JP2007206325A

JP2007206325A - 光学素子、光学ユニット、および撮像装置

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Publication number: JP2007206325A
Application number: JP2006024411A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kono; 慎一河野
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-02-01
Also published as: JP4786357B2; EP1816492A1; US7375898B2; EP1816492B1; US20070236802A1; ATE428124T1; DE602007000820D1

Abstract

【課題】屈折力を自在に変化させることができ、且つ性能の劣化が抑えられた光学素子、光学ユニット、および撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】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水性液体および油性液体が内部に収容されるとともに、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、液体収容器の内面の少なくとも一部を覆う、温度に応じて親疎水性が変化する被覆膜と、被覆膜の温度を調整するための温度調整機構とを備えた。液体に電荷を放電する必要がないため、液体が電気分解されて気泡が発生する不具合が回避され、長期にわたって光の透過性を維持することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光を透過する光学素子、光学ユニット、および被写体光を結像して画像信号を生成する撮像装置に関する。

近年、携帯電話やＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）などといった小型機器に、被写体を撮影してデジタルの撮影画像を取得する撮像装置を内蔵することが広範に行われている。日ごろから常に携帯している小型機器に撮像装置が備えられることによって、デジタルカメラやビデオカメラを持ち運ぶ手間をかけずに、いつでも手軽に撮影を行うことができる。

また、医療現場においては、小型の撮像装置を体腔内に挿入し、体内を撮影する内視鏡装置が一般的に使用されてきている。近年では、撮影中に発見された小さなしこり等を、内視鏡装置に取り付けられた切除器具を使ってその場で切除することも行われてきており、内視鏡装置は、人体への負担が軽減された治療装置としても需要が高まっている。

以上のように、近年では、通常のデジタルカメラと比較してかなり小型の撮像装置が使用されてきているが、高画素の小型ＣＣＤや、高コントラストな小型レンズなどの開発によって、小型の撮像装置を使って撮影される撮影画像の高画質化が急速に進んでいる。残る課題としては、小型の撮像装置に、通常のデジタルカメラには標準的に搭載されているオートフォーカス機能やズーム機能が搭載されることが強く望まれている。

オートフォーカス機能やズーム機能は、撮像装置内で複数のレンズを光軸に沿う方向（以下では、光軸に沿う方向を前後方向と称する）に移動させることによって実現されることが一般的である。しかし、内視鏡装置などに用いられる小型の撮像装置では、撮像装置内でレンズを移動させたり、レンズを駆動するための大掛かりなモータやカム機構などを配置することが困難である。

この点に関し、導電性の液体に電圧を印加して液面形状を変化させることにより焦点距離を変化させる液体レンズが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、および非特許文献１参照）。例えば、非特許文献１には、内壁が撥水性のコーティングで覆われたチューブと、チューブ内に封入された導電性の水性液体および非導電性のオイルと、チューブ内の水性液体に電場を印加する電極とで構成された液体レンズについて記載されている。この液体レンズでは、導電性の水性液体に電圧が印加されていない状態では、水性液体は半球状の固まりとなっており、水性液体とオイルとの界面は凸状である。この界面は、導電性の水性液体に印加された電場の大きさに応じて、凸状から凹状まで変化する。このため、レンズとしての曲率半径が変化することとなり、焦点距離を自在に変えることができる。

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の変化などを行うことができるため、上述したモータやカム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、携帯電話や内視鏡装置などといった小型機器にも適用することができる。
特開２００１−１２６０６号公報特開２００５−６２８６４号公報 "Ｐｈｉｌｉｐｓ’ＦｌｕｉｄＬｅｎｓｅｓ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、Ｍａｒｃｈ０３，２００４、ＲｏｙａｌＰｈｉｌｉｐｓＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、［平成１６年３月３１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｐｒｅｖｉｅｗ．ｃｏｍ／ｎｅｗｓ／０４０３／０４０３０３０２ｐｈｉｌｉｐｓｆｌｕｉｄｌｅｎｓ．ａｓｐ＞

しかし、特許文献１、特許文献２、および非特許文献１に記載された液体レンズによると、電極から放出された電荷によって導電性水溶液が電気分解されるため、長期にわたって使用していると、発生した気体が液体収容器内に溜まって気泡化してしまい、光の散乱が起こって光の透過率が低下してしまうという問題がある。

尚、この上述した問題は、レンズのみに限らず、並行平面板やプリズムなどといった光学素子に一般的に当てはまるものである。

本発明は、上記事情に鑑み、屈折力を自在に変化させることができ、且つ性能の劣化が抑えられた光学素子、光学ユニット、および撮像装置を提供することを目的とする。

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水性液体および油性液体が内部に収容されるとともに、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、
液体収容器の内面の少なくとも一部を覆う、温度に応じて親疎水性が変化する被覆膜と、
被覆膜の温度を調整するための温度調整機構とを備えたことを特徴とする。

本発明の光学素子によると、被覆膜の温度が調整されることによって被覆膜の親疎水性が変化し、水性液体と油性液体の境界面の形状が変化する。近年では、ペルチェ素子などを使った小型の温度調整機構が知られてきており、このような小型の温度調整機構を使用することによって、装置の大型化を抑えて、光学素子の屈折力を自在に変化させることができる。また、本発明の光学素子によると、水性液体および油性液体に電荷が放出されることなく、水性液体と油性液体との境界面の形状が変化するため、液体が電気分解されて気泡が生じてしまう不具合が回避され、長期にわたって光の透過性を維持することができる。

また、本発明の光学素子において、上記液体収容器は、被覆膜と接触する、相対的に高い熱伝導率を有する材料で構成された第１の部分と、第１の部分の外面を覆う、相対的に低い熱伝導率を有する材料で構成された第２の部分とで構成されたものであることが好ましい。

相対的に高い熱伝導率を有する第１の部分が被覆膜と接触することによって、温度調整機構で発生した熱が効率よく被覆膜に伝達され、その第１の部分が相対的に低い熱伝導率を有する材料（すなわち断熱性を有する材料）で構成された第２の部分に覆われることによって、発生した熱が逃げてしまう不具合が防止される。したがって、効率よく被覆膜が調整され、水性液体と油性液体との境界面の形状が精度良く変化することとなる。

また、本発明の光学素子において、上記温度調整機構は、通電によって放熱および吸熱するペルチェ素子と、ペルチェ素子に通電するための電極とを備えたことが好適である。

近年、相互に異なる熱電能を有する材料を接合した回路に電流を流すことによって、その接合部分の片方が放熱し、もう一方が吸熱するペルチェ効果を利用したペルチェ素子（サーモモジュール）が知られている（例えば、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｎｔ．ｃｏ．ｊｐ／ｋａｋｕｓｈｉｎ．ｐｄｆ＞参照）。本発明の好適な形態の光学素子によると、ペルチェ素子への通電方向や通電量を変えることによって被覆膜の温度を調整することができ、簡易な機構で精度よく光学素子の屈折力を制御することができる。

また、本発明の光学素子において、上記被覆膜は、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドの高分子（ＰＮＩＰＡＡｍ）であることが好ましい。

ＰＮＩＰＡＡｍは、温度に応じて親疎水性が変化する特性を有しており、医学分野における細胞分離用材料として知られている（例えば、特開平７−１２９５０８号公報、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｖｗｅｂ．ｙｚ．ｙａｍａｇａｔａ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｋ５／ｔｈｅｍｅ／ｐｎｉｐａａｍ０３１０．ｐｄｆ＞、＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｔｔｏ．ｃｏ．ｊｐ／ｒｄ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌ／２００４＿８５／ｐｄｆ／２００４＿８５＿１１．ｐｄｆ＞参照）。このＰＮＩＰＡＡｍは、温度応答性に優れているため、本発明にいう被覆膜として好ましく適用することができる。

また、上記目的を達成する本発明の光学ユニットは、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水性液体および油性液体が内部に収容されるとともに、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、
液体収容器の内面の少なくとも一部を覆う、温度に応じて親疎水性が変化する被覆膜と、
被覆膜の温度を調整するための温度調整機構と、
温度調整機構によって調整される被覆膜の温度を制御することによって、水性液体と油性液体との境界面の形状を変化させる制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明の光学ユニットによると、屈折力を自在に変化させることができ、且つ長期にわたって光の透過性を維持することができる。

尚、本発明にいう光学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、本発明にいう光学ユニットには、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。

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水性液体および油性液体が内部に収容されるとともに、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、
液体収容器の内面の少なくとも一部を覆う、温度に応じて親疎水性が変化する被覆膜と、
被覆膜の温度を調整するための温度調整機構と、
温度調整機構によって調整される被覆膜の温度を制御することによって、水性液体と油性液体との境界面の形状を変化させる制御部と、
水性液体、および油性液体を通ってきた被写体光が結像されて、被写体光を表わす画像信号を生成する撮像部とを備えたことを特徴とする。

本発明の撮像装置によると、装置の大型化を抑えて、オートフォーカス機能やズーム機能を実現することができる。

尚、本発明にいう撮像装置についても、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。

本発明によれば、屈折力を自在に変化させることができ、且つ性能の劣化が抑えられた光学素子、光学ユニット、および撮像装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態が適用された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。

図１に示すように、このデジタルカメラ１００の上面には、撮影時に押されるシャッタボタン１０５、およびスライド式の電源スイッチ１０４が備えられており、デジタルカメラ１００の前面には、撮影画角を変更するズームレンズや被写体に焦点を合わせるフォーカスレンズなどで構成される撮影レンズ１０１、撮影者が被写体の位置などを定めるために覗く光学式ファインダ対物窓１０２、およびシャッタボタン１０５の押下に同期して発光する発光装置１０３などが備えられている。また、図示しないが、デジタルカメラ１００の背面には、メニュー画面や撮影画像を表示するための表示画面や、撮影画角や撮影モードなどを設定するための十字キーなどが備えられている。

図２は、図１に示すデジタルカメラ１００の内部ブロック図である。

デジタルカメラ１００には、ズームレンズ１１１、ズームコントローラ１１１ａ、フォーカスレンズ１１２、フォーカスコントローラ１１２ａ、アイリス１１３、アイリスモータ１１３ａ、モータドライバ１１４、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅＤｅｖｉｃｅ）１１５、ＴＧ（タイミングジェネレータ）１１６、ＣＤＳ／ＡＭＰ１１７、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｅｇｉｔａｌ）変換部１１８、画像入力コントローラ１１９、画像信号処理部１２０、圧縮処理部１２１、ビデオエンコーダ１２２、ＣＰＵ１２３、ＡＦ検出部１２４、ＡＥ＆ＡＷＢ検出部１２５、ＳＤＲＡＭ１２６、ＶＲＡＭ１２７、メディアコントローラ１２８、ＳＲＡＭ１２９、各種スイッチ１３０、サーミスタ１４０、発光装置１０３、表示装置１５０、およびバックアップ電源１７０が具備されている。

デジタルカメラ１００では、図２の左方から被写体光が入射し、ズームレンズ１１１やフォーカスレンズ１１２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、ＣＣＤ１１５上に結像する。本来、撮影レンズは複数のレンズで構成され、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、図２では、焦点距離の変更に係わるレンズをズームレンズ１１１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レンズ１１２として模式的に示している。

アイリス１１３は、アイリスモータ１１３ａにより駆動され移動する。また、ズームレンズ１１１およびフォーカスレンズ１１２には、モータの替わりに、それらのレンズ形状を変化させるズームコントローラ１１１ａおよびフォーカスコントローラ１１２ａが設けられている。アイリスモータ１１３ａを作動させる指示は、ＣＰＵ１２３からモータドライバ１１４を通じて伝達されるとともに、ズームコントローラ１１１ａおよびフォーカスコントローラ１１２ａを作動させる指示は、ＣＰＵ１２３から直接伝達される。ズームレンズ１１１およびフォーカスレンズ１１２は、本発明の光学素子の一実施形態にそれぞれ相当し、ＣＰＵ１２３とズームコントローラ１１１ａとを合わせたもの、およびＣＰＵ１２３とフォーカスコントローラ１１２ａとを合わせたものは、本発明にいう制御部の一例にそれぞれ相当する。

ズームレンズ１１１は、撮影画角を設定するズーム機能を実現するためのレンズである。このズーム機能は、一般的には、光軸に沿う方向にズームレンズが移動されて、撮影レンズを構成する複数のレンズ間の相対的な位置が調整されることにより実現される。本実施形態においては、ズームレンズ１１１を実際に移動させる替わりに、ズームコントローラ１１２ａでズームレンズ１１１のレンズ形状を変化させることによって、焦点距離が調整されて撮影画角が設定される。

フォーカスレンズ１１２は、被写体に自動的に焦点を合わせるＴＴＬＡＦ（ＴｈｒｏｕｇｈＴｈｅＬｅｎｓＡｕｔｏＦｏｃｕｓ）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レンズを移動させながら、ＣＣＤで得られた画像信号のコントラストを検出し、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、フォーカスレンズをピント位置に調節するものである。本実施形態においては、フォーカスレンズ１１２を移動させる替わりに、フォーカスコントローラ１１２ａでフォーカスレンズ１１２のレンズ形状を変化させることによって、被写体に焦点を合わせる。

ズームレンズ１１１およびフォーカスレンズ１１２の構成と、レンズ形状を変化させる方法については、後で詳しく説明する。

アイリス１１３は、ＡＥ＆ＡＷＢ検出部１２５で検出された被写体輝度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。

ＣＣＤ１１５は、ズームレンズ１１１およびフォーカスレンズ１１２を通ってきた被写体光を受光して、被写体光に基づく被写体像を、アナログ信号である被写体信号として読み取る。このデジタルカメラ１００では、図１に示すシャッタボタン１０５が押されて被写体が撮影される本撮影の前にも、上述したＡＦ機能の実行や、スルー画像表示のために、解像度が低い一時的な画像データ（以下では、この解像度が低い一時的な画像データを低解像度データと称する）が生成される。ＣＣＤ１１５で生成された被写体信号は、シャッタボタン１０５が押されたときは、そのままＣＤＳ／ＡＭＰ１１７に出力され、本撮影の前には、ＴＧ１１６から発せられる信号に同期したタイミングごとに、低解像度データ用に間引かれてＣＤＳ／ＡＭＰ１１７に出力される。ＣＣＤ１１５は、本発明にいう撮像部の一例に相当する。

ＣＤＳ／ＡＭＰ１１７は、被写体信号の増幅およびゲインの調整を行う。Ａ／Ｄ変換部１１８は、被写体信号をデジタルデータである画像データに変換する。前述したように、ＣＣＤ１１５では所定のタイミングごとに間引かれた被写体信号が生成されるため、Ａ／Ｄ変換部１１８でも所定のタイミングごとに低解像度データが生成され続ける。低解像度データは、画像入力コントローラ１１９を介して、ＡＦ検出部１２４やＡＥ＆ＡＷＢ検出部１２５や画像信号処理部１２０に送られる。画像信号処理部１２０に送られた低解像度データは、所定の画像処理（後述する）が施された後にビデオエンコーダ１２２に送られ、データ形式が変換された後に表示装置１５０に送られて、デジタルカメラ１００の背面に設けられた表示画面にスルー画像として表示される。また、本撮影時に生成される画像データ（以下では、本撮影時に生成される画像データを撮影画像データと称する）は、画像入力コントローラ１１９を介して一旦ＳＤＲＡＭ１２６に送られる。

デジタルカメラ１００には、このデジタルカメラ１００内で実行されるプログラムが記憶されたり、中間バッファとして用いられる記録速度が高速なＳＤＲＡＭ１２６、各種メニュー画面用のデータや、ユーザの設定内容などが記憶されたデータ保存用のメモリであるＳＲＡＭ１２９、圧縮された画像データが記憶されるＶＲＡＭ１２７の３つのメモリが設けられている。ＶＲＡＭ１２７は２つの領域に分割されており、画像データが領域Ａ，Ｂに順番に記憶され、記憶された画像データはビデオエンコーダ１２２やメディアコントローラ１２８に順次に読み出される。

ＡＥ＆ＡＷＢ検出部１２５は、画像入力コントローラ１１９から送られてきた低解像度データに基づいて、被写体の明るさやホワイトバランスを検出する。測定結果はＣＰＵ１２３に伝えられる。

ＡＦ検出部１２４は、画像入力コントローラ１１９から送られてきた低解像度データに基づいて、撮影画像のコントラストを検出する。検出されたコントラストはＣＰＵ１２３に送られる。

ＣＰＵ１２３は、シャッタボタン１０５や電源スイッチ１０４などといった各種スイッチ１３０で設定された設定内容が伝えられ、その設定内容に応じてデジタルカメラ１００の各種要素を制御する。また、ＣＰＵ１２３は、ＡＥ＆ＡＷＢ検出部１２５で測定された被写体の明るさに基づいてシャッタスピードや絞り値を決定するとともに、ＡＦ検出部１２４で検出されたコントラストに基づいて、フォーカスレンズ１１２の合焦位置を決定する。合焦位置の決定方法については、後で詳しく説明する。

本撮影時に生成されてＳＤＲＡＭ１２６に記憶された撮影画像データは、ＣＰＵ１２３からの指示に従って、画像信号処理部１２０によって取得される。画像信号処理部１２０は、撮影画像データにＲＧＢレベルの調節処理、ガンマ調整処理などを施して、画像処理後の撮影画像データを圧縮処理部１２１に送る。圧縮処理部１２１は、撮影画像データに圧縮処理を施して、圧縮後の撮影画像データをＶＲＡＭ１２７に送る。ビデオエンコーダ１２２は、ＣＰＵ１２３からの指示に従い、ＶＲＡＭ１２７から圧縮後の撮影画像データを取得して、その圧縮後の撮影画像データを表示画面で表示することができるデータの形式に変換する。変換後の撮影画像データは、表示装置１５０に送られる。表示装置１５０は、撮影画像データが表す撮影画像を表示画面に表示する。メディアコントローラ１２８は、記録メディア１６０への撮影画像データの記録や読み出しを制御する。

本実施形態のデジタルカメラ１００は、基本的には以上のように構成されている。

ここで、デジタルカメラ１００における本発明の特徴は、ズームレンズ１１１およびフォーカスレンズ１１２にある。ズームレンズ１１１およびフォーカスレンズ１１２は、ほぼ同様の構成を有しているため、以下では、これらを代表して、フォーカスレンズ１１２について詳しく説明する。

図３は、フォーカスレンズの概略構成図である。尚、図３においては、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。

フォーカスレンズ１１２は、液体収容器２００内に、水性液体２０１と、水性液体２０１と不混和な油性液体２０２とが収容されて形成されている。

液体収容器２００は、外面が円筒形状を有し、内面が先細り形状を有する壁部２１０と、壁部２１０の両端を塞ぐキャップ２３１，２３２とで構成されている。キャップ２３１，２３２は、透明なガラスで構成されており、壁部２１０は、熱伝導率の良い材料で構成されている。壁部２１０を構成する材料としては、金属材料が用いられることが好ましく、特に、銅（温度０［℃］において、熱伝導率４０３［Ｗ／ｍ・Ｋ］）、アルミニウム（温度０［℃］において、熱伝導率２３６［Ｗ／ｍ・Ｋ］）、およびそれらを含む合金が好ましい。この液体収容器２００は、本発明にいう液体収容器の一例に相当する。

壁部２１０の外面は、断熱性を有する断熱材２１１で覆われており、壁部２１０の内面は、温度に応じて親疎水性が変化する被覆膜２２０で覆われている。断熱材２１１を構成する材料としては、プラスチックを好適に用いることができ、特に、ポリカーボネート（熱伝導率０．１９［Ｗ／ｍ・Ｋ］、４．６［１０^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃］）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）（熱伝導率０．１９［Ｗ／ｍ・Ｋ］、４．５［１０^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃］）、ポリプロピレン（熱伝導率０．１２［Ｗ／ｍ・Ｋ］、２．８［１０^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃］）、およびＡＢＳ（熱伝導率１．５〜８．６［１０^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃］）などが好ましい。また、プラスチックの他にも、ガラス、ゴム、紙や布やフェルトなどといった繊維質で空気を含むもの、およびセラミックや発砲スチロールのように多孔質で空気を含むものなども好適に使用することができる。

また、壁部２１０の後側（図３の右側）には、被覆膜２２０の温度を調整するための温度調整機構３００が設けられており、壁部２１０の側面には、被覆膜２２０の温度を検出するサーミスタ１４０が嵌め込まれている。被覆膜２２０は、本発明にいう被覆膜の一例にあたり、温度調整機構３００は、本発明にいう温度調整機構の一例に相当する。

ここで、一旦図３の説明を中断し、被覆膜２２０、および温度調整機構３００について説明する。

本実施形態では、通電によって放熱および吸熱するペルチェ素子が利用された温度調整機構３００が適用される。

図４は、ペルチェ素子が利用された温度調整機構３００´の基本的な概念図である。

この温度調整機構３００´は、Ｐ型半導体３１０Ｐと、Ｎ型半導体３１０Ｎとが、電極３２１，３２２によって直列に接続されており、それら電極３２１，３２２それぞれにセラミック板３３１，３３２が貼り付けられて形成されている。電極３２１，３２２は、本発明にいう電極の一例に相当する。

例えば、Ｎ型半導体３１０ＮからＰ型半導体３１０Ｐに向けて電流を流すと、電子３０１は通電方向とは逆方向に移動する。このとき、上側の電極３２１とＮ型半導体３１０Ｎとの接触部分で、電子３０１がＮ型半導体３１０Ｎを通過して下側の電極３２２まで移動するためのエネルギーを奪い、上側の電極３２１がエネルギー不足を生じて冷却される。逆に、下側の電極３２２では、電子３０１が上側の電極３２１から奪ったエネルギーを放出するため、温められることとなる。Ｐ型半導体３１０Ｐ側では、電子３０１に代えて正孔３０２がエネルギー伝達の役割を担っており、Ｎ型半導体３１０Ｎ側と同様に、上側の電極３２１が冷却され、下側の電極３２２が加熱される。

また、Ｐ型半導体３１０Ｐ側からＮ型半導体３１０Ｎ側に向けて電流を流したときには、上記とは逆方向にエネルギーが移動されるため、上側の電極３２１が温められ、下側の電極３２２が冷却される。

このように、ペルチェ素子が利用された温度調整機構３００´によると、通電方向を変えることによって冷却／放熱を切り替えられ、通電量によってその温度が精度よく調整される。本実施形態の温度調整機構３００としては、図４に示す温度調整機構３００´において、複数のＰ型半導体３１０ＰとＮ型半導体３１０Ｎとを交互に直列に繋いだものが適用され、図３に示す壁部２１０と上側の電極３２１に貼り付けられたセラミック板３３１とが接触するように、温度調整機構３００が液体収容器２００に装着される。

また、本実施形態では、壁部２１０の内面を覆う被覆膜２２０として、温度に応じて親疎水性が変化するＰＮＩＰＡＡｍ（ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドの高分子）が利用される。

図５は、ＰＮＩＰＡＡｍの基本的な概念図である。

図５（Ａ）には、ＰＮＩＰＡＡｍの構造式が示されており、図５（Ｂ）には、ＰＮＩＰＡＡｍの親疎水性が変化する性質を説明するための概念図が示されている。

ＰＮＩＰＡＡｍ４００は、親水性を有する高分子鎖４０１を有している。ＰＮＩＰＡＡｍ４００は、３２℃を境に水との親和性が大きく変化する物質として知られており、例えば、３７℃程度に加熱されると、親水性を有する高分子鎖４０１が曲がって、疎水性が付与される。また、３２℃にまで冷却されると、表面が高分子鎖４０１によって覆われるため、親水性が付与される。

図３に戻って説明する。

壁部２１０の内面は、図５に示すＰＮＩＰＡＡｍ４００で構成された被覆膜２２０で覆われている。このＰＮＩＰＡＡｍの膜が厚いと界面の影響が小さくなり、十分な疎水性を付与することができなくなるため、モノマー溶液の濃度や溶媒を調整することによってモノマーを壁部２１０の内面に均一に広げ、電子線を照射して固定と重合を同時に行い、厚さ３０ｎｍ程度の均一なＰＮＩＰＡＡｍ薄膜を生成することが望ましい。

また、図４に示すようなペルチェ素子が利用された温度調整機構３００によって被覆膜２２０の温度が調整され、被覆膜２２０の親疎水性が制御される。本実施形態においては、壁部２１０が前述したような熱伝導性の良好な材料で構成されているため、温度調整機構３００で発生した熱を効率的に被覆膜２２０、およびサーミスタ１４０に伝達することができ、被覆膜２２０の温度を精度よく調整することができる。さらに、壁部２１０の外面が前述したような熱伝導率が低い断熱材２１１で覆われているため、効率よく被覆膜２２０の温度を調整することができる。

以上のように構成された液体収容器２００に、相互に光屈折率が異なる水性液体２０１と、油性液体２０２とが収容される。本実施形態では、水性液体２０１として、エチレングリコール（屈折率１．４３）が適用され、油性液体２０２として、有機溶媒であるアイソパー（エクソン社製：屈折率１．４８）が適用される。この水性液体２０１は、本発明にいう水性液体の一例にあたり、油性液体２０２は、本発明にいう油性液体の一例に相当する。尚、エチレングリコールとアイソパーとの組み合わせは、０℃以下の温度環境下でも光学性能が保たれるという利点があるが、例えば、安価な液体の組み合わせとして、水性液体として水を用い、油性液体としてテトラリンを用いてもよい。

図２に示すＣＰＵ１２３からの指示に従って、フォーカスコントローラ１１２ａが温度調整機構３００に図４とは逆方向（すなわち、Ｐ型半導体３１０Ｐ側からＮ型半導体３１０Ｎ側に向かう方向）の電流を流すと、壁部２１０と接触した上側のセラミック板３３１が温められることにより被覆膜２２０が加熱され、被覆膜２２０に疎水性が付与される。このとき、水性液体２０１が被覆膜２２０と反撥しあうことによって、水性液体２０１と油性液体２０２との境界の液面が、例えば、図３（Ａ）に実線で示すような形状に変化する。

また、図３（Ａ）に示す状態から、温度調整機構３００への通電方向を逆にすると（すなわち、Ｎ型半導体３１０Ｎ側からＰ型半導体３１０Ｐ側に向かう方向）、温度調整機構３００によって被覆膜２２０が冷却され、被覆膜２２０に親水性が付与される。このとき、水性液体２０１が被覆膜２２０と接触し、水性液体２０１と油性液体２０２との境界の液面が、例えば、図３（Ｂ）に実線で示すような形状に変化する。

このフォーカスレンズ１１２を用いて、以下のような手順でＡＦ機能が実現される。

まず、フォーカスコントローラ１１２ａによって温度調整機構３００に電流が流され、被覆膜２２０が加熱される。その結果、水性液体２０１と油性液体２０２との境界の形状が図３（Ａ）に示すように制御される。このレンズ形状は、フォーカスレンズを光軸に沿う方向に移動させたときに、無限遠の被写体に焦点が合わせられるＩＮＦ位置に相当する。このＩＮＦ位置に相当するレンズ形状においてＣＣＤ１１５で被写体光が読み取られ、ＡＦ検出部１２４で撮影信号のコントラストが取得され、取得されたコントラストが暫定的な最大のコントラストとして保存される。

続いて、サーミスタ１４０で検出された被覆膜２２０の温度に応じてフォーカスコントローラ１１２ａによる通電が調整され、被覆膜２２０の温度が所定の温度だけ冷却される。その結果、水性液体２０１と油性液体２０２とで形成されるレンズ形状のカーブが図３（Ａ）よりも強く調整される。このレンズ形状において撮影信号のコントラストが取得され、さらに、今回のコントラストが保存されている最大のコントラストと比較され、今回のコントラストの方が保存されたコントラストよりも大きいときには、今回のコントラストが既に保存されているコントラストに替えて保存される。

被覆膜２２０の温度が所定の温度だけ冷却されて、レンズ形状のカーブが順次に強く調整され、撮影信号のコントラスト値が取得されて、今回のコントラストと保存されているコントラスト（前回までの最大のコントラスト）とが比較される作業が、今回のコントラストが保存されているコントラストよりも小さくなるまで続けられる。

通常、合焦状態に近づくほど撮影信号のコントラストは大きくなるため、図３（Ａ）に示すＩＮＦ位置に相当するレンズ形状から、図３（Ｂ）に示すＮＥＡＲ位置（近くの被写体に焦点を合わせるときのレンズ位置）に相当するレンズ形状まで順次に変化させていくと、初めはレンズ形状が徐々に合焦状態に近づいてコントラストが増加していき、レンズ形状が合焦状態を通過した後は、コントラストは徐々に減少していく。このように、コントラストは山なりに変化するため、コントラストが増加傾向から減少傾向に変化したレンズ形状が合焦状態であると決定することができる。コントラストが増加傾向から減少傾向へと変化する変化点を取得して合焦状態を検出する方法は、「山登り方式ＡＦ」として従来から広く適用されている。

フォーカスレンズ１１２のレンズ形状が決定された合焦状態に設定されることによって、フォーカスレンズ１１２を移動させずに、被写体に自動的に焦点を合わせることができる。

本実施形態のデジタルカメラ１００では、従来のモータやカム機構などを使ってレンズを移動させる従来のデジタルカメラと比較して、ＡＦ機能やズーム機能を実現させるために必要な部品点数が少なく、組み立ても容易であるため、製造コストを抑えることができる。また、レンズを移動させる必要がないため、ＡＦ機能やズーム機能を実現させるのに必要な消費電力を抑えることができるうえ、被写体に高速にピントを合わせることができる。

また、水性溶液２０１と油性溶液２０２との境界面の形状が変化される際には、温度調整機構３００に通電すればよく、液体中に電荷が放出される必要がないため、これらの液体が電気分解されて、気泡が発生する不具合が回避される。この結果、長期にわたって光の透過性が維持され、デジタルカメラ１００の寿命が向上する。

以上で、本発明の第１実施形態の説明を終了し、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、本発明の撮影装置を内視鏡装置に適用したものであり、第１実施形態のデジタルカメラとほぼ同様の内部構成を有している。したがって、第１実施形態と同様の要素については同じ符号を付して説明を省略し、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図６は、本発明の第２実施形態が適用された内視鏡装置６００の先端部分を示す概略構成図である。

内視鏡装置６００の先端には、体腔内に挿入される挿入部５１０と、挿入部５１０に連接され、挿入部５１０を操作するための操作部５２０と、制御装置５４０（図７参照）や光源装置（図示しない）を接続するコード５３０が備えられている。

挿入部５１０は、先端側から、撮影装置や照明窓などが設けられた先端部５１１と、操作部５２０の操作に応じて上下左右に湾曲自在な湾曲部５１２と、操作部５２０に連結される長尺な導入部５１３とで構成されている。

操作部５２０には、ユーザが操作することによって挿入部５１０の湾曲部５１２を湾曲させるための操作子５２１が設けられている。操作子５２１の動きに応じて、挿入部５１０内に挿通されたワイヤー対が押し引きし、湾曲部５１２が湾曲することによって、先端部５１１を所望の方向に向けることができる。

コード５３０には、挿入部５１０に設けられた照明窓から光を照射するための光源装置や、この内視鏡装置６００を制御するとともに、挿入部５１０で撮影された撮影画像に画像処理を施す制御装置５４０が接続されている。挿入部５１０、操作部５２０、およびコード５３０の内部には、ライトガイドと称される光ファイバーの束が配備されており、光源装置から発せられた光は、このライトガイドによって挿入部５１０の先端部５１１に導かれ、照射窓から照射される。また、制御装置５４０には、画像処理が施された撮影画像を表示する表示装置１５０が接続されている。

図７は、内視鏡装置６００の内部ブロック図である。

挿入部５１０には、図２に示すデジタルカメラ１００と同様の、ズームレンズ１１１、ズームコントローラ１１１ａ、フォーカスレンズ１１２、フォーカスコントローラ１１２ａ、ＣＣＤ１１５、およびサーミスタ１４０などが設けられている。

また、制御装置５４０には、図２に示すデジタルカメラ１００と同様の、ＴＧ１１６、Ａ／Ｄ変換部１１８、および画像信号処理部１２０に加えて、ゲインの調整などを行うＣＤＳ／ＡＧＣ５４１、画像データを表示装置１５０用のアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部５４２、内視鏡装置６００全体を制御するとともに、ＡＦ実行時に被写体のコントラスト検出などを行うマイコン５４３、および画像データが一時的に記憶されるフレームメモリ５４４などが設けられており、さらに、表示装置１５０が接続されている。

マイコン５４３からの指示に従って、ズームレンズ１１１およびフォーカスレンズ１１２のレンズ形状が調整され、ＣＣＤ１１５で生成された撮影信号が操作部５２０およびコード５３０を通過してＣＤＳ／ＡＧＣ５４１に伝えられる。ＣＤＳ／ＡＧＣ５４１において相関二重サンプリング動作と自動利得制御とが施された撮影信号は、Ａ／Ｄ変換部１１８においてデジタルの画像データに変換され、画像信号処理部１２０において各種画像処理が施された後、フレームメモリ５４４を介してＤ／Ａ変換部５４２に伝えられて、画像データが表わす画像が表示装置１５０に表示される。

内視鏡装置は、体腔内に挿入されるため、小型化が強く求められているが、本実施形態によると、ズームレンズ１１１やフォーカスレンズ１１２を装置内で移動させる必要がないため、装置の小型化とズーム機能やフォーカス機能の実現とを両立することができる。

ここで、上記では、液体収容器中に、水性液体と油性液体の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。

また、上記では、本発明の光学素子がフォーカスレンズ、およびズームレンズ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、テレコンバータやワイドコンバータなどに適用されてもよい。

本発明の一実施形態が適用された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。図１に示すデジタルカメラの内部ブロック図である。フォーカスレンズの概略構成図である。ペルチェ素子が利用された温度調整機構の基本的な概念図である。ＰＮＩＰＡＡｍの基本的な概念図である。本発明の第２実施形態が適用された内視鏡装置の先端部分を示す概略構成図である。内視鏡装置の内部ブロック図である。

符号の説明

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発光装置
１０４電源スイッチ
１０５シャッタボタン
１１１ズームレンズ
１１１ａズームコントローラ
１１２フォーカスレンズ
１１２ａフォーカスコントローラ
１１３アイリス
１１３ａアイリスモータ
１１４モータドライバ
１１５ＣＣＤ
１１６ＴＧ
１１７ＣＤＳ／ＡＭＰ
１１８Ａ／Ｄ変換部
１１９画像入力コントローラ
１２０画像信号処理部
１２１圧縮処理部
１２２ビデオエンコーダ
１２３ＣＰＵ
１２４ＡＦ検出部
１２５ＡＥ＆ＡＷＢ検出部
１２６ＳＤＲＡＭ
１２７ＶＲＡＭ
１２８メディアコントローラ
１２９ＳＲＡＭ
１３０各種スイッチ
１４０サーミスタ
１５０表示装置
１７０バックアップ電源
２００液体収容器
２０１水性液体
２０２油性液体
２１０壁部
２２０被覆膜
２３１，２３２キャップ
５１０挿入部
５１１先端部
５１２湾曲部
５１３導入部
５２０操作部
５２１操作子
５３０コード
５４０制御装置
５４１ＣＤＳ／ＡＧＣ
５４２Ｄ／Ａ変換部
５４３マイコン
５４４フレームメモリ

Claims

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水性液体および油性液体が内部に収容されるとともに、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、
前記液体収容器の内面の少なくとも一部を覆う、温度に応じて親疎水性が変化する被覆膜と、
前記被覆膜の温度を調整するための温度調整機構とを備えたことを特徴とする光学素子。
前記液体収容器は、前記被覆膜と接触する、相対的に高い熱伝導率を有する材料で構成された第１の部分と、該第１の部分の外面を覆う、相対的に低い熱伝導率を有する材料で構成された第２の部分とで構成されたものであることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記温度調整機構は、通電によって放熱および吸熱するペルチェ素子と、該ペルチェ素子に通電するための電極とを備えたことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記被覆膜は、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドの高分子（ＰＮＩＰＡＡｍ）であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
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水性液体および油性液体が内部に収容されるとともに、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、
前記液体収容器の内面の少なくとも一部を覆う、温度に応じて親疎水性が変化する被覆膜と、
前記被覆膜の温度を調整するための温度調整機構と、
前記温度調整機構によって調整される前記被覆膜の温度を制御することによって、前記水性液体と前記油性液体との境界面の形状を変化させる制御部とを備えたことを特徴とする光学ユニット。
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水性液体および油性液体が内部に収容されるとともに、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、
前記液体収容器の内面の少なくとも一部を覆う、温度に応じて親疎水性が変化する被覆膜と、
前記被覆膜の温度を調整するための温度調整機構と、
前記温度調整機構によって調整される前記被覆膜の温度を制御することによって、前記水性液体と前記油性液体との境界面の形状を変化させる制御部と、
前記水性液体、および前記油性液体を通ってきた被写体光が結像されて、該被写体光を表わす画像信号を生成する撮像部とを備えたことを特徴とする撮像装置。