JP2006154742A - 光学素子を含むイメージピックアップモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】機械的駆動手段を用いることなく絞り及びシャッターの機能を行う光学素子を含むイメージピックアップモジュールを提供する。
【解決手段】光を受けイメージを結像するレンズと、レンズを通過した光を受けて電気信号に変換するセンサと、レンズに入る光量を調節し或いは露出時間を調節する光学素子とを含むイメージピックアップモジュールにおいて、光学素子は、電界印加に応じて光が透過可能な液晶−フォトポリマーと、液晶−フォトポリマーの両側に形成され、液晶−フォトポリマーに電界を印加するための所定のパターンがいずれか一方に形成される一対の透明電極基板とからなり、所定のパターンは多数の同心円状の環形からなり、内側に位置した同心円の面積がその外側に位置した同心円の面積の１／２の大きさである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、イメージピックアップモジュールに関し、より具体的には、電気的な駆動により絞りとシャッターの機能を一体に行うことが可能な光学素子を含むイメージピックアップモジュールに関するものである。

一般に、イメージピックアップシステム(image pick-up system)として携帯電話用カメラモジュール、デジタルスチルカメラ(ＤＳＣ；digital still camera)、カムコーダ(camcorder)などが研究開発されており、これらのイメージピックアップシステムは次のような構成要素を含む。

イメージピックアップシステムは、例えば、イメージを結像するためのレンズと、結像されたイメージを電気信号に変換するためのセンサと、ＩＳＰ、ＤＳＰなど、信号を処理するための各種チップと、光量及び露出時間を調節するための絞り及びシャッターなどで構成される。

この中でも、特に絞りとシャッターは、低分解能のセンサではあまり重要とならないが、高分解能のセンサでは綺麗なイメージを得るための重要な部品となる。

従来、これらの絞りとシャッターは、機械的に制御される部品が使用され、これに機械的駆動手段が適用されるため、カメラシステム内で相当な厚さを占める。

図１ａは従来のレンズシャッター方式を示す図であり、図１ｂは従来のフォーカルプレーンシャッター方式を示す図である。図１ａに示すように、レンズシャッター１０は、例えば、５つの羽根１２が同時に中心に向かって前進あるいは後退する方式で駆動される。このため、各羽根に直線的に結合して、羽根を中心方向に前進あるいは後退させる機械的駆動手段（図示せず）が必要になる。

また、図１ｂに示すように、フォーカルプレーンシャッター２０は、金属または布からなる幕２２が折り畳まれる方式で駆動されるもので、ＣＣＤやフィルムの前またはレンズの後に配置される。図１ｂには水平型フォーカルプレーンシャッターの例が示されているが、これとは異なり、幕が垂直に折り畳まれる垂直型フォーカルプレーンシャッターが使用されることもある。レンズシャッターと同様に、金属または布からなる幕を折り畳んだり展開したりする機械的駆動手段（図示せず）が必要である。

また、図２に示すように、絞り３０は、所定の範囲（いわゆる、ｆナンバ）に応じて光透過範囲を同心円状の幕３２で調節することにより、透過光量を調節する。従来、絞りも機械的駆動手段によって駆動されることが一般的である。

なお、関連する先行技術を調査したが、現時点では発見できなかった。

従来のように、絞りとシャッターを機械的駆動手段によって駆動する場合、カメラシステム内における絞りとシャッターの占有面積が、絞りとシャッターの他に、絞りとシャッターを駆動させる機械的駆動手段の大きさも必要になるため、大きさ（体積または厚さ）が増加する。さらに、機械的駆動手段によって幕を折り畳んだり、羽根を移動させるため、騒音が大きく、衝撃を生じさせる。

本発明の目的は、機械的駆動手段を用いることなく絞り及びシャッターの機能を行う光学素子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、液晶−フォトポリマーを用いて電気的に駆動される光学素子を含むイメージピックアップモジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、イメージを結像するためのレンズと、レンズを通過した光を電気信号に変換するためのセンサと、光量および露出時間を調節するための光学素子とを備え、光学素子は、電界の印加に応じて光が透過可能な液晶−フォトポリマーと、液晶−フォトポリマーの両側に形成され、液晶−フォトポリマーに電界を印加するための所定のパターンがいずれか一方に形成された一対の透明電極基板とを備え、所定のパターンは多数の同心円状の環形を有し、内側に位置した同心円の面積がその外側に位置した同心円の面積の１／２であることを特徴とするイメージピックアップモジュールを提供する。

本発明によれば、液晶−フォトポリマーは、ポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣ）であることが好ましい。ＰＤＬＣは、透明電極基板に形成された所定のパターンに選択的に電圧が印加されて電界が形成されることにより、所定のパターンに対応する領域で光を透過させる特性を有する。このような特性を用いて、ＰＤＬＣを用いた光学素子が絞り及び／又はシャッターの機能を行うことができる。

また、本発明によれば、液晶−フォトポリマー内に一対の透明電極基板と平行な方向に多数のサブ透明電極基板が等間隔で形成されることが好ましい。これにより、液晶−フォトポリマーは、多数のサブ液晶−フォトポリマー層で区分される。また、このようなサブ透明電極基板は、積層される上下透明電極基板とその間に挟まれる透明な絶縁材とで構成できる。

このように、本発明によって多数のサブ液晶−フォトポリマー層を形成することによって、液晶−フォトポリマー層に電界を印加するのに必要な電源容量を低減できるという効果をもたらす。すなわち、単一の液晶−フォトポリマーに電界を印加するのに必要な電源容量に比べて、多数のサブ液晶−フォトポリマーに電界を印加するのに必要な電源容量が小さくなる。そのため、多数のサブ液晶−フォトポリマー層を含む光学素子の場合、単一の液晶−フォトポリマー層で形成された光学素子の場合に比べて、より少ない電力で電気的駆動が可能になる。

また、本発明によれば、透明基板電極に印加される電界は交流電源によって供給されることが好ましい。交流電源を用いることにより、ＰＤＬＣ内の液滴表面で電界の遮蔽効果が発生するのを防止できる。

また、本発明によれば、多数の同心円のうちいずれか一つを境界としてその内側部分に電界を発生させることにより、光学素子は絞りとして機能し得る。一方、電界が発生した後、透明電極基板に印加される電界を遮断して、液晶−フォトポリマーが光を遮断することにより、光学素子はシャッターとして機能し得る。すなわち、一つの光学素子を用いて絞りとシャッターを兼用することができる。

本発明によれば、機械的駆動手段を用いることなく、電気的に駆動可能な絞り及び／又はシャッターの機能を行う光学素子を提供できる。

また、より少ない容量の電源によって電気的に駆動される光学素子を提供することにより、イメージピックアップモジュールの全体的な大きさを低減でき、従来の機械的駆動手段の使用により発生する機械的騒音や衝撃などからイメージピックアップモジュールを効果的に保護することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

図３は、本発明に係る光学素子を含むイメージピックアップモジュールを概略的に示す構成図である。図４は、本発明の光学素子に用いられる液晶−フォトポリマーの特性を示す説明図である。図５は、図３の光学素子を示す平面図である。まず、これら図面を参照して本発明に係る光学素子及びイメージピックアップモジュールの構成を説明する。

図３には本発明の光学素子が絞り及び／又はシャッターとして機能するイメージピックアップモジュールの要部が示されている。これは、既存のフィルムを用いるアナログ方式ではなく、光を検出して電気信号に変換するセンサを用いたデジタル方式に対応するイメージピックアップモジュールの一部分である。

このイメージピックアップモジュール１００は、光を受けてイメージを結像するレンズ１２０と、レンズ１２０を通過した光（イメージ）を受けて電気信号に変換するセンサ１１０と、レンズ１２０に入る光量を調節しあるいは露出時間を調節する本発明の光学素子１３０とを含む。その他に、イメージピックアップシステムを構成する他の一般的な構成要素（例えば、信号処理用チップのＩＳＰ、ＤＳＰなど）は説明の便宜上省略した。

レンズ１２０は、色収差補正用レンズ１２２、光路調節用レンズ１２４及び歪補正用レンズ１２６などを含むレンズの組み合わせで構成できる。図３には、凹レンズと凸レンズが結合した形態のダブレット(Doublet)レンズが色収差補正用レンズ１２２として用いられ、シーガルレンズが歪補正用レンズ１２６として用いられた例を示しているが、本発明はこれに限定されず、レンズの組み合わせは様々な方式で構成できることに留意すべきである。

本発明に係る光学素子は、屈折率が変化する特性を有する媒質、特に、液晶−フォトポリマーと呼ばれる混合媒質を用いることを特徴とする。液晶−フォトポリマーは、ポラロイド社のＤＭＰ−１２８フォトポリマーが最初開発されて以来、引き続き開発が進められ、本発明で適用しようとするポリマー散型液晶（以下、「ＰＤＬＣ」という）が開発された。

図４に示すように、ＰＤＬＣ(polymer dispersed liquid crystal)４０は、液晶とモノマーからなる均質の混合物を作成した後、紫外線照射によってモノマーを重合させ、光重合によって液晶とポリマーの相分離が発生することにより得られ、その結果、ポリマーマトリックス４２内に液滴４４が不規則的に分布するようになる。その際、一定の屈折率を有するポリマーマトリックス４２内に多数の液滴４４が不規則的に配列するため、個々の液滴４４が散乱中心となって、ＰＤＬＣ４０全体が白濁し、光は通過せずに散乱する。

このようなＰＤＬＣ４０に一定の方向に電界Ｅを加えると、電界によってポリマーマトリックス内に分布した液滴４４が配列して、周辺のポリマーマトリックス４２と同一の屈折率を有するようになる。そのためＰＤＬＣ４０全体が透明に変化し、光は透過する。参考として、図４において、実線矢印Ｉｎ、Ｏｕｔは光の進行方向を示し、破線矢印はＰＤＬＣの周囲に光が散乱する様子を示す。

このように本発明は、電界が印加されると、全体的に透明に変化する性質のＰＤＬＣを用いた光学素子を利用することにより、イメージピックアップモジュール内で絞り及び／又はシャッターの機能を実現することができる。

図５は、本発明の光学素子が絞り及び／又はシャッターとして機能するために、透明電極基板１４０に所定のパターンが形成された例を示す平面図である。このようなパターンは同心円状の環形からなり、多数の同心円は、内側に位置した同心円の面積がその外側に位置した同心円の面積の約１／２となるように形成される。これは、光量を調節する基準（例えば、ｆナンバと呼ばれる絞り基準）を満足させるためである。

また、図５ではＡ、Ｂ、Ｃの３つのパターンのみを示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。モジュールを構成する画素（ピクセル）の数などに応じて、このようなパターンの個数、即ち、絞りの調節範囲は調節することができ、本明細書では、理解容易のために、３つのパターンのみで説明している。

光学素子１３０を平面的に観察するとき、各パターンＡ、Ｂ、Ｃは同心円状の環形からなり、最も中心に位置するパターンＣはその内部が充填された円形である。また、同心円状を基準として、各同心円の面積は各同心円の内側に隣接して位置する同心円の面積の２倍になる。

図６ａ〜図６ｃは、本発明の光学素子が絞りとして用いられる一例を示す図である。図７ａ及び図７ｂは、本発明の光学素子がシャッターとして用いられる一例を示す図である。

後述するように、本発明に係る光学素子は、所定のパターンそれぞれに対して選択的に電界が印加／遮断される場合には絞りとして機能し、一方、所定のパターン全体に対して一括的に電気場が印加／遮断される場合にはシャッターとして機能することができる。

図６ａは、パターンＡ、Ｂ、Ｃのいずれにも電界が印加され、液晶−フォトポリマーＰＤＬＣの最大領域が透明となることにより、光が透過する量、すなわち光量が最も多くなる場合を示す。この場合、基準点としてｆ２．８で表示され、最高の光量が伝達される状態になる。このときパターンＡの外側境界面は、この光学素子が絞りとして用いられる場合、ストップ(Stop)として利用できる。

図６ｂはパターンＢ、Ｃにのみ電界が印加された状態を示す。この場合、光が透過する量、すなわち光量が図６ａの場合と比較して約１／２倍となり、前記基準点を基準としてｆ４で表示できる。

図６ｃはパターンの中でも最も内側のＣにのみ電界が印加された状態を示す。この場合、光が透過する光が図６ｂの場合に比べて約１／２倍とり、ｆ５．６で表示できる。

このように本発明に係る光学素子は、所定のパターンＡ、Ｂ、Ｃに選択的に電界を印加することにより、電界に対応する領域のみが光を透過させることができ、このような点を利用して絞りとして機能することができる。

図７ａは電界がパターンＡ、Ｂ、Ｃのいずれにも印加されることにより、光が最大に透過する状態（ＯＮ）を示し、図７ｂは全てのパターンに電界が印加されないことにより、光が全く透過しない状態（ＯＦＦ）を示す。

一般に、シャッターとして機能する場合、図７ｂのＯＦＦ状態から、極めて短い時間（シャッターの露出速度）の間に図７ａのＯＮ状態を維持した後、さらに図７ｂのＯＦＦ状態に戻す一連の過程をいう。

ところが、本発明において絞りと一体的に使用する場合には、上述とは多少異なる過程を経てシャッターとして機能することができる。すなわち、イメージピックアップモジュール内のセンサ１１０（図３参照）と共に動作することにより、シャッターとして機能することができる。

即ち、センサが作動していない状態では、本発明に係る光学素子が絞りとして機能し、所定のパターンに応じて電界が印加された状態でレンズによってイメージが結像する。その後、センサが作動する瞬間を基準として極めて短い時間（シャッターの露出速度）後に、本発明の光学素子が図７ｂのようにＯＦＦ状態となることにより、シャッターの機能を果たすことができる。

こうした手法は、既存のフィルムを用いたアナログ方式のシステムでは実現不可能なことであり、センサを用いたデジタル方式のシステムで実現できることに留意すべきである。すなわち、絞りとシャッターが一体に形成された本発明の光学素子は、デジタル方式のイメージピックアップモジュールで用いられることが好ましい。一方、絞りとシャッターのいずれか一方の機能のみを実現してもよい条件であれば、本発明に係る光学素子は、デジタルまたはアナログ方式を問わずに全てのイメージピックアップモジュールに適用できることに留意すべきである。

以上、本発明の光学素子が絞り及び／又はシャッターとして機能する原理について説明した。次に、このような機能を実現するために適用される光学素子の具体的な構成について説明する。

図８ａは、図５の光学素子の一実施形態（例えば、単層液晶−フォトポリマー）を示す構成図である。図８ｂは、図５の光学素子の他の実施形態（例えば、複数のサブ液晶−フォトポリマー層）を示す構成図である。図８ｃは、図８ｂのサブ透明基板電極を詳細に示す拡大図である。なお、図８ａ及び図８ｂにおいて、液晶−フォトポリマー１５０は、ポリマーマトリックス（図４の４２）と液滴（図４の４４）を区分せずに１つの部材として表現している。

図８ａに示すように、本発明に係る光学素子は、一対の透明電極基板１４０の間にＰＤＬＣのような液晶−フォトポリマー１５０が挟まれて形成される。透明電極基板１４０は、透明導電膜１４４上にＩＴＯ(Indium Tin Oxide)１４２が塗布されて形成される。上下一対の透明電極基板のうち一方（図８ａでは下側面）のＩＴＯ１４２を所定のパターンに沿って環形に形成することにより、パターンに応じて選択的に電界を印加することができる。

各パターンＡ、Ｂ、Ｃは、微細な間隔Ｓを介して形成される。この間隔Ｓはレンズで結像するイメージ内で肉眼によって区別されない程度の大きさであることが好ましい。したがって、本発明に係る光学素子１３０を用いて結像したイメージでは、前記間隔による影響が現れないようにすることができる。

一方、ＰＤＬＣ内の液滴を配列させるために供給される電圧Ｖは、印加される電界ＥとＰＤＬＣの厚さｄを用いて、式（１）のように定義できる。

このとき、ＰＤＬＣ内の液滴を配列させるために印加される電界Ｅの大きさは、一定の値（定数）が要求されるため、供給される電圧Ｖは、式（２）のようにＰＤＬＣ層の厚さｄに比例する関係になる。

したがって、光学素子へ供給される電圧は、光学素子内の液晶−フォトポリマーの厚さを減らすことによって、その大きさを減少させることができる。このように素子を駆動するための電圧値を減らすことは、より小型のイメージピックアップモジュール内で本発明に係る光学素子の使用を可能にする。

図８ｂは、液晶−フォトポリマー内に２つのサブ透明電極基板を等間隔で配置した状態を示す図である。ここで、説明の便宜上、透明電極基板は簡略的に表示している。

図８ｂにおいて、一対の透明電極基板１４０内に介在した液晶−フォトポリマー１５０は、その間に等間隔で配置された２つのサブ透明電極基板１６０によって均等に分けられた、３つのサブ液晶−フォトポリマー層１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃに区分される。このように液晶−フォトポリマー１５０が３つのサブ液晶−フォトポリマー層１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃに区分され、個々のサブ液晶−フォトポリマー層の厚さが液晶−フォトポリマー１５０の厚さの約１／３倍に減少することにより、各サブ液晶−フォトポリマー層に対応して供給される電圧の大きさも約１／３に減少できる。

また、図８ｂのサブ透明電極基板１６０の詳細は、図８ｃに拡大して示している。図８ｃによれば、サブ透明電極基板１６０は、平坦なＩＴＯ１６４上に透明な絶縁材１７０が積層された後、この絶縁材１７０上に所定のパターンＡ、Ｂ、Ｃで形成されたＩＴＯ１６２を形成することによって完成する。各サブ液晶−フォトポリマー層１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃの両面には一対の透明電極基板が形成され、これは透明電極基板／液晶−フォトポリマー／透明電極からなる単位ユニットの間に透明な絶縁材が介在することによって積層される。

つまり、図８ａ及び図８ｂを比較すると、図８ｂに示した光学素子に必要な電圧Ｖの大きさは約１／３だけ減少することが分かる。すなわち、電界が印加される単位ユニットが、図８ａの場合には単一の液晶−フォトポリマー１５０であり、図８ｂの場合には３つの分割されたサブ液晶−フォトポリマー層１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃである。そのため、印加すべき電界Ｅの大きさが一定であることを考慮すると、単位ユニットの厚さが１／３だけ減少することにより、必要な電圧の大きさも１／３に減少できる。

本実施形態では、液晶−フォトポリマーが３つのサブ液晶−フォトポリマー層に分割された例を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明の光学素子が適用される具体的な条件に合わせて様々な個数に分割して構成できる。

このように液晶−フォトポリマーの屈折率を変化させるために必要な電圧の大きさを減少させるということは、この液晶−フォトポリマーが適用されるモジュールをより小型化することができる。さらに、このようなモジュールが装着される電子機器（例えば、デジタルカメラなど）の小型化にも寄与することができる。

一方、本発明に係る光学素子として供給される電圧は交流で印加すべきであるが、これはＰＤＬＣ内の液滴表面で電界に対する遮蔽効果が発生することを防止するためである。具体的には、ＰＤＬＣに直流電圧が供給されて電界が印加される場合には、ＰＤＬＣ内に分布された液滴とポリマーマトリックスとの境界面で電荷の再配置が行われて、電界が液滴内部に印加できない遮蔽効果が発生するおそれがある。したがって、透明基板電極に供給される電圧を交流にすることにより、ＰＤＬＣ内で電界に対する遮蔽効果が発生することが防止することができる。

以上説明したように、本発明は、一対の透明電極基板とその間に挟まれるＰＤＬＣのような液晶−フォトポリマーを含む光学素子と、その光学素子を含むイメージピックアップモジュールに関するものであり、これにより機械的駆動手段を用いることなく、電気的に駆動可能な絞り及び／又はシャッターの機能を行うことができる。また、本発明に係るイメージピックアップモジュールは、光学素子を構成する液晶−フォトポリマーを多数のサブ液晶−フォトポリマー層に分割することにより、光学素子の駆動に必要な電源容量を減少させ、より少ない電力で動作する小型化機器に適用できる。

このように、電気的に駆動される光学素子を採用することにより、イメージピックアップモジュールの全体的な大きさを低減でき、機械的駆動手段の使用に伴う機械的騒音や衝撃などからイメージピックアップモジュールを効果的に保護することができる。

本発明は、電気的に駆動可能な絞り及び／又はシャッターの機能を行う光学素子を提供できる点で産業上極めて有用である。

従来のシャッターの一例を示す図である。 従来のシャッターの他の例を示す図である。 従来の絞りの一例を示す図である。 本発明に係る光学素子を含むイメージピックアップモジュールの要部を示す構成図である。 本発明に用いられる液晶−フォトポリマーの特性を示す説明図である。 図３の光学素子を示す平面図である。 図５の光学素子が絞りとして用いられる状態を示す図である。 図５の光学素子が絞りとして用いられる状態を示す図である。 図５の光学素子が絞りとして用いられる状態を示す図である。 図５の光学素子がシャッターとして用いられる状態を示す図である。 図５の光学素子がシャッターとして用いられる状態を示す図である。 図５の光学素子の一実施形態を示す構成図である。 図５の光学素子の他の実施形態を示す構成図である。 図８ｂのサブ透明基板電極を詳細に示す拡大図である。

符号の説明

４０ ＰＤＬＣ
４２ ポリマーマトリックス
４４ 液滴
１００ イメージピックアップモジュール
１１０ センサ
１２０ レンズ
１２２ 色収差補正用レンズ
１２４ 光路調節用レンズ
１２６ 歪補正用レンズ
１３０ 光学素子
１４０、１６０ 透明電極基板
１４２ ＩＴＯ
１４４ 透明導電膜
１５０ 液晶−フォトポリマー
１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ サブ液晶−フォトポリマー層
１６２、１６４ ＩＴＯ
１７０ 絶縁材

Claims (7)

1. 光を受けてイメージを結像するレンズと、
   前記レンズを通過した光を受けて電気信号に変換するセンサと、
   前記レンズに入る光量を調節し、あるいは露出時間を調節する光学素子とを含むイメージピックアップモジュールにおいて、
   前記光学素子は、電界の印加に応じて光が透過可能な液晶−フォトポリマーと、前記液晶−フォトポリマーの両側に形成され、前記液晶−フォトポリマーに電界を印加するための所定のパターンがいずれか一方に形成される一対の透明電極基板と備え、
   前記所定のパターンは多数の同心円形状の環形からなり、内側に位置した同心円の面積がその外側に位置した同心円の面積の１／２であることを特徴とするイメージピックアップモジュール。
2. 前記液晶−フォトポリマーは、ポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣ）であることを特徴とする請求項１記載のイメージピックアップモジュール。
3. 前記液晶−フォトポリマー内に前記一対の透明電極基板と平行な方向に多数のサブ透明電極基板が等間隔で形成されることにより、前記液晶−フォトポリマーは多数のサブ液晶−フォトポリマー層に区分されることを特徴とする請求項１記載のイメージピックアップモジュール。
4. 前記サブ透明電極基板は、積層される上下透明電極基板と、その間に介在する透明な絶縁材とから構成されることを特徴とする請求項３記載のイメージピックアップモジュール。
5. 前記透明基板電極に印加される電界は、交流電源によって供給されることを特徴とする請求項１記載のイメージピックアップモジュール。
6. 前記多数の同心円のうちいずれか一つを境界として、その内側部分に電界を発生させることにより、前記光学素子が絞りとして機能することを特徴とする請求項１記載のイメージピックアップモジュール。
7. 前記電界が発生した後、前記透明電極基板に印加される電界を遮断して、前記液晶−フォトポリマーが光を遮断することにより、前記光学素子がシャッターとして機能することを特徴とする請求項６記載のイメージピックアップモジュール。
   
   
   
   

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