JP5256843B2 - Optical element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、エレクトロウェッティング効果(電気毛細管現象)を利用した光学素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical element utilizing an electrowetting effect (electrocapillary phenomenon) and a manufacturing method thereof.
近年、エレクトロウェッティング効果を利用した光学素子の開発が進められている。エレクトロウェッティング効果は、絶縁体を介して導電性を有する液体と電極との間に電圧を印加すると、絶縁体が帯電することによって、絶縁体と液体との界面自由エネルギーが減少し、液体表面の形状(接触角)が変化する現象をいう。 In recent years, development of optical elements using the electrowetting effect has been advanced. The electrowetting effect is that when a voltage is applied between a conductive liquid and an electrode via an insulator, the insulator is charged, and the free energy at the interface between the insulator and the liquid is reduced. This is a phenomenon in which the shape (contact angle) changes.
この現象を利用して、電圧によって光学特性を変化させることが可能な光学素子が提案されている。例えば下記特許文献1には、この効果を利用し、印加電圧によって焦点距離を変化させることが可能な光学素子が記載されている。
By utilizing this phenomenon, an optical element capable of changing optical characteristics by voltage has been proposed. For example,
この、特許文献1に記載の光学素子は、貫通孔が形成された電極層と、その一方の面に接合され、貫通孔の一端を閉塞する第1の透明基板と、電極層の他方の面に密閉層を介して対向配置される第2の透明基板によって、液体を収容するセルが形成されている。また、電極層の、貫通孔の内壁面及び第2の透明基板と対向する面は、撥水性の絶縁層によって被覆されている。そして、このセル内に、導電性の第1の液体と、屈折率を異にし、第1の液体と混和することのない絶縁性の第2の液体とが、上述の貫通孔の中に2液の界面が位置するように充填されている。
The optical element described in
この構成によれば、電極層と第1の液体間に電圧を印加すると、電極層と第1の液体が絶縁層を介して対向しているため、電荷が蓄積し、すなわちキャパシタが構成される。この蓄積した電荷により、第1の液体が電極層に引かれて絶縁層上に濡れ広がり、貫通孔の内壁面に対する第1の液体の接触角が変化する(エレクトロウェッティング効果)。その結果、第1の液体と第2の液体の界面(すなわちレンズ)の形状が変化し、当該セルを透過する光の焦点距離を任意に調整することが可能になる。 According to this configuration, when a voltage is applied between the electrode layer and the first liquid, the electrode layer and the first liquid are opposed to each other via the insulating layer, so that charges are accumulated, that is, a capacitor is configured. . Due to the accumulated electric charge, the first liquid is attracted to the electrode layer and spreads on the insulating layer, and the contact angle of the first liquid with respect to the inner wall surface of the through hole changes (electrowetting effect). As a result, the shape of the interface (that is, the lens) between the first liquid and the second liquid changes, and the focal length of the light transmitted through the cell can be arbitrarily adjusted.
上記特許文献1に記載の光学素子は、電極層と第1の液体を絶縁するために、絶縁層が貫通孔以外の面、すなわち、第2の透明基板と対向する電極層の表面にも形成される必要がある。これにより、本来の液体の界面の形状変化に寄与する領域(貫通孔の内壁面)以外の領域、具体的には、電極層が絶縁層を介して第1の液体と対向する領域にキャパシタが構成される。この意図しないキャパシタにより発生する寄生容量によって、該光学素子に交流電圧を印加して焦点距離を変化させる際、消費電力が増大し、応答速度も低下するという問題が生じる。
In the optical element described in
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、寄生容量を抑制することによって、消費電力が小さく、応答速度の速い光学素子及びその製造方法を提供することを課題とする。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide an optical element with low power consumption and high response speed by suppressing parasitic capacitance, and a method for manufacturing the same.
上述の課題を解決するため、本発明の主たる観点に係る光学素子は、第1の面及びこれに対向する第2の面を有し、前記第1の面側から前記第2の面側に向かって開口の大きさが漸次大きくなる貫通孔が形成された絶縁性基板と、前記絶縁性基板の前記第1の面側に接合された第1の透明基板と、前記絶縁性基板の前記第2の面側に接合され、前記第1の透明基板と前記貫通孔と共に液収容部を形成する第2の透明基板と、前記液収容部の前記第1の面側に収容される導電性の第1の液体と、前記液収容部の前記第2の面側に収容される、前記第1の液体と屈折率が異なり、かつ混合することのない絶縁性の第2の液体と、前記貫通孔の周面及び前記第2の面に連続して形成される導電層と、前記導電層を被覆する絶縁層とを具備する。 In order to solve the above-described problems, an optical element according to a main aspect of the present invention has a first surface and a second surface facing the first surface, from the first surface side to the second surface side. An insulating substrate in which a through-hole whose opening size gradually increases is formed, a first transparent substrate bonded to the first surface side of the insulating substrate, and the first substrate of the insulating substrate. A second transparent substrate that is bonded to the second surface side and forms a liquid storage portion together with the first transparent substrate and the through hole, and a conductive material that is stored on the first surface side of the liquid storage portion. A first liquid, an insulating second liquid that is accommodated on the second surface side of the liquid container and has a refractive index different from that of the first liquid and that does not mix, and the penetration A conductive layer continuously formed on a peripheral surface of the hole and the second surface; and an insulating layer covering the conductive layer.
この構成によれば、液収容部を形成する絶縁性基板は、絶縁性であり、その第1の面側に導電層は存在しない。よって、絶縁性基板の第1の面側に電極が絶縁層を介して導電性の第1の液体と対向する領域、すなわち意図しないキャパシタを構成する領域が存在せず、寄生容量が発生しない。その結果、消費電力が小さく、応答速度の速い光学素子を得ることができる。 According to this configuration, the insulating substrate forming the liquid container is insulative, and there is no conductive layer on the first surface side. Therefore, there is no region where the electrode faces the conductive first liquid through the insulating layer on the first surface side of the insulating substrate, that is, a region constituting an unintended capacitor, and no parasitic capacitance is generated. As a result, an optical element with low power consumption and a fast response speed can be obtained.
本発明に係る光学素子において、前記貫通孔は、一方向の長さが他方向の長さより長い開口形状であるものとしてもよい。 In the optical element according to the present invention, the through hole may have an opening shape whose length in one direction is longer than the length in the other direction.
この構成によれば、貫通孔の開口の長手方向に比べて短手方向に大きく入射光を屈折させることができる。また、上記一方向の長さが上記他方向の長さより十分長い開口形状とした場合、シリンドリカルレンズとして機能する光学素子を得ることができる。 According to this configuration, incident light can be refracted more largely in the short direction than in the longitudinal direction of the opening of the through hole. In addition, when the opening in the one direction is sufficiently longer than the length in the other direction, an optical element that functions as a cylindrical lens can be obtained.
本発明に係る光学素子において、前記貫通孔は、前記絶縁性基板の面内において一方向に複数配列されているものとしてもよい。 In the optical element according to the present invention, a plurality of the through holes may be arranged in one direction within the surface of the insulating substrate.
各々の液収容部を隔てる絶縁性基板の第1の面の面積は、前記第1の面側から前記第2の面側に向かって開口の大きさが漸次大きくなる形状(以下、本明細書において「逆テーパー形状」とも称する)である貫通孔が複数設けられている場合、当該貫通孔が単独で設けられている場合に比べ大きくなり、第1の面と第1の透明基板の間で寄生容量が発生すると、その影響もより大きいものとなる。しかし、この構成によれば、第1の面において寄生容量が発生しないため、貫通孔が複数形成されていても、寄生容量の影響が生じない光学素子を得ることができる。 The area of the first surface of the insulating substrate that separates the liquid storage portions is a shape in which the size of the opening gradually increases from the first surface side toward the second surface side (hereinafter referred to as the present specification). In the case where a plurality of through-holes that are “reverse tapered shape” are provided, the size is larger than when the through-holes are provided alone, and between the first surface and the first transparent substrate. When parasitic capacitance occurs, the effect is even greater. However, according to this configuration, since no parasitic capacitance is generated on the first surface, an optical element that is not affected by the parasitic capacitance even when a plurality of through holes are formed can be obtained.
本発明に係る光学素子において、前記絶縁性基板は、隣接する複数の前記貫通孔の間で前記第2の液体を相互に連通させる通液路を有するものとしてもよい。 In the optical element according to the present invention, the insulating substrate may have a liquid passage that allows the second liquid to communicate with each other between the plurality of adjacent through holes.
この構成によれば、複数配列された貫通孔が形成する液収容部に収容された第2の液体を、各液収容部間において連通させることができ、各液収容部に収容されている第1の液体と第2の液体の体積比を所望の値に保つことができる。 According to this configuration, the second liquid stored in the liquid storage portion formed by the plurality of arranged through holes can be communicated between the liquid storage portions, and the second liquid stored in each liquid storage portion. The volume ratio between the first liquid and the second liquid can be maintained at a desired value.
本発明に係る光学素子において、前記貫通孔の前記周面と前記第2の面の境界部は、曲面であるものとしてもよい。 In the optical element according to the present invention, a boundary portion between the peripheral surface of the through hole and the second surface may be a curved surface.
上記光学素子の構造において、液収容部の周面となる貫通孔が形成される絶縁性基板は絶縁体によって形成される。そのため、貫通孔表面には導電層が形成される必要があり、導電層は、外部の電圧印加手段と導通を得るため、絶縁性基板の第2の面にも形成される。この場合、導電層は、貫通孔の周面及び第2の面に連続して形成される必要がある。 In the structure of the optical element, the insulating substrate on which the through hole serving as the peripheral surface of the liquid container is formed is formed of an insulator. Therefore, it is necessary to form a conductive layer on the surface of the through hole, and the conductive layer is also formed on the second surface of the insulating substrate in order to obtain conduction with an external voltage applying means. In this case, the conductive layer needs to be continuously formed on the peripheral surface and the second surface of the through hole.
この構成によれば、当該境界部が曲面であるため、当該境界部が鋭利である場合に比し、上記貫通孔の周面及び上記第2の面との間にわたって連続する導電層を安定して形成することができる。その結果、導電層の破損、断線等の発生が抑制された安定した導電層を得ることが可能となる。 According to this configuration, since the boundary portion is a curved surface, the conductive layer continuous between the peripheral surface of the through hole and the second surface is stabilized as compared with the case where the boundary portion is sharp. Can be formed. As a result, it is possible to obtain a stable conductive layer in which the occurrence of breakage, disconnection, or the like of the conductive layer is suppressed.
本発明に係る光学素子であって前記導電層は、透明導電膜であるものとしてもよい。 In the optical element according to the present invention, the conductive layer may be a transparent conductive film.
この構成によれば、導電層によって、光学素子を通過する光が遮られないため、入射光の透過率が高い光学素子を得ることが可能である。 According to this configuration, since the light passing through the optical element is not blocked by the conductive layer, an optical element having a high transmittance of incident light can be obtained.
本発明に係る光学素子の製造方法は、第1の面及びこれに対向する第2の面を有する絶縁性基板に、前記第1の面側から前記第2の面側に向かって開口の大きさが漸次大きくなる貫通孔を形成し、前記第2の面及び前記貫通孔の周面に、連続する導電層を形成し、前記第2の面に第2の透明基板を取り付けて、前記貫通孔と前記第2の透明基板により凹部を形成し、前記導電層を被覆する絶縁層を形成し、前記凹部に、導電性の第1の液体と、前記第1の液体と屈折率が異なり、かつ混合することのない絶縁性の第2の液体を収容し、前記第1の面に第1の透明基板を液密に取り付ける。 In the method of manufacturing an optical element according to the present invention, an opening is formed in an insulating substrate having a first surface and a second surface facing the first surface from the first surface side toward the second surface side. Forming a through-hole having a gradually increasing length, forming a continuous conductive layer on the second surface and the peripheral surface of the through-hole, and attaching a second transparent substrate to the second surface, A recess is formed by a hole and the second transparent substrate, an insulating layer is formed to cover the conductive layer, and the recess has a refractive index different from that of the conductive first liquid, the first liquid, An insulating second liquid that does not mix is accommodated, and the first transparent substrate is liquid-tightly attached to the first surface.
この製造方法によれば、絶縁性基板の第1の面側に、導電体が絶縁体を介して対向する領域、すなわち意図しないキャパシタを構成する領域を形成しないことが可能である。また、導電層を形成した後に絶縁層を形成することによって、当該導電層を被覆し、導電層と第1の液体を絶縁することが可能である。
すなわち、上述の寄生容量が発生せず、消費電力が小さく、応答速度の速い光学素子を製造することができる。
According to this manufacturing method, it is possible not to form a region where the conductor is opposed via the insulator, that is, a region constituting an unintended capacitor, on the first surface side of the insulating substrate. Further, by forming the insulating layer after forming the conductive layer, the conductive layer can be covered and the conductive layer and the first liquid can be insulated.
That is, it is possible to manufacture an optical element that does not generate the parasitic capacitance described above, consumes less power, and has a high response speed.
本発明に係る光学素子の製造方法において、前記絶縁性基板に前記導電層を形成する工程は、前記導電層が、前記導電層の構成材料を含むスパッタリングターゲット(以下、ターゲット)に対向するように、前記絶縁性基板を真空槽内に配置し、スパッタリング法によって前記第2の面及び前記貫通孔の周面に前記導電層を選択的に形成するものとしてもよい。 In the method of manufacturing an optical element according to the present invention, in the step of forming the conductive layer on the insulating substrate, the conductive layer is opposed to a sputtering target (hereinafter, target) containing a constituent material of the conductive layer. The insulating substrate may be disposed in a vacuum chamber, and the conductive layer may be selectively formed on the second surface and the peripheral surface of the through hole by a sputtering method.
この製造方法によれば、スパッタリング法は成膜方向に指向性を有することから、導電層を第1の面には形成しないことが可能となる。つまり、ターゲットから叩き出された粒子は直線的に飛散するため、成膜領域は成膜対象物とターゲットとの間の幾何学的配置関係に大きく依存する。したがって、絶縁性基板の第2の面をターゲットに対向配置させることによって、絶縁性基板の第1の面への膜形成を回避できる。 According to this manufacturing method, since the sputtering method has directivity in the film forming direction, it is possible not to form the conductive layer on the first surface. In other words, since the particles knocked out of the target scatter linearly, the film formation region greatly depends on the geometrical arrangement relationship between the film formation target and the target. Therefore, by forming the second surface of the insulating substrate opposite to the target, film formation on the first surface of the insulating substrate can be avoided.
これにより、上述の寄生容量が発生せず、駆動電圧が低く、応答速度の速い光学素子を製造することができる。なお、真空蒸着法やイオンプレーティング法などの他の物理的気相成長法においても同様の効果が得られるので、これらの方法をスパッタ法に代えて適用してもよい。 Thereby, the above-described parasitic capacitance is not generated, and an optical element having a low drive voltage and a high response speed can be manufactured. In addition, since the same effect is acquired also in other physical vapor deposition methods, such as a vacuum evaporation method and an ion plating method, you may apply these methods instead of a sputtering method.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る光学素子について説明する。
図1は本発明の第1の実施形態に係る光学素子の断面図、図2は当該光学素子の平面図である。図1は図2の[A]−[A]線方向断面図である。これらの図に示すように、光学素子1は貫通孔2を有する絶縁性基板3、第1の透明基板4及び第2の透明基板5を有する。第1の透明基板4と第2の透明基板5に絶縁性基板3が挟まれ、貫通孔2と第1の透明基板4及び第2の透明基板5で形成される空間が、導電性の第1の液体12と絶縁性の第2の液体13を収容する液収容部6となる。
(First embodiment)
An optical element according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a sectional view of an optical element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the optical element. 1 is a cross-sectional view in the direction of line [A]-[A] in FIG. As shown in these drawings, the
絶縁性基板3は第1の面7と第2の面8を有し、第1の面7に封止部材14を介して第1の透明基板4が接合され、第2の面8に第2の透明基板5が接合される。絶縁性基板3の素材は、光透過性が高い絶縁性の合成樹脂材料(例えば、アクリル、PET(Polyethylene Terephthalate)、ポリカーボネート等)から適宜選択することができるが、光透過性が高い他の材料(例えばガラスなど)を用いることによって、光学素子1を通過する光の強度の損失を低減することができる。
The insulating
絶縁性基板3に形成される貫通孔2は、絶縁性基板3の第1の面7と第2の面8を貫通し、第1の面7側から第2の面8側に開口の大きさが漸次大きくなる逆テーパー形状である。すなわち、貫通孔2の周面が、第1の面7及び第2の面8に対して傾斜しており、その傾斜角は特に限定されないが、例えば、1度〜20度程度とされる(図1では、傾斜角度を強調して示している)。なお、図示の例では、貫通孔の周面は直線的な傾斜面としたが、これに限らず、曲面形状の傾斜面であってもよい。また、貫通孔2の平面形状は、本実施形態では、X方向に比べてY方向の開口幅が大きい長円形状とされるが、これに限られず、円形、楕円形、長方形などの多角形であってもよい。
The through
詳細は後述するが、貫通孔2の周面が第1の面7あるいは第2の面8となす傾斜角度は、2液の界面形状に影響を与える。また、この傾斜により絶縁性基板3と、第2の透明基板5を接着剤で接着する場合に、はみ出した接着剤が貫通孔2の最小径で決定される光学有効エリアにかかることを防止することが可能である。
Although the details will be described later, the inclination angle formed by the peripheral surface of the through
また、貫通孔2の、第2の面8側の開口縁が曲面となる(貫通孔2の周面と第2の面8側が滑らかに連続する)ように形成してもよい。これによって、後述するように、貫通孔と第2の面8に連続する導電層9を安定して形成することが可能となる。
Moreover, you may form so that the opening edge by the side of the
封止部材14はゴム、エラストマー樹脂等液体を封止できる素材によって形成され、絶縁性基板3の第1の面7に、貫通孔2の開口を一周するように設けられる。絶縁性基板3の第1の面7には、絶縁性基板3の凸部からなる封止部材ガイド部15が設けられており、この封止部材ガイド部15によって封止部材14が位置決めされている。
The sealing
絶縁性基板3の貫通孔2の周面には、第2の面8側と連続する導電層9が設けられている。導電層9のうち、貫通孔2の周面に形成され、電極として機能する部分を電極部9aとし、第2の面8に形成され、電極部9aを図示しない外部電源に接続するための配線として機能する部分を配線部9bとする。導電層9は、導電性薄膜よりなり、絶縁性基板3の第2の面8側からスパッタリング法などにより形成することができる。導電性材料として酸化スズやITO(Indium Tin Oxide)のような透明導電性材料を使用することによって、導電層9による光強度の減少を抑えることが可能である。上述のように、貫通孔2は逆テーパー形状であるため、第2の面8側から、第2の面8及び貫通孔2の周面の全領域に対し、成膜方向に指向性を有するスパッタリング法によって導電層9を選択的に形成することができる。
On the peripheral surface of the through
なお、電極部9aは、貫通孔2の周面の全領域に形成される必要はなく、後述する、エレクトロウェッティング効果を利用した2液界面の形状変化を発生させるのに必要な領域に形成してもよい。例えば、光学素子1を後述するシリンドリカルレンズとして利用する際には、エレクトロウェッティング効果を発生させる必要がない貫通孔2の周面の領域が存在する場合があるからである。この場合、導通を得るために何れかの箇所において、配線部9bと接続している必要がある。また、配線部9bも、第2の面8の全領域に形成される必要はなく、外部の電源に接続可能なように形成されればよい。
The
本実施形態の光学素子1においては、導電層9は、絶縁性基板3の第1の面7には形成されず、第1の面7側において導電層が絶縁層を挟んで導電性の第1の液体12と対向することが回避されるため、意図しないキャパシタを構成する部分が存在しない。ここで、意図しないキャパシタとは、後述する2液界面の形状変化を発生させるために必要な、貫通孔2の周面に形成されるキャパシタとは異なり、それ以外の部分に形成され、寄生容量を発生させるキャパシタをいう。
In the
導電層9が形成された貫通孔2の周面、絶縁性基板3の第1の面7及び第2の透明基板5の液収容部側の面には絶縁層10が形成される。絶縁層10は電極部9aと後述する液収容部6に収容される液体とが接触しないように、電極部9aを完全に覆う必要がある。
An insulating
絶縁層10は、誘電率が高いものを用いることができる。後述するが、本実施形態では、当該絶縁層10を挟んで、電極部9aと第1の液体12の間に電圧が印加される。ここで、電極部9aと第1の液体12の間の静電容量が比較的大きいと、光学素子1の駆動に必要な印加電圧が低くてよく、もしくは絶縁層10の膜厚を薄くすることができるからである。
The insulating
また、絶縁層10は、撥水性を有するものとする。この、絶縁層10の撥水性により、第2の液体より表面エネルギーの大きい液体である第1の液体12が、当該絶縁層10が設けられた面に接触しないように集合する。また、絶縁層10の撥水性により、後述する、2液界面の形状が影響を受ける。
The insulating
以上のように、絶縁層10は絶縁と撥水の二つの機能を有するものである。このため、絶縁層10は、電極部9aを完全に覆うという条件を満たす必要があり、また、少なくとも2液界面の近傍(エレクトロウェティング効果による第1の液体12の移動に係る領域)に形成される必要がある。
As described above, the insulating
撥水性、絶縁性を有する絶縁層10の素材としてパリレン(パラキシリレン系樹脂)、PVDF(PolyVinylidine DiFluoride)、等が挙げられる。これらはCVD(Chemical Vapor Deposition)法、コート法等によって形成される。また、誘電率が高い素材である、酸化タンタル、酸化チタン等を形成し、撥水性が高い素材であるPTFE(PolyTetraFlouroEthylene)等をその上層に形成する積層構造であってもよい。
Parylene (paraxylylene resin), PVDF (PolyVinylidine DiFluoride), and the like are listed as materials for the insulating
なお、絶縁性基板3の第1の面7及び第2の透明基板5の液収容部側の面に形成される部分等の電極部9aが形成されていない領域に形成される絶縁層10は、電極部9aを覆うものではない(すなわち、誘電率が高いものである必要はない)ため、上記積層構造とする場合でも、誘電率が高い素材を下層として形成する必要はない。また、電極部9aと第1の液体12との間の電気的絶縁が確保されている限りにおいて、第1の透明基板4と対向する絶縁性基板3の表面全域に、絶縁層10が形成されていなくてもよい。
本実施形態では、絶縁層10として、パリレンをCVD法により成膜した。
The insulating
In the present embodiment, as the insulating
第1の透明基板4及び第2の透明基板5は、ガラス基板や非導電性プラスチック等で形成される。後述するが、これらの基板は、透明度が高い素材で構成することができる。この場合、光強度の減少を抑えられるので、光学素子1の入射光あるいは透過光の経路上に存在させても影響が少ない。
The first
第1の透明基板4の液収容部側の面には、配線11が設けられる。配線11は第1の液体12と導通を得る目的であるため、第1の透明基板4の液収容部側の全領域に設けられる構成に限らず、図1に示すように、外部の電源に接続可能なように所定の形状にパターニングされていてもよい。素材として酸化スズやITOのような透明導電性材料を使用することによって、前述のように光強度の減少を抑えることが可能である。
A
上述のようにして形成された液収容部6には第1の液体12と第2の液体13が収容される。ここで、この2液は、互いに混合せず、かつ絶対屈折率が異なるものである必要がある。2液が混合する場合、2液界面が生じず、屈折率が同じであれば、界面形状による光学特性が得られないからである。また、2液の比重を同等とすることによって、光学素子1の振動等の物理的挙動に対して2液界面が大きく変化し、光学特性に影響を与えることを防止することができる。さらに、後述するように、2液の界面を変形させて使用するため、第1の液体12と第2の液体13は共に、粘度が低いものとしてもよい。加えて、2液のうち少なくとも1液は、着色されていてもよい。
The
第1の液体12は、導電性あるいは有極性の液体である。光透過率が高いものが好適である。水、電解液(塩化ナトリウム水溶液、塩化リチウム水溶液等)、アルコール類(メタノール、エタノール等)、常温溶融塩等を用いることが可能である。本実施形態では、塩化リチウム水溶液(3.36wt%、絶対屈折率1.34)を第1の液体12とした。
The
第2の液体13は、絶縁性の非水系液体である。光透過率が高いものを使用することができ、例えば、炭化水素(デカン、ドデカン、ヘキサデカン、ウンデカン等)、疎水性シリコーンオイル、フッ素系材料等を用いることが可能である。本実施形態では、シリコーンオイル(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製TSF437、絶対屈折率1.49)を第2の液体13とした。
The
図1に示すように、液収容部6に第1の液体12、第2の液体13を収容すると、2液は混合しないため2層に分離する。本実施形態では、絶縁性基板3の貫通孔2の周面及び第2の透明基板5の液収容部側の面(以下、撥水領域)に撥水性を有する絶縁層10が形成されているので、第2の液体より表面エネルギーの大きい第1の液体12が弾かれて第1の透明基板4側に集合し、第2の液体13が第2の透明基板5側に集合する。
As shown in FIG. 1, when the
次に2液の界面の形状について説明する。
図3は、貫通孔2の周面と、2液の界面の接触の様子を示す模式図である。
同図に示すように、2液界面と周面は、接触角θを有して接触する。
Next, the shape of the interface between the two liquids will be described.
FIG. 3 is a schematic view showing a state of contact between the peripheral surface of the through
As shown in the figure, the two-liquid interface and the peripheral surface are in contact with each other with a contact angle θ.
ここで、接触角θは、第1の液体12と第2の液体13の間(γ1)、第2の液体13と周面の間(γ2)、周面と第1の液体12の間(γ3)のそれぞれに生じる界面張力の相互作用により決定する。
界面張力γ2、γ3は、周面の材質(すなわち絶縁層10の材質)による影響を受ける。
Here, the contact angle θ is determined between the
The interfacial tensions γ 2 and γ 3 are affected by the material of the peripheral surface (that is, the material of the insulating layer 10).
界面の形状は上述の接触角θの影響に加え、第1の液体12と第2の液体13の間(γ1)の界面張力による作用を受ける。すなわち、界面張力γ1が小さいと、貫通孔2の周面近傍では上述の相互作用を受けるが、周面から遠い領域(バルク領域)ではフラットな2液界面となる。
The shape of the interface is affected by the interfacial tension between the
また、2液界面の形状は、貫通孔2の周面の傾きと、貫通孔2の開口の形状による影響を受ける。
図1、図2に示すX、Y、Z方向に従って説明する。
界面の、Z−X平面(あるいはY−Z平面)上の形状、すなわち断面形状は、貫通孔2の周面の傾きによって影響を受ける。
周面がX−Y平面に対して垂直である場合、2液界面は、上述のように周面に対しある接触角θを有する。これに対し、周面がX−Y平面に対して傾いている場合、接触角θは周面が垂直である場合と同一であるため、2液界面の曲率は、両場合で異なるものとなる。
The shape of the two-liquid interface is affected by the inclination of the peripheral surface of the through
The description will be made according to the X, Y, and Z directions shown in FIGS.
The shape of the interface on the ZX plane (or YZ plane), that is, the cross-sectional shape, is affected by the inclination of the peripheral surface of the through
When the peripheral surface is perpendicular to the XY plane, the two-liquid interface has a certain contact angle θ with respect to the peripheral surface as described above. On the other hand, when the peripheral surface is inclined with respect to the XY plane, the contact angle θ is the same as that when the peripheral surface is vertical, so the curvature of the two-liquid interface is different in both cases. .
また、X−Y平面上の界面の形状は、貫通孔2の開口の形状と同一となる。貫通孔2の開口を円形とすると、界面形状も円形となり、かつ上述のように曲面であるため、非球面状、球面状あるいは球面に近似する形状となる。また、貫通孔2の形状を、X方向の長さに対してY方向に十分長い長円形状とすると、界面の形状は、Y方向の曲率がほぼ0となり、貫通孔2の周面から遠ざかるほど直線的となり、X方向にのみ湾曲するシリンドリカル(円筒状)形状となる。
In addition, the shape of the interface on the XY plane is the same as the shape of the opening of the through
以上のように、接触角θ、界面張力(γ1)、貫通孔2の形状によって、2液界面の形状が決定される。
本実施形態の構成では、第1の液体12と第2の液体13が形成する2液界面は、第1の液体12が凸状、第2の液体13が凹状である曲面となる。貫通孔2は、X方向の長さがY方向の長さに比べ十分長く形成されているため、上記X方向にのみ湾曲するシリンドリカル形状となる。かつ、貫通孔2は逆テーパー形状に形成されている(すなわち周面が傾いている)ため、周面が垂直である場合に比べ、曲率が大きくなる。
As described above, the shape of the two-liquid interface is determined by the contact angle θ, the interface tension (γ 1 ), and the shape of the through
In the configuration of the present embodiment, the two-liquid interface formed by the
次に、このように構成された光学素子1の動作を説明する。
Next, the operation of the
電圧非印加時には、2液界面は、上述のように、貫通孔2の形状と、第1の液体12、第2の液体13、絶縁層10の物性値によって規定される曲面となる。この2液界面は、屈折率が異なる境界であるため、入射した光を収束あるいは発散させる、即ちレンズ面として機能する。屈折率の差が大きいほど、レンズパワーが大きくなる。Z方向から入射した光に対してのレンズ効果を以下で説明する。
When no voltage is applied, the two-liquid interface becomes a curved surface defined by the shape of the through-
図4は入射光及び透過光の経路を示す図である。(A)は電圧非印加時、(B)は電圧印加時である。
図4(A)に示すように、光学素子1へのZ方向、第1の透明基板4からの入射光は、第1の液体12の絶対屈折率が第2の液体13の絶対屈折率より小さいため、2液界面で屈折し、ある焦点距離において発散する。
FIG. 4 is a diagram showing paths of incident light and transmitted light. (A) is when no voltage is applied, and (B) is when voltage is applied.
As shown in FIG. 4A, in the Z direction toward the
後述する電圧印加時の光学素子1を示す図4(B)においては、電圧非印加時より2液界面の曲率が小さいため、より焦点距離が長くなる。
本実施形態においては、第1の液体12の絶対屈折率が第2の液体13の絶対屈折率より小さいため、屈折率の大小が逆の場合に比べ、2液界面での反射による光強度の損失が少ない。
In FIG. 4B showing the
In the present embodiment, since the absolute refractive index of the
上述したように、貫通孔2のX−Y平面上の形状により、2液界面のX−Y平面上における形状が規定される。2液界面の形状が球面形状(あるいは球面に近似する形状)である場合、Z方向からの入射光は、X方向、Y方向ともに光入射側に単一の焦点を有して発散する。2液界面の形状がX方向にのみ湾曲するシリンドリカル形状である場合、Z方向からの入射光は、Y方向に伸びる焦線(焦点の集合)を有してX方向にのみ発散し、Y方向には直進する。
As described above, the shape of the through
本実施形態に係る光学素子1は、上述したように、貫通孔2が逆テーパー形状であるため、図4(A)に示す電圧非印加時における2液界面の曲率が大きい。これは入射光を屈折させる能力、すなわちレンズパワーがより大きいことを意味する。
As described above, the
なお、本実施形態とは異なり、第1の液体12の絶対屈折率が第2の液体13の絶対屈折率より大きい場合は、入射光は2液界面を通過することによって収束する。
Unlike this embodiment, when the absolute refractive index of the
電圧印加による2液界面の形状変化について、以下で説明する。
なお、電圧非印加時の第1の液体12の接触角をθ0、電圧印加時の接触角をθVとする。
ここで、電極部9aは貫通孔2の周面の全領域に形成されているものとして説明する。
上述したように、本実施形態に係る光学素子1では第1の液体12が凸状、第2の液体13が凹状となる2液界面が形成される。この光学素子1の第1の液体12と電極部9aの間に、外部電源によって電圧を印加することによって、エレクトロウェッティング効果による2液界面の変形が起こる。上記外部電源は、直流電源でもよいし、交流電源でもよい。
The shape change of the two-liquid interface due to voltage application will be described below.
Note that the contact angle of the
Here, the
As described above, in the
第1の液体12と電極部9aの間に電圧Vを印加すると、静電ポテンシャルが発生し、第1の液体12及び電極部9a中の電荷が移動する。その結果、第1の液体12の表面と、電極部9aに、絶縁層10及び第2の液体13を介して、異なる電荷が蓄積しキャパシタを構成する。この電荷が引きあうことによって、第1の液体12と貫通孔2の周面間の界面張力(γ3)と逆向きの電荷による圧力(Π)が発生し、界面張力(γ3)が打ち消されるため、第1の液体12の接触角は接触角θ0から接触角θVまで増大する。第1の液体12と第2の液体13の体積は一定なため、当該接触角θVを満たすために、第1の液体12が貫通孔2の周面に沿って、第2の透明基板5側に移動し(濡れ広がり)、第2の液体13はバルク領域に移動する。これによって、2液界面の曲率が減少する。
When the voltage V is applied between the
電圧の印加を停止すると、第1の液体12及び電極部9aに蓄積された電荷が解消され、電圧非印加時の2液界面の形状に戻る。
印加電圧の大小によって、電荷による圧力(Π)が増減するため2液界面の曲率をリニアに変化させることが可能である。
When the application of the voltage is stopped, the charges accumulated in the
Depending on the magnitude of the applied voltage, the pressure (Π) due to the charge increases or decreases, so that the curvature of the two-liquid interface can be changed linearly.
以上を式を用いて説明する。 The above will be described using equations.
γ3=γ2+γ1cosθV+Π ・・・(1)
cosθ0=(γ3−γ2)/γ1 ・・・(2)
Π=ε0・ε・V2/2e ・・・(3)
cosθV=cosθ0−ε0・ε・V2/(2e・γ3) ・・・(4)
γ 3 = γ 2 + γ 1 cos θ V + Π (1)
cos θ 0 = (γ 3 −γ 2 ) / γ 1 (2)
Π = ε 0 · ε · V 2 / 2e (3)
cos θ V = cos θ 0 −ε 0 · ε · V 2 / (2e · γ 3 ) (4)
図3において、2液界面と周面の接触する点に作用する力の平衡は、式(1)で表される。ここで、電圧非印加時での接触角θ0は式(2)、電荷による圧力Πは、式(3)で表されるので、式(2)及び式(3)を式(1)に代入し、接触角θVが電圧Vの関数として表される式(4)が得られる。なお、ε0は真空の誘電率、εは絶縁層の比誘電率、eは絶縁層の膜厚である。 In FIG. 3, the balance of forces acting on the point where the two-liquid interface and the peripheral surface come into contact is expressed by Equation (1). Here, the contact angle θ 0 when no voltage is applied is expressed by equation (2), and the pressure drop due to electric charge is expressed by equation (3). Therefore, equation (2) and equation (3) are expressed by equation (1). By substituting, Equation (4) in which the contact angle θ V is expressed as a function of the voltage V is obtained. Here, ε 0 is the dielectric constant of vacuum, ε is the relative dielectric constant of the insulating layer, and e is the film thickness of the insulating layer.
上述のように、導電体(第1の液体12、電極部9a)中の電荷は絶縁体(絶縁層10、第2の液体13)を介して対向しており、電圧が印加された際にキャパシタとして機能する。このキャパシタとして機能する領域、即ち、電圧が印加される二つの導電体が、絶縁体を介して対抗する領域は必要最小限である方がよい。2液界面の形状変化に寄与しない(意図しない)キャパシタを構成する領域が存在することにより、当該領域にも電荷を蓄積させる必要があるため、2液界面の形状変化に必要な電荷量、すなわち消費電力が増大し、応答速度も低下するからである。
As described above, the charges in the conductor (first liquid 12,
光学素子1においては、貫通孔2が設けられた基板は絶縁体からなり、電極部9aが設けられた領域のみがキャパシタとなるため、意図しないキャパシタ(寄生容量)は存在しない。よって消費電力が小さく、応答速度の速い光学素子を得ることができる。
In the
なお、キャパシタ(2液界面の形状変化に寄与する部分に限る)は、静電容量が大きいほうが、低い電圧で多くの(2液界面の形状を変化させる)電荷を蓄積することが可能であり好適である。上述したように、絶縁層10を誘電率の高い材料で形成することによって、この大きな静電容量を得ることが可能である。
Capacitors (limited to the part that contributes to the shape change of the two-liquid interface) can accumulate more charges (change the shape of the two-liquid interface) at a lower voltage when the capacitance is larger. Is preferred. As described above, this large capacitance can be obtained by forming the insulating
光学素子1を実際に使用する場合の動作についてここで説明する。カメラのストロボフラッシュの配光角調節に用いる場合を例とする。ここでは、ストロボフラッシュの光源及びリフレクターの前面に、第1の透明基板4が光源側となるように取り付けた例を説明するが、第2の透明基板5側が光源側となるように取り付けてもよい。
電圧非印加時において、ストロボフラッシュから発し、リフレクターで反射した光は光学素子1に第1の透明基板4側から入射する。この入射光は、前述のように2液界面において屈折し、拡散する。
An operation when the
When no voltage is applied, the light emitted from the strobe flash and reflected by the reflector enters the
例えば、より遠い焦点距離によって撮像が所望される場合、光学素子1に電圧が印加される。これによって、前述のように2液界面の形状が変化し、曲率が減少する。この場合において、光学素子1に第1の透明基板4側から入射した光は、2液界面において屈折するが、2液界面の曲率が減少しているため、その程度は小さい。すなわち電圧非印加時に比べてその配光角は減少し、より遠方に照射される。
For example, when imaging is desired with a longer focal length, a voltage is applied to the
本実施形態に係る光学素子1は、機械的構成を持たないため従来の配光角調整機構に比べて小型軽量化することが可能であり、応答速度も速い。また、電圧が印加される際に電流はほとんど流れないため消費電力は極めて小さい。
Since the
なお、電極部9aが、貫通孔2の周面の一部にのみ形成されている場合を説明する。これは例えば、2液界面を、上述のシリンドリカル形状とし、当該界面をY方向に湾曲させる必要はない場合である。この場合、貫通孔2の周面であってY方向の湾曲にのみ寄与する領域(X―Y平面に平行な領域)には電極部9aを形成する必要がない。このように、電極部9aを形成した領域のみでエレクトロウェッティング効果が発生するため、所望の方向にのみ2液界面を湾曲させることが可能である。なお、比較例として、本実施形態の絶縁性基板3に相当する部品を導電性の素材により形成した場合、本実施形態のように、任意の領域にのみエレクトロウェッティング効果を発生させる光学素子を得ることは不可能である。
In addition, the case where the
次に、光学素子1の製造方法を説明する。
図5、図6、図7は、本実施形態に係る光学素子1の製造プロセスを示す。
これらの図では、図1、図2に示すX―Z平面を示し、貫通孔2の傾斜角度は強調されている。
Next, a method for manufacturing the
5, 6 and 7 show the manufacturing process of the
In these drawings, the XZ plane shown in FIGS. 1 and 2 is shown, and the inclination angle of the through
図5は光学素子1の製造プロセスのうち、基板工程を示す図である。
合成樹脂等の素材を射出成形などの金型成型技術を用いることによって、図5(A)に示すように、貫通孔2、第1の面7及び第2の面8を有する絶縁性基板3を形成する。
FIG. 5 is a diagram showing a substrate process in the manufacturing process of the
An insulating
貫通孔2は、開口の大きさが、第1の面7側から第2の面8側に向かって漸次大きくなる(逆テーパー)形状となるように形成される。この逆テーパー形状は、絶縁性基板3を金型から取り外す際の抜き勾配とすることが可能である。これは、例えば、第2の面8及び貫通孔2を形成する金型(金型a)と、第1の面7及び封止部材ガイド部15を形成する金型(金型b)の二つの金型を用いて絶縁性基板3を形成する場合、金型aを取り外す際に貫通孔2の周面から受ける摺動抵抗を軽減するものである。本実施形態における貫通孔2の周面は、第2の面8に向かって広がっているため、この周面の傾斜を金型(金型a)からの抜き勾配として利用することが可能である。
The through-
次に図5(B)に示すように、貫通孔2の周面及び第2の面8に、導電層9を形成する。
図8は、この導電層9のスパッタリング法による成膜の様子を示す図である。真空槽16中に、導電層9の原料からなるスパッタリングターゲット(以下、ターゲット)17と、ターゲット17に対向する位置に、絶縁性基板3が、第2の面8がターゲット17に対向するように配置されている。スパッタリングによりターゲット表面から生じたスパッタ粒子は、同図に矢印で示すように、ターゲット17から、絶縁性基板3に向かって直線的に飛散する。一般に高い指向性を有するスパッタ粒子は、ターゲットに対向する領域にのみ到達するが、本実施形態の貫通孔2の周面は、前述のように、逆テーパー形状であるため、周面の全領域に到達し、膜を形成する。つまり、第2の面8と貫通孔2の周面に導電層9を形成することが可能である。
Next, as shown in FIG. 5B, a
FIG. 8 is a diagram showing a state of film formation of the
ここで、予め、貫通孔2の周面あるいは第2の面8にマスキングを施しておくことによって、前述のように、任意の領域にのみ導電層9(電極部9a及び配線部9b)を形成することが可能である。
以上では導電層9をスパッタリング法により形成する方法を示したが、メッキ等の方法を使用することも可能である。例えば、上述のスパッタリング法により成膜し、その膜を電極として電解メッキをする方法も、スパッタリング法では比較的成膜速度が低いため効果的である。
Here, by previously masking the peripheral surface of the through-
Although the method for forming the
次に図5(C)に示すように、絶縁性基板3の第2の面8に第2の透明基板5を取り付ける。これによって、貫通孔2を側面、第2の透明基板5を底面とする凹部が形成される。
また、第2の面8に接着剤を塗布し、第2の透明基板5を接着する方法、第2の面8にシールリングを設け、第2の透明基板5を螺子等により締結する方法等により、液収容部6内の液体が漏出しないように取り付ける必要がある。ここで、接着剤を用いて接着する場合、貫通孔2と第2の面8の境界部と、第2の透明基板5が接する箇所(同図に501で示す箇所)において、当該接着剤が食み出す場合がある。本実施形態に係る光学素子1においては、貫通孔2が逆テーパー形状であるため、食み出した接着剤は、(多量である場合を除き)貫通孔2の最小径で決定される光学有効エリアに係ることがない。なお、接着剤としては、UV(UltraViolet)硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等が挙げられる。
Next, as shown in FIG. 5C, the second
Also, a method of applying an adhesive to the
次に図5(D)に示すように、絶縁性基板3の第1の面7、貫通孔2の周面、第2の透明基板5の液収容部6側の面に、絶縁層10を形成する。
これは例えばCVD法によって形成することができる。絶縁層10は、絶縁性基板3と、第2の透明基板5の、現段階における外面の全領域に形成されるため、成膜方法は、指向性を有するものに限られない。上述したように、絶縁性基板3の第1の面7、貫通孔2の周面、第2の透明基板5の液収容部6側の面、すなわち液収容部6の内面となる領域には絶縁層10を設ける必要があるが、それ以外の面には設けてもよいし、設けなくてもよい。また、上述したように、予め電極部9aの表面に、高い誘電性を有する材料からなる層を形成しておき、その上に撥水性の高い材料からなる層を形成してもよい。絶縁層10の成膜方法はここで示すCVD法に限られず、コート法その他の成膜方法を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 5D, the insulating
This can be formed by, for example, a CVD method. Since the insulating
図6は光学素子1の製造プロセスのうち、液入れ工程を示す図である。
図6(A)に示すように、基板工程で作製したものに、第1の液体12を所定量充填する。第1の液体12の体積によって、2液界面の形状も影響を受けるため、所定量を確実に充填することが必要である。
次に図6(B)に示すように、封止部材14を取り付ける。これは封止部材ガイド部15に嵌合等することによって取り付けられる。
次に図6(C)に示すように、第2の液体13を所定量充填する。これは例えばディスペンサー等によって、液収容部6に注入される。
FIG. 6 is a diagram showing a liquid adding step in the manufacturing process of the
As shown in FIG. 6A, a predetermined amount of the
Next, as shown in FIG. 6B, the sealing
Next, as shown in FIG. 6C, a predetermined amount of the
以上の液入れ工程における、2液の充填の順序は特に限定されない。しかし、後述するように、液収容部6が複数形成され、第1の液体が各液収容部6間を通液することが可能な光学素子を製造する場合には、本実施形態に示した順序にすることによって、各液収容部6における2液の体積比を所望の割合にすることが容易になる。本実施形態に示した様に第1の液体12を先に充填することによって、後に注入される第2の液体13が、撥水性に弾かれる第1の液体12によって蓋をされた形になり、所定量が収容される。第1の液体12は、他の液収容部6と通液することが可能であるので、第2の液体13が所定量収容されれば自ずから所定量収容される。第2の液体13を第1の液体12より先に充填する場合、第2の液体13が他の液収容部6に通液し得るため、各液収容部6において、2液の体積比が所望の割合から逸脱する可能性がある。
The order of filling the two liquids in the above liquid filling process is not particularly limited. However, as will be described later, in the case where an optical element in which a plurality of
図7は光学素子1の製造プロセスのうち、封止工程を示す図である。
図7(A)に示すように、上述の2液を充填したものに、第1の透明基板4を取り付ける。ここで、第1の透明基板4には予め配線11が設けられている。配線11は、金属等をスパッタリング法等によって成膜した後、エッチング処理して回路パターンを形成する方法や、あらかじめ成膜領域にレジストパターンを形成しておき、成膜後、当該レジストパターンを除去する方法(リフトオフ法)を用いることができる。
FIG. 7 is a diagram showing a sealing step in the manufacturing process of the
As shown in FIG. 7A, the first
この第1の透明基板4を配置した後、同図に示すように、加圧装置23により、第1の透明基板4及び第2の透明基板5に圧力を加える。これによって、封止部材14が変形し、その弾性によって、液収容部6内の液体が封入される。次に、この圧力を加えた状態を保持することが可能なクランプ18を配置する。
After the first
次に図7(B)に示すように、このクランプ18に圧着装置19により、圧力を加えて変形させ、圧着する。このクランプ18は、特にある形状に限定されるものではないが、導電層9の配線部9b及び配線11が、外部の電源と導通を得ることが必要である。
以上の製造方法によって、図7(C)に示すように、光学素子1が製造される。なお、絶縁性基板3に対する第1の透明基板4の固定にはクランプ18を用いたが、接着剤を用いた接合などの他の手段により固定する構造とすることも可能である。
Next, as shown in FIG. 7 (B), the
By the above manufacturing method, the
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る光学素子について説明する。これ以降の説明では、第1の実施形態に係る光学素子が有する構成や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
An optical element according to the second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the description of the same configuration and function of the optical element according to the first embodiment will be simplified or omitted, and different points will be mainly described.
図9は、本発明の第2の実施形態に係る光学素子20の断面図、図10は当該光学素子20の平面図である。図9は図10の[B]−[B]線方向断面図である。
これらの図に示すように、光学素子20は、逆テーパー形状である3つの長円形状の貫通孔2a、2b、2cがX方向に配列している絶縁性基板3と、第1の透明基板4と、第2の透明基板5を有する。貫通孔2a、2b、2cと第1の透明基板4と第2の透明基板5によって、液収容部6a、6b、6cが形成され、第1の液体12と第2の液体13が収容されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
As shown in these drawings, the
図9に示すように、液収容部6a、6b、6cは互いに絶縁性基板3の隔壁によって隔てられているが、これらの隔壁と第1の透明基板4との間には間隙が存在するため、第1の液体12は当該間隙を通り、各液収容部6a、6b、6c間を連通することができる。また、第1の実施形態に係る光学素子1と同様に、貫通孔2a、2b、2cの周面及び第2の面8には導電層9が形成され、その上を覆う絶縁層10が形成されている。ここで、貫通孔の数は3つに限られず、配列も適宜変更することが可能である。
As shown in FIG. 9, the
また、各液収容部6a、6b、6c間に、第2の液体13を連通させるための通液路22を設けてもよい。この通液路22を設けることによって、光学素子21の物理的挙動等により、各液収容部6a、6b、6cにおける2液の体積比が所定の値から変動したとしても、第1の液体12が受ける撥水効果の均衡をとろうとして、第1の液体12は上記の間隙を通って、第2の液体13は通液路22を通って(従前の体積比を満たすように)移動し、すなわち自ずから所定の体積比に戻る光学素子21を得ることが可能である。また、上述の液入れ工程においても、第1の液体12と第2の液体13を充填すれば(充填する順序に係わらず)、各液収容部6a、6b、6cにおいて所定の体積比を得ることができる。
A
第1の実施形態と同様に、液収容部6a、6b、6cに収容された第1の液体12と第2の液体13のそれぞれの界面によってレンズ効果が得られ、導電層9の電極部9aと第1の液体12に印加された電圧によって、エレクトロウェティング効果によるそれぞれの2液界面の形状変化、すなわち、光学特性の変化が生じる。
Similarly to the first embodiment, the lens effect is obtained by the respective interfaces of the
この構成により、第1の実施形態に係る光学素子1と同様に、Z方向からの入射光を収束あるいは発散させることができる。ここで、液収容部6a、6b、6cはX方向に配列
しているため、入射光に対してX方向における発散の効果を得るために必要な貫通孔2a、2b、2cのX−Y平面における開口の面積は、液収容部6が単独で設けられている第1の実施形態の場合に比べ小さくてよい。開口の面積が小さいと、(電圧の印加時、非印加時共に)2液界面に同じ曲率を発生させるために必要な(Z方向の)開口の深さも浅くてよいので、光学素子のZ方向における長さ(厚み)を小さくすることができる。
With this configuration, similarly to the
また、導電層9の配線部9bを、上述のようにパターニングして液収容部ごとの回路を形成するように外部電源と接続させることによって、それぞれの液収容部において、独立にエレクトロウェッティング効果を発生させることも可能である。
Further, by connecting the
本実施形態に係る光学素子21では、貫通孔2が単独で形成されている場合(第1の実施形態の場合)に比べ、絶縁性基板3の第1の面7の面積が大きい。各液収容部6a、6b、6cを隔てる隔壁上の領域(図に901で示す領域)が存在するからである。しかし、本実施形態に係る構成では、上述したように、第1の面7において寄生容量が発生しない構造となっているため、第1の面7の面積が大きいことは問題にならない。
In the optical element 21 according to this embodiment, the area of the
本発明に係る実施の形態は、以上説明した実施の形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。 Embodiments according to the present invention are not limited to the embodiments described above, and other various embodiments are conceivable.
上述の実施形態では、絶縁性基板3に封止部材ガイド部15が設けられているが、これを設けないことも可能である。図11に封止部材ガイド部を有しない光学素子24を示す。
光学素子24においても、絶縁性基板3の第1の面7において意図しないキャパシタは存在しない。
In the above-described embodiment, the sealing
Even in the
1 光学素子
2 貫通孔
3 絶縁性基板
4 第1の透明基板
5 第2の透明基板
6 液収容部
7 第1の面
8 第2の面
9 導電層
10 絶縁層
12 第1の液体
13 第2の液体
16 真空槽
17 スパッタリングターゲット
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記絶縁性基板の前記第1の面側に接合された第1の透明基板と、
前記絶縁性基板の前記第2の面側に接合され、前記第1の透明基板と前記貫通孔と共に液収容部を形成する第2の透明基板と、
前記液収容部の前記第1の面側に収容される導電性の第1の液体であって、水系液体であり、第1の表面エネルギーを有する第1の液体と、
前記液収容部の前記第2の面側に収容される、前記第1の液体と屈折率が異なり、かつ混合することのない絶縁性の第2の液体であって、非水系液体であり、記第1の表面エネルギーより小さい第2の表面エネルギーを有する第2の液体と、
前記貫通孔の周面及び前記第2の面に連続して形成される導電層と、
前記導電層を被覆し、撥水性を有する絶縁層と
を具備する光学素子。 An insulating substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and having a through-hole in which the size of the opening gradually increases from the first surface side toward the second surface side When,
A first transparent substrate bonded to the first surface side of the insulating substrate;
A second transparent substrate that is bonded to the second surface side of the insulating substrate and forms a liquid storage portion together with the first transparent substrate and the through hole;
A conductive first liquid stored on the first surface side of the liquid storage unit , which is an aqueous liquid and has a first surface energy;
An insulating second liquid that is accommodated on the second surface side of the liquid container and has a refractive index different from that of the first liquid and does not mix, and is a non-aqueous liquid, A second liquid having a second surface energy less than the first surface energy;
A conductive layer continuously formed on the peripheral surface of the through hole and the second surface;
An optical element comprising: an insulating layer that covers the conductive layer and has water repellency .
前記貫通孔は、一方向の長さが他方向の長さより長い開口形状である
光学素子。 The optical element according to claim 1,
The through-hole has an opening shape in which a length in one direction is longer than a length in another direction.
前記貫通孔は、前記絶縁性基板の面内において一方向に複数配列されている
光学素子。 The optical element according to claim 1 or 2,
A plurality of the through holes are arranged in one direction within the plane of the insulating substrate.
前記絶縁性基板は、隣接する複数の前記貫通孔の間で前記第2の液体を相互に連通させる通液路を有する
光学素子。 The optical element according to claim 3,
The insulating substrate includes a liquid passage that allows the second liquid to communicate with each other between the plurality of adjacent through holes.
前記貫通孔の前記周面と前記第2の面の境界部は、曲面である
光学素子。 The optical element according to claim 1,
The boundary between the peripheral surface of the through hole and the second surface is a curved surface.
前記導電層は、透明導電膜である
光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the conductive layer is a transparent conductive film.
前記第2の面及び前記貫通孔の周面に、連続する導電層を形成し、
前記第2の面に第2の透明基板を取り付けて、前記貫通孔と前記第2の透明基板により凹部を形成し、
前記導電層を被覆する、撥水性を有する絶縁層を形成し、
前記凹部に、水系液体であり第1の表面エネルギーを有する導電性の第1の液体と、非水系液体であり前記第1の表面エネルギーより小さい第2の表面エネルギーを有し、前記第1の液体と屈折率が異なり、かつ混合することのない絶縁性の第2の液体を収容し、
前記第1の面に第1の透明基板を液密に取り付ける
光学素子の製造方法。 Forming a through-hole in which the size of the opening gradually increases from the first surface side toward the second surface side in the insulating substrate having the first surface and the second surface opposite to the first surface,
Forming a continuous conductive layer on the peripheral surface of the second surface and the through hole;
A second transparent substrate is attached to the second surface, and a recess is formed by the through hole and the second transparent substrate,
Forming an insulating layer having water repellency covering the conductive layer;
The recessed portion has a conductive first liquid that is a water-based liquid and has a first surface energy, and a second surface energy that is a non-aqueous liquid and is smaller than the first surface energy. Containing an insulating second liquid that has a refractive index different from that of the liquid and does not mix;
A method for manufacturing an optical element, wherein the first transparent substrate is liquid-tightly attached to the first surface.
前記絶縁性基板に前記導電層を形成する工程は、
前記第2の面が、前記導電層の構成材料を含むスパッタリングターゲットに対向するように、前記絶縁性基板を真空槽内に配置し、
スパッタリング法によって前記第2の面及び前記貫通孔の周面に前記導電層を選択的に形成する
光学素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the optical element according to claim 7,
The step of forming the conductive layer on the insulating substrate includes:
The insulating substrate is disposed in a vacuum chamber so that the second surface faces a sputtering target containing the constituent material of the conductive layer,
The method of manufacturing an optical element, wherein the conductive layer is selectively formed on the second surface and the peripheral surface of the through hole by a sputtering method.
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