JP2002169005A

JP2002169005A - 光学素子、光学装置および撮影装置

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Publication number: JP2002169005A
Application number: JP2000366177A
Authority: JP
Inventors: Goro Noto; 悟郎能登; Ichiro Onuki; 一朗大貫; Eirishi Kawanami; 英利子川浪
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-14
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: JP4553336B2

Abstract

(57)【要約】【課題】エレクトロウェッティング効果を利用した光
学素子の薄型化を図ることが難しい。【解決手段】導電性又は有極性を有する第１の液体２
２１およびこの第１の液体と混合することのない第２の
液体２２２を容器２４０，２５０内に収容し、第１の液
体に接する第１の電極２５１と容器側に設けられた第２
の電極２４３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２２４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、容器における
光軸方向を向いた内面であって第２の液体の上記界面と
は反対側の面が接する界面対向面のうち中心側部分３０
２を、周辺側部分２４１よりも上記界面側に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エレクトロウェッ
ティング効果（電気毛管現象）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７〜図１３を用いて説明す
る。

【０００６】図７および図８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７および図８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７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１２
４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８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る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７に比べて図８の界面１２４の
方が曲率半径が短くなるので、図８に示した状態の光学
素子１０１の方が図７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９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９（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９（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１０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１１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１１（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１１（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１１（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１１（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１１（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１１（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１２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、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１０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１３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１３（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１３
（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１３（ａ）の状態に比べて図１
３（ｂ）の状態での界面３２４の方が曲率半径が短くな
るので、図１３（ｂ）の光学素子３０１の方が図１３
（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】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に、透明液体を密閉容器に封止収容した可変焦点光学素
子においては、光軸方向の厚みを薄くしたいという要求
がある。

【００６４】しかしながら、光学素子を構成する各部品
を、その強度を犠牲にして薄型にすることによって光学
素子全体の薄型化を図るには無理があり、また、薄型化
のために部品同士のクリアランスを小さくするにも限界
がある。

【００６５】また、上記国際特許９９／１８４５６号で
は、薄型化に関する説明はなされていない。

【００６６】そこで本発明は、エレクトロウェッティン
グ効果を利用した光学素子において、光軸方向について
の薄型化を図ることができるようにすることを目的とし
ている。

【００６７】

【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、導電性又は有極性を有する第１の液体およびこの
第１の液体と混合することのない第２の液体を容器内に
収容し、第１の液体に接する第１の電極と容器側に設け
られた第２の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、容器における光
軸方向を向いた内面であって第２の液体の上記界面とは
反対側の面が接する界面対向面のうち中心側部分を、周
辺側部分よりも上記界面側に形成している。

【００６８】この光学素子では、印加電圧の変化に応じ
て上記界面の周辺部が光軸方向に変位することにより、
上記界面の形状（曲率）が変化する。このため、上記界
面対向面のうち中心側部分を周辺側部分よりも上記界面
側に形成しておく（容器の内部における中心側の光軸方
向寸法を周辺側の光軸方向寸法よりも小さくしておく）
ことにより、必要な上記界面の周辺部の変位量（つまり
は、界面全体の曲率変化量）を確保しつつ、光学素子の
中心側部分の光軸方向厚さを薄くすることが可能とな
る。

【００６９】このように光学素子の中心側部分の薄型化
を図ることにより、この光学素子が含まれるレンズユニ
ットを構成するレンズの設計自由度が増し、またレンズ
ユニット全体の光軸方向の寸法を短くすることが可能と
なる。

【００７０】なお、この場合、第２の電極を、容器の周
辺壁部において、上記界面対向面の中心側部分よりも上
記界面とは反対側の位置まで延出させておくと、上記界
面の周辺部を界面対向面の中心側部分の光軸方向位置を
超えて上記界面とは反対側まで変位させることが可能と
なり、上記界面の大きな曲率変化量を得ることが可能で
ある。

【００７１】また、第２の電極を、この第２の電極のう
ち光軸方向一端側が他端側よりも光軸に近づくように傾
けることによって、第２の電極を光軸方向に平行とする
場合に比べて、光学素子の周辺側の薄型化を図ることが
可能である。

【００７２】また、第１の電極を、光軸方向を厚さ方向
とするシート状に形成し、容器における光軸方向を向い
た内面であって第１の液体の上記界面とは反対側の面が
接する面の周辺側部分に沿って配置することにより、容
器の周辺壁部の全体に沿うように第２の電極を配置した
上で、第１の電極やこれに対する配線が光軸方向に突出
することのない、つまりは薄型の光学素子を構成するこ
とが可能である。

【００７３】そして、このような光学素子と第１および
第２の電極間への印加電圧を変化させる給電制御回路と
を設けて光学装置を構成したり、上記光学素子を含む撮
影光学系と給電制御回路とを設けて撮影装置を構成した
りすれば、薄型の光学装置および撮影装置を構成するこ
とが可能である。

【００７４】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１および図２
には、本発明の第１実施形態である光学素子の構成を示
している。なお、ここでは光軸２２３が上下方向に延び
ているものとして説明する。

【００７５】これらの図において、２３０は光学素子の
全体を示している。２４０は不導体で形成された下容器
である。この下容器２４０の底面のうち周辺部には第１
の凹部２４１が形成されているとともに、これよりも内
径側（中心側）には第１の封止板２０２を保持する第２
の凹部２４２が形成されている。第１の封止板２０２
は、透明アクリルあるいはガラスにより形成されてい
る。

【００７６】この下容器２４０の周辺壁部の内側全周に
は第２の電極リング３４３が設けられており、この第２
の電極リング２４３の表面には、電極端面２４３ａもカ
バーするアクリル樹脂等でできた絶縁層２４４が密着形
成されている。

【００７７】ここで、下容器２４０の周辺壁部は、光軸
２２３に対して下端側が上端側よりも光軸２２３に近づ
くように傾いている。このため、第１の電極リング２４
３と絶縁層２４４も共に光軸２２３に対して傾いてい
る。

【００７８】また、絶縁層２４４の厚さは、下に向かっ
て徐々に増加している。また、絶縁層２４４の内面全周
の下側には、撥水処理剤が塗布されて撥水層２１１が形
成されている。さらに、絶縁層２４４の内面全周の上側
には、親水処理剤が塗布されて親水層２１２が形成され
ている。

【００７９】２５０は不導体で形成された上容器であ
り、その内径側で、透明アクリルあるいはガラスにより
形成された第２の封止板２０６を保持する。また、上容
器２５０の周辺部下面には、シート状の第１の電極リン
グ２５１が密着形成されている。

【００８０】この第１の電極リング２５１の表面には、
絶縁層２５２が密着形成されているが、後述する第１の
液体２２１に接してこれに電圧を印加するための露出部
２５１ａが備わるように、絶縁層２５２は第１の電極リ
ング２５１の外縁側のみをカバーするように形成されて
いる。

【００８１】そして、下容器２４０の周辺壁部と上容器
２５０とを液密に封止することにより、下容器２４０、
上容器２５０、第１の封止板２０２および第２の封止板
２０６で囲まれた所定体積の液室を有した筐体としての
容器が形成される。

【００８２】この容器は、光軸２２３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。

【００８３】まず、液室の底面である第１の封止板２０
２の上面および下容器２４０の周辺側の底面（これらが
界面対向面に相当する）には、第２の液体２２２が、そ
の液柱の高さが周辺壁部の撥水膜２１１の中間の高さに
なる分量だけ滴下される。

【００８４】第２の液体２２２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２２１が充填される。第１の液体２２１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。

【００８５】すなわち、第１および第２の液体２２１，
２２２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２２１，２２２は界面２２４を形成し、混ざ
り合わずにそれぞれが独立して存在する。

【００８６】そして、この界面２２４の形状は、液室
（容器）の内面、第１の液体２２１および第２の液体２
２２の３物質が交わる点、すなわち界面２２４の外縁部
に働く３つの界面張力の釣り合いで決まる。

【００８７】２３１は第１の電極リング２２５と第２の
電極リング２０３とに接続された給電回路である。な
お、この給電回路２３１の構成および作用は、図１０に
示した給電回路１２６と同一である。

【００８８】給電回路２３１の２つの増幅器（図示せ
ず）はそれぞれ、第１の電極リング２５１および第２の
電極リング２４３から上容器２５０の下面に沿って光軸
直交方向に引き出された端子部２５１ｂ，２４３ｂに接
続されている。これにより、例えば図１０に示した光学
素子３０１のように、電極３２５および配線が光学素子
から光軸方向に突出することを回避でき、電極を含めた
光学素子全体の薄型化に有効である。

【００８９】以上の構成において、第１の液体２２１に
第１の電極リング２５１および第２の電極リング２４３
を介して電圧が印加されると、エレクトロウェッティン
グ効果によって界面２２４が変形する。

【００９０】次に、光学素子２３０における界面２２４
の変形と、この変形によってもたらされる光学作用につ
いて説明する。

【００９１】まず、第１の液体２２１に電圧が印加され
ていない場合、図１に示すように、界面２２４の形状
は、両液体２２１，２２２間の界面張力、第１の液体２
２１と絶縁層２４４上の撥水膜２１１あるいは親水膜２
１２との界面張力、第２の液体２２２と絶縁層２４４上
の撥水膜２１１あるいは親水膜２１２との界面張力、お
よび第２の液体２２２の体積で決まる。

【００９２】一方、第１の液体２２１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２２１と親水膜２１２との界面張力が減少し、第１の
液体２２１が親水膜２１２と撥水膜２１１との境界を乗
り越えて撥水膜２１１上に入り込む。この結果、図２に
示すように、第２の液体２２２の光軸上での高さが増加
する。

【００９３】このように第１および第２の電極リング２
５１，２４３を通じた第１の液体２２１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２２１，２２２間の界面２２４の形状が変わる。
こうして、給電回路２３１の電圧制御によって界面２２
４の形状を自在に変えられる光学素子が実現できる。

【００９４】また、第１および第２の液体２２１，２２
２が異なる屈折率を有しているため、光学レンズとして
の光学パワー（１／ｆ：ｆは焦点距離）が付与されるこ
とになり、光学素子２３０は界面２２４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。

【００９５】さらに、図１の状態に比べて図２の状態で
の界面２２４の方が曲率半径が短くなるので、図２の状
態の方が図１の状態に比べて光学素子２３０の焦点距離
が短くなる。

【００９６】ここで、この時のＡ部の詳細を図３に示し
ている。図３に示すように、電圧を印加した時の界面２
２４の周縁部は、撥水層２１１（ないし絶縁層２４４）
の下端部からＬ１だけ離れた位置にあり（これは界面２
２４と絶縁層とのクリアランスに相当する）、また絶縁
層２４４と下容器２４０に設けられた第１の凹部２４１
とのクリアランス、つまりは電極リング２４３、絶縁層
２４４、下容器２４０のそれぞれの製造誤差や組立て誤
差を吸収するためのクリアランスはＬ２となっている。

【００９７】つまり、光学素子の光軸方向の厚みを制限
する１つの項目に液室高さが挙げられるが、その中でも
上記両クリアランスＬ１，Ｌ２、つまりメカ的なクリア
ランスによる制限が大きなウエイトを占めている。

【００９８】本実施形態の光学素子２３０では、上記ク
リアランスが必要な個所である周辺部のみ液室の高さが
大きい設定となっている。つまり、容器底面のうち第１
の電極リング２４３の近傍である周辺部に、内径側の第
１の封止板２０２の上面よりも下がった凹部２４１を設
け、容器の周壁部に設けた第２の電極リング２４３の下
部を、第１の封止板２０２の上面よりも下側（界面２２
４とは反対側）まで延ばすことで、液室内の周辺部の高
さＴ２を確保している。このため、上記クリアランスを
十分にとることができる。

【００９９】一方、光軸２２３付近の内径側はそのよう
なメカ的な制限がないので、凹部２４１よりも第１の封
止板２０２の上面を界面２２４側に高くすることで、液
室内径側の高さをＴ２より小さいＴ１としている。つま
り、第１の封止板２０２の上面を、凹部２４１に比べて
第２の液体２２２側に入り込ませた形にしている。な
お、内径側の液室高さＴ１は、界面２２４の変形による
光学素子２３０の光学性能を満足できる高さは確保され
ている。

【０１００】より詳しく説明すると、図１に示す状態で
は、内径側の液室高さは上容器２５０の下面と第１の封
止板２０２の上面とで規定される高さＴ１となってお
り、周辺側の液室高さは上容器２５０（第２の電極リン
グ２５１）の下面と下容器２４０の凹部２４１とで規定
される高さＴ２となっている。そして、Ｔ１＜Ｔ２の関
係にある。

【０１０１】以上により、界面２２４の変形量（曲率変
化量）を十分確保しつつ、容器（つまりは光学素子２３
０）の内径側の光軸方向厚さを、周辺側の厚さよりも薄
くすることができる。

【０１０２】また、本実施形態では、第２の電極リング
２４３を光軸２２３に対して傾けることにより、周辺側
の液室高さＴ２を、図１２および１３に示した光学素子
３０１の液室高さ（ｔ１＋ｈ１）よりも小さくしてい
る。この結果、光学素子２３０の周辺側の薄型化も可能
である。

【０１０３】（第２実施形態）図４には、本発明の第２
実施形態である光学素子の構成を示している。この光学
素子３７０は、図１２に示した光学素子３０１の第１の
封止板３０２に代えて、その形状が、第２の電極リング
３０３の近傍である周辺側部分から光軸３２３に向かっ
て徐々に界面３２４側に凸となるよう変化する第１の封
止板３７２を使用したものである。これにより、液室の
高さは、周辺側が高く、内径側が低くなる。

【０１０４】本実施形態によっても、第１実施形態にて
説明した周辺部でのクリアランスを確保することができ
るとともに、光学素子３７０の内径側での光軸方向厚さ
を薄くすることができる。

【０１０５】なお、本発明における容器の形状は、上記
各実施形態にて説明したものに限らず、光軸方向を向い
た内面であって第２の液体の界面（第１および第２の液
体の界面）とは反対側の面が接する界面対向面のうち中
心側部分を、周辺側部分よりも上記界面側に形成した容
器であればよい。

【０１０６】例えば、上記各実施形態では、容器を全体
として円盤形状に形成し、第２の電極を円形リング状に
形成した場合について説明したが、容器を矩形盤状や多
角形盤状に形成してもよい。この場合、容器の形状に合
わせて第２の電極を矩形又は多角形リング（枠）状に形
成して容器の周辺壁部に配置する。

【０１０７】このように本発明は、容器の形状や電極の
形状にかかわらず適用することができる。

【０１０８】（第３実施形態）図５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。

【０１０９】図５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。

【０１１０】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。

【０１１１】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。

【０１１２】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。

【０１１３】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。

【０１１４】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。

【０１１５】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。

【０１１６】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。

【０１１７】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。

【０１１８】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。

【０１１９】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。

【０１２０】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。

【０１２１】図６は、上記撮影装置５５０が有するＣＰ
Ｕ５３０の動作を示す制御フローチャートである。以
下、図５および図６を用いて撮影装置５５０の動作を説
明する。

【０１２２】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。

【０１２３】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。

【０１２４】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。

【０１２５】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。

【０１２６】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。

【０１２７】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。

【０１２８】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。

【０１２９】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。

【０１３０】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６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Ｓ１
０５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。

【０１３１】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。

【０１３２】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。

【０１３３】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。

【０１３４】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。

【０１３５】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。

【０１３６】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。

【０１３７】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。

【０１３８】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。

【０１３９】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。

【０１４０】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。

【０１４１】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。

【０１４２】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。

【０１４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
容器内面における第２の液体と接する界面対向面のうち
中心側部分を周辺側部分よりも２液の界面側に形成して
おくことにより、必要な上記界面の周辺部の変位量（つ
まりは、界面全体の曲率変化量）を確保しつつ、光学素
子の中心側部分の光軸方向厚さを薄くすることができ
る。

【０１４４】そしてこのように光学素子の中心側部分の
薄型化を図ることにより、この光学素子が含まれるレン
ズユニットを構成するレンズの設計自由度が増し、また
レンズユニット全体の光軸方向の寸法を短くすることが
できる。

【０１４５】なお、第２の電極を、容器の周辺壁部にお
いて、上記界面対向面の中心側部分よりも上記界面とは
反対側の位置まで延出させておくと、上記界面の周辺部
を界面対向面の中心側部分の光軸方向位置を超えて上記
界面とは反対側まで変位させることができ、上記界面の
大きな曲率変化量を得ることができる。

【０１４６】また、第２の電極を、この第２の電極のう
ち光軸方向一端側が他端側よりも光軸に近づくように傾
けることによって、第２の電極を光軸方向に平行とする
場合に比べて、光学素子の周辺側の薄型化を図ることが
できる。

【０１４７】また、第１の電極を、光軸方向を厚さ方向
とするシート状に形成し、容器における光軸方向を向い
た内面であって第１の液体の上記界面とは反対側の面が
接する面の周辺側部分に沿って配置すれば、容器の周辺
壁部の全体に沿うように第２の電極を配置した上で、第
１の電極やこれに対する配線が光軸方向に突出すること
のない、つまりは薄型の光学素子を構成することができ
る。

【０１４８】そして、このような光学素子と第１および
第２の電極間への印加電圧を変化させる給電制御回路と
を設けて光学装置を構成したり、上記光学素子を含む撮
影光学系と給電制御回路とを設けて撮影装置を構成した
りすれば、薄型の光学装置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（電圧未
印加時）の断面構成図である。

【図２】上記光学素子（電圧印加時）の断面構成図であ
る

【図３】図２のＡ部の拡大図である。

【図４】本発明の第２実施形態である光学素子の断面構
成図である。

【図５】本発明の第３実施形態である撮影装置（光学装
置）の構成図である。

【図６】上記撮影装置の動作を示すフローチャートであ
る。

【図７】従来の光学素子（電圧未印加時）の断面構成図
である。

【図８】上記従来の光学素子（電圧印加時）の断面構成
図である

【図９】上記従来の光学素子における印加電圧と界面変
形量との関係を示す説明図である。

【図１０】上記従来の光学素子への印加電圧を制御する
給電制御回路の構成図である。

【図１１】上記給電制御回路の動作説明図である。

【図１２】従来の他の光学素子の断面構成図である。

【図１３】上記従来の他の光学素子の断面構成図であ
る。

【符号の説明】

２３０，３７０光学素子２０２第１の封止板２０６第２の封止板２４０下容器２４１凹部２５０上容器２２１第１の液体２２２第２の液体２２３，３２３光軸２２４，３２４・・・界面２４３第２の電極リング２５１第１の電極リング３２５棒状電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性又は有極性を有する第１の液体お
よびこの第１の液体と混合することのない第２の液体を
容器内に収容し、前記第１の液体に接する第１の電極と
前記容器側に設けられた第２の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
において、前記容器における光軸方向を向いた内面であって前記第
２の液体の前記界面とは反対側の面が接する界面対向面
のうち中心側部分を、周辺側部分よりも前記界面側に形
成したことを特徴とする光学素子。
【請求項２】前記第２の電極を、前記容器の周辺壁部
に配置したことを特徴とする請求項１に記載の光学素
子。
【請求項３】前記容器の内部における中心側の光軸方
向寸法が、周辺側の光軸方向寸法よりも小さいことを特
徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】前記第２の電極が、前記容器の周辺壁部
において、前記界面対向面の中心側部分よりも前記界面
とは反対側の位置まで延出していることを特徴とする請
求項２に記載の光学素子。
【請求項５】前記容器の中心側部分の光軸方向厚さ
が、周辺側部分の光軸方向厚さよりも薄いことを特徴と
する請求項１から４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】前記第２の電極が、この第２の電極のう
ち光軸方向一端側が他端側よりも光軸に近づくように傾
いていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに
記載の光学素子。
【請求項７】前記第１の電極を、光軸方向を厚さ方向
とするシート状に形成し、前記容器における光軸方向を
向いた内面であって前記第１の液体の前記界面とは反対
側の面が接する面の周辺側部分に沿って配置したことを
特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学素
子。
【請求項８】請求項１から７のいずれかに記載の光学
素子と、前記第１および第２の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。
【請求項９】請求項１から７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および第２の電極間
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。