JP2003057410A - 光学素子および光学機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の光学素子では、電圧非印加時の２液体
の界面の位置を規定するために、撥水膜および親水膜の
パターニングがなされているが、このパターニングを精
度良く行うのは困難である。 【解決手段】 導電性又は有極性を有した第１の液体２
２１とこの第１の液体と混合することのない第２の液体
２２２とを容器２０２，２０５，２０６内に収容し、電
圧印加によって両液体の界面の形状が制御されて光学特
性が変化する光学素子において、容器の内面に、第１の
液体が接する第１の面２０８と第２の液体が接する第２
の面２０９とを所定角度で交わる不連続な面として形成
することにより、上記界面の形状を制御するための電圧
が印加されていない状態で、第１の面と前記第２の面と
の交線上に上記界面の外縁部が保持されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エレクトロウェッ
ティング効果( 電気毛管現象) を利用した光学素子およ
び同光学素子を有する光学機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロウェッティング効果を利用し
た可変焦点レンズは、国際特許９９／１８４５６号にて
開示されている。この可変焦点レンズでは、第１の透明
液体と第２の透明液体との界面をレンズ面とし、電気エ
ネルギを直接、上記レンズ面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なく焦点
距離を可変とすることができる。

【０００３】図７および図８には、上記光学素子の構成
を示している。１０１は光学素子の全体を示し、１０２
は中央に凹部を設けた透明基板である。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（ＩＴ
Ｏ）１０３が形成され、その上面には絶縁層１０４が密
着して設けられている。

【０００４】１０５は遮光性を有した容器本体であり、
その上面にはカバー板１０６が固定され、更にカバー板
１０６の上面中央部には直径Ｄ７の開口を有した絞り板
１０７が配置される。

【０００５】以上の構成において、透明基板１０２、絶
縁層１０４、容器本体１０５および上カバー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
としての容器が形成される。

【０００６】そして液室の壁面には、以下に示す表面処
理が施される。まず絶縁層１０４の中央上面には、直径
Ｄ５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。また、絶縁層１０４上の撥水膜１１１の直
径Ｄ５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。

【０００７】一方、カバー板１０６の下面には、直径Ｄ
６の範囲内に親水処理が施され、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
孔が形成され、ここに棒状電極１２５が挿入されて接着
剤で封止固定されることにより、液室の密閉性が確保さ
れる。

【０００８】透明電極１０３と棒状電極１２５には、給
電回路１２６が接続され、スイッチ１２７の操作で両電
極間に所定の電圧を印加したり電圧印加を停止したりす
ることが可能になっている。

【０００９】上記液室には、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１１１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はシリコーンオイルが用いられる。

【００１０】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は電解液であ
る。第１および第２の液体１２１，１２２は、比重が等
しく、かつ互いに不溶の液体が選定される。このため、
両液体１２１，１２２は界面１２４を形成し、互いに混
ざり合わずにそれぞれが独立して液室内に存在する。

【００１１】次に上記界面１２４の形状について説明す
る。まず、第１の液体１２１に電圧が印加されていない
場合、界面１２４の形状は、両液体１２１，１２２間の
界面張力、第１の液体１２１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
１２２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、および第２の液体１２２の体積で
決まる。

【００１２】本光学素子においては、第２の液体１２２
の材料であるシリコーンオイルと、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、その外縁が撥水膜１１１の塗布領域に一致したと
ころで安定する。したがって、第２の液体１２２が形成
するレンズの底面の直径Ａ５は、撥水膜１１１の直径Ｄ
５に等しい。

【００１３】一方、両液体１２１，１２２の比重は前述
のように等しいため、重力は作用しない。このため、界
面１２４は光軸１２３を中心とした球面になり、その曲
率半径および高さｈ１は第２の液体１２２の体積により
決まる。また、第１の液体１２１の光軸１２３上の厚さ
はｔ１になる。

【００１４】スイッチ１２７がオン操作され、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１２１が親水膜１１２と撥水膜１１１の
境界を乗り越えて撥水膜１１１内に侵入する。この結
果、図８に示すように、第２の液体１２２が作るレンズ
の底面の直径はＡ５からＡ６に減少し、高さはｈ１から
ｈ２に増加する。また、第１の液体１２１の光軸１２３
上の厚さはｔ２になる。

【００１５】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。これにより、給電
回路１２６の電圧制御によって界面１２４の形状を自在
に変えることができる。そして、第１および第２の液体
１２１，１２２が異な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ことになり、光学素
子１０１は界面１２４の形状変化によって焦点距離が変
化する可変焦点レンズとなる。

【００１６】さらに、図７の状態に比べて図８の状態の
界面１２４の方が曲率半径が小さくなるので、図８の状
態の方が図７の状態に比べて光学素子１０１の焦点距離
は短くなる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】図７および図８に示し
た光学素子では、電圧を印加していない時の両液体の界
面の位置（レンズの初期形状）を規定するために、液室
の内面に撥水膜および親水膜のパターニングがなされて
いる。すなわち、レンズの初期形状は上記パターニング
に大きく依存しているしかしながら、このパターニング
を精度良く行うのは困難であり、個々の光学素子におい
てばらつきが出る場合が多い。したがって、個々の光学
素子の電圧非印加時の光学特性にばらつきが生ずるおそ
れがある。

【００１８】また、パターニングの中心と光学素子の光
軸位置とが一致していない場合、光学素子への電圧非印
加時と印加時とで光軸にずれ（偏心）が生じ、光学素子
としての性能が低下するおそれがある。

【００１９】そこで本発明は、エレクトロウェッティン
グ効果を利用した光学素子において、電圧を印加してい
ないときの両液体の界面の位置を簡単な構造で確実に規
定できるようにすることを目的としている。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明では、導電性又は有極性を有した第１の液体
とこの第１の液体と混合することのない第２の液体とを
容器内に収容し、第１の液体と容器側に設けられた電極
間への電圧印加によって第１および第２の液体の界面の
形状が制御されて光学特性が変化する光学素子におい
て、容器の内面に、第１の液体が接する第１の面と第２
の液体が接する第２の面とを所定角度で交わる不連続な
面として形成することにより、第１の液体と上記電極間
に上記界面の形状を制御するための電圧が印加されてい
ない状態で、第１の面と前記第２の面との交線上に上記
界面の外縁部が保持されるようにしている。

【００２１】これにより、第１の面と第２の面とを不連
続に交わるよう構成するだけの簡単な構成で、電圧を印
加していない時（初期状態）での両液体の界面の位置お
よび形状を確実に規定することが可能となる。

【００２２】なお、上記所定角度を１８０度よりも大き
く設定することにより、容器内の液室の形状に自由度を
持たせることが可能となる。

【００２３】また、第１の面と第２の面の交線を円形と
することにより、電圧を印加していない時の界面の形状
を軸対称とすることが可能となり、電圧非印加時と電圧
印加時とでの光軸のずれ（偏心）を防止することが可能
となる。

【００２４】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１には、本発
明の第１実施形態である光学素子の構成を示している。
この図において、２０１は本実施形態の光学素子の全体
を示している。２０２は透明アクリル製の透明基板であ
り、中央部には円筒型の凸部を有している。さらに、こ
の円筒凸部の中央部には曲面形状の凹部が形成されてい
る。

【００２５】透明基板２０２の上面には、酸化インジウ
ムスズ製の透明電極（ＩＴＯ）２０３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２０
４ａおよび２０４ｂが密着して設けられている。

【００２６】絶縁層２０４ａは、透明電極２０３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。
その後、さらにポリパラキシリレン樹脂を化学蒸着によ
り形成する（２０４ｂ）。なお、以下の説明において
は、絶縁層２０４ａおよび絶縁層２０５ｂをまとめて絶
縁層２０４と記す。

【００２７】この絶縁層２０４の上面には、遮光性を有
した円筒型の容器本体２０５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２０６が接着固定されて
いる。さらに、上カバー２０６の上面には、中央部に直
径Ｄ１の開口を有した絞り板２０７が配置されている。

【００２８】以上の構成において、透明基板２０２、絶
縁層２０４、容器本体２０５および上カバー２０６で囲
まれた所定体積の空間、すなわち液室を有した容器が形
成される。

【００２９】容器（液室）内には、第１の液体２２１と
第２の液体２２２とが互いに混合することなく収容され
ている。そして、容器の内面のうち、光軸方向下側、す
なわち底面側には、第１の液体２２１が接する第１の面
（円筒面）２０８と、第２の液体２２２が接する第２の
面（円形平面）２０９とが形成されており、これら２つ
の面がなす角θは、１８０度より大きい（本実施形態で
は、略２７０度）。また、これら２つの面の交線（稜
線）は円形となっている。

【００３０】そして、液室の内面には、以下の表面処理
が施される。まずカバー板２０６の下面には、直径Ｄ２
の範囲内に親水処理が施され、親水膜２１３が形成され
る。親水剤としては、界面活性剤、親水性ポリマー等が
好適である。

【００３１】そして、これまでに説明したすべての構成
部材は、回転対称形状をしており、その中心軸を２２３
として示す。

【００３２】さらに、容器本体２０５の一部には孔が形
成されており、ここに棒状電極２２５が挿入されて接着
剤で封止固定されることにより、液室の密閉性が確保さ
れる。透明電極２０３と棒状電極２２５には給電回路２
３１が接続され、スイッチ２２７のオン・オフ操作によ
って両電極間に所定の電圧を印加したり電圧印加を停止
させたりすることができるようになっている。

【００３３】次に、液室に収容される２種類の液体およ
びこれらの充填方法について説明する。まず、絶縁層２
０４上の中央部（第２の面）には、第２の液体２２２を
滴下する。第２の液体２２２は無色透明で、比重１．０
６、室温での屈折率１．４９のシリコーンオイルが用い
られる。

【００３４】また、液室内の残りの空間には、第１の液
体２２１が充填される。第１の液体２２１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および第２の液体２２
１，２２２は、比重が等しく、かつ互いに混ざり合うこ
とがない液体が選定される。このため、両液体２１１，
２２２は界面２２４を形成し、混ざり合うことなくそれ
ぞれが独立して液室内に存在する。

【００３５】次に、両液体２１１，２２２の界面２２４
の形状について説明する。界面２２４の形状は、両液体
２１１，２２２間の界面張力、第１の液体２１１と絶縁
層２０４との界面張力、第２の液体２２２と絶縁層２０
４との界面張力および第２の液体２２２の体積で決ま
る。

【００３６】本実施形態では、第２の液体２２２の材料
であるシリコーンオイルと、絶縁層２０４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２２２が
形成するレンズ状液滴の外縁は広がる性向を持つ。第２
の液体２２２の体積が少ない場合、第１の液体２２１と
第２の液体２２２とがなす界面の形状は、図中に一点鎖
線で示す２２４ａとなる。

【００３７】また、第２の液体２２２の体積を増やす
と、絶縁層２０４に対する第２の液体２２２の接触角が
一定のまま、界面２２４の外周縁部（第２の液体２２２
の外縁部）は広がっていく。

【００３８】第２の液体２２２の接触角は，界面２２４
の形状が一点鎖線２２４ｂで示すように、界面２２４の
外周縁部がＰ１を含む円周（第１の液体２２１が接する
第１の面２０８と第２の液体２２２が接する第２の面２
０９との交線）に一致するまで一定である。

【００３９】そして、界面の外周縁部がＰ１を含む円周
に一致した後に、さらに第２の液体２２２の体積を増や
すと、界面２２４は実線で示す２２４ｃのように、界面
の外周縁部がＰ１を含む円周に固定されたまま、曲率半
径が小さくなる。

【００４０】そして、さらに第２の液体２２２の体積を
増やすと、力の釣り合いのバランスが崩れ、界面の形状
は一点鎖線で示す２２４ｄのようになる。

【００４１】つまり、容器内に第１の液体２２１が接す
る第１の面２０８と第２の液体２２２が接する第２の面
２０９を設け、かつこれら２つの面２０８，２０９を１
８０度より大きな角度で交わる不連続面としているた
め、界面２２４の外周縁部はこれら２つの面２０８，２
０９の円形の交線（Ｐ１を含む円周）、すなわち稜線上
で保持され、電圧を印加していない時（初期状態）での
光軸直交方向での界面２２４の外周縁部の位置を規定す
ることが可能となる。したがって、初期状態でのレンズ
の位置および形状も規定されることになる。

【００４２】本実施形態では、所望の光学パワーが得ら
れるように、第２の液体２２２の体積を、界面２２４の
形状が、２２４ｂと２２４ｃとの間となるように適宜調
節する。

【００４３】次に、図２を用いて、本実施形態の光学素
子を可変焦点レンズとして用いる場合の動作について説
明する。

【００４４】図２（ａ）は、給電回路２３１の出力電圧
が、ゼロあるいは非常に低い電圧Ｖ１の場合（すなわ
ち、界面２２４の形状を制御するための電圧が印加され
ていない状態）を示している。

【００４５】このときの界面２２４の形状は，図１に示
した２２４ｂから２２４ｃの間（２２４ｂ≦２２４≦２
２４ｃ）である。そして、界面２２４の外周縁部は、第
１の液体２２１が接する第１の面２０８と第２の液体２
２２が接する第２の面２０９との交線（Ｐ１を含む円周
上）で固定されているため、第２の液体２２２により形
成されるレンズ（界面２２４により形成されるレンズ
面）の光軸は中心軸２２３に一致する。

【００４６】図２（ｂ）は、給電回路２３１の出力電圧
がＶ１より大きな電圧Ｖ２の場合（すなわち、界面２２
４の形状を制御するための電圧が印加されている状態）
を示す。第１の液体２２１に電圧が印加されたため、エ
レクトロウエッティング効果により、２種類の液体２２
１，２２２の界面張力の釣り合いが変化し、両液体間の
界面２２４の形状が変わる。このため、給電回路２３１
の電圧制御によって界面２２４の形状を自在に変えるこ
とができる。

【００４７】また、第１および第２の液体２２１，２２
２が異な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ことになり、光学素子２０１は界
面２２４の形状変化によって焦点距離が変化する可変焦
点レンズとなる。

【００４８】さらに、光学素子２０１の絶縁層２０４の
厚さが中心ほど厚く、かつ容器の中心軸２２３に対して
軸対称形状であるため、第１の液体２２１に電圧を印加
した場合のエレクトロウエッティング効果も軸対称に働
く。このため、界面２２４の中心軸は、容器の中心軸２
２３と常に一致する。したがって、第１の液体２２１に
電圧が印加されてない場合と印加された場合の光軸も一
致することになる。

【００４９】このように、本実施形態によれば、容器内
部に、第１の液体２２１が接する第１の面２０８と、第
２の液体２２２が接し、かつ第１の面２０８に対して所
定角度で交わる不連続な第２の面２０９を設け、第１の
面２０８と第２の面２０９との交線に界面２２４の外周
縁部が位置するように構成し、第１および第２の面２０
８，２０９がなす角度を１８０度よりも大きく、かつこ
れら２つの面の交線が円形となる構成とし、さらに第１
の面２０８を円筒面とし、第２の面２０９を平面とした
ことにより、電圧を印加していない時の光軸直交方向に
おける界面２２４（レンズ面）の位置を規定することが
可能となる。

【００５０】また、この時のレンズ光軸が光学素子の中
心軸２２３と一致するため、電圧が印加されてない場合
と印加されている場合のレンズ光軸が互いに一致するこ
とになり、光学性能が向上する。

【００５１】図３には、光学素子２０１を、光学機器に
応用した場合の光学機器の構成を示している。本実施形
態では、光学機器１５０として、静止画像を撮像素子に
よって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。

【００５２】１４０は複数のレンズ群からなる撮影光学
系（結像光学系）であり、第１レンズ群１４１と、第２
レンズ群１４２と、光学素子２０１とにより構成され
る。この撮影光学系１４０では、第１レンズ群１４１の
光軸方向の進退によって焦点調節がなされ、光学素子２
０１の光学パワー変化によってズーミングがなされる。

【００５３】なお、撮影光学系のズーミングを行うに
は、通常は複数のレンズ群のパワー変化や群の移動が必
要であるが、本実施形態では、光学素子２０１のパワー
変化でズーミング動作を代表させている。

【００５４】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２０１が配置され、第１レン
ズ群１４１と光学素子２０１との間には、絞り開口径を
変化させて撮影光束の光量を調節する絞りユニット１４
３が配置されている。

【００５５】また、撮影光学系１４０の焦点位置（予定
結像面）には、撮像素子１４４が配置されている。この
撮像素子１４４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と、この電荷を蓄える電荷蓄積部
と、この電荷を転送して外部に送出する電荷転送部とか
らなる２次元ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子が用い
られる。

【００５６】１４５は画像信号処理回路で、撮像素子１
４４から入力されたアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換
し、デジタル画像信号に対して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。

【００５７】１５１は液晶ディスプレイ等の表示器で、
撮像素子１４４を通じて得られた被写体の画像データや
本光学機器１５０の動作状況等を示す情報を表示する。

【００５８】１５２はＣＰＵ１３０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である。
１５３ａおよび１５３ｂはそれぞれ、ワイド側およびテ
レ側のズームスイッチで、撮影者の操作に応じて後述す
る変倍動作を行なわせ、撮影光学系１４０の焦点距離を
変更させる。

【００５９】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。

【００６０】１５５は焦点検出ユニットであり、一眼レ
フカメラに用いられる位相差検出方式の焦点検出ユニッ
ト等が好適である。

【００６１】１５６はフォーカス駆動ユニットであり、
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とを含み、焦点検出ユニット１５５
で演算されたフォーカス信号に基づいてフォーカス駆動
を行ない、撮影光学系１４０の焦点調節を行う。

【００６２】１５７はメモリであり、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。

【００６３】図４には、図３に示した光学機器１５０が
有するＣＰＵ１３０の制御フローチャートである。ま
ず、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
ドとなる。ステップＳ１０１においてメインスイッチ１
５２がオン操作されたと判定すると、待機モードを解除
し、次のステップＳ１０２以降へと進む。

【００６４】ステップＳ１０２では、撮影者による撮影
条件の設定を受け付ける。例えば、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）や画質モ
ード（記録画素数の大小、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）等の設定を受け付
ける。

【００６５】ステップＳ１０３では、撮影者によってワ
イド（Ｗ）側ズームスイッチ１５３ａが操作されたか否
かを判別する。操作されていない場合はステップＳ１０
４に進む。ここでワイド側ズームスイッチ１５３ａが操
作された場合は、ステップＳ１２１に移行する。

【００６６】ステップＳ１２１では、ワイド側ズームス
イッチ１５３ａの操作量（操作方向やオン時間等）を検
出し、ステップＳ１２２では、その操作量に基づいて対
応する焦点距離変化量を演算する。そして、ステップＳ
１２３では、この演算結果に応じて光学素子２０１への
印加電圧量を決定し、次のステップＳ１２４で、給電回
路１３１の出力電圧を制御して光学素子２０１に当該電
圧を印加する。そしてステップＳ１０２へ戻る。

【００６７】つまり、ワイド側ズームスイッチ１５３ａ
が操作され続けている場合は、ステップＳ１０２からス
テップＳ１２４を繰り返し実行し、ワイド側ズームスイ
ッチ１５３ａのオン操作が終了した時点でステップＳ１
０４へと移行する。

【００６８】ステップＳ１０４では、撮影者によってテ
レ（Ｔ）側ズームスイッチ１５３ｂが操作されたか否か
を判別する。操作されていない場合はステップＳ１０５
に進む。ここでテレ側ズームスイッチ１５３ｂが操作さ
れた場合は、ステップＳ１２１に移行する。

【００６９】ステップＳ１２１では、テレ側ズームスイ
ッチ１５３ｂの操作量（操作方向やオン時間等）を検出
し、ステップＳ１２２では、その操作量に基づいて対応
する焦点距離変化量を演算する。そして、ステップＳ１
２３では、その演算結果に応じて光学素子２０１への印
加電圧量を決定し、次のステップＳ１２４にて給電回路
１３１の出力電圧を制御して光学素子２０１に電圧を印
加する。そしてステップＳ１０２へ戻る。

【００７０】つまり、テレ側ズームスイッチ１５３ｂが
操作され続けている場合は、ステップＳ１０２からステ
ップＳ１２４を繰り返し実行し、テレ側ズームスイッチ
１５３ｂのオン操作が終了した時点でステップＳ１０５
へと移行する。

【００７１】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４の
フローチャートではＳＷ１と記す）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Ｓ１０２に戻り、撮影条件設定の受け付けや、ズー
ムスイッチ１５３の操作の判別を繰り返す。ステップＳ
１０５で撮影準備スイッチがオン操作されたと判定した
ときは、ステップＳ１１１へ移行する。

【００７２】ステップＳ１１１では、撮像素子１４４お
よび信号処理回路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、最終記録用画像の撮影
条件を適切に設定するため、およ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ことである。

【００７３】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る。具
体的には、撮像素子１４４が出力する画像信号におい
て、最高、最低および平均の出力信号レベルを演算し、
撮像素子１４４に入射する光量を認識する。

【００７４】ステップＳ１１３では、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。

【００７５】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、焦点検出ユニット１５５
を用いて撮影光学系１４０の焦点調節状態を検出する。
続いてステップＳ１１６では、フォーカス駆動ユニット
１５６により、第１レンズ群１４１を光軸方向に進退さ
せて合焦動作を行う。

【００７６】その後、ステップＳ１１７に進み、撮影ス
イッチ（フローチャートではＳＷ２と記す）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Ｓ１１１に戻り、プレビュー画像の取得から
フォーカス駆動までのステップを繰り返し実行する。

【００７７】以上のようにして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、ステップＳ１１７からステップＳ１３１にジャ
ンプする。

【００７８】ステップＳ１３１では撮像を行う。すなわ
ち、撮像素子１４４上に結像した被写体像を光電変換さ
せ、光学像の強度に比例した電荷を各受光部近傍の電荷
蓄積部に蓄積させる。ステップＳ１３２では、ステップ
Ｓ１３１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。

【００７９】ステップＳ１３３では、信号処理回路１４
５に、入力されたアナログ画像信号をＡ／Ｄ変換させ、
ＡＧＣ制御、ホワイトバランス、γ補正、エッジ強調等
の画像処理を行わせ、さらに必要に応じてＣＰＵ１３０
内に記憶された画像圧縮プログラムでＪＰＥＧ圧縮等を
施す。

【００８０】ステップＳ１３４では、上記ステップＳ１
３３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Ｓ１３５にて一旦プレビュー画像を消去
した後に、ステップＳ１３３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、ステップＳ１３６
で、給電回路１３１を制御して光学素子２０１への電圧
印加をオフし、一連の撮影動作を終了する。

【００８１】なお、本実施形態では、光学素子２０１を
備えた光学機器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
も光学素子を用いることができる。

【００８２】（第２実施形態）図５には、本発明の第２
実施形態である光学素子の構成を示している。上記第１
実施形態では、電圧が印加されていない時の光軸直交方
向におけるレンズ位置を規定するために、第１の液体２
２１が接する第１の面２０８を円筒面とし、第２の液体
２２２が接する第２の面２０９を平面とする構成を採用
したが、本実施形態では、第１の液体２２１が接する第
１の面６０８を平面とし、第２の液体２２２が接する第
２の面６０９を円筒面とする構成を採ることで、電圧が
印加されていない時の光軸方向におけるレンズ位置を規
定する。

【００８３】図５において、６０１は本実施形態の光学
素子の全体を示し、６０２は円盤形の透明アクリルある
いはガラス製の第１の封止板である。

【００８４】６０３は金属製の電極リングで、その内周
に後述する不連続面を有し、不連続点から下方向に向か
って徐々に直径が大きくなる形状を有する。この電極リ
ング６０３の内面全周にはアクリル樹脂等でできた絶縁
層６０４が密着形成されている。この絶縁層６０４の内
径寸法は均一なため、厚さは下に向かって徐々に増加す
ることになる。

【００８５】６０６は円盤形状の透明アクリルあるいは
ガラス製の第２の封止板で、その一部には孔が形成さ
れ、ここに棒状電極６２５が挿入されて接着剤で封止さ
れる。６０７は光学素子６０１に入射する光束の径を制
限する絞り板で、第２の封止板６０６の上面に固定され
る。

【００８６】そして、第１の封止板６０２、金属リング
６０３および第２の封止板６０６は互いに接着固定さ
れ、これらの部材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としての容器が形成される。

【００８７】液室は、第１の液体２２１が接する第１の
面６０８と第２の液体が接する第２の面６０９とを有し
ており、第１の面６０８は平面であり、第２の面６０９
は円筒面である。本実施形態において、第１の面６０８
および第２の面６０９の交わる角度θは１８０度より大
きい（本実施形態では、概ね２７０度）。また、容器
は、棒状電極６２５の挿入部以外は軸対称形状をしてお
り、その中心軸を６２３として示す。

【００８８】液室には以下に示す２種類の液体が充填さ
れる。まず、液室の底面側には、第２の液体２２２が滴
下される。第２の液体２２２の上表面の形状は、第２の
液体と液室の壁に働く界面張力のつりあいで決まる。一
方、第１の液体２２１は、第２の液体２２２を滴下した
後、液室内の残りの空間全てに充填される。

【００８９】次に、第１の液体２２１と第２の液体２２
２のなす界面６２４の形状について説明する。界面６２
４の形状は、両液体２２１，２２２間の界面張力、両液
体と液室の壁に働く界面張力および第２の液体２２２の
体積で決まる。

【００９０】第２の液体２２２の体積が少ない場合、界
面６２４の形状は一点鎖線で示す６２４ａとなる。

【００９１】また、第２の液体２２２の体積を増やす
と，界面６２４の曲率半径を保ったまま、界面６２４の
外周縁部（第２の液体２２２の外縁部）は光軸と平行に
かつ上方向に移動していき、界面６２４の形状が実線で
示す６２４ｂのように、界面６２４の外周縁部がＰ２を
含む円周（第１の面６０８と第２の面６０９との交線）
に一致する。

【００９２】こうして界面６２４の外周縁部が第１の面
６０８と第２の面６０９との交線に一致した後、さらに
第２の液体２２２の体積を増やすと、界面６２４は、一
点鎖線で示す６２４ｃのようにＰ１を含む円周に固定さ
れたまま、曲率半径が小さくなる。さらに、第２の液体
２２２の体積を増やすと、力のつりあいのバランスが崩
れ、界面６２４の形状は一点鎖線で示す６２４ｄのよう
になる。

【００９３】つまり、容器内に第１の面６０８と、この
第１の面６０８に対して１８０度よりも大きい角度で交
わる不連続な面である第２の面６０９とを設け、第１の
面６０８を平面とし、第２の面６０９を円筒面とするこ
とにより、界面６２４の外周縁部は上記２つの面の円形
の交線（Ｐ２を含む円周）で固定され、かつ光軸方向と
略平行な方向における第２の液体２２２が形成するレン
ズ（界面６２４により形成されるレンズ面）の初期位置
を規定することができる。

【００９４】なお、本実施形態では、所望の光学パワー
が得られるように，第２の液体２２２の体積を６２４ｂ
と６２４ｃとの間で適宜調節する。

【００９５】次に、図６を用いて、上述した光学素子６
０１を可変焦点レンズとして用いる場合の動作を説明す
る。

【００９６】図６（ａ）は，給電回路６３１の出力電圧
が、ゼロあるいは非常に低い電圧Ｖ１の場合（すなわ
ち、界面６２４の形状を制御するための電圧が印加され
ていない状態）を示す。

【００９７】このときの界面６２４の形状は、図５の６
２４ｂから６２４ｃの間（６２４ｂ≦６２４≦６２４
ｃ）である。界面６２４の外周縁部は、第１の液体２２
１が接する第１の面６０８と第２の液体２２２が接する
第２の面６０９の交線（Ｐ２を含む円周上）で固定され
ているため、第２の液体２２２が形成するレンズの光軸
は中心軸６２３に一致する。

【００９８】図２（ｂ）は，給電回路６３１の出力電圧
が、Ｖ１より大きな電圧Ｖ２の場合（すなわち、界面６
２４の形状を制御するための電圧が印加されている状
態）を示す。

【００９９】給電回路６３１により第１の液体２２１に
電圧Ｖ２を印加すると、２種類の液体の界面張力の釣り
合いが変化し、界面６２４の形状はエレクトロウエッテ
ィング効果により、曲率半径が変化する。

【０１００】つまり、給電回路６３１の電圧制御によっ
て界面６２４の形状を自在に変えることができる。ま
た、第１および第２の液体２２１，２２２が異なる屈折
率を有しているため、光学レンズとしてのパワーが付与
されることになり、光学素子６０１は界面６２４の形状
変化によって焦点距離が変化する可変焦点レンズとな
る。

【０１０１】本実施形態によれば、電圧の印加によって
界面形状が変化する光学素子において、第１の液体２２
１が接する第１の面６０８を平面とし、第２の液体が接
する第２の面６０９を円筒面とする構成をとることで、
電圧が印加されていない時の光軸と平行な方向における
レンズの位置を規定することができる。このときのレン
ズ光軸は、光学素子の中心軸６２３と一致する。

【０１０２】さらに、絶縁層６０４が不連続点から下方
向に向かって厚くなっているので、エレクトロウエッテ
ィング効果が軸対称に働き、電圧が印加されてない場合
と印加されている場合でのレンズ光軸も互いに一致する
ことになり、光学性能が向上する。

【０１０３】なお、上記各実施形態では、第１の面と第
２の面との交わる角度が略２７０度の場合について説明
したが、この角度は１８０度よりも大きい範囲で任意に
設定可能である。

【０１０４】また、上記各実施形態では、全体として略
円筒型に構成された光学素子について説明したが、本発
明は略矩形筒型や略多角筒型に構成された光学素子にも
適用することができる。

【０１０５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の面と第２の面とを不連続に交わるよう構成するだ
けの簡単な構成で、電圧を印加していない時（初期状
態）での両液体の界面の形状、つまりはレンズ面の位置
や形状を確実に規定することができる。

【０１０６】なお、第１の面と第２の面との交わる角度
（所定角度）を１８０度よりも大きく設定することによ
り、容器内の液室の形状に自由度を持たせることができ
る。

【０１０７】また、第１の面と第２の面の交線を円形と
することにより、電圧を印加していない時の界面の形状
を軸対称とすることができる。したがって、電圧非印加
時と電圧印加時とでの光軸のずれ（偏心）を防止するこ
とができ、光学性能を向上させることができる。

【０１０８】そして、この光学素子を結像光学系に組み
込むことにより、レンズを機械的に光軸方向移動させ
ず、かつ光軸の偏心を生じることなく焦点距離を変化さ
せることができる光学機器を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態である光学素子の断面図
である。

【図２】上記第１実施形態の光学素子を可変焦点レンズ
として用いる場合の動作を示す図である。

【図３】上記第１実施例の光学素子を組み込んだ光学機
器（デジタルカメラ）の構成図である。

【図４】上記第１実施形態の光学機器の動作フローチャ
ートである。

【図５】本発明の第２実施形態である光学素子の断面図
である。

【図６】上記第２実施形態の光学素子を可変焦点レンズ
として用いる場合の動作を示す図である。

【図７】従来の光学素子における電圧非印加時の図であ
る。

【図８】従来の光学素子における電圧印加時の図であ
る。

【符号の説明】

１０１，２０１ 光学素子 １０２，２０２ 透明基板 １０３，２０３ 透明電極 １０４，２０４ 絶縁層 １０５，２０５ 容器 １０６，２０ 上カバー １０７，２０７ 絞り板 ２１３ 親水膜 １２１，２２１ 第１の液体 １２２，２２２ 第２の液体 １２３ 光軸 １２４，２２４ 界面 １２５，２２５ 棒状電極 ２２３ 容器の中心軸 １２６，２３１ 給電回路 １２７，２２７ スイッチ １３１，２３１ 給電回路 ６０１ 光学素子 ６０２，６０６ 封止板 ６０３ 電極リング ６０４ 絶縁層 ６０７ 絞り板 ６２３ 容器の中心軸 ６２４ 界面 ６２５ 棒状電極 ６３１ 給電回路

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｆターム(参考） 2H044 BE01 BF01 DA02 DC00 5C022 AB21 AB66 AC41 AC54 AC74

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性又は有極性を有した第１の液体と
   この第１の液体と互いに混合することのない第２の液体
   とを容器内に収容し、前記第１の液体と前記容器側に設
   けられた電極間への電圧印加によって前記第１および第
   ２の液体の界面の形状が制御されて光学特性が変化する
   光学素子であって、 前記容器の内面に、前記第１の液体が接する第１の面と
   前記第２の液体が接する第２の面とを所定角度で交わる
   不連続な面として形成することにより、前記第１の液体
   と前記電極間に前記界面の形状を制御するための電圧が
   印加されていない状態で前記第１の面と前記第２の面と
   の交線上に前記界面の外縁部が保持されるようにしたこ
   とを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 前記交線が円形であることを特徴とする
   請求項１に記載の光学素子。
3. 【請求項３】 前記第１の面と前記第２の面とがとも
   に、前記容器における光軸方向の一端部に形成されてい
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 【請求項４】 前記第１の面と前記第２の面とがとも
   に、前記容器における光軸回りの内周部に形成されてい
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
5. 【請求項５】 前記所定角度が１８０度よりも大きいこ
   とを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
6. 【請求項６】 前記第１の液体と前記電極間に前記界面
   の形状を制御するための電圧が印加されることにより、
   前記第１の面と前記第２の面との交線上から前記界面の
   外縁部が移動することを特徴とする請求項１に記載の光
   学素子。
7. 【請求項７】 請求項１から６のいずれかに記載の光学
   素子を備えたことを特徴とする光学機器。
8. 【請求項８】 前記光学素子を用いて結像光学系を構成
   し、前記界面の形状変化によって前記結像光学系の焦点
   距離が変化することを特徴とする請求項７に記載の光学
   機器。