ズームレンズ、カメラモジュール及び電子機器
【課題】レンズ屈折面形状が変化することで焦点距離が変化するレンズを用いるズームレンズを構成するにあたり、収差を抑制して光学特性の劣化を抑える。
【解決手段】第１の可変レンズ３２を含み、レンズ３２の変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群５１と、このレンズ群５１に対して絞り１１を挟んで像側に配置される第２の可変レンズ４１を含み、この第２の可変レンズ４１の変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群５４と、これらの間に、口径絞り１１を含むレンズ群５２を有する。物体側のレンズ群５１及び像側のレンズ群５４に設けられる第１及び第２の可変レンズ３２及び４１の変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われる構成とする。
【解決手段】第１の可変レンズ３２を含み、レンズ３２の変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群５１と、このレンズ群５１に対して絞り１１を挟んで像側に配置される第２の可変レンズ４１を含み、この第２の可変レンズ４１の変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群５４と、これらの間に、口径絞り１１を含むレンズ群５２を有する。物体側のレンズ群５１及び像側のレンズ群５４に設けられる第１及び第２の可変レンズ３２及び４１の変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われる構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ移動を伴うことなく、レンズ材料そのものの変形によって焦点距離が可変となるレンズを含み、その可変によってズームするズームレンズとこれを用いたカメラモジュール及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)などの固体撮像素子を用いたカメラモジュールやこれを用いた撮像装置等の各種電子機器においては、小型、軽量化が求められている。このため、カメラモジュールに用いるズームレンズとして、移動機構をもたない可変焦点レンズを用いる方法が種々提案されている。例えば特許文献１には、コンバータレンズとして、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る技術が提案されている。
【０００３】
この屈折面変形型のレンズは、平板又は所定の曲面を有する光透過性基板に封止材を介して樹脂製等の光透過性の弾性膜を接合し、内部に光透過性の液体等を充填したものである。光透過性基板と弾性膜との間に充填される材料にかかる圧力を変化させることで弾性膜を変形させ、これにより曲面形状を変化させて焦点距離を可変とすることができる。このように曲面形状を可変とするレンズとしては、内部に液体を充填する液体レンズや、ゲルを充填するゲルレンズ等が提案されている。
【０００４】
このような屈折面変形型の可変レンズの一例の概略断面構成を図６９に示す。図６９に示すように、この可変レンズ８２は、一方の面にガラスや樹脂等の材料より成る光透過性基板８１とし、他方の面に光透過性の弾性膜等より成る変形膜８７を有する。そして例えばリング状の枠体８３、８５とその間を接合材等の接合部８４によって周囲を液密に保持され、これらに囲まれた領域に、光透過性の液体やゲル等の流動性を有する媒質９０が封入されて屈折面変形型の可変レンズ８２が構成される。この可変レンズ８２は、図示の例では接合部８４の一部に管状等の液体移動部８６が設けられ、内部の媒質９０を出し入れ可能としている。そして図示しない外部のポンプ機構等の駆動によって、この可変レンズ８２内の媒質９０の体積が変化するように構成される。これにより変形膜８７が変形し、可変レンズ８２を凸レンズから凹レンズの範囲で焦点距離の切り替えが可能な構成とすることができる。なお、変形機構は図示の例のように媒質９０の出し入れのみではなく、枠体８３又は８５の変形等によって変形膜８７に対する圧力を変化させる機構でもよく、変形膜８７に対する圧力を変化させる機構は特に限定されない。
【０００５】
ここで、可変レンズ８２中の媒質としては、シリコン系オイル等の光透過性を有し、また適切な屈折率を有する材料を用いることが好ましい。また、変形膜８７の材料としては、シリコン系ゴム等の適度な弾性を有する変形可能な材料であり、且つ所要の光透過性を有することが好ましく、変形可能な薄膜等の形状とすることが好ましい。
このような構成とすることによって、媒質９０の変形膜８７に対する圧力を変化させる機構、例えば媒質９０を吸引又は注入する機構等の比較的簡易な機構をもって、簡単にレンズパワーを可変とすることができる。そしてこのような可変レンズ８２を利用することで、アフォーカル倍率の変化を実現でき、図２に示すような可変レンズ８２を例えば複数組み合わせることによって、より簡単な構成で特許文献１に記載されているようなワイドコンバータを実現できる。
【０００６】
また、エレクトロウエッティング現象を利用し、容器内に有極性及び無極性の２種類の液体を収容し、電圧を印加して両液体の界面の形状を変形し、可変焦点を行ういわゆるエレクトロウエッティング型の可変焦点レンズも利用が検討されている。このエレクトロウエッティング型の可変焦点レンズを用いたズームレンズは例えば特許文献２に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１８５６２７号公報
【特許文献２】特開２００８−０８９７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したような撮像素子を備えるカメラモジュールにおいては、高解像度化、高画素数化も求められており、カメラモジュールに用いるズームレンズとして、収差を低く抑える良好な光学特性が求められている。しかしながら、液体レンズやゲルレンズ、エレクトロウエッティングレンズを用いたレンズ系において、収差を考慮して良好な光学特性を実現しつつズームレンズに利用する構成は提案されていない。
【０００９】
上記問題に鑑みて、本発明は、レンズ屈折面形状が変化することで焦点距離が変化するレンズを用いるズームレンズを構成するにあたり、収差を抑制して光学特性の劣化を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため本発明によるズームレンズは、物体側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第１の可変レンズを含み、この第１の可変レンズの変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群を有する。そしてこの物体側のレンズ群に対して絞りを挟んで像側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第２の可変レンズを含み、この第２の可変レンズの変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群を有する。また、これら物体側及び像側の第１及び第２の可変レンズを含むレンズ群の間に、口径絞りを含むレンズ群を有する。そして、物体側のレンズ群及び像側のレンズ群に設けられる前記第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われる構成とする。
【００１１】
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によるズームレンズと、このズームレンズにより結像された像を撮像する撮像素子と、を備える構成とする。
更に、本発明による電子機器は、上述した本発明構成によるズームレンズと、このズームレンズにより結像された像を撮像する撮像素子と、ズームレンズの第１及び第２の可変レンズを制御する制御部と、を備える構成とする。
【００１２】
上述したように、本発明においては、ズームレンズに用いる可変焦点レンズとして、可動機構を伴わず、レンズ屈折面の変形によって焦点距離を可変とする少なくとも第１及び第２の可変レンズを用いるものである。そして特にこの第１及び第２の可変レンズを、絞りを挟んでそれぞれ物体側と像側に配置するレンズ群に含む構成とする。これらのレンズ群は、第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われる構成とするものである。
【００１３】
このように、レンズ屈折面形状が変化する可変レンズのズームレンズ内での配置構成を物体側及び像側に配置することで、焦点距離を変えてズームを行う場合においても、収差を抑えることができ、光学特性の劣化が抑制される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レンズ屈折面形状が変化することで焦点距離が変化するレンズを用いて、収差が抑制されて光学特性の劣化が抑制されたズームレンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態に係るズームレンズの一例の概略レンズ構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図２】図２は比較例１によるズームレンズの概略レンズ構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は望遠端における構成を示す。
【図３】図３は本発明の第１の実施の形態に係るズームレンズの他の例の概略レンズ構成図である。
【図４】図４は図１に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図５】図５は図１に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図６】図６は図１に示すズームレンズの周辺光線に対する各レンズ面への入射角特性（ｎ×ｓｉｎ（ｉ））を示す図である。
【図７】図７は図１に示すズームレンズの主光線に対する各レンズ面への入射角特性（ｎ×ｓｉｎ（ｉ））を示す図である。
【図８】図８は図２に示すズームレンズの周辺光線に対する各レンズ面への入射角特性（ｎ×ｓｉｎ（ｉ））を示す図である。
【図９】図９は図２に示すズームレンズの主光線に対する各レンズ面への入射角特性（ｎ×ｓｉｎ（ｉ））を示す図である。
【図１０】図１０は図１に示すズームレンズの各レンズ面における球面収差を示す図である。
【図１１】図１１は図１に示すズームレンズの各レンズ面におけるコマ収差を示す図である。
【図１２】図１２は図１に示すズームレンズの各レンズ面における非点収差を示す図である。
【図１３】図１３は図１に示すズームレンズの各レンズ面における軸上色収差を示す図である。
【図１４】図１４は図１に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図１５】図１５は図１に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図１６】図１６は図１に示すズームレンズの広角端における各波長の光の横収差特性を示す図である。
【図１７】図１７は図１に示すズームレンズの望遠端における各波長の光の横収差特性を示す図である。
【図１８】図１８は図１に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図１９】図１９は図１に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図２０】図２０は本発明の第１の実施の形態に係るズームレンズの他の例の概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図２１】図２１は図２０に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図２２】図２２は図２０に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図２３】図２３は図２０に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図２４】図２４は図２０に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図２５】図２５は図２０に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図２６】図２６は図２０に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図２７】図２７は屈折面変形型レンズの径方向に対する球面との差分を示す図である。
【図２８】図２８は屈折面変形型レンズの曲率半径に対する球面からの最大乖離量を示す図である。
【図２９】図２９は図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した参考例１によるズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３０】図３０は図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した参考例１によるズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３１】図３１は図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した場合の他の固定レンズ面を最適化した参考例２によるズームレンズの概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図３２】図３２は図３１に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３３】図３３は図３１に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３４】図３４は第２の実施の形態に係るズームレンズの一例の概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図３５】図３５は図３４に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３６】図３６は図３４に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３７】図３７は図３４に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図３８】図３８は図３４に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図３９】図３９は図３４に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図４０】図４０は図３４に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図４１】図４１は図１に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離及び望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図４２】図４２は図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した場合の広角端、中間焦点距離及び望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図４３】図４３は図３４に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離及び望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図４４】図４４は第２の実施の形態に係るズームレンズの他の例の概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図４５】図４５は図４４に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図４６】図４６は図４４に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図４７】図４７は図４４に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図４８】図４８は図４４に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性平均値を示す図である。
【図４９】図４９は図４４に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図５０】図５０は図４４に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図５１】図５１は第３の実施の形態に係るズームレンズの一例の概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図５２】図５２は図５１に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図５３】図５３は図５１に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図５４】図５４は図５１に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図５５】図５５は図５１に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性平均値を示す図である。
【図５６】図５６は図５１に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図５７】図５７は図５１に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図５８】図５８は図１に示すズームレンズの可変レンズの口径絞りからの位置を説明するための図である。
【図５９】図５９は本発明の第３の実施の形態に係るズームレンズの他の例の概略断面構成図であり、中間焦点距離における構成を示す。
【図６０】図６０は図５９に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図６１】図６１は図５９に示すズームレンズを基本設計として物体側のレンズ群に設ける可変レンズを口径絞りに近づけた比較例２によるズームレンズの概略断面構成図であり、中間焦点距離における構成を示す。
【図６２】図６２は図５９に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図６３】図６３は図５９に示すズームレンズを基本設計として像側のレンズ群に設ける可変レンズを口径絞りに近づけた比較例３によるズームレンズの概略断面構成図であり、中間焦点距離における構成を示す。
【図６４】図６４は図５９に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図６５】図６５は屈折面変形型レンズにおける有効径率に対する球面乖離量を示す図である。
【図６６】図６６は屈折面変形型レンズにおける球面乖離量を有効径で割った無次元数と曲率半径Ｒを有効径で割った無次元数との関係を示す図である。
【図６７】図６７は本発明の第４の実施の形態に係る撮像装置の一例の概略ブロック構成図である。
【図６８】図６８は本発明の第５の実施の形態に係る電子機器の一例の概略ブロック構成図である。
【図６９】図６９は従来の屈折面変形型の可変レンズの一例の概略断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下本発明を実施するための最良の形態の各例を説明するが、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）
（１−１）ズームレンズの概略構成
（１−２）設計例１（基本設計例）
（１−３）比較例１（可動レンズを用いるズームレンズの従来例）
（１−４）設計例１と比較例１との比較検討結果
（１−５）設計例２（枚数削減例）
２．第２の実施の形態（非球面を用いたズームレンズ）
（２−１）参考例１（変形面の球面からの乖離が大きい例）
（２−２）参考例２（参考例１を非球面を用いずに最適化した例）
（２−３）設計例３（非球面１面追加例）
（２−４）設計例４（非球面２面追加例）
３．第３の実施の形態（非球面を用いて枚数削減する例）
（３−１）設計例５（非球面３面とし枚数削減する例）
４．可変レンズと絞りとの距離の検討
（４−１）設計例６（非球面３面とする例）
（４−２）比較例２（設計例６を基本として物体側可変レンズを絞りに近づけた例）
（４−３）比較例３（設計例６を基本として像側可変レンズを絞りに近づけた例）
５．有効径に関する検討
６．第４の実施の形態（カメラモジュール）
７．第５の実施の形態（電子機器）
【００１７】
１．第１の実施の形態（ズームレンズ）
（１−１）ズームレンズの概略構成
先ず、本発明の第１の実施の形態に係るズームレンズについて説明する。本実施形態のズームレンズは少なくとも、第１の可変レンズを含むレンズ群、口径絞りを挟んで配置されるレンズ群、第２の可変レンズを含む像側のレンズ群を含む。第１及び第２の可変レンズは、変形する透明材料からなる変形面を有する構成であり、液体レンズやゲルレンズ等の屈折面変形型レンズ、またエレクトロウエッティングレンズを用いることが可能である。ここで可変レンズの媒質である透明材料とは、使用波長に対して所望の光透過性を有する材料であればよく、例えば可視光域や、可視広域を含む広い波長帯域、又は可視光域から一部ずれた波長帯域で透明である各種材料を含む。そして物体側のレンズ群は、第１の可変レンズの第１の変形面の変形により焦点距離を変化させ、すなわちバリエータとして機能し、像面に結像される被写体の大きさを決める。また、第２の可変レンズを含む像側のレンズ群はコンペンセータとしての機能をもち、バリエータの機能を有する物体側のレンズ群と連動して像面移動補償及び焦点合わせを行う構成とする。
【００１８】
また、物体側レンズ群及び像側レンズ群の間の口径絞りを挟んで配置されるレンズ群は、可変レンズを含まない固定レンズより構成することができる。このレンズ群は、例えば概略色消しされた凸凹レンズを対称型に配置して、奇数次の収差、球面収差、及び色収差を効果的に補正しているいわゆるガウス型の、又は、ガウス型様の構成のレンズ群を用いることができる。このようなガウス型、又はガウス型様のレンズ群を設けることで、球面収差、奇数次の収差、色収差を良好に補正できる。
【００１９】
また、これら物体側レンズ群、像側レンズ群、口径絞りを挟んで配置するレンズ群の他にも他のレンズやレンズ群を配置してもよい。このようなレンズやレンズ群としては、例えば後述するように軸上の色収差補正を行うレンズ群として、口径絞りを挟んで配置するレンズ群と像側の第２の可変レンズを含むレンズ群との間に配置することが可能である。
【００２０】
このように、可変レンズを含む物体側のレンズ群、像側のレンズ群、口径絞りを挟んで配置するレンズ群に加えて、他のレンズ群を配置してもよい。ただし、最も物体側のレンズ群に第１の可変レンズを含むレンズ群を配置し、最も像側のレンズ群に第２の可変レンズを含むレンズ群を配置するものとする。
【００２１】
また、可変レンズの数は限定されるものではなく、例えば上述した口径絞りを挟んだレンズ群に含むことも可能である。しかしながら、後述するように、最も物体側のレンズ群に一つの可変レンズ、最も像側のレンズ群において一つの可変レンズを配置する構成において、良好な収差特性が得られることが確認された。したがって、駆動機構を必要とする可変レンズはなるべく少ないことが好ましく、可変レンズは物体側、像側のレンズ群にそれぞれ一つずつ設ければよいといえる。なお、レンズ長に対する可変レンズと絞りとの距離は一定の範囲内であることが好ましいが、これについては後述する。
【００２２】
本実施の形態に係るズームレンズは、物体側のレンズ群の屈折力を負の方向に強くするときに、像側のレンズ群の屈折力が正の方向に強くなるように制御することにより、望遠側から広角側へとズームする構成とすることが好ましい。すなわち、望遠側及び広角側の物体側の可変レンズを含むレンズ群の屈折力をそれぞれφＡｔ及びφＡｗ、望遠側及び広角側の像側の可変レンズを含むレンズ群の屈折力をそれぞれφＢｔ、φＢｗとすると、
φＡｔ＞φＡｗ・・・（１）
φＢｔ＜φＢｗ・・・（２）
として構成する。このようにすることで、後述する設計例１及び２や、また第２の実施の形態に示す各設計例において詳細に説明するように、確実に収差を抑制することができる。
【００２３】
また、像側のレンズ群の第２の可変レンズの変形面の曲率は、望遠側から広角側にズームするとき、正の方向に変化する構成とすることが好ましい。すなわち、望遠側及び広角側の第２の可変レンズの第２の変形面の曲率をそれぞれＣｔ、Ｃｗとすると、
Ｃｔ＜Ｃｗ・・・・・（３）
として構成する。なお、ここで曲率の正負としては、物体側に凸の場合に正、像側に凸の場合に負と定義する。
【００２４】
例えば、第２の可変レンズの第２の変形面が、物体側から空気、媒質（液体やゲル等の透明材料）の順に配置される場合、屈折力φは下記の式により表わされる。
φ＝（ｎ−１）Ｃ
ここでｎは液体屈折率、Ｃは曲率であり、Ｒを曲率半径とするとＣ＝１／Ｒと表される。
したがって、
φＢｔ＜φＢｗ
とするとき
Ｃｔ＜Ｃｗ
となる。このような構成とすることによって、上述したように収差の発生を抑制することができる。
【００２５】
つまり、上述したように口径絞りを挟んでガウス型、又はガウス型様のレンズ群を設けることで球面収差、奇数次の収差、色収差を良好に補正することができる。その上で、上記式（１）及び（２）、また式（３）を満たす構成とすることで、後段の設計例１において詳細に説明するように、可変となっている物体側レンズ群と、像側レンズ群の収差を小さく、しかもズームによる変化も小さく抑えることが可能となる。
【００２６】
上述したように、第１及び第２の可変レンズとしては、前述の液体レンズやゲルレンズ等の屈折面変形型レンズ、またエレクトロウエッティングレンズ等のレンズ面が変形する種々のレンズを用いることができる。液体レンズやゲルレンズ等の屈折面変形型レンズを用いる場合、光透過性の固体材料と、光透過性の弾性膜との間に光透過性の液体又はゲルが封入され、液体又はゲルと弾性膜との変形により焦点距離を変化させる構造とすることが好ましい。
【００２７】
この屈折面変形型レンズの固体材料としては、ガラス、樹脂基板等の種々の光学素子に適用可能な透明材料を用いることができる。また、液体やゲルとしては、シリコーン系オイルやシリコーンゲル等、膜材料としてはシリコーン樹脂等が利用可能である。
【００２８】
また本発明に適用する屈折面変形型レンズにおいて、変形面の変形態様は特に限定されるものではない。例えば前述の特許文献１に記載されているように、基板と変形面との封止部に液体やゲルを導出入する導管が配置され、外部のポンプ機構を利用してレンズ面間の液体やゲルの体積を変化させることで、変形膜の曲率を変化させるものが利用可能である。また、レンズ内部に区分された領域を設けて液体やゲルの各領域間の移動を可能に収容し、圧電素子等のアクチュエータを用いて領域間に液体やゲルの移動を生じさせることで、変形面への媒質からの圧力を変化させ、その曲率を変化させる構成としてもよい。この可変レンズの構成や変形面の変形態様は、変形面３及び１８が望遠側から広角側に変形するにあたって球面からの乖離率を抑える構成が好ましい。すなわち、レンズ径や曲率変化の範囲等に応じて、レンズ面変形態様、変形面材料、レンズ媒質材料等を適宜選定することが好ましい。
【００２９】
（１−２）設計例１（基本設計例）
次に、上述した第１の実施の形態に係るズームレンズの第１の設計例について図１を参照してレンズ構成及びレンズ諸元等について説明する。図１（ａ）においては広角端の状態、図１（ｂ）においては中間焦点距離状態、図１（ｃ）においては望遠端の状態をそれぞれ示す。図１に示すように、このズームレンズ１０１は、第１〜第４のレンズ群５１〜５４を有する構成とする例であり、第１のレンズ群５１に第１の可変レンズ３１、第４のレンズ群５４に第２の可変レンズ４１を含む。そして絞り１１を挟んで物体側及び像側にガウス型の第２のレンズ群５２を配置し、第２のレンズ群５２と第４のレンズ群５４との間に、主として軸上の色収差補正を目的とする第３のレンズ群５３を配置するものである。面番号を物体側から順に１〜２０として示す。
【００３０】
第１のレンズ群５１は全体として正の屈折力を有し、物体側より順に、正の屈折力を有する凸レンズ３１、第１の可変レンズ３２、負の屈折力を有する凹レンズ３３を配置する。この例では、レンズ３１と第１の可変レンズ３２が一体化される。ここで変形面３は一体化されたダブレット構成のレンズの外側（最も像側）の面であり、第１の可変レンズ３２に液体レンズやゲルレンズ等の屈折面変形型レンズを用いて像側の面（面番号３）に弾性材料よりなる変形膜を用いることが好ましい。レンズ３１は、屈折面変形型レンズにおける変形膜を固定する光透過性の基板自体に曲率を設けることで代用可能である。
【００３１】
また、第２のレンズ群５２には、物体側から順に正の屈折力を有する凸レンズ３４、正の屈折力を有する凸レンズ３５、像側に凹面を有し正の屈折力を有するメニスカスレンズ３６を配置する。更に、口径絞り１１を挟んで、負の屈折力を有する凹レンズ３７及び正の屈折力を有する凸レンズ３８を配置する。この例では、レンズ３５及び３６、レンズ３７及び３８はダブレット構成とされる。口径絞り１１の前のレンズ３４、３５及び３６のレンズ群は全体として正の屈折力、口径絞り１１の後のレンズ３７及び３８のレンズ群は全体として正の屈折力を有し、ガウスタイプの構成とされる。
【００３２】
第３のレンズ群５３には、正の屈折力を有する凹レンズ３９及び凸レンズ４０からなるダブレットが用いられる。このレンズ群５３は前述したように主に軸上の収差を補正する機能をもたせることで、全体の収差を抑制することが可能である。
【００３３】
更に、第４のレンズ群５４には、第２の可変レンズ４１及び正の屈折力を有し物体側に凸面を有するメニスカスレンズ４２を配置し、ダブレット構成とする。そして変形面１５は外側（最も物体側）の面であり、この第２の可変レンズ４１も液体レンズ又はゲルレンズ等の屈折面変形型レンズとすることが好ましい。レンズ４２もレンズ３１と同様に、屈折面変形型レンズの光透過性基板自体に曲率を設けて代用することができる。
【００３４】
なお、第４のレンズ群５４と像面２３との間には、例えば像面２３に撮像素子４４を配置することを想定して、カバーガラス４３を配置する。この設計例１における数値データ例を下記の表１に示す。また、全体諸元及び各変形面の曲率、面間隔等の各種データを表２に示す。この例は、固定レンズのレンズ面を全て球面として構成するものである。なお、以下の表においてデータ中の曲率半径、面間隔及び有効径等特に単位の指定のない数値はｍｍである。可変レンズの変形面を構成する弾性膜としては、シリコーン製エラストマを用いている。
【００３５】
［表１］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(ｖd) 有効径
1 16.175 1.41 1.744 44.79 4.0607
2 -109.609 d12 1.506 34.90 3.6864
3 r13 d13 3.0238
4 -29.155 0.6 1.755 27.51 2.76
5 11.913 5.5 2.5976
6 15.091 1.02 1.744 44.78 1.9999
7 -20.457 0.8 1.9031
8 5.704 1.06 1.755 27.53 1.576
9 -89.490 0.8 1.523 59.84 1.3346
10 3.981 0.4 1.0366
11 絞り 1.2 0.9502
12 -4.818 0.8 1.755 27.53 1.1125
13 5.737 1.54 1.564 60.83 1.3166
14 -5.404 1.61 1.5993
15 20.749 0.8 1.741 27.79 2.1095
16 4.4 2.35 1.743 44.79 2.2475
17 -10.563 d117 2.4
18 r118 d118 1.506 34.90 2.5785
19 4.853 1.62 1.564 60.83 2.4557
20 24.274 1.94 2.3646
21 INFINITY 0.11 1.516 64.14
22 INFINITY 1.98
23(像面) INFINITY
【００３６】
［表２］各種データ
ズーム比 ３
広角 中間距離 望遠
焦点距離 3.73 6.46 11.19
Ｆナンバー 3.2 3.85 5.3
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.9（但し、カバーガラス厚を除く）
d12 0.03042 0.84686 1.22928
r13 4.66935 9.17308 21.44583
d13 1.86958 1.05314 0.67072
d117 1.26741 1.69039 2.59977
r118 7.39776 12.94671 -16.42832
d118 1.63259 1.20961 0.30023
【００３７】
（１−３）比較例１（可動レンズを用いるズームレンズの従来例）
次に、設計例１のズームレンズに対する比較例として、可変焦点レンズを用いず、可動レンズを用いる従来構成のズームレンズとその光学特性を説明する。図２は、この比較例１によるズームレンズのレンズ構成図である。図２（ａ）は広角端状態、図２（ｂ）は望遠端状態を示す。当然ながらこのズームレンズにおいては一部のレンズ群が光軸に沿って移動するが、図２の中段の矢印でこの光軸上における移動軌跡を示す。
【００３８】
このズームレンズ１２０は、物体側より順に、弱い正の屈折力を有する第１レンズ群ＧＲ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群ＧＲ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群ＧＲ３と、正の屈折力を有する第４レンズ群ＧＲ４が配列されて構成される。そして、広角端から望遠端への変倍に際し、第２レンズ群ＧＲ２が像側に凸の軌跡を描いて移動し、第３レンズ群ＧＲ３が物体側に単調に移動することでズーミングを行うように構成される。
【００３９】
第１レンズ群ＧＲ１は、物体側より順に、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズＧ１と、光路を折り曲げるプリズムＧ２と、両凸形状で両面が非球面で構成された正レンズＧ３とが配列されて成り、負のメニスカスレンズＧ１とプリズムＧ２はガラス材料から、正レンズＧ３は樹脂材料から形成される。第２レンズ群ＧＲ２は、像側に凸面を向け物体側面が非球面で構成された負メニスカスレンズの単レンズＧ４から成り、負メニスカスレンズＧ４は樹脂材料から形成される。第３レンズ群ＧＲ３は、物体側より順に、両凸形状で両面が非球面で構成された正レンズＧ５と、物体側に凸面を向け像側面が非球面で構成された負のメニスカスレンズＧ６とが配列されて成り、正レンズＧ５と負のメニスカスレンズＧ６はガラス材料から形成される。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側に凹面を向け両面が非球面で構成された正メニスカスの単レンズＧ７から成り、正メニスカスレンズＧ７は樹脂材料から形成される。なお、第４レンズ群ＧＲ４と像面ＩＭＧとの間にはカバーガラスＳＧが配置される。
【００４０】
下記の表３に、このズームレンズ１２０に具体的数値を適用した数値比較例のレンズデータを示す。なお、非球面には＊を付して示す。また、全体諸元及び面間隔等の各種データを表４に、非球面係数を表５に示す。
［表３］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(ｖd)
1 93.027 0.60 1.834 37.3
2 6.516 1.29
3 INFINITY 5.50 1.834 37.3
4 INFINITY 0.20
5* 76.069 1.33 1.583 30.0
6* -8.017 d6
7* -5.286 0.50 1.530 55.8
8 -68.485 d8
9* 3.166 1.71 1.583 59.5
10* -5.144 0.40
11 10.688 1.40 1.821 24.1
12* 2.232 d12
13* -6.751 1.49 1.530 55.8
14* -3.004 1.10
15 INFINITY 0.50 1.517 64.2
16 INFINITY 0.50
17(像面) INFINITY
【００４１】
［表４］各種データ
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.71 6.25 10.58
Ｆナンバー 2.87 3.82 5.51
画角［度］ 64.9 38.5 23.7
全長 28
ＢＦ 2.1(1.1+0.5+0.5)
d6 1.10 2.78 1.10
d8 7.18 3.12 0.60
d12 3.20 5.58 9.78
【００４２】
［表５］非球面係数
第5面
k=0, A4=-4.494×10-4, A6=-6.218×10-5, A8=9.711×10-6, A10=0
第6面
k=0, A4=-4.511×10-4, A6=-7.505×10-5, A8=1.610×10-5, A10=-5.048×10-7
第7面
k=0, A4=7.153×10-4, A6=1.131×10-5, A8=6.331×10-6, A10=-1.483×10-6
第8面
k=0, A4=-3.685×10-3, A6=-1.198×10-4, A8=-3.954×10-5, A10=-5.471×10-6
第10面
k=0, A4=8.412×10-3, A6=-8.762×10-4, A8=1.886×10-5, A10=0
第12面
k=0, A4=-4.032×10-3, A6=3.707×10-4, A8=1.720×10-3, A10=-5.972×10-4
第13面
k=0, A4=2.564×10-3, A6=0, A8=0, A10=0
第１４面
k=0, A4=1.201×10-2, A6=-3.288×10-4, A8=3.939×10-6, A10=7.719×10-6
【００４３】
（１−４）設計例１と比較例１との比較検討結果
次に、以上説明した設計例１及び比較例１によるズームレンズの構成及び光学的特性について比較検討した結果を説明する。
（ａ）レンズ厚総和のレンズ全長に対する比
まず、各ズームレンズにおけるレンズ厚総和のレンズ全長に対する比を求めると下記の通りである。なお、以下の式においてレンズ全長にバックフォーカスＢＦは含まず、またレンズ中の平行平板は、空気換算とする。
設計例１：レンズ厚の総和／レンズ全長＝１３．５／２６．３（ｍｍ）＝５１％
比較例１：レンズ厚の総和／レンズ全長＝７／２３．４（ｍｍ）＝３０％
したがって、可変レンズを用いるズームレンズ１０１においては、レンズ枚数が比較的多くなるにも係わらず、レンズ全長の短い設計が達成されて小型化を図ることが可能である。これは、比較例におけるようなレンズの移動が必要ないためでもあるが、特に可変レンズを第１のレンズ群と第４のレンズ群と物体側、像側に配置して構成することで、収差を確実に抑えつつ面間隔も比較的短くすることができているためと考えられる。したがって、倍率や口径等の条件が同等であれば、全ズームレンズ長を短くするという効果が得られる。
【００４４】
逆に、レンズ移動のための隙間を空ける必要がないことで、光路を折り曲げる光学素子を配置する場合においても、その分のスペースを確保するにもかかわらず、レンズ全長の大幅な増加を避けることができる。つまり、光路を折り曲げてレンズ全体の厚さを抑え、筐体の薄型化を図ると共に、長さ方向にも小型化を図ることが可能となる。
【００４５】
なお、レンズ全長に対するレンズ厚の占める割合を４０％以上とするとより好ましい。可変レンズを用いる場合は何らかのレンズ駆動機構を設けることが必要となるため、その分も含めると４０％未満の場合は、十分に小型化を図ることが難しい。したがって、レンズ全長に対するレンズ厚の総和の割合が４０％以上となる構成とすることが好ましい。
【００４６】
（ｂ）光路偏光素子
図３は、光路を折り曲げる光路偏光素子を追加する場合の一例の概略構成図である。図３において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。このズームレンズ１０２では、物体側の第１のレンズ群５１と像側の第２のレンズ群５２との間にミラー等の光路偏向素子５０を配置する。光路偏光素子５０の配置位置は、いずれのレンズ群５１〜５４の間でもよく、面間隔が十分な位置であればよい。
【００４７】
このように光路を折り曲げることで、最も口径を大きくすることが好ましい第１のレンズ群５１のレンズ口径によらずに、第２のレンズ群５２以降のレンズ群の口径により、ズームレンズ１０１全体の筐体の大きさ（厚みや幅）を決定することができる。このため、光路偏向素子５０を設けない場合と比べて筐体の幅を小さくすることが可能となる。撮像装置、携帯電話等の電子機器に組み込む場合に有利となる。一方比較例のズームレンズでは、光路偏光素子を組み込むには別途スペースが必要であり、必要な面間隔を確保するために設計し直さないといけない。設計例１によれば、このような設計変更は必要なく、光路偏光素子の追加が容易という利点を有する。
【００４８】
（ｃ）収差特性
図４（ａ）〜（ｃ）は、上記設計例１の無限遠合焦状態における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図であり、それぞれ広角端、中間焦点距離、望遠端における各収差を示す。なお、球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。
【００４９】
また、図５（ａ）〜（ｃ）は、上記設計例１の空間周波数に対するＭＴＦ（Modulation Transfer Function）値を示す図であり、図５（ａ）は広角端、図５（ｂ）は中間焦点距離、図５（ｃ）は望遠端における参照波長５５５ｎｍでのＭＴＦ値をそれぞれ示す。これら図５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）方向の変調度をそれぞれ示す。
図４及び図５の結果から、設計例１によるズームレンズでは収差が抑えられ、ＭＴＦ値も乱れがなく、良好な光学特性を有することがわかる。なお、図示しないが比較例によるズームレンズにおいても、球面収差、非点収差及び歪曲収差は問題のない値となっている。
【００５０】
一方、設計例１と比較例１において、主光線及び周辺光線に対する各レンズ面での入射角を解析した結果、設計例１の方が入射角を小さく、すなわち光軸に対しより小さい角度で光線が入射するため、収差抑制に有利であることがわかった。この結果を図６〜図９に示す。図６〜図９において縦軸は、レンズ媒質の屈折率をｎ、入射角又は出射角をｉとするときｎ×ｓｉｎ（ｉ）を求めたものである。図６及び図７は設計例１における周辺光線と主光線の結果、図８及び図９は比較例における周辺光線と主光線の結果をそれぞれ示す。各図共に、各レンズ面において広角端を白、中間焦点距離をグレー、望遠端を黒とした棒グラフでそれぞれｎ×ｓｉｎ（ｉ）値を表している。なお、図６及び図７において、レンズ面３ａ、５ａ、７ａ、１０ａ、１４ａ、１７ａ及び１７ｂは、光線追跡解析に使用した仮想平面である。また、各図において、可変レンズ又は可動レンズを実線長方形の枠で囲って示している。
【００５１】
図６及び図７の結果をみると、主光線の場合を示す図７の一部において、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）＞０．５となっている面があるが、これらは第２面、第１３面、第１６面及び第１９面、すなわち貼り合わせ面であり、空気との界面ではないためである。
【００５２】
一方、図８及び図９に示す比較例の結果から、周辺光線においても主光線においても一部のレンズ面でｎ×ｓｉｎ（ｉ）＞０．５となっていることがわかる。これらは図２に示す可動レンズ群ＧＲ２又はＧＲ３内のレンズ面、又はレンズ群ＧＲ２に面するレンズの第６面である。この結果から、可動レンズを用いる場合では、周辺光線、主光線共に入射角が大きくなる面が存在することがわかる。
【００５３】
したがって、設計例１においては、可動レンズを用いる従来のズームレンズと比べて入射角を低く抑えることができ、全てのレンズ面において、周辺光線及び主光線共に光軸に対してより小さい角度で光線が入射する構成を実現できる。このため、収差の増加をより抑えることができる。
【００５４】
なお、上記設計例１においては、絞り１１の位置、絞り１１より像側のレンズパワーを適切に設定してあるので、像側がテレセントリックになっており、撮像素子４４に対する光線入射角度が比較的垂直になっているという利点も有する。
【００５５】
また、設計例１において、レンズ群５２にガウス型、又はガウス型様のレンズ群を含む構成としている。設計例１における各レンズ面での球面収差、コマ収差、非点収差、軸上色収差について、それぞれ広角端、中間焦点距離、望遠端の計算値を図１０〜図１３に示す。図１０〜図１３においては、貼り合わせレンズ及び単レンズのレンズ面をそれぞれ枠で囲って示している。可変レンズの変形面は第３面及び第１８面である。
【００５６】
これら図１０〜図１３から明らかなように、球面収差、コマ収差については、この口径絞り１１の前後に配置するレンズ群５２によって補正されており、物体側の第１のレンズ群５１と像側の第４のレンズ群５４において略ゼロに近くなっていることがわかる。一方非点収差と軸上色収差は僅かに残っているが、やはり第２のレンズ群５２によってある程度補正されており、第１及び第４のレンズ群５１及び５４では低く抑えられていることがわかる。
【００５７】
なお、図１４及び図１５は、図６及び図７に示す周辺光線及び主光線において、第１のレンズ群５１と第４のレンズ群５４におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図１４及び図１５から、第１及び第２の可変レンズ３２及び４１を含む第１及び第４のレンズ群５１及び５４では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【００５８】
また、設計例１においては、倍率色収差が十分に補正されていない。これは、信号処理によって補正可能であるためである。これについて説明すると、上記設計例１では、使用波長において、横収差が画角によってリニアに、すなわち一次関数的に比例して変化しているので、信号処理による補正が容易であり、信号処理のみの補正でレンズを構成することができることを意味する。図１６及び図１７は、それぞれ広角端及び望遠端における、波長４４０ｎｍ、４８０ｎｍ、５２０ｎｍ、５６０ｎｍ、６００ｎｍ、６４０ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析により求めた結果である。なお、図１６及び図１７は共に、波長５３０ｎｍの光線の場合の像点との差分（単位μｍ）を示している。この結果から、特に望遠端において、どの波長の光線も横収差が画角に対してリニアに変化していることがわかる。
【００５９】
また、図１８及び図１９においては、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について解析した結果であり、図１８は広角端の横収差、図１９は望遠端の横収差である。図１８及び図１９から、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっており、周辺光線についての倍率色収差はいわば残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能である。よって、そのための収差補正素子を更に追加する必要がなく、比較的簡素なレンズ構成を実現できる。
【００６０】
（１−５）設計例２（枚数削減例）
次に、レンズ枚数を可能な限り削減して且つ良好な収差特性を得る設計例２について説明する。上記設計例１では、良好な光学特性を有するものの、レンズ第１面から像面までの距離は３０．３３ｍｍであり、可変レンズを用いたズームレンズとしては光路長の短縮が望まれる。また、設計例１では、面形状を変えられるレンズの媒質として比較的屈折率が低い材料を用いる例である。このため第１のレンズ群５１でのパワー変動がそれほど大きくなく、光路長を短縮するのは難しい。バリエータとして機能する第１のレンズ群５１の屈折パワーを大きくするためには、曲率の変動領域を大きくする方法も考えられるが、曲率が大きくなることにより球面収差が劣化するという問題がある。また、可変レンズの媒質に液体を用いる場合には、例えば望遠端のように凹レンズとなり、且つ曲率が大きくなる状態があると、気泡が発生する恐れが生じる。
【００６１】
このような問題を解決するために、設計例２においては、設計例１よりも光路長を短縮することを目的として、バリエータである第１のレンズ群５１に屈折率の高いレンズ媒質の可変レンズを用いる構成とする。この例では、主光線の、撮像素子への入射角を制限しないことによって、設計の自由度を増やしていることに特徴をもつ光学系となっている。
【００６２】
この例におけるズームレンズ１０３のレンズ構成を図２０に示す。図２０（ａ）においては広角端、図２０（ｂ）には中間焦点距離、図２０（ｃ）には望遠端における状態を示している。物体側より順に、第１の可変レンズ１３２を有する第１のレンズ群１５１、口径絞り１１を挟んで配置される第２のレンズ群１５２、第２の可変レンズ１４１を有する第３のレンズ群１５４が配置される。第１のレンズ群１５１はバリエータとして面形状を変えられる第１の可変レンズ１３２を有し、第３のレンズ群１５４はフォーカスとコンペンセータの機能を有した面形状を変えられる第２の可変レンズ１４１を有して、変倍を行うズーム光学系となっている。具体的には、第１のレンズ群１５１には物体側に凸のメニスカスレンズ１３１、第１の可変レンズ１３２及び凹レンズ１３３が配置され、全体として正の屈折力を有する。第２のレンズ群１５２には口径絞りの前に正の屈折力を有する両凸レンズ１３４、ダブレット構成で全体として正の屈折力を有するレンズ１３５及び１３６を有する。また口径絞りの像側には凹レンズ１３７及び凸レンズ１３８がダブレット構成として配置され、両レンズで負の屈折力を有する構成とされる。そして第３のレンズ群１５４には、第２の可変レンズ１４１及びこれと貼りあわされた物体側に凸面をもつレンズ１４２が配置され、全体として正の屈折力をもつ構成とされる。像面との間には例えば像面２０に撮像素子１４４を配置することを想定して、カバーガラス１４３を配置する。図２０においても、面番号を物体側から順に１〜２０として示す。
【００６３】
この設計例２では、面形状を変えられるレンズである第１及び第２の可変レンズ１３２及び１４１には、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９の光学定数を有する液体を用いている。下記の表６に、設計例２におけるズームレンズのレンズ諸元を示し、また表７に各種データを示す。
【００６４】
［表６］
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(ｖd) 有効径
1 7.03737 1.41 1.747286 37.79 4.04
2 18.95952 d22 1.5057 34.9 3.7123
3 r23 d23 2.8498
4 123.36383 0.75 1.755201 27.58
5 4.58215 5.5 2.6492
6 37.18724 1.02 1.753021 29.78 2.3146
7 -14.01367 0.8 2.3554
8 6.30822 1.06 1.743972 44.85 1.9946
9 49.71571 0.8 1.535923 50.44 1.9447
10 5.41752 0.4
11 絞り 1.2
12 26.91075 0.8 1.755201 27.58 1.4806
13 3.4863 1.54 1.634968 57.58 1.2276
14 -9.39829 d214 1.2697
15 r215 d215 1.5057 34.90
16 3.62705 1.62 1.62041 60.32
17 -1395.48172 1.941048 1.642
18 INFINITY 0.105 1.51633 64.14 1.817
19 INFINITY 2.089027 1.8482
20(像面) INFINITY
【００６５】
［表７］各種データ
ズーム比 ３
広角 中間距離 望遠
焦点距離 3.73 6.46 11.19
Ｆナンバー 3.20 3.64 4.78
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 26.4（一定）
ＢＦ 4.03（但し、カバーガラス厚を除く）
d22 0.03042 0.84686 1.22928
r23 3.47577 5.91976 10.86437
d23 1.861958 1.05314 0.67072
d214 1.97739 2.41492 3.41536
r215 9.17703 25.95864 -7.93467
d215 1.63261 1.19508 0.19464
【００６６】
このように、本設計例ではレンズ第１面から像までの距離が２６．４ｍｍとなっている。したがって、本設計例２を用いることによって設計例１と比較して１３％程度光路長の短縮が図れる。また、バックフォーカスや平行平板（平行平板は空気換算）を含まない全長が２２．４５ｍｍであり、ガラス総厚みが１０．４ｍｍで、その比は１０．４／２２．４５≒４６．４％である。すなわち設計例１よりもレンズ枚数を減らしつつ、空気部分の長さを短縮し、大幅な全長圧縮を達成した設計となっている。
【００６７】
また、コンペンセータである第２の可変レンズ１４１の有効径が、設計例１に対して２．２４７／２．５７９≒１２．９％程度小さくなる。このことから、第１のレンズ群１５１と第２のレンズ群１５２との間で折り返しミラー等の光偏向素子を挿入することにより、第２のレンズ群１５２以降の光学系の有効径でズームレンズ全体の筐体の厚さ及び幅が決まるので、全体としてズームレンズ筐体の薄型化が可能となる。また、設計例１よりもＦ値の小さい光学系が実現できるという利点も有する。
【００６８】
この設計例２における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図２１（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図２２（ａ）〜（ｃ）に示す。図２２においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図２１及び図２２の結果から、この設計例２においても、良好な収差特性が得られることがわかる。
【００６９】
また、図２３及び図２４は、軸外光線及び主光線において、第１のレンズ群１５１と第３のレンズ群１５３におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図２３及び図２４から、第１及び第２の可変レンズ１３２及び１４１を含む第１及び第３のレンズ群１５１及び１５３では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【００７０】
また、図２５及び図２６は、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析した結果であり、図２５は広角端の横収差、図２６は望遠端の横収差である。図２５及び図２６から、この例においても、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっているが、問題のない範囲となっている。つまり、設計例２においては、倍率色収差はいわば残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能であり、そのための収差補正素子を追加する必要がなく、設計例１よりも更に簡素なレンズ構成を実現できる。
【００７１】
２．第２の実施の形態（非球面を用いたズームレンズ）
次に、本発明の第２の実施の形態に係るズームレンズについて説明する。第１の実施の形態に係るズームレンズとの違いは、固定レンズのうち少なくとも一面に非球面を有する構成とすることである。まず、プレッシャーレンズの変形面の球面からの乖離を考慮した場合の参考例から説明する。
【００７２】
（２−１）参考例１（変形面の球面からの乖離量の説明）
上述の第１の実施の形態に係るズームレンズの光学系において、バリエータ及びコンペンセータに用いている可変レンズの面形状は球面としている。可変レンズとしてエレクトロウエッティングレンズではなく、上述したようなシリコーン樹脂等の透明弾性膜を液圧変化によって変形させる屈折面変形型レンズの場合、実際の面形状は球面形状からある程度乖離する。また屈折面変形型レンズのサグ量が大きくなる、すなわち曲率が大きくなるにつれてこの乖離量は顕著になり、光学特性に与える影響は無視できない。以下この球面からの乖離量を球面乖離量と呼ぶ。
【００７３】
このため、実際の屈折面変形型レンズの面形状を反映した光学系は設計値と比較して特性が低下し、とりわけバリエータの曲率が最大になる広角端での光学性能の低下は顕著になる。また、ズーム率が高ければ、変形面での屈折パワー変動を稼ぐ必要が出てくるので、低倍率のものと比較すると曲率変化（変形量）は大きくなり、球面乖離量も大きくなると考えられる。更に、球面乖離量は変形面を構成する膜のテンション等にも依存する。
【００７４】
したがって、可変レンズとして屈折面変形型レンズを用いたズームレンズの設計において、屈折面変形型レンズの非球面形状を考慮して光学系を組むことによって光学特性の改善が図れる。このため、第２の実施の形態に係るズームレンズにおいては、屈折面変形型レンズの面形状が非球面になることを考慮し、第１の実施の形態に係るズームレンズをもとにして固定レンズ群の諸元変更により光学特性の改善を図ることを目的とする。
【００７５】
ここでは、面形状を変化させるレンズとして、屈折面変形型液体レンズを例に挙げて説明をする。なお、屈折面変形型ゲルレンズの場合も同様の形状変化の特性をもつと考えられる。
【００７６】
図１に示す設計例１において、可変レンズ３２及び４１の変形面を非球面とした場合の面データを下記の表８に、また全体諸元及び面間隔、更に非球面データを下記の表９及び１０に示す。
【００７７】
［表８］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1 16.1754 1.41 1.7440 44.79 4.0607
2 -109.60855 d12 1.5057 34.90 3.6864
3* r13 d13 3.0238
4 -29.15474 0.6 1.7552 27.51 2.76
5 11.91251 5.5 2.5976
6 15.09107 1.02 1.7440 44.79 2.6296
7 -20.45717 0.8 1.9999
8 5.70415 1.06 1.7552 27.53 1.576
9 -89.48983 0.8 1.5225 59.84 1.3346
10 3.98084 0.4 1.0366
11 絞り 1.2 0.9502
12 -4.81816 0.8 1.7552 27.53 1.1125
13 5.7367 1.54 1.5638 60.83 1.3166
14 -5.40399 1.61 1.5993
15 20.74906 0.8 1.7408 27.79 2.1095
16 4.4 2.35 1.7434 44.79 2.2475
17 -10.56317 d117 2.4
18* r118 d118 1.5057 34.90 2.5785
19 4.85262 1.62 1.5638 60.83 2.4557
20 24.27371 1.941048 2.3646
21 INFINITY 0.105 1.5163 64.14
22 INFINITY 1.97763
23(像面) INFINITY
【００７８】
［表９］各種データ
ズーム比 ３
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 3.2 3.85 5.3
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.9（但し、カバーガラス厚を除く）
d12 0.03042 0.84686 1.22928
r13 4.70096 9.17627 21.45534
d13 1.86958 1.05314 0.67072
d117 1.26741 1.69039 2.59977
r118 7.40355 12.94742 -16.43472
d118 1.63259 1.20961 0.30023
【００７９】
［表１０］非球面係数
第3面 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ４ 1.5507×10-3 1.9793×10-4 -7.7287×10-6
Ａ６ 6.4537×10-5 3.2942×10-6 9.1154×10-6
Ａ８ -1.4741×10-6 -2.5720×10-8 -1.5517×10-6
Ａ１０ 3.5145×10-7 -2.8353×10-9 9.3965×10-8
第18面 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ４ 3.3057×10-4 1.8181×10-5 3.3148×10-5
Ａ６ 3.2447×10-5 2.3226×10-5 -4.0486×10-5
Ａ８ -4.5300×10-6 -4.0617×10-6 1.0280×10-5
Ａ１０ 2.7591×10-7 2.5643×10-7 -9.3530×10-7
【００８０】
図２７は、この参考例１においてバリエータとして搭載している屈折面変形型の可変レンズの変形面、つまり第３面の面中心を通る断面（径方向）に対する理想球面との差分を示す図である。また、図２８はこの第３面の曲率半径Ｒに対する最大球面乖離量である。なお便宜上、フィッティングした理想球面は、設計例１におけるバリエータの広角端におけるレンズ有効径（φ６ｍｍ）としている。
【００８１】
図２７から、曲率半径が８．８７３ｍｍ（中間焦点距離）から７．４７ｍｍ、６．４７ｍｍ、４．７ｍｍ（広角端）となるにつれ、径方向の変化が大きくなることがわかる。また、図２８からわかるように、屈折面変形型の可変レンズの曲率半径が小さく、すなわち曲率が大きくなるにつれて、屈折面変形型可変レンズ面の球面乖離量は顕著になり、広角端の曲率においては最大で１３μｍ程度の球面乖離が生じる。
【００８２】
この面形状を反映した例を参考例１として、設計例１においてバリエータ及びコンペンセータとして搭載している２つの可変レンズ３２及び４１の面形状の測定結果を多項式近似することによって反映させた光学特性を計算により求めた。この結果を以下に示す。図２９（ａ）〜（ｃ）に、広角端、中間焦点距離、望遠端における諸収差図を示し、球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。図３０（ａ）〜（ｃ）には参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性を示す。図３０においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。
【００８３】
図２９及び３０から明らかなように、屈折面変形型可変レンズの球面乖離量を反映すると、設計例１で期待される光学特性に対して特性が低下する。とりわけ広角端での光学特性の低下は顕著であり、非点収差、像面湾曲、歪曲収差が悪化し、また、ＭＴＦの空間周波数特性も低下している。なお、これは非球面を考慮せず設計した通常の弾性膜を用いた場合であり、変形膜材料の特性やテンション等の条件によっては、この結果よりも収差の低下を抑えることが可能である。
【００８４】
（２−２）参考例２（参考例１を非球面を用いずに最適化した例）
次に、参考例１における固定レンズの面データを、非球面を用いずに最適化して光学性能の改善を図ることができるか検討した。この例における広角端、中間焦点距離、望遠端の概略レンズ構成を図３１に示す。なお、レンズ群の数、屈折力、貼り合わせレンズとするレンズの個数や配置は設計例１とほぼ同様とし、面データのみ若干変更している。すなわち、図３１に示すようにこの参考例２によるズームレンズ１２１においても、物体側から第１の可変レンズ４３２を含む第１のレンズ群４５１、口径絞りを挟んで物体側及び像側にガウスタイプの第２のレンズ群４５２を配置している。またその後段に、主として軸上収差補正を行う第３のレンズ群４５３、第２の可変レンズ４４１を含む第４のレンズ群４５４を配置している。固定レンズは物体側から順に４３１、４３３、４３４〜４４０、４４２を備える。また像面２３に撮像素子４４４を配置することを想定してカバーガラス４４３を設けている。図３１においても、面番号を物体側から順に１〜２３として示す。下記の表１７及び１８に、参考例２におけるレンズ面データ、全体諸元及び面間隔を示す。なおこの参考例２でも、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質として設計例１と同様に、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９０の液体を用いている。
【００８５】
［表１７］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(ｖd)
1 16.1754 1.41 1.7440 44.79
2 -18.82513 d52 1.5057 34.90
3* r53 d53
4 -15.6344 0.75 1.7552 27.51
5 12.10594 5.5
6 18.27895 1.02 1.7440 44.79
7 -15.83137 0.8
8 6.21915 1.06 1.7552 27.53
9 -13.78252 0.8 1.5225 59.84
10 5.07364 0.4
11 絞り 1.2
12 -4.58759 0.8 1.7552 27.53
13 4.07559 1.54 1.5638 60.83
14 -5.24593 1.61
15 -1809.13877 0.8 1.7408 27.79
16 4.4 2.35 1.7434 44.79
17 -7.83455 d517
18* r518 d518 1.5057 34.90
19 4.85262 1.62 1.5638 60.83
20 44.46226 1.941048
21 INFINITY 0.105 1.5163 64.14
22 INFINITY 1.97763
23(像面) INFINITY
【００８６】
［表１８］各種データ
ズーム比 ３
広角 中間距離 望遠
焦点距離 3.74 6.46 11.18
Ｆナンバー 3.20 3.87 5.36
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.9（但し、カバーガラス厚を除く）
d52 0.03042 0.84686 1.22928
r53 4.70096 9.17627 21.45534
d53 1.26741 1.69039 2.59977
d517 1.80536 0.80492 0.36739
r518 7.40355 12.94742 -16.43472
d518 1.63259 1.20961 0.30023
【００８７】
［表１９］非球面係数
第3面 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ４ 1.5507×10-3 1.9793×10-4 -7.7287×10-6
Ａ６ 6.4537×10-5 3.2942×10-6 9.1154×10-6
Ａ８ -1.4741×10-6 -2.5720×10-8 -1.5517×10-6
Ａ１０ 3.5145×10-7 -2.8353×10-9 9.3965×10-8
第18面 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ４ 3.3057×10-4 1.8181×10-5 3.3148×10-5
Ａ６ 3.2447×10-5 2.3226×10-5 -4.0486×10-5
Ａ８ -4.5300×10-6 -4.0617×10-6 1.0280×10-5
Ａ１０ 2.7591×10-7 2.5643×10-7 -9.3530×10-7
【００８８】
この参考例２における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図３２（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図３３（ａ）〜（ｃ）に示す。図３３においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図３２及び図３３の結果から、このように、球面のみを用いて固定レンズの最適化を図っても、良好な収差特性が得られず、実用には供し難いことがわかる。したがって、このように変形面の球面乖離量が比較的多くなる場合は、固定レンズのいずれかの面１面以上に非球面を用いて設計することが好ましい。
【００８９】
（２−３）設計例３（非球面１面追加例）
以上の結果をもとに、屈折面変形型液体レンズの球面乖離量を考慮して光学系の再設計を行った。
この設計例３においては、可変レンズとして用いる屈折面変形型液体レンズの面形状を反映し、固定レンズ群の曲率半径を変えて光学系を改善した。この例の広角端、中間焦点距離、望遠端における概略レンズ構成を図３４に示す。なお、レンズ群の数、屈折力、貼り合わせレンズとするレンズの個数や配置は設計例１とほぼ同様とし、面データのみ若干変更している。すなわち、図３４に示すようにこのズームレンズ１０４においても、物体側から第１の可変レンズ２３２を含む第１のレンズ群２５１、口径絞りを挟んで物体側及び像側にガウスタイプの第２のレンズ群２５２を配置している。またその後段に、主として軸上収差補正を行う第３のレンズ群２５３、第２の可変レンズ２４１を含む第４のレンズ群２５４を配置している。固定レンズは物体側から順に２３１、２３３、２３４〜２４０、２４２を備える。また像面２３に撮像素子２４４を配置することを想定してカバーガラス２４３を設けている。図３４においても、面番号を物体側から順に１〜２３として示す。下記の表１１、１２及び１３に、設計例３におけるレンズ面データ、全体諸元及び面間隔、非球面データを示す。なお、この設計例３では、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質として設計例１と同様に、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９０の液体を用いている。
【００９０】
［表１１］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1 17.18464 1.41 1.7440 44.79 4.1556
2 -18.37532 d32 1.5057 34.90 3.9368
3* r33 d33 2.9956
4 -16.75079 0.6 1.7552 27.51 2.7599
5 12.82512 5.5 2.5775
6 15.6892 1.02 1.7440 44.79 2.0451
7 -19.45989 0.8 1.9568
8 6.05049 1.06 1.7552 27.53 1.6303
9 -20.91537 0.8 1.5225 59.84 1.4064
10 4.66761 0.4 1.0723
11 絞り 1.2 0.9593
12 -5.44351 0.8 1.7552 27.53 1.0949
13 4.16131 1.54 1.5638 60.83 1.2747
14 -7.11498 1.61 1.5406
15 24.23089 0.8 1.7408 27.79 2.0445
16 4.16923 2.35 1.7434 44.79 2.2185
17 -8.83975 d317 2.4018
18* r318 d318 1.5057 34.90 2.5893
19 4.85262 1.62 1.5638 60.83 2.4623
20* 23.95966 1.941048 2.3695
21 INFINITY 0.105 1.5163 64.14 2.298
22 INFINITY 1.988394 2.2955
23(像面) INFINITY 2.305
【００９１】
［表１２］各種データ
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.74 6.46 11.19
Ｆナンバー 3.20 3.86 5.34
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.93（但し、カバーガラス厚を除く）
d32 0.03042 0.84686 1.22928
r33 4.70096 9.17627 21.45534
d33 1.86958 1.05314 0.67072
d317 1.26741 1.69039 2.599772
r318 7.40355 12.94742 -16.43472
d318 1.63259 1.20961 0.30023
【００９２】
［表１３］非球面係数
第3面（変形面）広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ4 1.5507×10-3 1.9793×10-4 -7.7287×10-6
Ａ6 6.4537×10-5 3.2942×10-6 9.1154×10-6
Ａ8 -1.4741×10-6 -2.5720×10-8 -1.5517×10-6
Ａ10 3.5145×10-7 -2.8353×10-9 9.3965×10-8
第18面（変形面）広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ4 3.3057×10-4 1.8181×10-5 3.3148×10-5
Ａ6 3.2447×10-5 2.3226×10-5 -4.0486×10-5
Ａ8 -4.5300×10-6 -4.0617×10-6 1.0280×10-5
Ａ10 2.7591×10-7 2.5643×10-7 -9.3530×10-7
第20面（固定）
ｋ=-1, A4=4.7969×10-4, A6=-4.0486×10-5, A8=6.8513×10-6, A10=0
【００９３】
この設計例３における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図３５（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図３６（ａ）〜（ｃ）に示す。図３６においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図３５及び図３６の結果から、この設計例３においても、良好な収差特性が得られることがわかる。
【００９４】
また、図３７及び図３８は、軸外光線及び主光線において、第１のレンズ群１５１と第３のレンズ群１５３におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図３７及び図３８から、第１及び第２の可変レンズ２３２及び２４１を含む第１及び第４のレンズ群２５１及び２５４では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【００９５】
また、図３９及び図４０は、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析した結果であり、図３９は広角端の横収差、図４０は望遠端の横収差である。図３９及び図４０から、この例においても、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっているが、この例においては、第３のレンズ群２５３を設けるため軸上の収差補正を行っている。よって設計例３においては、周辺光線の倍率色収差は残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能であり、設計例１と同様に、軸上収差補正のみを設けて良好な光学特性が得られている。
【００９６】
また、図４１、４２及び４３にそれぞれ、設計例１、参考例１及び設計例３における倍率色収差を示す。各図においてそれぞれ広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示している。また図中三角記号は波長６７０ｎｍ、四角記号は波長６００ｎｍ、丸記号は波長５５０ｎｍ、記号×は波長５１０ｎｍ、記号＋は波長４７０ｎｍの倍率色収差を示す。図４１〜４３を比較すると明らかなように、設計例１において球面乖離量が十分小さく球面とみなせるような場合はスポットの歪みが少ないが、非球面形状として球面乖離量が大きくなると特に広角端で楕円状に歪み、非点収差が大きくなる。一方、設計例３において固定レンズのうち一面に非球面を組み込むことで、倍率色収差が大幅に改善され、非点収差、コマ収差も抑えられることがわかる。
【００９７】
この場合、参考例１に示すような変形面の固定レンズ群に球面レンズを用いる制約条件下では大きな改善はみられないため、最も像側のレンズ面であるレンズ最終面（第２０面）に非球面レンズを用いることによって性能の改善を実現している。
またこの設計例３では、固定レンズ群の一面の非球面化だけでなく、曲率半径、更にレンズ間隔、レンズ厚み、使用硝材を変えることによっても性能改善を図っている。
【００９８】
なお、設計例３ではレンズ第１面から像までの距離が３０．３ｍｍとなっている。また、バックフォーカスや平行平板（平行平板は空気換算）を含まない全長が２６．３ｍｍであり、ガラス総厚みが１３．５ｍｍで、その比は１３．５／２６．３≒５１％である。すなわち設計例３においても、設計例１と同様に、レンズ全長に対するレンズ厚の総和の割合を４０％以上として構成し、小型化を図った設計となっている。
【００９９】
このように、第２の実施の形態に係るズームレンズの構成、すなわち固定レンズに非球面を取り入れることで、第１の実施の形態に係るズームレンズと比較して、変形面の球面乖離量が大きくなる場合においても良好な光学特性を有する光学系が実現できる。
【０１００】
（２−４）設計例４（非球面２面追加例）
次に、非球面枚数を変えて光学特性の改善を図る設計例４について検討した。この例における広角端、中間焦点距離、望遠端の概略レンズ構成を図４４に示す。なお、レンズ群の数、屈折力、貼り合わせレンズとするレンズの個数や配置は設計例１及び３とほぼ同様とし、面データのみ若干変更している。すなわち、図４４に示すようにこのズームレンズ１０５においても、物体側から第１の可変レンズ３３２を含む第１のレンズ群３５１、口径絞りを挟んで物体側及び像側にガウスタイプの第２のレンズ群３５２を配置している。またその後段に、主として軸上収差補正を行う第３のレンズ群３５３、第２の可変レンズ３４１を含む第４のレンズ群３５４を配置している。固定レンズは物体側から順に３３１、３３３、３３４〜３４０、３４２を備える。また像面２３に撮像素子３４４を配置することを想定してカバーガラス３４３を設けている。図４４においても、面番号を物体側から順に１〜２３として示す。下記の表１４、１５及び１６に、設計例４におけるレンズ面データ、全体諸元及び面間隔、非球面データを示す。またこの設計例４でも、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質として設計例１及び３と同様に、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９０の液体を用いている。
【０１０１】
［表１４］面データ
（非球面2面追加、第1面、第20面）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1* 16.1754 1.41 1.7440 44.79 4.1028
2 -28.48612 d42 1.5057 34.90 3.8288
3* r43 d43 2.9699
4 -11.97721 0.6 1.7552 27.51 2.7615
5 24.54135 5.5 2.6345
6 23.96047 1.02 1.7440 44.79 2.6521
7 -20.28325 0.8 1.9603
8 5.07312 1.06 1.7552 27.53 1.8698
9 -52.55789 0.8 1.5225 59.84 1.5698
10 4.25199 0.4 1.341
11 絞り 1.2 1.0474
12 -4.60686 0.8 1.7552 27.53 1.0919
13 4.49736 1.54 1.5638 60.83 0.9587
14 -5.34143 1.61 1.1015
15 21.43089 0.8 1.7408 27.79 1.3084
16 4.4 2.35 1.7434 44.79 1.5866
17 -9.95388 d417 2.0997
18* r418 d418 1.5057 34.90 2.2449
19 4.85262 1.62 1.5638 60.83 2.4085
20* 22.2209 1.941048 2.582
21 INFINITY 0.105 1.5163 64.14 2.4506
22 INFINITY 1.968658 2.3533
23(像面) INFINITY
【０１０２】
［表１５］各種データ
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 3.85 5.30
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.91（ただし、カバーガラス厚を除く）
d42 0.03042 0.84686 1.22928
r43 4.70096 9.17627 21.45534
d43 1.86958 1.05314 0.67072
d417 1.26741 1.69039 2.599772
r418 7.40355 12.94742 -16.43472
d418 1.63259 1.20961 0.30023
【０１０３】
［表１６］非球面係数
第1面（固定） 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ=-1, A4 =1.61×10-4, A6=3.11×10-6, A8=-9.61×10-8, A10=0
第3面（変形面）
ｋ -1 -1 -1
Ａ4 1.5507×10-3 1.9793×10-4 -7.7287×10-6
Ａ6 6.4537×10-5 3.2942×10-6 9.1154×10-6
Ａ8 -1.4741×10-6 -2.5720×10-8 -1.5517×10-6
Ａ10 3.5145×10-7 -2.8353×10-9 9.3965×10-8
第18面（変形面）広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ4 3.3057×10-4 1.8181×10-5 3.3148×10-5
Ａ6 3.2447×10-5 2.3226×10-5 -4.0486×10-5
Ａ8 -4.5300×10-6 -4.0617×10-6 1.0280×10-5
Ａ10 2.7591×10-7 2.5643×10-7 -9.3530×10-7
第20面（固定）
ｋ=-1, A4=4.7969×10-4, A6=-4.0486×10-5, A8=6.8513×10-6, A10=0
【０１０４】
この設計例４における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図４５（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図４６（ａ）〜（ｃ）に示す。図４６においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図４５及び図４６の結果から、この設計例４においても、良好な収差特性が得られることがわかる。
【０１０５】
また、図４７及び図４８は、軸外光線及び主光線において、第１のレンズ群３５１と第４のレンズ群３５４におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図４７及び図４８から、この設計例４によるズームレンズ１０５においても、第１及び第２の可変レンズ３３２及び３４１を含む第１及び第４のレンズ群２５１及び２５４では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【０１０６】
また、図４９及び図５０は、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析した結果であり、図４９は広角端の横収差、図５０は望遠端の横収差である。図４９及び図５０から、この例においても、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっているが、この例においても設計例３と同様第３のレンズ群３５３を設けており、これにより軸上の収差補正を行っている。よって設計例４においては、周辺光線の倍率色収差は残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能であり、設計例１及び３と同様に、軸上収差補正のみを設けて良好な光学特性が得られている。
【０１０７】
この設計例４では、設計例３と同様最も像側のレンズ面であるレンズ最終面（第２０面）に非球面レンズを用いると共に、最も物体側のレンズ面も非球面とすることによって性能の改善を実現している。
またこの設計例４でも、固定レンズ群の非球面化枚数の増加に加え、設計例１とは曲率半径、更にレンズ間隔、レンズ厚み、使用硝材を変えることによって、変形面の球面乖離量が大きくなる場合においても収差を抑え、光学特性を良好に保つことができる。
【０１０８】
なお、設計例４ではレンズ第１面から像までの距離が３０．３ｍｍとなっている。また、バックフォーカスや平行平板（平行平板は空気換算）を含まない全長が２６．３ｍｍであり、ガラス総厚みが１３．５ｍｍで、その比は１３．５／２６．３≒５１％である。すなわち設計例４においても、設計例１及び３と同様に、レンズ全長に対するレンズ厚の総和の割合を４０％以上として構成し、小型化を図った設計となっている。
【０１０９】
３．第３の実施の形態
（３−１）設計例５（非球面３面とし枚数削減する例）
次に、非球面を設けると共に枚数を削減して光学特性の改善と小型化を図る設計例５について検討した。この例における広角端、中間焦点距離、望遠端の概略レンズ構成を図５１に示す。なお、レンズ群の数、屈折力、貼り合わせレンズとするレンズの個数や配置は設計例２とほぼ同様とし、面データのみ若干変更している。すなわち、図５１に示すようにこのズームレンズ１０６においては、物体側から第１の可変レンズ５３２を含む第１のレンズ群５５１、口径絞りを挟んで物体側及び像側にガウスタイプの第２のレンズ群５５２を配置している。またその後段に、第２の可変レンズ５３８を含む第３のレンズ群５５３を配置している。固定レンズは物体側から順に５３１、５３３、５３４〜５３７、５３９を備える。また像面１８に撮像素子５４４を配置することを想定してカバーガラス５４３を設けている。図５１においても、面番号を物体側から順に１〜１８として示す。下記の表２０、２１及び２２に、設計例５におけるレンズ面データ、全体諸元及び面間隔、非球面データを示す。またこの設計例５でも、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質として設計例１及び３と同様に、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９０の液体を用いている。
【０１１０】
［表２０］面データ
（非球面3面追加、第2面、第10面、第15面）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1 7.54899 1.5 1.743997 44.79 3.6697
2* -10.59909 d52 1.5057 34.90 3.5408
3 r53 d53 2.4304
4 3.67506 0.8 1.48749 70.41 1.9989
5 4.40199 0.8 1.7237
6 38.83283 1.06 1.755201 27.58 1.4738
7 -3.44066 0.8 1.551243 49.21 1.239
8 5.58805 0.4 1.7552 27.53 0.7903
9 絞り 0.8
10* -2.67752 0.8 1.696146 31.66 0.8246
11 12.31034 1.2 1.642457 56.31 1.2563
12 -2.22673 d512 1.51
13 r513 d513 1.5057 34.90 1.9679
14 2.89037 1.5 1.606736 61.05 2.2641
15* -11.15041 1.941048 2.2731
16 INFINITY 0.105 1.51633 64.14
17 INFINITY 1.898967
18(像面) INFINITY
【０１１１】
［表２１］各種データ
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.74 6.46 11.18
Ｆナンバー 3.20 3.78 5.22
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 17.2（一定）
ＢＦ 3.84（ただし、カバーガラス厚を除く）
d52 1.24825 0.89009 0.01681
r53 6.37941 4.45693 3.08110
d53 0.50175 0.85991 1.73319
d512 1.83366 1.07571 0.52982
r513 -5.28355 53.97592 8.86056
d513 0.01634 0.77429 1.32018
【０１１２】
［表２２］非球面係数
第2面（固定）
ｋ=-1, A4 =1.6728×10-3, A6=-1.1612×10-5, A8=1.5511×10-6, A10=-5.4570×10-8
第10面（固定）
ｋ=-1, A4 =-2.9369×10-2, A6=-1.8407×10-2, A8=1.5115×10-2, A10=-9.1391×10-3
第15面（固定）
ｋ=-1, A4=-1.0445×10-3, A6=-7.2504×10-5, A8=2.1739×10-5, A10=7.9055×10-7
【０１１３】
この設計例５における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図５２（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図５３（ａ）〜（ｃ）に示す。図５３においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図５２及び図５３の結果から、この設計例４においても、良好な収差特性が得られることがわかる。
【０１１４】
また、図５４及び図５５は、軸外光線及び主光線において、第１のレンズ群５５１と第３のレンズ群５５３におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図５４及び図５５から、この設計例５によるズームレンズ１０６においても、第１及び第２の可変レンズ５３２及び５３８を含む第１及び第３のレンズ群５５１及び５５３では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【０１１５】
また、図５６及び図５７は、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析した結果であり、図５６は広角端の横収差、図５７は望遠端の横収差である。図５６及び図５７から、この例においても、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっているが、問題の内範囲となっている。よって設計例５においては、周辺光線の倍率色収差は残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能であり、且つ、設計例２と同様に、レンズ枚数を削減して、装置全体の小型化を図る構成を実現している。
【０１１６】
この設計例５では、最も像側のレンズ面であるレンズ最終面（第１５面）に非球面レンズを用いる点は設計例３及び４と同じであるが、最も物体側から２番目の第２面を非球面とすることによって性能の改善を実現している。
またこの設計例５でも、固定レンズ群の非球面化枚数の増加に加え、設計例１とは曲率半径、更にレンズ間隔、レンズ厚み、使用硝材を変えることによって、変形面の球面乖離量が大きくなる場合においても収差を抑え、光学特性を良好に保つことができる。
【０１１７】
また、設計例５ではレンズ第１面から像までの距離が２６．４ｍｍとなっている。したがって、本設計例５を用いることによって設計例１と比較して１３％程度光路長の短縮が図れる。また、バックフォーカスや平行平板（平行平板は空気換算）を含まない全長が２２．２６ｍｍであり、ガラス総厚みが１０．２７ｍｍで、その比は１０．２７／２２．２６≒４６．１％である。すなわち設計例１よりもレンズ枚数を減らしつつ、空気部分の長さを短縮し、大幅な全長圧縮を達成した設計となっている。
【０１１８】
４．可変レンズと絞りとの距離の検討
（４−１）設計例６（非球面３面とする例）
次に、可変レンズを設ける最適な位置の範囲を求める一手法として、レンズ全長に対して、口径絞り位置から可変レンズの変形面までの距離の比について検討した結果を説明する。
先ず、設計例１におけるレンズ全長に対する口径絞りから可変レンズ変形面までの距離の比を図５８を参照して説明する。図５８において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図５８では望遠端と広角端の状態を示すが、ここでは望遠端及び広角端の両状態での各距離を規定した。すなわち図５８に示すように、第１のレンズ３１の物体側の面から口径絞りまでの距離をＬ１、口径絞りから物体側の可変レンズ３２の可変面３までの距離をＬ２とする。同様に、口径絞りから像面２３までの距離をＬ３、口径絞りから像側の可変レンズ４１の可変面１８までの距離をＬ４とする。
【０１１９】
このとき、
Ｌ２／Ｌ１（前側）＝８０．４％（望遠端）、８９．３％（広角端）
Ｌ４／Ｌ３（後側）＝６４．７％（望遠端）、５６．８％（広角端）
である。すなわち、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
Ｌ４／Ｌ３≧０．３
となっている。
【０１２０】
この範囲とすることで、収差が良好となり、特に倍率色収差に問題がない光学系が得られた。以下設計例６を参照してこれを説明する。
この設計例６においては、枚数削減を図ると共に固定レンズに非球面レンズを用いて設計した。中間焦点距離の状態での概略レンズ構成を図５９に示す。
この例では、第１の可変レンズ６３２を含む物体側のレンズ群と、口径絞りを挟んでガウスタイプ構成として配置されるレンズ群と、第２の可変レンズ６３８を含む像側のレンズ群とを備える。物体側から順に負の屈折力を有する凸レンズ６３１、第１の可変レンズ６３２とで物体側のレンズ群が構成される。また、正の屈折力を有するメニスカスレンズ６３３と、正の屈折力を有するレンズ６３４及び負の屈折力を有する凹レンズ６３５とによる貼り合わせレンズ、絞り９を挟んで、負の屈折力を有する凹レンズ６３６及び凸レンズ６３７によってガウスタイプのレンズ群が構成される。像側のレンズ群として、正の屈折力を有する第２の可変レンズ６３８、正の屈折力を有する凸レンズ６３９が配置される。これらレンズ６３１及び６３２、６３８及び６３９は一体的に構成している。下記の表２３、２４及び２５に、設計例６におけるレンズ面データ、各種データ及び面間隔、非球面データを示す。この設計例６では、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質としてｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５８、アッベ数νｄ＝２９．１の液体を用いている。またこの例では、第２面、第１０面及び第１５面を非球面レンズとしている。
【０１２１】
［表２３］
面データ（単位：ｍｍ）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd)
1 7.54899 1.5 1.743997 44.79
2* -10.5991 d62 1.58 29.1
3 r63 d63
4 3.67506 0.8 1.487490 70.41
5 4.40199 0.8
6 38.83283 1.06 1.755201 27.58
7 -3.44066 0.8 1.551243 49.21
8 5.58805 1.2
9 絞り 0.8
10* -2.67752 0.8 1.696146 31.66
11 12.31034 1.2 1.642457 56.31
12 -2.22673 d612
13 r613 d613 1.50570 34.9
14 2.89037 1.5 1.606736 61.05
15* -11.1504 1.941048
16 INFINITY 0.105 1.51633 64.1
17 INFINITY 1.898967
18(像面) INFINITY
【０１２２】
［表２４］各種データ
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 3.85 5.30
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 17.2（一定）
ＢＦ 3.84（ただし、カバーガラス厚を除く）
d62 0.01681 0.89009 1.24825
r63 3.0811 4.45693 6.37941
d63 1.73319 0.85991 0.50175
d612 0.52982 1.07571 1.83366
r613 8.86056 53.97592 -5.28355
d613 1.32018 0.77429 0.01634
【０１２３】
［表２５］非球面係数
第2面（固定）
ｋ=-1, A4 =0.167275×10-2, A6=-0.116120×10-4, A8=0.155110×10-5, A10=-0.545700×10-7
第10面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.293694×10-1, A6=-0.184065×10-1, A8=0.151149×10-1, A10=-0.913910×10-2
第15面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.104447×10-2, A6=-0.725035×10-4, A8=0.217394×10-4, A10=0.790550×10-6
【０１２４】
この設計例６において、図５９に示すように、第１のレンズ６３１の物体側の面から口径絞りまでの距離をＬ１、第１の可変レンズ６３２の変形面３から口径絞りまでの距離をＬ２とする。同様に、口径絞りから像面１８までの距離をＬ３、口径絞りから像側の可変レンズ６３８の変形面１３までの距離をＬ４とする。
【０１２５】
このとき、
Ｌ２／Ｌ１（前側）＝６１％（望遠端）、７９％（広角端）
Ｌ４／Ｌ３（後側）＝４６％（望遠端）、３３％（広角端）
である。すなわち、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
Ｌ４／Ｌ３≧０．３
となっている。
【０１２６】
この場合の倍率色収差を図６０に示す。図４１〜４３と同様に、広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示し、波長の記号も同様である。図６０の結果から、倍率色収差が良好に抑えられ、非点収差、コマ収差も良好に抑えられることがわかる。
【０１２７】
（４−２）比較例２
この例では、設計例６によるレンズ構成を基本として、バリエータを構成する物体側のレンズ群を口径絞りに寄せる構成として設計した。図６１は中間焦点距離の状態での概略レンズ構成を示す図である。この図６１に示すように、この場合第１の可変レンズ７３２を含む物体側のレンズ群と、口径絞りを挟んでガウスタイプ構成として配置されるレンズ群と、第２の可変レンズ７３７を含む像側のレンズ群とを備える。物体側から順に負の屈折力を有する凸レンズ７３１、第１の可変レンズ７３２とで物体側のレンズ群が構成される。また、正の屈折力を有するレンズ７３３及び負の屈折力を有する凹レンズ７３４による貼り合わせレンズ、絞り７を挟んで、負の屈折力を有する凹レンズ７３５及び凸レンズ７３６によってガウスタイプのレンズ群が構成される。像側のレンズ群として、第２の可変レンズ７３７、正の屈折力を有する凸レンズ７３８が配置される。これらレンズ７３１及び７３２、７３７及び７３８は一体的に構成している。下記の表２６、２７及び２８に、比較例２におけるレンズ面データ、各種データ及び面間隔、非球面データを示す。この比較例２においても、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質としてｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５８、アッベ数νｄ＝２９．１の液体を用いている。またこの例では、第２面、第８面及び第１３面を非球面レンズとしている。
【０１２８】
［表２６］
面データ（単位：ｍｍ）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1 7.54899 1.5 1.743997 44.79
2* -5.40283 d72 1.58 29.1
3 r73 d73
4 3.9399 0.8 1.710891 29.62
5 -14.5342 0.8
6 2.73163 1.06 1.530092 66.25
7 絞り 0.8
8* -3.92707 1.2 1.641483 34.32
9 1.95998 0.8 1.642896 56.24
10 -2.80214 d710 1.696146
11 r711 d711 1.505700 34.9
12 3.34364 1.5 1.744023 44.72
13* -13.9427 1.941048
14 INFINITY 0.105 1.51633 64.1
15 INFINITY 1.23868
16(像面) INFINITY
【０１２９】
［表２７］各種データ
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.74 6.46 11.18
Ｆナンバー 3.20 3.85 5.30
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 15.0（一定）
ＢＦ 3.18（ただし、カバーガラス厚を除く）
d72 0.01681 0.89009 1.24825
r73 2.96505 4.41689 6.41903
d73 1.73319 0.85991 0.50175
d710 0.52982 1.07571 1.83366
r711 9.15216 -32.321 -3.02571
d711 1.32018 0.77429 0.01634
【０１３０】
［表２８］非球面係数
第2面（固定）
ｋ=-1, A4 =0.417449×10-2, A6=-0.210209×10-3, A8=0.754389×10-5, A10=-0.108528×10-6
第8面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.458388×10-2, A6=-0.212586×10-1, A8=0.326344×10-1, A10=-0.178517×10-1
第13面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.898835×10-4, A6=-0.128858×10-4, A8=0.203481×10-4, A10=-0.962441×10-6
【０１３１】
この比較例２において、図６１に示すように、第１のレンズ７３１の物体側の面から口径絞りまでの距離をＬ１、第１の可変レンズ７３２の変形面３から口径絞りまでの距離をＬ２とする。同様に、口径絞りから像面１６までの距離をＬ３、口径絞りから像側の可変レンズ７３７の変形面１１までの距離をＬ４とする。
【０１３２】
このとき、
Ｌ２／Ｌ１（前側）＝５０％（望遠端）、７３％（広角端）
である。すなわち、広角端においては、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
となっていないことがわかる。
【０１３３】
この場合の倍率色収差を図６２に示す。図４１〜４３と同様に、広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示し、波長の記号も同様である。図５８の結果から、望遠端でも各波長のスポットが楕円状となっており、非点収差が残留していることがわかる。また、中間焦点距離、広角端において歪が見られ、コマ収差が発生していることがわかる。
【０１３４】
以上の結果から、物体側に配置するレンズ群に設ける可変レンズの変形面を口径絞りに近づけた場合、設計例６と比べて収差が大きくなり好ましくない結果となっている。これは、バリエータの機能を担っている物体側の可変レンズと口径絞りとの距離が近いために、ズーム倍率が確保しにくい構成になってしまっているためである。また、可変レンズにおいて各像高の光束の分離が十分でないために収差補正が良好に行えないためと考えられる。更に、距離Ｌ２を大きくすることによって、レンズを追加することができ、これも収差補正に好ましい結果となる。よって、物体側のレンズ群に設ける可変レンズの変形面の口径絞りからの距離Ｌ２は、最も物体側のレンズ面と口径絞りとの距離Ｌ１に対して、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
とすることが好ましいことがわかる。
【０１３５】
（４−３）比較例３
この例では、設計例６によるレンズ構成を基本として、コンペンセータを構成する像側のレンズ群を口径絞りに寄せる構成として設計した。図６３は中間焦点距離の状態での概略レンズ構成である。図６３に示すように、この場合も第１の可変レンズ８３２を含む物体側のレンズ群と、口径絞りを挟んでガウスタイプ構成として配置されるレンズ群と、第２の可変レンズ８３８を含む像側のレンズ群とを備える。物体側から順に負の屈折力を有する凸レンズ８３１、第１の可変レンズ８３２とで物体側のレンズ群が構成される。また、正の屈折力を有するメニスカスレンズ８３３と、正の屈折力を有するレンズ８３４及び負の屈折力を有する凹レンズ８３５とによる貼り合わせレンズ、絞り９を挟んで、負の屈折力を有する凹レンズ８３６及び凸レンズ８３７によってガウスタイプのレンズ群が構成される。像側のレンズ群として、第２の可変レンズ８３８、正の屈折力を有する凸レンズ８３９が配置される。これらレンズ８３１及び８３２、８３８及び８３９は一体的に構成している。下記の表２９、３０及び３１に、比較例３におけるレンズ面データ、各種データ及び面間隔、非球面データを示す。この比較例３では、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質としてｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５８、アッベ数νｄ＝２９．１の液体を用いている。またこの例では、第２面、第１０面及び第１５面を非球面レンズとしている。
【０１３６】
［表２９］
面データ（単位：ｍｍ）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd)
1 7.54899 1.5 1.743997 44.79
2* -10.0619 d82 1.58 29.1
3 r83 d83
4 3.02026 0.8 1.495893 69.49
5 3.50892 0.8
6 18.18931 1.06 1.743914 28.05
7 -3.58454 0.8 1.565822 44.01
8 5.48381 0.4
9 絞り 0.6
10* -2.07059 0.6 1.679758 39.42
11 18.9801 0.8 1.622701 59.87
12 -1.84544 d812
13 r813 d813 1.50570 34.9
14 2.61414 1.5 1.599339 61.46
15* -6.81503 1.941048
16 INFINITY 0.105 1.51633 64.1
17 INFINITY 1.769436
18(像面) INFINITY
【０１３７】
［表３０］各種データ
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 3.85 5.30
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 16.1（一定）
ＢＦ 3.7（ただし、カバーガラス厚を除く）
d82 0.01681 0.89009 1.24825
r83 3.02812 4.37464 6.40603
d83 1.73319 0.85991 0.50175
d812 0.53000 0.90000 1.40000
r813 10.02573 -59.79449 -3.83702
d813 0.90000 0.53000 0.03000
【０１３８】
［表３１］非球面係数
第2面（固定）
ｋ=-1, A4 =0.162611×10-2, A6=-0.230613×10-4, A8=0.179689×10-5, A10=-0.678152×10-7
第10面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.428330×10-1, A6=-0.404108×10-1, A8=0.477848×10-1, A10=-0.341922×10-1
第15面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.201010×10-2, A6=-0.202190×10-4, A8=0.365219×10-4, A10=0.563284×10-5
【０１３９】
この比較例３において、図６３に示すように、第１のレンズ８３１の物体側の面から口径絞りまでの距離をＬ１、第１の可変レンズ８３２の変形面３から口径絞りまでの距離をＬ２とする。同様に、口径絞りから像面１８までの距離をＬ３、口径絞りから像側の可変レンズ８３８の変形面１３までの距離をＬ４とする。
【０１４０】
このとき、
Ｌ２／Ｌ１（前側）＝６１％（望遠端）、７９％（広角端）
Ｌ４／Ｌ３（後側）＝３９％（望遠端）、２９％（広角端）
である。すなわち、前側では望遠端、広角端共に
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
となっているが、広角端においては、
Ｌ４／Ｌ３＜０．３
となっている。
【０１４１】
この場合の倍率色収差を図６４に示す。図４１〜４３と同様に、広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示し、波長の記号も同様である。図６４の結果から、望遠端において、特に非点収差が悪化しており、好ましくない。つまり、Ｌ４／Ｌ３＜０．３では、各像高の光束が、第２の可変レンズ上で分離されていないために、収差補正が良好に行われないことがわかる。
【０１４２】
以上の結果から、本発明のズームレンズにおいては、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
Ｌ４／Ｌ３≧０．３
とすることが好ましいといえる。
【０１４３】
５．有効径に関する検討
次に、上述した第２の実施の形態に係るズームレンズに関して、レンズフレーム内径に対するレンズ有効径の割合に関して検討した結果を説明する。
一般にレンズ有効径を一定としたときに、フレーム径を大きくしても前述の図２３において説明した屈折面変形型レンズの変形面の理想球面からの球面乖離量は殆ど変化しない。言い換えると、レンズ有効径とレンズの使用曲率半径が決まれば、球面乖離量が決まる。
【０１４４】
図６５にこの様子を示す。図６５において、横軸は有効径率＝（有効径／フレーム内径、単位％）であり、縦軸は理想球面からの球面乖離量（広角端バリエータである第１の可変レンズの変形面の曲率半径で計算、単位μｍ）である。なおこの例では、一般的なシリコーン樹脂等の弾性膜を用いる場合を示している。図６５から、有効径率に対して球面乖離量は殆ど変化が見られないことがわかる。
【０１４５】
ここで、球面乖離量Δzはフレーム内径Ｄに依存しないことから、使用曲率半径を有効径で割った無次元数（Ｒ／Ｄ）と球面乖離量を有効径で割った無次元数（Δｚ／Ｄ）をグラフ上にプロットし、近似曲線（ｙ＝０．８０１３ｘ-3.323）を引いた結果を図６６に示す。Ｒ／Ｄによって球面乖離量は決まることから、この曲線は、Ｒ／Ｄの値に対する球面乖離量を示したグラフとなっており、この曲線上に設計値のポイントがのることがわかる。
【０１４６】
図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した場合の倍率色収差を示す図４２より、広角端での光学特性は劣化し、中間焦点距離ではボーダーライン、望遠端ではほとんど光学特性は変化しない。したがって、この中間焦点距離位置を境に球面で設計するか、非球面で設計をするかを境界条件とすることができる。結局、屈折面変形型の可変レンズを点線よりも上の領域で設計するときは、可変レンズを非球面として設計する必要がでてくる。なお、変形膜の材料や初期テンション、フレーム径によってこの曲線は変化する。
【０１４７】
したがって、上述した第２の実施の形態に係るズームレンズのように、変形面を非球面とするレンズは、下記の場合に適用することが好ましい。すなわちズームレンズに設ける可変レンズのうち、いずれかの変形面の球面乖離量Δｚ、このときの有効径をＤとしたとき、使用範囲内でのΔｚ／Ｄについて、
Δｚ／Ｄ＞０．２０５
として使用する場合に、この変形面を非球面とすることが好ましい。
【０１４８】
このような条件として設計することで、上述の設計例３、４におけるように、良好に収差を抑えることが可能となる。
【０１４９】
６．第４の実施形態
第４の実施形態では、本発明のズームレンズを備える電子機器の一例について説明する。なお、ここでは、例えばカメラ等の撮像装置に本発明のズームレンズを適用する例を説明する。
【０１５０】
図６７に、本実施形態の撮像装置の概略ブロック構成図を示す。本実施形態の撮像装置１６０は、ズームレンズ１００と撮像素子１６１とを含むカメラモジュール１７０と、映像信号処理部１６２と、映像信号記録／再生部１６３と、内部メモリ１６４と、表示装置１６５と、制御部１６６とを備える。各部の機能及び構成は次の通りである。
【０１５１】
ズームレンズ１００は、被写体光を取り込んで撮像素子１６１の撮像面（不図示）に結像させる。ズームレンズ１０としては、上述した第１〜第３の実施形態で説明したズームレンズ１０１〜１０６のいずれかを用いることができる。
【０１５２】
撮像素子１６１は、ズームレンズ１００により結像された被写体光を光電変換して画像信号を生成する。そして、撮像素子１６１の出力端子は映像信号処理部１６２の入力端子に接続されており、撮像素子１６１は、生成した画像信号を映像信号処理部１６２に出力する。なお、撮像素子１６１としては、例えば、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型等の各種タイプのイメージセンサを適用することができる。
【０１５３】
映像信号処理部１６２は、撮像素子１６１から入力された画像信号に対して例えば補正処理、ノイズ除去処理等の所定の画像処理を施す。そして、映像信号処理部１６２の出力端子は、映像信号処理部１６２の入力端子に接続され、映像信号処理部１６２は、画像処理が施された信号を映像信号記録／再生部１６３に出力する。
【０１５４】
映像信号記録／再生部１６３は、例えばマイクロコンピュータ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）等からなる演算回路等で構成され、映像信号処理部１６２から入力された画像信号の記録処理及び／又は再生処理の制御を行う。具体的には、映像信号記録／再生部１６３は、内部メモリ１６４に接続されており、映像信号処理部１６２から入力された画像信号を記録する場合にはその画像信号を内部メモリ１６４に出力する。また、映像信号記録／再生部１６３は、表示装置１６５に接続されており、映像信号処理部１６２から入力された画像信号を表示再生する場合にはその画像信号を表示装置１６５に出力する。
【０１５５】
内部メモリ１６４は、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）、半導体メモリ、光ディスク等で構成することができる。そして、内部メモリ１６４は、映像信号記録／再生部１６３から入力された画像信号を格納する。
【０１５６】
表示装置１６５は、映像信号記録／再生部１６３から供給された画像信号を表示モニタで表示可能な形式の信号に変換して表示する。なお、表示装置１６５は、表示モニタだけでなく、表示モニタを駆動するモニタ駆動部も備える。また、表示モニタは、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）パネル等で構成することができる。
【０１５７】
制御部１６６は、撮像装置１６０の各部の動作を制御する。また、制御部１６６は、例えばズームボタン等の操作により生成される操作信号（焦点距離に対応する信号）に基づいて、ズームレンズ１００の動作、具体的には、ズームレンズ１００内の物体側のレンズ群及び像側のレンズ群の曲率を制御する。
【０１５８】
上述のように、本実施形態の撮像装置１６０では、上記第１〜第３の実施形態で説明した本発明のズームレンズ１００を備えているので、収差特性が良好で、且つより小型のズーム機能を備えた撮像装置１６０を提供することができる。
【０１５９】
７．第５の実施形態
上記第５の実施形態では、本発明のズームレンズを適用する電子機器として、撮像装置を例に挙げ説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明のズームレンズは、撮影機構部（カメラモジュール）を有する例えば、携帯通信端末装置、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等の情報端末装置にも適用可能である。
【０１６０】
第５の実施形態では、本発明のズームレンズを、カメラモジュールを有する携帯通信端末装置に適用した例を説明する。なお、ここでいう携帯通信端末装置は、いわゆる携帯電話と称されるものであり、無線電話用の基地局と無線通信を行う端末装置である。
【０１６１】
［携帯通信端末装置の構成］
図６８に、本実施形態の携帯通信端末装置の概略ブロック構成図を示す。携帯通信端末装置２００は、制御部２０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、アンテナ２０４と、通信制御部２０５と、表示制御部２０６と、表示部２０７とを備える。また、携帯通信端末装置２００は、カメラモジュール２０９と、カメラ制御部２０８とを備える。
【０１６２】
また、携帯通信端末装置２００は、通話時の音声データをデジタルアナログ変換する音声処理部２１１と、通話時の音声を出力するためのスピーカ２１２と、通話時の音声を吸音するためのマイクロフォン２１３とを備える。さらに、携帯通信端末装置２００は、メモリカードインターフェース２１４と、メモリカード２１５と、操作部２１６と、赤外線インターフェース２１７と、赤外線通信部２１８とを備える。そして、上述した各部は、図６８に示すように、信号バス２１０を介して電気的に直接的または間接的に接続される。各部の機能及び構成は次の通りである。
【０１６３】
制御部２０１は、例えばＣＰＵ等の演算制御装置からなり、携帯通信端末装置２００全体の動作を制御する。具体的には、制御部２０１は、ＲＯＭ２０２に記憶されている制御プログラムをＲＡＭ２０３に展開し、信号バス２１０を介して携帯通信端末装置２００全体の動作を制御する。
【０１６４】
通信制御部２０５は、アンテナ２０４を介して携帯電話基地局（不図示）との間で送信信号の送信及び受信信号の受信を行う。なお、通信制御部２０５では携帯電話基地局とやり取りする電波の変調及び復調も行う。具体的には、通信制御部２０５は、音声通話モードにおいては、受信した音声情報に対して所定の処理を施し、その処理後の信号を音声処理部２１１を介してスピーカ２１２に出力する。また、通信制御部２０５は、マイクロフォン２１３が集音した音声を音声処理部２１１を介して取得し、その取得した情報に対して所定の処理を施した後、その処理後の信号をアンテナ２０４を介して送信する。
【０１６５】
表示制御部２０６は、信号バス２１０を介して供給された画像信号を、表示部２０７で表示可能な形式の信号に変換し、その変換した信号を表示部２０７に出力する。また、表示部２０７は、例えばＬＣＤ、有機ＥＬパネル等で構成することができ、表示制御部２０６から供給された信号を画像として表示画面上に表示する。
【０１６６】
カメラモジュール２０９は、被写体光を取り込んで結像させ、その結像された被写体光を光電変換して画像信号を生成する。そして、カメラモジュール２０８は、その画像信号をカメラ制御部２０８に出力する。カメラモジュール２０９は、ズームレンズ２０と、撮像素子とを備える。
【０１６７】
ズームレンズは、被写体光を取り込んで撮像素子の撮像面（不図示）に結像させる。ズームレンズとしては、上述した第１〜第３の実施形態で説明したズームレンズのいずれかを用いることができる。また、撮像素子は、ズームレンズにより結像された被写体光を光電変換して画像信号を生成する。なお、撮像素子としては、例えば、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型等の各種タイプのイメージセンサを適用することができる。
【０１６８】
メモリカード２１５は、例えば半導体メモリ等で構成することができる。そして、記メモリカード２１５は、カメラモジュール２０９で撮影した静止画、動画等の情報や、音声通話時の音声情報等をメモリカードインターフェース２１４を介して取得し格納する。
【０１６９】
操作部２１６は、ジョグダイアルやキーパッドなどから構成される。操作部２１６では、電話番号やメール文などの入力操作、各種モードの設定操作などの入力操作信号を入力することができる。また、カメラモジュール２０９での撮影操作及びモード設定操作もこの操作部２１６で行う。
【０１７０】
赤外線通信部２１８は、図示しないが、赤外線発光素子と赤外線受光素子とを備え、外部の赤外線通信可能な情報機器、例えば、携帯電話、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ等との間で情報の送受信を行うことができる。より具体的には、赤外線通信部２１８は、メモリカード２１５等に記憶された画像情報及び音声情報等を、赤外線インターフェース２１７を介して取得し、外部情報機器に送信する。また、赤外線通信部２１８は、外部情報機器から送信された情報を受信し、その受信信号を赤外線インターフェース２１７を介してメモリカード２１５等に出力する。
【０１７１】
なお、図６８には示していないが、携帯通信端末装置２００は電源部を備えており、電源部から各部に電力が供給される。
【０１７２】
［画像情報の記録及び再生動作］
ここで、本実施形態の携帯通信端末装置２００におけるカメラモジュール２０９で撮影した画像信号の記録及び再生処理の動作を簡単に説明する。
【０１７３】
まず、カメラ制御部２０８は、カメラモジュール２０９を駆動制御して、静止画及び動画等の画像の撮影を行う。カメラ制御部２０８は、取得した画像情報に対して、例えばＪＰＥＧ方式、ＭＰＥＧ方式等の圧縮技術を利用した圧縮加工等の処理を行う。そして、カメラ制御部２０８は、圧縮加工された画像情報を信号バス２１０に出力する。
【０１７４】
次いで、ＲＡＭ２０３は、信号バス２１０を介して、画像情報を取得し、その情報を一時保存する。この際、ＲＡＭ２０３は、撮影と同時にマイクロフォン２１３を通じて収録された音声情報を画像情報と共に取得し、一時的に保存してもよい。
【０１７５】
なお、この際、制御部２０１は、必要に応じて、画像情報及び／又は音声情報は、メモリカードインターフェース２１４を介してメモリカード２１５に保存されてもよい。さらに、この際、制御部２０１は、必要に応じて、画像情報を表示制御部２０６を介して表示部２０７に表示し、音声情報を音声処理部２１１を介してスピーカ２１２に出力してもよい。
【０１７６】
さらに、制御部２０１は、取得した画像情報や音声情報を、必要に応じて、赤外線通信部２１８を介して赤外線通信可能な外部機器に送信してもよい。
【０１７７】
なお、ＲＡＭ２０２やメモリカード２１５に保存されている画像情報を読み出して、表示部２０７に動画あるいは静止画を表示する際には、カメラ制御部２０８が、ＲＡＭ２０２やメモリカード２１５に保存されているデータを一旦読み出して、データのデコードや解凍を行う。そして、カメラ制御部２０８、処理後の画像データを通信バス２１０を介して表示制御部２０６に供給する。
【０１７８】
上述のように、本実施形態の携帯通信端末装置２００では、上記第１及び第２の実施形態で説明した本発明のズームレンズ１０１〜１０６を含むカメラモジュール２０９を備えている。このため、本実施形態では、可変レンズを用いることでより小型であり、また収差特性の良好なズームの機能を備えた携帯通信端末装置２００を提供することができる。
【０１７９】
なお、上記第５の実施形態では、カメラモジュール２０９と、カメラ制御部２０８とを別体とした例を説明しているが、本発明はこれに限定されず、カメラモジュール２０９がカメラ制御部２０８を含んでいてもよい。さらに、制御部２０１において、上述したカメラ制御部２０８の制御と同様の制御を行う場合には、カメラ制御部２０８を設けない構成にしてもよい。
【符号の説明】
【０１８０】
１〜２３…面番号、３１，３３〜４０，４２…レンズ、３２…第１の可変レンズ、４１…第２の可変レンズ、５１…第１のレンズ群、５２…第２のレンズ群、５３…第３のレンズ群、５４…第４のレンズ群、１００〜１０６…ズームレンズ、１６０…撮像装置、１６１…撮像素子、１６６，２０１…制御部、１７０，２０９…カメラモジュール、２００…携帯通信端末装置、２０８…カメラ制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ移動を伴うことなく、レンズ材料そのものの変形によって焦点距離が可変となるレンズを含み、その可変によってズームするズームレンズとこれを用いたカメラモジュール及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)などの固体撮像素子を用いたカメラモジュールやこれを用いた撮像装置等の各種電子機器においては、小型、軽量化が求められている。このため、カメラモジュールに用いるズームレンズとして、移動機構をもたない可変焦点レンズを用いる方法が種々提案されている。例えば特許文献１には、コンバータレンズとして、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る技術が提案されている。
【０００３】
この屈折面変形型のレンズは、平板又は所定の曲面を有する光透過性基板に封止材を介して樹脂製等の光透過性の弾性膜を接合し、内部に光透過性の液体等を充填したものである。光透過性基板と弾性膜との間に充填される材料にかかる圧力を変化させることで弾性膜を変形させ、これにより曲面形状を変化させて焦点距離を可変とすることができる。このように曲面形状を可変とするレンズとしては、内部に液体を充填する液体レンズや、ゲルを充填するゲルレンズ等が提案されている。
【０００４】
このような屈折面変形型の可変レンズの一例の概略断面構成を図６９に示す。図６９に示すように、この可変レンズ８２は、一方の面にガラスや樹脂等の材料より成る光透過性基板８１とし、他方の面に光透過性の弾性膜等より成る変形膜８７を有する。そして例えばリング状の枠体８３、８５とその間を接合材等の接合部８４によって周囲を液密に保持され、これらに囲まれた領域に、光透過性の液体やゲル等の流動性を有する媒質９０が封入されて屈折面変形型の可変レンズ８２が構成される。この可変レンズ８２は、図示の例では接合部８４の一部に管状等の液体移動部８６が設けられ、内部の媒質９０を出し入れ可能としている。そして図示しない外部のポンプ機構等の駆動によって、この可変レンズ８２内の媒質９０の体積が変化するように構成される。これにより変形膜８７が変形し、可変レンズ８２を凸レンズから凹レンズの範囲で焦点距離の切り替えが可能な構成とすることができる。なお、変形機構は図示の例のように媒質９０の出し入れのみではなく、枠体８３又は８５の変形等によって変形膜８７に対する圧力を変化させる機構でもよく、変形膜８７に対する圧力を変化させる機構は特に限定されない。
【０００５】
ここで、可変レンズ８２中の媒質としては、シリコン系オイル等の光透過性を有し、また適切な屈折率を有する材料を用いることが好ましい。また、変形膜８７の材料としては、シリコン系ゴム等の適度な弾性を有する変形可能な材料であり、且つ所要の光透過性を有することが好ましく、変形可能な薄膜等の形状とすることが好ましい。
このような構成とすることによって、媒質９０の変形膜８７に対する圧力を変化させる機構、例えば媒質９０を吸引又は注入する機構等の比較的簡易な機構をもって、簡単にレンズパワーを可変とすることができる。そしてこのような可変レンズ８２を利用することで、アフォーカル倍率の変化を実現でき、図２に示すような可変レンズ８２を例えば複数組み合わせることによって、より簡単な構成で特許文献１に記載されているようなワイドコンバータを実現できる。
【０００６】
また、エレクトロウエッティング現象を利用し、容器内に有極性及び無極性の２種類の液体を収容し、電圧を印加して両液体の界面の形状を変形し、可変焦点を行ういわゆるエレクトロウエッティング型の可変焦点レンズも利用が検討されている。このエレクトロウエッティング型の可変焦点レンズを用いたズームレンズは例えば特許文献２に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１８５６２７号公報
【特許文献２】特開２００８−０８９７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したような撮像素子を備えるカメラモジュールにおいては、高解像度化、高画素数化も求められており、カメラモジュールに用いるズームレンズとして、収差を低く抑える良好な光学特性が求められている。しかしながら、液体レンズやゲルレンズ、エレクトロウエッティングレンズを用いたレンズ系において、収差を考慮して良好な光学特性を実現しつつズームレンズに利用する構成は提案されていない。
【０００９】
上記問題に鑑みて、本発明は、レンズ屈折面形状が変化することで焦点距離が変化するレンズを用いるズームレンズを構成するにあたり、収差を抑制して光学特性の劣化を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため本発明によるズームレンズは、物体側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第１の可変レンズを含み、この第１の可変レンズの変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群を有する。そしてこの物体側のレンズ群に対して絞りを挟んで像側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第２の可変レンズを含み、この第２の可変レンズの変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群を有する。また、これら物体側及び像側の第１及び第２の可変レンズを含むレンズ群の間に、口径絞りを含むレンズ群を有する。そして、物体側のレンズ群及び像側のレンズ群に設けられる前記第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われる構成とする。
【００１１】
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によるズームレンズと、このズームレンズにより結像された像を撮像する撮像素子と、を備える構成とする。
更に、本発明による電子機器は、上述した本発明構成によるズームレンズと、このズームレンズにより結像された像を撮像する撮像素子と、ズームレンズの第１及び第２の可変レンズを制御する制御部と、を備える構成とする。
【００１２】
上述したように、本発明においては、ズームレンズに用いる可変焦点レンズとして、可動機構を伴わず、レンズ屈折面の変形によって焦点距離を可変とする少なくとも第１及び第２の可変レンズを用いるものである。そして特にこの第１及び第２の可変レンズを、絞りを挟んでそれぞれ物体側と像側に配置するレンズ群に含む構成とする。これらのレンズ群は、第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われる構成とするものである。
【００１３】
このように、レンズ屈折面形状が変化する可変レンズのズームレンズ内での配置構成を物体側及び像側に配置することで、焦点距離を変えてズームを行う場合においても、収差を抑えることができ、光学特性の劣化が抑制される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レンズ屈折面形状が変化することで焦点距離が変化するレンズを用いて、収差が抑制されて光学特性の劣化が抑制されたズームレンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態に係るズームレンズの一例の概略レンズ構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図２】図２は比較例１によるズームレンズの概略レンズ構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は望遠端における構成を示す。
【図３】図３は本発明の第１の実施の形態に係るズームレンズの他の例の概略レンズ構成図である。
【図４】図４は図１に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図５】図５は図１に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図６】図６は図１に示すズームレンズの周辺光線に対する各レンズ面への入射角特性（ｎ×ｓｉｎ（ｉ））を示す図である。
【図７】図７は図１に示すズームレンズの主光線に対する各レンズ面への入射角特性（ｎ×ｓｉｎ（ｉ））を示す図である。
【図８】図８は図２に示すズームレンズの周辺光線に対する各レンズ面への入射角特性（ｎ×ｓｉｎ（ｉ））を示す図である。
【図９】図９は図２に示すズームレンズの主光線に対する各レンズ面への入射角特性（ｎ×ｓｉｎ（ｉ））を示す図である。
【図１０】図１０は図１に示すズームレンズの各レンズ面における球面収差を示す図である。
【図１１】図１１は図１に示すズームレンズの各レンズ面におけるコマ収差を示す図である。
【図１２】図１２は図１に示すズームレンズの各レンズ面における非点収差を示す図である。
【図１３】図１３は図１に示すズームレンズの各レンズ面における軸上色収差を示す図である。
【図１４】図１４は図１に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図１５】図１５は図１に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図１６】図１６は図１に示すズームレンズの広角端における各波長の光の横収差特性を示す図である。
【図１７】図１７は図１に示すズームレンズの望遠端における各波長の光の横収差特性を示す図である。
【図１８】図１８は図１に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図１９】図１９は図１に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図２０】図２０は本発明の第１の実施の形態に係るズームレンズの他の例の概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図２１】図２１は図２０に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図２２】図２２は図２０に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図２３】図２３は図２０に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図２４】図２４は図２０に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図２５】図２５は図２０に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図２６】図２６は図２０に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図２７】図２７は屈折面変形型レンズの径方向に対する球面との差分を示す図である。
【図２８】図２８は屈折面変形型レンズの曲率半径に対する球面からの最大乖離量を示す図である。
【図２９】図２９は図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した参考例１によるズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３０】図３０は図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した参考例１によるズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３１】図３１は図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した場合の他の固定レンズ面を最適化した参考例２によるズームレンズの概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図３２】図３２は図３１に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３３】図３３は図３１に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３４】図３４は第２の実施の形態に係るズームレンズの一例の概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図３５】図３５は図３４に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３６】図３６は図３４に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図３７】図３７は図３４に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図３８】図３８は図３４に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図３９】図３９は図３４に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図４０】図４０は図３４に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図４１】図４１は図１に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離及び望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図４２】図４２は図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した場合の広角端、中間焦点距離及び望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図４３】図４３は図３４に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離及び望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図４４】図４４は第２の実施の形態に係るズームレンズの他の例の概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図４５】図４５は図４４に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図４６】図４６は図４４に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図４７】図４７は図４４に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図４８】図４８は図４４に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性平均値を示す図である。
【図４９】図４９は図４４に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図５０】図５０は図４４に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図５１】図５１は第３の実施の形態に係るズームレンズの一例の概略断面構成図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における構成を示す。
【図５２】図５２は図５１に示すズームレンズの諸収差特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図５３】図５３は図５１に示すズームレンズの空間周波数特性を示す図であり、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間焦点距離、（ｃ）は望遠端における特性を示す。
【図５４】図５４は図５１に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における軸外光線入射角特性の平均値を示す図である。
【図５５】図５５は図５１に示すズームレンズの物体側レンズ群及び像側レンズ群における主光線入射角特性平均値を示す図である。
【図５６】図５６は図５１に示すズームレンズの広角端における横収差特性を示す図である。
【図５７】図５７は図５１に示すズームレンズの望遠端における横収差特性を示す図である。
【図５８】図５８は図１に示すズームレンズの可変レンズの口径絞りからの位置を説明するための図である。
【図５９】図５９は本発明の第３の実施の形態に係るズームレンズの他の例の概略断面構成図であり、中間焦点距離における構成を示す。
【図６０】図６０は図５９に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図６１】図６１は図５９に示すズームレンズを基本設計として物体側のレンズ群に設ける可変レンズを口径絞りに近づけた比較例２によるズームレンズの概略断面構成図であり、中間焦点距離における構成を示す。
【図６２】図６２は図５９に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図６３】図６３は図５９に示すズームレンズを基本設計として像側のレンズ群に設ける可変レンズを口径絞りに近づけた比較例３によるズームレンズの概略断面構成図であり、中間焦点距離における構成を示す。
【図６４】図６４は図５９に示すズームレンズの広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示す図である。
【図６５】図６５は屈折面変形型レンズにおける有効径率に対する球面乖離量を示す図である。
【図６６】図６６は屈折面変形型レンズにおける球面乖離量を有効径で割った無次元数と曲率半径Ｒを有効径で割った無次元数との関係を示す図である。
【図６７】図６７は本発明の第４の実施の形態に係る撮像装置の一例の概略ブロック構成図である。
【図６８】図６８は本発明の第５の実施の形態に係る電子機器の一例の概略ブロック構成図である。
【図６９】図６９は従来の屈折面変形型の可変レンズの一例の概略断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下本発明を実施するための最良の形態の各例を説明するが、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）
（１−１）ズームレンズの概略構成
（１−２）設計例１（基本設計例）
（１−３）比較例１（可動レンズを用いるズームレンズの従来例）
（１−４）設計例１と比較例１との比較検討結果
（１−５）設計例２（枚数削減例）
２．第２の実施の形態（非球面を用いたズームレンズ）
（２−１）参考例１（変形面の球面からの乖離が大きい例）
（２−２）参考例２（参考例１を非球面を用いずに最適化した例）
（２−３）設計例３（非球面１面追加例）
（２−４）設計例４（非球面２面追加例）
３．第３の実施の形態（非球面を用いて枚数削減する例）
（３−１）設計例５（非球面３面とし枚数削減する例）
４．可変レンズと絞りとの距離の検討
（４−１）設計例６（非球面３面とする例）
（４−２）比較例２（設計例６を基本として物体側可変レンズを絞りに近づけた例）
（４−３）比較例３（設計例６を基本として像側可変レンズを絞りに近づけた例）
５．有効径に関する検討
６．第４の実施の形態（カメラモジュール）
７．第５の実施の形態（電子機器）
【００１７】
１．第１の実施の形態（ズームレンズ）
（１−１）ズームレンズの概略構成
先ず、本発明の第１の実施の形態に係るズームレンズについて説明する。本実施形態のズームレンズは少なくとも、第１の可変レンズを含むレンズ群、口径絞りを挟んで配置されるレンズ群、第２の可変レンズを含む像側のレンズ群を含む。第１及び第２の可変レンズは、変形する透明材料からなる変形面を有する構成であり、液体レンズやゲルレンズ等の屈折面変形型レンズ、またエレクトロウエッティングレンズを用いることが可能である。ここで可変レンズの媒質である透明材料とは、使用波長に対して所望の光透過性を有する材料であればよく、例えば可視光域や、可視広域を含む広い波長帯域、又は可視光域から一部ずれた波長帯域で透明である各種材料を含む。そして物体側のレンズ群は、第１の可変レンズの第１の変形面の変形により焦点距離を変化させ、すなわちバリエータとして機能し、像面に結像される被写体の大きさを決める。また、第２の可変レンズを含む像側のレンズ群はコンペンセータとしての機能をもち、バリエータの機能を有する物体側のレンズ群と連動して像面移動補償及び焦点合わせを行う構成とする。
【００１８】
また、物体側レンズ群及び像側レンズ群の間の口径絞りを挟んで配置されるレンズ群は、可変レンズを含まない固定レンズより構成することができる。このレンズ群は、例えば概略色消しされた凸凹レンズを対称型に配置して、奇数次の収差、球面収差、及び色収差を効果的に補正しているいわゆるガウス型の、又は、ガウス型様の構成のレンズ群を用いることができる。このようなガウス型、又はガウス型様のレンズ群を設けることで、球面収差、奇数次の収差、色収差を良好に補正できる。
【００１９】
また、これら物体側レンズ群、像側レンズ群、口径絞りを挟んで配置するレンズ群の他にも他のレンズやレンズ群を配置してもよい。このようなレンズやレンズ群としては、例えば後述するように軸上の色収差補正を行うレンズ群として、口径絞りを挟んで配置するレンズ群と像側の第２の可変レンズを含むレンズ群との間に配置することが可能である。
【００２０】
このように、可変レンズを含む物体側のレンズ群、像側のレンズ群、口径絞りを挟んで配置するレンズ群に加えて、他のレンズ群を配置してもよい。ただし、最も物体側のレンズ群に第１の可変レンズを含むレンズ群を配置し、最も像側のレンズ群に第２の可変レンズを含むレンズ群を配置するものとする。
【００２１】
また、可変レンズの数は限定されるものではなく、例えば上述した口径絞りを挟んだレンズ群に含むことも可能である。しかしながら、後述するように、最も物体側のレンズ群に一つの可変レンズ、最も像側のレンズ群において一つの可変レンズを配置する構成において、良好な収差特性が得られることが確認された。したがって、駆動機構を必要とする可変レンズはなるべく少ないことが好ましく、可変レンズは物体側、像側のレンズ群にそれぞれ一つずつ設ければよいといえる。なお、レンズ長に対する可変レンズと絞りとの距離は一定の範囲内であることが好ましいが、これについては後述する。
【００２２】
本実施の形態に係るズームレンズは、物体側のレンズ群の屈折力を負の方向に強くするときに、像側のレンズ群の屈折力が正の方向に強くなるように制御することにより、望遠側から広角側へとズームする構成とすることが好ましい。すなわち、望遠側及び広角側の物体側の可変レンズを含むレンズ群の屈折力をそれぞれφＡｔ及びφＡｗ、望遠側及び広角側の像側の可変レンズを含むレンズ群の屈折力をそれぞれφＢｔ、φＢｗとすると、
φＡｔ＞φＡｗ・・・（１）
φＢｔ＜φＢｗ・・・（２）
として構成する。このようにすることで、後述する設計例１及び２や、また第２の実施の形態に示す各設計例において詳細に説明するように、確実に収差を抑制することができる。
【００２３】
また、像側のレンズ群の第２の可変レンズの変形面の曲率は、望遠側から広角側にズームするとき、正の方向に変化する構成とすることが好ましい。すなわち、望遠側及び広角側の第２の可変レンズの第２の変形面の曲率をそれぞれＣｔ、Ｃｗとすると、
Ｃｔ＜Ｃｗ・・・・・（３）
として構成する。なお、ここで曲率の正負としては、物体側に凸の場合に正、像側に凸の場合に負と定義する。
【００２４】
例えば、第２の可変レンズの第２の変形面が、物体側から空気、媒質（液体やゲル等の透明材料）の順に配置される場合、屈折力φは下記の式により表わされる。
φ＝（ｎ−１）Ｃ
ここでｎは液体屈折率、Ｃは曲率であり、Ｒを曲率半径とするとＣ＝１／Ｒと表される。
したがって、
φＢｔ＜φＢｗ
とするとき
Ｃｔ＜Ｃｗ
となる。このような構成とすることによって、上述したように収差の発生を抑制することができる。
【００２５】
つまり、上述したように口径絞りを挟んでガウス型、又はガウス型様のレンズ群を設けることで球面収差、奇数次の収差、色収差を良好に補正することができる。その上で、上記式（１）及び（２）、また式（３）を満たす構成とすることで、後段の設計例１において詳細に説明するように、可変となっている物体側レンズ群と、像側レンズ群の収差を小さく、しかもズームによる変化も小さく抑えることが可能となる。
【００２６】
上述したように、第１及び第２の可変レンズとしては、前述の液体レンズやゲルレンズ等の屈折面変形型レンズ、またエレクトロウエッティングレンズ等のレンズ面が変形する種々のレンズを用いることができる。液体レンズやゲルレンズ等の屈折面変形型レンズを用いる場合、光透過性の固体材料と、光透過性の弾性膜との間に光透過性の液体又はゲルが封入され、液体又はゲルと弾性膜との変形により焦点距離を変化させる構造とすることが好ましい。
【００２７】
この屈折面変形型レンズの固体材料としては、ガラス、樹脂基板等の種々の光学素子に適用可能な透明材料を用いることができる。また、液体やゲルとしては、シリコーン系オイルやシリコーンゲル等、膜材料としてはシリコーン樹脂等が利用可能である。
【００２８】
また本発明に適用する屈折面変形型レンズにおいて、変形面の変形態様は特に限定されるものではない。例えば前述の特許文献１に記載されているように、基板と変形面との封止部に液体やゲルを導出入する導管が配置され、外部のポンプ機構を利用してレンズ面間の液体やゲルの体積を変化させることで、変形膜の曲率を変化させるものが利用可能である。また、レンズ内部に区分された領域を設けて液体やゲルの各領域間の移動を可能に収容し、圧電素子等のアクチュエータを用いて領域間に液体やゲルの移動を生じさせることで、変形面への媒質からの圧力を変化させ、その曲率を変化させる構成としてもよい。この可変レンズの構成や変形面の変形態様は、変形面３及び１８が望遠側から広角側に変形するにあたって球面からの乖離率を抑える構成が好ましい。すなわち、レンズ径や曲率変化の範囲等に応じて、レンズ面変形態様、変形面材料、レンズ媒質材料等を適宜選定することが好ましい。
【００２９】
（１−２）設計例１（基本設計例）
次に、上述した第１の実施の形態に係るズームレンズの第１の設計例について図１を参照してレンズ構成及びレンズ諸元等について説明する。図１（ａ）においては広角端の状態、図１（ｂ）においては中間焦点距離状態、図１（ｃ）においては望遠端の状態をそれぞれ示す。図１に示すように、このズームレンズ１０１は、第１〜第４のレンズ群５１〜５４を有する構成とする例であり、第１のレンズ群５１に第１の可変レンズ３１、第４のレンズ群５４に第２の可変レンズ４１を含む。そして絞り１１を挟んで物体側及び像側にガウス型の第２のレンズ群５２を配置し、第２のレンズ群５２と第４のレンズ群５４との間に、主として軸上の色収差補正を目的とする第３のレンズ群５３を配置するものである。面番号を物体側から順に１〜２０として示す。
【００３０】
第１のレンズ群５１は全体として正の屈折力を有し、物体側より順に、正の屈折力を有する凸レンズ３１、第１の可変レンズ３２、負の屈折力を有する凹レンズ３３を配置する。この例では、レンズ３１と第１の可変レンズ３２が一体化される。ここで変形面３は一体化されたダブレット構成のレンズの外側（最も像側）の面であり、第１の可変レンズ３２に液体レンズやゲルレンズ等の屈折面変形型レンズを用いて像側の面（面番号３）に弾性材料よりなる変形膜を用いることが好ましい。レンズ３１は、屈折面変形型レンズにおける変形膜を固定する光透過性の基板自体に曲率を設けることで代用可能である。
【００３１】
また、第２のレンズ群５２には、物体側から順に正の屈折力を有する凸レンズ３４、正の屈折力を有する凸レンズ３５、像側に凹面を有し正の屈折力を有するメニスカスレンズ３６を配置する。更に、口径絞り１１を挟んで、負の屈折力を有する凹レンズ３７及び正の屈折力を有する凸レンズ３８を配置する。この例では、レンズ３５及び３６、レンズ３７及び３８はダブレット構成とされる。口径絞り１１の前のレンズ３４、３５及び３６のレンズ群は全体として正の屈折力、口径絞り１１の後のレンズ３７及び３８のレンズ群は全体として正の屈折力を有し、ガウスタイプの構成とされる。
【００３２】
第３のレンズ群５３には、正の屈折力を有する凹レンズ３９及び凸レンズ４０からなるダブレットが用いられる。このレンズ群５３は前述したように主に軸上の収差を補正する機能をもたせることで、全体の収差を抑制することが可能である。
【００３３】
更に、第４のレンズ群５４には、第２の可変レンズ４１及び正の屈折力を有し物体側に凸面を有するメニスカスレンズ４２を配置し、ダブレット構成とする。そして変形面１５は外側（最も物体側）の面であり、この第２の可変レンズ４１も液体レンズ又はゲルレンズ等の屈折面変形型レンズとすることが好ましい。レンズ４２もレンズ３１と同様に、屈折面変形型レンズの光透過性基板自体に曲率を設けて代用することができる。
【００３４】
なお、第４のレンズ群５４と像面２３との間には、例えば像面２３に撮像素子４４を配置することを想定して、カバーガラス４３を配置する。この設計例１における数値データ例を下記の表１に示す。また、全体諸元及び各変形面の曲率、面間隔等の各種データを表２に示す。この例は、固定レンズのレンズ面を全て球面として構成するものである。なお、以下の表においてデータ中の曲率半径、面間隔及び有効径等特に単位の指定のない数値はｍｍである。可変レンズの変形面を構成する弾性膜としては、シリコーン製エラストマを用いている。
【００３５】
［表１］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(ｖd) 有効径
1 16.175 1.41 1.744 44.79 4.0607
2 -109.609 d12 1.506 34.90 3.6864
3 r13 d13 3.0238
4 -29.155 0.6 1.755 27.51 2.76
5 11.913 5.5 2.5976
6 15.091 1.02 1.744 44.78 1.9999
7 -20.457 0.8 1.9031
8 5.704 1.06 1.755 27.53 1.576
9 -89.490 0.8 1.523 59.84 1.3346
10 3.981 0.4 1.0366
11 絞り 1.2 0.9502
12 -4.818 0.8 1.755 27.53 1.1125
13 5.737 1.54 1.564 60.83 1.3166
14 -5.404 1.61 1.5993
15 20.749 0.8 1.741 27.79 2.1095
16 4.4 2.35 1.743 44.79 2.2475
17 -10.563 d117 2.4
18 r118 d118 1.506 34.90 2.5785
19 4.853 1.62 1.564 60.83 2.4557
20 24.274 1.94 2.3646
21 INFINITY 0.11 1.516 64.14
22 INFINITY 1.98
23(像面) INFINITY
【００３６】
［表２］各種データ
ズーム比 ３
広角 中間距離 望遠
焦点距離 3.73 6.46 11.19
Ｆナンバー 3.2 3.85 5.3
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.9（但し、カバーガラス厚を除く）
d12 0.03042 0.84686 1.22928
r13 4.66935 9.17308 21.44583
d13 1.86958 1.05314 0.67072
d117 1.26741 1.69039 2.59977
r118 7.39776 12.94671 -16.42832
d118 1.63259 1.20961 0.30023
【００３７】
（１−３）比較例１（可動レンズを用いるズームレンズの従来例）
次に、設計例１のズームレンズに対する比較例として、可変焦点レンズを用いず、可動レンズを用いる従来構成のズームレンズとその光学特性を説明する。図２は、この比較例１によるズームレンズのレンズ構成図である。図２（ａ）は広角端状態、図２（ｂ）は望遠端状態を示す。当然ながらこのズームレンズにおいては一部のレンズ群が光軸に沿って移動するが、図２の中段の矢印でこの光軸上における移動軌跡を示す。
【００３８】
このズームレンズ１２０は、物体側より順に、弱い正の屈折力を有する第１レンズ群ＧＲ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群ＧＲ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群ＧＲ３と、正の屈折力を有する第４レンズ群ＧＲ４が配列されて構成される。そして、広角端から望遠端への変倍に際し、第２レンズ群ＧＲ２が像側に凸の軌跡を描いて移動し、第３レンズ群ＧＲ３が物体側に単調に移動することでズーミングを行うように構成される。
【００３９】
第１レンズ群ＧＲ１は、物体側より順に、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズＧ１と、光路を折り曲げるプリズムＧ２と、両凸形状で両面が非球面で構成された正レンズＧ３とが配列されて成り、負のメニスカスレンズＧ１とプリズムＧ２はガラス材料から、正レンズＧ３は樹脂材料から形成される。第２レンズ群ＧＲ２は、像側に凸面を向け物体側面が非球面で構成された負メニスカスレンズの単レンズＧ４から成り、負メニスカスレンズＧ４は樹脂材料から形成される。第３レンズ群ＧＲ３は、物体側より順に、両凸形状で両面が非球面で構成された正レンズＧ５と、物体側に凸面を向け像側面が非球面で構成された負のメニスカスレンズＧ６とが配列されて成り、正レンズＧ５と負のメニスカスレンズＧ６はガラス材料から形成される。第４レンズ群ＧＲ４は、物体側に凹面を向け両面が非球面で構成された正メニスカスの単レンズＧ７から成り、正メニスカスレンズＧ７は樹脂材料から形成される。なお、第４レンズ群ＧＲ４と像面ＩＭＧとの間にはカバーガラスＳＧが配置される。
【００４０】
下記の表３に、このズームレンズ１２０に具体的数値を適用した数値比較例のレンズデータを示す。なお、非球面には＊を付して示す。また、全体諸元及び面間隔等の各種データを表４に、非球面係数を表５に示す。
［表３］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(ｖd)
1 93.027 0.60 1.834 37.3
2 6.516 1.29
3 INFINITY 5.50 1.834 37.3
4 INFINITY 0.20
5* 76.069 1.33 1.583 30.0
6* -8.017 d6
7* -5.286 0.50 1.530 55.8
8 -68.485 d8
9* 3.166 1.71 1.583 59.5
10* -5.144 0.40
11 10.688 1.40 1.821 24.1
12* 2.232 d12
13* -6.751 1.49 1.530 55.8
14* -3.004 1.10
15 INFINITY 0.50 1.517 64.2
16 INFINITY 0.50
17(像面) INFINITY
【００４１】
［表４］各種データ
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.71 6.25 10.58
Ｆナンバー 2.87 3.82 5.51
画角［度］ 64.9 38.5 23.7
全長 28
ＢＦ 2.1(1.1+0.5+0.5)
d6 1.10 2.78 1.10
d8 7.18 3.12 0.60
d12 3.20 5.58 9.78
【００４２】
［表５］非球面係数
第5面
k=0, A4=-4.494×10-4, A6=-6.218×10-5, A8=9.711×10-6, A10=0
第6面
k=0, A4=-4.511×10-4, A6=-7.505×10-5, A8=1.610×10-5, A10=-5.048×10-7
第7面
k=0, A4=7.153×10-4, A6=1.131×10-5, A8=6.331×10-6, A10=-1.483×10-6
第8面
k=0, A4=-3.685×10-3, A6=-1.198×10-4, A8=-3.954×10-5, A10=-5.471×10-6
第10面
k=0, A4=8.412×10-3, A6=-8.762×10-4, A8=1.886×10-5, A10=0
第12面
k=0, A4=-4.032×10-3, A6=3.707×10-4, A8=1.720×10-3, A10=-5.972×10-4
第13面
k=0, A4=2.564×10-3, A6=0, A8=0, A10=0
第１４面
k=0, A4=1.201×10-2, A6=-3.288×10-4, A8=3.939×10-6, A10=7.719×10-6
【００４３】
（１−４）設計例１と比較例１との比較検討結果
次に、以上説明した設計例１及び比較例１によるズームレンズの構成及び光学的特性について比較検討した結果を説明する。
（ａ）レンズ厚総和のレンズ全長に対する比
まず、各ズームレンズにおけるレンズ厚総和のレンズ全長に対する比を求めると下記の通りである。なお、以下の式においてレンズ全長にバックフォーカスＢＦは含まず、またレンズ中の平行平板は、空気換算とする。
設計例１：レンズ厚の総和／レンズ全長＝１３．５／２６．３（ｍｍ）＝５１％
比較例１：レンズ厚の総和／レンズ全長＝７／２３．４（ｍｍ）＝３０％
したがって、可変レンズを用いるズームレンズ１０１においては、レンズ枚数が比較的多くなるにも係わらず、レンズ全長の短い設計が達成されて小型化を図ることが可能である。これは、比較例におけるようなレンズの移動が必要ないためでもあるが、特に可変レンズを第１のレンズ群と第４のレンズ群と物体側、像側に配置して構成することで、収差を確実に抑えつつ面間隔も比較的短くすることができているためと考えられる。したがって、倍率や口径等の条件が同等であれば、全ズームレンズ長を短くするという効果が得られる。
【００４４】
逆に、レンズ移動のための隙間を空ける必要がないことで、光路を折り曲げる光学素子を配置する場合においても、その分のスペースを確保するにもかかわらず、レンズ全長の大幅な増加を避けることができる。つまり、光路を折り曲げてレンズ全体の厚さを抑え、筐体の薄型化を図ると共に、長さ方向にも小型化を図ることが可能となる。
【００４５】
なお、レンズ全長に対するレンズ厚の占める割合を４０％以上とするとより好ましい。可変レンズを用いる場合は何らかのレンズ駆動機構を設けることが必要となるため、その分も含めると４０％未満の場合は、十分に小型化を図ることが難しい。したがって、レンズ全長に対するレンズ厚の総和の割合が４０％以上となる構成とすることが好ましい。
【００４６】
（ｂ）光路偏光素子
図３は、光路を折り曲げる光路偏光素子を追加する場合の一例の概略構成図である。図３において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。このズームレンズ１０２では、物体側の第１のレンズ群５１と像側の第２のレンズ群５２との間にミラー等の光路偏向素子５０を配置する。光路偏光素子５０の配置位置は、いずれのレンズ群５１〜５４の間でもよく、面間隔が十分な位置であればよい。
【００４７】
このように光路を折り曲げることで、最も口径を大きくすることが好ましい第１のレンズ群５１のレンズ口径によらずに、第２のレンズ群５２以降のレンズ群の口径により、ズームレンズ１０１全体の筐体の大きさ（厚みや幅）を決定することができる。このため、光路偏向素子５０を設けない場合と比べて筐体の幅を小さくすることが可能となる。撮像装置、携帯電話等の電子機器に組み込む場合に有利となる。一方比較例のズームレンズでは、光路偏光素子を組み込むには別途スペースが必要であり、必要な面間隔を確保するために設計し直さないといけない。設計例１によれば、このような設計変更は必要なく、光路偏光素子の追加が容易という利点を有する。
【００４８】
（ｃ）収差特性
図４（ａ）〜（ｃ）は、上記設計例１の無限遠合焦状態における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図であり、それぞれ広角端、中間焦点距離、望遠端における各収差を示す。なお、球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。
【００４９】
また、図５（ａ）〜（ｃ）は、上記設計例１の空間周波数に対するＭＴＦ（Modulation Transfer Function）値を示す図であり、図５（ａ）は広角端、図５（ｂ）は中間焦点距離、図５（ｃ）は望遠端における参照波長５５５ｎｍでのＭＴＦ値をそれぞれ示す。これら図５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）方向の変調度をそれぞれ示す。
図４及び図５の結果から、設計例１によるズームレンズでは収差が抑えられ、ＭＴＦ値も乱れがなく、良好な光学特性を有することがわかる。なお、図示しないが比較例によるズームレンズにおいても、球面収差、非点収差及び歪曲収差は問題のない値となっている。
【００５０】
一方、設計例１と比較例１において、主光線及び周辺光線に対する各レンズ面での入射角を解析した結果、設計例１の方が入射角を小さく、すなわち光軸に対しより小さい角度で光線が入射するため、収差抑制に有利であることがわかった。この結果を図６〜図９に示す。図６〜図９において縦軸は、レンズ媒質の屈折率をｎ、入射角又は出射角をｉとするときｎ×ｓｉｎ（ｉ）を求めたものである。図６及び図７は設計例１における周辺光線と主光線の結果、図８及び図９は比較例における周辺光線と主光線の結果をそれぞれ示す。各図共に、各レンズ面において広角端を白、中間焦点距離をグレー、望遠端を黒とした棒グラフでそれぞれｎ×ｓｉｎ（ｉ）値を表している。なお、図６及び図７において、レンズ面３ａ、５ａ、７ａ、１０ａ、１４ａ、１７ａ及び１７ｂは、光線追跡解析に使用した仮想平面である。また、各図において、可変レンズ又は可動レンズを実線長方形の枠で囲って示している。
【００５１】
図６及び図７の結果をみると、主光線の場合を示す図７の一部において、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）＞０．５となっている面があるが、これらは第２面、第１３面、第１６面及び第１９面、すなわち貼り合わせ面であり、空気との界面ではないためである。
【００５２】
一方、図８及び図９に示す比較例の結果から、周辺光線においても主光線においても一部のレンズ面でｎ×ｓｉｎ（ｉ）＞０．５となっていることがわかる。これらは図２に示す可動レンズ群ＧＲ２又はＧＲ３内のレンズ面、又はレンズ群ＧＲ２に面するレンズの第６面である。この結果から、可動レンズを用いる場合では、周辺光線、主光線共に入射角が大きくなる面が存在することがわかる。
【００５３】
したがって、設計例１においては、可動レンズを用いる従来のズームレンズと比べて入射角を低く抑えることができ、全てのレンズ面において、周辺光線及び主光線共に光軸に対してより小さい角度で光線が入射する構成を実現できる。このため、収差の増加をより抑えることができる。
【００５４】
なお、上記設計例１においては、絞り１１の位置、絞り１１より像側のレンズパワーを適切に設定してあるので、像側がテレセントリックになっており、撮像素子４４に対する光線入射角度が比較的垂直になっているという利点も有する。
【００５５】
また、設計例１において、レンズ群５２にガウス型、又はガウス型様のレンズ群を含む構成としている。設計例１における各レンズ面での球面収差、コマ収差、非点収差、軸上色収差について、それぞれ広角端、中間焦点距離、望遠端の計算値を図１０〜図１３に示す。図１０〜図１３においては、貼り合わせレンズ及び単レンズのレンズ面をそれぞれ枠で囲って示している。可変レンズの変形面は第３面及び第１８面である。
【００５６】
これら図１０〜図１３から明らかなように、球面収差、コマ収差については、この口径絞り１１の前後に配置するレンズ群５２によって補正されており、物体側の第１のレンズ群５１と像側の第４のレンズ群５４において略ゼロに近くなっていることがわかる。一方非点収差と軸上色収差は僅かに残っているが、やはり第２のレンズ群５２によってある程度補正されており、第１及び第４のレンズ群５１及び５４では低く抑えられていることがわかる。
【００５７】
なお、図１４及び図１５は、図６及び図７に示す周辺光線及び主光線において、第１のレンズ群５１と第４のレンズ群５４におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図１４及び図１５から、第１及び第２の可変レンズ３２及び４１を含む第１及び第４のレンズ群５１及び５４では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【００５８】
また、設計例１においては、倍率色収差が十分に補正されていない。これは、信号処理によって補正可能であるためである。これについて説明すると、上記設計例１では、使用波長において、横収差が画角によってリニアに、すなわち一次関数的に比例して変化しているので、信号処理による補正が容易であり、信号処理のみの補正でレンズを構成することができることを意味する。図１６及び図１７は、それぞれ広角端及び望遠端における、波長４４０ｎｍ、４８０ｎｍ、５２０ｎｍ、５６０ｎｍ、６００ｎｍ、６４０ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析により求めた結果である。なお、図１６及び図１７は共に、波長５３０ｎｍの光線の場合の像点との差分（単位μｍ）を示している。この結果から、特に望遠端において、どの波長の光線も横収差が画角に対してリニアに変化していることがわかる。
【００５９】
また、図１８及び図１９においては、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について解析した結果であり、図１８は広角端の横収差、図１９は望遠端の横収差である。図１８及び図１９から、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっており、周辺光線についての倍率色収差はいわば残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能である。よって、そのための収差補正素子を更に追加する必要がなく、比較的簡素なレンズ構成を実現できる。
【００６０】
（１−５）設計例２（枚数削減例）
次に、レンズ枚数を可能な限り削減して且つ良好な収差特性を得る設計例２について説明する。上記設計例１では、良好な光学特性を有するものの、レンズ第１面から像面までの距離は３０．３３ｍｍであり、可変レンズを用いたズームレンズとしては光路長の短縮が望まれる。また、設計例１では、面形状を変えられるレンズの媒質として比較的屈折率が低い材料を用いる例である。このため第１のレンズ群５１でのパワー変動がそれほど大きくなく、光路長を短縮するのは難しい。バリエータとして機能する第１のレンズ群５１の屈折パワーを大きくするためには、曲率の変動領域を大きくする方法も考えられるが、曲率が大きくなることにより球面収差が劣化するという問題がある。また、可変レンズの媒質に液体を用いる場合には、例えば望遠端のように凹レンズとなり、且つ曲率が大きくなる状態があると、気泡が発生する恐れが生じる。
【００６１】
このような問題を解決するために、設計例２においては、設計例１よりも光路長を短縮することを目的として、バリエータである第１のレンズ群５１に屈折率の高いレンズ媒質の可変レンズを用いる構成とする。この例では、主光線の、撮像素子への入射角を制限しないことによって、設計の自由度を増やしていることに特徴をもつ光学系となっている。
【００６２】
この例におけるズームレンズ１０３のレンズ構成を図２０に示す。図２０（ａ）においては広角端、図２０（ｂ）には中間焦点距離、図２０（ｃ）には望遠端における状態を示している。物体側より順に、第１の可変レンズ１３２を有する第１のレンズ群１５１、口径絞り１１を挟んで配置される第２のレンズ群１５２、第２の可変レンズ１４１を有する第３のレンズ群１５４が配置される。第１のレンズ群１５１はバリエータとして面形状を変えられる第１の可変レンズ１３２を有し、第３のレンズ群１５４はフォーカスとコンペンセータの機能を有した面形状を変えられる第２の可変レンズ１４１を有して、変倍を行うズーム光学系となっている。具体的には、第１のレンズ群１５１には物体側に凸のメニスカスレンズ１３１、第１の可変レンズ１３２及び凹レンズ１３３が配置され、全体として正の屈折力を有する。第２のレンズ群１５２には口径絞りの前に正の屈折力を有する両凸レンズ１３４、ダブレット構成で全体として正の屈折力を有するレンズ１３５及び１３６を有する。また口径絞りの像側には凹レンズ１３７及び凸レンズ１３８がダブレット構成として配置され、両レンズで負の屈折力を有する構成とされる。そして第３のレンズ群１５４には、第２の可変レンズ１４１及びこれと貼りあわされた物体側に凸面をもつレンズ１４２が配置され、全体として正の屈折力をもつ構成とされる。像面との間には例えば像面２０に撮像素子１４４を配置することを想定して、カバーガラス１４３を配置する。図２０においても、面番号を物体側から順に１〜２０として示す。
【００６３】
この設計例２では、面形状を変えられるレンズである第１及び第２の可変レンズ１３２及び１４１には、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９の光学定数を有する液体を用いている。下記の表６に、設計例２におけるズームレンズのレンズ諸元を示し、また表７に各種データを示す。
【００６４】
［表６］
面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(ｖd) 有効径
1 7.03737 1.41 1.747286 37.79 4.04
2 18.95952 d22 1.5057 34.9 3.7123
3 r23 d23 2.8498
4 123.36383 0.75 1.755201 27.58
5 4.58215 5.5 2.6492
6 37.18724 1.02 1.753021 29.78 2.3146
7 -14.01367 0.8 2.3554
8 6.30822 1.06 1.743972 44.85 1.9946
9 49.71571 0.8 1.535923 50.44 1.9447
10 5.41752 0.4
11 絞り 1.2
12 26.91075 0.8 1.755201 27.58 1.4806
13 3.4863 1.54 1.634968 57.58 1.2276
14 -9.39829 d214 1.2697
15 r215 d215 1.5057 34.90
16 3.62705 1.62 1.62041 60.32
17 -1395.48172 1.941048 1.642
18 INFINITY 0.105 1.51633 64.14 1.817
19 INFINITY 2.089027 1.8482
20(像面) INFINITY
【００６５】
［表７］各種データ
ズーム比 ３
広角 中間距離 望遠
焦点距離 3.73 6.46 11.19
Ｆナンバー 3.20 3.64 4.78
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 26.4（一定）
ＢＦ 4.03（但し、カバーガラス厚を除く）
d22 0.03042 0.84686 1.22928
r23 3.47577 5.91976 10.86437
d23 1.861958 1.05314 0.67072
d214 1.97739 2.41492 3.41536
r215 9.17703 25.95864 -7.93467
d215 1.63261 1.19508 0.19464
【００６６】
このように、本設計例ではレンズ第１面から像までの距離が２６．４ｍｍとなっている。したがって、本設計例２を用いることによって設計例１と比較して１３％程度光路長の短縮が図れる。また、バックフォーカスや平行平板（平行平板は空気換算）を含まない全長が２２．４５ｍｍであり、ガラス総厚みが１０．４ｍｍで、その比は１０．４／２２．４５≒４６．４％である。すなわち設計例１よりもレンズ枚数を減らしつつ、空気部分の長さを短縮し、大幅な全長圧縮を達成した設計となっている。
【００６７】
また、コンペンセータである第２の可変レンズ１４１の有効径が、設計例１に対して２．２４７／２．５７９≒１２．９％程度小さくなる。このことから、第１のレンズ群１５１と第２のレンズ群１５２との間で折り返しミラー等の光偏向素子を挿入することにより、第２のレンズ群１５２以降の光学系の有効径でズームレンズ全体の筐体の厚さ及び幅が決まるので、全体としてズームレンズ筐体の薄型化が可能となる。また、設計例１よりもＦ値の小さい光学系が実現できるという利点も有する。
【００６８】
この設計例２における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図２１（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図２２（ａ）〜（ｃ）に示す。図２２においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図２１及び図２２の結果から、この設計例２においても、良好な収差特性が得られることがわかる。
【００６９】
また、図２３及び図２４は、軸外光線及び主光線において、第１のレンズ群１５１と第３のレンズ群１５３におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図２３及び図２４から、第１及び第２の可変レンズ１３２及び１４１を含む第１及び第３のレンズ群１５１及び１５３では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【００７０】
また、図２５及び図２６は、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析した結果であり、図２５は広角端の横収差、図２６は望遠端の横収差である。図２５及び図２６から、この例においても、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっているが、問題のない範囲となっている。つまり、設計例２においては、倍率色収差はいわば残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能であり、そのための収差補正素子を追加する必要がなく、設計例１よりも更に簡素なレンズ構成を実現できる。
【００７１】
２．第２の実施の形態（非球面を用いたズームレンズ）
次に、本発明の第２の実施の形態に係るズームレンズについて説明する。第１の実施の形態に係るズームレンズとの違いは、固定レンズのうち少なくとも一面に非球面を有する構成とすることである。まず、プレッシャーレンズの変形面の球面からの乖離を考慮した場合の参考例から説明する。
【００７２】
（２−１）参考例１（変形面の球面からの乖離量の説明）
上述の第１の実施の形態に係るズームレンズの光学系において、バリエータ及びコンペンセータに用いている可変レンズの面形状は球面としている。可変レンズとしてエレクトロウエッティングレンズではなく、上述したようなシリコーン樹脂等の透明弾性膜を液圧変化によって変形させる屈折面変形型レンズの場合、実際の面形状は球面形状からある程度乖離する。また屈折面変形型レンズのサグ量が大きくなる、すなわち曲率が大きくなるにつれてこの乖離量は顕著になり、光学特性に与える影響は無視できない。以下この球面からの乖離量を球面乖離量と呼ぶ。
【００７３】
このため、実際の屈折面変形型レンズの面形状を反映した光学系は設計値と比較して特性が低下し、とりわけバリエータの曲率が最大になる広角端での光学性能の低下は顕著になる。また、ズーム率が高ければ、変形面での屈折パワー変動を稼ぐ必要が出てくるので、低倍率のものと比較すると曲率変化（変形量）は大きくなり、球面乖離量も大きくなると考えられる。更に、球面乖離量は変形面を構成する膜のテンション等にも依存する。
【００７４】
したがって、可変レンズとして屈折面変形型レンズを用いたズームレンズの設計において、屈折面変形型レンズの非球面形状を考慮して光学系を組むことによって光学特性の改善が図れる。このため、第２の実施の形態に係るズームレンズにおいては、屈折面変形型レンズの面形状が非球面になることを考慮し、第１の実施の形態に係るズームレンズをもとにして固定レンズ群の諸元変更により光学特性の改善を図ることを目的とする。
【００７５】
ここでは、面形状を変化させるレンズとして、屈折面変形型液体レンズを例に挙げて説明をする。なお、屈折面変形型ゲルレンズの場合も同様の形状変化の特性をもつと考えられる。
【００７６】
図１に示す設計例１において、可変レンズ３２及び４１の変形面を非球面とした場合の面データを下記の表８に、また全体諸元及び面間隔、更に非球面データを下記の表９及び１０に示す。
【００７７】
［表８］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1 16.1754 1.41 1.7440 44.79 4.0607
2 -109.60855 d12 1.5057 34.90 3.6864
3* r13 d13 3.0238
4 -29.15474 0.6 1.7552 27.51 2.76
5 11.91251 5.5 2.5976
6 15.09107 1.02 1.7440 44.79 2.6296
7 -20.45717 0.8 1.9999
8 5.70415 1.06 1.7552 27.53 1.576
9 -89.48983 0.8 1.5225 59.84 1.3346
10 3.98084 0.4 1.0366
11 絞り 1.2 0.9502
12 -4.81816 0.8 1.7552 27.53 1.1125
13 5.7367 1.54 1.5638 60.83 1.3166
14 -5.40399 1.61 1.5993
15 20.74906 0.8 1.7408 27.79 2.1095
16 4.4 2.35 1.7434 44.79 2.2475
17 -10.56317 d117 2.4
18* r118 d118 1.5057 34.90 2.5785
19 4.85262 1.62 1.5638 60.83 2.4557
20 24.27371 1.941048 2.3646
21 INFINITY 0.105 1.5163 64.14
22 INFINITY 1.97763
23(像面) INFINITY
【００７８】
［表９］各種データ
ズーム比 ３
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 3.2 3.85 5.3
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.9（但し、カバーガラス厚を除く）
d12 0.03042 0.84686 1.22928
r13 4.70096 9.17627 21.45534
d13 1.86958 1.05314 0.67072
d117 1.26741 1.69039 2.59977
r118 7.40355 12.94742 -16.43472
d118 1.63259 1.20961 0.30023
【００７９】
［表１０］非球面係数
第3面 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ４ 1.5507×10-3 1.9793×10-4 -7.7287×10-6
Ａ６ 6.4537×10-5 3.2942×10-6 9.1154×10-6
Ａ８ -1.4741×10-6 -2.5720×10-8 -1.5517×10-6
Ａ１０ 3.5145×10-7 -2.8353×10-9 9.3965×10-8
第18面 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ４ 3.3057×10-4 1.8181×10-5 3.3148×10-5
Ａ６ 3.2447×10-5 2.3226×10-5 -4.0486×10-5
Ａ８ -4.5300×10-6 -4.0617×10-6 1.0280×10-5
Ａ１０ 2.7591×10-7 2.5643×10-7 -9.3530×10-7
【００８０】
図２７は、この参考例１においてバリエータとして搭載している屈折面変形型の可変レンズの変形面、つまり第３面の面中心を通る断面（径方向）に対する理想球面との差分を示す図である。また、図２８はこの第３面の曲率半径Ｒに対する最大球面乖離量である。なお便宜上、フィッティングした理想球面は、設計例１におけるバリエータの広角端におけるレンズ有効径（φ６ｍｍ）としている。
【００８１】
図２７から、曲率半径が８．８７３ｍｍ（中間焦点距離）から７．４７ｍｍ、６．４７ｍｍ、４．７ｍｍ（広角端）となるにつれ、径方向の変化が大きくなることがわかる。また、図２８からわかるように、屈折面変形型の可変レンズの曲率半径が小さく、すなわち曲率が大きくなるにつれて、屈折面変形型可変レンズ面の球面乖離量は顕著になり、広角端の曲率においては最大で１３μｍ程度の球面乖離が生じる。
【００８２】
この面形状を反映した例を参考例１として、設計例１においてバリエータ及びコンペンセータとして搭載している２つの可変レンズ３２及び４１の面形状の測定結果を多項式近似することによって反映させた光学特性を計算により求めた。この結果を以下に示す。図２９（ａ）〜（ｃ）に、広角端、中間焦点距離、望遠端における諸収差図を示し、球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。図３０（ａ）〜（ｃ）には参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性を示す。図３０においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。
【００８３】
図２９及び３０から明らかなように、屈折面変形型可変レンズの球面乖離量を反映すると、設計例１で期待される光学特性に対して特性が低下する。とりわけ広角端での光学特性の低下は顕著であり、非点収差、像面湾曲、歪曲収差が悪化し、また、ＭＴＦの空間周波数特性も低下している。なお、これは非球面を考慮せず設計した通常の弾性膜を用いた場合であり、変形膜材料の特性やテンション等の条件によっては、この結果よりも収差の低下を抑えることが可能である。
【００８４】
（２−２）参考例２（参考例１を非球面を用いずに最適化した例）
次に、参考例１における固定レンズの面データを、非球面を用いずに最適化して光学性能の改善を図ることができるか検討した。この例における広角端、中間焦点距離、望遠端の概略レンズ構成を図３１に示す。なお、レンズ群の数、屈折力、貼り合わせレンズとするレンズの個数や配置は設計例１とほぼ同様とし、面データのみ若干変更している。すなわち、図３１に示すようにこの参考例２によるズームレンズ１２１においても、物体側から第１の可変レンズ４３２を含む第１のレンズ群４５１、口径絞りを挟んで物体側及び像側にガウスタイプの第２のレンズ群４５２を配置している。またその後段に、主として軸上収差補正を行う第３のレンズ群４５３、第２の可変レンズ４４１を含む第４のレンズ群４５４を配置している。固定レンズは物体側から順に４３１、４３３、４３４〜４４０、４４２を備える。また像面２３に撮像素子４４４を配置することを想定してカバーガラス４４３を設けている。図３１においても、面番号を物体側から順に１〜２３として示す。下記の表１７及び１８に、参考例２におけるレンズ面データ、全体諸元及び面間隔を示す。なおこの参考例２でも、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質として設計例１と同様に、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９０の液体を用いている。
【００８５】
［表１７］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(ｖd)
1 16.1754 1.41 1.7440 44.79
2 -18.82513 d52 1.5057 34.90
3* r53 d53
4 -15.6344 0.75 1.7552 27.51
5 12.10594 5.5
6 18.27895 1.02 1.7440 44.79
7 -15.83137 0.8
8 6.21915 1.06 1.7552 27.53
9 -13.78252 0.8 1.5225 59.84
10 5.07364 0.4
11 絞り 1.2
12 -4.58759 0.8 1.7552 27.53
13 4.07559 1.54 1.5638 60.83
14 -5.24593 1.61
15 -1809.13877 0.8 1.7408 27.79
16 4.4 2.35 1.7434 44.79
17 -7.83455 d517
18* r518 d518 1.5057 34.90
19 4.85262 1.62 1.5638 60.83
20 44.46226 1.941048
21 INFINITY 0.105 1.5163 64.14
22 INFINITY 1.97763
23(像面) INFINITY
【００８６】
［表１８］各種データ
ズーム比 ３
広角 中間距離 望遠
焦点距離 3.74 6.46 11.18
Ｆナンバー 3.20 3.87 5.36
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.9（但し、カバーガラス厚を除く）
d52 0.03042 0.84686 1.22928
r53 4.70096 9.17627 21.45534
d53 1.26741 1.69039 2.59977
d517 1.80536 0.80492 0.36739
r518 7.40355 12.94742 -16.43472
d518 1.63259 1.20961 0.30023
【００８７】
［表１９］非球面係数
第3面 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ４ 1.5507×10-3 1.9793×10-4 -7.7287×10-6
Ａ６ 6.4537×10-5 3.2942×10-6 9.1154×10-6
Ａ８ -1.4741×10-6 -2.5720×10-8 -1.5517×10-6
Ａ１０ 3.5145×10-7 -2.8353×10-9 9.3965×10-8
第18面 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ４ 3.3057×10-4 1.8181×10-5 3.3148×10-5
Ａ６ 3.2447×10-5 2.3226×10-5 -4.0486×10-5
Ａ８ -4.5300×10-6 -4.0617×10-6 1.0280×10-5
Ａ１０ 2.7591×10-7 2.5643×10-7 -9.3530×10-7
【００８８】
この参考例２における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図３２（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図３３（ａ）〜（ｃ）に示す。図３３においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図３２及び図３３の結果から、このように、球面のみを用いて固定レンズの最適化を図っても、良好な収差特性が得られず、実用には供し難いことがわかる。したがって、このように変形面の球面乖離量が比較的多くなる場合は、固定レンズのいずれかの面１面以上に非球面を用いて設計することが好ましい。
【００８９】
（２−３）設計例３（非球面１面追加例）
以上の結果をもとに、屈折面変形型液体レンズの球面乖離量を考慮して光学系の再設計を行った。
この設計例３においては、可変レンズとして用いる屈折面変形型液体レンズの面形状を反映し、固定レンズ群の曲率半径を変えて光学系を改善した。この例の広角端、中間焦点距離、望遠端における概略レンズ構成を図３４に示す。なお、レンズ群の数、屈折力、貼り合わせレンズとするレンズの個数や配置は設計例１とほぼ同様とし、面データのみ若干変更している。すなわち、図３４に示すようにこのズームレンズ１０４においても、物体側から第１の可変レンズ２３２を含む第１のレンズ群２５１、口径絞りを挟んで物体側及び像側にガウスタイプの第２のレンズ群２５２を配置している。またその後段に、主として軸上収差補正を行う第３のレンズ群２５３、第２の可変レンズ２４１を含む第４のレンズ群２５４を配置している。固定レンズは物体側から順に２３１、２３３、２３４〜２４０、２４２を備える。また像面２３に撮像素子２４４を配置することを想定してカバーガラス２４３を設けている。図３４においても、面番号を物体側から順に１〜２３として示す。下記の表１１、１２及び１３に、設計例３におけるレンズ面データ、全体諸元及び面間隔、非球面データを示す。なお、この設計例３では、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質として設計例１と同様に、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９０の液体を用いている。
【００９０】
［表１１］面データ
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1 17.18464 1.41 1.7440 44.79 4.1556
2 -18.37532 d32 1.5057 34.90 3.9368
3* r33 d33 2.9956
4 -16.75079 0.6 1.7552 27.51 2.7599
5 12.82512 5.5 2.5775
6 15.6892 1.02 1.7440 44.79 2.0451
7 -19.45989 0.8 1.9568
8 6.05049 1.06 1.7552 27.53 1.6303
9 -20.91537 0.8 1.5225 59.84 1.4064
10 4.66761 0.4 1.0723
11 絞り 1.2 0.9593
12 -5.44351 0.8 1.7552 27.53 1.0949
13 4.16131 1.54 1.5638 60.83 1.2747
14 -7.11498 1.61 1.5406
15 24.23089 0.8 1.7408 27.79 2.0445
16 4.16923 2.35 1.7434 44.79 2.2185
17 -8.83975 d317 2.4018
18* r318 d318 1.5057 34.90 2.5893
19 4.85262 1.62 1.5638 60.83 2.4623
20* 23.95966 1.941048 2.3695
21 INFINITY 0.105 1.5163 64.14 2.298
22 INFINITY 1.988394 2.2955
23(像面) INFINITY 2.305
【００９１】
［表１２］各種データ
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.74 6.46 11.19
Ｆナンバー 3.20 3.86 5.34
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.93（但し、カバーガラス厚を除く）
d32 0.03042 0.84686 1.22928
r33 4.70096 9.17627 21.45534
d33 1.86958 1.05314 0.67072
d317 1.26741 1.69039 2.599772
r318 7.40355 12.94742 -16.43472
d318 1.63259 1.20961 0.30023
【００９２】
［表１３］非球面係数
第3面（変形面）広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ4 1.5507×10-3 1.9793×10-4 -7.7287×10-6
Ａ6 6.4537×10-5 3.2942×10-6 9.1154×10-6
Ａ8 -1.4741×10-6 -2.5720×10-8 -1.5517×10-6
Ａ10 3.5145×10-7 -2.8353×10-9 9.3965×10-8
第18面（変形面）広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ4 3.3057×10-4 1.8181×10-5 3.3148×10-5
Ａ6 3.2447×10-5 2.3226×10-5 -4.0486×10-5
Ａ8 -4.5300×10-6 -4.0617×10-6 1.0280×10-5
Ａ10 2.7591×10-7 2.5643×10-7 -9.3530×10-7
第20面（固定）
ｋ=-1, A4=4.7969×10-4, A6=-4.0486×10-5, A8=6.8513×10-6, A10=0
【００９３】
この設計例３における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図３５（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図３６（ａ）〜（ｃ）に示す。図３６においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図３５及び図３６の結果から、この設計例３においても、良好な収差特性が得られることがわかる。
【００９４】
また、図３７及び図３８は、軸外光線及び主光線において、第１のレンズ群１５１と第３のレンズ群１５３におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図３７及び図３８から、第１及び第２の可変レンズ２３２及び２４１を含む第１及び第４のレンズ群２５１及び２５４では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【００９５】
また、図３９及び図４０は、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析した結果であり、図３９は広角端の横収差、図４０は望遠端の横収差である。図３９及び図４０から、この例においても、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっているが、この例においては、第３のレンズ群２５３を設けるため軸上の収差補正を行っている。よって設計例３においては、周辺光線の倍率色収差は残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能であり、設計例１と同様に、軸上収差補正のみを設けて良好な光学特性が得られている。
【００９６】
また、図４１、４２及び４３にそれぞれ、設計例１、参考例１及び設計例３における倍率色収差を示す。各図においてそれぞれ広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示している。また図中三角記号は波長６７０ｎｍ、四角記号は波長６００ｎｍ、丸記号は波長５５０ｎｍ、記号×は波長５１０ｎｍ、記号＋は波長４７０ｎｍの倍率色収差を示す。図４１〜４３を比較すると明らかなように、設計例１において球面乖離量が十分小さく球面とみなせるような場合はスポットの歪みが少ないが、非球面形状として球面乖離量が大きくなると特に広角端で楕円状に歪み、非点収差が大きくなる。一方、設計例３において固定レンズのうち一面に非球面を組み込むことで、倍率色収差が大幅に改善され、非点収差、コマ収差も抑えられることがわかる。
【００９７】
この場合、参考例１に示すような変形面の固定レンズ群に球面レンズを用いる制約条件下では大きな改善はみられないため、最も像側のレンズ面であるレンズ最終面（第２０面）に非球面レンズを用いることによって性能の改善を実現している。
またこの設計例３では、固定レンズ群の一面の非球面化だけでなく、曲率半径、更にレンズ間隔、レンズ厚み、使用硝材を変えることによっても性能改善を図っている。
【００９８】
なお、設計例３ではレンズ第１面から像までの距離が３０．３ｍｍとなっている。また、バックフォーカスや平行平板（平行平板は空気換算）を含まない全長が２６．３ｍｍであり、ガラス総厚みが１３．５ｍｍで、その比は１３．５／２６．３≒５１％である。すなわち設計例３においても、設計例１と同様に、レンズ全長に対するレンズ厚の総和の割合を４０％以上として構成し、小型化を図った設計となっている。
【００９９】
このように、第２の実施の形態に係るズームレンズの構成、すなわち固定レンズに非球面を取り入れることで、第１の実施の形態に係るズームレンズと比較して、変形面の球面乖離量が大きくなる場合においても良好な光学特性を有する光学系が実現できる。
【０１００】
（２−４）設計例４（非球面２面追加例）
次に、非球面枚数を変えて光学特性の改善を図る設計例４について検討した。この例における広角端、中間焦点距離、望遠端の概略レンズ構成を図４４に示す。なお、レンズ群の数、屈折力、貼り合わせレンズとするレンズの個数や配置は設計例１及び３とほぼ同様とし、面データのみ若干変更している。すなわち、図４４に示すようにこのズームレンズ１０５においても、物体側から第１の可変レンズ３３２を含む第１のレンズ群３５１、口径絞りを挟んで物体側及び像側にガウスタイプの第２のレンズ群３５２を配置している。またその後段に、主として軸上収差補正を行う第３のレンズ群３５３、第２の可変レンズ３４１を含む第４のレンズ群３５４を配置している。固定レンズは物体側から順に３３１、３３３、３３４〜３４０、３４２を備える。また像面２３に撮像素子３４４を配置することを想定してカバーガラス３４３を設けている。図４４においても、面番号を物体側から順に１〜２３として示す。下記の表１４、１５及び１６に、設計例４におけるレンズ面データ、全体諸元及び面間隔、非球面データを示す。またこの設計例４でも、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質として設計例１及び３と同様に、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９０の液体を用いている。
【０１０１】
［表１４］面データ
（非球面2面追加、第1面、第20面）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1* 16.1754 1.41 1.7440 44.79 4.1028
2 -28.48612 d42 1.5057 34.90 3.8288
3* r43 d43 2.9699
4 -11.97721 0.6 1.7552 27.51 2.7615
5 24.54135 5.5 2.6345
6 23.96047 1.02 1.7440 44.79 2.6521
7 -20.28325 0.8 1.9603
8 5.07312 1.06 1.7552 27.53 1.8698
9 -52.55789 0.8 1.5225 59.84 1.5698
10 4.25199 0.4 1.341
11 絞り 1.2 1.0474
12 -4.60686 0.8 1.7552 27.53 1.0919
13 4.49736 1.54 1.5638 60.83 0.9587
14 -5.34143 1.61 1.1015
15 21.43089 0.8 1.7408 27.79 1.3084
16 4.4 2.35 1.7434 44.79 1.5866
17 -9.95388 d417 2.0997
18* r418 d418 1.5057 34.90 2.2449
19 4.85262 1.62 1.5638 60.83 2.4085
20* 22.2209 1.941048 2.582
21 INFINITY 0.105 1.5163 64.14 2.4506
22 INFINITY 1.968658 2.3533
23(像面) INFINITY
【０１０２】
［表１５］各種データ
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 3.85 5.30
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 30.3（一定）
ＢＦ 3.91（ただし、カバーガラス厚を除く）
d42 0.03042 0.84686 1.22928
r43 4.70096 9.17627 21.45534
d43 1.86958 1.05314 0.67072
d417 1.26741 1.69039 2.599772
r418 7.40355 12.94742 -16.43472
d418 1.63259 1.20961 0.30023
【０１０３】
［表１６］非球面係数
第1面（固定） 広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ=-1, A4 =1.61×10-4, A6=3.11×10-6, A8=-9.61×10-8, A10=0
第3面（変形面）
ｋ -1 -1 -1
Ａ4 1.5507×10-3 1.9793×10-4 -7.7287×10-6
Ａ6 6.4537×10-5 3.2942×10-6 9.1154×10-6
Ａ8 -1.4741×10-6 -2.5720×10-8 -1.5517×10-6
Ａ10 3.5145×10-7 -2.8353×10-9 9.3965×10-8
第18面（変形面）広角端 中間焦点距離 望遠端
ｋ -1 -1 -1
Ａ4 3.3057×10-4 1.8181×10-5 3.3148×10-5
Ａ6 3.2447×10-5 2.3226×10-5 -4.0486×10-5
Ａ8 -4.5300×10-6 -4.0617×10-6 1.0280×10-5
Ａ10 2.7591×10-7 2.5643×10-7 -9.3530×10-7
第20面（固定）
ｋ=-1, A4=4.7969×10-4, A6=-4.0486×10-5, A8=6.8513×10-6, A10=0
【０１０４】
この設計例４における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図４５（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図４６（ａ）〜（ｃ）に示す。図４６においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図４５及び図４６の結果から、この設計例４においても、良好な収差特性が得られることがわかる。
【０１０５】
また、図４７及び図４８は、軸外光線及び主光線において、第１のレンズ群３５１と第４のレンズ群３５４におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図４７及び図４８から、この設計例４によるズームレンズ１０５においても、第１及び第２の可変レンズ３３２及び３４１を含む第１及び第４のレンズ群２５１及び２５４では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【０１０６】
また、図４９及び図５０は、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析した結果であり、図４９は広角端の横収差、図５０は望遠端の横収差である。図４９及び図５０から、この例においても、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっているが、この例においても設計例３と同様第３のレンズ群３５３を設けており、これにより軸上の収差補正を行っている。よって設計例４においては、周辺光線の倍率色収差は残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能であり、設計例１及び３と同様に、軸上収差補正のみを設けて良好な光学特性が得られている。
【０１０７】
この設計例４では、設計例３と同様最も像側のレンズ面であるレンズ最終面（第２０面）に非球面レンズを用いると共に、最も物体側のレンズ面も非球面とすることによって性能の改善を実現している。
またこの設計例４でも、固定レンズ群の非球面化枚数の増加に加え、設計例１とは曲率半径、更にレンズ間隔、レンズ厚み、使用硝材を変えることによって、変形面の球面乖離量が大きくなる場合においても収差を抑え、光学特性を良好に保つことができる。
【０１０８】
なお、設計例４ではレンズ第１面から像までの距離が３０．３ｍｍとなっている。また、バックフォーカスや平行平板（平行平板は空気換算）を含まない全長が２６．３ｍｍであり、ガラス総厚みが１３．５ｍｍで、その比は１３．５／２６．３≒５１％である。すなわち設計例４においても、設計例１及び３と同様に、レンズ全長に対するレンズ厚の総和の割合を４０％以上として構成し、小型化を図った設計となっている。
【０１０９】
３．第３の実施の形態
（３−１）設計例５（非球面３面とし枚数削減する例）
次に、非球面を設けると共に枚数を削減して光学特性の改善と小型化を図る設計例５について検討した。この例における広角端、中間焦点距離、望遠端の概略レンズ構成を図５１に示す。なお、レンズ群の数、屈折力、貼り合わせレンズとするレンズの個数や配置は設計例２とほぼ同様とし、面データのみ若干変更している。すなわち、図５１に示すようにこのズームレンズ１０６においては、物体側から第１の可変レンズ５３２を含む第１のレンズ群５５１、口径絞りを挟んで物体側及び像側にガウスタイプの第２のレンズ群５５２を配置している。またその後段に、第２の可変レンズ５３８を含む第３のレンズ群５５３を配置している。固定レンズは物体側から順に５３１、５３３、５３４〜５３７、５３９を備える。また像面１８に撮像素子５４４を配置することを想定してカバーガラス５４３を設けている。図５１においても、面番号を物体側から順に１〜１８として示す。下記の表２０、２１及び２２に、設計例５におけるレンズ面データ、全体諸元及び面間隔、非球面データを示す。またこの設計例５でも、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質として設計例１及び３と同様に、ｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５０５７、アッベ数νｄ＝３４．９０の液体を用いている。
【０１１０】
［表２０］面データ
（非球面3面追加、第2面、第10面、第15面）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1 7.54899 1.5 1.743997 44.79 3.6697
2* -10.59909 d52 1.5057 34.90 3.5408
3 r53 d53 2.4304
4 3.67506 0.8 1.48749 70.41 1.9989
5 4.40199 0.8 1.7237
6 38.83283 1.06 1.755201 27.58 1.4738
7 -3.44066 0.8 1.551243 49.21 1.239
8 5.58805 0.4 1.7552 27.53 0.7903
9 絞り 0.8
10* -2.67752 0.8 1.696146 31.66 0.8246
11 12.31034 1.2 1.642457 56.31 1.2563
12 -2.22673 d512 1.51
13 r513 d513 1.5057 34.90 1.9679
14 2.89037 1.5 1.606736 61.05 2.2641
15* -11.15041 1.941048 2.2731
16 INFINITY 0.105 1.51633 64.14
17 INFINITY 1.898967
18(像面) INFINITY
【０１１１】
［表２１］各種データ
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.74 6.46 11.18
Ｆナンバー 3.20 3.78 5.22
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 17.2（一定）
ＢＦ 3.84（ただし、カバーガラス厚を除く）
d52 1.24825 0.89009 0.01681
r53 6.37941 4.45693 3.08110
d53 0.50175 0.85991 1.73319
d512 1.83366 1.07571 0.52982
r513 -5.28355 53.97592 8.86056
d513 0.01634 0.77429 1.32018
【０１１２】
［表２２］非球面係数
第2面（固定）
ｋ=-1, A4 =1.6728×10-3, A6=-1.1612×10-5, A8=1.5511×10-6, A10=-5.4570×10-8
第10面（固定）
ｋ=-1, A4 =-2.9369×10-2, A6=-1.8407×10-2, A8=1.5115×10-2, A10=-9.1391×10-3
第15面（固定）
ｋ=-1, A4=-1.0445×10-3, A6=-7.2504×10-5, A8=2.1739×10-5, A10=7.9055×10-7
【０１１３】
この設計例５における広角端、中間焦点距離、望遠端における球面収差、非点収差及び歪曲収差を図５２（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。球面収差図において、実線は波長６７０ｎｍ、一点鎖線は波長６００ｎｍ、二点鎖線は波長５５５ｎｍ、太破線は波長５１０ｎｍ、細破線は波長４７０ｎｍの球面収差を示す図である。また、非点収差図において実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面を示す。また、参照波長５５５ｎｍでの広角端、中間焦点距離、望遠端におけるＭＴＦ空間周波数特性をそれぞれ図５３（ａ）〜（ｃ）に示す。図５３においても、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）方向の変調度をそれぞれ示す。図５２及び図５３の結果から、この設計例４においても、良好な収差特性が得られることがわかる。
【０１１４】
また、図５４及び図５５は、軸外光線及び主光線において、第１のレンズ群５５１と第３のレンズ群５５３におけるｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値を求めた結果である。図５４及び図５５から、この設計例５によるズームレンズ１０６においても、第１及び第２の可変レンズ５３２及び５３８を含む第１及び第３のレンズ群５５１及び５５３では、ｎ×ｓｉｎ（ｉ）の平均値は０．５未満となることがわかる。
【０１１５】
また、図５６及び図５７は、波長５３０ｎｍの像点との差分（μｍ）を波長４５０ｎｍと６００ｎｍの光線について、規格化されたフィールド（画角）に対する横収差を解析した結果であり、図５６は広角端の横収差、図５７は望遠端の横収差である。図５６及び図５７から、この例においても、特に望遠端については横収差が画角に対してリニアに変化しており、倍率色収差補正素子を追加しなくても信号補正による収差補正が可能であるといえる。広角端についてはややリニアな変化ではなくなっているが、問題の内範囲となっている。よって設計例５においては、周辺光線の倍率色収差は残留する構成となっているが、上述したように信号補正によって収差補正が可能であり、且つ、設計例２と同様に、レンズ枚数を削減して、装置全体の小型化を図る構成を実現している。
【０１１６】
この設計例５では、最も像側のレンズ面であるレンズ最終面（第１５面）に非球面レンズを用いる点は設計例３及び４と同じであるが、最も物体側から２番目の第２面を非球面とすることによって性能の改善を実現している。
またこの設計例５でも、固定レンズ群の非球面化枚数の増加に加え、設計例１とは曲率半径、更にレンズ間隔、レンズ厚み、使用硝材を変えることによって、変形面の球面乖離量が大きくなる場合においても収差を抑え、光学特性を良好に保つことができる。
【０１１７】
また、設計例５ではレンズ第１面から像までの距離が２６．４ｍｍとなっている。したがって、本設計例５を用いることによって設計例１と比較して１３％程度光路長の短縮が図れる。また、バックフォーカスや平行平板（平行平板は空気換算）を含まない全長が２２．２６ｍｍであり、ガラス総厚みが１０．２７ｍｍで、その比は１０．２７／２２．２６≒４６．１％である。すなわち設計例１よりもレンズ枚数を減らしつつ、空気部分の長さを短縮し、大幅な全長圧縮を達成した設計となっている。
【０１１８】
４．可変レンズと絞りとの距離の検討
（４−１）設計例６（非球面３面とする例）
次に、可変レンズを設ける最適な位置の範囲を求める一手法として、レンズ全長に対して、口径絞り位置から可変レンズの変形面までの距離の比について検討した結果を説明する。
先ず、設計例１におけるレンズ全長に対する口径絞りから可変レンズ変形面までの距離の比を図５８を参照して説明する。図５８において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図５８では望遠端と広角端の状態を示すが、ここでは望遠端及び広角端の両状態での各距離を規定した。すなわち図５８に示すように、第１のレンズ３１の物体側の面から口径絞りまでの距離をＬ１、口径絞りから物体側の可変レンズ３２の可変面３までの距離をＬ２とする。同様に、口径絞りから像面２３までの距離をＬ３、口径絞りから像側の可変レンズ４１の可変面１８までの距離をＬ４とする。
【０１１９】
このとき、
Ｌ２／Ｌ１（前側）＝８０．４％（望遠端）、８９．３％（広角端）
Ｌ４／Ｌ３（後側）＝６４．７％（望遠端）、５６．８％（広角端）
である。すなわち、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
Ｌ４／Ｌ３≧０．３
となっている。
【０１２０】
この範囲とすることで、収差が良好となり、特に倍率色収差に問題がない光学系が得られた。以下設計例６を参照してこれを説明する。
この設計例６においては、枚数削減を図ると共に固定レンズに非球面レンズを用いて設計した。中間焦点距離の状態での概略レンズ構成を図５９に示す。
この例では、第１の可変レンズ６３２を含む物体側のレンズ群と、口径絞りを挟んでガウスタイプ構成として配置されるレンズ群と、第２の可変レンズ６３８を含む像側のレンズ群とを備える。物体側から順に負の屈折力を有する凸レンズ６３１、第１の可変レンズ６３２とで物体側のレンズ群が構成される。また、正の屈折力を有するメニスカスレンズ６３３と、正の屈折力を有するレンズ６３４及び負の屈折力を有する凹レンズ６３５とによる貼り合わせレンズ、絞り９を挟んで、負の屈折力を有する凹レンズ６３６及び凸レンズ６３７によってガウスタイプのレンズ群が構成される。像側のレンズ群として、正の屈折力を有する第２の可変レンズ６３８、正の屈折力を有する凸レンズ６３９が配置される。これらレンズ６３１及び６３２、６３８及び６３９は一体的に構成している。下記の表２３、２４及び２５に、設計例６におけるレンズ面データ、各種データ及び面間隔、非球面データを示す。この設計例６では、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質としてｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５８、アッベ数νｄ＝２９．１の液体を用いている。またこの例では、第２面、第１０面及び第１５面を非球面レンズとしている。
【０１２１】
［表２３］
面データ（単位：ｍｍ）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd)
1 7.54899 1.5 1.743997 44.79
2* -10.5991 d62 1.58 29.1
3 r63 d63
4 3.67506 0.8 1.487490 70.41
5 4.40199 0.8
6 38.83283 1.06 1.755201 27.58
7 -3.44066 0.8 1.551243 49.21
8 5.58805 1.2
9 絞り 0.8
10* -2.67752 0.8 1.696146 31.66
11 12.31034 1.2 1.642457 56.31
12 -2.22673 d612
13 r613 d613 1.50570 34.9
14 2.89037 1.5 1.606736 61.05
15* -11.1504 1.941048
16 INFINITY 0.105 1.51633 64.1
17 INFINITY 1.898967
18(像面) INFINITY
【０１２２】
［表２４］各種データ
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 3.85 5.30
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 17.2（一定）
ＢＦ 3.84（ただし、カバーガラス厚を除く）
d62 0.01681 0.89009 1.24825
r63 3.0811 4.45693 6.37941
d63 1.73319 0.85991 0.50175
d612 0.52982 1.07571 1.83366
r613 8.86056 53.97592 -5.28355
d613 1.32018 0.77429 0.01634
【０１２３】
［表２５］非球面係数
第2面（固定）
ｋ=-1, A4 =0.167275×10-2, A6=-0.116120×10-4, A8=0.155110×10-5, A10=-0.545700×10-7
第10面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.293694×10-1, A6=-0.184065×10-1, A8=0.151149×10-1, A10=-0.913910×10-2
第15面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.104447×10-2, A6=-0.725035×10-4, A8=0.217394×10-4, A10=0.790550×10-6
【０１２４】
この設計例６において、図５９に示すように、第１のレンズ６３１の物体側の面から口径絞りまでの距離をＬ１、第１の可変レンズ６３２の変形面３から口径絞りまでの距離をＬ２とする。同様に、口径絞りから像面１８までの距離をＬ３、口径絞りから像側の可変レンズ６３８の変形面１３までの距離をＬ４とする。
【０１２５】
このとき、
Ｌ２／Ｌ１（前側）＝６１％（望遠端）、７９％（広角端）
Ｌ４／Ｌ３（後側）＝４６％（望遠端）、３３％（広角端）
である。すなわち、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
Ｌ４／Ｌ３≧０．３
となっている。
【０１２６】
この場合の倍率色収差を図６０に示す。図４１〜４３と同様に、広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示し、波長の記号も同様である。図６０の結果から、倍率色収差が良好に抑えられ、非点収差、コマ収差も良好に抑えられることがわかる。
【０１２７】
（４−２）比較例２
この例では、設計例６によるレンズ構成を基本として、バリエータを構成する物体側のレンズ群を口径絞りに寄せる構成として設計した。図６１は中間焦点距離の状態での概略レンズ構成を示す図である。この図６１に示すように、この場合第１の可変レンズ７３２を含む物体側のレンズ群と、口径絞りを挟んでガウスタイプ構成として配置されるレンズ群と、第２の可変レンズ７３７を含む像側のレンズ群とを備える。物体側から順に負の屈折力を有する凸レンズ７３１、第１の可変レンズ７３２とで物体側のレンズ群が構成される。また、正の屈折力を有するレンズ７３３及び負の屈折力を有する凹レンズ７３４による貼り合わせレンズ、絞り７を挟んで、負の屈折力を有する凹レンズ７３５及び凸レンズ７３６によってガウスタイプのレンズ群が構成される。像側のレンズ群として、第２の可変レンズ７３７、正の屈折力を有する凸レンズ７３８が配置される。これらレンズ７３１及び７３２、７３７及び７３８は一体的に構成している。下記の表２６、２７及び２８に、比較例２におけるレンズ面データ、各種データ及び面間隔、非球面データを示す。この比較例２においても、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質としてｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５８、アッベ数νｄ＝２９．１の液体を用いている。またこの例では、第２面、第８面及び第１３面を非球面レンズとしている。
【０１２８】
［表２６］
面データ（単位：ｍｍ）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd) 有効径
1 7.54899 1.5 1.743997 44.79
2* -5.40283 d72 1.58 29.1
3 r73 d73
4 3.9399 0.8 1.710891 29.62
5 -14.5342 0.8
6 2.73163 1.06 1.530092 66.25
7 絞り 0.8
8* -3.92707 1.2 1.641483 34.32
9 1.95998 0.8 1.642896 56.24
10 -2.80214 d710 1.696146
11 r711 d711 1.505700 34.9
12 3.34364 1.5 1.744023 44.72
13* -13.9427 1.941048
14 INFINITY 0.105 1.51633 64.1
15 INFINITY 1.23868
16(像面) INFINITY
【０１２９】
［表２７］各種データ
広角端 中間焦点距離 望遠端
焦点距離 3.74 6.46 11.18
Ｆナンバー 3.20 3.85 5.30
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 15.0（一定）
ＢＦ 3.18（ただし、カバーガラス厚を除く）
d72 0.01681 0.89009 1.24825
r73 2.96505 4.41689 6.41903
d73 1.73319 0.85991 0.50175
d710 0.52982 1.07571 1.83366
r711 9.15216 -32.321 -3.02571
d711 1.32018 0.77429 0.01634
【０１３０】
［表２８］非球面係数
第2面（固定）
ｋ=-1, A4 =0.417449×10-2, A6=-0.210209×10-3, A8=0.754389×10-5, A10=-0.108528×10-6
第8面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.458388×10-2, A6=-0.212586×10-1, A8=0.326344×10-1, A10=-0.178517×10-1
第13面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.898835×10-4, A6=-0.128858×10-4, A8=0.203481×10-4, A10=-0.962441×10-6
【０１３１】
この比較例２において、図６１に示すように、第１のレンズ７３１の物体側の面から口径絞りまでの距離をＬ１、第１の可変レンズ７３２の変形面３から口径絞りまでの距離をＬ２とする。同様に、口径絞りから像面１６までの距離をＬ３、口径絞りから像側の可変レンズ７３７の変形面１１までの距離をＬ４とする。
【０１３２】
このとき、
Ｌ２／Ｌ１（前側）＝５０％（望遠端）、７３％（広角端）
である。すなわち、広角端においては、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
となっていないことがわかる。
【０１３３】
この場合の倍率色収差を図６２に示す。図４１〜４３と同様に、広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示し、波長の記号も同様である。図５８の結果から、望遠端でも各波長のスポットが楕円状となっており、非点収差が残留していることがわかる。また、中間焦点距離、広角端において歪が見られ、コマ収差が発生していることがわかる。
【０１３４】
以上の結果から、物体側に配置するレンズ群に設ける可変レンズの変形面を口径絞りに近づけた場合、設計例６と比べて収差が大きくなり好ましくない結果となっている。これは、バリエータの機能を担っている物体側の可変レンズと口径絞りとの距離が近いために、ズーム倍率が確保しにくい構成になってしまっているためである。また、可変レンズにおいて各像高の光束の分離が十分でないために収差補正が良好に行えないためと考えられる。更に、距離Ｌ２を大きくすることによって、レンズを追加することができ、これも収差補正に好ましい結果となる。よって、物体側のレンズ群に設ける可変レンズの変形面の口径絞りからの距離Ｌ２は、最も物体側のレンズ面と口径絞りとの距離Ｌ１に対して、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
とすることが好ましいことがわかる。
【０１３５】
（４−３）比較例３
この例では、設計例６によるレンズ構成を基本として、コンペンセータを構成する像側のレンズ群を口径絞りに寄せる構成として設計した。図６３は中間焦点距離の状態での概略レンズ構成である。図６３に示すように、この場合も第１の可変レンズ８３２を含む物体側のレンズ群と、口径絞りを挟んでガウスタイプ構成として配置されるレンズ群と、第２の可変レンズ８３８を含む像側のレンズ群とを備える。物体側から順に負の屈折力を有する凸レンズ８３１、第１の可変レンズ８３２とで物体側のレンズ群が構成される。また、正の屈折力を有するメニスカスレンズ８３３と、正の屈折力を有するレンズ８３４及び負の屈折力を有する凹レンズ８３５とによる貼り合わせレンズ、絞り９を挟んで、負の屈折力を有する凹レンズ８３６及び凸レンズ８３７によってガウスタイプのレンズ群が構成される。像側のレンズ群として、第２の可変レンズ８３８、正の屈折力を有する凸レンズ８３９が配置される。これらレンズ８３１及び８３２、８３８及び８３９は一体的に構成している。下記の表２９、３０及び３１に、比較例３におけるレンズ面データ、各種データ及び面間隔、非球面データを示す。この比較例３では、可変レンズに用いる屈折面変形型液体レンズの媒質としてｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５８、アッベ数νｄ＝２９．１の液体を用いている。またこの例では、第２面、第１０面及び第１５面を非球面レンズとしている。
【０１３６】
［表２９］
面データ（単位：ｍｍ）
面番号 曲率半径 面間隔 屈折率(nd) アッベ数(νd)
1 7.54899 1.5 1.743997 44.79
2* -10.0619 d82 1.58 29.1
3 r83 d83
4 3.02026 0.8 1.495893 69.49
5 3.50892 0.8
6 18.18931 1.06 1.743914 28.05
7 -3.58454 0.8 1.565822 44.01
8 5.48381 0.4
9 絞り 0.6
10* -2.07059 0.6 1.679758 39.42
11 18.9801 0.8 1.622701 59.87
12 -1.84544 d812
13 r813 d813 1.50570 34.9
14 2.61414 1.5 1.599339 61.46
15* -6.81503 1.941048
16 INFINITY 0.105 1.51633 64.1
17 INFINITY 1.769436
18(像面) INFINITY
【０１３７】
［表３０］各種データ
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 3.85 5.30
画角［度］ 63.4 39.3 23.3
全長 16.1（一定）
ＢＦ 3.7（ただし、カバーガラス厚を除く）
d82 0.01681 0.89009 1.24825
r83 3.02812 4.37464 6.40603
d83 1.73319 0.85991 0.50175
d812 0.53000 0.90000 1.40000
r813 10.02573 -59.79449 -3.83702
d813 0.90000 0.53000 0.03000
【０１３８】
［表３１］非球面係数
第2面（固定）
ｋ=-1, A4 =0.162611×10-2, A6=-0.230613×10-4, A8=0.179689×10-5, A10=-0.678152×10-7
第10面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.428330×10-1, A6=-0.404108×10-1, A8=0.477848×10-1, A10=-0.341922×10-1
第15面（固定）
ｋ=-1, A4=-0.201010×10-2, A6=-0.202190×10-4, A8=0.365219×10-4, A10=0.563284×10-5
【０１３９】
この比較例３において、図６３に示すように、第１のレンズ８３１の物体側の面から口径絞りまでの距離をＬ１、第１の可変レンズ８３２の変形面３から口径絞りまでの距離をＬ２とする。同様に、口径絞りから像面１８までの距離をＬ３、口径絞りから像側の可変レンズ８３８の変形面１３までの距離をＬ４とする。
【０１４０】
このとき、
Ｌ２／Ｌ１（前側）＝６１％（望遠端）、７９％（広角端）
Ｌ４／Ｌ３（後側）＝３９％（望遠端）、２９％（広角端）
である。すなわち、前側では望遠端、広角端共に
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
となっているが、広角端においては、
Ｌ４／Ｌ３＜０．３
となっている。
【０１４１】
この場合の倍率色収差を図６４に示す。図４１〜４３と同様に、広角端、中間焦点距離、望遠端における倍率色収差を示し、波長の記号も同様である。図６４の結果から、望遠端において、特に非点収差が悪化しており、好ましくない。つまり、Ｌ４／Ｌ３＜０．３では、各像高の光束が、第２の可変レンズ上で分離されていないために、収差補正が良好に行われないことがわかる。
【０１４２】
以上の結果から、本発明のズームレンズにおいては、
Ｌ２／Ｌ１≧０．５５
Ｌ４／Ｌ３≧０．３
とすることが好ましいといえる。
【０１４３】
５．有効径に関する検討
次に、上述した第２の実施の形態に係るズームレンズに関して、レンズフレーム内径に対するレンズ有効径の割合に関して検討した結果を説明する。
一般にレンズ有効径を一定としたときに、フレーム径を大きくしても前述の図２３において説明した屈折面変形型レンズの変形面の理想球面からの球面乖離量は殆ど変化しない。言い換えると、レンズ有効径とレンズの使用曲率半径が決まれば、球面乖離量が決まる。
【０１４４】
図６５にこの様子を示す。図６５において、横軸は有効径率＝（有効径／フレーム内径、単位％）であり、縦軸は理想球面からの球面乖離量（広角端バリエータである第１の可変レンズの変形面の曲率半径で計算、単位μｍ）である。なおこの例では、一般的なシリコーン樹脂等の弾性膜を用いる場合を示している。図６５から、有効径率に対して球面乖離量は殆ど変化が見られないことがわかる。
【０１４５】
ここで、球面乖離量Δzはフレーム内径Ｄに依存しないことから、使用曲率半径を有効径で割った無次元数（Ｒ／Ｄ）と球面乖離量を有効径で割った無次元数（Δｚ／Ｄ）をグラフ上にプロットし、近似曲線（ｙ＝０．８０１３ｘ-3.323）を引いた結果を図６６に示す。Ｒ／Ｄによって球面乖離量は決まることから、この曲線は、Ｒ／Ｄの値に対する球面乖離量を示したグラフとなっており、この曲線上に設計値のポイントがのることがわかる。
【０１４６】
図１に示すズームレンズにおける可変レンズの面形状を反映した場合の倍率色収差を示す図４２より、広角端での光学特性は劣化し、中間焦点距離ではボーダーライン、望遠端ではほとんど光学特性は変化しない。したがって、この中間焦点距離位置を境に球面で設計するか、非球面で設計をするかを境界条件とすることができる。結局、屈折面変形型の可変レンズを点線よりも上の領域で設計するときは、可変レンズを非球面として設計する必要がでてくる。なお、変形膜の材料や初期テンション、フレーム径によってこの曲線は変化する。
【０１４７】
したがって、上述した第２の実施の形態に係るズームレンズのように、変形面を非球面とするレンズは、下記の場合に適用することが好ましい。すなわちズームレンズに設ける可変レンズのうち、いずれかの変形面の球面乖離量Δｚ、このときの有効径をＤとしたとき、使用範囲内でのΔｚ／Ｄについて、
Δｚ／Ｄ＞０．２０５
として使用する場合に、この変形面を非球面とすることが好ましい。
【０１４８】
このような条件として設計することで、上述の設計例３、４におけるように、良好に収差を抑えることが可能となる。
【０１４９】
６．第４の実施形態
第４の実施形態では、本発明のズームレンズを備える電子機器の一例について説明する。なお、ここでは、例えばカメラ等の撮像装置に本発明のズームレンズを適用する例を説明する。
【０１５０】
図６７に、本実施形態の撮像装置の概略ブロック構成図を示す。本実施形態の撮像装置１６０は、ズームレンズ１００と撮像素子１６１とを含むカメラモジュール１７０と、映像信号処理部１６２と、映像信号記録／再生部１６３と、内部メモリ１６４と、表示装置１６５と、制御部１６６とを備える。各部の機能及び構成は次の通りである。
【０１５１】
ズームレンズ１００は、被写体光を取り込んで撮像素子１６１の撮像面（不図示）に結像させる。ズームレンズ１０としては、上述した第１〜第３の実施形態で説明したズームレンズ１０１〜１０６のいずれかを用いることができる。
【０１５２】
撮像素子１６１は、ズームレンズ１００により結像された被写体光を光電変換して画像信号を生成する。そして、撮像素子１６１の出力端子は映像信号処理部１６２の入力端子に接続されており、撮像素子１６１は、生成した画像信号を映像信号処理部１６２に出力する。なお、撮像素子１６１としては、例えば、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型等の各種タイプのイメージセンサを適用することができる。
【０１５３】
映像信号処理部１６２は、撮像素子１６１から入力された画像信号に対して例えば補正処理、ノイズ除去処理等の所定の画像処理を施す。そして、映像信号処理部１６２の出力端子は、映像信号処理部１６２の入力端子に接続され、映像信号処理部１６２は、画像処理が施された信号を映像信号記録／再生部１６３に出力する。
【０１５４】
映像信号記録／再生部１６３は、例えばマイクロコンピュータ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）等からなる演算回路等で構成され、映像信号処理部１６２から入力された画像信号の記録処理及び／又は再生処理の制御を行う。具体的には、映像信号記録／再生部１６３は、内部メモリ１６４に接続されており、映像信号処理部１６２から入力された画像信号を記録する場合にはその画像信号を内部メモリ１６４に出力する。また、映像信号記録／再生部１６３は、表示装置１６５に接続されており、映像信号処理部１６２から入力された画像信号を表示再生する場合にはその画像信号を表示装置１６５に出力する。
【０１５５】
内部メモリ１６４は、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）、半導体メモリ、光ディスク等で構成することができる。そして、内部メモリ１６４は、映像信号記録／再生部１６３から入力された画像信号を格納する。
【０１５６】
表示装置１６５は、映像信号記録／再生部１６３から供給された画像信号を表示モニタで表示可能な形式の信号に変換して表示する。なお、表示装置１６５は、表示モニタだけでなく、表示モニタを駆動するモニタ駆動部も備える。また、表示モニタは、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）パネル等で構成することができる。
【０１５７】
制御部１６６は、撮像装置１６０の各部の動作を制御する。また、制御部１６６は、例えばズームボタン等の操作により生成される操作信号（焦点距離に対応する信号）に基づいて、ズームレンズ１００の動作、具体的には、ズームレンズ１００内の物体側のレンズ群及び像側のレンズ群の曲率を制御する。
【０１５８】
上述のように、本実施形態の撮像装置１６０では、上記第１〜第３の実施形態で説明した本発明のズームレンズ１００を備えているので、収差特性が良好で、且つより小型のズーム機能を備えた撮像装置１６０を提供することができる。
【０１５９】
７．第５の実施形態
上記第５の実施形態では、本発明のズームレンズを適用する電子機器として、撮像装置を例に挙げ説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明のズームレンズは、撮影機構部（カメラモジュール）を有する例えば、携帯通信端末装置、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等の情報端末装置にも適用可能である。
【０１６０】
第５の実施形態では、本発明のズームレンズを、カメラモジュールを有する携帯通信端末装置に適用した例を説明する。なお、ここでいう携帯通信端末装置は、いわゆる携帯電話と称されるものであり、無線電話用の基地局と無線通信を行う端末装置である。
【０１６１】
［携帯通信端末装置の構成］
図６８に、本実施形態の携帯通信端末装置の概略ブロック構成図を示す。携帯通信端末装置２００は、制御部２０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、アンテナ２０４と、通信制御部２０５と、表示制御部２０６と、表示部２０７とを備える。また、携帯通信端末装置２００は、カメラモジュール２０９と、カメラ制御部２０８とを備える。
【０１６２】
また、携帯通信端末装置２００は、通話時の音声データをデジタルアナログ変換する音声処理部２１１と、通話時の音声を出力するためのスピーカ２１２と、通話時の音声を吸音するためのマイクロフォン２１３とを備える。さらに、携帯通信端末装置２００は、メモリカードインターフェース２１４と、メモリカード２１５と、操作部２１６と、赤外線インターフェース２１７と、赤外線通信部２１８とを備える。そして、上述した各部は、図６８に示すように、信号バス２１０を介して電気的に直接的または間接的に接続される。各部の機能及び構成は次の通りである。
【０１６３】
制御部２０１は、例えばＣＰＵ等の演算制御装置からなり、携帯通信端末装置２００全体の動作を制御する。具体的には、制御部２０１は、ＲＯＭ２０２に記憶されている制御プログラムをＲＡＭ２０３に展開し、信号バス２１０を介して携帯通信端末装置２００全体の動作を制御する。
【０１６４】
通信制御部２０５は、アンテナ２０４を介して携帯電話基地局（不図示）との間で送信信号の送信及び受信信号の受信を行う。なお、通信制御部２０５では携帯電話基地局とやり取りする電波の変調及び復調も行う。具体的には、通信制御部２０５は、音声通話モードにおいては、受信した音声情報に対して所定の処理を施し、その処理後の信号を音声処理部２１１を介してスピーカ２１２に出力する。また、通信制御部２０５は、マイクロフォン２１３が集音した音声を音声処理部２１１を介して取得し、その取得した情報に対して所定の処理を施した後、その処理後の信号をアンテナ２０４を介して送信する。
【０１６５】
表示制御部２０６は、信号バス２１０を介して供給された画像信号を、表示部２０７で表示可能な形式の信号に変換し、その変換した信号を表示部２０７に出力する。また、表示部２０７は、例えばＬＣＤ、有機ＥＬパネル等で構成することができ、表示制御部２０６から供給された信号を画像として表示画面上に表示する。
【０１６６】
カメラモジュール２０９は、被写体光を取り込んで結像させ、その結像された被写体光を光電変換して画像信号を生成する。そして、カメラモジュール２０８は、その画像信号をカメラ制御部２０８に出力する。カメラモジュール２０９は、ズームレンズ２０と、撮像素子とを備える。
【０１６７】
ズームレンズは、被写体光を取り込んで撮像素子の撮像面（不図示）に結像させる。ズームレンズとしては、上述した第１〜第３の実施形態で説明したズームレンズのいずれかを用いることができる。また、撮像素子は、ズームレンズにより結像された被写体光を光電変換して画像信号を生成する。なお、撮像素子としては、例えば、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型等の各種タイプのイメージセンサを適用することができる。
【０１６８】
メモリカード２１５は、例えば半導体メモリ等で構成することができる。そして、記メモリカード２１５は、カメラモジュール２０９で撮影した静止画、動画等の情報や、音声通話時の音声情報等をメモリカードインターフェース２１４を介して取得し格納する。
【０１６９】
操作部２１６は、ジョグダイアルやキーパッドなどから構成される。操作部２１６では、電話番号やメール文などの入力操作、各種モードの設定操作などの入力操作信号を入力することができる。また、カメラモジュール２０９での撮影操作及びモード設定操作もこの操作部２１６で行う。
【０１７０】
赤外線通信部２１８は、図示しないが、赤外線発光素子と赤外線受光素子とを備え、外部の赤外線通信可能な情報機器、例えば、携帯電話、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ等との間で情報の送受信を行うことができる。より具体的には、赤外線通信部２１８は、メモリカード２１５等に記憶された画像情報及び音声情報等を、赤外線インターフェース２１７を介して取得し、外部情報機器に送信する。また、赤外線通信部２１８は、外部情報機器から送信された情報を受信し、その受信信号を赤外線インターフェース２１７を介してメモリカード２１５等に出力する。
【０１７１】
なお、図６８には示していないが、携帯通信端末装置２００は電源部を備えており、電源部から各部に電力が供給される。
【０１７２】
［画像情報の記録及び再生動作］
ここで、本実施形態の携帯通信端末装置２００におけるカメラモジュール２０９で撮影した画像信号の記録及び再生処理の動作を簡単に説明する。
【０１７３】
まず、カメラ制御部２０８は、カメラモジュール２０９を駆動制御して、静止画及び動画等の画像の撮影を行う。カメラ制御部２０８は、取得した画像情報に対して、例えばＪＰＥＧ方式、ＭＰＥＧ方式等の圧縮技術を利用した圧縮加工等の処理を行う。そして、カメラ制御部２０８は、圧縮加工された画像情報を信号バス２１０に出力する。
【０１７４】
次いで、ＲＡＭ２０３は、信号バス２１０を介して、画像情報を取得し、その情報を一時保存する。この際、ＲＡＭ２０３は、撮影と同時にマイクロフォン２１３を通じて収録された音声情報を画像情報と共に取得し、一時的に保存してもよい。
【０１７５】
なお、この際、制御部２０１は、必要に応じて、画像情報及び／又は音声情報は、メモリカードインターフェース２１４を介してメモリカード２１５に保存されてもよい。さらに、この際、制御部２０１は、必要に応じて、画像情報を表示制御部２０６を介して表示部２０７に表示し、音声情報を音声処理部２１１を介してスピーカ２１２に出力してもよい。
【０１７６】
さらに、制御部２０１は、取得した画像情報や音声情報を、必要に応じて、赤外線通信部２１８を介して赤外線通信可能な外部機器に送信してもよい。
【０１７７】
なお、ＲＡＭ２０２やメモリカード２１５に保存されている画像情報を読み出して、表示部２０７に動画あるいは静止画を表示する際には、カメラ制御部２０８が、ＲＡＭ２０２やメモリカード２１５に保存されているデータを一旦読み出して、データのデコードや解凍を行う。そして、カメラ制御部２０８、処理後の画像データを通信バス２１０を介して表示制御部２０６に供給する。
【０１７８】
上述のように、本実施形態の携帯通信端末装置２００では、上記第１及び第２の実施形態で説明した本発明のズームレンズ１０１〜１０６を含むカメラモジュール２０９を備えている。このため、本実施形態では、可変レンズを用いることでより小型であり、また収差特性の良好なズームの機能を備えた携帯通信端末装置２００を提供することができる。
【０１７９】
なお、上記第５の実施形態では、カメラモジュール２０９と、カメラ制御部２０８とを別体とした例を説明しているが、本発明はこれに限定されず、カメラモジュール２０９がカメラ制御部２０８を含んでいてもよい。さらに、制御部２０１において、上述したカメラ制御部２０８の制御と同様の制御を行う場合には、カメラ制御部２０８を設けない構成にしてもよい。
【符号の説明】
【０１８０】
１〜２３…面番号、３１，３３〜４０，４２…レンズ、３２…第１の可変レンズ、４１…第２の可変レンズ、５１…第１のレンズ群、５２…第２のレンズ群、５３…第３のレンズ群、５４…第４のレンズ群、１００〜１０６…ズームレンズ、１６０…撮像装置、１６１…撮像素子、１６６，２０１…制御部、１７０，２０９…カメラモジュール、２００…携帯通信端末装置、２０８…カメラ制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第１の可変レンズを含み、該第１の可変レンズの変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群と、
前記物体側のレンズ群に対して絞りを挟んで像側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第２の可変レンズを含み、該第２の可変レンズの変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群と、
前記物体側のレンズ群と、像側のレンズ群との間に配置され、口径絞りを含むレンズ群と、を有し、
前記物体側のレンズ群及び像側のレンズ群に設けられる前記第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われる
ズームレンズ。
【請求項２】
前記物体側のレンズ群の屈折力を負の方向に強くするときに、前記像側のレンズ群の屈折力が正の方向に強くなるように制御することにより、望遠側からワイド側へとズームする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項３】
前記像側のレンズ群の前記第２の可変レンズの変形面は該像側のレンズ群の最も物体側に配置され、望遠端のときに物体側に凹面とされ、広角端のときに凸面とされる請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項４】
前記像側のレンズ群の前記第２の可変レンズの変形面の曲率は、望遠側から広角側にズームするとき、正の方向に変化する請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項５】
前記口径絞りから最も物体側の光軸上のレンズ面までの距離をＬ１、前記口径絞りから前記第１の可変レンズの光軸上のレンズ面までの距離をＬ２、前記口径絞りから像面までの距離をＬ３、前記口径絞りから前記第２の可変レンズの光軸上のレンズ面までの距離をＬ４としたとき、
Ｌ２≧０．５５×Ｌ１
Ｌ４≧０．３×Ｌ３
である請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項６】
前記口径絞りを含むレンズ群が、球面収差、奇数次の収差及び色収差の少なくともいずれかを補正する機能を有するレンズ群を含む請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項７】
非球面レンズが含まれる請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項８】
前記非球面レンズが、前記物体側のレンズ群又は前記像側のレンズ群の少なくともいずれかに含まれる請求項７に記載のズームレンズ。
【請求項９】
前記非球面レンズが、前記第１の可変レンズに対し物体側か、前記第２の可変レンズに対し像側、或いはその両方に配置される請求項７に記載のズームレンズ。
【請求項１０】
前記非球面レンズが、前記像側のレンズ群の最も像側に配置される請求項７に記載のズームレンズ。
【請求項１１】
前記非球面レンズが、更に、前記物体側のレンズ群の最も物体側に配置される請求項７に記載のズームレンズ。
【請求項１２】
前記口径絞りを挟んで配置されるレンズ群と、前記第２の可変レンズを含む像側のレンズ群との間に、軸上の色収差を補正する機能を有するレンズ又はレンズ群が配置される請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１３】
前記第１及び第２の可変レンズは、光透過性の固体材料と、光透過性の弾性膜との間に光透過性の液体又はゲルが封入され、前記液体又はゲルと前記弾性膜との変形により焦点距離を変化させる構造である請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１４】
前記物体側のレンズ群と前記像側のレンズ群との間に、光路を折り曲げる光路偏向素子が配置されて成る請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１５】
少なくとも望遠端側で、使用波長において横収差が画角に対し略比例して変化する請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１６】
前記第１及び第２の可変レンズの内部の透明材料の屈折率をｎとし、入射角又は出射角をｉとするとき、
ｎ×ｓｉｎ（ｉ）＜０．５
である請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１７】
最も物体側のレンズ面から、最も像側のレンズ面までの距離に対する、全レンズ厚の占める割合が４０％以上である請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１８】
前記第１、第２の可変レンズのいずれかの変形面において、球面乖離量をΔｚ、レンズ有効径をＤとし、使用範囲内でのΔｚ／Ｄについて、
Δｚ／Ｄ＞０．２０５
として使用する場合に、前記変形面を非球面とする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１９】
物体側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第１の可変レンズを含み、該第１の可変レンズの変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群と、前記物体側のレンズ群に対して口径絞りを挟んで像側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第２の可変レンズを含み、該第２の可変レンズの変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群と、前記物体側のレンズ群と像側のレンズ群との間に配置され、口径絞りを含むレンズ群と、を有し、前記物体側のレンズ群及び像側のレンズ群に設けられる前記第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われるズームレンズと、
前記ズームレンズにより結像された像を撮像する撮像素子と、を備える
カメラモジュール。
【請求項２０】
物体側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第１の可変レンズを含み、該第１の可変レンズの変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群と、前記物体側のレンズ群に対して口径絞りを挟んで像側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第２の可変レンズを含み、該第２の可変レンズの変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群と、前記物体側のレンズ群と像側のレンズ群との間に配置され、口径絞りを含むレンズ群と、を有し、前記物体側のレンズ群及び像側のレンズ群に設けられる前記第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われるズームレンズと、
前記ズームレンズにより結像された像を撮像する撮像素子と、
前記ズームレンズの前記第１及び第２の可変レンズを制御する制御部と、を備える
電子機器。
【請求項１】
物体側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第１の可変レンズを含み、該第１の可変レンズの変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群と、
前記物体側のレンズ群に対して絞りを挟んで像側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第２の可変レンズを含み、該第２の可変レンズの変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群と、
前記物体側のレンズ群と、像側のレンズ群との間に配置され、口径絞りを含むレンズ群と、を有し、
前記物体側のレンズ群及び像側のレンズ群に設けられる前記第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われる
ズームレンズ。
【請求項２】
前記物体側のレンズ群の屈折力を負の方向に強くするときに、前記像側のレンズ群の屈折力が正の方向に強くなるように制御することにより、望遠側からワイド側へとズームする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項３】
前記像側のレンズ群の前記第２の可変レンズの変形面は該像側のレンズ群の最も物体側に配置され、望遠端のときに物体側に凹面とされ、広角端のときに凸面とされる請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項４】
前記像側のレンズ群の前記第２の可変レンズの変形面の曲率は、望遠側から広角側にズームするとき、正の方向に変化する請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項５】
前記口径絞りから最も物体側の光軸上のレンズ面までの距離をＬ１、前記口径絞りから前記第１の可変レンズの光軸上のレンズ面までの距離をＬ２、前記口径絞りから像面までの距離をＬ３、前記口径絞りから前記第２の可変レンズの光軸上のレンズ面までの距離をＬ４としたとき、
Ｌ２≧０．５５×Ｌ１
Ｌ４≧０．３×Ｌ３
である請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項６】
前記口径絞りを含むレンズ群が、球面収差、奇数次の収差及び色収差の少なくともいずれかを補正する機能を有するレンズ群を含む請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項７】
非球面レンズが含まれる請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項８】
前記非球面レンズが、前記物体側のレンズ群又は前記像側のレンズ群の少なくともいずれかに含まれる請求項７に記載のズームレンズ。
【請求項９】
前記非球面レンズが、前記第１の可変レンズに対し物体側か、前記第２の可変レンズに対し像側、或いはその両方に配置される請求項７に記載のズームレンズ。
【請求項１０】
前記非球面レンズが、前記像側のレンズ群の最も像側に配置される請求項７に記載のズームレンズ。
【請求項１１】
前記非球面レンズが、更に、前記物体側のレンズ群の最も物体側に配置される請求項７に記載のズームレンズ。
【請求項１２】
前記口径絞りを挟んで配置されるレンズ群と、前記第２の可変レンズを含む像側のレンズ群との間に、軸上の色収差を補正する機能を有するレンズ又はレンズ群が配置される請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１３】
前記第１及び第２の可変レンズは、光透過性の固体材料と、光透過性の弾性膜との間に光透過性の液体又はゲルが封入され、前記液体又はゲルと前記弾性膜との変形により焦点距離を変化させる構造である請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１４】
前記物体側のレンズ群と前記像側のレンズ群との間に、光路を折り曲げる光路偏向素子が配置されて成る請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１５】
少なくとも望遠端側で、使用波長において横収差が画角に対し略比例して変化する請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１６】
前記第１及び第２の可変レンズの内部の透明材料の屈折率をｎとし、入射角又は出射角をｉとするとき、
ｎ×ｓｉｎ（ｉ）＜０．５
である請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１７】
最も物体側のレンズ面から、最も像側のレンズ面までの距離に対する、全レンズ厚の占める割合が４０％以上である請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１８】
前記第１、第２の可変レンズのいずれかの変形面において、球面乖離量をΔｚ、レンズ有効径をＤとし、使用範囲内でのΔｚ／Ｄについて、
Δｚ／Ｄ＞０．２０５
として使用する場合に、前記変形面を非球面とする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項１９】
物体側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第１の可変レンズを含み、該第１の可変レンズの変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群と、前記物体側のレンズ群に対して口径絞りを挟んで像側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第２の可変レンズを含み、該第２の可変レンズの変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群と、前記物体側のレンズ群と像側のレンズ群との間に配置され、口径絞りを含むレンズ群と、を有し、前記物体側のレンズ群及び像側のレンズ群に設けられる前記第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われるズームレンズと、
前記ズームレンズにより結像された像を撮像する撮像素子と、を備える
カメラモジュール。
【請求項２０】
物体側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第１の可変レンズを含み、該第１の可変レンズの変形により焦点距離が変化する物体側のレンズ群と、前記物体側のレンズ群に対して口径絞りを挟んで像側に配置され、変形する透明材料からなる変形面を有する第２の可変レンズを含み、該第２の可変レンズの変形により焦点距離が変化する像側のレンズ群と、前記物体側のレンズ群と像側のレンズ群との間に配置され、口径絞りを含むレンズ群と、を有し、前記物体側のレンズ群及び像側のレンズ群に設けられる前記第１及び第２の可変レンズの変形を制御することによって変倍を行うとともに、変倍による像面移動補償及び焦点合わせが行われるズームレンズと、
前記ズームレンズにより結像された像を撮像する撮像素子と、
前記ズームレンズの前記第１及び第２の可変レンズを制御する制御部と、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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【図６７】
【図６８】
【図６９】
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【図６７】
【図６８】
【図６９】
【公開番号】特開２０１１−１３５８３（Ｐ２０１１−１３５８３Ａ）
【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２００９−１５９３４８（Ｐ２００９−１５９３４８）
【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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