JPH11352453A - 光学特性可変光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造簡単で、光量損失が少なく、且つ低電圧
にて駆動可能な光学特性可変光学素子を提供する。 【解決手段】 捩れのピッチが使用光の波長に比べて非
常に小さい液晶１を含み、該液晶１にドーナツ状の電極
３を介して空間的に不均一な電場Ｅを加えることにより
屈折率分布を形成し、且つ可変抵抗器１０により電場Ｅ
を変化させることにより屈折率分布を変えることが出来
るように構成されている。

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】ズームレンズ或いは撮像装置のピント合
わせでは、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、或いは一部を移
動させることは、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、又、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】図３１は、この種可変焦点レンズの一例で
ある液晶レンズを示している。図中、１はシール部材２
により封止された斜め配向のネマティック液晶で、ドー
ナツ状の電極３を設けた一対の基板４，５の間に挟まれ
ている。６は透明基板４，５の内側表面に設けられた配
向膜、７は基板４の前側（左側）に設けられていて紙面
内で振動する光のみを透過する偏光板、８はスイッチ９
と可変抵抗器１０を介して電極３に接続された交流電源
である。

【０００６】この液晶レンズにおいて、スイッチ９がオ
フの場合、液晶１は図示のように一様に斜めに配向して
いて、光線Ｌは直進する。これに対し、スイッチ９をオ
ンにして電極３に電圧を印加すると、電極３がドーナツ
状をしているため電場Ｅの方向は図２５に示すように不
均一になり、液晶１は図３２に示すように配向する。つ
まり、液晶レンズの中心付近では電場が弱いため液晶１
は斜め配向を保っているが、電極３に近づくにつれて電
場が強くなるため液晶１は基板４，５に垂直となる。こ
のため、偏光板７を透過した偏光に対して液晶１の屈折
率は液晶レンズの中心ほど高く周辺ほど低くなり、液晶
レンズの半径方向（ｙ方向）に屈折率分布をもつように
なる。このため、液晶レンズは凸レンズ作用を持つ不均
質レンズとなり、入射した光線Ｌは収束する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
液晶レンズでは偏光板７が必要なため、透過光量は半分
以下で、透過率としては３０〜４０％程度しかなく、応
用できる製品が限られると云う欠点があった。

【０００８】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、構造が簡単で、光量損失が少なく、低電圧によ
り駆動可能で、光学特性を変化させ得る光学特性可変光
学素子を提供するとを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光学特性可変光学素子は、捩れのピッチが
使用光の波長の６０倍以下の液晶を含み、該液晶に空間
的に不均一な電場又は磁場又は温度を加えることにより
屈折率分布を形成するようにして、電場又は磁場又は温
度を変化させることにより屈折率分布を変えるようにな
っている。

【００１０】又、本発明の光学特性可変光学素子は、高
分子分散液晶を含み、該液晶に空間的に不均一な電場又
は磁場又は温度を加えることにより屈折率分布を形成す
るようにして、電場又は磁場又は温度を変化させること
により屈折率分布を変えるようになっている。

【００１１】又、本発明の光学特性可変光学素子は、
凸，凹の２つ以上の液晶レンズの組み合わせより成って
いる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図示
した実施例に基づき説明する。図１は、本発明に係る光
学特性可変光学素子の一実施例としての可変焦点レンズ
を示しており、図中、従来技術で説明したのと実質上同
一の部材には同一符号が付されている。この可変焦点レ
ンズは、ネマティック液晶２を、内側にドーナツ状の電
極３を夫々被膜させた基板４と５との間に配向膜６を介
して挾み、シール部材２により封止した構成が基本構成
となっており、ネマティック液晶１の捩れのピッチＰ
（図２）は使用光の波長λに比べ非常に小さいものとす
る。即ち、 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、この可変焦点レンズは入射光の偏光によ
らず、屈折率ｎ′をもつ媒質として作用する。

【００１３】 ｎ′＝ｎe ＋ｎ₀ ／２ （２） ここで、ｎe は液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折
率、ｎ₀ は液晶分子短軸方向の偏光に対する屈折率であ
る。図３にネマティック液晶１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 ＞ｎ₀ とする。

【００１４】次に、ジョーンズのベクトルと行列によっ
て、なぜ、ネマティック液晶１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。

【００１５】吉野勝美、岡崎雅則共著：液晶とディスプ
レイ応用の基礎 コロナ社のＰ８５〜９２に示される式
３．１０，式３．１１０及び式３．１２６によれば、絶
対的な位相の変化ｅ×ｐ（−ｉα）を含めた時、図１に
示した厚さｄのネマティック液晶１に対するジョーンズ
の行列ｗ_t は、 で与えられる。但し、 Φ＝２πｄ／Ｐ （４） Γ＝２π（ｎe −ｎ₀ ）ｄ／λ （５） α＝２π｛（ｎe ＋ｎ₀ ）／２｝・ｄ／λ （６） Ｘ＝（Φ² ＋Γ² ／２）^1/2 （７） である。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はネマティック液晶１による常光と異常光の位
相差を表わす。

【００１６】尚、Φはネマティック液晶１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
（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軸はネマティック液晶１の入射面
での液晶分子の長軸の方向である。

【００１７】次に、式（１）の条件のもとで、式（３）
のＷ_t がどのようになるかを調べてみる。まず、式
（１）は、 ０＜Ｐ／λ≪１ （９） と変形できる。そこで、Ｐ／λ→０の時、式（３）のＷ
_t の極限値Ｗ_t Ｌを求めてみる。 Γ／Φ＝（ｎe −ｎ₀ ）Ｐ／λ （１０） であるから、Ｐ／λ≪１のとき ｜Γ／Φ｜≪１ （１１） となり、Ｐ／λ→０のとき｜Γ／Φ｜→０となる。

【００１８】式（１１）の条件のもとで と近似でき、Ｐ／λ→０のとき、それぞれ、 Ｘ→Φ （１６） ｃｏｓＸ→ｃｏｓΦ （１７） となるので、Ｐ／λ→０のとき、 となる。これは屈折率ｎ′＝（ｎe ＋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。従って、Ｐ／λ≪１であるので、図１の可変
焦点レンズは、屈折率ｎ′の媒質として作用する。

【００１９】又、図４に示すようにスイッチ９をオンに
すると、図５に示すような電場が液晶１に加わるので、
液晶１の配向は図４に示すように変わる。つまり、液晶
レンズの光軸付近ではほぼ螺旋状の配向のままであり、
光軸から離れるにつれて液晶分子の方向は徐々に基板
４，５に対して垂直に近づき、電極３に挟まれた部分で
は基板４，５に対してほぼ垂直となる。図２は、光軸か
ら多少離れたところに於ける液晶１の配向のようすを示
している。液晶分子はこのように配向しているので、そ
の屈折率は光軸付近ではｎ′、周辺部ではｎ₀ となり、
不均質レンズとして作用する。上記の式（３）〜（２
０）の考え方は、液晶１の微小部分に対して適用され
る。従って、偏光板なしの明るい可変焦点レンズが得ら
れるのである。

【００２０】次に、上記の可変焦点レンズの具体的な構
成例を説明する。図１に示すように、可変焦点レンズ
は、具体的には、可変抵抗器１０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、図１と図４
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。

【００２１】なお、図６に示すような中間の配列の場合
においても、ｎe の値を、ｎe とｎ ₀ 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。

【００２２】なお、図１に示す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。

【００２３】ここで、図１のように構成した可変焦点レ
ンズの実際的な例について、詳細に説明する。

【００２４】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。

【００２５】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、即ち式（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、 を得る。従って、Ｗ_t Ｎ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Ｗt Ｎは、 に近づくが、この式は、液晶１が入射光の偏光方向はΓ
／４・Γ／Φだけ回転するが、等方媒質であるとみなせ
ることを意味している。

【００２６】 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 となる。

【００２７】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、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、 ｜Γ／２Φ｜＜１ （２８） であれば良い。

【００２８】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、 ｜Γ／２Φ｜＜π／６ （２９） であればよい。

【００２９】光ディスクのレンズ等結像に用いないレン
ズ或いは画素数の少ない電子撮像装置などの場合、条件
はさらにゆるめられ、 ｜Γ／２Φ｜＜π （３０） であればよい。

【００３０】なお、本実施の形態に共通していえること
であるが、液晶１が螺旋状の配列の時、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。

【００３１】以下に、いくつかの設計例を上げる。ネマ
ティック液晶１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、厚いと光を散乱して、フレアの原因
となるので、 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、 ０．３５μ＜λ＜０．７μ （３２） である。

【００３２】ｎe −ｎ₀ の値は液晶の物性で決まるが、 ０．０１＜｜ｎe −ｎ₀ ｜＜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 −ｎ₀ ＝０．２ Ｐ＝０．０５μ φ＝６０μ （可変焦点レンズの有効径） とすれば、Γ／２Φ＝１／２・０．２×０．０５／０．
５＝０．０１となり、式（２６）、式（２８）、式（２
９）、式（３０）を満たす。

【００３３】第２の設計例として、 ｄ＝３０μ λ＝０．６μ ｎe −ｎ₀ ＝０．２５ Ｐ＝０．３μ φ＝１８０μ とすれば、Γ／２Φ＝１／２・０．３×０．２５／０．
６＝０．０６２５となり、式（２６）、式（２８）、式
（２９）、式（３０）を満たす。

【００３４】また、第３の設計例として、 ｄ＝５０μ λ＝０．５５μ ｎe −ｎ₀ ＝０．２ Ｐ＝５μ φ＝１５０μ とすれば、Γ／２Φ＝１／２・０．２×５．０／０．５
５＝０．９０９となり、式（２８）、式（３０）を満た
す。

【００３５】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 −ｎ₀ ＝０．２ Ｐ＝４μ φ＝２０００μ とすれば、Γ／２Φ＝１／２・０．２×４／０．９５＝
０．４２となり、式（２６）、式（２８）、式（２
９）、式（３０）を満たす。

【００３６】以上の各設計例では、ネマティック液晶を
例にとって説明したが、ネマティック液晶の螺旋のピッ
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。

【００３７】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）にネマティック液晶の例
を、化学式（３）、化学式（４）にカイラル剤の例を示
す。

【００３８】

【００３９】以上の説明において、可変焦点レンズに用
いる液晶１としては、ネマティック液晶を用いて説明し
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７に示すようなスメクティック
液晶を用いて構成することができる。この図７は、スメ
クティック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の構造を図８に示す。

【００４０】これに電圧を印加すると、一対の電極３に
挟まれた各層の液晶分子は、図８のように、座標系のｚ
軸方向に配列し、スメクティック液晶１１の屈折率は、
図８の状態の光軸上の屈折率ｎ′から、周辺部の屈折率
ｎ₀ に低下し、可変焦点レンズの焦点距離が変化する。

【００４１】この図７及び８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
（２６）、式（２８）、式（２９）、式（３０）を満た
せばボケの少ない可変焦点レンズが得られる。又、図８
の構成においても、スメクティック液晶１１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
も連続的に変わる。又、一対の電極３の中心穴の大きさ
を図８に示すように互いに変えることでスメクティック
液晶１１の屈折率変化を収差が小さくなるように変える
こともできる。これは図１，９等に示した可変焦点レン
ズにも適用できる。

【００４２】ここで、スメクティック液晶１１を用いた
可変焦点レンズの設計例を示すと、パラメータとして、 ｄ＝２５μ λ＝０．５５μ ｎe −ｎ₀ ＝０．３ Ｐ＝１．０μ φ₁ ＝５０μ φ₂ ＝７０μ とすると、Γ／２Φ＝１／２・０．３×１．０／０．５
５＝０．２７２５となり、式（２６）、式（２８）、式
（２９）、式（３０）を満たす。

【００４３】なお、化学式（５）に、スメクティック液
晶１１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。 また、可変焦点レンズの第２の変形例として、図９に示
すように、コレステリック液晶１２を用いた可変焦点レ
ンズを構成することができる。

【００４４】コレステリック液晶１２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軸方向に螺旋を描いて変わる。この状態で式
（１）〜式（３０）があてはまる。電圧が加わると、液
晶分子の配向が図９に示すように周辺にいくにつれて螺
旋が無くなり、凸レンズ作用が生ずる。又、この変形例
では基板５の内面形状を凸レンズ状とし、コレステリッ
ク液晶１２の形状によるレンズ効果も兼ね備えた可変焦
点レンズである。基板５の内面の形状はフレネルレンズ
状にしてもよい。

【００４５】なお、コレステリック液晶１２には選択反
射の性質があり、波長λｓ＝Ｐ・ｎ′近傍の右又は左の
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。

【００４６】従って、波長λｓは、この可変焦点レンズ
で用いる光の波長範囲外にあることが望ましい。つま
り、Ｐ・ｎ′が、この可変焦点レンズを利用する光の波
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。可視光であれば、 Ｐ・ｎ′＜０．４μ （３４） であることが必要である。

【００４７】なお、上述した第１の変形例である図７に
示したスメティック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７に示した例に
も適用される。

【００４８】コレステリック液晶１２を用いた可変焦点
レンズの設計例として、 ｄ＝１５μ ｎe −ｎ₀ ＝０．４ λ＝０．４５μ Ｐ＝０．０１μ ｎ′＝１．７ φ＝３００μ とすると、Γ／２Φ＝１／２・０．４×０．０１／０．
４５＝０．００４４５となり、式（２６）、式（２
８）、式（２９）、式（３０）を満たし、Ｐ・ｎ′＝
０．０１７μであるから、式（３４）も満たしている。

【００４９】化学式（６）はコレステリック液晶１２の
１例で、安息香酸コレステロールの化学式である。 又、可変焦点レンズの第３の変形例として、コレステリ
ック液晶１２の代りにディスコチック液晶を用いてもよ
い。

【００５０】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、螺旋のピッチＰが、用いる光の波長λ
に比べて小さいか、或いは波長の２０倍程度以下である
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、例えば可視光の場合、０．４
μ＜λ＜０．７μで使用する光学装置では、 ０．００１μ＜Ｐ＜１４μ （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、 ０．００１μ＜Ｐ≦５μ （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
さから決まっている。

【００５１】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１１に示すように、コイル１３及び鉄
芯１４を用いて、例えばコレステリック液晶１２に磁場
Ｈを印加し、磁場の空間的不均一によって液晶の方向を
変えて、屈折率変化を生じさせるようにしても良い。な
お、図１１はコレステリック液晶１２より成る可変焦点
レンズの例であるが、ネマティック液晶１或いはスメク
ティック液晶１１等より成る可変焦点レンズに適用して
もよい。

【００５２】又、各液晶の配向を変化させるのに、図１
２に示すように、ヒータ１５を用いて温度の変化によっ
て、例えばコレステリック液晶１２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、ネマティック
液晶１或いはスメクティック液晶１１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。基板４，５はフレネルレンズ
形状をしていてもよい。

【００５３】以上の例で液晶のピッチＰは波長λに比べ
て小さい程よいが、実際には波長より１０〜５０倍大き
くてもよい場合もある。今、これを式（１０）と（３
０）を用いて考えてみる。即ち、 ｜Γ／２Φ｜＜π ｜１／２（ｎe −ｎ₀ ）Ｐ／λ｜＜π ここでλ＝０．５μ，ｎe −ｎ₀ ＝０．２とすると、 Ｐ＜１０πλ＝３１．４λ （３７） を得る。式（２８）、（２９）、（３０）等は図４の光
軸付近の液晶に対するものであるが、図４の光軸から離
れたところの液晶では液晶分子の傾きがあるため、実効
的なｎe −ｎ₀ の値は光軸付近より小さい。従って液晶
レンズ全体としては式（３７）を更に緩めることがで
き、 Ｐ＜６０λ （３８） でよい。

【００５４】やや高精度な光学系では、式（２８）より
同様にして Ｐ＜２０λ （３９） であればよい。

【００５５】又、Ｐの値が液晶の場所ごとに異なる場
合、Ｐとしてはそれらの平均値をとるものとする。

【００５６】図１３は、本発明に係る可変焦点レンズの
第３の変形例を示すもので、高分子分散液晶層１６を用
いた例である。即ち、この可変焦点レンズでは一対の基
板４，５の間に高分子分散液晶層１６が配設されてお
り、スイッチ９をオンにすると、電極３を介して高分子
分散液晶層１６に電場が加えられるようになっている。
高分子分散液晶層１６は、図１４に明示したように、そ
れぞれ液晶分子１６ａを含む球状、多面体等の任意の形
状の多数の微小な高分子セル１６ｂから構成されてい
る。

【００５７】ここで高分子セル１６ｂの大きさは、例え
ば球状の場合、その平均直径をＤ、使用する光の波長を
λとするとき、例えば、 ２ｎｍ≦Ｄ≦λ／５ （４０） とする。即ち、液晶分子１６ａの大きさは、２ｎｍ程度
以上であるので、直径Ｄの下限値は、２ｎｍ以上とす
る。又、直径Ｄの上限値は、可変焦点レンズの光軸方向
における高分子分散液晶層１６の厚さｔにも依存する
が、波長λに比べて大きいと、高分子の屈折率と液晶分
子１６ａの屈折率との差により、高分子セル１６ｂの境
界面で光が散乱して高分子分散液晶層１６が不透明にな
ってしまうため、波長λ以下或いは後述するように、好
ましくは、λ／５以下とする。なお、高分子分散液晶層
１６の透明度は、厚さｔが厚いほど悪くなる。

【００５８】また、液晶分子１６ａとしては、例えば、
一軸性のネマティック液晶分子を用いる。この液晶分子
１６ａの屈折率楕円体は、図１５に示すような形状とな
り、 ｎ_ox＝ｎ_oy＝ｎ₀ （４１） である。但し、ｎ₀ は常光線の屈折率を示し、ｎ_ox及び
ｎ_oyは、常光線を含む面内での互いに直交する方向の屈
折率を示す。

【００５９】ここで、図１３に示すように、スイッチ９
をオフ即ち高分子分散液晶層１６に電界を印加しない状
態では、液晶分子１６ａが様々な方向を向いているの
で、可変焦点レンズは平行平面板と等価となりレンズと
しては作用しない。この時の可変焦点レンズの焦点距離
をｆ₁ とすると、ｆ₁ ＝∞である。これに対し、図１６
に示すようにスイッチ９をオンにすると、一対の電極３
に挟まれた部分では、液晶分子１６ａの方向は基板４，
５に垂直に向き、光軸に近づくにつれて基板４，５に対
して斜めを向くようになり、光軸付近ではその方向はラ
ンダムになる。従って光軸付近では図１３の状態とほぼ
同じ配列となる。このため、高分子分散液晶層１６の屈
折率は光軸付近では高く、光軸から離れるにつれて低下
していく。これにより、可変焦点レンズは凸レンズ作用
を持つ不均質レンズとして作用するようになる。

【００６０】なお、高分子の割合を増やすと、高分子分
散液晶層１６は固体に近づくので、その場合には、基板
４又は５の少なくとも一方はなくてもよい。そして、こ
れは後述の図１７，図１８等に示す液晶可変焦点レンズ
にも適用され得る。

【００６１】なお、高分子分散液晶層１６に印加する電
圧は、図１３に示すように、可変抵抗器１０により段階
的或いは連続的に変化させることもできる。このように
すれば、印加電圧が高くなるにつれて、液晶分子１６ａ
は、その楕円長軸が徐々に可変焦点レンズの光軸と平行
となるように配向するので、屈折力を段階的或いは連続
的に変えることができる。

【００６２】ここで、図１３に示す状態、即ち高分子分
散液晶層１６に電界を印加しない状態での、液晶分子１
６ａの平均屈折率ｎ_LC′は、図１５に示すように屈折率
楕円体の長軸方向の屈折率をｎz とすると、およそ （ｎ_ox＋ｎ_oy＋ｎz ）／３≡ｎ_LC′ （４２） となる。又、上記（４１）式が成り立つときの平均屈折
率ｎ_LCは、ｎz を異常光線の屈折率ｎe と表して、 （２ｎ₀ ＋ｎe ）／３≡ｎ_LC （４３） で与えられる。このとき、高分子分散液晶層１６の屈折
率ｎ_A は、高分子セル１６ｂを構成する高分子の屈折率
をｎ_P とし、高分子分散液晶層１６の体積に占める液晶
分子１６ａの体積の割合をｆｆとすると、マックスウェ
ル・ガーネットの法則により、 ｎ_A ＝ｆｆ・ｎ_LC′＋（１−ｆｆ）ｎ_P （４４） で与えられる。

【００６３】又、常光線の平均屈折率を、 （ｎ_ox＋ｎ_oy）／２＝ｎ₀ ′ （４５） とすれば、図１６に示す状態、即ち高分子分散液晶層１
６に電界を印加した状態での電極３の間の高分子分散液
晶層１６の屈折率ｎ_B は、 ｎ_B ＝ｆｆ・ｎ₀ ′＋（１−ｆｆ）ｎ_P （４６） で与えられる。又、図１６に示す状態で高分子分散液晶
層１６の屈折率が光軸からの距離ｙに対して、２乗で変
化していると仮定して、この可変焦点レンズの焦点距離
ｆ₂ を求めてみる。高分子分散液晶層１６のｙにおける
屈折率ｎ（ｙ）を ｎ（ｙ）＝ｎ₀ ＋ｎ₀₂ｙ² （４７） と表わせば、 ｆ₂ ^-1≒−２ｎ₀₂ｔ （４８） と近似的に表わされる。 ｎ（ｙ）−ｎ₀ ＝ｎ₀₂ｙ² （４９） であり、レンズの周縁ではｎ（ｙ）＝ｎ_B で、またｎ₀
＝ｎ_A であるから、 ｎ_B −ｎ_A ＝ｎ₀₂ｙ² （５０） ｆ₂ ＝−ｙ² ／｛２（ｎ_B −ｎ_A ）ｔ｝ （５１） となる。但し、ｔは高分子分散液晶層１６の厚さであ
る。

【００６４】上記（５１）式から、高分子分散液晶層１
６による焦点距離の変化を大きくするには｜ｎ_B −ｎ_A
｜を大きくすればよい。ここで、 ｎ_B −ｎ_A ＝ｆｆ（ｎ₀ ′−ｎ_LC′） （５２） であるから、｜ｎ₀ ′−ｎ_LC′｜を大きくすれば、変化
率を大きくすることができる。実用的には、ｎ_B が、
１．３〜２程度であるから、 ０．０１≦｜ｎ₀ ′−ｎ_LC′｜≦１０ （５３） とすれば、ｆｆ＝０．５のとき、高分子分散液晶層１６
による焦点距離を、０．５％以上変えることができるの
で、効果的な可変焦点レンズを得ることができる。な
お、｜ｎ₀ ′−ｎ_LC′｜は、液晶物質の制限から、１０
を越えることはできない。

【００６５】次に、上記（４０）式の上限値の根拠につ
いて説明する。「Solar Energy Materials and Solar C
ells」31巻, Wilson and Bck, 1993.Elesvier Science
Publishers B. v. 発行の第197 〜214 頁、「Transmiss
ion variation using scattering/transparent switchi
ng films 」には、高分子分散液晶の大きさを変化させ
たときの透過率τの変化が示されている。そして、この
文献の第２０６頁、図６には、高分子分散液晶の半径を
ｒとし、ｔ＝３００μｍ、ｆｆ＝０．５、ｎ_P ＝１．４
５、ｎ_LC＝１．５８５、λ＝５００ｎｍとするとき、透
過率τは、理論値で、ｒ＝５ｎｍ（Ｄ＝λ／５０、Ｄ・
ｔ＝λ・６μｍ（ただし、Ｄおよびλの単位はｎｍ、以
下も同じ）のときτ≒９０％となり、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ
＝λ／１０）のときτ≒５０％になることが示されてい
る。

【００６６】ここで、例えば、ｔ＝１５０μｍとして、
透過率τがｔの指数関数で変化すると仮定して、ｔ＝１
５０μｍの場合の透過率τを推定してみると、ｒ＝２５
ｎｍ（Ｄ＝λ／１０、Ｄ・ｔ＝λ・１５μｍ）のときτ
≒７１％となる。また、ｔ＝７５μｍの場合は、同様
に、ｒ＝２５ｎｍ（Ｄ＝λ／１０、Ｄ・ｔ＝λ・７．５
μｍ）のときτ≒８０％となる。

【００６７】これらの結果から、 Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ （５４） であれば、τは７０％〜８０％以上となり、レンズとし
て十分実用になる。従って、例えば、τ＝７５μｍの場
合、Ｄ≦λ／５で、十分な透過率が得られることにな
る。

【００６８】また、高分子分散液晶層１６の透過率は、
ｎ_P の値がｎ_LC′の値に近いほど良くなる。一方、
ｎ₀ ′とｎ_P とが異なる値になると、高分子分散液晶層
１６の透過率は悪くなる。図１３の状態と図１６の状態
とで、平均して高分子分散液晶層１６の透過率が良くな
るのは、 ｎ_P ＝（ｎ₀ ′＋ｎ_LC′）／２ （５５） をほぼ満足するときである。

【００６９】ここで、この可変焦点レンズは、レンズと
して使用するものであるから、図１３の状態でも、図１
６の状態でも、透過率はほぼ同じで、かつ高い方が良
い。そのためには、高分子セル１６ｂを構成する高分子
の材料および液晶分子１６ａの材料に制限があるが、実
用的には、 ｎ₀ ′≦ｎ_P ≦ｎ_LC′ （５６） とすればよい。

【００７０】上記（５５）式をおよそ満足すれば、上記
（５４）式は、さらに緩和され、 Ｄ・ｔ≦λ・６０μｍ （５７） であれば良いことになる。なぜなら、フレネルの反射則
によれば、反射率は屈折率差の２乗に比例するので、高
分子セル１６ｂを構成する高分子と液晶分子１６ａとの
境界での光の反射、即ち高分子分散液晶層１６の透過率
の減少は、およそ上記の高分子と液晶分子１６ａとの屈
折率の差の２乗に比例するからである。上記（５７）式
でｔ＝７５μｍとすれば、Ｄ≦０．８λとなり、およそ
Ｄ≦λであればよいことになる。

【００７１】以上は、ｎ₀ ′≒１．４５、ｎ_LC′≒１．
５８５の場合であったが、より一般的に定式化すると、 Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ・（１．５８５−１．４５）² ／（ｎ_u −ｎ_P ）² （５８） であればよい。但し、（ｎ_u −ｎ_P ）² は、（ｎ_LC′−
ｎ_P ）² と（ｎ₀ ′−ｎ _P ）² とのうち、大きい方であ
る。

【００７２】又、この可変焦点レンズの焦点距離変化を
大きくするには、ｆｆの値が大きいほうが良いが、ｆｆ
−１では、高分子の体積がゼロとなり、高分子セル１６
ｂを形成できなくなるので、 ０．１≦ｆｆ≦０．９９９ （５９） とする。一方、ｆｆは小さいほどτは向上するので、上
記（５８）式はゆるめられる場合もあり、好ましくは、 4×10^-6〔μｍ〕² ≦Ｄ・ｔ≦λ・45μｍ・(1.585−1.45)²／（ｎ_u −ｎ_P ）² （６０） とする。なお、ｔの下限値は、図１３から明らかなよう
に、ｔ＝Ｄで、Ｄは、上述したように２ｎｍ以上である
ので、Ｄ・ｔの下限値は、（２×１０^-3μｍ）²、即ち
４×１０^-6〔μｍ〕² となる。

【００７３】以上は可変焦点レンズによる光の散乱、透
過率にかなり良い値を要求した場合であった。しかし、
低コストの光学系、撮像装置の照明系、信号処理系など
では、それほど光の散乱、透過率を良くしなくてもよい
場合もあり、上記（６０）式はさらに以下のように緩和
され得る。 4×10^-6〔μｍ〕² ≦Ｄ・ｔ≦λ・450 μｍ・(1.585−1.45)²／(n_u − n_P )² （６１）

【００７４】なお、物質の光学特性を屈折率で表わす近
似が成り立つのは、「岩波科学ライブラリー８ 小惑星
がやってくる」向井正著，１９９４，岩波書店発行の第
５８頁に記載されているように、Ｄが１０ｎｍ〜５ｎｍ
より大きい場合である。また、Ｄが５００λを越える
と、光の散乱は幾何学的となり、高分子セル１６ｂを構
成する高分子と液晶分子１６ａとの界面での光の散乱が
フレネルの反射式に従って増大するので、Ｄは実用的に
は、 ７ｎｍ≦Ｄ≦５００λ （６２） とする。

【００７５】図１３に示す構成において、上記のｎ_ox，
ｎ_oy，ｎ₀ ，ｎz ，ｎe ，ｎ_P ，ｆｆ，Ｄ，ｔ，λ，ｎ
_LC′，ｎ_LC，ｎ_A ，ｎ_B ，ｆ₁ ，ｆ₂ および可変焦点レ
ンズの有効径φは、具体的には、それぞれ以下の値にす
る。 ｎ_ox＝ｎ_oy＝ｎ₀ ＝１．５ ｎz ＝ｎe ＝１．７５ ｎ_P ＝１．５４ ｆｆ＝０．５ Ｄ＝５０ｎｍ ｔ＝１２５μｍ λ＝５００ｎｍ ｎ_LC′＝ｎ_LC＝１．５８３３ ｎ_A ＝１．５６１７ ｎ_B ＝１．５２ ｆ₁ ＝∞ ｆ₂ ＝５９９．５ｍｍ φ＝５ｍｍ

【００７６】この場合、上記（６０）式の右辺は、 λ・45μｍ・（1.585 −1.45）² ／（ｎ_u −ｎ_P )²＝50
0 nm・45μｍ・(0.135) ² /(0.0433) ² ≒218712nm・μ
ｍ となる。また、Ｄ・ｔは、 Ｄ・ｔ＝５０ｎｍ・１２５μｍ＝６２５０ｎｍ・μｍ となり、確かに上記（６０）式を満足する。

【００７７】また、上記の具体例において、通常のレン
ズのように基板４，５の表面を曲面とすることもでき
る。

【００７８】図１７は、図１３に示す可変焦点レンズを
用いるデジタルカメラ用の撮像光学系の構成を示すもの
である。この撮像光学系においては、物体（図示せず）
の像を、可変焦点レンズＶＦＬおよびレンズ１７を介し
て、例えばＣＣＤよりなる固体撮像素子１８上に結像さ
せる。なお、図１７では、液晶分子１６ａの図示を省略
してある。また、この光学系の絞りは電極３で兼ねてお
り、基板４，５は曲面になっている。

【００７９】かかる撮像光学系によれば、可変抵抗器１
０により可変焦点レンズＶＦＬの高分子分散液晶層１６
に印加する交流電圧を調整して、可変焦点レンズＶＦＬ
の焦点距離を変えることにより、可変焦点レンズＶＦＬ
およびレンズ１７を光軸方向に移動させることなく、例
えば、無限遠から６００ｍｍまでの物体距離に対して、
連続的に合焦させることが可能となる。

【００８０】図１８は、強誘電性液晶１９を用いた可変
焦点レンズの第４の変形例である。図中、２０は透明電
極である。基板４，５の少なくとも一方は曲面となって
いるので、印加される電場が一様であってもレンズ作用
を持つ。そして可変抵抗器１０により、このレンズ作用
を変化させることができる。なお、強誘電性液晶１９の
代りに反強誘電性液晶を用いてもよい。いずれの場合
も、ネマティック液晶を用いた場合に比べて応答時間が
早いので有利である。強誘電性液晶又は反強誘電性液晶
のいずれを用いた高分子分散液晶レンズの場合でも、上
記式（４０）〜（４６）及び上記式（５２）〜（６２）
は適用される。

【００８１】本発明のすべての液晶レンズに共通して言
えることであるが、液晶のアツベ数（通常ν_d と表わさ
れる。）は小さくて４０〜１０程度のものが多い。従っ
て、液晶レンズは強い色収差を発生するので、これを補
正するために少なくとも基板４又は５の一方をレンズ形
状とし、且つその材質としてはアツベ数が５０以下とす
るのが良い。例えば、重フリント系のガラスがこれに該
当する。そして、液晶レンズが凸作用なら、基板の少な
くとも一方を凹レンズ、液晶レンズが凹作用なら基板の
少なくとも一方を凸レンズとするのが良い。

【００８２】図１９は、光学特性可変光学素子の他の実
施例を示しており、可変偏角プリズムの例である。この
実施例では、２つの基板４，５の間に高分子分散液晶層
１６が挟まれており、電圧の変化で光の偏向を変えるこ
とができるようになっている。この場合の基板４にもア
ツベ数が５０以下の硝材を使うのがよい。また、ここで
用いられる液晶２１はネマティック液晶でも、強誘電性
液晶でも、反強誘電性液晶等でも良い。

【００８３】図２０は本発明の更に他の実施例を示して
おり、２枚の液晶可変焦点レンズＶＦＬ₁ ，ＶＦＬ₂ を
組み合わせて用いた例である。液晶可変焦点レンズの一
方ＶＦＬ₁ は、高分子分散液晶層１６をドーナツ状の電
極３とドーナツ状の透明電極２０を有する基板４，５で
挾んで構成したものであり、可変抵抗器１０を夫々調節
して各電極間に加えられる電圧を適宜選ぶことにより、
屈折率の分布形状を変え、収差を制御することができる
ようにしたものであり、凸の可変焦点レンズとして作用
する。液晶可変焦点レンズの他方ＶＦＬ₂ はネマティッ
ク液晶１を配向膜６を介して透明電極２０を形成した基
板４，５で構成したものであり、凹の可変焦点レンズと
して作用する。このように、２枚の液晶可変焦点レンズ
ＶＦＬ₁，ＶＦＬ₂ を用いると、どちらも液晶を用いて
いるのでアツベ数が小さく、色収差を補正することが容
易となる。一方が凸レンズなら他方は凹レンズであるこ
とが、色収差の補正には必要である。

【００８４】図２１は、液晶の屈折率ｎ_d の変化に伴う
アツベ数ν_d の変化を表わした特性線図である。ここに
は２種類の液晶のｎ_d −ν_d 特性曲線が表わされてい
る。一般に、屈折率の増大とともにアツベ数は減少する
傾向にある。従って、液晶可変焦点レンズＶＦＬ₁ ，Ｖ
ＦＬ₂ を含むレンズ系の屈折率を変化させた場合、色収
差の変動を減らすためには、液晶可変焦点レンズＶＦＬ
₁ ，ＶＦＬ₂ のいずれか一方のアツベ数ν_d が大きい状
態の時には、他方のアツベ数ν_d も大きい状態で用いる
のがよい。逆に、一方のアツベ数ν_d が小さい状態の時
には、他方のアツベ数ν_d も小さい状態で用いるのが良
い。そして、このレンズ系を色収差の少ない凸レンズと
して作用させるには、凸レンズを構成する方の液晶のア
ツベ数ν_d を大きく、凹レンズを構成する方の液晶のア
ツベ数ν_d を小さく選ぶのが良い。図２１で言えば、凸
レンズに左側のグラフで示されるような特性の液晶を、
凹レンズに右側のグラフで示されるような特性の液晶を
用いるのが良い。なお、図２１のＥ７，ＭＢＢＡは何れ
も液晶の名称である。凸レンズと凹レンズに用いる液晶
のグラフは、液晶の屈折率ｎ_d の小さいところで交わっ
ていても良く、要するにある屈折率範囲に於いて凹レン
ズの液晶のグラフの方が凸レンズの液晶のグラフより右
にあれば良い。そして更に、色収差を除去するために
は、液晶のアツベ数ν_d は５０を超えないことが望まし
い。図２０を参照して、ＶＦＬ₁ の焦点距離をｆ₁ 、Ｖ
ＦＬ₂ の焦点距離をｆ₂ とすると、色収差を除去するた
めには、下記条件 １／２＜｜ｆ₁ ／ｆ₂ ｜＜２ （６３） を満たすことが望ましい。何故ならば、図２０の例で言
えば、｜ｆ₁ ／ｆ₂ ｜が式（６３）の上限を越えれば色
収差は補正過剰となり、｜ｆ₁ ／ｆ₂ ｜が式（６３）の
下限を満たさなければ色収差は補正不足となるからであ
る。

【００８５】また、本発明の光学特性可変液晶光学素子
全般に言えることであるが、液晶としてトラン系の液晶
を用いれば、屈折率変化が大きく、且つ粘性が小さいの
で、応答時間が短かく有利である。図２２は、トラン系
液晶の例として４−アルキルシクロヘキシル−４′−ア
ルキルトランを示している。ここでＲはアルキル基を、
Ｒ′はアルコキン基を夫々示す。又、液晶の応答時間を
短くするためには、液晶に常時低い電圧を加えておくと
よい。この電圧は、液晶の屈折率が変化をおこす相転移
電圧と同程度か、それより低ければよい。

【００８６】又、本発明の光学特性可変光学素子全般に
対して言えることであるが、液晶の代りに電気光学効
果、磁気光学効果、熱光学効果を（温度によって屈折率
が変わる）有する物質並びに強誘電体等を用いてもよい
ことは言うまでない。電気光学効果を有する物質の例と
してはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃ ）が、磁気光学
効果を有する物質の例としては鉛ガラス，水晶が熱光学
効果を有する物質の例としては水が強誘電体物質の例と
してはチタン酸バリウム，ロッシェル塩等がある。

【００８７】図２３は、液晶可変焦点レンズＶＦＬの応
用例を示すもので、自由曲面光学素子２２，２３を用い
たデジタルカメラ用撮像装置を示している。自由曲面光
学素子２２，２３は、偏心した非球面の反射、屈折によ
り結像作用を実現するもので、プラスチックやガラス等
で作られているが、その形が非対称系であるために、ピ
ント合わせを行なう場合、固体撮像素子１８との距離を
変化させるための機械的構造が複雑になると云う欠点が
あった。そこで、この例では、２つの自由曲面光学素子
２２，２３の間の絞り近傍位置に液晶可変焦点レンズＶ
ＦＬを配置し、その屈折力を変えることにより、ピント
合わせを実現したものである。この場合、機械的に自由
曲面光学素子２２，２３を動かすことなくピント合わせ
ができるので、構造が単純となり有利である。また、こ
の構成によれば、液晶可変焦点レンズＶＦＬの基板の一
方は自由曲面光学素子２２の外面で代用しているので、
コストが安くでき有利である。

【００８８】なお、本撮像装置の光学系は、固体撮像素
子１８をフィルムに置き換えれば、フィルムカメラ等に
用いることもできる。又、自由曲面光学素子と本発明に
よる光学特性可変光学素子を組み合わせて、ズームレン
ズ付の撮像装置或いは光学装置としてもよい。又、自由
曲面光学素子の変わりに、不均等レンズ（通常ＧＲＩＮ
レンズとも呼ばれる）又は回折光学素子又は非球面レン
ズと本発明による光学特性可変光学素子とを組み合わせ
て、焦点距離可変の撮像装置或いは光学装置としてもよ
い。この場合の光学装置としては、光ディスク用のピッ
クアップ，顕微鏡等をあげることが出来る。

【００８９】本発明による光学特性可変光学素子は、例
えば可変焦点レンズとして構成すれば、電子カメラ，Ｔ
Ｖカメラ，電子内視鏡のオートフォーカス装置，ズーム
レンズ等に利用することができる。又、双眼鏡，カメラ
のファインダー，顕微鏡の接眼レンズ等の光学機器の視
度調整装置や変倍装置等にも用いることができる。さら
に、可変焦点眼鏡にも用いることができる。

【００９０】以下に、その実施形態を例示する。図２４
〜図２６は、本発明による光学特性可変光学素子を電子
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。図２４は電子カメラ２４の外観を示す
前方斜視図、図２５は同後方斜視図、図２６は電子カメ
ラ２４の内部構成を示す断面図である。電子カメラ２４
は、この例の場合、撮影用光路２５を有する撮影光学系
２６、ファインダー用光路２７を有するファインダー光
学系２８、レリーズ２９、フラッシュ３０、液晶表示モ
ニター３１等を含み、カメラ２４の上部に配置されたレ
リーズ２９を押圧すると、それに連動して撮影用対物光
学系３２を通して撮影が行われる。撮影用対物光学系３
２によって形成された物体像が、ローパスフィルタ、赤
外カットフィルタ等のフィルタ３３を介してＣＣＤ１８
の撮像面１８ａ上に形成される。このＣＣＤ１８で受光
された物体像は、処理手段３４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３１に表示され
る。また、この処理手段３４にはメモリ等が配置され、
撮影された電子画像を記録することもできる。なお、こ
のメモリは処理手段３４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うよ
うに構成してもよい。また、ＣＣＤ１８に代わって銀塩
フィルムを配置した銀塩カメラとして構成してもよい。

【００９１】さらに、ファインダー用光路２７上には、
光学特性可変光学素子をファインダー用対物光学系３５
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３６を配置し、画角を拡大して
いる。なお、このカバーレンズ３６と結像光学系の絞り
３７より物体側の光学特性可変光学素子ＶＦＬとでファ
インダー用対物光学系３５の前群を、結像光学系の絞り
３７より像側の光学特性可変光学素子ＶＦＬとでファイ
ンダー用対物光学系３５の後群を構成している。絞り３
７を挟んだ前群と後群の各々に光学特性可変光学素子Ｖ
ＦＬを配し、液晶への印加電圧等を制御することによっ
て、ズーミングとフォーカシングを行っている。またこ
の制御は、処理手段により撮影用対物光学系３２のズー
ミング、フォーカシング作用に連動して行われる。この
ファインダー用対物光学系３５によって形成された物体
像は、像正立部材であるポロプリズム３８の視野枠３９
上に形成される。なお、視野枠３９は、ポロプリズム３
８の第１反射面３８ａと第２反射面３８ｂとの間を分離
し、その間に配置されている。このポロプリズム３８の
後方には、正立正像にされた像を観察者眼球に導びく接
眼光学系４０が配置されている。このように構成された
カメラ２４は、ファインダー用対物光学系３５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。

【００９２】図２７は、本発明の光学特性可変光学素子
ＶＦＬを電子カメラ２４の撮影用対物光学系３２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
２５上に配置された撮影用対物光学系３２は、光学特性
可変光学素子ＶＦＬを用いている。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、赤外
カットフィルタ等のフィルタ３３を介してＣＣＤ１８の
撮像面１８ａ上に形成される。このＣＣＤ１８で受光さ
れた物体像は、処理手段３４を介し、液晶表示素子（Ｌ
ＣＤ）４０上に電子像として表示される。また、この処
理手段３４は、ＣＣＤ１８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４１の制御も行なう。ＬＣＤ
４０に表示された画像は、接眼光学系４２を介して観察
者眼球に導かれる。この接眼光学系４２は、対物光学系
３２に用いられているものと同様の形態をもつ光学特性
可変光学素子ＶＦＬからなり、液晶への印加電圧等を制
御することによって、観察者の視度に合わせてＬＣＤ４
０の虚像の奥行きを調節可能としている。このように構
成されたカメラ２４は、撮影用対物光学系３２を少ない
光学部材で構成でき、高性能・小型化が実現できる。

【００９３】図２８は、本発明の光学特性可変光学素子
ＶＦＬを電子内視鏡の観察用対物光学系５５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５５は、ズーミング・フォーカシングを行うのに
光学特性可変光学素子を用いている。この電子内視鏡４
３は、図２８（ａ）に示すように、照明光を供給する光
源装置４４と、電子内視鏡４３に対応する信号処理を行
なうビデオプロセッサ４５と、このビデオプロセッサ４
５から出力される映像信号を表示するモニタ４６と、こ
のビデオプロセッサ４５と接続され映像信号等に記録す
るＶＴＲデッキ４７及びビデオディスク４８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４９
と共に構成されており、電子内視鏡４３の挿入部５０の
先端部５１は、図２８（ｂ）に示すように構成されてい
る。光源装置４４からの照明光束は、ライトガイドファ
イバー束５２を通って照明用対物光学系５３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５４を介して、観察用対物光学系５５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
ィルタ、赤外カットフィルタ等のフィルタ５６を介して
ＣＣＤ１８の撮像面１８ａ上に形成される。さらに、こ
の物体像は、ＣＣＤ１８によって映像信号に変換され、
その映像信号は、図２８（ａ）に示すビデオプロセッサ
４５により、モニタ４６上に直接表示されると共に、Ｖ
ＴＲデッキ４７、ビデオディスク４８中に記録され、ま
た、ビデオプリンタ４９から映像としてプリントアウト
される。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拘わらず少ない光
学部材で構成でき、高性能・小型化が実現できる。

【００９４】図２９は、本発明の光学特性可変光学素子
ＶＦＬを双眼鏡の光学系に組み込んだ構成の概念図を示
す。この例の場合も、対物光学系５６に光学特性可変光
学素子ＶＦＬを用いている。対物光学系５６の後方に
は、像反転光学系としてペカンプリズム５７が配置さ
れ、このペカンプリズム５７の後方には、正立正像にさ
れた像を観察者の眼球に導びく接眼光学系５８が配置さ
れている。対物光学系５６は、上述した実施形態と同様
の形態をもつ光学特性可変光学素子ＶＦＬを含み、液晶
への印加電圧等を制御することによって、対物光学系５
６の焦点距離を調節可能とし、ズーミング・フォーカシ
ングをおこなっている。なお、本図では双眼鏡の片側の
構成しか示していないが、もう一方の側も同様な構成を
有する。このように構成された双眼鏡は、ズーミングや
フォーカシング機能を備えているにも拘わらず少ない光
学部材で構成でき、高性能・小型化が実現できる。

【００９５】図３０は、本発明の光学特性可変光学素子
ＶＦＬを眼鏡の光学系に組み込んだ構成の概念図を示
す。この例の場合は、眼鏡レンズに光学特性可変光学素
子ＶＦＬを用いている。かかる構成の眼鏡においては、
液晶への印加電圧を制御することによって、眼鏡レンズ
全体の視度を調節することが出来る。

【００９６】以上説明したように、本発明の光学特性可
変光学素子は、特許請求の範囲に記載した特徴の他に下
記の特徴を有している。 （１）使用波長を可視光波長域とした請求項１に記載の
光学特性可変光学素子。

【００９７】（２）請求項１に記載の光学特性可変光学
素子から成る可変焦点レンズ。

【００９８】（３）前記式（２８），（２９），（３
０），（３５），（３６），（３７），（３９）の何れ
かを満たす請求項１に記載の光学特性可変光学素子。

【００９９】（４）液晶粒子の平均直径が使用波長の５
００倍以下で且つ７ｎｍ以上の高分子分散液晶に、空間
的に不均一な電場又は磁場又は温度を加えることにより
屈折率分布を形成し、電場又は磁場又は温度を変化させ
て前記屈折率分布を変化させるようにした光学特性可変
光学素子。

【０１００】（５）液晶粒子の平均直径が使用波長以下
で且つ液晶分子の大きさ以上の高分子分散液晶に、空間
的に不均一な電場又は磁場又は温度を加えることにより
屈折率分布を形成し、電場又は磁場又は温度を変化させ
て前記屈折率分布を変化させるようにした光学特性可変
光学素子。

【０１０１】（６）前記式（５３），（５４），（５
７），（５９），（６０），（６１）の何れかを満たす
請求項２に記載の光学特性可変光学素子。

【０１０２】（７）形状の異なる２つ以上の電極により
液晶に電場を加えるようにしたことを特徴とする光学特
性可変光学素子。

【０１０３】（８）形状の異なる２つ以上の電極により
液晶に電場を加えるようにしたことを特徴とする請求項
１又は２に記載の光学特性可変光学素子。

【０１０４】（９）高分子分散液晶の基板が１枚以下で
あることを特徴とする光学特性可変光学素子。

【０１０５】（10）強誘電性液晶又は反強誘電性液晶を
用いた高分子分散液晶を用いた光学特性可変光学素子。

【０１０６】（11）液晶の基板にアツベ数５０以下の媒
質を用いたことを特徴とする光学特性可変光学素子。

【０１０７】（12）液晶の所定の屈折率範囲において凸
液晶レンズの液晶のアツベ数が凹液晶レンズの液晶のア
ツベ数よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の
光学特性可変光学素子。

【０１０８】(13) 凸液晶レンズの焦点距離をｆ₁ 、凹
液晶レンズの焦点距離をｆ₂ としたとき、条件式１／２
＜｜ｆ₁ ／ｆ₂ ｜＜２を満たすことを特徴とする請求項
３に記載の光学特性可変光学素子。

【０１０９】(14) 前記液晶レンズの液晶としてトラン
系液晶を用いたことを特徴とする上記(13)に記載の光学
特性可変光学素子。

【０１１０】(15) アツベ数が５０以下の液晶を用いた
ことを特徴とする請求項３又は上記(12)乃至(14)の何れ
かに記載の光学特性可変光学素子。

【０１１１】（16）トラン系液晶を用いた光学特性可変
光学素子。

【０１１２】（17）液晶に代えて電気光学効果又は磁気
光学効果又は熱光学効果を有する物質を用いたことを特
徴とする請求項１乃至３，上記（１）乃至（12）の何れ
かに記載の光学特性可変光学素子。

【０１１３】（18）非回転対称面，面内面外共に対称軸
を有しない面，光学作用面に回転対称軸を有しない面，
面内面外共に対称面を一面のみ有する面の内の何れか
と、光学特性可変光学素子とを備えた撮像装置。

【０１１４】（19）請求項１乃至３，上記（１）乃至
（１７）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用い
た光学機器。

【０１１５】（17）自由曲面と、請求項１乃至３，上記
（１）乃至（１７）の何れかに記載の光学特性可変光学
素子とを備えた焦点距離可変の撮像装置又は光学装置。

【０１１６】（18）不均質レンズ又は回折光学素子又は
非球面レンズと、請求項１乃至３，上記（１）乃至（１
７）の何れかに記載の光学特性可変光学素子とを備えた
焦点距離可変の撮像装置又は光学装置。

【０１１７】（19）請求項１乃至３，上記（１）乃至
（１７）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用い
たオートフォーカス装置。

【０１１８】（20）請求項１乃至３，上記（１）乃至
（１７）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用い
たオートフォーカス装置。

【０１１９】（21）請求項１乃至３，上記（１）乃至
（１７）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用い
た視度調整装置。

【０１２０】（22）請求項１乃至３，上記（１）乃至
（１７）の何れかに記載の光学特性可変光学素子を用い
た可変焦点眼鏡。

【０１２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
明るい光学特性可変光学素子及びそれを用いた各種の光
学装置や光学機器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学特性可変光学素子の一実施例
の基本構成を示す図である。

【図２】図１に示したネマティック液晶の捩れの様子を
示す説明図である。

【図３】ネマティック液晶の入射側の液晶分子に対応す
る屈折率楕円体を示す図である。

【図４】図１に示した光学特性可変光学素子に電場を加
えた時の液晶の配向の変化を示す図である。

【図５】図１に示した光学特性可変光学素子に加えられ
た電場の様子を示す図である。

【図６】図１に示した光学特性可変光学素子に電場を加
えた時の液晶の図４とは異なる配向状態を示す図であ
る。

【図７】スメクティック液晶を用いて構成した図１に示
した光学特性可変光学素子の第１の変形例を示す概略図
である。

【図８】図７に示した光学特性可変光学素子に電場を加
えた時の配向状態を示す図である。

【図９】コレステリック液晶を用いて構成した図１に示
した光学特性可変光学素子の第２の変形例を示す概略図
である。

【図１０】自然偏光に対するコレステリック液晶の波長
に対する反射率の実測値の例を示す特性線図である。

【図１１】コレステリック液晶に磁場を印加して屈折率
変化を生じさせるように構成した光学特性可変光学素子
の概略図である。

【図１２】コレステリック液晶に熱を加えて屈折率変化
を生じさせるように構成した光学特性可変光学素子の概
略図である。

【図１３】高分子分散液晶層を用いて構成した図１に示
した光学特性可変光学素子の第３の変形例を示す概略図
である。

【図１４】図１３における高分子分散液晶層の部分拡大
図である。

【図１５】図１３に示した変形例に用いられる一軸性の
ネマティック液晶分子の屈折率楕円体を示す図である。

【図１６】図１３に示した光学特性可変光学素子に電場
を加えた時の液晶分子の配向の変化を示す図である。

【図１７】図１３に示した光学特性可変光学素子を用い
たデジタルカメラ用の撮像光学系の構成を示す図であ
る。

【図１８】強誘電性液晶を用いて構成した図１に示した
光学特性可変光学素子の第４の変形例を示す概略図であ
る。

【図１９】本発明に係る光学特性可変光学素子の他の実
施例を示す図である。

【図２０】本発明に係る光学特性可変光学素子の更に他
の実施例を示す図である。

【図２１】液晶の屈折率変化に伴うアツベ数の変化を示
す特性線図である。

【図２２】トラン系液晶の化学構造を示す図である。

【図２３】本発明に係る光学特性可変光学素子を自由曲
面光学素子と組み合わせて用いたデジタルカメラ用撮像
装置の構成を示す図である。

【図２４】本発明による光学特性可変光学素子をファイ
ンダー光学系に組み込んだ電子カメラの前方斜視図であ
る。

【図２５】図２４に示す電子カメラの後方斜視図であ
る。

【図２６】図２４に示した電子カメラの内部構成を示す
概略断面図である。

【図２７】本発明による光学特性可変光学素子を撮影用
対物光学系に組み込んだ電子カメラの概略構成図であ
る。

【図２８】本発明による光学特性可変光学素子を観察用
対物光学系に組み込んだ電子内視鏡装置の概略構成図
で、（ａ）はシステム全体の構成図、（ｂ）は内視鏡先
端部の内部構成図である。

【図２９】本発明による光学特性可変光学素子を光学系
に組み込んだ双眼鏡の概略構成図である。

【図３０】本発明による光学特性可変光学素子を光学系
に組み込んだ眼鏡の概略構成図である。

【図３１】従来の液晶レンズの基本構成を示す図であ
る。

【図３２】図３１に示した液晶レンズに電場を加えた時
の液晶の配向の変化を示す図である。

【符号の説明】

１ ネマティック液晶 ２ シール部材 ３ ドーナツ状の電極 ４，５ 透明基板 ６ 配向膜 ７ 偏光板 ８ 電源 ９ スイッチ １０ 可変抵抗器 １１ スメクティック液晶 １２ コレステリック液晶 １３ コイル １４ 鉄芯 １５ ヒータ １６ 高分子分散液晶層 １６ａ 液晶分子 １６ｂ 高分子セル １７ レンズ １８ 固体撮像素子 １９ 強誘電性液晶 ２０ 透明電極 ２１ 液晶 ２２，２３ 自由曲面光学素子 ２４ 電子カメラ ２５ 撮影用光路 ２６ 撮影光学系 ２７ ファインダー用光路 ２８ ファインダー光学系 ２９ レリーズ ３０ フラッシュ ３１ 液晶表示モニター ３２ 撮影用対物光学系 ３３，５６ フィルタ ３４ 処理手段 ３５ ファインダー用対物光学系 ３６ カバーレンズ ３７ 絞り ３８ ポロプリズム ３９ 視野枠 ４０ 液晶表示素子（ＬＣＤ） ４１ 記録手段 ４２ 接眼光学系 ４３ 電子内視鏡 ４４ 光源装置 ４５ ビデオプロセッサ ４６ モニタ ４７ ＶＴＲデッキ ４８ ビデオディスク ４９ ビデオプリンタ ５０ 挿入部 ５１ 先端部 ５２ ライトガイドファイバー束 ５３ 照明用対物光学系 ５４ カバー部材 ５５ 観察用対物光学系 ５６ 対物光学系 ５７ 像反転光学系 ５８ 接眼光学系 ｄ ネマティック液晶の厚さ Ｅ 電場 Ｌ 光線 Ｐ ネマティック液晶の捩れのピッチ ＶＦＬ，ＶＦＬ₁ ，ＶＦＬ₂ 可変焦点レンズ（光学
特性可変光学素子）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 捩れのピッチが使用光の波長の６０倍以
   下の液晶を含み、該液晶に空間的に不均一な電場又は磁
   場又は温度を加えることにより屈折率分布を形成するよ
   うにして、電場又は磁場又は温度を変化させることによ
   り屈折率分布を変えるようにした光学特性可変光学素
   子。
2. 【請求項２】 高分子分散液晶を含み、該液晶に空間的
   に不均一な電場又は磁場又は温度を加えることにより屈
   折率分布を形成するようにして、電場又は磁場又は温度
   を変化させることにより屈折率分布を変えるようにした
   光学特性可変光学素子。
3. 【請求項３】 凸、凹の２つ以上の液晶レンズを組み合
   わせて成る光学特性可変光学素子。