JP5067589B2 - 撮影レンズ及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤ型イメージセンサあるいはＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子を用いた小型の撮像装置に好適な撮像レンズ及び撮像装置に関する。

近年では、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサあるいはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａ１ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ等の固体撮像素子を用いた撮像装置の高性能化、小型化に伴い、撮像装置を備えた携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）が普及しつつあり、さらには、これらの撮像装置にオートフォーカス（合焦）機構を搭載したいという要求も高まりつつある。

ここで、一般的に用いられるオートフォーカス機構では、ステッピングモーター等のアクチュエーターを搭載し、撮影する物体距離に応じて撮像レンズの全体または一部を移動させているが、機械的にレンズを駆動させる従来の手法では、携帯電話等に搭載される撮像装置に強く求められている耐衝撃性を十分満足させることができない恐れがある。これに対し、特許文献１には、電気毛細管現象を用いて屈折力を変化させることができる可変焦点レンズが開示されている。

Ｗ０９９／１８４５６号公報

しかるに、特許文献１に記載の電気毛細管現象を用いた可変焦点レンズは、単独では適切な撮像レンズを構成し得ず、複数の光学素子や絞りと組み合わせることで、初めてオートフォーカス可能な撮像レンズを実現可能となるが、複数のレンズと組み合わせた際に、どのようにして収差を抑えるかという問題がある。これに対し、特許文献１には、電気毛細管現象を用いた可変焦点レンズを用いてオートフォーカス可能な撮像レンズを構成した場合に、光学系全体として収差をどのように抑えるかについて開示も示唆もされていない。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、オートフォーカス手段として電気毛細管現象を用いた可変焦点レンズを有しながらも、収差が良好に補正された撮像レンズ及び撮像装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の撮影レンズは、導電性または有極性の第１の液体および前記第１の液体とは互いに混合することがない第２の液体を、界面が所定の形状となるように容器内に密閉収容し、前記第１の液体と前記容器に設けられた電極との間に電圧を印加することにより、前記界面の曲率半径を変化させて屈折力を調整するようにした液体光学素子を有し、物体距離に応じて前記界面の曲率半径を変化させることにより合焦する撮像レンズであって、
無限撮影距離にある物体に合焦したときの、界面頂点から曲率半径中心の方向と、界面頂点から前記撮像レンズ開口絞りヘの方向が一致しており、物体距離が短くなるに連れて、前記界面の曲率半径は大きくなることを特徴とする。

前記液体光学素子を用いることにより、アクチュエーターなどの可動部を有することなくオートフォーカス機構を実現できるため、構成の簡素化、超寿命化、静音化等に効果がある。しかるに、前記液体光学素子を用いて撮像レンズを構成する場合、収差をどのように抑えるかが問題となる。

前記界面が最小の曲率半径を持つときの、界面頂点から曲率半径中心の方向と、界面頂点から前記撮像レンズ開口絞りヘの方向が一致するようにすれば、前記界面は絞りに対してコンセントリックに近い構成となるので、これにより前記界面の屈折力がもっとも大きくなる時の軸外光線の前記界面ヘの入射角度（入射光線と界面の法線とのなす角度）を小さくすることができ、前記界面で発生する軸外光線の収差をより低減することができる。

請求項２に記載の撮像レンズは、請求項１に記載の発明において、前記液体光学素子の液体を密閉する部材の少なくとも１面を、物体距離に応じて変化する前記界面の最小の曲率半径の符号と同符号の曲面に形成することを特徴とする。

前記液体を密閉する部材の少なくとも１面を、物体距離に応じて変化する前記界面の最小の曲率半径の符号と同符号の曲面に形成することにより、前記界面が最小の曲率半径を持った場合の前記液体光学素子で発生する収差を低減することができる。前記液体を密閉する部材曲面の有する屈折力が、前記界面が最小の曲率半径を持ったときに有する屈折力と同符号であれば、前記液体を密閉する部材の曲面が有する屈折力が前記界面の屈折力を分担する働きをするため、前記光学素子全体で発生する収差を低減することができる。一方、前記液体を密閉する部材の曲面が有する屈折力が、前記界面が最小の曲率半径を持ったときに有する屈折力と異符号であれば、前記液体を密閉する部材の曲面で発生する収差が、前記界面で発生する収差を打ち消す働きをするため、前記光学素子全体で発生する収差を低減することができる。

請求項３に記載の撮像レンズは、請求項１に記載の発明において、前記液体光学素子の液体を密閉する部材を平行平板とし、前記平行平板に近接もしくは密着する光学素子の少なくとも１面を、物体距離に応じて変化する前記界面の最小の曲率半径の符号と同符号の曲面に形成することを特徴とする。すなわち前記平行平板と前記光学素子との組み合わせで、請求項２に記載の屈折力を持った前記液体を密閉する曲面の部材と同様な機能を発揮させることもできる。

請求項４に記載の撮像レンズは、請求項２又は３記載の発明において、前記少なくとも１面は、前記界面が最小の曲率半径を持ったときに有する屈折力と異符号の屈折力を有することを特徴とする。

前記少なくとも１面を、前記界面が最小の曲率半径を持ったときに有する屈折力と異符号の屈折力を有するようにすることで、前記界面が最小の曲率半径を持った場合の前記液体光学素子で発生する収差を低減することができる。前記液体を密閉する部材曲面で発生する収差は、最小の曲率半径を持つ前記界面で発生する収差を打ち消す働きをするため、前記液体光学素子で発生する収差を低減することができる。

請求項５に記載の撮像レンズは、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記液体光学素子を密閉する２つの部材の空気との境界面を、物体距離に応じて変化する前記界面の最小の曲率半径の符号と同符号の曲面に形成することを特徴とする。

前記液体光学素子を密閉する２つの部材の空気との境界面を、物体距離に応じて変化する前記界面の最小の曲率半径の符号と同符号の曲面に形成することにより、前記界面が最小の曲率半径を持った場合の前記液体光学素子で発生する収差を低減することができる。前記界面が最小の曲率半径を持ったときに有する屈折力と同符号である前記液体を密閉する部材曲画の屈折力は、前記界面の屈折力を分担する働きをするため、前記光学素子全体で発生する収差を低減することができる。さらに、前記界面が最小の曲率半径を持ったときに有する屈折力と異符号の屈折力を有する前記液体を密閉するもう一方の部材曲面では、この曲面で発生する収差が、前記界面で発生する収差を打ち消す働きをするため、前記光学素子全体で発生する収差を低減することができる。

請求項６に記載の撮像レンズは、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記液体光学素子の液体の屈折率を、前記撮像レンズの開口絞りから近い順にｎｉ、ｎｏとし、遠方距離物体合焦時および近距離物体合焦時の前記界面の曲率半径をそれぞれＲｆ、Ｒｎとするとき、
ｎｉ＜ｎｏならば ｜Ｒｆ｜＜｜Ｒｎ｜ （２）
を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、特に最小の曲率半径を持つ前記界面で発生する軸外光線の収差を低減することができる。前記界面に入射する軸外光線の角度は、（１）式を満たす場合、遠方距離物体合焦時より、前記界面の屈折力が最も大きくなる近距離物体合焦時で小さくなり、特に近距離物体合焦時の軸外光線収差を補正することができる。―方、（２）式を満たす場合、近距離物体合焦時より、前記界面の屈折力の絶対値が最も大きくなる遠雌離物体合焦時で小さくなり、特に遠距離物体合焦時の軸外光線収差を補正することができる。

請求項７に記載の撮像レンズは、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記撮影レンズは物体側より順に前記液体光学素子、主レンズからなり、前記撮像レンズの合焦可能物体距離範囲中において、前記液体光学素子の焦点距離の絶対値が最も大きくなるときの値を｜ｆ’｜とし、主レンズの焦点距離をｆとするとき、
｜ｆ’｜／ｆ＞５ （３）
を満たすことを特徴とする。

（３）式を満たすことで、前記液体光学素子の各面が光軸から偏芯した揚合に生じる光学性能劣化を低減することができる。尚、｜ｆ’｜／ｆ’＞１０がより望ましく、｜ｆ’｜／ｆが∞なら最も望ましい。また、主レンズよりも物体側に前記液体光学素子を配置することにより、撮影レンズから簡単に前記液体光学素子を取り除いたり、装着したりすることができる。

請求項８に記載の撮像レンズは、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記液体光学素子の液体を密閉する部材に、赤外光をカットする機能を持たせたことを特徴とするので、別個に赤外線カットフィルタなどを設ける必要がなくなり、コンパクトな撮影レンズを提供できる。

請求項９に記載の撮像装置は、請求項１〜８のいずれかに記載の撮影レンズを有することを特徴とするので、より高性能な画像を撮像可能な撮像装置を得ることができる。

本発明によれば、オートフォーカス手段として電気毛細管現象を用いた可変焦点レンズを有しながらも、収差が良好に補正された撮像レンズ及び撮像装置を提供することができる。

本実施の形態にかかる撮像装置の概略構成図である。 液体光学素子ＱＬおよびその駆動部の概略構成図である。 実施例１の撮像レンズの断面図である。 実施例１の撮像レンズの収差図である。 比較例の撮像レンズの断面図である。 比較例の撮像レンズの収差図である。 実施例２の撮像レンズの断面図である。 実施例２の撮像レンズの収差図である。 実施例３の撮像レンズの断面図である。 実施例３の撮像レンズの収差図である。

図１は、本発明の実施の形態にかかる撮像レンズを含む撮像装置の光軸方向断面図であるが、液体光学素子ＱＬの駆動部その他の電気回路は省略している。図１において、撮像レンズは、物体側から順に、液体光学素子ＱＬと、主レンズＬ１と、開口絞りＳと、主レンズＬ２と、主レンズＬ３とを含み、この撮影レンズとイメージセンサＣＭＯＳとで、撮像装置が構成される。尚、図１では液体光学素子ＱＬを簡略化して示している。

図２は、液体光学素子ＱＬおよびその駆動部の概略構成図である。ＱＬは本実施の形態にかかる液体光学素子を示している。４０は不導体で形成された下容器である。この下容器４０の底面（図で右内側面）のうち周辺部には第１の凹部４１が形成されているとともに、これよりも内径側（中心側）には第１の封止板２を保持する第２の凹部４２が形成されている。第１の封止板（液体を密封する部材）２は、透明アクリルあるいはガラスにより形成されている。

この下容器４０の周辺壁部の内側全周には第２の電極リング４３が設けられており、この第２の電極リング４３の表面には、電極端面４３ａもカバーするアクリル樹脂等でできた絶縁層４４が密着形成されている。

ここで、下容器４０の周辺壁部は、光軸Ｘに対して図で右端側が左端側よりも光軸Ｘに近づくように傾いている。このため、第１の電極リング４３と絶縁層４４も共に光軸Ｘに対して傾いている。

また、絶縁層４４の厚さは、図で右に向かって徐々に増加している。更に、絶縁層４４の内面全周の下側には、撥水処理剤が塗布されて撥水層１１が形成されている。さらに、絶縁層４４の内面全周の左側には、親水処理剤が塗布されて親水層１２が形成されている。

５０は不導体で形成された上容器であり、その内径側で、透明アクリルあるいはガラスにより形成された第２の封止板（液体を密封する部材）６を保持する。また、上容器５０の周辺部右端面には、シート状の第１の電極リング５１が密着形成されている。

この第１の電極リング５１の表面には、絶縁層５２が密着形成されているが、後述する第１の液体２１に接してこれに電圧を印加するための露出部５１ａが備わるように、絶縁層５２は第１の電極リング５１の外縁側のみをカバーするように形成されている。

そして、下容器４０の周辺壁部と上容器５０とを液密に封止することにより、下容器４０、上容器５０、第１の封止板２および第２の封止板６で囲まれた所定体積の液室を有した筐体としての容器が形成される。

この容器は、光軸Ｘに対して軸対称形状をなしている。そして、液室には、以下のようにして２種類の液体が充填される。

まず、第１の封止板２を取り付けた下容器４０の光軸Ｘを鉛直方向に向けた状態で、液室の底面である第１の封止板２の上面および下容器４０の周辺側の底面すなわち（これらが界面対向面に相当する）に、第２の液体２２が、その液柱の高さが周辺壁部の撥水膜１１の中間の高さになる分量だけ滴下される。

第２の液体２２は無色透明で、比重１．０６、室温での屈折率１．４５のシリコーンオイルが用いられる。続いて、液室内の残りの空間には、第１の液体２１が充填される。第１の液体２１は、水とエチルアルコールが所定比率で混合され、更に所定量の食塩が加えられた、比重１．０６、室温での屈折率１．３５の電解液（導電性又は有極性を有する液体）である。

すなわち、第１および第２の液体２１，２２は、比重が等しく、屈折率が異なり、かつ互いに混ざることのない（不溶な）液体が選定される。そして、両液体２１，２２は界面２４を形成し、混ざり合わずにそれぞれが独立して存在する。

この界面２４の形状は、液室（容器）の内面、第１の液体２１および第２の液体２２の３物質が交わる点、すなわち界面２４の外縁部に働く３つの界面張力の釣り合いで決まる。その後、第２の封止板６を取り付けた上容器５０を、下容器４０に取り付けることで、２種類の液体が封止される。

３１は第１の電極リング２５と第２の電極リング３とに接続された給電回路である。

給電回路３１の２つの増幅器（図示せず）はそれぞれ、第１の電極リング５１および第２の電極リング４３から上容器５０の右端面に沿って光軸直交方向に引き出された端子部５１ｂ，４３ｂに接続されている。

以上の構成において、第１の液体２１に第１の電極リング５１および第２の電極リング４３を介して電圧が印加されると、いわゆるエレクトロウェッティング効果によって界面２４が変形する。

次に、液体光学素子ＱＬにおける界面２４の変形と、この変形によってもたらされる光学作用について説明する。

まず、第１の液体２１に電圧が印加されていない場合、図２に示すように、界面２４の形状は、両液体２１，２２間の界面張力、第１の液体２１と絶縁層４４上の撥水膜１１あるいは親水膜１２との界面張力、第２の液体２２と絶縁層４４上の撥水膜１１あるいは親水膜１２との界面張力、および第２の液体２２の体積で決まる。

一方、給電回路３１より第１の液体２１に電圧が印加されると、エレクトロウェッティング効果によって第１の液体２１と親水膜１２との界面張力が減少し、第１の液体２１が親水膜１２と撥水膜１１との境界を乗り越えて撥水膜１１上に入り込む。この結果、第２の液体２２の光軸上での高さが増加する。

このように第１および第２の電極リング５１，４３を通じた第１の液体２１への電圧印加によって、２種類の液体の界面張力の釣り合いが変化し、両液体２１，２２間の界面２４の形状が変わる。こうして、給電回路３１の電圧制御によって界面２４の形状を自在に変えられる光学素子が実現できる。

また、第１および第２の液体２１，２２が異なる屈折率を有しているため、光学レンズとしての光学パワー（１／ｆ：ｆは焦点距離）が付与されることになり、即ち液体光学素子ＱＬは、界面２４の形状変化によって焦点距離が変化する。

図２に示す装置においてオートフォーカスがなされたとすると、給電回路３１は、不図示の測距センサから被写体までの距離を求めて、各倍率における液体光学素子ＱＬに印加する電圧を予め記憶しているテーブルから設定された被写体距離に対応した印加電圧を求め、液体光学素子ＱＬに印加する。このように制御することで、液体光学素子ＱＬは所望のように光学パワーを変化させることができる。なお、光学パワーの変化は他段階であると好ましく、連続的であるとより好ましい。

このようにして焦点距離が調整された可変焦点距離光学系を通過することによって撮像面に結像された光学像は、イメージセンサＣＭＯＳで電気信号に変換され、更に所定の処理を施されることで画像信号に変換されるようになっている。

以下、上述した撮像装置に好適な撮像レンズの実施例を示す。各実施例に使用する記号は下記の通りである。尚、本明細書中（表のデータ含む）において、１０のべき乗数（例えば ２．５×１０^-3）を、Ｅ（例えば ２．５×Ｅ―３）を用いて表すものとする。
ｆ_total：撮像レンズ全系の焦点距離
ｆ’ ：液体光学素子の焦点離離
ｆ ：主レンズの焦点距離
ｆＢ ：バックフォーカス
Ｆ ：Ｆナンバー
Ｔ ：物体距離
２Ｙ ：固体撮像素子の撮像面対角線長
Ｒ ：曲率半径
Ｄ ：軸上面間隔
Ｎｄ ：レンズ材料のｄ線に対する屈折率
νｄ ：レンズ材料のアッべ数

各実施例において非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＸ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをｈとして以下の「数１」で表す。

ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ ：曲率半径
Ｋ ：円錐定数

尚、以下の実施例データに関し、液体光学素子の界面曲率半径が変化した場合に、各液体の中心厚が一定となっているが、これは発明の効果を示すための近似であり、実際は界面曲率半径が変化した場合、各液体の体積が変化しないように各液体中心厚が変化する。

［実施例１］
実施例１にかかる撮像レンズに関して、そのレンズデータを表１、表２に示し、更に無限遠物体撮影時（液体光学素子ＱＬの界面Ｂが最小の曲率半径を有する）の撮像レンズの断面図を図３（ａ）に、その場合の収差図を図４（ａ）に示し、また物体距離５ｃｍの物体撮影時の撮像レンズの断面図を図３（ｂ）に、その場合の収差図を図４（ｂ）に示す。実施例１では、液体光学素子ＱＬの封止板２，６に屈折力を持たせている。

一方、比較例にかかる撮像レンズに関し、そのレンズデータを表３、表４に示し、更に無限遠物体撮影時の撮像レンズの断面図を図５（ａ）に、その場合の収差図を図６（ａ）に示し、また物体距離５ｃｍの物体撮影時（液体光学素子ＱＬの界面Ｂが最小の曲率半径を有する）の撮像レンズの断面図を図５（ｂ）に、その場合の収差図を図６（ｂ）に示す。

図４（実施例１）と図６（比較例）の非点収差図を比較すると、実施例１の方が軸外での非点収差を低減していることが分かる。このように液体光学素子ＱＬを密閉する部材（封止板２，６）の面を、物体距離に応じて変化する界面Ｂの最小の曲率半径の符号と同符号の曲面に形成することにより、特に軸外光線の収差を低減することができる。

ここで、実施例１は、主レンズを構成する３枚のレンズＬ１〜Ｌ３をプラスチック材料から形成した例である。したがって、物体距離が固定であっても周囲温度が変化すると、プラスチック材料の屈折率変化や熱膨張が原因となり撮像レンズ全系の像点位置が変動してしまう恐れがあるが、このような場合も、温度に応じて液体光学素子の屈折力を調整することによりピントの合った画像を得ることができる。

なお、密閉部材曲面は球面形状であっても、非球面形状であっても同様の効果があり、さらに液体と密閉部材境界面が球面または非球面であってもよい。また、封止板２，６の空気との境界面側には、反射防止コーティングが施されていると、撮像レンズ全体の透過率を向上させることができ望ましい。さらに、密閉部材の少なくとも一方が赤外線吸収特性を有する材料から形成されていると、別途赤外線カットフィルタを設ける必要がなく望ましい。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。本発明の撮像装置は、小型のデジタルスチルカメラや、携帯電話、ＰＤＡ等の携帯端末に搭載されることが好ましいが、パソコンカメラなど他の用途にも用いることができる。

本実施の形態にかかる撮像装置の概略構成図である。 液体光学素子ＱＬおよびその駆動部の概略構成図である。 実施例１の撮像レンズの断面図である。 実施例１の撮像レンズの収差図である。 比較例の撮像レンズの断面図である。 比較例の撮像レンズの収差図である。

Claims (9)

1. 導電性または有極性の第１の液体および前記第１の液体とは互いに混合することがない第２の液体を、界面が所定の形状となるように容器内に密閉収容し、前記第１の液体と前記容器に設けられた電極との間に電圧を印加することにより、前記界面の曲率半径を変化させて屈折力を調整するようにした液体光学素子を有し、物体距離に応じて前記界面の曲率半径を変化させることにより合焦する撮像レンズであって、
   無限撮影距離にある物体に合焦したときの、界面頂点から曲率半径中心の方向と、界面頂点から前記撮像レンズ開口絞りヘの方向が一致しており、物体距離が短くなるに連れて、前記界面の曲率半径は大きくなることを特徴とする撮像レンズ。
2. 前記液体光学素子の液体を密閉する部材の少なくとも１面を、最短撮影距離にある物体に合焦したときの前記界面の曲率半径の符号と同符号の曲面に形成することを特徴とする請求項１記載の撮像レンズ。
3. 前記液体光学素子の液体を密閉する部材を平行平板とし、前記平行平板に近接もしくは密着する光学素子の少なくとも１面を、最短撮影距離にある物体に合焦したときの前記界面の曲率半径の符号と同符号の曲面に形成することを特徴とする請求項１記載の撮像レンズ。
4. 前記少なくとも１面は、最短撮影距離にある物体に合焦したときの前記界面の屈折力と異符号の屈折力を有することを特徴とする請求項２又は３記載の撮像レンズ。
5. 前記液体光学素子を密閉する２つの部材の空気との境界面を、最短撮影距離にある物体に合焦したときの前記界面の曲率半径の符号と同符号の曲面に形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の撮像レンズ。
6. 前記液体光学素子の液体の屈折率を、前記撮像レンズの開口絞りから近い順にｎｉ、ｎｏとし、遠方距離物体合焦時および近距離物体合焦時の前記界面の曲率半径をそれぞれＲｆ、Ｒｎとするとき、
   ｎｉ＜ｎｏならば ｜Ｒｆ｜＜｜Ｒｎ｜ （２）
   を満たすことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の撮像レンズ。
7. 前記撮影レンズは物体側より順に前記液体光学素子、主レンズからなり、前記撮像レンズの合焦可能物体距離範囲中において、前記液体光学素子の焦点距離の絶対値が最も大きくなるときの値を｜ｆ’｜とし、主レンズの焦点距離をｆとするとき、
   ｜ｆ’｜／ｆ＞５ （３）
   を満たすことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の撮影レンズ。
8. 前記液体光学素子の液体を密閉する部材に、赤外光をカットする機能を持たせたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の撮影レンズ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の撮影レンズを有することを特徴とする撮像装置。

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