JP2007004132A

JP2007004132A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2007004132A
Application number: JP2006136999A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Goto; 尚志後藤
Original assignee: Olympus Imaging Corp
Current assignee: Olympus Imaging Corp
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】光学性能を維持しながら、小型化を図ることができる撮像装置を提供する。
【解決手段】光路分割素子２と、光軸方向に実質固定状態の屈折力可変素子３および反射面を含む光学系と、撮像面２２とを有し、光路分割素子２、光学系および撮像面２２は、被写体側から入射した光束が、光路分割素子２を透過した後、光学系に入射し、反射面で反射された後、光学系から光路分割素子２に向かって射出し、光路分割素子２で反射し、撮像面２２に入射するように配置されている撮像装置を提供する。
【選択図】図１

Description

この発明は、撮像装置に関するものである。

従来、撮像光学系に屈折力可変の光学素子を配置し、その屈折力可変の光学素子の作用により焦点距離や焦点位置を変化させる提案がなされている。これらの方法は、光軸方向の可動スペースや機械的可動部品を省略することができるという利点がある。
具体的には、液晶レンズ方式および形状可変ミラー方式が提案されている。

液晶レンズの製法に関する文献としては、例えば、特許文献１および特許文献２があり、被写体からの光束の偏光方向に関わらず撮像レンズに適用できるようにしたものとして特許文献３に開示されたものがある。
また、形状可変ミラーを撮像レンズに適用した例として、例えば、特許文献４等がある。この提案では、形状可変ミラーを撮像レンズ内に配置するために、光束を屈曲させる機能を併せ持たせたため、いわゆる自由曲面と呼ばれる光軸を対称軸としない非球面形状としている。
特開２００１−２７２６４６号公報特開２００１−２４９３４８号公報特開平１０−７３７５８号公報特開２００４−３０９６８４号公報

しかしながら、液晶レンズ方式では、基本的に偏光方向により作用が異なるという問題があり、また屈折力の変化を起こす屈折率の変化量を大きくできないとい課題がある。
形状可変ミラー方式では、光軸に対して形状可変ミラーの軸を大きく傾かせることで、入射光束域と光束域の分割を行うため、光軸に非対象な面による収差が発生し、他の面での補正が根難易なるという問題がある。この問題に対して形状可変ミラーのパワーを弱くするという対策もあるが、屈折力可変光学系としての効果を弱くすることになる。また、別の対策として、形状可変ミラーや他のレンズ作用面を軸対称性のない非球面によって構成する方法もあるが、一般の球体や軸対称性のある非球面等に比べて、生産や側定評価が極めて困難になるという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、光学性能を維持しながら、小型化を図ることができる撮像装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、光路分割素子と、光軸方向に実質固定状態の屈折力可変素子と反射面とを含む光学系と、撮像面とを有し、
前記光路分割素子、光学系および撮像面は、被写体側から入射した光束が、前記光路分割素子を透過した後、前記光学系に入射し、前記反射面で反射された後、前記光学系から前記光路分割素子に向かって射出し、前記光路分割素子で反射し、前記撮像面に入射するように配置されている撮像装置を提供する。

本発明によれば、屈折力可変素子および反射面を含む光学系を共軸系とすることができ、また、屈折力可変素子および反射面を組み合わせることにより、少ない物理的または化学的変化で大きな屈折力変化を得ることができる。これにより、光学性能を維持しながら光学素子の移動スペースを小さく、あるいは、なくしながら、焦点距離や焦点位置を変化させることができる。
ここで、本発明において、「光軸方向に実質固定状態」とは、屈折力変化、焦点距離変化、焦点位置変化、ピント調整または変倍等を行う際に、その機能を有する手段全体が光軸上を移動しない状態をいう。

上記発明においては、前記光学系は、入射した光軸上の光線が、前記反射面で反射されて前記光軸上を戻るように配置されていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記光路分割素子が、偏光ハーフミラーであり、前記光路分割素子と前記反射面との間に１／４波長板が配置されていることとしてもよい。
このように構成することで、例えば、主としてＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光ハーフミラーを用いた場合に、偏光ハーフミラーを透過した光束はＰ偏光となり、１／４波長板を２回透過することによりＳ偏光となり、偏光ハーフミラーによって反射される。その結果、被写体側から入射し偏光ハーフミラーを透過した光束は、小さな光量ロスで撮像面側に射出されることになる。

また、上記発明においては、前記屈折力可変素子が形状可変ミラーとして構成されており、形状可変ミラーの反射面が前記反射面を兼ねていることとしてもよい。
このように構成することで、形状可変ミラーに光軸を垂直にして入射する構成をとることができ、いわゆる偏心光学系による像の劣化が少なく、光学性能を出し易く、ミラーの特性である色収差の発生がないことや、同様のレンズ面形状に対して屈折力が高く、ゴーストの発生面にならない特性を引き出すことができる。

また、上記発明においては、前記屈折力可変光学素子が、液晶レンズを含むこととしてもよい。
このように構成することにより、光軸が同じ液晶レンズを２回通過するので、屈折力可変の効果を出し易い。また、屈折率変化による屈折力の変化なので、収差補正上有利になる構成をとることができる。
なお、反射面は、平面ミラーでもよいし、パワーを持った曲面ミラーでもよい。また、曲面ミラーの場合、光軸に対して回転対称な面であることが好ましい。

また、本発明は、光路分割素子と、光軸方向に実質固定状態の屈折力可変素子と反射面とを含む光学系と、撮像面とを有し、前記光路分割素子、光学系および撮像面は、被写体側から入射した光束が、前記光路分割素子で反射した後、前記光学系に入射し、前記反射面で反射された後、前記光学系から前記光路分割素子に向かって射出し、前記光路分割素子を透過し、前記撮像面に入射するように配置されている撮像装置を提供する。

本発明によれば、屈折力可変素子および反射面を含む光学系を共軸系とすることができ、また、屈折力可変素子および反射面を組み合わせることにより、少ない物理的または化学的変化で大きな屈折力変化を得ることができる。これにより、光学性能を維持しながら光学素子の移動スペースを小さく、あるいは、なくしながら、焦点距離や焦点位置を変化させることができる。

上記発明において、前記光学系は、入射した光軸上の光線が、前記反射面で反射されて前記光軸上を戻るように配置されていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記光路分割素子が、偏光ビームスプリッタであり、
前記光路分割素子と前記反射面との間に１／４波長板が配置されていることとしてもよい。
このように構成することで、例えば、主としてＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッタを用いた場合に、偏光ビームスプリッタにおいて反射した光束はＳ偏光となり、１／４波長板を２回透過することによりＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタを透過する。その結果、被写体側から入射し偏光ビームスプリッタを透過した光束は、小さな光量ロスで撮像面側に射出されることになる。

また、上記発明においては、前記屈折力可変光学素子が、液晶レンズを含むこととしてもよい。
このように構成することにより、Ｐ偏光またはＳ偏光のみを考慮して、液晶レンズを簡易に構成することができる。１／４波長板は液晶レンズと反射面との間に配置することが好ましい。これにより、直線偏光状態で液晶レンズに入射させることができる。
なお、反射面は、平面ミラーでもよいし、パワーを持った曲面ミラーでもよい。また、曲面ミラーの場合、光軸に対して回転対称な面であることが好ましい。

また、本発明は、光路分割素子と、第１の光軸方向に実質固定状態の第１の屈折力可変素子と第１の反射面とを含み、前記光路分割素子を透過した光束が入射する第１の光学系と、第２の光軸方向に実質固定状態の第２の屈折力可変素子と第２の反射面とを含み、前記光路分割素子で反射した光束が入射する第２の光学系と、撮像面とを有し、前記光路分割素子、第１の光学系、第２の光学系および撮像面は、被写体側から入射した光束の一部が、前記光路分割素子を透過した後、前記第１の光学系に入射し、前記第１の反射面で反射した後、前記第１の光学系から前記光路分割素子に向かって射出し、前記光路分割素子において反射し、前記撮像面に入射し、かつ、被写体側から入射した光束の他の一部が、前記光路分割素子において反射した後、前記第２の光学系に入射し、前記第２の反射面で反射した後、前記第２の光学系から前記光路分割素子に向けて射出し、前記光路分割素子を透過し、前記撮像面に入射するように配置されている撮像装置を提供する。

本発明によれば、屈折力可変素子および反射面を含む光学系を共軸系にすることができ、また、屈折力可変素子と反射面とを組み合わせることにより、少ない物理的または化学的変化で大きな屈折力変化を得ることができる。これにより、光学性能を維持しながら光学素子の移動スペースを小さく、あるいは、なくしながら、焦点距離や焦点位置を変化させることができる。

また、被写体側から入射し、光路分割素子で反射した光束および透過した光束を活用できるので、光量ロスを少なくすることができる。
なお、第１の光学系と第２の光学系における、それぞれの屈折力可変素子その他のレンズ作用を有する手段から受けるレンズ作用は撮像装置からの要請から全く同じでもよいし、異なっていてもよい。

上記発明においては、前記第１の光学系は、入射した第１の光軸上の光線が、前記第１の反射面で反射されて前記第１の光軸上を戻るように配置され、前記第２の光学系は、入射した第２の光軸上の光線が、前記第２の反射面で反射されて前記第２の光軸上を戻るように配置されていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記光路分割素子が、偏光ビームスプリッタであり、前記光路分割素子と前記第１の反射面との間に、第１の１／４波長板が配置され、前記光路分割素子と前記第２の反射面との間に、第２の１／４波長板が配置されていることとしてもよい。

このように構成することで、例えば、主としてＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッタを用いた場合に、被写体側から入射し、偏光ビームスプリッタを透過した光束はＰ偏光となり、１／４波長板を２回透過することによりＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタにおいて反射する。また、被写体側から入射し偏光ビームスプリッタにおいて反射した光束はＳ偏光となり、１／４波長板を２回透過することによりＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタを透過する。これにより、被写体側から入射した光束は、小さな光量ロスで撮像面側に射出されることになる。

また、上記発明においては、前記第１の屈折力可変素子および前記第１の反射面からなる第１のユニットおよび前記第２の屈折力可変素子および前記第２の反射面からなる第２のユニットのうちの少なくとも１つのユニットが、形状可変ミラーにより構成されていることとしてもよい。
このように構成することで、形状可変ミラーに光軸を垂直にして入射する構成をとることができ、いわゆる偏心光学系による像の劣化が少なく、光学性能を出し易く、ミラーの特性である色収差の発生がないことや、同様のレンズ面形状に対して屈折力が高く、ゴーストの発生面にならない特性を引き出すことができる。

また、上記発明においては、前記第１の屈折力可変素子および前記第２の屈折力可変素子の少なくとも一方が、液晶レンズからなることとしてもよい。
このように構成することにより、光軸が同じ液晶レンズを２回通過するので、屈折力可変の効果を出し易い。また、屈折率変化による屈折力の変化なので、収差補正上有利になる構成をとることができる。

また、変化のパラメータが屈折率で電圧的制御なので、第１の光学系と第２の光学系のレンズ作用の変化の特性を合わせるのが比較的容易な構成が可能である。
なお、反射面は、平面ミラーでもよいし、パワーを持った曲面ミラーでもよい。また、曲面ミラーの場合、光軸に対して回転対称な面であることが好ましい。

また、上記発明においては、前記屈折力可変素子が液晶レンズからなり、前記光路分割素子と前記１／４波長板との間に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、光量ロスを小さくすることができる。

また、上記発明においては、前記屈折力可変素子が液晶レンズからなり、前記１／４波長板と前記反射面との間に配置され、前記１／４波長板と液晶レンズとの間に偏光板が配置され、該偏光板は、１／４波長板から射出されて該偏光板を透過する光束の光量を最大とする状態に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、光量ロスを比較的小さくすることができる。液晶レンズを透過する光束の偏光方向が往復とも同じになり、屈折力の変化も安定して受けることができる。なお、液晶レンズの屈折力を受ける偏光方向と透過する偏光方向を併せるように配置するのが望ましい。

また、上記発明においては、前記屈折力可変素子が、屈折力を変化させフォーカス位置を調節することとしてもよい。
このようにすることで、フォーカシングのために必要な光軸上のスペースを節約できる。また、鏡枠構造を簡易にできる。

また、上記発明においては、前記屈折力可変素子が、屈折力を変化させ画角を変化させることとしてもよい。
このように構成することで、ズーミングのために必要な光軸上のスペースを節約できる。また、光軸上を移動するレンズ群を少なくする構成も可能となり、鏡枠構造を簡易にできる。

また、上記発明においては、前記第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点とが同じ位置にあることとしてもよい。
このようにすることで、第１の光学系と第２の光学系のレンズ作用を同じにすることで、性能劣化を少なくすることができる。

また、上記発明においては、前記第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点とが異なる位置にあることとしてもよい。
このように構成することで、単一の光軸を持つ光学系にできない効果を得ることができる。例えば、ローパス効果を得ることで、ローパスフィルタを廃止し、スペース効果を得ることができる。または、被写界深度を深くすることでオートフォーカスの負担を減らすことができる。
なお、電子撮像装置で求められるローパス効果は電子撮像素子の画素サイズで異なるが、画素サイズの異なる撮像素子を組み込む場合、第１の光学系と第２の光学系の後側焦点位置の調整で必要なローパス効果を得ることができる。

また、上記発明においては、前記第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点とが、光軸方向で見て異なる位置にあることとしてもよい。
このように構成することで、ボケ形状を円に近くし、質の高いローパス効果を得ることができる。

上記発明においては、前記第１の光学系および第２の光学系が、開口の大きさが可変である開口絞りを有し、該開口絞りにより決定される開口数の変化に応じて、第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点との間の距離が変化するように、第１の屈折力可変素子および第２の屈折力可変素子の少なくとも一方の屈折力を変化させることとしてもよい。
このように構成することで、ローパス効果を光学系の開口数によって変化させることができる。開口絞りを変化させ開口数が変化しても、第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点との間の距離を変化させることにより、必要なローパス効果を維持できる。
なお、被写体条件でローパス効果が必要ない場合には、第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点とを一致させることにより解像力を向上する等、開口数の変化以外でもローパス効果を変化させることができる。

上記発明においては、前記光路分割素子は、２つのプリズムと、それらの接合面に設けられた光分割面とを持つビームスプリッタであることとしてもよい。
このように構成することで、光路分割素子に起因するフレア等や汚れ等に効果がある。また反射膜を保護する効果もある。

また、上記発明においては、被写体側からの光束が、ビームスプリッタに入射する該ビームスプリッタの入射面が屈折力を持つこととしてもよい。
また、上記発明においては、前記ビームスプリッタから前記撮像面へ向かって光束が射出する該ビームスプリッタの射出面が屈折力を持つこととしてもよい。

また、上記発明においては、前記ビームスプリッタから前記光学系へ向かって光束が射出する該ビームスプリッタの射出面が屈折力を持つこととしてもよい。
このようにすることで、光学系全体のパフォーマンスを向上することができる。

また、上記発明においては、前記光路分割素子の被写体側にレンズユニットが配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、光学系全体の達成可能な仕様の範囲を広げることができる。

また、上記発明においては、前記レンズユニットが負のパワーを有することとしてもよい。
このようにすることで、特に広角レンズにおいて、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面のユニットの小型化を図ることができる。

また、上記発明においては、前記レンズユニットが正のパワーを有することとしてもよい。
このようにすることで、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面のユニットのパワーの負荷を低減できる。
また、特に、望遠レンズにおいて、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面のユニットの小型化を図ることができる。

また、上記発明においては、前記レンズユニットが、少なくとも１つの光軸上を移動可能なサブユニットを有することとしてもよい。
レンズユニットでもフォーカシングを負担して、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面を組み合せてズーミングを行うことにより、幅広い光学仕様を達成できる。または、フォーカシングが、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面によりズームを行うこととしてもよい。

また、上記発明においては、前記レンズユニットが焦点距離可変光学系であることとしてもよい。
このようにすることで、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面のユニットを射出瞳の調節のための手段として使用することができる。または、レンズユニット、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面のユニットで、ズーミングおよびフォーカシングを行う幅広い光学仕様を達成できる。

また、上記発明においては、前記光路分割素子と撮像面との間にレンズユニットが配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、光学系全体の達成可能な仕様の範囲を広げることができる。

また、上記発明においては、前記レンズユニットが正のパワーを有することとしてもよい。
このようにすることで、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面のユニットのパワーの負担を低減することができる。

また、上記発明においては、前記レンズユニットが、少なくとも１つの光軸上を移動可能なサブユニットを有することとしてもよい。
このようにすることで、レンズユニットでもフォーカシングを負担して、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面を組み合せてズーミングを行うことにより、幅広い光学仕様を達成できる。または、フォーカシングが、光路分割素子、屈折力可変素子および反射面によりズームを行うこととしてもよい。

また、上記発明においては、前記光路分割素子と前記反射面との間に偏光板が配置され、該偏光板が、各光軸に対して回転可能であることとしてもよい。
このように構成することで、偏光板を回転させて光量を調節することができる。

また、上記発明においては、前記偏光板が回転することにより露光量が調節されることとしてもよい。
開口絞り等の絞り系を変化させ、開口数を変化させて光量を調節する場合、開口数を小さくすると回折限界を超えて画質が劣化するが、本発明によればそのような不都合はない。また、ＮＤフィルタを挿入・退避させる場合には、実質的に変化させる光量に制限があるとともに退避スペースが必要となるが、本発明においてはそのような不都合はない。

本発明によれば、光学性能を維持しながら、小型化を図ることができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施形態に係る撮像装置について、図面を参照して説明する。本実施形態の説明に用いられる図においては、レンズに関して簡易に１枚の正レンズや１枚の負レンズにより表示するが、これらは当然のことながら、性能等の必要性に応じ、いわゆるレンズ設計ツール等を用いて設計された複数の正レンズ、負レンズの組み合わせからなるレンズ系によって構成されていてもよい。また、光軸上を可動する図においても、性能等の必要性に応じて、いわゆるレンズ設計ツールを用いて設計等された可動レンズの組み合わせも本願提案の範疇にある。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る撮像装置を図１に示す。図１においては、本実施形態に係る撮像装置は、光路分割素子としてのハーフミラー２を挟んで貼り合わせられた２つのプリズム１Ａ，１Ｂからなるプリズム素子１と、屈折力可変素子および反射面としての形状可変ミラー３と、レンズ系２１と撮像素子（撮像面とも言う。）２２とにより構成されている。この他に、図示していないが、開口絞り、ローパスフィルタ等を含めてもよい。図中符号３′は形状可変ミラー３の形状変化前の状態を示している。

プリズム素子１を構成する２つのプリズム１Ａ，１Ｂは、概略直角二等辺三角形の断面を有する三角柱であり、この底面（直角の内面に接しない面）にハーフミラー２を構成し、２つのプリズム１Ａ，１Ｂを密着させる構造が望ましい。ここで、概略直角二等辺三角形の断面とは、プリズム１Ａ，１Ｂの保持等で一部の形状を変化させたものも含まれるという意味である。

次に、被写体から撮像面２２への光束の流れに従い、各構成要素の位置関係を説明する。
被写体から発せられた光束は、プリズム素子１の面１ａに入射する。面１ａは、前記概略直角二等辺三角形の内角に接する面の１つである。面１ａに入射した光束は、ハーフミラー２を透過し、面１ｂから射出する。面１ａと面１ｂとは平行であることが望ましい。面１ｂを射出した光束は形状可変ミラー３で反射し、再び面１ｂに入射する。

面１ｂに再入射した光束はハーフミラー２で反射し、面１ｄから射出する。形状可変ミラー３でのレンズ作用では結像に不足する場合には、面１ｄから射出した光束は、レンズ系２１でさらにレンズ作用を受け（すなわち、入射光と射出光との関係が変化し）、撮像面２２に達する。形状可変ミラー３の構造については後述する。

形状可変ミラー３は、光軸方向に実質固定状態であり、そのミラー形状は、いわゆる共軸系（基準軸に対して回転対称な面）で構成しても光軸に対して非対称な収差が発生しないので、面の形成、測定、レンズ系２１等他のレンズとの収差補正上等の補完が容易になる。また、色収差が発生しないので、レンズ系２１等の構成を容易にできる。

なお、ハーフミラー２の透過率と反射率を同程度にするのが望ましく、この場合、面１ａから入射した光量に対して面１ｄから射出する光量は２５％程度になる。面１ｄとは反対側の面から５０％、面１ａから２５％程度の光量が射出される。

面１ｄとは反対側の面から射出する光束を用いてＡＥやＡＦ等のセンシングを行ってもよい。また、面１ａを含むプリズム１Ａについては、面１ａとハーフミラー２の面とが４５°程度の関係であれば、直角二等辺三角形の断面に関わらず、面１ａから入射し、ハーフミラー２で反射した光束が光学系全体に悪影響を及ぼさないような処理や、センシング等有効活用でき易い処理を行ってもよい。光学系全体に悪影響を及ぼさないような処理としては、面１ａから入射しハーフミラー２で反射した光束を内面反射防止手段等で内面反射を防止したり、内面反射した光束の内、面１ｄから射出し、レンズ系２１や撮像面２２に到達する光量を減らしたりすること等である。

形状可変ミラー３は電気的等の作用で形状を変化させ、面１ｂからの光束へのレンズ作用を変化させる。すなわち、形状可変ミラー３への入射光と形状可変ミラー３からの反射光との関係を変化させることができる。この変化は、連続液に任意の位置で保持できるようにしてもよいし、保持できる形状が非連続的であってもよい。レンズ作用の変化により、ピント調整等を行うことが望ましい。また、後述のように他のレンズ系の移動と合わせて変倍を行ってもよい。

［第２の実施形態］
図２に本発明の第２の実施形態に係る撮像装置を示す。図２においては、光路分割素子としてのハーフミラー２を挟んで貼り合わせられた図１と同様の２つのプリズム１Ａ，１Ｂからなるプリズム素子１と、屈折力可変素子および反射面としての形状可変ミラー３と、レンズ系２１と撮像素子２２とにより構成され、図１と同様にレイアウトされている。本実施形態においては、ハーフミラー２は偏光ハーフミラー（以下、偏光ハーフミラー２とも言う。）であり、面１ｂと形状可変ミラー３との間に１／４波長板４が配置されている。この他に、図１と同様に図示しないが、開口絞り、ローパスフィルタ等を含めてもよい。

偏光ハーフミラー２は、例えば、特開平６−３３７３０６等により紹介されている。
本実施形態に用いる偏光ハーフミラー２は、例えば、図３に示されるように、Ｓ−ＢＳＬ７（株式会社オハラの光学ガラスカタログ記載）からなるプリズム１Ａにハーフミラー２を形成し、同一形状のプリズム１Ｂを接着剤によって接着した構造となっている。ハーフミラー２は奇数層にＺＴ１（ＺｒＯ_２，ＴａＯ_５を重量比で９：１に混合した材料で、屈折率は２．０５である。）を、偶数層にＳｉＯ_２を、それぞれ表１の膜厚に成膜したものである。

次に、偏光ハーフミラー２の製造手順を説明する。まず、真空蒸着装置内に、Ｓ−ＢＳＬ７ガラスプリズム基板１Ａをセットし、基板温度を３００℃に設定して、真空度が１×１０^−５Ｔｏｒｒになるまで排気する。第１層は、真空蒸着装置内の真空度が１×１０^−４ＴｏｒｒになるようにＯ_２ガスを導入してから電子銃を使用し、ＺＴ１の膜厚が表１の値になるように蒸着する。第２層は０_２ガス導入を止めて、通常の真空蒸着で、ＳｉＯ_２の膜厚が表１の値になるように蒸着する。以下、同様の手法を繰り返して、全１２層の蒸着作業を行う。全ての蒸着が終了したら、十分冷却してからプリズム１Ａを取り出し、蒸着の施されていない同一形状のＳ−ＢＳＬ７入りガラスプリズム１Ｂと接合する。このようにして得られた偏光ハーフミラー２の光学特性を図４に示す。なお、当然であるが、本願におけるハーフミラー２以外の構成によるものでもよい。

次に被写体から撮像面２２への光束の流れに従い、各構成要素の位置関係と作用について説明する。被写体から発せられた光束は、プリズム素子１の面１ａに入射する。面１ａは前記直角二等辺三角形の直角の内面に接する面の１つである。面１ａに入射した光束のＰ偏光成分が偏光ハーフミラー２を透過し、面１ｂから射出される。面１ｂから射出された光束は、形状可変ミラー３で反射し、再度面１ｂに入射する。このとき、光束は１／４波長板４を往復しＳ偏光に変換される。面１ｂから再入射した光束は、偏光ハーフミラー２で反射し、面１ｄから射出する。

形状可変ミラー３におけるレンズ作用では結像に不足する場合、面１ｄから射出した光束は、レンズ系２１でさらにレンズ作用を受けて、撮像面２２に到達する。偏光ハーフミラー２はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するという特性を有するので、面１ｂへの再入射光束は、偏光ハーフミラー２で反射し、光の効率が向上する。

なお、第１の実施の形態同様に面１ａを含むプリズム１Ａについては、面１ａと偏光ハーフミラー２の面が４５°の関係であれば、直角二等辺三角形の断面に関わらず、面１ａから入射し、偏光ハーフミラー２で反射した光束が、光学系全体に悪影響を及ぼさないような処理や、センシング等有効活用でき易い処理を行ってもよい。また、光学系全体に悪影響を及ぼさないような処理としては、面１ａから入射し、偏光ハーフミラー２で反射した光束を内面反射防止手段等で内面反射を防止したり、内面反射した光束の内、面１ｄから射出し、レンズ２１や撮像面２２に到達する量を減らしたりすること等が挙げられる。

形状可変ミラー３は電気的等の作用で形状が変化し、面１ｂから光束へのレンズ作用を変化させることができる。この変化は、連続的に任意の位置で保持できるようにしてもよいし、保持できる形状が非連続的でもよい。レンズ作用の変化によりピント調整を行うのが望ましい。また、後述のように他のレンズ系の移動と合わせて変倍を行ってもよい。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る撮像装置について図５を参照して説明する。
本実施形態に係る撮像装置は、図５に示されるように、光路分割素子としての偏光ハーフミラー２を挟んで貼り合わされた図２と同様の２つのプリズム１Ａ，１Ｂからなるプリズム素子１と、屈折力可変素子としての液晶レンズ５と、反射面７と、液晶レンズ５と反射面７との間に配置される１／４波長板４と、レンズ系２１と、撮像素子２２とを備えている。この他に、図１と同様に図示しないが、開口絞り、ローパスフィルタ等を含めてもよい。液晶レンズ５は、例えば、ネマティック液晶５ａとこれを凸形状に支持するセル５ｂとから構成されている。

次に、被写体から撮像面２２への光束の流れに従い、各構成要素の位置関係と作用について、説明する。被写体から発せられた光束はプリズム素子１の面１ａに入射する。面１ａは、前記直角二等辺三角形の内角に接する面の１つである。面１ａに入射した光束のＰ偏光成分が偏光ハーフミラー２を通過し、面１ｂより射出する。面１ｂから射出された光束は液晶レンズでレンズ作用を受け、１／４波長板４を透過し、反射面７で反射し、再度１／４波長板４を透過する。光が１／４波長板を往復することでＰ偏光からＳ偏光に変換される。その後、液晶レンズ５に再入射される。

液晶レンズ５がＰ偏光とＳ偏光で異なるレンズ作用を持つ（本実施形態の場合、Ｐ偏光を透過させＳ偏光を屈折させる）状態の場合、１／４波長板４を往復してＰ偏光がＳ偏光に変換されているため、最初に入射したときと異なるレンズ作用を受ける。その後、面１ｂに再入射する。このとき、光束は前述のように、１／４波長板４を往復し、Ｓ偏光に変換されている。面１ｂに再入射した光束は偏光ハーフミラー２で反射し、面１ｄから射出する。形状可変ミラー３でのレンズ作用では結像に不足する場合、面１ｄから射出した光束はレンズ系２１でさらにレンズ作用を受け、撮像面２２に到達する。

偏光ハーフミラー２は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するという特性を有するので、面１ｂに再入射した光量のほとんどが偏光ハーフミラー２において反射し、光の効率が向上する。なお、第１の実施形態と同様に、面１ａを含むプリズム１Ａについては、面１ａと偏光ハーフミラー２の面が４５°程度の関係であれば、直角二等辺三角形の断面に関わらず、面１ａから入射し、偏光ハーフミラー２で反射した光束を内面反射防止手段等で内面反射を防止したり、内面反射した光束の内、面１ｄから射出しレンズ２１や撮像面２２に到達する光量を減らしたりすること等が挙げられる。

液晶レンズ５は電気的等の作用で屈折率が変化し、面１ｂからの光束へのレンズ作用を変化させることができる。この変化は連続的に任意の位置で保持できるようにしてもよいし、保持できる屈折率が非連続的であってもよい。レンズ作用の変化により、ピント調整等を行うのが望ましい。また、後述のように他のレンズ系の移動と合わせて変倍を行ってもよい。

なお、１／４波長板４を面１ｂと液晶レンズ５との間に配置しても実施的に問題ない場合には、そのように構成してもよい。この場合、光束は往復とも液晶レンズ５から同様の光学特性のレンズ作用を受ける。
また、第１〜第３の実施形態における内面反射防止手段としては、艶消し黒塗り塗料を塗布したものや、内面反射防止を施す面を砂擦り面等にして鏡面ではなくした上で、黒塗り塗料を塗布したものであってもよい。

［第４〜第６の実施形態］
次に、本発明の第４〜第６の実施形態に係る撮像装置について、図６〜図８を参照して説明する。
これらの撮像装置は、第１〜第３の実施形態に係る撮像装置のハーフミラー２の反射側に反射面等を配置したものである。図６は、第４の実施形態に係る撮像装置であって、第１の実施形態に係る撮像装置の形状可変ミラー３に代えて、ハーフミラー２の反射側に形状可変ミラー１３を配置したものである。図７は、第５の実施形態に係る撮像装置であって、第２の実施形態に係る撮像装置の形状可変ミラー３および１／４波長板４に代えて、偏光ハーフミラー２の反射側に形状可変ミラー１３および１／４波長板１４を配置した例である。図８は、第６の実施形態に係る撮像装置であって、第３の実施形態に係る撮像装置の反射面７と、１／４波長板４、液晶レンズ５および反射面７に代えて、偏光ハーフミラー２の反射側に１／４波長板１４、液晶レンズ１５および反射面７を配置した例である。

ここでは、代表して、第５の実施形態に係る撮像装置について図７を参照して、被写体から撮像面２２への光束の流れに従い、各構成要素の位置関係と作用について説明する。
被写体から発せられた光束は、プリズム素子１の面１ａに入射する。面１ａは、前記直角二等辺三角形の直角の内角に接する面の１つである。面１ａに入射した光束のＳ偏光成分が偏光ハーフミラー２で反射し、面１ｃから射出する。面１ｃから射出した光束は形状可変ミラー１３において反射し、面１ｃに再入射する。このとき、光束は１／４波長板１４を往復し、Ｐ偏光に変換されている。図中符号１３′は形状可変ミラー１３の形状変化前の状態を示している。

面１ｃに再入射した光束は、偏光ハーフミラー２を透過し、面１ｄから射出する。形状可変ミラー１３でのレンズ作用では結像に不足する場合には、面１ｄから射出した光束は、レンズ系２１でさらにレンズ作用を受け、撮像面２２に到達する。偏光ハーフミラー２は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するという特性を有するので、面１ｃに再入射した光量のほとんどが偏光ハーフミラー２を透過し、光の効率が向上する。なお、面１ｄを含むプリズム１Ｂについては、面１ｄとハーフミラー２の面が４５°程度の関係であれば、直角二等辺三角形の断面に関わらず、面１ａから入射し、偏光ハーフミラー２を透過した光束が、光学系全体に悪影響を及ぼさないような処理や、センシング等有効活用でき易い処理を行ってもよい。また、光学系全体に悪影響を及ぼさないような処理としては、面１ａから入射し、偏光ハーフミラー２を透過する光束を内面反射防止手段等で内面反射を防止したり、内面反射した光束の内、面１ｄから射出し、レンズ系２１や撮像面２２に到達する量を減らしたりすること等が挙げられる。

形状可変ミラー３は電気的等の作用で形状が変化し、面１ｂから光束へのレンズ作用を変化させることができる。この変化は、連続的に任意の位置で保持できるようにしてもよいし、保持できる形状が非連続的でもよい。レンズ作用の変化によりピント調整を行うのが望ましい。また、後述のように他のレンズ系の移動と合わせて変倍を行ってもよい。
なお、同様に、第４の実施形態では、図６に示されるように、１／４波長板４がなく、ハーフミラー２が偏光ハーフミラーに限られないものであり、第６の実施形態は、図８に示されるように、形状可変ミラー１３の代わりに液晶レンズ１５と反射面１７とを用いたものである。液晶レンズ１５は、例えば、ネマティック液晶１５ａとこれを凸形状に支持するセル１５ｂとから構成されている。

［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態に係る撮像装置について、図９を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る撮像装置は、図９に示されるように、図１と同様のハーフミラー２を挟んで貼り合わせられた２つのプリズム１Ａ，１Ｂからなるプリズム素子１と、第１の屈折力可変素子および第１の反射面からなる第１のユニットとしての第１の形状可変ミラー３と、第２の屈折力可変素子および第２の反射面からなる第２のユニットとしての第２の形状可変ミラー１３と、レンズ系２１と、撮像素子２２とを備えている。この他、図示しないが、必要に応じて、開口絞りおよびローパスフィルタ等を含めてもよい。

次に、被写体から撮像面２２への光束の流れに従い、各構成要素の位置関係と作用につて説明する。
被写体から発せられた光束は、プリズム素子１の面１ａに入射する。面１ａに入射した光束は、ハーフミラー２を透過する第１の光束（被写体側から入射した光束の一部）と、ハーフミラー２において反射する第２の光束（被写体側から入射した光束の他の一部）に分離される。

第１の光束は、第１の光軸Ｌ１に沿って面１ｂから射出する。面１ｂから射出した第１の光束は、形状可変ミラー３において反射し、第１の光軸Ｌ１に沿って面１ｂに再入射する。面１ｂに再入射した第１の光束は、ハーフミラー２で反射し、面１ｄから射出する。
第２の光束は、第２の光軸Ｌ２に沿って面１ｃから射出する。面１ｃから射出した第２の光束は、形状可変ミラー１３において反射し、第２の光軸Ｌ２に沿って面１ｃに再入射する。面１ｃに再入射した第２の光束は、ハーフミラー２を透過して第１の光束と再び重ね合わせられて面１ｄから射出する。

形状可変ミラー３，１３におけるレンズ作用では結像に不足する場合、面１ｄから出射した光束はレンズ系２１でさらにレンズ作用を受け、撮像面２２に到達する。
なお、ハーフミラー２は、その透過率と反射率を同程度にするのが望ましく、この場合面１ａから入射した光量に対して面１ｄから射出する光量は５０％程度になる。また面１ａからも５０％程度の光量が射出される。

第１の形状可変ミラー３と第２の形状可変ミラー１３は、それぞれ第１の光軸方向および第２の光軸方向に実質固定状態にあり、電気的等の作用で形状が変化し、面１ｂ，１ｃからの光束へのレンズ作用を変化させることができる。この変化は、連続的に任意の位置で保持できるようにしてもよいし、保持できる形状が非連続的でもよい。また、第１の形状可変ミラー３と第２の形状可変ミラー１３の形状を一致させ、さらに同様に変化させ、レンズ作用の変化によりピント調整を行うのが望ましい。また、後述のように他のレンズ系の移動と合わせて変倍を行ってもよい。また、第１の形状可変ミラー３と第２の形状可変ミラー１３の形状を異ならせることにより、後述のローパス効果を持たせてもよい。

［第８の実施形態］
次に、本発明の第８の実施形態に係る撮像装置について、図１０を参照して説明する。
本実施形態に係る撮像装置は、図１０に示すように、光路分割素子としての偏光ハーフミラー２を挟んで貼り合わされた図２と同様の２つのプリズム１Ａ，１Ｂからなるプリズム素子１と、第１のユニットとしての第１の形状可変ミラー３と、第１の１／４波長板４と、第２のユニットとしての第２の形状可変ミラー１３と、第２の１／４波長板１４と、レンズ系２１と、撮像素子２２とを備えている。この他、図示しないが、必要に応じて、開口絞りやローパスフィルタ等を備えていてもよい。

次に、被写体から撮像面２２への光束の流れに従い、各構成要素の位置関係と作用について説明する。
被写体から発せられた光束は、プリズム素子１の面１ａに入射する。面１ａに入射した光束のＰ偏光成分は、第１の光軸Ｌ１に沿って偏光ハーフミラー２を透過し第１の光束となって面１ｂから射出する。面１ａに入射した光束のＳ偏光成分は、第２の光軸Ｌ２に沿って偏光ハーフミラー２において反射して第２の光束となって面１ｃから射出する。

面１ｂから射出された第１の光束は、第１の１／４波長板４を透過し、第１の形状可変ミラー３において反射し、第１の１／４波長板４を再度透過する。このとき第１の光束は、第１の１／４波長板４を往復したことでＳ偏光に変換されている。その後、第１の光束は面１ｂに再入射される。面１ｂに再入射した第１の光束は偏光ハーフミラー２において反射し面１ｄから射出する。

面１ｃから射出された第２の光束は、第２の１／４波長板１４を透過し、第２の形状可変ミラー１３において反射し、第２の１／４波長板１４を再度透過する。このとき第２の光束は、第２の１／４波長板１４を往復したことでＰ偏光に変換されている。その後、第２の光束は面１ｃに再入射する。面１ｃに再入射した第２の光束は偏光ハーフミラー２を透過し、第１の光束と再び重ね合わせられて、面１ｄから射出する。そして、レンズ系２１でさらにレンズ作用を受け、撮像面２２に到達する。

本実施形態によれば、面１ａに入射した光束のほぼ全てを面１ｄから射出させることができ、第１，第２の形状可変ミラー３，１３を有していて、構成上性能の出し易い極めて効率のよい光学系を構成することができる。
第１の形状可変ミラー３と第２の形状可変ミラー１３は、それぞれ第１の光軸方向および第２の光軸方向に実質固定状態にあり、電気的等の作用で形状が変化し、面１ｂ，１ｃからの光束へのレンズ作用を変化させることができる。この変化は、連続的に任意の位置で保持できるようにしてもよいし、保持できる形状が非連続的でもよい。また、第１の形状可変ミラー３と第２の形状可変ミラー１３の形状を一致させ、さらに同様に変化させ、レンズ作用の変化によりピント調整を行うのが望ましい。また、後述のように他のレンズ系の移動と合わせて変倍を行ってもよい。また、第１の形状可変ミラー３と第２の形状可変ミラー１３の形状を異ならせることにより、後述のローパス効果を持たせてもよい。

［第９の実施形態］
本発明の第９の実施形態に係る撮像装置を図１１に示す。本実施形態に係る撮像装置は、図１０の第１、第２の形状可変ミラー３，１３に代えて、第１，第２の屈折力可変素子としての第１，第２の液晶レンズ５，１５および第１，第２の反射面７，１７を配置したものである。個々の光学系の作用効果は、第３、第６の実施形態に係る撮像装置と同様であり、それぞれの光学系が重なったことによる作用効果は第８の実施形態に係る撮像装置と同様である。

［第１０の実施形態］
本発明の第１０の実施形態に係る撮像装置を図１２に示す。本実施形態に係る撮像装置は、図１２に示されるように、光路分割素子としての偏光ハーフミラー２を挟んで貼り合わされた図２と同様の２つのプリズム１Ａ，１Ｂからなるプリズム素子１と、第１の液晶レンズ５と、第１の反射面７と、プリズム素子１と第１の液晶レンズ５との間に配置された第１の１／４波長板２３および第１の偏光板２４と、第２の液晶レンズ１５と、第２の反射面１７と、プリズム素子１と第２の液晶レンズ１５との間に配置された第２の１／４波長板２５および第２の偏光板２６と、レンズ系２１と、撮像素子２２とを備えている。この他、図示しないが、必要に応じて、開口絞りやローパスフィルタ等を備えていてもよい。

次に、被写体から撮像面２２への光束の流れに従い、各構成要素の位置関係と作用につて説明する。
被写体から発せられた光束は、プリズム素子１の面１ａに入射する。面１ａに入射した光束のＰ偏光成分は、第１の光軸Ｌ１に沿って偏光ハーフミラー２を透過し、第１の光束となって面１ｂから射出する。面１ａに入射した光束のＳ偏光成分は、第２の光軸Ｌ２に沿って偏光ハーフミラー２において反射して第２の光束となって面１ｃから射出する。

面１ｂから射出された第１の光束は、第１の１／４波長板２３を透過し、さらに第１の偏光板２４を透過する。第１の偏光板２４は第１の１／４波長板２３を透過した光束を最もよく透過できるように配置する。例えば、図１２において、偏光ハーフミラー２を透過したＰ偏光は第１の１／４波長板２３を透過して楕円偏光になるので、この楕円偏光を第１の偏光板２４で直線偏光にする際に最も光量が確保できる角度に第１の偏光板２４を配置する。

さらに、第１の液晶レンズ５でレンズ作用を受け、第１の反射面７で反射し、再び第１の液晶レンズ５でレンズ作用を受ける。第１の液晶レンズ５は透過する光束の偏光方向の成分の屈折率が、電気的作用で変化するように構成されているので、屈折率の変化する第１の液晶レンズ５を２回透過することにより、レンズ作用を大きく変化させることができる。さらに、第１の偏光板２４を透過し、再び第１の１／４波長板２３を透過する。このとき、第１の光束は第１の１／４波長板２３を往復したことによりＳ偏光に変換されている。その後、第１の光束は面１ｂに再入射される。面１ｂに再入射した第１の光束は偏光ハーフミラー２において反射し面１ｄから射出する。

面１ｃから射出された第２の光束は、第２の１／４波長板２５および第２の偏光板２６を透過する。第２の偏光板２６は第２の１／４波長板２５を透過した光束を最もよく透過できるように配置する。さらに、第２の液晶レンズ１５でレンズ作用を受け、第２の反射面１７において反射し、再び、第２の液晶レンズ１５でレンズ作用を受ける。

第２の液晶レンズ１５は透過する光束の偏光方向の成分の屈折率が、電気的作用で変化するように構成されているので、屈折率の変化する第２の液晶レンズ１５を２回透過することにより、レンズ作用を大きく変化させることができる。さらに、第２の偏光板２６を透過し、再び第２の１／４波長板２５を透過する。このとき、第２の光束は第２の１／４波長板２５を往復したことによりＰ偏光に変換されている。その後、第２の光束は面１ｃに再入射される。面１ｃに再入射した第２の光束は偏光ハーフミラー２を透過し、第１の光束と再び重ね合わせられて、面１ｄから射出する。そして、レンズ系２１でさらにレンズ作用を受け、撮像面２２に到達する。

本実施形態によれば、面１ａに入射した光束のほぼ全てを面１ｄから射出させることができ、第１，第２の液晶レンズ５，１５を有していて、構成上性能の出し易い極めて効率のよい光学系を構成することができる。
第１の液晶レンズ５と第２の液晶レンズ１５は、電気的等の作用で屈折率が変化し、面１ｂ，１ｃからの光束へのレンズ作用を変化させることができる。この変化は、連続的に任意の屈折率で保持できるようにしてもよいし、保持できる屈折率が非連続的でもよい。また、第１の液晶レンズ５と第２の液晶レンズ１５の屈折率を一致させ、さらに同様に変化させ、レンズ作用の変化によりピント調整を行うのが望ましい。また、後述のように他のレンズ系の移動と合わせて変倍を行ってもよい。また、第１の光束と第２の光束の受けるレンズ作用を異ならせることにより、後述のローパス効果を持たせてもよい。

［第１１の実施形態］
次に、本発明の第１１の実施形態に係る撮像装置について、図１３を参照して説明する。
本実施形態に係る撮像装置は、光軸方向に実質固定状態な屈折力可変素子としての形状可変ミラー３，１３を２つ用いることによりローパス効果を得るものである。電子撮像素子等の規則的な画素配列で構成される撮像素子を有する光学系において、いわゆるモワレ等による画質劣化を少なくするために、ローパス効果のある光学素子を入れることが周知であり、一般にはローパスフィルタが知られている。

しかし、ローパスフィルタは水晶等高価な材料を用いる必要があり、また、画素配列の異なる撮像素子に適用することができない、スペースの負担が大きい等の問題がある。また、水晶ローパスフィルタ以外に位相ローパスフィルタ等も提案されているが、絞り径に追随させるのが難しかった。

本実施形態に係る撮像装置を、図１３（ａ），（ｂ）、図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）を用いて説明する。図１３（ａ），（ｂ）の配置は、図１０の撮像装置に開口絞り２７を追加したものである。図１３（ａ）は、被写体からプリズム素子１に入射し、偏光ハーフミラー２を透過し、形状可変ミラー３においてレンズ作用を受けた第１の光束を示している。ここでは、撮像素子２２より後側に結像させている。図１３（ｂ）は、被写体からプリズム素子１に入射し、偏光ハーフミラー２で反射し、形状可変ミラー１３においてレンズ作用を受けた第２の光束を示している。ここでは、撮像素子２２より前側に結像させている。
このとき、形状可変ミラー３の曲率半径は、形状可変ミラー１３の曲率半径よりやや緩い構成になっている。

図１４（ａ）は、前記第１の光束と第２の光束を重ね合わせたものに関して撮像素子２２付近を拡大したものである。この図１４（ａ）に示されるように、最小錯乱円の大きさは、第１の光束と第２の光束の結像面の距離と光学系の開口数とによって求めることができる。最小錯乱円の大きさをナイキスト周波数の対応する値に近くすることで、モワレ現象を軽減できる。開口絞りを絞って開口数を小さくする場合は、それに応じて、図１４（ｂ）に示すように、第１の光束と第２の光束の結像面の距離を大きくすることで最小錯乱円の大きさを維持することができる。

また、撮像素子２２の画素ピッチが小さくなったり、あるいは、被写体に規則的なパターンが小さいくなったりする場合、図１４（ｃ）に示すように、同じ開口数でも第１の光束と第２の光束の結像面の距離を小さくして最小錯乱円を小さくし、結像性能を向上させることもできる。

当然のことながら、形状可変ミラー３，１３の作用により、ピント合わせ等の効果も得ることができる。
第１１の実施形態に係る撮像素子は、従来の水晶ローパスフィルタに比べて、ローパス効果を得るために付加する部材が必要なく、ローパス効果を可変することができ、また、従来の水晶ローパスフィルタ同様、開口絞りの変化に対応することができる。

［第１２の実施形態］
本発明の第１２の実施形態に係る撮像装置は、図１５に示されるように、図１０に示す撮像装置のプリズム素子１の物体側に負のパワーのレンズ系３１を配置したものである。この構成により、特に、広角レンズ系においてプリズムユニット（プリズム素子１、形状可変ミラー３，１３、１／４波長板４，１４等で構成されるユニット）を小型にできるという効果がある。

［第１３の実施形態］
本発明の第１３の実施形態に係る撮像装置は、図１６に示されるように、図１０に示す撮像装置のプリズム素子１の物体側に正のパワーのレンズ系３２を配置したものである。この構成により、形状可変ミラー３，１３のパワーの負担を小さくできる。また、広角レンズ系以外（特に、望遠レンズ系）において、プリズムユニット（プリズム１、形状可変ミラー３，１３、１／４波長板４，１４等で構成されるユニット）を小型にできるという効果がある。

［第１４の実施形態］
本発明の第１４の実施形態に係る撮像装置は、図１７に示されるように、図１０に示す撮像装置のプリズム素子１の物体側に光軸上を移動可能な負のパワーのレンズ素子３３を含む負のパワーのレンズ系３４を配置したものである。このレンズ系３４内のレンズ素子３３の移動と形状可変ミラー３，１３の形状変化の組み合わせにより、変倍を行うこととしてもよい。また、レンズ素子３３の移動量または形状可変ミラー３，１３の変化量を調節することにより、フォーカシングを行うこととしてもよい。
なお、本実施形態において、光軸上を移動可能なレンズ系として負のパワーのレンズ系を用いているが、本発明はこれに限らず、正のパワーのレンズ系であってもよく、また、後述するように正のパワーのレンズ素子（またはレンズ群）と負のパワーのレンズ素子（またはレンズ群）とを組み合わせたものでもよい。

［第１５の実施形態］
本発明の第１５の実施形態に係る撮像装置は、図１８に示されるように、プリズム素子１の物体側に光軸上を異なる軌跡で移動可能な負のパワーのレンズ素子３５および正のパワーのレンズ素子３５′を含むレンズ系３６を配置したものである。レンズ系３６は全体として正のパワーを有するものでもよいし、負のパワーを有するものでもよい。あるいは、これらレンズ素子３５，３５′を光軸上を移動させることにより、正のパワーから負のパワーに、あるいは、負のパワーから正のパワーに変化させる構成としてもよい。このレンズ系３６内のレンズ素子３５，３５′の移動と形状可変ミラー３，１３の形状変化の組み合わせにより、変倍を行うこととしてもよい。また、開口絞り２７をプリズム素子１より物体側に配置して、形状可変ミラー３，１３の形状変化により、変倍時の射出瞳位置の変動を小さくし、ＣＣＤ等の電子撮像素子に適したズーム光学系を形成してもよい。

［第１６の実施形態］
本発明の第１６の実施形態に係る撮像装置は、図１９に示されるように、図１０に示す撮像装置のプリズム素子１の像側に光軸上を移動可能なレンズ群３７を有するシステムである。本実施形態においてはレンズ群３７は正のパワー有しているが、これに代えて、図２０に示されるように負のパワーを有するレンズ群３８でもよいし、図２１に示されるように、正のパワーのレンズ素子と負のパワーのレンズ素子とを組み合わせたレンズ群３９でもよい。図２１に示されるような正のパワーと負のパワーとの組み合わせの場合、これらレンズ素子を光軸上で移動可能とすることにより、正のパワーから負のパワーに、あるいは、負のパワーから正のパワーに変化させてもよい。これらのレンズ群３７，３８，３９内のレンズの移動と形状可変ミラー３，１３の形状変化の組み合わせにより、変倍を行うこととしてもよい。またフォーカシングは、形状可変ミラー３，１３の形状変化により行い、変倍は前記レンズ群３７，３８，３９によって行うこととしてもよい。

［第１７の実施形態］
本発明の第１７の実施形態に係る撮像装置は、図２２に示されるように、図１０に示す撮像装置の１／４波長板４，１４と形状可変ミラー３，１３との間に、偏光板２４または偏光板２６を配置し、それら偏光板２４，２６の少なくともいずれかを光軸に対して回転可能にするものである。それぞれ、０°状態と９０°状態（例えば、Ｐ偏光を透過する状態を０°状態とすると、９０°状態はＰ偏光を透過しない状態を言う。０°状態、９０°状態の基準は任意に設定できる。）を選択できるようにしてもよい。

被写体が暗いときや、露光時間を短くしたいときには、各偏光板２４，２６を光束の偏光方向と一致させ、被写体が明るいときや、露光時間を長くしたいときには、その程度に応じて偏光板２４または偏光板２６のいずれかを光束の偏光方向と一致しないように構成する。光束の偏光方向に対して、いずれかの偏光板２４，２６の偏光方向を９０°回転させることにより、透過光量をほぼゼロにすることができる。

［第１８の実施形態］
本発明の第１８の実施形態に係る撮像装置は、図２３（ａ）に示されるように、光路分割素子としての偏光ハーフミラー２を挟んで貼り合わされた２つのプリズム１Ａ，１Ｂからなるプリズム素子１と、第１のユニットとしての第１の形状可変ミラー３と、第１の１／４波長板４と、第２のユニットとしての第２の形状可変ミラー１３と、第２の１／４波長板１４と、レンズ系２１と、撮像素子２２とを備えている。また、プリズム素子１と第１の形状可変ミラー３との間にレンズ群６１が配置され、プリズム素子１と第２の形状可変ミラー１３との間にレンズ群６２が配置されている。この他、図示しないが、必要に応じて、開口絞りやローパスフィルタ等を備えていてもよい。

面１ｂから射出された第１の光束は、レンズ素子群６１でレンズ作用を受け、第１の１／４波長板４を透過し、第１の形状可変ミラー３において反射し、第１の１／４波長板４を再度透過する。このとき第１の光束は、第１の１／４波長板４を往復したことでＳ偏光に変換されている。その後、第１の光束は、再びレンズ素子群６１でレンズ作用を受け、面１ｂに再入射される。面１ｂに再入射した第１の光束は偏光ハーフミラー２において反射し面１ｄから射出する。

面１ｃから射出された第２の光束は、レンズ素子群６２でレンズ作用を受け、第２の１／４波長板１４を透過し、第２の形状可変ミラー１３において反射し、第２の１／４波長板１４を再度透過する。このとき第２の光束は、第２の１／４波長板１４を往復したことでＰ偏光に変換されている。その後、第２の光束は、再びレンズ素子群６２でレンズ作用を受け、面１ｃに再入射する。面１ｃに再入射した第２の光束は偏光ハーフミラー２を透過し、第１の光束と再び重ね合わせられて、面１ｄから射出する。そして、レンズ系２１でさらにレンズ作用を受け、撮像面２２に到達する。

本実施形態によれば、レンズ素子群６１，６２をそれぞれ２回光束が通過し、効率的にレンズ作用を与えることができる。なお、レンズ素子群６１，６２は１／４波長板４，１４と形状可変ミラー３，１３の間に配置されていてもよい。
図２３（ｂ）に、第１の光束の展開図を示す。第２の光束を展開しても概ね同じである。光路長が比較的長く、無理のない構成になっていることがわかる。したがって、本実施形態に係る撮像装置は、コンパクトな構成で高い仕様・性能の光学系を達成することができる。なお、図２３（ｂ）においては、第１の形状可変ミラー３の部分で反射面のため不連続のように示されているが、この図では光束に正のレンズ作用が与えられることになる。

正のレンズ作用が与えられる状態を図２３（ｃ），（ｄ）に示す。図２３（ｃ），（ｄ）は図２３（ｂ）における形状可変ミラー３の部分を拡大したものである。
これら図２３（ｃ），（ｄ）において、形状可変ミラー３の左側から光軸に平行に入射した光線（実線）が、形状可変ミラー３において破線で示した方向に反射される。これを展開すると、形状可変ミラー３の右側へ集光光束として射出していることがわかる。
図２３（ｃ）は形状可変ミラー３のパワーが強い状態を示し、図２３（ｄ）は弱い状態を示す。両状態とも反射現象を用いているので色収差の発生はない。

［第１９の実施形態］
本発明の第１９の実施形態に係る撮像装置について、図２４を参照して説明する。
本実施形態に係る撮像装置は、図２４に示されるように、プリズム素子１の面１ａをレンズ面６３ａにすることで、性能の向上やコンパクト化を容易にすることができる。なお、本発明においては、プリズム素子１の面１ａをレンズ面６３ａにすることに代えて、図２５に示されるように面１ｄをレンズ面６３ｄとしてもよく、また、図２６に示されるように、面１ｂおよび面１ｃまたはいずれか一方をレンズ面６３ｂ，６３ｃとしてもよい。面１ｂ，１ｃは光束が２回通るので効率がよい。また、プリズム素子１の全ての面１ａ〜１ｄをレンズ面６３ａ〜６３ｄにしてもよい。

また、図２７のように、プリズム素子１の面上にレンズ面６４ｂ，６４ｃを形成してもよい。図２７において、面１ｂ，１ｃ上に形成するレンズ面６４ｂ，６４ｃのアッベ数を小さくすることで、色収差を取りやすくなる。このような構成を採用することで光路長が比較的長く、無理のない構成となり、コンパクトで高い仕様・性能の光学系を達成し易くなる。

前記レンズ面としては、ハイブリッドレンズ（ＨＢＬ）を使用してもよいし、任意のレンズ部材を面１ｂ，１ｃに接着してもよいし、プリズム作成時に予めレンズ面を作っておいてもよい。

［第２０の実施形態］
本発明の第２０の実施形態に係る撮像装置は、図２８に示されるように、プリズム素子１の代わりに、ハーフミラー板６５を配置したものである。ハーフミラー板６５は、前述のように、偏光ハーフミラーであることが望ましく、また、ペリクルミラー（光半透過性のペリクル膜からなっている。）のように厚みの薄いものが好ましい。

次に、本発明の光学系に適用可能な形状可変ミラーの実施例を図２９を参照して説明する。図２９は、本実施例の形状可変ミラー（光学特性可変形状鏡）１００を示す概略構成図である。
まず、光学特性可変形状鏡（以下、可変形状鏡と略す。）１００の基本構成について説明する。

可変形状鏡１００は、アルミコーティング等で作られた薄膜（反射面）１００ａと複数の電極１００ｂを有してなり、符号１０１は各電極１００ｂにそれぞれ接続された複数の可変抵抗器、符号１０４は複数の可変抵抗器１０１の抵抗値を制御するための演算装置、符号１０５，１０６，１０７は、それぞれ演算装置１０４に接続された温度センサー、湿度センサーおよび距離センサーで、これらは図示のように配設されて１つの光学装置を構成している。

可変形状鏡１００の面は、平面でなくてもよく、球面、回転対称非球面の他、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは、対称面を有する非球面、対称面を１つだけ有する非球面、対称面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点または線を有する面等、いかなる形状をしていてもよく、さらに、反射面でも屈折面でも光に何らかの影響を与え得る面ならばよい。以下、これらの面を総称して拡張曲面という。

なお、可変形状鏡１００の反射面の形状は、自由曲面に構成するのがよい。なぜなら、収差補正が容易にでき、有利だからである。
また、本発明で使用する自由曲面とは次式（ａ）で定義されるものである。
この定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。

ここで、式（ａ）の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
球面項中において、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ^２＋Ｙ^２）
である。

自由曲面項は、数２の通りである。

ただし、Ｃ_ｊ（ｊは２以上の整数）は係数である。

上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面ともに対称面を持つことはないが、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。

また、上記の回転非対称な曲面形状の面である自由曲面の他の定義式として、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式により定義できる。この面の形状は以下の式（ｂ）により定義する。その定義式（ｂ）のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＲはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離，ＡはＺ軸回りの方位角で、Ｘ軸から測った回転角で表される。

ただし、Ｄ_ｍ（ｍは２以上の整数）は係数である。なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ_４，Ｄ_５，Ｄ_６，Ｄ_１０，Ｄ_１１，Ｄ_１２，Ｄ_１３，Ｄ_１４，Ｄ_２０，Ｄ_２１，Ｄ_２２…を利用する。
上記定義式は回転非対称な曲面形状の面の例示のために示したものであり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。

本実施例の可変形状鏡１００は、図２９に示すように、薄膜１００ａと電極１００ｂとの間に圧電素子１００ｃが介装されていて、これらが支持台１０８上に設けられている。そして、圧電素子１００ｃに加わる電圧を各電極１００ｂ毎に変えることにより、圧電素子１００ｃに部分的に異なる伸縮を生じさせて、薄膜１００ａの形状を変えることができるようになっている。電極１００ｂの形は、図３０に示すように、同心分割であってもよいし、図３１に示すように、矩形分割であってもよく、その他、適宜の形のものを選択することができる。図２９中、符号１０９は演算装置１０４に接続された振れ（ブレ）センサーであって、例えば、デジタルカメラの振れを検知し、振れによる像の乱れを補償するように薄膜１００ａを変形させるべく、演算装置１０４および可変抵抗器１０１を介して電極１００ｂに印加される電圧を変化させる。このとき、温度センサー１０５、湿度センサー１０６および距離センサー１０７からの信号も同時に考慮され、ピント合わせ、温湿度補償等が行われる。この場合、薄膜１００ａには圧電素子１００ｃの変形に伴う応力が加わるので、薄膜１００ａの厚さはある程度厚めに作られて相応の強度を持たせるようにするのがよい。

図３２は、本発明の光学系に適用可能な可変形状鏡１００のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡は、薄膜１００ａと電極１００ｂの間に介置される圧電素子が逆方向の圧電特性を持つ材料で作られた２枚の圧電素子１００ｃおよび１００ｃ′で構成されている点で、図２９に示された実施例の可変形状鏡１００とは異なる。すなわち、圧電素子１００ｃと１００ｃ′が強誘電性結晶で作られているとすれば、結晶軸の向きが互いに逆になるように配置される。この場合、圧電素子１００ｃと１００ｃ′は電圧が印加されると逆方向に伸縮するので、薄膜１００ａを変形させる力が図２９に示した実施例の場合よりも強くなり、結果的にミラー表面の形を大きく変えることができるという利点がある。

圧電素子１００ｃ、１００ｃ′に用いる材料としては、例えばチタン酸バリウム、ロッシエル塩、水晶、電気石、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、リン酸二水素アンモニウム（ＡＤＰ）、ニオブ酸リチウム等の圧電物質、同物質の多結晶体、同物質の結晶、ＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３の固溶体の圧電セラミックス、二フッ化ポリビニール（ＰＶＤＦ）等の有機圧電物質、上記以外の強誘電体等があり、特に有機圧電物質はヤング率が小さく、低電圧でも大きな変形が可能であるので、好ましい。なお、これらの圧電素子を利用する場合、厚さを不均一にすれば、上記実施例において薄膜１００ａの形状を適切に変形させることも可能である。

また、圧電素子１００ｃ、１００ｃ′の材質としては、ポリウレタン、シリコンゴム、アクリルエラストマー、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高分子圧電体、シアン化ビニリデン共重合体、ビニリデンフルオライドとトリフルオロエチレンの共重合体等が用いられる。

圧電性を有する有機材料や、圧電性を有する合成樹脂、圧電性を有するエラストマー等を用いると可変形状鏡面の大きな変形が実現できてよい。

なお、図２９および図３２の圧電素子１００ｃに電歪材料、例えば、アクリルエラストマー、シリコンゴム等を用いる場合には、圧電素子１００ｃを別の基板１００ｃ−１と電歪材料１００ｃ−２を貼り合わせた構造にしてもよい。

図３３は、本発明の光学系に適用可能な可変形状鏡１００のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡１００は、圧電素子１００ｃが薄膜１００ａと電極１００ｄとにより挟持され、薄膜１００ａと電極１００ｄ間に演算装置１０４により制御される駆動回路１１０を介して電圧が印加されるようになっており、さらにこれとは別に、支持台１０８上に設けられた電極１００ｂにも演算装置１０４により制御される駆動回路１１０を介して電圧が印加されるように構成されている。したがって、本実施例では、薄膜１００ａは電極１００ｄとの間に印加される電圧と電極１００ｂに印加される電圧による静電気力とにより二重に変形され得、上記実施例に示したいずれのものよりもより多くの変形パターンが可能であり、かつ、応答性も速いという利点がある。

そして、薄膜１００ａ、電極１００ｄ間の電圧の符号を変えれば、可変形状鏡１００を凸面にも凹面にも変形させることができる。その場合、大きな変形を圧電効果で行い、微細な形状変化を静電気力で行ってもよい。また、凸面の変形には圧電効果を主に用い、凹面の変形には静電気力を主に用いてもよい。なお、電極１００ｄは電極１００ｂのように複数の電極から構成されてもよい。この様子を図３３に示した。なお、本願では、圧電効果と電歪効果、電歪を全てまとめて圧電効果と述べている。したがって、電歪材料も圧電材料に含むものとする。

図３４は、本発明の光学系に適用可能な可変形状鏡１００のさらに他の実施例を示す概略構成図である。
本実施例の可変形状鏡１００は、電磁気力を利用して反射面の形状を変化させ得るようにしたもので、支持台１０８の内部底面上には永久磁石１１１が、頂面上には窒化シリコンまたはポリイミド等からなる基板１００ｅの周縁部が載置固定されており、基板１００ｅの表面にはアルミニウム等の金属コートで作られた薄膜１００ａが付設されていて、可変形状鏡１００を構成している。基板１００ｅの下面には複数のコイル１１２が配設されており、これらのコイル１１２はそれぞれ駆動回路１１３を介して演算装置１０４に接続されている。したがって、各センサー１０５，１０６，１０７，１０９からの信号によって演算装置１０４において求められる光学系の変化に対応した演算装置１０４からの出力信号により、各駆動回路１１３から各コイル１１２にそれぞれ適当な電流が供給されると、永久磁石１１１との間に働く電磁気力で各コイル１１２は反発または吸着され、基板１００ｅおよび薄膜１００ａを変形させる。

この場合、各コイル１１２はそれぞれ異なる量の電流を流すようにすることもできる。また、コイル１１２は１個でもよいし、永久磁石１１１を基板１００ｅに付設しコイル１１２を支持台１０８の内部底面側に設けるようにしてもよい。また、コイル１１２はリソグラフィー等の手法で作るとよく、さらに、コイル１１２には強磁性体よりなる鉄心を入れるようにしてもよい。

この場合、薄膜コイル１１２の巻密度を、図３５に示すように、場所によって変化させることにより、基板１００ｅおよび薄膜１００ａに所望の変形を与えるようにすることもできる。また、コイル１１２は１個でもよいし、また、これらのコイル１１２には強磁性体よりなる鉄心を挿入してもよい。

図３６は、本発明の光学系に適用可能な可変形状鏡１００のさらに他の実施例を示す概略構成図である。図中、１０２は電源である。
本実施例の可変形状鏡１００では、基板１００ｅは鉄等の強磁性体で作られており、反射膜としての薄膜１００ａはアルミニウム等からなっている。この場合、薄膜コイルを設けなくてもすむから、構造が簡単で、製造コストを低減することができる。また、電源スイッチ１０３を切換え兼電源開閉用スイッチに置換すれば、コイル１１２に流れる電流の方向を変えることができ、基板１００ｅおよび薄膜１００ａの形状を自由に変えることができる。

図３７は、本実施例におけるコイル１１２の配置を示し、図３８は、コイル１１２の他の配置例を示しているが、これらの配置は、図３４に示した実施例にも適用することができる。なお、図３９は、図３４に示した実施例において、コイル１１２の配置を図３８に示したようにした場合に適する永久磁石１１１の配置を示している。すなわち、図３９に示すように、永久磁石１１１を放射状に配置すれば、図３４に示した実施例に比べて、微妙な変形を基板１００ｅおよび薄膜１００ａに与えることができる。また、このように電磁気力を用いて基板１００ｅおよび薄膜１００ａを変形させる場合（図３４および図３５の実施例）は、静電気力を用いた場合よりも低電圧で駆動できるという利点がある。

以上、いくつかの可変形状鏡の実施例を述べたが、ミラーの形を変形させるのに、図３３の例に示すように、２種類以上の力を用いてもよい。つまり静電気力、電磁力、圧電効果、磁歪、流体の圧力、電場、磁場、温度変化、電磁波等の中から２つ以上を同時に用いて可変形状鏡を変形させてもよい。つまり、２つ以上の異なる駆動方法を用いて光学特性可変光学素子を作れば、大きな変形と微細な変形とを同時に実現でき、精度の良い鏡面が実現できる。

次に、本発明の光学系に適用可能な液晶レンズ２００の例を図４０から図４３に基づいて説明する。図４０は液晶レンズの平面図、図４１は図４０に示した液晶レンズのＡ−Ａ線に沿って破断された断面図である。図４２および図４３は液晶レンズの動作を説明するための図である。
液晶レンズ２００は、図４０と図４１に示されるように、誘電率異方性が正のネマティック液晶２５０と、これを凸形状に保持するセル２１０とを含んでいる。セル２１０は、スペーサ２４０を介して互いに接合された光学的に透明な２枚の基板２２０と基板２３０を有しており、これらによって形成される凸形状の空間に液晶２５０を保持する。一方の基板２２０は平板形状であり、他方の基板２３０は平凹レンズの形状を有している。

平基板２２０は、平板２２２と、その上に形成されたアンダーコート（図示せず）と、その上に形成された２つの透明電極２２４ａ，２２４ｂと、これらを覆う平行配向層２２６とを備えている。平板２２２は、例えばバリウムクラウンガラス製であるが、クラウンガラスやフリントガラス製であってもよい。アンダーコートは、例えば二酸化珪素膜であり、ガラス板より溶出するアルカリイオンに対するバリア層として機能する。

透明電極２２４ａ，２２４ｂは、光学的に透明な導電性の膜であり、例えば酸化インジウム錫膜であるが、アンチモン添加酸化錫膜や酸化亜鉛膜などであってもよい。２つの透明電極２２４ａ，２２４ｂは、異なる大きさの矩形形状をしており、これらは僅かな間隔を置いて平行に並んでおり、全体で正方形の輪郭を成している。別の見方をすれば、透明電極２２４ａ，２２４ｂが形成する正方形は、その中心から外れた非対称な位置で、正方形の中心を通りかつ一組の対辺に平行な直線に沿って分割されているとも言える。

平行配向層２２６は、液晶材料を特定の方向に配向する有機配向膜であり、例えばポリイミド系配向膜であるが、ポリアミド系配向膜などであってもよい。平行配向層２２６は、ガラス平板の平面に対して平行で、矢印Ａ２２６で示される方向に、ラビング等の配向処理が施されている。つまり、小さい透明電極２２４ｂから大きい透明電極２２４ａに向かう方向に配向処理されている。また、配向処理は、配向処理方向Ａ２２６の起点側から終点側に向けて、平板２２２の平面に対して１〜５°のプレチルト角をなすよう行われている。

平基板２２０は、更に、平板２２２の外側の平面に貼り付けられた偏光板（図示せず）を有しており、その偏光方向は平基板２２０に施された配向処理方向に一致している。
また、凹基板２３０は、凹面を有する平凹板２３２と、その凹面を含む面に形成されたアンダーコート（図示せず）と、その上に形成された２つの透明電極２３４ａ，２３４ｂと、これらを覆う平行配向層２３６とを備えている。平凹板２３２は、例えばバリウムクラウンガラス製であるが、クラウンガラスやフリントガラス製であってもよい。アンダーコートは、例えば二酸化珪素膜であり、ガラス板より溶出するアルカリイオンに対するバリア層として機能する。

透明電極２３４ａ，２３４ｂは、光学的に透明な導電性の膜であり、例えば酸化インジウム錫膜であるが、アンチモン添加酸化錫膜や酸化亜鉛膜などであってもよい。２つの透明電極２３４ａ，２３４ｂは、平板２２２に平行な平面に投影すると、異なる大きさの矩形形状をしており、これらは僅かな間隔を置いて平行に並んでおり、全体で正方形の輪郭を成している。別の見方をすれば、透明電極２３４ａ，２３４ｂが形成する正方形は、その中心から外れた非対称な位置で、正方形の中心を通りかつ一組の対辺に平行な直線に沿って分割されているとも言える。

平行配向層２３６は、液晶材料を特定の方向に配向する有機配向膜であり、例えばポリイミド系配向膜であるが、ポリアミド系配向膜などであってもよい。平行配向層２３６は、ガラス基板の平面に対して平行で、矢印Ａ２３６で示される方向に、ラビング等の配向処理が施されている。つまり、小さい透明電極２３４ｂから大きい透明電極２３４ａに向かう方向に配向処理されている。また、配向処理は、配向処理方向Ａ２３６の起点側から終点側に向けて、平凹板２３２の平面に対して１〜５°のプレチルト角をなすよう行われている。

平基板２２０と凹基板２３０は、スペーサ２４０を介して互いに接合されており、セル２１０を構成している。セルを形成する場合、平基板２２０は間にスペーサ２４０を挟んで凹基板２３０と接合される。まず、プラスチックやガラス等のビーズを混合したシール剤を用いてスクリーン印刷やディスペンサ等の手法でシールを形成する。そして、これらの基板２２０，２３０とスペーサ２４０とを貼り合わせ、加圧しながら加熱したり紫外線を照射したりして、シール剤を硬化させる。シール剤は、例えばエポキシ系熱硬化型シール剤であるが、エポキシ系紫外線硬化型シール剤やアクリル系熱硬化型シール剤やアクリル系紫外線硬化型シール剤などであってもよい。

スペーサ２４０で形成されるシールには、少なくとも一部分に液晶注入のための注入口（図示せず）が設けられ、セル２１０を真空チャンバ内に設置し、真空引きの後、注入口にネマティック液晶２５０を接触させることにより、セル２１０内にネマティック液晶２５０が充填される。ネマティック液晶２５０の充填後、注入口には封止剤（図示せず）が塗布され、これが硬化され、ネマティック液晶２５０が封止される。封止剤は、例えばエポキシ系紫外線硬化型封止剤であるが、エポキシ系熱硬化型封止剤やアクリル系熱硬化型封止剤やアクリル系紫外線硬化型封止剤であってもよい。

平基板２２０と凹基板２３０は、それらの平行配向膜２２６の配向処理方向Ａ２２６と平行配向層２３６の配向処理方向Ａ２３６とが１８０°異なるように、すなわち逆向きになるように、スペーサ２４０を介して接合されている。したがって、平基板２２０の２つの透明電極２２４ａ，２２４ｂの境界と、凹基板２３０の２つの透明電極２３４ａ，２３４ｂの境界は、液晶レンズ２００の中心を通り配向処理方向Ａ２２６やＡ２３６に垂直な線に対して対称に位置している。透明電極２２４ａ，２２４ｂの境界と透明電極２３４ａ，２３４ｂの境界の間の距離は、透明電極２２４ａ，２２４ｂと透明電極２３４ａ，２３４ｂの間の最大の距離の２倍以下がよく、例えば１.４倍である。

透明電極２２４ａ，２２４ｂ，２３４ａ，２３４ｂの各々には、電圧を印加するための配線電極（図示せず）が接続されている。各配線電極は、異方性導電接着剤やはんだ等で接続された配線部材（図示せず）を介して、駆動回路（図示せず）に接続されている。配線電極は、透明電極２２４ａ，２２４ｂ，２３４ａ，２３４ｂと同じ材料の膜で作られてもよいが、金や銀や銅やニッケルやクロムやカーボンなど、より導電性の高い材料の膜で作られると更に好ましい。

平基板２２０の側から液晶レンズ２００に入射する光は、その表面に設けられた偏光板によって偏光方向が整えられ、凸形状に保持されたネマティック液晶２５０に入射する。

透明電極２２４ａ，２２４ｂと透明電極２３４ａ，２３４ｂの間に電圧が印加されていない状態では、液晶分子は、平行配向層の配向処理方向に沿って整列する。このため、偏光板で偏光された入射光の偏光方向は、ネマティック液晶２５０の配向方向に平行になり、入射光はネマティック液晶２５０の異常光屈折率の影響を受ける。つまり、凸形状に保持されたネマティック液晶２５０は、平行配向層の配向処理方向に平行に偏光された入射光に対して、異常光屈折率を持つ凸レンズとして働く。

これに対して、図４２に示されるように、透明電極２２４ａ，２２４ｂと透明電極２３４ａ，２３４ｂの間に電圧が印加されると、ネマティック液晶２５０に電場がかかり、液晶分子は、電場の方向に回転し、平基板２２０と凹基板２３０の平面に垂直に整列する。このため、偏光板で偏光された入射光の偏光方向は、ネマティック液晶２５０の配向方向に垂直になり、入射光はネマティック液晶２５０の常光屈折率の影響を受ける。つまり、凸形状に保持されたネマティック液晶２５０は、平行配向層の配向処理方向に平行に偏光された入射光に対して、常光屈折率を持つ凸レンズとして働く。

したがって、液晶レンズ２００を異常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させる場合、駆動回路は、透明電極２２４ａ，２２４ｂと透明電極２３４ａ，２３４ｂとの間に電圧を印加しない。

液晶レンズ２００を常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させる場合、駆動回路は、リレースイッチ等を用いて、図４２に示されるように、平基板２２０の透明電極２２４ａ，２２４ｂを電気的に接続して同電位にし、また凹基板２３０の透明電極２３４ａ，２３４ｂを電気的に接続して同電位にするとともに、透明電極２２４ａ，２２４ｂと透明電極２３４ａ，２３４ｂとの間に数Ｖから数十Ｖの交番電圧を印加する。この交番電圧の印加は、透明電極２２４ａ，２２４ｂと透明電極２３４ａ，２３４ｂの間に、基板の平面にほぼ垂直な電気力線Ａを持つ電場を発生させる。ネマティック液晶２５０の液晶分子は、この電場の影響を受けて回転し、電気力線Ａに対して平行に整列する。その際、液晶分子は、前述のプレチルト角のために、すべて同じ方向に回転する。

液晶レンズ２００を、常光屈折率を持つ凸レンズとして機能している状態から、異常光屈折率を持つ凸レンズとして機能する状態へ切り替える場合、駆動回路は、まず、数ミリ秒〜数十ミリ秒程度の間、図４３に示されるように、大きい方の２つの透明電極２２４ａと２３４ａを電気的に接続するとともに、小さい方の２つの透明電極２２４ｂと２３４ｂの間に、常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させる際に印加した交番電圧の２倍程度の大きさの交番電圧を印加する。その後、駆動回路は、透明電極２２４ｂ，２３４ｂの間への電圧印加を停止し、透明電極２２４ｂ，２３４ｂを電気的に接続する。

図４３に示されるような透明電極２２４ａ，２２４ｂ，２３４ａ，２３４ｂに印加される電圧の制御は、透明電極２２４ａと２３４ａの間の電位差をなくし、透明電極２２４ｂと２３４ｂ間に、基板の平面（例えば平基板２２０や凹基板２３０の平面）に対して配向処理方向に傾いた電気力線Ｂを持つ電場を発生させる。この電場は、基板の平面に垂直に整列しているネマティック液晶２５０の液晶分子を、電気力線Ｂの方向に回転させる。つまり、液晶分子に、電場が印加されていない状態に戻る方向に回転させる力を与える。電圧印加の停止後は、液晶分子は、液晶材料の固有の特性に従って、平行配向層２２６，２３６の配向処理方向に整列する状態に戻る。

以上の説明から分かるように、本実施の形態の液晶レンズ２００では、常光屈折率を持つ凸レンズから異常光屈折率を持つ凸レンズへ切り替えられる際に、その初期段階においてネマティック液晶２５０の液晶分子が強制的に回転されるので、液晶分子が基板の平面に垂直に整列した状態から平行に整列した状態に移るまでの立下り時間が短縮される。

透明電極２２４ａ，２２４ｂの境界と透明電極２３４ａ，２３４ｂの境界は、液晶レンズ２００の中心を通り配向処理方向に垂直な線に対して対称に位置しているため、電場の強度は、透明電極２２４ａ，２２４ｂと透明電極２３４ａ，２３４ｂの間隔が最も大きい液晶レンズ２００の中央部分で最も大きくなる。このため、立下り時間が効率良く改善される。

さらに、透明電極２２４ａ，２２４ｂの境界と透明電極２３４ａ，２３４ｂの境界の間隔は、透明電極２２４ａ，２２４ｂと透明電極２３４ａ，２３４ｂの間隔の最大値の１.４倍〜２倍であるので、透明電極２２４ｂ，２３４ｂの間に印加する電圧は、常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させるための駆動電圧と比較して、特に高い電圧を必要としない。

液晶レンズの各部の構成は、様々な変形や変更が可能である。
例えば、この例では、透明電極に印加される電圧は、交番電圧であるが、直流電圧であってもよい。

また、液晶レンズ２００は、セル２１０が２枚の透明基板をスペーサを介して貼り合わせることにより作られており、これに保持された１つの液晶の層を有しているが、セルが３枚以上の透明基板が貼り合わされて作られ、セルに保持された２以上の液晶の層を有していてもよく、この場合は偏光板を必要としない。

さらに、一方の透明基板が平凹板を有し、他方の透明基板が平板を有するが、透明基板の形状はこれに限定されない。さらに、２枚の透明基板は、ガラスなどの材料で作られているが、プラスチック等の材料で作られていてもよい。

本発明の光学系に適用可能な液晶レンズ３００の他の例を図４４から図４７に基づいて説明する。図４４は液晶レンズの平面図、図４５は図４４の液晶レンズをＢ−Ｂ線に沿って破断した断面図である。図４６および図４７は液晶レンズの動作を説明するための図である。
液晶レンズ３００は、図４４と図４５に示されるように、誘電率異方性が負のネマティック液晶３５０と、これを凸形状に保持するセル３１０を含んでいる。セル３１０は、スペーサ３４０を介して互いに接合された光学的に透明な２枚の基板３２０，３３０を有しており、これらによって形成される凸形状の空間に液晶３５０を保持する。一方の透明基板３２０は平板状であり、他方の透明基板３３０は平凹レンズ形状を有している。

平基板３２０は、平板３２２と、その上に形成されたアンダーコート（図示せず）と、その上に形成された２つの透明電極３２４ａ，３２４ｂと、これらを覆う垂直配向層３２６とを備えている。

２つの透明電極３２４ａ，３２４ｂは、異なる大きさの矩形形状をしており、これらは僅かな間隔を置いて平行に並んでおり、全体で正方形の輪郭を成している。別の見方をすれば、透明電極３２４ａ，３２４ｂが形成する正方形は、その中心から外れた非対称な位置で、正方形の中心を通りかつ一組の対辺に平行な直線に沿って分割されているとも言える。

垂直配向層３２６は、シランカップリング剤やポリシロキサンやクロム錯体等で作られ、誘電率異方性が負の液晶分子を平板３２２の平面に対して垂直に配向させる機能を有する。垂直配向層３２６は、平板３２２の平面に対して、ラビング等の配向処理が施されており、その配向処理方向は矢印Ａ３２６で示される方向となっている。つまり、２枚の透明電極３２４ａ，３２４ｂの境界に垂直に配向処理されている。また、配向処理は、配向処理方向Ａ３２６の起点側から終点側に向けて、平板３２２の平面に垂直な方向に対して１〜５°のプレチルト角をなすよう行われている。

平基板３２０は、更に、平板３２２の外側の平面に貼り付けられた偏光板（図示せず）を有しており、その偏光方向は平基板３２０に施された配向処理方向に直交している。

また、凹基板３３０は、凹面を有する平凹板３３２と、その凹面を含む面に形成されたアンダーコート（図示せず）と、その上に形成された２つの透明電極３３４ａ，３３４ｂと、これらを覆う垂直配向層３３６とを備えている。

２つの透明電極３３４ａ，３３４ｂは、平板３２２に平行な平面に投影すると、異なる大きさの矩形形状をしており、これらは僅かな間隔を置いて平行に並んでおり、全体で正方形の輪郭を成している。別の見方をすれば、２つの透明電極３３４ａ，３３４ｂが形成する正方形は、その中心から外れた非対称な位置で、正方形の中心を通りかつ一組の対辺に平行な直線に沿って分割されているとも言える。

垂直配向層３３６は、シランカップリング剤やポリシロキサンやクロム錯体等で作られ、誘電率異方性が負の液晶分子を平凹板３３２の平面に対して垂直に配向させる機能を有する。垂直配向層３３６は、ラビング等の配向処理が施され、平凹板３３２の平面に対して略垂直で、矢印Ａ３３６で示される方向が配向処理方向となっている。つまり、２枚の透明電極３３４ａ，３３４ｂの境界に垂直に配向処理されている。また、配向処理は、配向処理方向Ａ３３６の起点側から終点側に向けて、平凹板３３２の平面に垂直な方向に対して１〜５°のプレチルト角をなすよう行われている。

平基板３２０と凹基板３３０は、スペーサ３４０を介して互いに接合されており、セル３１０を構成している。セル３１０を形成する場合、平基板３２０はスペーサ３４０を挟んで凹基板３３０と接合される。まず、基板に、プラスチックやガラス等のビーズを混合したシール剤を用いてスクリーン印刷やディスペンサ等の手法でシールを形成する。そして、これらの基板３２０，３３０とスペーサ３４０とを貼り合わせ、加圧しながら加熱したり紫外線を照射したりしてシール剤を硬化させる。

スペーサ３４０で形成されるシールには、少なくとも一部分に液晶注入のための注入口（図示せず）が設けられ、セル３１０を真空チャンバ内に設置し、真空引きの後、注入口にネマティック液晶３５０を接触させることにより、セル３１０内にネマティック液晶３５０が充填される。ネマティック液晶３５０の充填後、注入口には封止剤（図示せず）が塗布され、これが硬化され、ネマティック液晶３５０が封止される。

平基板３２０と凹基板３３０は、それらの垂直配向膜３２６の配向処理方向Ａ３２６と垂直配向膜３３６の配向処理方向Ａ３３６とが１８０°異なるように、すなわち逆向きになるように、接合されている。したがって、平基板３２０の２つの透明電極３２４ａ，３２４ｂの境界と、凹基板３３０の２つの透明電極３３４ａ，３３４ｂの境界は、液晶レンズ３００の中心に対して対称的に位置している。透明電極３２４ａ，３２４ｂの境界と透明電極３３４ａ，３３４ｂの境界の間の距離は、透明電極３２４ａ，３２４ｂと透明電極３３４ａ，３３４ｂの間の最大の距離の２倍以下がよく、例えば１.４倍である。

透明電極３２４ａ，３２４ｂ，３３４ａ，３３４ｂの各々には、電圧を印加するための配線電極（図示せず）が接続されている。各配線電極は、異方性導電接着剤やはんだ等で接続された配線部材（図示せず）を介して、駆動回路（図示せず）に接続されている。

平基板３２０の側から液晶レンズ３００に入射する光は、その表面に設けられた偏光板によって偏光方向が整えられ、凸形状に保持されたネマティック液晶３５０に入射する。

透明電極３２４ａ，３２４ｂと透明電極３３４ａ，３３４ｂの間に電圧が印加されていない状態では、液晶分子は、垂直配向層３２６，３３６により、平板３２２および平凹板３２２の平面に対して垂直に整列する。このため、偏光板で偏光された入射光の偏光方向は、ネマティック液晶３５０の配向方向に垂直になり、入射光はネマティック液晶３５０の常光屈折率の影響を受ける。つまり、凸形状に保持されたネマティック液晶３５０は、垂直配向層の配向処理方向に垂直な方向に偏光された入射光に対して、常光屈折率を持つ凸レンズとして働く。

これに対して、図４６に示されるように、透明電極３２４ａ，３２４ｂと透明電極３３４ａ，３３４ｂの間に電圧が印加されると、ネマティック液晶３５０に電場がかかり、液晶分子は、電場に垂直な方向に回転し、平基板３２０と凹基板３３０の平面に平行に整列する。このため、偏光板で偏光された入射光の偏光方向は、ネマティック液晶３５０の配向方向に平行になり、入射光はネマティック液晶３５０の異常光屈折率の影響を受ける。つまり、凸形状に保持されたネマティック液晶３５０は、垂直配向層の配向処理方向に垂直な方向に偏光された入射光に対して、異常光屈折率を持つ凸レンズとして働く。

したがって、液晶レンズ３００を常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させる場合、駆動回路は、透明電極３２４ａ，３２４ｂと透明電極３３４ａ，３３４ｂとの間に電圧を印加しない。

液晶レンズ３００を異常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させる場合、駆動回路は、リレースイッチ等を用いて、図４６に示されるように、平基板３２０の透明電極３２４ａ，３２４ｂを電気的に接続して同電位にし、また凹基板３３０の透明電極３３４ａ，３３４ｂを電気的に接続して同電位にするとともに、透明電極３２４ａ，３２４ｂと透明電極３３４ａ，３３４ｂとの間に数Ｖから数十Ｖの交番電圧を印加する。この交番電圧の印加は、透明電極３２４ａ，３２４ｂと透明電極３３４ａ，３３４ｂの間に、透明基板の平面にほぼ垂直な電気力線Ａを持つ電場を発生させる。ネマティック液晶３５０の液晶分子は、この電場の影響を受けて回転し、電気力線Ａに対して垂直に整列する。その際、液晶分子は、前述のプレチルト角のために、すべて同じ方向に回転する。

液晶レンズ３００を、異常光屈折率を持つ凸レンズとして機能している状態から、常光屈折率を持つ凸レンズとして機能する状態へ切り替える場合、駆動回路は、まず、数ミリ秒〜数十ミリ秒程度の間、図４７に示されるように、大きい方の２つの透明電極３２４ｂと３３４ａを電気的に接続するとともに、小さい方の２つの透明電極３２４ａと３３４ｂの間に、異常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させる際に印加した交番電圧の２倍程度の大きさの交番電圧を印加する。その後、駆動回路は、透明電極３２４ａ，３３４ｂの間への電圧印加を停止し、透明電極３２４ａ，３３４ｂを電気的に接続する。

このような電圧印加の制御は、透明電極３２４ｂと３３４ａの間の電位差をなくし、透明電極３２４ａと３３４ｂ間に、透明基板の平面（例えば平基板３２０や凹基板３３０の平面）に対して配向処理方向に垂直な方向に傾いた電気力線Ｂを持つ電場を発生させる。この電場は、基板の平面に平行に整列しているネマティック液晶３５０の液晶分子を、電気力線Ｂの方向に垂直な方向に回転させる。つまり、液晶分子に、電場が印加されていない状態に戻る方向に回転させる力を与える。電圧印加の停止後は、液晶分子は、液晶材料の固有の特性に従って、基板の平面に垂直に整列する状態に戻る。

以上の説明から分かるように、液晶レンズ３００では、異常光屈折率を持つ凸レンズから常光屈折率を持つ凸レンズへ切り替えられる際に、その初期段階においてネマティック液晶３５０の液晶分子が強制的に回転されるので、液晶分子が基板の平面に平行に整列した状態から垂直に整列した状態に移るまでの立下り時間が短縮される。

このように、この例では、図４０から図４４に示した液晶レンズと同様の利点を持ちながら、電圧の印加に対してこれと全く逆の特性を持つ液晶レンズが得られる。

液晶レンズの各部の構成は、様々な変形や変更が可能である。
液晶レンズ３００は、１つの液晶の層を有しているが、２以上の液晶の層を有していてもよい。また、一方の透明基板が平凹板を有し、他方の透明基板が平板を有するが、透明基板の形状はこれに限定されない。

次に、本発明の光学系に適用可能な液晶レンズ４００のさらに他の例を図４８および図５１に基づいて説明する。図４８は液晶レンズの平面図、図４９は図４８の液晶レンズをＣ−Ｃ線に沿って破断した断面図、図５０および図５１は液晶レンズの動作を説明するための図である。
液晶レンズ４００は、図４８と図４９に示されるように、誘電率異方性が正のネマティック液晶４５０と、これを凸形状に保持するセル４１０とを含んでいる。セル４１０は、スペーサ４４０を介して互いに接合された光学的に透明な２枚の基板４２０，４３０を有しており、これらによって形成される凸形状の空間にネマティック液晶４５０を保持する。一方の透明基板４２０は平板状であり、他方の透明基板４３０は平凹レンズ形状を有している。

平基板４２０は、平板４２２と、その上に形成されたアンダーコート（図示せず）と、その上に形成された２つの透明電極４２４ａ，４２４ｂと、これらを覆う平行配向層４２６とを備えている。

２つの透明電極４２４ａ，４２４ｂは、同じ大きさの矩形形状をしており、これらは僅かな間隔を置いて平行に並んでおり、全体で正方形の輪郭を成している。これは、別の見方をすれば、２つの透明電極４２４ａ，４２４ｂが形成する正方形は、正方形の中心を通りかつ一組の対辺に平行な２等分線に沿って対称に分割されているとも言える。

平行配向層４２６は、平板４２２の平面に対して平行で、矢印Ａ４２６で示される方向に、ラビング等の配向処理が施されている。また、配向処理は、配向処理方向Ａ４２６の起点側から終点側に向けて、平板４２２の平面に対して１〜５°のプレチルト角をなすよう行なわれている。

平基板４２０は、更に、平板４２２の外側の平面に貼り付けられた偏光板（図示せず）を有しており、その偏光方向は平基板４２０に施された配向処理方向に一致している。

また、凹基板４３０は、凹面を有する平凹板４３２と、その凹面を含む面に形成されたアンダーコート（図示せず）と、その上に形成された２つの透明電極４３４ａ，４３４ｂと、これらを覆う平行配向層４３６とを備えている。

２つの透明電極４３４ａ，４３４ｂは、同じ大きさの例えば矩形形状をしており、これらは僅かな間隔を置いて平行に並んでおり、全体で正方形の輪郭を成している。これは、別の見方をすれば、２つの透明電極４３４ａ，４３４ｂが形成する正方形は、正方形の中心を通りかつ一組の対辺に平行な２等分線に沿って対称に分割されているとも言える。

平行配向層４３６は、平凹板４３２の平面に対して平行で、矢印Ａ４３６で示される方向に、ラビング等の配向処理が施されている。また、配向処理は、配向処理方向Ａ４３６の起点側から終点側に向けて、平凹板４３２の平面に対して１〜５°のプレチルト角をなすよう行われている。

平基板４２０と凹基板４３０は、スペーサ４４０を介して互いに接合されており、セル４１０を構成している。セル４１０を形成する場合、平基板４２０がスペーサ４４０を挟んで凹基板４３０と接合される。まず、各基板に、プラスチックやガラス等のビーズを混合したシール剤を用いてスクリーン印刷やディスペンサ等の手法でシールを形成する。そして、これらの基板４２０，４３０とスペーサ４４０とを貼り合わせ、加圧しながら加熱したり紫外線を照射したりしてシール剤を硬化させる。

スペーサ４４０で形成されるシールには、少なくとも一部分に液晶注入のための注入口（図示せず）が設けられ、セル４１０を真空チャンバ内に設置し、真空引きの後、注入口にネマティック液晶４５０を接触させることにより、セル４１０内にネマティック液晶４５０が充填される。ネマティック液晶４５０の充填後、注入口には封止剤（図示せず）が塗布され、これが硬化され、ネマティック液晶４５０が封止される。

平基板４２０と凹基板４３０は、それらの平行配向膜４２６の配向処理方向Ａ４２６と平行配向層４３６の配向処理方向Ａ４３６とが１８０°異なるように、すなわち逆向きになるように、スペーサ４４０を介して接合されている。

透明電極４２４ａ，４２４ｂ，４３４ａ，４３４ｂの各々には、電圧を印加するための配線電極（図示せず）が接続されている。各配線電極は、異方性導電接着剤やはんだ等で接続された配線部材（図示せず）を介して、駆動回路（図示せず）に接続されている。

平基板４２０の側から液晶レンズ４００に入射する光は、その表面に設けられた偏光板によって偏光方向が整えられ、凸形状に保持されたネマティック液晶４５０に入射する。

透明電極４２４ａ，４２４ｂと透明電極４３４ａ，４３４ｂの間に電圧が印加されていない状態では、液晶分子は、平行配向層の配向処理方向に沿って整列する。このため、偏光板で偏光された入射光の偏光方向は、ネマティック液晶４５０の配向方向に平行になり、入射光はネマティック液晶４５０の異常光屈折率の影響を受ける。つまり、凸形状に保持されたネマティック液晶４５０は、平行配向層の配向処理方向に平行に偏光された入射光に対して、異常光屈折率を持つ凸レンズとして働く。

これに対して、図５０に示されるように、透明電極４２４ａ，４２４ｂと透明電極４３４ａ，４３４ｂの間に電圧が印加されると、ネマティック液晶４５０に電場がかかり、液晶分子は、電場の方向に回転し、平基板４２０と凹基板４３０の平面に垂直に整列する。このため、偏光板で偏光された入射光の偏光方向は、ネマティック液晶４５０の配向方向に垂直になり、入射光はネマティック液晶４５０の常光屈折率の影響を受ける。つまり、凸形状に保持されたネマティック液晶４５０は、平行配向層の配向処理方向に平行に偏光された入射光に対して、常光屈折率を持つ凸レンズとして働く。

したがって、液晶レンズ４００を異常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させる場合、駆動回路は、透明電極４２４ａ，４２４ｂと透明電極４３４ａ，４３４ｂとの間に電圧を印加しない。

液晶レンズ４００を常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させる場合、駆動回路は、リレースイッチ等を用いて、図５０に示されるように、平基板４２０の透明電極４２４ａ，４２４ｂを電気的に接続して同電位にし、また凹基板４３０の透明電極４３４ａ，４３４ｂを電気的に接続して同電位にするとともに、透明電極４２４ａ，４２４ｂと透明電極４３４ａ，４３４ｂとの間に数Ｖ〜数十Ｖの交番電圧を印加する。この交番電圧の印加は、透明電極４２４ａ，４２４ｂと透明電極４３４ａ，４３４ｂの間に、基板の平面にほぼ垂直な電気力線Ａを持つ電場を発生させる。ネマティック液晶４５０の液晶分子は、この電場の影響を受けて回転し、電気力線Ａに対して平行に整列する。その際、液晶分子は、前述のプレチルト角のために、すべて同じ方向に回転する。

液晶レンズ４００を、常光屈折率を持つ凸レンズとして機能している状態から、異常光屈折率を持つ凸レンズとして機能する状態へ切り替える場合、駆動回路は、まず、数〜数十ミリ秒程度の間、図５１に示されるように、一方の向き合った２つの透明電極４２４ａ，４３４ａを電気的に接続し、他方の向き合った２つの透明電極４２４ｂ，４３４ｂを電気的に接続するとともに、透明電極４２４ａ，４３４ａと透明電極４２４ｂ，４３４ｂの間に、常光屈折率を持つ凸レンズとして機能させる際に印加した交番電圧の２倍程度の大きさの交番電圧を印加する。その後、駆動回路は、透明電極４２４ａ，４３４ａと透明電極４２４ｂ，４３４ｂの間への電圧印加を停止する。

このような電圧印加の制御は、透明電極４２４ａ，４３４ａの間の電位差をなくし、また透明電極４２４ｂ，４３４ｂの間の電位差をなくすとともに、透明電極４２４ａ，４３４ａと透明電極４２４ｂ，４３４ｂとの間に、基板の面にほぼ平行に延びる電気力線Ｃを持つ電場を発生させる。この電場は、基板の平面に垂直に整列しているネマティック液晶４５０の液晶分子に、電場が印加されていない状態に戻る方向に回転させる力を与える。電圧印加の停止後は、液晶分子は、液晶材料の固有の特性に従って、基板の面に平行に整列する状態に戻る。

以上の説明から分かるように、液晶レンズ４００では、常光屈折率を持つ凸レンズから異常光屈折率を持つ凸レンズへ切り替えられる際に、その初期段階においてネマティック液晶４５０の液晶分子が強制的に回転されるので、液晶分子が基板の平面に垂直に整列した状態から平行に整列した状態に移るまでの立下り時間が短縮される。

液晶レンズの各部の構成は、様々な変形や変更が可能である。
例えば、この例では、液晶レンズ４００は、１つの液晶の層を有しているが、３以上の液晶の層を有していてもよい。また、一方の透明基板が平凹板を有し、他方の透明基板が平板を有するが、透明基板の形状はこれに限定されない。

さて、以上のような撮像装置は、デジタルカメラやビデオカメラなどの画像撮像装置、パーソナルコンピュータのような情報処理装置、複写機、バーコードリーダ、電話機、携帯電話機等の種々の電子機器に用いることができる。以下に、その具体例を示す。

図５２〜図５４は、本発明による撮像装置を組み込んだデジタルカメラ５００の概念図を示す。図５２はデジタルカメラ５００の外観を示す前方斜視図、図５３は同後方斜視図、図５４はデジタルカメラ５００の内部構成を示す断面図である。デジタルカメラ５００は、この例の場合、撮影用光路５０２を有する撮影光学系５０１、ファインダー用光路５０４を有するファインダー光学系５０３、レリーズボタン５０５、フラッシュ５０６、液晶表示モニター５０７等を含み、カメラ５００の上部に配置されたレリーズボタン５０５を押圧すると、それに連動して撮影が行われる。この例では、撮像装置５０１として、本発明の第７の実施形態に示したものが組み込まれており、プリズム素子１、形状可変ミラー３，１３、レンズ系２１がデジタルカメラに内蔵されている。

プリズム素子１、可変形状ミラー３，１３、レンズ系２１によって形成された物体像が、ＣＣＤ等の撮像素子の撮像面２２上に形成される。この撮像面２２で受光された物体像は、信号処理回路５１１を介して、カメラ背面に設けられた液晶表示モニター５０７に電子画像として表示される。また、この信号処理回路５１１には記録部５１２が接続され、撮影された電子画像を記録することもできる。なお、この記録部５１２は信号処理回路５１１と別体に設けてもよいし、ディスク状の磁気記録媒体やメモリーカード、光磁気ディスク等により電子的に記録再生を行うように構成してもよい。

さらに、ファインダー用光路５０４上にはファインダー用対物光学系５１３が配置してある。このファインダー用対物光学系５１３によって形成された物体像は、像正立素子であるポロプリズム５１５の視野枠５１７上に形成される。このポロプリズム５１５の後方には、正立された像を観察者眼球Ｅに導く接眼光学系５１９が配置されている。なお、撮影光学系５０１およびファインダー用対物光学系５１３の入射側、接眼光学系５１９の射出側にそれぞれカバー部材５１０が配置されている。

このように構成されたデジタルカメラ５００は、撮影光学系５０１が形状可変ミラーを含むため、ズーミングやフォーカシングを行う場合でも、移動する構成要素が少なく（あるいは全くなく）、デジタルカメラの小型化を実現できる。
図５４の例では、カバー部材５１０として平行平面板を配置しているが、パワーを持ったレンズを用いてもよい。

なお、ここではデジタルカメラの例として、撮影光路５０２とファインダ光路５０４が別になっている小型カメラを示したが、本発明の撮像装置は一眼レフカメラにも適用可能である。その場合には、例えば、第１〜第６の実施形態の撮像装置を用い、光路分割素子で反射した光束（第１〜第３の実施形態）、あるいは、光路分割素子を透過した光束（第４〜第６の実施形態）を接眼光学系に導く構成とすればよい。

本発明は、ここで説明した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では本発明の光学系をコンパクトカメラに適用しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、第１〜第６の実施形態の光学系における光路分割素子で反射する光束（第１〜第３の実施形態）、あるいは、光路分割素子を透過する光束（第４〜第６の実施形態）を接眼光学系に導く構成とすることにより、一眼レフレックスカメラにも適用させることも可能である。また、上記各実施形態において、光路分割素子としてハーフミラーを使用しているが、本発明はこれに限られず、例えば、ビームスプリッタを光路分割素子として用いてもよい。
さらに、偏光ハーフミラー２はＰ偏光を透過しＳ偏光を反射しているが、Ｓ偏光を透過しＰ偏光を反射するものでもよい。

次に、本発明の撮像装置が内蔵された情報処理装置の一例であるパーソナルコンピュータを図５５〜図５７に示す。図５５はパーソナルコンピュータ５２０のカバーを開いた前方斜視図、図５６はパーソナルコンピュータ５２０の撮影光学系５２３の断面図、図５７は図５５の状態の側面図である。図５５〜図５７に示されるように、パーソナルコンピュータ５２０は、外部から繰作者が情報を入力するためのキーボード５２１と、図示を省略した情報処理手段や記録手段と、情報を操作者に表示するモニター５２２と、操作者自身や周辺の像を撮影するための撮影部５２３とを有している。ここで、モニター５２２は、図示しないバックライトにより背面から照明する透過型液晶表示素子や、前面からの光を反射して表示する反射型液晶表示素子や、ＣＲＴディスプレイ等であってよい。また、図中、撮影部５２３は、モニター５２２の右上に内蔵されているが、その場所に限らず、モニター５２２の周囲や、キーボード５２１の周囲のどこであってもよい。

この撮影部５２３は、撮影光路５２４上に、本発明による撮像装置を備えている。この例では、第７の実施形態に示した撮像装置を用いており、プリズム素子１、形状可変ミラー３，１３、レンズ系２１および像を受光する撮像素子２２を有している。これらはパーソナルコンピュータ５２０に内蔵されている。

ここで、撮像素子２２上には光学的ローパスフィルタが付加的に貼り付けられて撮像ユニットとして一体に形成されていてもよく、レンズ系２１の鏡枠の後端（図示略）にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっていてもよい。このようにすることで、レンズ系２１と撮像素子２２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単化される。また、鏡枠の先端には、レンズ系２１を保護するためのカバー部材５１０が配置されている。

撮像素子２２で受光された物体像は、パーソナルコンピュータ５２０の処理手段に入力され、電子画像としてモニター５２２に表示される、図５５には、その一例として、操作者の撮影された画像５２５が示されている。また、この画像５２５は、インターネット等のネットワークを介して、遠隔地から通信相手のパーソナルコンピュータに表示されることも可能である。

次に、本発明の撮像装置が内蔵された携帯電話機５３０を図５８に示す。図５８（ａ）は携帯電話機５３０の正面図、図５８（ｂ）は側面図、図５８（ｃ）は撮像装置５３５の断面図である。図５８（ａ）〜（ｃ）に示されるように、携帯電話機５３０は、操作者の声を情報として入力するマイク部５３１と、通話相手の声を出力するスピーカ部５３２と、操作者が情報を入力する入力キー５３３と、操作者自身や通話相手等の撮影像と電話番号等の情報を表示するモニター５３４と、撮影装置５３５と、通信電波の送信と受信を行うアンテナ５３６と、画像情報や通信情報、入力信号等の処理を行う処理手段（図示せず）とを有している。ここで、モニター５３４は液晶表示素子である。また、図中、各構成の配置位置は、特にこれらに限られない。この撮影装置５３５としては、本発明の第７の実施形態に示したものを用いており、プリズム素子１、形状可変ミラー３，１３、レンズ系２１、撮像素子２２が携帯電話機５３０に内蔵されている。符号５３７は撮像装置に入射する撮影光路である。

ここで、撮像素子２２上には光学的ローパスフィルタが付加的に貼り付けられて撮像ユニットとして一体に形成されていてもよく、レンズ系２１の鏡枠（図示略）の後端にワンタッチで嵌め込まれて取り付け可能になっていてもよい。このようにすることにより、レンズ系２１と撮像素子２２の中心合わせや面間隔の調整が不要であり、組立が簡単化される。また、鏡枠の先端には、レンズ系２１を保護するためのカバーガラス５１０が配置されている。

撮影素子２２で受光された物体像は、図示していない処理手段に入力され、電子画像としてモニター５３４に、または、通信相手のモニターに、または、両方に表示される。また、通信相手に画像を送信する場合、撮像素子２２で受光された物体像の情報を、送信可能な信号へと変換する信号処理機能が処理手段には含まれている。

本発明は、個々で説明した実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、本発明の適用対象も、例示した機器に限られるものではない。

本発明の第１の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る撮像装置を示す図である。図２の撮像装置の偏光ハーフミラーの構成を概略的に示す断面図である。図３の偏光ハーフミラーの光学的特性を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第５の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第６の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第７の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第８の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第９の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第１０の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第１１の実施形態に係る撮像装置を示す図である。図１３の撮像装置における撮像面近傍の光束の状態を示す拡大図である。本発明の第１２の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第１３の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第１４の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第１５の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第１６の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第１６の実施形態に係る他の撮像装置を示す図である。本発明の第１６の実施形態に係る他の撮像装置を示す図である。本発明の第１７の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第１８の実施形態に係る撮像装置を示す図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）は展開図、（ｃ）はパワーが強い状態の形状可変ミラー部分の拡大図、（ｄ）はパワーが弱い状態の形状可変ミラー部分の拡大図である。本発明の第１９の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明の第１９の実施形態に係る他の撮像装置を示す図である。本発明の第１９の実施形態に係る他の撮像装置を示す図である。本発明の第１９の実施形態に係る他の撮像装置を示す図である。本発明の第２０の実施形態に係る撮像装置を示す図である。本発明に適用可能な可変形状鏡の一実施例を示す概略構成図である。図３９の可変形状鏡に用いる電極の一形態を示す説明図である。図３９の可変形状鏡に用いる電極の他の形態を示す説明図である。本発明に適用可能な可変形状鏡の他の実施例を示す概略構成図である。本発明に適用可能な可変形状鏡の他の実施例を示す概略構成図である。本発明に適用可能な可変形状鏡の他の実施例を示す概略構成図である。図３４の実施例における薄膜コイルの巻密度の状態を示す説明図である。本発明に適用可能な可変形状鏡の他の実施例を示す概略構成図である。図３６の実施例におけるコイルの一配置例を示す説明図である。図３６の実施例におけるコイルの他の配置例を示す説明図である。図３４の実施例において、コイルの配置を図３８に示したようにした場合に適する永久磁石の配置を示す説明図である。本発明に適用可能な液晶レンズの一実施例を示す平面図である。図４０のＩＩ−ＩＩ線に沿って破断された液晶レンズの断面図である。図４０の液晶レンズの液晶材料に電場を加える際の各電極への電圧印加方法を示す配線図である。図４０の液レンズの液晶材料に加えた電場を切る際の各電極への電圧印加方法を示す配線図である。本発明に適用可能な液晶レンズの他の実施例を示す平面図である。図４４のＶＩ−ＶＩ線に沿って破断された液晶レンズの断面図である。図４４の液晶レンズの液晶材料に電場を加える際の各電極への電圧印加方法を示す配線図である。図４４の液晶レンズの液晶材料に電場を加える際の各電極への電圧印加方法を示す配線図である。本発明に適用可能な液晶レンズの他の実施例を示す平面図である。図４８のＸ−Ｘ線に沿って破断された液晶レンズの断面図である。図４８の液晶レンズの液晶材料に電場を加える際の各電極への電圧印加方法を示す配線図である。図４８の液晶レンズの液晶材料に電場を加える際の各電極への電圧印加方法を示す配線図である。本発明の第７の実施形態に係る撮像装置を組み込んだデジタルカメラの外観を示す前方斜視図である。図５２のデジタルカメラの後方斜視図である。図５２のデジタルカメラの断面図である。本発明の第７の実施形態に係る撮像装置を組み込んだパーソナルコンピュータのカバーを開いた前方斜視図である。図５５のパーソナルコンピュータの撮像装置を示す断面図である。図５５のパーソナルコンピュータの側面図である。本発明の第７の実施形態に係る撮像装置を組み込んだ携帯電話機を示す図であり、（ａ）正面図、（ｂ）側面図、（ｃ）撮像装置の断面図である。

符号の説明

２ハーフミラー（偏光ハーフミラー：光路分割素子）
３第１の形状可変ミラー（第１の屈折力可変素子）
４，２３第１の１／４波長板（１／４波長板、第１の１／４波長板）
５第１の液晶レンズ（第１の屈折力可変素子）
７第１の反射面（反射面）
１３第２の形状可変ミラー（第２の屈折力可変素子）
１４，２５第２の１／４波長板（第２の１／４波長板）
１５第２の液晶レンズ（第２の屈折力可変素子）
１７第２の反射面（反射面）
２２撮像素子（撮像面）
２４第１の偏光板（偏光板）
２６第２の偏光板（偏光板）
２７開口絞り

Claims

光路分割素子と、光軸方向に実質固定状態の屈折力可変素子と反射面とを含む光学系と、撮像面とを有し、
前記光路分割素子、光学系および撮像面は、被写体側から入射した光束が、前記光路分割素子を透過した後、前記光学系に入射し、前記反射面で反射された後、前記光学系から前記光路分割素子に向かって射出し、前記光路分割素子で反射し、前記撮像面に入射するように配置されている撮像装置。
前記光学系は、入射した光軸上の光線が、前記反射面で反射されて前記光軸上を戻るように配置されている請求項１に記載の撮像装置。
前記光路分割素子が、偏光ハーフミラーであり、
前記光路分割素子と前記反射面との間に１／４波長板が配置されている請求項１に記載の撮像装置。
前記屈折力可変素子が形状可変ミラーとして構成されており、形状可変ミラーの反射面が前記反射面を兼ねている請求項１または請求項３に記載の撮像装置。
前記屈折力可変光学素子が、液晶レンズを含む請求項１または請求項３に記載の撮像装置。
光路分割素子と、光軸方向に実質固定状態の屈折力可変素子と反射面とを含む光学系と、撮像面とを有し、
前記光路分割素子、光学系および撮像面は、被写体側から入射した光束が、前記光路分割素子で反射した後、前記光学系に入射し、前記反射面で反射された後、前記光学系から前記光路分割素子に向かって射出し、前記光路分割素子を透過し、前記撮像面に入射するように配置されている撮像装置。
前記光学系は、入射した光軸上の光線が、前記反射面で反射されて前記光軸上を戻るように配置されている請求項６に記載の撮像装置。
前記光路分割素子が、偏光ビームスプリッタであり、
前記光路分割素子と前記反射面との間に１／４波長板が配置されている請求項６に記載の撮像装置。
前記屈折力可変素子が形状可変ミラーとして構成されており、形状可変ミラーの反射面が前記反射面を兼ねている請求項６または請求項８に記載の撮像装置。
前記屈折力可変光学素子が、液晶レンズを含む請求項６または請求項８に記載の撮像装置。
光路分割素子と、
第１の光軸方向に実質固定状態の第１の屈折力可変素子と第１の反射面とを含み、前記光路分割素子を透過した光束が入射する第１の光学系と、
第２の光軸方向に実質固定状態の第２の屈折力可変素子と第２の反射面とを含み、前記光路分割素子で反射した光束が入射する第２の光学系と、
撮像面とを有し、
前記光路分割素子、第１の光学系、第２の光学系および撮像面は、被写体側から入射した光束の一部が、前記光路分割素子を透過した後、前記第１の光学系に入射し、前記第１の反射面で反射した後、前記第１の光学系から前記光路分割素子に向かって射出し、前記光路分割素子において反射し、前記撮像面に入射し、
かつ、被写体側から入射した光束の他の一部が、前記光路分割素子において反射した後、前記第２の光学系に入射し、前記第２の反射面で反射した後、前記第２の光学系から前記光路分割素子に向けて射出し、前記光路分割素子を透過し、前記撮像面に入射するように配置されている撮像装置。
前記第１の光学系は、入射した第１の光軸上の光線が、前記第１の反射面で反射されて前記第１の光軸上を戻るように配置され、
前記第２の光学系は、入射した第２の光軸上の光線が、前記第２の反射面で反射されて前記第２の光軸上を戻るように配置されている請求項１１に記載の撮像装置。
前記光路分割素子が、偏光ビームスプリッタであり、
前記光路分割素子と前記第１の反射面との間に、第１の１／４波長板が配置され、
前記光路分割素子と前記第２の反射面との間に、第２の１／４波長板が配置されている請求項１１に記載の撮像装置。
前記第１の屈折力可変素子および前記第１の反射面からなる第１のユニットおよび前記第２の屈折力可変素子および前記第２の反射面からなる第２のユニットのうちの少なくとも１つのユニットが、形状可変ミラーにより構成されている請求項１１または請求項１３に記載の撮像装置。
前記第１の屈折力可変素子および前記第２の屈折力可変素子の少なくとも一方が、液晶レンズからなる請求項１１または請求項１３に記載の撮像装置。
前記屈折力可変素子が液晶レンズからなり、前記光路分割素子と前記１／４波長板との間に配置されている請求項３，請求項８または請求項１３のいずれかに記載の撮像装置。
前記屈折力可変素子が液晶レンズからなり、前記１／４波長板と前記反射面との間に配置され、
前記１／４波長板と液晶レンズとの間に偏光板が配置され、
該偏光板は、１／４波長板から射出されて該偏光板を透過する光束の光量を最大とする状態に配置されている請求項３，請求項８または請求項１３のいずれかに記載の撮像装置。
前記屈折力可変素子が、屈折力を変化させフォーカス位置を調節する請求項１、請求項６または請求項１１のいずれかに記載の撮像装置。
前記屈折力可変素子が、屈折力を変化させ画角を変化させる請求項１、請求項６または請求項１１のいずれかに記載の撮像装置。
前記第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点とが同じ位置にある請求項１１に記載の撮像装置。
前記第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点とが異なる位置にある請求項１１に記載の撮像装置。
前記第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点とが、光軸方向で見て異なる位置にある請求項２１に記載の撮像装置。
前記第１の光学系および第２の光学系が、開口の大きさが可変である開口絞りを有し、
該開口絞りにより決定される開口数の変化に応じて、第１の光学系の後側焦点と第２の光学系の後側焦点との間の距離が変化するように、第１の屈折力可変素子および第２の屈折力可変素子の少なくとも一方の屈折力を変化させる請求項２１または請求項２２に記載の撮像装置。
前記光路分割素子は、２つのプリズムと、それらの接合面に設けられた光分割面とを持つビームスプリッタである請求項１、請求項６または請求項１１に記載の撮像装置。
被写体側からの光束がビームスプリッタに入射する該ビームスプリッタの入射面が屈折力を持つ請求項２４に記載の撮像装置。
前記ビームスプリッタから前記撮像面へ向かって光束が射出する該ビームスプリッタの射出面が屈折力を持つ請求項２４に記載の撮像装置。
前記ビームスプリッタから前記光学系へ向かって光束が射出する該ビームスプリッタの射出面が屈折力を持つ請求項２４に記載の撮像装置。
前記光路分割素子の被写体側にレンズユニットが配置されている請求項１、請求項６または請求項１１のいずれかに記載の撮像装置。
前記レンズユニットが負のパワーを有する請求項２８に記載の撮像装置。
前記レンズユニットが正のパワーを有する請求項２８に記載の撮像装置。
前記レンズユニットが、少なくとも１つの光軸上を移動可能なサブユニットを有する請求項２８に記載の撮像装置。
前記レンズユニットが焦点距離可変光学系である請求項３１に記載の撮像装置。
前記光路分割素子と撮像面との間にレンズユニットが配置されている請求項１、請求項６または請求項１１のいずれかに記載の撮像装置。
前記レンズユニットが正のパワーを有する請求項３３に記載の撮像装置。
前記レンズユニットが、少なくとも１つの光軸上を移動可能なサブユニットを有する請求項３３に記載の撮像装置。
前記レンズユニットが焦点距離可変光学系である請求項３５に記載の撮像装置。
前記光路分割素子と前記反射面との間に偏光板が配置され、
該偏光板が、各光軸に対して回転可能である請求項３，請求項８または請求項１３のいずれかに記載の撮像装置。
前記偏光板が回転することにより露光量が調節される請求項３７に記載の撮像装置。