(57)【要約】  エレクトロウエッティングレンズ(104,204)を有する小型でかつ実質的に無収差の光学レンズ系(100,200)が提供される。光学レンズ系はエレクトロウエッティングレンズを使用し、系内では、流体(112,212,113,213)の1つと接触している入射窓又(117,217)は射出窓(219)の少なくともいずれか1つが曲率を有する。その面の曲率の符号が電圧を印加していないときのメニスカスレンズの曲率の符号に等しいとき、レンズ系の高さを小さくすることができる。光学素子(104,204)は集光又はズーム素子として機能するのみならず、光学レンズ系(100,200)における他の素子の収差を減少させる機能をも有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1レンズ群、第2レンズ群及び絞りを有し、
前記レンズ群のうちの少なくとも1つは光学素子を有し、
前記光学素子はチャンバを有し、
前記チャンバは入射窓、射出窓及び前記チャンバを介して長手方向へ延びる光軸を有し、
前記チャンバは、前記流体はメニスカス上で接触し、前記光軸を横切る方向に延びる第1流体及び第2流体を有し、前記流体は実質的に混じり合わず、
前記の入射窓又は射出窓のうちの少なくとも1つは、前記の第1流体及び第2流体のうちの1つと接触する面を有し、前記面は曲率を有する、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項２】
前記チャンバはさらに印加電圧によって前記メニスカスの形状を変化させるための前記電圧印加用電極を有し、前記の第1流体及び第2流体のうちの1つと接触する前記射出窓表面の曲率は電圧を印加しないときの前記メニスカスの曲率と同一の符号を有する、
ことを特徴とする、請求項1に記載の光学レンズ系。
【請求項３】
前記チャンバはさらに電圧印加用の電極を有し、前記印加電圧に依存して前記メニスカスの形状は変化し、前記の第1流体及び第2流体のうちの1つと接触する前記射出窓表面の曲率は電圧を印加しないときの前記メニスカスの曲率と同一の符号を有する、
ことを特徴とする、請求項1に記載の光学レンズ系。
【請求項４】
流体と接触する曲率を有する面を有する前記窓のうちの少なくとも1つは、前記接触流体とは実質的に異なるアッベ数を有する材料から構成されることを特徴とする、請求項1に記載の光学レンズ系。
【請求項５】
物体空間及び像空間を有する請求項1又は2に記載の光学レンズ系であって、
前記第1レンズ群は前記物体空間側に設置され、前記第1レンズ群は前記チャンバを有し、
前記第2レンズ群は前記像空間側に設置され、及び、
前記絞りは前記第1レンズ群及び前記第2レンズ群との間に設置されている、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項６】
前記絞りは前記像空間側の前記第1レンズ群に取り付けられていることを特徴とする、請求項3に記載の光学レンズ系。
【請求項７】
物体空間及び像空間を有する請求項1又は2に記載の光学レンズ系であって、
前記第1レンズ群は前記物体空間側に設置され、前記第1レンズ群は前記チャンバを有し、
前記第2レンズ群は前記像空間側に設置され、及び、
前記絞りは前記第1レンズ群に統合されている、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項８】
上記請求項のいずれか1つに記載の光学レンズ系を有する光学装置。
【請求項９】
上記請求項のいずれか1つに記載の光学レンズ系を有する携帯電話。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はメニスカスレンズ上で接触する第1流体及び第2流体を有する可変レンズを使用する光学レンズ系、そのような光学レンズ系を含む結像系並びに、そのような可変レンズ系及び光学結像系の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
可変レンズは、レンズの1つ以上の特性を制御して調節できる、たとえばレンズの焦点距離又は位置が変更可能なような素子である。光学レンズ系は物体をイメージセンサに結像するのに使用される。この光学レンズ系は可変レンズを有して良い。
【０００３】
カメラ部品のイメージセンサ開発の一般的な傾向は、センサの画素が一定の割合で増大していることである。10万画素範囲のCIFイメージセンサ又は30万画素のイメージセンサのような低解像度センサから始まり、現在では高解像度メガピクセルのイメージセンサが市販されている。これらの高解像度は、全物体距離（たとえば10cmから無限遠方まで）にわたり、高解像度での使用を可能にする光学レンズ系の集光機能が要求されるだけではなく、収差に関わる問題のような他の光学的性質での要求を満たすような、少なくとも2つの非球面レンズを有するレンズ系が要求される。たとえば携帯電話のカメラのような携帯機器での応用では、カメラモジュールの高さを、携帯機器において要求されるフォームファクタに適合するようにすることが重要である。
【０００４】
特許文献1では、可変レンズとして、曲率を有するレンズに囲まれたエレクトロウエッティングレンズを有するカメラモジュールについて開示されている。印加電圧はエレクトロウエッティングレンズの流体間のメニスカスの形状、従ってエレクトロウエッティングレンズの光パワーを制御する。結像系においてそのようなウエッティングレンズを使用する結果、可変メニスカス半径は集光要件を満足することが可能となり、従って像のデフォーカスを除去することが可能となる。エレクトロウエッティングレンズのメニスカスが実質的に球面のため、コマ収差、歪曲収差及び球面収差のような光学収差の除去に大きくは貢献しない。
【０００５】
光学面の数が限られているため、既知のエレクトロウエッティングレンズの倍率、照射領域の平坦化及び収差減少には限界がある。その結果、モジュールはCIF及びVGAのような低解像度カメラでしか使えない。50万画素範囲の(S)VGAイメージセンサ、100万画素範囲のXGAイメージセンサ及びメガピクセル装置のような高解像度カメラでは、これは十分とは言えない。
【０００６】
アパーチャ絞りもゴースト絞りも、従来技術のカメラモジュールの第1非球面レンズ前方に設置されている。この設置位置のため、レンズ系に入射する迷光がレンズ系の円柱壁から反射されることでイメージセンサへ向かう恐れがある。その結果ゴーストが発生してしまう。
【０００７】
特許文献2では、カメラレンズの積層構造について開示されている。この積層構造はエレクトロウエッティングレンズ、エレクトロウエッティングレンズの前後にそれぞれ別のレンズ群を含み、かつ平坦な入射口及び射出窓を有するものである。集光は第1レンズ群の移動を介して実行される。エレクトロウエッティングレンズはズーム機能を有する。絞りはエレクトロウエッティングレンズ前方に設けられ、イメージセンサへ向かう光の量を制御する。
【０００８】
特許文献2で説明されているエレクトロウエッティングレンズはカメラのズーム動作のみに寄与し、他の光学的特性の改善には寄与しない。その結果そのような設計では、そのレンズの積層構造を利用できる空間は効率よく利用されず、不必要にモジュールの性能を限定してしまう。
【０００９】
レンズ系の高さを低くするため、電圧が印加されないときに実質的に平坦なメニスカスを有するエレクトロウエッティングレンズを使用することが特許文献2において提案されている。この平坦なメニスカスはレンズ系の高さを低くする。
【００１０】
上述の開示は適用されたエレクトロウエッティングレンズの集光又はズームのような単一の態様についてのみ説明している。これらは携帯カメラモジュールに応用するような小型で高解像度の結像系には十分とは言えない。
【００１１】
上述の開示は、結像レンズ系の良好な色補正を実現するのに必要な無収差化の問題については全く解決策を与えていない。たとえば、従来のレンズ系では、接合型2枚レンズ又は通常の屈折レンズと回折レンズとを組み合わせることで無収差が実現される。接合型2枚レンズでは通常、レンズを形成する2つの光学素子は実質的に等しい屈折率及び異なるアッベ数を有する。無収差化を実現するには、2つの素子の光パワーK1、光パワーK2、アッベ数V1及びアッベ数V2は、以下の条件を満足するように選ばれる。
【００１２】
【数１】
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屈折レンズの収差をなくす別の方法は、回折構造を加えることである。
【００１３】
無収差レンズ系を与える上述の方法は両方ともエレクトロウエッティングレンズには適用できない。なぜなら上述の方法は光パワーが一定のレンズに適用されているのに対し、エレクトロウエッティングレンズでは、光パワーは2つの流体間に位置するメニスカスの半径に対して変化し、当該半径は印加電圧に依存するからである。
【特許文献１】国際公開第03/069380号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第2001/017985号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、小さなウエッティングレンズを使用し、レンズ系の高さを低くし、かつ、高解像度の結像系に適する可変レンズ系の提供である。
【００１５】
さらに、実質的に無収差特性を有する可変集光レンズ系の提供も本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の目的は少なくとも第1レンズ群、第2レンズ群及び絞りを有する光学レンズ系によって実現される。当該レンズ群のうちの少なくとも1つはチャンバを有する光学素子を有し、当該チャンバは入射窓、射出窓及び当該チャンバを介して長手方向へ延びる光軸を有し、当該チャンバは第1流体及び第2流体を含み、当該2つの流体はメニスカス上で接触し、光軸を横切る方向に延び、当該流体は実質的に混じり合わず、かつ、流体と接触する入射窓面及び射出窓面のうちの少なくとも1つは曲率を有する。
【００１７】
そのような光学素子はまたエレクトロウエッティングレンズと呼ばれる。この光学素子は、印加電圧によってメニスカスの形状を変化させるための電極を有する。流体と接触している入射窓面又は射出窓面は電圧を印加しないときのメニスカスの曲率と同じ符号（湾曲の向きが同一）を有して良い。その場合、顕著なレンズ系の高さの減少が実現可能となる。レンズ系の高さ減少を実現するこの方法はまた、当該光学素子が光パワーを有する唯一の素子であるような光学レンズ系にも適用可能である。レンズ系の高さを減少させるのに曲率を利用することとは独立して、窓の曲率はまた、光学素子の収差又は全光学レンズ系の収差さえも補正可能である。
【００１８】
入射窓又は射出窓のうちの少なくとも1つの曲面を使用するとき、光学素子の表面は全体の光学設計に影響を与えることができる。光学レンズ系の光学特性を最適化する、光学設計における新たな自由度として窓の曲率を利用することは可能である。このことは、光学レンズ系において、窓の曲率を調節することで他の素子の収差を補正又は減少することが可能であることを意味する。最適化の結果、歪曲又は球面収差のような光学エラーを実質的に減少させることが可能である。それはまた、全光学系の光学素子の数を減らすことで、求められる系全体の光学的性質を実現する。
【００１９】
光学素子は光パワーを有する複数のレンズを有することができる光学レンズ系で使用可能である。本発明の目的は、光学素子を集光又はズーム素子として機能させるだけではなく、光学レンズ系における他の光学素子の収差を減少させる素子としても機能させることである。
【００２０】
本発明の特殊な実施例は物体空間及び像空間を有する光学レンズ系を提供する。この系では、チャンバを有する光学素子を有する第1レンズ群は物体空間側に設けられ、第2レンズ群は像空間側に設けられ、及び、絞りは第1レンズ群と第2レンズ群との間に設けられている。
【００２１】
第1レンズ群におけるエレクトロウエッティングレンズの位置を上記のようにすることで、エレクトロウエッティングレンズの半径を小さくすることができ、そして、レンズ系の高さを低くして焦点範囲を長くすることができるようになる。印加電圧がゼロで、メニスカスの曲率半径の符号が流体と接触しているレンズ表面の曲率半径の符号と同一の場合、レンズ系の高さはさらに低くすることが可能である。低くなったレンズ系の高さはたとえば携帯電話のカメラへの応用に適する。
【００２２】
好適には、第1レンズ群で小さなエレクトロウエッティングレンズを使用する場合、絞りはエレクトウエッティングレンズの射出窓後ろの近いところに設置する又はエレクトウエッティングレンズの射出窓に近づけて統合すべきである。この絞りは第1レンズ群の意図しない反射を遮断する事が可能である。この意図しない反射光が意図したものとは別な光路でイメージセンサに到達することで、ゴースト像を生成してしまう恐れがある。
【００２３】
像を保存するのに、イメージセンサの代わりに他の感光性素子を全体の系に使用することも可能である。そのような感光性素子の例は写真用フィルムである。
【００２４】
メガピクセルイメージセンサのような一般に使用されているイメージセンサが埋め込み敏感領域を有するので、結像ビームの許容角は20°から25°に制限される。これは、光学レンズ系の設計では、光学レンズ系の光軸とイメージセンサへ向かう主光線とのなす最大角がこの許容角よりも小さいことが好ましいということを意味している。視野領域平坦化レンズはエレクトロウエッティングレンズとイメージセンサとの間に配置することで焦点面を平坦にするのみならず主光線角を減少させることが可能である。
【００２５】
光学結像系によって生成される像の大きさとイメージセンサとの大きさとを合わせるのに、拡大レンズをエレクトロウエッティングレンズと主光線減少角レンズとの間に配置することが可能である。
【００２６】
別な実施例では、流体と接触し、曲率を有する面を有する窓のうちの少なくとも1つの材料のアッベ数は実質的に接触している流体のアッベ数とは異なる。
【００２７】
無収差化は光学系における光パワーの分散を減少させることである。光パワーの分散は光学素子を構成する材料の屈折率nが光の波長に依存することで生じる。アッベ数Vのこの波長依存は以下のように表すことができる。
【００２８】
【数２】
2007519973.tif 000004
ここでn(λi)は波長λiでの屈折率を表す。λd=587.6nm、λF=486.1nm及びλC=656.3nmである。良好な光学的性質を得るため、分散は十分に補正されなくてはならない。色補正において、従来のレンズ系はヘーズの影響を受けやすい回折格子構造又は、コストのかかる二重構成部品を採用している。流体ベースの可変レンズは無収差の実現が可能なレンズ系を構成することが可能である。たとえば、流体間の界面を無収差にするには、流体’i’及び流体’j’の屈折率nとアッベ数Vは次の関係式に従わなくてはならない。
【００２９】
【数３】
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曲率を有する面を有する窓の材料のアッベ数とこの面に接触する流体のアッベ数とが等しいとき、にこの界面を使用することで光学素子又は全光学レンズ系の無収差化を実現するのは不可能である。従って、曲率を有する表面を有すること、及びアッベ数がこれらの面と接触する流体のアッベ数と実質的に異なることで、光学レンズ系を実質的に無収差化するための全体設計において、これらの光学的特性を利用することが可能となる。
【実施例】
【００３０】
図1は本発明の第1実施例に従った光学レンズ系を概略的に図示している。光学レンズ系(100)は2つのレンズ群101及び102、そして第1レンズ群前方に設けられている絞り103を有する。第1レンズ群101は可変レンズとしてエレクトロウエッティングレンズ104を有し、それは可変集光レンズとして機能する。図1で図示された例では、第1レンズ群はまた、光学レンズ系の倍率を決定して、像のサイズと光学レンズ系の後方にあるイメージセンサ105のサイズとを合わせる。第2レンズ群102は視野領域平坦化レンズ106を有する。平坦化レンズ106は視野角で物体空間へ入射する光線の焦点面を平坦化する。イメージセンサ105は透明被覆層107で被覆されている。ここでは上面平行板である。
【００３１】
エレクトロウエッティングレンズはチャンバ108を有し、当該チャンバは入射窓、射出窓及び当該チャンバを介して長手方向へ延びる光軸を有する。当該チャンバは第1流体112及び第2流体113を含み、当該2つの流体はメニスカス114上で接触し、光軸を横切る方向に延びている。光学レンズ系の他のレンズと同様に、窓はガラス、プラスチック又は他の適切な材料から作製可能である。チャンバは如何なる形状たとえば円柱状、円錐状又はチャンバの全長にわたって変化するような形状を取って良い。
【００３２】
絞り103は光線及びイメージセンサ105にゴーストを発生させる迷光の量を減少させる。
【００３３】
使用される2の流体112及び113は実質的に混じり合わない。第1流体112はたとえば塩溶液を含む水のような導電性流体で、第2流体113はたとえばシリコーンオイル又はアルケンのような絶縁性流体である。なお、本明細書ではシリコーンオイル又はアルケンのような絶縁性流体を以降オイルと呼ぶ。レンズがその配向と独立に動作するように、つまり流体への重力の効果による依存性がないように、2の流体の密度は等しいことが好ましい。
【００３４】
チャンバ内の第1電極115は典型的には半径1mmから20mmの円柱だが、形状及びチャンバの幾何学的構造に応じて異なる半径又は形状を有して良い。第2の、大抵は溝状の電極116はチャンバの終端部に配置されていて、この場合は入射窓近くに設置されている。この第2電極116は第1流体112と直接的に接触している。
【００３５】
電極115及び電極116に電圧が印加されないとき、流体は曲率を有するメニスカス114で接触する。電極に電圧を印加することで、メニスカスはより小さな又はより大きな曲率半径を有するように変化させることが可能である。さらに、チャンバの構成及び電極の配置に依存して、複数の異なる形状を有するメニスカスが実現可能である。
【００３６】
一般には、使用オイルの選択に依存して、オイルの屈折率は1.25から1.6の間で変化することが可能である。同様に、加えられた塩の種類及び量に依存して、塩溶液は1.32から1.5の間で変化する屈折率を有して良い。本実施例の流体は、第1流体の屈折率が第2流体のそれよりも小さくなるように選ばれている。
【００３７】
レンズ系の高さを小さくするのに、第1流体と接触する入射窓面117は、電極115及び電極116に電圧を印加していない状況でのメニスカス114の曲率の符号と一致する曲率を有するのが好ましい。
【００３８】
図2Aはエレクトロウエッティングレンズ301Aの概略図である。レンズはメニスカス314で接触する2つの流体312及び313、2つの平坦窓（309A及び310）及び、光軸311上に外的に整列するレンズ309Bを有する。メニスカス314の曲率はエレクトロウエッティングレンズに面するレンズ309Bの面の曲率と同じ符号を有する。
【００３９】
レンズ309Bがエレクトロウエッティングレンズ301Aに統合されるとき、レンズは窓としても機能し、図2Bで概略的に図示されているようなエレクトロウエッティングレンズ301Bが得られる。図は、エレクトロウエッティングレンズ301Bの光軸311に沿った長さが、図2Aで図示されているような組み合わせたレンズ系の長さよりも短いことを示している。
【００４０】
全光学レンズ系の光学的特性を改善するため、図1の表面117はまた、収差を補正する特性をも有して良い。たとえば、面は非球面形状を有する曲面を有することでエレクトロウエッティングレンズにおける実質的に非球面メニスカスによって導入される非球面収差を補正して良い。表面117の形状はまた、全光学レンズ系100の全体の収差レベルを最適化するのにも使用可能である。
【００４１】
本発明の第2実施例では、流体-窓界面109の最適表面曲率と組み合わせたうえで、接触流体112の物質及び入射窓の材料を適切に選択することで、エレクトロウエッティングレンズは実質的に無収差で作製可能である。材料（物質）の選択は屈折率及びアッベ数のようなパラメータに従って良い。
【００４２】
最適なレンズ材料及び流体を選択するのに十分な自由度を有することを可能にするには、屈折率の値が広範囲にわたることを許容する必要がある。これによって、たとえば窓に使用される材料及び接触流体の屈折率の実質的差異を生じさせることが可能となる。屈折率におけるそのような差異を認めることでまた、実質的に無収差化されたエレクトロウエッティングレンズを最適化するのに窓のアッベ数と流体のアッベ数とが実質的に異なることをも必要となる。窓材料、流体物質及び曲率の選択はまた、全光学レンズ系を実質的に無収差化するように最適化することが可能である。
【００４３】
図1に図示されている上述の実施例に従った設計例は60°の視野角、1.4mmの入射瞳及び5.2mmの高さを有し、5μm角の画素サイズを有するVGAタイプのイメージセンサと組み合わせて使用されるF値が2.5、f=3.47mmのオートフォーカスカメラレンズである。この例の設計は物体と向き合うプラスチックの非球面レンズ118からなる。絞り103はこのプラスチック製非球面レンズの物体空間側に設けられている。プラスチック製非球面レンズに続き、切頭ガラス球（たとえばn=1.53及びV=53.8のショット製LAK8（商標））から構成される入射窓109によって密閉されたエレクトロウエッティングレンズ104、さらに続いて塩溶液による第1流体（n=1.37及びV=38.0）そして第2流体オイル（n=1.53及びV=29.0）と続く。最終的に、セルはたとえば射出窓110としてのB270（商標）ガラス材料から構成される平坦ガラス板で密閉される。エレクトロウエッティングレンズは別なプラスチックレンズそして視野領域平坦化レンズ106と続く。センサのカバー107もまた、光学特性に対して考慮されなくてはならない。この例では、n=1.52及びV=64.2のガラス板が使用されている。
【００４４】
図3は上述の設計及び第1実施例に従った光学レンズ系の波面収差を図示している。3の波長490nm,560nm及び625nmでの、規格化された入射瞳座標Px及びPyに対する波面収差W[μm]の変化がプロットされている。図3aでは視野角0°でのプロットあり、図3bでは視野角30°でのプロットである。両方の図の縦軸の最大スケールは20[μm]である。これらのグラフはそれぞれ異なる波長での収差の差異は実質的に無収差化した光学レンズ系を有していると見なせるほど十分小さいということを示している。
【００４５】
たとえ第1実施例及び第2実施例が第1流体と接触する曲率を有する面を有する入射窓を使用するとしても、第2流体と接触する射出窓面もまた曲率を有して良い。また、エレクトロウエッティングレンズ又は全光学レンズ系の収差（歪曲収差、球面収差、色収差のような）の減少に寄与するように、形状同様、光学特性に関連させた射出窓材料の選択も最適化可能である。
【００４６】
図4は本発明の第3実施例に従った光学レンズ系を概略的に図示している。この実施例では、入射窓及び射出窓両方の曲率の選択と流体物質及び窓材料（たとえば屈折率及びアッベ数の選択）の選択との組み合わせは、エレクトロウエッティングレンズ又は全光学系によってさえ導入される収差を実質的に減少させるのに使用される。光学レンズ系200は2のレンズ群201及び202、及び第1レンズ群と第2レンズ群との間に設けられている絞り203を有する。第1レンズ群201は可変レンズとしてエレクトロウエッティングレンズ204を有し、可変集光レンズとして機能する。第2レンズ群202は、レンズ220を使用することで倍率を決定して、像のサイズと光学レンズ系の後方にあるイメージセンサ205のサイズとを合わせる。また、第2レンズ群は視野領域平坦化レンズ206の手段により主光線角を減少させる。イメージセンサ205は透明被覆層207たとえば面平行板によって被覆される。
【００４７】
エレクトロウエッティングレンズ204はチャンバ208を有し、当該チャンバは入射窓209、射出窓210及び当該チャンバを介して長手方向へ延びる光軸221を有する。当該チャンバは第1流体213及び第2流体212を含み、当該2つの流体はメニスカス214上で接触し、光軸を横切る方向に延びている。第1流体213と接触する入射窓面217の曲率半径は第1流体と第2流体との間に設けられているメニスカス214の曲率半径と同一の符号を有する。また、第2流体212と接触する射出窓面219の曲率半径も第1流体と第2流体との間に設けられているメニスカス214の曲率半径と同一の符号を有する。このことにより、レンズ系の高さは減少する。レンズ同様に窓はガラス、プラスチック又は他の適切な材料から作製可能である。
【００４８】
エレクトロウエッティングレンズの直径を制限するため、エレクトロウエッティングレンズ204は第1レンズ群201内でかつ拡大レンズ220前方に設置されている。なぜなら、光線が拡大レンズ220を通過した後、ビーム直径はイメージセンサへ向かう過程で急激に増大するからである。エレクトロウエッティングレンズ直径の制限はまたコスト、焦点範囲、スイッチング速度及びレンズ系の高さの点で有利である。
【００４９】
たとえばエレクトロウエッティングレンズでの意図しない反射に起因するゴースト像を減少させるため、絞り203は第2レンズ群の前に設置されている。絞りは射出窓近くのエレクトロウエッティングレンズに近接する、若しくは取り付けられている、又は射出窓近くのウエッティングレンズに統合されるのが好ましい。
【００５０】
図4に図示されている第3実施例に従った設計例は66°の視野角、1.42mmの入射瞳及び6.2mmの高さを有し、メガピクセルタイプのイメージセンサと組み合わせて使用されるF値が2.8、f=3.97mmのオートフォーカスカメラレンズである。全てのレンズ(209,210,220,206)は、像の光学的品質を最適化する非球面レンズである。メニスカス214は実質的に球面である。エレクトロウエッティングレンズ204の流体212を囲む2のプラスチックレンズ209及び210のアッベ数は55.8であり、屈折率は波長560nmで約1.532である。第2の非導電性流体213のアッベ数は28であり、波長560nmでの屈折率は1.552である一方、導電性流体212は塩水を有し、アッベ数は38及び波長560nmでの屈折率は1.376である。なお第2の非導電性流体213はシリコーンオイルを有する。レンズの半径を適切に選択することで、光学系は実質的に無収差化可能である。
【００５１】
図5は上述の設計及び第3実施例に従った光学レンズ系の波面収差を図示している。3の波長490nm,560nm及び625nmでの、規格化された入射瞳座標Px及びPyに対する波面収差W[μm]の変化がプロットされている。図5aでは視野角0°でのプロットあり、図5bでは視野角33°でのプロットである。両方の図の縦軸の最大スケールは50[μm]である。これらのグラフはそれぞれ異なる波長で、収差は同じような傾向を有すること、そして、異なる波長間における収差の差異は実質的に無収差化した光学レンズ系を有していると見なせるほど十分小さいということを示している。
【００５２】
図6は上述の設計に従った光学レンズ系の多色光学伝達関数の、3の有意な波長490nm、560nm及び625nmでの平均値を1mmあたりの線の数の関数として図示している。そして、フィールドの数はPx方向Py方向双方とも約33°までの角度変化で決定する。図6は2つのグループである、線601及び線602を示している。線601のグループは、角度20°,29°及び33°のPy方向の多色光学伝達関数である。線602のグループは、角度0°及び10°のPy方向であり、角度0°,10°,20°,29°及び33°のPx方向の多色光学伝達関数である。図は75線/mmまでであれば、上述の設計での変調はたとえば携帯電話のカメラで使用されるようなメガピクセル画像化応用に十分であることを示している。
【００５３】
第3実施例に従った例では、歪曲収差及び球面収差のような収差及びレンズ系の高さを減少させるのに入射窓及び射出窓の両方の全ての面はゼロではない曲率半径を有する。全系の要求に依存して、入射窓又は射出窓の単一面のみで十分低い収差レベル及び十分に低い色収差に到達するような曲率半径を有することも可能である。
【００５４】
図1及び図4に関連して説明される実施例は第1レンズ群101に配置されているエレクトロウエッティングレンズ104を有する。しかし、エレクトロウエッティングレンズはまた、第2レンズ群102にも設置可能である。
【００５５】
図7Aは本発明の実施例に従った光学レンズ系400を有する可変焦点像キャプチャ装置421を図示している。集光信号のような測定信号はイメージセンサを使用するカメラで一般的となっている技術を使用することでイメージセンサ405から導き出すことが可能である。測定信号は電圧駆動装置422の入力信号として使用可能である。電圧駆動装置の出力は、光学系400内でエレクトロウエッティングレンズ404の電極415及び電極416と接続することでメニスカス414の形状を制御する。図7Bは携帯電話423の例に組み込まれた可変焦点像キャプチャ装置421を使用した応用例を図示している。他の組み込みによる設置もまた可能である。
【００５６】
光学素子はカメラ用の光学レンズ系及び結像系での使用に非常に適している。これらのカメラ応用はたとえばハンドヘルドカメラでの動画若しくは静止画、又は携帯電話のカメラでの動画若しくは静止画であって良い。特にカメラ応用を有する携帯電話では、小型サイズ、高画質、低エネルギー消費及び壊れにくい装置の必要性が高まっている。たとえば集光又はズームでの機械的可動部分をなくせば本発明に従った光学装置は壊れにくくなる。本発明に従った光学装置を使用する光学レンズ系及び結像系はこれらの要求を満足することが可能である。
【００５７】
たとえ上述の実施例が携帯電話のような小さな携帯カメラシステムに適した光学レンズ系に関するとしても、本発明はまた、たとえば顕微鏡や光学記録応用といった他の光学系におけるレンズ系の高さ及び収差を減少することも可能である。
【００５８】
本発明に従った光学素子はたとえば、光学記録応用における小さなサイズの球面収差補正素子に使用可能である。その応用では光学素子は光源と対物レンズとの間に設置することが可能である。対物レンズと組み合わせることで、光学素子の光パワー変化によって対物レンズへ向けて通過する光ビームに球面収差が導入されるかもしれない。この球面収差の導入は、基板の厚さ変化によって光学系に生じる、又は多層記録媒体の複数の層を読み込む若しくは記録するときに生じる球面収差の補償に使用することが可能である。
【００５９】
可変レンズ素子に関する上述の説明では、メニスカスの形状を変化させるエレクトロウエッティングの原理が用いられている。もちろん、両方の流体間にあるメニスカスの形状を変化させる他の方法は本発明の範囲内で考えられる。たとえば、ポンプに、制御してメニスカスの形状及び位置を変化させるように配備された円錐状の電極を組み合わせる手段によることがありうる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第1実施例に従った光学レンズ系を概略的に図示している。
【図２Ａ】本発明の第1実施例の効果を図示している。
【図２Ｂ】本発明の第1実施例の効果を図示している。
【図３Ａ】本発明の第1実施例及び第2実施例に従った光学レンズ系の設計の波面収差を図示している（視野角0°）。
【図３Ｂ】本発明の第1実施例及び第2実施例に従った光学レンズ系の設計の波面収差を図示している（視野角30°）。
【図４】本発明の第3実施例に従った光学レンズ系を概略的に図示している。
【図５Ａ】本発明の第3実施例に従った光学レンズ系の設計の波面収差を概略的に図示している（視野角0°）。
【図５Ｂ】本発明の第3実施例に従った光学レンズ系の設計の波面収差を概略的に図示している（視野角33°）。
【図６】第3実施例に従った光学レンズ系設計における、それぞれ異なる波長の光学的伝達関数の絶対値を図示している。
【図７Ａ】本発明の実施例に従った光学レンズ系を含む可変焦点像キャプチャ装置を図示している。
【図７Ｂ】本発明の実施例に従った光学レンズ系を含む可変焦点像キャプチャ装置を図示している。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
2007519973.tif 000009
【図３Ｂ】
2007519973.tif 000010
【図４】
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【図５Ａ】
2007519973.tif 000012
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年8月31日(2006.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1レンズ群、第2レンズ群及び絞りを有し、
前記レンズ群のうちの少なくとも1つは光学素子を有し、
前記光学素子はチャンバを有し、
前記チャンバは入射窓、射出窓及び前記チャンバを介して長手方向へ延びる光軸を有し、
前記チャンバは、前記流体はメニスカス上で接触し、前記光軸を横切る方向に延びる第1流体及び第2流体を有し、前記流体は実質的に混じり合わず、
前記チャンバはさらに印加電圧によって前記メニスカスの形状を変化させるための前記電圧印加用電極を有し、
前記の入射窓又は射出窓のうちの少なくとも1つは、前記の第1流体及び第2流体のうちの1つと接触する面を有し、前記面は曲率を有し、
前記曲率は電圧を印加しないときの前記のメニスカス曲率と同一の符号を有する、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項２】
流体と接触する曲率を有する面を有する前記窓のうちの少なくとも1つは、前記接触流体とは実質的に異なるアッベ数を有する材料から構成されることを特徴とする、請求項1に記載の光学レンズ系。
【請求項３】
物体空間及び像空間を有する請求項1又は2に記載の光学レンズ系であって、
前記第1レンズ群は前記物体空間側に設置され、前記第1レンズ群は前記チャンバを有し、
前記第2レンズ群は前記像空間側に設置され、及び、
前記絞りは前記第1レンズ群及び前記第2レンズ群との間に設置されている、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項４】
前記絞りは前記像空間側の前記第1レンズ群に取り付けられていることを特徴とする、請求項3に記載の光学レンズ系。
【請求項５】
物体空間及び像空間を有する請求項1又は2に記載の光学レンズ系であって、
前記第1レンズ群は前記物体空間側に設置され、前記第1レンズ群は前記チャンバを有し、
前記第2レンズ群は前記像空間側に設置され、及び、
前記絞りは前記第1レンズ群に統合されている、
ことを特徴とする光学レンズ系。
【請求項６】
上記請求項のいずれか1つに記載の光学レンズ系を有する光学装置。
【請求項７】
上記請求項のいずれか1つに記載の光学レンズ系を有する携帯電話。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
エレクトロウエッティングレンズ204はチャンバ208を有し、当該チャンバは入射窓209、射出窓210及び当該チャンバを介して長手方向へ延びる光軸221を有する。当該チャンバは第1流体212及び第2流体213を含み、当該2つの流体はメニスカス214上で接触し、光軸を横切る方向に延びている。第1流体212と接触する入射窓面217の曲率半径は第1流体と第2流体との間に設けられているメニスカス214の曲率半径と同一の符号を有する。また、第2流体213と接触する射出窓面219の曲率半径も第1流体と第2流体との間に設けられているメニスカス214の曲率半径と同一の符号を有する。このことにより、レンズ系の高さは減少する。レンズ同様に窓はガラス、プラスチック又は他の適切な材料から作製可能である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2007519973.tif 000017
【国際調査報告】
2007519973.tif 000018
2007519973.tif 000019
2007519973.tif 000020