JP4747675B2 - レンズ系及び光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の形状変化を用いて焦点距離を変化させる焦点距離調整手段を有する可変焦点レンズを含んだレンズ系、及びそれを用いた光学装置に関するものである。

各種撮像装置（カメラ、ビデオなど）において、その撮像レンズ系における焦点の可変制御の要請は常に大きい。従来は、レンズを前後に機械的に駆動させて焦点を変える機構が殆どであったが、携帯電話に付属するなど、撮像装置の小型が進む状況においては、機械的移動に伴う種々の問題（故障、電力消費、駆動部の大きさなど）を避けるべく、他の方法（液晶利用、流体利用など）での焦点可変機構の提案、実用化が進んでいる。

このような焦点可変の機構のうち、流体を利用した方式の一つは、流体をある枠内（密閉系、循環系など）に保持し、機械的、電気的に流体の界面形状を変化させるものである。一例としては、薄型ガラスや透明樹脂など可撓性の壁材中に流体を入れて、壁材の曲がり具合を、機械的に制御するもの（バグレンズなど）がある。その一例が、「『光学』第３１巻第１０号、７５８〜７６４頁」（非特許文献１）に記載されている。また、電極を壁面に設けた容器に２種以上の液を封入し、電界強度によって表面張力（いわゆる液の濡れ性）を変化させ、結果的に液界面の形状を変化させて焦点距離を制御するエレクトロウェッティング法も考案、開発されており、その概要が、フィリップス社のインターネットホームページ
「http://www.philips.co.jp/about/news/section-13914/article-2631.html」に記載されている。これは、インターネット上の情報であり、削除される恐れがあるので、その概要を以下に述べる。

図５（ａ）に示すように、絶縁体からなる底部３１と円筒状の絶縁体からなる保持部３２で構成される容器の中には、導電性液体３３と絶縁性液体３４が収容されている。そして、保持部３２の外側には、それを取り巻くように外部電極３５が設けられ、導電性液体３３に接するように内部電極３６が設けられている。又、外部電極３５と内部電極３６の間に電圧を与えるための電源装置３７が設けられている。

導電性液体３３と絶縁性液体３４とは混じり合わず、かつ、導電性液体３３の方が絶縁性液体３４よりも比重が大きいので、外部電極３５と内部電極３６の間に電圧が印加されていないときは、（ａ）に示すように、導電性液体３３の上に絶縁性液体３４が位置し、両者の境界面は水平となっている。

今、図５（ｂ）に示すように、外部電極３５が内部電極３６よりマイナスになるような電圧を両者の間に印加すると、保持部３２の導電性液体３３と接する側の電位は、保持部３２の外側の電位より高くなり、これによって、保持部３２の撥水性が弱くなる。この現象は「電子ウェッティング（electro-wetting）」として知られている。

保持部３２の撥水性が弱くなると、導電性液体３３の保持部３２と接する表面が毛細管現象により引き上げられ、図５（ｂ）に示すように、導電性液体３３と絶縁性液体３４の界面は上側に凹となる。通常、絶縁性液体３４の方が導電性液体３３より屈折率が大きいので、結局導電性液体３３と絶縁性液体３４は凸レンズとして機能することになる。

逆に、（ｃ）に示すように、外部電極３５が内部電極３６よりプラスになるような電圧を両者の間に印加すると、保持部３２の導電性液体３３と接する側の電位は、保持部３２の外側の電位より低くなり、これによって、保持部３２の撥水性が強くなる。

保持部３２の撥水性が強くなると、導電性液体３３の保持部３２と接する表面が導電性液体３３の表面張力により引き下げられ、図５（ｃ）に示すように、導電性液体３３と絶縁性液体３４の界面は上側に凸となる。よって、導電性液体３３と絶縁性液体３４は凹レンズとして機能することになる。

『光学』第３１巻第１０号、７５８〜７６４頁 http://www.philips.co.jp/about/news/section-13914/article-2631.html

これらの方式においては、比較的小さな入力で、形状変化をおこしやすいなどの利点のある一方、流体を使用していることに起因する性能不安定性が指摘されている。特に流体の温度変化による光学特性変化や経時劣化が光学特性に影響し、レンズの使用範囲が光軸から離れた範囲にまで及ぶ場合には、これらの影響がさらに大きくなる傾向にある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、流体の形状変化を用いて焦点距離を変化させる焦点距離調整手段を有する可変焦点レンズを使用していても、性能が安定しているレンズ系、およびこのレンズ系を使用した光学装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、流体の形状変化を用いて焦点距離を変化させる焦点距離調整手段を有する可変焦点レンズを含んだレンズ系であって、当該可変焦点レンズの光学特性を参照光により測定する手段と、その測定結果に基づいて、前記可変焦点レンズの特性変化を補償するように前記焦点距離調整手段を操作する制御手段とを有することを特徴とするレンズ系である。

本手段においては、可変焦点レンズの光学特性を参照光により測定し、制御手段が、その結果に基づいて、可変焦点レンズの特性変化を補償するように焦点距離調整手段を操作するようにしているので、レンズ系の性能を安定化することができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記参照光によって生ずる流体部分の光学特性変化の影響が、使用時に無視できるレベルとなるように、前記参照光の、光路、強度、照射時間の少なくとも一つが設定されていることを特徴とするものである。

参照光として強度の強いものを使用したりした場合、その作用により液体の性状が変化したり、実際に使用される光に対してノイズ光となったりする恐れがある。本手段においては、このようなことがないように、参照光の、光路、強度、照射時間の少なくとも一つが設定されている。

本発明の参考形態は、流体の形状変化を用いて焦点距離を変化させる焦点距離調整手段を有する可変焦点レンズを含んだレンズ系であって、前記流体の温度を測定する温度計と、その測定結果に基づいて、前記可変焦点レンズの特性変化を補償するように前記焦点距離調整手段を操作する制御手段とを有することを特徴とするものである。

流体の形状変化を用いて焦点距離を変化させる可変焦点レンズの光学特性を変化させる要因の大部分は、液体の温度変化に起因するものである。本手段においては、液体の温度変化を測定し、その結果に基づいて、制御手段が前記可変焦点レンズの特性変化を補償するように焦点距離調整手段を操作するようにされているので、レンズ系の性能が安定する。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段または第２の手段のいずれかであって、前記測定結果と、前記制御手段が前記焦点距離調整手段を操作する操作量との関係が、ルックアップテーブルとして用意されていることを特徴とするものである。

本手段においては、測定結果と、制御手段が焦点距離調整手段を操作する操作量との関係が、ルックアップテーブルとして用意されているので、制御手段の制御を迅速に行うことができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかのレンズ系を有することを特徴とする光学装置である。

本手段においては、流体の形状変化を用いて焦点距離を変化させる可変焦点レンズを有するレンズ系の特長を生かしながら、安定な光学装置とすることができる。

本発明によれば、流体の形状変化を用いて焦点距離を変化させる焦点距離調整手段を有する可変焦点レンズを使用していても、性能が安定しているレンズ系、およびこのレンズ系を使用した光学装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例であるレンズ系の概要を示す図である。絶縁体からなる透明な底部１、蓋部２と、円筒状の絶縁体からなる保持部３で構成される容器の中には、導電性液体４と絶縁性液体５が収容されている。そして、保持部３の外側には、それを取り巻くように外部電極６が設けられ、導電性液体４に接するように内部電極７が設けられている。又、外部電極６と内部電極７の間に電圧を与えるための電源装置８が設けられている。このレンズ系の作用は、図５の説明において説明したので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、光源９が設けられ、光源９からの光が絶縁性液体５と導電性液体４とを透過して、受光素子１０で受光されるようになっている。受光素子１０としては、例えば２次元ＣＣＤを用いれば、光の２次元的な広がりや強度、及びその中心位置を求めることができる。又、４分割センサを使用すれば、光の中心位置と強度を求めることができる。その他、目的に応じて周知の光センサを適宜用いることができる。

導電性液体４、絶縁性液体５の特性の変化等により、これらの屈折率が変化したり、その界面の形状が変化したりすると、受光素子１０に入射する光の強度、分布が変化する。これにより、レンズ系の特性変化を知ることができる。制御装置１１は、受光素子１０からの信号を受けて、レンズ系の特性変化を認知し、それを補償して変化を打ち消すような電圧の変化与えるための指令を、電源装置８に出力する。電源装置８は、この指令に従って、外部電極６と内部電極７との間に印加する電圧を変化させる。これにより、導電性液体４と絶縁性液体５の界面の形状が変化し、レンズ系の特性の変化分が補償されて、レンズ系の特性は元のままに保たれる。受光素子１０からの信号と、レンズ系の特性変化を打ち消すような電圧との関係は、ルックアップテーブルの形で、制御装置１１中に記憶させておくようにしてもよい。

なお、参照光を使用する場合、参照光がレンズ系の目的とする性能に影響を与えることを避ける必要がある。この実施の形態においては、光源９から受光素子１０に至る光は、光軸１２を斜めに横切っており、レンズ系がその目的のために使用している光とは干渉しないようになっている。この他、参照光のために流体が加熱されたり、化学変化を起こすことは避ける必要があり、参照光の強度や照射時間を、こうしたことが起こらないように決定することが好ましい。

図２は、本発明の実施の形態の第２の例であるレンズ系の概要を示す図である。なお、以下の図においては、本欄における前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。図２に示す実施の形態においては、レンズ系が本来の目的のために使用している受光素子１０を参照光を受光するための受光素子として共用している。

光源９からの参照光は、ハーフミラー１３で反射されて、本来の目的に使用される光（測定光という）１６と同軸になり、絶縁性液体５、導電性液体４を透過して受光素子１０により受光される。参照光と測定光１６とが干渉しないようにするために、シャッタ１４、１５が設けられている。これらのシャッタ１４、１５は連動して作動し、参照光と測定光１６のどちらか一方のみをハーフミラー１３に入射させるようになっている。参照光、測定光として偏光を使用する場合には、ハーフミラー１３を偏光ビームスプリッタに変えることもできる。このレンズ系の動作は、図１に示した例と本質的に変わるところがないので、その説明を省略する。

図３は、本発明の実施の形態の第３の例であるレンズ系の概要を示す図である。この実施の形態においては、導電性液体４の温度を測定する温度計１７と、絶縁性液体５の温度を測定する温度計１８が設けられており、その出力が制御装置１１に入力されている。温度計としては、例えば、保持部３の内側に蒸着設置した熱電対等が使用できる。制御装置１１内には、導電性液体４の温度、絶縁性液体５の温度とレンズ系の特性との関係がルックアップテーブルの形で記憶されている。よって、制御装置１１は、各温度が入力されると、このルックアップテーブルを参照してレンズ系の特性を知り、それが目的の特性となるように、電源装置８が出力すべき電圧を決定して、電源装置８に出力する。電源装置８は、この指令に従って、外部電極６と内部電極７との間に印加する電圧を変化させる。これにより、導電性液体４と絶縁性液体５の界面の形状が変化し、レンズ系の特性の変化分が補償されて、レンズ系の特性は元のままに保たれる。

図４は、本発明の実施の形態の第４の例であるレンズ系の概要を示す図である。剛体部分２１の一部が透明な弾性部分２２、及び弾性部分２３となっており、これらで取り囲まれる部分に液体が満たされている。シリンダ２４により弾性部分２３を押圧すると、その圧力により弾性部分２２が膨らんで、図に示すようにレンズ状の形状になる。シリンダ２４の押圧力を変えることにより、弾性部分２２の膨らみ具合を変化させ、この部分を可変焦点レンズとして用いることができる。

この実施の形態においても、光源９からの光を、弾性部分２２と中の液体中を透過させて受光素子１０で受光する。受光素子１０の信号は、制御装置１１に入力され、制御装置１１は、それによりこのレンズ系の特性変化を認識し、特性変化を補償するような出力を、シリンダ制御装置２５に与える。これにより、シリンダ２４の押圧力が変化し、弾性部分２２の膨らみ具合が変化して、このレンズ系の特性が一定に保たれる。

以上のようなレンズ系は、種々の光学装置、例えば顕微鏡、ディジタルカメラ、ビデオカメラ等に使用することができる。使用方法としては、単眼レンズ、あるいは他のレンズや他の光学素子として組み合わせて使用することができ、通常の可変焦点レンズの使用方法と変わらないので、その説明を省略する。

本発明の実施の形態の第１の例であるレンズ系の概要を示す図である。 本発明の実施の形態の第２の例であるレンズ系の概要を示す図である。 本発明の実施の形態の第３の例であるレンズ系の概要を示す図である。 本発明の実施の形態の第４の例であるレンズ系の概要を示す図である。 電子ウェッティングを使用した可変焦点レンズの概要を示す図である。

符号の説明

１…底部、２…蓋部、３…保持部、４…導電性液体、５…絶縁性液体、６…外部電極、７…内部電極、８…電源装置、９…光源、１０…受光素子、１１…制御装置、１２…光軸、１３…ハーフミラー、１４…シャッタ、１５…シャッタ、１６…測定光、１７…温度計、１８…温度計、２１…剛体部分、２２…弾性部分、２３…弾性部分、２４…シリンダ、２５…シリンダ制御装置、

Claims (4)

1. 流体の形状変化を用いて焦点距離を変化させる焦点距離調整手段を有する可変焦点レンズを含んだレンズ系であって、当該可変焦点レンズの光学特性を参照光により測定する手段と、その測定結果に基づいて、前記可変焦点レンズの特性変化を補償するように前記焦点距離調整手段を操作する制御手段とを有することを特徴とするレンズ系。
2. 前記参照光によって生ずる流体部分の光学特性変化の影響が、使用時に無視できるレベルとなるように、前記参照光の、光路、強度、照射時間の少なくとも一つが設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレンズ系。
3. 前記測定結果と、前記制御手段が前記焦点距離調整手段を操作する操作量との関係が、ルックアップテーブルとして用意されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ系。
4. 請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のレンズ系を有することを特徴とする光学装置。

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