液体レンズ及び液体レンズの制御方法
【課題】 ヒステリシス特性を利用して、より高い精度で焦点距離の制御が可能な液体レンズ及びその制御方法を提供する。
【解決手段】 印加電圧の第１の閾値と第２の閾値との間に、印加電圧を大きくしていく第１の動作と、印加電圧を小さくしていく第２の動作とで焦点距離が異なり、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さい第１の範囲と、それと反対の第２の範囲とが存在するヒステリシス特性を有する液体レンズにおいて、
第２の範囲内の焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標電圧値に変化させる制御を行い、且つ、第１の範囲内の焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標電圧値に変化させる。
【解決手段】 印加電圧の第１の閾値と第２の閾値との間に、印加電圧を大きくしていく第１の動作と、印加電圧を小さくしていく第２の動作とで焦点距離が異なり、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さい第１の範囲と、それと反対の第２の範囲とが存在するヒステリシス特性を有する液体レンズにおいて、
第２の範囲内の焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標電圧値に変化させる制御を行い、且つ、第１の範囲内の焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標電圧値に変化させる。
【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、以下ＥＷと記す）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、レンズ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、ＥＷ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は、絶縁液体の液滴が、この液滴と互いに混和せず、且つ、異なる屈折率を有する導体液体と共に誘電体のチャンバに収容されて成る。チャンバの内壁には導体液体のぬれ性を向上させる表面処理が施されている。上記導体液体には、第１電極が接触している。一方、チャンバの外側表面には、円形の開口を有する第２の電極が配置されている。そして、第１及び第２の電極間に電圧を印加すると共に、印加電圧値を制御することによって、液滴の形状を変化させ、焦点距離を変化させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ１９９９／０１８４５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、上記ＥＷ電気方式による液体レンズは、第１及び第２の電極間に印加する電圧値を大きくして行った時と、小さくしていった時とで、同じ印加電圧値に対して焦点距離が異なる、所謂ヒステリシス特性を有することが知られている。
【０００６】
本発明の目的は、上記ヒステリシス特性を利用して、より高い精度で焦点距離の制御が可能な液体レンズ及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の液体レンズは、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の液体に接触した第１の電極、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た第２の電極、及び前記第１の電極と第２の電極との間に印加される印加電圧値を制御することによって焦点距離を変化させる電圧制御部を備えた液体レンズにおいて、前記印加電圧値が第１の閾値以下又は第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の場合には、印加電圧値に対応する１つの焦点距離となり、印加電圧値が第１の閾値よりも大きく、且つ、第２の閾値よりも小さい場合には、第１の閾値以下の状態から電圧値を大きくしていく第１の動作を行った時と、第２の閾値以上の状態から電圧値を小さくしていく第２の動作を行った時とで、焦点距離が異なり、且つ、前記第１及び第２の閾値にそれぞれ対応する第１及び第２の焦点距離の間に、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さい第１の範囲と、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第２の動作を行った時の方が第１の動作を行った時よりも小さい第２の範囲とが存在するヒステリシス特性を有し、前記電圧制御部は、焦点距離が第１の範囲内又はそれよりも長い状態から第２の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行い、且つ、焦点距離が第２の範囲内又はそれよりも短い状態から第１の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の制御方法は、上記構成において、液体レンズを、焦点距離が第１の範囲内又はそれよりも長い状態から第２の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行い、且つ、前記液体レンズを、焦点距離が第２の範囲内又はそれよりも短い状態から第１の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、より高い精度で焦点距離の制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る液体レンズの概略断面図。
【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の実施形態における印加電圧と焦点距離との関係を示す図。
【図４】図１の実施形態において目標とする焦点距離が第２の範囲にある場合の制御方法を説明する図。
【図５】図１の実施形態において目標とする焦点距離が第１の範囲にある場合の制御方法を説明する図。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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断面図である。図１において、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。上側部材１及び下側部材２はそれぞれ、透光性の平板部材から成る。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。
【００１３】
下側部材２の内表面上には、円形の開口３ａを有する第２の電極３が設けられている。この第２の電極３は、透明電極から成り、その開口は光軸Ｏに対して回転対称の形状を有する。第２の電極３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。
【００１４】
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。
【００１５】
収容室（セル）の一部には孔が開けられ、ここに棒状電極から成る第１の電極９が挿入されて、第１の液体７と接触している。孔と第１の電極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。第１の電極９と先に説明した第２の電極３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、第１及び第２の電極間に印加される印加電圧値を制御することができるように構成されている。また、電圧制御部１０は、例えば液体レンズを搭載した光学装置の他の機器と信号のやり取りができるように構成されている。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。
【００１６】
図１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。第２の電極３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。円形の開口３ａ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。第２の電極３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以下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。
【００１７】
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。
【００１８】
第１の液体７としては、無機塩の水溶液や有機液体など、それ自体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。
【００１９】
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７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、第２の液体８の種類は問わない。
【００２０】
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。
【００２１】
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。ＣＰＵ１１は、印加電圧値、印加するタイミング及び、ＰＷＭ制御の場合は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、ＣＰＵ１１は、この光学装置の他の機器と信号のやり取りを行うことによって、光学装置全体を制御する。
【００２２】
ＲＯＭ１３には、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。
【００２３】
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。アンプ１７は図１に示す液体レンズ内の第１の電極９に、アンプ１８は第２の電極３にそれぞれ接続され、これらの電極間に電圧を印加する。
【００２４】
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。
【００２５】
一方、図１に示す電圧制御部１０から第１の電極９を介して、第１の液体７と第２の電極３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ており、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。
【００２６】
図１において、第１の電極９と第２の電極３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、印加電圧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。
ｃｏｓθ（Ｖ）−ｃｏｓθ（０）＝ε０・ε・Ｖ２／（２ｄ・γ） …（１）
【００２７】
（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。つまり、本実施形態においては、印加される電圧値によって、液体レンズの焦点距離が変化する。第１の電極９と第２の電極３との間に電圧を印加し、印加電圧値を徐々に大きくして行くと、液体レンズの焦点距離はだんだん短くなる。反対に、上記両電極間に大きな電圧値が印加されている状態から、徐々に電圧値を小さくして行くと、液体レンズの焦点距離はだんだん長くなる。このように、印加電圧値を変化させることによって、液体レンズの焦点距離を連続的に変化させることが出来る。
【００２８】
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、ＥＷ電気方式の液体レンズが持つヒステリシス特性を利用して、焦点距離を目的とする値に制御する場合に、より高い精度で制御を行えるようにするものである。まず、液体レンズのヒステリシス特性について、図３を用いて説明する。
【００２９】
図３（ａ）及び（ｂ）は、図１の実施形態における印加電圧と焦点距離との関係を示す図である。図３（ａ）及び（ｂ）において、横軸は図１に示す第１の電極９と第２の電極３との間に印加される電圧を示し、縦軸は液体レンズの焦点距離を示す。上記両電極間に電圧を印加していない状態において、液体レンズの焦点距離はＦ０である。この状態から、図３（ａ）に示すように、両電極間に電圧を印加し、印加電圧値を大きくして行くと、焦点距離は曲線Ｃ１に従って徐々に短くなって行く。そして、一旦、第２の閾値Ｖ２以上の電圧値を印加した後、印加電圧値を小さくして行くと、焦点距離は曲線Ｃ２にしたがって徐々に長くなって行く。更に、印加電圧値を小さくして行き、一旦、第１の閾値Ｖ１以下の状態とした後、印加電圧値を大きくして行くと、焦点距離は再び曲線Ｃ１に従って変化する。このように、図１の液体レンズは、その界面挙動が非線形性、所謂ヒステリシス特性を示す。
【００３０】
このようなヒステリシス特性を有すると、印加電圧値が第１の閾値Ｖ１よりも大きく、第２の閾値Ｖ２よりも小さい範囲においては、同じ電圧値Ｖを印加した場合であっても、液体レンズは異なる焦点距離を示す。例えば、図３（ａ）において、第１の閾値Ｖ１以下の状態から電圧値を大きくして行く第１の動作を行って、電圧値をＶとした場合の焦点距離はＦＡである。これに対し、第２の閾値Ｖ２以上の状態から電圧値を小さくして行く第２の動作を行って、電圧値をＶとした場合の焦点距離は、ＦＡとは異なるＦＢとなる。一方、印加電圧値が第１の閾値Ｖ１以下の場合、又は、第２の閾値Ｖ２以上の場合には、印加電圧値から焦点距離は一義的に決まる。つまり、これらの場合に、液体レンズは印加電圧値に対応する１つの焦点距離となる。
【００３１】
上記のような液体レンズにおいて、非線形領域では第１の曲線Ｃ１と第２の曲線Ｃ２とで印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が異なる。図３（ｂ）において、印加電圧値の第１の閾値Ｖ１及び第２の閾値Ｖ２に対応する焦点距離を、それぞれ第１の焦点距離Ｆ１及び第２の焦点距離Ｆ２とする。すると、焦点距離Ｆ１とＦ２との間に、曲線Ｃ１と曲線Ｃ２とで、焦点距離の変化率が等しくなる、つまり曲線Ｃ１の接線と曲線Ｃ２の接線の傾きが等しくなる焦点距離Ｆ３が存在する。そして、焦点距離Ｆ１からＦ３の間の第１の範囲Ｒ１においては、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が、第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さくなる。これに対し、焦点距離Ｆ３からＦ２の間の第２の範囲Ｒ２においては、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が、第２の動作を行った時の方が第１の動作を行った時よりも小さい。
【００３２】
図３（ｂ）のような特性において、目標とする焦点距離が第１の範囲Ｒ１にある場合、曲線Ｃ１に沿って焦点距離を変化させた方が、印加電圧値に対する変化率が小さいので、より精度の高い制御が可能となる。これに対し、目標とする焦点距離が第２の範囲Ｒ２にある場合、曲線Ｃ２に沿って焦点距離を変化させた方が、より精度の高い制御が出来る。本発明は、この点に着目したものである。つまり、焦点距離が第１の範囲Ｒ１内、又はそれよりも長い状態（Ｆ１よりも長い状態）から第２の範囲Ｒ２内の目標とする焦点距離に変化させようとする場合を考えてみる。この場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値Ｖ２以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行う。また、焦点距離が第２の範囲Ｒ２内、又はそれよりも短い状態（Ｆ２よりも短い状態）から第１の範囲Ｒ１内の目標とする焦点距離に変化させようとする場合を考えてみる。この場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値Ｖ１以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行う。このような方法を用いることで、印加電圧値に対する焦点距離の変化率が小さい方の曲線上で焦点距離を変化させることが出来、より精度の高い制御が可能となる。以下に各々の場合について、更に詳細に説明する。
【００３３】
図４は、印加電圧と焦点距離との関係に関し図３と同一の特性を示すものであって、目標とする焦点距離が第２の範囲Ｒ２内にある場合の制御方法を説明するための図である。図４（ａ）のように、現在の状態、つまり焦点距離を変化させる前の状態が、Ｆ１よりも長い焦点距離ＦＳ１であるとする。この時の印加電圧値は、ＶＳ１である。目標とする焦点距離ＦＴは第２の範囲Ｒ２内にあるので、印加電圧値を、ＶＳ１から大きくして行き、一旦、第２の閾値Ｖ２以上の状態とする。その後、印加電圧値を小さくして行き、ＦＴに対応する電圧値ＶＴとする。これは、現在の状態が第１の範囲Ｒ１内の焦点距離ＦＳ２である場合も同様である。つまり、印加電圧値をＶＳ２から一旦、第２の閾値Ｖ２以上の状態とした後、ＦＴに対応した電圧値ＶＴに制御する。
【００３４】
一方、図４（ｂ）のように、現在の状態がＦ２より短い焦点距離ＦＳ１であるとする。この場合に、印加電圧値はＶＳ１から徐々に小さくして行き、直接ＶＴとなるように制御する。つまり、印加電圧値を一旦、Ｖ１以下にする必要はない。また、現在の状態が第２の範囲Ｒ２内の焦点距離ＦＳ２である場合も同様に、印加電圧値をＶＳ２から直接、ＶＴに変化させる。
【００３５】
続いて図５は、印加電圧と焦点距離との関係に関し図３と同一の特性を示すものであって、目標とする焦点距離が第１の範囲Ｒ１内にある場合の制御方法を説明するための図である。図５（ａ）のように、現在の状態が、Ｆ２よりも短い焦点距離ＦＳ１であるとする。この時の印加電圧値は、ＶＳ１である。目標とする焦点距離ＦＴは第１の範囲Ｒ１内にあるので、印加電圧値を、ＶＳ１から小さくして行き、一旦、第１の閾値Ｖ１以下の状態とする。その後、印加電圧値を大きくして行き、ＦＴに対応する電圧値ＶＴとする。これは、現在の状態が第２の範囲Ｒ２内の焦点距離ＦＳ２である場合も同様である。つまり、印加電圧値をＶＳ２から一旦、第１の閾値Ｖ１以下の状態とした後、ＦＴに対応した電圧値ＶＴに制御する。
【００３６】
一方、図５（ｂ）のように、現在の状態がＦ１より長い焦点距離ＦＳ１であるとする。この場合に、印加電圧値はＶＳ１から徐々に大きくして行き、直接ＶＴとなるように制御する。つまり、印加電圧値を一旦、Ｖ２以上にする必要はない。また、現在の状態が第１の範囲Ｒ１内の焦点距離ＦＳ２である場合も同様に、印加電圧値をＶＳ２から直接、ＶＴに変化させる。
【００３７】
図４及び図５で説明した制御方法において、焦点距離が第１の範囲Ｒ１内で、曲線Ｃ２上にある状態、及び、第２の範囲Ｒ２内で曲線Ｃ１上にある状態を想定していない。これは、本発明の方法に従って制御を行っている限り、このような状態にはなり得ないからである。
また、目標とする焦点距離がＦ１以上、又はＦ２以下の場合は、印加電圧値に対して焦点距離が一義的に決まるのであるから、図４（ａ）或いは図５（ａ）のような制御は不要である。つまり、この場合には、印加電圧値を直接ＶＴに制御すれば良い。
【００３８】
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、図３のような特性、つまり非線形領域における曲線Ｃ１及びＣ２を含め、焦点距離とその焦点距離に対応する印加電圧値がセットで格納されている。また、ＲＯＭ１３には、第１及び第２の閾値Ｖ１及びＶ２と、対応する焦点距離Ｆ１及びＦ２、更には第１の範囲Ｒ１と第２の範囲Ｒ２との境界の焦点距離Ｆ３の情報が格納されている。一方、ＲＡＭ１４には、現在の状態、つまり焦点距離を変化させる前の状態の焦点距離ＦＳが書き込まれている。そして、これらのメモリに格納された情報に基づいて、ＣＰＵ１１が制御方法を決定する。そして、ＣＰＵ１１は、決定した制御方法に従ってアンプ１７及び１８を制御し、印加電圧値を変化させる。ここでは、ＲＯＭ１３に参照テーブルを格納する例を示したが、メモリ容量削減のため、図３のような特性を関数に置き換えて格納し、ＣＰＵ１１で印加電圧値を演算によって求めるようにしても良い。
【００３９】
また、図３のような特性は、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。
【００４０】
図６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。
図６において、ステップ１０１ではまず、図２に示すＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１４から現在の焦点距離ＦＳを読み込む。次に、ステップＳ１０２では、図２のＣＰＵ１１は、外部の他の機器から指示される目標の焦点距離ＦＴを読み込む。ここで、先に説明したように、ＣＰＵ１１が液体レンズを組み込んだ光学機器全体を制御するように構成されている場合がある。この場合には、他の機器（例えば焦点検出装置）からの信号に従って、ＣＰＵ１１が目標とする焦点距離ＦＴを決定することになる。
【００４１】
続いて、ステップＳ１０３では、図２のＣＰＵ１１は、目標とする焦点距離ＦＴが第１の焦点距離Ｆ１（第１の閾値Ｖ１に対応）以上であるか否かを判断する。ＦＴがＦ１以上であった時には、ステップＳ１０４に進み、印加電圧値をＶＴに制御して、焦点距離を目標値ＦＴに合わせる。その後、ＣＰＵ１１は、ステップＳ１０５において、ＲＡＭ１４中の現在の焦点距離ＦＳをＦＴに置き換え、処理を終了する。
【００４２】
一方、ステップＳ１０３において、目標とする焦点距離ＦＴがＦ１以上でない、と判断された時には、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、ＣＰＵ１１は、目標とする焦点距離ＦＴが第２の焦点距離Ｆ２（第２の閾値Ｖ２に対応）以下であるか否かを判断する。ＦＴがＦ２以下であった時には、ステップＳ１０４に進む。その後、先の説明と同様に印加電圧値をＶＴとして、焦点距離をＦＴに調整した後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４３】
ステップＳ１０６において、目標とする焦点距離ＦＴがＦ２以下でない、と判断された時には、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７において、ＣＰＵ１１は、目標とする焦点距離ＦＴが第１の範囲Ｒ１内か否かを判断する。ＦＴがＲ１内である、と判断された時には、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８においては、現在の焦点距離ＦＳが第１の範囲Ｒ１内にあるか、又は、ＦＳが第１の範囲Ｒ１よりも長いか（第１の焦点距離Ｆ１以上であるか）を判断する。ステップＳ１０８でＹＥＳと判断された時には、ステップＳ１０４に進み、印加電圧値をＶＴとして、焦点距離をＦＴに調整した後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４４】
ステップＳ１０８において、ＮＯと判断された時には、ステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９において、ＣＰＵ１１は、印加電圧を一旦、第１の閾値Ｖ１以下とした後、印加電圧値をＶＴに制御して、焦点距離を目標値ＦＴに合わせる。その後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４５】
一方、ステップＳ１０７において、ＮＯ（ＦＴが第１の範囲Ｒ１内にない）と判断された時には、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０においては、現在の焦点距離ＦＳが第２の範囲Ｒ２内にあるか、又は、ＦＳが第２の範囲Ｒ２よりも短いか（第２の焦点距離Ｆ２以下であるか）を判断する。ステップＳ１１０でＹＥＳと判断された時には、ステップＳ１０４に進み、印加電圧値をＶＴとして、焦点距離をＦＴに調整した後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４６】
ステップＳ１１０でＮＯと判断された時には、ステップＳ１１１へ進む。ステップＳ１１１において、ＣＰＵ１１は、印加電圧を一旦、第２の閾値Ｖ２以上とした後、印加電圧値をＶＴに制御して、焦点距離を目標値ＦＴに合わせる。その後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４７】
以上の実施形態においては、液体レンズが凸レンズとして機能する例を示したが、第２の液体の方が第１の液体よりも屈折率が小さく、液体レンズが凹レンズとして機能する場合にも、本発明を適用することが出来る。このように本発明は、種々の応用が可能であり、本発明は特許請求の範囲を逸脱しない限りにおいて、このような応用例を全て包含するものである。
【符号の説明】
【００４８】
３ 第２の電極
３ａ 円形の開口
４ 絶縁層
５ 撥水層
６ 親水層
７ 第１の液体
８ 第２の液体
９ 第１の電極
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、以下ＥＷと記す）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、レンズ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、ＥＷ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は、絶縁液体の液滴が、この液滴と互いに混和せず、且つ、異なる屈折率を有する導体液体と共に誘電体のチャンバに収容されて成る。チャンバの内壁には導体液体のぬれ性を向上させる表面処理が施されている。上記導体液体には、第１電極が接触している。一方、チャンバの外側表面には、円形の開口を有する第２の電極が配置されている。そして、第１及び第２の電極間に電圧を印加すると共に、印加電圧値を制御することによって、液滴の形状を変化させ、焦点距離を変化させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ１９９９／０１８４５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、上記ＥＷ電気方式による液体レンズは、第１及び第２の電極間に印加する電圧値を大きくして行った時と、小さくしていった時とで、同じ印加電圧値に対して焦点距離が異なる、所謂ヒステリシス特性を有することが知られている。
【０００６】
本発明の目的は、上記ヒステリシス特性を利用して、より高い精度で焦点距離の制御が可能な液体レンズ及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の液体レンズは、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の液体に接触した第１の電極、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た第２の電極、及び前記第１の電極と第２の電極との間に印加される印加電圧値を制御することによって焦点距離を変化させる電圧制御部を備えた液体レンズにおいて、前記印加電圧値が第１の閾値以下又は第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の場合には、印加電圧値に対応する１つの焦点距離となり、印加電圧値が第１の閾値よりも大きく、且つ、第２の閾値よりも小さい場合には、第１の閾値以下の状態から電圧値を大きくしていく第１の動作を行った時と、第２の閾値以上の状態から電圧値を小さくしていく第２の動作を行った時とで、焦点距離が異なり、且つ、前記第１及び第２の閾値にそれぞれ対応する第１及び第２の焦点距離の間に、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さい第１の範囲と、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第２の動作を行った時の方が第１の動作を行った時よりも小さい第２の範囲とが存在するヒステリシス特性を有し、前記電圧制御部は、焦点距離が第１の範囲内又はそれよりも長い状態から第２の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行い、且つ、焦点距離が第２の範囲内又はそれよりも短い状態から第１の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の制御方法は、上記構成において、液体レンズを、焦点距離が第１の範囲内又はそれよりも長い状態から第２の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行い、且つ、前記液体レンズを、焦点距離が第２の範囲内又はそれよりも短い状態から第１の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、より高い精度で焦点距離の制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る液体レンズの概略断面図。
【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の実施形態における印加電圧と焦点距離との関係を示す図。
【図４】図１の実施形態において目標とする焦点距離が第２の範囲にある場合の制御方法を説明する図。
【図５】図１の実施形態において目標とする焦点距離が第１の範囲にある場合の制御方法を説明する図。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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断面図である。図１において、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。上側部材１及び下側部材２はそれぞれ、透光性の平板部材から成る。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。
【００１３】
下側部材２の内表面上には、円形の開口３ａを有する第２の電極３が設けられている。この第２の電極３は、透明電極から成り、その開口は光軸Ｏに対して回転対称の形状を有する。第２の電極３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。
【００１４】
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。
【００１５】
収容室（セル）の一部には孔が開けられ、ここに棒状電極から成る第１の電極９が挿入されて、第１の液体７と接触している。孔と第１の電極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。第１の電極９と先に説明した第２の電極３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、第１及び第２の電極間に印加される印加電圧値を制御することができるように構成されている。また、電圧制御部１０は、例えば液体レンズを搭載した光学装置の他の機器と信号のやり取りができるように構成されている。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。
【００１６】
図１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。第２の電極３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。円形の開口３ａ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。第２の電極３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以下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。
【００１７】
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。
【００１８】
第１の液体７としては、無機塩の水溶液や有機液体など、それ自体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。
【００１９】
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７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、第２の液体８の種類は問わない。
【００２０】
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。
【００２１】
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。ＣＰＵ１１は、印加電圧値、印加するタイミング及び、ＰＷＭ制御の場合は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、ＣＰＵ１１は、この光学装置の他の機器と信号のやり取りを行うことによって、光学装置全体を制御する。
【００２２】
ＲＯＭ１３には、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。
【００２３】
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。アンプ１７は図１に示す液体レンズ内の第１の電極９に、アンプ１８は第２の電極３にそれぞれ接続され、これらの電極間に電圧を印加する。
【００２４】
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。
【００２５】
一方、図１に示す電圧制御部１０から第１の電極９を介して、第１の液体７と第２の電極３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ており、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。
【００２６】
図１において、第１の電極９と第２の電極３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、印加電圧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。
ｃｏｓθ（Ｖ）−ｃｏｓθ（０）＝ε０・ε・Ｖ２／（２ｄ・γ） …（１）
【００２７】
（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。つまり、本実施形態においては、印加される電圧値によって、液体レンズの焦点距離が変化する。第１の電極９と第２の電極３との間に電圧を印加し、印加電圧値を徐々に大きくして行くと、液体レンズの焦点距離はだんだん短くなる。反対に、上記両電極間に大きな電圧値が印加されている状態から、徐々に電圧値を小さくして行くと、液体レンズの焦点距離はだんだん長くなる。このように、印加電圧値を変化させることによって、液体レンズの焦点距離を連続的に変化させることが出来る。
【００２８】
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、ＥＷ電気方式の液体レンズが持つヒステリシス特性を利用して、焦点距離を目的とする値に制御する場合に、より高い精度で制御を行えるようにするものである。まず、液体レンズのヒステリシス特性について、図３を用いて説明する。
【００２９】
図３（ａ）及び（ｂ）は、図１の実施形態における印加電圧と焦点距離との関係を示す図である。図３（ａ）及び（ｂ）において、横軸は図１に示す第１の電極９と第２の電極３との間に印加される電圧を示し、縦軸は液体レンズの焦点距離を示す。上記両電極間に電圧を印加していない状態において、液体レンズの焦点距離はＦ０である。この状態から、図３（ａ）に示すように、両電極間に電圧を印加し、印加電圧値を大きくして行くと、焦点距離は曲線Ｃ１に従って徐々に短くなって行く。そして、一旦、第２の閾値Ｖ２以上の電圧値を印加した後、印加電圧値を小さくして行くと、焦点距離は曲線Ｃ２にしたがって徐々に長くなって行く。更に、印加電圧値を小さくして行き、一旦、第１の閾値Ｖ１以下の状態とした後、印加電圧値を大きくして行くと、焦点距離は再び曲線Ｃ１に従って変化する。このように、図１の液体レンズは、その界面挙動が非線形性、所謂ヒステリシス特性を示す。
【００３０】
このようなヒステリシス特性を有すると、印加電圧値が第１の閾値Ｖ１よりも大きく、第２の閾値Ｖ２よりも小さい範囲においては、同じ電圧値Ｖを印加した場合であっても、液体レンズは異なる焦点距離を示す。例えば、図３（ａ）において、第１の閾値Ｖ１以下の状態から電圧値を大きくして行く第１の動作を行って、電圧値をＶとした場合の焦点距離はＦＡである。これに対し、第２の閾値Ｖ２以上の状態から電圧値を小さくして行く第２の動作を行って、電圧値をＶとした場合の焦点距離は、ＦＡとは異なるＦＢとなる。一方、印加電圧値が第１の閾値Ｖ１以下の場合、又は、第２の閾値Ｖ２以上の場合には、印加電圧値から焦点距離は一義的に決まる。つまり、これらの場合に、液体レンズは印加電圧値に対応する１つの焦点距離となる。
【００３１】
上記のような液体レンズにおいて、非線形領域では第１の曲線Ｃ１と第２の曲線Ｃ２とで印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が異なる。図３（ｂ）において、印加電圧値の第１の閾値Ｖ１及び第２の閾値Ｖ２に対応する焦点距離を、それぞれ第１の焦点距離Ｆ１及び第２の焦点距離Ｆ２とする。すると、焦点距離Ｆ１とＦ２との間に、曲線Ｃ１と曲線Ｃ２とで、焦点距離の変化率が等しくなる、つまり曲線Ｃ１の接線と曲線Ｃ２の接線の傾きが等しくなる焦点距離Ｆ３が存在する。そして、焦点距離Ｆ１からＦ３の間の第１の範囲Ｒ１においては、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が、第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さくなる。これに対し、焦点距離Ｆ３からＦ２の間の第２の範囲Ｒ２においては、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が、第２の動作を行った時の方が第１の動作を行った時よりも小さい。
【００３２】
図３（ｂ）のような特性において、目標とする焦点距離が第１の範囲Ｒ１にある場合、曲線Ｃ１に沿って焦点距離を変化させた方が、印加電圧値に対する変化率が小さいので、より精度の高い制御が可能となる。これに対し、目標とする焦点距離が第２の範囲Ｒ２にある場合、曲線Ｃ２に沿って焦点距離を変化させた方が、より精度の高い制御が出来る。本発明は、この点に着目したものである。つまり、焦点距離が第１の範囲Ｒ１内、又はそれよりも長い状態（Ｆ１よりも長い状態）から第２の範囲Ｒ２内の目標とする焦点距離に変化させようとする場合を考えてみる。この場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値Ｖ２以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行う。また、焦点距離が第２の範囲Ｒ２内、又はそれよりも短い状態（Ｆ２よりも短い状態）から第１の範囲Ｒ１内の目標とする焦点距離に変化させようとする場合を考えてみる。この場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値Ｖ１以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行う。このような方法を用いることで、印加電圧値に対する焦点距離の変化率が小さい方の曲線上で焦点距離を変化させることが出来、より精度の高い制御が可能となる。以下に各々の場合について、更に詳細に説明する。
【００３３】
図４は、印加電圧と焦点距離との関係に関し図３と同一の特性を示すものであって、目標とする焦点距離が第２の範囲Ｒ２内にある場合の制御方法を説明するための図である。図４（ａ）のように、現在の状態、つまり焦点距離を変化させる前の状態が、Ｆ１よりも長い焦点距離ＦＳ１であるとする。この時の印加電圧値は、ＶＳ１である。目標とする焦点距離ＦＴは第２の範囲Ｒ２内にあるので、印加電圧値を、ＶＳ１から大きくして行き、一旦、第２の閾値Ｖ２以上の状態とする。その後、印加電圧値を小さくして行き、ＦＴに対応する電圧値ＶＴとする。これは、現在の状態が第１の範囲Ｒ１内の焦点距離ＦＳ２である場合も同様である。つまり、印加電圧値をＶＳ２から一旦、第２の閾値Ｖ２以上の状態とした後、ＦＴに対応した電圧値ＶＴに制御する。
【００３４】
一方、図４（ｂ）のように、現在の状態がＦ２より短い焦点距離ＦＳ１であるとする。この場合に、印加電圧値はＶＳ１から徐々に小さくして行き、直接ＶＴとなるように制御する。つまり、印加電圧値を一旦、Ｖ１以下にする必要はない。また、現在の状態が第２の範囲Ｒ２内の焦点距離ＦＳ２である場合も同様に、印加電圧値をＶＳ２から直接、ＶＴに変化させる。
【００３５】
続いて図５は、印加電圧と焦点距離との関係に関し図３と同一の特性を示すものであって、目標とする焦点距離が第１の範囲Ｒ１内にある場合の制御方法を説明するための図である。図５（ａ）のように、現在の状態が、Ｆ２よりも短い焦点距離ＦＳ１であるとする。この時の印加電圧値は、ＶＳ１である。目標とする焦点距離ＦＴは第１の範囲Ｒ１内にあるので、印加電圧値を、ＶＳ１から小さくして行き、一旦、第１の閾値Ｖ１以下の状態とする。その後、印加電圧値を大きくして行き、ＦＴに対応する電圧値ＶＴとする。これは、現在の状態が第２の範囲Ｒ２内の焦点距離ＦＳ２である場合も同様である。つまり、印加電圧値をＶＳ２から一旦、第１の閾値Ｖ１以下の状態とした後、ＦＴに対応した電圧値ＶＴに制御する。
【００３６】
一方、図５（ｂ）のように、現在の状態がＦ１より長い焦点距離ＦＳ１であるとする。この場合に、印加電圧値はＶＳ１から徐々に大きくして行き、直接ＶＴとなるように制御する。つまり、印加電圧値を一旦、Ｖ２以上にする必要はない。また、現在の状態が第１の範囲Ｒ１内の焦点距離ＦＳ２である場合も同様に、印加電圧値をＶＳ２から直接、ＶＴに変化させる。
【００３７】
図４及び図５で説明した制御方法において、焦点距離が第１の範囲Ｒ１内で、曲線Ｃ２上にある状態、及び、第２の範囲Ｒ２内で曲線Ｃ１上にある状態を想定していない。これは、本発明の方法に従って制御を行っている限り、このような状態にはなり得ないからである。
また、目標とする焦点距離がＦ１以上、又はＦ２以下の場合は、印加電圧値に対して焦点距離が一義的に決まるのであるから、図４（ａ）或いは図５（ａ）のような制御は不要である。つまり、この場合には、印加電圧値を直接ＶＴに制御すれば良い。
【００３８】
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、図３のような特性、つまり非線形領域における曲線Ｃ１及びＣ２を含め、焦点距離とその焦点距離に対応する印加電圧値がセットで格納されている。また、ＲＯＭ１３には、第１及び第２の閾値Ｖ１及びＶ２と、対応する焦点距離Ｆ１及びＦ２、更には第１の範囲Ｒ１と第２の範囲Ｒ２との境界の焦点距離Ｆ３の情報が格納されている。一方、ＲＡＭ１４には、現在の状態、つまり焦点距離を変化させる前の状態の焦点距離ＦＳが書き込まれている。そして、これらのメモリに格納された情報に基づいて、ＣＰＵ１１が制御方法を決定する。そして、ＣＰＵ１１は、決定した制御方法に従ってアンプ１７及び１８を制御し、印加電圧値を変化させる。ここでは、ＲＯＭ１３に参照テーブルを格納する例を示したが、メモリ容量削減のため、図３のような特性を関数に置き換えて格納し、ＣＰＵ１１で印加電圧値を演算によって求めるようにしても良い。
【００３９】
また、図３のような特性は、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。
【００４０】
図６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。
図６において、ステップ１０１ではまず、図２に示すＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１４から現在の焦点距離ＦＳを読み込む。次に、ステップＳ１０２では、図２のＣＰＵ１１は、外部の他の機器から指示される目標の焦点距離ＦＴを読み込む。ここで、先に説明したように、ＣＰＵ１１が液体レンズを組み込んだ光学機器全体を制御するように構成されている場合がある。この場合には、他の機器（例えば焦点検出装置）からの信号に従って、ＣＰＵ１１が目標とする焦点距離ＦＴを決定することになる。
【００４１】
続いて、ステップＳ１０３では、図２のＣＰＵ１１は、目標とする焦点距離ＦＴが第１の焦点距離Ｆ１（第１の閾値Ｖ１に対応）以上であるか否かを判断する。ＦＴがＦ１以上であった時には、ステップＳ１０４に進み、印加電圧値をＶＴに制御して、焦点距離を目標値ＦＴに合わせる。その後、ＣＰＵ１１は、ステップＳ１０５において、ＲＡＭ１４中の現在の焦点距離ＦＳをＦＴに置き換え、処理を終了する。
【００４２】
一方、ステップＳ１０３において、目標とする焦点距離ＦＴがＦ１以上でない、と判断された時には、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、ＣＰＵ１１は、目標とする焦点距離ＦＴが第２の焦点距離Ｆ２（第２の閾値Ｖ２に対応）以下であるか否かを判断する。ＦＴがＦ２以下であった時には、ステップＳ１０４に進む。その後、先の説明と同様に印加電圧値をＶＴとして、焦点距離をＦＴに調整した後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４３】
ステップＳ１０６において、目標とする焦点距離ＦＴがＦ２以下でない、と判断された時には、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７において、ＣＰＵ１１は、目標とする焦点距離ＦＴが第１の範囲Ｒ１内か否かを判断する。ＦＴがＲ１内である、と判断された時には、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８においては、現在の焦点距離ＦＳが第１の範囲Ｒ１内にあるか、又は、ＦＳが第１の範囲Ｒ１よりも長いか（第１の焦点距離Ｆ１以上であるか）を判断する。ステップＳ１０８でＹＥＳと判断された時には、ステップＳ１０４に進み、印加電圧値をＶＴとして、焦点距離をＦＴに調整した後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４４】
ステップＳ１０８において、ＮＯと判断された時には、ステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９において、ＣＰＵ１１は、印加電圧を一旦、第１の閾値Ｖ１以下とした後、印加電圧値をＶＴに制御して、焦点距離を目標値ＦＴに合わせる。その後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４５】
一方、ステップＳ１０７において、ＮＯ（ＦＴが第１の範囲Ｒ１内にない）と判断された時には、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０においては、現在の焦点距離ＦＳが第２の範囲Ｒ２内にあるか、又は、ＦＳが第２の範囲Ｒ２よりも短いか（第２の焦点距離Ｆ２以下であるか）を判断する。ステップＳ１１０でＹＥＳと判断された時には、ステップＳ１０４に進み、印加電圧値をＶＴとして、焦点距離をＦＴに調整した後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４６】
ステップＳ１１０でＮＯと判断された時には、ステップＳ１１１へ進む。ステップＳ１１１において、ＣＰＵ１１は、印加電圧を一旦、第２の閾値Ｖ２以上とした後、印加電圧値をＶＴに制御して、焦点距離を目標値ＦＴに合わせる。その後、ステップＳ１０５を経て、処理を終了する。
【００４７】
以上の実施形態においては、液体レンズが凸レンズとして機能する例を示したが、第２の液体の方が第１の液体よりも屈折率が小さく、液体レンズが凹レンズとして機能する場合にも、本発明を適用することが出来る。このように本発明は、種々の応用が可能であり、本発明は特許請求の範囲を逸脱しない限りにおいて、このような応用例を全て包含するものである。
【符号の説明】
【００４８】
３ 第２の電極
３ａ 円形の開口
４ 絶縁層
５ 撥水層
６ 親水層
７ 第１の液体
８ 第２の液体
９ 第１の電極
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の液体に接触した第１の電極、
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た第２の電極、及び
前記第１の電極と第２の電極との間に印加される印加電圧値を制御することによって焦点距離を変化させる電圧制御部
を備えた液体レンズにおいて、
前記印加電圧値が第１の閾値以下又は第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の場合には、印加電圧値に対応する１つの焦点距離となり、印加電圧値が第１の閾値よりも大きく、且つ、第２の閾値よりも小さい場合には、第１の閾値以下の状態から電圧値を大きくしていく第１の動作を行った時と、第２の閾値以上の状態から電圧値を小さくしていく第２の動作を行った時とで、焦点距離が異なり、且つ、
前記第１及び第２の閾値にそれぞれ対応する第１及び第２の焦点距離の間に、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さい第１の範囲と、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第２の動作を行った時の方が第１の動作を行った時よりも小さい第２の範囲とが存在するヒステリシス特性を有し、
前記電圧制御部は、焦点距離が第１の範囲内又はそれよりも長い状態から第２の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行い、且つ、焦点距離が第２の範囲内又はそれよりも短い状態から第１の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行う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の液体に接触した第１の電極、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た第２の電極を備えた液体レンズに対し、前記第１の電極と第２の電極との間に印加される印加電圧値を変化させることによって前記液体レンズの焦点距離を変化させる制御方法において、
前記液体レンズは、前記印加電圧値が第１の閾値以下又は第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の場合には、印加電圧値に対応する１つの焦点距離となり、印加電圧値が第１の閾値よりも大きく、且つ、第２の閾値よりも小さい場合には、第１の閾値以下の状態から電圧値を大きくしていく第１の動作を行った時と、第２の閾値以上の状態から電圧値を小さくしていく第２の動作を行った時とで、焦点距離が異なり、且つ、
前記第１及び第２の閾値にそれぞれ対応する第１及び第２の焦点距離の間に、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さい第１の範囲と、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第２の動作を行った時の方が第１の動作を行った時よりも小さい第２の範囲とが存在するヒステリシス特性を有し、
前記液体レンズを、焦点距離が第１の範囲内又はそれよりも長い状態から第２の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行い、且つ、前記液体レンズを、焦点距離が第２の範囲内又はそれよりも短い状態から第１の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行う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の液体に接触した第１の電極、
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た第２の電極、及び
前記第１の電極と第２の電極との間に印加される印加電圧値を制御することによって焦点距離を変化させる電圧制御部
を備えた液体レンズにおいて、
前記印加電圧値が第１の閾値以下又は第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の場合には、印加電圧値に対応する１つの焦点距離となり、印加電圧値が第１の閾値よりも大きく、且つ、第２の閾値よりも小さい場合には、第１の閾値以下の状態から電圧値を大きくしていく第１の動作を行った時と、第２の閾値以上の状態から電圧値を小さくしていく第２の動作を行った時とで、焦点距離が異なり、且つ、
前記第１及び第２の閾値にそれぞれ対応する第１及び第２の焦点距離の間に、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さい第１の範囲と、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第２の動作を行った時の方が第１の動作を行った時よりも小さい第２の範囲とが存在するヒステリシス特性を有し、
前記電圧制御部は、焦点距離が第１の範囲内又はそれよりも長い状態から第２の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行い、且つ、焦点距離が第２の範囲内又はそれよりも短い状態から第１の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行う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の液体に接触した第１の電極、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た第２の電極を備えた液体レンズに対し、前記第１の電極と第２の電極との間に印加される印加電圧値を変化させることによって前記液体レンズの焦点距離を変化させる制御方法において、
前記液体レンズは、前記印加電圧値が第１の閾値以下又は第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の場合には、印加電圧値に対応する１つの焦点距離となり、印加電圧値が第１の閾値よりも大きく、且つ、第２の閾値よりも小さい場合には、第１の閾値以下の状態から電圧値を大きくしていく第１の動作を行った時と、第２の閾値以上の状態から電圧値を小さくしていく第２の動作を行った時とで、焦点距離が異なり、且つ、
前記第１及び第２の閾値にそれぞれ対応する第１及び第２の焦点距離の間に、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第１の動作を行った時の方が第２の動作を行った時よりも小さい第１の範囲と、印加電圧値の変化に対する焦点距離の変化率が第２の動作を行った時の方が第１の動作を行った時よりも小さい第２の範囲とが存在するヒステリシス特性を有し、
前記液体レンズを、焦点距離が第１の範囲内又はそれよりも長い状態から第２の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第２の閾値以上の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行い、且つ、前記液体レンズを、焦点距離が第２の範囲内又はそれよりも短い状態から第１の範囲内の目標とする焦点距離に変化させる場合には、印加電圧値を一旦、第１の閾値以下の状態とした後に、目標とする焦点距離に対応する電圧値に変化させる制御を行う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２０１２−１２８０２９（Ｐ２０１２−１２８０２９Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７７３１６（Ｐ２０１０−２７７３１６）
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【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２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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