(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性をもつとともに光が透過可能な底板をもつ絶縁部材と、
該絶縁部材の該底板の表面上に配置された導電性をもつとともに光が透過可能な流体と、
該絶縁部材の該流体と背向した表面に配置された電極部材と、
該流体と該電極部材とに電圧を印加する電源手段と、
該流体の表面上に流体の流動に合わせて揺動可能な状態で配置された、光が透過可能な透明板と、
を有することを特徴とする流体プリズム。
【請求項２】
前記電極部材は、前記底板の裏面に配置された請求項１記載の流体プリズム。
【請求項３】
前記電極部材は、複数配置された請求項２記載の流体プリズム。
【請求項４】
前記透明板は、回転可能な支持軸により支持されている請求項２〜３のいずれかに記載の流体プリズム。
【請求項５】
前記絶縁部材は、前記底板の表面に立設した筒状部を有し、
該絶縁部材の内部に前記流体が配置され、
前記電極部材が該筒状部の外周面に配置された請求項１記載の流体プリズム。
【請求項６】
前記電極部材は、複数配置された請求項５記載の流体プリズム。
【請求項７】
前記透明板は、前記絶縁部材の内部で浮いた状態で配置されている請求項５〜６のいずれかに記載の流体プリズム。
【請求項８】
前記流体とは屈折率の異なる第二の流体を該流体の上部に配置した請求項５〜７のいずれかに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、電気絶縁性をもつとともに光が透過可能な底板をもつ絶縁部材と、絶縁部材の底板の表面上に配置された導電性をもつとともに光が透過可能な流体と、絶縁部材の流体と背向した表面に配置された電極部材と、流体と電極部材とに電圧を印加する電源手段と、流体の表面上に流体の流動に合わせて揺動可能な状態で配置された、光が透過可能な透明板と、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、エレクトロウェッティングの作用により流体の表面よりなる屈折面を所望の角度に傾斜させる。つまり、本発明の流体プリズムは、流体と電極部材とに電圧を印加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】
【００１０】
本発明の流体プリズムは、電気絶縁性をもつとともに光が透過可能な底板をもつ絶縁部材と、絶縁部材の底板の表面上に配置された導電性をもつとともに光が透過可能な流体と、絶縁部材の流体と背向した表面に配置された電極部材と、流体と電極部材とに電圧を印加する電源手段と、流体の表面上に流体の流動に合わせて揺動可能な状態で配置された、光が透過可能な透明板と、を有する。
【００１１】
本発明の流体プリズムは、光を透過可能な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、電源手段が流体と電極部材とに電圧を印加すると、いわゆるエレクトロウェッティング現象により、電圧が印加された電極部材の近傍における流体の表面張力が変化し、見かけ上の「濡れ性」が変化する。そして、この「濡れ性」の変化により底板上の流体が流動し、流体の厚みが部分的に変化し、結果として、流体の底板と背向した表面が底板表面に対して傾斜し、屈折面となる。これにより、流体がプリズムを形成する。
【００１２】
また、本発明の流体プリズムは、流体と電極部材とに電圧を印加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。
【００１３】
電極部材は、底板の裏面に配置されたことが好ましい。電極部材が底板の裏面に配置されることで、流体がプリズムを形成するための部材数が多くならなくなり、流体プリズムを簡単に構成できるようになる。電極部材は、流体の周縁部に対応した位置に配置されることが好ましい。
【００１４】
電極部材は、複数配置されたことが好ましい。電極部材を複数配置することで、流体の表面張力が変化する部位の数が増加し、より流体を制御できる。電極部材の数は、特に限定されるものではないが、配置される数が多いほど好ましく、４つ以上であることがより好ましい。
【００１５】
複数の電極部材は、流体の周縁部に配置されることが好ましく、流体の外周において周方向で均一な間隔で配置されることが好ましい。
【００１６】
流体の表面上に流体の流動に合わせて揺動可能な状態で配置された、光が透過可能な透明板が配置される。流体の表面上に透明板を配置することで、複雑な制御を必要とせずに、簡単に光が入射する流体の表面（屈折面）が平面となる。これにより、流体プリズムが入射光を均一に偏向できるようになる。
透明板は、回転可能な支持軸により支持されていることが好ましい。
【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、液体であることが好ましい。具体的には、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】
絶縁部材は、底板の表面に立設した筒状部を有し、絶縁部材の内部に流体が配置され、電極部材が筒状部の外周面に配置されたことが好ましい。つまり、絶縁部材が底板と筒状部とでチャンバーを形成し、このチャンバーの内部に流体を配置した構成とすることが好ましい。このような構成とすることで、流体の保持を簡単に行うことができる。そして、筒状部の外周面に電極部材を配置することで、チャンバー内部に保持された流体の流動をより簡単に制御できる。さらに、筒状部の外周面に電極部材を配置することで、絶縁部材が光の経路中に存在しなくなり、流体プリズムを透過する光を電極部材が遮蔽しなくなり、絶縁部材の底板の全面で光を透過させることができる。
【００１９】
電極部材は、複数配置されたことが好ましい。電極部材を複数配置することで、流体の表面張力が変化する部位の数が増加し、より流体を制御できる。電極部材の数は、特に限定されるものではないが、配置される数が多いほど好ましく、４つ以上であることがより好ましい。複数の電極部材は、筒状部の外周面において周方向にそって配置されることが好ましく、周方向で均一な間隔で配置されることがより好ましい。また、複数の電極部材が、筒状部の周方向に沿って配置されたときに、軸方向の位置は同じであっても、異なっていてもどちらでもよい。さらに、複数の電極部材が、筒状部の周方向に沿って配置されたときに、周方向に並んで配置された電極部材が軸方向に並んだ複数の電極部材で形成してもよい。
【００２０】
透明板は、絶縁部材の内部で浮いた状態で配置されていることが好ましい。透明板を配置することで、複雑な制御を必要とせずに、簡単に光が入射する流体の表面が平面となる。これにより、流体プリズムが入射光を均一に偏向できるようになる。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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】
【００２４】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００２５】
本発明の実施例として、流体プリズムを製造した。
【００２６】
（実施例１）
本実施例の流体プリズムは、絶縁部材１と、液体２と、電極板３と、透明板４と、電源５と、から構成される。本実施例の流体プリズムの構成を図１〜３に示した。なお、図１〜２は側面図であり、図３は底面図である。
【００２７】
絶縁部材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板状の部材である。絶縁部材１は、その中心部に光が通過する通光部１０が形成されている。
【００２８】
液体２は、絶縁部材１の通光部１０の表面１０ａ上に配置された水である。液体２は、絶縁部材１の表面１０ａ上において、表面張力によりフローティングしている。
【００２９】
電極板３は、絶縁部材１の通光部１０の裏面１０ｂに、絶縁部材１に当接した状態で配置されている。電極板３は、略扇状の４つの電極部３０，３０，３０，３０を有し、それぞれの電極部３０は、通光部１０の周縁部に周方向で等間隔となるように４つ配置されている。
【００３０】
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。透明板４を具体的に図４に示した。
【００３１】
そして、透明板４は、透明部４０の裏面４０ｂが液体２の上面と接触した状態で配置されている。そして、透明部４０は、液体２の流動に沿って揺動可能となっている。つまり、液体２は、液体２は、絶縁部材１の通光部１０の表面１０ａと透明板４の透明部４０の裏面４０ｂとのみ接触している。
【００３２】
電源５は、電極板３の４つの電極部３０と液体２との間に印加される電圧を発する。ここで、電源５は、４つの電極部３０のそれぞれに異なる電圧を印加することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
まず、電源５が電圧を印加していない状態では、図１に示したように、液体２は、表面張力によりフローティングしている。このとき、液体２の上面に接触した透明板４の透明部４０は絶縁部材１と平行な状態となっている。
【００３５】
そして、電源５を駆動して、電極部３０ｃと流体２との間に電圧を印加する。電圧が印加されると、いわゆるエレクトロウェッティング現象が生じ、絶縁部材１の電極部３０ｃに対応した位置における液体２の表面張力が変化する。この表面張力の変化により、液体２と絶縁部材１の接触角がθ0からθ1に変化（減少）する。液体２の透明板１との接触角が変化すると、透明板４の透明部４０が液体２から受ける力が変化する。図２においては、透明部４０の端部であって電極部３０ｃの上方に位置する部分４０ｃに加わる下向きの力が増加するとともに、透明部４０の端部であって電極部３０ｄの上方に位置する部分４０ｄに加わる下向きの力が相対的に減少する。これにより、透明部４０に回転モーメントがはたらき、透明部４０が二つの支持軸４３，４４を中心に回転する。そして、透明部４０が絶縁部材１に対して傾斜した状態となる。これにより、本実施例の流体プリズムは、透明板４の透明部４０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。
【００３６】
本実施例の流体プリズムは、上記したように、電源５から４つの電極部３０と液体２とに電圧を印加することで、透明部４０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、電源５から印加される電圧により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、透明部４０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。
【００３７】
さらに、本実施例の流体プリズムは、透明板４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。
【００３８】
（実施例２）
本実施例の流体プリズムは、絶縁部材１と、液体２と、電極板３と、透明板４と、電源５と、から構成される。本実施例の流体プリズムの構成を図５〜６に示した。
【００３９】
絶縁部材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。
【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】
電極板３は、絶縁部材１の筒状部１１の外周面１１ｂに、絶縁部材１に当接した状態で配置されている。電極板３は、４つの電極部３０，３０，３０，３０を有し、それぞれの電極部３０は、筒状部１１の周方向で等間隔となるように配置されている。
【００４２】
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。本実施例の透明板４は、実施例１の透明板の透明部のみの構成である。
【００４３】
電源５は、電極板３の４つの電極部３０と液体２との間に印加される電圧を発する。ここで、電源５は、４つの電極部３０のそれぞれに異なる電圧を印加することができる。
【００４４】
本実施例の流体プリズムの動作を、図５〜６を用いて説明する。
【００４５】
まず、電源５が電圧を印加していない状態では、図５に示したように、透明板４は液体２にフローティングしている。このとき、透明板４は、水平方向に広がる状態であり、絶縁部材１の通光部１０と平行な状態となっている。
【００４６】
そして、電源５を駆動して、電極部３０ｃと流体２との間に電圧を印加する。電圧が印加されると、いわゆるエレクトロウェッティング現象が生じ、筒状部１１の電極部３０ｃに対応した位置における液体２の表面張力が変化する。この表面張力の変化により、液体２と絶縁部材１の筒状部１１との接触角がθ0からθ1に変化（減少）する。液体２の筒状部１１との接触角が変化すると、液体２に浮いている透明板４が液体２から受ける力が変化する。図５においては、透明板４の端部であって電極部３０ｃに近接する部分４ｃに加わる下向きの力が増加するとともに、透明板４の端部であって電極部３０ｄに近接する部分４ｄに加わる下向きの力が相対的に減少する。これにより、透明板４に回転モーメントがはたらき、透明板４が回転する。そして、透明板４が通光部１０に対して傾斜した状態となる。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。
【００４７】
本実施例の流体プリズムは、上記したように、電源５から４つの電極部３０と液体２とに電圧を印加することで、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、電源５から印加される電圧により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。
【００４８】
（実施例３）
本実施例は、実施例２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た以外は、実施例２の流体プリズムと同様な構成である。
【００４９】
本実施例の流体プリズムにおいて、絶縁部材１、液体２、電極板３、透明板４および電源５は、実施例２と同様の構成を備えている。
【００５０】
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、二つの液体は、互いに溶解しない。本実施例においては、第２の液体は、屈折率の大きなマッチングオイルよりなる。また、第２の液体は、電気絶縁性をもつことが好ましい。
【００５１】
本実施例の流体プリズムは、実施例２と同様にして駆動する。また、実施例２の流体プリズムと同様な効果を発揮する。
【００５２】
本実施例の流体プリズムは、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。
【００５３】
（変形形態）
実施例３の流体プリズムの変形形態として、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。
【００５４】
（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２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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
流体プリズムＰ７は、実施例２の流体プリズムであり、絶縁部材Ｐ７１と、液体Ｐ７２と、電極板Ｐ７３と、透明板Ｐ７４と、電源（図示せず）と、から構成される。
【００５９】
パンチルト機構は、以下のように実現できる。透明板Ｐ７４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。
【００６０】
そして、電源を駆動して電極部Ｐ７３０ｃと液体Ｐ７２とに電圧を印加すると、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３（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。
【００６１】
また、以下に、焦点距離を切り替える方法を説明する。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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】
【００６５】
【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１の流体プリズムの底面図である。
【図４】実施例１の流体プリズムの透明板の構成を示した図である。
【図５】実施例２の流体プリズムの構成を示した図である。
【図６】実施例２の流体プリズムの構成を示した図である。
【図７】実施例２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】
【００６６】
１…絶縁部材                      １０…通光部
１１…筒状部
２…液体
３…電極板                        ３０…電極部
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
５…電源
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】
0004471220.tif 000002
【図２】
0004471220.tif 000003
【図３】
0004471220.tif 000004
【図４】
0004471220.tif 000005
【図５】
0004471220.tif 000006
【図６】
0004471220.tif 000007
【図７】
0004471220.tif 000008