JP2007515683A - 静止ズームレンズ - Google Patents

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Abstract

ズームレンズを提供するためのシステムおよび方法をここに開示する。例えば、本発明の実施形態によれば、ズームレンズ（１００）に調整可能なレンズ（１０４）を設ける。ズームレンズの焦点距離は、１つまたはそれ以上のレンズ素子を機械的に移動させずに、またはそれらの間の距離を変更せずに変化させ得る。

Description

本発明は、概ね、光デバイスに関し、特に、ズームレンズに関する。
ズームレンズ（すなわち、焦点距離が可変の種々のタイプのレンズ）の機能は、周知であり、種々の応用に利用されている。例えば、通常のズームレンズは、少なくとも２つのレンズ素子を含み、その間隔によって、ズームレンズの焦点距離が決定される。一例として、カメラ用の自動補正式ズームレンズが、一般に、像の位置または像平面が一定のままになるように、その２つの素子の動きを調整し得る。別の例として、ズームレンズは、対物レンズ、対眼レンズ、および対物レンズと対眼レンズとの間の視野レンズを具え得る。視野レンズを、あるいは対物レンズを移動させることによって、ズームレンズの焦点距離が変化する。
通常のズームレンズの一つの欠点は、ズームレンズが大きく重い場合が多く、それによって、ズームレンズを小型デバイス（例えば、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、またはコンパクトカメラ）内に組み込みにくいことである。通常のズームレンズによくある別の欠点は、焦点距離を変更するために複数のレンズ素子の１つまたはそれ以上のレンズ素子を移動させる（例えば、ズームレンズ内に自動的に再配置する）必要があり、このように移動するには、一般に、その移動に対応する空間と電力とが必要なことである。一例として、一般に電力要件が厳しくかつ充電池の性能により制限を受ける、携帯電話、ＰＤＡ、および小型デジタルカメラ用小型カメラの開発が行われ市場へ急速に導入されたことで、改良されたズームレンズが、明らかに必要とされている。
ズームレンズを提供するためのシステムおよび方法をここに開示する。例えば、本発明の実施形態によれば、ズームレンズに調整可能なレンズを設ける。調整可能なレンズにかけられる電圧レベルを変更することによって、ズームレンズの焦点距離が変化する。よって、ズームレンズの焦点距離は、レンズ素子を機械的に移動させずに変化させ得る。したがって、本ズームレンズからは、例えば、電力要件が低いこと、機械駆動機構が不要であること、より小さく、軽量で、小型に製造し得ること、などの通常のズームレンズを超えるある利点を得られる。
さらに詳細には、本発明の一実施形態によれば、ズームレンズは、屈折率を変更し得るように適合された第１のレンズと、第２のレンズとを含み、第１のレンズおよび第２のレンズは、第１のレンズの屈折率に基づいてズームレンズ用の焦点距離を得られるように配置される。
本発明の別の実施形態によれば、光デバイスは、第１のレンズと、光デバイスの第１のレンズおよび少なくとも第２のレンズを光が透過するような、第１のレンズに対する配置にされた少なくとも第２のレンズと、を含み、屈折率を変更して光デバイス用の焦点距離を得られるように、第１のレンズが適合される。
本発明の別の実施形態によれば、ズームレンズの焦点距離を変更する方法は、屈折率を変更し得る第１のレンズを設けるステップと、第２のレンズを設けるステップと、ズームレンズの焦点距離を変化させるために第１のレンズの屈折率を変更するステップと、を含む。
本発明の範囲は、特許請求の範囲により定められ、特許請求の範囲は、参照によりこの欄に組み込まれる。１つまたはそれ以上の実施形態の以下の詳細な説明を検討することによって、当業者は、本発明の実施形態をより完全に理解することができ、さらに利点を得られるだろう。添付の図面を参照してまず簡単に説明する。
本発明の実施形態およびそれらの利点は、以下の詳細な説明を参照することにより最もよく理解される。図の１つまたはそれ以上の図において同様の部材を特定するために同様の符号を使用していることを理解すべきである。
本発明の実施形態に係るズームレンズ１００を図１に示す。ズームレンズ１００は、対物レンズ１０２と、調整可能な視野レンズ１０４と、結像レンズ１０６とを含む。対物レンズ１０２（ｆＯとする）および結像レンズ１０６（ｆｉとする）は、通常の対物レンズおよび通常の像形成レンズ（結像レンズまたは対眼レンズともいう）をそれぞれ示し、ガラス、プラスチック、または他の既知の通常のレンズの材料から作製し得る。
結像レンズ１０６は、調整可能な視野レンズ１０４（ｆＬＣとする）と隣接させて配置するか、あるいはその一部分として形成する場合がある。調整可能な視野レンズ１０４は、ここにさらに詳細に説明するように、例えば、調整可能な視野レンズ１０４に電圧をかけることなどにより屈折率を変更し得るレンズである。調整可能な視野レンズ１０４の屈折率を変更することによって、ズームレンズ１００の焦点距離が変化し得る。
図１に一例として示すように、対物レンズ１０２、調整可能な視野レンズ１０４、および結像レンズ１０６は、例えば、光１１０を像平面１０８に向け（例えば、拡大し）かつ／または集束させるように機能する。ユーザーは、調整可能な視野レンズ１０４の屈折率を変更して、ズームレンズ１００の焦点距離（応用により異なるが、ズーム、倍率、電力、視野を指す場合もある）を変化させ得る。対照的に、通常のズームレンズでは、一般に、別の焦点距離にするために、レンズ素子の１つまたはそれ以上のレンズ素子を物理的に移動させるかまたは再配置する必要がある。
ズームレンズ１００は、焦点距離を調節するために、レンズ素子（例えば、対物レンズ１０２、調整可能な視野レンズ１０４、および／または結像レンズ１０６）を、移動させまたは自動的に再配置する必要がないので、（ここに説明する１つまたはそれ以上の他の実施形態とともに）ズームレンズ１００によって、通常のズームレンズを超えるある利点を得られる。例えば、ズームレンズ１００は、携帯デバイス（例えば、カメラ、携帯電話、またはＰＤＡ）用の静止コンパクトズームレンズとなり得る。ズームレンズ１００は、例えば、広視野角および可変焦点距離のままで、小型になるように設計し得る。
ズームレンズ１００は、レンズ素子の例示的な構成を示しているが、この構成は、限定するものではなく、本発明の原理は、調整可能なレンズ向けの幅広いレンズ構成および応用に用い得ることを理解すべきである。例えば、図２に本発明の実施形態に係るズームレンズ２００を示す。ズームレンズ２００は、対物レンズ２０２と、対眼レンズ２０４とを含む。
対物レンズ２０２は、調整可能な対物レンズであり、当該レンズは、（例えば、図５ａおよび図５ｂを参照して）ここにさらに詳細に説明するように、例えば、対物レンズ２０２にかける電圧２０６を変更することにより調整し得る。電圧２０６の電圧レベルを変更することによって、対物レンズ２０２は、光１１０の屈折量を変化させ（例えば、対物レンズ２０２の屈折率を変化させ）、よって、ズームレンズ２００により得られるズームまたは拡大量が変化する。
別の例として、図３に本発明の実施形態に係るズームレンズ３００を示す。ズームレンズ３００は、対物レンズ３０２と、視野レンズ３０４と、対眼レンズ３０６とを含む。視野レンズ３０４は、調整可能な視野レンズであって、当該レンズは、例えば、視野レンズ３０４にかける電圧３０８の電圧レベルを変更することにより調整される。対物レンズ３０２、視野レンズ３０４、および対眼レンズ３０６は、例えば、静止ズームレンズとして焦点距離を変化させるように機能するように、また光１１０を像平面３１０に向けるように実施し得る。
視野レンズ３０４は、例えば、電圧３０８の電圧レベル（すなわち、視野レンズ３０４への外部バイアス）により調整し得る液晶充填レンズとして実施し得る。視野レンズ３０４の電力を調整することによって、視野レンズ３０４の有効屈折率が変更され、よって、ズームレンズ３００の焦点距離も変化する。
別の例として、図４に本発明の実施形態に係るズームレンズ４００を示す。ズームレンズ４００は、対物レンズ４０２と、視野レンズ４０４と、対眼レンズ４０６とを含む。ズームレンズ４００は、ズームレンズ３００（図３）と同様だが、視野レンズ３０４（図３）が調整可能なものであるというよりむしろ対物レンズ４０２を調整可能なものにし得る。
対物レンズ４０２は、電圧４０８をかけることにより調整可能であり、電圧４０８の電圧レベルを変更すると、対物レンズ４０２の屈折率が変化する。対物レンズ４０２、視野レンズ４０４、および対眼レンズ４０６は、例えば、静止ズームレンズとして、焦点距離を変化させて光１１０を像平面３１０に向け得る機能を果たすように実施し得る。
図５ａに、本発明の実施形態に係る調整可能なレンズ５００の上部斜視図を、また図５ｂに、本発明の実施形態に係る調整可能なレンズ５００の側面図を示す。調整可能なレンズ５００は、基板５０２およびレンズ５０４を含む。基板５０２は、例えば、ガラスまたはプラスチック、あるいはレンズ５０４を支持するのに望ましい他の材料からなり得る。
レンズ５０４は、例えば、当業者に知られているネマティック液晶からなり得る。液晶からなるレンズ５０４によって、低コストの調整可能なレンズを得られ、当該レンズは、通常の半導体加工技術を用いて製造し得る。外部バイアス５０６（例えば、可変電圧源）をレンズ５０４にかけ得るように、１つまたはそれ以上の導体５０８（例えば、導電性ガラス（ＩＴＯ）などの透明導体）を、調整可能なレンズ５００内に含ませ得る。
一例として、本発明の実施形態によれば、外部直流（ＤＣ）バイアスをかけて、ネマティック液晶分子が、電界に対して再配向して、レンズ５０４のレンズ材料の屈折率を有効に変更して、よって、調整可能なレンズ５００（または、調整可能なレンズ５００を組み込んだズームレンズ）の焦点距離が変化する。したがって、例えば、外部バイアス５０６の電圧レベルを変更することによって、レンズ５０４の屈折率は変化し、これによって、調整可能なレンズ５００を使用したズームレンズの焦点距離が、変化する。
調整可能なレンズ５００には、レンズ５１０（例えば、固定焦点レンズ）も含まれ得る。調整可能なレンズ５００の一体化した部分として、レンズ５１０を調整可能なレンズ５００内に組み込んでもよい。例えば、レンズ５１０は、拡散、堆積、リソグラフィーパターン形成によるスピンコートポリマー、または当業者に知られている他の技術によって形成し得る。
本発明の実施形態によれば、視野レンズ１０４、対物レンズ２０２、視野レンズ３０４、または対物レンズ４０２は、調整可能なレンズ５００について説明したように実施し得る。例えば、調整可能なレンズ５００は、レンズ５１０を含む場合、図１の調整可能な視野レンズ１０４および結像レンズ１０６の代わりに用い得る。したがって、ここに説明する調整可能なレンズ５００の作製技術は、（例えば、図１〜図４を参照して）ここに説明する調整可能なレンズに適用して、調整可能な焦点距離を有するポジ型およびネガ型のレンズが得られる。
本発明の実施形態によれば、ここに説明するズームレンズに調整可能なレンズを組み込むことによって、例えば、倍率量を変更し得る（例えば、倍率を３倍またはそれ以上に変更し得る）。有効焦点距離を、例えば外部バイアスにより制御することができ、この外部バイアスは、（例えば、電気光学ズームレンズを得られるような）望ましい応用または倍率要件により異なるが、１ボルトから２０ボルトまたはそれ以上に変更し得る。
本発明の実施形態によれば、調整可能なレンズをレンズ素子の一つとして組み込んだ静止ズームレンズが、提供される。ズームレンズは、焦点距離を連続して変更可能な光学系を提供し得るが、これは限定するものではない。例えば、像平面は、固定位置のままであるか、または（例えば、バリフォーカルレンズの場合と同様に）焦点距離を徐々に変化させる度に、再度焦点合わせを必要とする場合がある。
一般に、本発明の実施形態によれば、レンズ素子の１つまたはそれ以上のレンズ素子の有効屈折率を制御または変更することに基づく静止ズームレンズが、提供される。したがって、ズームレンズ内において１つまたはそれ以上のレンズ素子を機械的に動かしまたは物理的に再配置する必要がない。
本発明の実施形態に係る調整可能なレンズは、液晶ベースの調整可能なレンズとして提供し得る。しかしながら、液晶ベースの調整可能なレンズに限定するものではなく、調整可能なレンズは、有効屈折率を変更し得る他のタイプの材料により実施し得る。例えば、選択されたレンズ材料の有効屈折率の変更を制御するのに適切な対応の技術に加えて、圧電材料、または非線形光軸依存型複屈折材料（non-linear optical axis dependent birefringence material）を使用してもよい。例えば、可変焦点レンズは、非線形光学材料からなり得、可変焦点レンズを組み込むズームレンズの焦点距離は、拡大方向に沿って可変焦点レンズを物理的に押したり、引いたり、または滑動させずに（すなわち、可変焦点レンズは、通常のズームレンズにおけるように、他方のレンズ素子へ近づけまたはそれから遠ざけずに）、非線形光学材料を１つの光軸から別の光軸に回転させることにより、制御される。同様に、例えば、可変焦点レンズを組み込んだオートフォーカスレンズの焦点は、非線形光学材料を１つの光軸から別の光軸へ回転させることにより、制御される。
例えば、本発明の実施形態によれば、調整可能なレンズ５００をズームレンズ内において実施するというよりは、屈折率を変更し得る非線形光学材料で、調整可能なレンズを実施し得る。一例として、調整可能なレンズは、圧電材料、または非線形光学結晶を組み込み得る。非線形光学結晶（例えば、図６を参照して説明する結晶６０２）は、それぞれの光軸（例えば、結晶６０２の「Ｘ」、「Ｙ」、および／または「Ｚ」軸）に沿って屈折率が異なる。屈折率の変更は、例えば、非線形光学結晶を１つの光軸から別の光軸へ回転させることにより制御し得る。
例えば、図６に、本発明の実施形態に係る非線形光学結晶６０２および調整可能なレンズ６０４を図示する。調整可能なレンズ６０４は、（例えば、結晶６０２などの）非線形光学結晶からなり得、この光学結晶は、（すなわち、結晶６０２について）その複数の軸の１つまたはそれ以上の軸に沿って屈折率が異なっている。例えば、調整可能なレンズ６０４は、（例えば、図６に示すように）回転させて、屈折率を、よって、調整可能なレンズ６０４を組み込んでいるズームレンズの倍率を変更し得る。一例として、調整可能なレンズ６０４は、Ｘ軸からＹ軸に、あるいはＸ軸またはＹ軸からＺ軸に回転させて、徐々にまたは連続して屈折率を変更し得る。
調整可能なレンズ６０４の代わりに、対応の図１から図４ｂの、視野レンズ１０４、対物レンズ２０２、視野レンズ３０４、または対物レンズ４０２を使用して、ズームレンズ１００から４００をそれぞれ得てもよい。したがって、ここに説明するように電圧バイアスを変更するというよりは、別の屈折率にするような回転を調整可能なレンズ６０４にさせる。一般に、別の屈折率にするために調整可能なレンズ６０４を回転させることによって、機械的にレンズ素子を前後に移動してレンズ素子同士の間の間隔を変化させる通常の技術を超える、ある利点（例えば、大きさまたは重さに関する利点）を得られる。
図６に例示的に示すように、結晶６０２を、調整可能なレンズ６０４（例えば、ボールレンズ）と同様の形状に成形、切削、形成し得る。調整可能なレンズ６０４は、例えば、当業者に知られているＫＤＰ結晶、ＫＴＰ結晶、β−ＢａＢ２Ｏ２結晶、ＬｉＢ３Ｏ５結晶または種々の他のタイプの非線形光学結晶であり得る。例えば、ＫＤＰ結晶は、屈折率が、（例えば、ｚ軸について）ｎｏ＝１．４９３８であり、（例えば、ｘまたはｙ軸について）ｎｅ＝１．４５９９であり得る。ＫＴＰ結晶は、屈折率が、（例えば、それぞれＺ、Ｘ、およびＹ軸について）ｎｚ＝ｃ＝１．８３０５、ｎｘ＝ａ＝１．７３９５、ｎｙ＝ｂ＝１．７３６７であり得る。β−ＢａＢ２Ｏ２結晶は、屈折率が、（例えば、ｚ軸について）ｎｏ＝１．６５５１であり、また（例えば、ＸまたはＹ軸について）ｎｅ＝１．５４２５であり得る。ＬｉＢ３Ｏ５結晶は、屈折率が、（例えば、それぞれＺ、Ｘ、およびＹ軸について）ｎｚ＝ｃ＝１．６０５５、ｎｘ＝ａ＝１．５６５６、ｎｙ＝ｂ＝１．５９０５であり得る。
一例として、調整可能なレンズ６０４は、β−ＢａＢ２Ｏ２結晶からなるボールレンズの場合がある。調整可能なレンズ６０４を回転させることによって、屈折率は、光軸に沿って変化し得る。例えば、調整可能なレンズ６０４は、ズームレンズを一つの倍率レベルにするために、屈折率が（例えば、光軸Ｙに沿って）ｎｅ＝１．５４２５となるように配置し得る。次いで、調整可能なレンズ６０４は、別の倍率にするために、屈折率が（例えば、その光軸Ｚに沿って）ｎｏ＝１．６５５１になるように回転させ得る。
上述の実施形態は、本発明を示しているが限定するものではない。本発明の原理により多数の変更および変形が可能であることも理解すべきである。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ定められる。
本発明の実施形態に係るズームレンズを示す図である。 本発明の実施形態に係るズームレンズを示す図である。 本発明の実施形態に係るズームレンズを示す図である。 本発明の実施形態に係るズームレンズを示す図である。 本発明の実施形態に係る調整可能なレンズの上部斜視図である。 本発明の実施形態に係る調整可能なレンズの側面図である。 本発明の実施形態に係る、非線形結晶および調整可能なレンズを示す図である。

Claims (19)

  1. カメラ用ズームレンズであって、
    純ネマティック液晶からなり、屈折率を変更し得るように適合された第１のレンズと、
    第２および第３のレンズと、
    を含み、
    前記第１のレンズ、第２のレンズ、および第３のレンズは、前記第１のレンズの屈折率に基づいて焦点距離を変化させることでズームレンズ用の焦点距離を得られるように、固定位置に配置されるズームレンズ。
  2. 前記第１のレンズは調整可能な視野レンズであり、前記第２のレンズは対物レンズであり、前記第３のレンズは像形成レンズである請求項１に記載のズームレンズ。
  3. 前記第１のレンズは、ガラスまたはプラスチックからなる基板をさらに含む請求項２に記載のズームレンズ。
  4. 前記第１のレンズは、前記液晶材料に電圧レベルを供給するための導体をさらに含む請求項３に記載のズームレンズ。
  5. 前記基板は、拡散、堆積、スピンコートポリマー、およびリソグラフィーパターン形成技術の少なくとも１つにより形成される請求項３に記載のズームレンズ。
  6. 前記焦点距離は、前記第１のレンズに供給される電圧レベルを変更して前記第１のレンズの屈折率が変化することによって、変化する請求項１に記載のズームレンズ。
  7. 前記ズームレンズの倍率は、前記第１のレンズの屈折率によってのみ決定される請求項１に記載のズームレンズ。
  8. 屈折率を変更し得るように適合された第１のレンズと、
    第２のレンズと、
    を含み、
    前記第１のレンズおよび第２のレンズは、前記第１のレンズの屈折率に基づいて焦点距離を変化させることで前記ズームレンズ用の焦点距離を提供するように、固定位置に配置され、また、前記焦点距離は、前記第１のレンズを回転させて前記第１のレンズの屈折率が変化することにより、変更されるズームレンズ。
  9. 前記第１のレンズは、非線形結晶を含む請求項８に記載のズームレンズ。
  10. 前記非線形結晶は、ＫＤＰ結晶、ＫＴＰ結晶、β−ＢａＢ２Ｏ２結晶、およびＬｉＢ３Ｏ５結晶の少なくとも１つを含む請求項９に記載のズームレンズ。
  11. 第３のレンズをさらに含む請求項８に記載のズームレンズ。
  12. 前記第１、第２および第３のレンズは、前記ズームレンズ用の、それぞれ視野レンズ、対物レンズ、像形成レンズとして機能する請求項１１に記載のズームレンズ。
  13. 前記ズームレンズは、カメラ、電話、携帯情報端末の少なくとも１つの中に組み込まれる請求項１２に記載のズームレンズ。
  14. 光デバイスであって、
    純ネマティック液晶材料からなる第１のレンズと、
    前記光デバイスの第１のレンズ、第２のレンズおよび第３のレンズを光が透過するような、前記第１のレンズに対する固定位置に配置される第２のレンズおよび第３のレンズと、
    を含み、
    前記第１、第２および第３のレンズを、それぞれ、前記光デバイス用の視野レンズ、対物レンズ、像形成レンズとして機能させることで、前記光デバイスの焦点距離を変化させるように屈折率を変更するように、前記第１のレンズが適合される光デバイス。
  15. 前記光デバイスは、カメラ、携帯情報端末、電話の少なくとも１つに組み込まれる請求項１４に記載の光デバイス。
  16. 前記第１のレンズの屈折率は、前記第１のレンズにかけられる電圧を変更することにより変化する請求項１４に記載の光デバイス。
  17. カメラ用の静止ズームレンズの焦点距離を変更する方法であって、
    純ネマティック液晶材料からなり屈折率を変更し得る第１のレンズを設けるステップと、
    第２のレンズを前記第１のレンズから一定の間隔で配置して設けるステップと、
    前記ズームレンズの焦点距離を変更するために前記第１のレンズの屈折率を変更するステップと、
    を含み、
    前記焦点距離は、前記屈折率により決定される方法。
  18. 第３のレンズを設けるステップをさらに含み、前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、および前記第３のレンズは、それぞれ視野レンズ、対物レンズおよび像形成レンズとして機能する請求項１７に記載の方法。
  19. 前記変更操作は、前記第１のレンズの前記純ネマティック液晶材料の前記屈折率を調整することにより行なう請求項１７に記載の方法。
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