JP5590901B2

JP5590901B2 - 屈折力可変素子

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Publication number: JP5590901B2
Application number: JP2010022220A
Authority: JP
Inventors: 亮山本; 正和東原; 穣 ▲辻▼; 章市山崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: US8699142B2; JP2011158826A; CN102141680A; EP2354815A1; US20110188127A1

Description

本発明は、特に液体を用いた屈折力可変素子に関するものである。

従来、エレクトロウェッティング現象を用いて液体の界面の形状を制御することにより屈折力を変化させることができる屈折力可変素子（可変焦点素子）が知られている。例えば、特許文献１は、エレクトロウェッティング現象を用いて２種類の液体の界面の形状を制御することによって屈折力を変化させる可変焦点レンズを開示している。また、特許文献２は、少なくとも２つの界面の形状を制御することによりズーミングを行うズームレンズを開示している。更に、特許文献３は、１つの界面の形状を制御することによって屈折力を変化させる可変焦点レンズにおいて、屈折率とアッベ数とをある範囲に規定して色収差を補正する可変焦点レンズを開示している。

特許４１５４８５８号公報特表２００６−５０４１３２号公報特表２００７−５１８１３３号公報

しかしながら、特許文献１の可変焦点レンズは、屈折力を変化させる液体の界面が１面のみであるため、色収差を補正することが困難である。また、特許文献２のズームレンズは、複数の界面の形状を制御する場合に色収差を補正する条件を開示していない。更に、特許文献３の可変焦点レンズは、１つの界面の形状を変化させる可変焦点レンズであるため、色収差を補正するためには、特定の条件を満たす液体を選択する必要があるため、液体の選択範囲が制限されてしまう。

そこで、本発明は、色収差が良好に補正された屈折力可変素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、互いに異なる屈折率を有する第１液体と第２液体とにより形成される第１界面と、互いに異なる屈折率を有する第２液体と第３液体とにより形成される第２界面との各形状を変化させることによって屈折力を変化させることができる屈折力可変素子であって、第１液体、第２液体、および第３液体のそれぞれの屈折率のうち、第２液体の屈折率が最も低く、第１界面の屈折力の符号と第２界面の屈折力の符号とが互いに異なるように、第１界面および第２界面の形状をそれぞれ変化させ、第１液体、第２液体、および第３液体について、Ｃ線に対する屈折率をそれぞれｎ _Ｃ１、ｎ _Ｃ２、ｎ _Ｃ３とし、Ｆ線に対する屈折率をそれぞれｎ _Ｆ１、ｎ _Ｆ２、ｎ _Ｆ３とし、分散をそれぞれρ１＝ｎ _Ｆ１ −ｎ _Ｃ１、ρ２＝ｎ _Ｆ２ −ｎ _Ｃ２、ρ３＝ｎ _Ｆ３ −ｎ _Ｃ３とし、更に、第１界面の曲率半径をＲ _１２、第２界面の曲率半径をＲ _２３とするとき、
｜ρ２−ρ１｜＞｜ρ３−ρ２｜のとき、｜Ｒ _１２｜＞｜Ｒ _２３｜
｜ρ２−ρ１｜＜｜ρ３−ρ２｜のとき、｜Ｒ _１２｜＜｜Ｒ _２３｜
の条件を満たし、分散の差をそれぞれΔＬ _１２＝ρ２−ρ１、ΔＬ _２３＝ρ３−ρ２とするとき、
（−ΔＬ _１２／ΔＬ _２３）×０．８＜Ｒ _１２／Ｒ _２３＜（−ΔＬ _１２／ΔＬ _２３）×１．２、
の条件を満たすことを特徴としている。

本発明によれば、色収差が良好に補正された屈折力可変素子を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る屈折力可変素子の概略図である。第１実施形態に係る電極分離手段の他の例を示す概略図である。本発明の第２実施形態に係る屈折力可変素子の概略図である。各界面の形状を変化させたときの屈折力可変素子の概略図である。本発明の第３実施形態に係る屈折力可変素子の概略図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る、液体を用いた屈折力可変素子（以下、単に「液体レンズ」と表記する）の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る液体レンズの概略断面図である。本発明の液体レンズ１００は、３種類の液体を使用し、該３種類の液体で形成される２つの界面をエレクトロウェッティング方式にて制御するものである。図１に示すように、液体レンズ１００は、略円筒形の筐体１００ａを有し、該筐体１００ａの内部に、光の入射する側から順に、第１液体１０１、第２液体１０２、および第３液体１０３の３種類の液体を光軸方向に３層配置する。第１液体１０１、第２液体１０２、および第３液体１０３の３種類の液体としては、第１液体１０１と第２液体１０２、および第２液体１０２と第３液体１０３とで形成される２箇所の界面において、互いに混ざり合わずに、異なる屈折力を有する物質を採用する。例えば、第１液体１０１として、水や電解水溶液を採用し、第２液体１０２として、油等を採用する。以下、第１液体１０１と第２液体１０２とで形成される界面を第１界面１０７と表記し、一方、第２液体１０２と第３液体１０３とで形成される界面を第２界面１０８と表記する。更に、液体レンズ１００は、２箇所の電極１０４ａ、１０４ｂと、該各電極１０４ａ、１０４ｂに電圧を印加して、第１界面１０７および第２界面１０８を制御する不図示の制御部と、電極分離部１０５と、カバーガラス１０６とを備える。電極１０４ａ、１０４ｂは、制御部からの電圧供給に基づいて、第１界面１０７および第２界面１０８をそれぞれ独立に制御するための電極であり、平板で形成された円環形状を有する。なお、本実施形態では、電極１０４ａ、１０４ｂの形状は、各界面１０７、１０８の曲率半径を好適に制御するために、電極１０４ａと電極１０４ｂとが相対する位置に向けて傾斜を有する、即ち、前記位置と外周部との径が異なるように構成している。但し、電極１０４ａ、１０４ｂの形状は、上記のような傾斜を有することなく、前記位置と外周部の径を同一とする構成でも良い。本発明の液体レンズ１００では、エレクトロウェッティング現象を用いるため、電極１０４ａ、１０４ｂは、印加された電圧により各界面と電極との接触角を制御することで、各界面の面形状を変化させる。また、電極分離部１０５は、電極１０４ａと電極１０４ｂとの相対する位置に配置されており、各電極１０４ａ、１０４ｂを独立に電圧制御可能とする絶縁部材で構成されている。なお、電極分離部１０５として、図２に示すように、第２液体１０２を２つに分離する透明な平板１０９（例えば、ガラス板）を設置する構造でも構わない。カバーガラス１０６は、液体レンズ１００の光入射側と光射出側の両端に配置され、各液体１０１〜１０３を液体レンズ１００内に封止するガラス板である。

次に、本発明の第１実施形態における色収差補正の原理について説明する。まず、第１〜３液体１０１〜１０３におけるフラウンホーファー線のＣ線（６５６．３ｎｍ）の屈折率をそれぞれｎ _Ｃ１、ｎ _Ｃ２、ｎ _Ｃ３、また、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）の屈折率をそれぞれｎ_Ｆ１、ｎ_Ｆ２、ｎ_Ｆ３とする。同様に、第１〜３液体１０１〜１０３におけるｄ線（５８９．２ｎｍ）の屈折率をそれぞれｎ_ｄ１、ｎ_ｄ２、ｎ_ｄ３とする。このとき、色収差の補正条件は、（数１）で表される。

ここで、φは、各面の光学的パワーであり、νは、各液体のアッベ数である。なお、光学的パワーは、屈折力ともいい、焦点距離の逆数に対応している。本発明では、光学的パワーを有する面は、第１界面１０７と第２界面１０８との２面であるため、（数１）は、（数２）のように表される。

ここで、φ_１は、第１界面１０７の有する光学的パワーであり、φ_２は、第２界面１０８の有する光学的パワーである。色収差補正を行うには、上記液体として通常の物質を選択する限りν＞０であるため、２つの各界面の光学的パワーが、正、負の組み合わせである場合にのみ（数２）の条件を満たす。

次に、第１界面１０７の有する曲率半径をＲ_１２とし、第２界面１０８の有する曲率半径をＲ_２３とする。このとき、（数２）を変形すると、（数３）のように表される。

ここで、第１〜３液体１０１〜１０３において、Ｃ線およびＦ線の屈折率の差（分散）をそれぞれ、ρ１＝ｎ_Ｆ１−ｎ_Ｃ１、ρ２＝ｎ_Ｆ２−ｎ_Ｃ２、ρ３＝ｎ_Ｆ３−ｎ_Ｃ３と定義する。このとき、（数３）は、（数４）のように表され、（数４）は、（数５）のように表される。

即ち、（数５）は、Ｃ線とＦ線に対する色消し条件となる。ここで、色消し条件とは、Ｃ線に対する光学的パワーとＦ線に対する光学的パワーとが一致することである。具体的には、以下の条件を満たすことで、色収差の補正ができる。
｜ρ２―ρ１｜＞｜ρ３―ρ２｜のとき、｜Ｒ_１２｜＞｜Ｒ_２３｜
｜ρ２―ρ１｜＜｜ρ３―ρ２｜のとき、｜Ｒ_１２｜＜｜Ｒ_２３｜
この色消し条件に対し、後述の（表１）の数値を適用する。例えば、Ｒ_１２＝６．４９４ｍｍ、Ｒ_２３＝５．４１０ｍｍのとき、Ｃ線に対する焦点距離ｆ_Ｃ、ｄ線に対する焦点距離ｆ_ｄ、およびＦ線に対する焦点距離ｆ_Ｆは、それぞれ、ｆ_Ｃ＝１９９ｍｍ、ｆ_ｄ＝２００ｍｍおよびｆ_Ｆ＝１９９ｍｍとなり、色消し条件を満たす。このとき、ｄ線に対する光学的パワーφ_１と光学的パワーφ_２とは、それぞれ、φ_１＝０．０２２２（１／ｍｍ）、φ_２＝−０．０１７２（１／ｍｍ）となり、異なる符号の光学的パワーを有する。

更に、（数５）を展開すると、（数６）が得られる。

ここで、ΔＬ_１２＝ρ２―ρ１、ΔＬ_２３＝ρ３―ρ２である。このとき、液体レンズ１００に用いる液体が決まれば、その光学特性から色消し条件が決定する。（表１）は、第１〜３液体１０１〜１０３のＣ線、ｄ線、Ｆ線の各屈折率ｎ_Ｃ、ｎ_ｄ、ｎ_Ｆおよび分散ρを示す一覧表である。ここで、（表１）において、第１液体１０１は、水を想定し、一方、第２液体１０２は、シリコンオイルを想定している。また、第３液体１０３は、特に規定しないが、水に何らかの物質を混合させた水溶液を想定している。なお、本実施形態では、第１〜第３液体１０１〜１０３の物質がそれぞれ異なるが、３層の液体構成を２種類の物質で構成しても良い。

また、（表２）および（表３）は、上記の条件における、Ｒ_１２とＲ_２３とをそれぞれ一定の比率で変化させた場合のＣ線、ｄ線、Ｆ線に対する液体レンズ全体の焦点距離の変化を示す一覧表である。（表２）および（表３）において、ｆ_ｄは、ｄ線に対する焦点距離であり、ｆ_Ｃは、Ｃ線に対する焦点距離であり、ｆ_Ｆは、Ｆ線に対する焦点距離である。また、各曲率半径Ｒ_１２、Ｒ_２３の単位は、（ｍｍ）である。更に、レンズ直径は、２．５ｍｍとする。（表２）および（表３）に示すように、液体レンズの焦点距離を変化させるときに、Ｒ_１２とＲ_２３の比率がほぼ一定であれば、Ｆ線とＣ線に対する色収差が良好に補正される。

以上のように、本発明によれば、色収差が良好に補正された屈折力可変素子を実現することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る液体レンズの構成について説明する。図３は、第２実施形態に係る液体レンズの概略断面図である。なお、図３において、図１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態の液体レンズ２００は、第１実施形態と同様に、３種類の液体で形成される２つの界面をエレクトロウェッティング方式にて制御するものである。更に、本実施形態では、液体レンズ２００は、第１〜３液体２０１〜２０３で形成される各界面を電気的に制御するのではなく、弾性体で形成された第１薄膜２０４および第２薄膜２０５を各界面に配置し、機械的に各界面の面形状を制御する。

第１〜３液体２０１〜２０３は、第１実施形態とは異なり、第１界面１０７および第２界面１０８において薄膜を採用するので、それぞれ各界面で混ざり合わない物質とする必要が無い。ここで、（表３）は、第１〜３液体２０１〜２０３のＣ線、ｄ線、Ｆ線の各屈折率ｎ_Ｃ、ｎ_ｄ、ｎ_Ｆおよび分散ρを示す一覧表である。また、（表３）において、第１液体２０１は、水を想定し、第２液体２０２は、シリコンオイルを想定している。また、第３液体２０３は、有機材料の高屈折率液体を想定している。第１薄膜２０４および第２薄膜２０５は、それぞれ、例えば、シリコンゴムで形成された弾性体膜である。更に、液体レンズ２００は、制御部により制御される、各薄膜２０４、２０５をそれぞれ駆動するための第１駆動部２０６および第２駆動部２０７を備える。この各駆動部２０６、２０７は、液体レンズ２００の筐体２００ａに対して移動可能に設置されており、各薄膜２０４、２０５の端部をそれぞれ保持する。

次に、本実施形態における各薄膜２０４、２０５の作用について説明する。図４は、各薄膜２０４、２０５により各界面の形状を変化させたときの液体レンズを示す概略断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、第１駆動部２０６が光軸方向において紙面右方向に移動すると、第１液体２０１の容積が一定であるので、第１薄膜２０４は、より小さな曲率半径を持つように大きく変形する。一方、図４（ｂ）に示すように、第２駆動部２０７が光軸方向において紙面右方向に移動すると、第３液体２０３の容積が一定であるので、第２薄膜２０５は、より大きな曲率半径を持つように小さく変形する。即ち、各駆動部２０６、２０７は、筐体２００ａに対して相対的に移動することで、第１界面１０７および第２界面１０８の形状を独立に制御することができる。

なお、本実施形態では、第１実施形態と同様に、２つの薄膜２０４、２０５のみが光学的パワーを有する。また、各薄膜２０４、２０５の厚さを無視し、各薄膜２０４、２０５が弾性力を発生することにより変化する厚さ成分も無視する。この場合、第１薄膜２０４と第２薄膜２０５との間の距離Ｔが、各界面の曲率半径Ｒ_１２、Ｒ_２３に対して十分に小さくない場合、距離Ｔの影響は無視できない。ここで、第１実施形態では、距離Ｔを無視していたため、液体レンズ１００全体のｄ線に対する光学的パワーφは、φ＝φ_１＋φ_２であった。なお、便宜上、光学的パワーφをｄ線に対するものと定義しているが、波長が変化した場合は、他の波長（Ｃ線、Ｆ線等）に対しても同様の式が成り立つものとする。これに対し、本実施形態では、距離Ｔ（ｍｍ）を考慮すると、光学的パワーφは、φ＝φ_１＋φ_２−φ_１×φ_２×Ｔ／ｎ_ｄ２となる。ここで、ｎ_ｄ２は、第２液体２０２のｄ線に対する屈折率である。この場合も、他の波長に対しては、屈折率の部分をその波長に対応したものに変更すればよい。更に、焦点可変範囲を大きくしたい場合、曲率半径が非常に小さくなるため、距離Ｔの影響を無視できない。そこで、本実施形態では、（数６）より、（数７）のように距離Ｔの影響を考慮する。なお、（数７）において、数値が条件式の範囲外となると、曲率半径Ｒ_１２、Ｒ_２３に比べて距離Ｔが非常に大きくなり、液体レンズ２００は、色収差の補正が困難となる。

ここで、（表５）および（表６）は、Ｃ線とＦ線に対して焦点距離を変化させたときのΔＬ_１２／ΔＬ_２３に対するＲ_１２／Ｒ_２３の比（Ｒａｔｉｏ）を示した一覧表である。（表５）および（表６）に示すように、（数７）の条件を満たすことで、液体レンズ２００を構成可能な範囲の厚さの変化を考慮した上で、色消し条件を満たしながら液体レンズの焦点距離を変化させることができる。

このように、本実施形態の液体レンズ２００によれば、（数７）の条件を満足しながら焦点距離を変化させるので、より好適に色収差を補正することができる。また、液体レンズ２００は、各液体界面を薄膜で構成するので、水と電解液の組み合わせや、有機材料同士の組み合わせ等、採用する液体の選択幅が広がる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る液体レンズの構成について説明する。図５は、第３実施形態に係る液体レンズの概略断面図である。なお、図５おいて、図３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態の液体レンズ３００は、第２実施形態の液体レンズ２００の構成に対して、採用する第１〜３液体３０１〜３０３における中間層の第２液体３０２に最も屈折率の低い液体を採用することを特徴とする。

一般的に、本発明のような液体レンズを撮像系に用いる場合、液体レンズは、正の光学的パワーを有することが求められる。一方では、屈折率の高い液体は、分散が大きい。このような状況を踏まえ、本実施形態のように、最も屈折率の低い液体を中間層に配置すると、中間層は、強いメニスカスの形状を示す。図５に示すように、中間層がメニスカス構成である場合、第１薄膜と第２薄膜の間の距離Ｔは、中間層のレンズ形状が両凸の場合より常に小さい構成となり、中間層は、距離Ｔの影響を受けにくい。一方、界面形状は、３つの液体の比重が完全に等しいならば、重力の影響を受けず偏心しないが、実際には、比重が完全に一致することは稀であり、重力の影響を受けて偏心する。そこで、本実施形態の液体レンズ３００は、中間層の形状をメニスカス形状とすることで、偏心に対して影響を受けにくく、重力や加速度に対して強いレンズ構成とすることができる。

ここで、（表７）は、本実施形態における第１〜３液体３０１〜３０３の各屈折率ｎ_Ｃ、ｎ_ｄ、ｎ_Ｆおよび分散ρを示す一覧表である。（表７）において、第１液体３０１は、有機材料等の高屈折率液体である。なお、第１液体３０１は、水やシリコンオイルに高屈折率のナノメートルレベルの微小粒子を分散させた物質でも良い。更に、第２液体３０２は、水を想定し、第３液体３０３は、シリコンオイルを想定している。また、（表８）および（表９）は、これら３種類の液体を用いた場合のΔＬ_１２／ΔＬ_２３に対するＲ_１２／Ｒ_２３の比（Ｒａｔｉｏ）を示す一覧表である。（表８）および（表９）においても、各曲率半径Ｒ_１２、Ｒ_２３の単位は、（ｍｍ）であり、レンズ直径は、２．５ｍｍである。このとき、可変範囲全体において、比（Ｒａｔｉｏ）は、（数７）の範囲内において変化し、Ｃ線とＦ線との焦点距離が同じ、即ち、色収差補正が正常に行われている。このように、本実施形態の液体レンズ３００によれば、第２実施形態を更に好適に実施できる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、液体として水を使用しているが、液体の選択は、これに限るものではない。本発明の液体レンズに採用する液体は、液体界面に十分な曲率変化を与えることが可能で、かつ、使用波長域で十分な透過率を有するものであれば良い。

１００液体レンズ
１０１第１液体
１０２第２液体
１０３第３液体
１０７第１界面
１０８第２界面

Claims

互いに異なる屈折率を有する第１液体と第２液体とにより形成される第１界面と、互いに異なる屈折率を有する前記第２液体と第３液体とにより形成される第２界面との各形状を変化させることによって屈折力を変化させることができる屈折力可変素子であって、
前記第１液体、前記第２液体、および前記第３液体のそれぞれの屈折率のうち、前記第２液体の屈折率が最も低く、
前記第１界面の屈折力の符号と前記第２界面の屈折力の符号とが互いに異なるように、前記第１界面および前記第２界面の形状をそれぞれ変化させ、
前記第１液体、前記第２液体、および前記第３液体について、Ｃ線に対する屈折率をそれぞれｎ _Ｃ１、ｎ _Ｃ２、ｎ _Ｃ３とし、Ｆ線に対する屈折率をそれぞれｎ _Ｆ１、ｎ _Ｆ２、ｎ _Ｆ３とし、分散をそれぞれρ１＝ｎ _Ｆ１ −ｎ _Ｃ１、ρ２＝ｎ _Ｆ２ −ｎ _Ｃ２、ρ３＝ｎ _Ｆ３ −ｎ _Ｃ３とし、更に、前記第１界面の曲率半径をＲ _１２、前記第２界面の曲率半径をＲ _２３とするとき、
｜ρ２−ρ１｜＞｜ρ３−ρ２｜のとき、｜Ｒ _１２｜＞｜Ｒ _２３｜
｜ρ２−ρ１｜＜｜ρ３−ρ２｜のとき、｜Ｒ _１２｜＜｜Ｒ _２３｜
の条件を満たし、
前記分散の差をそれぞれΔＬ _１２＝ρ２−ρ１、ΔＬ _２３＝ρ３−ρ２とするとき、
（−ΔＬ _１２／ΔＬ _２３）×０．８＜Ｒ _１２／Ｒ _２３＜（−ΔＬ _１２／ΔＬ _２３）×１．２、
の条件を満たすことを特徴とする屈折力可変素子。