JP4997945B2

JP4997945B2 - 液体レンズアレイ

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Publication number: JP4997945B2
Application number: JP2006327281A
Authority: JP
Inventors: 真理子小日向
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: JP2007179044A

Description

本開示は、液体レンズアレイに関し、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アレイに関する。

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。

本開示の一側面は、くぼみ内の極性液体と無極性液体との界面の形状を電圧の印加によって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がアレイ状に配置される液体レンズアレイであって、前記液体レンズの外形およびくぼみの上面が６角形であり、各液体レンズが、ハニカム構造を形成するように並べられ、前記くぼみの各側面に設けられる、前記極性液体への電圧印加用の電極を、隣接する前記液体レンズ同士で共有する液体レンズアレイである。

隣接する液体レンズ同士のくぼみは、互いに同一の、表面に絶縁膜が形成される前記電極により側面が形成されるようにすることができる。

前記液体レンズの電極間に電圧が印加されることにより、前記界面が、凹状から凸状若しくは平面に変化する、または、凹状のままで曲率が小さくなるようにすることができる。

前記液体レンズの電極間に電圧が印加されることにより、前記界面が、平面から凸状に変化する、若しくは、凸状のままで曲率が大きくなるようにすることができる。

本開示においては、くぼみ内の極性液体と無極性液体との界面の形状を電圧の印加によって制御することにより、界面の透過光の光路を制御する、外形およびくぼみの上面が６角形の液体レンズが、互いにハニカム構造を形成するように並べられ、くぼみの側面に設けられる、極性液体への電圧印加用の電極が、隣接する液体レンズ同士で共有される。

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、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

くぼみ内の極性液体と無極性液体との界面の形状を電圧の印加によって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がアレイ状に配置される液体レンズアレイであって、
前記液体レンズの外形およびくぼみの上面が６角形であり、各液体レンズが、ハニカム構造を形成するように並べられ、
前記くぼみの各側面に設けられる、前記極性液体への電圧印加用の電極を、隣接する前記液体レンズ同士で共有する
液体レンズアレイ。
隣接する液体レンズ同士のくぼみは、互いに同一の、表面に絶縁膜が形成される前記電極により側面が形成される
請求項１に記載の液体レンズアレイ。
前記液体レンズの電極間に電圧が印加されることにより、前記界面が、凹状から凸状若しくは平面に変化する、または、凹状のままで曲率が小さくなる
請求項１に記載の液体レンズアレイ。
前記液体レンズの電極間に電圧が印加されることにより、前記界面が、平面から凸状に変化する、若しくは、凸状のままで曲率が大きくなる
請求項１に記載の液体レンズアレイ。