JP2001249282A

JP2001249282A - 光学素子、可変パワー構造を有する光学素子等をレンズ素子に内蔵する光学系および撮影装置

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Publication number: JP2001249282A
Application number: JP2000058285A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Tsuboi; 孝之坪井; Ichiro Onuki; 一朗大貫; Goro Noto; 悟郎能登; Eirishi Kawanami; 英利子川浪
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2001-09-14
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: JP4532651B2

Abstract

(57)【要約】【課題】エレクトロウエッティング現象を利用して、小
型な構成で効率よくレンズパワーを制御することができ
る構造の光学素子を提供すると共に、可変パワー構造の
光学素子等をレンズ素子に内蔵する光学系および撮影装
置を提供する。【解決手段】屈折力を持つ光学素子であって、屈折率が
実質的に異なり、互いに混合することのない導電性また
は有極性の第１の液体及び第２の液体を備え、容器の側
面を光軸に対して所定角度傾いた構成として、前記第１
及び第２の液体の界面が大きなＲ状をなした状態でこれ
らの液体を前記容器内に密閉し、前記光束の通過の妨げ
とならない部位に形成された電極を介してこれらの液体
間に電圧を印加するに当たり、印加する電圧の出力を制
御して前記界面形状を変化させることにより、通過する
光の屈折力を変化させるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学系を通過する
光の屈折力を制御する光学素子、いわゆる可変パワーレ
ンズと、該光学素子を用いた撮影装置に関するものであ
り、特に、小型化を図ることができ、簡単な構成で効率
よく光学パワーを制御することができ、可変焦点レン
ズ、可変フォーカスレンズ等に好適な光学素子、可変パ
ワー機能をレンズ素子に内蔵する光学系および撮影装置
の実現を目指すものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、スチルカメラ、ビデオカメラ等の
撮影装置に用いられる撮影光学系においては、焦点調
節、あるいは倍率調節等の機能が要求される。これらの
機能は、いずれもモーター等のアクチュエータとこれの
出力をレンズの一部の光軸方向の移動に変換する変換機
構を必要としていた。しかし、この変換機構はメカニカ
ル駆動部が必要で機器が大型化し、あるいは動作させた
時に音が発生するという欠点がある。

【０００３】このような欠点を解消するため、電気毛管
現象（エレクトロウエッティング現象）を用いた可変焦
点レンズが、ＷＯ９９／１８４５６にて開示されてい
る。当技術を用いると、電気エネルギを直接レンズの形
状変化に用いることができるため、レンズを機械的に移
動させること無く焦点調節が可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＷＯ９
９／１８４５６では、電気毛管現象（エレクトロウエッ
ティング現象）を用い光学パワーを可変とする技術が開
示されているが、ここに記載されている第１〜５の実施
例においては、いずれも透過光路中に透明電極があり、
レンズの透過光量が落ちるという欠点があった。また第
１〜６のすべての実施例において光学素子の光軸方向の
厚みが厚いため、コンパクトさが要求される民性用機器
には実質的に組み込みにくいという点等に改良の余地が
あった。

【０００５】そこで、本発明は、上記課題を解決し、エ
レクトロウエッティング現象を利用して、小型な構成で
効率よくレンズパワーを制御することができる構造を有
する光学素子を提供すると共に、可変パワー構造を有す
る光学素子等をレンズ素子に内蔵する光学系および撮影
装置を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するため、つぎの（１）〜（１２）のように構成した
光学素子、可変パワー構造を有する光学素子等をレンズ
素子に内蔵する光学系および撮影装置を提供するもので
ある。（１）屈折力を持つ光学素子であって、屈折率が実質的
に異なり、互いに混合することのない導電性または有極
性の第１の液体及び第２の液体を備え、容器の側面を光
軸に対して所定角度傾いた構成として、前記第１及び第
２の液体の界面が大きなＲ状をなした状態でこれらの液
体を前記容器内に密閉し、前記光束の通過の妨げとなら
ない部位に形成された電極を介してこれらの液体間に電
圧を印加するに当たり、印加する電圧の出力を制御して
前記界面形状を変化させることにより、通過する光の屈
折力を変化させる構成を有することを特徴とする光学素
子。（２）前記電極が、第１の電極と前記第１の液体から絶
縁された第２の電極とからなり、該第１の電極が前記容
器の側面側から前記第１の液体に導通するように設けら
れると共に、前記第２の電極が前記容器の側面側に設け
られていることを特徴とする上記（１）に記載の光学素
子。（３）前記第２の電極が、リング状の電極であって、前
記第２の液体を取り囲むように配されていることを特徴
とする上記（２）に記載の光学素子。（４）前記第２の電極が、前記容器の所定角度傾いた側
面に設けられていることを特徴とする上記（２）または
上記（３）に記載の光学素子。（５）前記第２の電極が、リング状の電極であって、前
記第２の液体を取り囲むように配されていることを特徴
とする上記（４）に記載の光学素子。（６）前記第１の液体の光軸上の光路長と第２の液体の
光軸上の光路長が、前記印加電圧の出力に応じて変化す
ることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記
載の光学素子。（７）前記第１の液体の屈折率が、第２の液体の屈折率
より小さく、かつ第１の液体の前記光軸方向の光路長が
前記光軸からの距離に応じて増大することを特徴とする
上記（１）〜（６）のいずれかに記載の光学素子。（８）前記第１の液体の屈折率が、第２の液体の屈折率
より小さく、かつ第１の液体の前記光軸上の光路長が印
加電圧の出力に応じて、有限寸法の間を変化することを
特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の光学
素子。（９）前記溶液の存在する容器の光学面を曲面としたこ
とを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の
光学素子。（１０）レンズ素子によって所定の像を結像又は集光さ
せるようにした光学系において、可変パワー素子を前記
レンズ素子に内蔵するようにしたことを特徴とする光学
系。（１１）レンズ素子によって所定の像を結像又は集光さ
せるようにした光学系において、該光学系の一部を上記
（１）〜（９）のいずれかに記載の光学素子によって構
成したことを特徴とする光学系。（１２）被写体像を形成する撮影光学系と、該撮影光学
系に内蔵された可変パワー光学素子と、前記被写体像を
記録する撮像手段とを有する撮影装置において、前記撮
影光学系を通過する光の屈折力を変化させる光学素子が
上記（１）〜（９）のいずれかに記載の光学素子によっ
て構成されていることを特徴とする撮影装置。

【０００７】

【発明の実施の形態】本実施の形態で開示する光学素子
あるいは撮影装置は、上記した構成を用いることによ
り、コンパクトな可変焦点距離装置あるいは自動焦点調
節装置等に好適な光学素子をレンズ素子に内蔵する光学
系および撮影装置を実現することができる。例えば、上
記（１）〜（１２）の構成を用いて、電極を光の通過し
ない面に設けることにより、印加電圧の出力制御による
界面形状の変化によって第１及び第２の液体による光学
パワーの変化の制御に際して、光の透過率を向上させ、
効率の良い光学素子を構成することが可能となり、液体
の光軸方向の厚さを薄くした状態で容器内に密閉するこ
とが可能となり、さらなるコンパクト化を図ることがで
きる。

【０００８】ところで、上記した構成は、電気毛管現象
（エレクトロウエッティング現象）を用いて、透過光量
を制御できるようにした本出願人による光学素子（特願
昭１１−１６９６５７号）の原理構成に基づき、それを
改良したものである。したがって、上記した構成はこの
原理構成を前提とするものであるから、その詳細の理解
のため、まず、この原理構成を図５以下を用いて説明す
る。

【０００９】図５及び図６は電気毛管現象（エレクトロ
ウエッティング現象）を用いて、透過光量を制御できる
ようにした上記光学素子の原理構成を説明するための図
である。図５において、１０１は上記原理構成を説明す
るための光学素子の全体構成を示すものであり、１０２
は中央に凹部を設けた透明アクリル製の透朋基板であ
る。透明基板１０２の上面には、酸化インジウムスズ製
の透明電極（ＩＴＯ）１０３がスパッタリングで形成さ
れ、その上面には透明アクリル製の絶縁層１０４が密着
して設けられる。絶縁層１０４は、前記透明電極１０３
の中央にレプリカ樹脂を滴下し、ガラス板で押しつけて
表面を平滑にした後、ＵＶ照射を行ない硬化させて形成
する。絶縁層１０４の上面には、遮光性を有した円筒型
の容器１０５が接着固定され、その上面には透明アクリ
ル製のカバー板１０６が接着固定され、更にその上面に
は中央部に直径Ｄ３の開口を有した絞り板１０７が配置
される。以上の構成において、絶縁層１０４、容器１０
５及び上カバー１０６で囲まれた所定体積の密閉空間、
すなわち液室を有した筐体が形成される。そして液室の
壁面には、以下に示す表面処理が施される。

【００１０】まず絶縁層１０４の中央上面には、直径Ｄ
１の範囲内に撥水処理剤が塗布され、撥水膜１１１が形
成される。撥水処理剤は、フッ素化合物等が好適であ
る。また、絶縁層１０４上面の直径Ｄ１より外側の範囲
には、親水処理剤が塗布され、親水膜１１２が形成され
る。親水剤は、界面活性剤、親水性ポリマー等が好適で
ある。一方、カバー板１０６の下面には、直径Ｄ２の範
囲内に親水処理が施され、前記親水膜１１２と同様の性
質を有した親水膜１１３が形成される。そしてこれまで
に説明したすべての構成部材は、光軸１２３に対して回
転対称形状をしている。更に、容器１０５の一部には孔
があけられ、ここに棒状電極１２５が挿入され、接着剤
で封止されて前記液室の密閉性を維持している。そして
透明電極１０３と棒状電極１２５には給電手段１２６が
接続され、スイッチ１２７の操作で両電極間に所定の電
圧が印加可能になっている。

【００１１】以上の構成の液室には、以下に示す２種類
の液体が充填される。まず絶縁層１０４上の撥水膜１１
１の上には、第２の液体１２２が所定量だけ滴下され
る。第２の液体１２２は無色透明で、比重１．０６、室
温での屈折率１．４９のシリコンオイルが用いられる。
一方液室内の残りの空間には、第１の液体１２１が充填
される。第１の液体１２１は、水とエチルアルコールが
所定比率で混合され、更に所定量の食塩が加えられた、
比重１．０６、室温での屈折率１．３８の電解液であ
る。すなわち、第１及び第２の液体は、比重が等しく、
かつ互いに不溶の液体が選定される。そこで両液体は界
面１２４を形成し、混じりあわずに各々が独立して存在
する。

【００１２】次に前記界面の形状について説明する。ま
ず、第１の液体に電圧が印加されていない場合、界面１
２４の形状は、両液体間の界面張力、第１の液体と絶縁
層１０４上の撥水膜１１１あるいは親水膜１１２との界
面張力、第２の液体と絶縁層１０４上の撥水膜１１１あ
るいは親水膜１１２との界面張力、及び第２の液体の体
積で決まる。当実施例においては、第２の液体１２２の
材料であるシリコンオイルと、撥水膜１１１との界面張
力が相対的に小さくなるように材料選定されている。す
なわち両材料間の濡れ性が高いため、第２の液体１２２
が形成するレンズ状液滴の外縁は広がる性向を持ち、外
縁が撥水膜１１１の塗布領域に一致したところで安定す
る。すなわち第２の液体が形成するレンズ底面の直径Ａ
１は、撥水膜１１１の直径Ｄ１に等しい。一方両液体の
比重は前述のごとく等しいため、重力は作用しない。そ
こで界面１２４は球面になり、その曲率半径及び高さｈ
１は第２の液体１２２の体積により決まる。また、第１
の液体の光軸上の厚さはｔ１になる。

【００１３】一方、スイッチ１２７が閉操作され、第１
の液体１２１に電圧が印加されると、電気毛管現象によ
って第１の液体１２１と親水膜１１２との界面張力が減
少し、第１の液体が親水膜１１２と疎水膜１２２の境界
を乗り越えて疎水膜１２２内に侵入する。その結果、図
６のごとく、第２の液体が作るレンズの底面の直径はＡ
１からＡ２に減少し、高さはｈ１からｈ２に増加する。
また、第１の液体の光軸上の厚さはｔ２になる。このよ
うに第１の液体１２１への電圧印加によって、２種類の
液体の界面張力の釣り合いが変化し、両液体間の界面の
形状が変わる。

【００１４】よって、給電手段１２６の電圧制御によっ
て界面１２３の形状を自在に変えられる光学素子が実現
できる。また．第１及ぴ第２の液体が異なつている屈折
率を有しているため、光学レンズとしてのパワーが付与
される事になるから、光学素子１０１は界面１２３の形
状変化によって可変焦点レンズとなる。

【００１５】さらには、図５に比べて図６の界面１２４
の方が曲率半径が短くなるので、図６の状態の光学素子
１０１の方が図５の状態に比べて光学素子１０１の焦点
距離は短くなる。

【００１６】図７は、本発明の給電手段１２６の出力電
圧と光学素子１０１の変形との関係を説明する図であ
る。同図（ａ）において、時刻ｔ₀に光学素子１０１に
対して電圧値Ｖ₀の電圧を印加すると、時定数ｔ₁₁で光
学素子１０１の界面１２４の変形が始まる（図７
（ｂ））参照）。このまま電圧印加を統けていても、界
面１２４が所望の変化量δ₀に達する迄にはかなり長い
時間が必要となる。そこで、光学系としては誤差として
許容できる変形量、例えば図７（ｂ）においては所望の
界面変化量δ₀の９５％（０．９５δ₀と表記）まで界面
１２４が変形した時（時刻ｔ₁₂）に所望の変形量に達し
たと見なす。この変形量に達しなければ、光学素子１０
１の次の制御は進まない設定となっている。なおこの許
容できる変形量は、光学素子１０１が組込まれる光学系
に基いて決定されるものである。

【００１７】図８及び図９は上記原理構成における光学
素子及び後述する本発明の実施例１の可変焦点レンズに
係わる給電手段の説明図であって、図８はこれらに好適
な駆動回路を示した図であり、図９はこれらに対する駆
動電圧を示した図である。この図８及び図９を用いて上
記給電手段の構成と作成方法を説明する。１３０は後述
する光学装置１５０全体の動作を制御する中央演算処理
装置（以下ＣＰＵと略す）で、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰ
ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換機能、Ｄ／Ａ変換機能、ＰＷＭ（Ｐ
ｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）機能を
有する１チップマイコンである。１３１は光学素子１０
１へ電圧を印加するための給電手段であり、以下その構
成を説明する。

【００１８】１３２は光学装置１５１に組込まれている
乾電池等の直流電源、１３３は電源１３２から出力され
た電圧をＣＰＵ１３０の制御信号に応じて所望の電圧値
へと昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、１３４及び１３５
はＣＰＵ１３０の制御信号、例えばＰＷＭ機能が実現さ
れる周波数／デューティ比可変信号に応じて、その信号
レベルをＤＣ／ＤＣコンバータ１３３で昇圧された電圧
レベルにまで増幅する増幅器である。また、増幅器１３
４は光学素子１０１の透明電極１０３に、増幅器１３５
は光学素子１０１の棒状電極１２５にそれぞれ接続して
いる。つまり、ＣＰＵ１３０の制御信号に応じて、電源
１３２の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１３３、増幅
器１３４、増幅器１３５によって所望の電圧値、周波
数、及びデューティーで光学素子１０１に印加されるよ
うになる。

【００１９】図９は、上記増幅器１３４及び１３５から
出力される電圧波形を説明する図である。なお、ＤＣ／
ＤＣコンバータ１３３から増幅器１３４及び１３５へそ
れぞれ１００Ｖの電圧が出力されたものとして以下説明
を行う。図９の（ａ）にも示したように、増幅器１３４
及び１３５はそれぞれ光学素子１０１に接続している。
増幅器１３４からは、図９（ｂ）に示すようにＣＰＵ１
３０の制御信号により所望の周波数、デューティ比で矩
形波形の電圧が出力される。一方増幅器１３５からは、
図９（ｃ）に示したようにＣＰＵ１３０の制御信号によ
り、増幅器１３４とは逆位相で、同一周波数、同一デュ
ーティ比の矩形波形の電圧が出力される。これにより、
光学素子１０１の透明電極１０３及び棒状電極１２５間
に印加される電圧は図９（ｄ）に示すように±１００Ｖ
の矩形波形の電圧、つまり交流電圧となる。

【００２０】よって、給電手段１３１によって光学素子
１０１には交流電圧が印加されることになる。ところ
で、光学素子１０１に印加される電圧の印加開始からの
実効値は図９（ｅ）の様に表す事が出来るので、以後、
光学素子１０１に印加する交流電圧の波形を図９（ｅ）
にならって表す事とする。なお、上記説明中、増幅器１
３４及び１３５から矩形波形の電圧が出力されるものと
して説明したが、正弦波でも同様の構成となる事は言う
までもない。また、上記説明中、光学装置１５０に電源
１３２が組込まれた場合について説明を行ったが、外付
けの電源や給電手段によって光学素子１０１に交流印加
される場合でも良い。

【００２１】図１０は、光学素子１０１を光学装置に応
用したものである。当実施例では、光学装置１５０は静
止画像を撮影手段で電気信号に光電変換し、これをデジ
タルデータとして記録する、いわゆるデジタルスチルカ
メラを例として説明する。１４０は複数のレンズ群から
なる撮影光学系で、第１レンズ群１４１、第２レンズ群
１４２、及び光学素子１０１で構成される。第１レンズ
群１４１の光軸方向の進退で、焦点調節がなされる。光
学素子１０１のパワー変化でズーミングがなされる。第
２レンズ群１４２は移動しないリレーレンズ群である。
そして、第１レンズ群１４１と第２レンズ群１４２の間
に光学素子１０１が配置され、第１レンズ群１４１と光
学素子１０１との間には、公知の技術によって絞り開口
径が調整して撮影光束の光量を調整する絞りユニット１
４３が配置されている。また撮影光学系１４０の焦点位
置（予定結像面）には、撮像手段１４４が配置される。
これは照射された光エネルギを電荷に変換する複数の光
電変換部、該電荷を蓄える電荷蓄積部、及び該電荷を転
送し、外部に送出する電荷転送部からなる２次元ＣＣＤ
等の光電変換手段が用いられる。

【００２２】１４５は画像信号処理回路で、撮像手段１
４４から入力したアナログの面像信号をＡ／Ｄ変換し、
ＡＧＣ制御、ホワイトバランス、γ補正、エッジ強調等
の画像処理を施す。１４６は光学装置１５０の環境温度
（気温）を測定する温度センサーである。１４７はＣＰ
Ｕ１３０の内部に設けられたタイマで、ＣＰＵ１３０に
よって設定された時間をカウントするためのものであ
る。

【００２３】１５１は液晶ディスプレイ等の表示器で、
撮像手段１４４で取得した被写体像や、可変焦点レンズ
を有する光学装置の動作状況を表示する。１５２はＣＰ
Ｕ１３０をスリープ状態からプログラム実行状態に起動
するメインスイッチ、１５３はズームスイッチで、撮影
者のズームスイッチ操作に応じて後述する変倍動作を行
ない、撮影光学系１４０の焦点距離を変える。１５４は
上記スイッチ以外の操作スイッチ群で、撮影準備スイッ
チ、撮影開始スイッチ、シャッター秒時等を設定する撮
影条件設定スイッチ等で構成される。１５５は焦点検出
手段で、一眼レフカメラに用いられる位相差検出式焦点
検出手段等が好適である。１５６はフォーカス駆動手段
で、第１レンズ群１４１を光軸方向に進退させるアクチ
ュエータとドライバ回路を含み、前記焦点検出手段１５
５で演算したフォーカス信号に基づいてフォーカス動作
を行ない、撮影光学系１４０の焦点状態を調節する。１
５７はメモリ手段で、撮影された画像信号を記録する。
具体的には、着脱可能なＰＣカード型のフラッシュメモ
リ等が好適である。

【００２４】図１１は、図１０に示した光学装置１５０
が有するＣＰＵ１３０の制御フロー図である。以下、図
１０及び図１１を用いて光学装置１５０の制御フローを
説明する。ステップＳ１０１において、メインスイッチ
１５２がオン操作されたかどうかを判別し、オン操作さ
れていない時は、そのまま各種スイッチの操作を待つ待
機モードの状態である。ステップＳ１０１においてメイ
ンスイッチ１５２がオン操作されたと判定されたら、待
機モードを解除し、次のステップＳ１０２以降へと進
む。ステップＳ１０２では、温度センサー１４６によっ
て光学装置１５０が置かれている環境温度、つまり光学
装置１５０の周囲の気温を測定する。ステップＳ１０３
では、撮影者による撮影条件の設定を受付ける。例え
は、露出制御モードの設定（シャッター優先ＡＥ、プロ
グラムＡＥ等）や面質モード（記録面素数の大小、画像
圧縮率の大小等）、ストロボモード（強制発光、発光禁
止等）等の設定を行う。ステップＳ１０４では、撮影者
によってズームスイッチ１５３が操作されたか否かを判
別する。オン操作されていない場合はステップＳ１０５
に進む。ここでズームスイッチ１５３が操作された場合
は、ステップＳ１２１に移行する。

【００２５】ステップＳ１２１ではタイマ１４７がカウ
ント中かどうかの判別を行う。カウントしていなければ
ステップＳ１２３へ移行し、カウント中である場合は、
そのカウンタ値をリセットした後（Ｓ１２２）、ステッ
プＳ１２３へと移行する。

【００２６】ステップＳ１２３では、ズームスイッチ１
５３の操作量（操作方向やオン時間等）を検出し、その
操作量に基いて対応する焦点距離変化量を演算する（Ｓ
１２４）。その演算結果によって、光学素子１０１への
最終印加電圧値Ｖ₀を決定し（Ｓ１２５）、温度による
最終電圧値の補正及び電圧印加波形の決定を行う「温度
補正」のサブルーチンに進む（図１２参照、詳細は後
述）。この「温度補正」のサブルーチンで決定した光学
素子１０１に印加する最終電圧値及び印加波形パターン
で給電手段１３１の制御を行い、光学素子１０１に電圧
を印加する（Ｓ１２７）。それと同時にタイマ１４７の
カウントを開始する（Ｓ１２８）。そしてステップＳ１
０３へ戻る。つまり、ズームスイッチ１５３が操作され
続けている場合は、ステップＳ１０３からステップＳ１
２８を繰り返し実行し、ズームスイッチ１５３のオン操
作が終了した時点でステップＳ１０５へと移行する。

【００２７】ステップＳ１０５では、撮影者によって操
作スイッチ群１５４のうち、撮影準備スイッチ（図１１
のフローチャートではＳＷ１と表記）のオン操作が行わ
れたか否かを判別する。オン操作されていない場合はス
テップＳ１０３に戻り、撮影条件設定の受付や、ズーム
スイッチ１５３の操作の判別を繰り返す。ステップＳ１
０５で撮影準備スイッチがオン操作されたと判定された
ら、ステップＳ１１１へ移行する。

【００２８】ステップＳ１１１では、撮像手段１４４及
び信号処理回路１４５を駆動して、プレビュー画像を取
得する。プレビュー画像とは、最終記録用面像の撮影条
件を適切に設定するため、及び撮影者に撮影構図を把握
させるために撮影前に取得する画像の事である。ステッ
プＳ１１２では、ステップＳ１１１で取得したプレビュ
ー画像の受光レベルを認識す。具体的には、撮像手段１
４４が出力する画像信号において、最高、最低及び平均
の出力信号レベルを演算し、撮像手段１４４に入射する
光量を認識する。ステップＳ１１３では、前記ステップ
Ｓ１１２で認識した受光量に基いて、撮影光学系１４０
内に設けられた絞りユニット１４３を駆動して適正光量
になるように絞りユニット１４３の開口径を調整する。
ステップＳ１１４では、ステップＳ１１１で取得したプ
レビュー画像を表示器１５１に表示する。続いてステッ
プＳ１１５では、焦点検出手段１５４を用いて撮影光学
系１４０の焦点状態を検出する。続いてステップＳ１１
６では、フォーカス駆動手段１５５により、第１レンズ
群１４１を光軸方向に進退きせて合焦動作を行なう。そ
の後、ステップＳ１１７に進み、撮影スイッチ（フロー
図１１では、ＳＷ２と表記）のオン操作がなされたか否
かを判別する。オン操作されていない時はステップＳ１
１１に戻り、プレビュー面像の取得からフォーカス駆動
までのステップを繰り返し実行する。

【００２９】以上のごとく、撮影準備動作を繰り返し実
行している最中に、撮影者が撮影スイッチをオン操作す
ると、タイマ１４７のカウントが完了しているかどうか
の判別を行う（Ｓ１１８）。カウントが完了していない
場合はそのまま判別を続行し、タイマ１４７のカウント
が完了した時点でステップＳ１１８からステップＳ１３
１にジャンプし、タイマ１４７のカウント値をリセット
した後（Ｓ１３１）、ステップＳ１３２へと移行する。

【００３０】ステップＳ１３２では撮像を行なう。すな
わち撮像手段１４４上に結像した被写体像を光電変換
し、光学像の強度に比例した電荷が各受光部近傍の電荷
蓄積部に蓄積される。ステップＳ１３３では、ステップ
Ｓ１３２で蓄積された電荷を電荷転送ラインを介して読
み出し、読み出しされたアナログ信号を信号処理回路１
４５に入力させる。ステップＳ１３４では、信号処理回
路１４５において、入力したアナログ画像信号をＡ／Ｄ
変換し、ＡＧＣ制御、ホワイトバランス、γ補正、エッ
ジ強調等の画像処理を施し、さらに必要に応じてＣＰＵ
１３０内に記憶された画像圧縮プログラムでＪＰＥＧ圧
縮等を施す。ステップＳ１３５では、上記ステップＳ１
３４で得られた画像信号をメモリ１５７に記録すると同
時に、ステップＳ１３６にて一旦プレビュー画像を消去
した後に、ステップＳ１３４で得られた画像信号を表示
器１５１に改めて表示する。その後、給電手段１３１を
制御して光学素子１０１への電圧印加をオフして（Ｓ１
３７）、一連の撮影動作が終了する。

【００３１】ステップＳ１５１では温度センサー１４６
で測定した気温が１５℃以上かどうかの判別を行う。気
温が１５℃以下の場合は、図９の（ａ）に示した電圧印
加波形Ａを選択する（Ｓ１５２）。これは先述したよう
に、低温時には光学素子１０１中の液体１２１及び１２
２の粘性が高くなる事によって界面が変形を完了するま
での時間が長くなっていたのに対し、電源投入後の立上
がり時に所定の最終電圧基準値Ｖ₀よりも高い電圧を印
加することによつて起動時の界面の変形量を多くする事
で界面の変形完了時間の短縮化を図っている。これは、
光学素子１０１に印加する第１の電圧、すなわち、最終
電圧基準値Ｖ₀を印加する前の所定時間（以下、プリ印
加時間と呼ぶ）は最終電圧基準値Ｖ₀よりも高い第２の
電圧、すなわち、プリ電圧値Ｖ₁を光学素子１０１に印
加し、プリ印加時間経過後は最終電圧基準値Ｖ₀を光学
素子１０１に印加する波形パターンである。測定気温が
１０℃以上１５℃未満の場合は（Ｓ１５３）、プリ印加
時間を０ｍｓに設定し（Ｓ１５４）、プリ電圧値Ｖ₁を
演算するＳ１８０へと進む。

【００３２】測定気温が５℃以上１０℃未満の場合は
（Ｓ１５５）、プリ印加時間を１０ｍｓに設定し（Ｓ１
５６）、プリ電圧値Ｖ₁を演算するＳ１８０へと進む。
測定気温が０℃以上５℃未満の場合は（Ｓ１６０）、プ
リ印加時間を２０ｍｓに設定し（Ｓ１５６）、プリ電圧
値Ｖ₁を演算するＳ１８０へと進む。測定気温が０℃未
満の場合は（Ｓ１６０）、プリ印加時間を３０ｍｓに設
定し（Ｓ１５６）、プリ電圧値Ｖ₁を演算するＳ１８０
へと進む。ステップＳ１８０で演算するプリ電圧値Ｖ₁
は例えば以下のような式で求まる。プリ電圧値Ｖ₁＝（補正定数１）×（基準温度−測定温度）・・・（１−１）式つまり基準温度、１５℃との温度差に（補正定数１）を
掛けた値がプリ電圧値Ｖ ₁となる。

【００３３】プリ電圧値Ｖ₁が求まった後、ステップＳ
１８１に進んで、最終電圧基準値Ｖ₀の補正量を計算す
ると共に、最終電圧印加時間を求める。最終電圧基準値
Ｖ₀はステップＳ１２５で求まっているが、これにも例
えば以下のような式で表される補正を行う。補正最終電圧値Ｖ₀’＝（最終電圧基準値Ｖ₀）＋（補正定数２）×（基準温度− 測定温度）・・・（１−２）式つまり、ステップＳ１２５で求まった最終電圧基準値Ｖ
₀に、基準温度１５℃との温度差に（補正定数２）を掛
けた値を加えたものが補正最終電圧値Ｖ₀’となる。以
上の制御を行う事で、印加電圧波形は温度に応じて図９
（ａ）に示した様にきめ細かく変更され、その結果、界
面の応答波形は同図（ｃ）のごとく温度によらずほぼ一
定となり、時刻ｔ₃₂でほば変形が完了する。そこで変形
完了の目安となるタイマ１４７の待ち時間をｔ₃₂より若
干長いＴ_Aとし、これを予めＣＰＵｌ３０のメモリ内に
記憶しておく。そして、図７のステップＳ１１８でこの
Ｔ_Aをタイマ完了の判断値とする事により、界面が静定
してからステップＳ１３１以降のフローの実行が許可さ
れる。

【００３４】一方、ステップＳ１５１にて測定温度が１
５℃以上の場合は、図９の（ｂ）に示した電圧印加波形
Ｂを選択する（Ｓ１７０）。これは、先述したように高
温時には光学素子１０１中の液体１２１及び１２２の粘
性が低くなる事によって界面が変形を完了するまでに振
動現象が起こつてしまう事に対し、電源投入後の立上が
り時に徐々に所定の最終電圧基準値Ｖ₀まで電圧を印加
することによって起動時の界面の振動現象の抑制を図っ
ている。つまり、光学素子１０１に印加する最終電圧基
準値Ｖ₀を印加する前の所定時間（これもプリ印加時間
と呼ぶ）は徐々に最終電圧基準値Ｖ₀になるように電圧
制御を行う波形パターンである。

【００３５】測定気温が１５℃以上２０℃未満の場合は
（Ｓ１７１）、プリ印加時間を１０ｍｓに設定し（Ｓ１
７２）、補正最終電圧値Ｖ₀’を演算すると共に、最終
電圧印加時間を求めるステップＳ１８１へと進む。測定
気温が２０℃以上３０℃未満の場合は（Ｓ１７３）、プ
リ印加時間を２０ｍｓに設定し（Ｓ１７４）、補正最終
電圧値Ｖ₀’を演算すると共に、最終電圧印加時間を求
めるステップＳ１８１へと進む。測定気温が３０℃以上
の場合は（Ｓ１７３）、プリ印加時間を３０ｍｓに設定
し（Ｓ１７５）、補正最終電圧値Ｖ₀’を演算すると共
に、最終電圧印加時間を求めるステップＳ１８１へと進
む。

【００３６】以上の制御を行う事で、印加電圧波形は温
度に応じて図９（ｂ）に示した様にきめ細かく変更さ
れ、その結果、界面の応答波形は同図（ｄ）のごとく温
度によらずほぼ一定となり、時刻ｔ₄₂でほぼ変形が完了
する。そこで変形完了の目安となるタイマ１４７の待ち
時間を、ｔ₄₂より若干長いＴ_Bとし、これを予めＣＰＵ
１３０のメモリ内に記憶しておく。そして、図７のステ
ップＳ１１８でこのＴ_Bをタイマ完了の判断値とする事
により、界面が静定してからステップＳ１３１以降のフ
ローの実行が許可される。

【００３７】以上により、温度に応じた最終印加電圧値
や電圧印加波形パターンが決定するので（Ｓ１８２）、
ステツプＳｌ２７に戻る。また温度に応じて最終印加電
圧値や電圧印加波形パターンを制御することによって、
各温度毎に最適な駆動制御を行う事が可能となる。

【００３８】上記実施例１によれば、（１）温度に応じて光学素子への最終印加電圧値や電圧
印加波形パターンを制御することによって、光学素子の
変形完了時間の短縮可能な光学装置を得ることが出来る
こと。（２）実際に光学素子を駆動させる時間を短くする事が
出来たので、光学装置の消費電力を低減する事が出来る
こと。（３）光学素子の変形が静定するまで露光を禁止してい
るので、光学装置の撮影動作に影響を与える事が解消さ
れること。等が達成される。

【００３９】なお、本実施例では電圧印加波形パターン
の切り替える基準温度を１５℃としていたり、プリ印加
時間を各温度毎に設定しているが、光学素子の構成やそ
の液体の種類・組合せ等によって基準温度やプリ印加時
間を設定すれば同様な効果が得られる。また、光学素子
への電圧印加を２段階にしているが、それ以上の多段階
にしても同様な効果が得られる。さらには、温度毎の最
終印加電圧値やプリ印加電圧値の補正量を演算で求めて
いるが、例えば図１０に示したように、所望の焦点距離
の温度によって決まるテーブルをＣＰＵに記憶してお
き、それを各補正量として使用しても本実施例と同様な
効果が得られる。なお、本実施例では光学装置の一例と
してデジタルスチルカメラを取り挙げたが、それ以外の
ビデオカメラや銀塩カメラ等にも効果を損なわずに適用
できる事は言うまでもない。

【００４０】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。［実施例１］本発明の実施例１の光学系に用いられる光
学素子の構成の原理を図１を用いて説明する。図１にお
いて、７は前述した原理図において説明したと同様の、
以下の液体を封止した容器で絶縁体でできており、図中
左右方向（光の入射出方向）は透明に出来ている。８は
容器７に封止された第２の液体でここでは透明なシリコ
ンオイルで構成されている。９は容器７に封止された第
２の液体よりも屈折率の低い透明な第１の液体で食塩を
溶した水の様な電解液で構成されている。１０は電解液
９に外部から電位をかける為の電極で不図示のコントロ
ール回路に連結されており前述したようなプラス、マイ
ナス２００Ｖ程度の交流電界がかけられる。

【００４１】１１は絶縁体の中に埋め込まれたリング状
の第２の電極で同じく不図示のコントロール回路に連結
されており前述したようなプラス、マイナス２００Ｖ
程度の交流電界が前述の電極１０とは逆極性の位相でか
けられる。１２は光束で図１（ａ）の状態では第２の
液体８から第１の液体９に入射するときに屈折率の違い
により界面で屈折し集光するようになっているが、交流
電界をかけた（ｂ）の状態では電界液である第１の液体
９がシリコンオイル等の第１の液体８をリング状の電極
１１の付近で押しのけることにより、両液体の界面がさ
らに凸状を増大させ、射出光１３の集光性を上げてい
る。すなわち、図１の光学素子が焦点距離の短いレンズ
と変化している。

【００４２】上記構成において、前述したように図１
（ａ）の非通電状態からカメラの焦点調節あるいは倍率
変更を行う為に不図示のコントロール回路が電極１０、
及び１１に交流通電を始めると図１（ｂ）の様により短
い焦点距離となる。これは電極１０、１１にかける電圧
に関係するから任意の焦点距離を設定できる。

【００４３】本実施例では、以上の光学素子を用い、焦
点調節や倍率変更を行い、例えば図１０に示されるよう
にレンズ１０１を構成し、小型化および高性能化を達成
することが可能な光学系を構成することができる。

【００４４】図２（ｂ）（ｃ）に、本発明の実施例１に
おける光学素子の構成を示す。前記図１に示した原理図
及び図２（ａ）に再示したものよりも、更に液体の光軸
方向の厚さを薄くした状態で容器内に密閉することを可
能とし、さらなるコンパクト化を図ることができるよう
にしたものである。

【００４５】図２（ａ）は図１と同様の原理構成による
図であるがこの時、容器の側面と第１の液と第２の液の
２液の交点である点Ｐに着目すると、この２液の境界面
の接線ψ方向に界面の状態が生成され、この状態から電
極１０，１１に通電する事でこの界面の状態、ψが増加
する方向に変化する（ここでθがいわゆる接触角でψ＝
９０°−θの関係がある。）。

【００４６】上記したユニットの厚みｄに着目すると前
記ψが０に近づくような構成にすれば本実施例のユニッ
トの厚みｄ´はさらに小さく（薄く）構成できることが
わかる。このようなことから、容器の側面を角度ψだけ
傾けて７ｂの様に構成することにより、図２（ｂ）に示
すように厚みの薄いユニットを形成することができる。
ここで、図２の点Ｐ部を拡大した図を図３に示す。図３
においてｔは水溶液側の厚みを示し、ｔ＝０．１から
０．５ｍｍが、遮光性とユニットのコンパクトさを両立
した好適な条件となる。また、ψは図２（ａ）で示した
ような２つの溶液と容器の側面で決まる接触角に合わせ
た角度で２液の界面が図のごとく大きなＲ状になるよう
構成され、リング状の電極１１は容器側面より更にごく
わずかの角度であるδ分だけ傾いて且つ限りなく容器の
内側に近いように、例えば１０〜３０μ程度に構成され
ている。また、図中破線で示される容器内面にはあらか
じめ公知の撥水処理がなされ、水溶液９をはじくように
構成されている。

【００４７】以上の様な構成で前述の図８に示した増幅
器１３４、１３５からの通電により、図２（ｃ）の様に
２液の界面が変形し、図中入射からの光を屈折させて射
出側に通過させる焦点調節装置の役割を果たす。この時
の凸状の大きさ、すなわちレンズの焦点距離又はレンズ
パワーは、前述の増幅器１３４、１３５からの電圧に略
比例することは既に前例で述べた。

【００４８】［実施例２］図４は、本発明の実施例２の
可変焦点レンズの構成を示すものであり、実施例１の基
本構成を用いて形成された可変焦点レンズを、レンズ素
子の中に内蔵させたものである。図４（ａ）には非通電
状態で可変焦点レンズを透過する光に２液の界面があま
り影響を生じさせない状態、図４（ｂ）は前記図４
（ａ）から前述のごとく電界をかけて２液の界面を変化
させ、図４のレンズの焦点距離を変化させた状態を示
す。

【００４９】図４（ｂ）の状態では前述の例と同じ電
圧をかけない（ａ）の状態に比べ屈折率の高い第２液体
８と屈折率の低い第１液体９との界面のＲが小さくなっ
ており、図のレンズ全体としての焦点距離がより短く、
すなわちパワーが強く変化していて、焦点調節機能を果
たしている。

【００５０】本実施例においては、前述した実施例１に
比べ可変焦点構造をレンズの機能の中に内蔵したことに
より、トータルで更にコンパクトなユニットを実現する
ことができる。

【００５１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、エレクトロウエッティング現象を利用して、簡単な
構成で効率よくレンズ系の焦点調節あるいは変倍を制御
することができると共に、さらに、レンズ素子に内蔵す
る小型光学系および撮影装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の光学系に用いる光学素子の
構成原理を示す図である。

【図２】本発明の実施例１における光学素子の構成を示
す図である。

【図３】図２の点Ｐ部を拡大した構成を示す図である。

【図４】本発明の実施例２における可変焦点レンズの構
成を示す図である。

【図５】電気毛管現象（エレクトロウエッティング現
象）を用いて、可変焦点レンズを制御できるようにした
光学素子の原理構成を説明するための図である。

【図６】電気毛管現象（エレクトロウエッティング現
象）を用いて、可変焦点レンズを制御できるようにした
光学素子の原理構成を説明するための図である。

【図７】図６の光学素子又は本実施例のレンズに電圧を
印加した際における給電手段の出力電圧と光学素子の変
形との関係を説明する図である。

【図８】上記原理構成の光学素子及び本発明の実施例に
おける可変焦点レンズに好適な駆動回路を示した図であ
る。

【図９】上記原理構成の光学素子及び本発明の実施例に
おける可変焦点レンズに対する駆動電圧を示した図であ
る。

【図１０】上記原理構成の光学素子及び本発明の実施例
における可変焦点レンズを光学装置に応用した時のシス
テム図である。

【図１１】上記光学装置に応用した時のフローチャート
図である。

【図１２】上記光学装置に応用した時のフローチャート
図である。

【図１３】本発明の可変焦点レンズの温度補正の動作を
示す図である。

【図１４】上記図１３における温度補正した際のマイコ
ン内のテーブルを示す図である。

【符号の説明】

７・・・光学素子容器８・・・シリコンオイル等の油９・・・カーボン粒子を混ぜた水溶液（電解液）１０・・・電極端子１１・・・リング状の電極１２・・・入射光１３・・・射出光１０１・・・光学素子１０２・・・透明基板１０３・・・透明電極１０４・・・絶縁層１０５・・・容器１０６・・・上カバー１０７・・・絞り板１１１・・・撥水膜１１２・・・親水膜１１３・・・親水膜１２１、４２１・・・第１の液体１２２、４２２・・・第２の液体１２３・・・光軸１２４・・・界面１２５・・・棒状電極１２６・・・給電手段１３０・・・ＣＰＵ１３１・・・給電手段１３２・・・電源１３４、１３５・・・増幅器１４０・・・撮影光学系１４１・・・第１レンズ群１４２・・・第２レンズ群１４３・・・絞りユニット１４４・・・撮像手段１４５・・・画像信号処理回路１４６・・・温度センサー１４７・・・タイマ１５０・・・光学装置１５１・・・表示器１５２・・・メインスイッチ１５３・・・ズームスイッチ１５４・・・操作スイッチ群１５５・・・焦点検出手段１５６・・・フォーカス駆動手段１５７・・・メモリ手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者能登悟郎東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者川浪英利子東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 2H041 AA02 AB32 AC06 AZ06 5C022 AB21 AB66 AC01 AC51 AC54 AC69 AC74 AC78

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折力を持つ光学素子であって、屈折率が
実質的に異なり、互いに混合することのない導電性また
は有極性の第１の液体及び第２の液体を備え、容器の側
面を光軸に対して所定角度傾いた構成として、前記第１
及び第２の液体の界面が大きなＲ状をなした状態でこれ
らの液体を前記容器内に密閉し、前記光束の通過の妨げとならない部位に形成された電極
を介してこれらの液体間に電圧を印加するに当たり、印
加する電圧の出力を制御して前記界面形状を変化させる
ことにより、通過する光の屈折力を変化させる構成を有
することを特徴とする光学素子。
【請求項２】前記電極が、第１の電極と前記第１の液体
から絶縁された第２の電極とからなり、該第１の電極が
前記容器の側面側から前記第１の液体に導通するように
設けられると共に、前記第２の電極が前記容器の側面側
に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光
学素子。
【請求項３】前記第２の電極が、リング状の電極であっ
て、前記第２の液体を取り囲むように配されていること
を特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】前記第２の電極が、前記容器の所定角度傾
いた側面に設けられていることを特徴とする請求項２ま
たは請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】前記第２の電極が、リング状の電極であっ
て、前記第２の液体を取り囲むように配されていること
を特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】前記第１の液体の光軸上の光路長と第２の
液体の光軸上の光路長が、前記印加電圧の出力に応じて
変化することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項
に記載の光学素子。
【請求項７】前記第１の液体の屈折率が、第２の液体の
屈折率より小さく、かつ第１の液体の前記光軸方向の光
路長が前記光軸からの距離に応じて増大することを特徴
とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】前記第１の液体の屈折率が、第２の液体の
屈折率より小さく、かつ第１の液体の前記光軸上の光路
長が印加電圧の出力に応じて、有限寸法の間を変化する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の
光学素子。
【請求項９】前記溶液の存在する容器の光学面を曲面と
したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記
載の光学素子。
【請求項１０】レンズ素子によって所定の像を結像又は
集光させるようにした光学系において、可変パワー素子
を前記レンズ素子に内蔵するようにしたことを特徴とす
る光学系。
【請求項１１】レンズ素子によって所定の像を結像又は
集光させるようにした光学系において、該光学系の一部
を請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学素子によっ
て構成したことを特徴とする光学系。
【請求項１２】被写体像を形成する撮影光学系と、該撮
影光学系に内蔵された可変パワー光学素子と、前記被写
体像を記録する撮像手段とを有する撮影装置において、
前記撮影光学系を通過する光の屈折力を変化させる光学
素子が請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学素子に
よって構成されていることを特徴とする撮影装置。