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JP2007121944A - Imaging optical system and observatory optical system - Google Patents

Imaging optical system and observatory optical system Download PDF

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JP2007121944A
JP2007121944A JP2005317355A JP2005317355A JP2007121944A JP 2007121944 A JP2007121944 A JP 2007121944A JP 2005317355 A JP2005317355 A JP 2005317355A JP 2005317355 A JP2005317355 A JP 2005317355A JP 2007121944 A JP2007121944 A JP 2007121944A
Authority
JP
Japan
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variable
optical system
optical
lens
mirror
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2005317355A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takuya Tsukagoshi
拓哉 塚越
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical system with low electric consumption and little sound, having a short response time, a simple mechanical structure and a small outer diameter, being small in size and capable of focusing. <P>SOLUTION: The optical system includes a rotation symmetrical lens G in which focusing is carried out or visibility adjustment is controlled by use of a deformable mirror DM. The deformable mirror is rendered into a sculptured surface form in at least one state. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、可変焦点レンズ、可変焦点回折光学素子、可変偏角プリズム、可変焦点ミラー等の光学特性可変光学素子、及びこれらの光学特性可変光学素子を含む光学系を備えた、例えば、カメラやデジタルカメラやTVカメラのファインダー、望遠鏡や顕微鏡や双眼鏡等の観察光学系、眼鏡、ビデオプロジェクター、カメラ、デジタルカメラ、TVカメラ、内視鏡、カメラ、デジタルカメラ、TVカメラ等の光学装置に関する。   The present invention includes a variable focus lens, a variable focus diffractive optical element, a variable deflection prism, an optical characteristic variable optical element such as a variable focus mirror, and an optical system including these optical characteristic variable optical elements, for example, a camera, The present invention relates to an optical apparatus such as a digital camera or TV camera finder, an observation optical system such as a telescope, a microscope, or binoculars, glasses, a video projector, a camera, a digital camera, a TV camera, an endoscope, a camera, a digital camera, and a TV camera.

従来のレンズ系は、ガラスを研磨して製造したレンズ、又は成形して製造したレンズを用いており、レンズ自体では焦点距離を変化させることができない。   The conventional lens system uses a lens manufactured by polishing glass or a lens manufactured by molding, and the focal length cannot be changed by the lens itself.

フォーカシングやズーミングを行うのには、レンズ群を光軸方向に移動させる必要があり、そのため、機械的構造が複雑になっている。そして、レンズ群の一部を移動させるのにモーター等を用いていたため、消費電力が大きい、音がうるさい、応答時間が長く、レンズの移動に時間がかかる等の欠点があった。   In order to perform focusing or zooming, it is necessary to move the lens group in the direction of the optical axis, which complicates the mechanical structure. Since a motor or the like is used to move a part of the lens group, there are disadvantages such as high power consumption, noisy sound, long response time, and time to move the lens.

本発明は、従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カメラやデジタルカメラやTVカメラや撮像機能付き携帯電話のファインダー、望遠鏡や双眼鏡や顕微鏡等の観察光学系、内視鏡や監視用カメラや小型のデジタルカメラの撮像光学系等の光学系において、消費電力が小さく、音が静かで、応答時間が短く、機械的構造が簡単でコストダウンに寄与すると共に、外径が細く小型であるにもかかわらず、フォーカシング及びズーミングが可能な光学系を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and its purpose is to provide observation optics such as a camera, a digital camera, a TV camera, a mobile phone with an imaging function, a telescope, a binocular, and a microscope. System, endoscope, surveillance camera, imaging optical system of small digital camera, etc., low power consumption, quiet sound, short response time, simple mechanical structure and contribute to cost reduction Another object of the present invention is to provide an optical system capable of focusing and zooming despite its small outer diameter and small size.

上記目的を達成するために、本発明による撮像光学系は、光学特性可変光学素子を用いてフォーカシングを行うようになっている。   In order to achieve the above object, the imaging optical system according to the present invention performs focusing using a variable optical property optical element.

また、本発明による撮像光学系は、レンズと光学特性可変光学素子を用いてフォーカシングを行うようになっている。   The imaging optical system according to the present invention performs focusing using a lens and an optical property variable optical element.

また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、物点距離が正の領域にある物体に対して、フォーカシング可能であるように構成されている。   The imaging optical system according to the present invention is preferably configured to be able to focus on an object having a positive object point distance.

また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、物点距離が正から負の領域に渡る物体に対して、フォーカシング可能であるように構成されている。   The imaging optical system according to the present invention is preferably configured to be able to focus on an object whose object point distance extends from a positive region to a negative region.

また、本発明による撮像光学系は、光学特性可変光学素子を用いて視度調整を行うようになっている。   In addition, the imaging optical system according to the present invention performs diopter adjustment using a variable optical property optical element.

また、本発明による撮像光学系は、レンズと光学特性可変光学素子を用いて視度調整を行うようになっている。   In addition, the imaging optical system according to the present invention performs diopter adjustment using a lens and an optical property variable optical element.

また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、少なくとも一つの状態において、前記光学特性可変光学素子が自由曲面形状となるように構成されている。   The imaging optical system according to the present invention is preferably configured such that the optical characteristic variable optical element has a free-form surface in at least one state.

また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、視度を表すディオプターの値が負であるように構成されている。   The imaging optical system according to the present invention is preferably configured such that the diopter value representing diopter is negative.

また、本発明による撮像光学系は、好ましくは、前記視度を表すディオプターの値が正から負へ連続的に変化するように構成されている。   The imaging optical system according to the present invention is preferably configured such that the diopter value representing the diopter continuously changes from positive to negative.

また、本発明によれば、好ましくは、前記光学特性可変光学素子が、反射型の光学特性可変光学素子または形状可変ミラーである。   According to the invention, it is preferable that the optical property variable optical element is a reflective optical property variable optical element or a shape variable mirror.

本発明によれば、反射型の光学特性可変光学素子または形状可変ミラーを用いることにより、レンズ群を前後に駆動させることなく、前記光学特性可変光学素子またはミラーの表面形状を変化させるだけで、フォーカシングを行うことができる、あるいは、視度調整を行うことができる観察光学系等を提供することができる。   According to the present invention, by using a reflective optical property variable optical element or a shape variable mirror, without changing the surface shape of the optical property variable optical element or mirror without driving the lens group back and forth, An observation optical system or the like that can perform focusing or can adjust diopter can be provided.

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が、その説明に先立ち、本発明を適用できる光学系及び本発明に使える光学特性可変光学素子について説明する。
形状可変ミラーは、可変ミラーの一つであり、表面形状を凸面、平面、凹面に自由に変化させることで、光学パワー又は収差を自由に変化させることができるミラーである。これによって、撮像系の物体距離が変化した場合でも、可変ミラーの形状を変化させるだけでピントを合わせることができる。このとき、可変ミラーの形状は、回転対称な曲面でもよいが、収差補正をより良く行うためには、回転非対称な自由曲面であることが望ましい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on illustrated examples. Prior to the description, an optical system to which the present invention can be applied and an optical characteristic variable optical element usable in the present invention will be described.
The deformable mirror is one of the deformable mirrors, and is a mirror that can freely change the optical power or aberration by freely changing the surface shape to a convex surface, a flat surface, or a concave surface. As a result, even when the object distance of the imaging system changes, it is possible to focus by simply changing the shape of the variable mirror. At this time, the shape of the variable mirror may be a rotationally symmetric curved surface, but a rotationally asymmetric free curved surface is desirable for better aberration correction.

その理由を以下に詳述する。まず、用いる座標系、回転非対称な面について説明する。軸上主光線が、光学系の第1面に交差するまでの直線によって定義される光軸をZ軸とし、そのZ軸と直交し、かつ、偏心光学系を構成する各面の偏心面内の軸をY軸と定義し、前記光軸と直交し、かつ、前記Y軸と直交する軸をX軸とする。光線の追跡方向は、物体から像面に向かう順光線追跡で説明する。   The reason will be described in detail below. First, the coordinate system used and the rotationally asymmetric surface will be described. The optical axis defined by the straight line until the axial principal ray intersects the first surface of the optical system is the Z axis, is orthogonal to the Z axis, and is in the decentered plane of each surface constituting the decentered optical system Is defined as the Y axis, and the axis orthogonal to the optical axis and orthogonal to the Y axis is defined as the X axis. The ray tracing direction will be described by tracing the forward ray from the object toward the image plane.

一般に、球面レンズでのみ構成された球面レンズ系では、球面により発生する球面収差と、コマ収差、像面湾曲等の収差をいくつかの面でお互いに補正し合い、全体として収差を少なくする構成になっている。   In general, in a spherical lens system composed only of spherical lenses, spherical aberration generated by the spherical surface, coma aberration, curvature of field, and other aberrations are corrected for each other on several surfaces to reduce the aberration as a whole. It has become.

一方、少ない面数で収差を良好に補正するためには、回転対称非球面等が用いられる。これは、球面で発生する各種収差自体を少なくするためである。   On the other hand, a rotationally symmetric aspherical surface or the like is used to satisfactorily correct aberrations with a small number of surfaces. This is to reduce various aberrations that occur on the spherical surface.

しかし、偏心した光学系においては、偏心により発生する回転非対称な収差を回転対称光学系で補正することは不可能である。この偏心により発生する回転非対称な収差は、歪曲収差、像面湾曲、さらに、軸上でも発生する非点収差、コマ収差がある。   However, in a decentered optical system, it is impossible to correct rotationally asymmetric aberration caused by the decentration with a rotationally symmetric optical system. The rotationally asymmetric aberration generated by this decentration includes distortion, curvature of field, astigmatism generated on the axis, and coma.

まず、回転非対称な像面湾曲について説明する。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡に入射した光線は、凹面鏡に当たって反射結像されるが、光線が凹面鏡に当たって以降、像面までの後側焦点距離は、像界側が空気の場合、光線が当たった部分の曲率半径の半分になる。すると、図41に示すように、軸上主光線に対して傾いた像面を形成する。このように、回転非対称な像面湾曲を補正するには回転対称な光学系では不可能である。   First, rotationally asymmetric field curvature will be described. For example, a light ray incident on a concave mirror decentered from an object point at infinity is reflected and imaged by hitting the concave mirror. It becomes half the radius of curvature of the part hit. Then, as shown in FIG. 41, an image surface inclined with respect to the axial principal ray is formed. Thus, it is impossible to correct rotationally asymmetric field curvature with a rotationally symmetric optical system.

この傾いた像面湾曲をその発生源である凹面鏡M自身で補正するには、凹面鏡Mを回転非対称な面で構成し、この例ではY軸正の方向に対して曲率を強く(屈折力を強く)し、Y軸負の方向に対して曲率を弱く(屈折力を弱く)すれば、補正することができる。   In order to correct the tilted field curvature with the concave mirror M itself, which is the source of the tilt, the concave mirror M is formed of a rotationally asymmetric surface, and in this example, the curvature is strong (refractive power is increased in the positive direction of the Y axis). If the curvature is weak (refractive power is weak) with respect to the negative Y-axis direction, the correction can be made.

また、回転非対称な面は、その面内及び面外共に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とすることが、自由度が増え収差補正上は好ましい。   In addition, the rotationally asymmetric surface preferably has a rotationally asymmetric surface shape that does not have a rotationally symmetric axis both in and out of the surface.

次に、回転非対称な非点収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Mでは、軸上光線に対しても図42に示すような非点収差が発生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と同様に、回転非対称面のX軸方向の曲率とY軸方向の曲率を適切に変えることによって可能となる。   Next, rotationally asymmetric astigmatism will be described. As in the above description, in the concave mirror M arranged eccentrically, astigmatism as shown in FIG. In order to correct this astigmatism, it is possible to appropriately change the curvature in the X-axis direction and the curvature in the Y-axis direction of the rotationally asymmetric surface as in the above description.

さらに、回転非対称なコマ収差について説明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Mでは、軸上光線に対しても図43に示すようなコマ収差が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非対称面のX軸の原点から離れるに従って面の傾きを変えると共に、Y軸の正負によって面の傾きを適切に変えることによって可能となる。   Further, rotationally asymmetric coma will be described. Similar to the above description, in the concave mirror M arranged eccentrically, coma aberration as shown in FIG. In order to correct this coma, it is possible to change the inclination of the surface as it moves away from the origin of the X axis of the rotationally asymmetric surface and to change the inclination of the surface appropriately depending on whether the Y axis is positive or negative.

また、本発明の偏心光学系では、前述の反射作用を有する少なくとも1つの面が軸上主光線に対し偏心し、回転非対称な面形状でパワーを有する構成も可能である。このような構成をとれば、その反射面にパワーを持たせることで発生する偏心収差をその面自体で補正することが可能となり、レンズの屈折面のパワーを緩めることで、色収差の発生自体を小さくすることができる。   In the decentered optical system of the present invention, it is possible to adopt a configuration in which at least one surface having the reflection action described above is decentered with respect to the axial principal ray and has a rotationally asymmetric surface shape and power. By adopting such a configuration, it becomes possible to correct the decentration aberration generated by giving power to the reflecting surface by the surface itself, and by reducing the power of the refracting surface of the lens, the occurrence of chromatic aberration can be suppressed. Can be small.

そして、本発明の偏心光学系の構成反射面の1つである形状可変ミラー、屈折率可変ミラーの面形状を回転非対称な面とすることが偏心収差を補正する上で望ましい。   In addition, it is desirable to correct the decentration aberration by making the surface shape of the variable shape mirror and refractive index variable mirror, which are one of the constituent reflecting surfaces of the decentered optical system of the present invention, into a rotationally asymmetric surface.

なお、本発明で用いる上記の回転非対称面は、対称面を1面のみ有する面対称自由曲面であることが好ましい。 ここで、本発明で使用する自由曲面とは以下の式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。   The rotationally asymmetric surface used in the present invention is preferably a plane-symmetric free-form surface having only one plane of symmetry. Here, the free-form surface used in the present invention is defined by the following equation. The Z axis of this defining formula is the axis of the free-form surface.

Figure 2007121944
ここで、(a)式の第1項は球面項、第2項は自由曲面項である。
Figure 2007121944
Here, the first term of the equation (a) is a spherical term, and the second term is a free-form surface term.

球面項中、
c:頂点の曲率
k:コーニック定数(円錐定数)
r=√(X2 +Y2
N:2以上の自然数である。
In the spherical term,
c: curvature of vertex k: conic constant (conical constant)
r = √ (X 2 + Y 2 )
N: A natural number of 2 or more.

自由曲面項は、

Figure 2007121944
ただし、Cj (jは2以上の整数)は係数である。 The free-form surface term is
Figure 2007121944
However, C j (j is an integer of 2 or more) is a coefficient.

上記自由曲面は、一般的には、X−Z面、Y−Z面共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。   In general, the free-form surface does not have a symmetric surface in both the XZ plane and the YZ plane, but by setting all odd-order terms of X to 0, the plane of symmetry is parallel to the YZ plane. Is a free-form surface with only one. Further, by setting all odd-numbered terms of Y to 0, a free-form surface having only one symmetry plane parallel to the XZ plane is obtained.

また、自由曲面の他の定義式として、以下の(b)式で与えられるZernike多項式がある。 この面の形状は以下の式により定義される。 その定義式の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せられる。   Another defining equation for free-form surfaces is the Zernike polynomial given by the following equation (b). The shape of this surface is defined by the following equation. The Z axis of the defining formula becomes the axis of the Zernike polynomial. The definition of the rotationally asymmetric surface is defined by polar coordinates of the height of the Z axis with respect to the XY plane, R is the distance from the Z axis in the XY plane, A is the azimuth around the Z axis, and the X axis It is expressed by the rotation angle measured from.

x=R×cos(A)
y=R×sin(A)
Z=D2
+D3 Rcos(A)+D4 Rsin(A)
+D5 2 cos(2A)+D6 (R2 −1)+D7 2 sin(2A)
+D8 3 cos(3A) +D9 (3R3 −2R)cos(A)
+D10(3R3 −2R)sin(A)+D113 sin(3A)
+D124cos(4A)+D13(4R4 −3R2 )cos(2A)
+D14(6R4 −6R2 +1)+D15(4R4 −3R2 )sin(2A)
+D164 sin(4A)
+D175 cos(5A) +D18(5R5 −4R3 )cos(3A)
+D19(10R5 −12R3 +3R)cos(A)
+D20(10R5 −12R3 +3R)sin(A)
+D21(5R5 −4R3 )sin(3A) +D225 sin(5A)
+D236cos(6A)+D24(6R6 −5R4 )cos(4A)
+D25(15R6 −20R4 +6R2 )cos(2A)
+D26(20R6 −30R4 +12R2 −1)
+D27(15R6 −20R4 +6R2 )sin(2A)
+D28(6R6 −5R4 )sin(4A) +D296sin(6A)・・・・・
・・・・(b)
ただし、Dm (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、D4 ,D5 ,D6 、D10,D11,D12,D13,D14,D20,D21,D22…を利用する。
x = R × cos (A)
y = R × sin (A)
Z = D 2
+ D 3 Rcos (A) + D 4 Rsin (A)
+ D 5 R 2 cos (2A) + D 6 (R 2 −1) + D 7 R 2 sin (2A)
+ D 8 R 3 cos (3A) + D 9 (3R 3 −2R) cos (A)
+ D 10 (3R 3 -2R) sin (A) + D 11 R 3 sin (3A)
+ D 12 R 4 cos (4A ) + D 13 (4R 4 -3R 2) cos (2A)
+ D 14 (6R 4 -6R 2 +1) + D 15 (4R 4 -3R 2 ) sin (2A)
+ D 16 R 4 sin (4A)
+ D 17 R 5 cos (5A) + D 18 (5R 5 -4R 3 ) cos (3A)
+ D 19 (10R 5 -12R 3 + 3R) cos (A)
+ D 20 (10R 5 -12R 3 + 3R) sin (A)
+ D 21 (5R 5 -4R 3 ) sin (3A) + D 22 R 5 sin (5A)
+ D 23 R 6 cos (6A ) + D 24 (6R 6 -5R 4) cos (4A)
+ D 25 (15R 6 -20R 4 + 6R 2 ) cos (2A)
+ D 26 (20R 6 -30R 4 + 12R 2 -1)
+ D 27 (15R 6 -20R 4 + 6R 2 ) sin (2A)
+ D 28 (6R 6 -5R 4 ) sin (4A) + D 29 R 6 sin (6A)
.... (b)
However, Dm (m is an integer greater than or equal to 2) is a coefficient. In order to design an optical system symmetrical in the X-axis direction, D 4 , D 5 , D 6 , D 10 , D 11 , D 12 , D 13 , D 14 , D 20 , D 21 , D 22 . Use.

その他の面の例として、次の定義式(c)があげられる。
Z=ΣΣCnmXY
例として、k=7(7次項)を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
Z=C2
+C3 Y+C4 |X|
+C5 2 +C6 Y|X|+C7 2
+C8 3 +C9 2 |X|+C10YX2 +C11|X3
+C124 +C133 |X|+C142 2 +C15Y|X3 |+C164
+C175 +C184 |X|+C193 2 +C202 |X3
+C21YX4 +C22|X5
+C236 +C245 |X|+C254 2 +C263 |X3
+C272 4 +C28Y|X5 |+C296
+C307 +C316 |X|+C325 2 +C334 |X3
+C343 4 +C352 |X5 |+C36YX6 +C37|X7
・・・(c)
The following definition formula (c) can be given as an example of other aspects.
Z = ΣΣC nm XY
As an example, when k = 7 (seventh order term) is considered, when expanded, it can be expressed by the following expression.
Z = C 2
+ C 3 Y + C 4 | X |
+ C 5 Y 2 + C 6 Y | X | + C 7 X 2
+ C 8 Y 3 + C 9 Y 2 | X | + C 10 YX 2 + C 11 | X 3 |
+ C 12 Y 4 + C 13 Y 3 | X | + C 14 Y 2 X 2 + C 15 Y | X 3 | + C 16 X 4
+ C 17 Y 5 + C 18 Y 4 | X | + C 19 Y 3 X 2 + C 20 Y 2 | X 3 |
+ C 21 YX 4 + C 22 | X 5 |
+ C 23 Y 6 + C 24 Y 5 | X | + C 25 Y 4 X 2 + C 26 Y 3 | X 3 |
+ C 27 Y 2 X 4 + C 28 Y | X 5 | + C 29 X 6
+ C 30 Y 7 + C 31 Y 6 | X | + C 32 Y 5 X 2 + C 33 Y 4 | X 3 |
+ C 34 Y 3 X 4 + C 35 Y 2 | X 5 | + C 36 YX 6 + C 37 | X 7 |
... (c)

なお、本発明の実施例では、前記(a)式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記(b)式、(c)式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。   In the embodiment of the present invention, the surface shape is expressed by a free-form surface using the equation (a). However, similar effects can be obtained by using the equations (b) and (c). Needless to say.

本発明においては、前記(a)式の中のXの奇数時の項を全て0とすることで、Y−Z面と平行な対称面を持つ自由曲面としている。   In the present invention, all of the odd-numbered terms of X in the equation (a) are set to 0, so that a free-form surface having a symmetry plane parallel to the YZ plane is obtained.

また、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。数学的に同値ならば他の定義で曲面形状を表してもよい。   The above definition formula is shown for the purpose of illustrating a rotationally asymmetric curved surface, and it goes without saying that the same effect can be obtained for any other definition formula. If mathematically equivalent, the curved surface shape may be expressed by another definition.

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
先ず、本発明に適用可能な可変形状鏡、可変焦点レンズの構成例について説明する。図1は本発明の一実施例である、光学特性可変ミラーを用いたデジタルカメラのケプラー式ファインダーの概略構成図である。本実施例の構成は、もちろん、銀塩フィルムカメラにも使うことができる。まず、光学特性可変形状鏡409について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, a configuration example of a deformable mirror and a variable focus lens applicable to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a Kepler finder for a digital camera using a variable optical property mirror, which is an embodiment of the present invention. The configuration of this embodiment can of course be used for a silver salt film camera. First, the optical property variable shape mirror 409 will be described.

光学特性可変形状鏡409は、アルミコーティングされた薄膜(反射面)409aと複数の電極409bからなる光学特性可変形状鏡(以下、単に可変形状鏡という。)であり、411は各電極409bにそれぞれ接続された複数の可変抵抗器、412は可変抵抗器411と電源スイッチ413を介して薄膜409aと電極409b間に接続された電源、414は複数の可変抵抗器411の抵抗値を制御するための演算装置、415,416及び417はそれぞれ演算装置414に接続された温度センサー、湿度センサー及び距離センサーで、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。   The optical property variable shape mirror 409 is an optical property variable shape mirror (hereinafter simply referred to as a variable shape mirror) composed of an aluminum-coated thin film (reflecting surface) 409a and a plurality of electrodes 409b, and reference numeral 411 denotes each electrode 409b. A plurality of connected variable resistors 412 is a power source connected between the thin film 409a and the electrode 409b via a variable resistor 411 and a power switch 413, and 414 is for controlling the resistance values of the plurality of variable resistors 411. Arithmetic units 415, 416, and 417 are a temperature sensor, a humidity sensor, and a distance sensor respectively connected to the arithmetic unit 414, and these are arranged as shown in the figure to constitute one optical device.

なお、対物レンズ902、接眼レンズ901、及び、プリズム404、二等辺直角プリズム405、ミラー406及び可変形状鏡の各面は、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、微分不可能な点又は線を有する面等、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。   Note that each surface of the objective lens 902, the eyepiece lens 901, the prism 404, the isosceles right angle prism 405, the mirror 406, and the deformable mirror does not have to be a flat surface. Spherical surface, plane, rotationally symmetric aspherical surface, aspherical surface having a symmetric surface, aspherical surface having only one symmetric surface, aspherical surface without a symmetric surface, free-form surface, non-differentiable point or line The surface may have any shape, such as a surface having any of the above, and may be a surface that can affect the light in any way, whether it is a reflective surface or a refractive surface. Hereinafter, these surfaces are collectively referred to as an extended curved surface.

また、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おり、これにより、観察者の視度に合わせたピント調整ができるだけでなく、さらに、レンズ901,902及び/又はプリズム404、二等辺直角プリズム405、ミラー406の温度や湿度変化による変形や屈折率の変化、あるいは、レンズ枠の伸縮や変形及び光学素子、枠等の部品の組立誤差による結像性能の低下が抑制され、常に適正にピント調整並びにピント調整で生じた収差の補正が行われ得る。
なお、電極409bの形は、例えば図3、図4に示すように、薄膜409aの変形のさせ方に応じて選べばよい。
The thin film 409a is, for example, edited by P. Rai-choudhury, Handbook of Michrolithography, Michromachining and Michrofabrication, Volume 2: Michromachining and Michrofabrication, P495, Fig.8.58, published by SPIE PRESS, Volume 140 (1997) P187. ˜190, when a voltage is applied between the plurality of electrodes 409b, the thin film 409a is deformed by electrostatic force and its surface shape changes, As a result, not only can the focus be adjusted in accordance with the diopter of the observer, but also the lens 901, 902 and / or the prism 404, the isosceles right angle prism 405, the mirror 406 are deformed or the refractive index is changed due to temperature or humidity changes. Or, the lens frame expansion and contraction and deformation, and the degradation of the imaging performance due to assembly errors of parts such as optical elements and frames are suppressed. Correction of aberration caused by the preparative adjustment may be performed.
In addition, what is necessary is just to select the shape of the electrode 409b according to how to deform | transform the thin film 409a, as shown, for example in FIG. 3, FIG.

本実施例によれば、物体からの光は、対物レンズ902及びプリズム404の各入射面と射出面で屈折され、可変形状鏡409で反射され、プリズム404を透過して、二等辺直角プリズム405でさらに反射され(図1中、光路中の+印は、紙面の裏側へ向かって光線が進むことを示している。)、ミラー406で反射され、接眼レンズ901を介して眼に入射するようになっている。このように、レンズ901,902、プリズム404,405、及び、可変形状鏡409によって、本発明実施例である観察光学系を構成しており、これらの各光学素子の面形状と肉厚を最適化することにより、物体面の収差を最小にすることができるようになっている。   According to the present embodiment, the light from the object is refracted by the entrance and exit surfaces of the objective lens 902 and the prism 404, reflected by the deformable mirror 409, transmitted through the prism 404, and isosceles right angle prism 405. (The + mark in the optical path in FIG. 1 indicates that the light beam travels toward the back side of the paper surface), is reflected by the mirror 406, and enters the eye via the eyepiece 901. It has become. As described above, the lenses 901 and 902, the prisms 404 and 405, and the deformable mirror 409 constitute the observation optical system according to the embodiment of the present invention, and the surface shape and thickness of each of these optical elements are optimized. As a result, the aberration of the object surface can be minimized.

すなわち、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411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及び距離サンサー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による結像性能の低下を補償すべく、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、可変抵抗器411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るため、その形状は状況により非球面を含む様々な形状をとる。なお、距離センサー417はなくてもよく、その場合、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、デジタルカメラの撮像レンズ403を動かし、その位置から逆に物体距離を算出し、可変形状鏡409を変形させて観察者の眼にピントが合うようにすればよい。   That is, the shape of the thin film 409a as the reflecting surface is controlled by changing the resistance value of each variable resistor 411 by a signal from the arithmetic unit 414 so that the imaging performance is optimized. That is, a signal having a magnitude corresponding to the ambient temperature, humidity, and distance to the object is input from the temperature sensor 415, the humidity sensor 416, and the distance sensor 417 to the arithmetic device 414, and the arithmetic device 414 is based on these input signals. The resistance value of the variable resistor 411 is set so that a voltage that determines the shape of the thin film 409a is applied to the electrode 409b in order to compensate for a decrease in imaging performance due to the ambient temperature and humidity conditions and the distance to the object. Outputs a signal for determination. As described above, since the thin film 409a is deformed by the voltage applied to the electrode 409b, that is, electrostatic force, the shape thereof takes various shapes including an aspherical surface depending on the situation. The distance sensor 417 may not be provided. In that case, the imaging lens 403 of the digital camera is moved so that the high-frequency component of the image signal from the solid-state imaging device 408 becomes substantially maximum, and the object distance is reversed from the position. And the deformable mirror 409 is deformed to focus on the observer's eyes.

可変形状鏡409はリソグラフィーを用いて作ると加工精度が良く、良い品質のものが得られやすく、好ましい。   When the deformable mirror 409 is made by lithography, the processing accuracy is good and a good quality is easily obtained, which is preferable.

また、薄膜409aをポリイミド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。なお、プリズム404と可変形状鏡409を一体的に形成してユニット化すると組み立て上便利である。   In addition, if the thin film 409a is made of a synthetic resin such as polyimide, it is convenient because a large deformation is possible even at a low voltage. In addition, it is convenient in assembly if the prism 404 and the deformable mirror 409 are integrally formed to form a unit.

図1の例では、変形する基板409jを挟んで反射面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メリットがある。また、反射面409aで変形する電極409kを兼ねるようにしても良い。両者が1つになるので、構造が簡単になるメリットがある。   In the example of FIG. 1, since the reflecting surface 409a and the deforming electrode 409k are separately provided and integrated with the deforming substrate 409j interposed therebetween, there is an advantage that several manufacturing methods can be selected. In addition, the electrode 409k that is deformed by the reflecting surface 409a may also be used. Since both become one, there is an advantage that the structure is simplified.

また、図示を省略したが、可変形状鏡409の基板409j上に固体撮像素子408をリソグラフィープロセスにより一体的に形成してもよい。   Although not shown, the solid-state imaging device 408 may be integrally formed on the substrate 409j of the deformable mirror 409 by a lithography process.

また、レンズ901,902、プリズム404,405、ミラー406は、プラスチックモールド等で形成することにより任意の所望形状の曲面を容易に形成することができ、製作も簡単である。なお、本実施例の撮像装置では、レンズ901,902がプリズム404から離れて形成されているが、レンズ901,902を設けることなく収差を除去することができるように、プリズム404,405、ミラー406、可変形状鏡409を設計すれば、プリズム404,405、可変形状鏡409は1つの光学ブロックとなり、組立が容易となる。また、レンズ901,902、プリズム404,405、ミラー406の一部あるいは全部をガラスで作製してもよく、このように構成すれば、さらに精度の良い撮像装置が得られる。可変形状鏡409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。   The lenses 901 and 902, the prisms 404 and 405, and the mirror 406 can be easily formed with a curved surface having an arbitrary desired shape by forming them with a plastic mold or the like. In the imaging apparatus of the present embodiment, the lenses 901 and 902 are formed away from the prism 404. However, the prisms 404 and 405, the mirrors can be removed so that aberrations can be removed without providing the lenses 901 and 902. If the 406 and the deformable mirror 409 are designed, the prisms 404 and 405 and the deformable mirror 409 become one optical block, which facilitates assembly. Further, some or all of the lenses 901 and 902, the prisms 404 and 405, and the mirror 406 may be made of glass. With such a configuration, an imaging device with higher accuracy can be obtained. The shape of the reflecting surface of the deformable mirror 409 is preferably a free-form surface. This is because aberration correction is easy and advantageous.

なお、図1の例では、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形状鏡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、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を省き、観察者の視度変化のみを可変形状鏡409で補正するようにしてもよい。   In the example of FIG. 1, the arithmetic device 414, the temperature sensor 415, the humidity sensor 416, and the distance sensor 417 are provided, and the temperature and humidity change, the change of the object distance, etc. are compensated by the deformable mirror 409. It does not have to be. In other words, the arithmetic device 414, the temperature sensor 415, the humidity sensor 416, and the distance sensor 417 may be omitted, and only the observer's diopter change may be corrected by the deformable mirror 409.

図2は本発明にかかる可変形状鏡409の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3に示すように、同心分割であってもよいし、図4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2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。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing another embodiment of the deformable mirror 409 according to the present invention.
In the deformable mirror of this embodiment, a piezoelectric element 409c is interposed between a thin film 409a and an electrode 409b, and these are provided on a support base 423. Then, by changing the voltage applied to the piezoelectric element 409c for each electrode 409b, the piezoelectric element 409c can be partially expanded and contracted to change the shape of the thin film 409a. The shape of the electrode 409b may be a concentric division as shown in FIG. 3, a rectangular division as shown in FIG. 4, or any other appropriate shape can be selected. . In FIG. 2, reference numeral 424 denotes a shake sensor connected to the arithmetic device 414. For example, the arithmetic device detects the shake of the digital camera and deforms the thin film 409a so as to compensate for the image disturbance caused by the shake. The voltage applied to the electrode 409b via 414 and the variable resistor 411 is changed. At this time, signals from the temperature sensor 415, the humidity sensor 416, and the distance sensor 417 are simultaneously considered, and focusing, temperature / humidity compensation, and the like are performed. In this case, since stress accompanying deformation of the piezoelectric element 409c is applied to the thin film 409a, it is preferable that the thin film 409a is made thick to some extent and has a corresponding strength.

図5は本発明にかかる可変形状鏡409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' で構成されている点で、図2に示された実施例の可変形状鏡とは異なる。すなわち、圧電素子409cと409c' 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2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。
FIG. 5 is a schematic diagram showing still another embodiment of the deformable mirror 409 according to the present invention.
The deformable mirror of this embodiment is composed of two piezoelectric elements 409c and 409c 'in which a piezoelectric element interposed between a thin film 409a and an electrode 409b is made of a material having piezoelectric characteristics in opposite directions. This is different from the deformable mirror of the embodiment shown in FIG. That is, if the piezoelectric elements 409c and 409c ′ are made of a ferroelectric crystal, they are arranged so that the directions of the crystal axes are opposite to each other. In this case, since the piezoelectric elements 409c and 409c 'expand and contract in the opposite direction when a voltage is applied, the force for deforming the thin film 409a is stronger than in the embodiment shown in FIG. There is an advantage that the shape can be changed greatly.

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、PbZrO3 とPbTiO3 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409aの形状を適切に変形させることも可能である。 Examples of materials used for the piezoelectric elements 409c and 409c 'include piezoelectric substances such as barium titanate, Rossiel salt, crystal, tourmaline, potassium dihydrogen phosphate (KDP), ammonium dihydrogen phosphate (ADP), and lithium niobate. There are polycrystals of the same material, crystals of the same material, piezoelectric ceramics of solid solution of PbZrO 3 and PbTiO 3 , organic piezoelectric materials such as polyvinyl difluoride (PVDF), ferroelectrics other than the above, etc., especially organic A piezoelectric material is preferable because it has a small Young's modulus and can be deformed greatly even at a low voltage. When these piezoelectric elements are used, it is possible to appropriately deform the shape of the thin film 409a in the above embodiment if the thickness is made non-uniform.

また、圧電素子409c,409c' 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。   The material of the piezoelectric elements 409c and 409c ′ includes polyurethane, silicone rubber, acrylic elastomer, PZT, PLZT, polyvinylidene fluoride (PVDF), and other high molecular piezoelectric materials, vinylidene cyanide copolymer, vinylidene fluoride, and triethylene. A copolymer of fluoroethylene or the like is used.

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。   When an organic material having piezoelectricity, a synthetic resin having piezoelectricity, an elastomer having piezoelectricity, or the like is used, a large deformation of the deformable mirror surface may be realized.

なお、図2、図6の圧電素子409c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409cを別の基板409c−1と電歪材料409c−2を貼り合わせた構造にしてもよい。   2 and 6, when an electrostrictive material such as acrylic elastomer or silicon rubber is used, the piezoelectric element 409c is bonded to another substrate 409c-1 and the electrostrictive material 409c-2. It may be a different structure.

図6は本発明にかかる可変形状鏡409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、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間に演算装置414により制御される駆動回路425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425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。
FIG. 6 is a schematic diagram showing still another embodiment of the deformable mirror 409 according to the present invention.
In the deformable mirror of this embodiment, the piezoelectric element 409c is sandwiched between the thin film 409a and the electrode 409d, and a voltage is applied between the thin film 409a and the electrode 409d via the drive circuit 425 controlled by the arithmetic unit 414. In addition, separately from this, a voltage is also applied to the electrode 409b provided on the support base 423 via the drive circuit 425 controlled by the arithmetic unit 414. Therefore, in this embodiment, the thin film 409a can be deformed doubly by the voltage applied between the electrode 409d and the electrostatic force generated by the voltage applied to the electrode 409b. Therefore, there are advantages that more deformation patterns are possible and that the responsiveness is fast.

そして、薄膜409a、電極409d間の電圧の符号を変えれば、可変形状鏡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6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。   If the sign of the voltage between the thin film 409a and the electrode 409d is changed, the deformable mirror can be deformed into a convex surface and a concave surface. In that case, a large deformation may be performed by a piezoelectric effect, and a minute shape change may be performed by an electrostatic force. Further, the piezoelectric effect may be mainly used for the deformation of the convex surface, and the electrostatic force may be mainly used for the deformation of the concave surface. Note that the electrode 409d may be composed of a plurality of electrodes like the electrode 409b. This situation is shown in FIG. In the present application, the piezoelectric effect, the electrostrictive effect, and the electrostriction are collectively referred to as the piezoelectric effect. Therefore, an electrostrictive material is also included in the piezoelectric material.

図7は本発明にかかる可変形状鏡409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、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、可変形状鏡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は反発又は吸着され、基板409e及び薄膜409aを変形させる。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing still another embodiment of the deformable mirror 409 according to the present invention.
The deformable mirror of the present embodiment can change the shape of the reflecting surface using electromagnetic force. A permanent magnet 426 is provided on the inner bottom surface of the support base 423, and silicon nitride is provided on the top surface. Alternatively, a peripheral portion of a substrate 409e made of polyimide or the like is placed and fixed, and a thin film 409a made of a metal coat such as aluminum is attached to the surface of the substrate 409e to constitute a deformable mirror 409. . A plurality of coils 427 are disposed on the lower surface of the substrate 409e, and these coils 427 are each connected to the arithmetic unit 414 via a drive circuit 428. Accordingly, an appropriate current is supplied from each drive circuit 428 to each coil 427 by an output signal from the arithmetic unit 414 corresponding to a change in the optical system required by the arithmetic unit 414 based on signals from the sensors 415, 416, 417, and 424. Is supplied, each coil 427 is repelled or attracted by an electromagnetic force acting between the permanent magnet 426 and deforms the substrate 409e and the thin film 409a.

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。   In this case, each coil 427 can flow a different amount of current. Further, the number of the coils 427 may be one, or the permanent magnet 426 may be attached to the substrate 409e and the coil 427 may be provided on the inner bottom surface side of the support base 423. The coil 427 may be made by a technique such as lithography, and the coil 427 may contain an iron core made of a ferromagnetic material.

この場合、薄膜コイル427の巻密度を、図8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。   In this case, as shown in FIG. 8, the winding density of the thin film coil 427 may be a coil 428 ′ that is changed depending on the location, so that the substrate 409e and the thin film 409a can be given desired deformation. One coil 427 may be provided, and an iron core made of a ferromagnetic material may be inserted into these coils 427.

図9は本発明にかかる可変形状鏡409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、薄膜コイルを設けなくても済むから、構造が簡単で、製造コストを低減させることができる。また、電源スイッチ413を切換え兼電源開閉用スイッチに置換すれば、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。
FIG. 9 is a schematic diagram showing still another embodiment of the deformable mirror 409 according to the present invention.
In the deformable mirror of this embodiment, the substrate 409e is made of a ferromagnetic material such as iron, and the thin film 409a as a reflective film is made of aluminum or the like. In this case, since it is not necessary to provide a thin film coil, the structure is simple and the manufacturing cost can be reduced. If the power switch 413 is replaced with a switching / power switch, the direction of the current flowing in the coil 427 can be changed, and the shapes of the substrate 409e and the thin film 409a can be freely changed.

図10は本実施例におけるコイル427の配置を示し、図11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7に示した実施例にも適用することができる。なお、図12は、図7に示した実施例において、コイル427の配置を図11に示したようにした場合に適する永久磁石426の配置を示している。すなわち、図12に示すように、永久磁石426を放射状に配置すれば、図7に示した実施例に比べて、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7及び図9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。   FIG. 10 shows the arrangement of the coil 427 in this embodiment, and FIG. 11 shows another arrangement example of the coil 427, but these arrangements can also be applied to the embodiment shown in FIG. FIG. 12 shows an arrangement of permanent magnets 426 that is suitable when the arrangement of the coil 427 is as shown in FIG. 11 in the embodiment shown in FIG. That is, as shown in FIG. 12, if the permanent magnets 426 are arranged radially, a subtle deformation can be given to the substrate 409e and the thin film 409a as compared with the embodiment shown in FIG. Further, in the case where the substrate 409e and the thin film 409a are deformed by using the electromagnetic force as described above (the embodiment shown in FIGS. 7 and 9), there is an advantage that it can be driven at a lower voltage than the case where the electrostatic force is used.

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6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、電磁波等のうちから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。   Although several embodiments of the deformable mirror have been described above, two or more kinds of forces may be used to change the shape of the mirror as shown in the example of FIG. That is, the deformable mirror may be deformed by simultaneously using two or more of electrostatic force, electromagnetic force, piezoelectric effect, magnetostriction, fluid pressure, electric field, magnetic field, temperature change, electromagnetic wave, and the like. That is, if the optical characteristic variable optical element is made by using two or more different driving methods, large deformation and fine deformation can be realized at the same time, and an accurate mirror surface can be realized.

図13は本発明のさらに他の実施例に係る、光学装置に適用可能な可変形状鏡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。   FIG. 13 shows an imaging system using a deformable mirror 409 applicable to an optical apparatus according to still another embodiment of the present invention, such as a digital camera for a mobile phone, a capsule endoscope, an electronic endoscope, a digital for a personal computer. It is a schematic block diagram of the imaging system used for a camera, a digital camera for PDAs, etc.

本実施例の撮像系は、可変形状鏡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902を通った物体からの光は可変形状鏡409で集光され、固体撮像素子408の上に結像する。可変形状鏡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。   In the imaging system of this embodiment, the deformable mirror 409, the lens 902, the solid-state imaging device 408, and the control system 103 constitute one imaging unit 104. In the imaging unit 104 of this embodiment, the light from the object that has passed through the lens 902 is collected by the deformable mirror 409 and forms an image on the solid-state imaging device 408. The deformable mirror 409 is a kind of optical characteristic variable optical element and is also called a variable focus mirror.

本実施例によれば、物体距離が変わっても可変形状鏡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、可変形状鏡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。   According to this embodiment, even if the object distance changes, it is possible to focus by deforming the deformable mirror 409, it is not necessary to drive the lens with a motor or the like, and the size, weight, and power consumption are reduced. Excellent in terms of conversion. The imaging unit 104 can be used in all embodiments as an imaging system of the present invention. Also, by using a plurality of deformable mirrors 409, it is possible to make a zoom and variable magnification imaging system and optical system.

なお、図13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。昇圧回路は本発明のすべての電気を用いる可変形状鏡、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形状鏡、可変焦点レンズに有用である。なお、可変形状鏡409でピント合わせを行うためには、例えば、固体撮像素子408に物体像を結像させ可変形状鏡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、例えば、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。   FIG. 13 shows a configuration example of a control system including a transformer booster circuit using coils in the control system 103. In particular, when a laminated piezoelectric transformer is used, the size can be reduced. The booster circuit can be used for the variable shape mirror and variable focus lens using all the electricity of the present invention, but is particularly useful for the variable shape mirror and variable focus lens when using electrostatic force and piezoelectric effect. In order to perform focusing with the deformable mirror 409, for example, the object image is formed on the solid-state image sensor 408 and the high frequency component of the object image is maximized while changing the focal length of the deformable mirror 409. Find it. In order to detect the high-frequency component, for example, a processing apparatus including a microcomputer or the like may be connected to the solid-state imaging device 408, and the high-frequency component may be detected therein.

図14は本発明の可変形状鏡のさらに他の実施例に係る、マイクロポンプ180で流体161を出し入れし、ミラー面を変形させる可変形状鏡188の概略構成図である。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メリットがある。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。   FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a deformable mirror 188 in which a fluid 161 is taken in and out by a micropump 180 and a mirror surface is deformed according to still another embodiment of the deformable mirror of the present invention. According to this embodiment, there is an advantage that the mirror surface can be greatly deformed. The micropump 180 is a small-sized pump made by, for example, a micromachine technique, and is configured to move with electric power. Examples of pumps made with micromachine technology include those using thermal deformation, those using piezoelectric materials, and those using electrostatic forces.

図15は本発明に適用可能なマイクロポンプの一実施例を示す概略構成図である。本実施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15では静電気力により振動する例を示しており、図15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。   FIG. 15 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a micropump applicable to the present invention. In the micropump 180 of the present embodiment, the vibration plate 181 vibrates by an electric force such as an electrostatic force or a piezoelectric effect. FIG. 15 shows an example of vibration due to electrostatic force. In FIG. 15, reference numerals 182 and 183 denote electrodes. A dotted line indicates the diaphragm 181 when it is deformed. With the vibration of the diaphragm 181, the two valves 184 and 185 are opened and closed to send the fluid 161 from the right to the left.

本実施例の可変形状鏡188では、反射膜189が流体161の量に応じて凹凸に変形することで、可変形状鏡として機能する。可変形状鏡188は流体161で駆動されている。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。   In the deformable mirror 188 of this embodiment, the reflective film 189 functions as a deformable mirror by being deformed into irregularities according to the amount of the fluid 161. The deformable mirror 188 is driven by the fluid 161. As the fluid, organic substances such as silicon oil, air, water, jelly, and inorganic substances can be used.

なお、静電気力、圧電効果を用いた可変形状鏡、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13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。   Note that a high voltage may be required for driving in a deformable mirror, a variable focus lens, or the like using electrostatic force or a piezoelectric effect. In this case, for example, as shown in FIG. 13, the control system may be configured using a boosting transformer, a piezoelectric transformer, or the like.

また、反射用の薄膜409aは、変形しない部分にも設けておくと、可変形状鏡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。   In addition, if the reflective thin film 409a is also provided in a portion that is not deformed, it can be conveniently used as a reference surface when measuring the shape of the deformable mirror with an interferometer or the like.

図16(図18)は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。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とを有し、入射光を第1,第2のレンズ512a,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に交流電界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。   FIG. 16 (FIG. 18) is a diagram showing the basic configuration of the variable focus lens according to the present invention. The variable focus lens 511 includes a first lens 512a having lens surfaces 508a and 508b as first and second surfaces, and a second lens having lens surfaces 509a and 509b as third and fourth surfaces. 512b and a polymer-dispersed liquid crystal layer 514 provided between these lenses via transparent electrodes 513a and 513b, and converges incident light through the first and second lenses 512a and 512b. The transparent electrodes 513a and 513b are connected to an AC power source 516 via a switch 515 so as to selectively apply an AC electric field to the polymer dispersed liquid crystal layer 514. The polymer-dispersed liquid crystal layer 514 includes a large number of minute polymer cells 518 each having an arbitrary shape such as a sphere or a polyhedron each containing liquid crystal molecules 517, and the volume thereof constitutes the polymer cell 518. To the sum of the volume occupied by the polymer and the liquid crystal molecules 517.

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 …(1)
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。
Here, when the size of the polymer cell 518 is, for example, spherical, when the average diameter D is λ, and the wavelength of light to be used is, for example,
2nm ≦ D ≦ λ / 5 (1)
And That is, since the size of the liquid crystal molecules 517 is about 2 nm or more, the lower limit value of the average diameter D is 2 nm or more. The upper limit of D also depends on the thickness t of the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 in the optical axis direction of the variable focus lens 511, but if it is larger than λ, the refractive index of the polymer and the liquid crystal molecules 517 Due to the difference from the refractive index, light is scattered at the boundary surface of the polymer cell 518 and the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 becomes opaque. Therefore, as described later, it is preferably λ / 5 or less. Depending on the optical product in which the variable focus lens is used, high accuracy may not be required, and D may be equal to or less than λ. The transparency of the polymer dispersed liquid crystal layer 514 becomes worse as the thickness t increases.

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17に示すような形状となり、
ox=noy=no …(2)
である。ただし、no は常光線の屈折率を示し、noxおよびnoy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。
As the liquid crystal molecules 517, for example, uniaxial nematic liquid crystal molecules are used. The refractive index ellipsoid of the liquid crystal molecules 517 has a shape as shown in FIG.
n ox = n oy = n o ... (2)
It is. However, n o is the refractive index of an ordinary ray, n ox and n oy are refractive indices in directions perpendicular to each other in a plane including an ordinary ray.

ここで、図16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18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に交流電界を印加すると、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。   Here, as shown in FIG. 16, when the switch 515 is turned off, that is, when an electric field is not applied to the polymer dispersed liquid crystal layer 514, the liquid crystal molecules 517 are directed in various directions. The layer 514 has a high refractive index and becomes a lens having a strong refractive power. On the other hand, as shown in FIG. 18, when the switch 515 is turned on and an AC electric field is applied to the polymer dispersed liquid crystal layer 514, the major axis direction of the refractive index ellipsoid is the optical axis of the variable focus lens 511. Therefore, the lens has a low refractive index and a low refractive power.

なお、高分子分散液晶層514に印加する電圧は、例えば、図19に示すように、可変抵抗器519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。   Note that the voltage applied to the polymer dispersed liquid crystal layer 514 can be changed stepwise or continuously by a variable resistor 519 as shown in FIG. 19, for example. In this way, as the applied voltage increases, the liquid crystal molecules 517 are oriented so that the elliptical long axis gradually becomes parallel to the optical axis of the variable focus lens 511, so that the refractive power is stepwise or continuous. Can be changed to

ここで、図16に示す状態、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の、液晶分子517の平均屈折率nLC' は、図17に示すように屈折率楕円体の長軸方向の屈折率をnz とすると、およそ
(nox+noy+nz )/3≡nLC' …(3)
となる。また、上記(2) 式が成り立つときの平均屈折率nLCは、nz を異常光線の屈折率ne と表して、
(2no +ne )/3≡nLC …(4)
で与えられる。このとき、高分子分散液晶層514の屈折率nA は、高分子セル518を構成する高分子の屈折率をnP 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、
A =ff・nLC' +(1−ff)nP …(5)
で与えられる。
Here, the average refractive index n LC ′ of the liquid crystal molecules 517 in the state shown in FIG. 16, that is, in the state where no electric field is applied to the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 is the major axis of the refractive index ellipsoid as shown in FIG. When the refractive index in the direction is nz, approximately (n ox + n oy + nz ) / 3≡n LC ′ (3)
It becomes. Moreover, average refractive index n LC when equation (2) is satisfied, it represents a n z the refractive index n e of the extraordinary ray,
(2n o + n e) / 3≡n LC ... (4)
Given in. At this time, the refractive index nA of the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 is the refractive index of the polymer constituting the polymer cell 518, and n P is the volume ratio of the liquid crystal molecules 517 to the volume of the polymer-dispersed liquid crystal layer 514. ff, Maxwell Garnet's law
n A = ff · n LC '+ (1-ff) n P (5)
Given in.

したがって、図19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R1 およびR2 とすると、可変焦点レンズ511の焦点距離f1 は、
1/f1 =(nA −1)(1/R1 −1/R2 ) …(6)
で与えられる。なお、R1 およびR2 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のみによるレンズの焦点距離が、(6) 式で与えられる。
Accordingly, as shown in FIG. 19, when the curvature radii of the inner surfaces of the lenses 512a and 512b, that is, the surfaces on the polymer dispersed liquid crystal layer 514 side are R 1 and R 2 respectively, the focal length f of the variable focus lens 511 1 is
1 / f 1 = (n A −1) (1 / R 1 −1 / R 2 ) (6)
Given in. R 1 and R 2 are positive when the center of curvature is on the image point side. Further, refraction by the outer surfaces of the lenses 512a and 512b is excluded. That is, the focal length of the lens by only the polymer dispersed liquid crystal layer 514 is given by the equation (6).

また、常光線の平均屈折率を、
(nox+noy)/2=no ' …(7)
とすれば、図18に示す状態、すなわち高分子分散液晶層514に電界を印加した状態での、高分子分散液晶層514の屈折率nB は、
B =ff・no ' +(1−ff)nP …(8)
で与えられるので、この場合の高分子分散液晶層514のみによるレンズの焦点距離f2 は、
1/f2 =(nB −1)(1/R1 −1/R2 ) …(9)
で与えられる。なお、高分子分散液晶層514に、図18におけるよりも低い電圧を印加する場合の焦点距離は、(6) 式で与えられる焦点距離f1 と、(9) 式で与えられる焦点距離f2 との間の値となる。
In addition, the average refractive index of ordinary light,
(N ox + n oy) / 2 = n o '... (7)
Then, the refractive index n B of the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 in the state shown in FIG. 18, that is, the state in which an electric field is applied to the polymer-dispersed liquid crystal layer 514, is
n B = ff · n o ' + (1-ff) n P ... (8)
In this case, the focal length f 2 of the lens formed only by the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 is
1 / f 2 = (n B −1) (1 / R 1 −1 / R 2 ) (9)
Given in. Note that the focal length when a voltage lower than that in FIG. 18 is applied to the polymer dispersed liquid crystal layer 514 is the focal length f 1 given by equation (6) and the focal length f 2 given by equation (9). It becomes a value between.

上記(6) および(9) 式から、高分子分散液晶層514による焦点距離の変化率は、
|(f2 −f1 )/f2 |=|(nB −nA )/(nB −1)| …(10)
で与えられる。したがって、この変化率を大きくするには、|nB −nA |を大きくすればよい。ここで、
B −nA =ff(no ' −nLC' ) …(11)
であるから、|no ' −nLC' |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、nB が、1.3〜2程度であるから、
0.01≦|no ' −nLC' |≦10 …(12)
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、|no ' −nLC' |は、液晶物質の制限から、10を越えることはできない。
From the above formulas (6) and (9), the change rate of the focal length by the polymer dispersed liquid crystal layer 514 is
| (F 2 −f 1 ) / f 2 | = | (n B −n A ) / (n B −1) | (10)
Given in. Therefore, in order to increase this rate of change, it is sufficient to increase | n B −n A |. here,
n B -n A = ff (n o '-n LC') ... (11)
Since it is, | n o '-n LC' | if the large, it is possible to increase the change rate. In practice, n B is from is about 1.3 to 2,
0.01 ≦ | no′− n LC ′ | ≦ 10 (12)
Then, when ff = 0.5, the focal length of the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 can be changed by 0.5% or more, so that an effective variable focus lens can be obtained. Note that | n o '−n LC ' | cannot exceed 10 due to the limitation of the liquid crystal substance.

次に、上記(1) 式の上限値の根拠について説明する。「Solar Energy Material s 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、nP =1.45、nLC=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。 Next, the basis of the upper limit value of the above equation (1) will be described. `` Solar Energy Materials and Solar Cells '' Vol. 31, Wilson and Eck, 1993, Eleevier Science Publishers Bv, pp. 197-214, `` Transmission variation using scattering / transparent switching films '' The change in the transmittance τ when the value is changed is shown. Further, in page 206 of FIG. 6 and FIG. 6, r is the radius of the polymer dispersed liquid crystal, t = 300 μm, ff = 0.5, n P = 1.45, n LC = 1.585, λ = When 500 nm, the transmittance τ is a theoretical value, and when τ = 5 nm (D = λ / 50, D · t = λ · 6 μm (where D and λ are in nm, and the same applies below)) It is shown that ≈90%, and τ≈50% when r = 25 nm (D = λ / 10).

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。   Here, for example, assuming that t = 150 μm, assuming that the transmittance τ varies with an exponential function of t, and estimating the transmittance τ when t = 150 μm, r = When 25 nm (D = λ / 10, D · t = λ · 15 μm), τ≈71%. Similarly, when t = 75 μm, τ≈80% when r = 25 nm (D = λ / 10, D · t = λ · 7.5 μm).

これらの結果から、
D・t≦λ・15μm …(13)
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。
From these results,
D ・ t ≦ λ ・ 15μm (13)
Then, τ is 70% to 80% or more, and it is sufficiently practical as a lens. Therefore, for example, when t = 75 μm, sufficient transmittance can be obtained with D ≦ λ / 5.

また、高分子分散液晶層514の透過率は、nP の値がnLC' の値に近いほど良くなる。一方、no ' とnP 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16の状態と図18の状態とで、平均して高分子分散液晶層514の透過率が良くなるのは、
P =(no ' +nLC' )/2 …(14)
を満足するときである。
Further, the transmittance of the polymer dispersed liquid crystal layer 514 becomes better as the value of n P is closer to the value of n LC ′. On the other hand, when the n o 'and n P are different values, the transmittance of the liquid crystal layer 514 will be degraded. In the state of FIG. 16 and the state of FIG. 18, the transmittance of the polymer dispersed liquid crystal layer 514 is improved on average.
n P = (n o '+ n LC ') / 2 (14)
When you are satisfied.

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16の状態でも、図18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、
o ' ≦nP ≦nLC' …(15)
とすればよい。
Here, since the variable focus lens 511 is used as a lens, the transmittance is almost the same in both the state of FIG. 16 and the state of FIG. For this purpose, there are limitations on the polymer material and the liquid crystal molecule 517 constituting the polymer cell 518.
n o ′ ≦ n P ≦ n LC ′ (15)
And it is sufficient.

上記(14)式を満足すれば、上記(13)式は、さらに緩和され、
D・t≦λ・60μm …(16)
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。
If the above equation (14) is satisfied, the above equation (13) is further relaxed,
D ・ t ≦ λ ・ 60μm (16)
If it is good. This is because, according to Fresnel's reflection law, the reflectance is proportional to the square of the difference in refractive index, so that light is reflected at the boundary between the polymer constituting the polymer cell 518 and the liquid crystal molecule 517, that is, polymer dispersion. This is because the decrease in the transmittance of the liquid crystal layer 514 is approximately proportional to the square of the difference in refractive index between the polymer and the liquid crystal molecules 517.

以上は、no ' ≒1.45、nLC' ≒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 /(nu −nP 2 …(17)
であればよい。ただし、(nu −nP 2 は、(nLC' −nP 2 と(no ' −nP 2 とのうち、大きい方である。
The above is the case of n o ′ = 1.45 and n LC ′ = 1.585.
D · t ≦ λ · 15 μm · (1.585−1.45) 2 / (n u −n P ) 2 (17)
If it is. However, (n u −n P ) 2 is the larger of (n LC ′ −n P ) 2 and (n o ′ −n P ) 2 .

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 …(18)
とする。一方、ffは、小さいほどτは向上するので、上記(17)式は、好ましくは、
4 ×10-6〔μm〕2 ≦D・t≦λ・45μm・(1.585−1.45)2/(nu −nP )2
…(19)
とする。なお、tの下限値は、図16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。
In order to increase the focal length change of the variable focus lens 511, it is better that the value of ff is large. However, when ff = 1, the polymer volume becomes zero and the polymer cell 518 cannot be formed.
0.1 ≦ ff ≦ 0.999 (18)
And On the other hand, as ff becomes smaller, τ improves, so the above equation (17) is preferably
4 × 10 -6 [μm] 2 ≦ D · t ≦ λ · 45μm · (1.585-1.45) 2 / (n u -n P) 2
… (19)
And As apparent from FIG. 16, the lower limit value of t is t = D, and D is 2 nm or more as described above. Therefore, the lower limit value of D · t is (2 × 10 −3 μm). 2 , that is, 4 × 10 −6 [μm] 2 .

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 …(20)
とする。
The approximation that expresses the optical properties of materials in terms of refractive index is valid if D is described in “Iwanami Science Library 8 Asteroids Come”, Masai Mukai, 1994, page 58 of Iwanami Shoten. This is the case when it is larger than 10 nm to 5 nm. On the other hand, when D exceeds 500λ, the light scattering becomes geometric, and the light scattering at the interface between the polymer constituting the polymer cell 518 and the liquid crystal molecules 517 increases according to the Fresnel reflection formula. Is practical
7 nm ≦ D ≦ 500λ (20)
And

図20は、図19に示す可変焦点レンズ511を用いたデジタルカメラ用の撮像光学系の構成を示すものである。この撮像光学系においては、物体(図示せず)の像を、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20では、液晶分子の図示を省略してある。   FIG. 20 shows a configuration of an imaging optical system for a digital camera using the variable focus lens 511 shown in FIG. In this imaging optical system, an image of an object (not shown) is formed on a solid-state imaging device 523 made of, for example, a CCD via a diaphragm 521, a variable focus lens 511, and a lens 522. In FIG. 20, illustration of liquid crystal molecules is omitted.

かかる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。   According to such an imaging optical system, the variable focus lens 511 is adjusted by changing the focal length of the variable focus lens 511 by adjusting the AC voltage applied to the polymer dispersed liquid crystal layer 514 of the variable focus lens 511 by the variable resistor 519. For example, it is possible to continuously focus on an object distance from infinity to 600 mm without moving the lens 522 in the optical axis direction.

図21は本発明にかかる可変焦点回折光学素子の一例の構成を示す図である。
こ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16で説明したと同様に、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に交流電界を印加するようにする。
FIG. 21 is a diagram showing a configuration of an example of a variable focus diffractive optical element according to the present invention.
The variable focus diffractive optical element 531 includes a first transparent substrate 532 having parallel first and second surfaces 532a and 532b, and a ring-shaped diffraction grating having a sawtooth wave cross section having a groove depth in the wavelength order of light. The second transparent substrate 533 having the third surface 533a and the flat fourth surface 533b is formed, and incident light is emitted through the first and second transparent substrates 532 and 533. As described with reference to FIG. 16, a polymer-dispersed liquid crystal layer 514 is provided between the first and second transparent substrates 532 and 533 via the transparent electrodes 513a and 513b, and the switch 515 is connected to the transparent electrodes 513a and 513b. Then, it is connected to an AC power source 516 so that an AC electric field is applied to the polymer dispersed liquid crystal layer 514.

かかる構成において、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、
psin θ=mλ …(21)
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533の屈折率をn33とし、kを整数とすると、
h(nA −n33)=mλ …(22)
h(nB −n33)=kλ …(23)
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。
In such a configuration, a light beam incident on the variable focus diffractive optical element 531 has a grating pitch of the third surface 533a as p and m is an integer.
psin θ = mλ (21)
It is deflected by an angle θ that satisfies the condition and emitted. Further, when the groove depth is h, the refractive index of the transparent substrate 533 is n 33, and k is an integer,
h (n A −n 33 ) = mλ (22)
h (n B −n 33 ) = kλ (23)
If the above condition is satisfied, the diffraction efficiency becomes 100% at the wavelength λ, and flare can be prevented.

ここで、上記(22)および(23)式の両辺の差を求めると、
h(nA −nB )=(m−k)λ …(24)
が得られる。したがって、例えば、λ=500nm、nA =1.55、nB =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n33は、上記(22)式から、n33=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。
Here, when the difference between both sides of the above equations (22) and (23) is obtained,
h (n A -n B ) = (m−k) λ (24)
Is obtained. Therefore, for example, if λ = 500 nm, n A = 1.55, and n B = 1.5, then 0.05 h = (m−k) · 500 nm, and m = 1, k = 0, h = 10000 nm. = 10 μm. In this case, the refractive index n 33 of the transparent substrate 533 may be n 33 = 1.5 from the above equation (22). If the grating pitch p at the periphery of the variable focus diffractive optical element 531 is 10 μm, θ≈2.87 °, and a lens with an F number of 10 can be obtained.

かかる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。   Since the optical path length of the variable focus diffractive optical element 531 changes depending on whether the voltage applied to the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 is turned on or off, for example, the variable focus diffractive optical element 531 is arranged in a portion where the light flux of the lens system is not parallel to adjust the focus. Or for changing the focal length of the entire lens system.

なお、この実施形態において、上記(22)〜(24)式は、実用上、
0.7mλ≦h(nA −n33)≦1.4mλ …(25)
0.7kλ≦h(nB −n33)≦1.4kλ …(26)
0.7(m−k)λ≦h(nA −nB )≦1.4(m−k)λ …(27)
を満たせば良い。
In this embodiment, the formulas (22) to (24) are practically
0.7 mλ ≦ h (n A −n 33 ) ≦ 1.4 mλ (25)
0.7 kλ ≦ h (n B −n 33 ) ≦ 1.4 kλ (26)
0.7 (m−k) λ ≦ h (n A −n B ) ≦ 1.4 (m−k) λ (27)
Should be satisfied.

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22および図23は、この場合の可変焦点眼鏡550の構成を示すものであり、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とを有して構成し、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に交流電界を印加するようにする。   There is also a variable focus lens using twisted nematic liquid crystal. FIGS. 22 and 23 show the configuration of the variable focus glasses 550 in this case. The variable focus lens 551 is provided on the inner surfaces of the lenses 552 and 553 and transparent lenses 513a and 513b, respectively. Alignment films 539a and 539b and a twisted nematic liquid crystal layer 554 provided between the alignment films. The transparent electrodes 513a and 513b are connected to an AC power source 516 via a variable resistor 519, and twisted. An AC electric field is applied to the nematic liquid crystal layer 554.

かかる構成において、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23に示すようにホメオトロピック配向となり、図22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。   In such a configuration, when the voltage applied to the twisted nematic liquid crystal layer 554 is increased, the liquid crystal molecules 555 are homeotropically aligned as shown in FIG. 23, and compared with the twisted nematic state where the applied voltage is low as shown in FIG. The refractive index of the twisted nematic liquid crystal layer 554 becomes small and the focal length becomes long.

ここで、図22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 …(28)
とする。なお、この条件の下限値は、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22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り、この上限値の条件を満たさないと、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、これがため二重像が形成されてぼけた像しか得られなくなる。
Here, the helical pitch P of the liquid crystal molecules 555 in the twisted nematic state shown in FIG. 22 needs to be the same or sufficiently smaller than the wavelength λ of light.
2nm ≦ P ≦ 2λ / 3 (28)
And The lower limit of this condition is determined by the size of the liquid crystal molecules, and the upper limit is a value necessary for the twisted nematic liquid crystal layer 554 to act as an isotropic medium in the state of FIG. 22 when the incident light is natural light. If the upper limit condition is not satisfied, the varifocal lens 551 has a different focal length depending on the polarization direction, and thus a double image is formed and only a blurred image can be obtained.

図24(a)は、本発明にかかる可変偏角プリズムの構成を示すものである。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16で説明したと同様に、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に交流電界を印加して、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24(a)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24(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るし、あるいは図21に示した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(21)〜(27)式が同様にあてはまる。   FIG. 24A shows the configuration of a variable deflection angle prism according to the present invention. The variable deflection prism 561 has a first transparent substrate 562 on the incident side having first and second surfaces 562a and 562b, and a parallel plate shape on the emission side having third and fourth surfaces 563a and 563b. And a second transparent substrate 563. The inner surface (second surface) 562b of the transparent substrate 562 on the incident side is formed in a Fresnel shape, and a transparent electrode is formed between the transparent substrate 562 and the transparent substrate 563 on the outgoing side, as described with reference to FIG. A polymer dispersed liquid crystal layer 514 is provided through 513a and 513b. The transparent electrodes 513a and 513b are connected to an AC power source 516 via a variable resistor 519, thereby applying an AC electric field to the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 to control the deflection angle of light transmitted through the variable deflection prism 561. To do. In FIG. 24A, the inner surface 562b of the transparent substrate 562 is formed in a Fresnel shape. For example, as shown in FIG. 24B, the inner surfaces of the transparent substrates 562 and 563 are relatively inclined. It can be formed in a normal prism shape having a surface, or can be formed in the diffraction grating shape shown in FIG. In the case of forming a diffraction grating, the above equations (21) to (27) are similarly applied.

かかる構成の可変偏角プリズム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25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24および図25では、液晶分子の図示を省略してある。   The variable deflection prism 561 having such a configuration can be effectively used for preventing blurring of, for example, a TV camera, a digital camera, a film camera, and binoculars. In this case, the refractive direction (deflection direction) of the variable deflection prism 561 is preferably the vertical direction, but in order to further improve the performance, the deflection directions of the two variable deflection prisms 561 are made different. For example, as shown in FIG. 25, it is desirable to arrange so that the refraction angle is changed in the vertical and horizontal directions. In FIGS. 24 and 25, liquid crystal molecules are not shown.

図26は本発明にかかる可変焦点レンズを用いた可変焦点ミラーを示すものである。この可変焦点ミラー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16で説明したと同様に、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に交流電界を印加するようにする。なお、図26では、液晶分子の図示を省略してある。   FIG. 26 shows a variable focus mirror using the variable focus lens according to the present invention. The variable focus mirror 565 includes a first transparent substrate 566 having first and second surfaces 566a and 566b, and a second transparent substrate 567 having third and fourth surfaces 567a and 567b. The first transparent substrate 566 is formed in a flat plate shape or a lens shape, and a transparent electrode 513a is provided on the inner surface (second surface) 566b. The second transparent substrate 567 has an inner surface (third surface) 567a. A reflective film 568 is formed on the concave surface, and a transparent electrode 513b is provided on the reflective film 568. As described with reference to FIG. 16, a polymer-dispersed liquid crystal layer 514 is provided between the transparent electrodes 513a and 513b, and these transparent electrodes 513a and 513b are connected to an AC power source 516 via a switch 515 and a variable resistor 519. Then, an AC electric field is applied to the polymer dispersed liquid crystal layer 514. In FIG. 26, liquid crystal molecules are not shown.

かかる構成によれば、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21に示したように回折格子状にして、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。   According to such a configuration, light incident from the transparent substrate 566 side serves as an optical path for folding the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 by the reflective film 568, so that the function of the polymer-dispersed liquid crystal layer 514 can be given twice. By changing the applied voltage to the polymer dispersed liquid crystal layer 514, the focal position of the reflected light can be changed. In this case, the light incident on the variable focus mirror 565 is transmitted twice through the polymer-dispersed liquid crystal layer 514. Therefore, if t is twice the thickness of the polymer-dispersed liquid crystal layer 514, the above formulas are the same. Can be used. Note that the inner surface of the transparent substrate 566 or 567 can be formed in a diffraction grating pattern as shown in FIG. 21 to reduce the thickness of the polymer dispersed liquid crystal layer 514. In this way, there is an advantage that scattered light can be reduced.

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、液晶に交流電界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界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。以上に示した実施形態において、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24(a)における透明基板563、図24(b)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。   In the above description, in order to prevent the deterioration of the liquid crystal, an AC electric field is applied to the liquid crystal using the AC power source 516 as a power source. However, a DC electric field is applied to the liquid crystal using a DC power source. You can also As a method of changing the direction of the liquid crystal molecules, in addition to changing the voltage, the frequency of the electric field applied to the liquid crystal, the strength / frequency of the magnetic field applied to the liquid crystal, or the temperature of the liquid crystal may be changed. In the embodiment described above, the polymer-dispersed liquid crystal may be close to solid rather than liquid. In that case, one of the lenses 512a and 512b, one of the transparent substrate 532, the lens 538, and one of the lenses 552 and 553, FIG. The transparent substrate 563 in (a), one of the transparent substrates 562 and 563 in FIG. 24B, and one of the transparent substrates 566 and 567 may be omitted.

以上、図16から図26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のメリットは、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、等である。   As described above, the merit of the optical element of the type in which the focal length of the optical element is changed by changing the refractive index of the medium as described in FIGS. 16 to 26 is that the mechanical design is easy because the shape does not change. There is a simple mechanical structure, etc.

図27は本発明の光学装置のさらに他の実施例に係る、可変焦点レンズ140を用いた撮像ユニット141の概略構成図である。撮像ユニット141は本発明の撮像系として用いることができる。
本実施例では、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、この撮像レンズと固体撮像素子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。
FIG. 27 is a schematic configuration diagram of an imaging unit 141 using a variable focus lens 140 according to still another embodiment of the optical apparatus of the present invention. The imaging unit 141 can be used as an imaging system of the present invention.
In the present embodiment, the lens 102 and the variable focus lens 140 constitute an imaging lens. The imaging lens 141 and the solid-state imaging device 408 constitute an imaging unit 141. The variable focus lens 140 is configured by sandwiching a fluid or jelly-like substance 144 that transmits light between a transparent member 142 and a soft transparent substance 143 such as a piezoelectric synthetic resin.

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。   As the fluid or jelly-like substance 144, silicon oil, elastic rubber, jelly, water, or the like can be used. Transparent electrodes 145 are provided on both surfaces of the transparent material 143. When a voltage is applied via the circuit 103, the transparent material 143 is deformed by the piezoelectric effect of the transparent material 143, and the focal length of the variable focus lens 140 is changed. It is like that.

従って、本実施例によれば、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。   Therefore, according to the present embodiment, even when the object distance is changed, focusing can be performed without moving the optical system with a motor or the like, which is excellent in terms of small size, light weight, and low power consumption.

なお、図27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。   In FIG. 27, 145 is a transparent electrode, and 146 is a cylinder for accumulating fluid. The material of the transparent material 143 includes polyurethane, silicone rubber, acrylic elastomer, PZT, PLZT, polyvinylidene fluoride (PVDF) and other high molecular piezoelectric materials, vinylidene cyanide copolymer, vinylidene fluoride and trifluoroethylene. A copolymer or the like is used.

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。   When an organic material having piezoelectricity, a synthetic resin having piezoelectricity, an elastomer having piezoelectricity, or the like is used, a large deformation of the varifocal lens surface may be realized. A transparent piezoelectric material may be used for the variable focus lens.

なお、図27の例で、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28に示すように、支援部材147を設けてシリンダー146を省略した構造にしてもよい。支援部材147は、間に透明電極145を挟んで、透明物質143の一部の周辺部分を固定している。本実施例によれば、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29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28、図29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。   In the example of FIG. 27, the varifocal lens 140 may have a structure in which the support member 147 is provided and the cylinder 146 is omitted, as shown in FIG. 28, instead of the cylinder 146. The support member 147 fixes a portion of the periphery of the transparent substance 143 with the transparent electrode 145 interposed therebetween. According to this embodiment, by applying a voltage to the transparent material 143, even when the transparent material 143 is deformed, as shown in FIG. 146 becomes unnecessary. 28 and 29, reference numeral 148 denotes a deformable member, which is made of an elastic body, an accordion-like synthetic resin, a metal, or the like.

図27、図28に示す実施例では、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。   In the embodiments shown in FIGS. 27 and 28, the transparent material 143 is deformed in the reverse direction when a voltage is applied in the reverse direction, so that a concave lens can be formed.

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。   Note that in the case where an electrostrictive material such as acrylic elastomer or silicon rubber is used for the transparent substance 143, the transparent substance 143 may have a structure in which a transparent substrate and an electrostrictive material are bonded to each other.

図30は本発明の可変焦点レンズのさらに他の実施例に係る、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167の概略構成図である。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30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。   FIG. 30 is a schematic configuration diagram of a variable focus lens 167 according to still another embodiment of the variable focus lens of the present invention, in which the fluid 161 is taken in and out by the micropump 160 to deform the lens surface. The micropump 160 is, for example, a small-sized pump made by a micromachine technique and is configured to move with electric power. The fluid 161 is sandwiched between the transparent substrate 163 and the elastic body 164. In FIG. 30, reference numeral 165 denotes a transparent substrate for protecting the elastic body 164, and it is not necessary to provide it.

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。   Examples of pumps made with micromachine technology include those using thermal deformation, those using piezoelectric materials, and those using electrostatic forces.

そして、図15で示したようなマイクロポンプ180を、例えば、図30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。   Then, two micropumps 180 as shown in FIG. 15 may be used, for example, like the micropump 160 used in the variable focus lens shown in FIG.

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にできてよい。   In a variable focus lens using an electrostatic force or a piezoelectric effect, a high voltage may be required for driving. In that case, the control system may be configured by using a step-up transformer or a piezoelectric transformer. In particular, when a laminated piezoelectric transformer is used, the size may be reduced.

図31は本発明にかかる光学特性可変光学素子の他の実施例であって、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。   FIG. 31 is a schematic configuration diagram of a variable focus lens 201 using a piezoelectric material 200 as another embodiment of the optical characteristic variable optical element according to the present invention. A material similar to the transparent material 143 is used for the piezoelectric material 200, and the piezoelectric material 200 is provided on a transparent and soft substrate 202. Note that a synthetic resin or an organic material is preferably used for the substrate 202.

本実施例においては、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31において凸レンズとしての作用を持っている。   In the present embodiment, the piezoelectric material 200 is deformed by applying a voltage to the piezoelectric material 200 via the two transparent electrodes 59, and has a function as a convex lens in FIG.

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32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、液溜が不要になるというメリットがある。   In addition, the shape of the substrate 202 is formed in a convex shape in advance, and the size of at least one of the two transparent electrodes 59 is different from that of the substrate 202. For example, one transparent electrode 59 is If it is made smaller than the substrate 202, when the voltage is turned off, as shown in FIG. 32, only a predetermined portion where the two transparent electrodes 59 are opposed to each other is deformed into a concave shape and has a function of a concave lens. Operates as a variable focus lens. At this time, since the substrate 202 is deformed so that the volume of the fluid 161 does not change, there is an advantage that a liquid reservoir becomes unnecessary.

本実施例では、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、液溜を不要としたところに大きなメリットがある。   In this embodiment, there is a great merit in that a part of the substrate holding the fluid 161 is deformed by a piezoelectric material and a liquid reservoir is not required.

なお、図30の実施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。   As can be said for the embodiment of FIG. 30, the transparent substrates 163 and 165 may be configured as a lens or a plane.

図33は本発明にかかる光学特性可変光学素子のさらに他の実施例であって、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。   FIG. 33 shows still another embodiment of the optical characteristic variable optical element according to the present invention, and is a schematic configuration diagram of a variable focus lens using two thin plates 200A and 200B made of a piezoelectric material.

本実施例の可変焦点レンズは、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メリットがある。   The variable focus lens of the present embodiment has an advantage that the amount of deformation is increased and a large variable focus range can be obtained by reversing the directionality of the materials of the thin plates 200A and 200B.

なお、図33中、204はレンズ形状の透明基板である。   In FIG. 33, reference numeral 204 denotes a lens-shaped transparent substrate.

本実施例においても、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。   Also in this embodiment, the transparent electrode 59 on the right side of the drawing is formed smaller than the substrate 202.

なお、図31〜図33の実施例において、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。   In the embodiment shown in FIGS. 31 to 33, the thickness of the substrate 202 and the thin plates 200, 200A, and 200B may be made non-uniform so as to control the deformation when a voltage is applied. By doing so, it is possible to correct aberrations of the lens, which is convenient.

図34は本発明にかかる可変焦点レンズ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。   FIG. 34 is a schematic diagram showing still another embodiment of the variable focus lens according to the present invention. The variable focus lens 207 of the present embodiment is configured using an electrostrictive material 206 such as silicon rubber or acrylic elastomer.

本実施例の構成によれば、電圧が低いときには、図34に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図35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。   According to the configuration of the present embodiment, when the voltage is low, it acts as a convex lens as shown in FIG. 34, and when the voltage is increased, as shown in FIG. The focal length increases. Therefore, it operates as a variable focus lens.

本実施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メリットがある。   According to the variable focus lens of this embodiment, there is an advantage that power consumption is small because a large power source is not required.

以上述べた図27から図35の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、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、等のメリットがある。   What can be said in common with the variable focus lens of FIGS. 27 to 35 described above is that the variable focus is realized by changing the shape of the medium acting as the lens. Compared to a variable focus lens that changes the refractive index, there are merits such that the range of change in focal length can be freely selected and the size can be freely selected.

図36は本発明にかかる光学特性可変光学素子のさらに他の実施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。本実施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を経由して光が照射されるようになっている。図36中、212,213はそれぞれ中心波長がλ1 ,λ2 の例えばLED、半導体レーザー等の光源である。 FIG. 36 is a schematic configuration diagram of a variable focus lens using a photomechanical effect, which is still another embodiment of the optical characteristic variable optical element according to the present invention. In the variable focus lens 214 of this embodiment, the azobenzene 210 is sandwiched between transparent elastic bodies 208 and 209, and the azobenzene 210 is irradiated with light via a transparent spacer 211. In FIG. 36, reference numerals 212 and 213 denote light sources such as LEDs and semiconductor lasers having center wavelengths λ 1 and λ 2 , respectively.

本実施例において、中心波長がλ1 の光が図37(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37(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の形状はうすくなり、凸レンズ作用が減少する。一方、中心波長がλ2 の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、本実施例の光学素子214は可変焦点レンズとして作用する。 In this embodiment, when light having a center wavelength of λ 1 is irradiated onto the trans-type azobenzene shown in FIG. 37A, the azobenzene 210 changes to the cis-type shown in FIG. To do. For this reason, the shape of the variable focus lens 214 becomes light, and the convex lens action is reduced. On the other hand, when the cis-type azobenzene 210 is irradiated with light having a center wavelength of λ 2 , the azobenzene 210 changes from the cis-type to the trans-type, and the volume increases. For this reason, the shape of the variable focus lens 214 becomes thick, and the convex lens action increases. In this way, the optical element 214 of this embodiment functions as a variable focus lens.

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光が全反射するので外部に光がもれず、効率がよい。なお、レンズとして利用する光の波長は可視光に限らず赤外光等でもよい。また、アゾベンゼン210としては、アゾベンゼンと他の液体の混合物を用いてもよい。   In the variable focus lens 214, light is totally reflected at the boundary surfaces of the transparent elastic bodies 208 and 209 with the air, so that light does not leak to the outside and efficiency is high. The wavelength of light used as a lens is not limited to visible light, but may be infrared light or the like. As the azobenzene 210, a mixture of azobenzene and another liquid may be used.

図38は本発明にかかる可変形状鏡のさらに他の実施例を示す概略構成図である。本実施例では、デジタルカメラに用いられるものとして説明する。なお、図中、411は可変抵抗器、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。   FIG. 38 is a schematic diagram showing still another embodiment of the deformable mirror according to the present invention. In this embodiment, the description will be made assuming that the digital camera is used. In the figure, 411 is a variable resistor, 414 is an arithmetic unit, 415 is a temperature sensor, 416 is a humidity sensor, 417 is a distance sensor, and 424 is a shake sensor.

本実施例の可変形状鏡45は、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からなる反射膜450を設けて構成されている。   The deformable mirror 45 of this embodiment is provided with a divided electrode 409b spaced apart from an electrostrictive material 453 made of an organic material such as acrylic elastomer, and an electrode 452 and a deformable substrate 451 are arranged on the electrostrictive material 453 in this order. Further, a reflection film 450 made of a metal such as aluminum that reflects incident light is provided thereon.

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メリットがある。   With this configuration, there is an advantage that the surface shape of the reflective film 450 becomes smoother and optical aberrations are less likely to occur compared to the case where the divided electrode 409b is integrated with the electrostrictive material 453.

なお、変形可能な基板451と電極452の配置は逆でも良い。   Note that the disposition of the deformable substrate 451 and the electrode 452 may be reversed.

また、図38中、449は光学系の変倍、あるいはズームを行う釦であり、可変形状鏡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。   In FIG. 38, reference numeral 449 denotes a button for zooming or zooming the optical system, and the deformable mirror 45 deforms the shape of the reflective film 450 by pressing the button 449 by the user, Control is performed via an arithmetic unit 414 so that zooming can be performed.

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。   Note that a piezoelectric material such as barium titanate described above may be used instead of the electrostrictive material made of an organic material such as acrylic elastomer.

なお本願の可変形状鏡に共通していえることであるが、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、例えば楕円、卵形、多角形、等にするのが良い。なぜなら、図13の例のように可変形状鏡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、そのように可変形状鏡を変形させるためには、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。   In addition, it can be said that it is common to the deformable mirror of the present application, but the shape when the deformed portion of the reflecting surface is viewed from the direction perpendicular to the reflecting surface is a shape that is long in the direction of the incident surface of the axial ray, for example, It should be oval, oval, polygonal, etc. This is because the deformable mirror is often used at an oblique incidence as in the example of FIG. 13, but in order to suppress the aberration that occurs at this time, the shape of the reflecting surface can be a spheroid, a paraboloid, a rotational biplane. The shape close to the curved surface is good, and in order to deform the deformable mirror like that, the shape when the deformed part of the reflecting surface is viewed from the direction perpendicular to the reflecting surface is the direction of the incident surface of the axial ray. This is because it is better to have a long shape.

以下、本発明の実施例を説明する。なお、各実施例の構成パラメータは後に示す。
各実施例において、物体面における座標系のZ軸を、物体中心を通り、物体面に垂直な直線で定義する。このZ軸と直交する方向をY軸とし、このY軸、Z軸と右手直交座標系を構成する軸をX軸とする。
Examples of the present invention will be described below. The configuration parameters of each embodiment will be described later.
In each embodiment, the Z axis of the coordinate system on the object plane is defined by a straight line that passes through the center of the object and is perpendicular to the object plane. A direction perpendicular to the Z axis is defined as a Y axis, and an axis constituting the Y axis, the Z axis, and a right-handed orthogonal coordinate system is defined as an X axis.

以下の実施例では、このY−Z平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をY−Z面としている。偏心を行うときの座標系の原点は、偏心を行う面をk面とするとき、k−1面の面頂位置からZ軸方向に面間隔の分だけ移動した点とする。偏心面は、その座標の原点から、その面の面頂位置のシフト距離(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向をそれぞれX、Y、Z)と、その面のX軸、Y軸、Z軸をそれぞれ回転軸とするチルト角度(それぞれα、β、γ、単位を°とする)で与えられる。ただし、チルト角度の符号については、各回転軸の正の方向から見たときに、αとβは時計回りをチルト角度の正とし、γは反時計周りをチルト角度の正とする。偏心の順序は、Xシフト、Yシフト、Zシフト、αティルト、βティルト、γティルトの順である。   In the following embodiments, each surface is decentered in this YZ plane, and the only symmetric surface of each rotationally asymmetric free-form surface is the YZ plane. The origin of the coordinate system when performing eccentricity is the point moved by the surface interval in the Z-axis direction from the surface top position of the k-1 plane when the surface to be eccentric is the k plane. The eccentric surface has a shift distance (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are X, Y, and Z, respectively) from the origin of the coordinates, and the X-axis, Y-axis, It is given by tilt angles (α, β, γ, and units are degrees, respectively) with the Z axis as the rotation axis. However, regarding the sign of the tilt angle, when viewed from the positive direction of each rotation axis, α and β are clockwise when the tilt angle is positive, and γ is counterclockwise when the tilt angle is positive. The order of eccentricity is X shift, Y shift, Z shift, α tilt, β tilt, and γ tilt.

なお、以下の実施例において、偏心はディセンタアンドベンドで行われる。つまり、k面が偏心していたときに、k+1面の面頂位置は、偏心後のk面の面頂位置からZ軸方向に面間隔の分だけ移動した点とする。   In the following embodiments, the eccentricity is performed by decenter and bend. That is, when the k plane is decentered, the surface top position of the (k + 1) plane is a point moved from the surface top position of the k surface after the eccentricity by the surface interval in the Z-axis direction.

また、光線が反射面で反射された後の光学系の座標系は、反射面の回転角がαのとき、反射前の座標系を2αだけ回転させたものとして定義し、さらに反射面以降の面間隔を負の値とする。これによって、光学系のZ軸負方向に沿って光線が進行することになる。   In addition, the coordinate system of the optical system after the light beam is reflected by the reflecting surface is defined as the coordinate system before reflection is rotated by 2α when the rotation angle of the reflecting surface is α, The surface spacing is negative. As a result, the light beam travels along the negative Z-axis direction of the optical system.

以下の実施例1および2は、撮像光学系および観察光学系に関するものであるが、様々な用途に適用することができる。撮像光学系の具体的用途としては、フィルムカメラ、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、電子内視鏡等がある。観察光学系の具体的用途としては、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などがある。観察者が乱視である場合でも、乱視を矯正して良好な画像を観察することができる。また、観察装置のルーペに用いる場合、撮影する物体距離の変化で生ずる視度の変化を補正することもできる。   Examples 1 and 2 below relate to an imaging optical system and an observation optical system, but can be applied to various applications. Specific applications of the imaging optical system include film cameras, digital cameras, robot eyes, interchangeable lens digital SLR cameras, TV cameras, video recording devices, electronic video recording devices, camcorders, VTR cameras, electronic endoscopes, etc. There is. Specific examples of the observation optical system include a microscope, a telescope, glasses, binoculars, a loupe, a fiberscope, a viewfinder, and a viewfinder. Even when the observer has astigmatism, it is possible to correct astigmatism and observe a good image. Further, when used in a magnifying glass of an observation apparatus, it is possible to correct a change in diopter caused by a change in an object distance to be photographed.

実施例1は、図39に軸上主光線を含む光路図に示すように、可変形状ミラーを用いて視度調整を行う観察光学系である。ここで、撮像を行う場合と視度調整を行う場合の動作の関係について、図44を用いて説明する。   Example 1 is an observation optical system that performs diopter adjustment using a deformable mirror, as shown in an optical path diagram including an axial principal ray in FIG. Here, the relationship between the operations when imaging and diopter adjustment will be described with reference to FIG.

図44において、光線が絞りSTからレンズ群G、形状可変ミラーDMを経て像面Iに達する光路を逆光路と呼ぶことにし、逆に光線が像面Iから形状可変ミラーDM、レンズ群Gをへて絞りSTに達する光路を順光路と呼ぶことにする。   In FIG. 44, the light path from the aperture stop ST to the image group I via the lens group G and the shape variable mirror DM is referred to as a reverse light path, and conversely, the light beam passes from the image surface I to the shape variable mirror DM and the lens group G. The optical path that reaches the aperture stop ST will be referred to as a forward optical path.

逆光路で絞りSTへ入射する光線群は物点距離によって定義され、正および負の値を含む所定の範囲内の物点距離に対応する入射光線群を像面Iに結像させるべく、形状可変ミラーDMの形状を制御する。この状況における本実施例の機能は撮像に対応する。   A group of rays incident on the stop ST in the reverse optical path is defined by an object point distance, and is shaped so as to form an incident ray group corresponding to the object point distance within a predetermined range including positive and negative values on the image plane I. Controls the shape of the variable mirror DM. The function of this embodiment in this situation corresponds to imaging.

一方、順光路の場合には、像面Iに結像している光線群が形状可変ミラーDMで反射された後に、絞りSTを介して物体面Oに再び結像する。ここで、絞りSTの位置に人間の眼を持ってくることで、拡大された像面I上の像を観察することができる。一般的なズームファインダーの構成においては、対物光学系により像面I上に中間像を形成し、この中間像を前記順光路によって人間の網膜へ伝搬する。図39には図示されていないが、順光路において絞りSTと人間の網膜との間には、角膜表面や水晶体などの屈折面があり、これらの屈折面によるレンズ作用を通じて観察像の画質が決まる。   On the other hand, in the case of the forward light path, a group of light beams that are imaged on the image plane I are reflected by the shape variable mirror DM and then imaged again on the object plane O via the stop ST. Here, by bringing a human eye to the position of the stop ST, an enlarged image on the image plane I can be observed. In a general zoom finder configuration, an intermediate image is formed on the image plane I by the objective optical system, and this intermediate image is propagated to the human retina through the forward light path. Although not shown in FIG. 39, there are refracting surfaces such as a cornea surface and a crystalline lens between the stop ST and the human retina in the forward light path, and the image quality of the observation image is determined through lens action of these refracting surfaces. .

しかしながら、前記角膜表面の形状や水晶体の調節機能には個人差があるため、形状可変ミラーの形状調整機能によって前記物点距離、すなわち視度を変化させられることが好ましい。そこで本実施例では、形状可変ミラーの形状を調整して、視度1から視度4までの4通りの視度に対して良好な観察像が得られるように、観察光学系の設計を行った。ここで、視度1、2、3及び4はそれぞれ−4D、−2D、−1D及び+1D(Dはディオプターを表す)であり、物体面Oから絞りSTまでの面間隔で表される物点距離に換算すれば、それぞれ−250mm、−500mm、−1000mm及び+1000mmとなる。ただし、前記物点距離は、逆光路において物体面Oから絞りSTへ向かう線分が左向きのときに負、右向きのときに正の符号をそれぞれとるものと定義する。   However, since there are individual differences in the shape of the corneal surface and the lens adjustment function, it is preferable that the object point distance, that is, the diopter can be changed by the shape adjustment function of the shape variable mirror. In this embodiment, therefore, the shape of the deformable mirror is adjusted, and the observation optical system is designed so that good observation images can be obtained for four diopters from diopter 1 to diopter 4. It was. Here, diopters 1, 2, 3, and 4 are −4D, −2D, −1D, and + 1D (D represents diopter), respectively, and an object point that is represented by a surface interval from the object plane O to the aperture stop ST. In terms of distance, they are −250 mm, −500 mm, −1000 mm, and +1000 mm, respectively. However, the object point distance is defined as taking a negative sign when the line segment from the object plane O to the stop ST in the reverse optical path is leftward and taking a positive sign when it is rightward.

形状可変ミラーを用いて撮像を行う場合と視度調整を行う場合とで、図39における光線群の進行方向は異なるが、物体面Oと像面Iという互いに共役な平面間での光線追跡を行う場合、結像性能を表す収差やMTFなどのパラメータは順光路でも逆光路でも殆ど変わらない。そこで本実施例では、観察光学系の結像性能を評価するために逆光路の場合のMTFを利用した。   In the case where imaging is performed using the deformable mirror and the case where diopter adjustment is performed, the traveling direction of the light group in FIG. 39 is different, but ray tracing is performed between planes conjugate to each other such as the object plane O and the image plane I. When performing, parameters such as aberration and MTF representing imaging performance are almost the same in both the forward and reverse optical paths. Therefore, in this embodiment, the MTF in the case of the reverse optical path is used to evaluate the imaging performance of the observation optical system.

本実施例の目的は、前記4通りの視度に対してそれぞれ最適な形状可変ミラーDMの形状を設計することとし、物点距離と形状可変ミラーDM以外のパラメータは以下に示す値で共通とした。像面Iにおける最大像高を3.860mm(X軸方向の最大像高2.316mm、Y軸方向の最大像高3.088mm)、絞りの直径を5.00mm、視度1における形状可変ミラーDMの形状を平面とし、このときの近軸主光線の入射角を45°とした。視度2、3及び4においては、形状可変ミラーDMの形状が基本的に自由曲面となるので、Yの奇数次項からの寄与によって、軸上主光線の入射角は45°から若干変化する。   The purpose of the present embodiment is to design the optimum shape of the deformable mirror DM for each of the four diopters, and the parameters other than the object point distance and the deformable mirror DM are the same values as shown below. did. A variable shape mirror with a maximum image height of 3.860 mm (maximum image height in the X-axis direction: 2.316 mm, maximum image height in the Y-axis direction: 3.088 mm) on the image plane I, a diaphragm diameter of 5.00 mm, and a diopter of 1. The shape of DM was a plane, and the incident angle of the paraxial principal ray at this time was 45 °. At diopters 2, 3 and 4, the shape of the deformable mirror DM is basically a free-form surface, and therefore the incident angle of the axial principal ray slightly changes from 45 ° due to the contribution from the odd-order terms of Y.

次に、上記実施例1および2の構成パラメータを示すが、本発明で使用する自由曲面とは前記の式(a)で定義されるものである。その定義式のZ軸が自由曲面の軸となる。   Next, the constituent parameters of Examples 1 and 2 will be shown. The free-form surface used in the present invention is defined by the above-described equation (a). The Z axis of the defining formula becomes the axis of the free-form surface.

また、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
Z=(Y2 /R)/[1+{1−(1+K)Y2 /R2 1 /2
+AY4 +BY6 +CY8 +DY10+……
…(d)
ただし、Zを、物体中心を通り物体面に垂直な直線とし、YをZと垂直な方向にとる。ここで、Rは近軸曲率半径、Kは円錐定数、A、B、C、D、…はそれぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数である。この定義式のZ軸が回転対称非球面の軸となる。
An aspherical surface is a rotationally symmetric aspherical surface given by the following definition.
Z = (Y 2 / R) / [1+ {1- (1 + K) Y 2 / R 2} 1/2]
+ AY 4 + BY 6 + CY 8 + DY 10 + ……
... (d)
However, Z is a straight line passing through the center of the object and perpendicular to the object surface, and Y is in a direction perpendicular to Z. Here, R is a paraxial radius of curvature, K is a conic constant, A, B, C, D,... Are fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order aspherical coefficients, respectively. The Z axis of this defining formula is the axis of a rotationally symmetric aspherical surface.

以下に、上記実施例1の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の"FFS"は自由曲面示す。なお、データの記載されていない自由曲面、非球面等に関する項は0である。屈折率については、d線(波長587.56nm)に対するものを表記してある。長さの単位はmmである。なお、データ中、例えば、4.0399e-005は、4.0399×10-5を意味するものである。

[視度1:-4D]

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -250.0000
絞り面 ∞ 17.0000
2 非球面[1] 2.6465 1.4957 69.5
3 -11.1874 3.3535 1.6044 38.4
4 非球面[2] 6.0000
5 FFS[1] -16.9000 偏心(1)
像 面 ∞ 0.0000

非球面[1]
曲率半径 15.8922
k 0.0000e+000
a 4.0399e-005 b 8.5655e-006 c -2.8943e-007
d 4.0562e-009

非球面[2]
曲率半径 -44.0279
k 0.0000e+000
a 2.4061e-005 b 9.0354e-006 c -2.6204e-007
d 3.2911e-009

FFS[1]
曲率半径 ∞

偏心[1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 45.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[視度2:-2D]

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -500.0000
絞り面 ∞ 17.0000
2 非球面[1] 2.6465 1.4957 69.5
3 -11.1874 3.3535 1.6044 38.4
4 非球面[2] 6.0000
5 FFS[1] -16.9000 偏心(1)
像 面 ∞ 0.0000

非球面[1]
曲率半径 15.8922
k 0.0000e+000
a 4.0399e-005 b 8.5655e-006 c -2.8943e-007
d 4.0562e-009

非球面[2]
曲率半径 -44.0279
k 0.0000e+000
a 2.4061e-005 b 9.0354e-006 c -2.6204e-007
d 3.2911e-009

FFS[1]
曲率半径 ∞
C4 -1.5683e-003 C6 -7.7971e-004 C8 4.6707e-005
C10 2.0270e-005 C11 1.4426e-005 C13 4.2636e-006
C15 1.9631e-006 C17 1.0900e-006 C19 -1.2983e-006
C21 1.9465e-007 C22 -5.0935e-007 C24 -4.5578e-007
C26 -1.3716e-007 C28 -5.4330e-008

偏心[1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 45.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[視度3:-1D]

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.0000
絞り面 ∞ 17.0000
2 非球面[1] 2.6465 1.4957 69.5
3 -11.1874 3.3535 1.6044 38.4
4 非球面[2] 6.0000
5 FFS[1] -16.9000 偏心(1)
像 面 ∞ 0.0000

非球面[1]
曲率半径 15.8922
k 0.0000e+000
a 4.0399e-005 b 8.5655e-006 c -2.8943e-007
d 4.0562e-009

非球面[2]
曲率半径 -44.0279
k 0.0000e+000
a 2.4061e-005 b 9.0354e-006 c -2.6204e-007
d 3.2911e-009

FFS[1]
曲率半径 ∞
C4 -2.4007e-003 C6 -1.1450e-003 C8 7.5546e-005
C10 3.7600e-005 C11 1.5134e-005 C13 1.2730e-006
C15 9.6704e-007 C17 8.3269e-007 C19 -1.2385e-006
C21 -2.5462e-009 C22 -5.3037e-007 C24 -2.8803e-007
C26 -1.3508e-007 C28 -4.2862e-008

偏心[1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 45.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[視度4:+1D]

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 1000.0000
絞り面 ∞ 17.0000
2 非球面[1] 2.6465 1.4957 69.5
3 -11.1874 3.3535 1.6044 38.4
4 非球面[2] 6.0000
5 FFS[1] -16.9000 偏心(1)
像 面 ∞ 0.0000

非球面[1]
曲率半径 15.8922
k 0.0000e+000
a 4.0399e-005 b 8.5655e-006 c -2.8943e-007
d 4.0562e-009

非球面[2]
曲率半径 -44.0279
k 0.0000e+000
a 2.4061e-005 b 9.0354e-006 c -2.6204e-007
d 3.2911e-009

FFS[1]
曲率半径 ∞
C4 -3.8395e-003 C6 -1.8094e-003 C8 1.2748e-004
C10 6.4026e-005 C11 1.6074e-005 C13 -9.3559e-006
C15 -1.0120e-007 C17 1.6437e-006 C19 -2.7487e-006
C21 8.4396e-008 C22 -5.4634e-007 C24 -2.0311e-007
C26 2.6676e-007 C28 -9.3455e-008

偏心[1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 45.0000 β 0.0000 γ 0.0000
The configuration parameters of Example 1 are shown below. In the table below, “FFS” indicates a free-form surface. Note that terms relating to free-form surfaces, aspheric surfaces, etc., for which no data is described, are zero. The refractive index is shown for d-line (wavelength 587.56 nm). The unit of length is mm. In the data, for example, 4.0399e-005 means 4.0399 × 10 −5 .

[Diopter 1: -4D]

Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ -250.0000
Diaphragm surface ∞ 17.0000
2 Aspherical surface [1] 2.6465 1.4957 69.5
3 -11.1874 3.3535 1.6044 38.4
4 Aspherical surface [2] 6.0000
5 FFS [1] -16.9000 Eccentricity (1)
Image plane ∞ 0.0000

Aspherical [1]
Curvature radius 15.8922
k 0.0000e + 000
a 4.0399e-005 b 8.5655e-006 c -2.8943e-007
d 4.0562e-009

Aspherical [2]
Radius of curvature -44.0279
k 0.0000e + 000
a 2.4061e-005 b 9.0354e-006 c -2.6204e-007
d 3.2911e-009

FFS [1]
Radius of curvature ∞

Eccentric [1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 45.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[Diopter 2: -2D]

Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ -500.0000
Diaphragm surface ∞ 17.0000
2 Aspherical surface [1] 2.6465 1.4957 69.5
3 -11.1874 3.3535 1.6044 38.4
4 Aspherical surface [2] 6.0000
5 FFS [1] -16.9000 Eccentricity (1)
Image plane ∞ 0.0000

Aspherical [1]
Curvature radius 15.8922
k 0.0000e + 000
a 4.0399e-005 b 8.5655e-006 c -2.8943e-007
d 4.0562e-009

Aspherical [2]
Radius of curvature -44.0279
k 0.0000e + 000
a 2.4061e-005 b 9.0354e-006 c -2.6204e-007
d 3.2911e-009

FFS [1]
Radius of curvature ∞
C4 -1.5683e-003 C6 -7.7971e-004 C8 4.6707e-005
C10 2.0270e-005 C11 1.4426e-005 C13 4.2636e-006
C15 1.9631e-006 C17 1.0900e-006 C19 -1.2983e-006
C21 1.9465e-007 C22 -5.0935e-007 C24 -4.5578e-007
C26 -1.3716e-007 C28 -5.4330e-008

Eccentric [1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 45.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[Diopter 3: -1D]

Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric Refractive index Abbe number Object surface ∞ -1000.0000
Diaphragm surface ∞ 17.0000
2 Aspherical surface [1] 2.6465 1.4957 69.5
3 -11.1874 3.3535 1.6044 38.4
4 Aspherical surface [2] 6.0000
5 FFS [1] -16.9000 Eccentricity (1)
Image plane ∞ 0.0000

Aspherical [1]
Curvature radius 15.8922
k 0.0000e + 000
a 4.0399e-005 b 8.5655e-006 c -2.8943e-007
d 4.0562e-009

Aspherical [2]
Radius of curvature -44.0279
k 0.0000e + 000
a 2.4061e-005 b 9.0354e-006 c -2.6204e-007
d 3.2911e-009

FFS [1]
Radius of curvature ∞
C4 -2.4007e-003 C6 -1.1450e-003 C8 7.5546e-005
C10 3.7600e-005 C11 1.5134e-005 C13 1.2730e-006
C15 9.6704e-007 C17 8.3269e-007 C19 -1.2385e-006
C21 -2.5462e-009 C22 -5.3037e-007 C24 -2.8803e-007
C26 -1.3508e-007 C28 -4.2862e-008

Eccentric [1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 45.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[Diopter 4: + 1D]

Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ 1000.0000
Diaphragm surface ∞ 17.0000
2 Aspherical surface [1] 2.6465 1.4957 69.5
3 -11.1874 3.3535 1.6044 38.4
4 Aspherical surface [2] 6.0000
5 FFS [1] -16.9000 Eccentricity (1)
Image plane ∞ 0.0000

Aspherical [1]
Curvature radius 15.8922
k 0.0000e + 000
a 4.0399e-005 b 8.5655e-006 c -2.8943e-007
d 4.0562e-009

Aspherical [2]
Radius of curvature -44.0279
k 0.0000e + 000
a 2.4061e-005 b 9.0354e-006 c -2.6204e-007
d 3.2911e-009

FFS [1]
Radius of curvature ∞
C4 -3.8395e-003 C6 -1.8094e-003 C8 1.2748e-004
C10 6.4026e-005 C11 1.6074e-005 C13 -9.3559e-006
C15 -1.0120e-007 C17 1.6437e-006 C19 -2.7487e-006
C21 8.4396e-008 C22 -5.4634e-007 C24 -2.0311e-007
C26 2.6676e-007 C28 -9.3455e-008

Eccentric [1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 45.0000 β 0.0000 γ 0.0000

実施例2は、図40に示すように形状可変ミラーを用いた撮像用光学系である。視度1において、形状可変ミラーDMへの軸上主光線の入射角を25°としており、レンズ群Gの設計も前記入射角に応じて好ましい形状とした。視度の設定値、絞り径、像高、評価波長は実施例1と同じ値とした。   Example 2 is an imaging optical system using a deformable mirror as shown in FIG. At a diopter of 1, the incident angle of the axial principal ray on the deformable mirror DM is 25 °, and the design of the lens group G is also a preferred shape according to the incident angle. The diopter setting value, aperture diameter, image height, and evaluation wavelength were the same as those in Example 1.

偏心光学系において一般に、曲率のある偏心面への入射角が大きいほど、その偏心面で発生する収差量は大きくなる傾向がある。本発明に係る実施例においても、偏心面への入射角が45°である実施例1の設計より、偏心面への入射角が25°である実施例2の方がより良好なMTF特性を示した。ただし、偏心面への入射角が25°より小さくなると、反射した光線群がレンズGなどの光学部品と機械的に干渉してしまい、不要な迷光となったり結像性能を劣化させたりして好ましくない。   In a decentered optical system, generally, the greater the angle of incidence on a decentered surface with curvature, the greater the amount of aberration that occurs on the decentered surface. Also in the embodiment according to the present invention, the MTF characteristic in which the incident angle to the eccentric surface is 25 ° is better than the design of the first embodiment in which the incident angle to the eccentric surface is 45 °. Indicated. However, if the incident angle on the decentered surface is smaller than 25 °, the reflected light group mechanically interferes with optical components such as the lens G, resulting in unnecessary stray light or deterioration in imaging performance. It is not preferable.

以下に、上記実施例2の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の"FFS"は自由曲面示す。なお、データの記載されていない自由曲面、非球面等に関する項は0である。屈折率については、d線(波長587.56nm)に対するものを表記してある。長さの単位はmmである。なお、データ中、例えば、-7.9685e-005は、-7.9685×10-5を意味するものである。

[視度1:-4D]

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -250.0000
絞り面 ∞ 17.0000
2 非球面[1] 3.2248 1.5098 68.1
3 -7.4027 2.7752 1.6262 35.7
4 非球面[2] 10.0000
5 FFS[1] -12.9000 偏心(1)
像 面 ∞ 0.0000

非球面[1]
曲率半径 37.6065
k 0.0000e+000
a -7.9685e-005 b 6.6052e-006 c -3.6249e-007
d 6.8395e-009

非球面[2]
曲率半径 -15.4059
k 0.0000e+000
a -7.8413e-005 b 5.3255e-006 c -2.2088e-007
d 3.0818e-009

FFS[1]
曲率半径 ∞

偏心[1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 25.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[視度2:-2D]

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -500.0000
絞り面 ∞ 17.0000
2 非球面[1] 3.2248 1.5098 68.1
3 -7.4027 2.7752 1.6262 35.7
4 非球面[2] 10.0000
5 FFS[1] -12.9000 偏心(1)
像 面 ∞ 0.0000

非球面[1]
曲率半径 37.6065
k 0.0000e+000
a -7.9685e-005 b 6.6052e-006 c -3.6249e-007
d 6.8395e-009

非球面[2]
曲率半径 -15.4059
k 0.0000e+000
a -7.8413e-005 b 5.3255e-006 c -2.2088e-007
d 3.0818e-009

FFS[1]
曲率半径 ∞
C4 -1.8380e-003 C6 -1.4650e-003 C8 5.2173e-005
C10 4.0020e-005 C11 1.1427e-006 C13 -6.0540e-006
C15 -1.4391e-006 C17 3.5338e-007 C19 -1.8183e-006
C21 1.5986e-007 C22 3.9744e-008 C24 2.6963e-007
C26 2.1113e-007 C28 1.0422e-007

偏心[1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 25.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[視度3:-1D]

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1000.0000
絞り面 ∞ 17.0000
2 非球面[1] 3.2248 1.5098 68.1
3 -7.4027 2.7752 1.6262 35.7
4 非球面[2] 10.0000
5 FFS[1] -12.9000 偏心(1)
像 面 ∞ 0.0000

非球面[1]
曲率半径 37.6065
k 0.0000e+000
a -7.9685e-005 b 6.6052e-006 c -3.6249e-007
d 6.8395e-009

非球面[2]
曲率半径 -15.4059
k 0.0000e+000
a -7.8413e-005 b 5.3255e-006 c -2.2088e-007
d 3.0818e-009

FFS[1]
曲率半径 ∞
C4 -2.7058e-003 C6 -2.1693e-003 C8 6.4411e-005
C10 5.5062e-005 C11 -1.4466e-007 C13 -4.6813e-006
C15 -2.9083e-006 C17 5.2926e-007 C19 -1.7679e-006
C21 1.4804e-007 C22 7.5115e-008 C24 2.0391e-007
C26 1.6700e-007 C28 1.3092e-007

偏心[1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 25.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[視度4:+1D]

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 1000.0000
絞り面 ∞ 17.0000
2 非球面[1] 3.2248 1.5098 68.1
3 -7.4027 2.7752 1.6262 35.7
4 非球面[2] 10.0000
5 FFS[1] -12.9000 偏心(1)
像 面 ∞ 0.0000

非球面[1]
曲率半径 37.6065
k 0.0000e+000
a -7.9685e-005 b 6.6052e-006 c -3.6249e-007
d 6.8395e-009

非球面[2]
曲率半径 -15.4059
k 0.0000e+000
a -7.8413e-005 b 5.3255e-006 c -2.2088e-007
d 3.0818e-009

FFS[1]
曲率半径 ∞
C4 -4.3500e-003 C6 -3.4888e-003 C8 1.2411e-004
C10 7.8783e-005 C11 2.4296e-006 C13 1.5983e-006
C15 1.5650e-006 C17 1.9974e-007 C19 -2.4199e-006
C21 6.1783e-007 C22 3.7634e-008 C24 -7.7169e-008
C26 3.4108e-008 C28 -5.2002e-008

偏心[1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 25.0000 β 0.0000 γ 0.0000
The configuration parameters of the second embodiment are shown below. In the table below, “FFS” indicates a free-form surface. Note that terms relating to free-form surfaces, aspheric surfaces, etc., for which no data is described, are zero. The refractive index is shown for d-line (wavelength 587.56 nm). The unit of length is mm. In the data, for example, −7.96585e-005 means −7.9985 × 10 −5 .

[Diopter 1: -4D]

Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ -250.0000
Diaphragm surface ∞ 17.0000
2 Aspherical surface [1] 3.2248 1.5098 68.1
3 -7.4027 2.7752 1.6262 35.7
4 Aspherical surface [2] 10.0000
5 FFS [1] -12.9000 Eccentricity (1)
Image plane ∞ 0.0000

Aspherical [1]
Radius of curvature 37.6065
k 0.0000e + 000
a -7.9685e-005 b 6.6052e-006 c -3.6249e-007
d 6.8395e-009

Aspherical [2]
Radius of curvature -15.4059
k 0.0000e + 000
a -7.8413e-005 b 5.3255e-006 c -2.2088e-007
d 3.0818e-009

FFS [1]
Radius of curvature ∞

Eccentric [1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 25.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[Diopter 2: -2D]

Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ -500.0000
Diaphragm surface ∞ 17.0000
2 Aspherical surface [1] 3.2248 1.5098 68.1
3 -7.4027 2.7752 1.6262 35.7
4 Aspherical surface [2] 10.0000
5 FFS [1] -12.9000 Eccentricity (1)
Image plane ∞ 0.0000

Aspherical [1]
Radius of curvature 37.6065
k 0.0000e + 000
a -7.9685e-005 b 6.6052e-006 c -3.6249e-007
d 6.8395e-009

Aspherical [2]
Radius of curvature -15.4059
k 0.0000e + 000
a -7.8413e-005 b 5.3255e-006 c -2.2088e-007
d 3.0818e-009

FFS [1]
Radius of curvature ∞
C4 -1.8380e-003 C6 -1.4650e-003 C8 5.2173e-005
C10 4.0020e-005 C11 1.1427e-006 C13 -6.0540e-006
C15 -1.4391e-006 C17 3.5338e-007 C19 -1.8183e-006
C21 1.5986e-007 C22 3.9744e-008 C24 2.6963e-007
C26 2.1113e-007 C28 1.0422e-007

Eccentric [1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 25.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[Diopter 3: -1D]

Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric Refractive index Abbe number Object surface ∞ -1000.0000
Diaphragm surface ∞ 17.0000
2 Aspherical surface [1] 3.2248 1.5098 68.1
3 -7.4027 2.7752 1.6262 35.7
4 Aspherical surface [2] 10.0000
5 FFS [1] -12.9000 Eccentricity (1)
Image plane ∞ 0.0000

Aspherical [1]
Radius of curvature 37.6065
k 0.0000e + 000
a -7.9685e-005 b 6.6052e-006 c -3.6249e-007
d 6.8395e-009

Aspherical [2]
Radius of curvature -15.4059
k 0.0000e + 000
a -7.8413e-005 b 5.3255e-006 c -2.2088e-007
d 3.0818e-009

FFS [1]
Radius of curvature ∞
C4 -2.7058e-003 C6 -2.1693e-003 C8 6.4411e-005
C10 5.5062e-005 C11 -1.4466e-007 C13 -4.6813e-006
C15 -2.9083e-006 C17 5.2926e-007 C19 -1.7679e-006
C21 1.4804e-007 C22 7.5115e-008 C24 2.0391e-007
C26 1.6700e-007 C28 1.3092e-007

Eccentric [1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 25.0000 β 0.0000 γ 0.0000

[Diopter 4: + 1D]

Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ 1000.0000
Diaphragm surface ∞ 17.0000
2 Aspherical surface [1] 3.2248 1.5098 68.1
3 -7.4027 2.7752 1.6262 35.7
4 Aspherical surface [2] 10.0000
5 FFS [1] -12.9000 Eccentricity (1)
Image plane ∞ 0.0000

Aspherical [1]
Radius of curvature 37.6065
k 0.0000e + 000
a -7.9685e-005 b 6.6052e-006 c -3.6249e-007
d 6.8395e-009

Aspherical [2]
Radius of curvature -15.4059
k 0.0000e + 000
a -7.8413e-005 b 5.3255e-006 c -2.2088e-007
d 3.0818e-009

FFS [1]
Radius of curvature ∞
C4 -4.3500e-003 C6 -3.4888e-003 C8 1.2411e-004
C10 7.8783e-005 C11 2.4296e-006 C13 1.5983e-006
C15 1.5650e-006 C17 1.9974e-007 C19 -2.4199e-006
C21 6.1783e-007 C22 3.7634e-008 C24 -7.7169e-008
C26 3.4108e-008 C28 -5.2002e-008

Eccentric [1]
X 0.0000 Y 0.0000 Z 0.0000
α 25.0000 β 0.0000 γ 0.0000

さて、本発明の撮像光学系あるいは観察光学系は、次の条件式のいずれか1つ以上を満たすと、小型、高性能のフォーカシング可能な撮像光学系あるいは視度調整可能な観察光学系が得られるので、なお良い。   The imaging optical system or the observation optical system according to the present invention can provide a compact and high-performance imaging optical system capable of focusing or an observation optical system capable of adjusting diopter when one or more of the following conditional expressions are satisfied. It ’s still good.

軸上主光線(以後、主光線という)の形状可変ミラーDMへの入射角をθとしたときに、形状可変ミラーDMのある状態において、
5°θ70° …(29)
を満たすことが望ましい。
When the incident angle of the axial chief ray (hereinafter referred to as chief ray) to the deformable mirror DM is θ,
5 ° < θ < 70 ° (29)
It is desirable to satisfy.

式(29)を満たすことで、形状可変ミラーDMで反射された光線の偏心収差を抑えられる。   By satisfying Expression (29), the decentration aberration of the light beam reflected by the deformable mirror DM can be suppressed.

さらに、形状可変ミラーDMのある状態において、
10°θ60° …(30)
を満たせば、実用的な製品として良好な性能が実現できるので、なお良い。
Furthermore, in a state with the deformable mirror DM,
10 ° < θ < 60 ° (30)
If it satisfies, good performance can be realized as a practical product, so it is even better.

さらに、形状可変ミラーDMのある状態において、
20°θ50° …(31)
を満たせば、多様な用途に用いることのできる製品として良好な性能が実現できるので、なお良い。
Furthermore, in a state with the deformable mirror DM,
20 ° < θ < 50 ° (31)
If the above is satisfied, good performance can be realized as a product that can be used for various purposes.

また、レンズGと形状可変ミラーDMとからなる光学系において、形状可変ミラーの反射面形状を平面とした場合の後側焦点距離をfとしたときに、形状可変ミラーDMのある状態において、
|C4f|1 かつ 0|C6f|1 …(32)
を満たすことが望ましい。
Further, in the optical system including the lens G and the deformable mirror DM, when the rear focal length when the reflecting surface shape of the deformable mirror is a plane is f,
0 <| C 4 f | < 1 and 0 <| C 6 f | < 1 ... (32)
It is desirable to satisfy.

式(32)を満たすことで、形状可変ミラーDMの変形量を適正な範囲で抑えられるので、形状可変ミラーデバイスの製造コストを抑えることができる。   By satisfying Expression (32), the deformation amount of the deformable mirror DM can be suppressed within an appropriate range, so that the manufacturing cost of the deformable mirror device can be suppressed.

さらに、形状可変ミラーDMのある状態において、
|C4f|0.25 かつ 0|C6f|0.25 …(33)
を満たせば、形状可変ミラーで反射された光線の偏心収差を小さくすることができるので、なお良い。
Furthermore, in a state with the deformable mirror DM,
0 <| C 4 f | < 0.25 and 0 <| C 6 f | < 0.25 ... (33)
If this condition is satisfied, the decentration aberration of the light beam reflected by the variable shape mirror can be reduced.

また、形状可変ミラーDMのある状態において、
0.1|C4/C6|cos2θ10 …(34)
を満たすことが望ましい。
Further, in a state where the deformable mirror DM is present,
0.1 < | C 4 / C 6 | cos 2 θ < 10 (34)
It is desirable to satisfy.

式(34)を満たすことで、x軸方向の軸上の近軸光線(以後、近軸光線)とy軸方向の近軸光線とがほぼ同一の点で軸上主光線と交わり、像面Iにおける非点収差を適正な範囲に抑えることができる。その理由について、図45を用いて説明する。   By satisfying Expression (34), the paraxial ray on the axis in the x-axis direction (hereinafter, paraxial ray) and the paraxial ray in the y-axis direction intersect with the axial principal ray at substantially the same point, and the image plane Astigmatism in I can be suppressed to an appropriate range. The reason will be described with reference to FIG.

図45(a)は、形状可変ミラーDMへ入射する主光線RCの入射角θが0°の場合に、近軸光線RPが形状可変ミラーDMで反射される様子を表している。主光線RCは反射前も反射後もz軸に重なっている。入射角が0°の場合はz軸を中心に回転対象な光学系となるため、x軸方向とy軸方向の区別がなくなる。そこでx軸とy軸をまとめてr軸として図示した。形状可変ミラーDMの反射面形状を表す自由曲面が2次の係数Cのみを持つものとし、したがって形状可変ミラーの反射面のrz平面による断面は、z=Cr2で表される放物線となる。図45(a)、(b)および(c)のいずれにおいても、形状可変ミラーDMへ入射する主光線RCと近軸光線RPとは互いに平行であり、両光線間の間隔をdとした。 FIG. 45A shows a state where the paraxial light beam RP is reflected by the variable shape mirror DM when the incident angle θ of the principal ray RC incident on the variable shape mirror DM is 0 °. The principal ray RC overlaps the z axis before and after reflection. When the incident angle is 0 °, the optical system is a rotation target around the z-axis, so the x-axis direction and the y-axis direction are not distinguished. Therefore, the x axis and the y axis are collectively shown as the r axis. The free-form surface representing the shape of the reflecting surface of the deformable mirror DM has only a second-order coefficient C. Therefore, the cross section of the reflecting surface of the deformable mirror by the rz plane is a parabola represented by z = Cr 2 . 45A, 45B and 45C, the principal ray RC and the paraxial ray RP incident on the deformable mirror DM are parallel to each other, and the distance between both rays is d.

近軸光線RPの形状可変ミラーDMへの入射角をδとすれば、tanδは入射点Aにおける放物線の傾きに等しいので、
tanδ=2Cd …(35)
が成り立つ。入射点Aから反射後の集光点Fまでの距離をfR(d)とすると、形状可変ミラーDMの焦点距離fR

Figure 2007121944
となる。 If the incident angle of the paraxial ray RP to the deformable mirror DM is δ, tan δ is equal to the inclination of the parabola at the incident point A.
tanδ = 2Cd (35)
Holds. If the distance from the incident point A to the focused point F after reflection is f R (d), the focal length f R of the deformable mirror DM is
Figure 2007121944
It becomes.

図45(b)は、形状可変ミラーDMへ入射する主光線の入射角θが0°より大きい場合に、主光線RCおよび近軸光線RPが形状可変ミラーDMによって反射、集光される様子を、yz平面上で示したものである。ここでも形状可変ミラーDMの反射面形状を表す自由曲面が2次の係数のみを持つものとし、x軸方向およびy軸方向の係数をそれぞれC4およびC6とした。したがって、図45(b)に図示されているy軸方向の放物線はz=C62で表される。 FIG. 45B shows a state in which the principal ray RC and the paraxial ray RP are reflected and collected by the shape variable mirror DM when the incident angle θ of the principal ray incident on the shape variable mirror DM is larger than 0 °. , Shown on the yz plane. Here again, it is assumed that the free-form surface representing the shape of the reflecting surface of the deformable mirror DM has only a second-order coefficient, and the coefficients in the x-axis direction and the y-axis direction are C 4 and C 6 , respectively. Therefore, the parabola in the y-axis direction illustrated in FIG. 45B is represented by z = C 6 y 2 .

図45(b)より、主光線RCおよび近軸光線RPの形状可変ミラーDMへの入射角はそれぞれθおよびθ+δで表され、δと点A’における放物線の傾きとの関係からtanδ=2C6d/cosθが成り立つ。入射点A’から反射後の集光点F’までの距離をfY(d)とすれば、

Figure 2007121944
となるので、yz平面上における焦点距離、すなわち、平行光を入射角θで形状可変ミラーDMへ入射させたときの、入射点からy軸方向の近軸結像点までの距離をfYとすれば、fYは以下の式によって与えられる。
Figure 2007121944
45B, the incident angles of the principal ray RC and the paraxial ray RP to the deformable mirror DM are represented by θ and θ + δ, respectively, and tan δ = 2C 6 from the relationship between δ and the parabola inclination at the point A ′. d / cos θ holds. If the distance from the incident point A ′ to the focused point F ′ after reflection is f Y (d),
Figure 2007121944
Therefore, the focal length on the yz plane, that is, the distance from the incident point to the paraxial imaging point in the y-axis direction when parallel light is incident on the deformable mirror DM at the incident angle θ is represented by f Y. Thus, f Y is given by
Figure 2007121944

図45(c)は図45(b)における光線図を立体的に示したものである。入射角θを変化させても、主光線RC、近軸光線RPをxz平面に投影した光路はθ=0°の場合と正確に一致するので、xz平面に投影した光線図上での形状可変ミラーDMの焦点距離は、式(36)と同様f0=1/4Cとなる。しかしながら、f0はあくまでxz平面に投影した光線図における焦点距離であり、形状可変ミラーDMのx軸方向の曲率による実際の焦点距離fXは、図45(c)からわかるように、

Figure 2007121944
となる。 FIG. 45 (c) is a three-dimensional view of the ray diagram in FIG. 45 (b). Even if the incident angle θ is changed, the optical path obtained by projecting the principal ray RC and the paraxial ray RP onto the xz plane is exactly the same as when θ = 0 °, so the shape of the ray diagram projected onto the xz plane can be changed. The focal length of the mirror DM is f 0 = 1 / 4C as in the equation (36). However, f 0 is only the focal length in the ray diagram projected on the xz plane, and the actual focal length f X due to the curvature in the x-axis direction of the deformable mirror DM can be seen from FIG.
Figure 2007121944
It becomes.

x軸方向とy軸方向の近軸光線RPがほぼ同一の点で主光線RCと交わる、つまり非点収差を小さくするためには、fX=fYとなることが望ましい。つまり、式(38)および式(39)を用いれば、非点収差が小さくなるための条件は、
(C4/C6)cos2θ=1 …(40)
であることがわかる。
In order to make the paraxial ray RP in the x-axis direction and the y-axis direction intersect the principal ray RC at substantially the same point, that is, in order to reduce astigmatism, it is desirable to satisfy f X = f Y. In other words, the conditions for reducing astigmatism by using Equation (38) and Equation (39) are:
(C 4 / C 6 ) cos 2 θ = 1 (40)
It can be seen that it is.

以上が、式(34)が成り立つことの説明であるが、実際の設計では近軸近似が成り立たない領域や軸外光線も含めて良好な結像状態を実現するために、式(40)が厳密に成り立つわけではない。それでもなお、式(40)の左辺の値が、1からあまり大きくずれてしまうことは、好ましくない。   The above is an explanation of the fact that Expression (34) is satisfied. In order to realize a good imaging state including an area where a paraxial approximation is not satisfied and off-axis rays in an actual design, Expression (40) is Not exactly true. Nevertheless, it is not preferable that the value on the left side of the equation (40) deviates too much from 1.

さらに、形状可変ミラーDMのある状態において、
0.8|C4/C6|cos2θ1.2 …(41)
を満たせば、形状可変ミラーで反射された光線の非点収差をさらに小さくすることができるので、なお良い。
Furthermore, in a state with the deformable mirror DM,
0.8 < | C 4 / C 6 | cos 2 θ < 1.2 (41)
If this condition is satisfied, the astigmatism of the light beam reflected by the variable shape mirror can be further reduced.

また、形状可変ミラーDMのある状態において、
0.1|C8/C10|cos2θ10 …(42)
を満たすことが望ましい。
Further, in a state where the deformable mirror DM is present,
0.1 < | C 8 / C 10 | cos 2 θ < 10 (42)
It is desirable to satisfy.

式(42)を満たすことで、x軸方向の近軸光線とy軸方向の近軸光線がほぼ同一の点で軸上主光線と交わり、像面Iにおける非点収差を適正な範囲に抑えることができる。その理由については、図45を用いた前記の説明と同様である。   By satisfying Expression (42), the paraxial ray in the x-axis direction and the paraxial ray in the y-axis direction intersect with the axial principal ray at substantially the same point, and astigmatism on the image plane I is suppressed to an appropriate range. be able to. The reason is the same as that described above with reference to FIG.

さらに、形状可変ミラーDMのある状態において、
0.5|C8/C10|cos2θ2 …(43)
を満たせば、形状可変ミラーで反射された光線の非点収差をさらに小さくすることができるので、なお良い。
Furthermore, in a state with the deformable mirror DM,
0.5 < | C 8 / C 10 | cos 2 θ < 2 (43)
If this condition is satisfied, the astigmatism of the light beam reflected by the variable shape mirror can be further reduced.

また、形状可変ミラーDMのある状態において、
|(C10/C6)f|10 …(44)
を満たすことが望ましい。
Further, in a state where the deformable mirror DM is present,
0 <| (C 10 / C 6) f | <10 ... (44)
It is desirable to satisfy.

式(44)を満たすことで、形状可変ミラーDMのy軸方向の形状をさほど複雑なものとする必要がないので、形状可変ミラーデバイスの製造コストを低くすることができる。   By satisfying the equation (44), it is not necessary to make the shape of the deformable mirror DM in the y-axis direction so complicated that the manufacturing cost of the deformable mirror device can be reduced.

さらに、形状可変ミラーDMのある状態において、
|(C10/C6)f|2 …(45)
を満たせば、偏心収差を抑えられるので、なお良い。
Furthermore, in a state with the deformable mirror DM,
0 <| (C 10 / C 6) f | <2 ... (45)
If it satisfies, decentration aberrations can be suppressed, which is even better.

以上の実施例では、可変ミラーの中心部は固定としたが、必ずしも固定する必要はなく、中心部が変動してもよく、あるいは可変ミラーの周辺部が固定されていてもよい。   In the above embodiments, the central portion of the variable mirror is fixed. However, the central portion is not necessarily fixed, and the central portion may be changed, or the peripheral portion of the variable mirror may be fixed.

なお、可変ミラーの駆動方式としては、静電駆動方式、電磁駆動方式、圧電効果を用いた方式等、本願で示したどのタイプを用いても良い。静電駆動方式を用いれば、ミラー駆動時の消費電力を低く抑えることができるので良い。電磁駆動方式を用いれば、ミラー駆動の制御を行いやすいので良い。   In addition, as a driving method of the variable mirror, any type shown in the present application such as an electrostatic driving method, an electromagnetic driving method, a method using a piezoelectric effect, or the like may be used. If the electrostatic driving method is used, it is sufficient that the power consumption during mirror driving can be kept low. If an electromagnetic drive system is used, mirror drive control can be easily performed.

また、上記光学系以外にも、ロボットの目、撮像機能付き携帯電話、ドアスコープ用カメラ、車載カメラ等にも利用できることは言うまでもない。   In addition to the above optical system, it goes without saying that the present invention can also be used for robot eyes, mobile phones with an imaging function, door scope cameras, in-vehicle cameras, and the like.

次に、前記実施例1及び2の上記条件式(32)〜(34)、(41)〜(45)に関するパラメータの値を示す。

Figure 2007121944
Next, parameter values relating to the conditional expressions (32) to (34) and (41) to (45) of the first and second embodiments will be described.
Figure 2007121944

従来の撮像装置に用いられる撮像光学系においては、物点距離は正の値に限定されることが一般的である。本発明に関わる実施例1及び2では物点距離が正および負の値となっているが、物点距離が正の値に限定される場合であっても良好な結像性能が得られることはいうまでもない。   In an image pickup optical system used in a conventional image pickup apparatus, the object point distance is generally limited to a positive value. In Examples 1 and 2 according to the present invention, the object distance is a positive value and a negative value, but good imaging performance can be obtained even when the object distance is limited to a positive value. Needless to say.

また、従来の観察装置に用いられる観察光学系においては、一般に視度を表すディオプターの値が正から負へ連続的に変化する場合と、負のみの場合とがある。本発明に関わる実施例1及び2では、視度を表すディオプターの値を正から負へ変化させたが、視度を表すディオプターの値が負のみの場合であっても良好な性能が得られることはいうまでもない。   Further, in an observation optical system used in a conventional observation apparatus, there are a case where the diopter value indicating diopter generally changes continuously from positive to negative and a case where only negative. In Examples 1 and 2 according to the present invention, the diopter value representing diopter was changed from positive to negative, but good performance can be obtained even when the diopter value representing diopter is only negative. Needless to say.

最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。   Finally, definitions of terms used in the present invention will be described.

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、信号処理装置等が含まれる。   An optical device is a device including an optical system or an optical element. The optical device alone may not function. That is, it may be a part of the apparatus. The optical device includes an imaging device, an observation device, a display device, a lighting device, a signal processing device, and the like.

撮像装置の例としては、フィルムカメラ、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、電子内視鏡等がある。デジカメ、カード型デジカメ、テレビカメラ、VTRカメラ、動画記録カメラなどはいずれも電子撮像装置の一例である。   Examples of the imaging device include a film camera, a digital camera, a robot eye, a lens interchangeable digital single-lens reflex camera, a television camera, a moving image recording device, an electronic moving image recording device, a camcorder, a VTR camera, and an electronic endoscope. A digital camera, a card-type digital camera, a TV camera, a VTR camera, a moving image recording camera, and the like are all examples of an electronic imaging device.

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。   Examples of the observation apparatus include a microscope, a telescope, glasses, binoculars, a loupe, a fiberscope, a viewfinder, a viewfinder, and the like.

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。   Examples of the display device include a liquid crystal display, a viewfinder, a game machine (Sony PlayStation), a video projector, a liquid crystal projector, a head mounted display (HMD), a PDA (personal digital assistant), There are mobile phones.

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。   Examples of the illumination device include a camera strobe, an automobile headlight, an endoscope light source, and a microscope light source.

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等がある。   Examples of the signal processing device include a mobile phone, a personal computer, a game machine, an optical disk reading / writing device, an optical computer arithmetic device, and the like.

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、物体のぶれ等を含むものとする。   The imaging device refers to, for example, a CCD, an imaging tube, a solid-state imaging device, a photographic film, and the like. The plane parallel plate is included in one of the prisms. The change of the observer includes the change of the diopter. The change in the subject includes a change in the object distance as the subject, movement of the object, movement of the object, vibration, blurring of the object, and the like.

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。
The definition of the extended surface is as follows.
In addition to spherical surfaces, flat surfaces, and rotationally symmetric aspheric surfaces, spherical surfaces that are decentered with respect to the optical axis, flat surfaces, rotationally symmetric aspheric surfaces, aspheric surfaces that have a symmetric surface, aspheric surfaces that have only one symmetric surface, and non-symmetrical surfaces Any shape such as a spherical surface, a free-form surface, a non-differentiable point, or a surface having a line may be used. It may be a reflective surface or a refractive surface as long as it can have some influence on light. In the present invention, these are collectively referred to as an extended curved surface.

光学特性可変光学素子とは、可変焦点レンズ、可変形状鏡、面形状の変わる偏光プリズム、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。可変形状鏡についても同様である。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。   The optical characteristic variable optical element includes a variable focus lens, a variable shape mirror, a polarization prism whose surface shape changes, a vertex angle variable prism, a variable diffractive optical element whose light deflection action changes, that is, a variable HOE, a variable DOE, and the like. The variable focus lens includes a variable lens in which the focal length does not change and the amount of aberration changes. The same applies to the deformable mirror. In short, an optical element whose light deflection action such as light reflection, refraction, and diffraction can be changed is called an optical characteristic variable optical element.

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。   An information transmission device is a device that can input and transmit any information such as a remote control such as a mobile phone, a fixed phone, a game machine, a TV, a radio cassette, a stereo, a personal computer, a keyboard of a personal computer, a mouse, a touch panel, etc. Point to. It shall also include a television monitor with an imaging device, a personal computer monitor, and a display. The information transmission device is included in the signal processing device.

以上説明したように、本発明の光学装置は、特許請求の範囲に記載された発明の他に、次に示すような特徴も備えている。
[1]回転対称なレンズを有し、形状可変ミラーを用いてフォーカシングを行う撮像光学系。
As described above, the optical apparatus of the present invention has the following features in addition to the invention described in the claims.
[1] An imaging optical system having a rotationally symmetric lens and performing focusing using a deformable mirror.

[2]回転対称なレンズを有し、形状可変ミラーを用いて視度調整を行う観察光学系。 [2] An observation optical system having a rotationally symmetric lens and performing diopter adjustment using a variable shape mirror.

[3]軸上主光線(以後、主光線)の形状可変ミラーDMへの入射角をθとしたときに、形状可変ミラーDMのある状態において、
5°θ70°
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
[3] When the incident angle of the axial chief ray (hereinafter, chief ray) to the deformable mirror DM is θ,
5 ° < θ < 70 °
An imaging optical system or an observation optical system having a deformable mirror that satisfies the above.

[4]レンズGと形状可変ミラーDMとからなる光学系の後側焦点距離をfとしたときに、形状可変ミラーDMのある状態において、
|C4f|1 かつ 0|C6f|
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
[4] When the rear focal length of the optical system including the lens G and the deformable mirror DM is f,
0 <| C 4 f | < 1 and 0 <| C 6 f | < 1
An imaging optical system or an observation optical system having a deformable mirror that satisfies the above.

[5]形状可変ミラーDMのある状態において、
0.1|C4/C6|cos2θ10
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
[5] In a state where the deformable mirror DM is present,
0.1 < | C 4 / C 6 | cos 2 θ < 10
An imaging optical system or an observation optical system having a deformable mirror that satisfies the above.

[6]形状可変ミラーDMのある状態において、
0.1|C8/C10|cos2θ10
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
[6] In a state where the deformable mirror DM is present,
0.1 < | C 8 / C 10 | cos 2 θ < 10
An imaging optical system or an observation optical system having a deformable mirror that satisfies the above.

[7]形状可変ミラーDMのある状態において、
|(C10/C6)f|10
を満たす、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。
[7] In a state where the deformable mirror DM is present,
0 <| (C 10 / C 6) f | <10
An imaging optical system or an observation optical system having a deformable mirror that satisfies the above.

[8]ある状態において、形状可変ミラーDMの反射面形状が凸面にはならない、形状可変ミラーを有する撮像光学系あるいは観察光学系。 [8] An imaging optical system or observation optical system having a deformable mirror in which the shape of the reflecting surface of the deformable mirror DM does not become a convex surface in a certain state.

[9]請求項1から7の何れか1項に記載された光学系を用いた光学装置。 [9] An optical device using the optical system according to any one of claims 1 to 7.

本発明の光学装置の一実施例にかかるに光学特性ミラーを用いたデジタルカメラのケプラー式ファインダーの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a Kepler finder of a digital camera using an optical characteristic mirror according to an embodiment of the optical apparatus of the present invention. 本発明にかかる可変形状鏡409の他の実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other Example of the deformable mirror 409 concerning this invention. 図2の実施例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。It is explanatory drawing which shows one form of the electrode used for the deformable mirror of the Example of FIG. 図2の実施例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。It is explanatory drawing which shows the other form of the electrode used for the deformable mirror of the Example of FIG. 本発明にかかる可変形状鏡409のさらに他の実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the further another Example of the deformable mirror 409 concerning this invention. 本発明にかかる可変形状鏡409のさらに他の実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the further another Example of the deformable mirror 409 concerning this invention. 本発明にかかる可変形状鏡409のさらに他の実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the further another Example of the deformable mirror 409 concerning this invention. 図7の実施例における薄膜コイル427の巻密度の状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state of the winding density of the thin film coil 427 in the Example of FIG. 本発明にかかる可変形状鏡409のさらに他の実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the further another Example of the deformable mirror 409 concerning this invention. 図9の実施例におけるコイル427の一配置例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one example of arrangement | positioning of the coil 427 in the Example of FIG. 図9の実施例におけるコイル427の他の配置例を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing another arrangement example of the coil 427 in the embodiment of FIG. 9. 図7に示した実施例において、コイル427の配置を図11に示したようにした場合に適する永久磁石426の配置を示す説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram showing an arrangement of permanent magnets 426 that is suitable when the arrangement of the coil 427 is as shown in FIG. 11 in the embodiment shown in FIG. 7. 本発明のさらに他の実施例に係る、光学装置に適用可能な可変形状鏡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。An imaging system using a deformable mirror 409 applicable to an optical device according to still another embodiment of the present invention, such as a digital camera for a mobile phone, a capsule endoscope, an electronic endoscope, a digital camera for a personal computer, a PDA It is a schematic block diagram of the imaging system used for the digital camera etc. for cameras. 本発明の可変形状鏡のさらに他の実施例に係る、マイクロポンプ180で流体161を出し入れし、レンズ面を変形させる可変形状鏡188の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the variable shape mirror 188 which changes the lens surface by putting in and out the fluid 161 with the micro pump 180 based on the further another Example of the variable shape mirror of this invention. 本発明に適用可能なマイクロポンプの一実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Example of the micropump applicable to this invention. 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。It is a figure which shows the fundamental structure of the variable focus lens concerning this invention. 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。It is a figure which shows the refractive index ellipsoid of a uniaxial nematic liquid crystal molecule. 図16に示す高分子分散液晶層に電界を印加状態を示す図である。FIG. 17 is a diagram illustrating a state in which an electric field is applied to the polymer-dispersed liquid crystal layer illustrated in FIG. 16. 図16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例の構成を示す図である。FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of an example in the case where a voltage applied to the polymer-dispersed liquid crystal layer illustrated in FIG. 16 is variable. 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例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an example of the imaging optical system for digital cameras using the variable focus lens concerning this invention. 本発明にかかる可変焦点回折光学素子の一例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an example of the variable focus diffractive optical element concerning this invention. 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を示す図である。It is a figure which shows the structure of the variable focus spectacles which have a variable focus lens using a twist nematic liquid crystal. 図22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。It is a figure which shows the orientation state of a liquid crystal molecule when the voltage applied to the twist nematic liquid crystal layer shown in FIG. 22 is made high. 本発明にかかる可変偏角プリズムの二つの例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the two examples of the variable declination prism concerning this invention. 図24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。It is a figure for demonstrating the usage condition of the variable declination prism shown in FIG. 本発明にかかる可変焦点レンズとしての可変焦点ミラーの一例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an example of the variable focus mirror as a variable focus lens concerning this invention. 本発明の光学装置のさらに他の実施例に係る、可変焦点レンズ140を用いた撮像ユニット141の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the imaging unit 141 using the variable focus lens 140 based on the further another Example of the optical apparatus of this invention. 図27の実施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。It is explanatory drawing which shows the modification of the variable focus lens in the Example of FIG. 図28の可変焦点レンズが変形した状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which the variable focus lens of FIG. 28 deform | transformed. 本発明の可変焦点レンズのさらに他の実施例に係る、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167の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the variable focus lens 167 which changes the lens surface by putting in and out the fluid 161 with the micro pump 160 based on further another Example of the variable focus lens of this invention. 本発明にかかる光学特性可変光学素子の他の実施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。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a variable focus lens 201 using a piezoelectric material 200 as another embodiment of the optical characteristic variable optical element according to the present invention. 図31の変形例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。FIG. 32 is an explanatory diagram of a state of a variable focus lens according to a modification of FIG. 31. 本発明にかかる光学特性可変光学素子のさらに他の実施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。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a variable focus lens using two thin plates 200A and 200B made of a piezoelectric material, which is still another embodiment of the optical characteristic variable optical element according to the present invention. 本発明にかかる可変焦点レンズのさらに他の実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows other Example of the variable focus lens concerning this invention. 図34の実施例に係る可変焦点レンズの状態説明図である。FIG. 35 is a state explanatory diagram of a variable focus lens according to the example of FIG. 34; 本発明にかかる光学特性可変光学素子のさらに他の実施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構成図である。FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a variable focus lens using still another embodiment of the optical characteristic variable optical element according to the present invention and using a photonic effect. 図36の実施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。It is explanatory drawing which shows the structure of the azobenzene used for the variable focus lens which concerns on the Example of FIG. 36, (a) is a trans | transformer type | mold and (b) has shown the cis type | mold. 本発明にかかる可変形状鏡のさらに他の実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the further another Example of the deformable mirror concerning this invention. 本発明の実施例1の形状可変ミラーを用いたフォーカシング用光学系の光路図である。FIG. 3 is an optical path diagram of a focusing optical system using the variable shape mirror of Example 1 of the present invention. 本発明の実施例2の形状可変ミラーを用いたフォーカシング用光学系の光路図である。It is an optical path figure of the optical system for focusing using the variable shape mirror of Example 2 of this invention. 偏心した反射面により発生する像面湾曲を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the curvature of field which generate | occur | produces with the eccentric reflective surface. 偏心した反射面により発生する非点収差を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the astigmatism which generate | occur | produces with the eccentric reflective surface. 偏心した反射面により発生するコマ収差を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the coma aberration generate | occur | produced by the eccentric reflective surface. 本発明のフォーカシング機能と視度調整機能を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the focusing function and diopter adjustment function of this invention. 軸上主光線の入射角と光学系の焦点距離との関係を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the relationship between the incident angle of an axial principal ray, and the focal distance of an optical system.

符号の説明Explanation of symbols

ST 絞り
G レンズ群
DM 形状可変ミラー
O 物体面
I 像面
M 凹面鏡
RC 軸上主光線
RP 軸上の近軸光線
45 可変形状鏡
59 透明電極
102 レンズ
103 制御系
104 撮像ユニット
140 可変焦点レンズ
141 撮像ユニット
142 透明部材
143 透明物質
144 ゼリー状物質
145 透明電極
146 シリンダー
147 支援部材
148 変形可能な部材
161 流体
180 マイクロポンプ
181 振動板
182、183 電極
184、185 弁
188 可変形状鏡
189 反射膜
160 マイクロポンプ
167 可変焦点レンズ
163 透明基板
164 弾性体
165 透明基板
200 圧電材料
200A、200B 薄板
201 可変焦点レンズ
202 基板
204 透明基板
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 光源
214 可変焦点レンズ
404 プリズム
405 二等辺直角プリズム
406 ミラー
408 固体撮像素子
409 光学特性可変形状鏡
409a 薄膜(反射面)
409b 電極
409c、409c' 圧電素子
409c−1 基板
409c−2 電歪材料
409d 電極
409e 基板
409j 変形する基板
409k 変形する電極
411 可変抵抗器
412 電源
413 電源スイッチ
414 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(ブレ)センサー
425 駆動回路
426 永久磁石
427、428' コイル
428 駆動回路
453 電歪材料
452 電極
451 変形可能な基板
450 反射膜
449 釦
508a、508b、509a、509b レンズ面
511 可変焦点レンズ
512a 第1のレンズ
512b 第2のレンズ
513a、513b 透明電極
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
522 レンズ
523 固体撮像素子
531 可変焦点回折光学素子
532 第1の透明基板
532a 第1の面
532b 第2の面
533 第2の透明基板
533a 第3の面
533b 第4の面
539a、539b 配向膜
550 可変焦点眼鏡
551 可変焦点レンズ
552、553 レンズ
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
562 第1の透明基板
562a 第1の面
562b 第2の面
563 第2の透明基板
563a 第3の面
563b 第4の面
565 可変焦点ミラー
566 第1の透明基板
566a 第1の面
566b 第2の面
567 第2の透明基板
567a 第3の面
567b 第4の面
568 反射膜
901 接眼レンズ
902 対物レンズ
ST Aperture G Lens group DM Shape variable mirror O Object surface I Image surface M Concave mirror RC On-axis principal ray RP On-axis paraxial ray 45 Variable shape mirror 59 Transparent electrode 102 Lens 103 Control system 104 Imaging unit 140 Variable focus lens 141 Imaging Unit 142 Transparent member 143 Transparent material 144 Jelly-like material 145 Transparent electrode 146 Cylinder 147 Support member 148 Deformable member 161 Fluid 180 Micro pump 181 Diaphragm 182 and 183 Electrodes 184 and 185 Valve 188 Deformable mirror 189 Reflective film 160 Micro pump 167 Variable focus lens 163 Transparent substrate 164 Elastic body 165 Transparent substrate 200 Piezoelectric material 200A, 200B Thin plate 201 Variable focus lens 202 Substrate 204 Transparent substrate 206 Electrostrictive material 207 Variable focus lens 208, 209 Transparent elastic body 210 Azo Benzene 211 Transparent spacer 212, 213 Light source 214 Variable focus lens 404 Prism 405 Isosceles right angle prism 406 Mirror 408 Solid-state imaging device 409 Optical property variable shape mirror 409a Thin film (reflection surface)
409b Electrodes 409c, 409c ′ Piezoelectric element 409c-1 Substrate 409c-2 Electrostrictive material 409d Electrode 409e Substrate 409j Deformable substrate 409k Deformable electrode 411 Variable resistor 412 Power supply 413 Power switch 414 Arithmetic unit 415 Temperature sensor 416 Humidity sensor 417 Distance Sensor 423 Support base 424 Shake sensor 425 Drive circuit 426 Permanent magnet 427, 428 'Coil 428 Drive circuit 453 Electrostrictive material 452 Electrode 451 Deformable substrate 450 Reflective film 449 Buttons 508a, 508b, 509a, 509b Lens surface 511 Variable focus lens 512a First lens 512b Second lens 513a, 513b Transparent electrode 514 Polymer dispersed liquid crystal layer 515 Switch 516 AC power source 517 Liquid crystal molecule 518 Polymer cell 519 Variable resistance 521 Aperture 522 Lens 523 Solid-state imaging device 531 Variable focus diffractive optical element 532 First transparent substrate 532a First surface 532b Second surface 533 Second transparent substrate 533a Third surface 533b Fourth surface 539a, 539b Orientation Film 550 Variable focus glasses 551 Variable focus lens 552, 553 Lens 554 Twist nematic liquid crystal layer 555 Liquid crystal molecule 561 Variable deflection prism 562 First transparent substrate 562a First surface 562b Second surface 563 Second transparent substrate 563a First Third surface 563b Fourth surface 565 Variable focus mirror 566 First transparent substrate 566a First surface 566b Second surface 567 Second transparent substrate 567a Third surface 567b Fourth surface 568 Reflective film 901 Eyepiece 902 Objective lens

Claims (12)

光学特性可変光学素子を用いてフォーカシングを行う撮像光学系。   An imaging optical system that performs focusing using a variable optical property optical element. レンズと光学特性可変光学素子を用いてフォーカシングを行う撮像光学系。   An imaging optical system that performs focusing using a lens and an optical property variable optical element. 少なくとも一つの状態において、前記光学特性可変光学素子が自由曲面形状となることを特徴とする、請求項1または2に記載の撮像光学系。   The imaging optical system according to claim 1, wherein the optical characteristic variable optical element has a free-form surface shape in at least one state. 物点距離が正の領域にある物体に対して、フォーカシング可能であることを特徴とする、請求項1、2または3に記載の撮像光学系。   The imaging optical system according to claim 1, wherein focusing is possible with respect to an object having a positive object point distance. 物点距離が正から負の領域に渡る物体に対して、フォーカシング可能であることを特徴とする、請求項1、2または3に記載の撮像光学系。   The imaging optical system according to claim 1, wherein focusing is possible with respect to an object whose object distance ranges from a positive region to a negative region. 光学特性可変光学素子を用いて視度調整を行う観察光学系。   An observation optical system that performs diopter adjustment using a variable optical property optical element. レンズと光学特性可変光学素子を用いて視度調整を行う観察光学系。   An observation optical system that performs diopter adjustment using a lens and an optical property variable optical element. 少なくとも一つの状態において、前記光学特性可変光学素子が自由曲面形状となることを特徴とする、請求項6または7に記載の観察光学系。   The observation optical system according to claim 6 or 7, wherein the optical characteristic variable optical element has a free-form surface shape in at least one state. 視度を表すディオプターの値が負であることを特徴とする、請求項6、7または8に記載の観察光学系。   9. The observation optical system according to claim 6, 7 or 8, wherein a diopter value representing diopter is negative. 視度を表すディオプターの値が正から負へ連続的に変化することを特徴とする、請求項6、7または8に記載の観察光学系。   9. The observation optical system according to claim 6, 7 or 8, wherein a diopter value representing a diopter continuously changes from positive to negative. 前記光学特性可変光学素子が、反射型の光学特性可変光学素子であることを特徴とする、請求項1乃至10の何れかに記載の光学系。   11. The optical system according to claim 1, wherein the optical characteristic variable optical element is a reflective optical characteristic variable optical element. 前記光学特性可変光学素子が、形状可変ミラーであることを特徴とする、請求項1乃至11の何れかに記載の光学系。   The optical system according to claim 1, wherein the optical characteristic variable optical element is a variable shape mirror.
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