JP2011242542A - 液体レンズ及び液体レンズの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 印加電圧を高くすることなく、短時間に液体レンズを所定の焦点距離に制御する。
【解決手段】 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おいて、電圧を印加する輪帯電極を外側から内側に切り換える場合は、目的とする輪帯電極よりも内側の輪帯電極に過渡的に電圧を印加し、電圧を印加する輪帯電極を内側から外側に切り換える場合には逆の過渡的な制御を行う。
【選択図】 図3
【解決手段】 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おいて、電圧を印加する輪帯電極を外側から内側に切り換える場合は、目的とする輪帯電極よりも内側の輪帯電極に過渡的に電圧を印加し、電圧を印加する輪帯電極を内側から外側に切り換える場合には逆の過渡的な制御を行う。
【選択図】 図3
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (2)
- 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液体レンズ。 - 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液体レンズの制御方法。
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