JP2012088581A - Liquid lens and control method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology of controlling optical power of a liquid lens with higher accuracy while decreasing influences of hysteresis when controlling a voltage to obtain target optical power.SOLUTION: The liquid lens 209 includes a non-conductive liquid 202 and a conductive liquid 201 in a casing 203, and electrodes 206 to apply a voltage to the conductive liquid. The lens also includes control means to control a voltage between the electrodes and the conductive liquid, and changes optical power by changing a shape of an interface 208 between two liquids. The control means controls in such a manner that upon rendering the interfacial shape into a shape giving the target optical power in a region with hysteresis, a contact angle of the aimed liquid always reaches a target contact angle in terms of a receding angle. When a contact angle of one liquid is an advancing angle during changing the voltage in a direction to obtain the target optical power, the voltage is controlled to exceed one voltage of two voltages giving the target optical power and further to exceed the other voltage of the two voltages, and then reversed in the opposite direction to reach the one voltage.

Description

本発明はパワー可変素子に関し、特に、液体を用いて屈折力(光学パワー)を調整可能な液体レンズ及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a power variable element, and more particularly to a liquid lens capable of adjusting a refractive power (optical power) using a liquid and a control method thereof.

従来、一つの素子で光学パワーを変化させるパワー可変素子が数多く提案されている。その中で、電圧を印加することで液滴の接触角を変化させるエレクトロウェッティング(以下、EWともいう)現象を用いた液体レンズは、偏光等への依存性も無く、その光学的な特性が注目されている。EW現象を用いたEW方式の素子は、図1のように、通常、屈折率の異なる2つの液体102と103の界面101を変化させ、光学的なパワーを変化させる。このとき、重力の影響を無くすため2つの液体102と103の密度を揃えるのが一般的である。 Conventionally, many power variable elements that change optical power with one element have been proposed. Among them, a liquid lens using the electrowetting (hereinafter also referred to as EW) phenomenon that changes the contact angle of a droplet by applying a voltage has no dependence on polarized light and its optical characteristics. Is attracting attention. As shown in FIG. 1, an EW element using the EW phenomenon usually changes the optical power by changing the interface 101 between two liquids 102 and 103 having different refractive indexes. At this time, the density of the two liquids 102 and 103 is generally made uniform in order to eliminate the influence of gravity.

特許文献1には、このような液体レンズの駆動方法が記載されている。また、特許文献2及び3には、EW方式の液体レンズの構成が記載されている。ここで、固体部に対する2液界面の接触角は、2種類の液体の表面エネルギー及び固体部の表面自由エネルギーから一意に定まる。しかし実際には、固体部の表面状態や表面粗さ、液体の粘性や接着仕事などにより変化する。特に、接触角は、2液界面の接触点が移動する方向により、前進角・後退角と呼ばれる異なる角度を示すことが知られている。ここで、2液の界面形状は、2液が密閉されているため体積が一定であり、周囲の接触角が決まれば一意に決定する。また、2つの液体の密度が等しければ、界面形状は理論上球面になる。更に、ここに電圧を印加すると、接触角が変化し、それに従い2液界面の球面形状も一意に決定される。即ち、印加電圧と界面形状は一対一の関係にある。 Patent Document 1 describes such a liquid lens driving method. Patent Documents 2 and 3 describe the configuration of an EW liquid lens. Here, the contact angle of the two-liquid interface with respect to the solid part is uniquely determined from the surface energy of two kinds of liquids and the surface free energy of the solid part. However, in actuality, it varies depending on the surface state and surface roughness of the solid part, the viscosity of the liquid, the work of bonding, and the like. In particular, the contact angle is known to show different angles called advancing and receding angles depending on the direction in which the contact point of the two-liquid interface moves. Here, the interface shape of the two liquids is fixed because the two liquids are sealed, and is uniquely determined if the surrounding contact angle is determined. If the two liquids have the same density, the interface shape is theoretically a spherical surface. Furthermore, when a voltage is applied here, the contact angle changes, and the spherical shape of the two-liquid interface is uniquely determined accordingly. That is, the applied voltage and the interface shape have a one-to-one relationship.

特開2001-249203号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-249203 特許第4414641号公報Japanese Patent No. 4414641 特表2008-518906号公報Special table 2008-518906 gazette

しかし、先に述べた前進角と後退角による接触角の差が発生すると、目標電圧において2種類の接触角が存在することになる。この異なる接触角は電圧の上昇時と下降時でそれぞれ発生するため、結果として液体レンズの光学パワーのヒステリシスとして認識される。つまり、ヒステリシスのある領域では、光学パワーの観点からいえば、同じ光学パワーが異なる2つの電圧により実現され、また、電圧の観点からいえば、同じ電圧が異なる2つの光学パワーを実現する。このヒステリシスを低減するには、液体材料や固体部表面の材質などを選ぶか、駆動方法でヒステリシスの補正(即ち、ヒステリシスの影響の低減)を行う必要がある。特許文献1では、ヒステリシスの影響を低減する為に、電圧を一旦目標電圧を超過して変化させその後に目標電圧に戻すというオーバーシュートを行う駆動方法について記載されている。しかし、上昇時と下降時の何れの方向の電圧変化のときにオーバーシュートを行うべきかということやその超過量についての記載は無い。また、特許文献2及び3では、液体と固体の間に潤滑層を設けたり、表面状態を規定したりして、ヒステリシスの発生し難い材料の選択を行っている。しかし、このような材料を選択すると、材料が限定されてレンズの光学的特性との両立がより困難になる。 However, when the contact angle difference between the advance angle and the receding angle described above occurs, two types of contact angles exist at the target voltage. The different contact angles are generated when the voltage increases and decreases, respectively, and as a result, this is recognized as hysteresis of the optical power of the liquid lens. That is, in a region having hysteresis, the same optical power is realized by two different voltages from the viewpoint of optical power, and two optical powers by the same voltage are realized from the viewpoint of voltage. In order to reduce this hysteresis, it is necessary to select a liquid material, the material of the surface of the solid part, or the like, or to correct the hysteresis by the driving method (that is, reduce the influence of the hysteresis). Patent Document 1 describes a driving method for performing an overshoot in which the voltage is changed once exceeding the target voltage and then returned to the target voltage in order to reduce the influence of hysteresis. However, there is no description as to which overshoot should be performed when the voltage changes in the upward or downward direction and the excess amount. In Patent Documents 2 and 3, a material that hardly generates hysteresis is selected by providing a lubricating layer between a liquid and a solid or defining a surface state. However, when such a material is selected, the material is limited and it becomes more difficult to achieve compatibility with the optical characteristics of the lens.

上記課題に鑑み、本発明のエレクトロウェッティング方式の液体レンズは、筐体内部に封止された非導電性液体及び導電性液体と、前記導電性液体に電圧を印加するための電極と、を有する。また、前記印加する電圧を制御する制御手段を備え、これにより前記2種の液体のなす界面形状を変化させることで光学パワーを変化させる。更に、前記制御手段は、前記界面形状を、光学パワーのヒステリシスがある領域中の目標の光学パワーの形状にもたらすとき、前記界面の端部が接する前記筐体の内壁との界面エネルギーが小さい前記2種の液体の一方の液体の接触角が常に後退角となって目標の接触角に達するようにする。即ち、電圧を目標の光学パワーを実現する方向に変化させる時に一方の液体の接触角が前進角となる場合には、電圧を、目標の光学パワーを実現する2つの電圧の一方の電圧を超過し更に該2つの電圧の他方の電圧を超過して変化させた後に逆方向に戻して前記一方の電圧にもたらす。 In view of the above problems, an electrowetting type liquid lens of the present invention includes a non-conductive liquid and a conductive liquid sealed inside a housing, and an electrode for applying a voltage to the conductive liquid. Have. In addition, the optical power is changed by changing a shape of an interface formed by the two kinds of liquids. Further, when the interface means brings the interface shape to a target optical power shape in a region where there is optical power hysteresis, the interface energy with the inner wall of the housing that is in contact with the end of the interface is small. The contact angle of one of the two liquids is always a receding angle so as to reach the target contact angle. That is, if the contact angle of one liquid becomes a forward angle when the voltage is changed in the direction to achieve the target optical power, the voltage exceeds one of the two voltages that achieve the target optical power. Further, after the other voltage of the two voltages is changed, it is returned to the opposite direction and brought to the one voltage.

また、上記課題に鑑み、前記2種の液体のなす界面形状を変化させることで光学パワーを変化させるエレクトロウェッティング方式の液体レンズの本発明の制御方法は、次のように前記電極と前記導電性液体の間に印加する電圧を制御する。即ち、前記2種の液体のなす界面形状を、光学パワーのヒステリシスがある領域中の目標の光学パワーの形状にもたらすとき、前記界面の端部が接する前記筐体の内壁との界面エネルギーが小さい前記2種の液体の一方の液体の接触角が常に後退角となって目標の接触角に達するように電圧を制御する。この為に、電圧を目標の光学パワーを実現する方向に変化させる時に一方の液体の接触角が前進角となる場合には、電圧を、目標の光学パワーを実現する2つの電圧の一方の電圧を超過し更に該2つの電圧の他方の電圧を超過して変化させた後に逆方向に戻して前記一方の電圧にもたらす。 In view of the above problems, the control method according to the present invention of an electrowetting type liquid lens that changes the optical power by changing the shape of the interface between the two types of liquids is as follows. The voltage applied between the liquids is controlled. That is, when the interface shape formed by the two liquids is brought to the target optical power shape in a region where there is optical power hysteresis, the interface energy with the inner wall of the casing that is in contact with the end of the interface is small. The voltage is controlled so that the contact angle of one of the two liquids always becomes the receding angle and reaches the target contact angle. For this reason, when the contact angle of one liquid becomes a forward angle when the voltage is changed in the direction for realizing the target optical power, the voltage is set to one of the two voltages for realizing the target optical power. Is exceeded and further changed over the other of the two voltages, and then reversed to bring it to the one voltage.

本発明によれば、上記の如きオーバーシュートを行うので、目標の光学パワーを実現すべく電圧を制御する際に、前進角か後退角かという接触角の違いから発生するヒステリシスの影響を低減し、より高精度に液体レンズの光学パワーを制御することができる。 According to the present invention, since the overshoot as described above is performed, when the voltage is controlled to achieve the target optical power, the influence of the hysteresis generated from the difference in the contact angle between the forward angle and the backward angle is reduced. The optical power of the liquid lens can be controlled with higher accuracy.

液体レンズの2液界面変化を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the 2 liquid interface change of a liquid lens. EW方式液体レンズの構成を表す図である。It is a figure showing the structure of EW system liquid lens. 接触角における前進角と後退角を説明する図である。It is a figure explaining the advancing angle and receding angle in a contact angle. 実施例1における液体レンズ制御を説明する図である。6 is a diagram illustrating liquid lens control in Embodiment 1. FIG. 実施例1における液体レンズの界面変化を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining an interface change of the liquid lens in the first embodiment. 実施例2における液体レンズ制御を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating liquid lens control in Embodiment 2. 実施例2における液体レンズの時間変化を表す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a time change of a liquid lens in Example 2. 実施例2における制御の効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of control in Example 2. FIG. 液体レンズの制御を行う構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure which controls a liquid lens. 実施例3における液体レンズ制御を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining liquid lens control in Embodiment 3.

本発明の特徴は、次の点にある。ヒステリシスの領域では、着目する液体の接触角が常に後退角で目標の接触角に達するように、電圧をそのまま一方向に変化させると前進角となって接触角が変化する場合には、次のようにする。即ち、電圧を該一方向に変化させて目標の光学パワーを実現する2つの電圧の一方の電圧を超過し更に該2つの電圧の他方の電圧を超過して変化させた後に逆方向に戻して前記一方の電圧にもたらす。このとき、前記一方の電圧から前記他方の電圧を超過するまでの超過量は、通常、ヒステリシスの形状が対称的ではないので、目標の光学パワーに応じて異なることになる。この考え方に基づき、本発明のエレクトロウェッティング方式の液体レンズ及びその制御方法は、上記課題を解決するための手段のところで述べた様な基本的な構成を有する。以下、この基本的な構成を具体化した実施例を説明する。 The features of the present invention are as follows. In the hysteresis region, if the voltage is changed in one direction as it is so that the contact angle of the liquid of interest always reaches the target contact angle with a receding angle, Like that. That is, the voltage is changed in one direction to exceed one of the two voltages for realizing the target optical power, and the voltage is changed to exceed the other of the two voltages and then returned to the opposite direction. To one of the voltages. At this time, the amount of excess from the one voltage to the other voltage is usually different depending on the target optical power because the shape of the hysteresis is not symmetrical. Based on this concept, the electrowetting type liquid lens and the control method thereof according to the present invention have the basic configuration as described in the section for solving the above-mentioned problems. Hereinafter, an embodiment embodying this basic configuration will be described.

(実施例1)
図を用いて、本発明の実施例1を説明する。図2は、実施例1の液体レンズ209の断面図である。2種類の液体201と202が筐体203内に密封されている。液体201は電解液などの導電性液体、液体202はオイルなどの非導電性液体である。筐体203は、対向して配置された窓部材204及び窓部材205により封止されている。筐体203の側面の内壁には、電極206及び絶縁体207が形成されている。電極206は、絶縁体207の2種の液体の封止された側とは反対側の面に形成されている。液体201と液体202は互いに非混合であり、2種類の液体の間に界面208が生じる。ここで、筐体内部に封止された2種類の液体201と202でそれぞれ屈折率が異なれば、界面208により屈折力が生じる。界面形状は、2種類の液体201と202の密度が略一致していれば球面になるため、界面208がレンズ屈折面として作用する。この際、界面208の曲率半径は、2種類の液体201と202及び絶縁体207それぞれに働く界面エネルギーにより一意に決定される。
Example 1
Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a cross-sectional view of the liquid lens 209 according to the first embodiment. Two kinds of liquids 201 and 202 are sealed in a housing 203. The liquid 201 is a conductive liquid such as an electrolytic solution, and the liquid 202 is a nonconductive liquid such as oil. The housing 203 is sealed by a window member 204 and a window member 205 that are arranged to face each other. An electrode 206 and an insulator 207 are formed on the inner wall of the side surface of the housing 203. The electrode 206 is formed on the surface of the insulator 207 opposite to the side where the two liquids are sealed. The liquid 201 and the liquid 202 are not mixed with each other, and an interface 208 is generated between the two kinds of liquids. Here, if the refractive indexes of the two kinds of liquids 201 and 202 sealed inside the casing are different, refractive power is generated by the interface 208. The interface shape is a spherical surface if the densities of the two types of liquids 201 and 202 are substantially the same, so that the interface 208 acts as a lens refracting surface. At this time, the radius of curvature of the interface 208 is uniquely determined by the interface energy acting on each of the two types of liquids 201 and 202 and the insulator 207.

界面208の曲率半径は以下のように求まる。液体201と絶縁体207の間、液体202と絶縁体207の間、2種類の液体201と202の間に働く界面エネルギーをそれぞれγ、γ、γとしたとき、導電性液体201の初期接触角θ0は次式で表せ、これにより界面208の曲率半径が決まる。この曲率半径の状態は、液体レンズ209全系のエネルギーが最小になる状態である。
cosθ0−γ
The radius of curvature of the interface 208 is obtained as follows. When the interfacial energies acting between the liquid 201 and the insulator 207, between the liquid 202 and the insulator 207, and between the two kinds of liquids 201 and 202 are γ 1 , γ 2 , and γ 3 , respectively, the conductive liquid 201 The initial contact angle θ 0 can be expressed by the following equation, which determines the radius of curvature of the interface 208. This state of curvature radius is a state where the energy of the entire liquid lens 209 is minimized.
cosθ 0 = γ 1 / γ 3 −γ 2 / γ 3

ここで、電極206と導電性液体201の間に電圧を印加すると(液体201へ電圧を印加する電極は図2では不図示であるが、筐体203に形成された孔に挿入された棒状電極などで実現できる)、液体201と電極206の間に電界のエネルギーQが生じる。これにより、液体レンズ209全系のエネルギーが変化する。このエネルギー変化に応じ、液体201の接触角θは変化し、接触角θが次式で表される状態で全系エネルギーが最小になる。
cosθ=γ−γ−Q
このことから、電圧を印加することで液体201の接触角を変えられることが分かる。液体201と202の体積は一定のため、液体201の接触角が変わることで界面208の持つ曲率半径も変化する。よって、電圧を印加することで2液界面208の曲率半径を変化させ、結果として界面208で生じる屈折力を変化させることが可能になる。
Here, when a voltage is applied between the electrode 206 and the conductive liquid 201 (the electrode for applying a voltage to the liquid 201 is not shown in FIG. 2, but is a rod-shaped electrode inserted into a hole formed in the housing 203. The energy Q of the electric field is generated between the liquid 201 and the electrode 206. As a result, the energy of the entire liquid lens 209 changes. In response to this energy change, the contact angle θ of the liquid 201 changes, and the total system energy is minimized when the contact angle θ is expressed by
cosθ = γ 1 / γ 3 -γ 2 / γ 3 -Q
This shows that the contact angle of the liquid 201 can be changed by applying a voltage. Since the volumes of the liquids 201 and 202 are constant, the radius of curvature of the interface 208 changes as the contact angle of the liquid 201 changes. Therefore, by applying a voltage, the radius of curvature of the two-liquid interface 208 can be changed, and as a result, the refractive power generated at the interface 208 can be changed.

この際、液体の接触角には前進角と後退角が存在する。後退角は、液体と固体の接触面の端部が着目する液体の方向へ移動して生じる接触角であり、前進角はその逆方向に移動して生じる接触角である。着目する液体を液体301とし印加電圧を同電圧にもたらしたとして、図3(a)は後退角でもって到達した接触角を示し、図3(b)は前進角でもって到達した接触角を示す。2液体の界面の場合、一方の液体に着目して、その液体の存在する方向に接触面端部が移動する場合が後退角、逆の方向の場合が前進角である。例えば図3(c)、(d)の場合、着目する液体を液体301として、(c)の方向が後退角、(d)の方向が前進角となる。 At this time, there are advancing angle and receding angle in the contact angle of the liquid. The receding angle is a contact angle generated by moving the end of the contact surface between the liquid and the solid in the direction of the liquid of interest, and the advancing angle is a contact angle generated by moving in the opposite direction. Assuming that the liquid of interest is the liquid 301 and the applied voltage is brought to the same voltage, FIG. 3A shows the contact angle reached with the receding angle, and FIG. 3B shows the contact angle reached with the advancing angle. . In the case of an interface between two liquids, paying attention to one of the liquids, the receding angle is when the contact surface edge moves in the direction in which the liquid exists, and the advancing angle is when the direction is opposite. For example, in the case of FIGS. 3C and 3D, the liquid of interest is the liquid 301, the direction of (c) is the receding angle, and the direction of (d) is the advancing angle.

この前進角と後退角は、液体と固体の接着仕事や固体-液体間の界面エネルギー、固体表面の表面粗さなど、多様なパラメータにより変化する。また、同じ電圧の印加で実現される前進角θaと後退角θbの間には次の関係が成り立つ(図3(a)、(b)を参照)。
θa>or=θb
前進角と後退角では、特に液体の濡れを考慮すると後退角の方が安定した角度となりやすい。同じ電圧で実現される接触角として、こうした前進角と後退角があって、これらの間に差があるため、液体レンズの有する光学パワーは、電圧を上昇させて実現する際と下降させて実現する際との間で差が生じる。即ち、ヒステリシスが発生することになる。このヒステリシス(即ち、上記光学パワーの差)を低減するには、液体材料や絶縁体材料を選ぶ方法がある。しかし、液体レンズの場合、高い電圧の印加を必要とするため、絶縁体材料には高い絶縁耐圧が要求される。また、2種類の液体も所望の屈折率差が必要なため、このヒステリシスを低減可能な材料を選択できない場合がある。
The advancing and receding angles vary depending on various parameters such as the bonding work between the liquid and the solid, the interfacial energy between the solid and the liquid, and the surface roughness of the solid surface. Further, the following relationship is established between the forward angle θ a and the backward angle θ b realized by applying the same voltage (see FIGS. 3A and 3B).
θ a > or = θ b
With regard to the advance angle and the receding angle, the receding angle tends to be a more stable angle especially considering the wetness of the liquid. As the contact angle realized with the same voltage, there are such advancing angle and receding angle, and there is a difference between them, so the optical power of the liquid lens is realized by increasing the voltage and decreasing it There is a difference between That is, hysteresis occurs. In order to reduce this hysteresis (that is, the difference in optical power), there is a method of selecting a liquid material or an insulator material. However, in the case of a liquid lens, since a high voltage needs to be applied, a high withstand voltage is required for the insulator material. In addition, since the two types of liquids also require a desired refractive index difference, it may not be possible to select a material that can reduce this hysteresis.

そこで、本実施例では、着目する液体が常に前進角と後退角の一方となって目標の接触角に至るよう2液界面を制御することで、このヒステリシスの影響を低減させる。このとき、より安定しやすい後退角になるように制御することで、ヒステリシスの影響が低減され、かつ2液界面の形状が安定する。 Therefore, in this embodiment, the influence of the hysteresis is reduced by controlling the two-liquid interface so that the liquid of interest always becomes one of the advance angle and the receding angle and reaches the target contact angle. At this time, by controlling the receding angle to be more stable, the influence of hysteresis is reduced, and the shape of the two-liquid interface is stabilized.

この制御について、図4と図5を用いて説明する。図4は、横軸を印加電圧、縦軸を液体レンズの光学パワーとした曲線におけるヒステリシスを示す模式図である。図5は図4の各ポイントに対応した液体レンズ501の状態を示す図である。図5において、502は導電性液体、503は非導電性液体、504は絶縁体、505は電極である。本実施例では、着目する液体は非導電性液体503である。また、図5(a)は、図4中のポイント401におけるレンズの界面形状に対応する。同様に、図5(b)はポイント402に、図5(c)はポイント403に、図5(d)はポイント404に対応する。 This control will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic diagram showing hysteresis in a curve with the applied voltage on the horizontal axis and the optical power of the liquid lens on the vertical axis. FIG. 5 is a diagram showing the state of the liquid lens 501 corresponding to each point in FIG. In FIG. 5, 502 is a conductive liquid, 503 is a non-conductive liquid, 504 is an insulator, and 505 is an electrode. In this embodiment, the liquid of interest is a non-conductive liquid 503. 5A corresponds to the lens interface shape at the point 401 in FIG. Similarly, FIG. 5B corresponds to the point 402, FIG. 5C corresponds to the point 403, and FIG. 5D corresponds to the point 404.

ここで、液体レンズにおけるヒステリシスは、図4のように光学パワーに関して非対称な形状を有している。図4のように、或る光学パワーφ1からパワーを低下させ、φ2まで低下させるとする。このとき、光学パワーがφ1、φ2となる液体レンズ501の電圧の目標値はそれぞれV1、V2である(非導電性液体503の屈折率>導電性液体502の屈折率とする)。非導電性液体503に着目したとき、光学パワーを低下させる方向は、接触角が前進角となる方向である。このため、図4に示す通り、電圧がV0⇒V2に上がる際の光学パワーに比べ、V1⇒V2に下がる際の光学パワーは大きくなる。言い換えれば、光学パワーを低下させる際に、光学パワーを低下し難いヒステリシスが発生するということになる。 Here, the hysteresis in the liquid lens has an asymmetric shape with respect to the optical power as shown in FIG. As shown in FIG. 4, it is assumed that the power is reduced from a certain optical power φ1 to φ2. At this time, the target values of the voltages of the liquid lens 501 with the optical power of φ1 and φ2 are V1 and V2, respectively (refractive index of the nonconductive liquid 503> refractive index of the conductive liquid 502). When attention is paid to the non-conductive liquid 503, the direction in which the optical power is reduced is the direction in which the contact angle becomes the advance angle. For this reason, as shown in FIG. 4, the optical power when the voltage decreases from V1 to V2 is larger than the optical power when the voltage increases from V0 to V2. In other words, when the optical power is reduced, hysteresis that is difficult to reduce the optical power occurs.

このヒステリシスの影響を低減させるため、光学パワーが低下する方向に電圧を制御する場合、目標の光学パワーに対応する高い方の電圧まで下げる(V1⇒V2)のではなく、V2より小さな電圧であるV3まで低下させる(即ち、オーバーシュートさせる)。V3は、目標の光学パワーに対応する低い方の電圧V4より低い電圧である。その後、V3⇒V2まで電圧を上昇させることで、常に接触角が後退角である方向に電圧が制御される。この際、接触角を後退角とするため、V3の大きさは、少なくとも光学パワーがφ2となる他方の低い電圧V4より小さい電圧であることが必要でなる。以上では、ヒステリシスがない領域の電圧からヒステリシスがある領域の電圧に変化させる例を説明したが、ヒステリシスがある領域内において目標の電圧に向けて電圧を下降させる場合も、前述したようにオーバーシュートさせた後に電圧を上昇させれば良い。 In order to reduce the influence of this hysteresis, when controlling the voltage in the direction of decreasing optical power, the voltage is lower than V2 instead of lowering to the higher voltage corresponding to the target optical power (V1⇒V2). Reduce to V3 (ie, overshoot). V3 is a voltage lower than the lower voltage V4 corresponding to the target optical power. Thereafter, by increasing the voltage from V3 to V2, the voltage is always controlled in the direction in which the contact angle is the receding angle. At this time, in order to set the contact angle as the receding angle, the magnitude of V3 needs to be at least smaller than the other low voltage V4 at which the optical power becomes φ2. In the above, the example of changing the voltage in the region without hysteresis to the voltage in the region with hysteresis has been described. However, as described above, the overshoot also occurs when the voltage is decreased toward the target voltage in the region with hysteresis. The voltage may be increased after the operation.

他方、接触角の変動方向が元々後退角となる方向、例えばV4⇒V2の方向へ電圧を制御する場合、オーバーシュートさせる必要は無い。本実施例で、着目する液体は、液体502と503のうち絶縁体504との界面エネルギーの小さい方とし、非導電性液体である液体503に着目している。このように界面エネルギーの小さい方を選択することで、後退角の安定性を高くすることが可能になり、より効果的なヒステリシスの影響の低減を行うことができる。また、ヒステリシスがない領域の電圧に向けて電圧を変化させることで目標のパワーを実現する場合にも、オーバーシュートさせずに単純に目標の電圧に変化させれば良い。 On the other hand, when the voltage is controlled in the direction in which the variation direction of the contact angle originally becomes the receding angle, for example, in the direction of V4 → V2, there is no need to overshoot. In this embodiment, the liquid of interest is the liquid 502 and 503 having the smaller interface energy with the insulator 504, and the liquid 503, which is a non-conductive liquid, is focused. By selecting the one having a smaller interface energy in this way, it becomes possible to increase the stability of the receding angle, and it is possible to reduce the influence of hysteresis more effectively. Further, even when the target power is realized by changing the voltage toward a voltage in a region where there is no hysteresis, the target voltage may be simply changed without overshooting.

以上に述べたように、本実施例では、電極と導電性液体502の間に印加する電圧を制御する制御手段は、次のように電圧を制御することになる。2液の界面形状を、光学パワーのヒステリシスがある領域中の目標の光学パワーの形状にもたらすときは、非導電性液体503の接触角が常に後退角となって目標の接触角に達するようにする。その為に、電圧を目標光学パワーを実現する方向に変化させる時に液体503の接触角が前進角となる場合は、電圧を、目標光学パワーを実現する2つの電圧の一方の電圧を超過し更に他方の電圧まで変化させた後に逆方向に戻して一方の電圧にもたらす。 As described above, in this embodiment, the control means for controlling the voltage applied between the electrode and the conductive liquid 502 controls the voltage as follows. When the interface shape of the two liquids is brought to the target optical power shape in the region where there is optical power hysteresis, the contact angle of the non-conductive liquid 503 is always set as the receding angle so as to reach the target contact angle. To do. Therefore, when the contact angle of the liquid 503 becomes a forward angle when the voltage is changed in the direction for realizing the target optical power, the voltage exceeds one of the two voltages for realizing the target optical power. After changing to the other voltage, it returns to the opposite direction and brings it to one voltage.

なお、絶縁体504は必ずしも1つの物質で構成されている必要は無い。例えば、絶縁体504は、2種の液体502と503と接する面が、非導電性液体503との界面エネルギーの方が小さくなる薄膜(図5では不図示)で覆われていても良い。こうすると、絶縁膜504を覆う薄膜材料を絶縁膜504とは別材料にすることができるため、非導電性液体503との界面エネルギーの方をより小さくでき、より後退角の安定性を高くし、更なるヒステリシスの影響の低減を行うことができる。 Note that the insulator 504 is not necessarily formed of one substance. For example, the insulator 504 may be covered with a thin film (not shown in FIG. 5) whose surface in contact with the two liquids 502 and 503 has a smaller interface energy with the non-conductive liquid 503. In this case, since the thin film material covering the insulating film 504 can be made different from the insulating film 504, the interface energy with the non-conductive liquid 503 can be made smaller, and the stability of the receding angle can be further increased. Further, the effect of hysteresis can be reduced.

(実施例2)
図6から図9を用いて、本発明の実施例2を説明する。実施例2では、ヒステリシスの非対称性に適応させた制御方法と電圧の超過量について説明する。図6は、図4と同様、液体レンズの電圧-光学パワー曲線におけるヒステリシスを示す。図6に示すように、液体レンズの持つヒステリシスは、目標とする光学パワーによりそのヒステリシス量が異なる。つまり、光学パワーのヒステリシスにおいて同じ光学パワーを実現する異なる2つの電圧の間の差は、光学パワーにより異なる。このため、ヒステリシスの影響を低減するための電圧の超過量であるオーバーシュート量が適切に設定されていない場合、不具合が発生する可能性がある。具体的にはオーバーシュート量が大き過ぎる場合、応答速度の低下が考えられる。他方、オーバーシュート量が小さ過ぎる場合、ヒステリシスの影響の低減不足の発生が懸念される。
(Example 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, a control method adapted to the asymmetry of hysteresis and a voltage excess amount will be described. FIG. 6 shows the hysteresis in the voltage-optical power curve of the liquid lens, as in FIG. As shown in FIG. 6, the hysteresis amount of the liquid lens varies depending on the target optical power. That is, the difference between two different voltages that achieve the same optical power in the optical power hysteresis depends on the optical power. For this reason, if the overshoot amount, which is an excess amount of voltage for reducing the influence of hysteresis, is not set appropriately, a problem may occur. Specifically, when the overshoot amount is too large, the response speed may be decreased. On the other hand, if the overshoot amount is too small, there is a concern that the effect of hysteresis is insufficiently reduced.

これを回避するため、図7に示すように、目標とする光学パワーごとにオーバーシュート量を変化させ、効率的かつ効果的にヒステリシスの影響を低減させる。具体的には、例えば、図6のO点からA点のようにヒステリシス量が比較的小さい光学パワーまでパワー変化させる場合には、図7(a)、(b)のようにオーバーシュート量(VA1からVA2までの超過量)を小さくする。他方、O点からB点のようにヒステリシス量が比較的大きい光学パワーまで変化させる場合には、図7(c)、(d)のようにオーバーシュート量(VB1からVB2までの超過量)を大きくする。図6のC点の光学パワーのようにヒステリシス量が測定されない場所では、図7(e)、(f)のようにオーバーシュート量は0とする。 In order to avoid this, as shown in FIG. 7, the amount of overshoot is changed for each target optical power, and the influence of hysteresis is reduced efficiently and effectively. Specifically, for example, when the power is changed to an optical power having a relatively small hysteresis amount, such as point O to point A in FIG. 6, the overshoot amount (as shown in FIGS. 7A and 7B). Reduce the excess amount from V A1 to V A2 . On the other hand, when changing the optical power to a relatively large amount of hysteresis, such as point O to point B, the overshoot amount (excess amount from V B1 to V B2 as shown in FIGS. 7C and 7D). ). In a place where the hysteresis amount is not measured like the optical power at point C in FIG. 6, the overshoot amount is set to 0 as shown in FIGS. 7 (e) and 7 (f).

この様に、本実施例では、電圧の超過量O.S.は、O.S.=VHys+ΔVで表される。ただし、VHysを光学パワーのヒステリシスのある領域において目標の光学パワーを実現する一方の電圧と他方の電圧の間の差であるヒステリシス量とし、ΔVを0以上の量とする。ΔVの量は一定でもよいし、後述の実施例3のように目標の光学パワーに応じて異ならせてもよい。 Thus, in the present embodiment, the voltage excess OS is expressed as OS = V Hys + ΔV. However, let V Hys be the amount of hysteresis that is the difference between one voltage and the other voltage that achieves the target optical power in a region with optical power hysteresis, and ΔV be 0 or more. The amount of ΔV may be constant, or may be varied according to the target optical power as in Example 3 described later.

図8は、オーバーシュート量が大き過ぎる場合の光学パワーの時間変化と、適切に設定された場合の時間変化を示す。図8(a)、(b)は、図7(c)、(d)と同じ光学パワー変化を与える際の時間変化を表している。図8(c)、(d)は、図8(a)、(b)と同じ光学パワー変化を与える際に、オーバーシュート量が大き過ぎた場合を示す。図8(c)のようにオーバーシュート量が適切でない場合には、目標の光学パワーに到達するまでの時間t2が長くなり、図8(d)のように応答速度が低下することが分かる。これに対し、図8(a)のようにオーバーシュート量が適切な場合には、図8(b)のように目標の光学パワーに到達するまでの時間t1が適切となる。 FIG. 8 shows the time change of the optical power when the overshoot amount is too large and the time change when set appropriately. FIGS. 8A and 8B show time changes when the same optical power changes as in FIGS. 7C and 7D are given. FIGS. 8C and 8D show a case where the amount of overshoot is too large when the same optical power change as in FIGS. 8A and 8B is applied. If the overshoot amount as shown in FIG. 8 (c) is not appropriate, time to reach the target optical power t 2 becomes long, the response speed is seen to decrease as shown in FIG. 8 (d) . On the other hand, when the overshoot amount is appropriate as shown in FIG. 8A, the time t 1 until reaching the target optical power is appropriate as shown in FIG. 8B.

本実施例において、図9のようにヒステリシス量はルックアップテーブル(LUT)904に格納されている。液体レンズの制御手段903は、目標の光学パワーを指令する入力信号905に対し、現在の光学パワーと目標の光学パワーから、オーバーシュート量及び目標となる電圧をLUT904を参照して決定する。その後、制御手段903から、そのオーバーシュート量及び目標となる電圧の信号を電圧源902に送り、これに従って電圧源902は必要な電圧を液体レンズ901に印加する。図9の構成は他の実施例でも用いることができる。 In this embodiment, the hysteresis amount is stored in a look-up table (LUT) 904 as shown in FIG. The liquid lens control unit 903 determines an overshoot amount and a target voltage with reference to the LUT 904 based on the current optical power and the target optical power in response to the input signal 905 for instructing the target optical power. Thereafter, the control unit 903 sends a signal of the overshoot amount and the target voltage to the voltage source 902, and the voltage source 902 applies a necessary voltage to the liquid lens 901 according to the signal. The configuration of FIG. 9 can also be used in other embodiments.

このように、本実施例では、ヒステリシス量の大きさに合わせて(即ち、目標の光学パワーに応じて)適切にオーバーシュート量を設定することで、応答速度を損なうことなくヒステリシスの影響の低減が可能になる。 As described above, in this embodiment, by appropriately setting the overshoot amount in accordance with the magnitude of the hysteresis amount (that is, according to the target optical power), the influence of the hysteresis is reduced without impairing the response speed. Is possible.

(実施例3)
図10を用いて本発明の実施例3について説明する。図10は、図4及び図6と同様、液体レンズの電圧-光学パワー曲線におけるヒステリシスを示している。ここで、図10の目標光学パワーφに対応する電圧VTを目標として、VOから電圧を下げてφのパワーに制御することを考える。このとき、電圧低下方向は接触角が前進角となる方向のため、図10の(1)の曲線に沿って光学パワーが低下する。ここでは、目標の光学パワーがφであるため、電圧を、(1)の下降曲線上における光学パワーφに対応する一方の電圧VTを越え更に他方の電圧VTAより低い電圧VOSまで低下させた後、目標の電圧VTまで上昇させる。このとき、電圧は最低限VTAまで低下させることが必要であるが、実際には2液に接する絶縁体表面の経時変化によるヒステリシスの変化などを考慮して、VTAよりΔVだけ低いVOSまで電圧を低下させることが望ましい。こうすることで、より安定したヒステリシスの影響の低減が可能になる。
(Example 3)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows the hysteresis in the voltage-optical power curve of the liquid lens, as in FIGS. 4 and 6. Here, as the target voltage V T corresponding to the target optical power phi 1 of FIG. 10, by decreasing the voltage from V O considered to control the phi 1 power. At this time, since the voltage decreasing direction is the direction in which the contact angle becomes the advance angle, the optical power decreases along the curve (1) in FIG. Here, since the target optical power is phi 1, voltage, further other voltage V TA voltage lower than V OS beyond one of the voltage V T corresponding to the optical power phi 1 on the descending curve of (1) And then up to the target voltage V T. At this time, it is necessary to lower the voltage to V TA as a minimum, but in actuality, V OS that is lower than V TA by ΔV in consideration of changes in hysteresis due to aging of the insulator surface in contact with the two liquids It is desirable to reduce the voltage to By doing so, it becomes possible to reduce the influence of hysteresis more stably.

このとき、ΔVが必要以上に大きい場合、応答速度の低下を招く。そのため、ΔVは以下の範囲にあることが望ましい。
0.01Vdiff<ΔV<0.3Vdiff
ここで、Vdiff=VS+VHysである。VSは変化前の電圧VOとVTの差、VHysはVTとVTAの差である。この式の下限を下回ると、経時変化などによりヒステリシス量が変化した際に、ヒステリシスの影響の低減を行うことが困難になる。上限を上回ると、ヒステリシスの影響の低減は図れるものの、応答速度の低下を招く。
At this time, if ΔV is larger than necessary, the response speed is lowered. Therefore, ΔV is preferably in the following range.
0.01V diff <ΔV <0.3V diff
Here, V diff = V S + V Hys . V S is the difference between the voltages V O and V T before the change, and V Hys is the difference between V T and V TA . Below the lower limit of this equation, it becomes difficult to reduce the influence of hysteresis when the amount of hysteresis changes due to changes over time. If the upper limit is exceeded, the effect of hysteresis can be reduced, but the response speed is reduced.

上式は更に、0.01Vdiff<ΔV<0.1Vdiffとすることが望ましい。こうすることで、応答速度の低下をより小さくすることが可能になる。このように、本実施例では、ΔVの量も目標の光学パワーに応じて異ならせ、より適切にオーバーシュート量を設定することで、応答速度を損なうことなくヒステリシスの影響の低減がより効果的に可能になる。なお、上記式における0.01などの数値は、実験的に、この程度であれば実用上適切な範囲であると確認された数値である。また、本実施例では、ΔVをVdiffに線形比例して変化させるという考え方を採用しているが、場合によっては、ΔVをVSやVHysなどに線形比例して変化させたり、Vdiffなどの1/2乗、2乗などに比例して変化させたりすることも可能である。 It is further desirable that the above equation satisfies 0.01 V diff <ΔV <0.1 V diff . By doing so, it is possible to further reduce the decrease in response speed. As described above, in this embodiment, the amount of ΔV is also changed according to the target optical power, and the overshoot amount is set more appropriately, so that the effect of hysteresis is more effectively reduced without impairing the response speed. Will be possible. In the above formula, a numerical value such as 0.01 is experimentally confirmed to be a practically appropriate range within this range. Further, in the present embodiment adopts the concept of changing linearly proportional to ΔV to V diff, in some cases, or varied linearly proportional to ΔV like V S and V Hys, V diff It is also possible to change in proportion to 1/2 power, square power, etc.

ところで、以上の実施例では、電圧低下方向(光学パワーの低下方向)が、接触角が前進角となる方向であったが、本発明はこれに限るものではない。非電解液などの非導電性液体及び電解液などの導電性液体の屈折率の関係などによって、接触角が前進角となる方向が電圧上昇方向になる場合もある。また、非導電性液体及び導電性液体と絶縁体の界面エネルギーの関係などによっても、接触角が前進角・後退角となる方向と電圧の上昇・低下の方向の組み合わせが異なり、上記実施例と逆になる場合もある。また、以上の実施例では導電性液体への印加電圧を直流電圧で取り扱っているが、交流電圧でも構わない。交流の場合、交流の実効電圧を直流電圧値と同等として取り扱えばよい。 By the way, in the above embodiment, the voltage decreasing direction (optical power decreasing direction) is the direction in which the contact angle becomes the advance angle, but the present invention is not limited to this. Depending on the relationship between the refractive indexes of the non-conductive liquid such as the non-electrolytic solution and the conductive liquid such as the electrolytic solution, the direction in which the contact angle becomes the advance angle may be the voltage increase direction. Also, depending on the relationship between the non-conductive liquid and the interfacial energy between the conductive liquid and the insulator, etc., the combination of the direction in which the contact angle becomes the advancing / retreating angle and the direction in which the voltage increases / decreases differs. It may be the opposite. In the above embodiments, the voltage applied to the conductive liquid is handled as a DC voltage, but an AC voltage may be used. In the case of alternating current, the effective voltage of alternating current may be handled as being equivalent to the direct current voltage value.

201・・・導電性液体、202・・・非導電性液体、203・・・筐体、206・・・電極、207・・・絶縁体、208・・・液体界面、209・・・液体レンズ、902・・・電圧源、903・・・制御手段 201 ... conductive liquid, 202 ... non-conductive liquid, 203 ... housing, 206 ... electrode, 207 ... insulator, 208 ... liquid interface, 209 ... liquid lens 902 ... Voltage source 903 ... Control means

Claims (7)

筐体と、筐体内部に封止された非導電性液体及び導電性液体と、前記導電性液体に電圧を印加するための電極と、前記印加する電圧を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段を制御することで前記2種の液体のなす界面形状を変化させることで光学パワーを変化させるエレクトロウェッティング方式の液体レンズであって、
前記制御手段は、
前記界面形状を、光学パワーのヒステリシスがある領域中の目標の光学パワーの形状にもたらすとき、前記界面の端部が接する前記筐体の内壁との界面エネルギーが小さい前記2種の液体の一方の液体の接触角が常に後退角となって目標の接触角に達するように、電圧を前記目標の光学パワーを実現する方向に変化させる時に前記一方の液体の接触角が前進角となる場合には、電圧を、前記目標の光学パワーを実現する2つの電圧の一方の電圧を超過し更に該2つの電圧の他方の電圧を超過して変化させた後に逆方向に戻して前記一方の電圧にもたらす、
ことを特徴とする液体レンズ。
A housing, a non-conductive liquid and a conductive liquid sealed inside the housing, an electrode for applying a voltage to the conductive liquid, and a control means for controlling the applied voltage. , An electrowetting type liquid lens that changes the optical power by changing the shape of the interface between the two liquids by controlling the control means,
The control means includes
When the interface shape is brought to the target optical power shape in a region where there is optical power hysteresis, one of the two kinds of liquids having a small interface energy with the inner wall of the housing that is in contact with the end of the interface. When the contact angle of one of the liquids becomes a forward angle when the voltage is changed in a direction to achieve the target optical power so that the contact angle of the liquid always becomes a receding angle and reaches the target contact angle The voltage is changed to exceed the voltage of one of the two voltages that realizes the target optical power, and further exceeds the voltage of the other of the two voltages, and then is reversed to bring the voltage to the one of the two voltages. ,
A liquid lens characterized by that.
前記一方の電圧から前記他方の電圧を超過するまでの超過量を、前記目標の光学パワーに応じて異ならせることを特徴とする請求項1に記載の液体レンズ。 The liquid lens according to claim 1, wherein an excess amount from the one voltage to the voltage exceeding the other voltage is varied according to the target optical power. 前記超過量O.S.は、VHysを前記光学パワーのヒステリシスのある領域において前記目標の光学パワーを実現する前記一方の電圧と前記他方の電圧の間の差とし、ΔVを0以上の量とするとき、O.S.=VHys+ΔVで表されることを特徴とする請求項2に記載の液体レンズ。 When the excess amount OS is V Hys is the difference between the one voltage and the other voltage that achieves the target optical power in a region where the optical power has hysteresis, and ΔV is an amount of 0 or more. OS = V Hys + ΔV, The liquid lens according to claim 2. 前記ΔVは、VdiffをVdiff=VS+VHysとし、VSを変化前の電圧と前記他方の電圧の差とするとき、0.01Vdiff<ΔV<0.3Vdiffであることを特徴とする請求項3に記載の液体レンズ。 Said [Delta] V is a V diff and V diff = V S + V Hys , when the difference between the V S voltage before the change and the other voltage is 0.01V diff <ΔV <0.3V diff The liquid lens according to claim 3. 前記筐体の内壁は、絶縁体で構成され、
該絶縁体は、前記導電性液体より前記非導電性液体との界面エネルギーの方が小さいことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の液体レンズ。
The inner wall of the housing is made of an insulator,
5. The liquid lens according to claim 1, wherein the insulator has a lower interface energy with the non-conductive liquid than the conductive liquid. 6.
前記筐体の内壁は、絶縁体で構成され、該絶縁体は、前記2種の液体と接する面が、前記導電性液体より前記非導電性液体との界面エネルギーの方が小さい薄膜で覆われていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の液体レンズ。 The inner wall of the housing is made of an insulator, and the insulator is covered with a thin film whose surface in contact with the two liquids has a smaller interface energy with the non-conductive liquid than the conductive liquid. The liquid lens according to claim 1, wherein the liquid lens is a liquid lens. 筐体と、筐体内部に封止された非導電性液体及び導電性液体と、前記導電性液体に電圧を印加するための電極と、を有し、前記2種の液体のなす界面形状を変化させることで光学パワーを変化させるエレクトロウェッティング方式の液体レンズの制御方法であって、
前記界面形状を、光学パワーのヒステリシスがある領域中の目標の光学パワーの形状にもたらすとき、前記界面の端部が接する前記筐体の内壁との界面エネルギーが小さい前記2種の液体の一方の液体の接触角が常に後退角となって目標の接触角に達するように、前記電極と前記導電性液体の間に印加する電圧を前記目標の光学パワーを実現する方向に変化させる時に前記一方の液体の接触角が前進角となる場合には、前記電圧を、前記目標の光学パワーを実現する2つの電圧の一方の電圧を超過し更に該2つの電圧の他方の電圧を超過して変化させた後に逆方向に戻して前記一方の電圧にもたらす、
ことを特徴とする液体レンズの制御方法。



A housing, a non-conductive liquid and a conductive liquid sealed inside the housing, and an electrode for applying a voltage to the conductive liquid, and having an interface shape formed by the two liquids An electrowetting type liquid lens control method that changes optical power by changing,
When the interface shape is brought to the target optical power shape in a region where there is optical power hysteresis, one of the two kinds of liquids having a small interface energy with the inner wall of the housing that is in contact with the end of the interface. When the voltage applied between the electrode and the conductive liquid is changed in a direction to achieve the target optical power so that the contact angle of the liquid always becomes a receding angle and reaches the target contact angle, If the contact angle of the liquid is an advancing angle, the voltage is changed so as to exceed one of the two voltages that achieve the target optical power and further exceed the other of the two voltages. And then reverse to bring it to the one voltage,
A control method for a liquid lens.



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TWI824011B (en) * 2018-09-21 2023-12-01 美商康寧公司 A variable volume liquid lens and a camera system

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