JP2007531046A - 制御可能な光学レンズ - Google Patents

Abstract

制御可能な光学レンズは、第1および第2の流体を収容するチャンバであって、前記流体の界面がレンズ表面を定形する、チャンバを有する。電極配置は、レンズ表面の形状を制御するとともに、レンズ表面の形状を検出する。電極配置は、レンズの光学軸の周囲の異なる角度方向に、複数の電極セグメントを有する。表面特性は、複数の電極セグメントから、複数の角度方向において検出され、このようにして、レンズの周囲の異なる角度方向での、複局部的な形状特性が定められる。これにより、非対称性が検出される。

Description

本発明は、制御可能な光学レンズに関し、特に、いわゆるエレクトロウェッティングの原理（電気毛管現象としても知られている）を用いた制御可能な光学レンズに関する。

エレクトロウェッティングレンズは、電気絶縁性オイルと導電性食塩水のような2つの非混和性の液体を収容するチャンバ室を有し、これらの流体の間のメニスカスは、屈折率境界を定め、すなわちレンズとしての機能を果たす。メニスカスの形状は、電気的に制御することができ、これによりレンズのパワーが変化する。流体は、液体、気体、プラズマまたはこれらの混合であっても良い。

レンズ形状の電気的な制御は、外部環状制御電極を用いることにより行うことができ、エレクトロウェッティング効果を用いて、チャンバ室の外端でメニスカスの接触角が制御され、これによりメニスカス形状が変化する。

エレクトロウェッティングレンズの基本構成および動作は、当業者にはよく知られている。例えば、国際公開第WO03／069380号が参照される。

エレクトロウェッティングレンズは、小型で、いかなる機械的可動部品を使用しなくても、各種焦点化機能を提供することができる。これらのレンズに対しては、各種用途が提案されており、特に、空間照明、および、例えば携帯電話のオートフォーカスカメラレンズのような電力消費が最小限に抑制される用途が提案されている。

本願のレンズが晒される環境条件として、レンズは、約−30℃乃至＋60℃の温度範囲で同様に作動する必要があり、この温度範囲における補正動作によって設計上の問題が生じる。

密度が等しい液体系のオイルおよび液体系の水を選択することは、よく知られている。これにより、レンズの配向に影響されにくい（すなわち、重力方向の感度が低い）、水−オイルメニスカス形状を得ることができる。しかしながら、これは、特定の温度でしか適用できない。温度が変化すると、オイルおよび水は、異なる膨張傾向を示し、オイルと水の間の密度に違いが生じる。これにより、メニスカス形状がレンズ配向に影響を受けるようになる。さらに、このメニスカス形状の変化は、コマ収差のような光収差の原因となる。

絶縁体（電極と流体の間）の帯電は遅いため、電圧とオイル−水メニスカスの正確な位置の間の関係にも、ずれが生じ易い。

前述のように、従来のエレクトロウェッティングレンズは、底部電極と、環状壁電極とを有する。従来のエレクトロウェッティングレンズのこの環状対称構造のため、重力の影響によるメニスカス形状内の収差は、補正することができない。また、非対称なメニスカス形状の変化を測定することは、不可能である。
国際公開第WO03／069380号パンフレット

本発明では、上記問題を軽減または抑制することができる制御可能な光学レンズ、およびそのようなレンズを有するレンズシステムを提供することを課題とする。

本発明では、
第1および第2の流体を収容するチャンバであって、前記流体の界面がレンズ表面を定形する、チャンバと、
前記レンズ表面の形状を電気的に制御し、前記レンズ表面の前記形状を検出する電極配置であって、前記レンズの光学軸の周囲の異なる角度方向に、複数の電極セグメントを有する電極配置と、
少なくとも前記複数の電極セグメントから、複数の角度方向でのレンズ表面特性を定める検出配置と、
を有する、制御可能な光学レンズが提供される。

この実施例では、角度的に分離した電極セグメントが提供され、これらのセグメントを用いて、近接検出機能を発揮させ、レンズの周囲の異なる角度位置でのレンズの局部的な形状特性を定めることができる。制御電極配置の適切な設計により、検出された非対称性を補正することができる。

検出配置は、容量検出配置を有することが好ましい。

電極配置は、ベース電極と、側壁電極とを有する駆動電極配置を有することが好ましい。これらの電極は、レンズ形状の制御に使用され、この制御は、従来の方法で実施することができる。

本発明のある態様では、さらに前記電極配置は、パターン化された上部電極を有し、該パターン化された上部電極は、前記複数の電極セグメントを有する。従って、パターン化された上部電極パターンは、複数の角度位置でのレンズ界面の近接検出に使用される。

前記パターン化された上部電極は、ITOのような実質的に透明な導電性材料で構成され、このため、レンズを通る光の経路を遮断しない。

前記側壁電極は、従来のような、前記チャンバを取り囲む、単一の環状電極を有しても良い。この場合、容量検出配置は、複数の電極セグメントの各々と側壁電極の間に生じる容量の検出に使用することができる。

前記側壁電極は、第1の駆動電極部分（従来の部分）と、追加の、1または2以上の検出電極部分とを有し、該検出電極部分は、前記チャンバを取り囲む環状電極であって、前記光学軸に沿って前記駆動電極部分から分離された環状電極を有する。この場合、容量検出配置を、複数の電極組の間に生じる容量を検出するように配置することが可能となる。ここで、前記組の各々は、前記複数の電極セグメントの一つと、前記側壁電極の前記検出電極部分の一つとを有する。この方法では、側壁電極の一部が、通常の駆動機能に使用され、他の一部が検出機能に使用される。

あるいは、前記容量検出配置は、前記電極セグメント組の間に生じる容量を検出するように配置されても良く、この場合、検出操作のために側壁電極を使用する必要がなくなる。

別の配置では、前記駆動電極配置は、前記チャンバの周囲に、角度的に離間して設置された複数の側壁電極を有し、該複数の側壁電極は、前記複数の電極セグメントを有しても良い。この場合、側壁電極は、セグメントに分割され、異なる角度位置での局部的なレンズ形状を検出することが可能となる。ただし、セグメント化された側壁電極は、非対称性を補正する駆動方式に使用することもできる。特に、例えば、熱および重力の影響により生じる非対称性を補正するため、異なる制御電圧を側壁電極セグメントに印加して、レンズを非対称な方法で駆動することも可能である。

この配置では、複数の電極セグメントの各々とベース電極の間の抵抗または容量を検出するため、抵抗または容量の検出配置を用いることができ、上部電極は不要となる。従って、チャンバの外壁で、局部的な近接検出が実施される。

ただし、上部電極は、セグメント化された側壁とともに使用することも可能である。この場合、上部電極は、単一の中央電極を有しても良く、これにより、容量検出配置により、複数の側壁電極セグメントの各々と上部電極の間に生じる容量を検出することが可能となる。

容量検出配置は、選択された電極組の第1の電極に、第1の信号を与える交流電源と、選択された電極組の第2の電極から受信される第2の信号を、前記第1の信号と結合する結合器と、フィルタとを有しても良い。他のいかなる既知の容量測定技術を用いても良いが、これにより、一貫した検出器容量測定技術が提供される。

レンズにおいて、第1の流体は、液体系の水を有することが好ましく、第2の流体として、液体系のオイルを有することが好ましい。

添付図面を参照して、本発明の一例を、以下に詳細に示す。

図1には、従来のエレクトロウェッティングレンズの構成を概略的に示す。図1の左の図は、レンズの内部を示している。レンズは、成分10をベースとする食塩水のような極性および／または導電性液体（以下、単に水と称する）と、成分12をベースとするオイルのような非導電性液体（以下、単にオイルと称する）とを収容するチャンバ室を有する。底部電極14および円周状側部電極16は、レンズのパワーを制御する。側部電極は、チャンバ室の側壁を形成する絶縁体によって液体から分離されており、この絶縁体は、レンズの電気的作動中に、容量性誘電体層として機能する。この動作は、当業者には良く知られており、国際公開第WO03／069380号が参照される。図1の右側に示すように、側部電極16は、レンズの周囲を完全に被覆している。

2つの電極を用いて、電圧を印加することにより、レンズが駆動され、レンズの形状および強度が、以下の式に示すように変化する：

ここでS₀は、印加電圧がゼロのときのレンズのパワーであり、n1とn2は、それぞれ水およびオイルの屈折率、εは、絶縁体（すなわちチャンバ室の壁）の誘電率、γは、オイル−水表面張力、Rは、円筒の直径、dは、絶縁体の厚さ、Vは、電極間の印加電圧である。

電極間の容量を測定して、レンズの形状についてのフィードバックを提供することが提案される。特に、電圧が印加されると、メニスカスの形状および位置が変化するため、環状電極の有効寸法が変化する（有効寸法は、メニスカス位置の変化とともに変化する、水と電極との接触面積に依存する）。生じる容量の変化を測定し、この容量を、レンズ強度を測定するための合理的で適正なパラメータと見なすことができる。

しかしながら、この容量測定では、レンズ形状の非対称性に関する、いかなる情報のフィードバックも提供することはできない。

本発明では、レンズ表面の形状を電気的に制御し、レンズ表面の形状を検出する電極配置が提供される。駆動機能を発揮する電極配置の部分、および検出機能を発揮する電極配置の部分に対して、多くの異なる変形例が存在し、電極の一部は、両方の機能を発揮しても良い。全ての実施例において、電極配置は、レンズの光学軸の周囲の異なる角度方向に、複数の電極セグメントを有する。少なくとも複数の電極セグメントから、複数の角度方向における局部的なレンズ表面位置または角度を決定するため、容量検出配置が提供される。これにより、非対称性を検出することが可能となり、非対称性の補正に、フィードバック制御システムを使用することが可能となる。

本発明の第1の実施例では、クロスキャパシタンス検出技術が使用される。本発明を詳細に説明する前に、最初に図2を参照して、この技術の原理について説明する。

容量性センサは、3Ｄ空間において、（導電性）対象物の位置を検出するための、近接センサとして使用することができることが知られている。クロスキャパシタンス検出法の原理は、導電性対象物が2電極の近傍に設置されている場合、電極間の電磁場線の一部が、対象物で終端し、この電場の遮蔽によって、クロスキャパシタンス（すなわち、2電極間の容量）が低下することに基づいている。

これは、容量を測定する、いわゆる「ロックイン技術」を用いて、正確に測定することができる。

図2には、第1および第2の電極20、22と、電極間の電磁場線を遮断する人の手24とを示す。キャパシタの一つの電極20は、振動信号26で駆動される。他の電極22での信号は、検出され、増幅器28によって増幅され、第1の電極の元の振動信号とともに、結合器30内で乗算される。これにより、同期検出システムが提供される。次に、単純なローパスフィルタ32を用いて、全ての非関心周波数のノイズがフィルタ除去される。このローパスフィルタ32のカットオフは、応答時間を決め、さらには測定速度を決める。

本発明の第1の実施例では、近接検出法として、前述のようなクロスキャパシタンス測定技術が用いられ、メニスカスの空間位置が検出される。これにより、エレクトロウェッティングレンズの正確な位置および3Ｄ形状の検出が可能となる。この近接検出法は、オイルが絶縁体であり、レンズ流体（水）が比較的良導体であるため、可能となる。従って、界面は、電磁シールドとして機能する。

図3には、本発明のレンズに使用される、電極配置の第1の実施例を示す。

レンズは、従来の底部および側部制御電極14、16に加えて、パターン化された上部電極40を有する。パターン化された上部電極は、複数の別個の電極を有し、これにより、クロスキャパシタンス測定の際に異なる組の電極を選択して、メニスカスの局部的近接位置を検出することが可能となる。

この近接検出電極パターンの好適位置は、メニスカス上部である。この電極パターンは、光路内にあるため、この電極パターンには、ITOのような透明導電性電極が使用される。電極構造は、多くの異なる方法でパターン化することができ、セグメントの数は、高精度に測定される正確な収差に依存して変化する。

図4には、電極パターン40の一例を示す。このパターンは、同心円状の区画の配列を有し、半径方向の情報が得られる。各同心円区画は、セグメントに分割され、近接情報の角度分解能が提供され、特に、非対称性を検出することが可能となる。図に示した例では、3つの同心円が存在し、各円は、4つのセグメントに分割されている。従って、図4のパターンは、実質的にダーツボードの形状となっている。

接続リード部は、図4には示されていない。実際の配置では、異なる電極セグメント間に、小さな幅のITOリード部が使用される。また、図4には、メニスカスに提供される電場シールドを示す。このシールドは、電極のクロスキャパシタンスを変化させる。

多くの異なる電極構造を利用することができる。パターン化された側壁電極を使用することも可能である。図5には、壁電極16が、電極の主要制御部の上部であって、メニスカスの近傍に、追加の環50を備えるようにパターン化された、変形例を示す。また図5にはメニスカス位置によって、パターン化された上部電極と側部電極16の環50の間で、電磁場線がどのように変化するかを示す。

上部電極に形成されるパターン化されたITO層には、焦点が合わされず、この層は、レンズの画質に悪影響を及ぼさない。ITO層は、ある程度の散乱を提供するが、この散乱は、画像のコントラストにのみ影響を与え、この影響は、無視できることが示されている。

所望の近接検出情報を提供するように電極を制御する、多くの方法がある。各種異なる駆動方式の実施例は、当業者には明らかであり、一つの可能な駆動方式を、図6を参照して以下に示す。

図6の駆動方式では、電極の一つは、一定周波数fd毎に制御され、残りの全ての電極からの信号は、前述のロックイン処理を用いて同時に測定される。各電極は、同じ定周波数fdで逐次的に駆動され、前の駆動電極は、受信電極の一つとして使用される。この駆動方式では、一度駆動方式のサイクルが完遂すると、各電極は、「発信器」として使用される。

別の駆動方式では、前述のロックイン検出処理に使用されるローパスフィルタの利点が得られる。ロックイン検出には、必要応答時間が可能な限り短いローパスフィルタが使用される（ノイズ特性が最良の場合）。従って、ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも広い差異を有する、異なる周波数f1；f2；…fn；で、電極を同時に駆動することが可能となる。

ITO電極上の駆動信号の振幅は、十分に小さくして、レンズ形状に影響を及ぼさないようにする必要がある。この場合、レンズ形状は、壁電極の電圧によってのみ定められる。

前述の例を用いて、クロスキャパシタンス測定を行った場合、2つの電極間の容量は、2つの電極間の電場内の導体の存在による影響を受ける。パターン化された上部電極の電極セグメントとレンズの導電性流体との間で、直接、容量測定を実施することも、同様に可能である。この場合、容量は、上部電極セグメントと、側壁電極または底部電極との間で測定される。

同様の方法により、図5に示す追加側壁電極と、レンズ流体との間で直接、容量を測定することも可能である。

いずれの場合も、ロックイン検出を用いた送信器−受信器の原理が利用できる。当然のことながら、他の容量測定の原理を利用することも可能である。前述の例では、局部的な近接検出を可能にするため、各パターン化上部電極が使用される。また、壁電極の区画化を利用して、局部的な形状情報を得ることも可能であり、この場合、パターン化上部電極が不要となる。

図7には、壁電極16が複数の軸方向電極70に分割されている配置を示す。この場合、容量測定は、各個々の軸方向電極で実施される。

この方法では、電極70の各々に対して、底部電極14に対する容量が、別個に測定できる。従って、これにより、レンズの球状の強度に関する情報のみならず、メニスカスの非対称形状に関する情報も得ることができる。

またセグメント化された側壁電極により、測定容量およびレンズに必要な形状と強度の関数である駆動電圧を用いて、各電極70を独立に駆動することができる。円筒状壁電極を用いて、周囲に異なる電圧が印加されると、液体の周囲が変化し、メニスカスの変形が生じる。これにより、重力によるレンズ収差を補正することが可能になる。

駆動電圧は、重力場に対するレンズの各配向での収差が最小化されるように、連続的に計算することができる。この制御方式を実施するシステムのブロック図を、図8に示す。

各電極70は、容量測定回路80に接続され、検出動作が実施される。電極70が駆動すると、レンズの円筒壁に対する導電性液体（水）の角度が、電圧の関数として変化する。ループフィルタ82を用いることにより、電圧の制御が可能となり、このループフィルタは、比較器84からのエラー値を受信する。比較器84は、測定容量値と、所望の光出力のための参照値とを比較する。ループフィルタは、例えば、積分ループフィルタを用いたPl（比例積分）制御のような、直線制御方式で使用することができる。変化は比較的遅く、測定容量と参照値との間の比較結果の出力に基づくDSP（デジタル信号プロセッサ）を用いて、電圧を計算することが可能である。その場合、より高度な非線形制御方式を適用することにより、計算がより簡単になる。

電圧ドライバ86は、フィルタまたはDSPによって制御され、電極70に駆動電圧を提供する。

図7の例では、容量測定の代わりに、各セグメント化電極70とベース電極14との間の抵抗測定を利用しても良い。特に、レンズパワーを変えると、チャンバ室の側壁までの導電性流体の高さが変化する。これにより、電極70とベース電極14の間の電気経路が2通りに変化する。まず、導電性液体を通る導電経路の長さが変化する。第2に、電気経路内の電極70の材料の有効面積が変化する。これらの変化によって、レンズ形状に依存する直列抵抗が得られる。従って、本発明のある実施例では、容量測定の代わりに、抵抗測定を利用することができる。

容量測定を用いる前述の実施例では、容量測定を行うことについてのみ、詳しく説明した。当然のことながら、他の多くの方法による実施も可能である。

前述のある実施例では、電極配置は、レンズの光軸に沿った異なる直線位置に、複数の電極セグメントを有するため、光軸に沿った複数の直線位置でのレンズ表面の特性を、定めることができる。このような方法を用いることにより、他の多数のセグメント配置とは独立に、検出測定結果を得る方法が提供され、レンズ位置の差異を容易に識別することが可能となる。メニスカス位置の変化によって、個々のセグメントの抵抗または容量の信号に、大きな変化が生じる。

当業者には、各種変更が明らかである。

エレクトロウェッティングレンズの従来の形状を示す図である。 クロスキャパシタンス検出法の原理を説明するための図である。 本発明の第1のレンズの例を示す図である。 図3のレンズに使用される上部電極を示す図である。 本発明のレンズの第2の例を示す図である。 本発明のレンズを用いた検出方法を説明するための図である。 本発明のレンズの第3の例を示す図である。 図7のレンズを用いた駆動検出回路を示す図である。

Claims (25)

1. 第1および第2の流体を収容するチャンバであって、前記流体の界面がレンズ表面を定形する、チャンバと、
   前記レンズ表面の形状を電気的に制御し、前記レンズ表面の前記形状を検出する電極配置であって、前記レンズの光学軸の周囲の異なる角度方向に、複数の電極セグメントを有する電極配置と、
   少なくとも前記複数の電極セグメントから、複数の角度方向でのレンズ表面特性を定める検出配置と、
   を有する、制御可能な光学レンズ。
2. 前記検出配置は、容量検出配置を有することを特徴とする請求項1に記載のレンズ。
3. 前記電極配置は、
   ベース電極と側壁電極とを有する駆動電極配置を有することを特徴とする請求項1または2に記載のレンズ。
4. さらに前記電極配置は、パターン化された上部電極を有し、該パターン化された上部電極は、前記複数の電極セグメントを有することを特徴とする請求項3に記載のレンズ。
5. 前記パターン化された上部電極は、実質的に透明な導電性材料で構成されることを特徴とする請求項4に記載のレンズ。
6. 前記パターン化された上部電極は、ITOで構成されることを特徴とする請求項5に記載のレンズ。
7. 前記側壁電極は、前記チャンバを取り囲む環状電極を有することを特徴とする請求項4、5または6に記載のレンズ。
8. 前記側壁電極は、第1の駆動電極部分と、1または2以上の検出電極部分とを有し、該検出電極部分は、前記チャンバを取り囲む環状電極であって、前記光学軸に沿って前記駆動電極部分から分離された環状電極を有することを特徴とする請求項7に記載のレンズ。
9. 前記検出配置は、前記電極セグメント組の間に生じる容量を検出する、容量検出配置を有することを特徴とする請求項4乃至8のいずれか一項に記載のレンズ。
10. 前記検出配置は、前記複数の電極セグメントの各々と前記側壁電極の間に生じる容量を検出する、容量検出配置を有することを特徴とする請求項4乃至8のいずれか一項に記載のレンズ。
11. 前記検出配置は、複数の電極組の間に生じる容量を検出する容量検出配置を有し、前記組の各々は、前記複数の電極セグメントの一つと、前記側壁電極の前記検出電極部分の一つとを有することを特徴とする請求項8に記載のレンズ。
12. 前記駆動電極配置は、前記チャンバの周囲に、角度的に離間して設置された複数の側壁電極を有し、該複数の側壁電極は、前記複数の電極セグメントを有することを特徴とする請求項3に記載のレンズ。
13. 前記検出配置は、前記複数の電極セグメントの各々と前記ベース電極の間の抵抗を検出する、抵抗検出配置を有することを特徴とする請求項12に記載のレンズ。
14. 前記検出配置は、前記複数の電極セグメントの各々と前記ベース電極の間に生じる容量を検出する、容量検出配置を有することを特徴とする請求項12に記載のレンズ。
15. さらに、上部電極を有することを特徴とする請求項12に記載のレンズ。
16. 前記上部電極は、単一の中央電極を有することを特徴とする請求項15に記載のレンズ。
17. 前記検出配置は、前記複数の電極セグメントの各々と前記上部電極の間に生じる容量を検出する、容量検出配置を有することを特徴とする請求項16に記載のレンズ。
18. 前記上部電極は、パターン化された上部電極を有し、該パターン化された上部電極は、複数の上部電極部分を有することを特徴とする請求項15に記載のレンズ。
19. 前記上部電極は、実質的に透明な導電性材料で構成されることを特徴とする請求項15乃至18のいずれか一項に記載のレンズ。
20. 前記上部電極は、ITOで構成されることを特徴とする請求項19に記載のレンズ。
21. 前記検出配置は、容量検出配置を有し、該容量検出配置は、選択された電極組の第1の電極に、第1の信号を与える交流電源と、選択された電極組の第2の電極から受信される第2の信号を、前記第1の信号と結合する結合器とを有することを特徴とする請求項1乃至12または14乃至30のいずれか一項に記載のレンズ。
22. 前記第1の流体は、極性および／または導電性液体を有し、前記第2の流体は、非導電性液体を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載のレンズ。
23. 請求項12乃至20のいずれか一項に記載のレンズおよび検出配置と、
    前記検出配置の出力に基づいて、前記複数の側壁電極に、制御可能な駆動電圧を独立に供給する駆動配置と、
    を有するレンズシステム。
24. 請求項1乃至22のいずれか一項に記載のレンズおよび検出配置と、
    前記検出配置の出力に基づいて、前記電極配置に駆動電圧を提供する駆動配置と、
    を有するレンズシステム。
25. 第1および第2の流体を収容するチャンバであって、前記流体の界面がレンズ表面を定形する、チャンバと、
    前記レンズ表面の形状を電気的に制御し、前記レンズ表面の前記形状を検出する電極配置であって、前記レンズの光学軸に沿った異なる直線位置に、複数の電極セグメントを有する電極配置と、
    少なくとも前記複数の電極セグメントから、前記光学軸に沿った複数の直線位置でのレンズ表面特性を定める検出配置と、
    を有する、制御可能な光学レンズ。

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