JP5029140B2 - 可変形状光学素子、光学装置、及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変形状光学素子とそれを備えた光学装置、及び撮像装置に関する。

従来、光学レンズ等の光学素子はガラスやプラスチックといった硬質材料からなっているため、オートフォーカス機能や光学ズーム機能を備えた光学系を構成するためには、光学レンズを光軸方向に機械的に移動させる必要がある。

光学レンズを機械的に移動させる手段としては、ステッピングモーターやボイスコイルモーター、ピエゾモーターなどのアクチュエーターを用いるのが一般的である。

しかし、このような光学系は可動部を有することから、機構が複雑で製造費用が高く、また光学系の小型化に制約があるといった問題点を有している。

かかる問題点を解決するため、エレクトロウェッティング効果を用いた可変焦点レンズが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、圧電材料を用いて曲率を変化させる、反射型の形状可変光学素子も提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。

特許文献１に記載された可変焦点レンズや、特許文献２に記載された形状可変光学素子を用いることで、オートフォーカス機能や光学ズーム機能を備えた光学系などを、機械的な可動部を持たずに実現することが可能となる。
国際公開第９９／１８４５６号パンフレット 特開２０００−１０５３０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている可変焦点レンズは、２種類の異なる液体の界面の形状を安定化させる必要があるため大口径化が困難であるという問題がある。また、かかる可変焦点レンズで対応できるのは球面形状を有する凸レンズのみであり、凹レンズ、非球面レンズ、フレネルレンズなど種々の形状に対応できないという問題もある。

また、特許文献２に記載されている形状可変光学素子において曲率を微調整するためには、圧電材料や電極を複数に分割してそれぞれに個別に電圧を印加する必要があり、光学装置として、構成が徒に複雑化するという問題があった。

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、大口径化が可能で、簡易な構成で種々の形状に対応できる可変形状光学素子とそれを備えた光学装置、及び撮像装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。

１．電界の印加方向に伸縮する有機材料からなる可変形状部と、前記可変形状部を挟持する一対の電極層と、を備え、前記可変形状部は、前記一対の電極層に電圧が印加されることで形成される電界方向に垂直な面内において、前記有機材料の材料物性値としての単位電場当たりの電歪性歪量に分布を有しており、前記一対の電極層に電圧が印加された場合に、前記可変形状部の伸縮量が、前記電界方向に垂直な面内において、前記電歪性歪量の分布に応じた分布を有することを特徴とする可変形状光学素子。

２．電界の印加方向に伸縮する有機材料からなる可変形状部と、前記可変形状部を挟持する一対の電極層と、を備え、前記可変形状部は、前記一対の電極層に電圧が印加されることで形成される電界方向に垂直な面内において、前記有機材料の材料物性値としての圧電定数に分布を有しており、前記一対の電極層に電圧が印加された場合に、前記可変形状部の伸縮量が、前記電界方向に垂直な面内において、前記圧電定数の分布に応じた分布を有することを特徴とする可変形状光学素子。

３．前記伸縮量の分布は、前記電界方向に平行な中心軸に対して対称な分布であることを特徴とする１または２記載の可変形状光学素子。

４．前記可変形状光学素子は、前記可変形状部及び前記一対の電極層を、透光性を有する素材で構成した透過型の光学素子であることを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の可変形状光学素子。

５．前記可変形状光学素子は、該可変形状光学素子の表面にミラー層を形成した反射型の光学素子であることを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の可変形状光学素子。

６．１乃至５の何れか１項に記載の可変形状光学素子と、前記可変形状光学素子に電圧を印加するための電源と、を備えたことを特徴とする光学装置。

７．被写体の像を結像するための撮像光学系と、前記撮像光学系により結像された像を電気信号に変換するための撮像素子と、を備えた撮像装置において、前記撮像光学系は、６記載の光学装置を有することを特徴とする撮像装置。

本発明の可変形状光学素子は、電界によって電界方向に伸縮する有機材料からなる可変形状部と、可変形状部を挟持する一対の電極層とを備え、可変形状部を構成する有機材料の圧電定数や単位電場当たりの電歪性歪量などに分布を設けることによって可変形状部の伸縮量に分布が設けられたものであることから、大口径化が可能であり、簡易な構成で種々の形状に対応することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施形態１）
第１の実施形態における可変形状光学素子１１を用いた光学装置１０の模式図を図１に示す。

図１（ａ）は、電圧が印加されていない初期状態を示す図であり、可変形状光学素子１１を中心軸を含む平面で切断した断面図である。本実施形態における可変形状光学素子１１は、電界によって電界方向に伸縮する有機材料からなる可変形状部１２、可変形状部１２を挟持する一対の電極層１３、１４を備えた円形平板状の透過型の光学素子である。一対の電極層１３、１４は、スイッチ１６を介して電源１５に接続されている。

可変形状部１２は、電界によって電界方向に伸縮する有機材料によって構成される。このような性質を有する限り、有機材料の種類に特に制限はなく、公知の材料の中から用途に応じて適宜選択することができる。

例えば、長田義仁編、「ソフトアクチュエータ開発の最前線」、株式会社エヌ・ティー・エス、２００４年９月、ｐ．１４１に記載された強誘電性ポリマーや、安積欣志、「高分子アクチュエータ材料」、高分子、社団法人高分子学会、２００１年７月、第５０巻、ｐ．４５０−４５３に記載された材料のうち電界によって電界方向に伸縮するものを用いることができる。好ましい材料として、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフッ化ビニリデン、シリコーンゴムなどを挙げることができる。また、これらの材料に各種の添加剤を加えた物を用いることもでき、本発明の目的を達成できる範囲であれば各種不純物を含んだものであっても良い。

これらの有機材料が電界によって電界方向に伸縮する機構については、材料によって様々であり、まだ十分に解明されていない物も多い。例えば、シリコーンゴムは電界による内部の電荷分離が伸縮の原動力であり、ポリチオフェンなどの導電性ポリマーの場合には添加剤のイオンが電場によって移動することで一方の端が膨張することにより伸縮が起こると考えられている。本発明においては、これらの有機材料が電界によって電界方向に伸縮する機構については問題ではなく、電界によって電界方向に伸縮するという機能を有するものであれば良い。

本実施形態においては、かかる性質を有する有機材料としてポリフッ化ビニリデンを用いている。ポリフッ化ビニリデンは圧電材料であり、その圧電定数が電界方向に平行な中心軸１７に対して対称な分布を形成するように構成されている。図１（ｂ）に圧電定数の分布状態を示す。このポリフッ化ビニリデンは可視光において透明性の高い材料であり、可変形状光学素子１１は、該可変形状光学素子１１を透過した光を利用する透過型の光学素子として使用することができる。

電極層１３、１４としては、透明性の高い酸化インジウム・錫（ＩＴＯ）を使用している。可変形状光学素子１１は、図１（ａ）に示すように、電圧を印加しない状態では円形平板状の素子であり、電極層１３側から可変形状光学素子１１に入射する平行光は、電極層１３、可変形状部１２、電極層１４を透過した後、平行光のままで電極層１４から出射する。

電極層１３、１４に用いる材料は、実用可能なレベルの導電性を有するものであればこれに限定されることなく、公知の材料の中から適宜選択して用いることができる。

具体的には、白金、金、ペースト状のものを含む銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、酸化錫・アンチモン、酸化インジウム・錫、フッ素ドープ酸化亜鉛、亜鉛、グラファイトやグラッシーカーボン及びカーボンペーストを含む炭素、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウムと銅の混合物、マグネシウムと銀の混合物、マグネシウムとアルミニウムの混合物、マグネシウムとインジウムの混合物、アルミニウムと酸化アルミニウムの混合物、リチウムとアルミニウムの混合物などを用いることができる。

また、電極層の材料として導電性ポリマーを用いることもできる。導電性ポリマーとしては、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、及びこれらの誘導体、類縁体、これらを構成するモノマー若しくはオリゴマーを構成成分として有するポリマーに、必要に応じ適切な添加剤を加えたもので、実用可能なレベルの導電性を有していれば問題なく使用することができる。具体的には、ポリアニリンとポリスチレンスルホン酸やカルボン酸の錯体、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸やカルボン酸の錯体（例えば、ＰＥＤＯＴ・ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェン・ポリスチレンスルホン酸））などを用いることができる。

更に、電極層の材料として金属微粒子を含有する分散物を用いることもできる。金属微粒子を含有する分散物としては、例えば公知の導電性ペーストなどを用いても良いが、好ましくは平均粒径が１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下、更に好ましくは平均粒径が１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の金属微粒子を含有する分散物である。微粒子として含有される金属の種類としては白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、亜鉛等を挙げることができる。これらの金属からなる微粒子を、主に有機材料からなる分散安定剤を用いて、水や任意の有機溶剤である分散溶媒中に分散した分散物を用いて電極を形成することが好ましい。ここで、金属微粒子の平均粒径とは、顕微鏡の画像上で計測した投影面積円相当径の算術平均値をいう。投影面積円相当径とは、粒子の投影面積と同じ面積を持つ円の直径をいう。

なお、このような金属微粒子分散物の作製方法としては、ガス中蒸発法、スパッタリング法、金属蒸気合成法などの物理的生成法や、コロイド法、共沈法などの、液相で金属イオンを還元して金属微粒子を生成する化学的生成法が挙げられるが、特開平１１−７６８００号公報、特開平１１−８０６４７号公報、特開平１１−３１９５３８号公報、特開２０００−２３９８５３号公報等に示されたコロイド法、特開２０００−１２３６３４号公報、特開２０００−１２４１５７号公報、特開２００１−３５２５５号公報、特開２００１−５３０２８号公報、特開２００１−２５４１８５号公報等に記載されたガス中蒸発法などが好ましい。

可変形状部１２を構成するポリフッ化ビニリデンは、一方の電極層１３側が正極、もう一方の電極層１４側が負極となるような分極状態にある。この状態でスイッチ１６を導通状態として、電源１５の正極側を電極層１３に、電源１５の負極側を電極層１４に接続して、一対の電極層１３、１４に電圧を印加する。このように、分極の方向と同じ方向に電界が与えられると、ポリフッ化ビニリデンは電界方向に伸びる。この際、圧電定数が大きいほど伸び量が大きくなる。

ここでは、圧電定数が電界方向に平行な中心軸１７の位置で最も高く、中心軸１７から離れるにつれて、中心軸１７に対して対称に連続的に減少するような分布を形成されているため、電界による可変形状部１２の伸び量も、同じく中心軸１７の位置で最も大きく、中心軸１７から離れるにつれて、中心軸１７に対して対称に連続的に減少するような分布を有する。従って、可変形状光学素子１１は、電圧が印加されていない状態では円形平板状であったが、一対の電極層１３、１４に電圧が印加されることにより、図１（ｃ）に示すような両凸形状に変形する。そのため、電極層１３側から可変形状光学素子１１に入射した平行光は、電極層１３、可変形状部１２、電極層１４を透過した後、集束光として電極層１４から出射する。更に、電源１５による印加電圧を調整して可変形状部１２の伸び量を制御することにより、所望の曲率半径となるように可変形状光学素子を変形させることができる。

本実施形態においては、可変形状部１２を構成する材料として圧電材料であるポリフッ化ビニリデンを用いているため、圧電定数に分布を設けることによって可変形状部１２の伸縮量に分布を設けているが、他の機構によって伸縮する材料の場合には、その機構に応じた材料物性値に分布を設けることで、同様の効果を得ることができる。例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体）などの場合には単位電場当たりの電歪性歪量に分布を設ければ良い。

圧電定数や単位電場当たりの電歪性歪量などの材料物性値に分布を設けて可変形状部１２を形成するためには、例えば、インクジェットやマイクロコンタクトプリンティングといった手法で特性の異なる材料を微少量ずつ所望の位置に塗布すれば良い。有機材料は液状にして粘度を自由にコントロールできるので、塗布された隣り合う材料を境界部で互いに混ざり合わせることができ、特性を連続的に変化させることが可能である。

圧電定数などの材料物性値の分布は、球面的な分布に限られるものではなく、二次曲線、放物線、楕円形状など種々の分布状態とすることができる。また、用途によっては、材料物性値に連続的な分布を設けるのではなく、階段状の段階的な分布を設けても良い。それにより、例えば、可変形状のフレネルレンズや、回折光学素子などとして使用することが可能となる。

次に、圧電定数に分布を有する可変形状部を備えた可変形状光学素子の具体的な作製方法の１例について、図６、図７を用いて更に詳細に説明する。図６は、作製する円板状の可変形状光学素子１１ａの模式図であり、図６（ａ）は可変形状光学素子１１ａの断面図を、図６（ｂ）は可変形状部の圧電定数の分布を示している。また、図７は、可変形状光学素子１１ａを作製するための工程を模式的に示した図である。

可変形状光学素子１１ａは、可変形状部の中心部１２ａの圧電定数が、周辺部１２ｂの圧電定数よりも高くなっている。このように、ここでは圧電定数が２段階の階段状の分布を有する場合を例に挙げて説明するが、同様の方法を用いて更に多種類の材料を用いたり、複数の材料を混合するなどにより、圧電定数が更に多段階の分布を有する可変形状部や、圧電定数が連続的に変化する分布を有する可変形状部を備えた可変形状光学素子を作成することが可能である。

可変形状部の中心部１２ａの材料としてポリフッ化ビニリデンを、周辺部１２ｂの材料としてＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を用いる。使用するポリフッ化ビニリデンの圧電定数は２８×１０−１２Ｃ／Ｎ、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の圧電定数は１２×１０−１２Ｃ／Ｎである。また、電極層１３、１４の材料としてＰＥＤＯＴ・ＰＳＳを用いる。

予め、ＰＥＤＯＴ・ＰＳＳを溶媒で溶かした溶液Ａ、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を溶媒で溶かした溶液Ｂ、及び、ポリフッ化ビニリデンを溶媒で溶かした溶液Ｃを用意する。それぞれの溶液は、粘度がおよそ１００Ｐ（ポアズ）になるように調整する。

また、印刷に用いるスタンプを用意する。用意するスタンプは、外径がφ５ｍｍのスタンプＡ、外径がφ５ｍｍで内径がφ３ｍｍのドーナツ状をしたスタンプＢ、及び、外径がφ３ｍｍのスタンプＣの３種類である。なお、スタンプの材料には、ポリジメチルシロキサン等を用いればよい。

始めに、スタンプＡを用いて溶液Ａを基板１８の上に印刷し、電極層１４を形成する（図７（ａ））。印刷は、印刷後に溶媒を蒸発させるため、基板１８を１２０℃に加熱した状態で行う。印刷後３０秒程度待機することで、印刷された溶液Ａに含まれる溶媒が蒸発し、電極層１４が形成される。基板１８の加熱は、ホットプレート等により行えばよい。

次に、電極層１４の上に、スタンプＢを用いて溶液Ｂを印刷し、溶媒を蒸発させて可変形状部の周辺部１２ｂを形成する（図７（ｂ））。印刷は、電極層１４と周辺部１２ｂの外径が一致するように位置を合わせて行う。その後、電極層１４の中心部に残った露出部の上に、スタンプＣを用いて溶液Ｃを印刷し、溶媒を蒸発させて可変形状部の中心部１２ａを形成する（図７（ｃ））。

更に、再びスタンプＡを用いて溶液Ａを印刷し、溶媒を蒸発させて電極層１３を形成する（図７（ｄ））。最後に、基板１８を取り外すことで、圧電定数に分布を有する可変形状部を備えた可変形状光学素子１１ａの作製が完了する。

（実施形態２）
第２の実施形態における可変形状光学素子２１を用いた光学装置２０の模式図を図２に示す。図２（ａ）は、電圧が印加されておらず可変形状光学素子２１が変形する前の状態を示す図であり、図２（ｂ）は、可変形状部２２における圧電定数の分布状態を示している。また、図２（ｃ）は、電圧が印加されて可変形状光学素子２１が変形した状態を示す図である。

本実施形態における可変形状光学素子２１は、第１の実施形態の場合と同様に、可変形状部２２及び一対の電極層１３、１４を備えており、電圧が印加されていない状態では円形平板状の透過型の光学素子である。

可変形状部２２の材料としてポリフッ化ビニリデンを用いている。ポリフッ化ビニリデンの圧電定数が電界方向に平行な中心軸１７に対して対称な分布を形成するように構成されているのは第１の実施形態の場合と同様であるが、中心軸１７の位置で圧電定数が最も低く、中心軸１７から離れるにつれて、中心軸１７に対して対称に連続的に増加するような分布が形成されている点が第１の実施形態の場合と異なっている。

可変形状部２２を構成するポリフッ化ビニリデンは、一方の電極層１３側が正極、もう一方の電極層１４側が負極となるような分極状態にある。この状態でスイッチ１６を導通状態として、電源１５の正極側を電極層１３に、電源１５の負極側を電極層１４に接続して、一対の電極層１３、１４に電圧を印加する。これにより、分極の方向と同じ方向に電界が与えられるためポリフッ化ビニリデンは電界方向に伸びる。

圧電定数が大きいほど伸び量が大きいことから、電界による可変形状部１２の伸び量は、中心軸１７の位置で最も小さく、中心軸１７から離れるにつれて、中心軸１７に対して対称に連続的に増加するような分布を有する。その結果、可変形状光学素子２１は図２（ｃ）に示すような両凹形状に変形する。従って、電極層１３側から可変形状光学素子２１に入射した平行光は、電極層１３、可変形状部２２、電極層１４を透過した後、発散光として電極層１４から出射する。変形量は、電源１５による印加電圧を調整することで制御することができる。

（実施形態３）
第３の実施形態における可変形状光学素子３１を用いた光学装置３０の模式図を図３に示す。図３（ａ）は、電圧が印加されておらず可変形状光学素子３１が変形する前の状態を示す図であり、図３（ｂ）は、可変形状部３２における圧電定数の分布状態を示している。また、図３（ｃ）は、電圧が印加されて可変形状光学素子３１が変形した状態を示す図である。

本実施形態における可変形状光学素子３１は、第２の実施形態の場合と同様に、可変形状部３２及び一対の電極層１３、１４を備えており、電圧が印加されていない状態では円形平板状の透過型の光学素子である。また、可変形状部２２の材料としてポリフッ化ビニリデンを用いている。ポリフッ化ビニリデンの圧電定数の分布状態や、分極の方向は第２の実施形態の場合と同じである。

可変形状部３２を変形させるため一対の電極層１３、１４に電圧を印加するが、この印加電圧の極性を第２の実施形態の場合と逆にする。即ち、電源１５の正極側を電極層１４に、電源１５の負極側を電極層１３に接続する。これにより、分極の方向と逆方向に電界が与えられるためポリフッ化ビニリデンは電界方向に収縮する。

この場合、圧電定数が大きいほど収縮量が大きいことから、電界による可変形状部３２の収縮量は、中心軸１７の位置で最も小さく、中心軸１７から離れるにつれて、中心軸１７に対して対称に連続的に増加するような分布を有する。その結果、可変形状光学素子３１は図３（ｃ）に示すような両凸形状に変形する。従って、電極層１３側から可変形状光学素子３１に入射した平行光は、電極層１３、可変形状部３２、電極層１４を透過した後、収束光として電極層１４から出射する。この場合も、電源１５による印加電圧を調整することで変形量を制御することができる。

（実施形態４）
第４の実施形態における撮像装置４０の模式図を図４に示す。本実施形態における撮像装置４０は、第１の実施形態における可変形状光学素子１１を含んだ光学装置１０を撮像光学系の一部として用いたものである。

本実施形態における撮像装置４０は、被写体の像を結像するための撮像光学系４２と、撮像素子であるＣＣＤ４３とを備えている。撮像光学系４２は複数のレンズ群４１と光学装置１０とにより構成されている。図４では複数のレンズ群４１の後方に可変形状光学素子１１が配置されているが、撮像光学系４２の構成はこれに限定されるものではなく、可変形状光学素子１１の前後に他のレンズ群が配置される構成であっても良い。

また、撮像素子としては、撮像光学系により結像された像を電気信号に変換するものであれば良く、ＣＣＤの他、ＣＭＯＳセンサー等を用いることができる。

光学装置１０は、撮像光学系４２の一部として、焦点を調節する機能を担っている。図４（ａ）は十分遠方の被写体の像を結像している状態を示している。この場合、変形可能光学素子１１に電圧は印加されておらず、可変形状光学素子１１は平行平板の形状であり、屈折力を持たない。この状態で、十分遠方の被写体からの平行光はＣＣＤ４３の受光面に結像する。即ち、十分遠方の被写体に焦点が調節されている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）よりも近い位置にある被写体の像を結像している状態を示している。この場合には、電源１５によって可変形状光学素子１１に電圧が印加され、可変形状光学素子１１は両凸レンズ形状に変形しており、屈折力を有している。被写体からの入射光は複数のレンズ群４１を通過した後、可変形状光学素子１１によって更に屈折し、ＣＣＤ４３の受光面に結像する。即ち、図４（ａ）の場合よりも近い位置にある被写体に焦点が調整されている。

このように、可変形状光学素子２１の変形量を調節することにより、撮像光学系４２の焦点を調節することができる。可変形状光学素子２１の変形量の調整は印加する電圧を調整することにより行う。可変形状光学素子２１に印加する電圧の調整は、撮影者が調整スイッチを操作することにより行っても良いし、焦点検出装置によって自動的に焦点を検出して電圧を調整しても良い。

なお、本実施形態において、光学装置１０は撮像光学系４２の一部として焦点を調節する機能を担っているが、本発明はこれに限定されるものではなく、焦点を調節する機能以外の機能、例えば、光学ズーム機能等を有するものであっても良い。

（実施形態５）
第５の実施形態における可変形状光学素子５１を用いた光学装置５０の模式図を図５に示す。図５（ａ）は、電圧が印加されておらず可変形状光学素子５１が変形する前の状態を示す図であり、図５（ｃ）は、電圧が印加されて可変形状光学素子５１が変形した状態を示す図である。

本実施形態における可変形状光学素子５１は、可変形状部５２及び一対の電極層１３、１４を備えており、電圧が印加されていない状態では正方形の平板状の光学素子である。一方の電極層１３の表面にはミラー層である銀層５６が形成されており、他方の電極層１４は十分な剛性を有する絶縁性の保持基板５５に固定されている。この可変形状光学素子５１は、前記第１から第４の実施形態における可変光学素子とは異なり、可変形状光学素子５１で反射した光を利用する反射型の光学素子である。

可変形状部５２の材料としてＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を用いている。可変形状部５２を構成するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の単位電場当たりの電歪性歪量の分布状態を図５（ｂ）に示す。Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の単位電場当たりの電歪性歪量は図５の左端が最も高く、右に行くに従って直線的に減少し、右端で最も低くなるような分布を有している。図の奥行き方向については単位電場当たりの電歪性歪量は一定であり、分布は有していない。

電極層の表面のミラー層は銀層に限定されるものではなく、必要とされる反射率を備えたものであれば公知のミラーの中から適宜選択して用いることができる。例えば、銀、金、アルミ等の金属ミラーや、誘電体多層膜ミラーなどを用いることができる。また、電極層の表面にミラー層を別に設けるのではなく、電極層で直接に光を反射させる構成とすることもできる。

可変形状光学素子５１に電圧が印加されていない状態の場合、銀層５６は保持基板５５に対して平行であり、保持基板５５に対して垂直方向からの入射光は銀層５６において垂直方向に反射される。

可変形状部５２を構成するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）は、一方の電極層１３側が正極、もう一方の電極層１４側が負極となるような分極状態にある。この状態でスイッチ１６を導通状態として、電源１５の正極側を電極層１３に、電源１５の負極側を電極層１４に接続して、一対の電極層１３、１４に電圧を印加する。これにより、分極の方向と同じ方向に電界が与えられるためＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）は電界方向に伸びる。

Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の伸び量は単位電場当たりの電歪性歪量が高いほど大きいことから、電界による可変形状部５２の伸び量は、図５の左端が最も高く、右に行くに従って直線的に減少し、右端で最も低くなるような分布を有する。その結果、可変形状光学素子５１は図５（ｃ）に示すようなくさび型に変形する。

このとき銀層５６は保持基板５５に対して傾いているため、保持基板５５に対して垂直方向からの入射光は、銀層５６において、可変形状光学素子５１に電圧が印加されていない状態とは別の方向に反射される。

従って、可変形状光学素子５１に印加する電圧を調整することによって、銀層５６における反射光の反射の方向を制御することができる。このような光学素子は光スイッチ等として用いることが可能である。更に、このような光学素子をマトリックス状に多数配置することで、非常に小型の多チャンネル光スイッチ等を実現することが可能である。

（実施形態６）
第６の実施形態における可変形状光学素子６１を用いた光学装置６０の模式図を図８に示す。図８（ａ）は、電圧が印加されておらず可変形状光学素子６１が変形する前の状態を示す図であり、図８（ｂ）は、可変形状部６２における圧電定数の分布状態を示している。また、図８（ｃ）は、電圧が印加されて可変形状光学素子６１が変形した状態を示す図である。

本実施形態における可変形状光学素子６１は、第１の実施形態と同様に透過型の光学素子であるが、電圧が印加されていない状態で、周辺部よりも中心部の厚みが厚い両凸形状を有し、正のパワーを有する凸レンズとして機能する（図８（ａ））。

可変形状部６２の材料にはポリフッ化ビニリデンを用いている。このように、本発明においては、ポリフッ化ビニリデン等の有機材料により可変形状部を構成していることから、種々の形状の光学素子を容易に製造することができる。

可変形状部６２の圧電定数の分布（図８（ｂ））、及び分極状態については第１の実施形態の場合と同様である。

この状態でスイッチ１６を導通状態として、電源１５の正極側を電極層１３に、電源１５の負極側を電極層１４に接続して、一対の電極層１３、１４に電圧を印加する。これにより、分極の方向と同じ方向に電界が与えられるためポリフッ化ビニリデンは電界方向に伸びる。

圧電定数が大きいほど伸び量が大きいことから、電界による可変形状部６２の伸び量は、中心軸１７の位置で最も小さく、中心軸１７から離れるにつれて、中心軸１７に対して対称に連続的に増加するような分布を有する。その結果、可変形状光学素子６１は、電圧印加前よりも凸面の曲率半径が小さくなり、更に大きなパワーを有する凸レンズとして機能する（図８（ｃ））。

ここでは、凸レンズに電圧を印加して凸面の曲率半径を小さくする場合を例に挙げて説明したが、同様に、電圧印加前の形状を凹レンズとし、電圧を印加して凹面の曲率半径を大きく（平面に近く）したり、凹面を凸面に変化させたりすることもできる。

更に、可変形状部６２の圧電定数の分布を、中心軸１７の位置で最も小さく、中心軸１７から離れるにつれて、中心軸１７に対して対称に連続的に増加するような分布としてもよい。それにより、凸レンズに電圧を印加して凸面の曲率半径を大きく（平面に近く）したり、凸面を凹面に変化させたりすることができる。また、凹レンズに電圧を印加して凹面の曲率半径を小さくすることもできる。

第１の実施形態における可変形状光学素子を用いた光学装置の模式図 第２の実施形態における可変形状光学素子を用いた光学装置の模式図 第３の実施形態における可変形状光学素子を用いた光学装置の模式図 第４の実施形態における撮像装置の模式図 第５の実施形態における可変形状光学素子を用いた光学装置の模式図 作製する円板状の可変形状光学素子１１ａの模式図 可変形状光学素子１１ａを作製するための工程を模式的に示した図 第６の実施形態における可変形状光学素子を用いた光学装置の模式図

１０、２０、３０、５０、６０ 光学装置
１１、１１ａ、２１、３１、５１、６１ 可変形状光学素子
１２、２２、３２、５２、６２ 可変形状部
１３、１４ 電極層
１５ 電源
１７ 中心軸
４０ 撮像装置
４２ 撮像光学系
４３ ＣＣＤ
５６ 銀層

Claims (7)

1. 電界の印加方向に伸縮する有機材料からなる可変形状部と、
   前記可変形状部を挟持する一対の電極層と、を備え、
   前記可変形状部は、前記一対の電極層に電圧が印加されることで形成される電界方向に垂直な面内において、前記有機材料の材料物性値としての単位電場当たりの電歪性歪量に分布を有しており、
   前記一対の電極層に電圧が印加された場合に、前記可変形状部の伸縮量が、前記電界方向に垂直な面内において、前記電歪性歪量の分布に応じた分布を有することを特徴とする可変形状光学素子。
2. 電界の印加方向に伸縮する有機材料からなる可変形状部と、
   前記可変形状部を挟持する一対の電極層と、を備え、
   前記可変形状部は、前記一対の電極層に電圧が印加されることで形成される電界方向に垂直な面内において、前記有機材料の材料物性値としての圧電定数に分布を有しており、
   前記一対の電極層に電圧が印加された場合に、前記可変形状部の伸縮量が、前記電界方向に垂直な面内において、前記圧電定数の分布に応じた分布を有することを特徴とする可変形状光学素子。
3. 前記伸縮量の分布は、前記電界方向に平行な中心軸に対して対称な分布であることを特徴とする請求項１または２記載の可変形状光学素子。
4. 前記可変形状光学素子は、前記可変形状部及び前記一対の電極層を、透光性を有する素材で構成した透過型の光学素子であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の可変形状光学素子。
5. 前記可変形状光学素子は、該可変形状光学素子の表面にミラー層を形成した反射型の光学素子であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の可変形状光学素子。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の可変形状光学素子と、
   前記可変形状光学素子に電圧を印加するための電源と、を備えたことを特徴とする光学装置。
7. 被写体の像を結像するための撮像光学系と、
   前記撮像光学系により結像された像を電気信号に変換するための撮像素子と、を備えた撮像装置において、
   前記撮像光学系は、請求項６記載の光学装置を有することを特徴とする撮像装置。

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