(57)【要約】  放射ビームに対して連続的に可変の焦点を提供すべく配置される第１レンズを具えているレンズシステムを有するズーム光学系を提供する。前記レンズシステムはさらに第１の流体、第２の流体、前記放射ビームを通過させるように配置した部分を有する波面修正器も具えている。前記切替可能な光学素子は第１モードでは第１流体形状を有し、この第１流体形状では前記部分が第１の流体でほぼ覆われ、第２モードでは、前記切替可能な光学素子は第２の異なる流体形状を有し、この第２流体形状では、前記部分が第２の流体でほぼ覆われる。
2007518129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射ビームに対して可変ズーム設定を与えるべく配置され、第１モードと第２モードを有する切替可能な光学素子からなる、レンズシステムを具えているズーム光学系において、
前記切替可能な光学素子が第１の流体と、第２の流体と、前記放射ビームを通過させるように配置した部分を有する波面修正器とを含み、
第１モードでは、前記切替可能な光学素子が第１の流体形状を有し、この第１の流体形状では前記部分が第１の流体でほぼ覆われ、
第２モードでは、前記切替可能な光学素子が第２の異なる流体形状を有し、この第２の流体形状では、前記部分が第２の流体でほぼ覆われる、
ようにしたことを特徴とするズーム光学系。
【請求項２】
第１の流体を液体とし、且つ第２の流体を気体とする請求項１に記載のズーム光学系。
【請求項３】
前記切替可能な光学素子が共通の第１流体電極と、第２の異なる流体電極と、第３の異なる流体電極とを具え、
前記第１の流体形状では、前記第１と第２の流体電極間に第１の電圧を印加することにより切替可能なエレクトロウェッティング力を提供するように前記切替可能な光学素子を構成し、
前記第２の流体形状では、前記第１と第３の流体電極間に第２の異なる電圧を印加することにより異なる切替可能なエレクトロウェッティング力を提供するように前記光学素子を構成する、
請求項１または２のいずれか一項に記載のズーム光学系。
【請求項４】
前記切替可能な光学素子が前記放射ビームを通過させるように配置される他の部分を有する別の波面修正器を具え、
前記波面修正器が第１の波面修正を行うべく適合され、且つ、
前記別の波面修正器が前記第１の波面修正を補完するように配置される、第２の異なる波面修正を行うべく適合される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のズーム光学系。
【請求項５】
前記波面修正器が面を有し、この面がほぼ球形、または非球形であり、且つ
かつ前記部分が前記面上にある、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のズーム光学系。
【請求項６】
前記第１レンズが、曲率をもつ流体メニスカスにより分離される異なる流体からなる流体メニスカスレンズであり、
前記光学系がさらに制御システムを具え、且つ前記可変焦点が前記流体メニスカスの曲率の変化によって発現し、前記制御システムがメニスカスエレクトロウェッティング力を用いて前記可変焦点を制御するように構成されている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のズーム光学系。
【請求項７】
前記流体メニスカスレンズがさらに第１電極と、第２の異なる電極とを有し、前記制御システムが前記エレクトロウェッティング力を提供すべく前記第１と第２の電極の間に電圧を印加するように構成される、
請求項６に記載のズーム光学系。
【請求項８】
前記レンズシステムが前記切替可能な光学素子に対して可変の空間的な位置に配置し得る固体レンズを具えている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のズーム光学系。
【請求項９】
前記レンズシステムが可変の光パワーを有する液晶レンズを具えている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のズーム光学システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のズーム光学系を具えている画像キャプチャー装置であって、前記光学系が前記第１モードにある場合に、前記装置は第１ズーム設定で画像をキャプチャーするように適合され、前記光学系が前記第２モードにある場合に、前記装置は第２の異なるズーム設定で画像をキャプチャーするように適合される、
画像キャプチャー装置。
【請求項１１】
前記画像キャプチャー装置がさらに、前記第１モードでキャプチャーされる画像及び／又は前記第２モードでキャプチャーされる画像にデジタルズーム比を導入するように構成したデジタルズームシステムも具えている、
請求項１０に記載の画像キャプチャー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、これに限定されるものではないが、画像キャプチャー装置に使用するズーム光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばカメラのような画像キャプチャー装置を用いて物体の像をキャプチャーするときにはしばしば、その像に対してズーム設定を変えられることが望まれる。カメラと物体との間の距離が一定のままの場合、高ズーム比では高倍率、且つ狭視野で物体の像をキャプチャーできる。低ズーム比では低倍率、且つ広視野で物体の画像をキャプチャーできる。カメラの例では、高ズーム比は望遠レンズ設定の特性であり、低ズーム比は広角レンズ設定の特性である。
【０００３】
ズーム比が異なるとズーム光学系の異なる有効焦点距離を要する。望遠レンズ設定では有効焦点距離は相対的に長く、広角レンズ設定では有効焦点距離は相対的に短くなる。
【０００４】
像を異なるズーム設定でキャプチャーするためには、物体の像に焦点を合わせたまま、カメラのズーム光学系の有効焦点距離を変えなければならない。このようなズーム光学系は、可変焦点をもたらす少なくとも２個のレンズを用いて構成することができる。
【０００５】
既知のズーム光学系は共通光路に沿って並ぶ固体レンズのアレイを具えている。光路に沿ってこれらのレンズの位置を変えることにより、像に焦点を合わせたまま異なる有効焦点距離を得ることができ、したがって異なるズーム設定を有する画像をキャプチャーできる。しかしながら、このタイプのズーム光学系は比較的大きく、機械的にも複雑である。個々のレンズの移動は手動又は自動のどちらでも行えるが、これらの方法は一般的に比較的高価で、堅牢性に欠ける。このようなズーム光学系によるズーム比の範囲は、個々のレンズの集光力と光路に沿ったレンズ間の取り得る距離を含むパラメータに依存する。この種のズーム光学系におけるズーム比範囲の上限値が大きくなると、一般的にズーム光学系の容積と複雑さが増すことになる。
【０００６】
望遠と広角ズーム機能の両方を有する単独のズーム光学系よりはむしろ、異なるズーム比範囲を得るためにカメラレンズを望遠系と広角系との間で取り替える必要がよくある。これは比較的時間がかかり、不便な手法であり、カメラユーザーはカメラに加えて別のレンズを持ち運ばなければならない。
【０００７】
国際公開第０３／０６９３８０号公報には、流体メニスカスレンズが記載されている。このレンズは第１の流体と第２の流体を分離し、曲率をもつ流体メニスカスを有する。この曲率を変えることでレンズの焦点距離と画像の焦点を変えることができる。レンズを様々な方向に向けて用いる用途では、これらの流体は不要な重力の影響を避けるために密度を整合させることが好適である。そのため、水と油のような、密度が釣り合う２つの流体が用いられている。
【０００８】
このような２つの流体メニスカスレンズは異なるズーム比を有する画像をキャプチャーするためにズーム光学系に組み込むことができる。広い範囲のズーム比を実現するためには、各流体メニスカスにおいて大きく光パワーが変化することが求められる。２つの流体の屈折率に大きな差異がなく、さらに曲率変化の程度が制限されているため、流体メニスカスレンズの光パワーの範囲は比較的小さい。このことは、ズーム光学系が提供し得るズーム比の範囲を制限することになる。特に、ズームレンズシステムにおける１つのレンズ部品（一般的に画像キャプチャーデバイスの最近傍にある）はズーミング中に最大の光パワー範囲を要するので、前記１つのレンズ部品として用いる流体メニスカスレンズにおける光パワー範囲の相対的な制限が、ズーミング量を制約することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、光学系に必要な機械的な部品を減らしながら、改良したズーム機能を有する画像キャプチャー用のズーム光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、放射ビームに対して可変ズーム設定を与えるべく配置され、第１モードと第２モードを有する切替可能な光学素子からなる、レンズシステムを具えているズーム光学系において、前記切替可能な光学素子が第１の流体と、第２の流体と、前記放射ビームを通過させるように配置した部分を有する波面修正器とを含み、第１モードでは、前記切替可能な光学素子が第１の流体形状を有し、この第１の流体形状では前記部分が第１の流体でほぼ覆われ、第２モードでは、前記切替可能な光学素子が第２の異なる流体形状を有し、この第２の流体形状では、前記部分が第２の流体でほぼ覆われるようにしたことを特徴とするズーム光学系が提供される。
【００１１】
本発明によればズーム光学系を比較的簡単で、小形で、安価で堅牢に製造することができる。このズーム光学系は、第１の流体配置において第１の有効焦点距離、第２の流体配置において第２の有効焦点距離を有し、前記第１及び第２の有効焦点距離が各自異なるズーム設定をもたらすように構成するのが好適である。
【００１２】
第１モードにある光学素子では、前記レンズシステムは第１の光学ズーム設定を有する。第２モードにある光学素子では、前記レンズシステムはズーム比が増した第２の光学ズーム設定を有する。
【００１３】
このレンズシステムには、連続的に可変の焦点を有する第１レンズを含めるのが好適である。第１ズーム設定又は第２ズーム設定を有する画像の焦点が正確に合うように第１レンズの焦点を変えることができる。２つのズーム設定間にて切替を行う場合には、第１レンズの焦点を段階的に変えて、正確なズーム機能をもたらすようにもする。従って、この光学系は２つの別個の光学ズーム設定を有するバイナリズーム光学系となる。
【００１４】
２つのズーム設定の間にさらに追加のズーム比を設定するために、デジタルズーム機能を用いることができる。本発明の１つの実施形態では、画像キャプチャー装置が前記光学系を具え、さらに、第１モードでキャプチャーされる画像及び／又は第２モードでキャプチャーされる画像にデジタルズーム比を導入するように構成したデジタルズームシステムを具えるようにする。
【００１５】
切替可能な光学素子は、第１の流体配置では、第１と第２の流体電極間に第１の電圧を印加して切替可能なエレクトロウェッティング力（electrowetting force）を提供し、第２の流体配置では、第１と第３の流体電極間に第２の異なる電圧を印加して異なる切替可能なエレクトロウェッティング力を提供するように構成するのが好適である。
【００１６】
第１の流体は液体とし、第２の流体は気体とするのが好適である。ここで言う気体とは、液体の蒸気と気体との混合又は気体のみの場合を含む。これは、２つの流体の密度を整合させる必要がないので、切替可能な光学素子を様々な方向に向けて用いる場合でも可能であり、また、２つの流体間の屈折率の差を相対的に大きくするのに有利である。
【００１７】
第１レンズは流体メニスカスレンズ形式のものとすることができる。本実施形態では、切替可能な光学素子が第１レンズの最大光パワー範囲よりも大きい最大光パワー範囲（その２者のモードの間で）を有するようにするのが好適である。このような構成にすれば、切替可能な光学素子をズーミング中にレンズシステムに最大光パワー範囲を要するレンズ部品として用いることができるため、ズーミング量は、流体メニスカスレンズの相対的に制限される光パワー範囲によって制約されなくなる。
【００１８】
本発明の更なる特徴及び利点は、以下の添付図面を参照しての本発明の好適な実施例の説明により明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１〜図３は、従来技術による可変焦点レンズを示す。この可変焦点レンズは、毛細管を形成する円柱形の第１メニスカス電極２を具え、透明の前方素子３と透明の背面素子４によって２つの異なる流体を収容する流体チャンバーを形成するように封止められる流体メニスカスレンズである。第１のメニスカス電極２は毛細管の内壁上に塗布した導電性被膜とすることができる。
【００２０】
前記２つの異なる流体は、ここでは以降「油」と称する、例えばシリコーンオイルやアルカンのような電気的に絶縁性の第１液体Ａと、例えば食塩水を含む水のような導電性の第２液体Ｂとの２つの非混和性液体からなる。２つの液体は等しい密度を有するように構成して、向きとは無関係に、すなわち２つの液体間の重力の影響に依存することなく、メニスカスの形状を制御できるようにするのが好適である。これは第１液体の成分を適切に選択することにより実現できる。例えば、アルカン又はシリコーンオイルは分子成分を加えてその密度を増やして、食塩水と等しくなるように改質することができる。
【００２１】
使用する油の選択に依存して、油の屈折率は１．２５〜１．８５の範囲内で変化する。同様に、加える食塩の量に依存して、食塩水の屈折率は１．３３〜１．６０の範囲内で変化する。流体は、第１液体Ａが第２液体Ｂよりも高い屈折率を持つように選択する。
【００２２】
第１のメニスカス電極２はその内径が一般的には１ｍｍ〜２０ｍｍとなるような円柱とする。第１のメニスカス電極２は金属製で、例えばパリレンのような絶縁層５で表面を覆う。絶縁層は５０ｎｍ〜１００μｍの厚さを有し、一般的には１μｍ〜１０μｍの範囲の値をとる。絶縁層の表面を、流体接触層６で覆う。この流体接触層６は、流体チャンバーの円柱壁面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。前記流体接触層は、デュポン社製のテフロン（登録商標）ＡＦ１６００のようなアモルファスフルオロカーボンで形成することが好適である。流体接触層６は５ｎｍ〜５０μｍの厚さを有する。このＡＦ１６００被膜は第１メニスカス電極２を継続的に浸漬塗布することにより製造することができる。第１のメニスカス電極２の円柱側面は円柱電極とほぼ平行であるため、ＡＦ１６００被膜は厚さがほぼ一様な均一な層を形成する。また浸漬塗布は電極をその軸方向に沿って浸漬溶液へ出し入れして浸すことにより行う。パリレン被膜は化学蒸着を用いて塗布できる。第１と第２のメニスカス電極７の間に電圧が印加されていないときは、メニスカス８と流体接触角６の交点の両側にて第２の流体による流体接触層の湿潤性がほぼ等しくなる。
【００２３】
第２のメニスカス電極７は環状であり、これは流体チャンバーの一端、この場合は、後方素子に隣接して構成される。第２のメニスカス電極７の少なくとも一部分を流体チャンバー内に配置して、その電極が第２の流体Ｂに作用するようする。
【００２４】
２つの流体ＡとＢは非混和性であるため、曲率を有する流体メニスカス８により分離される２つの流体に分離する傾向がある。第１と第２のメニスカス電極間に電圧が印加されていない場合、流体接触層は第２の流体Ｂよりも第１の流体Ａに対して高い湿潤性を呈する。メニスカスエレクトロウェッチング力により、第２の流体Ｂの湿潤性は第１メニスカス電極２と第２メニスカス電極７との間への電圧の付与のもとで変化し、３つの相ライン（流体接触層６と２つの液体Ａ及びＢとの間の接触ライン）でのメニスカスの接触角を変えていく。この流体メニスカスレンズの可変焦点は、印加電圧に依存して変化し得る流体メニスカスの曲率の変動分を含む。
【００２５】
図１を参照するに、例えば０Ｖ〜２０Ｖの低い電圧Ｖ１をメニスカス電極間に印加すると、メニスカスは第１曲率のメニスカス形状をとる。この形状で、流体Ｂ内で測定されるメニスカスと流体接触層６との間の初期接触角θ１は、例えば約１４０°になる。第１流体Ａが第２流体Ｂよりも高い屈折率であるため、ここでメニスカスレンズと称するメニスカスが形成するレンズは、この形状で相対的に高い負のパワーを有する。
【００２６】
メニスカス形状の凹面度を減らすためには、第１と第２のメニスカス電極間に高い値の電圧を印加する。図２を参照するに、絶縁層の厚さに依存して、例えば２０Ｖ〜１５０Ｖの中間値の電圧Ｖ２をメニスカス電極間に印加すると、メニスカスは、図１のメニスカスに比べて大きい曲率を有する第２凹面のメニスカス形状をとる。この形状では、第１流体Ａと流体接触層６との間の中間接触角θ２は例えば約１００°になる。第１流体Ａが第２流体Ｂよりも高い屈折率であるため、メニスカスレンズはこの形状では相対的に低い負のパワーを有する。
【００２７】
凸面のメニスカス形状を作るためには、さらに高い値の電圧を第１と第２のメニスカス電極間に印加する。図３を参照するに、例えば１５０Ｖ〜２００Ｖの相対的に高い電圧Ｖ３をメニスカス電極間に印加すると、メニスカスは凸面メニスカスの形状をとる。この形状では、第１流体Ａと流体接触層６との間の最大接触角θ３が例えば約６０°になる。第１流体Ａが第２流体Ｂよりも高い屈折率であるため、メニスカスレンズはこの形状では正のパワーを有する。
【００２８】
なお、図３の形状の実現が相対的に高いパワーを用いて可能であるも、前述したようなレンズを含むデバイスは、前述した範囲の低く中間のパワーのみを用いるように適合させるのが好適である。言い換えれば、印加する電圧は絶縁層における電界強度が２０Ｖ／μｍよりも小さくなるように制限し、流体接触層を帯電させ、従ってこの流体接触層を劣化させる過度な電圧は用いないようにする。
【００２９】
さらに、最初の、低い電圧での形状は液体ＡとＢの選択に依存して、即ちそれらの表面張力に依存して変化する。高表面張力の油を選択することにより、及び／又はエチレングリコールなどの成分を、表面張力を低減する食塩水に加えることにより、初期の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の形状に対応する低光パワーの形状及び、図３の形状に対応する中間パワーの形状をとることができる。いずれの場合にも、低パワーの形状ではメニスカスは凹面のままであり、相対的に広い範囲のレンズパワーを、過度の電圧を用いることなく発生させることができる。
【００３０】
図４及び図５は図１〜図３を用いて説明した流体メニスカスレンズの２つを具えるように構成できるズーム光学系を示す。
【００３１】
図示した光学系では、第１流体メニスカスレンズ９と第２流体メニスカスレンズ１０を光軸ＯＡに沿って配置する。光軸ＯＡ上にあって、且つ第１と第２の流体メニスカスレンズ９と１０間にはまた、光軸ＯＡに沿って走行する所定の放射ビームの波面修正を補助する複数の光学素子１１がある。この光学系は撮像シーンである所定物体の像をキャプチャーするように構成する。画像検出器１２は、合焦機能と画像を担う所定の放射ビームへのズーム比導入に続いて、第１と第２の流体メニスカスレンズ９、１０により撮像シーンの画像を検出するように構成する。本実施例では、画像検出器１２を電荷結合素子（ＣＣＤ）とする。
【００３２】
ズーム範囲の、ある制限時での光学系を示す図４を参照するに、光軸ＯＡに沿って見ると、この光学系は第１視野α１を有し、第１流体メニスカスレンズ９が凹形流体メニスカス１３を有し、第２流体メニスカスレンズ１０が凹形流体メニスカス１４を有している。図４は、撮像シーンのキャプチャー画像に光学系が導入した、本光学系のズーム比範囲の最高限度におけるズーム設定を図解したものである。画像はＣＣＤ１２によりキャプチャーされる。
【００３３】
図５を参照し、光軸ＯＡに沿って見ると、光学系は、ＣＣＤに対する視野角がα２の第２視野を有し、第１流体メニスカスレンズ９が凸面の流体メニスカス１３を有し、第２流体メニスカスレンズ１０が凸面の流体メニスカス１４を有する。図５は、物体のキャプチャー画像に光学系が導入した、本光学系のズーム比範囲の最低限度におけるズーム設定を図解したものである。
【００３４】
図４及び図５に示した光学系のズーム比は制限される。一般的な装置では、最高限度におけるズーム比は最低限度におけるキャプチャー画像のズーム比より約２倍大きい。従って、ズーム比差における上限値は約２倍で、これは比較的小さい。
【００３５】
図６及び図７を参照するに、本発明の実施例による切替可能な光学素子はチャンバー２０を具え、このチャンバーは２つの開口２２、２３を経て２つの対向する端部を有する導管２４に流動的に連結されている。チャンバーの第１開口２２は導管の第１端部に流動的に連結され、さらにチャンバーの第２開口２３は導管の第２端部に流動的に連結されて、流体システムに対する流体密封包囲体を形成する。チャンバー２０の内部に露出している面を有する部分２８を具える波面修正器２６がチャンバー２０の一方の側面を包囲する。この波面修正器は例えば水性液に非可溶性のシクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）であるゼオノックス（登録商標）のような透明の材料で形成する。これは例えば射出成型処理などで形成することができる。波面修正器２６の部分２８の面は実質的に非球面で、光軸ＯＡを中心に回転対称とする。
【００３６】
チャンバー２０は別の波面修正器３６を構成するカバープレートでさらに包囲し、この波面修正器は、ゼオノックス（登録商標）の例と同様の透明の材料で形成する他の部分３２を有する。この他の部分３２は透明の、例えばデュポン社製のテフロン（登録商標）ＡＦ１６００で形成する疎水性の流体接触層で覆う。この疎水性の流体接触層の一方の表面はチャンバー２０の内部に露出させる。
【００３７】
前記他の部分３２は非球面で光軸ＯＡを中心に回転対称な面を有する。この他の部分３２の面は部分２８の面の非球面曲率とは異なる非球面曲率を有する。
【００３８】
光軸ＯＡに沿って走行する所定の放射ビームは部分２８及び他の部分３２を通過するように配置する。所定の放射ビームに対し、波面修正器２６は第１の波面修正を行い、別の波面修正器３６は第２の異なる波面修正を行う。第２の波面修正は第１の波面修正を補完するように行う。
【００３９】
共通の第１の流体電極５０は例えば金属製で、チャンバーの一方の開口２２の近くの導管２４内に位置させる。
【００４０】
第２の流体電極３４はカバープレート３６と疎水性の流体接触層との間にある。この第２の流体電極３４は例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明性の導電性材料のシートで形成する。例えばパリレンで形成される絶縁層（図示せず）を流体接触層と第２の流体電極３４との間に形成することができる。なお、第２の電極３４は波面修正器２６の部分２８の面が占有する領域と完全に重複する動作領域を有する。疎水性の流体接触層は波面修正器の部分２８の面に完全に重複する表面積を有する。
【００４１】
包囲される流体システムは第１の流体４４と第２の流体４６からなる。第１の流体４４は有極性及び／又は導電性の流体からなる。本例では、第１の流体４４を約１．３７の所定の屈折率を有する液体の食塩水とする。食塩水は非食塩水よりも低い凝固点を有する。本例の第２の流体は、第２の異なる約１の屈折率を有する空気とするのが好適である。本例では空気を食塩水４４の飽和蒸気と混合させて、第１の流体と第２の流体の屈折率の差を約０．４とする。別の例では、第１の流体４４は約１．４９の屈折率を有し、第２の流体４６との屈折率の差が約０．５となる約６５重量％のＫＳＣＮ水溶液とする。さらに別の例では、第１の流体４４をアニリンやアナタビンのような、それぞれ約１．５９又は１．５７の屈折率を有し、第１と第２の流体の屈折率の差が約０．６となる有極性の有機液体とする。第２の流体を空気とすることの利点は、切替可能な光学素子を気密に製造しない場合でも、その素子の性能が実質上低減されないことにある。第１の流体４４と第２の流体４６は２つの流体メニスカス４８、４９にて互いに接触する。
【００４２】
切替可能な光学素子の第１の流体形状では、図６及び図７に示すように、第１流体４４がチャンバー２０と導管２４の一部をほぼ満たす。ほぼ満たすとは、第１流体４４が少なくとも波面修正器２６の部分２８の大部分と、少なくとも別の波面修正器３６の他の部分３２の大部分を覆うことを意味する。この第１の流体形状では、第１流体がチャンバー内の疎水性の流体接触層の露出面の少なくとも大部分に接触する。第１流体電極５０は第１流体４４で満たされる導管の一部に接触する。
【００４３】
導管２４は導管壁４１と導管カバープレート４２との間に形成される。導管２４内部にその１つの表面を露出している疎水性の流体接触層３８が導管カバープレートを覆い、疎水性の流体接触層は例えばＡＦ１６００で形成される。第３の流体電極４０は導管カバープレート４２と疎水性の流体接触層３８の間にある。この電極は導電性の材料、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で形成する。なお、第３の流体電極４０の表面領域は導管２４の内部の大部分と重複している。
【００４４】
前記光学素子の第１の流体形状では、第２流体４６は、共通の第１の流体電極５０と接触する第１流体４４によって満たされる部分を除く導管２４をほぼ満たす。
【００４５】
切替可能な光学素子の第２の流体形状では、図８、図９に示すように、第１流体４４が導管２４をほぼ満たす。この第２の流体形状では、第１流体４４が導管の前述した部分に位置する共通の第１の流体エレクトロウェッティング電極５０に接触したままとなる。この際、第１流体４４は、導管の疎水性流体層３８に接触する。第２流体４６はこの際、この第２流体４６が少なくとも波面修正器２６の部分２８の大部分と少なくとも別の波面修正器３６の他の部分３２の大部分を覆うようにチャンバー２０をほぼ満たす。さらに、導管２４の一部は第２流体４６によって満たされる。導管２４のこの部分は共通の第１の流体電極５０が位置している部分の反対側の端部にある。第２の流体形状では第１の流体電極５０は導管２４の部分を満たす第１流体４４に接触する。
【００４６】
流体切替システム（図示せず）は共通の第１流体電極、第２流体電極及び第３流体電極に接続されている。この流体切替システムは切替可能な光学素子に作用し、第１と第２の流体形状を切り替えるように構成されている。第１の流体形状では、流体切替システムは共通の第１流体電極５０と第２流体電極３４との間に適切な値の電圧Ｖ１を印加する。印加電圧Ｖ１は切替可能なエレクトロウェッティング力を提供して、本発明に係る切替可能な光学素子に第１の流体形状をとらせ、導電性の第１流体４４がほぼチャンバー２０を満たすべく移動し得るようにする。電圧Ｖ１を印加することにより、チャンバー２０の疎水性の流体接触層が一時的に自然に少なくとも相対的に親水性となり、従って第１流体４４が優先してチャンバー２０をほぼ満たすようになる。第１の流体形状では、共通の第１電極５０と第３のエレクトロウェッティング電極４０との間に電圧を印可しなければ、導管内の流体接触層が相対的に高い疎水性に留まることが想定される。
【００４７】
切替可能な光学素子の第１の流体形状と第２の流体形状とを切り替えるために、流体切替システムは印可電圧Ｖ１をオフにし、共通の第１流体電極５０と第３の流体電極４０との間に適切な値の電圧Ｖ２を印加する。共通の第１流体電極５０と第２の流体電極３４との間には電圧は印加しない。
【００４８】
切替可能な光学素子はこの際、第２の流体形状にあり、印加電圧Ｖ２によって提供される切替可能なエレクトロウェッティング力を受けて、第１流体４４が導管２４をほぼ満たすようになる。印加電圧Ｖ２では、導管２４の疎水性の流体接触層３８が今は少なくとも相対的に親水性となり、第１流体４４を引き付けるようになる。第１流体４４は、共通の第１流体電極５０が位置する導管２４の部分を満たすように移動する。前述したように、第２流体４６はこの際にチャンバー２０をほぼ満たすようになる。チャンバー２０の疎水性の流体接触層は今は相対的に高い疎水性を呈し、第２の流体形状における第２流体の配置を補助する。
【００４９】
光学素子の第１から第２の流体形状への移行中には、流体切替システムによる制御によって、流体システムの第１及び第２の流体４４、４６が流体システムの中を循環して流れ、各々の流体がお互いに入れ換わる。この流体の第１から第２の形状への移行中における循環流体流では、第１流体４４がチャンバー２０から一方の開口２２を経て一方の端部へと流入する。同様に、第２流体４６は導管２４の他方の端部からチャンバーの他方の開口２３を経てチャンバー２０の中へ流入する。第２から第１の流体形状への移行の間には、逆方向に流体が循環する流れが生じる。
【００５０】
このように、第１の流体形状から第２の流体形状への移行時には、第３の流体電極４０と共通の第１の流体電極５０との間の印加電圧Ｖ２は導電性の第１の流体４４をチャンバー２０の中へ引き付け、よって電気的に絶縁性の第２の流体４６をチャンバー２０から移動させる。さらに、チャンバー２０の疎水性の流体接触層３２は導電性の第１の流体４４をチャンバー２０から導管２４内へと押し出す。第２から第１の流体形状への移行は、第１から第２の流体形状への移行状態の逆となる。
【００５１】
図１０及び図１１は、本発明の実施例によるカメラに用いるバイナリズーム光学系の略図を示す。図１０は第１ズームモード時の光学系を示し、図１１は第２の異なるズームモード時の光学系を示す。
【００５２】
バイナリズーム光学系は、光軸ＯＡに沿って走行する所定の放射ビームに対して連続的に可変の焦点を提供するように構成した第１レンズを具えている。本例では、第１レンズは図１から図３を用いて説明したものと同様な流体メニスカスレンズ５２とする。バイナリズーム光学系はさらに、図６から図９を用いて説明したものと同様の切替可能な光学素子５４と、これ以前に説明した第１と第２の流体形状の切替用と同様の流体切替システム５６とを具えている。流体メニスカスレンズ５２、切替可能な光学素子５４、流体切替システム５６の要素と機構は前述したものと同様である。そのような要素と機構には、１００を足した同様な参照番号を用いている。これらは対応する説明についても言えることである。部分１２８（図示せず）の面と他の部分１３２（図示せず）の面は両者とも非球面形とし、これらは被写体のキャプチャー画像の周囲部における歪みが最小化となるように、被写体の視野の品質を改善するバイナリズーム光学系を実現するように構成する。
【００５３】
光軸ＯＡ上で、且つ流体メニスカスレンズ５２と切替可能な光学素子５４の間には、２つの固体レンズ５８、６０を含む固体レンズ群が切替可能な光学素子５４の近傍と流体メニスカスレンズ５２の近傍に配置されている。これら２つの固体レンズ間には光遮蔽体（図示せず）がある。固体レンズ群の一方又は双方の固体レンズ５８は切替可能素子５４における第１の流体１４４の屈折率と同様の屈折率を有する。バイナリズーム光学系は、撮像シーンである所定の物体の像をキャプチャーするように構成する。画像検出器６２、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）は、流体メニスカスレンズ５２と切替可能な光学素子５４が画像を担う所定の放射ビームにもたらす光学ズーム設定にて撮像シーンの像を検出してキャプチャーするように構成する。本例では切替可能な光学素子５４を流体メニスカスレンズ５２と画像検出器６２との間に配置し、流体メニスカスレンズ５２の最大光パワー範囲よりも大きい最大光パワー範囲を（その２つのモードの間で）有するようにする。
【００５４】
図１０を参照するに、このバイナリズーム光学系は切替可能な光学素子５４が第１の流体形状にある第１ズームモードにある。第１の流体形状では、バイナリズーム光学系は相対的に高いズーム比をもたらすように構成される相対的に長い有効焦点距離を有する。流体メニスカスレンズ５２から切替可能な光学素子５４を光軸ＯＡに沿って見ると、流体メニスカス１０８は凹形曲率を有している。第１ズームモードでは光学系は、第１ズームモードにある切替可能な光学素子５４がもたらす相対的に高いズーム比に対応した第３視野α３を有する。
【００５５】
図１１を参照するに、バイナリズーム光学系は切替可能な光学素子５４が第２の流体形状にある第２ズームモードにある。流体切替システム５６は、図６〜図９を用いて先に説明した方法と同じ方法で、第１の流体形状から第２の流体形状へと切替を行う。第２の流体形状では、バイナリズーム光学系は相対的に低いズーム比をもたらすように構成される相対的に短い第２有効焦点距離を有する。この第２有効焦点距離は第１有効焦点距離よりも短い。流体メニスカスレンズ５２から切替可能な光学素子５４を光軸ＯＡに沿って見ると、流体メニスカス１０８は凸形曲率を有する。バイナリズーム光学系はさらに、第１と第２のメニスカス電極に接続され、且つこれらの電極間に電圧を印可して、エレクトロウェッティング力を用いて流体メニスカス１０８の曲率を変えて可変焦点を制御するように構成した制御システム６４も具えている。
【００５６】
第２ズームモードでは、光学系は第４視野α４を有する。この例の第２ズームモードにてキャプチャーされる像の第４視野α４は第１ズームモードにてキャプチャーされる像の第３視野α３よりも大きい。２つのモード間の光学ズーム比は２よりも大きく、さらには３よりも大きくすることが好適である。
【００５７】
バイナリズーム光学系が第１ズームモードか第２ズームモードにあるとき、制御システム６２は、第１と第２のメニスカス電極間に異なる電圧を印加して流体メニスカス１０８の曲率を変えることで、可変焦点を変えることができる。この曲率はパワー範囲の一方の限度では凸形、パワー範囲の他方の限度では凹形となるように変えることができる。
【００５８】
図１２は前述した本発明による実施例のバイナリズーム光学系と同様のバイナリズーム光学系６８を具えている、画像キャプチャー装置６６の略図を示す。バイナリズーム光学系６８のそれぞれの要素及びそれらの機構は前述したものと同様である。そのような要素及び機構には、ここでは同じ参照番号に２００を足して用いるものとする。これは対応するな説明についても言えることである。この例での画像キャプチャー装置はカメラとし、これは特徴部７０を含む撮像シーンである所定の物体の像を記録するように構成する。装置制御システム７２はカメラ機能を制御するように構成し、これに制御システム２６４、流体切替システム２５６、電源７４、画像表示システム７６、画像記憶システム７８、ユーザー制御システム８０を接続する。
【００５９】
操作中、ユーザーはユーザー制御システム８０を用いてカメラ機能を制御する。ユーザーはバイナリズーム光学系６８の第１ズームモード又は第２ズームモードを選択できる。装置制御システム７２は流体切替システム２５６を制御して、前述したように、第１ズームモードでは第１の流体形状、第２ズームモードでは第２の流体形状を選択する。カメラは、第１ズームモードでは望遠ズームモードとなり相対的に狭い撮像シーンの視野を有し、第２ズームモードでは広角ズームモードとなり相対的に広い撮像シーンの視野を有する。望遠ズームモード又は広角ズームモードのカメラで、バイナリズーム光学系６８が正確に画像を記憶できるようにカメラを適切に撮像シーンに向ける間に、ユーザーは画像表示システム７６を見て記録すべき撮像シーンの画像の特定のズーム比を選択する。そのようにすることで、装置制御システム７２は前述したように、流体メニスカスの曲率を適切に変える制御システム２６４を制御する。
【００６０】
バイナリズーム光学系により、記録すべき画像に対し、カメラの望遠ズームモードでは相対的に高いズーム設定を、カメラの広角ズームモードでは相対的に低いズーム設定を選択することができる。 画像修正システム８２はデジタルズームシステムであり、これは、望遠ズームモード又は広角ズームモードでキャプチャーされる画像に可変のデジタルズーム比を導入して、それによりさらに別のズーム設定を得ることができるように構成する。このデジタルズーム比は例えば相対的に低いズーム比の広角ズームモードでのキャプチャー画像に、又は相対的に高いズーム比の望遠ズームモードでのキャプチャー画像に導入する。これにより、相対的に低いズーム設定から相対的に高いズーム設定の間のズーム設定を有する画像を記録することができる。デジタルズームシステム８２は、望遠モードで、しかも相対的に高いズーム比で記録される画像に可変デジタルズーム比を導入することも可能である。これにより、望遠ズームモードの光学ズーム比よりも高いズーム比を有する画像を記録することができる。
【００６１】
前述した本発明の実施例では、バイナリズーム光学系は連続的に可変の焦点をもたらすように構成したレンズを具え、このレンズを流体メニスカスレンズとする。本発明の別の実施例では、連続的に可変の焦点をもたらすレンズを固体レンズとする。この固体レンズは、光軸ＯＡに沿って切替可能な光学素子に対して様々の空間的位置に動かせるように配置する。このレンズはそれ自体が固定の集光力を有する。バイナリズーム光学系を具える前述したものに代わる制御システムは、レンズの空間的な位置を変えることにより可変焦点を連続的に制御すべく構成する。様々の空間的な位置は、例えば光軸ＯＡに沿ってレンズを動かすように歯車システムを駆動するモータにより得られる。制御システムで光軸ＯＡ上のレンズの空間的な位置を適切に変えることにより、集光力及び、バイナリ光学系によりキャプチャーされる所定物体画像のズーム比を、前述したものと同様に変えることができる。
【００６２】
本発明の他の例では、レンズアレイが複数の固体レンズを具え、これらのレンズが機械的アクチュエータで光軸ＯＡに沿って独立して異なる空間的な位置に移動し得るようにすることが想定される。
【００６３】
本発明のさらに別の例では、連続的に可変の焦点をもたらすように構成されるレンズを液晶レンズとすることが想定され、そのようにすれば、レンズ部材を動かすための機械的なシステムが不要になる。
【００６４】
流体メニスカスレンズの様々な流体及び切替可能な光学素子は前述したものとは異なるものとすることができ、各々が異なる屈折率を各々有することも想定される。また、切替可能な光学素子の第１流体及び第２流体をそれぞれ気体及び液体とするか、又は第１及び第２流体の双方を液体とすることも想定される。
【００６５】
また、例えば波面修正器や電極のような、バイナリズーム光学系の要素を形成する材料は、前述したものとは別のものとすることも想定される。種々の材料は、例えば切替可能な光学素子の波面修正器の材料は第１流体又は第２流体内で非可溶性でなければならないといった、ある種の特性に応じて選択できる。
【００６６】
切替可能な光学素子の前記部分及び／又は前記他の部分の面は異なる非球面形状とするか、又はどちらも球面とすることも想定される。さらに、前記部分又は前記他の部分の面は非周期構体（ＮＰＳ）又は回折格子とすることもできることが想定される。
【００６７】
前述した切替可能な光学素子は流体システムを介して循環的に動作する。第１流体と第２流体の流体形状の移行中における配列及び流動に関連する切替可能な光学素子は別の構成のものも用いることもできることも想定され、例えば、メインチャンバーと１つ以上の液だめとの間に非循環性の流動を用いることができる。
【００６８】
さらに別の実施例では、切替可能な光学素子を前述したものとは異なる構成とし、カバープレートの第２流体電極が別の波面修正器を具えているものと同様に、波面修正器が別の流体電極を具えることが想定される。この別の流体電極は第２流体電極に電気的に接続し、印加電圧Ｖ１を第１の流体形状で共通の第１流体電極と、第２流体電極と、前記別の流体電極との間に印加する。さらに、波面修正器の部分は例えばテフロン（登録商標）ＡＦ１６００から形成される疎水性の流体接触層でうことが想定される。この層の一方の面はチャンバー内部に露出させる。この想定される実施例では、第１と第２の流体形状間の移行中に、切替可能な光学素子の構成によりチャンバーと導管との間の流体の移動が一層効率的となる。
【００６９】
切替可能な光学素子の異なる可能な実施例では、流体切替システムはエレクトロウェッティング力を伴わない機構、例えば機械式ポンピング機構を用いて第１と第２の流体形状を切り替える異なる構成とすることができる。
【００７０】
なお、レンズアレイを有する従来のズーム光学系に、本発明によるバイナリズーム光学系を組み合わせると、さらに別のズーム設定を有する画像をキャプチャーできる。
【００７１】
本発明のバイナリズーム光学系はカメラのような画像キャプチャー装置に組み込んで操作するものとして説明したが、例えばカメラ内蔵の携帯電話や、他のカメラ内蔵の装置といった種々の画像キャプチャー装置にこのバイナリズーム光学系を組み込むことが想定される。上記それぞれの実施例は、本発明の模範的な例と解されるべきである。本発明のさらなる実施形態もまた想定される。１つの実施例に関連して説明した特徴部は単独で、又は他の前述した特徴と組み合わせて用いることもでき、さらに他の実施形態の１つ以上の特徴と組み合わせたり、又は他の任意の実施例を組み合わせて用いたりすることができる。さらに、本発明は請求の範囲を逸脱することなく、幾多の変更を加えうることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】従来技術による可変焦点レンズの概略図である。
【図２】従来技術による可変焦点レンズの概略図である。
【図３】従来技術による可変焦点レンズの概略図である。
【図４】本発明によらない２つの流体メニスカスレンズを有するズーム光学系を示す図である。
【図５】本発明によらない２つの流体メニスカスレンズを有するズーム光学系を示す図である。
【図６】本発明による第１の流体形状における切替可能な光学素子の（図７のＡ−Ａ線上での）概略断面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線上での概略断面図である。
【図８】本発明による第２の流体形状における切替可能な光学素子の（図９のＣ−Ｃ線上での）概略断面図である。
【図９】図８のＤ−Ｄ線上での概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施例による第１モードにおける光学系の概略図である。
【図１１】本発明の一実施例による第２モードにおける光学系の概略図である。
【図１２】本発明の一実施例によるズーム光学系を具えている画像キャプチャー装置の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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