CN1769941A - 具有聚焦功能的摄影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能够不机械地移动透镜而高效率地进行聚焦的，适于小型化的具有聚焦功能的摄影光学系统。其中，聚焦部(10)具有由折射率互相不同的第一和第二流动性物质形成且其接合面的形状根据物体距离而被电控制的接合透镜(第一和第二透镜(G1、G2))。关于第一流动性物质的折射率Nd1，第二流动性物质的折射率Nd2，满足以下条件式(1)。另外，满足式(2)、(3)。RA是接合透镜中的接合面的曲率半径的使用上的最小值，fa是接合透镜整体的焦点距离；f表示透镜系统整体的焦点距离。0.1＜|Nd1－Nd2|＜0.5......(1)，3＜|RA|/f＜20......(2)，|fa/f|＞1.0......(3)。

Description

具有聚焦功能的摄影光学系统

技术领域

本发明涉及具有用于各种摄像机以及附带摄像机的移动终端等的聚焦技术的聚焦功能的摄影光学系统。

背景技术

很久以来，具有聚焦功能的摄像机和视频摄像机已被周知。这些摄影机器中的聚焦，一般是通过利用电机等驱动系统将使摄影透镜的透镜系统全体或者其一部分移动而进行的方式。另一方面，近年中，在携带电话和PDA(个人数字助理)等小型信息机器中，载置摄像模块而具备摄影功能的器件也大量上市。在这些信息终端机器中的摄影光学系统中，在小型化和结构的简易度这一点上，采用利用透镜的景深的泛焦(pan focus)方式作为其聚焦方式的情况较多。

另外，最近以不使用可动部件而能够使焦点距离可变的液体透镜·系统已被开发(非专利文献1)。这是以如下方式构成的器件，即将折射率不同的两种不混合性液体作为透镜材料而填充到圆筒状的筒管中，并对该液体的形状进行电控制。

【非专利文献1】Royal Philips Electronics，“聚焦菲利普液体透镜”，2004年3月3日出版发行，互联网<URL：http:∥www.phlips.co.jp/about/news/section-13914/article-2631.html>

发明内容

如上所述，近年在小型的信息终端机器中也具备摄影功能，采用泛焦作为其聚焦方式的情况较多。然而，在这种机器中对图像质量的要求也逐年增高，需求也从泛焦转变为了自动聚焦。可是由于以往的自动聚焦摄影通过利用电机等驱动系统使摄影透镜移动而进行，因此必需具备透镜移动机构，而这与小型化和结构简易这一点不利。另一方面非专利文献1所记载的液体透镜·系统，能够不利用电机等使透镜机械地移动而使焦点距离可变。若能够将这种透镜·系统应用于聚焦技术，则对小型化和结构简易这一点有利。

本发明针对相关的问题点而提出，其目的为提供一种具有如下功能的摄影光学系统，其能够不机械地移动透镜而能够高效地进行聚焦，并且也适于小型化。

本发明所涉及的具有聚焦功能的摄影光学系统，具有：聚焦时固定的透镜组；从物体侧起按顺序使用折射率不同的第一和第二流动性物质作为透镜材料，并可变地构成接合面形状的聚焦用接合透镜；根据物体距离对所述接合透镜的接合面的形状电控制的控制机构。所述聚焦用接合透镜整体具有折射能力(power，折射能力＝power)，且在整个聚焦区域中，以满足以下条件式的方式而被构成。其中，Nd1是接合透镜中的第一流动性物质的对于d线的折射率，Nd2是接合透镜中的第二流动性物质的对于d线的折射率。另外，RA是接合透镜中的接合面的曲率半径的使用上的最小值，fa是接合透镜整体的焦点距离；f表示透镜系统整体的焦点距离。

        0.1＜|Nd1-Nd2|＜0.5......(1)

        3＜|RA|/f＜20      ......(2)

        |fa/f|1.0          ......(3)

在具有本发明所涉及的功能的摄影光学系统中，利用作为整体具有折射能力且其接合面的形状可变地被构成的聚焦用接合透镜，而进行聚焦。对于聚焦用接合透镜，其接合面的形状被电气式控制。通过根据物体距离而控制其接合面的形状，而实现聚焦。由于不利用电机等使透镜机械地移动而实现聚焦，因此在小型化和结构的简易度等点上有利。在这种情况下，通过关于聚焦用接合透镜满足整个聚焦区域中式(1)～(3)的条件，在高效率聚焦和制造性这一点上有利。

若按照具有本发明的聚焦功能的摄影光学系统，通过备有以接合面形状可变的方式而被构成的聚焦用接合透镜并根据物体距离电气地控制其接合面的形状，而进行聚焦。另外，由于以关于聚焦用接合透镜满足整个聚焦区域中的所定的条件式的方式构成，因此能够不利用电机等机械地使移动透镜而高效地进行聚焦，能够实现适于小型化的光学系统。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的摄影光学系统的一个结构例的透镜剖面图。

图2是表示聚焦部的一个结构例的结构图。

图3是表示摄影光学系统的具体的数值实施例的图。

图4是表示其他数值数据的图。

图5是表示实施例所涉及的摄影光学系统的无限远调焦时的球面像差、非点像差、以及畸变的像差图。

图6是表示实施例所涉及的摄影光学系统的近距离调焦时的球面像差非点像差、以及畸变的像差图。

图中：10-聚焦部，20-固定透镜组，GC-封罩玻璃，St-光阑，Gj-从物体侧数第j个透镜，Ri-从物体侧数第i个透镜面的曲率半径，Di-从物体侧数第i个和第i+1个透镜面的面间隔，Z1-光轴。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的摄影光学系统的一个结构例。该结构例，对应于后述的数值实施例(图3(A)、(B))的透镜结构。另外，在图1中，符号Ri表示，将最靠近物体侧的结构要素的面作为第1面，以随着朝向像侧(成像侧)按顺序增加的方式而附加符号的第i面的曲率半径。符号Di，表示第i面与第i+1面的光轴Z1上的面间隔。

该摄影光学系统，是载置于例如附带有摄像机的小型信息终端机器和数字摄像机等中而使用的器件。该光学系统，沿着光轴Z1从物体侧按顺序备置：聚焦部10；以及聚焦时固定的透镜组20。在该使用光学系统的成像面(摄像面)上，配置图中位示出的CCD(电荷耦合装置)和CMOS(互补性金属氧化物半导体)等摄像元件。在摄像元件的摄像面附近，配置有用于保护摄像面的封罩玻璃GC。在固定的透镜组20和成像面(摄像面)之间，除了封罩玻璃GC外，也可以配置红外线截止滤光片(cut filter)和低通滤光片(low-pass filter)等其他光学元件。聚焦部10，也可以固定于镜筒内，也可以作为相对于固定的透镜组20可拆卸的聚焦用附件而构成。

聚焦部10，具有从物体侧起按顺序由第一和第二透镜G1、G2构成的接合透镜。第一和第二透镜G1、G2，作为透镜材料，使用后述的折射率相互不同的第一和第二流动性物质41、42(图2(A)，(B))，并以接合面形状可变的方式而被构成。第一和第二透镜G1、G2，作为整体具有折射能力(power)，并在它们的前后面，即第一透镜G1的物体侧的面和第二透镜G2的像侧的面具有曲率。不过，也可以是其中一方为平面。有关聚焦部10的更详细的结构以及接合透镜的接合面的控制原理，参照图2(A)、(B)留作后述。

固定透镜组20，从物体侧按顺序具有，第三透镜G3、第四透镜G4、以及第五透镜G5。光阑St，被配置于第三透镜的G3的物体侧。第三和第四透镜G3、G4，被接合。第三透镜G3由例如双凹透镜构成，第四透镜G4由例如双凸透镜构成。第五透镜G5由例如非球面透镜构成，至少光轴中心的形状为将凸面朝向物体侧的弯月形。第五透镜G5的非球面形状是例如在有效的直径范围内，物体侧的面为越向周边负的折射能力越强的面，且像面侧的面为越向周边正的折射能力越强的面。

另外，本实施方式所涉及的摄影光学系统的特征部分主要在于聚焦部10的结构，固定的透镜组20的结构不限于图示的结构，也可以采用其他各种结构。

图2(A)、(B)表示聚焦部10的一个结构例。聚焦部10，在由例如玻璃材料等形成的圆筒状的筒管33的内部，填充作为透镜材料的第一和第二流动性物质41、42等。筒管33的两端部，被由例如玻璃材料等形成的透明的端盖31、32所封塞。第一和第二流动性物质41、42，是折射率互相不同，且互相不混合的不混合性物质。第一流动性物质41是例如非导电性油，第二流动性物质是例如导电性的水溶液。端盖31、32的第一和第二流动性物质41、42侧的面是曲面形状，由此，成为第一和第二透镜G1、G2的第一和第二流动性物质41、42的前后面成为曲面形状。

在端盖31和筒管33中，在邻接第一和第二流动性物质的41、42的面侧，由疏水性包覆材料43覆盖。另外，在筒管33的被施加疏水性包覆材料43的一侧，隔着绝缘材料36形成第一电极34。另外，以接触疏水性包覆材料43的端部的方式形成第二电极35。第一和第二电极34、35，引出到外侧而形成，通过连接在电压施加部51(图2(B))，成为能够从外部施加电压的方式。

图2(A)是表示不施加电压的通常状态。通过由疏水性包覆材料43所覆盖，在筒管33的内部，第二流动性物质42以半球状成为稳定的状态。另一方面，图2(B)表示施加电压后的状态。通过以图示的方式施加电压V，电荷聚集在具有导电性的第二流动性物质42和与其接触的疏水性包覆材料43的边界附近。通过由此所发生的静电力，疏水性包覆材料43所涉及的界面张力变弱，由此通过疏水性变弱第一和第二流动性物质41、42的形状变化。通过调整由电压施加部51所施加的电压V的大小，能够进行形状变化的程度的调整。也就是说，随着加大电压V，其接合面从凸向物体侧的状态(图2A)向平面状态、凹的状态(图2(B))变化。也就是说，第一流动性物质41的形状，从凹透镜向平面透镜、凸透镜变化。第二流动性物质42的形状从凸透镜向平面透镜、凹透镜变化。

聚焦部10，具有用于控制在电压施加部51中所施加的电压V的电压控制部54。电压控制部54，预先存储由第一和第二流动性物质41、42所形成的接合透镜的接合面的形状和距离之间的关系，并根据物体距离控制施加电压V的大小，从而控制接合面的形状。电压控制部54，以根据该摄影光学系统所载置的摄像机侧的结构而控制电压V的方式而形成。例如在具有测距部52的摄像机中，根据由测距部52所计测的距离信息，而进行施加电压的控制。由此，实现自动聚焦功能。另外，也可以做成根据隔着操作部53的用户输入的距离信息而进行聚集动作的方式。这里，电压施加部51和电压控制部54，对应于本发明的“控制机构”的一个具体例。

在本实施方式中，为了实现有效的聚集，关于第一流动性物质对于d线的折射率Nd1和第二流动性物质对于d线折射率Nd2，满足以下关系式。另外，虽然该条件式(1)规定了第一和第二流动性物质41、42的折射率的适当差的数值范围，但是关于其上限值从聚集性能这一点出发，并不受特别的限定。不过事实上，作为第一和第二流动性物质41、42，根据可使用的透镜材料而被特别指定。在当前的透镜材料中，一般认为是大约0.5。

        0.1＜|Nd1-Nd2|＜0.5            ......(1)

该摄影光学系统，进而以满足如下条件式的方式而被构成。RA是由第一和第二流动性物质41、42所形成的接合透镜(第一和第二透镜G1、G2)中的接合面(R2)的曲率半径的使用上的最小值，f表示透镜系统整体的焦点距离。fa表示接合透镜整体的焦点距离。

        3＜|RA|/f＜20                 ......(2)

        |fa/f|＞1.0                   ......(3)

另外，在该摄影光学系统中，也可以在第一和第二透镜G1、G2的前后面的(R1、R3)的至少一个面上，施加红外线截止滤光片。这里通过在例如端盖31、32上施加红外线截止滤光片而实现。

接下来，说明按照以上方式所构成的摄影光学系统的作用和效果。

在该摄影光学系统中，在聚焦部10中，由于第一和第二透镜G1、G2将第一和第二流动性物质41、42作为透镜材料，因此其接合面的形状被电控制。也就是说，如图2所示，电压控制部54控制由电压施加部51所施加的电压，从而控制接合面的形状(曲率半径R2)。电压控制部54，在例如具有测距部52的摄像机中，根据由测距部52计测所得到的距离信息而进行施加电压的控制，由此控制接合面的曲率半径R2，从而实现聚集功能。如此，在聚焦部10中，通过根据物体距离而控制接合透镜(第一和第二透镜G1、G2)的接合面的形状，而实现聚集。由于不利用电机等机械地移动透镜而实现聚集，因而对于小型化和简易这一点有利。另外，作为固定透镜组20，可以使用聚焦时固定的现存结构的透镜。

在聚焦部10中，通过使构成接合透镜的第一和第二流动性物质41、42的折射率Nd1、Nd2满足条件式(1)，能够高效地聚焦。条件式(1)规定了第一和第二流动性物质41、42的适当的折射率Nd1、Nd2。若在条件式(1)的数值范围以下，则相对于接合面的曲率半径R2的变化的后焦点的变化会变小，从而不能进行有效的聚焦。

条件式(2)，规定了接合面的曲率半径R2的绝对值的最小值RA与透镜系统整体的焦点距离f的比。若低于条件式(2)的下限，则对应于RA的值的聚焦的效果过度变小，不是所优选的。另外，若高于条件式(2)的上限，则对应于RA的值的聚焦的效果过度变大，不是所优选的。条件式(3)规定聚焦部10中的接合透镜整体的焦点距离fa和透镜系统整体的焦点距离f的比。若低于条件式(3)的下限，则接合透镜整体的折射能力过度变大，折射能力相对于接合透镜的前后面(R1，R2)的精度的变化的敏感度增加，成为制造上困难。

另外，在第一和第二透镜G1、G2的前后面的任何一个面上或两个面上施加红外线截止膜(cut coat)的情况下，在聚焦部10能够具有红外线截止滤光片的作用。

这样，若按照本实施方式所涉及的光学系统，则能够不利用电机等机械地移动透镜而高效低进行聚集，即使在小型化中也能够实现适当的光学系统。

【实施例】

接下来，说明有关本实施方式所涉及的摄影光学系统的具体的数值实施例。图3(A)、(B)表示对应于图1所示摄影光学系统的结构的具体的透镜数据。图3(A)表示透镜数据中的基本的数据部分，图3(B)表示透镜数据中的与非球面形状相关的数据部分。

透镜数据中的面编号Si栏中，示出了对于该摄影光学系统，将最靠近物体侧的透镜要件的面作为第一个并以沿着朝向成像侧按顺序增加的方式而附加的第i个面(i＝1～10)的面的编号。在曲率半径Ri的栏中表示使对应于由图1所附加的符号Ri，从物体侧起第i个面的曲率半径的值。对于面间隔Di的栏，也表示使对应于由图1所附加的符号Ri，从物体侧起第i个面Si与第i+1个面Si+1的光轴上的间隔。曲率半径Ri和面间隔Di的值的单位是毫米(mm)。Ndj、υdj的栏分别表示，也包含封罩玻璃GC在内，从物体侧起第j个(j＝1～6)透镜要件的对于d线(587.6nm)的折射率和阿贝数的值。

构成聚焦部的第一和第二透镜G1、G2的接合面S2的曲率半径R2，成为根据物体距离在30.0mm(最下值RA)～∞(平面)之间可变。间隔D1、D2的值表示曲率半径R2为30.0mm时的值。

图3(A)中的透镜数据中，附加于面编号的左侧的记号“*”，表示该透镜面为非球面。固定透镜组20中的第五透镜G5的两面S7、S8成为非球面。在基本透镜数据中，作为这些非球面的曲率半径，表示光轴近旁(近轴近旁)的曲率半径的数值。如由数据所看出的，第五透镜G5，在近轴近旁成为弯月状。

在图3(B)的各非球面数据的数值中，记号“E”表示其后续的数值是以10为底的“幂指数”，表示由10为底的指数函数所表示的数值乘以“E”前的数值。例如，若是“1.0E-02”，则表示“1.0×10^-2”。

在各非球面数据中，记录着由以下式(A)所表示的非球面形状的式中各系数A_i，K的值。更详细地，Z表示位于离开光轴高度h的位置的非球面上的点到非球面顶点的切平面(垂直于光轴的平面)所画的垂直线的长度(mm)。

Z＝C·h²/{1+(1-K·C²·h²)^1/2}+A₃·h³+A₄·h⁴+A₅·h⁵+A₆·h⁶+A₇·h⁷+A₈·h⁸+A₉·h⁹+A₁₀·h¹⁰                            ......(A)

其中，

Z：非球面的深度(mm)；

h：从光轴到透镜面的距离(高度)(mm)；

K：离心率；

C：近轴曲率＝1/R(R：近轴曲率半径)

A_i：第i次(i＝3～10)非球面系数。

在图4(A)中作为与透镜相关的诸数据，表示物体距离与第一和第二透镜G1、G2中的曲率半径R2的关系。在曲率半径R2为∞时，聚焦为无限远的物体，在曲率半径R2为最小值30.0mm，聚焦为近距离物体(240mm)。另外，此时的后焦点的变化量，为0.16mm。另外，在图4(A)中作为透镜组整体的诸数据，同时表示固定透镜组20的近轴焦点距离f(mm)、F号码(FNO.)、以及视场角2ω(ω：半视场角)的值。

在图4(B)中，将与上述的条件式(1)～(3)相关的值，表示为对本实施例归纳总结的值。如图4(B)所示，本实施例的值在各条件式(1)～(3)的数值范围内。

图5(A)～(C)，表示将物体的距离设为无限远而调焦的情况(R2＝∞)中的球面像差、非点像差以及畸变像差(歪曲像差)。另外，图6(A)～(C)，表示调焦为近距离物体而的情况下(R20＝30.0mm)中的同样的像差。在各像差图中虽然示出了以d线作为基准波长的像差，但在球面像差和倍率色像差图中也表示有关g线(波长435.8nm)、C线(波长656.3nm)的像差。在非点像差图中，实线是径向方向，虚线是切向方向的像差。ω表示半视场角。

如从以上的各数值数据和各像差图所看出的，从无限远到近距离进行了良好的像差校正，实现了紧凑的透镜系统。

另外，本发明不限于上述的实施方式和实施例，种种的变形实施是可能的。例如各透镜组元的曲率半径、面间隔以及折射率的值等，不限于上述数值实施例所示的值，可以采用其他值。

Claims (1)

1、一种具有聚焦功能的摄影光学系统，其特征在于，具有：

聚焦时固定的透镜组；

聚焦用接合透镜，其从物体侧起按顺序使用折射率不同的第一和第二流动性物质作为透镜材料，并且以接合面形状可变的方式构成；

控制机构，其根据物体距离，对所述接合透镜的接合面的形状进行电控制，

所述聚焦用接合透镜整体具有折射能力，且在整个聚焦区域中，以满足以下条件式的方式构成，即，

0.1＜|Nd1-Nd2|＜0.5        ……(1)

3＜|RA|/f＜20              ……(2)

|fa/f|＞1.0                ……(3)

其中，

Nd1：接合透镜中的第一流动性物质的对于d线的折射率；

Nd2：接合透镜中的第二流动性物质的对于d线的折射率；

RA：接合透镜中的接合面的曲率半径的使用上的最小值；

fa：接合透镜整体的焦点距离；

f：透镜系统整体的焦点距离。

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