JP4835235B2 - 光学素子および光学装置並びに撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は光学素子および光学装置並びに撮像装置に関する。

従来から、二色性色素をゲスト材料とする、ゲストホスト液晶で構成される液晶光学装置が提案されているが、電圧無印加時と電圧印加時の透過光の可変量（ダイナミックレンジ）を十分に大きくすることが困難であった。
このことは現状の二色性色素の光学濃度比（吸収モードの吸光度/透過モードの吸光度）が充分に大きくないことに依存している。特にカメラ用途で使用される場合においては、透過モードでの光の透過率、すなわち最高透過率が９０％以上であることが要求される。しなしながら、先述したように二色性色素の光学濃度比が充分に大きくないことから、最高透過率を満足させようとすると、最低透過率を小さくできない、すなわち絞り（調光装置）として充分な性能を果たせないことになる。逆に最低透過率を満足させようとすると、最高透過率９０％以上を満足することができないというようなトレードオフの関係となっている。
このように、ゲストホスト液晶のみでは、ダイナミックレンジを稼ぐことができないため、例えば、偏光板を通過する偏光の向きを二色性色素の吸収軸と平行になるように配することで、必要な最低透過率を確保するとともに、最高透過率を確保するために偏光板を光路へ出し入れする機械的な構造を有する調光装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開平１１−３２６８９４号公報

しかしながら、前記の調光装置では、偏光板を出し入れする機械的な構造が必要なため、小型化および低コスト化を図る上で不利があり、また、偏光板を出し入れするモータなどのアクチュエータの消費電力が必要となり、低消費電力化を図る上でも不利がある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、調光素子としての機能を有し小型化、低コスト化、低消費電力化を図る上で有利な光学素子およびそのような光学素子を備える光学装置並びに撮像装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、収容室を有する容器と、前記収容室に封入された有極性または導電性を有する透明な第１の液体と、前記収容室に封入され前記第１の液体と互いに混合しない液晶と、前記第１の液体に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記第１の液体を前記収容室内の前記液晶中で移動する光学素子であって、前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有することを特徴とする。
また、本発明は、収容室を有する容器と、前記収容室に封入された有極性または導電性を有する透明な第１の液体と、前記収容室に封入され前記第１の液体と互いに混合しない液晶と、前記第１の液体に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを有し、前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記第１の液体を前記収容室内の前記液晶中で移動する光学素子を２つ備える光学装置であって、前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有し、前記調整室に臨む前記第１の電極の表面および前記調整室に臨む第１の電極部材の表面を覆うように液晶配向膜が形成され、前記２つの光学素子は前記光が透過される方向に前記調整室が位置しかつそれらの厚さ方向を一致させて配置され、前記２つの光学素子のうちの一方の光学素子の前記液晶配向膜の配向方向と、前記２つの光学素子のうちの他方の光学素子の前記液晶配向膜の配向方向とが前記光が透過する方向から見て直交するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、収容室を有する容器と、前記収容室に封入された有極性または導電性を有する液晶と、前記収容室に封入され前記液晶と互いに混合しない透明な第２の液体と、前記液晶に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記液晶を前記収容室内の前記第２の液体中で移動する光学素子であって、前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有することを特徴とする。
また、本発明は、被写体像を導く撮影光学系と、前記撮影光学系の光軸上に設けられた撮像素子と、前記光軸上で前記撮像素子の前方に設けられた光学素子とを備え、前記光学素子は、収容室を有する容器と、前記収容室に封入された有極性または導電性を有する透明な第１の液体と、前記収容室に封入され前記第１の液体と互いに混合しない液晶と、前記第１の液体に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記第１の液体を前記収容室内の前記液晶中で移動するものであって、前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有することを特徴とする。
また、本発明は、被写体像を導く撮影光学系と、前記撮影光学系の光軸上に設けられた撮像素子と、前記光軸上で前記撮像素子の前方に設けられた光学素子とを備え、前記光学素子は、収容室を有する容器と、前記収容室に封入された有極性または導電性を有する液晶と、前記収容室に封入され前記液晶と互いに混合しない透明な第２の液体と、前記液晶に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記液晶を前記収容室内の前記第２の液体中で移動するものであって、前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有することを特徴とする。

本発明によれば、調整室に透明な第１の液体を位置させることで最高透過率を大きな値にでき、調整室に液晶を位置させることで透過率を連続的に調整できるので、光学素子を透過する透過光の可変量（ダイナミックレンジ）を十分に大きくする上で有利であり、機械的な構造が不要となるので、小型化および低コスト化、低消費電力化を図る上で有利となる。
また、本発明によれば、調整室に透明な第２の液体を位置させることで最高透過率を大きな値にでき、調整室に液晶を位置させることで透過率を連続的に調整できるので、光学素子を透過する透過光の可変量（ダイナミックレンジ）を十分に大きくする上で有利であり、機械的な構造が不要となるので、小型化および低コスト化、低消費電力化を図る上で有利となる。

（第１の実施の形態）
まず、電界による液体移動の動作原理について説明する。
図１（Ａ）は液体移動の原理を説明する断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＡ線矢視図である。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、光が透過する方向において互いに間隔ｇをおいて対向する第１、第２の端面壁１Ａ、１Ｂと、第１、第２の端面壁１Ａ、１Ｂを接続する側面壁１Ｃとにより密閉された収容室１が形成されている。
第１の端面壁１Ａの内面全域には第１の電極２が形成され、第１の電極２が収容室１に臨む表面は撥水膜３Ａで覆われている。
第２の端面壁１Ｂの内面には第２の電極４が設けられており、第２の電極４は２つの電極部材４Ａ、４Ｂが第１、第２の端面壁１Ａ、１Ｂが対向する方向と直交する方向に延在する仮想軸Ｌに沿って並べて配置されている。
２つの電極部材４Ａ、４Ｂの表面および第２の端面壁１Ｂの内面の全域は絶縁膜５で覆われ、絶縁膜５が収容室１に臨む表面全域は撥水膜３Ｂで覆われている。
収容室１には第１の液体６と第２の液体７が封入され、第１の液体６は有極性または導電性を有するものであり、第２の液体７は第１の液体６の周囲を囲むように封入され、第１の液体と互いに混合しないものである。
第１の液体６には第１の電極２が撥水膜３Ａを介して臨み、また、第２の電極４が絶縁膜５と撥水膜３Ｂを介して臨んでいる。

まず、初期状態では、第１の電極２と第２の電極４の２つの電極部材４Ａ、４Ｂが共にグランドレベルに接続されており、この状態で第１の液体６が一方の電極部材４Ａの全域と他方の電極部材４Ｂのうち電極部材４Ａに近接する部分とにわたって位置している。
この状態では、第１の液体６はその表面張力によって図１（Ａ）、（Ｂ）に実線で示すように平面視円形の形状を呈している。
ここで、他方の電極部材４Ｂに電圧Ｅが印加されると、絶縁体５が第１の液体６に臨む箇所に正電荷がチャージされ、これにより、第１の液体６が絶縁体５に臨む箇所に電界（静電気力）が作用して第１の液体６が絶縁体５に臨む箇所に負電荷が引寄せられ、言い換えると、第１の液体６を構成する分子が引き寄せられる。
すると、第１の液体６は、図１（Ａ）、（Ｂ）に破線で示すように、電極部材４Ｂに向かって引き寄せられるように形状が変化し、やがて、第１の液体６が第２の液体７によって周囲を囲まれた状態で第１の液体６全体が仮想軸Ｌの延在方向に沿って一方の電極部材４Ａの上から他方の電極部材４Ｂの上に移動する。
なお、撥水膜３Ａ、３Ｂは第１の液体６が第１、第２の電極２、４上で移動する際に液体６と第１、第２の端面壁１Ａ、１Ｂとの間で生じる抵抗を削減し、移動しやすくする作用を果たすものである。
このように、有極性または導電性を有する第１の液体６に第１、第２の電極２、４によって電界を作用させることで第１の液体６が移動される。

次に、本実施の形態の光学素子１０について説明する。
本実施の形態の光学素子１０は光量を調整する調光素子（絞り）を構成している。
図２は光学素子１０の構成を示す断面図、図３は二色性色素分子の説明図である。
図４（Ａ１）、（Ａ２）、（Ａ３）は光学素子１０の動作説明図、（Ｂ１）、（Ｂ２）、（Ｂ３）はゲストホスト液晶の動作説明図である。

図２に示すように、光学素子１０は、容器１２と、第１の液体１４と、液晶１６と、第１の電極１８と、第２の電極２０と、電圧印加手段２２とを含んで構成されている。
容器１２は、互いに対向し平行をなして延在する第１の端面壁２４、第２の端面壁２６と、これら第１、第２の端面壁２４、２６を接続する側面壁２８とを有し、それら第１、第２の端面壁２４、２６と側面壁２８とにより密閉した収容室３０が設けられている。
第１、第２の端面壁２４、２６は、絶縁性を有する材料で形成され、さらに、第１、第２の端面壁２４、２６は光を透過する透明な材料で形成されている。
第１、第２の端面壁２４、２６を構成する材料として、例えば、透明で絶縁性を有する合成樹脂材料あるいは透明なガラス材料を用いることができる。
ここで容器１２の厚さ方向とは、第１の端面壁２４と第２の端面壁２６とが互いに対向する方向であり、光が光学素子１０を透過する方向と合致している。

本実施の形態では、第１、第２の端面壁２４、２６は同形同大に形成された長方形板状を呈し、側面壁２８は第１、第２の端面壁２４、２６の輪郭に沿った長方形枠状を呈し、収容室３０は扁平な柱状を呈し、収容室３０は均一の矩形断面で前記光が透過する方向と直交する方向に延在している。本実施の形態では、収容室３０の延在方向が容器１２の長辺の方向と平行している。
収容室３０の一部は、光Ｌが透過される調整室３２とされ、残りの部分が退避室とされ、本実施の形態では、調整室３２が収容室３０の延在方向の中央に位置し、調整室３２の両側にそれぞれ退避室３４Ａ、３４Ｂが位置している。言い換えると、調整室３２および退避室３４Ａ、３４Ｂは、光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁２４、２６を備えている。
第１、第２の端面壁２４、２６は、絶縁性を有する材料で形成され、さらに、第１、第２の端面壁２４、２６のうち、少なくとも調整室３２に臨む箇所は光を透過する透明な材料で形成されている。
第１、第２の端面壁２４、２６を構成する材料として、例えば、絶縁性を有する合成樹脂材料あるいはガラス材料を用いることができる。

第１の液体１４は、有極性または導電性を有し透明であり収容室３０に封入されている。
本実施の形態では、第１の液体１４は、例えば、純水とエタノールとエチレングリコールを混合した液体で形成されている。
液晶１６は前述した図１における第２の液体７に相当するものであり、液晶１６は第１の液体１４と互いに混合しないものであり、第１の液体１４の周囲を囲むように収容室３０に封入されている。
第１の液体１４と液晶１６は実質的に等しい比重を有するように形成されている。第１の液体１４は単一の液体で形成してもよいし、複数の液体を混合して形成してもよい。要は、第１の液体１４と液晶１６が実質的に等しい比重を有するように形成されていればよい。

液晶１６はゲストホスト液晶で形成され、本実施の形態では、ゲストホスト液晶はホスト材料である液晶にゲスト材料である二色性色素（あるいは二色性染料）を溶解（添加）した液晶である。言い換えると、ゲストホスト液晶は、ホスト材料である液晶分子とゲスト材料である二色性色素分子（あるいは二色性染料分子）を含んで構成されている。
ホスト材料である液晶は、本実施の形態では、ネガ型液晶と呼ばれる負の誘電異方性を有するものである。
図３に示すように、二色性色素分子６０は、吸収異方性を有する色素であり一般に細長い棒状の構造を有している。二色性色素分子６０はポジ型であり、その長軸方向とほぼ同じ方向に光吸収軸６０Ａ（吸光軸、吸光振幅ともいう）を有している。
したがって、二色性色素分子６０は、光の振幅方向が光吸収軸６０Ａと平行な方向に近づくほど光の吸収度合いが大きく、光の振幅方向が光吸収軸６０Ａと直交する方向に近づくほど光の吸収度合いが小さくなる。吸光度の比（二色性比（ＤＲ：Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｒａｔｉｏ））がその特性を示すパラメータとなっており、液晶中では吸光度の比が１０乃至１２程度となっている。
図４（Ｂ１）、（Ｂ２）、（Ｂ３）に示すように、液晶１６（ゲストホスト液晶）は、それに電圧が印加されることによって、液晶分子６２が所定方向に配向すると（傾くと）、二色性色素分子６０も液晶分子６２の配向にならって配向される。

第１、第２の電極１８、２０は、第１の液体１４に電界をかけるためのものである。
図２に示すように、第１の電極１８は、調整室３２および退避室３４Ａ、３４Ｂの第１の端面壁２４に設けられ、本実施の形態では、第１の電極１８は、調整室３２および退避室３４Ａ、３４Ｂの第１の端面壁２４にわたって延在する単一の電極部材３６で構成されている。本実施の形態では、図２に示すように、電極部材３６は、第１の端面壁２４の輪郭よりも一回り小さい輪郭の矩形状に形成されている。
第２の電極２０は、調整室３２および退避室３４Ａ、３４Ｂの第２の端面壁２６に設けられ、本実施の形態では、第２の電極２０は、それぞれ切り離されて設けられた第１の電極部材３８と、２つの第２の電極部材４０Ａ、４０Ｂで構成されている。
第２の電極部材３８は、調整室３２の第２の端面壁２６に設けられ、２つの第２の電極部材４０Ａ、４０Ｂは退避室３４Ａ、３４Ｂにそれぞれ設けられている。
本実施の形態では、各電極部材３８、４０Ａ、４０Ｂは、同形同大の形状を呈し、互いに等しい間隔をおいて配置されている。
第１、第２の電極１８、２０、すなわち、各電極部材３８、４０Ａ、４０Ｂは、例えば、光を透過可能なＩＴＯ膜（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ膜）などの導電材料で形成されている。

図２に示すように、電圧印加手段２２は容器１２の外部に設けられ、第１の電極１８に電気的に接続されたグランド端子４２と、第２の電極２０の第１の電極部材３８に電気的に接続された第１の電圧出力端子４４と、第２の電極部材４０Ａ、４０Ｂに電気的に接続された第２の電圧出力端子４６とを備えている。
電圧印加手段２２は、第１、第２の電圧出力端子４４、４６を介して第２の電極２０の各電極部材３８、４０Ａ、４０Ｂのそれぞれに選択的に電圧を印加でき、かつ、印加電圧を可変するように構成されている。

収容室３０に臨む第２の端面壁２６の内面およびこの内面に設けられた第２の電極２０上に絶縁膜４８が形成されている。
したがって、第１の電極１８と第２の電極２０との間に電圧が印加されることで絶縁膜４８の表面に例えばプラス電荷が帯電され、これにより第１の液体１４に電界がかかり、第１の液体１４を構成する分子に電界（静電気力）が作用して第１の液体１４の移動がなされるように構成されている。

また、第１の電極１８の表面の全域および第１の端面壁２４の内面の全域を覆うように光を透過する透明な液晶配向膜５０が形成され、第１、第２の電極部材３８、４０Ａ、４０Ｂの表面の全域および第２の端面壁２６の内面の全域を覆うように同様の液晶配向膜５０が形成されている。それら液晶配向膜５０は液晶分子６２を配向させるためのものであり、従来公知の様々な材料が採用可能である。
また、側面壁２８の内面全域を覆うように撥水膜５２が形成されている。
本実施の形態では、液晶配向膜５０および撥水膜５２は液晶１６に対する濡れ性が第１の液体１４に対する濡れ性よりも高くなるように構成されている。言い換えると、液晶配向膜５０および撥水膜５２に対する液晶１６の接触角は、液晶配向膜５０および撥水膜５２に対する第１の液体１４の接触角よりも小さい値となるように構成されている。
液晶配向膜５０および撥水膜５２は第１の液体１４が第１、第２の電極１８、２０上で移動する際に第１の液体１４と第１、第２の端面壁２４、２６および側面壁２８との間で生じる抵抗を削減し、移動しやすくする作用を果たす。
撥水膜５２は、親油性を有する膜であり、例えば、シリコンを主成分とする材料を焼き付けることで、あるいは、非結晶フッ素樹脂からなる材料を成膜することで形成することができ、撥水膜５２としては、従来公知の様々な材料を採用可能である。

次に、光学素子１０の動作について説明する。
まず、光学素子１０の調整室３２が光を透過する状態、すなわち、透過率Ｔが最高透過率Ｔｍａｘとなっている初期状態について説明する。
図２に示すように、第１の液体１４は、調整室３２で第１の電極１８の電極部材３６と第２の電極２０の第１の電極部材３８とに挟まれた箇所に位置している。
この状態で、電圧印加手段２２は、第１の電極部材３８に電圧Ｅを印加し、２つの第２の電極部材４０Ａ、４０Ｂを開放状態（あるいはグランド電位を印加した状態）としている。
したがって、第１の電極１８と第１の電極部材３８に印加された電圧Ｅによる電界が第１の電極部材３８に臨んだ箇所に位置している第１の液体１４に作用することで、第１の液体１４は移動することなくその位置に位置した状態で保持され、その結果、第１の液体１４の大部分は第１の電極部材３８に臨み、第１の液体１４の一部が隣接する２つの第２の電極部材４０Ａ、４０Ｂに臨んでいる。
この状態で、調整室３２に向かって進行する入射光Ｌは、調整室３２に位置する透明な第１の液体１４を透過するため、光学素子１０の透過率Ｔは最高透過率Ｔｍａｘとなり、その値は例えば９０％以上を確保できる。

次に、調整室３２を透過する光の透過率Ｔを最高透過率Ｔｍａｘよりも低い値に調整する動作について説明する。
電圧印加手段２２が、一方の第２の電極４０Ａに電圧Ｅを印加し、第１の電極部材３８および他方の第２の電極部材４０Ｂに印加する電圧を０Ｖとし、すなわち、第２の電極２０への電圧印加の箇所を第１の電極部材３８から一方の第２の電極部材４０Ａに変える。
すると、図４（Ａ１）に示すように、第１の電極１８と第２の電極部材４０Ａに印加された電圧Ｅによる電界が一方の第２の電極部材４０Ａに臨んだ箇所に位置している第１の液体１４に作用することで、第１の液体１４が液晶１６によって周囲を囲まれた状態で一方の第２の電極部材４０Ａが位置する退避室３４Ａに向かって移動する。
これにより、第１の液体１４は一方の退避室３４Ａに位置した状態で保持され、調整室３２には液晶１６が満たされた状態となる。
この際、第１の液体１４の大部分は一方の第２の電極部材４０Ａに臨み、第１の液体１４の一部が隣接する第１の電極部材３８に臨んでいる。
この状態で、調整室３２に向かって進行する入射光は、調整室３２に位置する液晶１６を透過する。
この際、調整室３２に位置する液晶１６には電圧が印加されていない状態であるため、図４（Ｂ１）に示すように、液晶分子６２は光の透過方向とほぼ平行をなし、これにより、二色性色素分子６０の光吸収軸６０Ａは光の透過方向とほぼ平行し、かつ、光吸収軸６０Ａは光の振幅方向（振動方向）と直交した状態となる。
この状態では、液晶１６は二色性色素分子６０による光の吸収が最小となる透過モードとなり、この場合の透過率Ｔ１は最高透過率Ｔｍａｘよりも若干低下するものの、高い透過率Ｔを確保することができる。

次に、電圧印加手段２２が、一方の第２の電極４０Ａに電圧Ｅを印加した状態で、他方の第２の電極部材４０Ｂに印加する電圧を０Ｖとし、かつ、第１の電極部材３８に印加する電圧ＶをＶ１よりも大きな電圧Ｖ２とする。
すると、図４（Ａ２）に示すように、第１の電極１８と第１の電極部材３８の間に印加された電圧Ｖ２による電界が第１の電極部材３８に臨んだ箇所に位置している液晶１６の部分にのみ作用する。これにより、図４（Ｂ２）に示すように、前記電界が作用する液晶１６の部分の液晶分子６２は液晶配向膜５０によって決められた方向に沿って傾斜し（配向し）、したがって、二色性色素分子６０も液晶分子６２にならって傾斜する（配向する）。
この結果、二色性色素分子６０の光吸収軸６０Ａは光の透過方向に対して傾斜し、かつ、光吸収軸６０Ａは光の振幅方向に対して傾斜した状態となり、二色性色素分子６０によって前記傾斜の度合いに対応して光が吸収されるため、この場合の透過率Ｔ２は前記の透過率Ｔ１に比較して低下する。

次に、電圧印加手段２２が、一方の第２の電極４０Ａに電圧Ｅを印加し、かつ、他方の第２の電極部材４０Ｂの電圧を０Ｖとした状態で、第１の電極部材３８の電圧ＶをＶ２よりも大きな電圧Ｖ３とする。
すると、図４（Ａ３）に示すように、第１の電極１８と第１の電極部材３８の間に印加された電圧Ｖ３による電界が第１の電極部材３８に臨んだ箇所に位置している液晶１６の部分にのみ作用する。これにより、図４（Ｂ３）に示すように、前記電界が作用する液晶１６の部分の液晶分子６２は液晶配向膜５０によって決められた方向に沿ってさらに傾斜し、したがって、二色性色素分子６０も液晶分子６２にならってさらに傾斜する。
この結果、二色性色素分子６０の光吸収軸６０Ａは光の透過方向に対してほぼ直交し、かつ、光吸収軸６０Ａは光の振幅方向に対してほぼ平行した状態となる。
この状態では、液晶１６は二色性色素分子６０による光の吸収が最大となる吸収モードとなり、この場合の透過率Ｔ３は前記の透過率Ｔ２に比較してさらに低下し最低透過率Ｔｍｉｎとなる。
なお、最低透過率Ｔｍｉｎは、液晶１６における二色性色素の濃度と、液晶１６の光の透過方向における寸法との積の値を変更することによって調整することができる。

また、第１の液体１４を退避室３４Ａから調整室３２に戻し前記初期状態とする場合には、電圧印加手段２２が、退避室３４Ａの第２の電極４０Ａに印加する電圧を０Ｖとするとともに、第１の電極部材３８に電圧Ｅを印加し、すなわち、第２の電極２０への電圧印加の箇所を一方の第２の電極部材４０Ａから第１の電極部材３８に変える。
すると、図２に示すように、第１の電極１８と第１の電極部材３８に印加された電圧Ｅによる電界が第１の電極部材３８に臨んだ箇所に位置している第１の液体１４に作用することで、第１の液体１４が液晶１６によって周囲を囲まれた状態で退避室３４Ａから調整室３２に向かって移動する。
これにより、第１の液体１４は調整室３２に位置した状態で保持され、液晶１６は退避室３４Ａ、３４Ｂに位置した状態で保持される。

なお、電圧印加手段２２によって第１の電極部材３８に印加される電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、第１の液体１４を調整室３２と退避室３４Ａの間で移動させる際に印加される電圧Ｅよりも小さい値であり、したがって、第１の電極部材３８に印加される電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３によって第１の液体１４が退避室３４Ａから調整室３２に移動する方向に動くことはない。

以上のように、電圧印加手段２２によって液晶１６に印加する電圧Ｖを連続的に調整することによって二色性色素分子６０による光の吸収度合いを連続的に変化させることができ、これにより調整室３２に位置する液晶１６の透過率Ｔを連続的に調整することができるので、光学素子１０を調光素子（絞り）として機能させることができる。

次に、上述した光学素子１０を調光素子として、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどの撮像装置の撮影光学系に設けた場合について説明する。
図５は撮像装置１００の構成を示すブロック図、図６は撮像装置１００の撮影光学系１０４の構成を示す図である。
図５に示すように撮像装置１００は外装を構成する不図示のケースを有し、前記ケースにはレンズ鏡筒１０２が組み込まれるとともに、ケースの表面にはディスプレイ１１２やシャッタボタンや撮影にまつわる種々の操作を行うための操作スイッチ１１６が設けられている。
レンズ鏡筒１０２には、撮影光学系１０４と、撮影光学系１０４によって捉えられた被写体像を撮像する撮像素子１０６が組み込まれている。
撮像装置１００は、撮像素子１０６から出力された撮像信号に基づいて画像データを生成し、メモリカードなどの記憶媒体１０８に記録する画像処理部１１０、前記画像データをディスプレイ１１２に表示させる表示処理部１１４、シャッタボタンや操作スイッチ１１６の操作に応じて画像処理部１１０、表示処理部１１４を制御するＣＰＵを含む制御部１１８などを備えている。

図６に示すように、撮影光学系１０４は、その光軸Ｇ上において、被写体から撮像素子１０６に向かって、第１のレンズ群１２０、第２のレンズ群１２２、第３のレンズ群１２４、第４のレンズ群１２６、フィルター群１２８がこの順番で配置されている。
本例においては、第１のレンズ群１２０、第３のレンズ群１２４が光軸方向に移動不能に設けられ、第２のレンズ群１２２がズームレンズとして光軸方向に移動可能に設けられ、第４のレンズ群１２６がフォーカスレンズとして光軸方向に移動可能に設けられている。
第１のレンズ群１２０によって導かれた被写体からの光束は第２のレンズ群１２２によって平行な光束とされ第３のレンズ群１２４に導かれて、第４のレンズ群１２６、フィルター群１２８を介して撮像素子１０６の撮像面１０６Ａに収束される。
光学素子１０は、第２のレンズ群１２２と第３のレンズ群１２４の間に配置され、調整室３２を光軸Ｇ上に位置させ光が透過する方向を光軸Ｇと平行させた状態で、第１の液体１４が移動し、また、液晶１６の透過率Ｔが調整されることにより、第１の液体１４および液晶１６が撮像素子１０６に導かれる光束の光量を調整する調光素子として機能する。調光素子は、例えば、スキー場や晴天下など非常に明るい環境で撮影を行なう際に光量を低減させる際に用いられる。
なお、光学素子１０は、光軸Ｇ上に配置されていればよいのであり、例えば、光学素子１０をフィルター群１２８と同様に撮像素子１０６の撮像面１０６Ａの直前に配置してもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、調整室３２に透明な第１の液体１４を位置させることで最高透過率Ｔｍａｘを大きな値にでき、調整室３２に液晶１６を位置させることで透過率Ｔを連続的に調整できるので、光学素子１０を透過する透過光の可変量（ダイナミックレンジ）を十分に大きくする上で有利であり、従来の調光装置のような偏光板の出し入れを行う機械的な構造が不要となるので、小型化および低コスト化、低消費電力化を図る上で有利となる。

（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態は２つの光学素子を重ね合わせて光学装置を構成したものである。
図７は第２の実施の形態の光学装置７０を撮像装置１００に組み込んだ状態を示す説明図、図８（Ａ）、（Ｂ）は第２の実施の形態の光学装置７０の動作説明図、図９は液晶分子と二色性色素分子の配向方向の説明図である。
なお、以下の実施の形態において、第１の実施の形態と同一または同様の箇所、部材には同一の符号を付して説明する。

図７に示すように、第２の実施の形態の光学装置７０は、図６の第２のレンズ群１２２および第３のレンズ群１２４の間に配置されている。
光学装置７０は、第１の実施の形態と同様に構成された第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂを、それらの光が透過する方向を合致させ、かつ、第１の光学素子１０Ａにおける液晶配向膜５０の配向方向と第２の光学素子１０Ｂにおける液晶配向膜５０の配向方向とが光の透過方向から見て直交した状態で重ね合わせて構成されている。
したがって、図８（Ａ）に示すように、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂの双方の調整室３２に第１の液体１４を位置させることで最高透過率Ｔｍａｘとすることができる。
また、図８（Ｂ）に示すように、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂの双方の調整室３２に液晶１６を位置させて双方の液晶１６の透過率Ｔを調整することができる。
また、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂのうちの一方の調整室３２に第１の液体１４を位置させ、かつ、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂのうちの他方の調整室３２に液晶１６を位置させてその液晶１６の透過率Ｔを調整することができる。

図９は、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂの双方の液晶１６が前記吸収モードである状態を示している。
第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂの液晶配向膜５０の配向方向が直交していることから、第１の光学素子１０Ａの液晶１６の二色性色素分子６０および液晶分子６２の配向方向と、第２の光学素子１０Ｂの液晶１６の二色性色素分子６０および液晶分子６２の配向方向とが光の透過方向から見て直交している。

第２の実施の形態の光学装置７０によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏することは無論のこと、入射光Ｌは、光学装置７０を透過することで全ての偏光方向に対して、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂの二色性色素分子６０によって均一に吸収されるので、入射光の偏光方向に拘わらず一定の透過率Ｔを得ることができ有利となる。
すなわち、第１の実施の形態のように、光学素子１０が単一の場合には、二色性色素分子６０の配向方向と平行する方向の振幅の光は十分に吸収されるが、二色性色素分子６０の配向方向と直交する方向の振幅の光は十分に吸収されずに透過してしまうため、光の振幅方向によって透過率Ｔが変化し、光を効率的に吸収する上で不利がある。
しかしながら、第２の実施の形態のように第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂの液晶配向膜５０の配向方向を直交させると、入射光の偏光方向に拘わらず一定の透過率Ｔを得ることができ、光を効率的に吸収する上で有利となる。
また、図８（Ａ）に示すように２つの調整室３２の双方に第１の液体１４を位置させたときの透過率Ｔ（最高透過率Ｔｍａｘ）と、図８（Ｂ）に示すように２つの調整室３２の双方に位置させた液晶１６を透過モードにしたときの透過率Ｔ０との中間の透過率Ｔｎ（Ｔ０＜Ｔｎ＜ＴＭＡＸ）を次のようにして得ることができる。
すなわち、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂのうちの一方の調整室３２に第１の液体１４を位置させ、かつ、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂのうちの他方の調整室３２に液晶１６を位置させてその液晶１６を透過モードとすることによって中間の透過率Ｔｎ（Ｔ０＜Ｔｎ＜ＴＭＡＸ）を得ることができる。
したがって、光学装置７０による透過率Ｔの調整をよりきめ細かく行うことができ有利となる。

なお、第２の実施の形態では、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂを重ね合わせたが、単一の光学素子１０と偏光板とを重ね合わせても第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
この場合には、光が透過する方向から見て偏光板の偏光軸が光学素子１０の液晶配向膜５０の配向方向と直交するように構成すればよい。
ただし、偏光板を光軸上（光路上）に配置すると、偏光板による光の吸収が生じるため、最高透過率Ｔｍａｘを大きく確保する上で不利が生じる。これに対して、第２の実施の形態では、第１、第２の光学素子１０Ａ、１０Ｂの双方の調整室３２に透明な第１の液体１４を位置させることで、光の吸収を前記偏光板による光の吸収よりも少ないものとすることができ、したがって、最高透過率Ｔｍａｘを確保できる点で有利である。
また、第２の実施の形態では、２つの光学素子を重ね合わせた場合について説明したが、３つ以上の光学素子を重ね合わせてもよく、この場合には、前記中間の透過率Ｔｎの調整をきめ細かく行う上でより有利となる。

（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について説明する。
第３の実施の形態は、電界によって液晶を移動させる点が第１の実施の形態と異なっている。
図１０は第３の実施の形態の光学素子８０の構成を示す断面図である。
図１０に示すように、光学素子８０は、容器１２と、液晶８４と、第２の液体８６と、第１の電極１８と、第２の電極２０と、電圧印加手段２２とを含んで構成されている。
容器１２、調整室３２、退避室３４Ａ、３４Ｂ、第１、第２の電極１８、２０、絶縁膜４８、液晶配向膜５０、撥水膜５２、電圧印加手段２２の構成は第１の実施の形態と同様である。

第３の実施の形態において、液晶８４は前述した図１における第１の液体６に相当するものであって、液晶８４は第２の液体８６と互いに混合しないものであり、有極性または導電性を有する（高い誘電率を有する）ゲストホスト液晶で構成され収容室３０に封入されている。このゲストホスト液晶は第１の実施の形態と同様の液晶分子６２および二色性色素分子６０を含んでいる。
第２の液体８６は、液晶８４と互いに混合しない透明な液体であり、液晶８４の周囲を囲むように収容室３０に封入されている。
また、液晶８４と第２の液体８６は実質的に等しい比重を有するように形成されている。
本実施の形態では、第２の液体８６は、透明なシリコンオイルで構成されている。なお、第２の液体８６は単一の液体で形成してもよいし、複数の液体を混合して形成してもよい。要は、液晶８４と第２の液体８６が実質的に等しい比重を有するように形成されていればよい。

このような光学素子８０によれば、第１、第２の電極１８、２０に電圧Ｅを印加することで、液晶８４を退避室３４Ａに退避させて第２の液体８６を調整室３２に位置させて透過率Ｔを最高透過率Ｔｍａｘとし、また、第１、第２の電極１８、２０に電圧Ｅを印加することで、液晶８４を調整室３２に位置させ、さらに、第１の電極１８と第１の電極部材３８の間に印加する電圧Ｖを連続的に調整することで液晶８４の透過率Ｔを連続的に調整することができる。
したがって、調整室３２に透明な第２の液体８６を位置させることで最高透過率Ｔｍａｘを大きな値にでき、調整室３２に液晶８４を位置させることで透過率Ｔを連続的に調整できるので、光学素子８０を透過する透過光の可変量（ダイナミックレンジ）を十分に大きくする上で有利であり、従来の調光装置のような偏光板の出し入れを行う機械的な構造が不要となるので、小型化および低コスト化、低消費電力化を図る上で有利となる。
また、第３の実施の形態の光学素子８０を第２の実施の形態と同様に２つ重ね合わせて設ければ、第２の実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、第３の実施の形態の光学素子８０を３つ以上重ねて設けてもよい。

なお、本実施の形態では、撮像装置１００がデジタルスチルカメラやビデオカメラである場合について説明したが、本発明は、カメラ付きの携帯電話機、カメラ付きのＰＤＡ（パーソナルデジタルアシスタント）、カメラ付きのノートパソコンなど種々の撮像装置に広く適用可能である。

（Ａ）は液体移動の原理を説明する断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＡ線矢視図である。 光学素子１０の構成を示す断面図である。 二色性色素分子の説明図である。 （Ａ１）、（Ａ２）、（Ａ３）は光学素子１０の動作説明図、（Ｂ１）、（Ｂ２）、（Ｂ３）はゲストホスト液晶の動作説明図である。 撮像装置１００の構成を示すブロック図である。 撮像装置１００の撮影光学系１０４の構成を示す図である。 第２の実施の形態の光学装置７０を撮像装置１００に組み込んだ状態を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は第２の実施の形態の光学装置７０の動作説明図である。 液晶分子と二色性色素分子の配向方向の説明図である。 第３の実施の形態の光学素子８０の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０……光学素子、１２……容器、１４……第１の液体、１６……液晶、１８……第１の電極、２０……第２の電極、２２……電圧印加手段、２４……第１の端面壁、２６……第２の端面壁、３０……収容室、３２……調整室、３４Ａ、３４Ｂ……退避室、３８……第１の電極部材、４０Ａ、４０Ｂ……第２の電極部材、７０……光学装置、８０……光学素子、８４……液晶、８６……第２の液体、１００……撮像装置。

Claims (9)

1. 収容室を有する容器と、
   前記収容室に封入された有極性または導電性を有する透明な第１の液体と、
   前記収容室に封入され前記第１の液体と互いに混合しない液晶と、
   前記第１の液体に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、
   前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
   前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記第１の液体を前記収容室内の前記液晶中で移動する光学素子であって、
   前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、
   前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、
   前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、
   前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有する、
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記ゲストホスト液晶は、ホスト材料である液晶分子とゲスト材料である二色性色素分子とを含んで形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記調整室に臨む前記第１の電極の表面および前記調整室に臨む第１の電極部材の表面を覆うように液晶配向膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
4. 前記液晶配向膜は撥水性を有することを特徴とする請求項３記載の光学素子。
5. 前記第１の電極は、前記一方の端面壁に、該端面壁の延在方向の全域にわたり延在する単一の電極部材で構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
6. 収容室を有する容器と、
   前記収容室に封入された有極性または導電性を有する透明な第１の液体と、
   前記収容室に封入され前記第１の液体と互いに混合しない液晶と、
   前記第１の液体に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、
   前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを有し、
   前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記第１の液体を前記収容室内の前記液晶中で移動する光学素子を２つ備える光学装置であって、
   前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、
   前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、
   前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、
   前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有し、
   前記調整室に臨む前記第１の電極の表面および前記調整室に臨む第１の電極部材の表面を覆うように液晶配向膜が形成され、
   前記２つの光学素子は前記光が透過される方向に前記調整室が位置しかつそれらの厚さ方向を一致させて配置され、
   前記２つの光学素子のうちの一方の光学素子の前記液晶配向膜の配向方向と、前記２つの光学素子のうちの他方の光学素子の前記液晶配向膜の配向方向とが前記光が透過する方向から見て直交するように構成されている、
   ことを特徴とする光学装置。
7. 収容室を有する容器と、
   前記収容室に封入された有極性または導電性を有する液晶と、
   前記収容室に封入され前記液晶と互いに混合しない透明な第２の液体と、
   前記液晶に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、
   前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
   前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記液晶を前記収容室内の前記第２の液体中で移動する光学素子であって、
   前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、
   前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、
   前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、
   前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有する、
   ことを特徴とする光学素子。
8. 被写体像を導く撮影光学系と、
   前記撮影光学系の光軸上に設けられた撮像素子と、
   前記光軸上で前記撮像素子の前方に設けられた光学素子とを備え、
   前記光学素子は、
   収容室を有する容器と、
   前記収容室に封入された有極性または導電性を有する透明な第１の液体と、
   前記収容室に封入され前記第１の液体と互いに混合しない液晶と、
   前記第１の液体に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、
   前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
   前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記第１の液体を前記収容室内の前記液晶中で移動するものであって、
   前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、
   前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、
   前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、
   前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有する、
   ことを特徴とする撮像装置。
9. 被写体像を導く撮影光学系と、
   前記撮影光学系の光軸上に設けられた撮像素子と、
   前記光軸上で前記撮像素子の前方に設けられた光学素子とを備え、
   前記光学素子は、
   収容室を有する容器と、
   前記収容室に封入された有極性または導電性を有する液晶と、
   前記収容室に封入され前記液晶と互いに混合しない透明な第２の液体と、
   前記液晶に電界をかけるための第１の電極および第２の電極と、
   前記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
   前記電圧印加手段による前記第１、第２の電極への電圧印加の箇所を変えることで、前記液晶を前記収容室内の前記第２の液体中で移動するものであって、
   前記液晶はゲストホスト液晶で形成され、
   前記収容室は、その一部が光が透過される調整室とされ、残りの部分が退避室とされ、
   前記調整室および前記退避室は、前記光が透過する方向において互いに対向する第１、第２の端面壁を備え、
   前記第１の電極は、前記調整室および前記退避室の前記第１、第２の端面壁のうちの一方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記第１、第２の端面壁のうちの他方の端面壁に設けられ、
   前記第２の電極は、前記調整室に臨む第１の電極部材と、前記第１の電極部材と切り離され前記退避室に臨む第２の電極部材とを有する、
   ことを特徴とする撮像装置。
   

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