JP2005062318A - 可変焦点距離光学系及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
例えば広角端から望遠端の間の撮影に使用する倍率で、撮像面に入射する主光線の角度変化を小さくすることができる可変焦点距離光学系、及びそれを用いた撮像装置を提供する。
【解決手段】
比較例の場合は、広角端では入射角が大きく、望遠端では主光線の入射角が小さくなるのに対し、本実施の形態の場合は、可変焦点レンズＶＬを用いることで、広角端及び望遠端で主光線の入射角をほぼ等しくでき、イメージセンサＣＭＯＳの撮像により高画質な画像を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばＣＣＤ型イメージセンサあるいはＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子に対して光学像を結像させるのに好適な可変焦点距離光学系、およびそれを用いた撮像装置に関する。

近年、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ）型イメージセンサあるいはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ等の固体撮像素子を用いたデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置が普及してきている。また、固体撮像素子の小型化及び高画素化に伴い、これらの撮像装置に搭載される光学系には、さらなる小型化、高性能化への要求が高まっている。

特に、例えば高画素の固体撮像素子を備えた撮像装置に用いられる光学系には、画面全域において良好な受光感度を得るために像側テレセントリックであること及び収差特性を良好とすることが要求される。像側テレセントリックとは、各像高において主光線が光軸と平行な角度で固体撮像素子の撮像面に入射することを言う。例えば、単焦点の撮影レンズを使用する撮像装置の場合には、その小型化に伴い実際には５°〜３０°程度の角度をもって撮像面に入射するような、略像側テレセントリックな光学系を用いることが一般的となっている。

しかるに、広角端と望遠端とを有する一般的なズーム光学系においては、広角端と望遠端とで各レンズ要素の光軸方向位置が異なるため、いずれの位置においても、テレセントリックとなるような光学系を設計するためには、ズーム光学系を大型化する必要があり、少ないレンズ枚数で小型に設計することは極めて困難である。これに対し、広角端から望遠端の間の撮影に使用する倍率で、撮像面に入射する主光線の角度変化を小さくすれば、入射角が多少大きくなっても、それに合わせた固体撮像素子を用いることで、撮像面周辺の光量落ちを抑制できる。

しかしながら、レンズ要素を光軸方向に移動させるズーム光学系において、広角端から望遠端の間で撮像面に入射する主光線の角度変化を小さくするためには、従来とは全く異なる視点から光学系を設計する必要がある。一方、特許文献１には、電気毛管現象を用いた可変焦点レンズが開示されている。
ＷＯ９９／１８４５６号公報

しかしながら、特許文献１には、そのような可変焦点レンズを用いて、どのような光学系を構成するかについての具体的な記載がなく、特に、撮像装置における光学系の問題点をどのようにして解決するかについて記載されていない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、例えば広角端から望遠端の間の撮影に使用する倍率で、撮像面に入射する主光線の角度変化を小さくすることができる可変焦点距離光学系、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。

請求項１に記載の可変焦点距離光学系は、複数の移動レンズ群を備え、前記移動レンズ群を光軸方向に移動することで変倍を行う可変焦点距離光学系において、変倍による焦点面（例えば撮像面）ヘの光束の入射角変化を低減する入射角変化低減手段を設けたことを特徴とするので、前記入射角低減手段が入射角変化を小さく抑えれば、それに合わせた撮像素子を用いることで撮像面周辺の光量を確保でき、高画質な画像を得ることが可能となる。

請求項２に記載の可変焦点距離光学系は、請求項１に記載の発明において、前記入射角変化低減手段は、導電性または有極性の第１の液体および前記第１の液体とは互いに混合することがない第２の液体を、界面が所定の形状となるように容器内に密閉収容し、前記第１の液体と前記容器に設けられた電極との間に電圧を印加することにより、前記界面の形状を変化させて屈折力を調整するようにした液体光学素子により構成されることを特徴とするので、光軸方向に移動することなく電気的制御により可変焦点を達成でき、それにより変倍による焦点面ヘの光束の入射角変化を効果的に低減することができる。

請求項３に記載の可変焦点距離光学系は、請求項１又は２に記載の発明において、前記入射角変化低減手段の広角端での屈折力をＰＷ、望遠端での屈折力をＰＴとしたときに、ＰＴ＜ＰＷであることを特徴とする。

請求項４に記載の可変焦点距離光学系は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記入射角変化手段は、広角端では正の屈折力を、望遠端では負の屈折力を有することを特徴とする。

請求項５に記載の撮像装置は、複数の移動レンズ群を備え、前記移動レンズ群を光軸方向に移動することで変倍を行う可変焦点距離光学系と、可変焦点距離光学系により被写体像が結像される撮像素子とを備えた撮像装置において、変倍による撮像素子ヘの光束の入射角変化を低減する入射角低減手段を設けたことを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１に記載の発明と同様である。

請求項６に記載の撮像装置は、請求項５に記載の発明において、前記入射角変化低減手段は、導電性または有極性の第１の液体および前記第１の液体とは互いに混合することがない第２の液体を、界面が所定の形状となるように容器内に密閉収容し、前記第１の液体と前記容器に設けられた電極との間に電圧を印加することにより、前記界面の形状を変化させて屈折力を調整するようにした液体光学素子により構成されることを特徴とする。

請求項７に記載の撮像装置は、請求項５又は６に記載の発明において、前記可変焦点距離光学系により設定した焦点距離に応じて、前記液体光学素子ヘ印加する電圧を制御する制御手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、例えば広角端から望遠端の間の撮影に使用する倍率で、撮像面に入射する主光線の角度変化を小さくすることができる可変焦点距離光学系、及びそれを用いた撮像装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる、可変焦点距離光学系を含む撮像装置の光軸方向断面図であり、図１（ａ）は広角端にあり、図１（ｂ）は望遠端にあるが、可変焦点レンズＶＬの駆動部その他の電気回路は省略している。図１において、可変焦点距離光学系は、物体側から順に、第１レンズＬ１と、開口絞りＳと、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ２と、第４レンズＬ４と、入射角変化低減手段である可変焦点レンズＶＬとを含み、この可変焦点距離光学系と、可変焦点レンズＶＬの像側に配置されたカバーガラスＣＧ及び固体撮像素子であるイメージセンサＣＭＯＳとで、撮像装置が構成される。尚、第１レンズＬ１が第１群Iを構成し、開口絞りＳと第２レンズＬ２と第３レンズＬ２が第２群IIを構成し、第４レンズＬ４が第３群IIIを構成し、可変焦点レンズＶＬが第４群IVを構成し、ここでは第１群Iと第２群IIが光軸方向に移動して変倍を行うようになっている。

図２は、可変焦点レンズＶＬおよびその駆動部の概略構成図である。ＶＬは本実施の形態にかかる可変焦点レンズを示している。４０は不導体で形成された下容器である。この下容器４０の底面（図で右内側面）のうち周辺部には第１の凹部４１が形成されているとともに、これよりも内径側（中心側）には第１の封止板２を保持する第２の凹部４２が形成されている。第１の封止板２は、透明アクリルあるいはガラスにより形成されている。

この下容器４０の周辺壁部の内側全周には第２の電極リング４３が設けられており、この第２の電極リング４３の表面には、電極端面４３ａもカバーするアクリル樹脂等でできた絶縁層４４が密着形成されている。

ここで、下容器４０の周辺壁部は、光軸Ｘに対して図で右端側が左端側よりも光軸Ｘに近づくように傾いている。このため、第１の電極リング４３と絶縁層４４も共に光軸Ｘに対して傾いている。

また、絶縁層４４の厚さは、図で右に向かって徐々に増加している。更に、絶縁層４４の内面全周の下側には、撥水処理剤が塗布されて撥水層１１が形成されている。さらに、絶縁層４４の内面全周の左側には、親水処理剤が塗布されて親水層１２が形成されている。

５０は不導体で形成された上容器であり、その内径側で、透明アクリルあるいはガラスにより形成された第２の封止板６を保持する。また、上容器５０の周辺部右端面には、シート状の第１の電極リング５１が密着形成されている。

この第１の電極リング５１の表面には、絶縁層５２が密着形成されているが、後述する第１の液体２１に接してこれに電圧を印加するための露出部５１ａが備わるように、絶縁層５２は第１の電極リング５１の外縁側のみをカバーするように形成されている。

そして、下容器４０の周辺壁部と上容器５０とを液密に封止することにより、下容器４０、上容器５０、第１の封止板２および第２の封止板６で囲まれた所定体積の液室を有した筐体としての容器が形成される。

この容器は、光軸Ｘに対して軸対称形状をなしている。そして、液室には、以下のようにして２種類の液体が充填される。

まず、第１の封止板２を取り付けた下容器４０の光軸Ｘを鉛直方向に向けた状態で、液室の底面である第１の封止板２の上面および下容器４０の周辺側の底面すなわち（これらが界面対向面に相当する）に、第２の液体２２が、その液柱の高さが周辺壁部の撥水膜１１の中間の高さになる分量だけ滴下される。

第２の液体２２は無色透明で、比重１．０６、室温での屈折率１．４５のシリコーンオイルが用いられる。続いて、液室内の残りの空間には、第１の液体２１が充填される。第１の液体２１は、水とエチルアルコールが所定比率で混合され、更に所定量の食塩が加えられた、比重１．０６、室温での屈折率１．３５の電解液（導電性又は有極性を有する液体）である。

すなわち、第１および第２の液体２１，２２は、比重が等しく、屈折率が異なり、かつ互いに混ざることのない（不溶な）液体が選定される。そして、両液体２１，２２は界面２４を形成し、混ざり合わずにそれぞれが独立して存在する。

この界面２４の形状は、液室（容器）の内面、第１の液体２１および第２の液体２２の３物質が交わる点、すなわち界面２４の外縁部に働く３つの界面張力の釣り合いで決まる。その後、第２の封止板６を取り付けた上容器５０を、下容器４０に取り付けることで、２種類の液体が封止される。

３１は第１の電極リング２５と第２の電極リング３とに接続された給電回路である。

給電回路３１の２つの増幅器（図示せず）はそれぞれ、第１の電極リング５１および第２の電極リング４３から上容器５０の右端面に沿って光軸直交方向に引き出された端子部５１ｂ，４３ｂに接続されている。

以上の構成において、第１の液体２１に第１の電極リング５１および第２の電極リング４３を介して電圧が印加されると、いわゆるエレクトロウェッティング効果によって界面２４が変形する。

次に、可変焦点レンズＶＬにおける界面２４の変形と、この変形によってもたらされる光学作用について説明する。

まず、第１の液体２１に電圧が印加されていない場合、図２に示すように、界面２４の形状は、両液体２１，２２間の界面張力、第１の液体２１と絶縁層４４上の撥水膜１１あるいは親水膜１２との界面張力、第２の液体２２と絶縁層４４上の撥水膜１１あるいは親水膜１２との界面張力、および第２の液体２２の体積で決まる。

一方、給電回路３１より第１の液体２１に電圧が印加されると、エレクトロウェッティング効果によって第１の液体２１と親水膜１２との界面張力が減少し、第１の液体２１が親水膜１２と撥水膜１１との境界を乗り越えて撥水膜１１上に入り込む。この結果、第２の液体２２の光軸上での高さが増加する。

このように第１および第２の電極リング５１，４３を通じた第１の液体２１への電圧印加によって、２種類の液体の界面張力の釣り合いが変化し、両液体２１，２２間の界面２４の形状が変わる。こうして、給電回路３１の電圧制御によって界面２４の形状を自在に変えられる光学素子が実現できる。

また、第１および第２の液体２１，２２が異なる屈折率を有しているため、光学レンズとしての光学パワー（１／ｆ：ｆは焦点距離）が付与されることになり、即ち可変焦点レンズＶＬは、界面２４の形状変化によって焦点距離が変化する。

図１に示す撮像装置において変倍がなされたとすると、給電回路３１は、設定された倍率（焦点距離）を、例えば第２群IIの移動した位置に対応する情報などより得て、各倍率における可変焦点レンズＶＬに印加する電圧を予め記憶しているテーブルから設定された倍率に対応した印加電圧を求め、可変焦点レンズＶＬに印加する。このように制御することで、可変焦点レンズＶＬは所望のように光学パワーを変化させ、可変焦点距離光学系の倍率の変化によるイメージセンサＣＭＯＳへの入射角の変化を低減するようになっている。

このようにして焦点距離が調整された可変焦点距離光学系を通過することによって撮像面に結像された光学像は、イメージセンサＣＭＯＳで電気信号に変換され、更に所定の処理を施されることで画像信号に変換されるようになっている。

図３は、比較例にかかる光学系を含む撮像装置の光軸方向断面図であり、図３（ａ）は広角端にあり、図３（ｂ）は望遠端にある。比較例は、可変焦点レンズを有していない点のみが、図１の本実施の形態と異なるので、同じ構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。

図１，３を比較すると明らかであるが、比較例の場合は、広角端では入射角が大きく、望遠端では主光線の入射角が小さくなるのに対し、本実施の形態の場合は、可変焦点レンズＶＬを用いることで、広角端及び望遠端で主光線の入射角をほぼ等しくでき、イメージセンサＣＭＯＳの撮像により高画質な画像を得ることができる。

以下に、本実施の形態に好適な可変焦点距離光学系の実施例（図１に対応）及び比較例（図３に対応）を示すが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。本実施例及び比較例において、非球面の形状は、面の頂点を原点とし光軸方向をＸ軸とした直交座標系において、頂点曲率をＣ、円錐定数をＫ、非球面係数をＡ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２として以下の「数１」で表す。

本実施例にかかる可変焦点距離光学系のレンズデータを表１に示し、その焦点距離ｆ、レンズ間距離ｄ１〜ｄ４、可変焦点レンズの界面の半径を表２に示す。尚、本実施例における可変焦点レンズの広角端での屈折力ＰＷは＋０．０１４３であり、望遠端での屈折力は−０．０１２５である。

比較例にかかる光学系のレンズデータを表３に示し、その焦点距離ｆ、レンズ間距離ｄ１、ｄ２を表４に示す。

比較例において、設計上、広角端における撮像面への主光線の入射角は１７．０°であり、望遠端における撮像面への主光線の入射角は１０．８°であるため、その差が６．１°となるのに対し、本実施例では、設計上、広角端における撮像面への主光線の入射角は１３．９°であり、望遠端における撮像面への主光線の入射角は１３．９°であるため、その差は０であり、変倍しても撮像面における周辺光量の変化がないという特徴を有する。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。本発明の撮像装置は、小型のデジタルスチルカメラや、携帯電話、ＰＤＡ等の携帯端末に搭載されることが好ましいが、パソコンカメラなど他の用途にも用いることができる。

本発明の実施の形態にかかる、可変焦点距離光学系を含む撮像装置の光軸方向断面図である。 可変焦点レンズＶＬおよびその駆動部の概略構成図である。 比較例にかかる光学系を含む撮像装置の光軸方向断面図である。

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ
Ｓ 開口絞り
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
ＶＬ 可変焦点レンズ
ＣＭＯＳ イメージセンサ

Claims (7)

1. 複数の移動レンズ群を備え、前記移動レンズ群を光軸方向に移動することで変倍を行う可変焦点距離光学系において、
   変倍による焦点面ヘの光束の入射角変化を低減する入射角変化低減手段を設けたことを特徴とする可変焦点距離光学系。
2. 前記入射角変化低減手段は、導電性または有極性の第１の液体および前記第１の液体とは互いに混合することがない第２の液体を、界面が所定の形状となるように容器内に密閉収容し、前記第１の液体と前記容器に設けられた電極との間に電圧を印加することにより、前記界面の形状を変化させて屈折力を調整するようにした液体光学素子により構成されることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点距離光学系。
3. 前記入射角変化低減手段は、前記焦点面の被写体側近傍に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変焦点距離光学系。
4. 前記入射角変化低減手段の広角端での屈折力をＰＷ、望遠端での屈折力をＰＴとしたときに、ＰＴ＜ＰＷであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の可変焦点距離光学系。
5. 複数の移動レンズ群を備え、前記移動レンズ群を光軸方向に移動することで変倍を行う可変焦点距離光学系と、可変焦点距離光学系により被写体像が結像される撮像素子とを備えた撮像装置において、
   変倍による撮像素子ヘの光束の入射角変化を低減する入射角低減手段を設けたことを特徴とする撮像装置。
6. 前記入射角変化低減手段は、導電性または有極性の第１の液体および前記第１の液体とは互いに混合することがない第２の液体を、界面が所定の形状となるように容器内に密閉収容し、前記第１の液体と前記容器に設けられた電極との間に電圧を印加することにより、前記界面の形状を変化させて屈折力を調整するようにした液体光学素子により構成されることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記可変焦点距離光学系により設定した焦点距離に応じて、前記液体光学素子ヘ印加する電圧を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の撮像装置。
   

Images