波面コーディングを有するズームレンズシステム
光線角度の範囲にわたって入射光線を撮像するズームレンズシステムおよび方法を開示する。入射光線は、少なくとも位相によって特徴付けられる。ズームレンズシステムは、光軸を含み、少なくとも光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）によって特徴付けられる。ズームレンズシステムは、少なくとも２つの異なる焦点距離値の間で選択可能な可変焦点距離を有する少なくとも１つの可変光学素子を含む、光軸に沿って配置される光学群を含む。光学群はまた、波面コーディング素子も含む。２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、光線角度の範囲に対応する複数のＭＴＦが、波面コーディング素子のない対応システムよりも、誤焦点様の収差に対して感度が低いように、波面コーディング素子は、少なくとも入射光線の位相を変化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、米国仮特許出願第６０／７７９，７１２号（２００６年３月６日出願、名称「Ｚｏｏｍ Ｌｅｎｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｉｔｈ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ」）の優先権の利益を主張するものであり、これはその全体を参考として本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
現代のズームレンズシステムは、撮像システムの変化が、光軸に沿った光学素子の運動を介して達成されないという点で、従来のズームレンズシステムとは異なる。むしろ、現代のズームシステムにおける特定の光学素子の光学的性質は、光軸に平行ではない平面での電圧、圧力、移動、または回転の適用を通して変化する。現代のズームレンズシステムにおける可変光学素子の使用の一例は、従来のズームレンズシステムにおける１枚のレンズを、同じ物理的位置で可変光学レンズと交換することである。
【０００３】
しかし、１つ以上の光学素子の光学的性質の変化を介して変化する現代のズームレンズシステムは、撮像性能を制限する働きをする収差をもたらす場合がある。このような収差は、撮像システムにおける光学素子の数が減少するにつれて、悪化する場合がある。このような現代のズームシステムの性能を制限する場合がある収差は、例えば、画像曲率、色収差、球面収差、非点収差、コマ収差、および加工、組立、および温度関連収差を含む。
【０００４】
類似構成要素が様々な図の全体を通して類似参照番号によって示されている図面を参照すると、図１および２は、従来技術の例である、４群の従来のズームレンズシステムを図示する。この従来のズームレンズシステムでは、光学素子の移動は、概してシステムの光軸に平行である。図１に示されるような従来のズームレンズシステムの構成１０では、焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３、およびｆ４をそれぞれ有する第１〜第４の光学素子１２、１４、１６、および１８の組み合わせは、像平面２０で鮮明な像を形成するように構成される。破線は、構成１０の光軸２１を示す。従来のズームレンズシステムの構成１０に進入する周辺光線２２は、像平面２０および光軸２１の交差点で集束される。
【０００５】
続けて図１を参照すると、第１および第２の光学素子１２および１４は、概して、構成１０での従来のズームレンズシステムの倍率を制御すると考えることができる一方で、第３および第４の光学素子１６および１８は、概して、像平面２０の位置を制御すると考えることができる。光学素子１４は、倍率を制御する光学サブシステムとして定義される、「バリエータレンズ」または「バリエータ」と呼ぶことができる。光学素子１６は、焦点を制御する光学サブシステムとして定義される、「補償器」と呼ぶことができる。場合によっては、特に少数の光学素子で形成されるズームレンズシステムでは、所与のサブシステムが、バリエータおよび補償器として同時に働くことができる。
【０００６】
図２で、従来のズームレンズシステムの代替的構成１０’では、第２の光学素子１４’（例えば、バリエータ）は、倍率変化を達成するよう、矢印２４で示されるように、光軸２１に沿って、かつ像平面２０に向かって、第１の光学素子１２から遠ざけられる。像平面２０を第４の光学素子１８に対する固定位置に保つために、第３の光学素子１６’（例えば、補償器）もまた、矢印２６で示されるように、光軸２１に沿って像平面２０に向かって移動される。このような運動の両方の組み合わせを通して、従来のズームレンズシステムの変更構成１０’の倍率は、図１に示される構成１０のものから変更される一方で、像平面の位置は固定されたままである。言い換えると、図１の周辺光線２２よりも第１の光学素子１２の縁の近くに進入する周辺光線２８は、こうして光軸２１がある像平面２０の交差点で集束することができる。
【０００７】
図１および２に図示されるように、従来技術の従来のズームレンズシステムにおけるバリエータおよび補償器の移動は、光軸に沿った空間を必要とする。つまり、例えば、第２の光学素子１４がそれを通って移動して構成１０’を形成しなければならない空間内に、他の光学素子が位置してはいけない。空間に対する同様の要件は、光軸に沿った光学素子の移動を必要とする従来のズームレンズシステムに共通しており、結果として、光軸に沿った従来のズームレンズシステムの長さを縮小することが困難な場合がある。
【０００８】
現代のズームレンズシステムは、光軸に沿った光学素子の物理的移動の必要性を低減または排除することができ、よって、従来のズームレンズシステムと比べてシステムの全体的な長さを縮小する。しかし、このような現代のズームレンズシステムの制限は、撮像の質、サイズ、および費用のさらなる改良を抑制する。例えば、現在利用可能な現代のズームレンズシステムは、倍率および焦点を同時に変えるために少なくとも２つの作動または可変素子を必要とする。また、ある現代のズームレンズシステムは、焦点を制御するための作動システムを必要とし、これは、画像の焦点を保つために、一定数の素子が変化することを必要とする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示は、光線角度の範囲にわたって入射光線を撮像するためのズームレンズシステムを提供する。入射光線は、少なくとも位相によって特徴付けられる。ズームレンズシステムは、光軸を含み、少なくとも光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）によって特徴付けられる。ズームレンズシステムは、少なくとも２つの異なる焦点距離値間で選択可能な可変焦点距離を有する少なくとも１つの可変光学素子を含む、光軸に沿って配置される光学群を含む。光学群はまた、波面コーディング素子も含む。２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、光線角度の範囲に対応する複数のＭＴＦが、波面コーディング素子のない同じズームレンズシステムよりも、誤焦点様の収差に対して感度が低くなるように、波面コーディング素子は、少なくとも入射光線の位相を変化させる。
【００１０】
一実施形態では、ズームレンズシステムの使用方法は、光線角度の範囲にわたって入射光線を撮像する。入射光線は、少なくとも位相を含む。ズームレンズシステムは、光軸と、少なくとも２つの異なる焦点距離値間で選択可能な可変焦点距離を有する少なくとも１つの可変光学素子とを含む。ズームレンズシステムは、少なくとも光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）および２つの異なる焦点距離値によって特徴付けられる。該方法は、少なくとも２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、光線角度の範囲に対応する複数のＭＴＦが、形状および大きさにおいて実質的に同様となるように、入射光線の位相を変更するステップを備える。
【００１１】
一実施形態では、ズームレンズシステムは、光軸を含む。ズームレンズシステムはまた、光軸に沿って配置される光学群も含む。次に、光軸は、少なくとも２つの異なる焦点距離値間で選択可能な可変焦点距離を示す少なくとも１つの可変光学素子と、波面コーディング（ＷＦＣ）素子とを含む。少なくとも１つの可変光学素子は、光軸に沿って移動可能ではない。光学群はまた、光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）および少なくとも２つの異なる焦点距離値によっても特徴付けられ、可変光学素子およびＷＦＣ素子は、複数のＭＴＦが形状および大きさにおいて実質的に同様となるように、互いに協働する。
【００１２】
本開示は、下記で簡潔に説明される図面と併せて得られる次の詳細な説明を参照することにより、理解することができる。図解の明確さの目的により、図面中のある素子は一定の縮尺で描かれない場合があることを注意する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本開示では、「ズームレンズシステム」および「ズーム撮像システム」は交換可能に使用され、「可変光学素子」は、光学素子のうちの１つ以上に対する電圧および／または圧力の印加、および光学素子のうちの１つ以上の移動および／または回転などの（しかしそれに限定されない）技術を使用することによって変更可能な光学的性質（焦点距離、透過率、および屈折率などであるがそれに限定されない）を有する光学素子を包含することを目的とする。
【００１４】
ある非球面光学および信号処理の使用は、ある制限を軽減することによって、現代のズームレンズシステムに改良を提供することができる。本開示は、現代のズームレンズ撮像システムの性能、費用、およびサイズを改良するためのある非球面光学の使用に関する。検出されたぼやけた画像のような光学および信号処理は、ある収差の影響を低減または排除することができる。波面コーディングに対してそのような非球面および信号処理を利用するシステムは、例えば、米国特許第５，７４８，３７１号（以降、‘３７１特許）第６，８７３，７３３号（以降、‘７３３特許）、第６，８４２，２９７号（以降、‘２９７特許）、第６，９１１，６３８（以降、‘６３８特許）、および第６，９４０，６４９号（以降、‘６４９特許）で説明されており、そのそれぞれは参照することにより、本願に組み込まれる。ズームレンズシステムへの波面コーディングの追加は、焦点を制御するための作動システムの必要性を排除することができ、それにより、変化させる必要のある素子の数をさらに減少し、結果として、そのようなズームレンズシステムの費用およびサイズも削減する。高い信頼性、低費用、機械公差の低減、電力消費の低減、および熱的誘導変動および色依存などの環境因子への感度の低減を伴う、丈夫なズームレンズシステムを達成することが望ましい。
【００１５】
現代のズーム撮像システムの簡単な例として、図３および図４に図示される２群撮像システムを考慮する。この撮像システムは、２つの図によって示される２つの構成を有する。図３に示される構成１００では、被写体１１０は、像平面１２０上で光学群１１１および１１２によって撮像される。光学群１１１および１１２の各一つは、例えば、屈折素子、回折素子、ホログラフィック素子、および可変光学のうちの１つ以上を含む。検出器（図示せず）は、像平面１２０に位置し、撮像された被写体を検出する。被写体１１０が撮像システムの光軸１２１（破線で示される）上にあると、光学群１１１および１１２間を通過する被写体１１０からの光線は、図示されるように実質的に平行である。この場合、光学群１１１の焦点距離ｆ１は、被写体１１０と光学群１１１の第１の主平面１２５との間の距離Ｄ１（双頭矢印で示される）に等しい。同様に、光学群１１２の焦点距離ｆ２は、像平面１２０と光学群１１２の第２の主平面１２７との間の距離Ｄ２に等しい。
【００１６】
図４は、２群撮像システムの変更構成１００’を示す。図４の構成１００’では、被写体１１０’は、図３の光学群１１１に対する被写体１１０の位置とは異なる、光学群１１１’に対する位置にある。光学群１１２が、図４で図３と同じである場合、像平面１２０上で被写体１１０’を明瞭に撮像するために、被写体１１０’の位置は、光学群１１１’の焦点距離の変化を必要とする。この場合、光学群１１１’の焦点距離ｆ１’は、被写体１１０’と光学群１１１’の第１の主平面１２５との間の距離Ｄ１’に等しくあるべきである。
【００１７】
なおも図３および図４を参照すると、被写体１１０および１１０’それぞれからの周辺光線は、１２２および１２２’として示される。図３および４の構成における像平面での周辺光線は、１２３と示される。２群撮像システムの全体的な倍率は、光軸１２１から測定されるような、像平面での周辺光線角度（θｉｍ）に対する、被写体での周辺光線角度（θＯｂｊ）の比によって求められる。構成１００と１００’とを比較する際、構成１００’における被写体での周辺光線角度は、θｏｂｊからθ’ｏｂｊへ増加する一方で、画像での周辺光線角度θｉｍは固定されたままである。結果として、構成１００’における倍率は、構成１００よりも大きい。つまり、２つの光学群のうちの１つを変え、かつ被写体距離を変えることによって、像平面の位置を変えずに２群撮像システムの倍率が変化する。
【００１８】
図５および６に示される別の状況では、被写体位置が変化しない。図５のズーム撮像システムの構成１５０では、光学群１５１および１５２は、被写体１１０を撮像する。光学群１５１は、バリエータとして働き、屈折力（例えば、倍率）を制御する。光学群１５２は、補償器として働き、像平面位置（例えば、焦点）を制御する。図６は、図５に示される同じズーム撮像システムの変更構成１５０’を示し、この場合、被写体での周辺光線角度θｏｂｊが不変のままである一方で、画像での周辺光線角度θ’ｉｍが構成１５０のθｉｍから減少するように、光学群１５１’および１５２’の性質は、図５の光学群１５１および１５２とは異なる。言い換えると、図６の構成１５０’では、被写体１１０は、図５の光学群１５１に対する被写体１１０と同じ光学群１５１’に対する位置にあるが、光学群１５１’の右側への周辺光線が一点に集まる（図５の構成１５０に示されるように平行であることと比べて）という事実によって示されるように、光学群１５１’は、縮小した焦点距離をもたらす。よって、図６の光学群１５２’は、光学群１５２’の位置に対して固定された像平面１２０の位置（図５の光学群１５２に対する像平面１２０の位置と比べて）を保つために、増加した焦点距離（また、あるいは、低減した屈折力）を示す。結果として、構成１５０’におけるバリエータおよび補償器の組み合わせは、図５に示される構成に対する類似比と比べると、θ’ｉｍを超えるθｏｂｊの比によって得られる増加した全体的な倍率を伴う、像平面１２０での焦点画像をもたらす。つまり、像平面１２０での周辺光線１２３’の角度θ’ｉｍが、周辺光線１２３の角度θｉｍよりも減少する一方で、被写体からの周辺光線１２２の角度θｏｂｊが一定のままであるため、図６の構成１５０’の全体的な倍率は、図５に示される構成１５０よりも増加する。よって、バリエータ（つまり、ｆ１からｆ１’）および補償器（つまり、ｆ２からｆ２’）の両方の焦点距離の変化により、固定距離での被写体の焦点画像の倍率が変化した。倍率の変化を達成するために、図５の光学群１５１および１５２と比べると、光学群１５１’および１５２’は、図６の被写体１１０および像平面１２０に対する光軸１２１に沿った物理的位置において変化しなかったことに注目する。
【００１９】
よって、図３〜６は、同時に結果として生じる画像の焦点を保ちながらズーム撮像システムの倍率を変えるために、ズーム撮像システム中の構成要素の焦点距離に対する変更を利用することができることを図示する。倍率の変化をもたらすための光学素子の焦点距離の変化の利用は、例えば、電圧、圧力、移動、または回転を変更することによる、現代の光学素子の変動の利点を例示する。しかし、ズーム撮像システムの結果として生じる焦点距離変化はまた、生成される画像の質にも影響する場合がある。画質を低下させる場合のある光学収差もまた、焦点距離の変化によって影響される。このようなズーム撮像システムの実施例では、ズーム撮像システム内の構成要素の焦点距離が変化すると、ある基本的光学収差が変動する。特に、２種類の基本的光学収差、つまりフィールドまたは画像曲率および色収差は、このようなズーム撮像システムの性能の主な制限として働く場合がある。
【００２０】
図７および８は、例示的ズーム撮像システム中の光学素子の焦点距離の変化が、このような基本的光学収差に影響を及ぼす１つの方法を図示する。図７および８は、従来の２レンズ撮像システムの２つの構成を示す。このシステムを説明するために使用される原則は、一般的な多素子の場合にも該当する。図７に示されるような２レンズ撮像システムの構成１７０は、各屈折率ｎ１およびｎ２がある２つの光学素子１７１および１７２を含む。複数の光線１８０によって示されるように、これら２つの素子によって形成される画像は、湾曲像表面１７５上にある。像表面１７５の曲率の近似値は、光学素子１７１および１７２の屈折率を掛けた逆焦点距離を足すことによって、または概して、
【００２１】
【数１】
によって決定することができ、式中、ｉは、光学素子に対応する整数であり、ｎｉは、ｉ番目の光学素子の屈折率であり、ｆｉは、ｉ番目の光学素子の焦点距離である。像表面１７５の湾曲は、ある撮像用途では望ましくない。
【００２２】
図８の変更構成１７０’は、光学素子１７１’および１７２’の屈折率が等しく（つまり、ｎ１＝ｎ２）、光学素子１７１’および１７２’の焦点距離ｆ１’およびｆ２’が互いのマイナスである（つまり、ｆ１’＝−ｆ２’）、２レンズ撮像システムの特定構成を説明する。この構成では、像平面１７５’の曲率は、実質的にゼロであると考えてよい。図８の構成１７０’は、構成素子の実際の焦点距離および素子分離ｄ（双頭矢印によって示される）によって決定される、特定の有効焦点距離を示す。素子分離ｄが固定されると、ｆ１＝−ｆ２という関係からの光学素子１７１’および１７２’のいずれか一方の焦点距離のあらゆる変化は、像平面１７５’の湾曲をもたらす。結果として、２レンズ撮像システムの画質が低下し、撮像システムの倍率またはズーム位置の関数となる。
【００２３】
図１に示されるような従来のズームレンズシステムは、個々の光学素子の焦点距離を変えることなく光軸２１に沿った光学素子の移動を必要とするため、画像曲率の変化を受けないことが顕著である。そのような従来のズームレンズシステムにおける画像フィールドの近似曲率は、概して、倍率またはズーム位置が変わっても不変である。しかし、画像曲率の変化は、図３〜６に図示されるシステムのような、光軸に沿った光学素子の移動を利用しない現在利用可能な現代のズームレンズシステムにおいて発生する場合がある。
【００２４】
光軸に沿った光学素子の移動を利用しない現代のズームレンズシステムにおいて遭遇される別の現象は、色収差の変動である。光軸に沿って光学素子を移動させることのない、光学素子の焦点距離の変化は、概して、システムによって示される色収差を変え、システム性能を制限する。
【００２５】
図９および１０は、光学素子の焦点距離の変化を伴う色収差の変化の簡単な例を図示する。図９および１０は２素子レンズの２つの構成を示すものの、関与する原則は、焦点距離を変える複数の素子がある撮像システムに適用可能である。まず図９を参照すると、構成１９０は、光学素子１９１および１９２が近接近している（例えば、光学素子１９１および１９２間の距離が実質的にゼロである）２素子レンズシステムである。光学素子１９１および１９２は、異なる焦点距離、および一般に、異なるＡｂｂｅ数またはＶ数を示す。周知のように、特定の光学材料のＶ数は、その光学材料に対する波長の関数として屈折率の変化を表す。光学素子１９１および１９２のパラメータは、概して、単色画像が最良焦点像平面で形成するように選択されるが、所与の材料の屈折率値の色依存（つまり、波長を伴う屈折率の変動）により、最良焦点の位置は、画像を形成するために使用される波長の関数となる。この効果は一般に色収差と呼ばれる。図９では、光１９３は、赤色照明１９５および青色照明１９７を含む。赤色照明１９５で形成される最良焦点画像は、赤色像平面１９６にあってよい一方で、青色照明１９７で形成される最良焦点画像は、青色像平面１９８にあってよい。所与の材料の屈折率が、概して波長の関数であるため、個々の光学素子の焦点距離もまた、波長の関数であり得る。波長を伴う所与の一式の光学素子に対する有効焦点距離の変化Δｆは、その各Ｖ数で割った各光学素子の焦点距離の和によって、次式のように近似することができる。
【００２６】
【数２】
図１０に示される変更構成１９０’は、光学素子１９１’および１９２’のＶ数に対する焦点距離の比が互いのマイナスになるように（つまり、ｆ１’／Ｖ１’＝−ｆ２’／Ｖ２’）、光学素子１９１’および１９２’のＶ数および焦点距離が選択される場合を図示する。パラメータのこの選択に対して、波長を伴う（各Ｖ数が有効である波長域以上）、一式の光学素子の有効焦点距離の変化Δｆは、ほぼゼロである。よって、赤色照明１９５’および青色照明１９７’の両方が像平面１９８’で集束するように、一式の光学素子の有効焦点距離は、焦点距離およびＶ数の選択を介して、波長とはほぼ無関係にすることができる。しかし、構成１９０’における光学素子の焦点距離を不均等な割合で変更する（例えば、配置１９０’の全体的な倍率を変更する）と、Δｆがゼロ以外になる場合があり、したがって、赤色照明１９５’および青色照明１９７’の両方が像平面１９８’で集束しなくなるように、色収差を再導入する場合がある。言い換えると、その中の１つ以上の光学素子の焦点距離の変動に基づく現代のズームレンズシステムは、倍率が変化すると色収差の変動を示す場合があり、したがって、低下した画質を提供する。
【００２７】
図７〜１０に図示される画像劣化の問題、ならびにその他の収差は、これから説明される波面コーディングを利用することによって、改善することができる。
【００２８】
本開示で説明されるズームシステムは、光線角度にわたって入射光線を撮像する。このような入射光線は、ズームシステムによって撮像される波面を形成する少なくとも位相によって特徴付けられる。各ズームレンズシステムは、光軸により動作し、少なくとも光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）によって特徴付けられる。各ズームレンズシステムでは、光学群は、光軸に沿って配置され、少なくとも２つの異なる焦点距離値間で選択可能な可変焦点距離を有する少なくとも１つの可変光学素子を含む。光学群はまた、波面コーディング素子も含む。２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、光線角度の範囲に対応する複数のＭＴＦが、波面コーディング素子のない同じズームレンズシステムよりも、誤焦点様の収差に対して感度が低くなるように、波面コーディング素子は、少なくとも入射光線の位相を変化させる。少なくとも２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、光線角度のそれぞれに対応するＭＴＦは、形状および大きさにおいて実質的に同様である。
【００２９】
波面コーディングがあるズームレンズシステムの一実施形態を図１１および１２に図示する。まず図５と合わせて図１１を参照すると、構成２００では、被写体１１０は、バリエータとして働く光学群１５１、および波面コーディング（ＷＦＣ）補償器２０２によって撮像される。構成２００では（図５の構成１５０のように）、被写体１１０からの光は、周辺光線１２２とともに、ＷＦＣ補償器２０２へ向かって光学群１５１を通って移動する。光学群１５１を通って移動する光は、波面、ならびに光軸１２１に平行な周辺光線を含む。次いで、ＷＦＣ補償器２０２は、ぼやけた画像が検出器２１０上に形成されるように、その上に入射する光の波面をコード化する。検出器２１０におけるぼやけた画像の電子的表示は、焦点関連収差を実質的に感じない最終像２２０を形成するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２１５へ向けられる。ＤＳＰ２１５は、例えば、ぼやけた画像中のぼやけを除去するように、および／または、特定作業に対して適切な方式で最終像をフォーマットするように構成することができる。例えば、ＤＳＰ２１５は、最終像２００を機械または人間の観察に対してフォーマットすることができる。
【００３０】
図６と併せて図１２を参照すると、構成２００’が示され、図中、バリエータの焦点距離は、構成２００で示されるものから変更されている。つまり、光学群１５１’は、変更された焦点距離ｆ１’を示し、ズームレンズシステムの倍率は、構成２００で示されるものから変更されている。結果として、光学群１５１’の右側に現れる光は、図示されるように、波面ならびに光軸１２１に平行ではない周辺光線を含む。ＷＦＣ補償器２０２’もまた、ぼやけた画像が検出器２１０上に形成するように、その上に入射する光の波面をコード化する働きをする。ぼやけた画像の電子的表示は、ＤＳＰ２１５によってさらに処理され、焦点関連収差を実質的に感じない最終像２２０’を形成する。
【００３１】
光学群１５１と光学群１５１’との違いは、この同じ光学群が、ｆ１からｆ１’への焦点距離の変化を可能にする可変光学素子を含むことである。ＷＦＣ補償器２０２とＷＦＣ補償器２０２’との違いは、この同じ光学素子を、例えば、ＷＦＣ補償器によって示される焦点距離を、構成２００でのｆ２から構成２００’でのｆ’２に変更することによって、焦点の少なくとも粗調整を可能にするよう可変に構成することができることである。よって、図１１および１２にそれぞれ示される構成２００および２００’では、倍率および最良焦点位置の両方の調整を可能にするために、バリエータおよび補償器の両方が可変である。波面コーディングは、図９および１０に図示されるような色収差などの、焦点関連収差の影響を低減するために、協働して使用される。
【００３２】
波面コーディングがあるズームレンズシステムの別の実施形態を図１３に示す。図１１および１２と併せて図１３を参照すると、構成２００”では、バリエータの焦点距離は、図１１の構成２００に示されるものから再び変更されている。つまり、光学群１５１”は、変更された焦点距離ｆ１”を示し、ズームレンズシステムの倍率は、構成２００に示されるものから再び変更されている。しかし、図１２の構成２００’とは違って、ＷＦＣ補償器２０２は不変のままである。結果として、構成２００”におけるＷＦＣ補償器２０２を通って伝達される周辺光線が、構成２００の周辺光線２０４または構成２００’の周辺光線２０４’とは異なる一方で、最終像２２０”を鮮明かつ明瞭に保つために必要な焦点変化は、固定ＷＦＣ補償器２０２、検出器２１０、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２１５”の組み合わせによって達成することができる。ＤＳＰ２１５”は、例えば、ズームシステムの特定構成に応じて信号処理を行うようにプログラムされる。一実施形態では、ＤＳＰ２１５”は、光学群１５１”およびＷＦＣ補償器２０２の構成要素パラメータについての電子的フィードバックを取得する。別の実施形態では、ＤＳＰ２１５”は、検出された画像からズームレンズシステムの構成またはパラメータを自動的に推測する。
【００３３】
よって、図１１〜１３に図示される実施例は、波面コーディングを含む２部類のズームレンズシステムを説明する。１部類では、光学素子構成に起因する収差は、非球面光学および検出された画像の信号処理を利用することによって制御する。他方の部類では、画質を犠牲にすることなく、倍率を変えながら鮮明な画像を形成するために少なくとも１つ少ない可変光学素子を使用する。１つ以上の付加的な可変光学素子を含むことにより達成されることのある焦点移行は、固定ＷＦＣ補償器（図１３）および結果として生じた画像の信号処理によって提供される効果である。それにもかかわらず、両部類のそのようなズームレンズシステムは、単一ズームレンズシステムに組み込むことができる。つまり、ＷＦＣ補償器および信号処理は、焦点の変化により、かつズームレンズシステムの特定レンズ構成の画像劣化収差により引き起こされる効果を低減することができる。したがって、１つ以上の可変光学素子を排除するよりもむしろ、波面コーディングがあるズームシステムは、ＷＦＣ補償器および画像信号処理を伴わずに、必要とされるよりも粗い態様で（例えば、あまり精密でない制御で）変化する１つ以上の可変光学素子を利用することができる。
【００３４】
光学特性を、電圧、圧力、移動、および回転などであるがそれに限定されないパラメータの変動によって変更することができる、特定種類の光学素子を、この直後に、改良されたズームレンズシステムとの関連で説明する。
【００３５】
図１４および１５は、バリエータとして利用される液体レンズを示す。現在利用可能な少なくとも２種類の液体レンズがある。フランス、リヨンのＶａｒｉｏｐｔｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙより現在市販されている１種類は、電圧の変化に従って、形状を変化させる。カリフォルニア州、サンディエゴのＲｈｅｖｉｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｃ．より入手可能なもう１つの種類は、圧力の変化に従って、形状を変化させる。このような液体レンズは、光学素子が物理形状を変化させ、従来のズームレンズシステムのように、光軸に沿った光学素子の移動を必要とせずに、屈折力の変動をもたらすという点で、同様である（固定光学と比べて）。しかし、液体レンズが理想的な挙動を示したとしても、そのような液体レンズで構成されるズームレンズシステムは、なおも図７〜１０を参照して論議されるような、画像曲率および／または色収差を抱える。球面収差、コマ収差、非点収差、および温度関連収差などのその他の収差、およびフォーム誤差もまた、そのようなシステムの画像性能を制限する場合がある。波面コーディングを液体レンズズームレンズシステムに含むと、改善した画質で画像を生成するようにそのような誤差を緩和することができる。
【００３６】
図１４は、波面コーディングを含む液体レンズズームレンズシステムの一構成２５０を示す。構成２５０では、液体レンズ２５１はバリエータとして働き、ズームレンズシステムの倍率を変更する。液体レンズ２５１を通って伝達される光は、波面、ならびに光軸１２１に実質的に平行である周辺光線を含む。ＷＦＣ補償器２５２は、検出器２１０でぼやけた画像が形成するように波面をコード化する。ＷＦＣ補償器２５２は、固定素子であってよく、またあるいは、像平面の位置（例えば、検出器２１０の理想的な位置）を制御するための、液体レンズ光学素子などの可変光学素子であってもよい。次いで、ＤＳＰ２１５は、検出器２１０からのぼやけた画像を代表するデータを、人間および／または機械の観察に適しており、焦点関連収差を実質的に感じない最終像２６０に変換する。
【００３７】
図１５を参照すると、変更構成２５０’は、構成２５０の液体レンズ２５１と比べて、結果として生じるズームレンズシステムの倍率を変更し、図示されるように、周辺光線が光軸１２１に平行でなくなるように液体レンズ２５１’を通って伝達される光を変更する、液体レンズ２５１’を含む。固定および／または可変素子を含むことができるＷＦＣ補償器２５２’は、再度、検出器２１０でぼやけた画像が形成するように波面をコード化する。ＤＳＰ２１５’により、最終像は、人間および／または機械の観察に適して、焦点関連収差を感じなくなる。構成２５０および２５０’のＷＦＣ補償器２５２および２５２’はそれぞれ、例えば、液体レンズ２５１および２５１’それぞれの変化に対する反応において変化するように構成することができる。次いで、ＤＳＰ２１５および２１５’は、液体レンズ２５１および２５１’、および／またはＷＦＣ補償器２５２および２５２’の構成に左右される、またあるいは左右されない、処理を行うことができる。ＷＦＣ補償器２５２または２５２’、およびＤＳＰ２１５または２１５’を含むことによって、ズームレンズシステム中の可変光学素子のうちの１つは、排除される、簡素化される、またはあまり精密ではない作動および／または変動を必要とすることができる一方で、波面コーディングのないズームレンズシステム構成に存在する収差の影響をなおも軽減する。
【００３８】
図１６および１７は、液体レンズバリエータ２５１および２５１’の代わりに液晶バリエータ２８１、２８１’が利用されることを除いて、図１４および１５と同様の構成を示す。「電気的可変焦点高分子安定化液晶レンズ」と題された、米国特許出願公開第２００５／００１８１２７（Ａ１）号（以降、‘１２７出願書）で説明されているもののような液晶光学構成要素は、液晶光学素子の光学特性を変化させるために電圧またはその他の手段を使用する。例えば、液晶光学素子の有効焦点距離は印加される電圧によって制御することが可能であり、それにより、該素子は、現代のズームレンズシステムでの使用に潜在的に適切となる。その他の液晶レンズは、Ｙｅらによる「Ｌｉｑｕｉｄ−ｃｙｒｉｓｔａｌ ｌｅｎｓ ｗｉｔｈ ａ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｔｈａｔ ｉｓ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、ｖｏｌ． ４３、ｎｏ． ３５ （２００４）、ｐｐ．６４０７−６４１２、およびＯｋａｄａらによる「フレネルレンズを有する液晶レンズ」と題された米国特許第４，９０４，０６３号で説明されている。ズームレンズシステムでの液晶バリエータの使用は、図７〜１０を参照して上記で論議される種類の収差をなおも潜在的に引き起こし、よって性能を制限する場合がある。例えば、画像曲率、色収差、球面収差、非点収差、コマ収差、温度関連収差、および液晶バリエータの包含に起因する一般的なフォーム誤差のうちのいずれも、撮像性能を低減する場合がある。下記で説明されるような、ＷＦＣ補償器２８２、２８２’、および信号処理２１５の包含を介したこのような種類のシステムに対する改良は、図１４および１５に示されるものと一般に同様である。より少ない可変光学素子、より低い電力消費、より短いシステム全長、およびより低い費用は、ＷＦＣ補償器２８２、２８２’のない対応システムと比べて、図１６および１７に示されるシステムで達成することができるあらゆる改良である。
【００３９】
図１６および１７の構成を詳細に考慮すると、図１６は、結果として生じるズームレンズシステムの倍率を変更するためのバリエータとして働く液晶レンズ２８１がある構成２８０を示す。構成２８０では、液晶レンズ２８１を通って伝達される光は、波面、ならびに光軸１２１に実質的に平行である周辺光線を含む。ＷＦＣ補償器２８２は、波面をコード化し、後に、検出器２１０でぼやけた画像を形成する。ＷＦＣ補償器２８２は、像平面の位置（つまり、検出器２１０の理想的な位置）を制御するための、別の液晶レンズ、移動光学、および／または他の光学素子などの、固定または可変光学素子であってもよい。次いで、ＤＳＰ２１５は、検出器２１０からのぼやけた画像の電子的表示を、人間および／または機械の観察に適しており、かつ焦点関連収差を実質的に感じない最終像２９０に変換する。
【００４０】
図１７では、変更構成２８０’は、結果として生じるズームレンズシステムの倍率を変えるよう、ならびに、それを通って伝達される周辺光線が光軸１２１に平行でなくなるように液晶レンズ２８１’を通って透過される光を変えるよう、液晶レンズ２８１と比べて変更される液晶レンズ２８１’を含む。再度、固定または可変要素いずれかを含むＷＦＣ補償器２８２’は、その上に入射する光の波面をコード化し、検出器２１０でぼやけた画像を形成する。ＤＳＰ２１５’により、最終像２９０’は、人間および／または機械の観察に適して、焦点関連収差を感じなくなる。
【００４１】
一実施形態では、ズームシステムにおいて使用される光学構成要素は、固定素子（例えば、固定高額性質があるが、必ずしも固定位置ではない素子）を含み、この固定要素は、光軸に沿っていないこともある方向にシステムに対して移動可能であることによって、システムを形成するために必要とされる長さを低減する。図１８および１９は、屈折力を変えるための１つの移動可能光学配置の例を示す。図１８の光学配置３００は、配置の有効屈折力または焦点距離が、光学素子のうちの１つの摺動運動を介して、少なくとも２つの値の間で変化することが可能となるように構成される２つの光学素子を含む。光学配置３００では、固定および静止光学素子３０２は、開口３０４および正レンズ３０５の付近に配置される。静止光学素子３０２は、例えば、図示されるように、正曲率表面形状による屈折力を示す第１の部分３０６、および屈折力がない実質的に平面または平坦表面形状である第２の部分３０８といった、２つの部分を含む。光学配置３００はまた、少なくとも２つの位置間で摺動可能に構成されている横摺動光学素子３１０も含む。摺動光学素子３１０は、図示されるように、負の曲率を含む第１の部分３１２、曲率または屈折力が実質的にない平面である第２の部分３１４、および正の曲率を示す第３の部分３１６といった、３つの部分を有する。図１８では、摺動光学素子３１０は第１の位置で示され、図中、静止光学素子３０２の第１の部分３０６および第２の部分３０８は、図示されるように、素子３１０の第１の部分３１２および第２の部分３１４とそれぞれ並んでいる。開口３０４、静止光学素子３０２、および摺動光学素子３１０の第１および第２の部分３１２および３１４の組み合わせは、それを通って伝達される光に対する屈折力を提供しない。つまり、部分３１２の負の曲率の光学的効果が、部分３０６の正の曲率の光学的効果を相殺する一方で、部分３０８および３１４のそれぞれには効果がない。
【００４２】
図１９は、光学配置３００の素子を含む光学配置３００’を示すが、光学素子３１０は、光学配置３００内のその位置と比べて、変更された位置にある。光学配置３００’では、光学素子３１０は、光学配置３００内のその位置に対する第２の位置への、システムの光軸（光軸は、概して、開口３０４の平面と直角であると定義される）に対して直角の方向にある、開口３０４の直径の約1／２である距離Ｓによって移動されている。摺動光学素子３１０が図１９に示される第２の位置にあると、静止光学素子３０２の部分３０６は、摺動光学素子３１０の部分３１４と並び、静止光学素子３０２の部分３０８は、摺動光学素子３１０の部分３１６と並ぶ。結果として、開口３０４、静止光学素子３０２、および第２の位置にある摺動光学素子３１０の組み合わせを介して伝達される光は、正の屈折力に遭遇する。
【００４３】
言い換えると、開口３０４と組み合わせた、静止光学素子３０２および摺動光学素子３１０の組み合わせは、摺動光学素子３１０の摺動運動に応じて、屈折力の２つの異なる値をもたらす。図１８の光学配置３００に示されるような第１の位置での配置は、ゼロの有効屈折力をもたらす。摺動光学素子３１０が図１９に示されるような第２の位置に移行されると、素子の有効曲率は正の屈折力を提供する。よって、光軸に対して垂直に光学素子３１０を摺動させることによって、有効屈折力は、ゼロから所定のゼロ以外の値に変えることができる。図１８および１９に示される構成に対する薄いレンズの同等な表現は、光学配置３００に対してゼロの屈折力がある平面／平面素子、および光学配置３００’に対して正の屈折力がある平面／凸面素子である。一般に、光学配置３００は、一連の屈折力を示すように構成することができ、その場合、図１８のゼロ屈折力構成は特殊な場合である。
【００４４】
図２０および２１に示されるような波面コーディングを使用するズームシステムに利益をもたらすために、前述の摺動光学配置を使用することができる。図２０および２１に示される構成では、図１８および１９の摺動光学配置はバリエータとして使用される。図２０の構成４００は、摺動光学素子３１０の位置が光学配置３００に対する低屈折力をもたらすズームレンズシステムに対応する。この場合、固定されているか動的であるかのいずれかである、ＷＦＣ補償器４０２は、結果として生じる被写体１１０の最終像４１０が実質的に焦点関連収差を感じないように、検出器２１０およびＤＳＰ２１５と協働する。そのような収差は、例えば、システムで使用される少数の光学素子では十分な収差制御が可能でないシステムの特定光学構成の結果であるか、あるいは、バリエータとして働く光学配置３００の光学特性の引き起こされた変化によって生成される。図２１に示されるように、変更構成４００’は、摺動光学素子３１０の位置が、光学配置３００によって提供されるよりも大きい屈折力がある光学配置３００’を提供する状況を図示する。
【００４５】
図２２および２３は、バリエータによって提供される屈折力が、平面／非球面光学素子の相対的位置とともに連続的に変化するような、摺動バリエータ構成での平面／非球面光学素子の使用を図示する。つまり、２つの可能な位置間で摺動光学素子３１０の相対的位置を選択することによって、光学配置３００および３００’が、屈折力の２つの値の間での選択を提供する一方で、平面／非球面光学素子の使用は、連続範囲の屈折力を提供する（例えば、連続範囲は、光軸１２１に垂直な方向に摺動光学素子を移動させることによって得られる）。
まず図２０と併せて図２２を参照すると、図２０の構成４００での光学配置３００は、図２２で示されるズームレンズシステムの構成４２０での光学配置４３０と交換される。光学配置４３０は光学配置３００中にあるような開口３０４を含むが、光軸１２１に垂直な方向に互いに対して摺動可能である、平面／非球面の第１および第２の光学素子４３２および４３４も含む。図２３を簡潔に参照すると、ズームレンズシステムの変更構成４２０’は、第１および第２の摺動光学素子４３２および４３４が、構成４３０でのそれらの位置と比べて、互いに対して移動されている、光学配置４３０’を含む。結果として、光学配置４３０’は、光学配置４３０によって提供されるものと比べると、異なる値の屈折力を提供する。構成４２０および４２０’は、最終像４５０を生成するＷＦＣ補償器４４２、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含む。ＷＦＣ補償器４４２は、例えば、図１１〜１７および２０〜２１に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能するように構成され、さらに、光学配置４３０と協働するようにカスタマイズすることができる。
【００４６】
光学配置４３０および４３０’として示されるレンズ構成は、一般的にアルバレスレンズと呼ばれる（例えば、米国特許第３，３０５，２９４号を参照）。アルバレスレンズの第１および第２の光学素子の非球面表面形状は、式
【００４７】
【数３】
によって表される立方体として表現することができる。
【００４８】
式中、ｙは、図２２および２３の紙面における垂直方向寸法であり、高さ（ｙ）は、対向する平面から測定されるような各摺動光学素子の非球面表面の高さであり、ａは定数パラメータである。
【００４９】
図２２および２３に示されるような光学素子４３２および４３４の組み合わせは、素子４３２および４３４間での位置の相対的移行の量とともに近似的に変わる２次位相または屈折力を伴う複合光学素子に効果的に同等である。つまり、素子４３２および４３４の複合位相は、
【００５０】
【数４】
として表現することができる。
【００５１】
式中、ｚは、光軸１２１に沿った寸法であり、Δは、図２３に示されるような、素子４３２および４３４間の相対的摺動距離である。式（２）で見ることができるように、第１および第２の摺動光学素子の組み合わせに関連する２つの位相項、つまり、ｙ２の２次項および定数項がある。定数項は、Δに左右され、理想的には、結果として生じる画像に実質的に影響しないピストンと呼ばれるズームレンズシステムに、収差を加える。２次項は、Δに応じて、屈折力を提供する。定数パラメータａの変動は、素子４３２および４３４の相対的移動への結果として生じる屈折力の感度を増加または減少させる働きをする。したがって、互いに対して素子４３２および４３４を移行することによって、組み合わせの有効屈折力を変えることができる。
【００５２】
図２２および２３に図示されるズームレンズシステム中のアルバレスレンズ（つまり、光学配置４３０および４３０’）は、アルバレスレンズによって提供される屈折力を変更するために、光軸１２１に垂直な平面で反対方向に移動する第１および第２の摺動光学素子４３２および４３４の両方を有する。例えば第２の摺動光学素子４３４だけといった、摺動光学素子のうちの１つのみが移動される場合、線形位相シフトが、移行された２つの素子の組み合わせに起因する。この位相シフトは、素子変位の関数Δとして、画像を空間的に変位させる働きをする。この位相シフトは、より複雑な形態の摺動可能光学素子が使用される場合に、除去することができる。例えば、移行された屈折力項の組み合わせが、屈折力の量および素子変位に応じて、線形位相シフトをもたらすように、屈折力の近似値を提供する２次項も含むことができる。屈折力項からの位相シフトは、素子の組み合わせをもたらす３次項からの位相シフトを相殺することが可能であり、その場合、単一の素子のみが、連続的可変量の屈折力があるアルバレスレンズをもたらすように移行される必要がある。
【００５３】
図２４および２５は、１つの素子しか摺動しないが、各素子の両面が非球面である、バリエータとして働く連続的可変摺動光学素子の変動を図示する。図２０と併せて図２４を参照すると、図２０の構成４００中の光学配置３００は、図２４のズームレンズシステムの構成４６０では、光学配置４７０に置き換えられている。光学配置４７０は、光学配置３００のように、開口３０４を含むが、第１の非球面／非球面素子４７２および摺動する第２の非球面／非球面素子４７４も含む。素子４７２は、前面４７５および裏面４７６を含み、その両方とも非球面表面形状を有する。素子４７４も、前面４７７および裏面４７８を含み、その両方とも非球面表面形状を有する。図２４および２５に図示される例では、素子４７２および４７４は、素子の外面（例えば、図示されるように、互いに向き合わない表面）上の屈折力および内面上の三次元表面を含む。つまり、素子４７２の表面４７５は負の屈折力を有し、素子４７２の表面４７６は三次元表面形状を有する。同様に、素子４７４の表面４７７は、素子４７２の第２の表面４７６の三次元表面形状に対応する三次元表面形状を有し、素子４７４の表面４７８は正の屈折力を有する。
【００５４】
続けて図２４を参照すると、光学配置４７０では、素子４７２は、開口３０４に対して静止したままであるように構成される。あるいは、素子４７２はまた、例えば、光軸１２１に直角である方向に、開口３０４に対して摺動可能に構成することができる。素子４７４は、光学配置４７０が屈折力の連続的変動を提供することが可能となるように、開口３０４および素子４７２に対して摺動可能である。素子４７２に対して空間的に移動する素子４７４は、光学配置４７０の有効屈折力の変化をもたらす。つまり、素子４７２および４７４の組み合わせは、素子４７４の摺動運動により連続的範囲の屈折力を生じ、検出器２１０に対して光軸１２１を中心に保ち、収差を最小化するために付加的な光学的自由度を提供するように構成することもできる。構成４６０は、最終像４９０を生成するＷＦＣ補償器４８２、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含む。ＷＦＣ補償器４８２は、例えば、図１１〜１７および２０〜２３に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能し、さらに、光学配置４７０の固有の特徴に適合するようカスタマイズすることができる。
【００５５】
素子４７４の摺動可能構成は、図２４と併せて図２５を参照することによって図示される。図２４の光学配置４７０は、素子４７２および４７４が互いに完全に重なり合って示され、つまり、光軸１２１に沿って互いに対してほぼ中心にある。図２５の光学配置４７０’では、素子４７４は、変位Δによって素子４７２に対して下方に移動されている。図２４では、光学配置４７０は最小屈折力構成を提供し、図２５では、光学配置４７０’はより大きい屈折力構成を提供する。
【００５６】
非球面光学素子はまた、もう一方に対する回転する１つの非球面素子が屈折力の変化を引き起こすように、構成することもできる。この種類の回転素子の一例は、Ｂａｋｅｒらの米国特許第４，６５０，２９２号（以降、’２９２特許）で説明されている。
【００５７】
図２６は、２つの素子を有する光学配置の屈折力の変化を達成するための素子の回転を図示する。ズームレンズシステムの構成５００は、光学配置５１０を含む。図１８および１９と併せて図２６を参照すると、光学配置５１０は、図１８および１９の光学配置３００、３００’に示されるような、開口３０４の付近に配置される静止光学素子３０２’を含む。光学素子３０２’は、負の屈折力を提供する部分、および屈折力を提供しない平面部分を含む。光学配置５１０は、反時計方向５１８（矢印で示されるような）または時計方向５１８’のいずれかに回転軸５１６の回りに回転可能である、第２の回転可能光学素子５１４をさらに含む。素子５１４は、非球面表面５１９および平面表面５２０を含む。あるいは、素子５１４は、図２４に示される素子４７２および４７４のような非球面／非球面素子であってもよい。素子３０２’および５１４の表面曲率および軸５１６の位置は、素子５１４が軸５１６の回りを回転すると、光学配置５１０が可変の屈折力を提供するように選択される。よって、摺動可能光学素子を含む前述の光学配置のように、光学配置５１０は、従来のズームレンズシステムのように光軸に沿った付加的な長さを必要とせずに可変屈折力を提供するよう、光軸１２１に直角な平面での光学素子の移動を含む。構成５００は、ＷＦＣ補償器５２２、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含み、最終像５３０を生成する。ＷＦＣ補償器５２２は、例えば、図１１〜１７および２０〜２５に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能し、さらに、光学配置５１０と協働するようにカスタマイズすることができる。
【００５８】
図２７および２８は、改良されたズームレンズのバリエータで使用される摺動素子のさらに別の変動を図示する。図２７および２８で図示される場合では、単一の摺動非球面素子５７０は、第２の光学素子を使用せずに屈折力を変える。つまり、２つの補足素子のうちの少なくとも１つがもう１つに対して移動する図２０〜２６に示されるような構成とは対照的に、図２７および２８の構成５５０および５５０’はそれぞれ、単一の移動可能光学素子５７０しか含まない。
【００５９】
まず図２７を参照すると、光学配置５６０は、開口３０４、および開口３０４に対して移動可能である移動可能光学素子５７０を含む。移動可能光学素子５７０の連続または不連続移動によって、異なる屈折力に対応する素子５７０の異なる部分は、光学配置５６０が、開口３０４に対する素子５７０の相対的位置に応じて変化する屈折率を提供するように、開口３０４を通して照射される。図２７が非球面表面５７２および平面表面５７４を含むものとしての素子５７０を示す一方で、素子５７０は、所望の屈折力変動を達成するように、非球面／非球面の組み合わせまたは平面／非球面の組み合わせなどの、その他の表面輪郭で構成することができる。
【００６０】
図２８は、光学配置５６０’を含む構成５５０’を示し、図中、移動可能光学素子５７０’は、非球面／平面表面輪郭の異なる部分が開口３０４を通して図示されるように、図の平面で下方に摺動されている。素子５７０が図２７および２８で移動可能（例えば、直線摺動として）に示されている一方で、移動可能光学素子もまた、他の方法で移動して屈折力の変動を提供することができる（例えば、図２６に示されるように、回転軸の回りの回転によって）。構成５５０および５５０’は、それぞれＷＦＣ補償器５８２および５８２’、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含み、図示されるように、最終像５９０および５９０’をそれぞれ生成する。ＷＦＣ補償器５８２および５８２’は、例えば、図１１〜１７および２０〜２６に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能し、さらに、光学配置５６０および５６０’の特定の特徴と協働するようカスタマイズすることができる。
【００６１】
ズームシステムに使用するための摺動光学素子に対するさらに別の変動は、摺動開口、およびバリエータとして使用される非球面光学素子を伴う。米国特許第６，６０３，６０８号でＴｏｇｉｎｏによって説明されているものなどの摺動開口は、非球面光学素子のある部分だけが一度に照射されるように、非球面光学素子に対して移動する。次に、開口のこの移動は、開口／非球面光学の組み合わせに対する不連続または連続的可変屈折力をもたらす。摺動開口および非球面光学素子の組み合わせは、変化する屈折力を提供する光学配置を効果的にもたらす。
【００６２】
図２９および３０は、そのような摺動開口装置を含む改良されたズームレンズシステムの例を図示する。図２９に示される構成６００は、順に開口６０４および非球面光学素子６０６を含む光学配置６０２を含む。開口６０４の連続または不連続移動によって、異なる屈折力に対応する素子６０６の異なる部分は、光学配置６０２が、素子６０６に対する開口６０４の相対的位置に応じて可変屈折力を提供するように、開口６０４を通して照射される。構成６００では、光学配置６０４がそれを通って伝達される光の第１の値を提供するように、開口６０４および素子６０６の両方は、図の平面で光軸１２１に対して中心となって示される。図３０は、素子６０６の異なる部分を照射するよう光学配置６０２’が（図２９の光学配置６０２中のその位置に対して）移動されている構成６００’を示す。特に、光学配置６０２’を通って移動する光が、屈折力の異なる第２の値を経験するように、開口６０４は、光軸１２１に対して図の平面で上方に移動されて示されている。
【００６３】
図２９および３０を続けて参照すると、素子６０６が非球面表面６０８および平面表面６１０を含むとして示される一方で、あるいは、非球面光学素子は、開口６０４と協働して所望の屈折力変動を達成するように、前述の非球面／非球面の組み合わせまたは平面／非球面の組み合わせなどであるがそれに限定されない、その他の表面構成で構成することができる。また、開口６０４は、横方向に摺動可能、または例えば図１８〜２８に示される移動可能光学素子の移動に類似している方式で、光軸に直角である平面で回転軸の周りを回転可能であってもよい。構成６００および６００’は、それぞれＷＦＣ補償器６１２および６１２’、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含み、最終像６２０および６２０’をそれぞれ生成する。ＷＦＣ補償器６００および６００’は、例えば、図１１〜１７および２０〜２８に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能し、さらに、光学配置６０２および６０２’の特定の特徴と協働するようカスタマイズすることができる。
【００６４】
図１１〜１７および２０〜３０を再び参照すると、入射光線角度（つまり、θｏｂｊ内にある被写体１１０からの光線）の範囲は、ズームシステムのそれぞれによって撮像され、光線角度の範囲にわたるＭＴＦが、大きさおよび形状において同様であり、ズームシステムが誤焦点様の収差に対して感度が低くなるように（波面コーディングのない同じズームシステムと比べて）、波面コーディング素子は、光線によって表される波面の位相を変更する。
図３１および３２は、本開示に従ったズームレンズシステムの別の例を図示する。図３１は、第１の光学群７０２（焦点距離ｆ１を伴う）および第２の光学群７０４（焦点距離ｆ２を伴う）を含む２群ズームレンズシステムの構成７００を示す。第２の光学群７０４は、可変光学素子７０６およびＷＦＣ素子７０８を含む。第１および第２の光学群７０２および７０４は、光軸７２２と並ぶ。構成７００は、図示されるように、軸上光線７２５および軸外光線７２７の両方を受け取るように構成される、広角システムとして示される。第１および第２の光学群７０２および７０４は、検出器２１０上に軸上および軸外光線７２５および７２７の両方を撮像するように構成される。検出器２１０によって生成される画像データは、ＤＳＰ２１５において処理され、最終像７２０を生成する。第１および第２の光学群７０２および７０４は、屈折、回折、およびホログラフィック素子を含むがそれに限定されない、複数の光学素子を含むことができる。ＷＦＣ素子７０８は、素子７０６の表面に形成される、またあるいは、それとともに一体的に形成される可変光学素子７０６から分離することができる。
【００６５】
図３２は、第２の光学群７０４’を含む構成７００’を示す。構成７００’では、可変光学素子７０６は、図３１の素子７０６の焦点距離ｆ２とは異なる焦点距離ｆ２’を有する可変光学素子７０６’を形成するように変更される。焦点距離の変化は、例えば、可変レンズの上述の実施のうちの１つによって達成することができる。光学群７０４’もまた、光学群７０４のＷＦＣ素子７０８の特徴と同じ、または異なってもよい特徴があるＷＦＣ素子７０８’を有する。光学群７０４’もまた、構成７００の光学群７０４および７０２の位置と比べて、光軸に沿って第１の光学群７０２（矢印７３０によって示される）により近い。構成７００’は、検出器２１０上に撮像され、最終像７２０’を形成するようＤＳＰ２１５において処理される、軸上およびほぼ軸外の光線７２５’（破線の楕円によって示される）を受け入れる望遠システムとしての使用に適している。言い換えると、構成７００および７００’は、光軸７２２に沿った光学群７０６、７０６’の移動および可変光学群７０４、７０４’の焦点距離変動を組み合わせるズームレンズシステムの、広角および望遠状態をそれぞれ図示する。
【００６６】
上記のように、ＷＦＣ素子７０８の固有の特徴も変えてよい。例えば、ＷＦＣ素子７０８によって達成される位相変動を、第２の光学群７０４および／または７０４’の構成に応じて変えることができるように、ＷＦＣ素子７０８は、適応光学素子または空間光変調器を使用して実施することができる。また、構成７００’でＤＳＰ２１５によって行われる信号処理は、構成７００で行われるものと同じであっても、そうでなくてもよい。構成７００’での信号処理は、第２の光学群７０４’の変化に適応するように変更することができる。
ズームレンズシステム中の少なくとも１つの光学群の移動および焦点距離変動を同時に達成することによって、図３１および３２に図示されるズームレンズシステムは、従来のズームレンズシステム単独によって必要とされるよりも少ない光軸にそった光学群の移動、および現代のズームレンズシステム単独によって必要とされるよりも少ない焦点距離変動を使用して、広角から望遠の一連の特徴を達成することができる。さらに、ＷＦＣ素子７０８は、従来または現代のズームレンズシステム構成によって達成可能ではない収差補償を、さらに提供することができる。例えば、図１１〜１７および２０〜３０に示されるような、前述の改良されたズームレンズシステムのいずれも、このような前述のシステムに移動機構を備えてすでに示した焦点距離変動を補うことによって、図３１および３２で例示されるように、移動および焦点距離変動を同時に実施するように変更することができることが注目される。
【００６７】
図３１および３２に図示されるような構成７００および７００’、およびＷＦＣ素子７０８のない同等の構成を、次の例示的特徴を使用して数値的にモデル作成した。構成７００では、群７０２および７０４の組み合わせによって示される有効焦点距離は、２．７ｍｍである。群７０２の焦点距離ｆ１を、−６．６２ｍｍと想定し、群７０４の焦点距離ｆ２は、３．４１ｍｍである。群７０２および７０４の主平面間の間隔は、４．３３ｍｍである。構成７００’では、群７０２は静止したままであり、焦点距離ｆ１は変化しない（なおも−６．６２ｍｍ）一方で、群７０４’の焦点距離ｆ２’は、４．０４ｍｍに変化する。群７０２および７０４’の組み合わせによって示される有効焦点距離が５．４ｍｍとなるように、群７０２および７０４’の主平面間の間隔は、１．７１ｍｍである。光線の波長は、０．５５ミクロンと想定され、検出器２１０は４ミクロン平方の画素を含むと想定される。
【００６８】
様々な光学群の具体的な記述は、周知の垂下方程式に由来し、
【００６９】
【数５】
式中、ｚ＝表面の垂下、ｃ＝表面曲率、ｋ＝円錐定数、ｒ＝頂点からの半径方向距離、およびａｎ＝非球面定数である。表面は、図３１および３２の構成７００および７００’で紙の左側からズームレンズシステムに接近する光線によって見られるものとして定義される。構成７００および７００’の数値的モデル化で使用される規定は、下記によって求められる。
【００７０】
【表１】
ＷＦＣ素子７０８の効果を図示するために、図３１および３２に図示される構成７００および７００’と同等であるが、ＷＦＣ素子７０８のない光学配置に対応する光線遮蔽曲線のペアを図示する、図３３〜３６にまず注意が向けられる。図３３〜３６および４６〜４９の全てにおいて、軸「ＥＹ」は、像平面（例えば、検出器２１０の位置）の空間Ｙ軸に対応し、軸「ＰＹ」は、瞳孔平面（例えば、入射光線によって遭遇される第１の光学群７０２の第１の表面）の空間Ｙ軸に対応し、軸「ＥＸ」は、像平面の空間Ｘ軸に対応し、軸「ＰＸ」は、瞳孔平面のＸ軸に対応する。
【００７１】
当技術分野で周知のように、光線遮蔽曲線は、所与のシステム中に存在する焦点関連収差の程度を示すことができる。光線遮蔽曲線は、瞳孔平面上の所与の光線位置に対して、光線が画像化する像平面上の対応する位置を描画することによって、算出される。例えば、完璧に焦点が合ったシステムに対しては、ｘ軸およびｙ軸光線遮蔽曲線は、ＥＹ＝０およびＥＸ＝０軸に沿ったまっすぐな水平線となるべきである。理想的な水平線からの逸脱は、システム中の種々の収差の存在を示す。例えば、傾斜した直線の光線遮蔽曲線（つまり、ゼロ以外の傾斜の直線）は、誤焦点、つまり、瞳孔位置とともに直線的に増加する像平面の高さを示す。また、ｙグラフおよびｘグラフが異なる傾斜を示す場合、光線遮蔽曲線は、非点収差を示す。さらに、光線遮蔽曲線の傾斜が、画角の関数として変化する場合、光線遮蔽曲線はフィールド湾曲を示す。加えて、光線遮蔽曲線が三次曲線である場合、その光線遮蔽曲線は球面収差を示す。よって、光線遮蔽曲線は、所与の光学システムに存在する種々の収差を示すことができる。
【００７２】
図３３は、構成７００を通過する軸上光線７２５に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、ｙ軸光線遮蔽曲線７５４およびｘ軸光線遮蔽曲線７５６についてのｙグラフ７５０およびｘグラフ７５２を示す。同様に、図３４は、構成７００を通して撮像されている軸外光線７２７に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、ｙ軸光線遮蔽曲線７６４およびｘ軸光線遮蔽曲線７６６についてのｙグラフ７６０およびｘグラフ７６２を示す。図３５は、構成７００’を通過する光線７２５’の軸上部分に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、ｙ軸光線遮蔽曲線７７４およびｘ軸光線遮蔽曲線７７６についてのｙグラフ７７０およびｘグラフ７７２を示す。図３６は、構成７００’を通過する光線７２５’の軸外部分に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、ｙ軸光線遮蔽曲線７８４およびｘ軸光線遮蔽曲線７８６についてのｙグラフ７８０およびｘグラフ７８２を示す。
【００７３】
図３３〜３６のそれぞれを別々に対処すると、図３３に示されるｙ軸およびｘ軸光線遮蔽曲線７５４および７５６は、実質的に一定傾斜の直線であり、よって誤焦点を示す。図３４では、ｙ軸光線遮蔽曲線７６４およびｘ軸光線遮蔽曲線７６６が異なる傾斜を示すため、誤焦点に加えて非点収差の存在を示す。図３５および３６では、光線遮蔽曲線７７４および７７６は、実質的に直線であるが、曲線７６０および７６６からの反対傾斜を有し、構成７００’が構成７００とは反対の誤焦点を示すことを示す。つまり、図３３および３４に示される誤焦点は、例えば、構成７００での像平面（つまり、検出器２１０の位置）を傾斜させることによって部分的に修正できる一方で、像平面のそのような移動は、構成７００’によって示される誤焦点を悪化させる。言い換えると、図３３〜３６に示される誤焦点の修正は、例えば、望ましくない構成の関数としての像平面の移動を必要とする。
【００７４】
構成７００および７００’と同等であるがＷＦＣ素子７０８がない構成の非理想的性能をさらに図示するため、このような構成の算出された変調伝達関数（ＭＴＦ）を図３７に示す。グラフ８００は、構成７００および７００’中の軸上および軸外光線に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、複数のＭＴＦ曲線を含む。グラフ８００の縦軸はＭＴＦの大きさに対応し、グラフ８００の横軸は、正規化空間周波数パラメータに対応する。１の最大空間周波数は、１以上（画素サイズの２倍）に対応する。理想的ＭＴＦは、０．５の大きさにおける水平線である。正規化空間周波数パラメータに対するカットオフ値（つまり、ＭＴＦが０．５を下回る、正規化空間周波数パラメータまたは空間周波数）を有することが多くの用途にとって容認可能である一方で、その特徴が、システムが異なる構成間の性能の大きな変動を示す、つまり、この場合、ある構成が他の物よりも性能が良い場合があることを示すため、異なる構成間のＭＴＦ曲線の大幅な変動は、非理想的と考えられる。異なる構成に対する均一な性能（つまり、同様のＭＴＦ曲線）が、概して好ましい。
【００７５】
図３７を続けて参照すると、第１のＭＴＦ群８１０は、図３１の軸上および軸外光線７２５および７２７に対するＭＴＦ曲線を含み、第２のＭＴＦ群８２０は、図３２の光線７２５’の軸上および軸外部分に対するＭＴＦ曲線を含む。具体的には、第１の軸上ＭＴＦ曲線８１２は、軸上光線７２５に対するＭＴＦ曲線であり、第１の軸外ＭＴＦ曲線８１４は、軸外光線７２７に対するＭＴＦ曲線であり、第２の軸上ＭＴＦ曲線８２２は、光線７２５’の軸上部分に対するＭＴＦ曲線であり、第２の軸外ＭＴＦ８２４は、光線７２５’の軸外部分に対するＭＴＦ曲線である。グラフ８００で見ることができるように、構成７００および７００’それぞれと同等な構成に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、第１および第２のＭＴＦ群８１０および８２０は、軸上および軸外光線に対して、互いに、ならびにそれら自身群内でも有意に異なる。さらに、ＭＴＦ曲線８２４は、ＭＴＦ曲線８２２および第１のＭＴＦ群８１０よりも有意に低く、よって、構成７００’で示される光線７２５’の軸外部分に対する低下した性能を示す。
【００７６】
ＷＦＣ素子７０８のない構成７００および７００’の非理想的性能のなおも別の表示を図３８および３９に示す。図３８および３９は、図３１および３２と併せて、特定空間周波数値（これらの図に示される例では７５線対／ｍｍ）に対するＷＦＣ素子７０８のない構成７００および７００’での、軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線を示す。図３８および３９では、縦軸は、光学的伝達関数（ＯＴＦ）の係数の大きさに対応し、つまり、ＭＴＦ、および横軸は、ミリメートル単位の焦点移行に対応し、その場合、ゼロの焦点移行は、像平面（例えば、検出器２１０の位置）での完璧な焦点に対応する。図３８のグラフ８５０は、図３１の構成７００での軸上光線７２５および軸外光線７２７に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、第１群のＭＴＦ曲線８５２を含む。１つのＭＴＦ曲線のピーク高さをｈＭＴＦと標識し、ｈＭＴＦ／２の値での対応するピークの幅（例えば、曲線の半値全幅またはＦＷＨＭ）を８５６と標識する。図３８に示される例では０．２ｍｍ未満であるＦＷＨＭ８５６は、下記の図４１に関連して論議されるように、ＷＦＣ素子が構成７００で利用されると、増加することができる。
【００７７】
グラフ８５０で見ることができるように、ＭＴＦ曲線８５２群のピークは、ゼロ焦点移行での理想的焦点８５４の線の右に位置している。同様に、図３９のグラフ８６０は、図３２の構成７００’での光線７２５’の軸上および軸外部分に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、第２群のＭＴＦ曲線８６２を含む。グラフ８６０では、ＭＴＦ曲線８６２群のピークは、理想的焦点８５４の線の左に位置している。像平面位置が第１群のＭＴＦ曲線８５２または第２群のＭＴＦ曲線８６２のいずれかのピークにあるように、ＷＦＣ素子７０８のない構成７００、７００’によって表されるシステムに調整を行うことができる（例えば、検出器２１０の位置、それにより、像平面は、第１および第２の光学群７０２および７０４または７０４’のより近くまたは遠くに移動することができる）一方で、１つの構成の性能を向上させるためにシステムを調整すると、他の構成の性能を悪化させ、逆の場合も同じである。言い換えると、構成７００および７００’の両方において良好な性能を達成する検出器２１０に対する１つの位置を選択することは可能ではない。
【００７８】
図３１および３２の構成７００および７００’での、ＤＳＰ２１５と組み合わせたＷＦＣ素子７０８の包含は、これから説明するように、ズームレンズシステムの性能を向上することができる。
【００７９】
数値的モデル化の目的で、ＷＦＣ素子７０８は、第２の光学群７０４および７０４’の第１の表面の前に予備素子を追加することによって説明される。１つの特定のＷＦＣ素子７０８は、
【００８０】
【数６】
として表現される前面を持つとしてシミュレーションされ、式中、ｘおよびｙは、光軸に直角である平面での空間変数であり、ａ３＝１．４１８・１０−３、ａ５＝−０．５７６６・１０−３、ａ７＝１．３８８・１０−３、ａ９＝７．８８・１０−３、およびｒ０＝０．４２ｍｍである。ＷＦＣ素子７０８のその他の構成が可能である。
【００８１】
図４０は、構成７００および７００’を通して撮像された軸上および軸外光線に対するＭＴＦのグラフ９００を示し、今回は、ＷＦＣ素子７０８の効果が数値的モデル化に考慮されている。第１のＭＴＦ群９１０は、図３１の軸上および軸外光線７２５および７２７、ならびに図３２の光線７２５’の軸上および軸外部分に対するＭＴＦ曲線を含み、よってＤＳＰ２１５による処理がない広角構成７００および望遠構成７００’の両方に対応する。グラフ９００で見ることができるように、第１のＭＴＦ群９１０内の個々のＭＴＦ曲線は、互いにかなり類似している。つまり、ＭＴＦ群９１０の実質的に同様のＭＴＦ曲線を、図３７の前述のＭＴＦ群８１０および８２０と比較することにより、ＷＦＣ素子７０８を利用すると、各構成内ならびに異なる構成での異なる光線角度に対する性能の均一性が向上することが示唆される。
【００８２】
なおも図４０を参照すると、グラフ９００はまた、構成７００を通して撮像された軸上および軸外光線７２５および７２７、ならびにＤＳＰ２１５による処理を伴って、構成７００’を通して撮像された光線７２５’の軸上および軸外部分に対するＭＴＦ曲線に対応する、第２のＭＴＦ群９２０も含む。ＤＳＰ２１５の詳細は、下記の論議中の適切な連接において説明する。第２のＭＴＦ群９２０の検討によって分かるように、第２のＭＴＦ群９２０内のＭＴＦ曲線の全体的な大きさは、第１のＭＴＦ群９１０内の曲線よりも増加する一方で、ＭＴＦ性能の均一性（ＭＴＦ群９２０における曲線の実質的に同様な大きさおよび形状によって示される）を保つ。さらに、第２のＭＴＦ群９２０内のＭＴＦ曲線は、全体的に見ると、正規化空間周波数パラメータ範囲にわたって大きさが０．５より大きい。言い換えると、ＷＦＣ素子７０８およびＤＳＰ２１５による処理が含まれると、両構成７００および７００’は、本開示のズームレンズシステムの改良された性能を達成する。
【００８３】
ＷＦＣ素子７０８を含むが信号処理のない構成７００および７００’の性能の別の解説では、図４１および４２は、特定の空間周波数値（図３８および３９のように７５ｌｐ／ｍｍ）に対する構成７００および７００’での軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線を示す。再度、像平面での完璧な焦点は、ゼロの焦点移行に対応する。図４１のグラフ９５０は、ＷＦＣ素子７０８を含むがＤＳＰ２１５による信号処理のない、図３１の構成７００での軸上および軸外光線に対応する第１群のＭＴＦ曲線９５２を含む。１つのＭＴＦのピーク高さをｈＭＴＦと標識し、対応するピーク（例えば、ｈＭＴＦ／２の値で）のＦＷＨＭを９５６と標識する。図４２のグラフ９６０は、ＷＦＣ素子７０８があるがＤＳＰ２１５による信号処理のない、図３２の構成７００’での軸上および軸外光線に対応する第２群のＭＴＦ曲線９６２を含む。第１および第２群のＭＴＦ曲線９５２および９６２のそれぞれの中の個々のＭＴＦ曲線はそれぞれ、各群内で互いにかなり類似している。この特徴は、構成にわたる、ならびに光線角度にわたる、均一な性能を示すことが分かる。
【００８４】
図４１および４２を前述の図３８および３９と比較することによって、理想的焦点８５４の線が、ピークＭＴＦの大きさから遠くない点において両群のＭＴＦ曲線９５２および９６２に交差するように、第１および第２群のＭＴＦ曲線９５２および９６２の両方のピークが平坦化して拡大していることが分かる（実際、第２群のＭＴＦ曲線９６２内に含まれるＭＴＦ曲線は、非常に類似しているため、事実上互いに重なり合う）。つまり、グラフ９５０および９６０は、像平面を実際に移動させる必要なく高いＭＴＦ値を得ることができる広い範囲の設定があることを示す。ＦＷＨＭ９５６は、０．２ｍｍ未満である図３８の対応するＦＷＨＭ８５６と比べて、図４１では約０．６ｍｍであると見なされる。図４１では、群９５２のその他のＭＴＦ曲線が、図３８の群８５２のＭＴＦ曲線の対応するピーク幅よりも全て大きい同様の幅を有することが分かる。図３９を図４２と比較することによって、群９６２のＭＴＦ曲線の対応するピーク幅（つまりＦＷＨＭ）が、群８６２のＭＴＦ曲線の対応するピーク幅よりも広いことが同様に分かる。よって、光線角度にわたる誤焦点に対するＭＴＦ曲線の幅の増加により、ＷＦＣ素子７０８がある両構成７００および７００’は、ＷＦＣ素子７０８がない対応する構成７００および７００’よりも、検出器２１０によって撮像される光線角度の範囲にわたる誤焦点および／または誤焦点様収差に対して感度が低くなる。つまり、ＷＦＣ素子７０８を利用するズームレンズシステムは、少なくとも１つの空間周波数で焦点移行の範囲にわたって、該１つの空間周波数にあり、システムによって撮像される光線角度の範囲にわたって、システムの任意の焦点距離における１つの空間周波数で、対応システムによって形成されたＭＴＦ曲線より広いＦＷＨＭによって示されるように、対応するＷＦＣ素子７０８がないズームレンズシステムより広いＭＴＦ曲線を有する。
【００８５】
ＤＳＰ２１５によって適用されるアルゴリズムの仕様を図４３に示す。図４３は、図４０に示される結果を生成するために使用された線形フィルタの網状レンダリングである。図４３は、線形フィルタ１０１０を含む３Ｄグラフ１０００を示す。線形フィルタ１０１０の網目の各点の特定値を下記の表２に示す。表２の値の全ての合計が１であることに注目される。線形フィルタ１０１０は、２次元の線形たたみ込みとしてＤＳＰ２１５によって適用され、図４０に示されるＭＴＦ曲線９２０を生成するために、検出器２１０から受け取られるデータを撮像する。
【００８６】
【表２】
図４４〜７０は、３群ズームレンズシステムの数値的モデル化の例を図示する。図４４および４５は、本開示に従った３群ズームレンズシステムの２つの異なる構成を図示する。図４４は、第１の光学群１１０２（焦点距離ｆ１を伴う）、第２の光学群１１０４（焦点距離ｆ２を伴う）、および第３の光学群１１０６（焦点距離ｆ３を伴う）を含む構成１１００を示す。光学群１１０２および１１０４は、１つ以上の光学素子を含むことができる。光学群１１０６は、光学１１０８、および光学１１０８に隣接または近接して形成するか、またはそれとともに一体的に形成することができるＷＦＣ素子１１１０を含む。図３１と類似して、構成１１００は、軸上光線７２５および軸外光線７２７の両方（システムズームシステム１１００によって撮像される入射光線の範囲を包含する）を受け入れ、第１、第２、および第３の光学群を通して検出器２１０上にこれらの光線を撮像するように構成される広角システムである。検出器２１０によって生成される画像データは、データが処理されて最終像１１２０を形成するＤＳＰ２１５に向けられる。光学群１１０２、１１０４、および１１０６は全て光軸１１２２に沿って一列に並ぶ。
【００８７】
図４５は、３つの光学群が構成１１００で示される相対的位置にとどまっている（例えば、光軸１１２２に沿った光学群の移動なしで）構成１１００’を示す。構成１１００’では、構成１１００’が望遠システムシステムとして機能するように、第２の光学群１１０４’は、焦点距離ｆ２’を示し、第３の光学群１１０６’は、焦点距離ｆ３’をもたらすよう変更された光学１１０８’を含む。検出器２１０での検出およびＤＳＰ２１５での信号処理の後、最終像１１２０’が生じる。ＷＦＣ素子１１１０および／またはＤＳＰ２１５は、構成１１００および１１００’間で同一であってよく、または説明される焦点距離変動によりシステムの変化に適応するように変更してもよい。
【００８８】
一般に、３群の光学素子の使用は、ズームレンズシステムのある固定収差を制御するのに役立つ。第１の光学群１１０２が図４４および４５では静止した非可変光学群であると示される一方で、３つの光学群の位置は、例えば、静止光学群が入射光線によって遭遇される第２または第３の群となるように、変更することができる。
【００８９】
図４４および４５に図示されるような構成１１００および１１００’、およびＷＦＣ素子１１１０がない同等の構成を、次の例示的特徴を使用して数値的にモデル作成した。０．７５ｍｍの画像高さを想定した。光学群１１０２、１１０４、および１１０６の組み合わせの有効焦点距離はそれぞれ、（広角）構成１１００に対しては４．８ｍｍ、（望遠）構成１１００’に対しては１４．２ｍｍである。光線の波長は０．５５ミクロンと想定し、検出器２１０は４ミクロン平方である画素を含むと想定する。構成１１００では、光学群１１０２の焦点距離ｆ１を−１４．８６ｍｍと想定し、光学群１１０４の焦点距離ｆ２を２３．９１ｍｍと想定し、光学群１１０６の焦点距離ｆ３を６．５５ｍｍと想定する。構成１１００’では、第１の光学群１１０２の焦点距離ｆ１は−１４．８６ｍｍのままであり、第２の光学群１１０４の焦点距離ｆ２’を６．０３ｍｍと想定し、第３の光学群１１０６の焦点距離ｆ３’を−４．９４ｍｍと想定する。様々な光学群の具体的な規定は再度、表３Ａおよび３Ｂに示されるパラメータによる方程式（３）に由来する。
【００９０】
【表３Ａ−１】
【００９１】
【表３Ａ−２】
【００９２】
【表３Ｂ】
図４６〜５３は、ＷＦＣ素子１１１０が存在しない場合に図４４および４５で示される構成の非理想的性能を図示する。図４６〜４９は、図４４および４５に示される構成１１００および１１００’に対応する一連の光線遮蔽曲線を示す。図４６は、構成１１００を通過するがＷＦＣ素子１１１０がない、軸上光線７２５に対応するｙ軸光線遮蔽曲線１１５４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１５６があるｙグラフ１１５０およびｘグラフ１１５２を示す。同様に、図４７は、構成１１００を通して撮像されているがＷＦＣ素子１１１０がない、軸外光線７２７に対応するｙ軸光線遮蔽曲線１１６４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１６６があるｙグラフ１１６０およびｘグラフ１１６２を示す。図４８は、構成１１００’を通過するがＷＦＣ素子１１１０がない、光線７２５’の軸上部分に対応するｙ軸光線遮蔽曲線１１７４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１７６があるｙグラフ１１７０およびｘグラフ１１７２を示す。図４９は、構成１１００’を通過するがＷＦＣ素子１１１０がない、光線７２５’の軸外部分に対応するｙ軸光線遮蔽曲線１１８４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１８６があるｙグラフ１１８０およびｘグラフ１１８２を示す。
【００９３】
次に、図４６〜４９のそれぞれを検討すると、図４６に示されるｙ軸およびｘ軸光線遮蔽曲線１１５４および１１５６は、実質的に一定傾斜の直線であり、よって誤焦点を示す。図４７では、ｙ軸光線遮蔽曲線１１６４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１６６は同様に直線である。図４８および４９では、光線遮蔽曲線は、実質的に直線であるが、図４６および４７に示されるものとは反対の傾斜を有することによって、構成１１００’が構成１１００からの反対の誤焦点を示すことを示唆する。つまり、図４６および４７に示される誤焦点は、例えば、構成１１００での像平面（つまり、検出器２１０の位置）を移動することによって部分的に修正できる一方で、像平面のそのような移動は、構成１１００’によって示される誤焦点を悪化させる。言い換えると、図４６〜４９に示される誤焦点の修正は、例えば、構成の関数としての像平面の移動を必要とするが、それは望ましいことではない。
【００９４】
図５０および５１は、ＷＦＣ素子１１１０がない構成１１００および１１００’での軸上および軸外光線に対する、空間周波数（ミリメートル毎のサイクル（または線対）の単位）の関数としての算出されたＭＴＦを示す。図５０では、グラフ１２００は、図４４の構成１１００を通して撮像されるがＷＦＣ素子１１１０がない、軸上および軸外光線に対応するＭＴＦ曲線１２１０群を含む。同様に、図５１のグラフ１２２０は、再度ＷＦＣ素子１１１０がない、図４５の構成１１００’を通して撮像される軸上および軸外光線に対応する、別のＭＴＦ曲線１２３０群を含む。グラフ１２００および１２２０に示されるように、ＭＴＦ曲線１２１０および１２３０の両群は、空間周波数の増加に伴って大きな低下および変動を示し、各構成内および２つの構成間の不均一な性能ならびに大きな誤焦点を示す。さらに、両群のＭＴＦ曲線１２１０および１２３０は、ＭＴＦが実質的にゼロまで低下する空間周波数値を含む。ＭＴＦ値におけるこのようなゼロは、画像データの損失を示すため、特に望ましくない。
【００９５】
図５２および５３は、図３８および３９のように、特定の空間周波数値（７５ｌｐ／ｍｍ）に対する波面コーディングがない構成１１００および１１００’での、軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線を示す。図５２および５３では、縦軸は、ＯＴＦの係数の大きさに対応し、つまり、ＭＴＦ、および横軸は、ミリメートル単位の焦点移行に対応し、その場合、ゼロの焦点移行は、像平面（例えば、検出器２１０の位置）での完璧な焦点に対応する。図５２のグラフ１２５０は、図４４の構成１１００での軸上および軸外光線に対応するがＷＦＣ素子１１１０のない、第１群のＭＴＦ曲線１２５２を含む。グラフ１２５０で見ることができるように、第１群のＭＴＦ曲線１２５２のピークは、ゼロ焦点移行での理想的焦点１２５４の線の右に位置する。ＭＴＦ曲線１２５２群内の個々のＭＴＦ曲線は、形状が幅広く異なり、誤焦点に加えて非点収差およびフィールド湾曲を示す。ＦＷＨＭ１２５６は、曲線のうちの１つに対して示され、０．３ｍｍ未満の値を有すると見なすことが可能である。図５３のグラフ１２６０は、図４５の構成１１００’での軸上および軸外光線に対応するがＷＦＣ素子１１１０のない、第２群のＭＴＦ曲線１２６２を含む。グラフ１２６０では、第２群のＭＴＦ曲線１２６２のピークは、理想的焦点１２５４の線の左に位置する。したがって、図３８および３９との関連で先に図示された構成７００および７００’のように、図５２および５３のグラフ１２５０および１２６０はそれぞれ、両構成１１００および１１００’での良好な性能を達成する検出器２１０に対する１つの位置を選択することが可能ではないことを示唆する。
【００９６】
図５０および５１とは対照的に、図５４および５５は、ＷＦＣ素子１１１０を含む構成１１００および１１００’に対してシミュレーションされるＭＴＦ曲線を示す。数値モデル化の目的で、ａ３＝−２．８５８・１０−３、ａ５＝−０．０８・１０−３、ａ７＝−１．７０７・１０−３、ａ９＝３．４２６・１０−３、およびｒ０＝０．６０ｍｍというパラメータがある式（４）の垂下方程式によれば、ＷＦＣ素子１１１０は、第３の光学群１１０６および１１０６’の第１の表面の前に予備素子を追加することによって説明される。
【００９７】
図５０および５１と併せて図５４および５５を参照すると、図５４は、ＷＦＣ素子１１１０を含むがＤＳＰ２１５による処理がない構成１１００を通して撮像される軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線１２７２群を含む、グラフ１２７０を示す。ＭＴＦ曲線１２７２を図５０に示されるＭＴＦ曲線１２１０と比較することによって分かるように、ＭＴＦ値は、ＭＴＦ曲線１２１０に対するよりもＭＴＦ曲線１２７２において大きく、よって、ＭＴＦ値は、構成１１００でのＷＦＣ素子１１１０の追加によって増加する。同様に、図５５は、再度、ＷＦＣ素子１１１０を含むがＤＳＰ２１５による処理がない構成１１００’を通して撮像される軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線１２８２群を含む、グラフ１２８０を示す。ＭＴＦ曲線１２８２は、大きさ、性能の均一性、およびゼロの欠如といった点において、図５１のＭＴＦ１２３０よりも改善を示すと見なすことができる。
【００９８】
図５６および５７は、特定の空間周波数値（図５２および５３のように、７５ｌｐ／ｍｍ）に対する構成１１００および１１００’での軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線を示す。再度、像平面での完璧な焦点は、ゼロの焦点移行に対応する。図５６のグラフ１２９０は、ＷＦＣ素子１１１０を含むがＤＳＰ２１５による処理がない図４４の構成１１００での軸上および軸外光線に対応する、第１群のＭＴＦ曲線１２９２を含む。ＦＷＨＭ１２９６は、曲線のうちの１つに対して示され、ピークがグラフ１２９０に示される焦点移行値を超えるが少なくとも０．６ｍｍであるため、グラフ１２９０を利用して測定できない値を有すると見なすことが可能である。図５７のグラフ１２９５は、ＷＦＣ素子１１１０があるがＤＳＰ２１５による処理がない、図４５の構成１１００’での軸上および軸外光線に対応する第２群のＭＴＦ曲線１２９７を含む。理想的焦点１２９４の線が、ピークＭＴＦの大きさから遠くない点において両群のＭＴＦ曲線に交差するように、第１および第２群のＭＴＦ曲線１２９２および１２９７の両方のピークが平坦化して拡大していることが分かる。言い換えると、グラフ１２９０および１２９５は、像平面を実際に移動させる必要なく高いＭＴＦ値を得ることができる広い範囲の設定があることを示す。さらに、ＷＦＣ素子１１１０を利用するズームレンズシステムは、少なくとも１つの空間周波数で焦点移行の範囲にわたって、該１つの空間周波数にあり、システムによって撮像される光線角度の範囲にわたって、システムの任意の焦点距離における１つの空間周波数で、対応システムによって形成されたＭＴＦ曲線より広いＦＷＨＭによって示されるように、対応するＷＦＣ素子１１１０がないズームレンズシステムより広いＭＴＦ曲線を有する。
【００９９】
再び図３１〜３２、４４〜４５を参照すると、入射光線角度の範囲（例えば、軸上および軸外光線７２５および７２７それぞれによって示される）は、ズームシステムのそれぞれによって撮像され、光線角度の範囲にわたるＭＴＦが、大きさおよび形状において同様であり、ズームシステムが誤焦点様収差に対して感度が低くなるように（波面コーディングのない同じズームシステムと比べて）、波面コーディング素子は、光線によって表される波面の位相を変更する。
【０１００】
図４４および４５に示される構成でのＷＦＣ素子１１１０およびＤＳＰ２１５の追加によって得られるシステム性能の改良をさらに図示するために、点広がり関数（ＰＳＦ）に関するこれらの構成の算出された評価を図５８〜６９に示す。図５８〜６１はそれぞれ、ＷＦＣ素子１１１０が構成に含まれず、ＤＳＰ２１５によって処理が行われない場合の点被写体に対する、構成１１００を通して撮像された軸上光線に対する算出されたＰＳＦ１３００、構成１１００を通して撮像された軸外光線に対する算出されたＰＳＦ１３０２、構成１１００’を通して撮像された軸上光線に対する算出されたＰＳＦ１３０４、構成１１００’を通して撮像された軸外光線に対する算出されたＰＳＦ１３０６の視覚化に対応する。ＰＳＦ１３００、１３０２、１３０４、および１３０６の比較において分かるように、ＰＳＦ１３００、１３０２、１３０４、および１３０６は互いにかなり異なるため、構成内および構成間の３群ズームレンズシステムの撮像性能が幅広く異なる。
【０１０１】
図６２〜６５はそれぞれ、ＷＦＣ素子１１１０が構成に含まれるが、ＤＳＰ２１５によって処理が行われない場合の点被写体に対する、構成１１００を通して撮像された軸上光線に対する算出されたＰＳＦ１３１０、構成１１１０を通して撮像された軸外光線に対する算出されたＰＳＦ１３１２、構成１１００’を通して撮像された軸上光線に対する算出されたＰＳＦ１３１４、構成１１００’を通して撮像された軸外光線に対する算出されたＰＳＦ１３１６の視覚化を示す。ＰＳＦ１３１０、１３１２、１３１４、および１３１６は全て互いにかなり類似している。ＰＳＦ１３１０、１３１２、１３１４、および１３１６は、理想ほど完璧な点ではないが、全てかなり均一であり、これらの図で９時および１２時の方向にＰＳＦを広げる同様な収差のみを含む。そのような収差は、ＷＦＣ素子１１１０およびＤＳＰ２１５による処理の両方の効果が計算に含まれる場合の算出されたＰＳＦを示す図６６〜６９で示されるように、単一線形フィルタを使用して修正することができる。
【０１０２】
図６６〜６９はそれぞれ、点被写体に対する、構成１１００を通して撮像された軸上光線、構成１１１０を通して撮像された軸外光線、構成１１００’を通して撮像された軸上光線、構成１１００’を通して撮像された軸外光線に対応する。これより分かるように、算出されたＰＳＦ１３２０、１３２２、１３２４、および１３２６は、いくつかの画素のみを覆う均一な点に非常に近い。したがって、ＷＦＣ素子１１１０およびＤＳＰ２１５による後の信号処理の追加により、広角から望遠の一連の構成に対する３群ズームレンズシステムによって、均一な性能を達成することができる。
【０１０３】
図７０は、構成１１００および１１００’でＤＳＰ２１５によって適用される線形フィルタ１３６０を図示し、フィルタ１３６０は、グラフ１３５０で網状形式で示される。フィルタ１３６０は、構成１１００および１１００’でＤＳＰ２１５によって２次元の線形畳み込みとして適用され、図６６〜６９で示される算出されたＰＳＦを生成するために、検出器２１０によって生成されるデータを撮像する。
【０１０４】
前述の実施形態のそれぞれは、特定の各配向性を有する様々な構成要素により図示されているが、本装置は、異なる位置および相互配向性に位置する構成要素がある異なる構成を採用し、本開示の精神および範囲内にとどまることができることを理解するべきである。さらに、様々な構成要素の代わりに、またはそれに加えて、適切な同等物を使用してもよい。そのような代用または追加構成要素の機能、および使用は、当業者に周知であり、したがって、本開示の範囲内であると見なされる。例えば、光学光子シーブを、光学群のうちの１つ以上の一部として、本開示のズームレンズシステムに追加してもよい。光学光子シーブについての詳細は、例えば、Ａｎｄｅｒｓｅｎの「Ｌａｒｇｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈｏｔｏｎ ｓｉｅｖｅ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．３０、ｎｏ．２２、Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００５、ｐｐ．２９７６−２９７８で見ることができる。そのような光学光子シーブは、ズームレンズシステム内の単純回折素子として働き、上記のような本開示の実施形態での光学素子のうちの１つ以上に取って代わるか、または補完することができる。別の可能な変更は、光学経路における高分子分散および高分子安定化液晶（ＰＤＬＣまたはＰＳＬＣ）光変調装置の追加を含む。そのようなＰＤＬＣまたはＰＳＬＣ装置は、例えば、二元またはアナログ光弁として働き、ズームレンズシステムを通して伝達される光の量を調節することができる。あるいは、ＰＤＬＣまたはＰＳＬＣは、付加的な光制御を提供するようにパターン化することができるか、または、可変ＬＣレンズを含むズームレンズシステムの変動性を強化するよう可変液晶レンズに一体化することができる。ＰＤＬＣおよびＰＳＬＣは、例えば、Ｄｒｚａｉｃの「Ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ−ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｐｕｒｅ ＆ Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．、ｖｏｌ．６８、ｎｏ．７、ｐｐ．１４３５−１４４０、１９９６、および１９９７年１１月２５日に発行されたＤｏａｎｅらの米国特許第５，６９１，７９５号で説明されている。光の波面を変える働きをするその他の現代の光学素子は、上記のような改良されたズームレンズシステム内に適切に構成することができる。
【０１０５】
したがって、本実施例は、実例的であって限定的ではないと考えられるべきであり、本願で挙げられる詳細に限定されないが、添付の請求項の範囲内で変更することができる。下記の請求項は、本願で説明される一般的および具体的な特徴、ならびに、言語の問題として、その間に該当すると言われる場合のある、本方法およびシステムの範囲の記述を対象とすることを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１は、従来の光学を含む、従来技術の従来のズームレンズシステムの一構成の概略図である。図２は、図１の従来技術の従来のズームレンズシステムの代替的構成の概略図である。
【図３】図３は、現代の可変光学を含む、従来技術の現代のズームレンズシステムの一構成の概略図である。
【図４】図４は、図３の従来技術の現代のズームレンズシステムの代替的構成の概略図である。
【図５】図５は、現代の可変光学を含む、従来技術の現代のズームレンズシステムの別の実施例の一構成の概略図である。
【図６】図６は、図５の従来技術の現代のズームレンズシステムの代替的構成の概略図である。
【図７】図７は、従来技術の従来の２レンズ撮像システムの概略図であり、ここでは、２つのレンズが不均等な焦点距離および屈折率を示す場合の像平面の湾曲を図示するように示されている。
【図８】図８は、従来技術の従来の２レンズ撮像システムの概略図であり、ここでは、２つのレンズが均等な屈折率および互いのマイナスである焦点距離を示すように選択される場合の像平面の平坦化を図示するように示されている。
【図９】図９および１０は、なおも別の従来技術の従来の２レンズ撮像システムの概略図であり、ここでは、レンズパラメータ選択に応じてそのようなシステムによって示される色収差の変動を図示するように示されている。
【図１０】図９および１０は、なおも別の従来技術の従来の２レンズ撮像システムの概略図であり、ここでは、レンズパラメータ選択に応じてそのようなシステムによって示される色収差の変動を図示するように示されている。
【図１１】図１１〜１３は、波面コーディング補償器との可変光学の組み合わせを利用するズームレンズシステムの一実施形態の概略図である。
【図１２】図１１〜１３は、波面コーディング補償器との可変光学の組み合わせを利用するズームレンズシステムの一実施形態の概略図である。
【図１３】図１１〜１３は、波面コーディング補償器との可変光学の組み合わせを利用するズームレンズシステムの一実施形態の概略図である。
【図１４】図１４および１５は、波面コーディング補償器と組み合わせて液体レンズバリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図１５】図１４および１５は、波面コーディング補償器と組み合わせて液体レンズバリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図１６】図１６および１７は、波面コーディング補償器と組み合わせて液晶バリエータを利用するズームレンズシステムのなおも別の実施形態の概略図である。
【図１７】図１６および１７は、波面コーディング補償器と組み合わせて液晶バリエータを利用するズームレンズシステムのなおも別の実施形態の概略図である。
【図１８】図１８および１９は、実施形態に従った、摺動可能光学素子構成の使用によって可変屈折力を提供するための光学配置の概略図である。
【図１９】図１８および１９は、実施形態に従った、摺動可能光学素子構成の使用によって可変屈折力を提供するための光学配置の概略図である。
【図２０】図２０および２１は、波面コーディング補償器と組み合わせて図１８および１９の光学配置を利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２１】図２０および２１は、波面コーディング補償器と組み合わせて図１８および１９の光学配置を利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２２】図２２および２３は、波面コーディング補償器と組み合わせて平面／球面摺動バリエータを利用するズームレンズシステムのさらに別の実施形態の概略図である。
【図２３】図２２および２３は、波面コーディング補償器と組み合わせて平面／球面摺動バリエータを利用するズームレンズシステムのさらに別の実施形態の概略図である。
【図２４】図２４および２５は、波面コーディング補償器と組み合わせて非球面／非球面摺動バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２５】図２４および２５は、波面コーディング補償器と組み合わせて非球面／非球面摺動バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２６】図２６は、波面コーディング補償器と組み合わせて回転可能バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２７】図２７および２８は、波面コーディング補償器と組み合わせて摺動単一群バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２８】図２７および２８は、波面コーディング補償器と組み合わせて摺動単一群バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２９】図２９および３０は、波面コーディング補償器と組み合わせて摺動開口バリエータを利用する改良されたズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図３０】図２９および３０は、波面コーディング補償器と組み合わせて摺動開口バリエータを利用する改良されたズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図３１】図３１および３２は、実施形態に従った、波面コーディングがある２群ズームレンズシステムの２つの構成の概略図である。
【図３３】図３３〜３６は、図３１および３２に示される構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図３４】図３３〜３６は、図３１および３２に示される構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図３５】図３３〜３６は、図３１および３２に示される構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図３６】図３３〜３６は、図３１および３２に示される構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図３７】図３７は、図３１および３２に示される構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まない。
【図３８】図３８および３９は、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであるが、特定の空間周波数値に対する波面コーディングおよび信号処理を含まない。
【図３９】図３８および３９は、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであるが、特定の空間周波数値に対する波面コーディングおよび信号処理を含まない。
【図４０】図４０は、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングおよび信号処理の効果を含む。
【図４１】図４１および４２は、特定の空間周波数値に対する、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングの効果を含む。
【図４２】図４１および４２は、特定の空間周波数値に対する、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングの効果を含む。
【図４３】図４３は、図４０のグラフを算出するために使用される信号処理において適用された、算出された線形フィルタの３Ｄ網状表示である。
【図４４】図４４および４５は、実施形態に従った、波面コーディングがある３群ズームレンズシステムの２つの構成の概略図である。
【図４５】図４４および４５は、実施形態に従った、波面コーディングがある３群ズームレンズシステムの２つの構成の概略図である。
【図４６】図４６〜４９は、図４４および４５の構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図４７】図４６〜４９は、図４４および４５の構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図４８】図４６〜４９は、図４４および４５の構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図４９】図４６〜４９は、図４４および４５の構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図５０】図５０および５１は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まない。
【図５１】図５０および５１は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まない。
【図５２】図５２および５３は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであるが、特定の空間周波数値に対する波面コーディングおよび信号処理を含まない。
【図５３】図５２および５３は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであるが、特定の空間周波数値に対する波面コーディングおよび信号処理を含まない。
【図５４】図５４および５５は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングおよび信号処理の効果を含む。
【図５５】図５４および５５は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングおよび信号処理の効果を含む。
【図５６】図５６および５７は、特定の空間周波数値に対する、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングの効果を含む。
【図５７】図５６および５７は、特定の空間周波数値に対する、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングの効果を含む。
【図５８】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図５９】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６０】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６１】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６２】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６３】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６４】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６５】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６６】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６７】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６８】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６９】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図７０】図７０は、図５４〜５５および６６〜６９の結果を算出するために使用される信号処理において適用された、算出された線形フィルタの３Ｄ網状表示である。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、米国仮特許出願第６０／７７９，７１２号（２００６年３月６日出願、名称「Ｚｏｏｍ Ｌｅｎｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｉｔｈ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ」）の優先権の利益を主張するものであり、これはその全体を参考として本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
現代のズームレンズシステムは、撮像システムの変化が、光軸に沿った光学素子の運動を介して達成されないという点で、従来のズームレンズシステムとは異なる。むしろ、現代のズームシステムにおける特定の光学素子の光学的性質は、光軸に平行ではない平面での電圧、圧力、移動、または回転の適用を通して変化する。現代のズームレンズシステムにおける可変光学素子の使用の一例は、従来のズームレンズシステムにおける１枚のレンズを、同じ物理的位置で可変光学レンズと交換することである。
【０００３】
しかし、１つ以上の光学素子の光学的性質の変化を介して変化する現代のズームレンズシステムは、撮像性能を制限する働きをする収差をもたらす場合がある。このような収差は、撮像システムにおける光学素子の数が減少するにつれて、悪化する場合がある。このような現代のズームシステムの性能を制限する場合がある収差は、例えば、画像曲率、色収差、球面収差、非点収差、コマ収差、および加工、組立、および温度関連収差を含む。
【０００４】
類似構成要素が様々な図の全体を通して類似参照番号によって示されている図面を参照すると、図１および２は、従来技術の例である、４群の従来のズームレンズシステムを図示する。この従来のズームレンズシステムでは、光学素子の移動は、概してシステムの光軸に平行である。図１に示されるような従来のズームレンズシステムの構成１０では、焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３、およびｆ４をそれぞれ有する第１〜第４の光学素子１２、１４、１６、および１８の組み合わせは、像平面２０で鮮明な像を形成するように構成される。破線は、構成１０の光軸２１を示す。従来のズームレンズシステムの構成１０に進入する周辺光線２２は、像平面２０および光軸２１の交差点で集束される。
【０００５】
続けて図１を参照すると、第１および第２の光学素子１２および１４は、概して、構成１０での従来のズームレンズシステムの倍率を制御すると考えることができる一方で、第３および第４の光学素子１６および１８は、概して、像平面２０の位置を制御すると考えることができる。光学素子１４は、倍率を制御する光学サブシステムとして定義される、「バリエータレンズ」または「バリエータ」と呼ぶことができる。光学素子１６は、焦点を制御する光学サブシステムとして定義される、「補償器」と呼ぶことができる。場合によっては、特に少数の光学素子で形成されるズームレンズシステムでは、所与のサブシステムが、バリエータおよび補償器として同時に働くことができる。
【０００６】
図２で、従来のズームレンズシステムの代替的構成１０’では、第２の光学素子１４’（例えば、バリエータ）は、倍率変化を達成するよう、矢印２４で示されるように、光軸２１に沿って、かつ像平面２０に向かって、第１の光学素子１２から遠ざけられる。像平面２０を第４の光学素子１８に対する固定位置に保つために、第３の光学素子１６’（例えば、補償器）もまた、矢印２６で示されるように、光軸２１に沿って像平面２０に向かって移動される。このような運動の両方の組み合わせを通して、従来のズームレンズシステムの変更構成１０’の倍率は、図１に示される構成１０のものから変更される一方で、像平面の位置は固定されたままである。言い換えると、図１の周辺光線２２よりも第１の光学素子１２の縁の近くに進入する周辺光線２８は、こうして光軸２１がある像平面２０の交差点で集束することができる。
【０００７】
図１および２に図示されるように、従来技術の従来のズームレンズシステムにおけるバリエータおよび補償器の移動は、光軸に沿った空間を必要とする。つまり、例えば、第２の光学素子１４がそれを通って移動して構成１０’を形成しなければならない空間内に、他の光学素子が位置してはいけない。空間に対する同様の要件は、光軸に沿った光学素子の移動を必要とする従来のズームレンズシステムに共通しており、結果として、光軸に沿った従来のズームレンズシステムの長さを縮小することが困難な場合がある。
【０００８】
現代のズームレンズシステムは、光軸に沿った光学素子の物理的移動の必要性を低減または排除することができ、よって、従来のズームレンズシステムと比べてシステムの全体的な長さを縮小する。しかし、このような現代のズームレンズシステムの制限は、撮像の質、サイズ、および費用のさらなる改良を抑制する。例えば、現在利用可能な現代のズームレンズシステムは、倍率および焦点を同時に変えるために少なくとも２つの作動または可変素子を必要とする。また、ある現代のズームレンズシステムは、焦点を制御するための作動システムを必要とし、これは、画像の焦点を保つために、一定数の素子が変化することを必要とする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示は、光線角度の範囲にわたって入射光線を撮像するためのズームレンズシステムを提供する。入射光線は、少なくとも位相によって特徴付けられる。ズームレンズシステムは、光軸を含み、少なくとも光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）によって特徴付けられる。ズームレンズシステムは、少なくとも２つの異なる焦点距離値間で選択可能な可変焦点距離を有する少なくとも１つの可変光学素子を含む、光軸に沿って配置される光学群を含む。光学群はまた、波面コーディング素子も含む。２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、光線角度の範囲に対応する複数のＭＴＦが、波面コーディング素子のない同じズームレンズシステムよりも、誤焦点様の収差に対して感度が低くなるように、波面コーディング素子は、少なくとも入射光線の位相を変化させる。
【００１０】
一実施形態では、ズームレンズシステムの使用方法は、光線角度の範囲にわたって入射光線を撮像する。入射光線は、少なくとも位相を含む。ズームレンズシステムは、光軸と、少なくとも２つの異なる焦点距離値間で選択可能な可変焦点距離を有する少なくとも１つの可変光学素子とを含む。ズームレンズシステムは、少なくとも光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）および２つの異なる焦点距離値によって特徴付けられる。該方法は、少なくとも２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、光線角度の範囲に対応する複数のＭＴＦが、形状および大きさにおいて実質的に同様となるように、入射光線の位相を変更するステップを備える。
【００１１】
一実施形態では、ズームレンズシステムは、光軸を含む。ズームレンズシステムはまた、光軸に沿って配置される光学群も含む。次に、光軸は、少なくとも２つの異なる焦点距離値間で選択可能な可変焦点距離を示す少なくとも１つの可変光学素子と、波面コーディング（ＷＦＣ）素子とを含む。少なくとも１つの可変光学素子は、光軸に沿って移動可能ではない。光学群はまた、光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）および少なくとも２つの異なる焦点距離値によっても特徴付けられ、可変光学素子およびＷＦＣ素子は、複数のＭＴＦが形状および大きさにおいて実質的に同様となるように、互いに協働する。
【００１２】
本開示は、下記で簡潔に説明される図面と併せて得られる次の詳細な説明を参照することにより、理解することができる。図解の明確さの目的により、図面中のある素子は一定の縮尺で描かれない場合があることを注意する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本開示では、「ズームレンズシステム」および「ズーム撮像システム」は交換可能に使用され、「可変光学素子」は、光学素子のうちの１つ以上に対する電圧および／または圧力の印加、および光学素子のうちの１つ以上の移動および／または回転などの（しかしそれに限定されない）技術を使用することによって変更可能な光学的性質（焦点距離、透過率、および屈折率などであるがそれに限定されない）を有する光学素子を包含することを目的とする。
【００１４】
ある非球面光学および信号処理の使用は、ある制限を軽減することによって、現代のズームレンズシステムに改良を提供することができる。本開示は、現代のズームレンズ撮像システムの性能、費用、およびサイズを改良するためのある非球面光学の使用に関する。検出されたぼやけた画像のような光学および信号処理は、ある収差の影響を低減または排除することができる。波面コーディングに対してそのような非球面および信号処理を利用するシステムは、例えば、米国特許第５，７４８，３７１号（以降、‘３７１特許）第６，８７３，７３３号（以降、‘７３３特許）、第６，８４２，２９７号（以降、‘２９７特許）、第６，９１１，６３８（以降、‘６３８特許）、および第６，９４０，６４９号（以降、‘６４９特許）で説明されており、そのそれぞれは参照することにより、本願に組み込まれる。ズームレンズシステムへの波面コーディングの追加は、焦点を制御するための作動システムの必要性を排除することができ、それにより、変化させる必要のある素子の数をさらに減少し、結果として、そのようなズームレンズシステムの費用およびサイズも削減する。高い信頼性、低費用、機械公差の低減、電力消費の低減、および熱的誘導変動および色依存などの環境因子への感度の低減を伴う、丈夫なズームレンズシステムを達成することが望ましい。
【００１５】
現代のズーム撮像システムの簡単な例として、図３および図４に図示される２群撮像システムを考慮する。この撮像システムは、２つの図によって示される２つの構成を有する。図３に示される構成１００では、被写体１１０は、像平面１２０上で光学群１１１および１１２によって撮像される。光学群１１１および１１２の各一つは、例えば、屈折素子、回折素子、ホログラフィック素子、および可変光学のうちの１つ以上を含む。検出器（図示せず）は、像平面１２０に位置し、撮像された被写体を検出する。被写体１１０が撮像システムの光軸１２１（破線で示される）上にあると、光学群１１１および１１２間を通過する被写体１１０からの光線は、図示されるように実質的に平行である。この場合、光学群１１１の焦点距離ｆ１は、被写体１１０と光学群１１１の第１の主平面１２５との間の距離Ｄ１（双頭矢印で示される）に等しい。同様に、光学群１１２の焦点距離ｆ２は、像平面１２０と光学群１１２の第２の主平面１２７との間の距離Ｄ２に等しい。
【００１６】
図４は、２群撮像システムの変更構成１００’を示す。図４の構成１００’では、被写体１１０’は、図３の光学群１１１に対する被写体１１０の位置とは異なる、光学群１１１’に対する位置にある。光学群１１２が、図４で図３と同じである場合、像平面１２０上で被写体１１０’を明瞭に撮像するために、被写体１１０’の位置は、光学群１１１’の焦点距離の変化を必要とする。この場合、光学群１１１’の焦点距離ｆ１’は、被写体１１０’と光学群１１１’の第１の主平面１２５との間の距離Ｄ１’に等しくあるべきである。
【００１７】
なおも図３および図４を参照すると、被写体１１０および１１０’それぞれからの周辺光線は、１２２および１２２’として示される。図３および４の構成における像平面での周辺光線は、１２３と示される。２群撮像システムの全体的な倍率は、光軸１２１から測定されるような、像平面での周辺光線角度（θｉｍ）に対する、被写体での周辺光線角度（θＯｂｊ）の比によって求められる。構成１００と１００’とを比較する際、構成１００’における被写体での周辺光線角度は、θｏｂｊからθ’ｏｂｊへ増加する一方で、画像での周辺光線角度θｉｍは固定されたままである。結果として、構成１００’における倍率は、構成１００よりも大きい。つまり、２つの光学群のうちの１つを変え、かつ被写体距離を変えることによって、像平面の位置を変えずに２群撮像システムの倍率が変化する。
【００１８】
図５および６に示される別の状況では、被写体位置が変化しない。図５のズーム撮像システムの構成１５０では、光学群１５１および１５２は、被写体１１０を撮像する。光学群１５１は、バリエータとして働き、屈折力（例えば、倍率）を制御する。光学群１５２は、補償器として働き、像平面位置（例えば、焦点）を制御する。図６は、図５に示される同じズーム撮像システムの変更構成１５０’を示し、この場合、被写体での周辺光線角度θｏｂｊが不変のままである一方で、画像での周辺光線角度θ’ｉｍが構成１５０のθｉｍから減少するように、光学群１５１’および１５２’の性質は、図５の光学群１５１および１５２とは異なる。言い換えると、図６の構成１５０’では、被写体１１０は、図５の光学群１５１に対する被写体１１０と同じ光学群１５１’に対する位置にあるが、光学群１５１’の右側への周辺光線が一点に集まる（図５の構成１５０に示されるように平行であることと比べて）という事実によって示されるように、光学群１５１’は、縮小した焦点距離をもたらす。よって、図６の光学群１５２’は、光学群１５２’の位置に対して固定された像平面１２０の位置（図５の光学群１５２に対する像平面１２０の位置と比べて）を保つために、増加した焦点距離（また、あるいは、低減した屈折力）を示す。結果として、構成１５０’におけるバリエータおよび補償器の組み合わせは、図５に示される構成に対する類似比と比べると、θ’ｉｍを超えるθｏｂｊの比によって得られる増加した全体的な倍率を伴う、像平面１２０での焦点画像をもたらす。つまり、像平面１２０での周辺光線１２３’の角度θ’ｉｍが、周辺光線１２３の角度θｉｍよりも減少する一方で、被写体からの周辺光線１２２の角度θｏｂｊが一定のままであるため、図６の構成１５０’の全体的な倍率は、図５に示される構成１５０よりも増加する。よって、バリエータ（つまり、ｆ１からｆ１’）および補償器（つまり、ｆ２からｆ２’）の両方の焦点距離の変化により、固定距離での被写体の焦点画像の倍率が変化した。倍率の変化を達成するために、図５の光学群１５１および１５２と比べると、光学群１５１’および１５２’は、図６の被写体１１０および像平面１２０に対する光軸１２１に沿った物理的位置において変化しなかったことに注目する。
【００１９】
よって、図３〜６は、同時に結果として生じる画像の焦点を保ちながらズーム撮像システムの倍率を変えるために、ズーム撮像システム中の構成要素の焦点距離に対する変更を利用することができることを図示する。倍率の変化をもたらすための光学素子の焦点距離の変化の利用は、例えば、電圧、圧力、移動、または回転を変更することによる、現代の光学素子の変動の利点を例示する。しかし、ズーム撮像システムの結果として生じる焦点距離変化はまた、生成される画像の質にも影響する場合がある。画質を低下させる場合のある光学収差もまた、焦点距離の変化によって影響される。このようなズーム撮像システムの実施例では、ズーム撮像システム内の構成要素の焦点距離が変化すると、ある基本的光学収差が変動する。特に、２種類の基本的光学収差、つまりフィールドまたは画像曲率および色収差は、このようなズーム撮像システムの性能の主な制限として働く場合がある。
【００２０】
図７および８は、例示的ズーム撮像システム中の光学素子の焦点距離の変化が、このような基本的光学収差に影響を及ぼす１つの方法を図示する。図７および８は、従来の２レンズ撮像システムの２つの構成を示す。このシステムを説明するために使用される原則は、一般的な多素子の場合にも該当する。図７に示されるような２レンズ撮像システムの構成１７０は、各屈折率ｎ１およびｎ２がある２つの光学素子１７１および１７２を含む。複数の光線１８０によって示されるように、これら２つの素子によって形成される画像は、湾曲像表面１７５上にある。像表面１７５の曲率の近似値は、光学素子１７１および１７２の屈折率を掛けた逆焦点距離を足すことによって、または概して、
【００２１】
【数１】
によって決定することができ、式中、ｉは、光学素子に対応する整数であり、ｎｉは、ｉ番目の光学素子の屈折率であり、ｆｉは、ｉ番目の光学素子の焦点距離である。像表面１７５の湾曲は、ある撮像用途では望ましくない。
【００２２】
図８の変更構成１７０’は、光学素子１７１’および１７２’の屈折率が等しく（つまり、ｎ１＝ｎ２）、光学素子１７１’および１７２’の焦点距離ｆ１’およびｆ２’が互いのマイナスである（つまり、ｆ１’＝−ｆ２’）、２レンズ撮像システムの特定構成を説明する。この構成では、像平面１７５’の曲率は、実質的にゼロであると考えてよい。図８の構成１７０’は、構成素子の実際の焦点距離および素子分離ｄ（双頭矢印によって示される）によって決定される、特定の有効焦点距離を示す。素子分離ｄが固定されると、ｆ１＝−ｆ２という関係からの光学素子１７１’および１７２’のいずれか一方の焦点距離のあらゆる変化は、像平面１７５’の湾曲をもたらす。結果として、２レンズ撮像システムの画質が低下し、撮像システムの倍率またはズーム位置の関数となる。
【００２３】
図１に示されるような従来のズームレンズシステムは、個々の光学素子の焦点距離を変えることなく光軸２１に沿った光学素子の移動を必要とするため、画像曲率の変化を受けないことが顕著である。そのような従来のズームレンズシステムにおける画像フィールドの近似曲率は、概して、倍率またはズーム位置が変わっても不変である。しかし、画像曲率の変化は、図３〜６に図示されるシステムのような、光軸に沿った光学素子の移動を利用しない現在利用可能な現代のズームレンズシステムにおいて発生する場合がある。
【００２４】
光軸に沿った光学素子の移動を利用しない現代のズームレンズシステムにおいて遭遇される別の現象は、色収差の変動である。光軸に沿って光学素子を移動させることのない、光学素子の焦点距離の変化は、概して、システムによって示される色収差を変え、システム性能を制限する。
【００２５】
図９および１０は、光学素子の焦点距離の変化を伴う色収差の変化の簡単な例を図示する。図９および１０は２素子レンズの２つの構成を示すものの、関与する原則は、焦点距離を変える複数の素子がある撮像システムに適用可能である。まず図９を参照すると、構成１９０は、光学素子１９１および１９２が近接近している（例えば、光学素子１９１および１９２間の距離が実質的にゼロである）２素子レンズシステムである。光学素子１９１および１９２は、異なる焦点距離、および一般に、異なるＡｂｂｅ数またはＶ数を示す。周知のように、特定の光学材料のＶ数は、その光学材料に対する波長の関数として屈折率の変化を表す。光学素子１９１および１９２のパラメータは、概して、単色画像が最良焦点像平面で形成するように選択されるが、所与の材料の屈折率値の色依存（つまり、波長を伴う屈折率の変動）により、最良焦点の位置は、画像を形成するために使用される波長の関数となる。この効果は一般に色収差と呼ばれる。図９では、光１９３は、赤色照明１９５および青色照明１９７を含む。赤色照明１９５で形成される最良焦点画像は、赤色像平面１９６にあってよい一方で、青色照明１９７で形成される最良焦点画像は、青色像平面１９８にあってよい。所与の材料の屈折率が、概して波長の関数であるため、個々の光学素子の焦点距離もまた、波長の関数であり得る。波長を伴う所与の一式の光学素子に対する有効焦点距離の変化Δｆは、その各Ｖ数で割った各光学素子の焦点距離の和によって、次式のように近似することができる。
【００２６】
【数２】
図１０に示される変更構成１９０’は、光学素子１９１’および１９２’のＶ数に対する焦点距離の比が互いのマイナスになるように（つまり、ｆ１’／Ｖ１’＝−ｆ２’／Ｖ２’）、光学素子１９１’および１９２’のＶ数および焦点距離が選択される場合を図示する。パラメータのこの選択に対して、波長を伴う（各Ｖ数が有効である波長域以上）、一式の光学素子の有効焦点距離の変化Δｆは、ほぼゼロである。よって、赤色照明１９５’および青色照明１９７’の両方が像平面１９８’で集束するように、一式の光学素子の有効焦点距離は、焦点距離およびＶ数の選択を介して、波長とはほぼ無関係にすることができる。しかし、構成１９０’における光学素子の焦点距離を不均等な割合で変更する（例えば、配置１９０’の全体的な倍率を変更する）と、Δｆがゼロ以外になる場合があり、したがって、赤色照明１９５’および青色照明１９７’の両方が像平面１９８’で集束しなくなるように、色収差を再導入する場合がある。言い換えると、その中の１つ以上の光学素子の焦点距離の変動に基づく現代のズームレンズシステムは、倍率が変化すると色収差の変動を示す場合があり、したがって、低下した画質を提供する。
【００２７】
図７〜１０に図示される画像劣化の問題、ならびにその他の収差は、これから説明される波面コーディングを利用することによって、改善することができる。
【００２８】
本開示で説明されるズームシステムは、光線角度にわたって入射光線を撮像する。このような入射光線は、ズームシステムによって撮像される波面を形成する少なくとも位相によって特徴付けられる。各ズームレンズシステムは、光軸により動作し、少なくとも光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）によって特徴付けられる。各ズームレンズシステムでは、光学群は、光軸に沿って配置され、少なくとも２つの異なる焦点距離値間で選択可能な可変焦点距離を有する少なくとも１つの可変光学素子を含む。光学群はまた、波面コーディング素子も含む。２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、光線角度の範囲に対応する複数のＭＴＦが、波面コーディング素子のない同じズームレンズシステムよりも、誤焦点様の収差に対して感度が低くなるように、波面コーディング素子は、少なくとも入射光線の位相を変化させる。少なくとも２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、光線角度のそれぞれに対応するＭＴＦは、形状および大きさにおいて実質的に同様である。
【００２９】
波面コーディングがあるズームレンズシステムの一実施形態を図１１および１２に図示する。まず図５と合わせて図１１を参照すると、構成２００では、被写体１１０は、バリエータとして働く光学群１５１、および波面コーディング（ＷＦＣ）補償器２０２によって撮像される。構成２００では（図５の構成１５０のように）、被写体１１０からの光は、周辺光線１２２とともに、ＷＦＣ補償器２０２へ向かって光学群１５１を通って移動する。光学群１５１を通って移動する光は、波面、ならびに光軸１２１に平行な周辺光線を含む。次いで、ＷＦＣ補償器２０２は、ぼやけた画像が検出器２１０上に形成されるように、その上に入射する光の波面をコード化する。検出器２１０におけるぼやけた画像の電子的表示は、焦点関連収差を実質的に感じない最終像２２０を形成するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２１５へ向けられる。ＤＳＰ２１５は、例えば、ぼやけた画像中のぼやけを除去するように、および／または、特定作業に対して適切な方式で最終像をフォーマットするように構成することができる。例えば、ＤＳＰ２１５は、最終像２００を機械または人間の観察に対してフォーマットすることができる。
【００３０】
図６と併せて図１２を参照すると、構成２００’が示され、図中、バリエータの焦点距離は、構成２００で示されるものから変更されている。つまり、光学群１５１’は、変更された焦点距離ｆ１’を示し、ズームレンズシステムの倍率は、構成２００で示されるものから変更されている。結果として、光学群１５１’の右側に現れる光は、図示されるように、波面ならびに光軸１２１に平行ではない周辺光線を含む。ＷＦＣ補償器２０２’もまた、ぼやけた画像が検出器２１０上に形成するように、その上に入射する光の波面をコード化する働きをする。ぼやけた画像の電子的表示は、ＤＳＰ２１５によってさらに処理され、焦点関連収差を実質的に感じない最終像２２０’を形成する。
【００３１】
光学群１５１と光学群１５１’との違いは、この同じ光学群が、ｆ１からｆ１’への焦点距離の変化を可能にする可変光学素子を含むことである。ＷＦＣ補償器２０２とＷＦＣ補償器２０２’との違いは、この同じ光学素子を、例えば、ＷＦＣ補償器によって示される焦点距離を、構成２００でのｆ２から構成２００’でのｆ’２に変更することによって、焦点の少なくとも粗調整を可能にするよう可変に構成することができることである。よって、図１１および１２にそれぞれ示される構成２００および２００’では、倍率および最良焦点位置の両方の調整を可能にするために、バリエータおよび補償器の両方が可変である。波面コーディングは、図９および１０に図示されるような色収差などの、焦点関連収差の影響を低減するために、協働して使用される。
【００３２】
波面コーディングがあるズームレンズシステムの別の実施形態を図１３に示す。図１１および１２と併せて図１３を参照すると、構成２００”では、バリエータの焦点距離は、図１１の構成２００に示されるものから再び変更されている。つまり、光学群１５１”は、変更された焦点距離ｆ１”を示し、ズームレンズシステムの倍率は、構成２００に示されるものから再び変更されている。しかし、図１２の構成２００’とは違って、ＷＦＣ補償器２０２は不変のままである。結果として、構成２００”におけるＷＦＣ補償器２０２を通って伝達される周辺光線が、構成２００の周辺光線２０４または構成２００’の周辺光線２０４’とは異なる一方で、最終像２２０”を鮮明かつ明瞭に保つために必要な焦点変化は、固定ＷＦＣ補償器２０２、検出器２１０、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２１５”の組み合わせによって達成することができる。ＤＳＰ２１５”は、例えば、ズームシステムの特定構成に応じて信号処理を行うようにプログラムされる。一実施形態では、ＤＳＰ２１５”は、光学群１５１”およびＷＦＣ補償器２０２の構成要素パラメータについての電子的フィードバックを取得する。別の実施形態では、ＤＳＰ２１５”は、検出された画像からズームレンズシステムの構成またはパラメータを自動的に推測する。
【００３３】
よって、図１１〜１３に図示される実施例は、波面コーディングを含む２部類のズームレンズシステムを説明する。１部類では、光学素子構成に起因する収差は、非球面光学および検出された画像の信号処理を利用することによって制御する。他方の部類では、画質を犠牲にすることなく、倍率を変えながら鮮明な画像を形成するために少なくとも１つ少ない可変光学素子を使用する。１つ以上の付加的な可変光学素子を含むことにより達成されることのある焦点移行は、固定ＷＦＣ補償器（図１３）および結果として生じた画像の信号処理によって提供される効果である。それにもかかわらず、両部類のそのようなズームレンズシステムは、単一ズームレンズシステムに組み込むことができる。つまり、ＷＦＣ補償器および信号処理は、焦点の変化により、かつズームレンズシステムの特定レンズ構成の画像劣化収差により引き起こされる効果を低減することができる。したがって、１つ以上の可変光学素子を排除するよりもむしろ、波面コーディングがあるズームシステムは、ＷＦＣ補償器および画像信号処理を伴わずに、必要とされるよりも粗い態様で（例えば、あまり精密でない制御で）変化する１つ以上の可変光学素子を利用することができる。
【００３４】
光学特性を、電圧、圧力、移動、および回転などであるがそれに限定されないパラメータの変動によって変更することができる、特定種類の光学素子を、この直後に、改良されたズームレンズシステムとの関連で説明する。
【００３５】
図１４および１５は、バリエータとして利用される液体レンズを示す。現在利用可能な少なくとも２種類の液体レンズがある。フランス、リヨンのＶａｒｉｏｐｔｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙより現在市販されている１種類は、電圧の変化に従って、形状を変化させる。カリフォルニア州、サンディエゴのＲｈｅｖｉｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｃ．より入手可能なもう１つの種類は、圧力の変化に従って、形状を変化させる。このような液体レンズは、光学素子が物理形状を変化させ、従来のズームレンズシステムのように、光軸に沿った光学素子の移動を必要とせずに、屈折力の変動をもたらすという点で、同様である（固定光学と比べて）。しかし、液体レンズが理想的な挙動を示したとしても、そのような液体レンズで構成されるズームレンズシステムは、なおも図７〜１０を参照して論議されるような、画像曲率および／または色収差を抱える。球面収差、コマ収差、非点収差、および温度関連収差などのその他の収差、およびフォーム誤差もまた、そのようなシステムの画像性能を制限する場合がある。波面コーディングを液体レンズズームレンズシステムに含むと、改善した画質で画像を生成するようにそのような誤差を緩和することができる。
【００３６】
図１４は、波面コーディングを含む液体レンズズームレンズシステムの一構成２５０を示す。構成２５０では、液体レンズ２５１はバリエータとして働き、ズームレンズシステムの倍率を変更する。液体レンズ２５１を通って伝達される光は、波面、ならびに光軸１２１に実質的に平行である周辺光線を含む。ＷＦＣ補償器２５２は、検出器２１０でぼやけた画像が形成するように波面をコード化する。ＷＦＣ補償器２５２は、固定素子であってよく、またあるいは、像平面の位置（例えば、検出器２１０の理想的な位置）を制御するための、液体レンズ光学素子などの可変光学素子であってもよい。次いで、ＤＳＰ２１５は、検出器２１０からのぼやけた画像を代表するデータを、人間および／または機械の観察に適しており、焦点関連収差を実質的に感じない最終像２６０に変換する。
【００３７】
図１５を参照すると、変更構成２５０’は、構成２５０の液体レンズ２５１と比べて、結果として生じるズームレンズシステムの倍率を変更し、図示されるように、周辺光線が光軸１２１に平行でなくなるように液体レンズ２５１’を通って伝達される光を変更する、液体レンズ２５１’を含む。固定および／または可変素子を含むことができるＷＦＣ補償器２５２’は、再度、検出器２１０でぼやけた画像が形成するように波面をコード化する。ＤＳＰ２１５’により、最終像は、人間および／または機械の観察に適して、焦点関連収差を感じなくなる。構成２５０および２５０’のＷＦＣ補償器２５２および２５２’はそれぞれ、例えば、液体レンズ２５１および２５１’それぞれの変化に対する反応において変化するように構成することができる。次いで、ＤＳＰ２１５および２１５’は、液体レンズ２５１および２５１’、および／またはＷＦＣ補償器２５２および２５２’の構成に左右される、またあるいは左右されない、処理を行うことができる。ＷＦＣ補償器２５２または２５２’、およびＤＳＰ２１５または２１５’を含むことによって、ズームレンズシステム中の可変光学素子のうちの１つは、排除される、簡素化される、またはあまり精密ではない作動および／または変動を必要とすることができる一方で、波面コーディングのないズームレンズシステム構成に存在する収差の影響をなおも軽減する。
【００３８】
図１６および１７は、液体レンズバリエータ２５１および２５１’の代わりに液晶バリエータ２８１、２８１’が利用されることを除いて、図１４および１５と同様の構成を示す。「電気的可変焦点高分子安定化液晶レンズ」と題された、米国特許出願公開第２００５／００１８１２７（Ａ１）号（以降、‘１２７出願書）で説明されているもののような液晶光学構成要素は、液晶光学素子の光学特性を変化させるために電圧またはその他の手段を使用する。例えば、液晶光学素子の有効焦点距離は印加される電圧によって制御することが可能であり、それにより、該素子は、現代のズームレンズシステムでの使用に潜在的に適切となる。その他の液晶レンズは、Ｙｅらによる「Ｌｉｑｕｉｄ−ｃｙｒｉｓｔａｌ ｌｅｎｓ ｗｉｔｈ ａ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｔｈａｔ ｉｓ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、ｖｏｌ． ４３、ｎｏ． ３５ （２００４）、ｐｐ．６４０７−６４１２、およびＯｋａｄａらによる「フレネルレンズを有する液晶レンズ」と題された米国特許第４，９０４，０６３号で説明されている。ズームレンズシステムでの液晶バリエータの使用は、図７〜１０を参照して上記で論議される種類の収差をなおも潜在的に引き起こし、よって性能を制限する場合がある。例えば、画像曲率、色収差、球面収差、非点収差、コマ収差、温度関連収差、および液晶バリエータの包含に起因する一般的なフォーム誤差のうちのいずれも、撮像性能を低減する場合がある。下記で説明されるような、ＷＦＣ補償器２８２、２８２’、および信号処理２１５の包含を介したこのような種類のシステムに対する改良は、図１４および１５に示されるものと一般に同様である。より少ない可変光学素子、より低い電力消費、より短いシステム全長、およびより低い費用は、ＷＦＣ補償器２８２、２８２’のない対応システムと比べて、図１６および１７に示されるシステムで達成することができるあらゆる改良である。
【００３９】
図１６および１７の構成を詳細に考慮すると、図１６は、結果として生じるズームレンズシステムの倍率を変更するためのバリエータとして働く液晶レンズ２８１がある構成２８０を示す。構成２８０では、液晶レンズ２８１を通って伝達される光は、波面、ならびに光軸１２１に実質的に平行である周辺光線を含む。ＷＦＣ補償器２８２は、波面をコード化し、後に、検出器２１０でぼやけた画像を形成する。ＷＦＣ補償器２８２は、像平面の位置（つまり、検出器２１０の理想的な位置）を制御するための、別の液晶レンズ、移動光学、および／または他の光学素子などの、固定または可変光学素子であってもよい。次いで、ＤＳＰ２１５は、検出器２１０からのぼやけた画像の電子的表示を、人間および／または機械の観察に適しており、かつ焦点関連収差を実質的に感じない最終像２９０に変換する。
【００４０】
図１７では、変更構成２８０’は、結果として生じるズームレンズシステムの倍率を変えるよう、ならびに、それを通って伝達される周辺光線が光軸１２１に平行でなくなるように液晶レンズ２８１’を通って透過される光を変えるよう、液晶レンズ２８１と比べて変更される液晶レンズ２８１’を含む。再度、固定または可変要素いずれかを含むＷＦＣ補償器２８２’は、その上に入射する光の波面をコード化し、検出器２１０でぼやけた画像を形成する。ＤＳＰ２１５’により、最終像２９０’は、人間および／または機械の観察に適して、焦点関連収差を感じなくなる。
【００４１】
一実施形態では、ズームシステムにおいて使用される光学構成要素は、固定素子（例えば、固定高額性質があるが、必ずしも固定位置ではない素子）を含み、この固定要素は、光軸に沿っていないこともある方向にシステムに対して移動可能であることによって、システムを形成するために必要とされる長さを低減する。図１８および１９は、屈折力を変えるための１つの移動可能光学配置の例を示す。図１８の光学配置３００は、配置の有効屈折力または焦点距離が、光学素子のうちの１つの摺動運動を介して、少なくとも２つの値の間で変化することが可能となるように構成される２つの光学素子を含む。光学配置３００では、固定および静止光学素子３０２は、開口３０４および正レンズ３０５の付近に配置される。静止光学素子３０２は、例えば、図示されるように、正曲率表面形状による屈折力を示す第１の部分３０６、および屈折力がない実質的に平面または平坦表面形状である第２の部分３０８といった、２つの部分を含む。光学配置３００はまた、少なくとも２つの位置間で摺動可能に構成されている横摺動光学素子３１０も含む。摺動光学素子３１０は、図示されるように、負の曲率を含む第１の部分３１２、曲率または屈折力が実質的にない平面である第２の部分３１４、および正の曲率を示す第３の部分３１６といった、３つの部分を有する。図１８では、摺動光学素子３１０は第１の位置で示され、図中、静止光学素子３０２の第１の部分３０６および第２の部分３０８は、図示されるように、素子３１０の第１の部分３１２および第２の部分３１４とそれぞれ並んでいる。開口３０４、静止光学素子３０２、および摺動光学素子３１０の第１および第２の部分３１２および３１４の組み合わせは、それを通って伝達される光に対する屈折力を提供しない。つまり、部分３１２の負の曲率の光学的効果が、部分３０６の正の曲率の光学的効果を相殺する一方で、部分３０８および３１４のそれぞれには効果がない。
【００４２】
図１９は、光学配置３００の素子を含む光学配置３００’を示すが、光学素子３１０は、光学配置３００内のその位置と比べて、変更された位置にある。光学配置３００’では、光学素子３１０は、光学配置３００内のその位置に対する第２の位置への、システムの光軸（光軸は、概して、開口３０４の平面と直角であると定義される）に対して直角の方向にある、開口３０４の直径の約1／２である距離Ｓによって移動されている。摺動光学素子３１０が図１９に示される第２の位置にあると、静止光学素子３０２の部分３０６は、摺動光学素子３１０の部分３１４と並び、静止光学素子３０２の部分３０８は、摺動光学素子３１０の部分３１６と並ぶ。結果として、開口３０４、静止光学素子３０２、および第２の位置にある摺動光学素子３１０の組み合わせを介して伝達される光は、正の屈折力に遭遇する。
【００４３】
言い換えると、開口３０４と組み合わせた、静止光学素子３０２および摺動光学素子３１０の組み合わせは、摺動光学素子３１０の摺動運動に応じて、屈折力の２つの異なる値をもたらす。図１８の光学配置３００に示されるような第１の位置での配置は、ゼロの有効屈折力をもたらす。摺動光学素子３１０が図１９に示されるような第２の位置に移行されると、素子の有効曲率は正の屈折力を提供する。よって、光軸に対して垂直に光学素子３１０を摺動させることによって、有効屈折力は、ゼロから所定のゼロ以外の値に変えることができる。図１８および１９に示される構成に対する薄いレンズの同等な表現は、光学配置３００に対してゼロの屈折力がある平面／平面素子、および光学配置３００’に対して正の屈折力がある平面／凸面素子である。一般に、光学配置３００は、一連の屈折力を示すように構成することができ、その場合、図１８のゼロ屈折力構成は特殊な場合である。
【００４４】
図２０および２１に示されるような波面コーディングを使用するズームシステムに利益をもたらすために、前述の摺動光学配置を使用することができる。図２０および２１に示される構成では、図１８および１９の摺動光学配置はバリエータとして使用される。図２０の構成４００は、摺動光学素子３１０の位置が光学配置３００に対する低屈折力をもたらすズームレンズシステムに対応する。この場合、固定されているか動的であるかのいずれかである、ＷＦＣ補償器４０２は、結果として生じる被写体１１０の最終像４１０が実質的に焦点関連収差を感じないように、検出器２１０およびＤＳＰ２１５と協働する。そのような収差は、例えば、システムで使用される少数の光学素子では十分な収差制御が可能でないシステムの特定光学構成の結果であるか、あるいは、バリエータとして働く光学配置３００の光学特性の引き起こされた変化によって生成される。図２１に示されるように、変更構成４００’は、摺動光学素子３１０の位置が、光学配置３００によって提供されるよりも大きい屈折力がある光学配置３００’を提供する状況を図示する。
【００４５】
図２２および２３は、バリエータによって提供される屈折力が、平面／非球面光学素子の相対的位置とともに連続的に変化するような、摺動バリエータ構成での平面／非球面光学素子の使用を図示する。つまり、２つの可能な位置間で摺動光学素子３１０の相対的位置を選択することによって、光学配置３００および３００’が、屈折力の２つの値の間での選択を提供する一方で、平面／非球面光学素子の使用は、連続範囲の屈折力を提供する（例えば、連続範囲は、光軸１２１に垂直な方向に摺動光学素子を移動させることによって得られる）。
まず図２０と併せて図２２を参照すると、図２０の構成４００での光学配置３００は、図２２で示されるズームレンズシステムの構成４２０での光学配置４３０と交換される。光学配置４３０は光学配置３００中にあるような開口３０４を含むが、光軸１２１に垂直な方向に互いに対して摺動可能である、平面／非球面の第１および第２の光学素子４３２および４３４も含む。図２３を簡潔に参照すると、ズームレンズシステムの変更構成４２０’は、第１および第２の摺動光学素子４３２および４３４が、構成４３０でのそれらの位置と比べて、互いに対して移動されている、光学配置４３０’を含む。結果として、光学配置４３０’は、光学配置４３０によって提供されるものと比べると、異なる値の屈折力を提供する。構成４２０および４２０’は、最終像４５０を生成するＷＦＣ補償器４４２、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含む。ＷＦＣ補償器４４２は、例えば、図１１〜１７および２０〜２１に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能するように構成され、さらに、光学配置４３０と協働するようにカスタマイズすることができる。
【００４６】
光学配置４３０および４３０’として示されるレンズ構成は、一般的にアルバレスレンズと呼ばれる（例えば、米国特許第３，３０５，２９４号を参照）。アルバレスレンズの第１および第２の光学素子の非球面表面形状は、式
【００４７】
【数３】
によって表される立方体として表現することができる。
【００４８】
式中、ｙは、図２２および２３の紙面における垂直方向寸法であり、高さ（ｙ）は、対向する平面から測定されるような各摺動光学素子の非球面表面の高さであり、ａは定数パラメータである。
【００４９】
図２２および２３に示されるような光学素子４３２および４３４の組み合わせは、素子４３２および４３４間での位置の相対的移行の量とともに近似的に変わる２次位相または屈折力を伴う複合光学素子に効果的に同等である。つまり、素子４３２および４３４の複合位相は、
【００５０】
【数４】
として表現することができる。
【００５１】
式中、ｚは、光軸１２１に沿った寸法であり、Δは、図２３に示されるような、素子４３２および４３４間の相対的摺動距離である。式（２）で見ることができるように、第１および第２の摺動光学素子の組み合わせに関連する２つの位相項、つまり、ｙ２の２次項および定数項がある。定数項は、Δに左右され、理想的には、結果として生じる画像に実質的に影響しないピストンと呼ばれるズームレンズシステムに、収差を加える。２次項は、Δに応じて、屈折力を提供する。定数パラメータａの変動は、素子４３２および４３４の相対的移動への結果として生じる屈折力の感度を増加または減少させる働きをする。したがって、互いに対して素子４３２および４３４を移行することによって、組み合わせの有効屈折力を変えることができる。
【００５２】
図２２および２３に図示されるズームレンズシステム中のアルバレスレンズ（つまり、光学配置４３０および４３０’）は、アルバレスレンズによって提供される屈折力を変更するために、光軸１２１に垂直な平面で反対方向に移動する第１および第２の摺動光学素子４３２および４３４の両方を有する。例えば第２の摺動光学素子４３４だけといった、摺動光学素子のうちの１つのみが移動される場合、線形位相シフトが、移行された２つの素子の組み合わせに起因する。この位相シフトは、素子変位の関数Δとして、画像を空間的に変位させる働きをする。この位相シフトは、より複雑な形態の摺動可能光学素子が使用される場合に、除去することができる。例えば、移行された屈折力項の組み合わせが、屈折力の量および素子変位に応じて、線形位相シフトをもたらすように、屈折力の近似値を提供する２次項も含むことができる。屈折力項からの位相シフトは、素子の組み合わせをもたらす３次項からの位相シフトを相殺することが可能であり、その場合、単一の素子のみが、連続的可変量の屈折力があるアルバレスレンズをもたらすように移行される必要がある。
【００５３】
図２４および２５は、１つの素子しか摺動しないが、各素子の両面が非球面である、バリエータとして働く連続的可変摺動光学素子の変動を図示する。図２０と併せて図２４を参照すると、図２０の構成４００中の光学配置３００は、図２４のズームレンズシステムの構成４６０では、光学配置４７０に置き換えられている。光学配置４７０は、光学配置３００のように、開口３０４を含むが、第１の非球面／非球面素子４７２および摺動する第２の非球面／非球面素子４７４も含む。素子４７２は、前面４７５および裏面４７６を含み、その両方とも非球面表面形状を有する。素子４７４も、前面４７７および裏面４７８を含み、その両方とも非球面表面形状を有する。図２４および２５に図示される例では、素子４７２および４７４は、素子の外面（例えば、図示されるように、互いに向き合わない表面）上の屈折力および内面上の三次元表面を含む。つまり、素子４７２の表面４７５は負の屈折力を有し、素子４７２の表面４７６は三次元表面形状を有する。同様に、素子４７４の表面４７７は、素子４７２の第２の表面４７６の三次元表面形状に対応する三次元表面形状を有し、素子４７４の表面４７８は正の屈折力を有する。
【００５４】
続けて図２４を参照すると、光学配置４７０では、素子４７２は、開口３０４に対して静止したままであるように構成される。あるいは、素子４７２はまた、例えば、光軸１２１に直角である方向に、開口３０４に対して摺動可能に構成することができる。素子４７４は、光学配置４７０が屈折力の連続的変動を提供することが可能となるように、開口３０４および素子４７２に対して摺動可能である。素子４７２に対して空間的に移動する素子４７４は、光学配置４７０の有効屈折力の変化をもたらす。つまり、素子４７２および４７４の組み合わせは、素子４７４の摺動運動により連続的範囲の屈折力を生じ、検出器２１０に対して光軸１２１を中心に保ち、収差を最小化するために付加的な光学的自由度を提供するように構成することもできる。構成４６０は、最終像４９０を生成するＷＦＣ補償器４８２、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含む。ＷＦＣ補償器４８２は、例えば、図１１〜１７および２０〜２３に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能し、さらに、光学配置４７０の固有の特徴に適合するようカスタマイズすることができる。
【００５５】
素子４７４の摺動可能構成は、図２４と併せて図２５を参照することによって図示される。図２４の光学配置４７０は、素子４７２および４７４が互いに完全に重なり合って示され、つまり、光軸１２１に沿って互いに対してほぼ中心にある。図２５の光学配置４７０’では、素子４７４は、変位Δによって素子４７２に対して下方に移動されている。図２４では、光学配置４７０は最小屈折力構成を提供し、図２５では、光学配置４７０’はより大きい屈折力構成を提供する。
【００５６】
非球面光学素子はまた、もう一方に対する回転する１つの非球面素子が屈折力の変化を引き起こすように、構成することもできる。この種類の回転素子の一例は、Ｂａｋｅｒらの米国特許第４，６５０，２９２号（以降、’２９２特許）で説明されている。
【００５７】
図２６は、２つの素子を有する光学配置の屈折力の変化を達成するための素子の回転を図示する。ズームレンズシステムの構成５００は、光学配置５１０を含む。図１８および１９と併せて図２６を参照すると、光学配置５１０は、図１８および１９の光学配置３００、３００’に示されるような、開口３０４の付近に配置される静止光学素子３０２’を含む。光学素子３０２’は、負の屈折力を提供する部分、および屈折力を提供しない平面部分を含む。光学配置５１０は、反時計方向５１８（矢印で示されるような）または時計方向５１８’のいずれかに回転軸５１６の回りに回転可能である、第２の回転可能光学素子５１４をさらに含む。素子５１４は、非球面表面５１９および平面表面５２０を含む。あるいは、素子５１４は、図２４に示される素子４７２および４７４のような非球面／非球面素子であってもよい。素子３０２’および５１４の表面曲率および軸５１６の位置は、素子５１４が軸５１６の回りを回転すると、光学配置５１０が可変の屈折力を提供するように選択される。よって、摺動可能光学素子を含む前述の光学配置のように、光学配置５１０は、従来のズームレンズシステムのように光軸に沿った付加的な長さを必要とせずに可変屈折力を提供するよう、光軸１２１に直角な平面での光学素子の移動を含む。構成５００は、ＷＦＣ補償器５２２、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含み、最終像５３０を生成する。ＷＦＣ補償器５２２は、例えば、図１１〜１７および２０〜２５に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能し、さらに、光学配置５１０と協働するようにカスタマイズすることができる。
【００５８】
図２７および２８は、改良されたズームレンズのバリエータで使用される摺動素子のさらに別の変動を図示する。図２７および２８で図示される場合では、単一の摺動非球面素子５７０は、第２の光学素子を使用せずに屈折力を変える。つまり、２つの補足素子のうちの少なくとも１つがもう１つに対して移動する図２０〜２６に示されるような構成とは対照的に、図２７および２８の構成５５０および５５０’はそれぞれ、単一の移動可能光学素子５７０しか含まない。
【００５９】
まず図２７を参照すると、光学配置５６０は、開口３０４、および開口３０４に対して移動可能である移動可能光学素子５７０を含む。移動可能光学素子５７０の連続または不連続移動によって、異なる屈折力に対応する素子５７０の異なる部分は、光学配置５６０が、開口３０４に対する素子５７０の相対的位置に応じて変化する屈折率を提供するように、開口３０４を通して照射される。図２７が非球面表面５７２および平面表面５７４を含むものとしての素子５７０を示す一方で、素子５７０は、所望の屈折力変動を達成するように、非球面／非球面の組み合わせまたは平面／非球面の組み合わせなどの、その他の表面輪郭で構成することができる。
【００６０】
図２８は、光学配置５６０’を含む構成５５０’を示し、図中、移動可能光学素子５７０’は、非球面／平面表面輪郭の異なる部分が開口３０４を通して図示されるように、図の平面で下方に摺動されている。素子５７０が図２７および２８で移動可能（例えば、直線摺動として）に示されている一方で、移動可能光学素子もまた、他の方法で移動して屈折力の変動を提供することができる（例えば、図２６に示されるように、回転軸の回りの回転によって）。構成５５０および５５０’は、それぞれＷＦＣ補償器５８２および５８２’、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含み、図示されるように、最終像５９０および５９０’をそれぞれ生成する。ＷＦＣ補償器５８２および５８２’は、例えば、図１１〜１７および２０〜２６に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能し、さらに、光学配置５６０および５６０’の特定の特徴と協働するようカスタマイズすることができる。
【００６１】
ズームシステムに使用するための摺動光学素子に対するさらに別の変動は、摺動開口、およびバリエータとして使用される非球面光学素子を伴う。米国特許第６，６０３，６０８号でＴｏｇｉｎｏによって説明されているものなどの摺動開口は、非球面光学素子のある部分だけが一度に照射されるように、非球面光学素子に対して移動する。次に、開口のこの移動は、開口／非球面光学の組み合わせに対する不連続または連続的可変屈折力をもたらす。摺動開口および非球面光学素子の組み合わせは、変化する屈折力を提供する光学配置を効果的にもたらす。
【００６２】
図２９および３０は、そのような摺動開口装置を含む改良されたズームレンズシステムの例を図示する。図２９に示される構成６００は、順に開口６０４および非球面光学素子６０６を含む光学配置６０２を含む。開口６０４の連続または不連続移動によって、異なる屈折力に対応する素子６０６の異なる部分は、光学配置６０２が、素子６０６に対する開口６０４の相対的位置に応じて可変屈折力を提供するように、開口６０４を通して照射される。構成６００では、光学配置６０４がそれを通って伝達される光の第１の値を提供するように、開口６０４および素子６０６の両方は、図の平面で光軸１２１に対して中心となって示される。図３０は、素子６０６の異なる部分を照射するよう光学配置６０２’が（図２９の光学配置６０２中のその位置に対して）移動されている構成６００’を示す。特に、光学配置６０２’を通って移動する光が、屈折力の異なる第２の値を経験するように、開口６０４は、光軸１２１に対して図の平面で上方に移動されて示されている。
【００６３】
図２９および３０を続けて参照すると、素子６０６が非球面表面６０８および平面表面６１０を含むとして示される一方で、あるいは、非球面光学素子は、開口６０４と協働して所望の屈折力変動を達成するように、前述の非球面／非球面の組み合わせまたは平面／非球面の組み合わせなどであるがそれに限定されない、その他の表面構成で構成することができる。また、開口６０４は、横方向に摺動可能、または例えば図１８〜２８に示される移動可能光学素子の移動に類似している方式で、光軸に直角である平面で回転軸の周りを回転可能であってもよい。構成６００および６００’は、それぞれＷＦＣ補償器６１２および６１２’、検出器２１０、およびＤＳＰ２１５をさらに含み、最終像６２０および６２０’をそれぞれ生成する。ＷＦＣ補償器６００および６００’は、例えば、図１１〜１７および２０〜２８に示される前述のＷＦＣ補償器と同様の方式で機能し、さらに、光学配置６０２および６０２’の特定の特徴と協働するようカスタマイズすることができる。
【００６４】
図１１〜１７および２０〜３０を再び参照すると、入射光線角度（つまり、θｏｂｊ内にある被写体１１０からの光線）の範囲は、ズームシステムのそれぞれによって撮像され、光線角度の範囲にわたるＭＴＦが、大きさおよび形状において同様であり、ズームシステムが誤焦点様の収差に対して感度が低くなるように（波面コーディングのない同じズームシステムと比べて）、波面コーディング素子は、光線によって表される波面の位相を変更する。
図３１および３２は、本開示に従ったズームレンズシステムの別の例を図示する。図３１は、第１の光学群７０２（焦点距離ｆ１を伴う）および第２の光学群７０４（焦点距離ｆ２を伴う）を含む２群ズームレンズシステムの構成７００を示す。第２の光学群７０４は、可変光学素子７０６およびＷＦＣ素子７０８を含む。第１および第２の光学群７０２および７０４は、光軸７２２と並ぶ。構成７００は、図示されるように、軸上光線７２５および軸外光線７２７の両方を受け取るように構成される、広角システムとして示される。第１および第２の光学群７０２および７０４は、検出器２１０上に軸上および軸外光線７２５および７２７の両方を撮像するように構成される。検出器２１０によって生成される画像データは、ＤＳＰ２１５において処理され、最終像７２０を生成する。第１および第２の光学群７０２および７０４は、屈折、回折、およびホログラフィック素子を含むがそれに限定されない、複数の光学素子を含むことができる。ＷＦＣ素子７０８は、素子７０６の表面に形成される、またあるいは、それとともに一体的に形成される可変光学素子７０６から分離することができる。
【００６５】
図３２は、第２の光学群７０４’を含む構成７００’を示す。構成７００’では、可変光学素子７０６は、図３１の素子７０６の焦点距離ｆ２とは異なる焦点距離ｆ２’を有する可変光学素子７０６’を形成するように変更される。焦点距離の変化は、例えば、可変レンズの上述の実施のうちの１つによって達成することができる。光学群７０４’もまた、光学群７０４のＷＦＣ素子７０８の特徴と同じ、または異なってもよい特徴があるＷＦＣ素子７０８’を有する。光学群７０４’もまた、構成７００の光学群７０４および７０２の位置と比べて、光軸に沿って第１の光学群７０２（矢印７３０によって示される）により近い。構成７００’は、検出器２１０上に撮像され、最終像７２０’を形成するようＤＳＰ２１５において処理される、軸上およびほぼ軸外の光線７２５’（破線の楕円によって示される）を受け入れる望遠システムとしての使用に適している。言い換えると、構成７００および７００’は、光軸７２２に沿った光学群７０６、７０６’の移動および可変光学群７０４、７０４’の焦点距離変動を組み合わせるズームレンズシステムの、広角および望遠状態をそれぞれ図示する。
【００６６】
上記のように、ＷＦＣ素子７０８の固有の特徴も変えてよい。例えば、ＷＦＣ素子７０８によって達成される位相変動を、第２の光学群７０４および／または７０４’の構成に応じて変えることができるように、ＷＦＣ素子７０８は、適応光学素子または空間光変調器を使用して実施することができる。また、構成７００’でＤＳＰ２１５によって行われる信号処理は、構成７００で行われるものと同じであっても、そうでなくてもよい。構成７００’での信号処理は、第２の光学群７０４’の変化に適応するように変更することができる。
ズームレンズシステム中の少なくとも１つの光学群の移動および焦点距離変動を同時に達成することによって、図３１および３２に図示されるズームレンズシステムは、従来のズームレンズシステム単独によって必要とされるよりも少ない光軸にそった光学群の移動、および現代のズームレンズシステム単独によって必要とされるよりも少ない焦点距離変動を使用して、広角から望遠の一連の特徴を達成することができる。さらに、ＷＦＣ素子７０８は、従来または現代のズームレンズシステム構成によって達成可能ではない収差補償を、さらに提供することができる。例えば、図１１〜１７および２０〜３０に示されるような、前述の改良されたズームレンズシステムのいずれも、このような前述のシステムに移動機構を備えてすでに示した焦点距離変動を補うことによって、図３１および３２で例示されるように、移動および焦点距離変動を同時に実施するように変更することができることが注目される。
【００６７】
図３１および３２に図示されるような構成７００および７００’、およびＷＦＣ素子７０８のない同等の構成を、次の例示的特徴を使用して数値的にモデル作成した。構成７００では、群７０２および７０４の組み合わせによって示される有効焦点距離は、２．７ｍｍである。群７０２の焦点距離ｆ１を、−６．６２ｍｍと想定し、群７０４の焦点距離ｆ２は、３．４１ｍｍである。群７０２および７０４の主平面間の間隔は、４．３３ｍｍである。構成７００’では、群７０２は静止したままであり、焦点距離ｆ１は変化しない（なおも−６．６２ｍｍ）一方で、群７０４’の焦点距離ｆ２’は、４．０４ｍｍに変化する。群７０２および７０４’の組み合わせによって示される有効焦点距離が５．４ｍｍとなるように、群７０２および７０４’の主平面間の間隔は、１．７１ｍｍである。光線の波長は、０．５５ミクロンと想定され、検出器２１０は４ミクロン平方の画素を含むと想定される。
【００６８】
様々な光学群の具体的な記述は、周知の垂下方程式に由来し、
【００６９】
【数５】
式中、ｚ＝表面の垂下、ｃ＝表面曲率、ｋ＝円錐定数、ｒ＝頂点からの半径方向距離、およびａｎ＝非球面定数である。表面は、図３１および３２の構成７００および７００’で紙の左側からズームレンズシステムに接近する光線によって見られるものとして定義される。構成７００および７００’の数値的モデル化で使用される規定は、下記によって求められる。
【００７０】
【表１】
ＷＦＣ素子７０８の効果を図示するために、図３１および３２に図示される構成７００および７００’と同等であるが、ＷＦＣ素子７０８のない光学配置に対応する光線遮蔽曲線のペアを図示する、図３３〜３６にまず注意が向けられる。図３３〜３６および４６〜４９の全てにおいて、軸「ＥＹ」は、像平面（例えば、検出器２１０の位置）の空間Ｙ軸に対応し、軸「ＰＹ」は、瞳孔平面（例えば、入射光線によって遭遇される第１の光学群７０２の第１の表面）の空間Ｙ軸に対応し、軸「ＥＸ」は、像平面の空間Ｘ軸に対応し、軸「ＰＸ」は、瞳孔平面のＸ軸に対応する。
【００７１】
当技術分野で周知のように、光線遮蔽曲線は、所与のシステム中に存在する焦点関連収差の程度を示すことができる。光線遮蔽曲線は、瞳孔平面上の所与の光線位置に対して、光線が画像化する像平面上の対応する位置を描画することによって、算出される。例えば、完璧に焦点が合ったシステムに対しては、ｘ軸およびｙ軸光線遮蔽曲線は、ＥＹ＝０およびＥＸ＝０軸に沿ったまっすぐな水平線となるべきである。理想的な水平線からの逸脱は、システム中の種々の収差の存在を示す。例えば、傾斜した直線の光線遮蔽曲線（つまり、ゼロ以外の傾斜の直線）は、誤焦点、つまり、瞳孔位置とともに直線的に増加する像平面の高さを示す。また、ｙグラフおよびｘグラフが異なる傾斜を示す場合、光線遮蔽曲線は、非点収差を示す。さらに、光線遮蔽曲線の傾斜が、画角の関数として変化する場合、光線遮蔽曲線はフィールド湾曲を示す。加えて、光線遮蔽曲線が三次曲線である場合、その光線遮蔽曲線は球面収差を示す。よって、光線遮蔽曲線は、所与の光学システムに存在する種々の収差を示すことができる。
【００７２】
図３３は、構成７００を通過する軸上光線７２５に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、ｙ軸光線遮蔽曲線７５４およびｘ軸光線遮蔽曲線７５６についてのｙグラフ７５０およびｘグラフ７５２を示す。同様に、図３４は、構成７００を通して撮像されている軸外光線７２７に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、ｙ軸光線遮蔽曲線７６４およびｘ軸光線遮蔽曲線７６６についてのｙグラフ７６０およびｘグラフ７６２を示す。図３５は、構成７００’を通過する光線７２５’の軸上部分に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、ｙ軸光線遮蔽曲線７７４およびｘ軸光線遮蔽曲線７７６についてのｙグラフ７７０およびｘグラフ７７２を示す。図３６は、構成７００’を通過する光線７２５’の軸外部分に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、ｙ軸光線遮蔽曲線７８４およびｘ軸光線遮蔽曲線７８６についてのｙグラフ７８０およびｘグラフ７８２を示す。
【００７３】
図３３〜３６のそれぞれを別々に対処すると、図３３に示されるｙ軸およびｘ軸光線遮蔽曲線７５４および７５６は、実質的に一定傾斜の直線であり、よって誤焦点を示す。図３４では、ｙ軸光線遮蔽曲線７６４およびｘ軸光線遮蔽曲線７６６が異なる傾斜を示すため、誤焦点に加えて非点収差の存在を示す。図３５および３６では、光線遮蔽曲線７７４および７７６は、実質的に直線であるが、曲線７６０および７６６からの反対傾斜を有し、構成７００’が構成７００とは反対の誤焦点を示すことを示す。つまり、図３３および３４に示される誤焦点は、例えば、構成７００での像平面（つまり、検出器２１０の位置）を傾斜させることによって部分的に修正できる一方で、像平面のそのような移動は、構成７００’によって示される誤焦点を悪化させる。言い換えると、図３３〜３６に示される誤焦点の修正は、例えば、望ましくない構成の関数としての像平面の移動を必要とする。
【００７４】
構成７００および７００’と同等であるがＷＦＣ素子７０８がない構成の非理想的性能をさらに図示するため、このような構成の算出された変調伝達関数（ＭＴＦ）を図３７に示す。グラフ８００は、構成７００および７００’中の軸上および軸外光線に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、複数のＭＴＦ曲線を含む。グラフ８００の縦軸はＭＴＦの大きさに対応し、グラフ８００の横軸は、正規化空間周波数パラメータに対応する。１の最大空間周波数は、１以上（画素サイズの２倍）に対応する。理想的ＭＴＦは、０．５の大きさにおける水平線である。正規化空間周波数パラメータに対するカットオフ値（つまり、ＭＴＦが０．５を下回る、正規化空間周波数パラメータまたは空間周波数）を有することが多くの用途にとって容認可能である一方で、その特徴が、システムが異なる構成間の性能の大きな変動を示す、つまり、この場合、ある構成が他の物よりも性能が良い場合があることを示すため、異なる構成間のＭＴＦ曲線の大幅な変動は、非理想的と考えられる。異なる構成に対する均一な性能（つまり、同様のＭＴＦ曲線）が、概して好ましい。
【００７５】
図３７を続けて参照すると、第１のＭＴＦ群８１０は、図３１の軸上および軸外光線７２５および７２７に対するＭＴＦ曲線を含み、第２のＭＴＦ群８２０は、図３２の光線７２５’の軸上および軸外部分に対するＭＴＦ曲線を含む。具体的には、第１の軸上ＭＴＦ曲線８１２は、軸上光線７２５に対するＭＴＦ曲線であり、第１の軸外ＭＴＦ曲線８１４は、軸外光線７２７に対するＭＴＦ曲線であり、第２の軸上ＭＴＦ曲線８２２は、光線７２５’の軸上部分に対するＭＴＦ曲線であり、第２の軸外ＭＴＦ８２４は、光線７２５’の軸外部分に対するＭＴＦ曲線である。グラフ８００で見ることができるように、構成７００および７００’それぞれと同等な構成に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、第１および第２のＭＴＦ群８１０および８２０は、軸上および軸外光線に対して、互いに、ならびにそれら自身群内でも有意に異なる。さらに、ＭＴＦ曲線８２４は、ＭＴＦ曲線８２２および第１のＭＴＦ群８１０よりも有意に低く、よって、構成７００’で示される光線７２５’の軸外部分に対する低下した性能を示す。
【００７６】
ＷＦＣ素子７０８のない構成７００および７００’の非理想的性能のなおも別の表示を図３８および３９に示す。図３８および３９は、図３１および３２と併せて、特定空間周波数値（これらの図に示される例では７５線対／ｍｍ）に対するＷＦＣ素子７０８のない構成７００および７００’での、軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線を示す。図３８および３９では、縦軸は、光学的伝達関数（ＯＴＦ）の係数の大きさに対応し、つまり、ＭＴＦ、および横軸は、ミリメートル単位の焦点移行に対応し、その場合、ゼロの焦点移行は、像平面（例えば、検出器２１０の位置）での完璧な焦点に対応する。図３８のグラフ８５０は、図３１の構成７００での軸上光線７２５および軸外光線７２７に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、第１群のＭＴＦ曲線８５２を含む。１つのＭＴＦ曲線のピーク高さをｈＭＴＦと標識し、ｈＭＴＦ／２の値での対応するピークの幅（例えば、曲線の半値全幅またはＦＷＨＭ）を８５６と標識する。図３８に示される例では０．２ｍｍ未満であるＦＷＨＭ８５６は、下記の図４１に関連して論議されるように、ＷＦＣ素子が構成７００で利用されると、増加することができる。
【００７７】
グラフ８５０で見ることができるように、ＭＴＦ曲線８５２群のピークは、ゼロ焦点移行での理想的焦点８５４の線の右に位置している。同様に、図３９のグラフ８６０は、図３２の構成７００’での光線７２５’の軸上および軸外部分に対応するがＷＦＣ素子７０８のない、第２群のＭＴＦ曲線８６２を含む。グラフ８６０では、ＭＴＦ曲線８６２群のピークは、理想的焦点８５４の線の左に位置している。像平面位置が第１群のＭＴＦ曲線８５２または第２群のＭＴＦ曲線８６２のいずれかのピークにあるように、ＷＦＣ素子７０８のない構成７００、７００’によって表されるシステムに調整を行うことができる（例えば、検出器２１０の位置、それにより、像平面は、第１および第２の光学群７０２および７０４または７０４’のより近くまたは遠くに移動することができる）一方で、１つの構成の性能を向上させるためにシステムを調整すると、他の構成の性能を悪化させ、逆の場合も同じである。言い換えると、構成７００および７００’の両方において良好な性能を達成する検出器２１０に対する１つの位置を選択することは可能ではない。
【００７８】
図３１および３２の構成７００および７００’での、ＤＳＰ２１５と組み合わせたＷＦＣ素子７０８の包含は、これから説明するように、ズームレンズシステムの性能を向上することができる。
【００７９】
数値的モデル化の目的で、ＷＦＣ素子７０８は、第２の光学群７０４および７０４’の第１の表面の前に予備素子を追加することによって説明される。１つの特定のＷＦＣ素子７０８は、
【００８０】
【数６】
として表現される前面を持つとしてシミュレーションされ、式中、ｘおよびｙは、光軸に直角である平面での空間変数であり、ａ３＝１．４１８・１０−３、ａ５＝−０．５７６６・１０−３、ａ７＝１．３８８・１０−３、ａ９＝７．８８・１０−３、およびｒ０＝０．４２ｍｍである。ＷＦＣ素子７０８のその他の構成が可能である。
【００８１】
図４０は、構成７００および７００’を通して撮像された軸上および軸外光線に対するＭＴＦのグラフ９００を示し、今回は、ＷＦＣ素子７０８の効果が数値的モデル化に考慮されている。第１のＭＴＦ群９１０は、図３１の軸上および軸外光線７２５および７２７、ならびに図３２の光線７２５’の軸上および軸外部分に対するＭＴＦ曲線を含み、よってＤＳＰ２１５による処理がない広角構成７００および望遠構成７００’の両方に対応する。グラフ９００で見ることができるように、第１のＭＴＦ群９１０内の個々のＭＴＦ曲線は、互いにかなり類似している。つまり、ＭＴＦ群９１０の実質的に同様のＭＴＦ曲線を、図３７の前述のＭＴＦ群８１０および８２０と比較することにより、ＷＦＣ素子７０８を利用すると、各構成内ならびに異なる構成での異なる光線角度に対する性能の均一性が向上することが示唆される。
【００８２】
なおも図４０を参照すると、グラフ９００はまた、構成７００を通して撮像された軸上および軸外光線７２５および７２７、ならびにＤＳＰ２１５による処理を伴って、構成７００’を通して撮像された光線７２５’の軸上および軸外部分に対するＭＴＦ曲線に対応する、第２のＭＴＦ群９２０も含む。ＤＳＰ２１５の詳細は、下記の論議中の適切な連接において説明する。第２のＭＴＦ群９２０の検討によって分かるように、第２のＭＴＦ群９２０内のＭＴＦ曲線の全体的な大きさは、第１のＭＴＦ群９１０内の曲線よりも増加する一方で、ＭＴＦ性能の均一性（ＭＴＦ群９２０における曲線の実質的に同様な大きさおよび形状によって示される）を保つ。さらに、第２のＭＴＦ群９２０内のＭＴＦ曲線は、全体的に見ると、正規化空間周波数パラメータ範囲にわたって大きさが０．５より大きい。言い換えると、ＷＦＣ素子７０８およびＤＳＰ２１５による処理が含まれると、両構成７００および７００’は、本開示のズームレンズシステムの改良された性能を達成する。
【００８３】
ＷＦＣ素子７０８を含むが信号処理のない構成７００および７００’の性能の別の解説では、図４１および４２は、特定の空間周波数値（図３８および３９のように７５ｌｐ／ｍｍ）に対する構成７００および７００’での軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線を示す。再度、像平面での完璧な焦点は、ゼロの焦点移行に対応する。図４１のグラフ９５０は、ＷＦＣ素子７０８を含むがＤＳＰ２１５による信号処理のない、図３１の構成７００での軸上および軸外光線に対応する第１群のＭＴＦ曲線９５２を含む。１つのＭＴＦのピーク高さをｈＭＴＦと標識し、対応するピーク（例えば、ｈＭＴＦ／２の値で）のＦＷＨＭを９５６と標識する。図４２のグラフ９６０は、ＷＦＣ素子７０８があるがＤＳＰ２１５による信号処理のない、図３２の構成７００’での軸上および軸外光線に対応する第２群のＭＴＦ曲線９６２を含む。第１および第２群のＭＴＦ曲線９５２および９６２のそれぞれの中の個々のＭＴＦ曲線はそれぞれ、各群内で互いにかなり類似している。この特徴は、構成にわたる、ならびに光線角度にわたる、均一な性能を示すことが分かる。
【００８４】
図４１および４２を前述の図３８および３９と比較することによって、理想的焦点８５４の線が、ピークＭＴＦの大きさから遠くない点において両群のＭＴＦ曲線９５２および９６２に交差するように、第１および第２群のＭＴＦ曲線９５２および９６２の両方のピークが平坦化して拡大していることが分かる（実際、第２群のＭＴＦ曲線９６２内に含まれるＭＴＦ曲線は、非常に類似しているため、事実上互いに重なり合う）。つまり、グラフ９５０および９６０は、像平面を実際に移動させる必要なく高いＭＴＦ値を得ることができる広い範囲の設定があることを示す。ＦＷＨＭ９５６は、０．２ｍｍ未満である図３８の対応するＦＷＨＭ８５６と比べて、図４１では約０．６ｍｍであると見なされる。図４１では、群９５２のその他のＭＴＦ曲線が、図３８の群８５２のＭＴＦ曲線の対応するピーク幅よりも全て大きい同様の幅を有することが分かる。図３９を図４２と比較することによって、群９６２のＭＴＦ曲線の対応するピーク幅（つまりＦＷＨＭ）が、群８６２のＭＴＦ曲線の対応するピーク幅よりも広いことが同様に分かる。よって、光線角度にわたる誤焦点に対するＭＴＦ曲線の幅の増加により、ＷＦＣ素子７０８がある両構成７００および７００’は、ＷＦＣ素子７０８がない対応する構成７００および７００’よりも、検出器２１０によって撮像される光線角度の範囲にわたる誤焦点および／または誤焦点様収差に対して感度が低くなる。つまり、ＷＦＣ素子７０８を利用するズームレンズシステムは、少なくとも１つの空間周波数で焦点移行の範囲にわたって、該１つの空間周波数にあり、システムによって撮像される光線角度の範囲にわたって、システムの任意の焦点距離における１つの空間周波数で、対応システムによって形成されたＭＴＦ曲線より広いＦＷＨＭによって示されるように、対応するＷＦＣ素子７０８がないズームレンズシステムより広いＭＴＦ曲線を有する。
【００８５】
ＤＳＰ２１５によって適用されるアルゴリズムの仕様を図４３に示す。図４３は、図４０に示される結果を生成するために使用された線形フィルタの網状レンダリングである。図４３は、線形フィルタ１０１０を含む３Ｄグラフ１０００を示す。線形フィルタ１０１０の網目の各点の特定値を下記の表２に示す。表２の値の全ての合計が１であることに注目される。線形フィルタ１０１０は、２次元の線形たたみ込みとしてＤＳＰ２１５によって適用され、図４０に示されるＭＴＦ曲線９２０を生成するために、検出器２１０から受け取られるデータを撮像する。
【００８６】
【表２】
図４４〜７０は、３群ズームレンズシステムの数値的モデル化の例を図示する。図４４および４５は、本開示に従った３群ズームレンズシステムの２つの異なる構成を図示する。図４４は、第１の光学群１１０２（焦点距離ｆ１を伴う）、第２の光学群１１０４（焦点距離ｆ２を伴う）、および第３の光学群１１０６（焦点距離ｆ３を伴う）を含む構成１１００を示す。光学群１１０２および１１０４は、１つ以上の光学素子を含むことができる。光学群１１０６は、光学１１０８、および光学１１０８に隣接または近接して形成するか、またはそれとともに一体的に形成することができるＷＦＣ素子１１１０を含む。図３１と類似して、構成１１００は、軸上光線７２５および軸外光線７２７の両方（システムズームシステム１１００によって撮像される入射光線の範囲を包含する）を受け入れ、第１、第２、および第３の光学群を通して検出器２１０上にこれらの光線を撮像するように構成される広角システムである。検出器２１０によって生成される画像データは、データが処理されて最終像１１２０を形成するＤＳＰ２１５に向けられる。光学群１１０２、１１０４、および１１０６は全て光軸１１２２に沿って一列に並ぶ。
【００８７】
図４５は、３つの光学群が構成１１００で示される相対的位置にとどまっている（例えば、光軸１１２２に沿った光学群の移動なしで）構成１１００’を示す。構成１１００’では、構成１１００’が望遠システムシステムとして機能するように、第２の光学群１１０４’は、焦点距離ｆ２’を示し、第３の光学群１１０６’は、焦点距離ｆ３’をもたらすよう変更された光学１１０８’を含む。検出器２１０での検出およびＤＳＰ２１５での信号処理の後、最終像１１２０’が生じる。ＷＦＣ素子１１１０および／またはＤＳＰ２１５は、構成１１００および１１００’間で同一であってよく、または説明される焦点距離変動によりシステムの変化に適応するように変更してもよい。
【００８８】
一般に、３群の光学素子の使用は、ズームレンズシステムのある固定収差を制御するのに役立つ。第１の光学群１１０２が図４４および４５では静止した非可変光学群であると示される一方で、３つの光学群の位置は、例えば、静止光学群が入射光線によって遭遇される第２または第３の群となるように、変更することができる。
【００８９】
図４４および４５に図示されるような構成１１００および１１００’、およびＷＦＣ素子１１１０がない同等の構成を、次の例示的特徴を使用して数値的にモデル作成した。０．７５ｍｍの画像高さを想定した。光学群１１０２、１１０４、および１１０６の組み合わせの有効焦点距離はそれぞれ、（広角）構成１１００に対しては４．８ｍｍ、（望遠）構成１１００’に対しては１４．２ｍｍである。光線の波長は０．５５ミクロンと想定し、検出器２１０は４ミクロン平方である画素を含むと想定する。構成１１００では、光学群１１０２の焦点距離ｆ１を−１４．８６ｍｍと想定し、光学群１１０４の焦点距離ｆ２を２３．９１ｍｍと想定し、光学群１１０６の焦点距離ｆ３を６．５５ｍｍと想定する。構成１１００’では、第１の光学群１１０２の焦点距離ｆ１は−１４．８６ｍｍのままであり、第２の光学群１１０４の焦点距離ｆ２’を６．０３ｍｍと想定し、第３の光学群１１０６の焦点距離ｆ３’を−４．９４ｍｍと想定する。様々な光学群の具体的な規定は再度、表３Ａおよび３Ｂに示されるパラメータによる方程式（３）に由来する。
【００９０】
【表３Ａ−１】
【００９１】
【表３Ａ−２】
【００９２】
【表３Ｂ】
図４６〜５３は、ＷＦＣ素子１１１０が存在しない場合に図４４および４５で示される構成の非理想的性能を図示する。図４６〜４９は、図４４および４５に示される構成１１００および１１００’に対応する一連の光線遮蔽曲線を示す。図４６は、構成１１００を通過するがＷＦＣ素子１１１０がない、軸上光線７２５に対応するｙ軸光線遮蔽曲線１１５４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１５６があるｙグラフ１１５０およびｘグラフ１１５２を示す。同様に、図４７は、構成１１００を通して撮像されているがＷＦＣ素子１１１０がない、軸外光線７２７に対応するｙ軸光線遮蔽曲線１１６４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１６６があるｙグラフ１１６０およびｘグラフ１１６２を示す。図４８は、構成１１００’を通過するがＷＦＣ素子１１１０がない、光線７２５’の軸上部分に対応するｙ軸光線遮蔽曲線１１７４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１７６があるｙグラフ１１７０およびｘグラフ１１７２を示す。図４９は、構成１１００’を通過するがＷＦＣ素子１１１０がない、光線７２５’の軸外部分に対応するｙ軸光線遮蔽曲線１１８４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１８６があるｙグラフ１１８０およびｘグラフ１１８２を示す。
【００９３】
次に、図４６〜４９のそれぞれを検討すると、図４６に示されるｙ軸およびｘ軸光線遮蔽曲線１１５４および１１５６は、実質的に一定傾斜の直線であり、よって誤焦点を示す。図４７では、ｙ軸光線遮蔽曲線１１６４およびｘ軸光線遮蔽曲線１１６６は同様に直線である。図４８および４９では、光線遮蔽曲線は、実質的に直線であるが、図４６および４７に示されるものとは反対の傾斜を有することによって、構成１１００’が構成１１００からの反対の誤焦点を示すことを示唆する。つまり、図４６および４７に示される誤焦点は、例えば、構成１１００での像平面（つまり、検出器２１０の位置）を移動することによって部分的に修正できる一方で、像平面のそのような移動は、構成１１００’によって示される誤焦点を悪化させる。言い換えると、図４６〜４９に示される誤焦点の修正は、例えば、構成の関数としての像平面の移動を必要とするが、それは望ましいことではない。
【００９４】
図５０および５１は、ＷＦＣ素子１１１０がない構成１１００および１１００’での軸上および軸外光線に対する、空間周波数（ミリメートル毎のサイクル（または線対）の単位）の関数としての算出されたＭＴＦを示す。図５０では、グラフ１２００は、図４４の構成１１００を通して撮像されるがＷＦＣ素子１１１０がない、軸上および軸外光線に対応するＭＴＦ曲線１２１０群を含む。同様に、図５１のグラフ１２２０は、再度ＷＦＣ素子１１１０がない、図４５の構成１１００’を通して撮像される軸上および軸外光線に対応する、別のＭＴＦ曲線１２３０群を含む。グラフ１２００および１２２０に示されるように、ＭＴＦ曲線１２１０および１２３０の両群は、空間周波数の増加に伴って大きな低下および変動を示し、各構成内および２つの構成間の不均一な性能ならびに大きな誤焦点を示す。さらに、両群のＭＴＦ曲線１２１０および１２３０は、ＭＴＦが実質的にゼロまで低下する空間周波数値を含む。ＭＴＦ値におけるこのようなゼロは、画像データの損失を示すため、特に望ましくない。
【００９５】
図５２および５３は、図３８および３９のように、特定の空間周波数値（７５ｌｐ／ｍｍ）に対する波面コーディングがない構成１１００および１１００’での、軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線を示す。図５２および５３では、縦軸は、ＯＴＦの係数の大きさに対応し、つまり、ＭＴＦ、および横軸は、ミリメートル単位の焦点移行に対応し、その場合、ゼロの焦点移行は、像平面（例えば、検出器２１０の位置）での完璧な焦点に対応する。図５２のグラフ１２５０は、図４４の構成１１００での軸上および軸外光線に対応するがＷＦＣ素子１１１０のない、第１群のＭＴＦ曲線１２５２を含む。グラフ１２５０で見ることができるように、第１群のＭＴＦ曲線１２５２のピークは、ゼロ焦点移行での理想的焦点１２５４の線の右に位置する。ＭＴＦ曲線１２５２群内の個々のＭＴＦ曲線は、形状が幅広く異なり、誤焦点に加えて非点収差およびフィールド湾曲を示す。ＦＷＨＭ１２５６は、曲線のうちの１つに対して示され、０．３ｍｍ未満の値を有すると見なすことが可能である。図５３のグラフ１２６０は、図４５の構成１１００’での軸上および軸外光線に対応するがＷＦＣ素子１１１０のない、第２群のＭＴＦ曲線１２６２を含む。グラフ１２６０では、第２群のＭＴＦ曲線１２６２のピークは、理想的焦点１２５４の線の左に位置する。したがって、図３８および３９との関連で先に図示された構成７００および７００’のように、図５２および５３のグラフ１２５０および１２６０はそれぞれ、両構成１１００および１１００’での良好な性能を達成する検出器２１０に対する１つの位置を選択することが可能ではないことを示唆する。
【００９６】
図５０および５１とは対照的に、図５４および５５は、ＷＦＣ素子１１１０を含む構成１１００および１１００’に対してシミュレーションされるＭＴＦ曲線を示す。数値モデル化の目的で、ａ３＝−２．８５８・１０−３、ａ５＝−０．０８・１０−３、ａ７＝−１．７０７・１０−３、ａ９＝３．４２６・１０−３、およびｒ０＝０．６０ｍｍというパラメータがある式（４）の垂下方程式によれば、ＷＦＣ素子１１１０は、第３の光学群１１０６および１１０６’の第１の表面の前に予備素子を追加することによって説明される。
【００９７】
図５０および５１と併せて図５４および５５を参照すると、図５４は、ＷＦＣ素子１１１０を含むがＤＳＰ２１５による処理がない構成１１００を通して撮像される軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線１２７２群を含む、グラフ１２７０を示す。ＭＴＦ曲線１２７２を図５０に示されるＭＴＦ曲線１２１０と比較することによって分かるように、ＭＴＦ値は、ＭＴＦ曲線１２１０に対するよりもＭＴＦ曲線１２７２において大きく、よって、ＭＴＦ値は、構成１１００でのＷＦＣ素子１１１０の追加によって増加する。同様に、図５５は、再度、ＷＦＣ素子１１１０を含むがＤＳＰ２１５による処理がない構成１１００’を通して撮像される軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線１２８２群を含む、グラフ１２８０を示す。ＭＴＦ曲線１２８２は、大きさ、性能の均一性、およびゼロの欠如といった点において、図５１のＭＴＦ１２３０よりも改善を示すと見なすことができる。
【００９８】
図５６および５７は、特定の空間周波数値（図５２および５３のように、７５ｌｐ／ｍｍ）に対する構成１１００および１１００’での軸上および軸外光線に対するＭＴＦ曲線を示す。再度、像平面での完璧な焦点は、ゼロの焦点移行に対応する。図５６のグラフ１２９０は、ＷＦＣ素子１１１０を含むがＤＳＰ２１５による処理がない図４４の構成１１００での軸上および軸外光線に対応する、第１群のＭＴＦ曲線１２９２を含む。ＦＷＨＭ１２９６は、曲線のうちの１つに対して示され、ピークがグラフ１２９０に示される焦点移行値を超えるが少なくとも０．６ｍｍであるため、グラフ１２９０を利用して測定できない値を有すると見なすことが可能である。図５７のグラフ１２９５は、ＷＦＣ素子１１１０があるがＤＳＰ２１５による処理がない、図４５の構成１１００’での軸上および軸外光線に対応する第２群のＭＴＦ曲線１２９７を含む。理想的焦点１２９４の線が、ピークＭＴＦの大きさから遠くない点において両群のＭＴＦ曲線に交差するように、第１および第２群のＭＴＦ曲線１２９２および１２９７の両方のピークが平坦化して拡大していることが分かる。言い換えると、グラフ１２９０および１２９５は、像平面を実際に移動させる必要なく高いＭＴＦ値を得ることができる広い範囲の設定があることを示す。さらに、ＷＦＣ素子１１１０を利用するズームレンズシステムは、少なくとも１つの空間周波数で焦点移行の範囲にわたって、該１つの空間周波数にあり、システムによって撮像される光線角度の範囲にわたって、システムの任意の焦点距離における１つの空間周波数で、対応システムによって形成されたＭＴＦ曲線より広いＦＷＨＭによって示されるように、対応するＷＦＣ素子１１１０がないズームレンズシステムより広いＭＴＦ曲線を有する。
【００９９】
再び図３１〜３２、４４〜４５を参照すると、入射光線角度の範囲（例えば、軸上および軸外光線７２５および７２７それぞれによって示される）は、ズームシステムのそれぞれによって撮像され、光線角度の範囲にわたるＭＴＦが、大きさおよび形状において同様であり、ズームシステムが誤焦点様収差に対して感度が低くなるように（波面コーディングのない同じズームシステムと比べて）、波面コーディング素子は、光線によって表される波面の位相を変更する。
【０１００】
図４４および４５に示される構成でのＷＦＣ素子１１１０およびＤＳＰ２１５の追加によって得られるシステム性能の改良をさらに図示するために、点広がり関数（ＰＳＦ）に関するこれらの構成の算出された評価を図５８〜６９に示す。図５８〜６１はそれぞれ、ＷＦＣ素子１１１０が構成に含まれず、ＤＳＰ２１５によって処理が行われない場合の点被写体に対する、構成１１００を通して撮像された軸上光線に対する算出されたＰＳＦ１３００、構成１１００を通して撮像された軸外光線に対する算出されたＰＳＦ１３０２、構成１１００’を通して撮像された軸上光線に対する算出されたＰＳＦ１３０４、構成１１００’を通して撮像された軸外光線に対する算出されたＰＳＦ１３０６の視覚化に対応する。ＰＳＦ１３００、１３０２、１３０４、および１３０６の比較において分かるように、ＰＳＦ１３００、１３０２、１３０４、および１３０６は互いにかなり異なるため、構成内および構成間の３群ズームレンズシステムの撮像性能が幅広く異なる。
【０１０１】
図６２〜６５はそれぞれ、ＷＦＣ素子１１１０が構成に含まれるが、ＤＳＰ２１５によって処理が行われない場合の点被写体に対する、構成１１００を通して撮像された軸上光線に対する算出されたＰＳＦ１３１０、構成１１１０を通して撮像された軸外光線に対する算出されたＰＳＦ１３１２、構成１１００’を通して撮像された軸上光線に対する算出されたＰＳＦ１３１４、構成１１００’を通して撮像された軸外光線に対する算出されたＰＳＦ１３１６の視覚化を示す。ＰＳＦ１３１０、１３１２、１３１４、および１３１６は全て互いにかなり類似している。ＰＳＦ１３１０、１３１２、１３１４、および１３１６は、理想ほど完璧な点ではないが、全てかなり均一であり、これらの図で９時および１２時の方向にＰＳＦを広げる同様な収差のみを含む。そのような収差は、ＷＦＣ素子１１１０およびＤＳＰ２１５による処理の両方の効果が計算に含まれる場合の算出されたＰＳＦを示す図６６〜６９で示されるように、単一線形フィルタを使用して修正することができる。
【０１０２】
図６６〜６９はそれぞれ、点被写体に対する、構成１１００を通して撮像された軸上光線、構成１１１０を通して撮像された軸外光線、構成１１００’を通して撮像された軸上光線、構成１１００’を通して撮像された軸外光線に対応する。これより分かるように、算出されたＰＳＦ１３２０、１３２２、１３２４、および１３２６は、いくつかの画素のみを覆う均一な点に非常に近い。したがって、ＷＦＣ素子１１１０およびＤＳＰ２１５による後の信号処理の追加により、広角から望遠の一連の構成に対する３群ズームレンズシステムによって、均一な性能を達成することができる。
【０１０３】
図７０は、構成１１００および１１００’でＤＳＰ２１５によって適用される線形フィルタ１３６０を図示し、フィルタ１３６０は、グラフ１３５０で網状形式で示される。フィルタ１３６０は、構成１１００および１１００’でＤＳＰ２１５によって２次元の線形畳み込みとして適用され、図６６〜６９で示される算出されたＰＳＦを生成するために、検出器２１０によって生成されるデータを撮像する。
【０１０４】
前述の実施形態のそれぞれは、特定の各配向性を有する様々な構成要素により図示されているが、本装置は、異なる位置および相互配向性に位置する構成要素がある異なる構成を採用し、本開示の精神および範囲内にとどまることができることを理解するべきである。さらに、様々な構成要素の代わりに、またはそれに加えて、適切な同等物を使用してもよい。そのような代用または追加構成要素の機能、および使用は、当業者に周知であり、したがって、本開示の範囲内であると見なされる。例えば、光学光子シーブを、光学群のうちの１つ以上の一部として、本開示のズームレンズシステムに追加してもよい。光学光子シーブについての詳細は、例えば、Ａｎｄｅｒｓｅｎの「Ｌａｒｇｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈｏｔｏｎ ｓｉｅｖｅ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．３０、ｎｏ．２２、Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００５、ｐｐ．２９７６−２９７８で見ることができる。そのような光学光子シーブは、ズームレンズシステム内の単純回折素子として働き、上記のような本開示の実施形態での光学素子のうちの１つ以上に取って代わるか、または補完することができる。別の可能な変更は、光学経路における高分子分散および高分子安定化液晶（ＰＤＬＣまたはＰＳＬＣ）光変調装置の追加を含む。そのようなＰＤＬＣまたはＰＳＬＣ装置は、例えば、二元またはアナログ光弁として働き、ズームレンズシステムを通して伝達される光の量を調節することができる。あるいは、ＰＤＬＣまたはＰＳＬＣは、付加的な光制御を提供するようにパターン化することができるか、または、可変ＬＣレンズを含むズームレンズシステムの変動性を強化するよう可変液晶レンズに一体化することができる。ＰＤＬＣおよびＰＳＬＣは、例えば、Ｄｒｚａｉｃの「Ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ−ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｐｕｒｅ ＆ Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．、ｖｏｌ．６８、ｎｏ．７、ｐｐ．１４３５−１４４０、１９９６、および１９９７年１１月２５日に発行されたＤｏａｎｅらの米国特許第５，６９１，７９５号で説明されている。光の波面を変える働きをするその他の現代の光学素子は、上記のような改良されたズームレンズシステム内に適切に構成することができる。
【０１０５】
したがって、本実施例は、実例的であって限定的ではないと考えられるべきであり、本願で挙げられる詳細に限定されないが、添付の請求項の範囲内で変更することができる。下記の請求項は、本願で説明される一般的および具体的な特徴、ならびに、言語の問題として、その間に該当すると言われる場合のある、本方法およびシステムの範囲の記述を対象とすることを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１は、従来の光学を含む、従来技術の従来のズームレンズシステムの一構成の概略図である。図２は、図１の従来技術の従来のズームレンズシステムの代替的構成の概略図である。
【図３】図３は、現代の可変光学を含む、従来技術の現代のズームレンズシステムの一構成の概略図である。
【図４】図４は、図３の従来技術の現代のズームレンズシステムの代替的構成の概略図である。
【図５】図５は、現代の可変光学を含む、従来技術の現代のズームレンズシステムの別の実施例の一構成の概略図である。
【図６】図６は、図５の従来技術の現代のズームレンズシステムの代替的構成の概略図である。
【図７】図７は、従来技術の従来の２レンズ撮像システムの概略図であり、ここでは、２つのレンズが不均等な焦点距離および屈折率を示す場合の像平面の湾曲を図示するように示されている。
【図８】図８は、従来技術の従来の２レンズ撮像システムの概略図であり、ここでは、２つのレンズが均等な屈折率および互いのマイナスである焦点距離を示すように選択される場合の像平面の平坦化を図示するように示されている。
【図９】図９および１０は、なおも別の従来技術の従来の２レンズ撮像システムの概略図であり、ここでは、レンズパラメータ選択に応じてそのようなシステムによって示される色収差の変動を図示するように示されている。
【図１０】図９および１０は、なおも別の従来技術の従来の２レンズ撮像システムの概略図であり、ここでは、レンズパラメータ選択に応じてそのようなシステムによって示される色収差の変動を図示するように示されている。
【図１１】図１１〜１３は、波面コーディング補償器との可変光学の組み合わせを利用するズームレンズシステムの一実施形態の概略図である。
【図１２】図１１〜１３は、波面コーディング補償器との可変光学の組み合わせを利用するズームレンズシステムの一実施形態の概略図である。
【図１３】図１１〜１３は、波面コーディング補償器との可変光学の組み合わせを利用するズームレンズシステムの一実施形態の概略図である。
【図１４】図１４および１５は、波面コーディング補償器と組み合わせて液体レンズバリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図１５】図１４および１５は、波面コーディング補償器と組み合わせて液体レンズバリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図１６】図１６および１７は、波面コーディング補償器と組み合わせて液晶バリエータを利用するズームレンズシステムのなおも別の実施形態の概略図である。
【図１７】図１６および１７は、波面コーディング補償器と組み合わせて液晶バリエータを利用するズームレンズシステムのなおも別の実施形態の概略図である。
【図１８】図１８および１９は、実施形態に従った、摺動可能光学素子構成の使用によって可変屈折力を提供するための光学配置の概略図である。
【図１９】図１８および１９は、実施形態に従った、摺動可能光学素子構成の使用によって可変屈折力を提供するための光学配置の概略図である。
【図２０】図２０および２１は、波面コーディング補償器と組み合わせて図１８および１９の光学配置を利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２１】図２０および２１は、波面コーディング補償器と組み合わせて図１８および１９の光学配置を利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２２】図２２および２３は、波面コーディング補償器と組み合わせて平面／球面摺動バリエータを利用するズームレンズシステムのさらに別の実施形態の概略図である。
【図２３】図２２および２３は、波面コーディング補償器と組み合わせて平面／球面摺動バリエータを利用するズームレンズシステムのさらに別の実施形態の概略図である。
【図２４】図２４および２５は、波面コーディング補償器と組み合わせて非球面／非球面摺動バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２５】図２４および２５は、波面コーディング補償器と組み合わせて非球面／非球面摺動バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２６】図２６は、波面コーディング補償器と組み合わせて回転可能バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２７】図２７および２８は、波面コーディング補償器と組み合わせて摺動単一群バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２８】図２７および２８は、波面コーディング補償器と組み合わせて摺動単一群バリエータを利用するズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図２９】図２９および３０は、波面コーディング補償器と組み合わせて摺動開口バリエータを利用する改良されたズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図３０】図２９および３０は、波面コーディング補償器と組み合わせて摺動開口バリエータを利用する改良されたズームレンズシステムの別の実施形態の概略図である。
【図３１】図３１および３２は、実施形態に従った、波面コーディングがある２群ズームレンズシステムの２つの構成の概略図である。
【図３３】図３３〜３６は、図３１および３２に示される構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図３４】図３３〜３６は、図３１および３２に示される構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図３５】図３３〜３６は、図３１および３２に示される構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図３６】図３３〜３６は、図３１および３２に示される構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図３７】図３７は、図３１および３２に示される構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まない。
【図３８】図３８および３９は、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであるが、特定の空間周波数値に対する波面コーディングおよび信号処理を含まない。
【図３９】図３８および３９は、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであるが、特定の空間周波数値に対する波面コーディングおよび信号処理を含まない。
【図４０】図４０は、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングおよび信号処理の効果を含む。
【図４１】図４１および４２は、特定の空間周波数値に対する、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングの効果を含む。
【図４２】図４１および４２は、特定の空間周波数値に対する、図３１および３２の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングの効果を含む。
【図４３】図４３は、図４０のグラフを算出するために使用される信号処理において適用された、算出された線形フィルタの３Ｄ網状表示である。
【図４４】図４４および４５は、実施形態に従った、波面コーディングがある３群ズームレンズシステムの２つの構成の概略図である。
【図４５】図４４および４５は、実施形態に従った、波面コーディングがある３群ズームレンズシステムの２つの構成の概略図である。
【図４６】図４６〜４９は、図４４および４５の構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図４７】図４６〜４９は、図４４および４５の構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図４８】図４６〜４９は、図４４および４５の構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図４９】図４６〜４９は、図４４および４５の構成に対応する光線遮蔽曲線のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まずに算出されている。
【図５０】図５０および５１は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まない。
【図５１】図５０および５１は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであるが、波面コーディングおよび信号処理の効果を含まない。
【図５２】図５２および５３は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであるが、特定の空間周波数値に対する波面コーディングおよび信号処理を含まない。
【図５３】図５２および５３は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであるが、特定の空間周波数値に対する波面コーディングおよび信号処理を含まない。
【図５４】図５４および５５は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングおよび信号処理の効果を含む。
【図５５】図５４および５５は、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングおよび信号処理の効果を含む。
【図５６】図５６および５７は、特定の空間周波数値に対する、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングの効果を含む。
【図５７】図５６および５７は、特定の空間周波数値に対する、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する焦点移行の関数としての算出された変調伝達関数のグラフであり、今回は、波面コーディングの効果を含む。
【図５８】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図５９】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６０】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６１】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６２】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６３】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６４】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６５】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６６】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６７】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６８】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図６９】図５８〜６９は、波面コーディングおよび信号処理がないものとあるものの、図４４および４５の構成を通して撮像された軸上および軸外光線に対応する算出された点広がり関数である。
【図７０】図７０は、図５４〜５５および６６〜６９の結果を算出するために使用される信号処理において適用された、算出された線形フィルタの３Ｄ網状表示である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線角度の範囲にわたって入射光線を撮像するズームレンズシステムであって、
該入射光線は、少なくとも位相によって特徴付けられ、該ズームレンズシステムは、光軸を含み、少なくとも該光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）によって特徴付けられており、該ズームレンズシステムは、
該光軸に沿って配置される光学群であって、
少なくとも２つの異なる焦点距離値の間で選択可能な可変焦点距離を示す少なくとも１つの可変光学素子と、
波面コーディング素子と
を含む、光学群を備え、
該２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、該光線角度の範囲に対応する該複数のＭＴＦが、該波面コーディング素子のない対応システムよりも、誤焦点様の収差に対して感度が低いように、該波面コーディング素子は、少なくとも該入射光線の位相を変化させる、ズームレンズシステム。
【請求項２】
少なくとも１つの空間周波数における前記ＭＴＦは、焦点移行の範囲にわたって、該１つの空間周波数における前記対応システムによって形成されるＭＴＦよりも広い半値全幅を有する、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの可変光学素子は、前記光軸に沿って移動可能ではない、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項４】
前記光学群は、前記入射光線の位相を変化させるために構成される位相マスクを含む、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項５】
前記可変光学素子は、前面および裏面を含み、かつ前記位相マスクは、該可変光学素子の該前面および該裏面のうちの少なくとも一方から一体的に形成される、請求項４に記載のズームレンズシステム。
【請求項６】
前記波面コーディング素子は、前記位相マスクを備える、請求項４に記載のズームレンズシステム。
【請求項７】
前記光学群は、第２の光学素子を含む、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項８】
前記第２の光学素子はまた、少なくとも２つの異なる焦点距離値の間で選択可能な可変焦点距離を示す、請求項７に記載のズームレンズシステム。
【請求項９】
前記第２の光学素子は、前記入射光線の前記位相を変化させるために構成される位相マスクを含む、請求項７に記載のズームレンズシステム。
【請求項１０】
前記波面コーディング素子は、前記位相マスクを備える、請求項９に記載のズームレンズシステム。
【請求項１１】
前記第２の光学素子は、前記光軸に沿って移動可能である、請求項７に記載のズームレンズシステム。
【請求項１２】
前記可変光学素子は、液体レンズである、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項１３】
前記可変光学素子は、液晶レンズである、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項１４】
前記可変光学素子は、開口および第１の非球面光学素子を含む、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項１５】
前記可変光学素子の前記開口および前記第１の非球面光学素子のうちの少なくとも１つは、前記光軸に平行ではない平面において摺動可能である、請求項１４に記載のズームレンズシステム。
【請求項１６】
前記可変光学素子は、前記開口および前記第１の非球面光学素子のうちの少なくとも１つに対して摺動可能に配置される第２の非球面光学素子を含む、請求項１４に記載のズームレンズシステム。
【請求項１７】
前記非球面光学素子は、前記光軸に平行ではない平面において前記開口に対して回転可能である、請求項１４に記載のズームレンズシステム。
【請求項１８】
前記光学群は、光学像を形成するためにさらに構成され、
前記光線角度の範囲にわたって焦点電子画像を表すために前記光学像を電子的に処理する後処理装置をさらに備える、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項１９】
前記後処理装置は、線形フィルタを含む、請求項１８に記載のズームレンズシステム。
【請求項２０】
光線角度の範囲にわたって入射光線を撮像するズームレンズシステムの使用方法であって、該入射光線は、少なくとも位相を含み、該ズームレンズシステムは、光軸と、少なくとも２つの異なる焦点距離値の間で選択可能な可変焦点距離を示す少なくとも１つの可変光学素子とを含み、該ズームレンズシステムは、少なくとも該光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）および該２つの異なる焦点距離値によって特徴付けられる、
方法であって、該方法は、
該少なくとも２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、該光線角度の範囲に対応する該複数のＭＴＦが、形状および大きさにおいて実質的に同様であるように、該入射光線の位相を変更することを備える、方法。
【請求項２１】
撮像された光線で光学像を形成することと、前記光線角度の範囲にわたって焦点電子画像を表すように該光学像を電子的に処理することとをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項１】
光線角度の範囲にわたって入射光線を撮像するズームレンズシステムであって、
該入射光線は、少なくとも位相によって特徴付けられ、該ズームレンズシステムは、光軸を含み、少なくとも該光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）によって特徴付けられており、該ズームレンズシステムは、
該光軸に沿って配置される光学群であって、
少なくとも２つの異なる焦点距離値の間で選択可能な可変焦点距離を示す少なくとも１つの可変光学素子と、
波面コーディング素子と
を含む、光学群を備え、
該２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、該光線角度の範囲に対応する該複数のＭＴＦが、該波面コーディング素子のない対応システムよりも、誤焦点様の収差に対して感度が低いように、該波面コーディング素子は、少なくとも該入射光線の位相を変化させる、ズームレンズシステム。
【請求項２】
少なくとも１つの空間周波数における前記ＭＴＦは、焦点移行の範囲にわたって、該１つの空間周波数における前記対応システムによって形成されるＭＴＦよりも広い半値全幅を有する、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの可変光学素子は、前記光軸に沿って移動可能ではない、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項４】
前記光学群は、前記入射光線の位相を変化させるために構成される位相マスクを含む、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項５】
前記可変光学素子は、前面および裏面を含み、かつ前記位相マスクは、該可変光学素子の該前面および該裏面のうちの少なくとも一方から一体的に形成される、請求項４に記載のズームレンズシステム。
【請求項６】
前記波面コーディング素子は、前記位相マスクを備える、請求項４に記載のズームレンズシステム。
【請求項７】
前記光学群は、第２の光学素子を含む、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項８】
前記第２の光学素子はまた、少なくとも２つの異なる焦点距離値の間で選択可能な可変焦点距離を示す、請求項７に記載のズームレンズシステム。
【請求項９】
前記第２の光学素子は、前記入射光線の前記位相を変化させるために構成される位相マスクを含む、請求項７に記載のズームレンズシステム。
【請求項１０】
前記波面コーディング素子は、前記位相マスクを備える、請求項９に記載のズームレンズシステム。
【請求項１１】
前記第２の光学素子は、前記光軸に沿って移動可能である、請求項７に記載のズームレンズシステム。
【請求項１２】
前記可変光学素子は、液体レンズである、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項１３】
前記可変光学素子は、液晶レンズである、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項１４】
前記可変光学素子は、開口および第１の非球面光学素子を含む、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項１５】
前記可変光学素子の前記開口および前記第１の非球面光学素子のうちの少なくとも１つは、前記光軸に平行ではない平面において摺動可能である、請求項１４に記載のズームレンズシステム。
【請求項１６】
前記可変光学素子は、前記開口および前記第１の非球面光学素子のうちの少なくとも１つに対して摺動可能に配置される第２の非球面光学素子を含む、請求項１４に記載のズームレンズシステム。
【請求項１７】
前記非球面光学素子は、前記光軸に平行ではない平面において前記開口に対して回転可能である、請求項１４に記載のズームレンズシステム。
【請求項１８】
前記光学群は、光学像を形成するためにさらに構成され、
前記光線角度の範囲にわたって焦点電子画像を表すために前記光学像を電子的に処理する後処理装置をさらに備える、請求項１に記載のズームレンズシステム。
【請求項１９】
前記後処理装置は、線形フィルタを含む、請求項１８に記載のズームレンズシステム。
【請求項２０】
光線角度の範囲にわたって入射光線を撮像するズームレンズシステムの使用方法であって、該入射光線は、少なくとも位相を含み、該ズームレンズシステムは、光軸と、少なくとも２つの異なる焦点距離値の間で選択可能な可変焦点距離を示す少なくとも１つの可変光学素子とを含み、該ズームレンズシステムは、少なくとも該光線角度の範囲に対応する複数の変調伝達関数（ＭＴＦ）および該２つの異なる焦点距離値によって特徴付けられる、
方法であって、該方法は、
該少なくとも２つの異なる焦点距離値のそれぞれに対して、該光線角度の範囲に対応する該複数のＭＴＦが、形状および大きさにおいて実質的に同様であるように、該入射光線の位相を変更することを備える、方法。
【請求項２１】
撮像された光線で光学像を形成することと、前記光線角度の範囲にわたって焦点電子画像を表すように該光学像を電子的に処理することとをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【図６７】
【図６８】
【図６９】
【図７０】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
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【図３１】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
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【図４４】
【図４５】
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【図４８】
【図４９】
【図５０】
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【図５６】
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【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【図６７】
【図６８】
【図６９】
【図７０】
【公表番号】特表２００９−５２９７０９（Ｐ２００９−５２９７０９Ａ）
【公表日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５８５１０（Ｐ２００８−５５８５１０）
【出願日】平成１９年３月６日（２００７．３．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６３４２３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１０３９４４
【国際公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【出願人】（５０５３６１４５１）オムニビジョン シーディーエム オプティクス， インコーポレイテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月６日（２００７．３．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６３４２３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１０３９４４
【国際公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【出願人】（５０５３６１４５１）オムニビジョン シーディーエム オプティクス， インコーポレイテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
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