(57)【要約】  特に、携帯電話機で使用するための小型化したバリオレンズは、被写体の面の方から見て、次に示す順番で、少なくとも、一つの負の屈折率の第一の光学部品グループ（６）と、一つの負の屈折率の第二の光学部品グループ（８）と、一つの正の屈折率の第三の光学部品グループ（１０）と、一つの正の屈折率の第四の光学部品グループ（１２）とを備えており、第二、第三及び第四の光学部品グループ（８，１０，１２）は、専ら第四の光学部品グループ（１２）のスライドによって、焦点合わせが行われ、その焦点合わせの際に、第二と第三の光学部品グループ（８，１０）の位置が変化せずに留まるように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型化したバリオレンズ、特に、携帯電話機で使用するための小型化したバリオレンズであり、このバリオレンズは、被写体の面の方から見て、以下に示す順番で、少なくとも、
一つの負の屈折率の第一の光学部品グループ（６）と、
一つの負の屈折率の第二の光学部品グループ（８）と、
一つの正の屈折率の第三の光学部品グループ（１０）と、
一つの正の屈折率の第四の光学部品グループ（１２）と、
を備えており、
第二、第三及び第四の光学部品グループ（８，１０，１２）は、専ら第四の光学部品グループ（１２）のスライドによって、焦点合わせが行われ、その焦点合わせの際に、第二と第三の光学部品グループ（８，１０）の位置が変化せずに留まるように構成されるバリオレンズ。
【請求項２】
バリオ係数が、２．０を上回る、特に、２．５〜２．８であり、特に、２．５２であることを特徴とする請求項１に記載のバリオレンズ。
【請求項３】
像の対角線の長さ（公称アセンブリ長）に対するバリオレンズのサブアセンブリ長の比率が３．５以下、特に、約３．３であることを特徴とする請求項１又は２に記載のバリオレンズ。
【請求項４】
第一の光学部品グループ（６）、第二の光学部品グループ（８）、第三の光学部品グループ（１０）及び第四の光学部品グループ（１２）は、明細書の付録に示した通り構成されることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のバリオレンズ。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一つに記載のバリオレンズとデジタル画像撮影器とを備えていることを特徴とするデジタル画像撮影装置。
【請求項６】
請求項５に記載のデジタル画像撮影装置を備えていることを特徴とする携帯電話機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型化したバリオレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
特に、携帯電話機にデジタル画像撮影装置を装備することが益々多くなっている。この場合、写真の能力を向上させるために、バリオレンズが使用されている。携帯電話機で使用可能な構造空間が制限されているために、それに応じてバリオレンズを大幅に小型化して実現する必要がある。
【０００３】
そのような小型化したバリオレンズの基本配置構成は、負の屈折率の光学部品グループと正の屈折率の光学部品グループから構成されている。この場合、最も簡単な実施構成では、負の屈折率の前方レンズ群と、光の入射方向に対して後方に配置された正の屈折率のレンズ群とを使用している。結像面で実像を生成するためには、そのような手法で構成したバリオレンズの全体的な屈折率は正でなければならない。
【０００４】
この場合、バリオレンズの主な機能は、全体的な屈折率を変化させて、周知の近軸結像理論に基づき、大きな屈折率では、大きな被写体部分とそのため大きな全体的な画角を撮影し、小さい屈折率では、小さい被写体部分とそのため小さい全体的な画角を撮影するようにすることである。レンズの焦点距離は、その屈折率の逆数に等しい。系の焦点距離の変化は、ズームレンズの主要な機能であり、周知の近軸結像理論に基づき、短い焦点距離（広角の位置）では、大きな被写体部分、即ち、大きな全体的な画角２ｗを実現し、長い焦点距離（望遠の位置）では、小さい値２ｗを実現するように作用する。
【０００５】
二つのレンズ群から成る光学系において、第一のレンズ群（前方レンズ群）が、負の屈折率ｆ’1 を有し、第二のレンズ群（後方レンズ群）が正の屈折率ｆ’2 を有する場合、二つのレンズ群の間隔の変化は、系の全体的な焦点距離ｆ’を変化させるように作用する。この場合、結像面の位置が変化しないように保持するには、ズーム操作を二つのレンズ群に相応に分担させなければならない。その場合、系の焦点距離がｆ’からｆ’＋Δｆ’に変化するのに対応して、第二のレンズ群（バリエータ）を開始位置から増分：Δ2 ＝（ｆ’2 ／ｆ’1 ）＊Δｆ’だけスライドさせなければならず、それに対応して、次の分だけ第一のレンズ群（コンペンセータ）をスライドさせなければならないこととなる。
【０００６】
Δ1 ＝（ｆ’2 ／ｆ’1 ）＊Δｆ’＊［１−（ｆ'21 ／ｆ’（ｆ’＋Δｆ’）］
ここで、ｆ’1 ，ｆ’2 は、第一と第二のレンズ群の対応する焦点距離である。
【０００７】
このΔ1 とΔ2 に関する二つの計算式の考察によって、系の焦点距離ｆ’がΔｆ’だけ変化すると、後方レンズ群（第二のレンズ群）が線形的にスライドし、前方レンズ群（第二のレンズ群）が非線形的にスライドすることが分かる。
【０００８】
それに対応するバリオレンズは、携帯電話機だけでなく、例えば、小型コンピュータ、特に、所謂ＰＤＡ（パーソナルデジタルアシスタント）でも用いられている。それに対応するバリオレンズは、例えば、特許文献１により周知である。
【０００９】
特に、そのようなバリオレンズを携帯電話機で使用する場合、取付空間に関して大きな制限が加わる。そのために、大抵は、ズーム操作時に動くバリオレンズの部分を前方レンズ群に対して９０°ずらして取り付ける所謂潜望鏡構造が有利である。その場合、光路の偏向は、９０°プリズム（偏向プリズム）を用いて行われる。それに対応する配置構成は、例えば、特許文献２により周知である。
【００１０】
制限された構造空間のために、それに対応して小型化したバリオレンズの最も長い焦点距離と最も短い焦点距離の比率から算出されるバリオ係数は、通常比較的小さい。同時に、収差の小さい像を実現可能とするためには、如何なるズーム位置でも、即ち、如何なる利用可能な焦点距離でも、系の光学的ストレスが所定の値を上回ってはならない。この場合、光学系のストレスの第一の指標は、個々のレンズ群の焦点距離とすることができる。それが小さ過ぎない場合、使用する光学レンズ群の構成部品、特に、レンズの幾何学的な形状をバリオレンズの全体的な補正目標に良好に適合させることができる。しかし、焦点距離が大きくなると、所定のバリオ係数を実現する場合に下回ってはならない最低限の調整距離が必要となる。光軸の方向における調整空間が小さ過ぎる場合、光学レンズ群の屈折率を特に大きくしなければならず、それは、個々のレンズ群を光学的に補正する際の難しさを大きくすることとなる。その場合の打開策は、個々の光学レンズ群を多数のコンポーネントから構成することである。しかし、多くの場合、そのための取付空間は不足している。
【００１１】
即ち、制限された取付空間のために、それに対応して小型化したバリオレンズは、比較的簡単な光学的アプローチだけに基づき、特に有利には、レンズの所要の結像特性を実現するために多くの非球面を有する小数のレンズで構成される。特許文献３は、バリオ係数が約２の小型化したバリオレンズを開示している。
【００１２】
２を超える大きなバリオ係数に移行する場合、三つの光学レンズ群を使用して、焦点距離の変化を実現する三つのレンズ群から成るズーム構造が有利であることが分かっている。そのようなバリオレンズは、静止した光学レンズ群に追加して、一つのバリエータと二つのコンペンセータを有し、バリエータの機能は、焦点距離を変化させることである一方、一つ又は複数のコンペンセータの機能は、焦点距離の変化時に像の発生位置を一定に維持することである。それに対応するバリオレンズは、例えば、特許文献４〜７によって周知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】欧州特許公開第１９０１１０４号明細書
【特許文献２】米国特許第７３１２９３１号明細書
【特許文献３】米国特許公開第２００４／０２５７６７１号明細書
【特許文献４】米国特許公開第２００５／０１０５１９２号明細書
【特許文献５】米国特許第７３１５４２２号明細書
【特許文献６】米国特許第６９２４９３９号明細書
【特許文献７】米国特許公開第２００８／００６２５３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、比較的簡単な光学的構造によって、結像能力が高く、ズーム操作及び焦点合わせ動作が簡単で、比較的大きなバリオ係数を可能とする小型化したバリオレンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本課題は、請求項１に記載された発明によって解決される。
【００１６】
本発明では、第二、第三及び第四の光学部品グループは、専ら第四の光学部品グループのスライドによって焦点合わせを行い、その焦点合わせ時に、第二及び第三の部品グループの位置が変化しないで留まるように構成されるものと規定される。
【００１７】
本発明では、焦点距離の変更が、第二と第三の光学部品グループのスライドによって実現される一方、焦点合わせが、専ら第四の光学部品グループのスライドによって実現される。そのため、焦点距離の変更時に、第四の光学部品グループは、固定位置に留まる。
【００１８】
そのようにして、比較的小さい取付空間で、比較的簡単な光学的構造が実現されると同時に、比較的大きなバリオ係数と、大きな結像能力と、比較的簡単なズーム操作及び焦点合わせ動作とが可能となる。
【００１９】
第二、第三及び第四の光学部品グループの構成は、バリオレンズが所定の結像品質の要件を満たすように、周知の光学設計方法及び器具から選定される。
【００２０】
本発明の改善構成では、バリオ係数が２．０を上回り、特に、２．５〜２．８であり、特に、２．５２であるものと規定される。
【００２１】
本発明の別の有利な改善構成では、像の対角線の長さ（公称アセンブリ長）に対する本レンズのサブアセンブリ長の比率が３．５以下、特に、約３．３であるものと規定される。この場合、レンズのサブアセンブリ長とは、本レンズの９０°プリズム（偏向プリズム）の出射面と結像面の間隔であると解釈する。
【００２２】
本発明の別の有利な実施構成では、第一の光学部品グループ、第二の光学部品グループ、第三の光学部品グループ及び第四の光学部品グループは、明細書の付録に記載されている通り構成されるものと規定される。
【００２３】
デジタル画像撮影装置は、請求項５に記載されている。
【００２４】
請求項５によるデジタル画像撮影装置を備えた携帯電話機は、請求項６に記載されている。
【００２５】
以下において、本発明によるバリオレンズの実施例を図示した添付図面に基づき、本発明を詳しく説明する。この場合、図面に図示され、請求項に記載された全ての特徴は、そこで挙げた通り、並びに任意に互いに組み合せて、請求項での構成及びその参照請求項と関係なく、並びに明細書の記載及び図面での図示に関係なく、本発明の対象を構成するものとする。明細書内に記載された範囲は、それぞれ提示された範囲全体及びそこに含まれる全ての下位の範囲を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明によるバリオレンズの実施例の断面図
【図２ａ】図１と同様の図面であるが、異なる配置構成（ズーム位置及び間隔位置）での図１のバリオレンズの縮小図
【図２ｂ】図１と同様の図面であるが、異なる配置構成（ズーム位置及び間隔位置）での図１のバリオレンズの縮小図
【図２ｃ】図１と同様の図面であるが、異なる配置構成（ズーム位置及び間隔位置）での図１のバリオレンズの縮小図
【図２ｄ】図１と同様の図面であるが、異なる配置構成（ズーム位置及び間隔位置）での図１のバリオレンズの縮小図
【図２ｅ】図１と同様の図面であるが、異なる配置構成（ズーム位置及び間隔位置）での図１のバリオレンズの縮小図
【図２ｆ】図１と同様の図面であるが、異なる配置構成（ズーム位置及び間隔位置）での図１のバリオレンズの縮小図
【図３】図２ａの配置構成に関する収差の幾何学グラフ
【図４】図２ｂの配置構成に関する収差の幾何学グラフ
【図５】図２ｃの配置構成に関する収差の幾何学グラフ
【図６】図２ｄの配置構成に関する収差の幾何学グラフ
【図７】図２ｅの配置構成に関する収差の幾何学グラフ
【図８】図２ｆの配置構成に関する収差の幾何学グラフ
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１には、本発明による小型化したバリオレンズ２の実施例が図示されており、このバリオレンズは、この実施例では図示されていない携帯電話機に取り付けるために構成されている。被写体面の方から見て、即ち、図１に矢印４で示された光の入射方向に対して、以下では、短縮してレンズとも称するバリオレンズは、それぞれ負の屈折率を有する第一の光学部品グループ６と第二の光学部品グループ８を備えている。更に、レンズ２は、第三の光学部品グループ１０と第四の光学部品グループ１２を備えている。本発明では、第二、第三及び第四の光学部品グループ８，１０，１２は、専ら第四の光学部品グループ１２のスライドによって、焦点合わせが行われるとともに、その焦点合わせの際に、第二と第三の光学部品グループ８，１０の位置が変化せずに留まるように構成されている。本発明では、レンズ２の焦点距離の変更は、専ら第二と第三の光学部品グループ８，１０によって実行され、その場合、第三の光学部品グループ１０は、バリエータを構成して、焦点距離の変更時に線形的にスライドされる一方、第二の光学部品グループ８は、コンペンセータを構成して、焦点距離の変更時に、非線形的にスライドされる。そのため、本発明では、第四の光学部品グループ１２は、全くズーム機能を担っておらず、焦点合わせの役割だけを果たす。
【００２８】
図２ａ〜２ｆは、異なる配置構成（コンフィグレーション又は配置構成１〜６、付録を参照）、即ち、三つの異なる焦点距離と二つの間隔位置でのレンズ２を図示している。この場合、図面と配置構成の対応関係は、次の通りである。
【００２９】
図２ａ：広角位置（ＷＡ）、２ｗ＝６４．６０°、焦点距離ｆ’ｅ＝５．１６６ｍｍ、ＥＥ＝無限大（コンフィグレーション又は配置構成１）
図２ｂ：中間位置（Ｍｉｄ）、２ｗ＝４４．００°、焦点距離ｆ’ｅ＝７．７２４ｍｍ、ＥＥ＝無限大（コンフィグレーション又は配置構成２）
図２ｃ：望遠位置（Ｔｅｌｅ）、２ｗ＝２８．００°、焦点距離ｆ’ｅ＝１３．０５ｍｍ、ＥＥ＝無限大（コンフィグレーション又は配置構成３）
図２ｄ：広角位置（ＷＡ）、２ｗ＝６４．７２°、焦点距離ｆ’ｅ＝５．１１８ｍｍ、ＥＥ＝５００ｍｍ（コンフィグレーション又は配置構成４）
図２ｅ：中間位置（Ｍｉｄ）、２ｗ＝４４．３７°、焦点距離ｆ’ｅ＝７．５７３ｍｍ、ＥＥ＝５００ｍｍ（コンフィグレーション又は配置構成５）
図２ｆ：望遠位置（Ｔｅｌｅ）、２ｗ＝２８．９６°、焦点距離ｆ’ｅ＝１２．４２ｍｍ、ＥＥ＝５００ｍｍ（コンフィグレーション又は配置構成６）
焦点距離の表示は、波長＝５４６．０７４０ｎｍの緑のスペクトル線「ｅ」に関して行われている。それは、系の主波長でもある。
【００３０】
中間位置に関する被写体側の画角は、次の通り計算される。
【００３１】
ｔａｎｗMid ＝ｓｑｒｔ（ｔａｎｗWA＊ｔａｎｗTele）
図２ａ〜２ｆに図示された異なるズーム位置と焦点位置の比較から、第四の光学部品グループ１２が全くズーム機能を担っていないことが分かる。
【００３２】
焦点距離の調整時に、Ｆナンバーは、広角位置の２．８から、中間位置の３．６を介して、望遠位置の５．０にまで変化する。
【００３３】
図１と２に関して、第一の光学部品グループ６が、光路の向きを９０°変えるための偏向プリズム１４を備えていることに留意されたい。しかし、分かり易くするために、図１と２では、光路の向きの変化は図示されていない。
【００３４】
本明細書の付録には、この実施例で用いる光学部品グループ６，８，１０及び１２の構成が提示されており、それらの光学面は、光の入射方向４に関して順番に通し番号を付与されている。この場合、「ＯＢＪ」の面は、被写体の面を表す一方、「ＳＴＯ」の面は、レンズ２の実際の物理的な開口絞りを表している。「ＩＭＡ」は、光学系の最後の面、即ち、結像面を表している。付録には、光学面が、「表面データの要約」において、材料とサイズに関して詳しく特定されている。「タイプ」とは、球面又は非球面であることを表している。「半径」及び「厚さ」とは、各光学部品の光の進行方向における曲率半径及び厚さを表している。「ガラス」とは、光学部品又は面の後方の空間の媒体の屈折率ｎ（ｄ）とアッベ数ｖ（ｄ）を表している。１７番目の面は、バリエータグループ１０と焦点合わせグループ１２の間の空気の空間を仮想的に分割する物理的な作用を及ぼさない基準面である。
【００３５】
標準的な空気中では、フラウンホーファスペクトル線「ｄ」は次の波長を有する。
【００３６】
ｄ＝５８７．５６１８ｎｍ
アッベ数ｖ（ｄ）は、次の通りである。
【００３７】
ｖ（ｄ）＝［ｎ（ｄ）−１］／［ｎ（Ｆ）−ｎ（Ｃ）］
ここで、青と赤のフラウンホーファ線の波長は、「Ｆ」＝４８６．１３２７ｎｍであり、「Ｃ」＝６５６．２７２５ｎｍである。
【００３８】
「直径」とは、各光学部品の直径であり、「円錐」とは、各光学部品の円錐度を表している。「表面データの詳細」では、非球面の光学面が、通常の手法に基づき球面からの偏差の多項式展開から得られる係数によって詳しく定義されている。
【００３９】
非球面は、次の通り規定される。
【００４０】
【数１】
2012511735.tif 000003
【００４１】
ここで、
ｚ：弧の高さ、
ｃ：近軸の面の曲率、Ｒを面の頂点の半径として、ｃ＝１／Ｒ、
ｒ：半径方向の面の高さ、
ｋ：円錐定数、
α1 ，α2 ，．．．，αn ：多項式の非球面係数。
【００４２】
それに対応する多項式の展開は、特許文献４と６にも見出される。
【００４３】
無限大から近くに有る被写体までの焦点合わせを実現するために、第四の光学部品グループ１２は、矢印４と逆方向にスライドされる。
【００４４】
焦点合わせレンズ群１２の焦点距離が正の場合、近くに有る被写体への調整（焦点調整）の間、それに対応して、グループ１２を結像面から離すようにスライドさせなければならない。その調整距離は、周知の通り、レンズ（ズーム位置）の調整間隔ＥＥとその時々の焦点距離及びグループ１２の焦点距離に依存する。以下では、例えば、ＥＥ＝無限大（インフィニティ）とＥＥ＝５００ｍｍ及び三つのズーム位置（ＷＡ，Ｍｉｄ，Ｔｅｌｅ）に関するグループ１２の焦点合わせ操作を表形式で表示している。
【００４５】
【表１】
2012511735.tif 000004
【００４６】
図示されている実施例では、２．５２のバリオ係数と３．３の公称アセンブリ長が得られる。
【００４７】
図３（図３ａ〜３ｄ）〜図８（図８ａ〜８ｄ）は、選定した収差を示すとともに、配置構成１〜配置構成６で表されるレンズの六つの配置構成（ズーム位置）におけるレンズの補正状態を明らかにしている。この場合、図面と配置構成（コンフィグレーション）の対応関係は、次の通りである。
【００４８】
図３：配置構成１、広角位置（ＷＡ）、２ｗ＝６４．６０°、焦点距離ｆ’ｅ＝５．１６６ｍｍ、ＥＥ＝無限大、
図４：配置構成２、中間位置（Ｍｉｄ）、２ｗ＝４４．００°、焦点距離ｆ’ｅ＝７．７２４ｍｍ、ＥＥ＝無限大、
図５：配置構成３、望遠位置（Ｔｅｌｅ）、２ｗ＝２８．００°、焦点距離ｆ’ｅ＝１３．０５ｍｍ、ＥＥ＝無限大、
図６：配置構成４、広角位置（ＷＡ’）、２ｗ＝４４．３７°、焦点距離ｆ’ｅ＝５．１１８ｍｍ、ＥＥ＝５００ｍｍ、
図７：配置構成５、中間位置（Ｍｉｄ’）、２ｗ＝６４．７２°、焦点距離ｆ’ｅ＝７．５７３ｍｍ、ＥＥ＝５００ｍｍ、
図８：配置構成６、望遠位置（Ｔｅｌｅ’）、２ｗ＝２８．９６°、焦点距離ｆ’ｅ＝１２．４２ｍｍ、ＥＥ＝５００ｍｍ。
【００４９】
図３ａ，４ａ，５ａ，６ａ，７ａ及び８ａは、フラウンホーファスペクトル線Ｃ’，ｅ，Ｆ’及びｇの四つの波長に関する軸点像のスフェロクロマティズム（縦収差）を図示している。この座標軸は、系の入射ひとみの高さを表し、その横座標は、結像面の位置に対して相対的な断面幅の差を表している（最も小さい間隔＝２０μｍ）。この場合、緑の水銀線ｅ＝５４６．０７４０ｎｍは、主波長である。カドミウム線Ｆ’＝４７９．９９１４ｎｍとＣ’＝６４３．８４６９ｎｍは、（青と赤の色に対応する）色を消し合う波長対を構成する。水銀線ｇ＝４３５．８３４３ｎｍは、スペクトルの紫の部分での系の色挙動に関する情報を提供する。
【００５０】
図３ｂ，４ｂ，５ｂ，６ｂ，７ｂ及び８ｂは、実際の倍率色収差（横色収差）を表しており、波長Ｃ’，Ｆ’及びｇの主光線に関して、結像面での全ての像の高さに対する横方向の通過座標偏差が主波長「ｅ」の主光線毎にμｍ単位で表されている。結像面での像の最大の高さｙ’＝３．１７５［ｍｍ］は、座標軸上に示された被写体側の画角ｗ［°］の最大値に対応している。
【００５１】
図３ｃ，４ｃ，５ｃ，６ｃ，７ｃ及び８ｃは、非点収差と像面湾曲（フィールド湾曲）を図示している。主要な色「ｅ」に関して、メリジオナル平面（Ｔ）及びサジタル平面（Ｓ）での像の輪郭の推移は、像の高さの関数で表されている。結像面からの間隔は、横座標で読み取ることができる（最も短い間隔＝２０μｍ）。結像面での像の最大の高さｙ’＝３．１７５［ｍｍ］は、座標軸上に表示された被写体側の画角ｗ［°］の最大値に対応している。
【００５２】
図３ｄ，４ｄ，５ｄ，６ｄ，７ｄ及び８ｄは、歪曲（ディストーション）、即ち、像の正しい見え方の度合いを表している。主波長「ｅ」に関して、結像面での全ての被写体側の画角ｗ［°］に対する主光線の実際の通過座標ｙ’［ｍｍ］が計算されている。そのような各点に関する理想的な像の高さｙi ’［ｍｍ］は、関係式ｙi ’＝ｆ＊ｔａｎ（ｗ）から分かる。そして、歪曲は、百分率による画像の高さの相対的な誤差として、次の通り表される。
【００５３】
Ｖ% ＝［（ｙ’−ｙi ’）／ｙi ’］＊１００
以上の通り、本発明は、比較的大きなバリオ係数と優れた結像特性を有するとともに、簡単なズーム操作及び焦点合わせ動作を可能とするバリオレンズを比較的簡単でコンパクトな構造で提供する。
付録
【００５４】
【表２】
2012511735.tif 000005
【００５５】
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【００５６】
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【図１】
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【図２ａ−２ｆ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2012511735.tif 000013
【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2012511735.tif 000017
2012511735.tif 000018
2012511735.tif 000019
2012511735.tif 000020
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