JP2011509415A - 固定群内に液体レンズを有する望遠タイプのズームレンズ - Google Patents

Abstract

固定群内に液体レンズを有する望遠タイプのズームレンズ。望遠タイプのズームレンズ（６０）は、軸方向に可動なレンズ群（Ｇ２）と、第１及び第２の接触液体、並びに可変な形状を有する接触液体間の接触光学表面（２１）を含む少なくとも１つの液体レンズセル（ＬＣ）を含む軸方向に固定されたレンズ群と、放射軸の方向を変える光学素子とを含み、軸方向に可動なレンズ群（Ｇ２）及び軸方向に固定されたレンズ群（ＬＣ）は、共通の光軸（３８）上に並べられ、ズームレンズの物体側（１）から発せられる放射を集めてその放射を像側（３６）に送る。一部の実施形態では、ズームレンズ系は、また、ズーム群の調整、及び液体レンズセル内の可変的に形成された光学表面の調整によって、熱的に誘起される望ましくない効果に対する補償を提供する。

Description

＜関連出願＞
本出願は、参照によって全体を本明細書に組み込まれ且つ本明細書の一部を構成する２００７年１２月４日出願の米国仮出願第６０／９９２，２４４号に関連したものであり、その利益を主張する。

＜背景技術＞
本発明は、液体光学及び放射軸の方向変更を用いる光学レンズ系に関する。

＜関連技術＞
撮像応用は、従来より、ズーム及び異なる焦点距離を提供するために、２つ又は３つ以上の可動ズームレンズを使用してきた。また、ピント合わせ用に、更なるレンズ群が必要なこともある。

しかしながら、移動レンズ群を伴うズーム及びフォーカスレンズ系の使用には、それに関連して固有な不利点がある。特に、移動ズームレンズ群を有することは、機械的に移動する複雑な部分が必要とされることを意味する。各可動レンズ群は、カムやモータなどの支持機構及び駆動機構を、そして場合によっては動きを円滑にするために制御エレクトロニクスを必要とする。このレンズ系の複雑性は、サイズ、重量、及びコストを増加させ、時間の経過とともにレンズ系の動作を信頼性のないものにする可能性がある。これらの不利点は、焦点距離の範囲が限られる、焦点距離範囲全体にわたって適切にピント合わせを行うことができない、近い物体に対してピント合わせを行うことができない、焦点距離範囲全体及び合焦距離全体にわたる適切な光学性能が欠如しているなどの、望ましくない制限とともに、少なくとも２つの移動ズームレンズ群を有するこれまで市販されてきたズームレンズに存在している。より機械的に単純で尚且つ高性能なズームレンズ系が必要とされている。

＜概要＞
液体レンズセルは、室内に２つ又は３つ以上の流体を含む。流体は、例えば電気的ノードによって可変な表面を形成するために接触する。流体は、例えば、１つ若しくは２つ以上の気体、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。液体レンズセルによる１つ又は２つ以上の移動レンズ群の置き換えは、光路の構成に対して更なる選択肢を可能にする。液体レンズセルによる移動レンズ群の置き換えは、レンズ系をよりコンパクトにする。しかしながら、直線状の光学設計は、レンズを所望よりも長くするであろう。移動レンズ群に代わる液体レンズセルの使用は、レンズの物理的長さを短くするための折り返しなどの光学素子の使用を容易にする。レンズを通る光路の全長は、同じままであるが、液体レンズセルは、長さを１つ又は２つ以上の方向に短くする放射軸の方向変更のための戦略的空間を提供する。これは、より小さいカメラケース内における、より長いレンズ全長の使用を可能にする。例えば、多くのポイント及びシュートカメラや携帯電話カメラは、長焦点レンズのための大きな空間を有していない。折り返し又は放射軸の方向変更と組み合わせて液体セルを使用することによって、これらの小型のカメラケース内において、より優れたレンズ系が利用可能になる。より大型のカメラも、やはり、放射軸の方向を変えないレンズ系において必要とされるであろうよりもカメラケースの長さが短くなることによる恩恵を受けることができる。

本明細書において説明される実施形態が説明目的であること、及び本発明の範囲が説明
される実施形態に制限されないことが、理解されるべきである。

カメラのブロック図である。 液体を用いるズームレンズ系の光学図である。 図２のズームレンズ系の液体セルの光学図であり、液体間の表面形状を示している。 図２のズームレンズ系の液体セルの光学図であり、液体間の表面形状を示している。 図２のズームレンズ系の光学図であり、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を例示している。 図２のズームレンズ系の光学図であり、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を例示している。 図２のズームレンズ系の光学図であり、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を例示している。 図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃのズームレンズ系の変調伝達関数性能図である。 図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃのズームレンズ系の変調伝達関数性能図である。 図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃのズームレンズ系の変調伝達関数性能図である。 液体及び単一の折り返しを用いるズームレンズ系の光学図である。 液体及び二重の折り返しを用いるズームレンズ系の光学図である。 折り返しを伴うズームレンズ系の光学図であり、異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を例示している。 折り返しを伴うズームレンズ系の光学図であり、異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を例示している。 ズームレンズ系の光学図であり、放射軸の方向変更を、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状とともに例示している。 ズームレンズ系の光学図であり、放射軸の方向変更を、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状とともに例示している。 ズームレンズ系の光学図であり、放射軸の方向変更を、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状とともに例示している。

＜詳細な説明＞
好ましい実施形態の以下の説明では、その一部を構成する添付の図面が参照され、図には、本発明が実施され得る具体的な実施形態が例として示されている。その他の実施形態が用いられてよいこと、及び本発明の範囲から逸脱することなく構造的な変更が加えられてよいことが、理解されるべきである。

参照によって全体を本明細書に組み込まれた、２００７年１０月８日出願の「Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus（液体光学ズームレンズ及び撮像装置）」と題された米国仮特許出願第６０／７８３，３３８号は、ズーム機能及びピント合わせ機能を提供するために液体光学を用いるズームレンズ系を開示している。ズーム及びピント合わせのために液体光学を使用することは、放射軸の方向変更を伴う代替のレンズ構成を提供する。先ず、ズーム機能及びピント合わせ機能を提供するために液体光学を用いる代表的なズームレンズ系が説明され、続いて、放射軸の方向変更を用いる実施形態が説明される
。

ズームレンズ系における液体光学
図１は、ズームレンズ１０２を伴うカメラ１００のブロック図を例示している。ズームレンズは、焦点距離を変化させる能力を備えたレンズ素子の集合体である。個々のレンズ素子は、適所に固定されてよく、又はレンズボディに沿って軸方向に滑動してよい。レンズ群は、１つ又は２つ以上のレンズ素子で構成されてよい。少なくとも１つの可動レンズ群が、物体の倍率の変化を提供する。少なくとも１つのレンズ群が、倍率を達成するために移動するにつれ、焦点面の位置もまた、移動するであろう。焦点面の位置を一定に維持するために、少なくとも１つのその他の可動レンズ群が、焦点面の移動を補償するように移動されてよい。焦点面の移動に対する補償は、レンズの倍率の変化とともにレンズの集合体全体を移動させることによって、機械的に実現されてもよい。

個々のレンズ素子は、ガラス材料、プラスチック材料、結晶質材料、若しくは半導体材料などの、固相材料で構成されてよく、又は水若しくは油などの、液体材料若しくは気体材料を使用して構成されてよい。レンズ素子間の空間は、１つ又は２つ以上の気体を内包していてよい。例えば、通常の空気、窒素、又はヘリウムが使用されてよい。あるいは、レンズ素子間の空間は、真空であってよい。本開示において「空気」という表現が使用されるときは、それが広義で使用され、１つ若しくは２つ以上の気体、又は真空を含みえるものと理解されるべきである。

ズームレンズは、ズーム機能及びピント合わせ機能を実現するために、３つ又は４つ以上の移動レンズ群を有することが多い。ズームを実施するために、機械的カムによって２つの可動レンズ群がリンクされてよく、ピント合わせには、第３の可動レンズ群が使用されてよい。

ズーム範囲は、一部には、可動レンズ素子の移動範囲によって決定される。ズーム範囲が広いほど、レンズ素子の移動のために更なる空間が必要となる。可動レンズ群の１つ又は２つ以上は、液体セル技術を採り入れたレンズ群に置き換えられてよい。液体セルは、軸方向移動のための空間を必要としないので、可動レンズ群を含むレンズ設計の長さは、短くされてよい。あるいは、可動レンズ群の軸方向移動のために使用されてきたであろう空間を、更なる光学素子や折り返しを含ませるために使用することができる。液体セルは、移動のための空間を必要としないが、可動レンズ群の一部であってよい。

液体セルは、ズーム及びピント合わせの両方に使用されてよい。一実施形態では、液体セル技術を採り入れたレンズ群とともに、可動レンズ群が使用される。可動レンズ群が１つである場合は、機械的カムは必要とされない。カムがないことは、更なる移動を可能にする。

ズーム及びピント合わせを実現するために、１つ又は２つ以上の液体セルとともに、１つ又は２つ以上の可動レンズ群が使用される。１つの可動レンズ群及び１つの液体セルによって、ズーム、ピント合わせ、及び熱的効果に対する補償の両方を実施することができる。一実装形態では、ズーム系は、少なくとも第１及び第２のレンズ群を有する。第１のレンズ群は、比較的高度数であり、第２のレンズ群は、比較的低度数であり、レンズの度数は、レンズの焦点距離の逆数に相当する。第１のレンズ群は、従来のガラスレンズ又はその他の固体レンズを含み、第２のレンズ群は、少なくとも１つの液体レンズを含む。

液体セルは、レンズを形成するために、２つ又は３つ以上の液体を使用する。レンズの焦点距離は、一部には、液体間の接触の角度、及び液体の屈折率の差によって決定される。度数変化の範囲は、用いられる液体の屈折率の差、及び空間的制約ゆえに液体間の接触
表面における曲率半径の範囲が有限であることによって制限される。参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００６／０１２６１９０号は、エレクトロウェッティングを通じた液滴の変形を用いるレンズを開示している。

現在考えられる液体レンズ系は、少なくとも約０．２の、好ましくは少なくとも約０．３の、そして一部の実施形態では少なくとも約０．４の、屈折率の差を有する。水は、約１．３の屈折率を有し、塩の追加は、屈折率を約１．４８に変化させられるであろう。適切な光学オイルは、少なくとも約１．５の屈折率を有するであろう。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及びより低屈折率の液体を用いる場合でも、度数変化の範囲は、依然として有限である。この有限な度数変化の範囲は、通常、提供できる倍率変化が可動レンズ群よりも小さい。したがって、単純なズームレンズ系では、像面の位置を一定に維持しつつズームを提供するために、倍率変化の大半が１つの可動レンズ群によって提供され、倍率変化中の像面におけるピンぼけに対する補償の大半が１つの液体セルによって提供されるようにしてよい。ただし、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よいことに、留意するべきである。

可動レンズ群は、正又は負の度数を有することができる。液体セルは、度数が常に正である、度数が常に負である、又は度数が正から負に若しくは負から正に移行するような、一定範囲の可変度数を有することができる。可動レンズ群及び液体セルの適切な配置構成は、ズーム範囲全体にわたって優れた画質を提供しつつ、２倍より大きい、好ましくは３倍より大きい拡張されたズーム比を提供する。この配置構成は、液体セル、可動レンズ群、又はそれらの両方によって更に可能になる度数の変化を用いることによって、ズームだけでなく、拡張された合焦範囲にわたって異なる物体距離におけるピント合わせを提供してもよい。液体セル、又は可動レンズ群、又はそれらの両方によって提供される、ピント合わせのためのこの更なる度数の変化は、容易に可能である。可動レンズ群が１つである場合は、移動軌道を固定されたカムが必ずしも必要とされないので、可動ズームレンズ群の位置は、ズーム及びピント合わせのために調整することができる。ズーム及びピント合わせのために、可動ズームレンズ群及び液体セルの両方を用いることによって、高性能の撮像が実現される。

また、可動ズームレンズ群を、少なくとも１つの液体セルで置き換えることも可能である。これは、光学系の複雑性を増加させ、倍率変化の減少などのその他の不利点をもたらす可能性がある。

図１は、レンズ１０２内の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１０４も例示している。制御モジュール１０４は、液体レンズセル内の曲率半径を制御する電子回路系を含む。電子回路系は、可動レンズ群の位置も制御してよい。様々な合焦位置及びズーム位置に対応する適切な電子信号レベルを事前に決定し、ルックアップテーブルに配することができる。あるいは、アナログ回路系によって、又は回路系とルックアップテーブルとの組み合わせによって、適切な信号レベルを生成することができる。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。多項式に沿った点をルックアップテーブルに保存することができる、又は回路系によって多項式を実行することができる。

液体間表面の曲率半径、又は可動レンズ群の位置、又はそれらの両方を制御するにあたり、熱的効果も考慮されてよい。多項式又はルックアップテーブルは、熱的効果に関連した更なる変数を含んでいてよい。

制御モジュール１０４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んでい
てよい。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１は、更に、外部物体に対応する光学像を受信する像取り込みモジュール１０６を例示している。像は、光軸に沿ってレンズ１０２を通して像取り込みモジュール１０６に送られる。像取り込みモジュール１０６は、フィルム（例えばフィルムストック若しくは静止画フィルム）、又は電子的像検出技術（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してよい。光軸は、直線であってよく、又は折り返し若しくは放射軸のその他の方向変更を含んでよい。なお、本明細書において使用される折り返しという表現は、広義の解釈を意図しているものと理解されるべきである。放射軸の方向変更は、様々な光学素子によって可能であり、本発明の範囲は、特定のタイプの光学素子に限定されるべきでない。

像保存モジュール１０８は、取り込まれた像を、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保持する。一実施形態では、保存媒体は、取り外し式（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）である。

像転送モジュール１１０は、取り込まれた像を、その他のデバイスに転送する。例えば、像転送モジュール１１０は、ＵＳＢポート、ＩＥＥＥ １３９４マルチメディア接続、Ｅｔｈｅｒｎｅｔポート、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ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１つを使用してよい。

カメラ１００は、ビデオカメラ、携帯電話カメラ、デジタル写真用カメラ、又はフィルムカメラなどの、様々な形態で実装されてよい。

次に、設計例によって、ズームレンズの一実施形態が説明される。先ず、図２を参照すると、各レンズ素子は、文字「Ｅ」に１から２０までの数字を付して特定され、図では、各レンズ素子の一般的構成が示されているが、各レンズ表面の実際の半径は、以下において、テーブル１に定められている。レンズ、物体、絞り又はアイリス、及び像表面は、１から３６までの数字によって特定される。３つのレンズ群は、図２において、文字「Ｇ」に１から３までの数字を付して特定され、液体レンズセルは、文字「ＬＣ」によって特定され、１９から２３までの光学表面を含む。光軸は、図２において、数字３８によって特定される。

各レンズ素子は、その相対する表面を、別々の、しかしながら連続した表面番号によって特定され、例えば、図２に示されるように、レンズ素子Ｅ１は、レンズ表面２、３を有し、レンズ素子Ｅ９は、レンズ表面１７、１８を有し、以下同様である。撮像対象物体の場所は、特にそれが合焦距離に関連するゆえに、光軸３８上の縦線及び数字１によって特定され、実像表面は、数字３６によって特定される。レンズ表面４、８を除く全てのレンズ表面は、球面又は平面であり、レンズ表面４、８は、球面でも平面でもないが、光軸まわりに回転対称な非球面である。

レンズ素子の詳細な特性を説明する前に、ズームレンズ系６０について、レンズ群とそれらの軸方向の位置及び移動、並びに液体レンズセルとその接触液体の表面形状の変化が大まかに説明される。

各レンズ群の正又は負の度数は、焦点距離の逆数として定義される。結果得られる各レンズ群の光学的度数は、以下の通りである。すなわち、対物レンズ群Ｇ１は正であり、ズームレンズ群Ｇ２は負であり、後方レンズ群Ｇ３は正であって、液体セル内の表面形状の
変化に伴って低い正の値から高い正の値まで変化する。図２の上方部分にある双頭の水平矢印は、ズームレンズ群Ｇ２が両方の軸方向に可動であることを示している。

図２には、レンズ素子のみが物理的に示されているが、レンズケース内又は鏡筒内においてレンズ素子を支えるため及び可動ズームレンズ群を軸方向に移動させるために、機械的なデバイス及びメカニズムが提供されることが、理解されるべきである。また、電子回路系が、液体レンズセル内の可変的に形成された光学表面のプロフィールを変化させることが、理解されるべきである。

上述されたズームレンズ系６０のレンズの構成データ及び製造データが、以下において、テーブル１に定められている。テーブル１のデータは、摂氏２５度（華氏７７度）の温度及び標準大気圧（７６０ｍｍＨｇ）で与えられる。この明細書全体を通して、測定値は、波長がナノメートル（ｎｍ）で表されることを除き、ミリメートル（ｍｍ）で表されるものとする。テーブル１において、第１の欄「項目」は、各光学素子、及び対物面や像面などの各場所を、図２において使用されたのと同じ数字又は標識で特定している。第２の欄は、光学素子（レンズ）が所属する「群」を、図２において使用されたのと同じ数字で特定している。第３の欄「表面」は、図２に示された、物体（図２における線「１」及びテーブル１における「物体」）の表面番号、絞り（アイリス）１３、並びにレンズの各実表面を挙げたものである。第４の欄「合焦位置」は、ズームレンズ系６０における３つの代表的合焦位置（Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３）を特定しており、より詳しく後ほど説明されるように、第３の欄に列挙された一部の表面の間の距離（間隔）及び第３の欄に挙げられた表面２１の曲率半径には変化が生じる。第５の欄「間隔」は、その表面（第３の欄）と次の表面との間の軸方向距離である。例えば、表面Ｓ２と表面Ｓ３との間の距離は、１．７２５ｍｍである。

「曲率半径」という見出しを付けられた第６の欄は、各表面について光学表面の曲率半径を挙げたものであり、マイナス符号（−）は、曲率半径の中心が図２で見て表面の左であることを意味し、「無限遠」は、光学的に平坦な表面を意味する。表面４、８に対する星印（＊）は、これらが、「曲率半径」を底面半径とする非球面であることを示している。非球面の使用は、全体サイズの小型化及び構成の単純化を可能にしつつ、ズームレンズにおける収差の補正を提供する。非球面４、８の表面プロフィールについての式及び係数は、以下の方程式に支配される。

ここで、
ｃ＝表面曲率（ｃ＝１／ｒで、ｒは曲率半径である）であり、
ｙ＝Ｘ軸及びＹ軸から測定された表面の半径方向開口高さであって、
ｙ＝（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2であり、
κ＝円錐係数であり、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ＝それぞれ４次、６次、８次、１０次、１２次、及び１４次の変形係数であり、
ｚ＝所定のｙ値の場合の表面プロフィールの位置、又は表面の極（すなわち軸方向頂点）から光軸に沿って測定された表面プロフィールの位置である。
表面４についての係数は、
κ＝−０．６３７２
Ａ＝＋０．９０３８ｘ１０^-6
Ｂ＝＋０．２６５７ｘ１０^-8
Ｃ＝−０．１１０５ｘ１０^-10
Ｄ＝＋０．４３０１ｘ１０^-13
Ｅ＝−０．８２３６ｘ１０^-16
Ｆ＝＋０．６３６８ｘ１０^-19 である。
表面８についての係数は、
κ＝＋０．００００
Ａ＝＋０．５８８６ｘ１０^-4
Ｂ＝−０．５８９９ｘ１０^-6
Ｃ＝＋０．８６３５ｘ１０^-8
Ｄ＝−０．５１８９ｘ１０^-10
Ｅ＝−０．１１８６ｘ１０^-11
Ｆ＝＋０．１６３１ｘ１０^-13 である。

テーブル１の第７欄から第９欄までは、その表面（第３の欄）と、図２において右隣りの次の表面との間の「材料」に関するものであり、「タイプ」欄は、これらの２つの表面間にあるのがレンズ（ガラス）であるか、又は何もない空間（空気）であるか、又は液体レンズ（液体）であるかを示している。ガラスレンズ及び液体レンズは、「コード」欄の光学ガラス又は液体によって特定される。便宜上、全てのレンズガラスは、株式会社オハラ（Ohara Corporation）より入手可能なガラスから選択され、「名前」欄には、オハラによる各ガラスタイプの識別番号が挙げられている。ただし、等価な、類似の、又は適切な任意のガラスが使用されてよいことが、理解されるべきである。また、オイルのレンズ液は、カーギル研究所（Cargille Laboratories, Inc.）より入手可能な液体から選択され、水は、様々なソースより手近に入手可能である。ただし、等価な、類似の、又は適切な任意の液体が使用されてよいことが、理解されるべきである。表面２０における液体である水は、６５６．２７ｎｍ、５８９．２９ｎｍ、５４６．０７ｎｍ、及び４８６．１３ｎｍの波長において、それぞれ１．３３１１５２、１．３３２９８７、１．３３４４６８、及び１．３３７１２９の屈折率を有する。表面２１における液体であるオイルは、６５６．２７ｎｍ、５８９．２９ｎｍ、５４６．０７ｎｍ、及び４８６．１３ｎｍの波長において、それぞれ１．５１１５０１、１．５１５０００、１．５１８００２、及び１．５２３７９６の屈折率を有する。

「口径」という見出しを付されたテーブル１の最後の欄は、各表面について、光線が通り抜ける最大直径を提供している。絞り表面１３を除き、全ての最大口径は、全てのズーム位置及び合焦位置において、像面における最大像直径が６ｍｍで且つＦ値がＦ／２．８からＦ／４．０である場合に５４６．１ｎｍの波長で与えられる。テーブル１において、絞り表面１３の最大口径は、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ１において、像面におけるＦ値がＦ／２．８である場合に５４６．１ｎｍの波長で与えられる。像面３６では、最大口径は、近似値として与えられる。

ズームレンズ系６０は、表面１３に、光線が通り抜けできるその地点における開口の直径を制御する光絞りを提供される。光絞りは、物理的なアイリス（ダイヤフラム）を配される場所である。アイリスは、後方レンズ群Ｇ３の前に配され、そのレンズ群に対して軸方向に固定される。なお、図４Ａにおいては、ズームレンズ系が、いかなる視野位置、ズーム位置、及び合焦位置においても光ビームのけられを有することがないように、縁の光線は、光絞り表面１３の目盛りマークよりも軸側を通り抜ける。ただし、Ｆ値がズーム位置及び合焦位置を通して変化すること、並びにそれに応じてアイリスが開いたり閉じたりすることに留意せよ。合焦位置Ｆ１の場合、ズーム位置Ｚ１〜Ｚ８におけるアイリスの直
径は、６．７１、６．３９、５．９６、５．５３、５．１８、４．８４、４．６３、及び４．６１である。これは、１３に配されたアイリスが、焦点距離が長くなるほど絞られることを示している。合焦位置Ｆ１と比較すると、合焦位置Ｆ２及びＦ３の場合のズーム位置Ｚ１〜Ｚ８におけるアイリスの直径は、合焦位置Ｆ１の場合と同じＦ値を維持するために、直径０．３ｍｍ未満の少量だけ変化する。

テーブル１を参照すると、設計の範囲及び汎用性を示するために、８つの異なるズーム位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、Ｚ５、Ｚ６、Ｚ７、及びＺ８と、３つの異なる合焦位置Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３とがデータとして定められ、これは、実際、可動ズームレンズ群Ｇ２及び可変形状光学表面２１の２４（８×３＝２４）の異なる位置組み合わせについて、具体的なデータを提供している。

合焦位置Ｆ１において、ズーム位置Ｚ１〜Ｚ８の場合のズームレンズ系６０の焦点距離は、波長５４６．１ｎｍにおいて、それぞれ５．８９ｍｍ、７．５０ｍｍ、１１．２５ｍｍ、１５．００ｍｍ、１８．７５ｍｍ、３０．００ｍｍ、４１．２５ｍｍ、及び４５．００ｍｍである。データ位置Ｚ１〜Ｚ８の場合の焦点距離に対応するＦ値は、波長５４６．１ｎｍにおいて、それぞれ２．８０、２．９０、３．０５、３．２５、３．４５、３．７０、３．９５、及び４．００である。

合焦位置Ｆ１の場合は、対物面１は、無限遠にあると想定され、合焦位置Ｆ２の場合は、対物面１は、約１０１６．２５ｍｍの中間距離にあり、合焦位置Ｆ３の場合は、対物面１は、約３７８．７５ｍｍの近距離にある（すなわち像面から３７８．７５ｍｍ離れている）。これら３つの合焦位置Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３のそれぞれにおいて、レンズ群Ｇ１及びＧ３は、ズームレンズ群Ｇ２の移動範囲全体を通して同じ位置にとどまる。テーブル２及びテーブル３は、表面７及び１２の間隔値を提供しており、テーブル４は、ズーム位置Ｚ１〜Ｚ８及び合焦位置Ｆ１〜Ｆ３の場合の表面２１の曲率半径を提供している。

両極の合焦位置Ｆ１とＦ３の間において連続的なピント合わせが可能であること、両極のズーム位置Ｚ１とＺ８との間において連続的なズームが可能であること、そしてレンズ系６０によって、説明された合焦範囲内及びズーム範囲内において連続的なピント合わせと連続的なズームとを任意に組み合わせて提供可能であることが理解される。

図２に示されテーブル１に規定されたズームレンズ系６０は、レンズ群Ｇ１及びＧ２について、それぞれ５４．３０ｍｍ及び−１２．２５ｍｍの焦点距離を有する。また、レンズ群Ｇ３は、液体間の光学表面２１の形状が可変であるゆえに、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ１における最小値＋３０．１８ｍｍと、ズーム位置Ｚ８及び合焦位置Ｆ３における最大値＋３８．９７ｍｍとを有する可変焦点距離を有する。ズームレンズ系６０の液体セルＬＣは、図３Ａ及び図３Ｂに図示されており、これらの図は、テーブル１をもとに、形状が可変である液体間光学表面２１の２つの両極端な曲率半径を示している。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、表面２１の２つの曲率半径は、それぞれ約−３３．９９ｍｍ及び約＋１１５．８０ｍｍである。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、液体セルＬＣの２つの両極端な焦点距離は、それぞれ−１８５．２０ｍｍ及び６３０．９７ｍｍである。この差は、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ１と、ズーム位置Ｚ８及び合焦位置Ｆ３とで生じる。この実施形態では、表面２０と２１との間及び表面２１と２２との間の２つの液体の体積は、可変表面の形状が変化するにつれて変わっていく。しかしながら、表面２０と２１との間及び表面２１と２２との間の軸方向間隔に、等しいが方向が反対の小さな変化を加えることによって、各液体を一定の体積に維持することも可能である。

次に、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃを参照すると、様々な位置にあるズームレンズ群と、様々な位置にある液体セル内可変表面形状とを伴うズームレンズ系６０が、それらの位置における光線の軌跡とともに図示されている。図４Ａは、テーブル１にデータを定めら
れた、無限遠焦点及び約５．９ｍｍの短焦点距離を伴う合焦位置Ｆ１及びズーム位置Ｚ１を表している。図４Ｂは、テーブル１により、中間焦点及び約１１．３ｍｍの焦点距離を伴う合焦位置Ｆ２及びズーム位置Ｚ３を表している。図４Ｃは、テーブル１により、近距離焦点及び約４４．８ｍｍの焦点距離を伴う合焦位置Ｆ３及びズーム位置Ｚ８を表している。

図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、それぞれのズーム位置及び合焦位置であるＺ１及びＦ１、Ｚ３及びＦ２、Ｚ８及びＦ３について、ズームレンズ群Ｇ２の３つの軸方向場所を、対応する３つの可変光学表面２１表面形状とともに示している。

ズームレンズ系６０の光学性能が、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃに与えられており、テーブル１に定められた３つの異なる代表的組み合わせ例のズーム位置及び合焦位置、すなわち（Ｚ１，Ｆ１）、（Ｚ３，Ｆ２）、及び（Ｚ８，Ｆ３）における、５つの異なる視野位置について、回折ベースの多色変調伝達関数（「ＭＴＦ」）データ（変調対空間周波数）がパーセント（％）で表示されている。視野位置は、正規化された像高さ（ｍｍ）及び光軸からの実際の物体空間角度（度）の両値として定められる。ＭＴＦパーセントは、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの右上隅に定められた波長及び重み付けにおけるものであり、像面３６における接線（Ｔ）方向及び半径（Ｒ）方向の測定をグラフ表示されている。なお、接線方向の値及び半径方向の値が軸方向視野位置（ＡＸＩＳ）では等しいこと、並びにそれゆえに１つの線だけで示されていることに留意せよ。示されている最大空間周波数は、９０サイクル／ｍｍであり、これは、約６ｍｍの像直径及び検出器画素サイズの選択を前提としたときに、少なくとも高精細度テレビ（ＨＤＴＶ）の解像度すなわち横１９２０画素×縦１０８０画素で高品質の像を提供することができる。空間周波数におけるＭＴＦは、比較的標準的な光学性能測定であり、「９０サイクル／ｍｍ」という値は、鮮明さを判断するもととなるチャート上における１ｍｍあたり９０対の黒線及び白線を意味している。最高ＭＴＦ値は、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ２の場合の全半径方向視野における約８９％である。最低ＭＴＦ値は、ズーム位置Ｚ８及び合焦位置Ｆ３の場合の全接線方向視野における約５８％である。最小相対照度は、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ１における約７５％である。相対照度は、値が低いとその写真の隅で光が衰えることを意味するので、総じて高いほど優れている。全ての領域において光に対して一定の応答があり、ズーム中の像の変化に伴って像の隅に忠実に陰影を再現する最先端の検出器では、高い全視野相対照度が好ましいとされる。５０％未満の照度は、電子的検出器において陰影を生じるが、フィルム式の場合は許容可能である可能性がある。最も高い正のゆがみは、ズーム位置Ｚ３及び合焦位置Ｆ１における＋３．０４％であり、最も低い負のゆがみは、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ３における−２．９８％である。遠距離焦点から近距離焦点にかけて像のサイズが変化する一般的な（しかしながらズームレンズではもっとよく見られるであろう）いわゆるレンズの「ブリージング」の問題は、深い被写界深度ゆえに最も顕著である短焦点距離のズーム範囲にあるズームレンズ系６０では事実上見られない。最も低いブリージングは、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ３における−０．２％であり、最も高いブリージングは、ズーム位置Ｚ８及び合焦位置Ｆ３における−１９．５％である。ブリージングは、無限遠焦点から被選択焦点にかけての最大画角のパーセント変化である。したがって、無限遠焦点（Ｆ１）では、それが基準視野であるゆえに、ブリージングはゼロである。

全ての性能データは、摂氏２５度（華氏７７度）の温度、標準大気圧（７６０ｍｍＨｇ）、及びズームレンズ系６０において可能な全開絞りで与えられる。しかしながら、ズームレンズ系６０は、摂氏０度から摂氏４０度（華氏３２度から華氏１０４度）の温度範囲にわたって実質的に一定の例えばＭＴＦ値などの性能を提供するものであり、もし性能（ＭＴＦ）の僅かな低下が許容可能であるならば、動作可能な温度範囲を摂氏−１０度から摂氏５０度（華氏１４度から華氏１２２度）まで、又はそれを超えて拡張することができ
る。温度変化に対しては、ズームレンズ群Ｇ２の更なる軸方向調整によって、又は接触光学表面２１の更なる形状変化によって、又はそれら両方の組み合わせによって、最適な性能が達成されてよい。これは、全てのズーム位置及び合焦位置において生じえる。摂氏約０度（華氏３２度）又はそれ未満の低温では、凍結（固形化）を回避するために、液体を加熱する、又は低温動作用に車のラジエータの水に不凍剤を加えるのと同様の方法で液体をドープ液で置き換える必要があると考えられる。ただし、これらの材料の温度変化は、液体の光学特性を大幅に変更するべきではないことが好ましい。

ズームレンズ系６０を使用している上述の実施形態は、６ｍｍの直径（いわゆる３分の１インチチップセンサ）での使用に適した寸法であるが、このズームレンズ系の寸法は、様々な像フォーマットのフィルム及び電子的検出器での使用のために、適切に拡大又は縮小されてよい。

液体レンズセルは、有限の口径を有してよい。もし充分に小さい検出器が使用されるならば、液体レンズセルは、その検出器の近くに配されてよい。あるいは、液体レンズセルは、光線「くびれ」が充分に狭くなる中間像の近くに配されてよい。液体レンズセルは、中間像の前、中間像の後、又は中間像の前及び後の両方に配されてよい。くびれ効果は、絞り又はアイリスの近くで発生することができる。テーブル２に示されるように、アイリスにおける直径は、おおよそ６．７ｍｍである。絞り又はアイリスにおける直径が小さいゆえに、液体レンズセルは、絞り又はアイリスの付近に配することが適切であると考えられる。

ズームレンズ系６０の多くの利点のなかで特筆すべきは、軸方向に移動するズームレンズ群を１つ用いるだけで、広範囲の焦点距離にわたってズームを提供できることにある。ズームレンズ系６０の設計は、少なくとも２つの軸方向可動ズームレンズ群及びそれらに対応する機構を必要とする大半の従来の高性能ズームレンズ系よりも機械的に単純な高性能なレンズ系を形成する。ズームレンズ系６０の固有なレンズ設計は、更なる可動レンズ群及びそれに対応する機構を伴うことなく広範囲の合焦距離にわたってピント合わせを提供する。開示されたズームレンズ系６０の設計は、例示的なものであり、その他の設計も、本発明の範囲内である。当業者ならば、以上の説明及び添付の図面から、ズームレンズ系６０のその他の特徴及び利点を見てとることができる。

ズームレンズ系における液体光学及び放射軸の方向変更
液体レンズセルによる１つ又は２つ以上の移動レンズ群の置き換えは、光路の構成に対して更なる選択肢を可能にする。液体レンズセルによる移動レンズ群の置き換えは、レンズ系をよりコンパクトにする。しかしながら、直線状の光学設計は、レンズを所望よりも長くするであろう。移動レンズ群に代わる液体レンズセルの使用は、放射軸の方向を変えてレンズの物理的長さを短くするための折り返しなどの光学素子の使用を容易にする。レンズを通る光路の全長は、同じままであるが、液体レンズセルは、長さを１つ又は２つ以上の方向に短くする折り返しのための戦略的空間を提供する。これは、より小さいカメラケース内における、より長いレンズ全長の使用を可能にする。例えば、多くのポイント及びシュートカメラや携帯電話カメラは、長焦点レンズのための大きな空間を有していない。折り返しと組み合わせて液体セルを使用することによって、これらの小型のカメラケース内において、より優れたレンズ系が利用可能になる。より大型のカメラも、やはり、折り返しを使用しなかったレンズ系において必要とされるであろうよりもカメラケースの長さが短くなることによる恩恵を受ける。

図６は、液体及び単一の折り返し４１を用いるズームレンズ系の光学図を示している。可動レンズ群に代わる液体の使用は、空間要求を減らし、折り返しミラー又はプリズムのための空域の戦略的配置に対して更なる選択肢を可能にする。この図は、可動レンズ群を
妨げない場所に折り返しを配置することを示している。

ズームレンズ系６０の全長の短縮は、より多くのレンズ素子及び／又は非球面を導入するなどによって光学的複雑性を増大させない限り、幾らかの性能低下を伴うであろう。しかしながら、長さの短縮は、ズームレンズ系の折り返しによって実現することができる。図６は、放射経路の方向を９０度変えるための、後方レンズ群Ｇ３内の大きい空域内にある単一の４５度の折り返し４１を示している。

図７は、液体及び二重の折り返しを用いるズームレンズ系の光学図である。図７は、放射が逆方向を有するように放射経路の方向を２度にわたって合計１８０度変えるための、後方レンズ群Ｇ２内の大きな空域内にある二重の４５度の折り返し４２、４３を示している。この配置構成は、ズームレンズ系６０をカメラボックス内に実装するのに好ましいであろう。また、ズームレンズ系は、全てのズーム位置及び合焦位置を通して一定の絞りＦ／２．８を有してよいが、ズームレンズ系の直径をほぼ同じに維持するには、幾らかのけられを生じることがある。この場合は、幾らかの画質低下が見られることがあるが、これは、ズームレンズ系の規定を最適化しなおすことによって部分的に補正することが可能である。ズームレンズ系は、けられが生じないように配置構成することが可能である。

図８Ａ及び図８Ｂは、ズームレンズ系の光学図であり、放射軸の方向変更を、異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状とともに例示している。この実施形態は、代替のレンズ配置を描いたものである。図８Ａは、光学的軌跡がレンズ系のパラメータを超える点まで像を拡大するズーム位置を例示している。この実施形態は、設計の一選択肢を描いたものであり、この効果を補正するために、設計に僅かな変更を加えることが可能である。

折り返し４４及び４５は、実質的に平行であるので、レンズ素子５０から去っていく光線は、レンズ４６を通してレンズ系に入ってくる光線に実質的に平行である。レンズ群４７が固定されたままである間に、レンズ群４８は、充分にズームを提供するために移動する。レンズ群４９は、ズーム機能及びピント合わせ機能を実施する液体レンズセルを含む。

図９Ａ、図９Ｂ、及び図９Ｃは、ズームレンズ系の光学図であり、レンズ系の長さを有利に短くするために、液体レンズセル及び折り返しが戦略的に配置されている。光は、レンズ群２００を通してレンズ系に入る。レンズ群２０１は、充分にズームを提供するために移動する。光線は、アイリス又は絞り２０２を通り抜け、液体レンズセルを含むレンズ群２０３に入る。折り返し２０４は、レンズ群２０５を通るように光を方向付け、このレンズ群２０５は、可変な表面２０６を有する液体レンズセルを含む。光線は、次いで、レンズ群２０７を通り抜ける。折り返し２０８は、レンズ群２０９を通って像面２１０に向かうように光線の方向を変える。図９Ａは、おおよそ６ｍｍの焦点距離、Ｆ２．８、及び無限遠焦点を例示している。図９Ｂは、おおよそ１５ｍｍの焦点距離、Ｆ２．８、及び無限遠焦点を例示している。図９Ｃは、おおよそ５１ｍｍの焦点距離、Ｆ２．８、及び無限遠焦点を例示している。

レンズ群２０３内の第１の液体レンズセルは、おおよそ１０ｍｍの最大口径を有する。レンズ群２０５内の第２の液体レンズセルは、おおよそ１６ｍｍの最大口径を有する。カメラフラッシュを含ませて、長焦点距離又はそれに近い焦点距離における絞り調整を遅くすれば、１つの液体レンズセルに戻すことも可能であろう。

当業者にならば、様々な変更及び修正が明らかになる。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本発明の範囲内に含まれるものとして理解されるべきである。

Claims (8)

1. ズームレンズ系であって、
   軸方向に可動なズームレンズ群と、
   少なくとも１つの液体レンズセルを含む軸方向に固定されたレンズ群であって、前記少なくとも１つの液体レンズセルは、第１及び第２の接触液体を含み、前記接触液体間の接触光学表面は、可変な形状を有する、軸方向に固定されたレンズ群と、
   放射軸の方向を変える光学素子と、
   を備え、
   前記軸方向に可動なズームレンズ群及び前記軸方向に固定されたレンズ群は、共通の光軸上に並べられ、前記ズームレンズ系の物体側空間から発せられる放射を集めて前記放射を像側空間に送るように配置構成される、ズームレンズ系。
2. 請求項１に記載のズームレンズ系であって、
   前記放射軸の方向を変える前記光学素子は、ミラーを含む、ズームレンズ系。
3. 請求項１に記載のズームレンズ系であって、
   前記放射軸の方向を変える前記光学素子は、プリズムを含む、ズームレンズ系。
4. ズームレンズ系であって、
   可動レンズ群と、
   液体セルレンズ群と、
   放射軸の方向を変える光学素子と、
   を備えるズームレンズ系。
5. 請求項４に記載のズームレンズ系であって、
   前記可動レンズ群、前記液体セルレンズ群、及び前記放射軸の方向を変える前記光学素子は、共通の光軸上に並べられる、ズームレンズ系。
6. カメラシステムであって、
   可動レンズ群、液体セルレンズ群、及び放射軸の方向を変える光学素子を含むズームレンズと、
   前記ズームレンズ系の焦点場所に配置された像取り込み素子と、
   を備えるカメラシステム。
7. 請求項６に記載のカメラシステムであって、
   前記像取り込み素子は、ＣＣＤである、カメラシステム。
8. 請求項６に記載のカメラシステムであって、
   前記像取り込み素子は、フィルムである、カメラシステム。

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