JP2006235476A - 光学素子、光学ユニット、および撮像装置 - Google Patents

光学素子、光学ユニット、および撮像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】光学素子の発熱を抑えるとともに、光学素子から出射される光の方向を精度良く制御することができる光学素子、光学ユニット、および撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】相互に屈折率が異なる、相互に不混和な、それぞれが光透過性を有する絶縁性流体および導電性流体が内部に収容された、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる流体収容器と、流体収容器内の導電性流体に接触した第1の電極と、流体収容器内の導電性流体に対して絶縁された、各々と第1電極との間に電圧が印加される、流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数の第2電極と、複数の第2電極それぞれに印加される電圧を調整する、複数の第2電極とともに流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数のトランジスタとを備える。
【選択図】 図4

Description

本発明は、光を透過する光学素子、光学ユニット、および被写体光を結像して画像データを取得する撮像装置に関する。
従来より、焦点距離が可変なレンズとして、液晶の電気光学効果を利用して焦点距離を変化させる液晶レンズが知られている。例えば、特許文献1、および特許文献2には、2枚の光透過性基板と、それら2枚の光透過性基板の間に封入された液晶層と、液晶層に電場を印加する電極とで構成された液晶レンズについて記載されている。この液晶レンズでは、印加される電場の大きさに応じて液晶分子の配向状態が変化し、これにより液晶レンズの屈折率が変化してレンズとしての焦点距離が調整される。
また、上記の液晶レンズの他にも、導電性の液体に電圧を印加して液面形状を変化させることにより焦点距離を変化させる液体レンズも知られている。例えば、非特許文献1には、内壁が撥水性のコーティングで覆われたチューブと、チューブ内に封入された導電性の水性液体および非導電性のオイルと、チューブ内の水性液体に電場を印加する電極とで構成された液体レンズについて記載されている。この液体レンズでは、導電性の水性液体に電圧が印加されていない状態では、水性液体は半球状の固まりとなっており、水性液体とオイルとの界面は凸状である。この界面は、導電性の水性液体に印加された電場の大きさに応じて、凸状から凹状まで変化する。このため、レンズとしての曲率半径が変化することとなり、焦点距離を自在に変えることができる。
特開2001−272646号公報 特開2004−4616号公報 "Philips’Fluid Lenses"、[online]、March 03,2004、Royal Philips Electronics、[平成16年3月31日検索]、インターネット<URL:http://www.dpreview.com/news/0403/04030302philipsfluidlens.asp>
上述した特許文献1に提案された技術では、液晶分子の長軸方向の屈折率(n‖)と短軸方向の屈折率(n⊥)との差分Δn(n‖−n⊥)を利用することで液晶レンズの焦点距離を変化させるということが行なわれる。しかし、この差分Δnが小さ過ぎてレンズとしての屈折力を自在に変化させることができない。
また、上述した屈折率や形状を変えてレンズ中心を移動させることができれば、レンズから出射される光の方向を調整することができるため、そのようなレンズをカメラ等に搭載すると、被写体を撮影する際の手ぶれの防止などに使用することができる。上述した特許文献1、特許文献2、および非特許文献1に記載されたレンズでレンズ中心を移動させるとすると、レンズに複数の電極を配置し、それら複数の電極それぞれに電圧を引導する駆動線を繋いで、複数の電極から印加される電圧を個別に制御することが考えられる。しかし、レンズ中心の移動を細かく制御しようとすると、多数の電極と駆動線とを設ける必要があり、トランジスタを用いない駆動方式の場合、順次異なる箇所に電圧印加させていく必要があるため屈折率を瞬時に変化させることが困難であり、さらに、レンズの近くに引導電圧が集中してレンズが発熱し、レンズの屈折率が変化してしまうという問題がある。一方、トランジスタを用いた駆動方式の場合、屈折率を瞬時に変化させることは可能であるが、通常のトランジスタはブラックマトリックスで光を遮断させる必要があり、開口率が小さくなるためレンズとしての機能が低下するという問題がある。
尚、この上述した問題は、レンズのみに限らず、並行平面板やプリズムなどといった光学素子に一般的に当てはまるものである。
本発明は、上記事情に鑑み、光学素子の発熱を抑えるとともに、光学素子から出射される光の方向を精度良く制御することができる光学素子、光学ユニット、および撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明の光学素子は、相互に屈折率が異なる、相互に不混和な、それぞれが光透過性を有する絶縁性流体および導電性流体が内部に収容された、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる流体収容器と、
流体収容器内の導電性流体に接触した第1の電極と、
流体収容器内の導電性流体に対して絶縁された、各々と第1電極との間に電圧が印加される、流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数の第2電極と、
複数の第2電極それぞれに印加される電圧を調整する、複数の第2電極とともに流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数のトランジスタとを備えたことを特徴とする。
近年、透明なトランジスタを作成できることが報告されている(特開2004−10395公報参照)。本発明は、このような透明なトランジスタを利用するものである。
本発明の光学素子によると、第1電極と、複数の第2電極それぞれとの相互間に電圧が印加されると、第1の電極から導電性流体中に電荷が放出されるとともに、各第2の電極にはその電荷とは逆極性の電荷が集まる。この結果、導電性流体中の電荷と、各第2電極に集まった電荷とがそれぞれにクーロン力によって引き合い、導電性流体と絶縁性流体との境界面の形状が変化する。導電性流体と絶縁性流体とは相互に異なる屈折率を有しているため、それらの液面の形状が変化することによって、光学素子としての屈折率の分布形状が変化して、光学素子から出射される光の方向が調整される。
また、複数の第2電極には、それら第2電極それぞれに印加される電圧を調整する複数の透明トランジスタが備えられているため、高速、かつ高精度に光学素子の焦点距離を調整することができる。また、それら複数の透明トランジスタで複数の第2電極それぞれの印加電圧を作るので、第2電極それぞれに電圧を引導する電圧線が不要となり、光学素子に大きな電圧が集中して導かれることによる発熱や、光学素子の屈折率のずれといった不具合が回避される。
また、本発明の光学素子において、上記流体収容器は、内面の少なくとも一部が、導電性流体に対する濡れ性が絶縁性流体に対する濡れ性よりも低い被覆膜で覆われたものであることが好ましい。
このような被覆膜が設けられることによって、導電性流体と絶縁性流体との境界面の形状が効率よく変化することとなる。
また、本発明の光学素子において、上記複数の第2電極が、マトリクス状に配置されたものであることが好ましい。
マトリクス状に配置された複数の第2電極それぞれに印加される電圧を個別に制御することによって、光学素子に所望の屈折率分布を形成することができる。
また、上記目的を達成する本発明の光学ユニットは、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる、内部に流体が収容される流体収容器と、
相互に屈折率が異なる、相互に不混和な、それぞれが光透過性を有する絶縁性流体および導電性流体が内部に収容された、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる流体収容器と、
流体収容器内の導電性流体に接触した第1の電極と、
流体収容器内の導電性流体に対して絶縁された、各々と第1電極との間に電圧が印加される、流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数の第2電極と、
複数の第2電極それぞれに印加される電圧を調整する、複数の第2電極とともに流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数のトランジスタと、
複数のトランジスタそれぞれに関し独立に駆動信号を印加して、第1電極と複数の第2電極それぞれとの間に電圧を印加させ、絶縁性流体と導電性流体との境界面の形状を変化させることによって、流体収容器を通過する光の屈折を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
本発明の光学ユニットによると、本発明の光学素子と同様に、光学ユニットの発熱を抑えるとともに、光学ユニットから出射される光の方向を精度良く制御することができる。
なお、本発明にいう光学ユニットについては、ここではその基本形態のみを示すのにとどめるが、これは単に重複を避けるためであり、本発明にいう光学ユニットには、上記の基本形態のみではなく、前述した光学素子の各形態に対応する各種の形態が含まれる。
また、上記目的を達成する本発明の撮像装置は、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる、内部に流体が収容される流体収容器と、
流体収容器内に収容された、光透過性を有する分散媒と、
分散媒内に分散した、光透過性を有し、分散媒の屈折率とは異なる屈折率を有する、電場の印加を受けて分散媒内で電気泳動する分散質と、
第1電極と、
各々と第1電極との間に電圧が印加される、流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数の第2電極と、
複数の第2電極それぞれに印加される電圧を調整する、複数の第2電極とともに流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数のトランジスタと、
複数のトランジスタそれぞれに関し独立に駆動信号を印加して、第1電極と複数の第2電極それぞれとの間に電圧を印加させ、絶縁性流体と導電性流体との境界面の形状を変化させることによって、流体収容器を通過する光の屈折を制御する制御部と、
流体収容器を通ってきた被写体光が表面に結像されて、被写体光を表わす画像信号を生成する撮像器とを備えたことを特徴とする。
本発明にいう撮像器とは、典型的には、光を受光して受光信号を生成する受光素子が複数配備されたCCDや、CMOSセンサなどを指す。
本発明の撮像装置によると、光学素子を出射する光の方向を精度良く調節することができ、高画質な撮影画像を得ることができる。
尚、本発明にいう撮像装置については、ここではその基本形態のみを示すのにとどめるが、これは単に重複を避けるためであり、本発明にいう撮像装置には、上記の基本形態のみではなく、前述した光学素子の各形態に対応する各種の形態が含まれる。
本発明によれば、光学素子の発熱を抑えるとともに、光学素子から出射される光の方向を精度良く制御することができる光学素子、光学ユニット、および撮像装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を説明するのに先立って、上述した非特許文献1に記載された液体レンズの問題点について詳しく分析する。
図1は、比較例である液体レンズの概略構成図である。以下では、矢印Oの方向に光が透過するものとし、光の入射側(図1の上側)を上側、光の出射側(図1の下側)を下側と称する。
図1に示すように、液体レンズ1は、ガラス製のチューブ11aの両端がガラス製のキャップ11b,11cで塞がれたガラス製の容器11の内部に、支持電解質が加えられた透明な水21と、絶縁性液体である透明な油22とが互いに混じり合わずに収容されている。水21よりも油22の方が光の屈折率が大きいため、液体レンズ1では、油22が光を屈折させるレンズの役割を担う。
容器11の、チューブ11aの内面と、チューブ11aの上端を塞ぐキャップ11bの内面は、撥水性を有する撥水性膜15で覆われており、チューブ11aの下端を塞ぐキャップ11cの内面は、親水性を有する親水性膜16で覆われている。
また、チューブ11aと撥水性膜15との間には、絶縁膜14が設けられており、液体レンズ1には、水21と接する陽極12と、絶縁膜14によって水21と絶縁された陰極13も備えられている。
陽極12と陰極13との相互間に電圧が印加されていない状態では、図1のパート(A)に示すように、水21は撥水性膜15と反撥して親水性膜16と接触するため、水21と撥水性膜15との接触部分P1が小さくなる。このため、水21は半球形状に滞留し、水21に押された油22は円筒形状から半球を刳り貫いた形状に滞留する。油22からみたときの、水21と油22との境界面の形状は凹状であるため、パート(A)では、液体レンズ1は凹レンズとして機能する。
また、例えば、陽極12にプラスの電圧を印加し、陰極13にマイナスの電圧を印加すると、陽極12から水21にプラス電荷31aが放出され、陰極13にはマイナス電荷31bが溜まる。このとき、水21に放出されたプラス電荷31aが、クーロン力によって陰極13のマイナス電荷31bに引き付けられ、水21と撥水性膜15との接触部分P2が印加電圧に応じて大きくなる。パート(B)では、油22からみたときの、水21と油22との境界面の形状は凸状となっており、液体レンズ1は凸レンズとして機能する。また、陽極12および陰極13に印加される電圧を調整することによって、水21と油22との境界面の形状を少しずつ変化させることができる。
このように、液体レンズ1によると、レンズを移動させる機構を設けなくても、水21と油22との境界面の形状を変化させることによって、ズーム機能やフォーカス機能を実現することができる。
ここで、この液体レンズ1をカメラなどに搭載する場合、撮影者がレリーズスイッチを押すときなどに手ブレが生じてしまう恐れがある。液体レンズ1では、水21と油22との境界面の形状をおおまかにしか制御することができないため、液体レンズ1を出射する光の方向を精度良く調整することができず、手ブレの補正などに使用することは困難である。電圧を印加することによって液面形状を変える液体レンズを手ブレの補正に使用する場合には、例えば、陰極13の替わりにマトリクス状に並べられた複数の電極を備え、それら複数の電極それぞれに電圧を引導する駆動線を繋いで、複数の電極から印加される電圧を個別に制御することが考えられるが、引導電圧が電極近くに集中して水21や油22が発熱し、液体レンズの屈折率が変化してしまうという問題がある。
本発明は、上記のような詳しい分析に基づいたものである。
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図2は、本発明の一実施形態が適用されたデジタルカメラを前面斜め上から見た外観斜視図である。
図2に示すように、このデジタルカメラ100の前面中央部には、撮影レンズ101が備えられている。また、このデジタルカメラ100の前面上部には、光学式ファインダ対物窓102および補助光発光部103が備えられている。さらに、このデジタルカメラ100の上面には、スライド式の電源スイッチ104およびレリーズスイッチ150が備えられている。
図3は、図1に示すデジタルカメラ100の概略構成図である。
図3に示すように、デジタルカメラ100の内訳は、大きく分けて撮影光学系110と信号処理部120とに分かれる。デジタルカメラ100には、それらのほかにも、撮影した画像を表示させるための画像表示部130、撮影した画像信号を記録しておくための外部記録媒体140、撮影のための各種処理をデジタルカメラ100に行なわせる、ズームスイッチ170、撮影モードスイッチ160、およびレリーズスイッチ150、デジタルカメラ100の移動を検知する移動センサ180が設けられている。
まず撮影光学系110の構成を、図3を参照して説明する。
デジタルカメラ100では、図3の左方から被写体光が入射し、ズームレンズ116、フォーカスレンズ115、および手ブレ補正レンズ114を経て、被写体光の光量を調整するアイリス113を通過した後、シャッタ112が開いている場合はCCD111に結像する。このCCD111は、本発明にいう撮像器の一例に相当する。本来、撮影光学系には複数のレンズが配備され、それら複数のレンズのうち少なくとも1つのレンズがピント調節に大きく関与し、各レンズの相対位置が焦点距離に関与するが、この図3では、焦点距離の変化に係わるレンズをズームレンズ116として模式的に示しており、ピントの調節に係わるレンズをフォーカスレンズ115として模式的に示している。
ズームレンズ116、フォーカスレンズ115、アイリス113、およびシャッタ112は、ズームモータ116a、フォーカスモータ115a、アイリスモータ113a、およびシャッタモータ112aによりそれぞれ駆動され移動する。また、手ブレ補正レンズ114には、モータの替わりに、手ブレ補正レンズ114のレンズ形状を変化させる手ブレコントローラ114aが設けられている。これらズームモータ116a、フォーカスモータ115a、アイリスモータ113a、およびシャッタモータ112aを作動させる指示は、信号処理部120中のデジタル信号処理部120bからモータドライバ120cを通じて伝達されるとともに、手ブレコントローラ114aを作動させる指示は、デジタル信号処理部120bから直接伝達される。また、手ブレコントローラ114aには、移動センサ180で検知された検知結果が伝えられる。本実施形態では、移動センサ180は、デジタルカメラ100の仰角方向(上下方向)の角速度が測定される仰角速度センサ181と、デジタルカメラ100の方位角方向(左右方向)の角速度が測定される方位角速度センサ182とで構成されており、仰角速度センサ181、および方位角速度センサ182それぞれにおける測定結果が手ブレコントローラ114aに伝えられる。手ブレコントローラ114aは、デジタル信号処理部120bから作動指示を受けると、移動センサ180から伝えられた検知結果に応じて作動する。
ズームレンズ116は、ズームモータ116aによって光軸に沿う方向に移動される。ズームレンズ116が、信号処理部120からの信号に応じた位置に移動されることによって、焦点距離が変化して撮影倍率が決定される。
フォーカスレンズ115は、TTLAF(Through The Lens Auto Focus)機能を実現するためのレンズである。このTTLAF機能とは、光軸に沿う方向にフォーカスレンズを移動させながら、CCD111で得られた画像信号のコントラストを信号処理部120のAF/AE演算部126で検出し、そのコントラストのピークが得られるレンズ位置をピント位置として、フォーカスレンズ115をピント位置に調節するものである。このTTLAF機能によって、コントラストがピークになる被写体(つまり、最も近くにある最近被写体)に自動的に焦点を合わせて撮影を行うことができる。
手ブレ補正レンズ114は、デジタルカメラ100が動いてしまったときでも、CCD111上の正しい位置に被写体光が結像されるように、被写体光の進路を修正する手ブレ補正機能を実現するためのレンズである。本実施形態においては、手ブレコントローラ114aが手ブレ補正レンズ114のレンズ形状を変化させることによって、被写体光の進路を修正する。この手ブレ補正レンズ114の構成と、レンズ形状を変化させる方法については、後で詳しく説明する。
アイリス113は、デジタル信号処理部120bのAF/AE演算部126から与えられた指示に基づいて駆動されることによって、被写体光の光量を調整する。
以上が撮影光学系110の構成である。
続いて信号処理部120の構成を説明する。撮影光学系でCCD111に結像させた被写体像が画像信号としてアナログ処理(A/D)部120aに読み出され、このアナログ処理部(A/D)120aでアナログ信号がデジタル信号に変換されデジタル信号処理部120bへと供給される。デジタル信号処理部120bにはシステムコントローラ121が配備されており、そのシステムコントローラ121内の動作の手順を示したプログラムにしたがってデジタル信号処理部120b内の信号処理が行なわれる。このシステムコントローラ121と、画像信号処理部122、画像表示制御部123、画像圧縮部124、メディアコントローラ125、AF/AE演算部126、キーコントローラ127、バッファメモリ128、内部メモリ129との間のデータの受け渡しはバス1200を介して行なわれ、そのバス1200を介してデータの受け渡しが行なわれるときのバッファとして内部メモリ129が働いている。この内部メモリ129に各部の処理プロセスの進行状況に応じて変数となるデータが随時書き込まれて、システムコントローラ121、および画像信号処理部122、画像表示制御部123、画像圧縮部124、メディアコントローラ125、AF/AE演算部126、キーコントローラ127の各部では、そのデータを参照することにより適切な処理が行なわれる。つまり、システムコントローラ121からの指示がバス1200を介して上記の各部に伝えられ、各部の処理プロセスが立ち上げられる。そして、その内部メモリ129のデータがプロセスの進行状況に応じて書き換えられ、さらにシステムコントローラ121側で参照されて上記の各部の動作が管理される。言い換えれば、電源が投入され、システムコントローラ121内のプログラムの手順にしたがって各部のプロセスが立ち上げられる。たとえば、レリーズスイッチ150、ズームスイッチ、撮影モードスイッチのスイッチが操作されると、その操作されたという情報がキーコントローラ127を経由してシステムコントローラ121に伝えられ、その操作に応じた処理がシステムコントローラ121内のプログラムの手順にしたがって行われる。
レリーズ操作が行われると、CCDから読み出された画像データは、アナログ処理(A/D)部120aでアナログ信号からデジタル信号に変換され、このデジタル化された画像データがデジタル信号処理部120b内のバッファメモリ128にいったん蓄えられる。このデジタル化された画像データのRGB信号が画像信号処理部122でYC信号に変換され、さらに画像圧縮部124でJPEG圧縮と呼ばれる圧縮が行なわれて画像信号が画像ファイルとなってメディアコントローラ125を介して外部記録媒体140に記録される。この画像ファイルとして記録された画像データは、画像表示制御部123を通じて画像表示部130において再生される。この処理の際、RGB信号に基づいてピント調節および露出調節の演算を行なっているのがAF/AE演算部である。このAF/AE演算部126ではピント調節のためにRGB信号から被写体距離ごとにコントラストを検出することが行なわれる。この検出結果に基づいて、フォーカスレンズ115によってピント調整が行われる。またAF/AE演算部ではRGB信号から輝度信号が抽出され、そこから被写界輝度が検出される。この結果に基づき、CCDに与えられる被写体光の光量が適切になるように、アイリス113によって露出調節が行なわれる。
デジタルカメラ100は、基本的には以上のように構成されている。
以下では、手ブレ補正レンズ114について詳しく説明する。
図4は、手ブレ補正レンズ114の概略構成図である。なお、図4の左側から被写体光が入射し、光が入射する側(図4の左側)を前側、光が出射する側(図4の右側)を後側と称して説明する。
手ブレ補正レンズ114は、チューブ200aの前端が透明基板200bで塞がれた流体収容器200内に、導電性流体401と、導電性流体401とは不混和な絶縁性流体402とが収容されて形成されている。
流体収容器200は、例えば、ゼオノア(日本ゼオン社製。双環性脂肪族モノマーからなるプラスチックの商品名)などといった、光透過性を有する材料で構成されている。この流体収容器200は、本発明にいう流体収容器の一例に相当する。
流体収容器200には、チューブ200aの前側に、流体と接触する陽極210が備えられており、チューブ200aの後側に、透明な絶縁膜203(例えば、ポリイミド膜など)によって流体と絶縁された陰極220が備えられている。これら陽極210および陰極220は、図3にも示す手ブレコントローラ114aに接続されている。手ブレコントローラ114aは、陽極210と陰極220との間に電圧を印加する電源230と、陰極220に印加される電圧を制御する電圧制御部240とで構成されている。手ブレコントローラ114aは、本発明にいう制御部の一例に相当する。
ここで、陽極210は1つの電極で構成されているが、陰極220は、複数の電極と、それら複数の電極それぞれに印加される電圧を調整する複数の透明なトランジスタとで構成されている。陽極210は、本発明にいう第1電極の一例に相当する。
図5は、陰極220の概略構成図である。
陰極220は、絶縁膜203(および、後述する撥水性膜202)を挟んで流体収容器200内の流体と対向する複数の透明な駆動電極220aと、それら複数の駆動電極220aそれぞれに印加される電圧を調整する複数の透明トランジスタ220bとで構成されている。駆動電極220aは、本発明にいう第2電極の一例にあたり、透明トランジスタ220bは、本発明にいうトランジスタの一例に相当する。
図6は、駆動電極220aおよび透明トランジスタ220bの配置を説明するための図である。
図4に示す電圧制御部240には、陰極220への引導電圧を制御するX方向ドライバ241、およびY方向ドライバ242が備えられており、透明トランジスタ220bに駆動信号を伝える駆動線240X,240Yが、X方向ドライバ241、およびY方向ドライバ242それぞれから複数本ずつ延びている。これらの駆動線240X,240Yが交わる各位置に、駆動電極220aと透明トランジスタ220bとの組が1組ずつ配置されている。図6に示す円形は、流体収容器200の外径を表わしている。
X方向およびY方向から1本ずつ駆動線が選択されると、それらの駆動線の交点上に配置された透明トランジスタが1つに決定される。1本の駆動線上には複数の透明トランジスタが存在するため、同じ駆動線上の透明トランジスタに対しては、時間差をつけてそれぞれの駆動信号が与えられる。X方向ドライバ241、およびY方向ドライバ242は、選択した透明トランジスタに繋がる駆動線240X,240Yに駆動信号を与えることによって、複数の透明トランジスタ220bを個別に制御することができ、複数の駆動電極220aそれぞれに印加される電圧の分布を細かく調整することができる。また、複数の駆動電極220aそれぞれに電圧を引導する電圧線を設ける必要がないため、導電性流体401および絶縁性流体402の発熱を抑えることができる。
図4に戻って説明を続ける。
流体収容器200は、チューブ200aの内面と、チュープ200aの前端を塞ぐキャップ200bの、流体と接触する面(内面)が、親水性を有する親水性膜201で覆われており、チューブ200aの後端に設けられた陰極220が、絶縁膜203を介して撥水性膜202で覆われている。撥水性膜202は、本発明にいう被覆膜の一例に相当する。
上記のような流体収容器200に、光透過性を有し、相互に屈折率が異なる導電性流体401と絶縁性流体402とが収容される。本実施形態では、導電性流体401として、水に支持電解質(テトラブチルアンモニウムパークロレイト0.1mol/L)が加えられた親水性液体が適用され、絶縁性流体402として、疎水性の有機溶媒(アイソパー:エクソン社製)が適用される。この導電性流体401は、本発明にいう導電性流体の一例にあたり、絶縁性流体402は、本発明にいう絶縁性流体の一例に相当する。
陽極210と陰極220との間に電圧が印加されていない状態では、親水性の導電性流体401が撥水性膜202と反撥し、疎水性の絶縁性流体402が親水性膜201と反撥することによって、導電性流体401と絶縁性流体402との境界面が、図4のパート(A)に示すような状態で安定する。導電性流体401の屈折率n1<絶縁性流体402の屈折率n2とすると、図4のパート(A)に示す安定状態では、絶縁性流体402から見たときの境界面が凸形状を有しているため、手ブレ補正レンズ114が凸レンズとして機能する。
例えば、図6に示すX方向ドライバ241およびY方向ドライバ242で、図5に示す複数の透明トランジスタ220bに、手ブレ補正レンズ114の上側のみに大きい電圧を印加する駆動信号を与えると、上側の駆動電極220aにのみ大きな電圧が印加される。このとき、図4に示す手ブレ補正レンズ114において、陽極210から導電性流体401に放出されたプラス電荷300aと、上側の駆動電極220aに溜まったマイナス電荷300bとがクーロン力によって引き合って、導電性流体401と絶縁性流体402との境界面が、図4のパート(B)に示すように、下方に偏った凸形状に変化する。この結果、レンズの中心位置(絶縁性流体402と導電性流体401との境界における凸部分の位置)が下方向に移動され、手ブレ補正レンズ114を通過する光の進路が下方に変更される。
手ブレ補正レンズ114は、以上のように構成されている。
ここで、撮影者が図1に示すレリーズスイッチ150を押すときなどに、デジタルカメラ100が動いてしまうことがある。このとき、デジタルカメラ100の移動に伴って、図2に示すズームレンズ116、およびフォーカスレンズ115を通ってくる被写体光の進路が変わってしまうため、手ブレ補正を行わないと、CCD111上の結像位置がずれてしまって、撮影画像に像ずれなどが生じてしまう恐れがある。
本実施形態のデジタルカメラ100では、手ブレ補正レンズ114の、絶縁性流体402と導電性流体401との境界位置が変化されることによって、デジタルカメラ100の移動による被写体光の進路が修正される。
撮影者によって図1に示すレリーズスイッチ150が押されると、手ブレコントローラ114aは、移動センサ180から、デジタルカメラ100の移動における角速度(仰角速度、および方位角速度)を取得する。
続いて、手ブレコントローラ114aの電圧制御部240は、X方向ドライバ241およびY方向ドライバ242によって、移動センサ180から取得した角速度に相当する速さで電圧を変化させる。これにより、移動センサ180から取得した仰角速度に対応した速度で、絶縁性流体402と導電性流体401との境界位置が上下方向に変化し、方位角速度に対応した速度で、絶縁性流体402と導電性流体401との境界位置が左右方向に変化する。X方向ドライバ241およびY方向ドライバ242は、複数の駆動線240X,240Yそれぞれを使って各透明トランジスタ220bに個別に駆動信号を与える。
各透明トランジスタ220bは、対応する各駆動電極220aに印加される電圧を調整する。各駆動電極220aと陽極210との間に電圧が印加されると、その電圧に応じて絶縁性流体402と導電性流体401との境界位置が移動し、手ブレ補正レンズ114を通過する被写体光の光路が調整される。
図7は、手ブレ補正レンズ114による光路変更を説明する図である。
デジタルカメラ100が正しく正面を向いている状態では、図5に示す複数の透明トランジスタ220bによって複数の駆動電極220aのうちの中央部分を除く外周部分の駆動電極220aにのみ電圧が印加され、図7のパート(A)に示すように、陽極210から放出されたプラス電荷300aと、外周部分の駆動電極220aに溜まったマイナス電荷300bとがクーロン力によって引き合って、絶縁性流体402と導電性流体401との境界が、凸形状を有し、その凸形状の中心が光軸上にくるように調整される。このとき、手ブレ補正レンズ114は、レンズ中心がデジタルカメラ100の光軸に合わせて配置された凸レンズとして働き、被写体光LはCCD111上の正しい位置に集光される。
例えば、撮影者がレリーズボタン150を押すときに、デジタルカメラ100の前面が上を向いてしまった場合(仰角方向の手ブレ)、図5に示す複数の透明トランジスタ220bによって、複数の駆動電極220aのうちの上側の駆動電極220aにのみ電圧が印加されて、図7のパート(B)に示すように、絶縁性流体402と導電性流体401との境界位置が凸形状を維持したまま下方向に変化する。その結果、手ブレ補正レンズ114に入射してきた光Lは、CCD111上の正しい位置に結像される。
このように、本実施形態のデジタルカメラ100によると、手ブレを精度良く回避し、高画質な撮影画像を得ることができる。
ここで、上記では、陽極220の複数の駆動電極220aがマトリクス状に配置されていたが、これら複数の駆動電極220aの電極配置は、マトリクス状には限らない。
図8は、複数の電極の配置例を示す図である。
図8のパート(a)に示す陽極501は、水平方向に形成されたストライプ状の電極501aを有する。また、図8のパート(b)に示す陽極502は、複数の同心円状の電極502aを有する。このような陽極501,502を用いて絶縁性流体402と導電性流体401との境界位置を制御することにより、手ブレ補正レンズ114を通過する被写体光の光路を自在に制御してもよい
ここで、上記では、本発明の光学素子および光学ユニットが手ブレ防止に適用される例について説明したが、本発明の光学素子および光学ユニットは、フォーカスレンズやズームレンズなどに適用されてもよい。例えば、本発明の光学素子および光学ユニットがフォーカスレンズに適用される場合、第1の電極と複数の第2の電極それぞれとの間に、TTLAF機能を実現するための電圧と、手ブレ補正機能を実現するための電圧とが印加されることによって、それらの機能を1つのレンズで実現することができる。
また、上記では、本発明にいう第1電極を1つだけ備える例について説明したが、本発明にいう第1電極は複数備えられるものであってもよく、それら複数備えられた第1電極それぞれに印加される電圧を制御する複数の透明トランジスタをさらに備えるものであってもよい。
また、上記では、本発明にいう複数の第2電極として、マトリクス状に配置された複数の第2電極を備える例について説明したが、本発明にいう複数の第2電極は、例えば、複数の第2電極を同心円状に配置するものであってもよい。
また、上記では、流体収容器中に、導電性流体と絶縁性流体の2種類の流体が収容された例について説明したが、本発明にいう流体収容器には、3種類以上の流体が収容されていてもよい。
また、上記では、本発明にいう導電性流体および絶縁性流体の一例として、導電性液体および絶縁性液体それぞれの実施例が示されているが、本発明にいう導電性流体および絶縁性流体は、ゾルなどであってもよい。
続いて、本発明を構成する各構成部分において採用可能な種々の形態について付記する。
<流体>
本発明にいう導電性流体、および絶縁性流体は、屈折率が互いに異なり、互いに混合しない2種類以上の流体であればよい。また、これらの流体の比重の差は、0.1以下であることが好ましい。
これらの流体の組み合わせとしては、いかなるものであってもよいが、好ましくは、水と有機溶媒の組み合わせである。有機溶媒としては、好ましくは、炭化水素(ヘキサン、ヘプタン、ペンタン、オクタン、アイソパー(エクソン社製)など)、炭化水素系芳香族化合物(ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレンなど)、ハロゲン系炭化水素(ジフルオロプロパン、ジクロロエタン、クロロエタン、ブロモエタンなど)、ハロゲン系炭化水素系芳香族化合物(クロロベンゼンなど)、エーテル系化合物(ジフェニルエーテル、アニソール、ジフェニルエーテルなど)が好ましい。さらに好ましくは、テトラリン、デイフノンである。
また、水には、電気伝導度を高める目的で、支持電解質を添加することが好ましい。支持電解質としては、TMAP:Tetramethylammonium perchlorate、あるいは、TBAF:Tetrabutylammonium hexafluorophosphate等が用いられる。
<透明トランジスタ>
透明トランジスタを形成させる基板としては、ガラス基板あるいはフイルム基板が用いられる。
透明トランジスタの形成方法としては、基板上に、MBE法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)等により、ZnO単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、次に、該ZnO薄膜上に、InMO3(ZnO)m(M=In, Fe, Ga, Al, m=1以上50未満の整数)と記述されるホモロガス化合物薄膜を、ターゲットとして、該酸化物の多結晶焼結体を使用して、MBE法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)等により成長させる方法が挙げられる。
得られた薄膜は、単結晶膜である必要はなく、多結晶膜でも、アモルファス膜でも良い。最後に、薄膜全体をカバーできるように高融点化合物,例えばAl23を被せ、高温で、ZnO蒸気を含む大気圧中で加熱拡散処理を行なうことが好ましい。
InMO3(ZnO)m (M=In, Fe, Ga, 又はAl, m=1以上50未満の整数)とZnO膜が相互に拡散・反応し、温度を適切に設定すれば、均一組成InMO3(ZnO)m´(M=In, Fe, Ga,又はAl, m´=1以上50未満の整数)となる。m´は、InMO3(ZnO)m(M=In, Fe, Ga,又は Al, m=1以上50未満の整数)とZnO膜厚比から決まるが、ZnO膜厚が5nm未満で、InMO3(ZnO)m(M=In, Fe, Ga, 又はAl, m=1以上50未満の整数)膜厚が100nmを越える場合には、m=m´である。
適切な温度は800度以上,1600度以下,より好ましくは1200度以上,1500度以下である。800度未満では拡散が遅く,均一組成のInMO3(ZnO)m(M=In, Fe, Ga, 又はAl, m=1以上50未満の整数)が得られない。また,1600度を越えるとZnOの蒸発が抑えられなくなり均一組成のInMO3(ZnO)m(M=In, Fe, Ga, 又はAl, m=1以上50未満の整数)が得られない。
また、反応性固相エピタキシャル成長法で得られたZnOを含むホモロガス単結晶膜は、化学量論組成に近く、室温では、108W・cm以上の高い絶縁性を示し、ノーマリーオフ電界効果型トランジスタに適している。
得られたZnOを主たる構成成分として含有するホモロガス単結晶薄膜を活性層とした、トップゲート型MIS電界効果型トランジスタを作製することができる。
まず、基板上にエピタキシャル成長したZnOを主たる構成成分として含有するホモロガス単結晶薄膜上にゲート絶縁膜及びゲート電極用の金属膜を形成する。
ゲート絶縁膜には、Al23が最も適している。ゲート電極用金属膜は、Au,Ag,Al、又はCu等を用いることができる。光リゾグラフィー法及びドライエッチング、又はリフトオフ法により、ゲート電極4を作製し、最後に、ソース電極5及びドレイン電極6を作成する。
本発明の電界効果型トランジスタの形状は、トップゲート型MIS電界効果型トランジスタ(MIS−FET)、J−FET等も含まれる。
ZnOを主たる構成成分として含有するホモロガスアモルファス薄膜を用いても、同様に、トップゲート型MIS電界効果型トランジスタを作成することができる。また、アモルファス薄膜の場合は、エピタキシャル成長させる必要はないので、ZnOエピタキシャル成長及び高温アニールプロセスを除くことができる。このために、ゲート電極を基板と膜の間に作りつけることが可能で、ボトムゲート型MIS電界効果型トランジスタも作製することができる。
次に、上述した好ましい実施例を組み合わせて形成した、本発明における透明トランジスタの実施例について説明する。
作製例1. 単結晶InGaO3(ZnO)5薄膜の作製
シリコン単結晶基板上にPLD法により厚み2nmのZnO薄膜を基板温度700度でエピタキシャル成長させた。次に、基板温度を室温まで冷却し、該ZnOエピタキシャル薄膜上にPLD法により、厚み150nmの多結晶InGaO3(ZnO)5薄膜を堆積させた。こうして作製した二層膜を大気中に取り出し、電気炉を用いて、大気中、1400度、30min加熱拡散処理した後、室温まで冷却した。
作製例2. MISFET素子の作製フォトリソグラフィー法により、トップゲート型MISFET素子を作製した。ソースとドレイン電極及びゲート絶縁膜にはAu及びアモルファスAl23をそれぞれ用いた。チャネル長及びチャネル幅はそれぞれ0.05mm及び0.2mmである。
ここで、上記では、本発明の概念を実現するための基本的な実施形態について説明したが、本発明に採用する光学素子を実用化するにあたっては、光路上にゴミや水滴などが付着してレンズ性能が劣化してしまう不具合を防止するための工夫を施すことが好ましい。
例えば、流体が収容された容器の光路と交わる外面(以下では、この面を光透過面と称する)に撥水性膜を付設することが好ましい。光透過面に撥水性を付与することによって、ゴミや水滴の付着などが防止され、光学素子の高い光透過性を維持することができる。この撥水性膜を構成する材料としては、シリコーン樹脂、オルガノポリシロキサンのブロック共重合体、フッ素系ポリマー、およびポリテトラフルオロエタンなどが好ましい。
また、光学素子を構成する容器の光透過面に、親水性膜を付設することも好ましい。光透過面に親水撥油性を付与することによっても、ゴミの付着を防止することができる。この親水性膜としては、アクリレート系ポリマーで構成されたものや、非イオン性オルガノシリコーン系界面活性剤などといった界面活性剤を塗布したものなどが好ましく、親水性膜の作製方法としては、シラン系モノマーのプラズマ重合や、イオンビーム処理などを適用することができる。
また、光学素子を構成する容器の光透過面に、酸化チタンなどといった光触媒を付設することも好ましい。光と反応した光触媒によって汚れなどが分解され、光透過面をきれいに保つことができる。
また、光学素子を構成する容器の光透過面に、帯電防止膜を付設することも好ましい。容器の光透過面に静電気が溜まったり、電極によって帯電してしまうと、光透過面にゴミや埃がくっついてしまう恐れがある。光透過面に帯電防止膜を付設することによって、このような不要物の付着を防止し、光学素子の光透過性を維持することができる。この帯電防止膜は、ポリマーアロイ系の材料で構成されていることが好ましく、このポリマーアロイ系が、ポリエーテル系や、ポリエーテルエステルアミド系や、カチオン性基を有するものや、レオミックス(商品名、第一工業製薬株式会社)であることが特に好ましい。また、この帯電防止膜が、ミスト法によって作製されたものであることが好ましい。
また、光学素子を構成する容器に、防汚性素材を適用しても良い。防汚性素材としてはフッ素樹脂が好ましいが、具体的には、含フッ素アルキルアルコキシシラン化合物や、含フッ素アルキル基含有ポリマー、オリゴマー等が好ましく、上記硬化性樹脂と架橋可能な官能基を有するものが特に好ましい。また、防汚性素材の添加量は、防汚性を発現する必要最低量であることが好ましい。
比較例である液体レンズの概略構成図である。 本発明の一実施形態が適用されたデジタルカメラを前面斜め上から見た外観斜視図である。 図2に示すデジタルカメラの概略構成図である。 手ブレ補正レンズ114の概略構成図である。 陰極220の概略構成図である。 駆動電極220aおよび透明トランジスタ220bの配置を説明するための図である。 手ブレ補正レンズ114による光路変更を説明する図である。 複数の電極の配置例を示す図である。
符号の説明
1 液体レンズ
11 容器
11a チューブ
11b,11c キャップ
12 陽極
13 陰極
14 絶縁膜
15 撥水性膜
16 親水性膜
21 油
22 水
100 デジタルカメラ
101 撮影レンズ
102 光学式ファインダ対物窓
103 補助光発光部
104 電源スイッチ
110 撮影光学系
111 CCD
112 シャッタ
112a シャッタモータ
113 アイリス
113a アイリスモータ
114 手ブレ補正レンズ
114a 手ブレコントローラ
115 フォーカスレンズ
115a フォーカスモータ
116 ズームレンズ
116a ズームモータ
120 信号処理部
120a アナログ処理(A/D)部
120b デジタル信号処理部
120c モ−タドライバ
121 システムコントローラ
122 画像信号処理部
123 画像表示制御部
124 画像圧縮部
125 メディアコントローラ
126 AF/AE演算部
127 キーコントローラ
128 バッファメモリ
129 内部メモリ
1200 バス
130 画像表示部
140 外部記録媒体
150 レリーズスイッチ
160 撮影モードスイッチ
170 ズームスイッチ
180 移動センサ
200 流体収容器
200a チューブ
200b キャップ
201 親水性膜
202 撥水性膜
203 絶縁膜
210 陽極
220 陰極
220a 電極
220b 透明トランジスタ
230 電源
240 電圧制御部
241 X方向ドライバ
240X,240Y 駆動線
242 Y方向ドライバ
401 導電性流体
402 絶縁性流体

Claims (5)

  1. 相互に屈折率が異なる、相互に不混和な、それぞれが光透過性を有する絶縁性流体および導電性流体が内部に収容された、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる流体収容器と、
    前記流体収容器内の導電性流体に接触した第1の電極と、
    前記流体収容器内の導電性流体に対して絶縁された、各々と前記第1電極との間に電圧が印加される、前記流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数の第2電極と、
    前記複数の第2電極それぞれに印加される電圧を調整する、該複数の第2電極とともに前記流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数のトランジスタとを備えたことを特徴とする光学素子。
  2. 前記流体収容器は、内面の少なくとも一部が、前記導電性流体に対する濡れ性が前記絶縁性流体に対する濡れ性よりも低い被覆膜で覆われたものであることを特徴とする請求項1記載の光学素子。
  3. 前記複数の第2電極が、マトリクス状に配置されたものであることを特徴とする請求項1記載の光学素子。
  4. 少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる、内部に流体が収容される流体収容器と、
    相互に屈折率が異なる、相互に不混和な、それぞれが光透過性を有する絶縁性流体および導電性流体が内部に収容された、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる流体収容器と、
    前記流体収容器内の導電性流体に接触した第1の電極と、
    前記流体収容器内の導電性流体に対して絶縁された、各々と前記第1電極との間に電圧が印加される、前記流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数の第2電極と、
    前記複数の第2電極それぞれに印加される電圧を調整する、該複数の第2電極とともに前記流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数のトランジスタと、
    前記複数のトランジスタそれぞれに関し独立に駆動信号を印加して、前記第1電極と前記複数の第2電極それぞれとの間に電圧を印加させ、前記絶縁性流体と前記導電性流体との境界面の形状を変化させることによって、前記流体収容器を通過する光の屈折を制御する制御部とを備えたことを特徴とする光学ユニット。
  5. 少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる、内部に流体が収容される流体収容器と、
    前記流体収容器内に収容された、光透過性を有する分散媒と、
    前記分散媒内に分散した、光透過性を有し、該分散媒の屈折率とは異なる屈折率を有する、電場の印加を受けて該分散媒内で電気泳動する分散質と、
    第1電極と、
    各々と前記第1電極との間に電圧が印加される、前記流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数の第2電極と、
    前記複数の第2電極それぞれに印加される電圧を調整する、該複数の第2電極とともに前記流体収容器の透明な面上に配置された透明な複数のトランジスタと、
    前記複数のトランジスタそれぞれに関し独立に駆動信号を印加して、前記第1電極と前記複数の第2電極それぞれとの間に電圧を印加させ、前記絶縁性流体と前記導電性流体との境界面の形状を変化させることによって、前記流体収容器を通過する光の屈折を制御する制御部と、
    前記流体収容器を通ってきた被写体光が表面に結像されて、該被写体光を表わす画像信号を生成する撮像器とを備えたことを特徴とする撮像装置。
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