JP2007086451A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図る上で有利な光学素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第１の電極４８を含む第１の端面壁４２０２の内面の全域と側面壁４２０６の内面の全域の双方にわたって第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第１の膜５４が形成されている。第２の電極５０および絶縁膜５２を含む第２の端面壁４２０４の内面の全域にわたって第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第２の膜５６が形成されている。第１の液体４４に電圧が印加されない状態で、第１の液体４４が側面壁４２０６の内面に臨む外周部分４４０２が第２の液体４６の部分を介在することなく、第２の膜５６および絶縁膜５２を介して第２の電極５０上に位置している。
【選択図】図１

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１４に示すように、厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁１２、１４と、両端面壁１２、１４を接続する側面壁１６とを有する密閉された容器１８と、容器１８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１８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。
第１の端面壁１２が容器１８内部に臨む内面全域には第１の電極２４が形成され、第１の電極２４を覆うように親水膜３０が形成されている。
第２の端面壁１４が容器１８内部に臨む内面全域には第２の電極２６が形成され、第２の電極２６を覆うように絶縁膜２８が形成されている。
また、絶縁膜２８のうち、第２の端面壁１４の中心を中心とする正円状の領域に撥水膜３２が形成され、絶縁膜２８のうち撥水膜３２を除く環状の領域に親水膜３４が形成されている。
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１８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１８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１８に封入した当初の状態が維持され、第１の液体２０と第２の液体２２との間に第１の液体２０に向かって凸状の曲面状の界面Ｋが形成された状態が維持される。
そして、第１、第２の電極２４、２６に電圧を印加しない状態では、第２の液体２２は撥水膜３２上に位置し、第１の液体２０は親水膜３４上に位置している。
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Ｋを図１４に実線と破線で示す間にわたって変形させ、これにより第１、第２の端面壁１２、１４を通り容器１８の厚さ方向に延在する光の透過路Ｔ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１４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１４に破線で示すように第２の液体２２が両方の端面壁１２、１４に接触することで透過路Ｔが形成され、印加電圧を調整することで第２の液体２２と第１の端面壁１２との接触面積を増減させ透過路Ｔの大きさを調整するようにしている。
特開２０００−３５６７９２号公報

ところで、前記電圧印加手段によって第１の液体２０に電圧を印加するためには、常に第１の液体２０の部分が絶縁膜２８を介して第２の電極２６上に位置している必要がある。
上述の従来技術では、第２の電極２６に正円状の撥水膜３２と環状の親水膜３４の２つの領域を形成することによって、前記電圧の有無に拘わらず環状の親水膜３４上に第１の液体２０を位置させている。
しかしながら、親水膜３４の領域は光の透過に寄与しない無駄な領域であり、この無駄な領域が面積を占有していることから、光の透過方向と直交する方向における容器１２の寸法を縮小するには限界があり光学素子１０の小型化を図る上で不利があった。
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、小型化を図る上で有利な光学素子およびその製造方法を提供することにある。

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第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の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の液体は実質的に等しい比重を有しかつ前記第１の液体の透過率は第２の液体の透過率よりも低く形成され、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、前記第１、第２の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、前記電圧印加手段は、前記第１の端面壁に設けられ少なくともその一部が前記容器の内部に臨ませて形成された第１の電極と、前記第２の端面壁に設けられ少なくともその一部が前記容器の内部に臨ませて形成された第２の電極と、前記第２の電極が前記容器の内部に臨む部分の全域を覆うように形成された絶縁膜とを含んで構成され、前記第１の電極の前記一部を含む前記第１の端面壁の内面の全域と前記側面壁の内面の全域の双方にわたって前記第１の液体に対する濡れ性が前記第２の液体に対する濡れ性よりも高い第１の膜が形成され、前記第２の電極の前記一部および前記絶縁膜を含む前記第２の端面壁の内面の全域に前記第２の液体に対する濡れ性が前記第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜が形成され、前記電圧印加手段による電圧印加がなされていない状態で、前記第２の液体は前記第２の膜上に位置し、かつ、前記第１の液体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とともに、前記第１の液体が前記側面壁の内面に臨む外周部分が前記第２の膜および前記絶縁膜を介して前記第２の電極上に位置していることを特徴とする。
また、本発明は、厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の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の液体は実質的に等しい比重を有しかつ前記第１の液体の透過率は第２の液体の透過率よりも低く形成され、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、前記第１、第２の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の製造方法であって、前記容器を、前記第１の端面壁と前記側面壁とを有する本体と、前記第２の端面壁を有する蓋体との２つの部材で構成し、前記第１の端面壁の内面の全域と前記側面壁の内面の全域の双方にわたって前記第１の液体に対する濡れ性が前記第２の液体に対する濡れ性よりも高い第１の膜を形成し、前記第２の端面壁の内面の全域に前記第２の液体に対する濡れ性が前記第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜を形成し、前記第１の端面壁と前記側面壁とで形成される空間を上方に向けて前記本体を載置面に載置し、前記空間に前記第１の液体を前記側面壁の上端まで満たし、前記第１の液体の上に前記第２の液体を注いで前記第１の液体の上に前記第２の液体を位置させ、前記第２の端面壁を下方に向けて前記第２の端面壁を前記第２の液体の上面に対向させ前記本体と前記蓋体とを相対的に近づけていき、前記第２の端面壁と前記側面壁の上端とを液密に結合させるようにしたことを特徴とする。

本発明の光学素子によれば、電圧印加手段による電圧印加がなされていない状態で、第２の液体は第２の膜上に位置し、かつ、第１の液体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とともに、第１の液体が側面壁の内面に臨む外周部分が第２の膜および絶縁膜を介して第２の電極上に位置しているため、電圧印加手段による第１の液体に対する電圧の印加を支障なく行うことができる。
したがって、従来と違って、第２の電極上に光の透過に寄与しない親水膜を設ける必要がないため、光の透過方向と直交する方向における容器の寸法を縮小することができ、光学素子の小型化を図る上で有利となる。
また、本発明の光学素子の製造方法によれば、第１の液体を本体の空間に注ぎ入れた後、第１の液体の上に第２の液体を注ぎ、蓋体で本体の空間を閉塞するといった簡単な工程で第１、第２の液体の体積を決定して光学素子を製造することができ、光学素子の製造コストを削減する上で有利である。

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の上に絶縁膜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。なお、接触角θは液体が空気に面した状態で測定されるものであり、言い換えると、気液界面において測定されるものである。
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、本実施の形態の光学素子４０について説明する。
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第１の端面壁４２０２、第２の端面壁４２０４と、これら第１、第２の端面壁４２０２、４２０４を接続する側面壁４２０６とを有し、それら第１、第２の端面壁４２０２、４２０４を接続する側面壁４２０６とにより密閉された収容室４２Ａを有している。
本実施の形態では、第１、第２の端面壁４２０２、４２０４は同一径を有する円板状を呈し、側面壁４２０６は第１、第２の端面壁４２０２、４２０４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、第１、第２の端面壁４２０２、４２０４および側面壁４２０６は、絶縁性を有する材料で形成され、さらに、第１、第２の端面壁４２０２、４２０４は光を透過する透明な材料で形成されている。
第１、第２の端面壁４２０２、４２０４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。
第１の端面壁４２０２の内側には第１の液体４４に電圧を印加するための第１の電極４８（正極電極）が形成されている。
第１の電極４８は少なくともその一部が第１の液体４４に常時対面するように容器４２の内部に臨ませて形成され、本実施の形態では、第１の電極４８は第１の端面壁４２０２の全域にわたって円板状に形成されている。
第２の端面壁４２０４の内側には第２の電極５０（負極電極）が形成されている。
第２の電極５０は少なくともその一部が第１の液体４４に常時対面するように容器４２の内部に臨ませて形成され、本実施の形態では、第２の電極５０は第２の端面壁４２０４の全域にわたって円板状に形成されている。
第２の電極５０が容器４２の内部に臨む部分の全域を覆うように絶縁膜５２が形成され、本実施の形態では、絶縁膜５２は第２の電極５０の全域を覆うように円板状に形成されている。
したがって、第１の電極４８と第２の電極５０に電圧が印加されることで絶縁膜５２の表面に例えばプラス電荷が帯電され、これにより第１の液体４４を構成する分子に電界（静電気力）が作用して電気毛管現象が発生するように構成されている。
なお、第１、第２の電極４８、５０は何れも光を透過するＩＴＯ膜（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ膜）などの導電材料で形成され、絶縁膜５２も光を透過する絶縁材料で形成されている。

第１の電極４８を含む第１の端面壁４２０２の内面の全域と側面壁４２０６の内面の全域の双方にわたって、光を透過する透明な第１の膜５４が形成されている。
第１の膜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構成されたものであり、したがって、第１の膜５４に対する第１の液体４４の接触角は第１の膜５４に対する第２の液体４６の接触角よりも小さい値となる。
第１の膜５４は、親水性を有する膜（親水膜）であり、例えば親水性ポリマーや界面活性剤を第２の端面壁４２０２と側面壁４２０４の内面に塗布することで容易に形成することができる。なお、第１の膜５４としては、従来公知の様々な材料を採用可能である。

第２の電極５０および絶縁膜５２を含む第２の端面壁４２０４の内面の全域にわたって、光を透過する透明な第２の膜５６が形成されている。
第２の膜５６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たものである。
すなわち、図２（Ａ）の場合と同様に空気中において（気液界面において）、第２の膜５６に対する第２の液体４６の接触角を測定すると、その接触角は、第２の膜５６に対する第１の液体４４の接触角よりも小さい値となる。
したがって、図１に示すように、第２の膜５６に対して第２の液体４６がなす角度αは、例えば、０度以上から３０度以下の範囲となる。
これは、一般的なフッ素系樹脂からなる撥水膜に対する第２の液体４６の接触角よりも小さい角度となっている。
第２の膜５６は、親油性を有する膜であり、例えば、シリコンを主成分とする材料を焼き付けることで、あるいは、非結晶フッ素樹脂からなる材料を蒸着することで形成することができる。なお、第２の膜５６としては、従来公知の様々な材料を採用可能である。

容器４２の外部には出力電圧が可変の電源５８が設けられ、電源５８の正電圧出力端子が第１の電極４８に電気的に接続され、電源５８の負電圧出力端子が第２の電極５０に電気的に接続されている。
第１の電極４８、第２の電極５０、絶縁膜５２、電源５８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。
本実施の形態では、第２の液体４６はシリコンオイルで構成され、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調節することで構成されている。
また、第２の液体４６がシリコンオイルであり、第２の膜５６が前述したシリコンを主成分とする材料を焼き付けることで形成され、あるいは、非結晶フッ素樹脂からなる材料である場合には、第２の液体４６の第２の膜５６に対する濡れ性は非常に高いものとなり、したがって、第２の液体４６の第２の膜５６に対する接触角は非常に小さいものとなり、例えば、図１において第２の液体４６が第２の膜５６に対してなす角度αは０度以上２０度以下の範囲となる。
なお、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。

第１の液体４４が位置する第１の端面壁４２０２内面に位置する第１の液体４４箇所の全域は、第１の膜５４を介して第１の電極４８に臨んだ状態となり、かつ、第２の液体４６が位置する第２の端面壁４２０６内面に位置する第２の液体４６の箇所の全域は、第２の膜５６、絶縁膜５２を介して第２の電極５０に臨んだ状態となる。
したがって、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に電圧が印加されると、絶縁膜５２の表面に電荷が帯電され、第１の液体４４を構成する分子に電界（静電気力）が作用することになる。

次に、光学素子４０の動作について説明する。
図１に示すように、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に電圧が印加されない状態（Ｅ＝０Ｖ）では、第１、第２の液体４４、４６の界面６０の形状は第１、第２の液体４４、４６の表面張力、第２の膜５６上の界面張力のバランスによって決定される。
第２の液体４６は、第２の端面壁４２０４上の第２の膜５６上に位置し、第１の液体４４は、第１の端面壁４２０２上の第１の膜５４および側面壁４２０４上の第１の膜５４を覆うように位置している。
そして、側面壁４２０６（第２の膜５６）の部分では第１の液体４４が側面壁４２０６に沿って第２の液体４６に進入している。
詳細に説明すると、第１の液体４４が側面壁４２０６の内面に臨む外周部分４４０２は、第２の液体４６の部分を介在することなく、第２の膜５６および絶縁膜５２を介して第２の電極５０上に位置し、第２の液体４６が側面壁４２０６の内面に臨む外周部分４６０２は、第１の液体４４の部分を介在した状態で側面壁４２０４に臨んでいる。
このような第１の液体４４と第２の液体４６の位置関係は、側面壁４２０６に親水膜からなる第１の膜５４が形成されていることによって生じるものであり、言い換えると、第１の膜５４に対する第１、第２の液体４４、４６の接触角に差によって生じるものである。
このように第１の液体４４が側面壁４２０６の内面に臨む外周部分４４０２が第２の液体４６の部分を介在することなく、第２の膜５６および絶縁膜５２を介して第２の電極５０上に位置していることにより、第２の電極５０から第１の液体４４への電圧の印加が可能な状態となる。
また、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。

次に、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に電圧Ｅが印加されると、電気毛管現象により、界面６０が第２の液体４６から第１の液体４４に向かって凸状の曲面（球面）となるように変形し、界面６０の中央が第１の端面壁４２０２に近づき、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、第１の液体４４の第２の膜５６に対する接触角は９０度よりも小さなものとなり、側面壁４２０６（第２の膜５６）の部分では、第１の電極４８、第２の電極５０に電圧が印加されていない場合に比較して、第１の液体４４が側面壁４２０６に沿って第２の液体４６に対してより大きく進入する。
この際、第１の液体４４の外周部分４４０２が第２の電極５０上に位置していることは無論のこと、第１の液体４４の外周部分４４０２が第２の電極５０上に位置している部分の面積は、第１の電極４８、第２の電極５０に電圧が印加されていない場合に比較してより大きくなる。
さらに、電圧Ｅが増大し第１の電圧Ｅ１となると、図３に示すように、界面６０の凸状の曲面（球面）の湾曲の傾斜が大きくなり、界面６０の中央が第１、第２の端面壁４２０２（第１の膜５４）に接触する。
これにより、第１の端面壁４２０２（第１の膜５４）上で界面６０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（第１、第２の端面壁４２０２、４２０６の中央に）第２の液体４６のみが存在する領域６２が形成され、この領域６２により第１、第２の端面壁４２０２、４２０６を通り容器４２の厚さ方向に延在する光の透過路６４が形成される。

第１の電圧Ｅ１よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に印加されると（Ｅ２＞Ｅ１）、図４に示すように、界面６０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（第１、第２の端面壁４２０２、４２０６の中央に）形成された第２の液体４６のみが存在する領域６２の直径が拡大され、光の透過路６４の直径が拡径される。
したがって、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０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６２の直径を拡大および縮小させることができ、光の透過路６４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。

本実施の形態によれば、第１の電極４８を含む第１の端面壁４２０２の内面の全域と側面壁４２０６の内面の全域の双方にわたって第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い第１の膜５４が形成されている。
そのため、電圧印加手段による電圧印加がなされていない状態で、第２の液体４６は第２の膜５６上に位置し、かつ、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とともに、第１の液体４４が側面壁４２０６の内面に臨む外周部分が第２の膜５６および絶縁膜５２を介して第２の電極５０上に位置しているため、電圧印加手段による第１の液体４４に対する電圧の印加を支障なく行うことができる。
したがって、従来と違って、第２の電極５０上に光の透過に寄与しない親水膜を設ける必要がないため、光の透過方向と直交する方向における容器１２の寸法を縮小することができ、光学素子１０の小型化を図る上で有利となる。

また、本実施の形態によれば、第１の液体４４側の第１の端面壁４２０２上に第１の膜５４を形成したので、第１の液体４４が第１の膜５４に対して良く濡れる。したがって、第２の液体４６が第１の端面壁４２０２にいったん接触した後で第１の端面壁４２０２から離れる際に、第１の膜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。
また、第２の液体４６が位置する第２の端面壁４２０６上に第２の膜５６を形成したため、第１の液体４４が第２の膜５６の箇所まで位置した場合には、第２の膜５６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。

なお、本実施の形態では、第１の電極４８を第１の端面壁４２０２の全域にわたって形成した場合について説明したが、第１の電極４８は、第１の電極４８に電圧を印加した際に、第１の液体４４に電圧を印加させて第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状を変化させることができればよい。
したがって、必ずしも第１の電極４８を第１の端面壁４２０２の全域にわたって形成する必要はない。
すなわち、第１の液体４４は、界面６０の形状の変化に拘わらず常時第１の端面壁４２０２の外周部分に面する部分を有しているので、第１の電極４８を、第１の液体４４が常時面する第１の端面壁４２０２の外周部分に形成してもよく、第１の電極４８によって第１の液体４４に電圧を印加することができる。
このように第１の電極４８を第１の端面壁４２０２の外周部分に形成した場合には、光の透過路６４上に第１の電極４８が存在しないので光学的に有利となる。
また、第１の端面壁４２０２上における光の透過路６４の大きさは界面６０の形状変形によって変化しているので、第１の電極４８を、光の透過路６４の大きさが最大となったときの第１の端面壁４２０２上における光の透過路６４の領域を除く環状の領域に形成してもよく、第１の電極４８によって第１の液体４４に電圧を印加することができる。
このように第１の電極４８を、光の透過路６４の大きさが最大となったときの第１の端面壁４２０２上における光の透過路６４の領域を除く環状の領域に形成した場合にも、光の透過路６４上に第１の電極４８が存在しないので光学的に有利となる。
また、第１の電極４８はその全てが容器４２内部に設けられている必要はなく、第１の電極４８の少なくとも一部が容器４２の内部に臨んでいればよく、第１の電極４８の残りの部分が第１の端面壁４２０２または側面壁４２０６を貫通して容器４２の外部に位置していてもよいことは無論である。

また、本実施の形態では、第２の電極５０を第２の端面壁４２０６の全域にわたって形成した場合について説明したが、第２の電極５０は、第２の電極５０に電圧を印加した際に、絶縁膜５２を介して第１の液体４４に電圧を印加させて第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状を変化させることができればよい。
したがって、必ずしも第２の電極５０を第２の端面壁４２０６の全域にわたって形成する必要はない。
すなわち、第１の液体４４は、界面６０の形状の変化に拘わらず常時第２の端面壁４２０４の外周部分に面する部分を有しているので、第１の液体４４が第２の端面壁４２０４の外周部分に面する部分は、界面６０の形状の変化に伴って光の透過路６４の半径方向に拡縮することになる。したがって、第２の端面壁４２０４の外周部分で半径方向に拡縮する部分に第２の電極５０を設けてもよく、第２の電極５０によって絶縁膜５２を介して第１の液体４４に電圧を印加することができる。
このように第２の電極５０を第２の端面壁４２０４の外周部分で半径方向に拡縮する部分に設けた場合には、光の透過路６４上に第２の電極５０が存在しないので光学的に有利となる。
また、光の透過路６４は第１、第２の端面壁４２０２、４２０４の中央を通り容器４２の厚さ方向に延在し、第２の端面壁４２０４上における光の透過路６４の大きさは界面６０の形状変形によって変化するので、第２の電極５０を、光の透過路６４の大きさが最大となったときの第２の端面壁４２０４上における光の透過路６４の領域を除く環状の領域に形成してもよく、第２の電極５０によって絶縁膜５２を介して第１の液体４４に電圧を印加することができる。
このように第２の電極５０の透過路６４の大きさが最大となったときの第２の端面壁４２０４上における光の透過路６４の領域を除く環状の領域に形成した場合にも、光の透過路６４上に第２の電極５０が存在しないので光学的に有利となる。

次に、光学素子４０の製造方法について説明する。
図５（Ａ）乃至（Ｃ）は光学素子４０の製造工程を示す説明図である。
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、容器４２を、第１の端面壁４２０２と側面壁４２０６とを有する本体４２２０と、第２の端面壁４２０４を有する蓋体４２２２との２つの部材で構成する。
本体４２２０の第１端面壁４２０２の全域にＩＴＯ膜などを蒸着することで第１の電極４８を形成する。
次いで、第１の端面壁４２０２の内面全域と側面壁４２０６の内面全域に親水性ポリマーや界面活性剤などを塗布することで第１の膜５４を形成する。
図５（Ｂ）に示すように、第２の端面壁４２０４を用意し、第２の端面壁４２０４の全域にＩＴＯ膜などを蒸着することで第２の電極５０を形成し、第２の電極５０の全域を覆うように絶縁膜５２を形成する。
次いで、絶縁膜５２の全域を覆うように、例えば、シリコンを主成分とする材料を焼き付けることで、あるいは、非結晶フッ素樹脂からなる材料を製膜することで第２の膜５６を形成する。

次に、図５（Ｂ）に示すように、第１の端面壁４２０２と側面壁４２０６で囲まれた空間を上方に向けて本体４２２０を載置面に載置する。
そして、本体４２２０の空間に第１の液体４４を注ぎ入れて側面壁４２０６の上端まで満たす。
次に、第１の液体４４の上面に第２の液体４６を注ぐ。第２の液体４６は、第１、第２の液体４４、４６の表面張力、第１の膜５４上の界面張力のバランスによって第１の液体４４の上面に位置する。言い換えると、第２の液体４６は、側面壁４２０６の上端よりも上方に位置した状態でその外面が外側に凸状の曲面を描いた状態で位置する。
この状態で、第２の端面壁４２０４を下方に向けて、すなわち、第２の膜５６を第２の液体４６の上面に対向させ、本体４２２０と蓋体４２２２とを相対的に近づけていき、第２の端面壁４２０４の外周部を側面壁４２０６の上端に当て付け、図５（Ｃ）に示すように、本体４４２０の空間を閉塞する。
この際、第２の液体４６は側面壁４２０６の先端よりも上方に位置しているため、第２の端面壁４２０４によって第２の液体４６が押しのけられ、側面壁４２０６から外方に溢れ出るが、第２の端面壁４２０４の第２の膜５６に対して第２の液体４６の濡れ性がよいため、第２の液体４６は第２の端面壁４２０４の第２の膜５６上に扁平に広がった状態で位置する。
その結果、第１、第２の液体４４、４６の界面６０の形状は第１、第２の液体４４、４６の表面張力、第２の膜５６上の界面張力のバランスによって決定され、第２の液体４６は、第２の端面壁４２０４上の第２の膜５６上に位置し、第１の液体４４は、第１の端面壁４２０２上の第１の膜５４および側面壁４２０４上の第１の膜５４を覆うように位置する。
このように第１、第２の液体４４、４６の界面６０の形状が決定されることで、容器４２内の第１、第２の液体４４、４６の体積がそれぞれ決定される。
そして、図１に示すように、第１の液体４４が側面壁４２０６の内面に臨む外周部分４４０２は、第２の液体４６の部分を介在することなく、第２の膜５６および絶縁膜５２を介して第２の電極５０上に位置し、第２の液体４６が側面壁４２０６の内面に臨む外周部分４６０２は、第１の液体４４の部分を介在した状態で側面壁４２０４に臨んだ状態となる。
この状態で、第２の端面壁４２０４の外周部と側面壁４２０６の上端との間を図示しない接着剤などにより液密に結合することで容器４２が封止され、光学素子１０が完成する。

このような製造方法によれば、第１の液体４４を本体４２２０の空間に注ぎ入れた後、第１の液体４４の上に第２の液体４６を注ぎ、蓋体４２２２で本体４２２０の空間を閉塞するといった簡単な工程で第１、第２の液体４４、４６の体積を決定して光学素子４０を製造することができ、光学素子４０の製造コストを削減する上で有利である。

なお、比較例として、本実施の形態の製造方法を図１４で示した従来の光学素子１０に適用した場合について説明する。
図１５は従来の光学素子１０に本実施の形態の製造方法を適用した場合の説明図である。
この場合、図５（Ａ）、（Ｂ）と同様な工程を経て容器１８を密閉することは可能である。
しかしながら、図１５に示すように、容器１８を密閉した状態で、第２の端面壁１４上において、第２の液体２２が撥水膜３２上に留まらず親水膜３４上まで位置してしまうことが想定される。
この状態で、第１、第２の電極２４、２６に電圧を印加することで第１の液体２０を内側に移動させ親水膜３４上から第２の液体２２を排除させようとしても、第１の液体２０が親水膜３４に対して高い濡れ性を有しているため、親水膜３４上で第１の液体２０を移動させることが困難であり、図１４に示すように、第２の液体２０の外周部分を撥水膜３２上に位置させることが難しい。
したがって、従来の光学素子１０は、本実施の形態の製造方法を適用することが難しく、次のような製造方法を採らざるを得ない。
すなわち、従来の製造方法では、第２の液体２２を容器１８内において撥水膜３２上に位置させるために、容器１８の外部から注射器などの特殊な装置を用いて容器１８内の撥水膜３２上に注入しなくてはならず、また、第１の液体２０、第２の液体２２の体積を精密に制御して容器１８内に注入しなくてはならず、製造が複雑で面倒となる不利がある。
これに対して本実施の形態の製造方法では、注射器などの特殊な装置が不要であり、また、第１、第２の液体４４、４６の体積を簡単に決定することができ、製造の簡素化、効率化を図る上で有利となる。

次に、本実施の形態で用いた第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６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。
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８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９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１０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９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であるカーボンブラックが混合されることで形成されている。
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。
なお、光を透過しない材料としてカーボンブラックの代わりに染料などを用いてもよいことは無論である。
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６０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４６としてその比重が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８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８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９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９、図１０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１１は様々な種類の液体の比重および屈折率を示す図、図１２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１１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１２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１３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、本実施の形態の光学素子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。

電圧を印加しない状態における光学素子４０を示す説明図である。 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。 図５（Ａ）乃至（Ｃ）は光学素子４０の製造工程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。 従来の光学素子１０の構成を示す図である。 従来の光学素子１０に本実施の形態の製造方法を適用した場合の説明図である。

符号の説明

４０……光学素子、４２……容器、４２０２……第１の端面壁、４２０２……第２の端面壁、４２０６……側面壁、４４……第１の液体、４６……第２の液体、４８……第１の電極、５０……第２の電極、５２……絶縁膜、５４……第１の膜、５６……第２の膜、６０……界面、６４……光の透過路。

Claims (14)

1. 厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の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の液体は実質的に等しい比重を有しかつ前記第１の液体の透過率は第２の液体の透過率よりも低く形成され、
   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、前記第１、第２の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、
   前記電圧印加手段は、前記第１の端面壁に設けられ少なくともその一部が前記容器の内部に臨ませて形成された第１の電極と、前記第２の端面壁に設けられ少なくともその一部が前記容器の内部に臨ませて形成された第２の電極と、前記第２の電極が前記容器の内部に臨む部分の全域を覆うように形成された絶縁膜とを含んで構成され、
   前記第１の電極の前記一部を含む前記第１の端面壁の内面の全域と前記側面壁の内面の全域の双方にわたって前記第１の液体に対する濡れ性が前記第２の液体に対する濡れ性よりも高い第１の膜が形成され、
   前記第２の電極の前記一部および前記絶縁膜を含む前記第２の端面壁の内面の全域に前記第２の液体に対する濡れ性が前記第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜が形成され、
   前記電圧印加手段による電圧印加がなされていない状態で、前記第２の液体は前記第２の膜上に位置し、かつ、前記第１の液体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とともに、前記第１の液体が前記側面壁の内面に臨む外周部分が前記第２の膜および前記絶縁膜を介して前記第２の電極上に位置している、
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記第１の電極は前記第１の端面壁の内面全域にわたって形成され、前記第１の膜は前記第１の電極の全域を覆うように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。
3. 前記第１の液体は、前記界面の形状の変化に拘わらず常時前記第１の端面壁の外周部分に面する部分を有し、前記第１の電極は、前記第１の液体が常時面する前記第１の端面壁の外周部分に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。
4. 前記光の透過路は前記第１、第２の端面壁の中央を通り前記容器の厚さ方向に延在して形成され、前記第１の端面壁上における前記光の透過路の大きさは前記界面の形状変形によって変化し、前記第１の電極は、前記光の透過路の大きさが最大となったときの前記第１の端面壁上における前記光の透過路の領域を除く環状の領域に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。
5. 前記第２の電極は前記第２の端面壁の内面全域にわたって形成され、前記第２の膜は前記第２の電極の全域を覆うように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。
6. 前記光の透過路は断面が円形に形成され、前記第１の液体は、前記界面の形状の変化に拘わらず常時前記第２の端面壁の外周部分に面する部分を有し、前記第１の液体が前記第２の端面壁の外周部分に面する部分は、前記界面の形状の変化に伴って前記光の透過路の半径方向に拡縮し、前記第２の端面壁の外周部分で前記半径方向に拡縮する部分に前記第２の電極が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
7. 前記光の透過路は前記第１、第２の端面壁の中央を通り前記容器の厚さ方向に延在し、前記第２の端面壁上における前記光の透過路の大きさは前記界面の形状変形によって変化し、前記第２の電極は、前記光の透過路の大きさが最大となったときの前記第２の端面壁上における前記光の透過路の領域を除く環状の領域に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。
8. 前記第２の液体はシリコンオイルで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。
9. 前記第２の膜はシリコンを主成分とする材料で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。
10. 前記第２の膜は非結晶フッ素樹脂からなる材料で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。
11. 前記第２の液体が前記第２の膜に対してなす接触角が０度以上３０度以下であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
12. 前記第１の液体と第２の液体の界面は、前記第１の液体に対する電圧印加の有無に拘わらず、前記第１の液体から第２の液体に向かって凸状の曲面形状が維持されることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
13. 前記第１の液体は複数種類の液体から構成され、前記複数種類の液体は水、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。
14. 厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の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の液体は実質的に等しい比重を有しかつ前記第１の液体の透過率は第２の液体の透過率よりも低く形成され、
    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、前記第１、第２の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の製造方法であって、
    前記容器を、前記第１の端面壁と前記側面壁とを有する本体と、前記第２の端面壁を有する蓋体との２つの部材で構成し、
    前記第１の端面壁の内面の全域と前記側面壁の内面の全域の双方にわたって前記第１の液体に対する濡れ性が前記第２の液体に対する濡れ性よりも高い第１の膜を形成し、
    前記第２の端面壁の内面の全域に前記第２の液体に対する濡れ性が前記第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜を形成し、
    前記第１の端面壁と前記側面壁とで形成される空間を上方に向けて前記本体を載置面に載置し、
    前記空間に前記第１の液体を前記側面壁の上端まで満たし、
    前記第１の液体の上に前記第２の液体を注いで前記第１の液体の上に前記第２の液体を位置させ、
    前記第２の端面壁を下方に向けて前記第２の端面壁を前記第２の液体の上面に対向させ前記本体と前記蓋体とを相対的に近づけていき、前記第２の端面壁と前記側面壁の上端とを液密に結合させるようにした、
    ことを特徴とする光学素子の製造方法。
    

Images