液晶光学素子、液晶光学素子を備えた光学系、液晶光学素子を備えた光学系を備えた画像取得装置
【課題】光量損失が無く、高い結像性能を有する液晶光学素子、それを備えた光学系、及びそれらを備えた画像取得装置を提供する。
【解決手段】第１の液晶レンズ１１及び第２の液晶レンズ１２を有し、第１の液晶レンズ１１と第２の液晶レンズ１２とを、互いに配向方向が光軸と垂直な面内で直交するように対向配置するとともに、第１の液晶レンズ１１において光線偏向作用を受ける一方の偏光方向の入射光に対する第１の液晶レンズ１１の焦点距離に比べて、第２の液晶レンズ１２において光線偏向作用を受ける、一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する第２の液晶レンズ１２の焦点距離が短くなるようにしている。
【解決手段】第１の液晶レンズ１１及び第２の液晶レンズ１２を有し、第１の液晶レンズ１１と第２の液晶レンズ１２とを、互いに配向方向が光軸と垂直な面内で直交するように対向配置するとともに、第１の液晶レンズ１１において光線偏向作用を受ける一方の偏光方向の入射光に対する第１の液晶レンズ１１の焦点距離に比べて、第２の液晶レンズ１２において光線偏向作用を受ける、一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する第２の液晶レンズ１２の焦点距離が短くなるようにしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像光学系に関するものであり、より詳しくは光学特性可変光学素子としての液晶光学素子、それを備えた光学系、及びそれらを備えた画像取得装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
結像光学系の合焦は、通常、レンズを光軸方向に移動することによって行われる。しかし、レンズ系の全体或いは一部を移動させるためのスペースやアクチュエータが必要になり、光学系を小型化する上で好ましくない。そこで、これらの課題を解決する手段として、液晶レンズを用いた可変焦点レンズにより、レンズ系を移動させずに変倍や合焦をするようにした光学系が一般的に知られている。しかしながら、このような液晶レンズでは偏光板が必要であるため、光量損失が多くなるという問題があった。そこで、このような問題を解決する手段として、第１の回折型液晶レンズと、第２の回折型液晶レンズとを、互いに配向方向が光軸と垂直な面内で直交するように対向配置することで偏光板を必要としない焦点可変機構を実現する結像光学系が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平10−73758号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載の光学系では、レンズ系全体でのＰ偏光の結像位置とＳ偏光の結像位置が異なってしまい、十分な結像性能が得られないという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、光量損失が無く、高い結像性能を有する液晶光学素子、それを備えた光学系、及びそれらを備えた画像取得装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明による液晶光学素子は、第１の液晶レンズ及び第２の液晶レンズを有し、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズとを、互いに配向方向が光軸と垂直な面内で直交するように対向配置するとともに、前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける一方の偏光方向の入射光に対する該第１の液晶レンズの焦点距離に比べて、前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する該第２の液晶レンズの焦点距離が短くなるようにしたことを特徴としている。
【０００６】
また、本発明の液晶光学素子においては、次の条件式(1)を満足するのが好ましい。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．５ ・・・(1)
但し、ｆ１は前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける前記一方の偏光方向の入射光に対する該第１の液晶レンズの焦点距離、ｆ２は前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する該第２の液晶レンズの焦点距離である。
【０００７】
また、本発明による光学系は、上記本発明のいずれかの液晶光学素子を有し、前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける前記一方の偏光方向の入射光に対する焦点位置と、前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する焦点位置とが略一致するようにしたことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明による光学系は、上記本発明のいずれかの液晶光学素子を有し、前記液晶光学素子に印加する電圧を制御して、異なる物点からの入射光に対する焦点位置のずれの補正を行うことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の光学系においては、無限遠物点合焦時において、前記液晶光学素子が平行平板として作用するように、該液晶光学素子に入射する光束を回折又は屈折することなく透過させるようにするのが好ましい。
【００１０】
また、本発明の光学系においては、前記液晶光学素子が光線偏向作用を持たないときに遠点物点に合焦し、前記液晶光学素子が光線偏向作用を持つときに近点物点に合焦するようにするのが好ましい。
【００１１】
また、本発明の光学系においては、次の条件式(2)を満足するのが好ましい。
｜Δ／ｆ｜≦０．６ ・・・(2)
但し、Δは前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの間隔、ｆは該光学系の焦点距離である。
【００１２】
また、本発明による画像取得装置は、上記本発明のいずれかの光学系と、撮像素子と、ズーム光学系、を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光量損失が無く、高い結像性能を有する液晶光学素子、それを備えた光学系、及びそれらを備えた画像取得装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。なお、説明の便宜上、以下の説明においては、互いに直交する偏波面を有する２つの直線偏光のうち、一方の偏光方向の直線偏光をＰ偏光、他方の偏光方向の直線偏光をＳ偏光とする。
【００１５】
図１は本発明の第一実施形態にかかる液晶光学素子の基本構成及び動作原理を示す概念図であって、(a)は液晶レンズに電圧を印加しないとき、(b)は液晶レンズに電圧を印加したとき、の入射光線の受ける作用を夫々示している。
本実施形態の液晶光学素子１は、第１の回折型液晶レンズ１１と、第２の回折型液晶レンズ１２とを備えている。なお、図１の例では、液晶光学素子１は、第１の回折型液晶レンズ１１及び第２の回折型液晶レンズ１２が、基板１３ａ，１３ｂ，１３ｃの間に積層されることによって一体化されている。
【００１６】
第１の回折型液晶レンズ１１及び第２の回折型液晶レンズ１２は、例えば、図１６に示すように、所定の鋸歯状レリーフ１１ａ１（１２ａ１）を有する基板１１ａ（１２ａ）上に、薄膜透明電極１１ｂ（１２ｂ）と対向電極１１ｃ（１２ｃ）とにより液晶１１ｄ（１２ｄ）を挟持してなる。そして、薄膜透明電極１１ｂ（１２ｂ）と対向電極１１ｃ（１２ｃ）との間に電極引出線を介して所望の電圧を印加することによって、液晶１１ｄ（１２ｄ）の屈折率を変化させ、液晶１１ｄ（１２ｄ）層の位相分布を変化させて、液晶レンズの回折次数を変化させるように構成されている。
【００１７】
そして、本実施形態の液晶光学素子では、このように構成された２つの回折型液晶レンズ１１及び１２を備え、互いの配光方向が光軸と垂直な面内で直交するように夫々が対向配置されている。このため、第１の回折型液晶レンズ１１が光線偏向作用を持つ偏光方向と、第２の回折型液晶レンズ１２が光線偏向作用を持つ偏光方向とが直交する。
例えば、第１の回折型液晶レンズ１１の液晶１１ｄに電圧を印加することによって、第１の回折型液晶レンズ１１がＰ偏光（又はＳ偏光）の入射光に対して光線偏向作用を持つ場合には、第２の回折型液晶レンズ１２の液晶１２ｄに電圧を印加することによって、第２の回折型液晶レンズ１２がＳ偏光（又はＰ偏光）の入射光に対して光線偏向作用を持つ。なお、図１の例では、夫々液晶に電圧を印加することによって、第１の回折型液晶レンズ１１がＰ偏光の入射光に対して光線偏向作用を持ち、第２の回折型液晶レンズ１２がＳ偏光の入射光に対して光線偏向作用を持つようになっている。また、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２における基板の屈折率と液晶１１ｄ，１２ｄの常光屈折率とが等しくなるように設定される。
【００１８】
このように構成された本実施形態の液晶光学素子１は、次のように動作する。
まず、第１の回折型液晶レンズ１１の液晶１１ｄ、第２の回折型液晶レンズ１２の液晶１２ｄのいずれにも電圧を印加しない場合、液晶１１ｄ，１２ｄは入射する光線の偏光方向（即ち、Ｐ偏光、Ｓ偏光の方向）に関係なく、常光屈折率として作用する。そして、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２における基板の屈折率と液晶１１ｄ，１２ｄの常光屈折率は等しいため、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２は入射する光線の偏光方向に関係なく光線偏向作用を持たず、平行平板として作用する。即ち、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２に入射する光線は、偏光方向（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に関係なく、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２で夫々０次回折光としての作用を受ける。
【００１９】
これに対し、第１の回折型液晶レンズ１１の液晶１１ｄに電圧を印加した場合には、液晶１１ｄはＰ偏光に対して異常光屈折率として作用し、第１の回折型液晶レンズ１１はＰ偏光に対して１次回折光でブレーズ化された回折光学素子として機能する。このため、Ｐ偏光は１次回折光としての光線偏向作用を受ける。一方、液晶１１ｄはＳ偏光に対しては、常光屈折率分布として作用する。このため、第１の回折型液晶レンズ１１はＳ偏光に対して平行平板として作用し、Ｓ偏光は光線偏向作用を受けない。
【００２０】
また、第２の回折型液晶レンズ１２の液晶１２ｄに電圧を印加した場合には、液晶１２ｄはＳ偏光に対して異常光屈折率として作用し、第２の回折型液晶レンズ１２はＳ偏光に対して１次回折光でブレーズ化された回折光学素子として機能する。このため、Ｓ偏光は１次回折光としての光線偏向作用を受ける。一方、液晶１２ｄはＰ偏光に対しては、常光屈折率分布として作用する。このため、第２の回折型液晶レンズ１２はＰ偏光に対して平行平板として作用し、Ｐ偏光は光線偏向作用を受けない。
【００２１】
このため、本実施形態の液晶光学素子１において液晶１１ｄと液晶１２ｄの両方に夫々に電圧を印加すると、入射光は、第１の回折型液晶レンズ１１において、Ｐ偏光が光線偏向作用を受けて光軸に対し所定方向に偏向されるとともにＳ偏光が光線偏向作用を受けないで出射し、第２の回折型液晶レンズ１２に入射する。そして、第２の回折型液晶レンズ１２において、Ｓ偏光が光線偏向作用を受けて光軸に対し所定方向に偏向されるとともに、Ｐ偏光が光線偏向作用を受けずに第１の回折型液晶レンズ１１を介して偏向された方向に出射する。
【００２２】
従って、本実施形態の液晶光学素子１によれば、入射する光線は、Ｐ偏光が第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受け、Ｓ偏光が第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受けるというように、Ｐ方向とＳ方向の偏光方向に関係なくいずれかの回折型液晶レンズで光線偏向作用を受けることになるので、光量ロスが無くなる。
【００２３】
また、本実施形態の液晶光学素子１は、回折型液晶レンズを用いて構成されており、回折型液晶レンズは、液晶厚を薄くできる。このため、本実施形態の液晶光学素子１によれば、液晶レンズを低電圧で高速駆動できる。また、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の間隔を小さくすることができる。その結果、後述するように、第１の回折型液晶レンズ１１を介して光線偏向作用を受けて偏向されたＰ偏光と、第２の回折型液晶レンズ１２を介して光線偏向作用を受けて偏向されたＳ偏光の結像位置のずれをなくすように構成した場合において、Ｐ偏光とＳ偏光との結像の非対称性を小さくし易くなる。
【００２４】
なお、本実施形態の液晶光学素子１においては、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２は、図１に示したように、積層構造として一体化されていると、保持などの点で好ましい。なお、別個に備えても勿論よい。
【００２５】
また、図１の例では、１次回折光として作用する構成について説明したが、これに制限されることはなく、２次回折光、３次回折光として作用する構成としてもよい。
【００２６】
また、本実施形態の液晶光学素子１は、第１の回折型液晶レンズ１１において光線偏向作用を受ける（互いに直交する偏波面を有する２つの直線偏光のうちの）一方の偏光方向（ここではＰ偏光）の入射光に対する第１の回折型液晶レンズ１１の所定次数光（例えば１次光）での焦点距離に比べて、第２の回折型液晶レンズ１２において光線偏向作用を受ける、一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向（ここではＳ偏光）の入射光に対する第２の回折型液晶レンズ１２の所定次数光と同一次数光での焦点距離が短くなるように構成されている。
【００２７】
図１に示したように、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２を積層した場合、第１の回折型液晶レンズ１１の回折面と第２の回折型液晶レンズ１２の回折面は離れている。
そのため、第１の回折型液晶レンズ１１の焦点距離と第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離とが等しいと、Ｐ偏光とＳ偏光の一方が焦点の合った状態、他方が焦点のずれた状態で結像面に入射することとなり、結像面において二重像になってしまう。
そこで、本実施形態の液晶光学素子１では、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＰ偏光）と第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＳ偏光）における同一次数光の結像位置（焦点位置）がほぼ一致するように、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離を異ならせている。即ち、第１の回折型液晶レンズ１１における一方の偏光方向（ここではＰ偏光）の入射光に対する焦点距離よりも、第２の回折型液晶レンズ１２における一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向（ここではＳ偏光）の入射光に対する同一次数の焦点距離が短くなるように構成している。
このようにすれば、２重像を防ぐことができる。
【００２８】
なお、その場合、次の条件式(1)を満足するのが好ましい。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．５ ・・・(1)
但し、ｆ１は第１の回折型液晶レンズ１１の焦点距離、ｆ２は第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離である。
【００２９】
条件式(1)の上限を上回ると、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離の差が大きくなり、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光と第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光とで結像の非対称性が大きくなってしまう。
【００３０】
好ましくは、次の条件式(1')を満足するのがよい。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．４ ・・・(1')
但し、ｆ１は第１の回折型液晶レンズ１１の焦点距離、ｆ２は第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離である。
【００３１】
さらに、好ましくは、次の条件式(1”)を満足するのがよい。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．３ ・・・(1”)
但し、ｆ１は第１の回折型液晶レンズ１１の焦点距離、ｆ２は第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離である。
【００３２】
また、本発明の光学系では、光学系全体として、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＰ偏光）と第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＳ偏光）における同一次数光の結像位置（焦点位置）がほぼ一致するように、夫々の液晶レンズの焦点距離が設定されている。
ここで、結像位置（焦点位置）がほぼ一致するとは、理想的には、それぞれの偏光方向における結像位置が完全に一致していることが望ましいが、光学系全体として要求される結像性能に影響を与えない程度に、結像位置が異なっていてもよいことを意味する。例えば、その光学系では２重像として認識できない範囲の結像位置のずれの程度が挙げられる。
【００３３】
また、本発明の光学系は、本実施形態として説明したいずれかの液晶光学素子１と、少なくとも１枚のレンズを有し、液晶光学素子１に印加する電圧を制御して、異なる物点からの入射光に対する焦点位置のずれの補正（合焦）を行うようにしている。
このようにすれば、光学系において上述した本実施形態の液晶光学素子１の効果が得られる。
【００３４】
また、本発明の光学系においては、上述した本実施形態の液晶光学素子１が光線偏向作用を持たないときに遠点物点に合焦し、液晶光学素子１が光線偏向作用を持つときに近点物点に合焦するのが好ましい。
液晶光学素子１に用いる液晶レンズが製作誤差を大きく持つ場合、液晶レンズの光線偏向作用誤差による性能劣化が問題となる可能性がある。
しかるに、本発明の光学系のように遠点物点に対して液晶レンズが光線偏向作用を持たないように構成すれば、近点物点よりも高い結像性能が要求される遠点物点に対する性能劣化を回避することができる。
【００３５】
また、本発明の光学系においては、次の条件式(2)を満足するのが好ましい。
｜Δ／ｆ｜≦０．６ ・・・(2)
但し、Δは第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の間隔、ｆはこの光学系の焦点距離である。
【００３６】
条件式(2)の上限値を上回ると、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光と、第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光との結像の非対象性が大きくなり過ぎる。
なお、好ましくは、次の条件式(2')を満足するのがよい、
０．０００１≦｜Δ／ｆ｜≦０．４ ・・・(2’)
但し、Δは第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の間隔、ｆはこの光学系の焦点距離である。
さらに、好ましくは、次の条件式(2”)を満足するのがよい、
０．０００１≦｜Δ／ｆ｜≦０．２ ・・・(2”)
但し、Δは第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の間隔、ｆはこの光学系の焦点距離である。
【００３７】
そして、本発明のカメラは、上記本発明のいずれかの光学系と、撮像素子と、ズーム光学系を備えている。
このようにすれば、カメラにおいて上述した本実施形態の液晶光学素子の効果が得られる。
【００３８】
なお、本実施形態の液晶光学素子１としては、回折型液晶レンズを例に説明したが、これに限られず、例えば、ゾーンプレート形状、平凸、及び平凹レンズ形状の液晶レンズであってもよく、更に、同心状に液晶層を形成した屈折率分布型レンズであってもよい。
【００３９】
以下に、本発明の光学系の実施例１から実施例３について図面を参照して説明する。
光路図を図２〜図１５に示す。
【００４０】
実施例１
図２は本発明の液晶光学素子を用いた実施例１にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図、図３は図２の光学系に用いられている液晶光学素子の構成を示す説明図である。図４は実施例１の光学系における無限遠物合焦時での横収差図、図５は実施例１の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図、図６は実施例１の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
実施例１の光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１、両凸レンズＬ２、液晶光学素子１’、両凹レンズＬ３と両凸レンズＬ４との接合レンズ、両凸レンズＬ５と両凹レンズＬ６との接合レンズ、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ７、平行平板Ｐ１、及び平行平板Ｐ２を備えている。
【００４１】
なお、図２中、レンズ断面図におけるｒ1、ｒ2、……及びｄ1、ｄ2、……の数字は、数値データにおける面番号の数字１、２、……に対応する。また、Ｓは開口絞り、ＩＭは撮像素子の撮像面を示す。また、以下の数値データにおいて、屈折率及びアッベ数は、ｄ線における値である（以下、他の実施例においても同じ）。
【００４２】
液晶光学素子１’は、図１に示した実施形態の液晶光学素子１と同様の構造であるので、同一の部材については同一の符号を付して説明を省略する。
実施例１にかかる光学系では、光学系全体として、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＰ偏光）と第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＳ偏光）における同一次数光の結像位置（焦点位置）がほぼ一致するように、夫々の液晶レンズの焦点距離が設定されている。
【００４３】
また、実施例１の光学系では、液晶光学素子１’において第１の回折型液晶レンズ１１、第２の回折型液晶レンズ１２として用いる回折型液晶レンズは、夫々液晶１１ｄ，１２ｄに電圧を印加しないときには、入射光に対して０次光としての作用を与えて、光線偏向作用を持たずに無限遠物点に合焦し、液晶に電圧を印加したときには、入射光に対して１次光としての作用を与えて、レンズ先頭面から３００ｍｍの物点に合焦するように構成されている。
【００４４】
実施例１の光学系のように、開口絞りＳ付近に第１及び第２の回折型液晶レンズ１１，１２を配置すると、第１及び第２の回折型液晶レンズ１１，１２の有効径を小さくすることができる。
【００４５】
また、実施例１の光学系のように、液晶光学素子１’に用いる回折型液晶レンズ１１，１２を開口絞りＳ付近に配置すると、物点位置の変動に伴う軸上色収差を中心とした色収差も効果的に補正できる。このとき、次の条件式(3)を満足することが望ましい。
｜ｙ／ｓｄ｜≦０．８ ・・・(3)
但し、ｙは液晶レンズにおける最軸外主光線の光線高、ｓｄは液晶レンズの有効半径である。
【００４６】
また、次の条件式(3')を満足すると、上記作用効果が更に大きくなるので好ましい。
但し、ｙは液晶レンズにおける最軸外主光線の光線高、ｓｄは液晶レンズの有効半径である。
｜ｙ／ｓｄ｜≦０．７ ・・・(3')
【００４７】
さらに、次の条件式(3')を満足すると、上記作用効果がより一層大きくなるので好ましい。
｜ｙ／ｓｄ｜≦０．６ ・・・(3”)
但し、ｙは液晶レンズにおける最軸外主光線の光線高、ｓｄは液晶レンズの有効半径である。
【００４８】
また、実施例１の光学系のように、液晶レンズを備えた液晶光学素子１’の前後のいずれにも正屈折を持つレンズと負屈折を持つレンズを配置しておくと、色収差補正し易いので好ましい。
【００４９】
実施例１の液晶光学素子１’を備えた光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
なお、以下の数値データの中において示される回転対称な非球面は次式の定義にしたがって示してある。
Ｚ＝ｃｈ2／［１＋√｛１−（１＋k）ｃ2ｈ2｝］＋A4ｈ4＋A6ｈ6＋A8ｈ8＋A10ｈ10＋・・・
但し、ｃは頂点の曲率、kは円錐係数、A4は４次非球面係数、A6は６次非球面係数、A8は８次非球面係数、A10は１０次非球面係数である。また、ｈは光軸からの距離であり、光軸に対し垂直な面における水平方向をｘ、垂直方向をｙとしたときｈ2＝ｘ2＋ｙ2で示される。
【００５０】
また、以下に数値データとして示す回折型液晶レンズの設計法として、次の文献に示されているｓｗｅａｔｔ法（超高屈折率法）を使用した。
文献：W.C.Sweatt，“Mathematical equivalence between a holographic optical element and an ultra-high index lens”，J.Opt.Soc.Am，Vol.69，No.3(1979)
そして、以下の数値データにおいては、基準波長５８７．５６ｎｍにおける超高屈折率レンズの屈折率＝５８８．５６としている。
【００５１】
実施例１の光学系における、電圧OFF時の液晶の屈折率（常光屈折率）は1.458467、アッベ数νは65.0、電圧ON時の液晶の屈折率（異常光屈折率）は1.708467、アッベ数νは30、液晶の厚さは0.005mmである。これらは、以下の実施例でも同じである。また、以下、数値実施例における［１−１：無限遠物点］、［１−２：近点（Ｐ偏光用）］及び［１−３：近点（Ｓ偏光用）］について説明するが、この説明は他の実施例でも同じである。
【００５２】
実施例１の光学系では、５面から１２面までが液晶レンズ、７面から８面までの間、１０面から１１面までの間がそれぞれ液晶の層である。
【００５３】
ここで、無限遠物点に対しては、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）とＳ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）は、いずれも動作していない。すなわち、下記の数値データのうち、［１−１：無限遠物点］の数値データに示されているように、液晶の屈折率とアッベ数(1.4585、65.0)は、回折面(1.4585、65.0)と同じである。また、屈折率に関しては、液晶の屈折率、回折面の屈折率及び基板の屈折率はいずれも1.4585で同じになっている。そのため、回折面は物理的に存在しているが、光学的な作用（光偏向作用）は生じない。
【００５４】
次に、近点に対しては、Ｐ偏光用液晶レンズとＳ偏光用液晶レンズのいずれもが動作している。ただし、Ｐ偏光の光についてはＰ偏光用液晶レンズのみが偏向作用を生じ、Ｓ偏光の光についてはＳ偏光用液晶レンズのみが偏向作用を生じる。そこで、近点に関しては［１−２：近点（Ｐ偏光用）］と［１−３：近点（Ｓ偏光用）］の２つの数値データを用いている。
【００５５】
［１−２：近点（Ｐ偏光用）］は、Ｐ偏光の光に関する数値データである。Ｐ偏光の光に対しては、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）が偏向作用を生じ、Ｓ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）は偏向作用を生じない。そこで、[１−２：近点（Ｐ偏光用)］の数値データでは、７面から８面の液晶の屈折率が1.4585から1.7085に変わっている。一方、１０面から１１面が液晶の屈折率は1.4585のままになっている。
【００５６】
また、７面から８面の液晶の屈折率が1.7085になったことにより、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）が偏向作用を持つ。そこで、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）の屈折率も1.4585から588.56に変わっている。
【００５７】
また、[１−３：近点（Ｓ偏光用）]はＳ偏光の光に関する数値データである。Ｓ偏光の光に対しては、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）は偏向作用を生じることはなく，Ｓ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）に偏向作用が生じる。そこで、[１−３：近点（Ｓ偏光用）]の数値データでは、７面から８面の液晶の屈折率は1.4585のままになっている。一方、１０面から１１面が液晶の屈折率が1.4585から1.7085に変わっている。
【００５８】
また、１０面から１１面の液晶の屈折率が1.7085になったことにより、Ｓ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）が偏向作用を持つ。そこで、Ｓ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）の屈折率も1.4585から588.56に変わっている。
【００５９】
数値データ１（実施例１）
［１−１：無限遠物点］
単位 ｍｍ面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 1.4585 65.0
7（回折面）-233418.48（DOE[1]） 0.005 1.4585 65.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 1.4585 65.0
10（回折面）-237164.15（DOE[2]） 0.005 1.4585 65.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[1] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００６０】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[1]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００６１】
［１−２：近点（Ｐ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 300.00
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
7（回折面）-233418.48（DOE[1]） 0.005 1.7085 30.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 1.4585 65.0
10（回折面）-237164.15（DOE[2]） 0.005 1.4585 65.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[1] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００６２】
回折面データ
面番号 第７面（DOE[1]）
曲率半径 -233418.48
k＝ 0.0000E+000
A4＝-2.4691E-008 A6＝ 4.1725E-008 A8＝-9.1727E-009
【００６３】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[1]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００６４】
［１−３：近点（Ｓ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 300.00
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 1.4585 65.0
7（回折面）-233418.48（DOE[1]） 0.005 1.4585 65.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
10（回折面）-237164.15（DOE[2]） 0.005 1.7085 30.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[1] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００６５】
回折面データ
面番号 第１０面（DOE[2]）
曲率半径 -237164.15
k＝ 0.0000E+000
A4＝-8.7050E-008 A6＝ 7.4874E-008 A8＝-1.4487E-008
【００６６】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[1]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００６７】
実施例２
図７は本発明の液晶光学素子を用いた実施例２にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図、図８は実施例２の光学系における無限遠物合焦時での横収差図、図９は実施例２の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図、図１０は実施例２の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
実施例２の光学系は、液晶光学素子１’において第１の回折型液晶レンズ１１、第２の回折型液晶レンズ１２として用いている回折型液晶レンズの構成のみが、実施例１の光学系と異なっている。
【００６８】
実施例２の光学系では、液晶光学素子１’において第１の回折型液晶レンズ１１、第２の回折型液晶レンズ１２として用いる回折型液晶レンズは、夫々液晶１１ｄ，１２ｄに電圧を印加しないときには、入射光に対して０次光としての作用を与えて、光線偏向作用を持たずに無限遠物点に合焦し、液晶に電圧を印加したときには、入射光に対して１次光としての作用を与えて、レンズ先頭面から２００ｍｍの物点に合焦するように構成されている。
その他の構成は、実施例１の光学系と略同じである。
実施例２の液晶光学素子１’は、後述する実施例３の液晶光学素子と比較すると、同じ近点位置（２００ｍｍ）に合焦するための回折型液晶レンズのパワーが弱くできる位置に回折型液晶レンズを配置しているので、回折型液晶レンズの製作が容易になる。
【００６９】
次に、実施例２の液晶光学素子１’を備えた光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
実施例２の光学系では、実施例１の光学系と同様、５面から１２面までが液晶レンズ、７面から８面までの間、１０面から１１面までの間がそれぞれ液晶の層である。
数値データ２（実施例２）
［２−１：無限遠物点］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 1.4585 65.0
7（回折面）-158686.60(DOE[3]) 0.005 1.4585 65.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 1.4585 65.0
10（回折面）-161088.47(DOE[4]) 0.005 1.4585 65.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[2] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００７０】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[2]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００７１】
［２−２：近点（Ｐ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 200.00
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
7（回折面）-158686.60(DOE[3]) 0.005 1.7085 30.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 1.4585 65.0
10（回折面）-161088.47(DOE[4]) 0.005 1.4585 65.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[2] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００７２】
回折面データ
面番号 第７面（DOE[3]）
曲率半径 -158686.60
k＝ 0.0000E+000
A4＝-2.6651E-008 A6＝ 3.2511E-008 A8＝-7.9738E-009
【００７３】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[2]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００７４】
［２−３：近点（Ｓ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 200.00
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 1.4585 65.0
7（回折面）-158686.60(DOE[3]) 0.005 1.4585 65.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
10（回折面）-161088.47(DOE[4]) 0.005 1.7085 30.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[2] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００７５】
回折面データ
面番号 第１０面（DOE[4]）
曲率半径 -161088.47
k＝ 0.0000E+000
A4＝-1.0564E-007 A6＝ 7.1812E-008 A8＝-1.3925E-008
【００７６】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[2]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００７７】
実施例３
図１１は本発明の液晶光学素子を用いた実施例３にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図、図１２は図１１の光学系に用いられている液晶光学素子の構成を示す説明図である。図１３は実施例３の光学系における無限遠物合焦時での横収差図、図１４は実施例３の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図、図１５は実施例３の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
実施例３の光学系は、結像光学系の最も物体側に液晶レンズを配置した構成としている。
詳しくは、物体側から順に、液晶光学素子１”、両凹レンズＬ１’、両凸レンズＬ２、両凸レンズＬ３’と両凹レンズＬ４’との接合レンズ、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ５’、平行平板Ｐ１、及び平行平板Ｐ２を備えている。なお、図１１中、Ｓは開口絞り、ＩＭは撮像素子の撮像面を示す。
【００７８】
液晶光学素子１”は、図１に示した実施形態の液晶光学素子１と同様の構造であるので、同一の部材については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７９】
また、実施例３の光学系では、液晶光学素子１”において第１の回折型液晶レンズ１１、第２の回折型液晶レンズ１２として用いている回折型液晶レンズは、夫々液晶１１ｄ，１２ｄに電圧を印加しないときには、入射光に対して０次光としての作用を与えて、光線偏向作用を持たずに無限遠物点に合焦し、液晶に電圧を印加したときには、入射光に対して１次光としての作用を与えて、レンズ先頭面から２００ｍｍの物点に合焦するように構成されている。
液晶光学素子１”のその他の構成は、実施例１，２における液晶光学素子１’と略同じである。
【００８０】
実施例３の光学系によれば、液晶レンズの焦点距離が２０４ｍｍのとき、近点２００ｍｍに合焦する。このため、実施例１、２の光学系に比べて液晶レンズのパワーが強くなるが、レンズ系の先頭に液晶レンズがあるので、液晶レンズの配線の処理やメカ機構上好ましいものとなる。
【００８１】
次に、実施例３の液晶光学素子１”を備えた光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
実施例３の光学系では、１面から８面までが液晶レンズ、３面から４面までの間、６面から７面までの間がそれぞれ液晶の層である。
【００８２】
数値データ３（実施例３）
［３−１：無限遠物点］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ 0.30 1.4585 67.8
2 ∞ 0.00 1.4585 65.0
3（回折面）-119457.53(DOE[5]) 0.005 1.4585 65.0
4 ∞ 0.30 1.4585 67.8
5 ∞ 0.00 1.4585 65.0
6（回折面）-119939.41(DOE[6]) 0.005 1.4585 65.0
7 ∞ 0.30 1.4585 67.8
8 ∞ 1.00
9 -13.34 0.55 1.5163 64.1
10 5.74 0.99
11 17.40 1.12 2.0033 28.3
12 -12.42 0.60
13（絞り面） 0.40
14 5.58 1.95 1.8160 46.6
15 -4.08 0.01 1.5638 60.7
16 -4.08 0.50 1.8052 25.4
17 4.08 1.87
18* 非球面[3] 2.40 1.8061 40.9
19 -5.66 3.05
20 ∞ 0.50 1.5163 64.1
21 ∞ 2.26
22 ∞ 0.50 1.5163 64.1
23 ∞ 0.48
像 面 ∞ 0.00
【００８３】
非球面データ
面番号 第１８面（非球面[3]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００８４】
［３−２：近点（Ｐ偏光用）］
単位 ｍｍ面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 200.00
1 ∞ 0.30 1.4585 67.8
2 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
3（回折面）-119457.53(DOE[5]) 0.005 1.7085 30.0
4 ∞ 0.30 1.4585 67.8
5 ∞ 0.00 1.4585 65.0
6（回折面）-119939.41(DOE[6]) 0.005 1.4585 65.0
7 ∞ 0.30 1.4585 67.8
8 ∞ 1.00
9 -13.34 0.55 1.5163 64.1
10 5.74 0.99
11 17.40 1.12 2.0033 28.3
12 -12.42 0.60
13（絞り面） 0.40
14 5.58 1.95 1.8160 46.6
15 -4.08 0.01 1.5638 60.7
16 -4.08 0.50 1.8052 25.4
17 4.08 1.87
18* 非球面[3] 2.40 1.8061 40.9
19 -5.66 3.05
20 ∞ 0.50 1.5163 64.1
21 ∞ 2.26
22 ∞ 0.50 1.5163 64.1
23 ∞ 0.48
像 面 ∞ 0.00
【００８５】
回折面データ
面番号 第３面（DOE[5]）
曲率半径 -119457.53
k＝ 0.0000E+000
A4＝ 6.2474E-008 A6＝-4.9008E-009
【００８６】
非球面データ
面番号 第１８面（非球面[3]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００８７】
［３−３：近点（Ｓ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 200.00
1 ∞ 0.30 1.4585 67.8
2 ∞ 0.00 1.4585 65.0
3（回折面）-119457.53(DOE[5]) 0.005 1.4585 65.0
4 ∞ 0.30 1.4585 67.8
5 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
6（回折面）-119939.41(DOE[6]) 0.005 1.7085 30.0
7 ∞ 0.30 1.4585 67.8
8 ∞ 1.00
9 -13.34 0.55 1.5163 64.1
10 5.74 0.99
11 17.40 1.12 2.0033 28.3
12 -12.42 0.60
13（絞り面） 0.40
14 5.58 1.95 1.8160 46.6
15 -4.08 0.01 1.5638 60.7
16 -4.08 0.50 1.8052 25.4
17 4.08 1.87
18* 非球面[3] 2.40 1.8061 40.9
19 -5.66 3.05
20 ∞ 0.50 1.5163 64.1
21 ∞ 2.26
22 ∞ 0.50 1.5163 64.1
23 ∞ 0.48
像 面 ∞ 0.00
【００８８】
回折面データ
面番号 第６面（DOE[6]）
曲率半径 -119939.41
k＝ 0.0000E+000
A4＝ 5.4913E-008 A6＝-4.5332E-009
【００８９】
非球面データ
面番号 第１８面（非球面[3]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００９０】
次に、実施例１〜実施例３の光学系における条件式パラメータ対応値及び光学系の各種データを次の表１及び表２に示す。
表１
表２
なお、レンズ全長は先頭面から近軸像面までの距離、BFはレンズ最終面から近軸像面までの距離である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、小型で迅速な焦点合わせをする画像取得装置を用いることが求められる分野に有用である。本発明における画像取得装置には、カメラ、顕微鏡、内視鏡、望遠鏡、及びスキャナー等の光学機器で静止画像や動画などを撮影する機器を含む。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる液晶光学素子の基本構成及び動作原理を示す概念図であって、(a)は液晶レンズに電圧を印加したとき、(b)は液晶レンズに電圧を印加したときの入射光線の受ける作用を示している。
【図２】本発明の液晶光学素子を用いた実施例１にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図である。
【図３】図２の光学系に用いられている液晶光学素子の構成を示す説明図である。
【図４】実施例１の光学系における無限遠物合焦時での横収差図である。
【図５】実施例１の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図６】実施例１の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図７】本発明の液晶光学素子を用いた実施例２にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図である。
【図８】実施例２の光学系における無限遠物合焦時での横収差図である。
【図９】実施例２の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図１０】実施例２の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図１１】本発明の液晶光学素子を用いた実施例３にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図である。
【図１２】図１１の光学系に用いられている液晶光学素子の構成を示す説明図である。
【図１３】実施例３の光学系における無限遠物合焦時での横収差図である。
【図１４】実施例３の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図１５】実施例３の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図１６】図１の液晶光学素子に適用可能な回折型液晶レンズの一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９３】
１，１’，１” 液晶光学素子
１１ 第１の回折型液晶レンズ
１１ａ，１２ａ 基板
１１ａ１，１２ａ１ 鋸歯状レリーフ
１１ｂ，１２ｂ 薄膜透明電極
１１ｃ，１２ｃ 対向電極
１１ｄ，１２ｄ 液晶
１２ 第２の回折型液晶レンズ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 基板
Ｌ１ 物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ
Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ３’ 両凸レンズ
Ｌ３，Ｌ６，Ｌ１’，Ｌ４’ 両凹レンズ
Ｌ７，Ｌ５’ 物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ
Ｐ１，Ｐ２ 平行平板
Ｓ 開口絞り
ＩＭ 撮像素子の撮像面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像光学系に関するものであり、より詳しくは光学特性可変光学素子としての液晶光学素子、それを備えた光学系、及びそれらを備えた画像取得装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
結像光学系の合焦は、通常、レンズを光軸方向に移動することによって行われる。しかし、レンズ系の全体或いは一部を移動させるためのスペースやアクチュエータが必要になり、光学系を小型化する上で好ましくない。そこで、これらの課題を解決する手段として、液晶レンズを用いた可変焦点レンズにより、レンズ系を移動させずに変倍や合焦をするようにした光学系が一般的に知られている。しかしながら、このような液晶レンズでは偏光板が必要であるため、光量損失が多くなるという問題があった。そこで、このような問題を解決する手段として、第１の回折型液晶レンズと、第２の回折型液晶レンズとを、互いに配向方向が光軸と垂直な面内で直交するように対向配置することで偏光板を必要としない焦点可変機構を実現する結像光学系が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平10−73758号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載の光学系では、レンズ系全体でのＰ偏光の結像位置とＳ偏光の結像位置が異なってしまい、十分な結像性能が得られないという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、光量損失が無く、高い結像性能を有する液晶光学素子、それを備えた光学系、及びそれらを備えた画像取得装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明による液晶光学素子は、第１の液晶レンズ及び第２の液晶レンズを有し、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズとを、互いに配向方向が光軸と垂直な面内で直交するように対向配置するとともに、前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける一方の偏光方向の入射光に対する該第１の液晶レンズの焦点距離に比べて、前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する該第２の液晶レンズの焦点距離が短くなるようにしたことを特徴としている。
【０００６】
また、本発明の液晶光学素子においては、次の条件式(1)を満足するのが好ましい。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．５ ・・・(1)
但し、ｆ１は前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける前記一方の偏光方向の入射光に対する該第１の液晶レンズの焦点距離、ｆ２は前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する該第２の液晶レンズの焦点距離である。
【０００７】
また、本発明による光学系は、上記本発明のいずれかの液晶光学素子を有し、前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける前記一方の偏光方向の入射光に対する焦点位置と、前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する焦点位置とが略一致するようにしたことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明による光学系は、上記本発明のいずれかの液晶光学素子を有し、前記液晶光学素子に印加する電圧を制御して、異なる物点からの入射光に対する焦点位置のずれの補正を行うことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の光学系においては、無限遠物点合焦時において、前記液晶光学素子が平行平板として作用するように、該液晶光学素子に入射する光束を回折又は屈折することなく透過させるようにするのが好ましい。
【００１０】
また、本発明の光学系においては、前記液晶光学素子が光線偏向作用を持たないときに遠点物点に合焦し、前記液晶光学素子が光線偏向作用を持つときに近点物点に合焦するようにするのが好ましい。
【００１１】
また、本発明の光学系においては、次の条件式(2)を満足するのが好ましい。
｜Δ／ｆ｜≦０．６ ・・・(2)
但し、Δは前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの間隔、ｆは該光学系の焦点距離である。
【００１２】
また、本発明による画像取得装置は、上記本発明のいずれかの光学系と、撮像素子と、ズーム光学系、を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光量損失が無く、高い結像性能を有する液晶光学素子、それを備えた光学系、及びそれらを備えた画像取得装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。なお、説明の便宜上、以下の説明においては、互いに直交する偏波面を有する２つの直線偏光のうち、一方の偏光方向の直線偏光をＰ偏光、他方の偏光方向の直線偏光をＳ偏光とする。
【００１５】
図１は本発明の第一実施形態にかかる液晶光学素子の基本構成及び動作原理を示す概念図であって、(a)は液晶レンズに電圧を印加しないとき、(b)は液晶レンズに電圧を印加したとき、の入射光線の受ける作用を夫々示している。
本実施形態の液晶光学素子１は、第１の回折型液晶レンズ１１と、第２の回折型液晶レンズ１２とを備えている。なお、図１の例では、液晶光学素子１は、第１の回折型液晶レンズ１１及び第２の回折型液晶レンズ１２が、基板１３ａ，１３ｂ，１３ｃの間に積層されることによって一体化されている。
【００１６】
第１の回折型液晶レンズ１１及び第２の回折型液晶レンズ１２は、例えば、図１６に示すように、所定の鋸歯状レリーフ１１ａ１（１２ａ１）を有する基板１１ａ（１２ａ）上に、薄膜透明電極１１ｂ（１２ｂ）と対向電極１１ｃ（１２ｃ）とにより液晶１１ｄ（１２ｄ）を挟持してなる。そして、薄膜透明電極１１ｂ（１２ｂ）と対向電極１１ｃ（１２ｃ）との間に電極引出線を介して所望の電圧を印加することによって、液晶１１ｄ（１２ｄ）の屈折率を変化させ、液晶１１ｄ（１２ｄ）層の位相分布を変化させて、液晶レンズの回折次数を変化させるように構成されている。
【００１７】
そして、本実施形態の液晶光学素子では、このように構成された２つの回折型液晶レンズ１１及び１２を備え、互いの配光方向が光軸と垂直な面内で直交するように夫々が対向配置されている。このため、第１の回折型液晶レンズ１１が光線偏向作用を持つ偏光方向と、第２の回折型液晶レンズ１２が光線偏向作用を持つ偏光方向とが直交する。
例えば、第１の回折型液晶レンズ１１の液晶１１ｄに電圧を印加することによって、第１の回折型液晶レンズ１１がＰ偏光（又はＳ偏光）の入射光に対して光線偏向作用を持つ場合には、第２の回折型液晶レンズ１２の液晶１２ｄに電圧を印加することによって、第２の回折型液晶レンズ１２がＳ偏光（又はＰ偏光）の入射光に対して光線偏向作用を持つ。なお、図１の例では、夫々液晶に電圧を印加することによって、第１の回折型液晶レンズ１１がＰ偏光の入射光に対して光線偏向作用を持ち、第２の回折型液晶レンズ１２がＳ偏光の入射光に対して光線偏向作用を持つようになっている。また、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２における基板の屈折率と液晶１１ｄ，１２ｄの常光屈折率とが等しくなるように設定される。
【００１８】
このように構成された本実施形態の液晶光学素子１は、次のように動作する。
まず、第１の回折型液晶レンズ１１の液晶１１ｄ、第２の回折型液晶レンズ１２の液晶１２ｄのいずれにも電圧を印加しない場合、液晶１１ｄ，１２ｄは入射する光線の偏光方向（即ち、Ｐ偏光、Ｓ偏光の方向）に関係なく、常光屈折率として作用する。そして、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２における基板の屈折率と液晶１１ｄ，１２ｄの常光屈折率は等しいため、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２は入射する光線の偏光方向に関係なく光線偏向作用を持たず、平行平板として作用する。即ち、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２に入射する光線は、偏光方向（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に関係なく、夫々の回折型液晶レンズ１１，１２で夫々０次回折光としての作用を受ける。
【００１９】
これに対し、第１の回折型液晶レンズ１１の液晶１１ｄに電圧を印加した場合には、液晶１１ｄはＰ偏光に対して異常光屈折率として作用し、第１の回折型液晶レンズ１１はＰ偏光に対して１次回折光でブレーズ化された回折光学素子として機能する。このため、Ｐ偏光は１次回折光としての光線偏向作用を受ける。一方、液晶１１ｄはＳ偏光に対しては、常光屈折率分布として作用する。このため、第１の回折型液晶レンズ１１はＳ偏光に対して平行平板として作用し、Ｓ偏光は光線偏向作用を受けない。
【００２０】
また、第２の回折型液晶レンズ１２の液晶１２ｄに電圧を印加した場合には、液晶１２ｄはＳ偏光に対して異常光屈折率として作用し、第２の回折型液晶レンズ１２はＳ偏光に対して１次回折光でブレーズ化された回折光学素子として機能する。このため、Ｓ偏光は１次回折光としての光線偏向作用を受ける。一方、液晶１２ｄはＰ偏光に対しては、常光屈折率分布として作用する。このため、第２の回折型液晶レンズ１２はＰ偏光に対して平行平板として作用し、Ｐ偏光は光線偏向作用を受けない。
【００２１】
このため、本実施形態の液晶光学素子１において液晶１１ｄと液晶１２ｄの両方に夫々に電圧を印加すると、入射光は、第１の回折型液晶レンズ１１において、Ｐ偏光が光線偏向作用を受けて光軸に対し所定方向に偏向されるとともにＳ偏光が光線偏向作用を受けないで出射し、第２の回折型液晶レンズ１２に入射する。そして、第２の回折型液晶レンズ１２において、Ｓ偏光が光線偏向作用を受けて光軸に対し所定方向に偏向されるとともに、Ｐ偏光が光線偏向作用を受けずに第１の回折型液晶レンズ１１を介して偏向された方向に出射する。
【００２２】
従って、本実施形態の液晶光学素子１によれば、入射する光線は、Ｐ偏光が第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受け、Ｓ偏光が第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受けるというように、Ｐ方向とＳ方向の偏光方向に関係なくいずれかの回折型液晶レンズで光線偏向作用を受けることになるので、光量ロスが無くなる。
【００２３】
また、本実施形態の液晶光学素子１は、回折型液晶レンズを用いて構成されており、回折型液晶レンズは、液晶厚を薄くできる。このため、本実施形態の液晶光学素子１によれば、液晶レンズを低電圧で高速駆動できる。また、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の間隔を小さくすることができる。その結果、後述するように、第１の回折型液晶レンズ１１を介して光線偏向作用を受けて偏向されたＰ偏光と、第２の回折型液晶レンズ１２を介して光線偏向作用を受けて偏向されたＳ偏光の結像位置のずれをなくすように構成した場合において、Ｐ偏光とＳ偏光との結像の非対称性を小さくし易くなる。
【００２４】
なお、本実施形態の液晶光学素子１においては、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２は、図１に示したように、積層構造として一体化されていると、保持などの点で好ましい。なお、別個に備えても勿論よい。
【００２５】
また、図１の例では、１次回折光として作用する構成について説明したが、これに制限されることはなく、２次回折光、３次回折光として作用する構成としてもよい。
【００２６】
また、本実施形態の液晶光学素子１は、第１の回折型液晶レンズ１１において光線偏向作用を受ける（互いに直交する偏波面を有する２つの直線偏光のうちの）一方の偏光方向（ここではＰ偏光）の入射光に対する第１の回折型液晶レンズ１１の所定次数光（例えば１次光）での焦点距離に比べて、第２の回折型液晶レンズ１２において光線偏向作用を受ける、一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向（ここではＳ偏光）の入射光に対する第２の回折型液晶レンズ１２の所定次数光と同一次数光での焦点距離が短くなるように構成されている。
【００２７】
図１に示したように、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２を積層した場合、第１の回折型液晶レンズ１１の回折面と第２の回折型液晶レンズ１２の回折面は離れている。
そのため、第１の回折型液晶レンズ１１の焦点距離と第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離とが等しいと、Ｐ偏光とＳ偏光の一方が焦点の合った状態、他方が焦点のずれた状態で結像面に入射することとなり、結像面において二重像になってしまう。
そこで、本実施形態の液晶光学素子１では、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＰ偏光）と第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＳ偏光）における同一次数光の結像位置（焦点位置）がほぼ一致するように、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離を異ならせている。即ち、第１の回折型液晶レンズ１１における一方の偏光方向（ここではＰ偏光）の入射光に対する焦点距離よりも、第２の回折型液晶レンズ１２における一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向（ここではＳ偏光）の入射光に対する同一次数の焦点距離が短くなるように構成している。
このようにすれば、２重像を防ぐことができる。
【００２８】
なお、その場合、次の条件式(1)を満足するのが好ましい。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．５ ・・・(1)
但し、ｆ１は第１の回折型液晶レンズ１１の焦点距離、ｆ２は第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離である。
【００２９】
条件式(1)の上限を上回ると、第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離の差が大きくなり、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光と第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光とで結像の非対称性が大きくなってしまう。
【００３０】
好ましくは、次の条件式(1')を満足するのがよい。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．４ ・・・(1')
但し、ｆ１は第１の回折型液晶レンズ１１の焦点距離、ｆ２は第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離である。
【００３１】
さらに、好ましくは、次の条件式(1”)を満足するのがよい。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．３ ・・・(1”)
但し、ｆ１は第１の回折型液晶レンズ１１の焦点距離、ｆ２は第２の回折型液晶レンズ１２の焦点距離である。
【００３２】
また、本発明の光学系では、光学系全体として、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＰ偏光）と第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＳ偏光）における同一次数光の結像位置（焦点位置）がほぼ一致するように、夫々の液晶レンズの焦点距離が設定されている。
ここで、結像位置（焦点位置）がほぼ一致するとは、理想的には、それぞれの偏光方向における結像位置が完全に一致していることが望ましいが、光学系全体として要求される結像性能に影響を与えない程度に、結像位置が異なっていてもよいことを意味する。例えば、その光学系では２重像として認識できない範囲の結像位置のずれの程度が挙げられる。
【００３３】
また、本発明の光学系は、本実施形態として説明したいずれかの液晶光学素子１と、少なくとも１枚のレンズを有し、液晶光学素子１に印加する電圧を制御して、異なる物点からの入射光に対する焦点位置のずれの補正（合焦）を行うようにしている。
このようにすれば、光学系において上述した本実施形態の液晶光学素子１の効果が得られる。
【００３４】
また、本発明の光学系においては、上述した本実施形態の液晶光学素子１が光線偏向作用を持たないときに遠点物点に合焦し、液晶光学素子１が光線偏向作用を持つときに近点物点に合焦するのが好ましい。
液晶光学素子１に用いる液晶レンズが製作誤差を大きく持つ場合、液晶レンズの光線偏向作用誤差による性能劣化が問題となる可能性がある。
しかるに、本発明の光学系のように遠点物点に対して液晶レンズが光線偏向作用を持たないように構成すれば、近点物点よりも高い結像性能が要求される遠点物点に対する性能劣化を回避することができる。
【００３５】
また、本発明の光学系においては、次の条件式(2)を満足するのが好ましい。
｜Δ／ｆ｜≦０．６ ・・・(2)
但し、Δは第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の間隔、ｆはこの光学系の焦点距離である。
【００３６】
条件式(2)の上限値を上回ると、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光と、第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光との結像の非対象性が大きくなり過ぎる。
なお、好ましくは、次の条件式(2')を満足するのがよい、
０．０００１≦｜Δ／ｆ｜≦０．４ ・・・(2’)
但し、Δは第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の間隔、ｆはこの光学系の焦点距離である。
さらに、好ましくは、次の条件式(2”)を満足するのがよい、
０．０００１≦｜Δ／ｆ｜≦０．２ ・・・(2”)
但し、Δは第１の回折型液晶レンズ１１と第２の回折型液晶レンズ１２の間隔、ｆはこの光学系の焦点距離である。
【００３７】
そして、本発明のカメラは、上記本発明のいずれかの光学系と、撮像素子と、ズーム光学系を備えている。
このようにすれば、カメラにおいて上述した本実施形態の液晶光学素子の効果が得られる。
【００３８】
なお、本実施形態の液晶光学素子１としては、回折型液晶レンズを例に説明したが、これに限られず、例えば、ゾーンプレート形状、平凸、及び平凹レンズ形状の液晶レンズであってもよく、更に、同心状に液晶層を形成した屈折率分布型レンズであってもよい。
【００３９】
以下に、本発明の光学系の実施例１から実施例３について図面を参照して説明する。
光路図を図２〜図１５に示す。
【００４０】
実施例１
図２は本発明の液晶光学素子を用いた実施例１にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図、図３は図２の光学系に用いられている液晶光学素子の構成を示す説明図である。図４は実施例１の光学系における無限遠物合焦時での横収差図、図５は実施例１の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図、図６は実施例１の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
実施例１の光学系は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１、両凸レンズＬ２、液晶光学素子１’、両凹レンズＬ３と両凸レンズＬ４との接合レンズ、両凸レンズＬ５と両凹レンズＬ６との接合レンズ、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ７、平行平板Ｐ１、及び平行平板Ｐ２を備えている。
【００４１】
なお、図２中、レンズ断面図におけるｒ1、ｒ2、……及びｄ1、ｄ2、……の数字は、数値データにおける面番号の数字１、２、……に対応する。また、Ｓは開口絞り、ＩＭは撮像素子の撮像面を示す。また、以下の数値データにおいて、屈折率及びアッベ数は、ｄ線における値である（以下、他の実施例においても同じ）。
【００４２】
液晶光学素子１’は、図１に示した実施形態の液晶光学素子１と同様の構造であるので、同一の部材については同一の符号を付して説明を省略する。
実施例１にかかる光学系では、光学系全体として、第１の回折型液晶レンズ１１で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＰ偏光）と第２の回折型液晶レンズ１２で光線偏向作用を受ける偏光（ここではＳ偏光）における同一次数光の結像位置（焦点位置）がほぼ一致するように、夫々の液晶レンズの焦点距離が設定されている。
【００４３】
また、実施例１の光学系では、液晶光学素子１’において第１の回折型液晶レンズ１１、第２の回折型液晶レンズ１２として用いる回折型液晶レンズは、夫々液晶１１ｄ，１２ｄに電圧を印加しないときには、入射光に対して０次光としての作用を与えて、光線偏向作用を持たずに無限遠物点に合焦し、液晶に電圧を印加したときには、入射光に対して１次光としての作用を与えて、レンズ先頭面から３００ｍｍの物点に合焦するように構成されている。
【００４４】
実施例１の光学系のように、開口絞りＳ付近に第１及び第２の回折型液晶レンズ１１，１２を配置すると、第１及び第２の回折型液晶レンズ１１，１２の有効径を小さくすることができる。
【００４５】
また、実施例１の光学系のように、液晶光学素子１’に用いる回折型液晶レンズ１１，１２を開口絞りＳ付近に配置すると、物点位置の変動に伴う軸上色収差を中心とした色収差も効果的に補正できる。このとき、次の条件式(3)を満足することが望ましい。
｜ｙ／ｓｄ｜≦０．８ ・・・(3)
但し、ｙは液晶レンズにおける最軸外主光線の光線高、ｓｄは液晶レンズの有効半径である。
【００４６】
また、次の条件式(3')を満足すると、上記作用効果が更に大きくなるので好ましい。
但し、ｙは液晶レンズにおける最軸外主光線の光線高、ｓｄは液晶レンズの有効半径である。
｜ｙ／ｓｄ｜≦０．７ ・・・(3')
【００４７】
さらに、次の条件式(3')を満足すると、上記作用効果がより一層大きくなるので好ましい。
｜ｙ／ｓｄ｜≦０．６ ・・・(3”)
但し、ｙは液晶レンズにおける最軸外主光線の光線高、ｓｄは液晶レンズの有効半径である。
【００４８】
また、実施例１の光学系のように、液晶レンズを備えた液晶光学素子１’の前後のいずれにも正屈折を持つレンズと負屈折を持つレンズを配置しておくと、色収差補正し易いので好ましい。
【００４９】
実施例１の液晶光学素子１’を備えた光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
なお、以下の数値データの中において示される回転対称な非球面は次式の定義にしたがって示してある。
Ｚ＝ｃｈ2／［１＋√｛１−（１＋k）ｃ2ｈ2｝］＋A4ｈ4＋A6ｈ6＋A8ｈ8＋A10ｈ10＋・・・
但し、ｃは頂点の曲率、kは円錐係数、A4は４次非球面係数、A6は６次非球面係数、A8は８次非球面係数、A10は１０次非球面係数である。また、ｈは光軸からの距離であり、光軸に対し垂直な面における水平方向をｘ、垂直方向をｙとしたときｈ2＝ｘ2＋ｙ2で示される。
【００５０】
また、以下に数値データとして示す回折型液晶レンズの設計法として、次の文献に示されているｓｗｅａｔｔ法（超高屈折率法）を使用した。
文献：W.C.Sweatt，“Mathematical equivalence between a holographic optical element and an ultra-high index lens”，J.Opt.Soc.Am，Vol.69，No.3(1979)
そして、以下の数値データにおいては、基準波長５８７．５６ｎｍにおける超高屈折率レンズの屈折率＝５８８．５６としている。
【００５１】
実施例１の光学系における、電圧OFF時の液晶の屈折率（常光屈折率）は1.458467、アッベ数νは65.0、電圧ON時の液晶の屈折率（異常光屈折率）は1.708467、アッベ数νは30、液晶の厚さは0.005mmである。これらは、以下の実施例でも同じである。また、以下、数値実施例における［１−１：無限遠物点］、［１−２：近点（Ｐ偏光用）］及び［１−３：近点（Ｓ偏光用）］について説明するが、この説明は他の実施例でも同じである。
【００５２】
実施例１の光学系では、５面から１２面までが液晶レンズ、７面から８面までの間、１０面から１１面までの間がそれぞれ液晶の層である。
【００５３】
ここで、無限遠物点に対しては、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）とＳ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）は、いずれも動作していない。すなわち、下記の数値データのうち、［１−１：無限遠物点］の数値データに示されているように、液晶の屈折率とアッベ数(1.4585、65.0)は、回折面(1.4585、65.0)と同じである。また、屈折率に関しては、液晶の屈折率、回折面の屈折率及び基板の屈折率はいずれも1.4585で同じになっている。そのため、回折面は物理的に存在しているが、光学的な作用（光偏向作用）は生じない。
【００５４】
次に、近点に対しては、Ｐ偏光用液晶レンズとＳ偏光用液晶レンズのいずれもが動作している。ただし、Ｐ偏光の光についてはＰ偏光用液晶レンズのみが偏向作用を生じ、Ｓ偏光の光についてはＳ偏光用液晶レンズのみが偏向作用を生じる。そこで、近点に関しては［１−２：近点（Ｐ偏光用）］と［１−３：近点（Ｓ偏光用）］の２つの数値データを用いている。
【００５５】
［１−２：近点（Ｐ偏光用）］は、Ｐ偏光の光に関する数値データである。Ｐ偏光の光に対しては、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）が偏向作用を生じ、Ｓ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）は偏向作用を生じない。そこで、[１−２：近点（Ｐ偏光用)］の数値データでは、７面から８面の液晶の屈折率が1.4585から1.7085に変わっている。一方、１０面から１１面が液晶の屈折率は1.4585のままになっている。
【００５６】
また、７面から８面の液晶の屈折率が1.7085になったことにより、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）が偏向作用を持つ。そこで、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）の屈折率も1.4585から588.56に変わっている。
【００５７】
また、[１−３：近点（Ｓ偏光用）]はＳ偏光の光に関する数値データである。Ｓ偏光の光に対しては、Ｐ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[1]）は偏向作用を生じることはなく，Ｓ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）に偏向作用が生じる。そこで、[１−３：近点（Ｓ偏光用）]の数値データでは、７面から８面の液晶の屈折率は1.4585のままになっている。一方、１０面から１１面が液晶の屈折率が1.4585から1.7085に変わっている。
【００５８】
また、１０面から１１面の液晶の屈折率が1.7085になったことにより、Ｓ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）が偏向作用を持つ。そこで、Ｓ偏光用液晶レンズの回折面（DOE[2]）の屈折率も1.4585から588.56に変わっている。
【００５９】
数値データ１（実施例１）
［１−１：無限遠物点］
単位 ｍｍ面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 1.4585 65.0
7（回折面）-233418.48（DOE[1]） 0.005 1.4585 65.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 1.4585 65.0
10（回折面）-237164.15（DOE[2]） 0.005 1.4585 65.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[1] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００６０】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[1]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００６１】
［１−２：近点（Ｐ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 300.00
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
7（回折面）-233418.48（DOE[1]） 0.005 1.7085 30.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 1.4585 65.0
10（回折面）-237164.15（DOE[2]） 0.005 1.4585 65.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[1] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００６２】
回折面データ
面番号 第７面（DOE[1]）
曲率半径 -233418.48
k＝ 0.0000E+000
A4＝-2.4691E-008 A6＝ 4.1725E-008 A8＝-9.1727E-009
【００６３】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[1]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００６４】
［１−３：近点（Ｓ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 300.00
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 1.4585 65.0
7（回折面）-233418.48（DOE[1]） 0.005 1.4585 65.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
10（回折面）-237164.15（DOE[2]） 0.005 1.7085 30.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[1] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００６５】
回折面データ
面番号 第１０面（DOE[2]）
曲率半径 -237164.15
k＝ 0.0000E+000
A4＝-8.7050E-008 A6＝ 7.4874E-008 A8＝-1.4487E-008
【００６６】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[1]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００６７】
実施例２
図７は本発明の液晶光学素子を用いた実施例２にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図、図８は実施例２の光学系における無限遠物合焦時での横収差図、図９は実施例２の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図、図１０は実施例２の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
実施例２の光学系は、液晶光学素子１’において第１の回折型液晶レンズ１１、第２の回折型液晶レンズ１２として用いている回折型液晶レンズの構成のみが、実施例１の光学系と異なっている。
【００６８】
実施例２の光学系では、液晶光学素子１’において第１の回折型液晶レンズ１１、第２の回折型液晶レンズ１２として用いる回折型液晶レンズは、夫々液晶１１ｄ，１２ｄに電圧を印加しないときには、入射光に対して０次光としての作用を与えて、光線偏向作用を持たずに無限遠物点に合焦し、液晶に電圧を印加したときには、入射光に対して１次光としての作用を与えて、レンズ先頭面から２００ｍｍの物点に合焦するように構成されている。
その他の構成は、実施例１の光学系と略同じである。
実施例２の液晶光学素子１’は、後述する実施例３の液晶光学素子と比較すると、同じ近点位置（２００ｍｍ）に合焦するための回折型液晶レンズのパワーが弱くできる位置に回折型液晶レンズを配置しているので、回折型液晶レンズの製作が容易になる。
【００６９】
次に、実施例２の液晶光学素子１’を備えた光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
実施例２の光学系では、実施例１の光学系と同様、５面から１２面までが液晶レンズ、７面から８面までの間、１０面から１１面までの間がそれぞれ液晶の層である。
数値データ２（実施例２）
［２−１：無限遠物点］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 1.4585 65.0
7（回折面）-158686.60(DOE[3]) 0.005 1.4585 65.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 1.4585 65.0
10（回折面）-161088.47(DOE[4]) 0.005 1.4585 65.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[2] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００７０】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[2]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００７１】
［２−２：近点（Ｐ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 200.00
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
7（回折面）-158686.60(DOE[3]) 0.005 1.7085 30.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 1.4585 65.0
10（回折面）-161088.47(DOE[4]) 0.005 1.4585 65.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[2] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００７２】
回折面データ
面番号 第７面（DOE[3]）
曲率半径 -158686.60
k＝ 0.0000E+000
A4＝-2.6651E-008 A6＝ 3.2511E-008 A8＝-7.9738E-009
【００７３】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[2]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００７４】
［２−３：近点（Ｓ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 200.00
1 105.00 1.20 1.5182 58.9
2 5.09 1.24
3 38.32 1.50 1.7440 44.8
4 -11.49 0.50
5 ∞ 0.30 1.4585 67.8
6 ∞ 0.00 1.4585 65.0
7（回折面）-158686.60(DOE[3]) 0.005 1.4585 65.0
8 ∞ 0.30 1.4585 67.8
9 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
10（回折面）-161088.47(DOE[4]) 0.005 1.7085 30.0
11 ∞ 0.30 1.4585 67.8
12 ∞ 0.67
13 -10.80 0.28 1.7620 40.1
14 4.90 1.20 1.7282 28.5
15 -8.47 0.50
16（絞り面） 0.40
17 5.58 1.95 1.8160 46.6
18 -4.08 0.01 1.5638 60.7
19 -4.08 0.50 1.8052 25.4
20 4.08 1.87
21* 非球面[2] 2.40 1.8061 40.9
22 -5.66 4.13
23 ∞ 0.50 1.5163 64.1
24 ∞ 2.26
25 ∞ 0.50 1.5163 64.1
26 ∞ 0.49
像 面 ∞ 0.00
【００７５】
回折面データ
面番号 第１０面（DOE[4]）
曲率半径 -161088.47
k＝ 0.0000E+000
A4＝-1.0564E-007 A6＝ 7.1812E-008 A8＝-1.3925E-008
【００７６】
非球面データ
面番号 第２１面（非球面[2]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００７７】
実施例３
図１１は本発明の液晶光学素子を用いた実施例３にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図、図１２は図１１の光学系に用いられている液晶光学素子の構成を示す説明図である。図１３は実施例３の光学系における無限遠物合焦時での横収差図、図１４は実施例３の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図、図１５は実施例３の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
実施例３の光学系は、結像光学系の最も物体側に液晶レンズを配置した構成としている。
詳しくは、物体側から順に、液晶光学素子１”、両凹レンズＬ１’、両凸レンズＬ２、両凸レンズＬ３’と両凹レンズＬ４’との接合レンズ、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ５’、平行平板Ｐ１、及び平行平板Ｐ２を備えている。なお、図１１中、Ｓは開口絞り、ＩＭは撮像素子の撮像面を示す。
【００７８】
液晶光学素子１”は、図１に示した実施形態の液晶光学素子１と同様の構造であるので、同一の部材については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７９】
また、実施例３の光学系では、液晶光学素子１”において第１の回折型液晶レンズ１１、第２の回折型液晶レンズ１２として用いている回折型液晶レンズは、夫々液晶１１ｄ，１２ｄに電圧を印加しないときには、入射光に対して０次光としての作用を与えて、光線偏向作用を持たずに無限遠物点に合焦し、液晶に電圧を印加したときには、入射光に対して１次光としての作用を与えて、レンズ先頭面から２００ｍｍの物点に合焦するように構成されている。
液晶光学素子１”のその他の構成は、実施例１，２における液晶光学素子１’と略同じである。
【００８０】
実施例３の光学系によれば、液晶レンズの焦点距離が２０４ｍｍのとき、近点２００ｍｍに合焦する。このため、実施例１、２の光学系に比べて液晶レンズのパワーが強くなるが、レンズ系の先頭に液晶レンズがあるので、液晶レンズの配線の処理やメカ機構上好ましいものとなる。
【００８１】
次に、実施例３の液晶光学素子１”を備えた光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
実施例３の光学系では、１面から８面までが液晶レンズ、３面から４面までの間、６面から７面までの間がそれぞれ液晶の層である。
【００８２】
数値データ３（実施例３）
［３−１：無限遠物点］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ 0.30 1.4585 67.8
2 ∞ 0.00 1.4585 65.0
3（回折面）-119457.53(DOE[5]) 0.005 1.4585 65.0
4 ∞ 0.30 1.4585 67.8
5 ∞ 0.00 1.4585 65.0
6（回折面）-119939.41(DOE[6]) 0.005 1.4585 65.0
7 ∞ 0.30 1.4585 67.8
8 ∞ 1.00
9 -13.34 0.55 1.5163 64.1
10 5.74 0.99
11 17.40 1.12 2.0033 28.3
12 -12.42 0.60
13（絞り面） 0.40
14 5.58 1.95 1.8160 46.6
15 -4.08 0.01 1.5638 60.7
16 -4.08 0.50 1.8052 25.4
17 4.08 1.87
18* 非球面[3] 2.40 1.8061 40.9
19 -5.66 3.05
20 ∞ 0.50 1.5163 64.1
21 ∞ 2.26
22 ∞ 0.50 1.5163 64.1
23 ∞ 0.48
像 面 ∞ 0.00
【００８３】
非球面データ
面番号 第１８面（非球面[3]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００８４】
［３−２：近点（Ｐ偏光用）］
単位 ｍｍ面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 200.00
1 ∞ 0.30 1.4585 67.8
2 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
3（回折面）-119457.53(DOE[5]) 0.005 1.7085 30.0
4 ∞ 0.30 1.4585 67.8
5 ∞ 0.00 1.4585 65.0
6（回折面）-119939.41(DOE[6]) 0.005 1.4585 65.0
7 ∞ 0.30 1.4585 67.8
8 ∞ 1.00
9 -13.34 0.55 1.5163 64.1
10 5.74 0.99
11 17.40 1.12 2.0033 28.3
12 -12.42 0.60
13（絞り面） 0.40
14 5.58 1.95 1.8160 46.6
15 -4.08 0.01 1.5638 60.7
16 -4.08 0.50 1.8052 25.4
17 4.08 1.87
18* 非球面[3] 2.40 1.8061 40.9
19 -5.66 3.05
20 ∞ 0.50 1.5163 64.1
21 ∞ 2.26
22 ∞ 0.50 1.5163 64.1
23 ∞ 0.48
像 面 ∞ 0.00
【００８５】
回折面データ
面番号 第３面（DOE[5]）
曲率半径 -119457.53
k＝ 0.0000E+000
A4＝ 6.2474E-008 A6＝-4.9008E-009
【００８６】
非球面データ
面番号 第１８面（非球面[3]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００８７】
［３−３：近点（Ｓ偏光用）］
単位 ｍｍ
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 200.00
1 ∞ 0.30 1.4585 67.8
2 ∞ 0.00 1.4585 65.0
3（回折面）-119457.53(DOE[5]) 0.005 1.4585 65.0
4 ∞ 0.30 1.4585 67.8
5 ∞ 0.00 588.5600 -3.5
6（回折面）-119939.41(DOE[6]) 0.005 1.7085 30.0
7 ∞ 0.30 1.4585 67.8
8 ∞ 1.00
9 -13.34 0.55 1.5163 64.1
10 5.74 0.99
11 17.40 1.12 2.0033 28.3
12 -12.42 0.60
13（絞り面） 0.40
14 5.58 1.95 1.8160 46.6
15 -4.08 0.01 1.5638 60.7
16 -4.08 0.50 1.8052 25.4
17 4.08 1.87
18* 非球面[3] 2.40 1.8061 40.9
19 -5.66 3.05
20 ∞ 0.50 1.5163 64.1
21 ∞ 2.26
22 ∞ 0.50 1.5163 64.1
23 ∞ 0.48
像 面 ∞ 0.00
【００８８】
回折面データ
面番号 第６面（DOE[6]）
曲率半径 -119939.41
k＝ 0.0000E+000
A4＝ 5.4913E-008 A6＝-4.5332E-009
【００８９】
非球面データ
面番号 第１８面（非球面[3]）
曲率半径 -36.45
k＝ 1.2194E-007
A4＝-7.9872E-004 A6＝ 1.0007E-004 A8＝-8.1194E-006
A10＝ 5.4486E-007
【００９０】
次に、実施例１〜実施例３の光学系における条件式パラメータ対応値及び光学系の各種データを次の表１及び表２に示す。
表１
表２
なお、レンズ全長は先頭面から近軸像面までの距離、BFはレンズ最終面から近軸像面までの距離である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、小型で迅速な焦点合わせをする画像取得装置を用いることが求められる分野に有用である。本発明における画像取得装置には、カメラ、顕微鏡、内視鏡、望遠鏡、及びスキャナー等の光学機器で静止画像や動画などを撮影する機器を含む。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる液晶光学素子の基本構成及び動作原理を示す概念図であって、(a)は液晶レンズに電圧を印加したとき、(b)は液晶レンズに電圧を印加したときの入射光線の受ける作用を示している。
【図２】本発明の液晶光学素子を用いた実施例１にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図である。
【図３】図２の光学系に用いられている液晶光学素子の構成を示す説明図である。
【図４】実施例１の光学系における無限遠物合焦時での横収差図である。
【図５】実施例１の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図６】実施例１の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図７】本発明の液晶光学素子を用いた実施例２にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図である。
【図８】実施例２の光学系における無限遠物合焦時での横収差図である。
【図９】実施例２の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図１０】実施例２の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図１１】本発明の液晶光学素子を用いた実施例３にかかる光学系の光学構成を無限遠物点合焦時の状態で示す光軸に沿う断面図である。
【図１２】図１１の光学系に用いられている液晶光学素子の構成を示す説明図である。
【図１３】実施例３の光学系における無限遠物合焦時での横収差図である。
【図１４】実施例３の光学系における近点合焦時（Ｐ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図１５】実施例３の光学系における近点合焦時（Ｓ偏光用液晶レンズのみ動作）での横収差図である。
【図１６】図１の液晶光学素子に適用可能な回折型液晶レンズの一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９３】
１，１’，１” 液晶光学素子
１１ 第１の回折型液晶レンズ
１１ａ，１２ａ 基板
１１ａ１，１２ａ１ 鋸歯状レリーフ
１１ｂ，１２ｂ 薄膜透明電極
１１ｃ，１２ｃ 対向電極
１１ｄ，１２ｄ 液晶
１２ 第２の回折型液晶レンズ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 基板
Ｌ１ 物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ
Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ３’ 両凸レンズ
Ｌ３，Ｌ６，Ｌ１’，Ｌ４’ 両凹レンズ
Ｌ７，Ｌ５’ 物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ
Ｐ１，Ｐ２ 平行平板
Ｓ 開口絞り
ＩＭ 撮像素子の撮像面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の液晶レンズ及び第２の液晶レンズを有し、
前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズとを、互いに配向方向が光軸と垂直な面内で直交するように対向配置するとともに、
前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける一方の偏光方向の入射光に対する該第１の液晶レンズの焦点距離に比べて、前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する該第２の液晶レンズの焦点距離が短くなるようにしたことを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
次の条件式(1)を満足することを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．５ ・・・(1)
但し、ｆ１は前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける前記一方の偏光方向の入射光に対する該第１の液晶レンズの焦点距離、ｆ２は前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する該第２の液晶レンズの焦点距離である。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液晶光学素子を有し、前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける前記一方の偏光方向の入射光に対する焦点位置と、前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する焦点位置とが略一致するようにしたことを特徴とする光学系。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の液晶光学素子を有し、
前記液晶光学素子に印加する電圧を制御して、異なる物点からの入射光に対する焦点位置のずれの補正を行うことを特徴とする光学系。
【請求項５】
無限遠物点合焦時において、前記液晶光学素子が平行平板として作用するように、該液晶光学素子に入射する光束を回折又は屈折することなく透過させるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の光学系。
【請求項６】
前記液晶光学素子が光線偏向作用を持たないときに遠点物点に合焦し、前記液晶光学素子が光線偏向作用を持つときに近点物点に合焦するようにしたことを特徴とする請求項４又は５に記載の光学系。
【請求項７】
次の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の光学系。
｜Δ／ｆ｜≦０．６ ・・・(2)
但し、Δは前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの間隔、ｆは該光学系の焦点距離である。
【請求項８】
請求項３〜７のいずれかに記載の光学系と、
撮像素子と、
ズーム光学系、
を備えたことを特徴とする画像取得装置。
【請求項１】
第１の液晶レンズ及び第２の液晶レンズを有し、
前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズとを、互いに配向方向が光軸と垂直な面内で直交するように対向配置するとともに、
前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける一方の偏光方向の入射光に対する該第１の液晶レンズの焦点距離に比べて、前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する該第２の液晶レンズの焦点距離が短くなるようにしたことを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
次の条件式(1)を満足することを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
０＜｜（ｆ１−ｆ２）／ｆ１｜≦０．５ ・・・(1)
但し、ｆ１は前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける前記一方の偏光方向の入射光に対する該第１の液晶レンズの焦点距離、ｆ２は前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する該第２の液晶レンズの焦点距離である。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液晶光学素子を有し、前記第１の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける前記一方の偏光方向の入射光に対する焦点位置と、前記第２の液晶レンズにおいて光線偏向作用を受ける、前記一方の偏光方向に直交する他方の偏光方向の入射光に対する焦点位置とが略一致するようにしたことを特徴とする光学系。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の液晶光学素子を有し、
前記液晶光学素子に印加する電圧を制御して、異なる物点からの入射光に対する焦点位置のずれの補正を行うことを特徴とする光学系。
【請求項５】
無限遠物点合焦時において、前記液晶光学素子が平行平板として作用するように、該液晶光学素子に入射する光束を回折又は屈折することなく透過させるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の光学系。
【請求項６】
前記液晶光学素子が光線偏向作用を持たないときに遠点物点に合焦し、前記液晶光学素子が光線偏向作用を持つときに近点物点に合焦するようにしたことを特徴とする請求項４又は５に記載の光学系。
【請求項７】
次の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の光学系。
｜Δ／ｆ｜≦０．６ ・・・(2)
但し、Δは前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの間隔、ｆは該光学系の焦点距離である。
【請求項８】
請求項３〜７のいずれかに記載の光学系と、
撮像素子と、
ズーム光学系、
を備えたことを特徴とする画像取得装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−３０９９００（Ｐ２００８−３０９９００Ａ）
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５５６６１（Ｐ２００７−１５５６６１）
【出願日】平成１９年６月１２日（２００７．６．１２）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１２日（２００７．６．１２）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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