(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束の透過光量を制御する光学素子であって、屈折率が実質的に等しく、互いに混合することのない導電性または有極性の第１の液体及び該第１の液体と異なった透過率を有する第２の液体とを備え、該第１及び第２の液体の界面が所定の形状をなした状態でこれらの液体を容器内に密閉し、前記光束の通過の妨げとならない部位に形成された電極を介してこれらの液体間に電圧を印加するに当たり、印加する電圧の出力を制御して前記界面形状を変化させることにより、通過する光束の透過光量を変化させる構成を有し、
前記容器の側面が、前記第１及び第２の液体の界面が略フラットの形状をなした状態でこれらの液体を容器内に密閉できるように、光軸に対して所定角度傾いた側面を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記電極が、第１の電極と前記第１の液体から絶縁された第２の電極とからなり、該第１の電極が前記容器の側面側から前記第１の液体に導通するように設けられると共に、前記第２の電極が前記容器の側面側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第２の電極が、リング状の電極であって、前記第２の液体を取り囲むように配されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１の液体部分の非通電時の光軸方向の厚さが、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さとされていることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第２の電極が、前記容器の所定角度傾いた側面に設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２の電極が、リング状の電極であって、前記第２の液体を取り囲むように配されていることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１の液体の光軸上の光路長と第２の液体の光軸上の光路長が、前記印加電圧の出力に応じて変化することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の液体の単位光路長当たりの光線透過率が、第２の液体の単位光路長当たりの光線透過率より小さく、かつ第１の液体の前記光軸方向の光路長が前記光軸からの距離に応じて増大することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１の液体の単位光路長当たりの光線透過率が、第２の液体の単位光路長当たりの光線透過率より小さく、かつ第１の液体の前記光軸上の光路長が印加電圧の出力に応じて、ゼロから有限寸法の間を変化することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第２の液体の単位光路長当たりの光線透過率が、第１の液体の単位光路長当たりの光線透過率より小さく、かつ第２の液体の前記光軸方向の光路長が前記光軸からの距離に応じて減少することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記他方の液体に比して低い光透過率を有する溶液の存在する側の光学面を曲面としたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１２】
レンズ素子によって被写界の像を撮像手段に結像させ、絞り又はシャッターによって前記撮像手段への結像性能を高め、あるいは適性露光量を制御するようにした光学系において、前記絞り又はシャッターを請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子によって構成し、該絞り又はシャッターを前記レンズ素子に内蔵するようにしたことを特徴とする光学系。
【請求項１３】
被写体像を形成する撮影光学系と、該撮影光学系を通過する光束の透過光量を変化させる光学素子と、前記被写体像を記録する撮像手段とを有する撮影装置において、前記撮影光学系を通過する光束の透過光量を変化させる光学素子が請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子によって構成されていることを特徴とする撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系を通過する光束の透過光量を制御する光学素子、いわゆる光学フィルタと、該光学素子を用いた撮影装置に関するものであり、特に、小型化を図ることができ、簡単な構成で効率よく光透過光量を制御することができ、可変ＮＤフィルタ、アポダイゼイションフィルタ、周辺光量低下を補正するフィルタ等に好適な光学素子、絞り又はシャッターをレンズ素子に内蔵する光学系および撮影装置の実現を目指すものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スチルカメラ、ビデオカメラ等の撮影装置に用いられる撮影光学系においては、焦点調節、光量調節、自然なボケ味、像面の光量分布が均一等の機能が要求される。
これらの機能のうち、まず光量調節に関しては、一般に複数枚の可動羽根からなる絞り機構が用いられる。
しかし、この機械式絞り機構はメカニカル駆動部が必要で機器が大型化し、また開口部を小さくした小絞り状態下では光線の回折が生じて結像した画像の解像力が低下するという欠点がある。
【０００３】
このような欠点を解消するため、液晶材料やエレクトロクロミック材料を用いた透過率可変素子、いわゆる可変ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタが提案されている。
例えば特開平３−８７８１６号公報では、透過光の色の偏りを防止したエレクトロクロミック製の光変調素子が提案されている。
また、特開平７−５４９７号公報では、溶液中の銀を自在に析出及び溶解することで、可変ＮＤフィルタを実現する技術が開示されている。
また、特開平７−１２８６３５号公報では、濃度可変な液晶フィルタを用いて光電変換装置に入射する光量を調節する技術が開示されている。
また、自然なボケ味を実現するための技術として、特開平９−２３６７４０号公報において、光吸収係数の大きな平凹レンズと光吸収係数の小さな凸平レンズを組み合わせたアポダイゼイションフィルタの技術が開示されている。
また、結像面の周辺光量低下（周辺光量落ちともいう）を補正するための技術として、特開平９−１５６８１号公報において、中心部ほど濃度が高く、かつ濃度制御可能な液晶製可変ＮＤフィルタ内蔵の光量調節技術が開示されている。
また、電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用いた可変焦点レンズが、ＷＯ９９／１８４５６にて開示されている。当技術を用いると、電気エネルギを直接レンズの形状変化に用いることができるため、レンズを機械的に移動させること無く焦点調節が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来例のものにおいては、つぎのような点に問題点を有している。
例えば、特開平３−８７８１６号公報では、エレクトロクロミック材料の化学変化による濃度変化を利用するため、応答速度が遅い。
また、特開平７−５４９７号公報も同じく、銀塩溶液の化学変化による濃度変化を利用するため、応答速度が遅い。
また、特開平７−１２８６３５号公報では液晶フィルタを用いているが、液晶フィルタは一般に偏光板を必要とし、そのために最大透過率がかなり低くなる。
また、特開平９−２３６７４０号公報では、固体レンズの組み合わせでアポダイゼイションフィルタを実現しているため、アポダイゼイション効果が変えられない。
また、特開平９−１５６８１号公報では、液晶フィルタを用いているため、特開平７−１２８６３５号公報と同様に偏光板による透過率低下の欠点がある。
また、ＷＯ９９／１８４５６では、電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用い光学パワーを可変とする技術が開示されているが、透過光量を制御するＮＤフィルタとして用いる技術については、全く開示されていない。
【０００５】
これに対して、本出願人は、既に特願昭１１−１６９６５７号において、電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用いて、透過光量を制御できる可変ＮＤフィルタ、アポダイゼイションフィルタ、周辺光量低下を補正するフィルタ等を提案している。
これによると、小型化を図ることができ、簡単な構成で効率よく光透過光量を制御することができ、可変ＮＤフィルタ、アポダイゼイションフィルタ、周辺光量低下を補正することのできるフィルタ等に好適な光学素子および撮影装置を実現することができるが、さらなる小型化、例えば結像レンズに内蔵させるための小型化、或はさらなる光透過率の向上等を図る上で、未だ改良の余地のあるものである。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、エレクトロウエッティング現象を利用して、簡単な構成で効率よく光透過光量を制御することができると共に、さらなる光透過率の向上及び小型化を図ることのできるＮＤフィルタ、アポダイゼイションフィルタ、周辺光量低下を補正するフィルタ等に好適な光学素子、絞り又はシャッターをレンズ素子に内蔵する光学系および撮影装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、つぎの（１）〜（１３）のように構成した光学素子、絞り又はシャッターをレンズ素子に内蔵する光学系および撮影装置を提供するものである。
（１）光束の透過光量を制御する光学素子であって、屈折率が実質的に等しく、互いに混合することのない導電性または有極性の第１の液体及び該第１の液体と異なった透過率を有する第２の液体とを備え、該第１及び第２の液体の界面が所定の形状をなした状態でこれらの液体を容器内に密閉し、前記光束の通過の妨げとならない部位に形成された電極を介してこれらの液体間に電圧を印加するに当たり、印加する電圧の出力を制御して前記界面形状を変化させることにより、通過する光束の透過光量を変化させる構成を有し、
前記容器の側面が、前記第１及び第２の液体の界面が略フラットの形状をなした状態でこれらの液体を容器内に密閉できるように、光軸に対して所定角度傾いた側面を有することを特徴とする光学素子。
（２）前記電極が、第１の電極と前記第１の液体から絶縁された第２の電極とからなり、該第１の電極が前記容器の側面側から前記第１の液体に導通するように設けられると共に、前記第２の電極が前記容器の側面側に設けられていることを特徴とする上記（１）に記載の光学素子。
（３）前記第２の電極が、リング状の電極であって、前記第２の液体を取り囲むように配されていることを特徴とする上記（２）に記載の光学素子。
（４）前記第１の液体部分の非通電時の光軸方向の厚さが、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さとされていることを特徴とする上記（３）に記載の光学素子。
（５）前記第２の電極が、前記容器の所定角度傾いた側面に設けられていることを特徴とする上記（３）または上記（４）に記載の光学素子。
（６）前記第２の電極が、リング状の電極であって、前記第２の液体を取り囲むように配されていることを特徴とする上記（５）に記載の光学素子。
（７）前記第１の液体の光軸上の光路長と第２の液体の光軸上の光路長が、前記印加電圧の出力に応じて変化することを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の光学素子。
（８）前記第１の液体の単位光路長当たりの光線透過率が、第２の液体の単位光路長当たりの光線透過率より小さく、かつ第１の液体の前記光軸方向の光路長が前記光軸からの距離に応じて増大することを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光学素子。
（９）前記第１の液体の単位光路長当たりの光線透過率が、第２の液体の単位光路長当たりの光線透過率より小さく、かつ第１の液体の前記光軸上の光路長が印加電圧の出力に応じて、ゼロから有限寸法の間を変化することを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光学素子。
（１０）前記第２の液体の単位光路長当たりの光線透過率が、第１の液体の単位光路長当たりの光線透過率より小さく、かつ第２の液体の前記光軸方向の光路長が前記光軸からの距離に応じて減少することを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光学素子。
（１１）前記他方の液体に比して低い光透過率を有する溶液の存在する側の光学面を曲面としたことを特徴とする上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の光学素子。
（１２）レンズ素子によって被写界の像を撮像手段に結像させ、絞り又はシャッターによって前記撮像手段への結像性能を高め、あるいは適性露光量を制御するようにした光学系において、前記絞り又はシャッターを上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の光学素子によって構成し、該絞り又はシャッターを前記レンズ素子に内蔵するようにしたことを特徴とする光学系。
（１３）被写体像を形成する撮影光学系と、該撮影光学系を通過する光束の透過光量を変化させる光学素子と、前記被写体像を記録する撮像手段とを有する撮影装置において、前記撮影光学系を通過する光束の透過光量を変化させる光学素子が上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の光学素子によって構成されていることを特徴とする撮影装置。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本実施の形態で開示する光学素子あるいは撮影装置は、上記した構成を用いることにより、可変ＮＤフィルタ、アポダイゼイションフィルタ、周辺光量低下を補正するフィルタ等に好適な光学素子、絞り又はシャッターをレンズ素子に内蔵する光学系および撮影装置を実現することができる。
例えば、上記（１）〜（３）の構成を用いて、電極を光の通過しない面に設けることより、印加電圧の出力制御による海面形状の変化によって第１及び第２の液体による光線吸収状態を変化させ、通過する光束の透過光量を制御するに際して、光の透過率を向上させ、効率の良い光学素子を構成することが可能となる。
また、上記（４）〜（７）の構成を用いることにより、液体の光軸方向の厚さを薄くした状態で容器内に密閉することが可能となり、さらなるコンパクト化を図ることができる。
また、上記（８）の構成を用いることにより、光線吸収能率の異なる２つの液体の光路長変化により、通過する光束の透過光量を変化させることができ、これによってメカニカルな絞り機構が廃止でき、小型で安価な撮影装置を構成することが可能となる。
また、上記（９）の構成を用いることにより、通過する光束の透過光量が光軸からの距離（以下これを入射高と記す。）に応じて減少し、かつ給電手段の出力に応じて前記光量の減少程度を変化させることができ、これによって効果可変なアポイダイゼイションフィルタを実現でき、高品位画像を取得可能な撮影装置を得ることが可能となる。
また、上記（１０）の構成を用いることにより、光線吸収能率の大きな液体の光路長が大きく変化し、光束を透過状態と遮断状態とに切り換えることができ、これによってメカニカルなシャッタ機構が廃止でき、小型で安価な撮影装置を構成することが可能となる。
また、上記（１１）の構成を用いることにより、通過する光束の透過光量が光軸からの距離、すなわち入射高に応じて増加し、かつ給電手段の出力に応じて前記光量の増加程度を変化させることができ、これによって撮影光学系の周辺光量低下を軽減でき、高品位画像を取得可能な撮影装置を得ることが可能となる。
【０００９】
ところで、上記した構成は、電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用いて、透過光量を制御できるようにした前述の本出願人による光学素子（特願昭１１−１６９６５７号）の原理構成に基づき、それを改良したものである。したがって、上記した構成はこの原理構成を前提とするものであるから、その詳細の理解のため、まず、この原理構成を図６を用いて説明する。
【００１０】
図６において、１０１は光学素子全体を示し、１０２は中央に凹部を設けた透明アクリル製の透明基板である。透明基板１０２の上面には、酸化インジウムスズ製の透明電極（ＩＴＯ）１０３がスパッタリングで形成され、その上面には透明アクリル製の絶縁層１０４が密着して設けられる。絶縁層１０４は、前記透明電極１０３の中央にレプリカ樹脂を滴下し、ガラス板で押しつけて表面を平滑にした後、ＵＶ照射を行ない硬化させて形成する。
絶縁層１０４の上面には、遮光性を有した円筒型の容器１０５が接着固定され、その上面には透明アクリル製のカバー板１０６が接着固定され、更にその上面には中央部に直径Ｄ３の開口を有した絞り板１０７が配置される。以上の構成において、絶縁層１０４、容器１０５及び上カバー１０６で囲まれた所定体積の密閉空間、すなわち液室を有した筐体が形成される。そして液室の壁面には、以下に示す表面処理が施される。
【００１１】
まず、絶縁層１０４の中央上面には、直径Ｄ１の範囲内に撥水処理剤が塗布され、撥水膜１１１が形成される。撥水処理剤は、フッ素化合物等が好適である。また、絶縁層１０４上面の直径Ｄ１より外側の範囲には、親水処理剤が塗布され、親水膜１１２が形成される。親水剤は、界面活性剤、親水性ポリマー等が好適である。一方、カバー板１０６の下面には、直径Ｄ２の範囲内に親水処理が施され、前記親水膜１１２と同様の性質を有した親水膜１１３が形成される。そしてこれまでに説明したすべての構成部材は、光軸１２３に対して回転対称形状をしている。
更に、容器１０５の一部には孔があけられ、ここに棒状電極１２５が挿入され、接着剤で封止されて前記液室の密閉性を維持している。そして透明電極１０３と棒状電極１２５には給電手段１２６が接続され、スイッチ１２７の操作で両電極間に所定の電圧が印加可能になっている。
【００１２】
以上の構成の液室には、以下に示す２種類の液体が充填される。まず絶縁層１０４上の撥水膜１１１の上には、第２の液体１２２が所定量だけ滴下される。
第２の液体１２２は無色透明で、比重０．８５、室温での屈折率１．３８のシリコンオイルが用いられる。
一方、液室内の残りの空間には、第１の液体１２１が充填される。第１の液体１２１は、水とエチルアルコールが所定比率で混合され、更に所定量の食塩が加えられた、比重０．８５、室温での屈折率１．３８の電解液である。更に第１の液体１２１には無彩色の水溶性染料、例えばカーボンブラックや、酸化チタン系の材料が加えられる。すなわち、第１及び第２の液体は、比重と屈折率が等しく、光線吸収能率が異なり、かつ互いに不溶の液体が選定される。そこで両液体は界面１２４を形成し、混じりあわずに各々が独立して存在する。
【００１３】
次に前記界面の形状について説明する。
まず、第１の液体に電圧が印可されていない場合、界面１２４の形状は、両液体間の界面張力、第１の液体と絶縁層１０４上の撥水膜１１１あるいは親水膜１１２との界面張力、第２の液体と絶縁層１０４上の撥水膜１１１あるいは親水膜１１２との界面張力、及び第２の液体の体積で決まる。当実施例においては、第２の液体１２２の材料であるシリコンオイルと、撥水膜１１１との界面張力が相対的に小さくなるように材料選定されている。すなわち両材料間の濡れ性が高いため、第２の液体１２２が形成するレンズ状液滴の外縁は広がる性向を持ち、外縁が撥水膜１１１の塗布領域に一致したところで安定する。すなわち第２の液体が形成するレンズ底面の直径Ａ１は、撥水膜１１１の直径Ｄ１に等しい。一方両液体の比重は前述のごとく等しいため、重力は作用しない。そこで界面１２４は球面になり、その曲率半径及び高さｈ１は第２の液体１２２の体積により決まる。また、第１の液体の光軸上の厚さはｔ１になる。
【００１４】
一方、スイッチ１２７が閉操作され、第１の液体１２１に電圧が印可されると、電気毛管現象によって第１の液体１２１と親水膜１１２との界面張力が減少し、第１の液体が親水膜１１２と疎水膜１２２の境界を乗り越えて疎水膜１２２内に侵入する。
その結果、図７のごとく、第２の液体が作るレンズの底面の直径はＡ１からＡ２に減少し、高さはｈ１からｈ２に増加する。また、第１の液体の光軸上の厚さはｔ２になる。このように第１の液体１２１への電圧印加によって、２種類の液体の界面張力の釣り合いが変化し、両液体間の界面の形状が変わる。
【００１５】
ここで、第２の液体は実質上透明であるが、第１の液体は添加された光吸収性材料のために所定の光線吸収能率を有する。そこで、絞り板１０７の開口から光束を入射させると、該光束が通過する第１の液体の光路長に応じた分だけ光線が吸収され、透明基板１０２から射出する光束の強度は低下する。すなわち光強度の低下率は第１の液体の光軸上の厚さ（図６のｔ１あるいは図７のｔ２）に比例するため、給電手段１２６の電圧制御によって界面１２３の形状を変えることにより、透過光量を自在に変えられる光学素子が実現できる。また、第１及び第２の液体の屈折率を等しくしているため、入射した光束はその方向を変えずに射出光の強度のみが変えられる。
【００１６】
図８は当光学素子を可変ＮＤフィルタとして用いる場合の動作を更に詳しく説明するための図である。
図８（ａ）は、光学素子１０１に接続された給電手段１２６の出力電圧が、ゼロあるいは非常に低いＶ１の場合を示す。この時の界面１２４の形状は図６に示したものと同じで、第２の液体１２２が形成するレンズの底面の直径はＡ１、高さはｈ１である。また、第１の液体の光軸上の厚さはｔ１である。ＬＩＮは光学素子１０１の上方から照射され、絞り１０７の開口部に入射する光束、  ＬＯＵＴは光学素子１０１から射出される光束である。そして光束ＬＩＮに対するＬＯＵＴの比が光学素子１０１の透過率になるが、第１の液体の光軸上の厚さｔ１が大きいため、透過率は低くなる。また、射出光束ＬＯＵＴの光量分布は、光軸からの距離、すなわち入射高が大きいほど光量が少なくなるが、液体１２２が形成するレンズ底面の直径Ａ１に対して、絞り１０７の開口直径Ｄ３を小さくしているので、射出光束ＬＯＵＴの光量分布は略均一と見なせる。
【００１７】
図８（ｂ）は、給電手段１２６の出力電圧が、Ｖ１より大きなＶ２の場合を示す。この時、第２の液体１２２が形成するレンズの底面の直径はＡ２、高さはｈ２である。また、第１の液体の光軸上の厚さは同図（ａ）のｔ１より小さなｔ２である。そこで光束の透過率は同図（ａ）の場合より大きくなる。
図８（ｃ）は、給電手段１２６の出力電圧が、Ｖ２より更に大きなＶ３の場合を示す。この時、第２の液体１２２が形成するレンズの底面の直径はＡ３に縮まり、界面１２４の頂上はカバー板１０６の下面に形成された親水膜１１３に接触して平坦となる。そしてこの平坦部の直径は絞り１０７の開口部の直径Ｄ３に等しいか、Ｄ３より大きい。その結果、第１の液体の光軸上の厚さはゼロになるため、透過率は同図（ｂ）の場合より更に大きくなる。その後、給電手段１２６の出力電圧を更に上昇させても、絞り１０７の開口部内側の界面１２４の形状は変わらないため、当光学素子を可変ＮＤフィルタとして用いた場合の透過率は一定のままである。この時の透過率は、透明基板１０２、透明電極１０３、絶縁層１０４、撥水膜１１１、第２の液体１２２、親水膜１１３、カバー板１０６の透過率の積で表わされる。なお、同図（ｃ）の状態から給電手段１２６の印可電圧をＶ１に戻すと、両液体の界面張力が元に戻る。この時、第１の液体１２１と親水膜１１３との濡れ性は良く、第２の液体１２２と親水膜１１３との濡れ性は悪いため、第２の液体は親水膜１１３から離れて同図（ａ）の状態に復帰する。すなわち、当光学素子の界面１２４の形状変化は、印可電圧の変化に対して可逆である。
【００１８】
図９は、光学素子１０１に印可される電圧に対する光学素子１０１の光線透過率の関係を表わしたものである。印可電圧の増加に伴い、透過率も上昇し、印可電圧がＶ３に達したところで透過率は飽和する。
【００１９】
図１０は、光学素子１０１を撮影装置に応用したものである。当実施例では、撮影装置１４１は静止画像を撮像手段で電気信号に光電変換し、これをデジタルデータとして記録する、いわゆるデジタルスチルカメラを例として説明する。
１３０は複数のレンズ群からなる撮影光学系で、第１レンズ群１３１、第２レンズ群１３２、第３レンズ群１３３で構成される。第１レンズ群１３１の光軸方向の進退で、焦点調節がなされる。第２レンズ群１３２の光軸方向の進退で、ズーミングがなされる。第３レンズ群１３３は移動しないリレーレンズ群である。そして、第２レンズ群１３２と第３レンズ群１３３の間に光学素子１０１が配置される。撮影光学系１３０の焦点位置（予定結像面）には、撮像手段１３４が配置される。これは照射された光エネルギを電荷に変換する複数の光電変換部、該電荷を蓄える電荷蓄積部、及び該電荷を転送し、外部に送出する電荷転送部からなる２次元ＣＣＤ等の光電変換手段が用いられる。
【００２０】
１４２は撮影装置全体の動作を制御する中央演算処理装置（以下ＣＰＵと略す）で、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換機能、Ｄ／Ａ変換機能を有する１チップマイコンである。１４３はＣＰＵ１４２や撮影装置内の各種回路、アクチュエータに電力を供給する電源である。１４４は光学素子１０１へ電圧を印可するための給電手段で、図６の給電手段１２６に相当する。給電手段１４４は、ＣＰＵ１４２からの制御信号に応じて所望の電圧を出力する。１４５は画像信号処理回路で、光電変換手段１３５から入力したアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換し、ＡＧＣ制御、ホワイトバランス、γ補正、エッジ強調等の画像処理を施す。
【００２１】
１５１は液晶ディスプレイ等の表示器で、光電変換手段１３４で取得した被写体像や、撮影装置の動作状況を表示する。１５２は操作スイッチ群で、ＣＰＵ１４２をスリープ状態からプログラム実行状態に起動するメインスイッチ、撮影準備スイッチ、撮影開始スイッチ、シャッター秒時等を設定する撮影条件設定スイッチ等で構成される。１５３はズーム駆動手段で、第２レンズ群１３２を光軸方向に進退させるアクチュエータとドライバ回路を含み、撮影者のズームスイッチ操作に応じて変倍動作を行ない、撮影光学系１３０の焦点距離を変える。１５４は焦点検出手段で、一眼レフカメラに用いられる位相差検出式焦点検出手段等が好適である。１５５はフォーカス駆動手段で、第１レンズ群１３１を光軸方向に進退させるアクチュエータとドライバ回路を含み、前記焦点検出手段１５４で演算したフォーカス信号に基づいてフォーカス動作を行ない、撮影光学系１３０の焦点状態を調節する。１５６はメモリ手段で、撮影された画像信号を記録する。具体的には、着脱可能なＰＣカード型のフラッシュメモリ等が好適である。
【００２２】
次に当実施例における光学素子１０１の作用を説明する。自然界に存在する被写体の輝度のダイナミックレンジは非常に大きく、これを所定範囲に収めるために、通常は撮影光学系内部に機械式絞り機構を有し、撮影光束の光量を調節している。しかしながら、機械式絞り機構は小さくする事は困難で、かつ絞り開口部が小さい小絞り状態では、絞り羽根端面による光線の回折現象で、被写体像の解像力が低下する。そこで当実施例では、光学素子１０１を前記機械式絞り機構を代用する可変ＮＤフィルタとして用いることで、上記欠点を生ずること無く、撮影光学系を通過する光量を適切に調節する。
【００２３】
図１１は、図１０に示した撮影装置１４１が有するＣＰＵ１４２の制御フロー図である。以下、図１０及び図１１を用いて撮影装置１４１の制御フローを説明する。
ステップＳ１０１を経由して、ステップＳ１０２では、撮影者によりメインスイッチがオン操作されたか否かを判別し、オン操作されていない時はステップＳ１０２に留まる。ステップＳ１０２でメインスイッチがオン操作されたと判定されたら、ＣＰＵ１４２はスリープ状態から脱してステップＳ１０３以降を実行する。
ステップＳ１０３では、撮影者による撮影条件の設定を受け付ける。具体的には、撮影者は表示器１５１と操作スイッチ群１５２を用いて、露出制御モード（シャッター優先ＡＥ、プログラムＡＥ等）、オートフォーカスモード（ワンショットＡＦ、コンティニュアスＡＦ等）、ドライブモード（単写、連写等）、画質モード（記録画素数の大小、画像圧縮率の大小等）等を設定する。
【００２４】
ステップＳ１０４では、撮影者による撮影準備スイッチ（フロー図では、ＳＷ１と表記）のオン操作がなされたか否かを判別する。オン操作されていない時はステップＳ１０３に戻り、撮影条件の設定を繰り返し受け付ける。ステップＳ１０４で撮影準備スイッチがオン操作されたと判定されたら、ステップＳ１０４から脱してステップＳ１１１以降を実行する。
【００２５】
ステップＳ１１１では、撮像手段１３４及び信号処理回路１４５を駆動して、プレビュー画像を取得する。プレビュー画像とは、最終記録用画像の撮影条件を適切に設定するため、及び撮影者に撮影構図を把握させるために撮影前に取得する画像である。
ステップＳ１１２では、ステップＳで取得したプレビュー画像の受光レベルを認識する。具体的には、撮像手段１３４が出力する画像信号において、最高、最低及び平均の出力信号レベルを演算し、撮像手段１３４に入射する光量を認識する。
【００２６】
ステップＳ１１３では、前記ステップＳ１１２で判定した受光量が適正か否かを判別する。そして当ステップで適正と認識されたら、ステップＳ１１４に進む。
ステップＳ１１４では、ステップＳ１１１で取得したプレビュー画像を表示器１５１に表示する。続いてステップＳ１１５では、焦点検出手段１５４を用いて撮影光学系１３０の焦点状態を検出する。続いてステップＳ１１６では、フォーカス駆動手段１５５により、第１レンズ群１３１を光軸方向に進退させて合焦動作を行なう。その後、ステップＳ１１７に進み、撮影スイッチ（フロー図では、ＳＷ２と表記）のオン操作がなされたか否かを判別する。オン操作されていない時はステップＳ１１１に戻り、プレビュー画像の取得からフォーカス駆動までのステップを繰り返し実行する。
【００２７】
一方ステップＳ１１３において、前記ステップＳ１１２で判定した受光量が適正でないと判別されたら、ステップＳ１２１にジャンプする。ステップＳ１２１では、実際の受光量と適正な受光量を比較し、撮影光学系１３０内の光学素子１０１の適正透過率を演算する。ステップＳ１２２では、前記ステップＳ１２１で演算した適正透過率を得るための制御電圧を演算する。具体的には、ＣＰＵ１４２のＲＯＭには、図９に示した印可電圧に対する透過率の関係がルックアップテーブルとして記憶されているので、該テーブルを参照し、ステップＳ１２１で演算した透過率に対する印可電圧を求める。
ステップＳ１２３では、前記ステップＳ１２２で求めた電圧が光学素子１０１に印可されるよう、給電手段１４４の出力電圧を制御する。ステップＳ１２３実行後はステップＳ１１１に戻り、撮像手段１３４に入射する光量が適正になるまで、プレビュー画像の取得から給電手段制御までのステップを繰り返し実行する。そして撮像手段１３４に入射する光量が適正になると、ステップＳ１１３からステップＳ１１４に移行する。
【００２８】
以上のごとく、撮影準備動作を繰り返し実行している最中に、撮影者が撮影スイッチをオン操作すると、ステップＳ１１７からステップＳ１３１にジャンプする。ステップＳ１３１では撮像を行なう。すなわち撮像手段１３４上に結像した被写体像を光電変換し、光学像の強度に比例した電荷が各受光部近傍の電荷蓄積部に蓄積される。
ステップＳ１３２では、ステップＳ１３１で蓄積された電荷を電荷転送ラインを介して読み出し、読み出しされたアナログ信号を信号処理回路１４５に入力させる。
ステップＳ１３３では、信号処理回路１４５において、入力したアナログ画像信号をＡ／Ｄ変換し、ＡＧＣ制御、ホワイトバランス、γ補正、エッジ強調等の画像処理を施し、さらに必要に応じてＣＰＵ１４２内に記憶された画像圧縮プログラムでＪＰＥＧ圧縮等を施す。
ステップＳ１３４では、上記ステップＳ１３３で得られた画像信号をメモリ１５６に記録し、ステップＳ１３５にて撮影動作が終了する。
【００２９】
以上の説明から明らかなように、上記した原理構成によれば、光学素子への印可電圧を制御することで、光束透過率を所望の値に制御可能なＮＤフィルタを得ることができる。また、この光学素子を撮影光学系の機械式絞り機構の代わりに用いることで、絞り羽根や絞り開口制御機構等のメカニカル手段を廃止でき、かつ撮像手段に入射する光量を連続的に制御できるため、撮影装置の小型化及び高性能化が達成できる。前述の本出願人による特願昭１１−１６９６５７号の発明は、このような原理構成に基づくものであるが、前述したように、さらなる小型化、例えば結像レンズに内蔵させるための小型化、或はさらなる光透過率の向上等を図る上で、未だ改良の余地があり、本発明はこれらを上記構成によって改良したものである。
【００３０】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
本発明の実施例１の光学系に用いられる光学素子の構成を図１を用いて説明する。
図１において、７は前述した原理図において説明したと同様の、以下の液体を封止した容器で絶縁体でできており、図中左右方向（光の入射出方向）は透明に出来ている。
８は容器７に封止された第２の液体でここでは透明なシリコンオイルで構成されている。９は容器７に封止された可視光に対して遮光性のある第１の液体で食塩を溶した水の様な電解液で構成され中にカーボン粒子が混ぜられている。
１０は電解液９に外部から電位をかける為の電極で不図示のコントロール回路に連結されており前述したようなプラス、マイナス２００Ｖ程度の交流電界がかけられる。
【００３１】
１１は絶縁体の中に埋め込まれたリング状の第二の電極で同じく不図示のコントロール回路に連結されており  前述したようなプラス、マイナス２００Ｖ程度の交流電界が前述の電極１０とは逆極性の位相でかけられる。
１２は光束で図１（ａ）の状態では  第二の液体９により遮光されて光は本デバイスを通過できないようになっているが（ｂ）の状態では遮光性のある第二の液体が電界により外側へ押しやられる事から透過光１３が図中右方向へ出力されている。
【００３２】
上記構成において、前述したように図１（ａ）の非通電状態からカメラの絞り、シャッター装置を開ける為に不図示のコントロール回路が電極１０、及び１１に交流通電を始めると図１（ｂ）の様に開口状態となる。この開口量は電極１０，１１にかける電圧に関係するから任意の光量の通過量を設定できる。
【００３３】
本実施例では、以上の光学素子を用い、絞り又はシャッターを形成し、結像レンズに内蔵させ、例えば図５に示されるようにシャッター、絞りを兼用したレンズ１ａを構成し、結像面４に一番近い部分に配した。これにより、小型化および高性能化を達成することが可能な光学系を構成することができる。これを、図５を用いて、更に詳細に説明する。
図５に示される光学系は、通常レンズシャッタータイプカメラに良く使われる凸凹２群タイプのズーム光学系で、不図示の公知のレンズ枠、カム筒、アクチュエーター、構造部材、制御手段により保持されていて（ａ）がワイド状態、（ｂ）がテレ状態を示している。尚、図５には、後述の実施例３におけるシャッター、絞りを兼用したレンズ１ａを用いた光学系が示されているが、その機能は、実施例３に限らず、本実施例においても基本的に変わらないものである。
【００３４】
図５において、１は凸、凹、凹、凸からなる全体として凸を構成している第１群レンズで上記したようにシャッター、絞りを兼用したレンズ１ａを後述する結像面４に一番近い部分に有している。
２はメニスカスレンズ、凹レンズからなる全体として凹レンズ群を構成する第２群レンズで、３はレンズ光軸、４はフィルムやＣＣＤがあるべき結像面である。図中ｄで示しているのは１群、２群の空気間隔でこれを不図示のカム筒に形成したリードカムによって変化させる事により結像面４の位置をほとんど変化させずにあらかじめ決められたラインに１群レンズ１、及び２群レンズ２を移動させ図中左側にある被写界の結像倍率を変化させる、所謂ズームレンズを構成している。
【００３５】
図中破線で示す５は、従来のレンズユニットには必要な絞り、シャッターユニットで６は１群レンズ１、及び絞り、シャッターユニット５を保持する従来のレンズ枠である。
【００３６】
図５から明らかなように、従来の絞り、シャッターユニット５が有ると図５（ｂ）の様に１群１と２群２のレンズユニットを近づける事が出来ず、従ってズーム倍率が本実施例よりも明らかに劣る（ちなみにズーム倍率は１群レンズ１と２群レンズ２のレンズパワーと空気間隔変化、すなわちｄｗ−ｄｔで決定される。）。
【００３７】
また、従来の絞り、シャッターユニットの光軸と直角方向のサイズ（通常外径と呼ぶ）もメカニカルの絞り羽根やシャッター羽根が開きあがる為の空間が大きくなり、従ってそれを収納する為のレンズ枠６の外径も大きなものが一般的であった。
これに対して、実施例の構成によれば、図５ｂ）に示すｄｔの様にテレ状態のレンズを極限まで近づけることが可能となり、従ってズーム倍率も従来に比べて大きく稼げることとなる。
【００３８】
［実施例２］
図２に、本発明の実施例２における光学素子の構成を示す。実施例１よりも更に液体の光軸方向の厚さを薄くした状態で容器内に密閉することを可能とし、さらなるコンパクト化を図ることができるようにしたものである。
【００３９】
図２（ａ）は図１と同様の原理構成による図であるがこの時、容器の側面と第１の液と第２の液の２液の交点である点Ｐに着目すると、この２液の境界面の接線ψ方向に界面の状態が生成され、この状態から電極１０，１１に通電する事でこの界面の状態、ψが増加する方向に変化する（ここでθがいわゆる接触角でψ＝９０°−θの関係がある。）。
【００４０】
上記したユニットの厚みｄに着目すると前記ψが０になるような構成にすれば本実施例のユニットの厚みｄは最も小さく（薄く）構成できることがわかる。
このようなことから、容器の側面を角度ψだけ傾けて７ｂの様に構成することにより、図２（ｂ）に示すように厚みの薄いユニットを形成することができる。
ここで、図２の点Ｐ部を拡大した図を図３に示す。図３においてｔは水溶液側の厚みを示し、ｔ＝０．１から０．５ｍｍが、遮光性とユニットのコンパクトさを両立した好適な条件となる。
また、ψは図２（ａ）で示したような２つの溶液と容器の側面で決まる接触角に合わせた角度で２液の界面が図のごとく略平らになるよう構成され、リング状の電極１１は容器側面より更にごくわずかの角度であるδ分だけ傾いて且つ限りなく容器の内側に近いように、例えば１０〜３０μ程度に構成されている。
また、図中破線で示される容器内面にはあらかじめ公知の撥水処理がなされ、水溶液９をはじくように構成されている。
【００４１】
以上の様な構成で前述の図１０に示した給電手段１４４からの通電により、図２（ｃ）の様に２液の界面が変形し、図中下側からの光を上方に通過させるシャッター、絞りの役割を果たす。この時の開口径Φは、前述の給電手段１４４からの電圧に略比例することは既に前例で述べた。
また、この状態で注目すべきは図２（ｃ）のΦで示す開口部のすぐ外側の部分で、ここは遮光の為の水溶液の薄さが限りなく薄い状態、すなわち、ほとんどの光は透過する状態から徐々に厚味を増して（透過光量を落として）、やがて完全な遮光状態となる点で、所謂、絞りの形状のエッジ部が光の回折を起こして結像画質を損なうことを防止するアポダイゼーション絞りを達成している。
【００４２】
［実施例３］
図４は、本発明の実施例３のシャッター、絞りを兼用したレンズの構成を示すものであり、実施例２の基本構成を用いて形成された絞り又はシャッターを、レンズ素子の中に内蔵させ、図５に示されるシャッター、絞りを兼用したレンズ１ａを構成したものである。
図４（ａ）には非通電状態で絞り、シャッターユニットが全閉してレンズを透過する光をシャットした状態、図４（ｂ）は略半分絞り、シャッターユニットを開けて光を半分透過した状態、図４（ｃ）は全部開口した状態を示す。
【００４３】
図４（ｂ）の状態では  前述の例と同じ完全に（１００％近く）透過するΦで示す直径内の部分と、Φ’〜Φで示す実質的な半分透過部、それも内径側から外径側に沿って徐々に透過率が変化していく状態のアポダイゼーション絞りが実現できていて光学性能のアップに大きく貢献している。
【００４４】
本実施例においては、前述した実施例２に比べ絞り、シャッターユニットとしての大きさは若干大きくなるがレンズの機能の中に内蔵したことにより、トータルで更にコンパクトなユニットを実現することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、エレクトロウエッティング現象を利用して、簡単な構成で効率よく光透過光量を制御することができると共に、さらなる光透過率の向上及び小型化を図ることのできるＮＤフィルタ、アポダイゼイションフィルタ、周辺光量低下を補正するフィルタ等に好適な光学素子、絞り又はシャッターをレンズ素子に内蔵する光学系および撮影装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の光学系に用いる光学素子の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例２における光学素子の構成を示す図である。
【図３】図２の点Ｐ部を拡大した構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例３におけるシャッター、絞りを兼用したレンズの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例３におけるシャッター、絞りを兼用したレンズを用いて構成した光学系を示す図である。
【図６】電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用いて、透過光量を制御できるようにした光学素子の原理構成を説明するための図である。
【図７】図６に示された光学素子に電圧を印可した時の動作を説明するための図である。
【図８】図６に示された光学素子を可変ＮＤフィルタとして用いる場合の動作を説明するための図であり、（ａ）は出力電圧が、ゼロあるいは非常に低い場合、（ｂ）は出力電圧が（ａ）より大きい場合、（ｃ）は出力電圧が（ｂ）より大きい場合を示す図である。
【図９】図６に示された光学素子に印可される電圧に対する光学素子の光線透過率の関係を表わした図である。
【図１０】図６に示された光学素子を用いて撮影装置を構成した図である。
【図１１】図１０に示された撮影装置の制御フロー図である。
【符号の説明】
１・・・１群レンズ
２・・・２群レンズ
３・・・光軸
４・・・結像面
５・・・従来の絞り、シャッターユニット
６・・・従来の１群レンズ枠
７・・・光学素子容器
８・・・シリコンオイル等の油
９・・・カーボン粒子を混ぜた水溶液（電解液）
１０・・・電極端子
１１・・・リング状の電極
１２・・・入射光
１３・・・射出光
１０１、２０１、３０１、４０１・・・光学素子
１０２・・・透明基板
１０３・・・透明電極
１０４・・・絶縁層
１０７・・・絞り板
１１１・・・撥水膜
１１２・・・親水膜
１１３・・・親水膜
１２１、４２１・・・第１の液体
１２２、４２２・・・第２の液体
１２３・・・光軸
１２４・・・界面
１２５・・・棒状電極
１２６・・・給電手段
１３０、２３０、３３０、４３０・・・撮影光学系
１３４・・・撮像手段
２３５・・・フィルム
１４１、２４１、３４１、４４１・・・撮影装置
１４２、２４２、３４２、４４２・・・ＣＰＵ
２３４、４３４・・・機械式絞り機構
１４４・・・給電手段
１５１、２５１・・・表示器
１５２、２５２・・・操作スイッチ群
【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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【図８】
0004424708.tif 000009
【図９】
0004424708.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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