JP2005092175A - 光学特性可変光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡単で、光学面の形状を凸にできる光学特性可変光学素子、反射面が複数に分割されている可変ミラー、その駆動回路等、及びそれらを用いた光学装置等を提供する。
【解決手段】 形状可変ミラーは、複数の電極４０９ｂ１〜４０９ｂ５と、電力により駆動されて少なくとも凸面に変形可能な基板４０９ｊと、前記基板に一体化された電極４０９ｋと、前記基板に設けられた光学面４０９aと、前記電極に接続された駆動回路とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焦点距離や収差等の光偏向作用が変化する、光学特性が変化する光学特性可変光学素子、例えば形状可変ミラーや可変焦点レンズ等に関する。

従来、形状可変ミラーや可変焦点レンズは、種々紹介されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、及び非特許文献１等参照）。
特開２０００−２６７０１０号公報 特開２００１−２０８９０５号公報 特開２００２−１８９１７２号公報 特開２００３−１７７３３５号公報 米国特許第６３８４９５２号明細書 Optics Communication Vol.140 187頁 (1997)

しかしながら、従来、光学面の形を凸にできる構造の光学特性可変光学素子は、あまり多く知られていない。そのようなものとして、電磁力駆動のものが知られているが、この光学特性可変光学素子は、消費電力が大きいという欠点があった。
また、圧電素子を用いたものがあるが、これは、小さな光学特性可変光学素子を作り難いとういう欠点があった。
また、特許文献２に記載のものは、構造が複雑になるという欠点があった。

本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構造が簡単で、光学面の形状を凸にできる光学特性可変光学素子、その駆動回路等、及びそれらを用いた光学装置等を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明による光学特性可変光学素子は、複数の電極と、電力により駆動されて少なくとも凸面に変形可能な基板と、前記基板に一体化された電極と、前記基板に設けられた光学面と、前記電極に接続された駆動回路とを有している。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、前記光学面の両側に配置されていて少なくとも何れか一方が利用光束を通過させる開口を有している第２および第３電極とを有していて、前記第１及び第２電極間あるいは前記第１及び第３電極間に電圧または電流を加えることにより、光偏向特性を変化させ得るようになっている。

本発明によれば、前記第１、第２及び第３電極の少なくとも一つが、複数に分割されている。

また、本発明によれば、前記第２又は第３電極は固定電極として構成されている。

また、本発明によれば、前記光学面の片側に複数の電極を有する基板が設けられている。

また、本発明によれば、前記電極間に加えられる電圧または電流は、直流または交流である。

また、本発明によれば、光学特性可変光学素子は、形状可変ミラーまたは可変焦点レンズとして構成されている。

また、本発明によれば、前記光学面が静電気力または電磁力で変形せしめられるようになっている。

また、本発明によれば、光学特性可変光学素子は、前記光学面の変形可能部分の面積をＳ_１、前記開口の面積をＳ_２としたとき、下記条件式を満足するように構成されている。
０．０２≦Ｓ_２/Ｓ_１≦０．９８

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された複数に分割された第１電極と、前記光学面の片側に配置された複数に分割された第２電極とを有し、前記分割された第１，第２の電極間少なくとも一組に同符合の電荷を蓄積させることにより、前記分割電極間に電気力を発生させて、前記光学面を変形させるようになっている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記第１電極の分割された全ての電極に加える電圧の符号を等しくすると共に、前記第２電極の分割された全ての電極に加える電圧の符号を等しくし、前記第１電極と前記第２電極に加える電圧の符号を異ならせた状態で、前記光学面を変形させることもできるようになっている。

また、本発明によれば、前記第１電極の一つの分割電極と、該分割電極にほぼ対向する前記第２電極の分割電極の隣あるいは近傍の分割電極との間に、異符号の電圧を加えるように構成されている。

また、本発明によれば、前記第１電極または前記第２電極の分割された一つの分割電極と、該分割電極の隣あるいは近傍の分割電極との間に、異符号の電圧が加えられるように構成されている。

また、本発明によれば、前記光学面が平面であるときの前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、隣接する前記分割電極間の平均中心間隔をＰとしたとき、下記の条件式を満足するように構成されている。
１/１００００００<Ｇ/Ｐ<３００

また、本発明によれば、前記光学面が平面であるときの前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、前記第１及び第２電極における隣接する分割電極間の平均距離をｄとしたとき、下記の条件式を満足するように構成されている。
１/１００００００< Ｇ/ｄ <１０００

また、本発明によれば、前記第１または第２電極における、分割電極の面積の和をa、電極部分全体の面積をAとしたとき、下記の条件式を満足するように構成されている。
０．００１< a/A <１

また、本発明によれば、前記第１電極の分割パターンと前記第２電極の分割パターンとが、ほぼ等しいか又は異なるように構成されている。

また、本発明によれば、前記第１電極または前記第２電極は固定電極として構成されている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、前記光学面の片側に配置された第２電極とを有し、前記第１または第２電極は複数に分割されており、該分割された電極間に交流電圧または交流電流を加えることにより、前記第１および第２電極間に斥力又は電気力を発生させて、前記光学面を変形させるように構成されている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、交流電圧または交流電流の周波数が変更可能な駆動回路を更に有している。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、前記光学面の片側に配置された第２電極とを有し、前記第１および第２電極は複数に分割されていて、該第１及び第２電極間に交流電圧または交流電流を加えることにより、前記第１および第２電極間に斥力又は電気力を発生させて、前記光学面を変形させるようにすると共に、交流電圧を加えない方の分割された電極間に抵抗が配設されている。

また、本発明によれば、前記抵抗は可変抵抗である。

また、本発明によれば、交流電圧または交流電流を加えない方の電極が、交流電圧または交流電流を加える方の電極よりも高抵抗の材質で形成されている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、少なくとも前記光学面の片側に配置された第２電極とを有し、前記第１および第２電極に電圧または交流電流を加えることにより、光偏向特性を変化させるようにした光学特性可変光学素子において、変形可能な基板に一体化された電極と、少なくとも他の基板上に設けられた電極とが平行でないことを特徴としている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、光学装置のピント調整に用いられ得る。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、光学装置のブレ防止に用いられ得る。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、光学装置の変倍に用いられ得る。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、光学装置の製作誤差の補正に用いられ得る。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記第１電極と前記第２電極の各電極の厚さをｔ，面積をｗとしたとき、下記の条件式を満足するように構成されている。
０．０００００１≦ｔ/√ｗ≦１００００

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、前記第１及び第２電極の間にある基板の厚さをuとしたとき、下記の条件式を満足するように構成されている。
０．００００００１≦u/Ｇ≦１０００

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、前記光学面と前記第１電極との距離をΔとしたとき、下記の条件式を満足するように構成されている。
０．００００００１≦Δ/Ｇ≦１０００

また、本発明による光学装置は、複数に分割された電極を有する光学特性可変素子を備えた光学系を含む光学装置であって、前記複数に分割された電極のパターンが、光学系の対称性とほぼ同じであり、且つ前記電極に光学系の対称性と異なる電圧分布を与えるのが可能なように構成されている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、前記光学面の片側に、利用光束を一部遮蔽する形で設けられた第２電極を有していて、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧または電流を加えることにより、光偏向特性を変化させ得るようになっている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面に対して前記第２電極と反対側に第３電極を有していて、前記第１電極と前記第２電極との間あるいは前記第１電極と前記第３電極との間に電圧または電流を加えことにより、光偏向特性を変化させ得るようになっている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記第１電極に対して前記第２電極と反対側に第３電極を有していて、前記第１電極と前記第２電極との間或いは前記第１電極と前記第３電極との間に電圧または電流を加えることにより、光偏向特性を変化させ得るようになっている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記第２電極によって通過光束が遮蔽される面積の、全通過光束に対する割合をｆとしたとき、下記の条件式を満足するように構成されている。
０．０１≦ｆ≦０．５

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された複数の電極を有し、前記電極間に生じる電気力によって光学面を変形させ、光偏向特性を変化させ得るようになっている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された複数の電極と、前記電極に電荷を蓄積させる駆動回路とを有し、前記電極間に生じる電気力によって光学面を変形させ、光偏向特性を変化させ得るようになっている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記複数の電極に異なる符号の電荷を蓄積させるようになっている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面が導電性を有し、前記光学面と一体的に形成された複数の電極を有し、前記複数の電極に対応して、前記導電性を有する光学面が分割されていることを特徴としている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記複数の電極に対向して、第２の電極を有している。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記光学面の片側に、第２の電極を有している。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、前記変形可能な光学面が導電性を有し、前記第１電極に対応して前記導電性を有する光学面が分割されていることを特徴としている。

また、本発明によれば、前記電気力が斥力である。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に形成された第１電極と、前記光学面の片側に配置された第２電極とを有していて、前記第１電極と前記第２電極との間に同符合の電荷を加えることにより電気力あるいは斥力を発生させて、光偏向特性を変化させ得るようになっている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に形成された第１電極と、前記光学面の片側に配置された第２電極とを有していて、前記第１電極と前記第２電極との間に電流または電圧を加えることにより電気力あるいは斥力を発生させて、光偏向特性を変化させ得るようになっている。

また、本発明による光学特性可変光学素子は、変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された複数に分割された第１電極と、前記光学面の片側に配置された複数に分割された第２電極とを有し、ほぼ対向する前記分割された第１，第２電極間に同符合の電荷を蓄積させることにより、前記分割電極間に斥力を発生させて、前記光学面を変形させるようになっている。

また、本発明による可変ミラーは、反射面と、該反射面近傍に配設された部材とを有していて、前記反射面は複数に分割されている。

また、本発明による可変ミラーは、反射面と基板とを含む変形可能部分と、該基板に対向配置された電極とを有していて、前記反射面は、複数に分割されており、電気力によって駆動されるようになっている。

また、本発明による可変ミラーは、反射面と基板とを含む変形可能部分と、該基板に対向配置された電極とを有していて、前記反射面は、複数に分割されており、且つ電極の機能を有する電気力によって駆動されるようになっている。

また、本発明による可変ミラーは、変形可能な反射面を有していて、該反射面は凸にも凹にも変形可能であり、且つ該反射面を変形させる為に流体、静電気力、電磁力、圧電効果、磁歪、温度変化、電磁波等のうちの２つ以上を用いるようになっている。

また、本発明による可変ミラーは、変形可能な反射面を有していて、該反射面を凸に変形させるときには流体の圧力を用い、該反射面を凹に変形させるときには電気力を用いるようになっている。

また、本発明による撮像装置は、請求項６１または請求項６２に記載の可変ミラーを有していて、前記可変ミラーの面形状が平面の時に、被写界深度の遠点がほぼ無限遠になる距離にピントが合うようになっている。

また、本発明による撮像装置は、請求項６１または請求項６２に記載の可変ミラーを有していて、前記可変ミラーの面形状が平面の時に、無限遠から０．５メートルの間のいずれかの距離にピントが合うようになっている。

また、本発明による撮像装置は、ピントを合わせる過程で、前記反射面が、凹面の状態と凸面の状態との両形状をとることを特徴とする請求項６１または請求項６２に記載の可変ミラーを有している。

また、本発明による撮像装置は、ピントを合わせる過程で、前記反射面が、凹面の状態と凸面の状態との両形状をとるようになっている。

また、本発明による可変焦点レンズは、変形可能な光学面を有していて、該光学面は凸にも凹にも変形可能であり、且つ該光学面を変形させる為に流体、静電気力、電磁力、圧電効果、磁歪、温度変化、電磁波等のうちの１つ又は２つ以上を用いるようになっている。

また、本発明による可変焦点レンズは、変形可能な光学面を有していて、該光学面を凸に変形させるときには流体の圧力を用い、該光学面を凹に変形させるときには電気力を用いるようになっている。

また、本発明による撮像装置は、請求項６７または請求項６８に記載の可変焦点レンズを有していて、前記可変焦点レンズの面形状が平面の時に、被写界深度の遠点がほぼ無限遠になる距離にピントが合うようになっている。

また、本発明による撮像装置は、請求項６７または請求項６８に記載の可変焦点レンズを有していて、前記可変焦点レンズの面形状が平面の時に、無限遠から０．５メートルの間のいずれかの距離にピントが合うようになっている。

また、本発明による撮像装置は、ピントを合わせる過程で、前記光学面の形状が、凹面の状態と凸面の状態との両形状をとる請求項６７または請求項６８に記載の可変焦点レンズを有している。

また、本発明による撮像装置は、ピントを合わせる過程で、前記光学面の形状が、凹面の状態と凸面の状態との両形状をとるようになっている。

本発明によれば、構造が簡単で、光学面の形状を凸にできる光学特性可変光学素子、その駆動回路等、及びそれらを用いた光学装置等を提供することができる。

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、本発明にかかる光学特性可変光学素子の一実施例の構成を示す断面図である。
この実施例は、凹凸両方に変形可能な静電駆動の形状可変ミラーとして構成されている。この形状可変ミラーは、反射面（光学面）としての薄膜４０９ａと変形可能な基板４０９ｊと変形可能な電極板４０９ｋとを積層して構成されており、その周縁部が支持台４２３を介して下側基板４３１に取付けられている。下側基板４３１と電極板４０９ｋとの間の下側基板４３１上には、固定電極４０９ｂ１，４０９ｂ２，４０９ｂ３，４０９ｂ４及び４０９ｂ５が配設されている。薄膜４０９ａ上には、その周縁部に、支持台４２３に対応する保持枠４３２と固定電極４０９ｂ６，４０９ｂ７と上側基板４３４が積層されている。上側基板４３４の中央には、光束が入出射するための開口４３３が設けられている。固定電極４０９ｂ６，４０９ｂ７は、図２に示す如く、分割された他の固定電極４０９ｂ８，４０９ｂ９，４０９ｂ１０及び４０９ｂ１１と共に、開口４３３の周囲に配置されている。

固定電極４０９ｂ１，４０９ｂ２，４０９ｂ３，４０９ｂ４及び４０９ｂ５と、電極板４０９ｋとの間には、図示のごとく、各可変抵抗４１１−１，４１１−２，４１１−３，４１１−４及び４１１−５と、各固定抵抗４１１−２０−１，４１１−２０−２，４１１−２０−３，４１１−２０−４及び４１１−２０−５と、電源スイッチ４１３Ａを介して、直流電源４１２Ａが接続されている。また、電極板４０９ｋと固定電極４０９ｂ７との間には、図示のごとく、各可変抵抗４１１−６及び４１１−７と、各固定抵抗４１１−２１及び４１１−２２と、電源スイッチ４１２Ｂを介して、直流電源４１２Ｂが接続されている。

本実施例は上記のように構成されているから、図１に示した状態で電源スイッチ４１３Ａを閉じれば、下側の固定電極４０９ｂ１〜４０９ｂ５と電極板４０９ｋとの間に静電引力が働き、反射面４０９ａは、基板４０９ｊ及び電極板４０９ｋと共に凹形状に変形し、凹面鏡として作用する。この場合、可変抵抗４１１−１乃至４１１−５を適宜調整することにより、凹形状を調整することができる。また、図１に示した状態で電源スイッチ４１３Ｂを閉じれば、上側の固定電極４０９ｂ６〜４０９ｂ１１と電極板４０９ｋとの間に静電引力が働き、反射面４０９ａは、図３に示す如く、基板４０９ｊ及び電極板４０９ｋと共に凸形状に変形し、凸面鏡として作用する。この場合、可変抵抗４１１−６乃至４１１−７を調整して、各電極に異なる電圧を加えることにより、反射面４０９ａをさまざまな形に変形することができる。従って、光学系の焦点距離を変えたり、収差を変えたりする等の効果を出すことができる。

また、図４（ａ）に示すように、電源スイッチ４１３Ａと４１３Ｂを閉じて、電極板４０９ｋと上側電極の一つ４０９ｂ６及び下側電極の一つ４０９ｂ５と電極板４０９ｋとの間にそれぞれ直流電圧を加えれば、反射面４０９ａの左側部分は上に引っ張られ、右側部分は下方に引っ張られて、鏡面を傾斜した状態に変形させることもできる。このような面形状は、撮像系や観察系のブレ防止（あるいは、ブレ補正ともいう）や製造誤差補正等に特に有効である。

基板４０９ｊの変形可能部分の面積（図１の実施例では保持枠４３２の開口面積）をＳ_１，開口４３３の面積をＳ_２としたとき、電極板４０９ｋと上側電極４０９ｂ６〜４０９ｂ１１との間の電気力を充分強くするために
０．０２≦Ｓ_２/Ｓ_１≦０．９８ （１）
であることが望ましい。
Ｓ_２/Ｓ_１の値が上限値を上回ると、静電気力が弱くなり、変形量が不足する。また、Ｓ_２/Ｓ_１の値が下限値を下回ると、利用できる光束が鏡面の大きさに比べて小さくなり過ぎ好ましくない。この場合、
０．０５≦Ｓ_２/Ｓ_１≦０．９ （１’）
を満たせばなお良く、
０．０８≦Ｓ_２/Ｓ_１≦０．８ （１”）
を満たせばさらに良い。

なお、上記実施例では、静電気力で駆動して反射面４０９ａを変形させるようにしたが、固定電極４０９ｂ１〜４０９ｂ１１あるいは電極板４０９ｋを、後述する図２４または図２６に示すように、コイル状の電極にすれば、電磁気力で反射面４０９ａを変形させることができ、その場合も、上記条件式（１），（１’）及び（１”）は同様に成り立つ。

また、例えば、電極板４０９ｋと固定電極４０９ｂ６または４０９ｂ７等の間に加える電圧を強くすることで、反射面４０９ａが固定電極４０９ｂ６または４０９ｂ７等に密着する状態まで変形させて、使用しても良い。
また、例えば、固定電極４０９ｂ６〜４０９ｂ９は、後述する図１６に示すように、電極基板を複数層（４３４−１，４３４−２）設けて、各電極基板４３４−１，４３４−２上にそれぞれ配置しても良い。このように配置すれば、電極板４０９ｋと固定電極４０９ｂ６〜４０９ｂ９との距離をさまざまに変えることができ、反射面４０９ａの変形自由度を増やすことができる。あるいは、上側基板４３４に凹凸を設けて、その上に分割電極を形成し、電極板４０９ｋと分割電極との距離をさまざまに変えるようにしても良い。

また、上側電極４０９ｂ６〜４０９ｂ９は、図４（ｂ）に示すように開口４３３の内部に、光束の一部を遮蔽する形状に設けても良い。このように上側電極を設けるために、上側基板４３４も光束を一部遮る形状に図４（ｂ）では構成されている。このため、開口は４３３Ａと４３３Ｂの二つに分かれている。このようにすることで、反射面４０９ａを効率良く凸面にすることができる。上側電極のために通過光束が遮蔽される面積（図４（ｂ）の遮蔽部）の全通過光束の面積（開口４３３Ａと４３３Ｂの面積の和に遮蔽部の面積を加えたもの）に対する割合をｆとすれば、
０．００１≦ｆ≦０．８ （１Ａ）
を満たすことが望ましい。ｆの値が下限を下回ると、静電気力が弱くなるため反射面４０９ａの変形に自由度が低下する。ｆの値が上限を上回ると、利用できる光束が減ってしまう。
０．０１≦ｆ≦０．５ （１Ｂ）
を満たせば、なお良い。
０．０１≦ｆ≦０．３５ （１Ｃ）
を満たせば更に良い。
なお、図４（ｂ）は上側基板４３４を図１の下から見上げた図である。

図５は、本発明にかかる光学特性可変光学素子の他の実施例の構成を示す断面図である。この実施例は、静電気力と液圧とにより駆動される可変焦点レンズとして構成されている。この実施例においても、透明な変形可能な膜３０２とこれに一体化されて設けられた透明電極３０３，透明な固定電極３０９ｂ１，３０９ｂ２及び３０９ｂ３を配置したレンズ形状であってもよい透明基板３０５，固定電極４０９ｂ６及び４０９ｂ７，固定基板４３４の基本な構成および配置は、既述の実施例と同様である。支持台４２３と透明電極３０３及び透明基板３０５とは液密に接合されていて、透明電極３０３と透明基板３０５との間には透明流体３０４が充填されている。支持台４２３の側壁には、透明流体３０４と連通する液溜め３０６が取り付けられている。この液溜め３０６は、後述する図４３に示されたシリンダー１４６と置換されてもよい。そして、シリンダー１４６で透明流体３０４を加圧することにより、膜３０２を凸面に変形させても良い。透明流体３０４に負の圧力を加えれば、膜３０２を凹面にすることもでき、これら流体圧による駆動と電力による駆動とを併用しても良い。
なお、各電極間に接続された直流電源，可変抵抗，固定抵抗及び電源スイッチの配置は、図１に示した実施例の場合と実質上同じであるので、同一符号が用いられている。

本実施例は上記のように構成されているから、図１に示した実施例の場合と同様に、例えば、透明電極３０３と固定電極３０９ｂ６及び３０９ｂ７との間に直流電圧を加えることで、透明膜３０２は透明電極３０３と共に左方へ引っ張られ、また、透明電極３０３と固定電極３０９ｂ１〜３０９ｂ３との間、あるいは、透明電極３０３と固定電極３０９ｂ５及び３０９ｂ６との間に、さまざまな電圧を加えることで、透明膜３０２を色々な形に変形させることができ、焦点距離可変のレンズとして、また、収差可変のレンズとして機能さることができる。また、可変頂角プリズムのように、光偏向角可変の作用を持たせることもできる。

図６は、本発明にかかる光学特性可変光学素子の更に他の実施例の構成を示す断面図である。この実施例は、下側基板４３１上の分割された固定電極４０９ｂ１〜４０９ｂ４と共に、基板４０９ｊにも分割された変形可能な電極４０９ｋ１，４０９ｋ２，４０９ｋ３及び４０９ｋ４を設けた、静電気力で駆動される形状可変ミラーとして構成されている。この図に示すように、電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４の電位を同じ或いは同符号にした場合には、後述する図１８に示した例と同様に、静電気力で凹面に変形する形状可変ミラーとして動作する。なお、この実施例において、３２２は上側基板であるが、既述の実施例におけるのと実質上同一の要素には、同一の符号が付され、それらについての説明は省略されている。凹面に変形させるためには、電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４の代わりに反射面４０９ａを電極として利用し、電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４との間に電圧あるいは電流を加えるようにすれば良い。

一方、図７に示すように電圧を印加する駆動回路を用いると、電源スイッチ４１３Ａ，４１３Ｂを閉じたとき、形状可変ミラー４０９ａは基板４０９ｊと共に、図８に示したように、凸面状に変形する。何故ならば、図８に示すように、上側の電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４にはそれぞれ電荷−Ｑ_２，＋Ｑ_１，−Ｑ_４及び＋Ｑ_３が、固定電極４０９ｂ１〜４０９ｂ４にはそれぞれ−Ｑ_１，＋Ｑ_２，−Ｑ_３及び＋Ｑ₄が生じるため、対向する電極間に斥力の静電気力が働くためである。
なお、図７において、４１１−１１，４１１−１２，４１１−１３，４１１−１４，４１１−１５及び４１１−１６は可変抵抗、４１１−３０−１，４１１−３０−２，４１１−３０−３及び４１１−３０−４は固定抵抗である。そして、既述の実施例におけるのと実質上同一の要素には、同一の符号が付され、それらについての説明は省略されている。

また、図９に示すような駆動回路で、各電極に電圧を加えるようにしてもよい。この駆動回路において、電源スイッチ４１３Ａ，４１３Ｂを閉じれば、図１１に示すように各電極４０９ｂ１〜４０９ｂ４及び４０９ｋ１〜４０９ｋ４に電荷がたまるので、対抗する各電極間に斥力の静電気力が働き、反射面４０９ａは凸面となる。
なお、図９において、４１１−１７及び４１１−１８は可変抵抗であるが、既述の実施例におけるのと実質上同一の要素には、同一の符号が付され、それらについての説明は省略されている。なお、電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４あるいは４０９ｂ１〜４０９ｂ４の何れか一つ以上を更に細分化して多数の電極とし、それら電極群に同符合の電圧を加えるようにしても良い。

以上の説明から明らかなように、図７及び図９の駆動回路において、固定抵抗の抵抗値を変え、また可変抵抗の抵抗値を変化させることにより、反射面４０９ａの形状をさまざまに変化させることができる。

この実施例において、図７に示す如く、基板４０９ｊが平面時の上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４と下側電極４０９ｂ１〜４０９ｂ４との間の距離をＧ（電極がでこぼこしていてＧが電極によって変わる時には、Ｇの平均値をＧとして採用するものとする）、隣接する電極間の平均中心間隔をＰとしたとき、基板４０９ｊを強い凸面にするためには、前記斥力の静電気力を強くする必要があるが、そのためには、
１/１００００００<Ｇ/Ｐ<３００ （２）
なる条件を満たすようにすれば良い。
Ｇ/Ｐの値が、上記条件式（２）の上限を上回ると、ある電極に対向している電極との間の斥力と隣の電極との間の引力とが打消しあって、基板４０９jが殆ど変形しない。また、下限を下回ると、Ｇの値が小さくなり過ぎ、可変ミラー自身の製作が困難になる。この場合、
１/１０００００<Ｇ/Ｐ<１００ （２’）
なる条件を満たせば更に良い。

また、隣接する電極間の隙間の平均距離をｄ（図７で、ｄ_１は電極４０９ｋ１と４０９ｋ２との間の隙間の距離，電極４０９ｋ２と４０９ｋ３との間の隙間の距離，…の平均値、ｄ_２は電極４０９ｂ１と４０９ｂ２との間の隙間の距離，電極４０９ｂ２と４０９ｂ３との間の隙間の距離，…の平均値である）としたとき、
１/１００００００<Ｇ/ｄ<１０００ （３）
なる条件を満たすことが望ましい。
Ｇ/ｄの値が、上記条件式（３）の上限を上回ると、ある電極に対向している電極との間の斥力と隣の電極との間の引力とが打消しあって、基板４０９jが殆ど変形しない。また、下限を下回ると、Ｇの値が小さくなり過ぎ、可変ミラー自身の製作が困難になる。この場合、
１/１０００００<Ｇ/ｄ<３００ （３’）
なる条件を満たせば更に良い。

また、一つの基板上に分割配置された電極自体の面積の和をａ、その基板の電極配置領域全体の面積（図１２における点線内の面積）をＡとしたとき、
０．００１< a/A <１ （４）
なる条件を満たすことが望ましい。
a/Aの値が上記条件式（４）の下限を下回ると、電極に蓄えられる電荷の量が減って静電気力が低下する。この場合、
０．０１< a/A <１ （４’）
なる条件を満たせば更に良い。

なお、図９の例では下側電極４０９ｂ１〜４０９ｂ４にも電圧を加えたが、上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４だけに電圧を加えるようにしても良い。何故ならば、この場合でも、図１１に示すように、＋Ｑ_３，−Ｑ_３，＋Ｑ_４，−Ｑ_４の電荷は蓄積されるので、上側電極４０９ｋ１と４０９ｋ２との間，上側電極４０９ｋ２と４０９ｋ３との間及び上側電極４０９ｋ３と４０９ｋ４との間に、それぞれ静電気の引力が働くため、基板４０９ｊは上向きに反る。これら電極間には、電極間に働く力が斥力になるように電圧を加えても良い。このような方法は、可変焦点レンズにも適用できる。更に、電極をコイルに置き換え、電磁力で電極間に力を生じさせて、反射面４０９ａを変形させても良い。静電気力、電磁気力等を合わせて電気力と呼ぶことにする。
図１０は、可変ミラーの一実施例である。この実施例の説明を後で述べる。

図１２は、可変ミラーに用いられる上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４あるいは下側電極４０９ｂ１〜４０９ｂ４の分割パターンの例を示している。図中、i, j, m, nは自然数で電極につけた番号、Pijはi番目とj番目の電極の重心間距離、PはPijの平均値、ｄmnはm番目とn番目の電極の隙間の距離、ｄはｄmnの平均値である。
分割された各電極の面積は、ほぼ等しい方が反射面４０９ａの面形状の制御がし易くて良い。Ｐの値としては、各電極の図形の重心間距離Pijの平均値を採用すれば良い。上側電極の形あるいは個数と、下側電極の形あるいは個数とは、必ずしも一致していなくても良い。また、上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４，下側電極４０９ｂ１〜４０９ｂ４の何れかを更に細分化して、これら細分化された電極群に同符号の電圧を加える場合には、Ｐ, ｄの値としては、細分化された電極群を一つの電極とみなした時のＰ, ｄの値を採用するものとする。この考え方は、以下の実施例の電極についても適用される。この様子を図１２（ｃ）に示した。細分化する前の電極は図１２（ｂ）に示されている。

以上、更に他の実施例として、可変ミラーの例を説明したが、図５に示したのと類似の構成をとることで、可変焦点レンズとして応用することができる。その場合、図５における透明電極３０３を複数に分割して、透明電極３０９ｂ１〜３０９ｂ３との間に、図６，７または９に示したように電圧を加えれば良い。これにより、透明膜３０２を凹面にも凸面にも変形させることができる。この場合、固定電極４０９ｂ６及び４０９ｂ７は不要である。

なお、これまでの説明では、全ての実施例について、電源として直流電源４１２Ａ及び４１２Ｂを用いたが、これは交流電源としても良い。交流電源の場合でも交流の周波数が充分高ければ、光学面の形状は、電圧を固定すればほぼ一定形状となる。従って、この光学特性可変光学素子は、後述する図２９や図３６に示すような撮像装置や、後述する図３８に示すような観察装置等の光学装置に用いることができる。

図１３は、更に他の実施例として示した可変ミラーの別の駆動方法を示している。この例において、下側電極４０９ｂ１と４０９ｂ２との間に、低い周波数ｆ_１の交流電圧を加えると、これに対向する電極４０９ｋ１および４０９ｋ２には、電極４０９ｂ１および４０９ｂ２とは逆符号の電荷が生じる（図１４参照）。従って、静電引力により基板４０９ｊは下方へ引っ張られる。ここで交流電圧の周波数を上げていくと、可変抵抗４１１−１５の抵抗値のために、上側電極４０９ｋ１及び４０９ｋ２に、下側電極４０９ｂ１及び４０９ｂ２とは反対符号の電荷が生じるまでに、時間的な遅れができる。このため、下側電極４０９ｂ１と上側電極４０９ｋ１には同符号の電荷が生じる時間があり、この間、二つの電極間には斥力が働く。可変抵抗４１１−１５の抵抗値を大きくすれば、上記の時間的遅れも大きくなり、二つの電極間に斥力が働く。このように、交流電圧の周波数ｆ_１あるいは可変抵抗４１１−１５の抵抗値を変えることで、二つの電極間に働く力を、引力とすることも斥力とすることもできる。
以上の説明は、下側電極４０９ｂ３，４０９ｂ４と上側電極４０９ｋ３，４０９ｋ４間についても成り立つが、この構成によれば、既述の他の例に比べて、上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４側の電子回路が簡単になるという利点がある。

また、図１５に示すように、上側電極４０９ｋは分割せずに、抵抗値の高い材質でできた一つの電極にして、下側電極４０９ｂ１，４０９ｂ２間および４０９ｂ３，４０９ｂ４間にそれぞれ交流電圧を加えれば、ｆ_１，ｆ_２の周波数の増加と共に、上側電極４０９ｋに加わる力は引力から斥力に変わっていく。この場合は、上側電極の構造が簡単になるという利点がある。なお、下側電極４０９ｂ１〜４０９ｂ４を分割せずに抵抗の大きい材料で作り、上側電極を分割して、交流電圧を加えるようにしても良い。
また、薄膜４０９ａで上側電極４０９ｋを代用しても良い。その場合、薄膜の構造が簡単になるという利点がある。

また、前記条件式（２），（２’），（３），（３’），（４），（４’）は、上記二つの例の場合にも同様の理由で成り立つ。

また、図１３および図１５では、可変ミラーの例について述べたが、可変焦点レンズ等にも上記駆動方法は適用できる。その場合、図５に示した例で透明電極３０３を上側電極４０９ｋあるいは４０９ｋ１〜４０９ｋ４とみなし、固定電極３０９ｂ１，３０９ｂ２，３０９ｂ３間にそれぞれ交流電圧を加えれば良い。

また、図１３の上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４を除く、図６，７，９，１３および１５に示す例では、分割電極の全てに電圧が加わっているが、幾つかの電極には電圧を印加しないようにしても良い。電圧を加える電極を選択することで、基板４０９ｊの変形の自由度が広がる。特に、上下の電極間に斥力を生じさせたい場合、有利になることがある。
また、図１２に示す電極の分割パターンは、形状可変ミラーを用いる光学系の対称な面と同一の対称な面を持つようにし、且つ周辺部の電極ほど面積が小さくなるようにすると、制御しやすくて良い。図１２（ａ）及び１２（ｂ）に示す電極はそのように形成されている。
なお、光学系の製造誤差を補正するためには、電極に加える電圧パターンを、上記対称面について非対称にできるようにすると良い。

また、以上述べた光学特性可変光学素子の実施例では、基板上の電極同士は、変形しないとき略平行であるとしたが、必ずしも平行である必要はない。即ち、図１６に示す如く、斜めになっていても良い。このように構成すれば、上下電極間の電圧を大きく変化させずに、非対称な光学面の形状を実現することができるという利点がある。
なお、この実施例は、図１６に示した如く、図１における上側基板４３４が、第１上側基板４３４−１と第２上側基板４３４−２に分割されていて、第１上側基板４３４−１に電極４０９ｂ６および４０９ｂ７が、第２上側基板４３４−２に電極４０９ｂ８よび４０９ｂ９がそれぞれ配設されている。
なお、この実施例で、上部の電極４０９ｂ６〜４０９ｂ９，保持枠４３２，第１上側基板４３４−１および第２上側基板４３４−２は、なくても良い。

また、下側基板４３１，上側基板４３４−１または４３４−２の表面は、平面でなく、曲面形状をなしていても良い。

以上、各実施例で示した本発明にかかる光学特性可変光学素子は、何れも、光学装置のピント合わせ，視度調整，変倍，ブレ補正，製造誤差の補正，温度変化や湿度変化の補償および経時変化の補償等に用いることができる。それら光学装置の構成は、後述する図２９，図３６，図３８および図４３等に示されている。
また、図６以降の実施例で、電極を透明電極で作れば、各実施例の光学面の変形方法は可変焦点レンズにも用いることができる。

図６，７，９，１０及び１３の各実施例において、上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４，下側電極４０９ｂ１〜４０９ｂ４の各電極の厚さ（あるいは紙面上下方向の幅）をｔ，面積をｗとしたとき、
０．０００００１≦ｔ/√ｗ≦１００００ （５）
を満たすことが望ましい。
ｔ/√ｗの値が下限を下回ると、電極周辺部の電場が強くなりすぎ、放電が起る。逆に上限を上回ると、電極が厚くなりすぎ、形状可変ミラーあるいは可変焦点レンズの厚さが増えてしまう。
０．００００１≦ｔ/√ｗ≦１０００ （５’）
とすればなお良い。

また、図６，７，９，１０及び１３の各実施例で、基板４０９jの厚さをｕとしたとき、
０．００００００１≦u/Ｇ≦１０００ （６）
を満たすことが望ましい。
ｕ/Ｇの値が下限を下回ると、薄膜４０９ａに生じる誘導電荷のために静電気力が弱まる。ｕ/Ｇの値が上限を上回ると、基板４０９ｊの剛性が増し、変形が困難になる。
０．０００００１≦ｕ/Ｇ≦１００ （６’）
とすればなお良い。

あるいは、薄膜４０９ａと上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４との距離をΔとしたとき、
０．００００００１≦Δ/Ｇ≦１０００ （７）
を満たすことが望ましい。
Δ/Ｇの値が下限を下回ると、薄膜４０９ａに生じる誘導電荷のために静電気力が弱まる。Δ/Ｇの値が上限を上回ると、基板４０９ｊの剛性が増し、変形が困難になる。
０．０００００１≦Δ/Ｇ≦１００ （７’）
とすればなお良い。

また、図６，７，９，１０及び１３の各実施例で、薄膜４０９ａに誘導される電荷で、静電気力が弱まるのを防ぐために、図１０に示すように、薄膜４０９ａを、対向する上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４に合わせて、分割しても良い。４０９ａ１〜４０９ａ４が分割された反射膜を示しており、それぞれ上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４と略相似形状をしている。反射膜４０９ａ１〜４０９ａ４の個数は、上側電極４０９ｋ１〜４０９ｋ４の個数と必ずしも一致していなくても良く、その形は完全に相似でなくても良い。静電気力が弱まるのを防ぐ対応関係があれば良い。分割された反射膜間の距離ｋは、ｍｍ単位で表したとき、
０．００００１<ｋ<１００ （８）
を満たすと良い。
ｋの値が下限を下回ると、薄膜４０９ａの製作が困難になり、上限を上回ると、反射膜としての面積が減って、光量を損する。
０．０００１<ｋ<２０ （８’）
とすればなお良い。

なお、本願では、光学特性可変光学素子そのものとは別に、光学特性可変光学素子とその駆動回路を合わせたものを光学特性可変光学素子と呼ぶ場合がある。

また、図１０で、分割された反射膜４０９ａ１、４０９ａ２、４０９ａ３、４０９ａ４…を、上側電極４０９ｋ１、４０９ｋ２、４０９ｋ３、４０９ｋ４、…のかわりに分割電極として用いても良い。この時、上側電極４０９ｋ１、４０９ｋ２、…は省略してもよく、省略した場合には変形部分の剛性が下がるので変形が容易になり良い。同様に、図６〜９、図１１、１３、１４の例でも薄膜４０９ａを複数に分割し、分割電極として用いてもよい。このようにすると、図１０の場合と同様の効果が得られる。
なお、上側電極４０９ｋ１、４０９ｋ２、…はそのまま残し、薄膜４０９ａを分割することだけでも変形部分の剛性は下がるので、変形が容易になり良い。
また、基板、あるいは光学面が変形しない図４２のような可変ミラーに於ても、反射面を分割し、分割電極として用いてもよい。

また、可変ミラー、可変焦点レンズ等の光学特性可変素子に於て、光学面を凸面に変形させる時には図３０のように流体を用い、凹面に変形させる時には、図１７、１８、２３のように静電気力、電磁気力、圧電効果等の電気力を用いてもよい。
また、凹変形、凸変形いずれの変形の場合でも、流体の力と電気力とを併用してもよい。このように複数の力を併用することで、多様な面の変形が可能な光学特性可変素子が得られる。電気力のうちの２つ以上を併用してももちろん良い。
たとえば、図２９のような可変ミラーを用いた撮像系に、凸変形時には流体の圧力を用い、凹変形時には静電気力を用いるとする。そして、反射面形状が平面の場合に被写界深度の遠点が無限遠になる距離にピントが合うように撮像素子４０８の位置決めを行っておく。
そして、撮影のためのオートフォーカス時には、凸面から凹面まで可変ミラーを変形させつつ撮像素子４０８で撮像を行ない、物体像の高周波成分が最大になったところでピントが合っていると判断すればよい。その時の可変ミラーの反射面形状で実際の撮影を行えば良い画像が得られるし、また、電源切れあるいは駆動回路の故障等で可変ミラーの反射面が平面にしかできないような場合でもほぼ遠方にピントが合うので、実用上問題が生じにくく、良い。
なお、反射面形状が平面の場合、ピントの合う物体距離は無限遠から０．５メートルの間のどこかに選んで撮像素子４０８の位置決めをしておいてもよい。このように撮像素子４０８の位置決めをしておくと、電源切れ等の場合に同様の効果が得られる。
なお、以上のフォーカシングの方法は、可変焦点レンズにも適用できるし、一種類の駆動力を用いる可変ミラー、可変焦点レンズにも適用できる。

また、流体を用いて光学面を凸面に変形させ、次に電気力を用いて凹面に変形させる構造の光学特性可変素子の場合、流体を逃がす弁を可変ミラー、可変焦点レンズ等に設けると良い。

次に、本発明にかかる光学特性可変光学素子の更に別の各種構成例と、それらを用いた光学装置の例を説明する。
図１７の構成例では、形状可変ミラー４０９は、変形する基板４０９ｊの上に形成されたアルミコーティング等で作られた薄膜（反射面）４０９ａと、基板４０９ｊの下側に設けられた電極４０９ｋとの３層構造の周辺部が輪帯状の支持台４２３に支持されるとともに、電極４０９ｋとは間隔を設けて支持台４２３に取付けられた複数の電極４０９ｂと、各電極４０９ｂにそれぞれ接続されて駆動回路として機能する複数の可変抵抗器４１１ａと、可変抵抗器４１１ｂと電源スイッチ４１３を介して電極４０９ｋと電極４０９ｂ間に接続された電源４１２と、複数の可変抵抗器４１１ａの抵抗値を制御するための演算装置４１４とで構成されており、演算装置４１４には、さらに温度センサー４１５、湿度センサー４１６及び距離センサー４１７が接続されて、これらは図示のように１つの光学装置の一部を構成している。なお、変形する基板４０９ｊは、薄膜でもよいし、板状でもよい。

可変ミラーの反射面は、演算装置４１４による制御により、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、微分不可能な点又は線を有する面等、いかなる形状にも制御される。以下、これらの面を総称して拡張曲面という。薄膜４０９ａで形成される反射面により光線は矢印のように反射される。

前記薄膜４０９ａは、例えば、P.Rai-choudhury編、Handbook of Michrolithography, Michromachining and Michrofabrication, Volume 2:Michromachining and Michrofabrication,P495,Fig.8.58, SPIE PRESS刊やOptics Communication, 140巻（1997年）P187〜190に記載されているメンブレインミラーのように、複数の電極４０９ｂと電極４０９ｋの間に電圧が印加されると、静電気力により薄膜４０９ａが変形してその面形状が変化するようになっている。
なお、電極４０９ｂの形は、例えば図１９、図２０に示すように、薄膜４０９ａの変形のさせ方に応じて、同心分割、矩形分割にして、選べばよい。

上記のように、反射面としての薄膜４０９ａの形状は、結像性能が最適になるように演算装置４１４からの信号により各可変抵抗器４１１ａの抵抗値を変化させることにより制御される。すなわち、演算装置４１４へ、温度センサー４１５、湿度センサー４１６及び距離センサー４１７から周囲温度及び湿度並びに物体までの距離に応じた大きさの信号が入力され、演算装置４１４は、これらの入力信号に基づき周囲の温度及び湿度条件と物体までの距離、あるいは電子ズームのための画像処理装置３０３からの指令に基づき、薄膜４０９ａの形状が決定されるような電圧を電極４０９ｂに印加するように、各変抵抗器４１１ａの抵抗値を決定するための信号を出力する。このように、薄膜４０９ａは電極４０９ｂに印加される電圧すなわち静電気力で変形させられ、その形状は状況により非球面を含む様々な拡張曲面の形状をとる。なお、距離センサー４１７はなくてもよく、その場合、例えば不図示の固体撮像素子４０８からの像の信号の高周波成分が略最大になるように物体距離を算出し、可変ミラーを変形させるようにすればよい。可変ミラー４０９はリソグラフィーを用いて作ると加工精度がよく、良い品質のものが得られやすく、良い。

また、変形する基板４０９ｊをポリイミドあるいは商品名サイトップ（旭硝子（株）製）等の合成樹脂で製作すれば、低電圧でも大きな変形が可能であるので好都合である。
図１８の構成例では、変形する基板４０９ｊをはさんで反射面としての薄膜４０９ａと変形する電極４０９ｋを別に設けて一体化しているので、製造法がいくつか選べる利点がある。また反射面としての薄膜４０９ａを導電性の薄膜としてもよい。このようにすると、変形する電極４０９ｋを兼ねることができ、両者が１つになるので、構造が簡単になる利点がある。
可変ミラーの反射面の形状は自由曲面にするのが良い。なぜなら収差補正が容易にでき、有利だからである。

また、図１７の構成例では、演算装置４１４、温度センサー４１５、湿度センサー４１６、距離センサー４１７を設け、温湿度変化、物体距離の変化等も可変ミラー４０９で補償するようにしたが、そうではなくてもよい。つまり、温度センサー４１５、湿度センサー４１６、距離センサー４１７を省いても良い。

図１８は可変ミラー４０９の他の構成例を示す概略図である。
本構成例の可変ミラーは、反射面としての薄膜４０９ａと電極４０９ｂとの間に圧電素子４０９ｃが介装されていて、これらが支持台４２３上に設けられている。そして、圧電素子４０９ｃに加わる電圧を各電極４０９ｂ毎に変えることにより、圧電素子４０９ｃに部分的に異なる伸縮を生じさせて、薄膜４０９ａの形状を変えることができるようになっている。電極４０９ｂの形は、図１９に示すように、同心分割であってもよいし、図２０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１８中、４２４は演算装置４１４に接続された振れ（ブレ）センサーであって、例えばこの構成例の光学装置をデジタルカメラに用いる場合には、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４０９ａを変形させるべく、演算装置４１４及び可変抵抗器を内蔵した駆動回路４１１を介して電極４０９ｂに印加される電圧を変化させる。このとき、温度センサー４１５、湿度センサー４１６及び距離センサー４１７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４０９ａには圧電素子４０９ｃの変形に伴う応力が加わるので、薄膜４０９ａ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。
なお、駆動回路４１１は、電極４０９ｂの数に対応して複数配置する構成に限らず、１つの駆動回路でもって複数の電極４０９ｂを制御する構成にしてもよい。

図２１は可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略構成図である。
本構成例の可変ミラーは、薄膜４０９ａと電極４０９ｂ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４０９ｃ及び４０９ｃ’で構成されている。すなわち、圧電素子４０９ｃと４０９ｃ’が強誘電性結晶で作られ、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４０９ｃと４０９ｃ’は電圧が印加されると逆方向に伸縮するので、薄膜４０９ａを変形させる力が、図１８に示した１層構造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４０９ｃ，４０９ｃ’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、上記構成例において薄膜４０９ａ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４０９ｃ，４０９ｃ’の材料としては、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ミラー面の大きな変形が実現できてよい。

なお、図１８、図２２に示す圧電素子４０９ｃに、例えば、アクリルエラストマー、シリコンゴム等の電歪材料を用いる場合には、１層構造の圧電素子４０９ｃを別の基板４０９ｃ−１と電歪材料４０９ｃ−２とを貼り合わせた２層構造にしてもよい。

図２２は可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の可変ミラーは、圧電素子４０９ｃが薄膜４０９ａと電極４０９ｄとにより挟持され、薄膜４０９ａと電極４０９ｄとの間に演算装置４１４により制御される駆動回路４２５ａ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４２３上に設けられた電極４０９ｂにも演算装置４１４により制御される駆動回路４２５ｂ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、本構成例では、薄膜４０９ａは電極４０９ｄとの間に印加される電圧と電極４０９ｂ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何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４０９ａ、電極４０９ｄ間の電圧の符号を変えれば、可変ミラー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ない、微細な形状変化を静電気力で行なってもよい。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４０９ｄは電極４０９ｂ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２６に示した。なお、本願では、圧電効果と電歪効果、電歪をすべてまとめて圧電効果と述べている。従って、電歪材料も圧電材料に含むものとする。

図２３は可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の可変ミラーは、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４２３の内部底面上には永久磁石４２６が、頂面上には窒化シリコン又はポリイミド等からなる基板４０９ｅの周縁部が載置固定されており、基板４０９ｅ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４０９ａが付設されていて、可変ミラー４０９を構成している。基板４０９ｅの下面には複数のコイル４２７が配設されており、これらのコイル４２７はそれぞれ駆動回路４２８を介して演算装置４１４に接続されている。したがって、各センサー４１５，４１６，４１７，４２４およびその他からの信号によって演算装置４１４において求められる光学系の変化に対応した演算装置４１４からの出力信号により、各駆動回路４２８から各コイル４２７にそれぞれ適当な電流が供給されると、永久磁石４２６との間に働く電磁気力で各コイル４２７は反発又は吸引または吸着され、基板４０９ｅ及び反射面として機能する薄膜４０９ａを変形させる。

この場合、各コイル４２７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４２７は１個でもよいし、永久磁石４２６を基板４０９ｅに付設しコイル４２７を支持台４２３の内部底面側に設けるようにしてもよい。また、コイル４２７はリソグラフィー等の手法で作るとよく、さらに、コイル４２７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４２７の巻密度を、図２４に示すように、場所によって変化させたコイル４２８’とすることにより、基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａ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４２７は１個でもよいし、また、これらのコイル４２７には強磁性体よりなる鉄心を挿入してもよい。

図２５は可変ミラー４０９のさらに他の構成例を示す概略図である。
本構成例の可変ミラーでは、基板４０９ｅは鉄等の強磁性体で作られており、反射膜としての薄膜４０９ａはアルミニウム等からなっている。この場合、薄膜４０９ａ側にコイルを設けなくても、磁力によって薄膜４０９ａを変形させることができるから、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４１３を、各コイル４２７の電流の流れる方向を切換え可能にする切換え兼用の電源開閉用スイッチで置換すれば、コイル４２７に流れる電流の方向を変えることができ、基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａの形状を自由に変えることができる。
図２６は本構成例におけるコイル４２７の一配置例を示し、図２７はコイル４２７の他の配置例を示しているが、これらの配置は、図２３に示した構成例にも適用することができる。
なお、図２８は、コイル４２７の配置を図２７に示したように放射状とした場合に適する永久磁石４２６の一配置例を示している。図２８に示すように、棒状の永久磁石４２６を放射状に配置すれば、図２３に示した構成例に比べて、微妙な変形を基板４０９ｅ及び薄膜４０９ａ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４０９ｅ及び薄膜４０９ａを変形させる場合（図２３及び図２５の構成例）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ミラーの構成例を述べたが、薄膜４０９ａで変形されるミラーの形を変形させるのに、図２２の構成例に示すように、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、電磁波等のうちから２つ以上を同時に用いて反射面を形成する薄膜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。

図２９は、光学装置に適用可能な本発明のさらに他の実施例に係る可変ミラー４０９を用いた撮像系、例えば携帯電話のデジタルカメラ、カプセル内視鏡、電子内視鏡、パソコン用デジタルカメラ、ＰＤＡ用デジタルカメラ等に用いられる撮像系の概略構成図である。
この撮像系は、可変ミラー４０９と、レンズ９０２と、固体撮像素子４０８と、制御系１０３とで一つの撮像ユニット１０４を構成している。本実施例の撮像ユニット１０４では、レンズ１０２を通った物体からの光は可変ミラー４０９で集光され、固体撮像素子４０８の上に結像する。可変ミラー４０９は、光学特性可変光学素子の一種であり、可変焦点ミラーとも呼ばれている。

本実施例によれば、物体距離が変わっても可変ミラー４０９を変形させることでピント合わせをすることができ、レンズをモーター等で駆動する必要がなく、小型化、軽量化、低消費電力化の点で優れている。また、撮像ユニット１０４は本発明の撮像系としてすべての実施例で用いることができる。また、可変ミラー４０９を複数用いることでズーム、変倍の撮像系、光学系を作ることができる。
なお、図２９では、制御系１０３にコイルを用いたトランスの昇圧回路を含む制御系の構成例を示している。特に積層型圧電トランスを用いると、小型化できてよい。昇圧回路は電気を用いる可変ミラー、可変焦点レンズに用いることができるが、特に静電気力、圧電効果を用いる場合の可変ミラー、可変焦点レンズに有用である。なお可変ミラー４０９でピント合わせを行うためには、たとえば固体撮像素子４０８に物体像を結像させ可変ミラー４０９の焦点距離を変化させつつ物体像の高周波成分が最大になる状態を見つければよい。高周波成分を検出するには、たとえば固体撮像素子４０８にマイクロコンピュータ等を含む処理装置を接続し、その中で高周波成分を検出すればよい。
なお、レンズ９０２を後述の可変焦点レンズで置き換えても良いが、同様に上記の効果が得られる。この場合、可変ミラー４０９は通常のミラーでも良い。またレンズ９０２と可変焦点レンズを併用しても良い。

図３０は可変ミラーのさらに他の構成例を示し、マイクロポンプ１８０で流体１６１を出し入れし、支持台１８９ａの上部に張った膜で形成されるミラー面を変形させる可変ミラー１８８の概略図である。本実施例によれば、ミラー面を大きく変形させることが可能になるという利点がある。図中、１６８は支持台１８９ａ内の流体１６１の量を、マイクロポンプ１８０とともに制御する制御装置であり、この制御装置１６８とマイクロポンプ１８０は、膜１８９の変形を制御するので、実施の形態の駆動回路３０４に相当する構成となる。
マイクロポンプ１８０は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。
マイクロマシンの技術で作られたポンプの例としては、熱変形を利用したもの、圧電材料を用いたもの、静電気力を用いたものなどがある。

図３１は図３０に示したマイクロポンプ１８０の構成例を示す概略図である。本構成例のマイクロポンプ１８０では、振動板１８１は静電気力、圧電効果等の電気力により振動する。図３１では静電気力により振動する例を示しており、図３１中、１８２，１８３は電極である。また、点線は変形した時の振動板１８１を示している。振動板１８１の振動に伴い、２つの弁１８４，１８５が開閉し、流体１６１を右から左へ送るようになっている。

図３０で示した可変ミラー１８８では、反射面を構成する膜１８９が流体１６１の量に応じて凹凸に変形することで、可変ミラーとして機能する。流体としては、シリコンオイル、空気、水、ゼリー、等の有機物、無機物を用いることができる。

なお、静電気力、圧電効果を用いた可変ミラー、可変焦点レンズなどにおいては、駆動用に高電圧が必要になる場合がある。その場合には、例えば図２９に示すように、昇圧用のトランス、あるいは圧電トランス等を用いて制御系を構成するとよい。
また、反射面を形成する薄膜４０９ａ又は膜１８９は、支持台４２３あるいは支持台１８９ａなどの輪帯状部分の上部などの変形しない部分に設けておくと、可変ミラーの反射面の形状を干渉計等で測定する場合に、基準面として使うことができ便利である。

図３２は各実施の形態で述べた本発明の光学装置に適用可能な光学系を構成するレンズ、あるいはレンズ群の一部を、可変焦点レンズに置き換えて構成することにより、前記レンズあるいはレンズ群を光軸方向にズーミングしなくて済む構成とする可変焦点レンズの原理的構成を示す図である。この可変焦点レンズ５１１は、第１，第２の面としてのレンズ面５０８ａ，５０８ｂを有する第１のレンズ５１２ａと、第３，第４の面としてのレンズ面５０９ａ，５０９ｂを有する第２のレンズ５１２ｂと、これらレンズ間に透明電極５１３ａ，５１３ｂを介して設けた高分子分散液晶層５１４とで構成される第３のレンズ５１２ｃとを有し、入射光を第１，第３，第２のレンズ５１２ａ，５１２ｃ，５１２ｂを経て収束させるものである。透明電極５１３ａ，５１３ｂは、スイッチ５１５を介して交流電源５１６に接続して、高分子分散液晶層５１４に交流電圧を選択的に印加するようにする。なお、高分子分散液晶層５１４は、それぞれ液晶分子５１７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５１８を有して構成し、その体積は、高分子セル５１８を構成する高分子および液晶分子５１７がそれぞれ占める体積の和に一致させる。

ここで、高分子セル５１８の大きさは、例えば球状とする場合、その平均の直径Ｄを、使用する光の波長をλとするとき、例えば、
２ｎｍ≦Ｄ≦λ／５ (９)
とする。すなわち、液晶分子５１７の大きさは、２ｎｍ程度以上であるので、平均の直径Ｄの下限値は、２ｎｍ以上とする。また、Ｄの上限値は、可変焦点レンズ５１１の光軸方向における高分子分散液晶層５１４の厚さｔにも依存するが、λに比べて大きいと、高分子の屈折率と液晶分子５１７の屈折率との差により、高分子セル５１８の境界面で光が散乱して高分子分散液晶層５１４が不透明になってしまうため、後述するように、好ましくはλ／５以下とする。可変焦点レンズが用いられる光学製品によっては高精度を要求しない場合もあり、そのときＤはλ以下でよい。なお、高分子分散液晶層５１４の透明度は、厚さｔが厚いほど悪くなる。

また、液晶分子５１７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５１７の屈折率楕円体は、図３２に示すような形状となり、
ｎ_ｏｘ＝ｎ_ｏｙ＝ｎ_ｏ (１０)
である。ただし、ｎ_ｏは常光線の屈折率を示し、ｎ_ｏｘおよび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。

ここで、図３２に示すように、スイッチ５１５をオフ、すなわち高分子分散液晶層５１４に電界を印加しない状態では、液晶分子５１７が様々な方向を向いているので、入射光に対する高分子分散液晶層５１４の屈折率は高く、屈折力の強いレンズとなる。これに対し、図３４に示すように、スイッチ５１５をオンとして高分子分散液晶層５１４に交流電圧を印加すると、液晶分子５１７は、屈折率楕円体の長軸方向が可変焦点レンズ５１１の光軸と平行となるように配向するので、屈折率が低くなり、屈折力の弱いレンズとなる。

なお、高分子分散液晶層５１４に印加する電圧は、例えば、図３５に示すように、可変抵抗器５１９を用いることにより段階的ある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５１７は、その楕円長軸が徐々に可変焦点レンズ５１１の光軸と平行となるように配向するので、屈折力を段階的あるいは連続的に変えることができる。

ここで、図３２に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電圧を印加しない状態での、液晶分子５１７の平均屈折率ｎ_ＬＣ’は、図３３に示すように、屈折率楕円体の長軸方向の屈折率をｎ_ｚとすると、およそ
（ｎ_ｏｘ＋ｎ_ｏｙ＋ｎ_Ｚ）／３≡ｎ_ＬＣ’ (１１)
となる。また、上記(１０)式が成り立つときの平均屈折率ｎ_ＬＣは、ｎ_ｚを異常光線の屈折率ｎ_ｅと表して、
（２ｎ_ｏ＋ｎ_ｅ）／３≡ｎ_ＬＣ (１２)
で与えられる。このとき、高分子分散液晶層５１４の屈折率ｎ_Ａは、高分子セル５１８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５１４の体積に占める液晶分子５１７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 (１３)
で与えられる。

したがって、図３５に示すように、レンズ５１２ａおよび５１２ｂの内側の面、すなわち高分子分散液晶層５１４側の面の曲率半径を、それぞれＲ_１およびＲ_２とすると、高分子分散液晶層で構成される第３のレンズ５１２ｃの焦点距離ｆ_１は、
１／ｆ_１＝（ｎ_Ａ−１）（１／Ｒ_１−１／Ｒ_２） (１４)
で与えられる。なお、Ｒ_１およびＲ_２は、曲率中心が像点側にあるとき、正とする。また、レンズ５１２ａおよび５１２ｂの外側の面による屈折は除いている。つまり、高分子分散液晶層５１４のみによるレンズ５１２ｃの焦点距離が、(１４)式で与えられる。

また、常光線の平均屈折率を、
（ｎ_ｏｘ＋ｎ_ｏｙ）／２＝ｎ_ｏ’ (１５)
とすれば、図３４に示す状態、すなわち高分子分散液晶層５１４に電圧を印加した状態での、高分子分散液晶層５１４の屈折率ｎ_Ｂは、
ｎ_Ｂ＝ｆｆ・ｎ_ｏ’＋（１−ｆｆ）ｎ_Ｐ (１６)
で与えられるので、この場合の高分子分散液晶層５１４のみによるレンズ５１２ｃの焦点距離ｆ_２は、
１／ｆ_２＝（ｎ_Ｂ−１）（１／Ｒ_１−１／Ｒ_２） (１７)
で与えられる。なお、高分子分散液晶層５１４に、図３９に示す状態における電圧よりも低い電圧を印加する場合の焦点距離は、(１４)式で与えられる焦点距離ｆ_１と、(１７)式で与えられる焦点距離ｆ_２との間の値となる。

上記(１４)および(１７)式から、高分子分散液晶層５１４による焦点距離の変化率は、
｜（ｆ_２−ｆ_１）／ｆ_２｜＝｜（ｎ_Ｂ−ｎ_Ａ）／（ｎ_Ａ−１）｜ (１８)
で与えられる。したがって、この変化率を大きくするには、｜ｎ_Ｂ−ｎ_Ａ｜を大きくすればよい。ここで、
ｎ_Ｂ−ｎ_Ａ＝ｆｆ（ｎ_ｏ’−ｎ_ＬＣ’） (１９)
であるから、｜ｎ_ｏ’−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≦｜ｎ_ｏ’−ｎ_ＬＣ’｜≦１０ (２０)
とすれば、ｆｆ＝０．５のとき、高分子分散液晶層５１４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、｜ｎ_ｏ’−ｎ_ＬＣ’｜は、液晶物質の制限から、１０を越えることはできない。

次に、上記(９)式の上限値の根拠について説明する。「Solar Energy Materials and Solar Cells」31巻,Wilson and Eck,1993, Eleevier Science Publishers B.v.発行の第197 〜214 頁、「Transmission variation using scattering/transparent switching 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、かかる文献の第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 ＝１．４５、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。

ここで、例えば、ｔ＝１５０μｍの場合を推定してみると、透過率τがｔの指数関数で変化すると仮定して、ｔ＝１５０μｍの場合の透過率τを推定してみると、ｒ＝２５ｎｍ（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・７．５μｍ）のときτ≒８０％となる。

これらの結果から、
Ｄ・ｔ≦λ・１５μｍ (２１)
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。したがって、例えば、ｔ＝７５μｍの場合は、Ｄ≦λ／５で、十分な透過率が得られることになる。

また、高分子分散液晶層５１４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、ｎ_ｏ’とｎ_Ｐとが異なる値になると、高分子分散液晶層５１４の透過率は悪くなる。図３２に示した状態と図３４に示した状態とで、平均して高分子分散液晶層５１４の透過率が良くなるのは、
ｎ_Ｐ＝（ｎ_ｏ’＋ｎ_ＬＣ’）／２ (２２)
を満足するときである。

ここで、可変焦点レンズ５１１は、レンズとして使用するものであるから、図３２の状態でも、図３４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５１８を構成する高分子の材料および液晶分子５１７の材料に制限があるが、実用的には、
ｎ_ｏ’≦ｎ_Ｐ≦ｎ_ＬＣ’ (２３)
とすればよい。

上記(２２)式を満足すれば、上記(２１)式は、さらに緩和され、
Ｄ・ｔ≦λ・６０μｍ (２４)
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５１８を構成する高分子と液晶分子５１７との境界での光の反射、すなわち高分子分散液晶層５１４の透過率の減少は、およそ上記の高分子と液晶分子５１７との屈折率の差の２乗に比例するからである。

以上は、ｎ_ｏ’≒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 (２５)
であればよい。ただし、（ｎ_ｕ−ｎ_Ｐ）^２は、（ｎ_ＬＣ’−ｎ_Ｐ）^２と（ｎ_ｏ’−ｎ_Ｐ）^２とのうち、大きい方である。

また、可変焦点レンズ５１１の焦点距離変化を大きくするには、ｆｆの値が大きい方が良いが、ｆｆ＝１では、高分子の体積がゼロとなり、高分子セル５１８を形成できなくなるので、
０．１≦ｆｆ≦０．９９９ (２６)
とする。一方、ｆｆは、小さいほど透過率τは向上するので、上記(２５)式は、好ましくは、
4×10^-6〔μｍ〕²≦Ｄ・ｔ≦λ・45μｍ・(1.585−1.45)²/(ｎ_ｕ−ｎ_Ｐ)² (２７)
とする。なお、ｔの下限値は、図３２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、すなわち４×１０^−６〔μｍ〕^２となる。

なお、物質の光学特性を屈折率で表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５１８を構成する高分子と液晶分子５１７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 (２８)
とする。

図３６は、図３５に示す可変焦点レンズ５１１を、光学装置の中で、明るさ絞り５２１と撮像素子との間に用いた撮像光学系、例えば一例として、デジタルカメラ用の撮像光学系に用いた例を示す図である。この撮像光学系においては、物体（図示せず）の像を、絞り５２１、可変焦点レンズ５１１およびレンズ５２２を介して、例えばＣＣＤよりなる固体撮像素子５２３上に結像させる。なお、図３６では、液晶分子の図示を省略してある。

このように構成された撮像光学系によれば、可変抵抗器５１９により可変焦点レンズ５１１の高分子分散液晶層５１４に印加する交流電圧を調整して、可変焦点レンズ５１１の焦点距離を変えることより、可変焦点レンズ５１１およびレンズ５２２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。

図３７は図３５に示した可変焦点レンズと同様に、光学装置の中で、撮像光学系の焦点距離を可変にするように用いられる可変焦点回折光学素子の一構成例を示す図である。
本構成例の可変焦点回折光学素子５３１は、平行な第１，第２の面５３２ａ，５３２ｂを有する第１の透明基板５３２と、光の波長オーダーの溝深さを有する断面鋸歯波状のリング状回折格子を形成した第３の面５３３ａおよび平坦な第４の面５３３ｂを有する第２の透明基板５３３とを有し、入射光を第１，第２の透明基板５３２，５３３を経て出射させるものである。第１，第２の透明基板５３２，５３３間には、図３２に示した構成例において説明したのと同様に、透明電極５１３ａ，５１３ｂを介して高分子分散液晶層５１４を設け、透明電極５１３ａ，５１３ｂをスイッチ５１５を経て交流電源５１６に接続して、高分子分散液晶層５１４に交流電圧を印加するようにする。

このような構成において、可変焦点回折光学素子５３１に入射する光線は、第３の面５３３ａの格子ピッチをｐとし、ｍを整数とすると、
ｐsinθ＝ｍλ (２９)
を満たす角度θだけ偏向されて出射される。また、溝深さをｈ、透明基板３３の屈折率をｎ_３３とし、ｋを整数とすると、
ｈ（ｎ_Ａ−ｎ_３３）＝ｍλ (３０)
ｈ（ｎ_Ｂ−ｎ_３３）＝ｋλ (３１)
を満たせば、波長λで回折効率が１００％となり、フレアの発生を防止することができる。

ここで、上記(３０)式および(３１)式の両辺の差を求めると、
ｈ（ｎ_Ａ−ｎ_Ｂ）＝（ｍ−ｋ）λ (３２)
が得られる。したがって、例えば、λ＝５００ｎｍ、ｎ_Ａ＝１．５５、ｎ_Ｂ＝１．５とすると、
０．０５ｈ＝（ｍ−ｋ）・５００ｎｍ
となり、ｍ＝１，ｋ＝０とすると、
ｈ＝１００００ｎｍ＝１０μｍ
となる。この場合、透明基板５３３の屈折率ｎ_３３は、上記(３０)式から、ｎ_３３＝１．５であればよい。また、可変焦点回折光学素子５３１の周辺部における格子ピッチｐを１０μｍとすると、θ≒２．８７°となり、Ｆナンバーが１０のレンズを得ることができる。

このように構成された可変焦点回折光学素子５３１は、高分子分散液晶層５１４への印加電圧のオン・オフで光路長が変わるので、例えば、レンズ系の光束が平行でない部分に配置して、ピント調整を行うのに用いたり、レンズ系全体の焦点距離等を変えるのに用いることができる。

なお、この実施形態において、上記(３０)〜(３２)式は、実用上、
０．７ｍλ≦ｈ（ｎ_Ａ−ｎ_３３）≦１．４ｍλ (３３)
０．７ｋλ≦ｈ（ｎ_Ｂ−ｎ_３３）≦１．４ｋλ (３４)
０．７（ｍ−ｋ）λ≦ｈ（ｎ_Ａ−ｎ_Ｂ）≦１．４（ｍ−ｋ）λ (３５)
を満たせば良い。

また、ツイストネマティック液晶を用いる可変焦点レンズもある。図３８および図３９はこの場合の可変焦点眼鏡５５０の構成を示す図である。可変焦点レンズ５５１は、レンズ５５２および５５３と、これらレンズの内面上にそれぞれ透明電極５１３ａ，５１３ｂを介して設けた配向膜５３９ａ，５３９ｂと、これら配向膜間に設けたツイストネマティック液晶層５５４とを有して構成されており、その透明電極５１３ａ，５１３ｂを可変抵抗器５１９を経て交流電源５１６に接続して、ツイストネマティック液晶層５５４に交流電圧を印加するようにして構成されている。

このような構成において、ツイストネマティック液晶層５５４に印加する電圧を高くすると、液晶分子５５５は、図３９に示すように、ホメオトロピック配向となり、図３８に示す印加電圧が低いツイストネマティック状態の場合に比べて、ツイストネマティック液晶層５５４の屈折率は小さくなり、焦点距離が長くなる。

ここで、図３８に示すツイストネマティック状態における液晶分子５５５の螺旋ピッチＰは、光の波長λに比べて同じ程度か十分小さくする必要があるので、例えば、
２ｎｍ≦Ｐ≦２λ／３ (３６)
とする。なお、この条件式の下限値は、液晶分子の大きさで決まり、上限値は、入射光が自然光の場合に、図３８の状態でツイストネマティック液晶層５５４が等方媒質として振る舞うために必要な値である。また、この条件式の上限値を満たさないと、可変焦点レンズ５５１は偏光方向によって焦点距離の異なるレンズとなり、そのために二重像が形成されてぼけた像しか得られなくなる。但し、それほど高精度を要求しない場合には式(３６)の上限値は３λとして良い。
さらに精度を要求しない用途では上限値を５λとして良い。

図４０(a)は、光学装置に用いる光学系に配置可能な可変偏角プリズムの一構成例を示す図である。この可変偏角プリズム５６１は、第１，第２の面５６２ａ，５６２ｂを有する入射側の第１の透明基板５６２と、第３，第４の面５６３ａ，５６３ｂを有する出射側の平行平板状の第２の透明基板５６３とを有する。入射側の透明基板５６２の内面（第２の面）５６２ｂは、フレネル状に形成し、この透明基板５６２と出射側の透明基板５６３との間に、図３２に示した構成例において説明したのと同様に、透明電極５１３ａ，５１３ｂを介して高分子分散液晶層５１４を設ける。透明電極５１３ａ，５１３ｂは、可変抵抗器５１９を経て交流電源５１６に接続し、これにより高分子分散液晶層５１４に交流電圧を印加して、可変偏角プリズム５６１を透過する光の偏角を制御するようにする。なお、図４０(a)に示す構成例では、透明基板５６２の内面５６２ｂをフレネル状に形成したが、例えば、図４０(b)に示すように、透明基板５６２および５６３の内面を相対的に傾斜させた傾斜面を有する通常のプリズム状に形成することもでき、あるいは図３７に示した構成例のような回折格子状に形成することもできる。回折格子状に形成する場合には、上記の(２９)式〜(３５)式が同様にあてはまる。

このように構成された可変偏角プリズム５６１は、例えば、ＴＶカメラ、デジタルカメラ、フィルムカメラ、双眼鏡等の光学系の中に用いることによりブレ防止用として有効に用いることができる。この場合、可変偏角プリズム５６１の屈折方向（偏向方向）は、上下方向とするのが望ましいが、さらに性能を向上させるためには、２個の可変偏角プリズム５６１を偏向方向を異ならせて、例えば図４１に示すように、上下および左右の直交する方向で屈折角を変えるように配置するのが望ましい。なお、図４０および図４１に示す構成例では、液晶分子の図示を省略してある。

図４２は、光学装置の光学系の中で、可変ミラー４０９の替わりに用いる可変焦点ミラー、すなわち、可変焦点レンズの一方のレンズ面に反射膜を設けて形成した可変焦点ミラーの構成例を示す図である。
本構成例の可変焦点ミラー５６５は、第１，第２の面５６６ａ，５６６ｂを有する第１の透明基板５６６と、第３，第４の面５６７ａ，５６７ｂを有する第２の透明基板５６７とを有する。第１の透明基板５６６は、平板状またはレンズ状に形成して、内面（第２の面）５６６ｂに透明電極５１３ａを設け、第２の透明基板５６７は、内面（第３の面）５６７ａを凹面状に形成して、該凹面上に反射膜５６８を施し、さらにこの反射膜５６８上に透明電極５１３ｂを設ける。透明電極５１３ａ，５１３ｂ間には、図３２に示した構成例において説明したのと同様に、高分子分散液晶層５１４を設け、これら透明電極５１３ａ，５１３ｂをスイッチ５１５および可変抵抗器５１９を経て交流電源５１６に接続して、高分子分散液晶層５１４に交流電圧を印加するようにする。なお、図４２では、液晶分子の図示を省略してある。

このような構成によれば、透明基板５６６側から入射する光線は、反射膜５６８により高分子分散液晶層５１４を折り返す光路となるので、高分子分散液晶層５１４の作用を２回もたせることができると共に、高分子分散液晶層５１４への印加電圧を変えることにより、反射光の焦点位置を変えることができる。この場合、可変焦点ミラー５６５に入射した光線は、高分子分散液晶層５１４を２回透過するので、高分子分散液晶層５１４の厚さの２倍をｔとすれば、上記の各式を同様に用いることができる。なお、透明基板５６６または５６７の内面を、図３７に示した構成例のような回折格子状にして、高分子分散液晶層５１４の厚さを薄くすることもできる。このようにすれば、散乱光をより少なくできる利点がある。

なお、以上の説明では、液晶の劣化を防止するため、電源として交流電源５１６を用いて、液晶に交流電圧を印加するようにしたが、直流電源を用いて液晶に直流電圧を印加するようにすることもできる。また、液晶分子の方向を変える方法としては、電圧を変化させること以外に、液晶にかける電場の周波数、液晶にかける磁場の強さ・周波数、あるいは液晶の温度等を変化させることによってもよい。以上に説明した高分子分散液晶は液状ではなく固体に近いものもあるので、その場合はレンズ５１２ａ，５１２ｂの一方、透明基板５３２、レンズ５３８、レンズ５５２，５５３の一方、図４０(a)の構成例における透明基板５６３、図４０(b)の構成例における透明基板５６２，５６３の一方、透明基板５６６，５６７の一方はなくてもよい。
以上、図３２から図４２の構成例で述べたような、媒質の屈折率が変化することで光学素子の焦点距離等が変化するタイプの光学素子は、形状が変化しないため機械設計が容易である、機械的構造が簡単になる等の利点がある。

図４３は可変焦点レンズ１４０を、光学装置の中で、撮像素子４０８の前方に用いた撮像光学系の一構成例を示す図である。撮像光学系は撮像ユニット１４１として用いることができる。
本構成例では、レンズ１０２と可変焦点レンズ１４０とで、撮像レンズを構成している。そして、この撮像レンズと撮像素子４０８とで撮像ユニット１４１を構成している。可変焦点レンズ１４０は、透明部材１４２と一対の電極１４５との間に密閉された圧電性のある合成樹脂等の柔らかい透明物質１４３とで、光を透過する流体あるいはゼリー状物質１４４を挟んで構成されている。

流体あるいはゼリー状物質１４４としては、シリコンオイル、弾性ゴム、ゼリー、水等を用いることができる。透明物質１４３の両面には透明電極１４５が設けられており、回路１０３’を介して電圧を加えることで、透明物質１４３の圧電効果により透明物質１４３が変形し、可変焦点レンズ１４０の焦点距離が変わるようになっている。
従って、本構成例によれば、物体距離が変わった場合でも光学系をモーター等で動かすことなくフォーカスができ、小型、軽量、消費電力が少ない点で優れている。

なお、図４３中、１４５は透明電極、１４６は流体をためるシリンダーである。
また、透明物質１４３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焦点レンズ面の大きな変形が実現できてよい。
可変焦点レンズには透明な圧電材料を用いるとよい。

なお、図４３の構成例において、可変焦点レンズ１４０は、シリンンダー１４６を設けるかわりに、図４４に示すように、透明部材１４２に対して平行な位置にリング状の支援部材１４７を設け、透明部材１４２と支援部材１４７との距離を維持した状態としてシリンダー１４６を省略した構造にしてもよい。
図４４の構成例では、支援部材１４７と透明部材１４２との間には、一対の電極１４５間に密閉された透明物質１４３と、外周側が変形可能な部材１４８で覆われた流体あるいはゼリー状物質４４とが介挿されており、透明物質１４３に電圧をかけることによって、透明物質１４３が変形しても、図４５に示すように、可変焦点レンズ１４０全体の体積が変わらないように変形するため、シリンダー１４６が不要になる。なお、図４４、図４５中、１４８は変形可能な部材で、弾性体、アコーディオン状の合成樹脂または金属等でできている。

図４３、図４４に示す構成例では、電圧を逆に印加すると透明物質１４３は逆向きに変形するので凹レンズにすることも可能である。
なお、透明物質１４３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は、透明物質１４３を透明基板と電歪材料を貼り合わせた構造にするとよい。

図４６は、光学装置の撮像光学系の中に挿入可能な可変焦点レンズのさらに他の構成例に係る、マイクロポンプ１６０で流体１６１を出し入れし、レンズ面を変形させる可変焦点レンズ１６２の概略図である。
マイクロポンプ１６０は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。流体１６１は、透明基板１６３と、弾性体１６４との間に挟まれている。図４６中、１６５は弾性体１６４を保護するための透明基板で、設けなくてもよい。
マイクロマシンの技術で作られたポンプの例としては、熱変形を利用したもの、圧電材料を用いたもの、静電気力を用いたものなどがある。

そして、図３１で示したようなマイクロポンプ１８０を、例えば、図４６に示す可変焦点レンズに用いるマイクロポンプ１６０のように、２つ用いればよい。

なお、静電気力、圧電効果を用いた可変焦点レンズなどにおいては、駆動用に高電圧が必要になる場合がある。その場合には、昇圧用のトランス、あるいは圧電トランス等を用いて制御系を構成するとよい。
特に積層型圧電トランスを用いると小型化できてよい。

図４７は、光学装置の光学系に適用可能な光学特性可変光学素子の他の構成例であって、圧電材料２００を用いた可変焦点レンズ２０１の概略構成図である。
圧電材料２００には透明物質１４３と同様の材料が用いられており、圧電材料２００は、透明で柔らかい基板２０２の上に設けられている。なお、基板２０２には、合成樹脂、有機材料を用いるのが望ましい。
本構成例においては、２つの透明電極５９を介して電圧を圧電材料２００に加えることで圧電材料２００は変形し、図４７に示す状態においては凸レンズとしての作用を持っている。

なお、基板２０２の形をあらかじめ凸状に形成しておき、かつ、２つの透明電極５９のうち、少なくとも一方の電極の大きさを基板２０２と異ならせておく、例えば、一方の透明電極５９を基板２０２よりも小さくしておくと、電圧を切ったときに、図４８に示すように、２つの透明電極５９が対向する所定部分だけが凹状に変形して凹レンズの作用を持つようになり、可変焦点レンズとして動作する。
このとき基板２０２は、流体１６１の体積が変化しないように変形するので、液溜１６８が不要になるという利点がある。

本構成例では、流体１６１を保持する基板の一部分を圧電材料で変形させて、液溜め１６８を不要としたところに大きな利点がある。
なお、図４６に示した構成例にも言えることであるが、透明基板１６３，１６５はレンズとして構成しても、或いは平面で構成してもよい。

図４９は、光学装置の光学系に適用可能な光学特性可変光学素子のさらに他の構成例であって圧電材料からなる２枚の薄板２００Ａ，２００Ｂを用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
本構成例の可変焦点レンズによれば、薄板２００Ａと２００Ｂの材料の方向性を反転させることで、変形量を大きくし、大きな可変焦点範囲が得られるという利点がある。
なお、図４９中、２０４はレンズ形状の透明基板である。
本構成例においても、紙面の右側の透明電極５９は基板２０２よりも小さく形成されている。

なお、図４７〜図４９の構成例において、基板２０２、薄板２００，２００Ａ，２００Ｂの厚さを不均一にして、電圧を掛けたときの変形のさせかたをコントロールしてもよい。
そのようにすれば、レンズの収差補正等もすることができ、便利である。

図５０は可変焦点レンズのさらに他の構成例を示す概略構成図である。
本構成例の可変焦点レンズ２０７は、例えばシリコンゴムやアクリルエラストマー等の電歪材料２０６を用いて構成されている。
このように構成された可変焦点レンズ２０７は、電圧が低いときには、図５０に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図５１に示すように、電歪材料２０６が上下方向に伸びて左右方向に縮むので、焦点距離が伸びる。従って、可変焦点レンズとして動作する。
従って、本構成例の可変焦点レンズによれば、大電源を必要としないので消費電力が小さくて済むという利点がある。
以上述べた図４３〜図５１に示した可変焦点レンズに共通して言えるのは、レンズとして作用する媒質の形状が変化することで、可変焦点を実現していることである。屈折率が変化する可変焦点レンズに比べて、焦点距離変化の範囲が自由に選べる、大きさが自由に選べる、等の利点がある。

図５２は、光学装置の光学系に適用可能な光学特性可変光学素子のさらに他の構成例であってフォトメカニカル効果を用いた可変焦点レンズの概略構成図である。
本構成例の可変焦点レンズ２１４は、透明弾性体２０８，２０９でアゾベンゼン２１０が挟まれており、アゾベンゼン２１０には、透明なスペーサー２１１を経由して紫外光が照射されるようになっている。
図５７中、２１２，２１３はそれぞれ中心波長がλ_１，λ_２の例えば紫外ＬＥＤ、紫外半導体レーザー等の紫外光源である。

本構成例において、中心波長がλ_１の紫外光が図５３(a)に示すトランス型のアゾベンゼンに照射されると、アゾベンゼン２１０は、図５３(b)に示すシス型に変化して体積が減少する。このため、可変焦点レンズ２１４の形状は薄くなり、凸レンズ作用が減少する。
一方、中心波長がλ_２の紫外光がシス型のアゾベンゼン２１０に照射されると、アゾベンゼン２１０はシス型からトランス型に変化して、体積が増加する。このため、可変焦点レンズ２１４の形状は厚くなり、凸レンズ作用が増加する。
このようにして、本構成例の光学素子２１４は可変焦点レンズとして作用する。
また、可変焦点レンズ２１４では、透明弾性体２０８，２０９の空気との境界面で紫外光が全反射するので外部に光がもれず、効率がよい。

図５４は、光学装置の光学系に適用可能な可変ミラーのさらに他の構成例を示す概略構成図である。本構成例では、デジタルカメラの撮像光学系に用いられるものとして説明する。なお、図５４中、４１１は可変抵抗器を内蔵した駆動回路、４１４は演算装置、４１５は温度センサー、４１６は湿度センサー、４１７は距離センサー、４２４は振れセンサーである。
本構成例の可変ミラー４５は、支持台４２３で外周側が支持されたアクリルエラストマー等の有機材料からなる電歪材料４５３と間を隔てて分割電極４０９ｂを設け、電歪材料４５３の上に順に電極４５２、変形可能な基板４５１を設け、さらにその上に入射光を反射するアルミニウム等の金属の薄膜からなる反射膜４５０を設けた４層構造として構成されている。
このように構成すると、分割電極４０９ｂを電歪材料４５３と一体化した場合に比べて、反射膜４５０の面形状が滑らかになり、光学的に収差を発生させにくくなるという利点がある。
なお、変形可能な基板４５１と電極４５２の配置は逆でも良い。
また、図５４中、４４９は光学系の変倍、あるいはズームを行なう釦であり、可変ミラー４５は、釦４４９を使用者が押すことで反射膜４５０の形を変形させて、変倍あるいは、ズームをすることができるように演算装置４１４を介して制御されている。
なお、アクリルエラストマー等の有機材料からなる電歪材料のかわりに既に述べたチタン酸バリウム等の圧電材料を用いてもよい。

なお、本発明の可変ミラーに共通して言えることであるが、反射面の変形する部分を反射面に垂直な方向から見た時の形は、軸上光線の入射面の方向に長い形状、たとえば楕円、卵形、多角形、等にするのが良い。なぜなら、図２８に示した構成例のように、可変ミラーは斜入射で用いる場合が多いが、このとき発生する収差を抑えるためには、反射面の形状は回転楕円面、回転放物面、回転双曲面に近い形が良く、そのように可変ミラーを変形させる為には、反射面の変形する部分を反射面に垂直な方向から見た時の形を、軸上光線の入射面の方向に長い形状にしておくのが良いからである。

図５５（ａ），（ｂ）は、光学装置の光学系に適用可能な電磁駆動型の可変ミラーの構造を示した図である。
図５５（ｂ）は反射膜４０９ａの反対側から見た図であり、変形部材４０９ｊにコイル（電極）４２７が設けられて駆動回路から電流を流すことで永久磁石４２６の磁場とで電磁力を生じ、ミラー形状が変化するようになっている。
コイル４２７は薄膜コイル等を用いると製作が容易で、かつ、剛性を下げられるのでミラーが変形し易くて良い。

最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。

光学装置とは、光学系あるいは光学素子を含む装置のことである。光学装置単体で機能しなくてもよい。つまり、装置の一部でもよい。

光学装置には、撮像装置、観察装置、表示装置、照明装置、信号処理装置、光情報処理装置等が含まれる。

撮像装置の例としては、フィルムカメラ、デジタルカメラ、ＰＤＡ用デジタルカメラ、ロボットの眼、レンズ交換式デジタル一眼レフカメラ、テレビカメラ、動画記録装置、電子動画記録装置、カムコーダ、ＶＴＲカメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、電子内視鏡、カプセル内視鏡、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、監視装置のカメラ、各種センサーの眼等がある。デジカメ、カード型デジカメ、テレビカメラ、ＶＴＲカメラ、動画記録カメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラなどはいずれも電子撮像装置の一例である。

観察装置の例としては、顕微鏡、望遠鏡、眼鏡、双眼鏡、ルーペ、ファイバースコープ、ファインダー、ビューファインダー等がある。

表示装置の例としては、液晶ディスプレイ、ビューファインダー、ゲームマシン（ソニー社製プレイステーション）、ビデオプロジェクター、液晶プロジェクター、頭部装着型画像表示装置（ｈｅａｄ ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話等がある。

照明装置の例としては、カメラのストロボ、自動車のヘッドライト、内視鏡光源、顕微鏡光源等がある。

信号処理装置の例としては、携帯電話、パソコン、ゲームマシン、光ディスクの読取・書込装置、光計算機の演算装置、光インターコネクション装置、光情報処理装置、PDA等がある。

情報発信装置とは、携帯電話、固定式の電話、ゲームマシン、テレビ、ラジカセ、ステレオ等のリモコンや、パソコン、パソコンのキーボード、マウス、タッチパネル等の何らかの情報を入力し、送信することができる装置を指す。
撮像装置のついたテレビモニター、パソコンのモニター、ディスプレイも含むものとする。情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。

撮像素子は、例えばＣＣＤ、撮像管、固体撮像素子、写真フィルム等を指す。
また、平行平面板はプリズムの１つに含まれるものとする。観察者の変化には、視度の変化を含むものとする。被写体の変化には、被写体となる物体距離の変化、物体の移動、物体の動き、振動、物体のブレ等を含むものとする。

拡張曲面の定義は以下の通りである。
球面、平面、回転対称非球面のほか、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、線を有する面等、いかなる形をしていても良い。反射面でも、屈折面でも、光になんらかの影響を与えうる面ならば良い。
本発明では、これらを総称して拡張曲面と呼ぶことにする。

光学特性可変光学素子とは、可変焦点レンズ、可変ミラー、面形状の変わる偏向プリズム、頂角可変プリズム、光偏向作用の変わる可変回折光学素子、つまり可変ＨＯＥ，可変ＤＯＥ等を含む。

可変焦点レンズには、焦点距離が変化せず、収差量が変化するような可変レンズも含むものとする。可変ミラーには、焦点距離が変化せず、収差量が変化するようなミラー、可変焦点レンズに反射面を設けたミラー、形状の変わらない可変焦点ミラー、形状の変わる形状可変ミラー等を含むものとする。
要するに、光学素子で、光の反射、屈折、回折等の光偏向作用が変化しうるものを光学特性可変光学素子と呼ぶ。

本発明にかかる光学特性可変光学素子の一実施例の構成を示す断面図である。 電極の分割パターンの一例を示す平面図である。 図１に示した実施例における反射面の一変形例を示す図である。 （ａ）は図１に示した実施例における反射面の他の変形例を示す図、（ｂ）は電極の分割パターンの他の例を示す平面図である。 本発明にかかる光学特性可変光学素子の他の実施例の構成を示す断面図である。 本発明にかかる光学特性可変光学素子の更に他の実施例の構成を示す断面図である。 別の駆動回路を用いた図６に示した実施例の構成を示す断面図である。 図７の実施例における電荷の蓄積状態を示す説明図である。 更に別の駆動回路を用いた図６に示した実施例の構成を示す断面図である。 図６に示した実施例の変形例の構成を示す断面図である。 図９の実施例における電荷の蓄積状態を示す説明図である。 電極の互いに異なる分割パターンの例を示す平面図である。 更に別の駆動回路を用いた図６に示した実施例の構成を示す断面図である。 図１３の実施例における電荷の蓄積状態を示す説明図である。 更に別の駆動回路を用いた図６に示した実施例の構成を示す断面図である。 本発明にかかる光学特性可変光学素子の更に他の実施例の構成を示す断面図である。 本発明の光学装置に用いる光学系に適用可能な光学特性可変光学素子としての形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。 形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。 図１７及び図１８の形状可変ミラーに用いる電極の一形態を示す説明図である。 図１７及び図１８の形状可変ミラーに用いる電極の他の形態を示す説明図である。 形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。 形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。 形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。 図２３の構成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。 形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。 図２５の構成例におけるコイルの一配置例を示す説明図である。 図２５の構成例におけるコイルの他の配置例を示す説明図である。 図２３に示した構成例において、コイルの配置を図２７に示した構成例のようにした場合に好適な永久磁石の配置を示す説明図である。 本発明にかかる形状可変ミラー他の例の概略構成図である。 形状可変ミラーの更に他の構成例に係る、マイクロポンプで流体を出し入れし、レンズ面を変形させる形状可変ミラーの例の概略構成図である。 マイクロポンプの一構成例を示す概略構成図である。 本発明にかかる可変焦点レンズの原理的構成を示す図である。 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３２に示す高分子分散液晶層に電界を印加した状態を示す図である。 図３２に示す高分子分散液晶層への印加電圧を可変にする場合の一構成例を示す図である。 本発明にかかる可変焦点レンズを用いたデジタルカメラ用の撮像光学系の一構成例を示す図である。 本発明にかかる光学特性可変光学素子としての可変焦点回折光学素子の一構成例を示す図である。 ツイストネマティック液晶を用いる可変焦点レンズを有する可変焦点眼鏡の構成例を示す図である。 図３８に示すツイストネマティック液晶層への印加電圧を高くしたときの液晶分子の配向状態を示す図である。 本発明にかかる光学特性可変光学素子としての可変偏角プリズムの二つの構成例を示す図である。 図４０に示す可変偏角プリズムの使用態様を説明するための図である。 本発明にかかる可変焦点レンズとして機能できる可変焦点ミラーの一構成例を示す図である。 本発明にかかる可変焦点レンズを用いた撮像光学系の概略構成図である。 図４３の構成例における可変焦点レンズの変形例を示す説明図である。 図４４の可変焦点レンズが変形した状態を示す説明図である。 本発明にかかる可変焦点レンズの更に他の構成例に係る、マイクロポンプで流体を出し入れし、レンズ面を変形させる可変焦点レンズの例の概略図である。 本発明にかかる光学特性可変光学素子の他の構成例であって圧電材料を用いた可変焦点レンズの概略図である。 図４７の変形例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。 本発明にかかる光学特性可変光学素子の更に他の構成例であって圧電材料からなる２枚の薄板を用いた可変焦点レンズの概略図である。 本発明にかかる可変焦点レンズのさらに他の構成例を示す概略図である。 図５０の構成例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。 本発明にかかる光学特性可変光学素子の更に他の構成例であってフォトニカル効果を用いた可変焦点レンズの概略図である。 図５２の構成例に係る可変焦点レンズに用いるアゾベンゼンの構造を示す説明図であり、（ａ）はトランス型、（ｂ）はシス型を示している。 本発明にかかる形状可変ミラーの更に他の構成例を示す概略図である。 本発明にかかる電磁駆動型の可変ミラーの構造を示した図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は反射膜の反対側から見た図である。

符号の説明

４５ 形状可変ミラー
５９，３０３ 透明電極
１０２ レンズ
１０３ 制御系
１０４，１４１ 撮像ユニット
１４０ 可変焦点レンズ
１４２ 透明部材
１４３ 透明物質
１４４ 流体あるいはゼリー状物質
１４５，４０９b1〜４０９b9，４０９k1〜４０９k4 電極
１４６ シリンダー
１４７ 支援部材
１４８ 外周側が変形可能な部材
１６０ マイクロポンプ
１６１ 流体
１６２ 可変焦点レンズ
１６３，１６５，３０５ 透明基板
１６４ 弾性体
１６８，３０６ 制御装置（液溜）
１８０ マイクロポンプ
１８１ 振動板
１８２，１８３ 電極
１８４，１８５ 弁
１８８ 形状可変ミラー
１８９ 膜
１８９ａ，４２３ 支持台
２００ 圧電材料
２００Ａ，２００Ｂ 薄板
２０１ 可変焦点レンズ
２０２，４０９j 基板
２０６ 電歪材料
２０７ 可変焦点レンズ
２０８，２０９ 透明弾性体
２１０ アゾベンゼン
２１１ 透明なスペーサー
２１２，２１３ 紫外光源
２１４ 可変焦点レンズ
３０２ 透明膜
３０３ 透明電極
３０４ 液体
３０５ 透明基板
４０８ 撮像素子
４０９ 形状可変ミラー
４０９ａ 光学面（薄膜）
４０９ｂ 電極
４０９ｃ，４０９ｃ’ 圧電素子
４０９ｃ−１，４０９ｅ，４０９ｊ 基板
４０９ｃ−２ 電歪材料
４０９ｋ 電極板
４１１ 駆動回路
４１１ａ，４１１ｂ，４１１−１〜４１１−１８ 可変抵抗
４１１―２０−１〜４１１−２０−５，４１１−２１，４１１−２２ 固定抵抗
４１２，４１２A，４１２B 直流電源
４１３，４１３A，４１３B 電源スイッチ
４１４ 演算回路（演算装置）
４１５ 温度センサー
４１６ 湿度センサー
４１７ 距離センサー
４２３ 支持台
４２４ 振れセンサー
４２５，４２５ａ，４２５ｂ，４２８ 駆動回路
４２６ 永久磁石
４２７，４２８’ コイル
４３１ 下側基板
４３４ 上側基板
４４９ 釦
４５０ 反射膜
４５１ 変形可能な基板
４５２ 電極
４５３ 電歪材料
５１１，５５１ 可変焦点レンズ
５３２，５３３，５６２，５６３，５６６，５６７ 透明基板
５１３ａ，５１３ｂ 透明電極
５１２ａ，５１２ｂ，５２２，５５２，５５３ レンズ
５２３ 固体撮像素子
５０８ａ，５３２ａ，５６２ａ，５６６ａ 第１の面
５０８ｂ，５３２ｂ，５６２ｂ，５６６ｂ 第２の面
５０９ａ，５３３ａ，５６３ａ，５６７ａ 第３の面
５０９ｂ，５３３ｂ，５６３ｂ，５６７ｂ 第４の面
５１４ 高分子分散液晶層
５１５ スイッチ
５１６ 交流電源
５１７ 液晶分子
５１８ 高分子セル
５１９ 可変抵抗器
５２１ 絞り
５３１ 可変焦点回折光学素子
５３９ａ，５３９ｂ 配向膜
５５０ 可変焦点眼鏡
５５４ ツイストネマティック液晶層
５５５ 液晶分子
５６１ 可変偏角プリズム
５６５ 可変焦点ミラー
５６８ 反射膜

Claims (72)

1. 複数の電極と、電力により駆動されて少なくとも凸面に変形可能な基板と、前記基板に一体化された電極と、前記基板に設けられた光学面と、前記電極に接続された駆動回路とを有する光学特性可変光学素子。
2. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、前記光学面の両側に配置されていて少なくとも何れか一方が利用光束を通過させる開口を有している第２および第３電極とを有していて、前記第１及び第２電極間あるいは前記第１及び第３電極間に電圧または電流を加えることにより、光偏向特性を変化させ得るようにした光学特性可変光学素子。
3. 前記第１、第２及び第３電極の少なくとも一つが、複数に分割されている請求項２に記載の光学特性可変光学素子。
4. 前記第２又は第３電極が固定電極である請求項２または３に記載の光学特性可変光学素子。
5. 前記光学面の片側に複数の電極を有する基板が設けられている請求項２乃至４の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
6. 前記電極間に加えられる電圧または電流が、直流または交流である請求項２乃至５の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
7. 形状可変ミラーまたは可変焦点レンズとして構成された請求項２乃至６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
8. 前記光学面が静電気力または電磁力で変形せしめられる請求項２乃至７の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
9. 前記光学面の変形可能部分の面積をＳ_１、前記開口の面積をＳ_２
   としたとき、下記条件式を満足する請求項２乃至８の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
   ０．０２≦Ｓ２/Ｓ１≦０．９８
10. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された複数に分割された第１電極と、前記光学面の片側に配置された複数に分割された第２電極とを有し、前記分割された第１，第２の電極間の少なくとも一組に同符合の電荷を蓄積させることにより、前記分割電極間に電気力を発生させて、前記光学面を変形させるようにした光学特性可変光学素子。
11. 前記第１電極の分割された全ての電極に加える電圧の符号を等しくすると共に、前記第２電極の分割された全ての電極に加える電圧の符号を等しくし、前記第１電極と前記第２電極に加える電圧の符号を異ならせた状態で、前記光学面を変形させることもできるようにした請求項１０に記載の光学特性可変光学素子。
12. 前記第１電極の一つの分割電極と、該分割電極にほぼ対向する前記第２電極の分割電極の隣あるいは近傍の分割電極との間に、異符号の電圧を加えるようにした請求項１０または１１に記載の光学特性可変光学素子。
13. 前記第１電極または前記第２電極の分割された一つの分割電極と、該分割電極の隣あるいは近傍の分割電極との間に、異符号の電圧を加えるようにした請求項１０乃至１２の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
14. 前記光学面が平面であるときの前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、隣接する前記分割電極間の平均中心間隔をＰとしたとき、下記の条件式を満足する請求項１０乃至１３の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    １/１００００００<Ｇ/Ｐ<３００
15. 前記光学面が平面であるときの前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、前記第１及び第２電極における隣接する分割電極間の平均距離をｄとしたとき、下記の条件式を満足する請求項１０乃至１３の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    １/１００００００< Ｇ/ｄ <１０００
16. 前記第１または第２電極における、分割電極の面積の和をa、電極部分全体の面積をAとしたとき、下記の条件式を満足する請求項１０乃至１３の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    ０．００１< a/A <１
17. 前記第１電極の分割パターンと前記第２電極の分割パターンとが、ほぼ等しいか又は異なる請求項１０乃至１６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
18. 前記第１電極または前記第２電極が固定電極である請求項１０乃至１７の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
19. 前記第１および第２電極に加える電圧が直流又は交流である請求項１０乃至１８の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
20. 形状可変ミラーまたは可変焦点レンズとして構成された請求項１０乃至１９の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
21. 前記光学面が静電気力で変形せしめられるようになっている請求項１０乃至２０の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
22. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、前記光学面の片側に配置された第２電極とを有し、前記第１または第２電極は複数に分割されており、該分割された電極間に交流電圧または交流電流を加えることにより、前記第１および第２電極間に斥力又は電気力を発生させて、前記光学面を変形させるようにした光学特性可変光学素子。
23. 交流電圧または交流電流の周波数が変更可能な駆動回路を更に有している、請求項２２に記載の光学特性可変光学素子。
24. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、前記光学面の片側に配置された第２電極とを有し、前記第１および第２電極は複数に分割されていて、該第１及び第２電極間に交流電圧または交流電流を加えることにより、前記第１および第２電極間に斥力又は電気力を発生させて、前記光学面を変形させるようにすると共に、交流電圧を加えない方の分割された電極間に抵抗が配設されている光学特性可変光学素子。
25. 前記抵抗が可変抵抗である請求項２４に記載の光学特性可変光学素子。
26. 交流電圧または交流電流を加えない方の電極が、交流電圧または交流電流を加える方の電極よりも高抵抗の材質で形成されている請求項２２乃至２５の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
27. 前記光学面が平面であるときの前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、隣接する前記分割電極間の平均中心間隔をＰとしたとき、下記の条件式を満足する請求項２２乃至２６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    １/１００００００<Ｇ/Ｐ<３００
28. 前記光学面が平面であるときの前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、前記第１及び第２電極における隣接する分割電極間の平均距離をｄとしたとき、下記の条件式を満足する請求項２２乃至２６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    １/１００００００< Ｇ/ｄ <１０００
29. 前記第１または第２電極における、分割電極の面積の和をa、電極部分全体の面積をAとしたとき、下記の条件式を満足する請求項２２乃至２６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    ０．０１< a/A <１
30. 前記第１電極の分割パターンと前記第２電極の分割パターンとが、ほぼ等しいか又は異なる請求項２２乃至２６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
31. 形状可変ミラーまたは可変焦点レンズとして構成された請求項２２乃至２６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
32. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、少なくとも前記光学面の片側に配置された第２電極とを有し、前記第１および第２電極に交流電圧または交流電流を加えることにより、光偏向特性を変化させるようにした光学特性可変光学素子において、変形可能な基板に一体化された電極と、少なくとも他の基板上に設けられた電極とが平行でないことを特徴とする光学特性可変光学素子。
33. 請求項２，１０，２２および３２の何れかに記載の光学特性可変光学素子を、ピント調整に用いた光学装置。
34. 請求項２，１０，２２および３２の何れかに記載の光学特性可変光学素子を、ブレ防止に用いた光学装置。
35. 請求項２，１０，２２および３２の何れかに記載の光学特性可変光学素子を、変倍に用いた光学装置。
36. 請求項２，１０，２２および３２の何れかに記載の光学特性可変光学素子を、製作誤差の補正に用いた光学装置。
37. 前記第１電極と前記第２電極の各電極の厚さをｔ，面積をｗとしたとき、下記の条件式を満足する請求項１０乃至１３の何れか又は請求項２２乃至２６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    ０．０００００１≦ｔ/√ｗ≦１００００
38. 前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、前記第１及び第２電極の間にある基板の厚さをuとしたとき、下記の条件式を満足する請求項１０乃至１３の何れか又は請求項２２乃至２６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    ０．００００００１≦u/Ｇ≦１０００
39. 前記第１電極と前記第２電極との間の距離をＧ、前記光学面と前記第１電極との距離をΔとしたとき、下記の条件式を満足する請求項１０乃至１３の何れか又は請求項２２乃至２６の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    ０．００００００１≦Δ/Ｇ≦１０００
40. 複数に分割された電極を有する光学特性可変素子を備えた光学系を含む光学装置であって、前記複数に分割された電極のパターンが、光学系の対称性とほぼ同じであり、且つ前記電極に光学系の対称性と異なる電圧分布を与えるのが可能な光学装置。
41. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された第１電極と、前記光学面の片側に、利用光束を一部遮蔽する形で設けられた第２電極
    を有していて、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧または電流を加えることにより、光偏向特性を変化させ得るようにした光学特性可変光学素子。
42. 変形可能な光学面に対して前記第２電極と反対側に第３電極を有していて、前記第１電極と前記第２電極との間あるいは前記第１電極と前記第３電極との間に電圧または電流を加えことにより、光偏向特性を変化させ得るようにした請求項４１に記載の光学特性可変光学素子。
43. 前記第１電極に対して前記第２電極と反対側に第３電極を有していて、前記第１電極と前記第２電極との間或いは前記第１電極と前記第３電極との間に電圧または電流を加えることにより、光偏向特性を変化させ得るようにした請求項４１に記載の光学特性可変光学素子。
44. 前記第２電極によって通過光束が遮蔽される面積の、全通過光束に対する割合をｆとしたとき、下記の条件式を満足する請求項４１に記載の光学特性可変光学素子。
    ０．０１≦ｆ≦０．５
45. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された複数の電極を有し、前記電極間に生じる電気力によって光学面を変形させ、光偏向特性を変化させ得るようにした光学特性可変光学素子。
46. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された複数の電極と、前記電極に電荷を蓄積させる駆動回路とを有し、前記電極間に生じる電気力によって光学面を変形させ、光偏向特性を変化させ得るようにした請求項４５に記載の光学特性可変光学素子。
47. 前記複数の電極に異なる符号の電荷を蓄積させるようにしたことを特徴とする請求項４５に記載の光学特性可変光学素子。
48. 変形可能な光学面が導電性を有し、前記光学面と一体的に形成された複数の電極を有し、前記複数の電極に対応して、前記導電性を有する光学面が分割されていることを特徴とする光偏向特性を変化させるようにした光学特性可変光学素子。
49. 前記複数の電極に対向して、第２の電極を有する請求項４８に記載の光学特性可変光学素子。
50. 前記光学面の片側に、第２の電極を有する請求項４８に記載の光学特性可変光学素子。
51. 前記第１電極と前記第２電極の各電極の厚さをｔ，面積をｗとしたとき、下記の条件式を満足する請求項４８乃至５０の何れかに記載の光学特性可変光学素子。
    ０．０００００１≦ｔ/√ｗ≦１００００
52. 前記変形可能な光学面が導電性を有し、前記第１電極に対応して前記導電性を有する光学面が分割されていることを特徴とする請求項１０、２２、３２及び４５の何れかに記載の光偏向特性を変化させ得るようにした光学特性可変光学素子。
53. 前記電気力が斥力である請求項１０または２２に記載の光偏向特性を変化させ得るようにした光学特性可変光学素子。
54. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に形成された第１電極と、前記光学面の片側に配置された第２電極とを有していて、前記第１電極と前記第２電極との間に同符合の電荷を加えることにより電気力あるいは斥力を発生させて、光偏向特性を変化させ得るようにした光学特性可変光学素子。
55. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に形成された第１電極と、前記光学面の片側に配置された第２電極とを有していて、前記第１電極と前記第２電極との間に電流または電圧を加えることにより電気力あるいは斥力を発生させて、光偏向特性を変化させ得るようにした光学特性可変光学素子。
56. 加える電流または電圧が交流である請求項５５に記載の光偏向特性を変化させ得るようにした光学特性可変光学素子。
57. 変形可能な光学面と、前記光学面に一体的に配設された複数に分割された第１電極と、前記光学面の片側に配置された複数に分割された第２電極とを有し、ほぼ対向する前記分割された第１，第２電極間に同符合の電荷を蓄積させることにより、前記分割電極間に斥力を発生させて、前記光学面を変形させるようにした光学特性可変光学素子。
58. 反射面と、該反射面近傍に配設された部材とを有していて、前記反射面は複数に分割されている可変ミラー。
59. 反射面と基板とを含む変形可能部分と、該基板に対向配置された電極とを有していて、前記反射面は、複数に分割されており、電気力によって駆動されるようにした可変ミラー。
60. 反射面と基板とを含む変形可能部分と、該基板に対向配置された電極とを有していて、前記反射面は、複数に分割されており、且つ電極の機能を有する電気力によって駆動される可変ミラー。
61. 変形可能な反射面を有していて、該反射面は凸にも凹にも変形可能であり、且つ該反射面を変形させる為に流体、静電気力、電磁力、圧電効果、磁歪、温度変化、電磁波等のうち１つ又は２つ以上を用いる可変ミラー。
62. 変形可能な反射面を有していて、該反射面を凸に変形させるときには流体の圧力を用い、該反射面を凹に変形させるときには電気力を用いるようにした可変ミラー。
63. 請求項６１または請求項６２に記載の可変ミラーを有していて、前記可変ミラーの面形状が平面の時に、被写界深度の遠点がほぼ無限遠になる距離にピントが合うようにした撮像装置。
64. 請求項６１または請求項６２に記載の可変ミラーを有していて、前記可変ミラーの面形状が平面の時に、無限遠から０．５メートルの間のいずれかの距離にピントが合うようにした撮像装置。
65. ピントを合わせる過程で、前記反射面の形状が、凹面の状態と凸面の状態との両形状をとる請求項６１または請求項６２に記載の可変ミラーを有する撮像装置。
66. ピントを合わせる過程で、前記反射面の形状が、凹面の状態と凸面の状態との両形状をとる請求項６１または請求項６２に記載の撮像装置。
67. 変形可能な光学面を有していて、該光学面は凸にも凹にも変形可能であり、且つ該光学面を変形させる為に流体、静電気力、電磁力、圧電効果、磁歪、温度変化、電磁波等のうちの１つ又は２つ以上を用いる可変焦点レンズ。
68. 変形可能な光学面を有していて、該光学面を凸に変形させるときには流体の圧力を用い、該光学面を凹に変形させるときには電気力を用いるようにした可変焦点レンズ。
69. 請求項６７または請求項６８に記載の可変焦点レンズを有していて、前記可変焦点レンズの面形状が平面の時に、被写界深度の遠点がほぼ無限遠になる距離にピントが合うようにした撮像装置。
70. 請求項６７または請求項６８に記載の可変焦点レンズを有していて、前記可変焦点レンズの面形状が平面の時に、無限遠から０．５メートルの間のいずれかの距離にピントが合うようにした撮像装置。
71. ピントを合わせる過程で、前記光学面の形状が、凹面の状態と凸面の状態との両形状をとる請求項６７または請求項６８に記載の可変焦点レンズを有する撮像装置。
72. ピントを合わせる過程で、前記光学面の形状が、凹面の状態と凸面の状態との両形状をとる請求項６７または請求項６８に記載の撮像装置。