JP5695028B2 - 可変屈折力光学系 - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、参照によって本明細書に全体を組み込まれて本明細書の一部を構成している２００９年４月１０日出願の米国仮出願第６１／１６８，５２３号の利益を主張する。

本発明は、可変屈折力光学系に関する。

ズームレンズの設計には、その設計に使用されるレンズを複数の群に分けるものがある。１つの群は、主としてズームに使用され、第２の群は、主として像を焦点の合った状態に維持するために使用され、第３の群は、主として像面を静止した状態に維持するために使用される。鮮明な像を形成するために、第４の群も使用されえる。焦点合わせのための群は、ズームレンズの焦点を、その他の焦点距離に合わせなおす必要なく任意の焦点距離位置に合わせるように調整されえる。ズームのための群（すなわち「バリエータ」）は、ズームの最中に大幅な倍率変化を引き起こす。像面を安定化させるレンズ群は、倍率を提供するためにも使用されえる。

ズームレンズの持つ望ましい特徴には、高いズーム比や、広い視野角がある。レンズ系のズーム範囲の拡大に伴って、一般に、長さ及び重量も増加する。携帯電話又はオートフォーカスカメラなどの消費者製品は、多くの場合、小型で且つ軽量であり、ゆえに、これらの製品に含まれるズームレンズは、サイズ及び重量による制約を受ける。更に、レンズ系の焦点距離範囲の拡大に伴って、一般に、通常は広視野ズーム位置における焦点合わせの問題も増加する。

（発明の概要）
液体レンズセルは、レンズ室内に２つ又は３つ以上の液体を含む。液体は、接触し、例えば電気的ノードなどによって可変な表面を形成する。流体は例えば、１つ若しくは２つ以上のガス、１つ若しくは２つ以上の液体、又は１つ若しくは２つ以上の固体と１つ若しくは２つ以上の液体との混合であってよい。１つ又は２つ以上の移動レンズ群を液体レンズセルで置き換えることによって、光路の構成に対する更なる選択肢が得られる。液体セルは、これらの特性を活かすべく、複合ズームレンズ系において使用することができる。オートフォーカスカメラ及び携帯電話カメラの多くは、長いレンズのための広い空間を有さない。フォールディングすなわち放射軸のフォールディングと併せた液体セルの使用は、これらの小型カメラパッケージにおけるズームレンズ系をより良くすることを可能にする。より大型のカメラも、この利益を享受することができる。

図１Ａ〜図１Ｄ。６つの液体レンズセルを用いた複合ズームレンズ系の光学図であり、様々なズーム位置を提供するために液体の表面を変化させている。 図２Ａ〜図２Ｄ。５つの液体レンズセルを用いた複合ズームレンズ系の光学図であり、様々なズーム位置を提供するために液体の表面を変化させている。 図３Ａ〜図３Ｄ。５つの液体レンズセルを用いた複合ズームレンズ系の光学図であり、様々なズーム位置を提供するために液体の表面を変化させている。 図４Ａ〜図４Ｄ。４つの液体レンズセルを用いた複合ズームレンズ系の光学図であり、様々なズーム位置を提供するために液体の表面を変化させている。 図５Ａ〜図５Ｄ。３つの液体レンズセルを用いた複合ズームレンズ系の光学図であり、様々なズーム位置を提供するために液体の表面を変化させている。 図６Ａ〜図６Ｄ。３つの液体レンズセルを用いた複合ズームレンズ系の光学図であり、様々なズーム位置を提供するために液体の表面を変化させている。 図７Ａ〜図７Ｄ。２つの液体レンズセルを用いた複合ズームレンズ系の光学図であり、様々なズーム位置を提供するために液体の表面を変化させている。 図８Ａ〜図８Ｄ。１つの移動レンズ群及び２つの液体レンズセルを用いた複合ズームレンズ系の光学図であり、様々なズーム位置を提供するために液体の表面を変化させている。 ズームレンズを伴うカメラのブロック図である。

以下の説明では、添付の図面が参照される。本発明の範囲から逸脱することなくその他の構造及び／又は実施形態が用いられてもよいことが理解されるべきである。

液体レンズセルは、液体セルの機械的な動きに依存することなく光路を変更することができる。第１及び第２の接触液を含む液体レンズセルは、接触液の間の接触光学表面が、液体レンズセルの光軸を中心に実質的に対称的な可変形状を有するように構成されてよい。複数のレンズ素子が、共通の光軸に沿って整列され、物体側空間から発せられる放射を集めて像側空間へ送るように構成されてよい。液体レンズセルは、共通の光軸に沿って整列された複数のレンズ素子によって形成された光路に挿入されてよい。液体レンズセルの光軸は、共通の光軸に平行であってよい、又は共通の光軸に対して一定の角度であってよい若しくは中心を外されてよい。

現時点で考えられる液体レンズ系は、約０．２以上の、好ましくは少なくとも約０．３の、実施形態によっては少なくとも約０．４の、屈折率の差を有する。水は、約１．３の屈折率を有しており、塩の追加によって、約１．４８の屈折率に変更されえる。適切な光学オイルは、少なくとも約１．５の屈折率を有すると考えられる。たとえ、例えばより高屈折率のオイルなど、より高屈折率の液体、より低屈折率の液体、又はより高屈折率の液体とより低屈折率の液体とを用いても、屈折力変動の範囲には、限りがある。この限られた屈折力変動の範囲は、可動レンズ群の場合よりも、提供可能な倍率変化が小さいのが通常である。したがって、単純な可変屈折力光学系において、一定の像表面位置を維持しつつズームを提供するためには、倍率変化の大半を１つの可動レンズ群によって提供するとともに、倍率変化の最中における像表面における焦点ぼけの補償の大半を１つの液体セルによって提供することができる。

より多くの可動レンズ群、又は液体セル、又はそれらの両方が用いられてもよいことが、留意されるべきである。１つ又は２つ以上の液体セルと併せて使用される１つ又は２つ以上の移動レンズ群の例は、２００８年１０月６日に出願され、参照によって全体を本明細書に組み込まれ、「Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus（液体光学ズームレンズ及び撮像装置）」と題された、米国特許出願第１２／２４６，２２４号に記載されている。

系において使用されるレンズ素子のサイズ及び特性は、レンズ系の設計にあたって考慮されるべき制約を課す。例えば、１つ又は２つ以上のレンズ素子の直径は、像表面上に形成される像のサイズを制限することがある。可変屈折力光学系などの、可変特性を持つレンズ系の場合は、その光学は、レンズ素子の変動に基づいて変化することがある。したがって、第１のレンズ素子が、第１のズーム構成においてレンズ系に制約を課す一方で、第２のレンズ素子は、第２のズーム構成においてレンズ系に制約を課すことが考えられる。一例として、光ビームのリム光線が、ズーム範囲の一方の極限ではレンズ素子の外縁に近づくのに対して、ズーム範囲のもう一方の極限では同じレンズ素子の外縁からかなりの距離にあることが考えられる。

図１Ａ〜１Ｄは、中間像１０８及び最終像１０７を形成する簡略複合可変屈折力光学系の光学図を例示している。例示されるように、絞り１０９は、レンズのリレー部分内において液体レンズセル１０４のすぐ後ろに位置付けられている。可変屈折力光学系は、例えば、カメラに使用されてよい。図１Ａは、広角位置にあるときのズーム比を例示しており、図１Ｄは、望遠位置にあるときのズーム比を例示している。

図１Ａ〜１Ｄに例示された可変屈折力光学系は、移動レンズ群を有さない。その代わりに、最終像におけるズーム及び一定焦点は、それぞれ可変表面１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６を有する６つの液体レンズセル１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６を通じて達成される。液体レンズセル１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６における接触光学表面の可変形状を制御するために、制御システムが使用されてよい。

液体レンズセルは、それぞれ、制御可能な且つ／又は固定された複数の表面を含みえることを理解されるべきである。一部の実施形態では、液体レンズセルは、２つ又は３つ以上の液体セルの組み合わせを含んでよい。組み合わされたセルの間には、板が配されてよい。板は、設計の必要に応じて設定可能な屈折力を有することができる。液体レンズセルは、外表面上にも板を有してよい。一部の実施形態では、外表面上の板は、屈折力又はフォールディング機能を提供するであろう。板及びその他のレンズ素子は、光学特性の向上を図るために、球面状又は非球面状であることができる。

個々のレンズ素子は、ガラス、プラスチック、結晶質、若しくは半導体材料などの、固相材料で構成されてよい、又は水若しくはオイルなどの、液体材料若しくは気体材料を使用して構成されてよい。レンズ素子の間の空間は、１つ又は２つ以上のガスを含んでよい。例えば、標準空気、窒素、又はヘリウムが使用されてよい。或いは、レンズ素子の間の空間は、真空であってよい。本開示において使用される「空気」という表現は、広義で使用されており、１つ若しくは２つ以上のガス、又は真空を含みえることを理解されるべきである。レンズ素子は、紫外線フィルタなどのコーティングを有してよい。

液体レンズ内の液体は、固定体積を有してよく、液体レンズセルの外側表面の形状は、固定であってよい。添付の図面では、一部の液体レンズセルは、液体レンズセルの液体の体積の変化及び／又は液体レンズセルの外側表面の形状の変化を示唆するような形で例示されている。これは、表面の頂点が軸方向に移動することも意味する。図は、液体レンズセルの体積又は形状に制約を課すことなくコンピュータソフトウェアによって生成されたものである。添付の図面は、可変屈折力光学系における液体レンズセルの使用の概念を例示しており、使用されえる各種の液体レンズセルに対し、適切な修正がなされえる。

図１Ａ〜１Ｄに例示されたレンズ素子は、中間像１０８を形成するように配置されている。中間像１０８の位置及びサイズは、ズーム位置の変化に伴って変化するが、液体レンズセル１０１と１０２との間にとどまる。図１Ａ〜１Ｄは、１つの対物光学群と、そのあとに続くリレー光学群とを例示しているが、より高い倍率を実現するために、複数のリレー光学群が使用されてもよい。高屈折率の流体によって、更なる倍率を実現することができる。

１つ又は２つ以上の移動レンズ群を液体レンズセルで置き換えることによって、光路の構成に対する更なる選択肢が得られる。移動レンズ群の液体レンズセルへの置き換えは、更なる設計の可能性を容易にする。例えば、直線状の光学設計は、レンズを所望よりも長くする。移動レンズ群に代わる液体レンズセルの使用は、フォールディングなどの光学素子を使用して放射軸をリダイレクトすること及びレンズの物理的長さを短くすることを容
易にする。レンズを通る光路の全長は、同じにとどまるが、液体レンズセルは、１つ又は２つ以上の方向の長さを短くするフォールディングのための戦略的空間を提供しえる。これは、より小型のカメラパッケージにおいて、より長いレンズ全長が使用されることを可能にする。例えば、オートフォーカスカメラ及び携帯電話カメラの多くは、長いレンズのための広い空間を有さない。フォールディングと併せた液体セルの使用は、これらの小型カメラパッケージにおけるズームレンズ系をより良くすることを可能にする。より大型のカメラも、カメラパッケージの長さを、フォールディングを使用しないレンズ系において必要とされえる長さよりも短くすることによる利益を享受することができる。液体レンズセルの使用は、また、特にレンズ設計の前部に向かって尚且つ特に広視野位置の場合に、より小さい直径を可能にしえる。比較的小さい前部直径と併せたフォールディングの使用は、従来の移動レンズ群ズームレンズ設計と比べて、よりコンパクトで且つ人間工学的に成形されたカメラパッケージを提供しえる。

図２Ａ〜２Ｄは、それぞれ可変表面１３１，１３２，１３３，１３４，１３５を有する５つの液体セル１２１，１２２，１２３，１２４，１２５を使用した簡略複合可変屈折力光学系の光学図を例示している。絞り１２９は、リレー光学群内において液体セル１２３のすぐ後ろに位置付けられている。光学系は、中間像１２８及び最終像１２７を形成する。

図３Ａ〜３Ｄは、それぞれ可変表面１３１，１３２，１３３，１３４，１３５を有する５つの液体セル１２１，１２２，１２３，１２４，１２５を使用した簡略複合可変屈折力光学系の光学図を例示している。この設計は、図２Ａ〜２Ｄに例示された設計と同様であるが、ただし、絞り１２９が、対物光学群内に位置付けられている。これは、画質を向上させえるとともに、より小さい直径の液体セルを可能にしえるが、相対照度を低減させる可能性もある。

図４Ａ〜４Ｄは、それぞれ可変表面１５１，１５２，１５３，１５４を有する４つの液体セル１４１，１４２，１４３，１４４を使用した簡略複合可変屈折力光学系の光学図を例示している。絞り１４９は、リレーレンズ群内に位置付けられている。光学系は、中間像１４８及び最終像１４７を形成する。

図５Ａ〜５Ｄは、それぞれ可変表面１７１，１７２，１７３を有する３つの液体セル１６１，１６２，１６３を使用した簡略複合可変屈折力光学系の光学図を例示している。絞り１６９は、リレーレンズ群内に位置付けられている。光学系は、中間像１６８及び最終像１６７を形成する。

図６Ａ〜６Ｄは、それぞれ可変表面１７１，１７２，１７３を有する３つの液体セル１６１，１６２，１６３を使用した簡略複合可変屈折力光学系の光学図を例示している。絞り１６９は、対物レンズ群内に位置付けられている。光学系は、中間像１６８及び最終像１６７を形成する。

図７Ａ〜７Ｄは、それぞれ可変表面１９１，１９２を有する２つの液体セル１８１，１８２を使用した簡略複合可変屈折力光学系の光学図を例示している。絞り１８９は、対物レンズ群内に位置付けられている。光学系は、中間像１８８及び最終像１８７を形成する。

図８Ａ〜８Ｄは、それぞれ可変表面２１１，２１２を有する２つの液体セル２０１，２０２を使用した簡略複合可変屈折力光学系の光学図を例示している。例示された実施形態は、移動レンズ群２０３も有している。液体セル２０１と２０２の間において、像表面２０８に中間像が形成される。光学素子の構成は、最終像２０７を、これよりも前の実施形
態で得られた最終像よりも大きくする。これは、１１〜２８ｍｍ及びそれ以上のセンサなどの、より大型の画像センサの使用を可能にする。移動レンズ群がセンサの近くにおいて使用されるのは、液体セルの直径が、所望の性能を実現するのに十分な大きさではない可能性があるからである。注目すべきは、最終像２０７が、液体レンズセルの可変表面２１１，２１２におけるリム光線よりも大きいことにある。

図１〜８に示された各レンズ設計について、米国カリフォルニア州パサディナ所在のOptical Research Associates（オプティカル・リサーチ・アソシエーツ）より市販されているＣｏｄｅＶ光学設計ソフトウェアヴァージョン９．７０によって作成されたリストが、本明細書の一部として添付され、その全体を参照によって組み込まれる。

図９は、ズームレンズ３０２を伴うカメラ３００のブロック図を例示している。図９は、また、レンズ３０２におけるレンズ群の移動及び動作を制御するレンズ制御モジュール３０４も例示している。制御モジュール３０４は、液体レンズセルにおける曲率半径を制御する電子回路構成を含む。各種の焦点位置及びズーム位置についての適切な電子信号レベルは、事前に決定されて、１つ又は２つ以上のルックアップテーブルに配されてよい。或いは、アナログ回路構成、又は回路構成と１つ若しくは２つ以上のルックアップテーブルとの組み合わせによって、適切な信号レベルが生成されてよい。一実施形態では、適切な電子信号レベルを決定するために、多項式が使用される。多項式に沿った点が、１つ又は２つ以上のルックアップテーブルに保存されてよい、又は回路構成によって、多項式が実行されてよい。ルックアップテーブル、多項式、及び／又はその他の回路構成は、ズーム位置、焦点位置、温度、又はその他の条件についての変数を使用することができる。

液体間の表面の曲率半径の制御にあたって、熱的効果も検討されてよい。多項式又はルックアップテーブルは、熱的効果に関する追加の変数を含むことができる。

制御モジュール３０４は、特定のズーム設定又は焦点距離に対する事前制御を含むことができる。これらの設定は、ユーザ又はカメラのメーカによって保存されてよい。

図９は、更に、外部物体に対応する光学像を受信する画像取り込みモジュール３０６を例示している。画像は、光軸に沿って、レンズ３０２内を画像取り込みモジュール３０６へ伝わる。画像取り込みモジュール３０６は、フィルム（例えば、フィルムストック若しくは静止画像フィルム）又は電子画像検出技術（例えば、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳデバイス、若しくはビデオピックアップ回路）などの、様々なフォーマットを使用することができる。光軸は、直線状であってよい、又はフォールディングを含んでよい。

画像保存モジュール３０８は、取り込まれた画像を、例えば、オンボードメモリに、又はフィルム、テープ、若しくはディスクに維持する。一実施形態では、保存媒体は、着脱式である（例えば、フラッシュメモリ、フィルム容器、テープカートリッジ、又はディスク）。

画像転送モジュール３１０は、取り込まれた画像をその他のデバイスに転送することを行う。例えば、画像転送モジュール３１０は、例えば、ＵＳＢポート、ＩＥＥＥ １３９４マルチメディア接続、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）ポート、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ワイヤレス接続、ＩＥＥＥ ８０２．１１ワイヤレス接続、ビデオコンポーネント接続、又はＳ−Ｖｉｄｅｏ接続などの、様々な接続のいずれかを使用することができる。

カメラ３００は、ビデオカメラ、携帯電話カメラ、デジタル写真カメラ、又はフィルムカメラなどの、様々な形で導入することができる。

焦点合わせ群及びズーム群における液体セルは、２００８年１２月３日に出願され、参照によって全体を本明細書に組み込まれ、「Liquid Optics Image Stabilization（液体光学画像安定化）」と題された米国特許出願第１２／３２７，６６６号に記載されるように、安定化を提供するために使用されてもよい。非移動レンズ群を使用する場合は、２００８年１２月３日に出願され、参照によって全体を本明細書に組み込まれ、「Liquid Optics with Folds Lens and Imaging Apparatus（フォールディングレンズを伴う液体光学、及び撮像装置）」と題された米国特許出願第１２／３２７，６５１号に記載されるように、フォールディングが使用されてよい。２００８年１０月６日に出願され、参照によって全体を本明細書に組み込まれ、「Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus（液体光学ズームレンズ及び撮像装置）」と題された米国特許出願第１２／２４６，２２４号に記載されるように、１つ又は２つ以上の移動レンズ群が、１つ又は２つ以上の液体セルと併せて使用されてよい。

当業者にならば各種の変更及び修正が明らかになることが、留意されるべきである。このような変更及び修正は、添付の特許請求の範囲に定められた発明の範囲に含まれるものとして理解される。

Claims (15)

1. 物体の最終像を形成するための、共通の光軸上の可変屈折力光学系であって、物体側と、像側と、前記物体と前記最終像との間の少なくとも１つの中間実像とを有し、前記光学系は、
   前記物体と中間実像との間に位置付けられた、対物レンズ群における少なくとも１つの第１の可変屈折力光学部品であって、前記中間実像の倍率を変えるために屈折力を変化させる少なくとも１つの第１の可変屈折力光学部品と、
   前記中間実像と最終像との間に位置付けられた、リレーレンズ群における少なくとも１つの第２の可変屈折力光学部品であって、前記最終像の倍率を変えるために屈折力を変化させる少なくとも１つの第２の可変屈折力光学部品と、
   前記中間実像と前記リレーレンズ群との間に位置付けされた、可変でない正の屈折力を有するレンズであって、前記像側において前記中間実像の後ろに隣接するレンズと、
   前記物体と前記中間実像との間に位置付けられる、前記対物レンズ群における光学絞りと、
   を備え、前記第１及び第２の可変屈折力光学部品の少なくとも一方は、前記光軸上において静止しており、異なる屈折特性を持つ少なくとも２つの液体と、前記２つの液体の間の少なくとも１つの可変形状接触表面とを含み、前記接触表面の形状の変化は、前記光学系における屈折力に変化を生じさせる、可変屈折力光学系。
2. 請求項１に記載の可変屈折力光学系であって、
   前記第１及び第２の可変屈折力光学部品の変化は、ズームを提供する、可変屈折力光学系。
3. 請求項２に記載の可変屈折力光学系であって、
   前記第１及び第２の可変屈折力光学部品の変化は、焦点合わせを提供する、可変屈折力光学系。
4. 請求項２に記載の可変屈折力光学系であって、
   前記第１の可変屈折力光学部品の変化は、焦点合わせを提供する、可変屈折力光学系。
5. 請求項２に記載の可変屈折力光学系であって、
   前記第２の可変屈折力光学部品の変化は、焦点合わせを提供する、可変屈折力光学系。
6. 請求項１に記載の可変屈折力光学系であって、
   前記第１及び第２の可変屈折力光学部品の変化は、ズームと焦点合わせとの組み合わせを提供する、可変屈折力光学系。
7. 請求項１に記載の可変屈折力光学系であって、
   前記対物レンズ群は、共通の光軸に沿って軸方向に移動するように構成されている、可変屈折力光学系。
8. 請求項１に記載の可変屈折力光学系であって、
   前記リレーレンズ群は、共通の光軸に沿って軸方向に移動するように構成されている、可変屈折力光学系。
9. 請求項１に記載の可変屈折力光学系であって、
   前記リレーレンズ群は、静止しており、前記可変屈折力光学系は、更に、前記中間実像と前記最終像との間に位置付けられた少なくとも１つの移動レンズ群を備える可変屈折力光学系。
10. 請求項１に記載の可変屈折力光学系であって、
    少なくとも１つの光学表面は、非球面形状を有する、可変屈折力光学系。
11. 請求項１に記載の可変屈折力光学系であって、
    可変開口を提供するために、実質的に前記絞りの位置にアイリスが配される、可変屈折力光学系。
12. 物体の最終像を形成する方法であって、
    可変屈折力光学系の物体側にある物体の最終像を形成することと、
    前記物体と前記最終像との間に少なくとも１つの中間実像を形成することであって、前記光学系は、少なくとも１つの第２の可変屈折力光学部品を有する、ことと、
    前記中間実像の倍率を変えるために、前記物体と前記中間実像との間に位置付けられた、対物レンズ群における第１の可変屈折力光学部品の屈折力を変化させることと、
    前記最終像の倍率を変えるために、前記中間実像と前記最終像との間に位置付けられた、リレーレンズ群における第２の可変屈折力光学部品の屈折力を変化させることと、
    前記中間実像と前記リレーレンズ群との間に位置付けされた、可変でない正の屈折力を有するレンズであって、前記像側において前記中間実像の後ろに隣接するレンズにより、光を屈折させることと、
    前記物体と前記中間実像との間に位置付けられる、前記対物レンズ群における光学絞りを用いて、前記可変屈折力光学系における光の量を制限することと、
    を備え、前記第１及び第２の可変屈折力光学部品の少なくとも一方は、前記光軸上において静止しており、異なる屈折特性を持つ少なくとも２つの液体と、前記２つの液体の間の少なくとも１つの可変形状接触表面とを含み、前記接触表面の形状の変化は、前記光学系における屈折力に変化を生じさせる、方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記第１の可変屈折力光学部品の屈折力を変化させること及び前記第２の可変屈折力光学部品の屈折力を変化させることは、ズームを提供する、方法。
14. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記第１の可変屈折力光学部品の屈折力を変化させること及び前記第２の可変屈折力光
    学部品の屈折力を変化させることは、ズームと焦点合わせとの組み合わせを提供する、方法。
15. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記リレーレンズ群は、静止しており、前記可変屈折力光学系は、更に、前記中間実像と前記最終像との間に位置付けられた少なくとも１つの移動レンズ群を備える方法。

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