CN104570533A - 光学装置、摄像装置以及光学元件的驱动方法 - Google Patents

光学装置、摄像装置以及光学元件的驱动方法 Download PDF

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Abstract

提供光学装置、摄像装置以及光学元件的驱动方法。其中，光学装置具有第1基板和第2基板，它们相对配置，该第1基板包含设置在靠近该第2基板的表面上的第1电极，该第2基板包含设置在靠近该第1基板的表面上的第2电极；以及电解质层，其被所述第1基板和所述第2基板夹持，包含含银的电沉积材料，在第1期间中，所述电解质层被施加第1极性的直流电压，在所述第1期间之后的第2期间中，所述电解质层被间歇地施加所述第1极性的电压。

Description

光学装置、摄像装置以及光学元件的驱动方法
技术领域
本发明涉及包含电沉积元件的光学装置、利用该光学装置的摄像装置以及电沉积元件的驱动方法。
背景技术
在日本特开平09-331474号以及日本特开2004-170613号公报中，公开了使用电致变色元件作为光学滤光器(减光滤光器乃至调光滤光器)的摄像装置。电致变色元件是指包含通过电化学反应等使分子结构发生变化、产生显色或消色等变色的材料(电致变色材料)的元件。
在日本特开2012-181389号公报中，公开了所谓电沉积元件。电沉积元件主要包含相对配置的一对电极和被该一对电极夹持且含有电沉积材料的电解质层，该电沉积材料含有银。
在通常时(不施加电压时)，电解质层大致透明，电沉积元件为透明状态。当在一对电极之间施加电压时，由于电化学反应，电解质层的电沉积材料(银)析出/沉积在电极上。由此，电沉积元件成为镜面状态。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种包含电沉积元件且能够控制该电沉积元件的光透射率的光学装置。
根据本发明的一个观点，提供一种光学装置，其具有：第1基板和第2基板，它们相对配置，该第1基板包含设置在靠近该第2基板的表面上的第1电极，该第2基板包含设置在靠近该第1基板的表面上的第2电极；电解质层，其被所述第1基板和所述第2基板夹持，包含含银的电沉积材料；以及电源，其与所述第1电极和所述第2电极连接，能够经由该第1电极和第2电极对所述电解质层施加电压，在第1期间中，对该电解质层施加第1极性的直流电压，在该第1期间之后的第2期间中，对该电解质层间歇地施加所述第1极性的电压。
根据本发明的其它观点，提供一种摄像装置，其具有：具有受光面的摄像元件；与所述摄像元件的受光面相对地配置的光学元件；以及与所述光学元件电连接的电源，其中，所述光学元件具有：第1基板和第2基板，它们相对配置，该第1基板包含设置在靠近该第2基板的表面上的第1电极，该第2基板包含设置在靠近该第1基板的表面上的第2电极；以及电解质层，其被所述第1基板和所述第2基板夹持，包含含银的电沉积材料，所述电源与所述第1电极和所述第2电极连接，能够在第1期间中经由该第1电极和第2电极对所述电解质层施加第1极性的直流电压。
根据本发明又一观点，提供光学元件的驱动方法，该光学元件具有：第1基板和第2基板，它们相对配置，该第1基板包含设置在靠近该第2基板的表面上的第1电极，该第2基板包含设置在靠近该第1基板的表面上的第2电极；以及电解质层，其被所述第1基板和所述第2基板夹持，包含含银的电沉积材料，其中，在第1期间中，对所述电解质层施加第1极性的直流电压，在所述第1期间之后的第2期间中，对所述电解质层间歇地施加所述第1极性的电压。
附图说明
图1A是示出包含电沉积元件1的光学装置的基本结构的剖视图。图1B是示出对电沉积元件1施加了规定时间的电压时、电沉积元件1的光透射率的波长关联性的曲线图。
图2A是示出由电源2对电沉积元件1施加的电压波形的曲线图。图2B是示出对电沉积元件1施加了规定时间的电压后、电沉积元件1的光透射率的时间变化的曲线图。
图3A是示出包含电沉积元件1a的光学装置的剖视图。图3B是示出对电沉积元件1a施加了规定时间的电压时、电沉积元件1a的光透射率的波长关联性的曲线图。
图4是示出摄像装置3的结构例的概略图。
具体实施方式
图1A是示出实施例的光学装置的基本结构的剖视图。该光学装置，主要由电沉积(ED)元件1、以及与ED元件1电连接的电源2构成。
ED元件1构成为主要具有：相对配置的下侧基板10和上侧基板20；被下侧基板10和上侧基板20夹持的密封框部件40；以及包含电沉积(ED)材料的电解质层(电解液)50。此外，密封框部件40被设为在下侧基板10和上侧基板20面内沿着下侧基板10和上侧基板20的周缘而封闭的形状。电解质层50填充到由下侧基板10、上侧基板20以及密封框部件40划定的空间50a中。
在下侧基板10和上侧基板20各个相对面上，分别设置有下侧电极12和上侧电极22。电源2与下侧电极12和上侧电极22连接，能够经由下侧电极12和上侧电极22对电解质层50施加各种电压。
参照图1A，对实施例的光学装置(尤其是ED元件1)的制造方法进行说明。
首先，准备两张在衬底基板表面形成有电极的透明基板。根据需要，通过蚀刻法或激光烧蚀法等，使衬底基板表面的电极图案化为期望的平面形状。
使用具有透光性的基板作为衬底基板，可以使用蓝玻璃板等板状基板或由聚碳酸酯等构成的膜基板等。此外，电极例如由铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)等具有透光性以及导电性的部件构成。
在所准备的两张透明基板中，将一张基板设定为下侧基板10，将另一张基板设定为上侧基板20。将下侧基板10中的衬底基板和电极分别称作下侧衬底基板11以及下侧电极12。此外，将上侧基板20中的衬底基板和电极分别称作上侧衬底基板21以及上侧电极22。
此外，在下侧电极12或上侧电极22表面上，可以设置后述的(参照图3A)沉积ITO粒子等而成的粒子沉积层。可以使用旋涂法等将ITO粒子分散液涂覆于下侧电极12或上侧电极22表面处，然后进行烧结，由此形成粒子沉积层。
接下来，在下侧基板10或上侧基板20(下侧电极12或上侧电极22表面)例如下侧基板10上形成密封框部件40。密封框部件40例如由紫外线固化性树脂构成，且具有矩形框状的整体的平面形状。此外，密封框部件40可以由热固化性树脂构成。
接下来，在下侧基板10或上侧基板20(下侧电极12或上侧电极22表面)例如上侧基板20上，散布粒径为数十μm～数百μm、例如500μm的间隙控制剂。间隙控制剂的密度例如为1个/mm2～3个/mm2左右。此外，也可以不使间隙控制剂散布而形成柱状的突起体。此外，也可以将间隙控制剂散布在形成有密封框部件40的基板、即下侧基板10上。
接下来，在下侧基板10(下侧电极12表面)的密封框部件40内侧，滴注电解液(电解质层)50，该电解液包含含银的电沉积(ED)材料。进而，以使下侧电极12和上侧电极22相对的方式，使上侧基板20与滴注有电解液50的下侧基板10贴合。然后，对密封框部件40照射紫外线，使密封框部件40固化。由此，完成ED元件1。
电解液50例如由ED材料(AgNO3等)、电解质(TBABr等)、媒介物(mediator)(CuCl2等)、电解质的净化剂(LiBr等)、溶剂(DMSO：dimethyl-sulfoxide：二甲基亚砜等)等构成。此外，还可以添加凝胶化用聚合物(PVB：polyvinyl-butyral：聚乙烯缩丁醛等)等，形成凝胶状(果冻状)。在实施例中使用了如下电解液：在作为溶剂的DMSO中，添加有50mM的AgNO3作为ED材料，添加有250mM的LiBr作为支持电解质，添加有10mM的CuCl2作为媒介物，添加有10wt％的PVB作为凝胶化用聚合物。
关于ED材料，除了AgNO3以外，也可以使用例如含银的AgClO4或AgBr等。此处，ED材料是指如下材料：在下侧电极12及上侧电极22表面处，通过氧化还原反应等而使其一部分析出/沉积或消失。
关于支持电解质，只要促进ED材料的氧化还原反应等则没有限定。例如，可以适当使用锂盐(LiCl、LiBr、LiI、LiBF4、LiClO4等)、钾盐(KCl、KBr、KI等)、钠盐(NaCl、NaBr、NaI等)。
关于媒介物，除了含铜的CuCl2以外，还使用例如含铜的CuSO4或CuBr2等。此处，媒介物(mediator)是指电化学能量比银低的氧化/还原材料。
关于溶剂，只要能够稳定地保持ED材料等则没有限定。例如，可以使用水或碳酸丙烯等极性溶剂、没有极性的有机溶剂、还可以使用离子性液体、离子导电性高分子或高分子电解质等。具体而言，除了DMSO以外，还可以适当使用碳酸丙烯、N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、乙腈、聚乙基硫酸、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酸等。
此外，关于电解液的滴注，可以使用分散器(dispenser)或喷射头等来进行。此外，关于下侧基板10和上侧基板20的贴合，可以在大气、真空以及氮气气氛中进行。
最后，使下侧电极12和上侧电极22与电源2连接。由此，包含ED元件1以及电源2的光学装置完成。
在通常时(不施加电压时)，电解质层50大致透明，ED元件1呈现透明状态。不过，实际上，ED元件1看上去略微带有黄色。这被认为是媒介物(CuCl2)的影响。关于这样的略微的着色，可通过减小(减薄)下侧基板10与上侧基板20之间的间隔(ED元件1的厚度)来改善。即，通过减小下侧基板10和上侧基板20之间的间隔，能够使ED元件1接近无色透明。
例如，在以下侧电极12的电位为基准时，在通过电源2对上侧电极22施加了正直流电位(2.5V左右数十秒)的情况下(即，在对下侧电极12施加了负直流电压的情况下)，在下侧电极12表面处，电解质层50中的银离子(ED材料)发生还原，析出银薄膜(高反射膜)。由此，ED元件1呈现镜面状态。此外，在以下侧电极12的电位为基准时，在对上侧电极22施加了负直流电位的情况下(即，在对上侧电极22施加了负直流电压的情况下)，在上侧电极12表面析出银薄膜(高反射膜)。
在停止对下侧电极12和上侧电极22施加电压时，在下侧电极12表面析出的银(薄膜)在电解质层50中溶解为银离子，从下侧电极12表面消失。由此，ED元件1再次呈现透明状态。
图1B是示出对ED元件1施加2.5V的直流电压达0.5秒～68秒时、ED元件1的光透射率的波长关联性的曲线图。曲线图的横轴示出透射过ED元件1(下侧基板10、电解质层50以及上侧基板20)的光的波长[nm]。此外，曲线图的纵轴示出透射过ED元件1的光的透射率[％]。
在该曲线图中，箭头A1指示的波谱S101为通常时(不施加电压时)的ED元件1的光透射波谱。此外，箭头A2指示的波谱S102为施加直流电压(2.5V)达0.5秒时的ED元件1的光透射波谱。其余的波谱S103～S171分别为间隔1秒而施加直流电压(2.5V)达1秒～68秒时的ED元件1的光透射波谱。如箭头A3所示，在波谱S103～S171中，光透射率随着电压施加时间而整体地降低。
观察该曲线图可知，施加电压达1秒以上时的ED元件1的光透射波谱S103～S171在可见光区域中大致平坦。即，可知施加电压达1秒以上时的ED元件1的光透射率在可见光区域中不具有显著的波长关联性。
此外可知，在加长对ED元件1施加电压的时间时，ED元件1在可见光区域中的光透射率逐渐下降。这意味着，在电压施加时间加长时，ED元件1从透明状态转入镜面状态。
根据以上说明可知，在ED元件1中，通过调整电压施加时间，能够在使波长关联性维持为较平坦的状态下控制光透射率。此外，根据本发明人的研究可知，在停止施加电压后，ED元件1还保持刚施加电压后的光透射率特性(光透射波谱)达数秒到数十秒左右。由于具备这样的特征，实施例的光学装置(尤其是ED元件1)能够作为光透射率可变型减光滤光器(ND滤光器)来使用。
在停止施加电压后，ED元件1还保持刚施加电压后的光透射率特性达数秒到数十秒左右。但是，如果停止施加电压更长时间，则ED元件1的光透射率特性逐渐恢复为通常时的光透射率特性(在图1B中，箭头A1指示的波谱S1)。
本发明人对能够使施加规定时间的电压后的ED元件1的光透射率特性长时间地保持的ED元件1的驱动方法进行了研究。
图2A是示出由电源2对ED元件1施加的电压波形的曲线图。首先，在第1期间t1中，电源2对ED元件1施加电压值为v1的直流电压。然后，在第2期间t2中，对ED元件1施加振幅为v2、周期为p、占空(Duty)比为d/p的矩形波电压。
图2B是示出ED元件1的光透射率的时间变化的曲线图。曲线图的横轴示出对ED元件1施加直流电压后的经过时间[s]。此外，曲线图的纵轴示出透射过ED元件1的波长600nm的光的透射率[％]。
在图2B中，箭头A4指示的线表示在第1期间t1(4.5秒)中对ED元件1施加电压值为v1(2.5V)的直流电压后的光透射率的时间变化。此外，箭头A5指示的线表示在第1期间t1(4.5秒)中对ED元件1施加电压值为v1(2.5V)的直流电压之后、施加振幅为v2(2.5V)、周期为p(8秒)、占空比为d/p(6.25％＝0.5秒/8秒)的矩形波电压时的光透射率的时间变化。通常时的ED元件1对波长600nm的光透射率为约60％左右。
如箭头A4的波形所示，当在第1期间t1(4.5秒)中对ED元件1施加了电压值为v1(2.5V)的直流电压时，ED元件的光透射率从约60％下降到约30％左右。然后，在停止对ED元件1施加电压时，在70秒～80秒左右，ED元件1的光透射率恢复为通常时的光透射率(约60％左右)。
如箭头A5的波形所示，如果在第1期间t1(4.5秒)中对ED元件1施加电压值为v1(2.5V)的直流电压之后施加振幅为v2(2.5V)、周期为p(8秒)、占空比为d/p(6.25％)的矩形波电压，则ED元件1长时间(100秒以上)地保持约30％的光透射率。此外认为，ED元件1针对波长600nm以外的波长的光，也长时间地保持刚施加直流电压后的光透射率。
此外，本发明人确认到：如果在第1期间t1(5.2秒)中对ED元件1施加电压值为v1(2.5V)的直流电压之后施加振幅为v2(2.5V)、周期为p(10秒)、占空比为d/p(10％)的矩形波电压，则ED元件1长时间保持约20％的光透射率。此外，本发明人确认到：如果在第1期间t1(16.5秒)中对ED元件1施加电压值为v1(2.5V)的直流电压之后施加振幅为v2(2.5V)、周期为p(30秒)、占空比为d/p(6.67％)的矩形波电压，则ED元件1长时间保持约10％的光透射率。
这样，通过对ED元件1施加直流电压、且随后间歇地对ED元件1施加电压，能够长时间保持刚施加直流电压后的ED元件1的光透射率特性。此外，关于在第2期间t2中施加的间歇的电压，不限于矩形波电压，也可以是正弦波电压和三角波电压等，或者不具有准确的周期性。
此外，在希望在第2期间t2之后快速地(数秒)增大ED元件1的光透射率的情况下，如图2A所示，在第3期间t3(数秒间)中，对ED元件1施加与电压值v1和v2极性不同且电压值为v3(例如-2.5V)的直流电压即可。由此，促进了在下侧电极12及上侧电极22表面析出的银(薄膜)在电解质层50的溶解，使ED元件1中的光透射率的增大加快。
图3A是示出实施例的光学装置的变形例的剖视图。该光学装置的ED元件在具有基本结构的ED元件1(参照在图1A)中，在下侧电极12和上侧电极22表面上，还具有下侧粒子沉积层31和上侧粒子沉积层32。此外，将具有这样的结构的ED元件称作第1变形例的ED元件1a。
粒子沉积层31、32例如具有以1.5μm左右的厚度使粒径100nm～500nm的ITO粒子沉积而成的形态。因此，表面构成细微的凹凸状，至少比下侧电极12和上侧电极22的表面粗糙。
在通常时(不施加电压时)，电解质层50大致透明，ED元件1a呈现透明状态。
例如，在对下侧电极12施加了负直流电压的情况下，在下侧粒子沉积层31表面，电解质层50中的银离子(ED材料)发生还原，析出银薄膜(高反射膜)。当在下侧粒子沉积层31上析出银薄膜时，入射到ED元件1a的光被该银薄膜漫反射(乃至等离子体吸收)。在该情况下，ED元件1a呈现遮光状态。此外，在对上侧电极22施加了负直流电压的情况下，在上侧粒子沉积层32表面析出银薄膜(高反射膜)。
在停止对下侧电极12和上侧电极22施加电压时，在下侧粒子沉积层31表面析出的银(薄膜)在电解质层50中溶解为银离子，从下侧粒子沉积层31表面消失。由此，ED元件1a再次呈现透明状态。
图3B是示出对ED元件1a施加2.5V的直流电压达0.5秒～68秒时、ED元件1a的光透射率的波长关联性的曲线图。曲线图的横轴示出透射过ED元件1a的光的波长[nm]，纵轴示出透射过ED元件1a的光的透射率[％]。
在该曲线图中，箭头A6指示的波谱S201为通常时(不施加电压时)的ED元件1a的光透射波谱。箭头A7指示的波谱S202为施加直流电压(2.5V)达0.5秒时的ED元件1a的光透射波谱。箭头A8指示的波谱S203为施加直流电压(2.5V)达1.0秒时的ED元件1a的光透射波谱。箭头A9指示的波谱S204为施加直流电压(2.5V)达2.0秒时的ED元件1a的光透射波谱。其余的波谱S205～S271分别为间隔1秒施加直流电压(2.5V)达3秒～68秒时的ED元件1a的光透射波谱。如箭头A10所示，在波谱S205～S271中，光透射率随着电压施加时间而整体地下降。
观察该曲线图可知，ED元件1a的光透射波谱S203～S271具有与ED元件1的光透射波谱S103～S171(参照图1B)不同的特性(波形和形状)。此外，在对ED元件1a施加电压的时间加长时，ED元件1a在可见光区域中的光透射率逐渐下降。这意味着，在电压施加时间加长时，ED元件1a从透明状态转入遮光状态。由于具备这样的特征，因此ED元件1a能够作为光透射率特性与ED元件1不同的光透射率可变型减光滤光器来使用。
此外，可以将粒子沉积层设置在下侧电极和上侧电极中的任意一个电极表面上。例如，将仅在下侧电极12表面形成粒子沉积层31而在上侧电极22表面没有形成粒子沉积层32的ED元件称作第2变形例的ED元件1b。
通过对下侧电极12施加规定时间的负电压，使得在表面较粗糙的粒子沉积层31表面上析出ED材料(银)，由此，ED元件1b具有图3B所示的光透射率特性。另一方面，通过对上侧电极22施加规定时间的负电压，使得在表面较平坦的上侧电极22表面上析出ED材料(银)，由此，ED元件1b具有图1B所示的光透射率特性。这样，通过改变施加于ED元件1b的电压的极性，能够使ED元件1b表现出不同的光透射率特性。
此外，在第1和第2变形例的ED元件1a、1b中，如果在施加直流电压后长时间地停止施加电压，则这些光透射率特性逐渐恢复为通常时的光透射率特性。如图2A所示，在希望长时间保持刚施加直流电压后的ED元件1a、1b的光透射率特性的情况下，在施加直流电压后施加间歇的电压即可。
图4是示出实施例的光学装置的应用例的概略图。实施例的光学装置(ED元件以及电源)例如可以应用于摄像装置3。
如图4所示，摄像装置3主要具有：具有受光面61a的CCD(Charge CoupledDevice：电荷耦合器件)传感器等的摄像元件61；与摄像元件61的受光面相对地配置的、作为减光滤光器的ED元件1；以及与ED元件1电连接的电源2。此外，ED元件1可以是基于第1和第2变形例的ED元件1a、1b。而且，除此以外，摄像装置3还可以适当具有机械快门62或光学透镜63～65等。
被摄体的光学像通过光学透镜65、64、机械快门62、ED元件1以及光学透镜63，在摄像元件61的受光面61a上形成。在受光面61a上形成的光学像例如被摄像元件61转换为电信号，并被存储到半导体存储装置等中。
电源2调整对ED元件1施加的电压值、电压极性或电压施加的时间等，控制ED元件1的光透射率，由此控制入射到摄像元件61的受光面61a的光学像的光量。此外，电源2可以对ED元件1仅施加直流电压，也可以在施加直流电压后施加间歇的电压。
以上，对用于实施本发明的方式进行了说明，但本发明不限于此。可以进行各种变更、改良、组合等，这对本领域技术人员是显而易见的。

Claims (7)

1.一种光学装置，其包含：
第1基板和第2基板，它们相对配置，该第1基板包含设置在靠近该第2基板的表面上的第1电极，该第2基板包含设置在靠近该第1基板的表面上的第2电极；
电解质层，其被所述第1基板和所述第2基板夹持，包含含银的电沉积材料；以及
电源，其与所述第1电极和所述第2电极连接，能够经由该第1电极和第2电极对所述电解质层施加电压，在第1期间中，对该电解质层施加第1极性的直流电压，在该第1期间之后的第2期间中，对该电解质层间歇地施加所述第1极性的电压。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述电源能够在所述第2期间中，对所述电解质层施加具有周期性的矩形波电压。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述电源能够在所述第2期间之后的第3期间中，对所述电解质层施加第2极性的直流电压，其中，所述第2极性是与所述第1极性相反的极性。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述光学装置还包含具有导电性的细微凹凸层，该细微凹凸层设置在所述第1电极或所述第2电极的表面。
5.一种摄像装置，其具有：具有受光面的摄像元件；与所述摄像元件的受光面相对地配置的光学元件；以及与所述光学元件电连接的电源，其中，
所述光学元件具有：
第1基板和第2基板，它们相对配置，该第1基板包含设置在靠近该第2基板的表面上的第1电极，该第2基板包含设置在靠近该第1基板的表面上的第2电极；以及
电解质层，其被所述第1基板和所述第2基板夹持，包含含银的电沉积材料，
所述电源与所述第1电极和所述第2电极连接，能够在第1期间中经由该第1电极和第2电极对所述电解质层施加第1极性的直流电压。
6.根据权利要求5所述的摄像装置，其中
所述电源能够在所述第1期间之后的第2期间中，对所述电解质层间歇地施加所述第1极性的电压。
7.一种光学元件的驱动方法，其中，该光学元件具有：
第1基板和第2基板，它们相对配置，该第1基板包含设置在靠近该第2基板的表面上的第1电极，该第2基板包含设置在靠近该第1基板的表面上的第2电极；以及
电解质层，其被所述第1基板和所述第2基板夹持，包含含银的电沉积材料，
在第1期间中，对所述电解质层施加第1极性的直流电压，在所述第1期间之后的第2期间中，对所述电解质层间歇地施加所述第1极性的电压。
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