JP2009523257A

JP2009523257A - エレクトロウェッティングレンズの制御

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Publication number: JP2009523257A
Application number: JP2008549953A
Authority: JP
Inventors: イフォンフランシスクスヘルヴェヒェン; ベルナルドゥスヘンドリクスヴィルヘルムスヘンドリクス; ステインカイゥペル
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2007-01-04
Publication date: 2009-06-18
Also published as: EP1977273A1; CN101371168A; TW200734685A; WO2007080521A1; US20090009881A1; KR20080084824A

Abstract

エレクトロウェッティングレンズ４１、４２に対する制御回路４０は、制御可能な電圧供給４６を生成するドライバ回路４５並びに前記制御可能な電圧供給を受けるように各々接続された第１の電圧変調器４３及び第２の電圧変調器４４を含む。前記第１及び第２の電圧変調器は、前記電圧供給から第１の変調電圧出力３２及び第２の変調電圧出力３３をそれぞれ生成するように構成される。コントローラ４９は、少なくとも１つの設定点信号５３、５２を受信し、その機能として、（ｉ）前記電圧供給を生成するように前記ドライバ回路を制御し、（ｉｉ）前記第１及び第２の変調出力を生成するように前記第１及び第２の電圧変調器を制御する。

Description

本発明は、エレクトロウェッティングレンズのような高電圧素子の電気制御に関し、このようなレンズの焦点合わせ及びズームを制御する方法及び制御回路に関する。

焦点合わせ及びズームの両方の機能を持つカメラに対する従来のレンズアセンブリは、典型的には固定の表面曲率を持つ固体である複数のレンズ素子を必要とする。これらのレンズ素子は、様々な組み合わせにグループ分けされることができる。このようなアセンブリにおける１より多いレンズの移動は、焦点合わせ及びズームの両方を可能にする。機械的移動の必要性のため、従来の固体レンズを使用して作られたズームレンズアセンブリは、追加の移動を調整するために前記アセンブリの光軸にそって追加の空間を必要とする。また、１以上のアクチュエータ及び様々な機械部品が、一般に、制御可能な機械的移動を得るために必要とされる。このようなシステムに関連した問題は、電気モータを駆動する電気エネルギの消費、複雑かつ精密な移動部品の脆弱性、及び前記アセンブリを小型化する能力に対する制限を含む。

特に小型カメラに適した、焦点合わせ及びズームに対する代替的な解決案は、いわゆるエレクトロウェッティングレンズの使用である。このようなレンズは、界面において互いに接触する、流体室に収容された異なる屈折率の２つの透明かつ非混合流体からなる。前記流体室の壁に電場を印加すると、前記界面において形成されたメニスカスの接触角度を変化させ、したがって前記レンズの焦点性質を変更する。重要なことに、レンズ全体は、焦点性質を変更するために光学経路において移動される必要がない。

２つのこのようなエレクトロウェッティングレンズを追加の適切な固定レンズと組み合わせることにより、ズーム機能は、前記レンズの機械的移動を必要とせずに可能にされる。これは、固体レンズの同等なアセンブリと比較して、前記レンズアセンブリの機械的複雑さを大幅に低減し、ロバスト性を増大し、所定のズーム機能及び焦点範囲に必要とされるアセンブリのサイズを最小化することができる。エレクトロウェッティングレンズを使用するズーム機能の他の利点は、ズームの変更が、非常に速く、典型的には従来のモータ又はアクチュエータを用いるより大幅に速く実行されることができることである。ズーム範囲全体が、１０ｍｓ内に切り替えられることができる。

エレクトロウェッティングレンズを有するズームレンズアセンブリの１つの例は、ＷＯ／２００４／０３８４８０に開示されており、２つの独立に制御可能なエレクトロウェッティングレンズが単一の流体室に収容されている。ズーム及び焦点合わせの両方が、両方のレンズに対する駆動電圧を変化することにより可能である。別々に制御可能な電圧源が各レンズを駆動するのに使用される。

２つのエレクトロウェッティングレンズを使用する自動焦点合わせ及びズームアセンブリに対する制御システムを有するデジタルカメラモジュールの概略的なブロック図が、図１に示されている。入射光３は、第１のエレクトロウェッティングレンズ１及び第２のエレクトロウェッティングレンズ２を通過することにより画像センサ４上に焦点合わせされる。他の固定レンズ（図示されない）は、レンズ１及び２の前、後ろ又は間に配置されてもよい。第１のレンズ１は、第１のドライバ５により制御されるのに対し、第２のレンズ２は、第２のドライバ６により制御される。各ドライバ５、６は、それぞれのレンズ１、２に制御電圧を印加する。

画像センサ４は、入射光３をメモリに記憶されることができる電気信号に変換する。画像センサ４は、前記画像からＲＧＢ又はＹＵＶ信号を生成し、当該信号は、カメラ信号プロセッサ（ＣＳＰ）７にフィードされる。前記ＣＳＰ内のビデオ信号プロセッサ１１は、画像センサ４からの信号を処理し、ビデオ出力信号１２を出力する。鮮明度信号生成器８も、画像センサ４からの信号を処理し、鮮明度信号１０を生成する。例えば画像情報の高周波成分から生成されることができる鮮明度信号１０は、如何なる瞬間でも前記画像の鮮明度のレベルを表す。自動焦点合わせ及びズームアルゴリズム９は、前記鮮明度信号を取り、複数の鮮明度信号の差から誤差信号を生成する。焦点合わせに対して、アルゴリズム９は、前記誤差信号をドライバ５及び６の一方を介して適切なレンズに供給されるレンズドライバ信号に変換する制御ループを含む。

ズームに対して、自動焦点合わせ及びズームアルゴリズム９は、ユーザ入力１３を受け、ドライバ５、６に送信され、そこからレンズ１、２に送信される２つのレンズドライバ信号を生成する。１つのレンズが、前記レンズアセンブリのズームのレベルを制御することができるのに対し、１つのレンズのみの焦点距離を変更することは、前記画像が焦点から出る結果となり、したがって他の調節が、これを補償するために第２のレンズに対して必要とされる。有利には、如何なるズームレベルに対しても如何なる物体距離に対する所定の焦点合わせレベルが存在するので、この動作は同時に実行される。前記ズームレベルの変更は、したがって、同時に前記ＣＳＰにより設定される同じ物体距離を維持しながら行われることができる。

従来技術の解決法の１つの問題は、２つの別のドライバ及び電圧源が使用されることである。したがって、焦点合わせ及びズーム用のエレクトロウェッティングレンズを組み込んだカメラに対して、２つの高電圧ドライバ集積回路（ＩＣ）が必要とされる。これは、２つの主な不利点を持つ。第一に、携帯電話又は小さなデジタルカメラのような持ち運び可能な小さなフォームファクタアプリケーションにおいて、周辺電子機器と一緒の２つのＩＣは、より多くのプリント回路基板面積を必要とする。第二に、アップコンバータ又はチャージポンプのような高電圧ドライバは、かなり低い効率を持ち、大きなレベルの電力を消費し、したがってこのような解決法のドライバ電子機器の電力消費は２倍になる。

本発明の目的は、焦点合わせ及びズームレンズを駆動する単一の高電圧源の使用を容易にすることである。

一態様によると、本発明は、エレクトロウェッティングレンズに対する制御回路であって、
制御可能な電圧供給を生成するドライバ回路と、
前記制御可能な電圧供給を受けるようにそれぞれ接続され、前記制御可能な電圧供給から第１及び第２の変調電圧出力をそれぞれ生成するように構成された第１及び第２の電圧変調器と、
少なくとも１つの設定点信号（set point signal）を受信するように構成されたコントローラであって、その機能として、（ｉ）前記電圧供給を生成するように前記ドライバ回路を制御し、（ｉｉ）前記第１及び第２の変調出力を生成するように前記第１及び第２の電圧変調器を制御するように構成された当該コントローラと、
を有する制御回路を提供する。

他の態様によると、本発明は、第１及び第２の電気的に制御可能なレンズを含むカメラの焦点合わせ及び／又はズーム動作を制御する方法であって、
設定点信号を受信するステップと、
前記設定点信号に基づいて、前記レンズのそれぞれを制御するのに必要とされる第１及び第２の電圧値を決定するステップと、
少なくとも前記第１及び第２の電圧値の高い方と同じ高さの電圧出力を生成するようにドライバを調節するステップと、
電圧供給から前記第１及び第２の電圧値に対応する第１及び第２の変調電圧出力を生成するように第１及び第２の電圧変調器を制御するステップと、
前記第１及び第２の変調電圧出力をそれぞれ用いて前記第１及び第２のレンズを駆動するステップと、
を有する方法を提供する。

本発明の実施例は、添付の図面を参照して例としてここに記載される。

本発明は、エレクトロウェッティングレンズのローパス電気フィルタ性質を使用する。図２は、エレクトロウェッティングレンズ２１の単純化された等価電気回路を示す。レンズ２１は、レンズキャパシタンスＣ_lens２３、直列抵抗Ｒ_s２２及び並列抵抗Ｒ_p２４により特徴づけられることができる。直列抵抗２２は、レンズキャパシタンス２３と一緒にローパスフィルタとして機能する。前記レンズにおけるＤＣ漏電を表す並列抵抗２４は、典型的には、無視されるのに十分に高い。

前記ローパスフィルタは、出力が、入力に対して−３ｄＢである周波数ｆにより特徴づけられ、これは、
ｆ＝１／(２πＲ_sＣ_lens) ［１］
により与えられる。

したがって、エレクトロウェッティングレンズ２１に印加される交流電圧信号は、高周波成分が前記レンズを通過し、低周波成分のみが前記レンズの焦点合わせ性質を大幅に変更する信号を形成する効果とともに前記レンズ自体の性質によりフィルタリングされる。

パルス幅変調（ＰＷＭ）スキームのようにデジタルで切り替えられる信号は、したがって、駆動信号としてエレクトロウェッティングレンズ２１に直接的に印加されることができる。前記信号の高周波切り替え成分はフィルタリングされ、ＤＣ電圧レベル成分は前記レンズに印加される。

典型的なエレクトロウェッティングレンズに対して、ｆに対する値は、数ＭＨｚのオーダーである。このような高周波においてＰＷＭ信号を切り替えることは、大量の電流が前記レンズを通過し、したがって高い電力消費の結果となる。しかしながら、流体界面が形状を変更することができる速度に関連して前記レンズ部品の機械的制限のため、有効な−３ｄＢ周波数は約１００Ｈｚである。したがって、５ないし１０ｋＨｚの低い切り替え周波数が使用されることができ、前記レンズを通る高周波成分の通路での電力のより穏当な損失を生じる。

図３は、２つのエレクトロウェッティングレンズに印加されるＰＷＭ信号に対する典型的な駆動スキームを示す。ＰＷＭクロックパルス信号３１は、２つの別の駆動信号３２、３３の切り替え周波数を命令する。第１の駆動信号３２は、第１のレンズ１に印加され、前記第１の信号のデューティサイクルの関数として変化するレンズメニスカスに対する駆動電圧を生じ、前記デューティサイクルは、前記信号のオン及びオフ状態の各クロックサイクルに対する継続時間の間の比であるように定義される。第２の駆動信号３３は、第２のレンズ２に印加され、これは、この特定の場合に、比較的小さいデューティサイクルのために低い駆動電圧を生じる。

図３に示されたスキームを使用して、２つのエレクトロウェッティングレンズを駆動するためには、各レンズに対して必要とされるＤＣ電圧のレベルによって変化するように計算されたデューティサイクルにおいてそれぞれ駆動される、２つのパルス幅変調器により変調されることができる単一の高電圧源のみを必要とする。

図４に示されるのは、図３の変調スキームを使用して２つのエレクトロウェッティングレンズを駆動する制御回路４０の概略的表現である。第１のエレクトロウェッティングレンズ４１及び第２のエレクトロウェッティングレンズ４２は、この場合にパルス幅変調により動作する第１の電圧変調器４３及び第２の電圧変調器４４に接続される。変調器４３、４４は、制御信号４７、４８を介してコントローラ４９により制御される。制御信号４７、４８は、それぞれの電圧変調器４３、４４の各々のデューティサイクルを制御する。コントローラ４９は、高電圧制御信号５０及びイネーブル信号５１を介して、高電圧ドライバモジュール４５の動作をも制御する。高電圧ドライバモジュール４５は、前記コントローラから受信された信号５０によって電圧変調器４３、４４に高電圧信号４６を供給する。

焦点誤差信号５２及びズーム設定点信号５３は、前記コントローラに対する入力を形成し、前記コントローラは、前記入力から、エレクトロウェッティングレンズ４１、４２を駆動する様々な信号５０、５１、４７、４８を得る。

図４の前記制御回路は、高電圧信号４６が、エレクトロウェッティングレンズ４１、４２の各々を駆動するのに必要とされる前記２つの信号の高い方を駆動するのに十分に高いレベルに設定されるように構成されることができる。これは、高電圧ドライバモジュール４５の動作の効率が最大化されるという利点を持つ。１つの高電圧ドライバモジュール４５のみが使用されるので、この制御回路は、２つの別個の可変高電圧ドライバ回路を使用するものと比較して減少されたコスト及びサイズを持つ。

したがって、一般的な態様において、コントローラ４９は、好ましくは、２つのレンズ駆動信号３２、３３の高い方に必要とされるレベル又はそれに近いレベルに前記高電圧供給を設定し、前記高電圧供給レベルにおける又は近い変調電圧出力を生成するように前記電圧変調器の第１の電圧変調器を制御し、前記高電圧供給レベルより大幅に小さいレベルにおける変調電圧出力を生成するように前記電圧変調器の第２の電圧変調器を制御するように構成される。ここで使用される表現'レベル'は、もちろん、ＰＷＭのような如何なる変調をも考慮に入れて平均レベルを指す。

機械的アクチュエータを持つ応用において、焦点合わせ及びズームレンズは、第１のレンズが移動される場合に第２のレンズが自動的に移動するように機械的に結合されることができる。これは、このようなシステムが、所定の物体距離を維持しながらズーム機能を変更することを可能にする。同等の振る舞いは、制御信号４７、４８を維持しながら高電圧制御信号５０を変更することにより図４のシステムを使用して電子的に達成されることができ、これにより同じ比率で各レンズ４１、４２の焦点を変更する。焦点誤差信号４２による他の微調整動作は、この場合、正しい焦点を得るために使用されることができる。

レンズ４１、４２を効率的に駆動するために、如何なる焦点合わせ及びズームレベルに対する電圧も、好ましくは、コントローラ４９内に含まれるか又はコントローラ４９の外部でありコントローラ４９によりクエリされるかのいずれかであるルックアップテーブル５４から得られる。前記ルックアップテーブルに対するエントリは、焦点誤差信号５２及び／又はズーム設定点信号５３に基づく値からなることができる。前記テーブルからの出力は、高電圧制御信号５０、イネーブル信号５１、第１の制御信号４７及び第２の制御信号４８が決定される値からなることができる。前記ルックアップテーブルから出力される値は、電圧自体であってもよく、又は代わりに電圧が決定されることができる値であってもよい。

図５に示されるのは、フローチャート形式のコントローラ４９の動作に対するアルゴリズムである。前記アルゴリズムの開始に続いて、コントローラ４９は、ステップ６１においてズーム設定点信号５３を確認する。このズーム設定点信号５３及び前記物体距離の現在の設定点をかんがみて、第１のレンズ４１及び第２のレンズ４２を駆動するのに使用されるべき電圧に対する適切なレベルは、ステップ６２においてルックアップテーブルから得られる。ステップ６３において、前記コントローラは、どちらが前記２つの電圧の高い方であるかを決定し、前記第１のレンズ電圧が高い場合にはステップ６５に進み、前記第２のレンズ電圧が高い場合にはステップ６４に進む。ステップ６４又は６５において、'Ctrl HV'信号５０は、前記高い方のレンズ駆動電圧に基づいて、適切なレベルに設定される。ステップ６６又は６７において、適切な電圧変調器に対するデューティサイクルが１００％に設定されるのに対し、他方の変調器に対するデューティサイクルが、比例して減少された値に設定される。

例えば、第１のレンズ４１が２０Ｖの電圧を必要とし、第２のレンズ４２が７０Ｖの電圧を必要とする場合、'Ctrl HV'入力５０は７０Ｖに設定される。これは、'Ctrl HV'５０をより高い電圧に設定することが、追加の利益無しで高い電力消費を生じるので、前記回路をより効率的するという利点を持つ。前記第２の電圧変調器に対するＰＷＭデューティサイクルは、この場合、１００％に設定され、したがって、前記第２のレンズに完全な高電圧信号４６を供給する。前記第１の電圧変調器に対するデューティサイクルは、２０／７０＝２８．６％に設定される。

前記コントローラは、次いで、ステップ６８において、例えば所定の遅延時間だけ待機する又はフィードバック制御信号を待機することにより、ズーム動作が完了するまで待機する。前記コントローラは、次いで、ステップ６９において、焦点が変更される必要があるかどうかを確認する。前記システムの焦点が合っていない場合、すなわち焦点誤差信号５２が最小化されない場合、前記コントローラは、第一に、ステップ７０において、どちらのレンズが前記アセンブリの前記物体距離を変更するのに使用される必要があるかを確認する。前記コントローラは、次いで、ステップ７１において、どれだけ前記レンズの一方又は両方が前記画像を焦点に合わせるために変更される必要があるかを推定する自動焦点アルゴリズムを呼び出す。ステップ７２において、前記コントローラは、適切な量だけ適切な電圧変調器４３、４４のデューティサイクルを変更する。このループは、この場合、前記画像が焦点に合わせられるまで繰り返す。

一度前記システムが焦点に合わせられる、すなわち焦点誤差信号５２が最小化されると、前記コントローラは、シャッターボタンが押されるのを待機する（ステップ７３）。一度前記ボタンが押されると、写真が撮られ（ステップ７４）、処理が終了する。

２つのエレクトロウェッティングレンズを使用するズームレンズ設計の例は、図６に概略的に示される。この例において、２つのエレクトロウェッティングレンズ４１、４２は、第１の固定焦点レンズアセンブリ８１により分離される。第２の固定焦点レンズアセンブリ８２は、第２のエレクトロウェッティングレンズ４２と画像面８６との間に配置される。図６は、最大、半分及び最小ズームレベルにそれぞれ対応する'tele'、'half'及び'wide'である３つのモードにおける光路を示す。画像面８６における視野は、'wide'モードにおいて最も広く、'tele'モードにおいて最も狭い。各モードが画像面８６上に焦点を合わせられる入射光線８３、８４、８５の範囲が示される。各レンズ４１、４２に対する印加電圧を変更することは、同じ物体距離が各ズームレベルにおいて維持されることを可能にする。

図７は、ＡＣ駆動信号が各レンズ４１、４２を駆動するのに使用されるべきである、交流パルス幅変調スキームを示す。ＡＣクロック信号７５が、ＰＷＭクロック信号７６と一緒に提供される。これは、第１のレンズ駆動信号７７及び第２のレンズ駆動信号７８に帰着する。この例において、ＰＷＭクロック信号７６により与えられるＰＷＭクロック周波数は、前記ＰＷＭクロック周波数がＡＣ駆動信号周波数の整数倍であるようにＡＣ駆動信号７５の周波数と同期される。前記ＡＣクロック信号は、前記ＡＣクロック信号がゼロである期間に対して信号７７、７８が反転されるように前記レンズ駆動信号上に重ねられる。

図７に示される駆動スキームは、高調波と一緒に前記ＡＣクロック信号周波数における基本周波数を有する、交流電圧でレンズ４１、４２を駆動する効果を持ち、前記高調波の一部又は全てが、レンズ４１、４２自体によりフィルタリングされることができる。

上記記載は、パルス幅変調により生成されるレンズ駆動信号に適用されるが、レンズ４１、４２に対して必要とされる電圧を生成するのに使用されることができる本発明の範囲に入る他の確率が存在する。１つのこのような代替例は、抵抗器ネットワークが、異なる駆動電圧を生成するために切り替えられることができることである。このような例は、可変抵抗器又は切り替えられることができる抵抗器のアレイを持つ分圧器の形をとりうる。前記抵抗器ネットワークにおける電力損失を最小化するために、高い値の抵抗器が必要とされ、これは、レンズキャパシタンスの充電及び放電による焦点合わせ及びズーミング方法の整定時間を増大する。また、前記抵抗器ネットワークを組み込んだ集積回路の増加された面積が、より大きな抵抗器に対して必要とされる。

一般的な態様において、図８ａないし８ｃに示されるのは、本発明とともに使用するのに適したタイプの可変焦点エレクトロウェッティングレンズの例である。前記エレクトロウェッティングレンズは、２つの流体１０６、１０７を収容する流体室１０５を形成するように透明な前部素子１０３及び透明な後部素子１０４を用いてシーリングされた毛細管を形成する円柱状の第１の電極１０２を有する。電極１０２は、管の内壁に付着された導電性コーティングであってもよい。

２つの流体１０６、１０７は、シリコーンオイル又はアルカンのような電気絶縁第１流体１０６、及び塩水溶液のような導電性第２流体１０７の形式の２つの非混合流体からなる。前記２つの流体は、好ましくは、前記レンズが、向きと独立に、すなわち前記２つの流体間で重力効果に依存せずに機能するように、等しい密度を持つように構成される。これは、前記第１の流体の構成物質の適切な選択により達成されることができ、例えばアルカン又はシリコーンオイルが、前記塩水溶液の密度と一致するように密度を増加するように分子成分の追加により修正されることができる。

この例における前記流体は、第１の流体１０６が、第２の流体１０７の屈折率より高い屈折率を持つように選択される。

第１の電極１０２は、典型的には１ｍｍないし２０ｍｍの内径の円柱である。電極１０２は、金属材料から形成され、例えばパリレンで形成される絶縁層１０８によりコーティングされる。前記絶縁層は、典型的には１μｍないし１０μｍの厚さを持つ。前記絶縁層は、前記流体室の円柱壁に対する前記メニスカスの接触角度におけるヒステリシスを減少する流体接触層１１０でコーティングされる。前記流体接触層は、好ましくは、ポリテトラフルオロエテン（ＰＴＦＥ）のようなアモルファスフッ化炭素から形成される。流体接触層１１０は、５ｎｍないし５０μｍの厚さを持つ。第２の流体１０７による流体接触層１１０の湿潤性は、好ましくは、第１の電極１０２と第２の電極１１２との間に電圧が印加されない場合には、流体接触層１１０とのメニスカス１１４の交点の両側において実質的に等しい。

第２の環状電極１１２は、前記流体室の片側に、この場合には後部素子１０４に隣接して配置される。第２の電極１１２は、電極１１２が第２の流体１０７に作用するように前記流体室の少なくとも一部に配置される。

２つの流体１０６、１０７は、メニスカス１１４により分離された２つの流体を形成する傾向になるように混和しない。前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されない場合、流体接触層１１０は、第２の流体１０７より第１の流体１０６に対して高い湿潤性を持つ。エレクトロウェッティングにより、第２の流体１０７による湿潤性は、第１の電極１０２と第２の電極１１２との間の電圧の印加下で変化し、これは、三相線（流体接触層１１０と２つの流体１０６、１０７との間の接触の線）におけるメニスカス１１４の接触角度１１１ａ‐ｃを変更する傾向にある。メニスカス１１４の形状は、したがって、印加電圧に依存して可変である。

例えば０Ｖないし２０Ｖの低電圧Ｖ₁が電極１０２と１１２との間に印加される場合、メニスカス１１４は、第１の凹状メニスカス形状を採用する。この構成において、第２の流体１０７において測定されたメニスカス１１４と流体接触層１１０との間の初期接触角度１１１ａは、例えば１４０°である。第２の流体１０７より高い第１の流体１０６の屈折率のため、メニスカス１１４により形成されるレンズは、この構成において比較的高い負の度（negative power）を持つ。

前記メニスカス形状の凹度を減少するために、より高い規模の電圧が、第１の電極１０２と第２の電極１１２との間に印加される。図８ｂを参照すると、中間電圧Ｖ₂、例えば（絶縁層１０８の厚さに依存して）２０Ｖないし１５０Ｖが、電極１０２と１１２との間に印加される場合、メニスカス１１４は、図８ａのメニスカス１１４と比較して増大された第２の曲率を採用する。この構成において、メニスカス１１４と流体接触層１１０との間の中間接触角度１１１ｂは、例えば約１００°である。第２の流体１０７より高い第１の流体１０６の屈折率のため、前記構成におけるメニスカスレンズは、比較的低い負の度を持つ。

凸状メニスカス形状を生じるために、更に高い規模の電圧が、第１の電極１０２と第２の電極１１２との間に印加される。図８ｃを参照すると、比較的高い電圧Ｖ₃、例えば１５０Ｖないし２００Ｖが、前記電極間に印加される場合、前記メニスカスは、凸形状を採用する。この構成において、メニスカス１１４と流体接触層１１０との間の接触角度１１１ｃは、例えば約６０°である。第２の流体１０７より高い第１の流体１０６の屈折率のため、この構成におけるメニスカスレンズは、正の度を持つ。

前記流体接触層に対する導電性液体１０７の接触角度θの変化は、
cosθ＝cosθ₀＋(εＶ²)／(２γ_ciｄ_f) ［２］
ここでθ₀は'オフ'状態、すなわち印加電圧無しの接触角度であり、εは絶縁層１０８の誘電率であり、ｄ_fは前記絶縁層の厚さであり、γ_ciは流体１０６と１０７との間の界面張力であり、Ｖは印加電圧である。式［２］は、初期接触角度θ₀が存在する場合、すなわち＜θ₀＜１８０°である場合に有効である。しかしながら、これは、特にＰＴＦＥのようなフッ化炭素コーティングに対してはそうでないかもしれない。前記壁と導電性液体１０７との間の界面張力γ_wcが、前記壁と絶縁流体１０６との間の界面張力γ_wi及び流体／流体界面張力γ_ciの和より大きい場合、前記導電性液体と前記壁との間の薄い油膜の形成は、エネルギ的に好ましい。この場合、前記壁と前記導電性液体との間に直接的な接触が存在しないので、前記接触角度は規定されない。正確な式は、
cosθ＝(γ_wi−γ_wc)／(γ_ci)＋(εＶ²)／(２γ_ciｄ_f) −１≦cosθ≦１［３］
である。

上の場合、項(γ_wi−γ_wc)／(γ_ci)は−１より小さい。式［３］は、したがって、特定の閾値電圧の上のみで有効になる。この電圧以下では、前記接触角度は効果的に１８０°である。

更に、接触角度θ、円柱の内径Ｒ_c及びメニスカスの曲率半径Ｒ_mの関係は、
cosθ＝−Ｒ_c／Ｒ_m ［４］
により与えられる。

したがって、(γ_wi−γ_wc)／(γ_ci)が約−１である場合、
Ｒ_c／Ｒ_m＝１−(εＶ²)／(２γ_ciｄ_f) ［５］
であることを見つける。

第１のエレクトロウェッティングレンズ４１及び第２のエレクトロウェッティングレンズ４２に対するＲ_m／Ｒ_c値及び視野に関する図６の３つの異なるズーム構成の表が下に示される。表１において、前記値は、無限物体距離における３つの異なるズームレベルに対して与えられる。表２及び３は、どのようにしてこれらの値が各ズームレベルにおいて２つの他の典型的な物体距離に対して変更されるかを示し、表２において第１のレンズ４１に対する値を示し、表３において第２のレンズに対する値を示す。

上に記載された典型的な実施例が、単一の高電圧源を使用する２つのエレクトロウェッティングレンズだけの制御を示しているが、記載された原理は、それぞれの変調器回路をそれぞれ持つ２より多い独立に制御可能なレンズに拡張することができることが理解される。

本発明が、エレクトロウェッティングレンズを制御するためにだけ適用可能であるわけではなく、複数の高電圧駆動スキームが必要である他の応用においても利用可能でありうることも理解される。例えば、エレクトロウェッティングダイアフラムのような他のエレクトロウェッティングデバイスが、本発明の制御回路を使用して駆動されることができる。圧電アクチュエータ又はエレクトロルミネセントバックライトのような複数の高電圧駆動信号を必要とする他のデバイスは、本発明とともに使用するのに適しているかもしれない。

他の実施例は、添付請求項の範囲内であると想定される。

エレクトロウェッティングレンズを使用するデジタルカメラの概略的なブロック図を示す。エレクトロウェッティングレンズに対する単純化された等価電気回路を示す。２つのエレクトロウェッティングレンズを駆動するパルス幅変調スキームを示す。焦点合わせ及びズームシステムのブロック図を示す。典型的なレンズ駆動アルゴリズムのフローチャートを示す。３つの異なる動作モードにおける２つのエレクトロウェッティングレンズに基づくズームレンズの例を示す。ＡＣ駆動スキームに対するＰＷＭ信号の例を示す。調節可能なエレクトロウェッティングレンズの概略的な断面を示す。調節可能なエレクトロウェッティングレンズの概略的な断面を示す。調節可能なエレクトロウェッティングレンズの概略的な断面を示す。

Claims

エレクトロウェッティングレンズに対する制御回路において、
制御可能な電圧供給を生成するドライバ回路と、
前記制御可能な電圧供給を受けるように各々接続され、前記電圧供給から第１及び第２の変調電圧出力をそれぞれ生成するように構成された第１及び第２の電圧変調器と、
少なくとも１つの設定点信号を受信し、その機能として、（ｉ）前記電圧供給を生成するように前記ドライバ回路を制御し、（ｉｉ）前記第１及び第２の変調出力を生成するように前記第１及び第２の電圧変調器を制御するように構成されたコントローラと、
を有する制御回路。
前記コントローラが、ズーム設定点信号及び焦点誤差信号の形式で設定点信号を受信するように構成される、請求項１に記載の制御回路。
前記第１及び第２の電圧変調器が、前記第１及び第２の変調出力を生成するようにパルス幅変調により前記制御可能な電圧供給を変調するように各々構成される、請求項１に記載の制御回路。
前記コントローラが、前記ズーム信号及び前記焦点信号の関数として前記エレクトロウェッティングレンズに対する電圧値を決定するルックアップテーブルを有する、請求項２に記載の制御回路。
前記第１及び第２の電圧変調器が、前記制御可能な電圧供給を変調するように構成された抵抗器ネットワークを各々有する、請求項１に記載の制御回路。
前記コントローラが、
必要とされる前記第１及び第２の変調出力の高い方における又は近い第１のレベルに前記制御可能な電圧供給を設定し、
前記第１のレベルにおける又は近い前記第１の変調電圧出力を生成するように前記第１の電圧変調器を制御し、
前記第１のレベルより低い第２のレベルにおける前記第２の変調電圧出力を生成するように前記第２の電圧変調器を制御する、
ように構成される、請求項４に記載の制御回路。
請求項１又は２に記載の制御回路と、
第１のエレクトロウェッティングレンズと、
第２のエレクトロウェッティングレンズと、
を有するカメラモジュールにおいて、
前記第１及び第２の電圧変調器が、前記第１及び第２の変調電圧出力をそれぞれ受信するように前記第１及び第２のエレクトロウェッティングレンズに電気的に接続される、カメラモジュール。
前記制御回路が、前記ドライバ回路並びに前記第１及び第２の電圧変調器を制御する制御信号を決定するために前記設定点信号に依存する値を前記コントローラに提供するように構成されたルックアップテーブルを有する、請求項７に記載のカメラモジュール。
第１及び第２の電気的に制御可能なレンズを含むカメラの焦点合わせ及び／又はズーム動作を制御する方法において、
設定点信号を受信するステップと、
前記設定点信号に基づいて、前記レンズのそれぞれを制御するのに必要とされる第１及び第２の電圧値を決定するステップと、
少なくとも前記第１及び第２の電圧値の高い方と同じ高さの電圧出力を生成するようにドライバを調節するステップと、
前記第１及び第２の電圧値に対応する第１及び第２の変調電圧出力を前記電圧供給から生成するように第１及び第２の電圧変調器を制御するステップと、
前記第１及び第２の変調電圧出力で前記第１及び第２のレンズをそれぞれ駆動するステップと、
を有する方法。
前記第１及び第２の電圧変調器が、パルス幅変調により前記第１及び第２の電圧出力を生成する、請求項９に記載の方法。
前記第１及び第２の電圧変調器が、抵抗器ネットワークを用いて前記第１及び第２の電圧出力を生成する、請求項９に記載の方法。