JP2002169110A - 光学素子、光学装置および撮影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エレクトロウエッティング効果を利用した光
学素子の偏心を防止するのが難かしい。 【解決手段】 導電性又は有極性を有する第１の液体１
２１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１２２を容器内に収容し、第１の液体と容器１０５
側に設けられた電極１０３間への印加電圧の変化に応じ
て第１の液体と第２の液体との界面１２４の形状が変化
することにより光学特性が変化する光学素子において、
容器内に、上記界面の一部に接して、この界面における
光学作用部分の光軸の変位を抑制する界面保持部１１
３，１１４を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【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】液体を利用した光学素子としては、液晶
を用い、電場・磁場・温度を変化させ屈折率分布を形成
・変化させることで焦点距離を調節する可変焦点レンズ
が特開平１１−３５２４５３号公報にて提案されてい
る。

【０００３】また、エレクトロウェッティング効果（電
気毛管現象）を利用して、電圧を変化させて２液体間の
界面形状を変化させることで焦点距離を調節する可変焦
点レンズが国際公開９９／１８４４５６号にて開示され
ている。

【０００４】ところで、このような液体を利用した可変
焦点レンズにおいては、電圧などの駆動手段によって焦
点距離が変化した際にレンズの偏心が起きるという問題
がある。

【０００５】これに対し、上記特開平１１−３５２４５
３号公報には、焦点距離を可変にする方法は提案されて
いるものの、レンズの偏心を防止するための方法に関す
る提案はされていない。

【０００６】一方、国際特許９９／１８４４５６号にて
開示の構成は、本願図９に示すとおりである。

【０００７】図９において、光学素子は、基板９０１
と、電極９０２，９０５と、絶縁層９０３と、表面処理
層９０５と、シリコーンオイル９０６と、電解液９０７
とから構成されている。そして、この光学素子では、絶
縁層９０３の厚さが光軸中心から径方向外方に向かって
薄くなるように変化させている。

【０００８】このように絶縁層９０３の厚さを変化させ
ることにより、絶縁層９０３内の電解強度に分布を持た
せ、電気的に偏心を防止している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】図９に示す光学素子にお
いて、電極９０２，９０５間に印加する界面駆動電圧を
下げるためには絶縁層９０３を薄くする必要がある。

【００１０】しかしながら、絶縁層９０３を薄くした上
で、光学素子の偏心を防止するために厚みに変化をつけ
るのは技術的に困難である。

【００１１】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、その偏心を簡単な
構成で防止できるようにすることを目的としている。

【００１２】

【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、本発明では、導電性又は有極性を有する第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の液体と容器側に設けられた
電極間への印加電圧の変化に応じて第１の液体と第２の
液体との界面の形状が変化することにより光学特性が変
化する光学素子において、容器内に、上記界面の一部に
接して、この界面における光学作用部分の光軸の変位を
抑制する界面保持部を設けている。

【００１３】これにより、印加電圧の変化に応じて第１
の液体と第２の液体との界面の形状が変化しても、界面
保持部の作用により上記界面における光学作用部分の光
軸変位（すなわち、偏心）が抑制されるため、光学素子
の光学性能を維持することが可能である。しかも、容器
内に界面保持部を設けるだけでよいので、簡単な構成で
光学作用部分の偏心を抑制することが可能である。

【００１４】さらに、界面保持部に、上記光学作用部分
の光軸直交面上での形状・大きさおよび位置の変化を抑
制させることにより、印加電圧の変化に応じて上記光学
作用部分の曲率のみが変化することとなり、光学作用部
分の有効径を維持しつつ光学パワーを容易に制御するこ
とが可能となる。

【００１５】具体的には、界面保持部を、第１の液体お
よび第２の液体に対してそれぞれ吸着性を有する第１お
よび第２の吸着部により構成すればよい。

【００１６】また、界面保持部は、光学作用部分の外周
を囲むように界面に接する形状（特に、円環形状）に形
成することが好ましい。円環形状とすることで、光学作
用部分として光軸を中心とした球面を得ることが可能で
ある。

【００１７】そして、界面保持部を第１の液体側から上
記界面に接する部材の先端に設けることにより、第２の
液体の体積を変えることなく光学作用部分の有効径を自
由に設定することが可能である。

【００１８】また、界面保持部を第２の液体側から上記
界面に接する部材の先端に設けることにより、第２の液
体の体積を変化させることによって電圧未印加状態での
光学作用部分の曲率設定を行うことが可能である。

【００１９】なお、界面保持部の内径を３ｍｍ以上とす
ることにより、シリコーンオイル等の第２の液体を界面
保持部の内側にスムーズに入り込ませることが可能とな
り、より効果的に光学作用部分の偏心を抑制することが
可能となる。

【００２０】そして、上記の光学素子と、第１の液体と
容器側に設けられた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ることにより、光学的偏心を伴わず
にエレクトロウェッティング効果により光学パワーを可
変とした光学装置を実現することが可能である。

【００２１】さらに、上記光学素子を含む撮影光学系を
備えた撮影装置を構成することにより、光学的偏心を伴
わずにエレクトロウェッティング効果により焦点距離を
可変とした撮像装置を実現することが可能である。

【００２２】

【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およ
び光学作用について説明する。なお、本実施形態では、
光学素子の光軸１２３が上下方向に延びているものとし
て説明する。

【００２３】これらの図において、１０１は本実施形態
の光学素子全体を示している。１０２は透明アクリル製
の透明基板である。この透明基板１０２の上面には、酸
化インジウムスズ製の透明電極（ＩＴＯ）１０３がスパ
ッタリングで形成され、さらに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ている。

【００２４】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照射を行ない硬化させて形成する。

【００２５】この絶縁層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が接着固定されて
いる。さらに、上カバー１０６の上面には、中央部に直
径Ｄ２の開口を有した絞り板１０７が配置されている。

【００２６】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
空間、すなわち液室を有した容器が形成される。そし
て、液室を囲む内壁面には、以下に示す表面処理が施さ
れる。

【００２７】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
形成される。撥水処理剤としては、フッ素化合物等が好
適である。

【００２８】また、絶縁層１０４上の撥水膜１１１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。

【００２９】一方、上カバー１０６の下面には、絞り板
１０７の直径Ｄ２と等しい内径Ｂ１を有する高さｔ１の
円筒部材（後述する第１の液体側から界面に接する位置
まで延びる部材）１２８が設けられている。この円筒部
材１２８の周壁部には、最低１箇所以上の孔１２９が形
成されている。

【００３０】円筒部材１２８の内径Ｂ１は、後述するレ
ンズ底面の直径Ａ１より小さく、かつＢ１≧３ｍｍに設
定するのが望ましい。この理由については後述する。

【００３１】また、円筒部材１２８の内面には親水処理
が施され、親水膜１１２と同様の性質を有した親水膜
（第１の吸着部）１１３が形成されている。また、円筒
部材１２８の先端部には、親油処理が施され、後述する
第２の液体に対して吸着性（親和性又は濡れ性）を有す
る親油膜（第２の吸着部）１１４が形成されている。

【００３２】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。

【００３３】さらに、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が挿入されてい
る。棒状電極１２５と孔との隙間は接着剤で封止され、
上記液室の密閉性が維持されている。そして、透明電極
１０３と棒状電極１２５には、後述する給電回路１３１
が接続され、両電極間に所定の電圧が印加可能になって
いる。

【００３４】上記液室には、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。
この第２の液体１２２は、無色透明で、比重１．０６、
室温での屈折率１．４９のシリコンオイルが用いられ
る。

【００３５】一方、液室内の残りの空間には、第１の液
体１２１が充填収容される。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、さらに所定量
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（導電性又は有極性を有する液体）で
ある。

【００３６】すなわち、本実施形態では、第１および第
２の液体１２１，１２２としては、比重が互いに等し
く、互いに屈折率が異なり、かつ互いに混合しない（不
溶の）液体が選定されている。このため、両液体１２
１，１２２は、後述する形状の界面１２４を形成し、混
ざり合わずにそれぞれが独立して液室内に収まってい
る。

【００３７】次に、上記界面１２４の形状について説明
する。まず、図１に示すように、棒状電極１２５（第１
の液体１２１）と透明電極１０３との間に電圧が印加さ
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、第２の液体１２２と円
筒部材１２８上の親油膜１１４との界面張力、および第
２の液体１２２の体積で決まる。

【００３８】本実施形態では、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。

【００３９】これにより、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。また、界面１２４は円環状の親油膜１１４および
親水膜１１３に接しているため、レンズとしての有効径
は円筒部材１２８の内径Ｂ１と等しくなる。このため、
内径Ｂ１を変化させることで、有効径を自由に変化させ
ることができる。

【００４０】このとき、円筒部材１２８は第１の液体１
２１側にのみ設けられているので、第２の液体１２２の
体積を変える必要がない。また、内径Ｂ１は、Ｂ１≧３
ｍｍが望ましい。これは、内径Ｂ１が３ｍｍより小さい
と、第１の液体１２１および第２の液体１２２の界面張
力の関係で、第２の液体１２２が円筒部材１２８内に入
り込めないためである。

【００４１】なお、両液体１２１，１２２の比重は、前
述したように等しいため、これら液体には見かけ上、重
力は作用しない。このため、界面１２４は親油膜１１４
と接しているところ以外では球面になり、その曲率半径
および高さは、第２の液体１２２の体積により決まる。

【００４２】一方、図２に示すように、給電回路１３１
から棒状電極１２５（第１の液体１２１）と透明電極１
０３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（電気毛管現象）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との境界を乗り越えて撥
水膜１１１上に入り込む。

【００４３】この結果、図２に示すように、第２の液体
１２２が作るレンズ底面の直径はＡ１からＡ２に減少
し、第２の液体１２２が円筒部材１２８の内部に入り込
む。また、これに伴い、円筒部材１２８の内部に存在し
ていた第１の液体１２１が孔１２９を通して円筒部材１
２８の外に押し出される。この結果、レンズの高さはｈ
１からｈ２に増加する。

【００４４】この際、円筒部材１２８の下端には親油膜
１１４が形成され、かつ円筒部材１２８の内面および親
油膜１１４の内径部には親水膜１１３が形成されている
ため、界面１２４のうちこれら親油膜１１４と親水膜１
１３の下端とに接している部分Ｐは、その位置が固定さ
れ、界面１２４のうち親水膜１１３よりも内側にあるレ
ンズ上面部分（光学作用部分）の曲率のみが変化する。

【００４５】このように、第１の液体１２１と透明電極
１０３間への電圧印加によって、２種類の液体１２１，
１２２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。

【００４６】このため、給電回路１３１による第１の液
体１２１と透明電極１０３間への印加電圧を制御するこ
とによって、界面１２４のうちレンズ上面部分の形状
（曲率）を自在に変えられる光学素子を構成することが
できる。

【００４７】そして、第１および第２の液体１２１，１
２２が異なる屈折率を有しているため、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１０１は、界面１２４のうちレンズ上
面部分の曲率変化によって光学パワーが可変である可変
焦点レンズとなる。

【００４８】さらに、図１の状態に比べて図２の状態に
おけるレンズ上面部分の曲率半径が小さくなるので、図
２の状態の光学素子１０１の方が図１の状態に比べて焦
点距離が短くなる。一方、レンズとしての有効径の形状
・大きさおよび光軸１２３の位置はほぼ保たれる。この
結果、給電回路１３１の電圧制御によって、レンズ光軸
１２３が一致したまま曲率（すなわち、光学パワー）の
みが変化する光学素子を実現することができる。つま
り、レンズの光軸変位（偏心）を軽減することができ
る。

【００４９】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、容器内に界面保持部としての親油膜１１４および親
水膜１１３（の下端）を設けたことで、界面１２４のう
ち光学作用部分（レンズ上面）の形状変化（曲率変化）
に伴う光軸１２３の変位（偏心）を抑制することがで
き、光学素子１０１の光学性能を維持・向上させること
ができる。

【００５０】しかも、容器内に円筒部材１２８を配置
し、その端部に親油膜１１４を、内面に親水膜１１３を
設けるだけの簡単な構成で、上記効果が得られるので、
コストダウンを図ることができる。

【００５１】また、円筒部材１２８の内径を変化させる
ことで、レンズ有効径を自由に設定することができるの
で、容易に所望のレンズ有効径を有した光学素子を得る
ことができる。

【００５２】なお、本実施形態では、第２の液体１２２
の体積を変化させることなく、レンズ有効径を自由に設
定することができる。

【００５３】次に、図３を用いて、上述した給電回路１
３１の出力電圧と光学素子１０１の界面１２４（レンズ
上面）の変形との関係について説明する。

【００５４】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３（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。

【００５５】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３（ｂ）において所望の界面変化
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。この変形量に達しなければ、光学素子１０１の
次の制御は進まない設定とする。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いて
決定されるものである。

【００５６】図４には、上記給電回路１３１を含み、光
学素子１０１に対する印加電圧制御を行う給電制御回路
の構成を示している。

【００５７】図４において、１３０は光学素子１０１を
用いて構成される光学装置の動作全体の制御を司る中央
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。

【００５８】図４に点線枠で囲んだ給電回路１３１にお
いて、１３２は光学装置１５１に組込まれている乾電池
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ＣＰＵ
１３０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。

【００５９】なお、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。

【００６０】つまり、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１
３３、増幅器１３４、増幅器１３５によって所望の電圧
値、周波数、およびデューティ比に変換され、光学素子
１０１に印加される。

【００６１】図５には、増幅器１３４，１３５から出力
される電圧波形を説明する図である。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。

【００６２】図５（ａ）に示したように、増幅器１３４
は透明電極１０３に、増幅器１３５は棒状電極１２５に
それぞれ接続されている。

【００６３】増幅器１３４からは、図５（ｂ）に示すよ
うに、ＣＰＵ１３０の制御信号に応じた所望の周波数、
デューティ比で矩形波形の電圧が出力される。一方、増
幅器１３５からは、図５（ｃ）に示すように、ＣＰＵ１
３０の制御信号に応じて、増幅器１３４とは逆位相で、
同一周波数および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１
０３および棒状電極１２５間に印加される電圧は、図５
（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。

【００６４】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５（ｅ）に示すように
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５（ｅ）にならって表すこととす
る。

【００６５】なお、ここでは、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、
正弦波形の電圧が出力されるようにしても同様である。

【００６６】また、ここでは、光学装置に電源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
や外付けの給電回路によって光学素子１０１に交流印加
されるようにしてもよい。

【００６７】（第２実施形態）図６には、上記第１実施
形態の光学素子１０１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１５０
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。

【００６８】図６において、１４０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
１４１、第２レンズ群１４２および光学素子１０１によ
り構成される。

【００６９】この撮影光学系１４０は、第１レンズ群１
４１の光軸方向の進退で焦点調節がなされ、光学素子１
０１のパワー変化でズーミングがなされる。第２レンズ
群１４２は移動しないリレーレンズ群である。

【００７０】そして、光学素子１０１は、第１レンズ群
１４１と第２レンズ群１４２の間に配置され、第１レン
ズ群１４１と光学素子１０１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１４
３が配置されている。

【００７１】また、撮影光学系１４０の焦点位置（予定
結像面）には、撮像素子１４４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。

【００７２】１４５は画像信号処理回路であり、撮像素
子１４４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。

【００７３】１５１は液晶ディスプレイ等の表示器で、
撮像素子１４４を通じて取得した被写体像やこの撮影装
置１５０の動作状況を表示する。

【００７４】１５２は第１実施形態にて説明したＣＰＵ
１３０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。

【００７５】１５３ａ，１５３ｂ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１４０の焦点距離の変更駆動が行われる。

【００７６】１５４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。

【００７７】１５５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。

【００７８】１５６はフォーカス駆動回路であり、第１
レンズ群１４１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１５５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１４０を合焦させる。

【００７９】１５７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。

【００８０】図７は、上記撮影装置１５０が有するＣＰ
Ｕ１３０の動作を示す制御フローチャートである。以
下、図６および図７を用いて撮影装置１５０の動作を説
明する。

【００８１】ステップＳ１０１において、メインスイッ
チ１５２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１５２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。

【００８２】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。

【００８３】ステップＳ１０３では、撮影者によってＷ
側ズームスイッチ１５３ａ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１５３ａが操作された場
合は、ステップＳ１２１に移行する。

【００８４】ステップＳ１２１では、Ｗ側ズームスイッ
チ１５３ａ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１０１への印加電圧量を
決定し、給電回路１３１の出力電圧を制御して光学素子
１０１に電圧を印加する（Ｓ１２４）。そしてステップ
Ｓ１０２へ戻る。

【００８５】つまり、Ｗ側ズームスイッチ１５３ａ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１５
３ａのオン操作が終了した時点でステップＳ１０４へと
移行する。

【００８６】ステップＳ１０４では、撮影者によってＴ
側ズームスイッチ１５３ｂ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１５３ｂが操作された場
合は、ステップＳ１２１に移行する。

【００８７】ステップＳ１２１では、Ｔ側ズームスイッ
チ１５３ｂ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１０１への印加電圧量を
決定し、給電回路１３１の出力電圧を制御して光学素子
１０１に電圧を印加する（Ｓ１２４）。そしてステップ
Ｓ１０２へ戻る。

【００８８】つまり、Ｔ側ズームスイッチ１５３ｂ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１５
３ｂのオン操作が終了した時点でステップＳ１０５へと
移行する。

【００８９】ステップＳ１０５では、撮影者によって操
作スイッチ群１５４のうち、撮影準備スイッチ（図７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１５３の操作の判別を繰り返す。ステップＳ１
０５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。

【００９０】ステップＳ１１１では、撮像素子１４４お
よび信号処理回路１４５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。

【００９１】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１４４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１４４に入射する光量を認識する。

【００９２】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１４０内に設け
られた絞りユニット１４３を駆動して適正光量になるよ
うに絞りユニット１４３の開口径を調整する。

【００９３】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１５１に表示する。
続いて、ステップＳ１１５では、焦点検出装置１５５を
用いて撮影光学系１４０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１５
６を通じて第１レンズ群１４１を光軸方向に進退させ、
合焦動作を行なう。

【００９４】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。

【００９５】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。

【００９６】ステップＳ１３１では撮像を行なう。すな
わち撮像素子１４４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。

【００９７】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１４５に入
力させる。

【００９８】ステップＳ１３３では、信号処理回路１４
５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ＣＰＵ１３
０内に記憶された画像圧縮プログラムでＪＰＥＧ圧縮等
を施す。

【００９９】ステップＳ１３４では、上記ステップＳ１
３３で得られた画像信号をメモリ１５７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１５１に改めて表示する。その後、給電回路１３１を
制御して光学素子１０１への電圧印加をオフし（Ｓ１３
６）、一連の撮影動作を終了する。

【０１００】なお、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。

【０１０１】（第３実施形態）図８には、本発明の第３
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、光学素子の光軸２２３が上下方向に延びている
ものとして説明する。

【０１０２】上記第１実施形態では、電圧印加によって
２液間の界面の形状が変化する光学素子の光軸変位（偏
心）を軽減するために、第１の液体１２１側に、第２の
液体１２２を吸着する親油膜１１４を有した円筒部材１
２８を設けた場合について説明したが、本実施形態で
は、第２の液体１２２側に第１の液体１２１を吸着する
親水膜２１３を有した円筒部材２２８を設けた場合につ
いて説明する。

【０１０３】なお、本実施形態の光学素子２０１の構成
要素のうち第１実施形態のものと共通する構成要素には
第１実施形態と同符号を付して説明に代える。

【０１０４】本実施形態の光学素子２０１は、絞り径Ｄ
３を持つ絞り板２０７を有するとともに、内径Ｂ２，高
さｔ２を持つ円筒部材２２８が第２の液体１２２側、つ
まり絶縁層１０４上の撥水膜１１１上に設けられて構成
されている。この円筒部材２２８の周壁には最低１箇所
以上の孔２２９が形成されている。

【０１０５】円筒部材２２８の内径Ｂ３は、撥水膜１１
１の直径Ｄ１より小さく、またＢ３≧３ｍｍとするのが
望ましい。円筒部材２２８の内面には親油処理が施さ
れ、親油膜（第２の吸着部）２１４が形成されている。

【０１０６】また、円筒部材２２８の上端部には、親水
処理が施され、親水膜（第１の吸着部）２１３が形成さ
れる。また、容器（液室）内には、第２の液体１１２の
高さｈ３がｈ３≧ｔ２となるように第２の液体１２２が
満たされ、さらに液室の残りの空間には第１の液体１２
１が充填収容されている。なお、これら第１および第２
の液体１２１，１２２は、第１実施形態と同じものが用
いられており、両液体１２１，１２２は、後述する形状
の界面１２４を形成し、混ざり合わずにそれぞれが独立
して液室内に収まっている。いる。

【０１０７】次に、界面１２４の形状について説明す
る。まず、図８（ａ）に示すように、棒状電極１２５
（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１２
１，１２２間の界面張力、第１の液体１２１と絶縁層１
０４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、第２の液体１２２
と円筒部材２２８内の親油膜２１４との界面張力、およ
び第２の液体１２２の体積とで決まる。

【０１０８】本実施形態では、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。

【０１０９】つまり、第２の液体１２２が形成するレン
ズ底面の直径Ａ３は、撥水膜１１１の直径Ｄ１に等し
い。また、界面１２４は円環状の親水膜２１３および親
油膜１１４の上端に接しているため、レンズとしての有
効径は円筒部材２２８の内径Ｂ３と等しくなる。

【０１１０】また、両液体１２１，１２２の比重は等し
いため、これら液体１２１，１２２には見かけ上、重力
は作用しない。そこで、界面１２４は、円筒部材２２８
の親水膜２１３と接している所以外では球面になり、そ
の曲率半径および高さは第２の液体１２２の体積により
決まる。

【０１１１】一方、給電回路１３１から棒状電極１２５
（第１の液体１２１）と透明電極１０３間に電圧が印加
されると、図８（ｂ）に示すように、エレクトロウェッ
ティング効果（電気毛管現象）によって第１の液体１２
１と親水膜１１２との界面張力が減少し、第１の液体１
２１が親水膜１１２と撥水膜１１１との境界を乗り越え
て撥水膜１１１上に入り込む。この結果、第２の液体１
２２が作るレンズの底面の直径はＡ３からＡ４に減少
し、第２の液体１２２が孔２２９を通して円筒部材２２
８の内部に入り込み、レンズの高さはｈ３からｈ４に増
加する。

【０１１２】また、円筒部材２２８の上端には親水膜２
１３が形成され、かつ円筒部材２２８の内面および親水
膜２１３の内径部には親油膜２１４が形成されているた
め、界面１２４のうちこれら親水膜２１３と親油膜２１
４の上端とに接している部分Ｑは、その位置が固定さ
れ、界面１２４のうち親油膜２１４よりも内側にあるレ
ンズ上面部分（光学作用部分）の曲率のみが変化する。

【０１１３】このように、第１の液体１２１と透明電極
１０３への電圧印加によって、２種類の液体１２１，１
２２の界面張力の釣り合いが変化し、両液体１２１，１
２２間の界面１２４の形状が変わる。

【０１１４】このため、給電回路１３１による第１の液
体１２１と透明電極１０３間への印加電圧を制御するこ
とによって、界面１２４のうちレンズ上面部分の形状
（曲率）を自在に変えられる光学素子を構成することが
できる。

【０１１５】そして、第１および第２の液体１２１，１
２２が異なる屈折率を有しているため、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１０１は、界面１２４のうちレンズ上
面部分の曲率変化によって光学パワーが可変である可変
焦点レンズとなる。

【０１１６】一方、レンズとしての有効径の形状・大き
さおよび光軸２２３の位置はほぼ保たれる。この結果、
給電回路１３１の電圧制御によって、レンズ光軸２２３
が一致したまま曲率（すなわち、光学パワー）のみが変
化する光学素子を実現することができる。つまり、レン
ズの光軸変位（偏心）を軽減することができる。

【０１１７】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、容器内に界面保持部としての親水膜２１３および親
油膜２１１４（の上端）を設けたことで、界面１２４の
うち光学作用部分（レンズ上面）の形状変化（曲率変
化）に伴う光軸２２３の変位（偏心）を抑制することが
でき、光学素子２０１の光学性能を維持・向上させるこ
とができる。

【０１１８】しかも、容器内に円筒部材２２８を配置
し、その端部に親水膜２１３を、内面に親油膜２１４を
設けるだけの簡単な構成で、上記効果が得られるので、
コストダウンを図ることができる。

【０１１９】また、円筒部材２２８の内径を変化させる
ことで、レンズ有効径を自由に変化させることができる
ので、容易に所望のレンズ有効径を有した光学素子を得
ることができる。

【０１２０】なお、本実施形態では、第２の液体１２２
の体積を変化させることで、光学作用部分の電圧未印加
状態での曲率を決めることができる。

【０１２１】また、本発明の光学素子では、第１および
第３実施形態に示したように、界面保持部を設けるため
の円筒部材１２８，２２８を第１の液体１２１側でも第
２の液体１２２側のどちらにも設けることが可能である
ため、組み込む形態によって使い分けることができる。

【０１２２】例えば、小型化・薄型化が望まれる場合、
光軸と平行方向に薄型化するには液室の内面をテーパー
面にする必要がある。例えば, テーパーのつけ方が、上
カバー１０６の開口部＞透明基板１０２側の開口部の場
合、円筒部材１２８は第１の液体１２１側に設ける方が
望ましく、これにより光軸と垂直方向の大きさが大きく
なることが避けられる。

【０１２３】また、テーパーのつけ方が逆の場合には、
円筒部材１２８は第２の液体側に設ける方が望ましい。

【０１２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の液体と第２の液体との界面の一部に接して、上記
界面における光学作用部分の光軸の変位を抑制する界面
保持部を設けているので、印加電圧の変化に応じて第１
の液体と第２の液体との界面の形状が変化しても、界面
保持部の作用により上記界面における光学作用部分の光
軸変位（すなわち、偏心）を抑制することができ、光学
素子の光学性能を維持することができる。

【０１２５】しかも、容器内に界面保持部を設けるだけ
でよいので、簡単な構成で光学作用部分の偏心を抑制す
ることができる。

【０１２６】さらに、界面保持部に、上記光学作用部分
の光軸直交面上での形状・大きさおよび位置の変化を抑
制させるようにすれば、印加電圧の変化に応じて上記光
学作用部分の曲率のみが変化することとなり、光学作用
部分の有効径を維持しつつ光学パワーを容易に制御する
ことができる。

【０１２７】また、界面保持部を、光学作用部分の外周
を囲むように界面に接する形状（特に、円環形状）に形
成すれば、光学作用部分として光軸を中心とした球面を
得ることができる。

【０１２８】そして、界面保持部を第１の液体側から上
記界面に接する部材の先端に設けることにより、第２の
液体の体積を変えることなく光学作用部分の有効径を自
由に設定することができる。

【０１２９】また、界面保持部を第２の液体側から上記
界面に接する部材の先端に設けることにより、第２の液
体の体積を変化させることによって電圧未印加状態での
光学作用部分の曲率設定を行うことができる。

【０１３０】さらに、界面保持部の内径を３ｍｍ以上と
することにより、シリコーンオイル等の第２の液体を界
面保持部の内側にスムーズに入り込ませることが可能と
なり、より効果的に光学作用部分の偏心を抑制すること
ができる。

【０１３１】そして、上記の光学素子と、第１の液体と
容器側に設けられた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ることにより、光学的偏心を伴わず
にエレクトロウェッティング効果により光学パワーを可
変とした光学装置を実現することができる。

【０１３２】さらに、上記光学素子を含む撮影光学系を
備えた撮影装置を構成することにより、光学的偏心を伴
わずにエレクトロウェッティング効果により焦点距離を
可変とした撮像装置を実現することができる。

【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】上記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４】上記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５】上記給電制御回路の動作説明図である。

【図６】本発明の第２実施形態である撮影装置（光学装
置）の構成図である。

【図７】上記撮影装置の動作を示すフローチャートであ
る。

【図８】本発明の第３実施形態である光学素子の断面構
成図である。

【図９】従来の光学素子の断面構成図である。

【符号の説明】

１０１，２０１ 光学素子 １０２ 透明基板 １０３ 透明電極 １０４ 絶縁層 １０７，２０７ 絞り板 １１１ 撥水膜 １１２ 親水膜 １１３，２１３ 親水膜 １１４，２１４ 親油膜 １２１ 第１の液体 １２２ 第２の液体 １２３，２２３ 光軸 １２４ 界面 １２５ 棒状電極 １２８，２２８ 円筒部材 １２９，２２９ 孔 １３０ ＣＰＵ １３１ 給電回路 １３２ 直流電源 １３３ ＤＣ／ＤＣコンバータ １３４，１３５ 増幅器 １４０ 撮影光学系 １４１ 第１レンズ群 １４２ 第２レンズ群 １４３ 絞りユニット １４４ 撮像素子 １４５ 画像信号処理回路 １５０ 撮影装置（光学装置） １５１ 表示器 １５２ メインスイッチ １５３ａ Ｗ側ズームスイッチ １５３ｂ Ｔ側ズームスイッチ １５４ 操作スイッチ群 １５５ 焦点検出装置 １５６ フォーカス駆動回路 １５７ メモリ ９０１ 基板 ９０２，９０５ 電極 ９０３ 絶縁層 ９０４ 表面処理部 ９０６ シリコーンオイル ９０７ 電解液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 能登 悟郎 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2H041 AA12 AB32 AC06 AZ06 AZ08 2H087 KA03 MA12 RA27 SA11 SA63 SA72 SA74 5C022 AA13 AB21 AB66 AC03 AC42 AC54 AC69

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性又は有極性を有する第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の液体と前記容器側に設けら
   れた電極間への印加電圧の変化に応じて前記第１の液体
   と前記第２の液体との界面の形状が変化することにより
   光学特性が変化する光学素子において、 前記容器内に、前記界面の一部に接して、この界面にお
   ける光学作用部分の光軸の変位を抑制する界面保持部を
   設けたことを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 前記界面保持部は、前記界面の一部に接
   して、前記光学作用部分の光軸直交面上での形状・大き
   さおよび位置の変化を抑制することを特徴とする請求項
   １に記載の光学素子。
3. 【請求項３】 前記界面保持部が、前記光学作用部分の
   外周を囲むように前記界面に接す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. 【請求項４】 前記界面保持部が円環形状に形成されて
   いることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 【請求項５】 前記界面保持部が、前記第１の液体側か
   ら前記界面に接する位置まで延びる部材の先端に設けら
   れていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに
   記載の光学素子。
6. 【請求項６】 前記界面保持部が、前記第２の液体側か
   ら前記界面に接する位置まで延びる部材の先端に設けら
   れていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに
   記載の光学素子。
7. 【請求項７】 前記界面保持部が、前記第１の液体に対
   して吸着性を有する第１の吸着部と、前記第２の液体に
   対して吸着性を有する第２の吸着部とから構成されてい
   ることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の
   光学素子。
8. 【請求項８】 前記界面に入射する光を通過させる開口
   が形成された絞り部材を有しており、 前記界面保持部の内径が、前記絞り部材の開口径よりも
   大きいことを特徴とする請求項３又は４に記載の光学素
   子。
9. 【請求項９】 前記界面保持部の内径が、３ｍｍ以上で
   あることを特徴とする請求項３又は４に記載の光学素
   子。
10. 【請求項１０】 請求項１から９のいずれかに記載の光
    学素子と、前記第１の液体および前記容器側に設けられ
    た電極間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。
11. 【請求項１１】 請求項１から９のいずれかに記載の光
    学素子を含む撮影光学系と、前記第１の液体および前記
    容器側に設けられた電極間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。