JP2007322597A - 液体レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】高い電圧を印加することなく、広い範囲で焦点距離を変化させることができる液体レンズを提供する。
【解決手段】金属性円筒容器２Ａ，２Ｂ，２Ｃと、この金属性円筒容器２Ａ，２Ｂ，２Ｃの上下を覆う光透過性上下蓋３，４と、全体が絶縁皮膜７で覆われ、先端部６Ａが金属性円筒容器２Ａ，２Ｂ，２Ｃの内部に突き出るようにして、金属性円筒容器２Ａ，２Ｂ，２Ｃの側面の一部に固定された金属性狭窄部８Ａ，８Ｂとを備え、金属性円筒容器２Ａ，２Ｂ，２Ｃと光透過性上下蓋３，４で囲まれた空間内に、互いに混和せず、かつ異なる屈折率及びほぼ同じ密度を有する絶縁性液体９と導電性液体５とが封入されている。そして、金属性狭窄部８Ａと金属性円筒容器２Ａ，２Ｂ，２Ｃとの間に電圧を印加する電圧印加手段１１，１２を設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気的に制御することにより、液体の接触角が変化するエレクトロウェッティング現象を利用した液体レンズに関する。

特許文献１には、エレクトロウェッティング現象を利用した液体レンズが記載されている。
図３は、特許文献１に記載されている液体レンズを示す断面図である。
図３に示すように、誘電体チャンバ１００内には、導体液体１０１が充填され、その内側底部１０２Ａには、絶縁液体１０３の液滴が半球状に位置している。更に、内側底部１０２Ａには、絶縁体液１０３の滴の接触部を取り囲むように表面処理部１０４が形成されている。導体液体１０１と絶縁液体１０３とは、共に透明であって混和せず、異なる屈折率及び同じ密度を有している。

一方の電極は、導体液体１０１に浸漬され、他方の電極１０５は、誘電体チャンバ外側底部１０２Ｂに形成されている。両電極間に電圧Ｖを印加して、電界を生じさせ導体液体１０１を他方の電極に引き寄せるエレクロウェッティングの原理によって導体液体１０１の内側底部に対する濡れ性を高めさせて、導体液体１０１を移動させ、絶縁液体１０３の液滴を電界がない状態のＡからある状態のＢに変形させてレンズの焦点距離を変化させている。
特表２００１−５１９５３９号公報

しかしながら、内側底部に載置された絶縁液体１０３の液滴が変化することができる範囲は、限界があるため、大きな焦点距離を得ようとすると高い電圧を必要としていた。印加される電圧が高くなりすぎると、絶縁液体１０３の液滴の表面が不安定になりこの液滴の周縁で微小な液滴が放出されるといった問題を生じる。

そこで、本発明は、前述の課題に鑑みて提案されるものであって、高い電圧を印加することなく、広い範囲で焦点距離を変化させることができる液体レンズを提供することを目的とする。

本発明における第１の発明は、第１の金属性円筒と、前記第１の金属性円筒上に配置され、先端部が内周側面から中央部に突き出た金属性狭窄部を有する第２の金属性円筒と、前記第２の金属性円筒容器上に配置された第３の金属性円筒と、前記第１の金属性円筒と第２の金属性円筒との間及び前記第２の金属性円筒と前記第３の金属性円筒との間にそれぞれ形成された絶縁皮膜と、積層方向と反対側の前記第１の金属性円筒の一端側に載置された第１の光透過性蓋と、積層方向の前記第３の金属性円筒の一端側に載置された第２の光透過性蓋と、前記第１の金属性円筒、第３の金属性円筒、前記第１光透過性蓋及び第２の光透過性蓋の空間内に収納された導電性液体と、前記第２の金属性円筒内に挿入された絶縁性液体と、前記第２の金属性円筒に対して第１、第３の金属性円筒が逆極性になり、かつ前記第１、第３の金属性円筒との間では同極性になるように電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、前記導電性液体は、前記絶縁性液体とは、互いに混和せず、かつ異なる屈折率及びほぼ同じ密度を有することを特徴とする液体レンズを提供する。
第２の発明は、第１の金属性円筒と、前記第１の金属性円筒上に配置され、先端部が側面から中央部に突き出た絶縁物で分離された第１、第２の金属性狭窄部を有する第２の金属性円筒と、前記第２の金属性円筒上に配置された第３の金属性円筒と、前記第１の金属性円筒と第２の金属性円筒との間及び前記第２の金属性円筒と前記第３の金属性円筒との間に形成された絶縁皮膜と、積層方向と反対側の前記第１の金属性円筒の一端に載置された第１の光透過性蓋と、積層方向の前記第３の金属性円筒の一端に載置された第２の光透過性蓋と、前記第１の金属性円筒、第３の金属性円筒、前記第１光透過性蓋及び第２の光透過性蓋の空間内に収納された導電性液体と、前記第２の金属性円筒内に挿入された絶縁性液体と、前記第１の金属性狭窄部と前記第１の金属性円筒との間で逆極性になるように電圧を印加する第１の電圧印加手段と、前記第２の金属性狭窄部と前記第２の金属性円筒容器との間で逆極性になるように電圧を印加する第２の電圧印加手段と、を有し、前記導電性液体は、前記絶縁性液体とは、互いに混和せず、かつ異なる屈折率及びほぼ同じ密度を有することを特徴とする液体レンズを提供する。
第３の発明は、前記金属性狭窄部の先端部には、前記絶縁性液体と親和性のある絶縁材料からなる櫛状部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の液体レンズを提供する。
第４の発明は、前記第１の金属性狭窄部及び第２金属性狭窄部の各先端部には、前記絶縁性液体と親和性のある絶縁材料からなる櫛状部が形成されていることを特徴とする請求項２記載の液体レンズを提供する。

本発明によれば、第２の金属性円筒に先端部が内周側面から中央部に突き出た金属性狭窄部が形成され、第２の金属性円筒に対して第１、第３の金属性円筒が逆極性になり、かつ前記第１、第３の金属性円筒との間では同極性になるように電圧を印加する電圧印加手段が設けられているので、高い電圧を印加することなく、広い範囲で焦点距離を変化させることができる。
また、第２の金属性円筒が前記第１の金属性円筒上に配置され、先端部が側面から中央部に突き出た絶縁物で分離された第１、第２の金属性狭窄部を有し、かつ第１の金属性狭窄部と前記第１の金属性円筒との間で逆極性になるように電圧を印加する第１の電圧印加手段と、前記第２の金属性狭窄部と前記第２の金属性円筒容器との間で逆極性になるように電圧を印加する第２の電圧印加手段と、を有しているので、広い範囲で、かつ精度良い焦点距離を変化させることができる。

以下、本発明に係る各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の液体レンズを示す断面図である。図２は、第２の実施の形態の液体レンズを示す断面図である。
図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、液体レンズ１は、以下の構成を有する。
金属性円筒容器２は、第１の金属性円筒２Ａ上に順次積層された第２の金属性円筒２Ｂ、第３の金属性円筒２Ｃとからなる。
積層方向の第１の金属性円筒２Ａには、光透過性上蓋３が載置されている。積層方向と反対側の第２の金属性円筒２Ｃには、光透過性下蓋４が載置されている。そして、第１，第３の金属性円筒２Ａ，２Ｃには、導電性液体５が収納されている。第２の金属性円筒２Ｂには、Ｖ字状先端部６Ａが側面から中央部に突き出た第１，第２金属性狭窄部８Ａ，８Ｂが保持されている。第１，第２金属性狭窄部８Ａ，８Ｂの表面及びその間は、絶縁皮膜７で覆われて絶縁分離されている。

第２の金属性円筒２Ｂ内には絶縁性液体９が収納されている。金属性円筒２Ｂの内部に突き出て所定の間隔を有したＶ字状先端部６Ａには、絶縁性液体９に親和性のある絶縁材料からなる櫛状部１０が形成されている。この櫛状部１０は、絶縁皮膜７で覆われている。光透過性上下蓋３，４は、絶縁性液体９よりも導電性液体５に親和性のある材料からなり、絶縁皮膜７は、導電性液体５よりも絶縁性液体９に親和性のある材料からなるので、絶縁性液体９は、櫛状部１０を中心とする近傍に、導電性液体５は、光透過性上下蓋３，４の近傍に集中するように分布する。
この結果、絶縁性液体９は、第１、第２金属性狭窄部８Ａ，８ＢのＶ字状先端部６Ａ間を結んだ線に対して対称になるように分布する。

第１金属性狭窄部８Ａと第１の金属性円筒２Ａとの間には、スイッチＳＷ１を介して直流電源１１が接続され、第２金属性狭窄部８Ｂと第３の金属性円筒２Ｃとの間には、スイッチＳＷ２を介して直流電源１２が接続されている。

導電性液体５としては、塩を加えた水（ミネラル等）、有機体であるかどうかに係らず、導電性であるか若しくはイオン成分の添加によって導電性を有する液体を用いることができる。
絶縁性液体９としては、導電性液体５と混和しない液体が用いられ、シリコンオイルに代表される各種オイル、ハロゲン化合物を用いることができる。
導電性液体５と絶縁性液体９とは、密度が同じで、互いに異なる屈折率を有するものが良い。

光透過性上蓋３及び光透過性下蓋４としては、ガラスやセラミックス等の一般に公知の親和性材料を用いることができる。
絶縁皮膜７は、絶縁性液体９に対する親和性が高いキャストコート膜、金属酸化物やシリコンなどのスパッタリングにより作製した膜を用いることができる。このキャストコート膜は、有機や無機化合物（好ましくはフッ素系やシリコン系樹脂）を溶媒と共にスピンコートなどの方法で基板に塗布して形成することができる。

次に、その動作について説明する。
図１（Ａ）に示すように、第１金属性狭窄部８Ａ側を正に、第１の金属性円筒２Ａ側を負にするようにスイッチＳＷ１を介して直流電源１１を接続し、第２金属性狭窄部８Ｂ側を正に、第３の金属性円筒２Ｃ側を負にするようにスイッチＳＷ２を介して直流電源１２を接続する。

図１（Ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１をオンして直流電源１１の電圧を印加して、負電荷が支配的な導電性液体５を第１金属性狭窄部８Ａに引き寄せて、その傾斜壁の接触面積を増大させることにより絶縁性液体９を光透過性下蓋４方向に向かって凸になるようにする。一方、スイッチＳＷ２をオンして直流電源１２の電圧を印加して、負電荷が支配的な導電性液体５を第２金属性狭窄部８Ｂに引き寄せて、その傾斜壁の接触面積を増大させることにより絶縁性液体９を光透過性上蓋３方向に向かって凸になるようにする。

以上のように、第１、第２金属性狭窄部８Ａ，８Ｂは、互いに絶縁分離されてなり、直流電源１１が第１金属性狭窄部８Ａ側を正に、第１の金属性円筒２Ａ側を負にするようにスイッチＳＷ１を介して接続され、直流電源１２が第２金属性狭窄部８Ｂ側を正に、第３の金属性円筒２Ｃ側を負にするようにスイッチＳＷ２を介して接続されているので、絶縁性液体９を光透過性下蓋４方向に向かって凸になるように、或いは光透過性上蓋３方向に向かって凸になるように変化させることができるため、レンズの焦点を変化させることができる。
このため、高い電圧を印加することなく、広い範囲で焦点距離を変化させることができる液体レンズ１を提供できる。

次に、第２の実施の形態について説明する。
図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、第２の実施の形態は、第１の実施の形態における第１，第２金属性狭窄部８Ａ，８Ｂを分離している絶縁皮膜７を除去して金属性狭窄部１３だけにし、金属性狭窄部１３と第１，第３の金属性円筒２Ａ，２Ｃとの間にスイッチＳＷ３を介して直流電源１４を接続したものであり、それ以外は同様である。

その動作について説明する。
図２（Ａ）に示すように、金属性狭窄部１３側を正に、第１，第３の金属性円筒２Ａ，２Ｃ側を負にするようにスイッチＳＷ３を介して直流電源１４を接続する。

図２（Ｂ）に示すように、スイッチＳＷ３をオンして直流電源１４の電圧を印加して、負電荷が支配的な導電性液体５を金属性狭窄部１３に引き寄せて、その傾斜壁の接触面積を増大させることにより絶縁性液体９を光透過性上蓋３方向に向かって凸になるように、或いは光透過性下蓋４方向に向かって凸になるようにしてレンズの焦点を変化させる。
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、粗く大きく焦点距離を変化させることができる。

本発明に係る第１の実施の形態の液体レンズを示す断面図である。 本発明に係る第２の実施の形態の液体レンズを示す断面図である。 従来の液体レンズを示す断面図である。

符号の説明

１…液体レンズ、２Ａ…第１の金属性円筒、２Ｂ…第２の金属性円筒、２Ｃ…第３の金属性円筒、３…光透過性上蓋、４…光透過性下蓋、５…導電性液体、６Ａ…Ｖ字状先端部、７…絶縁皮膜、８Ａ…第１金属性狭窄部、８Ｂ…第２金属性狭窄部、９…絶縁性液体、１０…櫛状部、１１，１２，１４…直流電源、１３…金属性狭窄部

Claims (4)

1. 第１の金属性円筒と、
   前記第１の金属性円筒上に配置され、先端部が内周側面から中央部に突き出た金属性狭窄部を有する第２の金属性円筒と、
   前記第２の金属性円筒容器上に配置された第３の金属性円筒と、
   前記第１の金属性円筒と第２の金属性円筒との間及び前記第２の金属性円筒と前記第３の金属性円筒との間にそれぞれ形成された絶縁皮膜と、
   積層方向と反対側の前記第１の金属性円筒の一端側に載置された第１の光透過性蓋と、
   積層方向の前記第３の金属性円筒の一端側に載置された第２の光透過性蓋と、
   前記第１の金属性円筒、第３の金属性円筒、前記第１光透過性蓋及び第２の光透過性蓋の空間内に収納された導電性液体と、
   前記第２の金属性円筒内に挿入された絶縁性液体と、
   前記第２の金属性円筒に対して第１、第３の金属性円筒が逆極性になり、かつ前記第１、第３の金属性円筒との間では同極性になるように電圧を印加する電圧印加手段と、
   を有し、
   前記導電性液体は、前記絶縁性液体とは、互いに混和せず、かつ異なる屈折率及びほぼ同じ密度を有することを特徴とする液体レンズ。
2. 第１の金属性円筒と、
   前記第１の金属性円筒上に配置され、先端部が側面から中央部に突き出た絶縁物で分離された第１、第２の金属性狭窄部を有する第２の金属性円筒と、
   前記第２の金属性円筒上に配置された第３の金属性円筒と、
   前記第１の金属性円筒と第２の金属性円筒との間及び前記第２の金属性円筒と前記第３の金属性円筒との間に形成された絶縁皮膜と、
   積層方向と反対側の前記第１の金属性円筒の一端に載置された第１の光透過性蓋と、
   積層方向の前記第３の金属性円筒の一端に載置された第２の光透過性蓋と、
   前記第１の金属性円筒、第３の金属性円筒、前記第１光透過性蓋及び第２の光透過性蓋の空間内に収納された導電性液体と、
   前記第２の金属性円筒内に挿入された絶縁性液体と、
   前記第１の金属性狭窄部と前記第１の金属性円筒との間で逆極性になるように電圧を印加する第１の電圧印加手段と、
   前記第２の金属性狭窄部と前記第２の金属性円筒容器との間で逆極性になるように電圧を印加する第２の電圧印加手段と、
   を有し、
   前記導電性液体は、前記絶縁性液体とは、互いに混和せず、かつ異なる屈折率及びほぼ同じ密度を有することを特徴とする液体レンズ。
3. 前記金属性狭窄部の先端部には、前記絶縁性液体と親和性のある絶縁材料からなる櫛状部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の液体レンズ。
4. 前記第１の金属性狭窄部及び第２金属性狭窄部の各先端部には、前記絶縁性液体と親和性のある絶縁材料からなる櫛状部が形成されていることを特徴とする請求項２記載の液体レンズ。
   
   

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