ズームレンズ、カメラモジュール、電子機器、及びズームレンズの設計方法
【課題】液体レンズ内に気泡の発生しないズームレンズを提供することを目的とする。
【解決手段】第１の変形面を有し、その変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズ３５、この第１の可変レンズ３５の後段に配置され、第２の変形面を有し、その変形により焦点距離を変化させ、変倍による像面位置の移動を補正する第２の可変レンズ５１を含む。第１、第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜による変形面、弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質、この媒質から弾性膜に加える圧力を変化させて変形面を変形させる。
【解決手段】第１の変形面を有し、その変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズ３５、この第１の可変レンズ３５の後段に配置され、第２の変形面を有し、その変形により焦点距離を変化させ、変倍による像面位置の移動を補正する第２の可変レンズ５１を含む。第１、第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜による変形面、弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質、この媒質から弾性膜に加える圧力を変化させて変形面を変形させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ズームレンズ、カメラモジュール、電子機器、及びズームレンズの設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レンズ媒質に液体を用いた液体レンズの開発が盛んに進められるようになっている。このレンズでは、少なくとも一方のレンズ面を変形可能な膜状等の変形面とし、レンズ媒質に液体を用いることによりレンズ形状を変化させるものである。同様に、媒質にゲルを用いるゲルレンズも提案されている。これらのレンズは、レンズそのものの曲率を変えることができるため、可変焦点レンズとして用いることができる。
【０００３】
例えば下記特許文献１では、こうしたレンズを撮像レンズ用のワイドコンバータとして用いることが開示されている。図１４を参照して特許文献１に記載されたワイドコンバータを説明する。図１４Ａに示すように、このコンバータ１１０は第１のレンズ群１２０と第２のレンズ群１３０とから構成されている。そして第１のレンズ群１２０は、固体レンズからなる第１のレンズ１２１と、像側（図１４中右側）に変形面として変形膜１２３を備える液体レンズより成る第２のレンズ１２２とにより構成される。
また第２のレンズ群１３０は、固体レンズである第３のレンズ１３１と像側（図１４中右側）に変形膜１３３を備える液体レンズである第４のレンズ１３２とにより構成される。
【０００４】
第２のレンズ１２２及び第４のレンズ１３２はともに上述した屈折面形状の変形による液体レンズであり、内部には光透過性の液体が封入されている。さらに、図示しない管状等の液体移動部を介してポンプ機構等にそれぞれ接続される。そしてこのポンプ機構等によって第２のレンズ１２２や第４のレンズ１３２内の液体へ加える圧力を変化させると、それに応じて変形膜１２３、１３３が変形する。
【０００５】
図１４Ａでは第２のレンズ１２２内の液体を吸引等することにより変形膜１２３を凹形状とし、また第４のレンズ１３２は、内部に液体を導入することにより変形膜１３３を凸形状としてある。また固定レンズである第１のレンズ１２１は凹レンズであり、第３のレンズ１３１は凸レンズとされる。すなわち、第１のレンズ群１２０は負の屈折力を、また第２のレンズ群１３０は正の屈折力を有し、系全体で１より小さいアフォーカル倍率を有する状態とされる。
【０００６】
これに対して図１４Ｂの状態においては、第２のレンズ１２２内部に液体を導入する等して変形膜１２３を膨らませ、平凸レンズとする。これにより第１のレンズ群１２０として１より小さいアフォーカル倍率を有するレンズ群とされる。また第４のレンズは、内部の液体を吸引等することにより変形膜１３３をへこませ、両凹レンズとする。これにより第２のレンズ群１３０として１より大きいアフォーカル倍率を有するレンズ群とされる。つまりこの場合、系全体ではアフォーカル倍率が１の状態とすることができる。
【０００７】
このように第２のレンズ及び第４のレンズを液体レンズとし、図１４Ａ及び図１４Ｂのようにレンズ形状を変化させることで、全系の焦点面を一定位置に維持したまま、撮影系全体の焦点距離を広角側に変化させるワイドコンバータ１１０を提供できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１８５６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、レンズ屈折面形状が変形可能とされる可変焦点レンズを用いてレンズ面の曲率を変化させ、焦点距離を可変とする際には、その面形状を凹型へと変形させマイナスの屈折力を生じさせる場合が存在する。
【００１０】
中でも、レンズ内に充填された液体等の媒質の圧力を変化させることによって面を変形させる場合、例えばレンズ内に充填されたその光透過性の液体をポンプ等にて引く等し、圧力を変化させることによって凹形状へと変化させる。この場合この光透過性液体の液圧は負圧となるため、液体内に気泡が発生しやすい環境となる。
なお、このように内部に充填された媒質の圧力を変化させることによって光屈折面を変形させる可変焦点レンズを以下「屈折面形状の変形による可変レンズ」と称することとする。
【００１１】
図１５は、屈折面形状の変形による可変レンズ内に気泡が発生するモデルを表す説明図である。シリンジ１４１内に液体１４３が充填されており、これをピストン１４２によって引く場合を考える。ここで、理想状態として液体１４３には気泡核が存在しない状態とする。
図１５Ａにおいては、ピストン１４２に力を加えておらず液体１４３の圧力と外気圧とが釣り合った状態を表している。これに対して図１５Ｂのようにピストン１４２を外向きにＤ１方向に引くと、液体１４３は負圧状態となり気泡１４４が発生する。
【００１２】
このシリンジ１４１内の液体１４３に気泡１４４を発生させるのに必要なエネルギＥは、気泡１４４の表面エネルギと負圧下で気泡を生成するのに要するエネルギとの和となる。これは、気泡１４４の半径をｒとすると下記数１によって表される。数１においてＴは液体１４３の表面張力、ΔＰは液体１４３のピストンを引くことにより発生する液圧と外気圧との差である。またここではΔＰは負の値となる。
【００１３】
【数１】
【００１４】
図１６は上記数１を気泡４の半径ｒの関数としてグラフ化したものである。図１６から明らかなように、この関数には極値が存在する。ここでこの極値における半径ｒｃを臨界半径、極値におけるエネルギΔＥを気泡発生のエネルギ障壁とする。
すなわち臨界半径ｒｃよりも小さい大きさの気泡は、よりエネルギの低い安定状態、より半径の小さくなる方へと向かうため消滅する。しかし、臨界半径ｒｃよりも大きい半径気泡はエネルギがエネルギ障壁ΔＥよりも大きいため液体内に残り続けることになる。
また、衝撃や振動などのエネルギが印加されることにより、系のエネルギがΔＥよりも高まると、液体内に気泡が発生する。
【００１５】
この臨界半径ｒｃ及びエネルギ障壁ΔＥは下記数２、数３によって表される。
【００１６】
【数２】
【００１７】
【数３】
【００１８】
このように、理想的な条件下においては気泡の発生は液体の表面張力や液圧と外気圧の差に依存する。特にエネルギ障壁ΔＥは液圧と外気圧との差の２乗に反比例し、液体の表面張力の３乗に比例する。すなわち、気泡の発生を抑制するには表面張力の高い液体を用いるか、もしくは液圧と外気圧の差ΔＰを与えないことが必要となる。
【００１９】
図１７は、屈折面形状の変形による可変レンズにおけるモデルを表す説明図である。可変レンズ１５０内部には媒質として光透過性の液体１５１が満たされ、この液体１５１を出し入れすることによって弾性膜１５２の形状が変化する。屈折面形状の変形による可変レンズの液圧ＰＬ、外気圧ＰＡ、膜弾性力ＰＥの関係は上記の図１のモデルと等価となり、下記の式によって表される。
ΔＰ＝ＰＬ−ＰＡ＝−ＰＥ＜０
屈折面形状の変形による可変レンズ１５０が図１７の断面図に示すように凹レンズ形状の場合、弾性膜１５２の変形により生じる弾性力によって液体には上方向への引っ張り圧力が加わり、負圧の状態となる。また、これとは逆に液体１５１の量を増やして凸形状とした場合には、液体１５１には弾性膜１５２の弾性力によって圧縮力が働き、正圧となる。
【００２０】
従来においては、既述のように屈折面形状の変形による可変レンズを凹形状へ変化させた状態も適用することが多く、この場合にはレンズ内の液体が負圧となる。したがって気泡発生のエネルギ障壁ΔＥは有限の値となるため、気泡が発生する可能性をもつ。
【００２１】
また、上記のようなワイドコンバータのみならず、ズームレンズにこうした可変焦点レンズを適用すれば、ズーム時にレンズを移動させるスペースを省くことができるので非常に有用性が高い。しかし、光学系の設計次第では屈折面形状の変形による可変レンズを用いると、液体レンズ面を凹形状とする必要があり、液体内に気泡が発生しうる状態となる。
【００２２】
そこで本発明は上記問題に鑑み、屈折面形状の変形による可変レンズを用いてもレンズ内に気泡の発生しにくいズームレンズ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】
【００２３】
上気課題を解決するために、本発明によるズームレンズは、第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズと、前記第１の可変レンズを有するレンズ群の後段に配置され、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させ、前記変倍にともなう像面位置の移動を補正する第２の可変レンズと、を含む。そして前記第１または第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜による前記変形面と、少なくとも前記弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質とを備え、光透過性の媒質が前記変形面に加える圧力を変化させることで前記変形面を変形させる可変レンズとされ、使用範囲において、第１及び第２の変形面が、平面形状から凸形状の範囲で変形する構成とされる。
【００２４】
すなわち本発明におけるズームレンズは、レンズ面を変形面とし、この変形面をバリエータとして用いるものである。この変形面は光透過性の弾性膜等によって構成することができる。そしてレンズ内部に充填される光透過性の媒質の増減等によって形状を変化させ、曲率を変動させる。なお、このレンズ内部に充填される媒質は液体以外にゲル状のものでもよく、光透過性を有し、レンズ内への充填量調整が容易な流動性の媒質であればよい。またこのレンズの後段にも変形面を有するレンズを配置し、いわゆるコンペンセータおよびフォーカスレンズとして用いる。すなわちこの変形面の形状変化によって、倍率の変動に伴う像面位置のズレを調整し、物体位置の変動による合焦をする。
【００２５】
そして本発明においては、このズームレンズに用いられる可変レンズの変形面を平面形状から凸形状の範囲で変形する構成として用いる。したがって、可変レンズ内に充填される媒質が負圧となり、可変レンズ内に気泡が発生するのを防ぐことができる。
【００２６】
また本発明によるカメラモジュールは、上述の本発明構成のズームレンズと、このズームレンズによって集光される光を受光する撮像部とを含む。
【００２７】
また本発明におけるカメラモジュールにおいても、そのズームレンズに用いられる可変レンズの変形面を平面形状から凸形状の範囲で変形する構成として用いる。したがって、可変レンズ内に充填される媒質が負圧となり、可変レンズ内に気泡が発生するのを防ぐことができ、このため、本発明によるカメラモジュールは高品質な画像を長期間にわたって提供することが可能である。
またさらには、ズームレンズ内の光路上にミラー等の光路変更素子を配置することによって、カメラモジュールの厚みを低くすることもできる。
【００２８】
また本発明における電子機器は、上述の本発明構成のズームレンズと、前記ズームレンズによって集光される光を受光する撮像部と、を含むカメラモジュールを備える。またこのカメラモジュールの撮像部によって取得されたデータの処理を行う画像処理部と、第１及び第２の可変レンズの変形面の変形を行う可変レンズ機構部と、前記画像処理部及び前記可変レンズ機構部の制御を行う制御部を備える。
本発明における電子機器においても、搭載されるカメラモジュールのズームレンズは、その可変レンズを平面形状から凸形状の範囲で変形する構成として用いる。このため可変レンズ内の媒質が負圧になるのを防ぐことができる。したがって、本発明による電子機器は高品質な画像の取得を維持することが可能となる。
【００２９】
また本発明によるズームレンズの設計方法は、第１の変形面を有し、第１の変形面の変形により焦点距離を変化させる第１の可変レンズを配置する。そして第１の可変レンズの後段に、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させる第２の可変レンズを配置するものである。
【００３０】
そして、広角端における第１の変形面の曲率を望遠端における第１の変形面の曲率よりも小さくし、広角端における第２の変形面の曲率を望遠端における第２の変形面の曲率よりも大きくするものである。これにより、第１の変形面および第２の変形面が常に物体側に凸形状を有する状態にてズーム動作を行うことが可能となり、第１および第２の可変レンズ内に充填される媒質に加わる力が負圧となるのを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、変倍、又は合焦及び像面位置補正に用いる屈折面形状の変形による可変レンズの変形面を平面形状から凸形状として用いることができる。したがって、レンズ内に充填される媒質が負圧となるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態によるズームレンズの概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態によるズームレンズの広角端における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図３】本発明の実施の形態によるズームレンズの中間焦点距離における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図４】本発明の実施の形態によるズームレンズの望遠端における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図５】第３面を変形面とするズームレンズの広角端における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図６】第３面を変形面とするズームレンズの中間焦点距離における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図７】第３面を変形面とするズームレンズの望遠端における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図８】参照波長５５５ｎｍの光に対する本発明の実施の形態によるズームレンズのＭＴＦを示す説明図である。Ａは広角端を、Ｂは中間焦点距離、Ｃは望遠端を示す。
【図９】第３面を変形面とするズームレンズのＭＴＦを示す説明図である。Ａは広角端を、Ｂは中間焦点距離、Ｃは望遠端を示す。
【図１０】本発明の実施の形態によるズームレンズの色倍率収差を示す説明図である。Ａは広角端を、Ｂは望遠端を示す。
【図１１】本発明の第２の実施の形態によるズームレンズを示す概略構成図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態による撮像装置を示す概略構成図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態による携帯情報端末装置を示す概略構成図である。
【図１４】屈折面形状の変形による可変レンズを用いた従来のワイドコンバータの構成を示す構成図である。
【図１５】気泡の発生モデルを説明する説明図である。
【図１６】気泡の半径と、その気泡を発生させるのに必要とするエネルギとの関係を示す説明図である。
【図１７】屈折面形状の変形による可変レンズにおいて働く圧力を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（ズームレンズの実施の形態）
２．第２の実施の形態（ズームレンズの他の実施の形態）
３．第３の実施の形態（カメラモジュールの実施の形態）
４．第４の実施の形態（電子機器の実施の形態）
【００３４】
１．第１の実施の形態
以下本発明の実施の形態によるズームレンズ１００の構成を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるズームレンズ１００を表す構成図である。本発明によるズームレンズは、変形面を物体側の面に備えた第１の可変レンズを有するレンズ群３４と、その後段に配置され、変形面を物体側の面に備えた第２の可変レンズを有するレンズ群５０を含む。また図１に示す例では、正の屈折率を有する中間レンズ群４０を可変レンズを有するレンズ群３４及び５０の間に配置する。またこれらにより集光された光はセンサカバー６１を透過した後、撮像素子６２等の受光面２３に結像する。
なお、図１に示すように、ズームレンズ１００を構成するそれぞれのレンズ、絞り４８、センサカバー６１の面及び撮像部６２の受光面を物体側から第１〜２３面とする。
【００３５】
第１の可変レンズを有する第１のレンズ群３４は、例えば物体側第１面に変形膜を有し、例えば像側が凹形状とされる第１の可変レンズ３５を備える。そしてその像側に、物体側が凸、像側が凹のメニスカス形状とされた第１の固体レンズ３６と両凹形状とされた第２の固体レンズ３７とにより構成される。
第１の可変レンズ３５は屈折面形状の変形による可変レンズにより構成され、例えば光透過性の平板又は所定の曲面形状を有する光透過性の基板の間に光透過性の液体、ゲル等の媒質が収容された構成とし得る。この構成において、基板の間の接合部に管状等の液体移動部を設け、液体移動部を介して内部の媒質を出し入れ可能とすることもできる。この場合図示しないポンプ機構等の制御機構により液体移動部を介して内部の媒質を出し入れしたり、媒質の圧力を変化させることにより、物体側の第１面に配置された変形膜が変形し、曲率が変化する。なお、本発明に適用する可変レンズとしては、その他の構成でもよい。例えばレンズ内に媒質を収容する領域が２か所以上設けられ、変形膜に接する領域内の媒質を移動させることで変形膜を変形させる構造であってもよく、屈折面形状の変形による可変レンズとしての構造や変形機構は特に限定されない。
【００３６】
そして上述したように、図１に示すズームレンズ１００においては、例えば物体側第１面を屈折面形状の変形による可変レンズの変形膜とすることにより、物体側焦点距離を変化させるバリエータとしての機能を持たせる。
またここでは、第１の可変レンズ３５の像側に第１の固体レンズ３６が組み合わされて一体化した接合型のダブレットレンズとする例としてある。
【００３７】
中間レンズ群４０は、物体側から第３の固体レンズ４１と、第１の固体レンズ群４０ａと、絞り４８と、第２の固体レンズ群４０ｂと、第３の固体レンズ群４０ｃによって構成される。例えば第３の固体レンズ４１は両凸形状のレンズであり、第１の固体レンズ群４０ａは両凸形状の第４の固体レンズ４２と両凹形状の第５の固体レンズ４３とにより構成される。また、第２の固体レンズ群４０ｂは両凹形状の第６の固体レンズ４４と両凸形状の第７の固体レンズ４５とにより構成される。
ここで、第１の固体レンズ群４０ａと第２の固体レンズ群４０ｂは絞り４８を介して前後に対称的に配置され、いわゆるガウスタイプのような構成とすることにより像面湾曲やディストーション等を打ち消すようにしてある。
【００３８】
また第３の固体レンズ群４０ｃは、両凹形状の第８の固体レンズ４６と両凸形状の第９の固体レンズ４７により構成される。第９の固体レンズ４７の像側面１７は非球面であり軸上収差や軸外の収差等を補正する機能を有する。またこのように、中間レンズ群４０を構成する個々のレンズは全て固体レンズとなっている。
【００３９】
第２の可変レンズを有するレンズ群５０は、物体側に変形膜を有し像側が凸とされた第２の可変レンズ５１と、物体側が凹形状とされた第１０の固体レンズ５２とによって構成される。第２の可変レンズ５１も屈折面形状の変形による可変レンズ等によって構成することができ、物体側の面である第１８面の形状変化によって像面位置を変化させるコンペンセータ、及びフォーカスレンズの機能等も兼ねている。また、第２の可変レンズ５１内に充填される光透過性の媒質は液状でもゲル状のものであってもよい。
【００４０】
これらズームレンズ１００を構成するそれぞれのレンズ、絞り４８、センサカバー６１の面及び撮像素子６２における曲率半径ｒ、光軸上の面間隔ｄ、面間の媒質におけるｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）の屈折率、同様にｄ線に対するアッベ数を下記設計例１に示す。なお第１７面は非球面としてあり、非球面係数も下記に示す。また各レンズ、絞りの有効径をＲに示す。なお、後ろ側焦点距離はセンサのガラスカバー厚を除く。
【００４１】
設計例１
面データ 曲率半径r 面間隔ｄ 屈折率nd アッベ数ｖd 有効径Ｒ
面番号
1 r1 d1 1.58 29.1 3.705
2 3.87357 1.45 1.743972 44.85 3.1247
3 9.59223 1.2 2.9804
4 -13.4527 0.6 1.744182 28.10 2.76
5 11.27496 6.368128 2.5783
6 47.04509 1.02 1.7552 27.58 2.0084
7 -10.7293 0.8 1.9515
8 9.94058 1.06 1.750507 32.82 1.6364
9 -11.04001 0.8 1.48749 70.41 1.4456
10 17.47191 0.4 1.1815
11 絞り 1.2 1.0378
12 -3.9439 0.8 1.749382 27.82 1.151
13 9.66673 1.54 1.604743 61.16 1.3566
14 -4.49862 1.357853 1.615
15 -9.80008 0.8 1.755201 27.58 1.8526
16 4.64493 2.35 1.663216 53.19 2.1149
17* -5.32866 d2 2.4
18 r2 d3 1.5057 34.90 2.5132
19 -18.55058 1 1.75520 27.58 2.4502
20 -218.9945 1.941048 2.419
21 INFINITY 0.105 1.48749 70.41
22 INFINITY 2.837622
23 INFINITY 0
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.73 6.46 11.19
Ｆナンバー 3.20 3.75 4.80
画角 [度] 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（望遠端時）
ＢＦ 4.9
d1 0.02000 0.70661 1.08705
d2 0.03994 0.43108 1.1025
d3 1.56256 1.17142 0.5
r1 INFINITY 12.05152 8.05784
r2 6.65924 10.02216 INFINITY
【００４２】
非球面データ
第２２面
ε=1,A4=-2.8267×10-4,A6=-3.2148×10-5,A8=0.0000,A10=0.0000
【００４３】
また、第１の可変レンズ３５及び第２の可変レンズ５１の形状の変化例として図１Ａには広角端における構成を示してある。広角端においては第１の可変レンズ３５内の変形膜によって構成される第１面はほぼ平面に近い状態とされる。この時、第２の可変レンズ５１の第１８面は正の屈折力を有する凸形状とされることにより、像面位置を調整する。
【００４４】
中間焦点距離の状態を表す図１Ｂにおいては、第１の可変レンズ３５内の液体やゲル等の媒質の量が、図示しないポンプ機構等の制御機構により増やしたりする等して圧力を高める。これにより第１面の曲率は大きくなり物体側焦点距離が図１Ａの広角端に比べて長くなる。
一方、第２の可変レンズ５１においては、レンズ内に充填される液体やゲル等の量を減らしたり、圧力を弱めることにより正の屈折力を弱める方向に変形膜を変形させる。このことにより、物体側焦点距離が長くなったことによる像面位置のズレを調整することができる。なお、変形面の変形態様は媒質の量の増減によるもの以外であってもよく、上述したレンズ内の領域間移動等でもよい。
【００４５】
図１Ｃは、望遠端における状態を表している。望遠端においては屈折面形状の変形による可変レンズによって構成される第１の可変レンズ３５内の液体やゲル等の量をさらに増やし、変形膜を凸形状、正の屈折力を強める方向に変形させることで物体側焦点距離を長くする。この時もう一方の屈折面形状の変形による可変レンズである第２の可変レンズ５１の変形面である物体側の面は、内部に充填される液体の量をさらに減らしほぼ平面に近い状態において光を受光面３３に結像させる。
【００４６】
このように、本実施の形態においては第１の可変レンズ３５が屈折面形状の変形による可変レンズとされ、その変形面である変形膜の変形によって物体側焦点距離の変化、変倍率を行うため、広角端において第１面が平面形状もしくは凸形状であれば、望遠端へとズームしても変形膜を常に凸形状の状態にて用いることができる。
また、もう一方の屈折面形状の変形による可変レンズによって構成される第２の可変レンズ５１においても、例えば物体側の面１８が変形膜としてある。したがって、第１の可変レンズ３５の変形面が正の屈折力を有する方向に変形する場合、広角端から望遠端へとズームする場合に生じる像面位置のズレは、第２の可変レンズ５１の変形面を負の屈折力を強める方向に変形させることで調整する。したがって、望遠端における変形膜をちょうどほぼ平面状とした状態で受光面に結像が行われるようにしておけば、中間焦点距離や広角端においては、変形膜を凸形状とすることによる像面位置の調整が可能となる。これにより第２の可変レンズ５１も常に凸形状とされることになる。
【００４７】
このように本実施の形態においては、第１の可変レンズ３５の屈折力を正の方向に強くし、第２の可変レンズ５１の屈折率を負の方向に強くすることによって広角端から望遠端へと変えるものである。この時の第１の可変レンズ３５及び第２の可変レンズ５１の変形膜の曲率の関係は下記式（１）、（２）によって表される。
なお、φＡｔは望遠端における第１の可変レンズ３５の変形膜の曲率、φＡｗは広角端における第１の可変レンズ３５の変形膜の曲率を表す。また、φＢｔは望遠端における第２の可変レンズ５１の変形膜の曲率、φＢｗは広角端における第２の可変レンズ５１の変形膜の曲率を表す。
φＡｔ＞φＡｗ ・・・（１）
φＢｔ＜φＢｗ ・・・（２）
【００４８】
以上のように本実施の形態においては、ズーム動作を行っても２つの可変レンズを常に凸形状として用いるものである。このため、変形膜の張力によって可変レンズ内の光透過性液体やゲル等に加えられる力は圧縮力となり、第１の可変レンズ３５内に充填される媒質の圧力が負圧となるのを抑制することができる。
したがって、このような可変レンズ等においては媒質内に気泡が発生するのを防ぐことができるため、光学性能を損なうことなく高い品質を維持することが可能となる。
【００４９】
本実施の形態においては物体側最前のレンズを第１の可変レンズとしたが、第１の変形面を変形させることにより倍率の変化が可能となる構成であればこれに限らず、その後段に配置されるレンズを第１の可変レンズとしてもよい。また第１の可変レンズよりも物体側にカバーガラスやその他のレンズ等を配置してもよい。また、像側の面を変形面とする場合には、望遠端においてほぼ平面形状とし、変形膜を像側に凸形状へと変化させることによって広角端へと移行することになる。
また、第２の可変レンズにおいては物体側の面に第２の変形面を配置する構成としたが、第２の可変レンズの像側の面に第２の変形膜を配置する光学系を構成してもよい。この場合にも第２の変形膜は像側に凸の形状にて合焦及び像面位置の調整を行うことになる。
【００５０】
また、ズームレンズにおけるバリエータおよびコンペンセータの機能を液体レンズ等の可変レンズによって実現することにより、ズーム時にレンズを移動させるスペースを省くことができる。このため密なレンズ構成とすることができ、光学系のサイズを小さくすることが可能となる。
【００５１】
たとえば本実施の形態においては、レンズ第１面から受光面２３までの全長が３０．３ｍｍであり、バックフォーカスを含まずセンサカバー６１を空気換算すると、その長さは２５．４ｍｍとなる。また固体レンズの総厚みは１０．４ｍｍ、可変レンズの総厚みは最大２．６ｍｍである。したがって全長に占めるレンズ厚の割合は（１０．４＋１．７８）／２５．４＝４８．０％となり、全長のほぼ半分近くをレンズ厚が占める密な構成とすることができる。
【００５２】
また例えば第１面を変形膜とし、ここにバリエータとしての機能を持たせる場合には入射する光線高さが高くなる。このため球面収差の影響が大きくなるが、本実施の形態においてはレンズ内に充填する液体に屈折率の高い媒体を用い、曲率の変動幅を小さくするようにしてある。またさらに、第１面でのビーム系が小さい光学系としてあり、球面収差の影響を小さくすることができるので好ましい。
例えば上述した設計例１においては、第１レンズ３５に用いた液体は、屈折率１．５８、アッベ数２９．１である。また第１１レンズに用いた液体の屈折率は１．５０５７、アッベ数は３４．９である。
【００５３】
また、液体レンズ等の可変レンズにおける変形面は、その変形膜の弾性等の特性のために、曲率が大きくなる程球面形状から離れ、非球面形状となっていく。ところが本実施の形態においては、第１面に配置される変形面は光線高さが最大になる広角端において曲率が最小となり、光線高さが最小となる望遠端において曲率が最大となる。このため、第１面の曲率が大きい時に、球面形状から乖離することによって生じる球面収差の影響を抑えることもできる。
【００５４】
以上のような構成とされたズームレンズ１００の収差を図２〜図４に示す。図２は広角端における収差、図３は中間焦点距離における収差、図４には望遠端における収差を表してある。また、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａは球面収差であり、実線は波長８７０ｎｍ、一点鎖線は波長８００ｎｍ、２点鎖線は波長５５５ｎｍ、破線は波長５１０ｎｍ、飛び破線は波長４７０ｎｍにおける収差を示す。図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂにおける実線Ｓ、破線Ｔはそれぞれサジタル面、メリディオナル面における非点収差である。また、図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃは歪曲収差を示す。
【００５５】
また比較例として、第１の可変レンズ３５を固体レンズまた第１の固体レンズ３６を屈折面形状の変形による可変レンズとし、この可変レンズの像側の面である第３面を変形膜として形状変化させる場合の収差を図５〜図７に示す。ただし、この場合は変形面を凹形状としても用いることになるため、気泡発生の可能性を有するズームレンズとなる。
図５〜７はそれぞれ広角端、中間焦点距離、望遠端における収差を表してある。また同様に、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａは非球面収差であり、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、２点鎖線は波長５５５ｎｍ、破線は波長５１０ｎｍ、飛び破線は波長４７０ｎｍにおける収差を示す。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂにおける実線Ｓ、破線Ｔはそれぞれサジタル面、メリディオナル面における非点収差である。また、図５Ｃ、図６Ｃ、図７Ｃは歪曲収差を示す。
【００５６】
また、図８に本実施の形態によるズームレンズ１００における設計例１の場合のＭＴＦ性能を示す。横軸は空間周波数（ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ）、縦軸は変調度である。図８Ａは広角端、図８Ｂは中間焦点距離、図８Ｃは望遠端におけるＭＴＦである。
また図９は、これの比較例として第１レンズを固体レンズ、また第２レンズを屈折面形状の変形による可変レンズとし、第３面を変形膜とした場合のＭＴＦである。図９Ａは広角端、図９Ｂは中間焦点距離、図９Ｃは望遠端におけＭＴＦを示す。これら図において線ａ、ｂは回折限界を示し、線ｃ、ｄは像高３０％、線ｅ、ｆは像高５０％、線ｇ、ｈは像高７０％、線ｉ、ｊは像高１００％におけるタンジェンシャル（接線）、ラジアル（半径）方向の変調度を表す。
これらのことから、本実施形態のように第１面に屈折面形状の変形による可変レンズの変形膜を配置し、バリエータとすることによって変倍率を行っても、光学性能を損なうことなく動作できることがわかる。
【００５７】
ところで、図１０は本実施の形態によるズームレンズ１００の倍率色収差を示すものである。図１０Ａは広角端、図１０Ｂは望遠端における倍率色収差を表す。横軸は規格化した画角を、縦軸には収差として波長５３０ｎｍの光の像点位置に対するズレ量（ｍｍ）を示してある。また、破線は波長４５０ｎｍ、実線は波長６００ｎｍの光線の収差を表す。
このように本実施の形態においては、図１０Ｂに示す望遠端の倍率色収差特性から明らかなように、周辺光線の倍率色収差もリニアに近い、すなわち画角に対して比例的に変化する関係となっている。このため、信号補正技術により容易に補正を行うことができ、鮮明な像を得ることができる。
【００５８】
２．第２の実施の形態
図１１は第２の実施の形態によるズームレンズ２００を表す構成図である。なお、第１の実施の形態を表す図１と対応する箇所については同符号を付し、重複を避ける。
本実施の形態におけるズームレンズ２００は、変形面を例えば物体側第１面に備え、負の屈折力を有する第１の可変レンズを有するレンズ群３４と、第１の可変レンズを有するレンズ群３４によって取込まれた光を反射等して光の進行方向を変える光路変更素子６３を含む。また、光路変更素子６３によって反射された光の光路上に配置され、正の屈折率を有する中間レンズ群４０と、第２の可変レンズを有するレンズ群５０を含む。またこれらにより集光された光はセンサカバー６１を透過した後、撮像素子等の受光面３３に結像する。
【００５９】
本実施の形態においても同様に、第１の可変レンズを有するレンズ群３４は、例えば物体側第１面に変形膜による変形面を有し、例えば像側が凹形状とされる第１の可変レンズ３５と、物体側が凸、像側が凹のメニスカス形状とされた第１の固体レンズ３６と両凹形状とされた第２の固体レンズ３７とにより構成される。
第１の可変レンズ３５は屈折面形状の変形による可変レンズにより構成され、レンズ内部の媒質の圧力を変化させることにより、第１面に配置された変形膜を変形させて、曲率の変化を行う。
【００６０】
中間レンズ群４０は、物体側から第３の固体レンズ４１と、第１の固体レンズ群４０ａと、絞り４８と、第２の固体レンズ群４０ｂと、第３の固体レンズ群４０ｃによって構成される。例えば第３の固体レンズ４１は両凸形状のレンズであり、第１の固体レンズ群４０ａは両凸形状の第４の固体レンズ４２と両凹形状の第５の固体レンズ４３とにより構成される。また、第２の固体レンズ群４０ｂは両凹形状の第６の固体レンズ４４と両凸形状の第７の固体レンズ４５とにより構成される。
また、第１の固体レンズ群４０ａと第２の固体レンズ群４０ｂは本実施形態においても絞り４８を介して前後に対称的に配置され、像面湾曲やディストーション等を打ち消すようにしてある。
【００６１】
また第３の固体レンズ群４０ｃは、両凹形状の第８の固体レンズ４６と両凸形状の第９の固体レンズ４７により構成される。第９の固体レンズの像側の面は非球面とされ、軸上収差や軸外の収差等の各収差を補正する。
【００６２】
第２の可変レンズを有するレンズ群５０は、例えば物体側に変形膜を有し像側が凸とされた第２の可変レンズ５１と、物体側が凹形状とされた第１０の固体レンズ５２とによって構成される。第２の可変レンズ５１は屈折面形状の変形による可変レンズによって構成でき、物体側の面の形状変化によって像面位置を変化させ調整する。
【００６３】
図１１では望遠端における状態を表してあり、第１の可変レンズ３５の第１面は凸形状とされる。またこの時第２の可変レンズ５１の変形面である物体側の面は、ちょうどほぼ平面形状において像を受光面に結ぶようにするのが好ましい。
そして第１の可変レンズ３５は、内部に充填された液体やゲル等の量を減少させたり、圧力を減少させてマイナスの屈折力方向に、第２の可変レンズ５１は内部の液体の量を増やしたりして圧力を高めることによって変形面を凸形状とし、プラスの屈折力方向へ変化させることによって望遠端から広角端へと推移する。変形面の変形態様は第１の実施の形態と同様これに限定されるものではなく、レンズ内の媒質の移動等であってもよい。
【００６４】
このように本実施の形態においても、屈折面形状の変形による可変レンズである第１の可変レンズの変形面の曲率変化によって変倍率を行う。
また、倍率の変化によって生じる像面位置のズレは、もう一方の屈折面形状の変形による可変レンズである第２の可変レンズ５１によって調整される。本実施の形態では、物体側の面を変形面とし、望遠端において面形状が平面に近い状態となるようにする。このことにより望遠端から広角端へと倍率を変化させても、変形面を凸形状としてプラスの屈折力方向へと変形させることにより像面位置の調整を行うことができる。すなわち、第２の可変レンズ５１の変形面も常に凸形状として用いることができる。
【００６５】
このように、第１の可変レンズ３５及び第２の可変レンズ５１はその変形面を常に凸形状として用いるため、レンズ内に充填された媒質が負圧となるのを抑制することができる。このため、媒質内に気泡が発生してしまうことを防ぐことができ、常時高い品質状態で使用者の利用に応えることが可能となる。
【００６６】
また本実施の形態においては、第１の可変レンズを有するレンズ群３４の光軸方向が、中間群４０及び第２の可変レンズを有するレンズ群５０の光軸方向と異なるように配置される。すなわち第１の可変レンズを有するレンズ群３０からとりこまれた光は、ミラー等の光路変更素子６３によって反射されることにより、中間レンズ群４０へと導かれる。
【００６７】
本実施の形態によるズームレンズ２００は、バリエータやコンペンセータとして液体レンズ等による屈折面形状の変形による可変レンズを用いている。したがってズーム時にレンズを移動させるためのスペースを必要としない。このため、この空いたスペースに光路変更素子６３を配置することが可能となり、光路を折り返すことができる。これにより、ズームレンズ２００は第１の可変レンズを有するレンズ群３４の光軸方向の厚さを薄くすることができ、電子機器にも搭載スペースを確保しやすい。
【００６８】
また本実施の形態においても、第１の変形面を変形させることにより倍率の変化が可能となる構成であればこれに限らず、その後段に配置されるレンズを第１の可変レンズとすることができる。また第１の可変レンズよりも物体側にカバーガラスやその他のレンズ等を配置してもよい。また、像側の面を変形面とする場合には、望遠端においてほぼ平面形状とし、変形膜を像側に凸形状へと変化させることによって広角端へと移行することになる。
また、第２の可変レンズの像側の面に第２の変形膜を配置する光学系を構成する場合も、第２の変形膜は像側に凸の形状にて合焦及び像面位置の調整を行う。
【００６９】
３．第３の実施の形態
次に、本発明のズームレンズを適用した撮像装置の一例を説明する。図１２は、本実施形態の撮像装置の概略構成図である。
【００７０】
撮像装置３００は主に、屈折面形状の変形による可変レンズによるズームレンズ７０と、ズームレンズ７０を介して入射された光を電気信号に変換して映像信号を取得する固体撮像素子等の撮像部７１とを有するカメラモジュール７７を備える。そしてこのカメラモジュール７７により取得した映像信号に所定の処理を施す映像信号処理部７２を含む。また、映像信号記録／再生部７３（ＣＰＵ：Central Processing Unit）及び内部メモリ７４を含み、内部メモリ７４は映像信号処理部７２にて処理された信号を映像データとして記憶する。そして映像信号記録／再生部７３は、映像信号処理部７２にて処理された信号や内部メモリ７４に記憶されたデータの記録・再生を行う。更に、映像信号記録／再生部７４により再生される映像等を表示させる表示装置７４と、図示しないズームボタン等のオン、オフに従ってズームレンズ７０を作動させる制御部７６も含む。
【００７１】
本実施形態においてズームレンズ７０は第１の実施の形態（図１）や第２の実施の形態（図１１）にて示したものを用いることができ、入射した光Ｌｉを固体撮像素子等の撮像部７１の受光面に結像させる。
【００７２】
すなわち、本実施形態における撮像装置３００のズームレンズ７０は、屈折面形状の変形による可変レンズである第１の可変レンズを備え、その例えば物体側の面が変形面とされる。そしてその変形面の曲率を変化させることによって、倍率を変化させる。
そしてその後段にはもう一方の屈折面形状の変形による可変レンズであるの第２の可変レンズが配置され、この変形面の曲率を変化させることによって、倍率の変化にともなう像面位置のズレを調整する。
【００７３】
また、第１の可変レンズの変形面は望遠端において最大の曲率を有し、もう一方の第２の可変レンズの変形面はほぼ平面に近い状態において像を結像する。そして第１の可変レンズは内部の液体やゲル等の量を減らしたり、圧力を小さくすることによってマイナスの屈折力方向へと変形し、もう一方の可変レンズは内部の液体量を増やしたり、圧力を高めることによってその変形面をプラスの屈折力方向へと変形させて望遠端から広角端へと移行する。また、可変レンズ内に充填される媒質の圧力を変化させるポンプ機構等の制御機構は、カメラモジュール７７内に内臓されていてもよいし、外付けしてあってもよい。
【００７４】
ズームレンズ７０によって集光される光は撮像部７１に結像される。この撮像部７１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）デバイス等の固体撮像素子で構成することができる。これらのデバイスは、照射された光エネルギーを電荷に変換する複数の光電変換部を有し、画素毎の受光量を映像信号に変換して外部に出力する。
【００７５】
このようにしてカメラモジュール７７により取得された映像信号は、映像信号処理部７２においてデータ処理が行われるが、レベル補正やシェーディング補正等の画像処理は撮像部７１にて行われるようにしてあってもよい。処理後の映像信号は映像信号記録／再生部７３によって内部メモリ７４に記録される。また、記録された映像を再生する時には内部メモリ７４より記録データを読み出し、表示装置７５に表示させる。
【００７６】
制御部７６は、ズームボタン等によってズーム機能のオン、オフの信号を受けると、図示しないポンプ機構等の制御を行い、ズームレンズ７０を構成する可変レンズに充填された光透過性液体やゲル等の出し入れを行う。すなわち、望遠端へと移行する時には物体側に配置される第１の可変レンズ内に充填される光透過性液体等の圧力を高め、正の屈折力を強める方向に物体側の変形膜を変形させる。また、その後段に配置されるもう一方の第２の可変レンズに対しては、充填される光透過性液体の圧力を小さくする。これにより、負の屈折力を強める方向に物体側のレンズ面である変形膜を変形させ、像面位置を調整する。
また広角端へと移行する時には、第１の可変レンズ内の光透過性液体やゲル等の圧力を減らし、負の屈折力を強める方向へ物体側の変形膜を変形させる。そして、その後段に配置される第２の可変レンズ内の光透過性液体やゲル等の圧力を高め、正の屈折力を強める方向に物体側のレンズ面を変形させる。
この場合においてももちろん、光透過性液体やゲル等のレンズ媒質の量の増減のみではなく、レンズ内の移動等によって変形する構成等、その他の変形機構を有する可変レンズでもよい。
【００７７】
このように本実施の形態による撮像装置３００は、そのズームレンズ７０の第１の可変レンズの第１面の変形により倍率を変化させる。このため、可変レンズの変形面を常に凸形状として用いることができる。これにより、可変レンズ内の媒質が負圧となるのを防ぐことができるので、媒質内に気泡が発生するのを抑制することができる。よって高品質な画像を取得し続けることが可能となる。
また、液体レンズやゲルレンズ等による可変レンズによって倍率の変化及び像面位置の調整を行うので、従来のようにレンズを移動させるためのスペースを必要とせず、装置を小型化することができる。
【００７８】
４．第４の実施の形態
次に、本発明によるズームレンズを電子機器に搭載する例として、携帯通信端末装置に用いる場合について説明する。
図１３は本実施の形態による携帯情報端末装置４００の構成を表すブロック図である。
携帯情報端末装置４００は、制御部（ＣＰＵ）８１を備え、信号バス８０を介して携帯通信端末装置４００内の各部に指令を送ることができる構成とされる。
すなわち、制御部８１はＲＯＭ（Read Only Memory）８２に保存されている制御プログラムをＲＡＭ（Random Access Memory）８３に展開し、信号バス８０を介して各部の制御を行う。
【００７９】
また、基地局等とのと無線通信を行うアンテナ８４は通信制御部８５に接続され、無線信号の送信処理及び受信処理が行われる。受信された信号が音声信号である場合には、音声処理部９０に供給され、アナログ音声信号としてスピーカ９１から出力される。逆にマイクロフォン９２が外部より拾う音声信号は、音声処理部９０においてデジタル音声データに変換され、信号バス８０を介して通信制御部８５に供給される。
【００８０】
また、液晶表示パネルなどで構成されるＬＣＤ８７を有し、表示制御部８６の制御によって各種文字や画像などの表示が行われる。操作部９５は、数字などのダイヤルキーや各種機能キー、タッチパネルなどにより構成され、それぞれのキーによる入力情報を制御部８１へと伝達する。ＲＯＭ８２には、制御部８１で用いるプログラムや、各種保存データが格納される。
【００８１】
カメラモジュール８９は主にズームレンズとズームレンズにより結像される像を電気信号に変換して画像データを取得する撮像部とによって構成される。このズームレンズには第１及び第２の実施の形態（図１、１１）にて示したズームレンズを用いることができる。すなわち、ズームレンズは物体側第１レンズ及びその後段に配置されるレンズ屈折面形状の変形による可変レンズによって構成され、例えばその物体側の面が変形面とされる。そして図示しないポンプ機構等の可変レンズ機構部により、可変レンズ内に充填された光透過性媒質の圧力を変化させ、変形面の曲率を変化させる。なお、第２の実施の形態（図１１）のように光路変更素子をズームレンズ内の光路中に配置して折り返す構成としてあると、モジュール高さを低くすることができ搭載スペースを確保しやすいので好ましい。
【００８２】
カメラ制御部８８はカメラモジュール８９の動作を制御するとともに、取得された映像信号を圧縮処理等して信号バス８０へと送る。また、ズームレンズの動作を制御するポンプ機構等の可変レンズ機構部の制御やカメラモジュール８９にて取得された映像信号の処理を行う映像信号処理部等は、カメラモジュール８９内に内蔵されていてもよいし、カメラ制御部８８にて行うようにしてもよい。
【００８３】
信号バス８０へと送られた映像データはＲＡＭ８３に一時的に保存されるが、必要に応じてメモリーカードインターフェース９３へと出力されメモリーカード９４に保存される。または、表示制御部８６を介してＬＣＤ（液晶ディスプレイ）８７に表示される。
【００８４】
これらの映像データや、アンテナ８４により受信された通信データ等は、例えば赤外線インターフェース９６によって赤外線通信部９７を介して外部に出力され、同じような赤外線通信部を備えた機器へ伝達されるようにしてもよい。外部の機器としては例えば、携帯電話、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等の外部の情報機器等が挙げられる。
【００８５】
このように、本実施の形態における携帯通信端末装置４００は、本発明によるズームレンズを搭載したカメラモジュールを搭載している。
ズームレンズには屈折面形状の変形による可変レンズである第１の可変レンズが備えられ、例えばその物体側の面が変形膜、すなわち変形面とされる。そしてこのレンズ内の光透過性媒質の圧力を変化させることにより変形面の曲率を変化させ、倍率の変動を行う。またこの後段には第２の可変レンズが配置され、第２の可変レンズの変形面の形状を変化させることによって、倍率の変動にともなう像面位置のズレを補正する。
【００８６】
広角端においては、第１の可変レンズの変形面はほぼ平面形状とされ、もう一方の第２の可変レンズはその変形面が凸形状の状態において像を撮像部の受光面に結像させる。そして第１レンズの変形面は正の屈折力の方向に、つまりほぼ平面状の面の曲率が大きくなる方向に形状を変化させることによって広角端から望遠端へと倍率を変化させる。
またこの際には、もう一方第２の可変レンズの物体側の面の変形面を負の屈折力を有する方向、すなわちレンズ内の媒質の圧力を小さくすることによって像面位置を調整する。
この場合も、可変レンズの変形面の変形態様はレンズ媒質の量の増減のみならずレンズ内の移動等、他の構成によるものでもよい。
【００８７】
このように、本実施の形態においても屈折面形状の変形による可変レンズを常に凸形状として用いることが可能となる。このため、レンズ内部に充填された液体等の媒質が負圧になるのを抑制できる。したがって媒質内に気泡が発生しないので光学性能が劣化せず、本実施形態による携帯通信端末装置４００は品質の高い画像を常に提供し続けることができる。
【００８８】
また、液体レンズやゲルレンズ等の可変レンズをバリエータやコンペンセータとして用いているので、ズーム時にはレンズを移動させる必要がなく、そのためのスペースを省くことができる。従って密なレンズ構成とすることができ、小型化をはかることができる。
【００８９】
以上、本発明によるズームレンズ、カメラモジュール、電子機器、及びズームレンズの設計方法について説明したが、本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、なお考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９０】
１〜２３・・・面、３５・・・第１の可変レンズ、３６、３７，４１〜４７，５２・・・レンズ、５１・・・第２の可変レンズ、４８・・・絞り、３４，４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，５０，１２０，１３０・・・レンズ群、６１・・・センサカバー、６２・・・撮像部、６３・・・光路変更素子、７０，１００，２００・・・ズームレンズ、７１・・・撮像部、７２・・・映像信号処理部、７３・・・映像信号記録／再生部、７４・・・表示装置、７５・・・内部メモリ、７６・・・制御部、７７・・・カメラモジュール、８０・・・信号バス、８１・・・制御部、８２・・・ＲＯＭ、８３・・・ＲＡＭ、８４・・・アンテナ、８５・・・通信制御部、８６・・・表示制御部、８７・・・ＬＣＤ、８８・・・カメラ制御部、８９・・・カメラモジュール、９０・・・音声処理部、９１・・・スピーカ、９２・・・マイクロフォン、９３・・・メモリーカードインターフェース、９４・・・メモリーカード、９５・・・操作部、９６・・・赤外線インターフェース、９７・・・赤外線通信部、１１０・・・ワイドコンバータ、１２１，１２２，１３１，１３２・・・レンズ、１２３，１３３・・・変形膜、１４１・・・シリンジ、１４２・・・ピストン、１４３・・・液体、１４４・・・気泡、１５０・・・液体レンズ、１５１・・・液体、１５２・・・弾性膜、３００・・・撮像装置、４００・・・携帯通信端末装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ズームレンズ、カメラモジュール、電子機器、及びズームレンズの設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レンズ媒質に液体を用いた液体レンズの開発が盛んに進められるようになっている。このレンズでは、少なくとも一方のレンズ面を変形可能な膜状等の変形面とし、レンズ媒質に液体を用いることによりレンズ形状を変化させるものである。同様に、媒質にゲルを用いるゲルレンズも提案されている。これらのレンズは、レンズそのものの曲率を変えることができるため、可変焦点レンズとして用いることができる。
【０００３】
例えば下記特許文献１では、こうしたレンズを撮像レンズ用のワイドコンバータとして用いることが開示されている。図１４を参照して特許文献１に記載されたワイドコンバータを説明する。図１４Ａに示すように、このコンバータ１１０は第１のレンズ群１２０と第２のレンズ群１３０とから構成されている。そして第１のレンズ群１２０は、固体レンズからなる第１のレンズ１２１と、像側（図１４中右側）に変形面として変形膜１２３を備える液体レンズより成る第２のレンズ１２２とにより構成される。
また第２のレンズ群１３０は、固体レンズである第３のレンズ１３１と像側（図１４中右側）に変形膜１３３を備える液体レンズである第４のレンズ１３２とにより構成される。
【０００４】
第２のレンズ１２２及び第４のレンズ１３２はともに上述した屈折面形状の変形による液体レンズであり、内部には光透過性の液体が封入されている。さらに、図示しない管状等の液体移動部を介してポンプ機構等にそれぞれ接続される。そしてこのポンプ機構等によって第２のレンズ１２２や第４のレンズ１３２内の液体へ加える圧力を変化させると、それに応じて変形膜１２３、１３３が変形する。
【０００５】
図１４Ａでは第２のレンズ１２２内の液体を吸引等することにより変形膜１２３を凹形状とし、また第４のレンズ１３２は、内部に液体を導入することにより変形膜１３３を凸形状としてある。また固定レンズである第１のレンズ１２１は凹レンズであり、第３のレンズ１３１は凸レンズとされる。すなわち、第１のレンズ群１２０は負の屈折力を、また第２のレンズ群１３０は正の屈折力を有し、系全体で１より小さいアフォーカル倍率を有する状態とされる。
【０００６】
これに対して図１４Ｂの状態においては、第２のレンズ１２２内部に液体を導入する等して変形膜１２３を膨らませ、平凸レンズとする。これにより第１のレンズ群１２０として１より小さいアフォーカル倍率を有するレンズ群とされる。また第４のレンズは、内部の液体を吸引等することにより変形膜１３３をへこませ、両凹レンズとする。これにより第２のレンズ群１３０として１より大きいアフォーカル倍率を有するレンズ群とされる。つまりこの場合、系全体ではアフォーカル倍率が１の状態とすることができる。
【０００７】
このように第２のレンズ及び第４のレンズを液体レンズとし、図１４Ａ及び図１４Ｂのようにレンズ形状を変化させることで、全系の焦点面を一定位置に維持したまま、撮影系全体の焦点距離を広角側に変化させるワイドコンバータ１１０を提供できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１８５６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、レンズ屈折面形状が変形可能とされる可変焦点レンズを用いてレンズ面の曲率を変化させ、焦点距離を可変とする際には、その面形状を凹型へと変形させマイナスの屈折力を生じさせる場合が存在する。
【００１０】
中でも、レンズ内に充填された液体等の媒質の圧力を変化させることによって面を変形させる場合、例えばレンズ内に充填されたその光透過性の液体をポンプ等にて引く等し、圧力を変化させることによって凹形状へと変化させる。この場合この光透過性液体の液圧は負圧となるため、液体内に気泡が発生しやすい環境となる。
なお、このように内部に充填された媒質の圧力を変化させることによって光屈折面を変形させる可変焦点レンズを以下「屈折面形状の変形による可変レンズ」と称することとする。
【００１１】
図１５は、屈折面形状の変形による可変レンズ内に気泡が発生するモデルを表す説明図である。シリンジ１４１内に液体１４３が充填されており、これをピストン１４２によって引く場合を考える。ここで、理想状態として液体１４３には気泡核が存在しない状態とする。
図１５Ａにおいては、ピストン１４２に力を加えておらず液体１４３の圧力と外気圧とが釣り合った状態を表している。これに対して図１５Ｂのようにピストン１４２を外向きにＤ１方向に引くと、液体１４３は負圧状態となり気泡１４４が発生する。
【００１２】
このシリンジ１４１内の液体１４３に気泡１４４を発生させるのに必要なエネルギＥは、気泡１４４の表面エネルギと負圧下で気泡を生成するのに要するエネルギとの和となる。これは、気泡１４４の半径をｒとすると下記数１によって表される。数１においてＴは液体１４３の表面張力、ΔＰは液体１４３のピストンを引くことにより発生する液圧と外気圧との差である。またここではΔＰは負の値となる。
【００１３】
【数１】
【００１４】
図１６は上記数１を気泡４の半径ｒの関数としてグラフ化したものである。図１６から明らかなように、この関数には極値が存在する。ここでこの極値における半径ｒｃを臨界半径、極値におけるエネルギΔＥを気泡発生のエネルギ障壁とする。
すなわち臨界半径ｒｃよりも小さい大きさの気泡は、よりエネルギの低い安定状態、より半径の小さくなる方へと向かうため消滅する。しかし、臨界半径ｒｃよりも大きい半径気泡はエネルギがエネルギ障壁ΔＥよりも大きいため液体内に残り続けることになる。
また、衝撃や振動などのエネルギが印加されることにより、系のエネルギがΔＥよりも高まると、液体内に気泡が発生する。
【００１５】
この臨界半径ｒｃ及びエネルギ障壁ΔＥは下記数２、数３によって表される。
【００１６】
【数２】
【００１７】
【数３】
【００１８】
このように、理想的な条件下においては気泡の発生は液体の表面張力や液圧と外気圧の差に依存する。特にエネルギ障壁ΔＥは液圧と外気圧との差の２乗に反比例し、液体の表面張力の３乗に比例する。すなわち、気泡の発生を抑制するには表面張力の高い液体を用いるか、もしくは液圧と外気圧の差ΔＰを与えないことが必要となる。
【００１９】
図１７は、屈折面形状の変形による可変レンズにおけるモデルを表す説明図である。可変レンズ１５０内部には媒質として光透過性の液体１５１が満たされ、この液体１５１を出し入れすることによって弾性膜１５２の形状が変化する。屈折面形状の変形による可変レンズの液圧ＰＬ、外気圧ＰＡ、膜弾性力ＰＥの関係は上記の図１のモデルと等価となり、下記の式によって表される。
ΔＰ＝ＰＬ−ＰＡ＝−ＰＥ＜０
屈折面形状の変形による可変レンズ１５０が図１７の断面図に示すように凹レンズ形状の場合、弾性膜１５２の変形により生じる弾性力によって液体には上方向への引っ張り圧力が加わり、負圧の状態となる。また、これとは逆に液体１５１の量を増やして凸形状とした場合には、液体１５１には弾性膜１５２の弾性力によって圧縮力が働き、正圧となる。
【００２０】
従来においては、既述のように屈折面形状の変形による可変レンズを凹形状へ変化させた状態も適用することが多く、この場合にはレンズ内の液体が負圧となる。したがって気泡発生のエネルギ障壁ΔＥは有限の値となるため、気泡が発生する可能性をもつ。
【００２１】
また、上記のようなワイドコンバータのみならず、ズームレンズにこうした可変焦点レンズを適用すれば、ズーム時にレンズを移動させるスペースを省くことができるので非常に有用性が高い。しかし、光学系の設計次第では屈折面形状の変形による可変レンズを用いると、液体レンズ面を凹形状とする必要があり、液体内に気泡が発生しうる状態となる。
【００２２】
そこで本発明は上記問題に鑑み、屈折面形状の変形による可変レンズを用いてもレンズ内に気泡の発生しにくいズームレンズ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】
【００２３】
上気課題を解決するために、本発明によるズームレンズは、第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズと、前記第１の可変レンズを有するレンズ群の後段に配置され、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させ、前記変倍にともなう像面位置の移動を補正する第２の可変レンズと、を含む。そして前記第１または第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜による前記変形面と、少なくとも前記弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質とを備え、光透過性の媒質が前記変形面に加える圧力を変化させることで前記変形面を変形させる可変レンズとされ、使用範囲において、第１及び第２の変形面が、平面形状から凸形状の範囲で変形する構成とされる。
【００２４】
すなわち本発明におけるズームレンズは、レンズ面を変形面とし、この変形面をバリエータとして用いるものである。この変形面は光透過性の弾性膜等によって構成することができる。そしてレンズ内部に充填される光透過性の媒質の増減等によって形状を変化させ、曲率を変動させる。なお、このレンズ内部に充填される媒質は液体以外にゲル状のものでもよく、光透過性を有し、レンズ内への充填量調整が容易な流動性の媒質であればよい。またこのレンズの後段にも変形面を有するレンズを配置し、いわゆるコンペンセータおよびフォーカスレンズとして用いる。すなわちこの変形面の形状変化によって、倍率の変動に伴う像面位置のズレを調整し、物体位置の変動による合焦をする。
【００２５】
そして本発明においては、このズームレンズに用いられる可変レンズの変形面を平面形状から凸形状の範囲で変形する構成として用いる。したがって、可変レンズ内に充填される媒質が負圧となり、可変レンズ内に気泡が発生するのを防ぐことができる。
【００２６】
また本発明によるカメラモジュールは、上述の本発明構成のズームレンズと、このズームレンズによって集光される光を受光する撮像部とを含む。
【００２７】
また本発明におけるカメラモジュールにおいても、そのズームレンズに用いられる可変レンズの変形面を平面形状から凸形状の範囲で変形する構成として用いる。したがって、可変レンズ内に充填される媒質が負圧となり、可変レンズ内に気泡が発生するのを防ぐことができ、このため、本発明によるカメラモジュールは高品質な画像を長期間にわたって提供することが可能である。
またさらには、ズームレンズ内の光路上にミラー等の光路変更素子を配置することによって、カメラモジュールの厚みを低くすることもできる。
【００２８】
また本発明における電子機器は、上述の本発明構成のズームレンズと、前記ズームレンズによって集光される光を受光する撮像部と、を含むカメラモジュールを備える。またこのカメラモジュールの撮像部によって取得されたデータの処理を行う画像処理部と、第１及び第２の可変レンズの変形面の変形を行う可変レンズ機構部と、前記画像処理部及び前記可変レンズ機構部の制御を行う制御部を備える。
本発明における電子機器においても、搭載されるカメラモジュールのズームレンズは、その可変レンズを平面形状から凸形状の範囲で変形する構成として用いる。このため可変レンズ内の媒質が負圧になるのを防ぐことができる。したがって、本発明による電子機器は高品質な画像の取得を維持することが可能となる。
【００２９】
また本発明によるズームレンズの設計方法は、第１の変形面を有し、第１の変形面の変形により焦点距離を変化させる第１の可変レンズを配置する。そして第１の可変レンズの後段に、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させる第２の可変レンズを配置するものである。
【００３０】
そして、広角端における第１の変形面の曲率を望遠端における第１の変形面の曲率よりも小さくし、広角端における第２の変形面の曲率を望遠端における第２の変形面の曲率よりも大きくするものである。これにより、第１の変形面および第２の変形面が常に物体側に凸形状を有する状態にてズーム動作を行うことが可能となり、第１および第２の可変レンズ内に充填される媒質に加わる力が負圧となるのを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、変倍、又は合焦及び像面位置補正に用いる屈折面形状の変形による可変レンズの変形面を平面形状から凸形状として用いることができる。したがって、レンズ内に充填される媒質が負圧となるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態によるズームレンズの概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態によるズームレンズの広角端における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図３】本発明の実施の形態によるズームレンズの中間焦点距離における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図４】本発明の実施の形態によるズームレンズの望遠端における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図５】第３面を変形面とするズームレンズの広角端における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図６】第３面を変形面とするズームレンズの中間焦点距離における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図７】第３面を変形面とするズームレンズの望遠端における収差を示す説明図である。Ａは球面収差、Ｂは非点収差、Ｃは歪曲収差を示す。
【図８】参照波長５５５ｎｍの光に対する本発明の実施の形態によるズームレンズのＭＴＦを示す説明図である。Ａは広角端を、Ｂは中間焦点距離、Ｃは望遠端を示す。
【図９】第３面を変形面とするズームレンズのＭＴＦを示す説明図である。Ａは広角端を、Ｂは中間焦点距離、Ｃは望遠端を示す。
【図１０】本発明の実施の形態によるズームレンズの色倍率収差を示す説明図である。Ａは広角端を、Ｂは望遠端を示す。
【図１１】本発明の第２の実施の形態によるズームレンズを示す概略構成図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態による撮像装置を示す概略構成図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態による携帯情報端末装置を示す概略構成図である。
【図１４】屈折面形状の変形による可変レンズを用いた従来のワイドコンバータの構成を示す構成図である。
【図１５】気泡の発生モデルを説明する説明図である。
【図１６】気泡の半径と、その気泡を発生させるのに必要とするエネルギとの関係を示す説明図である。
【図１７】屈折面形状の変形による可変レンズにおいて働く圧力を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（ズームレンズの実施の形態）
２．第２の実施の形態（ズームレンズの他の実施の形態）
３．第３の実施の形態（カメラモジュールの実施の形態）
４．第４の実施の形態（電子機器の実施の形態）
【００３４】
１．第１の実施の形態
以下本発明の実施の形態によるズームレンズ１００の構成を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるズームレンズ１００を表す構成図である。本発明によるズームレンズは、変形面を物体側の面に備えた第１の可変レンズを有するレンズ群３４と、その後段に配置され、変形面を物体側の面に備えた第２の可変レンズを有するレンズ群５０を含む。また図１に示す例では、正の屈折率を有する中間レンズ群４０を可変レンズを有するレンズ群３４及び５０の間に配置する。またこれらにより集光された光はセンサカバー６１を透過した後、撮像素子６２等の受光面２３に結像する。
なお、図１に示すように、ズームレンズ１００を構成するそれぞれのレンズ、絞り４８、センサカバー６１の面及び撮像部６２の受光面を物体側から第１〜２３面とする。
【００３５】
第１の可変レンズを有する第１のレンズ群３４は、例えば物体側第１面に変形膜を有し、例えば像側が凹形状とされる第１の可変レンズ３５を備える。そしてその像側に、物体側が凸、像側が凹のメニスカス形状とされた第１の固体レンズ３６と両凹形状とされた第２の固体レンズ３７とにより構成される。
第１の可変レンズ３５は屈折面形状の変形による可変レンズにより構成され、例えば光透過性の平板又は所定の曲面形状を有する光透過性の基板の間に光透過性の液体、ゲル等の媒質が収容された構成とし得る。この構成において、基板の間の接合部に管状等の液体移動部を設け、液体移動部を介して内部の媒質を出し入れ可能とすることもできる。この場合図示しないポンプ機構等の制御機構により液体移動部を介して内部の媒質を出し入れしたり、媒質の圧力を変化させることにより、物体側の第１面に配置された変形膜が変形し、曲率が変化する。なお、本発明に適用する可変レンズとしては、その他の構成でもよい。例えばレンズ内に媒質を収容する領域が２か所以上設けられ、変形膜に接する領域内の媒質を移動させることで変形膜を変形させる構造であってもよく、屈折面形状の変形による可変レンズとしての構造や変形機構は特に限定されない。
【００３６】
そして上述したように、図１に示すズームレンズ１００においては、例えば物体側第１面を屈折面形状の変形による可変レンズの変形膜とすることにより、物体側焦点距離を変化させるバリエータとしての機能を持たせる。
またここでは、第１の可変レンズ３５の像側に第１の固体レンズ３６が組み合わされて一体化した接合型のダブレットレンズとする例としてある。
【００３７】
中間レンズ群４０は、物体側から第３の固体レンズ４１と、第１の固体レンズ群４０ａと、絞り４８と、第２の固体レンズ群４０ｂと、第３の固体レンズ群４０ｃによって構成される。例えば第３の固体レンズ４１は両凸形状のレンズであり、第１の固体レンズ群４０ａは両凸形状の第４の固体レンズ４２と両凹形状の第５の固体レンズ４３とにより構成される。また、第２の固体レンズ群４０ｂは両凹形状の第６の固体レンズ４４と両凸形状の第７の固体レンズ４５とにより構成される。
ここで、第１の固体レンズ群４０ａと第２の固体レンズ群４０ｂは絞り４８を介して前後に対称的に配置され、いわゆるガウスタイプのような構成とすることにより像面湾曲やディストーション等を打ち消すようにしてある。
【００３８】
また第３の固体レンズ群４０ｃは、両凹形状の第８の固体レンズ４６と両凸形状の第９の固体レンズ４７により構成される。第９の固体レンズ４７の像側面１７は非球面であり軸上収差や軸外の収差等を補正する機能を有する。またこのように、中間レンズ群４０を構成する個々のレンズは全て固体レンズとなっている。
【００３９】
第２の可変レンズを有するレンズ群５０は、物体側に変形膜を有し像側が凸とされた第２の可変レンズ５１と、物体側が凹形状とされた第１０の固体レンズ５２とによって構成される。第２の可変レンズ５１も屈折面形状の変形による可変レンズ等によって構成することができ、物体側の面である第１８面の形状変化によって像面位置を変化させるコンペンセータ、及びフォーカスレンズの機能等も兼ねている。また、第２の可変レンズ５１内に充填される光透過性の媒質は液状でもゲル状のものであってもよい。
【００４０】
これらズームレンズ１００を構成するそれぞれのレンズ、絞り４８、センサカバー６１の面及び撮像素子６２における曲率半径ｒ、光軸上の面間隔ｄ、面間の媒質におけるｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）の屈折率、同様にｄ線に対するアッベ数を下記設計例１に示す。なお第１７面は非球面としてあり、非球面係数も下記に示す。また各レンズ、絞りの有効径をＲに示す。なお、後ろ側焦点距離はセンサのガラスカバー厚を除く。
【００４１】
設計例１
面データ 曲率半径r 面間隔ｄ 屈折率nd アッベ数ｖd 有効径Ｒ
面番号
1 r1 d1 1.58 29.1 3.705
2 3.87357 1.45 1.743972 44.85 3.1247
3 9.59223 1.2 2.9804
4 -13.4527 0.6 1.744182 28.10 2.76
5 11.27496 6.368128 2.5783
6 47.04509 1.02 1.7552 27.58 2.0084
7 -10.7293 0.8 1.9515
8 9.94058 1.06 1.750507 32.82 1.6364
9 -11.04001 0.8 1.48749 70.41 1.4456
10 17.47191 0.4 1.1815
11 絞り 1.2 1.0378
12 -3.9439 0.8 1.749382 27.82 1.151
13 9.66673 1.54 1.604743 61.16 1.3566
14 -4.49862 1.357853 1.615
15 -9.80008 0.8 1.755201 27.58 1.8526
16 4.64493 2.35 1.663216 53.19 2.1149
17* -5.32866 d2 2.4
18 r2 d3 1.5057 34.90 2.5132
19 -18.55058 1 1.75520 27.58 2.4502
20 -218.9945 1.941048 2.419
21 INFINITY 0.105 1.48749 70.41
22 INFINITY 2.837622
23 INFINITY 0
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.73 6.46 11.19
Ｆナンバー 3.20 3.75 4.80
画角 [度] 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（望遠端時）
ＢＦ 4.9
d1 0.02000 0.70661 1.08705
d2 0.03994 0.43108 1.1025
d3 1.56256 1.17142 0.5
r1 INFINITY 12.05152 8.05784
r2 6.65924 10.02216 INFINITY
【００４２】
非球面データ
第２２面
ε=1,A4=-2.8267×10-4,A6=-3.2148×10-5,A8=0.0000,A10=0.0000
【００４３】
また、第１の可変レンズ３５及び第２の可変レンズ５１の形状の変化例として図１Ａには広角端における構成を示してある。広角端においては第１の可変レンズ３５内の変形膜によって構成される第１面はほぼ平面に近い状態とされる。この時、第２の可変レンズ５１の第１８面は正の屈折力を有する凸形状とされることにより、像面位置を調整する。
【００４４】
中間焦点距離の状態を表す図１Ｂにおいては、第１の可変レンズ３５内の液体やゲル等の媒質の量が、図示しないポンプ機構等の制御機構により増やしたりする等して圧力を高める。これにより第１面の曲率は大きくなり物体側焦点距離が図１Ａの広角端に比べて長くなる。
一方、第２の可変レンズ５１においては、レンズ内に充填される液体やゲル等の量を減らしたり、圧力を弱めることにより正の屈折力を弱める方向に変形膜を変形させる。このことにより、物体側焦点距離が長くなったことによる像面位置のズレを調整することができる。なお、変形面の変形態様は媒質の量の増減によるもの以外であってもよく、上述したレンズ内の領域間移動等でもよい。
【００４５】
図１Ｃは、望遠端における状態を表している。望遠端においては屈折面形状の変形による可変レンズによって構成される第１の可変レンズ３５内の液体やゲル等の量をさらに増やし、変形膜を凸形状、正の屈折力を強める方向に変形させることで物体側焦点距離を長くする。この時もう一方の屈折面形状の変形による可変レンズである第２の可変レンズ５１の変形面である物体側の面は、内部に充填される液体の量をさらに減らしほぼ平面に近い状態において光を受光面３３に結像させる。
【００４６】
このように、本実施の形態においては第１の可変レンズ３５が屈折面形状の変形による可変レンズとされ、その変形面である変形膜の変形によって物体側焦点距離の変化、変倍率を行うため、広角端において第１面が平面形状もしくは凸形状であれば、望遠端へとズームしても変形膜を常に凸形状の状態にて用いることができる。
また、もう一方の屈折面形状の変形による可変レンズによって構成される第２の可変レンズ５１においても、例えば物体側の面１８が変形膜としてある。したがって、第１の可変レンズ３５の変形面が正の屈折力を有する方向に変形する場合、広角端から望遠端へとズームする場合に生じる像面位置のズレは、第２の可変レンズ５１の変形面を負の屈折力を強める方向に変形させることで調整する。したがって、望遠端における変形膜をちょうどほぼ平面状とした状態で受光面に結像が行われるようにしておけば、中間焦点距離や広角端においては、変形膜を凸形状とすることによる像面位置の調整が可能となる。これにより第２の可変レンズ５１も常に凸形状とされることになる。
【００４７】
このように本実施の形態においては、第１の可変レンズ３５の屈折力を正の方向に強くし、第２の可変レンズ５１の屈折率を負の方向に強くすることによって広角端から望遠端へと変えるものである。この時の第１の可変レンズ３５及び第２の可変レンズ５１の変形膜の曲率の関係は下記式（１）、（２）によって表される。
なお、φＡｔは望遠端における第１の可変レンズ３５の変形膜の曲率、φＡｗは広角端における第１の可変レンズ３５の変形膜の曲率を表す。また、φＢｔは望遠端における第２の可変レンズ５１の変形膜の曲率、φＢｗは広角端における第２の可変レンズ５１の変形膜の曲率を表す。
φＡｔ＞φＡｗ ・・・（１）
φＢｔ＜φＢｗ ・・・（２）
【００４８】
以上のように本実施の形態においては、ズーム動作を行っても２つの可変レンズを常に凸形状として用いるものである。このため、変形膜の張力によって可変レンズ内の光透過性液体やゲル等に加えられる力は圧縮力となり、第１の可変レンズ３５内に充填される媒質の圧力が負圧となるのを抑制することができる。
したがって、このような可変レンズ等においては媒質内に気泡が発生するのを防ぐことができるため、光学性能を損なうことなく高い品質を維持することが可能となる。
【００４９】
本実施の形態においては物体側最前のレンズを第１の可変レンズとしたが、第１の変形面を変形させることにより倍率の変化が可能となる構成であればこれに限らず、その後段に配置されるレンズを第１の可変レンズとしてもよい。また第１の可変レンズよりも物体側にカバーガラスやその他のレンズ等を配置してもよい。また、像側の面を変形面とする場合には、望遠端においてほぼ平面形状とし、変形膜を像側に凸形状へと変化させることによって広角端へと移行することになる。
また、第２の可変レンズにおいては物体側の面に第２の変形面を配置する構成としたが、第２の可変レンズの像側の面に第２の変形膜を配置する光学系を構成してもよい。この場合にも第２の変形膜は像側に凸の形状にて合焦及び像面位置の調整を行うことになる。
【００５０】
また、ズームレンズにおけるバリエータおよびコンペンセータの機能を液体レンズ等の可変レンズによって実現することにより、ズーム時にレンズを移動させるスペースを省くことができる。このため密なレンズ構成とすることができ、光学系のサイズを小さくすることが可能となる。
【００５１】
たとえば本実施の形態においては、レンズ第１面から受光面２３までの全長が３０．３ｍｍであり、バックフォーカスを含まずセンサカバー６１を空気換算すると、その長さは２５．４ｍｍとなる。また固体レンズの総厚みは１０．４ｍｍ、可変レンズの総厚みは最大２．６ｍｍである。したがって全長に占めるレンズ厚の割合は（１０．４＋１．７８）／２５．４＝４８．０％となり、全長のほぼ半分近くをレンズ厚が占める密な構成とすることができる。
【００５２】
また例えば第１面を変形膜とし、ここにバリエータとしての機能を持たせる場合には入射する光線高さが高くなる。このため球面収差の影響が大きくなるが、本実施の形態においてはレンズ内に充填する液体に屈折率の高い媒体を用い、曲率の変動幅を小さくするようにしてある。またさらに、第１面でのビーム系が小さい光学系としてあり、球面収差の影響を小さくすることができるので好ましい。
例えば上述した設計例１においては、第１レンズ３５に用いた液体は、屈折率１．５８、アッベ数２９．１である。また第１１レンズに用いた液体の屈折率は１．５０５７、アッベ数は３４．９である。
【００５３】
また、液体レンズ等の可変レンズにおける変形面は、その変形膜の弾性等の特性のために、曲率が大きくなる程球面形状から離れ、非球面形状となっていく。ところが本実施の形態においては、第１面に配置される変形面は光線高さが最大になる広角端において曲率が最小となり、光線高さが最小となる望遠端において曲率が最大となる。このため、第１面の曲率が大きい時に、球面形状から乖離することによって生じる球面収差の影響を抑えることもできる。
【００５４】
以上のような構成とされたズームレンズ１００の収差を図２〜図４に示す。図２は広角端における収差、図３は中間焦点距離における収差、図４には望遠端における収差を表してある。また、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａは球面収差であり、実線は波長８７０ｎｍ、一点鎖線は波長８００ｎｍ、２点鎖線は波長５５５ｎｍ、破線は波長５１０ｎｍ、飛び破線は波長４７０ｎｍにおける収差を示す。図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂにおける実線Ｓ、破線Ｔはそれぞれサジタル面、メリディオナル面における非点収差である。また、図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃは歪曲収差を示す。
【００５５】
また比較例として、第１の可変レンズ３５を固体レンズまた第１の固体レンズ３６を屈折面形状の変形による可変レンズとし、この可変レンズの像側の面である第３面を変形膜として形状変化させる場合の収差を図５〜図７に示す。ただし、この場合は変形面を凹形状としても用いることになるため、気泡発生の可能性を有するズームレンズとなる。
図５〜７はそれぞれ広角端、中間焦点距離、望遠端における収差を表してある。また同様に、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａは非球面収差であり、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、２点鎖線は波長５５５ｎｍ、破線は波長５１０ｎｍ、飛び破線は波長４７０ｎｍにおける収差を示す。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂにおける実線Ｓ、破線Ｔはそれぞれサジタル面、メリディオナル面における非点収差である。また、図５Ｃ、図６Ｃ、図７Ｃは歪曲収差を示す。
【００５６】
また、図８に本実施の形態によるズームレンズ１００における設計例１の場合のＭＴＦ性能を示す。横軸は空間周波数（ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ）、縦軸は変調度である。図８Ａは広角端、図８Ｂは中間焦点距離、図８Ｃは望遠端におけるＭＴＦである。
また図９は、これの比較例として第１レンズを固体レンズ、また第２レンズを屈折面形状の変形による可変レンズとし、第３面を変形膜とした場合のＭＴＦである。図９Ａは広角端、図９Ｂは中間焦点距離、図９Ｃは望遠端におけＭＴＦを示す。これら図において線ａ、ｂは回折限界を示し、線ｃ、ｄは像高３０％、線ｅ、ｆは像高５０％、線ｇ、ｈは像高７０％、線ｉ、ｊは像高１００％におけるタンジェンシャル（接線）、ラジアル（半径）方向の変調度を表す。
これらのことから、本実施形態のように第１面に屈折面形状の変形による可変レンズの変形膜を配置し、バリエータとすることによって変倍率を行っても、光学性能を損なうことなく動作できることがわかる。
【００５７】
ところで、図１０は本実施の形態によるズームレンズ１００の倍率色収差を示すものである。図１０Ａは広角端、図１０Ｂは望遠端における倍率色収差を表す。横軸は規格化した画角を、縦軸には収差として波長５３０ｎｍの光の像点位置に対するズレ量（ｍｍ）を示してある。また、破線は波長４５０ｎｍ、実線は波長６００ｎｍの光線の収差を表す。
このように本実施の形態においては、図１０Ｂに示す望遠端の倍率色収差特性から明らかなように、周辺光線の倍率色収差もリニアに近い、すなわち画角に対して比例的に変化する関係となっている。このため、信号補正技術により容易に補正を行うことができ、鮮明な像を得ることができる。
【００５８】
２．第２の実施の形態
図１１は第２の実施の形態によるズームレンズ２００を表す構成図である。なお、第１の実施の形態を表す図１と対応する箇所については同符号を付し、重複を避ける。
本実施の形態におけるズームレンズ２００は、変形面を例えば物体側第１面に備え、負の屈折力を有する第１の可変レンズを有するレンズ群３４と、第１の可変レンズを有するレンズ群３４によって取込まれた光を反射等して光の進行方向を変える光路変更素子６３を含む。また、光路変更素子６３によって反射された光の光路上に配置され、正の屈折率を有する中間レンズ群４０と、第２の可変レンズを有するレンズ群５０を含む。またこれらにより集光された光はセンサカバー６１を透過した後、撮像素子等の受光面３３に結像する。
【００５９】
本実施の形態においても同様に、第１の可変レンズを有するレンズ群３４は、例えば物体側第１面に変形膜による変形面を有し、例えば像側が凹形状とされる第１の可変レンズ３５と、物体側が凸、像側が凹のメニスカス形状とされた第１の固体レンズ３６と両凹形状とされた第２の固体レンズ３７とにより構成される。
第１の可変レンズ３５は屈折面形状の変形による可変レンズにより構成され、レンズ内部の媒質の圧力を変化させることにより、第１面に配置された変形膜を変形させて、曲率の変化を行う。
【００６０】
中間レンズ群４０は、物体側から第３の固体レンズ４１と、第１の固体レンズ群４０ａと、絞り４８と、第２の固体レンズ群４０ｂと、第３の固体レンズ群４０ｃによって構成される。例えば第３の固体レンズ４１は両凸形状のレンズであり、第１の固体レンズ群４０ａは両凸形状の第４の固体レンズ４２と両凹形状の第５の固体レンズ４３とにより構成される。また、第２の固体レンズ群４０ｂは両凹形状の第６の固体レンズ４４と両凸形状の第７の固体レンズ４５とにより構成される。
また、第１の固体レンズ群４０ａと第２の固体レンズ群４０ｂは本実施形態においても絞り４８を介して前後に対称的に配置され、像面湾曲やディストーション等を打ち消すようにしてある。
【００６１】
また第３の固体レンズ群４０ｃは、両凹形状の第８の固体レンズ４６と両凸形状の第９の固体レンズ４７により構成される。第９の固体レンズの像側の面は非球面とされ、軸上収差や軸外の収差等の各収差を補正する。
【００６２】
第２の可変レンズを有するレンズ群５０は、例えば物体側に変形膜を有し像側が凸とされた第２の可変レンズ５１と、物体側が凹形状とされた第１０の固体レンズ５２とによって構成される。第２の可変レンズ５１は屈折面形状の変形による可変レンズによって構成でき、物体側の面の形状変化によって像面位置を変化させ調整する。
【００６３】
図１１では望遠端における状態を表してあり、第１の可変レンズ３５の第１面は凸形状とされる。またこの時第２の可変レンズ５１の変形面である物体側の面は、ちょうどほぼ平面形状において像を受光面に結ぶようにするのが好ましい。
そして第１の可変レンズ３５は、内部に充填された液体やゲル等の量を減少させたり、圧力を減少させてマイナスの屈折力方向に、第２の可変レンズ５１は内部の液体の量を増やしたりして圧力を高めることによって変形面を凸形状とし、プラスの屈折力方向へ変化させることによって望遠端から広角端へと推移する。変形面の変形態様は第１の実施の形態と同様これに限定されるものではなく、レンズ内の媒質の移動等であってもよい。
【００６４】
このように本実施の形態においても、屈折面形状の変形による可変レンズである第１の可変レンズの変形面の曲率変化によって変倍率を行う。
また、倍率の変化によって生じる像面位置のズレは、もう一方の屈折面形状の変形による可変レンズである第２の可変レンズ５１によって調整される。本実施の形態では、物体側の面を変形面とし、望遠端において面形状が平面に近い状態となるようにする。このことにより望遠端から広角端へと倍率を変化させても、変形面を凸形状としてプラスの屈折力方向へと変形させることにより像面位置の調整を行うことができる。すなわち、第２の可変レンズ５１の変形面も常に凸形状として用いることができる。
【００６５】
このように、第１の可変レンズ３５及び第２の可変レンズ５１はその変形面を常に凸形状として用いるため、レンズ内に充填された媒質が負圧となるのを抑制することができる。このため、媒質内に気泡が発生してしまうことを防ぐことができ、常時高い品質状態で使用者の利用に応えることが可能となる。
【００６６】
また本実施の形態においては、第１の可変レンズを有するレンズ群３４の光軸方向が、中間群４０及び第２の可変レンズを有するレンズ群５０の光軸方向と異なるように配置される。すなわち第１の可変レンズを有するレンズ群３０からとりこまれた光は、ミラー等の光路変更素子６３によって反射されることにより、中間レンズ群４０へと導かれる。
【００６７】
本実施の形態によるズームレンズ２００は、バリエータやコンペンセータとして液体レンズ等による屈折面形状の変形による可変レンズを用いている。したがってズーム時にレンズを移動させるためのスペースを必要としない。このため、この空いたスペースに光路変更素子６３を配置することが可能となり、光路を折り返すことができる。これにより、ズームレンズ２００は第１の可変レンズを有するレンズ群３４の光軸方向の厚さを薄くすることができ、電子機器にも搭載スペースを確保しやすい。
【００６８】
また本実施の形態においても、第１の変形面を変形させることにより倍率の変化が可能となる構成であればこれに限らず、その後段に配置されるレンズを第１の可変レンズとすることができる。また第１の可変レンズよりも物体側にカバーガラスやその他のレンズ等を配置してもよい。また、像側の面を変形面とする場合には、望遠端においてほぼ平面形状とし、変形膜を像側に凸形状へと変化させることによって広角端へと移行することになる。
また、第２の可変レンズの像側の面に第２の変形膜を配置する光学系を構成する場合も、第２の変形膜は像側に凸の形状にて合焦及び像面位置の調整を行う。
【００６９】
３．第３の実施の形態
次に、本発明のズームレンズを適用した撮像装置の一例を説明する。図１２は、本実施形態の撮像装置の概略構成図である。
【００７０】
撮像装置３００は主に、屈折面形状の変形による可変レンズによるズームレンズ７０と、ズームレンズ７０を介して入射された光を電気信号に変換して映像信号を取得する固体撮像素子等の撮像部７１とを有するカメラモジュール７７を備える。そしてこのカメラモジュール７７により取得した映像信号に所定の処理を施す映像信号処理部７２を含む。また、映像信号記録／再生部７３（ＣＰＵ：Central Processing Unit）及び内部メモリ７４を含み、内部メモリ７４は映像信号処理部７２にて処理された信号を映像データとして記憶する。そして映像信号記録／再生部７３は、映像信号処理部７２にて処理された信号や内部メモリ７４に記憶されたデータの記録・再生を行う。更に、映像信号記録／再生部７４により再生される映像等を表示させる表示装置７４と、図示しないズームボタン等のオン、オフに従ってズームレンズ７０を作動させる制御部７６も含む。
【００７１】
本実施形態においてズームレンズ７０は第１の実施の形態（図１）や第２の実施の形態（図１１）にて示したものを用いることができ、入射した光Ｌｉを固体撮像素子等の撮像部７１の受光面に結像させる。
【００７２】
すなわち、本実施形態における撮像装置３００のズームレンズ７０は、屈折面形状の変形による可変レンズである第１の可変レンズを備え、その例えば物体側の面が変形面とされる。そしてその変形面の曲率を変化させることによって、倍率を変化させる。
そしてその後段にはもう一方の屈折面形状の変形による可変レンズであるの第２の可変レンズが配置され、この変形面の曲率を変化させることによって、倍率の変化にともなう像面位置のズレを調整する。
【００７３】
また、第１の可変レンズの変形面は望遠端において最大の曲率を有し、もう一方の第２の可変レンズの変形面はほぼ平面に近い状態において像を結像する。そして第１の可変レンズは内部の液体やゲル等の量を減らしたり、圧力を小さくすることによってマイナスの屈折力方向へと変形し、もう一方の可変レンズは内部の液体量を増やしたり、圧力を高めることによってその変形面をプラスの屈折力方向へと変形させて望遠端から広角端へと移行する。また、可変レンズ内に充填される媒質の圧力を変化させるポンプ機構等の制御機構は、カメラモジュール７７内に内臓されていてもよいし、外付けしてあってもよい。
【００７４】
ズームレンズ７０によって集光される光は撮像部７１に結像される。この撮像部７１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）デバイス等の固体撮像素子で構成することができる。これらのデバイスは、照射された光エネルギーを電荷に変換する複数の光電変換部を有し、画素毎の受光量を映像信号に変換して外部に出力する。
【００７５】
このようにしてカメラモジュール７７により取得された映像信号は、映像信号処理部７２においてデータ処理が行われるが、レベル補正やシェーディング補正等の画像処理は撮像部７１にて行われるようにしてあってもよい。処理後の映像信号は映像信号記録／再生部７３によって内部メモリ７４に記録される。また、記録された映像を再生する時には内部メモリ７４より記録データを読み出し、表示装置７５に表示させる。
【００７６】
制御部７６は、ズームボタン等によってズーム機能のオン、オフの信号を受けると、図示しないポンプ機構等の制御を行い、ズームレンズ７０を構成する可変レンズに充填された光透過性液体やゲル等の出し入れを行う。すなわち、望遠端へと移行する時には物体側に配置される第１の可変レンズ内に充填される光透過性液体等の圧力を高め、正の屈折力を強める方向に物体側の変形膜を変形させる。また、その後段に配置されるもう一方の第２の可変レンズに対しては、充填される光透過性液体の圧力を小さくする。これにより、負の屈折力を強める方向に物体側のレンズ面である変形膜を変形させ、像面位置を調整する。
また広角端へと移行する時には、第１の可変レンズ内の光透過性液体やゲル等の圧力を減らし、負の屈折力を強める方向へ物体側の変形膜を変形させる。そして、その後段に配置される第２の可変レンズ内の光透過性液体やゲル等の圧力を高め、正の屈折力を強める方向に物体側のレンズ面を変形させる。
この場合においてももちろん、光透過性液体やゲル等のレンズ媒質の量の増減のみではなく、レンズ内の移動等によって変形する構成等、その他の変形機構を有する可変レンズでもよい。
【００７７】
このように本実施の形態による撮像装置３００は、そのズームレンズ７０の第１の可変レンズの第１面の変形により倍率を変化させる。このため、可変レンズの変形面を常に凸形状として用いることができる。これにより、可変レンズ内の媒質が負圧となるのを防ぐことができるので、媒質内に気泡が発生するのを抑制することができる。よって高品質な画像を取得し続けることが可能となる。
また、液体レンズやゲルレンズ等による可変レンズによって倍率の変化及び像面位置の調整を行うので、従来のようにレンズを移動させるためのスペースを必要とせず、装置を小型化することができる。
【００７８】
４．第４の実施の形態
次に、本発明によるズームレンズを電子機器に搭載する例として、携帯通信端末装置に用いる場合について説明する。
図１３は本実施の形態による携帯情報端末装置４００の構成を表すブロック図である。
携帯情報端末装置４００は、制御部（ＣＰＵ）８１を備え、信号バス８０を介して携帯通信端末装置４００内の各部に指令を送ることができる構成とされる。
すなわち、制御部８１はＲＯＭ（Read Only Memory）８２に保存されている制御プログラムをＲＡＭ（Random Access Memory）８３に展開し、信号バス８０を介して各部の制御を行う。
【００７９】
また、基地局等とのと無線通信を行うアンテナ８４は通信制御部８５に接続され、無線信号の送信処理及び受信処理が行われる。受信された信号が音声信号である場合には、音声処理部９０に供給され、アナログ音声信号としてスピーカ９１から出力される。逆にマイクロフォン９２が外部より拾う音声信号は、音声処理部９０においてデジタル音声データに変換され、信号バス８０を介して通信制御部８５に供給される。
【００８０】
また、液晶表示パネルなどで構成されるＬＣＤ８７を有し、表示制御部８６の制御によって各種文字や画像などの表示が行われる。操作部９５は、数字などのダイヤルキーや各種機能キー、タッチパネルなどにより構成され、それぞれのキーによる入力情報を制御部８１へと伝達する。ＲＯＭ８２には、制御部８１で用いるプログラムや、各種保存データが格納される。
【００８１】
カメラモジュール８９は主にズームレンズとズームレンズにより結像される像を電気信号に変換して画像データを取得する撮像部とによって構成される。このズームレンズには第１及び第２の実施の形態（図１、１１）にて示したズームレンズを用いることができる。すなわち、ズームレンズは物体側第１レンズ及びその後段に配置されるレンズ屈折面形状の変形による可変レンズによって構成され、例えばその物体側の面が変形面とされる。そして図示しないポンプ機構等の可変レンズ機構部により、可変レンズ内に充填された光透過性媒質の圧力を変化させ、変形面の曲率を変化させる。なお、第２の実施の形態（図１１）のように光路変更素子をズームレンズ内の光路中に配置して折り返す構成としてあると、モジュール高さを低くすることができ搭載スペースを確保しやすいので好ましい。
【００８２】
カメラ制御部８８はカメラモジュール８９の動作を制御するとともに、取得された映像信号を圧縮処理等して信号バス８０へと送る。また、ズームレンズの動作を制御するポンプ機構等の可変レンズ機構部の制御やカメラモジュール８９にて取得された映像信号の処理を行う映像信号処理部等は、カメラモジュール８９内に内蔵されていてもよいし、カメラ制御部８８にて行うようにしてもよい。
【００８３】
信号バス８０へと送られた映像データはＲＡＭ８３に一時的に保存されるが、必要に応じてメモリーカードインターフェース９３へと出力されメモリーカード９４に保存される。または、表示制御部８６を介してＬＣＤ（液晶ディスプレイ）８７に表示される。
【００８４】
これらの映像データや、アンテナ８４により受信された通信データ等は、例えば赤外線インターフェース９６によって赤外線通信部９７を介して外部に出力され、同じような赤外線通信部を備えた機器へ伝達されるようにしてもよい。外部の機器としては例えば、携帯電話、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等の外部の情報機器等が挙げられる。
【００８５】
このように、本実施の形態における携帯通信端末装置４００は、本発明によるズームレンズを搭載したカメラモジュールを搭載している。
ズームレンズには屈折面形状の変形による可変レンズである第１の可変レンズが備えられ、例えばその物体側の面が変形膜、すなわち変形面とされる。そしてこのレンズ内の光透過性媒質の圧力を変化させることにより変形面の曲率を変化させ、倍率の変動を行う。またこの後段には第２の可変レンズが配置され、第２の可変レンズの変形面の形状を変化させることによって、倍率の変動にともなう像面位置のズレを補正する。
【００８６】
広角端においては、第１の可変レンズの変形面はほぼ平面形状とされ、もう一方の第２の可変レンズはその変形面が凸形状の状態において像を撮像部の受光面に結像させる。そして第１レンズの変形面は正の屈折力の方向に、つまりほぼ平面状の面の曲率が大きくなる方向に形状を変化させることによって広角端から望遠端へと倍率を変化させる。
またこの際には、もう一方第２の可変レンズの物体側の面の変形面を負の屈折力を有する方向、すなわちレンズ内の媒質の圧力を小さくすることによって像面位置を調整する。
この場合も、可変レンズの変形面の変形態様はレンズ媒質の量の増減のみならずレンズ内の移動等、他の構成によるものでもよい。
【００８７】
このように、本実施の形態においても屈折面形状の変形による可変レンズを常に凸形状として用いることが可能となる。このため、レンズ内部に充填された液体等の媒質が負圧になるのを抑制できる。したがって媒質内に気泡が発生しないので光学性能が劣化せず、本実施形態による携帯通信端末装置４００は品質の高い画像を常に提供し続けることができる。
【００８８】
また、液体レンズやゲルレンズ等の可変レンズをバリエータやコンペンセータとして用いているので、ズーム時にはレンズを移動させる必要がなく、そのためのスペースを省くことができる。従って密なレンズ構成とすることができ、小型化をはかることができる。
【００８９】
以上、本発明によるズームレンズ、カメラモジュール、電子機器、及びズームレンズの設計方法について説明したが、本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、なお考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９０】
１〜２３・・・面、３５・・・第１の可変レンズ、３６、３７，４１〜４７，５２・・・レンズ、５１・・・第２の可変レンズ、４８・・・絞り、３４，４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，５０，１２０，１３０・・・レンズ群、６１・・・センサカバー、６２・・・撮像部、６３・・・光路変更素子、７０，１００，２００・・・ズームレンズ、７１・・・撮像部、７２・・・映像信号処理部、７３・・・映像信号記録／再生部、７４・・・表示装置、７５・・・内部メモリ、７６・・・制御部、７７・・・カメラモジュール、８０・・・信号バス、８１・・・制御部、８２・・・ＲＯＭ、８３・・・ＲＡＭ、８４・・・アンテナ、８５・・・通信制御部、８６・・・表示制御部、８７・・・ＬＣＤ、８８・・・カメラ制御部、８９・・・カメラモジュール、９０・・・音声処理部、９１・・・スピーカ、９２・・・マイクロフォン、９３・・・メモリーカードインターフェース、９４・・・メモリーカード、９５・・・操作部、９６・・・赤外線インターフェース、９７・・・赤外線通信部、１１０・・・ワイドコンバータ、１２１，１２２，１３１，１３２・・・レンズ、１２３，１３３・・・変形膜、１４１・・・シリンジ、１４２・・・ピストン、１４３・・・液体、１４４・・・気泡、１５０・・・液体レンズ、１５１・・・液体、１５２・・・弾性膜、３００・・・撮像装置、４００・・・携帯通信端末装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズと、
前記第１の可変レンズを有するレンズの後段に配置され、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させ、前記変倍にともなう像面位置の移動を補正する第２の可変レンズと、
を含み、
前記第１または第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜より成る前記変形面と、少なくとも前記弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質と、を備え、前記光透過性の媒質が前記変形面に加える圧力を変化させることで前記変形面を変形させる可変レンズとされ、
使用範囲において、前記第１及び第２の変形面が、平面形状から凸形状の範囲で変形する構成とされる
ズームレンズ。
【請求項２】
前記第１の変形面を正の屈折力を強める方向に変形させ、前記第２の変形面を負の屈折力を強める方向に変形させることにより、広角端から望遠端方向へズームする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項３】
前記第１及び第２の変形面は物体側に配置され、
広角端において前記第１の変形面はほぼ平面形状とされ、前記第２の変形面は物体側に凸形状とされる請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項４】
前記第１の変形面を有するレンズへの光線高さが最小となるズーム位置において、前記第１の変形面の曲率が最大となる請求項３に記載のズームレンズ。
【請求項５】
前記第１の変形面が前記第１の可変レンズを有するレンズ群の最も物体側に配置される請求項３に記載のズームレンズ。
【請求項６】
前記第１の可変レンズを透過した光を反射し、前記第２の可変レンズへと導く光路変更素子を有する請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項７】
第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させる第１の可変レンズを配置し、前記第１の可変レンズの後段に、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させる第２の可変レンズを配置し、下記条件式
φＡｔ＞φＡｗ
φＢｔ＜φＢｗ
（式中、φＡｔは望遠端における第１の変形面の曲率、φＡｗは広角端における第１の変形面の曲率を表す。また、φＢｔは望遠端における第２の変形面の曲率、φＢｗは広角端における第２の変形面の曲率を表す）を満たすように前記第１及び第２の変形面を変形させる
ズームレンズの設計方法。
【請求項８】
前記第１の変形面を有するレンズへの光線高さが最小となるズーム位置において、前記第１の変形面の曲率を最大とする請求項７に記載のズームレンズの設計方法。
【請求項９】
前記第１の変形面は、広角端から望遠端にズームする際にほぼ平面形状から凸形状へと変形する請求項７に記載のズームレンズの設計方法。
【請求項１０】
前記第２の変形面は、広角端から望遠端にズームする際に凸形状からほぼ平面形状へと変化する請求項７に記載のズームレンズの設計方法。
【請求項１１】
第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズと、前記第１の可変レンズを有するレンズの後段に配置され、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させ、前記変倍にともなう像面位置の移動を補正する第２の可変レンズと、を含み、前記第１または第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜より成る前記変形面と、少なくとも前記弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質と、を備え、前記光透過性の媒質が前記変形面に加える圧力を変化させることで前記変形面を変形させる可変レンズとされ、使用範囲において、前記第１及び第２の変形面が、平面形状から凸形状の範囲で変形する構成とされるズームレンズと、
前記ズームレンズによって集光される光を受光する撮像部と、
を備えるカメラモジュール。
【請求項１２】
第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズと、前記第１の可変レンズの後段に配置され、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させ、前記変倍にともなう像面位置の移動を補正する第２の可変レンズと、を含み、前記第１または第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜より成る前記変形面と、少なくとも前記弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質と、を備え、前記光透過性の媒質が前記変形面に加える圧力を変化させることで前記変形面を変形させる可変レンズとされ、使用範囲において、前記第１及び第２の変形面が、平面形状から凸形状の範囲で変形する構成とされるズームレンズと、前記ズームレンズによって集光される光を受光する撮像部と、を含むカメラモジュールと、
前記カメラモジュールの前記撮像部によって取得されたデータの処理を行う画像処理部と、
前記第１及び第２の可変レンズの変形面の変形を行う可変レンズ機構部と、
前記画像処理部及び前記可変レンズ機構部の制御を行う制御部と、
を備える電子機器。
【請求項１】
第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズと、
前記第１の可変レンズを有するレンズの後段に配置され、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させ、前記変倍にともなう像面位置の移動を補正する第２の可変レンズと、
を含み、
前記第１または第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜より成る前記変形面と、少なくとも前記弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質と、を備え、前記光透過性の媒質が前記変形面に加える圧力を変化させることで前記変形面を変形させる可変レンズとされ、
使用範囲において、前記第１及び第２の変形面が、平面形状から凸形状の範囲で変形する構成とされる
ズームレンズ。
【請求項２】
前記第１の変形面を正の屈折力を強める方向に変形させ、前記第２の変形面を負の屈折力を強める方向に変形させることにより、広角端から望遠端方向へズームする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項３】
前記第１及び第２の変形面は物体側に配置され、
広角端において前記第１の変形面はほぼ平面形状とされ、前記第２の変形面は物体側に凸形状とされる請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項４】
前記第１の変形面を有するレンズへの光線高さが最小となるズーム位置において、前記第１の変形面の曲率が最大となる請求項３に記載のズームレンズ。
【請求項５】
前記第１の変形面が前記第１の可変レンズを有するレンズ群の最も物体側に配置される請求項３に記載のズームレンズ。
【請求項６】
前記第１の可変レンズを透過した光を反射し、前記第２の可変レンズへと導く光路変更素子を有する請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項７】
第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させる第１の可変レンズを配置し、前記第１の可変レンズの後段に、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させる第２の可変レンズを配置し、下記条件式
φＡｔ＞φＡｗ
φＢｔ＜φＢｗ
（式中、φＡｔは望遠端における第１の変形面の曲率、φＡｗは広角端における第１の変形面の曲率を表す。また、φＢｔは望遠端における第２の変形面の曲率、φＢｗは広角端における第２の変形面の曲率を表す）を満たすように前記第１及び第２の変形面を変形させる
ズームレンズの設計方法。
【請求項８】
前記第１の変形面を有するレンズへの光線高さが最小となるズーム位置において、前記第１の変形面の曲率を最大とする請求項７に記載のズームレンズの設計方法。
【請求項９】
前記第１の変形面は、広角端から望遠端にズームする際にほぼ平面形状から凸形状へと変形する請求項７に記載のズームレンズの設計方法。
【請求項１０】
前記第２の変形面は、広角端から望遠端にズームする際に凸形状からほぼ平面形状へと変化する請求項７に記載のズームレンズの設計方法。
【請求項１１】
第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズと、前記第１の可変レンズを有するレンズの後段に配置され、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させ、前記変倍にともなう像面位置の移動を補正する第２の可変レンズと、を含み、前記第１または第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜より成る前記変形面と、少なくとも前記弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質と、を備え、前記光透過性の媒質が前記変形面に加える圧力を変化させることで前記変形面を変形させる可変レンズとされ、使用範囲において、前記第１及び第２の変形面が、平面形状から凸形状の範囲で変形する構成とされるズームレンズと、
前記ズームレンズによって集光される光を受光する撮像部と、
を備えるカメラモジュール。
【請求項１２】
第１の変形面を有し、前記第１の変形面の変形により焦点距離を変化させて変倍を行う第１の可変レンズと、前記第１の可変レンズの後段に配置され、第２の変形面を有し、前記第２の変形面の変形により焦点距離を変化させ、前記変倍にともなう像面位置の移動を補正する第２の可変レンズと、を含み、前記第１または第２の可変レンズの少なくとも一方は、光透過性の弾性膜より成る前記変形面と、少なくとも前記弾性膜を含んで形成される閉空間内に充填される光透過性の媒質と、を備え、前記光透過性の媒質が前記変形面に加える圧力を変化させることで前記変形面を変形させる可変レンズとされ、使用範囲において、前記第１及び第２の変形面が、平面形状から凸形状の範囲で変形する構成とされるズームレンズと、前記ズームレンズによって集光される光を受光する撮像部と、を含むカメラモジュールと、
前記カメラモジュールの前記撮像部によって取得されたデータの処理を行う画像処理部と、
前記第１及び第２の可変レンズの変形面の変形を行う可変レンズ機構部と、
前記画像処理部及び前記可変レンズ機構部の制御を行う制御部と、
を備える電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
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【図１４】
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【公開番号】特開２０１１−１３５８２（Ｐ２０１１−１３５８２Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５９３４７（Ｐ２００９−１５９３４７）
【出願日】平成２１年７月３日（２００９．７．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月３日（２００９．７．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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