JP2012108428A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】重力方向や温度等に変化が生じた場合でも安定した光学特性を得ることが可能な光学素子を提供する。
【解決手段】この光学素子１は、互いに屈折率が異なる複数の液体５、６により形成される境界面７の形状を変化させることによって屈折力を変化させることができる液体レンズ２と、光透過面における屈折率分布を変化させることが可能な補助ユニット３と、重力方向と温度との少なくとも一方が変化したときの液体レンズ２の光学特性の変化を補正するように、液体レンズ２と補助ユニット３とを制御する制御手段２０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を用いた屈折力可変素子を含む光学素子に関する。

従来、エレクトロウェッティング現象を用いて液体の境界面の形状を制御することにより屈折力を変化させることができる屈折力可変素子（可変焦点素子、以下、単に「液体レンズ」と表記する）が知られている。しかしながら、この液体レンズでは、重力の影響を受けて境界面の形状が変形し、光学特性が劣化する可能性がある。そこで、この重力の影響を抑える技術として、特許文献１は、境界面を形成する２つの液体の比重を一致させて両者の比重差をなくすことで、重力による境界面の歪みを抑える光走査装置を開示している。また、特許文献２は、通常、一方が電解液である２つの液体の境界面の形状を変化させるための電極が１つであるのに対して、この電極を複数に分割し、各々の電極に印加する電圧を異ならせることで、重力により歪んだ境界面を補正する可変光学系を開示している。更に、特許文献３は、コリメータレンズとして液体レンズを採用し、更に、そのユニット内に、重力による境界面の形状の歪みで発生するコマ収差を補正するための補正レンズを設置する光走査装置を開示している。

特表２００８−５０３０１６号公報 特表２００８−５３０５８７号公報 特開２００９−３０５３号公報

しかしながら、特許文献１に示す光走査装置のように、２つの液体の比重を一致させると、両者の屈折率の差が小さくなり、レンズとしての機能が低下しやすい。また、液体レンズでは、異なる２つの液体が混ざり合わないことが前提であるが、比重を一致させると混ざりやすくなる。更に、例えば、常温状態で２つの液体の比重を一致させても、環境が変化して低温状態又は高温状態になると次第に両者の比重が異なってくるため、結果的に重力の影響を受ける。

また、特許文献２に示す可変光学系では、複数の電極を配置しなければならないため、機構上複雑化してしまう。更に、実際に電極を複数設置して、歪んだ境界面に非回転対称（屈折力成分）の補正を実施することで、球面形状は、ある程度戻るものの、完全な形状に戻すことは困難であり、また、非球面の補正も困難である。

更に、特許文献３に示す光走査装置における補正レンズは、鉛直方向の重力の影響を補正する機能だけを有する。したがって、この補正レンズは、コリメータレンズユニットが傾いたりすれば、重力方向と補正レンズの鉛直方向とが一致しなくなるため、コマ収差の補正ができなくなり、結果的に光走査装置の光学特性が悪化する。更に、上述のように、環境が変化して低温状態又は高温状態になると次第に２つの液体の比重が異なってくるため、鉛直方向での境界面の形状の歪みも変化する。しかしながら、補正レンズの非回転対称の非球面形状は、温度の影響を受けないため、この場合も、結果的に光走査装置の光学特性が悪化する。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、重力方向や温度等の条件に変化が生じた場合でも安定した光学特性を得ることが可能な光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光学素子は、互いに屈折率が異なる複数の液体により形成される境界面の形状を変化させることによって屈折力を変化させることができる液体レンズと、光透過面における屈折率分布を変化させることが可能な補助ユニットと、重力方向と温度との少なくとも一方が変化したときの液体レンズの光学特性の変化を補正するように、液体レンズと補助ユニットとを制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

更に、本発明の光学素子は、互いに屈折率が異なる複数の液体により形成される境界面の形状を変化させることによって屈折力を変化させることができる液体レンズと、光透過面における屈折率分布を変化させることが可能な補助ユニットと、液体レンズの個体差を補正するように、液体レンズと補助ユニットとを制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、重力方向や温度等に変化が生じた場合でも安定した光学特性を得ることが可能な光学素子を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光学素子の構成を示す概略図である。 第１実施形態の光学素子における補正の流れを示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る光学素子の構成を示す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る光学素子の構成を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る光学素子について説明する。図１は、本実施形態に係る光学素子１の構成と、光学素子１の周辺構成とを示す概略図である。まず、本実施形態の光学素子１は、光入射側から順に、液体レンズ（屈折力可変素子）２と、該液体レンズ２の透過面に隣接する屈折型光学素子３とを備える。

液体レンズ２は、屈折率の異なる２種類の液体を使用し、該２種類の液体で形成される境界面の形状をエレクトロウェッティング駆動（ＥＷ駆動）にて制御するものである。図１に示すように、液体レンズ２は、略円筒形の筐体４を有し、該筐体４の内部に、光入射側から順に、第１液体５と第２液体６との２種類の液体を光軸方向に２層配置する。第１液体５及び第２液体６としては、両液体５、６で形成される境界面７において、互いに混ざり合わず、異なる屈折率を有する物質を採用する。例えば、第１液体５として、水を中心とした電解液（屈折率：１．４）を採用し、第２液体６として、シリコンオイル等の非電解液（屈折率：１．６）を採用する。また、液体レンズ２は、それぞれ筐体４の内周部に円環状に構成され、第１液体５及び第２液体６と接する絶縁膜８と、該絶縁膜８の外周部に位置する電極９とを備え、更に、電極９と電解液からなる第１液体５との間に電圧を印加する電源１０を備える。この場合、電極９は、電源１０からの印加電圧により境界面７との接触角を制御することで、境界面７の形状（曲率半径）を変化させる。更に、液体レンズ２は、光入射側と光出射側との両端に、それぞれ第１液体５及び第２液体６を内部に封止する第１保護板１１及び第２保護板１２を備える。この各保護板１１、１２は、石英ガラス等の透過部材で形成される。

屈折型光学素子３は、上記第２保護板１２を共有し、液体レンズ２の筐体４と同等の筐体１３の内部に、屈折率が可変の物質１４を備え、更に、該物質１４を内部に封止する、第２保護板１２と同等の第３保護板１５を備えた補助ユニットである。この場合、物質１４としては、例えば、液晶が採用可能であるが、屈折率が変化するものであれば、特に限定しない。この屈折型光学素子３は、光学有効面内で、微小なセル毎にマトリックス電気駆動が可能であり、外部からの印加電圧をセル毎に変化させることで、この特定の部位（セル：光透過面）の屈折率分布を変化させることができる。

更に、光学素子１は、液体レンズ２のＥＷ駆動、及び屈折型光学素子３のマトリックス電気駆動を制御する制御手段として制御部２０を備え、更に、検知手段として温度センサー２１と重力方向検知センサー２２とを備える。制御部２０は、温度センサー２１が取得する温度情報（温度）、重力方向検知センサー２２が検知する重力方向、及び電源１０が印加する電圧情報（信号）に基づいて、予めテーブル２３を作成し、各駆動制御の際に参照する。更に、制御部２０は、テーブル２３における不適切な光学特性を示すデータから、回転対称の屈折力成分、非回転対称の屈折力成分、非回転対称の非球面成分、及び回転対称の非球面成分のそれぞれを抽出する情報抽出部２４を備える。なお、この情報抽出部２４は、制御部２０とは異なる制御装置に設置してもよい。

次に、光学素子１の作用について説明する。本実施形態では、光学素子１は、環境変化により液体レンズ２の境界面７に形状変化が発生し、光学特性が悪化した場合、液体レンズ２と屈折型光学素子３との両者で分担して、光学特性を示す各種数値を正常値に補正する。ここで、「環境変化」とは、液体レンズ２の外部環境の温度の変化、及び重力方向の変化を示す。また、本実施形態の光学素子１は、この環境変化の他にも、例えば、液体レンズ２の個体差（駆動電圧値）の影響にも対応可能である。更に、光学特性を示す各種数値とは、例えば、コマ収差等の収差量である。

まず、外部環境の温度変化は、第１液体５と第２液体６との比重差に影響し、かつ、重力方向とは関係しない液体レンズ２全体の影響によるピント移動（回転対称の屈折力成分）や、収差等の光学特性（回転対称の非球面成分）等に影響する。そこで、本実施形態では、制御部２０は、予め回転対称の屈折力成分や回転対称の非球面成分の不適切な光学特性を示すデータを各温度での補正用データとして取得し、テーブル２３に記憶させ、適宜参照する。

また、重力方向の変化は、上述の第１液体５と第２液体６との比重差、及び温度変化により、境界面７の異なる形状変化として影響する。そこで、本実施形態では、制御部２０は、重力方向、及び温度の計測データからテーブル２３内の各温度での補正用データを参照し、境界面７の補正量と、重力方向に合わせた屈折型光学素子３の補正量とを出力して情報抽出部２４に送信する。

更に、液体レンズ２の固体差の影響は、以下の通りである。通常、液体レンズでは、絶縁膜（本実施形態の絶縁膜８に対応）の膜厚が均一であれば、境界面内のどのアジムス（Ａｚｉｍｕｔｈ：方位）方向でも曲率半径が同一であり、境界面は、完全な球面形状となる。したがって、この場合、印加電圧を変化させても、境界面の球面形状は、完全な別の曲率半径の球面形状に変化するだけである。しかしながら、絶縁膜の膜厚にバラツキがあると、電圧を印加させたときに境界面内のアジムス方向で接触角度θが異なってしまい、境界面は、アジムス方向により曲率半径が異なる非回転対称の形状となり、結果的に、歪みが発生する。一般的に、絶縁膜の膜厚は、ほぼ均一であるため、これにより境界面が歪んで光学特性に影響することは少ないが、特殊な絶縁膜を使用した液体レンズでは、膜厚のバラツキが発生する可能性が高い。そこで、本実施形態では、制御部２０は、予め個々の液体レンズにおける膜厚のバラツキによる不適切な光学特性を示すデータを補正用データとして駆動電圧毎に取得し、テーブル２３に記憶させ、適宜参照する。

次に、光学素子１における光学特性の補正の流れについて説明する。図２は、本実施形態の光学素子１における光学特性の補正の流れを示すフローチャートである。まず、制御部２０は、常温状態（２３℃程度）で、かつ、光学素子１の鉛直方向と重力方向とを一致させた状態で、液体レンズ２においてＥＷ駆動を実行する。この際、制御部２０は、光学素子１の光学特性を示すデータを以下の工程の基準データとして、電源１０が印加する電圧情報に関連付けて取得する（ステップＳ１０１）。なお、この基準データが、予め計測されていれば、又は、特に収差が発生していない等、各種数値が正常値であると見なされる場合には、この工程は不要である。次に、制御部２０は、光学素子１の使用状態で、液体レンズ２においてＥＷ駆動を実行する。この際、制御部２０は、光学素子１の光学特性を示す性能データを、温度センサー２１が取得する外部環境の温度情報と、重力方向検知センサー２２が検知する重力方向情報と、更にＥＷ駆動時の電圧情報とを関連付けながら取得する（ステップＳ１０２）。次に、制御部２０は、ステップＳ１０２にて取得した性能データ、及び各情報（計測データ）を含むテーブル２３を作成し、記憶する（ステップＳ１０３）。次に、制御部２０は、ステップＳ１０１で取得した基準データと、テーブル２３とを比較することで、基準データと差異のある不適切な光学特性を示すデータを選択する（ステップＳ１０４）。ここで、「不適切な光学特性を示すデータ」とは、例えば、収差が大きく発生する時の収差量、及びこの収差量発生時の電源１０が印加する電圧値等が相当する。更に、この不適切な光学特性を示すデータを選択する際には、制御部２０は、上述した環境変化による補正用データも参照する。次に、制御部２０内の情報抽出部２４は、ステップＳ１０４にて選択された不適切な光学特性を示すデータから、回転対称境界面である境界面７の球面曲率で補正可能な成分、即ち、回転対称の屈折力成分のみの補正量を抽出する（ステップＳ１０５）。ここで、抽出する回転対称の屈折力成分の補正量は、波面収差量として１０λ以上のものが望ましく、更に好適には３０λ以上のものが望ましい。次に、情報抽出部２４は、ステップＳ１０４にて選択された不適切な光学特性を示すデータから、回転対称の屈折力成分以外の成分、即ち、非回転対称の屈折力成分、非回転対称の非球面成分、及び回転対称の非球面成分の各補正量を抽出する（ステップＳ１０６）。そして、情報抽出部２４は、液体レンズ２のＥＷ駆動の際、ステップＳ１０５で抽出した回転対称の屈折力成分の補正量を送信し、電源１０の印加電圧を適宜変更しつつ制御することで、光学特性の補正を実行する（ステップＳ１０７）。同時に、情報抽出部２４は、ステップＳ１０６で抽出した各成分の補正量を屈折型光学素子３に送信し、マトリックス駆動を制御することで、光学特性の補正を実行する（ステップＳ１０８）。

以上のように、本実施形態の光学素子１によれば、重力方向や温度等の変化により光学特性が悪化した場合でも、これらの変化に対応して液体レンズ２と屈折型光学素子３との分担により補正し、安定した光学特性を得ることができる。また、本実施形態では、光入射側に対して液体レンズ２の後方に屈折型光学素子３を配置している。したがって、例えば、光学素子１を撮像光学系に用いる場合、屈折型光学素子３が撮像素子側となるため、この撮像素子が受光する光は、良好に光学特性が補正されたものとなり効率が良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る光学素子について説明する。図３は、本実施形態に係る光学素子３０の構成と、光学素子３０の周辺構成とを示す概略図である。この光学素子３０では、液体レンズ２と屈折型光学素子３との各構成は、第１実施形態の光学素子１と同一である。その上で、光学素子３０の特徴は、第１実施形態の制御部２０が有するテーブル２３を、回転対称の屈折力成分補正用の第１テーブル２３ａと、その他の成分補正用の第２テーブル２３ｂとに分割する点にある。

上述の通り、液体レンズ２では、外部環境の温度変化がピント移動及び収差等の光学特性に影響し、一方、重力方向の変化が境界面７の歪みに影響する。ここで、もし、外部環境の温度変化が無視できるものであれば、重力の影響による境界面７の歪みは、非回転対称成分（屈折力成分と非球面成分）のみで補正可能である。そこで、この場合、制御部２０は、回転対称の屈折力成分を除く第２テーブル２３ｂのみを参照し、屈折型光学素子３による補正を実行すればよい。但し、屈折型光学素子３において、本実施形態のように屈折率を可変とする物質として液晶を採用した場合の波面収差量（補正量）は、一般に数十λ程度である。したがって、液体レンズ２に採用する２つの液体の比重差が大きく、境界面７での非回転対称成分が大きくなる場合には、屈折型光学素子３での所望の補正量が、補正可能な最大補正量を超える場合も考えられる。この場合、制御部２０は、境界面７の回転対称の屈折力成分の補正と、屈折型光学素子３による補正とを組み合わせた割り振り補正を実行すればよい。

一方、外部環境の温度変化の影響は、ピント移動（回転対称の屈折力成分）に対するものが主となり、収差等の光学特性（回転対称の非球面成分）に対するものは無視できる場合がある。そこで、この場合、制御部２０は、第１テーブル２３ａのみを参照し、境界面７による回転対称の屈折力成分の補正を実行すればよい。但し、光学素子３０に対して高い光学特性が要求されるときは、回転対称の非球面成分の補正も必要となる場合もある。この場合、制御部２０は、同時に第２テーブル２３ｂを参照し、屈折型光学素子３による補正と組み合わせた割り振り補正を実行すればよい。

このように、本実施形態の光学素子３０によれば、第１実施形態のように、制御部２０内に情報抽出部を必要としないため、第１実施形態の構成及び作用を簡略化しつつ、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る光学素子について説明する。図４は、本実施形態に係る光学素子４０の構成と、光学素子４０の周辺構成とを示す概略図である。この光学素子４０の特徴は、第１実施形態の光学素子１の構成における液体レンズ２と屈折型光学素子３との配置位置を、光入射側に対して逆にする点にある。なお、その他の構成は、第１実施形態の光学素子１と同様である。ここで、屈折型光学素子３では、屈折率を可変とする物質として液晶を採用しているが、液晶は、一般に視野角度特性が良好ではなく、入射角度によってはコントラストが落ちる場合がある。そこで、光学素子４０では、屈折型光学素子３を液体レンズ２の前に配置することにより、液体レンズ２で屈折力が変化して光線の入射角度が変化することに起因して発生する可能性のあるコントラストの変化を回避できる。なお、本実施形態では、第１実施形態にて説明した液体レンズ２における絶縁膜８の膜厚のバラツキによる光学特性の劣化が小さいので、この場合、個体差のデータをテーブル２３から除外しても構わない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、液体レンズ２に隣接する補助ユニットとして、液晶を用いた屈折型光学素子３を採用したが、本発明は、これに限定するものではない。この補助ユニットは、屈折率を適宜変更可能なものであれば、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。したがって、例えば、屈折型光学素子３に換えて、誘電体の結晶に電場をかけて屈折率を変化させる電気光学効果、特に、電場の強さに比例して屈折率を変化させるポッケルス効果を利用した補助ユニットを採用することも可能である。この場合、誘電体の結晶としては、比較的大きな電気光学定数を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶を採用することが望ましい。

また、上記実施形態では、液体レンズ２は、屈折率の異なる２つの液体を使用し、ＥＷ駆動により境界面７の形状を制御するものとして説明したが、本発明は、これに限定するものではない。この液体レンズ２は、少なくとも２つ（複数）の液体が存在すればよく、例えば、３つの液体を使用し、これに伴い、境界面が２つ存在するものとしてもよい。また、境界面７の駆動は、ＥＷ駆動ではなく、例えば、境界面を透明膜で形成し、該透明膜を機械的に駆動するものとしてもよい。

１ 光学素子
２ 液体レンズ
３ 屈折型光学素子
５ 第１液体
６ 第２液体
７ 境界面
２０ 制御部

Claims (14)

1. 互いに屈折率が異なる複数の液体により形成される境界面の形状を変化させることによって屈折力を変化させることができる液体レンズと、
   光透過面における屈折率分布を変化させることが可能な補助ユニットと、
   重力方向と温度との少なくとも一方が変化したときの前記液体レンズの光学特性の変化を補正するように、前記液体レンズと前記補助ユニットとを制御する制御手段と、を有することを特徴とする光学素子。
2. 前記制御手段は、前記液体レンズの個体差を補正するように、前記液体レンズと前記補助ユニットとを制御することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記重力方向、又は前記温度を計測する検知手段を備え、
   前記制御手段は、予め基準となる光学特性を示す基準データを取得し、
   次に、使用状態で前記境界面の形状を変化させることで、この場合の光学特性を示す性能データを、前記検知手段が取得した計測データと、前記境界面を駆動する信号とに関連付けて取得し、
   次に、前記基準データ、及び前記性能データを含むテーブルを作成し、
   次に、前記テーブルを参照して、前記基準データと前記性能データとを比較することにより、前記性能データにおける前記基準データと差異のある補正用データを選択し、
   次に、前記補正用データから、回転対称の屈折力成分の補正量と、前記回転対称の屈折力成分以外の成分の補正量を抽出し、
   そして、前記補正量に基づいて、前記液体レンズ、又は前記補助ユニットを駆動して補正する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記回転対称の屈折力成分以外の成分には、非回転対称の屈折力成分、非回転対称の非球面成分、又は回転対称の非球面成分のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 前記液体レンズは、前記回転対称の屈折力成分を補正することを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
6. 前記補助ユニットは、前記非回転対称の屈折力成分、前記非回転対称の非球面成分、又は前記回転対称の非球面成分のうちの少なくとも１つを補正することを特徴とする請求項３又は４に記載の光学素子。
7. 前記制御手段は、前記補正用データから、回転対称の屈折力成分の補正量と、前記回転対称の屈折力成分以外の成分の補正量を抽出する情報抽出部を備え、
   前記情報抽出部は、前記回転対称の屈折力成分の補正量を前記液体レンズに送信し、
   一方、前記回転対称の屈折力成分以外の成分の補正量を前記補助ユニットに送信することを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記テーブルは、前記回転対称の屈折力成分の補正量を含む第１テーブルと、前記回転対称の屈折力成分以外の成分の補正量を含む第２テーブルとから構成され、
   前記制御手段は、前記第１テーブルの補正量を前記液体レンズに送信し、
   一方、前記第２テーブルの補正量を前記補助ユニットに送信することを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の光学素子。
9. 前記検知手段は、前記重力方向の変化を計測する重力方向検知センサー、又は前記温度を計測する温度センサーであり、
   前記計測データは、前記重力方向検知センサーが取得した重力方向情報、又は前記温度センサーが取得した温度情報であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
10. 前記制御手段、又は前記情報抽出部は、前記回転対称の屈折力成分の補正量を抽出する際に前記温度情報を参照し、
    一方、前記回転対称の屈折力成分以外の成分の補正量を抽出する際に前記重力方向情報を参照することを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載の光学素子。
11. 前記基準データは、常温状態、かつ、前記重力方向が前記光学素子の鉛直方向と一致する状態で前記境界面の形状を変化させ、前記境界面を駆動する信号に関連付けて取得することを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
12. 前記液体レンズは、エレクトロウェッティング駆動により前記境界面の形状を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
13. 前記補助ユニットは、前記屈折力を可変とする物質として液晶を用いた屈折型光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
14. 互いに屈折率が異なる複数の液体により形成される境界面の形状を変化させることによって屈折力を変化させることができる液体レンズと、
    光透過面における屈折率分布を変化させることが可能な補助ユニットと、
    前記液体レンズの個体差を補正するように、前記液体レンズと前記補助ユニットとを制御する制御手段と、を有することを特徴とする光学素子。

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