液体型光学素子
【課題】光学性能の変化速度の向上と光学性能の調整精度向上を両立させることができる液体型光学素子を提供すること。
【解決手段】液体型光学素子101は、液体の充填された少なくとも１つの空間106、107を持つ収容部を有し、空間内の液体の量を変化させて空間を画する境界部を形状変化又は移動させることによって、光学性能を変化させる。液体型光学素子101は、空間に連通して空間内の液体108、109の量を変化させるための第１の調整手段と、空間に連通して第１の調整手段よりも小さい変化率で空間内の液体108、109の量を変化させるための第２の調整手段とを含む液量調整部を備える。
【解決手段】液体型光学素子101は、液体の充填された少なくとも１つの空間106、107を持つ収容部を有し、空間内の液体の量を変化させて空間を画する境界部を形状変化又は移動させることによって、光学性能を変化させる。液体型光学素子101は、空間に連通して空間内の液体108、109の量を変化させるための第１の調整手段と、空間に連通して第１の調整手段よりも小さい変化率で空間内の液体108、109の量を変化させるための第２の調整手段とを含む液量調整部を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一のレンズにおいて焦点距離を変化させることが可能な可変焦点レンズや、光の屈折方向を変化させることが可能な可変頂角プリズム等の、光学性能を変化させることが可能な液体型光学素子に関する。特に、光学性能を粗微調するための液量調整機構を備える液体型光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来のガラスや樹脂材料で作製したレンズに代わって、液体収容部の内部を液体で充填し、液量を調整することで光学性能を変化させる液体型光学素子が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、透明弾性体で囲われた空間を液体で充填し、空間内の液量を調整することで透明弾性体の曲率を変化させ、焦点距離を変化させる可変焦点レンズが開示されている。こうした可変焦点レンズをズームレンズシステムに用いると、レンズ自体の焦点距離を変化させられるため、レンズの一部を移動させる必要がなくなり、レンズシステムの全体長を短くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2003-14909号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の如き液体型光学素子において、光学性能の変化速度を速くするためには、その液体収容部に対して流出入する液体の変化量を短時間に大きく変化させなければならない。他方、液体型光学素子の光学性能を精度良く調整するためには、液体の変化量を小さくしなければならない。そのため、光学性能の変化速度の向上と光学性能の調整精度向上とは相反することであり、両立させることに課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明の液体型光学素子は次の特徴を有する。即ち、液体型光学素子は、液体の充填された少なくとも１つの空間を持つ収容部を有し、空間内の液体の量を変化させて空間を画する境界部を形状変化又は移動させることによって、光学性能を変化させることができる。更に、前記空間に連通して空間内の液体の量を変化させるための第１の調整手段と、前記空間に連通して第１の調整手段よりも小さい変化率で空間内の液体の量を変化させるための第２の調整手段とを少なくとも含む液量調整部を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の液体型光学素子によれば、異なる変化率（単位時間あたりの液体の変化量）で空間内の液体の量を変化させることが可能な複数種の調整手段を備えるので、光学性能の変化速度の向上と光学性能の調整精度向上を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の液体型光学素子の実施例１の構成を説明する図。
【図２】実施例１の複数の調整手段を説明する図。
【図３】実施例１の動作を説明する図。
【図４】実施例１の別形態の構成を説明する図。
【図５】本発明の液体型光学素子の実施例２の構成を説明する図。
【図６】実施例２の複数の調整手段を説明する図。
【図７】本発明の液体型光学素子の実施例３の構成を説明する図。
【図８】実施例３の動作を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の液体型光学素子は、光学性能の変化速度の向上と光学性能の調整精度向上を容易且つ確実に両立させるために、大小の異なる変化率で液体収容部の空間内の液体の量を変化させることが可能な複数種の調整手段を備えることを特徴とする。この考え方に基づいて、本発明の液体型光学素子は、課題を解決するための手段の所で述べた様な基本的な構成を有する。この基本構成に基づいて、種々の実施形態が可能である。
【０００９】
液体収容部内には、１つ或いは２つ以上の空間を設け、そこに１種類或いは２種類以上の液体を充填することができる。空間を画する境界部は、収容部の外壁部のみで構成することもできるし、外壁部と収容部内に設けた弾性膜の様な隔壁部とで構成することもできる。また、境界部は、互いに混じり合わない複数種の液体が接する面（ここには弾性膜の如き他の材料部を設けない）で構成することもできる。空間内の液体の量を変化させるとき、空間を画する収容部の外壁部の少なくとも一部又は収容部内の隔壁部の少なくとも一部又は複数種の液体の接触面は、形状変化或いは移動できる様になっていて、光学素子の光学性能を変化させる。液量調整部を構成する後述の第１及び第２の調整手段などの複数種の調整手段は、空間に連通していて、そこの液体の量を大きい或いは小さい変化率で調整できれば、どの様なものでも良い。例えば、複数の空間に複数種の調整手段を夫々繋げる場合、複数の空間に繋げた調整手段は必ずしも連動していなくてもよいが、後述の実施例１の様に収容部全体の容積が不変である場合は、自動的に連動する構造にすると制御が容易且つ確実になって好ましい。空間内に充填する液体は、典型的には透明液体であるが、光学素子の用途（例えば、光減衰量可変なアッテネータなど）によっては、半透明液体などの非透明な液体を用いることも可能である。
【００１０】
以下、図を用いて本発明のより具体的な実施例を説明するが、本発明の範囲は以下の構成には限定されない。
（実施例１）
本発明に係る実施例１の構成について図１を用いて説明する。本実施例は、焦点距離を変化可能な液体型光学素子である可変焦点レンズ101に関する。本実施例では、液体を収容する収容部は、枠体102とガラス103、104により構成される。また、円筒形状の枠体102の内部を封止する様に、枠体102の両端にガラス103、104が取付けられている。更に、封止空間を分割する様に、枠体102の内部にシリコーンゴム等で構成される伸縮可能な透明弾性膜105が設けられている。これにより、収容部内は第１空間106と第２空間107とに分割される。第１空間106と第２空間107には、夫々、屈折率等の光学特性が異なる水や油、シリコンオイルなどの透明な液体が充填される。本実施例では、第１空間106には第１透明液体108が充填され、第２空間107には第２透明液体109が充填されている。この様に、第１空間106は、収容部の外壁部である枠体102とガラス103及び収容部内の隔壁部である透明弾性膜105で画され、第２空間107は、枠体102とガラス104及び透明弾性膜105で画される。透明弾性膜105の縁部は必ずしも外壁部である枠体102に固定する必要はないが、変形動作をより安定的にするために固定してもよい。
【００１１】
使用する透明弾性膜105と第１透明液体108、第２透明液体109の密度が揃っていないと、可変焦点レンズ101を使用する姿勢差による重力の影響を受け、光軸のずれを生じさせる等の問題が発生する恐れがある。そこで、透明弾性膜105と第１透明液体108、第２透明液体109の密度をほぼ揃えておくことで、重力の影響を抑えることが可能となり好ましい。更には、透明弾性膜105と第１透明液体108、第２透明液体109の熱膨張係数もほぼ揃えておくことで、温度変化による可変焦点レンズ101の体積膨張に伴う密度変化も抑えることができて好ましい。
【００１２】
枠体102と透明弾性膜105で形成された第１空間106には、第１透明液体108の量を調整するために流路110が連通して設けられる。同様に、第２空間107には第２透明液体109の量を調整するために流路111が連通して設けられる。流路110、111は、シリンダ112とピストン113、ピストン113を駆動する駆動手段で構成される液量調整部114に互いに反対側から接続される。シリンダ112内をピストン113が移動することにより、収容部内の第１透明液体108、第２透明液体109の液量が調整され、夫々の液量の比率によって、透明弾性膜105の形状が変化することになる。透明弾性膜105が変形しても、第１空間106と第２空間107の容積の和は不変であるため、枠体102内に存在する第１透明液体108と第２透明液体109の容積の和も変わらない。
【００１３】
更に詳しく述べると、図１（ａ）の状態から、シリンダ112内のピストン113が矢印Aの方向に移動することで、第１空間106から第１透明液体108が流出して、第１空間106内の第１透明液体108の量が減少する。それと同時に連動して、第２透明液体109は第２空間107内に流入して、第２空間107内の第２透明液体109の量が増加する。枠体102内の第１透明液体108と第２透明液体109の容積の和は変わらないため、第１空間106から流出した第１透明液体108の量と第２空間107に流入した第２透明液体109の量は等しい。その結果、透明弾性膜105は図１（ｂ）に示す様な曲率を持ち第１空間106側に凸になった形状に変化し、可変焦点レンズ101の焦点距離が変化する。これに対して、図１（ａ）に示すシリンダ112内のピストン113がB方向に移動すると、第１空間106内の第１透明液体108の量は増加し、同時に第２空間107内の第２透明液体109の量は減少する。この場合も、第１空間106に流入する第１透明液体108の量と第２空間107から流出した第２透明液体109の量は等しい。この結果、透明弾性膜105は、図１（ｃ）に示す様な曲率を持ち第２空間107側に凸になった形状に変化する。
【００１４】
以上に説明した様に、シリンダ112内のピストン113を移動させることによって、第１空間106と第２空間107内の液量を逆相で調整し、凸レンズから凹レンズに至るまで、可変焦点レンズ101の焦点距離を変化させることが可能である。
【００１５】
次に、液量調整部114内のピストン113について図２（ａ）を用いて詳細に説明する。本実施例ではピストン113の断面積が変わる構造となっている。具体的には、円筒構造からなる第１ピストン201と、第１ピストン201の内周と同じ直径で形成され第１ピストン201に対してスライド可能な円柱形の第２ピストン202との２段構成となっている。つまり、シリンダ112内で、第１ピストン201と第２ピストン202とで構成されるピストン113がスライド可能であり、第１ピストン201の中空部内で第２ピストン202がスライド可能であるという入れ子構造となっている。本実施例では２段構成としているが、更に複数段の構成としても良い。また、本実施例ではピストン113の断面形状を円形としているが、楕円形状や矩形形状などにしてもよい。第１ピストン201は、図示しない圧電素子や電磁モータなどからなる駆動手段によって駆動される。第２ピストン202は、図示しないボイスコイルモータなどにより非接触で外部から駆動される構成であり、第１ピストン201とは独立して駆動される。本実施例では、第１空間106と第２空間107内の液体の量を変化させるための第１の調整手段は、シリンダ112とピストン113を含んで構成される。一方、第１の調整手段よりも小さい変化率で第１空間106と第２空間107内の液体の量を変化させるための第２の調整手段は、第１ピストン201と第２ピストン202を含んで構成される。
【００１６】
第１の調整手段と第２の調整手段について説明する。液体型光学素子である可変焦点レンズ101は、内部の液量によって光学特性を変化させることが可能である。そこで、光学特性を高速に変化させたい場合は、第１の調整手段を働かせ、断面積を大きくするために第１ピストン201と第２ピストン202（即ちピストン113）を一体的に同時にシリンダ112内でスライドさせる。本実施例では、例えば、第１ピストン201の外周半径を2rとし、第２ピストン202の半径（即ち第１ピストン201の内周半径）をrとする。これにより、シリンダ112内の液量を変化させるピストン断面積は、第１ピストン201と第２ピストン202の断面積の和である４πr2となり、液量を大きい変化率で変化させられる。
【００１７】
それに対して、光学特性を精度良く変化させたい場合は、図２（ｂ）に示す様に第２の調整手段を働かせ、第２ピストン202のみを第１ピストン201の内周空間内でスライドさせる。この状態では、シリンダ112内の液量を変化させるピストン断面積がπr2と小さくなり、微小に液量を調整することができる。これにより、第１の調整手段よりも小さい変化率で液量を変化させられる。第１ピストン201と第２ピストン202の半径を前述した様な大きさとすることで、第２ピストン202のみを移動させた場合は、第１ピストン201と第２ピストン202を同時に駆動した場合と比して４倍の分解能で液量を調整できる。
【００１８】
第１ピストン201と第２ピストン202の半径は、光学性能を変化させたい応答時間、精度に応じて種々の設定が可能である。本実施例では、第１ピストン201と第２のピストン202を一体的に同時に移動させる第１の調整手段の例を説明したが、第１の調整手段又は第２の調整手段として、第１ピストン201だけを移動させても良い。何れにせよ、上記ピストン113の構成において、光学特性を高速に変化させる場合と精度良く変化させる場合とで、第１ピストンと第２ピストンの駆動を別態様で制御して、相反する液量の調整性能（高速性と高精度）を両立させられる。
【００１９】
次に、第１ピストン201と第２ピストン202の制御方法の例について説明する。可変焦点レンズ101の光学特性を変化させる際に、高速且つ精度良く変化させることが望まれる。前述したピストン113の構成を用いることで、高速性と精度を両立できるが、第１の調整手段と第２の調整手段の駆動方法によって更に高速性を持たせることも可能となる。以下に説明する。図３のグラフは、第１空間106の第１透明液体108の液体量を増加させる例を示している。縦軸に可変焦点レンズ101内の液体変化量を示し、横軸は時間を表す。グラフ内の実線は第１ピストン201と第２ピストン202の断面積の和を用いる第１の調整手段による液量変化率を表し、破線は第２ピストン202のみによる第２の調整手段による液量変化率を表す。また、破線で示す第２ピストンのみで調整する時間は、目標値に対する同じ過不足分である図３のΔVで示す差分量を変化させるのに要する時間であるため、等しい時間である。グラフ内の傾き（液量変化率）は各ピストンを駆動する駆動手段の推力によって決まる。そのため、駆動手段の推力が大きい場合は傾きが急峻になり、単位液量を変化させる時間が短くなる。ここの駆動方法では、第１の調整手段で変化させる液量は目標値よりも小さくし、不足する液体変化量分を第２の調整手段のみで補う様に駆動する。これによって、駆動を開始してからt1の時間で目標値に達することが可能となる。それに対し、第１の調整手段で変化させる液体変化量を目標値よりも大きくし、目標値に対して変化させ過ぎてしまった量を第２の調整手段で調整する様に駆動すると、駆動を開始してからt2の時間を要することとなる。前者の駆動方法を用いることで、t1とt2の差分であるΔtの時間を短くでき、より光学特性の変化速度の向上を図ることができる。以上の説明では、分かり易くするために第１の調整手段を駆動した後に第２の調整手段を駆動するグラフを示したが、第１の調整手段の駆動中に第２の調整手段を駆動することで、更に光学特性の変化速度の向上が図られる。
【００２０】
本実施例では、２液を用いた２層タイプの可変焦点レンズ101の例を示したが、図４に示す様に、３層タイプの可変焦点レンズ401に本発明を適用することも可能である。この別形態では、枠体402内を３つの空間に分割する様に透明弾性膜403、404を配置し、枠体402内を第１空間405、第２空間406、第３空間407の３つの空間に分割する。ここでは、可変焦点レンズ401には２種類の前述した様な透明液体を使用する例を示すが、各空間に夫々異なる透明液体を収容しても良い。分割された各空間の液量を調整することで、夫々の透明弾性膜403、404の曲率を変化させられる。第１空間405と第２空間406は第１液量調整部408を介して流路で接続し、同様に第２空間406と第３空間407は第２液量調整部409を介して流路で接続する。第１液量調整部408、第２液量調整部409は前述した液量調整部114と同じ構造であっても良い。或いは、第１液量調整部408と第２液量調整部409のシリンダ径等を異ならせても良い。複数の液体を使用することで、様々な光学特性に応じた可変焦点レンズを構成できる。
【００２１】
以上説明した様に、本実施例によれば、可変焦点レンズ101の収容部内の複数種の透明液体の量を調整する液量調整部のピストンを多段構成とすることで、光学性能の変化速度の向上と光学性能の精度向上を両立させることができる。
【００２２】
（実施例２）
本発明に係る実施例２について図５を用いて説明する。本実施例の可変焦点レンズ501では、図５に示す様に、円筒形状の枠体502の両端に、シリコーンゴム等で構成される透明弾性膜503、504が張られている。液体の収容部を成す枠体502と透明弾性膜503、504で形成された空間505には、水や油、シリコンオイルなどの透明液体506が充填されている。また、枠体502の一部には、内部の透明液体506の液体の量を調整するために流路507が設けられている。流路507は、後述する液量調整部601に接続される。
【００２３】
図５（ａ）では、空間505内の圧力と外界の圧力が等しい場合を示している。図５（ａ）中の矢印Cの方向に透明液体506が流路507を介して空間505内に流入すると、空間505内の液量が増加し、内部圧力が上昇する。このとき、図５（ｂ）に示す様に、透明弾性膜503、504は、破線で示す元の形状から、内部圧力の変化量と透明弾性膜503、504の張力の均衡が保たれる様に外側に膨らみ、いわゆる凸レンズ形状となる。逆に、図５（ａ）中の矢印Dの方向に透明液体506が流路507を介して流出すると、空間505内の液量が減少し内部圧力が低下する。このときは、図５（ｃ）に示す様に、透明弾性膜503、504は、破線で示す元の形状から内側に変形し、いわゆる凹レンズ形状となる。この様に、空間505内の透明液体506の量を調整することで空間505内の圧力をコントロールし、焦点距離を任意に設定可能な可変焦点レンズ501を構成できる。このレンズ501では、前述した様に、空間505の内部圧力の変化量と透明弾性膜503、504の張力の均衡が保たれる様に形状が変化する。そのため、透明弾性膜503、504を異なる厚みや、異なる弾性率の材質で構成すれば、空間505内の内部圧力に応じて透明弾性膜503、504の曲率が異なる様に変化する可変焦点レンズ501を構成できる。
【００２４】
次に、図６を用いて、可変焦点レンズ501の収容部内の液体の量を調整する液量調整部601について説明する。本実施例では、液量調整部601は第１シリンダ602と第２シリンダ603の２つのシリンダを有し、第１シリンダ602には第１ピストン604が、第２シリンダ603には第２ピストン605が密着して嵌め込まれ、夫々、シリンダ内部を移動する。第１ピストン604と第２ピストン605は、シリンダの外側で第３ピストン606と結合している。第３ピストン606が図示しない駆動手段によって駆動されることで、第１シリンダ602内で第１ピストン604が、第２シリンダ603内で第２ピストン605が同時に同じ移動量を移動し、可変焦点レンズ501の収容部内の透明液体506の量が調整される。本実施例では、第１シリンダ602と第２シリンダ603は同径で構成されている。
【００２５】
第１シリンダ602には流路607が接続し、第２シリンダ603には流路608が接続されている。流路607と流路608は可変焦点レンズ501に向かう途中で上記流路507に接続されている。第１シリンダ602、第２シリンダ603から流出した透明液体506が流路507で合流する際に第３ピストン606の駆動を妨げない様にするのが好ましい。この様にするため、流路607と流路608の断面積は、夫々、流路507の断面積の半分になっているのが望ましい。更に、流路608が流路507と接続する部位には、電磁弁の様な、流路608を開放状態又は閉鎖状態とすることが可能な弁609が設けられ、流路608と流路507との間での透明液体506の流出入を制御できる構成になっている。また、流路608には、流路507に接続する部位とは異なる部位に、弁609が閉じた状態で第２ピストン605により流出させられた透明液体506が逃げられる部分となるタンク610が設けられる。タンク610には、調整用のための、可変焦点レンズ501の収容部内にある透明液体506と同じ液体が充填されている。
【００２６】
タンク610の一部には、上記収容部の透明弾性膜503、504よりも高い弾性率を持つゴムの様な特性を有した弾性膜611が張られている。弾性膜611には、透明弾性膜503、504よりも高い弾性率の材質を用いる。このことで、図６（ａ）に示す弁609の開放状態で液体506が上記収容部に流入する際に、タンク610の弾性膜611が変形せず、効率良く透明弾性膜503、504の形状を変化させられる。弁609が開放された状態で第３ピストン606を駆動して第１シリンダ602と第２シリンダ603から透明液体506を流出させると、流路607と流路608から透明液体506が可変焦点レンズ501の収容部内に流入する。それに対して、弁609が閉じた状態で、第３ピストン606を駆動して第１シリンダ602と第２シリンダ603から透明液体506を流出させると、流路607のみから透明液体506が可変焦点レンズ501の収容部内に流入する。このとき、図６（ｂ）に示す様に、第２ピストン605により流出させられた流路608内の透明液体506はタンク610側に流入し、弾性膜611を変形させる。このことで第３ピストン606の移動を妨げない様になっている。
【００２７】
実施例１で説明した様に、大きく光学特性を変化させたい場合は、第１の調整手段として、弁609を開放した状態で第３ピストン606を移動させ、可変焦点レンズ501の収容部内の液量変化率を大きくする。それに対して、光学特性を精度良く調整したい場合は、第２の調整手段として、弁609を閉じた状態で第３ピストン606を移動させる。これにより、前述した光学特性を大きく変化させる場合と同じ第３ピストン606の移動量でも液量変化率を小さくすることができる。本実施例では流路607と流路608の内径を等しくしているため、弁609を開放した場合と比較して弁609を閉鎖した場合では分解能が２倍となる。
【００２８】
しかし、例えば、流路607の内径を流路608の内径に対して半分にすることによって、精度良く調整したいときの分解能を５倍に上げることも可能である。このとき、前述した様に、第３ピストン606の移動を妨げない様に、流路607の断面積と流路608の断面積の和が、流路507の断面積と一致する様にするのが望ましい。この様に流路径を種々の大きさに設定することで、任意の分解能の設定が可能となる。本実施例の弁609は開放状態か閉鎖状態の何れかを選択できる構成であるが、開放状態で、弁609が開放する穴径をアナログ的に調整可能とすることで、流路607と流路608を種々の比率で異径とした構成と同様の作用・効果が得られる。この様に、本実施例では、液量調整部は、第１及び第２のシリンダ、第１から第３のピストン、弁609などで構成され、弁609の状態によって第１の調整手段と第２の調整手段との間で切り換えられる構成となっている。
【００２９】
本実施例の可変焦点レンズ501が所望の光学性能に達するまでの時間を短くするには、実施例１で説明した制御方法を用いることも可能である。具体的には、変化させたい液量よりも少ない量を、弁609を開放した第１の調整手段の状態で、第１シリンダ602と第２シリンダ603の両方で調整する。そして、変化させたい量までの不足分を、弁609を閉鎖した第２の調整手段の状態で、第１シリンダ602のみで調整する。この様にすることで、同じ構成でも、可変焦点レンズ501の光学性能を変化させる時間を更に短くすることが可能となる。本実施例では、夫々の流路やシリンダ、ピストン系を円筒形で示したが、矩形等の形状を用いても良い。
【００３０】
以上説明した様に、本実施例では、可変焦点レンズ501の収容部内の透明液体506の量を調整する液量調整部を弁付きの複数の流路に繋げて構成することで、光学性能の変化速度の向上と光学性能の調整精度の向上を両立させることができる。
【００３１】
（実施例３）
本発明に係る実施例３について図７と図８を用いて説明する。本実施例は、液体型光学素子である可変頂角プリズム801に関する。図７に示す様に、収容部を構成する平板802、803が距離を隔てて配置され、図７の状態では、一定の距離を隔てて平行状態となっている。平板802、803の一端は、同じく収容部を構成する固定部材804に固定され、平板803と固定部材804の結合部は回転軸805を有し、平板803が回転可能な構成となっている。平板802、803の固定部材804と対向する他端は、同じく収容部を構成するシリコーンゴム等の伸縮可能な弾性膜806に結合されている。平板802、803は、光学有効領域がガラス807、808で形成され、ここを光が透過する。本実施例では、平板802、803の一部をガラス807、808で形成しているが、全てを透明材料で形成しても良い。
【００３２】
平板802、803と固定部材804と弾性膜806で形成される空間809には、水や油、シリコンオイルなどの透明液体810が充填されている。平板802には、空間809内の透明液体810が流出入するための流路811、812が別個に設けられている。空間809に連通する流路811の他端部には、第１の調整手段である第１液量調整部813が接続され、同じく空間809に連通する流路812の他端部には、第２の調整手段である第２液量調整部814が接続されている。第１液量調整部813は第１シリンダ815と第１ピストン816で構成され、第１ピストン816は不図示の駆動手段によって第１シリンダ内を移動可能である。同様に、第２液量調整部814は第２シリンダ817と第１ピストン818で構成され、第２ピストン818は不図示の駆動手段によって第２シリンダ内を移動可能である。本実施例では、第１シリンダ815の内径は第２シリンダ817の内径の３倍に設定されている。そのため、第１液量調整部813は可変頂角プリズム801の透明液体810の量を大きく変化させられ、第２液量調整部814は可変頂角プリズム801の透明液体810の量を小さく変化させられる。
【００３３】
次に、プリズム801の頂角を変化させる動作を説明する。前述した様に、図７は可変頂角プリズム801の初期状態である平板802、803の平行状態を示す。これに対して、図８（ａ）は、αで示す平板802、803で形成される頂角が平行状態（0°）から5°傾いた状態を示す。図８（ｂ）は、βで示す平板802、803で形成される頂角が図８（ａ）とは逆方向に5°傾いた状態である。この様に、本実施例の可変頂角プリズム801は、平行状態から、頂角が±５°程度の範囲で変化可能である。そのために、図７に示す平行状態でも、頂角の変化によって弾性膜806が最も縮んだ図８（ｂ）の状態でも、弾性膜806の張力が無くならない様になっている。即ち、弾性膜806は、予め張力が付勢された状態に必ずなる様に、平板802、803に取付けられる。したがって、図７の初期状態は、弾性膜806に張力が発生している状態である。
【００３４】
図７の状態から、第１液量調整部813と第２液量調整部814で空間809内に透明液体810を流入させて、空間809内の透明液体810の量を増加させると、空間809の容積を増加させる様に弾性膜806は更に伸びる。その結果、回転軸805を中心として平板803が回転し、図８（ａ）に示す状態となる。それに対して、第１液量調整部813と第２液量調整部814によって空間809内から透明液体810を流出させると、空間809内の透明液体810の量が減少する。すると、弾性膜806では、張力によって伸びていた状態において張力を減少させる方向に力が働き、空間809の容積を減少させる様に弾性膜806は縮む。その結果、回転軸805を中心として平板803が回転し、図８（ｂ）に示す状態となる。この様に、第１液量調整部813と第２液量調整部814によって空間809内の透明液体810の量を調整することで、回転軸805を中心として平板802、803が形成する頂角を変化させられる。
【００３５】
次に、第１液量調整部813と第２液量調整部814の制御方法について説明する。実施例１で説明した様に、第１液量調整部813で変化させる液量は目標値よりも小さくし、不足する液体変化量分を第２液量調整部814のみを駆動させて補う。こうすることで、光学性能を変化させる時間を短くできる。また、目標値よりも小さい値まで液量を変化させる際に、第１液量調整部813のみではなく第２液量調整部814も使用することで、更に変化速度を向上させることも可能である。また、前述した様に、本実施例では、第１液量調整部813の第１シリンダ815の内径は第２液量調整部814の第２シリンダ817の内径の３倍である。そのため、第１液量調整部813と第２液量調整部814を用いて光学性能を大きく変化させる場合に対して、第２液量調整部814のみを用いて透明液体810の量を調整する場合には分解能が10倍となる。第１シリンダ815の内径を第２シリンダ817の内径の３倍としたが、この値には限られず、必要に応じて適宜設定することが可能である。
【００３６】
本実施例では頂角の可変範囲を±５°としているが、可変頂角プリズム801を使用する光学システムに応じて、可変範囲を変えることもできる。また、第１液量調整部813と第２液量調整部814が夫々シリンダとピストンで構成される例を示したが、透明液体810を流出入させられれば、この構成に限らない。例を述べると、透明液体810で充填した風船状のタンクの体積を小さく変形させることでタンクから透明液体810を流出させ、可変頂角プリズム801の収容部内に透明液体810が流入する様な構成としても良い。
【００３７】
以上説明した様に、本実施例でも、可変頂角プリズム801の収容部内の透明液体810の量を調整する複数種の調整手段を用いることで、光学性能の変化速度の向上と光学性能の精度向上を両立させられる。
【００３８】
本発明の液体型光学素子の実施例として可変焦点レンズと可変頂角プリズムを説明したが、本発明の複数種の調整手段を用いる構成はこれら以外の液体型光学素子に適用することもできる。例えば、液体を通過する光の位相を可変に調整する位相調整器、非透明液体を通過する光の強度を可変に変化させるアッテネータなどにも適用することができる。この場合、例えば、図７の構造で、枠体803を図中上下に平行移動する様に取り付け、空間809内に適当な非透明液体を充填すればよい。また、上記実施例の液量調整部は、実施例間で入れ換えて使用することもできる。例えば、実施例１の液量調整部を実施例２や実施例３で用いることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
101…液体型光学素子（可変焦点レンズ）、102…収容部（枠体）、103、104…収容部（ガラス）、105…隔壁部（弾性膜）、106、107…空間、108、109…液体、110、111…流路、112…シリンダ、113…ピストン、114…液量調整部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一のレンズにおいて焦点距離を変化させることが可能な可変焦点レンズや、光の屈折方向を変化させることが可能な可変頂角プリズム等の、光学性能を変化させることが可能な液体型光学素子に関する。特に、光学性能を粗微調するための液量調整機構を備える液体型光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来のガラスや樹脂材料で作製したレンズに代わって、液体収容部の内部を液体で充填し、液量を調整することで光学性能を変化させる液体型光学素子が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、透明弾性体で囲われた空間を液体で充填し、空間内の液量を調整することで透明弾性体の曲率を変化させ、焦点距離を変化させる可変焦点レンズが開示されている。こうした可変焦点レンズをズームレンズシステムに用いると、レンズ自体の焦点距離を変化させられるため、レンズの一部を移動させる必要がなくなり、レンズシステムの全体長を短くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2003-14909号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の如き液体型光学素子において、光学性能の変化速度を速くするためには、その液体収容部に対して流出入する液体の変化量を短時間に大きく変化させなければならない。他方、液体型光学素子の光学性能を精度良く調整するためには、液体の変化量を小さくしなければならない。そのため、光学性能の変化速度の向上と光学性能の調整精度向上とは相反することであり、両立させることに課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明の液体型光学素子は次の特徴を有する。即ち、液体型光学素子は、液体の充填された少なくとも１つの空間を持つ収容部を有し、空間内の液体の量を変化させて空間を画する境界部を形状変化又は移動させることによって、光学性能を変化させることができる。更に、前記空間に連通して空間内の液体の量を変化させるための第１の調整手段と、前記空間に連通して第１の調整手段よりも小さい変化率で空間内の液体の量を変化させるための第２の調整手段とを少なくとも含む液量調整部を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の液体型光学素子によれば、異なる変化率（単位時間あたりの液体の変化量）で空間内の液体の量を変化させることが可能な複数種の調整手段を備えるので、光学性能の変化速度の向上と光学性能の調整精度向上を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の液体型光学素子の実施例１の構成を説明する図。
【図２】実施例１の複数の調整手段を説明する図。
【図３】実施例１の動作を説明する図。
【図４】実施例１の別形態の構成を説明する図。
【図５】本発明の液体型光学素子の実施例２の構成を説明する図。
【図６】実施例２の複数の調整手段を説明する図。
【図７】本発明の液体型光学素子の実施例３の構成を説明する図。
【図８】実施例３の動作を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の液体型光学素子は、光学性能の変化速度の向上と光学性能の調整精度向上を容易且つ確実に両立させるために、大小の異なる変化率で液体収容部の空間内の液体の量を変化させることが可能な複数種の調整手段を備えることを特徴とする。この考え方に基づいて、本発明の液体型光学素子は、課題を解決するための手段の所で述べた様な基本的な構成を有する。この基本構成に基づいて、種々の実施形態が可能である。
【０００９】
液体収容部内には、１つ或いは２つ以上の空間を設け、そこに１種類或いは２種類以上の液体を充填することができる。空間を画する境界部は、収容部の外壁部のみで構成することもできるし、外壁部と収容部内に設けた弾性膜の様な隔壁部とで構成することもできる。また、境界部は、互いに混じり合わない複数種の液体が接する面（ここには弾性膜の如き他の材料部を設けない）で構成することもできる。空間内の液体の量を変化させるとき、空間を画する収容部の外壁部の少なくとも一部又は収容部内の隔壁部の少なくとも一部又は複数種の液体の接触面は、形状変化或いは移動できる様になっていて、光学素子の光学性能を変化させる。液量調整部を構成する後述の第１及び第２の調整手段などの複数種の調整手段は、空間に連通していて、そこの液体の量を大きい或いは小さい変化率で調整できれば、どの様なものでも良い。例えば、複数の空間に複数種の調整手段を夫々繋げる場合、複数の空間に繋げた調整手段は必ずしも連動していなくてもよいが、後述の実施例１の様に収容部全体の容積が不変である場合は、自動的に連動する構造にすると制御が容易且つ確実になって好ましい。空間内に充填する液体は、典型的には透明液体であるが、光学素子の用途（例えば、光減衰量可変なアッテネータなど）によっては、半透明液体などの非透明な液体を用いることも可能である。
【００１０】
以下、図を用いて本発明のより具体的な実施例を説明するが、本発明の範囲は以下の構成には限定されない。
（実施例１）
本発明に係る実施例１の構成について図１を用いて説明する。本実施例は、焦点距離を変化可能な液体型光学素子である可変焦点レンズ101に関する。本実施例では、液体を収容する収容部は、枠体102とガラス103、104により構成される。また、円筒形状の枠体102の内部を封止する様に、枠体102の両端にガラス103、104が取付けられている。更に、封止空間を分割する様に、枠体102の内部にシリコーンゴム等で構成される伸縮可能な透明弾性膜105が設けられている。これにより、収容部内は第１空間106と第２空間107とに分割される。第１空間106と第２空間107には、夫々、屈折率等の光学特性が異なる水や油、シリコンオイルなどの透明な液体が充填される。本実施例では、第１空間106には第１透明液体108が充填され、第２空間107には第２透明液体109が充填されている。この様に、第１空間106は、収容部の外壁部である枠体102とガラス103及び収容部内の隔壁部である透明弾性膜105で画され、第２空間107は、枠体102とガラス104及び透明弾性膜105で画される。透明弾性膜105の縁部は必ずしも外壁部である枠体102に固定する必要はないが、変形動作をより安定的にするために固定してもよい。
【００１１】
使用する透明弾性膜105と第１透明液体108、第２透明液体109の密度が揃っていないと、可変焦点レンズ101を使用する姿勢差による重力の影響を受け、光軸のずれを生じさせる等の問題が発生する恐れがある。そこで、透明弾性膜105と第１透明液体108、第２透明液体109の密度をほぼ揃えておくことで、重力の影響を抑えることが可能となり好ましい。更には、透明弾性膜105と第１透明液体108、第２透明液体109の熱膨張係数もほぼ揃えておくことで、温度変化による可変焦点レンズ101の体積膨張に伴う密度変化も抑えることができて好ましい。
【００１２】
枠体102と透明弾性膜105で形成された第１空間106には、第１透明液体108の量を調整するために流路110が連通して設けられる。同様に、第２空間107には第２透明液体109の量を調整するために流路111が連通して設けられる。流路110、111は、シリンダ112とピストン113、ピストン113を駆動する駆動手段で構成される液量調整部114に互いに反対側から接続される。シリンダ112内をピストン113が移動することにより、収容部内の第１透明液体108、第２透明液体109の液量が調整され、夫々の液量の比率によって、透明弾性膜105の形状が変化することになる。透明弾性膜105が変形しても、第１空間106と第２空間107の容積の和は不変であるため、枠体102内に存在する第１透明液体108と第２透明液体109の容積の和も変わらない。
【００１３】
更に詳しく述べると、図１（ａ）の状態から、シリンダ112内のピストン113が矢印Aの方向に移動することで、第１空間106から第１透明液体108が流出して、第１空間106内の第１透明液体108の量が減少する。それと同時に連動して、第２透明液体109は第２空間107内に流入して、第２空間107内の第２透明液体109の量が増加する。枠体102内の第１透明液体108と第２透明液体109の容積の和は変わらないため、第１空間106から流出した第１透明液体108の量と第２空間107に流入した第２透明液体109の量は等しい。その結果、透明弾性膜105は図１（ｂ）に示す様な曲率を持ち第１空間106側に凸になった形状に変化し、可変焦点レンズ101の焦点距離が変化する。これに対して、図１（ａ）に示すシリンダ112内のピストン113がB方向に移動すると、第１空間106内の第１透明液体108の量は増加し、同時に第２空間107内の第２透明液体109の量は減少する。この場合も、第１空間106に流入する第１透明液体108の量と第２空間107から流出した第２透明液体109の量は等しい。この結果、透明弾性膜105は、図１（ｃ）に示す様な曲率を持ち第２空間107側に凸になった形状に変化する。
【００１４】
以上に説明した様に、シリンダ112内のピストン113を移動させることによって、第１空間106と第２空間107内の液量を逆相で調整し、凸レンズから凹レンズに至るまで、可変焦点レンズ101の焦点距離を変化させることが可能である。
【００１５】
次に、液量調整部114内のピストン113について図２（ａ）を用いて詳細に説明する。本実施例ではピストン113の断面積が変わる構造となっている。具体的には、円筒構造からなる第１ピストン201と、第１ピストン201の内周と同じ直径で形成され第１ピストン201に対してスライド可能な円柱形の第２ピストン202との２段構成となっている。つまり、シリンダ112内で、第１ピストン201と第２ピストン202とで構成されるピストン113がスライド可能であり、第１ピストン201の中空部内で第２ピストン202がスライド可能であるという入れ子構造となっている。本実施例では２段構成としているが、更に複数段の構成としても良い。また、本実施例ではピストン113の断面形状を円形としているが、楕円形状や矩形形状などにしてもよい。第１ピストン201は、図示しない圧電素子や電磁モータなどからなる駆動手段によって駆動される。第２ピストン202は、図示しないボイスコイルモータなどにより非接触で外部から駆動される構成であり、第１ピストン201とは独立して駆動される。本実施例では、第１空間106と第２空間107内の液体の量を変化させるための第１の調整手段は、シリンダ112とピストン113を含んで構成される。一方、第１の調整手段よりも小さい変化率で第１空間106と第２空間107内の液体の量を変化させるための第２の調整手段は、第１ピストン201と第２ピストン202を含んで構成される。
【００１６】
第１の調整手段と第２の調整手段について説明する。液体型光学素子である可変焦点レンズ101は、内部の液量によって光学特性を変化させることが可能である。そこで、光学特性を高速に変化させたい場合は、第１の調整手段を働かせ、断面積を大きくするために第１ピストン201と第２ピストン202（即ちピストン113）を一体的に同時にシリンダ112内でスライドさせる。本実施例では、例えば、第１ピストン201の外周半径を2rとし、第２ピストン202の半径（即ち第１ピストン201の内周半径）をrとする。これにより、シリンダ112内の液量を変化させるピストン断面積は、第１ピストン201と第２ピストン202の断面積の和である４πr2となり、液量を大きい変化率で変化させられる。
【００１７】
それに対して、光学特性を精度良く変化させたい場合は、図２（ｂ）に示す様に第２の調整手段を働かせ、第２ピストン202のみを第１ピストン201の内周空間内でスライドさせる。この状態では、シリンダ112内の液量を変化させるピストン断面積がπr2と小さくなり、微小に液量を調整することができる。これにより、第１の調整手段よりも小さい変化率で液量を変化させられる。第１ピストン201と第２ピストン202の半径を前述した様な大きさとすることで、第２ピストン202のみを移動させた場合は、第１ピストン201と第２ピストン202を同時に駆動した場合と比して４倍の分解能で液量を調整できる。
【００１８】
第１ピストン201と第２ピストン202の半径は、光学性能を変化させたい応答時間、精度に応じて種々の設定が可能である。本実施例では、第１ピストン201と第２のピストン202を一体的に同時に移動させる第１の調整手段の例を説明したが、第１の調整手段又は第２の調整手段として、第１ピストン201だけを移動させても良い。何れにせよ、上記ピストン113の構成において、光学特性を高速に変化させる場合と精度良く変化させる場合とで、第１ピストンと第２ピストンの駆動を別態様で制御して、相反する液量の調整性能（高速性と高精度）を両立させられる。
【００１９】
次に、第１ピストン201と第２ピストン202の制御方法の例について説明する。可変焦点レンズ101の光学特性を変化させる際に、高速且つ精度良く変化させることが望まれる。前述したピストン113の構成を用いることで、高速性と精度を両立できるが、第１の調整手段と第２の調整手段の駆動方法によって更に高速性を持たせることも可能となる。以下に説明する。図３のグラフは、第１空間106の第１透明液体108の液体量を増加させる例を示している。縦軸に可変焦点レンズ101内の液体変化量を示し、横軸は時間を表す。グラフ内の実線は第１ピストン201と第２ピストン202の断面積の和を用いる第１の調整手段による液量変化率を表し、破線は第２ピストン202のみによる第２の調整手段による液量変化率を表す。また、破線で示す第２ピストンのみで調整する時間は、目標値に対する同じ過不足分である図３のΔVで示す差分量を変化させるのに要する時間であるため、等しい時間である。グラフ内の傾き（液量変化率）は各ピストンを駆動する駆動手段の推力によって決まる。そのため、駆動手段の推力が大きい場合は傾きが急峻になり、単位液量を変化させる時間が短くなる。ここの駆動方法では、第１の調整手段で変化させる液量は目標値よりも小さくし、不足する液体変化量分を第２の調整手段のみで補う様に駆動する。これによって、駆動を開始してからt1の時間で目標値に達することが可能となる。それに対し、第１の調整手段で変化させる液体変化量を目標値よりも大きくし、目標値に対して変化させ過ぎてしまった量を第２の調整手段で調整する様に駆動すると、駆動を開始してからt2の時間を要することとなる。前者の駆動方法を用いることで、t1とt2の差分であるΔtの時間を短くでき、より光学特性の変化速度の向上を図ることができる。以上の説明では、分かり易くするために第１の調整手段を駆動した後に第２の調整手段を駆動するグラフを示したが、第１の調整手段の駆動中に第２の調整手段を駆動することで、更に光学特性の変化速度の向上が図られる。
【００２０】
本実施例では、２液を用いた２層タイプの可変焦点レンズ101の例を示したが、図４に示す様に、３層タイプの可変焦点レンズ401に本発明を適用することも可能である。この別形態では、枠体402内を３つの空間に分割する様に透明弾性膜403、404を配置し、枠体402内を第１空間405、第２空間406、第３空間407の３つの空間に分割する。ここでは、可変焦点レンズ401には２種類の前述した様な透明液体を使用する例を示すが、各空間に夫々異なる透明液体を収容しても良い。分割された各空間の液量を調整することで、夫々の透明弾性膜403、404の曲率を変化させられる。第１空間405と第２空間406は第１液量調整部408を介して流路で接続し、同様に第２空間406と第３空間407は第２液量調整部409を介して流路で接続する。第１液量調整部408、第２液量調整部409は前述した液量調整部114と同じ構造であっても良い。或いは、第１液量調整部408と第２液量調整部409のシリンダ径等を異ならせても良い。複数の液体を使用することで、様々な光学特性に応じた可変焦点レンズを構成できる。
【００２１】
以上説明した様に、本実施例によれば、可変焦点レンズ101の収容部内の複数種の透明液体の量を調整する液量調整部のピストンを多段構成とすることで、光学性能の変化速度の向上と光学性能の精度向上を両立させることができる。
【００２２】
（実施例２）
本発明に係る実施例２について図５を用いて説明する。本実施例の可変焦点レンズ501では、図５に示す様に、円筒形状の枠体502の両端に、シリコーンゴム等で構成される透明弾性膜503、504が張られている。液体の収容部を成す枠体502と透明弾性膜503、504で形成された空間505には、水や油、シリコンオイルなどの透明液体506が充填されている。また、枠体502の一部には、内部の透明液体506の液体の量を調整するために流路507が設けられている。流路507は、後述する液量調整部601に接続される。
【００２３】
図５（ａ）では、空間505内の圧力と外界の圧力が等しい場合を示している。図５（ａ）中の矢印Cの方向に透明液体506が流路507を介して空間505内に流入すると、空間505内の液量が増加し、内部圧力が上昇する。このとき、図５（ｂ）に示す様に、透明弾性膜503、504は、破線で示す元の形状から、内部圧力の変化量と透明弾性膜503、504の張力の均衡が保たれる様に外側に膨らみ、いわゆる凸レンズ形状となる。逆に、図５（ａ）中の矢印Dの方向に透明液体506が流路507を介して流出すると、空間505内の液量が減少し内部圧力が低下する。このときは、図５（ｃ）に示す様に、透明弾性膜503、504は、破線で示す元の形状から内側に変形し、いわゆる凹レンズ形状となる。この様に、空間505内の透明液体506の量を調整することで空間505内の圧力をコントロールし、焦点距離を任意に設定可能な可変焦点レンズ501を構成できる。このレンズ501では、前述した様に、空間505の内部圧力の変化量と透明弾性膜503、504の張力の均衡が保たれる様に形状が変化する。そのため、透明弾性膜503、504を異なる厚みや、異なる弾性率の材質で構成すれば、空間505内の内部圧力に応じて透明弾性膜503、504の曲率が異なる様に変化する可変焦点レンズ501を構成できる。
【００２４】
次に、図６を用いて、可変焦点レンズ501の収容部内の液体の量を調整する液量調整部601について説明する。本実施例では、液量調整部601は第１シリンダ602と第２シリンダ603の２つのシリンダを有し、第１シリンダ602には第１ピストン604が、第２シリンダ603には第２ピストン605が密着して嵌め込まれ、夫々、シリンダ内部を移動する。第１ピストン604と第２ピストン605は、シリンダの外側で第３ピストン606と結合している。第３ピストン606が図示しない駆動手段によって駆動されることで、第１シリンダ602内で第１ピストン604が、第２シリンダ603内で第２ピストン605が同時に同じ移動量を移動し、可変焦点レンズ501の収容部内の透明液体506の量が調整される。本実施例では、第１シリンダ602と第２シリンダ603は同径で構成されている。
【００２５】
第１シリンダ602には流路607が接続し、第２シリンダ603には流路608が接続されている。流路607と流路608は可変焦点レンズ501に向かう途中で上記流路507に接続されている。第１シリンダ602、第２シリンダ603から流出した透明液体506が流路507で合流する際に第３ピストン606の駆動を妨げない様にするのが好ましい。この様にするため、流路607と流路608の断面積は、夫々、流路507の断面積の半分になっているのが望ましい。更に、流路608が流路507と接続する部位には、電磁弁の様な、流路608を開放状態又は閉鎖状態とすることが可能な弁609が設けられ、流路608と流路507との間での透明液体506の流出入を制御できる構成になっている。また、流路608には、流路507に接続する部位とは異なる部位に、弁609が閉じた状態で第２ピストン605により流出させられた透明液体506が逃げられる部分となるタンク610が設けられる。タンク610には、調整用のための、可変焦点レンズ501の収容部内にある透明液体506と同じ液体が充填されている。
【００２６】
タンク610の一部には、上記収容部の透明弾性膜503、504よりも高い弾性率を持つゴムの様な特性を有した弾性膜611が張られている。弾性膜611には、透明弾性膜503、504よりも高い弾性率の材質を用いる。このことで、図６（ａ）に示す弁609の開放状態で液体506が上記収容部に流入する際に、タンク610の弾性膜611が変形せず、効率良く透明弾性膜503、504の形状を変化させられる。弁609が開放された状態で第３ピストン606を駆動して第１シリンダ602と第２シリンダ603から透明液体506を流出させると、流路607と流路608から透明液体506が可変焦点レンズ501の収容部内に流入する。それに対して、弁609が閉じた状態で、第３ピストン606を駆動して第１シリンダ602と第２シリンダ603から透明液体506を流出させると、流路607のみから透明液体506が可変焦点レンズ501の収容部内に流入する。このとき、図６（ｂ）に示す様に、第２ピストン605により流出させられた流路608内の透明液体506はタンク610側に流入し、弾性膜611を変形させる。このことで第３ピストン606の移動を妨げない様になっている。
【００２７】
実施例１で説明した様に、大きく光学特性を変化させたい場合は、第１の調整手段として、弁609を開放した状態で第３ピストン606を移動させ、可変焦点レンズ501の収容部内の液量変化率を大きくする。それに対して、光学特性を精度良く調整したい場合は、第２の調整手段として、弁609を閉じた状態で第３ピストン606を移動させる。これにより、前述した光学特性を大きく変化させる場合と同じ第３ピストン606の移動量でも液量変化率を小さくすることができる。本実施例では流路607と流路608の内径を等しくしているため、弁609を開放した場合と比較して弁609を閉鎖した場合では分解能が２倍となる。
【００２８】
しかし、例えば、流路607の内径を流路608の内径に対して半分にすることによって、精度良く調整したいときの分解能を５倍に上げることも可能である。このとき、前述した様に、第３ピストン606の移動を妨げない様に、流路607の断面積と流路608の断面積の和が、流路507の断面積と一致する様にするのが望ましい。この様に流路径を種々の大きさに設定することで、任意の分解能の設定が可能となる。本実施例の弁609は開放状態か閉鎖状態の何れかを選択できる構成であるが、開放状態で、弁609が開放する穴径をアナログ的に調整可能とすることで、流路607と流路608を種々の比率で異径とした構成と同様の作用・効果が得られる。この様に、本実施例では、液量調整部は、第１及び第２のシリンダ、第１から第３のピストン、弁609などで構成され、弁609の状態によって第１の調整手段と第２の調整手段との間で切り換えられる構成となっている。
【００２９】
本実施例の可変焦点レンズ501が所望の光学性能に達するまでの時間を短くするには、実施例１で説明した制御方法を用いることも可能である。具体的には、変化させたい液量よりも少ない量を、弁609を開放した第１の調整手段の状態で、第１シリンダ602と第２シリンダ603の両方で調整する。そして、変化させたい量までの不足分を、弁609を閉鎖した第２の調整手段の状態で、第１シリンダ602のみで調整する。この様にすることで、同じ構成でも、可変焦点レンズ501の光学性能を変化させる時間を更に短くすることが可能となる。本実施例では、夫々の流路やシリンダ、ピストン系を円筒形で示したが、矩形等の形状を用いても良い。
【００３０】
以上説明した様に、本実施例では、可変焦点レンズ501の収容部内の透明液体506の量を調整する液量調整部を弁付きの複数の流路に繋げて構成することで、光学性能の変化速度の向上と光学性能の調整精度の向上を両立させることができる。
【００３１】
（実施例３）
本発明に係る実施例３について図７と図８を用いて説明する。本実施例は、液体型光学素子である可変頂角プリズム801に関する。図７に示す様に、収容部を構成する平板802、803が距離を隔てて配置され、図７の状態では、一定の距離を隔てて平行状態となっている。平板802、803の一端は、同じく収容部を構成する固定部材804に固定され、平板803と固定部材804の結合部は回転軸805を有し、平板803が回転可能な構成となっている。平板802、803の固定部材804と対向する他端は、同じく収容部を構成するシリコーンゴム等の伸縮可能な弾性膜806に結合されている。平板802、803は、光学有効領域がガラス807、808で形成され、ここを光が透過する。本実施例では、平板802、803の一部をガラス807、808で形成しているが、全てを透明材料で形成しても良い。
【００３２】
平板802、803と固定部材804と弾性膜806で形成される空間809には、水や油、シリコンオイルなどの透明液体810が充填されている。平板802には、空間809内の透明液体810が流出入するための流路811、812が別個に設けられている。空間809に連通する流路811の他端部には、第１の調整手段である第１液量調整部813が接続され、同じく空間809に連通する流路812の他端部には、第２の調整手段である第２液量調整部814が接続されている。第１液量調整部813は第１シリンダ815と第１ピストン816で構成され、第１ピストン816は不図示の駆動手段によって第１シリンダ内を移動可能である。同様に、第２液量調整部814は第２シリンダ817と第１ピストン818で構成され、第２ピストン818は不図示の駆動手段によって第２シリンダ内を移動可能である。本実施例では、第１シリンダ815の内径は第２シリンダ817の内径の３倍に設定されている。そのため、第１液量調整部813は可変頂角プリズム801の透明液体810の量を大きく変化させられ、第２液量調整部814は可変頂角プリズム801の透明液体810の量を小さく変化させられる。
【００３３】
次に、プリズム801の頂角を変化させる動作を説明する。前述した様に、図７は可変頂角プリズム801の初期状態である平板802、803の平行状態を示す。これに対して、図８（ａ）は、αで示す平板802、803で形成される頂角が平行状態（0°）から5°傾いた状態を示す。図８（ｂ）は、βで示す平板802、803で形成される頂角が図８（ａ）とは逆方向に5°傾いた状態である。この様に、本実施例の可変頂角プリズム801は、平行状態から、頂角が±５°程度の範囲で変化可能である。そのために、図７に示す平行状態でも、頂角の変化によって弾性膜806が最も縮んだ図８（ｂ）の状態でも、弾性膜806の張力が無くならない様になっている。即ち、弾性膜806は、予め張力が付勢された状態に必ずなる様に、平板802、803に取付けられる。したがって、図７の初期状態は、弾性膜806に張力が発生している状態である。
【００３４】
図７の状態から、第１液量調整部813と第２液量調整部814で空間809内に透明液体810を流入させて、空間809内の透明液体810の量を増加させると、空間809の容積を増加させる様に弾性膜806は更に伸びる。その結果、回転軸805を中心として平板803が回転し、図８（ａ）に示す状態となる。それに対して、第１液量調整部813と第２液量調整部814によって空間809内から透明液体810を流出させると、空間809内の透明液体810の量が減少する。すると、弾性膜806では、張力によって伸びていた状態において張力を減少させる方向に力が働き、空間809の容積を減少させる様に弾性膜806は縮む。その結果、回転軸805を中心として平板803が回転し、図８（ｂ）に示す状態となる。この様に、第１液量調整部813と第２液量調整部814によって空間809内の透明液体810の量を調整することで、回転軸805を中心として平板802、803が形成する頂角を変化させられる。
【００３５】
次に、第１液量調整部813と第２液量調整部814の制御方法について説明する。実施例１で説明した様に、第１液量調整部813で変化させる液量は目標値よりも小さくし、不足する液体変化量分を第２液量調整部814のみを駆動させて補う。こうすることで、光学性能を変化させる時間を短くできる。また、目標値よりも小さい値まで液量を変化させる際に、第１液量調整部813のみではなく第２液量調整部814も使用することで、更に変化速度を向上させることも可能である。また、前述した様に、本実施例では、第１液量調整部813の第１シリンダ815の内径は第２液量調整部814の第２シリンダ817の内径の３倍である。そのため、第１液量調整部813と第２液量調整部814を用いて光学性能を大きく変化させる場合に対して、第２液量調整部814のみを用いて透明液体810の量を調整する場合には分解能が10倍となる。第１シリンダ815の内径を第２シリンダ817の内径の３倍としたが、この値には限られず、必要に応じて適宜設定することが可能である。
【００３６】
本実施例では頂角の可変範囲を±５°としているが、可変頂角プリズム801を使用する光学システムに応じて、可変範囲を変えることもできる。また、第１液量調整部813と第２液量調整部814が夫々シリンダとピストンで構成される例を示したが、透明液体810を流出入させられれば、この構成に限らない。例を述べると、透明液体810で充填した風船状のタンクの体積を小さく変形させることでタンクから透明液体810を流出させ、可変頂角プリズム801の収容部内に透明液体810が流入する様な構成としても良い。
【００３７】
以上説明した様に、本実施例でも、可変頂角プリズム801の収容部内の透明液体810の量を調整する複数種の調整手段を用いることで、光学性能の変化速度の向上と光学性能の精度向上を両立させられる。
【００３８】
本発明の液体型光学素子の実施例として可変焦点レンズと可変頂角プリズムを説明したが、本発明の複数種の調整手段を用いる構成はこれら以外の液体型光学素子に適用することもできる。例えば、液体を通過する光の位相を可変に調整する位相調整器、非透明液体を通過する光の強度を可変に変化させるアッテネータなどにも適用することができる。この場合、例えば、図７の構造で、枠体803を図中上下に平行移動する様に取り付け、空間809内に適当な非透明液体を充填すればよい。また、上記実施例の液量調整部は、実施例間で入れ換えて使用することもできる。例えば、実施例１の液量調整部を実施例２や実施例３で用いることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
101…液体型光学素子（可変焦点レンズ）、102…収容部（枠体）、103、104…収容部（ガラス）、105…隔壁部（弾性膜）、106、107…空間、108、109…液体、110、111…流路、112…シリンダ、113…ピストン、114…液量調整部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の充填された少なくとも１つの空間を持つ収容部を有し、前記空間内の液体の量を変化させて前記空間を画する境界部を形状変化又は移動させることによって、光学性能を変化させることが可能な液体型光学素子であって、
前記空間に連通して前記空間内の液体の量を変化させるための第１の調整手段と、前記空間に連通して前記第１の調整手段よりも小さい変化率で前記空間内の液体の量を変化させるための第２の調整手段とを少なくとも含む液量調整部を備えることを特徴とする液体型光学素子。
【請求項２】
前記液量調整部は、シリンダと、前記シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第１ピストンと、前記第１ピストンの中空部内にスライド可能に嵌め込まれた第２ピストンを有し、
前記第１の調整手段は、前記シリンダ、及び前記シリンダ内を一体的にスライドする前記第１ピストンと第２ピストンにより構成され、
前記第２の調整手段は、前記第１ピストン、及び前記第１ピストンの中空部内をスライドする第２ピストンにより構成され、
前記シリンダの内部は流路を介して前記空間に連通されていることを特徴とする請求項１に記載の液体型光学素子。
【請求項３】
前記第１の調整手段は、第１シリンダと、前記第１シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第１ピストンにより構成され、
前記第２の調整手段は、前記第１シリンダより小さい内径を持つ第２シリンダと、前記第２シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第２ピストンにより構成され、
前記第１及び第２のシリンダの内部は、夫々、別個の流路を介して前記空間に連通されていることを特徴とする請求項１に記載の液体型光学素子。
【請求項４】
前記液量調整部は、第１シリンダと、前記第１シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第１ピストンと、第２シリンダと、前記第２シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第２ピストンと、前記第１シリンダと前記第２シリンダを夫々前記空間に連通させる流路に設けられた弁を有し、
前記液量調整部は、前記弁の状態を変化させることで第１の調整手段と第２の調整手段との間で切り換えられて動作することを特徴とする請求項１に記載の液体型光学素子。
【請求項５】
前記液量調整部は、
前記第１の調整手段が前記空間内の液体を目標の液体変化量より小さな分量のみ変化させた後に、前記第２の調整手段が前記空間内の液体を前記目標の液体変化量と前記分量の差分量のみ変化させる如く動作できる様に構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の液体型光学素子。
【請求項６】
前記収容部は複数の空間を有し、
少なくとも２種類の液体が前記複数の空間内に充填され、
前記液量調整部は、前記複数の空間内の液体の量を変化させることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の液体型光学素子。
【請求項１】
液体の充填された少なくとも１つの空間を持つ収容部を有し、前記空間内の液体の量を変化させて前記空間を画する境界部を形状変化又は移動させることによって、光学性能を変化させることが可能な液体型光学素子であって、
前記空間に連通して前記空間内の液体の量を変化させるための第１の調整手段と、前記空間に連通して前記第１の調整手段よりも小さい変化率で前記空間内の液体の量を変化させるための第２の調整手段とを少なくとも含む液量調整部を備えることを特徴とする液体型光学素子。
【請求項２】
前記液量調整部は、シリンダと、前記シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第１ピストンと、前記第１ピストンの中空部内にスライド可能に嵌め込まれた第２ピストンを有し、
前記第１の調整手段は、前記シリンダ、及び前記シリンダ内を一体的にスライドする前記第１ピストンと第２ピストンにより構成され、
前記第２の調整手段は、前記第１ピストン、及び前記第１ピストンの中空部内をスライドする第２ピストンにより構成され、
前記シリンダの内部は流路を介して前記空間に連通されていることを特徴とする請求項１に記載の液体型光学素子。
【請求項３】
前記第１の調整手段は、第１シリンダと、前記第１シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第１ピストンにより構成され、
前記第２の調整手段は、前記第１シリンダより小さい内径を持つ第２シリンダと、前記第２シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第２ピストンにより構成され、
前記第１及び第２のシリンダの内部は、夫々、別個の流路を介して前記空間に連通されていることを特徴とする請求項１に記載の液体型光学素子。
【請求項４】
前記液量調整部は、第１シリンダと、前記第１シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第１ピストンと、第２シリンダと、前記第２シリンダ内にスライド可能に嵌め込まれた第２ピストンと、前記第１シリンダと前記第２シリンダを夫々前記空間に連通させる流路に設けられた弁を有し、
前記液量調整部は、前記弁の状態を変化させることで第１の調整手段と第２の調整手段との間で切り換えられて動作することを特徴とする請求項１に記載の液体型光学素子。
【請求項５】
前記液量調整部は、
前記第１の調整手段が前記空間内の液体を目標の液体変化量より小さな分量のみ変化させた後に、前記第２の調整手段が前記空間内の液体を前記目標の液体変化量と前記分量の差分量のみ変化させる如く動作できる様に構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の液体型光学素子。
【請求項６】
前記収容部は複数の空間を有し、
少なくとも２種類の液体が前記複数の空間内に充填され、
前記液量調整部は、前記複数の空間内の液体の量を変化させることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の液体型光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４８１０９（Ｐ２０１１−２４８１０９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２１４４５（Ｐ２０１０−１２１４４５）
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【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８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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