(57)【要約】１つ又は２つ以上の液体レンズを使用する像安定化システム。像安定化システムは、２本の光軸に沿って揃えられた複数のレンズ素子と、第１及び第２の接触液体を含む１つ又は２つ以上の液体レンズセル（７０，７１）であって、接触液体間の接触光学面は、それ自身の光軸に対して実質的に対称で且つ少なくとも１本のその他の光軸に対して非対称である可変形状を有する、１つ又は２つ以上の液体レンズセルと、を備え、複数のレンズ素子及び少なくとも１つの液体レンズセルは、物体側から発せられる放射を集め、像の安定化を提供する。
2011509416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像安定化システムであって、
少なくとも２本の光軸に沿って揃えられた複数のレンズ素子と、
第１及び第２の接触液体を含む少なくとも１つの液体レンズセルであって、前記接触液体間の接触光学面は、該液体レンズセル自身の光軸に対して実質的に対称で且つ少なくとも１本のその他の光軸に対して非対称である可変形状を有する、少なくとも１つの液体レンズセルと、
を備え、
前記複数のレンズ素子及び前記少なくとも１つの液体レンズセルは、物体側空間から発せられる放射を集め、像側空間に送られる放射の少なくとも部分的な安定化を提供するように構成される、像安定化システム。
【請求項２】
請求項１に記載の像安定化システムであって、
更に、第２の液体レンズセルを備え、
前記少なくとも１つの液体レンズセル及び前記第２の液体レンズセルは、像側空間に送られる放射の十分な安定化を提供するように構成される、像安定化システム。
【請求項３】
請求項２に記載の像安定化システムであって、
前記十分な安定化は、直線方向に沿っている、像安定化システム。
【請求項４】
請求項２に記載の像安定化システムであって、
前記像側空間に送られる前記放射は、縦方向に十分に安定化される、像安定化システム。
【請求項５】
請求項１に記載の像安定化システムであって、
少なくとも４つの液体レンズセルを備える像安定化システム。
【請求項６】
請求項５に記載の像安定化システムであって、
前記少なくとも４つの液体レンズセルは、像側空間に送られる放射の十分な安定化を提供するように構成される、像安定化システム。
【請求項７】
請求項６に記載の像安定化システムであって、
前記十分な安定化は、複数の方向で提供される、像安定化システム。
【請求項８】
請求項６に記載の像安定化システムであって、
前記像側空間に送られる前記放射は、全ての方向で十分に安定化される、像安定化システム。
【請求項９】
像安定化システムであって、
共通の光軸に沿って揃えられた複数のレンズ素子と、
第１及び第２の接触液体を含む少なくとも１つの液体レンズセルであって、前記接触液体間の接触光学面は、前記液体レンズセルの光軸に対して実質的に対称な可変形状を有する、少なくとも１つの液体レンズセルと、
を備え、
前記共通の光軸に沿って揃えられた前記複数のレンズ素子、及び前記液体レンズセルは、物体側空間から発せられる放射を集め、像側空間に送られる放射の安定化を提供するように構成される、像安定化システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の像安定化システムであって、
前記複数のレンズ素子の前記共通の光軸は、前記液体レンズセルの前記光軸に揃えられていない、像安定化システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の像安定化システムであって、
前記接触光学面の前記形状は、前記像側空間に送られる前記放射の安定化を提供するために電子的に制御される、像安定化システム。
【請求項１２】
請求項９に記載の像安定化システムであって、更に、
少なくとも１つのレンズ素子の移動を検出するために加速度計を備える像安定化システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の像安定化システムであって、
前記加速度計より検出される移動は、前記接触液体の前記可変形状を制御するために使用される、像安定化システム。
【請求項１４】
請求項９に記載の像安定化システムであって、更に、
少なくとも１つのレンズ素子の移動を検出するためにレーザジャイロスコープを備える像安定化システム。
【請求項１５】
請求項９に記載の像安定化システムであって、
前記接触光学面の前記形状は、５Ｈｚよりも大きい周波数で可変である、像安定化システム。
【請求項１６】
請求項９に記載の像安定化システムであって、
前記像側空間に送られる前記放射は、十分に安定化される、像安定化システム。
【請求項１７】
請求項９に記載の像安定化システムであって、更に、
首振り運動が安定化されないように、運動タイプの検出メカニズムを備える像安定化システム。
【請求項１８】
請求項９に記載の像安定化システムであって、
２Ｈｚ未満の周波数を有する運動は、安定化されない、像安定化システム。
【請求項１９】
像安定化システムであって、
接触液体を含む第１の液体レンズセルであって、前記接触液体間の第１の接触光学面は、可変形状を有する、第１の液体レンズセルと、
接触液体を含む第２の液体レンズセルであって、前記接触液体間の第２の接触光学面は、可変形状を有する、第２の液体レンズセルと、
を備え、
前記第１の液体レンズセル及び前記第２の液体レンズセルは、像側空間に送られる放射に対して少なくとも一方向への安定化を提供するために、あわせて制御される、像安定化システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載の像安定化システムであって、
前記第１の液体レンズセルの度数は、像面における焦点が軸方向に固定されるように、前記第２の液体レンズセルの度数に等しく且つ反対である、像安定化システム。
【請求項２１】
請求項１９に記載の像安定化システムであって、
前記第１の液体レンズセルの度数及び前記第２の液体レンズセルの度数は、像面に焦点を合わせるように設定される、像安定化システム。
【請求項２２】
像安定化システムであって、
光軸に沿って互いから偏位された第１対の液体レンズセルと、
光軸に沿って互いから偏位された第２対の液体レンズセルであって、前記第２対の液体レンズセルの前記偏位は、前記第１対の液体レンズセルの前記偏位に実質的に垂直な方向へ行われている、第２対の液体レンズセルと、
を備える像安定化システム。
【請求項２３】
請求項２２に記載の像安定化システムであって、
前記第１対の液体レンズセルは、前記第１対の液体レンズセルの前記偏位の方向への像安定化を提供し、前記第２対の液体レンズセルは、前記第２対の液体レンズセルの前記偏位の方向への像安定化を提供する、像安定化システム。
【請求項２４】
請求項２２に記載の像安定化システムであって、
前記第１対の液体レンズセルは、第１の方向への像安定化を提供し、前記第２対の液体レンズセルは、前記第１の方向に実質的に垂直な方向への像安定化を提供する、像安定化システム。
【請求項２５】
請求項２２に記載の像安定化システムであって、
前記第１対の液体レンズセルは、第１の方向への像安定化を提供し、前記第２対の液体レンズセルは、前記第１の方向に実質的に垂直な方向への首振りを可能にするように動作する、像安定化システム。
【請求項２６】
請求項２２に記載の像安定化システムであって、更に、
像側空間に送られる放射の焦点を調整するために前記光軸に沿って実質的に中心合わせされた液体セルを備える像安定化システム。
【請求項２７】
像安定化システムであって、
光軸に沿って互いから偏位された第１対の液体レンズセルと、
光軸に沿って互いから偏位された第２対の液体レンズセルであって、前記第２対の液体レンズセルの前記偏位は、前記第１対の液体レンズセルの前記偏位と実質的に異なる方向で行われる、第２対の液体レンズセルと、
を備える像安定化システム。
【請求項２８】
請求項２７に記載の像安定化システムであって、
前記第１対の液体レンズセルは、前記第１対の液体レンズセルの前記偏位の方向への像安定化を提供し、前記第２対の液体レンズセルは、前記第２対の液体レンズセルの前記偏位の方向への像安定化を提供する、像安定化システム。
【請求項２９】
像安定化システムであって、
第１の方向に光軸から偏位された第１の液体レンズセルと、
第２の方向に前記光軸から偏位された第２の液体レンズセルと、
前記光軸に実質的に中心合わせされた第３の液体レンズセルと、
を備え、
前記第１の液体レンズセルは、前記第１の方向に平行な軸に沿った安定化を提供し、前記第２の液体レンズセルは、前記第２の方向に平行な軸に沿った安定化を提供し、前記第３の液体レンズセルは、合焦位置の変化を補償する、像安定化システム。
【請求項３０】
像安定化システムであって、
第１の方向に光軸から偏位された第１の液体レンズセルと、
第２の液体レンズセルと、
を備え、
前記第１の液体レンズセルは、前記第１の方向に平行な軸に沿った安定化に寄与し、前記第２の液体レンズセルは、像側空間に送られる放射の焦点合わせに寄与する、像安定化システム。
【請求項３１】
請求項３０に記載の像安定化システムであって、
前記第２の液体レンズセルは、前記第１の方向と反対の第２の方向に偏位される、像安定化システム。
【請求項３２】
請求項３０に記載の像安定化システムであって、
前記第２の液体レンズセルは、前記光軸に実質的に中心合わせされる、像安定化システム。
【請求項３３】
請求項３０に記載の像安定化システムであって、
前記第２の液体レンズセルは、前記第１の方向に平行な前記軸に沿った安定化に寄与する、像安定化システム。
【請求項３４】
請求項３０に記載の像安定化システムであって、
前記第１の液体レンズセルは、像側空間に送られる放射の焦点合わせに寄与する、像安定化システム。
【請求項３５】
像安定化システムであって、
光軸に沿って互いから偏位された第１対の液体レンズセルと、
光軸に沿って互いから偏位された第２対の液体レンズセルであって、前記第２対の液体レンズセルの前記偏位は、前記第１対の液体レンズセルの前記偏位と実質的に異なる方向で行われ、前記第２対の液体レンズセルの前記偏位の大きさは、前記第１対の液体レンズセルの前記偏位の大きさよりも大きい、第２対の液体レンズセルと、
を備える像安定化システム。
【請求項３６】
請求項３５に記載の像安定化システムであって、
前記第１対の液体レンズセルの安定化範囲は、前記第２対の液体レンズセルの安定化範囲の２倍よりも広い、像安定化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願＞
本出願は、参照によって全体を本明細書に組み込まれ本明細書の一部を構成する２００７年１２月４日出願の米国仮出願第６０／９９２，２８４号に関連したものであり、その利益を主張する。
【０００２】
＜背景技術＞
本発明は、像を安定化するために液体光学を用いる光学レンズ系に関する。
【０００３】
＜関連出願＞
光学像の安定化は、センサに到達する像を安定化するために、レンズ内の光路を変化させる。例えば、レンズの光軸に直角に、浮動レンズ素子を移動させてよい。あるいは、カメラの運動を是正するために、機械的な像安定化装置によって像取り込みセンサを移動させる。しかしながら、これらの像安定化装置は、レンズ素子又はセンサの機械的移動に依存する。
【０００４】
＜概要＞
液体レンズセルは、液体セルの機械的移動に依存することなく光路を変更することができ、そうして、振動補償を提供して像を安定化する。液体レンズセルは、少なくとも２本の光軸に沿って揃えられたその他のレンズ素子とともに使用することができる。
【０００５】
一実施形態では、液体レンズセルは、第１及び第２の接触液体を含み、接触液体間の接触光学面は、それ自身の光軸に対して実質的に対称で且つ少なくとも１本の他の光軸に対して非対称である可変形状を有する。複数のレンズ素子、及び液体レンズセルは、物体側空間から発せられる放射を集め、像側空間に送られる放射の少なくとも部分的な安定化を提供するように構成される。
【０００６】
像側空間に送られる放射の更なる安定化を提供するように、２つ又は３つ以上の液体レンズセルが構成されてよい。例えば、像を１つの直線方向に安定化するために、２つの液体レンズセルが使用されてよい。安定化は、例えば、横又は縦のジッタを補正することができる。
【０００７】
別の実施形態では、像側空間に送られる放射の安定化を提供するように、４つ又は５つ以上の液体レンズセルが構成される。液体レンズセルの２つが、一方向への安定化を提供する一方で、別の２つの液体レンズセルは、別の一方向への安定化を提供してよい。４つ又は５つ以上の液体レンズセルは、あわせて、任意の方向への安定化を提供することができる。
【０００８】
第１及び第２の接触液体を含む液体レンズセルは、接触液体間の接触光学面が液体レンズセルの光軸に対して実質的に対称な可変形状を有するように構成されてよい。複数のレンズ素子が、共通の光軸に沿って揃えられてよく、物体側空間から発せられて像側空間に送られる放射を集めるように構成されてよい。液体レンズセルは、共通の光軸に沿って揃えられた複数のレンズ素子によって形成される光路に挿入されてよい。液体レンズセルの光軸は、その共通の光軸に平行であってよく、又はその共通の光軸に対して一定の角度をなしていてよい。
【０００９】
液体レンズセル内の接触光学面の可変形状を制御するために、電子制御システムが使用
されてよい。１つ又は２つ以上のレンズ素子の移動を検出するために、加速度計やレーザジャイロスコープなどが使用されてよく、次いで、レンズ素子の移動を補償して像を安定化するために、接触光学面の形状が変化されてよい。
【００１０】
制御システムは、カメラの首振りに起因する像のシフトが補正されないように、カメラの首振りを検出するように構成されてよい。制御システムは、また、様々なタイプの移動を補償するように構成されてよい。例えば、制御システムは、２Ｈｚよりも大きい周波数を有する振動を補償してよい。
【００１１】
第１の液体レンズセル及び第２の液体レンズセルは、像側空間に送られる放射に対して少なくとも一方向への安定化を提供するために、あわせて制御されてよい。第１の液体レンズセルの度数は、像面における焦点が軸方向に固定されるように、第２の液体レンズセルの度数に実質的に等しく且つ反対であってよい。第１の液体レンズセルの度数及び第２の液体レンズセルの度数は、像面に焦点を合わせるように設定されてよい。
【００１２】
一実施形態では、第１対の液体レンズセルは、一方向に互いから偏位され、第２対の液体レンズセルは、第１の方向に実質的に垂直な一方向に互いから偏位される。第１対の液体レンズセルは、第１対の液体レンズセルの偏位の方向への像の安定化を提供し、第２対の液体レンズセルは、第２対の液体レンズセルの偏位の方向への像の安定化を提供する。
【００１３】
第１対の液体レンズセルは、一方向に互いから偏位されてよく、第２対の液体レンズセルは、実質的に異なる一方向に互いから偏位されてよく、第２対の液体レンズセルの偏位の大きさは、第１対の液体レンズセルの偏位の大きさよりも大きくてよく又は小さくてよい。例えば、第１対の液体レンズセルによる安定化の範囲は、第２対の液体レンズセルによる安定化の範囲の２倍よりも広くてよい。
【００１４】
これらのいずれの実施形態においても、熱的効果を補償するため、像側空間に送られる放射の焦点を調整するため、又はズーム構成の一部として、１つ又は２つ以上の更なる液体レンズセルが使用されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】カメラのブロック図である。
【図２】液体を用いるズームレンズ系の光学図である。
【図３Ａ】図２のズームレンズ系の液体セルの光学図であり、液体間の表面形状を示している。
【図３Ｂ】図２のズームレンズ系の液体セルの光学図であり、液体間の表面形状を示している。
【図４Ａ】図２のズームレンズ系の光学図であり、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図４Ｂ】図２のズームレンズ系の光学図であり、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図４Ｃ】図２のズームレンズ系の光学図であり、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図５Ａ】図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃのズームレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図５Ｂ】図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃのズームレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図５Ｃ】図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃのズームレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図６Ａ】像を一方向に安定化するために液体を用いるレンズ系の光学図である。
【図６Ｂ】像を一方向に安定化するために液体を用いるレンズ系の光学図である。
【図７Ａ】像を任意の方向に安定化するために液体を用いるレンズ系の光学図である。
【図７Ｂ】像を任意の方向に安定化するために液体を用いるレンズ系の光学図である。
【図８Ａ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図８Ｂ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図８Ｃ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、異なる焦点距離及び合焦距離を作るための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図９Ａ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、像を安定化するための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図９Ｂ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、像を安定化するための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図９Ｃ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、像を安定化するための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図９Ｄ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、像を安定化するための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図１０Ａ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、像を安定化するための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図１０Ｂ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、像を安定化するための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図１０Ｃ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、像を安定化するための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図１０Ｄ】図７Ａ及び図７Ｂのレンズ系の光学図であり、像を安定化するための異なるズームレンズ群位置及び液体間表面形状を図示している。
【図１１Ａ】図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１１Ｂ】図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１１Ｃ】図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１２Ａ】図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１２Ｂ】図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１２Ｃ】図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１２Ｄ】図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１３Ａ】図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１３Ｂ】図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１３Ｃ】図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【図１３Ｄ】図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄのように構成されたレンズ系の変調伝達関数性能図である。
【００１６】
＜詳細な説明＞
好ましい実施形態の以下の説明では、本発明が実施されえる具体的な実施形態を例として示した本明細書の一部を構成する添付の図面が参照される。本発明の範囲から逸脱することなくその他の実施形態が用いられてよいこと及び構造的な変更が加えられてよいことが理解されるべきである。
【００１７】
参照によって全体を本明細書に組み込まれ「Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus（液体光学ズームレンズ及び撮像装置）」と題された２００７年１０月８日出願の米国仮特許出願第６０／７８３，３３８号は、ズーム機能及び焦点合わせ機能を提供するために液体光学を用いるズームレンズ系を開示している。液体光学は、安定化を提供するために使用することもできる。本明細書では、液体光学を使用する代表的なズームレンズ系が開示される。
【００１８】
ズームレンズ系における液体光学
図１は、ズームレンズ１０２を伴うカメラ１００のブロック図を示している。ズームレンズは、焦点距離を変化させる能力を備えたレンズ素子の集合体である。個々のレンズ素子は、適所に固定されてよく、又はレンズボディに沿って軸方向に滑動してよい。レンズ群は、１つ又は２つ以上のレンズ素子で構成されてよい。少なくとも１つの可動レンズ群が、物体の倍率の変化を提供する。倍率を達成するために、少なくとも１つのレンズ群が移動するにつれて、焦点面の位置もまた、移動すると考えられる。焦点面の移動を補償して焦点面の位置を一定に維持するために、少なくとも１つの他の可動レンズ群を移動させることができる。焦点面の移動に対する補償は、レンズの倍率の変化にともなってレンズの集合体全体を移動させることによって、機械的に実現することもできる。
【００１９】
個々のレンズ素子は、ガラス材料、プラスチック材料、結晶質材料、若しくは半導体材料などの、固相材料で構成されてよく、又は水若しくは油などの、液体材料若しくは気体材料を使用して構成されてよい。レンズ素子間の空間は、１つ又は２つ以上の気体を内包していてよい。例えば、通常の空気、窒素、又はヘリウムが使用されてよい。あるいは、レンズ素子間の空間は、真空であってよい。本開示において「空気」という表現が使用されるときは、それが広義で使用されること、及びそれが１つ若しくは２つ以上の気体、又は真空を含みえることを理解されるべきである。
【００２０】
ズームレンズは、ズーム機能及び焦点合わせ機能を実現するために、３つ又は４つ以上の移動レンズ群を有することが多い。ズームを実施するために、機械的カムによって２つの可動レンズ群がリンクされてよく、焦点合わせには、第３の可動レンズ群が使用されてよい。
【００２１】
ズーム範囲は、一部には、可動レンズ素子の移動範囲によって決定される。ズーム範囲が広いほど、レンズ素子の移動に更なる空間が必要となる。可動レンズ群の１つ又は２つ以上は、液体セル技術を採り入れたレンズ群に置き換えることができる。液体セルは、軸方向移動のための空間を必要としないので、可動レンズ群を含むレンズ設計の長さは、短縮することができる。あるいは、可動レンズ群の軸方向移動に使用されてきたであろう空間を、更なる光学素子又は折り返しを含ませるために使用することができる。液体セルは、移動のための空間を必要としないが、可動レンズ群の一部であってよい。
【００２２】
液体セルは、ズーム及び焦点合わせの両方に使用されてよい。一実施形態では、液体セル技術を採り入れたレンズ群とともに、可動レンズ群が使用される。可動レンズ群が１つの場合は、機械的カムは不要である。カムがなければ、更なる移動が可能になる。
【００２３】
ズーム及び焦点合わせを実現するために、１つ又は２つ以上の液体セルとともに１つ又
は２つ以上の可動レンズ群が使用される。１つの可動レンズ群及び１つの液体セルによって、ズーム、焦点合わせ、及び熱的効果に対する補償の両方を実施することができる。一実装形態では、ズーム系は、少なくとも第１及び第２のレンズ群を有する。第１のレンズ群は、比較的高度数であり、第２のレンズ群は、比較的低度数であり、レンズの度数は、レンズの焦点距離の逆数に相当する。第１のレンズ群は、従来のガラスレンズ又はその他の固体レンズを含み、第２のレンズ群は、少なくとも１つの液体レンズを含む。
【００２４】
液体セルは、レンズを形成するために、２つ又は３つ以上の液体を使用する。レンズの焦点距離は、一部には、液体間の接触の角度、及び液体の屈折率の差によって決定される。度数変化の範囲は、用いられる液体の屈折率の差、及び空間的制約ゆえに液体間の接触表面における曲率半径の範囲が有限であることによって制限される。参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００６／０１２６１９０号は、エレクトロウェッティングを通じた液滴の変形を用いるレンズを開示している。参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第６，９３６，８０９号は、像面上に形成される像を横方向にシフトさせるためにエレクトロウェッティング技術を使用することを開示している。
【００２５】
現在考えられる液体レンズ系は、少なくとも約０．２の、好ましくは少なくとも約０．３の、そして一部の実施形態では少なくとも約０．４の、屈折率の差を有する。水は、約１．３の屈折率を有し、塩の追加は、屈折率を約１．４８に変化させられると考えられる。適切な光学オイルは、少なくとも約１．５の屈折率を有すると考えられる。たとえ、例えばより高屈折率のオイルなど、より高屈折率の液体、より低屈折率の液体、又はより高屈折率の液体とより低屈折率の液体とを用いる場合でも、度数変化の範囲は、有限にとどまる。この有限な度数変化の範囲は、通常、可動レンズ群よりも提供できる倍率変化が小さい。したがって、単純なズームレンズ系では、像面の位置を一定に維持しつつズームを提供するために、倍率変化の大半を１つの可動レンズ群によって提供するとともに、倍率変化時の像面におけるピンぼけに対する補償の大半を１つの液体セルによって提供するようにしてよい。ただし、可動レンズ群、又は液体セル、又はそれらの両方を、更に多く用いてもよいことに留意せよ。
【００２６】
可動レンズ群は、正又は負の度数を有することができる。液体セルは、度数が常に正である、度数が常に負である、又は度数が正から負に若しくは負から正に移行する、一定範囲の可変度数を有することができる。可動レンズ群及び液体セルの適切な配置構成は、ズーム範囲全体にわたって優れた画質を提供しつつ、２倍よりも大きい、好ましくは３倍よりも大きい拡張されたズーム比を提供する。この配置構成は、液体セル、可動レンズ群、又はそれらの両方によって可能になる更なる度数変化を用いることによって、ズームだけでなく、拡張された合焦範囲にわたって異なる物体距離での焦点合わせも提供することができる。液体セル、又は可動レンズ群、又はそれらの両方によって提供される、焦点合わせのためのこの更なる度数変化は、容易に実現可能である。可動レンズ群が１つの場合は、移動軌道を固定されたカムが必ずしも必要ではないので、可動ズームレンズ群の位置は、ズーム及び焦点合わせのために調整することができる。ズーム及び焦点合わせのために可動ズームレンズ群及び液体セルの両方を用いることによって、高性能の撮像が実現される。
【００２７】
また、可動ズームレンズ群を、少なくとも１つの液体セルで置き換えることも可能である。これは、光学系の複雑性を増加させ、倍率変化の減少などのその他の不利点を光学系にもたらす可能性がある。
【００２８】
図１は、レンズ１０２内のレンズ群の移動及び動作を制御するレンズ制御モジュール１０４も示している。制御モジュール１０４は、液体レンズセル内の曲率半径を制御する電子回路系を含む。電子回路系は、可動レンズ群の位置も制御してよい。様々な合焦位置及
びズーム位置についての適切な電子信号レベルは、事前に決定してルックアップテーブルに配することができる。あるいは、アナログ回路系によって、又は回路系とルックアップテーブルとの組み合わせによって、適切な信号レベルを生成することができる。一実施形態では、適切な電子信号レベルを決定するために、多項式が使用される。多項式に沿った点がルックアップテーブルに保存されてよい、又は回路系によって多項式が実行されてよい。
【００２９】
液体間表面の曲率半径、又は可動レンズ群の位置、又はそれらの両方を制御するにあたり、熱的効果も考慮されてよい。多項式又はルックアップテーブルは、熱的効果に関連した更なる変数を含んでいてよい。
【００３０】
制御モジュール１０４は、特定のズーム設定又は焦点距離に対する事前制御を含んでいてよい。これらの設定は、ユーザ又はカメラのメーカによって保存されてよい。
【００３１】
図１は、更に、外部物体に対応する光学像を受信する像取り込みモジュール１０６を示している。像は、光軸に沿ってレンズ１０２を通して像取り込みモジュール１０６に送られる。像取り込みモジュール１０６は、フィルム（例えばフィルムストック若しくは静止画フィルム）、又は電子的像検出技術（例えばＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳデバイス、若しくはビデオピックアップ回路）などの、様々なフォーマットを使用してよい。光軸は、直線であるか、又は折り返しを含むかしてよい。
【００３２】
像保存モジュール１０８は、取り込まれた像を、例えば、オンボードメモリに、又はフィルム、テープ、若しくはディスクに保持する。一実施形態では、保存媒体は、取り外し式（例えばフラッシュメモリ、フィルム容器、テープカートリッジ、又はディスク）である。
【００３３】
像転送モジュール１１０は、取り込まれた像を、その他のデバイスに転送する。例えば、像転送モジュール１１０は、ＵＳＢポート、ＩＥＥＥ  １３９４マルチメディア接続、Ｅｔｈｅｒｎｅｔポート、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈワイヤレス接続、ＩＥＥＥ  ８０２．１１ワイヤレス接続、ビデオコンポーネント接続、又はＳ−Ｖｉｄｅｏ接続などの、様々な接続の１つを使用してよい。
【００３４】
カメラ１００は、ビデオカメラ、携帯電話カメラ、デジタル写真用カメラ、又はフィルムカメラなどの、様々な形態で実装されてよい。
【００３５】
次に、設計例によって、ズームレンズの一実施形態が説明される。先ず、図２を参照すると、各レンズ素子は、文字「Ｅ」に１から２０までの数字を付して特定され、図には、各レンズ素子の一般的構成が示されているが、各レンズ表面の実際の半径は、以下で表１に定められている。レンズ、物体、絞り又はアイリス、及び像表面は、１から３６までの数字によって特定される。３つのレンズ群は、図２において、文字「Ｇ」に１から３までの数字を付して特定され、液体レンズセルは、文字「ＬＣ」によって特定され、１９から２３までの光学表面を含む。光軸は、図２において、数字３８によって特定される。
【００３６】
各レンズ素子は、その相対する表面を、別々の、しかしながら連続した表面番号によって特定され、例えば、図２に示されるように、レンズ素子Ｅ１は、レンズ表面２、３を有し、レンズ素子Ｅ９は、レンズ表面１７、１８を有し、以下同様である。撮像対象となる物体の場所は、特にそれが合焦距離に関連するゆえに、光軸３８上の縦線及び数字１によって特定され、実像表面は、数字３６によって特定される。レンズ表面４、８を除く全てのレンズ表面は、球面又は平面であり、レンズ表面４、８は、球面でも平面でもないが光軸まわりに回転対称である非球面である。
【００３７】
レンズ素子の詳細な特性を説明する前に、ズームレンズ系６０について、レンズ群とそれらの軸方向の位置及び移動、並びに液体レンズセルとその接触液体の表面形状の変化が大まかに説明される。
【００３８】
各レンズ群の正又は負の度数は、焦点距離の逆数として定義される。結果得られる各レンズ群の光学的度数は、以下の通りである。すなわち、対物レンズ群Ｇ１は正であり、ズームレンズ群Ｇ２は負であり、後方レンズ群Ｇ３は正であって、液体セル内の表面形状の変化に伴って低い正の値から高い正の値まで変化する。図２の上方部分にある双頭の水平矢印は、ズームレンズ群Ｇ２が両方の軸方向に可動であることを示している。
【００３９】
図２には、レンズ素子のみが物理的に示されているが、レンズケース内又は鏡筒内には、レンズ素子を支えるため及び可動ズームレンズ群を軸方向に移動させるために機械的なデバイス及びメカニズムが提供されることが理解されるべきである。また、液体レンズセル内の可変形状光学表面のプロフィールが電子回路系によって変化されることが理解されるべきである。
【００４０】
上述されたズームレンズ系６０のレンズの構成データ及び製造データが、以下で表１に定められている。表１のデータは、摂氏２５度（華氏７７度）の温度及び標準大気圧（７６０ｍｍＨｇ）において与えられる。この明細書全体を通して、測定値は、波長がナノメートル（ｎｍ）で表されることを除き、ミリメートル（ｍｍ）で表されるものとする。表１において、第１の欄「項目」は、各光学素子、及び対物面や像面などの各場所を、図２で使用されたのと同じ数字又は標識で特定している。第２の欄は、光学素子（レンズ）が所属する「群」を、図２で使用されたのと同じ数字で特定している。第３の欄「表面」は、図２に特定された、物体（図２における線「１」及び表１における「物体」）、絞り（アイリス）１３、並びにレンズの各実表面の、表面番号を挙げたものである。第４の欄「合焦位置」は、ズームレンズ系６０の３つの代表的合焦位置（Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３）を特定しており、より詳しく後述されるように、第３の欄に挙げられた一部の表面間の距離（間隔）、及び第３の欄に挙げられた表面２１の曲率半径は、変化を生じる。第５の欄「間隔」は、その表面（第３の欄）と次の表面との間の軸方向距離である。例えば、表面Ｓ２と表面Ｓ３との間の距離は、１．７２５ｍｍである。
【００４１】
「曲率半径」という見出しを付けられた第６の欄は、各表面について光学表面曲率半径を挙げたものであり、マイナス符号（−）は、曲率半径の中心が図２で見て表面の左であることを意味し、「無限遠」は、光学的に平坦な表面を意味する。表面４及び８に対する星印（＊）は、これらが、「曲率半径」を底面半径とする非球面であることを示している。非球面の使用は、全体サイズの小型化及び構成の単純化を可能にしつつ、ズームレンズにおける収差の補正を提供する。非球面４及び８の表面プロフィールについての式及び係数は、以下の方程式に支配される。
【数１】
2011509416.tif 000003
ここで、
ｃ＝表面曲率（ｃ＝１／ｒで、ｒは曲率半径である）であり、
ｙ＝Ｘ軸及びＹ軸から測定された表面の半径方向開口高さであって、
ｙ＝（Ｘ2＋Ｙ2）1/2であり、
κ＝円錐係数であり、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ＝それぞれ４次、６次、８次、１０次、１２次、及び１４次の
変形係数であり、
ｚ＝所定のｙ値に対応する表面プロフィールの位置、又は表面の極（すなわち軸方向頂点）から光軸に沿って測定された表面プロフィールの位置である。
表面４についての係数は、
κ＝−０．６３７２
Ａ＝＋０．９０３８ｘ１０-6
Ｂ＝＋０．２６５７ｘ１０-8
Ｃ＝−０．１１０５ｘ１０-10
Ｄ＝＋０．４３０１ｘ１０-13
Ｅ＝−０．８２３６ｘ１０-16
Ｆ＝＋０．６３６８ｘ１０-19  である。
表面８についての係数は、
κ＝＋０．００００
Ａ＝＋０．５８８６ｘ１０-4
Ｂ＝−０．５８９９ｘ１０-6
Ｃ＝＋０．８６３５ｘ１０-8
Ｄ＝−０．５１８９ｘ１０-10
Ｅ＝−０．１１８６ｘ１０-11
Ｆ＝＋０．１６３１ｘ１０-13  である。
【００４２】
表１の第７欄から第９欄までは、その表面（第３の欄）と、図２において右隣りの次の表面との間の「材料」に関するものであり、「タイプ」欄は、これらの２つの表面間にあるのがレンズ（ガラス）であるか、又は何もない空間（空気）であるか、又は液体レンズ（液体）であるかを示している。ガラスレンズ及び液体レンズは、「コード」欄の光学ガラス又は液体によって特定される。便宜上、全てのレンズガラスは、株式会社オハラ（Ohara Corporation）より入手可能なガラスから選択され、「名前」欄には、オハラによる各ガラスタイプの識別番号が挙げられている。ただし、均等な、類似の、又は適切な任意のガラスが使用されえることが理解されるべきである。また、レンズ液のオイルは、カーギル研究所（Cargille Laboratories, Inc.）より入手可能な液体から選択され、水は、様々なソースより手近に入手可能である。ただし、均等な、類似の、又は適切な任意の液体が使用されえることが理解されるべきである。表面２０における液体である水は、６５６．２７ｎｍ、５８９．２９ｎｍ、５４６．０７ｎｍ、及び４８６．１３ｎｍの波長において、それぞれ１．３３１１５２、１．３３２９８７、１．３３４４６８、及び１．３３７１２９の屈折率を有する。表面２１における液体であるオイルは、６５６．２７ｎｍ、５８９．２９ｎｍ、５４６．０７ｎｍ、及び４８６．１３ｎｍの波長において、それぞれ１．５１１５０１、１．５１５０００、１．５１８００２、及び１．５２３７９６の屈折率を有する。
【００４３】
「口径」という見出しを付された表１の最後の欄は、各表面について、光線が通り抜ける最大直径を提供している。絞り表面１３を除き、全ての最大口径は、全てのズーム位置及び合焦位置において、像面における最大像直径が６ｍｍでＦ値がＦ／２．８からＦ／４．０である場合に５４６．１ｎｍの波長において与えられる。表１において、絞り表面１３の最大口径は、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ１において、像面におけるＦ値がＦ／２．８である場合に５４６．１ｎｍの波長において与えられる。像面３６では、最大口径は、近似値として与えられる。
【００４４】
【表１】
2011509416.tif 000004
【００４５】
ズームレンズ系６０は、表面１３に、その地点で光線が通り抜けられる開口の直径を制御する光絞りを提供される。光絞りは、物理的なアイリス（ダイヤフラム）を配される場所である。アイリスは、後方レンズ群Ｇ３の前に配され、後方レンズ群Ｇ３に対して軸方向に固定される。なお、図４Ａでは、ズームレンズ系がいかなる視野位置、ズーム位置、及び合焦位置でも光ビームのけられを有することがないように、周縁の光線は、光絞り表面１３の目盛りマークよりも軸寄りを通り抜ける。ただし、Ｆ値がズーム位置及び合焦位
置を通じて変化すること、並びにそれに応じてアイリスが開いたり閉じたりすることに留意せよ。合焦位置Ｆ１の場合は、ズーム位置Ｚ１〜Ｚ８におけるアイリスの直径は、６．７１、６．３９、５．９６、５．５３、５．１８、４．８４、４．６３、及び４．６１である。これは、１３に配されたアイリスが、焦点距離が長くなるにつれて絞られるべきであることを示している。合焦位置Ｆ１と比較すると、合焦位置Ｆ２及びＦ３の場合のズーム位置Ｚ１〜Ｚ８におけるアイリスの直径は、合焦位置Ｆ１の場合と同じＦ値を維持するために、直径０．３ｍｍ未満の少量だけ変化する。
【００４６】
表１を参照すると、設計の範囲及び汎用性を示するために、８つの異なるズーム位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、Ｚ５、Ｚ６、Ｚ７、及びＺ８と、３つの異なる合焦位置Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３とがデータに定められ、これは、実際、可動ズームレンズ群Ｇ２位置と可変形状光学表面２１との２４（８×３＝２４）の異なる位置組み合わせについての具体的データを提供する。
【００４７】
合焦位置Ｆ１において、ズーム位置Ｚ１〜Ｚ８のためのズームレンズ系６０の焦点距離は、波長５４６．１ｎｍにおいて、それぞれ５．８９ｍｍ、７．５０ｍｍ、１１．２５ｍｍ、１５．００ｍｍ、１８．７５ｍｍ、３０．００ｍｍ、４１．２５ｍｍ、及び４５．００ｍｍである。データ位置Ｚ１〜Ｚ８のための、焦点距離に対応するＦ値は、波長５４６．１ｎｍにおいて、それぞれ２．８０、２．９０、３．０５、３．２５、３．４５、３．７０、３．９５、及び４．００である。
【００４８】
合焦位置Ｆ１の場合は、対物面１は、無限遠にあると想定され、合焦位置Ｆ２の場合は、対物面１は、約１０１６．２５ｍｍの中間距離にあり、合焦位置Ｆ３の場合は、対物面１は、約３７８．７５ｍｍの近距離にある（すなわち像面から３７８．７５ｍｍ離れている）。これら３つの合焦位置Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３のそれぞれにおいて、レンズ群Ｇ１及びＧ３は、ズームレンズ群Ｇ２の全移動範囲を通して同じ位置にとどまる。ズーム位置Ｚ１〜Ｚ８及び合焦位置Ｆ１〜Ｆ３について、表２及び表３は、表面７及び１２の間隔値を、表４は、表面２１の曲率半径を、それぞれ提供している。
【００４９】
【表２】
2011509416.tif 000005
【００５０】
【表３】
2011509416.tif 000006
【００５１】
【表４】
2011509416.tif 000007
【００５２】
両極端の合焦位置Ｆ１とＦ３との間で連続的な焦点合わせが可能であること、両極端のズーム位置Ｚ１とＺ８との間で連続的なズームが可能であること、並びにレンズ系６０によって、説明された合焦範囲内及びズーム範囲内で連続的な焦点合わせと連続的なズームとを任意に組み合わせて提供可能であることが理解される。
【００５３】
図２に示され表１に規定されたズームレンズ系６０は、レンズ群Ｇ１及びＧ２についてそれぞれ５４．３０ｍｍ及び−１２．２５ｍｍの焦点距離を有する。また、レンズ群Ｇ３は、液体間の光学表面２１の形状が可変であるゆえに、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ１における最小値＋３０．１８ｍｍと、ズーム位置Ｚ８及び合焦位置Ｆ３における最大値＋３８．９７ｍｍとを有する可変焦点距離を有する。ズームレンズ系６０の液体セルＬＣは、図３Ａ及び図３Ｂに図示されており、これらの図は、表１をもとに、液体間の可変形状光学表面２１の２つの両極端な曲率半径を示している。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、表面２１の２つの曲率半径は、それぞれ約−３３．９９ｍｍ及び約＋１１５．８０ｍｍである。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、液体セルＬＣの２つの両極端な焦点距離は、それぞれ−１８５．２０ｍｍ及び６３０．９７ｍｍである。この差は、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ１と、ズーム位置Ｚ８及び合焦位置Ｆ３とで生じる。この実施形態では、表面２０と２１との間及び表面２１と２２との間の２つの液体の体積は、可変表面の形状が変化するにつれて変わっていく。しかしながら、表面２０と２１との間及び表面２１と２２との間の軸方向間隔に対し、等しいけれども方向が反対である小さな変化を加えることによって、各液体を一定の体積に維持することも可能である。
【００５４】
次に、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃを参照すると、様々な位置をとるズームレンズ群と、様々な位置をとる液体セル内の可変表面の形状とを伴うズームレンズ系６０が、それらの位置における光線の軌跡とともに図示されている。図４Ａは、表１にデータを定められた合焦位置Ｆ１及びズーム位置Ｚ１を、無限遠焦点及び約５．９ｍｍの短焦点距離で表している。図４Ｂは、表１をもとにした合焦位置Ｆ２及びズーム位置Ｚ３を、中間焦点及び約１１．３ｍｍの焦点距離で表している。図４Ｃは、表１をもとにした合焦位置Ｆ３及び
ズーム位置Ｚ８を、近距離焦点及び約４４．８ｍｍの焦点距離で表している。
【００５５】
図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、それぞれのズーム位置及び合焦位置であるＺ１とＦ１、Ｚ３とＦ２、及びＺ８とＦ３について、ズームレンズ群Ｇ２の３つの軸方向場所を、対応する３つの可変光学表面２１表面形状とともに示している。
【００５６】
ズームレンズ系６０の光学性能が、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃに与えられており、表１に定められた３つの異なる組み合わせ代表例のズーム位置及び合焦位置、すなわち（Ｚ１，Ｆ１）、（Ｚ３，Ｆ２）、及び（Ｚ８，Ｆ３）における５つの異なる視野位置について、回折ベースの多色変調伝達関数（「ＭＴＦ」）データ（変調対空間周波数）がパーセント（％）で示されている。視野位置は、正規化された像高さ（ｍｍ）及び光軸からの実際の物体空間角度（度）の両値で定められる。ＭＴＦパーセントは、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの右上隅に定められた波長及び重み付けにおけるものであり、像面３６における接線（Ｔ）方向及び半径（Ｒ）方向の測定をグラフ表示されている。なお、接線方向の値及び半径方向の値が軸方向視野位置（ＡＸＩＳ）において等しいこと、並びにそれゆえに１つの線だけで示されていることに留意せよ。示されている最大空間周波数は、９０サイクル／ｍｍであり、これは、約６ｍｍの像直径及び検出器画素サイズの選択を前提としたときに、少なくとも高精細度テレビ（ＨＤＴＶ）の解像度、すなわち横１９２０画素×縦１０８０画素で高品質の像を提供することができる。空間周波数におけるＭＴＦは、比較的標準的な光学性能測定であり、「９０サイクル／ｍｍ」という値は、鮮明さを判断するもととなるチャート上における１ｍｍあたり９０対の黒線及び白線を意味している。最高ＭＴＦ値は、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ２の場合に全半径方向視野において約８９％である。最低ＭＴＦ値は、ズーム位置Ｚ８及び合焦位置Ｆ３の場合に全接線方向視野において約５８％である。最小相対照度は、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ１において約７５％である。相対照度は、値が低いとその写真の隅で光が衰えることを意味するので、総じて高いほど優れている。全ての領域において光に対して一定の応答があり、ズーム中に像の変化に伴って像の隅に忠実に陰影を再現する最先端の検出器では、高い全視野相対照度が好ましいとされる。５０％未満の照度は、電子的検出器において陰影を生じるが、フィルム式では許容可能である可能性がある。最も高い正のゆがみは、ズーム位置Ｚ３及び合焦位置Ｆ１において＋３．０４％であり、最も低い負のゆがみは、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ３において−２．９８％である。遠距離焦点から近距離焦点にかけて像のサイズが変化する一般的な（しかしながらズームレンズではより頻繁に見られる）いわゆるレンズの「ブリージング」の問題は、ズームレンズ系６０では、深い被写界深度ゆえにそれが最も顕著になる短焦点距離のズーム範囲において事実上見られない。最も低いブリージングは、ズーム位置Ｚ１及び合焦位置Ｆ３において−０．２％であり、最も高いブリージングは、ズーム位置Ｚ８及び合焦位置Ｆ３において−１９．５％である。ブリージングは、無限遠焦点から被選択焦点にかけての最大画角のパーセント変化である。したがって、無限遠焦点（Ｆ１）では、それが基準視野であるゆえにブリージングはゼロである。
【００５７】
全ての性能データは、摂氏２５度（華氏７７度）の温度、標準大気圧（７６０ｍｍＨｇ）、及びズームレンズ系６０で可能な全開絞りにおいて与えられる。しかしながら、ズームレンズ系６０は、摂氏０度から摂氏４０度（華氏３２度から華氏１０４度）の温度範囲にわたって実質的に一定の例えばＭＴＦ値などの性能を提供するものであり、もし性能（ＭＴＦ）の僅かな低下が許容可能であるならば、動作可能な温度範囲を摂氏−１０度から摂氏５０度（華氏１４度から華氏１２２度）まで、又はそれを超えて拡張することができる。温度変化に対しては、ズームレンズ群Ｇ２の更なる軸方向調整によって、又は接触光学表面２１の更なる形状変化によって、又はそれら両方の組み合わせによって、最適な性能が達成されえる。これは、全てのズーム位置及び合焦位置において生じえる。摂氏約０度（華氏３２度）又はそれ未満の低温では、凍結（固形化）を回避するために、液体を加熱する、又は低温動作用に車のラジエータの水に不凍剤を加えるのと同様の方法で液体を
ドープ液で置き換える必要があると考えられる。ただし、これらの材料の温度変化は、液体の光学特性を大幅に変更するべきではないことが好ましい。
【００５８】
ズームレンズ系６０を使用している上述の実施形態は、６ｍｍの直径（いわゆる３分の１インチチップセンサ）とともに使用するのに適した寸法であるが、このズームレンズ系の寸法は、フィルム及び電子的検出器の様々な像フォーマットとともに使用するのにあわせて適切に拡大又は縮小されてよい。
【００５９】
ズームレンズ系６０の多くの利点のなかで特筆すべきは、軸方向に移動するズームレンズ群を１つ用いるだけで、広範囲の焦点距離にわたってズームを提供できることにある。ズームレンズ系６０の設計は、少なくとも２つの軸方向可動ズームレンズ群及びそれらに対応する機構を必要とする大半の従来の高性能ズームレンズ系よりも機械的に単純な高性能なレンズ系を形成する。ズームレンズ系６０の固有なレンズ設計は、更なる可動レンズ群及びそれに対応する機構を伴うことなく広範囲の合焦距離にわたって焦点合わせを提供する。開示されたズームレンズ系６０の設計は、例示的なものであり、その他の設計も、本発明の範囲内である。当業者ならば、以上の説明及び添付の図面から、ズームレンズ系６０のその他の特徴及び利点を見てとることができる。
【００６０】
像安定化を用いるレンズ系内の液体光学
図６Ａ及び図６Ｂは、像を安定化するために液体を用いるレンズ系の光学図を示している。図６Ａは、ＹＺ平面におけるレンズ系を示しており、液体レンズセル７０及び７１は、Ｙ軸に沿って軸を外され、偏心され、僅かに傾けられている。図６Ｂは、ＸＺ平面におけるレンズ系を示しており、液体レンズセル７０及び７１は、Ｘ軸に沿って中心合わせされている。この簡略化されたレンズ系において、光は、物体空間からレンズ素子７２を通り抜ける。アイリスの反対側において、光は、液体レンズセル７０及び７１を通り抜ける。レンズ素子７３は、光を像面７４上に集束させる。
【００６１】
図６Ａの光学図は、ＹＺ平面においてレンズを傾かせ、又は回転させる効果を示している。図に示されるように、ＹＺ平面における傾きは、像面７４における像を上又は下にシフトさせる。液体レンズセル７０及び７１は、ＹＺ平面においてレンズを傾ける効果を補償するようにあわせて制御することができるように、位置決めされている。
【００６２】
図７Ａ及び図７Ｂは、像を安定化するために４つの液体レンズセルを用いるレンズ系８０の光学図を示している。レンズ系８０は、カメラ１００とともに使用することができる。図７Ａは、ＹＺ平面におけるレンズ系８０を示しており、図７Ｂは、ＸＺ平面におけるレンズ系８０を示している。レンズ系８０は、第１の固定対物レンズ群８１と、第２の移動レンズ群８２と、アイリス８３と、第３の固定レンズ群８４と、第１の液体レンズセル８５と、第４の固定レンズ群８６と、第２から第５の液体レンズセル８７、８８、８９、及び９０と、第５の固定レンズ群９１とを含む。像は、像面９２上に形成される。液体レンズ群８７及び８８は、ｙ軸に沿って反対方向に偏位されており、液体レンズセル８９及び９０は、ｘ軸に沿って反対方向に偏位されている。したがって、液体レンズ群８７及び８８の可変表面形状の制御は、像面９２においてｙ軸に沿った像の安定化を提供し、液体レンズセル８９及び９０の可変表面形状の制御は、像面９２においてｘ軸に沿った像の安定化を提供する。
【００６３】
図７Ａ及び図７Ｂに示されている構成は、液体レンズセルをｚ軸に沿って揃えられたものとして図示している。あるいは、液体レンズセルは、ｘ軸又はｙ軸に沿って偏位されたうえに更にｚ軸に対して傾けられてよい、又はｘ軸及びｙ軸のいずれに沿っても偏位されることなくｚ軸に対して傾けられてよい。ｘ軸に沿って、又はｙ軸に沿って、又はこれらの両軸に沿って液体レンズセルを偏位させることは、レンズ系８０におけるレンズセルの
物理的直径を増大させる。液体レンズセルを傾かせることは、ｘ方向及びｙ方向の偏位を小さくし又は無くすることができ、これは、液体レンズセルの物理的直径を減少させて、より優れた像の安定化を可能にすることができる。
【００６４】
図７Ａ及び図７Ｂにおいて、液体レンズセルを除く各レンズ群の光学的度数及び焦点距離は、次のとおりである。すなわち、対物レンズ群８１は正で、＋５４．７００ｍｍであり、移動レンズ群８２は負で、−１２．１６５ｍｍであり、レンズ群８４は正で、＋７０．２８５ｍｍであり、レンズ群８６は正で、＋４２．２６６ｍｍであり、後方レンズ群９１は正で、＋１９．１４７ｍｍである。
【００６５】
表５は、図７Ａ及び７Ｂに示されたレンズ素子の全体的な構成を明記している。表５のデータは、摂氏２５度（華氏７７度）の温度及び標準大気圧（７６０ｍｍＨｇ）において与えられる。焦点距離の範囲は、およそ６ｍｍから４５ｍｍまでである。視野範囲は、およそ５６．７°から７．７°までである（無限遠の合焦位置Ｆ１におけるゆがみを含む）。ズーム比は、およそ７．５×（７．５：１）である。像の大きさは、１６：９のフォーマットを使用しておよそO６ｍｍである。合焦範囲は、およそ無限遠（合焦位置Ｆ１）から、物体から最も近い度付きのレンズ表面の頂点までを測定して３７８．２５ｍｍ（合焦位置Ｆ３）までである。波帯範囲は、およそ４８６ｎｍから６５６ｎｍまでである。レンズ系８０は、少なくともおよそ１５ｍｍから４５ｍｍまでの焦点距離において、およそ±１／４の像半値高さ及び±１／８像半値幅の範囲内における像の安定化を提供する。
【００６６】
【表５−１】
2011509416.tif 000008
【表５−２】
2011509416.tif 000009
【００６７】
群８７及び８８の全ての表面は、ｙ軸に沿ってそれぞれ−４．３９１５ｍｍ及び＋４．３９１５ｍｍだけ偏心されており、群８９及び９０の全ての表面は、ｘ軸に沿ってそれぞれ−３．９８８８ｍｍ及び＋３．９８８８ｍｍだけ偏心されている。その他の全ての表面は、光軸上に揃えられている。表面４、７、及び５３に対する星印（＊）は、これらが非球面であることを示している。表面４についての係数は、
κ＝−０．５６７３
Ａ＝＋０．９０３８ｘ１０-6
Ｂ＝＋０．２６５７ｘ１０-8
Ｃ＝−０．１１０５ｘ１０-10
Ｄ＝＋０．４３０１ｘ１０-13
Ｅ＝−０．８２３６ｘ１０-16
Ｆ＝＋０．６３６８ｘ１０-19  である。
表面７についての係数は、
κ＝＋０．００００
Ａ＝＋０．５８８６ｘ１０-4
Ｂ＝−０．５８９９ｘ１０-6
Ｃ＝＋０．８６３５ｘ１０-8
Ｄ＝−０．５１８９ｘ１０-10
Ｅ＝−０．１１８６ｘ１０-11
Ｆ＝＋０．１６３１ｘ１０-13  である。
表面５３についての係数は、
κ＝＋０．００００
Ａ＝−０．５３０２ｘ１０-4
Ｂ＝＋０．８７８２ｘ１０-6
Ｃ＝＋０．７７６１ｘ１０-7
Ｄ＝−０．１７００ｘ１０-8
Ｅ＝−０．１９６５ｘ１０-9
Ｆ＝＋０．６９０３ｘ１０-11  である。
【００６８】
合焦位置Ｆ１において、ズーム位置Ｚ１〜Ｚ８のためのレンズ系８０の焦点距離は、６．０００３、７．６１３１、１１．４３０４、１５．２４７４、１９．１１０５、３０．４６１９、４１．４２４４、及び４４．９８０９である。ズーム位置Ｚ１〜Ｚ８のための対応するＦ値は、２．８０、２．９０、３．０５、３．２５、３．４５、３．７０、３．９５、及び４．００である。
【００６９】
合焦位置Ｆ１の場合は、対物面は、無限遠にあると想定され、合焦位置Ｆ２の場合は、対物面は、約１０１６．２５ｍｍの中間距離にあり、合焦位置Ｆ３の場合は、対物面は、約３７８．７５ｍｍの近距離にある（すなわち像面から３７８．７５ｍｍ離れている）。レンズ群８１、８４、８６、及び９１は、ズームレンズ群８２の全移動範囲を通して同じ位置にとどまる。
【００７０】
図８Ａ、８Ｂ、及び８Ｃは、代表的なズーム位置及び合焦位置を示しているレンズ系８０の光学図である。図８Ａにおいて、レンズ群８０は、合焦位置Ｆ１（対物面は無限遠にある）及びズーム位置Ｚ１（Ｆ値は２．８０である）の場合用に構成されている。図８Ｂにおいて、レンズ群８０は、合焦位置Ｆ２（対物面は１０１６．２５ｍｍにある）及びズーム位置Ｚ３（Ｆ値は３．０５である）の場合用に構成されている。図８Ｃにおいて、レンズ群８０は、合焦位置Ｆ３（対物面は３７８．７５ｍｍにある）及びズーム位置Ｚ８（Ｆ値は４．００である）の場合用に構成されている。
【００７１】
表６は、合焦位置Ｆ１〜Ｆ３及びズーム位置Ｚ１〜Ｚ８について、レンズ群８１の最後のレンズ表面とレンズ群８２の最初のレンズ表面との間の間隔値を提供している。
【００７２】
【表６】
2011509416.tif 000010
【００７３】
表７は、合焦位置Ｆ１〜Ｆ３及びズーム位置Ｚ１〜Ｚ８について、レンズ群８２の最後のレンズ表面とアイリス８３との間の間隔値を提供している。
【００７４】
【表７】
2011509416.tif 000011
【００７５】
表８は、レンズ系８０が合焦位置Ｆ１〜Ｆ３及びズーム位置Ｚ１〜Ｚ８をとる場合について、アイリスの直径を提供している。
【００７６】
【表８】
2011509416.tif 000012
【００７７】
表９〜１３は、レンズ系８０が合焦位置Ｆ１〜Ｆ３及びズーム位置Ｚ１〜Ｚ８をとる場合について、液体レンズセル８５、８７、８８、８９、及び９０の曲率半径を提供している。
【００７８】
【表９】
2011509416.tif 000013
【００７９】
【表１０】
2011509416.tif 000014
【００８０】
【表１１】
2011509416.tif 000015
【００８１】
【表１２】
2011509416.tif 000016
【００８２】
【表１３】
2011509416.tif 000017
【００８３】
表９〜１３に提供された値は、像が安定していてジッタの補正が不要である条件における値である。ジッタが検出されたときは、補償のために、液体レンズセルの曲率半径が調整される。表１４は、ｘ方向へ−０．５０００度及び＋０．５０００度、並びにｙ方向へ０．４５００度及び−０．４５００度の代表的な偏位について、レンズ系８０が合焦位置Ｆ２及びズーム位置Ｚ８をとる場合の液体レンズセル８５、８７、８８、８９、及び９０の曲率半径を提供している。
【００８４】
【表１４】
2011509416.tif 000018
【００８５】
図９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、及び９Ｄは、表１４に示されるように構成されたレンズ系８０の光学図である。図９Ａは、偏位がｙ方向へ＋０．５０００度である場合の像の安定化を示している。図９Ｂは、偏位がｙ方向へ−０．５０００度である場合の像の安定化を示している。図９Ｃは、偏位がｘ方向へ＋０．４５００度である場合の像の安定化を示している。図９Ｄは、偏位がｘ方向へ−０．４５００度である場合の像の安定化を示している。
【００８６】
表１５は、ｘ方向へ＋１．５０００度及び−１．５０００度、並びにｙ方向へ＋１．２２００度及び−１．２２００度の代表的な偏位について、レンズ系８０が合焦位置Ｆ１及びズーム位置Ｚ４をとる場合の液体レンズセル８５、８７、８８、８９、及び９０の曲率半径を提供している。
【００８７】
【表１５】
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【００８８】
図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、及び１０Ｄは、表１５に示されるように構成されたレンズ系８０の光学図である。図１０Ａは、偏位がｙ方向へ−１．５０００度である場合の像の安定化を示している。図１０Ｂは、偏位がｙ方向へ＋１．５０００度である場合の像の安定化を示している。図１０Ｃは、偏位がｘ方向へ＋１．２２００度である場合の像の安定化を示している。図１０Ｄは、偏位がｘ方向へ−１．２２００度である場合の像の安定化を示している。
【００８９】
表５〜１５に与えられたデータの液体レンズセルの光学的度数及び焦点距離範囲は、次のとおりである。すなわち、第１のセル８５は、負から正で、−１８５．１９８ｍｍから＋６３０．９７２ｍｍであり、第２のセル８７は、正から負で、＋２８０．９２４ｍｍから−４１５４．２９１ｍｍであり、第３のセル８８は、正から負で、＋２３２．０７８ｍｍから−１４８１．４３２ｍｍであり、第４のセル８９は、正から負で、＋２２１．６１３ｍｍから−７９２．５８７ｍｍであり、第５のセル９０は、正から負で、＋２３５．８０４ｍｍから−１８５９．８０１ｍｍである。
【００９０】
レンズ系８０の光学的性能は、図１１Ａ〜１１Ｃ、図１２Ａ〜１２Ｄ、及び図１３Ａ〜１３Ｄに与えられている。図１１Ａ〜１１Ｃは、図８Ａ〜８Ｃに示された光学的構成に対応する。図１２Ａ〜１２Ｄは、図９Ａ〜９Ｄに示された光学的構成に対応する。図１３Ａ〜１３Ｄは、図１０Ａ〜１０Ｄに示された光学的構成に対応する。
【００９１】
表５に定められた３つの異なる組み合わせ代表例のズーム位置及び合焦位置、すなわち（Ｚ１，Ｆ１）、（Ｚ３，Ｆ２）、及び（Ｚ８，Ｆ３）における５つの異なる視野位置について、回折ベースの多色変調伝達関数（「ＭＴＦ」）データ（変調対空間周波数）がパーセント（％）で示されている。５つの視野位置（軸及び４つの隅）は、ｘ−ｙ画角として度数で定められる。ＭＴＦパーセントは、図１１Ａ〜１１Ｃ、図１２Ａ〜１２Ｄ、及び図１３Ａ〜１３Ｄの右上隅に定められた波長及び重み付けにおけるものであり、像面９２におけるｘ方向及びｙ方向の測定をグラフ表示されている。
【００９２】
レンズ系８０は、レンズ系６０において与えられるのと同様のゆがみ特性を有するが、液体レンズセルの偏心ゆえに僅かに非対称である全視野ゆがみを僅かに増している。レンズ系８０は、実質的にけられを生じず、対応する相対照度は、非常に高く、且つレンズ系６０において与えられるのと同様である。レンズ系８０は、レンズ系６０において与えられるのと実質的に同様のブリージング特性を有する。
【００９３】
示されている最大空間周波数は、６０サイクル／ｍｍであり、これは、約６ｍｍの像直径及び検出器画素サイズの選択を前提としたときに、少なくとも最大およそ標準精細度テレビ（ＳＤＴＶ）の解像度、すなわち横７２０画素×縦４８０画素で高品質の像を提供することができる。図１１Ｃにおいて、光学的性能（ＭＴＦ）は、遠距離位置及び中距離位置Ｆ１及びＦ２と比べて普通は実際面においてさほど重要ではない長い焦点距離及び近い合焦位置（Ｚ８，Ｆ３）において、約５５％に減少している。しかしながら、より長い距離及び安定化作用のもとでは、光学的性能（ＭＴＦ）は、約６０％を超えて維持される。可動レンズ群８２は、安定化時に軸方向に移動可能であり、液体レンズセルの可変曲率半径は、安定化時に独立に変化可能であり、これは、ＨＤＴＶ解像度にほぼ等しい最大９０サイクル／ｍｍ又はそれを超える光学的性能の実現を可能にする。
【００９４】
図１２Ａ〜１２Ｄは、図９Ａ〜９Ｄに示された光学的構成に対応する。
【００９５】
図１３Ａ〜１３Ｄは、図１０Ａ〜１０Ｄに示された光学的構成に対応する。
【００９６】
図７〜１０に示された実施形態は、焦点合わせ、ズーム、及び熱的補償のために、液体レンズセル８５を用いる。液体レンズセル８７、８８は、主に、ｙ方向にずれた入射の安定化のためであり、液体レンズセル８９、９０は、主に、ｘ方向にずれた入射の安定化のためである。可動レンズ群８２は、主に、ズームを提供する。別の実施形態では、液体レンズセル８５をレンズ系から排除し、残りの液体レンズセル８７、８８、８９、及び９０によって、ズーム、焦点合わせ、及び安定化を提供してよい。液体レンズセル８５は、非液体レンズ素子で置き換えられてもよい。更には、安定化時に軸方向に可動レンズ群８２が移動可能にされるか、安定化時に全ての液体レンズセルの可変曲率半径が変化されるか、又はそれらの両方がなされてよい。これは、安定化時の、とりわけ視野の隅におけるレンズ系８０の光学的性能を向上させると考えられる。
【００９７】
２対の液体レンズセルを使用する代わり、レンズ系８０は、一方向への安定化を提供するための１対の液体レンズセルを用いてよい。例えば、横のジッタの方が許容されるゆえに、縦のジッタを低減させることが望ましいと考えられる。
【００９８】
光軸からの液体レンズセルの偏位の大きさは、ある程度、その液体レンズセルによって提供可能な安定化の量を決定する。しかしながら、有効口径は、液体レンズセルが光軸から離れるにつれて減少する。一実施形態では、第１対の液体レンズセルは、第２対の液体レンズセルの偏位と異なる量で光軸から偏位している。第１対の液体レンズセルが、その大きい偏位ゆえに、より多くの安定化を縦方向に提供できる一方で、第２対の液体レンズセルは、光軸からの偏位が小さいゆえに、提供する安定化は少ないが、より横方向に大きい口径を有する。
【００９９】
レンズ系の運動を検出するために、様々なタイプのセンサが使用されてよい。例えば、角速度センサ、圧電性ジャイロセンサ、加速度センサ、又は光学的検出センサが、運動を検出するために使用されてよい。参照によって全体を本明細書に組み込まれる米国特許第６，９９２，７００号は、運動を検出するためのシステムの例を開示している。
【０１００】
運動センサは、液体レンズセル８５、８７、８８、８９、及び９０の適切な曲率半径を決定するコントローラに情報を提供する。コントローラは、レンズ群８２の適切な位置も決定する。参照によって全体を本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００６／００４５５０４号は、レンズ系の制御を開示している。参照によって全体を本明細書に組み込まれる米国特許第６，９８７，５２９号は、レンズ系を制御するための別の例を開示している。
【０１０１】
液体レンズセルの半径を制御するための適切な電子信号レベルは、事前に決定してルックアップテーブルに配することができる。あるいは、アナログ回路系によって、又は回路系とルックアップテーブルとの組み合わせによって、適切な信号レベルを生成することができる。一実施形態では、適切な電子信号レベルを決定するために、多項式が使用される。多項式に沿った点がルックアップテーブルに保存されてよい、又は回路系によって多項式が実行されてよい。
【０１０２】
図は、ズームレンズのための像安定化を示しているが、像安定化は、固定焦点レンズ、ズームレンズ、アナモルフィックレンズ、光リレーシステムなどの任意の光学的放射制御機器にも適用可能である。
【０１０３】
液体レンズセルは、安定化を実現するために、その他の光学素子と組み合わせて使用されてもよい。例えば、液体レンズセルは、安定化性能を高めるために、プリズムと対にされてよい。レンズ素子の移動は、結果として、センサ上における像の場所のシフト、センサ上における像の傾き、又は偏心のシフトを生じる可能性がある。センサ上における像の傾きを補償するために、液体レンズセルが使用されるとともに、偏心のシフト、又は傾きと偏心の両方のシフトを補償するために、その他のレンズ素子が使用されてよい。センサは、追加の画素を有してよく、画素上における像の場所を決定して像のシフトを補償するために、運動検出アルゴリズム、加速度計、又はジャイロスコープが使用されてよい。
【０１０４】
当業者には様々な変更及び修正が明らかになることに留意せよ。このような変更及び修正は、添付の特許請求の範囲に定められた本発明の範囲内に含まれるものとして理解されるべきである。
【図１】
2011509416.tif 000020
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
2011509416.tif 000024
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
2011509416.tif 000026
【図５Ａ】
2011509416.tif 000027
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2011509416.tif 000032
【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【国際調査報告】
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