JP2009543152A - ズーム光学系、並びにそれを備えたカメラ及びデバイス - Google Patents

Abstract

当該発明は、二つの流体レンズ（２２，４０）及び、ズーム光学系の物体側に位置決めされた、負の光学的なパワーの第一の固定されたレンズ群（２０）を含むズーム光学系を提供する。第一の負のレンズ（２０）は、ズーム光学系におけるビームが、相対的に狭いものであることを保証するが、それは、さらなる素子、特に流体レンズ（２２，４０）が直径についてより小さいものであることを許容するが、それは、それらの光学的な質に及び温度差、重力の影響などのものに対するそれらの感受性に好都合なことである。

Description

［発明の分野］
本発明は、ズーム光学系の物体側から見られた際に、第一の固定されたレンズ群、及び、調節可能な流体レンズ群、を有する、ズーム光学系に関係するが、それにおいては、調節可能なレンズ群は、少なくとも第一の及び第二の調節可能な流体レンズ、並びに、第一の及び第二の流体レンズの間に位置決めされたレンズ絞りを含む。

当該発明は、また、このようなズーム光学系を含むカメラデバイスに、及び、このようなカメラを含む像を取得するデバイスに、関係する。

［発明の背景］
従来のズームレンズは、群における多くの固体のレンズ素子を含むが、それにおいては、多くのレンズ素子は、ズーミング及びフォーカシングを行うために相互に関して移動可能なものである。レンズ素子を移動させることを回避する為には、調節可能な光学的なパワーを備えたレンズ素子を使用するズームレンズは、開発されてきたものである。

国際公開第２００４／０３８４８０号パンフレットは、第一の固定されたレンズ群、第二の固定されたレンズ群、及び流体レンズ群を含むズームレンズを開示する。流体レンズは、ズームレンズをズームさせると共にフォーカスさせることに役に立つ。

この知られたズームレンズは、それの光学的な質が、変動する温度のような、多数の状況において、及び、また、重力の影響の下で、満足なものではないという不都合を有する。

国際公開第２００４／０３８４８０号パンフレット

［発明の目的］
当該発明の目的は、前提部に指示された種類のズームレンズを提供するということであるが、それは、特に変動する温度の下で、改善された質を有すると共に、それは、重力の影響に対してあまり感受性のものではない。

［発明の概要］
当該目的は、ズーム光学系の物体側から見られた際に、第一の固定されたレンズ群、及び調節可能な流体レンズ群、を有するズーム光学系で達成されるが、それにおいて、調節可能なレンズ群は、少なくとも第一の及び第二の調節可能な流体レンズ、並びに、第一の及び第二の流体レンズの間に位置決めされたレンズ絞りを含むと共に、第一の固定されたレンズ群が、負の光学的なパワーＫを有するという点で特徴付けられる。

第一のレンズ群が、負の光学的なパワーＫを有することを提供することによって、大きい視角についてさえも、ズームレンズにおいて光の相対的に狭いビームを得ることは、簡単に可能なことである。これは、次には、ズーム光学系におけるレンズにおいての光の入射の平均的な角度が、相対的に小さいものであることを意味するが、それは、光学的な性能について好都合なことであると共に、それは、また、全ての後に続くレンズが、物体から離れた方向において見られた際に、直径についてより小さいものになされることができることを意味する。よって、また、流体レンズは、小さい直径を有することがあるが、それは、より小さい直径を備えた流体レンズが、より少ない流体を含有することがあると共に、密度における差異を引き起こすことがある、重力の影響及び温度の差異に対してあまり感受性のものではないので、それらの光学的質について好ましいものである。さらには、より小型のズームレンズを提供することの可能性は、それ自体によって、また利点である。この利点は、以下で解明されることになるような、カメラの及び他のデバイスに使用されることがある。

レンズ絞りは、多くの理由のために、第一の及び第二の流体レンズの間に位置決めされる。このようなレンズ絞りは、例えば、固定された及びしばしば円形の穴を備えたプレート又はシートであることがある。あるいは、それは、また、例．写真技術から知られるような、調節可能なダイヤフラムであることがある。まず第一に、一般に、レンズ絞りは、中央の光線と比べてより多くの収差を被る、周辺の光を切り落とすことによって、光学的な質を改善することになる。さらには、その場合には流体レンズの位置でのビームの直径が、相対的に小さいものであるので、二つの流体レンズの間の位置は、相対的に相互に近づけて絞り及び両方の流体レンズを位置決めすることの願望によってトリガーされる。これは、全体として流体レンズ及びズーム光学系で達成されることができる光学的な質に好都合なことである。その上、相互から離れた相対的に遠方に流体レンズを位置決めすることは、ズーム光学系の光学的なパワーの変化及び性能に好都合なことである。全てにおいて、第一の及び第二の流体レンズの間のレンズ絞りの位置は、その場合には上記の判断基準の間における良好な妥協が得られるという理由のため、好適なものである。

特に、光学的なパワーＫは、｜Ｋ｜＞０．１｜Ｓ｜に従ってズーム光学系の光学的なパワーＳに関係付けられる。光学的なパワーは、通常のものであるように、焦点距離の逆数である。当該発明に従って利点が、第一のレンズ群のあらゆる負の光学的なパワーについて一般的に有ることがあるとはいえ、発明者は、指示された光学的なパワーについて、当該利点が、明りょうな及び有用なものであることを見出してきた。

特別な実施形態において、光学的なパワーＫは、｜Ｋ｜＞０．５｜Ｓ｜に従って光学的なパワーＳに関係付けられる。このような負の光学的なパワーについて、設計は、はるかに改善された光学的な質を備えた、はるかにより小型のものになる。

本出願の事情においては、非球面のものであるレンズ又はレンズ系の光学的なパワーが、レンズ又はレンズ系の、中央で、即ち、ほとんど常に光軸に沿って、取られることは、留意されたことである。さらには、当該発明に従って光学系が、ズーム光学系であると共に、この系の光学的なパワーが、それの最大の光学的なパワーである、即ち、それの‘広角の’構成にある、ために取られることは、留意されたことである。

当該発明に従ってズーム光学系は、二つの流体レンズを含む。これは、ズーム機能及びフォーカシング機能の両方が流体レンズによって行われることを許容する。これは、当該系が、原則として移動する部分の無いものであることを保証するが、それは、有用な寿命、維持及びそのようなものに関して好都合なものを有する。もちろん、ここにおける‘移動する’ことは、並進すること又は回転することのような、物理的な空間においてシフトすることに関係すると共に、形状を変化させることに関係するものではない。さらには、例．二つと比べてより多くのレンズにわたってズーム及び／又はフォーカシングの作用を分配させる為には、二つと比べてより多くの流体レンズを提供することは、可能なことであるが、それは、形状の相対的な変化が、あまり明白なものではないことを保証する。

ある実施形態において、第一の固定されたレンズ群は、単一の負のレンズを含む。これは、非常に単純な、けれども有効な、レンズ系の設計を提供する。一つと比べてより多くのレンズを備えた第一の固定されたレンズ群を提供することは、もちろん可能なことであるが、それは、レンズの収差を抑制する為には、好都合なことであることがある。このような場合には、第一のレンズ群の合計の光学的なパワーが、負のものであると共に、好ましくは上に指示された関係式に従っている限り、負の及び正のレンズ素子の両方を、又はゼロ−パワーの素子さえも、備えた群を提供することは、可能なことである。

ある実施形態においては、少なくとも第一の流体レンズは、少なくとも一つの電圧で制御されたエレクトロウェッティング・デバイスを含む。特に、少なくとも一つのエレクトロウェッティング・デバイスは、第一の流体及び第二の流体を、それらの間における第一の流体−第二の流体の界面と共に、含むエレクトロウェッティング・セルを含む。これは、共通の、単純な、及び有効な制御可能な流体レンズであるが、唯一の可能なものではないとはいえ、代替物は、例えば流体の貯蔵所への流体接続を備えた弾性の及び透明な容器であるが、それから又はそれへ流体が、ポンプでポンピングされることがある。しかしながら、エレクトロウェッティング・デバイスは、それが、ポンプを必要とするものではなく、単純に電圧制御デバイスを必要とするという利点を有するが、それは、より単純な及びより信頼性のあるものであると共に、容器は、漏れることのはるかにより低い危険度と共に、固定された形状を有すると共により丈夫なものである。

特別な実施形態において、少なくとも一つのエレクトロウェッティング・デバイスは、二つの第一の流体−第二の流体の界面を備えたエレクトロウェッティング・セルを含む。このようなセル、又は流体レンズは、より多くの自由度を有すると共に、このように系へより良好な光学的な性質を提供することがある。

ある実施形態においては、第一の固定されたレンズ群は、少なくとも一つのエレクトロウェッティング・セルの一つの壁と一体化したものである。特定の実施形態においては、単一な負のレンズは、少なくとも一つのエレクトロウェッティング・セルの一つの壁と一体化したものである。両方の場合には、光学系の設計は、それの機能が、レンズ、特に単一の負のレンズ、によって引き継がれる際に、セルについての別個の壁が、もはや要求されないので、若干より単純なものになる。しかしながら、この場合には、光学的な性質が、多かれ少なかれ劇的に変化することを意味する、レンズ及び流体レンズの間に空気又は他の気体がないことを留意すること。特に、光学的なパワーは、大部分の場合には、セルの壁であるレンズについて及び流体レンズについての両方で、低減される。にもかかわらず、要求された光学的なパワーが、過剰に高いものであるのではない場合には、この単純な設計は、コスト、信頼性及びそのようなものに関して利点を提供することがある。

この事情においては、特別な及び明示的な参照は、文献ＷＯ２００４／０３８４８０になされるが、それは、それの第５頁並びに第７−９頁の図１及び２の記載に、一般的にエレクトロウェッティング・セルの構築のさらなる詳細を開示する。この記載は、ここにおいて部分的にのみコピーされると共に、当業者が、参照された文献に開示された知識を使用することを理解される一方で、多くの述べられた特徴は、ここで使用されることになる。

特別な実施形態においては、レンズ絞りは、第一の流体レンズ及び第二の流体レンズの間の対称的に位置決めされる。これは、同時に二つの流体レンズの間の距離が、なおも小型の設計において相対的に大きいものになされることがある一方で、一方において第一の及び第二の流体レンズの間の最大の距離が、及び他方においてレンズ絞りが、最小のものであることを保証する。この大きい相互の距離は、ズーム光学系の光学的なパワーの変化及び性能に好都合なものである。さらには、対称的な設計は、より少ない収差を備えた設計を許容する。

特定の実施形態においては、ズーム光学系は、さらに、ズーム光学系の物体側から見られた際に、第二の流体レンズの後に、位置決めされた第二の固定されたレンズ群を含む。第二の固定されたレンズ群を提供することは、特に多かれ少なかれ対称的な設計の場合に、さらに改善された光学的な質でさえも備えた設計を許容する。しかしながら、第二の固定されたレンズ群は、必ずしもしばしば第一の固定されたレンズ群と同様の負の光学的なパワーを有するものではないことになる。さらには、全て、レンズ系のズーム範囲、光学的な質又はスピードのような、ズーム光学系の光学的な性質をさらに改善する又は変化させる為には、第一の及び第二の流体レンズの間のもののような、いっそうより多くの固定されたレンズを提供することは、又は二つと比べてより多くの流体レンズを提供することは、可能なことである。

ズーム光学系は、さらに、少なくとも一つの折り曲げミラーを含むことがあるが、それは、都合良く、光のビームを‘折り曲げる’ことに役に立つと共に、このように光の元来の方向に関してより小型のものである設計を可能とするものである。これは、カメラ、携帯カメラ電話、ウェブカメラ、などのもののような、様々なハンドヘルドのデバイスにおいて有用なものであることがある。

当該発明は、さらに、当該発明に従ってズーム光学系、及び物体側の反対に位置決めされた感光性のデバイスを含む、カメラデバイスに関係する。感光性のデバイスは、例えば、写真のフィルム、ｃｃｄ、フォトダイオードのアレイ、及びそのようなものであることがある。当該発明に従ってカメラは、さらに、レンズ絞り、ズーム機能、及び／又は感光性のデバイス、動力源、などのものを制御するための制御デバイスのような、他の部分を含むことがある。ズーム及び／又はフォーカシングの作用を提供するための制御単位には、また、ズーム光学系が提供されることがあることに留意すること。

当該発明は、また、当該発明に従ってカメラデバイスを含む像を取得するデバイスに関係する。特に、像を取得するデバイスは、携帯電話、ウェブカメラ、パーソナル・ディジタル・アシスタント、又は内視鏡を含む。もちろん、他の像を取得するデバイスは、同様にして可能なものであるが、しかし、特にここで述べられたものは、当該発明に従ってズーム光学系の利点、特に小さい直径を備えたそれの小型の設計、から利益を得る。

図１は、概略的に、先行技術の流体レンズの断面を示す。 図２は、概略的に、当該発明に従ってズーム光学系を示す。 図３は、概略的に、当該発明に従ってズーム光学系の別の実施形態を示す。 図４は、概略的に、当該発明に従ってカメラの実施形態を示す。 図５ａは、図２のズーム光学系を通じた光の多くの経路を示す。 図５ｂは、図２のズーム光学系を通じた光の多くの経路を示す。 図６ａは、望遠のものについての図２，５の系の多色性の変調伝達関数を示す。 図６ｂは、広角のものについての図２，５の系の多色性の変調伝達関数を示す。

図１は、概略的に、先行技術の流体レンズの断面を示す；
図２は、概略的に、当該発明に従ってズーム光学系を示す；
図３は、概略的に、当該発明に従ってズーム光学系の別の実施形態を示す；
図４は、概略的に、当該発明に従ってカメラの実施形態を示す；
図５ａ及びｂは、図２のズーム光学系を通じた光の多くの経路を示す、並びに、
図６ａ，ｂは、それぞれ、望遠のもの及び広角のものについての図２，５の系の多色性の変調伝達関数を示す。

図１は、概略的に、先行技術の流体レンズの断面を示す。レンズは、二つの流体を含有する流体チャンバー５を形成するための透明な前方の素子４及び透明な後方の素子６の手段によって封じられた、毛細管を形成する円筒形の第一の電極２を含む。電極２は、チューブ７の内側の壁に施された導電性のコーティングであることがある。

この流体レンズにおいて、二つの流体は、ここにおいてさらに“油”と称された、シリコーン又はアルカンのような、電気的に絶縁性の第一の液体Ａ、及び、水性の塩の溶液のような、電気的に伝導性の第二の液体Ｂ、の形態における二つの不混和性の液体からなる。二つの液体は、好ましくは、レンズが、即ち、二つの液体の間の重力の効果の依存性無しに、配向と独立に機能するように等しい密度を有するように、配置される。これは、第一の液体の構成要素の適当な選抜によって達成されることがある；例えば、アルカン又はシリコーンオイルは、塩の溶液のものと調和するためにそれらの密度を増加させるために分子の構成要素の追加によって変更させられることがある。例．他の図において具現化されたもののように、当該発明に従って、より小さい流体レンズが、より幅広い温度範囲のような、より多くの状況におけるより良好な密度のマッチングを許容することに留意すること。

使用された油の選抜に依存するが、油の屈折率は、１．２５及び１．６０の間に変動することがある。同様にして、追加された塩の量に依存性の、塩の溶液は、屈折率について１．３３及び１．４８の間で変動することがある。この実施形態における流体は、第一の流体Ａが、第二の流体Ｂと比べてより高い屈折率を有するように選択される。

第一の電極２は、典型的には１ｍｍ及び２０ｍｍの間の内側の半径の円筒である。電極２は、金属性の材料から形成されると共に、例えばパリレン（parylene）の、絶縁性の層８でコートされる。絶縁性の層は、１μｍ及び１０μｍの間にある典型的な値を備えた、５０ｎｍ及び１００ｎｍの間の厚さを有する。

絶縁性の層８は、流体チャンバーの円筒形の壁とのメニスカスの接触角におけるヒステリシスを低減する流体接触層１０でコートされる。流体接触層は、好ましくは、Ｄｕ Ｐｏｎｔ^ＴＭによって生産されたＴｅｆｌｏｎ^ＴＭ ＡＦ１６００のような非晶質のフルオロカーボンから形成される。流体接触層１０は、５ｎｍ及び５０μｍの間の厚さを有する。ＡＦ１６００コーティングは、電極２の繰り返された浸漬コーティングによって生産されることがある。実質的に均一な厚さの材料の均質な層は、電極の円筒形の側面が、円筒形の電極に対して実質的に平行なものであるので、それによって形成される。浸漬コーティングは、それの軸の方向に沿って浸漬する溶液の中へと及びそれの中から電極を移動させる一方で、電極を浸漬することによって、行われる。パリレンのコーティングは、化学蒸着によって施されることがある。電圧が、第一の及び第二の電極の間に印加されないとき、第二の流体による流体接触層１０の濡れ性は、接触層１０とのメニスカス１４の交差の両方の側について実質的に等しいものである。

第二の、輪状の電極１２は、流体チャンバーの一方の末端に配置されたもの、この場合には後方の素子６に隣接したもの、である。第二の電極の少なくとも一部分は、電極が、第二の流体Ｂに作用するように、流体チャンバーにおいて配置される。

二つの流体Ａ及びＢは、それらが、間にメニスカス１４を備えた二つの流体の本体へと分離する傾向があるように、不混和性のものである。電圧が、第一の及び第二の電極２及び１２の間に印加されないとき、流体接触層は、第二の流体Ｂと比べて第一の流体Ａに関してより高い濡れ性を有する。エレクトロウェッティングのおかげで、第二の流体Ｂによる濡れ性は、第一の電極及び第二の電極の間における電圧の印加の際に変動するが、それは、三つの相の線におけるメニスカスの接触角を変化させる傾向がある。

三つの相の線は、流体接触層１０並びに二つの液体Ａ及びＢの間における接触の線である。メニスカスの形状は、このように、印加された電圧に依存性のもので可変なものである。第一の流体及び第二の流体の間のメニスカスは、メニスカスが、より高い屈折率を有する流体から見られた際に、くぼんだものであるすれば、凹のものと呼ばれる。この流体が、レンズとみなされるとすれば、このレンズは、メニスカスが、先の文における定義に従って凹のものであるとすれば、普通には、凹のものと呼ばれるであろう。

今、図１を参照すると、例．０Ｖ及び２０Ｖの間における、低い電圧Ｖ_１が、電極の間に印加されるとき、メニスカスは、第一の凹のメニスカス形状を採用する。この構成において、流体Ｂにおいて測定されたメニスカス及び流体接触層１０の間の初期の接触角α_１は、例えば、おおよそ１４０°である。第一の流体Ａが、第二の流体Ｂと比べてより高い屈折率を有するので、ここでメニスカスレンズと呼ばれた、メニスカスによって形成されたレンズは、この構成において相対的に高い負のパワーを有する。レンズ１を通過するコリメートされたビームｂは、強く発散させられたものになる。

メニスカス形状の凹度を低減するために、より高い電圧は、第一の及び第二の電極の間に印加されることがある。例えば、絶縁性の層８の厚さに依存するものである、中間の電圧Ｖ_２、例．２０Ｖから１５０Ｖまでが、電極の間に印加されるとき、メニスカスは、図１におけるメニスカスとの比較において増加させられた曲率半径を有する第二の凹のメニスカス形状を採用する。この構成において、第一の流体Ａ及び流体接触層１０の間に（示されたものではない）中間の接触角α_２は、例えば、１００°である。第一の流体Ａが、第二の流体Ｂと比べてより高い屈折率を有するので、この構成におけるメニスカスレンズは、相対的に低い負のパワーを有する。コリメートされたビームｂは、弱く発散させられたものになる。

凸のメニスカス形状を生じさせるために、なおいっそうより高い電圧は、第一の及び第二の電極の間に印加されることがある。例えば、相対的に高い電圧Ｖ３、例．１５０から２００Ｖまでが、電極の間に印加されるとき、メニスカスは、凸の形状を採用する。この構成において、第一の流体Ａ及び接触層１０の間の（示されたものではない）最大の接触角α_３は、例えば、おおよそ６０°である。第一の流体Ａが、第二の流体Ｂと比べてより高い屈折率を有するので、この構成におけるメニスカスレンズは、正のパワーを有する。レンズは、収束させられたビームへとコリメートされたビームｂを変換する。

記載されたもののような流体レンズを含むデバイスが、記載された範囲における低い及び中間の電圧のみを使用することに適合させられることが、実際の実施形態において好適なことであることに留意すること。それは、絶縁性の層における電場の強さが、２０Ｖ／μｍと比べてより小さいものであるように、印加された電圧が、制限されるということを言うことであると共に、流体接触層の変化、及び、よって流体接触層の劣化、を引き起こす過度の電圧は、使用されない。

さらには、初期の低い電圧の構成が、それらの表面張力の依存性において、流体（液体）Ａ及びＢの選択の依存性において変動することになることに留意すること。より高い表面張力を備えた油を選択することによって、及び／又は、塩の溶液へ、エチレングリコールのような、構成成分を追加することによって、それは、それの表面張力を低減するが、初期の接触角は、減少させられることができる。いずれの場合においても、より低いパワーの構成は、メニスカスが、凹のものであるように、残留すると共に、相対的に幅広い範囲のレンズのパワーは、過度の電圧を使用すること無しに、生じさせられることができる。

上記の例においては流体Ａが、流体Ｂと比べてより高い屈折率を有するとはいえ、流体Ａは、また、流体Ｂと比べてより低い屈折率を有することがある。例えば、流体Ａは、（過）フッ素化された油であることがあるが、それは、水と比べてより低い屈折率を有する。この場合には、非晶質のフルオロポリマーの層は、それが、フッ素化された油に溶解することがあるという理由ため、好ましくは、使用されない。代替の流体接触層は、例．パラフィン・コーティングである。

図２は、概略的に、当該発明に従ってズーム光学系を示す。

ここにおいて、２０は、第一の負のレンズであると共に、２２及び４０は、それぞれ、第一の流体２８及び４４を備えた、それぞれ、第二の流体３０及び４６を備えた、並びに、それぞれ、メニスカス又は流体の界面３２及び４８を備えた、二つの流体レンズである。

２６，５０が、例．保護の窓であることがある一方で、２４，４２は、第一の、第二のハウジングである。追加のレンズ３４は、レンズ絞り３６の前に位置決めされる。追加のレンズ５２及び５６は、スクリーン６０の前に位置決めされる。

第一のレンズ２０は、負の光学的なパワー、好ましくは顕著な負の光学的なパワー、即ち、合計の系の光学的なパワーの少なくとも約１０％の絶対値を備えたもの、を有する。合計のレンズ群が、負の光学的なパワーを有する限り、二つの部分又はいっそうより複雑なレンズが、また可能なものであるとはいえ、レンズ２０は、第一のレンズとして示される。

流体レンズ２２及び４０は、一般に、ハウジング及び中間のメニスカスを備えた流体を備えた、図１の流体レンズのエレクトロウェッティング・セルに対応する。示されないものは、セルにおける（決して示されたものではない）関連性のある電極の間の電圧源である。しかしながら、示されるものは、追加のレンズ素子３４、５２、及び５４であるが、それらは、より良好な光学的な性能、又は、例．より望ましい範囲の焦点距離を提供することに役に立つことがある。さらには、レンズ絞り３６は、一般に光学系を通じて光のビームの最も小さい直径の部分で、提供されると共に、それは、しばしば、ビームの大部分の収差がロードされた周辺の光線を切り離すことによって光学的な質を改善することに役に立つ。レンズ絞りは、固定された直径を有することがある、又は、調節可能なダイヤフラム若しくは同様のものであることがある。

あるものが、二つの流体レンズであるが、それは、視野角をより大きい又はより小さいものとなす為に、ズーミング、即ち、焦点距離を変化させること、及びまた、フォーカシング、即ち、鮮明な像が、望まれた場所、この場合には、例．カメラにおいて、自由選択のものである、スクリーン６０、で提供されることを保証すること、の両方を許容することに留意すること。非常に精密なものであるために、この場合には、あるものは、移動する部分がないものであるという理由のために、フォーカシングは、結局のところ、鮮明な像が、スクリーン６０に生じさせられるように両方の流体レンズの光学的な性質を選択することになる。しかしながら、このフォーカシング作用は、合計の光学的なパワーに小さい影響を有するのみである。

スクリーン６０は、それが、自由選択のものであるが、感光性のフィルム、ｃｃｄ、などのものであることがある。それは、ズーム光学系によって見られたもののような像を取得することに役に立つことがある。

図３は、概略的に、当該発明に従ってズーム光学系の別の実施形態を示す。

ここにおいて、第一の固定されたレンズ群は、レンズ１２０及び１２２を含む。また有るものは、流体レンズ１２４、１４０及び１５０、並びにレンズ絞り１３９である。流体レンズ１２４は、前方の素子１２６、第一の電極部分１２８、及び第二の電極部分１３０を含むと共に、第一の流体１３２、第二の流体１３４、及び第三の流体１３６を、それらの間のメニスカス１３８−１及び１３８−２と共に、含有する。第二の及び第三の流体レンズ１４０及び１５０は、各々、第一の流体１４２、１５２、及び、第二の流体１４４、１５４を含有する。

ここで、第一の固定されたレンズ群は、一つと比べてより多くのレンズ素子を含むと共に、それの合計の光学的なパワーは、負のものである。これは、特に、レンズ素子の直径が、むしろ大きいものであるので、光学的な質を改善する為には、有用なものであることがある。この及び他の図において、第一のレンズを除いて全ての直径が、当該発明に従って利点を達成する為には、より小さいものになされてきたものであることができるであろうということに留意すること。しかしながら、図面の明りょうさのために、これは、描かれておかれたものではない。

第一の流体レンズは、二つのメニスカスを備えた、第一の、第二の、及び第三の流体を含有する。三つの流体は、異なるものであることがあるが、しかし、同じに取られた第一の及び第三の流体を有することは、また可能なことである。固定されたレンズ素子として第一の流体を取ることは、また可能なことである。それが、負の光学的なパワーと共に指示されるので、これは、当該発明に従って実施形態である一方で、素子１２０及び１２２が、また省略されることができるであろうということを意味する。しかしながら、光学的なパワーは、あるものが、素子１２０、１２２のガラスから空気までの、及び、空気から流体１３２までの、移行の代わりに、例．素子１３２のガラスから流体までの移行であるであろうという理由のために、減少するであろう。さらには、特にあるものが、レンズ１４０及び１５０における、二つのより多くのメニスカスであるので、より多くの設計の自由度を有する為には、第一の流体レンズにおける二つのメニスカスを有することは、好都合なことである。これは、流体レンズが、各々、電気的なパワー及び電圧が低いままであることがあるように、極度の光学的なパワーを有すること、又は劇的に変化させられることを必ずしも必要とするものではないことを保証する。

レンズ絞り１３９は、二つの流体レンズ１２４及び１４０の間に、好ましくはビームがそれの最も小さい直径を有することになる位置に、位置決めされる。別の判断基準は、レンズ絞り及び流体レンズの間の距離、並びに、流体レンズの間の相互の距離であることがある。そして、当業者は、最適な妥協を選択することになる。

流体レンズ１２４における三つの流体を制御するために、電圧は、前方の素子１２６及び第一の電極部分１２８の間に、並びに、第一の電極部分１２６及び第二の電極部分１２８の間に、各々の場合に知られた技術に従って、印加されることがある。同じものは、他の流体レンズの流体１４２、１４４、１５２、及び１５４についての類似性を保持する。

示された実施形態は、相対的に低い動力消費量、及び低い制御電圧、と共に、高い多用性を有する。

図４は、概略的に、当該発明に従ってカメラの実施形態を示す。それは、第一の流体２０８、２１６、及び第二の流体２１０、２１８と共に、第一の及び第二の流体レンズ２０６及び２１４と共に、第一のレンズ素子２００、第一の折り曲げミラー２０２、及びハウジング２０４を含む。また指示されたものは、第二の第一の折り曲げミラー２２０及びスクリーン２２２のみならず、レンズ絞り２１２である。折り曲げミラーは、また、湾曲したものであることがあると共に、よって光学系に光学的なパワーを加えるものである。

図３に示された実施形態との主要な差異は、二つの折り曲げミラー２０２及び２２０の存在であるが、それらは、ビームの経路の再方向付けを許容する。例えば、カメラは、図面において指示されたもののようなハウジング２０４の二つの側面の壁に対して一般に平行な側面の壁を備えた、平坦な箱と同様のものである全体的なハウジングを含むことがある。このような場合には、第一の素子２００及びスクリーン２２２は、そのときまた、側面の壁に対して平行なものである。そして、二つの折り曲げミラーは、ビームが、長さのより大きい部分について、同様にして側面の壁に対して平行に走ることを可能にする。これは、明らかに、平坦なカメラを許容するが、それは、望ましいことである。

図５ａ及びｂは、広角のセッティング（５ａ）及び望遠のセッティング（５ｂ）における、図２のズーム光学系を通じた光の多くの経路を示す。

また示されたものは、追加のレンズ３４の面に位置決めされた、よって流体レンズ２２及び４０の間におおよそ対称的に位置決めされた、レンズ絞り３６である。完全の目的のために、また指示されたものは、流体レンズにおける流体を閉じ込める二つの小プレート６２及び６４である。流体レンズが、‘広角の’及び‘望遠の’セッティングにおいて異なるメニスカスを有することは、明らかに可視のものである。光のビームが、なおも大きい視野角（広角）を許容する一方で、並びに、なおもビームにおける及び様々な光学的な部分への光線の入射の角度が、むしろ小さいものでえある一方で、第一のレンズ素子の後ではむしろ狭いものであることは、また明らかに可視のものである。全てこれは、変動する温度、ショック、などのもののような、様々な条件の下で、良好な光学的な質を保証する。

ここに示された実施形態は、１．６×ズームレンズであると共に、焦点距離ｆ＝−３．０９ｍｍを備えた固定された負のレンズ２０を有する。よって、光学的なパワーは、Ｋ＝−０．３２４ｍｍ^−１である。広角の構成におけるレンズ系の焦点距離は、２．０８８ｍｍであると共に、合計の光学的なパワーＳ＝０．４７９ｍｍ^−１である。よって、Ｋ及びＳは、明らかに、関係式｜Ｋ｜＞０．５｜Ｓ｜を満足する。

上で言われたように、当該発明に従ってズーム光学系は、相対的に狭いビーム経路を有する。これは、相対的に良好な光学的な性質を与えるが、しかし、また、いくつかの場合には、系の相対的に大きい長さに至ることがある。しかしながら、これは、内視鏡又は同様のもののような、多数の場合には問題ではないと共に、それは、また、図４におけるもののような折り曲げミラーで打ち消されることがある。大部分の場合には、光学的な質におけるゲイン、及び、当該発明に従って光学系のより小さい直径は、最も重要な利点であることになる。

以下の表において、図５の実施形態のレンズデータは、与えられる。

表１ レンズ表面のデータ

ここにおいて、後に続くセッティングは、二つの極度のズーム角度について保持する。視野角及び焦点距離は、それぞれ、‘広角のもの’について８０°及び２．０８８ｍｍ（そのためＳ＝０．４７９ｍｍ^−１）、及び、‘望遠のもの’について５０°及び３．４７４ｍｍ（そのためＳ＝０．２８７ｍｍ^−１）である。

第一のレンズは、非球面のレンズである。これは、必ずしも必要ではないが、しかし、より良好に球面の及び他の収差を補正することの可能性を提供する。この場合には、レンズ表面は、球面の表面からの偏差の多項式の展開として記載される。偶数の非球面表面モデルは、非球面性を記述するために半径の座標の具数の冪のみを使用する。この特定のレンズの場合における表面のサグは、

によって与えられるが、それにおいて、
ｚは、ミリメートルにおける表面のサグである、
ｒは、ミリメートルにおける半径の座標である、
ｃは、曲率＝１／半径＝０．１３２ｍｍ^−１である、
ｋ＝円錐定数（この場合にはｋ＝０）である、
α_１＝０ｍｍ^−１である、
α_３＝０．００４９７６２ｍｍ^−３である、
α_５＝０．０００５１９０ｍｍ^−５である。

さらには、流体レンズが、固定された体積を有するので、厚さは、曲率の関数であることになる。極度の半径、即ち、望遠のもの及び広角のもの、について、数は、以下の表に与えられる。

表２ ‘望遠のもの’及び‘広角のもの’におけるメニスカスのデータ

図５に従ってズーム光学系の実施形態並びに表１及び２と共に、いくつかの光学的な性質は、図６ａ，ｂに与えられたようなものである。

図６ａは、０°、１５°、及び２５°の視野における望遠の構成についての多色性の変調伝達関数を示すと共に、図６ｂは、０°、２４°、及び４０°の視野における広角の構成についての多色性の変調伝達関数を示す。示されたものは、空間的な周波数の関数として、４３５，８から６５６．３ｎｍまでの波長にわたって平均化された、接線方向の“Ｔ”及びサジタルの“Ｓ”曲線である。望遠のものについての（０°，Ｓ）、（０°，Ｔ）及び（１５°，Ｓ）についての曲線が、たいてい一致することは、見てとられたことであることができる。さらには、より重要なことであることは、ＭＴＦが、大部分の場合に、満足な解像度を提供するために十分なものと比べてより多いものである。例えば、ＶＧＡチップが、３μｍのピクセル・サイズで像を検出するためのセンサーとして使用されるとき、よって、最大の解像度は、１６６サイクル／ｍｍであることになる。実際には、それは、この最大の解像度の約１／３で、即ち、５０サイクル／ｍｍで、ＭＴＦが、軸上で少なくとも０．５及び軸外で少なくとも０．４であるとすれば、十分なものである。図６ａ及びｂに見られることができるように、これは、広角のセッティングの全ての示された視野についても、また、及び、望遠のセッティングの全ての視野についての、場合である。これは、良好な光学的な質が、このタイプのズームレンズで到達させられることができることを示すが、それは、移動する部分を有するものではないと共に、それは、非常に小型なものになされることがある。

上に記載された実施形態は、限定するものであることが意図されたものではなく、当該発明の理解を容易にするために提供されるのみである。実施形態の特徴は、反対に指示されたものではない限り、いずれの望まされた条件においても取られることがある。さらには、当業者は、添付された特許請求の範囲によって決定されるものである、当該発明の範囲内で当該発明を変更することができるものであると思われる。

Claims (15)

1. ズーム光学系の物体側から見られた際に、第一の固定されたレンズ群、及び調節可能な流体レンズ群を有するズーム光学系であって、前記調節可能なレンズ群は、少なくとも第一の及び第二の調節可能な流体レンズ、並びに前記第一の及び第二の流体レンズの間に位置決めされたレンズ絞りを含む、ズーム光学系において、
   前記第一の固定されたレンズ群は、負の光学的なパワーＫを有することを特徴とする、ズーム光学系。
2. 請求項１に記載のズーム光学系において、
   前記光学的なパワーＫは、
   ｜Ｋ｜＞０．１｜Ｓ｜
   に従って前記ズーム光学系の光学的なパワーＳに関係付けられる、ズーム光学系。
3. 請求項１又は２に記載のズーム光学デバイスにおいて、
   前記光学的なパワーＫは、
   ｜Ｋ｜＞０．５｜Ｓ｜
   ：に従って前記光学的なパワーＳに関係付けられる、ズーム光学デバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のズーム光学デバイスにおいて、
   前記第一の固定されたレンズ群は、単一の負のレンズを含む、ズーム光学デバイス。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のズーム光学デバイスにおいて、
   少なくとも前記第一の流体レンズは、少なくとも一つの電圧で制御されたエレクトロウェッティング・デバイスを含む、ズーム光学デバイス。
6. 請求項５に記載のズーム光学デバイスにおいて、
   少なくとも一つのエレクトロウェッティング・デバイスは、第一の流体及び第二の流体を、それらの間における第一の流体−第二の流体の界面と共に、具備するエレクトロウェッティング・セルを含む、ズーム光学デバイス。
7. 請求項５又は６に記載のズーム光学デバイスにおいて、
   少なくとも一つのエレクトロウェッティング・デバイスは、二つの第一の流体−第二の流体の界面と共にエレクトロウェッティング・セルを含む、ズーム光学デバイス。
8. 請求項６又は７に記載のズーム光学デバイスにおいて、
   前記第一の固定されたレンズ群のレンズは、前記少なくとも一つのエレクトロウェッティング・セルの一つの壁と一体化したものである、ズーム光学デバイス。
9. 請求項４に記載のズーム光学デバイスにおいて、
   前記単一の負のレンズは、前記少なくとも一つのエレクトロウェッティング・セルの一つの壁と一体化したものである、ズーム光学デバイス。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のズーム光学デバイスにおいて、
    前記レンズ絞りは、前記第一の流体レンズ及び前記第二の流体レンズの間に対称的に位置決めされる、ズーム光学デバイス。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のズーム光学デバイスであって、
    前記ズーム光学系の物体側から見られた際に、前記第二の流体レンズの後に、位置決めされた第二の固定されたレンズ群をさらに具備する、ズーム光学デバイス。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載のズーム光学デバイスであって、
    少なくとも一つの折り曲げミラーをさらに具備する、ズーム光学デバイス。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載のズーム光学系、及び前記物体側の反対に位置決めされた感光性のデバイスを含む、カメラデバイス。
14. 請求項１３に記載のカメラデバイスを含む、像を取得するデバイス。
15. 請求項１４に記載の像を取得するデバイスにおいて、
    前記像を取得するデバイスは、携帯電話、ウェブカメラ、パーソナル・ディジタル・アシスタント又は内視鏡を含む、像を取得するデバイス。

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