JP5697377B2 - エレクトロクロミック調光素子及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明はエレクトロクロミック調光素子及びそれを有する撮像装置に関する。

固体撮像素子を用いた撮像装置においては、シャッター、アイリス絞り、ゲイン制御、ＮＤフィルター等の光量調節手段によって露出が適正化されて画像が取得される。特にデジタルビデオカメラのような動画を取得する撮像装置においては、以下に述べる理由によりＮＤフィルターによって光量調節を行うことが好ましい。

すなわち、シャッター速度やゲイン制御では、フレームレートによる要請から光量調節範囲が大きく制限されるし、アイリス絞りでは光量調節と同時に被写界深度が変化する。そのためにシャッター速度やゲイン制御は、意図的に被写界深度を浅くしたい場合には用いることができず、またＦ値を大きくとると分解能が低下するという原理的な問題がある。これは特に画素ピッチが小さい撮像素子を使用する場合には大きな制約となる。したがって、動画を取得する撮像装置においては、ＮＤフィルターによって光量調節を行うことが最も好適である。さらに、従来のように複数の光学濃度が固定されたフィルターを光路上に進退自在に配置するよりも、光学濃度を任意に変化できるフィルターを一枚配置する方が簡便であり、且つ画像形成上の自由度も高い。このようなＮＤフィルターとして、従来から液晶やエレクトロクロミック材料を用いた調光素子が提案されているが、信頼性・耐久性等の理由によって撮像装置における調光手段としては未だ製品化されるには至っていない。

また、調光素子として、応答速度が低下するような低温環境においても応答速度を改善することができる調光素子が提案されている。

特許文献１は、エレクトロクロミック表示装置において、透明電極に直接通電して発熱させる加熱回路を設置することにより、低温環境における応答速度を改善する技術を開示している。

しかしながら、透明電極に直接通電して加熱する構成はレベルシフト回路やスイッチング回路等の複雑な回路構成及び動作シーケンスが必要である。また表示素子を駆動せずに加熱だけを行いたい場合には電圧操作が大きく制限されるという課題がある。

特許文献２は、液晶レンズにおいて、液晶層の駆動電極周囲に液晶層を直接加熱するヒーター電極を設置して低温環境でも実用的な応答速度を得る技術を開示している。

この場合は駆動電極とヒーター電極とが電気的に絶縁されているため、互いに独立して駆動を行うことが可能であるが、加熱効率の点で十分とは言えない。すなわち、エレクトロクロミック素子においては応答速度を律速しているのは透明電極上に形成されたエレクトロクロミック層及び透明イオン伝導層とエレクトロクロミック層との界面でのイオン拡散である。そのために、対向する電極間間隙を熱伝導率が低い材料を経由して加熱するよりも、エレクトロクロミック層近傍を熱伝導率が良好な材料を経由して加熱する方が効率よく応答速度を改善することができる。そのために、特許文献２では熱伝導経路及び熱伝導経路上の材料の熱伝導率に課題がある。

特開昭６１−５９３１７号公報 特開２００７−２５８９８５号公報

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、低温環境における応答速度を、簡易に且つ効率よく改善することができるエレクトロクロミック調光素子を提供するものである。

また、本発明は、上記のエレクトロクロミック調光素子を用いることにより、動作温度範囲を低温側に大きく広げることができる撮像装置を提供するものである。

上記課題を解決するエレクトロクロミック調光素子は、一対の基板の間に設けられた一対の透明電極と、前記一対の透明電極の間に配置されているエレクトロクロミック層およびイオン伝導層とを有するエレクトロクロミック調光素子であって、前記一対の透明電極の一方は、通電によって発熱するヒーターと電気絶縁性熱伝導層を介して接続されており、
前記電気絶縁性熱伝導層の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上であり、
前記一対の透明電極の一方と前記ヒーターとが、前記一対の基板の一方の基板に設けられ、かつ前記透明電極と前記ヒーターの上面が同一面に形成されていることを特徴とする。

上記の課題を解決する撮像装置は、上記のエレクトロクロミック調光素子を有することを特徴とする。

本発明によれば、低温環境における応答速度を、簡易に且つ効率よく改善することができるエレクトロクロミック調光素子を提供することができる。

また、本発明によれば、上記のエレクトロクロミック調光素子を用いることにより、動作温度範囲を低温側に大きく広げることができる撮像装置を提供することができる。

本発明のエレクトロクロミック調光素子の一実施形態を示す断面図である。 本発明のエレクトロクロミック調光素子の素子基板の平面構成の一例を表す模式図である。 本発明の撮像装置の一実施形態を示すブロック図である。

本発明に係るエレクトロクロミック調光素子は、一対の基板の間に設けられた一対の透明電極と、前記一対の透明電極の間に配置されているエレクトロクロミック層およびイオン伝導層とを有するエレクトロクロミック調光素子であって、前記一対の透明電極の一方は、通電によって発熱するヒーターと電気絶縁性熱伝導層を介して接続されており、
前記電気絶縁性熱伝導層の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上であり、
前記一対の透明電極の一方と前記ヒーターとが、前記一対の基板の一方の基板に設けられ、かつ前記透明電極と前記ヒーターの上面が同一面に形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る撮像装置は、上記のエレクトロクロミック調光素子を有することを特徴とする。

本発明は、上記の構成からなるために、複雑な回路や動作シーケンスを用いることなく、エレクトロクロミック調光素子とヒーターの駆動を互いに独立に行うことができる。また、本発明は、ヒーターへの投入電力を低く抑えることができる。また、本発明は、低温環境におけるエレクトロクロミック調光素子の応答速度を簡易に、且つ効率よく改善することができる。

本発明のエレクトロクロミック調光素子の構成について、図面を用いて、好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明のエレクトロクロミック調光素子の一実施形態を示す断面図である。図２は、本発明のエレクトロクロミック調光素子の素子基板の平面構成の一例を表す模式図である。図１中、点線の矢印９は調光素子を透過する透過光を示しており、また両矢印８の範囲は光量制限領域（ワーク）を示す。

本実施の形態においては、対向する一対の透明電極の一方のみにエレクトロクロミック層（ＥＣ層）を形成した例を説明するが、もちろん一対の透明電極のそれぞれにＥＣ層を形成することも可能である。この場合も素子基板の構成は両基板とも同様であり、ＥＣ層に依存することはない。

本発明に係るエレクトロクロミック調光素子は、一対の基板１ａ、１ｂ上に、一対の透明電極３ａ、３ｂが設けられている。一対の透明電極３ａ、３ｂの間には、ＥＣ層５およびイオン伝導層４が配置されている。ＥＣ層５は一方の透明電極３ｂに接して設けられている。基板１ｂ上に設けられている一方の透明電極３ｂは、通電によって発熱するヒーター６と、固体の電気絶縁性熱伝導層７を介して接続されている。一対の透明電極の一方の透明電極３ｂとヒーター６とが、一方の基板１ｂに設けられ、かつ前記透明電極３ｂと前記ヒーター６の上面が同一面に形成されていることが好ましい。

基板１ａ、１ｂには、ガラス基板が用いられ、例えばＣｏｒｎｉｎｇ＃７０５９やＢＫ−７等の光学ガラス基板を好適に使用することができる。２は一対の基板の間隔を規定するスペーサ−であり、液晶表示装置で使用されているシリカビーズやＰＥＴシートなどを用いることができる。

透明電極３ａ、３ｂは、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＡＴＯ等を好ましく用いることができ、光学特性（屈折率や透過率）及び電気特性（シート抵抗）を考慮して適宜設計を行うことが可能である。

４はイオン伝導層であり、電解質が用いられる。例えばプロピレンカーボネート（ＰＣ）等の非水溶液系溶媒に支持電解質として１Ｍ程度のＬｉＣｌＯ_４を溶解させたものにアクリル樹脂を１０重量％程度添加して作製したゲル電解質を用いることができる。アクリル樹脂には、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）やポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等が好ましく用いられる。

ＥＣ層５は、有機、無機材料を問わず、公知の酸化／還元着色性ＥＣ材料を使用することができる。調光素子に求められる要件は透過率コントラストと波長平坦性並びに応答速度である。これらを考慮してＥＣ材料はできるだけ消色状態での透過率が高く、且つ着色効率（注入電荷量に対する光学濃度の比）が高い材料を用いることができる。さらに、波長平坦性という点では一つの材料で平坦な吸収を実現することが難しい場合、対向する電極にそれぞれ酸化着色性ＥＣ層と還元着色性ＥＣ層を形成して、相補的に波長平坦性を実現することも可能である。

６は通電によって発熱するヒーターであり、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＡＴＯ等の透明電極材料を好適に用いることができる。ヒーターは、ヒーター材料の比抵抗を考慮して電極取り出し部を除く発熱領域の抵抗値が１０から１００Ω程度になるように膜厚と幅が決定される。例えば、図１、２において光量制限領域８の直径を１０ｍｍとし、材料としてクロムを用いた場合には、ヒーターは膜厚１００ｎｍ、幅４０から４００μｍの範囲で透明電極の周囲を囲繞するように形成すればよい。こうしてヒーターには最大１Ｗ程度の電力を投入できるようにすれば、低温環境においても実用可能な範囲で調光素子を好適に駆動することができる。

また、基板上にエレクトロクロミック調光素子の温度を測定する温度検知手段を有し、前記温度検知手段によってヒーターに通電する電流量を制御するヒーター駆動方法を好ましく用いることができる。

７は固体の電気絶縁性熱伝導層であり、ヒーター６と、ＥＣ層５が形成された透明電極３ｂを接続するように形成される。図１、２においては、電気絶縁性熱伝導層７は透明電極３ｂ及びヒーター６の下層に、且つ光量制限領域８に重ならないように形成されている。図１および２において、ヒーター６は光量制御領域８の外側に形成されている。また、電気絶縁性熱伝導層７は透明電極及びヒーターの上層或いは交差して形成しても構わない。

図２を示す様に、ヒーターの外側から透明電極上のＥＣ層を暖める場合には、光量制御領域は円形であることが好ましい。その理由は、温度の上昇が均一になるからである。

また、電気絶縁性熱伝導層７は透過率を大きく制限しない範囲或いは透過率を大きく低下させない材料であれば、光量制限領域に開口部を形成しなくても構わないが、光量制限領域にはかからないことが好ましい。

固体の電気絶縁性熱伝導層としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素或いは炭化ケイ素等を用いることができる。電気絶縁性熱伝導層の材料は、電極材料に酸素などの元素をドープすることで形成しても良い。これらは１×１０^６Ωｃｍ以上の抵抗率を有する電気絶縁性の材料であり、また１０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱の良導体でもある。一方、先に挙げた電解質は、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ程度であり、電気絶縁性熱伝導層の材料と比較して１００倍ほど熱伝導及び熱拡散が低い材料からなる。

ギャップ間隔（電解質の厚さ）等の素子ディメンジョンやヒーターに印加する電力等にもよるが、電気絶縁性熱伝導層からなる熱伝導層を形成することによって、ＥＣ層が形成された透明電極の温度上昇率は１０倍以上になる。これにより効率的にエレクトロクロミック調光素子の低温環境における応答速度の低下を改善することが可能になる。

また、ヒーターと透明電極とは熱の良導体で接続されているものの、電気的には絶縁されているので、互いに任意のタイミングで独立して駆動を行うことが可能となっている。一対の透明電極への通電と、ヒーターへの通電とがそれぞれ独立に行われるので、エレクトロクロミック調光素子の駆動とヒーターの駆動とがそれぞれ独立に行うことができる。

また、一対の透明電極の一方とヒーターとが、同一の材料で形成されていることが好ましい。エレクトロクロミック調光素子を駆動する透明電極とヒーターとは同一の材料によって形成されている場合には、透明電極とヒーターを製造過程で一度に形成することができる利点がある。この場合は、透明電極とヒーターとは同じ高さに形成されることが好ましい。

本発明に係る撮像装置は、上記のエレクトロクロミック調光素子を有することを特徴とする。次に、本発明の撮像装置に、上記のエレクトロクロミック調光素子を設置した例を示し、構成要素の配置例や処理の流れについて説明する。

図３は本発明のエレクトロクロミック調光素子を撮像レンズ及び撮像装置に組み込んだ場合の一例を示すブロック図である。

レンズ光学系に入った入射光線はアイリス絞り及びエレクトロクロミック調光素子を通過する際に任意に調光されて撮像素子上に結像する。ここでは調光素子を撮像レンズ内のアイリス絞りの後段に配置しているが、配置の例はこれに限らず、アイリス絞りの前段、或いは撮像装置本体における撮像素子の前段等に配置しても構わない。

撮像素子から出力されたアナログ信号はＡ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変えられてＤＳＰ回路に送られる。ＤＳＰ回路において、所定の画素補間処理や色変換処理が行われ、メモリ部或いは記録メディアに保存される。また、取得された画像データに関しては主要被写体の距離情報や輝度情報が算出される。これにもとづいてＣＰＵが、ＴＴＬ方式のオートフォーカス処理や、自動露出処理、自動調光処理（アイリス絞り駆動、エレクトロクロミック調光素子駆動）等を行う。

エレクトロクロミック調光素子を駆動するには、先ず電源スイッチのＯＮとともに温度検知手段から温度情報が取得される。これによってヒーター駆動を行うか判断され、行うと判断された場合には設定温度までのヒーター駆動が行われる。通常は零度以下の低温環境においても１０秒程度で調光素子の温度を室温程度にまで上昇でき、これにより撮影準備が完了する。

本発明のエレクトロクロミック調光素子は、低温環境における応答速度を、簡易に且つ効率よく改善することができるので、動作温度範囲が低温側にある撮像装置に利用することができる。

１ａ、１ｂ 基板
２ スペーサ−
３ａ、３ｂ 透明電極
４ イオン伝導層
５ ＥＣ層
６ ヒーター
７ 電気絶縁性熱伝導層
８ 光量制限領域
９ 透過光

Claims (8)

1. 一対の基板の間に設けられた一対の透明電極と、前記一対の透明電極の間に配置されているエレクトロクロミック層およびイオン伝導層とを有するエレクトロクロミック調光素子であって、前記一対の透明電極の一方は、通電によって発熱するヒーターと電気絶縁性熱伝導層を介して接続されており、
   前記電気絶縁性熱伝導層の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上であり、
   前記一対の透明電極の一方と前記ヒーターとが、前記一対の基板の一方の基板に設けられ、かつ前記透明電極と前記ヒーターの上面が同一面に形成されていることを特徴とするエレクトロクロミック調光素子。
2. 前記一対の透明電極への通電と、ヒーターへの通電とがそれぞれ独立に行われることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック調光素子。
3. 前記エレクトロクロミック調光素子の温度を測定する温度検知手段を有し、前記温度検知手段によってヒーターに通電する電流量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のエレクトロクロミック調光素子。
4. 前記一対の透明電極の一方と前記ヒーターとが、同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載のエレクトロクロミック調光素子。
5. 前記エレクトロクロミック層は、酸化着色性エレクトロクロミック層および還元着色性エレクトロクロミック層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエレクトロクロミック調光素子。
6. 前記エレクトロクロミック調光素子は、光が透過する光量制御領域を有し、
   前記光量制御領域は、前記基板の面内方向の断面が円形であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエレクトロクロミック調光素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエレクトロクロミック調光素子を有することを特徴とする撮像装置。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエレクトロクロミック調光素子を有することを特徴とする撮像レンズ。

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