JP2007179044A - 液体レンズ - Google Patents

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Abstract

【課題】透過率および集光率を向上させることができるようにする。
【解決手段】液体レンズ101において、スイッチ132がON状態にされると、電源131により、上部電極120と下部電極115との間に電圧が印加される。その電圧の印加により、くぼみ102内において、極性液体119の絶縁膜117に対する濡れ性が変化し、無極性液体118と極性液体119の界面の湾曲率が変化し、液体レンズ101の焦点距離が変化する。このとき、くぼみ102の上面の形状が多角形であっても、表面張力が働いて、この界面の湾曲率が略一定となるように作用するので、どの位置においても界面の湾曲率は略同一となる。本発明は、液体レンズに適用することができる。
【選択図】図3

Description

本発明は、液体レンズに関し、特に、透過率および集光率を向上させることができるようにする液体レンズに関する。
従来、電圧の印加により濡れ性を変化させた2液体の界面の変化を利用して焦点距離を可変させる焦点可変液体レンズがある。この従来の焦点可変液体レンズにおいて、図1Aに示されるように、くぼみを形成することにより液体をセンタリングする方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
図1Aに示されるように、液体レンズ1は、透明基板11と透明天板12に挟まれる空間に、リブ13、リブ14、下部電極15、下部電極16、絶縁膜17、無極性液体18、極性液体19、上部電極20、及び上部電極21が形成される。また、この液体レンズ1の上部電極20および上部電極21と、下部電極15および下部電極16とは、電源31およびスイッチ32を介して接続される。すなわち、スイッチ32がON状態にされることにより、上部電極20および上部電極21と、下部電極15および下部電極16との間に電源31の電圧が印加される。この電圧の印加により極性液体19の濡れ性が変化し、無極性液体18と極性液体19との界面の形状が変化し、凸レンズ状に湾曲する。この界面の形状により、これらの2液体の層を通過する光が集光される。液体レンズ1は、この印加される電圧の値を調整することにより、2液体の界面の湾曲率が調整することができ、レンズとしての焦点距離を変更することができる。
特許文献1においては、中心軸対象な円錐台や長細い溝型の形状のくぼみを形成し、そのくぼみを利用して液体をセンタリングすることが記載されている。つまり、図1Aに示される液体レンズ1を透明天板12側より見ると、図1Bに示されるように、円形のくぼみ41が形成されている。
また、従来の焦点可変液体レンズを、図1Cに示されるように、アレイ状に並べて配置して利用する方法も提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特表2002−540464号公報 特開2000−356708号公報
例えば、特許文献1に記載されているような、上面が円形のくぼみ41を有する液体レンズ1を、特許文献2に記載されているようにアレイ状に配置し、図1Cに示されるような液体レンズアレイ51を形成する。
このとき、液体レンズアレイ51に入射される光の内、点線52の部分に入射される光は、図2Aに示される矢印のように、液体レンズ1−1乃至液体レンズ1−3を通過し、集光される。
しかしながら、液体レンズアレイ51に入射される光の内、点線53の部分に入射される光は、液体レンズ1−4乃至液体レンズ1−6のくぼみ41の部分を通過しないため、図2Bに示される矢印のように遮断される。従って、液体レンズアレイ51全体の光の透過率が低減してしまう恐れがあった。
そこで、各液体レンズ1のくぼみ41でない部分も光を透過する素材で形成されるようにしても、液体レンズアレイ51に入射される光の内、点線53の部分に入射される光は、液体レンズ1−4乃至液体レンズ1−6のくぼみ41の部分を通過しないため、図2Cに示される矢印のように集光されない。従って、液体レンズアレイ51全体の光の集光率が低減してしまう恐れがあった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、液体レンズがアレイ状に配置された場合においても、液体レンズアレイ全体の透過率および集光率を向上させるようにするものである。
本発明の一側面の液体レンズは、電圧の印加によって極性液体と無極性液体の界面の形状を制御することにより、前記界面の透過光の光路を制御する液体レンズであって、前記極性液体および前記無極性液体が注入され、前記界面が形成される、上面が多角形状のくぼみを有する。
前記くぼみの上面の多角形は、六角形または四角形であるようにすることができる。
本発明の一側面においては、極性液体および無極性液体が注入され、その液体の界面が形成される、上面が多角形状のくぼみが設けられる。
本発明の他の側面の液体レンズは、電圧の印加によって極性液体と無極性液体の界面の形状を制御することにより、前記界面の透過光の光路を制御する液体レンズであって、前記極性液体および前記無極性液体が注入され、前記界面が形成される、上面が多角形状のくぼみを有する複数の小型液体レンズをアレイ状に配置する。
前記くぼみの上面の多角形は、六角形または四角形であるようにすることができる。
隣接する前記小型液体レンズが、前記極性液体および前記無極性液体に電圧を印加するための電極を共有するようにすることができる。
本発明の他の側面においては、極性液体および無極性液体が注入され、その液体の界面が形成される、上面が多角形状のくぼみを有する複数の小型液体レンズがアレイ状に配置される。
本発明の一側面によれば、光を集光することができる。特に、透過率および集光率を向上させることができる。
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本明細書に記載の発明と、発明の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、請求項に記載されている発明をサポートする実施の形態が本明細書に記載されていることを確認するためのものである。従って、発明の実施の形態中には記載されているが、発明に対応するものとして、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その発明に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が発明に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その発明以外の発明には対応しないものであることを意味するものでもない。
さらに、この記載は、本明細書に記載されている発明の全てを意味するものではない。換言すれば、この記載は、本明細書に記載されている発明であって、この出願では請求されていない発明の存在、すなわち、将来、分割出願されたり、補正により追加されたりする発明の存在を否定するものではない。
本発明の一側面の液体レンズは、電圧の印加によって極性液体と無極性液体(例えば、図3Bの無極性液体および極性液体)の界面(例えば図5Bの界面)の形状を制御することにより、前記界面の透過光の光路を制御する液体レンズ(例えば、図3Aの液体レンズ)であって、前記極性液体と前記無極性液体が注入され、前記界面が形成される、上面が多角形状のくぼみ(例えば、図3Aのくぼみ)を有する。
前記くぼみの上面の多角形は、六角形(例えば、図3Cのくぼみ)または四角形(例えば、図8Cのくぼみ)であるようにすることができる。
本発明の他の側面の液体レンズは、電圧の印加によって極性液体と無極性液体の界面の形状を制御することにより、前記界面の透過光の光路を制御する液体レンズ(例えば図7の液体レンズアレイ)であって、前記極性液体および前記無極性液体(例えば、図3Bの無極性液体および極性液体)が注入され、前記界面(例えば図5Bの界面)が形成される、上面が多角形状のくぼみ(例えば、図3Aのくぼみ)を有する複数の小型液体レンズ(例えば、図3Aの液体レンズ)をアレイ状に配置する。
前記くぼみの上面の多角形は、六角形(例えば、図3Cのくぼみ)または四角形(例えば、図8Cのくぼみ)であるようにすることができる。
隣接する前記小型液体レンズが、前記液体に電圧を印加するための電極(例えば、図3Bの下部電極)を共有するようにすることができる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図3は、本発明を適用した液体レンズの一実施形態に係る構成例を示す図である。
図3Aは、本発明を適用した液体レンズの斜視図である。図3Aに示される液体レンズ101は、後述するように、側壁等によって形成されるくぼみ102を有し、そのくぼみ102に注入され、図中上側より天板で封止された2液体(例えば、極性を有する極性液体と、極性を有さない無極性液体)の界面の形状を利用して、液体レンズ101(のくぼみ102)を図中上下方向に透過する透過光の光路を制御するレンズである。つまり、液体レンズ101は、2液体の界面を通過する透過光を集光させたり発散させたりする。例えば、界面がその形状により透過光に対して凸レンズとして働く場合(例えば、後述するように、電極に電圧が印加されている状態の場合)、透過光は、界面の形状に応じた位置の焦点に集光される。また、例えば、界面がその形状により透過光に対して凹レンズとして働く場合(例えば、後述するように、電極に電圧が印加されていない状態の場合)、透過光は、界面の形状に応じた範囲に発散される。図3Aに示されるように、液体レンズ101の形状は、その側面が6つの平面により構成される六角柱状である。なお、図3Aに点線で示されるように、くぼみ102の側面も6つの平面により構成される(くぼみ102は、六角柱状の空間である)。
図3Bは、図3Aの液体レンズ101を側面に垂直な方向から見たときの断面図である。図3Bにおいて、液体レンズ101は、透明基板111、透明天板112、側壁113−1、側壁113−2、下部電極115−1、下部電極115−2、絶縁膜117、無極性液体118、極性液体119、上部電極120を有している。
透明基板111および透明天板112は、例えば、光を透過可能な、透明性を有する材料、具体的には、石英ガラスなどにより構成される。また、この他にも、例えば、合成樹脂、具体的には、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレートあるいはポリカーボネートなどのエステル、酢酸セルロースなどのセルロースエステル、ポリフッ化ビニリデンあるいはポリテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素ポリマー、ポリオキシメチレンなどのポリエーテル、または、ポリアセタール,ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンあるいはメチルペンテンポリマーなどのポリオレフィン、または、ポリアミドイミドあるいはポリエーテルイミドなどのポリイミド、または、ポリアミドにより構成してもよい。
図3Bに示される側壁113−1および側壁113−2は、図3Aに示されるように液体レンズ部101の側面として構成される6面の一部であり、無極性液体118や極性液体119を封止するための部材である。この側壁113−1および側壁113−2は、例えばエポキシ系やアクリル系の樹脂等のように、無極性液体118や極性液体119に溶解せず、かつ、反応もしない事が望ましく、典型的には高分子の樹脂が用いられ、例えばエポキシ系やアクリル系の樹脂が用いられる。なお、以下において、側壁113−1および側壁113−2を互いに区別して説明する必要の無い場合、側壁113と称する。
下部電極115−1および下部電極115−2は、図3Bに示されるように、側壁113の内側(側壁113と絶縁膜117との間)に形成される1つの電極である。なお、以下において、下部電極115−1および下部電極115−2を互いに区別して説明する必要の無い場合、下部電極115と称する。図3Aに示されるように側壁113は、6つの平面により構成されている。下部電極115もこの側壁113と同様に、くぼみ102の側面を6つの平面で囲むように形成されている。下部電極115は、例えば、金(Au)、白金(Pt)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、コバルト(Co)、パラジウム(Pd)、ビスマス(Bi)、銀(Ag)、あるいはこれらの合金により形成される。また、下部電極115は、酸化スズ(SnO2)にフッ素をわずかに加えた薄膜や酸化インジウムスズ(ITO)にアンチモンをわずかに加えた薄膜を形成した、高い透明性と導電性をあわせもつ透明導電性膜によって構成される透明電極としてもよい。
上部電極120は、透明天板112の下面に形成される、下部電極115に対応する電極である。上部電極120の材質は基本的に下部電極115と同様であるのでその詳細な説明は省略する。図3Bに示されるように、上部電極120の下面の一部(中央付近)は、くぼみ102の上面(液体レンズ101の内側の上面)となる。
図3Bに示されるように、上部電極120と下部電極115は、少なくとも絶縁膜117により絶縁されている。上部電極120と下部電極115は、互いに対になって作用し、必要に応じて、両電極間に所定の電圧が印加される。つまり、図3Bに示されるように、上部電極120と下部電極115との間には、電源131およびスイッチ132が接続される。スイッチ132がオンされることにより、上部電極120と下部電極115との間に電源130の電圧が印加される。
なお、上部電極120と下部電極115の形状および電極数は任意である。
絶縁膜117は、例えば、フッ素系のポリマーである、PVdF、PTFE等、または、ポリパラキシレンやポリモノクロロパラキシレン等の、導電率が低い物質により形成された膜であり、下部電極115と透明基板111を覆うように形成される。つまり、この絶縁膜117の表面がくぼみ102の側面および下面(液体レンズ101の内側の側面および下面)なる。この絶縁膜117の材質としては、疎水性(撥水性)および誘電率が大きい物質が望ましい。絶縁膜117の膜厚は、誘電率を大きくするためにはより薄い方が望ましいが、絶縁強度の面から考えると厚い方が望ましく、最適な値は両者の兼ね合いで決定される。なお、絶縁膜117は、少なくとも1層あればよく、2層や3層等、複数の層により形成されるようにしてもよい。また、絶縁膜117は、少なくとも下部電極115を覆うように(上部電極120と下部電極115を絶縁するように)形成されていればよく、必ずしも、図3Bに示されるように透明基板111まで覆う必要は無い。
この絶縁膜117は、動作電圧を低くし、駆動速度を早くするのに寄与する。例えば、この絶縁膜117を設けない場合、電圧をかけると水の分解反応が起こり、ガスが発生してしまう。このガス発生を抑制するためには、さらに参照電極を設け、3電極構造とし、下部電極115の電位を水の分解反応が起こらない電位に制限する必要がある。しかしながら、このように3極の構造とした場合、製造プロセスが複雑になり、製造コストが増大してしまう。さらに、その制御回路も極めて複雑なものとなるため、その回路規模や製造コストまで増大してしまうので望ましくない。
これに対して、図3Bに示されるように絶縁膜117を設ける場合、上部電極120と下部電極115が構造的に絶縁されるため、高電圧をかけても水の分解は発生しない。従って、液体レンズ101は、その構造や制御方法が容易になり、コストを低減させることができ、さらに、水の分解が発生しないため高電圧印加が可能になり、それによりエレクトロウェッティングの力を大きくさせることができ、より高速な焦点制御が可能となる。
無極性液体118には、デカン、ドデカン、ヘキサデカン、若しくはウンデカン等の炭化水素系の材料、屈折率の高いシリコンオイル、または、1,1-ジフェニルエチレンが使用される。また、極性液体119には、例えば、水、塩化カリウム、若しくは塩化ナトリウム等の電解質を溶かした水溶液、分子量の小さなメチルアルコール、または、エチルアルコール等のアルコールが使用される。
無極性液体118と極性液体119は、上述した以外の液体を用いるようにしてももちろんよいが、例えば、極性液体119は、上部電極120と、下部電極115との間の電圧印加により絶縁膜117との濡れ性がなるべく大きく変化し、さらに、無極性液体118とは互いに混在せず、その屈折率が無極性液体120の屈折率と大きく異なり、低粘度のものであることが好ましい。
以上のような液体レンズ101において、側壁113は、このくぼみ102の上面が六角形となるように、くぼみ102の側面を6つの平面で囲む。すなわち、液体レンズ101は、上から(透明天板112側から)見ると、図3Cに実線で示されるように六角形を成しており、くぼみ102の上面も点線で示されるように六角形状となっている。
このような液体レンズ101において、図3Bに示されるスイッチ132が開放されている(OFF状態である)とき、上部電極120と下部電極115との間に電圧が印加されない。このとき、極性液体119と無極性液体118は、それぞれの絶縁膜117に対する濡れ性(表面エネルギー)の関係より所定の形状で安定する。
図3Bに示されるスイッチ132が接続される(ON状態にされる)と、上部電極120と下部電極115との間に電圧が印加され、それにより絶縁膜117内に電界方向へ分極電荷が発生し、絶縁膜117の表面に電荷が蓄積される(電荷二重層状態)。この電荷の存在により、極性液体119にのみ、例えば絶縁膜117近傍へ寄ろうとする方向にクーロン力が発生する。つまり、電極への電圧の印加により、極性液体119の絶縁膜117に対する濡れ性が変化する。その結果、例えば、極性液体119と絶縁膜117の接触面積が増加し、その分、無極性液体118と絶縁膜117の接触面積が低減する。これにより、無極性液体118と極性液体119の界面が変形し、その湾曲率が変化する。
無極性液体118と極性液体119の屈折率の違いにより、両液体の界面において、液体レンズ101のくぼみ102内を図中下から上に向かって透過する透過光の屈折が生じる。この透過光の屈折の度合いや向きは、界面への入射角や、無極性液体118と極性液体119の屈折率の違いの程度等に応じて変化する。つまり、電圧の印加の有無により、
無極性液体118と極性液体119の界面の湾曲率が変化することによって、透過光の光路が変化する。
図3Bに示される例の場合、スイッチ132がOFF状態であり、無極性液体118と極性液体119の界面の中央部分が、周囲部分に対して出っ張るような(図中上側にくるような)形状で安定している。この状態において、例えば、無極性液体118の屈折率が極性液体119の屈折率よりも高ければ、透過光は集光するように液体レンズ101より出射される。つまり、この場合、無極性液体118と極性液体119の界面は、透過光に対して集光レンズとして作用する。逆に、図3Bの状態において、無極性液体118の屈折率が極性液体119の屈折率よりも低ければ、透過光は発散するように液体レンズ101より出射される。つまり、この場合、無極性液体118と極性液体119の界面は、透過光に対して発散レンズとして作用する。このように、透過光の屈折の向きや程度は、無極性液体118の屈折率と極性液体119の屈折率の内、どちらの方がどれくらい大きいかによって影響を受ける。
また、例えば、スイッチ132がON状態にされることにより、無極性液体118と極性液体119の界面の中央部分が、図3Bの状態から周囲部分に対してさらに出っ張る場合、つまり、無極性液体118と極性液体119の界面の湾曲率がさらに大きくなる場合、透過光はさらに大きく屈折するようになる。例えば、スイッチ132がOFF状態のときに無極性液体118と極性液体119の界面が透過光に対して発散レンズとして作用するのであれば、スイッチ132がON状態にされることにより、透過光はさらに大きく発散するように出射される。逆に、スイッチ132がOFF状態のときに無極性液体118と極性液体119の界面が透過光に対して集光レンズとして作用するのであれば、スイッチ132がON状態にされることにより、透過光はさらに強く集光され、その焦点距離が短くなるように出射される。
逆に、例えば、スイッチ132がON状態にされることにより、無極性液体118と極性液体119の界面の湾曲率が小さくなる場合、透過光の屈折は小さくなる。つまり、スイッチ132がOFF状態のときに透過光が発散するのであれば、スイッチ132がON状態にされることにより、その透過光の発散は弱まり、逆に、スイッチ132がOFF状態のときに透過光が集光するのであれば、スイッチ132がON状態にされることにより、その透過光の集光は弱くなる(透過光の焦点距離が長くなる)。
さらに、例えば、スイッチ132がON状態にされることにより、無極性液体118と極性液体119の界面の湾曲率が「0」になる場合、つまり、無極性液体118と極性液体119の界面が、図3B中の水平方向に平面になる場合、透過光は集光も発散もしなくなる。さらに、スイッチ132がON状態にされることにより、無極性液体118と極性液体119の界面の中央部分が、周囲部分に対してくぼむ場合、つまり、無極性液体118と極性液体119の界面の湾曲方向が反転する場合、発散していた透過光は集光するようになり、集光していた透過光は発散するようになる。
以上のように、スイッチ132の状態、すなわち液体レンズ101への電圧の印加の有無によって、無極性液体118と極性液体119の界面の湾曲率が変化し、それにより、透過光の光路が変化する。
また、換言すれば、透過光は、無極性液体118と極性液体119の界面の湾曲率に応じて屈折される。ところで、くぼみ102の上面の形状が六角形(多角形)なので、側壁113からこの上面の中心点までの長さは、その側壁113の位置により異なる。この長さが異なると、場所により無極性液体118と極性液体119との界面の湾曲率が変化し、レンズとして歪んだものとなるので、透過光の焦点がずれたり、集光されなかったりする恐れがある。
しかしながら、実際には、無極性液体118と極性液体119の強力な表面張力が働いて、この界面の湾曲率が略一定となるように作用するので、どの位置においても界面の湾曲率は略同一となる。例えば、極性液体119と絶縁膜117との接触面積が増加するように、上部電極120および下部電極115に電圧が印加されると、極性液体119は、その表面張力により、図4に示されるように、側面となる絶縁膜117の、くぼみ102の上面の六角形の頂点の部分に沿って広がろうとする。従って、無極性液体118と極性液体119との界面は、側面となる絶縁膜117の6平面のそれぞれにおいて、円弧状に湾曲する。
以上のように、無極性液体118と極性液体119との界面の湾曲率は、その位置によらず、略一定となる。
より具体的に説明する。例えば、図5Aに示されるように、くぼみ102の上面の六角形の対角線を通る、くぼみ102の、図中垂直方向の断面151について、無極性液体118と極性液体119との界面152は、図5Bのように示される。このときの断面151の横方向の長さ(六角形の対角線の長さ)をd1とし、絶縁膜117と界面152との接触角をθ1とする。
また、例えば、図6Aに示されるように、絶縁膜117の対向する2平面の中点を両方通過する、図中垂直方向のくぼみ102の断面153について、無極性液体118と極性液体119との界面152は、図6Bのように示される。このときの断面153の横方向の長さをd2とし、絶縁膜117と界面152との接触角をθ2とする。
このとき、接触角θ1と接触角θ2は、一定となるが、長さd1と長さd2が異なるので、界面の曲率半径が、図5の場合と図6の場合とで互いに異なる恐れがあるが、例えば、d1=1mm,d2=1.32mm,θ=130°であるとすると、図5の場合の界面152の曲率半径R1は、R1=0.78mmであり、図6の場合の界面152の曲率半径R2は、R2=1.03mmである。従って、界面152の湾曲率は、図5の場合と図6の場合とでほぼ同一になり、大きな差はない。その上さらに、この界面152には、上述したように強力な表面張力が働くので、界面152の形状は、この表面張力による影響が支配的となる。従って、界面152の湾曲率は、その位置によらず略一定となる。
つまり、このような上面が六角形状のくぼみ102を有する液体レンズ101も、くぼみ上面の形状が円形の従来の液体レンズと同様に、十分なレンズ特性を得ることができる。その上、液体レンズ101は、くぼみ102の上面が多角形(六角形)なので、液体レンズ101の外形の上面もくぼみ102に合わせて多角形(六角形)とすることにより、液体レンズ101は、上面からみたときのくぼみ102以外の部分の面積を低減させることができ、略全体をくぼみ102(レンズ状の界面)が占めるようにすることができる。つまり、液体レンズ101は、その透過光の透過率や集光率を向上させることができる。
液体レンズ101は、図7に示されるように、アレイ状に配置して、液体レンズアレイ161を形成することができる。この液体レンズアレイ161は、アレイ状に配置された小型液体レンズ(液体レンズ101)の集合により構成される液体レンズである。このとき、液体レンズアレイ161の液体レンズ101の上面を多角形にすることにより、図7に示されるように、レンズ間に隙間がほとんど無い細密構造を形成することができる。従って、アレイ状に液体レンズ101が配置された図7の液体レンズアレイ161は、その透過光の透過率や集光率を向上させることができる。
なお、図7の液体レンズアレイ161において、例えば側壁113を省略し、隣接する液体レンズ101同士で下部電極115を共有するようにしてもよい。このようにすることにより、各液体レンズ101の構成部品点数を低減させることができるだけでなく、液体レンズアレイ161の中の1つの液体レンズ101の下部電極115に電源131を接続するだけで、液体レンズアレイ161の全ての液体レンズ101の下部電極115を電源131に接続することができ、配線等の部品点数をさらに低減させることができる。
従って、このようにすることにより、液体レンズアレイ161をさらに小型化することができ、製造コストも低減させることができる。
なお、液体レンズ101のくぼみ102の上面の形状は、多角形であれば、六角形以外であってもよい。例えば、図8に示されるように、四角形であってもよい。
図8は、本発明を適用した液体レンズの一実施形態に係る他の構成例を示す図である。
図8Aは、本発明を適用した液体レンズの斜視図である。図8Aに示される液体レンズ201は、液体レンズ101と同様に、側壁等によって形成されるくぼみ202を有し、そのくぼみ202に注入され、図中上側より天板で封止された2液体(例えば、極性を有する極性液体と、極性を有さない無極性液体)の界面の形状を利用して、液体レンズ201(のくぼみ202)を図中上下方向に透過する透過光の光路を制御するレンズである。つまり、液体レンズ201は、2液体の界面を通過する透過光を集光させたり発散させたりする。例えば、界面がその形状により透過光に対して凸レンズとして働く場合(例えば、後述するように、電極に電圧が印加されている状態の場合)、透過光は、界面の形状に応じた位置の焦点に集光される。また、例えば、界面がその形状により透過光に対して凹レンズとして働く場合(例えば、後述するように、電極に電圧が印加されていない状態の場合)、透過光は、界面の形状に応じた範囲に発散される。図8Aに示されるように、液体レンズ201の形状は、その側面が4つの平面により構成される四角柱状である。なお、図8Aに点線で示されるように、くぼみ202の側面も4つの平面により構成される(くぼみ202は、四角柱状の空間である)。
図8Bは、図8Aの液体レンズ201を側面に垂直な方向から見たときの断面図である。図8Bにおいて、液体レンズ201は、基本的に液体レンズ101と同様の構成を有し、透明基板211、透明天板212、側壁213−1、側壁213−2、下部電極215−1、下部電極215−2、絶縁膜217、無極性液体218、極性液体219、および上部電極220を有している。
透明基板211は、透明基板111と同様の素材により形成される。透明天板212も透明天板112と同様の素材により形成される。側壁213−1および側壁213−2は、図8Aに示されるように液体レンズ部201の側面として構成される4面の一部であり、無極性液体218や極性液体219を封止するための部材である。この側壁213−1および側壁213−2は、側壁113と同様の素材により形成される。なお、以下において、側壁213−1および側壁213−2を互いに区別して説明する必要の無い場合、側壁213と称する。
下部電極215−1および下部電極215−2は、下部電極115と同様の素材により形成される電極であり、図8Bに示されるように、側壁213の内側(側壁213と絶縁膜217との間)に形成される1つの電極である。なお、以下において、下部電極215−1および下部電極215−2を互いに区別して説明する必要の無い場合、下部電極215と称する。図8Aに示されるように側壁213は、4つの平面により構成されている。下部電極215もこの側壁213と同様に、くぼみ202の側面を4つの平面で囲むように形成されている。
上部電極220は、透明天板212の下面に形成される、下部電極215に対応する電極である。上部電極220は、上部電極120と同様の素材により形成される。図8Bに示されるように、上部電極220の下面の一部(中央付近)は、くぼみ202の上面(液体レンズ201の内側の上面)となる。
図8Bに示されるように、上部電極220と下部電極215は、少なくとも絶縁膜217により絶縁されている。上部電極220と下部電極215は、互いに対になって作用し、必要に応じて、両電極間に所定の電圧が印加される。つまり、図8Bに示されるように、上部電極220と下部電極215との間には、電源231およびスイッチ232が接続される。スイッチ232がオンされることにより、上部電極220と下部電極215との間に電源230の電圧が印加される。
なお、上部電極220と下部電極215の形状および電極数は任意である。
絶縁膜217は、絶縁膜117と同様の素材により形成される膜であり、下部電極215と透明基板211を覆うように形成され、絶縁膜117と同様の効果を得る。なお、絶縁膜217は、少なくとも下部電極215を覆うように(上部電極220と下部電極215を絶縁するように)形成されていればよく、必ずしも、図8Bに示されるように透明基板211まで覆う必要は無い。
無極性液体218には、無極性液体118と同様の液体が使用される。また、極性液体219には、極性液体119と同様の液体が使用される。
以上のような液体レンズ201において、側壁213は、このくぼみ202の上面が四角形となるように、くぼみ202の側面を4つの平面で囲む。すなわち、液体レンズ201は、上から(透明天板212側から)見ると、図8Cに実線で示されるように四角形を成しており、くぼみ202の上面も点線で示されるように四角形状となっている。
このような、液体レンズ201において、図8Bに示されるスイッチ232が開放されている(OFF状態である)とき、上部電極220と下部電極215との間に電圧が印加されない。このとき、極性液体219と無極性液体218は、それぞれの絶縁膜217に対する濡れ性(表面エネルギー)の関係より、所定の形状で安定する。
図8Bに示されるスイッチ232が接続される(ON状態にされる)と、液体レンズ101の場合と同様に、上部電極220と下部電極215との間に電圧が印加され、それにより絶縁膜217内に電界方向へ分極電荷が発生し、絶縁膜217の表面に電荷が蓄積される(電荷二重層状態)。この電荷の存在により、極性液体219にのみ、例えば絶縁膜217近傍へ寄ろうとする方向にクーロン力が発生する。つまり、電極への電圧の印加により、極性液体219の絶縁膜217に対する濡れ性が変化する。その結果、例えば、極性液体219と絶縁膜217の接触面積が増加し、その分、無極性液体218と絶縁膜217の接触面積が低減する。これにより、無極性液体218と極性液体219の界面が変形し、その湾曲率が変化する。
無極性液体218と極性液体219の屈折率の違いにより、両液体の界面において、液体レンズ201のくぼみ202内を図中下から上に向かって透過する透過光の屈折が生じる。この透過光の屈折の度合いや向きは、界面への入射角や、無極性液体218と極性液体219の屈折率の違いの程度等に応じて変化する。つまり、電圧の印加の有無により、無極性液体218と極性液体219の界面の湾曲率が変化することによって、透過光の光路が変化する。
図8Bに示される例の場合、スイッチ232がOFF状態であり、無極性液体218と極性液体219の界面の中央部分が、周囲部分に対して出っ張るような(図中上側にくるような)形状で安定している。この状態において、例えば、無極性液体218の屈折率が極性液体219の屈折率よりも高ければ、透過光は集光するように液体レンズ201より出射される。つまり、この場合、無極性液体218と極性液体219の界面は、透過光に対して集光レンズとして作用する。逆に、図8Bの状態において、無極性液体218の屈折率が極性液体219の屈折率よりも低ければ、透過光は発散するように液体レンズ201より出射される。つまり、この場合、無極性液体218と極性液体219の界面は、透過光に対して発散レンズとして作用する。このように、透過光の屈折の向きや程度は、無極性液体218の屈折率と極性液体219の屈折率の内、どちらの方がどれくらい大きいかによって影響を受ける。
また、例えば、スイッチ232がON状態にされることにより、無極性液体218と極性液体219の界面の中央部分が、図8Bの状態から周囲部分に対してさらに出っ張る場合、つまり、無極性液体218と極性液体219の界面の湾曲率がさらに大きくなる場合、透過光はさらに大きく屈折するようになる。例えば、スイッチ232がOFF状態のときに無極性液体218と極性液体219の界面が透過光に対して発散レンズとして作用するのであれば、スイッチ232がON状態にされることにより、透過光はさらに大きく発散するように出射される。逆に、スイッチ232がOFF状態のときに無極性液体218と極性液体219の界面が透過光に対して集光レンズとして作用するのであれば、スイッチ232がON状態にされることにより、透過光はさらに強く集光され、その焦点距離が短くなるように出射される。
逆に、例えば、スイッチ232がON状態にされることにより、無極性液体218と極性液体219の界面の湾曲率が小さくなる場合、透過光の屈折は小さくなる。つまり、スイッチ232がOFF状態のときに透過光が発散するのであれば、スイッチ232がON状態にされることにより、その透過光の発散は弱まり、逆に、スイッチ232がOFF状態のときに透過光が集光するのであれば、スイッチ232がON状態にされることにより、その透過光の集光は弱くなる(透過光の焦点距離が長くなる)。
さらに、例えば、スイッチ232がON状態にされることにより、無極性液体218と極性液体219の界面の湾曲率が「0」になる場合、つまり、無極性液体218と極性液体219の界面が、図8B中の水平方向に平面になる場合、透過光は集光も発散もしなくなる。さらに、スイッチ232がON状態にされることにより、無極性液体218と極性液体219の界面の中央部分が、周囲部分に対してくぼむ場合、つまり、無極性液体218と極性液体219の界面の湾曲方向が反転する場合、発散していた透過光は集光するようになり、集光していた透過光は発散するようになる。
以上のように、スイッチ232の状態、すなわち液体レンズ201への電圧の印加の有無によって、無極性液体218と極性液体219の界面の湾曲率が変化し、それにより、透過光の光路が変化する。
また、換言すれば、透過光は、無極性液体218と極性液体219の界面の湾曲率に応じて屈折される。ところで、くぼみ202の上面の形状が四角形(多角形)なので、側壁213からこの上面の中心点までの長さは、その側壁213の位置により異なる。この長さが異なると、場所により無極性液体218と極性液体219との界面の湾曲率が変化し、レンズとして歪んだものとなるので、透過光の焦点がずれたり、集光されなかったりする恐れがある。
しかしながら、この液体レンズ201の場合も、実際には、無極性液体218と極性液体219の強力な表面張力が働いて、界面の湾曲率が略一定となるように作用するので、どの位置においても界面の湾曲率は略同一となる。例えば、極性液体219と絶縁膜217との接触面積が増加するように、上部電極220および下部電極215に電圧が印加されると、極性液体219は、その表面張力により、図9に示されるように、側面となる絶縁膜217の、くぼみ202の上面の四角形の頂点の部分に沿って広がろうとする。従って、無極性液体218と極性液体219との界面は、側面となる絶縁膜217の4平面のそれぞれにおいて、円弧状に湾曲する。
つまり、例えば、図10Aに示されるように、側壁213の対向する2平面の中点を両方通過する、図中垂直方向のくぼみ202の断面251について、無極性液体218と極性液体219との界面252は、図10Bのように示される。このときの断面253の横方向の長さをd3とし、側壁213と界面252との接触角をθ3とする。
また、例えば、図11Aに示されるように、くぼみ202の上面の四角形の対角線を通る、くぼみ202の、図中垂直方向の断面253について、無極性液体218と極性液体219との界面252は、図11Bのように示される。このときの断面253の横方向の長さ(四角形の対角線の長さ)をd4とし、側壁213と界面252との接触角をθ4とする。
このとき、接触角θ3と接触角θ4は、一定となるが、長さd3と長さd4が異なるので、界面の曲率半径が、図10の場合と図11の場合とで互いに異なる恐れがあるが、上述した図5および図6の場合と同様に、その差は大きくない。その上さらに、この界面252には、上述したように強力な表面張力が働くので、界面252の形状は、この表面張力による影響が支配的となる。従って、界面252の湾曲率は、その位置によらず略一定となる。
つまり、このような上面が四角形状のくぼみ202を有する液体レンズ201も、くぼみ上面の形状が円形の従来の液体レンズと同様に、十分なレンズ特性を得ることができる。その上、液体レンズ201は、くぼみ202の上面が多角形(四角形)なので、液体レンズ201の外形の上面もくぼみ202に合わせて多角形(四角形)とすることにより、液体レンズ201は、上面からみたときのくぼみ202以外の部分の面積を低減させることができ、略全体をくぼみ202(レンズ状の界面)が占めるようにすることができる。つまり、液体レンズ201は、その透過光の透過率や集光率を向上させることができる。
液体レンズ201は、図12に示されるように、アレイ状に配置して、液体レンズアレイ261を形成することができる。この液体レンズアレイ261は、アレイ状に配置された小型液体レンズ(液体レンズ201)の集合により構成される液体レンズである。このとき、液体レンズアレイ261の液体レンズ201の上面を多角形にすることにより、図12に示されるように、レンズ間に隙間がほとんど無い細密構造を形成することができる。従って、アレイ状に液体レンズ201が配置された図12の液体レンズアレイ261は、その透過光の透過率や集光率を向上させることができる。
なお、図12の液体レンズアレイ261において、例えば側壁213を省略し、隣接する液体レンズ201同士で、下部電極215を共有するようにしてもよい。このようにすることにより、各液体レンズ201の構成部品点数を低減させることができるだけでなく、液体レンズアレイ261の中の、1つの液体レンズ201の下部電極215に電源231を接続するだけで、液体レンズアレイ261の全ての液体レンズ201の下部電極215を電源231に接続することができ、配線等の部品点数をさらに低減させることができる。
従って、このようにすることにより、液体レンズアレイ261をさらに小型化することができ、製造コストも低減させることができる。
以上のような液体レンズをアレイ状に配置した液体レンズアレイは、例えば、上面が五角形の液体レンズと、上面が六角形の液体レンズを組み合わせてアレイ状に配置する等、互いに異なる多角形を上面の形状とする複数種類の形状の液体レンズを組み合わせるようにしてもよい。
なお、上述した液体レンズ101は、上部電極120と下部電極115との間の電圧印加に応じて、無極性液体118と極性液体119の2液体の界面の形状が変化するようになされていればよく、これらの電極間に電圧が印加されていないときの2液体の界面の形状(曲率)、および、この電極間に印加される電圧の大きさは、ともに任意である。
つまり、例えば、上述した液体レンズ101の、上部電極120と下部電極115との間に電圧が印加されることにより、無極性液体118と極性液体119の2液体の界面が、凹状から凸状に変化するようにしてもよいし、凹状から平面に変化するようにしてもよいし、凹状のままで曲率が小さくなるようにしてもよいし、平面から凸状に変化するようにしてもよいし、凸状のままで曲率が大きくなるようにしてもよい。
このような、2液体の界面の形状(曲率)、およびその変化量は、2液体の種類、量、および温度、くぼみ102(液体レンズ101)の大きさおよび形状、並びに、電極間に印加される電圧の大きさ等により決定される。
同様に、上述した液体レンズ201も、上部電極220と下部電極215との間の電圧印加に応じて、無極性液体218と極性液体219の2液体の界面の形状が変化するようになされていればよく、液体レンズ101の場合と同様に、これらの電極間に電圧が印加されていないときの無極性液体218と極性液体219の2液体の界面の形状(曲率)、および、この電極間に印加される電圧の大きさは、ともに任意である。
つまり、液体レンズ201の場合も、例えば、上述した液体レンズ201の、上部電極220と下部電極215との間に電圧が印加されることにより、無極性液体218と極性液体219の2液体の界面が、凹状から凸状に変化するようにしてもよいし、凹状から平面に変化するようにしてもよいし、凹状のままで曲率が小さくなるようにしてもよいし、平面から凸状に変化するようにしてもよいし、凸状のままで曲率が大きくなるようにしてもよい。
このような、2液体の界面の形状(曲率)、およびその変化量は、2液体の種類、量、および温度、くぼみ202(液体レンズ201)の大きさおよび形状、並びに、電極間に印加される電圧の大きさ等により決定される。
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
従来の焦点可変液体レンズの構成例を説明する図である。 従来の焦点可変液体レンズにおける光の透過の様子を説明する図である。 本発明を適用した液体レンズの一実施形態に係る構成例を示す図である。 図3の液体レンズにおいて電圧を印加した場合の界面の様子の例を説明する図である。 図3の液体レンズにおける界面の湾曲率を説明する図である。 図3の液体レンズにおける界面の湾曲率を説明する図である。 図3の液体レンズを用いた液体レンズアレイの構成例を示す図である。 本発明を適用した液体レンズの一実施形態に係る他の構成例を示す図である。 図8の液体レンズにおいて電圧を印加した場合の界面の様子の例を説明する図である。 図8の液体レンズにおける界面の湾曲率を説明する図である。 図8の液体レンズにおける界面の湾曲率を説明する図である。 図8の液体レンズを用いた液体レンズアレイの構成例を示す図である。
符号の説明
101 液体レンズ, 102 くぼみ, 111 透明基板, 112 透明天板, 113−1および113−2 側壁, 115−1および115−2 下部電極, 117 絶縁膜, 118 無極性液体, 119 極性液体, 120 上部電極, 131 電源, 132 スイッチ, 151 断面, 152 界面, 153 断面, 161 液体レンズアレイ, 201 液体レンズ, 202 くぼみ, 211 透明基板, 212 透明天板, 213−1および213−2 側壁, 215−1および215−2 下部電極, 217 絶縁膜, 218 無極性液体, 219 極性液体, 220 上部電極, 231 電源, 232 スイッチ, 251 断面, 252 界面, 253 断面, 261 液体レンズアレイ

Claims (5)

  1. 電圧の印加によって極性液体と無極性液体の界面の形状を制御することにより、前記界面の透過光の光路を制御する液体レンズであって、
    前記極性液体および前記無極性液体が注入され、前記界面が形成される、上面が多角形状のくぼみを有する
    液体レンズ。
  2. 前記くぼみの上面の多角形は、六角形または四角形である
    請求項1に記載の液体レンズ。
  3. 電圧の印加によって極性液体と無極性液体の界面の形状を制御することにより、前記界面の透過光の光路を制御する液体レンズであって、
    前記極性液体および前記無極性液体が注入され、前記界面が形成される、上面が多角形状のくぼみを有する複数の小型液体レンズをアレイ状に配置する
    液体レンズ。
  4. 前記くぼみの上面の多角形は、六角形または四角形である
    請求項3に記載の液体レンズ。
  5. 隣接する前記小型液体レンズが、前記極性液体および前記無極性液体に電圧を印加するための電極を共有する
    請求項3に記載の液体レンズ。
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