JP4521920B2 - 光学素子の静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学素子の静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学装置に関し、例えば静電容量を測定することでコンデンサ構造を有しかつ電圧印加により静電容量が可変である素子、例えば電気毛管現象（エレクトロウエッティング）を利用した可変焦点レンズの変形量に対応した静電容量を検出する光学素子の静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スチルカメラ、ビデオカメラ等の光学装置に組込まれている光学系の内、焦点距離を変えられるものにおいて、そのほとんどが光学系を構成するレンズ（もしくはレンズ群）の一部を機械的に光軸方向に移動させる事により、光学系全体の焦点距離を変更している。その中で変更後の焦点距離の検出方法が種々提案されている。
例えば特開平０５−１５０１５１号公報に示されるように、固定鏡筒と可動筒それぞれに、対向且つ非接触に電極を設けて可変コンデンサを形成すると、固定鏡筒と可動筒（すなわち可動レンズ）が相対移動することによって上記コンデンサの静電容量が変化することに着目し、この静電容量の変化によってレンズの位置を検出することで移動後の焦点距離を検出するものが知られている。
【０００３】
また、特開平１１−１３３２１０号公報では、第１電極と導電性弾性板との間に電位差を与えることにより、クーロン力による吸引力を発生させて両者の間隔を狭め、その結果、両者の間隔から排斥された透明液体の体積をもって、透明弾性板の中央部分を透明液体に背向して凸に突出して変形させることが可能となる。すると、凸状に変形した透明弾性板と透明板と両者の間を満たしている透明液体とで凸レンズが形成されるので、この凸レンズのパワーを上記電位差を調整することによって、可変焦点レンズを構成している。
その可変焦点レンズの制御手段である、第１電極と導電性弾性板の上に別途静電容量検出電極を設け、それらの電極間の静電容量を検出することで、焦点距離を測定している。また、検出した静電容量に基づいて、可変焦点レンズを駆動する印加電圧を制御している。
【０００４】
一方、電気毛管現象（エレクトロウエッティング）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、第１の液体と第２の液体との界面が形成する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可変焦点にする事が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の技術は、つぎのような点に問題を有している。例えば、上記した特開平０５−１５０１５１号公報に記載のものでは、焦点距離すなわち静電容量を形成するために固定鏡筒と可動筒それぞれに、電極を設ける必要があるためそのスペースが必要となり小型化が困難であり、また製造コストの増大を招くという欠点がある。
また、特開平１１−１３３２１０号公報では、静電容量を検出するために、光学素子の駆動電極である第１電極と導電性弾性板の上に、別途、静電容量検出電極を設ける。それにより、可変コンデンサを形成し、第１電極と導電性弾性板の距離が変化することに着目してその時々の静電容量を検出している。この構成では第１電極と導電性弾性板の距離はわずかであるため静電容量の変化量を検出することは困難である。
また、上記したＷＯ９９／１８４５６では、光学パワーを可変にする技術が開示されているが、静電容量に基づいて焦点距離を検出する記述はなく、また光学装置に組み込んだときの駆動シーケンス等に関して何も開示されていない。
【０００６】
そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、電気毛管現象を利用した光学素子の可変焦点の変化に対応した静電容量を、静電容量検出電極を設けることなく、簡単な構成で精度良く検出することができ、その検出結果に基づいて光学装置の諸動作を精度良く制御することができる静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学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）〜（７）のように構成した光学素子の静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学装置を提供するものである。
（１）導電性または有極性の第１の液体及び該第１の液体と互いに混合することのない第２の液体を、それらの界面が所定の形状をなした状態で容器内に密閉し、該容器に設けられた第１電極と第２電極間への電圧印加による界面形状の変化によって光学的特性が変化する光学素子と、
前記界面形状を変化させるために前記電極に所定の電圧を印加する給電手段、前記印加電圧を制御する制御手段、および前記第１電極と第２電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段を有し、
前記静電容量検出手段によって前記光学素子の界面形状変化に対応した静電容量を検出することを特徴とする光学素子の静電容量検出装置。
（２）導電性または有極性の第１の液体及び該第１の液体と互いに混合することのない第２の液体を、それらの界面が所定の形状をなした状態で容器内に密閉し、該容器に設けられた第１電極と第２電極間への電圧印加による界面形状の変化によって光学的特性が変化する光学素子と、前記界面の形状を変化させるために前記電極に所定の電圧を印加する給電手段と、印加する前記電圧を制御する制御手段と、前記第１電極及び第２電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段とを有することを特徴とする光学装置。
（３）前記静電容量検出手段で検出した静電容量に基づいて焦点距離を制御することを特徴とする上記（２）に記載の光学装置。
（４）前記静電容量検出手段で検出した静電容量を表示手段に表示することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
（５）前記静電容量検出手段で検出した静電容量に基づいて該静電容量の検出値が許容範囲内か否かを判断し、前記光学素子に印加する電圧を制御することを特徴とする上記（２）に記載の光学装置。
（６）撮影光学系と撮像記録手段とを有し、前記静電容量検出手段で検出した静電容量に基づいて、該静電容量の検出値が許容範囲内か否かを判断し、撮像記録動作を制御することを特徴とする上記（２）に記載の光学装置。
（７）前記第１の液体及び第２の液体は、屈折率が実質的に異なり、それらの界面が前記電圧の無印加時に大きなＲ状をなした状態で、前記容器内に密閉されていることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の光学装置。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、上記した構成を適用して、光学素子の第１電極と第２電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段によって、前記光学素子の界面形状変化に対応した静電容量を検出するようにすることで、駆動電極と静電容量検出電極を一体化することが可能となり、静電容量検出電極を別に設けることなく、簡単な構成で精度良く静電容量を検出することができる。
また、上記した光学素子の静電容量検出装置を光学装置に組み込み、該静電容量検出装置により検出された静電容量に基づいて、該光学装置における所定の動作を行うように構成することで、光学素子に不具合が発生した場合にその補正を容易に行うことが可能となる。
また、上記所定の動作として、焦点距離の制御を行うように構成することができ、あるいは光学装置が有する光学系に関する情報の表示器に、前記検出された静電容量の検出結果の表示をするように構成することで、故障の検知等を容易に行うことが可能となる。
また、静電容量検出値が光学的許容範囲内か否かを判断する手段を構成し、前記光学素子への印加電圧を制御することで、所望の光学特性を得るようにすることができ、あるいは静電容量の検出値が範囲外における撮影を禁止し、余分な記録を防止するようにできる。
【０００９】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらによって、何ら限定されるものではない。
［実施例１］
図１ないし図８は、本発明の実施例１に関わる図であり、図１および図２は本実施例の光学素子の構成を示す断面図である。
図１および図２を用いて本実施例の光学素子の構成と作成方法を説明する。
１０１は本発明の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。
【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のシリコー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、更に所定量の食塩等の電解質が加えられた、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ーンオイルと、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】
また、上記構成において、光学素子１０１は、第１の液体１２１が一方の電極、透明電極１０３がもう一方の電極となったコンデンサ構造を有している。ここで撥水膜１１１と親水膜１１２は厚さがきわめて薄いためその存在を無視し、第１の液体１２１が絶縁層１０４と接する部分の面積をＳ１とし、絶縁層１０４の厚さをｄとすると、光学素子１０１は極板面積Ｓ１、電極間ギャップｄのコンデンサであり、界面形状１２４の変形に伴って、面積Ｓ１が変化するとコンデンサ容量も変化する。
【００１４】
ここで、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２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に増加し、面積はＳ１からＳ２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】
また、第１及び第２の液体が異なっ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１２４の形状変化によって可変焦点レンズとなる。
さらに、光学素子１０１はエネルギー的にはコンデンサーと等価であり、その静電容量は第１の液体１２１が絶縁層１０４と接触する面積に比例する。従って、光学素子１０１は界面１２４の形状変化によって静電容量が変化し、印加電圧が高いほど静電容量は大きくなる。
次に、図３および図５を用いて本実施例において用いられる給電手段の構成と作成方法について説明する。
【００１６】
１３０は後述する光学装置１５０の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。
１３２は光学装置１５０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は後述する静電容量検出手段１６１のＬＣ直立共振回路１６２を介して光学素子１０１の第２の電極である透明電極１０３に、増幅器１３５は光学素子１０１の第１の電極である棒状電極１２５にそれぞれ接続している。
【００１７】
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。
図５は増幅器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５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５（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５（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５（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。
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。
【００１８】
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５（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５（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。
【００１９】
次に図３を用いて、本実施例の静電容量検出手段の構成と検出方法について説明する。この実施形態においては、未知の静電容量をもった光学素子１０１の第１の電極である棒状電極１２５に、出力インピーダンスＺ0をもった給電手段１３１より所定の周波数ｆ0の交流駆動電圧Ｅ0を印加することにより、光学素子１０１の第２の電極である透明電極１０３から流出した電流ｉ0はインピーダンスＺｓをもったＬＣ直列共振回路１６２に流入することになり、ＬＣ直列共振回路１６２の中点に検出電圧Ｅｓが生じる。この検出電圧Ｅｓは、電流ｉ0に比例したものとなる。
そして、ＬＣ直列共振回路１６２の中点の検出電圧Ｅｓを増幅器１６３でＡ倍に増幅し、増幅器１６３の検出電圧Ａ×ＥｓをＡＣ／ＤＣ変換手段１６４にて直流電圧に変換して、ＣＰＵ１３０に供給する。
またここでは静電容量の検出手段として直列共振回路を用いたが、静電容量検出装置として知られているＬＣＲメーターに用いられている並列ブリッジ等を用いても良い。
【００２０】
図４は、駆動電圧Ｅ0とＬＣ直列共振回路１６２の中点に生じる検出電圧Ｅｓの関係を表したものである。静電容量は、Ｃ１＜Ｃ２である。また図４（ｄ）のＣ＝０とは、図３の回路において短絡したときの駆動電圧と検出電圧の関係を示すグラフである。
光学素子１０１はコンデンサ構造を有した素子であり、その静電容量は印加電圧に対して可変であり、印加電圧が高いほど静電容量も大きくなる。
給電手段１３１より駆動電圧Ｅ0１が印加されると、光学素子１０１の界面形状１２４が変化し、その静電容量がＣ１となるので検出電圧はＥｓ１となる。
次に、駆動電圧がＥ0１より大きなＥ0２を印加すると、光学素子１０１の界面形状１２４がさらに変化することで、光学素子１０１静電容量はＣ２となるため検出電圧はＥｓ２となる。
そこで、光学素子１０１についての駆動電圧Ｅ0と検出電圧Ｅｓの関係は図４（ａ）のような曲線になる。
【００２１】
図６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。
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。
【００２２】
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。
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。
【００２３】
１４６はＣＰＵ１３０の内部に設けられたルックアップテーブルで、撮影光学系１４０の焦点距離ｆと給電手段１３１の駆動電圧Ｅ0と静電検出手段の検出電圧Ｅｓの対応表であり、それを読み出すことで光学素子１０１に印加する電圧を制御する。
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。
【００２４】
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。
【００２５】
図７および図８は、図６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６〜図８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、撮影者による撮影条件の設定を受付ける。例えば、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）や画質モード（記録画素数の大小、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。
【００２６】
ステップＳ１０３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Ｓ１０４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。ステップＳ１２１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撮影光学系１４０の焦点距離の変更指示値を演算し、変更後の焦点距離ｆを演算する（Ｓ１２２）。演算終了後、次のステップＳ１２３の「印加電圧制御」のサブルーチンへと進む。
【００２７】
ステップＳ１４１では、上記ステップＳ１２２で演算した焦点距離ｆを得るための駆動電圧Ｅ0を演算し印加する。具体的には、ＣＰＵ１３０内のＲＯＭには各焦点距離ｆに対応する駆動電圧Ｅ0および検出電圧Ｅｓの関係がルックアップテーブル１４６として記憶されているので、該テーブル１４６を参照し、給電手段１３１により、所定の駆動電圧Ｅ0を光学素子１０１に印加する。静電容量検出手段１６１によりその時の検出電圧ＥSRを検出し（Ｓ１４２）、ＥSRの値がＣＰＵ１３０内のルックアップテーブル１４６で読み出したＥｓと等しいか否かの判断をする（Ｓ１４３）。ここで両者が一致していれば、ステップＳ１０２へ戻り、不一致であればステップＳ１５１以降へ移行する。なお光学装置の性質によっては、ステップＳ１４３は実際の検出電圧ＥSRとルックアップテーブル１４６上の値が全く一致だけではなくある程度の範囲を持たせても良い。
ステップＳ１５１では、検出電圧ＥSRの値が所定範囲内か否かを判断し、範囲内であればステップＳ１５２へ移行する。範囲外であれば光学素子１０１が故障していると判断し、ステップＳ１６１へ移行し、表示器１５１に故障であることを表示し（Ｓ１６１）、撮影動作を中止する（Ｓ１６２）。なお光学装置の性質によっては、ステップＳ１５１の範囲がもう少し広くても狭くても良い。
【００２８】
一方、ステップＳ１５２では、表示器１５１に警告を表示し、補正電圧Ｖを（１）式より演算し（Ｓ１５３）、その演算結果によって補正電圧Ｖを給電手段１３１より光学素子１０１に印加する（Ｓ１５４）。
【００２９】
そして、ステップＳ１４２へ戻る。つまり検出電圧値ＥSRがＲＯＭのルックアップテーブル１４７より呼び出した電圧Ｅｓと一致するまでステップＳ１４２からＳ１５４を繰り返す。
そして両者が一致するとステップＳ１０２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Ｓ１０２からステップＳ１２３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Ｓ１０４へと移行する。
【００３０】
ステップＳ１０４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７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Ｓ１０２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Ｓ１１１へ移行する。
【００３１】
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る。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。
【００３２】
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１５５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１５６により、第１レンズ群１４１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。
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。
【００３３】
ステップＳ１３１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Ｓ１３４では、上記ステップＳ１３３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Ｓ１３５にて一旦プレビュー画像を消去した後に、ステップＳ１３３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（Ｓ１３６）、一連の撮影動作が終了する。
【００３４】
上記実施例１によれば、コンデンサ構造を有する光学素子において、光学素子の駆動電極を利用してその静電容量を検出する事ができる。また静電容量変化が距離変化ではなく面積変化に対応しているので、静電容量を精度良く検出することが出来る。
また、コンデンサ構造を有する光学素子を組み込んだ光学装置において、光学素子の静電容量を検出することで、所望の焦点距離を得るために光学素子への印加電圧を制御することができる。また光学装置の故障を検知することが出来る、という効果がある。
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。
【００３５】
［実施例２］
図９ないし図１３は本発明の実施例２に関わる図であり、図９及び図１０は本実施例の光学素子及び給電手段に係わる説明図である。
図９は本実施例の光学素子の構成を示す断面と、これを駆動する給電手段の構成を示す図である。図９を用いて光学素子の構成を説明する。
８０１は本実施例の光学素子全体を示し、８０２は円盤形の透明アクリルあるいはガラス製の第１の封止板である。８０３は電極リングで、外径寸法は均一、内径寸法は下方向に向かって徐々に直径が大きくなる金属製のリング状部材である。該電極リング８０３の内面全周にはアクリル樹脂等でできた絶縁層８０４が密着形成される。該絶縁層８０４の内径寸法は均一なため、厚さは下に向かって徐々に増加する。そして該絶縁層８０４の内面全周の下側には撥水処理剤が塗布され、撥水膜８１１が形成されるとともに、絶縁層８０４の内面全周の上側には親水処理剤が塗布され、親水膜８１２が形成される。
【００３６】
８０６は円盤形の透明アクリルあるいはガラス製の第２の封止板で、その一部には孔があけられ、ここに棒状電極８２５が挿入され、接着剤で封止される。８０７は、光学素子８０１に入射する光束の径を制限する絞り板で、第２の封止板８０６の上面に固設される。そして第１の封止板８０２、金属リング８０３及び第２の封止板８０６は互いに接着固定され、これらの部材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。この筐体は、前記棒状電極８２５挿入部以外は光軸８２３に対して回転対称形状をなしている。そして該液室には、以下に示す２種類の液体が充填される。
【００３７】
まず液室の底面側には、第２の液体８２２が、その液柱の高さが前記撥水膜８１１形成部と同一の高さになる分量だけ滴下される。第２の液体８２２は無色透明で、比重１．０６、室温での屈折率１．３８のシリコーンオイルが用いられる。続いて液室内の残りの空間には、第１の液体８２１が充填される。第１の液体８２１は、水とエチルアルコールが所定比率で混合され、更に所定量の食塩等の電解質が加えられた、比重１．０６、室温での屈折率１．３８の電解液である。更に第１の液体８２１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８２４を形成し、混じりあわずに各々が独立して存在する。そしてこの界面８２４の形状は、液室内壁、第１の液体及び第２の液体の３物質が交わる点、すなわち界面８２４の外縁部に働く３つの界面張力の釣り合いで決まる。本実施例においては、液室内壁に対する第１及び第２の液体の接触角がいずれも９０度になるよう、前記撥水膜８１１及び親水膜８１２の材料が選定される。
【００３８】
１３１は図１に記載された給電手段１３１と同一の構成及び作用をなす部材であるため、詳しい説明は省略する。給電手段１３１の増幅器１３４は金属リング８０３に接続され、増幅器１３５は棒状電極８２５に接続される。この構成において、第１の液体８２１には棒状電極８２５を介して電圧が印加され、電気毛管現象（エレクトロウエッティング効果）によって界面８２４が変形する。
【００３９】
次に光学素子８０１の前記界面８２４の変形と、該変形によってもたらされる光学作用について、図１０を用いて説明する。まず、第１の液体８２１に電圧が印加されていない場合、界面８２４の形状は上述したように平坦となる（図１０（ａ））。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８０７の開口から光束を入射させると、第１の液体の光路長に応じた分だけ光線が吸収され、第１の封止板８０２から射出する光束の強度は一様に低下する。
【００４０】
一方、第１の液体に電圧を印加すると、界面８２４の形状は電気毛管現象（エレクトロウエッティング効果）で球面となる（図１０（ｂ））。そこで、絞り板８０７の開口から入射した光束は、第１の液体の光路長変化に応じた割合で吸収率も変化し、第１の封止板８０２から射出する光束の強度は、中央から周辺に向かって漸減し、その平均強度は同図（ａ）の場合よりも高い。すなわち給電手段１３１の電圧制御によって界面８２４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の液体の屈折率が等しく、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ため、入射光束の光量を調節する絞り手段や、入射光束を透過・遮断する光シャッタに用いることができる。
【００４１】
なお、電気毛管現象（エレクトロウエッティング）による２液界面の変形原理は国際特許ＷＯ９９／１８４５６に記載されており、本実施例の界面８２４は、同特許の図６に記載された２液界面のポジションＡ及びＢに相当する。また、２液界面の変形による入射光束の透過光量調節原理とその効果は、本出願人による特願平１１−１６９６５７号に記載されている。
【００４２】
図１１は、光学素子８０１を光学装置に応用したものである。当実施例では、実施例１と同様に、１６１は光学素子８０１の静電容量を検出する静電容量検出手段であり、光学装置１５０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。なお、実施例１と同様なものについては、その詳細な説明は省略する。
４３０は複数のレンズ群からなる撮影光学系で、第１レンズ群４３１、第２レンズ群４３２、第３レンズ群４３３で構成される。第１レンズ群４３１の光軸方向の進退で、焦点調節がなされる。第２レンズ群４３２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４３３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４３２と第３レンズ群４３３の間に光学素子８０１が配置される。撮影光学系４３０の焦点位置（予定結像面）には、撮像手段１４４が配置される。
【００４３】
次に当実施例における光学素子８０１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８０１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。
【００４４】
図１２および図１３は、図１１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１１、図１２および図１３を用いて光学装置１５０の制御フローを説明する。なお、実施例１と同様な制御フローについてはその詳細な説明を省略する。
ステップＳ２０１では、撮影者によりメインスイッチ１５２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Ｓ２０１に留まる。ステップＳ２０１でメインスイッチ１５２がオン操作されたと判定されたら、ＣＰＵ１３０はスリープ状態から脱してステップＳ２０２以降を実行する。
ステップＳ２０２では、撮影者による撮影条件の設定を受け付ける。
【００４５】
ステップＳ２０３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Ｓ２０２に戻り、撮影条件設定の受付の判別を繰り返す。
ステップＳ２０３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Ｓ２１１へ移行する。
ステップＳ２１１及びステップＳ２１２は実施例１と同様なので、その説明を省略する。
ステップＳ２１３では、前記ステップＳ２１２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Ｓ２１４に進む。
一方ステップＳ２１３において、前記ステップＳ２１２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Ｓ２２１にジャンプする。
【００４６】
ステップＳ２２１では、適正透過率を演算し、演算終了後ステップＳ２２２の「印加電圧制御」のサブルーチンへと進む。
ステップＳ２４１では、上記ステップＳ２２１で演算した適正透過率を得るための駆動電圧Ｅ0を演算し印加する。具体的には、ＣＰＵ１３０内のＲＯＭには各透過率に対応する駆動電圧Ｅ0および検出電圧Ｅｓの関係がルックアップテーブル１４６として記憶されているので、該テーブルを参照し、給電手段１３１により、所定の駆動電圧Ｅ0を光学素子１０１に印加する。
静電容量検出手段１６１によりその時の検出電圧ＥSRを検出し（Ｓ２４２）、ＥSRの値がＣＰＵ内のルックアップテーブル１４６で読み出したＥｓと等しいか否かの判断をする（Ｓ２４３）。
【００４７】
ここで両者が一致していれば、ステップＳ２０２へ戻り、不一致であればステップＳ２５１以降へ移行する。
なお、光学装置の性質によっては、ステップＳ２４３は実際の検出電圧ＥSRとルックアップテーブル１４６上の値が全く一致だけではなくある程度の範囲を持たせても良い。ステップＳ２５１では、検出電圧ＥSRの値が所定範囲内か否かを判断し、範囲内であればステップＳ２５２へ移行する。範囲外であれば光学素子１０１が故障していると判断し、ステップＳ２６１へ移行し、表示器１５１に故障であることを表示し（Ｓ２６１）、撮影動作を中止する（Ｓ２６２）。なお光学装置の性質によっては、ステップＳ１５１の範囲がもう少し広くて狭くても良い。
【００４８】
一方、ステップＳ２５２では、表示器１５１に警告を表示し、補正電圧Ｖを（２）式より演算し（Ｓ２５３）、その演算結果によって補正電圧Ｖを給電手段１３１より光学素子１０１に印加する（Ｓ２５４）。
【００４９】
そしてステップＳ２４２へ戻る。つまり検出電圧値ＥSRがＲＯＭのルックアップテーブル１４６より呼び出した電圧Ｅｓと一致するまでステップＳ２４２からＳ２５４を繰り返す。
ステップＳ２１４からステップＳ２３７までは実施例１及び実施例２と同様なのでその説明を省略する。
【００５０】
以上説明したように、コンデンサ構造を有する光学素子を組み込んだ光学装置において、光学素子の静電容量を検出することで、所望の透過率を得るために光学素子への印加電圧を制御することができる。また光学装置の故障を検知することが出来るという効果がある。
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。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、電気毛管現象（エレクトロウエッティング）を利用した光学素子の可変焦点の変化に対応した静電容量を、静電容量検出電極を設けることなく、光学素子の駆動電極を利用することで簡単な構成とすることができ、
また、静電容量変化が距離変化ではなく面積変化に対応しているので、精度良く検出することができ、その検出結果に基づいて光学装置の諸動作を精度良く制御することができる静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学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の光学素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１の光学素子に電圧を印加した時の動作説明図である。
【図３】本発明の実施例１に関わる静電容量検出手段および給電手段の構成及び光学素子の断面図である。
【図４】本発明の実施例１に関わる駆動電圧と検出電圧の関係図である。
【図５】本発明の実施例１に関わる給電手段の増幅器から出力される電圧波形の説明図である。
【図６】本発明の実施例１に関わる光学素子を組込んだ光学装置の構成図である。
【図７】本発明の実施例１に関わる光学装置の制御フロー図である。
【図８】本発明の実施例１に関わる光学装置の制御フロー図である。
【図９】本発明の実施例２に関わる光学素子の構成を示す断面と、これを駆動する給電手段の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２に関わる光学素子への電圧印加による界面の変形と、該変形による光学作用を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施例２に関わる静電容量検出手段および給電手段および光学素子を組込んだ光学装置の構成図である。
【図１２】本発明の実施例２に関わる光学装置の制御フロー図である。
【図１３】本発明の実施例２に関わる光学装置の制御フロー図である。
【符号の説明】
１０１・・・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・・・第１の液体
１２２・・・第２の液体
１２３・・・光軸
１２４・・・界面
１２５・・・棒状電極
１３０・・・ＣＰＵ
１３１・・・給電手段
１３２・・・直流電源
１３３・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３４、１３５・・・増幅器
１４０、４３０・・・撮影光学系
１４１、 ４３１・・・第１レンズ群
１４２、 ４３２・・・第２レンズ群
４３３・・・第３レンズ群
１４３・・・絞りユニット
１４４・・・撮像手段
１４５・・・画像信号処理手段
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
１６１・・・静電容量検出手段
１６２・・・ＬＣ直列共振回路
１６３・・・増幅器
１６４・・・ＡＣ／ＤＣ変換手段
８０１・・・光学素子
８０２・・・第１の封止板
８０３・・・電極リング
８０４・・・絶縁層
８０６・・・第２の封止板
８１１・・・撥水膜
８１２・・・親水膜
８２１・・・第１の液体
８２２・・・第２の液体
８２４・・・界面
８２５・・・棒状電極
【発明の属する技術分野】
本発明は光学素子の静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学装置に関し、例えば静電容量を測定することでコンデンサ構造を有しかつ電圧印加により静電容量が可変である素子、例えば電気毛管現象（エレクトロウエッティング）を利用した可変焦点レンズの変形量に対応した静電容量を検出する光学素子の静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スチルカメラ、ビデオカメラ等の光学装置に組込まれている光学系の内、焦点距離を変えられるものにおいて、そのほとんどが光学系を構成するレンズ（もしくはレンズ群）の一部を機械的に光軸方向に移動させる事により、光学系全体の焦点距離を変更している。その中で変更後の焦点距離の検出方法が種々提案されている。
例えば特開平０５−１５０１５１号公報に示されるように、固定鏡筒と可動筒それぞれに、対向且つ非接触に電極を設けて可変コンデンサを形成すると、固定鏡筒と可動筒（すなわち可動レンズ）が相対移動することによって上記コンデンサの静電容量が変化することに着目し、この静電容量の変化によってレンズの位置を検出することで移動後の焦点距離を検出するものが知られている。
【０００３】
また、特開平１１−１３３２１０号公報では、第１電極と導電性弾性板との間に電位差を与えることにより、クーロン力による吸引力を発生させて両者の間隔を狭め、その結果、両者の間隔から排斥された透明液体の体積をもって、透明弾性板の中央部分を透明液体に背向して凸に突出して変形させることが可能となる。すると、凸状に変形した透明弾性板と透明板と両者の間を満たしている透明液体とで凸レンズが形成されるので、この凸レンズのパワーを上記電位差を調整することによって、可変焦点レンズを構成している。
その可変焦点レンズの制御手段である、第１電極と導電性弾性板の上に別途静電容量検出電極を設け、それらの電極間の静電容量を検出することで、焦点距離を測定している。また、検出した静電容量に基づいて、可変焦点レンズを駆動する印加電圧を制御している。
【０００４】
一方、電気毛管現象（エレクトロウエッティング）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、第１の液体と第２の液体との界面が形成する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可変焦点にする事が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の技術は、つぎのような点に問題を有している。例えば、上記した特開平０５−１５０１５１号公報に記載のものでは、焦点距離すなわち静電容量を形成するために固定鏡筒と可動筒それぞれに、電極を設ける必要があるためそのスペースが必要となり小型化が困難であり、また製造コストの増大を招くという欠点がある。
また、特開平１１−１３３２１０号公報では、静電容量を検出するために、光学素子の駆動電極である第１電極と導電性弾性板の上に、別途、静電容量検出電極を設ける。それにより、可変コンデンサを形成し、第１電極と導電性弾性板の距離が変化することに着目してその時々の静電容量を検出している。この構成では第１電極と導電性弾性板の距離はわずかであるため静電容量の変化量を検出することは困難である。
また、上記したＷＯ９９／１８４５６では、光学パワーを可変にする技術が開示されているが、静電容量に基づいて焦点距離を検出する記述はなく、また光学装置に組み込んだときの駆動シーケンス等に関して何も開示されていない。
【０００６】
そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、電気毛管現象を利用した光学素子の可変焦点の変化に対応した静電容量を、静電容量検出電極を設けることなく、簡単な構成で精度良く検出することができ、その検出結果に基づいて光学装置の諸動作を精度良く制御することができる静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学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）〜（７）のように構成した光学素子の静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学装置を提供するものである。
（１）導電性または有極性の第１の液体及び該第１の液体と互いに混合することのない第２の液体を、それらの界面が所定の形状をなした状態で容器内に密閉し、該容器に設けられた第１電極と第２電極間への電圧印加による界面形状の変化によって光学的特性が変化する光学素子と、
前記界面形状を変化させるために前記電極に所定の電圧を印加する給電手段、前記印加電圧を制御する制御手段、および前記第１電極と第２電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段を有し、
前記静電容量検出手段によって前記光学素子の界面形状変化に対応した静電容量を検出することを特徴とする光学素子の静電容量検出装置。
（２）導電性または有極性の第１の液体及び該第１の液体と互いに混合することのない第２の液体を、それらの界面が所定の形状をなした状態で容器内に密閉し、該容器に設けられた第１電極と第２電極間への電圧印加による界面形状の変化によって光学的特性が変化する光学素子と、前記界面の形状を変化させるために前記電極に所定の電圧を印加する給電手段と、印加する前記電圧を制御する制御手段と、前記第１電極及び第２電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段とを有することを特徴とする光学装置。
（３）前記静電容量検出手段で検出した静電容量に基づいて焦点距離を制御することを特徴とする上記（２）に記載の光学装置。
（４）前記静電容量検出手段で検出した静電容量を表示手段に表示することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
（５）前記静電容量検出手段で検出した静電容量に基づいて該静電容量の検出値が許容範囲内か否かを判断し、前記光学素子に印加する電圧を制御することを特徴とする上記（２）に記載の光学装置。
（６）撮影光学系と撮像記録手段とを有し、前記静電容量検出手段で検出した静電容量に基づいて、該静電容量の検出値が許容範囲内か否かを判断し、撮像記録動作を制御することを特徴とする上記（２）に記載の光学装置。
（７）前記第１の液体及び第２の液体は、屈折率が実質的に異なり、それらの界面が前記電圧の無印加時に大きなＲ状をなした状態で、前記容器内に密閉されていることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の光学装置。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、上記した構成を適用して、光学素子の第１電極と第２電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段によって、前記光学素子の界面形状変化に対応した静電容量を検出するようにすることで、駆動電極と静電容量検出電極を一体化することが可能となり、静電容量検出電極を別に設けることなく、簡単な構成で精度良く静電容量を検出することができる。
また、上記した光学素子の静電容量検出装置を光学装置に組み込み、該静電容量検出装置により検出された静電容量に基づいて、該光学装置における所定の動作を行うように構成することで、光学素子に不具合が発生した場合にその補正を容易に行うことが可能となる。
また、上記所定の動作として、焦点距離の制御を行うように構成することができ、あるいは光学装置が有する光学系に関する情報の表示器に、前記検出された静電容量の検出結果の表示をするように構成することで、故障の検知等を容易に行うことが可能となる。
また、静電容量検出値が光学的許容範囲内か否かを判断する手段を構成し、前記光学素子への印加電圧を制御することで、所望の光学特性を得るようにすることができ、あるいは静電容量の検出値が範囲外における撮影を禁止し、余分な記録を防止するようにできる。
【０００９】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらによって、何ら限定されるものではない。
［実施例１］
図１ないし図８は、本発明の実施例１に関わる図であり、図１および図２は本実施例の光学素子の構成を示す断面図である。
図１および図２を用いて本実施例の光学素子の構成と作成方法を説明する。
１０１は本発明の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。
【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のシリコー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、更に所定量の食塩等の電解質が加えられた、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ーンオイルと、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】
また、上記構成において、光学素子１０１は、第１の液体１２１が一方の電極、透明電極１０３がもう一方の電極となったコンデンサ構造を有している。ここで撥水膜１１１と親水膜１１２は厚さがきわめて薄いためその存在を無視し、第１の液体１２１が絶縁層１０４と接する部分の面積をＳ１とし、絶縁層１０４の厚さをｄとすると、光学素子１０１は極板面積Ｓ１、電極間ギャップｄのコンデンサであり、界面形状１２４の変形に伴って、面積Ｓ１が変化するとコンデンサ容量も変化する。
【００１４】
ここで、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２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に増加し、面積はＳ１からＳ２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】
また、第１及び第２の液体が異なっ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１２４の形状変化によって可変焦点レンズとなる。
さらに、光学素子１０１はエネルギー的にはコンデンサーと等価であり、その静電容量は第１の液体１２１が絶縁層１０４と接触する面積に比例する。従って、光学素子１０１は界面１２４の形状変化によって静電容量が変化し、印加電圧が高いほど静電容量は大きくなる。
次に、図３および図５を用いて本実施例において用いられる給電手段の構成と作成方法について説明する。
【００１６】
１３０は後述する光学装置１５０の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。
１３２は光学装置１５０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は後述する静電容量検出手段１６１のＬＣ直立共振回路１６２を介して光学素子１０１の第２の電極である透明電極１０３に、増幅器１３５は光学素子１０１の第１の電極である棒状電極１２５にそれぞれ接続している。
【００１７】
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。
図５は増幅器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５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５（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５（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５（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。
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。
【００１８】
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５（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５（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。
【００１９】
次に図３を用いて、本実施例の静電容量検出手段の構成と検出方法について説明する。この実施形態においては、未知の静電容量をもった光学素子１０１の第１の電極である棒状電極１２５に、出力インピーダンスＺ0をもった給電手段１３１より所定の周波数ｆ0の交流駆動電圧Ｅ0を印加することにより、光学素子１０１の第２の電極である透明電極１０３から流出した電流ｉ0はインピーダンスＺｓをもったＬＣ直列共振回路１６２に流入することになり、ＬＣ直列共振回路１６２の中点に検出電圧Ｅｓが生じる。この検出電圧Ｅｓは、電流ｉ0に比例したものとなる。
そして、ＬＣ直列共振回路１６２の中点の検出電圧Ｅｓを増幅器１６３でＡ倍に増幅し、増幅器１６３の検出電圧Ａ×ＥｓをＡＣ／ＤＣ変換手段１６４にて直流電圧に変換して、ＣＰＵ１３０に供給する。
またここでは静電容量の検出手段として直列共振回路を用いたが、静電容量検出装置として知られているＬＣＲメーターに用いられている並列ブリッジ等を用いても良い。
【００２０】
図４は、駆動電圧Ｅ0とＬＣ直列共振回路１６２の中点に生じる検出電圧Ｅｓの関係を表したものである。静電容量は、Ｃ１＜Ｃ２である。また図４（ｄ）のＣ＝０とは、図３の回路において短絡したときの駆動電圧と検出電圧の関係を示すグラフである。
光学素子１０１はコンデンサ構造を有した素子であり、その静電容量は印加電圧に対して可変であり、印加電圧が高いほど静電容量も大きくなる。
給電手段１３１より駆動電圧Ｅ0１が印加されると、光学素子１０１の界面形状１２４が変化し、その静電容量がＣ１となるので検出電圧はＥｓ１となる。
次に、駆動電圧がＥ0１より大きなＥ0２を印加すると、光学素子１０１の界面形状１２４がさらに変化することで、光学素子１０１静電容量はＣ２となるため検出電圧はＥｓ２となる。
そこで、光学素子１０１についての駆動電圧Ｅ0と検出電圧Ｅｓの関係は図４（ａ）のような曲線になる。
【００２１】
図６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。
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。
【００２２】
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。
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。
【００２３】
１４６はＣＰＵ１３０の内部に設けられたルックアップテーブルで、撮影光学系１４０の焦点距離ｆと給電手段１３１の駆動電圧Ｅ0と静電検出手段の検出電圧Ｅｓの対応表であり、それを読み出すことで光学素子１０１に印加する電圧を制御する。
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。
【００２４】
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。
【００２５】
図７および図８は、図６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６〜図８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、撮影者による撮影条件の設定を受付ける。例えば、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）や画質モード（記録画素数の大小、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。
【００２６】
ステップＳ１０３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Ｓ１０４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。ステップＳ１２１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撮影光学系１４０の焦点距離の変更指示値を演算し、変更後の焦点距離ｆを演算する（Ｓ１２２）。演算終了後、次のステップＳ１２３の「印加電圧制御」のサブルーチンへと進む。
【００２７】
ステップＳ１４１では、上記ステップＳ１２２で演算した焦点距離ｆを得るための駆動電圧Ｅ0を演算し印加する。具体的には、ＣＰＵ１３０内のＲＯＭには各焦点距離ｆに対応する駆動電圧Ｅ0および検出電圧Ｅｓの関係がルックアップテーブル１４６として記憶されているので、該テーブル１４６を参照し、給電手段１３１により、所定の駆動電圧Ｅ0を光学素子１０１に印加する。静電容量検出手段１６１によりその時の検出電圧ＥSRを検出し（Ｓ１４２）、ＥSRの値がＣＰＵ１３０内のルックアップテーブル１４６で読み出したＥｓと等しいか否かの判断をする（Ｓ１４３）。ここで両者が一致していれば、ステップＳ１０２へ戻り、不一致であればステップＳ１５１以降へ移行する。なお光学装置の性質によっては、ステップＳ１４３は実際の検出電圧ＥSRとルックアップテーブル１４６上の値が全く一致だけではなくある程度の範囲を持たせても良い。
ステップＳ１５１では、検出電圧ＥSRの値が所定範囲内か否かを判断し、範囲内であればステップＳ１５２へ移行する。範囲外であれば光学素子１０１が故障していると判断し、ステップＳ１６１へ移行し、表示器１５１に故障であることを表示し（Ｓ１６１）、撮影動作を中止する（Ｓ１６２）。なお光学装置の性質によっては、ステップＳ１５１の範囲がもう少し広くても狭くても良い。
【００２８】
一方、ステップＳ１５２では、表示器１５１に警告を表示し、補正電圧Ｖを（１）式より演算し（Ｓ１５３）、その演算結果によって補正電圧Ｖを給電手段１３１より光学素子１０１に印加する（Ｓ１５４）。
そして、ステップＳ１４２へ戻る。つまり検出電圧値ＥSRがＲＯＭのルックアップテーブル１４７より呼び出した電圧Ｅｓと一致するまでステップＳ１４２からＳ１５４を繰り返す。
そして両者が一致するとステップＳ１０２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Ｓ１０２からステップＳ１２３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Ｓ１０４へと移行する。
【００３０】
ステップＳ１０４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７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Ｓ１０２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Ｓ１１１へ移行する。
【００３１】
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る。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。
【００３２】
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１５５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１５６により、第１レンズ群１４１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。
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。
【００３３】
ステップＳ１３１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Ｓ１３４では、上記ステップＳ１３３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Ｓ１３５にて一旦プレビュー画像を消去した後に、ステップＳ１３３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（Ｓ１３６）、一連の撮影動作が終了する。
【００３４】
上記実施例１によれば、コンデンサ構造を有する光学素子において、光学素子の駆動電極を利用してその静電容量を検出する事ができる。また静電容量変化が距離変化ではなく面積変化に対応しているので、静電容量を精度良く検出することが出来る。
また、コンデンサ構造を有する光学素子を組み込んだ光学装置において、光学素子の静電容量を検出することで、所望の焦点距離を得るために光学素子への印加電圧を制御することができる。また光学装置の故障を検知することが出来る、という効果がある。
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。
【００３５】
［実施例２］
図９ないし図１３は本発明の実施例２に関わる図であり、図９及び図１０は本実施例の光学素子及び給電手段に係わる説明図である。
図９は本実施例の光学素子の構成を示す断面と、これを駆動する給電手段の構成を示す図である。図９を用いて光学素子の構成を説明する。
８０１は本実施例の光学素子全体を示し、８０２は円盤形の透明アクリルあるいはガラス製の第１の封止板である。８０３は電極リングで、外径寸法は均一、内径寸法は下方向に向かって徐々に直径が大きくなる金属製のリング状部材である。該電極リング８０３の内面全周にはアクリル樹脂等でできた絶縁層８０４が密着形成される。該絶縁層８０４の内径寸法は均一なため、厚さは下に向かって徐々に増加する。そして該絶縁層８０４の内面全周の下側には撥水処理剤が塗布され、撥水膜８１１が形成されるとともに、絶縁層８０４の内面全周の上側には親水処理剤が塗布され、親水膜８１２が形成される。
【００３６】
８０６は円盤形の透明アクリルあるいはガラス製の第２の封止板で、その一部には孔があけられ、ここに棒状電極８２５が挿入され、接着剤で封止される。８０７は、光学素子８０１に入射する光束の径を制限する絞り板で、第２の封止板８０６の上面に固設される。そして第１の封止板８０２、金属リング８０３及び第２の封止板８０６は互いに接着固定され、これらの部材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。この筐体は、前記棒状電極８２５挿入部以外は光軸８２３に対して回転対称形状をなしている。そして該液室には、以下に示す２種類の液体が充填される。
【００３７】
まず液室の底面側には、第２の液体８２２が、その液柱の高さが前記撥水膜８１１形成部と同一の高さになる分量だけ滴下される。第２の液体８２２は無色透明で、比重１．０６、室温での屈折率１．３８のシリコーンオイルが用いられる。続いて液室内の残りの空間には、第１の液体８２１が充填される。第１の液体８２１は、水とエチルアルコールが所定比率で混合され、更に所定量の食塩等の電解質が加えられた、比重１．０６、室温での屈折率１．３８の電解液である。更に第１の液体８２１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８２４を形成し、混じりあわずに各々が独立して存在する。そしてこの界面８２４の形状は、液室内壁、第１の液体及び第２の液体の３物質が交わる点、すなわち界面８２４の外縁部に働く３つの界面張力の釣り合いで決まる。本実施例においては、液室内壁に対する第１及び第２の液体の接触角がいずれも９０度になるよう、前記撥水膜８１１及び親水膜８１２の材料が選定される。
【００３８】
１３１は図１に記載された給電手段１３１と同一の構成及び作用をなす部材であるため、詳しい説明は省略する。給電手段１３１の増幅器１３４は金属リング８０３に接続され、増幅器１３５は棒状電極８２５に接続される。この構成において、第１の液体８２１には棒状電極８２５を介して電圧が印加され、電気毛管現象（エレクトロウエッティング効果）によって界面８２４が変形する。
【００３９】
次に光学素子８０１の前記界面８２４の変形と、該変形によってもたらされる光学作用について、図１０を用いて説明する。まず、第１の液体８２１に電圧が印加されていない場合、界面８２４の形状は上述したように平坦となる（図１０（ａ））。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８０７の開口から光束を入射させると、第１の液体の光路長に応じた分だけ光線が吸収され、第１の封止板８０２から射出する光束の強度は一様に低下する。
【００４０】
一方、第１の液体に電圧を印加すると、界面８２４の形状は電気毛管現象（エレクトロウエッティング効果）で球面となる（図１０（ｂ））。そこで、絞り板８０７の開口から入射した光束は、第１の液体の光路長変化に応じた割合で吸収率も変化し、第１の封止板８０２から射出する光束の強度は、中央から周辺に向かって漸減し、その平均強度は同図（ａ）の場合よりも高い。すなわち給電手段１３１の電圧制御によって界面８２４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の液体の屈折率が等しく、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ため、入射光束の光量を調節する絞り手段や、入射光束を透過・遮断する光シャッタに用いることができる。
【００４１】
なお、電気毛管現象（エレクトロウエッティング）による２液界面の変形原理は国際特許ＷＯ９９／１８４５６に記載されており、本実施例の界面８２４は、同特許の図６に記載された２液界面のポジションＡ及びＢに相当する。また、２液界面の変形による入射光束の透過光量調節原理とその効果は、本出願人による特願平１１−１６９６５７号に記載されている。
【００４２】
図１１は、光学素子８０１を光学装置に応用したものである。当実施例では、実施例１と同様に、１６１は光学素子８０１の静電容量を検出する静電容量検出手段であり、光学装置１５０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。なお、実施例１と同様なものについては、その詳細な説明は省略する。
４３０は複数のレンズ群からなる撮影光学系で、第１レンズ群４３１、第２レンズ群４３２、第３レンズ群４３３で構成される。第１レンズ群４３１の光軸方向の進退で、焦点調節がなされる。第２レンズ群４３２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４３３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４３２と第３レンズ群４３３の間に光学素子８０１が配置される。撮影光学系４３０の焦点位置（予定結像面）には、撮像手段１４４が配置される。
【００４３】
次に当実施例における光学素子８０１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８０１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。
【００４４】
図１２および図１３は、図１１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１１、図１２および図１３を用いて光学装置１５０の制御フローを説明する。なお、実施例１と同様な制御フローについてはその詳細な説明を省略する。
ステップＳ２０１では、撮影者によりメインスイッチ１５２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Ｓ２０１に留まる。ステップＳ２０１でメインスイッチ１５２がオン操作されたと判定されたら、ＣＰＵ１３０はスリープ状態から脱してステップＳ２０２以降を実行する。
ステップＳ２０２では、撮影者による撮影条件の設定を受け付ける。
【００４５】
ステップＳ２０３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Ｓ２０２に戻り、撮影条件設定の受付の判別を繰り返す。
ステップＳ２０３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Ｓ２１１へ移行する。
ステップＳ２１１及びステップＳ２１２は実施例１と同様なので、その説明を省略する。
ステップＳ２１３では、前記ステップＳ２１２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Ｓ２１４に進む。
一方ステップＳ２１３において、前記ステップＳ２１２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Ｓ２２１にジャンプする。
【００４６】
ステップＳ２２１では、適正透過率を演算し、演算終了後ステップＳ２２２の「印加電圧制御」のサブルーチンへと進む。
ステップＳ２４１では、上記ステップＳ２２１で演算した適正透過率を得るための駆動電圧Ｅ0を演算し印加する。具体的には、ＣＰＵ１３０内のＲＯＭには各透過率に対応する駆動電圧Ｅ0および検出電圧Ｅｓの関係がルックアップテーブル１４６として記憶されているので、該テーブルを参照し、給電手段１３１により、所定の駆動電圧Ｅ0を光学素子１０１に印加する。
静電容量検出手段１６１によりその時の検出電圧ＥSRを検出し（Ｓ２４２）、ＥSRの値がＣＰＵ内のルックアップテーブル１４６で読み出したＥｓと等しいか否かの判断をする（Ｓ２４３）。
【００４７】
ここで両者が一致していれば、ステップＳ２０２へ戻り、不一致であればステップＳ２５１以降へ移行する。
なお、光学装置の性質によっては、ステップＳ２４３は実際の検出電圧ＥSRとルックアップテーブル１４６上の値が全く一致だけではなくある程度の範囲を持たせても良い。ステップＳ２５１では、検出電圧ＥSRの値が所定範囲内か否かを判断し、範囲内であればステップＳ２５２へ移行する。範囲外であれば光学素子１０１が故障していると判断し、ステップＳ２６１へ移行し、表示器１５１に故障であることを表示し（Ｓ２６１）、撮影動作を中止する（Ｓ２６２）。なお光学装置の性質によっては、ステップＳ１５１の範囲がもう少し広くて狭くても良い。
【００４８】
一方、ステップＳ２５２では、表示器１５１に警告を表示し、補正電圧Ｖを（２）式より演算し（Ｓ２５３）、その演算結果によって補正電圧Ｖを給電手段１３１より光学素子１０１に印加する（Ｓ２５４）。
そしてステップＳ２４２へ戻る。つまり検出電圧値ＥSRがＲＯＭのルックアップテーブル１４６より呼び出した電圧Ｅｓと一致するまでステップＳ２４２からＳ２５４を繰り返す。
ステップＳ２１４からステップＳ２３７までは実施例１及び実施例２と同様なのでその説明を省略する。
【００５０】
以上説明したように、コンデンサ構造を有する光学素子を組み込んだ光学装置において、光学素子の静電容量を検出することで、所望の透過率を得るために光学素子への印加電圧を制御することができる。また光学装置の故障を検知することが出来るという効果がある。
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。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、電気毛管現象（エレクトロウエッティング）を利用した光学素子の可変焦点の変化に対応した静電容量を、静電容量検出電極を設けることなく、光学素子の駆動電極を利用することで簡単な構成とすることができ、
また、静電容量変化が距離変化ではなく面積変化に対応しているので、精度良く検出することができ、その検出結果に基づいて光学装置の諸動作を精度良く制御することができる静電容量検出装置、および静電容量検出装置を備えた光学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の光学素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１の光学素子に電圧を印加した時の動作説明図である。
【図３】本発明の実施例１に関わる静電容量検出手段および給電手段の構成及び光学素子の断面図である。
【図４】本発明の実施例１に関わる駆動電圧と検出電圧の関係図である。
【図５】本発明の実施例１に関わる給電手段の増幅器から出力される電圧波形の説明図である。
【図６】本発明の実施例１に関わる光学素子を組込んだ光学装置の構成図である。
【図７】本発明の実施例１に関わる光学装置の制御フロー図である。
【図８】本発明の実施例１に関わる光学装置の制御フロー図である。
【図９】本発明の実施例２に関わる光学素子の構成を示す断面と、これを駆動する給電手段の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２に関わる光学素子への電圧印加による界面の変形と、該変形による光学作用を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施例２に関わる静電容量検出手段および給電手段および光学素子を組込んだ光学装置の構成図である。
【図１２】本発明の実施例２に関わる光学装置の制御フロー図である。
【図１３】本発明の実施例２に関わる光学装置の制御フロー図である。
【符号の説明】
１０１・・・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・・・第１の液体
１２２・・・第２の液体
１２３・・・光軸
１２４・・・界面
１２５・・・棒状電極
１３０・・・ＣＰＵ
１３１・・・給電手段
１３２・・・直流電源
１３３・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３４、１３５・・・増幅器
１４０、４３０・・・撮影光学系
１４１、 ４３１・・・第１レンズ群
１４２、 ４３２・・・第２レンズ群
４３３・・・第３レンズ群
１４３・・・絞りユニット
１４４・・・撮像手段
１４５・・・画像信号処理手段
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
１６１・・・静電容量検出手段
１６２・・・ＬＣ直列共振回路
１６３・・・増幅器
１６４・・・ＡＣ／ＤＣ変換手段
８０１・・・光学素子
８０２・・・第１の封止板
８０３・・・電極リング
８０４・・・絶縁層
８０６・・・第２の封止板
８１１・・・撥水膜
８１２・・・親水膜
８２１・・・第１の液体
８２２・・・第２の液体
８２４・・・界面
８２５・・・棒状電極
Claims (7)
- 導電性または有極性の第１の液体及び該第１の液体と互いに混合することのない第２の液体を、それらの界面が所定の形状をなした状態で容器内に密閉し、該容器に設けられた第１電極と第２電極間への電圧印加による界面形状の変化によって光学的特性が変化する光学素子と、
前記界面形状を変化させるために前記電極に所定の電圧を印加する給電手段、前記印加電圧を制御する制御手段、および前記第１電極と第２電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段を有し、
前記静電容量検出手段によって前記光学素子の界面形状変化に対応した静電容量を検出することを特徴とする光学素子の静電容量検出装置。 - 導電性または有極性の第１の液体及び該第１の液体と互いに混合することのない第２の液体を、それらの界面が所定の形状をなした状態で容器内に密閉し、該容器に設けられた第１電極と第２電極間への電圧印加による界面形状の変化によって光学的特性が変化する光学素子と、前記界面の形状を変化させるために前記電極に所定の電圧を印加する給電手段と、印加する前記電圧を制御する制御手段と、前記第１電極及び第２電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段とを有することを特徴とする光学装置。
- 前記静電容量検出手段で検出した静電容量に基づいて焦点距離を制御することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
- 前記静電容量検出手段で検出した静電容量を表示手段に表示することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
- 前記静電容量検出手段で検出した静電容量に基づいて該静電容量の検出値が許容範囲内か否かを判断し、前記光学素子に印加する電圧を制御することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
- 撮影光学系と撮像記録手段とを有し、前記静電容量検出手段で検出した静電容量に基づいて、該静電容量の検出値が許容範囲内か否かを判断し、撮像記録動作を制御することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
- 前記第１の液体及び第２の液体は、屈折率が実質的に異なり、それらの界面が前記電圧の無印加時に大きなＲ状をなした状態で、前記容器内に密閉されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学装置。
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