JP2007531048A - 制御可能な光学レンズ - Google Patents

Abstract

制御可能な光学レンズシステムは、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し、第1および第2の電極を有する。第1および第2の電極間の、少なくとも一つのレンズ流体を介した電気抵抗に依存するシステムによって、パラメータが決定される。すなわち、レンズ流体を介した直列抵抗が、メニスカス位置の測定に使用される。

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。

フィードバック制御機能を提供するためには、レンズ条件を検知することが望ましいことが把握されている。絶縁体（電極と流体の間）の遅い帯電のため、電圧とオイル−水溶液メニスカスの正確な位置との間の関係は、ずれ易く、フィードバックシステムによってこのずれを補正することが必要である。ズームレンズに多重可変レンズが用いられる場合、多重素子レンズ系による光学測定から、独自にレンズ特性を得ることは難しくなる。従って、そのようなシステムにおいても同様に、各個々のメニスカス形状を測定することが可能であることが望ましい。

従来のエレクトロウェッティングレンズは、底部電極と、円筒状壁電極とを有する。電極間の容量を測定して、レンズ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ている。特に、メニスカスの形状および位置は、電圧が印加されると変化するため、環状電極の有効な寸法は、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）。生じる容量変化が測定され、この容量は、レンズ強度の測定のため、合理的で適正なパラメータとなるように考慮される。
国際公開第WO03／069380号パンフレット

測定容量を用いてレンズ位置を定める場合、絶縁コーティングの厚さおよび誘電率が既知である必要がある。この厚さは、バッチ毎に変動する可能性がある。

本発明では、上記問題を軽減または抑制することの可能な、制御可能な光学レンズシステム、およびそのようなレンズシステムのレンズ位置を検出する方法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する電極配置であって、第1および第2の電極を有する電極配置と、
前記第1および第2の電極の間の、前記レンズ流体の少なくとも一つを介する電気抵抗に依存するパラメータを決定する手段と、
を有する、制御可能な光学レンズシステムが提供される。

本発明は、レンズ容量と直列に接続された抵抗は、導電性液体の形状変化によるレンズパワーに対応して変化するという認識に基づくものである。このため、メニスカス位置の測定に、直列抵抗を使用することができる。

前記決定する手段は、前記第1および第2の電極の間の電気容量と、抵抗を決定する手段であっても良い。すなわち、抵抗情報は、追加の容量情報に使用しても良い。

前記決定する手段は、交流電源と、該交流電源によって供給される電流を解析する手段と、を有しても良い。これにより、交流刺激に反応してレンズを流れる電流の、一時的な応答の誘導が可能になる。一時的な応答は、レンズ電極間の容量と抵抗の双方に依存する。レンズの直流駆動電圧に重畳された、比較的小さな交流電源信号が使用されても良い。

前記決定する手段は、さらに、前記電源と前記第1および第2の電極の一つの間に、直列の第1の抵抗体を有し、前記交流電源によって供給される電流を解析する前記手段は、前記第1の抵抗体での電圧降下を解析しても良い。

この解析によって、システムの応答に対する時定数が得られる。

別の実施例では、さらに、決定する手段は、第2の直列抵抗体を有し、この抵抗体は、回路内で、第1の抵抗体と選択的に切り替えられる。これにより、第2の直列抵抗体を有するシステムおよび有さないシステムの応答に対する、第1および第2の時定数を決定することができる。この場合、抵抗値および容量値は、2つの時定数から得ることができる。

また本発明では、制御可能な光学レンズのレンズ位置を検出する方法であって、前記レンズは、第1および第2の液体を収容するチャンバであって、前記液体の間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する電極配置と、を有し、前記電極配置は、第1および第2の電極を有し、
当該方法は、
前記第1および第2の電極の間の、前記レンズ液体の少なくとも一つを介する電極抵抗に依存するパラメータを決定するステップと、
前記パラメータを使用して、前記レンズ表面の位置を決定するステップと、
を有する方法が提供される。

当該方法は、レンズメニスカス位置に関するフィードバック情報を提供する際のパラメータとして、または追加のパラメータとして、抵抗を使用する。

パラメータを決定するステップは、レンズの充電時定数を決定するステップを有しても良く、あるいはパラメータを決定するステップは、追加の既知抵抗を有する場合と、追加の既知抵抗を有さない場合の、前記レンズの2つの充電の時定数を決定するステップを有しても良い。この場合、レンズ容量と抵抗は、2つの時定数の測定によって得ることができる。

フィードバックは、交流プローブ電圧、または直流電圧とこれよりも低い電圧の矩形波交流電圧との重畳電圧を用いることにより、得ることができる。

時定数は、最適フィッティング解析により、および／または参照表を用いることにより、得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一例を示す。

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。

本発明では、制御可能な光学レンズが提供され、第1および第2の電極間の、レンズの電気抵抗を用いて、レンズパワーフィードバック機能が提供される。

図2には、レンズ形状によって抵抗が変化する様子を概略的に示す。図2において、レンズ位置が図の左側の位置から、図の右側の位置に変化すると、RとCの両方が増大する。直径が約1cmのレンズ用液体の典型的な抵抗値は、500Ωである（典型的な液体は、例えば0.1MのKCl溶液である）。例えば液体の凍結を防止するため、塩濃度を高くしている高い場合、液体の抵抗は、さらに低くなる。

エレクトロウェッティングレンズの電極は、抵抗が有意に高い、500ΩのオーダーのITO層であるため、実際の電流状態は、より複雑である。少なくとも光路内にはない側壁電極については、電極抵抗を抑制するため、金属電極を用いても良い。

このように、本発明の一つの可能な実施例では、単にレンズ抵抗のみが測定され、これは、単純な直流解析によって実施される。

ただし、単純な抵抗測定の代わりに、抵抗測定と容量測定を組み合わせて実施しても良く、これは、完全なインパルス応答測定を実施することと等価である。以下に詳細を示す本発明の例では、レンズの抵抗および容量の両方に依存する測定法が利用される。

一つの可能性は、矩形波電圧を用いてエレクトロウェッティングレンズを直接駆動して、（例えば、電流波形を電圧波形に変換することにより）電流波形を測定し、これをアナログデジタル変換によってサンプリングし、さらにこの信号をデジタル処理することである。

図3には、交流プローブ信号に応答する電流波形のサンプリングを用いて、レンズの時定数に関する情報を得る方法を示す。この時定数は、抵抗と容量の積に依存する。

矩形波電圧の場合、図3に示すように、RC時定数は、時定数_T＝RCの電流に対して指数関数的な信号となる。交流電圧として、代わりに正弦波電圧を印加することもできる。この場合、電圧と誘導電流の間の位相関係が、RC時定数の決定に使用される。RC値を決定する上で、より多くの方法があることは、当業者には明らかである。

矩形波電圧の場合、図3の丸は、レンズのインパルス応答を測定することが可能な、想定される曲線のサンプリングを示している。このインパルス応答測定から、実際のレンズ位置に関する、より精度の高い情報を得ることができる。

RC時定数によって、レンズ位置に特殊な関係が提供され、特に、図2に概略的に示すように、これらが相互に増大または減少すると、レンズ位置に特殊な関係が提供される。従って、前述のような簡単な時定数測定を行うことが可能になる。これは、多くの可能な実施例の一つのように、交流電源とレンズの間に設置された、既知の抵抗R_mの間の電圧降下のサンプリングによって、行うことができる。

しかしながら、RとCの値を識別することが好ましい場合がある。これは、正確に把握された小さな抵抗体R_Sを、エレクトロウェッティングレンズに直列に加えた後、測定を繰り返すことにより、行うことができる。

次に、時定数は、_T’＝（R+R_S）Cとなる。次に、容量Cが、C＝（_T’−_T）／R_Sとして計算され、さらに、エレクトロウェッティングレンズのR値が計算される。

図4には、この方法を実施するシステムを示す。システムは、電源40を有し、出力は、測定抵抗体R_mおよび追加の直列抵抗体R_Sを通って、レンズに提供される。測定抵抗体R_mの端子上の電圧は、別の増幅器42でモニターされ、この増幅器は、瞬時の電流測定を行うことができる。電流プロファイルは、変換器44によるA／D変換後に解析され、その後、時定数が得られる。

追加の直列抵抗体R_Sは、短絡スイッチ46によって、回路内または回路外となるように、選択的に切り替えられる。図4には、直列抵抗R_EWおよび容量C_EWを有するレンズ48を示す。

図5には、図4の回路の実験的な実施例を示す。この実験的な構成では、レンズは、ネットワークアナライザを用いて測定される。レンズは、約735Ωの抵抗と、69pFの容量とを直列に接続したときに、最良のモデルとなることが示されている。他の成分の値は、図5に示されている。上昇時間が170nsの矩形波を用いた場合、以下の実験結果が得られる：直流供給回路において、12kΩの大きな直列抵抗体を使用した場合、交流電圧によって、エレクトロウェッティングレンズの代わりに、直流源の出力インピーダンスが測定されることが回避される。実際の実施例では、交流駆動源は、直流供給源に含まれる。

レンズは、まず、10Ωの測定抵抗体のみと、直列に接続される。時間の関数としての電流の指数関数的な減衰は、測定抵抗体R_m間の電圧を測定することによって測定される。

図6には、0Vの直流電圧の場合（プロット60）、および100Vの直流電圧の場合（プロット62）についての結果が示されている。これらの直流電圧は、異なるメニスカス位置を形成するために使用される。プロット64は、交流源によって提供される、ステップ状の電圧変化を示している。時定数に明らかな違いが観察される。時定数は、この曲線の対数を計算し、得られた結果を直線でフィッティングすることにより測定され、以下の式で示される。

同様の手順は、対数値を有する参照表を用いることにより実施されても良く、次に、単純な最小二乗法による直線フィッティングが行われる。プロット70および72を有する、対数化した結果を図7に示す。x軸は、サンプル数である。

次に、回路に、390Ωの追加直列抵抗体を追加した。これにより、全外部直列抵抗は、390＋10＝400Ωとなった。測定を繰り返すことにより、図8および図9に示す結果が得られた。ここでも、プロット80および90は、0Vの直流駆動に対応し、プロット82および92は、100Vの直流駆動に対応する。

得られた結果を、表1にまとめて示した。

高電圧（100V）では、メニスカスが比較的平坦になり、容量が高くなる（179.6pF）と予想されることがわかる。この場合、メニスカスは、図2の右側に相当する。この例では、電圧は、十分に高く、凹状のメニスカスが得られる。

低電圧では、図1の左側の結果となり、62.7pFの低い容量が得られる。

しかしながら、抵抗に関しては、測定結果は、予想とは異なっている。図2に示すように、高い電圧では、抵抗の増大が生じると予想されるが、実際には、高い電圧で、抵抗の減少が生じている。この矛盾は、ITO電極14、16によるものである。これらの電極は、エレクトロウェッティングレンズの液体とほぼ等しい抵抗を有する。電圧が高く、平坦または凹状のメニスカスの場合、円筒状壁と接する液体の全面積が増大し、抵抗がより低くなる。この影響は、図2に示すように、円筒の端部近傍において、導電性溶液の体積が減少する影響よりも大きいことは明らかである。

適正なモデル化または評価を用いることにより、メニスカス位置が抵抗および容量に及ぼす影響を事前に把握することができ、抵抗および容量の影響を用いて、メニスカスの位置を測定することができる。抵抗は、単独で使用しても良く、あるいは容量と組み合わせて使用しても良く、これによりフィードバック機能が提供される。

また、電極面積が大きくなると、高い電極抵抗の影響が助長され、抵抗の減少がより顕著となる。従って、抵抗が高い、例えば非金属の電極を使用して、この効果を助長させ、これにより、導電性レンズ液体の抵抗に比べて、電極抵抗をより支配的にすることができる。例えば、壁電極を、導電性液体よりも抵抗の高い材料で構成しても良い。

電極に生じる追加抵抗は、レンズの容量が小さいため、レンズの応答時間に影響を及ぼす。しかしながら、レンズの応答時間は、流体の原動力によって制限される。レンズの帯電を防止するため、レンズが大きな対称交流電圧で駆動される場合、電極のこの直列抵抗によって、好ましくない損失が生じる。

このように、レンズパワーのフィードバックを行う際に、抵抗測定を用いる多くの方法があり、異なる電極およびレンズ材料には、異なる方式が適する場合がある。本発明は、検出パラメータとして、そのような抵抗情報のいかなる使用をも網羅するものであり、この抵抗は、必ずしもパラメータから抽出される必要はなく、例えば、時定数は、後続の抵抗値の取得ステップを行わずに、取得されても良い。例えば、時定数に関する情報は、印加正弦波電圧と、この電圧によってレンズを流れる誘導電流の間の位相関係から得られても良い。

前述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。このレンズの円対称構造のため、重力または他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、この電極構造を用いて、メニスカス形状の非対称な変化を測定することは、難しい。

本発明は、角度的に離間された電極セグメントを有するレンズの設計に適用することも可能である。これらのセグメントは、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に使用することができる。この方法では、非対称性が検出できる。制御電極配置の適切な設計を用いることにより、この検出された非対称性を補正することができる。

図10には、壁電極16が複数の軸方向電極100に分割されている配置を示す。この場合、抵抗測定（および必要であれば容量測定）は、各個々の軸方向電極と底部電極14の間の経路に対して実施される。

この方法では、電極100の各々に対して、底部電極14に対する測定が、別個に実施できる。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、測定値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100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。これは、重力によるレンズ収差の補正に利用することができる。

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11に示す。

各電極100は、前述のように測定回路110に接続され、検出動作が実施される。電極100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。比較器114からのエラー値を受信するループフィルタ112を用いることにより、電圧の制御が可能となる。比較器114は、測定値と、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、DSP（デジタル信号プロセッサ）を用いて、測定値と参照値の間の比較結果の出力に基づいて、電圧を計算することも可能である。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116は、フィルタまたはDSPによって制御され、電極100に駆動電圧を提供する。

本発明によって提供されるフィードバック情報は、単一の電極方式と、セグメント化された電極方式のいずれにおいても、従来の方法で使用することができ、この目的のため、過去に提案された容量の単独測定と同様の方法で、レンズパワーのフィードバック制御が提供される。

当業者には、各種変更が明らかである。

従来のエレクトロウェッティングレンズの構成を示す図である。 レンズ液体を介する抵抗によって、メニスカス位置を変化させる方法を示す図である。 本発明の第1の測定例を示す図である。 本発明のレンズシステム内の回路を示す図である。 図6乃至9の結果を得るための、図4の回路の実験的な配置を示す図である。 2つの異なる電圧駆動条件における、レンズの一時的な応答を示す図である。 図6のプロットの解析例を示す図である。 回路内に追加抵抗体を設置した場合の、2つの異なる電圧駆動条件における、レンズの一時的な応答を示す図である。 図8のプロットの解析結果を示す図である。 本発明のシステムに使用される異なるレンズ構造を示す図である。 図10のレンズに使用される駆動検出回路を示す図である。

Claims (23)

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する電極配置であって、第1および第2の電極を有する電極配置と、
   前記第1および第2の電極の間の、前記レンズ流体の少なくとも一つを介する電気抵抗に依存するパラメータを決定する手段と、
   を有する、制御可能な光学レンズシステム。
2. 前記決定する手段は、前記第1および第2の電極の間の電気抵抗と、容量とを決定する手段であることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
3. 前記決定する手段は、
   交流電源と、
   該交流電源によって供給される電流を解析する手段と、
   を有することを特徴とする請求項1または2に記載のシステム。
4. 前記決定する手段は、さらに、前記電源と前記第1および第2の電極の一つの間に、直列の第1の抵抗体を有し、
   前記交流電源によって供給される電流を解析する前記手段は、前記第1の抵抗体での電圧降下を解析することを特徴とする請求項3に記載のシステム。
5. 解析する前記手段は、当該システムの応答に対する時定数を決定する手段であることを特徴とする請求項4に記載のシステム。
6. さらに、第2の直列抵抗体を有し、該第2の直列抵抗体は、回路内で、前記第1の抵抗体と選択的に切り替えられることを特徴とする請求項4に記載のシステム。
7. 前記解析する手段は、前記第2の直列抵抗体を有する当該システムおよび前記第2の直列抵抗体を有さない当該システムの応答に対する、第1および第2の時定数を決定する手段であることを特徴とする請求項6に記載のシステム。
8. 前記時定数は、最適フィッティング解析により得られることを特徴とする請求項7に記載のシステム。
9. 前記決定する手段に使用される前記交流電源の信号は、前記レンズを駆動するために使用される直流電源信号に重畳されることを特徴とする請求項3乃至8のいずれか一つに記載のシステム。
10. 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前記請求項のいずれか一つに記載のシステム。
11. 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10に記載のシステム。
12. 前記流体の一方が前記側壁電極と重なる領域は、前記レンズ表面の位置に依存して変化し、前記側壁電極は、前記流体の前記一方よりも高い抵抗を有する材料で構成されることを特徴とする請求項10または11に記載のシステム。
13. 前記側壁電極は、非金属で構成されることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
14. 前記第1の流体は、極性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つに記載のシステム。
15. 制御可能な光学レンズのレンズ位置を検出する方法であって、
    前記レンズは、第1および第2の液体を収容するチャンバであって、前記液体の間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する電極配置と、を有し、
    前記電極配置は、第1および第2の電極を有し、
    当該方法は、
    前記第1および第2の電極の間の、前記レンズ液体の少なくとも一つを介する電極抵抗に依存するパラメータを決定するステップと、
    前記パラメータを使用して、前記レンズ表面の位置を決定するステップと、
    を有する方法。
16. さらに、前記第1および第2の電極間の電極容量を決定するステップを有することを特徴とする請求項15に記載の方法。
17. パラメータを決定するステップは、前記レンズの充電の時定数を決定するステップを有することを特徴とする請求項15または16に記載の方法。
18. パラメータを決定するステップは、追加の既知抵抗を有する場合と、追加の既知抵抗を有さない場合の、前記レンズの2つの充電の時定数を決定するステップと、前記2つの時定数の測定から、前記レンズの容量および抵抗を決定するステップと、を有することを特徴とする請求項17に記載の方法。
19. 時定数を決定するステップは、交流電圧で、前記レンズを駆動するステップを有することを特徴とする請求項17または18に記載の方法。
20. 充電の時定数を決定するステップは、直流電圧とより低い電圧の矩形波交流電圧の重畳電圧で、前記レンズを駆動するステップを有することを特徴とする請求項17または18に記載の方法。
21. 充電の時定数を決定するステップは、直流電圧とより低い電圧の正弦波交流電圧の重畳電圧で、前記レンズを駆動するステップ、および前記電圧と前記レンズに誘導される電流の間の位相関係を測定するステップを有することを特徴とする請求項17または18に記載の方法。
22. 前記時定数は、最適フィッティング解析により得られることを特徴とする請求項17乃至21のいずれか一つに記載の方法。
23. 前記時定数は、参照表を用いることにより得られることを特徴とする請求項17乃至21のいずれか一つに記載の方法。

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