(57)【要約】【課題】衝撃に強く、かつ小型化に適したレンズ焦点距離の可変機構を備えた、レンズユニットおよび画像撮影装置を提供する。【解決手段】レンズユニット２と画像撮影装置１００において、伸縮自在であって伸縮に応じた焦点距離を有する伸縮自在レンズ２１と、電圧印加に応じて伸縮するポリマー材料１２を有し、そのポリマー材料１２の伸縮力により伸縮自在レンズ２１を伸縮させるポリマーアクチュエータ１と、そのポリマー材料１２に電圧を印加する電圧印加部１３とを備える。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸縮自在であって伸縮に応じた焦点距離を有する伸縮自在レンズと、
電圧印加に応じて伸縮するポリマー材料を有し、該ポリマー材料の伸縮力により
前記伸縮自在レンズを伸縮させるポリマーアクチュエータと、
前記ポリマー材料に電圧を印加する電圧印加部とを備えたことを特徴とするレンズユニット。
【請求項２】
前記ポリマー材料が、シリコン系ポリマー材料であることを特徴とする請求項１記載のレンズユニット。
【請求項３】
前記ポリマー材料が、アクリル酸系ポリマー材料であることを特徴とする請求項１記載のレンズユニット。
【請求項４】
前記伸縮自在レンズが、ゲル状物質を構成要素とするレンズであることを特徴とする請求項１記載のレンズユニット。
【請求項５】
前記伸縮自在レンズが、アクリル酸エステル系ポリマー材料を構成要素とするレンズであることを特徴とする請求項１記載のレンズユニット。
【請求項６】
被写体を捉えた撮影により画像信号を生成する画像撮影装置において、
伸縮自在であって伸縮に応じた焦点距離を有する伸縮自在レンズと、
電圧印加に応じて伸縮するポリマー材料を有し、該ポリマー材料の伸縮力により
前記伸縮自在レンズを伸縮させるポリマーアクチュエータと、
前記ポリマー材料に電圧を印加する電圧印加部とを備えたことを特徴とする画像撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズの焦点距離が変化する、レンズユニットおよび画像撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラを中心とする画像撮影装置や、このような画像撮影装置を構成する様々な要素に関する技術が急速に発展してきている。こうした画像撮影装置では、レンズは重要な構成要素であるとともにその制御には高度の技術が必要とされる構成要素である。なかでもレンズの焦点距離を変化させる技術は高精度の制御技術が必要であり、ズームレンズ等焦点距離可変のレンズを備えた画像撮影装置では、小型モータを用いてレンズを物理的に光軸方向に移動させることによってレンズの焦点距離を変化させている。デジタルカメラ等の画像撮影装置に対しても小型化が要求されており、こうしたレンズの焦点距離を変化させるための装置も高精度の性能を維持しながら小型化を推進する必要性が増してきている。
【０００３】
ところが、従来から用いられてきた小型モータなどによる駆動方式では、既に限界に近いレベルにまで小型化されてきており、性能を維持しながらこれ以上の小型化を行うことは装置の設計上困難である。また、このような機械的な駆動方式では、レンズの焦点距離を変化させる動作中に騒音が発生する。
【０００４】
こうした問題を解決するため、レンズ自体を透明で変形可能な材料を用いて構成し、レンズの形状を変形することによってレンズの焦点距離を変化させる方法（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）や、電圧が印加されると圧縮するポリマー材料を利用するポリマーアクチュエータ（例えば、特許文献４参照）によってレンズを光軸方向に移動させてレンズの焦点距離を変化させる方法（例えば、特許文献５参照）が提案されている。
【特許文献１】特開昭６３−２２９４０１号公報
【特許文献２】特開平３−２６０６０１号公報
【特許文献３】特開平４−６７００２号公報
【特許文献４】特開２００３−１９９３６５号公報
【特許文献５】特開２００３−２１５４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、特許文献２、特許文献３記載のレンズの焦点距離を変化させる方法では、レンズの形状を変形させる機構が複雑であるため、衝撃に弱い。また、特許文献５記載の方法では、レンズの焦点距離を変化させる装置が大きくなり小型化が困難である。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、衝撃に強く、かつ小型化に適したレンズ焦点距離の可変機構を備えた、レンズユニットおよび画像撮影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明のレンズユニットは、
伸縮自在であって伸縮に応じた焦点距離を有する伸縮自在レンズと、
電圧印加に応じて伸縮するポリマー材料を有し、そのポリマー材料の伸縮力により
上記伸縮自在レンズを伸縮させるポリマーアクチュエータと、
上記ポリマー材料に電圧を印加する電圧印加部とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明のレンズユニットは、伸縮自在レンズを変形させるだけで焦点距離を変化させることができるために、レンズを光軸方向に移動させなくても焦点距離を変化させることが可能であり、従って光軸方向に移動させるためのスペースが不要あるいは少なくて済み小型化が可能である。また、電圧印加に応じて伸縮するポリマー材料の伸縮力によって伸縮自在レンズを変形させるために、必要な力の微調整も電圧の微調整だけで容易にできる。このように焦点距離可変機構が簡単であるために、本発明のレンズユニットは衝撃に強い構造を備えることができる。
【０００９】
また、本発明のレンズユニットは、上記ポリマー材料が、シリコン系ポリマー材料であってもよく、アクリル酸系ポリマー材料であってもよい。
【００１０】
シリコン系ポリマー材料やアクリル酸系ポリマー材料はもっとも簡単に手に入るポリマー材であり、本発明のレンズユニットの製造コストを低く抑えることができる。
【００１１】
また、本発明のレンズユニットは、上記伸縮自在レンズが、ゲル状物質を構成要素とするレンズであってもよく、またアクリル酸エステル系ポリマー材料を構成要素とするレンズであってもよい。
【００１２】
伸縮自在レンズを構成するための材料として、ゲル状態はもっとも扱いやすい状態であり、またアクリル酸エステル系ポリマー材料はもっとも扱いやすい材料であるため、本発明のレンズユニットの製造コストを低く抑えることができる。
【００１３】
上記目的を達成するための本発明の画像撮影装置は、
被写体を捉えた撮影により画像信号を生成する画像撮影装置において、
伸縮自在であって伸縮に応じた焦点距離を有する伸縮自在レンズと、
電圧印加に応じて伸縮するポリマー材料を有し、そのポリマー材料の伸縮力により
上記伸縮自在レンズを伸縮させるポリマーアクチュエータと、
上記ポリマー材料に電圧を印加する電圧印加部とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の画像撮影装置は、伸縮自在な伸縮自在レンズを備えており、その伸縮自在レンズを変形させるだけで焦点距離を変化させることができる。このように、レンズを光軸方向に移動させなくても焦点距離を変化させることが可能なため、光軸方向に移動させるためのスペースが不要あるいは少なくて済み小型化が可能である。また、本発明の画像形成装置は、伸縮自在レンズを伸縮させるにあたり、電圧印加に応じて伸縮するポリマー材料の伸縮力によって伸縮自在レンズの伸縮を行うものであるために、必要な力の微調整も電圧の微調整だけで容易にできる。このように焦点距離可変機構が簡単であるために、本発明の画像撮影装置は、衝撃に強い構造を備えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のレンズユニットおよび画像撮影装置によれば、衝撃に強く、かつ小型化に適した機構で、レンズの焦点距離を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明のレンズユニットおよび画像撮影装置の一実施形態を説明する。
【００１７】
まず、本発明の実施形態としてのレンズユニットおよび画像撮影装置の構成要素となるポリマーアクチュエータについて説明する。
【００１８】
図１は、ポリマーアクチュエータの一例を示す概略図である。
【００１９】
図１に示すポリマーアクチュエータ１は、６つの電極１１と、これら６つの電極１１のはさまれた５層のポリマー材料１２を構成要素としている。このポリマー材料１２は、ダウコーニング社製のシリコン系エラストマーであるダウコーニングＨＳ３の薄膜１００［μｍ］中にカーボンブラックを分散させたものであり、伸縮性のある誘電体である。６つの電極１１のうち３つは電源１３の陽極と接続され、残りの３つは電源１３の陰極と接続されている。この電源１３によって印加する電圧が調節される。５層の伸縮性のあるポリマー材料１２は、どの層も、陽極と接続された電極１１と、陰極と接続された電極１１とに挟まれている。そのため電圧をポリマーアクチュエータ１に印加すると、電圧が印加されたときの誘電体の性質として、電圧がかけられている方向、すなわち電極に挟まれている方向に縮む力が働く。そのためポリマーアクチュエータ１全体が、図１において矢印で示すように縮むことになる。ここに示す例では、２０Ｖの電圧を印加した場合、膜の厚みが５００μｍから、２５０μｍにまで縮む。
【００２０】
次にこのポリマーアクチュエータ１を用いた、本実施形態のレンズユニットについて説明する。
【００２１】
図２は、ポリマーアクチュエータを用いることによりレンズの形状を変えて焦点距離を変化させるレンズユニットの断面模式図である。
【００２２】
図２に示したように、本実施形態のレンズユニット２では、光束が通過する筒状部品２０に固定軸２３が備えられており、さらにその固定軸２３によって可動部品２２の末端が回動自在に軸支されている。ポリマーアクチュエータ１は、筒状部品２０と可動部品２２との間に挟まれた形で取り付けられており、その位置は固定軸２３の位置から計って可動部品２２の全長の１／３の距離の位置である。可動部品２２は、固定軸２３とは反対側の末端付近でレンズ２１と結合している。レンズ２１は、アクリル酸エステル系ポリマー材料からなるゲル状物質を構成要素としている。このような固定軸２３、可動部品２２、およびポリマーアクチュエータ１を１セットとしたとき、本実施形態では、レンズの円周を取り巻くように８セットが４５度間隔で備えられており、図２の断面図においてはそのうちレンズ２１の上端部および下端部に位置する２セットが示されている。電圧を印加したときのポリマーアクチュエータ１の収縮力によって、レンズ２１に力を加える。２０Ｖの電圧を印加した場合、レンズ２１が固定された可動部品１は、レンズ２１の半径方向に７５０μｍ移動することができる。ポリマーアクチュエータ１の収縮力によってレンズ２１に与えられる力に応じて、レンズ２１が図２において矢印で示すように半径方向に伸縮する変形を起こす。このような固定軸２３、可動部品２２、およびポリマーアクチュエータ１のセットがレンズの円周上に８セットありそれぞれからレンズに均等な力を及ぼすことによって、レンズが伸縮してレンズ２１の焦点距離が変化しても収差が押さえられる。
【００２３】
次にこのポリマーアクチュエータ１を用いた本実施形態における画像撮影装置について説明する。
【００２４】
本実施形態の画像撮影装置は、ポリマーアクチュエータ１を用いてレンズの焦点距離を変化させる機構を備えたデジタルカメラである。
【００２５】
図３は、本発明の撮影装置の一実施形態であるデジタルカメラを前面斜め上から見た外観斜視図である。
【００２６】
図３に示すように、このデジタルカメラ１００の前面中央部には、撮影レンズ１０１が備えられている。また、このデジタルカメラ１００の前面上部には、光学式ファインダ対物窓１０２および補助光発光部１０３が備えられている。さらに、このデジタルカメラ１００の上面には、スライド式の電源スイッチ１０４およびレリーズスイッチ１０５が備えられている。
【００２７】
図４は、図３に外観を示すデジタルカメラの概略構成図である。
【００２８】
図４に示すように本実施形態のデジタルカメラ１００はその構成を大きく分けると撮影光学系１１０と信号処理部１２０とに分かれる。そのほかに撮影した画像を表示させるために画像表示部１３０およびその撮影した画像信号を記録しておくための外部記録媒体１４０が備えられている。また、撮影のための処理をデジタルカメラ１００に行なわせるための種々のスイッチを備えた操作部１５０も設けられている。
【００２９】
まず撮影光学系１１０の構成を、図４を参照して説明する。
【００３０】
本実施形態のデジタルカメラ１００では、図４の左方から被写体光が入射し、ズーム用レンズ部１１５およびフォーカス用レンズ部１１４を経て、固体撮像素子の一種であるＣＣＤ１１１に結像する。本来撮影光学系にはレンズが複数配備されているが、この図４では、撮影倍率の設定に係わるレンズをズーム用レンズ部１１５として模式的に示しており、同じくピントの調節に係わるレンズをフォーカス用レンズ部１１４として模式的に示している。これらズーム用レンズ部１１５およびフォーカス用レンズ部１１４は、それらの双方ともそれぞれが図３において説明した構成を備えており、レンズの曲率が変化して、その焦点距離が変化する。ズーム用レンズ部１１５およびフォーカス用レンズ部１１４の構成は、図３において説明したレンズユニットと同じであり、重複説明は省略する。ズーム用レンズ部１１５は、撮影倍率を設定するのに用いられ、一方フォーカス用レンズ部１１４は、ピント位置を調節するために用いられる。これらズーム用レンズ部１１５、フォーカス用レンズ部１１４を作動させる指示は信号処理部１２０中のＣＰＵ１２０ａから出される。その指示に基づいて、ズーム用レンズ部１１５はアクチュエータ制御回路部１１５ａによって制御され、フォーカス用レンズ部はアクチュエータ制御回路部１１４ａによって制御される。
【００３１】
以上が撮影光学系１１０の構成である。
【００３２】
続いて信号処理部１２０の構成を説明する。撮影光学系１１０でＣＣＤ１１１に結像させた被写体像が画像信号として画像信号処理部１２２へと供給され、アナログ信号からデジタル信号に変換される。信号処理部１２０には、プログラムなどを格納するメモリであるＲＯＭ１２１が配備されている。本実施形態では、ＲＯＭ１２１に格納された、ＣＰＵ１２０ａが実行する動作の手順を示したプログラムに従って信号処理部１２０内の処理が行なわれる。たとえば、操作部１５０が操作されると、その操作に応じた処理がＲＯＭ１２１内のプログラムの手順にしたがって行われる。このＣＰＵ１２０ａと、画像信号処理部１２２、表示制御部１２３、圧縮伸張回路部１２４、メディア制御部１２５、タイミングジェネレータ１２６、ＲＡＭ１２９との間のデータの受け渡しはバス１２００を介して行なわれ、そのバス１２００を介してデータの受け渡しが行なわれるときのバッファとしてランダム・アクセス・メモリ（以下ＲＡＭと略す）１２９が備えられている。このＲＡＭ１２９に各部の処理プロセスの進行状況に応じて変数となるデータが随時書き込まれて、ＣＰＵ１２０ａ、および画像信号処理部１２２、表示制御部１２３、圧縮伸張回路部１２４、メディア制御部１２５の各部では、そのデータを参照することにより適切な処理が行なわれる。つまり、電源が投入されると、ＲＯＭ１２１内のプログラムの手順にしたがってＣＰＵ１２０ａからの指示がバス１２００を介して上記の各部に伝えられ、各部の処理プロセスが立ち上げられる。そして、そのＲＡＭ１２９のデータがプロセスの進行状況に応じて書き換えられ、さらにＣＰＵ１２０ａ側で参照されて上記の各部の動作が管理される。
【００３３】
撮影が行なわれると、タイミングジェネレータ１２６によって伝えられた出力のタイミングで画像データがＣＣＤ１１１から出力され、画像信号処理部１２２でアナログ信号からデジタル信号に変換された後、画像データのＲＧＢ信号が画像信号処理部１２２でＹＣ信号に変換される。さらに圧縮伸張回路部１２４でＪＰＥＧ圧縮と呼ばれる圧縮が行なわれて画像信号が画像ファイルとなってメディア制御部１２５を介して外部記録媒体１４０に記録される。この画像ファイルとして記録された画像データは、表示制御部１２３を通じて画像表示部１３０において再生される。
【００３４】
以上が本実施形態の、ポリマーアクチュエータ１を用いてレンズの焦点距離を変化させる構成を備えたデジタルカメラの説明である。
【００３５】
本実施形態においては、ポリマーアクチュエータのポリマー材料として、シリコン系エラストマーを用いたが、ポリアクリル酸系、ポリ（メタ）アクリレート系、ポリウレタン系、ポリフッ化ビニリデン系のエラストマー、ポリアニリンなどの導電性高分子、イオン性高分子ゲルでもよい。また、エラストマーはシリコン系ポリマーとアクリル酸系ポリマーの共重合体であってもよく、また複数種類のポリマーを混合してもよい。
【００３６】
本実施形態においては、ダウコーニング社製のシリコン系エラストマーであるダウコーニングＨＳ３を用いたが、同じくダウコーニング社製のダウコーニング７３０や、３Ｍコーポレーション社製のアクリル系エラストマーである４９００ＶＨＢアクリルシリーズを用いてもよい。たとえば、図１において、４９００ＶＨＢアクリルシリーズの薄膜（１５０μｍ）中にカーボンブラックを分散させ電極ではさんだ構造を５層重ねたものを使用した場合、例えば２０Ｖの電圧を印加すると、膜の厚みが７５０μｍから３７５μｍにまで縮む。この４９００ＶＨＢアクリルシリーズを用いたポリマーアクチュエータによって図３に示した構成と同じ構成でレンズユニットを構成した場合、電圧を印加すると、ゲルレンズが固定された可動部品１は、上下に１１２５μｍ移動する。
【００３７】
ここで、上記では、本発明の概念を実現するための基本的な実施形態について説明したが、本発明に採用する伸縮自在レンズを実用化するにあたっては、光路上にゴミや水滴などが付着してレンズ性能が劣化してしまう不具合を防止するため、伸縮自在レンズの外面上に光透過性の保護膜を付設することが好ましい。
【００３８】
具体的には、例えば、この保護膜が撥水性膜であることが好ましい。伸縮自在レンズの外面上に撥水性膜を付与することによって、ゴミや水滴の付着などが防止され、伸縮自在レンズの高い光透過性を維持することができる。この撥水性膜を構成する材料としては、シリコーン樹脂、オルガノポリシロキサンのブロック共重合体、フッ素系ポリマー、およびポリテトラフルオロエタンなどが好ましい。
【００３９】
また、この保護膜が、酸化チタンなどといった光触媒を含むことも好ましい。光と反応した光触媒によって汚れなどが分解され、光透過面をきれいに保つことができる。
【００４０】
また、この保護膜の組成成分として、防汚性素材を適用しても良い。防汚性素材としてはフッ素樹脂が好ましいが、具体的には、含フッ素アルキルアルコキシシラン化合物や、含フッ素アルキル基含有ポリマー、オリゴマー等が好ましく、上記硬化性樹脂と架橋可能な官能基を有するものが特に好ましい。また、防汚性素材の添加量は、防汚性を発現する必要最低量であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ポリマーアクチュエータの一例を示す概略図である。
【図２】ポリマーアクチュエータを用いることによりレンズの形状を変えて焦点距離を変化させるレンズユニットの断面模式図である。
【図３】本発明の撮影装置の一実施形態であるデジタルカメラを前面斜め上から見た外観斜視図である。
【図４】図３に外観を示すデジタルカメラの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ポリマーアクチュエータ
１１  電極
１２  ポリマー材料
１３  電源
２  レンズユニット
２１  レンズ
２２  可動部品
２３  固定軸
１００  デジタルカメラ
１０１  撮影レンズ
１０２  光学式ファインダ対物窓
１０３  補助光発光部
１０４  電源スイッチ
１０５  レリーズスイッチ
１１０  撮影光学系
１１１  ＣＣＤ
１１４  フォーカス用レンズ部
１１４ａ  アクチュエータ制御回路部
１１５  ズーム用レンズ部
１１５ａ  アクチュエータ制御回路部
１２０  信号処理部
１２０ａ  ＣＰＵ
１２１  ＲＯＭ
１２２  画像信号処理部
１２３  表示制御部
１２４  圧縮伸張回路部
１２５  メディア制御部
１２６  タイミングジェネレータ
１２９  ＲＡＭ
１２００  バス
１３０  画像表示部
１４０  外部記録媒体
１５０  操作部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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