(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が透過可能な底板をもつ有底筒状のケースと、
該ケースの内部に充填された光が透過可能な流体と、
該ケースの内部で該流体の表面上に揺動可能に配置された光が透過可能な透明板と、
該流体を流動させて該流体の液面を部分的に変化させる流速付与手段と、
を有することを特徴とする流体プリズム。
【請求項２】
前記ケースは、その内部が有底筒状の該ケースの深さ方向にそって延びる複数のセルに区画され、
前記流速付与手段により前記流体が各該セル間を移動する請求項１記載の流体プリズム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を所定の角度および方向に偏向させる内部に流体が充填された流体プリズムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カメラなどの撮像装置の小型化、軽量化および光学ズームの高倍率化等の高性能化が進められてきている。撮像装置においては、さらなる高性能化が求められている。この高性能化のひとつとして、撮像範囲を広範囲とするパンチルト機構を搭載する方法がある。
【０００３】
パンチルト機構には、たとえば、レンズの前方にプリズムを配置して入射光を偏向させることで、撮像範囲（角度）を広くするチルト機構がある。そして、このプリズムに、可変プリズムを用いることが検討されている。可変プリズムは、頂角を任意の角度に変化可能なプリズムであり、例えば、特許文献１に開示された液体プリズムがある。
【０００４】
特許文献１には、対向する２枚の透明板間の外周を可とう性フィルムによって封止し、その密封された空間内に透明液体を満たした可変頂角プリズムが開示されている。この可変頂角プリズムは、モータよりなるプリズム駆動手段により２枚の透明板を駆動して、任意の頂角とし、光線を偏向させる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の可変頂角プリズムは、２枚の透明板をモータで駆動するため、可変プリズムの応答性および精度が低いという問題があった。また、２枚の透明板を駆動するためのモータの体格が大きいことにより、可変プリズム自体の体格が大きくなり、可変プリズムをもつ撮像装置全体の体格が大きくなるという問題もあった。
【特許文献１】特開平７−２０３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、小型でありかつ高精度で頂角を制御できる可変プリズムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明者らは可変プリズムについて検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の流体プリズムは、光が透過可能な底板をもつ有底筒状のケースと、ケースの内部に充填された光が透過可能な流体と、ケースの内部で流体の表面上に揺動可能に配置された光が透過可能な透明板と、流体を流動させて流体の液面を部分的に変化させる流速付与手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の流体プリズムは、流速付与手段がケース内に充填した流体を流動させ、流体の液面を変化させる。そして、流体の液面の変化にともなって、液面上に配置された透明板が傾斜する。これにより、底板、透明板および流体がプリズムを構成するようになる。そして、透明板が屈折面を形成し、流体および底板を透過する光を偏向させるようになる。
【００１０】
本発明の流体プリズムは、流速付与手段を駆動して流体プリズムを偏向させることから、従来のモータによる駆動と比べて、高い応答性でありかつ高精度で屈折面の制御を行うことができる。さらに、従来の液体プリズムのようにモータを必要としないため、流体プリズム全体の体格を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の流体プリズムは、光が透過可能な底板をもつ有底筒状のケースと、ケースの内部に充填された光が透過可能な流体と、ケースの内部で流体の表面上に揺動可能に配置された光が透過可能な透明板と、流体を流動させて流体の液面を部分的に変化させる流速付与手段と、を有する。
【００１２】
本発明の流体プリズムは、光を透過可能な透明板、流体および底板を光が透過する。そして、本発明の流体プリズムは、流速付与手段がケース内に充填した流体を流動させ、流体の液面を変化させる。流体の液面が変化すると、液面上に配置された透明板が傾斜する。これにより、底板、透明板および流体がプリズムを構成するようになる。そして、透明板が屈折面を形成し、流体および底板を透過する光を偏向させる。
【００１３】
本発明の流体プリズムにおいて、流速付与手段は、流体を流動させて液面を部分的に変化させることができれば、流体の流動する方向は限定されない。たとえば、ケースの筒状部の軸方向に流体を流動させても、径方向あるいは周方向に流体を流動させても、いずれでもあるいは両者を組み合わせてもよい。つまり、本発明の流体プリズムにおいて、流速付与手段が流体を透明板に向けて流動させてその圧力で透明板を傾斜させても、流体の流動により部分的に流体の量を増減して部分的な液面の変位を生じさせて透明板を傾斜させても、いずれでもよい。
【００１４】
本発明の流体プリズムにおいて、流速付与手段は、流体に流速を付与して流体を移動することができる手段であればよい。たとえば、圧電素子を利用したマイクロポンプ、粘性の温度変化を利用したマイクロポンプを用いることができる。
【００１５】
ケースは、その内部が有底筒状の該ケースの深さ方向にそって延びる複数のセルに区画され、流速付与手段により流体が各セル間を移動することが好ましい。セル間を流体が移動すると、セル内の流体の量が変化するようになり、セルごとに液面の高さが変化するようになる。そして、この液面に変化により、透明板が傾斜するようになる。これにより、透明板により形成される屈折面が傾斜し、流体プリズムが入射光を偏向するようになる。
【００１６】
流体とは屈折率の異なる第二の流体を流体の上部に配置したことが好ましい。流体の上部に第二の流体を配置すると、振動などの外乱に対するロパスト性（傾き角の安定性）が向上する。チャンバー内に二つの流体が保持されたときに、二つの流体の界面が屈折面となる。また、二つの流体の界面に透明板が配置されたときには、この透明板が屈折面となる。
【００１７】
本発明の流体プリズムにおいて、流体は、流体（あるいは透明板）の表面側の雰囲気と異なる屈折率をもつ物質であればよく、気体であっても液体であってもよい。流体は、液体であることが好ましい。具体的には、流体として用いることができる液体としては、水、シリコーンオイル、マッチングオイル等をあげることができる。
【００１８】
本発明の流体プリズムは、入射光を偏向することができるため、撮像装置に適用することが好ましい。特に、撮像装置のズーム機構と組み合わせることで、パンチルト機構を形成することができる。また、精度よく制御を行うことができるため、本発明の流体プリズムは、撮像装置の手ぶれ補正に適用できる。
【実施例】
【００１９】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００２０】
本発明の実施例として、流体プリズムを製造した。
【００２１】
（実施例１）
本実施例の流体プリズムは、ケース１と、液体２と、ポンプ３と、透明板４と、から構成される。本実施例の流体プリズムの構成を図１〜２に示した。
【００２２】
ケース１は、光を透過可能でありかつ電気絶縁性をもつ材料より形成される円板状の通光部１０と、通光部１０の外周形状と一致する円筒状を有しかつ通光部１０と一体に形成された電気絶縁性をもつ材質よりなるの筒状部１１と、からなる有底筒状の部材である。
【００２３】
液体２は、絶縁部材１の内部に配置された水である。液体２は、絶縁部材１の通光部１０の表面１０ａおよび筒状部１１の内周面１１ａと接触している。
【００２４】
ポンプ３は、ケース１の内部に、筒状部１１の内周面１１ａに当接した状態で配置されている。ポンプ３は、筒状部１１の周方向において等間隔となるように（９０°ごとに）４つ配置されている。
【００２５】
そして、４つのポンプ３は、それぞれが独立して駆動する。なお、本実施例の流体ポンプは、それぞれのポンプを独立して駆動するための制御手段（図示せず）を備えている。また、４つのポンプ３は、それぞれ筒状部の軸方向にそって液体２を流動させる。
【００２６】
透明板４は、光が透過可能な略円形を有する。そして、透明板４は、その裏面４ｂが液体２の上面と接触した状態で、絶縁部材１の内部に配置されている。そして、透明板４は、液体２の流動に沿って揺動可能となっている。つまり、透明板４は、絶縁部材１の内部で液体２に浮いた状態で配置されている。
【００２７】
本実施例の流体プリズムの動作を、図１〜２を用いて説明する。
【００２８】
まず、ポンプ３を駆動していない状態では、図１に示したように、液体２の表面は、表面張力により水平を保持している。このとき、液体２の上面に接触した透明板４の透明部４０はケース１の通光部１０と平行な状態となっている。
【００２９】
そして、制御手段を駆動して、ポンプ３ｃを駆動して液体２に通光部１０から離れる方向の流速を付与する。この流速の付与により、ポンプ３ｃが配置された部位の近傍の液体２の液量が増加して液面が上昇する。つまり、ケース１内において、液体２の液面が傾斜する。そして、液体２の液面に浮いている透明板４が、液面に沿った方向に傾斜する。また、本実施例においては、ポンプ３ｃにより流速を付与された液体２が透明板４にあたるため、この圧力にもより透明板４が揺動する。これにより、本実施例の流体プリズムは、透明板４が屈折面となり、液体２および通光部１０を光が透過するプリズムとなった。
【００３０】
本実施例の流体プリズムは、上記したように、４つのポンプ３を駆動することで、透明板４の傾斜角を所望の角度とすることができる。そして、本実施例の流体プリズムは、ポンプの流量でプリズムの頂角を制御することで、高精度かつ応答性にすぐれたプリズムとなっている。さらに、本実施例の流体プリズムは、透明板４の駆動にモータを用いていないことから、体格が小型化されている。
【００３１】
さらに、本実施例の流体プリズムは、ポンプ３ｃに対称な位置にあるポンプ３ｄを駆動して液体２に通光部１０に近接する方向の流速をあわせて付与することで、ポンプ３ｄが配置された部位の近傍の液面を下降させることが好ましい。ポンプ３ｄを駆動することで、ポンプ３ｃが液体２に付与する流速を小さくすることができる。つまり、ポンプ３ｃおよび３ｄの体格を小さくすることができる。
【００３２】
（実施例２）
本実施例の流体プリズムは、水平方向の流速を液体２に付与するポンプを用いた以外は実施例１と同様な構成をもつ。
【００３３】
本実施例の流体プリズムにおいて、流速を液体２に付与するポンプは、実施例１と同様のポンプを用い、流速を付与する方向が少なくとも筒状部の径方向に向いた状態でケース１の通光部１０の表面上に配置される。
【００３４】
本実施例の流体プリズムにおいては、実施例１の時と同様に、ポンプ３ｃを駆動してポンプ３ｄに向かう方向の流速を付与する。この流速の付与により、ポンプ３ｃが配置された部位の近傍の液体２の液量が減少して液面が下降する。そして、ポンプ３ｄが配置された部位の近傍の液体２の液量が増加して液面が上昇する。つまり、ケース１内において、液体２の液面が傾斜する。そして、液体２の液面に浮いている透明板４が、液面に沿った方向に傾斜する。これにより、本実施例の流体プリズムは、透明板４が屈折面となり、液体２および通光部１０を光が透過するプリズムとなった。
【００３５】
さらに、本実施例の流体プリズムは、ポンプ３ｅ，３ｆを駆動して液体２にポンプ３ｄに向かう方向の流速をあわせて付与することで、ポンプ３ｄが配置された部位の近傍の液面を上昇させることが好ましい。ポンプ３ｅ，３ｆを駆動することで、ポンプ３ｃが液体２に付与する流速を小さくすることができる。つまり、ポンプ３ｃ，３ｅおよび３ｆの体格を小さくすることができる。
【００３６】
このように、本実施例においても実施例１の時と同様な効果を発揮した。
【００３７】
（実施例３）
本実施例の流体プリズムは、ケース１と、液体２と、ポンプ３と、透明板４と、から構成される。本実施例の流体プリズムの構成を図３〜４に示した。
【００３８】
ケース１は、光を透過可能でありかつ電気絶縁性をもつ材料より形成される円板状の通光部１０と、通光部１０の外周形状と一致する円筒状を有しかつ通光部１０と一体に形成された電気絶縁性をもつ材質よりなるの筒状部１１と、通光部１０および筒状部１１に区画された空間を４つのセル１３に分割する隔壁１２と、からなる有底筒状の部材である。
【００３９】
隔壁１２は、筒状部１１の周方向に、内部を４つに分割する。つまり、隔壁１２は、筒状部１１の軸心部から径方向にのびる４つの壁部１２０より形成されている。そして、４つの壁部は、筒状部１１の周方向において隣接する壁部１２０との間が９０°の角度をなすように配置されている。
【００４０】
液体２は、絶縁部材１の内部に配置された水である。液体２は、絶縁部材１の通光部１０の表面１０ａおよび筒状部１１の内周面１１ａと接触している。
【００４１】
ポンプ３は、ケース１の内部に、筒状部１１の軸心部でありかつ隔壁１２の交差する位置に配置されている。ポンプ３は、隔壁１２に区画された４つのセル１３ｃ，ｄ，ｅ，ｆのうち対称なセル１３ｃと１３ｅ，１３ｄと１３ｆ間で液体２を流動させる。
【００４２】
そして、ポンプ３は、セル１３ｃと１３ｅ間と１３ｄと１３ｆ間で、それぞれが独立して液体２を流動させる。なお、本実施例の流体ポンプは、それぞれのポンプを独立して駆動するための制御手段（図示せず）を備えている。また、４つのポンプ３は、それぞれ筒状部の軸方向にそって液体２を流動させる。
【００４３】
透明板４は、光が透過可能な略円形を有する。そして、透明板４は、その裏面４ｂが液体２の上面と接触した状態で、絶縁部材１の内部に配置されている。そして、透明板４は、液体２の流動に沿って揺動可能となっている。つまり、透明板４は、絶縁部材１の内部で液体２に浮いた状態で配置されている。
【００４４】
本実施例の流体プリズムの動作を説明する。
【００４５】
本実施例の流体プリズムにおいては、ポンプ３を駆動してセル１３ｃからセル１３ｅに向かう方向の流速を液体２に付与する。この流速の付与により、セル１３ｃの液体２の液量が減少して液面が下降する。そして、セル１３ｅの液体２の液量が増加して液面が上昇する。つまり、ケース１内において、液体２の液面が傾斜する。そして、液体２の液面に浮いている透明板４が、液面に沿った方向に傾斜する。これにより、本実施例の流体プリズムは、透明板４が屈折面となり、液体２および通光部１０を光が透過するプリズムとなった。
【００４６】
本実施例の流体プリズムは、上記したように、ポンプ３を駆動することで、透明板４の傾斜角を所望の角度とすることができる。そして、本実施例の流体プリズムは、ポンプの流量でプリズムの頂角を制御することで、高精度かつ応答性にすぐれたプリズムとなっている。さらに、本実施例の流体プリズムは、透明板４の駆動にモータを用いていないことから、体格が小型化されている。
【００４７】
（実施例４）
本実施例は、隔壁１２のそれぞれの壁部１２０にポンプ３が設置された以外は、実施例２と同様な構成を備えた流体プリズムである。本実施例の流体プリズムのケース１およびポンプ３の構成を図５に示した。
【００４８】
本実施例において、ポンプ３は、隔壁１２の壁部１２０により隔てられたセル１３間で液体２を流動させる。
【００４９】
本実施例の流体プリズムの動作を説明する。
【００５０】
本実施例の流体プリズムにおいては、ポンプ３を駆動してセル１３ｃからセル１３ｄに向かう方向の流速を液体２に付与する。また、セル１３ｄからセル１３ｅに向かう方向の流速を液体２に付与する。この流速の付与により、セル１３ｃの液体２の液量が減少して液面が下降するとともにセル１３ｅの液体２の液量が増加して液面が上昇する。つまり、ケース１内において、液体２の液面が傾斜する。そして、液体２の液面に浮いている透明板４が、液面に沿った方向に傾斜する。これにより、本実施例の流体プリズムは、透明板４が屈折面となり、液体２および通光部１０を光が透過するプリズムとなった。
【００５１】
本実施例の流体プリズムは、上記したように、ポンプ３を駆動することで、透明板４の傾斜角を所望の角度とすることができる。そして、本実施例の流体プリズムは、ポンプの流量でプリズムの頂角を制御することで、高精度かつ応答性にすぐれたプリズムとなっている。さらに、本実施例の流体プリズムは、透明板４の駆動にモータを用いていないことから、体格が小型化されている。
【００５２】
本実施例においては、セル１３ｃからセル１３ｄへの移動とセル１３ｄからセル１３ｅへの移動時（二つの壁部１２０、１２０を通過するとき）に液体２の移動量を制御できる。つまり、より高精度で制御できるプリズムとなっている。
【００５３】
上記した動作においては、セル１３ｃ内の液体２をセル１３ｅに移動させるときに、セル１３ｄを介して移動させたが、あわせてセル１３ｆを介して移動させてもよい。
【００５４】
（第一変形形態）
各実施例の流体プリズムの透明板４の上方にさらに、第二の液体を配置してもよい。
【００５５】
この第２の液体は、液体２と異なる屈折率を備えた液体である。さらに、二つの液体２は、互いに溶解しない液体である。第２の液体としては、屈折率の大きなマッチングオイルをあげることができる。
【００５６】
第２の液体を配置した流体プリズムは、各実施例と同様にして駆動し、各実施例と同様な効果を発揮する。
【００５７】
さらに、第２の液体を配置した流体プリズムは、二つの液体の界面に透明板４が配置された構成を有している。これにより、透明板４の揺れが抑えられる。つまり、振動などの外乱に対するロパスト性（傾き角の安定性）が向上している。
【００５８】
（第二変形形態）
上記の変形形態の流体プリズムは、二つの液体の界面に薄膜を配置してもより。また、この薄膜を配置するときには、薄膜と透明板とが一体に形成されたことが好ましい。
【００５９】
（第三変形形態）
上記の各流体プリズムにおいて、透明板は、図６に示した構成としてもよい。
【００６０】
本変形形態の透明板４は、光が透過可能な略円形の透明部４０と、透明部を揺動可能な状態で支持する支持部４１と、を備えている。透明板４０は、支持環４２に内側支持軸４３，４３により揺動可能な状態で支持されている。支持環４２は、支持部４１に外側支持軸４４，４４により揺動可能な状態で支持されている。内側支持軸４３，４３と外側支持軸４４，４４とは直交している。つまり、内側支持軸４３，４３と外側支持軸４４，４４とを回転中心にして揺動することで、透明部４０は、あらゆる方向に回転することが可能となっている。
【００６１】
このような透明板４は、その内側支持軸４３および外側支持軸４４のそれぞれに歪みゲージ等の支持軸の回転角を検出する装置を組み付けておくと、その測定結果をフィードバックして透明部４０の傾斜が算出できるようになる。
【００６２】
（パンチルト機構への適用）
さらに、上記各実施例の流体プリズムは、パンチルト機構に適用することができる。実施例１の流体プリズムをパンチルト機構に適用した例を用いて具体的に説明する。本実施例のパンチルト機構は、図７に示したように、多焦点レンズＰ１と、第１ミラーＰ２と、第２ミラーＰ３と、撮像素子Ｐ４と、第２ミラー移動手段（図示せず）と、流体プリズムＰ７と、から構成される。
【００６３】
多焦点レンズＰ１は、焦点距離が異なる２つのレンズ領域Ｐ１５およびＰ１６からなり、レンズ領域Ｐ１５のほうがレンズ領域Ｐ１６よりも焦点距離が短い。
【００６４】
第１ミラーＰ２および第２ミラーＰ３は、不透明な通常のミラーである。第２ミラーＰ３は、多焦点レンズＰ１の光軸と平行であってレンズ領域Ｐ１５を通過した光線束を遮蔽しない位置（図７（ａ））と、多焦点レンズＰ１の光軸と垂直であってレンズ領域Ｐ１５を通過した光線束を遮蔽するように挿入された位置（図７（ｂ））との間で位置が切り替え可能である。そして、第２ミラー移動手段は、第２ミラーＰ２を両者の間で切り替える手段である。両者の間で切り替える方法としては第２ミラーＰ３を強磁性体や強誘電体にて形成した上で磁場や電場を印加する方向を変化させることで行う手段や、静電力やローレンツ力を利用した手段が例示できる。
【００６５】
撮像素子Ｐ４は、結像面に相当する位置に配設されており、具体的には、第１ミラーＰ２の中央部に位置する。
【００６６】
流体プリズムＰ７は、上記した流体プリズムであり、ケースＰ７１と、液体Ｐ７２と、ポンプＰ７３と、透明板Ｐ７４と、から構成される。また、ポンプＰ７３を駆動するための図示されない制御手段を備えている。
【００６７】
パンチルト機構は、以下のように実現できる。透明板Ｐ７４の透明部Ｐ７４０が多焦点レンズＰ１の入射光側（図面上方）の面と平行である場合には入射光は特に曲がることなくそのまま多焦点レンズＰ１に入射する。
【００６８】
そして、制御手段によりポンプＰ７３を駆動すると、透明板Ｐ７４が揺動する。透明板Ｐ７４が揺動すると、透明板Ｐ７４が屈折面となり入射光が屈折する。透明板Ｐ７４および液体Ｐ２の屈折率は空間Ｐ７６（大気等）の屈折率よりも大きいので図７（ｂ）に示すように、入射光は透明板Ｐ７４を揺動させた方向と反対の方向に屈折する。そして、透明板Ｐ７４の揺動の程度を制御することで入射光の屈折の度合いを制御することができる。つまり、パンチルト機構の画角を変化させたい方向と反対に、透明板Ｐ７４を揺動することで、望む方向に画角を変化できる。
【００６９】
また、以下に、焦点距離を切り替える方法を説明する。
【００７０】
焦点距離を長くする場合には多焦点レンズＰ１のレンズ領域Ｐ１６を透過した光線束を利用するために、第２ミラー移動手段により第２ミラーＰ３を挿入した状態（図７（ｂ））にまで移動する。その結果、レンズ領域Ｐ１５を透過した光線束は第２ミラーＰ３により遮蔽されるので、レンズ領域Ｐ１６を透過した光線束だけが第１ミラーＰ２および第２ミラーＰ３を反射して結像面にある撮像素子Ｐ４に結像する。
【００７１】
反対に焦点距離を短くする場合にはレンズ領域Ｐ１５を透過した光線束を利用するために、第２ミラー移動手段により第２ミラーＰ３を抜いた状態（図７（ａ））にまで移動する。その結果、レンズ領域Ｐ１５を透過した光線束は第２ミラーＰ３により遮蔽されることなくそのまま結像面にある撮像素子Ｐ４上に結蔵するのに対して、レンズ領域Ｐ１１を透過した光線束だけは第２ミラーＰ３がないので、レンズ領域Ｐ１６から第１ミラーＰ２を反射した後、そのまま多焦点レンズＰ１の物体側に向けてレンズ領域Ｐ１５を透過する。
【００７２】
従って、レンズ領域Ｐ１５を透過した光線束はそのまま、レンズ領域Ｐ１６を透過した光線束は第１ミラーＰ２および第２ミラーＰ３の間を焦点距離の相違を考慮した距離（１往復半）進ませることで、各レンズ領域Ｐ１５，１６からの結像面が一致する。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】実施例１の流体プリズムの構成を示した図である。
【図２】実施例１の流体プリズムの構成を示した図である。
【図３】実施例３の流体プリズムの構成を示した図である。
【図４】実施例３の流体プリズムの構成を示した図である。
【図５】実施例４の流体プリズムのケースの構成を示した図である。
【図６】透明板の変形形態を示した図である。
【図７】実施例１の流体プリズムを備えたパンチルト機構の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００７４】
１…ケース                        １０…通光部
１１…筒状部                      １２…隔壁
１２０…壁部
２…液体
３…ポンプ
４…透明板                        ４０…透明部
４１…支持部                      ４２…支持環
４３…内側支持軸                  ４４…外側支持軸
Ｐ１…多焦点レンズ
Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４、Ｐ１５，Ｐ１６…レンズ領域
Ｐ２…第１ミラー
Ｐ３…第２ミラー
Ｐ４…結像素子
Ｐ７…液体プリズム
【図１】
0004614282.tif 000002
【図２】
0004614282.tif 000003
【図３】
0004614282.tif 000004
【図４】
0004614282.tif 000005
【図５】
0004614282.tif 000006
【図６】
0004614282.tif 000007
【図７】
0004614282.tif 000008