液体レンズカメラとは何か？どのように動作するのか？

液体レンズは比較的新しい技術ですが、組み込みビジョンの分野で急速に普及しています。オートフォーカス機能が求められる様々なアプリケーションにおいて、従来の機械式レンズと比べて多くの利点を備えています。加えて、その高い適応性と汎用性も、幅広い分野で採用が進んでいる理由の一つです。本記事では、液体レンズ技術の基本概念とその動作原理について分かりやすく説明します。

それでは、詳しく見ていきましょう。

液体レンズとは何か？

液体レンズとは、従来の固定式ガラスレンズに代わるカメラ技術です。セル構造の内部に光学グレードの液体を封入し、人間の眼の水晶体のように形状を変化させることで焦点を調整します。液体レンズは、内部の液体の形状を制御することによりレンズ曲率を変化させ、焦点距離を動的に調整します。これにより、高速なオートフォーカスと優れた応答性を実現します。

液体レンズカメラの動作原理

写真雑誌などで見かける、葉の上に乗った一滴の水滴を想像してみてください。液体レンズ内の液体は、この水滴が自然光を屈折させるのと同じ原理で光をイメージセンサーへ導きます。液体レンズでは、機械的な可動部品はほとんど使用されません。その代わりに、透明な液体を封入したカプセル構造が内部に組み込まれています。このカプセルの一部に圧力を加えることで形状を変化させることができます。カプセルを圧縮したり引き伸ばしたりすることで、光学グレードの液体を通過する光の経路や焦点距離が変化します。

液体レンズカメラでは、内部のカプセルに圧力を加えるために様々な方式が用いられます。その代表的な方式の一つが「エレクトロウェッティング（Electrowetting）」です。これは、レンズ内部において導電性の水と非導電性のオイル層を組み合わせて使用する仕組みです。両者の界面に電圧を瞬時に印加することで界面張力が変化し、その結果、液体の曲率および屈折特性を高速に変えることができます。これにより、焦点を極めて短時間で調整することが可能になります。

液体レンズと従来型レンズの違い

最も大きな違いは、従来のカメラシステムがガラス製の光学レンズを使用し、その曲率半径が固定されている点にあります。一方、液体レンズは光学グレードの液体（水とオイルの組み合わせ）を封入した小型セル構造を採用しており、液体の形状を変化させることで曲率を可変にできます。その結果、焦点距離を動的に調整することが可能になります。

もう一つの違いは、液体レンズが被写界深度の調整や被写体へのフォーカスを行う速度において、従来の光学レンズよりも大幅に高速である点です。そのため、被写体が移動している場合でも迅速にピントを合わせ続けることができます。一方、従来の光学レンズでは再フォーカスに時間がかかり、追従が難しい場合があります。

液体レンズオートフォーカスと VCM オートフォーカスの違いは何ですか?

カメラのオートフォーカスは、主に2種類のレンズ ― 液体レンズとVCM（ボイスコイルモーター）オートフォーカスレンズ ― によって実現されています。液体レンズの内部には機械的な可動部品が存在しないため、非常にユニークな構造となっています。一方、VCMオートフォーカスカメラは、レンズを機械的に移動させることでピントを調整します。この機械的な動作により、摩耗や劣化（寿命の短縮につながる）、発熱の増加、消費電力の増大、フォーカス時間の増加などの課題が生じます。これらの点においては、液体レンズが優位性を持っています。例えば、e-con Systemsの3.4MPオートフォーカスカメラSee3CAM_30は、onsemiのAR0330をベースとしており、液体レンズを搭載することで優れたオートフォーカス性能を実現しています。 3.4 MP autofocus camera

一方で、VCMオートフォーカスレンズと比較した場合の液体レンズのデメリットもいくつかあります。液体レンズはVCMレンズよりもコストが高い点が挙げられます。また、VCMオートフォーカスレンズはサプライチェーンがより広範であるため、供給の安定性や選択可能なサプライヤーの多さという点で優れています。

液体レンズとVCMオートフォーカスの違いについてさらに詳しく知りたい方は、当社ブログ Liquid Lens Autofocus vs. Voice Coil Motor (VCM) Autofocusをぜひお読みください。

液体レンズの利点と欠点

前のセクションでは、液体レンズとVCMオートフォーカスレンズの違いについて説明しました。本セクションでは、液体レンズの利点と欠点を総合的に見ていきます。

液体レンズは、従来の組み込みカメラ向け光学レンズと比較して、以下のような利点があります。

1. 従来のレンズと比べて非常にコンパクトであり、組み込み型カメラソリューションに適しています。
2. 電動カメラよりも高速で、より多くの焦点距離に対応でき、消費電力も大幅に低減できます。
3. 複数のレンズを備えた大型のカメラモジュールは不要で、1つの液体レンズで様々な焦点距離に対応可能です。
4. 優れた手ぶれ補正性能を備えています。

一方で、液体レンズ技術には以下のような欠点もあります。

1. 光の散乱が問題を引き起こす可能性があると専門家は指摘しています。
2. 狭い空間で液体の流動を制御することが技術的に難しい場合があります。
3. 数万台規模の量産であっても、他のレンズと比較してコストが高くなる傾向があります。

液体レンズ搭載オートフォーカスの主な組み込みビジョン用途

液体レンズカメラは、被写体までの距離が変化する環境において自動的にピントを合わせる必要がある用途で主に使用されるオートフォーカスカメラです。小型・大型いずれのセンサーフォーマットにも対応可能であり、可視光および近赤外光にも対応できるため、幅広い組み込みビジョンアプリケーションに柔軟に適用できます。用途は数えきれないほど存在しますが、ここではその中でも特に代表的なものをいくつかご紹介します。

• Eコマースおよび産業用途
• ライフサイエンス
• 生体認証

Eコマース

液体レンズ技術は、Eコマース物流の効率化に大きく貢献しています。固定式および携帯型のバーコードリーダーの両方に液体レンズが採用されています。配送過程では、荷物追跡のためにバーコードの読み取りが何度も行われます。集荷時のハンディスキャナー、物流拠点での固定式スキャナー、そして配達時のハンディスキャナーなど、各工程で液体レンズが活用されています。このような産業環境において、液体レンズ搭載カメラは、迅速かつ高精度で信頼性の高い荷物追跡を可能にします。

ライフサイエンス

液体レンズは、シームレスなオートフォーカス機能により、顕微鏡用途で活用されています。複数の焦点面（オブジェクトプレーン）を確実にカバーできるため、精密な観察が可能です。また、小型カメラへの組み込みも容易であり、顕微鏡機器や微小デバイスへの応用に非常に適しています。

生体認証

デジタルトランスフォーメーションの急速な進展により、高度なセキュリティシステムの需要が高まっています。液体レンズを活用したソリューションは、虹彩認証などの将来志向型セキュリティプロトコルの構築において、従来の光学ソリューションよりも高い効率を発揮します。高い精度と高速性に加え、優れたオートフォーカス性能を備えているため、非接触型の本人確認・認証システムをスムーズに動作させることが可能です。

液体レンズを活用した組み込みビジョンの代表的な用途としては、スマート農業、UAV（無人航空機）、歯科医療、ドキュメントスキャナー、創傷測定機器などがあります。

液体レンズは、将来性の高いイメージング技術の一つといえます。カメラが私たちの生活の中でますます一般的になる中、小型化と高性能化への要求は今後も続き、液体レンズ技術はその進化を支える重要な役割を果たしてきました。

e-con Systemsが提供する液体レンズカメラ

e-con Systemsは、約20年にわたり組み込みビジョン分野で革新を続けてきました。常にイノベーションの最前線に立ち、将来を見据えたカメラソリューションの開発に取り組んでいます。以下に、当社の液体レンズ搭載カメラの一部をご紹介します。

• See3CAM_160 – 16MPオートフォーカス対応USB 3.1 Gen 1カメラ
• e-CAM160A_MI298_MOD – 16MPオートフォーカス対応カメラモジュール
• See3CAM_130 – 4Kオートフォーカス対応USBカメラ
• e-CAM130_MI1335_MOD – 13MPオートフォーカス対応カメラモジュール
• See3CAM_30 – 3.4 MP液体レンズ搭載 オートフォーカス対応USB カメラ

製品へのカメラ統合をご検討の際は、ぜひ camerasolutions@e-consystems.comまでお問い合わせください。また、当社の Camera Selectorをご利用いただくことで、カメラ製品ラインアップの詳細をご確認いただけます。