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技術 ズーム光学系及びそれを用いた撮像装置

出願人 オリンパス株式会社
発明者 永田哲生
出願日 2002年2月7日 (18年0ヶ月経過) 出願番号 2002-031404
公開日 2003年8月22日 (16年6ヶ月経過) 公開番号 2003-233007
状態 拒絶査定
技術分野 レンズ鏡筒 自動焦点調節 レンズ系 自動焦点調節 カメラレンズの調整
主要キーワード 可動スペース 可変形状 流体駆動 曲げ部材 アルミコーティング 変形パターン 各可変抵抗 ケプラー
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年8月22日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (20)

課題

レンズ可動群を極力少なくし、非常に小型で、消費電力が極めて少なく、動作音が静かなズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を提供する。

解決手段

変倍作用、もしくはその変倍に伴う像面ずれ補正するコンペンセート作用を有し、変倍時に可動な少なくとも2つのレンズ群と、フォーカシング作用を有する形状可変ミラーとを有し、前記形状可変ミラーは前記変倍作用を有するレンズ群よりも像側に配置される。

概要

背景

電子撮像装置は、年々小型化、薄型化の要求が高くなっている。そのため撮像装置に用いられる撮影光学系やファインダー光学系等の光学系は全長を短くすることが非常に重要である。

このような光学系において、構成枚数の削減による全長の短縮には限界があり、そのためミラーを用いて光学系を折り曲げることにより光学系全体としての小型化、薄型化がはかられる。さらに、光学系を折り曲げる場合、折り曲げ部分のスペースが必要になる。またズーム光学系には、変倍作用を有するバリーエータ群と、それに伴う像面ずれ及び収差補償するコンペンセータ群と、被写体にフォーカスを合わせるフォーカシング群等があり、前記各々のレンズ群のうち、所定のレンズ群を光軸方向に移動させて、変倍及びピント調整フォーカシングを行うように構成されているため、レンズ群の可動スペース等が必要となる。

このような光学系として、例えば、特開平8-248318号公報、特開平11-220646号公報に、光路を折り返すことでコンパクト化したズーム光学系を用いた撮像装置が開示されている。

これらの光学系においては、変倍時やフォーカシングの際にはモーターを駆動してレンズを移動させるため、ズームの動作が緩慢であったり、動作音が大きかったり、電力消費量が大きいといった問題があった。しかも、モーターやそれを動作させる駆動回路を設ける必要があり、レンズ群を移動させる為の機械的機構は複雑であり、またその機械的機構を設ける為に広いスペースが必要になるため、装置が大型化してしまうという問題もあった。また折り曲げ部材物体側に近いレンズ群に挿入するため、折り曲げ部材、あるいはそれを挿入するスペースが非常に大きく必要になってしまうという問題もあった。

概要

レンズの可動群を極力少なくし、非常に小型で、消費電力が極めて少なく、動作音が静かなズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を提供する。

変倍作用、もしくはその変倍に伴う像面ずれを補正するコンペンセート作用を有し、変倍時に可動な少なくとも2つのレンズ群と、フォーカシング作用を有する形状可変ミラーとを有し、前記形状可変ミラーは前記変倍作用を有するレンズ群よりも像側に配置される。

目的

本発明は前記の課題を解決する為になされたものであり、レンズの可動群を極力少なくし、非常に小型で、消費電力が極めて少なく、動作音が静かなズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

変倍作用、もしくはその変倍に伴う像面ずれ補正するコンペンセート作用を有し、変倍時に可動な少なくとも2つのレンズ群と、フォーカシング作用を有する形状可変ミラーとを有し、前記形状可変ミラーは前記変倍作用を有するレンズ群よりも像側に配置されることを特徴とするズーム光学系

請求項2

前記形状可変ミラーが最も像側のレンズ群に配置されることを特徴とする請求項1に記載のズーム光学系。

請求項3

前記形状可変ミラーは、偏心収差補正機能を有する回転非対称曲面形状であることを特徴とする請求項1、2に記載のズーム光学系。

技術分野

0001

本発明は、電子撮像装置に用いるズーム光学系に関する。

背景技術

0002

電子撮像装置は、年々小型化、薄型化の要求が高くなっている。そのため撮像装置に用いられる撮影光学系やファインダー光学系等の光学系は全長を短くすることが非常に重要である。

0003

このような光学系において、構成枚数の削減による全長の短縮には限界があり、そのためミラーを用いて光学系を折り曲げることにより光学系全体としての小型化、薄型化がはかられる。さらに、光学系を折り曲げる場合、折り曲げ部分のスペースが必要になる。またズーム光学系には、変倍作用を有するバリーエータ群と、それに伴う像面ずれ及び収差補償するコンペンセータ群と、被写体にフォーカスを合わせるフォーカシング群等があり、前記各々のレンズ群のうち、所定のレンズ群を光軸方向に移動させて、変倍及びピント調整フォーカシングを行うように構成されているため、レンズ群の可動スペース等が必要となる。

0004

このような光学系として、例えば、特開平8-248318号公報、特開平11-220646号公報に、光路を折り返すことでコンパクト化したズーム光学系を用いた撮像装置が開示されている。

0005

これらの光学系においては、変倍時やフォーカシングの際にはモーターを駆動してレンズを移動させるため、ズームの動作が緩慢であったり、動作音が大きかったり、電力消費量が大きいといった問題があった。しかも、モーターやそれを動作させる駆動回路を設ける必要があり、レンズ群を移動させる為の機械的機構は複雑であり、またその機械的機構を設ける為に広いスペースが必要になるため、装置が大型化してしまうという問題もあった。また折り曲げ部材物体側に近いレンズ群に挿入するため、折り曲げ部材、あるいはそれを挿入するスペースが非常に大きく必要になってしまうという問題もあった。

発明が解決しようとする課題

0006

本発明は前記の課題を解決する為になされたものであり、レンズの可動群を極力少なくし、非常に小型で、消費電力が極めて少なく、動作音が静かなズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明のズーム光学系は、
(1) 変倍作用、もしくはその変倍に伴う像面ずれを補正するコンペンセート作用を有し、変倍時に可動な少なくとも2つのレンズ群と、フォーカシング作用を有する形状可変ミラーとを有し、前記形状可変ミラーは前記変倍作用を有するレンズ群よりも像側に配置されることを特徴とするズーム光学系。

0008

この構成によれば、フォーカシング作用を形状可変ミラーに持たせることで、フォーカシングのために必要なモーター及び駆動回路などのレンズ移動機構を設ける必要がなく、小型化、低コスト化できる。さらに、反射面の形状を瞬間的に変化させることが可能であることから、フォーカシングが非常に高速で、しかも動作音が静かで低消費電力の撮像装置を実現することが可能となる。

0009

また、変倍作用、もしくはその変倍に伴う像面ずれを補正するコンペンセート作用を有し変倍時に可動な少なくとも2つのレンズ群よりも像側に形状可変ミラーを配置することで、広角端から望遠端にかけて形状可変ミラーに入射する光線高を小さくすることが可能であるため、形状可変ミラーの大きさを非常に小さくすることが可能であり、低価格化を実現できる。
(2) 前記形状可変ミラーが最も像側のレンズ群に配置されることを特徴とする(1)項に記載のズーム光学系。

0010

一般的に撮像系のズームレンズは像側に略テレセントリックにする必要がある。そのためそのような配置構成にすることで、変倍時、形状可変ミラーに入射する光線入射角変動を最も小さく抑えることが可能となる。

0011

例えば変倍作用を用いたレンズ群よりも物体側に形状可変ミラーを挿入した場合、変倍時における形状可変ミラーに入射する光線角度が非常に大きく変動する。そのため、形状可変ミラーで発生する偏心コマ収差の、変倍による変動を小さく抑えることは難しい。しかし、前記の構成とすることによって、入射角度の変動を小さく抑えることが可能となり、偏心コマ収差の変動を非常に小さく抑えることができ、変倍時のすべての状態において良好な結像性能を維持したまま、フォーカシングを行うことが可能である。
(3) 前記形状可変ミラーは、偏心収差補正機能を有する回転非対称曲面形状であることを特徴とする(1)、(2)項に記載のズーム光学系。

0012

これにより、形状可変ミラーで発生する偏心コマ収差を非常に小さくすることが可能となる。
(4) 前記形状可変ミラーより物体側の光学系から見た射出瞳位置から前記形状可変ミラーまでの距離が以下の条件式満足することを特徴とする(1)〜(3)項に記載のズーム光学系。

0013

0.5 < EXW/fW < 50.0 (1−1)
0.5 < EXT/fT < 50.0 (2−1)
ただし、EXW、EXTはそれぞれ広角端、望遠端における、可変形状ミラーから見た光学系の射出瞳位置から形状可変ミラーまでの物理的な距離、fW、fTはそれぞれ広角端、望遠端における全系の焦点距離である。

0014

条件式(1−1)、(2−1)は、形状可変ミラーに入射する光線角度を規定したもので、軸上光線から軸外光線まで、入射角度を極力一定とするための条件式である。

0015

条件式(1−1)、(2−1)の下限を超えると、形状可変ミラーから見た射出瞳位置が近くなり、テレセントリック性崩れ、軸上から軸外にかけて、形状可変ミラーに入射する角度が大きく変化し、偏心コマ収差の発生量が大きくなり好ましくない。また条件式(1−1)、(2−1)の上限を超えると、偏心コマ収差の発生量は小さく抑えることができるが、そのような完全なテレセントリックにするように変倍レンズ系を構成しなければならなくなり、レンズ枚数が増加し、小型化を達成することができず好ましくない。
(5) 前記形状可変ミラーより物体側の光学系から見た射出瞳位置から前記形状可変ミラーまでの距離が以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(3)項に記載のズーム光学系。

0016

1.0 < EXW/fW < 40.0 (1−2)
1.0 < EXT/fT < 40.0 (2−2)
条件式(1−1)、(2−1)に代えて条件式(1−2)、(2−2)を満足すれば、レンズ枚数削減、小型化を達成しつつ、偏心コマ収差の発生を小さく抑えることが可能である。
(6) 前記形状可変ミラーより物体側の光学系から見た射出瞳位置から前記形状可変ミラーまでの距離が以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(3)項に記載のズーム光学系。

0017

2.0 < EXW/fW < 30.0 (1−3)
2.0 < EXT/fT < 30.0 (2−3)
条件式(1−2)、(2−2)に代えて条件式(1−3)、(2−3)を満足すれば最も効果的である。
(7) 前記形状可変ミラーと像面との間にあるレンズ群の倍率ζが、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(6)項に記載のズーム光学系。

0018

0.3 <ζW < 0.9 (3−1)
条件式(3−1)は前記形状可変ミラーの変形量を小さく抑えるための条件式で、条件式(3−1)の下限を超えると、前記レンズ群の焦点距離が短くなり、形状可変ミラーの変形量を小さくすることが可能であるが、このレンズ群で発生する収差が大きくなり、これを抑えるためには複数枚レンズ構成にする必要があり好ましくない。また撮像系全体の小型化を達成できない。条件式(3−1)の下限を超えると、形状可変ミラーの変形量を小さくすることができず、特に望遠端において大きな変形量が必要となり好ましくない。条件式(3−1)の範囲内であれば、良好な結像性能を保ちながら変形量を小さくすることが可能となる。
(8) 前記形状可変ミラーと像面との間にあるレンズ群の倍率ζが、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(6)項に記載のズーム光学系。

0019

0.4 <ζW < 0.8 (3−2)
条件式(3−1)に代えて条件式(3−2)を満足すれば、より効果的である。
(9) 前記形状可変ミラーと像面との間にあるレンズ群の倍率ζが、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(6)項に記載のズーム光学系。

0020

0.5 <ζW < 0.7 (3−3)
条件式(3−2)に代えて条件式(3−3)を満足すれば、さらに効果的である。
(10)広角端において、開口絞りよりも物体側のレンズ群の焦点距離をfa、開口絞りよりも像側のレンズ群の焦点距離をfbとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(9)項に記載のズーム光学系。

0021

−5.0 < (fa/fb)×fW < −0.5 (4−1)
ただし、fWは広角端における全系の焦点距離である。条件式(4−1)は、ズーム光学系の開口絞りを挟んだ前群後群パワー比を、全系の焦点距離で規格化した値であり、形状可変ミラーを挿入するスペースを確保するための条件式である。

0022

条件式(4−1)の下限を超えると、弱いレトロフォーカスタイプとなり、形状可変ミラーを挿入するスペースがなくなり、好ましくない。また条件式(4−1)の上限を超えると、レンズ系全体のレトロ比が大きくなるためスペース確保には有利であるが、開口絞りの前後群で非対称パワー配置となるため、コマ収差倍率色収差ディストーション等の収差が悪化し、好ましくない。条件式(4−1)の範囲内であれば、諸収差を悪化させることなく、形状可変ミラーのスペースを確保することが可能となる。
(11)広角端において、開口絞りよりも物体側のレンズ群の焦点距離をfa、開口絞りよりも像側のレンズ群の焦点距離をfbとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(9)項に記載のズーム光学系。

0023

−4.0 < (fa/fb)×fW < −0.8 (4−2)
条件式(4−1)に代えて条件式(4−2)を満足すれば、より効果的である。
(12)広角端において、開口絞りよりも物体側のレンズ群の焦点距離をfa、開口絞りよりも像側のレンズ群の焦点距離をfbとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(9)項に記載のズーム光学系。

0024

−3.0 < (fa/fb)×fW < −1.0 (4−3)
条件式(4−2)に代えて条件式(4−3)を満足すれば、さらに効果的である。
(13) 以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(12)項に記載のズーム光学系。

0025

D < 20.0mm (5−1)
ただし、Dは前記形状可変ミラーの有効径である。形状可変ミラーの光線有効径Dが条件式(5−1)の上限を超えて大きくなると、形状の変形量が大きくなり、面形状の制御が困難になると同時に安価に製造できなくなる。また、制御が可能であっても変形に要するエネルギーが大きくなるので、省電力化不適切である。
(14) 以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(12)項に記載のズーム光学系。

0026

D < 15.0mm (5−2)
条件式(5−1)に代えて条件式(5−2)を満足すれば、より効果的である。
(15) 以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(12)項に記載のズーム光学系。

0027

D < 12.0mm (5−3)
条件式(5−2)に代えて条件式(5−3)を満足すれば、さらに効果的である。
(16)物体側から順に、負のパワーの第1群、正のパワーの第2群、正のパワーの第3群、正のパワーの第4群で構成され、少なくとも第2群もしくは第3群が変倍作用を有することを特徴とする(1)〜(15)項に記載のズーム光学系を用いた撮像装置。
(17) 物体側から順に、負のパワーの第1群、正のパワーの第2群、正のパワーの第3群で構成され、少なくとも第2群が変倍作用を有することを特徴とする(1)〜(15)項に記載のズーム光学系を用いた撮像装置。

0028

これらの構成のズーム光学系は、撮影光学系としてデジタルカメラにおける代表的なタイプである、第1群が負の屈折力で第2群以降の合成系が正の屈折力のズームタイプのレンズ系を基礎とした光学系である。
(18)物体側から順に、正のパワーの第1群、負のパワーの第2群、正のパワーの第3群、正のパワーの第4群で構成され、少なくとも第2群が変倍作用を有することを特徴とする(1)〜(15)項に記載のズーム光学系を用いた撮像装置。
(19)形状可変ミラーによる光軸の折り曲げ角Φが
70°≦Φ≦110°
を満足することを特徴とする(1)〜(18)項に記載のズーム光学系。
(20) (1)〜(19)項に記載のズーム光学系を用いた撮像装置。
(21)静電気駆動又は電磁気力駆動又は圧電効果又は流体駆動の形状可変ミラーを用いたことを特徴とする(1)〜(20)に記載のズーム光学系又は撮像装置。
(22) 形状可変ミラーに代えて通常のミラーを用いたことを特徴とする(1)〜(21)に記載のズーム光学系又は撮像装置。また、形状可変ミラーを、レンズの製作誤差による光学性能劣化を補正するような形状に変形するように構成すれば、不良品の数を極端に減らすことができ、製作コストを抑えることができる。

0029

また、形状可変ミラーの偏心方向に対して、撮像素子の短辺方向が平行になるように配置すれば、形状可変ミラーの光線有効径を小さくすることができ、かつ、収差補正上も有利なため望ましい。デジタルカメラ等でデザイン上のメリット等の為に、形状可変ミラーの偏心方向に対して撮像素子の長辺方向が平行になるように配置してもよい。

0030

その他、形状可変ミラーがコンペンセート作用のみを有するようにし、その他のレンズ群を介してパンフォーカスとなるようにズーム光学系を構成しても、小型化、低コスト化できるので良い。なお、本発明で使用する自由曲面とは次の式(a)で定義されるものである。この定義式のZ軸が自由曲面の軸となる。

0031

ID=000003HE=010 WI=080 LX=1100 LY=2400
ここで、上式(a)の第1項は球面項、第2項は自由曲面項である。

0032

球面項中、
c:頂点曲率
k:コーニック定数円錐定数
r=√(X2+Y2)
N:2以上の自然数
である。

0033

自由曲面項は、
Σ(j=2〜66)CjXmYn
=C2X+C3Y+
+C4X2+C5XY+C6Y2
+C7X3+C8X2Y+C9XY2+C10Y3
+C11X4+C12X3Y+C13X2Y2+C14XY3+C15Y4
+C16X5+C17X4Y+C18X3Y2+C19X2Y3+C20XY4+C21Y5
+C22X6+C23X5Y+C24X4Y2+C25X3Y3+C26X2Y4+C27XY5+
C28Y6
+C29X7+C30X6Y+C31X5Y2+C32X4Y3+C33X3Y4+C34X2Y5
+C35XY6+C36Y7・・・
ただし、Cj(jは2以上の整数)は係数である。

0034

上記自由曲面は、一般的には、X−Z面、Y−Z面共に対称面を持つことはないが、Xの奇数次項を全て0にすることによって、Y−Z面と平行な対称面が1つだけ存在する自由曲面となる。また、Yの奇数次項を全て0にすることによって、X−Z面と平行な対称面が1つだけ存在する自由曲面となる。

0035

また、上記の回転非対称な曲面形状の面である自由曲面の他の定義式として、Zernike多項式により定義できる。この面の形状は次式(b)により定義する。式(b)のZ軸がZernike多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、X−Y面に対するZの軸の高さの極座標で定義され、AはX−Y面内のZ軸からの距離、RはZ軸回り方位角で、Z軸から測った回転角で表せられる。

0036

x=R×cos(A)
y=R×sin(A)
Z=D2+D3Rcos(A)+D4Rsin(A)
+D5R2cos(2A)+D6(R2−1)+D7R2sin(2A)
+D8R3cos(3A)+D9(3R3−2R)cos(A)+D10(3R3−2R)sin(
A)
+D11R3sin(3A)+D12R4cos(4A)+D13(4R4−3R2)cos(2A)
+D14(6R4−6R2+1)+D15(4R4−3R2)sin(2A)+D16R4si
n(4A)
+D17R5cos(5A) +D18(5R5−4R3)cos(3A)
+D19(10R5−12R3+3R)cos(A)
+D20(10R5−12R3+3R)sin(A)
+D21(5R5−4R3)sin(3A)+D22R5sin(5A)
+D23R6cos(6A)+D24(6R6−5R4)cos(4A)
+D25(15R6−20R4+6R2)cos(2A)
+D26(20R6−30R4+12R2−1)
+D27(15R6−20R4+6R2)sin(2A)
+D28(6R6−5R4)sin(4A)+D29R6sin(6A) ・・・(b)
ただし、Dm(mは2以上の整数)は係数である。なお、X軸方向に対称な光学系として設計するには、D4,D5,D6、D10,D11,D12,D13,D14,D20,D21,D22・・・を利用する。

0037

上記定義式は、回転非対称な曲面形状の面の例示のために示したものであり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。数学的に同値ならば他の定義で曲面形状を表してもよい。

0038

本発明においては、(a)式中のxの奇数次の項を全て0とすることで、y−z面と平行な対称面を持つ自由曲面としている。また、偏心面については、光学系の基準面の中心からその面の面頂位置偏心量(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向をそれぞれX,Y,Z)と、その面の中心軸(自由曲面については、上記(a)式のZ軸を中心とする傾き角(それぞれα,β,γ(°))とが与えられている。その場合、αとβとγの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを意味する。

0039

また、偏心の順序は、X、Y、Z方向の偏心が行われた後、α、β、γの順で座標系を回転させる。その座標系がミラー面のローカル座標となる。その後、反射された光線の座標系を定義するために、再びα、β、γの順で座標系を回転させて、定義座標系を定義する。

0040

また、反射面の傾きだけを示す場合も、偏心量としてその面の中心軸の傾き角が与えられている。また、非球面形状は、光軸方向をz、光軸に直交する方向をyにとり、円錐係数をk、非球面係数をa、b、c、dとしたとき、次式(c)で表される。

0041

z=(y2/r)/[1+{1−(1+k)・(y/r)2}1/2]+ay4
+by6+cy8+dy10 ・・・(c)
なお、上記数値データに関する説明は、本発明の各実施例の数値データに共通である。

発明を実施するための最良の形態

0042

以下、図面を参照して本発明のズーム光学系の実施例を説明する。実施例1〜4の形状可変ミラーには、フォーカシング機能を持たせている。その場合メカ機構でフォーカシングするよりも低消費電力が可能となり、フォーカスに必要なメカ機構がなくなるため、鏡枠構造の簡素化が達成できる。

0043

さらに最も像側の群に形状可変ミラーを配置しているため、ミラーの大きさが非常に小さく、低価格化を実現できる。また一般的に撮像系のズームレンズは像側に略テレセントリックにする必要がある。そのためそのような配置構成にすることで、変倍時、形状可変ミラーに入射する光線の入射角変動を最も小さく抑えることが可能となり、形状可変ミラーで発生する偏心収差を小さく抑えることができ、良好な結像性能を維持したまま、フォーカシングを行うことが可能である。

0044

実施例1〜4のレンズ断面図をそれぞれ図1〜4に示す。又、実施例1の収差図を図6〜8に示す。図6〜8中、それぞれ(a)はX正方向最大画角28.8°、Y負方向最大画角-22.4°を通る主光線のY方向の横収差、(b)はX正方向最大画角28.8°、Y負方向最大画角-22.4°を通る主光線のX方向の横収差、(c)はX方向画角がゼロ、Y負方向最大画角-22.4°を通る主光線のY方向の横収差、(d)はX方向画角がゼロ、Y負方向最大画角-22.4°を通る主光線のX方向の横収差、(e)はX方向画角がゼロ、Y方向画角がゼロを通る主光線のY方向の横収差、(f)はX方向画角がゼロ、Y方向画角がゼロを通る主光線のX方向の横収差、(g)はX方向画角がゼロ、Y正方向最大画角22.4°を通る主光線のY方向の横収差、(h)はX方向画角がゼロ、Y正方向最大画角22.4°を通る主光線のX方向の横収差、(i)はX正方向最大画角28.8°、Y正方向最大画角22.4°を通る主光線のY方向の横収差、(j)はX正方向最大画角28.8°、Y正方向最大画角22.4°を通る主光線のX方向の横収差、(k)はX正方向最大画角28.8°、Y方向画角がゼロを通る主光線のY方向の横収差、(l)はX正方向最大画角28.8°、Y方向画角がゼロを通る主光線のX方向の横収差を表している。

0045

実施例1〜4のレンズデータ中、"ASP"は非球面、"FFS"は自由曲面、"DM"は形状可変ミラー、"OB"は物体距離を示す。屈折率アッベ数はd線のものである。可変の間隔Di(i=1、2、…)は順に広角端〜中間状態〜望遠端での値を表す。また各実施例とも最も像面側に2枚の平行平板が挿入されているが、これは撮像素子のカバーガラスIRカットフィルタローパスフィルタを想定したものである。またそれぞれの定義はηW、ηS、ηTはそれぞれ広角端、中間状態及び望遠端における、上記形状可変ミラーと像面との間にあるレンズ群の倍率である。
(実施例1)
焦点距離:4.0mm〜7.0mm〜10.0mm、開放Fナンバー:2.8〜4.2
、撮像面のサイズ:4.0mm×3.0mm
至近(OB=300)における形状可変ミラーのX方向、Y方向の焦点距離(Yが偏心方
向):
X Y
W 813.0 925.9
S 305.8 359.7
T 134.4 152.0
条件式の値:
EXW/fW=19.5、EXS/fS=10.4、EXT/fT=15.1
fa(前群)=-7.54、fb(後群)=11.96、(fa/fb)×fW=-2.52、D=8.8
面番号曲率半径面間隔偏心 屈折率 アッベ数
物体面∞ ∞
1 16.47 1.20 1.7725 49.6
2 4.81 2.06
3 162.21 0.80 1.6180 63.3
4 8.65 0.24
5 6.72 1.75 1.8467 23.8
6 ASP[1] D1=10.11〜3.53〜2.08
7絞り面 1.00
8 32.80 2.49 1.6869 41.0
9 -4.10 1.37 1.8010 35.0
10 -16.86 D2=6.24〜5.43〜1.23
11 16.08 2.22 1.4970 81.5
12 -8.88 1.07
13 -7.49 1.14 1.8467 23.8
14 ASP[2] D3=1.00〜8.38〜14.03
15 -10.82 1.00 1.8467 23.8
16 -20.92 2.00 1.7292 54.7
17 ASP[3] 4.00
18 FFS[1] (DM) 0.00 偏心[1]
19 ∞ 4.43
20 ∞ 1.00 1.5477 62.8
21 ∞ 0.50
22 ∞ 0.50 1.5163 64.1
23 ∞ 0.50
像 面 ∞
ASP[1]
曲率半径 10.91、k 0.0000
a -4.5842×10-4、b -2.1403×10-6、c 6.6036×10-7、d -2.8931×10-8
ASP[2]
曲率半径 -10.45、k 0.0000
a 5.6674×10-5、b -2.2981×10-6、c 1.2154×10-7、d -6.0421×10-9
ASP[3]
曲率半径 -7.05、k -2.1588×10-1
a 4.1176×10-4、b 1.2627×10-6、c 9.1551×10-9、d 1.3215×10-9
FFS[1]
W OB=∞ S OB=∞ T OB=∞ W OB=300 S OB=300 T OB=300
C4 0.000 0.000 0.000 -0.4312×10-3 -0.1108×10-2 -0.2613×10
-2
C6 0.000 0.000 0.000 -0.2273×10-3 -0.5955×10-3 -0.1381×10
-2
C8 0.000 0.000 0.000 0.4060×10-4 0.1304×10-3 0.2183×10-3
C10 0.000 0.000 0.000 0.1992×10-4 0.6697×10-4 0.1230×10-
3
C11 0.000 0.000 0.000 -0.1372×10-5 -0.2383×10-4 -0.9181×10-
5
C13 0.000 0.000 0.000 -0.4923×10-5 -0.2967×10-4 -0.2217×1
0-4
C15 0.000 0.000 0.000 -0.1499×10-5 -0.9592×10-5 -0.1017×1
0-4
偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 45.00 β 0.00 γ 0.00

(実施例2)
焦点距離:4.0mm〜7.0mm〜10.0mm、開放Fナンバー:2.8〜4.2
、撮像面のサイズ:4.0mm×3.0mm
至近(OB=300)における形状可変ミラーのX方向、Y方向の焦点距離(Yが偏心方
向):
X Y
W 1298.7 1388.9
S 454.5 476.2
T 208.3 216.5
条件式の値:
EXW/fW=6.2、EXS/fS=4.6、EXT/fT=3.0
ζW=0.62、ζS=0.62、ζT=0.62
fa(前群)=-8.27、fb(後群)=29.51、(fa/fb)×fW=-1.12、D=9.0
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 23.31 1.20 1.7725 49.6
2 4.74 1.97
3 -52.35 1.29 1.7433 49.3
4 ASP[1] 0.52
5 11.52 5.16 1.8467 23.8
6 -66.74 D1=11.10〜3.25〜1.04
7 絞り面 1.00
8 56.17 5.40 1.7034 52.8
9 -5.63 1.50 1.7644 38.2
10 -23.83 D2=6.39〜5.77〜1.00
11 ASP[2] 4.00 1.6883 53.4
12 -22.28 0.15
13 23.11 2.00 1.7615 50.6
14 -19.32 1.00 1.7269 32.5
15 9.72 D3=4.50〜12.96〜19.95
16 FFS[1] (DM) 4.50 偏心[1]
17 ASP[3] 3.20 1.6935 53.2
18 -61.27 1.48
19 ∞ 1.00 1.5477 62.8
20 ∞ 0.50
21 ∞ 0.50 1.5163 64.1
22 ∞ 0.50
像 面 ∞
ASP[1]
曲率半径 9.11、k 8.6365×10-1
a -8.8266×10-4、b -1.9953×10-6、c -3.6159×10-7、d -1.2075×10-8
ASP[2]
曲率半径 18.26、k 2.6780
a -1.4977×10-4、b 1.4241×10-6、c -1.7758×10-7、d 5.8316×10-9
ASP[3]
曲率半径 10.67、k 0.0000
a -1.8514×10-4、b -3.7065×10-6、c 1.3231×10-7、d -5.1639×10-9
FFS[1]
W OB=∞ S OB=∞ T OB=∞ W OB=300 S OB=300 T OB=300
C4 0.000 0.000 0.000 -0.2717×10-3 -0.7620×10-3 -0.1704×10
-2
C6 0.000 0.000 0.000 -0.1354×10-3 -0.3933×10-3 -0.8725×10
-3
C8 0.000 0.000 0.000 0.1001×10-4 0.2991×10-4 0.5158×10-4
C10 0.000 0.000 0.000 0.4227×10-5 0.1350×10-4 0.2646×1
0-4
C11 0.000 0.000 0.000 -0.8646×10-6 -0.7241×10-5 0.2807×10
-5
C13 0.000 0.000 0.000 -0.1088×10-5 -0.5882×10-5 0.5567×10
-5
C15 0.000 0.000 0.000 -0.3590×10-6 -0.1756×10-5 0.2367×10
-6
偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 45.00 β 0.00 γ 0.00
実施例1、2のズーム光学系は、物体側から順に、負のパワーを有しズーム時固定の第1群G1と、正のパワーを有する第2群G2と、正のパワーを有する第3群G3と、正のパワーの第4群G4とで構成されている。広角端から望遠端への変倍の際に第2群G2及び第3群G3を物体側に別々に移動させることで、変倍及びそれに伴って生じる焦点位置の変動を補正している。又、第4群G4中に設けた形状可変ミラーMによってフォーカシングを行うことができるように構成されている。

0046

実施例1は前記形状可変ミラーを第4群G4の最も像側に配置し、実施例2は第4群G4を最も物体側から順に形状可変ミラー、正レンズという順に配置している。
(実施例3)
焦点距離:4.0mm〜7.0mm〜10.0mm、開放Fナンバー:2.8〜4.4
、撮像面のサイズ:4.0mm×3.0mm
至近(OB=300)における形状可変ミラーのX方向、Y方向の焦点距離(Yが偏心方
向):
X Y
W 1098.9 1149.4
S 383.1 398.4
T 191.6 199.2
条件式の値:
EXW/fW=3.2、EXS/fS=2.8、EXT/fT=2.6
ζW=0.65、ζS=0.66、ζT=0.66
fa(前群)=-7.68、fb(後群)=13.75、(fa/fb)×fW=-2.23、D=8.7
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面∞ ∞
1 19.62 1.20 1.7725 49.6
2 3.95 1.92
3 259.50 0.87 1.7433 49.3
4 ASP[1] 0.78
5 14.23 2.09 1.8467 23.8
6 -50.48 D1=9.59〜3.49〜1.05
7絞り面 1.00
8 14.29 2.61 1.6843 36.5
9 -4.00 1.42 1.7813 35.0
10 34.35 1.22
11 ASP[2] 2.03 1.7386 51.4
12 -8.89 0.15
13 27.38 2.00 1.7767 50.1
14 -8.76 1.00 1.7065 29.5
15 8.70 D2=4.50〜11.30〜18.06
16FFS[1] (DM) 4.59 偏心[1]
17 9.45 2.69 1.6935 53.2
18 ASP[3] 1.00
19 ∞ 1.00 1.5477 62.8
20 ∞ 0.50
21 ∞ 0.50 1.5163 64.1
22 ∞ 0.50
像 面 ∞
ASP[1]
曲率半径 9.68、k -2.4920
a -7.8720×10-4、b -3.4128×10-5、c 1.4344×10-6、d -2.0198×10-7
ASP[2]
曲率半径 20.64、k -5.6838
a -3.9523×10-4、b 7.6145×10-6、c -4.4208×10-7、d 1.7720×10-8
ASP[3]
曲率半径 -154.68、k -3.2742×1023
a 3.0474×10-4、b -1.8266×10-5、c 1.9831×10-6、d -7.4439×10-8
FFS[1]
W OB=∞ S OB=∞ T OB=∞ W OB=300 S OB=300 T OB=300
C4 0.000 0.000 0.000 -0.3230×10-3 -0.9158×10-3 -0.1831×
10-2
C6 0.000 0.000 0.000 -0.1663×10-3 -0.4744×10-3 -0.9507×10
-3
C8 0.000 0.000 0.000 0.9096×10-5 0.2975×10-4 0.6359×1
0-4
C10 0.000 0.000 0.000 0.5969×10-5 0.1655×10-4 0.3414×10-4
C11 0.000 0.000 0.000 0.7262×10-6 -0.4247×10-5 -0.6693×
10-5
C13 0.000 0.000 0.000 0.4576×10-5 0.1657×10-6 -0.2643×10-5
C15 0.000 0.000 0.000 0.1261×10-6 -0.1100×10-5 -0.1896×10-5
偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 45.00 β 0.00 γ 0.00
実施例3のズーム光学系は、物体側から順に、負のパワーを有する第1群G1、正のパワーを有する第2群G2、正のパワーを有する第3群G3で構成されている。第1群及び第2群を光軸方向に移動することで変倍を行う。広角端から望遠端への変倍の際に、第2群G2を物体側へ移動し、それに伴って生ずる焦点位置の変動を、第1群G1を像側に凸の軌跡を描きながら移動することによって補正する。又、第3群G3中に設けた形状可変ミラーMによってフォーカシングを行うことができるように構成されている。

0047

実施例3の光学系収納の時の断面図を図5に示す。形状可変ミラーを垂直の状態に移動することで、第1群G1、第2群G2の収納スペースを確保するような構成となる。このように、実施例3においては、収納時にコンパクトな光学系が実現可能である。
(実施例4)
焦点距離:4.5mm〜9.0mm〜13.5mm、開放Fナンバー:2.8〜4.
8、撮像面のサイズ:4.48mm×3.36mm
至近(OB=300)における形状可変ミラーのX方向、Y方向の焦点距離(Yが偏心方
向):
X Y
W 840.3 943.4
S 219.8 245.7
T 99.3 109.3
条件式の値:
EXW/fW=3.8、EXS/fS=2.9、EXT/fT=2.8
fa(前群)=-9.25、fb(後群)=14.67、(fa/fb)×fW=-2.84、D=11.1
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面∞ ∞
1 43.06 4.00 1.7725 49.6
2 ∞ D1=1.00〜8.25〜8.93
3 19.74 1.00 1.7725 49.6
4 7.15 2.96
5 432.39 1.00 1.4875 70.2
6 19.19 4.50
7 -9.25 1.00 1.4875 70.2
8 21.83 3.50 1.8052 25.4
9 -103.66 D2=8.93〜1.68〜1.00
10絞り面 D3=10.98〜5.98〜0.80
11 ASP[1] 3.00 1.5891 61.3
12 -13.72 0.20
13 -26.29 3.00 1.7725 49.6
14 -163.98 1.00 1.8010 35.0
15 61.02 D4=2.15〜2.45〜2.00
16 -39.10 1.20 1.8075 26.4
17 16.03 0.20
18 ASP[2] 4.63 1.5891 61.1
19 -10.62 0.15
20 -28.14 3.50 1.7322 27.6
21 -6.28 1.00 1.8173 29.2
22 -19.35 D5=5.00〜9.71〜15.33
23FFS[1] (DM) 5.00 偏心[1]
24 ∞ 0.40 1.5163 64.1
25 ∞ 0.90 1.5477 62.8
26 ∞ 0.40
27 ∞ 0.38 1.5163 64.1
28 ∞ 0.50
像 面 ∞
ASP[1]
曲率半径 12.23、k 2.6846×10-1
a -1.4355×10-4、b -3.6950×10-6、c 6.4302×10-8、d -1.0561×10-9
ASP[2]
曲率半径 9.59、k -4.9694
a 1.9685×10-4、b -5.9577×10-6、c 1.3864×10-7、d -1.0045×10-9
FFS[1]
W OB=∞ S OB=∞ T OB=∞ W OB=300 S OB=300 T OB=300
C4 0.000 0.000 0.000 -0.4174×10-3 -0.1591×10-2 -0.3530×10
-2
C6 0.000 0.000 0.000 -0.2283×10-3 -0.8523×10-3 -0.1858×10
-2
C8 0.000 0.000 0.000 0.3750×10-4 0.1378×10-3 0.2460×10-3
C10 0.000 0.000 0.000 0.2178×10-4 0.7433×10-4 0.1351×10-
3
C11 0.000 0.000 0.000 -0.1816×10-5 -0.9126×10-5 -0.1579×10-
4
C13 0.000 0.000 0.000 -0.3857×10-5 -0.1775×10-4 -0.2547×1
0-4
C15 0.000 0.000 0.000 -0.1527×10-5 -0.5854×10-5 -0.1071×10-
4
偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 45.00 β 0.00 γ 0.00
第4の実施例のズーム光学系は、物体側から順に、正のパワーを有する第1群G1と、負のパワーを有する第2群G2と、正パワーを有する第3群G3と、正のパワーの第4群G4とで構成されている。第2群G2、第3群G3及び第4群G4を移動させることにより変倍作用を持たせ、変倍時に第1群、開口絞りは固定であり、第4群G4より像面側に配置した形状可変ミラーMによってフォーカシングを行うように構成されている。

0048

この構成の光学系も、ビデオカメラの場合に代表的なズームタイプのレンズ系で、デジタルカメラにも使用し得るタイプの一つである、正の第1群と負の第2群と正の第3群よりなるタイプのレンズ系を基本にしたものである。形状可変ミラーによる光軸の折り曲げ角Φは上記の実施例では90°の例が多いが、これに限らない。Φは小さいほど収差が減って良いが、小さすぎると光学部品電子部品ぶつかる。Φが大きいとスペース的には楽であるが収差が増える。したがって、
70°≦Φ≦110°
が良い。

0049

80°≦Φ≦100°
とするとなお良い。以上の説明では、すべて可変ミラーを用いた光学系について述べてきた。しかしながら、可変ミラーの代わりに通常の(形状の変わらない)ミラーを用いた場合にも、特に支障を来さない限り前述の条件式・制限等を適用してよい。なぜならミラーを用いた折り曲げ光学系の小型化のメリットはそのまま保たれるからである。以上のような本発明によるズーム光学系は、フィルムカメラ、デジタルカメラ、テレビカメラ携帯端末用カメラ監視カメラロボットの眼、電子内視鏡等に適用可能である。

0050

また、上述のズーム光学系では、レンズ群中に反射面を有する構成のズーム光学系について説明したが、反射面を有しない構成のズーム光学系についても可変形状面を備えた光学素子、例えば、可変焦点レンズ等を用いて構成すれば、小型化、低コスト化、省電力化、作動音の静音化等の効果を達成することが可能である。更に、可変形状面を有しない可変焦点ミラーを前記実施例に用いても良い。なお、可変焦点ミラーについては、その一例を図24を用いて後述する。

0051

次に、本発明のズーム光学系に適用可能な形状可変ミラーの構成例について説明する。図9は本発明のズーム光学系に適用可能な可変ミラーとして光学特性可変ミラーを用いたデジタルカメラのケプラーファインダー概略構成図である。本例の構成は、もちろん銀塩フィルムカメラにも使うことができる。まず、光学特性可変形状鏡409について説明する。

0052

光学特性可変形状鏡409は、アルミコーティングされた薄膜(反射面)409aと複数の電極409bからなる光学特性可変形状鏡(以下、単に可変形状鏡と言う。)であり、411は各電極409bにそれぞれ接続された複数の可変抵抗器、412は可変抵抗器411と電源スイッチ413を介して薄膜409aと電極409b間に接続された電源、414は複数の可変抵抗器411の抵抗値を制御するための演算装置、415,416及び417はそれぞれ演算装置414に接続された温度センサー湿度センサー及び距離センサーで、これらは図示のように配設されて1つの光学装置を構成している。

0053

なお、対物レンズ902、接眼レンズ901、及び、プリズム404、二等辺直角プリズム405、ミラー406及び可変形状鏡の各面は、平面でなくてもよく、球面、回転対称非球面の他、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは、対称面を有する非球面、対称面を1つだけ有する非球面、対称面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点又は線を有する面等、いかなる形状をしていてもよく、さらに、反射面でも屈折面でも光に何らかの影響を与え得る面ならばよい。以下、これらの面を総称して拡張曲面という。

0054

また、薄膜409aは、例えば、P.Rai-choudhury編、Handbook of MichrolithoGraphy, MichromachininG and Michrofabrication, Volume 2:MichromachininG and Michrofabrication,P495,FiG.8.58, SPIEPRESS刊やOptics Communication, 140巻(1997年)P187〜190に記載されているメンブレインミラーのように、複数の電極409bとの間に電圧印加されると、静電気力により薄膜409aが変形してその面形状が変化するようになっており、これにより、観察者視度に合わせたピント調整ができるだけでなく、さらに、レンズ901,902及び/又はプリズム404、二等辺直角プリズム405、ミラー406の温度や湿度変化による変形や屈折率の変化、あるいは、レンズ枠伸縮や変形及び光学素子、枠等の部品組立誤差による結像性能の低下が抑制され、常に適正にピント調整並びにピント調整で生じた収差の補正が行われ得る。

0055

なお、電極409bの形は、例えば図11図12に示すように、薄膜409aの変形のさせ方に応じて選べばよい。本例によれば、物体からの光は、対物レンズ902及びプリズム404の各入射面と射出面で屈折され、可変形状鏡409で反射され、プリズム404を透過して、二等辺直角プリズム405でさらに反射され(図9中、光路中の+印は、紙面の裏側へ向かって光線が進むことを示している)、ミラー406で反射され、接眼レンズ901を介して眼に入射するようになっている。このように、レンズ901,902、プリズム404,405、及び、可変形状鏡409によって、本例の光学装置の観察光学系を構成しており、これらの各光学素子の面形状と肉厚を最適化することにより、物体面の収差を最小にすることができるようになっている。

0056

すなわち、反射面としての薄膜409aの形状は、結像性能が最適になるように演算装置414からの信号により各可変抵抗器411の抵抗値を変化させることにより制御される。すなわち、演算装置414へ、温度センサー415、湿度センサー416及び距離サンサー417から周囲温度及び湿度並びに物体までの距離に応じた大きさの信号が入力され、演算装置414は、これらの入力信号に基づき周囲の温度及び湿度条件と物体までの距離による結像性能の低下を補償すべく、薄膜409aの形状が決定されるような電圧を電極409bに印加するように、可変抵抗器411の抵抗値を決定するための信号を出力する。このように、薄膜409aは電極409bに印加される電圧すなわち静電気力で変形させられるため、その形状は状況により非球面を含む様々な形状をとる。

0057

なお、距離センサー417はなくてもよく、その場合、固体撮像素子408からの像の信号の高周波成分が略最大になるように、デジタルカメラの撮像レンズ403を動かし、その位置から逆に物体距離を算出し、可変形状鏡を変形させて観察者の眼にピントが合うようにすればよい。

0058

また、薄膜409aをポリイミド等の合成樹脂製作すれば、低電圧でも大きな変形が可能であるので好都合である。なお、プリズム404と可変形状鏡409を一体的に形成してユニット化することができる。また、図示を省略したが、可変形状鏡409の基板上に固体撮像素子408をリソグラフィープロセスにより一体的に形成してもよい。

0059

また、レンズ901,902、プリズム404,405、ミラー406は、プラスチックモールド等で形成することにより任意の所望形状の曲面を容易に形成することができ、製作も簡単である。なお、本例の撮像装置では、レンズ901,902がプリズム404から離れて形成されているが、レンズ901,902を設けることなく収差を除去することができるようにプリズム404,405、ミラー406、可変形状鏡409を設計すれば、プリズム404,405、可変形状鏡409は1つの光学ブロックとなり、組立が容易となる。また、レンズ901,902、プリズム404,405、ミラー406の一部あるいは全部をガラスで作製してもよく、このように構成すれば、さらに精度の良い撮像装置が得られる。

0060

なお、図9の例では、演算装置414、温度センサー415、湿度センサー416、距離センサー417を設け、温湿度変化、物体距離の変化等も可変形状鏡409で補償するようにしたが、そうではなくてもよい。つまり、演算装置414、温度センサー415、湿度センサー416、距離センサー417を省き、観察者の視度変化のみを可変形状鏡409で補正するようにしてもよい。

0061

図10は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409の他の例を示す概略構成図である。本例の可変形状鏡は、薄膜409aと電極409bとの間に圧電素子409cが介装されていて、これらが支持台423上に設けられている。そして、圧電素子409cに加わる電圧を各電極409b毎に変えることにより、圧電素子409cに部分的に異なる伸縮を生じさせて、薄膜409aの形状を変えることができるようになっている。電極409bの形は、図11に示すように同心分割であってもよいし、図12に示すように矩形分割であってもよく、その他、適宜の形のものを選択することができる。

0062

図10中、424は演算装置414に接続された振れブレセンサーであって、例えばデジタルカメラの振れを検知し、振れによる像の乱れを補償するように薄膜409aを変形させるべく、演算装置414及び可変抵抗器411を介して電極409bに印加される電圧を変化させる。このとき、温度センサー415、湿度センサー416及び距離センサー417からの信号も同時に考慮され、ピント合わせ、温湿度補償等が行われる。この場合、薄膜409aには圧電素子409cの変形に伴う応力が加わるので、薄膜409aの厚さはある程度厚めに作られて相応の強度を持たせるようにするのがよい。

0063

図13は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409のさらに他の例を示す概略構成図である。本例の可変形状鏡は、薄膜409aと電極409bの間に介置される圧電素子が逆方向の圧電特性を持つ材料で作られた2枚の圧電素子409c及び409c’で構成されている点で図10に示された実施例の可変形状鏡とは異なる。すなわち、圧電素子409cと409c’が強誘電性結晶で作られているとすれば、結晶軸の向きが互いに逆になるように配置される。この場合、圧電素子409cと409c’は電圧が印加されると逆方向に伸縮するので、薄膜409aを変形させる力が図10に示した実施例の場合よりも強くなり、結果的にミラー表面の形を大きく変えることができるという利点がある。

0064

圧電素子409c,409c’に用いる材料としては、例えばチタン酸バリウム、ロッシエル塩、水晶電気石リン酸二水素カリウムKDP)、リン酸二水素アンモニウムADP)、ニオブ酸リチウム等の圧電物質、同物質多結晶体、同物質の結晶、PbZrO3とPbTiO3の固溶体圧電セラミックス、二フッ化ポリビニールPVDF)等の有機圧電物質、上記以外の強誘電体等があり、特に有機圧電物質はヤング率が小さく、低電圧でも大きな変形が可能であるので好ましい。なお、これらの圧電素子を利用する場合、厚さを不均一にすれば、上記例において薄膜409aの形状を適切に変形させることも可能である。

0065

また、圧電素子409c,409c’の材質としては、ポリウレタンシリコンゴムアクリルエラストマーPZTPLZT、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の高分子圧電体シアン化ビニリデン共重合体ビニリデンフルオライドトリフルオロエチレン共重合体等が用いられる。圧電性を有する有機材料や、圧電性を有する合成樹脂、圧電性を有するエラストマー等を用いると可変形状鏡面の大きな変形が実現できてよい。

0066

なお、図10図14の圧電素子409cに電歪材料、例えば、アクリルエラストマー、シリコンゴム等を用いる場合には、圧電素子409cを別の基板409c−1と電歪材料409c−2を貼り合わせた構造にしてもよい。

0067

図14は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409のさらに他の例を示す概略構成図である。本例の可変形状鏡は、圧電素子409cが薄膜409aと電極409dとにより挟持され、薄膜409aと電極409d間に演算装置414により制御される駆動回路425を介して電圧が印加されるようになっており、さらにこれとは別に、支持台423上に設けられた電極409bにも演算装置414により制御される駆動回路425を介して電圧が印加されるように構成されている。したがって、本例では、薄膜409aは電極409dとの間に印加される電圧と電極409bに印加される電圧による静電気力とにより二重に変形され得、上記例に示した何れのものよりもより多くの変形パターンが可能であり、かつ、応答性も速いという利点がある。

0068

そして、薄膜409a、電極409d間の電圧の符号を変えれば、可変形状鏡を凸面にも凹面にも変形させることができる。その場合、大きな変形を圧電効果で行ない、微細形状変化を静電気力で行なってもよい。また、凸面の変形には圧電効果を主に用い、凹面の変形には静電気力を主に用いてもよい。なお、電極409dは電極409bのように複数の電極から構成されてもよい。この様子を図14に示した。なお、本発明では、圧電効果と電歪効果、電歪をすべてまとめて圧電効果と述べている。従って、電歪材料も圧電材料に含むものとする。

0069

図15は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409のさらに他の例を示す概略構成図である。本例の可変形状鏡は、電磁気力を利用して反射面の形状を変化させ得るようにしたもので、支持台423の内部底面上には永久磁石426が、頂面上には窒化シリコン又はポリイミド等からなる基板409eの周縁部が載置固定されており、基板409eの表面にはアルミニウム等の金属コートで作られた薄膜409aが付設されていて、可変形状鏡409を構成している。

0070

基板409eの下面には複数のコイル427が配設されており、これらのコイル427はそれぞれ駆動回路428を介して演算装置414に接続されている。したがって、各センサー415,416,417,424からの信号によって演算装置414において求められる光学系の変化に対応した演算装置414からの出力信号により、各駆動回路428から各コイル427にそれぞれ適当な電流が供給されると、永久磁石426との間に働く電磁気力で各コイル427は反発又は吸着され、基板409e及び薄膜409aを変形させる。

0071

この場合、各コイル427はそれぞれ異なる量の電流を流すようにすることもできる。また、コイル427は1個でもよいし、永久磁石426を基板409eに付設しコイル427を支持台423の内部底面側に設けるようにしてもよい。また、コイル427はリソグラフィー等の手法で作るとよく、さらに、コイル427には強磁性体よりなる鉄心を入れるようにしてもよい。

0072

この場合、薄膜コイル427の巻密度を、図16に示すように、場所によって変化させることにより、基板409e及び薄膜409aに所望の変形を与えるようにすることもできる。また、コイル427は1個でもよいし、また、これらのコイル427には強磁性体よりなる鉄心を挿入してもよい。

0073

図17は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409のさらに他の例を示す概略構成図である。本例の可変形状鏡では、基板409eは鉄等の強磁性体で作られており、反射膜としての薄膜409aはアルミニウム等からなっている。この場合、薄膜コイルを設けなくてもすむから、構造が簡単で、製造コストを低減することができる。また、電源スイッチ413を切換え電源開閉用スイッチ置換すれば、コイル427に流れる電流の方向を変えることができ、基板409e及び薄膜409aの形状を自由に変えることができる。

0074

図18は本例におけるコイル427の配置を示し、図19はコイル427の他の配置例を示しているが、これらの配置は、図15に示した実施例にも適用することができる。なお、図20は、図15に示した例において、コイル427を図23のように配置した場合に適する永久磁石426の配置を示している。すなわち、図20に示すように永久磁石426を放射状に配置すれば、図15に示した例に比べて、微妙な変形を基板409e及び薄膜409aに与えることができる。また、このように電磁気力を用いて基板409e及び薄膜409aを変形させる場合(図15及び図17の例)は、静電気力を用いた場合よりも低電圧で駆動できるという利点がある。

0075

以上いくつかの可変形状鏡の例を述べたが、ミラーの形を変形させるのに、図14の例に示すように、2種類以上の力を用いてもよい。つまり静電気力、電磁力、圧電効果、磁歪流体の圧力、電場、磁場、温度変化電磁波等のうちから2つ以上を同時に用いて可変形状鏡を変形させてもよい。つまり2つ以上の異なる駆動方法を用いて光学特性可変光学素子作れば、大きな変形と微細な変形とを同時に実現でき、精度の良い鏡面が実現できる。

0076

また、形状可変ミラーの変形する部分の外形は、軸上光線の入射面に平行な方向に長い形状とするのが好ましく、このように構成すれば、収差補正に有利な楕円面に近い形状に変形させやすいという利点がある。前記入射面に平行な方向に長い形状としては、トラック形状多角形楕円等が利用できる。

0077

図21は本発明のズーム光学系を用いた撮像装置に適用可能な形状可変ミラーとして可変形状鏡409を用いた撮像系、例えば携帯電話のデジタルカメラ、カプセル内視鏡、電子内視鏡、パソコン用デジタルカメラ、PDA用デジタルカメラ等に用いられる撮像系の概略構成図である。

0078

本例の撮像系は、可変形状鏡409と、レンズ902と、固体撮像素子408と、制御系103とで一つの撮像ユニット104を構成している。本例の撮像ユニット104では、レンズ102を通った物体からの光は可変形状鏡409で集光され、固体撮像素子408の上に結像する。可変形状鏡409は、光学特性可変光学素子の一種であり、可変焦点ミラーとも呼ばれている。

0079

本例によれば、物体距離が変わっても可変形状鏡409を変形させることでピント合わせをすることができ、レンズをモータ等で駆動する必要がなく、小型化、軽量化、低消費電力化の点で優れている。また、撮像ユニット104は本発明の撮像系としてすべての実施例で用いることができる。また、可変形状鏡409を複数用いることでズーム、変倍の撮像系、光学系を作ることができる。

0080

なお、図21では、制御系103にコイルを用いたトランス昇圧回路を含む制御系の構成例を示している。特に積層型圧電トランスを用いると、小型化できてよい。昇圧回路は本発明のすべての電気を用いる可変形状鏡、可変焦点レンズに用いることができるが、特に静電気力、圧電効果を用いる場合の可変形状鏡、可変焦点レンズに有用である。

0081

図22は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラーとして適用可能なさらに他の例に係る、マイクロポンプ180で流体161を出し入れしミラー面を変形させる可変形状鏡188の概略構成図である。本例によれば、ミラー面を大きく変形させることが可能になるというメリットがある。マイクロポンプ180は、例えば、マイクロマシンの技術で作られた小型のポンプで、電力で動くように構成されている。マイクロマシンの技術で作られたポンプの例としては、熱変形を利用したもの、圧電材料を用いたもの、静電気力を用いたものなどがある。

0082

図23は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラーに適用可能なマイクロポンプの一例を示す概略構成図である。本例のマイクロポンプ180では、振動板181は静電気力、圧電効果等の電気力により振動する。図23では静電気力により振動する例を示しており、図23中、182,183は電極である。また、点線は変形した時の振動板181を示している。振動板181の振動に伴い、2つの弁184,185が開閉し、流体161を右から左へ送るようになっている。

0083

本例の可変形状鏡188では、反射膜189が流体161の量に応じて凹凸に変形することで、可変形状鏡として機能する。可変形状鏡188は流体161で駆動されている。流体としては、シリコンオイル、空気、水、ゼリー、等の有機物無機物を用いることができる。

0084

なお、静電気力、圧電効果を用いた可変形状鏡、可変焦点レンズなどにおいては、駆動用高電圧が必要になる場合がある。その場合には、例えば図21に示すように、昇圧用のトランス、あるいは圧電トランス等を用いて制御系を構成するとよい。

0085

また、反射用の薄膜409aは、変形しない部分にも設けておくと、可変形状鏡の形状を干渉計等で測定する場合に、基準面として使うことができ便利である。

0086

図24は本発明のズーム光学系に適用可能な、可変焦点レンズを応用した可変焦点ミラーを示すものである。この可変焦点ミラー565は、第1,第2の面566a,566bを有する第1の透明基板566と、第3,第4の面567a,567bを有する第2の透明基板567とを有する。第1の透明基板566は、平板状またはレンズ状に形成して、内面(第2の面)566bに透明電極513aを設け、第2の透明基板567は、内面(第3の面)567aを凹面状に形成して、該凹面上に反射膜568を施し、さらにこの反射膜568上に透明電極513bを設ける。透明電極513a,513b間には高分子分散液晶層514を設け、これら透明電極513a,513bをスイッチ515および可変抵抗器519を経て交流電源516に接続して、高分子分散液晶層514に交流電界を印加するようにする。なお、図24では液晶分子の図示を省略してある。

0087

かかる構成によれば、透明基板566側から入射する光線は、反射膜568により高分子分散液晶層514を折り返す光路となるので、高分子分散液晶層514の作用を2回もたせることができると共に、高分子分散液晶層514への印加電圧を変えることにより、反射光の焦点位置を変えることができる。この場合、可変焦点ミラー565に入射した光線は、高分子分散液晶層514を2回透過するので、高分子分散液晶層514の厚さの2倍をtとすれば、上記の各式を同様に用いることができる。なお、透明基板566または567の内面を回折格子状にして、高分子分散液晶層514の厚さを薄くすることもできる。このようにすれば、散乱光をより少なくできる利点がある。

0088

以上の説明では、液晶の劣化を防止するため、電源として交流電源516を用いて、液晶に交流電界を印加するようにしたが、直流電源を用いて液晶に直流電界を印加するようにすることもできる。また、液晶分子の方向を変える方法としては、電圧を変化させること以外に、液晶にかける電場の周波数、液晶にかける磁場の強さ・周波数、あるいは液晶の温度等を変化させることによってもよい。なお、本発明では図24のような形状の変化しない可変焦点ミラーも、可変形状鏡の中に含めるものとする。

0089

図25は本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡のさらに他の例を示す概略構成図である。本例では、デジタルカメラに用いられるものとして説明する。図25中、411は可変抵抗器、414は演算装置、415は温度センサー、416は湿度センサー、417は距離センサー、424は振れセンサーである。

0090

本例の可変形状鏡45は、アクリルエラストマー等の有機材料からなる電歪材料453と間を隔てて分割電極409bを設け、電歪材料453の上に順に電極452、変形可能な基板451を設け、さらにその上に入射光を反射するアルミニウム等の金属からなる反射膜450を設けて構成されている。このように構成すると、分割電極409bを電歪材料453と一体化した場合に比べて、反射膜450の面形状が滑らかになり、光学的に収差を発生させにくくなるというメリットがある。なお、変形可能な基板451と電極452の配置は逆でも良い。

0091

また、図25中、449は光学系の変倍、あるいはズームを行なう釦であり、可変形状鏡45は、釦449を使用者が押すことで反射膜450の形を変形させて、変倍あるいは、ズームをすることができるように演算装置414を介して制御されている。

0092

なお、アクリルエラストマー等の有機材料からなる電歪材料の代わりに既に述べたチタン酸バリウム等の圧電材料を用いてもよい。最後に、本発明で用いる用語の定義を述べておく。

0093

光学装置とは、光学系あるいは光学素子を含む装置のことである。光学装置単体で機能しなくてもよい。つまり、装置の一部でもよい。光学装置には、撮像装置、観察装置表示装置照明装置信号処理装置等が含まれる。

0094

撮像装置の例としては、フィルムカメラ、デジタルカメラ、ロボットの眼、レンズ交換式デジタル一眼レフカメラ、テレビカメラ、動画記録装置電子動画記録装置、カムコーダVTRカメラ、電子内視鏡等がある。デジカメカード型デジカメ、テレビカメラ、VTRカメラ、動画記録カメラなどはいずれも電子撮像装置の一例である。

0095

観察装置の例としては、顕微鏡望遠鏡眼鏡双眼鏡ルーペファイバースコープ、ファインダー、ビューファインダー等がある。表示装置の例としては、液晶ディスプレイ、ビューファインダー、ゲームマシン(ソニー社製プレイステーション)、ビデオプロジェクター液晶プロジェクター頭部装着型画像表示装置(head mounted display:HMD)、PDA(携帯情報端末)、携帯電話等がある。

0096

照明装置の例としては、カメラのストロボ自動車ヘッドライト内視鏡光源、顕微鏡光源等がある。信号処理装置の例としては、携帯電話、パソコン、ゲームマシン、光ディスクの読取・書込装置、光計算機の演算装置等がある。

0097

なお、本発明の光学系は小型軽量なので、電子撮像装置、信号処理装置、特に、デジタルカメラ、携帯電話の撮像系に用いると効果がある。撮像素子は、例えばCCD、撮像管、固体撮像素子、写真フィルム等を指す。また、平行平面板はプリズムの1つに含まれるものとする。観察者の変化には、視度の変化を含むものとする。被写体の変化には、被写体となる物体距離の変化、物体の移動、物体の動き、振動、物体のぶれ等を含むものとする。

0098

拡張曲面の定義は以下の通りである。球面、平面、回転対称非球面のほか、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは対称面を有する非球面、対称面を1つだけ有する非球面、対称面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点や線を有する面等、いかなる形をしていても良い。反射面でも、屈折面でも、光になんらかの影響を与えうる面ならば良い。本発明では、これらを総称して拡張曲面と呼ぶことにする。

0099

光学特性可変光学素子とは、可変焦点レンズ、可変形状鏡、面形状の変わる偏光プリズム頂角可変プリズム光偏向作用の変わる可変回折光学素子、つまり可変HOE,可変DOE等を含む。可変焦点レンズには、焦点距離が変化せず、収差量が変化するような可変レンズも含むものとする。可変形状鏡についても同様である。要するに、光学素子で、光の反射、屈折、回折等の光偏向作用が変化しうるものを光学特性可変光学素子と呼ぶ。

0100

情報発信装置とは、携帯電話、固定式電話、ゲームマシン、テレビラジカセステレオ等のリモコンや、パソコン、パソコンのキーボードマウスタッチパネル等の何らかの情報を入力し、送信することができる装置を指す。撮像装置のついたテレビモニター、パソコンのモニターディスプレイも含むものとする。情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。以上説明したように、本発明によるズーム光学系は、下記に示す特徴を備える。
(1) 変倍作用、もしくはその変倍に伴う像面ずれを補正するコンペンセート作用を有し、変倍時に可動な少なくとも2つのレンズ群と、フォーカシング作用を有する形状可変ミラーとを有し、前記形状可変ミラーは前記変倍作用を有するレンズ群よりも像側に配置されることを特徴とするズーム光学系。
(2) 前記形状可変ミラーが最も像側のレンズ群に配置されることを特徴とする(1)項に記載のズーム光学系。
(3) 前記形状可変ミラーは、偏心収差補正機能を有する回転非対称な曲面形状であることを特徴とする(1)、(2)項に記載のズーム光学系。
(4) 前記形状可変ミラーより物体側の光学系から見た射出瞳位置から前記形状可変ミラーまでの距離が以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(3)項に記載のズーム光学系。

0101

0.5 < EXW/fW < 50.0 (1−1)
0.5 < EXT/fT < 50.0 (2−1)
ただし、EXW、EXTはそれぞれ広角端、望遠端における、可変形状ミラーから見た光学系の射出瞳位置から形状可変ミラーまでの物理的な距離、fW、fTはそれぞれ広角端、望遠端における全系の焦点距離である。
(5) 前記形状可変ミラーより物体側の光学系から見た射出瞳位置から前記形状可変ミラーまでの距離が以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(3)項に記載のズーム光学系。

0102

1.0 < EXW/fW < 40.0 (1−2)
1.0 < EXT/fT < 40.0 (2−2)
ただし、EXW、EXTはそれぞれ広角端、望遠端における、可変形状ミラーから見た光学系の射出瞳位置から形状可変ミラーまでの物理的な距離、fW、fTはそれぞれ広角端、望遠端における全系の焦点距離である。
(6) 前記形状可変ミラーより物体側の光学系から見た射出瞳位置から前記形状可変ミラーまでの距離が以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(3)項に記載のズーム光学系。

0103

2.0 < EXW/fW < 30.0 (1−3)
2.0 < EXT/fT < 30.0 (2−3)
ただし、EXW、EXTはそれぞれ広角端、望遠端における、可変形状ミラーから見た光学系の射出瞳位置から形状可変ミラーまでの物理的な距離、fW、fTはそれぞれ広角端、望遠端における全系の焦点距離である。
(7) 前記形状可変ミラーと像面との間にあるレンズ群の倍率ζが、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(6)項に記載のズーム光学系。

0104

0.3 <ζW < 0.9 (3−1)
(8) 前記形状可変ミラーと像面との間にあるレンズ群の倍率ζが、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(6)項に記載のズーム光学系。

0105

0.4 <ζW < 0.8 (3−2)
(9) 前記形状可変ミラーと像面との間にあるレンズ群の倍率ζが、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(6)項に記載のズーム光学系。

0106

0.5 <ζW < 0.7 (3−3)
(10)広角端において、開口絞りよりも物体側のレンズ群の焦点距離をfa、開口絞りよりも像側のレンズ群の焦点距離をfbとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(9)項に記載のズーム光学系。

0107

−5.0 < (fa/fb)×fW < −0.5 (4−1)
ただし、fWは広角端における全系の焦点距離である。
(11) 広角端において、開口絞りよりも物体側のレンズ群の焦点距離をfa、開口絞りよりも像側のレンズ群の焦点距離をfbとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(9)項に記載のズーム光学系。

0108

−4.0 < (fa/fb)×fW < −0.8 (4−2)
ただし、fWは広角端における全系の焦点距離である。
(12) 広角端において、開口絞りよりも物体側のレンズ群の焦点距離をfa、開口絞りよりも像側のレンズ群の焦点距離をfbとしたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(9)項に記載のズーム光学系。

0109

−3.0 < (fa/fb)×fW < −1.0 (4−3)
ただし、fWは広角端における全系の焦点距離である。
(13) 以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(12)項に記載のズーム光学系。

0110

D < 20.0mm (5−1)
ただし、Dは前記形状可変ミラーの有効径である。
(14) 以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(12)項に記載のズーム光学系。

0111

D < 15.0mm (5−2)
ただし、Dは前記形状可変ミラーの有効径である。
(15) 以下の条件式を満足することを特徴とする(1)〜(12)項に記載のズーム光学系。

0112

D < 12.0mm (5−3)
ただし、Dは前記形状可変ミラーの有効径である。
(16)物体側から順に、負のパワーの第1群、正のパワーの第2群、正のパワーの第3群、正のパワーの第4群で構成され、少なくとも第2群もしくは第3群が変倍作用を有することを特徴とする(1)〜(15)項に記載のズーム光学系を用いた撮像装置。
(17) 物体側から順に、負のパワーの第1群、正のパワーの第2群、正のパワーの第3群で構成され、少なくとも第2群が変倍作用を有することを特徴とする(1)〜(15)項に記載のズーム光学系を用いた撮像装置。
(18) 物体側から順に、正のパワーの第1群、負のパワーの第2群、正のパワーの第3群、正のパワーの第4群で構成され、少なくとも第2群が変倍作用を有することを特徴とする(1)〜(15)項に記載のズーム光学系を用いた撮像装置。
(19) 形状可変ミラーによる光軸の折り曲げ角Φが
70°≦Φ≦110°
を満足することを特徴とする(1)〜(18)項に記載のズーム光学系。
(20) (1)〜(19)項に記載のズーム光学系を用いた撮像装置。
(21)静電気駆動又は電磁気力駆動又は圧電効果又は流体駆動の形状可変ミラーを用いたことを特徴とする(1)〜(20)に記載のズーム光学系又は撮像装置。
(22) 形状可変ミラーに代えて通常のミラーを用いたことを特徴とする(1)〜(21)に記載のズーム光学系又は撮像装置。

発明の効果

0113

以上の説明から明らかなように、本発明のズーム光学系によれば、レンズの可動群を極力少なくし、非常に小型で、消費電力が極めて少なく、動作音が静かなズーム光学系及びそれを用いた撮像装置を提供することが出来る。

図面の簡単な説明

0114

図1本発明の実施例1のレンズ断面図である。
図2本発明の実施例2のレンズ断面図である。
図3本発明の実施例3のレンズ断面図である。
図4本発明の実施例4のレンズ断面図である。
図5本発明の実施例3の光学系収納時のレンズ断面図である。
図6本発明の実施例1の物点距離無限遠時、広角端における横収差を表す図である。
図7本発明の実施例1の物点距離無限遠時、中間状態における横収差を表す図である。
図8本発明の実施例1の物点距離無限遠時、望遠端における横収差を表す図である。
図9本発明に適用可能な形状可変ミラーとしての光学特性可変ミラーを用いたデジタルカメラのケプラー式ファインダーの概略構成図である。
図10本発明に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409の他の例を示す概略構成図である。
図11図10の例の可変形状鏡に用いる電極の一形態を示す説明図である。
図12図10の例の可変形状鏡に用いる電極の他の形態を示す説明図である。
図13本発明に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409のさらに他の例を示す概略構成図である。
図14本発明に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409のさらに他の例を示す概略構成図である。
図15本発明に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409のさらに他の例を示す概略構成図である。
図16図15の例における薄膜コイル427の巻密度の状態を示す説明図である。
図17本発明のズーム光学系に用いる形状可変ミラーとして適用可能な可変形状鏡409のさらに他の例を示す概略構成図である。
図18図17の例におけるコイル427の一配置例を示す説明図である。
図19図17の例におけるコイル427の他の配置例を示す説明図である。
図20図15に示した例において、コイル427を図19のように配置した場合に適する永久磁石426の配置を示す説明図である。
図21本発明のズーム光学系を用いた撮像装置に適用可能な形状可変ミラーとしての可変形状鏡409を用いた撮像系の概略構成図である。
図22本発明に用いる形状可変ミラーとして適用可能なさらに他の例の可変形状鏡188の概略構成図である。
図23本発明に用いる形状可変ミラーに適用可能なマイクロポンプの一例を示す概略構成図である。
図24本発明に適用可能な、可変焦点レンズを応用した可変焦点ミラーを示す図である。
図25本発明に用いる形状可変ミラーに適用可能な可変形状鏡のさらに他の例を示す概略構成図である。

--

0115

G1 第1群
G2 第2群
G3 第3群
G4 第4群
DM形状可変ミラー

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