ズーム光学系
【課題】合焦及び変倍が可能なアクチュエータレスのズーム光学系を提供する。
【解決手段】ズーム光学系ＯＳ１は、像面Ｆ側からこの順番で配された、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３を備える。第１群及び第３群Ｇ１，Ｇ３は、それぞれ、液晶レンズを含む。第２群Ｇ２の焦点距離をｆ２としたときに、像面Ｆと第１群Ｇ１の主面との間の距離、第１群Ｇ１の主面と第２群Ｇ２の主面との間の距離、及び第２群Ｇ２の主面と第３群Ｇ３の主面との間の距離がそれぞれｆ２と等しい。ズーム光学系ＯＳ１は、第１群Ｇ１の焦点距離と第３群Ｇ３の焦点距離との和がｆ２と等しくなるように制御される。
【解決手段】ズーム光学系ＯＳ１は、像面Ｆ側からこの順番で配された、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３を備える。第１群及び第３群Ｇ１，Ｇ３は、それぞれ、液晶レンズを含む。第２群Ｇ２の焦点距離をｆ２としたときに、像面Ｆと第１群Ｇ１の主面との間の距離、第１群Ｇ１の主面と第２群Ｇ２の主面との間の距離、及び第２群Ｇ２の主面と第３群Ｇ３の主面との間の距離がそれぞれｆ２と等しい。ズーム光学系ＯＳ１は、第１群Ｇ１の焦点距離と第３群Ｇ３の焦点距離との和がｆ２と等しくなるように制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ズーム光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撮像装置や、光通信装置、光ピックアップ装置などの種々の光学装置において、変倍が可能なズーム光学系が用いられている。一般的に、ガラスレンズにより構成されたズーム光学系においては、変倍や合焦を行うために、少なくとも一部のガラスレンズを光軸に沿って変位させる必要がある。このため、ガラスレンズにより構成されたズーム光学系は、ガラスレンズを変位させるためのアクチュエータを必要とする。従って、ズーム光学系をコンパクト化することが困難である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、回折型液晶レンズを用いた結像光学系と、ズーム光学系とを有する光学系を備える画像取得装置が記載されている。この画像取得装置の光学系では、結像光学系により合焦が行われ、ズーム光学系において変倍が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０９９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の結像光学系では、回折型液晶レンズに印加される電圧が変化することにより回折型液晶レンズの焦点距離が変化し、合焦が行われる。このため、特許文献１に記載の結像光学系は、レンズを移動させるためのアクチュエータを必ずしも必要としない。従って、結像光学系をコンパクト化し得る。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の結像光学系では、変倍ができないため、特許文献１に記載の画像取得装置の光学系には、結像光学系と共にズーム光学系が設けられている。このため、画像取得装置を十分にコンパクト化できないという問題がある。
【０００７】
本発明は、合焦及び変倍が可能なアクチュエータレスのズーム光学系を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るズーム光学系は、像面側からこの順番で配された、第１群、第２群及び第３群を備える。第１群及び第３群は、それぞれ、液晶レンズを含む。第２群の焦点距離をｆ２としたときに、像面と第１群の主面との間の距離、第１群の主面と第２群の主面との間の距離、及び第２群の主面と第３群の主面との間の距離がそれぞれｆ２と等しい。本発明に係るズーム光学系は、第１群の焦点距離と第３群の焦点距離との和がｆ２と等しくなるように制御される。
【０００９】
第２群は、少なくともひとつのガラスレンズにより構成されていてもよいし、液晶レンズを含んでいてもよい。
【００１０】
本発明に係るズーム光学系は、第３群よりも物体側に配されており、液晶レンズを含む第４群をさらに備えることが好ましい。その場合、ズーム光学系は、第４群の焦点距離をｆ４とし、第３群の主面と第４群の主面との間の距離をｆ２＋Ｌ１とし、第４群の主面と物体との間の距離をＬ２としたときに、ｆ４−１＝Ｌ１−１＋Ｌ２−１が満たされるように制御されることが好ましい。
【００１１】
液晶レンズは、光軸上にこの順番で配置された、第１の液晶層、第２の液晶層、第３の液晶層及び第４の液晶層を備えることが好ましい。その場合、第１の液晶層における配向方向と、第２の液晶層における配向方向とが光軸と垂直な面内において９０°異なっており、第１の液晶層における配向方向と、第４の液晶層における配向方向とが光軸と垂直な面内において１８０°異なっており、第２の液晶層における配向方向と、第３の液晶層における配向方向とが光軸と垂直な面内において１８０°異なっていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、合焦及び変倍が可能なアクチュエータレスのズーム光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係るズーム光学系の略図的構成図である。
【図２】第２の実施形態に係るズーム光学系の略図的構成図である。
【図３】液晶レンズの略図的断面図である。
【図４】第１の電極の略図的平面図である。
【図５】第１の参考例に係る液晶レンズの略図的断面図である。
【図６】第１の変形例に係る液晶レンズの略図的断面図である。
【図７】第２の変形例に係る液晶レンズの略図的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００１５】
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るズーム光学系ＯＳ１の略図的構成図である。ズーム光学系ＯＳ１は、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３を備える。第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３は、光軸Ｃ上において、像面Ｆ側から物体Ｏ側に向かってこの順番で配されている。ズーム光学系ＯＳ１は、これら第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３により構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明に係るズーム光学系は、第１群、第２群及び第３群に加えて、他の群をさらに備えていてもよい。
【００１７】
ズーム光学系ＯＳ１において、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３を構成するレンズの位置は、固定されている。従って、ズーム光学系ＯＳ１は、アクチュエータを必ずしも要さない。
【００１８】
第１群Ｇ１は、第１のレンズＬ１を含む。本実施形態では、第１群Ｇ１が第１のレンズＬ１により構成されている。第１のレンズＬ１は、焦点距離が可変な液晶レンズにより構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。第１群Ｇ１は、第１のレンズＬ１に加えて、少なくともひとつのガラスレンズ及び少なくともひとつの液晶レンズの少なくとも一方を含んでいてもよい。
【００１９】
第２群Ｇ２は、第２のレンズＬ２を含む。本実施形態では、第２群Ｇ２は、ガラスレンズからなる焦点距離が実質的に不変である第２のレンズＬ２により構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。第２群Ｇ２は、第２のレンズＬ２に加えて、少なくともひとつのガラスレンズ及び少なくともひとつの液晶レンズの少なくとも一方を含んでいてもよい。即ち、第２群Ｇ２は、少なくともひとつのガラスレンズにより構成されており、液晶レンズを有さなくてもよい。また、第２群Ｇ２は、液晶レンズを有していてもよい。すなわち、第２群Ｇ２も焦点距離が可変な群であってもよい。さらには、第２群Ｇ２は、液晶レンズのみで構成された焦点距離が可変な群であってもよい。
【００２０】
第３群Ｇ３は、第３のレンズＬ３を含む。本実施形態では、第３群Ｇ３が第３のレンズＬ３により構成されている。第３のレンズＬ３は、焦点距離が可変な液晶レンズにより構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。第３群Ｇ３は、第３のレンズＬ３に加えて、少なくともひとつのガラスレンズ及び少なくともひとつの液晶レンズの少なくとも一方を含んでいてもよい。
【００２１】
ここで、
第１群Ｇ１の焦点距離：ｆ１、
第２群Ｇ２の焦点距離：ｆ２、
第３群Ｇ３の焦点距離：ｆ３、
とする。
【００２２】
本実施形態では、焦点距離ｆ２は一定であり、焦点距離ｆ１及び焦点距離ｆ３は、可変である。
【００２３】
ズーム光学系ＯＳ１では、像面Ｆと第１群Ｇ１の主面との間の距離は、ｆ２と等しい。第１群Ｇ１の主面と第２群Ｇ２の主面との間の距離は、ｆ２と等しい。第２群Ｇ２の主面と第３群Ｇ３の主面との間の距離は、ｆ２と等しい。また、物体Ｏと第３群Ｇ３の主面との間の距離も、ｆ２と等しい。そして、ズーム光学系ＯＳ１は、制御部ＣＰによって、第１群Ｇ１の焦点距離と第３群Ｇ３の焦点距離との和がｆ２と等しくなるように制御される。即ち、ズーム光学系ＯＳ１は、制御部ＣＰによって、条件式（１）が満たされるように制御される。このため、物体Ｏの像は、像面Ｆ上に合焦した状態となる。
【００２４】
ｆ１＋ｆ３＝ｆ２ ……… （１）
【００２５】
また、第１群Ｇ１の光学的パワーを負とし、第３群Ｇ３の光学的パワーを正とすることにより、ズーム光学系ＯＳ１の倍率を１倍よりも大きくし得る。一方、第１群Ｇ１の光学的パワーを正とし、第３群Ｇ３の光学的パワーを負とすることにより、ズーム光学系ＯＳ１の倍率を１倍よりも小さくし得る。従って、ズーム光学系ＯＳ１によれば、物体Ｏの拡大と縮小との両方を行うことができる。
【００２６】
このズーム光学系ＯＳ１において、最大拡大倍率ｍｍａｘは、下記の式（２）で定義される。
【００２７】
ｍｍａｘ＝（ｆ２／ｆ（−）ｍｉｎ−１）２ ……… （２）
【００２８】
但し、ｆ（−）ｍｉｎは、負の光学的パワーを有する第１群Ｇ１における焦点距離の可変範囲内での最小値である。
【００２９】
このズーム光学系ＯＳ１において、最大縮小倍率ｍｍｉｎは、下記の式（３）で定義される。
【００３０】
ｍｍｉｎ＝１／（（ｆ２／ｆ（−）ｍｉｎ−１）２） ……… （３）
【００３１】
但し、ｆ（−）ｍｉｎは、負の光学的パワーを有する第３群Ｇ３における焦点距離の可変範囲内での最小値である。
【００３２】
このため、ズーム光学系ＯＳ１では、条件式（１）を満たす範囲において、第１群Ｇ１の焦点距離ｆ１と、第３群Ｇ３の焦点距離ｆ３とを適宜変更することによって、第１〜第３群Ｇ１〜Ｇ３を変位させることなく、合焦及び変倍することができる。
【００３３】
具体的な光学設計例を下記の表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
【００３６】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係るズーム光学系ＯＳ２の略図的構成図である。ズーム光学系ＯＳ２は、第１〜第３群Ｇ１〜Ｇ３に加えて第４群Ｇ４を備える点で第１の実施形態に係るズーム光学系ＯＳ１と異なる。
【００３７】
第４群Ｇ４は、第４のレンズＬ４を含む。本実施形態では、第４群Ｇ４が第４のレンズＬ４により構成されている。第４のレンズＬ４は、焦点距離が可変な液晶レンズにより構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。第４群Ｇ４は、第４のレンズＬ４に加えて、少なくともひとつのガラスレンズ及び少なくともひとつの液晶レンズの少なくとも一方を含んでいてもよい。
【００３８】
第４群Ｇ４を有するズーム光学系ＯＳ２においても、ズーム光学系ＯＳ１と同様に、第１〜第４群Ｇ１〜Ｇ４を変位させることなく、合焦及び変倍することができる。また、ズーム光学系ＯＳ２によれば、物体Ｏの拡大と縮小との両方を行うことができる。
【００３９】
ズーム光学系ＯＳ２は、第４群Ｇ４の焦点距離をｆ４とし、第３群Ｇ３の主面と第４群Ｇ４の主面との間の距離をｆ２＋Ｌ１とし、第４群Ｇ４の主面と物体Ｏとの間の距離をＬ２としたときに、制御部ＣＰによって、式（４）が満たされるように制御される。
【００４０】
ｆ４−１＝Ｌ１−１＋Ｌ２−１ ……… （４）
【００４１】
式（４）が満たされる限りにおいて、物体Ｏの像は、像面Ｆ上に合焦した状態となる。このため、ズーム光学系ＯＳ２では、物体Ｏとズーム光学系ＯＳ２との間の距離を変化させることができる。
【００４２】
（液晶レンズ）
ズーム光学系ＯＳ１，ＯＳ２において、液晶レンズとしては、図３に示す液晶レンズ１を用いることが好ましい。
【００４３】
液晶レンズ１は、液晶分子を含む第１〜第４の液晶層１１〜１４を備えている。第１〜第４の液晶層１１〜１４は、光軸Ｃ上にこの順番で配されている。これら第１〜第４の液晶層１１〜１４は、第１及び第２の電極２１，２２により挟持されている。第１及び第２の電極２１，２２により、第１〜第４の液晶層１１〜１４に電界が印加され、これにより液晶レンズ１の屈折率が変化する。なお、光軸Ｃは、液晶レンズ１全体としての光軸であって、第１〜第４の液晶層１１〜１４のそれぞれの光軸は、光軸Ｃと必ずしも一致していない。
【００４４】
より具体的には、液晶レンズ１は、互いに対向するように配された第１の基板３１と第２の基板３２とを有する。第１の基板３１と第２の基板３２との間には、３枚の中間基板３３〜３５が配されている。これら３枚の中間基板３３〜３５と、第１及び第２の基板３１，３２と、隔壁部材３６〜３９とにより区画形成された４つの空間に第１〜第４の液晶層１１〜１４が設けられている。
【００４５】
さらに具体的には、第１の基板３１と、第１の基板３１に対向するように配された中間基板３３と、隔壁部材３６とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第１の液晶層１１が設けられている。
【００４６】
第１の基板３１、中間基板３３及び隔壁部材３６は、例えばガラスにより構成することができる。第２の基板３２、中間基板３４，３５及び隔壁部材３７〜３９も、同様に、ガラスにより構成することができる。
【００４７】
第１の基板３１及び第２の基板３２の厚みは、例えば、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とすることができる。中間基板３３〜３５の厚みは、例えば、５μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。隔壁部材３６〜３９の厚みは、得ようとする光学的パワーにより決定される第１〜第４の液晶層１１〜１４の厚みや、第１〜第４の液晶層１１〜１４に要求される応答速度等に応じて適宜設定することができる。隔壁部材３６〜３９の厚みは、例えば、１０μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。
【００４８】
第１の基板３１の第１の液晶層１１側の表面３１ａの上には、第１の電極２１が配されている。第１の電極２１の形状は、特に限定されない。本実施形態では、図４に示すように、第１の電極２１は、円形の第１の部分２１ａと、第１の部分２１ａを包囲する第２の部分２１ｂとを有する。第１の電極２１は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物により構成することができる。
【００４９】
なお、図示は省略するが、本実施形態では、第１の基板３１の表面３１ａの上には、絶縁膜が第１の電極２１を覆うように配されている。絶縁膜は、高抵抗膜により覆われている。高抵抗膜は、配向膜により覆われている。また、中間基板３３の第１の液晶層１１側の表面の上にも配向膜が配されている。これら配向膜により、第１の液晶層１１中の液晶分子の配向が行われている。もっとも、絶縁膜や高抵抗膜等は本発明において必ずしも必須ではない。
【００５０】
なお、絶縁膜は、例えば酸化ケイ素などにより構成することができる。高抵抗膜は、例えば酸化亜鉛などにより構成することができる。配向膜は、例えば、ラビング処理されたポリイミド膜などにより構成することができる。本実施形態において登場する他の絶縁膜、高抵抗膜、配向膜も、同様の材料により構成することができる。
【００５１】
中間基板３３と、中間基板３３に対向するように配された中間基板３４と、隔壁部材３７とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第２の液晶層１２が設けられている。
【００５２】
なお、図示は省略するが、中間基板３３，３４のそれぞれの第２の液晶層１２側の表面の上には、配向膜が配されている。これら配向膜により、第２の液晶層１２中の液晶分子の配向が行われている。
【００５３】
中間基板３４と、中間基板３４に対向するように配された中間基板３５と、隔壁部材３８とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第３の液晶層１３が設けられている。
【００５４】
なお、図示は省略するが、中間基板３４，３５のそれぞれの第３の液晶層１３側の表面の上には、配向膜が設けられている。これら配向膜により、第３の液晶層１３中の液晶分子の配向が行われている。
【００５５】
中間基板３５と、中間基板３５に対向するように配された第２の基板３２と、隔壁部材３９とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第４の液晶層１４が設けられている。
【００５６】
第２の基板３２の第４の液晶層１４側の表面３２ａの上には、第２の電極２２が設けられている。第２の電極２２は、第１の電極２１の第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂに対向するように、面状に設けられている。第２の電極２２は、表面３２ａの液晶層１１〜１４が設けられた領域の実質的に全体の上に配されている。図示は省略するが、表面３２ａの上には、第２の電極２２を覆うように配向膜が設けられている。また、中間基板３５の第４の液晶層１４側の表面の上にも配向膜が設けられている。これら配向膜によって、第４の液晶層１４中の液晶分子の配向が行われている。
【００５７】
この液晶レンズ１は、第１の電極２１の第１の部分２１ａと第２の電極２２との間の電圧Ｖ１が、第１の電極２１の第２の部分２１ｂと第２の電極２２との間の電圧Ｖ２よりも大きい場合に、負の光学的パワーを有するレンズとなる。一方、第１の電極２１の第１の部分２１ａと第２の電極２２との間の電圧Ｖ１が、第１の電極２１の第２の部分２１ｂと第２の電極２２との間の電圧Ｖ２よりも小さい場合に、正の光学的パワーを有するレンズとなる。
【００５８】
液晶レンズ１においては、第１の液晶層１１における配向方向と、第２の液晶層１２における配向方向とが光軸Ｃと垂直な面内において９０°異なっている。第１の液晶層１１における配向方向と、第４の液晶層１４における配向方向とが光軸Ｃと垂直な面内において１８０°異なっている。第２の液晶層１２における配向方向と、第３の液晶層１３における配向方向とが光軸Ｃと垂直な面内において１８０°異なっている。
【００５９】
例えば、第１及び第４の液晶層１１，１４のそれぞれが、Ｐ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ場合は、第２及び第３の液晶層１２，１３のそれぞれは、Ｓ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ。逆に、例えば、第１及び第４の液晶層１１，１４のそれぞれが、Ｓ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ場合は、第２及び第３の液晶層１２，１３のそれぞれは、Ｐ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ。このように、液晶レンズ１では、例えば、Ｐ偏光及びＳ偏光のうちの一方の偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ２つの液晶層１１，１４を光軸Ｃ方向における両側に配し、それら２つの液晶層１１，１４の間に、Ｐ偏光及びＳ偏光のうちの他方の偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ２つの液晶層１２，１３が配されている。そして、４つの液晶層１１〜１４のうち、同じ偏光に対して光線偏光作用を有する２つの液晶層で、光軸Ｃと垂直な面内において配向方向が１８０°異なっている。
【００６０】
ところで、例えば、液晶層をひとつのみ有する液晶レンズにおいては、その液晶層が光線偏光作用を有する偏光以外の光が液晶層に入射しないように、液晶レンズの前方に偏光板を配する必要がある。このため、光量損失が大きくなる。
【００６１】
それに対して図５に示すように、例えば、Ｐ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ第１の液晶層１１１と、Ｓ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ第２の液晶層１１２とを有する液晶レンズ１００は、偏光板を要さない。従って、光量損失を抑制することができる。
【００６２】
しかしながら、第１の液晶層１１１の光学的パワーと第２の液晶層１１２の光学的パワーとが等しいと、Ｐ偏光の入射光に対する第１の液晶層１１１の焦点位置と、Ｓ偏光の入射光に対する第２の液晶層１１２の焦点位置とが光軸方向において異なる。従って、Ｐ偏光とＳ偏光とが光軸方向において異なるため、十分な結像性能が得られない。
【００６３】
例えば、第２の液晶層１１２を第１の液晶層１１１よりも厚くし、Ｓ偏光の入射光に対する第２の液晶層１１２の光学的パワーを、Ｐ偏光の入射光に対する第１の液晶層１１１の光学的パワーよりも強くすることにより、Ｐ偏光の入射光に対する第１の液晶層１１１の焦点位置と、Ｓ偏光の入射光に対する第２の液晶層１１２の焦点距離とを整合させることも考えられる。この手法では、例えば、第１及び第２の液晶層１１１，１１２の屈折率が所定の屈折率である場合にＰ偏光の焦点距離とＳ偏光の焦点距離とを整合させることはできる。しかしながら、第１の液晶層１１１及び第２の液晶層１１２の屈折率に関わらず、Ｐ偏光の焦点距離とＳ偏光の焦点距離とを整合させることは困難である。従って、液晶レンズ１００では、特定の屈折率のときに優れた結像性能が得られるものの、それ以外の屈折率のときにおいて優れた結像性能を得ることは困難である。
【００６４】
また、液晶レンズ１００では、第１の液晶層１１１の両側に配されている配向膜のラビング方向と、第２の液晶層１１２の両側に配されている配向膜のラビング方向とは、直交している。ここで、第１の液晶層１１１の両側に配されている配向膜のラビング方向をｘ方向とし、第２の液晶層１１２の両側に配されている配向膜のラビング方向をｙ方向とする。すると、第１の液晶層１１１の焦点は、第１及び第２の液晶層１１１，１１２のｚ方向から視たときの幾何学的な中心からｘ方向にずれる。それに対して、第２の液晶層１１２の焦点は、第１及び第２の液晶層１１１，１１２のｚ方向から視たときの幾何学的な中心からｙ方向にずれる。従って、Ｐ偏光の焦点位置と、Ｓ偏光の焦点位置とは、光軸に対して垂直な面内において相互に異なる。従って、仮に、Ｐ偏光の焦点距離とＳ偏光の焦点距離とを一致させることができたとしても、Ｐ偏光の焦点位置とＳ偏光の焦点位置とを合致させることはできない。従って、液晶レンズ１００では、十分に優れた結像性能が得られない。
【００６５】
さらに、第１及び第２の液晶層１１１，１１２のｚ方向から視たときの幾何学的な中心と、ｚ方向に垂直な面内におけるＰ偏光及びＳ偏光の焦点位置との間の距離は、第１または第２の液晶層１１１，１１２の屈折率と共に変化するという問題も生じる。
【００６６】
それに対して、液晶レンズ１では、第１の偏光方向の入射光に対して光線偏光作用を持つ第１及び第４の液晶層１１，１４が光軸Ｃ方向の両側に配されており、第２の偏光方向の入射光に対して光線偏光作用を持つ第２及び第３の液晶層１２，１３が光軸Ｃ方向において第１の液晶層１１と第４の液晶層１４との間に配されている。このため、第１の偏光方向の入射光と、第２の偏光方向の入射光との焦点距離の差を小さくすることができる。従って、優れた結像性能を実現することができる。
【００６７】
より優れた結像性能を実現する観点からは、第１の偏光方向の入射光に対する第１の液晶層１１と第４の液晶層１４との合成焦点距離と、第２の偏光方向の入射光に対する第２の液晶層１２と第３の液晶層１３との合成焦点距離とが等しいことが好ましい。
【００６８】
ここで、第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離とが等しいとは、第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離との差が、第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離との平均値の９０％〜１１０％の範囲内にあることをいう。
【００６９】
さらに、液晶レンズ１では、第１の液晶層１１に対して配向方向が１８０°異なる第４の液晶層１４が設けられている。第１の液晶層１１単体としての光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレ方向と、第４の液晶層１４単体としての光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレ方向とが１８０°異なる。従って、第１の液晶層１１による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレと、第４の液晶層１４による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレとが打ち消しあい、第１の偏光方向の入射光に対する光軸Ｃに垂直な面内における液晶レンズ１全体としての焦点位置の光軸Ｃに対するズレ量を小さくすることができる。同様に、液晶レンズ１では、第２の液晶層１２に対して配向方向が１８０°異なる第３の液晶層１３が設けられている。このため、第２の液晶層１２による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレと、第３の液晶層１３による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレとが打ち消しあい、第２の偏光方向の入射光に対する光軸Ｃに垂直な面内における液晶レンズ１全体としての焦点位置の光軸Ｃに対するズレ量を小さくすることができる。従って、さらに優れた結像性能を得ることができる。
【００７０】
また、第１の電極２１と第２の電極２２とにより、第１〜第４の液晶層１１〜１４に電界が印加されるため、液晶レンズ１では、第１の液晶層１１の光学的パワーと第４の液晶層１４の光学的パワーとが連動して変化し、第２の液晶層１２の光学的パワーと第３の液晶層１３の光学的パワーとが連動して変化する。従って、第１〜第４の液晶層１１〜１４の光学的パワーが変化しても、液晶レンズ１の光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置が光軸Ｃからずれにくい。
【００７１】
以上のように、液晶レンズ１は、優れた結像性能を有するため、液晶レンズ１を用いることにより、優れた結像性能を有するズーム光学系ＯＳ１，ＯＳ２を実現することができる。
【００７２】
ところで、液晶レンズの光学的パワーの制御の自由度を高める観点からは、第１〜第４の液晶層のそれぞれに対して、電界を印加する電極対を個別に設けることが考えられる。しかしながら、その場合は、ある電極対により発生した電界のｚ方向における方向と、別の電極対により発生した電界のｚ方向における方向とが異なる場合がある。その場合は、液晶層に対して、その液晶層を挟持している電極対により発生した電界の影響に加え、他の電極対により発生した、ｚ方向における電界方向が異なる電界の影響が加わることとなる。従って、液晶レンズの応答速度が低くなる。
【００７３】
それに対して本実施形態では、一対の第１及び第２の電極２１，２２により第１〜第４の液晶層１１〜１４が挟持されており、一対の第１及び第２の電極２１，２２により第１〜第４の液晶層１１〜１４に電界が印加される。よって、第１〜第４の液晶層１１〜１４のそれぞれには、単一の電界のみが加わる。従って、液晶レンズ１の応答速度を高めることができる。
【００７４】
このように、液晶層に加わる電界を打ち消す方向の電界が液晶層に加わらないようにする観点からは、以下のように液晶レンズを構成することも考えられる。
【００７５】
例えば、図６に示される液晶レンズ２は、第１及び第２の液晶層１１，１２を挟持しており、第１及び第２の液晶層１１，１２に電界を印加する第１及び第２の電極２３ａ、２３ｂと、第３及び第４の液晶層１３，１４を挟持しており、第３及び第４の液晶層１３，１４に電界を印加する第３及び第４の電極２４ａ、２４ｂとを有する。第１及び第２の電極２３ａ、２３ｂのうち、ｚ１側に位置する第１の電極２３ａが第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂを有し、第３及び第４の電極２４ａ、２４ｂのうち、ｚ１側に位置する第３の電極２４ａが第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂを有する。そして、第１及び第２の電極２３ａ、２３ｂにより形成される電界の方向と、第３及び第４の電極２４ａ、２４ｂにより形成される電界の方向とが、光軸Ｃ方向において等しくなるように第１〜第４の電極２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂに電圧が印加される。従って、第１〜第４の液晶層１１〜１４に互いに打ち消し合う方向の電界が加わらないため、高い応答速度を実現することができる。
【００７６】
また、図７に示されるように、液晶レンズ３を、第１及び第２の液晶層１１，１２を有する第１の光学部材４１と、第３及び第４の液晶層１３，１４を有する第２の光学部材４２とにより構成してもよい。この場合、第１の光学部材４１と第２の光学部材４２とは密着するように配されていてもよし、空気層を介して配されていてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
ＯＳ１，ＯＳ２…ズーム光学系
１〜３…液晶レンズ
Ｇ１…第１群
Ｌ１…第１のレンズ
Ｇ２…第２群
Ｌ２…第２のレンズ
Ｇ３…第３群
Ｌ３…第３のレンズ
Ｇ４…第４群
Ｌ４…第４のレンズ
１１…第１の液晶層
１２…第２の液晶層
１３…第３の液晶層
１４…第４の液晶層
２１，２３ａ…第１の電極
２１ａ…第１の部分
２１ｂ…第２の部分
２２，２３ｂ…第２の電極
２４ａ…第３の電極
２４ｂ…第４の電極
３１…第１の基板
３１ａ…表面
３２…第２の基板
３２ａ…表面
３３〜３５…中間基板
３６〜３９…隔壁部材
４１…第１の光学部材
４２…第２の光学部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ズーム光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撮像装置や、光通信装置、光ピックアップ装置などの種々の光学装置において、変倍が可能なズーム光学系が用いられている。一般的に、ガラスレンズにより構成されたズーム光学系においては、変倍や合焦を行うために、少なくとも一部のガラスレンズを光軸に沿って変位させる必要がある。このため、ガラスレンズにより構成されたズーム光学系は、ガラスレンズを変位させるためのアクチュエータを必要とする。従って、ズーム光学系をコンパクト化することが困難である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、回折型液晶レンズを用いた結像光学系と、ズーム光学系とを有する光学系を備える画像取得装置が記載されている。この画像取得装置の光学系では、結像光学系により合焦が行われ、ズーム光学系において変倍が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０９９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の結像光学系では、回折型液晶レンズに印加される電圧が変化することにより回折型液晶レンズの焦点距離が変化し、合焦が行われる。このため、特許文献１に記載の結像光学系は、レンズを移動させるためのアクチュエータを必ずしも必要としない。従って、結像光学系をコンパクト化し得る。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の結像光学系では、変倍ができないため、特許文献１に記載の画像取得装置の光学系には、結像光学系と共にズーム光学系が設けられている。このため、画像取得装置を十分にコンパクト化できないという問題がある。
【０００７】
本発明は、合焦及び変倍が可能なアクチュエータレスのズーム光学系を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るズーム光学系は、像面側からこの順番で配された、第１群、第２群及び第３群を備える。第１群及び第３群は、それぞれ、液晶レンズを含む。第２群の焦点距離をｆ２としたときに、像面と第１群の主面との間の距離、第１群の主面と第２群の主面との間の距離、及び第２群の主面と第３群の主面との間の距離がそれぞれｆ２と等しい。本発明に係るズーム光学系は、第１群の焦点距離と第３群の焦点距離との和がｆ２と等しくなるように制御される。
【０００９】
第２群は、少なくともひとつのガラスレンズにより構成されていてもよいし、液晶レンズを含んでいてもよい。
【００１０】
本発明に係るズーム光学系は、第３群よりも物体側に配されており、液晶レンズを含む第４群をさらに備えることが好ましい。その場合、ズーム光学系は、第４群の焦点距離をｆ４とし、第３群の主面と第４群の主面との間の距離をｆ２＋Ｌ１とし、第４群の主面と物体との間の距離をＬ２としたときに、ｆ４−１＝Ｌ１−１＋Ｌ２−１が満たされるように制御されることが好ましい。
【００１１】
液晶レンズは、光軸上にこの順番で配置された、第１の液晶層、第２の液晶層、第３の液晶層及び第４の液晶層を備えることが好ましい。その場合、第１の液晶層における配向方向と、第２の液晶層における配向方向とが光軸と垂直な面内において９０°異なっており、第１の液晶層における配向方向と、第４の液晶層における配向方向とが光軸と垂直な面内において１８０°異なっており、第２の液晶層における配向方向と、第３の液晶層における配向方向とが光軸と垂直な面内において１８０°異なっていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、合焦及び変倍が可能なアクチュエータレスのズーム光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係るズーム光学系の略図的構成図である。
【図２】第２の実施形態に係るズーム光学系の略図的構成図である。
【図３】液晶レンズの略図的断面図である。
【図４】第１の電極の略図的平面図である。
【図５】第１の参考例に係る液晶レンズの略図的断面図である。
【図６】第１の変形例に係る液晶レンズの略図的断面図である。
【図７】第２の変形例に係る液晶レンズの略図的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００１５】
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るズーム光学系ＯＳ１の略図的構成図である。ズーム光学系ＯＳ１は、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３を備える。第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３は、光軸Ｃ上において、像面Ｆ側から物体Ｏ側に向かってこの順番で配されている。ズーム光学系ＯＳ１は、これら第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３により構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明に係るズーム光学系は、第１群、第２群及び第３群に加えて、他の群をさらに備えていてもよい。
【００１７】
ズーム光学系ＯＳ１において、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２及び第３群Ｇ３を構成するレンズの位置は、固定されている。従って、ズーム光学系ＯＳ１は、アクチュエータを必ずしも要さない。
【００１８】
第１群Ｇ１は、第１のレンズＬ１を含む。本実施形態では、第１群Ｇ１が第１のレンズＬ１により構成されている。第１のレンズＬ１は、焦点距離が可変な液晶レンズにより構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。第１群Ｇ１は、第１のレンズＬ１に加えて、少なくともひとつのガラスレンズ及び少なくともひとつの液晶レンズの少なくとも一方を含んでいてもよい。
【００１９】
第２群Ｇ２は、第２のレンズＬ２を含む。本実施形態では、第２群Ｇ２は、ガラスレンズからなる焦点距離が実質的に不変である第２のレンズＬ２により構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。第２群Ｇ２は、第２のレンズＬ２に加えて、少なくともひとつのガラスレンズ及び少なくともひとつの液晶レンズの少なくとも一方を含んでいてもよい。即ち、第２群Ｇ２は、少なくともひとつのガラスレンズにより構成されており、液晶レンズを有さなくてもよい。また、第２群Ｇ２は、液晶レンズを有していてもよい。すなわち、第２群Ｇ２も焦点距離が可変な群であってもよい。さらには、第２群Ｇ２は、液晶レンズのみで構成された焦点距離が可変な群であってもよい。
【００２０】
第３群Ｇ３は、第３のレンズＬ３を含む。本実施形態では、第３群Ｇ３が第３のレンズＬ３により構成されている。第３のレンズＬ３は、焦点距離が可変な液晶レンズにより構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。第３群Ｇ３は、第３のレンズＬ３に加えて、少なくともひとつのガラスレンズ及び少なくともひとつの液晶レンズの少なくとも一方を含んでいてもよい。
【００２１】
ここで、
第１群Ｇ１の焦点距離：ｆ１、
第２群Ｇ２の焦点距離：ｆ２、
第３群Ｇ３の焦点距離：ｆ３、
とする。
【００２２】
本実施形態では、焦点距離ｆ２は一定であり、焦点距離ｆ１及び焦点距離ｆ３は、可変である。
【００２３】
ズーム光学系ＯＳ１では、像面Ｆと第１群Ｇ１の主面との間の距離は、ｆ２と等しい。第１群Ｇ１の主面と第２群Ｇ２の主面との間の距離は、ｆ２と等しい。第２群Ｇ２の主面と第３群Ｇ３の主面との間の距離は、ｆ２と等しい。また、物体Ｏと第３群Ｇ３の主面との間の距離も、ｆ２と等しい。そして、ズーム光学系ＯＳ１は、制御部ＣＰによって、第１群Ｇ１の焦点距離と第３群Ｇ３の焦点距離との和がｆ２と等しくなるように制御される。即ち、ズーム光学系ＯＳ１は、制御部ＣＰによって、条件式（１）が満たされるように制御される。このため、物体Ｏの像は、像面Ｆ上に合焦した状態となる。
【００２４】
ｆ１＋ｆ３＝ｆ２ ……… （１）
【００２５】
また、第１群Ｇ１の光学的パワーを負とし、第３群Ｇ３の光学的パワーを正とすることにより、ズーム光学系ＯＳ１の倍率を１倍よりも大きくし得る。一方、第１群Ｇ１の光学的パワーを正とし、第３群Ｇ３の光学的パワーを負とすることにより、ズーム光学系ＯＳ１の倍率を１倍よりも小さくし得る。従って、ズーム光学系ＯＳ１によれば、物体Ｏの拡大と縮小との両方を行うことができる。
【００２６】
このズーム光学系ＯＳ１において、最大拡大倍率ｍｍａｘは、下記の式（２）で定義される。
【００２７】
ｍｍａｘ＝（ｆ２／ｆ（−）ｍｉｎ−１）２ ……… （２）
【００２８】
但し、ｆ（−）ｍｉｎは、負の光学的パワーを有する第１群Ｇ１における焦点距離の可変範囲内での最小値である。
【００２９】
このズーム光学系ＯＳ１において、最大縮小倍率ｍｍｉｎは、下記の式（３）で定義される。
【００３０】
ｍｍｉｎ＝１／（（ｆ２／ｆ（−）ｍｉｎ−１）２） ……… （３）
【００３１】
但し、ｆ（−）ｍｉｎは、負の光学的パワーを有する第３群Ｇ３における焦点距離の可変範囲内での最小値である。
【００３２】
このため、ズーム光学系ＯＳ１では、条件式（１）を満たす範囲において、第１群Ｇ１の焦点距離ｆ１と、第３群Ｇ３の焦点距離ｆ３とを適宜変更することによって、第１〜第３群Ｇ１〜Ｇ３を変位させることなく、合焦及び変倍することができる。
【００３３】
具体的な光学設計例を下記の表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
【００３６】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係るズーム光学系ＯＳ２の略図的構成図である。ズーム光学系ＯＳ２は、第１〜第３群Ｇ１〜Ｇ３に加えて第４群Ｇ４を備える点で第１の実施形態に係るズーム光学系ＯＳ１と異なる。
【００３７】
第４群Ｇ４は、第４のレンズＬ４を含む。本実施形態では、第４群Ｇ４が第４のレンズＬ４により構成されている。第４のレンズＬ４は、焦点距離が可変な液晶レンズにより構成されている。但し、本発明は、この構成に限定されない。第４群Ｇ４は、第４のレンズＬ４に加えて、少なくともひとつのガラスレンズ及び少なくともひとつの液晶レンズの少なくとも一方を含んでいてもよい。
【００３８】
第４群Ｇ４を有するズーム光学系ＯＳ２においても、ズーム光学系ＯＳ１と同様に、第１〜第４群Ｇ１〜Ｇ４を変位させることなく、合焦及び変倍することができる。また、ズーム光学系ＯＳ２によれば、物体Ｏの拡大と縮小との両方を行うことができる。
【００３９】
ズーム光学系ＯＳ２は、第４群Ｇ４の焦点距離をｆ４とし、第３群Ｇ３の主面と第４群Ｇ４の主面との間の距離をｆ２＋Ｌ１とし、第４群Ｇ４の主面と物体Ｏとの間の距離をＬ２としたときに、制御部ＣＰによって、式（４）が満たされるように制御される。
【００４０】
ｆ４−１＝Ｌ１−１＋Ｌ２−１ ……… （４）
【００４１】
式（４）が満たされる限りにおいて、物体Ｏの像は、像面Ｆ上に合焦した状態となる。このため、ズーム光学系ＯＳ２では、物体Ｏとズーム光学系ＯＳ２との間の距離を変化させることができる。
【００４２】
（液晶レンズ）
ズーム光学系ＯＳ１，ＯＳ２において、液晶レンズとしては、図３に示す液晶レンズ１を用いることが好ましい。
【００４３】
液晶レンズ１は、液晶分子を含む第１〜第４の液晶層１１〜１４を備えている。第１〜第４の液晶層１１〜１４は、光軸Ｃ上にこの順番で配されている。これら第１〜第４の液晶層１１〜１４は、第１及び第２の電極２１，２２により挟持されている。第１及び第２の電極２１，２２により、第１〜第４の液晶層１１〜１４に電界が印加され、これにより液晶レンズ１の屈折率が変化する。なお、光軸Ｃは、液晶レンズ１全体としての光軸であって、第１〜第４の液晶層１１〜１４のそれぞれの光軸は、光軸Ｃと必ずしも一致していない。
【００４４】
より具体的には、液晶レンズ１は、互いに対向するように配された第１の基板３１と第２の基板３２とを有する。第１の基板３１と第２の基板３２との間には、３枚の中間基板３３〜３５が配されている。これら３枚の中間基板３３〜３５と、第１及び第２の基板３１，３２と、隔壁部材３６〜３９とにより区画形成された４つの空間に第１〜第４の液晶層１１〜１４が設けられている。
【００４５】
さらに具体的には、第１の基板３１と、第１の基板３１に対向するように配された中間基板３３と、隔壁部材３６とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第１の液晶層１１が設けられている。
【００４６】
第１の基板３１、中間基板３３及び隔壁部材３６は、例えばガラスにより構成することができる。第２の基板３２、中間基板３４，３５及び隔壁部材３７〜３９も、同様に、ガラスにより構成することができる。
【００４７】
第１の基板３１及び第２の基板３２の厚みは、例えば、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とすることができる。中間基板３３〜３５の厚みは、例えば、５μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。隔壁部材３６〜３９の厚みは、得ようとする光学的パワーにより決定される第１〜第４の液晶層１１〜１４の厚みや、第１〜第４の液晶層１１〜１４に要求される応答速度等に応じて適宜設定することができる。隔壁部材３６〜３９の厚みは、例えば、１０μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。
【００４８】
第１の基板３１の第１の液晶層１１側の表面３１ａの上には、第１の電極２１が配されている。第１の電極２１の形状は、特に限定されない。本実施形態では、図４に示すように、第１の電極２１は、円形の第１の部分２１ａと、第１の部分２１ａを包囲する第２の部分２１ｂとを有する。第１の電極２１は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物により構成することができる。
【００４９】
なお、図示は省略するが、本実施形態では、第１の基板３１の表面３１ａの上には、絶縁膜が第１の電極２１を覆うように配されている。絶縁膜は、高抵抗膜により覆われている。高抵抗膜は、配向膜により覆われている。また、中間基板３３の第１の液晶層１１側の表面の上にも配向膜が配されている。これら配向膜により、第１の液晶層１１中の液晶分子の配向が行われている。もっとも、絶縁膜や高抵抗膜等は本発明において必ずしも必須ではない。
【００５０】
なお、絶縁膜は、例えば酸化ケイ素などにより構成することができる。高抵抗膜は、例えば酸化亜鉛などにより構成することができる。配向膜は、例えば、ラビング処理されたポリイミド膜などにより構成することができる。本実施形態において登場する他の絶縁膜、高抵抗膜、配向膜も、同様の材料により構成することができる。
【００５１】
中間基板３３と、中間基板３３に対向するように配された中間基板３４と、隔壁部材３７とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第２の液晶層１２が設けられている。
【００５２】
なお、図示は省略するが、中間基板３３，３４のそれぞれの第２の液晶層１２側の表面の上には、配向膜が配されている。これら配向膜により、第２の液晶層１２中の液晶分子の配向が行われている。
【００５３】
中間基板３４と、中間基板３４に対向するように配された中間基板３５と、隔壁部材３８とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第３の液晶層１３が設けられている。
【００５４】
なお、図示は省略するが、中間基板３４，３５のそれぞれの第３の液晶層１３側の表面の上には、配向膜が設けられている。これら配向膜により、第３の液晶層１３中の液晶分子の配向が行われている。
【００５５】
中間基板３５と、中間基板３５に対向するように配された第２の基板３２と、隔壁部材３９とにより区画形成された略円柱状の空間内に、第４の液晶層１４が設けられている。
【００５６】
第２の基板３２の第４の液晶層１４側の表面３２ａの上には、第２の電極２２が設けられている。第２の電極２２は、第１の電極２１の第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂに対向するように、面状に設けられている。第２の電極２２は、表面３２ａの液晶層１１〜１４が設けられた領域の実質的に全体の上に配されている。図示は省略するが、表面３２ａの上には、第２の電極２２を覆うように配向膜が設けられている。また、中間基板３５の第４の液晶層１４側の表面の上にも配向膜が設けられている。これら配向膜によって、第４の液晶層１４中の液晶分子の配向が行われている。
【００５７】
この液晶レンズ１は、第１の電極２１の第１の部分２１ａと第２の電極２２との間の電圧Ｖ１が、第１の電極２１の第２の部分２１ｂと第２の電極２２との間の電圧Ｖ２よりも大きい場合に、負の光学的パワーを有するレンズとなる。一方、第１の電極２１の第１の部分２１ａと第２の電極２２との間の電圧Ｖ１が、第１の電極２１の第２の部分２１ｂと第２の電極２２との間の電圧Ｖ２よりも小さい場合に、正の光学的パワーを有するレンズとなる。
【００５８】
液晶レンズ１においては、第１の液晶層１１における配向方向と、第２の液晶層１２における配向方向とが光軸Ｃと垂直な面内において９０°異なっている。第１の液晶層１１における配向方向と、第４の液晶層１４における配向方向とが光軸Ｃと垂直な面内において１８０°異なっている。第２の液晶層１２における配向方向と、第３の液晶層１３における配向方向とが光軸Ｃと垂直な面内において１８０°異なっている。
【００５９】
例えば、第１及び第４の液晶層１１，１４のそれぞれが、Ｐ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ場合は、第２及び第３の液晶層１２，１３のそれぞれは、Ｓ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ。逆に、例えば、第１及び第４の液晶層１１，１４のそれぞれが、Ｓ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ場合は、第２及び第３の液晶層１２，１３のそれぞれは、Ｐ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ。このように、液晶レンズ１では、例えば、Ｐ偏光及びＳ偏光のうちの一方の偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ２つの液晶層１１，１４を光軸Ｃ方向における両側に配し、それら２つの液晶層１１，１４の間に、Ｐ偏光及びＳ偏光のうちの他方の偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ２つの液晶層１２，１３が配されている。そして、４つの液晶層１１〜１４のうち、同じ偏光に対して光線偏光作用を有する２つの液晶層で、光軸Ｃと垂直な面内において配向方向が１８０°異なっている。
【００６０】
ところで、例えば、液晶層をひとつのみ有する液晶レンズにおいては、その液晶層が光線偏光作用を有する偏光以外の光が液晶層に入射しないように、液晶レンズの前方に偏光板を配する必要がある。このため、光量損失が大きくなる。
【００６１】
それに対して図５に示すように、例えば、Ｐ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ第１の液晶層１１１と、Ｓ偏光の入射光に対して光線偏光作用を持つ第２の液晶層１１２とを有する液晶レンズ１００は、偏光板を要さない。従って、光量損失を抑制することができる。
【００６２】
しかしながら、第１の液晶層１１１の光学的パワーと第２の液晶層１１２の光学的パワーとが等しいと、Ｐ偏光の入射光に対する第１の液晶層１１１の焦点位置と、Ｓ偏光の入射光に対する第２の液晶層１１２の焦点位置とが光軸方向において異なる。従って、Ｐ偏光とＳ偏光とが光軸方向において異なるため、十分な結像性能が得られない。
【００６３】
例えば、第２の液晶層１１２を第１の液晶層１１１よりも厚くし、Ｓ偏光の入射光に対する第２の液晶層１１２の光学的パワーを、Ｐ偏光の入射光に対する第１の液晶層１１１の光学的パワーよりも強くすることにより、Ｐ偏光の入射光に対する第１の液晶層１１１の焦点位置と、Ｓ偏光の入射光に対する第２の液晶層１１２の焦点距離とを整合させることも考えられる。この手法では、例えば、第１及び第２の液晶層１１１，１１２の屈折率が所定の屈折率である場合にＰ偏光の焦点距離とＳ偏光の焦点距離とを整合させることはできる。しかしながら、第１の液晶層１１１及び第２の液晶層１１２の屈折率に関わらず、Ｐ偏光の焦点距離とＳ偏光の焦点距離とを整合させることは困難である。従って、液晶レンズ１００では、特定の屈折率のときに優れた結像性能が得られるものの、それ以外の屈折率のときにおいて優れた結像性能を得ることは困難である。
【００６４】
また、液晶レンズ１００では、第１の液晶層１１１の両側に配されている配向膜のラビング方向と、第２の液晶層１１２の両側に配されている配向膜のラビング方向とは、直交している。ここで、第１の液晶層１１１の両側に配されている配向膜のラビング方向をｘ方向とし、第２の液晶層１１２の両側に配されている配向膜のラビング方向をｙ方向とする。すると、第１の液晶層１１１の焦点は、第１及び第２の液晶層１１１，１１２のｚ方向から視たときの幾何学的な中心からｘ方向にずれる。それに対して、第２の液晶層１１２の焦点は、第１及び第２の液晶層１１１，１１２のｚ方向から視たときの幾何学的な中心からｙ方向にずれる。従って、Ｐ偏光の焦点位置と、Ｓ偏光の焦点位置とは、光軸に対して垂直な面内において相互に異なる。従って、仮に、Ｐ偏光の焦点距離とＳ偏光の焦点距離とを一致させることができたとしても、Ｐ偏光の焦点位置とＳ偏光の焦点位置とを合致させることはできない。従って、液晶レンズ１００では、十分に優れた結像性能が得られない。
【００６５】
さらに、第１及び第２の液晶層１１１，１１２のｚ方向から視たときの幾何学的な中心と、ｚ方向に垂直な面内におけるＰ偏光及びＳ偏光の焦点位置との間の距離は、第１または第２の液晶層１１１，１１２の屈折率と共に変化するという問題も生じる。
【００６６】
それに対して、液晶レンズ１では、第１の偏光方向の入射光に対して光線偏光作用を持つ第１及び第４の液晶層１１，１４が光軸Ｃ方向の両側に配されており、第２の偏光方向の入射光に対して光線偏光作用を持つ第２及び第３の液晶層１２，１３が光軸Ｃ方向において第１の液晶層１１と第４の液晶層１４との間に配されている。このため、第１の偏光方向の入射光と、第２の偏光方向の入射光との焦点距離の差を小さくすることができる。従って、優れた結像性能を実現することができる。
【００６７】
より優れた結像性能を実現する観点からは、第１の偏光方向の入射光に対する第１の液晶層１１と第４の液晶層１４との合成焦点距離と、第２の偏光方向の入射光に対する第２の液晶層１２と第３の液晶層１３との合成焦点距離とが等しいことが好ましい。
【００６８】
ここで、第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離とが等しいとは、第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離との差が、第１の液晶層と第４の液晶層との合成焦点距離と、第２の液晶層と第３の液晶層との合成焦点距離との平均値の９０％〜１１０％の範囲内にあることをいう。
【００６９】
さらに、液晶レンズ１では、第１の液晶層１１に対して配向方向が１８０°異なる第４の液晶層１４が設けられている。第１の液晶層１１単体としての光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレ方向と、第４の液晶層１４単体としての光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレ方向とが１８０°異なる。従って、第１の液晶層１１による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレと、第４の液晶層１４による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレとが打ち消しあい、第１の偏光方向の入射光に対する光軸Ｃに垂直な面内における液晶レンズ１全体としての焦点位置の光軸Ｃに対するズレ量を小さくすることができる。同様に、液晶レンズ１では、第２の液晶層１２に対して配向方向が１８０°異なる第３の液晶層１３が設けられている。このため、第２の液晶層１２による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレと、第３の液晶層１３による光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置のズレとが打ち消しあい、第２の偏光方向の入射光に対する光軸Ｃに垂直な面内における液晶レンズ１全体としての焦点位置の光軸Ｃに対するズレ量を小さくすることができる。従って、さらに優れた結像性能を得ることができる。
【００７０】
また、第１の電極２１と第２の電極２２とにより、第１〜第４の液晶層１１〜１４に電界が印加されるため、液晶レンズ１では、第１の液晶層１１の光学的パワーと第４の液晶層１４の光学的パワーとが連動して変化し、第２の液晶層１２の光学的パワーと第３の液晶層１３の光学的パワーとが連動して変化する。従って、第１〜第４の液晶層１１〜１４の光学的パワーが変化しても、液晶レンズ１の光軸Ｃに対して垂直な面内における焦点位置が光軸Ｃからずれにくい。
【００７１】
以上のように、液晶レンズ１は、優れた結像性能を有するため、液晶レンズ１を用いることにより、優れた結像性能を有するズーム光学系ＯＳ１，ＯＳ２を実現することができる。
【００７２】
ところで、液晶レンズの光学的パワーの制御の自由度を高める観点からは、第１〜第４の液晶層のそれぞれに対して、電界を印加する電極対を個別に設けることが考えられる。しかしながら、その場合は、ある電極対により発生した電界のｚ方向における方向と、別の電極対により発生した電界のｚ方向における方向とが異なる場合がある。その場合は、液晶層に対して、その液晶層を挟持している電極対により発生した電界の影響に加え、他の電極対により発生した、ｚ方向における電界方向が異なる電界の影響が加わることとなる。従って、液晶レンズの応答速度が低くなる。
【００７３】
それに対して本実施形態では、一対の第１及び第２の電極２１，２２により第１〜第４の液晶層１１〜１４が挟持されており、一対の第１及び第２の電極２１，２２により第１〜第４の液晶層１１〜１４に電界が印加される。よって、第１〜第４の液晶層１１〜１４のそれぞれには、単一の電界のみが加わる。従って、液晶レンズ１の応答速度を高めることができる。
【００７４】
このように、液晶層に加わる電界を打ち消す方向の電界が液晶層に加わらないようにする観点からは、以下のように液晶レンズを構成することも考えられる。
【００７５】
例えば、図６に示される液晶レンズ２は、第１及び第２の液晶層１１，１２を挟持しており、第１及び第２の液晶層１１，１２に電界を印加する第１及び第２の電極２３ａ、２３ｂと、第３及び第４の液晶層１３，１４を挟持しており、第３及び第４の液晶層１３，１４に電界を印加する第３及び第４の電極２４ａ、２４ｂとを有する。第１及び第２の電極２３ａ、２３ｂのうち、ｚ１側に位置する第１の電極２３ａが第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂを有し、第３及び第４の電極２４ａ、２４ｂのうち、ｚ１側に位置する第３の電極２４ａが第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂを有する。そして、第１及び第２の電極２３ａ、２３ｂにより形成される電界の方向と、第３及び第４の電極２４ａ、２４ｂにより形成される電界の方向とが、光軸Ｃ方向において等しくなるように第１〜第４の電極２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂに電圧が印加される。従って、第１〜第４の液晶層１１〜１４に互いに打ち消し合う方向の電界が加わらないため、高い応答速度を実現することができる。
【００７６】
また、図７に示されるように、液晶レンズ３を、第１及び第２の液晶層１１，１２を有する第１の光学部材４１と、第３及び第４の液晶層１３，１４を有する第２の光学部材４２とにより構成してもよい。この場合、第１の光学部材４１と第２の光学部材４２とは密着するように配されていてもよし、空気層を介して配されていてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
ＯＳ１，ＯＳ２…ズーム光学系
１〜３…液晶レンズ
Ｇ１…第１群
Ｌ１…第１のレンズ
Ｇ２…第２群
Ｌ２…第２のレンズ
Ｇ３…第３群
Ｌ３…第３のレンズ
Ｇ４…第４群
Ｌ４…第４のレンズ
１１…第１の液晶層
１２…第２の液晶層
１３…第３の液晶層
１４…第４の液晶層
２１，２３ａ…第１の電極
２１ａ…第１の部分
２１ｂ…第２の部分
２２，２３ｂ…第２の電極
２４ａ…第３の電極
２４ｂ…第４の電極
３１…第１の基板
３１ａ…表面
３２…第２の基板
３２ａ…表面
３３〜３５…中間基板
３６〜３９…隔壁部材
４１…第１の光学部材
４２…第２の光学部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像面側からこの順番で配された、第１群、第２群及び第３群を備えるズーム光学系であって、
前記第１群及び前記第３群は、それぞれ、液晶レンズを含み、
前記第２群の焦点距離をｆ２としたときに、像面と前記第１群の主面との間の距離、前記第１群の主面と前記第２群の主面との間の距離、及び前記第２群の主面と前記第３群の主面との間の距離がそれぞれｆ２と等しく、
前記第１群の焦点距離と前記第３群の焦点距離との和がｆ２と等しくなるように制御される、ズーム光学系。
【請求項２】
前記第２群が少なくともひとつのガラスレンズにより構成されている、請求項１に記載のズーム光学系。
【請求項３】
前記第２群が液晶レンズを含む、請求項１に記載のズーム光学系。
【請求項４】
前記第３群よりも物体側に配されており、液晶レンズを含む第４群をさらに備え、
前記第４群の焦点距離をｆ４とし、前記第３群の主面と前記第４群の主面との間の距離をｆ２＋Ｌ１とし、前記第４群の主面と前記物体との間の距離をＬ２としたときに、ｆ４−１＝Ｌ１−１＋Ｌ２−１が満たされるように制御される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のズーム光学系。
【請求項５】
前記液晶レンズは、
光軸上にこの順番で配置された、第１の液晶層、第２の液晶層、第３の液晶層及び第４の液晶層を備え、
前記第１の液晶層における配向方向と、前記第２の液晶層における配向方向とが前記光軸と垂直な面内において９０°異なっており、
前記第１の液晶層における配向方向と、前記第４の液晶層における配向方向とが前記光軸と垂直な面内において１８０°異なっており、
前記第２の液晶層における配向方向と、前記第３の液晶層における配向方向とが前記光軸と垂直な面内において１８０°異なっている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のズーム光学系。
【請求項１】
像面側からこの順番で配された、第１群、第２群及び第３群を備えるズーム光学系であって、
前記第１群及び前記第３群は、それぞれ、液晶レンズを含み、
前記第２群の焦点距離をｆ２としたときに、像面と前記第１群の主面との間の距離、前記第１群の主面と前記第２群の主面との間の距離、及び前記第２群の主面と前記第３群の主面との間の距離がそれぞれｆ２と等しく、
前記第１群の焦点距離と前記第３群の焦点距離との和がｆ２と等しくなるように制御される、ズーム光学系。
【請求項２】
前記第２群が少なくともひとつのガラスレンズにより構成されている、請求項１に記載のズーム光学系。
【請求項３】
前記第２群が液晶レンズを含む、請求項１に記載のズーム光学系。
【請求項４】
前記第３群よりも物体側に配されており、液晶レンズを含む第４群をさらに備え、
前記第４群の焦点距離をｆ４とし、前記第３群の主面と前記第４群の主面との間の距離をｆ２＋Ｌ１とし、前記第４群の主面と前記物体との間の距離をＬ２としたときに、ｆ４−１＝Ｌ１−１＋Ｌ２−１が満たされるように制御される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のズーム光学系。
【請求項５】
前記液晶レンズは、
光軸上にこの順番で配置された、第１の液晶層、第２の液晶層、第３の液晶層及び第４の液晶層を備え、
前記第１の液晶層における配向方向と、前記第２の液晶層における配向方向とが前記光軸と垂直な面内において９０°異なっており、
前記第１の液晶層における配向方向と、前記第４の液晶層における配向方向とが前記光軸と垂直な面内において１８０°異なっており、
前記第２の液晶層における配向方向と、前記第３の液晶層における配向方向とが前記光軸と垂直な面内において１８０°異なっている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のズーム光学系。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９７２８３（Ｐ２０１３−９７２８３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１９２７（Ｐ２０１１−２４１９２７）
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]