具有聚焦功能的攝影光學系統的製作方法
2023-10-06 05:49:39 3
專利名稱：具有聚焦功能的攝影光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有用於各種攝像機以及附帶攝像機的移動終端等的聚焦技術的聚焦功能的攝影光學系統。
背景技術：
很久以來，具有聚焦功能的攝像機和視頻攝像機已被周知。這些攝影機器中的聚焦，一般是通過利用電機等驅動系統將使攝影透鏡的透鏡系統全體或者其一部分移動而進行的方式。另一方面，近年中，在攜帶電話和PDA(個人數字助理)等小型信息機器中，載置攝像模塊而具備攝影功能的器件也大量上市。在這些信息終端機器中的攝影光學系統中，在小型化和結構的簡易度這一點上，採用利用透鏡的景深的泛焦(pan focus)方式作為其聚焦方式的情況較多。
另外，最近以不使用可動部件而能夠使焦點距離可變的液體透鏡·系統已被開發(非專利文獻1)。這是以如下方式構成的器件，即將折射率不同的兩種不混合性液體作為透鏡材料而填充到圓筒狀的筒管中，並對該液體的形狀進行電控制。
非專利文獻1Royal Philips Electronics，「聚焦菲利普液體透鏡」，2004年3月3日出版發行，網際網路URLhttp:∥www.phlips.co.jp/about/news/section-13914/article-2631.html
發明內容
如上所述，近年在小型的信息終端機器中也具備攝影功能，採用泛焦作為其聚焦方式的情況較多。然而，在這種機器中對圖像質量的要求也逐年增高，需求也從泛焦轉變為了自動聚焦。可是由於以往的自動聚焦攝影通過利用電機等驅動系統使攝影透鏡移動而進行，因此必需具備透鏡移動機構，而這與小型化和結構簡易這一點不利。另一方面非專利文獻1所記載的液體透鏡·系統，能夠不利用電機等使透鏡機械地移動而使焦點距離可變。若能夠將這種透鏡·系統應用於聚焦技術，則對小型化和結構簡易這一點有利。
本發明針對相關的問題點而提出，其目的為提供一種具有如下功能的攝影光學系統，其能夠不機械地移動透鏡而能夠高效地進行聚焦，並且也適於小型化。
本發明所涉及的具有聚焦功能的攝影光學系統，具有聚焦時固定的透鏡組；從物體側起按順序使用折射率不同的第一和第二流動性物質作為透鏡材料，並可變地構成接合面形狀的聚焦用接合透鏡；根據物體距離對所述接合透鏡的接合面的形狀電控制的控制機構。所述聚焦用接合透鏡整體具有折射能力(power，折射能力＝power)，且在整個聚焦區域中，以滿足以下條件式的方式而被構成。其中，Nd1是接合透鏡中的第一流動性物質的對於d線的折射率，Nd2是接合透鏡中的第二流動性物質的對於d線的折射率。另外，RA是接合透鏡中的接合面的曲率半徑的使用上的最小值，fa是接合透鏡整體的焦點距離；f表示透鏡系統整體的焦點距離。
0.1＜|Nd1-Nd2|＜0.5......(1)3＜|RA|/f＜20 ......(2)|fa/f|1.0 ......(3)在具有本發明所涉及的功能的攝影光學系統中，利用作為整體具有折射能力且其接合面的形狀可變地被構成的聚焦用接合透鏡，而進行聚焦。對於聚焦用接合透鏡，其接合面的形狀被電氣式控制。通過根據物體距離而控制其接合面的形狀，而實現聚焦。由於不利用電機等使透鏡機械地移動而實現聚焦，因此在小型化和結構的簡易度等點上有利。在這種情況下，通過關於聚焦用接合透鏡滿足整個聚焦區域中式(1)～(3)的條件，在高效率聚焦和製造性這一點上有利。
若按照具有本發明的聚焦功能的攝影光學系統，通過備有以接合面形狀可變的方式而被構成的聚焦用接合透鏡並根據物體距離電氣地控制其接合面的形狀，而進行聚焦。另外，由於以關於聚焦用接合透鏡滿足整個聚焦區域中的所定的條件式的方式構成，因此能夠不利用電機等機械地使移動透鏡而高效地進行聚焦，能夠實現適於小型化的光學系統。
圖1是表示本發明的一實施方式所涉及的攝影光學系統的一個結構例的透鏡剖面圖。
圖2是表示聚焦部的一個結構例的結構圖。
圖3是表示攝影光學系統的具體的數值實施例的圖。
圖4是表示其他數值數據的圖。
圖5是表示實施例所涉及的攝影光學系統的無限遠調焦時的球面像差、非點像差、以及畸變的像差圖。
圖6是表示實施例所涉及的攝影光學系統的近距離調焦時的球面像差非點像差、以及畸變的像差圖。
圖中10-聚焦部，20-固定透鏡組，GC-封罩玻璃，St-光闌，Gj-從物體側數第j個透鏡，Ri-從物體側數第i個透鏡面的曲率半徑，Di-從物體側數第i個和第i+1個透鏡面的面間隔，Z1-光軸。
具體實施例方式
以下，參照附圖詳細說明本發明的實施方式。
圖1是表示本發明的一個實施方式所涉及的攝影光學系統的一個結構例。該結構例，對應於後述的數值實施例(圖3(A)、(B))的透鏡結構。另外，在圖1中，符號Ri表示，將最靠近物體側的結構要素的面作為第1面，以隨著朝向像側(成像側)按順序增加的方式而附加符號的第i面的曲率半徑。符號Di，表示第i面與第i+1面的光軸Z1上的面間隔。
該攝影光學系統，是載置於例如附帶有攝像機的小型信息終端機器和數字攝像機等中而使用的器件。該光學系統，沿著光軸Z1從物體側按順序備置聚焦部10；以及聚焦時固定的透鏡組20。在該使用光學系統的成像面(攝像面)上，配置圖中位示出的CCD(電荷耦合裝置)和CMOS(互補性金屬氧化物半導體)等攝像元件。在攝像元件的攝像面附近，配置有用於保護攝像面的封罩玻璃GC。在固定的透鏡組20和成像面(攝像面)之間，除了封罩玻璃GC外，也可以配置紅外線截止濾光片(cut filter)和低通濾光片(low-pass filter)等其他光學元件。聚焦部10，也可以固定於鏡筒內，也可以作為相對於固定的透鏡組20可拆卸的聚焦用附件而構成。
聚焦部10，具有從物體側起按順序由第一和第二透鏡G1、G2構成的接合透鏡。第一和第二透鏡G1、G2，作為透鏡材料，使用後述的折射率相互不同的第一和第二流動性物質41、42(圖2(A)，(B))，並以接合面形狀可變的方式而被構成。第一和第二透鏡G1、G2，作為整體具有折射能力(power)，並在它們的前後面，即第一透鏡G1的物體側的面和第二透鏡G2的像側的面具有曲率。不過，也可以是其中一方為平面。有關聚焦部10的更詳細的結構以及接合透鏡的接合面的控制原理，參照圖2(A)、(B)留作後述。
固定透鏡組20，從物體側按順序具有，第三透鏡G3、第四透鏡G4、以及第五透鏡G5。光闌St，被配置於第三透鏡的G3的物體側。第三和第四透鏡G3、G4，被接合。第三透鏡G3由例如雙凹透鏡構成，第四透鏡G4由例如雙凸透鏡構成。第五透鏡G5由例如非球面透鏡構成，至少光軸中心的形狀為將凸面朝向物體側的彎月形。第五透鏡G5的非球面形狀是例如在有效的直徑範圍內，物體側的面為越向周邊負的折射能力越強的面，且像面側的面為越向周邊正的折射能力越強的面。
另外，本實施方式所涉及的攝影光學系統的特徵部分主要在於聚焦部10的結構，固定的透鏡組20的結構不限於圖示的結構，也可以採用其他各種結構。
圖2(A)、(B)表示聚焦部10的一個結構例。聚焦部10，在由例如玻璃材料等形成的圓筒狀的筒管33的內部，填充作為透鏡材料的第一和第二流動性物質41、42等。筒管33的兩端部，被由例如玻璃材料等形成的透明的端蓋31、32所封塞。第一和第二流動性物質41、42，是折射率互相不同，且互相不混合的不混合性物質。第一流動性物質41是例如非導電性油，第二流動性物質是例如導電性的水溶液。端蓋31、32的第一和第二流動性物質41、42側的面是曲面形狀，由此，成為第一和第二透鏡G1、G2的第一和第二流動性物質41、42的前後面成為曲面形狀。
在端蓋31和筒管33中，在鄰接第一和第二流動性物質的41、42的面側，由疏水性包覆材料43覆蓋。另外，在筒管33的被施加疏水性包覆材料43的一側，隔著絕緣材料36形成第一電極34。另外，以接觸疏水性包覆材料43的端部的方式形成第二電極35。第一和第二電極34、35，引出到外側而形成，通過連接在電壓施加部51(圖2(B))，成為能夠從外部施加電壓的方式。
圖2(A)是表示不施加電壓的通常狀態。通過由疏水性包覆材料43所覆蓋，在筒管33的內部，第二流動性物質42以半球狀成為穩定的狀態。另一方面，圖2(B)表示施加電壓後的狀態。通過以圖示的方式施加電壓V，電荷聚集在具有導電性的第二流動性物質42和與其接觸的疏水性包覆材料43的邊界附近。通過由此所發生的靜電力，疏水性包覆材料43所涉及的界面張力變弱，由此通過疏水性變弱第一和第二流動性物質41、42的形狀變化。通過調整由電壓施加部51所施加的電壓V的大小，能夠進行形狀變化的程度的調整。也就是說，隨著加大電壓V，其接合面從凸向物體側的狀態(圖2A)向平面狀態、凹的狀態(圖2(B))變化。也就是說，第一流動性物質41的形狀，從凹透鏡向平面透鏡、凸透鏡變化。第二流動性物質42的形狀從凸透鏡向平面透鏡、凹透鏡變化。
聚焦部10，具有用於控制在電壓施加部51中所施加的電壓V的電壓控制部54。電壓控制部54，預先存儲由第一和第二流動性物質41、42所形成的接合透鏡的接合面的形狀和距離之間的關係，並根據物體距離控制施加電壓V的大小，從而控制接合面的形狀。電壓控制部54，以根據該攝影光學系統所載置的攝像機側的結構而控制電壓V的方式而形成。例如在具有測距部52的攝像機中，根據由測距部52所計測的距離信息，而進行施加電壓的控制。由此，實現自動聚焦功能。另外，也可以做成根據隔著操作部53的用戶輸入的距離信息而進行聚集動作的方式。這裡，電壓施加部51和電壓控制部54，對應於本發明的「控制機構」的一個具體例。
在本實施方式中，為了實現有效的聚集，關於第一流動性物質對於d線的折射率Nd1和第二流動性物質對於d線折射率Nd2，滿足以下關係式。另外，雖然該條件式(1)規定了第一和第二流動性物質41、42的折射率的適當差的數值範圍，但是關於其上限值從聚集性能這一點出發，並不受特別的限定。不過事實上，作為第一和第二流動性物質41、42，根據可使用的透鏡材料而被特別指定。在當前的透鏡材料中，一般認為是大約0.5。
0.1＜|Nd1-Nd2|＜0.5......(1)該攝影光學系統，進而以滿足如下條件式的方式而被構成。RA是由第一和第二流動性物質41、42所形成的接合透鏡(第一和第二透鏡G1、G2)中的接合面(R2)的曲率半徑的使用上的最小值，f表示透鏡系統整體的焦點距離。fa表示接合透鏡整體的焦點距離。
3＜|RA|/f＜20 ......(2)|fa/f|＞1.0 ......(3)另外，在該攝影光學系統中，也可以在第一和第二透鏡G1、G2的前後面的(R1、R3)的至少一個面上，施加紅外線截止濾光片。這裡通過在例如端蓋31、32上施加紅外線截止濾光片而實現。
接下來，說明按照以上方式所構成的攝影光學系統的作用和效果。
在該攝影光學系統中，在聚焦部10中，由於第一和第二透鏡G1、G2將第一和第二流動性物質41、42作為透鏡材料，因此其接合面的形狀被電控制。也就是說，如圖2所示，電壓控制部54控制由電壓施加部51所施加的電壓，從而控制接合面的形狀(曲率半徑R2)。電壓控制部54，在例如具有測距部52的攝像機中，根據由測距部52計測所得到的距離信息而進行施加電壓的控制，由此控制接合面的曲率半徑R2，從而實現聚集功能。如此，在聚焦部10中，通過根據物體距離而控制接合透鏡(第一和第二透鏡G1、G2)的接合面的形狀，而實現聚集。由於不利用電機等機械地移動透鏡而實現聚集，因而對於小型化和簡易這一點有利。另外，作為固定透鏡組20，可以使用聚焦時固定的現存結構的透鏡。
在聚焦部10中，通過使構成接合透鏡的第一和第二流動性物質41、42的折射率Nd1、Nd2滿足條件式(1)，能夠高效地聚焦。條件式(1)規定了第一和第二流動性物質41、42的適當的折射率Nd1、Nd2。若在條件式(1)的數值範圍以下，則相對於接合面的曲率半徑R2的變化的後焦點的變化會變小，從而不能進行有效的聚焦。
條件式(2)，規定了接合面的曲率半徑R2的絕對值的最小值RA與透鏡系統整體的焦點距離f的比。若低於條件式(2)的下限，則對應於RA的值的聚焦的效果過度變小，不是所優選的。另外，若高於條件式(2)的上限，則對應於RA的值的聚焦的效果過度變大，不是所優選的。條件式(3)規定聚焦部10中的接合透鏡整體的焦點距離fa和透鏡系統整體的焦點距離f的比。若低於條件式(3)的下限，則接合透鏡整體的折射能力過度變大，折射能力相對於接合透鏡的前後面(R1，R2)的精度的變化的敏感度增加，成為製造上困難。
另外，在第一和第二透鏡G1、G2的前後面的任何一個面上或兩個面上施加紅外線截止膜(cut coat)的情況下，在聚焦部10能夠具有紅外線截止濾光片的作用。
這樣，若按照本實施方式所涉及的光學系統，則能夠不利用電機等機械地移動透鏡而高效低進行聚集，即使在小型化中也能夠實現適當的光學系統。
實施例接下來，說明有關本實施方式所涉及的攝影光學系統的具體的數值實施例。圖3(A)、(B)表示對應於圖1所示攝影光學系統的結構的具體的透鏡數據。圖3(A)表示透鏡數據中的基本的數據部分，圖3(B)表示透鏡數據中的與非球面形狀相關的數據部分。
透鏡數據中的面編號Si欄中，示出了對於該攝影光學系統，將最靠近物體側的透鏡要件的面作為第一個並以沿著朝向成像側按順序增加的方式而附加的第i個面(i＝1～10)的面的編號。在曲率半徑Ri的欄中表示使對應於由圖1所附加的符號Ri，從物體側起第i個面的曲率半徑的值。對於面間隔Di的欄，也表示使對應於由圖1所附加的符號Ri，從物體側起第i個面Si與第i+1個面Si+1的光軸上的間隔。曲率半徑Ri和面間隔Di的值的單位是毫米(mm)。Ndj、υdj的欄分別表示，也包含封罩玻璃GC在內，從物體側起第j個(j＝1～6)透鏡要件的對於d線(587.6nm)的折射率和阿貝數的值。
構成聚焦部的第一和第二透鏡G1、G2的接合面S2的曲率半徑R2，成為根據物體距離在30.0mm(最下值RA)～∞(平面)之間可變。間隔D1、D2的值表示曲率半徑R2為30.0mm時的值。
圖3(A)中的透鏡數據中，附加於面編號的左側的記號「*」，表示該透鏡面為非球面。固定透鏡組20中的第五透鏡G5的兩面S7、S8成為非球面。在基本透鏡數據中，作為這些非球面的曲率半徑，表示光軸近旁(近軸近旁)的曲率半徑的數值。如由數據所看出的，第五透鏡G5，在近軸近旁成為彎月狀。
在圖3(B)的各非球面數據的數值中，記號「E」表示其後續的數值是以10為底的「冪指數」，表示由10為底的指數函數所表示的數值乘以「E」前的數值。例如，若是「1.0E-02」，則表示「1.0×10-2」。
在各非球面數據中，記錄著由以下式(A)所表示的非球面形狀的式中各係數Ai，K的值。更詳細地，Z表示位於離開光軸高度h的位置的非球面上的點到非球面頂點的切平面(垂直於光軸的平面)所畫的垂直線的長度(mm)。
Z＝C·h2/{1+(1-K·C2·h2)1/2}+A3·h3+A4·h4+A5·h5+A6·h6+A7·h7+A8·h8+A9·h9+A10·h10......(A)其中，Z非球面的深度(mm)；h從光軸到透鏡面的距離(高度)(mm)；K離心率；C近軸曲率＝1/R(R近軸曲率半徑)Ai第i次(i＝3～10)非球面係數。
在圖4(A)中作為與透鏡相關的諸數據，表示物體距離與第一和第二透鏡G1、G2中的曲率半徑R2的關係。在曲率半徑R2為∞時，聚焦為無限遠的物體，在曲率半徑R2為最小值30.0mm，聚焦為近距離物體(240mm)。另外，此時的後焦點的變化量，為0.16mm。另外，在圖4(A)中作為透鏡組整體的諸數據，同時表示固定透鏡組20的近軸焦點距離f(mm)、F號碼(FNO.)、以及視場角2ω(ω半視場角)的值。
在圖4(B)中，將與上述的條件式(1)～(3)相關的值，表示為對本實施例歸納總結的值。如圖4(B)所示，本實施例的值在各條件式(1)～(3)的數值範圍內。
圖5(A)～(C)，表示將物體的距離設為無限遠而調焦的情況(R2＝∞)中的球面像差、非點像差以及畸變像差(歪曲像差)。另外，圖6(A)～(C)，表示調焦為近距離物體而的情況下(R20＝30.0mm)中的同樣的像差。在各像差圖中雖然示出了以d線作為基準波長的像差，但在球面像差和倍率色像差圖中也表示有關g線(波長435.8nm)、C線(波長656.3nm)的像差。在非點像差圖中，實線是徑向方向，虛線是切向方向的像差。ω表示半視場角。
如從以上的各數值數據和各像差圖所看出的，從無限遠到近距離進行了良好的像差校正，實現了緊湊的透鏡系統。
另外，本發明不限於上述的實施方式和實施例，種種的變形實施是可能的。例如各透鏡組元的曲率半徑、面間隔以及折射率的值等，不限於上述數值實施例所示的值，可以採用其他值。
權利要求
1.一種具有聚焦功能的攝影光學系統，其特徵在於，具有聚焦時固定的透鏡組；聚焦用接合透鏡，其從物體側起按順序使用折射率不同的第一和第二流動性物質作為透鏡材料，並且以接合面形狀可變的方式構成；控制機構，其根據物體距離，對所述接合透鏡的接合面的形狀進行電控制，所述聚焦用接合透鏡整體具有折射能力，且在整個聚焦區域中，以滿足以下條件式的方式構成，即，0.1＜|Nd1-Nd2|＜0.5……(1)3＜|RA|/f＜20 ……(2)|fa/f|＞1.0……(3)其中，Nd1接合透鏡中的第一流動性物質的對於d線的折射率；Nd2接合透鏡中的第二流動性物質的對於d線的折射率；RA接合透鏡中的接合面的曲率半徑的使用上的最小值；fa接合透鏡整體的焦點距離；f透鏡系統整體的焦點距離。
全文摘要
本發明公開一種能夠不機械地移動透鏡而高效率地進行聚焦的，適於小型化的具有聚焦功能的攝影光學系統。其中，聚焦部(10)具有由折射率互相不同的第一和第二流動性物質形成且其接合面的形狀根據物體距離而被電控制的接合透鏡(第一和第二透鏡(G1、G2))。關於第一流動性物質的折射率Nd1，第二流動性物質的折射率Nd2，滿足以下條件式(1)。另外，滿足式(2)、(3)。RA是接合透鏡中的接合面的曲率半徑的使用上的最小值，fa是接合透鏡整體的焦點距離；f表示透鏡系統整體的焦點距離。0.1＜|Nd1－Nd2|＜0.5......(1)，3＜|RA|/f＜20......(2)，|fa/f|＞1.0......(3)。
文檔編號G02B7/04GK1769941SQ20051011876
公開日2006年5月10日 申請日期2005年10月31日 優先權日2004年11月1日
發明者筱原義和, 佐藤賢一 申請人:富士能株式會社