ズームレンズ
【課題】屈折力可変素子を用いたズームレンズにおいて、安定的な光学性能を実現する。
【解決手段】屈折力可変素子１０１と、絞り１０３とを有するズームレンズ１００であって、屈折力可変素子１０１は、絞り１０３の光入射側に配置されており、ズームレンズ１００の第１面１０７から結像面１０８までの距離をＴａとし、屈折力可変素子１０１の最も絞りに近い屈折力可変面１０９から絞り１０３までの距離をＴｂとするとき、Ｔｂ／Ｔａ＜０．２２の条件を満たす。
【解決手段】屈折力可変素子１０１と、絞り１０３とを有するズームレンズ１００であって、屈折力可変素子１０１は、絞り１０３の光入射側に配置されており、ズームレンズ１００の第１面１０７から結像面１０８までの距離をＴａとし、屈折力可変素子１０１の最も絞りに近い屈折力可変面１０９から絞り１０３までの距離をＴｂとするとき、Ｔｂ／Ｔａ＜０．２２の条件を満たす。
【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たズームレンズを開示している。特許文献３は、１つの屈折力可変素子と１つの切り替え型の屈折力可変素子とを用いたズームレンズを開示している。この切り替え型の屈折力可変素子は、固体のレンズの射出側に空洞を設け、この空洞内で気体や液体を入れ替えることで素子全体の屈折力を変化させる。
【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】特表２００７−５１８１３０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、３に開示されたズームレンズでは、屈折力可変素子は、光学系の最も物体（被写体）側に配置されている。しかしながら、屈折力可変素子は、光学系の最も物体側に配置されることで、外界の影響を受けやすくなる。例えば、直射日光が屈折力可変素子に当たると、影になる部分と日光の当たる部分とで温度差が生じ、内部の液体に対流が起こる。これにより、屈折力可変素子の光学特性が不安定になる。この影響は、屈折力可変素子の可変面が大きくなるほど顕著に現れる。
【０００５】
本発明は、外界の影響による屈折力可変素子の光学特性の変化が小さいズームレンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のズームレンズは、屈折力可変素子と、絞りとを有するズームレンズであって、屈折力可変素子は、絞りの光入射側に配置されており、ズームレンズの第１面から結像面までの距離をＴａとし、屈折力可変素子の絞りに最も近い屈折力可変面から絞りまでの距離をＴｂとするとき、Ｔｂ／Ｔａ＜０．２２の条件を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、外界の影響による屈折力可変素子の光学特性の変化が小さい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断面図である。
【図２】第１実施形態に係る屈折力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各面番号を示す図である。
【図４】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５】本発明の第２実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。
【図６】第２実施形態に係る屈折力可変素子の構成を示す概略図である。
【図７】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８】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９】本発明の第３実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。
【図１０】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１１】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１２】他の実施形態に係る屈折力可変素子の構成を示す概略図である。
【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固定レンズ１０２と、絞り１０３と、第２固定レンズ１０４と、第２屈折力可変素子１０５と、第３固定レンズ１０６とを備える。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ものである。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】
このような液体レンズでは、液体の温度差によって対流が生じるため、所望の光学特性が安定的に得られない場合がある。ズームレンズの物体側や像面側の端部に配置されている光学素子ほど、外界の影響を受けやすい。また、液体レンズの外形が大きいほど、液体の温度差が大きくなりやすく、光学性能が低下しやすい。そこで、本実施形態では、ズームレンズ１００において、物体側に配置されている第１液体レンズ１０１の外形を小さくすることにより、外界の影響を低減している。
【００１３】
また、本発明の各実施形態のズームレンズ１００は、以下の式（１）を満足している。
Ｔｂ／Ｔａ＜０．２２ ・・・（１）
ここで、Ｔａは、ズームレンズ１００の全長（ズームレンズの第１面１０７から結像面１０８までの距離）であり、Ｔｂは、第１液体レンズ１０１の液体の界面（屈折力可変面）のうち最も絞り１０３に近い面１０９から絞り１０３までの距離である。特に、本実施形態では、距離Ｔｂが適用される界面は、第２界面２０５となる。なお、第２界面の位置は、ズーミングによりわずかに移動するため、界面が最も絞り１０３から離れたときの位置とする。
【００１４】
また、各液体レンズ１０１、１０５は、それぞれ絞り１０３の前後、即ち、第１の屈折力可変素子である第１液体レンズ１０１は、絞り１０３の光入射側に、一方、第２の屈折力可変素子である第２液体レンズ１０５は、絞り１０３の光出射側に配置する。これは、各液体レンズ１０１、１０５に対して無理のない屈折力を実現させ、収差を低減するためである。
【００１５】
また、第１液体レンズ１０１と絞り１０３との間には、図１に示すように第１固定レンズ（第１レンズ）１０２を配置する。例えば、ズームレンズ１００に対して式（１）を適用すると、第１液体レンズ１０１の可変面１０９は非常に小さくなる。このとき、第１液体レンズ１０１では、広角端において光線の重なりが大きくなる。通常のズームレンズでは、最も物体側の光学素子で各画角の光束を分岐させ、画角毎に収差の発生を抑制させるが、本実施形態のズームレンズ１００では、最も物体側の第１液体レンズ１０１を小さくしているため、この補正が難しい。そこで、本実施形態では、収差の発生を抑えるために第１液体レンズ１０１と絞り１０３との間に第１固定レンズ１０２を配置している。第１固定レンズ１０２としては、メニスカスレンズを採用し、レンズの凹面を像側に向けて配置している。これにより、特に、コマ収差の発生を低減することができる。
【００１６】
また、本実施形態における第１固定レンズ１０２は、絞り１０３に近づけて配置する。一般に、光学素子の大きさは、絞り１０３から離れるにつれて大きくなる傾向がある。そこで、より外界に近い物体側の光学素子を絞り１０３に近づけることにより、光学素子の大きさを小さくすることができる。
【００１７】
また、絞り１０３と第２液体レンズ１０５との間には、正の屈折力を有し、かつ、物体側よりも像側の面の方が屈折力の強い第２固定レンズ（第２レンズ）１０４を配置する。これにより、第１液体レンズ１０１の広角端を通過する光線が第２液体レンズ１０５へ入射するときの入射角が小さくなる。したがって、結果的に第２液体レンズ１０５の大きさを小さくすることができる。
【００１８】
更に、ここで、第１液体レンズ１０１の広角端における屈折力をφＬ１Ｗとし、望遠端における屈折力をφＬ１Ｔとし、一方、第２液体レンズ１０５の広角端における屈折力をφＬ２Ｗとし、望遠端における屈折力をφＬ２Ｔとする。このとき、以下の式（２）、（３）、及び（４）が成り立つものとする。
φＬ１Ｗ／φＬ１Ｔ＜０ ・・・（２）
φＬ２Ｗ／φＬ２Ｔ＜０ ・・・（３）
φＬ１Ｗ／φＬ２Ｗ＜０ ・・・（４）
本実施形態のズームレンズを構成する不図示の制御部は、式（２）及び（３）の条件を満たすように、即ち、各液体レンズ１０１、１０５の屈折力の符号が入れ替わるように各液体レンズ１０１、１０５を制御する。これにより、各液体レンズ１０１、１０５の屈折力の可変範囲全域を利用することができ、ズーム比を大きく取ることができる。同様に、制御部は、式（４）の条件を満たす、即ち、各液体レンズ１０１、１０５の屈折力が逆転するように各液体レンズ１０１、１０５を制御する。これにより、ペッツバール和の変動を小さくし、像面湾曲の変動を小さくすることができる。加えて、制御部は、広角端ではレトロフォーカスタイプ（φＬ１Ｗ＜０、φＬ２Ｗ＞０）に、望遠端ではテレフォトタイプ（φＬ１Ｔ＞０、φＬ２Ｔ＜０）になるように、各液体レンズ１０１、１０５を制御する。これにより、小型高光学性能でズーム比を大きく取ることができる。即ち、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第１液体レンズ１０１は負の屈折力から正の屈折力へ変化し、第２液体レンズ１０５は正の屈折力から負の屈折力へ変化するのが良い。
【００１９】
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３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７０１〜７２０における各種数値を示す表である。ここで、図３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。Ｚ軸は、第０面の中心から第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固定レンズ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、以下の式で表される。
【００２０】
【数１】
【００２１】
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。この式（５）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、Ｏｂｊｅｃｔ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。
【００２２】
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、この場合の条件式は、Ｔｂ／Ｔａ＝０．１０５であり、上記式（１）の条件を満たす。なお、参考として、図４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４（ａ）は、広角端における縦収差図であり、図４（ｂ）は、望遠端における縦収差図である。図４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。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。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】
以上のように、本実施形態のズームレンズは、小型化された液体レンズが屈折力を変化させることで焦点距離を変化させるので、ズームレンズに液体レンズを採用しても、外界の影響による光学特性の変化を低減することができる。また、ズーミングに際して光学素子を移動させるカムやモーター等が不要となり、部品点数を削減することができる。
【００２７】
（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における液体レンズの構成と、該液体レンズの構成変更に伴う各光学素子の配置とを変更している。図５は、本実施形態に係るズームレンズの構成を示す概略断面図である。このズームレンズ３００は、物体側から順に、第１液体レンズ３０１と、第１固定レンズ３０２と、絞り３０３と、第２及び第３固定レンズ３０４、３０５と、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７と、第４固定レンズ３０８とを備える。図５において、特に、図５（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５（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５（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液体レンズ３０１の構成は、第１実施形態の第１液体レンズ１０１の構成と略同一であるため説明を省略する。
【００２８】
図６は、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７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３００に採用する第２及び第３液体レンズ３０６、３０７は、それぞれ２種類の液体を使用し、該２種類の液体で形成された界面をエレクトロウェッティング方式にて制御するものである。また、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７は、図６に示すように、ガラス板等の光透過部材４００を介して一体で構成される。まず、第２液体レンズ３０６は、略円筒形の筐体４０１を有し、該筐体４０１の内部に、第１液体４０２及び第２液体４０３の２種類の液体を光軸方向に２層配置する。この２種類の液体としては、水や油等のそれぞれ異なる屈折率を有する物質を採用する。以下、第１液体４０２と第２液体４０３とで形成される界面を第１界面４０４と表記する。なお、第３液体レンズ３０７も、第２液体レンズ３０８と同様の形態で液体が配置される。この第３液体レンズ３０７における、第１液体４０５と第２液体４０６とで形成される界面を第２界面４０７と表記する。そして、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７は、それぞれ第１実施形態の液体レンズ１０１と同様の電極４０８、４０９を有し、該電極４０８、４０９は、外部からの電圧供給に基づいて、第１界面４０４及び第２界面４０７をそれぞれ独立に制御する。なお、この場合、筐体４０１は、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７で共通としてもよいし、図５に示すように、それぞれ径の異なる独自のものとしてもよい。また、この電極４０８、４０９の構成、及びカバーガラス４１０、４１１の構成は、第１実施形態の第１液体レンズ１０１と同様である。このような第２及び第３液体レンズ３０６、３０７によれば、２つの液体レンズを組み合わせることで、第１実施形態の液体レンズ１０１と同等の作用が得られる。更に、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７は、光透過部材４００を介して組み合わされるので、第２液体レンズ３０６の第２液体４０３と、第３液体レンズ３０７の第１液体４０５とが直接触れることがないため、液体レンズに採用する液体の選択自由度が増す。
【００２９】
次に、本実施形態のズームレンズ３００における各種条件について説明する。まず、第１液体レンズ３０１は、第１実施形態と同様に、絞り３０３の光入射側で、かつ、ズームレンズ３００において、物体側に配置されている。これにより、第１液体レンズ３０１よりも像面側に配置される各光学素子によるズームレンズの倍率を大きくし、第１液体レンズ３０１の屈折力変化量に対するズームレンズ３００の焦点距離の変動量を大きくすることができる。
【００３０】
また、ズームレンズ３００では、第１実施形態と同様に、式（１）が成り立つように各構成要素を設置する。この場合、本実施形態では、式（１）における距離Ｔａは、第１液体レンズ３０１の第１面３０９から結像面３１０までの距離であり、一方、距離Ｔｂは、第１液体レンズ３０１の第２界面３１１から絞り３０３までの距離である。これにより、第１液体レンズ３０１は、絞り３０３に近い位置に配置されることとなり、第１液体レンズ３０１の小型化が実現できる。
【００３１】
また、第１液体レンズ３０１の像面側には、共にメニスカスレンズを採用した第１及び第２固定レンズ３０２、３０４を、絞り３０３を挟んで配置している。第１固定レンズ３０２は、レンズの像側に凹面を向けており、第２固定レンズ３０４は、レンズの物体側に凹面を向けている。これにより、最も物体側の第１液体レンズ３０１だけでは補正しきれない収差補正を行うことができる。
【００３２】
更に、第１液体レンズ３０１の広角端の屈折力をφＬ３Ｗとし、望遠端の屈折力をφＬ３Ｔとし、一方、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７を組み合わせた液体レンズの広角端の屈折力をφＬ４Ｗとし、望遠端の屈折力をφＬ４Ｔとする。この場合、本実施形態においても、第１実施形態に示す式（２）、（３）、及び（４）に対応した式（６）、（７）、及び（８）が成り立つものとする。
φＬ３Ｗ／φＬ３Ｔ＜０ ・・・（６）
φＬ４Ｗ／φＬ４Ｔ＜０ ・・・（７）
φＬ３Ｗ／φＬ４Ｗ＜０ ・・・（８）
これにより、第１実施形態と同様に、広角側における屈折力変動によるペッツバール和の変動を小さくし、かつ、ズーム比を大きく取ることができる。即ち、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第１液体レンズ３０１は、負の屈折力から正の屈折力へ変化して、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７を組み合わせた液体レンズは、正の屈折力から負の屈折力へ変化するのが良い。
【００３３】
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４）は、図７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、上記式（５）に適用する各係数を（表５）に示す。また、（表４）において、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２、及びＰｏｓｉｔｉｏｎ３）に対応した値を（表６）に示す。これらの（表４）〜（表６）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、この場合の条件式は、Ｔｂ／Ｔａ＝０．１９７であり、上記式（１）の条件を満たす。なお、参考として、図８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）を示す。この図８は、第１実施形態に係る図４に対応している。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を奏する。
【００３４】
【表４】
【００３５】
【表５】
【００３６】
【表６】
【００３７】
（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、第１実施形態に係るズームレンズ１００において液体レンズを３個設置し、液体レンズの設置個数の増加に伴い各光学素子の配置を変更している。図９は、本実施形態に係るズームレンズの構成を示す概略断面図である。このズームレンズ５００は、物体側から順に、第１固定レンズ５０１と、第１液体レンズ５０２と、第２固定レンズ５０３と、絞り５０４と、第２液体レンズ５０５と、第３固定レンズ５０６と、第３液体レンズ５０７と、第４固定レンズ５０８とを備える。図９において、特に、図９（ａ）は、広角端におけるズームレンズ５００のレンズ断面図を示す。図９（ｂ）は、中間のズーム位置（Ｍｉｄｄｌｅ）におけるズームレンズ５００のレンズ断面図を示す。また、図９（ｃ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）におけるズームレンズ５００のレンズ断面図を示す。ここで、第１〜３液体レンズ５０２、５０５、５０７の構成は、第１実施形態の第１液体レンズ１０１の構成と略同一であるため説明を省略する。
【００３８】
次に、本実施形態のズームレンズ５００における各種条件について説明する。まず、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、第１液体レンズ５０２は、ズームレンズ５００の最も物体側ではなく、凹レンズである第１固定レンズ５０１を１枚設置し、その後部に配置する。これにより、第１液体レンズ５０２への外界の影響を低減させることができ、また、ズーム倍率の拡大を図ることができる。なお、ズームレンズ５００においても、第１実施形態と同様に、式（１）が成り立つように各構成要素を設置することが望ましい。本実施形態では、式（１）における距離Ｔａは、第１固定レンズ５０１の第１面５０９から結像面５１０までの距離であり、一方、距離Ｔｂは、第１液体レンズ５０２の第２界面５１１から絞り５０４までの距離である。
【００３９】
また、第１液体レンズ５０２と第３液体レンズ５０７とは、それぞれ第１実施形態に係る第１液体レンズ１０１と第２液体レンズ１０５とに対応し、同じ働きを持つ。これに対して、本実施形態では、新たに第２液体レンズ５０５を、第２固定レンズ５０３と第３固定レンズ５０６との間に配置している。絞り５０４は、第２液体レンズ５０５の直前（物体側）に配置されている。第２液体レンズ５０５は、ズーム範囲内の全てで正の屈折力を有する。これにより、第３液体レンズ５０７へ入射する光束の高さを低減させて、第３液体レンズ５０７も大きさを小さくすることができる。また、広角端から望遠端まで正の屈折力が強くなるので、第１及び第２液体レンズ５０２、５０７だけでは補正しきれないペッツバール和の変動を更に抑えることができる。
【００４０】
次に、ズームレンズ５００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７）は、図１０に示すズームレンズ５００の各構成要素の面に付した各面番号１１０１〜１１２７における各種数値を示す表である。また、上記式（５）に適用する各係数を（表８）に示す。また、（表７）において、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２、及びＰｏｓｉｔｉｏｎ３）に対応した値を（表９）に示す。これらの（表７）〜（表９）も、それぞれ上記（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、３．０〜５．６である。特に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１では、ｆ＝５．７８、ＦＮｏ．は、３．０であり、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２では、ｆ＝９．０８、ＦＮｏ．は、４．０であり、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ３では、ｆ＝１７．３３、ＦＮｏ．は、５．６である。なお、参考として、図１１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）を示す。この図１１も、第１実施形態に係る図４及び第２実施形態に係る図８に対応している。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を奏する。
【００４１】
【表７】
【００４２】
【表８】
【００４３】
【表９】
【００４４】
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。
【００４５】
例えば、本実施形態では、ズームレンズに２個及び３個の液体レンズを採用するものとして説明したが、本発明は、更に複数（即ち、２個以上）の液体レンズを採用した場合でも適用可能である。また、この液体レンズの界面の形状を変化させる手段は、上記エレクトロウェッティング方式に限定されない。例えば、界面に光学的に透明な薄膜を設置し、その薄膜の端部を液体レンズ内で機械的に移動させることで界面形状を変化させる手段もある。図１２は、液体の界面として透明な弾性膜を配置した液体レンズの構成を示す概略図である。図１２に示すように、液体レンズ６００は、略円筒形の筐体６０１を有し、該筐体６０１の内部に第１液体６０２及び第２液体６０３の２種類の液体を光軸方向に２層配置し、更に各液体６０２、６０３で形成される界面に透明な弾性膜６０４を配置する。液体レンズ６００は、図１２に示すように、弾性膜６０４をその端部に設置された薄膜移動手段６０５で移動させることにより、各液体６０２、６０３の体積を一定としつつ、弾性膜６０４により形成される界面の形状を変化させる。なお、カバーガラス６０６、６０７の構成は、第１実施形態の第１液体レンズ１０１と同様である。この液体レンズ６００は、エレクトロウェッティング方式の液体レンズに比べて構造が複雑となるが、エレクトロウェッティング方式の場合の混ざり合わない液体材料を選択しなくてもよいので、液体の選択自由度が大きく増える。
【００４６】
また、本発明のズームレンズに採用する液体レンズの各電極の形状（構造）も、特に限定しない。例えば、図１に示すように、第１実施形態の第１液体レンズ１０１は、電極部分を段構造としている。これは、後部の電極２０７の外径を前部の電極２０６の外径よりも小さくすることで、第２界面２０５の曲率半径をより好適に変化させるためである。したがって、所望のズームレンズの特性により、各電極２０６、２０７の形状を、単に円筒形やテーパー角度を有するような外径としても構わない。更に、第１実施形態に係る各液体レンズ１０１、１０５では、共に３種類の液体を用いた３層構造を有するが、例えば、２種類の液体を用いて１つの界面で屈折力を変化させるものや、４種類以上の更に複数の液体を用いるものであっても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１００ ズームレンズ
１０１ 第１屈折力可変素子
１０３ 絞り
１０７ 第１面
１０８ 結像面
１０９ 可変面
【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たズームレンズを開示している。特許文献３は、１つの屈折力可変素子と１つの切り替え型の屈折力可変素子とを用いたズームレンズを開示している。この切り替え型の屈折力可変素子は、固体のレンズの射出側に空洞を設け、この空洞内で気体や液体を入れ替えることで素子全体の屈折力を変化させる。
【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】特表２００７−５１８１３０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、３に開示されたズームレンズでは、屈折力可変素子は、光学系の最も物体（被写体）側に配置されている。しかしながら、屈折力可変素子は、光学系の最も物体側に配置されることで、外界の影響を受けやすくなる。例えば、直射日光が屈折力可変素子に当たると、影になる部分と日光の当たる部分とで温度差が生じ、内部の液体に対流が起こる。これにより、屈折力可変素子の光学特性が不安定になる。この影響は、屈折力可変素子の可変面が大きくなるほど顕著に現れる。
【０００５】
本発明は、外界の影響による屈折力可変素子の光学特性の変化が小さいズームレンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のズームレンズは、屈折力可変素子と、絞りとを有するズームレンズであって、屈折力可変素子は、絞りの光入射側に配置されており、ズームレンズの第１面から結像面までの距離をＴａとし、屈折力可変素子の絞りに最も近い屈折力可変面から絞りまでの距離をＴｂとするとき、Ｔｂ／Ｔａ＜０．２２の条件を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、外界の影響による屈折力可変素子の光学特性の変化が小さい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断面図である。
【図２】第１実施形態に係る屈折力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各面番号を示す図である。
【図４】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５】本発明の第２実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。
【図６】第２実施形態に係る屈折力可変素子の構成を示す概略図である。
【図７】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８】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９】本発明の第３実施形態に係るズームレンズのレンズ断面図である。
【図１０】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１１】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１２】他の実施形態に係る屈折力可変素子の構成を示す概略図である。
【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固定レンズ１０２と、絞り１０３と、第２固定レンズ１０４と、第２屈折力可変素子１０５と、第３固定レンズ１０６とを備える。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ものである。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】
このような液体レンズでは、液体の温度差によって対流が生じるため、所望の光学特性が安定的に得られない場合がある。ズームレンズの物体側や像面側の端部に配置されている光学素子ほど、外界の影響を受けやすい。また、液体レンズの外形が大きいほど、液体の温度差が大きくなりやすく、光学性能が低下しやすい。そこで、本実施形態では、ズームレンズ１００において、物体側に配置されている第１液体レンズ１０１の外形を小さくすることにより、外界の影響を低減している。
【００１３】
また、本発明の各実施形態のズームレンズ１００は、以下の式（１）を満足している。
Ｔｂ／Ｔａ＜０．２２ ・・・（１）
ここで、Ｔａは、ズームレンズ１００の全長（ズームレンズの第１面１０７から結像面１０８までの距離）であり、Ｔｂは、第１液体レンズ１０１の液体の界面（屈折力可変面）のうち最も絞り１０３に近い面１０９から絞り１０３までの距離である。特に、本実施形態では、距離Ｔｂが適用される界面は、第２界面２０５となる。なお、第２界面の位置は、ズーミングによりわずかに移動するため、界面が最も絞り１０３から離れたときの位置とする。
【００１４】
また、各液体レンズ１０１、１０５は、それぞれ絞り１０３の前後、即ち、第１の屈折力可変素子である第１液体レンズ１０１は、絞り１０３の光入射側に、一方、第２の屈折力可変素子である第２液体レンズ１０５は、絞り１０３の光出射側に配置する。これは、各液体レンズ１０１、１０５に対して無理のない屈折力を実現させ、収差を低減するためである。
【００１５】
また、第１液体レンズ１０１と絞り１０３との間には、図１に示すように第１固定レンズ（第１レンズ）１０２を配置する。例えば、ズームレンズ１００に対して式（１）を適用すると、第１液体レンズ１０１の可変面１０９は非常に小さくなる。このとき、第１液体レンズ１０１では、広角端において光線の重なりが大きくなる。通常のズームレンズでは、最も物体側の光学素子で各画角の光束を分岐させ、画角毎に収差の発生を抑制させるが、本実施形態のズームレンズ１００では、最も物体側の第１液体レンズ１０１を小さくしているため、この補正が難しい。そこで、本実施形態では、収差の発生を抑えるために第１液体レンズ１０１と絞り１０３との間に第１固定レンズ１０２を配置している。第１固定レンズ１０２としては、メニスカスレンズを採用し、レンズの凹面を像側に向けて配置している。これにより、特に、コマ収差の発生を低減することができる。
【００１６】
また、本実施形態における第１固定レンズ１０２は、絞り１０３に近づけて配置する。一般に、光学素子の大きさは、絞り１０３から離れるにつれて大きくなる傾向がある。そこで、より外界に近い物体側の光学素子を絞り１０３に近づけることにより、光学素子の大きさを小さくすることができる。
【００１７】
また、絞り１０３と第２液体レンズ１０５との間には、正の屈折力を有し、かつ、物体側よりも像側の面の方が屈折力の強い第２固定レンズ（第２レンズ）１０４を配置する。これにより、第１液体レンズ１０１の広角端を通過する光線が第２液体レンズ１０５へ入射するときの入射角が小さくなる。したがって、結果的に第２液体レンズ１０５の大きさを小さくすることができる。
【００１８】
更に、ここで、第１液体レンズ１０１の広角端における屈折力をφＬ１Ｗとし、望遠端における屈折力をφＬ１Ｔとし、一方、第２液体レンズ１０５の広角端における屈折力をφＬ２Ｗとし、望遠端における屈折力をφＬ２Ｔとする。このとき、以下の式（２）、（３）、及び（４）が成り立つものとする。
φＬ１Ｗ／φＬ１Ｔ＜０ ・・・（２）
φＬ２Ｗ／φＬ２Ｔ＜０ ・・・（３）
φＬ１Ｗ／φＬ２Ｗ＜０ ・・・（４）
本実施形態のズームレンズを構成する不図示の制御部は、式（２）及び（３）の条件を満たすように、即ち、各液体レンズ１０１、１０５の屈折力の符号が入れ替わるように各液体レンズ１０１、１０５を制御する。これにより、各液体レンズ１０１、１０５の屈折力の可変範囲全域を利用することができ、ズーム比を大きく取ることができる。同様に、制御部は、式（４）の条件を満たす、即ち、各液体レンズ１０１、１０５の屈折力が逆転するように各液体レンズ１０１、１０５を制御する。これにより、ペッツバール和の変動を小さくし、像面湾曲の変動を小さくすることができる。加えて、制御部は、広角端ではレトロフォーカスタイプ（φＬ１Ｗ＜０、φＬ２Ｗ＞０）に、望遠端ではテレフォトタイプ（φＬ１Ｔ＞０、φＬ２Ｔ＜０）になるように、各液体レンズ１０１、１０５を制御する。これにより、小型高光学性能でズーム比を大きく取ることができる。即ち、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第１液体レンズ１０１は負の屈折力から正の屈折力へ変化し、第２液体レンズ１０５は正の屈折力から負の屈折力へ変化するのが良い。
【００１９】
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３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７０１〜７２０における各種数値を示す表である。ここで、図３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。Ｚ軸は、第０面の中心から第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固定レンズ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、以下の式で表される。
【００２０】
【数１】
【００２１】
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。この式（５）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、Ｏｂｊｅｃｔ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。
【００２２】
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、この場合の条件式は、Ｔｂ／Ｔａ＝０．１０５であり、上記式（１）の条件を満たす。なお、参考として、図４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４（ａ）は、広角端における縦収差図であり、図４（ｂ）は、望遠端における縦収差図である。図４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。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。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】
以上のように、本実施形態のズームレンズは、小型化された液体レンズが屈折力を変化させることで焦点距離を変化させるので、ズームレンズに液体レンズを採用しても、外界の影響による光学特性の変化を低減することができる。また、ズーミングに際して光学素子を移動させるカムやモーター等が不要となり、部品点数を削減することができる。
【００２７】
（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における液体レンズの構成と、該液体レンズの構成変更に伴う各光学素子の配置とを変更している。図５は、本実施形態に係るズームレンズの構成を示す概略断面図である。このズームレンズ３００は、物体側から順に、第１液体レンズ３０１と、第１固定レンズ３０２と、絞り３０３と、第２及び第３固定レンズ３０４、３０５と、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７と、第４固定レンズ３０８とを備える。図５において、特に、図５（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５（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５（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液体レンズ３０１の構成は、第１実施形態の第１液体レンズ１０１の構成と略同一であるため説明を省略する。
【００２８】
図６は、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７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３００に採用する第２及び第３液体レンズ３０６、３０７は、それぞれ２種類の液体を使用し、該２種類の液体で形成された界面をエレクトロウェッティング方式にて制御するものである。また、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７は、図６に示すように、ガラス板等の光透過部材４００を介して一体で構成される。まず、第２液体レンズ３０６は、略円筒形の筐体４０１を有し、該筐体４０１の内部に、第１液体４０２及び第２液体４０３の２種類の液体を光軸方向に２層配置する。この２種類の液体としては、水や油等のそれぞれ異なる屈折率を有する物質を採用する。以下、第１液体４０２と第２液体４０３とで形成される界面を第１界面４０４と表記する。なお、第３液体レンズ３０７も、第２液体レンズ３０８と同様の形態で液体が配置される。この第３液体レンズ３０７における、第１液体４０５と第２液体４０６とで形成される界面を第２界面４０７と表記する。そして、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７は、それぞれ第１実施形態の液体レンズ１０１と同様の電極４０８、４０９を有し、該電極４０８、４０９は、外部からの電圧供給に基づいて、第１界面４０４及び第２界面４０７をそれぞれ独立に制御する。なお、この場合、筐体４０１は、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７で共通としてもよいし、図５に示すように、それぞれ径の異なる独自のものとしてもよい。また、この電極４０８、４０９の構成、及びカバーガラス４１０、４１１の構成は、第１実施形態の第１液体レンズ１０１と同様である。このような第２及び第３液体レンズ３０６、３０７によれば、２つの液体レンズを組み合わせることで、第１実施形態の液体レンズ１０１と同等の作用が得られる。更に、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７は、光透過部材４００を介して組み合わされるので、第２液体レンズ３０６の第２液体４０３と、第３液体レンズ３０７の第１液体４０５とが直接触れることがないため、液体レンズに採用する液体の選択自由度が増す。
【００２９】
次に、本実施形態のズームレンズ３００における各種条件について説明する。まず、第１液体レンズ３０１は、第１実施形態と同様に、絞り３０３の光入射側で、かつ、ズームレンズ３００において、物体側に配置されている。これにより、第１液体レンズ３０１よりも像面側に配置される各光学素子によるズームレンズの倍率を大きくし、第１液体レンズ３０１の屈折力変化量に対するズームレンズ３００の焦点距離の変動量を大きくすることができる。
【００３０】
また、ズームレンズ３００では、第１実施形態と同様に、式（１）が成り立つように各構成要素を設置する。この場合、本実施形態では、式（１）における距離Ｔａは、第１液体レンズ３０１の第１面３０９から結像面３１０までの距離であり、一方、距離Ｔｂは、第１液体レンズ３０１の第２界面３１１から絞り３０３までの距離である。これにより、第１液体レンズ３０１は、絞り３０３に近い位置に配置されることとなり、第１液体レンズ３０１の小型化が実現できる。
【００３１】
また、第１液体レンズ３０１の像面側には、共にメニスカスレンズを採用した第１及び第２固定レンズ３０２、３０４を、絞り３０３を挟んで配置している。第１固定レンズ３０２は、レンズの像側に凹面を向けており、第２固定レンズ３０４は、レンズの物体側に凹面を向けている。これにより、最も物体側の第１液体レンズ３０１だけでは補正しきれない収差補正を行うことができる。
【００３２】
更に、第１液体レンズ３０１の広角端の屈折力をφＬ３Ｗとし、望遠端の屈折力をφＬ３Ｔとし、一方、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７を組み合わせた液体レンズの広角端の屈折力をφＬ４Ｗとし、望遠端の屈折力をφＬ４Ｔとする。この場合、本実施形態においても、第１実施形態に示す式（２）、（３）、及び（４）に対応した式（６）、（７）、及び（８）が成り立つものとする。
φＬ３Ｗ／φＬ３Ｔ＜０ ・・・（６）
φＬ４Ｗ／φＬ４Ｔ＜０ ・・・（７）
φＬ３Ｗ／φＬ４Ｗ＜０ ・・・（８）
これにより、第１実施形態と同様に、広角側における屈折力変動によるペッツバール和の変動を小さくし、かつ、ズーム比を大きく取ることができる。即ち、広角端から望遠端へのズーミングに際して、第１液体レンズ３０１は、負の屈折力から正の屈折力へ変化して、第２及び第３液体レンズ３０６、３０７を組み合わせた液体レンズは、正の屈折力から負の屈折力へ変化するのが良い。
【００３３】
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４）は、図７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、上記式（５）に適用する各係数を（表５）に示す。また、（表４）において、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２、及びＰｏｓｉｔｉｏｎ３）に対応した値を（表６）に示す。これらの（表４）〜（表６）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、この場合の条件式は、Ｔｂ／Ｔａ＝０．１９７であり、上記式（１）の条件を満たす。なお、参考として、図８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）を示す。この図８は、第１実施形態に係る図４に対応している。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を奏する。
【００３４】
【表４】
【００３５】
【表５】
【００３６】
【表６】
【００３７】
（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、第１実施形態に係るズームレンズ１００において液体レンズを３個設置し、液体レンズの設置個数の増加に伴い各光学素子の配置を変更している。図９は、本実施形態に係るズームレンズの構成を示す概略断面図である。このズームレンズ５００は、物体側から順に、第１固定レンズ５０１と、第１液体レンズ５０２と、第２固定レンズ５０３と、絞り５０４と、第２液体レンズ５０５と、第３固定レンズ５０６と、第３液体レンズ５０７と、第４固定レンズ５０８とを備える。図９において、特に、図９（ａ）は、広角端におけるズームレンズ５００のレンズ断面図を示す。図９（ｂ）は、中間のズーム位置（Ｍｉｄｄｌｅ）におけるズームレンズ５００のレンズ断面図を示す。また、図９（ｃ）は、望遠端（Ｔｅｌｅ）におけるズームレンズ５００のレンズ断面図を示す。ここで、第１〜３液体レンズ５０２、５０５、５０７の構成は、第１実施形態の第１液体レンズ１０１の構成と略同一であるため説明を省略する。
【００３８】
次に、本実施形態のズームレンズ５００における各種条件について説明する。まず、本実施形態では、第１実施形態とは異なり、第１液体レンズ５０２は、ズームレンズ５００の最も物体側ではなく、凹レンズである第１固定レンズ５０１を１枚設置し、その後部に配置する。これにより、第１液体レンズ５０２への外界の影響を低減させることができ、また、ズーム倍率の拡大を図ることができる。なお、ズームレンズ５００においても、第１実施形態と同様に、式（１）が成り立つように各構成要素を設置することが望ましい。本実施形態では、式（１）における距離Ｔａは、第１固定レンズ５０１の第１面５０９から結像面５１０までの距離であり、一方、距離Ｔｂは、第１液体レンズ５０２の第２界面５１１から絞り５０４までの距離である。
【００３９】
また、第１液体レンズ５０２と第３液体レンズ５０７とは、それぞれ第１実施形態に係る第１液体レンズ１０１と第２液体レンズ１０５とに対応し、同じ働きを持つ。これに対して、本実施形態では、新たに第２液体レンズ５０５を、第２固定レンズ５０３と第３固定レンズ５０６との間に配置している。絞り５０４は、第２液体レンズ５０５の直前（物体側）に配置されている。第２液体レンズ５０５は、ズーム範囲内の全てで正の屈折力を有する。これにより、第３液体レンズ５０７へ入射する光束の高さを低減させて、第３液体レンズ５０７も大きさを小さくすることができる。また、広角端から望遠端まで正の屈折力が強くなるので、第１及び第２液体レンズ５０２、５０７だけでは補正しきれないペッツバール和の変動を更に抑えることができる。
【００４０】
次に、ズームレンズ５００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７）は、図１０に示すズームレンズ５００の各構成要素の面に付した各面番号１１０１〜１１２７における各種数値を示す表である。また、上記式（５）に適用する各係数を（表８）に示す。また、（表７）において、各ズーム位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２、及びＰｏｓｉｔｉｏｎ３）に対応した値を（表９）に示す。これらの（表７）〜（表９）も、それぞれ上記（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、３．０〜５．６である。特に、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ１では、ｆ＝５．７８、ＦＮｏ．は、３．０であり、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ２では、ｆ＝９．０８、ＦＮｏ．は、４．０であり、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ３では、ｆ＝１７．３３、ＦＮｏ．は、５．６である。なお、参考として、図１１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）を示す。この図１１も、第１実施形態に係る図４及び第２実施形態に係る図８に対応している。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を奏する。
【００４１】
【表７】
【００４２】
【表８】
【００４３】
【表９】
【００４４】
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。
【００４５】
例えば、本実施形態では、ズームレンズに２個及び３個の液体レンズを採用するものとして説明したが、本発明は、更に複数（即ち、２個以上）の液体レンズを採用した場合でも適用可能である。また、この液体レンズの界面の形状を変化させる手段は、上記エレクトロウェッティング方式に限定されない。例えば、界面に光学的に透明な薄膜を設置し、その薄膜の端部を液体レンズ内で機械的に移動させることで界面形状を変化させる手段もある。図１２は、液体の界面として透明な弾性膜を配置した液体レンズの構成を示す概略図である。図１２に示すように、液体レンズ６００は、略円筒形の筐体６０１を有し、該筐体６０１の内部に第１液体６０２及び第２液体６０３の２種類の液体を光軸方向に２層配置し、更に各液体６０２、６０３で形成される界面に透明な弾性膜６０４を配置する。液体レンズ６００は、図１２に示すように、弾性膜６０４をその端部に設置された薄膜移動手段６０５で移動させることにより、各液体６０２、６０３の体積を一定としつつ、弾性膜６０４により形成される界面の形状を変化させる。なお、カバーガラス６０６、６０７の構成は、第１実施形態の第１液体レンズ１０１と同様である。この液体レンズ６００は、エレクトロウェッティング方式の液体レンズに比べて構造が複雑となるが、エレクトロウェッティング方式の場合の混ざり合わない液体材料を選択しなくてもよいので、液体の選択自由度が大きく増える。
【００４６】
また、本発明のズームレンズに採用する液体レンズの各電極の形状（構造）も、特に限定しない。例えば、図１に示すように、第１実施形態の第１液体レンズ１０１は、電極部分を段構造としている。これは、後部の電極２０７の外径を前部の電極２０６の外径よりも小さくすることで、第２界面２０５の曲率半径をより好適に変化させるためである。したがって、所望のズームレンズの特性により、各電極２０６、２０７の形状を、単に円筒形やテーパー角度を有するような外径としても構わない。更に、第１実施形態に係る各液体レンズ１０１、１０５では、共に３種類の液体を用いた３層構造を有するが、例えば、２種類の液体を用いて１つの界面で屈折力を変化させるものや、４種類以上の更に複数の液体を用いるものであっても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１００ ズームレンズ
１０１ 第１屈折力可変素子
１０３ 絞り
１０７ 第１面
１０８ 結像面
１０９ 可変面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折力可変素子と、絞りとを有するズームレンズであって、
前記屈折力可変素子は、前記絞りの光入射側に配置されており、
前記ズームレンズの第１面から結像面までの距離をＴａとし、前記屈折力可変素子の前記絞りに最も近い屈折力可変面から前記絞りまでの距離をＴｂとするとき、
Ｔｂ／Ｔａ＜０．２２
の条件を満たすことを特徴とするズームレンズ。
【請求項２】
前記屈折力可変素子と前記絞りの間に、第１レンズが配置されており、
前記第１レンズは、前記結像面に凹面を向けたメニスカスレンズであ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】
前記ズームレンズは、前記絞りの光出射側に第２の屈折力可変素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のズームレンズ。
【請求項４】
広角端から望遠端へのズーミングに際して、前記絞りの光入射側に配置された屈折力可変素子は、負の屈折力から正の屈折力へ変化し、前記絞りの光出射側に配置された屈折力可変素子は、正の屈折力から負の屈折力へ変化することを特徴とする請求項３に記載のズームレンズ。
【請求項５】
前記絞りと、該絞りの光出射側に配置された屈折力可変素子の間に、正の屈折力の第２レンズを有することを特徴とする請求項３又は４に記載のズームレンズ。
【請求項１】
屈折力可変素子と、絞りとを有するズームレンズであって、
前記屈折力可変素子は、前記絞りの光入射側に配置されており、
前記ズームレンズの第１面から結像面までの距離をＴａとし、前記屈折力可変素子の前記絞りに最も近い屈折力可変面から前記絞りまでの距離をＴｂとするとき、
Ｔｂ／Ｔａ＜０．２２
の条件を満たすことを特徴とするズームレンズ。
【請求項２】
前記屈折力可変素子と前記絞りの間に、第１レンズが配置されており、
前記第１レンズは、前記結像面に凹面を向けたメニスカスレンズであ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】
前記ズームレンズは、前記絞りの光出射側に第２の屈折力可変素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のズームレンズ。
【請求項４】
広角端から望遠端へのズーミングに際して、前記絞りの光入射側に配置された屈折力可変素子は、負の屈折力から正の屈折力へ変化し、前記絞りの光出射側に配置された屈折力可変素子は、正の屈折力から負の屈折力へ変化することを特徴とする請求項３に記載のズームレンズ。
【請求項５】
前記絞りと、該絞りの光出射側に配置された屈折力可変素子の間に、正の屈折力の第２レンズを有することを特徴とする請求項３又は４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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２２２６３（Ｐ２０１２−２２２６３Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６２０４３（Ｐ２０１０−１６２０４３）
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【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２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]