(57)【要約】  本出願は、小型電子撮像装置などの小型装置用途で使用される微小機械（ＭＥＭＳ）型ズームレンズシステムを提供する。ＭＥＭＳ型ズームレンズシステムは、光信号経路に沿って光信号を通過させるよう構成された少なくとも４つの光学要素、乃至、２つのアルバレス又はローマンレンズを有する。各光学要素は、ＭＥＭＳ駆動され、光信号経路に対して実質的に横方向に変位可能である。使用に際しては、光学要素の横変位は、光学ズーム機能を提供するようにＭＥＭＳズームレンズシステムの全体の焦点距離を変化させる。更なる態様では、ＭＥＭＳズームレンズシステムの製造方法もまた提供される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の光学要素を変位させるように構成された少なくとも１つの微小機械（ＭＥＭＳ）アクチュエータと、
少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素を有し、
前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、光信号伝搬経路に沿って光信号を通過させるように構成され、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、少なくとも１つの自由形状面を有し、
第１及び第２のＭＥＭＳ駆動光学要素が第１の光学要素のペアを形成し、第３及び第４のＭＥＭＳ駆動光学要素が第２の光学要素のペアを形成するように、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素がペア式の構成で配置されており、
前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、前記第１及び第２の光学要素のペアの一方又は両方の屈折力の変化を許容するように、前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に変位可能である、ズームレンズシステム。
【請求項２】
前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素が、少なくとも約２倍の光学拡大を提供するよう構成されている、請求項１のズームレンズシステム。
【請求項３】
前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素が、約３０ｍｍよりも小さい距離だけ離間した最初のレンズ要素及び最後のレンズ要素を含む、請求項１のズームレンズシステム。
【請求項４】
前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素が、前記ＭＥＭＳズームレンズシステムに光学ズーム及びオートフォーカス機能のそれぞれを提供するように構成されている、請求項１のズームレンズシステム。
【請求項５】
前記第１の光学要素のペアが、アルバレスレンズ及びローマンレンズのうちの１つとして動作するよう構成された第１のバリフォーカルレンズを有する、請求項４のズームレンズシステム。
【請求項６】
前記第２の光学要素のペアが、アルバレスレンズ及びローマンレンズのうちの１つとして動作するよう構成された第２のバリフォーカルレンズを有する、請求項５のズームレンズシステム。
【請求項７】
光学ズーム機能が、前記第１のバリフォーカルレンズの第１の焦点距離及び前記第２のバリフォーカルレンズの第２の焦点距離の組み合わされた調整を通して実現される、請求項６のズームレンズシステム。
【請求項８】
オートフォーカス機能が、前記第２のバリフォーカルレンズと独立に前記第１のバリフォーカルレンズの前記第１の焦点距離の調整を行うことを通して実現される、請求項６のズームレンズシステム。
【請求項９】
前記第１及び第２の光学要素のペアの１つ又は両方が、アルバレス及びローマンレンズのうちの１つとして動作するよう構成された対応するバリフォーカルレンズを有する、請求項４のズームレンズシステム。
【請求項１０】
前記第１及び第２の光学要素のペアの１つ又は両方が、対応するバリフォーカルレンズを有し、前記バリフォーカルレンズが、３よりも高次の多項式に従って相関する面を有する、請求項４のズームレンズシステム。
【請求項１１】
複数のＭＥＭＳ屈曲懸架部であって、
それぞれのＭＥＭＳ屈曲懸架部が、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の１つのＭＥＭＳ駆動光学要素に結合し、
それぞれのＭＥＭＳ屈曲懸架部が、前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に弾性変形するよう構成された、
前記複数のＭＥＭＳ屈曲懸架部を更に有する、請求項１のズームレンズシステム。
【請求項１２】
前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に前記第１のＭＥＭＳ駆動光学要素を前記第２のＭＥＭＳ駆動光学要素に対して変位させるよう構成された第１の変位器具を更に有し、前記第１の変位器具は、
少なくとも１つの基準支持構造、
前記第１のＭＥＭＳ駆動光学要素を担持するよう構成された第１のプラットホーム、
前記第１のプラットホームと前記少なくとも１つの基準支持構造の間に結合した第１の屈曲懸架部、
前記第２のＭＥＭＳ駆動光学要素を担持するよう構成された第２のプラットホーム、及び、
前記第２のプラットホームと前記少なくとも１つの基準支持構造の間に結合した第２の屈曲懸架部を有し、
前記第１の屈曲懸架部及び前記第２の屈曲懸架部が、前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に沿って弾性変形するよう構成されている、請求項１のズームレンズシステム。
【請求項１３】
前記第１の変位器具が、前記第１のプラットホーム及び前記第２のプラットホームのそれぞれに変位力を印加するよう構成された駆動機構のセットを更に有し、前記駆動機構のセットが、少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータを含む、請求項１２のズームレンズシステム。
【請求項１４】
前記駆動機構のセットが、少なくとも１つの変位増幅機構と結合した前記少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータを有し、前記変位増幅機構が、前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に前記第１のプラットホームを前記第２のプラットホームに対して変位させるよう構成されている、請求項１３のズームレンズ装置。
【請求項１５】
前記変位増幅機構が、第１のＭＥＭＳアクチュエータ及び前記第１のプラットホームの間に結合した第１の屈曲ビームのセットを含む、請求項１４のズームレンズシステム。
【請求項１６】
前記変位増幅機構が、第２のＭＥＭＳアクチュエータ及び前記第２のプラットホームの間に結合した第２の屈曲ビームのセットを更に含む、請求項１４のズームレンズシステム。
【請求項１７】
前記ズームレンズシステムを通って伝搬する光の量を制限するよう構成された可変開口を更に有する、請求項１のズームレンズシステム。
【請求項１８】
屈折力の修正及び収差補正の少なくとも１つを提供する追加の光学部品のセットを更に有し、前記追加の光学部品のセットが、球状面、非球状面及び自由形状面の少なくとも１つを含む、請求項１のズームレンズシステム。
【請求項１９】
前記追加の光学部品のセットが、前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に位置が固定されている、請求項１８のズームレンズシステム。
【請求項２０】
前記４つのＭＥＭＳ駆動光学要素が、複数の実質的な自由形状面を有し、前記複数の実質的な自由形状面が、収差補正関数ｆ（ｘ，ｙ）が適用される初期規定されたアルバレスレンズ及び初期規定されたローマンレンズの１つに対応する、請求項１のズームレンズシステム。
【請求項２１】
前記収差補正関数ｆ（ｘ，ｙ）が、光学要素厚みプロファイルの修正に基づく、請求項２０のズームレンズシステム。
【請求項２２】
前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上が、前記ズームレンズシステム内の前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上の位置合わせを可能にする方向指示部のセットを含む、請求項１のズームレンズシステム。
【請求項２３】
少なくとも４つの微小機械（ＭＥＭＳ）駆動光学要素であって、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、光信号伝搬経路に沿って光信号を通過させるように構成され、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、少なくとも１つの自由形状面を有する、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素を提供するステップと、
第１及び第２のＭＥＭＳ駆動光学要素が第１の光学要素のペアを形成し、第３及び第４のＭＥＭＳ駆動光学要素が第２の光学要素のペアを形成するように、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素をペア式の構成で配置するステップを有し、
少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータの起動が、前記第１及び第２の光学要素のペアの一方又は両方の屈折力の変化を許容するように、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上を前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に変位させる、
光学ズームを提供する方法。
【請求項２４】
前記第１の光学要素のペアが、第１のバリフォーカルレンズを有し、前記第２の光学要素のペアが、第２のバリフォーカルレンズを有し、前記第１のレンズ要素を前記第２のレンズ要素に対して変位させることで、前記第１のバリフォーカルレンズの第１の焦点距離が変化する、請求項２３の方法。
【請求項２５】
前記第２のバリフォーカルレンズの第２の焦点距離を一定に保持しつつ、前記第１の焦点距離を変化させることによりオートフォーカス機能を提供するステップを更に有する、請求項２４の方法。
【請求項２６】
前記第１のバリフォーカルレンズの前記第１の焦点距離及び前記第２のバリフォーカルレンズの前記第２の焦点距離の組み合わされた調整により光学ズーム機能を提供するステップを更に有する、請求項２４の方法。
【請求項２７】
変位増幅機構で前記ＭＥＭＳアクチュエータの駆動を増幅するステップを更に有する、請求項２３の方法。
【請求項２８】
光学収差の低減又は屈折力の修正のために前記光信号伝搬経路に追加の光学要素を配置するステップを更に有する、請求項２３の方法。
【請求項２９】
可変開口を用いて前記ＭＥＭＳズームレンズシステムを通って伝搬する光の量を制限するステップを更に有する、請求項２３の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素を方向指示部のセットを用いて位置合わせするステップを更に有し、
前記方向指示部のセットが、前記ＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上の前記自由形状面の少なくとも１つの基準軸に対応し、
前記少なくとも１つの基準軸が、前記自由形状面の厚みプロファイル変化軸に対して横方向であり、
前記位置合わせするステップが、
可動微小構造アセンブリにより担持される位置合わせ構造のセットを提供するステップと、
前記方向指示部のセットを前記位置合わせ構造のセットに対して位置合わせすることにより、前記可動微小構造アセンブリ及び前記ＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上を空間的に位置合わせするステップを含む、請求項２３の方法。
【請求項３１】
第１の可動微小構造アセンブリを一体化されたユニットとして製作するステップであって、前記第１の可動微小構造アセンブリが、
概略平坦な第１の面、概略平坦な第２の面、及び、前記第１の面と前記第２の面の間の厚みを有し、レンズ要素を、前記レンズ要素の光軸が前記第１及び第２の面に実質的に垂直になるように担持するよう構成されたプラットホーム、
基準支持構造、
前記プラットホームと前記基準支持構造の間に結合された屈曲懸架部であって、前記レンズ要素の前記光軸に対して横方向に沿って弾性変形するよう構成された、前記屈曲懸架部、及び、
前記レンズ要素の前記光軸に対して横方向に沿う変位力を前記プラットホームに印加するよう構成された変位機構を有する、前記製作するステップと、
自由形状面を有する第１のレンズ要素を提供するステップと、
前記可動微小構造アセンブリに対する前記自由形状面の位置合わせを確立するステップを有する、ＭＥＭＳ型ズームレンズシステムの製造方法。
【請求項３２】
前記変位機構が、マイクロアクチュエータを有する、請求項３１の方法。
【請求項３３】
前記変位機構が、前記変位増幅機構と結合したマイクロアクチュエータを有する、請求項３１の方法。
【請求項３４】
前記第１の可動微小構造アセンブリが、ＳＯＩマイクロマシニングプロセスにより製作される、請求項３１の方法。
【請求項３５】
前記第１の可動微小構造アセンブリ及び前記第１のレンズ要素が、集合的に一体化されたユニットとして組み立てられる、請求項３１の方法。
【請求項３６】
前記第１のレンズ要素が、前記自由形状面の少なくとも１つの基準軸に対応する方向指示部のセットであって、前記少なくとも１つの基準軸前記が、前記自由形状面の厚みプロファイル変化軸に対して横方向である、前記方向指示部のセットを含み、
前記方法が、
前記可動微小構造アセンブリにより担持される位置合わせ構造のセットを提供するステップと、
前記方向指示部のセットを前記位置合わせ構造のセットに対して位置合わせすることにより前記第１のレンズ要素及び前記可動微小構造アセンブリを空間的に位置合わせするステップを更に有する、請求項３１の方法。
【請求項３７】
前記位置合わせ構造のセットが、回折格子を含む、請求項３６の方法。
【請求項３８】
（ａ）自由形状面を有する前記位置合わせされた第１のレンズ要素を有する前記第１の可動微小構造アセンブリと、（ｂ）自由形状面を有する位置合わせされた第２のレンズ要素を有する第２の可動微小構造アセンブリをペアにすることによりバリフォーカルレンズのセットを組み立てるステップを更に有する、請求項３１の方法。
【請求項３９】
前記第１のレンズ要素の前記自由形状面が、前記第２のレンズ要素の前記自由形状面に対応する、請求項３８の方法。
【請求項４０】
自由形状面を有するレンズ要素をレプリカモールドプロセスにより製作するステップを更に有する、請求項３１の方法。
【請求項４１】
前記レプリカモールドプロセスが、単刃ダイアモンド切削を介して製作された所望の自由形状面を有する原版モールドを用いるステップを含む、請求項４０の方法。
【請求項４２】
前記レンズ要素が、紫外光硬化型光学接着剤からなる、請求項４０の方法。
【請求項４３】
電子撮像装置であって、
光軸を横切る断面積を有し、前記光軸に沿って前記電子装置への光信号の伝搬を許容するよう構成された光学窓と、
前記光軸に沿って前記光学窓を通って伝搬する光信号を受けるように構成された微小機械（ＭＥＭＳ）ズームレンズシステムであって、
少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素であって、
前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが自由形状面を有し、
第１及び第２のＭＥＭＳ駆動光学要素が第１の光学要素のペアを形成し、第３及び第４のＭＥＭＳ駆動光学要素が第２の光学要素のペアを形成するように、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素がペア式の構成で配置されており、
前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、前記第１及び第２の光学要素のペアの一方又は両方の屈折力の変化を許容するように、前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に変位可能である、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素を有する前記ＭＥＭＳズームレンズシステムと、
前記光軸に沿って前記ＭＥＭＳズームレンズシステムを通って伝搬する光信号を受けるよう構成された画像センサを有する、電子撮像装置。
【請求項４４】
前記電子装置が、パーソナルデジタルアシスタント、移動電話、タブレットコンピュータ、移動電話−タブレットコンピュータ混成装置、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、コンピュータモニタ、テレビ、ウェブカメラ、小型監視カメラ及び内視鏡のいずれか１つである、請求項４３の電子撮像装置。
【請求項４５】
前記光軸が、第１の光軸セグメント及び第２の光軸セグメントを有し、前記第２の光軸セグメントが、前記第１の光軸セグメントに非平行である、請求項４３の電子撮像装置。
【請求項４６】
前記第１の光軸セグメント及び前記第２の光軸セグが、相互に実質的に直角である、請求項４５の電子撮像装置。
【請求項４７】
前記ＭＥＭＳズームレンズシステムの機能が、重力、大気圧、ＭＥＭＳズームレンズシステムの物理的な移動のいずれにも実質的に影響されない、請求項４３の電子撮像装置。
【請求項４８】
前記画像センサ、及び、前記第１及び第２の光学要素のペアの少なくとも１つが、前記光軸に沿って相互に対して相対運動可能に構成されている、請求項４３の電子撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般的には、ズームレンズシステム、器具、装置及び構造に関する。より詳細には、本出願の実施形態は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）型の小型ズームレンズシステム又は器具に関する。更に、本出願の実施形態は、ＭＥＭＳベースのズームレンズシステム（ＭＥＭＳ型ズームレンズシステム）を含む電子撮像装置に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
科学及び技術の急速で継続した発展により、急速に増大する新技術及び関連する種々の分野の製品が商業市場に成功裏に提供され、それにより、大幅に人の日常生活が増進／利便化され、生活品質が改善されている。通信の分野では、移動又は携帯電話がそのような技術の一例を提供する。その発明前には、人々は、重要な着信を逃すことを避けるために、固定電話の近くに居る必要があった。携帯電話の発明により、このような問題は容易に解決された。ユーザは、どこに居て何をしていても、典型的には、日常活動への大きな干渉を生じることなく、常に連絡を保つことができる。
【０００３】
より最近では、人の生活水準の増進及び技術的可能性の増大により、単純な音声機能のみを提供する携帯電話は、もはや、市場の需要又は要求に適合しない。追加機能を有する装置又はモジュールが徐々に開発され、続いて発展し、携帯電話は、より多用的となり、高性能となった。小型カメラはそのような１つのモジュールであり、それにより、ビデオ通信及び画像／ビデオ撮影機能が実行され得る。今日のスマートフォンは、その優れた可搬性とパワフルな機能により、非常に人気が高く、日常生活で最も欠くことが出来ない装置の１つとなった。今日、約２０億台の携帯電話がデジタルカメラを有し、追加の８億台のスマートフォンが毎年出荷されている。上記スマートフォンの他に、小型カメラは、ヘルスケア用の内視鏡、防犯カメラ及び無人飛行機（unmanned aerial vehicles/UAV）及び超小型無人飛行機（micro aerial vehicles/MAV）用の監視カメラを含む種々の民間及び軍事分野で広範な用途を見出している。この極めて大きい市場予測から、小型カメラは、世界中で学術から産業に至る研究者の多大な興味を惹き付けている。
【０００４】
小型デジタルカメラの機能を従来型のデジタルカメラのそれと近づけるように小型デジタルカメラの性能を改善するために多くの努力が行われてきた。小型デジタルカメラ開発の初期の段階では、関連する光学システムは、より長い焦点深度を有するように意図的に設計されていた。このような光学システムは、オートフォーカス機能を必要とすることなく、視野のほぼすべての物体のクリアな画像を提供する。この手法は、システム構成を大幅に簡略化したが、このような簡略化は、より低い画像コントラスト及び低下した又は最適でない画像品質の犠牲の上に生じたものである。画素数の増加及び画像処理に関連する対応ハードウェア及びソフトウェアの改善を通して、より良い画像及びビデオ品質が実現されたが、オートフォーカス及びズーム等のより洗練された機能は、なおも、強く待望され、技術的なブレークスルーに掛かっている。
【０００５】
伝統的な対応品と異なり、小型デジタルカメラは、制限された、又は、極めて制限された利用可能なスペースと関連する寸法的な要求に適合する必要がある。したがって、従来のオートフォーカス及びズーム機構は、これらの機構のかさばった体積のために小型デジタルカメラには適切でない。したがって、小型デジタルカメラにおけるこれらの機能の実施は、困難な技術的問題を伴う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
開示の実施形態は、現実の小型装置における、うまくいく、信頼性のある、そして、丈夫な光学ズーム機能の実現を提供するための装置、システム及び方法に関連する。本発明の１態様では、ズームレンズシステムは、１以上の光学要素を変位させ、又は、駆動するように構成された少なくとも１つの微小機械（ＭＥＭＳ）アクチュエータと、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素を有し、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、光信号伝搬経路に沿って光信号を通過させるように構成され、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、少なくとも１つの自由形状面を有し、第１及び第２のＭＥＭＳ駆動光学要素が第１の光学要素のペアを形成し、第３及び第４のＭＥＭＳ駆動光学要素が第２の光学要素のペアを形成するように、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素がペア式の構成で配置されており、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、前記第１及び第２の光学要素のペアの一方又は両方の屈折力の変化を許容するように、前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に変位可能である。
【０００７】
本出願の更なる実施形態では、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素は、例えば、第１のバリフォーカルレンズ及び第２のバリフォーカルレンズなどのバリフォーカルレンズのセットを有する。第１のバリフォーカルレンズは、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の第１のレンズ要素及び第２のレンズ要素と関連又は対応し、第２のバリフォーカルレンズは、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の第３のレンズ要素及び第４のレンズ要素と関連又は対応し得る。種々の実施形態では、第１の光学要素のペアは、アルバレス又はローマンレンズに対応し、又は、アルバレス又はローマンレンズと類似又は概略類似であり、又は、アルバレス又はローマンレンズとしてペア式に構成されており；第２の光学要素のペアは、第１のレンズ要素及び第２のレンズ要素の構成に対して、付加の、対等の、付随の又は対応する態様で、アルバレス又はローマンレンズに対応し、又は、アルバレス又はローマンレンズと類似又は概略類似であり、又は、アルバレス又はローマンレンズとしてペア式に構成されている。１実施形態では、第１及び第２の光学要素のペアの一方又は双方は、アルバレス又はアルバレス型のレンズとローマンレンズ又はローマン型のレンズの１つとして動作するよう構成された対応するバリフォーカルレンズを有する。他の実施形態では、第１及び第２の光学要素のペアの一方又は双方は、対応するバリフォーカルレンズを有し、バリフォーカルレンズは、３よりも高次の多項式に従って相関する面を含む。
【０００８】
少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素は、光学ズーム及びオートフォーカス機能のそれぞれを有するＭＥＭＳズームレンズシステムを提供するよう構成されている。光学ズーム機能は、第１のバリフォーカルレンズの第１の焦点距離及び第２のバリフォーカルレンズの第２の焦点距離の組み合わされた調整を介して実現され、オートフォーカス機能は、第２のバリフォーカルレンズとは独立の第１のバリフォーカルレンズの第１の焦点距離の調整を介して実現される。本出願の特定の実施形態は、少なくとも２倍の光学倍率を達成し得る。少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素は、約３０ｍｍ未満、例えば、約２０ｍｍの距離だけ離間した（例えば、光が入射し得る）最初のレンズ要素又は光学面及び（例えば、光が出射し得る）最後のレンズ要素又は光学面を含み得る。
【０００９】
本出願のいくつかの実施形態は、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素を通って伝搬する光の量を制限するよう構成された開口（例えば、可変開口）を含む。例えば、特定の実施形態は、開口が第１のＭＥＭＳ駆動光学要素に入射する光の量を制限できるように、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の第１のＭＥＭＳ駆動光学要素に隣接又は近接して配置された可変開口を含む。
【００１０】
本出願の実施形態は、又は、付加又は補助の光学要素のセットも含むことができ、このような追加の光学要素は、追加の屈折力の提供又は収差の補正のためのものであり、追加の屈折力の提供又は収差の補正のために構成される。追加の光学要素のセットは、実施形態の詳細に応じて、球状面、非球状面及び自由形状面の１つ以上を含み得る。１実施形態では、追加の光学要素のセットは、光信号伝搬経路に対して実質的に横方向で位置が固定されている。
【００１１】
上記の追加又は代替として、本出願の実施形態は、収差低減、最小化又は補正のため、第１及び／又は第２バリフォーカルレンズに対応する光学要素構造及び／又は材料特性改変又は変更（例えば、表面又は厚みプロファイル変更）を含み、又は、組み込み得る。例えば、収差補正関数ｆｉ（ｘ，ｙ）が、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素に関連する特定の最初に又は当初に規定されたアルバレス又はローマンレンズ自由形状面の厚みプロファイルにマッピングされ、又は、組み込まれ得る。その結果、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素に対応する１以上のバリフォーカルレンズは、収差補正を促進する態様の本質的な自由形状面、実質的な自由形状面、又は疑似自由形状面を呈し得る。
【００１２】
本出願の追加的実施形態では、ＭＥＭＳズームレンズシステムは、光信号伝搬経路又は光軸に実質的に横方向に第１のＭＥＭＳ駆動光学要素又は第１の光学要素を第２のＭＥＭＳ駆動光学要素又は第２のレンズ要素に対して変位させるように構成された第１の変位器具を含む。変位器具は、光軸に対して実質的に横方向の変位又は並進軸に対して自由に又は概略自由に懸吊されたレンズ要素キャリア（例えば、プラットホーム構造）を含み得る。例えば、レンズ要素キャリアは、そのような変位又は並進軸に沿って弾性変形するよう構成された懸吊器具又は構造（例えば、屈曲懸吊部のセット）と結合し得る。特定の実施形態では、変位器具は、少なくとも１つの基準支持構造、第１のレンズ要素を担持するよう構成された第１のプラットホーム、第１のプラットホームと少なくとも１つの基準支持構造の間に結合した第１の屈曲懸吊部、第２のレンズ要素を担持するよう構成された第２のプラットホーム、及び、第２のプラットホームと少なくとも１つの基準支持構造の間に結合した第２の屈曲懸吊部を含む。第１の屈曲懸吊部及び第２の屈曲懸吊部は、光信号伝搬経路に実質的に横方向に沿って弾性変形するよう構成される。
【００１３】
変位器具は、更に、レンズ要素が、レンズ要素の光軸に対して実質的に横方向に変位できるように、レンズ要素に変位力を運搬又は伝達するよう構成された駆動機構のセットを含み得る。例えば、駆動機構のセットは、レンズ要素を担持するよう構成されたプラットホームに変位力を伝達するよう構成された少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータを含み得る。駆動機構のセットは、プラットホームとＭＥＭＳアクチュエータの間に結合した変位増幅機構（例えば、屈曲ビームのセット）を更に含み得る。
【００１４】
本出願の１実施形態では、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上は、ズームレンズシステム内での少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上の位置合わせを可能にするための方向指示部のセットを含む。
【００１５】
本出願の他の態様では、少なくとも４つの微小機械（ＭＥＭＳ）駆動光学要素であって、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、光信号伝搬経路に沿って光信号を通過させるように構成され、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、少なくとも１つの自由形状面を有する、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素を提供するステップと、第１及び第２のＭＥＭＳ駆動光学要素が第１の光学要素のペアを形成し、第３及び第４のＭＥＭＳ駆動光学要素が第２の光学要素のペアを形成するように、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素をペア式の構成で配置するステップを有し、少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータの起動が、前記第１及び第２の光学要素のペアの一方又は両方の屈折力の変化を許容するように、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上を前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に変位させる、光学ズームを提供する方法が提供される。
【００１６】
第１の光学要素のペアが、第１のバリフォーカルレンズを有し、第２の光学要素のペアが、第２のバリフォーカルレンズを有する。第１のレンズ要素を第２のレンズ要素に対して変位させることで、第１のバリフォーカルレンズの第１の焦点距離が変化する。結果としての物体の画像が、ズームシステム内でレンズ要素を移動させるだけでシャープになるように、第１及び／又は第２の焦点距離を同時に変化させることにより、ＭＥＭＳの全体の焦点距離が操作され得る。
【００１７】
１実施形態では、第２のバリフォーカルレンズの第２の焦点距離を一定に保ったままで第１の焦点距離が変化される。これは、オートフォーカス機能を有するＭＥＭＳズームレンズシステムを提供する。他の実施形態では、光学ズーム機能は、第１のバリフォーカルレンズの第１の焦点距離と第２のバリフォーカルレンズの第２の焦点距離の組み合わせ調整により提供される。少なくとも１つのＭＥＭＳ駆動光学要素は、少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータを含む駆動機構により変位され得る。更に、ＭＥＭＳアクチュエータの起動は、例えば、屈曲ビームなどの変位増幅機構により増幅され得る。
【００１８】
ＭＥＭＳズームレンズシステムにおける光学収差を低減するために、補助光学要素及び光学要素修正機能の任意のものが光信号伝搬経路に提供又は配置され得る。このような補助的要素は、位置又は形状が固定であり得る。更に、収差補正機能を介する光学要素構造及び／又は材料特性の修正又は変更などの光学要素修正機能は、光学要素の厚みプロファイルに組み込まれ得る。他の実施形態では、ＭＥＭＳズームレンズシステムを通って伝搬する光の量は、可変開口により制限される。
【００１９】
本出願の更なる実施形態では、プロセスは、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素を方向指示部のセットを用いて位置合わせするステップを更に有し、方向指示部のセットが、ＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上の自由形状面の少なくとも１つの基準軸に対応し、少なくとも１つの基準軸が、自由形状面の厚みプロファイル変化軸に対して横方向であり、位置合わせするステップが、可動微小構造アセンブリにより担持される位置合わせ構造のセットを提供するステップと、方向指示部のセットを位置合わせ構造のセットに対して位置合わせすることにより、可動微小構造アセンブリ及びＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上を空間的に位置合わせするステップを含む。
【００２０】
本出願の１態様では、ＭＥＭＳズームレンズシステムを製造又は製作する方法は、第１の可動微小構造アセンブリを一体化されたユニットとして製作するステップと、自由形状面を有するレンズ要素を提供するステップと、自由形状面の可動微小構造アセンブリに対する位置合わせを確立するステップを有する。一体化された可動微小構造アセンブリは、レンズ要素の光学軸が第１及び第２の面に対して実質的に垂直になるようにレンズ要素を担持する概略平坦なプラットホーム、基準支持構造、プラットホームと基準支持構造の間に結合した光軸に対して横方向に沿って弾性変形するよう構成された屈曲懸吊部、及び、光軸に対して横方向にプラットホームに対して変位力を印加するよう構成された（例えば、マイクロアクチュエータを含み、変位増幅機構を更に含み得る）変位機構を含み得る。
【００２１】
可変微小構造アセンブリは、ＳＯＩマイクロマシニングプロセスを用いて製作され得る。ある実施形態では、可変微小構造アセンブリ及びこれに担持されるレンズ要素は、集合的に一体化されたユニットとして製作される。いくつかの実施形態では、可動微小構造アセンブリ及びレンズ要素は、別のユニットとして製作され、その後、可動微小構造アセンブリ及びレンズ要素は、結合又は接合される。本出願の更なる態様のプロセスは、レンズ要素の自由形状面の少なくとも１つの軸に対応する方向指示部のセットを提供するステップと、可動微小構造アセンブリにより担持される位置合わせ構造（例えば、回折格子及び／又は他の構造要素）を提供するステップと、レンズ要素の方向指示部を可動微小構造アセンブリの位置合わせ構造に対して位置合わせすることにより第１のレンズ要素と可動微小構造アセンブリを空間的に位置合わせするステップを含み得る。
【００２２】
更に、１実施形態では、自由形状面を有する位置合わせされた第１のレンズ要素を有する第１の可動微小構造アセンブリと、自由形状面を有する位置合わせされた第２のレンズ要素を有する第２の可動微小構造アセンブリをペアにすることによりバリフォーカルレンズのセットが組み立てられる。このペアにするステップでは、第１のレンズ要素の自由形状面は、第２のレンズ要素の自由形状面に対応する。このように、バリフォーカルレンズの焦点距離は、第１のレンズ要素と第２のレンズ要素を相互に対して移動させることにより、変更される。
【００２３】
他の実施形態は、レプリカモールドプロセスで自由形状面を有するレンズ要素を製作するステップを提供する。レプリカモールドプロセスは、所望の自由形状面を有する原版モールドを用いるステップを有する場合があり、この原版モールドは、単刃ダイアモンド切削技術により製作される。製作されるレンズ要素は、紫外線硬化型接着剤で構成され得る。
【００２４】
本出願の更なる態様では、電子撮像装置が提供される。このような電子装置は、光軸を横切る断面積を有し、前記光軸に沿って前記電子装置への光信号の伝搬を許容するよう構成された光学窓と、前記光軸に沿って前記光学窓を通って伝搬する光信号を受けるように構成された微小機械（ＭＥＭＳ）ズームレンズシステムであって、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素であって、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが自由形状面を有し、第１及び第２のＭＥＭＳ駆動光学要素が第１の光学要素のペアを形成し、第３及び第４のＭＥＭＳ駆動光学要素が第２の光学要素のペアを形成するように、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素がペア式の構成で配置されており、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれが、前記第１及び第２の光学要素のペアの一方又は両方の屈折力の変化を許容するように、前記光信号伝搬経路に対して実質的に横方向に変位可能である、前記少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素を有する前記ＭＥＭＳズームレンズシステムを有する。電子装置は、更に、前記光軸に沿って前記ＭＥＭＳズームレンズシステムを通って伝搬する光信号を受けるよう構成された画像センサを有する。
【００２５】
１実施形態では、電子装置は、パーソナルデジタルアシスタント、移動電話、タブレットコンピュータ、移動電話−タブレットコンピュータ混成装置、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、コンピュータモニタ、テレビ、ウェブカメラ、小型監視カメラ又は内視鏡を含み、或いは、パーソナルデジタルアシスタント、移動電話、タブレットコンピュータ、移動電話−タブレットコンピュータ混成装置、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、コンピュータモニタ、テレビ、ウェブカメラ、小型監視カメラ又は内視鏡である。いくつかの場合、光軸は折り曲げられ、第１の光軸セグメント及び第２の光軸セグメントを有し、第２の光軸セグメントが、第１の光軸セグメントに対して非平行（例えば、第１の光軸セグメントに対して折り曲げられ、横切り、又は、直角）である。第１の光軸セグメント及び第２の光軸セグメントは、相互に実質的に直角でもあり得る。
【００２６】
１実施形態では、ＭＥＭＳズームレンズシステムの機能は、重力、大気圧、ＭＥＭＳズームレンズシステムの物理的な移動のいずれにも実質的に影響されない。いくつかの実施形態では、画像センサ、及び、第１及び第２の光学要素のペアの少なくとも１つが、光軸に沿って相互に対して相対運動可能に構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、例示的実施形態に従う２つのバリフォーカルレンズを有するズームレンズシステムを示す概略図。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、例示的実施形態に従う２つの接近して配置されたレンズ要素を含むバリフォーカルレンズを有するズームレンズを示す概略図。
【図３】図３は、例示的実施形態に従うズームレンズシステム、器具又はモジュールの部分の概略図。
【図４】図４は、１対のＭＥＭＳ駆動光学要素又は装置を含む例示的実施形態に従うＭＥＭＳ型バリフォーカルレンズの概略図。
【図５】図５は、例示的実施形態に従う変位増幅器具、装置、要素又は機構に結合するＭＥＭＳ駆動光学装置の概略図。
【図６】図６は、他の例示的実施形態に従うＭＥＭＳ型バリフォーカルレンズの概略図。
【図７】図７は、例示的実施形態に従うアルバレスレンズ要素に対応する自由形状面の概略図。
【図８】図８は、例示的実施形態に従うアルバレスレンズ要素の製作に使用されるモールドの図。
【図９】図９は、例示的実施形態に従うレプリカレンズ要素の図。
【図１０】図１０は、懸架されたＭＥＭＳプラットホームと及び櫛駆動アクチュエータを含む例示的実施形態に従うレンズ変位アセンブリの概略図。
【図１１】図１１は、標準のＳＯＩマイクロマシニングプロセスを用いて剛性プラットホームとともに櫛駆動アクチュエータが製作され得る態様を示す、例示的実施形態に従うＭＥＭＳ製作プロセスの概略図。
【図１２】図１２ａは、例示的実施形態に従って製作される図１０のレンズ変位アセンブリの代表図。図１２ｂは、例示的実施形態に従う位置合わせされて配列されたアルバレスレンズを有する図１２ａのレンズ変位アセンブリの代表図。
【図１３】図１３は、ＭＥＭＳ静電櫛駆動アクチュエータ及びアルバレス又はローマンレンズ要素を含む例示的実施形態に従う組立及び／又は位置合わせプロセスの部分を示す概略図。
【図１４】例示的実施形態に従う２つのＭＥＭＳ駆動光学装置を有するＭＥＭＳ型バリフォーカルレンズの概略図。
【図１５】例示的実施形態に従う製作されたＭＥＭＳ型バリフォーカルレンズの試験から得られたプロットをコンパイルした実験データ。
【図１６】図１６は、ＭＥＭＳ静電櫛駆動アクチュエータ、アルバレス又はローマンレンズ要素及び変位増幅機構を含む例示的実施形態に従うＭＥＭＳ駆動光学装置の概略図。
【図１７】図１７は、超薄型設計のスマートフォンに組み込まれた本発明の例示的実施形態に従うズームレンズシステムの概略図。
【図１８】図１８は、本出願の１側面に従う方法のフローチャート又はフローダイアグラム。
【図１９】図１９は、本出願の１実施形態に従う方法のフローチャート又はフローダイアグラム。
【図２０】本出願の他の側面に従う製造方法のフローチャート又はフローダイアグラム。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本出願では、所与の要素の説明、又は、特定の図中の特定の要素の番号の考慮又は使用、又は、対応して説明する主題におけるこれらへの言及は、同一、同等、又は、類似の要素、又は、他の図に特定される要素番号、又は、これに関連する説明主題を含み得る。
【００２９】
本願では、「例示的」の語は、例、例証又は例示としての役割を有することを意味する。本書において「例示的」として記載された任意の実施形態又はデザインは、他の実施形態又はデザインよりも好ましい又は有利であるとは必ずしも解釈されない。むしろ、例示的の語は、具体的な態様での概念の提示を意図する。異なることを明示的に述べない限り、以下の説明において、特定の数値又は数値範囲の言及は、特定の概略の数値又は概略の数値範囲の言及と理解される。したがって、以下における所与の数値又は数値範囲は、概略の数値又は数値範囲と解釈され、又は、規定されるべきである。
【００３０】
本出願での用法では、「セット（組）」の用語は、既知の数学的定義（例えば、ピーター  Ｊ．エクルズ著  ケンブリッジ大学出版（１９９８）による数学的推論への導入：数、セット及び関数，”第１１章  有限セットの特性”（例えば、１４０頁に示される）に記載される態様に対応する態様）に従い、少なくとも１の基数を数学的に示す要素の空でない有限の構造として定義され、又は、これに対応する。（すなわち、本出願で定義されるセットは、単一体又は単一要素のセット又は複数要素のセットに対応し得る）。一般に、１つのセット中の要素は、対象のセットのタイプに応じて、システム、器具、装置、要素、構造、構造的特徴、物体、プロセス、パラメータ又は値であり得るし、或いは、これらを含み得る。
【００３１】
本出願のいくつかの実施形態では、レンズ要素は、アルバレス又はローマンレンズの構成（例えば、３次多項式に従って相関した相補位相表面）又はこのような構成と概略類似のものに対応する複合レンズを形成するように（例えば、ペア式（pairwise）にするなど）構成される。アルバレス／ローマンレンズは、レンズ要素の小さい、軸方向（光軸に沿う）変位よりむしろ、横（光軸に垂直方向）変位で屈折力（optical power）の変化を生じさせる相補的又は相関した立体表面プロファイルを有する対になった光学要素である。開示の実施形態に従って使用されるアルバレス又はローマンレンズは、アルバレスレンズ又はローマンレンズを規定する自由形状面（freeform surface）を有するレンズ要素構成を含む場合があり、アルバレスレンズ又はローマンレンズを規定する実質的な自由型状又は疑似自由型状面を有し得る。本出願に従う実施形態は、ＭＥＭＳ型アセンブリにより担持され、及び／又は、駆動されることができ、光信号伝搬経路又は光軸に対する１以上の光学表面又はレンズ要素の横変位に基づいて可変又は選択可能な屈折力を提供できる本質的に任意のタイプの光学表面又はレンズ構成を更に包含し得る。
【００３２】
他の実施形態では、複合レンズ表面は、例えば、５次多項式又は７次多項式などの３次よりも高次の多項式に従って相関する。より高次の多項式レンズは、例えば、色収差などの異なる収差に対処し、アルバレス状のペア式のバリフォーカルレンズも実現できる。
【００３３】
図１は、以下において、アルバレス／ローマンレンズ構成の理解を更に助けるために記載された２つのバリフォーカルレンズ（可変焦点レンズ）を有する代表的なズームレンズシステムの概略図である。図１に示すシステムは、タンデムに配置された焦点距離ｆ１及びｆ２がそれぞれ可変である２つの薄いバリフォーカルレンズＦ１及びＦ２を有する。２つのバリフォーカルレンズは、相互から距離ｔで位置が固定されている。第２のバリフォーカルレンズＦ２から距離ｄ離間して画像センサが配置されている。ズームレンズシステムは、第１のバリフォーカルレンズＦ１から距離ｌに位置する物体を、ｈｉ及びｈ０をそれぞれ画像及び物体の高さとして、Ｍ＝ｈｉ／ｈ０で定義される横倍率Ｍで画像センサ上に結像させる（image）ように構成されている。簡単のため、ズームレンズシステムが単位屈折率を有する空気中で動作すると仮定して、近軸光線追跡方程式（paraxial ray tracing equations）は、
【数１】
2014534462.tif 000003
である。ただし、ｕ１及びｕ２は、光軸に対するラジアンでの光線の角度であり、ｈ１及びｈ２は、レンズ面に当たる光線のインパクトの高さであり、φ１及びφ２は、レンズの屈折力であり、すなわち、φ１＝１／ｆ１であり、φ２＝１／ｆ２である。明らかに、
【数２】
2014534462.tif 000004
であり、
【数３】
2014534462.tif 000005
である。（１）に（５）を代入すると：
【数４】
2014534462.tif 000006
（４）に（６）を代入すると：
【数５】
2014534462.tif 000007
（３）、（８）及び（９）を組み合わせると：
【数６】
2014534462.tif 000008
（２）に（１）、（５）及び（６）を代入すると：
【数７】
2014534462.tif 000009
（１１）を整理すると：
【数８】
2014534462.tif 000010
（１２）をφ１について解くと：
【数９】
2014534462.tif 000011
（１０）に（１３）を代入し、φ２について解くと：
【数１０】
2014534462.tif 000012
【００３４】
ここで、このズームレンズシステムの全体の焦点距離をｆ０とする。多くの写真用途で、物体は、典型的には、カメラの焦点距離と比較して、カメラから大きい距離離して配置される。すなわち、ｌ＞＞ｆ０である。ここで、レンズシステムの横光学倍率は、次のように近似できる。
【数１１】
2014534462.tif 000013
（１３）及び（１４）に（１５）を代入すると：
【数１２】
2014534462.tif 000014
【００３５】
（１６）及び（１７）から、所定の位置（すなわち、ｄ及びｔが一定）に固定された２つのバリフォーカルレンズ及び画像センサでは、所与の全体の焦点距離ｆ０とともに任意の対物距離ｌに対して、レンズシステムが画像センサ上に物体のシャープな画像を生成するように、バリフォーカルレンズＦ１及びＦ２のそれぞれに対して適切な焦点距離ｆ１及びｆ２を容易に見出すことができる。これは、例えば、物理的なスペースの制約により、レンズ及びセンサが相互に対して異なる距離にある場合など、バリフォーカルレンズ及び画像センサが所定の位置に固定されていない実施形態にも当てはまり得る。
【００３６】
換言すれば、Ｆ１及びＦ２の焦点距離を対応して同時に変化させることで写真システムの全体の焦点距離ｆ０を変化させることで、図１のレンズシステムは、連続的に物体の横光学倍率を変化させることができ、画像は、画像センサ又はレンズを移動させることなく、シャープなままに維持できる。これは、ズームレンズシステムの望ましい機能である。（１６）及び（１７）から、オートフォーカスを行うには、すなわち、それぞれ、レンズシステムから遠ざかる方に、又は、近づく方に物体が移動した後に物体のシャープな画像を再現するには、対物距離ｌの変化に応じて第１のレンズＦ１の焦点距離ｆ１を変化させることが必要である。要約すると、図１の２つのバリフォーカルレンズの組み合わせは、オートフォーカス機能を有する光学ズームレンズシステムを提供する。このようなズームレンズシステムは、ＭＥＭＳで調整可能なバリフォーカルアルバレス／ローマンレンズによる小型化に適切である。
【００３７】
明らかに、（１７）から、第２のバリフォーカルレンズＦ２を、屈折力がそれぞれφ３＝１／ｄ及びφ４＝１／ｔ−ｆ０／（ｄｔ）の２つの近接配置されたレンズＦ３（固定焦点距離）及びＦ４（可変焦点距離）に分割すると、画像システムは、本質的に同じである。修正された画像システムが、図２Ａ及び図２Ｂに示される。無限遠（ｌ＝∞）に位置する物体を結像するには、システムの２つのバリフォーカルレンズＦ１及びＦ４の焦点距離は：
【数１３】
2014534462.tif 000015
【００３８】
更に、２つの近接配置されたレンズ要素を含むバリフォーカルレンズを有するズームレンズシステムの概略図である図２Ａ及び２Ｂを参照して、（１８）及び（１９）から以下を演繹することは当業者にとって簡単である。
１．システムの全体の焦点距離ｆ０がｄに設定されている場合、ｆ１及びｆ４の値はともに無限である。これは、２つのバリフォーカルレンズＦ１及びＦ４は、本質的に、屈折力を有さない２つの平行の光学平板であることを意味し、システムの全体の屈折力は、固定焦点距離ｄを有する最後のレンズＦ３に由来する。
２．ｆ０をｄより大きく設定すると、ｆ１は正、ｆ４は負であり、２つのバリフォーカルレンズＦ１及びＦ４は、図２Ａに示すアフォーカルシステム（すなわち、ｆ１＋ｆ４＝ｔ）を形成する。このシステムは、固定レンズＦ３と併せて望遠鏡と等価である。
３．逆に、ｆ０がｄより小さいと、ｆ１は負、ｆ４は正であり、２つのバリフォーカルレンズＦ１及びＦ４は、図２Ｂに示すアフォーカル逆望遠システムを形成する。
【００３９】
図２Ａ及び２Ｂに示すような１対のバリフォーカルレンズを有するズームレンズシステムを含む実施形態を提供することで、システム全体の焦点距離ｆ０の変化において、焦点距離ｆ１及びｆ４の変化における適用が可能になる。このような実施形態は、上記方程式を実施し、又は、解く際の簡潔性と、所望により、又は、意図された、又は、必要な調整パラメータの柔軟な取り扱いを提供する。
【００４０】
一方のすぐ後ろに他方をタンデムに配置した２つの特定のレンズ要素の間の（サイズと比較して）小さい側方へのシフトは、組み合わせの屈折力の実質的な変化を生じさせ得る。２つの要素は、それぞれ、次の方程式で記述される厚さを有し得る：
【数１４】
2014534462.tif 000016
ここで、Ａは、正の定数、ｘ及びｙは、光軸ｚに垂直な横座標である。要素の厚みは、ｚ軸に沿って測定される。このとき、２要素系の組み合わせ厚みは、ｔ＝ｔ１＋ｔ２であり、平行平板と等価である。ｘ方向に沿って、第１の要素がδの変位量だけ移動し、第２の要素が−δだけ移動すると仮定すると、組み合わせ厚みは、次のように変化する：
【数１５】
2014534462.tif 000017
【００４１】
−２Ａδ（ｘ２＋ｙ２）の項は、正の変位δに対して正の（収束）レンズを、負の変位δに対して負の（発散）レンズを記述する。（２４）の他の項は、単なる均一の厚みを記述する。したがって、組み合わせの全屈折力は：
【数１６】
2014534462.tif 000018
ただし、ｎは、レンズ材料の屈折率である。
【００４２】
２つの要素の相対位置を側方にシフトすることを通じて焦点距離もまた調整可能な同様の２要素複合バリフォーカルレンズ。これから、このようなレンズ要素構成のための、ローマン構成としても知られる次の厚み等式が導かれる：
【数１７】
2014534462.tif 000019
【００４３】
第１の要素がｘ及びｙ軸にそれぞれδｘ及びδｙ変位し、第２の要素が−δｘ及び−δｙ変位した場合、複合レンズの全厚みは下記のようになる。
【数１８】
2014534462.tif 000020
【００４４】
２つの変位が等しい、すなわち、δｘ＝δｙ＝δであるとすると、厚みｔは下記のようになる。
【数１９】
2014534462.tif 000021
【００４５】
ここでも、均一厚み項を無視すると、この２つの要素の組み合わせは、屈折力：φ＝４Ａδ（ｎ−１）のレンズと等価である。
【００４６】
上記のように、アルバレス及びローマンレンズは、光軸に垂直な方向にレンズ要素を側方にシフトさせることで焦点距離調整を達成する。本願の種々の実施形態は、ＭＥＭＳアクチュエータを用いてレンズの光軸に対して横方向に他方（のレンズ要素）に対して移動可能なレンズ要素を含むレンズシステムの組み込みを提供する。更に、広角及び望遠用途に適合するための可変絞り（variable aperture）、収差補正及びオートフォーカスなどの有利な特徴が本出願に従う実施形態において提供される。
【００４７】
本出願は、ＭＥＭＳ型のズームレンズシステムを提供する。ＭＥＭＳ型システムを有することは、上記の２つの機能、すなわち、オートフォーカス及び光学ズームに必要なものが小型で、統合された、信頼できて、堅牢な構造でうまく実現し得ることを意味する。更に、ＭＥＭＳ型システムの製造に微細加工（例えば、半導体加工）のプロセスの最先の技術を採用し、又は、適合させるときに、生産量拡大にコスト効率性が提供される。従来のズームシステムの本出願のＭＥＭＳ型ズームシステムによる小型化又は置換により、更に、デジタルで取得した画像のデジタルでの操作と比較したときのレンズシステムの物理的な操作が行われた際の画像品質の毀損を回避又は実質的に回避される。従来のレンズシステムは、レンズ群を光軸に沿って相当の距離移動させることを必要とするのに対し、本出願のＭＥＭＳ型ズームレンズシステムでは、光学ズーム及び／又はオートフォーカスを達成するためにバリフォーカルレンズのわずかな側方への変位が要求されるだけなので、制御の容易性も得ることができる。
【００４８】
ＭＥＭＳ型ズームレンズシステムの実施形態の代表的特徴
図３は、本出願の実施形態に従うズームレンズシステム、器具又はモジュールの部分の概略図である。このシステムは、光信号伝搬経路又は光軸１０７に沿って協働的に（例えば、タンデムに）配置された第１のバリフォーカルレンズ１０１及び第２のバリフォーカルレンズ１０２を含む。いくつかの例示的実施形態では、第１及び第２のバリフォーカルレンズ１０１，１０２は、所定の位置に固定され、一定の間隙距離だけ離間している。他の例示的実施形態では、第１及び第２のバリフォーカルレンズ１０１，１０２は、２つのレンズ間の間隙が特定の範囲内で変化し得るように、位置を変化させ得る。各バリフォーカルレンズ１０１，１０２は、バリフォーカルレンズの焦点距離を変化させるために、光軸１０７などのレンズ要素を通る光信号伝搬経路に対して側方に、横に、実質的に横に、又は、垂直にバリフォーカルレンズを移動させ、並進させ、又は、変位させるように構成されたＭＥＭＳ型変位器具により担持された１対のレンズ要素を含む。本書で更に説明するように、ＭＥＭＳ型変位器具は、レンズ要素を担持するように構成されたプラットホームと、プラットホームを基準又は固定支持構造に結合させる屈曲懸架部を有し得る。屈曲懸架部は、プラットホームが、マイクロアクチュエータを含む駆動機構のセットにより光軸１０７に対して横方向に選択的に、及び、弾性的に変位できるように、光軸１０７に対して横方向に沿って弾性変形するよう構成されている。
【００４９】
システムは、物体又は複数の物体又は光景を、光信号又は画像を処理及び／又は記憶のために電気信号に変換する画像取得装置又はセンサ１０４上に結像させるように構成されている。撮像システムの全体の焦点距離は、２つのバリフォーカルレンズの焦点距離を調整することによりある範囲で連続的に変化させ、これにより、所望のズーム効果、すなわち、画像システムの横光学倍率の変化を生じさせることができる。
【００５０】
種々の実施形態において、選択された光学倍率に対して所望の全体のシステムの焦点距離を与えるようにシステムの要素が調整されたときに、システムの焦点合わせ又はオートフォーカス機能は、光学要素又は画像センサを相互に対して光信号伝搬経路又は光軸１０７に沿って縦に移動させることにより達成されるのではなく、むしろ、物体からレンズシステムへの距離に応じた追加的な量だけ第１のバリフォーカルレンズ１０１の焦点距離を変化させることにより達成される。
【００５１】
追加的な屈折力及び／又は収差の低減、最小化又は補正を提供する目的など、ズームレンズシステムの性能を改善させる種々の実施形態において、球面、非球面又は自由形状面を有する１以上の追加的な、関連する、又は、付加のレンズ要素又はプレート１０３が、ズームレンズシステムに組み込まれ、又は、含まれ得る。このような追加的なレンズ要素１０３は、一定の焦点距離を有する場合があり、光軸に対して縦及び／又は横方向に固定されている場合がある。
【００５２】
追加的又は代替的に、いくつかの実施形態では、収差低減、最小化又は補正を容易化するために、バリフォーカルレンズ１０１，１０２の１つ以上の構造的及び／又は材料的な特性の側面が変更又は修正され得る。例えば、アルバレス又はローマンにより提案された態様の自由形状面を実施する最初に規定された光学要素面のセットは、収差補正を容易化するために追加の設計の自由度を含むように修正され、又は、適合される。代表例として、最初に規定された自由形状面を有するアルバレスレンズに対し、関数ｆ（ｘ，ｙ）をその構成レンズ要素の厚みプロファイルにマッピングし、又は、包含させ、又は、組み込むことができ、それにより、本質的に自由形状、実質的に自由形状又は準自由形状の面を有するアルバレスタイプのレンズの規定又は生成を生じさせる。これにより、上記（２０）及び（２１）は、下記となる。
【数２０】
2014534462.tif 000022
【００５３】
ｘ方向に沿い、第１のレンズ要素がδの変位量だけ移動し、第２のレンズ要素が−δだけ移動したと過程すると、結合厚みは、小さい側方オフセットδに対し、下記のように変化する。
【数２１】
2014534462.tif 000023
したがって、
【数２２】
2014534462.tif 000024
であり、ただし、
【数２３】
2014534462.tif 000025
である。同様に、上記（３１）において、右辺の第１項は、δで決まる可変焦点距離の発散又は集束する光の球面波面を与える。第２項（−２Ａδ３／３−２ＤＥ＋２Ｅ）は定数であり、システムに有意の寄与はしない。最終項ｇ（ｘ，ｙ）は、第１項で記述される球面波面へのわずかな偏差を与え、適切に設計されれば、システムの光学的収差を低減又は最小化させるなど、ズームレンズシステムの種々の側面の改善に利用され得る。本出願の実施形態に従うズームレンズシステムは、光学的収差の低減、最小化又は補正のための上記技術及び、及び、屈折力の増加又は調整などの他のシステム改善のための技術の組み合わせにより設計され得ることに留意すべきである。
【００５４】
レンズシステムに入射する光束のサイズを制限するために開口１０５がシステムに組み込まれ得る。いくつかの実施形態に従えば、直径を調整可能な可変開口が利用される。これは、図２Ａ及び２Ｂを再度参照することでより明瞭に理解され得る。ズームレンズシステムが広角の構成に調整された場合、第１のバリフォーカルレンズ１０１を通過した光束は、第２のバリフォーカルレンズ１０２に向けて発散する。このように、その（光線束の）サイズは、それらが第２のバリフォーカルレンズ１０２に当たるときには大きくなる。さらに、この構成の撮像システムは、より広い視界（field of view／ＦＯＶ）を有する。したがって、第２のバリフォーカルレンズ１０２の制限されたサイズを考慮すると、開口１０５は、レンズに入射する光束のサイズを制限するように比較的小さい直径に調整されることが必要であり得る。逆に、ズームレンズシステムが望遠の構成に調整された場合、第１のバリフォーカルレンズ１０１を通過する光線は、第２のバリフォーカルレンズ１０２に向けて集束する。更に、望遠撮像システムは、より小さいＦＯＶを有する。この場合、より大きい開口径が採用され得る。
【００５５】
図４は、１対のＭＥＭＳ駆動光学部品、要素、装置又は構造を含む本出願の実施形態に従うＭＥＭＳ型バリフォーカルレンズ２００の概略図である。図示の実施形態では、撮像システムのバリフォーカルレンズは、２つのＭＥＭＳ駆動光学装置２０１，２０２を含む。各ＭＥＭＳ駆動光学装置２０１，２０２は、少なくとも１つの自由形状面２０４，２１３を有し、プラットホーム２０５，２１４などの支持構造上に搭載されたレンズ要素２０３，２１２を有する。種々の実施形態において、プラットホーム２０５は、第１の平坦面領域を提供する第１側部、第２の平坦面領域を提供する第２側部及び第１及び第２側部の間の厚みを有する平坦な又は概略平坦な構造を含む。プラットホーム２０５は、レンズ要素２０３の光軸２１０が第１及び第２の平坦面領域と実質的に垂直になるようにレンズ要素２０３を担持するように構成されている。プラットホーム２０５は、光がＭＥＭＳ型バリフォーカルレンズを通ってアクセスし、通過できる開口２０６又は光学的に透明の領域を含み得る。
【００５６】
プラットホーム２０５は、弾性変形可能な、又は、屈曲する懸架システム２０７を介して少なくとも１つの基準支持構造又は固定支持部２０８に結合し、又は、取り付けられている。基準支持構造又は固定支持部２０８は、レンズ要素２０３及び／又は他のシステム構造を通る光信号通過経路（例えば、光軸）に対して横方向でのプラットホーム２０５の変位、並進又は動作を確立し、判断し、又は、測定する空間的又は位置的基準を提供し得る。種々の実施形態において、屈曲懸架部は、弾性変形を介してある範囲のプラットホームの移動を提供する。いくつかの実施形態では、懸架システム（例えば、弾性変形可能な、又は、屈曲する懸架システム）は、表面間の接触を低減、最小化又は回避し、それにより、摩擦、磨耗又は裂けを低減、最小化又は解消するなど、光学ズームシステムの種々の特性の改善に使用され得る。これは、駆動のための駆動電圧の低減の助けとなり、正確は配置にも資する。
【００５７】
本実施形態では、バリフォーカルレンズは、自由形状面２０４を有する第１のレンズ要素２０３と、自由形状面２１３を有する対応する第２のレンズ要素２１２を含む。第１のレンズ要素２０３は、プラットホーム２０５により担持され、マイクロアクチュエータ２０９が、プラットホーム２０５及びレンズ要素２０３が一緒に光軸２１０に垂直な方向に側方に移動するように、レンズ要素２０３を担持するプラットホーム２０５を駆動する。第２の要素２１２は、同様に、プラットホーム２１４上に設けられ、対応する側方移動で移動するようにマイクロアクチュエータ２１５により駆動される。２つのレンズ要素の相対移動２１１は、これらにより形成される複合レンズの焦点距離を変化させる。第１のレンズ要素２０３の中心線２１６は、参照のために提供される。中心線２１６は、自由形状面２０４の厚みプロファイルの変化の基準として提供されることが留意される。中心線は、第１レンズ要素２１３及び開口２０６の幾何的中心と揃っている必要はないが、いくつかの実施形態では、そのように揃っていることが好ましい。第２のレンズ要素２１２は、対応する中心線２１７により参照される。第１のレンズ要素２０３と第２のレンズ要素２１２の相対移動は、中心−中心のオフセットによりモニタされ、第１レンズ要素２０３の中心線２１６は、対応する第２のレンズ要素２１２の中心線２１７と相対比較される。中心線２１６及び２１７が相互に一致すると、バリフォーカルレンズ２００は、実質的に大きい焦点距離を有する。バリフォーカルレンズ２００の焦点距離は、中心−中心間オフセットからも得ることができる。
【００５８】
本マイクロアクチュエータは、典型的には、２０−３０マイクロメーターの制限された最大変位／ストロークを有する。例えば、静電櫛駆動マイクロアクチュエータの最大ストロークは、静電側方牽引現象により制限される。本出願に従う種々のズームレンズシステムの実施形態では、マイクロアクチュエータにより駆動されるレンズ要素の適度の、又は、大きい側方変位は、バリフォーカルレンズの屈折力の大きい変化を生じさせ、これが、ズームレンズシステムの大きい光学ズーム範囲を生じさせる。本出願の特定の実施形態は、少なくとも約２倍の光学倍率を達成又は提供し得る。これは、スマートフォン用の小型カメラなど、いくつかのタイプの撮像システムに対して重要又は非常に望ましいことであり得る。本出願に従う側方レンズ要素変位の強化の１態様が以下説明される。
【００５９】
図５は、典型的なマイクロアクチュエータと関連するストロークの制限を克服し得る、本出願の実施形態に従う変位増幅器具、装置、要素又は機構２２０に結合したＭＥＭＳ駆動光学装置（例えば、レンズ要素、レンズ要素を担持するよう構成されたプラットホーム及びプラットホームと基準又は固定支持構造の間に結合した屈曲懸架部を含み、屈曲懸架部がレンズ要素を通る光信号伝搬経路又は光軸に横の方向で弾性変形するように構成されている）の概略図である。プラットホーム２０５を直接駆動する代わりに、マイクロアクチュエータ２０９は、変位増幅機構２２０を介してプラットホーム２０５に結合し、又は、間接的に取り付けられている。単純な梃子機構から複雑な柔軟（コンプライアント／compliant）増幅機構までの幅のある種々の変位増幅機構２２０のデザインが当業界で現在利用可能であり、本実施形態と一緒に使用され得る。
【００６０】
図６は、本出願の他の例示的実施形態に従うＭＥＭＳ型バリフォーカルレンズの概略図である。撮像システムのバリフォーカルレンズは、２つのＭＥＭＳ駆動光学装置３０１，３０２を含む。各ＭＥＭＳ駆動光学装置３０１，３０２は、少なくとも１つの自由形状面３０４，３１３を有するレンズ要素３０３，３１２を有し、プラットホーム３０５，３１４等の支持構造上に搭載されている。本実施形態では、単一のアクチュエータ３０９が２つのレンズ要素３０３，３１２の中心−中心間オフセットを変化させるために設けられている。
【００６１】
レンズ要素３０３，３１２の変位におけるアクチュエータ３０９を支持する駆動システムの実施は、プラットホーム３０５上の電磁石及び他のプラットホーム３１４上の対応する永久磁石又は電磁石の取付を含む。電磁石の電磁界を変化させることで、２つのプラットホームが相互に対して吸引又は反発され、２つのレンズ要素３０３，３１２間の相対移動を生じさせ得る。これは、２つの光学装置３０１，３０２の相互に対する近位性により可能化される。このような支持駆動システムの他の実施形態は、静電型、熱電型、圧電型及び／又は他の作動可能な手法を採用し得る。
【００６２】
本出願に従う小型ズームシステムの広範な展開又は使用を達成するには、低単価及び／又は大量生産が望ましく、又は、本質的である。いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳアクチュエータ及びレンズ要素は、ＩＣと同様の微細加工プロセスを通して製作され得る。ある技術では、アルバレス又はローマンレンズ要素を有する全体の集積されたＭＥＭＳ駆動光学装置が、製造工程からの要素の位置合わせ及び組立の除去を可能にする単一のＩＣと同様の微細加工プロセスを通して製作され得る。
【００６３】
他の技術では、ＭＥＭＳアクチュエータ及びレンズ要素は、異なる又は別個のプロセスによって別々に製作され、その後、最終的に本出願の実施形態に従う本書に記載のＭＥＭＳ駆動光学装置を構成するように組み立てられる。この技術は、低コスト及び大量生産プロセスを維持しつつ、より良い光学品質を提供し得るため、より実際的であり得る。
【００６４】
図７は、本出願の１実施形態に従うアルバレスレンズ要素に対応する自由形状、本質的自由形状、実質的自由形状又は疑似自由形状面４０３の概略図である。レンズ要素は、実施形態の詳細に応じて、方形／矩形形状４０１、円形形状４０２又は他の形状を有し得る。図８は、１実施形態に従うアルバレスレンズ要素の製作に使用されるモールドの図である。モールド４０５は、結果としてのアルバレスレンズに望ましい自由形状面を有する。モールド４０５は、精密に複雑な面を製作することができ、小型光学用途に極めて有用な超精密ダイアモンド切削／マシニングプロセスを用いて製作される。正確な表面仕上げを達成し、精度を達成するために、モールディングプロセスの最終段階でダイアモンドチップの旋盤工具が使用される単刃ダイアモンド切削が現在使用される。アルミニウムがモールド用の材料として現在使用されるが、銅、亜鉛、銀又は他の機械加工可能な材料が使用され得る。
【００６５】
その後、ダイアモンド切削モールドを用いてレンズ要素を製作するために、例えば、精密モールドプロセス等の従来のプラスチック光学製造技術が使用される。図９は、１実施形態に従うレプリカレンズ要素の図である。この実施形態では、紫外（ＵＶ）光で硬化可能な光学接着剤がアルバレスレンズ要素４０６の製作のためのモールドに使用され、レンズ要素４０６は、上記のような自由形状面４０３を含む。モールドを生成するための単刃ダイアモンド切削及びレンズ要素を製作するための精密モールドプロセスの組み合わせは、低コスト大量生産を可能にする。
【００６６】
アルバレス及びローマンレンズの動作原理の観点から、高い、又は、最良の光学性能のためには、レンズ要素の自由形状、本質的な自由形状、実質的な自由形状又は疑似自由形状面のマイクロアクチュエータの動作方向に対する正確な位置合わせが重要又は重大である。アルバレスレンズを考えると、例えば、アクチュエータの移動方向は、（２０）で記述される自由形状面のｘ軸に正確に位置合わせする必要がある。位置合わせ不良のエラーは、レンズの焦点距離の調整の間に、望ましくない光学的収差を生じさせ得る。レンズ要素担持構造（例えば、プラットホーム）及び／又は変位機構と協同的に動作するよう構成されたＭＥＭＳマイクロアクチュエータ又はＭＥＭＳアクチュエータなどのアクチュエータのセットに対するレンズ要素の位置合わせプロセスを容易化するため、それに沿って自由形状面の厚み又は厚みプロファイルが変化する厚みプロファイル変化軸（例えば、ｚ軸）に対して横方向の少なくとも１つの自由形状面基準軸（例えば、ｘ及び／又はｙ軸）を特定する方向指示部又は位置合わせ構成のセットが、その製作プロセスの間に、例えば、ダイアモンド切削プロセスにレンズ要素に組み込まれ得る。概略方形／矩形のレンズ要素には、その外周境界又は辺の１つ以上がこの目的のために使用され得る。円形レンズ要素に対しては、その周辺４０４の追加的なカットやマークなどの特定基準が、選択された軸の方向を指示するために使用され得る。
【００６７】
本出願に従うレンズシステムのズーム及びオートフォーカス機能を実施するために、プラットホームをレンズ要素とともに、側方に、すなわち、光軸に垂直に移動させるために、本質的に任意のタイプのＭＥＭＳアクチュエータが使用され得る。これらは、以下のものに限定はされないが、熱電アクチュエータ（例えば、Ｖビームアクチュエータ、バイモルフ形アクチュエー及び疑バイモルフ形アクチュエータなど）、静電アクチュエータ、電磁アクチュエータ及び圧電アクチュエータを含む。当業者に明らかであるように、本出願の精神及び範囲内で種々のＭＥＭＳアクチュエータ及びその変形形態が可能であることに留意すべきである。
【００６８】
図１０は、懸架されたＭＥＭＳプラットホーム及び櫛駆動アクチュエータを含む本出願の実施形態に従うレンズ変位アセンブリの概略図である。図１０に示すように、貫通開口５０７を有する剛性のプラットホーム５０６が静電櫛ドライバ５０１のセットにより駆動される。各櫛ドライバは、可動櫛状電極５０４及び固定櫛状電極５０３を含む。可動電極５０４は、剛性プラットホーム５０６に取り付けられ、固定電極５０３は、基板５０９に固定された固定支持部５０２に取り付けられている。２つの電極は、間隙によって分離されている。駆動電圧が印加されると、電極５０４，５０４により静電力が発生し、プラットホーム５０６を基板５０９に平行な面内で移動させる。剛性プラットホーム５０６は、屈曲懸架部５０５を介して固定支持部５０２に結合している。剛性プラットホーム５０６の移動は、屈曲懸架部５０５の弾性変形により支持され、これにより、摩擦、磨耗又は裂けを低減、最小化又は解消する。アルバレス又はローマンレンズ要素の組立プロセスを容易化するために、位置合わせ構成、例えば、図示された代表的な構成５０８ａ，５０８ｂがＭＥＭＳアクチュエータ装置に組み込まれ得る。
【００６９】
図１１は、本出願の１実施形態に従うＭＥＭＳ製作プロセスの概略図であり、上記櫛ドライバアクチュエータが剛性プラットホームとともに標準的なＳＯＩマイクロマシニングプロセスを用いて製作され得る態様を示す。製作は、両面研磨ＳＯＩウェハから開始する。深堀りＲＩＥステップの前に行われる第１のリソグラフィステップは、上部Ｓｉデバイス層に所望の微細構造（櫛ドライバ、剛性プラットホーム及び屈曲懸架部を含む）を製作するために使用され得る。その後、残ったフォトレジスト層が除去される。続いて、第２のリソグラフィ及び深堀りＲＩＥステップが、ＳＯＩウェハの裏面、すなわち、基板側に連続して実行され、微細構造領域の直下の基板に開口を形成する。フォトレジスト及び露出した埋込酸化物を除去することにより、稼働微細構造がリリースされ、ＭＥＭＳアクチュエータ及びレンズ要素を搭載するためのプラットホームの製作が完成する。
【００７０】
図１２ａは、製作された図１０のレンズ変位アセンブリの代表図である。ＭＥＭＳ駆動プラットホーム５０６は、この構成では、ＭＥＭＳ型折り曲げビーム懸架部５０５で実現される屈曲懸架部を介して固定支持部５０２に結合している。静電櫛ドライバ５０１は、剛性プラットホーム５０６を駆動する。折り曲げビーム懸架部は、櫛駆動アクチュエータの駆動力の方向への比較的自由な移動を許容しつつ、櫛駆動アクチュエータ５０１の駆動力に対して実質的に横の方向での高い剛性を提供する。プラットホーム５０６は、本出願に従い、アルバレス又はローマンレンズの配置のための貫通孔開口５０７を有する。図１２ｂは、アルバレスレンズ要素５１０が剛性プラットホームに位置合わせされて配置された図１２ａのレンズ変位アセンブリの代表図である。
【００７１】
図１３は、ＭＥＭＳ静電櫛駆動アクチュエータ及びアルバレス又はローマンレンズ要素を含む本出願の実施形態に従う組立及び／又は位置合わせプロセスの部分を示す概略図である。１実施形態では、それぞれの製作プロセスの後で、レンズ要素６０１及びプラットホーム６０２及び静電櫛駆動部６０３を有するＭＥＭＳアセンブリは、本出願の実施形態に従うバリフォーカルレンズの一部としてのＭＥＭＳ駆動光学装置を形成するように、微細組立プロセスを介して協働的に結合され、又は、組み合わされる。ＵＶ／熱硬化エポキシを用いるものからプラットホーム上での機械式クランプの設計に渡る多様な技術が、剛性プラットホーム上にレンズ要素を確保し、搭載し、又は、固定するために使用され得る。レンズ要素は、固定の前に、ＭＥＭＳアクチュエータに正確に位置合わせされることが必要である。これは、剛性プラットホーム及びレンズ要素の両方にそれぞれ形成された位置合わせ構成、例えば、図１０に示す構成５０８ａ及び／又は図７に示す構成４０４と整合させるためにマイクロマニピュレータ又はピンセットを用いて顕微鏡下で行われ得る。
【００７２】
レーザー補助位置合わせ技術も使用し得る。例えば、図１３に示すように、伝搬回折格子位置合わせ構成６０８ｂが、ＭＥＭＳアクチュエータなど、ＭＥＭＳアセンブリの一部に組み合わされうる。コリメートされたレーザービーム６０４で照射されたときに、格子は、レーザー光を回折させ、ＭＥＭＳ装置から離間して位置するスクリーン６０６上にスポットの配列６０５を投射する。格子位置合わせ構成６０８ｂのＭＥＭＳ装置上の配置は、回折されたスポットの配列６０５の方向がＭＥＭＳアクチュエータの移動方向を示すように設計される。レンズ要素は、典型的には、自由形状の立体の面のプロファイルを含むため、これを通って伝送されるレーザースポット６０７は円対称ではなく、レンズ要素６０１の方位を示す明確な表示を有する。したがって、レーザービームの使用により、及び、レンズ要素を通るレーザースポット６０７の向きとスクリーン上の回折スポットの配列６０５を比較することを通して、ＭＥＭＳアクチュエータの移動方向に対するレンズ要素の所望の軸の正確な、又は、非常に正確な位置合わせを達成し得る。
【００７３】
図１４は、本出願の実施形態に従う２つのＭＥＭＳ駆動光学装置を有するＭＥＭＳ型バリフォーカルレンズの概略図である。図１４に示すように、２つの組み立てられたＭＥＭＳ駆動光学装置７０１，７０２をタンデムに準備することにより、バリフォーカルレンズが形成される。図示の実施形態では、光軸７０３は、ＭＥＭＳアクチュエータの表面に垂直でバリフォーカルレンズの中心を通って延びる。ＭＥＭＳアクチュエータにより生じるレンズ要素の相対的な側方移動７０４は、バリフォーカルレンズの焦点距離を制御し、調整する。図３に概略示すように、１対のこのようなＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズは、本出願に従うオートフォーカス機能を有する小型ズームレンズシステムの重要要素を構成する。
【００７４】
上記のように、多くの静電櫛駆動アクチュエータを含むＭＥＭＳアクチュエータは、制限された移動距離を有する。この制限を克服し、より大きい又は大きい焦点距離調整範囲又はズーム範囲を達成するため、機械式変位増幅機構を利用し得る。本出願の実施形態に従うＭＥＭＳ駆動光学装置が、ＭＥＭＳアクチュエータ及び剛性のプラットホームなどのレンズ変位器具のそれぞれに結合した変位増幅機構を含むように構成され得る態様を示す代表例が、以下に説明される。
【００７５】
図１５は、製作された本出願に従うＭＥＭＳ型バリフォーカルレンズの試験から得られた実権データを編集したプロットである。製作されたＭＥＭＳ駆動アルバレスレンズ要素は、櫛駆動アクチュエータに駆動電流を印加することで調整可能な焦点距離を有する。焦点距離は、実験的に測定され、２つのレンズ要素の中心−中心間オフセットの関数としてプロットされる。これらは、図１５において陰無しの記号７５０，７５１で示される。陰付き記号７５２，７５３は、使用された自由形状面プロファイルから理論的に予測される焦点距離を示す。ＭＥＭＳ駆動アルバレスレンズ要素の正の変位７５０，７５２及び負の変位７５１，７５３の両方が試験された。理論的予測値への良好な相関が観測される。
【００７６】
更なる試験として、この調整可能なレンズにより、レンズに対して固定距離に配置された印刷されたロゴが物体として撮像された。異なる３つの焦点距離での記録された画像７５４，７５６，７５８もまた図に示されている。取得された画像７５４，７５６，７５８のサイズの変化から、ＭＥＭＳ駆動アルバレスレンズ要素の焦点距離の変化により光学倍率が変化することが判る。
【００７７】
図１６は、ＭＥＭＳ静電櫛駆動アクチュエータ、アルバレス又はローマンレンズ要素及び変位増幅機構を含む本出願の実施形態に従うＭＥＭＳ駆動光学装置の概略図である。図示の実施形態では、静電櫛駆動アクチュエータ８０１は、屈曲ビームを含む柔軟変位増幅機構８０２を介してレンズ要素８０３を有する剛性プラットホーム８０４に間接的に結合されている。変位増幅機構の動作原理の詳細は、当該技術分野で見出すことができる。ＭＥＭＳアクチュエータの出力変位は、機構により増幅され、それにより、剛性プラットホーム８０４の実際の変位が駆動アクチュエータ自体の変位出力よりもずっと大きくなる。単純な梃子機構から複雑な柔軟増幅機構に渡る多様な変位増幅機構が当該技術分野で利用可能であり、報告されている。本実施形態の微細加工及び組立プロセスは、変位増幅機構を有さない図１０に示す実施形態のそれと同様、実質同様又は類似である。
【００７８】
いくつかの例示的実施形態では、実施形態の詳細に応じて、ＭＥＭＳ駆動光学装置は、約５００μｍ未満の距離に渡って変位可能であり、したがって、ＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズアセンブリの各レンズ要素は、約１ｍｍの距離（例えば、レンズ要素の中心に対して測定したもの）に渡って対応するレンズ要素に対して変位可能であり得る。更に、いくつかの例示的実施形態では、レンズ要素の直径は、３００μｍ−５ｍｍの間であり得、ＭＥＭＳ型ズームレンズシステムの第１の、又は、最初のＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズと第２の、最後の、又、末端のＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズの間の分離距離は、３０ｍｍ未満であり得る。このような分離距離は、各レンズの中央点に対して、又は、
ＭＥＭＳ型ズームレンズシステムへの光信号が入射する第１レンズの外面とＭＥＭＳ型ズームレンズシステムへの光信号が出射する第２レンズの外面の間で測定することができる。
【００７９】
上記のように、本出願に従うズームレンズシステムの実施形態は、多くのタイプの電子装置に適用可能であり、また、有利であり、これは特に、このようなズームレンズシステムが、極めて小さく（すなわち、小型）、非常にコンパクトであり、軽量であり、堅牢であり得るためである。更に、本出願の実施形態に従うＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズの性能は、レンズシステムが液体調整可能レンズ又は液晶システムを有さないために、重力及び／又は圧力の影響を受けない。これは、ズームレンズシステムの用途が、異なる場所、高さ又は深さ、及び、方位での使用にさらされ得るため、特筆すべきである。したがって、本出願の実施形態に従うズームレンズシステムは、ズームレンズが配置され、又は、使用される方位、場所、高さ、深さ及び／又は外部環境と関係なく、又は、実質的に関係なく、不変又は一定のズームレンズ性能又は機能を容易に提供し得る。更に、ＭＥＭＳ型レンズシステムは、相対的に、衝撃耐性であり得る。更に、本出願の実施形態に従うＭＥＭＳレンズシステムの焦点距離調整、ズーミング及び焦点合わせは、例えば、ミリ秒以内又はミリ秒のオーダー（例えば、数ミリ秒と数百ミリ秒の間）で生じるなど、高速であり得る。
【００８０】
本出願の実施形態は、小型監視カメラ、内視鏡撮像システム、及び、パーソナルデジタルアシスタント、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートフォン／タブレットコンピュータ混成装置、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、コンピュータモニタ、テレビ及びウェブカメラなどの可搬型又は個人用電子又は計算装置などの撮像及び／又は電子装置用途で使用され得る。
【００８１】
スマートフォン用途に関連し、スマートフォンの主流の設計の傾向は、典型的には１０ｍｍ未満の厚みの超薄型設計である。光軸に沿う本出願の実施形態に従う小型ズームレンズシステムの全長がスマートフォンの厚みよりも大きい場合、超薄型の設計を維持するために、レンズの光軸９０２を、スマートフォンの前／後表面に垂直からスマートフォンの前／後表面に平行に折り曲げることが必要である。
【００８２】
図１７は、本出願の実施形態に従う超薄型設計のスマートフォンに組み込まれたズームレンズシステムの概略図である。図１７に示すように、折り曲げられた光軸９０２は、ミラー、プリズム又はダハプリズム反射鏡９０４を用いて達成される。物体からの光は、スマートフォン９０１の窓９０３を通ってレンズシステムに入射し、反射器９０４により９０度反射される。光信号が少なくとも２つのＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズ９０６，９０７及び固定レンズ９０８のセット及び開口９０５のセットを含む他の光学要素のセットを通って伝送された後、画像が画像センサ９０９上にキャプチャされ、又は、生成される。
【００８３】
このレンズシステムでは、開口９０５のサイズは、レンズに入射する光束のサイズを制御するように調整され得る。光学ズームは、２つのＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズ９０６，９０６の焦点距離の双方の組み合わせ調整により実現され、一方、オートフォーカスは、第１のＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズ９０６の単独の調整により達成される。ＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズ９０６，９０６は、ともに、光軸９０２に対して垂直又は横方向への構成レンズ要素の相対的側方移動９１０を介して焦点距離調整を達成する。側方移動は、図１７に示すＭＥＭＳアクチュエータにより引き起こされる。
【００８４】
前記のように、固定焦点距離９０８を有するレンズは、追加の屈折力を提供し、及び／又は、光学的収差を低減し得る。追加的又は代替的に、１以上のＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズ９０６，９０７は、バリフォーカルレンズ要素表面にマッピングされ、又は、組み込まれた表面又は厚みプロファイル修正関数ｆｉ（ｘ，ｙ）のセットによるなどの、収差補正を促進するための構造及び／又は物性の修正を含み得る。更に、いくつかの実施形態では、第２のＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズ９０７及び画像センサ９０９には、光軸に沿う相互に対する相対移動を許容するように、側方移動制御システムを設け得る。他の実施形態では、第２のＭＥＭＳ駆動バリフォーカルレンズ９０７、固定焦点距離を有するレンズ９０８及び画像センサ９０９には、光軸に沿う相互に対する相対移動を許容するように、側方移動制御システムを設け得る。
【００８５】
図１８は、本出願の一態様に従う光学ズームを提供するためのプロセス７００のフローチャート又はフローダイアグラムである。第１のプロセス部分７０２では、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素が提供され、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれは、これらを通って光信号伝搬経路に沿って光信号が通過できるよう構成され、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素のそれぞれは、少なくとも１つの自由形状面を含む。第２のプロセス部分７０４では、第１及び第２のＭＥＭＳ駆動光学要素が第１の光学要素のペアを形成し、第３及び第４のＭＥＭＳ駆動光学要素が第２の光学要素のペアを形成するように、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素がペア式の構成で配置される。第３のプロセス部分７０６では、少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータが起動されて、第１及び第２の光学要素のペアの１つ又は双方の屈折力を変化させるように、光信号伝搬経路に対して実質的に横の方向に少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素の１以上を変位させる。
【００８６】
図１９は、本出願の実施形態に従う光学要素位置合わせプロセス７５０のフローチャート又はフローダイアグラムであり、図１８に関連して上記したプロセス部分は、図１９に関連して記述されるプロセス部分を伴い得る。第１のプロセス部分７５２では、少なくとも４つのＭＥＭＳ駆動光学要素が方向指示部のセットを用いて位置合わせされ、方向指示部のセットは、１以上のＭＥＭＳ駆動光学要素の１つ以上の自由形状面の１つ以上の少なくとも１つの基準軸に対応し、少なくとも１つの基準軸は、自由形状面の厚みプロファイル変化軸に対して横向きである。第２のプロセス部分７５４では、可動微小構造アセンブリにより担持される位置合わせ構造のセットが提供される。第３のプロセス部分７５６では、方向指示部のセットを位置合わせ構造のセットに対して位置合わせすることにより、１以上のＭＥＭＳ駆動光学要素及び可動微小構造アセンブリが空間的に位置合わせされる。
【００８７】
図２０は、本出願の実施形態に従うＭＥＭＳ型ズームレンズシステムを製造するためのプロセス８００のフローチャート又はフローダイアグラムである。第１のプロセス部分８０２では、第１の可動微小構造アセンブリが一体化されたユニットとして提供され、又は、製作される。特定の実施形態では、第１のプロセス部分８０２は、概略平坦な第１の面、概略平坦な第２の面及び第１の面と第２の面の間の厚みを有するプラットホームを提供するステップであって、レンズ要素の光軸が第１及び第２の面に実質的に垂直であるようにプラットホームがレンズを担持するように構成された、該ステップを含む。更に、アセンブリは、基準支持構造、及び、プラットホームと基準支持構造の間に結合した屈曲懸架部を含む。屈曲懸架部は、レンズ要素の光軸に対して横の方向（例えば、実質的に垂直方向）に沿って弾性変形可能に構成される。アセンブリは、レンズ要素の光軸に対して横の方向（例えば、実質的に垂直方向）への変位力をプラットホームに対して印加するように構成された変位機構を含む。
【００８８】
第２のプロセス部分８０４では、自由形状面を有する第１のレンズ要素が提供され、第３のプロセス部分８０６では、可動微小構造アセンブリに対する自由形状面の位置合わせが確立される。
【００８９】
本出願の特定の実施形態の各側面は、既存のズームレンズシステム、器具、装置、要素又は構造と関連する少なくとも１つの側面、問題、限定及び／又は欠点に対処したものである。特定の実施形態に関連する特徴、側面及び／又は利点が本願において説明されたが、他の実施形態もまたそのような特徴、側面及び／又は利点を呈する場合があり、すべての実施形態が必ずしも、本出願の範囲に包含されるために、そのような特徴、側面及び／又は利点を有する必要は無い。上記システム、要素、プロセス、又はその代替例のいくつかが、他の異なるシステム、要素、プロセス及び／又は用途と好ましく組み合わされ得ることが当業者に理解されるであろう。更に、当業者により開示された種々の実施形態に対する種々の変形例、代替例及び／又は改善が、本出願の範囲及び精神の範囲内で為され得る。例えば、ここに記述された開示のプロセスによる種々の動作が異なる順序で実施される場合があり、また更に、開示の動作を実施するために、追加の又はより少ないステップが使用され得ることが理解される。このような変形例、代替例及び／又は改善は、以下の特許請求の範囲に包含される。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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