(57)【要約】【課題】電気泳動素子を利用して、機械的なシャッターに変わる物理シャッターを得て、撮像装置の光量調整装置に利用する。【解決手段】不透明な電気泳動粒子を含む電気泳動素子を形成し、レンズや撮像素子の光軸に入れることによって、この粒子の遮光効果を利用して、撮像素子などに入る光量を電気的に調節する機能を持たせることで、ダイナミックレンジの大きな撮像装置を得ることができる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に透明な第一基板と、該第一基板に対向して配置される実質的に透明な第二基板と、該第一基板と該第二基板の間隙を所定量に保つための間隙支持体と、該第一基板及び該第二基板間に充填された透明絶縁性液体と、該透明絶縁性液体中に分散された複数の不透明帯電泳動粒子と，　該第一基板と該第二基板の少なくとも一方の対向面上にそれぞれ独立の電位を発生させることが可能な三つ以上の透明電極が形成されていることを特徴とする電気泳動光量調整素子。
【請求項２】
前記透明電極が前記基板上に実質的に一定の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１記載の電気泳動光量調整素子。
【請求項３】
前記透明電極の形状が半径の異なる環状であって、前記基板上に実質的に同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電気泳動光量調整素子。
【請求項４】
前記電気泳動調光素子の一部に遮光部分を備えていることを特徴とする請求項１記載の電気泳動光量調整素子。
【請求項５】
請求項１記載の電気泳動光量素子と該電気泳動光量素子を駆動するための駆動回路、及び該素子の透過光量を検出する手段、該検出手段の出力を前記駆動回路にフィードバックさせる回路を備えた電気泳動光量調整モジュール。
【請求項６】
実質的に透明な第一基板と、該第一基板に対向して配置される実質的に透明な第二基板と、該第一基板と該第二基板の間隙を所定量に保つための間隙支持体と、該第一基板及び該第二基板間に充填された透明絶縁性液体と、該透明絶縁性液体中に分散された複数の不透明帯電泳動粒子と、該第一基板と該第二基板の少なくとも一方の対向面上に独立の電位を発生させることが可能な三つ以上の電極が形成された電気泳動光量調整素子であって、該電極に印加する電位を電極の並び方向に順次変化させることにより、該不透明帯電泳動粒子を移動させて透光状態を調節することを特徴とする電気泳動光量調整素子の駆動方法。
【請求項７】
前記電極間に異なる電位を順次印加する走査を周期的に行うことを特徴とする請求項６記載の電気泳動光量調整素子の駆動方法。
【請求項８】
前記同心円状に配置された電極に対して、中心側から、或いは外側から順次電圧を変化させて前記泳動粒子を外側或いは中心側に移動させることを特徴とする請求項６記載の電気泳動光量調整素子の駆動方法。
【請求項９】
前記電気泳動光量調整素子の一部領域に前記不透明帯電泳動粒子を集合させて素子の透明状態を作り、該電気泳動光量調整素子の全体に該不透明帯電泳動粒子を分散させて半透明状態を形成することを特徴とする請求項６記載の電気泳動光量調整素子の駆動方法。
【請求項１０】
請求項１記載の電気泳動光量調整素子或いは請求項５記載の電気泳動光量調整モジュールを用いたことを特徴とするレンズ装置、撮像モジュールおよび撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズの光軸上に備え、光量に応じ透過率が変化する光量調整素子、電気泳動光量調整モジュール、その駆動方法及びこれを用いた装置に関するものである。特に撮像素子に利用して、入射光量を調整して前記撮像素子に入力する光量を調整することにより、撮像装置としてのダイナミックレンジを拡大するための光量調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過率の異なるフィルタを選択的に光軸上に出し入れして、自動的に光量調整を行うビデオ、カメラ用交換レンズの光量調整装置が特開平０５−０４０２９３に開示されている。係る発明は、透過率の異なる複数のフィルタを保持したフィルタ保持体を鏡筒内に設け、この鏡筒を組み付けたカメラ本体からの情報により前記フィルタ保持体を駆動して適正な光量が得られるように光軸上のフィルタを選択交換する駆動源とを備え、カメラ本体の電源が投入されて撮影待機状態になるときはフィルタ本体を駆動して光量調整動作を行い、カメラ本体が録画状態になったときは光量調整動作を規制する構成とした光量調整装置である。
【０００３】
また、電気鍍金を利用して光量調節を行う電気化学的調光素子が、特開平１０−２７４７９０、特開２００１−０５１３０７、同２００１−０５１０８、同２００１−０５９９８０に記載されている。係る発明は、光透過状態にある銀塩を含む電解液に透明電極を介して電圧を印加し、可視光域において均等な遮光が可能な銀を透明電極上に可逆的に析出・溶解せしめることにより光量調整を行う電気光学素子である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平０５−０４０２９３で開示された機械的な光量調整装置は、複数のフィルタとこれらを選択交換するためのアクチュエーターを保持することから小型化が困難である。特に近年のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた撮像装置は小型化が進み、従来の機械的光変調素子を利用すると、システム全体の小型化に限界が生ずる。また、フィルタによる透過率が不連続に変化するため、動画などの撮影中の切替が困難である。もしくは切り替えた場合に不自然な画像となる懸念がある。
【０００５】
特開平１０−２７４７９０等で開示された電気化学的調光素子は、上記機械的調光素子と異なり、アクチュエーターを必要としないので、小型化が可能である。しかし、鍍金量即ち光学変調量を制御するために、鍍金に直接関わる一対の電極（作用電極と対極）に加えて、これらの電位を正確に検知するための参照電極が必要となり、素子の構成が複雑になるとともに、その駆動方法も複雑になるという問題を有する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、以上述べたように問題点を解析し、上記の問題は透過光量を無段階で変化できる素子を１つ備えることで改善できることを見出した。そこで、本発明の目的は、上記の従来技術の問題点を改善し、不透明帯電泳動粒子を電気信号で移動させて透過光量状態を変化させる電気泳動光量調整素子及びその駆動方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の第一は、実質的に透明な第一基板と、該第一基板に対向して配置される実質的に透明な第二基板と、該第一基板と該第二基板の間隙を所定量に保つための間隙支持体と、該第一基板及び該第二基板間に充填された透明絶縁性液体と、該透明絶縁性液体中に分散された複数の不透明帯電泳動粒子と、該第一基板と該第二基板の両方もしくはどちらか一方の対向面上にそれぞれ独立の電位を発生させることが可能な三つ以上の電極が形成されている電気泳動光量調整素子である。
【０００８】
本発明の第２は、第１の発明の電気泳動光量素子と該電気泳動光量素子の駆動手段と光量検出手段と該検出手段の出力を駆動回路にフィードバックさせる回路を少なくとも備えた電気泳動光量調整モジュールである。
【０００９】
本発明の第３は、実質的に透明な第一基板と、該第一基板に対向して配置される実質的に透明な第二基板と、該第一基板と該第二基板の間隙を所定量に保つための間隙支持体と、該第一基板及び該第二基板間に充填された透明絶縁性液体と、該透明絶縁性液体中に分散された複数の不透明帯電泳動粒子と、該第一基板と該第二基板の両方もしくはどちらか一方の対向面上にそれぞれ独立の電位を発生させることが可能な三つ以上の電極か形成された電気泳動光量調整素子であって、該電極に印加する電位を電極の並び方向に順次変化させることにより該不透明帯電泳動粒子を電極間の電位変化方向に移動させて透光状態を調節する電気泳動光量調整素子の駆動方法である。
【００１０】
本発明の第４は、本発明の電気泳動光量調整素子、或いは電気泳動光量調整モジュールを用いたレンズ装置、撮像モジュール、および撮像装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様について説明する。
【００１２】
図１に本発明の代表的な断面構成図を、図２にその平面図を示す。
【００１３】
第一基板１上には複数の独立に電位を変位可能な透明電極２が配置されており、間隙支持体３を挟んで第二基板４が配置されている。第一基板１と第二基板４間には透明な絶縁性液体５が充填され、その絶縁性液体５中に不透明帯電泳動粒子６が分散されている。
【００１４】
透明電極２の平面形状は環状でその一部に引き出し配線が形成され、これらは同心円上に配置される。ここでは、ひき出し配線と電極を同一面内に形成したために環の一部が開いた状態となっているが、閉じた環に対してコンタクトホールを形成して引き出し配線を形成してもよい。
【００１５】
ここで、図３を用いて駆動方法を説明する。帯電泳動粒子には、ここでは正に帯電したものを使用した例を示す。
【００１６】
図３−ａは、基板１周辺部の電極２に負の電圧を印加して、不透明帯電泳動粒子６を遮光部の下に配置された基板１周辺部に集め、中央部が光透過状態にある状態を示している。次にこの素子を光透過状態から遮光状態に移行させるには、最も周辺の電極２に正の電圧を印加して、その他の電極２に負の電圧を印加する。これにより、不透明帯電泳動粒子６は正の電圧を印加された最周辺電極上で、基板１中心方向へと弾かれる（図３−ｂ）。次に、最周辺電極の隣に位置する電極２に正の電圧を印加して、不透明帯電泳動粒子６をさらに中心方向へと移動させる。この不透明帯電粒子６の分散量は、素子中央部の透明領域を遮光するのに十分な量を分散させておく。これを繰り返すことにより、不透明帯電泳動粒子６を中央部に移動することによって本素子を遮光状態に移行させることができる（図３−ｃ）。
【００１７】
遮光状態から透光状態へは、逆極性の電圧を同様に印加していけばよい。この電圧印加は、１回で行ってもよく、また繰り返し周期的に行ってもよい。駆動電圧は、高いほどもれなく粒子を移動させることができるが、低電圧での駆動であっても、繰り返し周期的に電圧を印加することにより確実に移動させることができる。また、電圧印加の電圧値或いは繰り返し回数によって粒子の移動を一部のみ行うことができ、光透過率を中間状態に制御することが可能となる。
【００１８】
本発明の電気泳動光量調整素子の構成をさらに詳細に述べる。図４に他の本発明の断面構成図を示す。
【００１９】
電極２は、第１基板１上又は第２基板４上、或いは両基板上に形成されていてもよい。電極数は３つ以上ならいくらでも良く、電極形状は、環状（図２）、帯状（図５）等、特に制限はない。
【００２０】
第１基板１及び第２基板４の両面に電極２を形成する場合、同一形状でなくてもよい。また、図４−（ａ）に示したように一方の基板の電極位置と他方の電極位置をずらして光の入射軸に対して電極層の重なり或いは抜けをなくした構成をとることにより、透光時の電極による光吸収の面内不均一を防止できる。
【００２１】
透明電極２の幅は不透明帯電泳動粒子６の搬送が可能であればいくらでもよいが、環状の場合図４−（ｂ）に示したように素子中心部に向かって環状電極の太さを細くしていくほうが、より光透過率の制御が容易となり好ましい。
【００２２】
電気泳動調光素子の一部に不透明な遮光部７を備えてもよい。遮光部７の構成は特に限定しない。一部が透明で一部が不透明な基板もしくは不透明な基板に穴をあけたものを第一基板１もしくは第二基板４の上に設けてもよいし、第一基板１もしくは第二基板４を不透明に着色しても良い。または一部が不透明な基板を第一基板１もしくは第二基板４に用いても良い。または、不透明の電極材料で電極を作成し遮光部７としても良い。遮光領域も特に限定しない。素子中央でもよいし、周辺部分でも良い。一部を不透明材料で作成した電極を遮光部分としても良い。
【００２３】
第一基板１及び第二基板４用の材料は光透過性の透明物質が良く、ガラス、石英等の透明無機材料、或いはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の有機材料など透明性の高い材料を使用することができる。
【００２４】
電極材料は、透明な電極材料を使用する。例えば液晶表示装置等で使用されているＩＴＯ電極、或いは有機導電性材料も使用可能である。
【００２５】
電極表面は透明絶縁層を形成しておくのが好ましい。材料としては、シリカ、アルミナ等の無機透明絶縁層、或いはアクリル樹脂等の透明有機膜を使用することが可能である。
【００２６】
不透明耐電粒子を分散する透明絶縁性液体としては、透明性が高い絶縁性の液体を使用することができる。イソパラフィン、シリコーンオイル、トルエン、キシレン等を使用することができる。不透明帯電泳動粒子には、遮光可能で電気泳動可能な顔料或いは、染色された樹脂等を使用することができる。また粒子に安定した帯電を付与するために、絶縁性液体中に荷電制御剤を添加してもよい。
【００２７】
上記電気泳動光量調整素子と素子の各電極に所望の電圧を印加する駆動回路と素子を通過する光量を測定する光量測定手段を少なくとも備えることにより電気泳動光量調整モジュールを得ることができる。光量測定手段はどのようなものでも良い。例えば電荷結合素子などの撮像素子を光量測定手段に用いて、その出力に依存して適切な透過率になるように駆動回路により電気泳動光量調整素子を制御すればよい。またこの電気泳動光量調整素子の適用方法は特に限定しないが、レンズ装置、撮像モジュール、および撮像装置などに適用するのは良い適用方法である。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例に従って本発明を説明する。
【００２９】
（実施例１）
本実施例では、図１及び図２に示した構成の素子を作製した。作製した素子の大きさは直径１ｍｍ、厚さ０．５３ｍｍである。まず、第一基板１として厚さ０．２ｍｍのガラス基板にＩＴＯを成膜し、フォトリソグラフィー及びエッチングにより図に示す形状に透明電極をパターニングした。続いて、絶縁層８としてＳｉＯ２を２００ｎｍ厚成膜した。この上に、間隙支持体３を形成した。間隙支持体３は、３０μｍの高さとした。形成された空間内に絶縁性液体５及び不透明帯電泳動粒子６を充填した。絶縁性液体５としては、イソパラフィンを使用した。不透明帯電泳動粒子６としては、ポリスチレンとカーボンの混合物で、平均粒径１μｍ程度のものを使用した。イソパラフィン中での不透明帯電泳動粒子６は正帯電極性を示した。次に、第２基板４として遮光層７を形成した厚さ０．２ｍｍのガラス基板を第１基板１上に置き、素子周辺部を接着剤により張り合わせた。
【００３０】
これに駆動回路を接続して駆動を行った。まず素子中心の電極に２０Ｖの電圧を印加し、それ以外の電極を０Ｖとした。続いて、素子中心部の電極から周辺部に向かって順次電極に２０Ｖの電圧を印加し、遮光層形成部以外の電極にすべて２０Ｖを印加した。これにより、帯電泳動粒子は、素子周辺部の遮光層形成部に集められ、素子開口部は透光状態となった。
【００３１】
次に、素子最周辺部の電極を０Ｖに、それ以外の電極には−２０Ｖの電圧を印加した。続いて、素子周辺部の電極から中心部に向かって順次電極を０Ｖとしていき、泳動粒子を遮光層形成部から中心部へと移動させた。これにより、帯電粒子は電極と反発しあい、素子中央部に移動し、素子開口部を遮光状態とすることができた。
【００３２】
次に、図６に示すように、この素子に光量測定手段を接続し、その光量測定手段の出力に依存して、上記駆動電圧を選択して印加したところ、電気泳動光量調整素子を透過する光量を制御することができた。この調整は、図７のようなレンズ光学系を有した撮像素子に応用したときには、周囲光の強度によって撮像中であっても光量を適宜可変できるために、機械式シャッターなどと異なり、画像に連続性が得られる。
【００３３】
よって撮像素子に入射する光量を電気的に制御できて、明所から暗所まで良好な画像を得ることができた。
【００３４】
（実施例２）
実施例１と同様な素子を作製し、これに駆動回路を接続して駆動を行った。
【００３５】
まず素子中心の電極に１０Ｖの電圧を印加し、それ以外の電極を０Ｖとした。
【００３６】
続いて、素子中心部の電極から周辺部に向かって順次電極に１０Ｖの電圧を印加し、遮光層形成部以外の電極にすべて１０Ｖを印加した。次に、再度素子中心の電極に１０Ｖの電圧を印加し、それ以外の電極を０Ｖとした。続いて、素子中心部の電極から周辺部に向かって順次電極に１０Ｖの電圧を印加し、遮光層形成部以外の電極にすべて１０Ｖを印加した。この操作を合計３回行った。
【００３７】
これにより、帯電泳動粒子は、素子周辺部の遮光層形成部に集められた。これにより、素子中央部は透光状態となった。
【００３８】
次に、素子最周辺部の電極を０Ｖにそれ以外の電極に−１０Ｖの電圧を印加した。続いて、素子周辺部の電極から中心部に向かって順次電極を０Ｖとしていった。この操作も同様に合計３回行った。以上の操作により、泳動粒子を遮光層形成部から中心部へと移動させた。これにより、素子を遮光状態とすることができた。
【００３９】
次に、図６にしめすようにこの素子６１に光量測定手段６２を接続し、その光量測定手段６２の出力に依存して上記駆動電圧を選択して印加した。このような機構により、周囲光の強弱によって、電気泳動光量調整素子を透過する光量を制御することができる。
【００４０】
また、本素子を図７に示すようなレンズ系を備えた撮像装置に取り付けて駆動させたところ、明所から暗所まで良好な画像を得ることができた。
【００４１】
（実施例３）
本実施例では、図４−（ａ）、（ｂ）に示す素子を実施例１と同様な方法で作製した。
【００４２】
これらの素子に駆動回路２３、光量測定手段２２を接続し、その光量測定手段の出力に依存して上記駆動電圧を選択して印加したところ、電気泳動光量調整素子２１を透過する光量を制御することができた。
【００４３】
また、本素子を撮像モジュールに取り付けて駆動した。この様子を図７に示す。電気泳動光量調整素子はレンズなどの光学部品の光軸上に配置すれば配置に関して特に限定しないが、レンズ装置の絞り位置に対応した場所（図７−ａ）もしくはレンズの前面（図７−ｂ）に配置する構成は好ましい構成例である。レンズ装置を構成するレンズの枚数は特に限定しない。複数枚で構成しても良いし、１枚でもよい。少なくとも撮像素子の前に置き、撮像素子の光量を調整できて、かつ結像面で所望の像が得られればよい。
【００４４】
本発明の電気泳動光量調整素子を利用した撮像装置は、明所から暗所まで良好な画像を得ることができた。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によって次のような効果が得られた。
【００４６】
第一に、一つの素子で透過率が変化する電気泳動光量調整素子を提供した。これによりこれまで小型化が困難であったレンズ装置、撮像モジュール、撮像装置を大幅に小型化できた。特に、極く薄型に作製できるので、携帯電話機用の超小型ＣＣＤカメラなどへの組み込みが可能となった。第二に、無段階で透過率を変化できることから動画の撮影中にも透過率を変えることができ、より良好な動画像の撮影が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気泳動光量調整素子の代表的な断面図の一例を示す。
【図２】本発明の電気泳動光量調整素子の代表的な平面図の一例を示す。
【図３】本発明の電気泳動光量調整素子の代表的な断面図の一例を示す。
【図４】本発明の電気泳動光量調整素子の代表的な断面図の一例を示す。
【図５】本発明の電気泳動光量調整素子の代表的な平面図の一例を示す。
【図６】本発明の電気泳動光量調整素子の代表的な適用方法の一例を示す。
【図７】本発明の電気泳動光量調整装置の構成の一例を示す。
【符号の説明】
１　第一基板
２　電極
３　間隙支持体
４　第二基板
５　絶縁性液体
６　不透明帯電泳動粒子
７　遮光部
８　絶縁層
６１　電気泳動光量調整素子
６２　光量測定手段
６３　駆動回路
７３　レンズ装置
７４　レンズ
７５　電気泳動光量調整素子
７６　撮像素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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