変倍アフォーカル光学系
【課題】可変焦点距離素子を用い、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルであり、収差を良好に補正し、高い光学性能を有する変倍アフォーカル光学系を提供すること。
【解決手段】第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖを有する第１レンズ群Ｇ１と第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖを有する第２レンズ群Ｇ２から構成され、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、第１レンズ群Ｇ１の屈折力と第２レンズ群Ｇ２の屈折力の少なくとも一方を変化させることによって行い、低倍率端状態もしくは高倍率端状態において、第１レンズ群Ｇ１の屈折力と第２レンズ群Ｇ２の屈折力は一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負である変倍アフォーカル光学系。
【解決手段】第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖを有する第１レンズ群Ｇ１と第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖを有する第２レンズ群Ｇ２から構成され、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、第１レンズ群Ｇ１の屈折力と第２レンズ群Ｇ２の屈折力の少なくとも一方を変化させることによって行い、低倍率端状態もしくは高倍率端状態において、第１レンズ群Ｇ１の屈折力と第２レンズ群Ｇ２の屈折力は一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負である変倍アフォーカル光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点距離素子を有する変倍アフォーカル光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可変焦点距離素子を用いた光学系が数多く提案され、その中で、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルである光学系もいくつか提案されてきた。例えば、可変焦点距離素子にシリコンゴムを材料にした弾性体レンズを用い、簡便な可動機構のみで変倍を可能にした変倍光学系が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６１−８７１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の変倍光学系では、収差補正に関して何ら開示されておらず、光学性能が高いとは言えなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明においては、第１可変焦点距離素子を有する第１レンズ群と、第２可変焦点距離素子を有する第２レンズ群から構成され、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力の少なくとも一方を変化させることによって行い、低倍率端状態もしくは高倍率端状態において、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力は、一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負であり、前記第１可変焦点距離素子は、第１液体材料と、該第１液体材料と屈折率が異なり混合しない第２液体材料とを容器内に封入し、前記第１液体材料及び前記第２液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第１液体材料と前記第２液体材料との第１境界面形状を変化させて屈折力を変え、前記第２可変焦点距離素子は、第３液体材料と、該第３液体材料と屈折率が異なり混合しない第４液体材料とを容器内に封入し、前記第３液体材料及び前記第４液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第３液体材料と前記第４液体材料との第２境界面形状を変化させて屈折力を変え、前記第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、前記第２液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ２、前記第３液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ３、前記第４液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ４、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群から構成される光学系の光軸と前記光学系の最大画角に対応する射出光線とのなす角の正接をｔａｎθ、前記光学系の低倍率端状態における前記第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｌ、前記光学系の低倍率端状態における前記第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｌ、前記光学系の高倍率端状態における前記第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｈ、前記光学系の高倍率端状態における前記第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｈとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする変倍アフォーカル光学系を提供する。
0.00005＜(tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＜10
（単位：１／ｍ）
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、可変焦点距離素子を用い、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルであり、収差を良好に補正し、高い光学性能を有する変倍アフォーカル光学系を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の一実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系に関し説明する。
【０００７】
一般的に知られている通り、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルな光学系を構成するためには、少なくとも２つのレンズ群が必要である。２つのレンズ群で構成された光学系について、物体側のレンズ群を対物レンズ群Ｏとしその焦点距離をｆｏ[ｍｍ]、瞳側のレンズ群を接眼レンズ群Ｅとしその焦点距離をｆｅ[ｍｍ]とすると、ほぼアフォーカルなレンズ群を構成するためには、対物レンズ群Ｏと接眼レンズ群Ｅの主点間隔をｄ[ｍｍ]としたとき、以下の条件式（Ａ）をほぼ満たす必要がある。
（Ａ） ｄ＝ｆｏ＋ｆｅ
また、このアフォーカル光学系における倍率ｍは、以下の式（Ｂ）で与えられる。
（Ｂ） ｍ＝−ｆｏ／ｆｅ
ここで、式（Ｂ）から分かる通り、アフォーカル光学系を変倍させるためには、少なくとも対物レンズ群Ｏの焦点距離ｆｏか接眼レンズ群Ｅの焦点距離ｆｅのいずれかを変化させることが必要である。
【０００８】
そこで実施の形態においては、第１可変焦点距離素子を有する第１レンズ群と、第２可変焦点距離素子を有する第２レンズ群から構成し、第１レンズ群の屈折力（焦点距離の逆数）と第２レンズ群の屈折力（焦点距離の逆数）の少なくとも一方を変化させることによって低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を行って、変倍アフォーカル光学系を実現している。
【０００９】
また、正立のアフォーカル光学系というのは、倍率ｍを正の値にするという事であり、したがって式（Ｂ）より、対物レンズ群Ｏの焦点距離ｆｏと接眼レンズ群Ｅの焦点距離ｆｅの符号を互いに逆にする必要がある。
【００１０】
そこで実施の形態においては、低倍率端状態もしくは高倍率端状態において、第１レンズ群の屈折力と第２レンズ群の屈折力は、一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負にすることで、正立変倍アフォーカル光学系を実現している。
【００１１】
なお、正立であることを保持するために、第１レンズ群の屈折力と第２レンズ群の屈折力が、一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負にならないのは、正立変倍アフォーカル光学系がほぼ等倍の場合であり、射出光線が完全なアフォーカルから微小にずれた場合に限られることはいうまでもない。
【００１２】
次に、可変焦点距離素子について述べる。
【００１３】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子は、第１液体材料と、第１液体材料と屈折率が異なり混合しない第２液体材料とを容器内に封入し、第１液体材料及び第２液体材料へ加える物理量を変化させることによって、第１液体材料と第２液体材料との第１境界面形状を変化させて屈折力を変える構成とし、第２可変焦点距離素子は、第３液体材料と、第３液体材料と屈折率が異なり混合しない第４液体材料とを容器内に封入し、第３液体材料及び第４液体材料へ加える物理量を変化させることによって、第３液体材料と第４液体材料との第２境界面形状を変化させて屈折力を変える構成としている。
【００１４】
また、実施の形態では、第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、第２液体材料の基準波長における屈折率をｎ２、第３液体材料の基準波長における屈折率をｎ３、第４液体材料の基準波長における屈折率をｎ４、第１レンズ群と第２レンズ群から構成される光学系の光軸と光学系の最大画角に対応する射出光線とのなす角の正接をｔａｎθ、光学系の低倍率端状態における第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｌ、光学系の低倍率端状態における第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｌ、光学系の高倍率端状態における第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｈ、光学系の高倍率端状態における第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｈとするとき、以下の条件式（１）を満たしている。
（１） 0.00005＜(tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＜10
（単位：１／ｍ）
【００１５】
条件式（１）は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に、全視野に亘って収差変動（像面湾曲）視度の変化を抑えて、変倍アフォーカル光学系として高い光学性能を得るための条件式である。
【００１６】
条件式（１）の下限値を下回ると、光学系からの射出角が過剰に小さくなるため、十分な視野範囲を取ることができなくなり、変倍アフォーカル光学系として高い光学性能を得ることができない。あるいは、低倍率端状態と高倍率端状態との間で可変焦点距離素子の屈折力差が過剰に小さくなるため、十分な変倍範囲を確保できなくなって、変倍アフォーカル光学系自体を達成できなくなる。
【００１７】
条件式（１）の上限値を上回ると、低倍率端状態と高倍率端状態との間で可変焦点距離素子の屈折力差が過剰に大きくなり、変倍アフォーカル光学系全体でのペッツバール和の変動が過剰に大きくなってしまう。すると、低倍率端状態と高倍率端状態との間で視野周辺部の像面湾曲による視度変化が過剰に大きくなってしまって、低倍率端状態から高倍率端状態すべてに亘って高い光学性能を得ることができなくなる。
【００１８】
なお、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（１）の下限値を０．００００８にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（１）の下限値を０．０００１にすることが更に好ましい。また、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（１）の上限値を５にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（１）の上限値を１にすることが更に好ましい。
【００１９】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、前記物理量は電圧であることが望ましい。
【００２０】
可変焦点距離素子は様々な手段を用いたものが提案されているが、その中で近年、電子毛管現象あるいはエレクトロウェッティング現象と呼ばれる現象を用いた可変焦点距離素子が提案されている。
【００２１】
第１及び第２可変焦点距離素子にそれぞれ用いる２種類の液体材料には、導電性液体材料と絶縁性液体材料を選択する。導電性液体材料には、塩化ナトリウム等の塩類の水溶液、導電性成分あるいはイオン成分を添加して導電性を付与した液体材料等の有極性液体材料を用いることができる。絶縁性液体材料には、シリコンオイル等の油類、液体炭化水素、液体炭化水素混合物、無極性ハロゲン化物、または導電性液体材料と混合しない絶縁性の液体材料等の無極性液体材料を用いることができる。なお、第１可変焦点距離素子の液体材料と第２可変焦点距離素子の液体材料は、同じ物質であっても、異なっていてもよい。
【００２２】
可変焦点距離素子へ加える物理量を電圧とすることで、エレクトロウェッティング現象を用いた簡便な構成の可変焦点距離素子を実現でき、容易に簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を得ることができる。
【００２３】
なお、第１液体材料と第２液体材料を混合させない手段として、第１液体材料及び第２液体材料の間に薄膜を配置し、第１液体材料及び第２液体材料へ加える物理量として薄膜に加える張力を制御したり、いずれかあるいは両方の液体に加える力や熱を制御したりすることで同様の可変焦点距離素子を実現することも可能である。第３液体材料と第４液体材料についても同様である。
【００２４】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、第１レンズ群の屈折力と第２レンズ群の屈折力を変化させることによって行うことが望ましい。
【００２５】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍時に、一方の可変焦点距離素子の屈折力を変化させると、それにともなって視度変化を生じてしまう。そこで、他方の可変焦点距離素子の屈折力を変化させることで、視度変化の補正が可能となり、高い光学性能を得ることができる。
【００２６】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際、第１レンズ群の屈折力の変化の方向と第２レンズ群の屈折力の変化の方向は、互いに逆であることが望ましい。
【００２７】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍時に、一方の可変焦点距離素子の屈折力を変化させると、それにともなって視度変化を生じてしまう。そこで、他方の可変焦点距離素子の屈折力を変化させて、第１レンズ群の屈折力の変化の方向と第２レンズ群の屈折力の変化の方向を互いに逆にすることで、視度変化の補正が可能となり、高い光学性能を得ることができる。
【００２８】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に第１レンズ群と第２レンズ群の空気間隔は固定であることが望ましい。
【００２９】
この構成とすることで、第１レンズ群、及び第２レンズ群の変倍時の可動機構が不要となり、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を得ることができる。
【００３０】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、以下の条件式（２）、（３）を満たすことが望ましい。
（２） ０．０２０ ＜ ｜ｎ１−ｎ２｜ ＜ ０．６００
（３） ０．０２０ ＜ ｜ｎ３−ｎ４｜ ＜ ０．６００
【００３１】
条件式（２）は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に、変倍アフォーカル光学系の収差変動を抑え高い光学性能を得るための条件式である。
【００３２】
条件式（２）の下限値を下回ると、第１可変焦点距離素子の第１液体材料と第２液体材料との第１境界面における屈折率差が過剰に低くなる。すると、境界面での屈折力が弱まるため、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に第１液体材料と第２液体材料との第１境界面形状の変化が過剰に大きくなって像面湾曲の変動を抑えることが困難となり、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３３】
条件式（２）の上限値を上回ると、第１可変焦点距離素子の第１液体材料と第２液体材料との第１境界面における屈折率差が過剰に高くなる。すると、境界面の面精度誤差の影響を受けやすくなってしまい、境界面の面精度誤差に伴う偏心コマ収差の変動を抑えることが困難となって、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３４】
なお、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（２）の下限値を０．０５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（２）の下限値を０．０８０にすることが更に好ましい。また、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（２）の上限値を０．５５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（２）の上限値を０．５００にすることが更に好ましい。
【００３５】
条件式（３）は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に、変倍アフォーカル光学系の収差変動を抑え高い光学性能を得るための条件式である。
【００３６】
条件式（３）の下限値を下回ると、第２可変焦点距離素子の第３液体材料と第４液体材料との第２境界面における屈折率差が過剰に低くなる。すると、境界面での屈折力が弱まるため、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に第３液体材料と第４液体材料との第２境界面形状の変化が過剰に大きくなって像面湾曲の変動を抑えることが困難となり、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３７】
条件式（３）の上限値を上回ると、第２可変焦点距離素子の第３液体材料と第４液体材料との第２境界面における屈折率差が過剰に高くなる。すると、境界面の面精度誤差の影響を受けやすくなってしまい、境界面の面精度誤差に伴う偏心コマ収差の変動を抑えることが困難となって、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３８】
なお、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（３）の下限値を０．０５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（３）の下限値を０．０８０にすることが更に好ましい。また、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（３）の上限値を０．５５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（３）の上限値を０．５００にすることが更に好ましい。
【００３９】
また、基準波長は本光学系の使用波長の範囲内であることが好ましいことは言うまでもない。
【００４０】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系は、１つ以上の固定焦点距離素子を有することが望ましい。
【００４１】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子あるいは第２可変焦点距離素子のそれぞれの２つの液体の境界面は特定の有限範囲でのみ屈折力可変である。一方、変倍アフォーカル光学系を実現するためには、各レンズ群の最適な屈折力配置が必要となる。すなわち、第１レンズ群の屈折力可変範囲や第２レンズ群の屈折力可変範囲を最適にする必要がある。そこで、変倍アフォーカル光学系が１つ以上の固定焦点距離素子を有する構成とすることで、第１レンズ群の屈折力可変範囲を第１境界面の焦点距離可変範囲からシフトする、あるいは第２レンズ群の屈折力可変範囲を第２境界面の焦点距離可変範囲からシフトすることができ、最適な屈折力配置が可能となって、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００４２】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子と第２可変焦点距離素子のそれぞれの空気に接する面のうち、少なくとも１つは曲面であることが望ましい。
【００４３】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、可変焦点距離素子の２つの液体の境界面は特定の有限範囲でのみ焦点距離可変である。一方、変倍アフォーカル光学系を実現するためには各レンズ群の最適な屈折力配置が必要となる。すなわち、第１レンズ群の焦点距離可変範囲や第２レンズ群の焦点距離可変範囲を最適にする必要がある。そこで、第１可変焦点距離素子と第２可変焦点距離素子のそれぞれの空気に接する面のうち、少なくとも１つを曲面とすることで、第１レンズ群の屈折力可変範囲を第１境界面の焦点距離可変範囲からシフトする、あるいは第２レンズ群の屈折力可変範囲を第２境界面の焦点距離可変範囲からシフトすることができ、最適な屈折力配置が可能となって、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００４４】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料と第２液体材料は、ほぼ同密度であることが望ましい。
【００４５】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料と第２液体材料の密度をほぼ同じにすることで、第１境界面にかかる重力方向の影響や振動による混合を回避することができる。その結果、重力方向の影響や振動による混合が原因で生じる第１境界面形状の歪みに起因する偏心コマ収差の発生を回避できるので、重力や加速度の影響を受けない高い光学性能を確保することができる。
【００４６】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第３液体材料と第４液体材料は、ほぼ同密度であることが望ましい。
【００４７】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第３液体材料と第４液体材料の密度をほぼ同じにすることで、第２境界面にかかる重力方向の影響や振動による混合を回避することができる。その結果、重力方向の影響や振動による混合が原因で生じる第２境界面形状の歪みに起因する偏心コマ収差の発生を回避できるので、重力や加速度の影響を受けない高い光学性能を確保することができる。
【００４８】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料と第２液体材料と第３液体材料と第４液体材料のうち少なくとも１つの液体材料は、不凍材料成分を含むことが望ましい。
【００４９】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、使用温度により第１液体材料、第２液体材料、第３液体材料あるいは第４液体材料が凍結し固化してしまうことがある。すると光学特性が変化するばかりでなく、境界面形状の変更をできなくなり変倍アフォーカル光学系を実現できない。そこで、第１液体材料と第２液体材料と第３液体材料と第４液体材料のうち少なくとも１つの液体材料は、エチレングリコールなどの不凍材料成分を含ませることにより、凍結による固化を防止し、広い温度範囲に亘って変倍アフォーカル光学系を実現できる。なお、不凍材料成分は、第１液体材料と第２液体材料と第３液体材料と第４液体材料のうち凝固点が高い液体、あるいは導電性の液体に含ませることが望ましい。
【００５０】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子は、第１液体材料に接する第１光学窓と、第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、低倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｌ、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｌ、高倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｈ、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｈとするとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。
（４） ＤＬ１Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（５） ＤＬ２Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（６） ＤＬ１Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（７） ＤＬ２Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
【００５１】
条件式（４）は低倍率端状態において、第１可変焦点距離素子の第１境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５２】
条件式（４）の下限値を下回ると、第１境界面は第１光学窓に過剰に近接する。すると第１光学窓と第１境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５３】
条件式（５）は低倍率端状態において、第１可変焦点距離素子の第１境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５４】
条件式（５）の下限値を下回ると、第１境界面は第２光学窓に過剰に近接する。すると第２光学窓と第１境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５５】
条件式（６）は高倍率端状態において、第１可変焦点距離素子の第１境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５６】
条件式（６）の下限値を下回ると、第１境界面は第１光学窓に過剰に近接する。すると第１光学窓と第１境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５７】
条件式（７）は高倍率端状態において、第１可変焦点距離素子の第１境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５８】
条件式（７）の下限値を下回ると、第１境界面は第２光学窓に過剰に近接する。すると第２光学窓と第１境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５９】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第２可変焦点距離素子は、第３液体材料に接する第３光学窓と、第４液体材料に接する第４光学窓とを有し、低倍率端状態において、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ３Ｌ、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ４Ｌ、高倍率端状態において、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ３Ｈ、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ４Ｈとするとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。
（８） ＤＬ３Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（９） ＤＬ４Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（１０）ＤＬ３Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（１１）ＤＬ４Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
【００６０】
条件式（８）は低倍率端状態において、第２可変焦点距離素子の第２境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００６１】
条件式（８）の下限値を下回ると、第２境界面は第３光学窓に過剰に近接する。すると第３光学窓と第２境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００６２】
条件式（９）は低倍率端状態において、第２可変焦点距離素子の第２境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００６３】
条件式（９）の下限値を下回ると、第２境界面は第４光学窓に過剰に近接する。すると第４光学窓と第２境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００６４】
条件式（１０）は高倍率端状態において、第２可変焦点距離素子の第２境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００６５】
条件式（１０）の下限値を下回ると、第２境界面は第３光学窓に過剰に近接する。すると第３光学窓と第２境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００６６】
条件式（１１）は高倍率端状態において、第２可変焦点距離素子の第２境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００６７】
条件式（１１）の下限値を下回ると、第２境界面は第４光学窓に過剰に近接する。すると第４光学窓と第２境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００６８】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子は、第１液体材料に接する第１光学窓と、第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、低倍率端状態から高倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの距離の和が不変であることが望ましい。
【００６９】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、低倍率端状態から高倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの距離の和が不変になる構成とすることで、第１可変焦点距離素子全体の光軸方向の厚みを変化させる必要がなくなり、簡単な構成の可変焦点距離素子を得ることができる。従って、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００７０】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第２可変焦点距離素子は、第３液体材料に接する第３光学窓と、第４液体材料に接する第４光学窓とを有し、低倍率端状態から高倍率端状態において、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの距離と、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの距離の和が不変であることが望ましい。
【００７１】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、低倍率端状態から高倍率端状態において、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの距離と、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの距離の和が不変になる構成とすることで、第２可変焦点距離素子全体の光軸方向の厚みを変化させる必要がなくなり、簡単な構成の可変焦点距離素子を得ることができる。従って、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００７２】
なお、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系は、観察光学系に限られるものではなく、撮影光学系のアフォーカルフロントコンバータやリレー光学系などにも適用できることは言うまでもない。
【００７３】
また、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を微小変化させる、あるいは第１レンズ群または第２レンズ群の屈折力を微小変化させることで、光学系からの射出光線をアフォーカルからずらす所謂視度調整を行うことも可能である。
【００７４】
また、第１レンズ群を対物レンズ群Ｏ、第２レンズ群を接眼レンズ群Ｅとして考えても、第１レンズ群を接眼レンズ群Ｅ、第２レンズ群を対物レンズ群Ｏとして考えても、どちらでも変倍アフォーカル光学系を実現できることは明白である。
【００７５】
〔実施例〕
以下、本発明にかかる変倍アフォーカル光学系の各実施例に関し図面を参照しつつ説明する。
【００７６】
［第１実施例］
図１は、第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図であり、Ｌは低倍率端状態、Ｍは中間倍率状態、Ｈは高倍率端状態をそれぞれ表している。
【００７７】
第１レンズ群Ｇ１は第２レンズ群Ｇ２より物体側に配置され、第１レンズ群Ｇ１が対物レンズ群、第２レンズ群Ｇ２が接眼レンズ群の役割を持っている。
【００７８】
第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１Ｓと第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖとで構成されている。第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、第１液体材料ＬＱ１と、第１液体材料ＬＱ１と屈折率が異なり混合しない第２液体材料ＬＱ２とを容器内に封入し、第１液体材料ＬＱ１及び第２液体材料ＬＱ２へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２との第１境界面ＬＢ１形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第１レンズ群Ｇ１全体の屈折力を負の範囲で変化させることができる。
【００７９】
第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、物体側から順に、容器の一部である平行平板ガラスＬ１１（第１光学窓）と、第１液体材料ＬＱ１からなるレンズ部Ｌ１２と、第２液体材料ＬＱ２からなるレンズ部Ｌ１３と、容器の一部である平凹レンズＬ１４（第２光学窓）とで構成されている。平凹レンズＬ１４は瞳ＥＰ側の面が凹面形状になっている。即ち空気に接する面が曲面となっている。第１液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液と不凍液であるエチレングリコールの混合液、第２液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、また同じ密度で構成されている。
【００８０】
第２レンズ群Ｇ２は、両凸形状のレンズＬ２Ｓと第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖとで構成されている。第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖは、第３液体材料ＬＱ３と、第３液体材料ＬＱ３と屈折率が異なり混合しない第４液体材料ＬＱ４とを容器内に封入し、第３液体材料ＬＱ３及び第４液体材料ＬＱ４へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第３液体材料ＬＱ３と第４液体材料ＬＱ４との第２境界面ＬＢ２形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第２レンズ群Ｇ２全体の屈折力を正の範囲で変化させることができる。
【００８１】
第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖは、物体側から順に、容器の一部である平行平板ガラスＬ２１（第３光学窓）と、第３液体材料ＬＱ３からなるレンズ部Ｌ２２と、第４液体材料ＬＱ４からなるレンズ部Ｌ２３と、容器の一部である平行平板ガラスＬ２４（第４光学窓）とで構成されている。第３液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液と不凍液であるエチレングリコールの混合液、第４液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、また同じ密度で構成されている。なお、第１液体材料ＬＱ１と第３液体材料ＬＱ３は塩化ナトリウム濃度と、エチレングリコール混合比が異なる。第２液体材料ＬＱ２と第４液体材料ＬＱ４は、シリコンオイルであるが物質が異なる。
【００８２】
低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈへの変倍に際し、第１レンズ群Ｇ１中の第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力を負から正に向かう方向に変化させ、かつ第２レンズ群Ｇ２中の第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖの屈折力を正から負に向かう方向に変化させる。即ち、第１レンズ群Ｇ１中の第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力と、第２レンズ群Ｇ２中の第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖの屈折力とを、互いに逆方向に変化させることで、視度の変化を抑え、高い光学性能を確保している。また、変倍時、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の空気間隔は固定であり、簡便な構成で変倍アフォーカル光学系を実現している。
【００８３】
以下の表１に第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸元の値を掲げる。表中のｍは光学系全体の倍率（単位：無次元）、ωは最大半画角（単位：度）、θは最大光線射出半角（単位：度）である。なお、表中のθの対応値は、主光線すなわち射出瞳の中心を通過する光線についての値である。レンズデータにおけるｎｄは基準波長であるｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）における屈折率であり、空気の屈折率ｎｄ＝１．００００００は記載を省略している。ここで、光学系は可視光線において使用することを想定しているので、基準波長が使用波長の範囲に入っている事は明らかである。レンズデータ及び可変データにおけるＲＬＱ１は、第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２との第１境界面ＬＢ１の曲率半径を表し、ＲＬＱ２は、第３液体材料ＬＱ３と第４液体材料ＬＱ４との第２境界面ＬＢ２の曲率半径を表す。後述する第２実施例の表２においても同様の符号を使用し、説明は省略する。
【００８４】
表１から分かる通り、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの距離の和が不変になっている。また、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの距離と、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの距離の和が不変になっている。
【００８５】
なお、第１実施例において、曲率半径及び面間隔等の単位には「ｍｍ」を用いるが、光学系は比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、「ｍｍ」に限定されること無く他の適当な単位を用いることもできる。後述する第２実施例においても同様とする。
【００８６】
（表１）
［全体諸元］
レンズ状態 低倍率端状態 中間倍率状態 高倍率端状態
ｍ ０．３２ ０．４２ ０．６３
ω ３９．８ ２８．７ １８．７
θ １２．０ １２．０ １２．０
［レンズデータ］
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ
1) 250.000 1.000 1.491080
2) 12.000 4.000 (非球面)
3) ∞ 1.000 1.516800
4) ∞ DL1 1.378000 (第１液体材料LQ1)
5) RLQ1 DL2 1.821000 (第２液体材料LQ2)
6) ∞ 1.000 1.516800
7) 25.000 D1
8) 47.000 3.000 1.491080
9) -47.000 1.000
10) ∞ 1.000 1.516800
11) ∞ DL3 1.372000 (第３液体材料LQ3)
12) RLQ2 DL4 1.707000 (第４液体材料LQ4)
13) ∞ 1.000 1.516800
14) ∞ 15.000
15> ∞ (射出瞳EP)
第２面は非球面であり、以下の式で表される。
ｘ ＝ ｃｙ２／｛１＋（１−κｃ２ｙ２）１／２｝
ｙは光軸からの高さ、ｘはサグ量、ｃは基準曲率で曲率半径の逆数、κは円錐定数である。定数を以下に示す。
κ ＝ 0.800
［可変データ］
レンズ状態 低倍率端状態 中間倍率状態 高倍率端状態
RLQ1 -15.100 ∞ 14.000
RLQ2 25.000 46.300 -72.000
DL1 2.500 1.500 0.400
DL2 0.500 1.500 2.600
DL3 0.600 0.800 1.100
DL4 1.400 1.200 0.900
D1 15.000 15.000 15.000
［条件式対応値］
（１） (tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＝0.00078
（２） ｜ｎ１−ｎ２｜ ＝ ０．４４３
（３） ｜ｎ３−ｎ４｜ ＝ ０．３３５
（４） ＤＬ１Ｌ ＝ ２．５００
（５） ＤＬ２Ｌ ＝ ０．５００
（６） ＤＬ１Ｈ ＝ ０．４００
（７） ＤＬ２Ｈ ＝ ２．６００
（８） ＤＬ３Ｌ ＝ ０．６００
（９） ＤＬ４Ｌ ＝ １．４００
（１０）ＤＬ３Ｈ ＝ １．１００
（１１）ＤＬ４Ｈ ＝ ０．９００
【００８７】
図２は、第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の基準波長ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する諸収差図を示し、（ａ）は低倍率端状態Ｌ、（ｂ）は中間倍率状態Ｍ、（ｃ）は高倍率端状態Ｈにおける諸収差図をそれぞれ示している。
【００８８】
球面収差図の単位はｍ−１（ディオプターＤ）であり、ｈは入射高を示す。なお、入射高ｈとは、最も物体側のレンズ面をランド光が通過する高さであり、ランド光とは、画角ゼロの光線のうち最も光軸から離れた光線のことである。非点収差図中の実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面（単位：ｍ−１；ディオプターＤ）を示す。Ａは光線入射角（単位：度）を示す。コマ収差図の縦軸は各入射角でのコマ収差（単位：分）を表す。なお、以下の第２実施例の諸収差図においても同様の符号を使用し、説明は省略する。
【００８９】
図２によれば、収差が良好に補正され、かつ低倍率端状態Ｌと高倍率端状態Ｈとの間の収差変動も抑えられ、高い光学性能を有していることは明らかである。
【００９０】
［第２実施例］
図３は、第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図であり、Ｌは低倍率端状態、Ｍは中間倍率状態、Ｈは高倍率端状態をそれぞれ表している。
【００９１】
第１レンズ群Ｇ１は第２レンズ群Ｇ２より物体側に配置され、第１レンズ群Ｇ１が対物レンズ群、第２レンズ群Ｇ２が接眼レンズ群の役割を持っている。
【００９２】
第１レンズ群Ｇ１は、物体側に強い屈折面を持つ両凸形状のレンズＬ１Ｓと第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖとで構成されている。第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、第１液体材料ＬＱ１と、第１液体材料ＬＱ１と屈折率が異なり混合しない第２液体材料ＬＱ２とを容器内に封入し、第１液体材料ＬＱ１及び第２液体材料ＬＱ２へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２との第１境界面ＬＢ１形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第１レンズ群Ｇ１全体の屈折力を変化させることができる。
【００９３】
第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、物体側から順に、容器の一部である平行平板ガラスＬ１１（第１光学窓）と、第１液体材料ＬＱ１からなるレンズ部Ｌ１２と、第２液体材料ＬＱ２からなるレンズ部Ｌ１３と、容器の一部である平行平板ガラスＬ１４（第２光学窓）とで構成されている。第１液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液と不凍液であるエチレングリコールの混合液、第２液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、また同じ密度で構成されている。
【００９４】
第２レンズ群Ｇ２は、第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖで構成されている。第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖは、第３液体材料ＬＱ３と、第３液体材料ＬＱ３と屈折率が異なり混合しない第４液体材料ＬＱ４とを容器内に封入し、第３液体材料ＬＱ３及び第４液体材料ＬＱ４へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第３液体材料ＬＱ３と第４液体材料ＬＱ４との第２境界面ＬＢ２形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第２レンズ群Ｇ２全体の屈折力を変化させることができる。
【００９５】
第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖは、物体側から順に、容器の一部であり物体側に凹面を向けている平凹レンズＬ２１（第３光学窓）と、第３液体材料ＬＱ３からなるレンズ部Ｌ２２と、第４液体材料ＬＱ４からなるレンズ部Ｌ２３と、容器の一部である平行平板ガラスＬ２４（第４光学窓）とで構成されており、物体側の空気に接する面が曲面となっている。第３液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液と不凍液であるエチレングリコールの混合液、第４液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、また同じ密度で構成されている。なお、第１液体材料ＬＱ１と第３液体材料ＬＱ３は塩化ナトリウム濃度が異なる。第２液体材料ＬＱ２と第４液体材料ＬＱ４は、シリコンオイルであるが物質が異なる。
【００９６】
低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈへの変倍に際し、第１レンズ群Ｇ１中の第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力を負から正に向かう方向に変化させ、かつ第２レンズ群Ｇ２中の第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖの屈折力を正から負に向かう方向に変化させる。即ち、第１レンズ群Ｇ１中の第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力と、第２レンズ群Ｇ２中の第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖの屈折力とを、互いに逆方向に変化させることで、視度の変化を抑え、高い光学性能を確保している。また、変倍時、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の空気間隔は固定であり、簡便な構成で変倍アフォーカル光学系を実現している。
【００９７】
以下の表２に第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸元の値を掲げる。
表２から分かる通り、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの距離の和が不変になっている。また、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの距離と、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの距離の和が不変になっている。
【００９８】
（表２）
［全体諸元］
レンズ状態 低倍率端状態 中間倍率状態 高倍率端状態
ｍ ０．９４ １．４６ １．９６
ω １２．１ ７．５ ５．５
θ １１．０ １１．０ １１．０
［レンズデータ］
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ
1) 185.000 4.500 1.516800
2) -500.000 2.000
3) ∞ 1.000 1.516800
4) ∞ DL1 1.386000 (第１液体材料LQ1)
5) RLQ1 DL2 1.794000 (第２液体材料LQ2)
6) ∞ 1.000 1.516800
7) ∞ D1
8) -63.000 1.500 1.516800
9) ∞ DL3 1.405000 (第３液体材料LQ3)
10) RLQ2 DL4 1.670000 (第４液体材料LQ4)
11) ∞ 1.000 1.516800
12) ∞ 15.000
13> ∞ (射出瞳EP)
［可変データ］
レンズ状態 低倍率端状態 中間倍率状態 高倍率端状態
RLQ1 -75.000 222.000 80.500
RLQ2 28.000 ∞ -30.000
DL1 3.000 1.800 1.000
DL2 1.000 2.200 3.000
DL3 0.800 1.000 1.200
DL4 1.200 1.000 0.800
D1 50.000 50.000 50.000
［条件式対応値］
（１） (tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＝0.00014
（２） ｜ｎ１−ｎ２｜ ＝ ０．４０８
（３） ｜ｎ３−ｎ４｜ ＝ ０．２６５
（４） ＤＬ１Ｌ ＝ ３．０００
（５） ＤＬ２Ｌ ＝ １．０００
（６） ＤＬ１Ｈ ＝ １．０００
（７） ＤＬ２Ｈ ＝ ３．０００
（８） ＤＬ３Ｌ ＝ ０．８００
（９） ＤＬ４Ｌ ＝ １．２００
（１０）ＤＬ３Ｈ ＝ １．２００
（１１）ＤＬ４Ｈ ＝ ０．８００
【００９９】
図４は、第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の基準波長ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する諸収差図を示し、（ａ）は低倍率端状態Ｌ、（ｂ）は中間倍率状態Ｍ、（ｃ）は高倍率端状態Ｈにおける諸収差図をそれぞれ示している。
【０１００】
図４によれば、収差が良好に補正され、かつ低倍率端状態Ｌと高倍率端状態Ｈとの間の収差変動も抑えられ、高い光学性能を有していることは明らかである。
【０１０１】
以上述べたように、本実施の形態によれば、可変焦点距離素子を用い、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルであり、収差を良好に補正し、カメラ用ファインダやカメラ用コンバータレンズ、望遠鏡などに用いることができ、高い光学性能を有する変倍アフォーカル光学系を提供することができる。
【０１０２】
なお、各実施例の変倍アフォーカル光学系では、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との空気間隔Ｄ１を微小変化させる、あるいは第１レンズ群Ｇ１または第２レンズ群Ｇ２の屈折率を微小変化させることで、光学系からの射出光線をアフォーカルから僅かにずらす所謂視度調整を行うことも可能である。
【０１０３】
また、各実施例として、２群構成のレンズ系を示したが、該２群を含む３群及びそれ以上の群構成の光学系も同等の効果を有するレンズ系であることは言うまでもない。また、各レンズ群内の構成においても、実施例の構成にレンズを付加しただけのレンズ群は同等の効果を有するレンズ群であることは言うまでもない。また、上述の実施の形態及び実施例は例に過ぎず、上述の構成や形状、液体材料に限定されるものではなく、また変倍範囲の拡大や縮小、移動など、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図。
【図２】第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸収差図であり、（ａ）は低倍率端状態、（ｂ）は中間倍率状態、（ｃ）は高倍率端状態における諸収差図をそれぞれ示している。
【図３】第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図。
【図４】第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸収差図であり、（ａ）は低倍率端状態、（ｂ）は中間倍率状態、（ｃ）は高倍率端状態における諸収差図をそれぞれ示している。
【符号の説明】
【０１０５】
Ｌ ・・・ 低倍率端状態
Ｍ ・・・ 中間倍率状態
Ｈ ・・・ 高倍率端状態
Ｇ１ ・・・ 第１レンズ群
Ｇ２ ・・・ 第２レンズ群
Ｌ１Ｖ ・・・ 第１可変焦点距離素子
Ｌ２Ｖ ・・・ 第２可変焦点距離素子
ＬＱ１ ・・・ 第１可変焦点距離素子中の第１液体材料
ＬＱ２ ・・・ 第１可変焦点距離素子中の第２液体材料
ＬＱ３ ・・・ 第２可変焦点距離素子中の第３液体材料
ＬＱ４ ・・・ 第２可変焦点距離素子中の第４液体材料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点距離素子を有する変倍アフォーカル光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可変焦点距離素子を用いた光学系が数多く提案され、その中で、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルである光学系もいくつか提案されてきた。例えば、可変焦点距離素子にシリコンゴムを材料にした弾性体レンズを用い、簡便な可動機構のみで変倍を可能にした変倍光学系が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６１−８７１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の変倍光学系では、収差補正に関して何ら開示されておらず、光学性能が高いとは言えなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明においては、第１可変焦点距離素子を有する第１レンズ群と、第２可変焦点距離素子を有する第２レンズ群から構成され、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力の少なくとも一方を変化させることによって行い、低倍率端状態もしくは高倍率端状態において、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力は、一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負であり、前記第１可変焦点距離素子は、第１液体材料と、該第１液体材料と屈折率が異なり混合しない第２液体材料とを容器内に封入し、前記第１液体材料及び前記第２液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第１液体材料と前記第２液体材料との第１境界面形状を変化させて屈折力を変え、前記第２可変焦点距離素子は、第３液体材料と、該第３液体材料と屈折率が異なり混合しない第４液体材料とを容器内に封入し、前記第３液体材料及び前記第４液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第３液体材料と前記第４液体材料との第２境界面形状を変化させて屈折力を変え、前記第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、前記第２液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ２、前記第３液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ３、前記第４液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ４、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群から構成される光学系の光軸と前記光学系の最大画角に対応する射出光線とのなす角の正接をｔａｎθ、前記光学系の低倍率端状態における前記第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｌ、前記光学系の低倍率端状態における前記第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｌ、前記光学系の高倍率端状態における前記第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｈ、前記光学系の高倍率端状態における前記第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｈとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする変倍アフォーカル光学系を提供する。
0.00005＜(tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＜10
（単位：１／ｍ）
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、可変焦点距離素子を用い、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルであり、収差を良好に補正し、高い光学性能を有する変倍アフォーカル光学系を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の一実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系に関し説明する。
【０００７】
一般的に知られている通り、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルな光学系を構成するためには、少なくとも２つのレンズ群が必要である。２つのレンズ群で構成された光学系について、物体側のレンズ群を対物レンズ群Ｏとしその焦点距離をｆｏ[ｍｍ]、瞳側のレンズ群を接眼レンズ群Ｅとしその焦点距離をｆｅ[ｍｍ]とすると、ほぼアフォーカルなレンズ群を構成するためには、対物レンズ群Ｏと接眼レンズ群Ｅの主点間隔をｄ[ｍｍ]としたとき、以下の条件式（Ａ）をほぼ満たす必要がある。
（Ａ） ｄ＝ｆｏ＋ｆｅ
また、このアフォーカル光学系における倍率ｍは、以下の式（Ｂ）で与えられる。
（Ｂ） ｍ＝−ｆｏ／ｆｅ
ここで、式（Ｂ）から分かる通り、アフォーカル光学系を変倍させるためには、少なくとも対物レンズ群Ｏの焦点距離ｆｏか接眼レンズ群Ｅの焦点距離ｆｅのいずれかを変化させることが必要である。
【０００８】
そこで実施の形態においては、第１可変焦点距離素子を有する第１レンズ群と、第２可変焦点距離素子を有する第２レンズ群から構成し、第１レンズ群の屈折力（焦点距離の逆数）と第２レンズ群の屈折力（焦点距離の逆数）の少なくとも一方を変化させることによって低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を行って、変倍アフォーカル光学系を実現している。
【０００９】
また、正立のアフォーカル光学系というのは、倍率ｍを正の値にするという事であり、したがって式（Ｂ）より、対物レンズ群Ｏの焦点距離ｆｏと接眼レンズ群Ｅの焦点距離ｆｅの符号を互いに逆にする必要がある。
【００１０】
そこで実施の形態においては、低倍率端状態もしくは高倍率端状態において、第１レンズ群の屈折力と第２レンズ群の屈折力は、一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負にすることで、正立変倍アフォーカル光学系を実現している。
【００１１】
なお、正立であることを保持するために、第１レンズ群の屈折力と第２レンズ群の屈折力が、一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負にならないのは、正立変倍アフォーカル光学系がほぼ等倍の場合であり、射出光線が完全なアフォーカルから微小にずれた場合に限られることはいうまでもない。
【００１２】
次に、可変焦点距離素子について述べる。
【００１３】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子は、第１液体材料と、第１液体材料と屈折率が異なり混合しない第２液体材料とを容器内に封入し、第１液体材料及び第２液体材料へ加える物理量を変化させることによって、第１液体材料と第２液体材料との第１境界面形状を変化させて屈折力を変える構成とし、第２可変焦点距離素子は、第３液体材料と、第３液体材料と屈折率が異なり混合しない第４液体材料とを容器内に封入し、第３液体材料及び第４液体材料へ加える物理量を変化させることによって、第３液体材料と第４液体材料との第２境界面形状を変化させて屈折力を変える構成としている。
【００１４】
また、実施の形態では、第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、第２液体材料の基準波長における屈折率をｎ２、第３液体材料の基準波長における屈折率をｎ３、第４液体材料の基準波長における屈折率をｎ４、第１レンズ群と第２レンズ群から構成される光学系の光軸と光学系の最大画角に対応する射出光線とのなす角の正接をｔａｎθ、光学系の低倍率端状態における第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｌ、光学系の低倍率端状態における第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｌ、光学系の高倍率端状態における第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｈ、光学系の高倍率端状態における第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｈとするとき、以下の条件式（１）を満たしている。
（１） 0.00005＜(tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＜10
（単位：１／ｍ）
【００１５】
条件式（１）は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に、全視野に亘って収差変動（像面湾曲）視度の変化を抑えて、変倍アフォーカル光学系として高い光学性能を得るための条件式である。
【００１６】
条件式（１）の下限値を下回ると、光学系からの射出角が過剰に小さくなるため、十分な視野範囲を取ることができなくなり、変倍アフォーカル光学系として高い光学性能を得ることができない。あるいは、低倍率端状態と高倍率端状態との間で可変焦点距離素子の屈折力差が過剰に小さくなるため、十分な変倍範囲を確保できなくなって、変倍アフォーカル光学系自体を達成できなくなる。
【００１７】
条件式（１）の上限値を上回ると、低倍率端状態と高倍率端状態との間で可変焦点距離素子の屈折力差が過剰に大きくなり、変倍アフォーカル光学系全体でのペッツバール和の変動が過剰に大きくなってしまう。すると、低倍率端状態と高倍率端状態との間で視野周辺部の像面湾曲による視度変化が過剰に大きくなってしまって、低倍率端状態から高倍率端状態すべてに亘って高い光学性能を得ることができなくなる。
【００１８】
なお、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（１）の下限値を０．００００８にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（１）の下限値を０．０００１にすることが更に好ましい。また、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（１）の上限値を５にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（１）の上限値を１にすることが更に好ましい。
【００１９】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、前記物理量は電圧であることが望ましい。
【００２０】
可変焦点距離素子は様々な手段を用いたものが提案されているが、その中で近年、電子毛管現象あるいはエレクトロウェッティング現象と呼ばれる現象を用いた可変焦点距離素子が提案されている。
【００２１】
第１及び第２可変焦点距離素子にそれぞれ用いる２種類の液体材料には、導電性液体材料と絶縁性液体材料を選択する。導電性液体材料には、塩化ナトリウム等の塩類の水溶液、導電性成分あるいはイオン成分を添加して導電性を付与した液体材料等の有極性液体材料を用いることができる。絶縁性液体材料には、シリコンオイル等の油類、液体炭化水素、液体炭化水素混合物、無極性ハロゲン化物、または導電性液体材料と混合しない絶縁性の液体材料等の無極性液体材料を用いることができる。なお、第１可変焦点距離素子の液体材料と第２可変焦点距離素子の液体材料は、同じ物質であっても、異なっていてもよい。
【００２２】
可変焦点距離素子へ加える物理量を電圧とすることで、エレクトロウェッティング現象を用いた簡便な構成の可変焦点距離素子を実現でき、容易に簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を得ることができる。
【００２３】
なお、第１液体材料と第２液体材料を混合させない手段として、第１液体材料及び第２液体材料の間に薄膜を配置し、第１液体材料及び第２液体材料へ加える物理量として薄膜に加える張力を制御したり、いずれかあるいは両方の液体に加える力や熱を制御したりすることで同様の可変焦点距離素子を実現することも可能である。第３液体材料と第４液体材料についても同様である。
【００２４】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、第１レンズ群の屈折力と第２レンズ群の屈折力を変化させることによって行うことが望ましい。
【００２５】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍時に、一方の可変焦点距離素子の屈折力を変化させると、それにともなって視度変化を生じてしまう。そこで、他方の可変焦点距離素子の屈折力を変化させることで、視度変化の補正が可能となり、高い光学性能を得ることができる。
【００２６】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際、第１レンズ群の屈折力の変化の方向と第２レンズ群の屈折力の変化の方向は、互いに逆であることが望ましい。
【００２７】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍時に、一方の可変焦点距離素子の屈折力を変化させると、それにともなって視度変化を生じてしまう。そこで、他方の可変焦点距離素子の屈折力を変化させて、第１レンズ群の屈折力の変化の方向と第２レンズ群の屈折力の変化の方向を互いに逆にすることで、視度変化の補正が可能となり、高い光学性能を得ることができる。
【００２８】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に第１レンズ群と第２レンズ群の空気間隔は固定であることが望ましい。
【００２９】
この構成とすることで、第１レンズ群、及び第２レンズ群の変倍時の可動機構が不要となり、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を得ることができる。
【００３０】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、以下の条件式（２）、（３）を満たすことが望ましい。
（２） ０．０２０ ＜ ｜ｎ１−ｎ２｜ ＜ ０．６００
（３） ０．０２０ ＜ ｜ｎ３−ｎ４｜ ＜ ０．６００
【００３１】
条件式（２）は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に、変倍アフォーカル光学系の収差変動を抑え高い光学性能を得るための条件式である。
【００３２】
条件式（２）の下限値を下回ると、第１可変焦点距離素子の第１液体材料と第２液体材料との第１境界面における屈折率差が過剰に低くなる。すると、境界面での屈折力が弱まるため、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に第１液体材料と第２液体材料との第１境界面形状の変化が過剰に大きくなって像面湾曲の変動を抑えることが困難となり、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３３】
条件式（２）の上限値を上回ると、第１可変焦点距離素子の第１液体材料と第２液体材料との第１境界面における屈折率差が過剰に高くなる。すると、境界面の面精度誤差の影響を受けやすくなってしまい、境界面の面精度誤差に伴う偏心コマ収差の変動を抑えることが困難となって、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３４】
なお、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（２）の下限値を０．０５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（２）の下限値を０．０８０にすることが更に好ましい。また、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（２）の上限値を０．５５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（２）の上限値を０．５００にすることが更に好ましい。
【００３５】
条件式（３）は、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に、変倍アフォーカル光学系の収差変動を抑え高い光学性能を得るための条件式である。
【００３６】
条件式（３）の下限値を下回ると、第２可変焦点距離素子の第３液体材料と第４液体材料との第２境界面における屈折率差が過剰に低くなる。すると、境界面での屈折力が弱まるため、低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際に第３液体材料と第４液体材料との第２境界面形状の変化が過剰に大きくなって像面湾曲の変動を抑えることが困難となり、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３７】
条件式（３）の上限値を上回ると、第２可変焦点距離素子の第３液体材料と第４液体材料との第２境界面における屈折率差が過剰に高くなる。すると、境界面の面精度誤差の影響を受けやすくなってしまい、境界面の面精度誤差に伴う偏心コマ収差の変動を抑えることが困難となって、高い光学性能の変倍アフォーカル光学系を得ることができなくなってしまう。
【００３８】
なお、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（３）の下限値を０．０５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（３）の下限値を０．０８０にすることが更に好ましい。また、実施の形態の効果を確実にするために、条件式（３）の上限値を０．５５０にすることが好ましい。また、実施の形態の効果を更に確実にするために、条件式（３）の上限値を０．５００にすることが更に好ましい。
【００３９】
また、基準波長は本光学系の使用波長の範囲内であることが好ましいことは言うまでもない。
【００４０】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系は、１つ以上の固定焦点距離素子を有することが望ましい。
【００４１】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子あるいは第２可変焦点距離素子のそれぞれの２つの液体の境界面は特定の有限範囲でのみ屈折力可変である。一方、変倍アフォーカル光学系を実現するためには、各レンズ群の最適な屈折力配置が必要となる。すなわち、第１レンズ群の屈折力可変範囲や第２レンズ群の屈折力可変範囲を最適にする必要がある。そこで、変倍アフォーカル光学系が１つ以上の固定焦点距離素子を有する構成とすることで、第１レンズ群の屈折力可変範囲を第１境界面の焦点距離可変範囲からシフトする、あるいは第２レンズ群の屈折力可変範囲を第２境界面の焦点距離可変範囲からシフトすることができ、最適な屈折力配置が可能となって、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００４２】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子と第２可変焦点距離素子のそれぞれの空気に接する面のうち、少なくとも１つは曲面であることが望ましい。
【００４３】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、可変焦点距離素子の２つの液体の境界面は特定の有限範囲でのみ焦点距離可変である。一方、変倍アフォーカル光学系を実現するためには各レンズ群の最適な屈折力配置が必要となる。すなわち、第１レンズ群の焦点距離可変範囲や第２レンズ群の焦点距離可変範囲を最適にする必要がある。そこで、第１可変焦点距離素子と第２可変焦点距離素子のそれぞれの空気に接する面のうち、少なくとも１つを曲面とすることで、第１レンズ群の屈折力可変範囲を第１境界面の焦点距離可変範囲からシフトする、あるいは第２レンズ群の屈折力可変範囲を第２境界面の焦点距離可変範囲からシフトすることができ、最適な屈折力配置が可能となって、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００４４】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料と第２液体材料は、ほぼ同密度であることが望ましい。
【００４５】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料と第２液体材料の密度をほぼ同じにすることで、第１境界面にかかる重力方向の影響や振動による混合を回避することができる。その結果、重力方向の影響や振動による混合が原因で生じる第１境界面形状の歪みに起因する偏心コマ収差の発生を回避できるので、重力や加速度の影響を受けない高い光学性能を確保することができる。
【００４６】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第３液体材料と第４液体材料は、ほぼ同密度であることが望ましい。
【００４７】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第３液体材料と第４液体材料の密度をほぼ同じにすることで、第２境界面にかかる重力方向の影響や振動による混合を回避することができる。その結果、重力方向の影響や振動による混合が原因で生じる第２境界面形状の歪みに起因する偏心コマ収差の発生を回避できるので、重力や加速度の影響を受けない高い光学性能を確保することができる。
【００４８】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１液体材料と第２液体材料と第３液体材料と第４液体材料のうち少なくとも１つの液体材料は、不凍材料成分を含むことが望ましい。
【００４９】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、使用温度により第１液体材料、第２液体材料、第３液体材料あるいは第４液体材料が凍結し固化してしまうことがある。すると光学特性が変化するばかりでなく、境界面形状の変更をできなくなり変倍アフォーカル光学系を実現できない。そこで、第１液体材料と第２液体材料と第３液体材料と第４液体材料のうち少なくとも１つの液体材料は、エチレングリコールなどの不凍材料成分を含ませることにより、凍結による固化を防止し、広い温度範囲に亘って変倍アフォーカル光学系を実現できる。なお、不凍材料成分は、第１液体材料と第２液体材料と第３液体材料と第４液体材料のうち凝固点が高い液体、あるいは導電性の液体に含ませることが望ましい。
【００５０】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子は、第１液体材料に接する第１光学窓と、第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、低倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｌ、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｌ、高倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｈ、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｈとするとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。
（４） ＤＬ１Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（５） ＤＬ２Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（６） ＤＬ１Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（７） ＤＬ２Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
【００５１】
条件式（４）は低倍率端状態において、第１可変焦点距離素子の第１境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５２】
条件式（４）の下限値を下回ると、第１境界面は第１光学窓に過剰に近接する。すると第１光学窓と第１境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５３】
条件式（５）は低倍率端状態において、第１可変焦点距離素子の第１境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５４】
条件式（５）の下限値を下回ると、第１境界面は第２光学窓に過剰に近接する。すると第２光学窓と第１境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５５】
条件式（６）は高倍率端状態において、第１可変焦点距離素子の第１境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５６】
条件式（６）の下限値を下回ると、第１境界面は第１光学窓に過剰に近接する。すると第１光学窓と第１境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５７】
条件式（７）は高倍率端状態において、第１可変焦点距離素子の第１境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００５８】
条件式（７）の下限値を下回ると、第１境界面は第２光学窓に過剰に近接する。すると第２光学窓と第１境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００５９】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第２可変焦点距離素子は、第３液体材料に接する第３光学窓と、第４液体材料に接する第４光学窓とを有し、低倍率端状態において、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ３Ｌ、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ４Ｌ、高倍率端状態において、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ３Ｈ、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ４Ｈとするとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。
（８） ＤＬ３Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（９） ＤＬ４Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（１０）ＤＬ３Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
（１１）ＤＬ４Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
【００６０】
条件式（８）は低倍率端状態において、第２可変焦点距離素子の第２境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００６１】
条件式（８）の下限値を下回ると、第２境界面は第３光学窓に過剰に近接する。すると第３光学窓と第２境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００６２】
条件式（９）は低倍率端状態において、第２可変焦点距離素子の第２境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００６３】
条件式（９）の下限値を下回ると、第２境界面は第４光学窓に過剰に近接する。すると第４光学窓と第２境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００６４】
条件式（１０）は高倍率端状態において、第２可変焦点距離素子の第２境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００６５】
条件式（１０）の下限値を下回ると、第２境界面は第３光学窓に過剰に近接する。すると第３光学窓と第２境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００６６】
条件式（１１）は高倍率端状態において、第２可変焦点距離素子の第２境界面形状精度を保持し、高い光学性能を実現するための条件式である。
【００６７】
条件式（１１）の下限値を下回ると、第２境界面は第４光学窓に過剰に近接する。すると第４光学窓と第２境界面との間に張力が発生するため、境界面形状精度が悪化し、球面収差や像面湾曲などの収差が発生して高い光学性能を維持できない。
【００６８】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第１可変焦点距離素子は、第１液体材料に接する第１光学窓と、第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、低倍率端状態から高倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの距離の和が不変であることが望ましい。
【００６９】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、低倍率端状態から高倍率端状態において、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの距離の和が不変になる構成とすることで、第１可変焦点距離素子全体の光軸方向の厚みを変化させる必要がなくなり、簡単な構成の可変焦点距離素子を得ることができる。従って、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００７０】
また、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、第２可変焦点距離素子は、第３液体材料に接する第３光学窓と、第４液体材料に接する第４光学窓とを有し、低倍率端状態から高倍率端状態において、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの距離と、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの距離の和が不変であることが望ましい。
【００７１】
実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系では、低倍率端状態から高倍率端状態において、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの距離と、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの距離の和が不変になる構成とすることで、第２可変焦点距離素子全体の光軸方向の厚みを変化させる必要がなくなり、簡単な構成の可変焦点距離素子を得ることができる。従って、簡便な構成の変倍アフォーカル光学系を実現できる。
【００７２】
なお、実施の形態にかかる変倍アフォーカル光学系は、観察光学系に限られるものではなく、撮影光学系のアフォーカルフロントコンバータやリレー光学系などにも適用できることは言うまでもない。
【００７３】
また、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を微小変化させる、あるいは第１レンズ群または第２レンズ群の屈折力を微小変化させることで、光学系からの射出光線をアフォーカルからずらす所謂視度調整を行うことも可能である。
【００７４】
また、第１レンズ群を対物レンズ群Ｏ、第２レンズ群を接眼レンズ群Ｅとして考えても、第１レンズ群を接眼レンズ群Ｅ、第２レンズ群を対物レンズ群Ｏとして考えても、どちらでも変倍アフォーカル光学系を実現できることは明白である。
【００７５】
〔実施例〕
以下、本発明にかかる変倍アフォーカル光学系の各実施例に関し図面を参照しつつ説明する。
【００７６】
［第１実施例］
図１は、第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図であり、Ｌは低倍率端状態、Ｍは中間倍率状態、Ｈは高倍率端状態をそれぞれ表している。
【００７７】
第１レンズ群Ｇ１は第２レンズ群Ｇ２より物体側に配置され、第１レンズ群Ｇ１が対物レンズ群、第２レンズ群Ｇ２が接眼レンズ群の役割を持っている。
【００７８】
第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１Ｓと第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖとで構成されている。第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、第１液体材料ＬＱ１と、第１液体材料ＬＱ１と屈折率が異なり混合しない第２液体材料ＬＱ２とを容器内に封入し、第１液体材料ＬＱ１及び第２液体材料ＬＱ２へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２との第１境界面ＬＢ１形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第１レンズ群Ｇ１全体の屈折力を負の範囲で変化させることができる。
【００７９】
第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、物体側から順に、容器の一部である平行平板ガラスＬ１１（第１光学窓）と、第１液体材料ＬＱ１からなるレンズ部Ｌ１２と、第２液体材料ＬＱ２からなるレンズ部Ｌ１３と、容器の一部である平凹レンズＬ１４（第２光学窓）とで構成されている。平凹レンズＬ１４は瞳ＥＰ側の面が凹面形状になっている。即ち空気に接する面が曲面となっている。第１液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液と不凍液であるエチレングリコールの混合液、第２液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、また同じ密度で構成されている。
【００８０】
第２レンズ群Ｇ２は、両凸形状のレンズＬ２Ｓと第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖとで構成されている。第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖは、第３液体材料ＬＱ３と、第３液体材料ＬＱ３と屈折率が異なり混合しない第４液体材料ＬＱ４とを容器内に封入し、第３液体材料ＬＱ３及び第４液体材料ＬＱ４へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第３液体材料ＬＱ３と第４液体材料ＬＱ４との第２境界面ＬＢ２形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第２レンズ群Ｇ２全体の屈折力を正の範囲で変化させることができる。
【００８１】
第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖは、物体側から順に、容器の一部である平行平板ガラスＬ２１（第３光学窓）と、第３液体材料ＬＱ３からなるレンズ部Ｌ２２と、第４液体材料ＬＱ４からなるレンズ部Ｌ２３と、容器の一部である平行平板ガラスＬ２４（第４光学窓）とで構成されている。第３液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液と不凍液であるエチレングリコールの混合液、第４液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、また同じ密度で構成されている。なお、第１液体材料ＬＱ１と第３液体材料ＬＱ３は塩化ナトリウム濃度と、エチレングリコール混合比が異なる。第２液体材料ＬＱ２と第４液体材料ＬＱ４は、シリコンオイルであるが物質が異なる。
【００８２】
低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈへの変倍に際し、第１レンズ群Ｇ１中の第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力を負から正に向かう方向に変化させ、かつ第２レンズ群Ｇ２中の第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖの屈折力を正から負に向かう方向に変化させる。即ち、第１レンズ群Ｇ１中の第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力と、第２レンズ群Ｇ２中の第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖの屈折力とを、互いに逆方向に変化させることで、視度の変化を抑え、高い光学性能を確保している。また、変倍時、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の空気間隔は固定であり、簡便な構成で変倍アフォーカル光学系を実現している。
【００８３】
以下の表１に第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸元の値を掲げる。表中のｍは光学系全体の倍率（単位：無次元）、ωは最大半画角（単位：度）、θは最大光線射出半角（単位：度）である。なお、表中のθの対応値は、主光線すなわち射出瞳の中心を通過する光線についての値である。レンズデータにおけるｎｄは基準波長であるｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）における屈折率であり、空気の屈折率ｎｄ＝１．００００００は記載を省略している。ここで、光学系は可視光線において使用することを想定しているので、基準波長が使用波長の範囲に入っている事は明らかである。レンズデータ及び可変データにおけるＲＬＱ１は、第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２との第１境界面ＬＢ１の曲率半径を表し、ＲＬＱ２は、第３液体材料ＬＱ３と第４液体材料ＬＱ４との第２境界面ＬＢ２の曲率半径を表す。後述する第２実施例の表２においても同様の符号を使用し、説明は省略する。
【００８４】
表１から分かる通り、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの距離の和が不変になっている。また、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの距離と、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの距離の和が不変になっている。
【００８５】
なお、第１実施例において、曲率半径及び面間隔等の単位には「ｍｍ」を用いるが、光学系は比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、「ｍｍ」に限定されること無く他の適当な単位を用いることもできる。後述する第２実施例においても同様とする。
【００８６】
（表１）
［全体諸元］
レンズ状態 低倍率端状態 中間倍率状態 高倍率端状態
ｍ ０．３２ ０．４２ ０．６３
ω ３９．８ ２８．７ １８．７
θ １２．０ １２．０ １２．０
［レンズデータ］
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ
1) 250.000 1.000 1.491080
2) 12.000 4.000 (非球面)
3) ∞ 1.000 1.516800
4) ∞ DL1 1.378000 (第１液体材料LQ1)
5) RLQ1 DL2 1.821000 (第２液体材料LQ2)
6) ∞ 1.000 1.516800
7) 25.000 D1
8) 47.000 3.000 1.491080
9) -47.000 1.000
10) ∞ 1.000 1.516800
11) ∞ DL3 1.372000 (第３液体材料LQ3)
12) RLQ2 DL4 1.707000 (第４液体材料LQ4)
13) ∞ 1.000 1.516800
14) ∞ 15.000
15> ∞ (射出瞳EP)
第２面は非球面であり、以下の式で表される。
ｘ ＝ ｃｙ２／｛１＋（１−κｃ２ｙ２）１／２｝
ｙは光軸からの高さ、ｘはサグ量、ｃは基準曲率で曲率半径の逆数、κは円錐定数である。定数を以下に示す。
κ ＝ 0.800
［可変データ］
レンズ状態 低倍率端状態 中間倍率状態 高倍率端状態
RLQ1 -15.100 ∞ 14.000
RLQ2 25.000 46.300 -72.000
DL1 2.500 1.500 0.400
DL2 0.500 1.500 2.600
DL3 0.600 0.800 1.100
DL4 1.400 1.200 0.900
D1 15.000 15.000 15.000
［条件式対応値］
（１） (tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＝0.00078
（２） ｜ｎ１−ｎ２｜ ＝ ０．４４３
（３） ｜ｎ３−ｎ４｜ ＝ ０．３３５
（４） ＤＬ１Ｌ ＝ ２．５００
（５） ＤＬ２Ｌ ＝ ０．５００
（６） ＤＬ１Ｈ ＝ ０．４００
（７） ＤＬ２Ｈ ＝ ２．６００
（８） ＤＬ３Ｌ ＝ ０．６００
（９） ＤＬ４Ｌ ＝ １．４００
（１０）ＤＬ３Ｈ ＝ １．１００
（１１）ＤＬ４Ｈ ＝ ０．９００
【００８７】
図２は、第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の基準波長ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する諸収差図を示し、（ａ）は低倍率端状態Ｌ、（ｂ）は中間倍率状態Ｍ、（ｃ）は高倍率端状態Ｈにおける諸収差図をそれぞれ示している。
【００８８】
球面収差図の単位はｍ−１（ディオプターＤ）であり、ｈは入射高を示す。なお、入射高ｈとは、最も物体側のレンズ面をランド光が通過する高さであり、ランド光とは、画角ゼロの光線のうち最も光軸から離れた光線のことである。非点収差図中の実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面（単位：ｍ−１；ディオプターＤ）を示す。Ａは光線入射角（単位：度）を示す。コマ収差図の縦軸は各入射角でのコマ収差（単位：分）を表す。なお、以下の第２実施例の諸収差図においても同様の符号を使用し、説明は省略する。
【００８９】
図２によれば、収差が良好に補正され、かつ低倍率端状態Ｌと高倍率端状態Ｈとの間の収差変動も抑えられ、高い光学性能を有していることは明らかである。
【００９０】
［第２実施例］
図３は、第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図であり、Ｌは低倍率端状態、Ｍは中間倍率状態、Ｈは高倍率端状態をそれぞれ表している。
【００９１】
第１レンズ群Ｇ１は第２レンズ群Ｇ２より物体側に配置され、第１レンズ群Ｇ１が対物レンズ群、第２レンズ群Ｇ２が接眼レンズ群の役割を持っている。
【００９２】
第１レンズ群Ｇ１は、物体側に強い屈折面を持つ両凸形状のレンズＬ１Ｓと第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖとで構成されている。第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、第１液体材料ＬＱ１と、第１液体材料ＬＱ１と屈折率が異なり混合しない第２液体材料ＬＱ２とを容器内に封入し、第１液体材料ＬＱ１及び第２液体材料ＬＱ２へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第１液体材料ＬＱ１と第２液体材料ＬＱ２との第１境界面ＬＢ１形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第１レンズ群Ｇ１全体の屈折力を変化させることができる。
【００９３】
第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖは、物体側から順に、容器の一部である平行平板ガラスＬ１１（第１光学窓）と、第１液体材料ＬＱ１からなるレンズ部Ｌ１２と、第２液体材料ＬＱ２からなるレンズ部Ｌ１３と、容器の一部である平行平板ガラスＬ１４（第２光学窓）とで構成されている。第１液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液と不凍液であるエチレングリコールの混合液、第２液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、また同じ密度で構成されている。
【００９４】
第２レンズ群Ｇ２は、第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖで構成されている。第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖは、第３液体材料ＬＱ３と、第３液体材料ＬＱ３と屈折率が異なり混合しない第４液体材料ＬＱ４とを容器内に封入し、第３液体材料ＬＱ３及び第４液体材料ＬＱ４へ加える物理量である電圧を変化させることによって、第３液体材料ＬＱ３と第４液体材料ＬＱ４との第２境界面ＬＢ２形状を変化させ焦点距離可変にした素子であり、第２レンズ群Ｇ２全体の屈折力を変化させることができる。
【００９５】
第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖは、物体側から順に、容器の一部であり物体側に凹面を向けている平凹レンズＬ２１（第３光学窓）と、第３液体材料ＬＱ３からなるレンズ部Ｌ２２と、第４液体材料ＬＱ４からなるレンズ部Ｌ２３と、容器の一部である平行平板ガラスＬ２４（第４光学窓）とで構成されており、物体側の空気に接する面が曲面となっている。第３液体材料は導電性液体材料である塩化ナトリウム水溶液と不凍液であるエチレングリコールの混合液、第４液体材料は絶縁性液体材料であるシリコンオイルであり、また同じ密度で構成されている。なお、第１液体材料ＬＱ１と第３液体材料ＬＱ３は塩化ナトリウム濃度が異なる。第２液体材料ＬＱ２と第４液体材料ＬＱ４は、シリコンオイルであるが物質が異なる。
【００９６】
低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈへの変倍に際し、第１レンズ群Ｇ１中の第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力を負から正に向かう方向に変化させ、かつ第２レンズ群Ｇ２中の第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖの屈折力を正から負に向かう方向に変化させる。即ち、第１レンズ群Ｇ１中の第１可変焦点距離素子Ｌ１Ｖの屈折力と、第２レンズ群Ｇ２中の第２可変焦点距離素子Ｌ２Ｖの屈折力とを、互いに逆方向に変化させることで、視度の変化を抑え、高い光学性能を確保している。また、変倍時、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の空気間隔は固定であり、簡便な構成で変倍アフォーカル光学系を実現している。
【００９７】
以下の表２に第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸元の値を掲げる。
表２から分かる通り、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第１液体材料と第１光学窓が接する面から第１境界面までの距離と、第２液体材料と第２光学窓が接する面から第１境界面までの距離の和が不変になっている。また、低倍率端状態Ｌから高倍率端状態Ｈに亘って、第３液体材料と第３光学窓が接する面から第２境界面までの距離と、第４液体材料と第４光学窓が接する面から第２境界面までの距離の和が不変になっている。
【００９８】
（表２）
［全体諸元］
レンズ状態 低倍率端状態 中間倍率状態 高倍率端状態
ｍ ０．９４ １．４６ １．９６
ω １２．１ ７．５ ５．５
θ １１．０ １１．０ １１．０
［レンズデータ］
面番号 曲率半径 面間隔 ｎｄ
1) 185.000 4.500 1.516800
2) -500.000 2.000
3) ∞ 1.000 1.516800
4) ∞ DL1 1.386000 (第１液体材料LQ1)
5) RLQ1 DL2 1.794000 (第２液体材料LQ2)
6) ∞ 1.000 1.516800
7) ∞ D1
8) -63.000 1.500 1.516800
9) ∞ DL3 1.405000 (第３液体材料LQ3)
10) RLQ2 DL4 1.670000 (第４液体材料LQ4)
11) ∞ 1.000 1.516800
12) ∞ 15.000
13> ∞ (射出瞳EP)
［可変データ］
レンズ状態 低倍率端状態 中間倍率状態 高倍率端状態
RLQ1 -75.000 222.000 80.500
RLQ2 28.000 ∞ -30.000
DL1 3.000 1.800 1.000
DL2 1.000 2.200 3.000
DL3 0.800 1.000 1.200
DL4 1.200 1.000 0.800
D1 50.000 50.000 50.000
［条件式対応値］
（１） (tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＝0.00014
（２） ｜ｎ１−ｎ２｜ ＝ ０．４０８
（３） ｜ｎ３−ｎ４｜ ＝ ０．２６５
（４） ＤＬ１Ｌ ＝ ３．０００
（５） ＤＬ２Ｌ ＝ １．０００
（６） ＤＬ１Ｈ ＝ １．０００
（７） ＤＬ２Ｈ ＝ ３．０００
（８） ＤＬ３Ｌ ＝ ０．８００
（９） ＤＬ４Ｌ ＝ １．２００
（１０）ＤＬ３Ｈ ＝ １．２００
（１１）ＤＬ４Ｈ ＝ ０．８００
【００９９】
図４は、第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の基準波長ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する諸収差図を示し、（ａ）は低倍率端状態Ｌ、（ｂ）は中間倍率状態Ｍ、（ｃ）は高倍率端状態Ｈにおける諸収差図をそれぞれ示している。
【０１００】
図４によれば、収差が良好に補正され、かつ低倍率端状態Ｌと高倍率端状態Ｈとの間の収差変動も抑えられ、高い光学性能を有していることは明らかである。
【０１０１】
以上述べたように、本実施の形態によれば、可変焦点距離素子を用い、光学系からの射出光線がほぼアフォーカルであり、収差を良好に補正し、カメラ用ファインダやカメラ用コンバータレンズ、望遠鏡などに用いることができ、高い光学性能を有する変倍アフォーカル光学系を提供することができる。
【０１０２】
なお、各実施例の変倍アフォーカル光学系では、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との空気間隔Ｄ１を微小変化させる、あるいは第１レンズ群Ｇ１または第２レンズ群Ｇ２の屈折率を微小変化させることで、光学系からの射出光線をアフォーカルから僅かにずらす所謂視度調整を行うことも可能である。
【０１０３】
また、各実施例として、２群構成のレンズ系を示したが、該２群を含む３群及びそれ以上の群構成の光学系も同等の効果を有するレンズ系であることは言うまでもない。また、各レンズ群内の構成においても、実施例の構成にレンズを付加しただけのレンズ群は同等の効果を有するレンズ群であることは言うまでもない。また、上述の実施の形態及び実施例は例に過ぎず、上述の構成や形状、液体材料に限定されるものではなく、また変倍範囲の拡大や縮小、移動など、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図。
【図２】第１実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸収差図であり、（ａ）は低倍率端状態、（ｂ）は中間倍率状態、（ｃ）は高倍率端状態における諸収差図をそれぞれ示している。
【図３】第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系のレンズ構成図。
【図４】第２実施例にかかる変倍アフォーカル光学系の諸収差図であり、（ａ）は低倍率端状態、（ｂ）は中間倍率状態、（ｃ）は高倍率端状態における諸収差図をそれぞれ示している。
【符号の説明】
【０１０５】
Ｌ ・・・ 低倍率端状態
Ｍ ・・・ 中間倍率状態
Ｈ ・・・ 高倍率端状態
Ｇ１ ・・・ 第１レンズ群
Ｇ２ ・・・ 第２レンズ群
Ｌ１Ｖ ・・・ 第１可変焦点距離素子
Ｌ２Ｖ ・・・ 第２可変焦点距離素子
ＬＱ１ ・・・ 第１可変焦点距離素子中の第１液体材料
ＬＱ２ ・・・ 第１可変焦点距離素子中の第２液体材料
ＬＱ３ ・・・ 第２可変焦点距離素子中の第３液体材料
ＬＱ４ ・・・ 第２可変焦点距離素子中の第４液体材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１可変焦点距離素子を有する第１レンズ群と、第２可変焦点距離素子を有する第２レンズ群から構成され、
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力の少なくとも一方を変化させることによって行い、
低倍率端状態もしくは高倍率端状態において、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力は、一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負であり、
前記第１可変焦点距離素子は、第１液体材料と、該第１液体材料と屈折率が異なり混合しない第２液体材料とを容器内に封入し、前記第１液体材料及び前記第２液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第１液体材料と前記第２液体材料との第１境界面形状を変化させて屈折力を変え、
前記第２可変焦点距離素子は、第３液体材料と、該第３液体材料と屈折率が異なり混合しない第４液体材料とを容器内に封入し、前記第３液体材料及び前記第４液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第３液体材料と前記第４液体材料との第２境界面形状を変化させて屈折力を変え、
前記第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、前記第２液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ２、前記第３液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ３、前記第４液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ４、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群から構成される光学系の光軸と前記光学系の最大画角に対応する射出光線とのなす角の正接をｔａｎθ、前記光学系の低倍率端状態における前記第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｌ、前記光学系の低倍率端状態における前記第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｌ、前記光学系の高倍率端状態における前記第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｈ、前記光学系の高倍率端状態における前記第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｈとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする変倍アフォーカル光学系。
0.00005＜(tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＜10
（単位：１／ｍ）
【請求項２】
前記物理量は電圧であることを特徴とする請求項１に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項３】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力を変化させることによって行うことを特徴とする請求項１または２に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項４】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際、前記第１レンズ群の屈折力の変化の方向と前記第２レンズ群の屈折力の変化の方向は、互いに逆であることを特徴とする請求項３に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項５】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の空気間隔は固定であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項６】
以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
０．０２０ ＜ ｜ｎ１−ｎ２｜ ＜ ０．６００
０．０２０ ＜ ｜ｎ３−ｎ４｜ ＜ ０．６００
【請求項７】
前記光学系は、１つ以上の固定焦点距離素子を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項８】
前記第１可変焦点距離素子と前記第２可変焦点距離素子のそれぞれの空気に接する面のうち、少なくとも１つは曲面であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項９】
前記第１液体材料と前記第２液体材料は、ほぼ同密度であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１０】
前記第３液体材料と前記第４液体材料は、ほぼ同密度であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１１】
前記第１液体材料と前記第２液体材料と前記第３液体材料と前記第４液体材料のうち少なくとも１つの液体材料は、不凍材料成分を含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１２】
前記第１可変焦点距離素子は、前記第１液体材料に接する第１光学窓と、前記第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、
低倍率端状態において、前記第１液体材料と前記第１光学窓が接する面から前記第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｌ、前記第２液体材料と前記第２光学窓が接する面から前記第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｌ、
高倍率端状態において、前記第１液体材料と前記第１光学窓が接する面から前記第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｈ、前記第２液体材料と前記第２光学窓が接する面から前記第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｈとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
ＤＬ１Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ２Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ１Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ２Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
【請求項１３】
前記第２可変焦点距離素子は、前記第３液体材料に接する第３光学窓と、前記第４液体材料に接する第４光学窓とを有し、
低倍率端状態において、前記第３液体材料と前記第３光学窓が接する面から前記第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ３Ｌ、前記第４液体材料と前記第４光学窓が接する面から前記第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ４Ｌ、
高倍率端状態において、前記第３液体材料と前記第３光学窓が接する面から前記第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ３Ｈ、前記第４液体材料と前記第４光学窓が接する面から前記第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ４Ｈとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
ＤＬ３Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ４Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ３Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ４Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
【請求項１４】
前記第１可変焦点距離素子は、前記第１液体材料に接する第１光学窓と、前記第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、
低倍率端状態から高倍率端状態において、前記第１液体材料と前記第１光学窓が接する面から前記第１境界面までの距離と、前記第２液体材料と前記第２光学窓が接する面から前記第１境界面までの距離の和が不変であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１５】
前記第２可変焦点距離素子は、前記第３液体材料に接する第３光学窓と、前記第４液体材料に接する第４光学窓とを有し、
低倍率端状態から高倍率端状態において、前記第３液体材料と前記第３光学窓が接する面から前記第２境界面までの距離と、前記第４液体材料と前記第４光学窓が接する面から前記第２境界面までの距離の和が不変であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１】
第１可変焦点距離素子を有する第１レンズ群と、第２可変焦点距離素子を有する第２レンズ群から構成され、
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力の少なくとも一方を変化させることによって行い、
低倍率端状態もしくは高倍率端状態において、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力は、一方の屈折力が正で、他方の屈折力が負であり、
前記第１可変焦点距離素子は、第１液体材料と、該第１液体材料と屈折率が異なり混合しない第２液体材料とを容器内に封入し、前記第１液体材料及び前記第２液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第１液体材料と前記第２液体材料との第１境界面形状を変化させて屈折力を変え、
前記第２可変焦点距離素子は、第３液体材料と、該第３液体材料と屈折率が異なり混合しない第４液体材料とを容器内に封入し、前記第３液体材料及び前記第４液体材料へ加える物理量を変化させることによって、前記第３液体材料と前記第４液体材料との第２境界面形状を変化させて屈折力を変え、
前記第１液体材料の基準波長における屈折率をｎ１、前記第２液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ２、前記第３液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ３、前記第４液体材料の前記基準波長における屈折率をｎ４、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群から構成される光学系の光軸と前記光学系の最大画角に対応する射出光線とのなす角の正接をｔａｎθ、前記光学系の低倍率端状態における前記第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｌ、前記光学系の低倍率端状態における前記第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｌ、前記光学系の高倍率端状態における前記第１可変焦点距離素子の屈折力をφ１Ｈ、前記光学系の高倍率端状態における前記第２可変焦点距離素子の屈折力をφ２Ｈとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする変倍アフォーカル光学系。
0.00005＜(tan2θ)×｜(φ1H−φ1L)／(n1×n2)＋(φ2H−φ2L)／(n3×n4)｜＜10
（単位：１／ｍ）
【請求項２】
前記物理量は電圧であることを特徴とする請求項１に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項３】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍を、前記第１レンズ群の屈折力と前記第２レンズ群の屈折力を変化させることによって行うことを特徴とする請求項１または２に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項４】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際、前記第１レンズ群の屈折力の変化の方向と前記第２レンズ群の屈折力の変化の方向は、互いに逆であることを特徴とする請求項３に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項５】
低倍率端状態から高倍率端状態への変倍の際、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の空気間隔は固定であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項６】
以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
０．０２０ ＜ ｜ｎ１−ｎ２｜ ＜ ０．６００
０．０２０ ＜ ｜ｎ３−ｎ４｜ ＜ ０．６００
【請求項７】
前記光学系は、１つ以上の固定焦点距離素子を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項８】
前記第１可変焦点距離素子と前記第２可変焦点距離素子のそれぞれの空気に接する面のうち、少なくとも１つは曲面であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項９】
前記第１液体材料と前記第２液体材料は、ほぼ同密度であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１０】
前記第３液体材料と前記第４液体材料は、ほぼ同密度であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１１】
前記第１液体材料と前記第２液体材料と前記第３液体材料と前記第４液体材料のうち少なくとも１つの液体材料は、不凍材料成分を含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１２】
前記第１可変焦点距離素子は、前記第１液体材料に接する第１光学窓と、前記第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、
低倍率端状態において、前記第１液体材料と前記第１光学窓が接する面から前記第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｌ、前記第２液体材料と前記第２光学窓が接する面から前記第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｌ、
高倍率端状態において、前記第１液体材料と前記第１光学窓が接する面から前記第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ１Ｈ、前記第２液体材料と前記第２光学窓が接する面から前記第１境界面までの光軸上の距離をＤＬ２Ｈとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
ＤＬ１Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ２Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ１Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ２Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
【請求項１３】
前記第２可変焦点距離素子は、前記第３液体材料に接する第３光学窓と、前記第４液体材料に接する第４光学窓とを有し、
低倍率端状態において、前記第３液体材料と前記第３光学窓が接する面から前記第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ３Ｌ、前記第４液体材料と前記第４光学窓が接する面から前記第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ４Ｌ、
高倍率端状態において、前記第３液体材料と前記第３光学窓が接する面から前記第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ３Ｈ、前記第４液体材料と前記第４光学窓が接する面から前記第２境界面までの光軸上の距離をＤＬ４Ｈとするとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
ＤＬ３Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ４Ｌ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ３Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
ＤＬ４Ｈ ＞ ０．００５ （単位：ｍｍ）
【請求項１４】
前記第１可変焦点距離素子は、前記第１液体材料に接する第１光学窓と、前記第２液体材料に接する第２光学窓とを有し、
低倍率端状態から高倍率端状態において、前記第１液体材料と前記第１光学窓が接する面から前記第１境界面までの距離と、前記第２液体材料と前記第２光学窓が接する面から前記第１境界面までの距離の和が不変であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【請求項１５】
前記第２可変焦点距離素子は、前記第３液体材料に接する第３光学窓と、前記第４液体材料に接する第４光学窓とを有し、
低倍率端状態から高倍率端状態において、前記第３液体材料と前記第３光学窓が接する面から前記第２境界面までの距離と、前記第４液体材料と前記第４光学窓が接する面から前記第２境界面までの距離の和が不変であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の変倍アフォーカル光学系。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２０３６５０（Ｐ２００８−２０３６５０Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４１１４１（Ｐ２００７−４１１４１）
【出願日】平成１９年２月２１日（２００７．２．２１）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２１日（２００７．２．２１）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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