(57)【要約】  制御可能な光学レンズ系は、第1および第2の流体を収容するチャンバ室を有し、前記流体の界面は、レンズ表面を定形する。電極は、第1および第2の電極を有し、レンズ表面の形状を制御する。電源により電極配置に供給される電流は、モニターされ、供給電荷が求められる。また、電極配置の電極の一つの電圧がモニターされる。所望のレンズパワーを用いて、電極配置に供給される全電荷を制御する制御値が求められる。駆動方式は、レンズ特性のいくつかとは独立であり、容量性検知を用いるフィードバック制御システムよりも簡単に実施することができる。
2007531047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能な光学レンズ系であって、
第1および第2の流体を収容するチャンバ室であって、前記流体の界面がレンズ表面を定形するチャンバ室と、
第1および第2の電極を有し、前記レンズ表面の形状を電気的に制御する電極配置と、
該電極配置に電流を供給する電源と、
前記電源によって供給される前記電流を、全時間にわたってモニターし、供給電荷を求める手段と、
前記電極配置の電極の一つにおける電圧をモニターする手段と、
所望のレンズパワーから、前記電極配置に供給される全電荷を制御するための値を得る手段と、
を有するレンズ系。
【請求項２】
前記値を得る手段は、前記供給電荷の前記電圧に対する比を求めることを特徴とする請求項1に記載のレンズ系。
【請求項３】
さらに前記電源は、一定電圧（V1）を維持し、前記供給電荷と前記電圧の間の比が前記求められた値に達した後、前記電極の一つにおける前記電圧を維持するように制御されることを特徴とする請求項2に記載のレンズ系。
【請求項４】
前記得る手段は、参照表を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のレンズ系。
【請求項５】
前記参照表は、前記レンズパワーに依存する有効電極高さを入力として取得し、前記供給電荷と前記電圧の前記比を出力として提供することを特徴とする請求項4に記載のレンズ系。
【請求項６】
前記電極配列は、
ベース電極と側壁電極とを有する駆動電極配置を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のレンズ系。
【請求項７】
前記側壁電極は、前記チャンバ室を取り囲む環状電極を有することを特徴とする請求項6に記載のレンズ系。
【請求項８】
前記第1の流体は、極性および／または導電性液体を有し、前記第2の流体は、非導電性液体を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のレンズ系。
【請求項９】
制御可能な光学レンズを駆動する方法であって、
前記レンズは、第1および第2の流体を収容するチャンバ室であって、前記流体の界面がレンズ表面を定形するチャンバ室と、第1および第2の電極を有し、前記レンズ表面の形状を電気的に制御する電極配置と、を有し、
当該方法は、
所望のレンズパワーを選択するステップと、
前記所望のレンズパワーから、前記電極配列に供給される全電荷を制御するための値を求めるステップと、
前記電極配列に電流を供給するステップと、
供給電荷を求めるため、前記供給される電流を全時間にわたってモニターするとともに、前記電極配置の電極の一つにおける電圧をモニターするステップと、
前記電極配置に供給される前記全電荷が求められた値に達するまで、電流を供給するステップと、
を有する方法。
【請求項１０】
値を求めるステップは、前記供給電荷の前記電圧に対する比を求めるステップを有することを特徴とする請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
さらに、求められた前記供給電荷と前記電圧の間の前記比に達するまで、前記電極配置の前記電極の一つにおける一定電圧を維持するステップを有することを特徴とする請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
供給される全電荷を表す前記値を求めるステップは、参照表にアクセスするステップを有することを特徴とする請求項9乃至11のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
前記参照表には、レンズパワーに依存する有効電極高さが入力され、前記参照表から、前記供給電荷の前記電圧に対する前記比が出力されることを特徴とする請求項12に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御可能な光学レンズに関し、特に、いわゆるエレクトロウェッティングの原理（電気毛管現象としても知られている）を用いた制御可能な光学レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロウェッティングレンズは、電気絶縁性オイルと導電性食塩水のような2つの非混和性の液体を収容するチャンバ室を有し、これらの流体の間のメニスカスは、屈折率境界を定め、すなわちレンズとしての機能を果たす。メニスカスの形状は、電気的に制御することができ、これによりレンズのパワーが変化する。流体は、液体、気体、プラズマまたはこれらの混合であっても良い。
【０００３】
レンズ形状の電気的な制御は、外部環状制御電極を用いることにより行うことができ、エレクトロウェッティング効果を用いて、チャンバ室の外端でメニスカスの接触角が制御され、これによりメニスカス形状が変化する。
【０００４】
エレクトロウェッティングレンズの基本構成および動作は、当業者にはよく知られている。例えば、国際公開第WO03／069380号が参照される。
【０００５】
エレクトロウェッティングレンズは、小型で、いかなる機械的可動部品を使用しなくても、各種焦点化機能を提供することができる。これらのレンズに対しては、各種用途が提案されており、特に、空間照明、および、例えば携帯電話のオートフォーカスカメラレンズのような電力消費が最小限に抑制される用途が提案されている。
【０００６】
フィードバック制御機能を提供するためには、レンズ条件を検知することが望ましいことが把握されている。絶縁体（電極と流体の間）の遅い帯電のため、電圧とオイル−水溶液メニスカスの正確な位置との間の関係は、ずれ易く、フィードバックシステムによってこのずれを補正することが必要である。ズームレンズに多重可変レンズが用いられる場合、多重素子レンズ系による光学測定から、独自にレンズ特性を得ることは難しくなる。従って、そのようなシステムにおいても同様に、各個々のメニスカス形状を測定することが可能であることが望ましい。
【０００７】
従来のエレクトロウェッティングレンズは、底部電極と、円筒状壁電極とを有する。電極間の容量を測定して、レンズ形状についてのフィードバックを提供することが提案されている。特に、メニスカスの形状および位置は、電圧が印加されると変化するため、環状電極の有効な寸法は、変化する（有効寸法は、メニスカス位置の変化とともに変化する、水と電極との接触面積に依存する）。生じる容量変化が測定され、この容量は、レンズ強度の測定のため、合理的で適正なパラメータとなるように考慮される。
【特許文献１】国際公開第WO03／069380号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
測定容量を用いてレンズ位置を定める場合、絶縁コーティングの厚さおよび誘電率が既知である必要がある。この厚さは、バッチ毎に変動する可能性がある。
【０００９】
また容量の測定には、各種アナログ回路素子が必要となる。測定には、基本的に帯電特性を分析するステップが含まれるため、測定は、比較的遅い処理となり、さらに特定周波数の波形が必要となる。従って、液体のコンタミネーションが生じず、コスト効果のある方法で、レンズを所望の形状に制御し、維持することに対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、制御可能な光学レンズ系であって、
第1および第2の流体を収容するチャンバ室であって、前記流体の界面がレンズ表面を定形するチャンバ室と、
第1および第2の電極を有し、前記レンズ表面の形状を電気的に制御する電極配置と、
該電極配置に電流を供給する電源と、
前記電源によって供給される前記電流を、全時間にわたってモニターし、供給電荷を求める手段と、
前記電極配置の電極の一つにおける電圧をモニターする手段と、
所望のレンズパワーから、前記電極配置に供給される全電荷を制御するための値を得る手段と、
を有するレンズ系が提供される。
【００１１】
本発明のシステムでは、レンズパワーの制御は、駆動電極に供給される全電荷を制御することによって行うことができる。レンズの容量が、メニスカス位置の関数であることを利用する場合と同様に、レンズに供給される電荷に基づきレンズを制御することにより、メニスカスを所望の位置に動かす制御方式が提供される。これは、駆動方式がレンズのいくつかの特性とは独立であることを意味するが、本方法は、容量検出法を用いるフィードバック制御システムよりも簡単に行うことができる。
【００１２】
値を得るための手段は、電圧に対する供給電荷の比を求めることが好ましい。このように、本駆動方式では、レンズが所望の容量となるように、最初の駆動方式によりレンズを有効に駆動するため、容量の測定を行う必要はなく、また補正フィードバック方式とは異なっている。
【００１３】
また、前記電源は、一定電圧（V1）を維持し、前記供給電荷と前記電圧の間の比が前記求められた値に達した後、前記電極の一つにおける前記電圧を維持するように制御されることが好ましい。
【００１４】
一旦所望のレンズパワーに達すると、レンズは、一定電圧で駆動され、レンズパワーが維持され、リーク電流を相殺するように電流が供給される。
【００１５】
駆動手段は、参照表を有しても良く、駆動方式を作動させるために必要な処理出力は、最小限に維持される。前記参照表は、前記レンズパワーに依存する有効電極高さを入力として取得し、前記供給電荷と前記電圧の前記比を出力として提供する。
【００１６】
前記電極配列は、ベース電極と側壁電極とを有する駆動電極配置を有しても良い。レンズ構成は、従来と同様であっても良く、第1の流体は、水溶液系の液体を有し、第2の流体は、オイル系の流体であっても良い。
【００１７】
さらに本発明では、制御可能な光学レンズを駆動する方法であって、
前記レンズは、第1および第2の流体を収容するチャンバ室であって、前記流体の界面がレンズ表面を定形するチャンバ室と、第1および第2の電極を有し、前記レンズ表面の形状を電気的に制御する電極配置と、を有し、
当該方法は、
所望のレンズパワーを選択するステップと、
前記所望のレンズパワーから、前記電極配列に供給される全電荷を制御するための値を求めるステップと、
前記電極配列に電流を供給するステップと、
供給電荷を求めるため、前記供給される電流を全時間にわたってモニターするとともに、前記電極配置の電極の一つにおける電圧をモニターするステップと、
前記電極配置に供給される前記全電荷が求められた値に達するまで、電流を供給するステップと、
を有する方法が提供される。
【００１８】
この方法では、レンズを駆動する制御パラメータとして、供給される全電荷が用いられ、前述の利点が得られる。供給される電荷を制御する値は、電圧に対する供給電荷の比を有することが好ましい。
【００１９】
さらに、当該方法は、求められた前記供給電荷と前記電圧の間の前記比に達するまで、前記電極配置の前記電極の一つにおける一定電圧を維持するステップを有することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明の一例を示す。
【００２１】
図1には、従来のエレクトロウェッティングレンズの構成を概略的に示す。図1の左の図は、レンズの内部を示している。レンズは、成分10をベースとする食塩水のような極性および／または導電性液体（以下、単に水と称する）と、成分12をベースとするオイルのような非導電性液体（以下、単にオイルと称する）とを収容するチャンバ室を有する。底部電極14および円周状側部電極16は、レンズのパワーを制御する。側部電極は、チャンバ室の側壁を形成する絶縁体によって液体から分離されており、この絶縁体は、レンズの電気的作動中に、容量性誘電体層として機能する。この動作は、当業者には良く知られており、国際公開第WO03／069380号が参照される。
【００２２】
エレクトロウェッティングレンズの光パワーは、2つの液体の界面に形成されるメニスカスの径によって定まる。この径は、壁位置でのメニスカスの接触角θ（図4参照）から得ることができる。オフ状態において接触角が180゜未満の場合、この接触角は、以下の式で表される：
【００２３】
【数１】
2007531047.tif 000003
ここでθは、メニスカスと壁が成す角度、Vは印加電圧、γciは、水／オイルの表面張力、γwcは、壁／水の表面張力、γwiは、壁／オイルの表面張力、εrは、絶縁層（チャンバ室壁）の透過率、dは、その層の厚さである。この結果から、メニスカスの径は、印加電圧と直接関係し、従ってレンズは、被電圧制御装置となる。
【００２４】
しかしながら、径は、表面張力のような他の各種パラメータにも依存し、これらのパラメータは、時間または温度に対して必ずしも一定ではない。例えば、ハウジングからの物質の溶解によって時間とともに生じる液体のコンタミネーションは、これらの値を変化させ、以降のVとメニスカスの径の間の関係を変化させる。また、時間とともに絶縁層の帯電が生じ、これにより式（1）のVの項が（V−V0）に変化する。この影響は、メニスカスの径と電圧の間の関係にも影響を及ぼす。
【００２５】
εrとdの値は、時間に対して十分に一定であると予想される。従って、これらのパラメータに依存し、電圧には依存しないメニスカス測定により、時間に対してより安定な測定が可能となることが予想される。
【００２６】
容量の測定を用いて、フィードバック機能を提供することができることが確認されている。両方の液体の体積は等しく、その界面は球状であるため、壁でのメニスカスの位置とその径は、直接相関する。この妨害位置を測定することにより、エレクトロウェッティングレンズのパワーが求められる。メニスカス位置とエレクトロウェッティングレンズの容量Cとの関係は、以下のように表される：
【００２７】
【数２】
2007531047.tif 000004
ここでAは、導電性液体（水）によって被覆された、厚さdで透過率がεrの絶縁層の電極面積である。基本的に容量性電極の一つの寸法は、水の接触高さに依存し、容量性電極の寸法により、容量が定まる。
【００２８】
容量測定結果を用いてメニスカスの曲率を検出することの問題は、それにより、レンズの容量を独立して測定するための追加の部品が必要となり、このためコストが増大することである。
【００２９】
本発明の手法は、容量を測定する代わりに、エレクトロウェッティングレンズに供給される全電荷を測定することである。この電荷は、エレクトロウェッティングレンズに供給される電流を単に時間積分することにより得ることができる。
【００３０】
まず最初に、本発明の方法について説明し、次に、当該方法を実施するハードウェアについて説明する。
【００３１】
図2には、本発明の方法を用いて電極を駆動するときの電流電圧曲線を示す。最初、レンズは、一定の電流I1を用いて帯電される（「I」モード）。全電荷流量が要求レベルに達すると、レンズは、定電圧V1で駆動される（「V」モード）。このVモードでは、リーク電流が相殺され、レンズは、時間に対して安定となる。
【００３２】
Vモードでは、供給電荷は、もはや測定されない。この段階では、供給電荷がリーク電流の相殺に使用されるからである。Iモードで供給される電荷と得られる電圧Vから、以下の関係が導かれる：
【００３３】
【数３】
2007531047.tif 000005
従って、電荷の流量を測定し、電圧駆動レベルをモニターすることにより、別個に容量の測定を行わなくても、面積Aの値を直接得ることができる。前述のように、メニスカスの径は、Aと直接相関する。この関係は、例えば参照表内にプログラム化することができる。
【００３４】
フィードバック測定パラメータとして電流を直接用いることにより、既存の装置に追加の部品が不要になるという利点が得られる。また、エレクトロウェッティングレンズに供給される全電荷は、正確に把握することができるため、この電流は、容易にプログラム化することができる。またアドレス処理速度は、従来より実施されている、所望の電圧でレンズを駆動してから容量測定を行うことに基づく方法に比べて増大する。
【００３５】
充電電流は、その電流がリーク電流に比べて著しく大きくなるように選定され、レンズ系を充電している間のリーク電流の影響は、無視できるようになる。
【００３６】
図3には、フロー図形式の駆動方法を示す。
【００３７】
ステップ30では、所望のメニスカス径（すなわちレンズパワー）が選定される。ステップ32では、この径が、レンズが一旦充電された際の所望の容量値と等価な、所望のQ／V値に変換される。
【００３８】
ステップ34では、側部電極に一定の電流が供給され、レンズが充電される。ステップ36では、この充電が生じると、到達電圧および全電荷がモニターされる。
【００３９】
ステップ38では、Q／V値がモニターされ、ステップ40では、この値が所望のレベルに到達すると、制御が「Vモード」に切り替えられる。
【００４０】
その後ステップ42では、新たなレンズパワーが必要となるまで、電圧は、一定電圧に維持され、その後、新たなQ／V値が計算され、駆動処理が開始される。
【００４１】
この方式を利用して、メニスカス径を数回変化させることができる。数回のメニスカス切り替え動作の後、設定に大きなずれが生じることを防ぐため、エレクトロウェッティングレンズは、完全に放電されることが好ましい。
【００４２】
レンズパワーからQ  ／V値を得るための数学的解析は、図4に示すエレクトロウェッティングレンズのパラメータを参照して実施することができる。レンズは、休止状態において、接触角が180゜となるように（破線50に示す）設計されても良い。すなわち、電荷がエレクトロウェッティングレンズに供給されていない場合、セルの角部と接触するメニスカスは、高さH＝0となる。これは、必須条件ではなく、印加電圧が存在しないときの高さHがゼロではない場合にも、形状解析を適用することができる。
【００４３】
高さHは、接触角の関数として、以下の式で表される：
【００４４】
【数４】
2007531047.tif 000006
Rは、チャンバ室の径であり、θは、接触角である。所望のレンズパワーを選定するため、必要なメニスカス径が選定され、このメニスカス径は、接触角θに対応する。次に、式（4）から、必要なH値が求められる。図5には、式（4）のプロットを示す。図5のグラフに対応する値は、図3のステップ32に示したように、参照表内に保管される。
【００４５】
必要なH値が既知の場合、必要なQ／V値は、
【００４６】
【数５】
2007531047.tif 000007
の関係によって得られる。
【００４７】
次に、電圧をモニターした状態でエレクトロウェッティングレンズに電流が供給され、さらに電荷（電流積分値）が測定される。式（5）が満たされると、システムは、直ちにVモードに切り替えられ、電流積分は行われなくなる。
【００４８】
異なる径について、前述のステップが繰り返される。エレクトロウェッティングレンズをアドレス処理するこの方法では、液体の特性は、不要である。
【００４９】
図6には、前述の駆動方式を実施する制御回路を示す。
【００５０】
電源60は、電流源として作動し、プロセッサ62によって制御される。供給電流は、電流測定ユニット64で測定され、電圧測定ユニット66によって、電極14、16への電圧が測定される。ユニット64、66は、前述のように電源を制御するプロセッサ62に、フィードバック情報を提供する。
【００５１】
プロセッサ62は、入力径を所望のQ／V値に変換するための参照表（LUT）を含んでいる。
【００５２】
特定の実施例は、当業者には明らかであり、当然のことながら、本発明を実施する他の方法が存在する。
【００５３】
本発明は、容量性のフィードバックシステムを効果的に実施することができるが、これには、専用の容量測定が不要であり、フィードバック処理は、最初にレンズを駆動した後の補正処理としてではなく、元来より含まれる駆動方式の一部として実施される。
【００５４】
当業者には、各種変更が明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】従来のエレクトロウェッティングレンズの構成を示す図である。
【図２】本発明の駆動方式の説明に使用するための図である。
【図３】本発明の駆動方式を示すフローチャートである。
【図４】本発明の駆動方式に使用される各値である。
【図５】接触角と電極高さを変換する関数を示す図である。
【図６】本発明のレンズの制御回路を示す図である。
【図１】
2007531047.tif 000008
【図２】
2007531047.tif 000009
【図３】
2007531047.tif 000010
【図４】
2007531047.tif 000011
【図５】
2007531047.tif 000012
【図６】
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【国際調査報告】
2007531047.tif 000014