JP2009047801A - 液体レンズ駆動方法、液体レンズ駆動回路並びに液体レンズを用いる撮像方法及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体レンズ駆動の高速化、高精度化、高効率化および安定化を図ること。
【解決手段】液体レンズ駆動回路１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２、発振器１４、パルス幅変調器１６および制御ロジック回路１８を有している。出力バッファ回路３０は、電源電圧として入力する一定振幅（電圧レベル）のコンバータ出力電圧Ｖ_Sを正極性および負極性の出力電圧Out_-A，Out_-Bに分けて出力し、かつパルス幅変調器１６からのＰＷＭ信号Ｃ_PWMのＨレベル／Ｌレベルに応じて両出力電圧Out_-A，Out_-Bをオン／オフする。こうして、液体レンズ駆動回路１０よりパルス幅変調（ＰＷＭ）の出力電圧Out_-A，Out_-Bが駆動電圧Ｖ_Lとして液体レンズ１００の電極１０４，１０８に印加される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体レンズを用いる撮像方法および撮像装置に係り、特に液体レンズの駆動方法および駆動回路に関する。

最近、カメラ付き携帯電話のオートフォーカス機能向け光学部品として液体レンズが注目されている。液体レンズは、たとえば特許文献１に記載のように、レンズホルダの中に２種類の液体つまり導電性の水溶液と非導電性の油を封入してなり、水溶液に加える電圧の大きさによって水溶液と油の界面の形状を可変し、所望の屈折率を得るように構成されている。液体レンズを撮像レンズに用いることで、機械的にレンズの位置を光軸に沿って動かす空間が要らなくなるとともに、モータ等のアクチエータまたは可動部品が不要となり、オートフォーカス機構の小型化、低コスト化が実現可能であると期待されている。

図４に、液体レンズの基本構成と従来の液体レンズ駆動回路の回路構成を示す。この液体レンズ１００のレンズホルダ１０２は、各リング状の上部金属電極１０４、絶縁体１０６および下部金属電極１０８の３層構造からなる円筒部または側壁部と、この円筒部の上面および下面を封止または閉塞する上部および下部透明板（窓）１１０，１１２とで構成されている。レンズホルダ１０２内には、上半部に導電性の水溶液１１４が、下半部に絶縁性の油１１６がそれぞれ封入されている。下部電極１０８の内壁面は中心に向かって下向きに傾斜している。絶縁体１０６は下部電極１０８の内壁面全体を覆っており、下部電極１０８を上部電極１０４からだけでなく、水溶液１１４および油１１６からも電気的に絶縁している。

かかる構成の液体レンズ１００において、両電極１０４，１０８間に電圧が印加されていないときは、水溶液１１４と油１１６の界面はほぼ平らになっている。液体レンズ駆動回路１２０より駆動電圧Ｖ_L［Out_-P，Out_-Ｍ］が両電極１０４，１０８間に印加されると、水溶液１１４が下部電極１０８に集まろうとして下部電極１０８の内壁面（傾斜面）付近の油１１６を押し出し、押し出された油１１６が中心方向に集まろうとして、両者の界面が湾曲形状になり、液体レンズ１００を透過する光の屈折率が変化する。駆動電圧Ｖ_L［Out_-P，Out_-Ｍ］の大きさを変えることにより界面の湾曲形状または曲率を制御して、屈折率ないし焦点距離を可変することができる。

液体レンズ駆動回路１２０は、直流電源（図示せず）より入力する一定の直流電圧Ｖ_DDを所望の直流電圧Ｖ_Sに変換するＤＣ−ＤＣコンバータ１２２と、方形波の周波数信号またはパルス信号ＣＫを発振出力する発振器１２４と、振幅変調用のディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１２６と、これら各部（１２２，１２４，１２６）を制御する制御ロジック回路１２８とを有している。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２は、スイッチング素子（図示せず）を有するチョッパ方式の昇圧形であり、スイッチング素子をオンしている期間中にインダクタ１３０にエネルギーを蓄積し、スイッチング素子のオフ期間中にインダクタ１３０からダイオード１３２を介して出力コンデンサ１３４側にエネルギーを放出するようになっている。

出力コンデンサ１３４と並列に抵抗分圧回路を構成する２つの抵抗１３６，１３８が直列接続されている。両抵抗間の接続点またはノードＮは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２内のフィードバック制御回路（図示せず）の入力端子に接続されるとともに、ＤＡＣ１２６の出力端子に接続されている。ＤＡＣ１２６は、制御ロジック回路１２８より入力するディジタルの制御信号Ｖ_Fをアナログの制御電圧Ｖ_fに変換してノードＮに与える。ＤＡＣ１２６の出力電圧Ｖ_fでノードＮの電位を変えることで、コンバータ出力電圧Ｖ_Sを一定範囲（たとえば１０〜６０ボルト）内で可変できるようになっている。

コンデンサ１３４の両端子はフルブリッジ形出力バッファ回路１４０の電源電圧入力端子に接続されている。出力バッファ回路１４０の信号入力端子には、発振器１２４より一定周波数および一定波形（一定オン・オフ比）のパルス信号ＣＫが供給される。出力バッファ回路１４０は、電源電圧として入力するコンバータ出力電圧Ｖ_Sを双極性つまり正極性および負極性の出力電圧Out_-P，Out_-Mに分けて出力し、かつパルス信号ＣＫのＨレベル／Ｌレベルに応じて両出力電圧Out_-P，Out_-Mをオン／オフする。こうして、液体レンズ駆動回路１２０よりパルス振幅変調（ＰＡＭ：Pulse Amplitude Modulation）の出力電圧Out_-P，Out_-Mが駆動電圧Ｖ_Lとして液体レンズ１００の電極１０４，１０８に印加される。

この液体レンズ駆動回路１２０は、上記のようにＤＡＣ１２６の出力電圧Ｖ_fによりコンバータ出力電圧Ｖ_Sひいては駆動電圧Ｖ_L［Out_-P，Out_-M］の振幅を可変して、液体レンズ１００の屈折率を可変するようにしている。
日経エレクトロニクス ２００５年１０月２４日 第１２９頁〜第１３４頁 「機構部品ゼロ 量産近づく液体レンズの実力」

上記のように、従来の液体レンズ駆動方式は、図４に示すような構成の液体レンズ駆動回路１２０を使用し、制御ロジック回路１２８の制御の下でＤＡＣ１２６の出力電圧Ｖ_fを変えることにより、たとえば図５に示すようにパルス駆動電圧Ｖ_L［Out_-P，Out_-M］の振幅を可変して、液体レンズ１００の屈折率を可変するようにしている。

しかしながら、従来の液体レンズ駆動方式には、消費電力や応答速度などに改善すべき点がある。すなわち、駆動電圧Ｖ_L［Out_-P，Out_-M］をたとえば６０ボルトから３０ボルトに変更する場合は、ＤＡＣ１２６の出力電圧Ｖ_fを所定値まで下げて、コンデンサ１３４の正極側端子から抵抗１３６を介してＤＡＣ１２６にコンデンサ放電電流を吸い取らせ、コンバータ出力電圧Ｖ_Sを下げる。この場合、抵抗１３６の抵抗値が高いと、放電が長引いて、応答速度つまりピント合わせの速度が遅くなる。逆に、抵抗１３６の抵抗値を低くすると、応答速度は改善するが、消費電力が増大する。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２に定格電圧（６０ボルト）を出力させながら、分圧抵抗回路（１３６，１３８）の抵抗で電力を消費して３０ボルトまで出力を下げるので、電力供給効率が低くなる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２に高速のフィードバック動作を行わせるにしても、フィードバック定数の設定が難しく、出力電圧の可変制御（過渡応答）が不安定になりやすい。

さらに、液体レンズ駆動回路１２０の出力電圧つまり駆動電圧Ｖ_L［Out_-P，Out_-M］が出力バッファ回路１４０に依存するため、所望のダイナミックレンジが得られないこともある。加えて、電圧振幅値をアナログ的に可変するので、温度特性の影響を受けやすいという問題もある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、液体レンズ駆動の高速化、高精度化、高効率化および安定化を実現する液体レンズ駆動方法、液体レンズ駆動回路、ならびに液体レンズを用いる撮像方法および撮像装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、液体レンズを用いる撮像方法または撮像装置においてオートフォーカス機能を向上させることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の液体レンズ駆動方法および液体レンズ駆動回路は、液体レンズにパルス波形の駆動電圧を印加し、パルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変えることにより前記駆動電圧の実効値を制御して、前記液体レンズを通る光の屈折率を制御する。

本発明の液体レンズ駆動方法または液体レンズ駆動回路は、液体レンズに印加するパルス波形の駆動電圧のオン時間とオフ時間の比率を変えることにより駆動電圧の実効値を論理的に可変制御するので、パルス波形の駆動電圧の振幅をアナログ的に可変制御する方式と比較して、液体レンズの屈折率を制御する際の過渡応答特性、精度、安定性に優れ、電力効率の向上および回路規模の縮小化を図れる。

本発明の好適な一態様によれば、周波数を一定にして駆動電圧のパルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変えるパルス幅制御方式、あるいは周波数を変えて駆動電圧のパルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変えるパルス周波数制御方式が用いられる。駆動電圧のパルス波形は任意でよいが、好適には方形波でよい。

本発明の別の観点による駆動回路は、印加される電圧に応答して焦点距離が変化する液体レンズに駆動信号を供給する駆動回路であって、所定の振幅の電圧を生成する電圧生成回路と、パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成回路と、上記所定の振幅の電圧を電源電圧として受け、上記パルス幅変調信号に応答してパルス幅変調された駆動信号を液体レンズに供給するバッファ回路と を有する。この場合、好ましい一態様として、上記液体レンズを透過した光を受ける撮像素子と、この撮像素子から出力される撮像信号に基づいて上記パルス幅変調信号のパルス幅を制御する制御回路とを更に有してよい。

本発明の液体レンズを用いる撮像方法は、液体レンズを含む光学系により所望の被写体の光学像を撮像素子の受光面上に結像させて、前記撮像素子により前記光学像を電気信号に変換する撮像方法であって、前記液体レンズにパルス波形の駆動電圧を印加し、パルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変えることにより前記駆動電圧の実効値を制御して、前記液体レンズを通る光の屈折率を制御する。

また、本発明の液体レンズを用いる撮像装置は、撮像素子と、所望の被写体の光学像を前記撮像素子の受光面上に結像させるために前記被写体からの光線を取り込む液体レンズと、前記被写体の光学像を前記撮像素子の受光面上に結像させるために前記液体レンズと前記撮像素子の受光面との間に設けられる固体レンズと、前記液体レンズに駆動電圧を供給する本発明の液体レンズ駆動回路と、前記撮像素子の出力信号に基づいた画像処理により、前記光学系の焦点を前記被写体に合わせるように、前記液体レンズ駆動回路の出力電圧を制御する画像処理回路とを有する。

本発明の液体レンズを用いる撮像方法または撮像装置は、本発明の液体レンズ駆動回路の作用効果をそのまま享有できるとともに、オートフォーカス機能を向上させることができる。

本発明の液体レンズ駆動方法、液体レンズ駆動回路ならびに液体レンズを用いる撮像方法および撮像装置によれば、上記のような構成および作用により、液体レンズ駆動の高速化、高精度化、高効率化および安定化を図ることができる。また、本発明の撮像方法および撮像装置においては、オートフォーカス機能の向上も図れる。

以下、図１〜図３を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態における液体レンズ駆動回路の回路構成を示す。図中の液体レンズ１００は図４の液体レンズ１００と同一の構成を有している。

この実施形態の液体レンズ駆動回路１０は、直流電源（図示せず）より入力する一定の直流電圧Ｖ_DDを所望の直流電圧Ｖ_Sに変換するＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、たとえば鋸波（三角波）の周波数信号ＣＦを発振出力する発振器１４と、パルス幅変調器１６と、これら各部（１２，１４，１６）を制御する制御ロジック回路１８とを有している。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、スイッチング素子（図示せず）を有するチョッパ方式の昇圧形であり、スイッチング素子をオンしている期間中にインダクタ２０にエネルギーを蓄積し、スイッチング素子のオフ期間中にインダクタ２０からダイオード２２を介して出力コンデンサ２４側にエネルギーを放出するように構成されている。

出力コンデンサ２４と並列に抵抗分圧回路を構成する２つの抵抗２６，２８が直列接続されている。両抵抗間の接続点またはノードＮは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２内のフィードバック制御回路（図示せず）の入力端子に接続されている。このノードＮに可変の制御信号は与えられない。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、コンバータ出力電圧Ｖ_Sを一定値（たとえば６０ボルト）に保つように定電圧フィードバック制御で昇圧動作するようになっている。

なお、抵抗分圧回路（２６，２８）に流れる電流、ひいてはそこで消費する電力を極力少なくするために、両抵抗２６，２８の抵抗値は十分高い値に選定されてよい。

コンデンサ２４の両端子はフルブリッジ形出力バッファ回路３０の電源電圧入力端子に接続されている。出力バッファ回路３０の信号入力端子には、パルス
幅変調器１６より一定周波数でデューテイ比（オン／オフ比）可変のパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号Ｃ_PWMが供給される。ここで、パルス幅変調器１６は、たとえば制御ロジック回路１８の制御の下で可変の変調電圧を発生する電圧発生回路と、発振器１４からの鋸波信号ＣＦと該変調電圧とを比較して、両者の電圧瞬時値の大小関係に応じてＨレベルまたはＬレベルの二値の振幅をとるパルス幅可変のパルス信号を生成するコンパレータとを有し、該コンパレータより得られるパルス幅可変のパルス信号をＰＷＭ信号Ｃ_PWMとして出力する。

出力バッファ回路３０は、電源電圧として入力する一定振幅（電圧レベル）のコンバータ出力電圧Ｖ_Sを双極性つまり正極性および負極性の出力電圧Out_-A，Out_-Bに分けて出力し、かつＰＷＭ信号Ｃ_PWMのＨレベル／Ｌレベルに応じて両出力電圧Out_-A，Out_-Bをオン／オフする。こうして液体レンズ駆動回路１０よりパルス幅変調（ＰＷＭ）の出力電圧Out_-A，Out_-Bが駆動電圧Ｖ_Lとして液体レンズ１００の電極１０４，１０８に印加される。

図２に、この実施形態において液体レンズ駆動回路１０より液体レンズ１００の電極１０４，１０８に印加される駆動電圧Ｖ_L［Out_-A，Out_-B］の波形の一例を示す。一周期内のオン時間ｔ_onとオフ時間ｔ_offの比またはデューティ比ｄ{ｔ_on／（ｔ_on＋ｔ_off）}を変えることで、駆動電圧Ｖ_L［Out_-A，Out_-B］の実効値を任意かつ容易に可変することができる。

上記のように、この実施形態の液体レンズ駆動回路１０は、一定振幅（電圧レベル）のコンバータ出力電圧Ｖ_Sをパルス幅変調してオン／オフ時間比またはデューティ比を論理的に可変制御する方式であるから、駆動電圧（実効値）を可変するのに抵抗回路等で電力を無駄に消費させる必要はなく、応答速度または過渡応答特性も向上する。また、駆動電圧Ｖ_L［Out_-A，Out_-B］の実効値を論理的な回路で可変制御する方式なので、駆動電圧の精度ひいては液体レンズの屈折率制御の精度を高めることができ、環境温度の変化や製造プロセスのばらつきにも強いという利点がある。さらには、ＤＡＣ（１２６）を不要とするので、回路構成および回路規模の簡易化・小型化を図ることができる。

図３に、上記液体レンズ駆動回路１０および液体レンズ１００を含む一実施形態による撮像装置の構成をブロック図で示す。この撮像装置において、固体レンズ３２は、その手前（前段）に配置される液体レンズ１００と組み合わさって、被写体からの入射光（光学像）をイメージ・センサ（撮像素子）３４の受光面に集光させる。イメージ・センサ３４は、たとえばＣＣＤまたはＭＯＳ型撮像素子からなり、受光した光学像を光電変換して規格化された映像信号を生成する。

イメージ・プロセッサ３６は、たとえばＤＳＰ（Digital Signal Processor）からなり、イメージ・センサ３４より取り込んだ映像信号を基に、撮像した画像をディスプレイ（図示せず）に表示するための画像処理を行う。さらには、オートフォーカスのためのフィードバック制御を行い、たとえばエッジ検出により画像の輪郭が最も鮮明になるように、駆動回路１０、液体レンズ１００およびイメージ・センサ３４の閉ループを制御する。したがって、液体レンズ駆動回路１０、特に制御ロジック回路１８（図１）は、イメージ・プロセッサ３６からの制御信号に応じてパルス幅変調器１６におけるＰＷＭの変調度またはデューティ比を制御することになる。

この撮像装置は、実施例の液体レンズ駆動回路１０を有することで、オートフォーカス機能（特に過渡応答特性）を改善できるうえ、装置全体の回路構成の小型化、実装面積の縮小、低消費電力、低コスト化を図れるので、特に携帯電話のアプリケーションに有利である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、上記実施形態の液体レンズ駆動回路１０においてＤＣ−ＤＣコンバータ１２を他の任意のコンバータ方式または回路構成に変形または置換することができる。

上記した実施形態は、駆動電圧Ｖ_L［Out_-A，Out_-B］の実効値を可変制御するために、周波数を一定にして駆動電圧Ｖ_L［Out_-A，Out_-B］のパルス波形のオン時間とオフ時間の比率（デューティ比）を変えるパルス幅制御（ＰＷＭ）方式を用いた。しかし、パルス幅制御（ＰＷＭ）方式に代えて、周波数を変えることにより駆動電圧Ｖ_L［Out_-A，Out_-B］のパルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変えるパルス周波数制御（ＰＦＭ：Pulse Frequency Modulation）方式を用いることも可能である。その場合は、パルス幅変調器１６（図１）をパルス周波数変調器に置き換えればよい。

別の変形例として、回路規模およびコストの増大を伴うが、パルス幅制御（ＰＷＭ）方式とパルス周波数制御（ＰＦＭ）とを組み合わせることも可能であり、更にはパルス幅制御（ＰＷＭ）方式とパルス振幅制御（ＰＡＭ）方式とを組み合わせることも可能である。

また、駆動電圧Ｖ_L［Out_-A，Out_-B］のパルス波形は方形波に限るものではなく、たとえば台形波あるいは三角波等のパルス波形も可能である。

本発明の一実施形態における液体レンズ駆動回路の回路構成および典型的な液体レンズの構成を示す図である。 実施形態の液体レンズ駆動回路で得られる駆動電圧の波形の一例を示す電圧波形図である。 一実施形態における撮像装置の構成を示すブロック図である。 従来の液体レンズ駆動回路の回路構成を示す図である。 図４の液体レンズ駆動回路で得られる駆動電圧の波形の一例を示す電圧波形図である。

符号の説明

１０ 液体レンズ駆動回路
１２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１４ 発振器
１６ パルス幅変調器
１８ 制御ロジック回路
３０ 出力バッファ回路
１００ 液体レンズ
１０４ 上部金属電極
１０６ 絶縁体
１０８ 下部金属電極
１１４ 水溶液
１１６ 油

Claims (12)

1. 液体レンズにパルス波形の駆動電圧を印加し、パルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変えることにより前記駆動電圧の実効値を制御して、前記液体レンズを通る光の屈折率を制御する液体レンズ駆動方法。
2. パルス幅制御方式により周波数を一定にして前記駆動電圧のパルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変える請求項１に記載の液体レンズ駆動方法。
3. パルス周波数制御方式により周波数を変えて前記駆動電圧のパルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変える請求項１に記載の液体レンズ駆動方法。
4. 前記駆動電圧のパルス波形は方形波である請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体レンズ駆動方法。
5. 液体レンズを含む光学系により所望の被写体の光学像を撮像素子の受光面上に結像させて、前記撮像素子により前記光学像を電気信号に変換する撮像方法であって、
   前記液体レンズにパルス波形の駆動電圧を印加し、パルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変えることにより前記駆動電圧の実効値を制御して、前記液体レンズを通る光の屈折率を制御する撮像方法。
6. 液体レンズにパルス波形の駆動電圧を印加し、パルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変えることにより前記駆動電圧の実効値を制御して、液体レンズを通る光の屈折率を制御する液体レンズ駆動回路。
7. パルス幅制御方式により周波数を一定にして前記駆動電圧のパルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変える請求項６に記載の液体レンズ駆動回路。
8. パルス周波数制御方式により周波数を変えて前記駆動電圧のパルス波形のオン時間とオフ時間の比率を変える請求項６に記載の液体レンズ駆動回路。
9. 前記駆動電圧のパルス波形は方形波である請求項６〜８のいずれか一項に記載の液体レンズ駆動回路。
10. 撮像素子と、
    所望の被写体の光学像を前記撮像素子の受光面上に結像させるために前記被写体からの光線を取り込む液体レンズと、
    前記被写体の光学像を前記撮像素子の受光面上に結像させるために前記液体レンズと前記撮像素子の受光面との間に設けられる固体レンズと、
    前記液体レンズに駆動電圧を供給する請求項７〜１０のいずれか一項に記載の液体レンズ駆動回路と、
    前記撮像素子の出力信号に基づいた画像処理により、前記光学系の焦点を前記被写体に合わせるように、前記液体レンズ駆動回路の出力電圧を制御する画像処理回路と
    を有する撮像装置。
11. 印加される電圧に応答して焦点距離が変化する液体レンズに駆動信号を供給する駆動回路であって、
    所定の振幅の電圧を生成する電圧生成回路と、
    パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成回路と、
    上記所定の振幅の電圧を電源電圧として受け、上記パルス幅変調信号に応答してパルス幅変調された駆動信号を液体レンズに供給するバッファ回路と
    を有する駆動回路。
12. 請求項１１に記載の駆動回路であって、
    上記液体レンズを透過した光を受ける撮像素子と、
    上記撮像素子から出力される撮像信号に基づいて上記パルス幅変調信号のパルス幅を制御する制御回路と
    を更に有する駆動回路。

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