JP4564848B2 - ズームレンズ - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも第１の固定レンズ群と、第２の固定レンズ群と、制御可能なレンズ群とを有するズームレンズに関する。

本発明はまた、このようなズームレンズを備えるカメラ、およびこのようなカメラを備える手持ち式装置に関する。

従来のズームレンズは、固定屈折面曲率を有し、ガラスのような透明材料または透明プラスチックで作成された、いくつかの固体レンズ素子を含んでいる。これらのレンズ素子は、物側の前部レンズ群と、像側の後部レンズ群と、前部群と後部群との間の制御可能なレンズ群とにグループ分けされる。これらの各群は、１つ以上のレンズ素子からなってもよい。制御可能なレンズのレンズ素子は、ズームおよび焦点合わせを行うために互いに対して移動可能となっている。ズームとは、レンズ系の焦点距離を変化させることによって画像倍率を変化させること、即ち結像される物体風景の大きさを選択することを意味すると理解されている。ズームレンズの最大の設定は、物体風景の小さな部分が結像されるテレ構成、および物体風景の大きな部分が結像されるワイド構成である。制御可能なレンズ群のレンズ素子を移動させることによって、ズームレンズをこれら２つの極端構成とその間の構成との間で設定することができる。焦点合わせとは、選択された物体風景の焦点をズームレンズ系の構成ごとに合わせることを意味すると理解されている。

レンズ素子の必要とされる機械的な動きのために、従来のズームレンズはその光軸に沿って大きな寸法を有しているので、小型化にはあまり適していない。エネルギーを消費する電気モーターを用いていくつかのレンズ素子を移動させる。ズームレンズが携帯電話のような小型の手持ち式且つバッテリー電力供給式の装置の一部を形成する小型カメラに使用される場合、ズームレンズを小型化させる必要がある。電気モーターは大量のバッテリー電力を消費し、機械的脆弱性が問題となるので、従来のズームレンズ設計はこのような使用には適していない。さらに、機械的なズームは一定の時間を要する。

本発明の目的は、小型カメラに適したズームレンズを提供することである。

このズームレンズは、制御可能なレンズ群が電圧制御エレクトロウェッティング装置を備えることを特徴とし、この装置は、異なる屈折率を有する第１の流体および第２の流体を含み、且つ少なくとも２つの第１流体第２流体間界面を備えている。

エレクトロウェッティング装置とは、流体チャンバ内に２つの流体を含む新型の光学部品であり、これらの流体は界面を介して接触している。装置の２つの電極の間に電圧を供給することによって、この界面の形状を変化させることができる。

流体とは、あらゆる力に応じてその形状を変化させ、流動するまたはそのチャンバの外形に適合する傾向のある物質を意味すると理解されている。このような流体は、気体、液体、および固体と液体との流動可能な混合物であってもよい。

レンズ群は１つのみのレンズ素子からなってもよいが、２つまたは３つのレンズ素子を含んでもよい。以下に説明するズームレンズの実施の形態においては、第１および第２のレンズ群はそれぞれ１つのレンズ素子に代表されているが、実際にはこれらの各群はより多くのレンズ素子を備えてもよい。

エレクトロウェッティング装置を可変焦点レンズとして構成することができる。このようなレンズにおいて、流体は異なる屈折率を有し、それらの界面はメニスカスの形状を有している。この装置の電極に電圧を印加することによって、メニスカスによって形成された屈折面の曲率が変化し、従ってそのレンズ倍率が変化する。エレクトロウェッティング原理に基づき、２つの独立駆動メニスカスを備えるズームレンズによって、ズーム、即ちメニスカスの一方に関連する電極に供給される電圧を適合させることによってズームレンズの焦点距離を変化させることが可能となる。焦点合わせ、即ちテレとワイドの間のすべての構成で物体の焦点を合わせることは、他方のメニスカスに関連する電極に供給される電圧を適合させることによって行われる。

このズームレンズ系においては、レンズ素子の移動を可能にするためにスペースを取る必要がないので、システムの軸方向寸法が大幅に縮小する。モーター駆動レンズ素子は必要とされなくなるため、非常に速いズームおよび焦点合わせを実現することができると共に、ズームおよび焦点合わせのための電力が大幅に低下し、それによってバッテリー電力供給に適したズームレンズ系となる。

国際特許公開第９７／３６１９３号には、位置固定可変焦点レンズを有するズームレンズ系が記載されている点に注目されたい。これらのレンズはフレキシブルレンズであり、透明流体が満たされるレンズチャンバを形成する柔軟な膜を備えている。屈折レンズ面を形成する膜の曲率を、例えば圧電アクチュエータによって、または液量を変化させることによって変化させることができる。ズームおよび焦点合わせのためには、膜を強く変形させなければならない。変形は電圧によって直接制御されない。さらに、フレキシブルレンズへまたはフレキシブルレンズから流体を送るには電力が必要とされる。

さらに、米国特許出願公開第２００１／００１７９８５号では、その光透過率を制御することができるエレクトロウェッティング光学素子が記載されている点に注目されたい。この素子は第１の導電性の液体および第２の液体を備え、これらはほぼ等しい屈折率を有しているが、透過率が異なっている。これらの液体は互いに混じり合うことはなく、それらの間の境界線が所定の形状を有するような状態で密閉容器内に入っている。電極を通してこれらの液体の間に電圧が印加されると、その一方が導電性液体と接触し、境界線の形状が変化し、それによって透過光の量が変化する。境界線形状の変化を利用して可変焦点レンズを実現してもよい。このようなレンズを、可変焦点レンズが前部レンズ群とリレーレンズ群との間に配置されるズームレンズ系に使用してもよい。このズームレンズ系はズームに用いられる可変焦点レンズを１つしか備えておらず、前部レンズ群を移動させることによって焦点合わせが行われる。

従来のズームレンズ設計に最も近似している新たなズームレンズの実施の態様は、その物側の前部レンズ群と、その像側の後部レンズ群とを有する。この実施の態様は、第１のレンズ群が前部レンズ群であり、第２のレンズ群が後部レンズ群であり、エレクトロウェッティング装置が前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間に配置されていることを特徴とする。

界面の数、およびエレクトロウェッティングセルでのこれらの界面の分布に関しては、ズームレンズのいくつかの実施の態様が可能である。

第１の実施の態様は、前記エレクトロウェッティング装置が２つの第１流体第２流体間界面を有する１つのエレクトロウェッティングセルを備えることを特徴とする。
これは、ズームレンズに適したエレクトロウェッティング装置の最も小型の設計である。

第２の実施の態様は、前記エレクトロウェッティング装置がそれぞれ少なくとも１つの第１流体第２流体界面を有する２つのエレクトロウェッティングセルを備えることを特徴とする。
この実施の態様はより大きな設計の自由を提供する。

各エレクトロウェッティングセルが２つの第１流体第２流体間界面を有することをさらに特徴とする場合、この実施の態様の性能を大きく向上させることができる。

従って、このズームレンズは４つの界面（メニスカス）を備え、それによって大きな設計の自由を提供し、より細かな調整およびより低い電圧の使用を可能にする。

好ましくは、ズームレンズは、前記エレクトロウェッティング装置が、それぞれ１つの第１流体第２流体間界面を有する第１および第２のエレクトロウェッティングセルを備えること、および前記第１および第２のエレクトロウェッティングセルの間にレンズ絞りが配置されていることを特徴とする。

４つの界面を有する実施の態様と同様の性能を、この実施の態様では、少ない数の界面で、従ってより簡単な装置で達成することができる。装置がより対称的に用いられることを利用しており、即ち第１および第２の界面の類似した表面積を用いて結像ビームを屈折させる。レンズ系内の絞りは、結像ビームの直径を制限するダイヤフラムである。

その物側の前部レンズ群と、その像側の後部レンズ群とを有するこの実施の態様は、前記第１のレンズ群が前記前部群であり、前記第２のレンズ群が前記後部群であり、前記エレクトロウェッティング装置が前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間に配置されていることをさらに特徴としてもよい。

または、この実施の態様は、１つのエレクトロウェッティングセルが前部レンズ群を形成し、前記第２のエレクトロウェッティングセルが後部レンズ群を形成すること、および前記第１のレンズ群および前記第２のレンズ群が前記エレクトロウェッティングセルの間に配置され、前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間に前記レンズ絞りが配置されていることをさらに特徴としてもよい。

この実施の態様において固定されかつ制御可能なレンズ群の連続は、従来のズームレンズとは全く異なる。

本発明の他の側面によれば、ズームレンズの組み込み高さを、このレンズがエレクトロウェッティングセルと前記第１および第２のレンズ群のいずれかとの間に配置された少なくとも１つの折り畳みミラーを備えることをさらに特徴とする場合に、さらに低くすることができる。

この実施の態様は、カメラが組み込まれる装置の主面に平行なズームレンズを有するカメラの主要部の配置を可能にする。

２つの折り畳みミラーを備え、一方はズームレンズの物側部分にあり、他方はズームレンズの像側部分にあることを特徴とする実施の態様によって、最小限の組み込みサイズが得られる。

エレクトロウェッティングセルの可能な設計に関し、前記ズームレンズにおいて、エレクトロウェッティングセルは、
円筒壁を有し、第１の流体および軸方向に変位された少なくとも１つの第２の流体を含むほぼ円筒形の流体チャンバと、
円筒壁の内側に配置された流体接触層と、
前記流体接触層によって前記第１の流体および前記第２の流体と隔てられた第１の電極と、
前記第２の流体に作用する第２の電極と、を備え、
前記各流体は非混和性であり、メニスカス界面に渡って接触し、異なる屈折率を有し、
前記流体接触層は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の印加の下で変化する前記第２の流体による湿潤性を有し、それによって前記メニスカスの形状が前記電圧に従って変化し、
前記第２の流体による前記流体接触層の湿潤性は、前記第１および第２の電極間に電圧が印加されていない時には、前記接触層との前記メニスカスの交差の両側でほぼ等しいことを特徴とすることが好ましい。

交差の両側での前記流体接触層の等しい湿潤性によって前記第２の流体の比較的大きな移動が可能となり、その結果、前記メニスカスの曲率の比較的大きな変化が可能となる。これはズームレンズにとっては大きな重要性である。

この種のズームレンズにおいて、エレクトロウェッティングセルの数、これらのセルにおける界面の数、および固定レンズ群およびセルの順序を、ここで上に説明したようにしてもよい。

２つのエレクトロウェッティングセルを備えるこの種のズームレンズは、前記２つのセルが１つの流体チャンバを共有することをさらに特徴としてもよい。

大幅に縮小した組み込み高さを有するこの種のズームレンズの実施の態様は、前記流体チャンバが、流体チャンバ壁の反射傾斜部分によって形成される少なくとも１つの折り畳みミラーを備え、前記ミラーはほぼ９０°の角度で入射放射線を反射することを特徴とする。

この実施の態様は、前記流体チャンバが２つの折り畳みミラーを備え、一方はズームレンズの物側部分にあり、他方はズームレンズの像側部分にあることをさらに特徴とすることが好ましい。

この実施の態様は、前記像側部分の折り畳みミラーが前記前部レンズ群と一体化されていることをさらに特徴としてもよい。
このようにして、前記ズームレンズの素子の数が１つ減り、製造コストが低下する。

上述の実施の態様のすべては、前記第１の流体が絶縁液体を含み、前記第２の流体が導電性液体を含むことをさらに特徴としてもよい。

または、これらの実施の態様は、前記第１の流体が蒸気を含み、前記第２の流体が導電性液体を含むことを特徴としてもよい。

前記ズームレンズが組み込まれるカメラは本発明によって提供される特徴によって従来のカメラとは区別されるため、このようなカメラは本発明の一部をなす。

手持ち式装置にこのようなカメラを組み込むことによって、このような装置にズーム機能が備わり、このような装置も本発明の一部をなす。

本発明のこれらおよび他の態様は、以下に説明する実施の形態を参照することによって限定することのない一例として明らかとなるであろう。

ズームレンズに可変レンズ素子として用いられることが好ましい可変焦点レンズの実施の一形態の第１の原理を説明することによって、本発明を最もよく明らかにすることができる。

図１乃至３は、このようなレンズ１の断面を示している。このレンズは毛細管を形成する円筒形の第１の電極２を備え、透明前部素子４および透明後部素子６によって封止されて２つの流体を含む流体チャンバ５を形成する。電極２は、チューブ７の内壁に塗布された導電塗料であってもよい。

この実施の形態において、前記２つの流体は、シリコンオイルまたはアルカン等の、ここではさらに「オイル」と呼ばれる電気絶縁第１液体Ａ、および食塩水溶液等の電気絶縁第２液体Ｂの形態における２つの非混和性液体から構成される。これら２つの液体は等しい濃度を有するように配列され、それによって方向と無関係に、即ち２つの液体の間の引力の作用に依存せずにレンズが機能することが好ましい。これを、第１の液体成分を適切に選択することによって達成してもよく、例えば分子成分を添加することによってアルカンまたはシリコンオイルを変性させ、それによりそれらの濃度を高めて食塩水の濃度と一致させてもよい。

使用されるオイルの選択に応じて、オイルの屈折率は１．２５から１．６０の間で変化してもよい。同様に、添加される食塩の量に応じて、食塩水の屈折率は１．３３から１．４８の間で変化してもよい。この実施の形態の流体は、第１の流体Ａが第２の流体Ｂよりも高い屈折率を有するように選択される。

第１の電極２は、通常１ｍｍから２０ｍｍの内半径の円筒である。電極２は、金属材料から形成され、例えばパリレンの絶縁層８でコーティングされている。絶縁層は５０ｎｍから１００μｍの厚さを有し、通常の値は１μｍから１０μｍである。

絶縁層８は流体接触層１０でコーティングされ、それによって流体チャンバの円筒壁とのメニスカスの接触角のヒステリシスが減少する。流体接触層は、デュポン（商標）によって製造されているテフロン（商標）ＡＦ１６００等のアモルファスフッ化炭素から形成されることが好ましい。流体接触層１０は、５ｎｍから５０μｍの厚さを有している。ＡＦ１６００コーティングは、電極２を繰り返し浸漬コーティングすることによって製造されてもよい。電極の円筒形の側面が円筒電極にほぼ平行であるので、ほぼ均一な厚さの材料の均一層がそれによって形成される。電極をその軸方向に沿って浸漬液に出し入れしながら電極を浸すことによって浸漬コーティングが行われる。化学蒸着によってパリレンコーティングを行ってもよい。第１および第２の電極間に電圧が印加されていない時には、第２の流体による流体接触層１０の湿潤性は、接触層１０とのメニスカス１４の交差の両側でほぼ等しい。

流体チャンバの一端に、この場合は後部素子６に隣接して第２の環状電極１２が配置されている。第２の電極の少なくとも一部は流体チャンバ内に配置されているので、電極が第２の流体Ｂに作用する。

２つの流体ＡおよびＢは非混和性であるため、メニスカス１４を間に挟んで２つの流体に分かれる傾向がある。第１および第２の電極２および１２の間に電圧が印加されていない時、流体接触層は、第１の流体Ａに関しては第２の流体Ｂよりも高い湿潤性を有する。エレクトロウェッティングのため、第２の流体Ｂによる湿潤性は、第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加された時に変化し、それによって三相線でメニスカスの接触角が変化する傾向がある。三相線とは、流体接触層１０と２つの液体ＡおよびＢとの間の接触の線である。従って、メニスカスの形状は印加電圧に従って変化可能である。より高い屈折率を有する流体から見てメニスカスがくぼんでいる場合、第１の流体と第２の流体との間のメニスカスは凹形と呼ばれる。この流体がレンズと見なされる場合、前の分の定義によってメニスカスが凹形であると、このレンズは通常、凹形と呼ばれる。

図１を参照すると、例えば０Ｖから２０Ｖの低電圧Ｖ_１が電極間に印加される時、メニスカスは第１の凹形メニスカス形状を採用する。この構成において、流体Ｂで測定されたメニスカスと流体接触層１０との間の初期接触角θ_１は、例えば、およそ１４０°である。第１の流体Ａは第２の流体Ｂよりも高い屈折率を有しているので、ここではメニスカスレンズと呼ばれるメニスカスによって形成されるレンズは、この構成においては比較的高いマイナス倍率を有する。レンズ１を通過する平行ビームｂは強く発散する。

メニスカス形状のくぼみを小さくするためには、第１および第２の電極間により高い電圧が印加される。次に図２を参照すると、絶縁層８の厚さに応じて例えば２０Vから１５０Vの中間電圧Ｖ_２が電極間に印加される時、メニスカスは、図１のメニスカスと比較して大きな曲率半径を有する第２の凹形メニスカス形状を採用する。この構成においては、第１の流体Ａと流体接触層１０との間の中間接触角θ_２は、例えば１００°である。第１の流体Ａは第２の流体Ｂよりも高い屈折率を有しているので、この構成におけるメニスカスレンズは比較的低いマイナス倍率を有する。平行ビームｂは弱く発散する。

凸形メニスカス形状を作るためには、第１および第２の電極間にさらに高い電圧が印加される。次に図３を参照すると、例えば１５０Vから２００Vの比較的高い電圧Ｖ_３が電極間に印加される時、メニスカスは、凸形メニスカス形状を採用する。この構成においては、第１の流体Ａと接触層１０との間の最大接触角θ_３は、例えばおよそ６０°である。第１の流体Ａは第２の流体Ｂよりも高い屈折率を有しているので、この構成におけるメニスカスレンズはプラスの倍率を有する。このレンズは平行ビームｂを収束ビームに変換する。

比較的高い倍率を使用して図３の構成を実現することができるが、実際の実施の形態においては、上述のようなレンズを備える装置は、上述の範囲内の低および中間電圧のみを使用するように構成されることが好ましい点に注目されたい。即ち、絶縁層の電界強度が２０V／μｍよりも小さくなるように印加電圧が制限され、流体接触層の帯電、従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、初期の低電圧構成は、流体（液体）ＡおよびＢのそれらの表面張力に応じた選択に従って変化する点に注目されたい。より高い表面張力を有するオイルを選択することによって、および／またはエチレングリコール等の成分を、その表面張力を低下させる食塩水に添加することによって、初期接触角を小さくすることができる。この場合、レンズは図２に示されたものに相当する低光学倍率構成、および図３に示されたものに相当する中間倍率構成を採用してもよい。いかなる場合でも、メニスカスが凹形になるように低倍率構成が保持され、過度の電圧を用いずに比較的広範囲のレンズ倍率を実現することができる。

上記の例において、流体Ａは流体Ｂよりも高い屈折率を有しているが、流体Ａは流体Ｂよりも低い屈折率を有してもよい。例えば、流体Ａは、水よりも低い屈折率を有する（過フッ素化）フッ素化オイルであってもよい。この場合、アモルファスフッ素重合体層はフッ素化オイル内で溶解する場合があるので、使用しないことが好ましい。他の流体接触層としては、例えばパラフィンコーティングがある。

本発明は、従来のズームレンズの可動レンズ素子を図１乃至３に示された種類のレンズ素子と置き換えることによって新型のズームレンズを提供する。新型のズームレンズは、従来のズームレンズよりも実質的にコンパクトにすることが可能であり、ズーム動作および焦点合わせ動作のために消費する電力が実質的に小さい。これらの特性のため、このズームレンズは、例えば携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、パーソナルコンピュータカメラ、内部通話装置および電子ゲーム等の小型および／または手持ち式および／またはバッテリー電力供給式装置の小型カメラに内蔵されるのに非常に適している。

図４は、新たなズームレンズの制御可能なレンズ部の可能な構成の断面示しており、この部分は、エレクトロウェッティング装置の形態の２つの可変焦点レンズ２４、２６を備えている。この装置は導電材料のシリンダ２２を備えている。シリンダは絶縁層２８でコーティングされている。シリンダの内側には流体接触層３０が設けられている。導電シリンダ２２は、レンズ素子２４および２６のための共通第１電極を形成している。第１のレンズ素子２４の第２の電極は、放射線を透過する中央透明領域を有する環状導電層３２によって構成されている。下側の導電層３４は第２のレンズ素子２６の第２電極を形成している。透明層３６および３８はそれぞれ導電層３２および３４を覆ってもよい。シリンダの中央部分は第１の透明な非導電液体または蒸気Ａで満たされる。液体Ａの各側には、第２の透明な導電液体Ｂが存在し、この液体は第１の液体Ａよりも低い屈折率を有している。上側の非混和性流体は、第１の可変焦点レンズ素子を形成する第１のメニスカス４０によって分離されている。下側の流体ＡおよびＢは、第２の可変焦点レンズ素子を形成する第２のメニスカス４２によって分離されている。

各メニスカスの曲率、従ってレンズ素子２４および２６の焦点距離を、それぞれ制御可能な電圧源４４および４６によって互いに独立して変化させることができる。ズーム、即ちズームレンズの焦点距離を変化させることは、電源４４の電圧Ｖ_１の適合によって第１のレンズ素子２４のメニスカス曲率を変化させることによって行われる。焦点合わせ、即ち異なるズーム構成に鮮明な画像を維持することは、電源４６の電圧Ｖ_２の適合によって第２のレンズ素子２６のメニスカス曲率を変化させることによって行われる。ズームインとは、ズームレンズ系の焦点距離を大きくすることを意味し、ズームアウトとは、この距離を小さくすることを意味する。

図５は、図４の実施の形態と同様であるが、液体ＡおよびＢが交換されているエレクトロウェッティング装置の実施の形態のテレ構成に対するメニスカスの曲率およびビーム光線の経路を示している。テレ構成においては、フィルムまたは電子センサ、例えばＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサに、風景の小さな物体が結像される。このズームレンズの構成では、第１のメニスカス４０は比較的小さな半径を有する凸曲率を有しているため、レンズ素子２４は比較的高い倍率を有する正の収束レンズ素子として働く。第２のメニスカス４２は凹曲率を有しているため、第２のレンズ素子２６は負の発散レンズ素子として働く。入射ビームの境界光線の経路は、図５においては実線で示されている。２つのレンズ素子の組み合わせは、破線５２によって示されているように、その第２の主点をレンズの外側およびレンズの物側に有するレンズとして作用する。従って、テレ構成ｆ_Ｔｅｌｅの組み合わせの焦点距離は比較的大きい。

図６は、ワイド構成のズームレンズに対するメニスカスの曲率およびビーム光線の経路を示している。この構成においては、風景のより大きな物体が結像される。ワイド位置では、第１のメニスカス４０の凸曲率は依然凸曲率を有しているが、その半径はテレ構成の半径よりも大きい。第２のメニスカス４２の曲率は今度は凸形であるため、レンズ素子２６は正の収束レンズ素子となる。破線５４、５６によって示されているように、レンズ素子２４および２６の組み合わせの第２の主点は、第２のレンズ素子２６の付近に配置される。従って、ワイド位置ｆ_ｗｉｄｅの焦点距離は比較的小さい。

図７は、円筒構造体に収容された２つのエレクトロウェッティングレンズ素子またはセル６２および６６を備えるズームレンズ系６０の実施の形態を示しており、この円筒構造体は、上述のように、導電シリンダと、絶縁層と、流体接触層と、第２の電極とを備えている。図７はシリンダ７０のみを示している。シリンダは、物側では固体レンズ素子７２の形態の前部群によって、像側では固体レンズ素子７４の形態の後部群によって閉鎖されている。前部素子７２は、屈折性の高いプラスチックの正の凸凸レンズ素子、例えばポリカーボネート（ＰＣ）または環状オレフィン重合体（ＣＯＣ）であり、所望の初期焦点特性を提供する。このレンズ素子は、ズームレンズの球面収差を修正する少なくとも１つの非球面を有してもよい。レンズ素子７２の後には、液体Ｂ／液体Ａ／液体Ｂ界面を有する第１のエレクトロウェッティングセル６２が続いている。このセルは、ズームレンズの視野絞り８０を含むＰＣまたはＣＯＣ等の透明プラスチックの平らなプレート７８によって封止されてもよい。プレート７８は、液体Ｂ／液体Ａ／液体Ｂ界面の第２のエレクトロウェッティングセル６６の前側を封止する。第２のエレクトロウェッティングセルは後部レンズ素子７４によって封止されている。レンズ素子７４は、ＰＣまたはＣＯＣ等の、屈折性の高いプラスチックの正の凸凸素子である。このレンズ素子をフィールドフラットナーとして用いてもよく、その屈折面の少なくとも一方を非球面としてもよい。エレクトロウェッティングセルの液体Ａを１．５３６の屈折率を有する（過フッ素化）フッ素化オイルとしてもよく、液体Ｂを１．３３６の屈折率を有する食塩水溶液としてもよい。ＣＯＣの屈折率は１．５３６である。

各エレクトロウェッティングセルは、それぞれ２つの液体界面またはメニスカス６３、６４および６７、６８を含み、それによってエレクトロウェッティングレンズ素子の両方の屈折面を変化させることができる。ズームまたは焦点合わせに必要とされるレンズ倍率の変化を２つの屈折面に分配することができるので、表面ごとに必要とされる変化はより小さい。即ち、液体界面を１つしか有していないエレクトロウェッティングレンズ素子に必要とされるよりも低い電圧で、必要とされている倍率変化を実現することができる。ズームレンズの２つのエレクトロウェッティングセル６２および６４を、図４のエレクトロウェッティングレンズ２４および２６と置き換えてもよい。

図８および図９は、図７に示されたものと同様であるが、凹凸前部レンズ素子７２’と凹平面後部レンズ素子７４’とを有するズームレンズの実施の形態の光線追跡図を示している。図８はワイド構成を示し、図９はテレ構成を示している。界面６３および６４の両方はズームのために変化し、界面６６および６８の両方は焦点合わせのために変化することは図８および図９からすぐに明らかである。

図８および図９のズームレンズの実際の実施の形態は以下のような特徴を示す。

テレ ワイド
焦点距離 ７．１１ｍｍ ３．３５ｍｍ
Ｆナンバー ３．４ ２．６
対角画角 ２８° ５６°

このズームレンズは６４０×４８０画素且つ４．２μｍの画素サイズを有するＶＧＡＳ型のＣＭＯＳセンサ４８と協働するのに適している。

固体レンズ素子の代わりにエレクトロウェッティングセルを備えるズームレンズは、速いズーム（および焦点合わせ）速度を有し、直接電気駆動され、サイズが小さく、低コストで大量生産可能である。これらの特性によって、エレクトロウェッティングズームレンズは、いくつかの種類の装置、特に手持ち式のバッテリー電力供給式装置に組み込まれる小型カメラに用いられるのに非常に適したものとなる。

携帯電話等の手持ち式装置に内蔵される小型カメラのズームレンズは、可能な限り小さな組み込み高さを有する必要がある。このようなカメラの前部レンズ素子は通常、装置の前面（ユーザが見る面）に収容され、これまで説明したズームレンズの組み込み高さは、ズームレンズの軸方向長さによって決定される。即ち、主にズームレンズの長さによって決定されるカメラの組み込み高さは、装置の奥行きに適合する必要があり、この奥行きは可能な限り小さいことが好ましい。

本発明のさらなる側面によれば、ズームレンズの組み込み高さを、ズームレンズに折り畳みミラーを含めることによって大幅に減少させることができる。図１０は、エレクトロウェッティングセル６２の壁の一部を形成するこのようなミラー９２を備えるズームレンズ９０を示している。図１０のズームレンズは図７のズームレンズと同じ素子を備え、これらの素子は同一の参照番号で示されている。物体風景からの光ビームｂは、前部レンズ素子７２に直角入射する。第１のエレクトロウェッティングセル６２の界面６３および６４を通過した後に、ミラー９２がビームｂの主光線に対して４５°の角度で配置されていれば、ビームはミラー９２によって水平方向に反射される。ズームレンズの他の素子、即ち、絞り８０を有する透明プレート７８、第２のエレクトロウェッティングセル６６、後部レンズ素子７４、およびセンサ４８は水平方向に配置されている。この水平方向は装置の前面に平行し、この前面にカメラ、即ちズームレンズおよびセンサ４８を組み込まなければならない。このようにして、カメラの組み込み高さｈ_ｃは、ミラーの高さと、第２の界面６４から前部レンズ素子７２の外面までの光経路の幾何学的長さとの合計まで減少される。

ミラーは、このミラーが利用できる十分な空間がある前部レンズ素子７２に近接する第１の位置に配置されることが好ましい。第１の界面６３が前部レンズに近接する図７の設計においては、この位置は第２の界面のすぐ後にある。ズームレンズの他の設計においては、前部レンズに可能な限り近い位置という条件で、他の位置に折り畳みミラーを配置することもできる。

ズームレンズの後側に第２の折り畳みミラーを含めることによって、カメラの大きさ全体をさらに縮小することが可能になる。図１１は、このようなミラー９４を備えるズームレンズ１００を示している。このミラーは、エレクトロウェッティングセル６６を通過したビームｂを垂直方向に反射するので、後部レンズ素子７４およびセンサ４８をこの方向に配置することができる。このようにして、水平方向におけるカメラの寸法が、その組み込み高さを増すことなく減少する。

図１２に示されているように、折り畳みミラーを後部レンズ素子と共にミラーレンズ素子９６内に一体化することができる。このミラーレンズ素子は、ビームｂの主光線に対して例えば４５°の角度で配置された反射フラットベース面９７と、レンズ素子の屈折面を形成する２つの曲面９８および９９を有している。このようにして、ズームレンズの素子の数、従ってその製造コストを低下させることができる。素子９５の曲面の少なくとも１つを、図７、１０および１１の後部レンズ素子７４の場合のように、非球面としてもよい。

図１３および図１４は、図１２の実施の形態と同様であるが、二重凸レンズ素子の代わりに、凹凸前部レンズ素子７２”と凸凹後部レンズ素子９６’とを有するズームレンズの実施の形態の光線追跡図を示している。図１３はワイド構成を示し、図１４はテレ構成を示している。界面６３および６４の両方はズームのために変化し、界面６７および６８の両方は焦点合わせのために変化することはこれらの図からすぐに明らかである。

エレクトロウェッティング装置が、それぞれ２つの第１液体第２液体間界面を備える２つのエレクトロウェッティングセルを有する図７乃至１４に示されたズームレンズの実施の形態は、優れた性能を有している。さらなる発明のステップによれば、高レベルの性能を維持しながら、界面またはメニスカスの数を４つから２つに削減することができる。このようなメニスカスの数の削減は、メニスカスの曲率の構成および制御の観点からすると、エレクトロウェッティング装置の大幅な簡略化を意味する。改良された設計によるエレクトロウェッティング装置は、それぞれ１つのメニスカスを有する２つのエレクトロウェッティングセルを備えている。改良された設計では、エレクトロウェッティングセルがレンズ絞りの異なる側に配置されることが不可欠である。レンズ系の絞りは、結像ビームの直径を制限し、迷放射線または不要な反射からの放射線が結像ビームに導入され、画像コントラストを低下させることを防止するダイヤフラムである。このようなダイヤフラムによってビーム直径がすべての結像ビーム部分で確実に同一となり、画像フィールドで照度および解像度が一定となる。エレクトロウェッティングセル間にレンズ絞りを配置することの効果は、２つの界面が対称的に用いられること、即ち結像ビームによって覆われる第１および第２の界面の中央表面積がほぼ同じ大きさを有することである。従って、セル内に第２の界面を必要としなくなる。

図１５および図１６は、２つの界面のみを有する高性能ズームレンズの第１の実施の形態１１０のワイド構成およびテレ構成における光線追跡図を示している。このレンズは、物側（左）から像側（右）に、固定前部レンズ素子１１２と、第１のエレクトロウェッティングセル１２０と、第２のエレクトロウェッティングセルと、固定後部レンズ素子１１４とを含む固定前部レンズを備えている。第１のエレクトロウェッティングセル１２０は、メニスカス１２４の形態の界面を有し、液体ＡおよびＢを保持する前部プレート１２６および後部壁１２８によって封止されたチャンバ１２２を備えている。第２のエレクトロウェッティングセル１３０は、メニスカス１３４の形態の界面を有し、液体ＡおよびＢを保持する後部プレート１３６および前部壁１３８によって封止されたチャンバ１３２を備えている。ズームレンズの絞り１１６はセル１２０、１３０の間に配置されている。ズームレンズのワイド構成においては、メニスカス１２４は凹形であるため、第１のセル１２０は凹レンズ素子を形成し、メニスカス１３４は凸形であるため、第２のセル１３０は凸レンズ素子を形成する。テレ構成においては、メニスカス１２４は凸形であるため、第１のセル１２０は凸レンズ素子を形成し、メニスカス１３４は凹形であるため、第１のセル１３０は凹レンズ素子を形成する
図１５および図１６のズームレンズの実際の実施の形態は以下のような特徴を示す。

テレ ワイド

焦点距離 ７．０３ｍｍ ３．６１ｍｍ
Ｆナンバー ３．４ ２．６
対角画角 ２８° ５６°

図１７および図１８は、２つのメニスカスのみを有する高性能ズームレンズの第２の実施の形態１４０の、それぞれワイド構成およびテレ構成における光線追跡図を示している。第１のエレクトロウェッティングセル１５０は、今度はズームレンズの前側に配置され、第２のエレクトロウェッティングセルは後側に配置されている。第１および第２のレンズ素子１４２および１４４はセル１５０と１６０との間に配置されている。レンズ絞り１４６は、今度はレンズ素子１４２と１４４との間にある。第１のエレクトロウェッティングセル１５０は、メニスカス１５４の形態の界面を有し、２つの液体ＡおよびＢを保持する前部プレート１５６および後部プレート１５８によって封止されたチャンバ１５２を備えている。第２のエレクトロウェッティングセル１６０は、メニスカス１６４の形態の界面を有し、液体ＡおよびＢを保持する前部プレート１６８および後部プレート１６６によって封止されたチャンバ１６２を備えている。図１７および図１８からすぐに明らかなように、ワイド構成からテレ構成への切替えは、上述のように適切な電圧をセルの電極に供給することでメニスカス１５４および１６４の曲率半径を逆転および適合させることによってこの場合も行われる。

図１７および図１８のズームレンズの実際の実施の形態は以下のような特徴を示す。

テレ ワイド
焦点距離 ８．９８ｍｍ ４．７９ｍｍ
Ｆナンバー ３．５ ２．８
対角画角 ２８° ５６°

そのように望まれる場合には、図１５、図１６のズームレンズおよび図１７、図１８のズームレンズに、１つまたは２つの折り畳みミラーを設けてこれらのレンズの組み込み高さを短くしてもよい。第１の折り畳みミラーは、図１５、図１６の実施の形態においては前部素子１１２と第１のセル１２０との間に配置され、図１７、図１８の実施の形態においては第１のセル１５０と第１の固定レンズ素子１４２との間に配置される。第２の折り畳みミラーは、図１５、図１６の実施の形態においては第２のセル１３０と後部レンズ素子１１４との間に配置され、図１７、図１８の実施の形態においては第２の固定レンズ素子１４４と第２のセル１６０との間に配置される。

より精密なレンズの調整が要求されるズームレンズのいくつかの応用では、モータ等によって制御される可動レンズ群（１つ以上のレンズ素子）をズームレンズに含めてもよい。その場合でも、エレクトロウェッティング装置は上述のズームレンズと同じ利点が得られる。

図１９は、本発明のズームレンズを用いることができる手持ち式装置の一例を示している。この装置は、図１９の正面図に示されている携帯電話１７０である。この携帯電話は、ユーザの声をデータとして入力するマイクロフォン１７２と、通信相手の声を出力するラウドスピーカー１７４と、通信波を送信および受信するアンテナ１７６とを有している。携帯電話はさらに、ユーザがダイアルする電話番号等のデータを入力する入力ダイアル１７８と、ディスプレイ１８０、例えば液晶ディスプレイパネルとを備えている。このパネルを用いて、通信相手またはユーザの写真を表示してもよく、またはデータおよびグラフィックを表示してもよい。入力データおよび受信データを処理するために、携帯電話にはデータ処理ユニット（図示せず）が含まれる。

電話１７０には、相手またはユーザに伝達する風景、グラフィックまたはデータを撮影するための、上述のようなズームレンズを備える小型カメラ１８２が設けられている。このカメラでは、ズームレンズの第１のレンズ素子の入射面１８４のみが見えている。この素子は、それぞれ図４、図７、８、１０、１１、１２、１３および図１５に示されているような前部レンズ素子２４、７２または１１２、または図１７に示されている第１のエレクトロウェッティングセル１５０であってもよい。カメラの他の素子、即ち２つのエレクトロウェッティングセルおよび後部レンズ、または図１７の実施の形態では２つの固定レンズ素子および第２のエレクトロウェッティングセル、およびセンサを、電話の前面に垂直な線に沿って、即ち図１９の図面の平面に垂直な方向に、この方向の電話の寸法が十分に大きければ、配列してもよい。ズームレンズは少なくとも１つの折り畳みミラーを備えることが好ましい。従って、少なくとも２つの前記エレクトロウェッティングセル、または図１７の実施の形態では少なくとも２つの前記レンズ素子は、比較的薄くてもよい電話の前面に平行な線に沿って配置される。

本発明を実施してもよい他の手持ち式装置としては、小型カメラが設けられたパーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）がある。上述のようなズームレンズを有するこのようなカメラを、携帯電話で説明したのと同じ方法でＰＤＡ内に配置してもよい。

図２０は、本発明を実施してもよい携帯装置の一例としてのラップトップコンピュータ（ノートブック）を示している。ラップトップコンピュータ１９０は基部１９２を備え、ここにキーボード１９５およびプロセッサユニットが組み込まれている。基部に対して回転させることができるカバー部１９６は、ディスプレイ１９８および小型カメラ２００を含む。上述のようなズームレンズが設けられたこのようなカメラを、携帯電話で説明したのと同じ方法でラップトップ内に配置してもよい。

本発明を、携帯電話、デジタルパーソナルアシスタント、ポケットコンピュータおよび電子玩具のような手持ち式装置、または携帯装置のカメラにのみならず、他の種類の内蔵カメラに用いてもよい。本発明を、デスクトップコンピュータのカメラ、内部通話装置のカメラ、およびポケットサイズまたは他のサイズのカメラ、例えばデジタルカメラのような非内蔵カメラに用いてもよい。カメラは静止画像（写真）カメラまたはビデオカメラであってもよい。カメラがフィルムを用いても、または電子センサ、例えばＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサを用いても本発明には無関係である。

調節可能なレンズを構成するエレクトロウェッティングセル、および低電圧がその電極に供給される時のセルにおけるメニスカスの曲率を示している。 中間電圧が供給される時のメニスカスの曲率を示している。 高電圧が供給される時のメニスカスの曲率を示している。 ２つの独立制御可能メニスカスを有し、ズームレンズに使用するのに適したエレクトロウェッティングセルを示している。 テレ構成の場合のこのセルを通るビーム光線の曲率および経路を示している。 ワイド構成の場合のこのセルを通るビーム光線の曲率および経路を示している。 それぞれ２つの界面を有する２つのエレクトロウェッティングセルを有するズームレンズ示している。 ワイド構成の場合のこのズームレンズを通るビーム光線のメニスカスの曲率および経路を示している。 テレ構成の場合のこのズームレンズを通るビーム光線のメニスカスの曲率および経路を示している。 前部に折り畳みミラーを有するズームレンズ示している。 後部にも折り畳みミラーを有するこのズームレンズ示している。 後部に一体化された折り畳みミラーおよびレンズ素子を有するズームレンズ示している。 ワイド構成の場合のこのズームレンズを通るビーム光線のメニスカスの曲率および経路を示している。 テレ構成の場合のこのズームレンズを通るビーム光線のメニスカスの曲率および経路を示している。 ワイド構成の１つの界面を持つ２つのエレクトロウェッティングセルを有する高性能ズームレンズの第１の実施の形態を示している。 テレ構成の１つの界面を持つ２つのエレクトロウェッティングセルを有する高性能ズームレンズの第１の実施の形態を示している。 このような高性能ズームレンズの第２の実施の形態を示している。 このような高性能ズームレンズの第２の実施の形態を示している。 本発明によるズームレンズを含むカメラが設けられた携帯電話を示している。 本発明によるズームレンズを含むカメラが設けられたラップトップコンピュータを示している。

Claims (14)

1. 少なくとも第一の固定されたレンズ群、第二の固定されたレンズ群、及び制御可能なレンズ群を有するズームレンズであって、
   前記制御可能なレンズ群は、
   − 非混和性のものであると共に異なる屈折率を有する第一の流体及び第二の流体を含有する流体チャンバーを有すると共に少なくとも二つの第一の流体−第二の流体のメニスカスの界面を有する第一のエレクトロウェッティングセルを具備するエレクトロウェッティングデバイス、並びに、
   − ズーミング及びフォーカシングの機能の両方を提供するために前記少なくとも二つの第一の流体−第二の流体のメニスカスの界面の曲率を独立に変化させるための制御可能な電圧源
   ：を具備する、ズームレンズ。
2. 請求項１に記載のズームレンズであって、
   前記ズームレンズの物体側における前方のレンズ群及び前記ズームレンズの像側における後方のレンズ群を有するズームレンズにおいて、
   前記第一のレンズ群は、前記前方のレンズ群であると共に、
   前記第二のレンズ群は、前記後方のレンズ群であると共に、
   前記エレクトロウェッティングデバイスは、前記第一のレンズ群及び前記第二のレンズ群の間に配置されたものである
   ことを特徴とする、ズームレンズ。
3. 請求項２に記載のズームレンズにおいて、
   前記エレクトロウェッティングデバイスは、さらに、前記第一の流体及び前記第二の流体を含有すると共に少なくとも二つの第一の流体−第二の流体の界面を有する第二のエレクトロウェッティングセルを具備する
   ことを特徴とする、ズームレンズ。
4. 請求項１から３までのいずれか一つに記載のズームレンズにおいて、
   前記ズームレンズは、前記エレクトロウェッティングセル及び前記第一の及び第二のレンズ群の一つの間に配置された少なくとも一つの折りたたみミラーを具備する
   ことを特徴とする、ズームレンズ。
5. 請求項４に記載のズームレンズにおいて、
   前記ズームレンズは、前記ズームレンズの物体側の部分における一方の折りたたみミラー及び前記ズームレンズの像側の部分における他方の折りたたみミラーからなる二つの折りたたみミラーを具備する
   ことを特徴とする、ズームレンズ。
6. 請求項１から３までのいずれか一つに記載のズームレンズにおいて、
   前記流体チャンバーは、円筒形の壁を有する円筒形のチャンバーであると共に、
   流体接触層が前記円筒形の壁の内側に配置されたものであると共に、
   前記第二の流体が、前記円筒形の流体チャンバーの軸に沿って前記第一の流体から変位させられたものであると共に、前記第一の及び第二の流体がそれぞれの第一の及び第二のメニスカスの界面にわたって接触の状態にあるように、前記第一の流体のいずれかの側に有るものであると共に、
   前記エレクトロウェッティングセルは、さらに、
   − 前記流体接触層によって前記第一の流体及び前記第二の流体から分離された第一の電極、並びに、
   − 前記第二の流体に作用する第二の電極、
   前記第二の流体が、前記第一の及び第二のメニスカスの界面の形状が上記の電圧に依存性をもって変動するように、前記第一の電極及び前記第二の電極の間における電圧の印加の下で変動する前記流体接触層に対する湿潤性を有すること
   ：を具備すると共に、
   前記流体接触層に対する前記第二の流体の湿潤性は、電圧が前記第一の及び第二の電極の間に印加されないとき、前記接触層との前記第一の及び第二のメニスカスの界面の交差の両方の側において等しいものである
   ことを特徴とする、ズームレンズ。
7. 請求項６に記載のズームレンズにおいて、
   前記ズームレンズの物体側における前方のレンズ群及び前記ズームレンズの像側における後方のレンズ群を有すると共に、
   前記第一のレンズ群が、前記前方のレンズ群であると共に、
   前記第二のレンズ群が、前記後方のレンズ群であると共に、
   前記エレクトロウェッティングデバイスが、前記第一のレンズ群及び前記第二のレンズ群の間に配置されたものである、ズームレンズにおいて、
   折りたたみミラーは、前記前方のレンズ群及び前記エレクトロウェッティングセルの間に配置されたものである
   ことを特徴とする、ズームレンズ。
8. 請求項６又は７に記載のズームレンズにおいて、
   前記ズームレンズの物体側における前方のレンズ群及び前記ズームレンズの像側における後方のレンズ群を有すると共に、
   前記第一のレンズ群が、前記前方のレンズ群であると共に、
   前記第二のレンズ群が、前記後方のレンズ群であると共に、
   前記エレクトロウェッティングデバイスが、前記第一のレンズ群及び前記第二のレンズ群の間に配置されたものである、ズームレンズにおいて、
   折りたたみミラーは、前記エレクトロウェッティングセル及び前記後方のレンズ群の間に配置されたものである
   ことを特徴とする、ズームレンズ。
9. 請求項６に記載のズームレンズにおいて、
   前記流体チャンバーは、前記ズームレンズを通過するビームに対してある角度で配置されたものである流体チャンバーの壁の反射性の部分によって形成された少なくとも一つの折りたたみミラーを具備すると共に、そのミラーは、９０°の角度で入射の放射を反射させる
   ことを特徴とする、ズームレンズ。
10. 請求項９に記載のズームレンズにおいて、
    前記流体チャンバーは、前記ズームレンズの物体側の部分における一方の折りたたみミラー及び前記ズームレンズの像側の部分における他方の折りたたみミラーからなる二つの折りたたみミラーを具備する
    ことを特徴とする、ズームレンズ。
11. 請求項１から１０までのいずれか一つに記載のズームレンズにおいて、
    前記第一の流体は、絶縁性の液体を具備すると共に、
    前記第二の流体は、導電性の液体を具備する
    ことを特徴とする、ズームレンズ。
12. 請求項１から１０までのいずれか一つに記載のズームレンズにおいて、
    前記第一の流体は、蒸気を具備すると共に、
    前記第二の流体は、導電性の液体を具備する
    ことを特徴とする、ズームレンズ。
13. 請求項１から１０までのいずれか一つに記載のズームレンズを具備するカメラ。
14. 入力手段、情報を処理する手段、及び表示手段を具備する、ハンドヘルドの装置において、
    請求項１３に記載のカメラは、含まれたものである、ハンドヘルドの装置。

Images