JP4719736B2 - エレクトロウェッティング現象に基づくマクロスイッチを有する集束レンズ - Google Patents

Description

本発明は、個別に調整可能なレンズに関し、特に、カメラレンズ配置内のマクロレンズとしての使用に適したレンズに関する。さらに、本発明は、そのような個別に調整可能なレンズを担持するカメラレンズ配置に関する。

原理的に、全てのカメラは、何らかのレンズ配置を有している。集束レンズは、カメラから様々な距離にある対象に、焦点を合わせることができるという特徴を有する。従来のレンズシステムでは、焦点化は、個々のレンズまたはレンズ群の間の間隔を変化させることにより、行われている。従って、焦点化範囲は、最大可能変位によって制限される。一般に、これは、そのようなレンズシステムは、無限大から有限距離の範囲までの対象に、焦点化することができることを意味する。従って、極めて接近した対象（例えば、名刺カードの走査）では、鮮明な画像が得られない。

またカメラは、固定焦点を有するレンズを担持する場合もある。そのようなレンズは、通常、70cmの距離に最適焦点を有しており、他の距離では、像の鮮明度が低下する。対象が無限距離にある場合は、これでも十分であるが、近接する像の場合は、これとは異なり、接近した像の走査が難しくなる。そのようなレンズは、通常、VGA（ビデオグラフィクスアレイ）センサと組み合わせて使用される。

接近した対象への焦点化を容易にするため、レンズシステムは、マクロレンズに固定される。マクロレンズは、必要な際に追加される別の付属品であっても良く、あるいは、マクロレンズは、ミクロ状態（すなわち、通常の動作）とマクロ状態（すなわち、接写動作）の間で、切り替えることが可能な常設レンズであっても良い。そのような切り替え可能なマクロレンズは、ミクロレンズ位置およびマクロレンズ位置の、2つの位置間を可動なレンズを使用することにより提供される。しかしながら、通常の場合、ミクロ状態とマクロ状態の間の切り替えによって、像収差が生じる。レンズシステムが、ミクロ状態で正確に作動するように調整されている場合、マクロ状態では、多少収差が大きくなる。この収差は、より複雑なレンズシステムを用いることにより、補正することができるが、当然のことながら、これにより、全体の複雑性が増し、さらにレンズシステムのコストが増大し、寸法が大型化する。

出願人による最近の研究開発によって、従来のレンズは、国際公開第2003／069380号に見られるような、いわゆるエレクトロウェッティングレンズに代替し得ることが示されている。そのようなレンズの光出力は、チャンバに収容された、異なる屈折率を有する2つの非混和性流体の空間的な相互関係を調整することにより、連続的に調整することができる。基本的に、各流体の位置は、チャンバ内の撥水性／親水性接触表面の相互作用と電極に加わる静電力の組み合わせにより決定される。それぞれの流体は、撥水性／親水性および静電力によって、個別に予測可能な影響を受け、これにより、流体の空間上の相互関係が制御できる。

通常のエレクトロウェッティングレンズは、密閉チャンバを有し、この密閉チャンバは、2つの流体を収容し、撥水性および親水性の内表面を有し、流体は、適正に定められた空間の相互関係を維持し、レンズ形状のメニスカスを定形する。屈折率が異なるため、メニスカスは、メニスカスを通って進行する光に、光出力を提供する。そのようなレンズは、極めて多目的に使用できるため、現在、各種用途に対して注目されている。このレンズは、低コストで製作することが可能であり、可動部分を有さず、小型設計が可能になるという利点を有する。

そのようなレンズは、例えば、前述のような集束レンズシステム内の可動式レンズと置換することができる。この場合、コストが削減され、可動部分が排除され、小型設計が可能となるという利点が得られることは、明らかである。連続的に調整可能なエレクトロウェッティングレンズは、元来のレンズスタックの前段に設置しても良く、これにより、マクロレンズを選択部品とすることが可能となる。しかしながら、この設計には、いくつかの問題が生じる。特に、十分に長期にわたって、メニスカスの形状を正確に制御し、維持することは難しく、特に、レンズが異なる状態間で、繰り返し切り替えられる場合、これは難しくなる。また、前述のように、通常の場合、マクロレンズの使用により、像収差が増大する。この像収差は、利用可能な技術を用いて、複雑かつ高コストで、さらに重厚なレンズシステムによってのみ、補正することができる。

このように、マクロレンズでの使用に適し、小型、低コストで、余分な像収差の発生を抑え、正確に制御することの可能な、改善されたレンズに対する要求がある。
国際公開第2003／069380号パンフレット

この目的のため、本発明では、特許請求の範囲に記載のレンズが提供される。また本発明では、そのようなレンズを有する光学レンズスタックおよびカメラ配置が提供される。

従って、本発明では、2つの異なる状態間を、個別に切り替えることの可能なレンズが提供される。各状態は、簡単に異なる光出力を提供する（例えば、第1の状態は、ミクロ状態に対応し、第2の状態は、マクロ状態に対応するなど）。またレンズは、固有の収差補正を提供し、この補正は、2つの状態の各々に対して、個別に調整され、これにより、2つの状態間を切り替えた際の、像収差の発生が抑制あるいは排除される。そのようなレンズには、切り替え可能なマクロレンズのような明らかな用途がある。ただし、本発明によるレンズが適用可能な、同様の機能が要求される他の領域でも使用することができる。

このように、本発明のある態様では、
光路を定形し、該光路に沿って配置された少なくとも一つのレンズ面を有するレンズチャンバと、
該レンズチャンバと流体的に連通された貯蔵チャンバであって、前記レンズチャンバとともに、密閉システムを形成する貯蔵チャンバと、
前記両チャンバ内に含まれ、第1の屈折率を有する第1の流体、および前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する第2の流体を有する流体システムであって、さらに、前記流体は、非混和性であり、電場に対して異なる引力を示すところの流体システムと、
電極を有し、静電力によって、第1の個別の状態と第2の個別の状態の間で、前記流体システムを再配置するように作動する流体システムスイッチと、
を有し、
前記第1の個別の状態では、前記第1の流体によって、前記少なくとも一つのレンズ面が実質的に被覆され、前記第2の個別の状態では、前記第2の流体によって、前記少なくとも一つのレンズ面が実質的に被覆されるところのレンズが提供される。

本発明のこの態様では、静電力によって、2つの個別の状態間を切り替えることが可能なレンズが提供される。流体は、前述のエレクトロウェッティング効果のように、それらの流体を電場に晒すことにより制御される。ただし、レンズ機能は、固体レンズ面と2つの流体の一方との界面に提供される。これは、界面が確実に再現することが可能な形状となる点で有意である。結果的に、制御可能なメニスカスを有する、前述のエレクトロウェッティングレンズの場合のように、レンズパワーは、界面形状の変化によっては制御されなくなる。その代わり、レンズパワーは、異なる屈折率を有する異なる界面媒体（流体）間を切り替えることにより、制御することが可能となる。各々が個別の屈折率を有する、2つの非混和性流体を用いることにより、2つの個別の状態を得ることができる。

レンズチャンバおよび貯蔵チャンバは、相互に連通される。通常の場合、実質的に（一つまたは複数の）レンズ面を覆う流体は、レンズチャンバ内で大きな容積を占め、他の流体は、主として、貯蔵チャンバに収容される。従って、個別の状態間の切り替えには、流体を一つのチャンバから他のチャンバに移動することが含まれる。これは、静電力によって行われ、流体は、それらの流体の非混和性のため、常時、互いに分離されている。

チャンバおよびそれらのチャンバの流体接続には、多くの異なる構造がある。2つのチャンバ間での流体の移動を容易にするため、チャンバは、通常、2つの溝に相互接続されている。このため、溝の一つは、レンズチャンバからの流体の移動に利用され、他の溝は、レンズチャンバへの他の流体の移動に利用される。しかしながら、チャンバは、一つの溝のみによって、または多数の溝によって相互接続されても良い。あるいは、レンズチャンバおよび貯蔵チャンバは、単一のチャンバの一部を構成しても良い。そのような場合、レンズチャンバは、（一つまたは複数の）レンズ面が配置された位置に存在する。

流体の制御性は、流体システムの2つの流体に対する濡れ性が異なる表面の設置によって、改善される。例えば、水とオイルが使用される場合、チャンバの内表面は、テフロン（登録商標）のような撥水剤でコーティングされても良い。この場合、静電力との組み合わせにより、チャンバ間の流体の移動がさらに加速される。従って、エレクトロウェッティング力として広く知られている複合力は、前述の連続的に調整可能なエレクトロウェッティングレンズに利用される力と同様である。このように、ある実施例では、チャンバの密閉システムは、第1および第2の流体に対する濡れ性が異なる内表面を有する。

本発明によるレンズを使用した場合の利点は、極めて良好に定形された形状のレンズ面が得られることである。特に、例えば、レンズ面のin-situ高分子化を用いることにより、事実上、任意形状を有する非球面が得られる。これにより、レンズ形状の設計に、大きな自由度が得られる。また、集束と収差補正とを同時に提供する、複雑なレンズ面を設計することが可能になる。このように、本発明の一つの実施例では、レンズチャンバ内の少なくとも一つのレンズ面は、非球形であり、集束パワーと収差補正を組み合わせて提供する。

レンズの寸法を抑制するため、特に、本発明によるレンズを有するレンズスタックの全高を抑制するため、レンズチャンバは、ディスク状としても良い。そのような場合、レンズチャンバは、2つの対向する面を定形し、両方の面が光路と交差する。これにより、両方の面でレンズ形状を定形する際の、設計自由度がさらに向上する。実際の場合には、レンズの光出力を増大させても良い。このように、本発明のある実施例では、レンズチャンバは、光路に沿って設置された2つのレンズ面を有する。

従って、レンズの光出力は、レンズ面の形状によって定まるとともに、それぞれのレンズ面を構成する材料およびこの（これらの）面と接する流体の屈折率の差異によって定まる。結果的に、2つの個別の状態間の光出力の差異は、2つの流体の屈折率の差異によって定められる。特に、光学的パッシブ状態、すなわち光路に沿って進行する光が全く衝突しない状態と、光学的アクティブ状態、すなわち光路に沿って進行する光が所望の衝突を有する状態の間を切り替えることが可能なレンズは、一つの流体の屈折率を、レンズ面を構成する材料の屈折率と等しくなるように選択することにより、提供することができる。従って、ある実施例では、少なくとも一つのレンズ面は、流体の一方と同じ屈折率を有する材料で構成される。

2つの流体に利用できる多くの異なる選択肢がある。液体、気体および蒸気は、多くの異なる方法で組み合わせることができる。重要な特徴は、これらの流体が異なる屈折率を有し、相互に非混和性であり、電場に対して異なる挙動を示すことである。また、流体は、実質的に透明である必要があることは明らかである。

実際には、流体には、多くの適用例がある。流体の好適な組み合わせの一つは、オイルと塩水である。これらの流体は、明らかに非混和性であり、オイルは、実質的に電場の印加に影響されないのに対して、塩水は、その導電性のため、電場に影響を受ける。また、塩水の屈折率（および導電率）は、塩分濃度の関数であり、容易に調整することができる。

前述の個別に調整可能な集束レンズは、多くの用途に使用できる。しかしながら、カメラレンズ配置に使用されるマクロレンズは、特に有意である。すなわち、本発明のある態様では、前述のような、個別に調整可能な集束レンズを有するカメラレンズ配置が提供される。マクロレンズを使用した際、個別に調整可能な集束レンズの個々の状態は、それぞれマクロレンズ状態およびミクロレンズ状態に対応する。

前述のように、通常、エレクトロウェッティングレンズは、カメラレンズスタックでの使用に有意である。通常の場合、エレクトロウェッティングレンズの製作には、専用の製造設備が必要である。特に、流体をチャンバ内に充填する場合、一般的にレンズの製造には使用されないような装置が必要となる。従って、本発明による個別に調整可能な集束レンズは、カメラレンズスタック内の追加のエレクトロウェッティングレンズと組み合わせて使用する場合にも有意である。主な利点は、専用製造装置が、エレクトロウェッティングレンズの全ての製造に利用できることである。従って、ある実施例では、さらにカメラレンズ配置は、エレクトロウェッティング力で制御することが可能な、少なくとも一つの追加レンズを有する。

個別に調整可能な集束レンズを、追加レンズを有するレンズスタックに配置する場合、このレンズを追加のレンズの一つの内部に形成しても良い。換言すれば、個別に調整可能な集束レンズの外表面は、レンズ形状を有しても良い。これにより、レンズスタック内の部品点数が削減され、全体の寸法および製造コストが抑制されるという利点が得られる。従って、ある実施例では、個別に調整可能な集束レンズは、カメラレンズ配置内に、少なくとも一つの追加レンズとの一体化部分を形成する。

前述のカメラレンズ配置は、多くのカメラに利用できる。従って、本発明では、マクロレンズ機能を有し、小型で低コストのレンズ配置が提供される。

また、本発明では、前述のカメラレンズ配置およびデジタル画像センサを有するカメラモジュールが提供される。そのような小型で低コストのカメラモジュールは、ウェブカメラ、監視カメラ、デジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラを含む、多くの異なる用途に使用することができる。

最近大きな注目を集めている一つの適用分野は、カメラ付き携帯電話器である。携帯電話器のカメラ用途では、小型化と低コスト化が極めて重要である。従って、本発明の一態様では、カメラ機能を有し、前述のカメラレンズシステムを有する携帯電話器が提供される。

実際に、本発明による個別に制御可能な集束レンズをカメラレンズ配置に加えることにより、その時点でレンズ面と接触している流体に依存して、通常のカメラレンズ状態（すなわちミクロレンズ）と、マクロカメラレンズ状態の間を切り替えることが容易になる。2つの異なる非球面レンズ間を切り替える場合の選択肢として、単純なマクロレンズ機能の提供の他、レンズ内で生じる収差を補正することが可能となる。この方法では、元来のカメラレンズをマクロレンズに切り替える際、あるいはその逆の際に、ロバスト性と機械的可動部品を含む低コスト化の効果が簡単に得られる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例の詳細な説明を示す。

図1および2を参照すると、本発明によるレンズ100の一実施例では、レンズ100は、レンズチャンバ101を有し、このレンズチャンバ101は、チャンバ101の2つの開口102、103を介して、2つの開口を有する溝形状の貯蔵チャンバ104に連通されている。レンズチャンバ101の第1の開口102は、貯蔵チャンバ104の第1の開口に連通され、レンズチャンバ101の第2の開口103は、貯蔵チャンバ104の第2の端部に連通されており、これにより、流体システムの流体密封容器が形成される。レンズチャンバ101の片側は、レンズチャンバ101の内部に向かって露出したレンズ面105で覆われている。レンズ面105は、例えばポリカーボネートのような透明材料で構成される。

レンズチャンバ101は、さらにカバープレート106によって覆われ、このカバープレートは、例えばポリカーボネートのような透明材料で構成された平坦な部品である。カバープレート106は、撥水性流体接触層107で被覆されており、この層は透明で、例えば、ジュポン社（登録商標）によって製作されたテフロン（登録商標）AF1600（登録商標）である。ある用途では、撥水性流体接触層は、省略しても良く、これにより製作工程が簡略化される。ただし、好適実施例では、撥水性接触層は、レンズ面105に配置された追加の撥水性層によって補完されても良く、この場合、チャンバの濡れ性がさらに変化し、チャンバがより濡れにくくなる。この撥水性流体接触層107の一表面は、レンズチャンバ101の内面に向かって露出している。第1のエレクトロウェッティング電極108は、カバープレート106と親水性流体接触層107の間に設置される。この第1のエレクトロウェッティング電極108は、透明導電性材料のシートとして形成され、例えばインジウムスズ酸化物（ITO）で構成される。例えばパリレンで構成される絶縁層（図示されていない）が、流体接触層107と第1のエレクトロウェッティング電極108の間に形成されても良い。第1のエレクトロウェッティング電極108および撥水性流体接触層107は、作動領域を有し、この領域は、レンズ面105が占める領域と重なり合っていることに留意する必要がある。

貯蔵チャンバ104は、貯蔵チャンバ壁109とカバープレート110の間に形成される。カバープレート110は、撥水性接触層111によって被覆され、この撥水性接触層111は、貯蔵チャンバ104の内面の一つの表面に対応している。撥水性流体接触層111は、例えばAF1600（登録商標）で構成される。第2のエレクトロウェッティング電極112は、カバープレート110と撥水性流体接触層111の間に設置される。レンズチャンバの場合と同様に、この撥水性接触層111は、省略しても良く、あるいは、貯蔵チャンバ内の追加の撥水性層により補完しても良い。この電極112は、例えばインジウムスズ酸化物（ITO）のような導電性材料で構成される。第2のエレクトロウェッティング電極112は、上面図からわかるように、貯蔵チャンバの内面の大部分と重なり合う表面領域を有することに留意する必要がある。

密閉流体システムは、第1の流体120（無地）と第2の流体121（破線）とを有する。第1の流体120は、例えば塩水のような、屈折率が予め定められた水溶液系の電気導電性流体を有する。第2の流体121は、例えばシリコンオイルのような、オイル系の電気絶縁性流体を有する。すなわち、本発明のこの実施例では、第1の流体120と第2の流体121とは、いずれも液体である。第1の流体120および第2の流体121は、2つのメニスカス125、126において、相互に接触している。

流体システムの一例は、ポリジメチル（8％〜12％）−フェニルメチルシロキサン共重合体のエレクトロウェッティングオイルと塩水をベースとするものである。これに対応する屈折率の一例は、オイルの場合、n＝1.425であり、塩水の場合、n＝1.349である。ただし、液体と空気／蒸気（例えば塩水と空気）を切り替えることにより、別の切り替え効果を得ることもできる。

切り替え可能レンズの第1の個別の状態では、図1に示すように、第1の流体120は、レンズチャンバ101と、貯蔵チャンバ104の一部に、実質的に充填される。実質的に充填されるとは、第1の流体120が、少なくともレンズ表面105の大部分と接していることを意味する。また、この状態では、第1の流体120は、少なくとも、チャンバの撥水性接触層107の露出表面の大部分と接触する。

必要に応じて、例えば金属からなる共通の第3の電極130が、貯蔵チャンバ内のレンズチャンバの開口102の近傍に設置されても良い。共通電極130は、貯蔵チャンバ104の一部と接触し、この位置には、常時第1の流体120が充填されている。

レンズの第1の個別の状態では、第1の流体120が充填された、共通の第3の電極130と接触する部分を除き、第2の流体121は、貯蔵チャンバ104に実質的に充填される。切り替え可能なレンズの第2の個別の状態では、図2に示すように、第1の流体120が、貯蔵チャンバ104に実質的に充填される。この第2の個別の状態では、第1の流体120は、前述のように、貯蔵チャンバ104の一部に配置された、共通の第3のエレクトロウェッティング電極130と常時接触している。また第1の流体120は、貯蔵チャンバ104の撥水性流体接触層111と接触し、第2の流体120は、レンズチャンバ101に実質的に充填される。このように、第2の流体120は、レンズ面105と接触し、レンズチャンバ101の撥水性流体接触層107の露出表面と接する。また貯蔵チャンバ104の一部には、第2の流体121が充填される。貯蔵チャンバ104のこの位置は、共通の第3の電極130が設置された位置とは反対側の端部である。

第1、第2および第3の電極108、112および130は、エレクトロウェッティング電極配置を構成し、これらの電極配置は、電圧制御システム（図示されていない）とともに、流体システムスイッチを形成する。この流体システムスイッチは、前述の切り替え可能な光学素子の状態間を切り替えるため、第1および第2の流体120、121を有する前述の流体システムに作用する。

レンズの第1の個別の状態では、第1のエレクトロウェッティング電極108と共通の第3の電極130の間に、適切な値の印加電圧V₁が印加される。印加電圧V₁は、エレクトロウェッティング力を提供し、これにより、本発明の切り替え可能なレンズは、第1の個別の状態を取るようになり、導電性の第1の流体120は、レンズチャンバ101に実質的に充填されるように移動する。印加電圧V₁の結果として、レンズチャンバ101の撥水性流体接触層107は、一時的に、少なくとも比較的親水性となり、これにより、第1の流体120は、優先的に、レンズチャンバ101に実質的に充填されるようになる。第1の個別の状態では、第2のエレクトロウェッティング電極112と、共通の第3の電極130の間には、電圧が印加されず、貯蔵チャンバ内の流体接触層では、比較的撥水性の状態が維持される。

その後の用途に応じて、印加電圧は、約10Ｖとしても良い。通常、電圧の極性にはあまり意味はなく、代わりに、対応する有効な値を有する交流電圧を使用することも可能である。セルのアドレス処理に影響を及ぼすセル内の残余直流を抑制する場合など、ある用途では、交流電圧が好ましい場合もある。ただし、電圧V₁は、絶縁層の厚さ、表面張力、絶縁層の誘電率など、いくつかの変数に依存する。また、レンズチャンバと貯蔵チャンバの表面積の比は、重要である。この比が1の場合、液体は、溝または空洞に対して、優先的な移動傾向を示さない。レンズチャンバの表面積が貯蔵チャンバの表面積よりも大きい場合、電圧が印加されなければ、塩水は、空洞に留まり易くなる。この場合、電圧を印加しないでも、レンズチャンバ内への塩水の切り替えが可能となるが、一方、貯蔵チャンバの方に塩水を移動させるには、比較的大きな電圧が必要になる。従って、表面積の比は、切り替え電圧を決める因子となる。

切り替え可能レンズの第1の個別の状態と第2の個別の状態間を切り替えるため、流体システムスイッチの電圧制御システムは、印加電圧V₁をオフにし、第2のエレクトロウェッティング電極112と、共通の第3の電極130の間に、適切な値の第2の電圧V₂を印加する。V₂の値は、前述のV₁と同様の考えに基づいて選定される。また、第1のエレクトロウェッティング電極108と共通の第3の電極130の間に、電圧が印加されないようにするため、第1のエレクトロウェッティング電極108と共通の第3の電極130の間に印加される電圧V₁は、オフにされる。

次に、切り替え可能レンズが、第2の個別の状態にある場合、印加電圧V₂によって提供されるエレクトロウェッティング力によって、第1の流体120は、貯蔵チャンバ104に実質的に充填される。印加電圧V₂では、貯蔵チャンバ104の撥水性流体接触層111は、少なくとも親水性となり、第1の流体120を引き寄せるようになる。共通電極130が設置されている貯蔵チャンバ104の位置は、未だ第1の流体120で充填されていることは明らかである。前述のように、第2の流体121は、レンズチャンバ室101に実質的に充填される。レンズチャンバ101の撥水性流体接触層107は、比較的高撥水性となり、第2の個別の状態における第2の流体のこの配置を助長する。

流体システムスイッチによって制御される、レンズの第1および第2の個別の状態間の遷移の間、流体システムの第1および第2の流体120、121は、流体システムを通り循環的に流れ、各流体が相互に置換される。この循環的な流体の流れでは、第1から第2の個別の状態の遷移の間、第1の流体は、レンズチャンバ101を通過し、レンズチャンバ101の一つの開口102を介して、貯蔵チャンバ104の一つの端部に入り、第2の流体121は、レンズチャンバ101の他の開口103を介して、レンズチャンバ101に入る。第2の個別の状態から第1の個別の状態への遷移の間、流体の流れに反対の循環が生じる。

その結果、第1の個別の状態から第2の個別の状態への変化の際に、第2のエレクトロウェッティング電極112と共通の第3の電極130の間の印加電圧V₂によって、レンズチャンバ101内の導電性の第1の流体120が引き寄せられ、これにより、電気絶縁性の第2の流体121がレンズチャンバ101の方に移動する。また、レンズチャンバ101の撥水性流体接触層107は、導電性の第1の流体120を、レンズチャンバ101から貯蔵チャンバ104の方に押し出す。第2の個別の状態から第1の個別の状態への遷移は、第1の個別の状態から第2の個別の状態への遷移とは、反対であることは明らかである。

前述の図1および2を参照して示したレンズ100は、球状レンズ面105を有する。従来の球面形状を有するそのようなレンズは、個別に切り替え可能なレンズパワーが必要とされる、多くの用途に使用することができる。ただし、球状のレンズ形状は、例えば、レンズをマクロレンズスイッチとして使用する場合に生じる、収差補正を行うことが難しい。

しかしながら、レンズ面は、ほぼ任意の形状を有しても良く、特に非球面状であっても良い。一般に、実際のレンズ形状は、製造条件に対する配慮から限定される。レンズ面が高分子表面で形成される場合、大きな選択肢の自由度が得られ、例えばin-situで重合化させる（開放可能な型を使用した紫外線重合のような）技術を利用することが可能になる。

図3および4には、非球面状のレンズ面155を有するレンズ300を示す。レンズ表面形状に差異はあるものの、レンズ300は、図1および2に示したレンズ100と同じ部品を有し、これは、図1および2に示したレンズ100と同じ参照符号で示されている。

レンズチャンバ内の両方の面を使用することにより、すなわち、カバープレート106に、適切に定形した形状を加えることにより、レンズの設計の自由度は、さらに大きくなる。これにより、レンズ状界面がレンズ内に提供される。2つのレンズ状面を有するレンズチャンバの断面は、図5に示されている。すなわち、図5には、2つの非球面状レンズ面502および503を有するレンズチャンバ501の断面が示されている。実際のレンズ面の形状は、その後の用途に依存し、従来の光線追跡ソフトウェアを用いて計算することができることは、容易に理解される。

前述のように、本発明によるレンズは、カメラ配置でのマクロスイッチとしての使用に優れている。連続的に調整可能なエレクトロウェッティングレンズをベースとした、従来の集束レンズを考えてみる。通常そのようなレンズは、無限大から100mmの範囲にある対象に焦点化することができる。この標準的なレンズをマクロスイッチを有するレンズに変える場合、標準的なレンズの前段に、前述のような個別に調整可能なレンズが加えられる。チャンバは、例えばPMMA（ポリ（メチルメタクリレート））で構成され、レンズ表面の一つは、生じ得る収差を補正するため、非球状であっても良い。マクロスイッチの用途では、流体システム内の流体の一方は、レンズ面と同じ屈折率を有することが好ましい。これにより、マクロレンズが光出力を示さないパッシブ状態と、マクロレンズが動作可能となるアクティブ状態の間で、レンズを切り替えることが可能となる。レンズチャンバがPMMAで構成される場合、流体システム内で、塩水とともに、PMMAと同等の屈折率を有するオイルが使用される。そのような場合、チャンバがオイルで充填されると、追加のレンズによる影響は生じず、レンズシステムは、従来の集束レンズとして作動する。しかしながら、チャンバが水で充填されると、レンズシステムは、マクロレンズになる。マクロ位置にバイナリースイッチを有する場合、前述の焦点化範囲は、50mm乃至34.5mmの範囲に変換される。従って、焦点化可能な最近接距離は、従来のレンズに比べて、1／3倍まで小さくなる。

連続的に調整可能なエレクトロウェッティングレンズ602を有するレンズ配置600の一例は、図6に示されている。すなわち、配置600は、第1のレンズ601（例えば、波面変調器）と、連続的に調整可能なエレクトロウェッティングレンズ602と、第2のレンズ603と、本発明による個別に変化可能なエレクトロウェッティングレンズ604と、を有する。ただし、個別に調整可能なマクロレンズ604は、カメラレンズ配置内で必ずしも別個の部品とする必要はない。代わりに、マクロ素子の外表面に、レンズ形状を提供することも可能である。これにより、エレクトロウェッティングレンズ配置に元来から存在するレンズの一つ（例えば、第2のレンズ603）を省略することが可能となる。あるいは、換言すれば、元々のレンズの一つに、空洞を設置して、この空洞に液体を充填しても良い。この方法では、システムを小型のまま維持できる。

また、図6には、連続的に調整可能なエレクトロウェッティングレンズ602と、個別に調整可能なエレクトロウェッティングレンズ604とを制御する制御ユニット605を示す。

このように、本発明では、個別に調整可能なレンズ100、300、604が提供され、これらのレンズは、静電的な力またはエレクトロウェッティング力によって制御することができる。レンズは、高精度に再現することができ、自由に設計することが可能な2つのレンズ状態を有し、これらの状態は、2つの流体120、121の一方と、少なくとも一つのレンズ面105、155の間の界面によって定められる。静電的な力またはエレクトロウェッティング力による流体の位置の移動によって、レンズ状態間の切り替えが可能となる。レンズは、例えば、カメラレンズ配置に、選択肢としてのマクロレンズを提供する。

球状レンズ面を有し、第1の個別の状態にある、個別に調整可能なレンズの正面図と断面図である。 球状レンズ面を有し、第2の個別の状態にある、個別に調整可能なレンズの正面図と断面図である。 非球状レンズ面を有し、第1の個別の状態にある、個別に調整可能なレンズの正面図と断面図である。 非球状レンズ面を有し、第2の個別の状態にある、個別に調整可能なレンズの正面図と断面図である。 2つのレンズ面を有するレンズチャンバの断面図である。 個別に調整可能なレンズと、追加の連続的に調整可能な集束レンズとを担持するカメラレンズ配置の断面図である。

Claims (9)

1. 個別に調整可能な集束レンズであって、
   光路を形成し、該光路に沿って配置された第1のレンズ面を有するレンズチャンバと、
   該レンズチャンバと流体的に連通された貯蔵チャンバであって、前記レンズチャンバとともに、密閉システムを形成する貯蔵チャンバと、
   前記両チャンバ内に含まれ、第1の屈折率を有する第1の流体、および前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する第2の流体を有する流体システムであって、さらに、前記流体は、非混和性であり、電場に対して異なる引力を示すところの流体システムと、
   電極を有し、静電力によって、第1の個別の状態と第2の個別の状態の間で、前記流体システムを再配置するように作動する流体システムスイッチと、
   を有し、
   前記第1の個別の状態では、前記第1の流体によって、前記第1のレンズ面が実質的に被覆され、前記第2の個別の状態では、前記第2の流体によって、前記第1のレンズ面が実質的に被覆されるところの個別に調整可能な集束レンズ。
2. 前記密閉システムは、前記第1および第2の流体に対する濡れ性が異なる内表面を有することを特徴とする請求項1に記載のレンズ。
3. 前記第1のレンズ面は、非球状の形状を有し、集束パワーと収差補正の組み合わせが提供されることを特徴とする請求項1または2に記載のレンズ。
4. 前記レンズチャンバは、前記光路に沿って配置された2つのレンズ面を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載のレンズ。
5. 前記第1のレンズ面は、前記流体の一つと屈折率が等しい材料で構成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載のレンズ。
6. 請求項1に記載の個別に調整可能な集束レンズを有するカメラレンズであって、
   前記個別に調整可能な集束レンズの前記両個別の状態は、マクロレンズ状態とミクロレンズ状態に対応することを特徴とするカメラレンズ。
7. さらに、エレクトロウェッティング力によって、連続的に切り替えることが可能な、少なくとも一つの追加レンズを有することを特徴とする請求項6に記載のカメラレンズ。
8. 前記個別に調整可能な集束レンズは、当該カメラレンズ内に、少なくとも一つの追加レンズとの一体化部分を形成することを特徴とする請求項6または7に記載のカメラレンズ。
9. 請求項6に記載のカメラレンズと、デジタル画像センサとを有するカメラモジュール。

Images