JP2005266128A - 光学系及びそれを備えた光学装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の回転対称な光学面と、反射型の光学特性可変光学素子409とからなり、反射型の光学特性可変光学素子409が2つの前記回転対称な光学面の間の光路に配置され、反射型の光学特性可変光学素子409による光軸の偏向角θが次の式(1)を満足することを特徴としている。
10° < θ < 67° …(1)
但し、nprは反射型の光学特性可変光学素子に対向する光学面を有する光学素子の屈折率である。
【選択図】 図1
Description
そして、レンズ群の一部を移動させるためにモータ、等を用いていたため、消費電力が大きい、音がうるさい、応答時間が長く、レンズの移動に時間がかかる等の欠点があった。
また、ブレ防止を行なう場合でも、レンズをモータ、ソレノイド等で機械的に移動させるため、消費電力が大きい、機械的構造が複雑でコストアップにつながる、等の欠点があった。
10° < θ < 67° …(1)
10° < θ/npr < 67° …(2)
但し、nprは反射型の光学特性可変光学素子に対向する光学面を有する光学素子の屈折率である。
0.7< |L/fw| < 50 …(11")
但し、L=L1+L2+・・・Ln・・・+LBであり、前記光学特性可変光学素子を挟んで前後に位置する面であり、かつ、同一の透過面を構成しない2つの前記回転対称な透過型光学面の間の光路内において、L1は物体側から第1番目の反射面と該第1番目の反射面から物体側に最も近い透過型光学面までの距離、L2は第1番目の反射面から第2番目の反射面までの距離、Lnは第n−1番目の反射面から第n番目の反射面までの距離、LBは最も後方の反射面と該最も後方の反射面から像側に最も近い透過型光学面までの距離である。但し、該像側に最も近い透過型光学面が移動する場合には該光学面が前記光学特性可変光学素子に最も近付いたときの距離である。fwは光学系の焦点距離であり、焦点距離の変化する光学系の場合には最も短い状態(焦点距離の絶対値の小さい状態)の焦点距離である。
10° < θ < 67° …(1)
0.7< |L/fw| < 50 …(11")
但し、L=L1+L2+・・・Ln・・・+LBであり、前記光学特性可変光学素子を挟んで前後に位置する面であり、かつ、同一の透過面を構成しない2つの前記透過型光学面の間の光路内において、L1は物体側から第1番目の反射面と該第1番目の反射面から物体側に最も近い透過型光学面までの距離、L2は第1番目の反射面から第2番目の反射面までの距離、Lnは第n−1番目の反射面から第n番目の反射面までの距離、LBは最も後方の反射面と該最も後方の反射面から像側に最も近い透過型光学面までの距離である。但し、該像側に最も近い透過型光学面が移動する場合には該光学面が前記光学特性可変光学素子に最も近付いたときの距離である。fwは光学系の焦点距離であり、焦点距離の変化する光学系の場合には最も短い状態(焦点距離の絶対値の小さい状態)の焦点距離である。
図1は本発明の一実施形態にかかる可変ミラー409を用いたズーム撮像光学系の概略構成図である。
本実施形態のズーム撮像光学系809は、物体側から順に、凹レンズ801と、ミラー802と、反射型の光学特性可変光学素子としての可変ミラー409と、レンズ系803と、撮像素子408とで構成されている。
凹レンズ801、ミラー802、レンズ系803は、回転対称な光学面を備えて構成されている。
本実施形態のズーム撮像光学系809では、物体側から入射した光軸800上の光(つまり軸上主光線)は、凹レンズ801を経てミラー802でφだけ偏向されて可変ミラー409に入射する。
可変ミラー409によって光軸800はθだけ偏向されて後群のレンズ系803へ入射する。
レンズ系803は、レンズ群804と、レンズ群805と、レンズ群806と、レンズ群807と、フィルター群808とで構成され、レンズ群804とレンズ群806が、独立して光軸方向(つまり、図の左右方向)に移動可能であり、これにより変倍(ズーミング)が行われるようになっている。また、光軸は、可変ミラー409とミラー802の2つの反射面により折り曲げられ交叉している。
なお、ミラー802は、可変ミラーで構成してもよい。
810は明るさ絞りである。
このように構成したので、フォーカシング時にレンズを駆動する必要がないので、消費電力が非常に小さく、動作音が静かで、機械的構造が簡単な、コンパクトかつ低コストの光学系及び光学装置を実現できる。
このように配置すると、形状可変ミラーはそのパワーが強くなるにつれて偏心収差の残存量が増大するが、そのような場合でも、良好な光学性能を得ることが可能となる。なお、本発明の光学装置及び光学装置に適用する光学系における偏心とは、シフト及びティルトのことを指す。
なお、レンズ群あるいは撮像面にシフト及びティルトを加えるのではなく、可変ミラー409が単独で偏心収差を補正するように、可変ミラー409の反射面の形状を変形させるようにしてもよい。
このように構成したので、遠点から近点までの広範囲で良好にフォーカスすることができる。なお、本明細書において、パワーの符号は、収束作用を持つ場合をプラス、発散作用を持つ場合をマイナスとして定義する。つまり、形状可変ミラーでは凹面の変形量が大きいほど正のパワーを持つことになる。
このように構成すれば、機械的構造や電気的構造が簡単になり、低コストの形状可変ミラーを提供することができる。
このように構成すると、形状可変ミラーの偏心収差の発生を抑制し、且つ、良好な光学性能を得ることができる。即ち、形状可変ミラーは、パワーが増大するにつれて変形量が大きくなり、それにより偏心収差が発生し、光学性能が劣化してしまうが、形状可変ミラーが正のパワーと負のパワーの両方を持つことで変形量が抑えられて、偏心収差の発生を抑制し、且つ、良好な光学性能を得ることができる。
そして、ミラー面の中央付近が変位するように構成するとよい。
このように構成すれば、各レンズ群で発生する色収差を良好に補正することができ、さらに光学系のコンパクト化にも寄与することができる。
10° < θ < 67° …(1)
条件式(1)の下限値を下回ると、折り曲げられた光束同士が干渉して、光学設計が困難になる。一方、条件式(1)の上限値を上回ると、偏心収差が大きくなり結像性能が低下する。
なお、軸上主光線とは、物体中心を出て絞り中心を通り、像中心に到達する光線のことを指す。通常、軸上主光線を光軸と呼ぶ。
15° < θ < 56° …(1')
このように構成すれば、光学設計や結像性能に関しより良い結果が得られる。
20° < θ < 47° …(1")
このように構成すれば、光学設計や結像性能に関しさらに良い結果が得られる。
10° < θ/npr < 67° …(2)
15° < θ/npr < 56° …(2')
20° < θ/npr < 47° …(2")
但し、nprは可変ミラーに対向するプリズム(図2の実施形態ではプリズム820、図3の実施形態ではプリズム830,831)あるいはその他の光学素子の屈折率である。
図2の撮像光学系818は、凹レンズ801と、曲面プリズム820と、可変ミラー409−1と、レンズ群804と、接合レンズを備えたレンズ群805と、可変ミラー409−2と曲面ミラー823とレンズ群807と、撮像素子408とで構成されている。
図3の撮像光学系は、曲面プリズム830と、可変ミラー409−1と、曲面プリズム831と、可変ミラー409−2と、撮像素子408とを有して構成されている。なお、図3中、846は電子回路、411は可変ミラー409−1,409−2に備わる電極に印加する電圧を変化させる可変抵抗器を備えた駆動回路、424は振れセンサーである。
図2の光学系において、曲面プリズム820、曲面ミラー823は、すべての光学面が回転対称な面で構成されている。また、曲面プリズム820は、反射面824を有している。但し、820の光学面は回転対称な面、又は自由曲面を含んでいてもよい。
また、図3の光学系において、曲面プリズム830,831は、その光学面が回転非対称な面、又は自由曲面を含んでいる。また、曲面プリズム830,831は、それぞれ反射面834−1,834−2を有している。
なお、回転対称な面には平面を含むものとする。
45° ≦ θ/npr + φ ≦ 130° …(3)
を満足することが望ましい。
60° ≦ θ/npr + φ ≦ 115° …(3')
を満足すれば、なお良い。なお、可変ミラー409に対向するプリズムあるいは光学素子がない時はnpr=1とする。
90° ≦ θ/npr + φ ≦ 220° …(4)
を満足することが望ましい。
75° ≦ θ/npr + φ ≦ 205° …(4')
を満足すれば、なお良い。
図4の表示光学系は、表示素子864と、プリズム862と、可変ミラー409−2と、接合レンズを備えたレンズ群805と、レンズ群804と、プリズム861,860と可変ミラー409−1と、凹レンズ801を有して構成されている。プリズム860とプリズム861とは、低屈折率の接着剤で接合されている。
光軸が交叉しない場合は、
25° ≦ φ ≦ 75° …(5)
を満足することが望ましい。
また、式(5)の代わりに
30° ≦ φ ≦ 60° …(5')
を満足すれば、なお良い。
105° ≦ φ ≦ 155° …(6)
を満足することが望ましい。
また、式(6)の代わりに
120° ≦ φ ≦ 150° …(6')
を満足すれば、なお良い。
39° ≦ θ ≦ 46° …(7)
39° ≦ φ ≦ 46° …(8)
を満足するように、θ、φを選べば、機械設計的に特に有利な光学系となる。
式(7),(8)の代わりに
30° ≦ θ ≦ 60° …(7')
30° ≦ φ ≦ 60° …(8')
を満足するようにしてもかなりの効果がある。
0.05 < |β1| < 1.1 …(9)
条件式(9)の下限値を下回ると、可変ミラー以降のレンズ群の倍率が低すぎるので、可変ミラーにおけるフォーカス感度が低下し、フォーカシングに必要な可変ミラーの変形量が増大してしまう。一方、条件式(9)の上限値を上回ると、レンズ群の倍率が高すぎるので可変ミラーで発生する偏心収差が拡大され、満足な光学性能を得ることが難しくなる。
0.1 < |β1| < 0.8 …(9')
このように構成すれば、光学性能を確保し、且つ、可変ミラーの変形量を適正な範囲で抑えられるので、より良い結果が得られる。
0.17 < |β1| < 0.5 …(9")
このように構成すれば、さらに光学性能を確保し、且つ、可変ミラーの変形量をより適正な範囲で抑えられるので、さらに良い結果が得られる。
さらに、
0.2 < |β1| < 0.35 …(9"')
とすれば、なお一層よい。
第1の反射面から第2の反射面(図1の実施形態では可変ミラー409の反射面)までの長さをL2とする。
最も後方の反射面(図1の実施形態では可変ミラー409)からその反射面に最も近い後群の透過型の光学面(図1の実施形態ではレンズ群804の物体側の面)までの長さをLBとする。
なお、図1の実施形態のような変倍光学系の場合は、レンズ群804は動くため、最も可変ミラー409に近付いたときのレンズ群804の位置でもって長さLBを決めるものとする。そして、これらの長さLを、
L = L1+L2+L3+…+LB …(10)
とする。
また、反射面が1つの場合でも、式(10)及び以下の式(11)、式(11')、式(11")は、本発明において適用できる。
このとき、次式(11)を満足することが望ましい。
2 < |L/fw| < 25 …(11)
ここで、fwは光学系の焦点距離であり、例えば図1の実施形態のような変倍光学系809の場合は広角状態(つまり最も焦点距離の絶対値の小さい状態)での焦点距離である。なお、fwを計算する場合、反射型の光学特性可変素子の面形状は平面とみなして計算するものとする。
4 < |L/fw| < 15 …(11')
とすれば、さらに良い。
また、Fnoが暗い光学系の場合は、
0.7< |L/fw| < 50 …(11")
を満たせば、実用上良い。
光学系818には、光軸折り曲げ部が2つ、821と822とあるが、それぞれについて長さL1,L2,LBは定義される。
また、本発明では、長さL1,L2,・・・,LBを計るとき、曲面プリズム820の可変ミラー409と対向する面825は、曲面、平面の如何を問わず本発明でいうところの透過型の光学面とは見なさないものとする。すなわち、本発明では、光路上、可変ミラーに前後する透過型の光学面であっても同一の透過面を構成する面についは、上記長さの基準から除いている。
また、図2の実施形態では、面825は回転対称面で構成されている。
即ち、面825を除き、自由曲面プリズム830,831の曲面をレンズ面と見なして、長さL1,L2,LBを計るものとする。
なお、図3の実施形態は、携帯電話用のデジタルカメラ光学系の構成例である。
また、図4の実施形態は、光軸折り曲げ部を2つ有する表示光学系の構成例である。低屈折率の接着剤の面863は、透過と全反射の2つの機能を有している。
図5の実施形態の撮像光学系は、凹レンズ801と、レンズ群804と、差都合レンズを備えたレンズ群805と、レンズ群806と、可変ミラー409と、ミラー870と、レンズ871と、ローパスフィルターや赤外カットフィルターなどのフィルター群872と、撮像素子408とで構成されている。図5の光学系において、凹レンズ801、レンズ群804,805,806、ミラー870,レンズ871、フィルター群872は、すべての光学面が回転対称な面で構成されている。
なお、凹レンズ801、レンズ群804〜806の鏡枠を沈胴式(スライド式)にすれば、撮像光学系を利用しない時に全長を小さくすることができ便利である。
図1、図2、図3、図5の例では、いずれも反射型の光学特性可変素子と結像面の位置関係が固定されているのが特徴である。このようにすると、光学系が製作し易くて良い。
また、図1、図2、図3の例では、結像面と最も物体側の光学素子の位置関係が固定されている。このようにすると、光学装置が強固になるのでよい。
なお、いずれかの光学素子の位置関係が結像素子に対して固定されていても同様の効果がある。
−10.0 < f1/f < −0.15 …(12)
このように構成すれば、形状可変ミラーの小型化、低コスト化、及び良好な光学性能を得ることができる。即ち、条件式(12)の下限値を下回ると、負レンズ群の負パワーが非常に弱くなり、広角端における形状可変ミラーの軸外光線高を小さくすることができず、形状可変ミラーの大型化につながり、コスト高を招く。一方、条件式(12)の上限値を上回ると、負レンズ群の負パワーが強くなりすぎ、そのレンズ群で発生するコマ収差や倍率の色収差を補正することが困難になる。
−4.5 < f1/f < −0.4 …(12')
このように構成すれば、良好な光学性能を確保し、且つ、さらに形状可変ミラーの小型化を実現できる。
0 < |md/f| < 0.3 …(13)
但し、本発明では、光学系の焦点距離fは、形状可変ミラーの反射面が平面形状である場合における光学系の焦点距離として定義する。
このように構成すれば、形状可変ミラーの変形量を適正な範囲に抑えることができる。即ち、上記条件式(13)の上限値を上回ると、形状可変ミラーの変形量が大きくなりすぎて偏心収差の発生量が増大し、所望の光学性能を満足することが難しくなる。さらに、製造上の難易度が高くなる。
0 < |md/f| < 0.1 …(13')
このように構成すれば、さらに偏心収差の発生量を抑えることができる。
0 < |md/f| < 0.03 …(13")
このように構成すれば、さらに良好に偏心収差の発生量を抑えることができる。
0 < md2/Sm < 5.0×10-4 …(14)
このように構成すれば、形状可変ミラーの変形量を適正な範囲に抑えることができる。
0 < md2/Sm < 1.0×10-4 …(14')
このように構成すれば、さらに良好に形状可変ミラーの変形量を適正範囲に抑えることができる。
0 ≦ |Vm| < 500 …(15)
このように構成すれば、空気放電の危険性を低減させ、且つ、形状可変ミラーの変形量を大きくすることができる。
0 ≦ |Vm| < 300 …(15')
このように構成すれば、消費電力を低減させることができるので、さらに良い光学系及び光学装置を提供できる。
0 ≦ |φDM×f| < 1.00 …(16)
但し、前記形状可変ミラーのパワーに比例する量φDMは、前記形状可変ミラーの偏心方向(Y方向)面内でのパワーに比例する量φDMyと、それと直交する方向(X方向)面内でのパワーに比例する量φDMxとの平均値であり、φDM=(φDMx+φDMy)/2と定義される。なお、本願では、後述するパワー成分であるC4,C6を用いて、φDMx=C4,φDMy=C6で定義される。
このように構成すれば、形状可変ミラーのフォーカシング作用を満足に得ることができ、さらに形状可変ミラーで発生する偏心収差を適正な範囲で抑えることができる。
0 ≦ |φDM×f| < 0.50 …(16')
このように構成すれば、さらに形状可変ミラーで発生する偏心収差を抑えることができる。
0 ≦ |φDM×f| < 0.10 …(16")
このように構成すれば、さらに良好に形状可変ミラーで発生する偏心収差を抑えることができる。
このように構成すれば、コントラスト方式のオートフォーカスを行うことが可能になる。即ち、可変ミラーが遠点合焦時よりも小さいパワーになることで、合焦位置検出時の遠点における像のボケ具合を調節することができる。
このように構成すれば、コントラスト方式のオートフォーカスを行うことが可能になる。即ち、可変ミラーが近点合焦時よりも大きいパワーになることで、合焦位置検出時の近点における像のボケ具合を調節することができる。
このように構成すれば、可変ミラーから物体側のレンズが1枚だけとなるので、コンパクトで薄型の光学系を実現することができる。
1.0 < Cj/f < 60.0 …(17)
条件式(17)の上限値を上回ると、光学系の全長が長くなりすぎ、コンパクト化が困難になる。一方、条件式(17)の下限値を下回ると、コンパクト化は達成できるが、レンズ群の配置が制限され、十分な光学性能を得ることができない。
なお、CJは折り曲げられた光軸を伸ばして計った最も物体側の光学素子から結像面までの距離である。表示装置の場合は表示素子から最も像寄りの光学素子面までの距離である。
3.0 < Cj/f < 40.0 …(17')
このように構成すれば、コンパクトな光学系でありながら、より高い光学性能を得ることができる。
5.0 < Cj/f < 23.0 …(17")
このように構成すれば、コンパクトな光学系でありながら、さらに良い光学性能を得ることができる。
0.0 ≦ |δ/f| < 1.00 …(18)
このように構成すれば、レンズに加える偏心量を適正な範囲で抑えることができ、可変ミラーのパワーが弱い場合と強い場合の光学性能のバランスを取ることができる。ここでのシフト量δとは、シフトを加えたレンズの中心軸と光学系のZ軸との距離として定義される量である。
0.0 ≦ |δ/f| < 0.50 …(18')
このように構成すれば、遠点合焦時と近点合焦時の性能をさらに良くすることができる。
0.0 ≦ |δ/f| < 0.25 …(18")
このように構成すれば、遠点合焦時と近点合焦時の性能をさらにより一層良くすることができる。
0.0° ≦ |ε| < 20° …(19)
このように構成すれば、レンズに加える偏心量を適正な範囲で抑えることができ、形状可変ミラーのパワーが弱い場合と強い場合の光学性能のバランスを取ることができる。なお、ティルト量εとは、ティルトを加えたレンズあるいは撮像面の中心軸と光学系のZ軸との傾き角として定義される量である。
0.0° ≦ |ε| < 10° …(19')
このように構成すれば、遠点合焦時と近点合焦時の性能をさらに良くすることができる。
0.0° ≦ |ε| < 5.5° …(19")
このように構成すれば、遠点合焦時と近点合焦時の性能をさらにより一層良くすることができる。
このように構成すれば、軸上の色収差、倍率の色収差を良好に補正することができる。
また、可変ミラーより後方の凹レンズの枚数を2枚あるいは3枚以上とすれば、なお良い。
軸上主光線とは、物体中心を出て絞り中心を通り、像中心に到達する光線のことを指す。通常、軸上主光線を光軸と呼ぶ。
球面項中、
c:頂点の曲率
k:コーニック定数(円錐定数)
r=√(X2+Y2)
N:2以上の自然数
m:0以上の整数
n:0以上の整数
である。
但し、Cj(jは2以上の整数)は係数である。
X=R×cos(A)
Y=R×sin(A)
Z=D2
+D3Rcos(A)+D4Rsin(A)
+D5R2cos(2A)+D6(R2−1)+D7R2sin(2A)
+D8R3cos(3A)+D9(3R3−2R)cos(A)+D10(3R3−2R)sin(A)
+D11R3sin(3A)+D12R4cos(4A)+D13(4R4−3R2)cos(2A)
+D14(6R4−6R2+1)+D15(4R4−3R2)sin(2A)+D16R4sin(4A)
+D17R5cos(5A)+D18(5R5−4R3)cos(3A)
+D19(10R5−12R3+3R)cos(A)
+D20(10R5−12R3+3R)sin(A)
+D21(5R5−4R3)sin(3A) +D22R5sin(5A)
+D23R6cos(6A)+D24(6R6−5R4)cos(4A)
+D25(15R6−20R4+6R2)cos(2A)
+D26(20R6−30R4+12R2−1)
+D27(15R6−20R4+6R2)sin(2A)
+D28(6R6−5R4)sin(4A)+D29R6sin(6A)・・・・・・
・・・(b)
但し、Dm(mは2以上の整数)は係数である。なお、X軸方向に対称な光
学系として設計するには、D4,D5,D6,D10,D11,D12,D13,D14,D20,D21,D22…を利用する。
本発明の実施においては、前記(a)式の中のXの奇数時の項を全て0とすることで、Y-Z面と平行な対称面を持つ自由曲面としている。
Z=(Y2/r)/[1+{1−(1+k)・(Y/r)2}1/2]
+ay4+by6+cy8+dy10・・・ ・・・(c)
なお、上記数値データに関する説明は、本発明の各実施の形態及び各実施例の数値データに共通である。
従って、反射面がXY多項式で表される自由曲面形状に変形している場合、パワー成分に対応するC4、C6が正のとき、凸面ミラーになる。つまり、負のパワーを持つミラーになる。逆に、パワー成分に対応するC4、C6が負のとき、凹面ミラーになる。つまり、正のパワーを持つミラーになる。
また、光線が反射面で反射された後の光学系の座標系は、反射前の座標系をX軸中心に180°回転させたものとして定義する。これによって、常に光学系のZ軸正方向に沿って光線が進行することになる。
なお、図6〜図8では便宜上、普通の平面ミラーによる光路の折り曲げを省略して示してあるが、実施例1の光学系では、図1に示した実施形態の光学系のように普通の平面ミラーで45度、可変ミラーで45度光路を折り曲げている。
また、後述するレンズデータにおいても、普通の平面ミラーを省略して示してあるが、実際には、平面ミラーは、可変ミラ−の前方8.25mmの位置に設けられている。
また、実施例1の形状可変ミラーは、遠点から近点をフォーカシングするためにパワーを変えることができるが、コントラスト方式のオートフォーカスを行うために遠点合焦時よりも弱いパワーの状態、及び近点合焦時よりも強いパワーの状態を取ることができるように設計されている。実施例1においては、遠点合焦時よりも弱いパワーの状態を遠点余裕、近点合焦時よりも強いパワーの状態を近点余裕と定義している。
つまり、実施例1における形状可変ミラーは、遠点余裕、遠点、近点、近点余裕の4状態それぞれに、変倍の広角端、中間状態、望遠端の3状態が存在するので、全部で12状態が存在することになる。
遠点余裕、遠点、近点、近点余裕の4状態では、物体距離、撮像面位置が異なる。
なお、実施例1における形状可変ミラーは、実際の製作時の製造誤差による像面のZ方向のずれ、及び温度変化による像面のZ方向のずれを考慮して、フォーカス範囲の前後に変形量の余裕を持たせた設計になっている。
また、図6〜図8における形状可変ミラーは、便宜上、ミラー面のみを図示してある。
固定レンズ群G1は、メニスカス凹レンズL1で構成されている。移動レンズ群G2は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズL21と両凸レンズL22との接合レンズで構成されている。固定レンズ群G3は、メニスカス凹レンズL31と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズL32との接合レンズで構成されている。移動レンズ群G4は、両凸レンズL41と、両凸レンズL42と両凹レンズL43との接合レンズと、両凹レンズL44とで構成されている。固定レンズ群G5は、両凸レンズL5で構成されている。
数値データ1
焦点距離 : 4.4mm(広角)〜13.2mm(望遠),7.6mm(標準)
開放Fナンバー : 2.8(広角)〜3.3(標準)〜5.1(望遠)
撮像面のサイズ : 4.0mm×3.0mm(X方向×Y方向)
動くレンズ間隔は (広角)−(標準)−(望遠)の順である。
普通の平面ミラーのデータは省略してあるが、平面ミラーの位置は可変ミラ−の前方8.25mmのところである。普通の平面ミラーによる光軸の折り曲げ角は45度である。
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ D0
1(仮想面) ∞ 0.00 偏心(1)
2 25.67 1.00 偏心(2) 1.7804 49.4
3 ASP[1] 0.00
4(仮想面) ∞ 21.40
5 ∞ 0.00
6 ∞ 0.00
7 ∞ 0.00 偏心(3)
8(DM) FFS[1] 0.00 偏心(4)
9 ∞ 0.00 偏心(3)
10 ∞ 12.10
11 ∞ 0.00 偏心(5)
12 ∞ 0.00 偏心(5)
13 ∞ D13
14 ASP[2] 0.85 偏心(6) 1.6575 33.3
15 11.71 1.92 偏心(6) 1.6499 55.3
16(絞り面) ASP[3] D16 偏心(6)
17 107.24 1.00 偏心(7) 1.7929 41.2
18 7.42 1.56 偏心(7) 1.8491 24.0
19 14.93 0.43 偏心(7)
20 ∞ D20 偏心(5)
21 ASP[4] 2.36 偏心(8) 1.4900 70.0
22 ASP[5] 0.89 偏心(8)
23 14.22 2.34 偏心(8) 1.5213 65.7
24 -12.93 6.96 偏心(8) 1.6812 30.1
25 13.00 1.22 偏心(8)
26 -6.56 0.68 偏心(8) 1.8299 27.9
27 ASP[6] D27 偏心(8)
28 ∞ 0.00 偏心(5)
29 9.33 2.30 偏心(9) 1.4908 69.2
30 ASP[7] 1.11 偏心(9)
31 ∞ 1.44 1.5477 62.8
32 ∞ 0.10
33 ∞ 0.60 1.5163 64.1
34 ∞ D34
35 ∞ 0.00
像 面(CCD)∞ 0.00 偏心(10)
非球面[1]
曲率半径 7.97
k= 0
a=-3.7265×10-5 b=-3.7143×10-6 c= 9.6404×10-8
d=-1.7897×10-9
非球面[2]
曲率半径 30.43
k= 0
a= 1.5944×10-7 b=-1.4815×10-7 c=-2.3155×10-9
d= 1.2125×10-11 f= 6.5516×10-13 g=-1.2053×10-14
h= 3.1653×10-16
非球面[3]
曲率半径 -43.58
k= 0
a=-2.2905×10-6 b= 4.2783×10-7 c=-5.0313×10-8
d= 1.5611×10-9
非球面[4]
曲率半径 7.13
k= 0
a=-2.7501×10-4 b= 1.4112×10-5 c=-1.3354×10-6
d= 4.7311×10-8
非球面[5]
曲率半径 -27.43
k= 0
a=-6.0572×10-6 b= 2.0804×10-5 c=-1.7300×10-6
d= 6.5271×10-8
非球面[6]
曲率半径 20.39
k= 0
a= 4.5682×10-4 b= 4.0088×10-4 c=-1.0421×10-4
d= 1.0827×10-5 e=-6.0757×10-20 f=-4.7038×10-22
g=-3.6419×10-24 h=-2.8197×10-26
非球面[7]
曲率半径 -8.48
k= 0
a= 5.4589×10-4 b=-6.3342×10-5 c= 6.8699×10-6
d=-2.7683×10-7 e= 8.4003×10-10 f= 1.2201×10-10
g= 4.3140×10-13 h=-3.7503×10-19
状態1:広角 遠点余裕(∞)
状態2:標準 遠点余裕(∞)
状態3:望遠 遠点余裕(∞)
以上3状態ではC4〜C21はすべて0
Y=0 Z=0
状態4:広角 遠点(∞)
C4=-2.4991×10-4 C6=-2.4856×10-4 C8= 0
C10= 2.1950×10-6 C11= 3.7858×10-7 C13= 1.8474×10-6
C15= 7.7107×10-7 C17= 7.4499×10-8 C19=-5.0041×10-8
C21=-7.2560×10-8
Y=0 Z=0.00701
状態5:標準 遠点(∞)
C4=-7.7223×10-5 C6=-6.4819×10-5 C8= 0
C10=-5.5783×10-8 C11=-1.3297×10-6 C13=-3.0304×10-6
C15=-1.3026×10-6 C17=-1.1664×10-8 C19=-9.8164×10-8
C21= 1.8441×10-9
Y=0 Z=0.00335
状態6:望遠 遠点(∞)
C4=-3.3000×10-5 C6=-2.7793×10-5 C8= 0
C10= 2.0771×10-7 C11=-9.6247×10-7 C13=-1.6125×10-6
C15=-7.5417×10-7 C17=-1.5207×10-9 C19=-3.2815×10-8
C21=-1.7174×10-8
Y=0 Z=0.00168
状態7:広角 近点(300mm)
C4=-4.0436×10-4 C6=-3.8705×10-4 C8= 0
C10=-1.9545×10-6 C11= 5.0250×10-7 C13= 3.3615×10-6
C15= 3.6734×10-7 C17= 4.0646×10-8 C19=-2.3559×10-8
C21= 6.4612×10-8
Y=0 Z=0.01157
状態8:標準 近点(300mm)
C4=-2.3916×10-4 C6=-1.9966×10-4 C8= 0
C10=-1.0627×10-6 C11=-6.0727×10-7 C13=-2.6157×10-6
C15=-1.4758×10-6 C17=-6.7566×10-8 C19=-1.3145×10-7
C21= 3.5131×10-8
Y=0 Z=0.00759
状態9:望遠 近点(300mm)
C4=-1.9462×10-4 C6=-1.6127×10-4 C8= 0
C10=-2.1866×10-6 C11=-2.0560×10-7 C13=-1.4147×10-6
C15=-8.7102×10-7 C17=-1.3124×10-7 C19=-1.1803×10-7
C21= 7.2285×10-8
Y=0 Z=0.00588
状態10:広角 近点余裕(300mm)
C4=-6.9241×10-4 C6=-5.8388×10-4 C8=-5.9904×10-6
C10=-5.8969×10-6 C11= 1.8998×10-6 C13= 2.9095×10-6
C15=-1.2509×10-6 C17=6.1178×10-6 C19= 4.5179×10-7
C21= 1.9494×10-7
Y=0 Z=0.01901
状態11:標準 近点余裕(300mm)
C4=-3.4651×10-4 C6=-2.8937×10-4 C8=-3.5487×10-6
C10=-3.5184×10-6 C11= 1.4147×10-6 C13=-1.0992×10-7
C15=-3.7014×10-8 C17= 9.6527×10-8 C19=-3.1169×10-8
C21= 1.1631×10-7
Y=0 Z=0.00899
状態12:望遠 近点余裕(300mm)
C4=-2.4485×10-4 C6=-2.0300×10-4 C8=-2.2660×10-6
C10=-3.2087×10-6 C11= 2.4419×10-7 C13=-1.1076×10-6
C15=-7.0219×10-7 C17= 1.4929×10-8 C19=-6.1649×10-9
C21= 1.0607×10-7
Y=0 Z=0.00698
偏心[1] (DEO)
状態1:広角 遠点余裕(∞)
状態2:標準 遠点余裕(∞)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.07 β= 0.00 γ= 0.00
(状態1、2に共通)
状態3:望遠 遠点余裕(∞)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.11 β= 0.00 γ= 0.00
状態4:広角 遠点(∞)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.08402 β= 0.00 γ= 0.00
状態5:標準 遠点(∞)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.00 β= 0.00 γ= 0.00
状態6:望遠 遠点(∞)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.09 β= 0.00 γ= 0.00
状態7:広角 近点(300mm)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.01 β= 0.00 γ= 0.00
状態8:標準 近点(300mm)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.04 β= 0.00 γ= 0.00
状態9:望遠 近点(300mm)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.03 β= 0.00 γ= 0.00
状態10:広角 近点余裕(300mm)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.05 β= 0.00 γ= 0.00
状態11:標準 近点余裕(300mm)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.06 β= 0.00 γ= 0.00
状態12:望遠 近点余裕(300mm)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.10 β= 0.00 γ= 0.00
偏心[2] (DEO)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= -0.112485 β= 0.00 γ= 0.00
偏心[3] (DEO)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 22.50 β= 0.00 γ= 0.00
偏心[4] (DAR)
状態1:広角 遠点余裕(∞)
状態2:標準 遠点余裕(∞)
X= 0.00 Y(FFS[1]に記載) Z(FFS[1]に記載)
α= -0.030508 β= 0.00 γ= 0.00
偏心[5] (DAR)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.00 β= 0.00 γ= 0.00
偏心[6] (DAR)
X= 0.00 Y= -0.005637 Z= 0.00
α= 0.00 β= 0.00 γ= 0.00
偏心[7] (DAR)
X= 0.00 Y= 0.027831 Z= 0.00
α= 0.00 β= 0.00 γ= 0.00
偏心[8] (DAR)
X= 0.00 Y= -0.000581 Z= 0.00
α= 0.00 β= 0.00 γ= 0.00
偏心[9] (DAR)
X= 0.00 Y= 0.002028 Z= 0.00
α= 0.00 β= 0.00 γ= 0.00
偏心[10] (DAR)
X= 0.00 Y= 0.00 Z= 0.00
α= 0.575351 β= 0.00 γ= 0.00
但し、第4面の座標系は第1面の座標系と同じである。また、第5面以後の座標系は第4面から順に定義していくものとする。
遠点余裕 遠点 近点 近点余裕
D0 ∞ ∞ 300.00 300.00
像面距離
状態 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
D34 0.60 0.62 0.68 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.40 0.38 0.32
ズーム間隔
広角 標準 望遠
D13 10.19 0.00 0.00
D16 0.20 10.39 10.39
D20 8.79 6.77 0.10
D27 0.11 2.13 8.80
条件式(1),(1'),(1"),(2),(2'),(2"),(9),(9'),(9"),(12),(12'),(10),(11),(11'),(11"),(3),(3'),(4),(4')、(5),(5'),(6),(6'),(7),(8),(7'),(8')、(13),(13'),(13"),(14),(14'),(15),(15'),(16),(16'),(16"),(17),(17'),(17"),(18),(18'),(18"),(19),(19'),(19")
可変ミラーの最大変形量mdの値(mm)は、第8面の偏心量Zの値に等しい。
条件式(14),(14')の形状可変ミラーにおける光学的に有効な反射面の面積Smの値は、85mm2 (半径5.2mmのほぼ円形)である。
条件式(15),(15')の形状可変ミラーに印加する電圧Vmの値は、状態によって変化するが、0〜200Vである。
条件式(16),(16'),(16")の形状可変ミラーΦDMの値は、ΦDM=(1/2)*(C4+C6)である。また、φDMx=C4,φDMy=C6である。
条件式(12),(12')の可変ミラーの物体側に配置された負パワーのレンズ群の焦点距離f1の値は、−15.1768である。
可変ミラーにおける軸上主光線の折り曲げ角θの値は、45°である。
条件式(9)〜(9")の可変ミラーの直後の光学面から最終面までのレンズ群の倍率β1は、広角−0.29、標準−0.51、望遠−0.87である。
条件式(17)〜(17")の光学系の全長Cj(折り曲げた光路を伸ばした長さ)は、79.045mmである。
なお、上述のように、本発明の各条件式は、光学系の少なくとも一つの状態で満たされていればよい。
L1=12.15
L2=8.25
LB=11.0
L=32.4
fw=4.401
L/fw=7.36
θ = 45°
φ = 45°
npr=1
θ/npr+φ =90°
f1/f= −3.45 (広角)
= −2.0 (標準)
= −1.15 (望遠)
md=19ミクロン(広角近点余裕)
9ミクロン(標準近点余裕)
7ミクロン(望遠近点余裕)
md/f=0.0043(広角近点余裕)
md2/Sm=0.00000425(広角近点余裕)
Cj/f=17.96(広角)
以上の実施例に示したように、撮像素子を除けば光学素子のシフト量δ、ティルト量εの値は小さいので、これらを0として製作しても実用上は問題にならない場合もある。
なお、以上の説明では、光学系として撮像光学系を想定しているが、物体面と像面を入れ替えた構成とすることにより、プロジェクター等の投影光学系として使用することができ、この投影光学系を用いた光学装置を作製することができる。
図9は上記本発明の光学装置に用いる光学系に適用可能な光学特性可変光学素子として形状可変ミラーの一構成例を示す概略図である。
図9の構成例では、形状可変ミラー409は、変形する基板409jの上に形成されたアルミコーティング等で作られた薄膜(反射面)409aと、基板409jの下側に設けられた電極409kとの3層構造の周辺部が輪帯状の支持台423に支持されるとともに、電極409kとは間隔を設けて支持台423に取付けられた複数の電極409bと、各電極409bにそれぞれ接続されて駆動回路として機能する複数の可変抵抗器411aと、可変抵抗器411bと電源スイッチ413を介して電極409kと電極409b間に接続された電源412と、複数の可変抵抗器411aの抵抗値を制御するための演算装置414とで構成されており、演算装置414には、さらに温度センサー415、湿度センサー416及び距離センサー417が接続されて、これらは図示のように1つの光学装置の一部を構成している。なお、変形する基板409jは、薄膜でもよいし、板状でもよい。
なお、電極409bの形は、例えば図11、図12に示すように、薄膜409aの変形のさせ方に応じて、同心分割、矩形分割にして、選べばよい。
図9の構成例では変形する基板409jをはさんで反射面としての薄膜409aと変形する電極409kを別に設けて一体化しているので、製造法がいくつか選べるメリットがある。また反射面としての薄膜409aを導電性の薄膜としてもよい。このようにすると、変形する電極409kを兼ねることができ、両者が1つになるので、構造が簡単になるメリットがある。
可変ミラーの反射面の形状は自由曲面にするのが良い。なぜなら収差補正が容易にでき、有利だからである。
本構成例の可変ミラーは、反射面としての薄膜409aと電極409bとの間に圧電素子409cが介装されていて、これらが支持台423上に設けられている。そして、圧電素子409cに加わる電圧を各電極409b毎に変えることにより、圧電素子409cに部分的に異なる伸縮を生じさせて、薄膜409aの形状を変えることができるようになっている。電極409bの形は、図11に示すように、同心分割であってもよいし、図12に示すように、矩形分割であってもよく、その他、適宜の形のものを選択することができる。図10中、424は演算装置414に接続された振れ(ブレ)センサーであって、例えばこの構成例の光学装置をデジタルカメラに用いる場合には、デジタルカメラの振れを検知し、振れによる像の乱れを補償するように薄膜409aを変形させるべく、演算装置414及び可変抵抗器を内蔵した駆動回路411を介して電極409bに印加される電圧を変化させる。このとき、温度センサー415、湿度センサー416及び距離センサー417からの信号も同時に考慮され、ピント合わせ、温湿度補償等が行われる。この場合、薄膜409aには圧電素子409cの変形に伴う応力が加わるので、薄膜409aの厚さはある程度厚めに作られて相応の強度を持たせるようにするのがよい。
なお、駆動回路411は、電極409bの数に対応して複数配置する構成に限らず、1つの駆動回路でもって複数の電極409bを制御する構成にしてもよい。
本構成例の可変ミラーは、薄膜409aと電極409bの間に介置される圧電素子が逆方向の圧電特性を持つ材料で作られた2枚の圧電素子409c及び409c’で構成されている。すなわち、圧電素子409cと圧電素子409c’が強誘電性結晶で作られ、結晶軸の向きが互いに逆になるように配置される。この場合、圧電素子409cと圧電素子409c’は電圧が印加されると逆方向に伸縮するので、薄膜409aを変形させる力が、図10に示した1層構造の場合よりも強くなり、結果的にミラー表面の形を大きく変えることができるという利点がある。
圧電性を有する有機材料や、圧電性を有する合成樹脂、圧電性を有するエラストマー等を用いると可変ミラー面の大きな変形が実現できてよい。
本構成例の可変ミラーは、圧電素子409cが薄膜409aと電極409dとにより挟持され、薄膜409aと電極409dとの間に演算装置414により制御される駆動回路425aを介して電圧が印加されるようになっており、さらにこれとは別に、支持台423上に設けられた電極409bにも演算装置414により制御される駆動回路425bを介して電圧が印加されるように構成されている。したがって、本構成例では、薄膜409aは電極409dとの間に印加される電圧と電極409bに印加される電圧による静電気力とにより二重に変形され得、上記実施例に示した何れのものよりもより多くの変形パターンが可能であり、かつ、応答性も速いという利点がある。
本構成例の可変ミラーは、電磁気力を利用して反射面の形状を変化させ得るようにしたもので、支持台423の内部底面上には永久磁石426が、頂面上には窒化シリコン又はポリイミド等からなる基板409eの周縁部が載置固定されており、基板409eの表面にはアルミニウム等の金属コートで作られた薄膜409aが付設されていて、可変ミラー409を構成している。基板409eの下面には複数のコイル427が配設されており、これらのコイル427はそれぞれ駆動回路428を介して演算装置414に接続されている。したがって、各センサー415,416,417,424およびその他からの信号によって演算装置414において求められる光学系の変化に対応した演算装置414からの出力信号により、各駆動回路428から各コイル427にそれぞれ適当な電流が供給されると、永久磁石426との間に働く電磁気力で各コイル427は反発又は吸引または吸着され、基板409e及び反射面として機能する薄膜409aを変形させる。
本構成例の可変ミラーでは、基板409eは鉄等の強磁性体で作られており、反射膜としての薄膜409aはアルミニウム等からなっている。この場合、薄膜409a側にコイルを設けなくても、磁力によって薄膜409aを変形させることができるから、構造が簡単で、製造コストを低減することができる。また、電源スイッチ413を、各コイル427の電流の流れる方向を切換え可能にする切換え兼用の電源開閉用スイッチで置換すれば、コイル427に流れる電流の方向を変えることができ、基板409e及び薄膜409aの形状を自由に変えることができる。
本実施例の撮像系は、可変ミラー409と、レンズ902と、固体撮像素子408と、制御系103とで一つの撮像ユニット104を構成している。本実施例の撮像ユニット104では、レンズ102を通った物体からの光は可変ミラー409で集光され、固体撮像素子408の上に結像する。可変ミラー409は、光学特性可変光学素子の一種であり、可変焦点ミラーとも呼ばれている。
なお、図21では、制御系103にコイルを用いたトランスの昇圧回路を含む制御系の構成例を示している。特に積層型圧電トランスを用いると、小型化できてよい。昇圧回路は電気を用いる可変ミラー、可変焦点レンズに用いることができるが、特に静電気力、圧電効果を用いる場合の可変ミラー、可変焦点レンズに有用である。なお可変ミラー409でピント合わせを行うためには、たとえば固体撮像素子408に物体像を結像させ可変ミラー409の焦点距離を変化させつつ物体像の高周波成分が最大になる状態を見つければよい。高周波成分を検出するには、たとえば固体撮像素子408にマイクロコンピュータ等を含む処理装置を接続し、その中で高周波成分を検出すればよい。
なお、レンズ902を後述の可変焦点レンズで置き換えても良い。同様に上記の効果が得られる。この場合、可変ミラー409は通常のミラーでも良い。
またレンズ902と可変焦点レンズを併用しても良い。
マイクロポンプ180は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。
マイクロマシンの技術で作られたポンプの例としては、熱変形を利用したもの、圧電材料を用いたもの、静電気力を用いたものなどがある。
本構成例のマイクロポンプ180では、振動板181は静電気力、圧電効果等の電気力により振動する。図23では静電気力により振動する例を示しており、図23中、182,183は電極である。また、点線は変形した時の振動板181を示している。振動板181の振動に伴い、2つの弁184,185が開閉し、流体161を右から左へ送るようになっている。
また、反射面を形成する薄膜409a又は膜189は、支持台423あるいは支持台189aなどの輪帯状部分の上部などの変形しない部分に設けておくと、可変ミラーの反射面の形状を干渉計等で測定する場合に、基準面として使うことができ便利である。
2nm≦D≦λ/5 …(20)
とする。すなわち、液晶分子517の大きさは、2nm程度以上であるので、平均の直径Dの下限値は、2nm以上とする。また、Dの上限値は、可変焦点レンズ511の光軸方向における高分子分散液晶層514の厚さtにも依存するが、λに比べて大きいと、高分子の屈折率と液晶分子517の屈折率との差により、高分子セル518の境界面で光が散乱して高分子分散液晶層514が不透明になってしまうため、後述するように、好ましくはλ/5以下とする。可変焦点レンズが用いられる光学製品によっては高精度を要求しない場合もあり、そのときDはλ以下でよい。なお、高分子分散液晶層514の透明度は、厚さtが厚いほど悪くなる。
nox=noy=no …(21)
である。但し、noは常光線の屈折率を示し、noxおよびnoyは、常光線を含む面内での互いに直交する方向の屈折率を示す。
(nox+noy+nz)/3≡nLC' …(22)
となる。また、上記(21)式が成り立つときの平均屈折率nLCは、nzを異常光線の屈折率neと表して、
(2no+ne)/3≡nLC …(23)
で与えられる。このとき、高分子分散液晶層514の屈折率nAは、高分子セル518を構成する高分子の屈折率をnPとし、高分子分散液晶層514の体積に占める液晶分子517の体積の割合をffとすると、マックスウェル・ガーネットの法則により、
nA=ff・nLC'+(1−ff)nP …(24)
で与えられる。
1/f1=(nA−1)(1/R1−1/R2) …(25)
で与えられる。なお、R1およびR2は、曲率中心が像点側にあるとき、正とする。また、レンズ512aおよび512bの外側の面による屈折は除いている。つまり、高分子分散液晶層514のみによるレンズ512cの焦点距離が、(25)式で与えられる。
(nox+noy)/2=no' …(26)
とすれば、図26に示す状態、すなわち高分子分散液晶層514に電圧を印加した状態での、高分子分散液晶層514の屈折率nBは、
nB=ff・no'+(1−ff)nP …(27)
で与えられるので、この場合の高分子分散液晶層514のみによるレンズ512cの焦点距離f2は、
1/f2=(nB−1)(1/R1−1/R2) …(28)
で与えられる。なお、高分子分散液晶層514に、図26に示す状態における電圧よりも低い電圧を印加する場合の焦点距離は、(25)式で与えられる焦点距離f1と、(28)式で与えられる焦点距離f2との間の値となる。
|(f2−f1)/f2|=|(nB−nA)/(nA−1)| …(29)
で与えられる。したがって、この変化率を大きくするには、|nB−nA|を大きくすればよい。ここで、
nB−nA=ff(no'−nLC') …(30)
であるから、|no'−nLC'|を大きくすれば、変化率を大きくすることができる。実用的には、nBが、1.3〜2程度であるから、
0.01≦|no'−nLC'|≦10 …(31)
とすれば、ff=0.5のとき、高分子分散液晶層514による焦点距離を、0.5%以上変えることができるので、効果的な可変焦点レンズを得ることができる。
なお、|no'−nLC'|は、液晶物質の制限から、10を超えることはできない。
D・t≦λ・15μm …(32)
であれば、τは70%〜80%以上となり、レンズとして十分実用になる。したがって、例えば、t=75μmの場合は、D≦λ/5で、十分な透過率が得られることになる。
nP=(no'+nLC')/2 …(33)
を満足するときである。
no'≦nP≦nLC' …(34)
とすればよい。
D・t≦λ・60μm …(35)
であれば良いことになる。なぜなら、フレネルの反射則によれば、反射率は屈折率差の2乗に比例するので、高分子セル518を構成する高分子と液晶分子517との境界での光の反射、すなわち高分子分散液晶層514の透過率の減少は、およそ上記の高分子と液晶分子517との屈折率の差の2乗に比例するからである。
D・t≦λ・15μm・(1.585−1.45)2/(nu−nP)2 …(36)
であればよい。但し、(nu−nP)2は、(nLC'−nP)2と、(no'−nP)2のうち、大きい方である。
0.1≦ff≦0.999 …(37)
とする。一方、ffは、小さいほど透過率τは向上するので、上記(36)式は、好ましくは、
4×10-6〔μm〕2≦D・t≦λ・45μm・(1.585−1.45)2/(nu−nP)2 …(38)
とする。なお、tの下限値は、図24から明らかなように、t=Dで、Dは、上述したように2nm以上であるので、D・tの下限値は、(2×10-3μm)2、すなわち4×10-6〔μm〕2となる。
7nm≦D≦500λ …(39)
とする。
本構成例の可変焦点回折光学素子531は、平行な第1,第2の面532a,532bを有する第1の透明基板532と、光の波長オーダーの溝深さを有する断面鋸歯波状のリング状回折格子を形成した第3の面533aおよび平坦な第4の面533bを有する第2の透明基板533とを有し、入射光を第1,第2の透明基板532,533を経て出射させるものである。第1,第2の透明基板532,533間には、図24に示した構成例において説明したのと同様に、透明電極513a,513bを介して高分子分散液晶層514を設け、透明電極513a,513bをスイッチ515を経て交流電源516に接続して、高分子分散液晶層514に交流電圧を印加するようにする。
psinθ=mλ …(40)
を満たす角度θだけ偏向されて出射される。また、溝深さをh、透明基板33の屈折率をn33とし、kを整数とすると、
h(nA−n33)=mλ …(41)
h(nB−n33)=kλ …(42)
を満たせば、波長λで回折効率が100%となり、フレアの発生を防止することができる。
h(nA−nB)=(m−k)λ …(43)
が得られる。したがって、例えば、λ=500nm、nA=1.55、nB=1.5とすると、
0.05h=(m−k)・500nm
となり、m=1,k=0とすると、
h=10000nm=10μm
となる。この場合、透明基板533の屈折率n33は、上記(41)式から、n33=1.5であればよい。また、可変焦点回折光学素子531の周辺部における格子ピッチpを10μmとすると、θ≒2.87°となり、Fナンバーが10のレンズを得ることができる。
0.7mλ≦h(nA−n33)≦1.4mλ …(44)
0.7kλ≦h(nB−n33)≦1.4kλ …(45)
0.7(m−k)λ≦h(nA−nB)≦1.4(m−k)λ …(46)
を満たせば良い。
2nm≦P≦2λ/3 …(47)
とする。なお、この条件式の下限値は、液晶分子の大きさで決まり、上限値は、入射光が自然光の場合に、図30の状態でツイストネマティック液晶層554が等方媒質として振る舞うために必要な値である。また、この条件式の上限値を満たさないと、可変焦点レンズ551は偏光方向によって焦点距離の異なるレンズとなり、そのために二重像が形成されてぼけた像しか得られなくなる。但し、それほど高精度を要求しない場合には式(47)の上限値は3λとして良い。
さらに精度を要求しない用途では上限値を5λとして良い。
本構成例の可変焦点ミラー565は、第1,第2の面566a,566bを有する第1の透明基板566と、第3,第4の面567a,567bを有する第2の透明基板567とを有する。第1の透明基板566は、平板状またはレンズ状に形成して、内面(第2の面)566bに透明電極513aを設け、第2の透明基板567は、内面(第3の面)567aを凹面状に形成して、該凹面上に反射膜568を施し、さらにこの反射膜568上に透明電極513bを設ける。透明電極513a,513b間には、図24に示した構成例において説明したのと同様に、高分子分散液晶層514を設け、これら透明電極513a,513bをスイッチ515および可変抵抗器519を経て交流電源516に接続して、高分子分散液晶層514に交流電圧を印加するようにする。なお、図34では、液晶分子の図示を省略してある。
以上、図24から図34の構成例で述べたような、媒質の屈折率が変化することで光学素子の焦点距離等が変化するタイプの光学素子は、形状が変化しないため機械設計が容易である、機械的構造が簡単になる等のメリットがある。
本構成例では、レンズ102と可変焦点レンズ140とで、撮像レンズを構成している。そして、この撮像レンズと撮像素子408とで撮像ユニット141を構成している。可変焦点レンズ140は、透明部材142と一対の電極145との間に密閉された圧電性のある合成樹脂等の柔らかい透明物質143とで、光を透過する流体あるいはゼリー状物質144を挟んで構成されている。
従って、本構成例によれば、物体距離が変わった場合でも光学系をモータ等で動かすことなくフォーカスができ、小型、軽量、消費電力が少ない点で優れている。
圧電性を有する有機材料や、圧電性を有する合成樹脂、圧電性を有するエラストマー等を用いると可変焦点レンズ面の大きな変形が実現できてよい。
可変焦点レンズには透明な圧電材料を用いるとよい。
図36の構成例では、支援部材147と透明部材142との間には、一対の電極145間に密閉された透明物質143と、外周側が変形可能な部材148で覆われた流体あるいはゼリー状物質144とが介挿されており、透明物質143に電圧をかけることによって、透明物質143が変形しても、図37に示すように、可変焦点レンズ140全体の体積が変わらないように変形するため、シリンダー146が不要になる。なお、図36、図37中、148は変形可能な部材で、弾性体、アコーディオン状の合成樹脂または金属等でできている。
なお、透明物質143に電歪材料、例えば、アクリルエラストマー、シリコンゴム等を用いる場合は、透明物質143を透明基板と電歪材料を貼り合わせた構造にするとよい。
マイクロポンプ160は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。流体161は、透明基板163と、弾性体164との間に挟まれている。図38中、165は弾性体164を保護するための透明基板で、設けなくてもよい。
マイクロマシンの技術で作られたポンプの例としては、熱変形を利用したもの、圧電材料を用いたもの、静電気力を用いたものなどがある。
特に積層型圧電トランスを用いると小型化できてよい。
圧電材料200には透明物質143と同様の材料が用いられており、圧電材料200は、透明で柔らかい基板202の上に設けられている。なお、基板202には、合成樹脂、有機材料を用いるのが望ましい。
本構成例においては、2つの透明電極59を介して電圧を圧電材料200に加えることで圧電材料200は変形し、図39に示す状態においては凸レンズとしての作用を持っている。
このとき基板202は、流体161の体積が変化しないように変形するので、液溜168が不要になるというメリットがある。
なお、図38に示した構成例にも言えることであるが、透明基板163,165はレンズとして構成しても、或いは平面で構成してもよい。
本構成例の可変焦点レンズによれば、薄板200Aと200Bの材料の方向性を反転させることで、変形量を大きくし、大きな可変焦点範囲が得られるというメリットがある。
なお、図41中、204はレンズ形状の透明基板である。
本構成例においても、紙面の右側の透明電極59は基板202よりも小さく形成されている。
そのようにすれば、レンズの収差補正等もすることができ、便利である。
本構成例の可変焦点レンズ207は、例えばシリコンゴムやアクリルエラストマー等の電歪材料206を用いて構成されている。
このように構成された可変焦点レンズ207は、電圧が低いときには、図42に示すように、凸レンズとして作用し、電圧を上げると、図43に示すように、電歪材料206が上下方向に伸びて左右方向に縮むので、焦点距離が伸びる。従って、可変焦点レンズとして動作する。
従って、本構成例の可変焦点レンズによれば、大電源を必要としないので消費電力が小さくて済むというメリットがある。
以上述べた図35〜図43に示した可変焦点レンズに共通して言えるのは、レンズとして作用する媒質の形状が変化することで、可変焦点を実現していることである。屈折率が変化する可変焦点レンズに比べて、焦点距離変化の範囲が自由に選べる、大きさが自由に選べる、等のメリットがある。
本構成例の可変焦点レンズ214は、透明弾性体208,209でアゾベンゼン210が挟まれており、アゾベンゼン210には、透明なスペーサー211を経由して紫外光が照射されるようになっている。
図44中、212,213はそれぞれ中心波長がλ1,λ2の例えばLED、半導体レーザ等の光源である。
一方、中心波長がλ2の可視光がシス型のアゾベンゼン210に照射されると、アゾベンゼン210はシス型からトランス型に変化して、体積が増加する。このため、可変焦点レンズ214の形状は厚くなり、凸レンズ作用が増加する。
このようにして、本構成例の光学素子214は可変焦点レンズとして作用する。
また、可変焦点レンズ214では、透明弾性体208,209の空気との境界面で光が全反射するので外部に光がもれず、効率がよい。
本構成例の可変ミラー45は、支持台423で外周側が支持されたアクリルエラストマー等の有機材料からなる電歪材料453と間を隔てて分割電極409bを設け、電歪材料453の上に順に電極452、変形可能な基板451を設け、さらにその上に入射光を反射するアルミニウム等の金属の薄膜からなる反射膜450を設けた4層構造として構成されている。
このように構成すると、分割電極409bを電歪材料453と一体化した場合に比べて、反射膜450の面形状が滑らかになり、光学的に収差を発生させにくくなるというメリットがある。
なお、変形可能な基板451と電極452の配置は逆でも良い。
また、図46中、449は光学系の変倍を行なう釦であり、可変ミラー45は、釦449を使用者が押すことで反射膜450の形を変形させて、変倍をすることができるように演算装置414を介して制御されている。
なお、アクリルエラストマー等の有機材料からなる電歪材料のかわりに既に述べたチタン酸バリウム等の圧電材料を用いてもよい。
図47(b)は反射膜の反対側から見た図であり、変形部材にコイル(電極)が設けられて駆動回路から電流を流すことで永久磁石の磁場とで電磁力を生じ、ミラー形状が変化するようになっている。
コイルは薄膜コイル等を用いると製作が容易で、かつ、剛性を下げられるのでミラーが変形し易くて良い。
撮像装置のついたテレビモニター、パソコンのモニター、ディスプレイも含むものとする。
情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。
球面、平面、回転対称非球面のほか、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは対称面を有する非球面、対称面を1つだけ有する非球面、対称面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点、線を有する面等、いかなる形をしていても良い。反射面でも、屈折面でも、光になんらかの影響を与えうる面ならば良い。
本発明では、これらを総称して拡張曲面と呼ぶことにする。
要するに、光学素子で、光の反射、屈折、回折等の光偏向作用が変化しうるものを光学特性可変光学素子と呼ぶ。
0.7< |L/fw| < 50 …(11")
但し、L=L1+L2+・・・Ln・・・+LBであり、前記光学特性可変光学素子を挟んで前後に位置する面であり、かつ、同一の透過面を構成しない2つの前記回転対称な透過型光学面の間の光路内において、L1は物体側から第1番目の反射面と該第1番目の反射面から物体側に最も近い透過型光学面までの距離、L2は第1番目の反射面から第2番目の反射面までの距離、Lnは第n−1番目の反射面から第n番目の反射面までの距離、LBは最も後方の反射面と該最も後方の反射面から像側に最も近い透過型光学面までの距離である。但し、該像側に最も近い透過型光学面が移動する場合には該光学面が前記光学特性可変光学素子に最も近付いたときの距離である。fwは光学系の焦点距離であり、焦点距離の変化する光学系の場合には最も短い状態(焦点距離の絶対値の小さい状態)の焦点距離である。
0.05 < |β1| < 1.1 …(9)
−10.0 < f1/f < −0.15 …(12)
0.0 ≦ |δ/f| < 1.00 …(18)
0.0° ≦ |ε| < 20° …(19)
10° < θ < 67° …(1)
10° < θ/npr < 67° …(2)
但し、nprは反射型の光学特性可変光学素子に対向する光学面を有する光学素子の屈折率である。
0.7< |L/fw| < 50 …(11")
但し、L=L1+L2+・・・Ln・・・+LBであり、前記光学特性可変光学素子を挟んで前後に位置する面であり、かつ、同一の透過面を構成しない2つの前記透過型光学面の間の光路内において、L1は物体側から第1番目の反射面と該第1番目の反射面から物体側に最も近い透過型光学面までの距離、L2は第1番目の反射面から第2番目の反射面までの距離、Lnは第n−1番目の反射面から第n番目の反射面までの距離、LBは最も後方の反射面と該最も後方の反射面から像側に最も近い透過型光学面までの距離である。但し、該像側に最も近い透過型光学面が移動する場合には該光学面が前記光学特性可変光学素子に最も近付いたときの距離である。fwは光学系の焦点距離であり、焦点距離の変化する光学系の場合には最も短い状態(焦点距離の絶対値の小さい状態)の焦点距離である。
0.05 < |β1| < 1.1 …(9)
−10.0 < f1/f < −0.15 …(12)
45° ≦ θ/npr + φ ≦ 130° …(3)
90° ≦ θ/npr + φ ≦ 220° …(4)
但し、θは前記反射型の光学特性可変光学素子による光軸の偏向角、nprは反射型の光学特性可変光学素子に対向する光学面を有する光学素子の屈折率である。
45° ≦ θ/npr + φ ≦ 130° …(3)
90° ≦ θ/npr + φ ≦ 220° …(4)
但し、θは前記反射型の光学特性可変光学素子による光軸の偏向角、nprは反射型の光学特性可変光学素子に対向する光学面を有する光学素子の屈折率である。
25° ≦ φ ≦ 75° …(5)
105° ≦ φ ≦ 155° …(6)
25° ≦ φ ≦ 75° …(5)
105° ≦ φ ≦ 155° …(6)
−10.0 < f1/f < −0.15 …(12)
0 < |md/f| < 0.3 …(13)
0 < md2/Sm < 5.0×10-4 …(14)
0 ≦ |Vm| < 500 …(15)
0 ≦ |φDM×f| < 1.00 …(16)
1.0 < Cj/f < 60.0 …(17)
但し、f1は前記反射型の光学特性可変光学素子の物体側に負パワーのレンズ群を有する場合における該負パワーのレンズ群の焦点距離、fは前記反射型の光学特性可変光学素子の反射面が平面形状である場合における光学系の焦点距離、mdは前記反射型の光学特性可変光学素子の最大変形量、Smは前記反射型の光学特性可変光学素子における光学的に有効な反射面の面積、Vmは前記反射型の光学特性可変光学素子における駆動方式が電圧駆動方式の場合において焦点距離を変える時に該反射型の光学特性可変光学素子に印加する電圧、φDMは前記反射型の光学特性可変光学素子のパワーに比例する量、Cjは光学系の全長である。
30° ≦ θ ≦ 60° …(7')
30° ≦ φ ≦ 60° …(8')
但し、θは前記反射型の光学特性可変光学素子による軸上主光線の折り曲げ角、φは2つの光学面の光路間に挟まれた反射面を2面有し、そのうちの一方の反射面が反射型の光学特性可変光学素子である場合における、他方の反射面による光軸の偏向角である。
10° < θ < 67° …(1)
10° < θ < 67° …(1)
59、145、513a、513b 透明電極
102、512a、512b、512c、522、552,553、871、902 レンズ
103 制御系
104,141 撮像ユニット
140、162、201、207、214、511、551 可変焦点レンズ
142 透明部材
143 透明物質
144 ゼリー状物質
146 シリンダー
147 支援部材
160、180 マイクロポンプ
161 流体
163、165、202、204、532、533、562、563、566、567 透明基板
164 弾性体
168 制御装置
181 振動板
182、182、409b、409k、452 電極
184、185 弁
189 膜
189a、423 支持台
200 圧電材料
200A、200B 薄板
208、209 透明弾性体
210 アゾベンゼン
211 スペーサー
206、409c−2,453 電歪材料
303 画像処理装置
304、411、425、425b、428、846 駆動回路
408、522 固体撮像素子
409a 薄膜
409c、409c’ 圧電素子
409c−1、409e、409j、451 基板
411a、411b、519 可変抵抗器
412,516 電源
413 電源スイッチ
414 演算装置
415 温度センサー
416 湿度センサー
417 距離センサー
424 振れセンサー
426 永久磁石
427、428’ コイル
449 釦
450、568 反射膜
508a、508b、509a、509b レンズ面
514 高分子分散液晶層
515 スイッチ
516 交流電源
517 液晶分子
518 高分子セル
521 明るさ絞り
531 可変焦点回折光学素子
531a、531b、533a、533b、562a、562b、563a、563b、566a、566b、567a、567b 面
539a、539b 配向膜
554 ツイストネマティック液晶層
555 液晶分子
561 可変偏角プリズム
562b 透明基板562の内面
565 可変焦点ミラー
566b 透明基板566の内面
567a 透明基板567の内面
800 光軸
801 凹レンズ
802、870 ミラー
803 レンズ系
804、805、806、807 レンズ群
808、872、FL フィルター群
809 ズーム撮像光学系
820,830、831 曲面プリズム
823 曲面ミラー
824、834−1、834−2 反射面
825 曲面プリズム820の可変ミラー409と対向する面
860、861 プリズム
863 低屈折率の接着剤の面
DM 形状可変ミラー
FL フィルター群
G1、G3 負のパワーを有する固定レンズ群
G2、G4 正のパワーを有する移動レンズ群
G5 正のパワーを有する固定レンズ群
I 像面
L1 メニスカス凹レンズ
L21 物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ
L22、L41、L42、L5 両凸レンズ
L31 メニスカス凹レンズ
L32 物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ
L43、L44 両凹レンズ
S 絞り
Claims (5)
- 複数の回転対称な光学面と、1つあるいは複数の反射型の光学特性可変光学素子とからなり、前記反射型の光学特性可変光学素子が2つの前記回転対称な光学面の間の光路に配置され、前記反射型の光学特性可変光学素子による光軸の偏向角θが次の式(1)又は式(2)を満足することを特徴とする光学系。
10° < θ < 67° …(1)
10° < θ/npr < 67° …(2)
但し、nprは反射型の光学特性可変光学素子に対向する光学面を有する光学素子の屈折率である。 - 複数の回転対称な透過型光学面と、反射型の光学特性可変光学素子を備え、前記反射型の光学特性可変光学素子が2つの前記回転対称な透過型光学面の間の光路に配置され、次の式(11")を満足することを特徴とする光学系。
0.7< |L/fw| < 50 …(11")
但し、L=L1+L2+・・・Ln・・・+LBであり、前記光学特性可変光学素子を挟んで前後に位置する面であり、かつ、同一の透過面を構成しない2つの前記回転対称な透過型光学面の間の光路内において、L1は物体側から第1番目の反射面と該第1番目の反射面から物体側に最も近い透過型光学面までの距離、L2は第1番目の反射面から第2番目の反射面までの距離、Lnは第n−1番目の反射面から第n番目の反射面までの距離、LBは最も後方の反射面と該最も後方の反射面から像側に最も近い透過型光学面までの距離である。但し、該像側に最も近い透過型光学面が移動する場合には該光学面が前記光学特性可変光学素子に最も近付いたときの距離である。fwは光学系の焦点距離であり、焦点距離の変化する光学系の場合には最も短い状態(焦点距離の絶対値の小さい状態)の焦点距離である。 - 回転非対称な光学面を含む複数の光学面と、反射型の光学特性可変光学素子を備え、前記反射型の光学特性可変光学素子が2つの前記光学面の間の光路に配置され、前記反射型の光学特性可変光学素子による光軸の偏向角θが次の式(1)を満足することを特徴とする光学系。
10° < θ < 67° …(1) - 回転非対称な光学面を含み、複数の透過型の光学面を有し、反射型の光学特性可変光学素子を備え、前記反射型の光学特性可変光学素子が2つの前記光学面の間の光路に配置され、次の式(11")を満足することを特徴とする光学系。
0.7< |L/fw| < 50 …(11")
但し、L=L1+L2+・・・Ln・・・+LBであり、前記光学特性可変光学素子を挟んで前後に位置する面であり、かつ、同一の透過面を構成しない2つの前記透過型光学面の間の光路内において、L1は物体側から第1番目の反射面と該第1番目の反射面から物体側に最も近い透過型光学面までの距離、L2は第1番目の反射面から第2番目の反射面までの距離、Lnは第n−1番目の反射面から第n番目の反射面までの距離、LBは最も後方の反射面と該最も後方の反射面から像側に最も近い透過型光学面までの距離である。但し、該像側に最も近い透過型光学面が移動する場合には該光学面が前記光学特性可変光学素子に最も近付いたときの距離である。fwは光学系の焦点距離であり、焦点距離の変化する光学系の場合には最も短い状態(焦点距離の絶対値の小さい状態)の焦点距離である。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の光学系を含むことを特徴とする光学装置。
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