane as shown in FIG.
[0023]
Therefore, it acts as a variable focus lens having the same focal length no matter what polarized light enters the optical element.
[0024]
Note that the liquid crystal 1 originally has a property having homeotropic alignment as shown in FIG. 1, and therefore the alignment film 2 may not be used.
[0025]
Further, in order to change the alignment of the liquid crystal molecules 10, the frequency of the electric field, the magnetic field, the temperature, etc. may be changed instead of the change of the voltage.
[0026]
Further, even if the liquid crystal molecules 10 are regularly oriented almost orthogonally as shown in FIG. 5, the same effect as that shown in FIG. 4 can be obtained. The period S of the alignment of the liquid crystal molecules 10 at this time is preferably smaller than the wavelength λ of the light to be used as shown in the following formula (4) because light scattering is less and flare is reduced.
0.5nm <S <λ (4)
[0027]
Here, the wavelength λ is 350 nm to 700 nm in the case of visible light. That is, in the case of visible light, equation (4) is as follows.
0.5nm <S <700nm
[0028]
Further, in the case of near-infrared light, the wavelength λ is 650 nm to 1200 nm, and therefore equation (4) can be expressed as follows.
0.5nm <S <1200nm
[0029]
    In order to align the liquid crystal molecules 10 as shown in FIG. 5, grooves 11 having a fine pitch S as shown in FIG. The depth of the groove 11 is 0.1 nm to several tens of nm. For example, Kikuta and Iwata, published by the Japan Optical Society, “Optical control by a grating structure finer than the wavelength.Optical27, No. 1, pp. 12-17 (1998), and can be produced by drawing exposure and etching. Alternatively, a mold in which grooves are formed by etching or the like may be made and transferred to plastic using this mold.
[0030]
6 may be used instead of the pattern shown in FIG. 6 as long as the orientations of the liquid crystal molecules 10 are averaged when viewed in the x, y plane. That is, it is sufficient that the refractive index of the liquid crystal 1 does not differ depending on the orientation.
[0031]
    This pattern is not an alignment film 3 but a transparent substrate4Or5It may be formed on the surface. In this case, the alignment film 3 may be omitted. Moreover, the fine groove | channel 11 may protrude on the contrary instead of a dent.
[0032]
Thus, the liquid crystal lens that does not blur regardless of the polarization by averaging the orientation of the liquid crystal molecules 10 in the xy plane is not only in the case where the anisotropy of the refractive index of the liquid crystal is negative, but the following formula (5) Even when a positive nematic liquid crystal as shown in FIG. 1 is used, the optical characteristic optical element of the present invention having the same configuration as that of FIG. 1 can be realized.
n_e> N_o                    (5)
[0033]
In addition, substances having electro-optic effect and magneto-optic effect such as polymer-dispersed liquid crystal, chiral smectic liquid crystal, chiral cholesteric liquid crystal, ferroelectric liquid crystal, anti-dielectric liquid crystal, and ferroelectric can also be applied to the present invention.
[0034]
Each of the above-described substances can be applied to embodiments described in detail later in addition to the embodiment of the present invention.
[0035]
FIG. 8 and FIG. 9 are diagrams showing another second embodiment of the present invention, and an example of a liquid crystal lens in which the orientation change of the liquid crystal 14 is accelerated by applying an electric field in the optical axis direction and the direction orthogonal thereto. It is.
[0036]
In these figures, the liquid crystal 14 is a liquid crystal having a negative refractive index anisotropy similar to the liquid crystal shown in FIG. Further, in this embodiment, as a member for applying an electric field, in addition to a member including an electrode as shown in FIG. 1 and the like, an AC power supply 8 connected thereto, a switch 9 and a variable resistor 13, an optical axis 6 is sandwiched between them. This is an optical characteristic variable optical element (variable focus lens) having a configuration including an electrode 19 arranged in this manner and an AC power supply 18 connected thereto, a switch 16, and another member for applying an electric field composed of a variable resistor 17.
[0037]
In this variable focus lens, that is, a liquid crystal lens, FIG. 8 shows a state in which the switch 9 is on and the switch 16 is off.
[0038]
In order to change the focal length of the liquid crystal lens 15, the switch 9 is turned off as shown in FIG. 9, and the switch 16 is turned on almost simultaneously. As a result, an electric field is applied to the liquid crystal 14 through the electrode 19, and the liquid crystal 14 changes its z direction to be parallel to the optical axis. Therefore, the refractive index of the liquid crystal lens becomes large, the action as a concave lens becomes strong, and the focal length changes.
[0039]
FIG. 10 is a view of the liquid crystal optical element 15 shown in FIGS. 8 and 9 as viewed from the + z-axis direction, and shows the arrangement position and the shape of the electrode 19.
[0040]
FIG. 11 is a modification of the second embodiment shown in FIGS. 8, 9, and 10, and is a modification in which the positions and shapes of the electrodes 19 are different from those of the second embodiment. 11A is a diagram viewed from the + z direction, and FIG. 11B is a diagram viewed from the −x direction. That is, the electrode 19 is provided on the outer peripheral portion of at least one of the transparent substrates 4 or 5 shown in FIG. 11B in a state insulated from the transparent electrode 4 as shown in FIG. The effect similar to that shown in FIG.
[0041]
The second embodiment shown in FIG. 8 and the like is characterized in that the response speed when the z-axis of the liquid crystal molecules 14 is directed parallel to the optical axis 6 can be made faster than the liquid crystal lens of the embodiment shown in FIG. It is.
[0042]
The liquid crystal molecules 14 are excellent in that an electric field is applied to the liquid crystal lens 15 regardless of whether the focal length of the liquid crystal lens 15 is long or short, and there is little variation in the orientation of the liquid crystal molecules and light scattering.
[0043]
Further, the focal length of the liquid crystal lens 15 can be continuously changed by appropriately adjusting the variable resistors 13 and 17. The alignment of the liquid crystal molecules 14 at that time is intermediate between the switch 9 shown in FIG. 8 being on and the switch 16 being off, and the switch 9 shown in FIG. 9 being off and the switch 16 being on.
[0044]
In the above description, the dielectric anisotropy of the liquid crystal molecules 10 or 14 with respect to the driving AC frequency is negative as is the refractive index anisotropy.
[0045]
An example of such a liquid crystal is a discotic liquid crystal.
[0046]
Further, in the second embodiment shown in FIG. 8 and the like, the liquid crystal lens using the nematic liquid crystal 20 having positive refractive index anisotropy and dielectric anisotropy instead of the liquid crystal molecules 14 is a variable focus lens shown in FIG. 21. Therefore, the relationship of the following formula (5) is established.
n_e> N_o                    (5)
[0047]
The nematic liquid crystal 20 is aligned at a pitch P in a spiral shape.
[0048]
FIG. 12 shows a digital camera imaging apparatus using the variable focus lens. In the variable focus lens used in the imaging apparatus shown in FIG. 12, the direction of one liquid crystal molecule 20 is substantially parallel to the XY plane. If the value of the pitch P of the liquid crystal is about 20 to 60 times or less the wavelength λ of light using the variable focus lens 21, the liquid crystal molecules 20 can be regarded as an isotropic medium in practice.
[0049]
Assume that the pitch P is equal to or smaller than the wavelength λ, that is, as shown by the following formula (6).
P <λ (6)
[0050]
Then, this liquid crystal approaches an isotropic medium. The reason is described below.
[0051]
Assume that the following condition (5-1) is satisfied.
P << λ (5-1)
[0052]
Thus, when the pitch P is very small compared to the wavelength λ of light, the liquid crystal acts as a medium having a refractive index n ′ given by (5-2) below, regardless of the polarization of the incident light.
n '= (n_e+ N_o) / 2 (5-2)
[0053]
Next, the reason why the nematic liquid crystal according to this embodiment behaves as an isotropic medium having a refractive index n ′ will be described with reference to Jones vectors and matrices.
[0054]
According to the formula shown on pages 85-92 of "Basics of Liquid Crystal and Display Applications", co-authored by Katsumi Yoshino and Masanori Ozaki, published by Corona Inc., when an absolute phase change exp (-iα) is included, Jones matrix W for nematic liquid crystal with thickness d shown in FIG._tIs given by the following equation (5-3).

[0055]
However, Φ, Γ, α, X, and R (−Φ) are the following formulas (5-4), (5-5), (5-6), (5-7), and (5-8), respectively. Street.
Φ = 2πd / P (5-4)

Here, ordinary light is defined as polarization in the minor axis direction of liquid crystal molecules, and extraordinary light is defined as polarization in the major axis direction of liquid crystal molecules, or polarization in the direction when the major axis is projected onto a plane perpendicular to the optical axis. Then, Γ represents the phase difference between ordinary light and extraordinary light by the nematic liquid crystal.
[0056]
In addition, Φ represents the twist angle of the liquid crystal molecules of nematic liquid crystal in radians. In addition, the coordinate systems of the equations (5-3) and (5-8) are assumed to be the x, y, and z axes shown in FIG. That is, the x-axis is from the front to the back of the page, and the y-axis is the direction of the major axis of the liquid crystal molecules at the incident surface of the chiral nematic liquid crystal. Under the condition of Expression (5-1), W in Expression (5-3)_tLet's examine what happens.
[0057]
Expression (5-1) can be transformed into the following expression (5-9).
0 <P / λ << 1 (5-9)
[0058]
Therefore, when p / λ → 0, W in equation (5-3)_tLimit value W_tL is obtained.
[0059]
Γ / Φ is given by (5-10).
Γ / Φ = (n_e-N_o) (P / λ) (5-10)
[0060]
Therefore, when P / λ << 1, Γ / Φ is as shown in Equation (5-11).
[0061]
| Γ / Φ | << 1 (5-11)
[0062]
Therefore, when P / λ → 0, | Γ / Φ | → 0.
[0063]
Under the condition of the expression (5-11), X in the expression (5-7) becomes as shown in the following expressions (5-12), (5-13), and (5-14).

When P / λ → 0, respectively,
X → Φ (5-16)
cosX → cosΦ (5-17)

Therefore, when P / λ → 0, W_tLBecomes (5-20).

[0064]
This is because the refractive index n '= (n_e+ N_o) / 2, a thickness d and a Jones matrix of an isotropic medium along the optical axis.
[0065]
Therefore, since P / λ << 1, the varifocal lens 21 in FIG. 12 can function as a lens having a refractive index n ′ and can form an image without blur.
[0066]
Even when the liquid crystal has an intermediate arrangement as shown in FIG._eThe value of n_eAnd n_oThe refractive index n of extraordinary light which is an intermediate value of_eIt is possible to satisfy the above expressions (5-3) to (5-20) by replacing with '.
[0067]
12 is not limited to continuously variable voltage application, the variable focus lens can be selected from several discrete voltage values. realizable.
[0068]
Here, a practical example of the variable focus lens having the configuration as shown in FIG. 12 will be described in detail.
[0069]
Although the limit case of P / λ → 0 is shown in Expression (5-20), the limit value may not always be applied to an actual liquid crystal lens and variable focus lens, so Expression (5-3) Let's derive an approximate expression of P / λ <1 may not be satisfied.
[0070]
The equation (5-3) is approximated by considering up to the first order of P / λ. That is, in equations (5-12) to (5-14), up to the first order of P / λ, that is, up to the first order of Γ / Φ from equation (5-10), and the second order of Γ / Φ. If the above is omitted, equation (5-21) is obtained.

[0071]
From these formulas (5-20), (5-21), and (5-22), the following formula (5-23) is obtained.

[0072]
Therefore, W_tNCan be regarded as almost equal to the Jones matrix of the isotropic medium, it is sufficient that | i · Γ / 2Φ | is close to zero. At this time W_tNApproaches the following formula (5-24).

[0073]
This expression (5-24) means that the liquid crystal rotates by the polarization direction Γ / 4 · Γ / Φ of incident light, but can be regarded as an isotropic medium.
[0074]
Therefore, if the expression (5-25) is satisfied, that is, if the expression (5-26) is approximately satisfied, a variable focus lens that is not blurred can be obtained.
[0075]
| I · (Γ / 2Φ) | ≈0 (5-25)
| Γ / 2Φ | <0.11 (5-26)
From equation (5-10), Γ / 2Φ is represented by the following equation (5-27).

[0076]
When the variable focus lens of the present invention is used for a lens of a relatively low cost product such as an actual imaging device with a lens, for example, an electronic camera, a VTR camera, an electronic endoscope, etc., the number of pixels of the solid-state imaging device is small, Since high resolution may not be required in some cases, the condition of Expression (5-26) can be relaxed and the following condition (5-28) may be satisfied.
| Γ / 2Φ | <1 (5-28)
[0077]
High resolution is required for a lens of an electronic imaging device having a large number of pixels, a film camera, a lens of a high-quality product such as a microscope, and so it is desirable to satisfy the following condition (5-29).
| Γ / 2Φ | <π / 6 (5-29)
[0078]
In the case of a lens that is not used for image formation, such as an optical disk lens, or an electronic imaging device that has a small number of pixels, the conditions are further relaxed, and the following condition (5-30) may be satisfied.
| Γ / 2Φ | <π (5-30)
[0079]
Note that, in common with this embodiment, when the liquid crystal is in a spiral arrangement, when the major axis direction of the liquid crystal molecules is not perpendicular to the optical axis, that is, when it is oblique, the equation (5) -1), n in formula (5-26) to formula (5-30)_eN above_eYou can replace it with '.
[0080]
Next, a design example is described.
[0081]
If the thickness d of the nematic liquid crystal is thin, the power of the lens is weak and is not useful. If it is thick, the light scatters and causes flare. Therefore, it is desirable that the thickness d satisfies the following condition (5-31).
2μ <d <300μ (5-31)
[0082]
The wavelength λ of the light is in the range of the following condition (5-32) when considering visible light.
0.35 μ <λ <0.7 μ (5-32)
[0083]
N_e-N_oThe value of is determined by the physical properties of the liquid crystal, and there are many substances in the following range (5-33).
0.01 <| n_e-N_o| <0.4 (5-33)
[0084]
Next, the following first to fourth design examples are shown as design examples.
First design example
d = 15 μ
λ = 0.5μ
n_e-N_o= 0.2
P = 0.06μ
Therefore
Γ / 2Φ = (1/2) · 0.2 × 0.06 / 0.5 = 0.012
Thus, Expression (5-20), Expression (5-28), Expression (5-29), and Expression (5-30) are satisfied.
[0085]
Second design example
d = 50μ
λ = 0.6μ
n_e-N_o= 0.25
P = 0.5μ
Therefore
Γ / 2Φ = (1/2) · 0.5 × 0.25 / 0.6 = 0.1022
Thus, Expression (5-26), Expression (5-28), Expression (5-29), and Expression (5-30) are satisfied.
[0086]
Third design example
d = 100μ
λ = 0.55μ
n_e-N_o= 0.2
P = 3μ
Therefore
Γ / 2Φ = (1/2) · 0.2 × 3 / 0.55 = 0.5454
Thus, the expressions (5-28) and (5-30) are satisfied.
[0087]
Fourth design example
d = 200μ
λ = 0.95μ
n_e-N_o= 0.2
P = 7μ
Therefore
Γ / 2Φ = (1/2) · 0.2 × 7 / 0.95 = 0.737
Thus, the expressions (5-28) and (5-30) are satisfied.
[0088]
In each of the above design examples, the chiral nematic liquid crystal has been described as an example. However, in order to make the wavelength smaller than the wavelength of light using the helical pitch of the nematic liquid crystal, a chiral agent may be mixed with the liquid crystal.
[0089]
As the chiral agent, a cholesteric liquid crystal or a synthetic optically active compound is used. The following chemical formulas (1) and (2) are examples of nematic liquid crystals, and chemical formulas (3) and (4) are examples of chiral agents.

[0090]
In the above formula (5-30), considering an example of a malleable liquid crystal
n_e-N_o= 0.1 as
(1/2) × 0.1 (P / λ) <π
P <20π · λ≈62.8λ (5-61) is obtained.
Similarly n_e-N_o= 0.1 is applied to the equation (5-28),
P <20λ (5-62) is obtained.
[0091]
Therefore, if the formula (5-61) or the formula (5-62) is satisfied by a product using liquid crystal, an optical characteristic variable optical element such as a variable focus lens with less blur (flare) can be obtained. The expressions (5-1) to (5-30) are not limited to nematic liquid crystals and apply to all liquid crystals having a helical structure with a pitch P. Examples of such liquid crystals include cholesteric liquid crystals, smectic liquid crystals, ferroelectric liquid crystals, and antiferroelectric liquid crystals.
In order to improve the performance of the optical system, the value of the pitch P is preferably small. However, in general, when the value of the pitch P is small in the liquid crystal, the viscosity of the liquid crystal increases, and the response speed of the change in the refractive index with respect to the change in the electric field becomes slow. In consideration of this point, the value of the pitch P is preferably larger than the wavelength λ as a result of the experiment, and the expressions (5-28), (5-29), (5-30), and (5- 61), formula (5-62), etc. are also taken into consideration, it is desirable to satisfy the following formula (5-63) or formula (5-64).
λ ≦ P <20λ (5-63)
λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-64)
Further, in an optical system of an autofocus television camera or the like, a faster response speed is required. Therefore, in these optical systems, it is desirable to satisfy the following formula (5-65) or formula (5-66).
2λ ≦ P <20λ (5-65)
2λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-66)
Conversely, in an optical system that does not require a very fast response speed, such as glasses or a diopter adjustment device, the following equation (5-67) or equation (5-68) may be satisfied.
2 / 3λ ≦ P <20λ (5-67)
2 / 3λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-68)
The upper limit of the value of P in Expression (5-63), Expression (5-65), and Expression (5-67) is allowed to 60λ in an inexpensive optical system that does not require high optical performance, such as a camera finder. .
In the case of a chiral nematic liquid crystal having a thickness of 9 microns and P = 1.1 microns, the response time corresponding to the change in the alternating electric field was about 1 second or less to about 30 seconds.
[0092]
FIG. 13 is a view of the variable focus lens 21 used in the imaging apparatus shown in FIG. 12 as viewed from the Z direction. The electrodes 22a, 22b, 22c, 23a, 23b, and 23c are divided into six on the outer periphery of the variable focus lens 21, and are transparent The electrode 4 is disposed so as to be insulated. These electrode pairs 22a-23a, 22b-23b, and 22c-23c are configured so that an alternating voltage is applied in order by the triple switch 24. Thus, by changing the direction of the electric field, the alignment of the liquid crystal can be made almost isotropic. If an electric field is applied only in one direction, the liquid crystal molecule may unwind.
[0093]
Next, the operation of the apparatus shown in FIGS. 12 and 13 will be described.
[0094]
First, when the switch 9 is on, the triple switch 24 is off. As a result, the liquid crystal molecules 20 have the molecular long axis substantially parallel to the optical axis. At this time, the liquid crystal lens unit 25 becomes a concave lens with weak power.
[0095]
Next, when the switch 9 is turned off and the triple switch 24 is turned on at the same time, a horizontal electric field is applied to the liquid crystal molecules 20, so that the orientation of the molecules 20 changes as shown in FIG.
[0096]
Further, the switching period T of the voltage applied to the three electrodes of the triple switch 24 needs to satisfy the following relationship.
[0097]
In the optical system shown in FIG. 12, when the switch 9 is turned off at a certain time while the triple switch 24 is off and the switch 9 is on, the liquid crystal molecules 20 turn on the triple switch due to the alignment regulating force of the alignment film 3. Even if it does not, it will become an orientation naturally as shown in FIG.
[0098]
As described above, when the time until the alignment naturally occurs as shown in FIG. 12 is τ, it is necessary to have the following relationship.
T ≦ τ (7)
If T is too large and the above (7) is not satisfied, the spiral of the liquid crystal molecules 20 may be unwound and the alignment of the liquid crystal molecules 20 may become a homogeneous alignment parallel to the alignment film 2.
[0099]
The above formula (7) may satisfy the following formula (7-1) practically.
T ≦ 10τ (7-1)
This is because, if this formula (7-1) is not satisfied, it may take time for the liquid crystal molecules 20 to have a perfect helical orientation if the voltage applied to the electrodes 22 and 23 is weak.
[0100]
Note that the triple switch 24 may be continuously turned off after the alignment of the liquid crystal molecules 20 has once returned to the state shown in FIG. That is, the triple switch 24 is turned on only after the homeotropic orientation in which the orientation of the liquid crystal molecules 20 is parallel to the optical axis 7 until the spiral orientation as shown in FIG. You may keep it. This advantageously saves electricity.
[0101]
As shown in FIG. 14, the focal length of the variable focus lens 21 can be continuously changed by appropriately adjusting the variable resistors 13 and 17 and arranging the direction of the liquid crystal molecules 20 obliquely with respect to the optical axis. it can. That is, it is convenient to use for a zoom lens or the like.
[0102]
    FIG. 15 is a diagram showing the third embodiment, and is an example in which the variable focus lens shown in FIGS. 12 to 14 is used for a zoom lens. In the figure, reference numerals 21A and 21B denote the variable focus lens 21 shown in FIG. That is, this zoom lens is a variable focus lens having a negative refractive power front group composed of a variable focus lens 21A having a concave action, a stop 26, and a convex action.21BAnd the rear lens group having a positive refractive power as a whole, and by changing the focal length of the variable focal length lenses 21A and 21B without mechanically moving each lens, It is possible to correct the movement of the image plane while changing the focal length. Similarly, focusing can be performed.
[0103]
In this example, instead of changing the electric field strength applied to the liquid crystal 25b when the variable focal length lens 21A is driven to change its focal length, the frequency of the electric field is changed to f.₁, F₂, F_Three, F_FourThe liquid crystal is a liquid crystal whose dielectric anisotropy sign changes with frequency. Frequency f₁, F₂, F_Three, F_FourF₁<F₂<F_Three<F_FourThen, the dielectric anisotropy of the liquid crystal 25b is f.₁And f_FourAnd so that the sign is reversed.
[0104]
In this zoom lens, the frequency is changed by switching the switch 24. In this case, the electrode 22F may be omitted. The frequency is f₁, F₂, F_Three, F_FourInstead of changing in a stepwise manner, it may be changed continuously. Further, the strength of the electric field may be changed simultaneously with the change of the frequency.
[0105]
    Liquid crystal25b, 25GIn addition to the spiral liquid crystal, a polymer-dispersed liquid crystal in which a liquid crystal whose dielectric anisotropy changes with frequency is dispersed in a polymer may be used. The variable focus lens 21B is an example of an optical property variable optical element using a polymer dispersed liquid crystal.
[0106]
An AC power supply 9e capable of continuously changing the frequency is connected to the two electrodes 3, and the focal length of the optical element can be changed by changing the frequency of the AC power supply.
[0107]
Further, zooming can be performed by interlocking the liquid crystal lens 21A and the liquid crystal lens 21B. Further, focusing can be performed by changing only the liquid crystal lens 21B.
[0108]
The electrode 22G may not be used, and the voltage applied to the 22G may be changed in conjunction with the change in the frequency f of the AC power supply 9e.
[0109]
In the imaging apparatus shown in FIG. 12, instead of the liquid crystal molecules 20, a chiral cholesteric liquid crystal, a chiral smectic liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal, an antiferroelectric liquid crystal, a liquid crystal having a negative refractive index anisotropy, a ferroelectric high A molecular dispersion liquid crystal or the like may be used. Even when these liquid crystals are used, the above formulas (6), (7), (7-1), (5-26), (5-28), (5-29), (5-30), (5- 61), (5-62), (5-63), (5-64), (5-65), (5-66), (5-67), and (5-68) apply similarly.
[0110]
The optical systems shown in FIGS. 16 and 17 are the same as the optical system shown in FIG.
[0111]
In the example shown in FIGS. 16 and 17, the divided electrodes 22 and 23 operate in the same manner as in FIG. 13, but are arranged around the lenses 32 and 33 so as to be insulated from the transparent electrode 3. The operation of the triple switch 24 is the same as that of the optical system shown in FIGS.
[0112]
In the optical system shown in FIGS. 16 and 17, the switch 9 is on, and the liquid crystal molecules 29 are in the homeotropic alignment state as shown in FIG. 16, and the switch 9 is turned off and the triple switch 24 is turned on. Then, an electric field in the lateral direction is applied to the liquid crystal molecules 29, and the liquid crystal molecules 29 are aligned at a high speed and slightly in parallel with the xy plane as shown in FIG. In addition, equations (7) and (7-1) are also applicable to the optical systems shown in FIGS.
[0113]
In this way, that is, as shown in FIG. 17, the arrangement of the liquid crystal molecules 29 is excellent in that the change in the refractive index of the liquid crystal 35 is further increased near the optical axis 6.
[0114]
Here, if the average diameter D of the liquid crystal molecules 34 satisfies the following condition (8), it is desirable to prevent light scattering.
D <λ / 5 (8)
Where λ is the wavelength of incident light.
[0115]
When the thickness of the liquid crystal 35 is thin, there is no practical problem as long as the following formula (8-1) is satisfied instead of the formula (8).
D <2λ (8-1)
[0116]
Further, when the ratio of the liquid crystal molecules 34 to the entire volume of the liquid crystal 35 is ff, it is desirable to satisfy the following condition (9) in order to obtain a sufficient effect as a variable focus lens.
0.5 <ff <0.999 (9)
[0117]
    The value of ff is the condition (9If the upper limit of 0.999) is exceeded, the amount of polymer decreases and liquid crystal molecule 34 particles cannot be formed. If the lower limit of 0.5 is not reached, the effect as a variable focus lens, that is, the amount of change in focal length decreases.
[0118]
When it is desired to make the liquid crystal 35 close to a solid state by increasing the polymer, it is desirable to satisfy the following condition (9-1) instead of the condition (9).
0.1 <ff <0.5 (9-1)
[0119]
FIG. 18 shows another embodiment of the optical system of the present invention, and shows an example of an optical system in which the refractive index of the liquid crystal is changed by changing the temperature.
[0120]
The nematic liquid crystal 36 having positive refractive index anisotropy has a transition temperature T_CIn the following cases, as shown in FIG. 18, n is a homeotropic alignment in which the molecular long axis is directed in the Z direction and the refractive index is low._OIt is a state. At this time, the switch 9 is on as shown in the figure.
[0121]
Next, the switch 43 of the heater 41 is turned on and the liquid crystal is heated by the heater 41 so that the temperature of the liquid crystal molecules 36 changes to the transition temperature T._CIf it becomes higher than that, the liquid crystal molecules 36 become a transparent liquid that moves randomly as shown in FIG. At this time, the switch 9 is kept off.
[0122]
In the state shown in FIG. 19, the refractive index n of the liquid crystal molecules 36 is given by the following formula (10).
n = (2n_O+ N_e) / 3 (10)
[0123]
That is, the refractive index n of the liquid crystal is increased, and as a result, the refractive power of the convex lens 32b is increased.
[0124]
    In the state of FIG. 18, the alignment regulating force by the alignment film 2 is sufficient.if there isThe switch 9 may be off. However, since the liquid crystal molecules 36 are regularly arranged when the switch 9 is turned on, the liquid crystal molecules36This is desirable because it can prevent light scattering due to.
[0125]
In order to cause the liquid crystal to undergo a phase transition to a liquid, the optical systems shown in FIGS. 18 and 19 are heated using the heater 41, but the frequency of the AC power supply is increased to increase the molecular vibration of the liquid crystal molecules 33. May raise the temperature to cause phase transition.
[0126]
The optical property variable optical element of the present invention described above is performed mainly by changing the strength and direction of the electric field in order to change the orientation of the molecules of the liquid crystal constituting the optical element.
[0127]
However, the orientation of the liquid crystal molecules can be changed by changing the frequency of the electric field applied to the liquid crystal without being limited to the change of the electric field strength. In addition, the orientation of liquid crystal molecules can be changed by changing the strength of the magnetic field.
[0128]
Further, the method of changing the orientation of the liquid crystal molecules by changing the frequency of the electric field applied to the liquid crystal and the method of changing the strength of the magnetic field applied to the liquid crystal are shown in FIGS. The present invention can be applied to each optical system shown as an example in FIG. 9, FIG. 12, FIG. 15, FIG. 16, FIG.
[0129]
In the method of changing the orientation of the liquid crystal molecules by changing the frequency of the electric field, the orientation of the liquid crystal molecules can be changed at a high speed by changing the frequency of the electric field if a liquid crystal with positive and negative dielectric anisotropies is used. It is advantageous.
[0130]
FIG. 20 shows an example of a lens whose refractive index is changed by the magnetic field H. In this figure, 45 is a lens, 46 is a substance having a magneto-optical effect, 47 is a substrate, 48 is an alignment film, 49A is a switch, 49B is an AC power supply, 49C is a variable resistor, 49D is a coil, and 49E is an iron core. .
[0131]
Examples of the material 46 having a magneto-optical effect to be used include lead glass, water length, and liquid crystal. The alignment film 48 is preferably provided in the case of liquid crystal.
[0132]
In order to change the alignment of the liquid crystal molecules at high speed, it is preferable to apply a certain voltage in advance instead of the voltage being off. When it is desired to change the alignment of the liquid crystal molecules, the alignment of the liquid crystal molecules can be changed at a high speed by setting the voltage to a higher voltage.
[0133]
The above-described example shown in FIG. 12 is an image pickup apparatus for a digital camera of the present invention using an optical characteristic variable optical element. This example will be described in more detail.
[0134]
    In FIG. 12, the variable focus liquid crystal lens 21 is located behind the diaphragm 26.(Convex lens 28 and convex lens27And liquid crystal lens unit 25)WhenConvex lens 29 andIs arranged. convex lens29Is provided so that the chief ray is incident on the solid-state image sensor 30 at an angle of 90 ° ± 20 ° with respect to the light receiving surface of the solid-state image sensor. The concave lens 28 is provided to improve Petzval sum and correct curvature of field. The convex lens 27 on the aperture 26 side (incident side) has a convex surface on the object side so that spherical aberration can be corrected well. The liquid crystal lens 25 has a concave lens shape for correcting chromatic aberration. In addition, it is preferable that any one of the lens surfaces of the lenses 27, 28, and 29 is aspherical so that aberration can be corrected more satisfactorily. The liquid crystal lens 25 is preferably positioned in the vicinity of the diaphragm 26 because the effective diameter of the liquid crystal lens 25 can be reduced and the thickness thereof can be reduced.
[0135]
Further, when the orientation of the liquid crystal molecules 20 in the liquid crystal lens 25 changes, the aberration of the optical system composed of the convex lens 27, the liquid crystal lens 25, the concave lens 28, and the convex lens 29 fluctuates, and the amount of light scattering generated by the liquid crystal lens 25 increases. This also changes, whereby the MTF of the optical system 31 changes.
[0136]
In the imaging apparatus shown in FIG. 12, the change in MTF due to the change in aberration and the change in light scattering is corrected by an electronic circuit. In other words, the compensation of the MTF change when the focal length of the liquid crystal lens 25 is changed to adjust the focus by changing the object position is performed by changing the processing of the enhancement circuit or the image processing circuit in the circuit 44. did. Specifically, means such as changing the characteristics of a digital filter such as a Wiener filter or changing the amount of edge enhancement of the enhancement circuit may be used. Here, the change in MTF may be obtained from the design data of the optical system 31, or the MTF compensation amount may be changed by measuring one actual camera one by one.
[0137]
FIG. 35 is a diagram for explaining the correction by the electronic circuit. In this figure, an example of performing distance measurement using an infrared light projection type active distance measurement method is shown. Based on the distance information obtained here, an enhancement amount or the like is selected to compensate for the MTF change of the liquid crystal lens. A digital filter is then applied to create the final image.
[0138]
FIG. 21 is a diagram showing another example of the imaging apparatus of the present invention, and is an example of a digital camera 50 using a free-form surface lens 51 (a lens having a non-rotationally symmetric surface). 52 is a variable focus mirror, 53 is an aluminum-coated thin film, 54 is an electrode, 55 is a solid-state imaging device, 56 is a substrate, 57 is a power source, 58 is a switch, and 59 is a variable resistor.
[0139]
As an example of the variable focus mirror 52, there is a membrane mirror shown in Optics Communications, Vol. 140 (1997), pages 187 to 190. When a voltage is applied between the electrodes 54, electrostatic force is applied. As a result, the thin film 53 is deformed to change the focal length of the reflecting mirror. And you can adjust the focus. The light 60 from the object is the surface R of the free-form surface prism 51.₁, R₂And is reflected by a reflecting mirror (thin film) 53 and is a surface R of the free-form surface prism 51._ThreeReflected by the surface R_FourIs incident on the solid-state image sensor 55 after being refracted by.
[0140]
In this way, this apparatus has a free-form surface R₁, R₂, R_Three, R_FourThe reflecting mirror 53 constitutes an imaging optical system. Especially free-form surface R₁, R₂, R_Three, R_FourBy optimizing the shape of the object, the aberration of the object image is minimized.
[0141]
In the imaging apparatus of FIG. 21, the shape of the opening of the reflecting mirror is preferably an ellipse that is long in the Y-axis direction in order to correct astigmatism and the like. It is preferable to make an ellipse that is long in the direction of the line of intersection between the reflecting mirror 52 and the plane containing the incident light to the reflecting mirror 52 and the outgoing light from the reflecting mirror 52. Moreover, in the example shown in this figure, the reflecting mirror 52, the thin film 53, and the solid-state image sensor 55 are made separately and arranged on the substrate 56. However, since the reflecting mirror 52 and the thin film 53 can be formed by a silicon lithography process or the like, the substrate 56 is formed of silicon, and at least a part of the reflecting mirror 52 is formed on the substrate 56 together with the solid-state imaging element 55 by the lithography process. May be.
[0142]
As a result, the solid-state imaging element 55 and the reflecting mirror 52 are integrated, which is advantageous in terms of downsizing and cost reduction. The reflecting mirror 52 may be a fixed focus mirror. Even in this case, the reflecting mirror 52 can be formed by a lithography process.
[0143]
Although not shown, a reflective liquid crystal display or a transmissive liquid crystal display may be integrally formed on the substrate 56 by a lithography process. The substrate 56 may be formed of glass, and a solid-state imaging device or a liquid crystal display may be formed on the glass substrate by a technique such as a thin film transistor.
[0144]
The free curved surface prism 51 can be easily formed with a curved surface having an arbitrary desired shape by being formed of a plastic mold, a glass mold, or the like.
[0145]
FIG. 22 shows another example of a digital camera using a free-form surface prism 51. This digital camera is an example in which a variable focus mirror 61 is used instead of the reflecting mirror 52 in the digital camera shown in FIG.
[0146]
The variable focus mirror 61 is a surface R of the free-form surface prism 51.₂Are provided integrally with the prism 51. The variable focus mirror 61 includes a reflecting mirror 62 and a surface R of a free-form surface prism.₂The liquid crystal 66 is provided between the alignment films 64 and 65, and the transparent electrode 63 and the alignment films 64 and 65.
[0147]
Here, the varifocal mirror 61 may be formed separately from the free-form surface prism 51 and may be bonded together, or the surface R of the free-form surface prism.₂Alternatively, the transparent electrode 63 and the alignment film 64 may be formed.
[0148]
Light 60 incident on the digital camera from the object is similar to the camera shown in FIG.₁, R₂And then reflected by the reflecting mirror 62, enters the free-form curved prism 51 through the alignment film 64, the liquid crystal 65, the alignment film 63, and the transparent electrode 62._ThreeSurface R reflected by_FourThe light is further emitted and enters the light receiving surface of the solid-state imaging device 55. Here, by changing the voltage applied to the variable focus mirror 61, it is possible to change the focal length of the mirror 61 and adjust the focus.
[0149]
As the liquid crystal 66 used in the variable focus mirror 61, polymer dispersed liquid crystal is used. As described with reference to FIGS. 15, 16, and 17, by changing the electric field applied to the liquid crystal molecules, for example, The state changes from the state shown in FIG. 16 to the state shown in FIG. 17, whereby the refractive index of the liquid crystal changes, and the focal length of the variable focus mirror changes.
[0150]
In the case of the embodiment of the digital camera shown in FIG. 22, as shown in the figure, the same operation as that of the digital camera of FIG. 16 can be achieved without using the electrodes 22 and 23 used in the digital camera shown in FIG. Have.
[0151]
That is, in FIG. 22, when the switch 58 is off, the liquid crystal arrangement is random and the refractive index is high. Therefore, the variable focus mirror 61 has a strong effect of converging light. Here, when the switch 58 is turned on, the liquid crystals are aligned in one direction, so that the refractive index is lowered and the function of converging light is weakened. Therefore, the variable focus mirror 61 is adjusted in focus.
[0152]
Further, by using two or more variable focus mirrors 61 in the free-form surface prism 51, it becomes possible to use as a zoom lens.
[0153]
Further, the variable focus mirror 52 of the digital camera shown in FIG. 21 may be replaced with the variable focus mirror 61 shown in FIG. The alignment films 64 and 65 may not be used.
[0154]
Further, as the liquid crystal optical element of the varifocal mirror 61, the transparent electrode 63 may be replaced by a reflecting mirror 62 that also serves as an electrode.
[0155]
Further, instead of the polymer dispersed liquid crystal 66, a spirally aligned nematic liquid crystal, cholesteric liquid crystal, smectic liquid crystal or the like may be used.
[0156]
FIG. 23 shows an example in which a diffractive optical element 70 is used instead of the reflecting mirror 53 or the variable focus mirror 61 in the digital camera shown in FIG. 21 or FIG. That is, the diffractive optical element 70 includes a diffractive surface 71 formed on the reflecting mirror 72, a transparent electrode 73, an alignment film 74, and a liquid crystal 75.
[0157]
In the digital camera 76 shown in FIG. 23, the light from the object enters the free-form surface prism as in the other examples, passes through the prism 51 and then enters the diffractive optical element 70, where it is diffracted by the diffraction surface 71. After receiving the action, the diffractive optical element 70 exits and enters the free-form surface prism 51 again, reflects as shown in the figure, exits from this, and enters the solid-state imaging element 55.
[0158]
When the switch 77 is turned on, the orientation of the liquid crystal molecules changes in the vertical direction and the diffraction order of the diffractive optical element 70 changes, so that the focal length can be changed to perform focusing.
[0159]
Here, the pitch of the liquid crystal molecules satisfies the formula (6) similarly to the liquid crystal shown in FIG. In this example, the diffractive surface 71 is a reflective surface, which is an example of a reflective diffractive optical element.
[0160]
FIG. 24 shows an example of variable focus glasses using the variable focus lens shown in FIG. That is, a variable focus lens is used as the spectacle lens, and the variable focus lens composed of the lenses 30H and 31H, the alignment film (not shown), the electrode 3 and the like is attached to the spectacle frame 80.
[0161]
In the figure, 8 and 18 are AC power supplies, 9 and 24 are switches, 13 and 17 are variable resistors, and 25 is a liquid crystal. P is a pitch.
[0162]
In this variable focus lens, the electrodes 22 and 23 are provided in the periphery of the lenses 30H and 31H in the same manner as that shown in FIG. If these electrodes 22 and 23 are made transparent, the periphery of the field of view of the glasses becomes bright, which is preferable.
[0163]
The embodiment of the present invention described above mainly uses a variable focus lens as the optical characteristic variable optical element, but uses a diffractive optical element, a Fresnel lens, a prism, a lenticular lens, etc. as the optical characteristic variable optical element. May be. The light refracting or reflecting portions constituting each element may be replaced with a refractive index variable material, that is, various liquid crystals, ferroelectric materials, and materials having an electro-optic effect.
[0164]
In addition to the electric field, the magnetic field, the frequency of the electric field, and the frequency of the magnetic field may be changed in order to change the molecular orientation of the liquid crystal.
[0165]
The optical system using the optical property variable optical element of the present invention described above forms an object image, and the image is picked up by an image sensor such as a CCD or a silver salt film to take an image, especially a camera or an endoscope. Can be used. Further, it can also be used as an observation optical device for observing an object image through an eyepiece, particularly as an objective optical system of a camera finder. The embodiment is illustrated below.
[0166]
FIGS. 25, 26, and 27 are conceptual diagrams of a configuration in which the imaging optical system including the optical characteristic variable optical element of the present invention is incorporated in the objective optical system of the finder portion of the electronic camera in the fifth embodiment. 25 is a front perspective view showing the appearance of the electronic camera 80, FIG. 26 is a rear perspective view thereof, and FIG. 27 is a cross-sectional view showing the configuration of the electronic camera 80. In this embodiment, the electronic camera 80 includes a photographing optical system 81 having a photographing optical path 82, a finder optical system 83 having a finder optical path 84, a release 85, a flash 86, a liquid crystal display monitor 87, and the like. When the release 85 disposed on the upper portion is pressed, photographing is performed through the photographing objective optical system 88 in conjunction therewith. The photographing objective optical system includes a plurality of transmissive optical characteristic variable optical elements (here, liquid crystal is used), and performs zooming and focusing operations. An object image formed by the photographic objective optical system 88 is formed on the imaging surface 90 of the CCD 89 via a filter 91 such as a low-pass filter or an infrared cut filter. The object image received by the CCD 89 is displayed as an electronic image on a liquid crystal display monitor 87 provided on the back of the camera via the processing means 92. Further, the processing unit 92 is provided with a memory or the like, and a photographed electronic image can be recorded. This memory may be provided separately from the processing means 92, or may be configured to perform recording and writing electronically using a floppy disk or the like. Further, it may be configured as a silver salt camera in which a silver salt film is arranged instead of the CCD 89.
[0167]
Further, in the finder optical path 84, an imaging optical system including a reflective optical characteristic variable optical element is arranged as a finder objective optical system. Further, a cover lens 94 having a positive power is arranged as a cover member, and the angle of view is enlarged. The front lens group GF of the finder objective optical system 93 is formed by the cover lens 94 and the prism VP1 on the object side from the stop S of the imaging optical system, and is used for the finder by the prism VP on the image side of the stop S of the imaging optical system. The rear group GR of the objective optical system 93 is configured. Zooming and focusing are performed by arranging a variable optical characteristic optical element in each of the front group GF and the rear group GR with the stop S interposed therebetween. Here, a reflective optical characteristic variable optical element integrally formed with the reflecting prism is used. Although the liquid crystal 66H is used here, zooming and focusing operations are performed by changing the optical characteristics as described above. This control is performed by the processing means in conjunction with zooming and focusing actions of the photographing objective optical system. The object image formed by the finder objective optical system 93 is formed on the field frame 97 of the porophism 95 that is an image erecting member. The field frame 97 separates the first reflecting surface 96 and the second reflecting surface 98 of the Porro prism 95, and the field frame 97 is disposed therebetween. Behind this polyprism 95 is an eyepiece optical system 99 that guides an erect image to the observer eyeball E.
[0168]
The camera 80 configured in this way can configure the finder objective optical system 93 with a small number of optical members, achieve high performance and downsizing, and can be configured by folding the optical path of the objective optical system 93 itself. This increases the degree of freedom in arrangement, and is advantageous in design.
[0169]
Next, FIG. 28 shows a conceptual diagram of a configuration in which the imaging optical system of the present invention is incorporated in the objective optical system 88 of the photographing unit of the electronic camera 80. In the case of this example, the photographing objective optical system 88 disposed on the photographing optical path 82 is an imaging optical system using a reflective optical characteristic variable optical element. An object image formed by the photographing objective optical system is formed on the imaging surface 90 of the CCD 89 via a filter 91 such as a low-pass filter or an infrared cut filter. The object image received by the CCD 89 is displayed as an electronic image on the liquid crystal display element (LCD) 100 via the processing means 92. The processing unit 92 also controls the recording unit 101 that records the object image captured by the CCD 89 as electronic information. The image displayed on the LCD 100 is guided to the observer's eye E through the eyepiece optical system 99. The eyepiece optical system 99 is composed of a decentered prism having an optical characteristic variable optical element having the same form as that used in the imaging optical system of the present invention, and by changing the characteristics of the optical element. The depth of the virtual image on the LCD can be adjusted according to the diopter of the observer. In this example, it is composed of three surfaces: an incident surface 102, a reflective surface 103, and a surface 104 that combines reflection and refraction. In addition, at least one of the surfaces 103 and 104 having two reflecting actions, preferably both surfaces provide power to the light beam and have a single symmetry plane for correcting decentration aberrations. It consists of a curved surface. The only plane of symmetry is substantially the same plane as the only plane of symmetry of the plane-symmetry free-form surfaces of the decentered prisms VP1 and VP2 arranged in the groups GF and GR before and after the photographing objective optical system 88. Is formed. Also here, a reflective optical characteristic variable optical element using the liquid crystal 66H is used.
[0170]
In the camera 80 configured in this way, the photographing objective optical system 88 can be configured with a small number of optical members, and can be reduced in performance and size, and the entire optical system can be arranged side by side on the same plane. The thickness in the direction can be reduced.
[0171]
    Next, FIG. 29 shows a conceptual diagram of a configuration in which the optical characteristic variable optical element of the present invention is incorporated in the objective optical system 120 of the observation system of the electronic endoscope. In this example as well, the objective optical system of the observation system125Uses an imaging optical system including a reflective optical characteristic variable optical element 128 that performs zooming focusing. These reflective optical characteristic variable optical elements use liquid crystal 66H. As shown in FIG. 29A, this electronic endoscope includes an electronic endoscope 111, a light source device 112 that supplies illumination light, and a video processor 113 that performs signal processing corresponding to the electronic endoscope 111. And a monitor 114 that displays a video signal output from the video processor 113, a VTR deck 115 that is connected to the video processor 113 and records the video signal, and a video disc 116, and the video signal is printed out as a video. The distal end 119 of the insertion portion 118 of the electronic endoscope 111 is configured as shown in FIG. 29B. The light beam illuminated from the light source device 112 passes through the light guide fiber bundle 126 and illuminates the observation site by the illumination objective optical system 127. Then, the light from this observation site is formed as an object image by the observation objective optical system 125 via the cover member 124. This object image is formed on the imaging surface 123 of the CCD 122 via a filter 121 such as a low-pass filter or an infrared cut filter. Further, the object image is converted into a video signal by the CCD 122, and the video signal is directly displayed on the monitor 114 by the video processor 113 shown in FIG. 29A, and is also displayed in the VTR deck 115 and the video disc 116. And is printed out as video from the video printer 117.
[0172]
The endoscope configured as described above can be configured with a small number of optical members despite the zooming and focusing functions, and can achieve high performance and downsizing.
[0173]
The decentering prisms provided in the front group and the rear group of the imaging optical system according to the embodiment using a plurality of the above prisms each have three optical surfaces, one of which is totally reflected. Although a prism of the type having two internal reflections composed of a surface that serves both as an action and a transmission action is used, the eccentric prism used in the present invention is not limited to this.
[0174]
Examples of several variable focus prisms VP that can be used in the present invention are shown in FIGS. Although both are described as the prism VP that forms an image on the image surface 136, the light path from the subject is incident from the image surface 136 side with the optical path reversed, and the prism VP is formed on the pupil 131 side. Can do. Alternatively, it may be configured alone as an imaging optical system or an observation optical system. Further, on which surface the optical characteristic variable optical element is used may be determined depending on the usage form.
[0175]
In the case of FIG. 30, the prism VP includes the first surface 132, the second surface 133, the third surface 134, and the fourth surface 135, and the light incident through the entrance pupil 131 is refracted by the first surface 132. The light enters the prism VP, is internally reflected by the second surface 133, is incident on the third surface 134, is internally reflected, is incident on the fourth surface 135, is refracted, and forms an image on the image surface 136. Zooming and focusing can be performed by providing the variable optical property optical elements on the third surface 134 and the second surface 133.
[0176]
In the case of FIG. 31, the prism VP includes the first surface 132, the second surface 133, the third surface 134, and the fourth surface 135, and the light incident through the entrance pupil 131 is refracted by the first surface 132. The light enters the prism VP, is internally reflected by the second surface 133, is incident on the third surface 134, is totally reflected, is incident on the fourth surface 135, is internally reflected, and is incident on the third surface 134 again. The light is refracted and forms an image on the image plane 136. Here, a variable optical characteristic optical element is used for the second surface 133 and the fourth surface 135.
[0177]
In the case of FIG. 32, the prism VP includes a first surface 132, a second surface 133, a third surface 134, and a fourth surface 135, and light incident through the entrance pupil 131 is refracted by the first surface 132. The light enters the prism VP, is internally reflected by the second surface 133, is incident on the third surface 134, is internally reflected, is incident again on the second surface 133, is internally reflected, is incident on the fourth surface 135, and is refracted. Thus, an image is formed on the image plane 136. Here, a variable optical characteristic optical element is used for the second surface 133 and the third surface 134.
[0178]
The optical property variable optical element of the present invention can be used in an image display apparatus. As a sixth embodiment using this image display device, FIG. 33 shows a state in which a head-mounted image display device is attached to an observer's head, and FIG. 34 shows a cross-sectional view thereof. In this configuration, an eccentric prism optical system using the reflective optical property variable optical element of the present invention for diopter adjustment is used as an eyepiece optical system 140 as shown in FIG. A pair of left and right pairs of display elements 141 are prepared and supported by separating them by an eye radiant distance, thereby allowing a portable image display device 142 such as a stationary or head-mounted image display device that can be observed with both eyes. It is configured as.
[0179]
That is, the display device main body 142 is provided with a pair of left and right eyepiece optical systems 140 as described above, and an image display element 141 composed of a liquid crystal display element is disposed on the image plane correspondingly. As shown in FIG. 33, the display device main body 142 is provided with a temporal frame 143 as shown in the drawing so that it can be held in front of the observer's eyes. .
[0180]
    In addition, a speaker 144 is attached to the temporal frame 143 so that stereophonic sound can be heard along with image observation. Thus, the display device main body 142 having the speaker 144 is connected to a playback device such as a portable video cassette via the audio / video transmission cord 145.146Therefore, the observer can enjoy the video and audio by holding the reproducing device 146 at an arbitrary position such as a belt portion as shown in the figure. Reference numeral 147 in FIG. 33 denotes a switch, volume, or other adjustment unit of the playback device 146. Note that electronic components such as video processing and audio processing circuits are built in the display device main body 142.
[0181]
The cord 145 may be attached to an existing video deck or the like with a jack at the tip. Further, it may be connected to a TV radio wave receiving tuner for TV viewing, or may be connected to a computer to receive computer graphics video, message video from the computer, or the like. In addition, in order to eliminate disturbing cords, an antenna may be connected to receive an external signal by radio waves.
[0182]
In the present invention, in addition to what is described in the claims, what is described in the following items also contributes to the object.
[0183]
(1) A variable optical property optical element characterized by changing an optical property by applying an electric field or a magnetic field to a material having an electro-optic effect or a magneto-optic effect, thereby changing a refractive index of the material.
[0184]
(2) By changing the refractive index of the liquid crystal by changing the refractive index of the liquid crystal by applying an electric field, magnetic field or temperature to the liquid crystal in which the orientation of the liquid crystal molecules is substantially uniform in the plane substantially perpendicular to the incident optical axis, the optical characteristics are changed. An optical property variable optical element characterized by being configured as described above.
[0185]
(3) A variable focus lens using the optical property variable optical element described in the item (1).
[0186]
(4) Using a substance having a direction almost uniform in the plane substantially perpendicular to the incident optical axis of the substance having an electro-optic effect, and changing the optical characteristics by changing the refractive index of the substance. An optical property variable optical element characterized by the above.
[0187]
(5) The optical element described in the above item (2), comprising a member for regulating the orientation of the liquid crystal, wherein the member is processed by using drawing exposure and etching or lithography technology. Optical element.
[0188]
(6) An optical device characterized in that a member for regulating the orientation of a substance having an electro-optic effect or a substance having the magneto-optic effect is provided, and the member is processed by using drawing exposure and etching or a lithographic technique. Variable characteristic optical element.
[0189]
(7) The optical element according to (5) or (6), wherein the member for regulating the orientation satisfies the following condition (4).
0.5nm <S <λ (4)
[0190]
(8) An optical property variable optical element comprising a liquid crystal element, wherein the liquid crystal has negative refractive index anisotropy.
[0191]
(9) A variable optical characteristic optical system comprising: a liquid crystal element; and a member for applying an electric field in a direction substantially orthogonal to the optical axis of the liquid crystal element, and the electric field generated by the member changes its direction with time. element.
[0192]
(10) A liquid crystal element, a member for applying an electric field in a direction substantially parallel to the optical axis of the liquid crystal element, and a member for applying an electric field in a direction substantially orthogonal to the optical axis of the liquid crystal element are provided. Optical property variable optical element.
[0193]
(11) An optical element according to (7), (8), (9) or (10), wherein the following optical expression (7) is satisfied:
T ≦ τ (7)
[0194]
(12) An optical element according to the item (11), wherein the following conditional expression (7-1) is satisfied instead of the condition (7): An optical property variable optical element.
T ≦ 10τ (7-1)
[0195]
(13) The optical element according to the item (1), (7), (8), (9), (10), (11), or (12), wherein the optical element has a helical orientation. A variable-optical-characteristic optical element characterized by being a liquid crystal.
[0196]
(14) In the optical element described in the above item (13), the following formulas (6), (5-61), (5-62), (5-28), (5-29), (5- 30) Any one of the optical characteristic variable optical elements satisfying any of the above.
P <λ (6)
P <20π · λ≈62.8λ (5-61)
P <20λ (5-62)
| Γ / 2Φ | <1 (5-28)
| Γ / 2Φ | <π / 6 (5-29)
| Γ / 2Φ | <π (5-30)
[0197]
(15) The optical element according to the item (1), (7), (8), (9), (10), (11) or (12), wherein a polymer dispersed liquid crystal element is used as the optical element. A variable optical property optical element characterized by being used.
[0198]
(16) Optical property variable optical element using polymer dispersed liquid crystal satisfying at least one of the following formulas (8), (8-1), (9), and (9-1) .
D <λ / 5 (8)
D <2λ (8-1)
0.5 <ff <0.999 (9)
0.1 <ff <0.5 (9-1)
[0199]
(17) The optical element described in the above item (15), wherein at least one of the following formulas (8-1) and (9-1) is satisfied.
D <2λ (8-1)
0.1 <ff <0.5 (9-1)
[0200]
(18) A variable-optical-characteristic optical element that causes a phase transition between a liquid crystal phase and a liquid due to a temperature change and changes a refractive power.
[0201]
(19) (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), ( 12), (13), (14), (15), (16) or (17), wherein the alignment direction of the liquid crystal is controlled by applying a magnetic field of variable intensity. Optical property variable optical element.
[0202]
(20) (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (11) 12), (13), (14), (15), (16), or (17), the liquid crystal orientation direction is controlled by changing the intensity or frequency of the electric field. An optical property variable optical element characterized by the above.
[0203]
(21) (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (11) 12), (13), (14), (15), (16) or (17), the liquid crystal element whose dielectric anisotropy changes depending on the frequency of the electric field is used as the optical element. An optical property variable optical element characterized by that.
[0204]
(22) (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (11) 12), (13), (14), (15), (16), (17), (18), (19), (20) or (21) as an optical element. An optical characteristic variable optical element using one of a substance having an electro-optic effect, a substance having a magneto-optic effect, and a ferroelectric substance.
[0205]
(23) An optical property variable optical element characterized in that the optical property is changed by changing the frequency of the electric field applied to the liquid crystal.
[0206]
(24) The optical element described in the above item (23), including a liquid crystal having a spiral structure as an optical element, and the following formulas (6), (5-26), (5-28), and (5-29): ), (5-30), (5-61), (5-62), (5-63), (5-64), (5-65), (5-66), (5-67), Any of (5-68) is satisfied, A variable optical property optical element characterized by the above-mentioned.
P <λ (6)
| Γ / 2Φ | <0.11 (5-26)
| Γ / 2Φ | <1 (5-28)
| Γ / 2Φ | <π / 6 (5-29)
| Γ / 2Φ | <π (5-30)
P <20π · λ≈62.8λ (5-61)
P <20λ (5-62)
λ ≦ P <20λ (5-63)
λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-64)
2λ ≦ P <20λ (5-65)
2λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-66)
2 / 3λ ≦ P <20λ (5-67)
2 / 3λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-68)
[0207]
(25) A variable-optical-characteristic optical element characterized in that a liquid crystal having positive refractive index anisotropy is used as the optical element in the optical element described in the item (23) or (24).
[0208]
(26) Claims 1, 2, 3 or 4 of the claims or (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), ( 8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15), (16), (17), (18), (19), (20) , (21), (22), (23), (24) or (25) An imaging apparatus comprising the optical characteristic variable optical element described in the section.
[0209]
(27) (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (11) 12), (13), (14), (15), (16), (17), (18), (19), (20), (21), (22), (23), (24) Alternatively, varifocal glasses provided with the optical characteristic variable optical element described in the item (25).
[0210]
(28) The above (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), ( 12), (13), (14), (15), (16), (17), (18), (19), (20), (21), (22), (23), (24) Or an optical apparatus comprising the optical property variable optical element described in the item (25).
[0211]
(29) An optical property variable optical element in which optical properties are changed by changing the orientation of a liquid crystal having a spiral structure.
[0212]
(30) In the optical element described in the above item (29), the following formulas (6), (5-26), (5-28), (5-29), (5-30), (5- 61), (5-62), (5-63), (5-64), (5-65), (5-66), (5-67), or (5-68) is satisfied. An optical property variable optical element characterized by the above.
P <λ (6)
| Γ / 2Φ | <0.11 (5-26)
| Γ / 2Φ | <1 (5-28)
| Γ / 2Φ | <π / 6 (5-29)
| Γ / 2Φ | <π (5-30)
P <20π · λ≈62.8λ (5-61)
P <20λ (5-62)
λ ≦ P <20λ (5-63)
λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-64)
2λ ≦ P <20λ (5-65)
2λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-66)
2 / 3λ ≦ P <20λ (5-67)
2 / 3λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-68)
[0213]
(31) An imaging device comprising the optical property variable optical element described in (30).
[0214]
(32) An observation apparatus comprising the optical property variable optical element described in (30).
[0215]
(33) A display device comprising the optical property variable optical element described in (30).
[0216]
(34) Glasses provided with the optical property variable optical element described in the above (30).
[0217]
(35) In the imaging device described in (31) above, a diaphragm, a front group including the optical characteristic variable optical element having a concave function disposed in the vicinity of the diaphragm, and a rear side of the front group An image pickup apparatus comprising an optical system including a rear group having at least a concave surface and a convex surface.
[0218]
(36) In the imaging device described in (31) above, at least a diaphragm, a front group including the optical characteristic variable optical element disposed in the vicinity of the diaphragm, and at least disposed behind the front group An imaging apparatus comprising an optical system including a rear group having a concave surface and a convex surface.
[0219]
(37) The imaging device according to (35) or (36), wherein the imaging device has at least one aspherical surface.
[0220]
(38) In the imaging apparatus according to (35), (36), or (37), the imaging surface includes an imaging element positioned on an image plane of the optical system, and is incident on the imaging element. An image pickup apparatus characterized in that an angle of light rays is in a range of 90 ° ± 20 ° with respect to an image pickup surface of an image pickup element.
[0221]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the optical property variable optical element is provided, the optical characteristics such as the focal length can be changed without using a complicated mechanism, and a refractive surface is provided in addition to the optical property variable optical element. As a result, an image pickup apparatus having a simple mechanical structure can be obtained with a small number of optical elements.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention
FIG. 2 A refractive index ellipsoid of a liquid crystal with negative refractive index anisotropy.
FIG. 3 is a diagram showing a state where an electric field is applied in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the alignment state of liquid crystal molecules
FIG. 5 is a diagram showing the alignment state of liquid crystal molecules
FIG. 6 shows a pattern formed on the alignment film.
FIG. 7 shows another pattern formed on the alignment film.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram seen from the z-axis direction in the embodiment of FIGS.
FIG. 11 shows a modification of the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing an imaging apparatus using an optical element according to a second embodiment of the present invention.
13 is a diagram viewed from the Z direction in the imaging apparatus of FIG.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a variable focus optical system using the optical characteristic variable optical element of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing an image pickup apparatus including a zoom lens using the optical element of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing a liquid crystal element using a polymer instead of liquid crystal.
FIG. 17 shows a liquid crystal element using a polymer instead of a liquid crystal.
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a third exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a third exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing an example in which the orientation is changed by a magnetic field in the optical element of the present invention.
FIG. 21 is a diagram showing a configuration of a variable focus mirror according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing another example of the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a diagram showing another example of the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a diagram showing a fifth embodiment of variable focus glasses using the optical element of the present invention.
FIG. 25 is a front perspective view of an electronic camera to which the present invention is applied in the sixth embodiment.
FIG. 26 is a rear perspective view of the sixth embodiment.
FIG. 27 is a sectional view of the sixth embodiment.
FIG. 28 is a modified example of the sixth embodiment.
FIG. 29 shows an example in which the present invention is applied to an electronic endoscope in the seventh embodiment.
FIG. 30 shows an example of an eccentric prism applicable to the present invention.
FIG. 31 shows another example of an eccentric prism applicable to the present invention.
FIG. 32 shows another example of an eccentric prism applicable to the present invention.
FIG. 33 is an image display device to which the optical characteristic variable optical element of the present invention is applied.
34 is a cross-sectional view of the image display device of FIG.
FIG. 35 is a diagram showing an electronic circuit for correcting an image obtained by the imaging apparatus of the present invention.
FIG. 36 is a diagram showing a configuration of an optical system using a conventional liquid crystal lens.
FIG. 37 is a diagram showing the configuration of an optical system using another conventional liquid crystal lens.

Claims (6)

An optical property variable optical element in which the optical property is changed by changing the orientation of the liquid crystal having a spiral structure, and includes the following formulas (5-31 ′), (5-63), (5-64), ( 5-65), (5-66), (5-67), and (5-68) are satisfied, The variable focus lens characterized by the above-mentioned.
λ ≦ P <20λ (5-63)
λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-64)
2λ ≦ P <20λ (5-65)
2λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-66)
2 / 3λ ≦ P <20λ (5-67)
2 / 3λ ≦ P and | Γ / 2Φ | <π (5-68)
15 μm ≦ d <300 μm (5-31 ′)
Here, lambda is the wavelength of the light, P is the liquid crystal pitch, d is the liquid crystal thickness, n _O is the refractive index of the liquid crystal for the ordinary ray, n _e is the refractive index of the relative extraordinary ray crystal, [Phi is the following It is represented by the formula (5-4), and Γ is represented by the following formula (5-5).
Φ = 2πd / P (5-4)

2. The variable focus lens according to claim 1, wherein optical characteristics are changed by changing a frequency of an electric field applied to the liquid crystal. A variable focus lens , wherein a liquid crystal having positive refractive index anisotropy is used as the optical property variable optical element according to claim 1. The imaging device provided with the variable focus lens as described in any one of Claims 1-3 . The observation apparatus provided with the variable focus lens as described in any one of Claims 1-3 . Glasses having a variable focus lens according to any one of claims 1 to 3.

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