JP2011242542A - Liquid lens and method of controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可変焦点の液体レンズに関し、特にエレクトロウェッティング（電気毛管現象）を利用した液体レンズ及びこの液体レンズにおける光学特性の制御方法に関する。 The present invention relates to a variable focus liquid lens, and more particularly to a liquid lens using electrowetting (electrocapillarity) and a method for controlling optical characteristics in the liquid lens.
近年、光学素子として可変焦点の液体レンズが注目されている。液体レンズは、焦点距離を制御するためのレンズ自体を移動させる駆動機構を設けることなく、レンズそのものの光学特性を変化させることによって焦点距離を可変にする。液体レンズとしては、エレクトロウェッティング（電気毛管、以下ＥＷとする。）現象を用いた電気方式の駆動制御を行うものが、特許文献１等で提案されている。 In recent years, a variable focus liquid lens has attracted attention as an optical element. The liquid lens makes the focal length variable by changing the optical characteristics of the lens itself without providing a driving mechanism for moving the lens itself for controlling the focal length. As a liquid lens, one that performs electric drive control using an electrowetting (electrocapillary, hereinafter referred to as EW) phenomenon is proposed in Patent Document 1 and the like.
特許文献１に記載されたＥＷ電気方式による液体レンズの基本構成を、図６に示す。絶縁液体の液滴６１は、互いに混和せず、且つ、異なる屈折率を有する導体液体６３と共に誘電体のチャンバ６２に収容されている。チャンバ６２の内壁には導体液体６３のぬれ性を向上させる表面処理６４が施されている。導体液体６３には、電極６８が接触している。一方、チャンバ６２の外側表面には、３つの同心の環状電極６５、６６、６７が配置されている。そして、電極６８と、これら各々の環状電極の間にはスイッチによって選択的に電圧Ｖを印加することができるように構成されている。このような構成の液体レンズにおいて、電圧が印加される環状電極の数を変えることによって、液滴６１の形状を変化させ（例えば、符号Ａで示す形から符号Ｂで示す形に変化させ）、焦点を変化させることができる。 FIG. 6 shows a basic configuration of a liquid lens based on the EW electric method described in Patent Document 1. The insulating liquid droplets 61 are immiscible with each other and are accommodated in a dielectric chamber 62 together with conductive liquids 63 having different refractive indexes. A surface treatment 64 for improving the wettability of the conductor liquid 63 is applied to the inner wall of the chamber 62. An electrode 68 is in contact with the conductor liquid 63. On the other hand, three concentric annular electrodes 65, 66, 67 are disposed on the outer surface of the chamber 62. A voltage V can be selectively applied between the electrode 68 and each annular electrode by a switch. In the liquid lens having such a configuration, by changing the number of annular electrodes to which a voltage is applied, the shape of the droplet 61 is changed (for example, changed from the shape indicated by the symbol A to the shape indicated by the symbol B), The focus can be changed.
しかしながら、上記のような液体レンズにおいては、液滴の界面形状が安定し、所望の光学特性、つまり所望の焦点を得るまでに時間がかかるといった問題があった。 However, the liquid lens as described above has a problem that the interface shape of the droplet is stable, and it takes time to obtain a desired optical characteristic, that is, a desired focus.
これに対し、特許文献２においては、複数の環状電極を有するものではないが、同様にＥＷ現象を用いた液体レンズが提案されている。この特許文献２には、レンズ作用を示す界面の変形完了時間を短縮するため、最終電圧値を印加する前の所定時間に、最終電圧値よりも高いプリ電圧値を印加する発明が記載されている。 On the other hand, Patent Document 2 does not have a plurality of annular electrodes, but similarly proposes a liquid lens using the EW phenomenon. This Patent Document 2 describes an invention in which a pre-voltage value higher than the final voltage value is applied for a predetermined time before the final voltage value is applied in order to shorten the deformation completion time of the interface exhibiting the lens action. Yes.
しかしながら、特許文献２に記載の発明では、最終電圧値よりも高いプリ電圧値の印加に耐える構成とする必要があったため、負荷・コストの面でさらなる改善が望まれていた。 However, in the invention described in Patent Document 2, since it is necessary to have a configuration that can withstand application of a pre-voltage value higher than the final voltage value, further improvement in terms of load and cost has been desired.
そこで本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、印加電圧値を高くすることなく、界面形状を速やかに安定させ、短時間に所望の光学特性を得ることができる液体レンズ及びその制御方法を提供することを目的とするものである。 Accordingly, the present invention has been made in view of such a problem, and a liquid lens that can quickly stabilize the interface shape and obtain desired optical characteristics in a short time without increasing the applied voltage value, and The object is to provide a control method thereof.
本発明は、導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、前記第１の液体に接触した電極、前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極、及び前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる電圧制御部を備えた液体レンズにおいて、前記電圧制御部は、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする。 The present invention includes a conductive or polar first liquid and an insulating or nonpolar second liquid that is not mixed with the first liquid and has a refractive index different from that of the first liquid. A container accommodated to form an interface having a curvature, an electrode in contact with the first liquid, and a plurality of concentrically disposed electrodes disposed to face the second liquid via an insulating layer An annular electrode, and a voltage control unit that applies a voltage between the electrode and at least a part of the plurality of annular electrodes, and changes the interface by switching the annular electrode to which the voltage is applied. In the liquid lens, the voltage control unit is configured such that the voltage is not applied to any of the annular electrodes, or the voltage is applied only to the annular electrode outside the target annular electrode. From this state, a voltage is applied to the target annular electrode, When switching to the second state in which no voltage is applied to the ring electrode located inside the target ring electrode, the ring zone located at least inside the target ring electrode is transiently switched. When the voltage is applied to the electrode in the third state and then switched to the second state, and when switching from the third state to the second state, the first state is transiently changed. After the state is changed to the second state, the second state is switched.
また、本発明は、導電性又は有極性の第１の液体と、該第１の液体と混合せず、且つ、第１の液体と異なる屈折率を有する絶縁性又は無極性の第２の液体とが、曲率を有する界面を形成するように収容された容器、前記第１の液体に接触した電極、及び前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極を備えた液体レンズに対し、前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる制御方法において、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする。 The present invention also provides a conductive or polar first liquid and an insulating or nonpolar second liquid that is not mixed with the first liquid and has a refractive index different from that of the first liquid. Are disposed so as to confront each other with a container accommodated so as to form an interface having a curvature, an electrode in contact with the first liquid, and the second liquid through an insulating layer. By applying a voltage between the electrode and at least a part of the plurality of annular electrodes, and switching the annular electrode to which the voltage is applied to the liquid lens having the plurality of annular electrodes In the control method for changing the interface, the first state in which no voltage is applied to any of the annular electrodes or the voltage is applied only to the annular electrodes outside the target annular electrode Voltage is applied to the target annular electrode and When switching to the second state in which no voltage is applied to the annular electrode located inside the annular electrode, the transition to at least the annular electrode located inside the intended annular electrode When the voltage is applied to the third state and then switched to the second state, and when switching from the third state to the second state, the first state is transiently changed. After that, it is characterized by switching to the second state.
以上、本発明によれば最終的に印加する電圧値よりも高い電圧値を電極に印加することなく、低負荷・低コストで液体レンズを所望の形状に高速に到達させ、早期に安定した光学特性を得ることができる。 As described above, according to the present invention, a liquid lens can be quickly reached a desired shape at a low load and at a low cost without applying a voltage value higher than the voltage value to be finally applied to the electrode. Characteristics can be obtained.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明に係わるＥＷ電気方式の液体レンズの一実施形態を示す概略構成図である。図１（ａ）は、液体レンズの概略断面図であり、符号Ｏは液体レンズの光軸を示す。液体レンズは、この光軸Ｏに対して回転対称形状をなしている。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of an EW electric type liquid lens according to the present invention. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a liquid lens, and a symbol O indicates an optical axis of the liquid lens. The liquid lens has a rotationally symmetric shape with respect to the optical axis O.
図１（ａ）において、上側部材１及び下側部材２はそれぞれ、透光性平板部材から成る。これらの部材１及び２は、不図示の枠体或いはスペーサーによって所定の間隔を空けて互いに平行に配置され、液体レンズを保持する収容室（セル）を構成している。 In FIG. 1A, each of the upper member 1 and the lower member 2 is made of a translucent flat plate member. These members 1 and 2 are arranged in parallel with each other at a predetermined interval by a frame or a spacer (not shown), and constitute a storage chamber (cell) that holds a liquid lens.
下側部材２の内表面上には、同心状に配置された３つの輪帯電極３ａ〜３ｃが設けられている。以下、３ａ、３ｂ及び３ｃをそれぞれ、第１、第２及び第３の輪帯電極と呼ぶ。これらの輪帯電極３ａ〜３ｂは、透明電極から成り、それぞれ光軸Ｏに対して回転対称の形状を有する。図１（ｂ）は、これらの輪帯電極３ａ〜３ｃを下側部材の内表面に垂直な方向からみた概略図である。 On the inner surface of the lower member 2, three annular electrodes 3a to 3c arranged concentrically are provided. Hereinafter, 3a, 3b, and 3c are referred to as first, second, and third annular electrodes, respectively. These annular electrodes 3a to 3b are made of transparent electrodes, and each have a rotationally symmetric shape with respect to the optical axis O. FIG. 1B is a schematic view of these annular electrodes 3a to 3c as seen from a direction perpendicular to the inner surface of the lower member.
上記輪帯電極３ａ〜３ｃの上には、絶縁層４が形成されている。そして、絶縁層４の上には、光軸Ｏを中心とした円形に撥水層５が形成され、この撥水層５を取り囲むように、絶縁層４上に親水層６が形成されている。これらの撥水層５及び親水層６が、収容室（セル）の内壁を構成している。 An insulating layer 4 is formed on the annular electrodes 3a to 3c. A water-repellent layer 5 is formed in a circle around the optical axis O on the insulating layer 4, and a hydrophilic layer 6 is formed on the insulating layer 4 so as to surround the water-repellent layer 5. . These water repellent layer 5 and hydrophilic layer 6 constitute the inner wall of the storage chamber (cell).
上記の部材１及び２から構成された収容室（セル）には、導電性又は有極性の第１の液体７と、絶縁性又は無極性の第２の液体８とが収容されている。第１及び第２の液体は、互いに混合することなく、且つ互いに異なる屈折率を有している。第２の液体８は疎水性を有し、撥水層５に接するように配置されている。これに対し、第１の液体７は親水性を有し、親水層６に接し、第２の液体８を取り囲むように収容室内に充填される。その結果、これらの液体の間には、Ａに示すような曲率を有する界面が形成される。これらの液体は屈折率が異なるので、界面Ａを透過する光に対して、レンズ作用を生じる。例えば、通常用いられる材料としては、絶縁性又は有極性である第２の液体８の方が、導電性又は有極性を有する第１の液体７よりも屈折率が大きい場合が多い。この場合には、液体レンズは凸レンズとして機能する。 The accommodation chamber (cell) composed of the members 1 and 2 contains a conductive or polar first liquid 7 and an insulating or nonpolar second liquid 8. The first and second liquids do not mix with each other and have different refractive indexes. The second liquid 8 has hydrophobicity and is disposed so as to contact the water repellent layer 5. On the other hand, the first liquid 7 has hydrophilicity and is filled in the accommodation chamber so as to contact the hydrophilic layer 6 and surround the second liquid 8. As a result, an interface having a curvature as indicated by A is formed between these liquids. Since these liquids have different refractive indexes, a lens action is generated for light transmitted through the interface A. For example, as a commonly used material, the refractive index of the second liquid 8 that is insulative or polar is often higher than that of the first liquid 7 that is conductive or polar. In this case, the liquid lens functions as a convex lens.
収容室（セル）の一部には孔が開けられ、ここに棒状電極９が挿入されて、第１の液体７を接触している。孔と棒状電極９との間は接着剤で封止され、収容室（セル）の密封性を維持している。棒状電極９と先に説明した輪帯電極３ａ〜３ｃとの間には、電圧制御部１０によって電圧が印加される。また、電圧制御部１０は、棒状電極９との間に電圧が印加される輪帯電極を切り換えることができるように構成されている、例えば、電圧制御部１０は、輪帯電極３ａ〜３ｃのいずれかに選択的に電圧を印加することが可能である。なお、電圧制御部１０によって印加される電圧は、直流電圧でも良いが、絶縁層４への電荷注入を抑制するために、数１０Ｈｚ〜数１０ＫＨｚの交流電圧を用いるのが好ましい。 A hole is formed in a part of the storage chamber (cell), and a rod-shaped electrode 9 is inserted therein to contact the first liquid 7. The space between the hole and the rod-shaped electrode 9 is sealed with an adhesive to maintain the sealing property of the storage chamber (cell). A voltage is applied by the voltage controller 10 between the rod-shaped electrode 9 and the previously described annular electrodes 3a to 3c. Moreover, the voltage control part 10 is comprised so that the annular electrode to which a voltage is applied between the rod-shaped electrodes 9 can be switched, for example, the voltage control part 10 is the annular electrodes 3a-3c. A voltage can be selectively applied to either of them. The voltage applied by the voltage control unit 10 may be a DC voltage, but in order to suppress charge injection into the insulating layer 4, it is preferable to use an AC voltage of several tens Hz to several tens KHz.
図１（ａ）の液体レンズにおいて、上側部材１及び下側部材２としては、例えばアクリル製の透明基板を用いることができる。輪帯電極３ａ〜３ｃは、例えば、下側部材２の内表面上に、スパッタリングによって酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の薄膜を形成し、この薄膜をパターニングすることによって形成することができる。輪帯電極３ａ〜３ｃの間の領域は、絶縁材料によって埋め込まれ、電極の上面と同じ高さに平坦化されていることが望ましい。輪帯電極３ａ〜３ｃ上の絶縁層４は、電圧制御部１０の駆動電圧が高くならないよう、１μｍの厚さであることが望ましい。このような絶縁層４としては、例えばＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ＬＢ）法で形成される膜（ＬＢ膜）を用いることができる。ＬＢ法を用いれば、常温、常圧で、均一な無欠陥の薄膜を得ることができる。また、絶縁層４として、キャストコート膜を用いることもできる。この膜は、有機や無機の化合物（好ましくはフッ素系やシリコン系の樹脂）を溶媒と共に、ディピングやスピンコートなどの手法を用いて、基板上に塗布することにより形成することができる。さらに、絶縁層４として、スパッタリングによって成膜した金属酸化物やシリコンなどの膜を用いることも可能である。 In the liquid lens of FIG. 1A, as the upper member 1 and the lower member 2, for example, an acrylic transparent substrate can be used. The annular electrodes 3a to 3c can be formed, for example, by forming a thin film of indium tin oxide (ITO) on the inner surface of the lower member 2 by sputtering and patterning the thin film. The region between the annular electrodes 3a to 3c is preferably embedded with an insulating material and flattened to the same height as the upper surface of the electrode. It is desirable that the insulating layer 4 on the annular electrodes 3a to 3c has a thickness of 1 μm so that the driving voltage of the voltage control unit 10 does not increase. As such an insulating layer 4, for example, a film (LB film) formed by the Langmuir-Blodgett (LB) method can be used. If the LB method is used, a uniform defect-free thin film can be obtained at normal temperature and normal pressure. A cast coat film can also be used as the insulating layer 4. This film can be formed by applying an organic or inorganic compound (preferably a fluorine-based or silicon-based resin) onto a substrate together with a solvent using a technique such as dipping or spin coating. Further, as the insulating layer 4, a film made of metal oxide or silicon formed by sputtering can be used.
撥水層５は、例えば絶縁層４上に撥水処理剤を塗布することによって形成される。撥水処理剤としては、フッ素化合物等が好適に用いられる。この撥水層５は、第２の液体８に対する親和性（親和力）が、第１の液体７に対する親和性よりも大きくなる表面層を形成するものである。また、親水層６は、例えば絶縁層４上に親水処理剤を塗布することによって形成される。親水処理剤としては、界面活性剤、親水性ポリマー等が好適に用いられる。この他にも、一般的に知られた親水性材料を用いて、親水層６を形成しても良い。 The water repellent layer 5 is formed, for example, by applying a water repellent treatment agent on the insulating layer 4. As the water repellent agent, a fluorine compound or the like is preferably used. The water repellent layer 5 forms a surface layer in which the affinity (affinity) for the second liquid 8 is greater than the affinity for the first liquid 7. The hydrophilic layer 6 is formed, for example, by applying a hydrophilic treatment agent on the insulating layer 4. As the hydrophilic treatment agent, a surfactant, a hydrophilic polymer or the like is preferably used. In addition, the hydrophilic layer 6 may be formed using a generally known hydrophilic material.
第１の液体７としては、無機塩の水溶液や有機液体など、それ自身が導電性や有極性を有するもの、あるいは、イオン性成分を付加することによって導電性や有極性を持たせた液体が用いられる。一例として、水、エチルアルコール、食塩が所定比率で混合され、密度１．０６、室温での屈折率１．３８の電解液を用いることができる。なお、この例における密度や屈折率は一つの仕様として提示したものであり、特にこれに限定されない。 Examples of the first liquid 7 include an aqueous solution of an inorganic salt and an organic liquid such as a liquid having conductivity and polarity, or a liquid having conductivity and polarity by adding an ionic component. Used. As an example, an electrolytic solution in which water, ethyl alcohol, and sodium chloride are mixed at a predetermined ratio and has a density of 1.06 and a refractive index of 1.38 at room temperature can be used. In addition, the density and refractive index in this example are presented as one specification, and are not particularly limited thereto.
第２の液体８としては、無色透明で、液体レンズの使用温度範囲において第１の液体と実質的に同じ密度を有している液体を用いることが望ましい。第１及び第２の液体の密度の差が大きいと、これらの液体の界面が非対称形状になってしまい、コマ収差が生じてしまう。ここで、実質的に同じ密度とは、両液体の密度の差が、高い方の液体の密度に対して１％未満であることを言う。第２の液体８としては、例えば、密度１．０６、室温での屈折率１．４９のシリコーンオイルを用いることができる。また、第２の液体８として、パラフィンオイルを用いることもできる。このように、第１の液体７と混合しない絶縁性または無極性の液体であれば、その種類は問わない。 As the second liquid 8, it is desirable to use a liquid that is colorless and transparent and has substantially the same density as the first liquid in the operating temperature range of the liquid lens. If the difference in density between the first and second liquids is large, the interface between these liquids becomes asymmetrical, and coma aberration occurs. Here, “substantially the same density” means that the difference in density between the two liquids is less than 1% with respect to the density of the higher liquid. As the second liquid 8, for example, silicone oil having a density of 1.06 and a refractive index of 1.49 at room temperature can be used. Paraffin oil can also be used as the second liquid 8. As described above, any type of insulating or nonpolar liquid that does not mix with the first liquid 7 can be used.
図２は、図１に記載した本発明の実施形態における電圧制御部の構成例を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the voltage control unit in the embodiment of the present invention described in FIG. 1.
図２において、電圧制御部１０は、制御演算、駆動信号の生成を行うＣＰＵ（中央処理装置）１１、ＣＰＵ１１内に内蔵されているタイマー１２、ＣＰＵ１１のバスに接続されるＲＯＭ１３とＲＡＭ１４、実際の印加電圧を生成する電源１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、電圧値を増幅するアンプ１７及び１８、電圧を印加する輪帯電極を選択するセレクタスイッチ１９から構成されている。ＣＰＵ１１は、印加電圧の制御を行う、組み込み型のものである。電圧値、印加するタイミング及び、印加電圧のデューティ比の制御を行う。また、本実施形態の液体レンズが、撮像装置等の光学装置に組み込まれている場合、この光学装置全体の制御も行う。 In FIG. 2, a voltage control unit 10 includes a CPU (central processing unit) 11 that performs control calculation and drive signal generation, a timer 12 that is built in the CPU 11, a ROM 13 and a RAM 14 that are connected to the bus of the CPU 11, an actual The power source 15 generates an applied voltage, a DC / DC converter 16, amplifiers 17 and 18 that amplify a voltage value, and a selector switch 19 that selects an annular electrode to which the voltage is applied. The CPU 11 is a built-in type that controls the applied voltage. The voltage value, application timing, and duty ratio of the applied voltage are controlled. Further, when the liquid lens of the present embodiment is incorporated in an optical apparatus such as an imaging apparatus, the entire optical apparatus is also controlled.
タイマー１２は、過渡応答制御における制御時間を計るのに使用する。本実施形態では、ＣＰＵ１１に内蔵されているが、ＣＰＵ１１の周辺回路として外付けされる構成でもよい。ＲＯＭ１３には、後述する制御用の参照テーブル（ＬＵＴ）やＣＰＵ１１に各種制御を実行させるためのプログラムやデータが格納されている。ＲＯＭ１３としては、不揮発性のメモリであるフラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ）等が用いられる。ＲＡＭ１４には、ＣＰＵ１１が各種制御や処理を行うために用いるワークエリア、液体レンズの状態や装置の環境情報等が格納されている。ＲＡＭ１４としては、リフレッシュが必要なＤＲＡＭやリフレッシュ動作が不要なＳＲＡＭ等、速度やコストを考慮して適したデバイスを用いる。 The timer 12 is used for measuring the control time in the transient response control. In the present embodiment, it is built in the CPU 11, but it may be configured to be externally attached as a peripheral circuit of the CPU 11. The ROM 13 stores a reference table (LUT) for control, which will be described later, and programs and data for causing the CPU 11 to execute various controls. As the ROM 13, a flash memory that is a nonvolatile memory or the like is used. The RAM 14 stores a work area used for the CPU 11 to perform various controls and processes, the state of the liquid lens, environment information of the apparatus, and the like. As the RAM 14, a suitable device is used in consideration of speed and cost, such as a DRAM that requires refreshing or an SRAM that does not require refreshing.
電源１５としては、乾電池や蓄電池等の直流電源が用いられる。電源１５は、制御系であるＣＰＵ１１やその周辺回路の他、液体レンズを始めとする他の制御機構の動作に必要な電力を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、ＣＰＵ１１の制御信号に応じて電源１５から供給される電圧を所望の電圧値へと昇圧する。エレクトロウェッティング動作を行うには、一般的には数百ボルトの電圧が必要となる。ＣＰＵ１１からの制御信号に応じて、電源１５の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１６、アンプ１７およびアンプ１８によって所望の電圧値、周波数、およびデューティで液体レンズに印加されるようになる。 As the power source 15, a DC power source such as a dry battery or a storage battery is used. The power supply 15 supplies power necessary for the operation of the control system such as the liquid lens as well as the CPU 11 and its peripheral circuits which are control systems. The DC / DC converter 16 boosts the voltage supplied from the power supply 15 to a desired voltage value according to the control signal of the CPU 11. In order to perform the electrowetting operation, a voltage of several hundred volts is generally required. In response to a control signal from the CPU 11, the output voltage of the power source 15 is applied to the liquid lens by the DC / DC converter 16, the amplifier 17 and the amplifier 18 with a desired voltage value, frequency and duty.
アンプ１７は図１（ａ）に示す液体レンズ内の棒状電極９に、アンプ１８はセレクタスイッチ１９に接続されている。セレクタスイッチ１９は、アンプ１８を図１に示す輪帯電極３ａ〜３ｃに繋がった配線の何れかに接続し、各輪帯電極のいずれかに選択的に電圧を印加する。 The amplifier 17 is connected to the rod-shaped electrode 9 in the liquid lens shown in FIG. 1A, and the amplifier 18 is connected to the selector switch 19. The selector switch 19 connects the amplifier 18 to any of the wirings connected to the annular electrodes 3a to 3c shown in FIG. 1, and selectively applies a voltage to any of the annular electrodes.
次に、図１に示す実施形態の液体レンズの動作を説明する。まず、第１の液体７に電圧が印加されていない場合、この第１の液体７と第２の液体８との界面は図１において実線で示すＡの状態である。ここで、界面Ａの形状は、両液体間の界面張力、第１の液体７と撥水層５或いは親水層６との界面張力、第２の液体８と撥水層５或いは親水層６との界面張力、第２の液体８の体積によって決まる。本実施形態では、第２の液体８であるシリコーンオイルと撥水層５との界面張力が小さくなるように材料選定されている。すなわち、前記両材料間の濡れ性が高いため、第２の液体８が形成するレンズ状液滴の外縁は広がる性向を持ち、外縁が撥水層５の塗布領域に一致したところで安定する。一方、両液体は前述のごとく実質的に等しい密度を有するため、重力は作用しない。そのため、界面Ａは球面となり、その曲率半径及び頂点の高さ（レンズの厚さ）は、第２の液体８の体積によって決まる。 Next, the operation of the liquid lens of the embodiment shown in FIG. 1 will be described. First, when a voltage is not applied to the first liquid 7, the interface between the first liquid 7 and the second liquid 8 is in the state A shown by the solid line in FIG. Here, the shape of the interface A includes the interfacial tension between the two liquids, the interfacial tension between the first liquid 7 and the water repellent layer 5 or the hydrophilic layer 6, and the second liquid 8 and the water repellent layer 5 or the hydrophilic layer 6. , And the volume of the second liquid 8. In this embodiment, the material is selected so that the interfacial tension between the silicone oil that is the second liquid 8 and the water repellent layer 5 is reduced. That is, since the wettability between the two materials is high, the outer edge of the lenticular droplet formed by the second liquid 8 has a tendency to spread, and is stabilized when the outer edge coincides with the application region of the water repellent layer 5. On the other hand, since both liquids have substantially the same density as described above, gravity does not act. Therefore, the interface A is a spherical surface, and the radius of curvature and the height of the apex (lens thickness) are determined by the volume of the second liquid 8.
一方、図１に示す電圧制御部１０から第１の液体７と輪帯電極３ａ〜３ｃのいずれかとの間に電圧が印加されると、ＥＷ現象によって、第１の液体７と親水層６或いは撥水層５との界面エネルギーの釣り合いが変化する。そして、第１の液体７が親水層６と撥水層５との境界を乗り越えて、撥水層５が塗布された領域に侵入する。その結果、第２の液体８が作るレンズの底面の直径は減少し、両液体の界面は、実線Ａに示す形状から、破線で示すＢの形状へと変化する。本実施形態においては、第２の液体８が第１の液体７よりも高い屈折率を有しおり、界面Ａから界面Ｂへの状態（形状）変化によって、界面の曲率半径が小さくなるため、液体レンズの焦点距離が短くなる。つまり、この液体レンズは電圧の印加によって焦点距離が変化する、所謂可変焦点レンズとして機能する。 On the other hand, when a voltage is applied between the first liquid 7 and any one of the annular electrodes 3a to 3c from the voltage control unit 10 shown in FIG. 1, the first liquid 7 and the hydrophilic layer 6 or the The balance of the interfacial energy with the water repellent layer 5 changes. Then, the first liquid 7 gets over the boundary between the hydrophilic layer 6 and the water repellent layer 5 and enters the region where the water repellent layer 5 is applied. As a result, the diameter of the bottom surface of the lens formed by the second liquid 8 decreases, and the interface between the two liquids changes from the shape shown by the solid line A to the shape B shown by the broken line. In the present embodiment, the second liquid 8 has a higher refractive index than the first liquid 7, and the curvature radius of the interface becomes small due to the state (shape) change from the interface A to the interface B. The focal length of the lens is shortened. In other words, the liquid lens functions as a so-called variable focus lens in which the focal length is changed by applying a voltage.
図１（ａ）において、いずれかの輪帯電極３ａ〜３ｃと棒状電極９との間に電圧を印加した時の接触角をθで示す。接触角θを、電圧Ｖの関数として表現したθ（Ｖ）は、絶縁層４の膜厚をｄ、絶縁層４の誘電率をε、第２の液体８の界面エネルギーをγ、真空の誘電率をε０とすると、以下の（１）式で与えられる。 In FIG. 1A, the contact angle when a voltage is applied between any of the annular electrodes 3a to 3c and the rod-shaped electrode 9 is denoted by θ. Θ (V), which represents the contact angle θ as a function of the voltage V, is d for the thickness of the insulating layer 4, ε for the dielectric constant of the insulating layer 4, γ for the interface energy of the second liquid 8, and dielectric for vacuum. If the rate is ε 0 , the following equation (1) is given.
ｃｏｓθ（Ｖ）−ｃｏｓθ（０）＝ε０・ε・Ｖ２／（２ｄ・γ） …（１）
（１）式から、電圧の印加によって接触角θが変化し、第１及び第２の液体の間の界面形状を制御できることがわかる。
cos θ (V) −cos θ (0) = ε 0 · ε · V 2 / (2d · γ) (1)
From equation (1), it can be seen that the contact angle θ changes with the application of a voltage, and the interface shape between the first and second liquids can be controlled.
また、本実施形態においては、３つの輪帯電極３ａ〜３ｃのいずれかに選択的に電圧が印加されるが、どの輪帯電極に電圧が印加されるかによって、液体レンズの焦点距離が変化する。つまり、第１の輪帯電極３ａに電圧が印加されている状態よりも、第２の輪帯電極３ｂに電圧が印加されている状態の方が、液体レンズの焦点距離は短い。また、更に内側の第３の輪帯電極３ｃに電圧が印加されている状態の方が、第１及び第２の輪帯電極のいずれかに電圧が印加されている状態よりも、液体レンズの焦点距離はより短くなる。つまり、本実施形態の液体レンズは、電圧を印加する輪帯電極を選択することによって、段階的に焦点距離を切り換えることが可能である。 In the present embodiment, a voltage is selectively applied to any of the three annular electrodes 3a to 3c, but the focal length of the liquid lens varies depending on which annular electrode is applied with the voltage. To do. In other words, the focal length of the liquid lens is shorter when the voltage is applied to the second annular electrode 3b than when the voltage is applied to the first annular electrode 3a. In addition, the state in which the voltage is applied to the inner third annular electrode 3c further than the state in which the voltage is applied to one of the first and second annular electrodes. The focal length is shorter. That is, the liquid lens of the present embodiment can switch the focal length step by step by selecting an annular electrode to which a voltage is applied.
以上、本発明の前提となる液体レンズの構成及び動作の実施形態を説明したが、次に本発明の特徴である制御方法について説明する。本発明は、液体レンズの焦点距離を目的とする値に制御する場合に、界面形状を速やかに安定させ、短時間に所望の焦点距離を得るものである。そのために、本発明では、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、第２の状態に切り換える制御方法を用いる。また、本発明においては、第３の状態から、第２の状態に切り換える際には、過渡的に、第１の状態とした後に、第２の状態に切り換える。 The configuration and operation of the liquid lens that is the premise of the present invention have been described above. Next, the control method that is a feature of the present invention will be described. In the present invention, when the focal length of a liquid lens is controlled to a target value, the interface shape is quickly stabilized, and a desired focal length is obtained in a short time. Therefore, in the present invention, from the first state where no voltage is applied to any of the annular electrodes, or the voltage is applied only to the annular electrodes outside the target annular electrode, When switching to the second state in which a voltage is applied to the target annular electrode and no voltage is applied to the annular electrode inside the target annular electrode, at least the target is transiently changed. A control method for switching to the second state is used after the third state in which a voltage is applied to the annular electrode located inside the annular electrode. Further, in the present invention, when switching from the third state to the second state, the state is transitioned to the first state and then switched to the second state.
上記本発明の制御方法を、図１に示す実施形態に対応させて、より具体的に説明する。まず、所望の焦点距離、つまり目的とする焦点距離を得るために選択される輪帯電極（目的とする輪帯電極）が、第２の輪帯電極３ｂである場合を考えてみる。現在の状態が、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加されている状態であるとすると、第２の輪帯電極３ｂに電圧を印加する前に、一旦、第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧を印加した状態とする。そして、所定の時間Ｔ１の間、この状態とした後に、第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加した状態に切り換える。つまり、目的とする輪帯電極に電圧を印加する前に、過渡的に、目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧を印加する。 The control method of the present invention will be described more specifically in correspondence with the embodiment shown in FIG. First, consider a case where the annular electrode (target annular electrode) selected to obtain a desired focal length, that is, a desired focal length, is the second annular electrode 3b. If the current state is a state in which a voltage is applied only to the first annular electrode 3a, the third annular electrode 3c is temporarily applied before the voltage is applied to the second annular electrode 3b. The voltage is applied only to. Then, for a predetermined time T 1, after this state, it switches the state in which a voltage is applied only to the second annular electrode 3b. That is, before applying a voltage to the target ring electrode, a voltage is transiently applied to the ring electrode inside the target ring electrode.
図３は、上記の制御方法を、各輪帯電極への印加電圧の変化で示したタイミングチャートである。現在は第１の輪帯電極３ａに電圧Ｖａが印加されて界面の形状が安定し、所定の焦点距離を維持した状態である。ここで、目的とする輪帯電極である、第２の輪帯電極３ｂに電圧を印加する前に、時刻ｔ０において、第３の輪帯電極３ｃに電圧Ｖｃを印加する。同時にｔ０において、電圧Ｖａの印加を停止する。そして、所定の時間（過渡応答制御に要する時間）Ｔ１の間、電圧Ｖｃが印加された状態を維持した後、時刻ｔ２において、第２の輪帯電極３ｂへの電圧Ｖｂの印加を開始する。同時にｔ２において、電圧Ｖｃの印加を停止する。 FIG. 3 is a timing chart showing the above control method by the change of the voltage applied to each annular electrode. Currently, the voltage Va is applied to the first annular electrode 3a, the interface shape is stabilized, and a predetermined focal length is maintained. Here, an annular electrode of interest, prior to the application of voltage to the second annular electrode 3b, at time t 0, and voltage Vc is applied to the third annular electrode 3c. In t 0 at the same time, to stop the application of the voltage Va. Then, a predetermined time (time required for the transient response control) during T 1, after maintaining the state in which the voltage Vc is applied at time t 2, the start of the application of the voltage Vb to the second annular electrode 3b To do. In the same time t 2, to stop the application of voltage Vc.
上記のように、本実施形態においては、時刻ｔ０において過渡応答制御を開始し、目的とする焦点距離を安定に維持する第２の輪帯電極３ｂよりも内側の、第３の輪帯電極３ｃに電圧Ｖｃを印加する。このまま、Ｖｃを印加し続けると、最終的に到達する界面形状は目的とするものとは異なる。しかし、本実施形態では、界面形状の変化の途中、目的とする界面形状或いは目的の界面形状に近い形状となる時刻ｔ２のタイミングで、電圧Ｖｃの印加を停止し、第２の輪帯電極３ｂに電圧Ｖｂを印加する。これによって、短時間に液体レンズの焦点距離を目的とする焦点距離に制御することが可能となる。ここで、各輪帯電極に印加される電圧値は、所定の焦点距離を維持している状態で印加されている電圧値と変わらない。このため、耐圧の高い回路構成とすることによるコストアップを抑制することができる。 As described above, in the present embodiment, starts the transient response control at time t 0, the inside than the second annular electrode 3b to maintain the focal length of interest stably, the third annular electrode A voltage Vc is applied to 3c. If Vc is continuously applied as it is, the interface shape finally reached is different from the intended one. However, in the present embodiment, during the change of the interface shape, at time t 2 as a shape close to the shape of the interface interface shape or object of interest, to stop the application of voltage Vc, the second annular electrode A voltage Vb is applied to 3b. This makes it possible to control the focal length of the liquid lens to a target focal length in a short time. Here, the voltage value applied to each annular electrode is not different from the voltage value applied while maintaining a predetermined focal length. For this reason, the cost increase by setting it as a circuit structure with a high proof pressure can be suppressed.
以上の説明においては、現在の状態が第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加されている状態としたが、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態から第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧が印加される状態に切り換える場合にも、過渡的に第３の輪帯電極３ｃに電圧を印加しても良い。図３の場合を含めて、このような過渡応答制御の状態変化を表にまとめると、表１に示すようになる。表１において、「オン」とは対象となる輪帯電極に電圧が印加された状態、「オフ」とは電圧が印加されていない状態を示す。 In the above description, the current state is the state where the voltage is applied only to the first annular electrode 3a, but the second annular zone from the state where no voltage is applied to any of the annular electrodes. Even when switching to a state in which a voltage is applied only to the electrode 3b, a voltage may be transiently applied to the third annular electrode 3c. Table 1 summarizes the state changes of such transient response control including the case of FIG. 3. In Table 1, “ON” indicates a state in which a voltage is applied to the target annular electrode, and “OFF” indicates a state in which no voltage is applied.
本実施形態において、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態から、第１の輪帯電極３ａに電圧が印加された状態に切り換える場合、過渡的に第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加する。本実施形態の変形例として、上記の場合に、過渡的に第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧を印加するようにしても良い。ただし、この場合に、制御時間Ｔ１の最適値は、過渡的に第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加する場合とは異なってくる。 In this embodiment, when switching from a state in which no voltage is applied to any annular electrode to a state in which a voltage is applied to the first annular electrode 3a, the second annular electrode 3b is transiently switched. Apply voltage only. As a modification of the present embodiment, in the above case, a voltage may be transiently applied only to the third annular electrode 3c. However, in this case, the optimum value of the control time T 1 is differs from the case of applying a voltage only to transiently second annular electrode 3b.
以上、焦点距離が長い状態から短い状態へ変化させる場合を説明した。本実施形態において、焦点距離が短い状態から長い状態へ変化させる場合には、上記の制御とは逆の過渡応答制御が行われる。つまり、目的とする輪帯電極が第２の輪帯電極３ｂで、現在の状態が、第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧が印加されている状態であるとする。この場合、第２の輪帯電極３ｂに電圧を印加する前に、一旦、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧を印加した状態とする。そして、所定の時間Ｔ１の間、この状態とした後に、第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧を印加した状態に切り換える。この場合の過渡応答制御の状態変化を表２に示す。表２において「オン」、「オフ」は表１と同じ意味である。 The case where the focal length is changed from a long state to a short state has been described above. In the present embodiment, when the focal length is changed from a short state to a long state, a transient response control opposite to the above control is performed. In other words, the target annular electrode is the second annular electrode 3b, and the current state is a state in which a voltage is applied only to the third annular electrode 3c. In this case, the voltage is once applied only to the first annular electrode 3a before the voltage is applied to the second annular electrode 3b. Then, for a predetermined time T 1, after this state, it switches the state in which a voltage is applied only to the second annular electrode 3b. Table 2 shows the state change of the transient response control in this case. In Table 2, “ON” and “OFF” have the same meaning as in Table 1.
本実施形態において、第２或いは第３の輪帯電極にのみ電圧が印加された状態から、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加される状態に切り換える場合には、過渡的に、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態とする。 In this embodiment, when switching from a state in which a voltage is applied only to the second or third annular electrode to a state in which a voltage is applied only to the first annular electrode 3a, either No voltage is applied to the annular electrode.
このように、焦点距離が短い状態から長い状態へ変化させる場合においても、本実施形態の変形例として、第３の輪帯電極３ｃにのみ電圧が印加された状態から第２の輪帯電極３ｂにのみ電圧が印加された状態に切り換える前に、過渡的に、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態としても良い。この場合に、制御時間Ｔ１の最適値が、過渡的に第１の輪帯電極３ａにのみ電圧を印加する場合とは異なってくることは、先に説明した例と同様である。 As described above, even when the focal length is changed from the short state to the long state, as a modification of the present embodiment, the second annular electrode 3b is changed from the state where the voltage is applied only to the third annular electrode 3c. Before switching to the state in which the voltage is applied only to the electrode, it may be in a state where no voltage is applied to any of the annular electrodes transiently. In this case, the optimum value of the control time T 1 is, it differs from the case of applying a voltage only to transiently first annular electrode 3a is similar to the example described above.
上記のような制御は、図２に示す電圧制御部１０によって行われる。電圧制御部１０において、ＲＯＭ１３の参照テーブル（ＬＵＴ）には、過渡制御の際にどの輪帯電極を選択するか等の情報が格納されている。そして、このＬＵＴに従って、ＣＰＵ１１がセレクタスイッチ１９等を制御することによって、過渡応答制御が実行される。図４に、上記のような制御パラメータを格納した参照テーブルの構成の一例を示す。 The above control is performed by the voltage controller 10 shown in FIG. In the voltage control unit 10, the reference table (LUT) of the ROM 13 stores information such as which annular electrode is selected in the transient control. Then, according to the LUT, the CPU 11 controls the selector switch 19 and the like, so that transient response control is executed. FIG. 4 shows an example of the configuration of a reference table that stores the control parameters as described above.
参照用テーブルには、図４に示すように、液体レンズの焦点距離Ｆ、現在、電圧が印加されている輪帯電極の番号、目的とする輪帯電極の番号が格納されている。テーブルには更に、安定化時電圧、過渡制御を行う輪帯電極の番号、過渡制御電圧、過渡制御時間が先の情報とセットになって格納されている。本例では、本実施形態では、所望の焦点距離Ｆとこれに対応した情報をセットとして各々の値を格納しているが、メモリ容量削減のため、特定の焦点距離に対して、目的とする焦点距離に変化させる際の差分データを格納する構成でもよい。 As shown in FIG. 4, the reference table stores the focal length F of the liquid lens, the number of the annular electrode to which a voltage is currently applied, and the number of the target annular electrode. The table further stores the stabilization voltage, the number of the ring electrode for performing the transient control, the transient control voltage, and the transient control time as a set with the previous information. In this example, in this embodiment, each value is stored as a set of a desired focal length F and information corresponding to the desired focal length F. However, in order to reduce the memory capacity, the target is used for a specific focal length. It may be configured to store difference data when changing to the focal length.
また、目的の焦点距離を得るための過渡制御時間等は、環境条件、特に液体レンズ収容室内の液体の温度によって変わるため、環境条件に対応した参照用テーブルを複数保持する構成が望ましい。この場合、環境条件を計測するためのセンサが必要となる。また、このセンサによる計測は、液体レンズの駆動開始時等、所定のタイミングで行い、参照用テーブルを選択するようにすれば良い。さらには、過渡制御を行う輪帯電極の番号、過渡制御電圧、過渡制御時間を、一つの安定化時電圧に対して複数持つ構成とし、装置のシーケンス、利用シーンに応じて適宜選択することも可能である。 In addition, since the transient control time for obtaining the target focal length varies depending on the environmental conditions, particularly the temperature of the liquid in the liquid lens storage chamber, it is desirable to have a plurality of reference tables corresponding to the environmental conditions. In this case, a sensor for measuring environmental conditions is required. Further, the measurement by this sensor may be performed at a predetermined timing such as when the driving of the liquid lens is started, and the reference table may be selected. Furthermore, the number of the ring electrode for performing the transient control, the transient control voltage, and the transient control time are configured so as to have a plurality of one stabilization voltage, and can be appropriately selected according to the sequence of the apparatus and the use scene. Is possible.
ここで、本発明の特徴である過渡応答制御を行うパラメータを設定するための手法について簡単に説明する。パラメータの設定には幾つかの手法が想定できるが、ここでは実験的に得られた値を用いる手法について説明する。 Here, a method for setting parameters for performing transient response control, which is a feature of the present invention, will be briefly described. Several methods can be assumed for setting the parameters. Here, a method using experimentally obtained values will be described.
特定の輪帯電極に電圧が印加されている初期状態から、それとは異なる輪帯電極に所定のパルス幅の電圧を印加し、時間経過とともに液体レンズの焦点距離の変化を計測する。具体的には、平行光を液体レンズに入射させ、スポット径の大きさを高速度カメラで撮像する。カメラで取得した画像内のスポット径から焦点距離への換算を行うことで、焦点距離変化、すなわち光学性能を得る界面変化の値を算出する。小型カメラで採用可能な、レンズ径Φ１０ｍｍ程度の液体レンズの応答時間は数十から百数十ｍｓｅｃ程度である。このため、上記の計測に用いる高速度カメラとしては、時分解能を考慮して一秒間に数百から千フレーム撮像できるものが望ましい。 From the initial state where a voltage is applied to a specific annular electrode, a voltage having a predetermined pulse width is applied to a different annular electrode, and the change in the focal length of the liquid lens is measured over time. Specifically, parallel light is incident on the liquid lens, and the spot diameter is imaged with a high-speed camera. By converting the spot diameter in the image acquired by the camera into the focal length, the focal length change, that is, the interface change value for obtaining the optical performance is calculated. The response time of a liquid lens having a lens diameter of about 10 mm that can be employed in a small camera is about several tens to several hundreds of msec. For this reason, it is desirable that the high-speed camera used for the above-described measurement can capture several hundred to 1,000 frames per second in consideration of time resolution.
上記の計測を初期状態、印加電圧のパルス幅及びパルス電圧を印加する輪帯電極を変えて行い、所定の焦点距離が得られるまでの時間を計測することで、過渡制御時間等のパラメータを設定することができる。先に説明したように、液体レンズは環境条件、特に温度依存性が顕著であるため、動作温度を変えてパラメータを取得することが望ましい。さらには、経年変化を考慮した加速試験後の液体レンズに対しても同様の計測を行うことで、使用環境、状況に合わせた制御パラメータの設定が可能になる。 Set the parameters such as transient control time by performing the above measurement in the initial state, changing the pulse width of the applied voltage and the annular electrode to which the pulse voltage is applied, and measuring the time until a predetermined focal length is obtained. can do. As described above, since the liquid lens has remarkable environmental conditions, particularly temperature dependency, it is desirable to obtain parameters by changing the operating temperature. Furthermore, by performing the same measurement on the liquid lens after the acceleration test in consideration of the secular change, it becomes possible to set the control parameter according to the use environment and the situation.
図５は、図１の実施形態における液体レンズの制御の流れを示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing a flow of control of the liquid lens in the embodiment of FIG.
図５において、ステップＳ１０１ではまず、環境条件を把握する。図１に記載の液体レンズにおいては、不図示の温度センサによって液体レンズ近傍又は液体レンズ収容室内の温度を計測し、図２のＣＰＵ１１は、その計測値をＲＡＭ１４内に格納する。次に、ステップＳ１０２では、現在の焦点距離を把握する。現在の焦点距離はＲＡＭ１４内の所定のアドレスに格納されているものとする。続いて、ステップＳ１０３では、到達目標とする焦点位置へ変化させるための制御後の焦点距離を把握する。なお、ここまでのステップは順番を入れ替えて動作してもよい。 In FIG. 5, first, in step S101, environmental conditions are grasped. In the liquid lens shown in FIG. 1, the temperature in the vicinity of the liquid lens or in the liquid lens storage chamber is measured by a temperature sensor (not shown), and the CPU 11 in FIG. 2 stores the measured value in the RAM 14. Next, in step S102, the current focal length is grasped. It is assumed that the current focal length is stored at a predetermined address in the RAM 14. Subsequently, in step S103, the post-control focal length for changing the focal position to the target position is grasped. In addition, you may operate | move by changing the order of the steps so far.
ステップＳ１０４では、これまでの情報把握の結果から、まず環境条件が一致する、または最も近い参照用テーブルであるＬＵＴを選択する。現在の焦点距離、制御後の焦点距離の値をもとに、所望の制御をおこなうのに必要な安定化時の電圧、過渡応答制御時の電圧および過渡応答制御時間、選択する輪帯電極をＲＯＭ２０３またはＲＡＭ２０４上に展開したＬＵＴから読み取る。 In step S104, based on the results of grasping information so far, first, the LUT that is the closest reference table with the matching environmental conditions is selected. Based on the current focal length and the value of the focal length after control, the voltage at stabilization, voltage during transient response control and transient response control time, and the ring electrode to be selected are selected. Read from the LUT developed on the ROM 203 or RAM 204.
次に、ステップＳ１０５では、過渡応答制御に用いる輪帯電極を複数の電極の中から選択する。続いて、ステップＳ１０６では、ＬＵＴで参照した値をもとに過渡応答制御を開始する。続いて、ステップＳ１０７では、過渡応答制御時間の管理のため、図２のタイマー１２に所定時間をセットするとともに、過渡応答制御電圧を印加する。タイマー１２にセットする所定時間とは、過渡応答制御を継続する時間であり、ＬＵＴから読みだした値を用いる。 Next, in step S105, an annular electrode used for transient response control is selected from a plurality of electrodes. Subsequently, in step S106, transient response control is started based on the value referenced in the LUT. Subsequently, in step S107, in order to manage the transient response control time, a predetermined time is set in the timer 12 of FIG. 2 and a transient response control voltage is applied. The predetermined time set in the timer 12 is a time during which the transient response control is continued, and a value read from the LUT is used.
ステップＳ１０８では、過渡応答制御時間がタイマーにセットした所定時間に達したかどうかを判断する。そして、所定時間に達するまで、このループを繰り返す。所定時間に達した場合、過渡応答制御を終了する。 In step S108, it is determined whether the transient response control time has reached a predetermined time set in the timer. This loop is repeated until a predetermined time is reached. When the predetermined time is reached, the transient response control is terminated.
ステップＳ１０９では、過渡応答制御の終了を受けて、安定化時の輪帯電極を選択し、印加する電圧を設定する。続いて、ステップＳ１１０では、安定化処理を開始するため、過渡応答時の輪帯電極から安定化時の輪帯電極へと印加する対象を変更し、所望の印加電圧制御を開始する。最後に、ステップＳ１１１では、目標とする焦点距離の値を把握し、現在の焦点距離として値を更新した後、一連の動作を終了する。 In step S109, upon completion of the transient response control, the annular electrode at the time of stabilization is selected, and the voltage to be applied is set. Subsequently, in step S110, in order to start the stabilization process, the target to be applied from the annular electrode at the time of transient response to the annular electrode at the time of stabilization is changed, and desired applied voltage control is started. Finally, in step S111, the target focal length value is grasped, the value is updated as the current focal length, and then the series of operations is terminated.
上述の形態では、センサで計測した温度に応じて制御パラメータを選択したが、計測値を用いて温度制御を行うようにしても良い。例えば、封止された液体に接するようにヒーターを設け、計測された液体の温度が低い場合には、高速な動作が可能となるようヒーターに通電し、所望の温度に制御しても良い。 In the above embodiment, the control parameter is selected according to the temperature measured by the sensor, but the temperature control may be performed using the measured value. For example, a heater may be provided so as to be in contact with the sealed liquid, and when the measured temperature of the liquid is low, the heater may be energized and controlled to a desired temperature so that high-speed operation is possible.
また、本実施形態では、事前に計測した結果を用いて過渡制御時間を設定する構成を説明した。しかし、本発明では、界面の状態やこの状態を示す電気的な物理量をリアルタイムでモニターし、その結果に基づいて過渡制御を行うようにしても良い。モニターの方法としては、例えば、光学センサによって界面形状を計測する方法や、静電容量を用いて界面形状を検知する方法等を用いることができる。 Moreover, in this embodiment, the structure which sets transient control time using the result measured in advance was demonstrated. However, in the present invention, the interface state and the electrical physical quantity indicating this state may be monitored in real time, and transient control may be performed based on the result. As a monitoring method, for example, a method of measuring the interface shape using an optical sensor, a method of detecting the interface shape using capacitance, or the like can be used.
以上説明した実施形態においては、電圧を印加する電極を選択的、択一的に切り替えることによって、レンズ形状を変化させた。本発明は、この方法に限らず、目的とする電極の外側の電極から２つ以上を選択し電圧を印加する液体レンズにも適用が可能である。このような変形例を以下に説明する。 In the embodiment described above, the lens shape is changed by selectively switching the electrodes to which the voltage is applied. The present invention is not limited to this method, and can also be applied to a liquid lens that selects two or more electrodes from outside the target electrode and applies a voltage. Such a modification will be described below.
図１の構成において、第１の輪帯電極３ａにのみ電圧が印加されている第１の状態から、第１及び第２の輪帯電極３ａ及び３ｂに共に電圧が印加された第２の状態に切り換えることによって焦点距離を変化させる例を考えてみる。この場合には、過渡的に、第１乃至第３の輪帯電極の全てに電圧を印加した第３の状態とした後に、第２の状態に切り換える。現在の状態が、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態であっても、同様である。この変形例における過渡応答制御の状態変化を表３に示す。表３において、「オン」、「オフ」は表１と同じ意味である。 In the configuration of FIG. 1, the first state in which the voltage is applied only to the first annular electrode 3a, and the second state in which the voltage is applied to both the first and second annular electrodes 3a and 3b. Consider an example of changing the focal length by switching to. In this case, a transition is made to the second state after transitioning to a third state in which a voltage is applied to all of the first to third annular electrodes. The same is true even if the current state is a state in which no voltage is applied to any of the annular electrodes. Table 3 shows changes in the state of the transient response control in this modification. In Table 3, “ON” and “OFF” have the same meaning as in Table 1.
この変形例において、焦点距離を長くする制御を行う場合には、上記と逆の制御が行われる。この場合の過渡応答制御の状態変化を表４に示す。表４において、「オン」、「オフ」は表１と同じ意味である。 In this modification, when the control for increasing the focal length is performed, the control opposite to the above is performed. Table 4 shows the state change of the transient response control in this case. In Table 4, “ON” and “OFF” have the same meaning as in Table 1.
表４において、過渡応答期間に、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない状態としても良い。この変形例のような制御を行うと、先の実施形態に比べ、過渡的な制御に必要な電圧をより低く抑えることができるという利点がある。 In Table 4, no voltage may be applied to any annular electrode during the transient response period. If control like this modification is performed, there exists an advantage that the voltage required for transient control can be restrained lower compared with previous embodiment.
以上の実施形態及びその変形例においては、３つの輪帯電極を有するものを説明したが、本発明は、２つの輪帯電極を有する液体レンズや、４つ以上の輪帯電極を有する液体レンズにも適用が可能である。更に、実施形態では、２種の液体を用いた液体レンズを説明したが、本発明は、３種以上の液体を用いた多層構造をなす液体レンズへ適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。 In the above embodiment and the modifications thereof, those having three annular electrodes have been described, but the present invention is a liquid lens having two annular electrodes or a liquid lens having four or more annular electrodes. It can also be applied to. Further, in the embodiment, the liquid lens using two kinds of liquids has been described. However, the present invention can obtain the same effect even when applied to a liquid lens having a multilayer structure using three or more kinds of liquids. Needless to say.
３ａ〜３ｃ 輪帯電極
４ 絶縁層
７ 第１の液体
８ 第２の液体
９ 棒状電極
１０ 電圧制御部
3a to 3c Ring electrode 4 Insulating layer 7 First liquid 8 Second liquid 9 Rod electrode 10 Voltage controller
Claims (2)
前記第１の液体に接触した電極、
前記第２の液体に絶縁層を介して対向するように設けられ、同心状に配置された複数の輪帯電極、及び
前記電極と複数の輪帯電極の少なくとも一部との間に電圧を印加し、且つ、電圧が印加される輪帯電極を切り換えることによって前記界面を変化させる電圧制御部を備えた液体レンズにおいて、
前記電圧制御部は、いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、
前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする液体レンズ。 An interface in which a conductive or polar first liquid and an insulating or nonpolar second liquid that is not mixed with the first liquid and has a refractive index different from that of the first liquid have a curvature. Container accommodated to form,
An electrode in contact with the first liquid;
A plurality of annular electrodes arranged concentrically and facing the second liquid via an insulating layer, and a voltage is applied between the electrodes and at least some of the plurality of annular electrodes In addition, in the liquid lens including the voltage control unit that changes the interface by switching the annular electrode to which a voltage is applied,
From the first state, the voltage control unit does not apply a voltage to any of the annular electrodes or applies a voltage only to the annular electrodes outside the intended annular electrode. When switching to the second state in which a voltage is applied to the annular electrode and a voltage is not applied to the annular electrode located inside the intended annular electrode, And after switching to the second state, the voltage is applied to the annular electrode located inside the annular electrode, and
When switching from the third state to the second state, the liquid lens is transitively switched to the second state after the transition to the first state.
いずれの輪帯電極にも電圧が印加されていない、又は目的とする輪帯電極よりも外側にある輪帯電極にのみ電圧が印加されている第１の状態から、目的とする輪帯電極に電圧が印加され、且つ目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加されていない第２の状態に切り換える際には、過渡的に、少なくとも目的とする輪帯電極よりも内側にある輪帯電極に電圧が印加された第３の状態とした後に、前記第２の状態に切り換え、且つ、
前記第３の状態から、前記第２の状態に切り換える際には、過渡的に、前記第１の状態とした後に、第２の状態に切り換えることを特徴とする液体レンズの制御方法。 The conductive or polar first liquid and the insulating or nonpolar second liquid that is not mixed with the first liquid and has a refractive index different from that of the first liquid have a curvature. A container accommodated so as to form an interface, an electrode in contact with the first liquid, and a plurality of annular zones arranged concentrically so as to face the second liquid through an insulating layer Control for changing the interface by applying a voltage between the electrode and at least a part of the plurality of annular electrodes and switching the annular electrode to which the voltage is applied to the liquid lens including the electrodes In the method
From the first state in which no voltage is applied to any of the annular electrodes or the voltage is applied only to the annular electrode outside the intended annular electrode, When switching to the second state in which a voltage is applied and no voltage is applied to the annular electrode inside the target annular electrode, at least transiently than the intended annular electrode After the third state in which a voltage is applied to the inner ring electrode, the second state is switched, and
A method of controlling a liquid lens, wherein when switching from the third state to the second state, the state is transitively changed to the first state and then switched to the second state.
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