JP4553336B2 - 光学素子、光学装置および撮影装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロウェッティング効果（電気毛管現象）を利用した光学素子およびこの光学素子を有する光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レンズを機械的に移動させることなく可変焦点化にするために種々の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特開平１１−１３３２１０号公報では、透明液体を密閉容器に封止し、容器が備えている第１電極と導電性弾性板との間に電位差を与えるようにした光学素子が提案されている。
【０００４】
この光学素子では、第１電極と導電性弾性板との間に電位差を与えることにより、クーロン力による吸引力を発生させて両者の間隔を狭め、両者の間隔から排斥された透明液体の体積をもって、透明弾性板の中央部分を透明液体に背向して凸形に変形させ、凸状に変形した透明弾性板と透明板と両者の間を満たしている透明液体とで凸レンズを形成させる。そして、この上記電位差を変化させることによって凸レンズのパワーを変化させることで、可変焦点の光学素子を構成している。
【０００５】
一方、エレクトロウェッティング効果（電気毛管現象）を用いた可変焦点レンズが、国際特許９９／１８４５６号にて開示されている。この可変焦点レンズでは、電気エネルギを直接、密閉容器に封止された第１の透明液体と第２の透明液体との界面が形成するレンズの形状変化に用いることができるため、レンズを機械的に移動させること無く可変焦点にすることができる。その動作原理について本願図７〜図１３を用いて説明する。
【０００６】
図７および図８には、上記光学素子の構成を示す断面図である。なお、ここでは、光軸１２３が上下方向に延びているものとして説明する。
【０００７】
この図において、１０１は光学素子の全体を示している。１０２は中央に凹部を設けた透明アクリル製の透明基板である。この透明基板１０２の上面には、所定の表面抵抗率を有した、薄膜の抵抗体である透明電極１０３が形成され、その上面には透明アクリル製の絶縁層１０４が密着して設けられる。なお、この透明電極１０３には、後述するように複数の接続部が設けられているが、図７および図８では示していない。
【０００８】
絶縁層１０４は、透明電極１０３の中央にレプリカ樹脂を滴下し、ガラス板で押しつけて表面を平滑にした後、ＵＶ照射を行い硬化させて形成する。絶縁層１０４の上面には、遮光性を有した円筒型の容器本体１０５が接着固定され、その上面には透明アクリル製の上カバー１０６が接着固定される。
【０００９】
さらに、上カバー１０６の上面には、中央部に直径Ｄ３の開口を有した絞り板１０７が配置される。
【００１０】
以上の構成において、絶縁層１０４、容器本体１０５および上カバー１０６で囲まれた所定体積の密閉空間、すなわち液室を有した筐体たる容器が形成される。そして、液室の壁面には、以下に示す表面処理が施されている。
【００１１】
まず、絶縁層１０４の中央上面には、直径Ｄ１の範囲内に撥水処理剤が塗布され、撥水膜１１１が形成されている。撥水処理剤としては、フッ素化合物等が好適である。
【００１２】
また、絶縁層１０４の上面の直径Ｄ１より外側の範囲には、親水処理剤が塗布され、親水膜１１２が形成されている。親水剤としては、界面活性剤、親水性ポリマー等が好適である。
【００１３】
一方、上カバー１０６の下面には、直径Ｄ２の範囲内に親水処理が施され、親水膜１１２と同様の性質を有した親水膜１１３が形成されている。
【００１４】
そしてこれまでに説明したすべての構成部材は、光軸１２３に対して回転対称形状をしている。
【００１５】
容器本体１０５の一部には孔が開けられており、ここに棒状電極１２５が挿入される。棒状電極１２５と孔との隙間は接着剤で封止され、液室の密閉性が維持されている。
【００１６】
そして、透明電極１０３の各接続部（不図示）と棒状電極１２５には給電回路１２６が接続され、スイッチ１２７の操作で両電極間に所定の電圧が印加可能になっている。
【００１７】
以上の構成の容器内の液室には、以下に示す２種類の液体が充填収容される。
まず、絶縁層１０４上の撥水膜１１１の上には、第２の液体１２２が所定量だけ滴下される。第２の液体１２２は無色透明で、比重１．０６、室温での屈折率１．４９のシリコーンオイルが用いられる。
【００１８】
また、液室内の残りの空間には、第１の液体１２１が充填される。第１の液体１２１は、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。
【００１９】
すなわち、第１および第２の液体１２１，１２２は、比重が等しく、屈折率が異なり、かつ互いに混ざることのない（不溶な）液体が選定される。そして、両液体１２１，１２２は界面１２４を形成し、混ざり合わずにそれぞれが独立して存在する。
【００２０】
次に、界面１２４の形状について説明する。まず、図７に示すように、第１の液体１２１と透明電極１０３間に電圧が印加されていない場合、界面１２４の形状は、両液体１２１，１２２間の界面張力、第１の液体１２１と絶縁層１０４上の撥水膜１１１あるいは親水膜１１２との界面張力、第２の液体１２２と絶縁層１０４上の撥水膜１１１あるいは親水膜１１２との界面張力および第２の液体１２２の体積で決まる。
【００２１】
本光学素子１０１では、第２の液体１２２の材料であるシリコーンオイルと、撥水膜１１１との界面張力が相対的に小さくなるように材料選定されている。すなわち、両材料間の濡れ性が高いため、第２の液体１２２が形成するレンズ状液滴の外縁は広がる性向を持ち、外縁が撥水膜１１１の塗布領域に一致したところで安定する。つまり、第２の液体１２２が形成するレンズ底面の直径Ａ１は、撥水膜１１１の直径Ｄ１に等しい。
【００２２】
さらに、両液体１２１，１２２の比重は上述したように互いに等しいため、これら両液体１２１，１２２には見かけ上重力は作用しない。このため、界面１２４は球面になり、その曲率半径および高さｈ１は第２の液体１２２の体積により決まる。また、第１の液体１２１の光軸上の厚さはｔ１になる。
【００２３】
一方、スイッチ１２７が閉成され、第１の液体１２１と透明電極１０３間に電圧が印加されると、エレクトロウェッティング効果によって第１の液体１２１と親水膜１１２との界面張力が減少し、第１の液体１２１が親水膜１１２と撥水膜１１１の境界を乗り越えて撥水膜１１１上に入り込む。
【００２４】
この結果、図８に示すように、第２の液体１２２が作るレンズの底面の直径はＡ１からＡ２に減少し、高さはｈ１からｈ２に増加する。また、第１の液体１２１の光軸上の厚さはｔ２になる。
【００２５】
このように第１の液体１２１への電圧印加によって、２種類の液体の界面張力の釣り合いが変化し、両液体１２１，１２２間の界面１２４の形状が変わる。このため、給電回路１２６の電圧制御によって界面１２４の形状を自在に変えることができる光学素子が実現できる。
【００２６】
また、第１および第２の液体１２１，１２２が異なる屈折率を有しているため、光学レンズとしてのパワーが付与されることになり、光学素子１０１は界面１２４の形状変化によって焦点距離が可変であるレンズとなる。
【００２７】
さらに、図７に比べて図８の界面１２４の方が曲率半径が短くなるので、図８に示した状態の光学素子１０１の方が図７の状態に比べて光学素子１０１の焦点距離が短くなる。
【００２８】
なお、このエレクトロウェッティングによる２液界面の変形原理は、国際特許９９／１８４５６号に開示されており、界面１２４は、同特許の図２に記載された２液界面のポジションＡおよびＢに相当する。
【００２９】
図９には、給電回路１２６の出力電圧と光学素子１０１の変形との関係を示している。
【００３０】
同図（ａ）において、時刻ｔ０に光学素子１０１に対して電圧値Ｖ０の電圧を印加すると、時定数ｔ１１で光学素子１０１の界面１２４の変形が始まる（図９（ｂ）参照）。このまま電圧印加を続けていても、界面１２４が所望の変化量δ０に達する迄にはかなり長い時間が必要となる。そこで、光学系としては誤差として許容できる変形量、例えば図９（ｂ）においては所望の界面変化量δ０の９５％（０．９５δ０と表記）まで界面１２４が変形した時（時刻ｔ１２）に所望の変形量に達したと見なす。
【００３１】
この変形量に達しなければ、光学素子１０１の次の制御、例えば光学素子１０１に印加している電圧値を変更するといった制御には進まない設定になっている。なお、この許容できる変形量は、光学素子１０１が組込まれる光学系に基づいて決定されるものである。
【００３２】
図１０には、上記給電回路１２６を含む、給電制御回路の構成を示している。
ここでは、透明電極１０３の複数の接続部に等しい電圧が印加された場合の動作を説明する。
【００３３】
１３０は光学素子１０１の動作を制御する中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと略す）であり、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換機能、Ｄ／Ａ変換機能、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）機能を有する１チップマイコンである。
【００３４】
給電回路１２６のうち、１３２は乾電池等の直流電源、１３３は電源１３２から出力された電圧をＣＰＵ１３０の制御信号に応じて所望の電圧値へと昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、１３４，１３５はＣＰＵ１３０の制御信号、例えばＰＷＭ機能が実現される周波数／デューティ比可変信号に応じて、その信号レベルをＤＣ／ＤＣコンバータ１３３で昇圧された電圧レベルにまで増幅する増幅器である。
【００３５】
また、増幅器１３４は光学素子１０１の透明電極１０３に、増幅器１３５は光学素子１０１の棒状電極１２５にそれぞれ接続されている。なお、ここでは説明を簡略化するために、透明電極１０３には増幅器１３４から出力される電圧がその表面に一定の値として印加されるものとする。
【００３６】
この構成により、ＣＰＵ１３０の制御信号に応じて、電源１３２の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１３３、増幅器１３４、増幅器１３５によって所望の電圧値、周波数およびデューティで光学素子１０１に印加されるようになる。
【００３７】
図１１には、増幅器１３４，１３５から出力される電圧波形を示している。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３３から増幅器１３４，１３５へそれぞれ１００Ｖの電圧が出力されたものとして以下説明を行う。
【００３８】
図１１（ａ）に示すように、増幅器１３４，１３５はそれぞれ光学素子１０１に接続されている。増幅器１３４からは、図１１（ｂ）に示すように、ＣＰＵ１３０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が出力される。
【００３９】
一方、増幅器１３５からは、図１１（ｃ）に示したようにＣＰＵ１３０の制御信号により、増幅器１３４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、光学素子１０１の透明電極１０３および棒状電極１２５間に印加される電圧は、図１１（ｄ）に示すように±１００Ｖの矩形波形の電圧、つまり交流電圧となる。
【００４０】
このため、給電回路１２６によって光学素子１０１には交流電圧が印加されることになる。
【００４１】
ところで、光学素子１０１に印加される電圧の印加開始からの実効値は図１１（ｅ）の様に表すことができるので、以後、光学素子１０１に印加する交流電圧の波形を図１１（ｅ）にならって表すこととする。
【００４２】
なお、上記説明中、増幅器１３４，１３５から矩形波形の電圧が出力されるものとして説明したが、正弦波出力でも同様の構成となる。
【００４３】
また、上記説明中、給電回路１２６に電源１３２が組込まれた場合について説明を行ったが、外付けの電源によって光学素子１０１に交流電圧が印加されるようにしてもよい。
【００４４】
次に、図１２を用いて従来の他の光学素子について説明する。同図において、３０１は光学素子の全体を示す。３０２は円盤形の透明アクリルあるいはガラス製の第１の封止板である。
【００４５】
３０３は電極リングで、外径寸法は均一、内径寸法は下方向に向かって徐々に径が大きくなっている。この電極リング３０３は、不導体でできたリング部材の表面に、カーボンと樹脂の混合物等の抵抗体を設けたリング状部材である。
【００４６】
電極リング３０３の内面全周には、アクリル樹脂等でできた絶縁層３０４が密着形成される。絶縁層３０４の内径寸法は均一なため、厚さは下に向かって徐々に増加する。そして絶縁層３０４の内面全周の下側には撥水処理剤が塗布され、撥水膜３１１が形成されているとともに、絶縁層３０４の内面全周の上側には親水処理剤が塗布され、親水膜３１２が形成されている。
【００４７】
３０６は円盤形の透明アクリルあるいはガラス製の第２の封止板で、その一部には孔が開けられた、ここに棒状電極３２５が挿入される。棒状電極３２５と孔との隙間は接着剤で封止される。
【００４８】
３０７は光学素子３０１に入射する光束の径を制限する絞り板であり、第２の封止板３０６の上面に固定される。そして、第１の封止板３０２、電極リング３０３および第２の封止板３０６は互いに接着固定され、これらの部材で囲まれた所定体積の密閉空間、すなわち液室を有した筐体としての容器が形成される。
【００４９】
この容器は、棒状電極３２５の挿入部以外は光軸３２３に対して軸対称形状をなしている。そして、液室には、以下に示す２種類の液体が充填される。
【００５０】
まず、液室の底面側には、第２の液体３２２が、その液柱の高さが撥水膜３１１形成部と同一の高さになる分量だけ滴下される。第２の液体３２２は無色透明で、比重１．０６、室温での屈折率１．４９のシリコーンオイルが用いられる。
続いて、液室内の残りの空間には、第１の液体３２１が充填される。第１の液体３２１は、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。
【００５１】
すなわち、第１および第２の液体３２１，３２２は、比重が等しく、屈折率が異なり、かつ互いに混ざることのない（不溶な）液体が選定される。そして、両液体３２１，３２２は界面３２４を形成し、混ざり合わずにそれぞれが独立して存在する。
【００５２】
そして、この界面３２４の形状は、液室（容器）の内壁、第１の液体３２１および第２の液体３２２の３物質が交わる点、すなわち界面３２４の外縁部に働く３つの界面張力の釣り合いで決まる。
【００５３】
１３１は図１０に示した給電回路１２６と同一の構成および作用をなす給電回路である。
【００５４】
この給電回路１３１の増幅器１３４は電極リング３０３に接続され、増幅器１３５は棒状電極３２５に接続されている。
【００５５】
以上の構成において、第１の液体３２１には棒状電極３２５を介して電圧が印加され、エレクトロウェッティング効果によって界面３２４が変形する。
【００５６】
次に、光学素子３０１における界面３２４の変形と、この変形によってもたらされる光学作用について図１３を用いて説明する。
【００５７】
まず、第１の液体３２１に電圧が印加されていない場合、図１３（ａ）に示すように、界面３２４の形状は、両液体３２１，３２２間の界面張力、第１の液体３２１と絶縁層３０４上の撥水膜３１１あるいは親水膜３１２との界面張力、第２の液体３２２と絶縁層３０４上の撥水膜３１１あるいは親水膜３１２との界面張力、および第２の液体３２２の体積で決まる。また、第１の液体３２１の光軸上の厚さはｈ１になる。
【００５８】
一方、第１の液体３２１に電圧が印加されると、エレクトロウェッティング効果によって第１の液体３２１と親水膜３１２との界面張力が減少し、第１の液体３２１が親水膜３１２と撥水膜３１１の境界を乗り越えて撥水膜３１１上に入り込む。この結果、図１３（ｂ）に示すように、第２の液体３２２の高さはｈ１からｈ２に増加する。また、第１の液体３２１の光軸上の厚さはｔ２になる。
【００５９】
このように第１の液体３２１と電極リング３０３間への電圧印加によって、２種類の液体の界面張力の釣り合いが変化し、両液体３２１，３２２間の界面３２４の形状が変わる。こうして、給電回路１３１の電圧制御によって界面３２４の形状を自在に変えられる光学素子が実現できる。
【００６０】
また、第１および第２の液体３２１，３２２が異なる屈折率を有しているため、光学レンズとしてのパワーが付与されることになり、光学素子３０１は界面３２４の形状変化によって焦点距離が変化する可変焦点レンズとなる。
【００６１】
さらに、図１３（ａ）の状態に比べて図１３（ｂ）の状態での界面３２４の方が曲率半径が短くなるので、図１３（ｂ）の光学素子３０１の方が図１３（ａ）の状態に比べて光学素子３０１の焦点距離が短くなる。
【００６２】
なお、このエレクトロウェッティング効果による２液界面の変形原理も、国際特許９９／１８４５６号に開示されており、界面３２４は、同特許の図６に記載された２液界面のポジションＡおよびＢに相当する。
【００６３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように、透明液体を密閉容器に封止収容した可変焦点光学素子においては、光軸方向の厚みを薄くしたいという要求がある。
【００６４】
しかしながら、光学素子を構成する各部品を、その強度を犠牲にして薄型にすることによって光学素子全体の薄型化を図るには無理があり、また、薄型化のために部品同士のクリアランスを小さくするにも限界がある。
【００６５】
また、上記国際特許９９／１８４５６号では、薄型化に関する説明はなされていない。
【００６６】
そこで本発明は、エレクトロウェッティング効果を利用した光学素子において、光軸方向についての薄型化を図ることができるようにすることを目的としている。
【００６７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、導電性又は極性を有する第１の液体およびこの第１の液体と混合することのない第２の液体を容器内に収容し、第１の液体に接して配置される第１の電極と、前記第１および第２の液体によって形成される界面の端部に対応して配置される第２の電極とに印加する電圧を変化させて界面の形状を変化させることにより、光学特性を変化させる光学素子において、容器のうち、該光学素子の光軸を含む第１の領域における光軸方向の厚さが、前記第２の電極が配置された第２の領域における光軸方向の厚さよりも薄くしている。
【００６８】
この光学素子では、印加電圧の変化に応じて上記界面の周辺部が光軸方向に変位することにより、上記界面の形状（曲率）が変化する。このため、容器の第１の領域における光軸方向寸法を第２の領域における光軸方向寸法よりも小さくしておくことにより、必要な上記界面の周辺部の変位量（つまりは、界面全体の曲率変化量）を確保しつつ、光学素子の第１の領域における光軸方向厚さを薄くすることが可能となる。
【００６９】
このように光学素子における第１の領域の薄型化を図ることにより、この光学素子が含まれるレンズユニットを構成するレンズの設計自由度が増し、またレンズユニット全体の光軸方向の寸法を短くすることが可能となる。
【００７０】
なお、第２の領域における光軸方向寸法は、第１の領域における光軸方向寸法よりも大きくなっているため、第２の領域におけるスペースを効率良く用いて第２の電極を配置することができる。これにより、上記界面の大きな曲率変化量を得ることが可能である。
【００７１】
また、第２の電極を、この第２の電極のうち光軸方向一端側が他端側よりも光軸に近づくように傾けることによって、第２の電極を光軸方向に平行とする場合に比べて、光学素子における第２の領域の薄型化を図ることが可能である。
【００７２】
また、第１の電極を、光軸方向を厚さ方向とするシート状に形成し、第１の液体のうち上記界面とは反対側の面に沿って配置することにより、第１の電極やこれに対する配線が光軸方向に突出することのない、つまりは薄型の光学素子を構成することが可能である。
【００７３】
そして、このような光学素子と第１および第２の電極間への印加電圧を変化させる給電制御回路とを設けて光学装置を構成したり、上記光学素子を含む撮影光学系と給電制御回路とを設けて撮影装置を構成したりすれば、薄型の光学装置および撮影装置を構成することが可能である。
【００７４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１および図２には、本発明の第１実施形態である光学素子の構成を示している。なお、ここでは光軸２２３が上下方向に延びているものとして説明する。
【００７５】
これらの図において、２３０は光学素子の全体を示している。２４０は不導体で形成された下容器である。この下容器２４０の底面のうち周辺部には第１の凹部２４１が形成されているとともに、これよりも内径側（中心側）には第１の封止板２０２を保持する第２の凹部２４２が形成されている。第１の封止板２０２は、透明アクリルあるいはガラスにより形成されている。
【００７６】
この下容器２４０の周辺壁部の内側全周には第２の電極リング２４３が設けられており、この第２の電極リング２４３の表面には、電極端面２４３ａもカバーするアクリル樹脂等でできた絶縁層２４４が密着形成されている。
【００７７】
ここで、下容器２４０の周辺壁部は、光軸２２３に対して下端側が上端側よりも光軸２２３に近づくように傾いている。このため、第１の電極リング２４３と絶縁層２４４も共に光軸２２３に対して傾いている。
【００７８】
また、絶縁層２４４の厚さは、下に向かって徐々に増加している。また、絶縁層２４４の内面全周の下側には、撥水処理剤が塗布されて撥水膜２１１が形成されている。さらに、絶縁層２４４の内面全周の上側には、親水処理剤が塗布されて親水膜２１２が形成されている。
【００７９】
２５０は不導体で形成された上容器であり、その内径側で、透明アクリルあるいはガラスにより形成された第２の封止板２０６を保持する。また、上容器２５０の周辺部下面には、シート状の第１の電極リング２５１が密着形成されている。
【００８０】
この第１の電極リング２５１の表面には、絶縁層２５２が密着形成されているが、後述する第１の液体２２１に接してこれに電圧を印加するための露出部２５１ａが備わるように、絶縁層２５２は第１の電極リング２５１の外縁側のみをカバーするように形成されている。
【００８１】
そして、下容器２４０の周辺壁部と上容器２５０とを液密に封止することにより、下容器２４０、上容器２５０、第１の封止板２０２および第２の封止板２０６で囲まれた所定体積の液室を有した筐体としての容器が形成される。
【００８２】
この容器は、光軸２２３に対して軸対称形状をなしている。そして、液室には、以下に示す２種類の液体が充填される。
【００８３】
まず、液室の底面である第１の封止板２０２の上面および下容器２４０の周辺側の底面（これらが界面対向面に相当する）には、第２の液体２２２が、その液柱の高さが周辺壁部の撥水膜２１１の中間の高さになる分量だけ滴下される。
【００８４】
第２の液体２２２は無色透明で、比重１．０６、室温での屈折率１．４９のシリコーンオイルが用いられる。続いて、液室内の残りの空間には、第１の液体２２１が充填される。第１の液体２２１は、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（導電性又は極性を有する液体）である。
【００８５】
すなわち、第１および第２の液体２２１，２２２は、比重が等しく、屈折率が異なり、かつ互いに混ざることのない（不溶な）液体が選定される。そして、両液体２２１，２２２は界面２２４を形成し、混ざり合わずにそれぞれが独立して存在する。
【００８６】
そして、この界面２２４の形状は、液室（容器）の内面、第１の液体２２１および第２の液体２２２の３物質が交わる点、すなわち界面２２４の外縁部に働く３つの界面張力の釣り合いで決まる。
【００８７】
２３１は第１の電極リング２５１と第２の電極リング２４３とに接続された給電回路である。なお、この給電回路２３１の構成および作用は、図１０に示した給電回路１２６と同一である。
【００８８】
給電回路２３１の２つの増幅器（図示せず）はそれぞれ、第１の電極リング２５１および第２の電極リング２４３から上容器２５０の下面に沿って光軸直交方向に引き出された端子部２５１ｂ，２４３ｂに接続されている。これにより、例えば図１２に示した光学素子３０１のように、電極３２５および配線が光学素子から光軸方向に突出することを回避でき、電極を含めた光学素子全体の薄型化に有効である。
【００８９】
以上の構成において、第１の液体２２１に第１の電極リング２５１および第２の電極リング２４３を介して電圧が印加されると、エレクトロウェッティング効果によって界面２２４が変形する。
【００９０】
次に、光学素子２３０における界面２２４の変形と、この変形によってもたらされる光学作用について説明する。
【００９１】
まず、第１の液体２２１に電圧が印加されていない場合、図１に示すように、界面２２４の形状は、両液体２２１，２２２間の界面張力、第１の液体２２１と絶縁層２４４上の撥水膜２１１あるいは親水膜２１２との界面張力、第２の液体２２２と絶縁層２４４上の撥水膜２１１あるいは親水膜２１２との界面張力、および第２の液体２２２の体積で決まる。
【００９２】
一方、第１の液体２２１に電圧が印加されると、エレクトロウェッティング効果によって第１の液体２２１と親水膜２１２との界面張力が減少し、第１の液体２２１が親水膜２１２と撥水膜２１１との境界を乗り越えて撥水膜２１１上に入り込む。この結果、図２に示すように、第２の液体２２２の光軸上での高さ（光軸方向の厚さ）が増加する。
【００９３】
このように第１および第２の電極リング２５１，２４３を通じた第１の液体２２１への電圧印加によって、２種類の液体の界面張力の釣り合いが変化し、両液体２２１，２２２間の界面２２４の形状が変わる。こうして、給電回路２３１の電圧制御によって界面２２４の形状を自在に変えられる光学素子が実現できる。
【００９４】
また、第１および第２の液体２２１，２２２が異なる屈折率を有しているため、光学レンズとしての光学パワー（１／ｆ：ｆは焦点距離）が付与されることになり、光学素子２３０は界面２２４の形状変化によって焦点距離が変化する可変焦点レンズとなる。
【００９５】
さらに、図１の状態に比べて図２の状態での界面２２４の方が曲率半径が短くなるので、図２の状態の方が図１の状態に比べて光学素子２３０の焦点距離が短くなる。
【００９６】
ここで、この時のＡ部の詳細を図３に示している。図３に示すように、電圧を印加した時の界面２２４の周縁部は、撥水膜２１１（ないし絶縁層２４４）の下端部からＬ１だけ離れた位置にあり（これは界面２２４と絶縁層とのクリアランスに相当する）、また絶縁層２４４と下容器２４０に設けられた第１の凹部２４１とのクリアランス、つまりは電極リング２４３、絶縁層２４４、下容器２４０のそれぞれの製造誤差や組立て誤差を吸収するためのクリアランスはＬ２となっている。
【００９７】
つまり、光学素子の光軸方向の厚みを制限する１つの項目に液室高さが挙げられるが、その中でも上記両クリアランスＬ１，Ｌ２、つまりメカ的なクリアランスによる制限が大きなウエイトを占めている。
【００９８】
本実施形態の光学素子２３０では、上記クリアランスが必要な個所である周辺部のみ液室の高さが大きい設定となっている。つまり、容器底面のうち第２の電極リング２４３の近傍である周辺部に、内径側の第１の封止板２０２の上面よりも下がった凹部２４１を設け、容器の周壁部に設けた第２の電極リング２４３の下部を、第１の封止板２０２の上面よりも下側（界面２２４とは反対側）まで延ばすことで、液室内の周辺部の高さＴ２を確保している。このため、上記クリアランスを十分にとることができる。
【００９９】
一方、光軸２２３付近の内径側はそのようなメカ的な制限がないので、凹部２４１よりも第１の封止板２０２の上面を界面２２４側に高くすることで、液室内径側の高さをＴ２より小さいＴ１としている。つまり、第１の封止板２０２の上面を、凹部２４１に比べて第２の液体２２２側に入り込ませた形にしている。なお、内径側の液室高さＴ１は、界面２２４の変形による光学素子２３０の光学性能を満足できる高さは確保されている。
【０１００】
より詳しく説明すると、図１に示す状態では、内径側の液室高さは上容器２５０（第２の封止板２０６）の下面と第１の封止板２０２の上面とで規定される高さＴ１となっており、周辺側の液室高さは上容器２５０（第２の電極リング２５１）の下面と下容器２４０の凹部２４１とで規定される高さＴ２となっている。そして、Ｔ１＜Ｔ２の関係にある。
【０１０１】
以上により、界面２２４の変形量（曲率変化量）を十分確保しつつ、容器（つまりは光学素子２３０）の内径側の光軸方向厚さを、周辺側の厚さよりも薄くすることができる。
【０１０２】
また、本実施形態では、第２の電極リング２４３を光軸２２３に対して傾けることにより、周辺側の液室高さＴ２を、図１２および１３に示した光学素子３０１の液室高さ（ｔ１＋ｈ１）よりも小さくしている。この結果、光学素子２３０の周辺側の薄型化も可能である。
【０１０３】
（第２実施形態）
図４には、本発明の第２実施形態である光学素子の構成を示している。この光学素子３７０は、図１２に示した光学素子３０１の第１の封止板３０２に代えて、その形状が、第２の電極リング３０３の近傍である周辺側部分から光軸３２３に向かって徐々に界面３２４側に凸となるよう変化する第１の封止板３０２を使用したものである。ここで、第１の封止板３０２のうち第２の液体３２２と接する面が凸面となり、この凸面と反対側の面が凹面となっている。これにより、液室の厚さは、周辺側が厚く、内径側が薄くなる。
【０１０４】
本実施形態によっても、第１実施形態にて説明した周辺部でのクリアランスを確保することができるとともに、光学素子３７０の内径側での光軸方向厚さを薄くすることができる。
【０１０５】
なお、本発明における容器の形状は、上記各実施形態にて説明したものに限らず、光軸方向を向いた内面であって第２の液体の界面（第１および第２の液体の界面）とは反対側の面が接する界面対向面のうち中心側部分を、周辺側部分よりも上記界面側に形成した容器であればよい。
【０１０６】
例えば、上記各実施形態では、光軸方向から見たときの容器の形状を全体として円盤形状に形成し、第２の電極を円形リング状に形成した場合について説明したが、容器を矩形盤状や多角形盤状に形成してもよい。この場合、容器の形状に合わせて第２の電極を矩形又は多角形リング（枠）状に形成して容器の周辺壁部に配置する。
【０１０７】
このように本発明は、容器の形状や電極の形状にかかわらず適用することができる。
【０１０８】
（第３実施形態）
図５には、上記第１実施形態の光学素子２３０を光学装置としての撮影装置に応用した例を示している。本実施形態の撮影装置５５０は、静止画像を撮像素子で電気信号に光電変換し、これをデジタルデータとして記録する、いわゆるデジタルスチルカメラである。
【０１０９】
図５において、５４０は複数のレンズ群からなる撮影光学系（結像光学系）であり、第１レンズ群５４１、第２レンズ群５４２および光学素子２３０により構成される。
【０１１０】
この撮影光学系５４０は、第１レンズ群５４１の光軸方向の進退で焦点調節がなされ、光学素子２３０のパワー変化でズーミングがなされる。第２レンズ群５４２は移動しないリレーレンズ群である。
【０１１１】
そして、光学素子２３０は、第１レンズ群５４１と第２レンズ群５４２の間に配置され、第１レンズ群５４１と光学素子２３０との間には、絞り開口径を変化させて撮影光量を調整するための絞りユニット５４３が配置されている。
【０１１２】
また、撮影光学系５４０の焦点位置（予定結像面）には、撮像素子５４４が配置される。これは、照射された光エネルギを電荷に変換する複数の光電変換部、この電荷を蓄える電荷蓄積部およびこの電荷を転送して外部に送出する電荷転送部からなる２次元ＣＣＤ等の光電変換素子が用いられる。
【０１１３】
５４５は画像信号処理回路であり、撮像素子５４４から入力したアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換し、ＡＧＣ制御、ホワイトバランス、γ補正、エッジ強調等の画像処理を施す。
【０１１４】
５５１は液晶ディスプレイ等の表示器で、撮像素子５４４を通じて取得した被写体像やこの撮影装置５５０の動作状況を表示する。
【０１１５】
５５２はＣＰＵ５３０をスリープ状態からプログラム実行状態に起動するメインスイッチである。
【０１１６】
５５３ａ，５５３ｂはそれぞれ、ワイド（Ｗ）側およびテレ（Ｔ）側のズームスイッチであり、撮影者によるこれらズームスイッチの操作に応じて、撮影光学系５４０の焦点距離の変更駆動が行われる。
【０１１７】
５５４は上記スイッチ以外の操作スイッチ群で、撮影準備スイッチ、撮影開始スイッチ、シャッター秒時等を設定する撮影条件設定スイッチ等で構成される。
【０１１８】
５５５は焦点検出装置で、一眼レフカメラに用いられる位相差検出式の焦点検出動作を行うものや、三角測量の原理を用いて被写体までの距離を検出するもの等が用いられる。
【０１１９】
５５６はフォーカス駆動回路であり、第１レンズ群５４１を光軸方向に進退させるアクチュエータとドライバ回路を含み、焦点検出装置５５５で演算されたフォーカス信号に基づいてフォーカス動作を行ない、撮影光学系５４０を合焦させる。
【０１２０】
５５７は外部メモリであり、撮影された画像信号を記録する。具体的には、着脱可能なＰＣカード型のフラッシュメモリ等が好適である。
【０１２１】
図６は、上記撮影装置５５０が有するＣＰＵ５３０の動作を示す制御フローチャートである。以下、図５および図６を用いて撮影装置５５０の動作を説明する。
【０１２２】
ステップＳ１０１において、メインスイッチ５５２がオン操作されたかどうかを判別し、オン操作されていない時はそのまま各種スイッチの操作を待つ待機モードの状態となる。ステップＳ１０１においてメインスイッチ５５２がオン操作されたと判定すると、待機モードを解除し、次のステップＳ１０２以降へと進む。
【０１２３】
ステップＳ１０２では、撮影者による撮影条件の設定を受け付ける。例えば、露出制御モードの設定（シャッター優先ＡＥ、プログラムＡＥ等）や画質モード（記録画素数の大小、画像圧縮率の大小等）、ストロボモード（強制発光、発光禁止等）等の設定を受け付ける。
【０１２４】
ステップＳ１０３では、撮影者によってＷ側ズームスイッチ５５３ａが操作されたか否かを判別する。オン操作されていない場合はステップＳ１０４に進む。
ここでＷ側ズームスイッチ５５３ａが操作された場合は、ステップＳ１２１に移行する。
【０１２５】
ステップＳ１２１では、Ｗ側ズームスイッチ５５３ａの操作量（操作方向やオン時間等）を検出し、その操作量に基づいて対応する焦点距離変化量を演算する（Ｓ１２２）。そして、ステップＳ１２３では、その演算結果によって光学素子２３０への印加電圧量を決定し、給電回路２３１の出力電圧を制御して光学素子２３０に電圧を印加する（Ｓ１２４）。そしてステップＳ１０２へ戻る。
【０１２６】
つまり、Ｗ側ズームスイッチ５５３ａが操作され続けている場合は、ステップＳ１０２からステップＳ１２４を繰り返し実行し、Ｗ側ズームスイッチ５５３ａのオン操作が終了した時点でステップＳ１０４へと移行する。
【０１２７】
ステップＳ１０４では、撮影者によってＴ側ズームスイッチ５５３ｂが操作されたか否かを判別する。オン操作されていない場合はステップＳ１０５に進む。
ここでＴ側ズームスイッチ５５３ｂが操作された場合は、ステップＳ１２１に移行する。
【０１２８】
ステップＳ１２１では、Ｔ側ズームスイッチ５５３ｂの操作量（操作方向やオン時間等）を検出し、その操作量に基づいて対応する焦点距離変化量を演算する（Ｓ１２２）。そして、ステップＳ１２３では、その演算結果によって光学素子２３０への印加電圧量を決定し、給電回路２３１の出力電圧を制御して光学素子２３０に電圧を印加する（Ｓ１２４）。そしてステップＳ１０２へ戻る。
【０１２９】
つまり、Ｔ側ズームスイッチ５５３ｂが操作され続けている場合は、ステップＳ１０２からステップＳ１２４を繰り返し実行し、Ｔ側ズームスイッチ５５３ｂのオン操作が終了した時点でステップＳ１０５へと移行する。
【０１３０】
ステップＳ１０５では、撮影者によって操作スイッチ群５５４のうち、撮影準備スイッチ（図６のフローチャートではＳＷ１と表記）のオン操作が行われたか否かを判別する。オン操作されていない場合はステップＳ１０２に戻り、撮影条件設定の受付けや、ズームスイッチ５５３ａ、５５３ｂの操作の判別を繰り返す。ステップＳ１０５で撮影準備スイッチがオン操作されたと判定すると、ステップＳ１１１へ移行する。
【０１３１】
ステップＳ１１１では、撮像素子５４４および信号処理回路５４５を駆動して、プレビュー画像を取得する。プレビュー画像とは、最終記録用画像の撮影条件を適切に設定するためおよび撮影者に撮影構図を把握させるために撮影前に取得する画像のことである。
【０１３２】
ステップＳ１１２では、ステップＳ１１１で取得したプレビュー画像の受光レベルを認識する。具体的には、撮像素子５４４が出力する画像信号において、最高、最低および平均の出力信号レベルを演算し、撮像素子５４４に入射する光量を認識する。
【０１３３】
ステップＳ１１３では、ステップＳ１１２で認識した受光量に基いて、撮影光学系５４０内に設けられた絞りユニット５４３を駆動して適正光量になるように絞りユニット５４３の開口径を調整する。
【０１３４】
ステップＳ１１４では、ステップＳ１１１で取得したプレビュー画像を表示器５５１に表示する。続いて、ステップＳ１１５では、焦点検出装置５５５を用いて撮影光学系５４０の焦点調節状態を検出する。続いて、ステップＳ１１６では、フォーカス駆動回路５５６を通じて第１レンズ群５４１を光軸方向に進退させ、合焦動作を行なう。
【０１３５】
その後、ステップＳ１１７に進み、撮影スイッチ（フロー図では、ＳＷ２と表記）のオン操作がなされたか否かを判別する。オン操作されていない時はステップＳ１１１に戻り、プレビュー画像の取得からフォーカス駆動までのステップを繰り返し実行する。
【０１３６】
以上のように、撮影準備動作を繰り返し実行している最中に、撮影者が撮影スイッチをオン操作すると、ステップＳ１１７からステップＳ１３１にジャンプする。
【０１３７】
ステップＳ１３１では撮像を行なう。すなわち撮像素子５４４上に結像した被写体像を光電変換し、光学像の強度に比例した電荷が各受光部近傍の電荷蓄積部に蓄積される。
【０１３８】
ステップＳ１３２では、ステップＳ１３１で蓄積された電荷を電荷転送ラインを介して読み出し、読み出しされたアナログ信号を信号処理回路５４５に入力させる。
【０１３９】
ステップＳ１３３では、信号処理回路５４５において、入力したアナログ画像信号をＡ／Ｄ変換し、ＡＧＣ制御、ホワイトバランス、γ補正、エッジ強調等の画像処理を施し、さらに必要に応じてＣＰＵ５３０内に記憶された画像圧縮プログラムでＪＰＥＧ圧縮等を施す。
【０１４０】
ステップＳ１３４では、上記ステップＳ１３３で得られた画像信号をメモリ５５７に記録すると同時に、ステップＳ１３５にて一旦プレビュー画像を消去した後に、ステップＳ１３３で得られた画像信号を表示器５５１に改めて表示する。
その後、給電回路２３１を制御して光学素子２３０への電圧印加をオフし（Ｓ１３６）、一連の撮影動作を終了する。
【０１４１】
なお、本実施形態では、第１実施形態の光学素子を用いた場合について説明したが、第２実施形態にて説明した光学素子も用いることができる。
【０１４２】
また、本実施形態では、撮影装置の例としてデジタルスチルカメラを取り挙げたが、本発明の光学素子は、ビデオカメラや銀塩カメラといった他の撮影装置や光学系を備えた各種光学装置にも効果を損なわずに適用することができる。
【０１４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の領域における光軸方向の寸法を第２の領域における光軸方向の寸法よりも薄くすることにより、必要な上記界面の変位量（つまりは、界面全体の曲率変化量）を確保しつつ、光学素子の中心側部分の光軸方向厚さを薄くすることができる。
【０１４４】
そしてこのように光学素子の中心側部分の薄型化を図ることにより、この光学素子が含まれるレンズユニットを構成するレンズの設計自由度が増し、またレンズユニット全体の光軸方向の寸法を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である光学素子（電圧未印加時）の断面構成図である。
【図２】上記光学素子（電圧印加時）の断面構成図である
【図３】図２のＡ部の拡大図である。
【図４】本発明の第２実施形態である光学素子の断面構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態である撮影装置（光学装置）の構成図である。
【図６】上記撮影装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】従来の光学素子（電圧未印加時）の断面構成図である。
【図８】上記従来の光学素子（電圧印加時）の断面構成図である
【図９】上記従来の光学素子における印加電圧と界面変形量との関係を示す説明図である。
【図１０】上記従来の光学素子への印加電圧を制御する給電制御回路の構成図である。
【図１１】上記給電制御回路の動作説明図である。
【図１２】従来の他の光学素子の断面構成図である。
【図１３】上記従来の他の光学素子の断面構成図である。
【符号の説明】
２３０，３７０ 光学素子
２０２ 第１の封止板
２０６ 第２の封止板
２４０ 下容器
２４１ 凹部
２５０ 上容器
２２１ 第１の液体
２２２ 第２の液体
２２３，３２３ 光軸
２２４，３２４・・・界面
２４３ 第２の電極リング
２５１ 第１の電極リング
３２５ 棒状電極

Claims (7)

1. 導電性又は極性を有する第１の液体およびこの第１の液体と混合することのない第２の液体を容器内に収容し、前記第１の液体に接して配置される第１の電極と、前記第１および第２の液体によって形成される界面の端部に対応して配置される第２の電極とに印加する電圧を変化させて前記界面の形状を変化させることにより、光学特性を変化させる光学素子において、
   前記容器は、該光学素子の光軸を含む第１の領域における光軸方向の厚さが、前記第２の電極が配置された第２の領域における光軸方向の厚さよりも薄いことを特徴とする光学素子。
2. 前記第２の電極が、前記容器の周辺壁部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の領域のうち光軸方向における一端面が、前記第２の領域のうち光軸方向における一端面よりも前記界面側に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記第２の電極が、この第２の電極のうち光軸方向一端側が他端側よりも光軸に近づいた状態で、光軸方向に対して傾いていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学素子。
5. 前記第１の電極は、光軸方向を厚さ方向とするシート状に形成され、前記第１の液体のうち前記界面とは反対側の面に沿って配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光学素子。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の光学素子と、前記第１および第２の電極への印加電圧を変化させる給電制御回路とを有することを特徴とする光学装置。
7. 請求項１から５のいずれか１つに記載の光学素子を含む撮影光学系と、前記第１および第２の電極への印加電圧を変化させる給電制御回路とを有することを特徴とする撮影装置。

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