JP2006285031A - 可変焦点レンズとこれを用いた光学装置、可変焦点レンズの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可変焦点レンズ及びこれを用いた光学装置において、その駆動電圧の低減化を図るとともに、比較的簡便な可変焦点レンズの製造方法を提供する。
【解決手段】容器１０内に、導電性液体材料部１及び絶縁性液体材料部２を収容し、導電性液体材料部１に誘電体層を介在して電圧を印加する第１の電極２１と、導電性液体材料部１に直接接触する第２の電極２４とを有する可変焦点レンズであって、誘電体層を、第１の電極２１を陽極酸化して形成した金属酸化物より成る陽極酸化部２２より構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトロウェッティング現象を利用した可変焦点レンズとこれを用いた光学装置、可変焦点レンズの製造方法に関する。

エレクトロウェッティング現象を利用した可変焦点レンズデバイスの開発は、昨今フランスのバリオプティック社やオランダのフィリップス社によって発表されている（例えば特許文献１、非特許文献１参照。）。

上記各文献に記載された可変焦点レンズを図４の概略断面構成図を参照して説明する。
この可変焦点レンズは、基本的に、円筒形等の容器１０の中に光透過性の導電性液体材料部１と、これと混和せず、且つ異なる屈折率および同じ密度（比重）の光透過性の絶縁性液体材料部２が充填されて構成される。容器の内壁から一方の端部を覆って外側にかけて第１の電極２１が形成され、その内側に、誘電体膜３２が形成される。容器１０の第１の電極２１が覆う側の端部は、ガラス又は光透過性の樹脂等より成る光透過性材料部１１が液密に固着され、この光透過性材料部１１より成るいわば底面と、容器１０の内壁の誘電体膜３２を覆って撥水性材料部２３、いわゆる撥水コートが被着される。
そして、導電性液体材料部１と接する容器１０の一方の端部、すなわち蓋側の部分は、例えばリング状の第２の電極２４が配置され、親水性材料部２５、いわゆる親水コートを介してガラス又は光透過性樹脂等より成る光透過性材料部１２が液密に固着される。上述のリング状の第２の電極２４の縁部が、この光透過性材料部１２の外側周面を覆うように延在して形成される。
なお、第１の電極２１は、その容器１０の内面側の端部を、容器１０の一端、すなわち第２の電極２４を配置する側において、一端から離間させる構成とする。

このような構成とすることによって、第１の電極２１と第２の電極２４とに、電圧印加手段４０により適切な電圧を印加することによって、導電性液体材料部１と絶縁性液体材料部２との界面の曲率が変化する。これにより、光透過性材料部１１の外側から矢印Ｌｉで示すように入射させた光に対するレンズ作用を変化させ、焦点距離を変化させることができる。

これについて説明すると、先ず、第１及び第２の電極２１及び２４に電圧を印加しない場合、充填されている導電性液体材料部１及び絶縁性液体材料部２と、容器１０の内壁面の表面張力の釣り合いによって、これらの液体材料部１及び２の界面は、図４に示すように、ある半径の球面の一部になる。例えば、導電性液体材料部１に塩を加えた水を用い、絶縁性液体材料部２にシリコーンオイルを用いた場合、図４の例のように水（導電性液体材料部１）が凸になるような界面になる。

そして、第１及び第２の電極２１及び２４の間に電圧を印加した場合、容器１０の内壁面において、導電性液体材料部１の「ぬれ性」が向上したかのようになり（この現象をエレクトロウェッティングという）、各液体材料部１及び２の界面は、図５に示すように、例えば界面の曲率半径が大となるように変化する。
そして、容器１０の一方の蓋、すなわち例えば光透過性材料部１１から矢印Ｌｉで示すように光を入射させ、もう一方の蓋、すなわち光透過性材料部１２から出射させると、液体１及び２の間の屈折率差と界面曲率によりレンズ効果があり、且つ電圧を印加すると、エレクトロウェッティングにより液体界面曲率が変化するため、その焦点距離が変化する。
例えば図５Ａで示すように、電圧を印加しない状態では導電性液体材料部１と誘電体膜３２との接触角がθ０であるのに対し、電圧Ｖを印加すると、図５Ｂに示すように、接触角θ（Ｖ）が小さくなり、両液体の界面の曲率が変化する。図５Ａ及びＢにおいて、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
特表２００１−５１９５３９号公報 S. Kuiperet al., "Variable-focus liquid lens for miniature cameras", Applied Physics Letters, Vol.85, No.7, 16 August 2004, pp.1128-1130

ところで、上記各文献に開示の可変焦点レンズでは、駆動電圧がいまだ１００Ｖ程度以上であり、実用上利用しにくいものである。これは、可変焦点レンズを構成する液体を収容する容器に成膜する誘電体膜を一様に薄く成膜することが難しいことによる。以下これについて説明する。
導電性液体と絶縁性液体の界面変化は、下記の式（１）により示される（上記非特許文献１参照。）。
ｃｏｓθ＝（γ_ＳＯ−γ_ＳＬ）／γ＋ε・ε０・Ｖ^２／（２ｌγ） ・・・（１）
ただし、
θ：導電性液体材料と容器内壁の接触角
γ_ＳＯ：絶縁性液体材料と容器内壁面の界面張力
γ_ＳＬ：導電性液体材料と容器内壁面の界面張力
γ：導電性液体材料と絶縁性液体材料の界面張力
ε：容器内壁に構成される誘電体膜の比誘電率
ε０：真空中の誘電率
ｌ：誘電体膜の膜厚
Ｖ：印加電圧
である。

上記式（１）を図６の模式図を参照して説明すると、電極３１上に誘電体膜３２及び撥水性材料部２３が成膜され、その上に導電性液体材料部１の液滴が載置され、その接触角をθ０とする。電極３１と導電性液体材料部１との間に電圧印加部４０によって電圧Ｖを印加すると、導電性液体材料部１の接触角はθ（Ｖ）＜θ０なるθ（Ｖ）に変化する。
図７に、電圧印加時の界面張力及び表面張力を模式的に示す。

すなわち、上記式（１）から、エレクトロウェッティング現象により生じる導電性液体材料と容器内壁の接触角θの変化は、誘電体膜の誘電率εと駆動電圧Ｖの２乗に比例し、誘電体膜の膜厚ｌに反比例して生じる。したがって、誘電体膜の誘電率εを高く、膜厚ｌを薄くできれば、同じ焦点距離の変化を起こす駆動電圧を低減できることがわかる。
しかしながら、実際に誘電体膜を成膜するにあたっては、絶縁破壊強度が高く、均一なサブミクロン（１μｍ未満）の厚さの高誘電体薄膜を、ピンホールを生じることなく円筒形等の容器の内壁に形成するのは困難である。
従来の可変焦点レンズにおいて焦点変化させる駆動電圧が高い原因は、誘電体膜の誘電率εが３程度と低く、誘電体膜の膜厚lが厚い（数μｍ）ことが挙げられるが、これらは上述したような理由により誘電体薄膜の形成に苦心している結果でもある。

以上の問題に鑑みて、本発明は、可変焦点レンズ及びこれを光学装置に用いる際の可変焦点レンズの駆動電圧の低減化を図り、比較的簡便な可変焦点レンズの製造方法を提案することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、容器内に、導電性液体材料部及び絶縁性液体材料部を収容し、導電性液体材料部に誘電体層を介在して電圧を印加する第１の電極と、導電性液体材料部に直接接触する第２の電極とを有する可変焦点レンズであって、誘電体層を、第１の電極を陽極酸化して形成した金属酸化物より成る陽極酸化部として構成する。
また、本発明による光学装置は、その可変焦点レンズとして、上述の本発明構成の可変焦点レンズを用いる構成とする。
更に、本発明の可変焦点レンズの製造方法は、容器に、第１の電極を形成し、少なくともその表面を陽極酸化して陽極酸化部を形成する工程と、容器内に、導電性液体材料部及び絶縁性液体材料部を収容する工程と、導電性液体材料部に導通する第２の電極を形成する工程とを少なくとも有するものである。

上述したように、本発明の可変焦点レンズ及びその製造方法においては、従来の可変焦点レンズにおける誘電体膜として、電極を陽極酸化して形成した金属酸化物を用いるものである。この金属酸化物より成る陽極酸化部は、印加する電圧を調整することによって、その膜厚を容易に精度良く調整することができるものである。
具体的には、例えばアルミニウム、タンタル等の金属を陽極酸化し生成するアルミナ、５酸化タンタル皮膜等など、陽極酸化により比較的高い誘電率の酸化物が得られる各種の材料を用いることができる。このように、高絶縁、高誘電率を有し、また膜厚の低減化が容易な陽極酸化部を誘電体膜として用いることにより、飛躍的に低駆動電圧化を図ることができる。

以上説明したように、本発明の可変焦点レンズによれば、低駆動電圧化を図ることができる。
本発明の光学装置によれば、可変焦点レンズを用い、その誘電体膜を陽極酸化部より構成とすることから、可変焦点レンズの低駆動電圧化を図ることができ、装置の回路構成の簡易化を図ることができる。
本発明の可変焦点レンズの製造方法によれば、その製造方法を簡便化することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
本発明による可変焦点レンズの一実施形態例を図１の概略断面構成図を参照して説明する。
この可変焦点レンズは、前述の図４において説明した従来の可変焦点レンズとほぼ同じ構成とし、誘電体膜３２に換えて、第１の電極２１の表面を陽極酸化して形成した金属酸化物より成る陽極酸化部２２を設ける構成とするものである。図１において、図４と対応する部分には同一符号を付して示す。
この例においても、円筒形等の絶縁性材料より成る容器１０の内壁から一方の端部を覆って外側にかけて第１の電極２１が形成される。本発明においては、その例えば容器１０の内壁側の表面が陽極酸化によって、所定の誘電率を有する陽極酸化部２２とされる。
容器１０の第１の電極２１が覆う側の端部は、ガラス又は光透過性の樹脂等より成る例えば円形の光透過性材料部１１が例えばエポキシ樹脂等により液密に固着され、この光透過性材料部１１より成るいわば底面と、容器１０の内壁の誘電体膜３２を覆って撥水性材料部２３、いわゆる撥水コートが被着される。
上述の導電性液体材料部１と絶縁性液体材料部２は、この底面を構成する光透過性材料部１１側から例えば絶縁性液体材料部２、導電性液体材料部１の順に収められる。

そして、導電性液体材料部１と接する容器１０の他の端部に、例えばリング状の第２の電極２４が配置され、親水性材料部２５、いわゆる親水コートを介してガラス又は光透過性樹脂等より成る光透過性材料部１２が液密に固着される。この場合においても、上述のリング状の第２の電極２４の縁部が、この光透過性材料部１２の外側周面を覆うように延在して形成される。第２の電極２４を光透過性材料より構成する場合は、リング状でなく例えば円形状としてもよい。
なお、光透過性材料部１２をガラスより構成し、その内側表面を清浄にして親水性を保持する場合は、親水性材料部２５を介在させなくてもよい。
また、この場合においても、第１の電極２１は、その容器１０の内面側の端部を、容器１０の第２の電極２４を配置する側の端部から離間させて成膜する構成とする。また、容器１０の外側の第１の電極２１と、光透過性材料部１２の外側周面の第２の電極２４に、これらに電圧を印加する電圧印加部４０が接続される。

そして本発明の可変焦点レンズにおいて、第1の電極２１としては、例えばアルミニウム、タンタルを用いることにより、これを陽極酸化してアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、５酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜等の陽極酸化部２２を形成し、これを従来の可変焦点レンズにおける誘電体膜として構成する。これにより、高誘電率で、且つきわめて薄い皮膜で高絶縁性を実現することができる。
第1の電極２１の材料としては、その他ニオブ、ハフニウム、チタンなど、陽極酸化によって高い誘電率の金属酸化物を形成することが可能な種々の金属を用いることができる。

一例として、電極材料としてタンタルを用いて、陽極酸化により５酸化タンタルより成る陽極酸化部２２を作製する場合の本発明の可変焦点レンズの製造方法の一実施形態例について説明する。
まず、円筒状等の容器１０の内壁から一方の端部を覆って電極取り出し領域となる容器１０の外部の一部分にかけて、スパッタリング等によってタンタル薄膜を、ピンホールの発生を回避できる程度の充分な厚さをもって成膜する。または、容器１０をタンタルより作製してもよい。
次に、容器１０の内壁のみを、りん酸などの電解液が浸るようにして陽極酸化を行う。
そしてこの後、光透過性材料部１１を第１の電極２１が被着されている側の容器１０の一端に液密に固着して内面に撥水性材料部２３を被着し、その内部に絶縁性液体材料部２、導電性液体材料部１を注入する。この後、表面に親水性材料部２５を被膜した後、第２の電極２４を上述の形状にスパッタリング等により被着した光透過性材料部１２を固着して、本発明構成の可変焦点レンズを得ることができる。

従来の可変焦点レンズにおけるように、真空成膜法、すなわちスパッタリングや化学的気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）、またはスピンコートなどで誘電体膜を形成する場合、下地に電極を用意する必要がある。そのため、ピンホールなどの欠損は絶縁破壊を起こす。さらに、容器の内壁に均一な膜厚で成膜する必要がある。しかしながら、下地すなわち電極の表面状態によってはピンホールが生じやすく、これを防ぐためには誘電体膜の厚さを大とする必要があり、上記式（１）より駆動電圧を低下することが難しい。
また、誘電体膜の厚さが大であるほど厚さにムラが生じやすくなることから、同様に上記式（１）から、導電性液体材料部１と絶縁性液体材料部２との界面が球面状とならずに、レンズとしての良好な曲率が得られなくなり、光学的品質が低下する恐れがある。
これに対し、本発明によれば、タンタル等の金属薄膜の全てを陽極酸化せず、一部を金属として保存するものであり、残った金属タンタル層はそのまま第1の電極として利用することができる。
つまり、電極になる金属の表面のみを陽極酸化して誘電体膜とすることから、理論的にピンホールの発生は生じず、絶縁破壊に強いという利点を有する。
陽極酸化部２２は、金属酸化物に変化する過程で体積が増えることから、陽極酸化部においては緻密な膜となり、ピンホールの発生を抑制することが可能である。
さらに、タンタル等の金属材料を容器の内壁に成膜する際に、下地である容器の材料が絶縁性物質であれば、タンタル等の金属膜に多少のピンホール欠損があっても絶縁破壊は起こらず、欠損は実用上問題にならない。また、陽極酸化により形成した金属酸化物は化成電圧までは絶縁破壊しないので、得られる陽極酸化部は絶縁破壊強度も高いという効果がある。

なお、陽極酸化により形成する膜厚は、化成電圧に依存する。例えばタンタルを用いる場合は、理論値で化成電圧１Ｖあたり１．８ｎｍ程度である。また、液浸の陽極酸化であるので膜厚は均一となる。すなわち、最初に成膜したタンタル等の金属膜に膜厚ムラがあっても、できあがる陽極酸化部の膜厚は均一であるので、レンズの曲率を良好に球面状に保つことができ、良好な光学的特性をもって可変焦点レンズを構成することができる。

なお、このような陽極酸化による製造方法は、タンタルコンデンサー等で広く使われており、装置構成も比較的簡易であり、製造技術も確立されているため、製造は極めて容易である。
また本発明構成の可変焦点レンズは、従来の真空成膜法やスピンコートなどで誘電体膜を形成する場合と比較して、製造装置や製造方法が簡便で、且つ多量に製造することができる。

前述の非特許文献１に記載の可変焦点レンズにおいては、誘電体膜の比誘電率は３程度、膜厚は３μｍ程度である。
これに対し、本発明構成の可変焦点レンズにおいて、例えば金属タンタルを１００Ｖで陽極酸化した場合、比誘電率はおよそ２７、膜厚０．１８μｍとなる。上記式（１）における右辺第２項の成分ε／ｌは、約１５０倍になる。駆動電圧はこの平方根分の一になるから、上記特許文献１及び非特許文献１に記載の可変焦点レンズに比べ、本発明による場合は、駆動電圧がおよそ１／１２になる。
例えば上記非特許文献１に記載の可変焦点レンズでは、導電性材料部として塩水を用い、絶縁性材料部としてシリコーンオイルを用いた場合、球面度数を−１００Ｄ（ジオプトリ）から＋５０Ｄまでの変化を１２０Ｖ程度の駆動電圧で行っている。
これに対し、本発明によれば、導電性材料部及び絶縁性材料部を同様の材料を用いた場合に、同程度の球面度数の変化を１０Ｖ程度の駆動電圧で達成できる。
すなわち、図１に示す本発明の可変焦点レンズにおいて、電圧印加手段４０によって、第１及び第２の電極２１及び２４の間に１０Ｖの電圧を印加することによって、電圧を印加しない状態と比べて球面度数を１５０Ｄ程度変化させることができる。
更にこの場合、化成電圧が１００Ｖなので絶縁破壊強度にも充分余裕がある。
なお、陽極酸化時の印加電圧を調整して陽極酸化部の膜厚を小さくすれば、更に駆動電圧を低減化して、５Ｖ、３Ｖ程度の駆動電圧で同程度の球面度数の変化を発生させることも可能である。

図２は、図１に示す可変焦点レンズにおいて、容器１０を第１の電極２１の材料により構成し、第１の電極２１と容器とを兼用する構成とするものである。第１の電極２１と兼用する容器１０の全表面を陽極酸化して陽極酸化部２２を設けた場合を示す。図２において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。なお、電圧印加手段４０と接続する部分においては、第１の電極２１の一部の陽極酸化部２２を除去してある。または、容器１０の一部に突起を設けて、この部分を陽極酸化液に浸漬しない状態で陽極酸化を行い、その後突起を除去した部分を電圧印加手段４０との接続領域としてもよい。
このような構成とする場合は、第１の電極２１を円筒状等の容器１０の表面に部分的にスパッタリング等による成膜を行う必要がなく、製造上有利となる。

図３は、上述の図２に示す例と同様に、第１の電極２１と容器とを兼用する例で、第２の電極２４との絶縁性を確実に確保するために、絶縁性材料より成る例えばリング状の絶縁性部材２６を陽極酸化部２２の第２の電極側の表面と、第２の電極２４との間に介在させる構成とするものである。このような構成とすることによって、製造工程の簡易化を図り、また良好な特性をもって可変焦点レンズを構成することができる。
これらの構成とする場合においても、上述の図１に示す例と同様に、従来に比して駆動電圧の低減化を図ることができ、また絶縁破壊強度も充分得られるという効果がある。

以上説明したように、本発明の可変焦点レンズ及びその製造方法によれば、陽極酸化により形成する陽極酸化部を誘電体膜として用いることにより、製造方法の簡易化を図るとともに、膜厚を従来の真空薄膜形成方法による場合と比較して薄くすることができる。このため、誘電体膜の厚さを低減化することができ、またより高い誘電率の材料を容易に利用できることから、所望の焦点距離の変化（球面度数の変化）を得るための駆動電圧を、従来に比して格段に低減化することができる。また、従来に比して簡易な製造方法をもって、精度良く均一な膜厚をもって成膜することができることから、膜厚のばらつきに起因する光学的特性の低下を回避し、更にピンホールの発生を抑制するか、または容器を絶縁性材料とする場合はピンホールによる影響を回避することができる。
これによって、良好な光学的特性をもって駆動電圧の低減化を図った可変焦点レンズを提供することができる。

このような本発明構成の可変焦点レンズは、駆動電圧を従来に比して格段に低減化することができるため、従来は不可能であった小型の可変焦点レンズを用いる種々の光学装置に適用することが可能となる。
例えば、カメラ機能付き携帯電話、小型カメラ、小型撮像装置などにおける小型の可変焦点レンズとして利用可能である。
更に、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＢＤ（Blu-ray Disc）等に代表される各種の光ディスクの記録及び／又は再生を行う光ディスク装置において、収差補正素子や可変倍率とするコリメータレンズとして用いることができる。
特に、これらの各種の光ディスクを互換とする多波長の光源を用いる光記録装置においては、コリメータレンズの焦点距離を可変とする必要があり、本発明による可変焦点レンズを用いる場合は、上述したように、駆動電圧を格段に低減化することができるので、これらの光ディスク装置への実用化が可能となる。
なお、可変焦点レンズは、本質的に放電するとき以外は電流が流れず、消費電力はきわめて小さいこと、また機械的可動部がないので、モータ等によりレンズを移動させている従来の可変焦点レンズと比較して寿命が長く、モータが不要となるため省スペース化を図り、簡単な構成でオートフォーカス機構を光学装置に設けることができるという利点を有する。しかしながら、上述したように従来の可変焦点レンズは、駆動電圧が高く、上述した光学装置をはじめ、各種の光学装置へ適用する際には昇圧回路が必要であった。
これに対し、本発明の可変焦点レンズによれば、所望の球面度数の変化を得るための駆動電圧を低減化し、１０Ｖ以下程度とすることができたので、昇圧回路を設けることなく各種の光学装置への適用が可能となり、比較的簡易な回路構成をもって上述の各種の利点を有する可変焦点レンズを用いることが可能となる。

また、本発明の可変焦点レンズは、上述の各例に限定されるものではなく、その他材料、構成等において本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の可変焦点レンズの一実施の形態例の概略断面構成図である。 本発明の可変焦点レンズの一実施の形態例の概略断面構成図である。 本発明の可変焦点レンズの一実施の形態例の概略断面構成図である。 従来の可変焦点レンズの一例の概略断面構成図である。 Ａは従来の可変焦点レンズの一例の概略断面構成図である。Ｂは従来の可変焦点レンズの一例の概略断面構成図である。 従来の可変焦点レンズの接触核の変化を示す模式的説明図である。 従来の可変焦点レンズにおける接触角の説明図である。

符号の説明

１．導電性液体材料部、２．絶縁性液体材料部、１０．容器、１１．光透過性材料部、１２．光透過性材料部、２１．第１の電極、２２．陽極酸化部、２３．撥水性材料部、２４．第２の電極、２５．親水性材料部、２６．絶縁性部材、３１．電極、３２．誘電体膜、４０．電圧印加部

Claims (5)

1. 容器内に、導電性液体材料部及び絶縁性液体材料部を収容し、上記導電性液体材料部に誘電体層を介在して電圧を印加する第１の電極と、上記導電性液体材料部に直接接触する第２の電極とを有する可変焦点レンズであって、
   上記誘電体層が、上記第１の電極を陽極酸化して形成した金属酸化物より成る陽極酸化部とされた
   ことを特徴とする可変焦点レンズ。
2. 上記容器が金属より成り、
   上記容器の少なくとも一部が陽極酸化されて上記陽極酸化部とされて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
3. 容器内に、導電性液体材料部及び絶縁性液体材料部を収容し、上記導電性液体材料部に誘電体層を介在して電圧を印加する第１の電極と、上記導電性液体材料部に直接接触する第２の電極とを有する可変焦点レンズを少なくとも有する光学装置であって、
   上記可変焦点レンズは、その誘電体層が、上記第１の電極を陽極酸化して成る金属酸化物より成る陽極酸化部とされた
   ことを特徴とする光学装置。
4. 容器に、第１の電極を形成し、少なくともその表面を陽極酸化して陽極酸化部を形成する工程と、
   上記容器内に、導電性液体材料部及び絶縁性液体材料部を収容する工程と、
   上記導電性液体材料部に導通する第２の電極を形成する工程とを少なくとも有する
   ことを特徴とする可変焦点レンズの製造方法。
5. 上記容器を電極材料より構成し、上記容器の少なくとも一部を陽極酸化して上記陽極酸化部を形成する
   ことを特徴とする請求項４記載の可変焦点レンズの製造方法。
   
   

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