(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が異なり、互いに混合することのない導電性または有極性を備えている、第１の液体及び第２の液体を密閉した容器と、
前記第１の液体に導通するように設けられ、入射した光の通過の妨げとならない部位に形成された第１の電極と、
前記第１の電極と前記第１の液体から絶縁され、且つ光の入射面と対向する光の射出面が狭くなるように、これら入射出面に対する側面が光軸に対して傾けて構成されている前記容器の該側面側に、この側面の傾きと同方向に傾けて設けられた第２の電極とを有し、
前記第１及び第２の液体は、これらの液体同士の界面において形成されるＲ状の界面の凸の方向が前記光の射出面の方向を向く状態で、前記容器における前記第２の電極を含む側面と前記液体同士の界面との交点が存在するようにして前記容器に密閉され、
前記第１の電極と第２の電極により印加する電圧の出力を制御して前記第１の液体と前記第２の液体との界面形状を変化させることにより、通過する光の屈折力を変化させることを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項２】
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１に記載の可変焦点レンズ。
【請求項３】
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または請求項２に記載の可変焦点レンズ。
【請求項４】
前記第１の液体の屈折率が、第２の液体の屈折率より小さく、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１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項５】
前記第１の液体の屈折率が、第２の液体の屈折率より小さく、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、有限寸法の間を変化することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
前記溶液の存在する容器の光学面を曲面としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項７】
レンズ素子によって所定の像を結像又は集光させるようにした光学系において、該光学系の一部を請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変焦点レンズによって構成したことを特徴とする光学系。
【請求項８】
請求項７の光学系を備え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の屈折力を制御する可変焦点レンズを構成する光学素子、いわゆる可変パワーレンズと、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学パワーを制御することができ、可変焦点レンズ、可変フォーカスレンズ等に好適な可変焦点レンズ、一部を該可変焦点レンズによって構成された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、あるいは倍率調節等の機能が要求される。
これらの機能は、いずれもモーター等のアクチュエータとこれの出力をレンズの一部の光軸方向の移動に変換する変換機構を必要としていた。
しかし、この変換機構はメカニカル駆動部が必要で機器が大型化し、あるいは動作させた時に音が発生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、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、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、ここに記載されている第１〜５の実施例においては、いずれも透過光路中に透明電極があり、レンズの透過光量が落ちるという欠点があった。また第１〜６のすべての実施例において光学素子の光軸方向の厚みが厚いため、コンパクトさが要求される民性用機器には実質的に組み込みにくいという点等に改良の余地があった。
【０００５】
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、小型な構成で効率よくレンズパワーを制御することができる構造を有する可変焦点レンズを提供すると共に、一部を該可変焦点レンズによって構成された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。
【０００６】
【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）〜（８）のように構成した可変焦点レンズ、一部を該可変焦点レンズによって構成された光学系および撮影装置を提供するものである。
（１）屈折率が異なり、互いに混合することのない導電性または有極性を備えている、第１の液体及び第２の液体を密閉した容器と、
前記第１の液体に導通するように設けられ、入射した光の通過の妨げとならない部位に形成された第１の電極と、
前記第１の電極と前記第１の液体から絶縁され、且つ光の入射面と対向する光の射出面が狭くなるように、これら入射出面に対する側面が光軸に対して傾けて構成されている前記容器の該側面側に、この側面の傾きと同方向に傾けて設けられた第２の電極とを有し、
前記第１及び第２の液体は、これらの液体同士の界面において形成されるＲ状の界面の凸の方向が前記光の射出面の方向を向く状態で、前記容器における前記第２の電極を含む側面と前記液体同士の界面との交点が存在するようにして前記容器に密閉され、
前記第１の電極と第２の電極により印加する電圧の出力を制御して前記第１の液体と前記第２の液体との界面形状を変化させることにより、通過する光の屈折力を変化させることを特徴とする可変焦点レンズ。
（２）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（１）に記載の可変焦点レンズ。
（３）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）または（２）に記載の可変焦点レンズ。
（４）前記第１の液体の屈折率が、第２の液体の屈折率より小さく、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）〜（３）のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
（５）前記第１の液体の屈折率が、第２の液体の屈折率より小さく、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、有限寸法の間を変化することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
（６）前記溶液の存在する容器の光学面を曲面としたことを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
（７）レンズ素子によって所定の像を結像又は集光させるようにした光学系において、該光学系の一部を上記（１）〜（６）のいずれかに記載の可変焦点レンズによって構成したことを特徴とする光学系。
（８）上記（７）の光学系を備えていることを特徴とする撮影装置。
【０００７】
【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、コンパクトな可変焦点距離装置あるいは自動焦点調節装置等に好適な光学素子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）〜（１２）の構成を用いて、電極を光の通過しない面に設けることにより、印加電圧の出力制御による界面形状の変化によって第１及び第２の液体による光学パワーの変化の制御に際して、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。
【０００８】
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５以下を用いて説明する。
【０００９】
図５及び図６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上記光学素子の原理構成を説明するための図である。
図５において、１０１は上記原理構成を説明するための光学素子の全体構成を示すものであり、１０２は中央に凹部を設けた透明アクリル製の透朋基板である。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。
【００１０】
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。
【００１１】
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１．０６、室温での屈折率１．４９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１．０６、室温での屈折率１．３８の電解液である。すなわち、第１及び第２の液体は、比重が等しく、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。
【００１２】
次に前記界面の形状について説明する。まず、第１の液体に電圧が印加されていない場合、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。
【００１３】
一方、スイッチ１２７が閉操作され、第１の液体１２１に電圧が印加されると、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６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。
【００１４】
よって、給電手段１２６の電圧制御によって界面１２３の形状を自在に変えられる光学素子が実現できる。また．第１及ぴ第２の液体が異なつている屈折率を有しているため、光学レンズとしてのパワーが付与される事になるから、光学素子１０１は界面１２３の形状変化によって可変焦点レンズとなる。
【００１５】
さらには、図５に比べて図６の界面１２４の方が曲率半径が短くなるので、図６の状態の光学素子１０１の方が図５の状態に比べて光学素子１０１の焦点距離は短くなる。
【００１６】
図７は、本発明の給電手段１２６の出力電圧と光学素子１０１の変形との関係を説明する図である。
同図（ａ）において、時刻ｔ0に光学素子１０１に対して電圧値Ｖ0の電圧を印加すると、時定数ｔ11で光学素子１０１の界面１２４の変形が始まる（図７（ｂ））参照）。このまま電圧印加を統けていても、界面１２４が所望の変化量δ0に達する迄にはかなり長い時間が必要となる。そこで、光学系としては誤差として許容できる変形量、例えば図７（ｂ）においては所望の界面変化量δ0の９５％（０．９５δ0と表記）まで界面１２４が変形した時（時刻ｔ12）に所望の変形量に達したと見なす。この変形量に達しなければ、光学素子１０１の次の制御は進まない設定となっている。なおこの許容できる変形量は、光学素子１０１が組込まれる光学系に基いて決定されるものである。
【００１７】
図８及び図９は上記原理構成における光学素子及び後述する本発明の実施例１の可変焦点レンズに係わる給電手段の説明図であって、図８はこれらに好適な駆動回路を示した図であり、図９はこれらに対する駆動電圧を示した図である。
この図８及び図９を用いて上記給電手段の構成と作成方法を説明する。
１３０は後述する光学装置１５０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、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）機能を有する１チップマイコンである。１３１は光学素子１０１へ電圧を印加するための給電手段であり、以下その構成を説明する。
【００１８】
１３２は光学装置１５１に組込まれている乾電池等の直流電源、１３３は電源１３２から出力された電圧をＣＰＵ１３０の制御信号に応じて所望の電圧値へと昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、１３４及び１３５はＣＰＵ１３０の制御信号、例えばＰＷＭ機能が実現される周波数／デューティ比可変信号に応じて、その信号レベルをＤＣ／ＤＣコンバータ１３３で昇圧された電圧レベルにまで増幅する増幅器である。また、増幅器１３４は光学素子１０１の透明電極１０３に、増幅器１３５は光学素子１０１の棒状電極１２５にそれぞれ接続している。つまり、ＣＰＵ１３０の制御信号に応じて、電源１３２の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１３３、増幅器１３４、増幅器１３５によって所望の電圧値、周波数、及びデューティーで光学素子１０１に印加されるようになる。
【００１９】
図９は、上記増幅器１３４及び１３５から出力される電圧波形を説明する図である。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３３から増幅器１３４及び１３５へそれぞれ１００Ｖの電圧が出力されたものとして以下説明を行う。
図９の（ａ）にも示したように、増幅器１３４及び１３５はそれぞれ光学素子１０１に接続している。増幅器１３４からは、図９（ｂ）に示すようにＣＰＵ１３０の制御信号により所望の周波数、デューティ比で矩形波形の電圧が出力される。一方増幅器１３５からは、図９（ｃ）に示したようにＣＰＵ１３０の制御信号により、増幅器１３４とは逆位相で、同一周波数、同一デューティ比の矩形波形の電圧が出力される。これにより、光学素子１０１の透明電極１０３及び棒状電極１２５間に印加される電圧は図９（ｄ）に示すように±１００Ｖの矩形波形の電圧、つまり交流電圧となる。
【００２０】
よって、給電手段１３１によって光学素子１０１には交流電圧が印加されることになる。ところで、光学素子１０１に印加される電圧の印加開始からの実効値は図９（ｅ）の様に表す事が出来るので、以後、光学素子１０１に印加する交流電圧の波形を図９（ｅ）にならって表す事とする。
なお、上記説明中、増幅器１３４及び１３５から矩形波形の電圧が出力されるものとして説明したが、正弦波でも同様の構成となる事は言うまでもない。
また、上記説明中、光学装置１５０に電源１３２が組込まれた場合について説明を行ったが、外付けの電源や給電手段によって光学素子１０１に交流印加される場合でも良い。
【００２１】
図１０は、光学素子１０１を光学装置に応用したものである。当実施例では、光学装置１５０は静止画像を撮影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。
１４０は複数のレンズ群からなる撮影光学系で、第１レンズ群１４１、第２レンズ群１４２、及び光学素子１０１で構成される。第１レンズ群１４１の光軸方向の進退で、焦点調節がなされる。光学素子１０１のパワー変化でズーミングがなされる。第２レンズ群１４２は移動しないリレーレンズ群である。そして、第１レンズ群１４１と第２レンズ群１４２の間に光学素子１０１が配置され、第１レンズ群１４１と光学素子１０１との間には、公知の技術によって絞り開口径が調整して撮影光束の光量を調整する絞りユニット１４３が配置されている。
また撮影光学系１４０の焦点位置（予定結像面）には、撮像手段１４４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。
【００２２】
１４５は画像信号処理回路で、撮像手段１４４から入力したアナログの面像信号を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。１４６は光学装置１５０の環境温度（気温）を測定する温度センサーである。１４７はＣＰＵ１３０の内部に設けられたタイマで、ＣＰＵ１３０によって設定された時間をカウントするためのものである。
【００２３】
１５１は液晶ディスプレイ等の表示器で、撮像手段１４４で取得した被写体像や、可変焦点レンズを有する光学装置の動作状況を表示する。１５２はＣＰＵ１３０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、１５３はズームスイッチで、撮影者のズームスイッチ操作に応じて後述する変倍動作を行ない、撮影光学系１４０の焦点距離を変える。１５４は上記スイッチ以外の操作スイッチ群で、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。１５５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。１５６はフォーカス駆動手段で、第１レンズ群１４１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１５５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１４０の焦点状態を調節する。１５７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。
【００２４】
図１１は、図１０に示した光学装置１５０が有するＣＰＵ１３０の制御フロー図である。以下、図１０及び図１１を用いて光学装置１５０の制御フローを説明する。
ステップＳ１０１において、メインスイッチ１５２がオン操作されたかどうかを判別し、オン操作されていない時は、そのまま各種スイッチの操作を待つ待機モードの状態である。ステップＳ１０１においてメインスイッチ１５２がオン操作されたと判定されたら、待機モードを解除し、次のステップＳ１０２以降へと進む。
ステップＳ１０２では、温度センサー１４６によって光学装置１５０が置かれている環境温度、つまり光学装置１５０の周囲の気温を測定する。
ステップＳ１０３では、撮影者による撮影条件の設定を受付ける。例えは、露出制御モードの設定（シャッター優先ＡＥ、プログラムＡＥ等）や面質モード（記録面素数の大小、画像圧縮率の大小等）、ストロボモード（強制発光、発光禁止等）等の設定を行う。
ステップＳ１０４では、撮影者によってズームスイッチ１５３が操作されたか否かを判別する。オン操作されていない場合はステップＳ１０５に進む。ここでズームスイッチ１５３が操作された場合は、ステップＳ１２１に移行する。
【００２５】
ステップＳ１２１ではタイマ１４７がカウント中かどうかの判別を行う。カウントしていなければステップＳ１２３へ移行し、カウント中である場合は、そのカウンタ値をリセットした後（Ｓ１２２）、ステップＳ１２３へと移行する。
【００２６】
ステップＳ１２３では、ズームスイッチ１５３の操作量（操作方向やオン時間等）を検出し、その操作量に基いて対応する焦点距離変化量を演算する（Ｓ１２４）。その演算結果によって、光学素子１０１への最終印加電圧値Ｖ0を決定し（Ｓ１２５）、温度による最終電圧値の補正及び電圧印加波形の決定を行う「温度補正」のサブルーチンに進む（図１２参照、詳細は後述）。この「温度補正」のサブルーチンで決定した光学素子１０１に印加する最終電圧値及び印加波形パターンで給電手段１３１の制御を行い、光学素子１０１に電圧を印加する（Ｓ１２７）。それと同時にタイマ１４７のカウントを開始する（Ｓ１２８）。そしてステップＳ１０３へ戻る。つまり、ズームスイッチ１５３が操作され続けている場合は、ステップＳ１０３からステップＳ１２８を繰り返し実行し、ズームスイッチ１５３のオン操作が終了した時点でステップＳ１０５へと移行する。
【００２７】
ステップＳ１０５では、撮影者によって操作スイッチ群１５４のうち、撮影準備スイッチ（図１１のフローチャートではＳＷ１と表記）のオン操作が行われたか否かを判別する。オン操作されていない場合はステップＳ１０３に戻り、撮影条件設定の受付や、ズームスイッチ１５３の操作の判別を繰り返す。ステップＳ１０５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Ｓ１１１へ移行する。
【００２８】
ステップＳ１１１では、撮像手段１４４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、最終記録用面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の事である。
ステップＳ１１２では、ステップＳ１１１で取得したプレビュー画像の受光レベルを認識す。具体的には、撮像手段１４４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１４４に入射する光量を認識する。
ステップＳ１１３では、前記ステップＳ１１２で認識した受光量に基いて、撮影光学系１４０内に設けられた絞りユニット１４３を駆動して適正光量になるように絞りユニット１４３の開口径を調整する。
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１４０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１４１を光軸方向に進退き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１１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、プレビュー面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。
【００２９】
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、タイマ１４７のカウントが完了しているかどうかの判別を行う（Ｓ１１８）。カウントが完了していない場合はそのまま判別を続行し、タイマ１４７のカウントが完了した時点でステップＳ１１８からステップＳ１３１にジャンプし、タイマ１４７のカウント値をリセットした後（Ｓ１３１）、ステップＳ１３２へと移行する。
【００３０】
ステップＳ１３２では撮像を行なう。すなわち撮像手段１４４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Ｓ１３３では、ステップＳ１３２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Ｓ１３４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ＣＰＵ１３０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Ｓ１３５では、上記ステップＳ１３４で得られた画像信号をメモリ１５７に記録すると同時に、ステップＳ１３６にて一旦プレビュー画像を消去した後に、ステップＳ１３４で得られた画像信号を表示器１５１に改めて表示する。その後、給電手段１３１を制御して光学素子１０１への電圧印加をオフして（Ｓ１３７）、一連の撮影動作が終了する。
【００３１】
ステップＳ１５１では温度センサー１４６で測定した気温が１５℃以上かどうかの判別を行う。気温が１５℃以下の場合は、図９の（ａ）に示した電圧印加波形Ａを選択する（Ｓ１５２）。これは先述したように、低温時には光学素子１０１中の液体１２１及び１２２の粘性が高くなる事によって界面が変形を完了するまでの時間が長くなっていたのに対し、電源投入後の立上がり時に所定の最終電圧基準値Ｖ0よりも高い電圧を印加することによつて起動時の界面の変形量を多くする事で界面の変形完了時間の短縮化を図っている。
これは、光学素子１０１に印加する第１の電圧、すなわち、最終電圧基準値Ｖ0を印加する前の所定時間（以下、プリ印加時間と呼ぶ）は最終電圧基準値Ｖ0よりも高い第２の電圧、すなわち、プリ電圧値Ｖ1を光学素子１０１に印加し、プリ印加時間経過後は最終電圧基準値Ｖ0を光学素子１０１に印加する波形パターンである。
測定気温が１０℃以上１５℃未満の場合は（Ｓ１５３）、プリ印加時間を０ｍｓに設定し（Ｓ１５４）、プリ電圧値Ｖ1を演算するＳ１８０へと進む。
【００３２】
測定気温が５℃以上１０℃未満の場合は（Ｓ１５５）、プリ印加時間を１０ｍｓに設定し（Ｓ１５６）、プリ電圧値Ｖ1を演算するＳ１８０へと進む。
測定気温が０℃以上５℃未満の場合は（Ｓ１６０）、プリ印加時間を２０ｍｓに設定し（Ｓ１５６）、プリ電圧値Ｖ1を演算するＳ１８０へと進む。
測定気温が０℃未満の場合は（Ｓ１６０）、プリ印加時間を３０ｍｓに設定し（Ｓ１５６）、プリ電圧値Ｖ1を演算するＳ１８０へと進む。
ステップＳ１８０で演算するプリ電圧値Ｖ1は例えば以下のような式で求まる。
プリ電圧値Ｖ1＝（補正定数１）×（基準温度−測定温度）・・・（１−１）式
つまり基準温度、１５℃との温度差に（補正定数１）を掛けた値がプリ電圧値Ｖ1となる。
【００３３】
プリ電圧値Ｖ1が求まった後、ステップＳ１８１に進んで、最終電圧基準値Ｖ0の補正量を計算すると共に、最終電圧印加時間を求める。最終電圧基準値Ｖ0はステップＳ１２５で求まっているが、これにも例えば以下のような式で表される補正を行う。
補正最終電圧値Ｖ0’＝（最終電圧基準値Ｖ0）＋（補正定数２）×（基準温度−測定温度）・・・（１−２）式
つまり、ステップＳ１２５で求まった最終電圧基準値Ｖ0に、基準温度１５℃との温度差に（補正定数２）を掛けた値を加えたものが補正最終電圧値Ｖ0’となる。
以上の制御を行う事で、印加電圧波形は温度に応じて図９（ａ）に示した様にきめ細かく変更され、その結果、界面の応答波形は同図（ｃ）のごとく温度によらずほぼ一定となり、時刻ｔ32でほば変形が完了する。そこで変形完了の目安となるタイマ１４７の待ち時間をｔ32より若干長いＴAとし、これを予めＣＰＵｌ３０のメモリ内に記憶しておく。そして、図７のステップＳ１１８でこのＴAをタイマ完了の判断値とする事により、界面が静定してからステップＳ１３１以降のフローの実行が許可される。
【００３４】
一方、ステップＳ１５１にて測定温度が１５℃以上の場合は、図９の（ｂ）に示した電圧印加波形Ｂを選択する（Ｓ１７０）。これは、先述したように高温時には光学素子１０１中の液体１２１及び１２２の粘性が低くなる事によって界面が変形を完了するまでに振動現象が起こつてしまう事に対し、電源投入後の立上がり時に徐々に所定の最終電圧基準値Ｖ0まで電圧を印加することによって起動時の界面の振動現象の抑制を図っている。
つまり、光学素子１０１に印加する最終電圧基準値Ｖ0を印加する前の所定時間（これもプリ印加時間と呼ぶ）は徐々に最終電圧基準値Ｖ0になるように電圧制御を行う波形パターンである。
【００３５】
測定気温が１５℃以上２０℃未満の場合は（Ｓ１７１）、プリ印加時間を１０ｍｓに設定し（Ｓ１７２）、補正最終電圧値Ｖ0’を演算すると共に、最終電圧印加時間を求めるステップＳ１８１へと進む。
測定気温が２０℃以上３０℃未満の場合は（Ｓ１７３）、プリ印加時間を２０ｍｓに設定し（Ｓ１７４）、補正最終電圧値Ｖ0’を演算すると共に、最終電圧印加時間を求めるステップＳ１８１へと進む。
測定気温が３０℃以上の場合は（Ｓ１７３）、プリ印加時間を３０ｍｓに設定し（Ｓ１７５）、補正最終電圧値Ｖ0’を演算すると共に、最終電圧印加時間を求めるステップＳ１８１へと進む。
【００３６】
以上の制御を行う事で、印加電圧波形は温度に応じて図９（ｂ）に示した様にきめ細かく変更され、その結果、界面の応答波形は同図（ｄ）のごとく温度によらずほぼ一定となり、時刻ｔ42でほぼ変形が完了する。そこで変形完了の目安となるタイマ１４７の待ち時間を、ｔ42より若干長いＴBとし、これを予めＣＰＵ１３０のメモリ内に記憶しておく。そして、図７のステップＳ１１８でこのＴBをタイマ完了の判断値とする事により、界面が静定してからステップＳ１３１以降のフローの実行が許可される。
【００３７】
以上により、温度に応じた最終印加電圧値や電圧印加波形パターンが決定するので（Ｓ１８２）、ステツプＳｌ２７に戻る。
また温度に応じて最終印加電圧値や電圧印加波形パターンを制御することによって、各温度毎に最適な駆動制御を行う事が可能となる。
【００３８】
上記実施例１によれば、
（１）温度に応じて光学素子への最終印加電圧値や電圧印加波形パターンを制御することによって、光学素子の変形完了時間の短縮可能な光学装置を得ることが出来ること。
（２）実際に光学素子を駆動させる時間を短くする事が出来たので、光学装置の消費電力を低減する事が出来ること。
（３）光学素子の変形が静定するまで露光を禁止しているので、光学装置の撮影動作に影響を与える事が解消されること。
等が達成される。
【００３９】
なお、本実施例では電圧印加波形パターンの切り替える基準温度を１５℃としていたり、プリ印加時間を各温度毎に設定しているが、光学素子の構成やその液体の種類・組合せ等によって基準温度やプリ印加時間を設定すれば同様な効果が得られる。
また、光学素子への電圧印加を２段階にしているが、それ以上の多段階にしても同様な効果が得られる。
さらには、温度毎の最終印加電圧値やプリ印加電圧値の補正量を演算で求めているが、例えば図１０に示したように、所望の焦点距離の温度によって決まるテーブルをＣＰＵに記憶しておき、それを各補正量として使用しても本実施例と同様な効果が得られる。
なお、本実施例では光学装置の一例としてデジタルスチルカメラを取り挙げたが、それ以外のビデオカメラや銀塩カメラ等にも効果を損なわずに適用できる事は言うまでもない。
【００４０】
【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可変焦点レンズを構成する光学素子の構成の原理を図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に封止された第２の液体よりも屈折率の低い透明な第１の液体で食塩を溶した水の様な電解液で構成されている。
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。
【００４１】
１１は絶縁体の中に埋め込まれたリング状の第２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２の液体８から第１の液体９に入射するときに屈折率の違いにより界面で屈折し集光するようになっているが、交流電界をかけた（ｂ）の状態では電界液である第１の液体９がシリコンオイル等の第１の液体８をリング状の電極１１の付近で押しのけることにより、両液体の界面がさらに凸状を増大させ、射出光１３の集光性を上げている。すなわち、図１の光学素子が焦点距離の短いレンズと変化している。
【００４２】
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焦点調節あるいは倍率変更を行う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）の様により短い焦点距離となる。これは電極１０、１１にかける電圧に関係するから任意の焦点距離を設定できる。
【００４３】
本実施例では、以上の光学素子を用い、焦点調節や倍率変更を行い、例えば図１０に示されるようにレンズ１０１を構成し、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。
【００４４】
図２（ｂ）（ｃ）に、本発明の実施例１における光学素子の構成を示す。前記図１に示した原理図及び図２（ａ）に再示したものよりも、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。
【００４５】
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。）。
【００４６】
上記したユニットの厚みｄに着目すると前記ψが０に近づくような構成にすれば本実施例のユニットの厚みｄ´はさらに小さく（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大きなＲ状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。
【００４７】
以上の様な構成で前述の図８に示した増幅器１３４、１３５からの通電により、図２（ｃ）の様に２液の界面が変形し、図中入射からの光を屈折させて射出側に通過させる焦点調節装置の役割を果たす。この時の凸状の大きさ、すなわちレンズの焦点距離又はレンズパワーは、前述の増幅器１３４、１３５からの電圧に略比例することは既に前例で述べた。
【００４８】
［実施例２］
図４は、本発明の実施例２の可変焦点レンズの構成を示すものであり、実施例１の基本構成を用いて形成された可変焦点レンズを、レンズ素子の中に内蔵させたものである。
図４（ａ）には非通電状態で可変焦点レンズを透過する光に２液の界面があまり影響を生じさせない状態、図４（ｂ）は前記図４（ａ）から前述のごとく電界をかけて２液の界面を変化させ、図４のレンズの焦点距離を変化させた状態を示す。
【００４９】
図４（ｂ）の状態では  前述の例と同じ電圧をかけない（ａ）の状態に比べ屈折率の高い第２液体８と屈折率の低い第１液体９との界面のＲが小さくなっており、図のレンズ全体としての焦点距離がより短く、すなわちパワーが強く変化していて、焦点調節機能を果たしている。
【００５０】
本実施例においては、前述した実施例１に比べ可変焦点構造を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。
【００５１】
【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レンズ系の焦点調節あるいは変倍を制御することができる可変焦点レンズを提供することができると共に、さらに、該可変焦点レンズにより小型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原理を示す図である。
【図２】本発明の実施例１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２における可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図５】電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用いて、可変焦点レンズ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、可変焦点レンズ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の光学素子又は本実施例のレンズに電圧を印加した際における給電手段の出力電圧と光学素子の変形との関係を説明する図である。
【図８】上記原理構成の光学素子及び本発明の実施例における可変焦点レンズに好適な駆動回路を示した図である。
【図９】上記原理構成の光学素子及び本発明の実施例における可変焦点レンズに対する駆動電圧を示した図である。
【図１０】上記原理構成の光学素子及び本発明の実施例における可変焦点レンズを光学装置に応用した時のシステム図である。
【図１１】上記光学装置に応用した時のフローチャート図である。
【図１２】上記光学装置に応用した時のフローチャート図である。
【図１３】本発明の可変焦点レンズの温度補正の動作を示す図である。
【図１４】上記図１３における温度補正した際のマイコン内のテーブルを示す図である。
【符号の説明】
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・・・光学素子
１０２・・・透明基板
１０３・・・透明電極
１０４・・・絶縁層
１０５・・・容器
１０６・・・上カバー
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・・・ＣＰＵ
１３１・・・給電手段
１３２・・・電源
１３４、１３５・・・増幅器
１４０・・・撮影光学系
１４１・・・第１レンズ群
１４２・・・第２レンズ群
１４３・・・絞りユニット
１４４・・・撮像手段
１４５・・・画像信号処理回路
１４６・・・温度センサー
１４７・・・タイマ
１５０・・・光学装置
１５１・・・表示器
１５２・・・メインスイッチ
１５３・・・ズームスイッチ
１５４・・・操作スイッチ群
１５５・・・焦点検出手段
１５６・・・フォーカス駆動手段
１５７・・・メモリ手段
【図１】
0004532651.tif 000002
【図２】
0004532651.tif 000003
【図３】
0004532651.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004532651.tif 000007
【図７】
0004532651.tif 000008
【図８】
0004532651.tif 000009
【図９】
0004532651.tif 000010
【図１０】
0004532651.tif 000011
【図１１】
0004532651.tif 000012
【図１２】
0004532651.tif 000013
【図１３】
0004532651.tif 000014
【図１４】
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