JP2000081562A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学特性可変光学素子を備え、光学素子の
光学特性を変化させた時の収差やフレアーの変動を補正
する。 【解決手段】 電子回路のＭＴＦ特性を変化させるか
画像処理方法を変化させて収差やフレアーの変動を補正
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は可変焦点レンズ、可
変焦点回折光学素子、可変偏角プリズム、可変焦点ミラ
ー等の光学特性可変光学素子を備えた撮像装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の可変焦点レンズは、ガラスを研磨
して製造したレンズを用い、レンズ自体で焦点距離を変
化させることができないために、例えばカメラのズーム
レンズのように、レンズ群の一部を光軸方向に移動させ
て焦点距離を変化させるために、機械的構造が複雑であ
る。

【０００３】このような欠点を除去するためには、レン
ズ自体の焦点距離を変化させる必要があり、例えば図３
６に示すように偏光板１５１と液晶レンズ１５２を用い
た光学系が提案されている。この光学系で用いる液晶レ
ンズ１５２は、レンズ１５３ａと１５３ｂと、これらレ
ンズ１５３ａ、１５３ｂの間に透明電極１５４ａと１５
４ｂを介して設けた液晶層１５５とを有している。この
液晶レンズ１５２の透明電極１５４ａ、１５４ｂ間にス
イッチ１５６を介して交流電源１５７を接続し、液晶層
１５５に選択的に電界を印加することにより、液晶層の
屈折率を変化させるように構成されている。

【０００４】この図３６に示すような偏光板１５１を液
晶レンズ１５２とにより構成された光学系は、光学系に
例えば自然光を入射させると、その所定の直線偏光成分
のみが偏光板１５１を透過し、液晶レンズに入射する。

【０００５】ここで図３６に示すように、スイッチ１５
６がオフで液晶レンズ１５２の液晶層１５５に電界が印
加されない状態では、液晶分子１５５ａはその長軸が入
射する直線偏光と同じ方向に向くため、液晶層１５５の
屈折率が高くなり、液晶レンズ１５２の焦点距離が短く
なる。

【０００６】これに対し、図３７に示すように、スイッ
チ１５６がオンであって、液晶層１５５に電界が印加さ
れた状態では、液晶分子１５５ａは、その長軸方向が光
軸と平行になるので液晶層１５５の屈折率が低くなり、
液晶レンズ１５２の焦点距離は長くなる。

【０００７】このように、図３６，３７に示す光学系
は、液晶レンズ１５２に選択的に電界を印加することに
より、その焦点距離が変化する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図３６，３７に示す液
晶レンズを用いた光学系は、液晶レンズ１５２の前方に
偏光板１５１を配置して、所定の直線偏光成分のみを液
晶レンズ１５２に入射させる必要があり、そのために偏
光板１５１を透過して液晶レンズ１５２に入射する光が
減少し、光の利用効率が減少するという欠点がある。

【０００９】又、このように利用効率が低いために、こ
の光学系を適用し得る製品が限定され、汎用性に欠ける
という欠点もある。更に焦点距離を変化させるのに時間
を要するという欠点もある。

【００１０】又以上述べた液晶レンズ等の光学特性可変
光学素子は、その光学特性例えば焦点距離を変化させた
とき、収差が変動したりフレアーが増大する等の欠点が
ある。

【００１１】本発明は、光学特性可変光学素子を備えた
撮像装置で、光学特性を変化させた時の収差やフレアー
の変動を補正するようにした撮像装置を提供するもので
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の撮像装置は、光
学特性可変光学素子を有するもので、その光学特性可変
光学素子の光学特性を変化させた時の収差変動等を電子
回路のＭＴＦ特性を変化させるか、画像処理方法を変化
させることにより補正するようにしたことを特徴とす
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】次の本発明の光学特性可変光学素
子の実施の形態について述べる。

【００１４】本発明の光学特性可変光学素子の第１の実
施の形態についてその光学素子として可変焦点レンズを
例として述べると、例えば図１に示す通りの構成であ
る。図１において１は屈折率の異方性が負の液晶、２は
配向膜、３は透明電極で透明基板４、５に設けられてい
る。

【００１５】このような構成の光学素子において、屈折
率の異方性が負の液晶１は、屈折率楕円体が図２に示す
ような形状をし、次の式（１）にて示す関係を有するこ
とを特徴としている。

【００１６】 ｎ_e＜ｎ_ox， ｎ_e＜ｎ_oy （１） ここでｎ_eは異常光線の屈折率、ｎ_oxはｘ方向偏光の屈
折率、ｎ_oyはｙ方向偏光の屈折率である。

【００１７】又、上記液晶１は、下記式（２）を満足す
る。 ｎ_ox＝ｎ_oy≡ｎ_o （２） ただしｎ_oは常光線の屈折率である。

【００１８】このような屈折率の異方性が負の液晶より
なる可変焦点光学素子は、電圧が印加されない場合、液
晶１の分子のｚ方向が光軸の方向つまりＺ方向を向くよ
うに配向膜３が形成されている。

【００１９】このとき入射光に対する液晶の屈折率はｎ
_oであって、光学素子は凸レンズとして作用する。

【００２０】次に図１においてスイッチ９をオンにする
と液晶分子１０の方向は図３に示すように向くため入射
光に対する屈折率は、下記式（３）のようになり低下す
る。 ｎ＝（ｎ_e＋ｎ_o）／２ （３）

【００２１】このような屈折力の低下により、素子は凸
レンズとしての屈折力が弱くなり焦点距離が大になって
可変焦点レンズとして作用する。又可変抵抗１３を変化
させることにより、屈折率の変化は連続的になり、した
がって光学素子の焦点距離は連続的に変化させ得る。

【００２２】ここで、配向膜２は液晶分子１０を垂直配
向するように作られており、液晶分子１０の方位角Ａ
は、図４に示すようにｘ，ｙ平面内でランダムになる。

【００２３】したがって、どのような偏光の光が光学素
子に入射しても同一の焦点距離を有する可変焦点レンズ
として作用する。

【００２４】なお、液晶１はもともと図１に示すような
ホメオトロピック配向を有する性質を有しており、その
ため配向膜２は用いなくともよい。

【００２５】また、液晶分子１０の配向を変えるために
電圧の変化に代えて電場の周波数、磁場、温度等を変化
させてもよい。

【００２６】又、液晶分子１０が図５に示すように規則
的にほぼ直交する配向にしても図４に示す場合と同様な
効果が得られる。この時の液晶分子１０の配列の周期Ｓ
は、下記式（４）のように使用する光の波長λに比べて
小さい方が光の散乱が少なくフレアーが減るため好まし
い。 ０．５ｎｍ＜Ｓ＜λ （４）

【００２７】ここで波長λは可視光の場合３５０ｎｍ〜
７００ｎｍである。つまり可視光の場合式（４）は下記
の通りである。 ０．５ｎｍ＜Ｓ＜７００ｎｍ

【００２８】又、近赤外光の場合は、波長λは６５０ｎ
ｍ〜１２００ｎｍであり、したがって式（４）は下記の
ように表わすことができる。０．５ｎｍ＜Ｓ＜１２００
ｎｍ

【００２９】図５に示すように液晶分子１０を配向させ
るためには、図６に示すようなピッチＳの細かい溝１１
を規則的に設ければよい。この溝１１の深さは０．１ｎ
ｍ〜 数十ｎｍで、例えば、日本光学会発行の菊田・
岩田共著、「波長より細かな格子構造による光制御光
学」２７巻１号１２頁〜１７頁（１９９８）に記載され
ているような、描画露光とエッチングにより作ることが
できる。又、エッチング等により溝を形成した型を作
り、この型を用いてプラスチックに転写してもよい。

【００３０】図６に示すパターンの代わりに、図７に示
すような格子パターンの凹凸１２等を用いてもよく、
ｘ，ｙ平面内で見た時の液晶分子１０の方位が平均して
いればよい。つまり液晶１の屈折率が方位により異なら
なければよい。

【００３１】このパターンは、配向膜３ではなく、透明
基板５又は６の表面に形成してもよい。この場合、配向
膜３は省略し得ることもある。又微細な溝１１はへこみ
でなく逆に出っ張っていてもよい。

【００３２】このように、ｘｙ平面内での液晶分子１０
の方位を平均化して偏光によらず、ぼけない液晶レンズ
は、液晶が屈折率の異方性が負の場合のみでなく、下記
式（５）に示すような正のネマチック液晶を用いても、
図１と同様の構成の本発明の光学特性光学素子が実現で
きる。 ｎ_e＞ｎ_o （５）

【００３３】又、高分子分散液晶、カイラルスメクチッ
ク液晶、カイラルコレステリック液晶、強誘電性液晶、
反誘電性液晶、強誘電体等の電気光学効果、磁気光学効
果をもつ物質も本発明に適用できる。

【００３４】上記の各物質は、本発明の前記実施の形態
の他、後に詳細に述べる実施の形態にも適用できる。

【００３５】図８、図９は、本発明の他の第２の実施の
形態を示す図で、光軸方向及びそれと直交する方向に電
場を加えることにより液晶１４の配向変化を高速にした
液晶レンズの例である。

【００３６】これら図における、液晶１４は図１に示す
液晶と同様屈折率異方性が負の液晶である。又この実施
の形態は、電場を印加する部材として、図１等に示すよ
うな電極とこれに接続する交流電源８、スイッチ９、可
変抵抗１３よりなる部材のほかに光軸６を挟んで相対し
て配置した電極１９とこれに接続する交流電源１８、ス
イッチ１６、可変抵抗１７よりなる他の電場を印加する
部材を備えた構成の光学特性可変光学素子（可変焦点レ
ンズ）である。

【００３７】この可変焦点レンズつまり、液晶レンズに
おいて、図８はスイッチ９がオンでスイッチ１６がオフ
の状態を示してある。

【００３８】この液晶レンズ１５の焦点距離を変化させ
るためには、図９に示すようにスイッチ９をオフにし、
これとほぼ同時にスイッチ１６をオンにする。これによ
り電極１９を通して液晶１４に電場が加わり、液晶１４
は、そのｚ方向を光軸と平行に変え、したがって液晶レ
ンズの屈折率は大になり凹レンズとしての作用が強くな
り焦点距離が変化する。

【００３９】図１０は、図８、図９に示す液晶光学素子
１５を＋ｚ軸方向より見た図であって、電極１９の配置
位置とその形を示した図である。

【００４０】図１１は、図８、図９、図１０に示す第２
の実施の形態の変形例であって、これらと電極１９の配
置位置と形状が異なる変形例である。尚図１１において
（Ａ）は＋ｚ方向から見た図、（Ｂ）は−ｘ方向から見
た図である。つまり図１１（Ｂ）に示す透明基板４又は
５のうちの少なくとも一方の外周部に図１１（Ａ）のよ
うに透明電極４とは絶縁された状態で電極１９を設けた
もので、図１０に示すものとほぼ同様の効果が得られ
る。

【００４１】図８等に示す第２の実施の形態は、液晶分
子１４のｚ軸を光軸６に平行に向ける時の応答速度が図
３等に示す実施の形態の液晶レンズに比べて速くできる
ことが特徴である。

【００４２】また、液晶分子１４には、液晶レンズ１５
の焦点距離が長い場合も短くなる場合も電場が加わって
おり、液晶分子の配向にばらつきが少なく光の散乱が少
ない点で優れている。

【００４３】また、可変抵抗１３および１７を適当に調
整することによって液晶レンズ１５の焦点距離を連続的
に変化させることができる。その時の液晶分子１４の配
向は図８に示すスイッチ９がオンでスイッチ１６がオフ
の状態と、図９に示すスイッチ９がオフでスイッチ１６
がオンの状態の中間の状態になる。

【００４４】以上の説明は、液晶分子１０又は１４の駆
動交流周波数に対する誘電異方性も屈折率異方性と同様
に負であるとして説明した。

【００４５】このような液晶の例としてはディスコティ
ック液晶があげられている。

【００４６】また、図８等に示す第２の実施の形態にお
いて液晶分子１４の代わりに正の屈折率異方性と誘電異
方性をもつネマチック液晶２０を用いた液晶レンズが図
１２に示す可変焦点レンズ２１である。したがって下記
の式（５）の関係が成り立つ。 ｎ_e＞ｎ_o （５）

【００４７】ネマチック液晶２０は、螺旋状にピッチＰ
で配向している。

【００４８】図１２は、前記可変焦点レンズを用いたデ
ジタルカメラ撮像装置である。この図１２に示す撮像装
置にて用いられている可変焦点レンズは、一つの液晶分
子２０の方向はほぼＸ−Ｙ平面に平行である。液晶のピ
ッチＰの値が可変焦点レンズ２１を使用する光の波長λ
の２０倍〜６０倍程度以下であるとすれば、液晶分子２
０は、実用上等方媒質であるとみなすことができる。

【００４９】今ピッチＰが波長λ以下つまり下記式
（６）にて示す通りであるとする。 Ｐ＜λ （６）

【００５０】するとこの液晶は等方媒質に近づく。以下
その理由をのべる。

【００５１】今、下記条件（５−１）を満足するとす
る。 Ｐ＜＜λ （５−１）

【００５２】このように、ピッチＰが光の波長λに比べ
て非常に小さいと、液晶は入射光の偏光によらず、下記
（５−２）にて与えられる屈折率ｎ’をもつ媒質として
作用する。 ｎ’＝（ｎ_e＋ｎ_o）／２ （５−２）

【００５３】次に、ジョーンズのベクトルと行列によっ
て、なぜ、この実施の形態のネマチック液晶が実行的に
屈折率ｎ’の等方的な媒質としてふるまうのかを説明す
る。

【００５４】コロナ社発行の吉野勝美、尾崎雅則共著
「液晶とディスプレイ応用の基礎」の８５頁〜９２頁に
示される、式によれば、絶対的な位相の変化ｅｘｐ（−
ｉα）を含めた時、図１２に示した厚さｄのネマテック
液晶に対するジョーンズの行列Ｗ_tは下記の式（５−
３）にて与えられる。

【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（５−２
９）、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（５−２
９）、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＝０．５
４５４ 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＝０．７
３７ 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 （５−６
２）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。

【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２２
ａ，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，２
２ｂ−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２１
Ａ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２１Ａ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２１Ａ、２１Ｂ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）、（５−６
２）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２
２、２３は、図１３と同じような動作をするがレンズ３
２、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１
６、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（１０）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３
６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１
９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は、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３３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、４９
Ｃ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と凹面を含むレンズ２８と凸レンズ４
２と液晶レンズ部２５とにて構成された光学系が配置さ
れている。凸レンズ４２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２
７、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***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、５
７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 Ｃｏ
ｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ），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５
５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５
２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６
６には高分子分散液晶が用いられており、図１５、図１
６、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８
４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Ｃ
ＣＤ８９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ＣＣ
Ｄ８９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９
３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Ｃ
ＣＤ８９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９
９を介して観察者の眼Ｅに導かれる。この接眼光学系９
９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１
０３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１０
３、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８
８の前後の群ＧＦ、ＧＲに配置された偏芯プリズム、Ｖ
Ｐ１、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１１０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２
９（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１
２５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１１
５、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１
３２、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１３
２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１
３２、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１３
２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１
３５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１
３２、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１３
２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１
４１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１３６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
与し得る。

【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
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。

【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） 光学素子が液晶よりなり、前記液
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）、（５−６
２）、（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、前記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、液晶の代わりに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） 前記の（１）、（２）、
（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、
（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、
（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）、
（１９）、（２０）、（２１）又は（２２）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。

【０２０６】（２４） 前記の（１）、（２）、
（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、
（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、
（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）、
（１９）、（２０）、（２１）又は（２２）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。

【０２０７】（２５） 前記の（１）、（２）、
（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、
（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、
（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）、
（１９）、（２０）、（２１）又は（２２）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。

【０２０８】（２６） 前記の（１）、（２）、
（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、
（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、
（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）、
（１９）、（２０）、（２１）又は（２２）の項に記載
する光学素子を用いた撮像装置で、前記光学素子の特性
の変化に合わせて電子回路のＭＴＦ特性あるいは画像処
理方法を変化させることを特徴とする撮像装置。

【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）又は（２２）の項に記載
する光学素子を用いた撮像装置で、ピント調整に伴う前
記光学素子の特性の変化に合わせて電子回路のＭＴＦ特
性あるいは画像処理方法を変化させることを特徴とする
撮像装置。

【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）又は（２２）の項に記載
する光学素子を用いた撮像装置で、ズーミングに伴う前
記光学素子の特性の変化に合わせて電子回路のＭＴＦ特
性あるいは画像処理方法を変化させることを特徴とする
撮像装置。

【０２１１】

【発明の効果】本発明によれば、光学特性可変光学素子
の光学特性を変化させた時例えば焦点距離を変化させた
時に生ずる収差変動等を電子回路のＭＴＦ特性を変化さ
せる等の手段により容易に補正し得るようにしたもの
で、常に例えばぼけ等のない良好な画像が得られる。

【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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 13/36 Ｇ０３Ｂ 3/00 Ａ Ｆターム(参考） 2H011 AA03 BB01 2H042 AA03 AA05 AA22 CA01 2H049 AA08 AA17 AA18 AA51 AA55 AA63 AA64 2H051 AA00 BB11 CD11 CD12 CD23 CD30 EB13 GB01 GB02 GB05 GB15 2H088 EA42 GA02 GA03 GA04 GA10 HA10 HA21 HA23 HA24 HA26 HA27 JA17 JA20 MA01 MA20

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学特性可変光学素子を有し、前記光
   学素子の特性の変化に合わせて電子回路のＭＴＦ特性あ
   るいは画像処理方法を変化させることを特徴とする撮像
   装置。
2. 【請求項２】 ピント調整に伴う前記光学素子の特性
   変化に合わせて電子回路のＭＴＦ特性あるいは画像処理
   方法を変化させることを特徴とする撮像装置。
3. 【請求項３】 ズーミングに伴う前記光学素子の特性
   変化に合わせて電子回路のＭＴＦ特性あるいは画像処理
   方法を変化させることを特徴とする撮像装置。