(57)【要約】【課題】  第１の液体と第２の液体との界面における反射率を小さくして、効率のよい液体レンズを提供する。【解決手段】  液体レンズ（１２０）は、第１の液体（１）と、第２の液体（２）と、第１の層（１３）とを含む。第２の液体は、第１の液体とは異なる屈折率を有する。第１の層は、第１の液体の屈折率と第２の液体の屈折率との間の屈折率を有し、第１の液体と第２の液体との間に備えられる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の液体と、
前記第１の液体とは異なる屈折率を有する第２の液体と、
前記第１の液体の屈折率と前記第２の液体の屈折率との間の屈折率を有し、前記第１の液体と前記第２の液体との間に備えられる第１の層とを含むことを特徴とする液体レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載された液体レンズであって、
前記第１の層は、前記第１の液体および前記第２の液体から分離して備えられていることを特徴とする液体レンズ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された液体レンズであって、
前記第１の層は、流動性を有することを特徴とする液体レンズ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された液体レンズであって、
前記第１の層は、粘性体、液体、高分子膜および高分子粒のいずれか１つを含むことを特徴とする液体レンズ。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された液体レンズであって、
前記第１の液体、前記第２の液体および前記第１の層は、入射光の光軸に沿って配置されていることを特徴とする液体レンズ。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された液体レンズであって、
前記第１の層は、入射光束に対する反射防止膜としての役割を有することを特徴とする液体レンズ。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された液体レンズであって、
入射光の波長をλとし、前記第１の層の屈折率をｎとしたとき、
前記第１の層の厚さは、λ／（４ｎ）であることを特徴とする液体レンズ。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された液体レンズであって、
前記第１の層は、前記第１の液体および前記第２の液体の少なくとも一方と親和性を有することを特徴とする液体レンズ。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された液体レンズを用いたことを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体レンズと、この液体レンズを用いた光学機器とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、屈折率の異なる二種類の液体を容器内に充填して液体レンズを構成するとともに、電圧の印加で液体の界面形状を変化させることで可変焦点レンズとして用いる光学系が提案されている。なお、上記の光学系の一例が特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特表２００１−５１９５３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の液体レンズでは、第１の液体の屈折率と第２の液体の屈折率との差を大きくして液体レンズ全体の屈折率を上げようとすると、第１の液体と第２の液体との界面において入射光束に対する反射率が大きくなる点で改善の余地があった。
本発明は、第１の液体と第２の液体との界面における反射率を小さくした液体レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の発明の液体レンズは、第１の液体と、第２の液体と、第１の層とを含む。第２の液体は、第１の液体とは異なる屈折率を有する。第１の層は、第１の液体の屈折率と第２の液体の屈折率との間の屈折率を有し、第１の液体と第２の液体との間に備えられる。
第２の発明は、第１の発明において、第１の層は、第１の液体および第２の液体から分離して備えられている。
【０００５】
第３の発明は、第１または第２の発明において、第１の層が流動性を有する。
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、第１の層は、粘性体、液体、高分子膜および高分子粒のいずれか１つを含む。
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、第１の液体、第２の液体および第１の層は、入射光の光軸に沿って配置されている。
【０００６】
第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、第１の層は、入射光束に対する反射防止膜としての役割を有する。
第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、入射光の波長をλとし、第１の層の屈折率をｎとしたとき、第１の層の厚さはλ／（４ｎ）である。
第８の発明は、第１から第７のいずれかの発明において、第１の層は、第１の液体および第２の液体の少なくとも一方と親和性を有する。
【０００７】
第９の発明の光学機器は、第１から第８のいずれかの発明の液体レンズを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１の液体と第２の液体との界面での反射率を小さくした高機能の液体レンズを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付の図面を用いて、本発明の一実施形態について説明する。
（液体レンズの説明）
図１から図３は、本実施形態の液体レンズの動作を示す説明図である。なお、図１は液体レンズの光軸方向と水平に切断した状態を示している。
図１に示す液体レンズ１２０は、導電性液体１と、誘電性液体２と、容器５と、絶縁層６と、上部電極７ａ，８ａと、下部電極７ｂ，８ｂと、第３物質層１３とを有している。
【００１０】
容器５は、円筒状の内部空間を有する容器本体と、容器本体の開口を塞ぐ蓋体とで構成されている。この容器５の材質は、絶縁性を有する透光性樹脂などで構成されている。そして、液体レンズ１２０の組立状態では、容器５に液体レンズを構成する各部品が収納される。便宜上、図１では容器５を一体化した一部品として示す。なお、容器５の内側側面には撥水加工が施されている。
【００１１】
容器５の内部には、いずれも透光性を有する導電性液体１および誘電性液体２が充填されている。導電性液体１および誘電性液体２の間には、透光性を有する第３物質層１３が形成されている。第３物質層１３は、導電性液体１および誘電性液体２から分離して容器５内に備えられている。すなわち、容器５内において導電性液体１および誘電性液体２は第３物質層１３で隔てられており、各々の液体が混じり合うことはない。なお、第３物質層１３は、入射光束に対する反射防止膜の役割も果たす。
【００１２】
また、導電性液体１、誘電性液体２および第３物質層１３は、液体レンズ１２０に対する入射光の光軸に沿って配置されている。具体的には、図１では液体レンズ１２０の光軸方向入射側（図１の上側）から順に、誘電性液体２、第３物質層１３、導電性液体１がそれぞれ層をなすように配置されている。なお、容器５の内側側面の撥水加工によって、導電性液体１の図中上側の界面は、誘電性液体２および第３物質層１３に対して中央部が張り出した凸球面をなしている。
【００１３】
ここで、導電性液体１には例えば無機塩の水溶液が使用される。また、誘電性液体２には例えばフッ素系オイルが使用される。そして、導電性液体１および誘電性液体２は各々が異なる屈折率を有し、導電性液体１は誘電性液体２よりも屈折率が大きくなるように設定されている。
第３物質層１３は流動性のある物質で構成されており、導電性液体１と誘電性液体２との界面形状の変形を許容する。例えば、第３物質層１３は、粘性体、液体、高分子膜、高分子粒のいずれか１つを含んでいる。また、第３物質層１３の屈折率は、導電性液体１の屈折率と誘電性液体２の屈折率との間の値となるように設定される。なお、第３物質層１３の厚さは、入射光の波長をλとし、第３物質層１３の屈折率をｎとするときに、λ／（４ｎ）の値に設定することが特に好ましい。
【００１４】
また、図１において、第３物質層１３の下面は導電性液体１との親和性を有している。同様に、第３物質層１３の上面は誘電性液体２との親和性を有している。ここで、親和性とは、ある物質が他の物質と容易に結合する性質を意味する。もっとも、実際には、第３物質層１３が導電性液体１および誘電性液体２の両方に親和性を有する必要はない。例えば、第３物質層１３が導電性液体１または誘電性液体２の一方に対して親和性を有していれば足りる。
【００１５】
図１において、上部電極７ａおよび下部電極７ｂと、上部電極８ａおよび下部電極８ｂとは、各々１対の電極を構成する。そして、上記の１対の電極間には直流電圧が印加される。また、下部電極７ｂ，８ｂの容器内面側はそれぞれ絶縁層６で被覆されている。なお、図１はいずれの電極にも電圧が印加されていない状態を示している。
図２は、上部電極８ａと下部電極８ｂとの間に直流電圧を印加したときの状態を示す図である。上部電極８ａと下部電極８ｂとに直流電圧が印加されると、電界によって導電性液体１と誘電性液体２との表面張力が変化し、導電性液体１が電極８ａ，８ｂの方に引かれて変位した状態となる。これにより、導電性液体１と誘電性液体２との界面の形状が変化して、液体レンズ１２０の光学特性が変化する。
【００１６】
また、本実施形態の液体レンズ１２０では、レンズの円周方向に４対の電極を配置している。これにより、液体レンズ１２０における界面の変位を、光軸に対して垂直な面内の２方向に制御可能としている。図３は、液体レンズ１２０を光軸方向から見た図である。容器５の円周上には、円弧状の４対の電極７，８，９，１０が配置されている。そして、電極７または電極８への電圧印加により、紙面左右方向（Ｘ方向）に液体レンズ１２０を制御できる。同様に、電極９または電極１０への電圧印加により、紙面上下方向（Ｙ方向）に液体レンズ１２０を制御できる。
【００１７】
ここで、図３に示す各電極（７〜１０）は、各々が上部電極および下部電極を有している。電極９，１０の構成は、図１および図２に示した電極７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの構成とほぼ共通するので、個別の図示と重複説明は省略する。また、液体レンズ１２０の屈折率を高精度に制御する必要がある場合には、電極の分割数をさらに増やせばよい。なお、液体レンズ１２０を有効に駆動するためには、少なくとも３対の電極が必要となる。
【００１８】
以上の構成によれば、簡素な機構で光学特性を変化できるとともに、小型化が容易な液体レンズ１２０を提供できる。特に本実施形態では、第３物質層１３によって入射光束の界面での反射が防止されるので、入射光束の利用効率を高めた高性能の液体レンズ１２０が実現できる。
なお、本実施形態では、容器５内に電極（７〜１０）を設ける例を説明したが、導電性液体１に対して電圧を直接印加する構成としてもよい。
【００１９】
（本実施形態の具体例）
次に、本実施形態の具体例について説明する。ここで、導電性液体１の屈折率をｎｂ、誘電性液体２の屈折率をｎａ、第３物質層１３の屈折率をｎｃ、第３物質層の膜厚をｄとする。なお、本実施形態での屈折率の値は、ｎａ＜ｎｃ＜ｎｂの関係を有する。この場合、界面に対して垂直に入射する光の反射率Ｒｃは、次式で表される。
【００２０】
Ｒｃ＝（（ｎａ×ｎｂ−ｎｃ2）／（ｎａ×ｎｂ＋ｎｃ2））2
第３物質層１３の上面と下面との反射強度が等しいため、反射光が無い状態においては、Ｒｃ＝０である。そのため、振幅条件は次式で表される。
ｎｃ＝（ｎａ×ｎｂ）1/2
また、第３物質層１３の上下二つの境界面での反射光の位相差をλ／２にする必要がある。そのため、位相条件は次式で表される。
【００２１】
ｎｃ×ｄ＝λ／４
したがって、上記の振幅条件と位相条件を満たせば、波長λに対して反射率Ｒｃが０となる。一般に、液体レンズの界面での反射はある特定の波長λにおいて特に大きくなる。したがって、当該波長λについて、上記の振幅条件と位相条件とを満たすように液体レンズを設計すれば、液体レンズの界面に垂直に入射する光の反射率を大幅に低減できる。
【００２２】
（比較例）
上記した具体例に対する比較例として、第３物質層１３を設けていない液体レンズの界面における反射率Ｒの一例を示す。
導電性液体（屈折率大）の屈折率を１．８、誘電性液体（屈折率小）の屈折率を１．３とする。この場合、液体レンズの界面に垂直に入射する光の反射率Ｒは、次式で示すことができる。
【００２３】
Ｒ＝（（１．８−１．３）／（１．８＋１．３））2
上記の式において、反射率Ｒはパーセントで表現すると約２．６％であり、上記具体例の反射率Ｒｃよりも大きな値となってしまう。したがって、本実施形態によれば、液体レンズの界面における光の反射率を大幅に低減できることが分かる。
（液体レンズの光学機器への応用例１）
図４は、本実施形態の液体レンズ１２０をカメラシステムに適用した場合を示す模式図である。同図の例では、上述の液体レンズ１２０が、一眼レフ型のカメラシステムのレンズシフト系のブレ補正装置に適用されている。
【００２４】
図４のカメラシステムは、交換レンズ２００とカメラボディ２１０とを有している。そして、交換レンズ２００内に上記のブレ補正装置が搭載されている。
交換レンズ２００は、角速度センサ１５と、増幅部２０と、Ａ／Ｄ変換部３０と、基礎値演算部４０と、減算器５０と、目標駆動値演算部６０と、駆動量データテーブル７０と、撮影倍率情報計算部９０と、撮影距離情報計算部１００と、ブレ補正レンズ光学情報計算部１１０と、ＲＯＭ１１５と、ドライバ８０と、像ブレ補正用の液体レンズ１２０とを有している。
【００２５】
また、基礎値演算部４０、減算器５０、目標駆動値演算部６０、駆動量データテーブル７０、撮影倍率情報計算部９０、撮影距離情報計算部１００、ブレ補正レンズ光学情報計算部１１０、ＲＯＭ１１５は、図示するようにマイコン１５０によって構成されている。なお、ＲＯＭ１１５は、マイコン１５０の制御方法（制御手順）を記憶している。
角速度センサ１５は、カメラシステムに加えられた振動を角速度として検出して、検出された角速度に応じた角速度検出信号を出力する。角速度センサ１５としては、通常、コリオリ力を検出する圧電振動式角速度センサが用いられる。
【００２６】
増幅部２０は、角速度センサ１５から出力される角速度検出信号を増幅する。角速度センサ１０の出力は小さいため、Ａ／Ｄ変換部３０でデジタル化してマイコン内で処理しようとしても、角速度検出信号の分解能が低すぎる（すなわち、１ビットあたりの角速度検出信号が大きすぎる）。そのため、このままでは正確な振動検出を行うことができず、像ブレ補正の精度を上げることができない。そこで、増幅部２０は、角速度検出信号をＡ／Ｄ変換部３０に入力する前に増幅する。これにより、マイコン１５０内での角速度検出信号の分解能を上げる（１ビットあたりの角速度検出信号を小さくする）ことができ、ブレ補正精度を上げることが可能になる。また、増幅部２０は、角速度検出信号を増幅するだけではなく、角速度センサ１５の出力に含まれる高周波ノイズを低減させるため、ローパスフィルタ等を備えてもよい。増幅した角速度検出信号は、Ａ／Ｄ変換部３０へ送信される。
【００２７】
Ａ／Ｄ変換部３０は、増幅部２０から送られてきたアナログの角速度信号をデジタル信号に変換する。角速度検出信号をデジタル信号に変換することで、マイコン１５０内での演算処理が可能となる。なお、このＡ／Ｄ変換部３０は、図４に示すようにマイコン１５０と別に設けてもよいし、マイコン１５０にＡ／Ｄ変換部が内蔵されている場合には、そのＡ／Ｄ変換部を利用してもよい。なお、角速度検出信号は、Ａ／Ｄ変換部３０においてアナログ信号からデジタル信号に変換された後、基準値演算部４０と減算器５０とに入力される。
【００２８】
基準値演算部４０は、角速度検出信号に基づいて、振れが存在しないときの角速度検出信号の基準値を演算する。すなわち、基準値演算部４０は、振れがゼロのときの角速度検出信号を基準値として減算器５０に出力する。
基準値演算部４０における基準値の演算方法の一例として、次の（数１）に示す移動平均がある。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
この他、一般的なローパスフィルタを利用して基準値を算出してもよい。例えば、増幅部２０とＡ／Ｄ変換部３０との間にローパスフィルタを設けてもよい。
減算器５０は、Ａ／Ｄ変換部３０から出力される角速度検出信号から前記基準値を減算して角速度で表される振れ検出信号を求め、求めた振れ検出信号を目標駆動値演算部６０へ出力する。
【００３１】
目標駆動値演算部６０は、角速度で表される振れ検出信号を時間積分することにより振れ角度情報に変換する。その後、目標駆動値演算部６０は、振れ角度情報と、撮影倍率情報計算部９０で演算される撮影倍率情報βと、撮影距離情報計算部１００で演算されるレンズの焦点距離情報Ｒと、ブレ補正レンズ光学情報計算部１１０で演算されるブレ補正レンズ光学情報（ブレ補正係数Ｋ）とを利用して、液体レンズ１２０を駆動するための目標駆動値情報を演算する。
【００３２】
すなわち、撮影倍率情報計算部９０は、撮影倍率情報光学系の焦点距離や焦点調節用レンズの位置などから撮影倍率情報βを算出する。算出された撮影倍率情報βは目標駆動値演算部６０に入力される。
撮影距離情報計算部１００は、撮影距離情報光学系の焦点距離や焦点調節用レンズの位置などから撮影距離情報Ｒを算出する。撮影距離情報Ｒは目標駆動値演算部６０に入力される。
【００３３】
ブレ補正レンズ光学情報計算部１１０は、ブレ補正レンズに関する光学情報を目標駆動値演算部６０に入力する。ここでの光学情報は、前記したようにブレ補正係数Ｋである。ブレ補正係数Ｋの定義は、ブレ補正係数＝レンズ移動量に対する像移動量である。
目標駆動値情報の演算式の例を次の（数２）に示す。
【００３４】
【数２】
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【００３５】
（数２）は、レンズ目標駆動値θとＡ／Ｄ変換部３０から出力される角速度検出信号との偏差を求め（減算器５０の働き）、それをもとにして液体レンズ１２０を駆動するための駆動信号を演算するものである。駆動信号の演算は、偏差に比例する項、偏差の積分に比例する項、偏差の微分に比例する項を足しあわせる形で駆動信号を演算するＰＩＤ制御が一般的である。しかし、ＰＩＤ制御に限らず、他の方法を用いてもよい。
【００３６】
目標駆動値演算部６０から出力される駆動信号は、駆動量データテーブル７０に入力される。駆動量データテーブル７０は、液体レンズ１２０の光軸シフト量、及び光軸方向のずれ量を勘案して、目標駆動値演算部６０から出力される駆動信号（デジタル信号）を液体レンズ１２０の駆動電圧に換算して、ドライバ８０に出力する。
ドライバ８０は、駆動量データテーブル７０から出力される駆動電圧を受けて、上部電極７ａ，下部電極７ｂ，上部電極８ａ，下部電極８ｂに各々印加する電圧に変換して出力する。
【００３７】
液体レンズ１２０は、図４に示すように撮影部の結像光学系に内蔵されている。この液体レンズ１２０は、上記の例と同様に、導電性液体１と誘電性液体２の界面に位置する第３物質層１３が、入射光の反射を防止する。また、液体レンズ１２０は、上記の例と同様に４対の電極を備えている。しかし、後述の図６，図７の説明では、便宜上、２対の電極での液体レンズの制御のみを説明し、他の２対の電極での液体レンズの制御については重複説明を省略する。
【００３８】
カメラボディ２１０は、交換レンズ２００を着脱可能に構成されている。このカメラボディ２１０の内部には、クイックリターンミラー３００、増幅型の撮像素子（ＣＣＤ，ＣＭＯＳ等）４００、光学式ファインダ５００などを含む画像撮影に必要な部品群が備えられている。
写真等の像ブレは、手ぶれ等のカメラに加えられる振動により、露光中に撮像面上の像が動いてしまうことにより発生する。しかし、図４に示すようなブレ補正装置付きカメラにおいては、角速度センサ１５などの振動検出センサが内蔵されている。これらの振動検出センサは、カメラシステムに加えられた振動を検出する。そして、カメラシステムに加えられた振動が検出されれば、撮像面の像の動きを知ることができるので、結像面上の像の動きが止まるように液体レンズ１２０を動作させ、結像面上の像の動き、すなわち像ブレを補正することができる。このとき、液体レンズ１２０の第３物質層１３が入射光の反射を防止するので、高性能なブレ補正装置を実現することができる。
【００３９】
以上の実施形態では、角速度センサ１５を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、角速度センサ１５の代わりに、例えば加速度センサを用いてもよい。
なお、マイコン１５０は、以上に説明した演算部、変換部、制御プログラム等の各種情報を記憶する不揮発性メモリ等を全て含んでいる。また、上記の説明ではレンズ交換式のカメラシステムの例を説明したが、レンズとカメラとが一体化されたカメラシステムであっても勿論かまわない。
【００４０】
（液体レンズの光学機器への応用例２）
図５は、カメラ機能を備えた携帯電話のレンズ系Ｌに液体レンズ１２０を適用した例を示す図である。すなわち、液体レンズ１２０を携帯電話のレンズ系Ｌに適用することで、光学的なブレ補正を行うことのできるカメラ機能を備えた携帯電話を提供できる。なお、図５に示す携帯電話において、液体レンズ１２０によるブレ補正の実現に必要となる各機構は、上記の図４の構成とほぼ共通するので重複説明を省略する。
【００４１】
（液体レンズによる像ブレ補正の説明）
以下、液体レンズ１２０を制御して、像ブレを補正する具体例について説明する。
図６は、本実施形態におけるブレ補正装置の光学系を示す図である。図６において、図１と共通する構成には同一符号を付して重複説明を省略する。この図６での光学系は、光軸に対してシフトしない光学系群２１，２２と、光軸に対してシフトする液体レンズ１２０とから構成されている。この図６では、各光学系群の光軸がほぼ同軸上にある状態を示している。図６において、無限遠に対する像面は符号３１で示す。
【００４２】
図７は、図６のブレ補正装置に対して、液体レンズ１２０の上部電極７ａと下部電極７ｂとの間、上部電極８ａと下部電極８ｂとの間に、図４に示すドライバ８０から出力された電圧を印加した状態を示している。この場合には、導電性液体１と誘電性液体２の界面形状を変化させることで、像面３３の位置を図６に示す像面３１とほぼ同一の位置（ピントが合った状態）にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態の液体レンズを示す説明図
【図２】本実施形態の液体レンズを示す説明図
【図３】本実施形態の液体レンズを示す説明図
【図４】ブレ補正装置を備えたカメラの基本構成を表すブロック図
【図５】カメラ機能付携帯電話の一例を示す説明図
【図６】液体レンズによる像ブレの補正を説明する図
【図７】液体レンズによる像ブレの補正を説明する図
【符号の説明】
【００４４】
１…導電性液体、２…誘電性液体、５…容器、６…絶縁層、７ａ，７ｂ…上部電極、８ａ，８ｂ…下部電極、１３…第３物質層、１５…角速度センサ、２０…増幅部、３０…Ａ／Ｄ変換部、４０…基礎値演算部、５０…減算器、６０…目標駆動値演算部、７０…駆動量データテーブル、８０…ドライバ、９０…撮影倍率情報計算部、１００…撮影距離情報計算部、１１０…ブレ補正レンズ光学情報計算部、１１５…ＲＯＭ、１２０…液体レンズ、２００…交換レンズ、２１０…カメラボディ、Ｌ…レンズ系（携帯電話）
【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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