JP2006078650A - Optical element, lens unit, and imaging apparatus - Google Patents
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Images
Landscapes
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Abstract
Description
本発明は、光を透過する光学素子、レンズユニット、および被写体光を結像して画像データを取得する撮像装置に関する。 The present invention relates to an optical element that transmits light, a lens unit, and an imaging device that forms image of subject light to acquire image data.
Charge Coupled Device(CCD)などといった固体撮像素子上に被写体の像を結像させて、その被写体を表す画像データを信号として取り込む電子スチールカメラや、写真フィルム上に写真撮影を行うフィルムカメラなどの中には、撮影画角を自在に設定するズーム機能を備えたものがあり、このようなカメラにはズームスイッチの操作に応じて焦点距離の変化する撮影レンズが備えられている。この撮影レンズは、一般に、複数のレンズエレメントの組み合わせからなる複合レンズであって、ズームスイッチによって設定された焦点距離に応じて複数のレンズエレメントの相対位置が調整される。このようなカメラにはカム機構が備えられており、ズームスイッチの操作に応じてそのカム機構がモータの回転を伝達することによって複数のレンズエレメントそれぞれが光軸方向に前後して相対位置が調整され、焦点距離が変化する。 In an electronic still camera that forms an image of a subject on a solid-state image sensor such as a charge coupled device (CCD) and captures image data representing the subject as a signal, or a film camera that takes a photograph on a photographic film Some cameras have a zoom function for freely setting a shooting angle of view, and such a camera is provided with a photographing lens whose focal length changes in accordance with the operation of a zoom switch. This photographing lens is generally a compound lens composed of a combination of a plurality of lens elements, and the relative positions of the plurality of lens elements are adjusted according to the focal length set by the zoom switch. Such a camera is equipped with a cam mechanism, and the cam mechanism transmits the rotation of the motor in response to the operation of the zoom switch, so that the plurality of lens elements move back and forth in the optical axis direction and the relative positions are adjusted. And the focal length changes.
また、複数のレンズエレメントの中にはピント調整用のフォーカスレンズもあり、このフォーカスレンズを移動させるレンズ駆動機構が上記カム機構とは別に配備されている場合もある。 In addition, there is a focus lens for focus adjustment among the plurality of lens elements, and a lens driving mechanism for moving the focus lens may be provided separately from the cam mechanism.
近年、上述した、駆動機構を有する撮影レンズに替えて、相互に屈折率が異なる、相互に不混和な2種類の液体が内部に収容された焦点距離可変の液体レンズが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 In recent years, in place of the above-described photographic lens having a drive mechanism, a variable focal length liquid lens in which two kinds of liquids having different refractive indexes and immiscible with each other is housed has been proposed (for example, Non-Patent Document 1).
この非特許文献1に提案された液体レンズには、相互に屈折率が異なる、相互に不混和な2種類の液体が内部に収容されており、これら2種類の液体のうちの一方の液体は導電性水溶液であり、もう一方の液体は絶縁性オイルである。これら2種類の液体は、短いガラス製のチューブの両端が、光透過性を有する透明なエンドキャップで塞がれた液体収容器の中に収容されている。また、このチューブの内壁と一方のエンドキャップの内壁とが撥水性膜で被覆されている。このように構成された液体レンズによれば、2種類の液体のうちの導電性水溶液が、撥水性膜で被覆されたチューブの内壁、および一方のエンドキャップの内壁と反撥することとなり、この導電性水溶液が、他方のエンドキャップに接触する状態で半球形状を有して滞留するため、導電性水溶液と絶縁性オイルとの界面部分が凹レンズとして機能する。また、この液体レンズには、導電性水溶液に対して電圧を印加するための2つの電極も備えられていて、これら2つの電極のうちの一方の電極は導電性水溶液に接するように配設され、他方の電極は撥水性膜の裏側に配設されている。このような電極に対して電圧が印加されると、導電性水溶液に接するように配設された電極からこの導電性水溶液中に電荷が放出され、放出された電荷が導電性水溶液中の、絶縁性オイルとの界面部分に溜まる現象が生じる。この界面部分に溜まった電荷と、この電荷とは逆極性の、撥水性膜の裏側に配設された電極に集まった電荷とがクーロン力によって引き合って、導電性水溶液中の電荷が撥水性膜付近に引き付けられる。その結果、導電性水溶液がチューブの内壁に被覆された撥水性膜を濡らし始めて、2種類の液体の界面形状が変化する。即ち、導電性水溶液に対して電圧が強くかけられるに従って、最初に凹レンズとして機能していた導電性水溶液の、絶縁性オイルとの界面部分の曲率半径が変化し、例えば、その界面部分が完全に平らになったり、その導電性水溶液が凸レンズとして機能するようになったりして、焦点距離が変化することとなる。 In the liquid lens proposed in Non-Patent Document 1, two kinds of liquids having different refractive indexes and immiscible with each other are accommodated inside, and one of these two kinds of liquids is A conductive aqueous solution and the other liquid is an insulating oil. These two kinds of liquids are accommodated in a liquid container in which both ends of a short glass tube are closed with a transparent end cap having light permeability. The inner wall of the tube and the inner wall of one end cap are covered with a water repellent film. According to the liquid lens thus configured, the conductive aqueous solution of the two types of liquid repels the inner wall of the tube covered with the water-repellent film and the inner wall of one end cap. Since the aqueous solution stays in a hemispherical shape in contact with the other end cap, the interface portion between the conductive aqueous solution and the insulating oil functions as a concave lens. The liquid lens is also provided with two electrodes for applying a voltage to the conductive aqueous solution, and one of the two electrodes is disposed in contact with the conductive aqueous solution. The other electrode is disposed on the back side of the water-repellent film. When a voltage is applied to such an electrode, an electric charge is released from the electrode disposed so as to be in contact with the aqueous conductive solution into the aqueous conductive solution, and the released charge is insulated in the aqueous conductive solution. Phenomenon that accumulates at the interface with the oil. The electric charge accumulated in the interface portion and the electric charge collected on the electrode disposed on the back side of the water-repellent film having a polarity opposite to that of the electric charge are attracted by the Coulomb force, so that the charge in the conductive aqueous solution is transferred to the water-repellent film. Attracted nearby. As a result, the conductive aqueous solution begins to wet the water-repellent film coated on the inner wall of the tube, and the interface shape of the two types of liquid changes. That is, as the voltage is applied to the conductive aqueous solution, the radius of curvature of the interface portion of the conductive aqueous solution that initially functioned as the concave lens with the insulating oil changes. It becomes flat or the conductive aqueous solution functions as a convex lens, and the focal length changes.
このような液体レンズによると、レンズを移動させずに焦点距離を変化させることができるため、上述したカム機構やレンズ駆動機構などを設けなくても、ズーム機能やフォーカス機能を実現することができる。したがって、装置を大幅に小型化することができ、携帯電話などといった小型機器にも適用することができる。 According to such a liquid lens, since the focal length can be changed without moving the lens, the zoom function and the focus function can be realized without providing the cam mechanism or the lens driving mechanism described above. . Therefore, the apparatus can be significantly reduced in size, and can be applied to a small device such as a mobile phone.
また、このような液体レンズの改良技術として、撥水性膜と電極との間に設けられる絶縁を1μm以下の薄膜に形成することによって焦点変化に要する電圧の低下を図った技術(特許文献1参照)や、液体収容器内の液体にゲル剤を含ませて、重力や慣性力による界面の歪みを抑制する技術(特許文献2参照)も知られている。
また、焦点距離が可変なレンズとしては、液晶の電気光学効果を利用して焦点距離を変化させる液晶レンズも知られている。例えば、特許文献3には、平板状の第1,第2の光透過性基板と、両面が凹状に形成されて第1,第2の光透過性基板間に配備された第3の光透過性基板とを備えるとともに、第1の光透過性基板と第3の光透過性基板とに挟まれた空間および第2の光透過性基板と第3の光透過性基板とに挟まれた空間に封入された液晶を有する液晶レンズが提案されている。この液晶レンズでは、印加される電圧の大きさに応じて液晶分子の配向が変化し、これにより液晶レンズの屈折率が変化してレンズとしての焦点距離が変化する。
As a lens having a variable focal length, a liquid crystal lens that changes the focal length by utilizing the electro-optic effect of liquid crystal is also known. For example, in Patent Document 3, the first and second light transmissive substrates having a flat plate shape and the third light transmissive substrate formed between the first and second light transmissive substrates with both surfaces formed in a concave shape are disclosed. And a space sandwiched between the first light transmissive substrate and the third light transmissive substrate and a space sandwiched between the second light transmissive substrate and the third light transmissive substrate. There has been proposed a liquid crystal lens having a liquid crystal encapsulated therein. In this liquid crystal lens, the orientation of the liquid crystal molecules changes according to the magnitude of the applied voltage, whereby the refractive index of the liquid crystal lens changes and the focal length as the lens changes.
上述したような液体レンズで生じる焦点距離の変化量は、絶縁性オイルと導電性水溶液との屈折率差に依存しており、屈折率差が大きいほど焦点距離可変のレンズとしての性能が向上することとなる。また、上述したような液晶レンズで生じる焦点距離の変化量は、液晶分子の配向に伴うの屈折率変化に依存しており、屈折率変化が大きいほど焦点距離可変のレンズとしての性能が向上することとなる。 The amount of change in the focal length that occurs in the liquid lens as described above depends on the refractive index difference between the insulating oil and the conductive aqueous solution, and the larger the refractive index difference, the better the performance as a variable focal length lens. It will be. Further, the amount of change in the focal length that occurs in the liquid crystal lens as described above depends on the refractive index change accompanying the alignment of the liquid crystal molecules, and the larger the refractive index change, the better the performance as a variable focal length lens. It will be.
従来の液体レンズや液晶レンズの性能は、ズームレンズやフォーカスレンズとしての性能としては不十分であるので、より大きな屈折率差や屈折率変化が得られる材料の開発が望まれている。 Since the performance of the conventional liquid lens and liquid crystal lens is insufficient as the performance of the zoom lens and the focus lens, development of a material capable of obtaining a larger refractive index difference and refractive index change is desired.
しかし、このような材料は、単に屈折率についての要件を満たすだけでなく、液体レンズや液晶レンズとしての機能を発揮するための要件も満たす必要があるので材料選択の自由度が小さく、材料開発が困難であるという問題がある。 However, such materials need not only satisfy the requirements for refractive index but also satisfy the requirements for functioning as a liquid lens or a liquid crystal lens. There is a problem that is difficult.
このような問題は、レンズに限って生じる問題ではなく、上述した液体レンズや液晶レンズの原理を応用した光学素子について一般的に生じる問題である。 Such a problem is not a problem that occurs only in a lens but a problem that generally occurs in an optical element that applies the principle of the liquid lens or the liquid crystal lens described above.
本発明は、上記事情に鑑み、高性能な光学素子、レンズユニット、および撮像装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a high-performance optical element, a lens unit, and an imaging apparatus.
上記目的を達成する本発明の光学素子は、
相互に屈折率が異なる、相互に不混和な、それぞれが光透過性を有する、少なくとも一方は電圧印加によって屈折率が変化する屈折率可変液体である絶縁性液体および導電性液体が内部に収容された、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる液体収容器と、
液体収容器内の導電性液体に接触した第1の電極と、
液体収容器内の導電性液体に対して絶縁された第2の電極とを備えたことを特徴とする。
The optical element of the present invention that achieves the above object provides:
An insulating liquid and a conductive liquid, which are refractive index variable liquids that have different refractive indexes, are immiscible with each other, and each have optical transparency, and at least one of which changes the refractive index when a voltage is applied, are contained inside. A liquid container that transmits light at least in a predetermined optical axis direction;
A first electrode in contact with the conductive liquid in the liquid container;
And a second electrode insulated from the conductive liquid in the liquid container.
ここで、屈折率可変液体は、電圧印加によって液体全体の屈折率が変化する必要はなく、例えば電極に近い部分の屈折率のみが変化するものであってもよい。また、この屈折率変化は、物性等の変化による絶対的な変化である必要はなく、例えば特定の方向から見たときの見かけ上の変化であってもよい。 Here, the refractive index variable liquid does not need to change the refractive index of the entire liquid by applying a voltage, and may be, for example, only the refractive index near the electrode. The refractive index change need not be an absolute change due to a change in physical properties or the like, and may be an apparent change when viewed from a specific direction, for example.
本発明の光学素子によると、第1の電極と第2の電極との相互間に電圧が印加されると、第1の電極から導電性液体中に電荷が放出されるとともに、第2の電極にはその電荷とは逆極性の電荷が集まる。この結果、導電性液体中の電荷と、第2の電極に集まった電荷とがクーロン力によって引き合い、導電性液体と絶縁性液体との境界面の形状が変化する。更に、屈折率可変液体の屈折率も変化し、境界面の形状変化と屈折率変化との相乗効果によって光学素子の光学的機能(例えばレンズの焦点距離やプリズムの屈折角度など)が大きく変化する。従って本発明の光学素子は性能が高く、低い電圧で十分な変化が得られるので寿命も長い。 According to the optical element of the present invention, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, electric charges are discharged from the first electrode into the conductive liquid, and the second electrode Collects charges of the opposite polarity. As a result, the charge in the conductive liquid and the charge collected on the second electrode are attracted by the Coulomb force, and the shape of the boundary surface between the conductive liquid and the insulating liquid changes. Further, the refractive index of the refractive index variable liquid also changes, and the optical function of the optical element (for example, the focal length of the lens and the refractive angle of the prism) changes greatly due to the synergistic effect of the change in the shape of the boundary surface and the change in the refractive index. . Therefore, the optical element of the present invention has high performance and a long life because a sufficient change can be obtained at a low voltage.
本発明の光学素子は、上記屈折率可変液体が、光透過性の分散媒と、その分散媒内に分散した、光透過性であって分散媒の屈折率とは異なる屈折率を有する分散質とからなるものであることが好適である。 The optical element of the present invention includes a dispersion medium having a refractive index different from the refractive index of the light-transmitting dispersion medium, the light-transmitting dispersion medium dispersed in the dispersion medium. It is preferable that it consists of.
このような好適な光学素子によれば、第1の電極と第2の電極との相互間に電圧が印加されると、上述した境界面の形状変化とともに、分散媒の屈折率とは異なる屈折率を有する分散質の電気泳動が生じ、分散質の移動量に応じた屈折率変化が生じる。 According to such a suitable optical element, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the refractive index different from the refractive index of the dispersion medium is formed along with the change in the shape of the boundary surface described above. Electrophoresis of a dispersoid having a refractive index occurs, and the refractive index changes according to the amount of movement of the dispersoid.
このような分散質の選択の自由度は高く、困難な材料開発を経ることなく、高性能の光学素子が実現される。 The degree of freedom in selecting the dispersoid is high, and a high-performance optical element can be realized without difficult material development.
ここで、上記分散質がナノ粒子からなることが好ましい。 Here, the dispersoid is preferably composed of nanoparticles.
分散質がナノ粒子であっても電気泳動させることができる。 Even if the dispersoid is a nanoparticle, it can be electrophoresed.
また、上記分散質が、酸化チタンのナノ粒子からなることも好ましい態様である。 It is also a preferred aspect that the dispersoid is made of titanium oxide nanoparticles.
分散質が酸化チタンのナノ粒子からなるものであると、より屈折率の高い光学素子を実現することができる。また、酸化チタンのナノ粒子は汎用的なものであるため、製造にあたり入手が容易である。 When the dispersoid is made of titanium oxide nanoparticles, an optical element having a higher refractive index can be realized. In addition, since titanium oxide nanoparticles are general-purpose, they are easily available for production.
さらに、上記分散質が、アルミナのナノ粒子からなることも好ましい。 Further, the dispersoid is preferably made of alumina nanoparticles.
分散質がアルミナのナノ粒子からなるものであると、分散質のコストが安価で済む。 If the dispersoid is made of alumina nanoparticles, the cost of the dispersoid can be reduced.
さらに、上記分散媒が、水であることも好ましい。 Furthermore, the dispersion medium is preferably water.
分散媒が水であると、分散質の分散性に優れるとともに分散媒のコストも安価で済む。 When the dispersion medium is water, the dispersibility of the dispersoid is excellent and the cost of the dispersion medium is low.
また、上記分散媒が、有機分散媒であることも好ましい態様である。 It is also a preferred embodiment that the dispersion medium is an organic dispersion medium.
分散媒が有機分散媒であると、電気的に安定である。 When the dispersion medium is an organic dispersion medium, it is electrically stable.
さらに、上記分散媒が、炭化水素系有機分散媒であることも好ましい。 Furthermore, the dispersion medium is preferably a hydrocarbon-based organic dispersion medium.
分散媒が炭化水素系有機分散媒であると、官能基を持つ有機溶媒と比較し、さらに電気的に安定である。 When the dispersion medium is a hydrocarbon-based organic dispersion medium, it is more electrically stable than an organic solvent having a functional group.
本発明の光学素子は、上記屈折率可変液体が、液晶を含んだ液体であることも好適である。 In the optical element of the present invention, it is also preferable that the refractive index variable liquid is a liquid containing liquid crystal.
このような好適な光学素子によれば、第1の電極と第2の電極との相互間に電圧が印加されると、上述した境界面の形状変化とともに、液晶分子の配向が生じ、配向量に応じた屈折率変化が生じる。このような液晶分子の配向は、電気泳動による分散質の移動よりも高速であるので、光学素子の応答速度が速い。 According to such a suitable optical element, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the alignment of the liquid crystal molecules occurs along with the change in shape of the boundary surface described above, and the amount of alignment The refractive index changes according to Such alignment of the liquid crystal molecules is faster than the movement of the dispersoid by electrophoresis, so that the response speed of the optical element is fast.
また、本発明の光学素子は、上記屈折率可変液体が、ネマチック液晶を含んだ液体であることが更に好適である。 In the optical element of the present invention, it is more preferable that the refractive index variable liquid is a liquid containing a nematic liquid crystal.
ネマチック液晶は誘電率異方性が負であるため、電圧印加によって親疎水性が大きく変化する。この結果、液体収容器内での配向が大きく変化して大きな屈折率変化を生じることとなる。 Since the nematic liquid crystal has a negative dielectric anisotropy, the hydrophilicity / hydrophobicity of the nematic liquid crystal changes greatly upon voltage application. As a result, the orientation in the liquid container is greatly changed, resulting in a large refractive index change.
上記目的を達成する本発明のレンズユニットは、
相互に屈折率が異なる、相互に不混和な、それぞれが光透過性を有する、少なくとも一方は電圧印加によって屈折率が変化する屈折率可変液体である絶縁性液体および導電性液体が内部に収容された、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる液体収容器と、
液体収容器内の導電性液体に接触した第1の電極と、
液体収容器内の導電性液体に対して絶縁された第2の電極とを備え、
第1の電極と第2の電極との間に印加される電圧に応じて、絶縁性液体と導電性液体との境界面の形状が変化することを特徴とする。
The lens unit of the present invention that achieves the above object provides:
An insulating liquid and a conductive liquid, which are refractive index variable liquids that have different refractive indexes, are immiscible with each other, and each have optical transparency, and at least one of which changes the refractive index when a voltage is applied, are contained inside. A liquid container that transmits light at least in a predetermined optical axis direction;
A first electrode in contact with the conductive liquid in the liquid container;
A second electrode insulated against the conductive liquid in the liquid container,
The shape of the boundary surface between the insulating liquid and the conductive liquid changes according to the voltage applied between the first electrode and the second electrode.
本発明のレンズユニットによると、本発明の光学素子と同様に、光学的機能の大きな変化が生じるので性能が高い。 According to the lens unit of the present invention, as in the case of the optical element of the present invention, a large change in optical function occurs, so that the performance is high.
なお、本発明にいうレンズユニットについては、ここではその基本形態のみを示すのにとどめるが、これは単に重複を避けるためであり、本発明にいうレンズユニットには、上記の基本形態のみではなく、前述した光学素子の各形態に対応する各種の形態が含まれる。 Note that the lens unit according to the present invention is only shown in its basic form here, but this is only for avoiding duplication, and the lens unit according to the present invention is not limited to the above basic form. Various forms corresponding to the respective forms of the optical element described above are included.
また、上記目的を達成する本発明の撮像装置は、
相互に屈折率が異なる、相互に不混和な、それぞれが光透過性を有する、少なくとも一方は電圧印加によって屈折率が変化する屈折率可変液体である絶縁性液体および導電性液体が内部に収容された、少なくとも所定の光軸方向については光を透過させる液体収容器と、
液体収容器内の導電性液体に接触した第1の電極と、
液体収容器内の導電性液体に対して絶縁された第2の電極と、
第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加することによって、絶縁性液体と導電性液体との境界面の形状を変化させる制御部と、
絶縁性液体、および導電性液体を通ってきた被写体光が表面に結像されて、被写体光を表わす画像信号を生成する撮像素子とを備えたことを特徴とする。
In addition, the imaging device of the present invention that achieves the above-described object provides:
An insulating liquid and a conductive liquid, which are refractive index variable liquids that have different refractive indexes, are immiscible with each other, and each have optical transparency, and at least one of which changes the refractive index when a voltage is applied, are contained inside. A liquid container that transmits light at least in a predetermined optical axis direction;
A first electrode in contact with the conductive liquid in the liquid container;
A second electrode insulated from the conductive liquid in the liquid container;
A controller that changes the shape of the boundary surface between the insulating liquid and the conductive liquid by applying a voltage between the first electrode and the second electrode;
An imaging device that includes an insulating liquid and subject light that has passed through the conductive liquid is imaged on the surface to generate an image signal representing the subject light.
本発明の撮像装置によると、本発明の光学素子と同様に、光学的機能の大きな変化が生じるので、その光学的機能の変化を利用した、例えば広いフォーカス範囲や大きなズーム変化などといった高い性能が実現される。 According to the imaging device of the present invention, as in the optical element of the present invention, a large change in the optical function occurs. Therefore, high performance such as a wide focus range and a large zoom change using the change in the optical function is obtained. Realized.
なお、本発明にいう撮像装置については、ここではその基本形態のみを示すのにとどめるが、これは単に重複を避けるためであり、本発明にいう撮像装置には、上記の基本形態のみではなく、前述した光学素子の各形態に対応する各種の形態が含まれる。 Note that only the basic form of the imaging apparatus according to the present invention is shown here, but this is only for avoiding duplication, and the imaging apparatus according to the present invention is not limited to the above basic form. Various forms corresponding to the respective forms of the optical element described above are included.
本発明によれば、高性能な光学素子、レンズユニット、および撮像装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a high performance optical element, a lens unit, and an imaging device can be provided.
以下、本発明の実施の形態を説明するのに先立って、上述した非特許文献1に記載された液体レンズの問題点について詳しく分析する。 Hereinafter, prior to describing embodiments of the present invention, the problems of the liquid lens described in Non-Patent Document 1 described above will be analyzed in detail.
図1は、比較例である液体レンズの概略構成図である。以下では、矢印Oの方向に光が透過するものとし、光の入射側(図1の上側)を上側、光の出射側(図1の下側)を下側と称する。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a liquid lens as a comparative example. Hereinafter, light is transmitted in the direction of the arrow O, and the light incident side (upper side in FIG. 1) is referred to as the upper side, and the light emission side (lower side in FIG. 1) is referred to as the lower side.
図1に示すように、液体レンズ1は、ガラス製のチューブ11aの両端がガラス製のキャップ11b,11cで塞がれたガラス製の容器11の内部に、支持電解質が加えられた透明な水21と、絶縁性液体である透明な油22とが互いに混じり合わずに収容されている。水21よりも油22の方が光の屈折率が大きいため、液体レンズ1では、油22が光を屈折させるレンズの役割を担う。
As shown in FIG. 1, the liquid lens 1 is made of transparent water in which a supporting electrolyte is added into a glass container 11 in which both ends of a
容器11の、チューブ11aの内面と、チューブ11aの上端を塞ぐキャップ11bの内面は、撥水性を有する撥水性膜15で覆われており、チューブ11aの下端を塞ぐキャップ11cの内面は、親水性を有する親水性膜16で覆われている。
The inner surface of the
また、チューブ11aと撥水性膜15との間には、絶縁膜14が設けられており、液体レンズ1には、水21と接する第1電極12と、絶縁膜14によって水21と絶縁された第2電極13も備えられている。
Further, an insulating
第1電極12と第2電極13との相互間に電圧が印加されていない状態では、図1のパート(A)に示すように、水21は撥水性膜15と反撥して親水性膜16と接触するため、水21と撥水性膜15との接触部分P1が小さくなる。このため、水21は半球形状に滞留し、水21に押された油22は円筒形状から半球を刳り貫いた形状に滞留する。油22からみたときの、水21と油22との境界面の形状は凹状であるため、パート(A)では、液体レンズ1は凹レンズとして機能する。
When no voltage is applied between the
また、例えば、第1電極12にプラスの電圧を印加し、第2電極13にマイナスの電圧を印加すると、第1電極12から水21にプラス電荷31aが放出され、第2電極13にはマイナス電荷31bが溜まる。このとき、水21に放出されたプラス電荷31aが、クーロン力によって第2電極13のマイナス電荷31bに引き付けられ、水21と撥水性膜15との接触部分P2が印加電圧に応じて大きくなる。パート(B)では、油22からみたときの、水21と油22との境界面の形状は凸状となっており、液体レンズ1は凸レンズとして機能する。また、第1電極12および第2電極13に印加される電圧を調整することによって、水21と油22との境界面の形状を少しずつ変化させることができる。
For example, when a positive voltage is applied to the
このように、液体レンズ1によると、レンズを移動させる機構を設けなくても、水21と油22との境界面の形状を変化させることによって、ズーム機能やフォーカス機能を実現することができる。
Thus, according to the liquid lens 1, the zoom function and the focus function can be realized by changing the shape of the boundary surface between the
しかし、この液体レンズ1では、水21と油22との屈折率の差が小さく、ズーム機能やフォーカス機能を実現するためには境界面の形状の大きな変化が必要となる。このため、第1電極12と第2電極13との間には高電圧が印加されることとなり、液体レンズ1の寿命は短縮することとなる。
However, in the liquid lens 1, the difference in refractive index between the
本発明は、上記のような詳しい分析に基づいたものである。 The present invention is based on the detailed analysis as described above.
以下図面を参照して本発明の第1実施形態を説明する。 A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図2は、本発明の第1実施形態に相当するデジタルカメラを前面斜め上から見た外観斜視図である。 FIG. 2 is an external perspective view of the digital camera corresponding to the first embodiment of the present invention as seen from diagonally above the front.
図2に示すように、このデジタルカメラ100の前面中央部には、撮影レンズ101が備えられている。また、このデジタルカメラ100の前面上部には、光学式ファインダ対物窓102および補助光発光部103が備えられている。さらに、このデジタルカメラ100の上面には、スライド式の電源スイッチ104およびレリーズスイッチ150が備えられている。
As shown in FIG. 2, a photographing
図3は、図2に示すデジタルカメラ100の概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the
図3に示すように、デジタルカメラ100の内訳は、大きく分けて撮影光学系110と信号処理部120とに分かれる。デジタルカメラ100には、それらのほかにも、撮影した画像を表示させるための画像表示部130、撮影した画像信号を記録しておくための外部記録媒体140、撮影のための各種処理をデジタルカメラ100に行なわせる、ズームスイッチ170、撮影モードスイッチ160、およびレリーズスイッチ150が設けられている。
As shown in FIG. 3, the breakdown of the
まず撮影光学系110の構成を、図3を参照して説明する。
First, the configuration of the photographing
デジタルカメラ100では、図3の左方から被写体光が入射し、ズーム部115およびフォーカス部114を経て、被写体光の光量を調整するアイリス113を通過した後、シャッタ112が開いている場合は固体撮像素子111に結像する。この固体撮像素子111は、本発明にいう撮像素子の一例に相当する。本来、撮影光学系には複数のレンズが配備され、それら複数のレンズのうち少なくとも1つのレンズがピント調節に大きく関与し、各レンズの相対位置が焦点距離に関与するが、この図3では、焦点距離の変化に係わるレンズをズーム部115として模式的に示しており、同じくピントの調節に係わるレンズをフォーカス部114として模式的に示している。
In the
ズーム部115、アイリス113、およびシャッタ112は、ズームモータ115a、アイリスモータ113a、およびシャッタモータ112aによりそれぞれ駆動され移動する。また、フォーカス部114には、モータの替わりに、フォーカス部114のレンズ形状を変化させるフォーカスコントローラ114aが設けられている。これらズームモータ115a、アイリスモータ113a、およびシャッタモータ112aを作動させる指示は、信号処理部120中のデジタル信号処理部120bからモータドライバ120cを通じて伝達されるとともに、フォーカスコントローラ114aを作動させる指示は、デジタル信号処理部120bから直接伝達される。
The
ズーム部115は、ズームモータ115aによって光軸に沿う方向に移動される。ズーム部115が、信号処理部120からの信号に応じた位置に移動されることによって、焦点距離が変更されて撮影倍率が決定される。
The
フォーカス部114は、TTLAF機能を実現するためのレンズである。このTTLAF機能とは、一般的には、光軸に沿う方向にフォーカス部を移動させながら、固体撮像素子111で得られた画像信号のコントラストを信号処理部120のAF/AE演算部126で検出し、そのコントラストのピークが得られるレンズ位置をピント位置として、フォーカス部114をピント位置に調節するものである。このTTLAF機能によって、コントラストがピークになる被写体(つまり、最も近くにある最近被写体)に自動的に焦点を合わせて撮影を行うことができる。本実施形態においては、フォーカス部114を移動させる替わりに、フォーカスコントローラ114aでフォーカス部114のレンズ形状および屈折率を変化させることによって、被写体に焦点を合わせる。このフォーカス部114の構成と、レンズ形状および屈折率を変化させる方法については、後で詳しく説明する。
The
アイリス113は、デジタル信号処理部120bのAF/AE演算部126から与えられた指示に基づいて駆動されることによって、被写体光の光量を調整する。
The
以上が撮影光学系110の構成である。
The above is the configuration of the photographing
続いて信号処理部120の構成を説明する。撮影光学系で固体撮像素子111に結像させた被写体像が画像信号としてアナログ処理(A/D)部120aに読み出され、このアナログ処理部(A/D)120aでアナログ信号がデジタル信号に変換されデジタル信号処理部120bへと供給される。デジタル信号処理部120bにはシステムコントローラ121が配備されており、そのシステムコントローラ121内の動作の手順を示したプログラムにしたがってデジタル信号処理部120b内の信号処理が行なわれる。このシステムコントローラ121と、画像信号処理部122、画像表示制御部123、画像圧縮部124、メディアコントローラ125、AF/AE演算部126、キーコントローラ127、バッファメモリ128、内部メモリ129との間のデータの受け渡しはバス1200を介して行なわれ、そのバス1200を介してデータの受け渡しが行なわれるときのバッファとして内部メモリ129が働いている。この内部メモリ129に各部の処理プロセスの進行状況に応じて変数となるデータが随時書き込まれて、システムコントローラ121、および画像信号処理部122、画像表示制御部123、画像圧縮部124、メディアコントローラ125、AF/AE演算部126、キーコントローラ127の各部では、そのデータを参照することにより適切な処理が行なわれる。つまり、システムコントローラ121からの指示がバス1200を介して上記の各部に伝えられ、各部の処理プロセスが立ち上げられる。そして、その内部メモリ129のデータがプロセスの進行状況に応じて書き換えられ、さらにシステムコントローラ121側で参照されて上記の各部の動作が管理される。言い換えれば、電源が投入され、システムコントローラ121内のプログラムの手順にしたがって各部のプロセスが立ち上げられる。たとえば、レリーズスイッチ150、ズームスイッチ、撮影モードスイッチのスイッチが操作されると、その操作されたという情報がキーコントローラ127を経由してシステムコントローラ121に伝えられ、その操作に応じた処理がシステムコントローラ121内のプログラムの手順にしたがって行われる。
Next, the configuration of the
レリーズ操作が行われると、固体撮像素子から読み出された画像データは、アナログ処理(A/D)部120aでアナログ信号からデジタル信号に変換され、このデジタル化された画像データがデジタル信号処理部120b内のバッファメモリ128にいったん蓄えられる。このデジタル化された画像データのRGB信号が画像信号処理部122でYC信号に変換され、さらに画像圧縮部124でJPEG圧縮と呼ばれる圧縮が行なわれて画像信号が画像ファイルとなってメディアコントローラ125を介して外部記録媒体140に記録される。この画像ファイルとして記録された画像データは、画像表示制御部123を通じて画像表示部130において再生される。この処理の際、RGB信号に基づいてピント調節および露出調節の演算を行なっているのがAF/AE演算部である。このAF/AE演算部126ではピント調節のためにRGB信号から被写体距離ごとにコントラストを検出することが行なわれる。この検出結果に基づいて、フォーカス部114によってピント調整が行われる。またAF/AE演算部ではRGB信号から輝度信号が抽出され、そこから被写界輝度が検出される。この結果に基づき、固体撮像素子に与えられる被写体光の光量が適切になるように、アイリス113によって露出調節が行なわれる。
When the release operation is performed, the image data read from the solid-state imaging device is converted from an analog signal to a digital signal by an analog processing (A / D)
デジタルカメラ100は、基本的には以上のように構成されている。
The
ここで、デジタルカメラ100における本発明の特徴は、フォーカス部114にある。以下では、このフォーカス部114について詳しく説明する。
Here, the feature of the present invention in the
図4は、フォーカス部の概略構成図である。なお、図4の左側から矢印Oの方向に被写体光が入射し、光が入射する側(図4の左側)を前側、光が出射する側(図4の右側)を後側と称して説明を行う。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the focus unit. The object light enters from the left side of FIG. 4 in the direction of arrow O, and the light incident side (left side of FIG. 4) is referred to as the front side, and the light emission side (right side of FIG. 4) is referred to as the rear side. I do.
フォーカス部114は、チューブ201aの両端がキャップ201b,201cで塞がれた液体収容器201内に、導電性液体302と、導電性液体302とは不混和な絶縁性液体301とが収容されて形成されている。この液体収容器201は、透明なガラスで構成されており、本発明にいう液体収容器の一例に相当する。
In the
チューブ201aの後端を塞ぐキャップ201cの、液体と接触する面(内面)は、親水性を有する親水性膜206で覆われている。また、液体収容器201の、親水性膜206で覆われた部分以外の内面は、撥水性を有する撥水性膜205で覆われている。この撥水性膜205は、本発明にいう被覆膜の一例に相当する。
The surface (inner surface) in contact with the liquid of the
また、液体収容器201には、親水性膜206を挟むように配置された、液体と接触する第1電極202と、チューブ201aと撥水性膜205に挟まれた絶縁膜204と、絶縁膜204によって液体と絶縁された第2電極203も備えられている。これら第1電極202、および第2電極203は、図3に示すフォーカスコントローラ114aと接続されており、フォーカスコントローラ114aによって、これらの電極間に電圧が印加される。この第1電極202は、本発明にいう第1の電極の一例に相当し、第2電極203は、本発明にいう第2の電極の一例に相当する。また、フォーカスコントローラ114aは、本発明にいう制御部の一例に相当する。
Further, in the liquid container 201, the
上記のような液体収容器201に、相互に光屈折率が異なる導電性液体302と、絶縁性液体301とが収容される。本実施形態では、導電性液体302として、水に支持電解質(テトラブチルアンモニウムパークロレイト0.1mol/L)が加えられたものが適用され、絶縁性液体301として、有機溶媒(アイソパー:エクソン社製、屈折率1.43)が適用される。この導電性液体302は、本発明にいう導電性液体の一例にあたり、絶縁性液体301は、本発明にいう絶縁性液体の一例に相当する。
In the liquid container 201 as described above, the
更に、絶縁性液体301中には、酸化チタンのナノ粒子303(屈折率2.30)が20体積%程度混入されて分散している。即ち、本実施形態では、絶縁性液体301は、本発明にいう分散媒の一例に相当し、ナノ粒子303は、本発明にいう分散質の一例に相当しており、ナノ粒子303が分散した状態の絶縁性液体301は、本発明にいう屈折率可変液体の一例に相当する。
Further, in the insulating
この酸化チタンのナノ粒子303は、含水酸化チタンをアルカリで無定形としたのち、塩酸中で熟成させて、加熱処理により粒子サイズ10nmのものとし、その粒子表面をチタンカップリング剤(イソプロピルトリイソステアロイルチタネート)の溶液で処理して得たものであり、プラスに帯電されている。
These
第1電極202と第2電極203との間に電圧が印加されていない状態では、導電性液体302が撥水性膜205と反撥することによって、導電性液体302と絶縁性液体301との境界面は図4に示すような形状になる。このとき、第1電極202と導電性液体302とが接触する。また、ナノ粒子303は絶縁性液体301中に均一に分散している。
In a state where no voltage is applied between the
この図4に示す状態では、絶縁性液体301の屈折率n1は1.604であり、導電性液体302の屈折率n2は1.33であるので、フォーカス部114は凹レンズとして作用する。このときの焦点距離は、境界面の曲率Rが5.0mm、絶縁性液体301の厚みd1が1.0mm、導電性液体302の厚みd2が3.5mmとすると、
焦点距離 −18.25mm
バックフォーカス −20.88mm
フロントフォーカス 18.87mm
となる。
In the state shown in FIG. 4, since the refractive index n1 of the insulating
Focal length -18.25mm
Back focus -20.88mm
Front focus 18.87mm
It becomes.
ここで、図3に示す信号処理部120からの指示に従って、フォーカスコントローラ114aが第1電極202と第2電極203との相互間に電圧を印加すると、第1電極202から導電性液体302に電荷が放出され、第2電極203には、導電性液体302に放出された電荷とは逆極性の電荷が集まる。この導電性液体302に放出された電荷と、第2電極203の電荷とがクーロン力によって引き合い、導電性液体302中の電荷が撥水性膜205付近に引き付けられる。その結果、導電性液体302と絶縁性液体301との境界面が変化する。
Here, when the
図5は、フォーカス部に電圧が印加された状態を示す図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which a voltage is applied to the focus unit.
第1電極202と第2電極203との相互間に電圧が印加されると、導電性液体302と絶縁性液体301との境界面は、この図5に示すような形状に変化する。ここでは第1電極202が陽極で第2電極203が陰極となっている。
When a voltage is applied between the
絶縁性液体301中に分散しているナノ粒子303は正に帯電しているので、ナノ粒子303は電気泳動によって第2電極203の近辺に集まる。ナノ粒子303の表面はチタンカップリング剤の溶液で処理されているのでナノ粒子303どうしの凝集が防がれている。また、第2電極203の表面は撥水性膜205で覆われているのでナノ粒子303が第2電極203の表面に吸着することも防がれている。
Since the
この図5に示す状態では、絶縁性液体301の屈折率n1は1.43であり、導電性液体302の屈折率n2は1.33であるので、ここでもフォーカス部114は凹レンズとして作用する。このときの焦点距離は、境界面の曲率Rが8.5mm、絶縁性液体301の厚みd1が1.5mm、導電性液体302の厚みd2が3.0mmとすると、
焦点距離 −85.0mm
バックフォーカス −87.26mm
フロントフォーカス 86.05mm
となる。
In the state shown in FIG. 5, since the refractive index n1 of the insulating
Focal length -85.0mm
Back focus -87.26mm
Front focus 86.05mm
It becomes.
このように、フォーカス部114の焦点距離は、境界面の形状変化と屈折率の変化との相乗効果によって低電圧で大幅に変化する。また、このようなフォーカス部114は高電圧印加による劣化が回避されて寿命が長い。
As described above, the focal length of the
図4および図5に示す状態は静的な電圧によって実現される状態であるが、境界面の形状変化の速度とナノ粒子の電気泳動の速度は大幅に異なるので、静的な電圧に加えて瞬間的な電圧変化が用いられることによって中間的な状態も実現される。 The state shown in FIGS. 4 and 5 is a state realized by a static voltage, but since the speed of the shape change of the interface and the speed of electrophoresis of the nanoparticles are significantly different, in addition to the static voltage, Intermediate states are also realized by using instantaneous voltage changes.
図6は、図4に示す状態から瞬間的に電圧が印加されて実現される状態を示す図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating a state realized by instantaneously applying a voltage from the state illustrated in FIG. 4.
図4に示す状態で、フォーカスコントローラ114aが第1電極202と第2電極203との相互間に瞬間的に電圧を印加すると、ナノ粒子303の均一な分散状態が維持されたまま境界面の形状変化が生じて、図6に示すような状態が実現する。
In the state shown in FIG. 4, when the
図6に示す状態における屈折率は図4に示す状態と同様に絶縁性液体301の屈折率n1が1.604であり、導電性液体302の屈折率n2が1.33である。また、境界面の形状が図5に示す形状と同様に、境界面の曲率Rが8.5mm、絶縁性液体301の厚みd1が1.5mm、導電性液体302の厚みd2が3.0mmになるとすると、フォーカス部114の焦点距離は、
焦点距離 −31.02mm
バックフォーカス −33.28mm
フロントフォーカス 31.96mm
となる。
In the state shown in FIG. 6, the refractive index n1 of the insulating
Focal length -31.02mm
Back focus -33.28mm
Front focus 31.96mm
It becomes.
このように、図4に示す状態から瞬間的に電圧が印加されることで中間的な焦点距離が瞬間的に実現される。さらに、瞬間的な印加電圧の大きさが調整されることで、−18.25mmから−31.02mmまでの間の任意の焦点距離が得られることとなる。図2に示すデジタルカメラ100では、このように瞬間的に実現される状態であっても十分に撮影が可能である。
Thus, an intermediate focal length is instantaneously realized by applying a voltage instantaneously from the state shown in FIG. Further, by adjusting the instantaneous applied voltage, an arbitrary focal length between -18.25 mm and -31.02 mm can be obtained. The
中間的な焦点距離は、図5に示す状態から瞬間的に印加電圧を低下させることでも実現される。 The intermediate focal length can also be realized by instantaneously lowering the applied voltage from the state shown in FIG.
図7は、図5に示す状態から瞬間的に印加電圧が低下されて実現される状態を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing a state realized by instantaneously lowering the applied voltage from the state shown in FIG.
図5に示す状態で、フォーカスコントローラ114aが第1電極202と第2電極203との相互間の電圧を瞬間的に低下させると、ナノ粒子303が第2電極203の近辺に集まった状態が維持されたまま境界面の形状変化が生じて、図7に示すような状態が実現する。
In the state shown in FIG. 5, when the
図7に示す状態における屈折率は図5に示す状態と同様に絶縁性液体301の屈折率n1が1.43であり、導電性液体302の屈折率n2が1.33である。また、瞬間的に電圧が0Vまで低下した場合には、境界面の形状が図4に示す形状と同様に、境界面の曲率Rが5.0mm、絶縁性液体301の厚みd1が1.0mm、導電性液体302の厚みd2が3.5mmになるので、フォーカス部114の焦点距離は、
焦点距離 −50.0mm
バックフォーカス −52.63mm
フロントフォーカス 50.70mm
となる。
In the state shown in FIG. 7, the refractive index n1 of the insulating
Focal length -50.0mm
Back focus -52.63mm
Front focus 50.70mm
It becomes.
このように、図5に示す状態から瞬間的に電圧が低下されることで中間的な焦点距離が瞬間的に実現される。さらに、瞬間的な低下電圧の大きさが調整されることで、−85.0mmから−50.0mmまでの間の任意の焦点距離が得られることとなる。なお、上記に示した例では、図6に示す状態における焦点距離と図7に示す状態における焦点距離との間で焦点距離のギャップが存在するので、図6に示す状態における印加電圧は、焦点距離のギャップが無くなる程度にやや高めに設定されることが望ましい。 Thus, an intermediate focal length is instantaneously realized by instantaneously reducing the voltage from the state shown in FIG. Furthermore, by adjusting the magnitude of the instantaneous drop voltage, an arbitrary focal length between -85.0 mm and -50.0 mm can be obtained. In the example shown above, since there is a focal length gap between the focal length in the state shown in FIG. 6 and the focal length in the state shown in FIG. 7, the applied voltage in the state shown in FIG. It is desirable that the distance be set slightly higher so that the distance gap is eliminated.
このようなフォーカス部114が用いられて、以下のような手順でTTLAF機能が実現される。
By using such a
まず、フォーカスコントローラ114aによって、第1電極202と第2電極203との間に静的な電圧および瞬間的な電圧が印加されて、フォーカス部114の瞬間的な焦点距離が徐々に変えられながら、図3に示す固体撮像素子111で各瞬間の撮像信号が取得される。続いて、撮像信号のコントラストがAF/AE演算部126で検出され、コントラストのピークが得られるときの焦点距離を実現する静的な電圧および瞬間的な電圧が第1電極202および第2電極203の相互間に印加される。このようにして適切な焦点距離が確定された状態で撮影が行われることによって、被写体に焦点を合わせることができる。
First, a static voltage and an instantaneous voltage are applied between the
以上で、本発明の第1実施形態の説明を終了し、続いて第2実施形態について説明する。第1実施形態と第2実施形態とでは、ほぼ同じ装置構成を有するため、第1実施形態との相違点に注目し、同じ要素については同じ符号を付して説明を省略する。 Above, description of 1st Embodiment of this invention is complete | finished, and 2nd Embodiment is demonstrated continuously. Since the first embodiment and the second embodiment have substantially the same device configuration, the difference from the first embodiment is noted, and the same elements are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
図8は、本発明の第2実施形態におけるフォーカス部の概略構成図である。なおここでも、図の左側から矢印Oの方向に被写体光が入射し、光が入射する側(図の左側)を前側、光が出射する側(図の右側)を後側と称して説明を行う。 FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a focus unit in the second embodiment of the present invention. In this case as well, the object light is incident in the direction of the arrow O from the left side of the figure, and the side on which the light is incident (left side of the figure) is referred to as the front side, and the side from which light is emitted (right side of the figure) is referred to as the rear side. Do.
第2実施形態では、ここに示すフォーカス部116が、図3に示すフォーカス部114に替えてデジタルカメラ100に組み込まれている。
In the second embodiment, the
この第2実施形態のフォーカス部116では、第1実施形態のフォーカス部における、ナノ粒子が分散された絶縁性液体に替えて、液晶304が用いられている。この液晶304としては、誘電率異方性が負の液晶MLC−6608(メルク社製)が用いられている。また、前側のキャップ201bの内面部分については、液晶分子の垂直配向を生じさせる垂直配向膜(ここではポリイミド膜)207が設けられており、液晶304の分子は光の入射方向に沿って配向している。
In the
ここで、図3に示す信号処理部120からの指示に従って、フォーカスコントローラ114aが第1電極202と第2電極203との相互間に電圧を印加すると、導電性液体302と絶縁性液体301との境界面の形状が変化するとともに、液晶304中の分子の配向も変化する。
Here, when the
図9は、図8に示すフォーカス部に電圧が印加された状態を示す図である。 FIG. 9 is a diagram illustrating a state in which a voltage is applied to the focus unit illustrated in FIG.
この図9に示すように、第1電極202と第2電極203との相互間に電圧が印加された場合には、境界面形状が変化すると共に、第2電極203の付近で液晶304中の分子が第2電極203に向かう方向に配向する。この結果、第2電極203の付近では、電圧の印加がないときの屈折率「1.70」から電圧印加時の屈折率「1.50」まで屈折率が変化する。このような屈折率変化と境界面形状の変化との相乗効果によって、フォーカス部116の焦点距離は低電圧で大きく変化することとなる。また、このフォーカス部116では、屈折率変化と境界面形状の変化の双方が、静的な印加電圧の大きさに応じた変化となるので、TTLAF機能が実現される際には、印加電圧が少しずつ変えられながら、各印加電圧におけるコントラストが検出される。
As shown in FIG. 9, when a voltage is applied between the
以上で本発明の実施形態についての説明を終了する。 This is the end of the description of the embodiment of the present invention.
なお、上記では、液体収容器中に、導電性液体と絶縁性液体の2種類の液体が収容された例について説明したが、本発明にいう液体収容器には、3種類以上の液体が収容されていてもよい。 In the above description, an example in which two types of liquids, that is, a conductive liquid and an insulating liquid are stored in the liquid container has been described. However, three or more kinds of liquids are stored in the liquid container according to the present invention. May be.
また、上記では、本発明の光学素子がフォーカス部に適用される例について説明したが、本発明の光学素子は、ズーム部などに適用されてもよい。 In the above description, the example in which the optical element of the present invention is applied to the focus unit has been described. However, the optical element of the present invention may be applied to a zoom unit or the like.
また、上記では、本発明の光学素子の一例として、中間的な焦点距離も実現可能なフォーカス部が示されているが、本発明の光学素子においては中間的な焦点距離の実現は必須ではなく、例えば撮影倍率の切り換えに利用される場合などには、焦点距離が最長の状態と最短の状態のみが用いられても良い。 Further, in the above, a focus unit capable of realizing an intermediate focal length is shown as an example of the optical element of the present invention. However, in the optical element of the present invention, it is not essential to realize an intermediate focal length. For example, when used for switching the photographing magnification, only the state with the longest focal length and the state with the shortest focal length may be used.
続いて、本発明を構成する各構成部分において採用可能な種々の形態について付記する。
<液体>
本発明にいう導電性液体、および絶縁性液体は、屈折率が互いに異なり、互いに混合しない2種類以上の液体であればよい。
Subsequently, various forms that can be adopted in each component constituting the present invention will be additionally described.
<Liquid>
The conductive liquid and the insulating liquid referred to in the present invention may be two or more kinds of liquids having different refractive indexes and not mixed with each other.
これらの液体の組み合わせとしては、いかなるものであってもよいが、好ましくは、水と有機溶媒の組み合わせである。有機溶媒としては、好ましくは、炭化水素(ヘキサン、ヘプタン、ペンタン、オクタン、アイソパー(エクソン社製)など)、炭化水素系芳香族化合物(ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレンなど)、ハロゲン系炭化水素(ジフルオロプロパン、ジクロロエタン、クロロエタン、ブロモエタンなど)、ハロゲン系炭化水素系芳香族化合物(クロロベンゼンなど)、エーテル系化合物(ジフェニルエーテル、アニソール、ジフェニルエーテルなど)が好ましい。 Any combination of these liquids may be used, but a combination of water and an organic solvent is preferable. As the organic solvent, preferably, hydrocarbons (hexane, heptane, pentane, octane, isopar (exxon), etc.), hydrocarbon aromatic compounds (benzene, toluene, xylene, mesitylene, etc.), halogenated hydrocarbons ( Difluoropropane, dichloroethane, chloroethane, bromoethane, etc.), halogenated hydrocarbon aromatic compounds (chlorobenzene, etc.), and ether compounds (diphenyl ether, anisole, diphenyl ether, etc.) are preferred.
また、水には、電気伝導度を高める目的で、支持電解質を添加することが好ましい。支持電解質としては、TMAP:Tetramethylammonium perchlorate、あるいは、TBAF:Tetrabutylammonium hexafluorophosphate等が用いられる。 Moreover, it is preferable to add a supporting electrolyte to water for the purpose of increasing electrical conductivity. As the supporting electrolyte, TMAP: Tetramethylammonium perchlorate, TBAF: Tetrabutylammonium hexafluorophosphate, or the like is used.
また、本発明では、導電性液体および絶縁性液体のうち少なくとも一方は、電圧印加によって光の進行方向における屈折率が変化するものであることが必要であり、このように屈折率が変化するものとしては、いかなるものであっても良いが、好ましくは、透明な荷電粒子が分散された液体、あるいは少なくとも1種以上の液晶性化合物を含む液体である。また、透明な荷電粒子としてはナノ粒子が好ましい。
<ナノ粒子>
上述したナノ粒子の材質はいかなるものであってもよい。例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化錫、チタン酸バリウムなどが挙げられる。好ましくは、酸化チタン、シリカゲル(SiO2)、アルミナ、ポリマー粒子である。ナノ粒子の調整法は、固相法、液相法、気相法いずれでもよく、好ましくは、液相法と気相法である。その詳細は、文献「ナノ微粒子の調整および分散・凝集コントロールとその評価、技術情報協会、2003年」に記載されている。粒子サイズは、100nm以下が好ましい。粒子サイズが100nmを越えると、光の散乱が生じ、透明性(光透過性)が損なわれることとなる。
In the present invention, it is necessary that at least one of the conductive liquid and the insulating liquid has a refractive index that changes in the traveling direction of light by voltage application, and the refractive index changes in this way. Any of these may be used, but a liquid in which transparent charged particles are dispersed or a liquid containing at least one liquid crystal compound is preferable. Moreover, nanoparticles are preferable as the transparent charged particles.
<Nanoparticles>
Any material may be used for the nanoparticles described above. Examples thereof include silica, alumina, zirconia, titanium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, tin oxide, and barium titanate. Titanium oxide, silica gel (SiO 2 ), alumina, and polymer particles are preferable. The method for adjusting the nanoparticles may be any of a solid phase method, a liquid phase method and a gas phase method, preferably a liquid phase method and a gas phase method. Details thereof are described in the document “Preparation of nanoparticles and dispersion / aggregation control and evaluation thereof, Technical Information Association, 2003”. The particle size is preferably 100 nm or less. If the particle size exceeds 100 nm, light scattering occurs and transparency (light transmission) is impaired.
また、ナノ粒子は、分散媒への分散安定性を高める目的で、表面を修飾することが好ましい。表面を修飾する方法としては、チタンカップリング剤(イソプロピルトリイソステアロイルチタネートなど)、シランカップリング剤(ペンタデカフルオロデシルトリメチルシランなど)、アルミニウムカップリング剤(アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレートなど)、グラフト重合などが挙げられる。グラフト重合は、酸化チタンに対してはポリエチレングラフト重合、ポリスチレングラフト重合が、シリガゲルに対してはシラノール基を利用したグラフト重合が利用できる。ポリマー粒子に対しては、公知のアニオン、カチオン、ノニオン性界面活性剤が用いられる。特に好ましくはアニオン性界面活性剤であり、例えばラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム、ステアリル硫酸ナトリウム、ステアリル燐酸ナトリウムなどが挙げられる。 The surface of the nanoparticles is preferably modified for the purpose of improving the dispersion stability in the dispersion medium. Surface modification methods include titanium coupling agents (such as isopropyl triisostearoyl titanate), silane coupling agents (such as pentadecafluorodecyltrimethylsilane), aluminum coupling agents (such as acetoalkoxyaluminum diisopropylate), and grafts. Polymerization etc. are mentioned. For graft polymerization, polyethylene graft polymerization and polystyrene graft polymerization can be used for titanium oxide, and graft polymerization using silanol groups can be used for silica gel. Known anions, cations, and nonionic surfactants are used for the polymer particles. Particularly preferred are anionic surfactants such as sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate, sodium dodecyl sulfate, sodium lauryl sulfate, sodium stearyl sulfate, sodium stearyl phosphate and the like.
さらに、ナノ粒子には、適切な荷電を付与するために帯電剤を用いることが好ましい。用いられる帯電剤としては、各種両親媒性(高)分子、ニグロシン系化合物、アルコキシ化アミン類、第四級アンモニウム塩、アルキルアミド、リンおよびタングステンの単体および化合物、モリブデンキレート顔料、疎水性シリカ、ホウ素類、ハロゲン化合物、モノアゾ染料の金属錯塩、サリチル酸、アルキルサリチル酸、ジアルキルサリチル酸、ナフトエ酸の金属錯塩、塩素化ポリオレフィン、塩素化ポリエステル、酸基過剰のポリエステル、銅フタロシアニンのスルホニルアミン、オイルブラック、ナフテン酸金属塩、脂肪酸金属塩、樹脂酸石けんなどが挙げられる。ナノ粒子に含有させる帯電剤の添加量は、2質量%から70質量%の範囲が好ましい。
<分散媒>
ナノ粒子を分散させる分散媒としては、水あるいは非水系有機分散媒を用いることができる。また、水と有機分散媒を混合して用いてもよい。非水系有機分散媒としては、好ましくは、炭化水素(ヘキサン、ヘプタン、ペンタン、オクタン、アイソパー(エクソン社)など)、炭化水素系芳香族化合物(ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼンなど)、ハロゲン系炭化水素(ジフルオロプロパン、ジクロロエタン、クロロエタン、ブロモエタンなど)、ハロゲン系炭化水素系芳香族化合物(クロロベンゼンなど)、エーテル系化合物(ジブチルエーテル、アニソール、ジフェニルエーテルなど)、アルコール系化合物(グリセリンなど)、カルボニル基を有する化合物(プロピレンカーボネートなど)、ニトロ系化合物(ニトロメタンなど)、ニトリル系化合物(アセトニトリル、ベンゾニトリルなど)、水が好ましい。
Furthermore, it is preferable to use a charging agent for imparting an appropriate charge to the nanoparticles. As the charging agent used, various amphiphilic (high) molecules, nigrosine compounds, alkoxylated amines, quaternary ammonium salts, alkylamides, phosphorus and tungsten simple substances and compounds, molybdenum chelate pigments, hydrophobic silica, Boron, halogen compound, metal complex salt of monoazo dye, salicylic acid, alkyl salicylic acid, dialkyl salicylic acid, metal complex salt of naphthoic acid, chlorinated polyolefin, chlorinated polyester, excess acid group polyester, sulfonylamine of copper phthalocyanine, oil black, naphthene Examples include acid metal salts, fatty acid metal salts, and resin acid soaps. The addition amount of the charging agent contained in the nanoparticles is preferably in the range of 2% by mass to 70% by mass.
<Dispersion medium>
As the dispersion medium for dispersing the nanoparticles, water or a non-aqueous organic dispersion medium can be used. Further, water and an organic dispersion medium may be mixed and used. As the non-aqueous organic dispersion medium, preferably, hydrocarbon (hexane, heptane, pentane, octane, isopar (Exxon), etc.), hydrocarbon aromatic compound (benzene, toluene, xylene, mesitylene, ethylbenzene, etc.), halogen Hydrocarbons (difluoropropane, dichloroethane, chloroethane, bromoethane, etc.), halogenated hydrocarbon aromatic compounds (chlorobenzene, etc.), ether compounds (dibutyl ether, anisole, diphenyl ether, etc.), alcohol compounds (glycerin, etc.), carbonyl Compounds having a group (such as propylene carbonate), nitro compounds (such as nitromethane), nitrile compounds (such as acetonitrile and benzonitrile), and water are preferable.
分散媒については、光学素子の用途との関連において、屈折率、比重、粘度、抵抗率、誘電率などを調整することが好ましい。この調整には、複数の分散媒を混合して行なうことができる。 About a dispersion medium, it is preferable to adjust a refractive index, specific gravity, a viscosity, a resistivity, a dielectric constant etc. in relation to the use of an optical element. This adjustment can be performed by mixing a plurality of dispersion media.
また、分散媒には、酸、アルカリ、塩、分散安定剤、酸化防止や紫外線吸収などを目的
とした安定剤、抗菌剤、防腐剤などを添加することができる。
<液晶>
上述した、液晶性化合物を含む液体としては、液晶性化合物のみからなる液体であってもよく、あるいは、水または有機溶媒と液晶性化合物との混合液体であっても良い。
In addition, an acid, an alkali, a salt, a dispersion stabilizer, a stabilizer for the purpose of preventing oxidation or ultraviolet absorption, an antibacterial agent, an antiseptic, and the like can be added to the dispersion medium.
<LCD>
The liquid containing the liquid crystalline compound described above may be a liquid composed only of the liquid crystalline compound, or may be a mixed liquid of water or an organic solvent and the liquid crystalline compound.
電界の印加に応じて屈折率が変化する液晶としては、ネマチック液晶、スメチック液晶、またはデイスコチック液晶が好ましく、特に好ましくはネマチック液晶であり、更に好ましくはフッ素系液晶である。 The liquid crystal whose refractive index changes in response to the application of an electric field is preferably a nematic liquid crystal, a smectic liquid crystal, or a discotic liquid crystal, particularly preferably a nematic liquid crystal, and more preferably a fluorine-based liquid crystal.
液晶は、通常、分子長軸方向の屈折率(n‖)と分子短軸方向の屈折率(n⊥)とを比較すると、n‖のほうが大きい値を有しており、印加される電界の方向に分子長軸が揃う。 The liquid crystal usually has a larger value of n‖ when compared with the refractive index (n‖) in the molecular long axis direction and the refractive index (n⊥) in the molecular short axis direction. The molecular long axes are aligned in the direction.
本発明において液晶が用いられる場合には、伝導性液体として水、絶縁性液体として液晶性化合物を用いる組み合わせが好ましい。よって、電界が無印加の場合には液晶分子は、光の入射方向に対して平行に配向させておく方が好ましい。なぜならば、電界印加時に、電極近傍の液晶分子が光の入射方向に対して交わる方向に配向することで、2つの液体の屈折率の差をより小さくすることができるからである。液晶分子を光の入射方向に対して平行に配向させるためには、液体収容器の光が入射する位置の内壁に垂直配向膜(ポリイミド膜など)が設けられることが望ましい。
<液体収容器器>
上述した液体収容器の材料としては、ガラス基板、ポリエステル、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ナイロン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルフォン、シリコーン樹脂、ポリアセタール樹脂、フッ素樹脂、セルロース誘導体、ポリオレフィンなどの高分子のフイルムや板状基板、金属基板、セラミック基板等の無機基板などが好適に用いられる。少なくとも50%以上の光透過率を有する容器が好ましく、さらに好ましくは80%以上の光透過率を有するものである。
<電極>
陰極や陽極の電極部材としては、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、プラチナ、カーボン、導電性高分子、酸化錫一酸化インジウム(ITO)、酸化錫、酸化亜鉛などに代表される金属酸化物層が形成されたものが好適に用いられる。また、電極を光の透過する部位に設置する場合には、いわゆる透明電極を用いることが好ましい。酸化錫一酸化インジウム(ITO)、酸化錫、酸化亜鉛などに代表される金属酸化物が好ましい。
When liquid crystal is used in the present invention, a combination using water as the conductive liquid and a liquid crystal compound as the insulating liquid is preferable. Therefore, when no electric field is applied, the liquid crystal molecules are preferably aligned parallel to the incident direction of light. This is because, when an electric field is applied, the liquid crystal molecules in the vicinity of the electrodes are aligned in the direction intersecting the light incident direction, whereby the difference in refractive index between the two liquids can be further reduced. In order to align the liquid crystal molecules parallel to the incident direction of light, it is desirable to provide a vertical alignment film (such as a polyimide film) on the inner wall of the liquid container where the light is incident.
<Liquid container>
The liquid container materials described above include glass substrate, polyester, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, polypropylene, polyethylene, polyamide, nylon, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polycarbonate, polyether sulfone, silicone resin, polyacetal. A polymer film such as a resin, a fluororesin, a cellulose derivative, and a polyolefin, a plate substrate, a metal substrate, an inorganic substrate such as a ceramic substrate, and the like are preferably used. A container having a light transmittance of at least 50% is preferred, and more preferably a light transmittance of 80% or more.
<Electrode>
Examples of cathode and anode electrode members include gold, silver, copper, aluminum, magnesium, nickel, platinum, carbon, conductive polymers, tin oxide indium oxide (ITO), tin oxide, and zinc oxide. What formed the oxide layer is used suitably. Moreover, when installing an electrode in the part which permeate | transmits light, it is preferable to use what is called a transparent electrode. Metal oxides typified by tin oxide indium monoxide (ITO), tin oxide, zinc oxide and the like are preferred.
ここで、上記では、本発明の概念を実現するための基本的な実施形態について説明したが、本発明に採用する光学素子を実用化するにあたっては、光路上にゴミや水滴などが付着してレンズ性能が劣化してしまう不具合を防止するための工夫を施すことが好ましい。 Here, the basic embodiment for realizing the concept of the present invention has been described above. However, when the optical element employed in the present invention is put into practical use, dust, water droplets, or the like adhere to the optical path. It is preferable to devise measures to prevent a problem that the lens performance deteriorates.
例えば、液体が収容された容器の光路と交わる外面(以下では、この面を光透過面と称する)に撥水性膜を付設することが好ましい。光透過面に撥水性を付与することによって、ゴミや水滴の付着などが防止され、光学素子の高い光透過性を維持することができる。この撥水性膜を構成する材料としては、シリコーン樹脂、オルガノポリシロキサンのブロック共重合体、フッ素系ポリマー、およびポリテトラフルオロエタンなどが好ましい。 For example, it is preferable to provide a water-repellent film on the outer surface (hereinafter, this surface is referred to as a light transmission surface) that intersects with the optical path of the container containing the liquid. By imparting water repellency to the light transmitting surface, dust and water droplets can be prevented from adhering and the high light transmittance of the optical element can be maintained. The material constituting the water-repellent film is preferably a silicone resin, an organopolysiloxane block copolymer, a fluorine-based polymer, or polytetrafluoroethane.
また、光学素子を構成する容器の光透過面に、親水性膜を付設することも好ましい。光透過面に親水撥油性を付与することによっても、ゴミの付着を防止することができる。この親水性膜としては、アクリレート系ポリマーで構成されたものや、非イオン性オルガノシリコーン系界面活性剤などといった界面活性剤を塗布したものなどが好ましく、親水性膜の作製方法としては、シラン系モノマーのプラズマ重合や、イオンビーム処理などを適用することができる。 It is also preferable to attach a hydrophilic film to the light transmission surface of the container constituting the optical element. By imparting hydrophilic oil repellency to the light transmitting surface, it is possible to prevent dust from adhering. As this hydrophilic film, a film composed of an acrylate polymer, or a film coated with a surfactant such as a nonionic organosilicone surfactant is preferable. Monomer plasma polymerization, ion beam treatment, and the like can be applied.
また、光学素子を構成する容器の光透過面に、酸化チタンなどといった光触媒を付設することも好ましい。光と反応した光触媒によって汚れなどが分解され、光透過面をきれいに保つことができる。 It is also preferable to attach a photocatalyst such as titanium oxide to the light transmission surface of the container constituting the optical element. Dirt is decomposed by the photocatalyst that reacts with light, and the light transmission surface can be kept clean.
また、光学素子を構成する容器の光透過面に、帯電防止膜を付設することも好ましい。容器の光透過面に静電気が溜まったり、電極によって帯電してしまうと、光透過面にゴミや埃がくっついてしまう恐れがある。光透過面に帯電防止膜を付設することによって、このような不要物の付着を防止し、光学素子の光透過性を維持することができる。この帯電防止膜は、ポリマーアロイ系の材料で構成されていることが好ましく、このポリマーアロイ系が、ポリエーテル系や、ポリエーテルエステルアミド系や、カチオン性基を有するものや、レオミックス(商品名、第一工業製薬株式会社)であることが特に好ましい。また、この帯電防止膜が、ミスト法によって作製されたものであることが好ましい。 It is also preferable to provide an antistatic film on the light transmission surface of the container constituting the optical element. If static electricity accumulates on the light transmission surface of the container or is charged by an electrode, dust or dust may stick to the light transmission surface. By attaching an antistatic film to the light transmission surface, such unnecessary objects can be prevented from being attached and the light transmission of the optical element can be maintained. The antistatic film is preferably composed of a polymer alloy material, and the polymer alloy system may be a polyether type, a polyether ester amide type, those having a cationic group, Name, Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.). The antistatic film is preferably produced by a mist method.
また、光学素子を構成する容器に、防汚性素材を適用しても良い。防汚性素材としてはフッ素樹脂が好ましいが、具体的には、含フッ素アルキルアルコキシシラン化合物や、含フッ素アルキル基含有ポリマー、オリゴマー等が好ましく、上記硬化性樹脂と架橋可能な官能基を有するものが特に好ましい。また、防汚性素材の添加量は、防汚性を発現する必要最低量であることが好ましい。 Further, an antifouling material may be applied to the container constituting the optical element. As the antifouling material, a fluororesin is preferable, but specifically, a fluorine-containing alkylalkoxysilane compound, a fluorine-containing alkyl group-containing polymer, an oligomer, or the like is preferable, and has a functional group capable of crosslinking with the curable resin. Is particularly preferred. Moreover, it is preferable that the addition amount of antifouling | stain-proof material is a required minimum amount which expresses antifouling property.
1 液体レンズ
11 容器
11a チューブ
11b,11c キャップ
12 第1電極
13 第2電極
14 絶縁膜
15 撥水性膜
16 親水性膜
21 水
22 油
100 デジタルカメラ
101 撮影レンズ
102 光学式ファインダ対物窓
103 補助光発光部
104 電源スイッチ
110 撮影光学系
111 固体撮像素子
112 シャッタ
112a シャッタモータ
113 アイリス
113a アイリスモータ
114,116 フォーカス部
114a フォーカスコントローラ
115 ズームレンズ
115a ズームモータ
120 信号処理部
120a アナログ処理(A/D)部
120b デジタル信号処理部
120c モ−タドライバ
121 システムコントローラ
122 画像信号処理部
123 画像表示制御部
124 画像圧縮部
125 メディアコントローラ
126 AF/AE演算部
127 キーコントローラ
128 バッファメモリ
129 内部メモリ
1200 バス
130 画像表示部
140 外部記録媒体
150 レリーズスイッチ
160 撮影モードスイッチ
170 ズームスイッチ
201 液体収容器
201a チューブ
201b,201c キャップ
202 第1電極
203 第2電極
204 絶縁膜
205 撥水性膜
206 親水性膜
207 垂直配向膜
301 絶縁性液体
302 導電性液体
303 ナノ粒子
304 液晶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Liquid lens 11
Claims (12)
前記液体収容器内の導電性液体に接触した第1の電極と、
前記液体収容器内の導電性液体に対して絶縁された第2の電極とを備えたことを特徴とする光学素子。 An insulating liquid and a conductive liquid, which are refractive index variable liquids that have different refractive indexes, are immiscible with each other, and each have optical transparency, and at least one of which changes the refractive index when a voltage is applied, are contained inside. A liquid container that transmits light at least in a predetermined optical axis direction;
A first electrode in contact with the conductive liquid in the liquid container;
An optical element comprising: a second electrode insulated from the conductive liquid in the liquid container.
前記液体収容器内の導電性液体に接触した第1の電極と、
前記液体収容器内の導電性液体に対して絶縁された第2の電極とを備え、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加される電圧に応じて、前記絶縁性液体と前記導電性液体との境界面の形状が変化するとともに前記屈折率可変液体の屈折率が変化することを特徴とするレンズユニット。 An insulating liquid and a conductive liquid, which are refractive index variable liquids that have different refractive indexes, are immiscible with each other, and each have optical transparency, and at least one of which changes the refractive index when a voltage is applied, are contained inside. A liquid container that transmits light at least in a predetermined optical axis direction;
A first electrode in contact with the conductive liquid in the liquid container;
A second electrode insulated against the conductive liquid in the liquid container,
The shape of the boundary surface between the insulating liquid and the conductive liquid changes according to the voltage applied between the first electrode and the second electrode, and the refractive index of the refractive index variable liquid. A lens unit characterized by changing.
前記液体収容器内の導電性液体に接触した第1の電極と、
前記液体収容器内の導電性液体に対して絶縁された第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加することによって、前記絶縁性液体と前記導電性液体との境界面の形状を変化させるとともに前記屈折率可変液体の屈折率も変化させる制御部と、
前記絶縁性液体、および前記導電性液体を通ってきた被写体光が表面に結像されて、該被写体光を表わす画像信号を生成する撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。 An insulating liquid and a conductive liquid, which are refractive index variable liquids that have different refractive indexes, are immiscible with each other, and each have optical transparency, and at least one of which changes the refractive index when a voltage is applied, are contained inside. A liquid container that transmits light at least in a predetermined optical axis direction;
A first electrode in contact with the conductive liquid in the liquid container;
A second electrode insulated from the conductive liquid in the liquid container;
By applying a voltage between the first electrode and the second electrode, the shape of the boundary surface between the insulating liquid and the conductive liquid is changed, and the refractive index of the refractive index variable liquid is also changed. A control unit to change,
An imaging apparatus comprising: an imaging element that forms an image signal representing the subject light by imaging the insulating liquid and subject light that has passed through the conductive liquid on a surface thereof.
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