(57)【要約】【課題】可変焦点距離素子を用い、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルであり、収差を良好に補正し、高い光学性能を有する変倍アフォーカル光学系を提供すること。【解決手段】可変焦点距離素子Ｌ１Ｖを有する第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２を有し、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈへの変倍を前記第１レンズ群Ｇ１の焦点距離を変化させることによって行い、前記第１レンズ群Ｇ１の焦点距離と前記第２レンズ群Ｇ２の焦点距離は、一方の焦点距離が正で、他方の焦点距離が負であり、前記可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、容器内に封入された互いに屈折率が異なり混合しない第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２との境界面形状を変化させて焦点距離を変える変倍アフォーカル光学系。【選択図】図１
2008203648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変焦点距離素子を有する第１レンズ群と、第２レンズ群を有し、
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を前記第１レンズ群の焦点距離を変化させることによって行い、
前記第１レンズ群の焦点距離と前記第２レンズ群の焦点距離は、一方の焦点距離が正で、他方の焦点距離が負であり、
前記可変焦点距離素子は、第１液体材料と、該第１液体材料と屈折率が異なり混合しない第２液体材料とを容器内に封入し、前記第１液体材料及び前記第２液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第１液体材料と前記第２液体材料との境界面形状を変化させて焦点距離を変え、
前記第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、前記第２液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ２、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群を有する光学系の光軸と前記光学系の最大画角に対応する射出光線とのなす角の正接をｔａｎθ、前記光学系の低倍率端状態における前記可変焦点距離素子の屈折力をφＬ、前記光学系の高倍率端状態における前記可変焦点距離素子の屈折力をφＨとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする変倍アフォーカル光学系。
０．００５ ＜ ｜φＨ−φＬ｜×ｔａｎ２θ／（ｎ１×ｎ２） ＜ ２０  （単位：１／ｍ）
【請求項２】
前記物理量は電圧であることを特徴とする請求項１に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項３】
前記第１レンズ群の焦点距離変化に伴って、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔を変化させることで、前記光学系全体の倍率を変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項４】
光軸に沿って、前記第１レンズ群は前記第２レンズ群より物体側にあり、前記第１レンズ群の焦点距離変化に伴って、前記第１レンズ群のみを光軸に沿って移動させることで、前記光学系全体の倍率を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項５】
光軸に沿って、前記第２レンズ群は前記第１レンズ群より物体側にあり、前記第１レンズ群の焦点距離変化に伴って、前記第２レンズ群のみを光軸に沿って移動させることで、前記光学系全体の倍率を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項６】
前記第２レンズ群は、１つ以上の固定焦点距離素子のみで構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項７】
前記可変焦点距離素子の空気に接する面は曲面であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項８】
前記第１レンズ群は１つ以上の固定焦点距離素子を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項９】
前記第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、前記第２液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ２とするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
０．０３０ ＜ ｜ｎ１−ｎ２｜ ＜ ０．６００
【請求項１０】
前記第１液体材料と前記第２液体材料は、ほぼ同密度であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１１】
前記第１液体材料と前記第２液体材料のうち少なくとも一方は、不凍材料成分を含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１２】
前記可変焦点距離素子は、前記第１液体材料に接する第１光学窓と、前記第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、
低倍率端状態において、前記第１液体材料と前記第１光学窓が接する面から前記境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｌ、前記第２液体材料と前記第２光学窓が接する面から前記境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｌ、
高倍率端状態において、前記第１液体材料と前記第１光学窓が接する面から前記境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｈ、前記第２液体材料と前記第２光学窓が接する面から前記境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｈとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
ＤＬ１Ｌ ＞ ０．００５  （単位：ｍｍ）
ＤＬ２Ｌ ＞ ０．００５  （単位：ｍｍ）
ＤＬ１Ｈ ＞ ０．００５  （単位：ｍｍ）
ＤＬ２Ｈ ＞ ０．００５  （単位：ｍｍ）
【請求項１３】
前記可変焦点距離素子は、前記第１液体材料に接する第１光学窓と、前記第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、
低倍率端状態から高倍率端状態において、前記第１液体材料と前記第１光学窓が接する面から前記境界面までの距離と、前記第２液体材料と前記第２光学窓が接する面から前記境界面までの距離の和が不変であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点距離素子を有する変倍アフォーカル光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可変焦点距離素子を用いた光学系が数多く提案され、その中で、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルである光学系もいくつか提案されてきた。例えば、可変焦点距離素子にシリコンゴムを材料にした弾性体レンズを用い、簡便な可動機構のみで変倍を可能にした変倍光学系が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６１−８７１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の変倍光学系では、収差補正に関して何ら開示されておらず、光学性能が高いとは言えなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明は、可変焦点距離素子を有する第１レンズ群と、第２レンズ群を有し、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を前記第１レンズ群の焦点距離を変化させることによって行い、前記第１レンズ群の焦点距離と前記第２レンズ群の焦点距離は、一方の焦点距離が正で、他方の焦点距離が負であり、前記可変焦点距離素子は、第１液体材料と、該第１液体材料と屈折率が異なり混合しない第２液体材料とを容器内に封入し、前記第１液体材料及び前記第２液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第１液体材料と前記第２液体材料との境界面形状を変化させて焦点距離を変え、前記第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、前記第２液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ２、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群を有する光学系の光軸と前記光学系の最大画角に対応する射出光線とのなす角の正接をｔａｎθ、前記光学系の低倍率端状態における前記可変焦点距離素子の屈折力をφＬ、前記光学系の高倍率端状態における前記可変焦点距離素子の屈折力をφＨとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする変倍アフォーカル光学系を提供する。
０．００５ ＜ ｜φＨ−φＬ｜×ｔａｎ２θ／（ｎ１×ｎ２） ＜ ２０  （単位：１／ｍ）
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、可変焦点距離素子を用い、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルであり、収差を良好に補正し、高い光学性能を有する変倍アフォーカル光学系を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の一実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系に関し説明する。
【０００７】
一般的に知られている通り、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルな光学系を構成するためには、少なくとも２つのレンズ群が必要である。２つのレンズ群で構成された光学系について、物体側のレンズ群を対物レンズ群Ｏとしその焦点距離をｆｏ[ｍｍ]、瞳側のレンズ群を接眼レンズ群Ｅとしその焦点距離をｆｅ[ｍｍ]とすると、ほぼアフォーカルなレンズ群を構成するためには、対物レンズ群Ｏと接眼レンズ群Ｅの主点間隔をｄ[ｍｍ]としたとき、以下の条件式（Ａ）をほぼ満たす必要がある。
（Ａ）  ｄ＝ｆｏ＋ｆｅ
また、このアフォーカル光学系における倍率ｍは、以下の式（Ｂ）で与えられる。
（Ｂ）  ｍ＝−ｆｏ／ｆｅ
ここで、式（Ｂ）から分かる通り、アフォーカル光学系を変倍させるためには、少なくとも対物レンズ群Ｏの焦点距離ｆｏか接眼レンズ群Ｅの焦点距離ｆｅのいずれかを変化させることが必要である。
【０００８】
そこで実施の形態においては、可変焦点距離素子を有する第１レンズ群と、第２レンズ群を有する構成とし、第１レンズ群の焦点距離を変化させることによって低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を行って、変倍アフォーカル光学系を実現している。
【０００９】
また、正立のアフォーカル光学系というのは、倍率ｍを正の値にするという事であり、したがって式（Ｂ）より、対物レンズ群Ｏの焦点距離ｆｏと接眼レンズ群Ｅの焦点距離ｆｅは、一方の焦点距離が正で、他方の焦点距離が負にする必要がある。
【００１０】
そこで実施の形態においては、第１レンズ群の焦点距離と第２レンズ群の焦点距離は、一方の焦点距離が正で、他方の焦点距離が負にすることで、正立変倍アフォーカル光学系を実現している。
【００１１】
次に、可変焦点距離素子について述べる。
【００１２】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、可変焦点距離素子は、第１液体材料と、第１液体材料と屈折率が異なり混合しない第２液体材料とを容器内に封入し、第１液体材料及び第２液体材料へ加える物理量を変化させることによって、第１液体材料と第２液体材料との境界面形状を変化させて焦点距離を変える構成としている。
【００１３】
また、実施の形態では、第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、第２液体材料の基準波長における屈折率をｎ２、第１レンズ群と第２レンズ群を有する光学系の光軸と光学系の最大画角に対応する射出光線とのなす角の正接をｔａｎθ、光学系の低倍率端状態における可変焦点距離素子の屈折力をφＬ、光学系の高倍率端状態における可変焦点距離素子の屈折力をφＨとするとき、以下の条件式（１）を満たしている。
（１）  ０．００５ ＜ ｜φＨ−φＬ｜×ｔａｎ２θ／（ｎ１×ｎ２） ＜ ２０
（単位：１／ｍ）
なお、射出光線とは、第１レンズ群が物体側にある場合、第２レンズ群が物体側にある場合のいずれにおいても、使用状態において、この光学系から出て行く光のことである。
【００１４】
条件式（１）は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に、全視野に亘って収差変動による視度の変化を抑えて、変倍アフォーカル光学系として高い光学性能を得るための条件式である。
【００１５】
条件式（１）の下限値を下回ると、光学系からの射出角が過剰に小さくなるため、十分な視野範囲を取ることができなくなり、全視野に亘って視度の変化を抑え、変倍アフォーカル光学系として高い光学性能を得ることができない。あるいは、低倍率端状態と高倍率端状態との間で可変焦点距離素子の屈折力差が過剰に小さくなるため、十分な変倍範囲を確保できなくなって、変倍アフォーカル光学系自体を達成できなくなる。
【００１６】
条件式（１）の上限値を上回ると、低倍率端状態と高倍率端状態との間で可変焦点距離素子の屈折力差が過剰に大きくなり、変倍アフォーカル光学系全体でのペッツバール和の変動が過剰に大きくなってしまう。すると、低倍率端状態と高倍率端状態との間で視野周辺部の像面湾曲による視度変化が過剰に大きくなってしまって、低倍率端状態から高倍率端状態すべてに亘って高い光学性能を得ることができなくなる。
【００１７】
なお、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（１）の下限値を０．０１にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（１）の下限値を０．０４にすることが更に好ましい。また、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（１）の上限値を８にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（１）の上限値を６にすることが更に好ましい。
【００１８】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、前記物理量は電圧であることが望ましい。
【００１９】
可変焦点距離素子は様々な手段を用いたものが提案されているが、その中で近年、電子毛管現象あるいはエレクトロウェッティング現象と呼ばれる現象を用いた可変焦点距離素子が提案されている。
【００２０】
可変焦点距離素子に用いる２種類の液体材料には、導電性液体材料と絶縁性液体材料を選択する。導電性液体材料には、塩化ナトリウム等の塩類の水溶液、導電性成分あるいはイオン成分を添加して導電性を付与した液体材料等の有極性液体材料を用いることができる。絶縁性液体材料には、シリコンオイル等の油類、液体炭化水素、液体炭化水素混合物、無極性ハロゲン化物、または導電性液体材料と混合しない絶縁性の液体材料等の無極性液体材料を用いることができる。
【００２１】
可変焦点距離素子へ加える物理量を電圧とすることで、エレクトロウェッティング現象を用いた簡便な構成の可変焦点距離素子を実現でき、容易に簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を得ることができる。
【００２２】
なお、第１液体材料と第２液体材料を混合させない手段として、第１液体材料及び第２液体材料の間に薄膜を配置し、第１液体材料及び第２液体材料へ加える物理量として薄膜に加える張力を制御したり、いずれかあるいは両方の液体に加える力や熱を制御したりすることで同様の可変焦点距離素子を実現することも可能である。
【００２３】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系は、第１レンズ群の焦点距離変化に伴って、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔を変化させることで、光学系全体の倍率を変化させることが望ましい。
【００２４】
この構成とすることで、変倍アフォーカル光学系は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍における、可変焦点距離素子の焦点距離変化で生じる視度変化を、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔を変化させることで補正し、高い光学性能を得ることができる。
【００２５】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、光軸に沿って、第１レンズ群は第２レンズ群より物体側にあり、第１レンズ群の焦点距離変化に伴って、第１レンズ群のみを光軸に沿って移動させることで、光学系全体の倍率を変化させることが望ましい。
【００２６】
この構成とすることで、変倍アフォーカル光学系は、第１レンズ群に対物レンズ群Ｏ、第２レンズ群に接眼レンズ群Ｅとしての働きを持たせ、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍における、可変焦点距離素子の焦点距離変化で生じる視度変化を、第１レンズ群即ち対物レンズ群Ｏを移動させることで補正し、高い光学性能を得ることができる。また、第１レンズ群のみを移動させるだけでよいため、平易な可動機構で簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を得ることができる。
【００２７】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、光軸に沿って、第２レンズ群は第１レンズ群より物体側にあり、第１レンズ群の焦点距離変化に伴って、第２レンズ群のみを光軸に沿って移動させることで、光学系全体の倍率を変化させることが望ましい。
【００２８】
この構成とすることで、変倍アフォーカル光学系は、第２レンズ群に対物レンズ群Ｏ、第１レンズ群に接眼レンズ群Ｅとしての働きを持たせ、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍における、可変焦点距離素子の焦点距離変化で生じる視度変化を、第２レンズ群即ち対物レンズ群Ｏを移動させることで補正し、高い光学性能を得ることができる。また、第２レンズ群のみを移動させるだけでよいため、平易な可動機構で簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を得ることができる。
【００２９】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第２レンズ群は、１つ以上の固定焦点距離素子のみで構成されることが望ましい。
【００３０】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第２レンズ群を１つ以上の固定焦点距離素子のみで構成することで、レンズ群内の構成を簡単にすることができるため、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。また低倍率端状態から高倍率端状態への変倍に際し、第２レンズ群内での収差変動がないため、変倍アフォーカル光学系全体の収差変動を効率的に抑えることができ、全変倍範囲において高い光学性能を得ることができる。
【００３１】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、可変焦点距離素子の空気に接する面は曲面であることが望ましい。
【００３２】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、可変焦点距離素子の２つの液体の境界面は特定の有限範囲でのみ焦点距離可変である。一方、変倍アフォーカル光学系を実現するためには各レンズ群の最適な屈折力配置が必要となる。すなわち、第１レンズ群の焦点距離可変範囲を最適にする必要がある。そこで、第１レンズ群中の可変焦点距離素子の空気に接する面を曲面とすることで、第１レンズ群の焦点距離可変範囲を焦点距離可変素子の２つの液体の境界面の焦点距離可変範囲からシフトさせることができ、最適な屈折力配置が可能となって、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００３３】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１レンズ群は１つ以上の固定焦点距離素子を有することが望ましい。
【００３４】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、可変焦点距離素子の２つの液体の境界面は特定の有限範囲でのみ焦点距離可変である。一方、変倍アフォーカル光学系を実現するためには各レンズ群の最適な屈折力配置が必要となる。すなわち、第１レンズ群の焦点距離可変範囲を最適にする必要がある。そこで、第１レンズ群は１つ以上の固定焦点距離素子を有することで、第１レンズ群の焦点距離可変範囲を焦点距離可変素子の２つの液体の境界面の焦点距離可変範囲からシフトさせることができ、最適な屈折力配置が可能となって、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００３５】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、第２液体材料の基準波長における屈折率をｎ２とするとき、以下の条件式（２）を満たすことが望ましい。
（２）  ０．０３０ ＜ ｜ｎ１−ｎ２｜ ＜ ０．６００
【００３６】
条件式（２）は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に、変倍アフォーカル光学系の収差変動を抑え高い光学性能を得るための条件式である。
【００３７】
条件式（２）の下限値を下回ると、可変焦点距離素子の第１液体材料と第２液体材料の境界面における屈折率差が過剰に低くなる。すると、境界面での屈折力が弱まるため、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に第１液体材料と第２液体材料との境界面形状の変化が過剰に大きくなって像面湾曲の変動を抑えることが困難となり、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３８】
条件式（２）の上限値を上回ると、可変焦点距離素子の第１液体材料と第２液体材料の境界面における屈折率差が過剰に高くなる。すると、境界面の面精度誤差の影響を受けやすくなってしまい、境界面の面精度誤差に伴う偏心コマ収差の変動を抑えることが困難となって、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３９】
なお、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（２）の下限値を０．０５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（２）の下限値を０．０８０にすることが更に好ましい。また、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（２）の上限値を０．５５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（２）の上限値を０．５００にすることが更に好ましい。
【００４０】
また、基準波長は本光学系の使用波長の範囲内であることが好ましいことは言うまでもない。
【００４１】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料と第２液体材料は、ほぼ同密度であることが望ましい。
【００４２】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料と第２液体材料の密度をほぼ同じにすることで、２つの液体の境界面にかかる重力方向の影響や振動による混合を回避することができる。その結果、重力方向の影響や振動による混合が原因で生じる２つの液体の境界面形状歪みに起因する偏心コマ収差の発生を回避できるので、重力や加速度の影響を受けない高い光学性能を確保することができる。
【００４３】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料と第２液体材料のうち少なくとも一方は、不凍材料成分を含むことが望ましい。
【００４４】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、使用温度により第１液体材料あるいは第２液体材料が凍結し固化してしまうことがある。すると光学特性が変化するばかりでなく、境界面形状の変更をできなくなり変倍アフォーカル光学系を実現できない。そこで、第１液体材料と第２液体材料のうち少なくとも一方は、エチレングリコールなどの不凍材料成分を含ませることにより、凍結による固化を防止し、広い温度範囲に亘って変倍アフォーカル光学系を実現できる。なお、不凍材料成分は、第１液体材料と第２液体材料のうち凝固点が高い方の液体、あるいは導電性の液体に含ませることが望ましい。
【００４５】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、可変焦点距離素子は、第１液体材料に接する第１光学窓と、第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、低倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｌ、第２液体材料と第２光学窓が接する面から境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｌ、高倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｈ、第２液体材料と第２光学窓が接する面から境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｈとするとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。
（３）  ＤＬ１Ｌ ＞ ０．００５  （単位：ｍｍ）
（４）  ＤＬ２Ｌ ＞ ０．００５  （単位：ｍｍ）
（５）  ＤＬ１Ｈ ＞ ０．００５  （単位：ｍｍ）
（６）  ＤＬ２Ｈ ＞ ０．００５  （単位：ｍｍ）
【００４６】
条件式（３）は低倍率端状態において、可変焦点距離素子の境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００４７】
条件式（３）の下限値を下回ると、境界面は第１光学窓に過剰に近接する。すると第１光学窓と境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００４８】
条件式（４）は低倍率端状態において、可変焦点距離素子の境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００４９】
条件式（４）の下限値を下回ると、境界面は第２光学窓に過剰に近接する。すると第２光学窓と境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５０】
条件式（５）は高倍率端状態において、可変焦点距離素子の境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５１】
条件式（５）の下限値を下回ると、境界面は第１光学窓に過剰に近接する。すると第１光学窓と境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５２】
条件式（６）は高倍率端状態において、可変焦点距離素子の境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５３】
条件式（６）の下限値を下回ると、境界面は第２光学窓に過剰に近接する。すると第２光学窓と境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５４】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、可変焦点距離素子は、第１液体材料に接する第１光学窓と、第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、低倍率端状態から高倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から境界面までの距離の和が不変であることが望ましい。
【００５５】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、低倍率端状態から高倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から境界面までの距離の和が不変になる構成とすることで、可変焦点距離素子全体の光軸方向の厚みを変化させる必要がなくなり、簡単な構成の可変焦点距離素子を得ることができる。従って、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００５６】
なお、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系は、観察光学系に限られるものではなく、撮影光学系のアフォーカルフロントコンバータやリレー光学系などにも適用できることは言うまでもない。
【００５７】
また、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を微小変化させる、あるいは第１レンズ群Ｇ１の焦点距離を微小変化させることで、光学系からの射出光線をアフォーカルからずらす所謂視度調整を行うことも可能である。
【００５８】
〔実施例〕
以下、本発明にかかる変倍アフォーカル光学系の各実施例に関し図面を参照しつつ説明する。
【００５９】
［第１実施例］
図１は、第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図であり、Ｌは低倍率端状態、Ｍは中間倍率状態、Ｈは高倍率端状態をそれぞれ表している。
【００６０】
第１レンズ群Ｇ１は第２レンズ群Ｇ２より物体側に配置され、第１レンズ群Ｇ１が対物レンズ群、第２レンズ群Ｇ２が接眼レンズ群の役割を持っている。
【００６１】
第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１Ｓと可変焦点距離素子Ｌ１Ｖとで構成されている。可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、第１液体材料ＬＱ１と、第１液体材料ＬＱ１と屈折率が異なり混合しない第２液体材料ＬＱ２とを容器内に封入し、第１液体材料ＬＱ１及び第２液体材料ＬＱ２へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２の境界面ＬＢ形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第１レンズ群Ｇ１全体の焦点距離を負の範囲で変化させることができる。
【００６２】
可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、物体側から順に、容器の一部である平行平板ガラスＬ１１（第１光学窓）と、第１液体材料ＬＱ１からなるレンズ部Ｌ１２と、第２液体材料ＬＱ２からなるレンズ部Ｌ１３と、容器の一部である平凹レンズＬ１４（第２光学窓）とで構成されている。平凹レンズＬ１４は瞳ＥＰ側の面が凹面形状になっている。即ち空気に接している面は曲面となっている。第１液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液と不凍液であるエチレングリコールの混合液、第２液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、また同じ密度で構成されている。
【００６３】
第２レンズ群Ｇ２は、第１レンズ群Ｇ１の瞳ＥＰ側に位置固定で配置され、固定焦点距離素子である両凸形状の正レンズＬ２Ｓのみで構成されている。
【００６４】
低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈへの変倍は、第１レンズ群Ｇ１中の可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力を負の屈折力が弱くなる方向に変化させ、かつ第１レンズ群Ｇ１のみを瞳ＥＰ側へ移動させることで行い、簡便な構成で変倍アフォーカル光学系を実現している。
【００６５】
以下の表１に第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸元の値を掲げる。表中のｍは光学系全体の倍率（単位：無次元）、ωは最大半画角（単位：度）、θは最大光線射出半角（単位：度）である。なお、表中のθの対応値は、主光線すなわち射出瞳の中心を通過する光線についての値である。レンズデータにおけるｎｄは基準波長であるｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）における屈折率であり、空気の屈折率ｎｄ＝１．００００００は記載を省略している。ここで、光学系は可視光線において使用することを想定しているので、基準波長が使用波長の範囲に入っている事は明らかである。レンズデータ及び可変データにおけるＲＬＱは、第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２の境界面ＬＢの曲率半径を表す。後述する第２実施例の表２においても同様の符号を使用し、以降の説明は省略する。
【００６６】
表１から分かる通り、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第１液体材料と第１光学窓が接する面から境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から境界面までの距離の和が不変になっている。
【００６７】
なお、第１実施例において、曲率半径及び面間隔等の単位には「ｍｍ」を用いるが、光学系は比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、「ｍｍ」に限定されること無く他の適当な単位を用いることもできる。後述する第２実施例においても同様とする。
【００６８】
（表１）
［全体諸元］
レンズ状態    低倍率端状態    中間倍率状態    高倍率端状態
ｍ                ０．３６        ０．６０        ０．８０
ω              ２５．７０      １７．５５      １２．４０
θ                ９．００        ９．００        ９．００
［レンズデータ］
面番号    曲率半径      面間隔      ｎｄ
1)        250.000      1.000      1.491080
2)         12.475      3.500
3)          ∞         1.000      1.516800
4)          ∞         DL1        1.378000  (第１液体材料LQ1)
5)          RLQ        DL2        1.715000  (第２液体材料LQ2)
6)          ∞         1.000      1.516800
7)         20.000      D1
8)         30.000      3.500      1.491080
9)        -28.000     15.000
10>          ∞                              (射出瞳EP)
［可変データ］
レンズ状態   低倍率端状態   中間倍率状態   高倍率端状態
RLQ             -17.770         90.000         17.600
DL1               1.700          1.200          0.500
DL2               0.800          1.300          2.000
D1               15.200          9.810          2.800
［条件式対応値］
（１）  ｜φＨ−φＬ｜×ｔａｎ２θ／（ｎ１×ｎ２） ＝ ０．４２
（２）  ｜ｎ１−ｎ２｜ ＝ ０．３３７
（３）  ＤＬ１Ｌ ＝ １．７００
（４）  ＤＬ２Ｌ ＝ ０．８００
（５）  ＤＬ１Ｈ ＝ ０．５００
（６）  ＤＬ２Ｈ ＝ ２．０００
【００６９】
図２は、第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の基準波長ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する諸収差図を示し、（ａ）は低倍率端状態Ｌ、（ｂ）は中間倍率状態Ｍ、（ｃ）は高倍率端状態Ｈにおける諸収差図をそれぞれ示している。
【００７０】
球面収差図の単位はｍ−１（ディオプターＤ）であり、ｈは入射高を示す。なお、入射高ｈとは、最も物体側のレンズ面をランド光が通過する高さであり、ランド光とは、画角ゼロの光線のうち最も光軸から離れた光線のことである。非点収差図中の実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面（単位：ｍ−１；ディオプターＤ）を示す。Ａは光線入射角（単位：度）を示す。コマ収差図の縦軸は各入射角でのコマ収差（単位：分）を表す。なお、以下の第２実施例の諸収差図においても同様の符号を使用し、以降の説明は省略する。
【００７１】
図２によれば、収差が良好に補正され、かつ低倍率端状態Ｌと高倍率端状態Ｈとの間の収差変動も抑えられ、高い光学性能を有していることは明らかである。
【００７２】
［第２実施例］
図３は、第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図であり、Ｌは低倍率端状態、Ｍは中間倍率状態、Ｈは高倍率端状態をそれぞれ表している。
【００７３】
第１レンズ群Ｇ１は第２レンズ群Ｇ２より瞳ＥＰ側に配置され、第１レンズ群Ｇ１が接眼レンズ群、第２レンズ群Ｇ２が対物レンズ群の役割を持っている。
【００７４】
第２レンズ群Ｇ２は、固定焦点距離素子であり物体側の面が強い屈折力を持った両凸形状の正レンズＬ２Ｓのみで構成されている。
【００７５】
第１レンズ群Ｇ１は、第２レンズ群Ｇ２の瞳ＥＰ側に配置され、物体側から順に、瞳ＥＰ側が強い屈折力を持った両凹形状のレンズＬ１Ｓと可変焦点距離素子Ｌ１Ｖとで構成されている。可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、第１液体材料ＬＱ１と、第１液体材料ＬＱ１と屈折率が異なり混合しない第２液体材料ＬＱ２とを容器内に封入し、第１液体材料ＬＱ１及び第２液体材料ＬＱ２へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２の境界面ＬＢ形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第１レンズ群Ｇ１全体の焦点距離を負の範囲で変化させることができる。
【００７６】
可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、物体側から順に、容器の一部である平行平板ガラスＬ１１（第１光学窓）と、第１液体材料ＬＱ１からなるレンズ部Ｌ１２と、第２液体材料ＬＱ２からなるレンズ部Ｌ１３と、容器の一部である平行平板ガラスＬ１４（第２光学窓）とで構成されている。第１液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液、第２液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、同じ密度で構成されている。
【００７７】
低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈへの変倍は、第１レンズ群Ｇ１中の可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力を負の屈折力が強くなる方向に変化させ、かつ第２レンズ群Ｇ２のみを物体側へ移動させることで行い、簡便な構成で変倍アフォーカル光学系を実現している。
【００７８】
以下の表２に第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸元の値を掲げる。
表２から分かる通り、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第１液体材料と第１光学窓が接する面から境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から境界面までの距離の和が不変になっている。
【００７９】
（表２）
［全体諸元］
レンズ状態    低倍率端状態    中間倍率状態    高倍率端状態
ｍ                １．１９        １．４４        １．８８
ω                ６．８０        ５．５９        ４．１４
θ                ８．００        ８．００        ８．００
［レンズデータ］
面番号    曲率半径      面間隔      ｎｄ
1)         26.000      5.000      1.589130
2)       -260.000      D1
3)        -30.000      1.000      1.516800
4)         24.000      1.500
5)          ∞         1.000      1.516800
6)          ∞         DL1        1.383000  (第１液体材料LQ1)
7)          RLQ        DL2        1.635000  (第２液体材料LQ2)
8)          ∞         1.000      1.516800
9)          ∞        15.000
10>          ∞                              (射出瞳EP)
［可変データ］
レンズ状態   低倍率端状態   中間倍率状態   高倍率端状態
RLQ              30.000         90.000        -37.500
DL1               0.900          1.200          1.500
DL2               1.600          1.300          1.000
D1                4.220          9.500         15.200
［条件式対応値］
（１）  ｜φＨ−φＬ｜×ｔａｎ２θ／（ｎ１×ｎ２） ＝ ０．１３
（２）  ｜ｎ１−ｎ２｜ ＝ ０．２５２
（３）  ＤＬ１Ｌ ＝ ０．９００
（４）  ＤＬ２Ｌ ＝ １．６００
（５）  ＤＬ１Ｈ ＝ １．５００
（６）  ＤＬ２Ｈ ＝ １．０００
【００８０】
図４は、第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の基準波長ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する諸収差図を示し、（ａ）は低倍率端状態Ｌ、（ｂ）は中間倍率状態Ｍ、（ｃ）は高倍率端状態Ｈにおける諸収差図をそれぞれ示している。
【００８１】
図４によれば、収差が良好に補正され、かつ低倍率端状態Ｌと高倍率端状態Ｈとの間の収差変動も抑えられ、高い光学性能を有していることは明らかである。
【００８２】
以上述べたように、本実施の形態によれば、可変焦点距離素子を用い、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルであり、収差を良好に補正し、カメラ用ファインダやカメラ用コンバータレンズ、望遠鏡などに用いることができ、高い光学性能を有する変倍アフォーカル光学系を提供することができる。
【００８３】
なお、各実施例の変倍アフォーカル光学系では、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との空気間隔Ｄ１を微小変化させる、あるいは第１レンズ群Ｇ１の焦点距離を微小変化させることで、光学系からの射出光線をアフォーカルから僅かにずらす所謂視度調整を行うことも可能である。
【００８４】
また、各実施例として、２群構成のレンズ系を示したが、該２群を含む３群及びそれ以上の群構成の光学系も同等の効果を有するレンズ系であることは言うまでもない。また、各レンズ群内の構成においても、実施例の構成にレンズを付加しただけのレンズ群は同等の効果を有するレンズ群であることは言うまでもない。また、上述の実施の形態及び実施例は例に過ぎず、上述の構成や形状、液体材料に限定されるものではなく、また変倍範囲の拡大や縮小、移動など、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図。
【図２】第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸収差図であり、（ａ）は低倍率端状態、（ｂ）は中間倍率状態、（ｃ）は高倍率端状態における諸収差図をそれぞれ示している。
【図３】第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図。
【図４】第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸収差図であり、（ａ）は低倍率端状態、（ｂ）は中間倍率状態、（ｃ）は高倍率端状態における諸収差図をそれぞれ示している。
【符号の説明】
【００８６】
Ｌ      ・・・  低倍率端状態
Ｍ      ・・・  中間倍率状態
Ｈ      ・・・  高倍率端状態
Ｇ１    ・・・  第１レンズ群
Ｇ２    ・・・  第２レンズ群
Ｌ１Ｖ  ・・・  第１レンズ群中の可変焦点距離素子
Ｌ１Ｓ  ・・・  第１レンズ群中の負レンズ
Ｌ２Ｓ  ・・・  第２レンズ群中の正レンズ
ＬＱ１  ・・・  可変焦点距離素子中の第１液体材料
ＬＱ２  ・・・  可変焦点距離素子中の第２液体材料
【図１】
2008203648.tif 000003
【図２】
2008203648.tif 000004
【図３】
2008203648.tif 000005
【図４】
2008203648.tif 000006