JP2002162506A - 光学素子、光学装置および撮影装置 - Google Patents

光学素子、光学装置および撮影装置

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JP2002162506A
JP2002162506A JP2000359996A JP2000359996A JP2002162506A JP 2002162506 A JP2002162506 A JP 2002162506A JP 2000359996 A JP2000359996 A JP 2000359996A JP 2000359996 A JP2000359996 A JP 2000359996A JP 2002162506 A JP2002162506 A JP 2002162506A
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liquid
optical element
container
optical
space
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JP2000359996A
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Goro Noto
悟郎 能登
Ichiro Onuki
一朗 大貫
Eirishi Kawanami
英利子 川浪
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B26/004Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid
    • G02B26/005Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid based on electrowetting
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
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    • G02B3/00Simple or compound lenses
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    • G02B3/14Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体を利用した光学素子に温度補償機能を付
加すると大型化する。 【解決手段】 容器内に形成した液室に液体121,1
22を収容して構成される光学素子201において、容
器の壁部105の厚み内に、液室に対してフィルム状の
可撓性部材150,151により仕切られた空間152
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体を利用した光
学素子およびこの光学素子を有する光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、レンズを機械的に移動させること
なく可変焦点化にするために種々の提案がなされてい
る。
【0003】例えば、特開平11−133210号公報
では、透明液体を密閉容器に封止し、容器が備えている
第1電極と導電性弾性板との間に電位差を与えるように
した光学素子が提案されている。
【0004】この光学素子では、第1電極と導電性弾性
板との間に電位差を与えることにより、クーロン力によ
る吸引力を発生させて両者の間隔を狭め、両者の間隔か
ら排斥された透明液体の体積をもって、透明弾性板の中
央部分を透明液体に背向して凸形に変形させ、凸状に変
形した透明弾性板と透明板と両者の間を満たしている透
明液体とで凸レンズを形成させる。そして、この上記電
位差を変化させることによって凸レンズのパワーを変化
させることで、可変焦点の光学素子を構成している。
【0005】一方、エレクトロウェッティング効果(電
気毛管現象)を用いた可変焦点レンズが、国際特許99
/18456号にて開示されている。この可変焦点レン
ズでは、電気エネルギを直接、密閉容器に封止された第
1の透明液体と第2の透明液体との界面が形成するレン
ズの形状変化に用いることができるため、レンズを機械
的に移動させること無く可変焦点にすることができる。
その動作原理について本願図15〜図19を用いて説明
する。
【0006】図15および図16には、上記光学素子の
構成を示す断面図である。なお、ここでは、光軸123
が上下方向に延びているものとして説明する。
【0007】この図において、101は光学素子の全体
を示している。102は中央に凹部を設けた透明アクリ
ル製の透明基板である。この透明基板102の上面に
は、所定の表面抵抗率を有した、薄膜上の抵抗体である
透明電極103が形成され、その上面には透明アクリル
製の絶縁層104が密着して設けられる。なお、この透
明電極103には、後述するように複数の接続部が設け
られているが、図15および図16では示していない。
【0008】絶縁層104は、透明電極103の中央に
レプリカ樹脂を滴下し、ガラス板で押しつけて表面を平
滑にした後、UV照射を行い硬化させて形成する。絶縁
層104の上面には、遮光性を有した円筒型の容器本体
105が接着固定され、その上面には透明アクリル製の
上カバー106が接着固定される。
【0009】さらに、上カバー106の上面には、中央
部に直径D3の開口を有した絞り板107が配置され
る。
【0010】以上の構成において、絶縁層104、容器
本体105および上カバー106で囲まれた所定体積の
密閉空間、すなわち液室を有した筐体たる容器が形成さ
れる。そして、液室の壁面には、以下に示す表面処理が
施されている。
【0011】まず、絶縁層104の中央上面には、直径
D1の範囲内に撥水処理剤が塗布され、撥水膜111が
形成されている。撥水処理剤としては、フッ素化合物等
が好適である。
【0012】また、絶縁層104の上面の直径D1より
外側の範囲には、親水処理剤が塗布され、親水膜112
が形成されている。親水剤としては、界面活性剤、親水
性ポリマー等が好適である。
【0013】一方、上カバー106の下面には、直径D
2の範囲内に親水処理が施され、親水膜112と同様の
性質を有した親水膜113が形成されている。
【0014】そしてこれまでに説明したすべての構成部
材は、光軸123に対して回転対称形状をしている。
【0015】容器本体105の一部には孔が開けられて
おり、ここに棒状電極125が挿入される。棒状電極1
25と孔との隙間は接着剤で封止され、液室の密閉性が
維持されている。
【0016】そして、透明電極103の各接続部(不図
示)と棒状電極125には給電回路126が接続され、
スイッチ127の操作で両電極間に所定の電圧が印加可
能になっている。
【0017】以上の構成の容器内の液室には、以下に示
す2種類の液体が充填収容される。まず、絶縁層104
上の撥水膜111の上には、第2の液体122が所定量
だけ滴下される。第2の液体122は無色透明で、比重
1.06、室温での屈折率1.49のシリコーンオイル
が用いられる。
【0018】また、液室内の残りの空間には、第1の液
体121が充填される。第1の液体121は、水とエチ
ルアルコールが所定比率で混合され、更に所定量の食塩
が加えられた、比重1.06、室温での屈折率1.38
の電解液(導電性又は有極性を有する液体)である。
【0019】すなわち、第1および第2の液体121,
122は、比重が等しく、屈折率が異なり、かつ互いに
混ざることのない(不溶な)液体が選定される。そし
て、両液体121,122は界面124を形成し、混ざ
り合わずにそれぞれが独立して存在する。
【0020】次に、界面124の形状について説明す
る。まず、図15に示すように、第1の液体121と透
明電極103間に電圧が印加されていない場合、界面1
24の形状は、両液体121,122間の界面張力、第
1の液体121と絶縁層104上の撥水膜111あるい
は親水膜112との界面張力、第2の液体122と絶縁
層104上の撥水膜111あるいは親水膜112との界
面張力および第2の液体122の体積で決まる。
【0021】本光学素子101では、第2の液体122
の材料であるシリコーンオイルと、撥水膜111との界
面張力が相対的に小さくなるように材料選定されてい
る。すなわち、両材料間の濡れ性が高いため、第2の液
体122が形成するレンズ状液滴の外縁は広がる性向を
持ち、外縁が撥水膜111の塗布領域に一致したところ
で安定する。つまり、第2の液体122が形成するレン
ズ底面の直径A1は、撥水膜111の直径D1に等し
い。
【0022】さらに、両液体121,122の比重は上
述したように互いに等しいため、これら両液体121,
122には見かけ上重力は作用しない。このため、界面
124は球面になり、その曲率半径および高さh1は第
2の液体122の体積により決まる。また、第1の液体
121の光軸上の厚さはt1になる。
【0023】一方、スイッチ127が閉成され、第1の
液体121と透明電極103間に電圧が印加されると、
エレクトロウェッティング効果によって第1の液体12
1と親水膜112との界面張力が減少し、第1の液体1
21が親水膜112と撥水膜111の境界を乗り越えて
撥水膜111上に入り込む。
【0024】この結果、図16に示すように、第2の液
体122が作るレンズの底面の直径はA1からA2に減
少し、高さはh1からh2に増加する。また、第1の液
体121の光軸上の厚さはt2になる。
【0025】このように第1の液体121への電圧印加
によって、2種類の液体の界面張力の釣り合いが変化
し、両液体121,122間の界面124の形状が変わ
る。このため、給電回路126の電圧制御によって界面
124の形状を自在に変えめことができる光学素子が実
現できる。
【0026】また、第1および第2の液体121,12
2が異なる屈折率を有しているため、光学レンズとして
のパワーが付与されることになり、光学素子101は界
面124の形状変化によって焦点距離が可変であるレン
ズとなる。
【0027】さらに、図15に比べて図16の界面12
4の方が曲率半径が短くなるので、図16に示した状態
の光学素子101の方が図15の状態に比べて光学素子
101の焦点距離が短くなる。
【0028】なお、このエレクトロウェッティングによ
る2液界面の変形原理は、国際特許99/18456号
に開示されており、界面124は、同特許の図2に記載
された2液界面のポジションAおよびBに相当する。
【0029】図17には、給電回路126の出力電圧と
光学素子101の変形との関係を示している。
【0030】同図(a)において、時刻t0に光学素子
101に対して電圧値V0の電圧を印加すると、時定数
t11で光学素子101の界面124の変形が始まる
(図17(b)参照)。このまま電圧印加を続けていて
も、界面124が所望の変化量δ0に達する迄にはかな
り長い時間が必要となる。そこで、光学系としては誤差
として許容できる変形量、例えば図17(b)において
は所望の界面変化量δ0の95%(0.95δ0と表
記)まで界面124が変形した時(時刻t12)に所望
の変形量に達したと見なす。
【0031】この変形量に達しなければ、光学素子10
1の次の制御、例えば光学素子101に印加している電
圧値を変更するといった制御には進まない設定になって
いる。なお、この許容できる変形量は、光学素子101
が組込まれる光学系に基づいて決定されるものである。
【0032】図18には、上記給電回路126を含む、
給電制御回路の構成を示している。ここでは、透明電極
103の複数の接続部に等しい電圧が印加された場合の
動作を説明する。
【0033】130は光学素子101の動作を制御する
中央演算処理装置(以下、CPUと略す)であり、RO
M、RAM、EEPROM、A/D変換機能、D/A変
換機能、PWM(Pulse Width Modulation)機能を有す
る1チップマイコンである。
【0034】給電回路131のうち、132は乾電池等
の直流電源、133は電源132から出力された電圧を
CPU130の制御信号に応じて所望の電圧値へと昇圧
するDC/DCコンバータ、134,135はCPU1
30の制御信号、例えばPWM機能が実現される周波数
/デューティ比可変信号に応じて、その信号レベルをD
C/DCコンバータ133で昇圧された電圧レベルにま
で増幅する増幅器である。
【0035】また、増幅器134は光学素子101の透
明電極103に、増幅器135は光学素子101の棒状
電極125にそれぞれ接続されている。なお、ここでは
説明を簡略化するために、透明電極103には増幅器1
34から出力される電圧がその表面に一定の値として印
加されるものとする。
【0036】この構成により、CPU130の制御信号
に応じて、電源132の出力電圧がDC/DCコンバー
タ133、増幅器134、増幅器135によって所望の
電圧値、周波数およびデューティで光学素子101に印
加されるようになる。
【0037】図19には、増幅器134,135から出
力される電圧波形を示している。なお、DC/DCコン
バータ133から増幅器134,135へそれぞれ10
0Vの電圧が出力されたものとして以下説明を行う。
【0038】図19(a)に示すように、増幅器13
4,135はそれぞれ光学素子101に接続されてい
る。増幅器134からは、図19(b)に示すように、
CPU130の制御信号により所望の周波数、デューテ
ィ比で矩形波形の電圧が出力される。
【0039】一方、増幅器135からは、図19(c)
に示したようにCPU130の制御信号により、増幅器
134とは逆位相で、同一周波数、同一デューティ比の
矩形波形の電圧が出力される。これにより、光学素子1
01の透明電極103および棒状電極125間に印加さ
れる電圧は、図19(d)に示すように±100Vの矩
形波形の電圧、つまり交流電圧となる。
【0040】このため、給電回路131によって光学素
子101には交流電圧が印加されることになる。
【0041】ところで、光学素子101に印加される電
圧の印加開始からの実効値は図19(e)の様に表すこ
とができるので、以後、光学素子101に印加する交流
電圧の波形を図19(e)にならって表すこととする。
【0042】なお、上記説明中、増幅器134,135
から矩形波形の電圧が出力されるものとして説明した
が、正弦波出力でも同様の構成となる。
【0043】また、上記説明中、給電回路131に電源
132が組込まれた場合について説明を行ったが、外付
けの電源によって光学素子101に交流印加されるよう
にしてもよい。
【0044】次に、図20を用いて従来の他の光学素子
について説明する。同図において、301は光学素子の
全体を示す。302は円盤形の透明アクリルあるいはガ
ラス製の第1の封止板である。
【0045】303は電極リングで、外径寸法は均一、
内径寸法は下方向に向かって徐々に直径が大きくなって
いる。この電極リング303は、不導体でできたリング
部材の表面に、カーボンと樹脂の混合物等の抵抗体を設
けたリング状部材である。
【0046】電極リング303の内面全周には、アクリ
ル樹脂等でできた絶縁層304が密着形成される。絶縁
層304の内径寸法は均一なため、厚さは下に向かって
徐々に増加する。そして絶縁層304の内面全周の下側
には撥水処理剤が塗布され、撥水膜311が形成されて
いるとともに、絶縁層304の内面全周の上側には親水
処理剤が塗布され、親水膜312が形成されている。
【0047】306は円盤形の透明アクリルあるいはガ
ラス製の第2の封止板で、その一部には孔が開けられ
た、ここに棒状電極325が挿入される。棒状電極32
5と孔との隙間は接着剤で封止される。
【0048】307は光学素子301に入射する光束の
径を制限する絞り板であり、第2の封止板306の上面
に固定される。そして、下ケース330、第1の封止板
302、電極リング303および第2の封止板306は
互いに接着固定され、これらの部材で囲まれた所定体積
の密閉空間、すなわち液室を有した筐体としての容器が
形成される。
【0049】この容器は、棒状電極325の挿入部以外
は光軸323に対して軸対称形状をなしている。そし
て、液室には、以下に示す2種類の液体が充填される。
【0050】まず、液室の底面側には、第2の液体32
2が、その液柱の高さが撥水膜311形成部と同一の高
さになる分量だけ滴下される。第2の液体322は無色
透明で、比重1.06、室温での屈折率1.49のシリ
コーンオイルが用いられる。続いて、液室内の残りの空
間には、第1の液体321が充填される。第1の液体3
21は、水とエチルアルコールが所定比率で混合され、
更に所定量の食塩が加えられた、比重1.06、室温で
の屈折率1.38の電解液である。
【0051】すなわち、第1および第2の液体321,
322は、比重が等しく、屈折率が異なり、かつ互いに
混ざることのない(不溶な)液体が選定される。そし
て、両液体321,322は界面324を形成し、混ざ
り合わずにそれぞれが独立して存在する。
【0052】そして、この界面324の形状は、液室
(容器)の内壁、第1の液体321および第2の液体3
22の3物質が交わる点、すなわち界面324の外縁部
に働く3つの界面張力の釣り合いで決まる。
【0053】131は図18に示した給電回路126と
同一の構成および作用をなす給電回路である。
【0054】この給電回路131の増幅器134は電極
リング303に接続され、増幅器135は棒状電極32
5に接続されている。
【0055】以上の構成において、第1の液体321に
は棒状電極325を介して電圧が印加され、エレクトロ
ウェッティング効果によって界面324が変形する。
【0056】次に、光学素子301における界面324
の変形と、この変形によってもたらされる光学作用につ
いて図21を用いて説明する。
【0057】まず、第1の液体321に電圧が印加され
ていない場合、図21(a)に示すように、界面324
の形状は、両液体321,322間の界面張力、第1の
液体321と絶縁層304上の撥水膜311あるいは親
水膜312との界面張力、第2の液体322と絶縁層3
04上の撥水膜311あるいは親水膜312との界面張
力、および第2の液体322の体積で決まる。また、第
1の液体321の光軸上の厚さはh1になる。
【0058】一方、第1の液体321に電圧が印加され
ると、エレクトロウェッティング効果によって第1の液
体321と親水膜312との界面張力が減少し、第1の
液体321が親水膜312と撥水膜311の境界を乗り
越えて撥水膜311上に入り込む。この結果、図21
(b)に示すように、第2の液体322の高さはh1か
らh2に増加する。また、第1の液体321の光軸上の
厚さはt2になる。
【0059】このように第1の液体321と電極リング
303間への電圧印加によって、2種類の液体の界面張
力の釣り合いが変化し、両液体321,322間の界面
324の形状が変わる。こうして、給電回路131の電
圧制御によって界面324の形状を自在に変えられる光
学素子が実現できる。
【0060】また、第1および第2の液体321,32
2が異なる屈折率を有しているため、光学レンズとして
のパワーが付与されることになり、光学素子301は界
面324の形状変化によって焦点距離が変化する可変焦
点レンズとなる。
【0061】さらに、図21(a)の状態に比べて図2
1(b)の状態での界面324の方が曲率半径が短くな
るので、図21(b)の光学素子301の方が図21
(a)の状態に比べて光学素子301の焦点距離が短く
なる。
【0062】なお、このエレクトロウェッティング効果
による2液界面の変形原理も、国際特許99/1845
6号に開示されており、界面324は、同特許の図6に
記載された2液界面のポジションAおよびBに相当す
る。
【0063】ところで、上記のように液体が密閉容器に
収容されている光学素子では、温度補償機能を持たない
場合、周囲の温度環境の変化や長時間動作に伴う温度上
昇などによって、容器中の液体が熱膨張や熱収縮を起こ
すと、レンズとしての光学パワーが変化し、焦点距離が
変化してしまう。
【0064】そこで、この問題を解決するために種々の
提案がなされているが、例えば、特開2000−815
03号公報では、以下に説明する温度補償手段を備えた
光学素子が提案されている。
【0065】すなわち、レンズ容器の外周部に、容器内
の透明液体が充填されている内部空間に連通するタンク
を備えた温度補償部を設け、この温度補償部によって熱
膨張および熱収縮によって増減する透明液体の体積の変
動分を吸収するようにしている。また、温度補償部のタ
ンクの壁面のうち少なくとも一部は変形容易な弾性壁と
なっている。
【0066】これにより、周囲の温度環境の変化や長時
間動作に伴う温度上昇などによって容器中の透明液体が
熱膨張や熱収縮を起こした場合でも、温度補償部によっ
て透明液体の体積のうち温度変動分が吸収または供給さ
れ、温度変化等による光学パワーの変動を抑制してい
る。
【0067】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開2000−81503号公報にて提案の構成では、レ
ンズ容器の外周部に温度補償部が設けられるので、光学
素子全体としての径方向の寸法増大を招くという問題が
ある。
【0068】そこで本発明は、液体を利用した光学素子
に関して、温度変化に伴う液体の体積変化を吸収する機
能を光学素子を大型化させることなく持たせることを目
的としている。
【0069】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、容器内に形成した液室に液体を収容
して構成される光学素子において、容器の壁部の厚み内
に、液室に対してフィルム状の可撓性部材により仕切ら
れた空間を形成している。
【0070】これにより、温度変化により液体が膨張し
た場合には、この膨張とともに可撓性部材が上記空間内
に入り込むよう変形することによって液室の体積を増加
させ、また液体に収縮が生じた場合には、この減少とと
もに可撓性部材が液室側に変形することによって液室の
体積を減少させることが可能となる。このように、本発
明では、きわめて簡単な構成により温度変化に伴う液体
の体積変化を吸収する機能を光学素子に持たせている。
しかも、上記空間を、容器の壁部の厚み内に形成してい
るので、光学素子の大型化を防止することが可能であ
る。
【0071】なお、上記空間の近傍に容器を構成する複
数の部材の組み合わせ箇所がある場合、上記可撓性部材
を、これら複数の部材の組み合わせ箇所に保持させるよ
うにし、可撓性部材の容器による保持(さらには、組み
合わせ箇所の液密性確保)および光学素子の組み立てを
容易に行えるようにしてもよい。
【0072】また、液室に、導電性又は有極性を有する
第1の液体とこの第1の液体と混合することのない第2
の液体とが収容され、第1の液体と容器側に設けられた
電極間への印加電圧の変化に応じて第1の液体と第2の
液体との界面の形状が変化することにより光学特性が変
化する光学素子においては、上記空間と、液室内におけ
る第1および第2の液体のうちいずれか一方の収容領域
とを上記可撓性部材により仕切るようにしてもよい。
【0073】そして、上記のような光学素子を用いて光
学素子や撮影装置を構成すれば、コンパクトな光学素子
および撮影装置を実現することが可能となる。
【0074】
【発明の実施の形態】(第1実施形態)図1には、本発
明の第1実施形態である光学素子および給電制御回路か
らなる光学装置の構成を示している。なお、本実施形態
において、図15および図16を用いて説明した光学素
子および給電制御回路と共通する構成要素については図
15および図16と同符号を付して説明に代える。ま
た、図1中のA部を、図2から図4に示す。
【0075】本実施形態では、絶縁層104、容器本体
105および上カバー106により容器が構成され、こ
の容器内に形成された液室内には、第1の液体121と
第2の液体122とが互いに混ざることなく界面124
を形成して収容されている。
【0076】容器本体(壁部)105の上部における全
周のうち少なくとも1ヶ所には、容器本体105の本来
必要な壁厚内に収まるように、空間152が形成されて
いる。この空間152は、容器本体105の上部にて外
壁部分105bとこれよりも一段下がった内壁部分10
5aとの間に挟まれるかたちで形成されており、後述す
る封止フィルム150,151がない状態では、上記内
壁部分105aの上端面と上カバー106の下面との間
の隙間を通じて液室側に開口している。
【0077】また、容器本体105と上カバー106
(容器を構成する複数の部材)との間には、2枚のリン
グ状に形成された封止フィルム(フィルム状の可撓性部
材)150,151が重ねて配置されている。
【0078】なお、本実施形態では、2枚の封止フィル
ムを用いているが、1枚の封止フィルムを容器本体10
5と上カバー106とに固定するようにしてもよう。但
し、本実施形態のように2枚の封止フィルムを用いた方
が組立て性において優れている。
【0079】封止フィルム150,151は、例えば単
層高分子フィルムもしくは複層高分子フィルムにより形
成されており、液体および空気を通さず、弾性変形が容
易なものである。
【0080】封止フィルム150のうち空間152に対
向していない部分は、容器本体105の上端面に接着等
により固定されている。また、封止フィルム150のう
ち空間152に対向する部分は、その外径側部分が容器
本体105の外壁部分105bの上端面に、また内径側
部分が容器本体105の内壁部分105aの上端面にそ
れぞれ接着等により固定されている。これにより、封止
フィルム150は、液室と空間152とを相互に密閉し
て仕切ることができる。
【0081】このため、液室から空間152内に第1の
液体121が漏れ出したり、空間152から空気が液室
に漏れ出したりすることはない。
【0082】また、封止フィルム151は、上カバー1
06の外径側部分に接着等により固定されている。
【0083】さらに、両封止フィルム150,151は
熱溶着等で一体化されている。ただし、封止フィルム1
50における空間152を封止している箇所について
は、その外縁部150aが封止フィルム151の外縁部
151aに熱溶着等で一体化されている。これにより容
器本体105と上カバー106との組み合わせ箇所を液
密に封止することができる。
【0084】次に、図2から図4を用いて封止フィルム
150および空間152による温度補償機能について説
明する。
【0085】図2に示すように、常温時では容器本体1
05に固定された封止フィルム150は、液室内の液圧
によって空間152の内側にわずかに入り込んでいる。
【0086】図3に示すように、光学素子201の周囲
環境温度が上昇して第1の液体121が熱膨張した場合
には、その体積増加分だけ、封止フィルム150が空間
152の内側にさらに撓むことで、実質的な液室内の容
積が増加し、この体積増加分が吸収される。
【0087】一方、図4に示すように、光学素子201
の周囲環境温度が下降して第1の液体121が熱収縮し
た場合には、その体積減少分だけ、封止フィルム150
が空間152側から液室側に撓むことで、実質的な液室
内の容積が減少し、この体積減少分が吸収される。
【0088】したがって、第1の液体121の熱膨張・
熱収縮による第2の液体122との界面124の形状変
化を防止することが可能となり、光学パワーの変化も防
止することができる。
【0089】このように本実施形態によれば、簡単な構
成で、しかも光学素子201(特に、容器外径)を大型
化することなく、温度変化に伴う第1の液体121の体
積変化に起因した光学パワーの変動を防止することがで
きる。
【0090】なお、本実施形態では、エレクトロウェッ
ティング効果を利用した光学素子について説明したが、
本実施形態にて説明した温度補償構造は、少なくとも1
種類の液体を容器内に収容して構成される光学素子に適
用することができる。
【0091】(第2実施形態)図5には、本発明の第2
実施形態である光学素子および給電制御回路からなる光
学装置の構成を示している。なお、本実施形態におい
て、第1実施形態と共通する構成要素については第1実
施形態と同符号を付して説明に代える。また、図5中の
B部を、図6から図8に示す。
【0092】本実施形態の光学素子250では、絶縁層
104、容器本体105、リング形状の上容器160お
よびこの上容器160の内径側に接着等により固定され
た上カバー106とから容器が構成され、この容器内に
形成された液室内には、第1の液体121と第2の液体
122とが互いに混ざることなく界面124を形成して
収容されている。
【0093】上容器(壁部)160における容器本体1
05の上端面と対向する内径側部分の全周のうち少なく
とも1ヶ所には、上カバー106の外周端面とともに空
間152′を形成する凹部160aが形成されている。
空間152′は上容器160の本来必要な壁厚内に収ま
る大きさのものであり、後述する封止フィルム170
1,171がない状態では、容器本体105の上端面と
上カバー106の下面との間にできる隙間を通じて液室
側に開口する。
【0094】また、容器本体105の上端面と上容器1
60および上カバー106の下面との間には、2枚のリ
ング状の封止フィルム(フィルム上の可撓性部材)17
0,171が配置されている。これら封止フィルム17
0,171としては、第1実施形態の封止フィルム15
0,151と同様の素材により形成されている。
【0095】封止フィルム170は、この封止フィルム
170の裏面側170aにおいて容器本体105の上端
面に接着等で固定されている。
【0096】一方、封止フィルム171のうち空間15
2′に対向していない部分は、その全面が上容器160
の下面および上カバー106の下面に接着等により固定
されている。また、封止フィルム171のうち空間15
2′に対向した部分は、その内周部171aが上カバー
106の下面の外周部106aに接着等により固定され
ている。
【0097】さらに、両封止フィルム170,171は
熱溶着等で一体化されている。ただし、封止フィルム1
71のうち空間152′に対向している部分について
は、その外縁部171bが封止フィルム170の外縁部
171bに熱溶着等で一体化されている。これにより、
封止フィルム170,171は、液室を空間152′に
対して仕切ることができるとともに、容器本体105と
上容器160との組み合わせ箇所において液室を液密状
態に封止することができる。
【0098】なお、上容器160の下面における凹部1
60aが形成された部分には、この凹部160aから外
周方向に延びる溝部153が形成され、この部分では上
容器160と封止フィルム171とは固定されていな
い。このため、封止フィルム171は上容器160に形
成された凹部160a(つまりは、空間152′)に対
して自由に弾性変形することができる。
【0099】次に、図6から図8を用いて封止フィルム
171および空間152′による温度補償機能について
説明する。
【0100】図6に示すように、常温時では上カバー1
06に内径部分171aが固定された封止フィルム17
1は、液室内の液圧によって空間152′の内側にわず
かに入り込んでいる。
【0101】図7に示すように、光学素子250の周囲
環境温度が上昇して第1の液体121が熱膨張した場合
には、その体積増加分だけ、封止フィルム171が空間
152′の内側にさらに撓むことで、実質的な液室内の
容積が増加し、この体積増加分が吸収される。
【0102】一方、図8に示すように、光学素子250
の周囲環境温度が下降して第1の液体121が熱収縮し
た場合には、その体積減少分だけ、封止フィルム171
が空間152′側から液室側に撓むことで、実質的な液
室内の容積が減少し、この体積減少分が吸収される。
【0103】したがって、第1の液体121の熱膨張・
熱収縮による第2の液体122との界面124の形状変
化を防止することが可能となり、光学パワーの変化も防
止することができる。
【0104】このように本実施形態によれば、簡単な構
成で、しかも光学素子250を大型化することなく、温
度変化に伴う第1の液体121の体積変化に起因した光
学パワーの変動を防止することができる。
【0105】なお、本実施形態では、エレクトロウェッ
ティング効果を利用した光学素子について説明したが、
本実施形態にて説明した温度補償構造は、少なくとも1
種類の液体を容器内に収容して構成される光学素子に適
用することができる。
【0106】(第3実施形態)図9には、本発明の第3
実施形態である光学素子および給電制御回路からなる光
学装置の構成を示している。なお、本実施形態におい
て、図20および図21を用いて説明した光学素子およ
び給電制御回路と共通する構成要素については図20お
よび図21と同符号を付して説明に代える。また、図9
中のC部を、図10から図12に示す。
【0107】330はリング状に形成された下ケース
(壁部)であり、その内径側において第1の封止板30
2を保持する。この下ケース330は、不導体により形
成されており、電極リング303と液密状態にて接着固
定されている。
【0108】本実施形態の光学素子350では、下ケー
ス330、第1の封止板302、電極リング303およ
び第2の封止板306により容器が構成され、この容器
内の液室には、第1の液体321および第2の液体32
2が混ざることなく界面324を形成して収容されてい
る。
【0109】下ケース330の内径側には、第1の封止
板302を保持する保持部330aが形成されており、
さらに全周の少なくとも1ヶ所には、上記保持部330
aに隣接して凹部330bが形成されている。
【0110】第1の封止板302の外径側部分は、上記
保持部330aの上側から凹部330bの上側途中まで
延びており、この第1の封止板302の外径側部分と凹
部330b(底面)との間には、接着剤332が充填さ
れ、この部分を密閉している。
【0111】そして、凹部330b内のスペースのうち
接着剤332を除いた空間331は、後述する封止フィ
ルム333がない状態では、液室に対して開口する。な
お、空間331は、下ケース330の本来必要な厚み内
に収まるものである。
【0112】333はリング状に形成された封止フィル
ムであり、第1および第2実施形態と同じ素材で形成さ
れている。
【0113】封止フィルム333のうち空間331に対
向していない部分はその全面が下ケース330の上面と
第1の封止板の外縁部302aの上面とに接着等により
固定されている。
【0114】また、封止フィルム333のうち空間33
1に対向する部分は、その内径側部分333aが第1の
封止板302の外縁部302aの上面に、その外径側部
分333bが下ケース330の外径側部分330cの上
面にそれぞれ接着等で固定されている。つまり、封止フ
ィルム333は、液室と空間331とを相互に密閉して
仕切っている。
【0115】このため、液室から空間331内に第2の
液体322が漏れ出したり、空間331から空気が液室
に漏れ出したりすることはない。
【0116】次に、図10から図12を用いて封止フィ
ルム333および空間331による温度補償機能につい
て説明する。
【0117】図10に示すように、常温時では封止フィ
ルム333は、空間331内にほとんど入り込まない状
態となっている。
【0118】図11に示すように、光学素子350の周
囲環境温度が上昇して第1の液体321が熱膨張した場
合には、その体積増加分だけ、封止フィルム333が空
間331の内側に撓むことで、実質的な液室内の容積が
増加し、この体積増加分が吸収される。
【0119】一方、図12に示すように、光学素子35
0の周囲環境温度が下降して第1の液体321が熱収縮
した場合には、その体積減少分だけ、封止フィルム33
3が液室側に撓むことで、実質的な液室内の容積が減少
し、この体積減少分が吸収される。
【0120】したがって、第1の液体321の熱膨張・
熱収縮による第2の液体322との界面324の形状変
化を防止することが可能となり、光学パワーの変化も防
止することができる。
【0121】このように本実施形態によれば、簡単な構
成で、しかも光学素子350を大型化することなく、温
度変化に伴う第1の液体121の体積変化に起因した光
学パワーの変動を防止することができる。
【0122】なお、図9に示したものとは別に、電極リ
ング303と下ケース330とを不導体で一体化し、電
極に相当する部分の表面に抵抗体を設け、さらにその抵
抗体の上に絶縁層304を形成した光学素子において
も、同様に温度補償構造を構成することができる。
【0123】また、本実施形態では、エレクトロウェッ
ティング効果を利用した光学素子について説明したが、
本実施形態にて説明した温度補償構造は、少なくとも1
種類の液体を容器内に収容して構成される光学素子に適
用することができる。
【0124】(第4実施形態)図13には、上記第1実
施形態の光学素子230を光学装置としての撮影装置に
応用した例を示している。本実施形態の撮影装置550
は、静止画像を撮像素子で電気信号に光電変換し、これ
をデジタルデータとして記録する、いわゆるデジタルス
チルカメラである。
【0125】図13において、540は複数のレンズ群
からなる撮影光学系(結像光学系)であり、第1レンズ
群541、第2レンズ群542および光学素子230に
より構成される。
【0126】この撮影光学系540は、第1レンズ群5
41の光軸方向の進退で焦点調節がなされ、光学素子2
30のパワー変化でズーミングがなされる。第2レンズ
群542は移動しないリレーレンズ群である。
【0127】そして、光学素子230は、第1レンズ群
541と第2レンズ群542の間に配置され、第1レン
ズ群541と光学素子230との間には、絞り開口径を
変化させて撮影光量を調整するための絞りユニット54
3が配置されている。
【0128】また、撮影光学系540の焦点位置(予定
結像面)には、撮像素子544が配置される。これは、
照射された光エネルギを電荷に変換する複数の光電変換
部、この電荷を蓄える電荷蓄積部およびこの電荷を転送
して外部に送出する電荷転送部からなる2次元CCD等
の光電変換素子が用いられる。
【0129】545は画像信号処理回路であり、撮像素
子544から入力したアナログの画像信号をA/D変換
し、AGC制御、ホワイトバランス、γ補正、エッジ強
調等の画像処理を施す。
【0130】551は液晶ディスプレイ等の表示器で、
撮像素子544を通じて取得した被写体像やこの撮影装
置550の動作状況を表示する。
【0131】552はCPU530をスリープ状態から
プログラム実行状態に起動するメインスイッチである。
【0132】553a,553bはそれぞれ、ワイド
(W)側およびテレ(T)側のズームスイッチであり、
撮影者によるこれらズームスイッチの操作に応じて、撮
影光学系540の焦点距離の変更駆動が行われる。
【0133】554は上記スイッチ以外の操作スイッチ
群で、撮影準備スイッチ、撮影開始スイッチ、シャッタ
ー秒時等を設定する撮影条件設定スイッチ等で構成され
る。
【0134】555は焦点検出装置で、一眼レフカメラ
に用いられる位相差検出式の焦点検出動作を行うもの
や、三角測量の原理を用いて被写体までの距離を検出す
るもの等が用いられる。
【0135】556はフォーカス駆動回路であり、第1
レンズ群541を光軸方向に進退させるアクチュエータ
とドライバ回路を含み、焦点検出装置555で演算され
たフォーカス信号に基づいてフォーカス動作を行ない、
撮影光学系540を合焦させる。
【0136】557は外部メモリであり、撮影された画
像信号を記録する。具体的には、着脱可能なPCカード
型のフラッシュメモリ等が好適である。
【0137】図14は、上記撮影装置550が有するC
PU530の動作を示す制御フローチャートである。以
下、図13および図14を用いて撮影装置550の動作
を説明する。
【0138】ステップS101において、メインスイッ
チ552がオン操作されたかどうかを判別し、オン操作
されていない時はそのまま各種スイッチの操作を待つ待
機モードの状態となる。ステップS101においてメイ
ンスイッチ552がオン操作されたと判定すると、待機
モードを解除し、次のステップS102以降へと進む。
【0139】ステップS102では、撮影者による撮影
条件の設定を受け付ける。例えば、露出制御モードの設
定(シャッター優先AE、プログラムAE等)や画質モ
ード(記録画素数の大小、画像圧縮率の大小等)、スト
ロボモード(強制発光、発光禁止等)等の設定を受け付
ける。
【0140】ステップS103では、撮影者によってW
側ズームスイッチ553aが操作されたか否かを判別す
る。オン操作されていない場合はステップS104に進
む。ここでW側ズームスイッチ553aが操作された場
合は、ステップS121に移行する。
【0141】ステップS121では、W側ズームスイッ
チ553aの操作量(操作方向やオン時間等)を検出
し、その操作量に基づいて対応する焦点距離変化量を演
算する(S122)。そして、ステップS123では、
その演算結果によって光学素子230への印加電圧量を
決定し、給電回路131の出力電圧を制御して光学素子
230に電圧を印加する(S124)。そしてステップ
S102へ戻る。
【0142】つまり、W側ズームスイッチ553aが操
作され続けている場合は、ステップS102からステッ
プS124を繰り返し実行し、W側ズームスイッチ55
3aのオン操作が終了した時点でステップS104へと
移行する。
【0143】ステップS104では、撮影者によってT
側ズームスイッチ553bが操作されたか否かを判別す
る。オン操作されていない場合はステップS105に進
む。ここでT側ズームスイッチ553bが操作された場
合は、ステップS121に移行する。
【0144】ステップS121では、T側ズームスイッ
チ553bの操作量(操作方向やオン時間等)を検出
し、その操作量に基づいて対応する焦点距離変化量を演
算する(S122)。そして、ステップS123では、
その演算結果によって光学素子230への印加電圧量を
決定し、給電回路231の出力電圧を制御して光学素子
230に電圧を印加する(S124)。そしてステップ
S102へ戻る。
【0145】つまり、T側ズームスイッチ553bが操
作され続けている場合は、ステップS102からステッ
プS124を繰り返し実行し、T側ズームスイッチ15
3bのオン操作が終了した時点でステップS105へと
移行する。
【0146】ステップS105では、撮影者によって操
作スイッチ群554のうち、撮影準備スイッチ(図14
のフローチャートではSW1と表記)のオン操作が行わ
れたか否かを判別する。オン操作されていない場合はス
テップS102に戻り、撮影条件設定の受付けや、ズー
ムスイッチ553の操作の判別を繰り返す。ステップS
105で撮影準備スイッチがオン操作されたと判定する
と、ステップS111へ移行する。
【0147】ステップS111では、撮像素子544お
よび信号処理回路545を駆動して、プレビュー画像を
取得する。プレビュー画像とは、最終記録用画像の撮影
条件を適切に設定するためおよび撮影者に撮影構図を把
握させるために撮影前に取得する画像のことである。
【0148】ステップS112では、ステップS111
で取得したプレビュー画像の受光レベルを認識する。具
体的には、撮像素子544が出力する画像信号におい
て、最高、最低および平均の出力信号レベルを演算し、
撮像素子544に入射する光量を認識する。
【0149】ステップS113では、ステップS112
で認識した受光量に基いて、撮影光学系540内に設け
られた絞りユニット543を駆動して適正光量になるよ
うに絞りユニット543の開口径を調整する。
【0150】ステップS114では、ステップS111
で取得したプレビュー画像を表示器551に表示する。
続いて、ステップS115では、焦点検出装置555を
用いて撮影光学系540の焦点調節状態を検出する。続
いて、ステップS116では、フォーカス駆動回路55
6を通じて第1レンズ群141を光軸方向に進退させ、
合焦動作を行なう。
【0151】その後、ステップS117に進み、撮影ス
イッチ(フロー図では、SW2と表記)のオン操作がな
されたか否かを判別する。オン操作されていない時はス
テップS111に戻り、プレビュー画像の取得からフォ
ーカス駆動までのステップを繰り返し実行する。
【0152】以上のように、撮影準備動作を繰り返し実
行している最中に、撮影者が撮影スイッチをオン操作す
ると、ステップS117からステップS131にジャン
プする。
【0153】ステップS131では撮像を行なう。すな
わち撮像素子544上に結像した被写体像を光電変換
し、光学像の強度に比例した電荷が各受光部近傍の電荷
蓄積部に蓄積される。
【0154】ステップS132では、ステップS131
で蓄積された電荷を電荷転送ラインを介して読み出し、
読み出しされたアナログ信号を信号処理回路145に入
力させる。
【0155】ステップS133では、信号処理回路54
5において、入力したアナログ画像信号をA/D変換
し、AGC制御、ホワイトバランス、γ補正、エッジ強
調等の画像処理を施し、さらに必要に応じてCPU53
0内に記憶された画像圧縮プログラムでJPEG圧縮等
を施す。
【0156】ステップS134では、上記ステップS1
33で得られた画像信号をメモリ557に記録すると同
時に、ステップS135にて一旦プレビュー画像を消去
した後に、ステップS133で得られた画像信号を表示
器551に改めて表示する。その後、給電回路231を
制御して光学素子230への電圧印加をオフし(S13
6)、一連の撮影動作を終了する。
【0157】なお、本実施形態では、第1実施形態の光
学素子を用いた場合について説明したが、第2実施形態
にて説明した光学素子も用いることができる。
【0158】また、本実施形態では、撮影装置の例とし
てデジタルスチルカメラを取り挙げたが、本発明の光学
素子は、ビデオカメラや銀塩カメラといった他の撮影装
置や光学系を備えた各種光学装置にも効果を損なわずに
適用することができる。
【0159】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
きわめて簡単な構成により、かつ光学素子の大型化を回
避しつつ、温度変化に伴う液体の体積変化を吸収する機
能を光学素子に持たせることができる。
【0160】なお、上記空間の近傍に容器を構成する複
数の部材の組み合わせ箇所がある場合、上記可撓性部材
を、これら複数の部材の組み合わせ箇所に保持させるよ
うにすれば、可撓性部材の容器による保持(さらには、
組み合わせ箇所の液密性確保)および光学素子の組み立
てを容易に行うことができる。
【0161】そして、上記のような光学素子を用いて光
学素子や撮影装置を構成すれば、コンパクトな光学素子
および撮影装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態である光学素子および給
電制御回路の構成図である。
【図2】図1中のA部の拡大図である。
【図3】上記第1実施形態の光学素子における液体の熱
膨張時の体積変化吸収動作を説明する図である。
【図4】上記第1実施形態の光学素子における液体の収
縮時の体積変化吸収動作を説明する図である。
【図5】本発明の第2実施形態である光学素子および給
電制御回路の構成図である。
【図6】図5中のB部の拡大図である。
【図7】上記第2実施形態の光学素子における液体の熱
膨張時の体積変化吸収動作を説明する図である。
【図8】上記第2実施形態の光学素子における液体の収
縮時の体積変化吸収動作を説明する図である。
【図9】本発明の第3実施形態である光学素子および給
電制御回路の構成図である。
【図10】図9中のC部の拡大図である。
【図11】上記第3実施形態の光学素子における液体の
熱膨張時の体積変化吸収動作を説明する図である。
【図12】上記第3実施形態の光学素子における液体の
収縮時の体積変化吸収動作を説明する図である。
【図13】本発明の第4実施形態である撮影装置(光学
装置)の構成図である。
【図14】上記撮影装置の動作を示すフローチャートで
ある。
【図15】従来の光学素子の断面図である。
【図16】従来の光学素子に電圧を印加した時の動作説
明図である。
【図17】従来の光学素子の印加電圧と界面変形との関
係図である。
【図18】従来の光学素子と給電制御回路の説明図であ
る。
【図19】従来の給電制御回路の動作説明図である。
【図20】従来の他の光学素子と給電制御回路の説明図
である。
【図21】従来の他の光学素子に電圧を印加した場合の
動作説明図である。
【符号の説明】
101,201,250,301,350 光学素子 102 透明基板 103 透明電極 104,304 絶縁層 105 容器本体 150,151,170,171,333 封止フィル
ム 106 上カバー 160 上容器 121,321 第1の液体 122,322 第2の液体 123,323 光軸 124,324 界面 125,325 棒状電極 152,152′,331 空間 302 第1の封止板 303 電極リング 330 下ケース

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 容器内に形成した液室に液体を収容して
    構成される光学素子において、 前記容器の壁部の厚み内に、前記液室に対してフィルム
    状の可撓性部材により仕切られた空間を形成したことを
    特徴とする光学素子。
  2. 【請求項2】 前記可撓性部材は、前記液体の体積変化
    に伴って前記空間側と前記液室側とに弾性変形すること
    を特徴とする請求項1に記載の光学素子。
  3. 【請求項3】 前記空間の近傍に前記容器を構成する複
    数の部材の組み合わせ箇所があり、 前記可撓性部材が、前記複数の部材の組み合わせ箇所に
    保持されていることを特徴とする請求項1又は2に記載
    の光学素子。
  4. 【請求項4】 前記液室に、導電性又は有極性を有する
    第1の液体とこの第1の液体と混合することのない第2
    の液体とを収容し、前記第1の液体と前記容器側に設け
    られた電極間への印加電圧の変化に応じて前記第1の液
    体と前記第2の液体との界面の形状が変化することによ
    り光学特性が変化する光学素子であって、 前記空間と、前記液室における前記第1および第2の液
    体のうちいずれか一方の収容領域とが前記可撓性部材に
    より仕切られていることを特徴とする請求項1から3に
    記載の光学素子。
  5. 【請求項5】 請求項1から4のいずれかに記載の光学
    素子と、前記第1の液体と前記電極間への印加電圧を変
    化させる給電制御回路とを有することを特徴とする光学
    装置。
  6. 【請求項6】 請求項1から4のいずれかに記載の光学
    素子を含む撮影光学系と、前記第1の液体と前記電極間
    への印加電圧を変化させる給電制御回路とを有すること
    を特徴とする撮影装置。
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