(57)【要約】  制御可能なエレクトロウェティング・レンズ・システムは、オートフォーカス機能を実現するよう電極装置駆動信号を制御するフィードバック制御ループを有している。フィードバック制御ループは、画像解析フォーカス検出システム及び可変利得エレメントを備えている。利得は、レンズ状態に基づいて（例えば、静電容量検出装置によって検出されるように）調節される。オートフォーカス制御ループは、レンズ特性に最適化させることが可能であり（レンズ特性は経時的に変動するため）、かつ／又は外部状態（温度など）に最適化させることが可能である。
2008515021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能な光学レンズ・システムであって、
第１の流体及び第２の流体を収納するチャンバであって、流体間の界面がレンズ表面を画定するチャンバと、
前記レンズ表面の形状を電気的に制御する電極装置と
を備えるレンズと、
オートフォーカス機能を実現するよう電極装置駆動信号を制御するフィードバック制御ループであって、画像解析フォーカス検出システムと、可変利得エレメントとを備えるフィードバック制御ループと、
前記レンズの状態、及び／又は環境状態を検出するセンサ装置と、
センサ装置出力に基づいて前記可変利得エレメントを制御する利得調節装置とを備える制御可能な光学レンズ・システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムであって、前記センサ装置が、前記電極装置の第１の電極及び第２の電極の間の静電容量を測定する静電容量検出装置を備えるシステム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のシステムであって、前記センサ装置が温度センサを備えるシステム。
【請求項４】
請求項３記載のシステムであって、前記フィードバック制御ループは、測定される温度によってアドレス指定されるルックアップ・テーブルを備えるシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載のシステムであって、前記可変利得エレメントは、前記フォーカス検出システムによって供給されるエラー信号に基づいた信号の増幅のためであるシステム。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載のシステムであって、前記可変利得エレメントの出力は、電極駆動信号を供給するドライバ回路に供給されるシステム。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載のシステムであって、前記センサ装置は、少なくとも第１のレンズ駆動状態及び第２のレンズ駆動状態に対する前記レンズの応答を判定するためであり、前記利得調節装置は、所望の利得値を前記レンズの応答から得るシステム。
【請求項８】
請求項７記載のシステムであって、レンズ駆動状態は第１の電極と第２の電極との間の相対電圧を備え、前記センサ装置は電極間の静電容量を測定し、前記所望の利得値は、前記少なくとも第１のレンズ駆動状態及び第２のレンズ駆動状態に対する２つの相対電圧間の電圧差の、対応する２つの静電容量間の静電容量差との比に比例するシステム。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項に記載のシステムであって、前記電極装置は、底部電極及び側壁電極を備える駆動電極装置を備えるシステム。
【請求項１０】
請求項９記載のシステムであって、前記側壁電極は、前記チャンバを取り囲む環状電極を備えるシステム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一項に記載のシステムであって、前記第１の流体は、極性及び／又は導電性の液体を備え、前記第２の流体が非導電性液体を備えるシステム。
【請求項１２】
制御可能な光学レンズを駆動させる方法であって、前記レンズは、第１の流体及び第２の流体を収納するチャンバであって、流体間の界面がレンズ表面を画定するチャンバと、前記レンズ表面の形状を電気的に制御する電極装置とを備えており、前記方法は、
画像解析を用いてフォーカス検出動作を行い、
前記レンズの状態、及び／又は環境状態を検出し、
フォーカス検出信号を用いて、利得が可変のフィードバック制御ループを実現する
ことによってオートフォーカス機能を実現するよう電極装置駆動信号を制御する工程を備えており、前記可変の利得は、前記検出された、レンズの状態、及び／又は環境状態に基づいて制御される方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法であって、前記レンズの状態、及び／又は環境状態を検出する工程は、前記電極装置の第１の電極及び第２の電極の間の静電容量を測定する工程を備える方法。
【請求項１４】
請求項１２又は１３記載の方法であって、前記レンズの状態、及び／又は環境状態を検出する工程は、温度を測定する工程を備える方法。
【請求項１５】
請求項１２乃至１４の何れか一項に記載の方法であって、前記可変の利得を制御する工程は、前記フォーカス検出動作から供給されるエラー信号から得られる信号を増幅する工程を備える方法。
【請求項１６】
請求項１２乃至１５の何れか一項に記載の方法であって、少なくとも第１のレンズ駆動状態及び第２のレンズ駆動状態に対する前記レンズの応答を判定する工程を更に備え、所望の利得値は、前記レンズの応答から得られる方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の方法であって、少なくとも第１のレンズ駆動状態及び第２のレンズ駆動状態に対する前記レンズの応答を判定する工程は、第１の電極と第２の電極との間の静電容量を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の別々の相対電圧に対して判定する工程を備える方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法であって、前記可変の利得を制御する工程は、前記少なくとも第１のレンズ駆動状態及び第２のレンズ駆動状態に対する２つの相対電圧間の電圧差の、対応する２つの静電容量間の静電容量差との比に比例する方法。
【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】
エレクトロウェティング・レンズは、２つの非混和性液体（電気絶縁油や、水性の導電性食塩溶液など）を収納しているチャンバを備えている。前述の流体間のメニスカスによって、屈折率の境界が画定され、よって、レンズ機能が行われる。メニスカスの形状は、レンズの倍率を変化させるよう電気的に制御可能である。流体は、液体、蒸気、気体、プラズマ、又はそれらの混合物を備え得る。
【０００３】
レンズ形状の電気的制御は、外側の環状制御電極を用いて達成される。エレクトロウェティング効果を用いて、チャンバの外側エッジにおけるメニスカスの接触角を制御する。それによって、メニスカス形状が変化する。
【０００４】
エレクトロウェティング・レンズの基本的な設計及び動作は、当業者に周知である。例として、国際公開第０３／０６９３８０号パンフレットを参照する。
【０００５】
エレクトロウェティング・レンズは、コンパクトであり、機械的な可動部分なしで可変焦点機能を提供することが可能である。エレクトロウェティング・レンズは、種々のアプリケーション（特に、空間的な制約がある場合や、電力消費を最小に維持する場合（例えば、携帯電話機においてオートフォーカス・カメラとして用いる場合））において提案されている。
【０００６】
レンズ状態を検出することは、フィードバック制御機能を備えるうえで望ましい。（電極と流体との間の）絶縁体の緩速充電によって、電圧と、油‐水のメニスカスの正確な位置との間の関係はドリフトを受けやすく、フィードバック・システムがこれを補償することが可能である。通常のエレクトロウェティング・レンズは、底部電極及び円周壁電極を備えている。レンズの形状についてのフィードバックを供給するために電極の両端間の静電容量を測定することが可能であることが提案されている。特に、電圧が印加されるとメニスカスの形状及び位置は変動する。よって、環状電極の有効サイズは変動する（有効サイズは、電極と接している、水の面積（メニスカスの位置の変動につれて変動する）によって変わってくる）。結果として生じる、静電容量における変動を測定することが可能である。この静電容量は、レンズの強度を測定するうえで十分に正確なパラメータとみなされている。
【０００７】
このようにしてレンズ状態を検出することを用いて、経時的に一定の焦点深度を維持することが可能である。
【０００８】
エレクトロウェティング・レンズは、（例えば、携帯電話機における）オートフォーカス・カメラのレンズとして用いるにも好適な候補である。エレクトロウェティング・レンズの、従来のオートフォーカス・レンズに対する利点は、フォーカス速度が高いことである。通常、５ｍの距離にある物体から３０ｃｍの距離にある物体に１０ｍｓ以内にフォーカスを切り替えることは可能である。オートフォーカス（ＡＦ）アルゴリズムによって、焦点が変更された場合に、正しいフォーカスをシステムが維持することが確実になる。オートフォーカス・アルゴリズムは、鮮鋭なエッジを求めてサーチする。前述のエッジは、画像コンテンツにおける高周波の変動として現れる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
フィードバック制御ループにおいてオートフォーカス・アルゴリズムを用いることによって、焦点制御が、レンズ特性に影響を及ぼす要因全てを考慮に入れることが可能になる。しかし、このフィードバック制御ループは、レンズ状態によって、応答が遅いことがあり得るか、又は不安定であり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、制御可能な光学レンズ・システムであって、
第１の流体及び第２の流体を収納するチャンバであって、流体間の界面がレンズ表面を画定するチャンバと、
レンズ表面の形状を電気的に制御する電極装置と
を備えるレンズと、
オートフォーカス機能を実現するよう電極装置駆動信号を制御するフィードバック制御ループであって、画像解析フォーカス検出システムと、可変利得エレメントとを備えるフィードバック制御ループと、
レンズの状態、及び／又は環境状態を検出するセンサ装置と、
センサ装置の出力に基づいて可変利得エレメントを制御する利得調節装置とを備える、制御可能な光学レンズ・システムを提供する。
【００１１】
このシステムでは、オートフォーカス機能は、画像解析を用いて実現される。しかし、制御ループ内の利得は、レンズ状態又は環境状態を考慮に入れる。このことは、制御ループを、レンズ特性に最適化させることが可能であり（レンズ特性は経時的に変動するため）、かつ／又は外部状態（温度など）に最適化させることが可能であることを意味する。
【００１２】
センサ装置は、電極装置の第１の電極と第２の電極との間の静電容量を測定する静電容量検出装置を備え得る。前述の静電容量測定がレンズの形状を示し得る。
【００１３】
可変利得エレメントは好ましくは、フォーカス検出システムによって供給されるエラー信号に基づいた信号を増幅させるためのものである。
【００１４】
センサ装置は、少なくとも第１のレンズ駆動状態及び第２のレンズ駆動状態に対するレンズ応答を判定するためのものであり得る。利得調節装置は、所望の利得値をレンズ応答から得る。前述の第１の駆動状態及び第２の駆動状態は、極端な電圧駆動状態であり得る。例えば、レンズ駆動状態は、第１の電極と第２の電極との間の相対電圧を備え得る。センサ装置は、電極間の静電容量を測定することが可能である。所望の利得値はその場合、少なくとも第１のレンズ駆動状態及び第２の駆動状態の場合の２つの相対電圧間の電圧差の、対応する２つの静電容量間の静電容量差との比に比例する。これは事実上、極端な駆動状態間のレンズの線形応答を前提とする。この応答の傾きはその場合、フィードバック制御ループにおいて適切な利得を定める。
【００１５】
本発明は、制御可能な光学レンズを駆動させる方法も提供する。レンズは、第１の流体及び第２の流体を収納するチャンバを備え、流体間の界面はレンズ表面を画定し、電極装置は、レンズ表面の形状を電気的に制御するためのものである。上記方法は、画像解析を用いてフォーカス検出動作を行い、レンズの状態、及び／又は環境状態を検出し、フォーカス検出信号を用いて、利得が可変のフィードバック制御ループを実現することによってオートフォーカス機能を実現するよう電極装置駆動信号を制御する工程を備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の例を次に、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例】
【００１７】
図１は、既知のエレクトロウェティング・レンズの設計を略示する。図２は、レンズ形状を規定するパラメータを示す。
【００１８】
図１の左部分は、レンズの内部を示す。レンズは、極性及び／又は導電性の液体（加塩された水性の成分１０（以下では単に水と呼ぶ）など）と、非導電性液体（油性成分１２（以下では単に油と呼ぶ））とを収納するチャンバを備えている。底部電極１４及び円周側面電極１６がレンズの倍率を制御する。側面電極は、チャンバの側壁を形成する絶縁体によって液体から隔離されており、この絶縁体は、レンズの電気的動作中にコンデンサ誘電層としての役割を果たす。この動作は当業者に周知である（国際公開第０３／０６９３８０号パンフレットを参照のこと）。
【００１９】
エレクトロウェティング・レンズの光学倍率は、２つの液体の界面において形成されるメニスカスの半径によって定められる。上記半径は、壁におけるメニスカスの接触角θ（図２に示す）から得ることが可能である。オフ状態において接触角が１８０度未満の場合、この接触角は、
【数１】
2008515021.tif 000003
によって定められる。ここで、θは、メニスカスが壁となす角度、Ｖは印加電圧、γｃｉは水／油の表面張力、γｗｃは壁／水の表面張力、γｗｉは壁／油の表面張力、εｒは、絶縁層（チャンバ壁）の透磁率であり、ｄはその厚さである。その結果、メニスカスの半径は印加電圧に直接関連しており、レンズは、よって、電圧によって制御されるデバイスである。
【００２０】
しかし、半径は、種々の他のパラメータ（表面張力値（必ずしも時間や温度に対して一定でない）など）によっても変わってくる。液体が経時的に汚染される（例えば、ハウジングからの物質の溶解による）ことによって前述の値が変わり得る。その場合、それによって、Ｖと、メニスカスの半径との関係が変わることになる。更に、絶縁層が経時的に充電されることが起こり得る。それによって、式（１）中の項Ｖは項（Ｖ−Ｖ０）に変わる。この効果は、メニスカス半径と電圧との間の関係にも影響を及ぼす。
【００２１】
値εｒ及び値ｄは、経時的にほぼ一定の状態に留まることが期待される。したがって、前述のパラメータに依存しており、電圧とは無関係であるメニスカスの測定は、経時的に更に安定的になることが期待される。静電容量の測定を用いてフィードバック関数を供給することが可能であることが認識されている。両方の液体の容積が同じ状態に留まり、界面が球状であるため、壁におけるメニスカスの位置と、半径は直接関連している。この遮蔽の位置を測定することによって、エレクトロウェティング・レンズの倍率が分かる。メニスカスの位置と、エレクトロウェティング・レンズの静電容量Ｃの関係は、
【数２】
2008515021.tif 000004
によって表される。ここで、Ａは、導電性の液体（水）によって覆われている、電極（厚さｄ及び透磁率εｒの絶縁層を有する）の面積である。事実上、コンデンサ電極のうちの１つのサイズは、水の接触の高さに依存しており、コンデンサ電極のサイズが静電容量を定める。
【００２２】
この静電容量を用いて焦点深度を一定状態に維持することを可能にすることが提案されている。
【００２３】
エレクトロウェティング・レンズをオートフォーカスの応用例にも用いることが可能であることが認識されている。
【００２４】
図３は、既知のオートフォーカス・エレクトロウェティング・レンズ・カメラの構成図を示す。
【００２５】
カメラは、入ってくる光を受けて、画像を集束させ、ＣＣＤ又は画像センサ・アレイの形態の画像センサ３４上に投影させるレンズ・モジュール３０を備えている。
【００２６】
エレクトロウェティング・レンズ・モジュール３０は、エレクトロウェティング・レンズに加えた、いくつかの通常のレンズと、高電圧信号を生成して、特定の距離をおいた所に画像を集束させるためのドライバとを備えている。
【００２７】
画像センサ３４は、入ってくる光を検出し、メモリに記憶可能な電気信号にこれを変換する。画像センサは、特定時点におけるフォーカスエラーを表すエラー信号３５（例えば、高周波画像情報から得ることが可能である）も生成する。画像センサはよって、フォーカス検出システムを有する。しかし、これは当然、システムの別個の部分として実現することができる。
【００２８】
オートフォーカス・アルゴリズム３６は、レンズを駆動させるためのレンズ・ドライバ信号にフォーカスエラー信号３５を変換する制御ループを実現する。
【００２９】
オートフォーカス・フィードバック制御ループによって、レンズの動作状態全てに対してフォーカスが正確であることが確実になる。しかし、前述の動作状態は、フィードバック制御ループの安定性及び／又は応答時間に影響を及ぼし得る。
【００３０】
通常、特定の電圧がレンズに印加されると、レンズはそのメニスカスの形状を変化させる。それによって、特定の焦点距離がもたらされる。よって、安定性を維持し、適度なオートフォーカス時間を有するのに十分大きな帯域幅を有するために、特定の利得をフィードバック・ループに設定することが可能である。
【００３１】
経年劣化のために、レンズ材料（例えば、コーティング、ハウジング、ｏ−リング、プラスチック・レンズ）の一部は、油及び水に部分的に溶解し得る。これによって、液体の表面張力に変動が生じ、よって、特定の焦点距離に対して、ドライバ電圧における変動が必要になる。
【００３２】
実際には、特定の焦点距離に対するドライバ電圧は低下し、レンズの利得は増加する。何も行われない場合、合計システム利得は増加し、フィードバック・ループは不安定になり得る。本発明によれば、システムを安定状態に維持するためにフィードバック利得を低減させることが可能である。
【００３３】
あるいは、レンズの利得が減少する（例えば、周囲温度が低い場合の表面張力の増加による）と、システムの合計利得は減少し、システムの帯域幅も減少し、レンズのフォーカスに更に多くの時間を要する。この場合、本発明によって、より大きな帯域幅を得るためにフィードバック利得を増加させることが可能になる。
【００３４】
本発明はよって、オートフォーカス機能を実現するようレンズを制御するフィードバック制御ループを提供する。フィードバック制御ループは画像解析を用いるが、可変利得エレメントも有する。このことは、レンズの状態、及び／又は環境状態を検出するセンサ装置に応じて制御される。
【００３５】
特に、本発明のシステムは、特定の電圧で静電容量を測定することによって周期的にフォーカス・ゲインを校正する。その場合、フィードバック利得を、経年劣化の問題、及び／又は温度の影響（若しくはその他の外部状態）を解決するよう適合させることが可能である。
【００３６】
図４は、本発明による、エレクトロウェティング・レンズの利得が可変の制御ループの構成図を示す。図示する構成部分は、図３中のオートフォーカス・アルゴリズムを補足する。
【００３７】
画像センサからのエラー信号は、サンプル・アンド・ホールド・エレメント４０によってサンプリングされ、制御ループ４２を介して供給される。この制御ループがオートフォーカス・アルゴリズムを実現する。
【００３８】
信号は次いで、装置４６によって供給される利得設定に応じた調節可能利得を有する増幅器４４によって増幅される。増幅された出力は、装置４８によってサンプリングされ、出力に供給される。出力信号は、図３の例と同様に、ドライバを介してエレクトロウェティング・レンズに供給される。
【００３９】
利得設定は事実上、レンズ特性が変動する一方で、オートフォーカス制御システムの安定性及び帯域幅を維持する。利得設定の判定にはよって、レンズ特性（及び／又は温度）の測定が関係する。前述の通り、静電容量を測定することは、レンズ状態を判定する１つのやり方である。
【００４０】
図５は、利得設定を判定することによって可変利得エレメントの校正を制御するシステムの構成図を示す。
【００４１】
コントローラ５０は、周期的に（例えば、カメラがオンに切り替えられた時点に、毎時間、又は毎週）校正を実現する。校正は以下のように実現される。
【００４２】
コントローラ５０は、レンズ・ドライバ５２によってレンズ３０に電圧（例えば、０Ｖ）を送出し、静電容量は、静電容量測定装置５４によって測定され、Ａ／Ｄ変換器５６によってディジタル形式に変換される。電圧値及び静電容量値はメモリ（図示せず）に記憶される。
【００４３】
コントローラは次いで、別の電圧（例えば、Ｖｍａｘ＝１００Ｖ）をレンズに送出し、静電容量が再度測定される。前述の値もメモリに記憶される。
【００４４】
利得算出装置５８は、メモリに記憶された値から利得を算出する。利得値は、デバイスがオフに切り替えられる際に保存する必要がある場合、不揮発性メモリに記憶することが可能である。さもなければ、揮発性メモリで十分である。
【００４５】
利得値は、
【数３】
2008515021.tif 000005
として算出することが可能である。
【００４６】
よって、必要な利得は、２点間の電圧差を、２点間の静電容量差によって除算した結果に比例する。定係数Ｋは、ドライバ利得、フォーカス・ループ利得等によって変わってくる。この係数Ｋは、システムが常に、所望の帯域幅を取得し、不安定になることは決してないように選ぶ必要がある。
【００４７】
温度依存性利得は、温度を測定し、例えばルックアップ・テーブルを用いて補正することによって補償することが可能である。図６は、やはり可変利得エレメント４４を制御するルックアップ・テーブル６２のアドレス指定に用いる温度センサ６０を示す。
【００４８】
前述の単純な手法では、利得校正は、完全な範囲の、一定の利得に基づいており、駆動電圧制御範囲の極端における２つの駆動電圧を用いて利得を判定する。実際には、完全なフォーカス範囲にわたる何れかの２つの点を測定することが可能であり、前述の２つの点から、同じ利得を判定することが可能である（線形関数を前提とする）。
【００４９】
しかし、システムが線形でない場合、完全な電圧範囲にわたって利得を測定することが可能であり、非線形利得曲線をメモリに記憶することが可能である。
【００５０】
前述の例では、２つの電極間の単純な静電容量測定を用いて、別々の駆動電圧におけるレンズ応答を判定する。他の多くのタイプの検出を用いてレンズ状態を判定することができる。更に、レンズは、上記例のような単純な底部電極及び環状電極よりも複雑な電極装置を備え得る。
【００５１】
利得エレメントは、単に、入力値全てに対して一定である単純な乗法的利得をもたらし得るが、より複雑な処理は、可変利得エレメントによって行うことができる。前述の通り、これは非線形関数を実現し得る。
【００５２】
前述の例に限定されるよりも、本発明は、より一般には、経時的に変動し得るレンズ特性を考慮に入れるようオートフォーカス・フィードバック制御ループを適合させたシステムを提供する。
【００５３】
本発明は、カメラ（例えば、携帯電話機用）におけるエレクトロウェティング・レンズの使用に適用することが可能である。しかし、エレクトロウェティング・レンズのその他の使用（製造ライン内やその他の物体処理動作内など（画像解析又は画像投影を必要とする））は、当業者に明らかである。
【００５４】
種々の修正が当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】エレクトロウェティング・レンズの既知の設計を示す図である。
【図２】レンズの動作の説明に有用な、レンズのパラメータを示す図である。
【図３】エレクトロウェティング・レンズを用いた既知のオートフォーカス・カメラを示す図である。
【図４】エレクトロウェティング・レンズを有するシステムに用いる、本発明による制御ループを示す図である。
【図５】図４の制御ループを動作させるための利得値が定められるやり方を示す図である。
【図６】温度に応じて利得を制御することが可能なやり方を示す図である。
【図１】
2008515021.tif 000006
【図２】
2008515021.tif 000007
【図３】
2008515021.tif 000008
【図４】
2008515021.tif 000009
【図５】
2008515021.tif 000010
【図６】
2008515021.tif 000011
【国際調査報告】
2008515021.tif 000012
2008515021.tif 000013