JPH11317894A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 撮像素子、光学素子などの部品をリソグラフ
ィー等の手法を用いて一体化することで、小型化、低コ
スト化しうる、デジタルカメラ、電子内視鏡、ＰＤＡ
（携帯情報端末）、テレビ電話、ＶＴＲカメラ、テレビ
カメラ等の電子撮像系、電子表示系等又はそれらの一部
を構成する板状ユニット等の光学装置を提供する。 【解決手段】 自由曲面プリズム２３０を組合せ撮像ユ
ニット２３１を用いてデジタルカメラ２３２を構成して
いる。自由曲面プリズム２３０は、自由曲面プリズム２
３０に入射する物体からの光６０と自由曲面プリズム２
３０を出射して固体撮像素子５５に入射する光線とが捩
れの関係になるように形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のデジタルカメラ１７０は、図２２
に示すように、ＣＣＤ５５、レンズ１７１、絞り１７
３、シャッター１７４、レンズフォーカシング用ソレノ
イド１７５等をそれぞれ別体の部品として集めてこれら
を組立てることにより作られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そのため、部品点数が
多くなり、組立ても面倒で、製品の小型化、高精度化、
コストダウンに限界があった。そこで本発明は、撮像素
子、光学素子などの部品をリソグラフィー等の手法を用
いて一体化することで、小型化、低コスト化しうる、デ
ジタルカメラ、電子内視鏡、ＰＤＡ（携帯情報端末）、
テレビ電話、ＶＴＲカメラ、テレビカメラ等の電子撮像
系、電子表示系等又はそれらの一部を構成する板状ユニ
ット等の光学装置の提供を課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明による光学装置は、撮像または観察方向と、
撮像素子または眼に入射する光線とが捩じれの関係にあ
る。

【０００５】また、本発明による光学装置は、自由曲面
プリズムに入射する光線と、自由曲面プリズムを出射す
る光線とが捩じれの関係にある自由曲面プリズムを備え
ている。

【０００６】また、本発明による光学装置は、製作プロ
セスにリソグラフィープロセスを含む、光学素子とアク
チュエーターとからなる可動光学素子を有している。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による光学装置の実
施形態を図面を用いて説明する。

【０００８】図１は、本発明の第１実施形態を示す図で
ある。本実施形態の光学装置は、レンズ１８１，１８
２，１８３、プリズム１８４、ミラー１８５等を用いた
電子撮像ユニット１８０として構成されている。なお、
図中５２はアルミコーティングされた薄膜５３と電極５
４から成る反射鏡、５５は固体撮像素子、５６は基板、
５７は電源、５８はスイッチ、５９は可変抵抗器であ
る。

【０００９】反射鏡５２は、例えば、オプティックス
コミュニケーションズ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉ
ｃａｔｉｏｎｓ），１４０巻（１９９７年）１８７ない
し１９０頁に示されているメンブレインミラーのよう
に、薄膜５３と電極５４の間に電圧を印加すると静電気
力により薄膜５３が変形してその焦点距離が変化するよ
うになっており、これによりピント調整ができるように
なっている。本実施形態の撮像装置では、物体からの光
６０は、光学素子としてのレンズ１８１，１８２、プリ
ズム１８４のそれぞれの入射面および出射面で屈折さ
れ、反射鏡５２によって反射され、ミラー１８５の反射
面で反射され、レンズ１８３で屈折されてから固体撮像
素子５５に入射するようになっている。

【００１０】このように、本実施形態の光学装置は、光
学素子１８１，１８２，１８４，１８５，１８３および
反射鏡５２とで撮像光学系を構成している。そして、本
実施形態の構成では、特に、各光学素子の面と肉厚を最
適化することにより物体像の収差を最小にすることがで
きるようになっている。

【００１１】図１の光学装置において、反射鏡５２の形
状は、非点収差等を補正するためにＹ軸方向に長い楕円
形にするのがよく、具体的には、反射鏡５２への入射光
と反射鏡５２からの出射光を含む平面と反射鏡５２とが
交わる方向に沿って長い楕円形にするのがよい。また、
図１の光学装置では、反射鏡５２と固体撮像素子５５と
をそれぞれ別体で作って基板５６上に配置している。し
かし、反射鏡５２はシリコンリソグラフィープロセス等
で作ることもできるので、基板５６をシリコンで形成
し、固体撮像素子５５と共にリソグラフィープロセスで
反射鏡５２の少なくとも一部を基板５６上に形成しても
よい。

【００１２】これにより、固体撮像素子５５と共に光学
素子の一つである反射鏡５２とが一体化されるので、小
型化、低コスト化等の点で有利である。また反射鏡５２
は固定焦点のミラーとして構成しても良い。この場合で
も反射鏡５２はリソグラフィープロセスで作ることがで
きる。なお、反射鏡５２、固体撮像素子５５、基板５６
を合わせて板状ユニット１８６と呼ぶことにする。板状
ユニットは光学装置の一例である。

【００１３】又、図示を省略するが、基板５６上に表示
素子の一つである反射型液晶ディスプレー又は透過型液
晶ディスプレー等の表示素子をリソグラフィープロセス
により一体的に形成してもよい。なお、この基板５６
は、ガラスあるいは石英等の透明物質で形成してもよ
い。その場合は、このガラス基板上に薄膜トランジスタ
ー等の技術を用いて固体撮像素子や液晶ディスプレーを
形成すればよい。あるいは、これらの表示素子を別体で
作り、基板５６上に配置してもよい。

【００１４】光学素子１８１，１８２，１８４，１８
５，１８３は、プラスチックモールドやガラスモールド
等で形成することにより任意の所望形状の曲面を容易に
形成することができ、製作も簡単である。なお、本実施
形態の撮像装置では、レンズ１８１のみがプリズム１８
４から離れて形成されているが、レンズ１８１を設ける
ことなく収差を除去することができるように光学素子１
８２，１８３，１８４，１８５，５２を設計すれば、反
射鏡５２を除く光学素子は一つの光学ブロックとなり組
立てが容易となる。

【００１５】図２は、本発明の第２実施形態を示す図で
ある。本実施形態の撮像装置では、一つのシリコン基板
１８７の上に反射鏡５２、マイクロマシン技術で作られ
た静電気力で動くマイクロシャッター１８８、撮像素子
５５等は、リソグラフィープロセスで作られている。そ
して、このシリコン基板１８７とモールドで作った自由
曲面プリズム１８９とを組合わせれば、光学装置として
小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８０が出来上が
る。なお、マイクロシャッター１８８は、絞りを兼ねる
こともできるようになっている。

【００１６】自由曲面プリズム１８９は、プラスチック
モールドで作ると安価にできる。また、自由曲面プリズ
ム１８９をエネルギー硬化型樹脂で作れば、熱可塑性樹
脂で作るよりも耐久性があるので好ましい。また、自由
曲面プリズム１８９を赤外光を吸収する性質の材質を用
いて構成して、赤外カットフィルター効果を持たせても
よい。あるいは、自由曲面プリズム１８９の光路中のい
づれかの面に赤外光を反射する干渉膜を設けて、赤外光
をカットするようにしてもよい。ミラー１９０は、シリ
コン基板１８７を凹面に加工し、アルミコートすること
によって形成されている。マイクロシャッター１８８
は、例えば、特開平１０−３９２３９号の図８，図９に
示されているようなシャッターを改良したものを用いる
ことができる。

【００１７】図３は図２の光学装置を上方から見た、マ
イクロシャッター１８８付近の拡大図である。マイクロ
シャッター１８８は、固定電極１９１と遮光板１９２の
それぞれに設けられた電極１９３に電位差を与えること
によって、静電気力で二つの遮光板１９２を左右に開い
たり閉じたりすることができるようになっている。ここ
で、二つの遮光板１９２のそれぞれに、他方の遮光板１
９２に近い側の中央に三角形の凹部を設け、かつ二枚の
遮光板１９２を段違いに設置して、遮光板１９２を途中
まで開いた状態で撮像を行えば絞りとして動作し、遮光
板１９２を完全に閉じればシャッターとなるようになっ
ている。電源１９６は＋−の極性を変えることができる
ようになっており、それに伴い、二つの遮光板１９２は
逆方向に動くようになっている。また、二つの遮光板１
９２は、完全に閉じた時には図２に示すように多少重な
るように設計されている。マイクロシャッター１８８
は、リソグラフィープロセスで反射鏡５２、固体撮像素
子５５と共に一緒に作ることができるというメリットが
ある。なお、マイクロシャッター１８８としては、上記
以外にも、特開平１０−３９２３９号の図４７に示すよ
うなマイクロシャッターを用いてもよい。あるいは、本
実施形態の撮像装置に用いるシャッターとして、通常の
フィルムカメラのシャッターのように、バネで動作する
シャッターを製作して、これをシリコン基板１８７に設
置してもよい。

【００１８】また、本実施形態の撮像装置を、例えば、
図２に示すように、別途に絞り１９７を設けた構成とし
てもよい。絞り１９７としては、フィルムカメラのレン
ズに用いるような虹彩絞りでもよく、または、図４に示
すような複数の穴あき板をスライドさせるような構成の
ものでもよい。あるいは、絞りの開口面積の変わらない
固定絞りであってもよい。また、絞りとしては、マイク
ロシャッター１８８を絞りとしてのみ動作させ、シャッ
ター機能については、固体撮像素子５５の素子シャッタ
ーを用いて果たすようにしてもよい。また、本実施形態
の撮像装置を、電極５４、ミラー１９０、マイクロシャ
ッター１８８、撮像素子５５の少なくとも一つを別部品
として作り、残りの部材と共に一つの基板上に配置した
構成としてもよい。なお、本実施形態の撮像装置を、図
５に示すように、光学特性可変光学素子の一つである反
射鏡５２の別の一例として、液晶可変焦点レンズをミラ
ーの前面に配置した液晶可変ミラー２５２等を配設した
構成としてもよい。

【００１９】図５は、液晶可変ミラー２５２を用いた撮
像装置の一例（撮像装置２５３）を示す図である。液晶
可変ミラー２５２は、透明電極２５４とフレネルレンズ
状の基板２５５の表面にコートされた電極２５６との間
にツイストネマチック液晶２５７を配置した構成となっ
ている。ツイストネマチック液晶２５７のらせんピッチ
Ｐは、 Ｐ ＜ ３λ ・・・（１） を満たすようになっている。ここで、λは光の波長であ
る。式（１）を満たすとき、ツイストネマチック液晶２
５７は入射光の偏光方向によらず屈折率がほぼ等方的に
なるので、偏光板を設けることなくボケのない可変焦点
ミラーが得られる。なお、低コストのデジタルカメラな
どでは、ツイストネマチック液晶２５７のらせんピッチ
Ｐが、 Ｐ ＜ １５λ ・・・（２） であっても実用上は使用できる場合もある。

【００２０】図６は、本発明の第３実施形態を示す図で
ある。本実施形態の光学装置２０４は、透明基板１９８
に反射型ＬＣＤ１９９、反射鏡５２、固体撮像素子５５
を設け、かつ光学ブロックである自由曲面プリズム１８
９を組合せた構成となっている。透明基板１９８には、
光学素子であるレンズ２００、ローパスフィルター２０
１、ＩＣ２０３も合わせて設けられており、これらによ
り透明な板状ユニット２０２を形成している。ＩＣ２０
３は、反射型ＬＣＤ１９９、反射鏡５２、固体撮像素子
５５等をドライブするＩＣ、あるいは制御、演算を行な
うＣＰＵ、メモリー等の機能をもつＬＳＩである。固体
撮像素子５５、反射鏡５２、反射型ＬＣＤ１９９、ＩＣ
２０３を、それぞれ別途に製作して、透明基板１９８に
貼りつけてもよいが、透明基板１９８の表面にアモルフ
ァスシリコン、低温ポリシリコン、連続粒界結晶シリコ
ン（’９８．１．１４付朝日新聞）等を材料として薄膜
トランジスター技術を用いて形成すれば、小型化、軽量
化、高精度化の面で有利である。

【００２１】図７は、本実施形態の光学装置２０４に用
いるローパスフィルター２０１の斜視図である。ローパ
スフィルター２０１は、瞳分割型のローパスフィルター
であり、捩じれ関係にある二つの平面より構成されてい
る。なお、このローパスフィルター２０１も光学素子の
一つである。その他、本実施形態において透明基板１９
８は、ガラス又は樹脂のモールドで作るのが良い。

【００２２】本実施形態の光学装置２０４は、光を反
射、屈折する面を自由曲面プリズム１８９、透明な板状
ユニット２０２の両方に設けることができる点で、収差
の補正がしやすく、図２に示す実施形態の撮像ユニット
１８０よりすぐれている。なお、レンズ等の光学素子
は、例えばレンズ２００ｂのように、透明部材の表面に
曲面状の樹脂薄膜２０５を貼りつけて作ってもよい。こ
のような方法を薄膜レンズ技術という。

【００２３】図８は、本発明の第４実施形態を示す図で
ある。本実施形態の光学装置２０７は、透明な板状ユニ
ット２０２と板状ユニット１８６とを組合せることによ
り構成されている。なお、透明基板１９８とは別体にレ
ンズ２０８を設けると、収差補正の自由度がふえるの
で、収差補正上有利であるが、レンズ２０８は設けなく
てもよい。透明な板状ユニット２０２には、ディスプレ
ー２０９、ＩＣ２０３が設けられ、さらに薄膜レンズ技
術により製作したレンズ２１０，２１１が設けられてい
る。なお、レンズ２１２は、透明基板１９８を製作する
際にモールドの技術で透明基板１９８に一体形成されて
いる。板状ユニット１８６は、図２に示す実施形態の板
状ユニット１８６と同様に構成されている。斜線部２１
４は、迷光を除くための黒い遮光用の膜であり、Ｃｒ−
ＣｒＯ₂ −Ｃｒの三層蒸着、黒い塗料の塗装、あるいは
印刷等で作れられている。なお、斜線部２１４は、必要
に応じて、透明基板１９８の表面、側面、内部に設けれ
ばよく、設けなくてもよい場合もある。

【００２４】ディスプレー２０９の一例である液晶ディ
スプレーは薄膜トランジスター技術でガラス等の透明基
板上に作ることができるが、固体撮像素子５５等はシリ
コン基板上でないと作りにくい。本実施形態の光学装置
２０７は、固体撮像素子５５、ディスプレー２０９を設
けるべき基板を分けて構成したので、同一の基板上に作
るよりもコストが安くできる。なお、本実施形態の光学
装置２０７の透明基板１９８あるいはレンズ２１１の材
質に赤外光吸収効果を持たせて、赤外カットフィルター
の役割を持たせるようにしてもよい。あるいは、薄膜５
３又はレンズ２１２又は透明基板１９８等の表面に赤外
カット機能を有する干渉膜を設けてもよい。さらに、本
実施形態の光学装置２０７は、固体撮像素子５５を取り
除き、光学系にたとえばオペラグラスのような観察機能
を持たせた表示装置として構成されてもよい。

【００２５】図９は、本発明の第５実施形態を示す図で
ある。本実施形態の光学装置２４６は、板状ユニット２
４５と自由曲面プリズム１８９とを組合せることにより
構成されている。板状ユニット２４５は、一つの基板２
４０の上に、低品質のシリコン等からなる基板２４１に
反射鏡５２とミラー１９０とマイクロシャッター１８８
を形成した板状ユニット２４３と、高品質のシリコンか
らなる基板２４２に基板２４０とＩＣ２０３を形成した
板状ユニット２４４とを配設して構成されている。固体
撮像素子５５、ＩＣ２０３等は高品質のシリコン上でな
いと形成しにくいが、ミラー１９０、マイクロシャッタ
ー１８８、反射鏡５２等は低品質のシリコンでもよい。
本実施形態の光学装置２４６によれば、光学ユニットで
ある板状ユニット２４３，２４４を品質の異なる別個の
基板に形成したので、その分、高品質のシリコンの使用
量を減らすことができ、コスト上有利である。自由曲面
プリズム１８９には、足２４７，２４８が設けられてお
り、足２４７，２４８は、板状ユニット２４５と一体化
する時、各面間の光学的長さを所望の設計値通りに調整
できるようになっている。

【００２６】図１０は、本発明の第６実施形態を示す図
である。本実施形態の光学装置は、自由曲面プリズム１
８９に板状ユニット２４３と固体撮像素子５５とを組合
せてデジタルカメラ用撮像装置を構成している。本実施
形態の光学装置によれば、固体撮像素子５５を低品質の
シリコン等からなる基板２４１から分離して構成したの
で、固体撮像素子５５として市販のＣＣＤ等を使うこと
ができ、コストを低減することができる。なお、図示し
ていないが、本実施形態の光学装置にさらに別に液晶デ
ィスプレー等を設けて、デジタルカメラのファインダー
として用いるとよい。

【００２７】また、本実施形態において反射鏡５２とミ
ラー１９０とマイクロシャッター１８８とを一枚の基板
上に配置するかわりに、図１１に示すように、それぞれ
別体に自由曲面プリズム１８９の周囲に配置してもよ
い。この場合、反射鏡５２、ミラー１９０、マイクロシ
ャッター１８８等の光学部品を別個に作ることができる
ので、それらの部品を他製品の部品と共通化することが
可能になる。また、それぞれの光学部品の歩留り（製作
時の合格率）が悪い場合でも、良い部品だけを集めて製
品を作ることができるので、それぞれの光学部品を一枚
の基板上に作る場合と比べて製品としての歩留りを向上
させることができる。

【００２８】また、図１０に示すように、固体撮像素子
５５の前面に透過率可変素子の一つである液晶シャッタ
ー２４９を配置しても良い。この場合、マイクロシャッ
ター１８８は絞りとして動作させてもよいし、液晶シャ
ッター２４９と合わせてシャッターとして動作させても
よい。あるいは、マイクロシャッター１８８を省いて、
液晶シャッター２４９と固体撮像素子５５の素子シャッ
ター機能とでシャッターの動作をさせてもよい。なお、
液晶シャッター２４９には機械的可動部が無いので、マ
イクロシャッター１８８を省いた構成とすれば、機械的
な構造を簡単化できる。

【００２９】図１２は、本発明の第７実施形態を示す図
である。本実施形態の光学装置２１７は、可動光学素子
の一例である足付きレンズ２１６を設けた構成となって
いる。なお、光学装置２１７は、足付きレンズ２１６の
他に、透明基板１９８に、固体撮像素子５５、自由曲面
プリズム１８９を組合せた構成となっている。足付きレ
ンズ２１６は、レンズ２１８の下にフリースペースオプ
ティックス（M. C. Wu, L. -Y. Lin, S-S. Lee, K. S.
J. Pister 著 Sensors and ActuatorsA50 (1995) 127-1
34 等を参照）のマイクロマシン技術等で作った足２１
９が付いて構成されている足２１９は、後述の図１７に
示す電極１９３ｂに相当する、静電気力でスライドする
電極２１９ｂ（図１３）に接続されており、電極２１９
ｂがスライドすることにより、図１３に示す角θが変化
するように作られている。足２１９との交点Ｐ₁ ，Ｐ₂
は、角θが変化するとき、透明基板１９８の表面上を動
くようになっている。そして足付きレンズ２１６は、足
２１９の角θを変えてレンズ２１８と透明基板１９８と
の距離Ｚを変えることでピント調整ができるようになっ
ている。なお、図１２に示す透明基板１９８と自由曲面
プリズム１８９との間には、物体からの光６０が点Ａに
おいて全反射するように、わずかに空気間隔が設けられ
ている。また、図１３は、本実施形態の変形例として足
付きレンズ２１６と透明基板１９８と固体撮像素子５５
とを組合せてなるシンプルな構成の撮像装置の一例を示
す図である。

【００３０】図１４は、本発明の第８実施形態を示す図
である。本実施形態の光学装置は、観察装置の一例とし
て、デジタルカメラのファインダーを構成している。本
実施形態の光学装置は、図１２、図１３に示す足付きレ
ンズ２１６のレンズ２１８をミラー２１８Ｂでおきかえ
た足付きミラー２１６Ｂを備えた構成となっている。な
お、本実施形態の光学装置は、足付きミラー２１６Ｂの
他に、透明基板１９８とレンズ２１１とからなる板状ユ
ニット１８６と、自由曲面プリズム１８９を備えてい
る。本実施形態の光学装置は、足２１９をスライドさせ
てミラー２１８Ｂと透明基板１９８との距離Ｚを変える
ことで視度調整を行なうことができるようになってい
る。

【００３１】図１２、図１３に示す足付きレンズ２１６
は、可動光学素子の一つである可動レンズの一例として
用いたものである、可動レンズの他の例としては、静電
レンズがある。図１５は、本発明の実施形態に用いる可
動レンズの他の例を示す静電レンズの構成概要図であ
る。静電レンズ２２０は、レンズ２１８、電極２２１，
２２２、ダンパー２２３などを備えた構成となってい
る。この静電レンズ２２０は、電極２２１と電極２２２
との間に電圧を掛けることにより、静電気力でレンズ２
１８と透明基板１９８との間の距離を変えてピント合わ
せ、ズーミング等に用いることができるようになってい
る。なおダンパー２２３は、レンズ２１８を保持し、か
つレンズ２１８が移動するときの衝撃を緩和するように
なっている。なお、レンズ２１８を図１６に示すような
ミラー２２５におきかえて可動ミラー２２６とし、これ
を本発明の実施形態に用いる可動光学素子としてもよ
い。

【００３２】図１６は、本発明の第９実施形態を示す図
である。本実施形態の光学装置２２８は、光学特性可変
光学素子の一つである反射鏡５２、可動光学素子の一つ
である可動ミラー２２６、可動光学素子の一つである可
動レンズの一例である自走レンズ２２７を備えた構成と
なっている。また、光学装置２２８は、その他にシリコ
ン基板１８７と自由曲面プリズム１８９を備えている。
そして光学装置２２８は、反射鏡５２の焦点距離、自走
レンズ２２７、ミラー２２５の位置を変えることによっ
てＺＯＯＭとフォーカスとを行うことができるようにな
っている。なお、本実施形態に用いる自由曲面プリズム
１８９を、赤外光を吸収する材料を用いて赤外カット効
果を持たせるようにしてもよい。自走レンズ２２７は、
図１７に示すように、電極１９３ａ，１９３ｂと、電極
１９３ｂに固定されたレンズ２１８とを備えて構成され
ており、くし状の二つの電極１９３ａ，１９３ｂの間に
電位差を与えて静電気力で電極１９３ｂに固定されたレ
ンズ２１８を動かすことができるようになっている。

【００３３】ところで、近年、デジタルカメラの小型化
が望まれており、特に、薄いカード型のデジタルカメラ
は携帯性に優れ便利である。しかし、図２２に示すよう
な従来の光学系と電気系を組合せた撮像装置では小型化
に限界があった。そこで、本発明では、薄いカード型デ
ジタルカメラ等に用いる撮像装置、光学装置を提供する
こともできるようにしている。

【００３４】図１８は、本発明の第１０実施形態を示す
図である。本実施形態の光学装置は、板状ユニットに光
学ブロックの一つである自由曲面プリズム２３０を組合
せた撮像ユニット２３１を用いてデジタルカメラ２３２
を構成している。デジタルカメラ２３２には、その他
に、例えば液晶ディスプレーなどのディスプレー２０９
が設けられている。そして、本実施形態のデジタルカメ
ラ２３２は、撮像ユニット２３１がデジタルカメラ２３
２の厚さ方向と平行な方向に位置する物体を撮像するこ
とができるようになっている。図１９、図２０は、自由
曲面プリズム２３０の形状を詳しく示した図で、図１９
は自由曲面プリズム２３０を上方からみた図、図２０は
自由曲面プリズム２３０を物体側からみた図である。自
由曲面プリズム２３０は、物体からの光６０を反射面Ｒ
１によって反射し、ＸＹ平面内で、且つ、反射鏡５２に
向かう方向に向きを変え、反射鏡５２により反射された
後に、反射面Ｒ２で反射されて固体撮像素子５５と結像
することができるように形成されている。このように物
体から自由曲面プリズム２３０に入射する入射光６０と
自由曲面プリズム２３０を出射して固体撮像素子５５に
入射する光線ｍとが捩じれの関係になるように自由曲面
プリズム２３０の形を作れば、デジタルカメラ２３２の
厚さを固体撮像素子５５の巾Ｗと同程度に薄型化するこ
とができる。なお、自由曲面プリズム２３０のかわり
に、固体撮像素子５５に入射する光線ｍと物体からの入
射光６０とが捩じれの関係になるように、通常用いるレ
ンズ、プリズム、図２に示す光学ブロック１８９のよう
な自由曲面プリズム等の光学素子を配置して光学系を形
成してもよい。また、自由曲面プリズム２３０の光路中
の面に、赤外光をカットする干渉膜２３３を設けて赤外
光をカットするようにしてもよい。

【００３５】図２１は本発明の第１１実施形態を示す図
である。本実施形態の光学装置は、図１８に示すデジタ
ルカメラとは別の一例で、図２に示す小型のデジタルカ
メラ用撮像ユニット１８０を用いてデジタルカメラ２３
４を構成している。そして、本実施形態のデジタルカメ
ラ２３４は、小型のデジタルカメラ用撮像ユニット１８
０がデジタルカメラ２３４の厚さ方向と直角方向の物体
が撮像できるようになっている。本実施形態のデジタル
カメラ２３４によれば、小型のデジタルカメラ用撮像ユ
ニット１８０が、物体からの入射光６０とデジタルカメ
ラ２３４の厚さ方向とが直交するように配置されている
ので、デジタルカメラ２３４の厚さを薄くすることがで
きる。なお、デジタルカメラの撮像系には、図１８，図
２１に示す撮像ユニットの他に、本発明の板状ユニッ
ト、装置のいづれを用いてもよい。また、本発明の板状
ユニット、装置は、デジタルカメラ以外、例えばＰＤＡ
の光学系、撮像装置に用いてもよい。

【００３６】ところで、近年、電子カメラ、ビデオカメ
ラ等の電子撮像装置が増えてきている。それらは図３３
に示すように、固体撮像素子１にレンズ系２を組み合せ
たものがほとんどであった。しかしながら、上記のもの
は構造が複雑なため、部品点数が多く、組み立ても面倒
で、小型化、コストダウンに限界があった。そこで、本
発明では小型でコストの安い電子撮像装置を提供するこ
ともできるようにしている。

【００３７】上記目的を達成する本発明の光学装置は、
一枚の透明基板の表面に少なくとも撮像素子と光学素子
とを配設し、それ自体で、あるいは別部品を追加するこ
とにより撮像機能を有するようになっている。

【００３８】図２３は、本発明の第１２実施形態を示す
図である。第１２実施形態の光学装置は、ガラス、結
晶、プラスチック等からなる一枚の透明基板３の両面
に、光学素子である自由曲面４、６、回折光学素子（以
下、ＤＯＥという）５を形成し、さらにシリコン薄膜技
術等を用いて固体撮像素子１を形成したものである。こ
れを板状撮像ユニット７と呼ぶ。自由曲面とは、非回転
対称面で構成される面であり、さらに、対称面を一面の
み有するもしくは対称面を有しない曲面である。自由曲
面は、屈折作用、反射作用のいずれにも用いられる。本
実施形態では、図示しない物体からの光７’は自由曲面
４で屈折され、オフアクシス型ＤＯＥ５で偏向、反射さ
れ、自由曲面６で反射し、固体撮像素子１上に結像す
る。自由曲面４、６、ＤＯＥ５で収差の補正がなされて
いるので、固体撮像素子１には通常のレンズ系で結像し
たのと同様の良好な画像が入射する。自由曲面４、６は
モールド等の方法で、またＤＯＥ５はモールドあるいは
リソグラフィ等の方法で、固体撮像素子１と同時に形成
してもよい。固体撮像素子１は透明基板３の上に直接リ
ソグラフィの手法で形成してもよいが、それが難しい場
合には固体撮像素子１を別個に製作しておきあとで透明
基板３と一体化してもよい。あるいは、図示していない
が、板状撮像ユニット７の外部にレンズ等の部品を追加
し、それらと板状撮像ユニット７とで撮像機能を有する
ように構成してもよい。

【００３９】図２４は、本発明の第１３実施形態を示す
図である。第１３実施形態の光学装置は、第１２実施形
態における撮像ユニット７を、ＴＦＴ液晶ディスプレー
８、周辺回路のＩＣ９、マイクロプロセッサ１０と一緒
に透明基板３の上に形成した、携帯情報端末装置用のユ
ニットである。撮像ユニット７にはさらに、メモリ、電
話等の機能をもつＩＣ（ＬＳＩ）を一緒に形成してもよ
い。また、透明基板３には電子撮像装置のファインダー
１１も形成してある。これは、透明基板３上に視野枠を
設けただけの簡単なものでもよいし、図２５に示すよう
に透明基板３の両面に凹レンズ１２、凸レンズ１３を設
け、ガリレオ望遠鏡型のファインダーとしたものなどで
もよい。あるいは、凹レンズ１２、凸レンズ１３の少な
くとも一方を透明基板３の外部に設け、透明基板３上の
レンズと合わせてファインダーとしてもよい。

【００４０】図２６は、本発明の第１４実施形態を示す
図である。第１４実施形態の光学装置は、焦点調整の可
能な板状撮像ユニットである。板状撮像ユニット１４で
焦点調節をおこなう場合、図２３に示したＤＯＥ５、自
由曲面６等の位置を機械的に動かすことは不可能であ
る。そこで、本実施形態の板状撮像ユニット１４では、
焦点距離が可変の光学素子１５を用いている。図２７は
光学素子１５の一例を示し、高分子分散液晶１６を用い
た可変焦点ＤＯＥ１７である。透明基板１８の少なくと
も一方の面に光の波長程度の溝が形成されており、透過
電極１９に電圧を加えると液晶分子２０の方向は図２８
に示すように揃うので、高分子分散液晶１６の屈折率は
下がる。一方、電圧を加えなければ液晶分子２０の方向
はランダムなので高分子分散液晶１６の屈折率は上が
る。したがって、可変焦点ＤＯＥ１７は電圧のＯＮ、Ｏ
ＦＦで焦点距離を切り替えることができる。高分子分散
液晶１６は、液晶分子２０に対する重量比をある程度以
上（たとえば２５％以上）に大きくすればほぼ固体にな
るので、高分子分散液晶１６の右側には基板を設けなく
てもよい。また、図２９に示すように高分子分散液晶１
６の右側の面および透明基板１８の左側の面を曲面２１
にして、レンズ作用、収差補正に用いてもよい。図２７
および図２９に示した例では、ともに、透明基板１８の
右側の面をＤＯＥ面でなくフレネル面としてもよい。こ
のときＤＯＥ１７は可変焦点フレネルレンズとして作用
する。さらに、図５４に示すように、透明基板１８の右
側の面を通常のレンズのような曲面としてもよい。

【００４１】また、上述した透明基板３、１８には赤外
カットフィルタの効果をもたせてもよい。図３０は、本
発明の第１５実施形態を示す図である。第１５実施形態
の光学装置は、反射型の可変焦点フレネルミラー２２を
用いた板状撮像ユニットである。可変焦点フレネルミラ
ー２２は、図３１に示すように反射面２３が設けられて
おり、電圧の可変をスイッチ２４の開閉または可変抵抗
２５でおこなうことによってフレネル面２６の屈折力が
変わるので可変焦点のフレネルミラーとして動作する。
フレネル面２６の代わりにＤＯＥとしてもよい。

【００４２】なお、上記の実施形態における可変焦点Ｄ
ＯＥ１７、フレネルミラー２２は、板状撮像ユニット７
に用いるのみならず、図３２に示すように通常の撮像装
置あるいは厚さの異なる光ディスク用の可変焦点レン
ズ、電子内視鏡、ＴＶカメラ、フィルムカメラ等に用い
てもよい。また、用いる液晶としてはトラン系の液晶た
とえば大日本インキＤＯＮ−６０５：Ｎ−１（日化協月
報１９９７年２月号ｐ．１４〜ｐ．１８）等を用いると
光学的異方性が大きく（Δｎ＝０．２８３；Δｎは光学
的異方性を表し、屈折率楕円体の主軸の長さの差であ
る）、液晶の粘性が低く、高速の焦点距離の切り換えが
できなおよい。次に、電子撮像系のひとつである電子内
視鏡あるいはファイバスコープ、硬性鏡等の内視鏡ある
いは工業用検査装置に用いられるライトガイド用の光源
光学系について述べる。

【００４３】従来技術では図３４に示すように、ライト
ガイド３１の手前に非球面レンズ３２があり、ランプ３
３からの光をライトガイド３１の端面に集めるようにな
っている。ランプ３３はランプ以外の光源たとえば半導
体レーザ等でもよい。ライトガイド３１の入射面の法線
に対して入射光がなす角をθとし、入射光強度をＩとす
ると、θとＩとの関係は図３５に示すようになる。Ｉの
値はθに対してほぼ一定値を保っておりθL のところで
光線がなくなるので０になる。入射光束の立体角を考え
れば入射光エネルギーが最大となるのはθ＝θL の近傍
である。したがってライトガイド３１は入射角θL の光
を伝達できるよう、 ＮＡ ≧ θL ・・・（３） を満たすことが必要であった。しかし、ＮＡを大きくす
るにつれてライトガイドのガラスが黄色に着色し、色再
現の低下、伝送光量の低下を生ずる欠点があった。

【００４４】以下、上記の従来技術の問題点を解決し得
る光源光学系について説明する。第１の例は、図３６に
示すように、ＤＣＣレンズ３４を配設し、ランプ３３か
らの光束のうち中心と周辺とをＤＣＣレンズ３４の側面
３４’での全反射により反転させ、集光レンズ３５に入
射させるものである。なおＤＣＣレンズ３４とは、K.Ko
no et al.:Opt. Rev. 4(1997)423. に説明があるとお
り、両端が円錐形にへこみ側面が光を反射する円筒状の
光学素子であり、入射光を側面３４’にて全反射させる
かあるいは側面に金属膜を付けて反射させ、入射光束の
うち中心の光線ａと周辺の光線ｂとを反転し、集光レン
ズ３５の周辺に光線ａが、集光レンズ３５の中心に光線
ｂが入射するようにする。このようにすると、θとＩと
の関係は図３７に示すように、中心では高く（理論的に
は無限大）周辺では低く（理論的には０）なるので、Ｎ
Ａの小さいライトガイドでも大量の光量を伝送でき、前
述の問題点が解消する。なお、ＤＣＣレンズ３４はガラ
ス、プラスチック、ゴム等の透明物質の成形あるいは研
削で作ることができる。図３６に示した形状のＤＣＣ３
４が加工しにくい場合は、図３８に示すように、二つの
部材３６、３７に分割して作ってもよく、とくに同形の
二つの部材に分割して作れば型が共有できコスト的に有
利である。

【００４５】ＤＣＣレンズの設計例を以下に示す。図３
９に示すように、ＤＣＣレンズ３４の中心厚をｔ、屈折
率をｎ、入射光束高（＝射出光束高）をｈ、ＤＣＣレン
ズの頂角の１／２をα、φを下記式（５）で定義する
と、 ｔ＝｛１−cot α・cot （α＋φ）｝・ｈ／cot （α＋φ） ・・・（４） sin φ＝cos α／ｎ ・・・（５） の関係がある。ここで、ｎ＝１．５３、ｈ＝１２．７m
m、α＝４５°とすると、φ＝２７．５２７°、ｔ＝２
７．６４５mmとなるが、ＤＣＣレンズ３４の直径Ｄを、
やや余裕をみて３０mmとすると、ｔは下記式（６）の
ｔ’ほど大きくする必要がある。

【００４６】 ｔ’＝（Ｄ／２−ｈ）・tan （９０°−α−φ） ・・・（６） したがって、ｔ＝２８．３６９mmとするのがよい。一
方、Ｄを２ｈより大きくしすぎるとコスト的に不利で、 Ｄ≦３ｈ＋５ ・・・（７） を満足させるのがよい。したがってｔは、下記条件
（８）を満たすように決めるのがよい。

【００４７】 ０．６×｛（１−cot α・cot （α＋φ）／cot （α＋φ）｝×ｈ≦ｔ≦ ｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ＋５（Ｄ／２−ｈ） ・cot （α＋φ） ・・・（８） 条件（８）の下限を下回ると光源中心付近の光束のケラ
レが生じ損であり、上限を上回ると光源周辺の光束のケ
ラレが生じ損である。以上のように、ＤＣＣレンズの中
心厚ｔは上記条件（５）、（８）を満たすように決める
とよい。なお、図３８に示したようにＤＣＣレンズ３４
を二つに分割して製作した場合でも、その中心厚ｔとし
て３６と３７のそれぞれの中心厚の和をとれば上記条件
（５）、（７）、（８）を適用できる。また、図４０に
示すようにランプ３３の中心部のフィラメントが原因で
ランプ３３からの射出光束の中心部が黒く抜けてしまう
場合がある。つまり、直径ｄの斜線部の光エネルギーが
ないのである。しかし、この場合もＤＣＣレンズ３４に
よって射出光束の黒い抜けをなくすことができる。

【００４８】第２の例は、図４１に示すように、ＤＣＣ
レンズを二つに分割した一方の部材３８を凸レンズ作用
をもつ曲面としたものである。この場合は集光レンズを
省略できるのでコスト低減ができるメリットがある。部
材３８の断面の凸カーブ３８’の半径をＲ、省略する集
光レンズの焦点距離をｆ、部材３８の屈折率をｎとする
と、 １／ｆ≒（ｎ−１）／Ｒ ・・・（９） を満たすようにＲを決めればよい。本実施形態において
も部材３６、３８を一体とする形状にしてもよい。ま
た、同様にランプ３３からの射出光束が平行光束でない
場合は部材３６の入射面３６’の断面形状を曲面にし
て、部材３６内を通る光束が平行光束になるようにして
もよい。上記の他、部材３６の射出面、部材３８の入射
面をそれぞれ曲面とすることも可能である。

【００４９】以上に説明した光源光学系によれば、ＮＡ
が比較的小さく着色の少ないライトガイドでも大量の光
量を伝送できる。次に、微小レンズを基板上に整列させ
る方法について述ペる。

【００５０】内視鏡などに用いられるライトガイド用の
光源装置において、一般的には図４２に示すように、ラ
イトガイド１０４の端面に凹レンズ１００を配置する光
学系が知られている。また、ライトガイド光学系を大き
くすることなく配光特性を向上させる方法として、従来
技術では図４３に示すように、球状レンズ１０１を基板
１０２上に２次元的にアレイ状に並べた球状レンズアレ
イ１０３をライトガイド１０４の端面に設ける方法が考
えられている。良好な配光特性を得るには、図４４に示
すように、球状レンズ１０１が稠密に並んでいることが
望ましい。しかしここで用いられる球状レンズは数μｍ
程度であり、このような微粒子を稠密に整列させる手段
として重力を利用する方法が考えられるが、直径１μｍ
〜数十μｍ程度の微粒子を重力を用いて２次元的に規則
正しく整列させるのは極めて困難である。また、工業的
に量産を考えると、短時間で比較的面積の大きな基板に
形成させる必要が生ずる。

【００５１】以下、上記の従来技術の問題点を解決し得
る方法について説明する。球状部材を分散させた液体中
に基板を入れ、基板を液体から引き上げる際、境界付近
では液体の表面張力と液体の蒸発に伴う流れが発生し微
粒子が基板上に結晶状に整列する、自己集積現象が知ら
れている（K.Nagayama ed.:"Protein Array -An Altern
ative Biomolecular System", Adv. Biophys.(Tokyo) 3
4(1997),Japan Scientific Soc．Press ）。第１の例
は、微小レンズを基板上に整列させる手段としてこの自
己集積現象を利用するものである。図４５に示すよう
に、微小球状レンズ１０１を分散させた液体１０５の中
に、基板１０２となる部材を浸し、基板１０２を垂直ま
たは水平に引き上げ液体を蒸発させることによって、微
小球状レンズ１０１を基板１０２上に稠密に整列させ、
球状レンズアレイを製作することができる。

【００５２】第２の例は、図４６に示すように、基板１
０２上に球状レンズ１０１を分布させ、基板１０２を振
動させることにより、球状レンズ１０１を基板１０２に
整列させることができる。

【００５３】以上に説明した方法により整列させた球状
レンズを接着剤等で固定すれば、規則正しく並んだ球状
レンズアレイを容易に製作できる。特に、比較的広い面
積の基板でも容易に製作でき工業的にもメリットがあ
る。

【００５４】また、図４７に示すように球状レンズアレ
イ１０３を２層にすると、さらに配光特性が向上する。
図４８は、光源装置の配光特性すなわち射出光の角度θ
に対する強度Ｉの分布を示す。実線はライトガイド１０
４の端面に凹レンズを配置した場合、破線は上記第１、
第２の例の単層レンズアレイを配置した場合、一点鎖線
は図４７に示した２層レンズアレイを配置した場合を示
し、２層レンズアレイを配置した場合は配光特性が向上
している。

【００５５】また、本手法で製作された球状レンズアレ
イは、図４９に示すように、液晶表示素子のバックライ
トの集光にも適用できる。本図において、バックライト
１０９からの光束は球状レンズアレイ１０３を透過し液
晶表示素子１１０を照明する。これによってバックライ
ト１０９からの光を効率よく集光でき、明るい液晶表示
素子を実現できる。

【００５６】さらに、図５０に示すように、ＣＣＤなど
の撮像素子１１１の直前に本手法で製作した球状レンズ
アレイ１０３を設けることによって、撮像素子の開口効
率が大幅に向上する。

【００５７】なお、基板上に整列した微小粒子を固定す
る方法としては、図５１に示すように、接着剤１１３の
使用が考えられるが、粘性の高い接着剤を使用すると整
列した粒子の配列が乱れるおそれがある。また、接着剤
自体の化学的変化により、透過率が低下するおそれがあ
る。特に医療用内視鏡の場合、高温での滅菌作業が不可
欠なので接着剤を用いない方法が望ましい。そこで、図
５２に示すように、もう１枚の基材１１２を用いて挟
み、両端を封止する方法が考えられる。さらに、図５３
に示すように、基板または球状レンズを加熱することに
より溶かし、互いに固定させることもできる。

【００５８】以上に説明した方法によれば、微小な球状
レンズを基板上に容易に稠密に並べることができ、内視
鏡先端部の小型化、液晶表示素子の明るいバックライ
ト、固体撮像素子の集光効率の向上等を実現することが
できる。

【００５９】以上説明したように、本発明による光学装
置、撮像装置、表示装置、結像装置等は、以下の付記に
示す特徴を備えていることが好ましい。付記

【００６０】１．一枚の基板に少なくとも光学素子、シ
ャッター、絞り、表示素子のうちの一つ以上と撮像素子
と、を配設した光学装置。

【００６１】２．一枚の基板に光学素子、シャッター、
絞り、表示素子、撮像素子等のうちの二つ以上を配設し
た光学装置。

【００６２】３．一枚の基板に光学素子、シャッター、
絞り等のうちの二つ以上を配設した光学装置。

【００６３】４．一枚の基板に、少なくとも撮像素子、
光学素子、シャッター、絞り、のうちの一つ以上と表示
素子と、を配設した光学装置。

【００６４】５．前記光学素子が、光学特性可変光学素
子であることを特徴とする付記項１ないし付記項４のい
づれかに記載の光学装置。

【００６５】６．前記光学特性可変光学素子が、可変焦
点光学素子であることを特徴とする付記項５に記載の光
学装置。

【００６６】７．前記光学特性可変光学素子が、可変焦
点ミラーであることを特徴とする付記項５に記載の光学
装置。

【００６７】８．前記光学素子が、可動光学素子である
ことを特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに
記載の光学装置。

【００６８】９．前記光学素子が、薄膜レンズ技術を用
いて作られたことを特徴とする付記項１ないし付記項４
のいづれかに記載の光学装置。

【００６９】１０．前記光学素子が、ミラーであること
を特徴とする付記項１ないし付記項４のいづれかに記載
の光学装置。

【００７０】１１．前記光学素子が、赤外光カット機能
を有することを特徴とする付記項１ないし付記項４のい
づれかに記載の光学装置。

【００７１】１２．シリコン基板上に形成したことを特
徴とする付記項１ないし付記項１１のいづれかに記載の
光学装置。

【００７２】１３．前記基板が透明であることを特徴と
する付記項１ないし付記項１１のいづれかに記載の光学
装置。

【００７３】１４．前記基板が赤外光除去機能を有する
ことを特徴とする付記項１３に記載の光学装置。

【００７４】１５．前記基板の少なくとも一部が不透明
であることを特徴とする付記項１ないし付記項１４のい
づれかに記載の光学装置。

【００７５】１６．前記光学装置を製作するのにリソグ
ラフィープロセスを用いる付記項１ないし付記項１５の
いづれかに記載の光学装置。

【００７６】１７．各種ＩＣまたはＬＳＩを含む付記項
１ないし付記項１６のいづれかに記載の光学装置。

【００７７】１８．光学ブロックと前記光学装置とを備
えた付記項１ないし付記項１７のいづれかに記載の装
置。

【００７８】１９．光学素子と光学ブロックと前記光学
装置とを備えた付記項１ないし付記項１８のいづれかに
記載の装置。

【００７９】２０．前記光学ブロックが赤外光カット機
能を有する付記項１８または付記項１９に記載の装置。

【００８０】２１．付記項１ないし付記項１１、付記項
１７のいづれかに記載の光学装置と付記項１３ないし付
記項１５のいづれかに記載の透明な光学装置を組み合わ
せた装置。

【００８１】２２．光学素子、シャッター、絞り、表示
素子、撮像素子の一つ以上と光学ブロックとを備えた光
学装置。

【００８２】２３．光学素子、シャッター、絞り、表示
素子、撮像素子の二つ以上と光学ブロックとを備えた光
学装置。

【００８３】２４．光学ブロックの複数の面に対向して
光学素子、シャッター、絞り、表示素子、撮像素子のう
ちの二つ以上を配置した光学装置。

【００８４】２５．光学特性可変光学素子または可動光
学素子を少なくとも一つ含み、ＺＯＯＭを行う付記項１
ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または付
記項１８ないし付記項２１のいづれかに記載の装置を含
む光学装置。

【００８５】２６．付記項１ないし付記項２５のいづれ
かに記載の装置を備えた撮像装置。

【００８６】２７．付記項１ないし付記項２５のいづれ
かに記載の装置を備えた結像装置。

【００８７】２８．撮像または観察方向と、撮像素子ま
たは眼に入射する光線とが捩じれの関係にある光学装置
を用いた撮像装置。

【００８８】２９．撮像または観察方向と、撮像素子ま
たは眼に入射する光線とが捩じれの関係にある、付記項
１ないし付記項１７のいづれかに記載の光学装置または
付記項１８ないし付記項２５のいづれかに記載の装置を
含む光学装置。

【００８９】３０．付記項１ないし付記項１７のいづれ
かに記載の光学装置または付記項１８ないし付記項２５
のいづれかに記載の装置を含む、請求項２に記載の光学
装置。

【００９０】３１．撮像または観察方向が厚さ方向とほ
ぼ直角であることを特徴とする付記項１ないし付記項１
７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし
付記項２５のいづれかに記載の装置または付記項３０に
記載の光学装置を含む撮像装置。

【００９１】３２．撮像または観察方向が厚さ方向とほ
ぼ平行であることを特徴とする付記項１ないし付記項１
７のいづれかに記載の光学装置または付記項１８ないし
付記項２５、請求項１、請求項２のいづれかに記載の装
置を含む撮像装置。

【００９２】３３．請求項３に記載の足つき光学素子。

【００９３】３４．請求項３に記載の静電光学素子。

【００９４】３５．請求項３に記載の自走光学素子。

【００９５】３６．フォーカスまたはズームを行う請求
項３に記載の可動光学素子を備えた光学装置。

【００９６】３７．静電気力又は電磁力によって駆動さ
れるリソグラフィープロセスを含む加工法で製作された
絞り。

【００９７】３８．静電気力又は電磁力によって駆動さ
れるリソグラフィープロセスを含む加工法で製作された
シャッター。

【００９８】３９．静電気力又は電磁力によって駆動さ
れるリソグラフィープロセスを含む加工法で製作された
絞りと兼用のシャッター。

【００９９】４０．固体撮像素子の素子シャッター機能
を用いる撮像装置。

【０１００】４１．透過率可変素子を備えた付記項４０
に記載の撮像装置。

【０１０１】４２．請求項１ないし請求項３、付記項１
ないし付記項３７、付記項４０に記載の撮像装置。

【０１０２】４３．基板が不透明である。（遮光効果が
あり、フレア、ゴーストを抑制できる。）

【０１０３】４４．基板が、光路上は透明であり、光路
外の少なくとも一部に遮光手段を設けている。（基板を
介して光学系を構成できるため薄型化できる。且つフレ
ア、ゴーストを抑えられる。）

【０１０４】４５．基板の一方の面に光学素子と撮像素
子を並列させて配置した。

【０１０５】４６．基板の一方の面に光学素子と表示素
子を並列させて配置した。

【０１０６】４７．基板の一方の面に複数の光学手段を
並列させて配置した。（光学系、装置全体を薄型化でき
る。）

【０１０７】４８．基板が透明であり、一部に内面反射
面を有する。（基板中で光路を折り返せるので、光学系
全体の薄型化がはかれる。）

【０１０８】４９．光学素子と撮像素子とが互いに偏心
している。

【０１０９】５０．基板が透明のほぼ平行平面板であ
り、且つ面の一部が曲面にて構成された光学面である。

【０１１０】５１．主光線または光軸が屈曲している。

【０１１１】５２．一枚の基板上に光学素子、シャッタ
ー、絞り、表示素子、撮像素子のうち複数を非共軸に配
置した光学装置。

【０１１２】５３．一枚の基板上に光学素子、シャッタ
ー、絞り、表示素子の少なくともいづれかの素子と、前
記素子とは非共軸の撮像素子とを配置した光学装置。

【０１１３】５４．光学特性可変光学素子を基板上に配
すると共に、上記基板上に更に、表示素子、撮像素子、
他の光学素子のうち何れかを配置した光学装置。

【０１１４】５５．可動光学素子を基板上に配すると共
に、上記基板上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学
素子のうち何れかを配置した光学装置。

【０１１５】５６．反射面を有する基板上に更に、表示
素子、撮像素子、他の光学素子のうち何れかを配置した
光学装置。

【０１１６】５７．赤外カットフィルターを有する基板
上に更に、表示素子、撮像素子、他の光学素子のうち何
れかを配置した光学装置。

【０１１７】５８．一枚の透明基板の表面に少なくとも
撮像素子と光学素子とを配設し、撮像機能を有すること
を特徴とする板状撮像ユニット。

【０１１８】５９．一枚の透明基板の表面に、撮像素子
と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面の
うちの一つ以上とを配設し、撮像機能を有することを特
徴とする板状撮像ユニット。

【０１１９】６０．一枚の透明基板の表面に、ファイン
ダーと撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レン
ズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設し、撮像機能を
有することを特徴とする板状撮像ユニット。

【０１２０】６１．一枚の透明基板の表面に、撮像素子
と表示装置と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと
自由曲面とファインダーのうち一つ以上とを配設し、撮
像機能を有することを特徴とする板状撮像ユニット。

【０１２１】６２．製作段階でリソグラフィープロセス
を用いることを特徴とする、付記項５８ないし付記項６
１のいづれかに記載の板状撮像ユニット。

【０１２２】６３．可変焦点光学素子を備えたことを特
徴とする、付記項５８ないし付記項６２のいづれかに記
載の板状撮像ユニット。

【０１２３】６４．前記透明基板が赤外カットフィルタ
効果を有することを特徴とする、付記項５８ないし付記
項６３のいづれかに記載の板状撮像ユニット。

【０１２４】６５．付記項５８ないし付記項６４のいづ
れかに記載の板状撮像ユニットを備えた撮像装置。

【０１２５】６６．付記項５８ないし付記項６４のいづ
れかに記載の板状撮像ユニットを備えた携帯情報端末装
置。

【０１２６】６７．一枚の透明基板とその表面に形成さ
れた高分子分散液晶とからなることを特徴とする可変屈
折力光学素子。

【０１２７】６８．一枚の透明基板とその表面に形成さ
れた高分子分散液晶とからなることを特徴とする可変焦
点光学素子。

【０１２８】６９．一枚の透明基板とその表面に形成さ
れた高分子分散液晶とからなることを特徴とする可変焦
点回折光学素子。

【０１２９】７０．液晶に対する高分子の重量比を２５
％以上にしたことを特徴とする、付記項６７ないし付記
項６９のいづれかに記載の光学素子。

【０１３０】７１．前記透明基板が赤外カットフィルタ
効果を有することを特徴とする、付記項６７ないし付記
項７０のいづれかに記載の光学素子。

【０１３１】７２．付記項６７ないし付記項７１に記載
の光学素子を備えた撮像装置。

【０１３２】７３．光線が透過する少なくとも一面が凹
曲面で、側面が光線を反射する光学素子を少なくとも一
つ備えたことを特徴とするライトガイド用光源光学系。

【０１３３】７４．一面が光線が透過する凹曲面で、側
面が光線を反射する同形の光学素子二つを備えたことを
特徴とするライトガイド用光源光学系。

【０１３４】７５．両端が光線が透過する凹曲面で、側
面が光線を反射する光学素子を備えたことを特徴とする
ライトガイド用光源光学系。

【０１３５】７６．下記条件（５）、（８）を満たすこ
とを特徴とする、付記項７３ないし付記項７５のいづれ
かに記載のライトガイド用光源光学系。 sin φ＝coS α／ｎ ・・・（５） ０．６×｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ≦ｔ≦ ｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ＋５（Ｄ／２−ｈ） ・cot （α＋φ） ・・・（８） ただし、φは式（５）で定義される角、αはＤＣＣレン
ズの頂角の１／２、ｎはＤＣＣレンズの屈折率、ｈは入
射光束高、ｔはＤＣＣレンズの中心厚、ＤはＤＣＣレン
ズの直径である。

【０１３６】７７．下記条件（５）、（７）、（８）を
満たすことを特徴とする、付記項７３ないし付記項７５
のいづれかに記載のライトガイド用光源光学系。 sin φ＝cos α／ｎ ・・・（５） Ｄ≦３ｈ＋５ ・・・（７） ０．６×｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ≦ｔ≦ ｛（１−cot α・cot （α＋φ））／cot （α＋φ）｝×ｈ＋５（Ｄ／２−ｈ） ・cot （α＋φ） ・・・（８） ただし、φは式（５）で定義される角、αはＤＣＣレン
ズの頂角の１／２、ｎはＤＣＣレンズの屈折率、ｈは入
射光束高、ｔはＤＣＣレンズの中心厚、ＤはＤＣＣレン
ズの直径である。

【０１３７】７８．光線射出面の断面形状が下記条件
（９）を満たすことを特徴とする、付記項７３ないし付
記項７５のいづれかに記載のライトガイド用光源光学
系。 １／ｆ≒（ｎ−１）／Ｒ ・・・（９） ただし、ＲはＤＣＣレンズを二つに分割した部材のうち
凸レンズ作用をもつ曲面とした一方の部材の断面の凸カ
ーブの半径をＲ、ｎは該部材の屈折率、ｆはこれにより
省略できる集光レンズの焦点距離である。

【０１３８】７９．付記項７３ないし付記項７８のいづ
れかに記載の光学系を備えた光源装置。

【０１３９】８０．基板上に球状レンズを稠密に整列さ
せる手段として自己集積現象を用いた球状レンズアレイ
の製作方法。

【０１４０】８１．基板上に球状レンズを稠密に整列さ
せる手段として基板または球状レンズを振動させる球状
レンズアレイの製作方法。

【０１４１】８２．球状レンズがガラスであることを特
徴とする、付記項８０または付記項８１に記載の方法。

【０１４２】８３．球状レンズが樹脂であることを特徴
とする、付記項８０または付記項８１に記載の方法。

【０１４３】８４．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって製作したレンズアレイを備えた照明光学
系。

【０１４４】８５．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって製作したレンズアレイを備えた内視鏡用
照明光学系。

【０１４５】８６．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって製作したレンズアレイを備えた顕微鏡用
照明光学系。

【０１４６】８７．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって製作したレンズアレイを備えた液晶表示
素子のバックライト照明光学系。

【０１４７】８８．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって製作したレンズアレイを備えた撮像素
子。

【０１４８】８９．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって製作した球状レンズの基板への固定手段
として、接着剤を用いて固定する方法。

【０１４９】９０．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって製作した球状レンズの基板への固定手段
として、別の基板を用いて前記球状レンズを挟むことに
より固定する方法。

【０１５０】９１．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって製作した球状レンズの基板への固定手段
として、前記球状レンズまたは前記基板を加熱すること
により固定する方法。

【０１５１】９２．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって製作した球状レンズアレイ。

【０１５２】９３．付記項８０または付記項８１に記載
の方法によって球状レンズアレイを製造する製造装置。

【０１５３】９４．一枚の透明基板の表面に少なくとも
撮像素子と光学素子とを配設した板状撮像ユニット。

【０１５４】９５．一枚の透明基板の表面に、撮像素子
と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと自由曲面の
うちの一つ以上とを配設した板状撮像ユニット。

【０１５５】９６．一枚の透明基板の表面に、ファイン
ダーと撮像素子と、少なくとも回折光学素子と曲面レン
ズと自由曲面のうちの一つ以上とを配設した板状撮像ユ
ニット。

【０１５６】９７．一枚の透明基板の表面に、撮像素子
と表示装置と、少なくとも回折光学素子と曲面レンズと
自由曲面とファインダーのうちの一つ以上とを配設した
板状撮像ユニット。

【０１５７】９８．制作段階でリソグラフィープロセス
を用いることを特徴とする、付記項９４ないし付記項９
７のいづれかに記載の板状撮像ユニット。

【０１５８】９９．可変焦点光学素子を備えたことを特
徴とする、付記項９４ないし付記項９８のいづれかに記
載の板状撮像ユニット。

【０１５９】１００．前記透明基板が赤外カットフィル
タ効果を有することを特徴とする、付記項９４ないし付
記項９９のいづれかに記載の板状撮像ユニット。

【０１６０】１０１．付記項９４ないし付記項１００の
いづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた撮像装置。

【０１６１】１０２．付記項９４ないし付記項１００の
いづれかに記載の板状撮像ユニットを備えた携帯情報端
末装置。

【０１６２】

【発明の効果】以上に示したように、本発明によれば、
小型でコストの安い撮像装置、観察装置等の光学装置あ
るいはそれらに用いられるユニット等の部品を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態を示す図である。

【図２】 本発明の第２実施形態を示す図である。

【図３】 図２の光学装置を上方から見たマイクロシャ
ッター付近の拡大図である。

【図４】 本発明の第２実施形態に用いる絞りの変形例
を示す図である。

【図５】 本発明の第２実施形態の変形例として、光学
特性可変光学素子の一つである可変焦点ミラーの別の一
例である液晶可変焦点レンズをミラーの前面に配置した
液晶可変ミラーを用いた撮像装置の一例を示す図であ
る。

【図６】 本発明の第３実施形態を示す図である。

【図７】 本発明の第３実施形態の撮像装置に用いるロ
ーパスフィルターの斜視図で、捩じれ関係にある二つの
平面よりなる瞳分割型のローパスフィルターを示す。

【図８】 本発明の第４実施形態を示す図である。

【図９】 本発明の第５実施形態を示す図である。

【図１０】 本発明の第６実施形態を示す図である。

【図１１】 本発明の第６実施形態の変形例を示す図で
ある。

【図１２】 本発明の第７実施形態を示す図である。

【図１３】 本発明の第７実施形態の変形例として足付
きレンズと透明基板と固体撮像素子とを組合せてなるシ
ンプルな構成の撮像装置の一例を示す図である。

【図１４】 本発明の第８実施形態を示す図である。

【図１５】 本発明の実施形態に用いる可動レンズの他
の例として静電レンズを示す図である。

【図１６】 本発明の第９実施形態を示す図である。

【図１７】 本発明の第９実施形態に用いる自走レンズ
の構成概要図である。

【図１８】 本発明の第１０実施形態を示す図である。

【図１９】 本発明の第１０実施形態に用いる自由曲面
プリズムを上方からみた図である。

【図２０】 本発明の第１０実施形態に用いる自由曲面
プリズムを物体側からみた図である。

【図２１】 本発明の第１１実施形態を示す図である。

【図２２】 デジタルカメラの従来例を示す図である。

【図２３】 本発明の第１２実施形態を示す図である。

【図２４】 本発明の第１３実施形態を示す図である。

【図２５】 本発明の第１３実施形態のファインダ部の
断面図である。

【図２６】 本発明の第１４実施形態を示す図である。

【図２７】 本発明の第１４実施形態に用いる光学素子
を示す図である。

【図２８】 電圧を加えたときの液晶分子の状態を示す
図である。

【図２９】 光学素子の変形例を示す図である。

【図３０】 本発明の第１５実施形態を示す図である。

【図３１】 本発明の第１５実施形態に用いる可変焦点
フレネルミラーを示す図である。

【図３２】 可変焦点ＤＯＥの応用例を示す図である。

【図３３】 撮像装置の従来例を示す図である。

【図３４】 ライトガイド用の光源光学系の従来例を示
す図である。

【図３５】 従来例において入射角と入射光強度との関
係を示す図である。

【図３６】 光源光学系の第１の例を示す図である。

【図３７】 第１の例において入射角と入射光強度との
関係を示す図である。

【図３８】 ＤＣＣレンズの変形例を示す図である。

【図３９】 ＤＣＣレンズの設計例を説明するための図
である。

【図４０】 ＤＣＣレンズの効果を示す図である。

【図４１】 光源光学系の第２の例を示す図である。

【図４２】 ライトガイドの先端部の従来例を示す図で
ある。

【図４３】 ライトガイドの先端部に球状レンズアレイ
を設けた例を示す図である。

【図４４】 球状レンズが稠密に並んだ状態を示す図で
ある。

【図４５】 微小レンズを基板上に整列させる方法の第
１の例を示す図である。

【図４６】 微小レンズを基板上に整列させる方法の第
２の例を示す図である。

【図４７】 球状レンズアレイを２層にした例を示す図
である。

【図４８】 各種の光源装置の配光特性を比較する図で
ある。

【図４９】 球状レンズアレイの応用例を示す図であ
る。

【図５０】 球状レンズアレイの別の応用例を示す図で
ある。

【図５１】 基板上に整列した微小粒子を固定する方法
を示す図である。

【図５２】 基板上に整列した微小粒子を固定する別の
方法を示す図である。

【図５３】 基板上に整列した微小粒子を固定するさら
に別の方法を示す図である。

【図５４】 本発明の第３実施形態に用いる光学素子の
別の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１ 固体撮像素子 ２ レンズ系 ３、１８、１９８ 透明基板 ４、６ 自由曲面 ５ 回折光学素子（ＤＯＥ） ７、１４ 板状撮像ユニット ７’ 光 ８ ＴＦＴ液晶ディスプレー ９、２０３ ＩＣ １０ マイクロプロセッサ １１ ファインダ １２、１００ 凹レンズ １３ 凸レンズ １５ 光学素子 １６ 高分子分散液晶 １７ 可変焦点ＤＯＥ １９ 透過電極 ２０ 液晶分子 ２１ 曲面 ２２ 可変焦点フレネルミラー ２３ 反射面 ２４、５８ スイッチ ２５ 可変抵抗 ２６ フレネル面 ３１、１０４ ライトガイド ３２ 非球面レンズ ３３ ランプ ３４ ＤＣＣレンズ ３４’ 側面 ３５ 集光レンズ ａ、ｂ 光線 ３６、３７、３８ 部材 ３６’ 入射面 ３８’ 凸カーブ ５２ 可変焦点ミラー ５３ 薄膜 ５４、１９３、１９３ａ、１９３ｂ、２１９ｂ、２２
１、２２２、２５６電極 ５５ 固体撮像素子，ＣＣＤ ５６、１０２、２４０ 基板 ５７、１９６ 電源 ５９ 可変抵抗器 ６０ 物体からの光 １０１ 球状レンズ １０３ 球状レンズアレイ １０５ 液体 １０９ バックライト １１０ 液晶表示素子 １１１ 撮像素子 １１２ 基材 １１３ 接着剤 １７０、２３２、２３４ デジタルカメラ １７１、１８１、１８２、１８３、２００、２００ｂ、
２０８、２１０、２１１、２１２、２１８ レンズ １７３、１９７ 絞り １７４ シャッター １７５ レンズフォーカシング用ソレノイド １８０ 電子撮像ユニット １８４ プリズム １８５、１９０、２１８Ｂ、２２５ ミラー １８６、２４３、２４４、２４５ 板状ユニット １８７ シリコン基板 １８８ マイクロシャッター １８９、２３０ 自由曲面プリズム １９１ 固定電極 １９２ 遮光板 １９９ 反射型ＬＣＤ ２０１ ローパスフィルター ２０２ 透明な板状ユニット ２０４、２０７、２１７、２２８、２４６、２５３
撮像装置 ２０５ 曲面状の樹脂薄膜 ２０９ ディスプレー ２１４ 斜線部 ２１６ 足付きレンズ ２１６Ｂ 足付きミラー ２１９、２４７、２４８ 足 ２２０ 静電レンズ ２２３ ダンパー ２２６ 可動ミラー ２２７ 自走レンズ ２３１ 撮像ユニット ２３３ 干渉膜 ２４１ 低品質のシリコン等からなる基板 ２４２ 高品質のシリコンからなる基板 ２４９ 液晶シャッター ２５２ 液晶可変ミラー ２５４ 透明電極 ２５５ フレネルレンズ状の基板 ２５７ ツイストネマチック液晶

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像または観察方向と、撮像素子または
   眼に入射する光線とが捩じれの関係にある光学装置。
2. 【請求項２】 自由曲面プリズムに入射する光線と、自
   由曲面プリズムを出射する光線とが捩じれの関係にある
   自由曲面プリズムを備えた光学装置。
3. 【請求項３】 製作プロセスにリソグラフィープロセス
   を含む、光学素子とアクチュエーターとからなる可動光
   学素子。