液体レンズ及び液体レンズの制御方法
【課題】 印加電圧を高くすることなく、短時間に液体レンズを所定の焦点距離に制御する。
【解決手段】 同心状に配置された複数の輪帯電極を備えた液体レンズにおいて、電圧を印加する輪帯電極を外側から内側に切り換える場合は、目的とする輪帯電極よりも内側の輪帯電極に過渡的に電圧を印加し、電圧を印加する輪帯電極を内側から外側に切り換える場合には逆の過渡的な制御を行う。
【解決手段】 同心状に配置された複数の輪帯電極を備えた液体レンズにおいて、電圧を印加する輪帯電極を外側から内側に切り換える場合は、目的とする輪帯電極よりも内側の輪帯電極に過渡的に電圧を印加し、電圧を印加する輪帯電極を内側から外側に切り換える場合には逆の過渡的な制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点の液体レンズに関し、特にエレクトロウェッティング（電気毛管現象）を利用した液体レンズ及びこの液体レンズにおける光学特性の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学素子として可変焦点の液体レンズが注目されている。液体レンズは、焦点距離を制御するためのレンズ自体を移動させる駆動機構を設けることなく、レンズそのものの光学特性を変化させることによって焦点距離を可変にする。液体レンズとしては、エレクトロウェッティング（電気毛管、以下ＥＷとする。）現象を用いた電気方式の駆動制御を行うものが、特許文献１等で提案されている。
【０００３】
特許文献１に記載されたＥＷ電気方式による液体レンズの基本構成を、図６に示す。絶縁液体の液滴６１は、互いに混和せず、且つ、異なる屈折率を有する導体液体６３と共に誘電体のチャンバ６２に収容されている。チャンバ６２の内壁には導体液体６３のぬれ性を向上させる表面処理６４が施されている。導体液体６３には、電極６８が接触している。一方、チャンバ６２の外側表面には、３つの同心の環状電極６５、６６、６７が配置されている。そして、電極６８と、これら各々の環状電極の間にはスイッチによって選択的に電圧Ｖを印加することができるように構成されている。このような構成の液体レンズにおいて、電圧が印加される環状電極の数を変えることによって、液滴６１の形状を変化させ（例えば、符号Ａで示す形から符号Ｂで示す形に変化させ）、焦点を変化させることができる。
【０００４】
しかしながら、上記のような液体レンズにおいては、液滴の界面形状が安定し、所望の光学特性、つまり所望の焦点を得るまでに時間がかかるといった問題があった。
【０００５】
これに対し、特許文献２においては、複数の環状電極を有するものではないが、同様にＥＷ現象を用いた液体レンズが提案されている。この特許文献２には、レンズ作用を示す界面の変形完了時間を短縮するため、最終電圧値を印加する前の所定時間に、最終電圧値よりも高いプリ電圧値を印加する発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ１９９９／０１８４５６
【特許文献２】特開２００１−２４９２０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載の発明では、最終電圧値よりも高いプリ電圧値の印加に耐える構成とする必要があったため、負荷・コストの面でさらなる改善が望まれていた。
【０００８】
そこで本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、印加電圧値を高くすることなく、界面形状を速やかに安定させ、短時間に所望の光学特性を得ることができる液体レンズ及びその制御方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、前記第１の液体に接触した電極、前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極、及び前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる電圧制御部を備えた液体レンズにおいて、前記電圧制御部は、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ、第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、前記第１の液体に接触した電極、及び前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極を備えた液体レンズに対し、前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる制御方法において、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上、本発明によれば最終的に印加する電圧値よりも高い電圧値を電極に印加することなく、低負荷・低コストで液体レンズを所望の形状に高速に到達させ、早期に安定した光学特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る液体レンズの概略構成図。
【図２】図１に記載の電圧制御部の構成例を示すブロック図。
【図３】図１に記載の各輪帯電極に印加される電圧の変化を示したタイミングチャート。
【図４】図１の実施形態における制御パラメータを納めたテーブルの構成例を示す図。
【図５】図１の実施形態における液体レンズの制御の流れを示すフローチャート。
【図６】従来のＥＷ電気方式による液体レンズの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係わるＥＷ電気方式の液体レンズの一実施形態を示す概略構成図である。図１（ａ）は、液体レンズの概略断面図であり、符号Ｏは液体レンズの光軸を示す。液体レンズは、この光軸Ｏに対して回転対称形状をなしている。
【００１５】
図１（ａ）において、上側部材１及び下側部材２はそれぞれ、透光性平板部材から成る。これらの部材１及び２は、不図示の枠体或いはスペーサーによって所定の間隔を空けて互いに平行に配置され、液体レンズを保持する収容室（セル）を構成している。
【００１６】
下側部材２の内表面上には、同心状に配置された３つの輪帯電極３ａ〜３ｃが設けられている。以下、３ａ、３ｂ及び３ｃをそれぞれ、第１、第２及び第３の輪帯電極と呼ぶ。これらの輪帯電極３ａ〜３ｂは、透明電極から成り、それぞれ光軸Ｏに対して回転対称の形状を有する。図１（ｂ）は、これらの輪帯電極３ａ〜３ｃを下側部材の内表面に垂直な方向からみた概略図である。
【００１７】
上記輪帯電極３ａ〜３ｃの上には、絶縁層４が形成されている。そして、絶縁層４の上には、光軸Ｏを中心とした円形に撥水層５が形成され、この撥水層５を取り囲むように、絶縁層４上に親水層６が形成されている。これらの撥水層５及び親水層６が、収容室（セル）の内壁を構成している。
【００１８】
上記の部材１及び２から構成された収容室（セル）には、導電性又は有極性の第１の液体７と、絶縁性又は無極性の第２の液体８とが収容されている。第１及び第２の液体は、互いに混合することなく、且つ互いに異なる屈折率を有している。第２の液体８は疎水性を有し、撥水層５に接するように配置されている。これに対し、第１の液体７は親水性を有し、親水層６に接し、第２の液体８を取り囲むように収容室内に充填される。その結果、これらの液体の間には、Ａに示すような曲率を有する界面が形成される。これらの液体は屈折率が異なるので、界面Ａを透過する光に対して、レンズ作用を生じる。例えば、通常用いられる材料としては、絶縁性又は有極性である第２の液体８の方が、導電性又は有極性を有する第１の液体７よりも屈折率が大きい場合が多い。この場合には、液体レンズは凸レンズとして機能する。
【００１９】
収容室（セル）の一部には孔が開けられ、ここに棒状電極９が挿入されて、第１の液体７を接触している。孔と棒状電極９との間は接着剤で封止され、収容室（セル）の密封性を維持している。棒状電極９と先に説明した輪帯電極３ａ〜３ｃとの間には、電圧制御部１０によって電圧が印加される。また、電圧制御部１０は、棒状電極９との間に電圧が印加される輪帯電極を切り換えることができるように構成されている、例えば、電圧制御部１０は、輪帯電極３ａ〜３ｃのいずれかに選択的に電圧を印加することが可能である。なお、電圧制御部１０によって印加される電圧は、直流電圧でも良いが、絶縁層４への電荷注入を抑制するために、数１０Ｈｚ〜数１０ＫＨｚの交流電圧を用いるのが好ましい。
【００２０】
図１（ａ）の液体レンズにおいて、上側部材１及び下側部材２としては、例えばアクリル製の透明基板を用いることができる。輪帯電極３ａ〜３ｃは、例えば、下側部材２の内表面上に、スパッタリングによって酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の薄膜を形成し、この薄膜をパターニングすることによって形成することができる。輪帯電極３ａ〜３ｃの間の領域は、絶縁材料によって埋め込まれ、電極の上面と同じ高さに平坦化されていることが望ましい。輪帯電極３ａ〜３ｃ上の絶縁層４は、電圧制御部１０の駆動電圧が高くならないよう、１μｍの厚さであることが望ましい。このような絶縁層４としては、例えばＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ＬＢ）法で形成される膜（ＬＢ膜）を用いることができる。ＬＢ法を用いれば、常温、常圧で、均一な無欠陥の薄膜を得ることができる。また、絶縁層４として、キャストコート膜を用いることもできる。この膜は、有機や無機の化合物（好ましくはフッ素系やシリコン系の樹脂）を溶媒と共に、ディピングやスピンコートなどの手法を用いて、基板上に塗布することにより形成することができる。さらに、絶縁層４として、スパッタリングによって成膜した金属酸化物やシリコンなどの膜を用いることも可能である。
【００２１】
撥水層５は、例えば絶縁層４上に撥水処理剤を塗布することによって形成される。撥水処理剤としては、フッ素化合物等が好適に用いられる。この撥水層５は、第２の液体８に対する親和性（親和力）が、第１の液体７に対する親和性よりも大きくなる表面層を形成するものである。また、親水層６は、例えば絶縁層４上に親水処理剤を塗布することによって形成される。親水処理剤としては、界面活性剤、親水性ポリマー等が好適に用いられる。この他にも、一般的に知られた親水性材料を用いて、親水層６を形成しても良い。
【００２２】
第１の液体７としては、無機塩の水溶液や有機液体など、それ自身が導電性や有極性を有するもの、あるいは、イオン性成分を付加することによって導電性や有極性を持たせた液体が用いられる。一例として、水、エチルアルコール、食塩が所定比率で混合され、密度１．０６、室温での屈折率１．３８の電解液を用いることができる。なお、この例における密度や屈折率は一つの仕様として提示したものであり、特にこれに限定されない。
【００２３】
第２の液体８としては、無色透明で、液体レンズの使用温度範囲において第１の液体と実質的に同じ密度を有している液体を用いることが望ましい。第１及び第２の液体の密度の差が大きいと、これらの液体の界面が非対称形状になってしまい、コマ収差が生じてしまう。ここで、実質的に同じ密度とは、両液体の密度の差が、高い方の液体の密度に対して１％未満であることを言う。第２の液体８としては、例えば、密度１．０６、室温での屈折率１．４９のシリコーンオイルを用いることができる。また、第２の液体８として、パラフィンオイルを用いることもできる。このように、第１の液体７と混合しない絶縁性または無極性の液体であれば、その種類は問わない。
【００２４】
図２は、図１に記載した本発明の実施形態における電圧制御部の構成例を示すブロック図である。
【００２５】
図２において、電圧制御部１０は、制御演算、駆動信号の生成を行うＣＰＵ（中央処理装置）１１、ＣＰＵ１１内に内蔵されているタイマー１２、ＣＰＵ１１のバスに接続されるＲＯＭ１３とＲＡＭ１４、実際の印加電圧を生成する電源１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、電圧値を増幅するアンプ１７及び１８、電圧を印加する輪帯電極を選択するセレクタスイッチ１９から構成されている。ＣＰＵ１１は、印加電圧の制御を行う、組み込み型のものである。電圧値、印加するタイミング及び、印加電圧のデューティ比の制御を行う。また、本実施形態の液体レンズが、撮像装置等の光学装置に組み込まれている場合、この光学装置全体の制御も行う。
【００２６】
タイマー１２は、過渡応答制御における制御時間を計るのに使用する。本実施形態では、ＣＰＵ１１に内蔵されているが、ＣＰＵ１１の周辺回路として外付けされる構成でもよい。ＲＯＭ１３には、後述する制御用の参照テーブル（ＬＵＴ）やＣＰＵ１１に各種制御を実行させるためのプログラムやデータが格納されている。ＲＯＭ１３としては、不揮発性のメモリであるフラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ）等が用いられる。ＲＡＭ１４には、ＣＰＵ１１が各種制御や処理を行うために用いるワークエリア、液体レンズの状態や装置の環境情報等が格納されている。ＲＡＭ１４としては、リフレッシュが必要なＤＲＡＭやリフレッシュ動作が不要なＳＲＡＭ等、速度やコストを考慮して適したデバイスを用いる。
【００２７】
電源１５としては、乾電池や蓄電池等の直流電源が用いられる。電源１５は、制御系であるＣＰＵ１１やその周辺回路の他、液体レンズを始めとする他の制御機構の動作に必要な電力を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、ＣＰＵ１１の制御信号に応じて電源１５から供給される電圧を所望の電圧値へと昇圧する。エレクトロウェッティング動作を行うには、一般的には数百ボルトの電圧が必要となる。ＣＰＵ１１からの制御信号に応じて、電源１５の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１６、アンプ１７およびアンプ１８によって所望の電圧値、周波数、およびデューティで液体レンズに印加されるようになる。
【００２８】
アンプ１７は図１（ａ）に示す液体レンズ内の棒状電極９に、アンプ１８はセレクタスイッチ１９に接続されている。セレクタスイッチ１９は、アンプ１８を図１に示す輪帯電極３ａ〜３ｃに繋がった配線の何れかに接続し、各輪帯電極のいずれかに選択的に電圧を印加する。
【００２９】
次に、図１に示す実施形態の液体レンズの動作を説明する。まず、第１の液体７に電圧が印加されていない場合、この第１の液体７と第２の液体８との界面は図１において実線で示すＡの状態である。ここで、界面Ａの形状は、両液体間の界面張力、第１の液体７と撥水層５或いは親水層６との界面張力、第２の液体８と撥水層５或いは親水層６との界面張力、第２の液体８の体積によって決まる。本実施形態では、第２の液体８であるシリコーンオイルと撥水層５との界面張力が小さくなるように材料選定されている。すなわち、前記両材料間の濡れ性が高いため、第２の液体８が形成するレンズ状液滴の外縁は広がる性向を持ち、外縁が撥水層５の塗布領域に一致したところで安定する。一方、両液体は前述のごとく実質的に等しい密度を有するため、重力は作用しない。そのため、界面Ａは球面となり、その曲率半径及び頂点の高さ（レンズの厚さ）は、第２の液体８の体積によって決まる。
【００３０】
一方、図１に示す電圧制御部１０から第１の液体７と輪帯電極３ａ〜３ｃのいずれかとの間に電圧が印加されると、ＥＷ現象によって、第１の液体７と親水層６或いは撥水層５との界面エネルギーの釣り合いが変化する。そして、第１の液体７が親水層６と撥水層５との境界を乗り越えて、撥水層５が塗布された領域に侵入する。その結果、第２の液体８が作るレンズの底面の直径は減少し、両液体の界面は、実線Ａに示す形状から、破線で示すＢの形状へと変化する。本実施形態においては、第２の液体８が第１の液体７よりも高い屈折率を有しおり、界面Ａから界面Ｂへの状態（形状）変化によって、界面の曲率半径が小さくなるため、液体レンズの焦点距離が短くなる。つまり、この液体レンズは電圧の印加によって焦点距離が変化する、所謂可変焦点レンズとして機能する。
【００３１】
図１（ａ）において、いずれかの輪帯電極３ａ〜３ｃと棒状電極９との間に電圧を印加した時の接触角をθで示す。接触角θを、電圧Ｖの関数として表現したθ（Ｖ）は、絶縁層４の膜厚をｄ、絶縁層４の誘電率をε、第２の液体８の界面エネルギーをγ、真空の誘電率をε０とすると、以下の（１）式で与えられる。
【００３２】
ｃｏｓθ（Ｖ）−ｃｏｓθ（０）＝ε０・ε・Ｖ２／（２ｄ・γ） …（１）
（１）式から、電圧の印加によって接触角θが変化し、第１及び第２の液体の間の界面形状を制御できることがわかる。
【００３３】
また、本実施形態においては、３つの輪帯電極３ａ〜３ｃのいずれかに選択的に電圧が印加されるが、どの輪帯電極に電圧が印加されるかによって、液体レンズの焦点距離が変化する。つまり、第１の輪帯電極３ａに電圧が印加されている状態よりも、第２の輪帯電極３ｂに電圧が印加されている状態の方が、液体レンズの焦点距離は短い。また、更に内側の第３の輪帯電極３ｃに電圧が印加されている状態の方が、第１及び第２の輪帯電極のいずれかに電圧が印加されている状態よりも、液体レンズの焦点距離はより短くなる。つまり、本実施形態の液体レンズは、電圧を印加する輪帯電極を選択することによって、段階的に焦点距離を切り換えることが可能である。
【００３４】
以上、本発明の前提となる液体レンズの構成及び動作の実施形態を説明したが、次に本発明の特徴である制御方法について説明する。本発明は、液体レンズの焦点距離を目的とする値に制御する場合に、界面形状を速やかに安定させ、短時間に所望の焦点距離を得るものである。そのために、本発明では、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、第２の状態に切り換える制御方法を用いる。また、本発明においては、第３の状態から、第２の状態に切り換える際には、過渡的に、第１の状態とした後に、第２の状態に切り換える。
【００３５】
上記本発明の制御方法を、図１に示す実施形態に対応させて、より具体的に説明する。まず、所望の焦点距離、つまり目的とする焦点距離を得るために選択される輪帯電極（目的とする輪帯電極）が、第２の輪帯電極３ｂである場合を考えてみる。現在の状態が、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加されている状態であるとすると、第２の輪帯電極３ｂに電圧を印加する前に、一旦、第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧を印加した状態とする。そして、所定の時間Ｔ１の間、この状態とした後に、第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加した状態に切り換える。つまり、目的とする輪帯電極に電圧を印加する前に、過渡的に、目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧を印加する。
【００３６】
図３は、上記の制御方法を、各輪帯電極への印加電圧の変化で示したタイミングチャートである。現在は第１の輪帯電極３ａに電圧Ｖａが印加されて界面の形状が安定し、所定の焦点距離を維持した状態である。ここで、目的とする輪帯電極である、第２の輪帯電極３ｂに電圧を印加する前に、時刻ｔ０において、第３の輪帯電極３ｃに電圧Ｖｃを印加する。同時にｔ０において、電圧Ｖａの印加を停止する。そして、所定の時間（過渡応答制御に要する時間）Ｔ１の間、電圧Ｖｃが印加された状態を維持した後、時刻ｔ２において、第２の輪帯電極３ｂへの電圧Ｖｂの印加を開始する。同時にｔ２において、電圧Ｖｃの印加を停止する。
【００３７】
上記のように、本実施形態においては、時刻ｔ０において過渡応答制御を開始し、目的とする焦点距離を安定に維持する第２の輪帯電極３ｂよりも内側の、第３の輪帯電極３ｃに電圧Ｖｃを印加する。このまま、Ｖｃを印加し続けると、最終的に到達する界面形状は目的とするものとは異なる。しかし、本実施形態では、界面形状の変化の途中、目的とする界面形状或いは目的の界面形状に近い形状となる時刻ｔ２のタイミングで、電圧Ｖｃの印加を停止し、第２の輪帯電極３ｂに電圧Ｖｂを印加する。これによって、短時間に液体レンズの焦点距離を目的とする焦点距離に制御することが可能となる。ここで、各輪帯電極に印加される電圧値は、所定の焦点距離を維持している状態で印加されている電圧値と変わらない。このため、耐圧の高い回路構成とすることによるコストアップを抑制することができる。
【００３８】
以上の説明においては、現在の状態が第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加されている状態としたが、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態から第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧が印加される状態に切り換える場合にも、過渡的に第３の輪帯電極３ｃに電圧を印加しても良い。図３の場合を含めて、このような過渡応答制御の状態変化を表にまとめると、表１に示すようになる。表１において、「オン」とは対象となる輪帯電極に電圧が印加された状態、「オフ」とは電圧が印加されていない状態を示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
本実施形態において、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態から、第１の輪帯電極３ａに電圧が印加された状態に切り換える場合、過渡的に第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加する。本実施形態の変形例として、上記の場合に、過渡的に第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧を印加するようにしても良い。ただし、この場合に、制御時間Ｔ１の最適値は、過渡的に第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加する場合とは異なってくる。
【００４１】
以上、焦点距離が長い状態から短い状態へ変化させる場合を説明した。本実施形態において、焦点距離が短い状態から長い状態へ変化させる場合には、上記の制御とは逆の過渡応答制御が行われる。つまり、目的とする輪帯電極が第２の輪帯電極３ｂで、現在の状態が、第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧が印加されている状態であるとする。この場合、第２の輪帯電極３ｂに電圧を印加する前に、一旦、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧を印加した状態とする。そして、所定の時間Ｔ１の間、この状態とした後に、第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加した状態に切り換える。この場合の過渡応答制御の状態変化を表２に示す。表２において「オン」、「オフ」は表１と同じ意味である。
【００４２】
【表２】
【００４３】
本実施形態において、第２或いは第３の輪帯電極にのみ電圧が印加された状態から、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加される状態に切り換える場合には、過渡的に、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態とする。
【００４４】
このように、焦点距離が短い状態から長い状態へ変化させる場合においても、本実施形態の変形例として、第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧が印加された状態から第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧が印加された状態に切り換える前に、過渡的に、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態としても良い。この場合に、制御時間Ｔ１の最適値が、過渡的に第１の輪帯電極３ａにのみ電圧を印加する場合とは異なってくることは、先に説明した例と同様である。
【００４５】
上記のような制御は、図２に示す電圧制御部１０によって行われる。電圧制御部１０において、ＲＯＭ１３の参照テーブル（ＬＵＴ）には、過渡制御の際にどの輪帯電極を選択するか等の情報が格納されている。そして、このＬＵＴに従って、ＣＰＵ１１がセレクタスイッチ１９等を制御することによって、過渡応答制御が実行される。図４に、上記のような制御パラメータを格納した参照テーブルの構成の一例を示す。
【００４６】
参照用テーブルには、図４に示すように、液体レンズの焦点距離Ｆ、現在、電圧が印加されている輪帯電極の番号、目的とする輪帯電極の番号が格納されている。テーブルには更に、安定化時電圧、過渡制御を行う輪帯電極の番号、過渡制御電圧、過渡制御時間が先の情報とセットになって格納されている。本例では、本実施形態では、所望の焦点距離Ｆとこれに対応した情報をセットとして各々の値を格納しているが、メモリ容量削減のため、特定の焦点距離に対して、目的とする焦点距離に変化させる際の差分データを格納する構成でもよい。
【００４７】
また、目的の焦点距離を得るための過渡制御時間等は、環境条件、特に液体レンズ収容室内の液体の温度によって変わるため、環境条件に対応した参照用テーブルを複数保持する構成が望ましい。この場合、環境条件を計測するためのセンサが必要となる。また、このセンサによる計測は、液体レンズの駆動開始時等、所定のタイミングで行い、参照用テーブルを選択するようにすれば良い。さらには、過渡制御を行う輪帯電極の番号、過渡制御電圧、過渡制御時間を、一つの安定化時電圧に対して複数持つ構成とし、装置のシーケンス、利用シーンに応じて適宜選択することも可能である。
【００４８】
ここで、本発明の特徴である過渡応答制御を行うパラメータを設定するための手法について簡単に説明する。パラメータの設定には幾つかの手法が想定できるが、ここでは実験的に得られた値を用いる手法について説明する。
【００４９】
特定の輪帯電極に電圧が印加されている初期状態から、それとは異なる輪帯電極に所定のパルス幅の電圧を印加し、時間経過とともに液体レンズの焦点距離の変化を計測する。具体的には、平行光を液体レンズに入射させ、スポット径の大きさを高速度カメラで撮像する。カメラで取得した画像内のスポット径から焦点距離への換算を行うことで、焦点距離変化、すなわち光学性能を得る界面変化の値を算出する。小型カメラで採用可能な、レンズ径Φ１０ｍｍ程度の液体レンズの応答時間は数十から百数十ｍｓｅｃ程度である。このため、上記の計測に用いる高速度カメラとしては、時分解能を考慮して一秒間に数百から千フレーム撮像できるものが望ましい。
【００５０】
上記の計測を初期状態、印加電圧のパルス幅及びパルス電圧を印加する輪帯電極を変えて行い、所定の焦点距離が得られるまでの時間を計測することで、過渡制御時間等のパラメータを設定することができる。先に説明したように、液体レンズは環境条件、特に温度依存性が顕著であるため、動作温度を変えてパラメータを取得することが望ましい。さらには、経年変化を考慮した加速試験後の液体レンズに対しても同様の計測を行うことで、使用環境、状況に合わせた制御パラメータの設定が可能になる。
【００５１】
図５は、図１の実施形態における液体レンズの制御の流れを示すフローチャートである。
【００５２】
図５において、ステップＳ１０１ではまず、環境条件を把握する。図１に記載の液体レンズにおいては、不図示の温度センサによって液体レンズ近傍又は液体レンズ収容室内の温度を計測し、図２のＣＰＵ１１は、その計測値をＲＡＭ１４内に格納する。次に、ステップＳ１０２では、現在の焦点距離を把握する。現在の焦点距離はＲＡＭ１４内の所定のアドレスに格納されているものとする。続いて、ステップＳ１０３では、到達目標とする焦点位置へ変化させるための制御後の焦点距離を把握する。なお、ここまでのステップは順番を入れ替えて動作してもよい。
【００５３】
ステップＳ１０４では、これまでの情報把握の結果から、まず環境条件が一致する、または最も近い参照用テーブルであるＬＵＴを選択する。現在の焦点距離、制御後の焦点距離の値をもとに、所望の制御をおこなうのに必要な安定化時の電圧、過渡応答制御時の電圧および過渡応答制御時間、選択する輪帯電極をＲＯＭ２０３またはＲＡＭ２０４上に展開したＬＵＴから読み取る。
【００５４】
次に、ステップＳ１０５では、過渡応答制御に用いる輪帯電極を複数の電極の中から選択する。続いて、ステップＳ１０６では、ＬＵＴで参照した値をもとに過渡応答制御を開始する。続いて、ステップＳ１０７では、過渡応答制御時間の管理のため、図２のタイマー１２に所定時間をセットするとともに、過渡応答制御電圧を印加する。タイマー１２にセットする所定時間とは、過渡応答制御を継続する時間であり、ＬＵＴから読みだした値を用いる。
【００５５】
ステップＳ１０８では、過渡応答制御時間がタイマーにセットした所定時間に達したかどうかを判断する。そして、所定時間に達するまで、このループを繰り返す。所定時間に達した場合、過渡応答制御を終了する。
【００５６】
ステップＳ１０９では、過渡応答制御の終了を受けて、安定化時の輪帯電極を選択し、印加する電圧を設定する。続いて、ステップＳ１１０では、安定化処理を開始するため、過渡応答時の輪帯電極から安定化時の輪帯電極へと印加する対象を変更し、所望の印加電圧制御を開始する。最後に、ステップＳ１１１では、目標とする焦点距離の値を把握し、現在の焦点距離として値を更新した後、一連の動作を終了する。
【００５７】
上述の形態では、センサで計測した温度に応じて制御パラメータを選択したが、計測値を用いて温度制御を行うようにしても良い。例えば、封止された液体に接するようにヒーターを設け、計測された液体の温度が低い場合には、高速な動作が可能となるようヒーターに通電し、所望の温度に制御しても良い。
【００５８】
また、本実施形態では、事前に計測した結果を用いて過渡制御時間を設定する構成を説明した。しかし、本発明では、界面の状態やこの状態を示す電気的な物理量をリアルタイムでモニターし、その結果に基づいて過渡制御を行うようにしても良い。モニターの方法としては、例えば、光学センサによって界面形状を計測する方法や、静電容量を用いて界面形状を検知する方法等を用いることができる。
【００５９】
以上説明した実施形態においては、電圧を印加する電極を選択的、択一的に切り替えることによって、レンズ形状を変化させた。本発明は、この方法に限らず、目的とする電極の外側の電極から２つ以上を選択し電圧を印加する液体レンズにも適用が可能である。このような変形例を以下に説明する。
【００６０】
図１の構成において、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加されている第１の状態から、第１及び第２の輪帯電極３ａ及び３ｂに共に電圧が印加された第２の状態に切り換えることによって焦点距離を変化させる例を考えてみる。この場合には、過渡的に、第１乃至第３の輪帯電極の全てに電圧を印加した第３の状態とした後に、第２の状態に切り換える。現在の状態が、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態であっても、同様である。この変形例における過渡応答制御の状態変化を表３に示す。表３において、「オン」、「オフ」は表１と同じ意味である。
【００６１】
【表３】
【００６２】
この変形例において、焦点距離を長くする制御を行う場合には、上記と逆の制御が行われる。この場合の過渡応答制御の状態変化を表４に示す。表４において、「オン」、「オフ」は表１と同じ意味である。
【００６３】
【表４】
【００６４】
表４において、過渡応答期間に、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態としても良い。この変形例のような制御を行うと、先の実施形態に比べ、過渡的な制御に必要な電圧をより低く抑えることができるという利点がある。
【００６５】
以上の実施形態及びその変形例においては、３つの輪帯電極を有するものを説明したが、本発明は、２つの輪帯電極を有する液体レンズや、４つ以上の輪帯電極を有する液体レンズにも適用が可能である。更に、実施形態では、２種の液体を用いた液体レンズを説明したが、本発明は、３種以上の液体を用いた多層構造をなす液体レンズへ適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６６】
３ａ〜３ｃ 輪帯電極
４ 絶縁層
７ 第１の液体
８ 第２の液体
９ 棒状電極
１０ 電圧制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点の液体レンズに関し、特にエレクトロウェッティング（電気毛管現象）を利用した液体レンズ及びこの液体レンズにおける光学特性の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学素子として可変焦点の液体レンズが注目されている。液体レンズは、焦点距離を制御するためのレンズ自体を移動させる駆動機構を設けることなく、レンズそのものの光学特性を変化させることによって焦点距離を可変にする。液体レンズとしては、エレクトロウェッティング（電気毛管、以下ＥＷとする。）現象を用いた電気方式の駆動制御を行うものが、特許文献１等で提案されている。
【０００３】
特許文献１に記載されたＥＷ電気方式による液体レンズの基本構成を、図６に示す。絶縁液体の液滴６１は、互いに混和せず、且つ、異なる屈折率を有する導体液体６３と共に誘電体のチャンバ６２に収容されている。チャンバ６２の内壁には導体液体６３のぬれ性を向上させる表面処理６４が施されている。導体液体６３には、電極６８が接触している。一方、チャンバ６２の外側表面には、３つの同心の環状電極６５、６６、６７が配置されている。そして、電極６８と、これら各々の環状電極の間にはスイッチによって選択的に電圧Ｖを印加することができるように構成されている。このような構成の液体レンズにおいて、電圧が印加される環状電極の数を変えることによって、液滴６１の形状を変化させ（例えば、符号Ａで示す形から符号Ｂで示す形に変化させ）、焦点を変化させることができる。
【０００４】
しかしながら、上記のような液体レンズにおいては、液滴の界面形状が安定し、所望の光学特性、つまり所望の焦点を得るまでに時間がかかるといった問題があった。
【０００５】
これに対し、特許文献２においては、複数の環状電極を有するものではないが、同様にＥＷ現象を用いた液体レンズが提案されている。この特許文献２には、レンズ作用を示す界面の変形完了時間を短縮するため、最終電圧値を印加する前の所定時間に、最終電圧値よりも高いプリ電圧値を印加する発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ１９９９／０１８４５６
【特許文献２】特開２００１−２４９２０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載の発明では、最終電圧値よりも高いプリ電圧値の印加に耐える構成とする必要があったため、負荷・コストの面でさらなる改善が望まれていた。
【０００８】
そこで本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、印加電圧値を高くすることなく、界面形状を速やかに安定させ、短時間に所望の光学特性を得ることができる液体レンズ及びその制御方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、前記第１の液体に接触した電極、前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極、及び前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる電圧制御部を備えた液体レンズにおいて、前記電圧制御部は、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ、第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、前記第１の液体に接触した電極、及び前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極を備えた液体レンズに対し、前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる制御方法において、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上、本発明によれば最終的に印加する電圧値よりも高い電圧値を電極に印加することなく、低負荷・低コストで液体レンズを所望の形状に高速に到達させ、早期に安定した光学特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る液体レンズの概略構成図。
【図２】図１に記載の電圧制御部の構成例を示すブロック図。
【図３】図１に記載の各輪帯電極に印加される電圧の変化を示したタイミングチャート。
【図４】図１の実施形態における制御パラメータを納めたテーブルの構成例を示す図。
【図５】図１の実施形態における液体レンズの制御の流れを示すフローチャート。
【図６】従来のＥＷ電気方式による液体レンズの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係わるＥＷ電気方式の液体レンズの一実施形態を示す概略構成図である。図１（ａ）は、液体レンズの概略断面図であり、符号Ｏは液体レンズの光軸を示す。液体レンズは、この光軸Ｏに対して回転対称形状をなしている。
【００１５】
図１（ａ）において、上側部材１及び下側部材２はそれぞれ、透光性平板部材から成る。これらの部材１及び２は、不図示の枠体或いはスペーサーによって所定の間隔を空けて互いに平行に配置され、液体レンズを保持する収容室（セル）を構成している。
【００１６】
下側部材２の内表面上には、同心状に配置された３つの輪帯電極３ａ〜３ｃが設けられている。以下、３ａ、３ｂ及び３ｃをそれぞれ、第１、第２及び第３の輪帯電極と呼ぶ。これらの輪帯電極３ａ〜３ｂは、透明電極から成り、それぞれ光軸Ｏに対して回転対称の形状を有する。図１（ｂ）は、これらの輪帯電極３ａ〜３ｃを下側部材の内表面に垂直な方向からみた概略図である。
【００１７】
上記輪帯電極３ａ〜３ｃの上には、絶縁層４が形成されている。そして、絶縁層４の上には、光軸Ｏを中心とした円形に撥水層５が形成され、この撥水層５を取り囲むように、絶縁層４上に親水層６が形成されている。これらの撥水層５及び親水層６が、収容室（セル）の内壁を構成している。
【００１８】
上記の部材１及び２から構成された収容室（セル）には、導電性又は有極性の第１の液体７と、絶縁性又は無極性の第２の液体８とが収容されている。第１及び第２の液体は、互いに混合することなく、且つ互いに異なる屈折率を有している。第２の液体８は疎水性を有し、撥水層５に接するように配置されている。これに対し、第１の液体７は親水性を有し、親水層６に接し、第２の液体８を取り囲むように収容室内に充填される。その結果、これらの液体の間には、Ａに示すような曲率を有する界面が形成される。これらの液体は屈折率が異なるので、界面Ａを透過する光に対して、レンズ作用を生じる。例えば、通常用いられる材料としては、絶縁性又は有極性である第２の液体８の方が、導電性又は有極性を有する第１の液体７よりも屈折率が大きい場合が多い。この場合には、液体レンズは凸レンズとして機能する。
【００１９】
収容室（セル）の一部には孔が開けられ、ここに棒状電極９が挿入されて、第１の液体７を接触している。孔と棒状電極９との間は接着剤で封止され、収容室（セル）の密封性を維持している。棒状電極９と先に説明した輪帯電極３ａ〜３ｃとの間には、電圧制御部１０によって電圧が印加される。また、電圧制御部１０は、棒状電極９との間に電圧が印加される輪帯電極を切り換えることができるように構成されている、例えば、電圧制御部１０は、輪帯電極３ａ〜３ｃのいずれかに選択的に電圧を印加することが可能である。なお、電圧制御部１０によって印加される電圧は、直流電圧でも良いが、絶縁層４への電荷注入を抑制するために、数１０Ｈｚ〜数１０ＫＨｚの交流電圧を用いるのが好ましい。
【００２０】
図１（ａ）の液体レンズにおいて、上側部材１及び下側部材２としては、例えばアクリル製の透明基板を用いることができる。輪帯電極３ａ〜３ｃは、例えば、下側部材２の内表面上に、スパッタリングによって酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の薄膜を形成し、この薄膜をパターニングすることによって形成することができる。輪帯電極３ａ〜３ｃの間の領域は、絶縁材料によって埋め込まれ、電極の上面と同じ高さに平坦化されていることが望ましい。輪帯電極３ａ〜３ｃ上の絶縁層４は、電圧制御部１０の駆動電圧が高くならないよう、１μｍの厚さであることが望ましい。このような絶縁層４としては、例えばＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ＬＢ）法で形成される膜（ＬＢ膜）を用いることができる。ＬＢ法を用いれば、常温、常圧で、均一な無欠陥の薄膜を得ることができる。また、絶縁層４として、キャストコート膜を用いることもできる。この膜は、有機や無機の化合物（好ましくはフッ素系やシリコン系の樹脂）を溶媒と共に、ディピングやスピンコートなどの手法を用いて、基板上に塗布することにより形成することができる。さらに、絶縁層４として、スパッタリングによって成膜した金属酸化物やシリコンなどの膜を用いることも可能である。
【００２１】
撥水層５は、例えば絶縁層４上に撥水処理剤を塗布することによって形成される。撥水処理剤としては、フッ素化合物等が好適に用いられる。この撥水層５は、第２の液体８に対する親和性（親和力）が、第１の液体７に対する親和性よりも大きくなる表面層を形成するものである。また、親水層６は、例えば絶縁層４上に親水処理剤を塗布することによって形成される。親水処理剤としては、界面活性剤、親水性ポリマー等が好適に用いられる。この他にも、一般的に知られた親水性材料を用いて、親水層６を形成しても良い。
【００２２】
第１の液体７としては、無機塩の水溶液や有機液体など、それ自身が導電性や有極性を有するもの、あるいは、イオン性成分を付加することによって導電性や有極性を持たせた液体が用いられる。一例として、水、エチルアルコール、食塩が所定比率で混合され、密度１．０６、室温での屈折率１．３８の電解液を用いることができる。なお、この例における密度や屈折率は一つの仕様として提示したものであり、特にこれに限定されない。
【００２３】
第２の液体８としては、無色透明で、液体レンズの使用温度範囲において第１の液体と実質的に同じ密度を有している液体を用いることが望ましい。第１及び第２の液体の密度の差が大きいと、これらの液体の界面が非対称形状になってしまい、コマ収差が生じてしまう。ここで、実質的に同じ密度とは、両液体の密度の差が、高い方の液体の密度に対して１％未満であることを言う。第２の液体８としては、例えば、密度１．０６、室温での屈折率１．４９のシリコーンオイルを用いることができる。また、第２の液体８として、パラフィンオイルを用いることもできる。このように、第１の液体７と混合しない絶縁性または無極性の液体であれば、その種類は問わない。
【００２４】
図２は、図１に記載した本発明の実施形態における電圧制御部の構成例を示すブロック図である。
【００２５】
図２において、電圧制御部１０は、制御演算、駆動信号の生成を行うＣＰＵ（中央処理装置）１１、ＣＰＵ１１内に内蔵されているタイマー１２、ＣＰＵ１１のバスに接続されるＲＯＭ１３とＲＡＭ１４、実際の印加電圧を生成する電源１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、電圧値を増幅するアンプ１７及び１８、電圧を印加する輪帯電極を選択するセレクタスイッチ１９から構成されている。ＣＰＵ１１は、印加電圧の制御を行う、組み込み型のものである。電圧値、印加するタイミング及び、印加電圧のデューティ比の制御を行う。また、本実施形態の液体レンズが、撮像装置等の光学装置に組み込まれている場合、この光学装置全体の制御も行う。
【００２６】
タイマー１２は、過渡応答制御における制御時間を計るのに使用する。本実施形態では、ＣＰＵ１１に内蔵されているが、ＣＰＵ１１の周辺回路として外付けされる構成でもよい。ＲＯＭ１３には、後述する制御用の参照テーブル（ＬＵＴ）やＣＰＵ１１に各種制御を実行させるためのプログラムやデータが格納されている。ＲＯＭ１３としては、不揮発性のメモリであるフラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ）等が用いられる。ＲＡＭ１４には、ＣＰＵ１１が各種制御や処理を行うために用いるワークエリア、液体レンズの状態や装置の環境情報等が格納されている。ＲＡＭ１４としては、リフレッシュが必要なＤＲＡＭやリフレッシュ動作が不要なＳＲＡＭ等、速度やコストを考慮して適したデバイスを用いる。
【００２７】
電源１５としては、乾電池や蓄電池等の直流電源が用いられる。電源１５は、制御系であるＣＰＵ１１やその周辺回路の他、液体レンズを始めとする他の制御機構の動作に必要な電力を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、ＣＰＵ１１の制御信号に応じて電源１５から供給される電圧を所望の電圧値へと昇圧する。エレクトロウェッティング動作を行うには、一般的には数百ボルトの電圧が必要となる。ＣＰＵ１１からの制御信号に応じて、電源１５の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１６、アンプ１７およびアンプ１８によって所望の電圧値、周波数、およびデューティで液体レンズに印加されるようになる。
【００２８】
アンプ１７は図１（ａ）に示す液体レンズ内の棒状電極９に、アンプ１８はセレクタスイッチ１９に接続されている。セレクタスイッチ１９は、アンプ１８を図１に示す輪帯電極３ａ〜３ｃに繋がった配線の何れかに接続し、各輪帯電極のいずれかに選択的に電圧を印加する。
【００２９】
次に、図１に示す実施形態の液体レンズの動作を説明する。まず、第１の液体７に電圧が印加されていない場合、この第１の液体７と第２の液体８との界面は図１において実線で示すＡの状態である。ここで、界面Ａの形状は、両液体間の界面張力、第１の液体７と撥水層５或いは親水層６との界面張力、第２の液体８と撥水層５或いは親水層６との界面張力、第２の液体８の体積によって決まる。本実施形態では、第２の液体８であるシリコーンオイルと撥水層５との界面張力が小さくなるように材料選定されている。すなわち、前記両材料間の濡れ性が高いため、第２の液体８が形成するレンズ状液滴の外縁は広がる性向を持ち、外縁が撥水層５の塗布領域に一致したところで安定する。一方、両液体は前述のごとく実質的に等しい密度を有するため、重力は作用しない。そのため、界面Ａは球面となり、その曲率半径及び頂点の高さ（レンズの厚さ）は、第２の液体８の体積によって決まる。
【００３０】
一方、図１に示す電圧制御部１０から第１の液体７と輪帯電極３ａ〜３ｃのいずれかとの間に電圧が印加されると、ＥＷ現象によって、第１の液体７と親水層６或いは撥水層５との界面エネルギーの釣り合いが変化する。そして、第１の液体７が親水層６と撥水層５との境界を乗り越えて、撥水層５が塗布された領域に侵入する。その結果、第２の液体８が作るレンズの底面の直径は減少し、両液体の界面は、実線Ａに示す形状から、破線で示すＢの形状へと変化する。本実施形態においては、第２の液体８が第１の液体７よりも高い屈折率を有しおり、界面Ａから界面Ｂへの状態（形状）変化によって、界面の曲率半径が小さくなるため、液体レンズの焦点距離が短くなる。つまり、この液体レンズは電圧の印加によって焦点距離が変化する、所謂可変焦点レンズとして機能する。
【００３１】
図１（ａ）において、いずれかの輪帯電極３ａ〜３ｃと棒状電極９との間に電圧を印加した時の接触角をθで示す。接触角θを、電圧Ｖの関数として表現したθ（Ｖ）は、絶縁層４の膜厚をｄ、絶縁層４の誘電率をε、第２の液体８の界面エネルギーをγ、真空の誘電率をε０とすると、以下の（１）式で与えられる。
【００３２】
ｃｏｓθ（Ｖ）−ｃｏｓθ（０）＝ε０・ε・Ｖ２／（２ｄ・γ） …（１）
（１）式から、電圧の印加によって接触角θが変化し、第１及び第２の液体の間の界面形状を制御できることがわかる。
【００３３】
また、本実施形態においては、３つの輪帯電極３ａ〜３ｃのいずれかに選択的に電圧が印加されるが、どの輪帯電極に電圧が印加されるかによって、液体レンズの焦点距離が変化する。つまり、第１の輪帯電極３ａに電圧が印加されている状態よりも、第２の輪帯電極３ｂに電圧が印加されている状態の方が、液体レンズの焦点距離は短い。また、更に内側の第３の輪帯電極３ｃに電圧が印加されている状態の方が、第１及び第２の輪帯電極のいずれかに電圧が印加されている状態よりも、液体レンズの焦点距離はより短くなる。つまり、本実施形態の液体レンズは、電圧を印加する輪帯電極を選択することによって、段階的に焦点距離を切り換えることが可能である。
【００３４】
以上、本発明の前提となる液体レンズの構成及び動作の実施形態を説明したが、次に本発明の特徴である制御方法について説明する。本発明は、液体レンズの焦点距離を目的とする値に制御する場合に、界面形状を速やかに安定させ、短時間に所望の焦点距離を得るものである。そのために、本発明では、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、第２の状態に切り換える制御方法を用いる。また、本発明においては、第３の状態から、第２の状態に切り換える際には、過渡的に、第１の状態とした後に、第２の状態に切り換える。
【００３５】
上記本発明の制御方法を、図１に示す実施形態に対応させて、より具体的に説明する。まず、所望の焦点距離、つまり目的とする焦点距離を得るために選択される輪帯電極（目的とする輪帯電極）が、第２の輪帯電極３ｂである場合を考えてみる。現在の状態が、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加されている状態であるとすると、第２の輪帯電極３ｂに電圧を印加する前に、一旦、第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧を印加した状態とする。そして、所定の時間Ｔ１の間、この状態とした後に、第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加した状態に切り換える。つまり、目的とする輪帯電極に電圧を印加する前に、過渡的に、目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧を印加する。
【００３６】
図３は、上記の制御方法を、各輪帯電極への印加電圧の変化で示したタイミングチャートである。現在は第１の輪帯電極３ａに電圧Ｖａが印加されて界面の形状が安定し、所定の焦点距離を維持した状態である。ここで、目的とする輪帯電極である、第２の輪帯電極３ｂに電圧を印加する前に、時刻ｔ０において、第３の輪帯電極３ｃに電圧Ｖｃを印加する。同時にｔ０において、電圧Ｖａの印加を停止する。そして、所定の時間（過渡応答制御に要する時間）Ｔ１の間、電圧Ｖｃが印加された状態を維持した後、時刻ｔ２において、第２の輪帯電極３ｂへの電圧Ｖｂの印加を開始する。同時にｔ２において、電圧Ｖｃの印加を停止する。
【００３７】
上記のように、本実施形態においては、時刻ｔ０において過渡応答制御を開始し、目的とする焦点距離を安定に維持する第２の輪帯電極３ｂよりも内側の、第３の輪帯電極３ｃに電圧Ｖｃを印加する。このまま、Ｖｃを印加し続けると、最終的に到達する界面形状は目的とするものとは異なる。しかし、本実施形態では、界面形状の変化の途中、目的とする界面形状或いは目的の界面形状に近い形状となる時刻ｔ２のタイミングで、電圧Ｖｃの印加を停止し、第２の輪帯電極３ｂに電圧Ｖｂを印加する。これによって、短時間に液体レンズの焦点距離を目的とする焦点距離に制御することが可能となる。ここで、各輪帯電極に印加される電圧値は、所定の焦点距離を維持している状態で印加されている電圧値と変わらない。このため、耐圧の高い回路構成とすることによるコストアップを抑制することができる。
【００３８】
以上の説明においては、現在の状態が第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加されている状態としたが、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態から第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧が印加される状態に切り換える場合にも、過渡的に第３の輪帯電極３ｃに電圧を印加しても良い。図３の場合を含めて、このような過渡応答制御の状態変化を表にまとめると、表１に示すようになる。表１において、「オン」とは対象となる輪帯電極に電圧が印加された状態、「オフ」とは電圧が印加されていない状態を示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
本実施形態において、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態から、第１の輪帯電極３ａに電圧が印加された状態に切り換える場合、過渡的に第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加する。本実施形態の変形例として、上記の場合に、過渡的に第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧を印加するようにしても良い。ただし、この場合に、制御時間Ｔ１の最適値は、過渡的に第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加する場合とは異なってくる。
【００４１】
以上、焦点距離が長い状態から短い状態へ変化させる場合を説明した。本実施形態において、焦点距離が短い状態から長い状態へ変化させる場合には、上記の制御とは逆の過渡応答制御が行われる。つまり、目的とする輪帯電極が第２の輪帯電極３ｂで、現在の状態が、第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧が印加されている状態であるとする。この場合、第２の輪帯電極３ｂに電圧を印加する前に、一旦、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧を印加した状態とする。そして、所定の時間Ｔ１の間、この状態とした後に、第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加した状態に切り換える。この場合の過渡応答制御の状態変化を表２に示す。表２において「オン」、「オフ」は表１と同じ意味である。
【００４２】
【表２】
【００４３】
本実施形態において、第２或いは第３の輪帯電極にのみ電圧が印加された状態から、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加される状態に切り換える場合には、過渡的に、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態とする。
【００４４】
このように、焦点距離が短い状態から長い状態へ変化させる場合においても、本実施形態の変形例として、第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧が印加された状態から第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧が印加された状態に切り換える前に、過渡的に、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態としても良い。この場合に、制御時間Ｔ１の最適値が、過渡的に第１の輪帯電極３ａにのみ電圧を印加する場合とは異なってくることは、先に説明した例と同様である。
【００４５】
上記のような制御は、図２に示す電圧制御部１０によって行われる。電圧制御部１０において、ＲＯＭ１３の参照テーブル（ＬＵＴ）には、過渡制御の際にどの輪帯電極を選択するか等の情報が格納されている。そして、このＬＵＴに従って、ＣＰＵ１１がセレクタスイッチ１９等を制御することによって、過渡応答制御が実行される。図４に、上記のような制御パラメータを格納した参照テーブルの構成の一例を示す。
【００４６】
参照用テーブルには、図４に示すように、液体レンズの焦点距離Ｆ、現在、電圧が印加されている輪帯電極の番号、目的とする輪帯電極の番号が格納されている。テーブルには更に、安定化時電圧、過渡制御を行う輪帯電極の番号、過渡制御電圧、過渡制御時間が先の情報とセットになって格納されている。本例では、本実施形態では、所望の焦点距離Ｆとこれに対応した情報をセットとして各々の値を格納しているが、メモリ容量削減のため、特定の焦点距離に対して、目的とする焦点距離に変化させる際の差分データを格納する構成でもよい。
【００４７】
また、目的の焦点距離を得るための過渡制御時間等は、環境条件、特に液体レンズ収容室内の液体の温度によって変わるため、環境条件に対応した参照用テーブルを複数保持する構成が望ましい。この場合、環境条件を計測するためのセンサが必要となる。また、このセンサによる計測は、液体レンズの駆動開始時等、所定のタイミングで行い、参照用テーブルを選択するようにすれば良い。さらには、過渡制御を行う輪帯電極の番号、過渡制御電圧、過渡制御時間を、一つの安定化時電圧に対して複数持つ構成とし、装置のシーケンス、利用シーンに応じて適宜選択することも可能である。
【００４８】
ここで、本発明の特徴である過渡応答制御を行うパラメータを設定するための手法について簡単に説明する。パラメータの設定には幾つかの手法が想定できるが、ここでは実験的に得られた値を用いる手法について説明する。
【００４９】
特定の輪帯電極に電圧が印加されている初期状態から、それとは異なる輪帯電極に所定のパルス幅の電圧を印加し、時間経過とともに液体レンズの焦点距離の変化を計測する。具体的には、平行光を液体レンズに入射させ、スポット径の大きさを高速度カメラで撮像する。カメラで取得した画像内のスポット径から焦点距離への換算を行うことで、焦点距離変化、すなわち光学性能を得る界面変化の値を算出する。小型カメラで採用可能な、レンズ径Φ１０ｍｍ程度の液体レンズの応答時間は数十から百数十ｍｓｅｃ程度である。このため、上記の計測に用いる高速度カメラとしては、時分解能を考慮して一秒間に数百から千フレーム撮像できるものが望ましい。
【００５０】
上記の計測を初期状態、印加電圧のパルス幅及びパルス電圧を印加する輪帯電極を変えて行い、所定の焦点距離が得られるまでの時間を計測することで、過渡制御時間等のパラメータを設定することができる。先に説明したように、液体レンズは環境条件、特に温度依存性が顕著であるため、動作温度を変えてパラメータを取得することが望ましい。さらには、経年変化を考慮した加速試験後の液体レンズに対しても同様の計測を行うことで、使用環境、状況に合わせた制御パラメータの設定が可能になる。
【００５１】
図５は、図１の実施形態における液体レンズの制御の流れを示すフローチャートである。
【００５２】
図５において、ステップＳ１０１ではまず、環境条件を把握する。図１に記載の液体レンズにおいては、不図示の温度センサによって液体レンズ近傍又は液体レンズ収容室内の温度を計測し、図２のＣＰＵ１１は、その計測値をＲＡＭ１４内に格納する。次に、ステップＳ１０２では、現在の焦点距離を把握する。現在の焦点距離はＲＡＭ１４内の所定のアドレスに格納されているものとする。続いて、ステップＳ１０３では、到達目標とする焦点位置へ変化させるための制御後の焦点距離を把握する。なお、ここまでのステップは順番を入れ替えて動作してもよい。
【００５３】
ステップＳ１０４では、これまでの情報把握の結果から、まず環境条件が一致する、または最も近い参照用テーブルであるＬＵＴを選択する。現在の焦点距離、制御後の焦点距離の値をもとに、所望の制御をおこなうのに必要な安定化時の電圧、過渡応答制御時の電圧および過渡応答制御時間、選択する輪帯電極をＲＯＭ２０３またはＲＡＭ２０４上に展開したＬＵＴから読み取る。
【００５４】
次に、ステップＳ１０５では、過渡応答制御に用いる輪帯電極を複数の電極の中から選択する。続いて、ステップＳ１０６では、ＬＵＴで参照した値をもとに過渡応答制御を開始する。続いて、ステップＳ１０７では、過渡応答制御時間の管理のため、図２のタイマー１２に所定時間をセットするとともに、過渡応答制御電圧を印加する。タイマー１２にセットする所定時間とは、過渡応答制御を継続する時間であり、ＬＵＴから読みだした値を用いる。
【００５５】
ステップＳ１０８では、過渡応答制御時間がタイマーにセットした所定時間に達したかどうかを判断する。そして、所定時間に達するまで、このループを繰り返す。所定時間に達した場合、過渡応答制御を終了する。
【００５６】
ステップＳ１０９では、過渡応答制御の終了を受けて、安定化時の輪帯電極を選択し、印加する電圧を設定する。続いて、ステップＳ１１０では、安定化処理を開始するため、過渡応答時の輪帯電極から安定化時の輪帯電極へと印加する対象を変更し、所望の印加電圧制御を開始する。最後に、ステップＳ１１１では、目標とする焦点距離の値を把握し、現在の焦点距離として値を更新した後、一連の動作を終了する。
【００５７】
上述の形態では、センサで計測した温度に応じて制御パラメータを選択したが、計測値を用いて温度制御を行うようにしても良い。例えば、封止された液体に接するようにヒーターを設け、計測された液体の温度が低い場合には、高速な動作が可能となるようヒーターに通電し、所望の温度に制御しても良い。
【００５８】
また、本実施形態では、事前に計測した結果を用いて過渡制御時間を設定する構成を説明した。しかし、本発明では、界面の状態やこの状態を示す電気的な物理量をリアルタイムでモニターし、その結果に基づいて過渡制御を行うようにしても良い。モニターの方法としては、例えば、光学センサによって界面形状を計測する方法や、静電容量を用いて界面形状を検知する方法等を用いることができる。
【００５９】
以上説明した実施形態においては、電圧を印加する電極を選択的、択一的に切り替えることによって、レンズ形状を変化させた。本発明は、この方法に限らず、目的とする電極の外側の電極から２つ以上を選択し電圧を印加する液体レンズにも適用が可能である。このような変形例を以下に説明する。
【００６０】
図１の構成において、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加されている第１の状態から、第１及び第２の輪帯電極３ａ及び３ｂに共に電圧が印加された第２の状態に切り換えることによって焦点距離を変化させる例を考えてみる。この場合には、過渡的に、第１乃至第３の輪帯電極の全てに電圧を印加した第３の状態とした後に、第２の状態に切り換える。現在の状態が、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態であっても、同様である。この変形例における過渡応答制御の状態変化を表３に示す。表３において、「オン」、「オフ」は表１と同じ意味である。
【００６１】
【表３】
【００６２】
この変形例において、焦点距離を長くする制御を行う場合には、上記と逆の制御が行われる。この場合の過渡応答制御の状態変化を表４に示す。表４において、「オン」、「オフ」は表１と同じ意味である。
【００６３】
【表４】
【００６４】
表４において、過渡応答期間に、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態としても良い。この変形例のような制御を行うと、先の実施形態に比べ、過渡的な制御に必要な電圧をより低く抑えることができるという利点がある。
【００６５】
以上の実施形態及びその変形例においては、３つの輪帯電極を有するものを説明したが、本発明は、２つの輪帯電極を有する液体レンズや、４つ以上の輪帯電極を有する液体レンズにも適用が可能である。更に、実施形態では、２種の液体を用いた液体レンズを説明したが、本発明は、３種以上の液体を用いた多層構造をなす液体レンズへ適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６６】
３ａ〜３ｃ 輪帯電極
４ 絶縁層
７ 第１の液体
８ 第２の液体
９ 棒状電極
１０ 電圧制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、
前記第１の液体に接触した電極、
前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極、及び
前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる電圧制御部を備えた液体レンズにおいて、
前記電圧制御部は、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、
前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする液体レンズ。
【請求項２】
導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ、第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、前記第１の液体に接触した電極、及び前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極を備えた液体レンズに対し、前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる制御方法において、
いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、
前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする液体レンズの制御方法。
【請求項１】
導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、
前記第１の液体に接触した電極、
前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極、及び
前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる電圧制御部を備えた液体レンズにおいて、
前記電圧制御部は、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、
前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする液体レンズ。
【請求項２】
導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ、第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、前記第１の液体に接触した電極、及び前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極を備えた液体レンズに対し、前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる制御方法において、
いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、
前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする液体レンズの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２４２５４２（Ｐ２０１１−２４２５４２Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１３５６３（Ｐ２０１０−１１３５６３）
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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