JP2007057843A

JP2007057843A - 光学素子

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Publication number: JP2007057843A
Application number: JP2005243296A
Authority: JP
Inventors: Keita Tanaka; 敬太田中
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2007-03-08
Also published as: US8064141B2; US7646545B2; US20090310205A1; US20070047119A1

Abstract

【課題】所望の特性を有する光学素子を簡単に製造できるようにする。
【解決手段】第１の液体４４の透過量を第２の液体４６の透過量より低くするために第１の液体４４に混合するカーボンブラックの混合比を変えることで第１の液体４４の屈折率を変えられることを見出した。すなわち、第１の液体４４と第２の液体４６は実質的に等しい比重を有するように形成されており、第１の液体４４に混合するカーボンブラックの混合量によって第１の液体４４の屈折率を調節するようにしている。
【選択図】図１５

Description

本発明は光学素子に関する。

電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用いて透過する光量の調整を行う光学素子１０が提案されている（特許文献１参照）。
この光学素子１０では、図１７に示すように、厚さ方向において互いに対向する端面壁１２と、両端面壁１２を接続する側面壁１４とを有する密閉された容器１６と、容器１６に封入された有極性または導電性を有する第１の液体２０と、容器１６に封入され第１の液体２０よりも透過率が高い第２の液体２２とを備えている。
そして、第１の液体２０と第２の液体２２として互いに混合しない性状のものを用い、かつ、第１の液体２０と第２の液体２２として互いに比重の等しいものを用い、容器１６内に空気などを混入せずにそれら第１の液体２０と第２の液体２２のみを封入すると、容器１６を回転させても揺らしても第１の液体２０と第２の液体２２のみを容器１６に封入した当初の状態が維持され、界面２４が端面壁１２にほぼ平行した状態が維持される。
図中符号２８は第１の液体２０に電圧を印加するための電極、３０は電極２８を覆う絶縁膜である。
そして、前記電圧印加手段によって第１の液体２０に電圧を印加することにより電気毛管現象によってそれら第１の液体２０と第２の液体２２の界面２４を図１７に実線と破線で示す間にわたって変形させ、これにより端面壁１２を通り容器１６の厚さ方向に延在する光の透過路１８を形成させるように構成されている。
具体的には、印加電圧が零の状態では光の透過方向と直交する方向の全域に図１７に実線で示すように第１の液体２０が延在することで光の透過を阻止、あるいは、減少させ、印加電圧を上昇させると図１７に破線で示すように第２の液体２２を両方の端面壁１２に接触することで透過路１８が形成され、印加電圧を調整することで第２の液体２２と一方の端面壁１２との接触面積を増減させ透過路１８の大きさを調整するようにしている。
特開２００１−２２８３０７号公報

このような従来の光学素子１０では、第１の液体２０と第２の液体２２としてどんな液体を用いるかが重要な問題となる。
すなわち、第１の液体２０と第２の液体２２としてその比重の等しい液体を選択しなければならない。
したがって、光学素子１０を製造するに際し、使用する液体の種類に制限があり、所望の特性を有する光学素子１０を作ることが困難であった。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、所望の特性を有する光学素子を簡単に製造できるようにすることにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、厚さ方向において互いに対向する端面壁と、前記両端面壁を接続する側面壁とを有する密閉された容器と、前記容器に封入された有極性または導電性を有する第１の液体と、前記容器に封入され前記第１の液体と互いに混合しない第２の液体と、前記第１の液体に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記第１の液体と第２の液体は等しい比重を有し、かつ、前記第１の液体は光を透過しない材料からなる微粒子が混合されることで、前記第１の液体の透過率が前記第２の液体の透過率よりも低くなるように形成され、前記電圧印加手段による電圧印加によりそれら前記第１の液体と第２の液体の界面が変形し、前記端面壁を通り前記容器の厚さ方向に延在する光の透過路が形成される光学素子であって、前記第１の液体と前記第２の液体とは屈折率が実質的に等しく形成され、前記第１の液体の屈折率は、前記微粒子の混合量が調節されることで設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の液体に混合する微粒子の混合量を調節することで、第１の液体の屈折率を第２の液体の屈折率と実質的に等しくなるように設定することが簡単にできるため、所望の特性を有する光学素子を簡単に製造する上で有利となる。

まず、本発明の光学素子が用いる電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）の原理について説明する。
図２は電気毛管現象の原理説明図であり、（Ａ）は電圧印加前の状態を示す図、（Ｂ）は電圧印加後の状態を示す図である。
図２（Ａ）に示すように、基板１の表面上に第１の電極２が形成され、この電極２の表面に絶縁膜３が形成されている。
この絶縁膜３の表面に有極性または導電性を有する第１の液体４が位置しており、第１の液体４には第２の電極５が電気的に接続されている。
図２（Ａ）に示すように、第１の電極２と第２の電極５との間に電圧Ｅが印加されていない状態では、第１の液体４は表面張力によってその表面が上方に凸のほぼ球面をなしている。このときに絶縁膜３の表面と、第１の液体４が絶縁膜３に接触している部分における液面の角度θ、すなわち接触角θをθ０とする。
ところが、図２（Ｂ）に示すように、第１の電極２と第２の電極５との間に電圧Ｅが印加された状態では、絶縁膜３の表面に例えばプラス電荷が帯電することで第１の液体４を構成する分子に電界（静電気力）が作用する。これにより、第１の液体４を構成する分子が引き寄せされることで、第１の液体４の絶縁膜３に対する濡れ性が良くなり、接触角θはθ０よりも小さなθ１となる。また、接触角θは電圧Ｅの値が大きくなるに従って小さくなる。
このような現象を電気毛管現象という。

次に、本発明の前提となる光学素子４０について説明する。なお、光学素子４０自体も新規であり、本発明は光学素子４０を用いたものであり、本発明者は光学素子４０について既に出願済み（特願２００５−６３２８４）である。
図１は光学素子４０の構成を示す断面図である。
図１に示すように、光学素子４０は、容器４２と、第１の液体４４と、第２の液体４６と、電圧印加手段を含んで構成されている。
容器４２は、厚さ方向において互いに対向する端面壁４２０２と、両端面壁４２０２を接続する側面壁４２０４とを有し、それら両端面壁４２０２と側面壁４２０４とにより密閉された収容室４２Ａを有している。
端面壁４２０２は円板状を呈し、側面壁４２０４は端面壁４２０２の外径と同じ寸法の外径を有する円筒状を呈し、収容室４２Ａは扁平な円柱状を呈している。
また、端面壁４２０２および側面壁４２０４は、絶縁性を有する材料で形成され、さらに、端面壁４２０２は光を透過する透明な材料で形成されている。
端面壁４２０２を構成する材料として、例えば、透明で絶縁性を有する合成樹脂材料あるいは透明なガラス材料を用いることができる。
側面壁４２０４の内側には側面壁４２０４の全周に沿って第１の電極４８（負極電極）が円筒状に延在形成され、第１の電極４８の内側には第１の電極４８の全域を覆うように第１の電極４８の全周に沿って絶縁膜５０が円筒状に延在形成されている。

２つの端面壁４２０４のうちの一方の端面壁４２０４の内面の外周寄りの箇所には、該一方の端面壁４２０４と同心円状に環状の第２の電極５２（正極電極）が延在形成され、第２の電極５２はその内周部分が収容室４２Ａ内に露出するとともに、第２の電極５２は絶縁膜５０により第１の電極４８と絶縁されている。
２つの端面壁４２０４のうちの一方の端面壁４２０４の内面のうち第２の電極５２の内側全域に光を透過する透明な親水膜５４が形成されている。親水膜５４は第１の液体４４に対する濡れ性が第２の液体４６に対する濡れ性よりも高くなるように形成されている。
容器４２の外部には出力電圧が可変の電源５６が設けられ、電源５６の負電圧出力端子が第１の電極４８に電気的に接続され、電源５６の正電圧出力端子が第２の電極５２に電気的に接続されている。
第１の電極４８、第２の電極５２、電源５６によって前記電圧印加手段が構成されている。

第１の液体４４は、有極性または導電性を有し容器４２に封入されている。
第２の液体４６は、第１の液体４４と互いに混合しないものであり容器４２に封入されている。
また、第１の液体４４と第２の液体４６は実質的に等しい比重を有しかつ第１の液体４４の透過率は第２の液体４６の透過率よりも低くなるように形成されている。なお、本発明者の実験によれば、第２の液体４６に対する第１の液体４４の比重差が０．５％以内、好ましくは０．２％以内であれば、容器４２の姿勢を変えても第１の液体４４と第２の液体４６を封入した当初の状態が維持され、第１の液体４４と第２の液体４６の間の界面６２が端面壁４２０２にほぼ平行した状態が維持される。
第１の液体４４および第２の液体４６については後で詳述する。

側面壁４２０４の内面で第１の液体４４が位置する部分に親水膜５８が形成され、側面壁４２０４の内面で第２の液体４６が位置する部分に撥水膜６０が形成されている。
親水膜５８は第１の液体４４に対する濡れ性が第２の液体４６に対する濡れ性よりも高くなるように構成されたものであり、言い換えると、親水膜５８に対する第１の液体４４の接触角は、親水膜５８に対する第２の液体４６の接触角よりも小さい値となるように構成されている。
親水膜５８は、例えば親水性ポリマーや界面活性剤を側面壁４２０４の内面に塗布することで形成することができ、従来公知の様々な材料を採用可能である。
撥水膜６０は第２の液体４６に対する濡れ性が第１の液体４４に対する濡れ性よりも高くなるように構成されている。言い換えると、撥水膜６０に対する第２の液体４６の接触角は、撥水膜６０に対する第１の液体４４の接触角よりも小さい値となるように構成されている。
撥水膜６０は、例えばフッ化化合物などからなる撥水処理剤を側面壁４２０４の内面に塗布することで形成することができ、従来公知の様々な材料を採用可能である。

容器４２の収容室４２Ａには、まず、撥水膜６０が設けられた側の端面壁４２０２上に第２の液体４６がその液面が撥水膜６０の上縁に位置するように注入され、その上に第１の液体４４が注入され、収容室４２Ａから空気を抜いてそれら第２の液体４６および第１の液体４４が容器４２内に封入される。
これにより、第１の液体４４が位置する端面壁４２０２の内面の外周全周に位置する第１の液体４４箇所の全域は、第２の電極５２に接触することで第２の電極５２に電気的に接続された状態となり、かつ、収容室４２Ａの外周全周に位置する第１の液体４４の箇所の全域は、絶縁膜５０、親水膜５８、撥水膜６０を介して第１の電極４８に臨んだ状態となる。
したがって、電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に電圧が印加されると、第１の液体４４に電圧が印加されることになる。

次に、光学素子４０の動作について説明する。
図３は光学素子４０に電圧が印加されていない状態を示す説明図、図４は光学素子４０に第１の電圧Ｅ１が印加された状態を示す説明図、図５は光学素子４０に第１の電圧よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が印加された状態を示す説明図、図６は光学素子４０に第２の電圧よりも大きい値の第３の電圧Ｅ３が印加された状態を示す説明図である。
電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に電圧が印加されない状態（Ｅ＝０Ｖ）では、図３に示すように、収容室４２Ａの外周全周に位置する第１の液体４４の箇所の全域は親水膜５８の表面に接触しその接触角は９０度となり、収容室４２Ａの外周全周に位置する第２の液体４６の箇所の全域は撥水膜６０の表面に接触しその接触角は９０度となっている。
したがって、第１の液体４４と第２の液体４６の間に形成される界面６２は平坦面を呈している。
この際、第１の液体４４が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在することにより容器４０の厚さ方向に進行する光は遮断された状態となる。

電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に電圧Ｅ１が印加されると（Ｅ１＞０Ｖ）、図４に示すように、電気毛管現象により、界面６２が第２の液体５０から第１の液体４８に向かって凸状の曲面（球面）となるように変形し、界面６２の中央が一方の端面壁４２０２に近づいた形状となる。言い換えると、第１の液体４４の厚さの寸法は中央が最も小さく（薄く）、中央から収容室４２Ａの外周に離れるに従って厚さの寸法が大きく（厚く）なる。
この際の第１の液体４４の撥水膜６０に対する接触角は９０度よりも小さなものとなり、側面壁４２０４（撥水膜６０）の部分では第１の液体４４が側面壁４２０４に沿って第２の液体４６に進入している。

第１の電圧よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に印加されると（Ｅ２＞Ｅ１）、図５に示すように、界面６２の凸状の曲面（球面）の湾曲の傾斜が大きくなり、界面６２の中央が一方の端面壁４２０２（親水膜５４）に接触する。
これにより、端面壁４２０２（親水膜５４）上で界面６２が接触している領域には、第１の液体４４が存在しなくなり、収容室４２Ａの中央に（両端面壁４２０２の中央に）第２の液体４６のみが存在する領域６４が形成され、この領域６４により端面壁４２０２を通り容器４２の厚さ方向に延在する光の透過路６６が形成される。

第２の電圧よりも大きい値の第３の電圧Ｅ３が電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に印加されると（Ｅ３＞Ｅ２）、図６に示すように、界面６２の凸状の曲面（球面）の湾曲の傾斜がさらに大きくなる。
そして、収容室４２Ａの中央に（両端面壁４２０２の中央に）形成された第２の液体４６のみが存在する領域６４の直径が拡大され、光の透過路６６の直径が拡径される。
したがって、電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に印加される電圧を調整することで、第２の液体４６のみが存在する領域６４の直径を拡大および縮小させることができ、光の透過路６６の直径を拡径および縮径する絞り動作を行うことができる。

光学素子４０では、親水膜５８および撥水膜６０を用いているので、電圧印加が無いときに、第１の液体４４が親水膜５８および撥水膜６０に対してなす接触角θが９０度であり、かつ、第２の液体４６が親水膜５８および撥水膜６０に対してなす接触角が９０度であり、界面６２が平坦面を呈しているので、光学素子４０の光の透過方向における寸法（厚さ方向における寸法）を縮小しても、従来と違って、電圧を印加した状態で第２の液体４６を２つの端面壁４２０２の双方に確実に接触させることができる。
したがって、電圧を印加した状態で光の透過路６６を確実に形成することができ薄型化を図る上で有利となる。
また、従来のように、電圧印加が無い状態で、第１、第２の液体２０、２２の界面６２が第１の液体４４が第２の液体４６に対して凸状の曲面を呈している場合には（図１７（Ａ）参照）、第２の液体４６が第１の液体４４と第１の電極４８の間に介在する現象が生じ、したがって、第１の電極４８から印加される電圧が第２の液体４６によって邪魔されるため第１の液体４４に電圧が印加されにくく、第１の液体４４における電気毛管現象を確実に生じさせることができず、絞り動作の安定化を図る上で不利が生じる。
これに対して、光学素子４０では、第１、第２の液体４４、４６の界面６２が平坦面を呈しているので、第２の液体４６が第１の液体４４と第１の電極４８の間に介在する現象がなく、したがって、第１の電極４８から印加される電圧が第２の液体４６によって邪魔されること無く第１の液体４４に印加されるため、第１の液体４４における電気毛管現象を確実に生じさせることができ、しぼり動作の安定化を図る上で有利となる。
また、第２の液体４６が位置する側面壁４２０４箇所に撥水膜６０を形成したため、第１の液体４４が撥水膜６０の箇所まで位置した場合には、撥水膜６０上で第１の液体４４の液面が円滑に動きやすいので、絞りの動作速度の高速化を図る上で有利となる。
また、第１の液体４４側の端面壁４２０２上に親水膜５４を形成したので、第１の液体４４が親水膜５４に対して良く濡れる。したがって、第２の液体４６が第１の液体４４側の端面壁４２０２にいったん接触した後でその端面壁４２０２から離れる際に、親水膜５４から第２の液体４６が離間しやすくなり、絞りの動作速度の高速化を図る上で有利となる。

次に、光学素子４０で用いた第１の液体４４および第２の液体４６について説明する。
比重と屈折率とが互いに異なる３種類の液体を混合することで第１の液体４４を得、本発明者は、それら３種類の液体の混合比を変えることで第１の液体４４の比重および屈折率をそれぞれ大きな範囲で変えられることを見出した。
例えば、２種類の液体を用いて第１の液体４４を得る場合から説明する。
２種類の液体として純水とエタノールとを用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える。
図７に示すように、それらの混合比を変えていくと、第１の液体４４の比重と屈折率は、直線的にあるいは曲線的に変化していく。
また、２種類の液体として純水とエチレングリコールとを用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える。
図８に示すように、それらの混合比を変えていくと、第１の液体４４の比重と屈折率は、直線的にあるいは曲線的に変化していく。
なお、純水の比重は１．０、屈折率は１．３３３であり、エタノールの比重は０．７８９、屈折率は１．３６１であり、エチレングリコールの比重は１．１１３、屈折率は１．４３０である。
すなわち、図９に示すように、第１の液体４４が２種類の液体Ａ（屈折率がＲａ、比重がＳａ）と、液体Ｂ（屈折率がＲｂ、比重がＳｂ）を混合することで構成される場合、液体Ａ、Ｂの混合比を変えることで、第１の液体４４の屈折率と比重は、図中座標Ｏで示すように、座標（Ｒａ、Ｓａ）と座標（Ｒｂ、Ｓｂ）を結ぶ直線上でしか調整することができない。

これに対して、３種類の液体を用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える場合について説明する。
例えば、３種類の液体として純水とエタノールとエチレングリコールとを用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える。
図１０に示すように、純水とエタノールとエチレングリコールの混合比を変えることで、純水とエタノールとエチレングリコールの３つの座標を結んだ三角形の大きな領域Ｒ内で第１の液体４４の比重と屈折率を変えることが可能である。
すなわち、図１１に示すように、第１の液体４４が３種類の液体Ａ（屈折率がＲａ、比重がＳａ）と、液体Ｂ（屈折率がＲｂ、比重がＳｂ）と、液体Ｃ（屈折率がＲｃ、比重がＳｃ）を混合することで構成される場合、液体Ａ、Ｂ、Ｃの混合比を変えることで、第１の液体４４の屈折率と比重は、図中座標Ｏで示すように、座標（Ｒａ、Ｓａ）と座標（Ｒｂ、Ｓｂ）と座標（Ｒｃ、Ｓｃ）とを結ぶ三角形の領域Ｒ内で調整することができる。
一方、図１０には、市販された各種のシリコンオイルの比重および屈折率の座標が点在されている。
したがって、三角形の領域Ｒ内に点在する市販のシリコンオイルを第２の液体４６として使用し、純水とエタノールとエチレングリコールとを混合し比重および屈折率を上記のシリコンオイルと実質的に等しくした第１の液体４４を得ることができる。

第１の液体４４は、純水とエタノールとエチレングリコールを混合した液体に光を透過しない材料からなる微粒子が混合されることで形成されている。
光学素子４０では、前記微粒子としてカーボンブラックが用いられ、カーボンブラックは、第１の液体４４に対して満遍なく混合されるように、それらの表面に親水コーティング処理がなされており、前記親水コーティング処理は、例えば、カーボンブラックの表面に親水基を形成することでなされる。
したがって、第１の液体４４は、カーボンブラックが混合されることで黒色を呈しており、０．１ｍｍ程度の厚さで光を遮光できるように形成され、光学素子の薄型化に有利となっている。
第１の液体４４の屈折率と第２の液体４６の屈折率を実質的に等しく形成すると、界面６２におけるレンズ効果の発生を防止でき、絞り動作を確実に行わせる上で有利となる。
また、エタノールを水に混合して第１の液体４４を形成すると、凝固点(融点)を下げることができ、寒冷地で凝固することを防止できるので、光学素子４０の寒冷地での使用が可能となる。
光学素子４０では、エタノールの凝固点は−１１４度であり、エチレングリコールの凝固点は−１３度であり、第１の液体４４の凝固点を−４０度以下とすることが可能である。

光学素子４０によれば、従来と違って第１の液体４４と第２の液体４４としてその比重が実質的に等しいものを選択するのではなく、第１の液体４４を、既存の比重が異なる３種類の液体を混合して用いるようにしたので、第１の液体の比重を、図９に領域Ｒで示すように、大きな範囲で変更できる。
すなわち、互いに比重が異なる２種類の液体を混合した場合には、２種類の液体の混合比を変えることで得られる第１の液体の比重は、図９に示すように、それら液体の座標を結んだ直線の範囲内でしか変えることができない。
これに対して、３種類の液体を混合した場合には、図１０に示すように、純水とエタノールとエチレングリコールの３つの座標を結んだ三角形の大きな領域Ｒ内で第１の液体４４の比重を変えることが可能となる。
したがって、第１の液体４４の比重と第２の液体４６の比重とを簡単に実質的に等しくでき、所望の特性を有する光学素子４０を簡単に製造することができる。
さらに、図１０、図１１に示すように、比重とともに屈折率が異なる少なくとも３種類の液体、例えば、純水とエタノールとエチレングリコールを混合して第１の液体４４を得るようにしたので、第１の液体４４の比重と第２の液体４６の比重とを簡単に実質的に等しくできるとともに、同時に、第１の液体４４の屈折率と第２の液体４６の屈折率とを簡単に実質的に等しくでき、レンズ効果の発生を防止する上で有利となる。

また、光学素子４０では、複数種類の液体として純水とエタノールとエチレングリコールとを用いて第１の液体４４を得る場合について説明したが、使用する複数種類の液体は純水とエタノールとエチレングリコールに限定されず、既存の各種の液体を選択することが可能である。
図１２は様々な種類の液体の比重および屈折率を示す図、図１３は用いる各種液体の比重および屈折率の数値を示す図である。
例えば、図１２に示すように、用いる液体としてＡ群、Ｂ群、Ｃ群、Ｄ群のものが挙げられ、各Ａ乃至Ｄ群に用いる液体の具体名を図１３に示す。
Ａ群は、屈折率が１．３２以上１．４１未満で、比重が０．９以上１．２未満である。
Ｂ群は、屈折率が１．３２以上１．４１未満で、比重が０．６以上０．９未満である。
Ｃ群は、屈折率が１．４１以上１．６３未満で、比重が１．０５以上１．７未満である。
Ｄ群は、屈折率が１．４１以上１．６未満で、比重が０．８以上１．０５未満である。
したがって、３種類の液体として、これらＡ群乃至Ｄ群の中から選んだ任意の３つの群のそれぞれから選んだ３種類の液体の座標を結んだ三角形の大きな領域内で、それらの混合比を変えることで比重と屈折率を変えることが可能である。
すなわち、従来公知の様々な液体を選択し、それらの混合比を変えることで比重と屈折率を簡単に変えることが可能である。

なお、第１の液体４４に使用する液体の種類は３種類に限定されず、４種類以上であってもよい。
図１４に示すように、第１の液体４４が３種類の液体Ａ（屈折率がＲａ、比重がＳａ）と、液体Ｂ（屈折率がＲｂ、比重がＳｂ）と、液体Ｃ（屈折率がＲｃ、比重がＳｃ）と、液体Ｄ（屈折率がＲｄ、比重がＳｄ）を混合することで構成される場合、液体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの混合比を変えることで、第１の液体４４の屈折率と比重は、図中座標Ｏで示すように、座標（Ｒａ、Ｓａ）と座標（Ｒｂ、Ｓｂ）と座標（Ｒｃ、Ｓｃ）と座標（Ｒｄ、Ｓｄ）を結ぶ四角形の領域Ｒ内で簡単に調整することができる。
この場合にも、四角形の領域Ｒ内に位置する市販のシリコンオイル（不図示）を第２の液体４６として使用し、前記４種類の液体を混合し比重および屈折率を上記のシリコンオイルと実質的に等しくした第１の液体４４を得ることができる。

なお、光学素子４０では、単一のシリコンオイルを第２の液体４６として使用した場合について説明したが、シリコンオイル自体も屈折率や比重などの特性が異なるものが複数存在しており、所望の特性の一種類のシリコンオイルを選択し第２の液体４６として使用するようにしてもよく、あるいは、特性の異なる複数種類のシリコンオイルを選択し、それらの混合比を変えて所望の屈折率および比重とした後第２の液体４６として使用するようにしてもよい。
また、光学素子４０では、第１の液体４４に直流電圧を印加することで電気毛管現象を発生させる場合について説明したが、第１の液体４４に印加する電圧は直流電圧に限定されるものではなく、交流電圧やパルス電圧、あるいは、ステップ状に増減する電圧など、どのような電圧を用いてもよく、要は第１の液体４４に電気毛管現象を発生させることができればよい。

（第１の実施の形態）
次に、上述の光学素子４０を前提とした本発明の第１の実施の形態について説明する。
本発明者は、第１の液体４４の透過量を第２の液体４６の透過量より低くするために第１の液体４４に混合するカーボンブラックの混合比を変えることで第１の液体４４の屈折率を変えられることを見出した。
そして、第１の実施の形態では、第１の液体４４と第２の液体４６は実質的に等しい比重を有するように形成されており、第１の液体４４に混合するカーボンブラックの混合量によって第１の液体４４の屈折率を調節するようにしている。
図１５は第１の液体４４に混合するカーボンブラックの混合量に対する屈折率を示す図、図１６は図１５の各座標の数値を示す図である。なお、図１５、図１６においてカーボンブラックの混合量を示す単位は重量％である。
図１５、図１６に示すように、第１の液体４４に混合するカーボンブラックの混合比（混合量）が増加するに従って屈折率がほぼ比例して増加していることがわかる。
第１の液体４４の屈折率と第２の液体４６の屈折率とが等しくない場合には、第１の液体４４と第２の液体４６との界面６２におけるレンズ効果が発生し、絞り動作を確実に行わせる上で不利が生じる。
本実施の形態によれば、第１の液体４４に混合するカーボンブラックの混合量を調節することで、第１の液体４４の屈折率を第２の液体４６の屈折率と実質的に等しくなるように設定することが簡単にできる。
したがって、第１の液体４４と第２の液体４６との界面６２におけるレンズ効果の発生を確実に防止でき、絞り動作を確実に行わせる上で有利となる。
また、第１の液体４４にカーボンブラックを混合することで第１の液体４４の比重が僅かであるが増加するので、第１の液体４４の比重についてはカーボンブラックの混合分を考慮することが好ましい。

なお、実施の形態では、第１の液体４４に混合する光を透過しない微粒子として、カーボンブラックを用いた場合について説明したが、前記微粒子としては、光を吸収あるいは反射することで光を透過しないものを用いることができる。
前記微粒子は、金属微粒子、あるいは、金属化合物の微粒子であってもよく、金属微粒子としては例えば金を用いることができ、金属化合物の微粒子としては例えば酸化チタンを用いることができる。
また、前記微粒子がカーボンブラックのように第１の液体４４に混合しにくい性状を有する場合には、親水コーティング処理をする必要があるが、第１の液体４４に混合しやすい性状を有する場合には、親水コーティング処理を行う必要はない。

光学素子４０の構成を示す断面図である。電気毛管現象の原理説明図であり、（Ａ）は電圧印加前の状態を示す図、（Ｂ）は電圧印加後の状態を示す図である。光学素子４０に電圧が印加されていない状態を示す説明図である。光学素子４０に第１の電圧Ｅ１が印加された状態を示す説明図である。光学素子４０に第１の電圧よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が印加された状態を示す説明図である。光学素子４０に第２の電圧よりも大きい値の第３の電圧Ｅ３が印加された状態を示す説明図である。純水とエタノールの混合比と比重および屈折率の特性を示す線図である。純水とエチレングリコールの混合比と比重および屈折率の特性を示す線図である。２種類の液体Ａ、Ｂを混合した場合の屈折率と比重の調整範囲を示す図である。純水とエタノールとエチレングリコールの比重および屈折率を示す図である。３種類の液体Ａ、Ｂ、Ｃを混合した場合の屈折率と比重の調整範囲を示す図である。様々な種類の液体の比重および屈折率を示す図である。用いる各種液体の比重および屈折率の数値を示す図である。４種類の液体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを混合した場合の屈折率と比重の調整範囲を示す図である。第１の液体４４に混合するカーボンブラックの混合量に対する屈折率を示す図である。図１５の各座標の数値を示す図である。従来の光学素子の構成を示す図である。

符号の説明

４０……光学素子、４２……容器、４２０２……端面壁、４２０４……側面壁、４４……第１の液体、４６……第２の液体、６２……界面、６６……光の透過路。

Claims

厚さ方向において互いに対向する端面壁と、前記両端面壁を接続する側面壁とを有する密閉された容器と、
前記容器に封入された有極性または導電性を有する第１の液体と、
前記容器に封入され前記第１の液体と互いに混合しない第２の液体と、
前記第１の液体に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記第１の液体と第２の液体は等しい比重を有し、かつ、前記第１の液体は光を透過しない材料からなる微粒子が混合されることで、前記第１の液体の透過率が前記第２の液体の透過率よりも低くなるように形成され、
前記電圧印加手段による電圧印加によりそれら前記第１の液体と第２の液体の界面が変形し、前記端面壁を通り前記容器の厚さ方向に延在する光の透過路が形成される光学素子であって、
前記第１の液体と前記第２の液体とは屈折率が実質的に等しく形成され、
前記第１の液体の屈折率は、前記微粒子の混合量が調節されることで設定されている、
ことを特徴とする光学素子。
前記第１の液体は比重が異なる３種類以上の液体が混合することで、前記第２の液体と比重が実質的に等しく形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記第１の液体は３種類以上の液体から構成され、前記３種類以上の液体は水、エタノールおよびエチレングリコールの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記微粒子は、それらの表面に親水コーティング処理がなされていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記親水コーティング処理は前記微粒子の表面に親水基を形成することでなされることを特徴とする請求項４記載の光学素子。
前記微粒子は、カーボンブラック、あるいは、金属微粒子、あるいは、金属化合物の微粒子であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記第２の液体はシリコンオイルであることを特徴とする請求項３記載の光学素子。
前記電圧印加手段は、前記側面壁の内面の全周に設けられた第１の電極と、前記第１の液体が位置する側の前記端面壁の内面の外周に設けられた第２の電極とを含んで構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。