ズームレンズ
【課題】倍率色収差の発生を低減し、更には、倍率色収差と軸上色収差との同時補正を可能とするズームレンズを提供する。
【解決手段】ズームレンズ１００は、絞り１０３の物体側に配置される第１の屈折力可変面１０１ｂと、該第１の屈折力可変面１０１ｂと同符号の倍率色収差を生じさせ、絞り１０３の像面側に配置される第２の屈折力可変面１０５ｂと、第１、第２の屈折力可変面１０１ａ、１０５ｂと異符号の倍率色収差を生じさせる第３の屈折力可変面１０５ａとを含む。第３の屈折力可変面１０５ａが、絞り１０３の物体側に配置されている場合は、第１の屈折力可変面１０１ｂの広角端における倍率色収差、又は、絞り１０３の像面側に配置されている場合は、第２の屈折力可変面１０５ｂの広角端における倍率色収差をＬＡＴ１とし、第３の屈折力可変面１０５ａの広角端における倍率色収差をＬＡＴ２としたとき、
│ＬＡＴ１│＜│ＬＡＴ２│
なる条件を満足する。
【解決手段】ズームレンズ１００は、絞り１０３の物体側に配置される第１の屈折力可変面１０１ｂと、該第１の屈折力可変面１０１ｂと同符号の倍率色収差を生じさせ、絞り１０３の像面側に配置される第２の屈折力可変面１０５ｂと、第１、第２の屈折力可変面１０１ａ、１０５ｂと異符号の倍率色収差を生じさせる第３の屈折力可変面１０５ａとを含む。第３の屈折力可変面１０５ａが、絞り１０３の物体側に配置されている場合は、第１の屈折力可変面１０１ｂの広角端における倍率色収差、又は、絞り１０３の像面側に配置されている場合は、第２の屈折力可変面１０５ｂの広角端における倍率色収差をＬＡＴ１とし、第３の屈折力可変面１０５ａの広角端における倍率色収差をＬＡＴ２としたとき、
│ＬＡＴ１│＜│ＬＡＴ２│
なる条件を満足する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折力可変素子を備えるズームレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体の界面の形状を制御することにより屈折力を変化させることができる屈折力可変素子（可変焦点素子）が知られている。例えば、特許文献１は、屈折率が互いに異なる導電性液体と絶縁性液体との接触面（界面）を変形可能な可変焦点レンズを開示している。特許文献２は、２つの屈折力可変素子を利用し、レンズの相対移動がないズームレンズを開示している。一方、通常、屈折力可変素子を用いてズーミングを行うと、色収差やペッツバール和の補正条件が崩れ、色収差や像面湾曲が増大する可能性がある。そこで、特許文献３は、複数の屈折力可変素子（液体レンズ）を組み合わせることで、色収差又は像面湾曲の補正を行う光学系を開示している。更に、特許文献４は、屈折率が略等しく、分散だけが異なる屈折力可変素子を用いて、軸上色収差と倍率色収差とを個別に補正する光学系を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７８４６９号公報
【特許文献２】特表２００８−５４１１８４号公報
【特許文献３】国際公開第２００６／１０３２９０号公報
【特許文献４】特昭６２−７８５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２に開示されたズームレンズでは、屈折力可変素子により発生する色収差をその前後に配置された屈折力可変素子で調整することで色収差を補正する。しかしながら、このズームレンズは、軸上色収差又は倍率色収差のいずれかについては補正できるが、両方の色収差を同時に補正することが難しい。また、特許文献３では、色収差とペッツバール和とに基づいた記載、特に、色収差補正では軸上色収差の補正のための数式が記載されている。しかしながら、色収差補正に関する具体的な構成については記載されておらず、特に、倍率色収差の補正については記載がない。更に、特許文献４では、倍率色収差と軸上色収差とを補正可能な構成が開示されているものの、どのような補正をどのような場所で行うべきか、その方向性が示されていない。また、この光学系で補正する色収差は、ズームレンズの移動により発生するものであり、屈折力可変素子のように、屈折力そのものが変動して発生する色収差を補正する具体的な構成についての記載がない。
【０００５】
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、倍率色収差の発生を低減し、更には、倍率色収差と軸上色収差との同時補正を可能とする、屈折力可変素子を備えたズームレンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、絞りの物体側に配置される第１の屈折力可変面と、該第１の屈折力可変面と同符号の倍率色収差を生じさせ、絞りの像面側に配置される第２の屈折力可変面と、第１、第２の屈折力可変面と異符号の倍率色収差を生じさせる第３の屈折力可変面とを含むズームレンズであって、第３の屈折力可変面が絞りの物体側に配置されている場合は、第１の屈折力可変面の広角端における倍率色収差、又は、第３の屈折力可変面が絞りの像面側に配置されている場合は、第２の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ１とし、一方、第３の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ２としたとき、
│ＬＡＴ１│＜│ＬＡＴ２│
なる条件を満足することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、倍率色収差の発生を低減し、更には、倍率色収差と軸上色収差との同時補正を可能とする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】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るズームレンズのレンズ概略図である。
【図２】第１実施形態に係る屈折率可変素子の構成を示す概略図である。
【図３】第１実施形態に係るズームレンズの概念図である。
【図４】第１実施形態に係るズームレンズの各面番号を示す図である。
【図５】第１実施形態に係るズームレンズの効果を示す縦収差図である。
【図６】第１実施形態に係るズームレンズの効果を示す横収差図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るズームレンズのレンズ概略図である。
【図８】第２実施形態に係るズームレンズの各面番号を示す図である。
【図９】第２実施形態に係るズームレンズの効果を示す縦収差図である。
【図１０】第２実施形態に係るズームレンズの効果を示す横収差図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るズームレンズのレンズ概略図である。
【図１２】第３実施形態に係るズームレンズの各面番号を示す図である。
【図１３】第３実施形態に係るズームレンズの効果を示す縦収差図である。
【図１４】第３実施形態に係るズームレンズの効果を示す横収差図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係るズームレンズについて説明する。図１は、本実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。図１（ａ）は、広角端（Ｗｉｄｅ）におけるズームレンズ１００のレンズ断面図を示し、図１（ｂ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）におけるズームレンズ１００のレンズ断面図を示している。このズームレンズ１００は、物体（被写体）側から順に、第１屈折力可変素子１０１と、第１固体レンズ１０２と、絞り１０３と、第２固体レンズ１０４と、第２屈折力可変素子１０５と、第３固体レンズ１０６とを備える。図１に示すように、本実施形態のズームレンズは、第１及び第２の屈折力可変素子１０１、１０５の屈折力を変化させることにより、各種レンズの位置を光軸方向に移動させることなく焦点距離を変化させることのできる無移動ズームレンズである。以下、屈折力（光学的パワー）は、焦点距離の逆数に対応したレンズの特性値として用いる。
【００１１】
図２は、第１及び第２屈折力可変素子１０１、１０５の構成を示す概略断面図である。本実施形態のズームレンズ１００に採用する屈折力可変素子１０１（１０５）は、３種類の液体を使用し、該３種類の液体で形成された２つの界面をエレクトロウェッティング方式にて制御する３層型の屈折力可変素子である。以下、このように液体の界面の形状を変化させることによって屈折力を変化させることができる屈折力可変素子を、単に「液体レンズ」と表記する。液体レンズ１０１（１０５）は、略円筒形の筐体２００を有し、該筐体２００の内部に、光入射側から順に、第１液体２０１、第２液体２０２、及び第３液体２０３の３種類の液体を光軸方向に３層配置する。この３種類の液体としては、第１液体２０１と第２液体２０２、また、第２液体２０２と第３液体２０３とで形成される２箇所の界面において、互いに混ざり合わずに、かつ、異なる屈折率を有する物質を採用する。例えば、第１液体２０１、第３液体２０３として、水や電解水溶液を採用し、第２液体２０２として、油等を採用する。以下、第１液体２０１と第２液体２０２とで形成される界面を第１界面２０４と表記し、一方、第２液体２０２と第３液体２０３とで形成される界面を第２界面２０５と表記する。更に、液体レンズ１０１は、２箇所の電極２０６、２０７と、電極分離部２０８と、カバーガラス２０９、２１０とを備える。電極２０６、２０７は、外部からの電圧供給に基づいて、第１界面２０４及び第２界面２０５をそれぞれ独立に制御するための電極である。この電極２０６、２０７は、それぞれ金属電極層と絶縁層との２層で構成された平板を円環とした形状を有する。電極２０６、２０７は、図２に示すように、印加された電圧により各界面と電極との接触角を制御することで各界面の面形状を変化させ、液体レンズ１０１の全体の屈折力を変化させる。電極分離部２０８は、電極２０６と電極２０７との相対する位置に配置されており、各電極２０６、２０７を独立に電圧制御可能とする絶縁部材で構成されている。カバーガラス２０９、２１０は、一方が液体レンズ１０１の光入射側に、他方が光出射側に配置され、各液体２０１〜２０３を液体レンズ１０１内に封止するガラス板である。
【００１２】
次に、ズームレンズ１００による色収差補正の作用について従来のズームレンズと比較して説明する。図３は、ズームレンズにおける色収差補正の作用を説明するための概念図である。特に、図３（ａ）は、結像面３０４に対して、第１及び第２の屈折力可変面（屈折面）３０１、３０２と、絞り３０３とを有する従来の光学系９００の構成要素と、光の３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各光路を示す。この光学系９００を有するズームレンズでは、不図示の制御部は、第１及び第２屈折面３０１、３０２の各屈折力φ１、φ２を変化させることで、各種レンズの位置を動かすことなく焦点距離を変化させる。具体的には、制御部は、図３（ａ）に示すように、絞り３０３よりも物体側にある第１屈折面３０１を負の屈折力から正の屈折力に変化させる。同時に、制御部は、絞り３０３よりも像面側にある第２屈折面３０２の屈折力を第１屈折面３０１とは逆の方向に変化させる。これにより、光学系９００は、広角端では負―正のレトロフォーカスタイプに、一方、望遠端では正―負のテレフォトタイプとなり、焦点距離の可変範囲を大きくすることができる。このとき、広角端における倍率色収差（ＬＡＴ）を示す式は、（数１）で表される。
【００１３】
【数１】
【００１４】
ここで、ｈは、ある屈折面における軸上光束の周辺光線高さ、ｈ＿ｂａｒは、ある屈折面における最軸外主光線の光線高さ、φは、ある屈折面の屈折力、更に、νは、ある屈折面のアッベ数である。
【００１５】
更に、本実施形態のように、屈折面３０１、３０２が液体レンズの可変面（界面）である場合は、φ及びνは、それぞれ（数２）及び（数３）で表される。
【００１６】
【数２】
【００１７】
【数３】
【００１８】
ここで、ｎｄ１、ｎＦ１、ｎＣ１は、液体レンズにおける一方の液体のｄ線、Ｆ線、Ｃ線の各屈折率を示し、ｎｄ２、ｎＦ２、ｎＣ２は、前記一方の液体に隣接する他方の液体のd線、Ｆ線、Ｃ線の各屈折率を示す。また、Ｒは、前記一方の液体と他方の液体とで形成される界面の曲率半径である。
【００１９】
一般に、通常の液体では、高屈折率のものほど分散（屈折率の差）が大きく、低屈折率のものほど分散が小さい。これを踏まえて（数１）を見ると、倍率色収差は、レトロフォーカス及びテレフォト共に２つの液体レンズで同じ方向に現れる。即ち、通常のズームレンズでは、ズーム群毎に色収差補正を行い、倍率色収差の変動を抑える。しかしながら、屈折力そのものが変化する場合は、屈折力が固定されたレンズを組み合わせても、ズーム位置毎に変化する倍率色収差を補正することは困難である。そこで、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、新たに１つの第３屈折面３０５を追加する。
【００２０】
この第３屈折面３０５は、第１及び第２屈折面３０１、３０２とは逆の倍率色収差を発生させる面である。このとき、第３屈折面３０５は、絞り３０３の像面側に配置する。但し、第３屈折面は、同様に絞り３０３の像面側にある第２屈折面３０２に対して、第１屈折面３０１の分まで色収差補正を行う必要がある。即ち、本実施形態における倍率色収差の式は、（数１）を用いると、（数４）で表される。
【００２１】
【数４】
【００２２】
ここで、（数４）の左辺における第１〜３項は、それぞれ、第１屈折面３０１、第２屈折面３０２、及び第３屈折面３０５によるそれぞれの倍率色収差の発生を示す。この場合、３つの各屈折面で発生する倍率色収差を合成した色収差の発生量がゼロであり、かつ、第１屈折面３０１と第２屈折面３０２とに対応した第１及び第２項は、同符号であるので、第３屈折面３０５に対応した第３項は、異符号となる。したがって、（数４）は、（数５）で表される。
【００２３】
【数５】
【００２４】
また、各屈折面における色収差の発生量の絶対値がゼロとなる条件は、一般的に、第２屈折面３０２と第３屈折面３０５との関係で示すと、（数６）で表される。
【００２５】
【数６】
【００２６】
ここで、（数６）は、第２屈折面３０２の広角端における倍率色収差をＬＡＴ１とし、一方、第３屈折面３０５の広角端における倍率色収差をＬＡＴ２とおくと、
│ＬＡＴ１│＜│ＬＡＴ２│
で表される。即ち、第３屈折面３０５の補正量の絶対値は、第２屈折面３０２の色収差発生量よりも大きくする必要がある。なお、（数６）では、色収差補正に用いる第３屈折面３０５を１つの面で表しているが、例えば、色収差補正を複数の面（屈折面）で行い、その合計値が第２屈折面３０２の絶対値よりも大きくなるように調整してもよい。
【００２７】
本実施形態では、第１屈折面（第１の屈折力可変面）３０１は、３層型の第１液体レンズ１０１における２つの屈折面１０１ａ、１０１ｂのうち、像面側の屈折面１０１ｂに相当する。これに対して、第３屈折面（第３の屈折力可変面）３０５は、第２の屈折面（第２の屈折力可変面）３０２と同じパッケージに封入、即ち、第２液体レンズ１０５として１つの構成要素に備わる。具体的には、３層型の第２液体レンズ１０５において、物体側の屈折面１０５ａ（図２の第１界面２０４）が第３屈折面３０５となり、一方、像面側の屈折面１０５ｂ（図２の第２界面２０５）が第２屈折面３０２となる。これにより、ズームレンズ１００全体を小型化することができる。なお、倍率色収差の補正に用いる第３屈折面３０５の配置方法は、これに限定するものではなく、第２及び第３屈折面３０２、３０５の間に別途固体レンズを配置したり、２種の液体レンズをそれぞれ並べて配置したりしてもよい。例えば、第３屈折面３０５が絞り３０３（１０３）の物体側に配置されている場合は、その第３屈折面３０５を有する液体レンズの広角端における倍率色収差を、（数６）における左辺（＝｜ＬＡＴ１｜）とすればよい。
【００２８】
更に、本実施形態では、図１に示すように、第１液体レンズ１０１と絞り１０３との間に、第１固体レンズ１０２を配置する。これにより、コマ収差の発生を低減することができる。また、図１に示すように、絞り１０３と第２液体レンズ１０５との間に、正の第２固体レンズ１０４を配置する。これにより、ズームレンズ１００全体の小型化に加え、像面湾曲の発生を低減することができる。
【００２９】
次に、ズームレンズ１００に上記の各条件を適用し、具体的に数値を代入して本実施形態の効果を説明する。（表１）は、図４に示すズームレンズ１００の各構成要素の面に付した各面番号６０１〜６２０における各種数値を示す表である。ここで、図４では、光源（被写体）の位置を絶対座標系の基準として３次元の座標軸（Ｚ軸、Ｙ軸、Ｘ軸）を取る。このとき、Ｚ軸は、第０面の中心から第１液体レンズ１０１の第１面の中心(絶対座標の原点)を通り、この方向を正とする軸である。また、Ｙ軸は、第１面の中心を通り、Ｚ軸に対して反時計回りに９０度を成す軸であり、Ｘ軸は、原点を通り、Ｚ軸及びＹ軸に垂直となる軸である。また、（表１）において、各面番号（Ｎｏ．）に対して、レンズの種類（Ｔｙｐｅ）、曲率半径（Ｒ）、レンズ面間の厚さ（Ｄ）、ｄ線の屈折率（Ｎｄ）、及びアッベ数（νｄ）のそれぞれの数値を記載している。また、第１〜第３固体レンズ１０２、１０４、１０６では、回転対称非球面を有する光学素子を用いており、その面形状は、（数７）で表される。
【００３０】
【数７】
【００３１】
ここで、ｋは、コーニック係数であり、ｃは、曲率（曲率半径Ｒの逆数）である。この（数７）に適用する各係数ｋ、Ａ〜Ｄの値を（表２）に示す。なお、（表１）において、面の形状が球面である場合は、空欄とし、回転対称非球面である場合は、ＡＬと記載する。同様に、各液体レンズ１０１、１０５に該当する面については、可変する値をＶａｒｉａｂｌｅと記載し、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２）に対応した値を（表３）に示す。更に、ＯＢＪは、無限遠に物体があることを示し、ＩＮＦとＳＴＯとは、それぞれ無限大と、絞り面とを示す。また、反射面以降では座標が反転するため、曲率半径Ｒ、及び各係数Ａ〜Ｄの符号は、全て反転する。更に、（表４）は、第１及び第２液体レンズ１０１、１０５における各界面（屈折面）での各種値を示す表である。（表４）において、特に、Ｓｕｒ．は、各界面の作用の種類を示しており、倍率色収差の補正を行う面には、Ｃｏｒ．と表記し、一方、ズーミングに必要な屈折力を持つ面には、Ｐｏｗ．と表記する。
【００３２】
ここで、本実施形態の条件として、画角は、全画角で３４．３５〜６３．４４ｄｅｇの２倍ズームで、ＦＮｏ．は、２．８〜３．５である。特に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１では、ｆ＝５．７８、ＦＮｏ．は、２．８であり、一方、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２では、ｆ＝１１．５５、ＦＮｏ．は、３．５である。そして、この場合の第２屈折面３０２と第３屈折面３０５とにおける倍率色収差の値は、それぞれＬＡＴ１（面６１５）＝０．０１２９、ＬＡＴ２（面６１４）＝０．０２５８となり、（数６）の条件を満たす。
【００３３】
なお、参考として、図５に、本実施形態に係る縦収差図（球面収差、像面収差、歪曲）を示す。特に、図５（ａ）は、広角端における縦収差図であり、図５（ｂ）は、望遠端における縦収差図である。図５において、縦軸は、光線がズームレンズ１００に入射する光線高さであり、横軸は、光線が光軸と交わる位置である。加えて、図６は、本実施形態に係る横収差図であり、特に、図６（ａ）は、広角端における横収差図であり、図６（ｂ）は、望遠端における横収差図である。図６において、縦軸は、収差量であり、横軸は、入射瞳座標である。また、各図では、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）、Ｄ線（５８９．２ｎｍ）、及びＦ線（４８６．１ｎｍ）の波長を有する各光線について記載している。
【００３４】
【表１】
【００３５】
【表２】
【００３６】
【表３】
【００３７】
【表４】
【００３８】
以上のように、本実施形態のズームレンズ１００は、２つの３層型の液体レンズを利用する。このとき、絞り１０３の物体側に配置される第１液体レンズ１０１における界面を第１屈折面３０１とし、絞り１０３の像面側に配置される第２液体レンズ１０５における像面側の界面を第２屈折面３０２、一方、物体側の界面を第３屈折面３０５とする。このズームレンズ１００では、第２屈折面３０２及び第３屈折面３０５は、該各屈折面における倍率色収差の関係が（数６）の条件を満足するように調整されるので、ズーム位置毎に変化する倍率色収差の発生を低減することができる。更に、このような構成により、ズームレンズ１００全体を小型化することができる。
【００３９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施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、第１実施形態に係るズームレンズ１００が液体レンズを２つ利用するのに対し、液体レンズを３つ利用する。図７は、本実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。このズームレンズ３００は、物体側から結像面３０８に向けて順に、第１液体レンズ３０１と、第１固体レンズ３０２と、絞り３０３と、第２液体レンズ３０４と、第２固体レンズ３０５と、第３液体レンズ３０６と、第３固体レンズ３０７とを備える。図７において、特に、図７（ａ）は、広角端（Ｗｉｄｅ）におけるズームレンズ３００のレンズ断面図を示す。図７（ｂ）は、中間のズーム位置（Ｍｉｄｄｌｅ）におけるズームレンズ３００のレンズ断面図を示す。また、図７（ｃ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）におけるズームレンズ３００のレンズ断面図を示す。ここで、第１及び第３液体レンズ３０１、３０６の構成は、第１実施形態に係る３層型の液体レンズの構成と略同一であるため説明を省略する。このズームレンズ３００では、第１液体レンズ３０１と第３液体レンズ３０６とが主に屈折力を変化させる作用を有する。特に、第１液体レンズ３０１は、屈折力を負から正に、一方、第３液体レンズ３０６は、屈折力を正から負に変化することで大きく焦点距離の変化を与える。この場合、焦点距離の可変面として機能する屈折面は、第１液体レンズ３０１を形成する第１及び第２界面３０１ａ、３０１ｂのうちの第２界面３０１ｂと、第３液体レンズ３０６を形成する第１及び第２界面３０６ａ、３０６ｂのうちの第２界面３０６ｂである。一方、第１実施形態と同様に、倍率色収差の補正面として機能する屈折面は、第３液体レンズ３０６の第１界面３０６ａである。
【００４０】
なお、本実施形態では、倍率色収差の補正面として機能する屈折面を、第３液体レンズ３０６の第１界面３０６ａとしているが、倍率色収差の補正面は、これに限定するものではない。倍率色収差は、（数１）に示すように、各面における周辺光線高さｈと、主光線高さｈ＿ｂａｒとの積に比例する。したがって、屈折面のうち、このｈ×（ｈ＿ｂａｒ）が最大となる光学面を倍率色収差の補正面とすれば、倍率色収差をより低減することができる。一方、倍率色収差の補正面を主光線高さｈ＿ｂａｒが最大となる面とした場合は、軸上色収差とは独立させて倍率色収差の補正を行うことができる。なお、本実施形態では、ｈ×（ｈ＿ｂａｒ）が最大となる面（第３液体レンズ３０６の第１界面３０６ａ）を倍率色収差の補正面としているので、倍率色収差を効果的に低減する。
【００４１】
また、本実施形態では、倍率色収差の補正面を、絞り３０３に対して像面側にある１つの面で構成しているが、例えば、同様に絞り３０３の像面側で、複数の面を配置させる構成としてもよい。この場合、補正面の倍率色収差ＬＡＴは、（数８）に示すように、補正のためのＮ個の屈折面があるとして、屈折面の補正量の合計が過補正となればよい。
【００４２】
【数８】
【００４３】
また、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、２層型の液体レンズで構成される第２液体レンズ３０４を新たに追加することで、軸上色収差の補正を行う。軸上色収差の補正の式は、（数９）で表される。
【００４４】
【数９】
【００４５】
ここで、第１液体レンズ３０１及び第２液体レンズ３０６のみで考慮すると、それぞれの屈折力φは、広角端では負―正であり、一方、望遠端では正―負である。また、周辺光線高さｈは、中間結像しない系であるために常に正である。したがって、この場合のズームレンズにおける軸上色収差は、常に補正方向となる。しかしながら、実際には他の収差の影響、特に望遠端での影響があるため、どのズームポジションにおいても常に軸上色収差が補正された状態を維持するのは難しい。そこで、本実施形態では、絞り３０３の隣（物体側、又は像面側）に第２液体レンズ３０４を配置することで、ズームポジション毎の軸上色収差の補正を可能にする。このとき、第２液体レンズ３０４を絞り３０３の隣に配置するのは、（数１）における主光線高さｈ＿ｂａｒがゼロに近くなるので、倍率色収差とは独立して軸上色収差の補正を行うことができるためである。ここで、絞り３０３の隣とは、図７（ｃ）に示すように、絞り３０３から第２液体レンズ３０４内の界面（第４の屈折力可変面）３０４ａまでの望遠端における間隔をＳとし、ズームレンズ３００の全長をＬとしたとき、Ｓ／Ｌ＜０．２が成り立つ範囲である。この場合、Ｓ／Ｌが０．２を超えると、軸上色収差の補正を独立で行うことが困難となり色収差が増大する可能性がある。
【００４６】
次に、ズームレンズ３００に上記の各条件を適用し、具体的に数値を代入して本実施形態の効果を説明する。（表５）は、図８に示すズームレンズ３００の各構成要素の面に付した各面番号９０１〜９２４における各種数値を示す表である。また、上記（数７）に適用する各係数を（表６）に示す。また、（表５）において、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２、及びＰｏｓｉｔｉｏｎ３）に対応した値を（表７）に示す。これらの（表５）〜（表７）は、それぞれ第１実施形態に係る（表１）〜（表３）に対応している。ここで、本実施形態の条件として、画角は、全画角で２３．２９〜６３．４４ｄｅｇの３倍ズームであり、ＦＮｏ．は、２．８〜５．０である。特に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１では、ｆ＝５．７８、ＦＮｏ．は、２．８であり、また、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２では、ｆ＝９．０８、ＦＮｏ．は、３．５であり、更に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ３では、ｆ＝１７．３３、ＦＮｏ．は、５．０である。そして、第３液体レンズ３０６における第１界面３０６ａと第２界面３０６ｂとにおける倍率色収差の値は、それぞれＬＡＴ１（面９１９）＝０．００７３、ＬＡＴ２（面９１８）＝０．００９７（（ｈ×ｈ＿ｂａｒ）が最大）となり、（数６）の条件を満たす。また、この場合、Ｌ＝２９．２６４２、Ｓ＝０．０２５４１であるので、Ｓ／Ｌ＝０．０２５となり、上記Ｓ／Ｌ＜０．２の条件を満たす。なお、参考として、図９及び図１０に、本実施形態に係る広角端及び望遠端における縦収差図（球面収差、像面収差、歪曲）及び横収差図を示す。この図９及び図１０は、第１実施形態に係る図５及び図６に対応しており、特に、両図において、（ａ）は、広角端（Ｗｉｄｅ）、（ｂ）は、中間のズーム位置（Ｍｉｄｄｌｅ）、また、（ｃ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）に対応する。これにより、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、ズームポジション毎の軸上色収差を低減することができる。
【００４７】
【表５】
【００４８】
【表６】
【００４９】
【表７】
【００５０】
【表８】
【００５１】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施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、液体レンズを４つ利用し、かつ、光路中に直角プリズムを配置することで、薄型化を図るものである。図１１は、本実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。このズームレンズ４００は、物体側から結像面４１０に向けて順に、第１液体レンズ４０１と、直角プリズム（ガラスプリズム）４０２と、第２液体レンズ４０３と、第１固体レンズ４０４と、絞り４０５と、第３液体レンズ４０６とを備える。続けて、ズームレンズ３００は、第２固体レンズ４０７と、第４液体レンズ４０８と、第３固体レンズ４０９とを備える。図１１において、特に、図１１（ａ）は、広角端（Ｗｉｄｅ）におけるズームレンズ４００のレンズ断面図を示す。図１１（ｂ）は、中間のズーム位置（Ｍｉｄｄｌｅ）におけるズームレンズ４００のレンズ断面図を示す。また、図１１（ｃ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）におけるズームレンズ４００のレンズ断面図を示す。ズームレンズ４００において、第１、第２及び第３液体レンズ４０１、４０３、４０６は、２種の液体を用いた２層型の液体レンズである。この場合、第１液体レンズ４０１と第２液体レンズ４０３とは、その間に直角プリズム４０２を配置することで、結果的に、第２実施形態に係るズームレンズ３００の３層型の液体レンズを２つの２層型の液体レンズで構成したことと同一である。また、第４液体レンズ４０８の構成は、第１実施形態に係る３層型の液体レンズの構成と略同一である。このズームレンズ４００では、第１液体レンズ４０１と第２液体レンズ４０３とが、主に屈折力を変化させる作用を有する。特に、第１液体レンズ４０１は、屈折力を負から正に、一方、第２液体レンズ４０３は、屈折力を正から負に変化することで大きく焦点距離の変化を与える。一方、第１実施形態と同様に、倍率色収差の補正面として機能する屈折面は、第４液体レンズ４０８の第１界面４０８ａである。これに対して、第４液体レンズ４０８の第２界面４０８ｂは、ズームレンズ４００の焦点距離の変化時に、結像面４１０の位置を移動させないように屈折力を変化させる作用を有する。また、第３液体レンズ４０６は、第２実施形態における第２液体レンズ３０４と同様に、絞り４０５の隣に配置され、他の液体レンズの変化により生じた軸上色収差を低減する作用を有する。
【００５２】
次に、ズームレンズ４００に上記の各条件を適用し、具体的に数値を代入して本実施形態の効果を説明する。（表９）は、図１２に示すズームレンズ４００の各構成要素の面に付した各面番号１２０１〜１２２８における各種数値を示す表である。また、上記（数７）に適用する各係数を（表１０）に示す。また、（表９）において、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２、及びＰｏｓｉｔｉｏｎ３）に対応した値を（表１１）に示す。これらの（表９）〜（表１１）は、それぞれ第１実施形態に係る（表１）〜（表３）に対応している。ここで、本実施形態の条件として、画角は、全画角で２３．２９〜６３．４４ｄｅｇの３倍ズームであり、ＦＮｏ．は、２．８〜５．０である。特に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１では、ｆ＝５．７８、ＦＮｏ．は、２．８であり、また、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２では、ｆ＝９．０８、ＦＮｏ．は、３．５であり、更に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ３では、ｆ＝１７．３３、ＦＮｏ．は、５．０である。そして、第４液体レンズ４０８における第１界面４０８ａと第２界面４０８ｂとにおける倍率色収差の値は、それぞれＬＡＴ１（面１２２３）＝０．００３５、ＬＡＴ２（面１２２２）＝−０．０１２６（（ｈ×ｈ＿ｂａｒ）が最大）となり、（数６）の条件を満たす。また、この場合、Ｌ＝４０．０（図１１（ｃ）に示すＡ＋Ｂ）、Ｓ＝０．０３６６であるので、Ｓ／Ｌ＝０．０００９となり、上記Ｓ／Ｌ＜０．２の条件を満たす。なお、参考として、図１３及び図１４に、本実施形態に係る広角端及び望遠端における縦収差図（球面収差、像面収差、歪曲）及び横収差図を示す。この図１３及び図１４は、第２実施形態に係る図９及び図１０に対応している。これにより、本実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果に加え、ズームレンズ全体の形状を薄型化することができる。
【００５３】
【表９】
【００５４】
【表１０】
【００５５】
【表１１】
【００５６】
【表１２】
【００５７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００５８】
例えば、上記実施形態では、屈折面と、倍率色収差の補正面とを１つの３層型の液体レンズで構成するものとしているが、本発明はこれに限定されない。例えば、２層型の複数の液体レンズを組み合わせても良いし、又は、液晶素子等を用いた液体レンズでズーミングを行い、倍率色収差の補正面として液体界面を追加した構成としてもよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、倍率色収差の補正面を、絞りと像面側の屈折面との間に配置しているが、本発明はこれに限定されない。この場合、倍率色収差を補正できる位置であればどの場所に配置してもよい。但し、倍率色収差を効率的に補正できる場所、即ち、ｈ×（ｈ＿ｂａｒ）が最大となる位置、又は主光線高さ（ｈ＿ｂａｒ）が最大となる位置のいずれかであることが望ましい。
【符号の説明】
【００６０】
１００ ズームレンズ
１０１ 第１液体レンズ
１０１ｂ 第１屈折面
１０３ 絞り
１０５ 第２液体レンズ
１０５ａ 第３屈折面
１０５ｂ 第２屈折面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折力可変素子を備えるズームレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体の界面の形状を制御することにより屈折力を変化させることができる屈折力可変素子（可変焦点素子）が知られている。例えば、特許文献１は、屈折率が互いに異なる導電性液体と絶縁性液体との接触面（界面）を変形可能な可変焦点レンズを開示している。特許文献２は、２つの屈折力可変素子を利用し、レンズの相対移動がないズームレンズを開示している。一方、通常、屈折力可変素子を用いてズーミングを行うと、色収差やペッツバール和の補正条件が崩れ、色収差や像面湾曲が増大する可能性がある。そこで、特許文献３は、複数の屈折力可変素子（液体レンズ）を組み合わせることで、色収差又は像面湾曲の補正を行う光学系を開示している。更に、特許文献４は、屈折率が略等しく、分散だけが異なる屈折力可変素子を用いて、軸上色収差と倍率色収差とを個別に補正する光学系を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７８４６９号公報
【特許文献２】特表２００８−５４１１８４号公報
【特許文献３】国際公開第２００６／１０３２９０号公報
【特許文献４】特昭６２−７８５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２に開示されたズームレンズでは、屈折力可変素子により発生する色収差をその前後に配置された屈折力可変素子で調整することで色収差を補正する。しかしながら、このズームレンズは、軸上色収差又は倍率色収差のいずれかについては補正できるが、両方の色収差を同時に補正することが難しい。また、特許文献３では、色収差とペッツバール和とに基づいた記載、特に、色収差補正では軸上色収差の補正のための数式が記載されている。しかしながら、色収差補正に関する具体的な構成については記載されておらず、特に、倍率色収差の補正については記載がない。更に、特許文献４では、倍率色収差と軸上色収差とを補正可能な構成が開示されているものの、どのような補正をどのような場所で行うべきか、その方向性が示されていない。また、この光学系で補正する色収差は、ズームレンズの移動により発生するものであり、屈折力可変素子のように、屈折力そのものが変動して発生する色収差を補正する具体的な構成についての記載がない。
【０００５】
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、倍率色収差の発生を低減し、更には、倍率色収差と軸上色収差との同時補正を可能とする、屈折力可変素子を備えたズームレンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、絞りの物体側に配置される第１の屈折力可変面と、該第１の屈折力可変面と同符号の倍率色収差を生じさせ、絞りの像面側に配置される第２の屈折力可変面と、第１、第２の屈折力可変面と異符号の倍率色収差を生じさせる第３の屈折力可変面とを含むズームレンズであって、第３の屈折力可変面が絞りの物体側に配置されている場合は、第１の屈折力可変面の広角端における倍率色収差、又は、第３の屈折力可変面が絞りの像面側に配置されている場合は、第２の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ１とし、一方、第３の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ２としたとき、
│ＬＡＴ１│＜│ＬＡＴ２│
なる条件を満足することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、倍率色収差の発生を低減し、更には、倍率色収差と軸上色収差との同時補正を可能とする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】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るズームレンズのレンズ概略図である。
【図２】第１実施形態に係る屈折率可変素子の構成を示す概略図である。
【図３】第１実施形態に係るズームレンズの概念図である。
【図４】第１実施形態に係るズームレンズの各面番号を示す図である。
【図５】第１実施形態に係るズームレンズの効果を示す縦収差図である。
【図６】第１実施形態に係るズームレンズの効果を示す横収差図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るズームレンズのレンズ概略図である。
【図８】第２実施形態に係るズームレンズの各面番号を示す図である。
【図９】第２実施形態に係るズームレンズの効果を示す縦収差図である。
【図１０】第２実施形態に係るズームレンズの効果を示す横収差図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るズームレンズのレンズ概略図である。
【図１２】第３実施形態に係るズームレンズの各面番号を示す図である。
【図１３】第３実施形態に係るズームレンズの効果を示す縦収差図である。
【図１４】第３実施形態に係るズームレンズの効果を示す横収差図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係るズームレンズについて説明する。図１は、本実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。図１（ａ）は、広角端（Ｗｉｄｅ）におけるズームレンズ１００のレンズ断面図を示し、図１（ｂ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）におけるズームレンズ１００のレンズ断面図を示している。このズームレンズ１００は、物体（被写体）側から順に、第１屈折力可変素子１０１と、第１固体レンズ１０２と、絞り１０３と、第２固体レンズ１０４と、第２屈折力可変素子１０５と、第３固体レンズ１０６とを備える。図１に示すように、本実施形態のズームレンズは、第１及び第２の屈折力可変素子１０１、１０５の屈折力を変化させることにより、各種レンズの位置を光軸方向に移動させることなく焦点距離を変化させることのできる無移動ズームレンズである。以下、屈折力（光学的パワー）は、焦点距離の逆数に対応したレンズの特性値として用いる。
【００１１】
図２は、第１及び第２屈折力可変素子１０１、１０５の構成を示す概略断面図である。本実施形態のズームレンズ１００に採用する屈折力可変素子１０１（１０５）は、３種類の液体を使用し、該３種類の液体で形成された２つの界面をエレクトロウェッティング方式にて制御する３層型の屈折力可変素子である。以下、このように液体の界面の形状を変化させることによって屈折力を変化させることができる屈折力可変素子を、単に「液体レンズ」と表記する。液体レンズ１０１（１０５）は、略円筒形の筐体２００を有し、該筐体２００の内部に、光入射側から順に、第１液体２０１、第２液体２０２、及び第３液体２０３の３種類の液体を光軸方向に３層配置する。この３種類の液体としては、第１液体２０１と第２液体２０２、また、第２液体２０２と第３液体２０３とで形成される２箇所の界面において、互いに混ざり合わずに、かつ、異なる屈折率を有する物質を採用する。例えば、第１液体２０１、第３液体２０３として、水や電解水溶液を採用し、第２液体２０２として、油等を採用する。以下、第１液体２０１と第２液体２０２とで形成される界面を第１界面２０４と表記し、一方、第２液体２０２と第３液体２０３とで形成される界面を第２界面２０５と表記する。更に、液体レンズ１０１は、２箇所の電極２０６、２０７と、電極分離部２０８と、カバーガラス２０９、２１０とを備える。電極２０６、２０７は、外部からの電圧供給に基づいて、第１界面２０４及び第２界面２０５をそれぞれ独立に制御するための電極である。この電極２０６、２０７は、それぞれ金属電極層と絶縁層との２層で構成された平板を円環とした形状を有する。電極２０６、２０７は、図２に示すように、印加された電圧により各界面と電極との接触角を制御することで各界面の面形状を変化させ、液体レンズ１０１の全体の屈折力を変化させる。電極分離部２０８は、電極２０６と電極２０７との相対する位置に配置されており、各電極２０６、２０７を独立に電圧制御可能とする絶縁部材で構成されている。カバーガラス２０９、２１０は、一方が液体レンズ１０１の光入射側に、他方が光出射側に配置され、各液体２０１〜２０３を液体レンズ１０１内に封止するガラス板である。
【００１２】
次に、ズームレンズ１００による色収差補正の作用について従来のズームレンズと比較して説明する。図３は、ズームレンズにおける色収差補正の作用を説明するための概念図である。特に、図３（ａ）は、結像面３０４に対して、第１及び第２の屈折力可変面（屈折面）３０１、３０２と、絞り３０３とを有する従来の光学系９００の構成要素と、光の３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各光路を示す。この光学系９００を有するズームレンズでは、不図示の制御部は、第１及び第２屈折面３０１、３０２の各屈折力φ１、φ２を変化させることで、各種レンズの位置を動かすことなく焦点距離を変化させる。具体的には、制御部は、図３（ａ）に示すように、絞り３０３よりも物体側にある第１屈折面３０１を負の屈折力から正の屈折力に変化させる。同時に、制御部は、絞り３０３よりも像面側にある第２屈折面３０２の屈折力を第１屈折面３０１とは逆の方向に変化させる。これにより、光学系９００は、広角端では負―正のレトロフォーカスタイプに、一方、望遠端では正―負のテレフォトタイプとなり、焦点距離の可変範囲を大きくすることができる。このとき、広角端における倍率色収差（ＬＡＴ）を示す式は、（数１）で表される。
【００１３】
【数１】
【００１４】
ここで、ｈは、ある屈折面における軸上光束の周辺光線高さ、ｈ＿ｂａｒは、ある屈折面における最軸外主光線の光線高さ、φは、ある屈折面の屈折力、更に、νは、ある屈折面のアッベ数である。
【００１５】
更に、本実施形態のように、屈折面３０１、３０２が液体レンズの可変面（界面）である場合は、φ及びνは、それぞれ（数２）及び（数３）で表される。
【００１６】
【数２】
【００１７】
【数３】
【００１８】
ここで、ｎｄ１、ｎＦ１、ｎＣ１は、液体レンズにおける一方の液体のｄ線、Ｆ線、Ｃ線の各屈折率を示し、ｎｄ２、ｎＦ２、ｎＣ２は、前記一方の液体に隣接する他方の液体のd線、Ｆ線、Ｃ線の各屈折率を示す。また、Ｒは、前記一方の液体と他方の液体とで形成される界面の曲率半径である。
【００１９】
一般に、通常の液体では、高屈折率のものほど分散（屈折率の差）が大きく、低屈折率のものほど分散が小さい。これを踏まえて（数１）を見ると、倍率色収差は、レトロフォーカス及びテレフォト共に２つの液体レンズで同じ方向に現れる。即ち、通常のズームレンズでは、ズーム群毎に色収差補正を行い、倍率色収差の変動を抑える。しかしながら、屈折力そのものが変化する場合は、屈折力が固定されたレンズを組み合わせても、ズーム位置毎に変化する倍率色収差を補正することは困難である。そこで、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、新たに１つの第３屈折面３０５を追加する。
【００２０】
この第３屈折面３０５は、第１及び第２屈折面３０１、３０２とは逆の倍率色収差を発生させる面である。このとき、第３屈折面３０５は、絞り３０３の像面側に配置する。但し、第３屈折面は、同様に絞り３０３の像面側にある第２屈折面３０２に対して、第１屈折面３０１の分まで色収差補正を行う必要がある。即ち、本実施形態における倍率色収差の式は、（数１）を用いると、（数４）で表される。
【００２１】
【数４】
【００２２】
ここで、（数４）の左辺における第１〜３項は、それぞれ、第１屈折面３０１、第２屈折面３０２、及び第３屈折面３０５によるそれぞれの倍率色収差の発生を示す。この場合、３つの各屈折面で発生する倍率色収差を合成した色収差の発生量がゼロであり、かつ、第１屈折面３０１と第２屈折面３０２とに対応した第１及び第２項は、同符号であるので、第３屈折面３０５に対応した第３項は、異符号となる。したがって、（数４）は、（数５）で表される。
【００２３】
【数５】
【００２４】
また、各屈折面における色収差の発生量の絶対値がゼロとなる条件は、一般的に、第２屈折面３０２と第３屈折面３０５との関係で示すと、（数６）で表される。
【００２５】
【数６】
【００２６】
ここで、（数６）は、第２屈折面３０２の広角端における倍率色収差をＬＡＴ１とし、一方、第３屈折面３０５の広角端における倍率色収差をＬＡＴ２とおくと、
│ＬＡＴ１│＜│ＬＡＴ２│
で表される。即ち、第３屈折面３０５の補正量の絶対値は、第２屈折面３０２の色収差発生量よりも大きくする必要がある。なお、（数６）では、色収差補正に用いる第３屈折面３０５を１つの面で表しているが、例えば、色収差補正を複数の面（屈折面）で行い、その合計値が第２屈折面３０２の絶対値よりも大きくなるように調整してもよい。
【００２７】
本実施形態では、第１屈折面（第１の屈折力可変面）３０１は、３層型の第１液体レンズ１０１における２つの屈折面１０１ａ、１０１ｂのうち、像面側の屈折面１０１ｂに相当する。これに対して、第３屈折面（第３の屈折力可変面）３０５は、第２の屈折面（第２の屈折力可変面）３０２と同じパッケージに封入、即ち、第２液体レンズ１０５として１つの構成要素に備わる。具体的には、３層型の第２液体レンズ１０５において、物体側の屈折面１０５ａ（図２の第１界面２０４）が第３屈折面３０５となり、一方、像面側の屈折面１０５ｂ（図２の第２界面２０５）が第２屈折面３０２となる。これにより、ズームレンズ１００全体を小型化することができる。なお、倍率色収差の補正に用いる第３屈折面３０５の配置方法は、これに限定するものではなく、第２及び第３屈折面３０２、３０５の間に別途固体レンズを配置したり、２種の液体レンズをそれぞれ並べて配置したりしてもよい。例えば、第３屈折面３０５が絞り３０３（１０３）の物体側に配置されている場合は、その第３屈折面３０５を有する液体レンズの広角端における倍率色収差を、（数６）における左辺（＝｜ＬＡＴ１｜）とすればよい。
【００２８】
更に、本実施形態では、図１に示すように、第１液体レンズ１０１と絞り１０３との間に、第１固体レンズ１０２を配置する。これにより、コマ収差の発生を低減することができる。また、図１に示すように、絞り１０３と第２液体レンズ１０５との間に、正の第２固体レンズ１０４を配置する。これにより、ズームレンズ１００全体の小型化に加え、像面湾曲の発生を低減することができる。
【００２９】
次に、ズームレンズ１００に上記の各条件を適用し、具体的に数値を代入して本実施形態の効果を説明する。（表１）は、図４に示すズームレンズ１００の各構成要素の面に付した各面番号６０１〜６２０における各種数値を示す表である。ここで、図４では、光源（被写体）の位置を絶対座標系の基準として３次元の座標軸（Ｚ軸、Ｙ軸、Ｘ軸）を取る。このとき、Ｚ軸は、第０面の中心から第１液体レンズ１０１の第１面の中心(絶対座標の原点)を通り、この方向を正とする軸である。また、Ｙ軸は、第１面の中心を通り、Ｚ軸に対して反時計回りに９０度を成す軸であり、Ｘ軸は、原点を通り、Ｚ軸及びＹ軸に垂直となる軸である。また、（表１）において、各面番号（Ｎｏ．）に対して、レンズの種類（Ｔｙｐｅ）、曲率半径（Ｒ）、レンズ面間の厚さ（Ｄ）、ｄ線の屈折率（Ｎｄ）、及びアッベ数（νｄ）のそれぞれの数値を記載している。また、第１〜第３固体レンズ１０２、１０４、１０６では、回転対称非球面を有する光学素子を用いており、その面形状は、（数７）で表される。
【００３０】
【数７】
【００３１】
ここで、ｋは、コーニック係数であり、ｃは、曲率（曲率半径Ｒの逆数）である。この（数７）に適用する各係数ｋ、Ａ〜Ｄの値を（表２）に示す。なお、（表１）において、面の形状が球面である場合は、空欄とし、回転対称非球面である場合は、ＡＬと記載する。同様に、各液体レンズ１０１、１０５に該当する面については、可変する値をＶａｒｉａｂｌｅと記載し、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２）に対応した値を（表３）に示す。更に、ＯＢＪは、無限遠に物体があることを示し、ＩＮＦとＳＴＯとは、それぞれ無限大と、絞り面とを示す。また、反射面以降では座標が反転するため、曲率半径Ｒ、及び各係数Ａ〜Ｄの符号は、全て反転する。更に、（表４）は、第１及び第２液体レンズ１０１、１０５における各界面（屈折面）での各種値を示す表である。（表４）において、特に、Ｓｕｒ．は、各界面の作用の種類を示しており、倍率色収差の補正を行う面には、Ｃｏｒ．と表記し、一方、ズーミングに必要な屈折力を持つ面には、Ｐｏｗ．と表記する。
【００３２】
ここで、本実施形態の条件として、画角は、全画角で３４．３５〜６３．４４ｄｅｇの２倍ズームで、ＦＮｏ．は、２．８〜３．５である。特に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１では、ｆ＝５．７８、ＦＮｏ．は、２．８であり、一方、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２では、ｆ＝１１．５５、ＦＮｏ．は、３．５である。そして、この場合の第２屈折面３０２と第３屈折面３０５とにおける倍率色収差の値は、それぞれＬＡＴ１（面６１５）＝０．０１２９、ＬＡＴ２（面６１４）＝０．０２５８となり、（数６）の条件を満たす。
【００３３】
なお、参考として、図５に、本実施形態に係る縦収差図（球面収差、像面収差、歪曲）を示す。特に、図５（ａ）は、広角端における縦収差図であり、図５（ｂ）は、望遠端における縦収差図である。図５において、縦軸は、光線がズームレンズ１００に入射する光線高さであり、横軸は、光線が光軸と交わる位置である。加えて、図６は、本実施形態に係る横収差図であり、特に、図６（ａ）は、広角端における横収差図であり、図６（ｂ）は、望遠端における横収差図である。図６において、縦軸は、収差量であり、横軸は、入射瞳座標である。また、各図では、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）、Ｄ線（５８９．２ｎｍ）、及びＦ線（４８６．１ｎｍ）の波長を有する各光線について記載している。
【００３４】
【表１】
【００３５】
【表２】
【００３６】
【表３】
【００３７】
【表４】
【００３８】
以上のように、本実施形態のズームレンズ１００は、２つの３層型の液体レンズを利用する。このとき、絞り１０３の物体側に配置される第１液体レンズ１０１における界面を第１屈折面３０１とし、絞り１０３の像面側に配置される第２液体レンズ１０５における像面側の界面を第２屈折面３０２、一方、物体側の界面を第３屈折面３０５とする。このズームレンズ１００では、第２屈折面３０２及び第３屈折面３０５は、該各屈折面における倍率色収差の関係が（数６）の条件を満足するように調整されるので、ズーム位置毎に変化する倍率色収差の発生を低減することができる。更に、このような構成により、ズームレンズ１００全体を小型化することができる。
【００３９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施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、第１実施形態に係るズームレンズ１００が液体レンズを２つ利用するのに対し、液体レンズを３つ利用する。図７は、本実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。このズームレンズ３００は、物体側から結像面３０８に向けて順に、第１液体レンズ３０１と、第１固体レンズ３０２と、絞り３０３と、第２液体レンズ３０４と、第２固体レンズ３０５と、第３液体レンズ３０６と、第３固体レンズ３０７とを備える。図７において、特に、図７（ａ）は、広角端（Ｗｉｄｅ）におけるズームレンズ３００のレンズ断面図を示す。図７（ｂ）は、中間のズーム位置（Ｍｉｄｄｌｅ）におけるズームレンズ３００のレンズ断面図を示す。また、図７（ｃ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）におけるズームレンズ３００のレンズ断面図を示す。ここで、第１及び第３液体レンズ３０１、３０６の構成は、第１実施形態に係る３層型の液体レンズの構成と略同一であるため説明を省略する。このズームレンズ３００では、第１液体レンズ３０１と第３液体レンズ３０６とが主に屈折力を変化させる作用を有する。特に、第１液体レンズ３０１は、屈折力を負から正に、一方、第３液体レンズ３０６は、屈折力を正から負に変化することで大きく焦点距離の変化を与える。この場合、焦点距離の可変面として機能する屈折面は、第１液体レンズ３０１を形成する第１及び第２界面３０１ａ、３０１ｂのうちの第２界面３０１ｂと、第３液体レンズ３０６を形成する第１及び第２界面３０６ａ、３０６ｂのうちの第２界面３０６ｂである。一方、第１実施形態と同様に、倍率色収差の補正面として機能する屈折面は、第３液体レンズ３０６の第１界面３０６ａである。
【００４０】
なお、本実施形態では、倍率色収差の補正面として機能する屈折面を、第３液体レンズ３０６の第１界面３０６ａとしているが、倍率色収差の補正面は、これに限定するものではない。倍率色収差は、（数１）に示すように、各面における周辺光線高さｈと、主光線高さｈ＿ｂａｒとの積に比例する。したがって、屈折面のうち、このｈ×（ｈ＿ｂａｒ）が最大となる光学面を倍率色収差の補正面とすれば、倍率色収差をより低減することができる。一方、倍率色収差の補正面を主光線高さｈ＿ｂａｒが最大となる面とした場合は、軸上色収差とは独立させて倍率色収差の補正を行うことができる。なお、本実施形態では、ｈ×（ｈ＿ｂａｒ）が最大となる面（第３液体レンズ３０６の第１界面３０６ａ）を倍率色収差の補正面としているので、倍率色収差を効果的に低減する。
【００４１】
また、本実施形態では、倍率色収差の補正面を、絞り３０３に対して像面側にある１つの面で構成しているが、例えば、同様に絞り３０３の像面側で、複数の面を配置させる構成としてもよい。この場合、補正面の倍率色収差ＬＡＴは、（数８）に示すように、補正のためのＮ個の屈折面があるとして、屈折面の補正量の合計が過補正となればよい。
【００４２】
【数８】
【００４３】
また、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、２層型の液体レンズで構成される第２液体レンズ３０４を新たに追加することで、軸上色収差の補正を行う。軸上色収差の補正の式は、（数９）で表される。
【００４４】
【数９】
【００４５】
ここで、第１液体レンズ３０１及び第２液体レンズ３０６のみで考慮すると、それぞれの屈折力φは、広角端では負―正であり、一方、望遠端では正―負である。また、周辺光線高さｈは、中間結像しない系であるために常に正である。したがって、この場合のズームレンズにおける軸上色収差は、常に補正方向となる。しかしながら、実際には他の収差の影響、特に望遠端での影響があるため、どのズームポジションにおいても常に軸上色収差が補正された状態を維持するのは難しい。そこで、本実施形態では、絞り３０３の隣（物体側、又は像面側）に第２液体レンズ３０４を配置することで、ズームポジション毎の軸上色収差の補正を可能にする。このとき、第２液体レンズ３０４を絞り３０３の隣に配置するのは、（数１）における主光線高さｈ＿ｂａｒがゼロに近くなるので、倍率色収差とは独立して軸上色収差の補正を行うことができるためである。ここで、絞り３０３の隣とは、図７（ｃ）に示すように、絞り３０３から第２液体レンズ３０４内の界面（第４の屈折力可変面）３０４ａまでの望遠端における間隔をＳとし、ズームレンズ３００の全長をＬとしたとき、Ｓ／Ｌ＜０．２が成り立つ範囲である。この場合、Ｓ／Ｌが０．２を超えると、軸上色収差の補正を独立で行うことが困難となり色収差が増大する可能性がある。
【００４６】
次に、ズームレンズ３００に上記の各条件を適用し、具体的に数値を代入して本実施形態の効果を説明する。（表５）は、図８に示すズームレンズ３００の各構成要素の面に付した各面番号９０１〜９２４における各種数値を示す表である。また、上記（数７）に適用する各係数を（表６）に示す。また、（表５）において、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２、及びＰｏｓｉｔｉｏｎ３）に対応した値を（表７）に示す。これらの（表５）〜（表７）は、それぞれ第１実施形態に係る（表１）〜（表３）に対応している。ここで、本実施形態の条件として、画角は、全画角で２３．２９〜６３．４４ｄｅｇの３倍ズームであり、ＦＮｏ．は、２．８〜５．０である。特に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１では、ｆ＝５．７８、ＦＮｏ．は、２．８であり、また、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２では、ｆ＝９．０８、ＦＮｏ．は、３．５であり、更に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ３では、ｆ＝１７．３３、ＦＮｏ．は、５．０である。そして、第３液体レンズ３０６における第１界面３０６ａと第２界面３０６ｂとにおける倍率色収差の値は、それぞれＬＡＴ１（面９１９）＝０．００７３、ＬＡＴ２（面９１８）＝０．００９７（（ｈ×ｈ＿ｂａｒ）が最大）となり、（数６）の条件を満たす。また、この場合、Ｌ＝２９．２６４２、Ｓ＝０．０２５４１であるので、Ｓ／Ｌ＝０．０２５となり、上記Ｓ／Ｌ＜０．２の条件を満たす。なお、参考として、図９及び図１０に、本実施形態に係る広角端及び望遠端における縦収差図（球面収差、像面収差、歪曲）及び横収差図を示す。この図９及び図１０は、第１実施形態に係る図５及び図６に対応しており、特に、両図において、（ａ）は、広角端（Ｗｉｄｅ）、（ｂ）は、中間のズーム位置（Ｍｉｄｄｌｅ）、また、（ｃ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）に対応する。これにより、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、ズームポジション毎の軸上色収差を低減することができる。
【００４７】
【表５】
【００４８】
【表６】
【００４９】
【表７】
【００５０】
【表８】
【００５１】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施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、液体レンズを４つ利用し、かつ、光路中に直角プリズムを配置することで、薄型化を図るものである。図１１は、本実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。このズームレンズ４００は、物体側から結像面４１０に向けて順に、第１液体レンズ４０１と、直角プリズム（ガラスプリズム）４０２と、第２液体レンズ４０３と、第１固体レンズ４０４と、絞り４０５と、第３液体レンズ４０６とを備える。続けて、ズームレンズ３００は、第２固体レンズ４０７と、第４液体レンズ４０８と、第３固体レンズ４０９とを備える。図１１において、特に、図１１（ａ）は、広角端（Ｗｉｄｅ）におけるズームレンズ４００のレンズ断面図を示す。図１１（ｂ）は、中間のズーム位置（Ｍｉｄｄｌｅ）におけるズームレンズ４００のレンズ断面図を示す。また、図１１（ｃ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）におけるズームレンズ４００のレンズ断面図を示す。ズームレンズ４００において、第１、第２及び第３液体レンズ４０１、４０３、４０６は、２種の液体を用いた２層型の液体レンズである。この場合、第１液体レンズ４０１と第２液体レンズ４０３とは、その間に直角プリズム４０２を配置することで、結果的に、第２実施形態に係るズームレンズ３００の３層型の液体レンズを２つの２層型の液体レンズで構成したことと同一である。また、第４液体レンズ４０８の構成は、第１実施形態に係る３層型の液体レンズの構成と略同一である。このズームレンズ４００では、第１液体レンズ４０１と第２液体レンズ４０３とが、主に屈折力を変化させる作用を有する。特に、第１液体レンズ４０１は、屈折力を負から正に、一方、第２液体レンズ４０３は、屈折力を正から負に変化することで大きく焦点距離の変化を与える。一方、第１実施形態と同様に、倍率色収差の補正面として機能する屈折面は、第４液体レンズ４０８の第１界面４０８ａである。これに対して、第４液体レンズ４０８の第２界面４０８ｂは、ズームレンズ４００の焦点距離の変化時に、結像面４１０の位置を移動させないように屈折力を変化させる作用を有する。また、第３液体レンズ４０６は、第２実施形態における第２液体レンズ３０４と同様に、絞り４０５の隣に配置され、他の液体レンズの変化により生じた軸上色収差を低減する作用を有する。
【００５２】
次に、ズームレンズ４００に上記の各条件を適用し、具体的に数値を代入して本実施形態の効果を説明する。（表９）は、図１２に示すズームレンズ４００の各構成要素の面に付した各面番号１２０１〜１２２８における各種数値を示す表である。また、上記（数７）に適用する各係数を（表１０）に示す。また、（表９）において、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２、及びＰｏｓｉｔｉｏｎ３）に対応した値を（表１１）に示す。これらの（表９）〜（表１１）は、それぞれ第１実施形態に係る（表１）〜（表３）に対応している。ここで、本実施形態の条件として、画角は、全画角で２３．２９〜６３．４４ｄｅｇの３倍ズームであり、ＦＮｏ．は、２．８〜５．０である。特に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１では、ｆ＝５．７８、ＦＮｏ．は、２．８であり、また、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２では、ｆ＝９．０８、ＦＮｏ．は、３．５であり、更に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ３では、ｆ＝１７．３３、ＦＮｏ．は、５．０である。そして、第４液体レンズ４０８における第１界面４０８ａと第２界面４０８ｂとにおける倍率色収差の値は、それぞれＬＡＴ１（面１２２３）＝０．００３５、ＬＡＴ２（面１２２２）＝−０．０１２６（（ｈ×ｈ＿ｂａｒ）が最大）となり、（数６）の条件を満たす。また、この場合、Ｌ＝４０．０（図１１（ｃ）に示すＡ＋Ｂ）、Ｓ＝０．０３６６であるので、Ｓ／Ｌ＝０．０００９となり、上記Ｓ／Ｌ＜０．２の条件を満たす。なお、参考として、図１３及び図１４に、本実施形態に係る広角端及び望遠端における縦収差図（球面収差、像面収差、歪曲）及び横収差図を示す。この図１３及び図１４は、第２実施形態に係る図９及び図１０に対応している。これにより、本実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果に加え、ズームレンズ全体の形状を薄型化することができる。
【００５３】
【表９】
【００５４】
【表１０】
【００５５】
【表１１】
【００５６】
【表１２】
【００５７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００５８】
例えば、上記実施形態では、屈折面と、倍率色収差の補正面とを１つの３層型の液体レンズで構成するものとしているが、本発明はこれに限定されない。例えば、２層型の複数の液体レンズを組み合わせても良いし、又は、液晶素子等を用いた液体レンズでズーミングを行い、倍率色収差の補正面として液体界面を追加した構成としてもよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、倍率色収差の補正面を、絞りと像面側の屈折面との間に配置しているが、本発明はこれに限定されない。この場合、倍率色収差を補正できる位置であればどの場所に配置してもよい。但し、倍率色収差を効率的に補正できる場所、即ち、ｈ×（ｈ＿ｂａｒ）が最大となる位置、又は主光線高さ（ｈ＿ｂａｒ）が最大となる位置のいずれかであることが望ましい。
【符号の説明】
【００６０】
１００ ズームレンズ
１０１ 第１液体レンズ
１０１ｂ 第１屈折面
１０３ 絞り
１０５ 第２液体レンズ
１０５ａ 第３屈折面
１０５ｂ 第２屈折面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絞りの物体側に配置される第１の屈折力可変面と、該第１の屈折力可変面と同符号の倍率色収差を生じさせ、前記絞りの像面側に配置される第２の屈折力可変面と、前記第１、第２の屈折力可変面と異符号の倍率色収差を生じさせる第３の屈折力可変面とを含むズームレンズであって、
前記第３の屈折力可変面が前記絞りの物体側に配置されている場合は、前記第１の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ１、又は、前記第３の屈折力可変面が前記絞りの像面側に配置されている場合は、前記第２の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ１とし、前記第３の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ２としたとき、
│ＬＡＴ１│＜│ＬＡＴ２│
なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
【請求項２】
前記第３の屈折力可変面は、広角端において、最軸外主光線の光線高さと、軸上光束の周辺光線高さの積が最大となる光学面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項３】
前記第３の屈折力可変面は、広角端において、最軸外主光線の光線高さが最大となる光学面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項４】
前記第３の屈折力可変面は、前記第１の屈折力可変面、又は前記第２の屈折力可変面と同じパッケージに封入された３層型の液体レンズを構成する１面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のズームレンズ。
【請求項５】
前記絞りの物体側、又は像面側の隣に、第４の屈折力可変面を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のズームレンズ。
【請求項６】
前記第４の屈折力可変面と前記絞りとの間隔をＳ、前記ズームレンズの全長をＬとしたとき、
Ｓ／Ｌ＜０．２
なる条件を満足することを特徴とする請求項５に記載のズームレンズ。
【請求項７】
前記絞りと前記第１の屈折力可変面との間に、固体レンズが配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のズームレンズ。
【請求項８】
前記絞りと前記第２の屈折力可変面との間に、固体レンズが配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のズームレンズ。
【請求項１】
絞りの物体側に配置される第１の屈折力可変面と、該第１の屈折力可変面と同符号の倍率色収差を生じさせ、前記絞りの像面側に配置される第２の屈折力可変面と、前記第１、第２の屈折力可変面と異符号の倍率色収差を生じさせる第３の屈折力可変面とを含むズームレンズであって、
前記第３の屈折力可変面が前記絞りの物体側に配置されている場合は、前記第１の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ１、又は、前記第３の屈折力可変面が前記絞りの像面側に配置されている場合は、前記第２の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ１とし、前記第３の屈折力可変面の広角端における倍率色収差をＬＡＴ２としたとき、
│ＬＡＴ１│＜│ＬＡＴ２│
なる条件を満足することを特徴とするズームレンズ。
【請求項２】
前記第３の屈折力可変面は、広角端において、最軸外主光線の光線高さと、軸上光束の周辺光線高さの積が最大となる光学面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項３】
前記第３の屈折力可変面は、広角端において、最軸外主光線の光線高さが最大となる光学面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
【請求項４】
前記第３の屈折力可変面は、前記第１の屈折力可変面、又は前記第２の屈折力可変面と同じパッケージに封入された３層型の液体レンズを構成する１面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のズームレンズ。
【請求項５】
前記絞りの物体側、又は像面側の隣に、第４の屈折力可変面を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のズームレンズ。
【請求項６】
前記第４の屈折力可変面と前記絞りとの間隔をＳ、前記ズームレンズの全長をＬとしたとき、
Ｓ／Ｌ＜０．２
なる条件を満足することを特徴とする請求項５に記載のズームレンズ。
【請求項７】
前記絞りと前記第１の屈折力可変面との間に、固体レンズが配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のズームレンズ。
【請求項８】
前記絞りと前記第２の屈折力可変面との間に、固体レンズが配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のズームレンズ。
【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】
【公開番号】特開２０１２−１０３６２６（Ｐ２０１２−１０３６２６Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５４１７８（Ｐ２０１０−２５４１７８）
【出願日】平成２２年１１月１２日（２０１０．１１．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１２日（２０１０．１１．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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