JP2011248211A - エレクトロ・ウェッティング現象を用いる光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】目標の界面状態までの過渡時間を柔軟に制御できると共に、界面状態安定化時の保持電力が不要ないし低減できるエレクトロ・ウェッティング現象を用いる液体型光学素子及びその制御方法を提供する。
【解決手段】液体型光学素子は、界面移動手段１１４と電圧印加手段１１３と連動制御手段１１５を有する。界面移動手段は、筐体１０１、１０２に封入された導電性液体１０３と絶縁性液体１０４間の界面１０５、２０６の位置を筐体の内壁面に沿って移動させる。電圧印加手段は、筐体の内壁面と境界が接する位置に絶縁層１０７を介して設けられた電極１０８と導電性液体間に電圧を印加する。連動制御手段は、界面移動手段と電圧印加手段の駆動を連動して制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、デジタルカメラやズーム光学系などに応用できる屈折力可変レンズ等のエレクトロ・ウェッティング現象を用いる液体型光学素子及びその制御方法に関する。

撮像光学系の小型化を実現するために、レンズそのものの光学特性を変化させることにより焦点距離を可変にする、いわゆるアクティブなパワー可変素子である液体レンズの採用が期待されている。液体レンズは、液体形状変化の制御方法の観点から、電気方式、機械方式、化学方式の３方式に大別される。電気方式は、絶縁性と導電性の２液を用い、その濡れ性を電界によって制御するエレクトロ・ウェッティング原理を用いる方式である。機械方式は、封止した液体に何らかの手段で圧力、応力、液体の量自体などを制御して形状を変化させる方式である。化学方式は、化学的な変化によって形状変化を実現する方式である。エレクトロ・ウェッティング原理、電気方式、機械方式の夫々の例について簡単に説明する。

例えば、平板電極の上に配置された誘電体フィルム上に置かれた導電性液体小滴を含むデバイスにおいて、導電性液体小滴と電極との間に電圧を印加すると、誘電体フィルム上での導電性液体小滴の接触角が変化する。この現象がエレクトロ・ウェッティング現象と呼ばれる。電気方式では、例えば、密閉収容室に、導電性の第１の液体と、これと混合しない絶縁性の第２の液体とが封入されていて、２つの電極間に電圧を印加して第１の液体に電界をかけることで第１及び第２の液体間の界面形状を変化させる（特許文献１参照）。機械方式では、例えば、第１の液体と第２の液体とが封入された収容室における液体の体積比を圧力機構により調整することで、第１の液体と第２の液体の界面形状を制御する（特許文献２参照）。

特開２００７−２９３３４９号公報 特開２００８−１５２０９０号公報

しかしながら、上述した従来の技術においては、以下の様な課題があった。
特許文献１に代表される電気方式では、屈折力安定時（界面安定化時）にも界面を一定曲率に保持するための待機電力が必要である。また、目標の屈折力に達した直後（目標の界面曲率に達した直後）にも界面が変動し易い。また、特許文献２に代表される機械方式では、目標の界面曲率に達するまでに或る程度の時間を要する。また、液体レンズへの振動や加速度によって界面が変動し易い。

上記課題に鑑み、本発明のエレクトロ・ウェッティング現象を用いる液体型光学素子は、界面移動手段と電圧印加手段と連動制御手段を有する。界面移動手段は、筐体に封入された互いに不混和な導電性液体と絶縁性液体により規定される界面の位置を筐体の内壁面に沿って移動させる。電圧印加手段は、筐体の内壁面と境界が接する位置に絶縁層を介して設けられた電極と導電性液体間に電圧を印加する。連動制御手段は、界面移動手段と電圧印加手段の駆動を連動して制御する。

本発明によれば、上記の如き界面移動手段と電圧印加手段を連動して制御できるので、目標の界面状態までの過渡時間等の過程を柔軟に制御できると共に、界面状態安定化時の保持電力を不要ないし低減できる。

電気駆動方式の屈折力可変液体レンズの構成図。 機械駆動方式の屈折力可変液体レンズの構成図。 本発明の実施例１のハイブリッド方式の屈折力可変液体レンズの構成図。 実施例１の様なレンズの界面の曲率変化、及びその機能ブロックを説明する図。 ハイブリッド制御による制御時間、界面曲率変化などを示す図。 制御パラメータを納めたテーブルの構成を示す図。 実施例１の様なレンズの制御の流れを説明するフローチャート。 屈折力検出を利用したハイブリッド方式液体レンズの構成と機能ブロックの図。 屈折力検出を利用したハイブリッド方式液体レンズの制御のフローチャート。 屈折力拡大のためのハイブリッド制御による制御時間などを示す図。 実施例２のハイブリッド制御による制御時間などを示す図。 実施例３のハイブリッド制御による制御時間などを示す図。

本発明の液体型光学素子及び制御方法は、筐体内の導電性液体と絶縁性液体間の界面の位置を移動させる手段及び筐体の内壁面と境界が接する位置にある絶縁層付き電極と導電性液体間に電圧を印加する手段の駆動を連動して制御することを特徴とする。この連動制御は、目標の界面状態にするために、界面移動手段の駆動による寄与と電圧印加手段の駆動による寄与との割合を制御しつつ両手段を駆動し、目標の界面状態に達したところで、その界面状態を維持する駆動状態に両手段を置くことで行われる。こうした構成では、界面移動手段と電圧印加手段の特性を組み合わせて利用するべく、これらを連動して制御するので、目標の界面状態までの過程を柔軟に制御できると共に、界面状態安定化時の保持電力を抑制できる。筐体は、どの様な形状のものでもよいが、例えば、光軸を含む面内での内壁面形状が直線（特に光軸に対して傾いた直線状）又は曲線状である筐体とすれば界面状態を制御し易くなる。温度を計測する温度センサを備えてもよく、この場合、温度センサによる温度計測結果を考慮して、界面移動手段と電圧印加手段の駆動の連動制御が行われる（後述の実施例１参照）。また、屈折力を検出する屈折力検出部を備えてもよく、この場合、屈折力検出結果を考慮して、界面移動手段と電圧印加手段の駆動の連動制御が行われる（後述の実施例１参照）。典型例を示す後述の実施例で説明される様に、連動制御は、場合に応じて様々な態様で実行することができる。

（実施例１）
本発明の実施例１を図１から図７を用いて説明する。本実施例は、電気駆動方式と機械駆動方式を組み合わせたハイブリッド駆動方式を用いた屈折力可変液体レンズに関する。ここでは、電気駆動方式は、エレクトロ・ウェッティング現象により筐体の内壁面と界面の接触角を制御する方式であり、機械駆動方式は、ポンプを用いた液量調整により湾曲した内壁面に沿って界面を移動させて接触角を制御する方式である。まず、図１で電気駆動方式の屈折力可変液体レンズを説明し、次に図２で機械駆動方式の屈折力可変液体レンズの説明を行う。そして、図３で、図１の電気駆動方式と図２の機械駆動方式を組み合わせた本実施例のハイブリッド駆動方式の液体レンズの説明を行う。

電気駆動方式の液体レンズの構成を示す図１は、液体レンズを側面から見た図であり、光軸は図中の上下方向であり、液体レンズは光軸に対して回転対称形状をなしている。１０１は、液体レンズを保持する透光性の平板状上側部材である。ここでは、アクリル製の透明基板である。１０２は、上側部材１０１と同じく液体レンズを保持する透光性の平板状下側部材である。同じくアクリル製の透明基板で構成され、上側部材１０１と平行に配置され、両者で筐体であるセルが構成される。１０３は、セル内に封止された導電性液体である。水とエチルアルコールが所定比率で混合され、更に所定量の食塩が加えられた、比重１．０６、室温での屈折率１．３８の電解液である。導電性液体１０３は、無機塩の水溶液や、有機液体など、それ自身が導電性を有するもの、或いはイオン性成分を付加することで導電性とされた液体でもよい。比重や屈折率は１つの仕様として提示したものであり、特に上記値に限定されない。１０４は、導電性液体１０３と同じくセル内に封止された絶縁性液体である。無色透明で、比重１．０６、室温での屈折率１．４９のシリコーンオイルをここでは用いる。シリコーンオイルの他、パラフィンオイルの様な、導電性液体１０３と互いに不混和な絶縁性の液体であればその種類は問わない。液体レンズとして大きな屈折力変化を得るために、絶縁性液体１０４は導電性液体１０３よりも屈折率が大きいことが望ましい。

上述した様に、導電性液体１０３と絶縁性液体１０４とは、互いに混合することなく、且つ互いに屈折率が異なる。電圧制御部１１３の印加電圧を変化させることで、導電性液体１０３と絶縁性液体１０４とによって形成される界面１０５（レンズ面）の形状は変化させられる。導電性液体１０３としては親水性液体を用い、絶縁性液体１０４としては疎水性液体を用いることができる。これら２つの液体は、比重が等しく、且つ互いに不溶、不混合の液体である結果、２つの液体は界面１０５を形成し、混じり合わずに各々が独立して存在する。１０６は、電界がかかっているときの導電性液体１０３と絶縁性液体１０４との界面の様子を示す。詳細は後述するが、印加する電界の大きさによって濡れ性が変化し、接触角が変化する。１０７は、導電性液体１０３及び絶縁性液体１０４と電極１０８との間に配置された絶縁層である。絶縁層１０７の厚さは、電圧制御部１１３による駆動電圧を低減するためには１μｍ以下であることが好ましい。ここでは、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ＬＢ）法で形成される膜（ＬＢ膜）とする。ＬＢ法によれば、常温、常圧で、均一な無欠陥の薄膜を得ることができる。絶縁層１０７の他の例としては、キャストコート膜が挙げられる。この絶縁膜は、有機や無機の化合物（好ましくはフッ素系やシリコン系の樹脂）を溶媒と共にディピングやスピンコートなどの手法を用いて基板上に塗布することにより形成できる。金属酸化物やシリコンなどのスパッタリングにより作製した絶縁膜を用いることも可能である。

１１１は、導電性液体１０３と接触する棒状電極である。上記セルの一部には孔が開けられ、ここに棒状電極が挿入される。棒状電極が挿入された孔は接着剤で封止され、セルの液室の密閉性が維持される。電極１０８と棒状電極１１１には電圧制御部１１３が接続され、所望の操作及び制御によって両電極間に所定の電圧が印加される。１１２は、電圧制御部１１３と電極１０８を接続する接続電極である。電圧制御部１１３は、棒状電極１１１と電極１０８間に印加する電圧を制御する。電圧制御の詳細についても後述する。電圧制御部１１３によって印加される電圧は直流電圧でもよいが、絶縁層１０７への電荷注入を抑制するために、数１０Ｈｚ〜数１０ＫＨｚで変調した交流電圧を用いるのが好ましい。

次に、界面１０５の形状について説明する。導電性液体１０３と電極１０８間に電位差がない場合、界面１０５の形状は、両液体間の界面張力、導電性液体１０３と絶縁層１０７との界面張力、絶縁性液体１０４と絶縁層１０７との界面張力、及び絶縁性液体１０４の体積によって決まる。ここでは、絶縁性液体１０４の材料であるシリコーンオイルと絶縁層１０７との界面張力が、導電性液体１０３と絶縁層１０７との界面張力に比べて小さくなる様に、材料選定されている。両液体の比重は前述の如く等しいため、重力は作用しない。そのため、絶縁性液体１０４と絶縁層１０７との接触角θ１は９０°以下となり、図示の様な破線で示す界面１０５を形成することになる。

一方、導電性液体１０３と電極１０８間に電位差が発生すると、電気毛管現象（エレクトロ・ウェッティング現象）によって導電性液体１０３と絶縁層１０７との界面エネルギーが減少し、絶縁性液体１０４の外縁が導電性液体１０３により侵食される。その結果、界面は１０５の破線で示された形状から、実線で示された１０６の形状へと変化する。この様に導電性液体１０３と電極１０８間に電位差が発生すると、２種類の液体と絶縁層１０７における界面エネルギーの釣り合いが変化し、両液体間の界面の形状が変わる。こうして、電圧制御部１１３による電界制御で界面１０５の形状を自在に変えられる光学素子が実現できる。導電性液体１０３及び絶縁性液体１０４が異なる屈折率を有するため、光学レンズとしてのパワーが付与されることになり、図１の液体レンズは、界面１０５の形状変化可能な屈折力可変レンズ（可変焦点レンズ）となる。

図１において、電極１０８と棒状電極１１１との間に電圧を印加したときの接触角はθ２で示されている。θ２を電圧Ｖの関数として表現したθ２（Ｖ）は、絶縁層１０７の層厚をｔ、絶縁層１０７の比誘電率をε、絶縁性液体１０４と絶縁層１０７の界面エネルギーをγ、真空の誘電率をε０とすると、次の式（１）で与えられる。
ｃｏｓθ２（Ｖ）−ｃｏｓθ１＝ε０＊ε＊Ｖ＊Ｖ／（２＊ｔ＊γ）・・・（１）
式（１）から、印加電圧の制御によってθ２を変化させ、界面１０６の形状を制御できることが分かる。以上、図１の構成要素により、エレクトロ・ウェッティング現象を利用した電気駆動方式の屈折力可変液体レンズが構成できる。

次に、図２に示す機械駆動方式の屈折力可変液体レンズを説明する。図１と同様な図である図２（ａ）、（ｂ）の液体レンズにおいて、互いに屈折率の異なる第１の液体２０１と第２の液体２０２が、互いに混合することなくセル内に封止されている。２０３は、第１の液体２０１と第２の液体２０２を封入している筐体の壁面部材である。第１の液体２０１と第２の液体２０２の接触角α（図１との対応ではα＝１８０°−θ１）は常に一定であるため、壁面部材２０３の曲率により第１の液体２０１と第２の液体２０２の界面形状が規定される。１０９は、液体レンズの第１及び第２の液体２０１、２０２夫々に連通する流路を備える圧力室である。圧力室１０９内で、第１の液体２０１と第２の液体２０２は圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂにより離隔されている。圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂは、マイクロポンプによる加圧又は減圧で第１の液体２０１と第２の液体２０２の体積比率を調整する。マイクロポンプは、圧電素子を利用したピエゾアクチュエータなどである。液量制御部１１４からの駆動電圧に応じた圧電素子の変形（伸縮）を利用して圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂを駆動する。液量制御部１１４は、圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂを連動制御する。圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂを逆位相で駆動して界面の位置を変化させる。具体的には、第１の液体２０１を加圧するときは第２の液体２０２を減圧し、界面２０５の位置を２０６まで下降させて曲率を変化させる。同様に、第１の液体２０１を減圧するときは第２の液体２０２を加圧し、界面２０５の位置を２０４まで上昇させて曲率を変化させる。すなわち、液体レンズセル内の第１及び第２の液体２０１、２０２の体積比率を調整して界面形状を制御する。この場合は、接触角を調整して界面形状を制御するのではないので、筐体の内壁面形状が直線（特に光軸に対して傾いた直線状）又は曲線状であることが好ましい。

前記界面２０５の形状について説明する。界面２０５の形状は、両液体間の界面張力、第１の液体２０１と壁面部材２０３との界面張力、第２の液体２０２と壁面部材２０３との界面張力、及び第１の液体２０１（第２の液体２０２）の体積によって決まる。ここでは、第２の液体２０２と壁面部材２０３との界面張力が、第１の液体２０１と壁面部材２０３との界面張力に比べて小さくなる様に、材料選定されている。両液体の比重は前述の如く等しいため重力は作用しない。そのため、第２の液体２０２と壁面部材２０３との接触角αは９０°以上となり、図２の様な界面２０５を形成することになる。

液量制御部１１４によって圧力駆動部１１０ａと圧力駆動部１１０ｂを制御して、液体レンズセル内の第１の液体２０１と第２の液体２０２の体積比率を調整する場合を考える。ここでは、体積比に偏りができるほど、界面が接する壁面部材２０３の内壁面は光軸に対して角度を有する形状になっており、且つ、第１の液体２０１と第２の液体２０２の接触角αは常に一定である。そのため、体積比によって界面は２０５の破線で示された形状から、実線で示された２０４や２０６の状態へと変化する。

図２（ａ）は、壁面部材２０３の壁面の形状が光軸に対して回転対称で、且つ、光軸に垂直で液体レンズセルの構造上の重心を通る軸に対しても回転対称な液体レンズセル構造の例である。この場合、界面２０５の位置を上昇させる制御の方が、界面２０５の位置を下降させる制御に比較して曲率変化が大きい。すなわち、界面２０５の位置を上昇させるか、下降させるか、によって界面の曲率の変化率が異なる。一方、図２（ｂ）は、壁面２０３の形状が光軸に対して回転対称であるが、光軸に垂直で液体レンズセルの構造上の重心を通る軸に対しては回転非対称な液体レンズセル構造の例である。界面２０５の位置を上昇させる制御と界面２０５の位置を下降させる制御とで、曲率変化が等しくなる様に壁面部材２０３の壁面形状を規定している。そのため、正方向にも負方向にも同じパワーをもつ液体レンズとすることができる。正方向にも負方向にもパワーに偏りがないため、光軸の方向に依存しない液体レンズとなる。

図２（ａ）や図２（ｂ）の壁面形状の様に、或る方向でパワーの変化を大きくする液体レンズや、正負方向で同じパワー変化を得られる液体レンズなど、所望の液体レンズの特性に合わせて最適な壁面形状とすることができる。以上、図２で説明した構成要素により、機械駆動方式の屈折力可変液体レンズが構成できる。

以上の２つの方式を組み合わせて電気駆動と機械駆動を連動して制御するハイブリッド方式の屈折力可変液体レンズの実施例１の構成が図３に示されている。図１と図２で説明した構成要素を用いてハイブリッド方式屈折力可変液体レンズは構成できるため、図３のハイブリッド方式の構成要素のうち、図１と図２の構成要素と対応するものは同符号で示す。図１、図２と重複する個別構成要素の説明は省略し、ハイブリッド方式に特徴的な内容を説明する。１１５は、電気駆動と機械駆動を連動制御する連動制御部である。本実施例では、電気駆動と機械駆動のハイブリッド駆動によって界面の状態（曲率など）が定まる。電気駆動の特徴である所望の界面曲率までの過渡時間（液体レンズが所望の屈折力を得るまでの時間）を短縮できるという効果と、機械駆動の特徴である界面安定化時の保持電力が不要になるという効果を両立するよう駆動を制御するのが連動制御部１１５である。詳細は図４と図５で説明する。以上、図３の構成要素により、電気駆動方式と機械駆動方式のハイブリッド駆動による屈折力可変液体レンズが構成できる。

図４（ａ）から（ｃ）は、ハイブリッド方式屈折力可変液体レンズの界面の曲率変化を示す図である。実際には電圧制御（電気駆動）と液量制御（機械駆動）で界面の曲率を変化させるが、界面の状態（曲率）を中心に説明するため液体レンズのセルのみを示す。図４（ａ）から（ｃ）夫々において実線で示された界面の形状が説明の対象である。図４（ａ）は、初期状態での界面の形状を示す。電圧制御（電気駆動）、液量制御（機械駆動）ともに行われていない場合に、実線で示された界面４０１を形成する。界面４０１の形状は、両液体間の界面張力、導電性液体１０３と絶縁層１０７との界面張力、絶縁性液体１０４と絶縁層１０７との界面張力、及び絶縁性液体１０４の体積によって決まる。本実施例では、絶縁性液体１０４と絶縁層１０７との界面張力が、導電性液体１０３と絶縁層１０７との界面張力に比べて小さくなる様に、材料選定されている。両液体の比重は前述の如く等しいため重力は作用しない。そのため、絶縁性液体１０４と絶縁層１０７との接触角θ１は９０°以下となり、図４（ａ）の様な界面が形成される。この界面４０１は、図１の界面１０５、図２（ｂ）の界面２０５と同じ状態と解釈することもできる。

図４（ｂ）は、駆動初期段階での界面の形状を示す。電圧制御（電気駆動）が行われ、液量制御（機械駆動）が行われていない場合に、実線で示された界面４０２を形成する。導電性液体１０３と電極１０８間に電界が発生すると、エレクトロ・ウェッティング現象によって導電性液体１０３と絶縁層１０７の界面エネルギーが減少し、絶縁性液体１０４の外縁が導電性液体１０３により侵食される。その結果、界面は４０１の破線で示された形状から、実線で示された４０２の状態へと変化する。絶縁性液体１０４と絶縁層１０７との接触角はθ２となり、θ１よりも大きくなる（上記式（１）参照）。この界面４０２は、図１の界面１０６と同じ状態と解釈することもできる。

図４（ｃ）は、駆動終期段階での界面の状態、すなわち屈折力安定時の界面の状態を示す。界面４０２と同じ形状であるが、界面と壁面部材との接触面の位置が異なる。これは、屈折力安定時には絶縁層１０７の曲率で導電性液体１０３と絶縁性液体１０４の界面形状を規定して（つまり、電界による接触角の制御で規定するのではない）、待機電力を不要とするためである。界面４０２から界面４０３への変化の過程は図５で詳述する。以上、図４（ａ）から（ｃ）における界面形状の変遷は、ハイブリッド駆動の制御により実現できる。

図４（ｄ）は、ハイブリッド方式屈折力可変液体レンズの機能ブロック図である。この液体レンズの機能ブロックは、電圧制御部１１３、液量制御部１１４、連動制御部１１５、及び夫々の制御部に電源を供給する電源５０５から構成される。電源５０５は、乾電池や蓄電池等の直流電源である。ＣＰＵ５０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０６、５０９への給電の他、液体レンズを始めとする他の制御機構の動作に必要な電力を供給する。電圧制御部１１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０６、棒状電極１１１と接続電極１１２へ供給する電圧値まで電圧を増幅するアンプ５０７と５０８から構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０６は、ＣＰＵ５０１の制御信号に応じて、電源５０５から供給される電圧を所望の電圧値へと昇圧する。エレクトロ・ウェッティング動作を行うには、一般的には数百ボルトの電圧が必要となる。棒状電極１１１及び接続電極１１２に供給する信号レベルは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０６で昇圧された電圧レベルを基に増幅される。ＣＰＵ５０１の制御信号に応じて、電源５０５の出力電圧が、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０６、アンプ５０７及びアンプ５０８によって所望の電圧値、周波数、及びデューティで液体レンズに印加される。

接続電極１１２に接続しているアンプ５０８は、ＣＰＵ５０１の制御信号により、所望の周波数、デューティ比で矩形波形の電圧を出力する。一方、棒状電極１１１に接続しているアンプ５０７からは、同じくＣＰＵ５０１の制御信号により、アンプ５０８とは逆位相で、同一周波数、同一デューティ比の矩形波形の電圧が出力される。これにより、液体レンズの棒状電極１１１と接続電極１１２との間の電圧は夫々の電極に印加される電圧（グランドからの電位）の２倍の値の矩形波形の電圧、つまり交流電圧となる。こうして、電圧制御部１１３によって液体レンズには交流電圧が印加される。なお、ここでの説明は、過渡応答制御後の安定した状態での印加電圧についてであり、過渡応答制御用の電圧は直流電圧である。

液量制御部１１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９から構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９は、ＣＰＵ５０１の制御信号に応じて、電源５０５から供給される電圧を、圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂの駆動電圧に変換して供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９からの２系統の出力は、圧力駆動部１１０ａ及び圧力駆動部１１０ｂに夫々接続している。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９への入力は実際の印加電圧を生成する元となる電源５０５からの電圧であり、ＣＰＵ５０１の制御信号により所望の振幅の電圧が出力される。２系統の出力は互いに逆位相であり、同一振幅の直流電圧が出力される。これにより、圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂは互いに逆方向の動作（一方が加圧のときは他方は減圧）を行い、液体レンズセル内の２液の体積比を調節する。

連動制御部１１５は、制御演算、駆動信号の制御を行うＣＰＵ５０１、ＣＰＵ５０１内に内蔵されている時間計測用のタイマー５０２、ＣＰＵ５０１のバスに接続されるＲＯＭ５０３とＲＡＭ５０４から構成される。ＣＰＵ５０１は、電圧制御部１１３と液量制御部１１４の連動制御を行う組み込み型のＣＰＵである。電圧制御部１１３と液量制御部１１４夫々へ印加する電圧の値、印加のタイミング及び印加電圧のデューティ比の制御を行う。また、本実施例の液体レンズが組み込まれた光学装置全体の制御も行う。タイマー５０２は、本実施例ではＣＰＵ５０１に内蔵されているが、ＣＰＵの周辺回路として外付けされる構成でもよい。タイマー５０２は、過渡応答制御における制御時間をカウントするのに使用される。ＲＯＭ５０３は、後述する制御用の参照テーブル（ＬＵＴ）やＣＰＵ５０１に各種制御を実行させるためのプログラムやデータが格納されている。不揮発性のメモリであるＦｌａｓｈメモリ等が使用される。ＲＡＭ５０４は、ＣＰＵ５０１が各種制御や処理を行うために用いるワークエリア、液体レンズの状態や装置の環境情報等を格納する。リフレッシュが必要なＤＲＡＭやリフレッシュ動作が不要なＳＲＡＭ等、速度やコストを考慮して適したデバイスを採用する。以上、図４（ｄ）の機能ブロックにより、ハイブリッド駆動方式を用いた屈折力可変液体レンズが構成できる。

電気駆動と機械駆動の連動制御の一例を図５で説明する。図５において、（ａ）は焦点距離と制御時間との関係を示し、（ｂ）は電気駆動による焦点距離と時間（実線）、電気駆動の印加電圧と時間（鎖線）を示し、（ｃ）は機械駆動による焦点距離と時間（実線）、機械駆動の印加電圧と時間（鎖線）を示す。焦点距離の軸（左側縦軸）と時間軸（横軸）のスケールは（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で一致している。従って、（ｂ）に示す電気駆動による焦点距離と（ｃ）に示す機械駆動による焦点距離を加算したものが、（ａ）に示す焦点距離となる。

図５（ａ）において、６０１は、目標の焦点距離である。６０２は、現在の焦点距離の値である。現在の焦点距離６０２は目標値６０１よりも短い場合を想定している。６０３は、現在の状態（焦点距離が６０２の状態）から目標の状態（焦点距離が６０１の状態）へと変化させるタイミングｔ０を示す。６０４は、第１の過渡応答制御が終了したタイミングｔ１を示す。ｔ１は、目標の状態（焦点距離が６０１の状態）へ到達したタイミングでもある。６０５は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの第１の過渡応答制御を行う時間Ｔｆである。６０６は、第１の過渡応答制御を開始したタイミング６０３から第１の過渡応答制御が終了するタイミング６０４までの過渡的な焦点距離の状態を示す。図示する様に目標値６０１に漸近していく。６０７は、第２の過渡応答制御が終了したタイミングｔ２を示す。６０８は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの第２の過渡応答制御を行う時間Ｔｓである。６０９は、目標状態に到達したタイミング６０４以降の焦点距離の状態を示す。

図５（ｂ）において、６１０〜６１３は、電気駆動が焦点距離制御に与える効果だけを仮定した場合（機械駆動による焦点距離制御の効果を無視した場合）の焦点距離推移を示す。６１０は、現在の焦点距離の値であり、焦点距離６０２と同じ値である。６１１は、電気駆動が焦点距離制御に与える効果だけを仮定した場合の、タイミング６０３からタイミング６０４までの過渡的な焦点距離の状態を示す。６１２は、同様に仮定した場合の、タイミング６０４からタイミング６０７までの過渡的な焦点距離の状態を示す。６１３は、同様に仮定した場合の、第２の過渡応答制御が終了したタイミング６０７以降の焦点距離の状態を示す。６１４は、第１の過渡応答制御において電気駆動で必要とされる印加電圧を示す。ただし、電気駆動と機械駆動のハイブリッド方式により目標の焦点距離６０１に到達するため、電気駆動の印加電圧だけでは目標の焦点距離６０１には到達しない。６１５〜６１８は、電気駆動における棒状電極１１１と電極１０８間の電位差の推移を示す。この電気駆動における制御電圧はＬＵＴ（図６（ａ）のテーブル１）から読み出した値を用いる。６１５は、棒状電極１１１と電極１０８間の電位差（零）を示し、電気駆動による制御は行われていない。６１６は、第１の過渡応答制御において電気駆動で必要とされる制御電圧を示す。第１の過渡応答制御開始のタイミング６０３で目標値へ制御するための電圧値へと変更する。６１７は、第２の過渡応答制御において電気駆動で必要とされる制御電圧を示す。６１８は、第２の過渡応答制御が終了したタイミング６０７以降の制御電圧の状態を示す。

図５（ｃ）において、６１９〜６２１は、機械駆動が焦点距離制御に与える効果だけを仮定した場合（電気駆動による焦点距離制御の効果を無視した場合）の焦点距離の推移を示す。６１９は、現在の焦点距離の値であり、焦点距離６０２と同じ値である。６２０は、同様に仮定した場合の、第１の過渡応答制御を開始したタイミング６０３から第２の過渡応答制御が終了するタイミング６０７までの過渡的な焦点距離の状態を示す。第１の過渡応答制御と第２の過渡応答制御とで、焦点距離は同じ応答を示す。６２１は、同様に仮定した場合の、第２の過渡応答制御が終了したタイミング６０７以降の焦点距離の状態を示す。６２２は、第１の過渡応答制御が終了するタイミング６０４で、機械駆動で必要とされる印加電圧を示す。６２３は、第２の過渡応答制御が終了するタイミング６０７で、機械駆動で必要とされる印加電圧を示す。６２４〜６２６は、機械駆動における圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂにおける印加電圧の推移を示す。この機械駆動における制御電圧は、ＬＵＴ（図６（ａ）のテーブル１）から読み出した値を用いる。６２４は、圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂへの印加電圧（零）であり、機械駆動による制御は行われていない。６２５は、第１の過渡応答制御及び第２の過渡応答制御において機械駆動で必要とされる制御電圧を示す。６２６は、第２の過渡応答制御が終了したタイミング６０７以降の機械駆動で必要とされる制御電圧の状態を示す。第２の過渡応答制御が終了したタイミング６０７で、圧力駆動部のアクチュエータを固定するため、待機電力が不要となる。

図５に示す第１の過渡応答制御では、短時間で目標の焦点距離に到達することを目的とする。そのため、電気駆動を主たる駆動源とし、電気駆動は一定電圧を印加して焦点距離を短時間で変化させ、機械駆動は第１の過渡応答制御時間を更に短くするために補助的に用いる。これにより、第１の過渡応答制御が終了するタイミング６０４で、目標の焦点距離６０１に到達する。第２の過渡応答制御では、電気駆動の印加電圧（棒状電極１１１と電極１０８間の電位差）を徐々に減少させ、その焦点距離変動を相殺する様に、機械駆動の印加電圧（圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂへの印加電圧の振幅）を徐々に増加させる。図５では、機械駆動の印加電圧の変化率を一定とし、機械駆動による焦点距離変動を相殺する様に電気駆動の印加電圧を制御（減少）する手法を示す。第２の過渡応答制御が終了するタイミング６０７で、圧力駆動部のアクチュエータを固定し界面曲率保持制御に移行する。

図６は、制御パラメータを納めたテーブルの構成である。図６（ａ）には制御パラメータ参照用テーブル１の内容を示す。このテーブル１には、焦点距離、第１の過渡応答制御の電気駆動電圧Ｖ１ｅ、第１と第２の過渡応答制御の機械駆動電圧Ｖｍ、第１の過渡応答制御時間Ｔｆ、第２の過渡応答制御の電気駆動電圧Ｖ２ｅ、第２の過渡応答制御時間Ｔｓが組として格納されている。第２の過渡応答制御の電気駆動電圧Ｖ２ｅはテーブルで構成されており、図６（ｂ）には焦点距離Ｎ＝Ｎ０のときのテーブル内容を例として示す。本実施例では、目標の焦点距離と他の電圧や印加時間との対応をセットとして各々の値を格納しているが、メモリ容量削減のためには、任意の焦点距離と他の電圧や印加時間との差分データを格納する構成でもよい。また、焦点距離を実現するための制御電圧は、環境条件、特に液体レンズセル内の液体の温度によって変わるため、環境条件に対応した参照用テーブルを複数保持する構成が望ましい。この場合、環境条件を計測するためのセンサが必要となり、これにより任意のタイミングで環境条件を把握し、参照用のテーブルを選択することになる。実際に格納する制御パラメータは、実験で得た値を使用することができる。

図７は、本実施例の制御の流れを説明するフローチャートである。このフローチャートにおいて、ステップＳ８０１では、モードを把握する。過渡時間短縮モードか、屈折力拡大モード（図１０で説明）か、がユーザにより予め設定され、ＣＰＵ５０１によってその値がＲＡＭ５０４に格納される。ステップＳ８０２では、環境条件を把握する。図３では不図示の温度センサによって液体レンズ近傍又は液体レンズセル内の温度を計測し、ＣＰＵ５０１によってその値を把握する。把握した計測値はＲＡＭ５０４内に格納する。ステップＳ８０３では、現在の焦点距離を把握する。現在の焦点距離はＲＡＭ５０４内の所定のアドレスに格納されているものとする。ステップＳ８０４では、到達目標の焦点位置へ変化させるための制御後の焦点距離を把握する。ここまでのステップＳ８０１からＳ８０４までの動作は順番を入れ替えてもよい。ステップＳ８０５では、これまでの情報把握の結果より、まず環境条件が一致する参照用テーブルであるＬＵＴを選択する。現在の焦点距離、制御後の焦点距離の値を基に、所望の制御を行うのに必要な安定化時の電圧、過渡応答制御時の電圧及び過渡応答制御時間をＲＯＭ５０３又はＲＡＭ５０４上に展開したＬＵＴより読み込む。ステップＳ８０６では、ＬＵＴで参照した値を基に第１の過渡応答制御を開始する。

ステップＳ８０７では、過渡応答制御時間の管理のため、タイマーに所定時間をセットすると共に、第１の過渡応答制御を開始する。タイマーにセットする所定時間とは、第１の過渡応答制御を継続する時間であり、ＬＵＴ（図６（ａ）のテーブル１）から読み出した値を用いる。ステップＳ８０８では、時間がタイマーにセットした第１の過渡応答制御の所定時間に達したかどうかを判断する。所定時間に達しない場合は、ステップＳ８０８へ戻りループを繰り返す。所定時間に達した場合、すなわち、第１の過渡応答制御時間の終了をタイマーのタイムアウトによって検知したときには、第１の過渡応答制御を終了する。ステップＳ８０９では、過渡時間短縮モードか、屈折力拡大モードか、を判断する。ステップＳ８０１でＲＡＭ８０４に格納したモード情報を読み出し、過渡時間短縮モードならばステップＳ８１０へ、屈折力拡大モードならばステップＳ８１１へ進む。ステップＳ８１０では、制御の切り替えを行う。第１の過渡応答制御から第２の過渡応答制御へ切り替え、ＬＵＴで参照した値を基に第２の過渡応答制御を開始する。ステップＳ８１１では、過渡応答制御時間の管理のため、タイマーに所定時間をセットすると共に、第２の過渡応答制御を開始する。タイマーにセットする所定時間とは、第２の過渡応答制御を継続する時間であり、ＬＵＴ（図６（ａ）のテーブル１）から読み出した値を用いる。ステップＳ８１２では、時間がタイマーにセットした第２の過渡応答制御の所定時間に達したかどうかを判断する。所定時間に達しない場合は、ステップＳ８１２へ戻りループを繰り返す。所定時間に達した場合、すなわち、第２の過渡応答制御時間の終了をタイマーのタイムアウトによって検知したときには、第２の過渡応答制御を終了する。ステップＳ８１３では、制御の切り替えを行う。第２の過渡応答制御から安定制御へ切り替える。ステップＳ８１４では、第１の過渡応答制御で到達した焦点距離の値を把握し、現在の焦点距離として値を更新する。以上、図７で説明した処理ステップにより、屈折力可変液体レンズのハイブリッド制御を実現する。この様に、過渡時間短縮モードにおいて、以上の制御方法では次の第１のステップから第４のステップが実行される。第１のステップでは、第１の屈折力から第２の屈折力に向かって屈折力に変化させる様に、界面移動手段（液量制御部）と電圧印加手段（電圧制御部）を同時に連動して駆動する。第２のステップでは、第２の屈折力に達したことを判定する。第３のステップでは、界面移動手段による駆動を継続すると共に第２の屈折力を保持するための量だけ電圧印加手段を駆動する。第４のステップでは、電圧印加手段による界面制御力がなくなったことを判定し第２の屈折力を保持しつつ界面移動手段の駆動を停止する。

次に、構成と機能ブロックを示す図８及び制御フローを示す図９を用いて、液体レンズが屈折力検出部を有する変形例を説明する。図６や図７では、過渡応答制御の時間として参照テーブル（ＬＵＴ）に予め保持している値を使用していた。この変形例では、ＬＵＴに保持する時間情報を用いる以外の方法として、屈折力検出部９０１で検出した液体レンズの屈折力をフィードバックして過渡応答制御を実施する。基本的な構成要素は、図３及び図４（ｄ）で説明したハイブリッド方式屈折力可変液体レンズと同じである。図８（ａ）、（ｂ）に構成と機能ブロックを示す変形例では、赤外光源９０２及び受光素子９０３を有し、赤外光情報を基に屈折力検出部９０１が連動制御部１１５（これのＣＰＵ５０１）と通信することに特徴がある。屈折力検出の手法例としては、液体レンズの平板状上側部材１０１端部に取り付けた赤外光源９０２からの光を、平板状下側部材１０２端部に取り付けた受光素子９０３で受光する。そして、受光した赤外光の情報は屈折力検出部９０１に送られ、屈折力検出部９０１で、赤外光の２次元的な広がりや強度、中心位置から界面の状態、屈折力を検出する。

図９は、屈折力検出を利用したハイブリッド方式屈折力可変液体レンズの制御の流れを説明するフローチャートである。ステップＳ１００１では、環境条件を把握する。図９では不図示の温度センサによって液体レンズ近傍又は液体レンズセル内の温度を計測し、ＣＰＵ５０１によってその値を把握する。把握した計測値はＲＡＭ５０４内に格納する。ステップＳ１００２では、現在の焦点距離を把握する。現在の焦点距離はＲＡＭ５０４内の所定のアドレスに格納されているものとする。ステップＳ１００３では、到達目標の焦点位置へ変化させるための制御後の焦点距離を把握する。ここまでのステップＳ１００１からＳ１００３までの動作は順番を入れ替えてもよい。ステップＳ１００４では、これまでの情報把握の結果より、まず環境条件が一致する参照用テーブルであるＬＵＴを選択する。現在の焦点距離、制御後の焦点距離の値を基に、所望の制御を行うのに必要な安定化時の電圧、過渡応答制御時の電圧及び過渡応答制御時間をＲＯＭ５０３又はＲＡＭ５０４上に展開したＬＵＴより読み込む。ステップＳ１００５では、ＬＵＴで参照した値を基に第１の過渡応答制御を開始する。ステップＳ１００６では、屈折力検出部９０１で液体レンズの屈折力を検出しＣＰＵ５０１へ通信する。ステップＳ１００７では、液体レンズの屈折力が第１の過渡応答制御で目標とする屈折力に達したかどうかを判断する。所定屈折力に達しない場合は、ステップＳ１００６へ戻りループを繰り返す。所定屈折力に達した場合、すなわち、液体レンズが目標の屈折力となったときには、第１の過渡応答制御を終了する。

ステップＳ１００８では、制御の切り替えを行う。第１の過渡応答制御から第２の過渡応答制御へ切り替え、ＬＵＴで参照した値を基に第２の過渡応答制御を開始する。ステップＳ１００９では、第２の過渡応答制御での電気駆動の印加電圧（棒状電極１１１と電極１０８間の電位差）が零になったかどうかを判断する。電気駆動の印加電圧が零に達しない場合は、ステップＳ１００９へ戻りループを繰り返す。所定印加電圧に達した場合には、第２の過渡応答制御を終了する。電気駆動の印加電圧にはＬＵＴ（図６（ｂ））から読み出した値を用いる。ステップＳ１０１０では、制御の切り替えを行う。第２の過渡応答制御から安定制御へ切り替える。ステップＳ１０１０では、第１の過渡応答制御で到達した焦点距離の値を把握し、現在の焦点距離として値を更新する。

図７のフローチャートでは、タイマー設定時間を用いて第１の過渡応答制御の目的を達したかどうかを判断した（Ｓ８０８）。一方、図９のフローチャートでは、屈折力検出部９０１からのリアルタイムの屈折力のフィードバックを用いて第１の過渡応答制御の目的を達したかどうかを判断する（Ｓ１００７）。また、第２の過渡応答制御において、屈折力検出部９０１からのフィードバックを、液体レンズの屈折力が変化しない様な電気駆動の印加電圧の制御に用いることができる。

図８及び図９の構成では、液体レンズの屈折力をリアルタイムでフィードバックするために環境条件の把握のステップ（Ｓ１００１）を省略することもでき、簡略なフロー、データ量を削減したＬＵＴで屈折力可変液体レンズを構成することもできる。以上の図３から図９で説明した実施例１によれば、電気駆動と機械駆動のハイブリッド駆動方式を用いる液体レンズにおいて、目標の界面曲率までの過渡時間を短縮できると同時に、界面安定化時の保持電力が不要になる。

次に、上記接触角を制御する電気駆動と界面位置を制御する機械駆動のハイブリッド駆動による相乗効果を用いて、液体レンズの屈折力変化を拡大する別の変形例を説明する。これは、図７のステップＳ８０１でのモードの選択で、屈折力拡大モードを選択する例に係る。上記過渡時間短縮モードでは、第１の過渡応答制御と第２の過渡応答制御として２つの異なる制御を考えていたが、屈折力拡大モードでは１つの過渡応答制御のみを有する。すなわち、第１の過渡応答制御と第２の過渡応答制御で制御内容が同一である。過渡時間短縮モードと屈折力拡大モードとでは、制御用の参照テーブル（ＬＵＴ）の構成や値は異なるものとなる。

屈折力拡大のためのハイブリッド制御による制御時間と界面曲率変化、及び電気駆動・機械駆動の関係を示す図１０の約束事も図５と同じである。そのため、図１０（ｂ）に示す電気駆動による焦点距離と図１０（ｃ）に示す機械駆動による焦点距離を加算したものが、図１０（ａ）に示す焦点距離となる。

図１０（ａ）において、１１０１は、第１の過渡応答制御で目標とする焦点距離（第２の屈折力）である。１１０２は、第２の過渡応答制御で目標の焦点距離（第３の屈折力）である。１１０３は、現在の焦点距離の値であり、目標値１１０１、１１０２よりも短い場合を想定している。１１０４は、現在の状態から第１の過渡応答制御での目標状態へと変化させるタイミングｔ０を示す。１１０５は、第１の過渡応答制御が終了したタイミングｔ１を示し、ｔ１は第１の過渡応答制御での目標状態へ到達したタイミングでもある。１１０６は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの第１の過渡応答制御を行う時間Ｔｆを示し、１１０７は、タイミング１１０４からタイミング１１０５までの過渡的な焦点距離の状態を示す。図示する様に第１の過渡応答制御の目標値１１０１に漸近していく。１１０８は、第２の過渡応答制御が終了したタイミングｔ２を示し、１１０９は、時刻ｔ１から時刻ｔ２にまでの第２の過渡応答制御を行う時間Ｔｓを示す。１１１０は、タイミング１１０５からタイミング１１０８までの過渡的な焦点距離の状態を示す。１１１１は、第２の過渡応答制御での目標状態に到達したタイミング１１０８以降の焦点距離の状態を示す。

１１１２〜１１１４は、電気駆動が焦点距離制御に与える効果だけを仮定した場合の、焦点距離の推移を示す。１１１２は、現在の焦点距離の値であり、１１０３と同じ値である。１１１３は、同様に仮定した場合の、タイミング１１０４からタイミング１１０５までの過渡的な焦点距離の状態を示す。実際に液体レンズの過渡応答が観察されるのは第１の過渡応答制御であり、第２の過渡応答制御では定常応答を示す。１１１４は、同様に仮定した場合の、第１の過渡応答制御が終了したタイミング１１０５以降の焦点距離の状態を示す。１１１５は、第１及び第２の過渡応答制御において電気駆動で必要とされる印加電圧を示す。ここでは、上記接触角を維持するために印加電圧は該必要印加電圧に維持される。ただし、電気駆動と機械駆動のハイブリッド方式により目標の焦点距離に到達するため、電気駆動の印加電圧だけでは目標の焦点距離には到達しない。１１１６、１１１７は、電気駆動における棒状電極１１１と電極１０８間の電位差の推移を示す。この電気駆動における制御電圧は、ＬＵＴから読み出した値を用いる。１１１６の電位差は零であり、電気駆動による制御は行われていない。１１１７は、第１の過渡応答制御を開始するタイミング１１０４以降において電気駆動で必要とされる制御電圧の状態を示す。

１１１８〜１１２０は、機械駆動が焦点距離制御に与える効果だけを仮定した場合の焦点距離の推移を示す。１１１８は、現在の焦点距離の値であり、１１０３と同じ値である。１１１９は、同様に仮定した場合の、第１の過渡応答制御を開始したタイミング１１０４から第２の過渡応答制御が終了するタイミング１１０８までの過渡的な焦点距離の状態を示す。第１の過渡応答制御と第２の過渡応答制御とで、焦点距離は同じ応答を示す。１１２０は、同様に仮定した場合の、第２の過渡応答制御が終了したタイミング１１０８以降の焦点距離の状態を示す。１１２１は、第１の過渡応答制御が終了するタイミング１１０５で、機械駆動で必要とされる印加電圧を示す。１１２２は、第２の過渡応答制御が終了するタイミング１１０８で、機械駆動で必要とされる印加電圧を示す。１１２３〜１１２５は、機械駆動における圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂでの印加電圧の推移を示す。この機械駆動における制御電圧はＬＵＴから読み出した値を用いる。１１２３は、圧力駆動部への印加電圧（零）を示し、機械駆動による制御は行われていない。１１２４は、第１の過渡応答制御及び第２の過渡応答制御において機械駆動で必要とされる制御電圧を示す。１１２５は、第２の過渡応答制御が終了したタイミング１１０８以降の機械駆動で必要とされる制御電圧の状態を示す。タイミング１１０８で圧力駆動部のアクチュエータを固定するため、待機電力が不要となる。屈折力拡大モードは、ハイブリッド方式を利用して、電気駆動だけや機械駆動だけでは到達できない焦点距離を実現することを目的とする。そのために、図１０の例では１種類の制御内容の過渡応答制御のみを有する制御方法を示したが、それに限らず、２種類以上の制御内容の過渡応答制御を有する制御方法としてもよい。

以上に説明した様に、図１０で説明した変形例の制御方法では次の第１のステップから第４のステップが実行される。第１のステップでは、第１の屈折力から第２の屈折力に向かって屈折力に変化させる様に、界面移動手段（液量制御部）と電圧印加手段（電圧制御部）を同時に連動して駆動する。第２のステップでは、第２の屈折力に達したことを判定する。第３のステップでは、第２の屈折力から第３の屈折力に向かって屈折力に変化させる様に、電圧印加手段による駆動を維持すると共に界面移動手段を駆動する。第４のステップでは、第３の屈折力に達したことを判定し電圧印加手段による駆動を維持して第３の屈折力を保持しつつ界面移動手段の駆動を停止する。この変形例によれば、上記接触角を制御する電気駆動と上記界面位置を制御する機械駆動のハイブリッド駆動による相乗効果を用いて、液体レンズの屈折力変化を拡大することができる。

以上で説明した実施例１（過渡時間短縮モードと屈折力拡大モード）によれば、電気駆動と機械駆動のハイブリッド駆動方式を用いる液体レンズにおいて、目標の界面曲率までの過渡時間を短縮できると同時に、界面安定化時の保持電力を不要又は低減できる。

（実施例２）
本発明の実施例２を説明する。液体レンズの界面曲率が目標値に達したあと（液体レンズの焦点距離が目標値に達したあと）の機械駆動と電気駆動の連動制御は、界面曲率を目標値に安定させたまま行う必要がある。そのため、機械駆動、電気駆動夫々による界面曲率変化率が小さくなる様に駆動制御することで、目標の界面曲率に達した直後の界面曲率の変動を抑制し、界面曲率の安定を保つことができる。本実施例では、液体レンズの界面曲率が目標値に達したあとは、機械駆動、電気駆動夫々による界面曲率変化率が小さくなる様に駆動制御する。液体レンズの構成や機能ブロックなどは、実施例１で説明した図３〜図７を前提とする。本実施例の特徴は、図１１に示す制御時間と界面曲率変化、及び電気駆動・機械駆動の関係であり、図１１は実施例１の図５に相当する。本実施例では、第２の過渡応答制御を図５のそれと比して長い時間で実施し、機械駆動、電気駆動夫々による界面曲率変化率を小さくする。つまり、界面移動手段の駆動を継続すると共に第２の屈折力を保持するための量だけ電圧印加手段を駆動するステップの駆動時間を、第１の屈折力から第２の屈折力へ屈折力に変化させる様に両手段を同時に連動して駆動するステップの駆動時間を長くする。図１１では、図５との過渡応答時間の違いを分かり易くするために、第３の過渡応答制御を追加して説明する。

実施例２でのハイブリッド制御による制御時間と界面曲率変化、及び電気駆動・機械駆動の関係を示す図１１において、図５と同等の箇所は同じ符号で示す。図１１の約束事も図５と同じである。従って、図１１（ｂ）に示す電気駆動による焦点距離と図１１（ｃ）に示す機械駆動による焦点距離を加算したものが、図１１（ａ）に示す焦点距離となる。第１の過渡応答制御が終了したタイミング６０４までは図５と同様である。１２０１は、第３の過渡応答制御が終了したタイミングｔ３を示す。１２０２は、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの第２及び第３の過渡応答制御を行う時間Ｔｓを示す。図１１（ｂ）において、６１０、６１１、１２１２、１２１３は、電気駆動が焦点距離制御に与える効果だけを仮定した場合の、焦点距離の推移を示す。１２１２は、同様に仮定した場合の、第２の過渡応答制御を開始したタイミング６０４から第３の過渡応答制御が終了するタイミング１２０１までの過渡的な焦点距離の状態を示す。１２１３は、同様に仮定した場合の、第３の過渡応答制御が終了したタイミング１２０１以降の焦点距離の状態を示す。６１５、６１６、１２１７、１２１８は、電気駆動における棒状電極１１１と電極１０８間の電位差の推移を示す。この電気駆動における制御電圧は、ＬＵＴ（図６（ａ）のテーブル１）から読み出した値を用いる。１２１７は、第２及び第３の過渡応答制御において電気駆動で必要とされる制御電圧を示し、１２１８は、第３の過渡応答制御が終了したタイミング１２０１以降の制御電圧の状態を示す。

図１１（ｃ）において、６１９、１２２０〜１２２２は、機械駆動が焦点距離制御に与える効果だけを仮定した場合の焦点距離の推移を示す。１２２０は、同様に仮定した場合の、第１の過渡応答制御を開始したタイミング６０３から第１の過渡応答制御が終了するタイミング６０４までの過渡的な焦点距離の状態を示す。１２２１は、同様に仮定した場合の、第２の過渡応答制御を開始したタイミング６０４から第３の過渡応答制御が終了するタイミング１２０１までの過渡的な焦点距離の状態を示す。第２の過渡応答制御と第３の過渡応答制御とで、焦点距離は同じ応答を示す。１２２２は、同様に仮定した場合の、第３の過渡応答制御が終了したタイミング１２０１以降の焦点距離の状態を示す。１２２３は、第３の過渡応答制御が終了するタイミング１２０１で、機械駆動で必要とされる印加電圧を示す。６２４、１２２５〜１２２７は、機械駆動での圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂにおける印加電圧の推移を示す。この機械駆動における制御電圧は、ＬＵＴ（図６（ａ）のテーブル１）から読み出した値を用いる。１２２５は、第１の過渡応答制御において機械駆動で必要とされる制御電圧を示す。１２２６は、第２及び第３の過渡応答制御において機械駆動で必要とされる制御電圧を示す。１２２７は、第３の過渡応答制御が終了したタイミング１２０１以降の機械駆動で必要とされる制御電圧の状態を示す。第３の過渡応答制御が終了したタイミング１２０１で圧力駆動部のアクチュエータを固定するため、待機電力が不要となる。

第１の過渡応答制御では、短時間で目標の焦点距離に到達することを目的とする。そのため、電気駆動を主たる駆動源とし、電気駆動は一定電圧を印加して焦点距離を短時間で変化させ、機械駆動は第１の過渡応答制御時間を更に短くするために補助的に用いる。第１の過渡応答制御が終了するタイミング６０４で目標の焦点距離６０１に到達する。第２及び第３の過渡応答制御では、電気駆動の印加電圧を徐々に減少させ、その焦点距離変動を相殺する様に、機械駆動の印加電圧を徐々に増加させる。第１の過渡応答制御と比較して、第２及び第３の過渡応答制御での機械駆動による界面曲率変化率が小さくなる様に駆動制御する。図１１では、第２及び第３の過渡応答制御での機械駆動の印加電圧の変化率を一定とし、機械駆動による焦点距離変動を相殺する様に電気駆動の印加電圧を制御する手法を示す。第３の過渡応答制御が終了するタイミング１２０１で、圧力駆動部のアクチュエータを固定して界面曲率保持制御に移行する。

以上で説明した実施例２によれば、電気駆動と機械駆動のハイブリッド駆動方式を用いる液体レンズにおいて、目標の界面曲率に達した直後のハイブリッド制御中における界面曲率の変動を抑制して、安定した界面曲率を実現できる。

（実施例３）
本発明の実施例３を説明する。本実施例では、液体レンズの界面曲率が目標値に達したあと、界面曲率を保持する際に僅かに電気駆動して保持力を高める。液体レンズの構成や機能ブロック図などは、実施例１で説明した図３〜図７を前提とする。本実施例で特徴となるのは、図１２に示す制御時間と界面曲率変化、及び電気駆動・機械駆動の関係であり、図１２は実施例１の図５に相当する。本実施例では、第２の過渡応答制御を、図５と異なり、途中で終了し、界面保持時でも僅かに電気駆動を行う。以下の図１２の説明では、図５の過渡応答時間との違いを分かり易くするために、図５との違いを中心に説明する。

実施例３でのハイブリッド制御による制御時間と界面曲率変化、及び電気駆動・機械駆動の関係を示す図１２において、図５と同等の箇所は同じ符号で示す。図１２の約束事も図５と同じである。そのため、図１２（ｂ）に示す電気駆動による焦点距離と図１２（ｃ）に示す機械駆動による焦点距離を加算したものが、図１２（ａ）に示す焦点距離となる。第１の過渡応答制御が終了したタイミング６０４までは図５と同様である。

図１２（ａ）において、１３０１は、第２の過渡応答制御が終了したタイミングｔ２’を示す。１３０２は、時刻ｔ１から時刻ｔ２’までの第２の過渡応答制御を行う時間Ｔｅを示す。図１２（ｂ）において、６１０、６１１、１３１２、１３１３は、電気駆動が焦点距離制御に与える効果だけを仮定した場合の、焦点距離の推移を示す。１３１２は、同様に仮定した場合の、第２の過渡応答制御を開始したタイミング６０４から第２の過渡応答制御が終了するタイミング１３０１までの過渡的な焦点距離の状態を示す。１３１３は、同様に仮定した場合の、タイミング１３０１以降の焦点距離の状態を示す。６１５、６１６、１３１７、１３１８は、電気駆動における棒状電極１１１と電極１０８間の電位差の推移を示す。この電気駆動における制御電圧は、ＬＵＴ（図６（ａ）のテーブル１）から読み出した値を用いる。１３１７は、第２の過渡応答制御において電気駆動で必要とされる制御電圧を示す。１３１８は、第２の過渡応答制御が終了したタイミング１３０１以降の制御電圧の状態を示す。界面保持のために僅かに電気駆動が行われている。

図１２（ｃ）において、６１９、１３２０、１３２１は、機械駆動が焦点距離制御に与える効果だけを仮定した場合の焦点距離の推移を示す。１３２０は、同様に仮定した場合の、第１の過渡応答制御を開始したタイミング６０３から第２の過渡応答制御が終了するタイミング１３０１までの過渡的な焦点距離の状態を示す。第１の過渡応答制御と第２の過渡応答制御とで、焦点距離は同じ応答を示す。１３２１は、同様に仮定した場合の、タイミング１３０１以降の焦点距離の状態を示す。１３２３は、タイミング１３０１で、機械駆動で必要とされる印加電圧を示す。６２４、１３２５、１３２６は、機械駆動における圧力駆動部１１０ａ、１１０ｂにおける印加電圧の推移を示す。この機械駆動における制御電圧は、ＬＵＴ（図６（ａ）のテーブル１）から読み出した値を用いる。１３２５は、第１及び第２の過渡応答制御において機械駆動で必要とされる制御電圧を示す。第１の過渡応答制御と第２の過渡応答制御とで、焦点距離は同じ応答を示す。１３２６は、第２の過渡応答制御が終了したタイミング１３０１以降の機械駆動で必要とされる制御電圧の状態を示す。タイミング１３０１で圧力駆動部のアクチュエータを固定するため、待機電力が不要となる。

第１の過渡応答制御では、短時間で目標の焦点距離に到達することを目的とする。そのため、電気駆動を主たる駆動源とし、電気駆動は一定電圧を印加して焦点距離を短時間で変化させ、機械駆動は第１の過渡応答制御時間を更に短くするために補助的に用いる。第１の過渡応答制御が終了するタイミング６０４で目標の焦点距離６０１に到達する。第２の過渡応答制御では、電気駆動の印加電圧を徐々に減少させ、その焦点距離変動を相殺する様に、機械駆動の印加電圧を徐々に増加させる。図１２では、機械駆動の印加電圧の変化率を一定とし、機械駆動による焦点距離変動を相殺する様に電気駆動の印加電圧を制御する手法を示す。第２の過渡応答制御が終了するタイミング１３０１では、電気駆動が液体レンズの界面保持に対して持つ効果が未だ有効な状態である。そのタイミングで、その時点での電気駆動を行ったまま、圧力駆動部のアクチュエータを固定して界面曲率保持制御に移行する。

以上に説明した様に、本実施例の制御方法では次の第１のステップから第５のステップが実行される。第１のステップでは、第１の屈折力から第２の屈折力に向かって屈折力に変化させる様に、界面移動手段（液量制御部）と電圧印加手段（電圧制御部）を同時に連動して駆動する。第２のステップでは、第２の屈折力に達したことを判定する。第３のステップでは、界面移動手段による駆動を継続すると共に第２の屈折力を保持するための量だけ電圧印加手段を駆動する。第４のステップでは、電圧印加手段の駆動による界面制御力がゼロになる前に第２の屈折力を保持しつつ界面移動手段の駆動を停止する。第５のステップでは、第２の屈折力を電圧印加手段の駆動により保持する。以上で説明した実施例３によれば、電気駆動と機械駆動のハイブリッド駆動方式を用いる液体レンズにおいて、機械振動や傾きに対する界面変動を減少できる。

（その他の実施例）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。すなわち、上述した実施例の制御方法を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給する。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。なお、記憶媒体は、コンピュータに実行させるためのプログラムを格納できるものであれば何でもよい。こうした記憶媒体は、上記制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを格納した、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体である。

１０１、１０２…筐体（上側部材、下側部材）、１０３…導電性液体、１０４…絶縁性液体、１０５…界面（無電界時）、１０７…絶縁層、１０８…電極、１１３…電圧印加手段（電圧制御部）、１１４…界面移動手段（液量制御部）、１１５…連動制御手段（連動制御部）

Claims (9)

1. エレクトロ・ウェッティング現象を用いる液体型光学素子であって、
   筐体に封入された互いに不混和な導電性液体と絶縁性液体により規定される界面の位置を前記筐体の内壁面に沿って移動させるための界面移動手段と、
   前記筐体の内壁面と前記境界が接する位置に絶縁層を介して設けられた電極と前記導電性液体間に電圧を印加するための電圧印加手段と、
   前記界面移動手段と前記電圧印加手段の駆動を連動して制御するための連動制御手段と、
   を有することを特徴とする液体型光学素子。
2. 前記連動制御手段は、目標の界面状態にするために、前記界面移動手段の駆動による寄与と前記電圧印加手段の駆動による寄与との割合を制御しつつ前記界面移動手段と前記電圧印加手段を駆動し、目標の界面状態に達したところで、その界面状態を維持する駆動状態に前記界面移動手段と前記電圧印加手段を置くことを特徴とする請求項１に記載の液体型光学素子。
3. 前記筐体は、光軸を含む面内での内壁面形状が直線又は曲線状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体型光学素子。
4. 温度を計測する温度センサを有し、
   前記連動制御手段は、前記温度センサによる温度計測結果を考慮して、前記界面移動手段と前記電圧印加手段の駆動を連動して制御することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の液体型光学素子。
5. 当該液体型光学素子の屈折力を検出する屈折力検出部を有し、
   前記連動制御手段は、前記屈折力検出部による屈折力検出結果を考慮して、前記界面移動手段と前記電圧印加手段の駆動を連動して制御することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の液体型光学素子。
6. 筐体に封入された互いに不混和な導電性液体と絶縁性液体により規定される界面の位置を前記筐体の内壁面に沿って移動させるための界面移動手段と、前記筐体の内壁面と前記境界が接する位置に絶縁層を介して電極を設け、前記電極と前記導電性液体間に電圧を印加するための電圧印加手段とを有するエレクトロ・ウェッティング現象を用いる液体型光学素子の制御方法であって、
   第１の屈折力から第２の屈折力に向かって屈折力に変化させる様に、前記界面移動手段と前記電圧印加手段を同時に連動して駆動する第１のステップと、
   第２の屈折力に達したことを判定する第２のステップと、
   前記界面移動手段による駆動を継続すると共に第２の屈折力を保持するための量だけ前記電圧印加手段を駆動する第３のステップと、
   前記電圧印加手段による界面制御力がなくなったことを判定し第２の屈折力を保持しつつ界面移動手段の駆動を停止する第４のステップと、
   を含むことを特徴とする制御方法。
7. 前記第３のステップの駆動時間が、前記第１のステップの駆動時間より長いことを特徴とする請求項６に記載の制御方法。
8. 筐体に封入された互いに不混和な導電性液体と絶縁性液体により規定される界面の位置を前記筐体の内壁面に沿って移動させるための界面移動手段と、前記筐体の内壁面と前記境界が接する位置に絶縁層を介して電極を設け、前記電極と前記導電性液体間に電圧を印加するための電圧印加手段とを有するエレクトロ・ウェッティング現象を用いる液体型光学素子の制御方法であって、
   第１の屈折力から第２の屈折力に向かって屈折力に変化させる様に、前記界面移動手段と前記電圧印加手段を同時に連動して駆動するステップと、
   第２の屈折力に達したことを判定するステップと、
   第２の屈折力から第３の屈折力に向かって屈折力に変化させる様に、前記電圧印加手段による駆動を維持すると共に前記界面移動手段を駆動するステップと、
   第３の屈折力に達したことを判定し前記電圧印加手段による駆動を維持して第３の屈折力を保持しつつ前記界面移動手段の駆動を停止するステップと、
   を含むことを特徴とする制御方法。
9. 筐体に封入された互いに不混和な導電性液体と絶縁性液体により規定される界面の位置を前記筐体の内壁面に沿って移動させるための界面移動手段と、前記筐体の内壁面と前記境界が接する位置に絶縁層を介して電極を設け、前記電極と前記導電性液体間に電圧を印加するための電圧印加手段とを有するエレクトロ・ウェッティング現象を用いる液体型光学素子の制御方法であって、
   第１の屈折力から第２の屈折力に向かって屈折力に変化させる様に、前記界面移動手段と前記電圧印加手段を同時に連動して駆動するステップと、
   第２の屈折力に達したことを判定するステップと、
   前記界面移動手段による駆動を継続すると共に第２の屈折力を保持するための量だけ前記電圧印加手段を駆動するステップと、
   前記電圧印加手段の駆動による界面制御力がゼロになる前に第２の屈折力を保持しつつ前記界面移動手段の駆動を停止するステップと、
   第２の屈折力を前記電圧印加手段の駆動により保持するステップと、
   を含むことを特徴とする制御方法。

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