JPH09243806A - 光学特性可変光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で、光量損出が少なく低電圧によ
り駆動可能でボケが生じることなく、光学特性を変化さ
せる。 【解決手段】 光学特性可変光学素子としての可変焦点
レンズ１は、カイラルネマテック液晶２を、内側に透明
電極膜３をそれぞれ被膜させた平板ガラス４とレンズ５
との間に配向膜６を介して挟み、シール材７により封止
した構成が基本構成となっており、カイラルネマテック
液晶２の捩れのピッチＰは、光の波長λに比べ非常に小
さいものとする。つまり、 Ｐ＜＜λ （１） である。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、レンズ５は入射光の偏光によらず、屈折
率ｎ’をもつレンズとして作用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学特性可変光学素
子、更に詳しくは光学特性を変化させる光学特性可変光
学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ズームレンズあるいは撮像装置のピント
合せでは、通常レンズを機械的に移動することが行なわ
れている。

【０００３】しかし、レンズ系の全体、あるいは一部を
移動することは、超小型であることが要求される電子内
視鏡やマイクロマシンの眼等では不可能であり、また、
テレビカメラ、電子スチルカメラや銀塩フィルムカメラ
等でも、軽量化、コストダウンのためには、レンズ系を
移動させずにズーム、ピント合わせができることが望ま
しい。

【０００４】そこで、従来より、これらの課題をレンズ
の移動を行なわずに解決する手段として、例えば特開平
５−３４６５６号公報や特開平４−３４５１２４号公報
に、可変焦点レンズが提案されている。

【０００５】例えば特開平５−３４６５６号公報に提案
されている可変焦点レンズ２０１は、図２９に示すよう
に、液晶分子の長軸を３６０°捩ったカイラルネマチッ
ク液晶２０２を、内側に透明電極膜２０３をそれぞれ被
膜させた平板ガラス２０４とフネネルンズ基板２０５と
の間に配向膜２０６を介して挟み、シール材２０７によ
り封止した構成となっている。

【０００６】このような構成の可変焦点レンズ２０１に
おいて、電源２０８をスイッチ２０９によりＯＮにし配
向膜２０６間に電場を与えると、カイラルネマチック液
晶２０２は、図３０に示すように、ホメオトロピック配
向となり、入射光の偏光に対して等方的で、かつカイラ
ルネマチック液晶２０２の屈折率は、図２９の状態に比
べて低いか、あるいは偏光の方向によっては等しい状態
になる。

【０００７】図２９の状態で、入射光の偏光方向と入射
側のカイラルネマチック液晶２０２の液晶分子２１０の
長軸（図２９の楕円体の長い方向）が等しい場合には、
カイラルネマチック液晶２０２の屈折率は高くなり、入
射光の偏光方向と入射側の液晶分子の短軸方向とが一致
している場合には、カイラルネマチック液晶２０２の屈
折率は低くなる。

【０００８】なぜならば、この例では、カイラルネマチ
ック液晶２０２の捩れのピッチＰは１０μ〜３０μであ
って、光の波長λ（可視光ならおよそ０．４μ〜０．７
μ）に比べてはるかに大きいため、左方から入射した光
は、液晶分子の捩れに習って偏光が回転して進む。この
理由は、例えば「吉野勝美、尾崎雅則 共著；液晶とデ
ィスプレイ応用の基礎Ｐ９１〜Ｐ９３；コロナ社」（以
下、文献１と記す）に示されているので説明は省略す
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って、入射側の液晶
分子の長軸方向の偏光に対しては図２９の可変焦点レン
ズ２０１の焦点距離は短かく、また、入射側の液晶分子
の短軸方向の偏光に対しては図２９の可変焦点レンズ２
０１の焦点距離は長くなってしまい、従来の可変焦点レ
ンズ２０１は２重焦点レンズとなり、ボヤけた像しか結
像せず、目的とする可変焦点レンズを実現できない欠点
がある。

【００１０】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、構造が簡単で、光量損出が少なく低電圧により
駆動可能でボケが生じることなく、光学特性を変化させ
る光学特性可変光学素子を提供することを目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の光学特性可変光
学素子は、１対の部材により形成される空間に液晶を封
入し、外部からの物理的作用により前記液晶の液晶分子
の配向状態を制御し、前記液晶の光学特性を変化させる
光学特性可変光学素子において、前記液晶が前記液晶を
透過する光の波長に比べて小さい捻れピッチを持って構
成される。

【００１２】本発明の光学特性可変光学素子では、前記
液晶が前記液晶を透過する光の波長に比べて小さい捻れ
ピッチを持たせて構成することで、構造が簡単で、光量
損出が少なく低電圧により駆動可能でボケが生じること
なく、光学特性を変化させることを可能とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について述べる。

【００１４】図１ないし図１７は本発明の第１の実施の
形態に係わり、図１は可変焦点レンズの基本構成を示す
構成図、図２は図１のカイラルネマテック液晶の分子の
屈折率楕円体を示す図、図３は図１の可変焦点レンズの
作用を説明する説明図、図４は図１の可変焦点レンズの
具体的な構成を示す構成図、図５は図１の可変焦点レン
ズの第１の変形例に用いられるカイラルスメクチック液
晶のカイラルスメクチックＣ相の液晶分子配列を示す
図、図６は図５のカイラルスメクチック液晶を用いた可
変焦点レンズの構成を示す構成図、図７は図６の可変焦
点レンズの作用を説明する説明図、図８はカイラルコレ
ステリック液晶を用いた図１の可変焦点レンズの第２の
変形例の構成を示す構成図、図９は図８の可変焦点レン
ズの作用を説明する説明図、図１０は図８のカイラルコ
レステリック液晶の反射率の実測値を示す図、図１１は
ディスコチック液晶を用いた図１の可変焦点レンズの第
２の変形例の構成を示す構成図、図１２は図１１の可変
焦点レンズの作用を説明する説明図、図１３は図１１の
ディスコチック液晶の分子の屈折率楕円体を示す図、図
１４は図１２のディスコチック液晶をＺ方向から見た時
の第１の図、図１５は図１２のディスコチック液晶をＺ
方向から見た時の第２の図、図１６は図１のカイラルネ
マテック液晶の配向を変化させるのに磁場を用いた可変
焦点レンズの構成を示す構成図、図１７は図１のカイラ
ルネマテック液晶の配向を変化させるのに温度変化を用
いた可変焦点レンズの構成を示す構成図である。

【００１５】図１に示すように、第１の実施の形態の光
学特性可変光学素子としての可変焦点レンズ１は、カイ
ラルネマテック液晶２を、内側に透明電極膜３をそれぞ
れ被膜させた平板ガラス４とレンズ５との間に配向膜６
を介して挟み、シール材７により封止した構成が基本構
成となっており、カイラルネマテック液晶２の捩れのピ
ッチＰは、光の波長λに比べ非常に小さいものとする。
つまり、

【数１】Ｐ＜＜λ （１） である。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、レンズ５は入射光の偏光によらず、屈折
率ｎ’をもつレンズとして作用する。

【００１６】

【数２】 ここで、ｎeは液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率 ｎoは液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率 であり、図２にカイラルネマテック液晶２の入射側の液
晶分子に対応する屈折率楕円体を示す。ここで、ｘ軸及
びｚ軸は、液晶分子の短軸方向、ｙ軸は液晶分子の長軸
方向になっている。なお、ｎe＞ｎoとする。

【００１７】次に、ジョーンズのベクトルと行列によっ
て、なぜ、本実施の形態のカイラルネマテック液晶２が
実効的に屈折率ｎ’の等方的な媒質としてふるまうのか
を、以下に説明する。

【００１８】上記文献１のＰ８５〜９２、に示される、
式３．１０７と式３．１１０及び式３．１２６によれ
ば、絶対的な位相の変化ｅｘｐ（−ｉα）を含めた時、
図１に示した厚さｄのカイラルネマテック液晶２に対す
るジョーンズの行列Ｗtは、

【数３】 で与えられる。ただし、

【数４】

【数５】

【数６】

【数７】

【数８】 である。

【００１９】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はカイラルネマテック液晶２による常光と
異常光の位相差を表わす。

【００２０】なお、Φはカイラルネマテック液晶２の液
晶分子の捩れ角をラジアンで表わしたものである。ま
た、式（３）、式（８）の座標系は、図１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
の表から裏側へ向っており、ｙ軸はカイラルネマテック
液晶２の入射面での液晶分子長軸の方向である。

【００２１】さて、式（１）の条件のもとで、式（３）
のＷtがどのようになるかを調べてみる。

【００２２】まず、式（１）は、

【数９】 と変形できる。そこで、Ｐ／λ→０の時、式（３）のＷ
tの極限値ＷtLを求めてみる。

【００２３】

【数１０】 であるから、Ｐ／λ＜＜１のとき

【数１１】 となり、Ｐ／λ→０のとき｜Γ／Φ｜→０となる。

【００２４】式（１１）の条件のもとで

【数１２】

【数１３】

【数１４】

【数１５】 と近似でき、Ｐ／λ→０のとき、それぞれ、

【数１６】Ｘ→Φ （１６）

【数１７】ｃｏｓＸ→ｃｏｓΦ （１７）

【数１８】

【数１９】 となるので、Ｐ／λ→０のとき

【数２０】 となる。これは屈折率ｎ’＝（ｎe＋ｎo）／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。

【００２５】従って、Ｐ／λ＜＜１であるので、図１の
可変焦点レンズ１は、屈折率ｎ’のレンズとして作用
し、ボケのない結像が実現できる。

【００２６】また、図１の可変焦点レンズ１において、
交流電源８をスイッチ９によりＯＮにし、配向膜６間に
電場を与えると、カイラルネマテック液晶２は、図３の
ように配列し、液晶は屈折率ｎoの等方媒質となるの
で、図１の状態と比べて、焦点距離の異なる液晶レンズ
となり、ボケのない可変焦点レンズが実現できるのであ
る。

【００２７】次に、上記の可変焦点レンズ１の具体的な
構成例を図４を用いて説明する。図４に示すように、可
変焦点レンズ１は、具体的には、可変抵抗２１により電
圧を連続的に可変にした構成になり、液晶分子の配列
を、上記の図１と図３の中間にもってくることができる
ように構成する。これにより、焦点距離が連続的に変化
する液晶レンズを実現できる。

【００２８】なお、図４のような中間の配列の場合にお
いても、ｎeの値を、ｎeとｎoのある中間の値である異
常光の屈折率ｎe’で置きかえることで、上記の式
（３）〜式（２０）は満たされる。

【００２９】なお、図４のように構成することで、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。

【００３０】ここで、図４のように構成した可変焦点レ
ンズ１の実際的な例について、詳細に説明する。

【００３１】式（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
は必ずしも極限値があてはまらない場合もあるので、式
（３）の近似式を導いてみる。

【００３２】式（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（１２）〜式（１
４）で、Ｐ／λの１次まで、すなわち式（１０）より、
Γ／Φの１次までを残しＰ／λの２次以上、Γ／Φの２
次以上を省略すると、

【数２１】

【数２２】 となり

【数２３】 を得る。従って、ＷtNの値が等方媒質のジョーンズ行列
とほぼ等しいと見なせるためには、｜ｉ・Γ／２Φ｜が
０に近ければよい。この時ＷtNは、

【数２４】 に近づくが、この式は、液晶が入射光の偏光方向はΓ／
４・Γ／Φだけ回転するが、等方媒質であると見なせる
ことを意味している。

【００３３】

【数２５】 つまり、

【数２６】 であれば、ボケのない可変焦点レンズが得られる。式
（１０）より

【数２７】 となる。

【００３４】実際のレンズ付撮像装置、例えば電子カメ
ラ、ＶＴＲカメラ、電子内視鏡などの、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（２６）は条件をゆるめることが
でき、

【数２８】 であれば良い。

【００３５】画素数の多い電子撮像装置のレンズ、フィ
ルムカメラ、顕微鏡など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、

【数２９】 であればよい。

【００３６】光ディスクのレンズ等結像に用いないレン
ズの場合、条件はさらにゆるめられ、

【数３０】 であればよい。

【００３７】なお、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（１）、式（２６）〜式（３０）のｎeを上記のｎe’
で置きかえればよい。

【００３８】以下に、いくつかの設計例を上げる。

【００３９】カイラルネマテック液晶２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、厚いと光を
散乱、フレアの原因となるので、

【数３１】２μ＜ｄ＜３００μ （３１） ぐらいが適当である。光の波長λの例としては可視光を
考えれば、

【数３２】０．３５μ＜λ＜０．７μ （３２） である。

【００４０】ｎe−ｎoの値は液晶の物性で決まるが、

【数３３】 ０．０１＜｜ｎe−ｎo｜＜０．４ （３３） ぐらいの物質が多い。そこで、第１の設計例として、 ｄ＝１５μ λ＝０．５μ ｎe−ｎo＝０．２ Ｐ＝０．０５μ とすれば、 Γ／２Φ＝π・０．２×０．０５／０．５＝０．０２π となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３
０）を満たす。

【００４１】第２の設計例として、 ｄ＝３０μ λ＝０．６μ ｎe−ｎo＝０．２５ Ｐ＝０．３μ とすれば、 Γ／２Φ＝π・０．３×０．２５／０．６＝０．１２５
π となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３
０）を満たす。

【００４２】また、第３の設計例として ｄ＝５０μ λ＝０．５５μ ｎe−ｎo＝０．２ Ｐ＝０．６μ とすれば、 Γ／２Φ＝π・０．２×０．６／０．５５＝０．２１８
π となり、式（２８）、式（３０）を満たす。

【００４３】さらに、第４の設計例として、近赤外光用
の可変焦点レンズを考え、 ｄ＝２００μ λ＝０．９５μ ｎe−ｎo＝０．２ Ｐ＝０．７μ とすれば Γ／２Φ＝π・０．２×０．７／０．９５＝０．１４５
８π となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３
０）を満たす。

【００４４】以上の各設計例では、カイラルネマチック
液晶を例にとって説明したが、カイラルネマチック液晶
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良い。

【００４５】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などが用いられる。以下の
化学式（１）、化学式（２）にカイラルネマチック液晶
の例を、化学式（３）、化学式（４）にカイラル剤の例
を示す。

【００４６】

【化１】

【化２】

【化３】

【化４】 以上の説明において、可変焦点レンズ１に用いる液晶と
しては、カイラルネマチック液晶２を用いて説明した
が、本実施の形態はこれに限らず、可変焦点レンズの第
１の変形例として、図５に示ようなカイラルスメクチッ
ク液晶３１を用いて構成することができる。この図５
は、カイラルスメクチックＣ相の液晶分子配列を示した
もので、これを用いた可変焦点レンズ１ａの構造を図６
に示す。

【００４７】図６に示すように、カイラルスメクチック
液晶３１では、電圧を加えない場合には液晶分子は各層
３１ａごとに特定の方向を向き、その方向が一定の周期
Ｐで回転している。

【００４８】これに電圧を印加すると、各層の液晶分子
は、図７のように、座標系のＺ軸方向に配列し、カイラ
ルスメクチック液晶３１の屈折率は、図６の状態のｎ’
から、ｎoに低下し、可変焦点レンズ１の焦点距離が変
化する。

【００４９】この図５〜７に示した第１の変形例につい
ても、式（１）〜式（３０）はあてはまり、特に式（２
６）、式（２８）、式（２９）、式（３０）を満せばボ
ケの少ない可変焦点レンズが得られる。また、図６の構
成においても、カイラルスメクチック液晶３１に加わる
電圧は連続的に変えることができ、それに伴って焦点距
離も連続的に変る。

【００５０】ここで、カイラルスメクチック液晶３１を
用いた可変焦点レンズ１ａの設計例を示すと、パラメー
タとして、 ｄ＝２５μ λ＝０．５５μ ｎe−ｎo＝０．３ Ｐ＝０．１μ とすると、 Γ／２Φ＝π・０．３×０．１／０．５５＝０．０５４
５π となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３
０）を満たす。

【００５１】なお、化学式（５）に、スメクチック液晶
３１の分子構造の１例である「４−（ｎ−ヘキシルオキ
シ）フェニルオキシ−４”−（２−メテルブチル）ビフ
ェニル−４’−カルボキシレート」を示した。なお、ピ
ッチＰはおよそ０．２μである。

【００５２】

【化５】 また、可変焦点レンズの第２の変形例として、図８に示
ように、カイラルコレステリック液晶４１を用いた可変
焦点レンズ１ｂを構成することができる。

【００５３】カイラルコレステリック液晶４１では、液
晶分子の配向方向は各層でレンズ表面に平行で方位角が
周期Ｐで、Ｚ軸方向にらせんを描いて変る。この状態で
式（１）〜式（３０）があてはまる。

【００５４】電圧が加わると、液晶分子の配向が図９の
ようにらせんが無くなり、焦点距離が変化する。

【００５５】なお、カイラルコレステリック液晶には選
択反射の性質があり、波長λs＝Ｐｎ’近傍の右または
左の円偏光を全反射してしまう。図１０は、自然偏光に
対するカイラルコレステリック液晶の反射率の実測値の
例を示している。

【００５６】従って、波長λsは、可変焦点レンズ１ｂ
で用いる光の波長範囲外にあることが望ましい。つま
り、Ｐｎ’が、可変焦点レンズ１ｂを利用する光の波長
域外にあることが、さらに透過率の良い、着色のない液
晶レンズを得るために必要である。

【００５７】可視光であれば、

【数３４】Ｐｎ’＜０．４μ （３４） であることが必要である。

【００５８】なお、上述した第１の変形例である図５の
カイラルスメチックＣ相の液晶でも選択反射は生じる場
合があり、上記の理由で式（３４）は図５の例にも適用
される。

【００５９】カイラルコレステリック液晶４１を用いた
可変焦点レンズ１ｂの設計例として、 ｄ＝１５μ ｎe−ｎo＝０．４ λ＝０．４５μ Ｐ＝０．０１μ ｎ’＝１．７ とすると、 Γ／２Φ＝π・０．４×０．０１／０．４５＝０．００
８９π となり、式（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３
０）を満たし、Ｐｎ’＝０．０１７μであるから、式
（３４）も満たしている。

【００６０】化学式（６）はカイラルコレステリック液
晶の１例で、安息香酸コレステロールの化学式である。

【００６１】

【化６】 また、可変焦点レンズの第３の変形例として、図１１に
示ように、ディスコチック液晶５１を用いてもよく、電
圧が加わると、図１２のようにディスコチック液晶５１
の配向が変り、凸レンズとしての焦点距離が長くなる。
つまり、ディスコチック液晶５１は、図１３に示す屈折
率楕円体のように、負の１軸性結晶であるので、凸レン
ズとしての焦点距離が長くなるのである。

【００６２】なお、この場合、図１２をＺ方向から見た
時、ディスコチック液晶５１の分子の配列が図１４又は
図１５のように一つの方向を向いていないならば、図１
２の状態で、液晶の配列はらせんを描かなくてもよい。
従って、式（１）〜式（３０）は満さなくてもよい。

【００６３】本実施の形態並びに各変形例及び後述する
他の実施の形態で述べる可変焦点レンズに共通して言え
ることであるが、らせんのピッチＰが、用いる光の波長
λに比べて小さいことが、ボケのより少ない可変焦点レ
ンズを得るためにより望ましいことであり、たとえば可
視光の場合、０．４μ＜λ＜０．７μで使用する光学装
置では、

【数３５】 ０．０００１μ＜Ｐ＜０．４μ （３５） が望ましい条件となる。さらに充分ボケを減らすために
は

【数３６】 ０．０００１μ＜Ｐ≦０．２μ （３６） であることが望まれる。Ｐの下限は液晶分子自体の大き
さから決っている。

【００６４】また、本実施の形態並びに各変形例では、
各液晶の配向を変化させるのに、電場を用いてきたが、
これに限らず、図１６に示すように、コイル５５及び鉄
芯５６を用いて、例えばカイラルコレステリック液晶４
１に磁場Ｈを印加し、これを変化させても良い。なお、
図１６はカイラルコレステリック液晶４１の可変焦点レ
ンズの例であるが、カイラルネマチック液晶２あるいは
カイラルスメクチック液晶３１の可変焦点レンズに適用
してもよい。

【００６５】また、各液晶の配向を変化させるのに、図
１７に示すように、ヒータ５８を用いて温度の変化によ
って、例えばカイラルコレステリック液晶４１の配向を
変えるようにしてもよく、これまで述べた他の液晶、カ
イラルネマチック液晶２あるいはカイラススメクチック
液晶３１等の可変焦点レンズにも適用できる。この構成
では、温度を変えることによって、液晶に相転移を生じ
させ、レンズの焦点距離を変えるようになっている。な
お、レンズをフレネルレンズ６０として、液晶の厚さを
増加させずに、可変焦点レンズのパワーをかせいでい
る。ここで、フレネルレンズ６０及びレンズ５は用途に
応じ非球面形状としても良い。

【００６６】図１８は本発明の第２の実施の形態に係る
可変焦点レンズの構成を示す構成図である。

【００６７】第２の実施の形態は、第１の実施の形態と
ほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の
構成には同じ符号をつけ説明は省略する。

【００６８】第２の実施の形態は、回折光学素子（ＤＯ
ＥあるいはＨＯＥとも呼ばれる）を液晶で作り、可変焦
点レンズとしたものである。

【００６９】図１８に示すように、第２の実施の形態の
可変焦点レンズ６１は、カイラルネマテック液晶２を、
内側に透明電極膜３をそれぞれ被膜させたレンズ６２と
平行ガラス６３との間に配向膜６を介して挟み、シール
材７により封止した構成となっている。

【００７０】レンズ６２はフレネルレンズ状であるが、
凹凸部は光の波長のレベルで、レンズ６２のひとつの輪
帯の巾Ｗは、

【数３７】Ｗ・θ＝ｍ・λ （３７） で決る。ここで、θはその輪帯での光線の屈折角、ｍは
回折次数である。

【００７１】カイラルネマテック液晶２の屈折率を電圧
の印加によって変えると、回折の次数が変わるので、不
連続的に可変焦点レンズ６１の焦点距離を変えることが
できる。

【００７２】つまり、ある輪帯のギザギザの高さをｈと
し、レンズ６２の屈折率をｎgとすれば、

【数３８】

【数３９】

【数４０】ｍ1 ≠ｍ2 （４０） となる。

【００７３】ただし、ｍ1 、ｍ2 は互いに異なる整数と
おく時、ｈ、ｍ1 、ｍ2 、ｎ’、ｎo、ｎgが式（３８）
〜式（４０）を満すならば、可変焦点レンズ６１は、次
数ｍ1 とｍ2 とで回折効率の最適化された回折光学素子
となる。

【００７４】焦点距離は、スイッチ９のＯＮ、ＯＦＦに
より、ｆ1 ／ｍ1 、ｆ1 ／ｍ2 にかわる。ここでｆ1
は、１次の回折光学素子の焦点距離である。なお、実用
的には式（３８）、式（３９）は近似的に満されていれ
ばよい。

【００７５】以下に、上記の各実施の形態及びその各変
形例の応用例について説明する。

【００７６】図１９に示すように、上記の各実施の形態
及びその各変形例の可変焦点レンズを用いた第１の装置
としての電子内視鏡７１は、被写体に照射する照明光を
伝送するライトガイド７２からの照明光を照明レンズ７
３により被写体に照射し、被写体像を対物レンズ７４を
介して入射する。そして、可変焦点レンズ７５を絞り７
６近傍に配置し、光学レンズ７７によりＣＣＤ７８の結
像面に結像させ、信号処理装置７９により信号処理しモ
ニタ８０に被写体像を表示させる構成となっている。こ
の構成では、可変焦点レンズ７５は、ピント調整のため
に用いられ、オートフォーカス機能を備えた電子内視鏡
を実現している。

【００７７】また、上記の実施の形態及びその各変形例
の可変焦点レンズを用いた第２の装置は、図２０に示す
ように、対物レンズ８１によりＣＣＤ８２が被写体像を
撮像し、信号処理装置８３で信号処理しモニタ８４に被
写体像を表示させる撮像装置８９であって、対物レンズ
８１とＣＣＤ８３との間に絞り８８を介して２つの可変
焦点レンズ８５、８６を設け、この焦点距離を連動して
変化させることによりズーミングと、ピント合せの両方
を実現するものである。これらは実際には電子カメラ、
ＴＶカメラ等に用いられ、可変焦点レンズ８５、８６の
駆動は制御回路８７によってピントを合せつつ、ズーミ
ングするよう行われる。

【００７８】なお、図２０では可変焦点レンズ８５、８
６は、それぞれ凹、凸レンズの場合を示しているが、凸
凸、又は凸凹、凹凹のレンズの組合わせでもよい。

【００７９】図２１は、式（１）を満す液晶の別の応用
例で、光学系の絞り９１に用いた例である。

【００８０】この絞り９１は、式（１）を満す液晶であ
るカイラルネマテック液晶２を封止する透明な材質から
なる透明部材９２、９３により挟まれた構造になってい
て、透明部材９３は液晶に接する部分の断面形状がのこ
切り状または３角になっている。また、絞り９１は光軸
に対して回転対称な形状である。

【００８１】図２１において、左右から絞り９１の中心
に入射した光線ａはそのまま通過するが、周辺部に入射
した光線ｂはカイラルネマテック液晶２と透明部材９３
との境界面で全反射して側方に曲げられ、絞り９１を透
過することができず、絞り９１を絞った状態である。

【００８２】図２２は、絞り９１に電圧を加えた状態
で、カイラルネマテック液晶２はホメオトロピック配向
になるので、光線ｂは透明部材９３とカイラルネマテッ
ク液晶２との境界面で全反射することなく直進し、図２
１に比べ絞りの有効径が広がった状態にある。なお、透
明部材９３の屈折率をｎ93とする時

【数４１】 ０．８ｎo＜ｎ93＜１．３ｎo （４１） であれば、図２２の状態で光線ｂはほぼ直進する。

【００８３】図２１の状態で光線ａが全反射するための
条件は、図示の角をβとするとき、

【数４２】 である。

【００８４】また、カイラルネマテック液晶２は式
（１）のかわりに、実用的には式（２６）又は式（２
８）又は式（２９）又は式（３０）を満たせばよい。

【００８５】なお、液晶としては、カイラルネマテック
液晶２以外に、上述したカイラルスメクチック液晶３
１、カイラルコレテリック液晶４１、ディスクチック液
晶５１、さらには高分子中に液晶を分散させた高分子分
散液晶やポリマー液晶等も用いることができる。カイラ
ルスメクチック液晶３１又はカイラルコレテリック液晶
４１の場合には、式（３４）も満すとなお良い。また、
どの液晶にも共通していえるが、式（３５）、式（３
６）も満すとさらに良い。

【００８６】図２３はカイラルネマテック液晶２を用い
た第２の絞り１０１の例である。図２１の絞り９１と異
なるのは、透明部材９３に代わる透明部材１０２の周辺
がＤＯＥ（回折光学素子）になっていることで、透明部
材１０２の周辺は、高さが使用する光の波長λ程度の、
のこぎり刃形状をしていることである。

【００８７】図２３の状態では

【数４３】ｎo＜ｎ102 （４３） なので、周辺部の光ｂ1 、ｂ2 は外側へ回折によって曲
げ、光吸収性物質１０３で吸収され絞り１０１より後方
へは伝送されない。なお、ｎ102は透明部材１０２の屈
折率である。

【００８８】図２３は電圧をＯＦＦにした時の状態であ
るため液晶がカイラルネマチックの配列で

【数４４】 ０．９ｎ’＜ｎ102＜１．２ｎ’ （４４） であるため、ｂ1 、ｂ2 はおよそ直進し、実質的に絞り
が開いた状態として動作する。

【００８９】ＤＯＥの形状としては、式（３７）で屈折
角θが決まり、回折効率を上げて、絞りとしての動作を
さらに向上させるためには、式（３８）〜式（４０）を
満たすとなお良い（ただし、ｎgをｎ102で置き換え
る）。

【００９０】液晶としては、カイラルネマチック液晶２
以外に、上述したカイラルスメクチック液晶３１、カイ
ラルコレステリック液晶４１、ディスコチック液晶５
１、さらには高分子中に液晶を分散させた高分子分散液
晶やポリマー液晶等も用いることができる。カイラルス
メクチック液晶３１又はカイラルコレステリック液晶４
１の場合には、式（３４）も満すとなお良い。

【００９１】液晶は式（１）をみたす必要があるが、実
用的には式（１）のかわりに、式（２６）又は式（２
８）又は式（２９）又は式（３０）を満たせばよい。

【００９２】また、透明部材９２もＤＯＥとすれば、よ
り大きな屈折角が得られ、絞りとして高性能のものが得
られる。

【００９３】なお、絞り１０１に加える電圧は連続的に
可変できるようにしてもよく、その場合、絞り１０１の
周辺部の透過率が連続的に変化する絞りとなり便利であ
る。

【００９４】上記の絞り９１、１０１は、図１９の電子
内視鏡７１の絞り７６や図２０の撮像装置８０の絞り８
８等に用いることができる。電子内視鏡７１や撮像装置
８０では必ず、電源が含まれるため、その電源を液晶素
子用にも用いることができるので好都合である。

【００９５】また、絞り１０１に於て、透明部材１０２
の中央のＡ部を無しにして、全面のこぎり刃状の形状に
すれば、光束径は変わらないが、光量を変化させること
のできる絞りが得られる。透過光量可変な光学素子と類
似の効果を持たせる場合には式（３８）又は式（３９）
の一方は近似的に満されるのが良く、式（３８）と式
（３９）とが同時に満されない方が良い（なお、式（４
０）は満す必要がある）。

【００９６】なぜならば、たとえば式（３８）が完全に
みたされ、式（３９）が不完全であるなら、次数ｍ1 の
光は図２３、２４のいずれの状態でも光量は異なるが、
存在するので、次式ｍ1 の光に対して絞り１０１は濃度
可変フィルタとして動作するのである。

【００９７】また、式（３８）、式（３９）が両方みた
される場合には、次式ｍ1 又はｍ2の光に対して、絞り
１０１は光シャッタとして動作することになる。この場
合でも図２３から図２４の状態に連続的に電圧を変えて
行けば、式（３８）、式（３９）の中のｎeは連続的に
変化するｎe’で置き変えられるので、透過光量可変な
光学素子として動作させることができる（なお、式
（２）を考慮する必要がある）。

【００９８】図２５は式（１）、式（２６）、式（２
８）、式（２９）、式（３０）のいずれかを満す液晶を
用いた可変プリズム（あるいは可変光偏向器）１１１の
一例である。

【００９９】この可変プリズム１１１では、図２５に示
すように、クサビ状あるいはのこぎり刃状の透明部材１
１２と透明部材１１３の間にカイラルネマテック液晶２
が配置されている。たとえば、透明部材１１２の屈折率
をカイラルネマテック液晶２の屈折率ｎ’と等しくして
おけば、図２５の左右からの光は直進する。

【０１００】ここで電圧を可変プリズム１１１に加える
と、図２６のように液晶の配列はホメオトロピックにな
り、カイラルネマテック液晶２の屈折率がｎoに下るの
で、光は右上方へ屈折される。なお、電圧を連続可変に
すれば光の屈折角が連続的に変るので便利である。

【０１０１】液晶としては、カイラルネマチック液晶２
以外に、上述したカイラルスメクチック液晶３１、カイ
ラルコレテリック液晶４１、ディスクチック液晶５１、
さらには高分子中に液晶を分散させた高分子分散液晶や
ポリマー液晶等も用いることができる。カイラルスメク
チック液晶３１又はカイラルコレテリック液晶４１の場
合には、式（３４）も満すとなお良い。

【０１０２】のこぎり刃の形をこまかくして透明部材１
１２を回折光学素子としても可変プリズムが得られる。
この時、式（３７）を満すとよく、さらに式（３８）、
式（３９）、式（４０）を満せば、絞りの効果の高い、
光学素子が得られる（ただし、このときｎgは透明部材
１１２の屈折率を表わす）。

【０１０３】この可変プリズム１１１は、ブレ防止用
に、電子カメラ、ＴＶカメラ、フィルムカメラ、双眼鏡
等に用いることができる。

【０１０４】ところで、上記の絞り９１、１０１及び可
変プリズム１１１で用いた光線の空間変調の原理は、デ
ィスプレイにも用いることができる。

【０１０５】図２７は、式（１）又は式（２６）、式
（２８）、式（２９）、式（３０）のいずれかを満す液
晶を用いたディスプレイ１２１の例である。

【０１０６】このディスプレイ１２１では、図２７に示
すように、のこぎり刃状の形をした断面を持つ透明部材
１２２と、透明部材１２３の間に液晶１２４が配置され
ている。透明部材１２２の屈折率はほぼｎ’に等しいと
する。液晶１２４は、個別電極１２５により所望の画素
に可変電圧が印加されるようになっており、ランプ１２
６の光がカラーフィルタ１２７を介して、透明部材１２
３、液晶１２４、透明部材１２２と順次透過するように
なっている。

【０１０７】このように構成したディスプレイ１２１に
おいては、例えば、Ａの画素のように電圧のかかってい
ない画素では、液晶１２４の配列はツイストネマチック
配向なので、ランプ１２５の光は直進するので、画素は
明るく見える。

【０１０８】また、Ｂの画素のように高い電圧がかかっ
ている画素では、液晶１２４の配列はホメオトロピック
になるので、ランプ１２５の光は透明部材１２２によっ
て強く屈折され、人の眼には暗くみえる。

【０１０９】Ｃの画素のように中間の電圧を加えると、
ランプ１２５の光はＡとＢとの中間に屈折されるので、
人の眼にはやや明るくみえる。通常のディスプレイのよ
うに偏光板を使用しないので明るいのが特徴である。

【０１１０】図２８はランプ１２５のかわりに反射板１
３１を用いた反射型のディスプレイ１３０の例である。

【０１１１】反射型のディスプレイ１３０では、図２８
に示すように、画素Ａのように電圧のかかっていない画
素では入射光は反射されて明るく見える。また、画素Ｂ
では電圧が印加されているため、入射光は屈折され、や
がて吸収、散乱され暗くみえる。画素Ｃではその中間と
なる。

【０１１２】これらの光の屈折力を可変するディスプレ
イの他、画素の明暗を実現するのに、上述した絞り９１
のように全反射を用いるタイプ、絞り１０１のように回
折光学素子を用いるタイプも考えられる。

【０１１３】以上のディスプレイの例では用いる液晶
は、カイラルネマテック液晶２以外に、カイラルスメク
チック液晶３１、カイラルコレステリック液晶４１、デ
ィスコチック液晶５１、さらには高分子中に液晶を分散
させた高分子分散液晶やポリマー液晶等も用いることが
できる。

【０１１４】ディスプレイに用いる液晶は式（１）、式
（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３０）いずれ
かを満すと良い。カイラルスメクチック液晶３１又はカ
イラルコレステリック液晶４１の場合には、式（３４）
も満すとなお良い。

【０１１５】以上述べた液晶を用いた、絞り回折光学素
子、プリズム、表示装置に於て、用いられる光の波長が
可視光の場合、式（３５）又は式（３６）を満すこと
で、より高性能のものが得られる。

【０１１６】なお、上記各実施の形態で用いる液晶に、
赤外線を吸収する物質をまぜて、赤外カットフィルタ効
果を付与すると、可視光で用いる電子撮像系に用いる場
合、赤外カットフィルタが省略でき、コスト低減、スペ
ース削減で有利である。用いる光が可視光でない撮像系
の場合は、非観察光をカットする物質を液晶に混ぜれば
フィルタを省略でき同様の効果が出る。

【０１１７】上記各実施の形態での液晶を用いた可変特
性を持つ光学素子においては、式（１）を満すのが理想
ではあるが、現実の製品に用いる場合には、式（１）は
必ずしも満されなくてもよく、それほど高精度を要求し
ない場合には、

【数４５】Ｐ＜λ （４５） であれば良い。

【０１１８】また、やや高精度を望む場合には、

【数４６】Ｐ＜λ／２ （４６） が満されるとなお良い。

【０１１９】照明系、低コストの光学装置等では、

【数４７】Ｐ＜２λ （４７） でも実用になることがある。

【０１２０】なお、ディスコチック液晶５１を用いた場
合には式（４５）又は式（４６）又は式（４７）を満さ
れなくてもよい場合もある。

【０１２１】これまでの各実施の形態すべてについて、
液晶としてはカイラルネマテック液晶２以外に、カイラ
ルスメクチック液晶３１、カイラルコレステリック液晶
４１、ディスコチック液晶５１、さらには高分子中に液
晶を分散させた高分子分散液晶やポリマー液晶等も用い
ることができる。

【０１２２】［付記］ （付記項１） １対の部材により形成される空間に液晶
を封入し、外部からの物理的作用により前記液晶の液晶
分子の配向状態を制御し、前記液晶の光学特性を変化さ
せる光学特性可変光学素子において、前記液晶は、前記
液晶を透過する光の波長に比べて、小さい捻れピッチを
持つことを特徴とする光学特性可変光学素子。

【０１２３】（付記項２）前記光学特性可変光学素子
は、前記液晶の焦点距離を可変させる可変焦点レンズで
あることを特徴とする付記項１に記載の光学特性可変光
学素子。

【０１２４】（付記項３）前記光学特性可変光学素子
は、前記液晶の透過光量を可変させる絞りであることを
特徴とする付記項１に記載の光学特性可変光学素子。

【０１２５】（付記項４）前記光学特性可変光学素子
は、前記液晶の透過光の透過方向を可変させるプリズム
であることを特徴とする付記項１に記載の光学特性可変
光学素子。

【０１２６】（付記項５） 前記１対の部材の一方が回
折部材であって、前記光学特性可変光学素子は、前記液
晶の焦点距離を可変させることで前記回折部材の回折効
率を変化させる回折素子であることを特徴とする付記項
１に記載の光学特性可変光学素子。

【０１２７】（付記項６） １対の部材により形成され
る空間に液晶を封入し、外部からの物理的作用により前
記液晶の液晶分子の配向状態を制御し、前記液晶の光学
特性を変化させる光学特性可変光学素子を備えた表示装
置において、前記液晶は、前記液晶を透過する光の波長
に比べて、小さい捻れピッチを持つことを特徴とする表
示装置。

【０１２８】（付記項７） 式（２８）、式（２９）、
式（３０）、式（４５）、式（４６）、式（４７）の少
なくともひとつを満たすことを特徴とする付記項１乃至
６のいずれか１つに記載の光学特性可変光学素子または
表示装置。

【０１２９】（付記項８） 前記液晶として、カイラル
ネマチック液晶、カイラルコレステリック液晶、カイラ
ルスメクチック液晶、ポリマー液晶、高分子中に液晶を
分散させた物、ディスコチック液晶のいずれかを用いた
ことを特徴とする付記項１乃至７のいずれか１つに記載
の光学特性可変光学素子または表示装置。

【０１３０】（付記項９） Ｐ・ｎ’が、用いる光の波
長より短く、前記液晶がカイラルコレステリック液晶あ
るいはカイラルスメクチック液晶であることを特徴とす
る付記項１乃至７のいずれか１つに記載の光学特性可変
光学素子または表示装置。

【０１３１】（付記項１０） 式（３５）または式（３
６）を満たすことを特徴とする付記項１乃至９のいずれ
か１つに記載の光学特性可変光学素子または表示装置。

【０１３２】（付記項１１） 式（３７）を満たす付記
項６に記載の光学特性可変光学素子からなる回折光学素
子。

【０１３３】（付記項１２） 式（３７）、式（３
８）、式（３９）、式（４０）を満たす付記項６に記載
の光学特性可変光学素子からなる回折光学素子。

【０１３４】（付記項１３） 式（４１）または式（４
２）を満たす付記項３または付記項７乃至１０のいずれ
か１つに記載の光学特性可変光学素子からなる絞り。

【０１３５】（付記項１４） 式（３７）を満たす付記
項６乃至１０のいずれか１つに記載の光学特性可変光学
素子からなる絞り。

【０１３６】（付記項１５） 式（３７）、式（３
８）、式（３９）、式（４０）を満たす付記項６乃至１
０のいずれか１つに記載の光学特性可変光学素子からな
る絞り。

【０１３７】（付記項１６） 式（４３）または式（４
４）を満たす付記項６乃至１０のいずれか１つに記載の
光学特性可変光学素子からなる回折光学素子。

【０１３８】（付記項１７） ディスコチック液晶から
なる特性可変の光学素子 （付記項１８） 前記外部からの物理的作用は、電場、
磁場、温度の少なくとも一つを変化させる作用であるこ
とを特徴とする付記項１乃至１０のいずれか１つに記載
の光学特性可変光学素子または表示装置。

【０１３９】（付記項１９） 式（２８）、式（２
９）、式（３０）、式（４５）、式（４６）、式（４
７）の少なくとも１つを満たす透過光量可変な光学素
子。

【０１４０】（付記項２０） 式（３８）または式（３
９）の少なくとも１つと、式（４０）を満たす付記項１
９に記載の透過光量可変な光学素子。

【０１４１】（付記項２１） 付記項１から２０の光学
素子を用いた電子撮像装置。

【０１４２】（付記項２２） 付記項６から１０の光学
素子を用いた反射型表示装置。

【０１４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光学特性可
変光学素子によれば、液晶が液晶を透過する光の波長に
比べて小さい捻れピッチを持っているので、構造が簡単
で、光量損出が少なく低電圧により駆動可能でボケが生
じることなく、光学特性を変化させることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る可変焦点レン
ズの基本構成を示す構成図

【図２】図１のカイラルネマテック液晶の分子の屈折率
楕円体を示す図

【図３】図１の可変焦点レンズの作用を説明する説明図

【図４】図１の可変焦点レンズの具体的な構成を示す構
成図

【図５】図１の可変焦点レンズの第１の変形例に用いら
れるカイラルスメクチック液晶のカイラルスメクチック
Ｃ相の液晶分子配列を示す図

【図６】図５のカイラルスメクチック液晶を用いた可変
焦点レンズの構成を示す構成図

【図７】図６の可変焦点レンズの作用を説明する説明図

【図８】カイラルコレステリック液晶を用いた図１の可
変焦点レンズの第２の変形例の構成を示す構成図

【図９】図８の可変焦点レンズの作用を説明する説明図

【図１０】図８のカイラルコレステリック液晶の反射率
の実測値を示す図

【図１１】ディスコチック液晶を用いた図１の可変焦点
レンズの第２の変形例の構成を示す構成図

【図１２】図１１の可変焦点レンズの作用を説明する説
明図

【図１３】図１１のディスコチック液晶の分子の屈折率
楕円体を示す図

【図１４】図１２のディスコチック液晶をＺ方向から見
た時の第１の図

【図１５】図１２のディスコチック液晶をＺ方向から見
た時の第２の図

【図１６】図１のカイラルネマテック液晶の配向を変化
させるのに磁場を用いた可変焦点レンズの構成を示す構
成図

【図１７】図１のカイラルネマテック液晶の配向を変化
させるのに温度変化を用いた可変焦点レンズの構成を示
す構成図

【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る可変焦点レ
ンズの構成を示す構成図

【図１９】各実施の形態の可変焦点レンズを備えた第１
の装置の構成を示す構成図

【図２０】各実施の形態の可変焦点レンズを備えた第２
の装置の構成を示す構成図

【図２１】各実施の形態の可変焦点レンズを適用した第
１の応用例の構成を示す構成図

【図２２】図２１の第１の応用例の作用を説明する説明
図

【図２３】各実施の形態の可変焦点レンズを適用した第
２の応用例の構成を示す構成図

【図２４】図２３の第２の応用例の作用を説明する説明
図

【図２５】各実施の形態の可変焦点レンズを適用した第
３の応用例の構成を示す構成図

【図２６】図２５の第３の応用例の作用を説明する説明
図

【図２７】各実施の形態の可変焦点レンズを適用した第
４の応用例の構成を示す構成図

【図２８】各実施の形態の可変焦点レンズを適用した第
５の応用例の構成を示す構成図

【図２９】従来の可変焦点レンズの構成を示す構成図

【図３０】図２９の可変焦点レンズの作用を説明する説
明図

【符号の説明】

１…可変焦点レンズ ２…カイラルネマテック液晶 ３…透明電極膜 ４…平板ガラス ５…レンズ ６…配向膜 ７…シール材 ８…交流電源 ９…スイッチ ２１…可変抵抗 代理人 弁理士 伊藤 進

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １対の部材により形成される空間に液晶
   を封入し、外部からの物理的作用により前記液晶の液晶
   分子の配向状態を制御し、前記液晶の光学特性を変化さ
   せる光学特性可変光学素子において、 前記液晶は、前記液晶を透過する光の波長に比べて、小
   さい捻れピッチを持つことを特徴とする光学特性可変光
   学素子。