JP2008040455A - レンズアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ素子の特性の均一化を図ることができるレンズアレイを提供する。
【解決手段】本発明に係るレンズアレイ１０は、導電性の第１の液体１１と、第１の液体１１と屈折率が異なる絶縁性の第２の液体１２と、第１，第２の液体１１，１２の界面でレンズ面１３Ａを形成する複数のレンズ素子１３とを備え、印加電圧の出力制御によってレンズ素子１３のレンズ面１３Ａが可逆的に変化するレンズアレイであって、隣接する複数のレンズ素子１３間が互いに液的に連通する構成とすることにより、レンズ素子間における第１，第２の液体１１，１２の液量のバラツキを回避し、レンズ特性の均一化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトロウェッティング効果（電気毛管現象）を利用したレンズアレイに関する。

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、導電性を有する液体と電極との間に電圧を印加したときに電極表面と液体との固液界面のエネルギーが変化し、液体表面の形状が変化する現象をいう。

図１４Ａ，Ｂは、エレクトロウェッティング効果を説明する原理図である。図１４Ａに示すように、電極１の表面には絶縁膜２が形成されており、この絶縁膜２の上に電解液の液滴３が置かれている。絶縁膜２の表面は撥水処理が施されており、図１４Ａに示す無電圧状態では絶縁膜２の表面と液滴３との間の相互作用エネルギーは低く接触角θ０は大きい。ここで、接触角θ０は絶縁膜２表面と液滴３の正接線の間の角度であり、液滴３の表面張力や絶縁膜２の表面エネルギーなどの性質に依存する。

一方、図１４Ｂに示すように、電極１と液滴３との間に所定電圧を印加すると、液滴３側の電解質イオンが絶縁膜２表面へ集中することによって電荷二重層の帯電量変化が生じ、液滴３の表面張力の変化が誘発される。この現象がエレクトロウェッティング効果であり、印加電圧の大きさによって液滴３の接触角θｖが変化する。すなわち、図１４Ｂにおいて、接触角θｖは、電圧Ｖの関数として以下の（１）式で表される。

以上のように、電極１と液滴３との間に印加する電圧Ｖの大きさによって、液滴３の表面形状（曲率）が変化する。従って、液滴３をレンズ素子として用いた場合に焦点位置を電気的に制御できる光学素子を実現できることになる。

さて、このような光学素子を用いた光学装置の開発が進められている。例えば下記特許文献１には、ストロボ装置向けのレンズアレイが提案されている。これは、基板表面の撥水膜上にアレイ状に配置された絶縁性液体の液滴と導電性液体を封入して可変焦点レンズを構成したものである。この構成では、絶縁性液体と導電性液体との間の界面形状で個々のレンズが形成され、エレクトロウェッティング効果を利用して個々のレンズ形状を電気的に制御し焦点距離を変化させている。

また、下記特許文献２には、エレクトロウェッティング効果を利用した表示装置の構成が開示されている。この表示装置は、着色液滴を収容したセルをアレイ状に配列し、セルを選択的に駆動することで所望のカラー画像を表示する。上記セルは、画像の表示部としてだけでなく、可変焦点レンズ等のレンズ素子として構成することも可能である。その構成例を図１５Ａ，Ｂに示す。図１５は、当該レンズ素子をアレイ状に配列して構成したレンズアレイ５０の概略構成を示しており、Ａはレンズアレイ５０を構成する共通基板５４の平面図、Ｂはレンズアレイ５０の要部断面図である。

このレンズアレイ５０は、導電性の第１の液体５１と絶縁性の第２の液体５２との界面でレンズ面を形成する複数のレンズ素子５３を備えている。第１，第２の液体５１，５２は互いに異なる屈折率を有しており、互いに混和することなく存在している。各レンズ素子５３は、透明な共通基板５４と透明な蓋体５５との間に形成された密閉性の液室内に二次元的に配列されており、隣接するレンズ素子５３の間は仕切壁５６を介して仕切られている。共通基板５４の下面には透明電極膜５８が形成され、共通基板５４上面の第２の液体５２が接する領域には撥水処理が施されている。蓋体５５の下面の第１の液体５１が接する領域には対向電極として透明電極膜５７が形成されている。

以上のような構成のレンズアレイ５０は、一対の透明電極５７，５８間に印加する電圧を制御することによって、各レンズ素子５３の第１，第２の液体５１，５２間の界面形状が変化する。これにより、レンズアレイ５０を透過する光の焦点距離を可逆的に変化させることが可能となり、カメラのストロボ装置用の可変焦点レンズに好適に用いることができる。

特開２０００−３５６７０８号公報 特開２００４−２５２４４４号公報

しかしながら、上述した従来のレンズアレイ５０においては、個々のレンズ素子５３の周囲が仕切壁５６で囲まれているため、レンズアレイ５０の製造工程において、レンズ素子５１を構成する第１，第２の液体５１，５２のうち、特に第２の液体５２を個々のセルに一つずつ供給する作業が必要であり、素子数の増大により作業量が増加したり、セル間で供給量のバラツキが生じてレンズ素子５３の特性の不均一性が発生する場合がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、レンズ素子の特性の均一化を図ることができるレンズアレイを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のレンズアレイは、導電性の第１の液体と、第１の液体と屈折率が異なる絶縁性の第２の液体と、第１，第２の液体の界面でレンズ面を形成する複数のレンズ素子とを備え、印加電圧の出力制御によってレンズ素子のレンズ面が可逆的に変化するレンズアレイであって、隣接する複数のレンズ素子間が互いに液的に連通していることを特徴とする。

本発明では、個々のレンズ素子の周囲を完全に覆う構成に代えて、隣接する複数のレンズ素子間が互いに液的に連通する構成とすることにより、レンズ素子間における第１，第２の液量のバラツキを回避し、レンズ特性の均一化を図るようにしている。

具体的に、本発明のレンズアレイにおいては、複数のレンズ素子が、共通基板と蓋体との間に形成された液室内に配列されており、第１，第２の液体のうち少なくとも一方が、隣接する複数のレンズ素子間において互いに連通している。

この場合、複数のレンズ素子は、上記共通基板上に立設した複数の突起で区画することができる。上記突起は、個々のレンズ素子の四隅位置に配置された柱状突起とすることができる。また、上記突起は、隣接するレンズ素子の間に配置され、当該隣接するレンズ素子間における液連通を許容する通路が形成された線状突起で構成することができる。

一方、複数のレンズ素子は、液室内に配置した多孔板の非開口部で区画することができる。この多孔板は、少なくとも上記共通基板との間に液連通を許容する通路を形成する。多孔板の開口部の形状は例えば円形とされるが、これに限定されず、楕円、多角形状などでもよい。

以上述べたように、本発明のレンズアレイによれば、複数のレンズ素子間が互いに液的に連通しているので、レンズ素子間における第１，第２の液体の構成量のバラツキを回避し、レンズ特性の均一化を図ることができる。また、シリンジやディスペンサノズルなどの方法では液体充填できないような微小な寸法をもつ構造にも対応することができる。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の各実施形態に限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

（第１の実施形態）
図１Ａ，Ｂは本発明の第１の実施形態によるレンズアレイ１０の概略構成を示しており、Ａはレンズアレイ１０を構成する共通基板１４の平面図であり、Ｂはレンズアレイ１０の要部断面図である。本実施形態のレンズアレイ１０は、導電性の第１の液体１１と絶縁性の第２の液体１２との界面１３Ａでレンズ面を形成する複数のレンズ素子１３を備えている。レンズアレイ１０は、例えば照明光学系に用いられ、当該レンズアレイ１０を透過する光の焦点距離を任意に変化させる可変焦点レンズとして構成されている。

第１の液体１１としては、導電性を有する透明な液体が用いられ、例えば、水、電解液（塩化カリウムや塩化ナトリウム、塩化リチウム等の電解質の水溶液）、分子量の小さなメチルアルコール、エチルアルコール等のアルコール類、常温溶融塩（イオン性液体）などの有極性液体を用いることができる。

第２の液体１２としては、絶縁性を有する透明な液体が用いられ、例えば、デカン、ドデカン、ヘキサデカンもしくはウンデカン等の炭化水素系の材料、シリコーンオイル、フッ素系の材料などの無極性溶媒を用いることができる。

第１，第２の液体１１，１２は、互いに異なる屈折率を有するとともに、互いに混和することなく存在できる材料が選ばれる。具体的に、本実施形態では、第１の液体１１として塩化リチウム水溶液（濃度３．６６ｗｔ％、屈折率１．３４）が用いられ、第２の液体１２としてシリコーンオイル（ＧＥ東芝シリコーン社製ＴＳＦ４３７、屈折率１．４９）が用いられる。また、第１，第２の液体１１，１２は互いに同等の比重をもつことが好ましい。また、必要に応じて、第１，第２の液体１１，１２は着色されていてもよい。

共通基板１４と蓋体１５との間に形成された密閉性の液室内には、第１，第２の液体１１，１２によって充填されているとともに、各レンズ素子１３が二次元的に配列されている。共通基板１４は、光学的に透明で、電気絶縁性のプラスチック材料の射出成形体あるいは切削加工体等で構成することができる。蓋体１５は、光学的に透明で、電気絶縁性のプラスチック材料やガラス材料等で構成することができる。

蓋体１５は、共通基板１４の側壁１４ａの上面に密封部材２０を介して固定されている。蓋体１５の液室側となる内面側には、端子部２１ａと接続される透明電極膜１７が形成されている。なお、透明電極膜１７としては、金属、導電性酸化物、半導体材料等を用いることができる。また、透明電極以外にも、光の透過面を避けてパターニングするようにすれば、光学的に不透明な電極材料を用いることも可能である。

隣接するレンズ素子１３の間は、共通基板１４の上面に立設された複数の突起１６で区画されている。突起１６は、共通基板１４と一体的に形成されており、個々のレンズ素子１３の四隅位置に対応して配置された柱状を有している。突起１６は、例えば、共通基板１４の射出成形時に同時に形成される。なお、成形した共通基板１４に対して接着や圧入などの後加工によって突起１６を形成してもよい。

ここで、共通基板１４の上面には透明電極膜１８が形成されている。本実施形態においては、透明電極膜１８は、共通基板１４の側壁１４ａの内周面と突起１６の外表面を覆うようにパターン形成されているが、共通基板１４の上面全域に透明電極膜１８を形成してもよい。透明電極膜１８は、共通基板１４の一側壁部を介して端子部２１ｂに接続されている。なお、透明電極膜１８としては、金属、導電性酸化物、半導体材料等を用いることができる。また、電極膜がパターン形成される場合には、光の透過を大きく妨げない範囲で非透明な電極膜を用いても構わない。

また、共通基板１４の表面は、透明電極膜１８を被覆するように絶縁膜１９が形成されている。本実施形態では、絶縁膜１９は、共通基板１４の外面全域に形成されているが、例えば、共通基板１４の上面側にのみ形成するだけでも構わない。

絶縁膜１９は、電気絶縁性の物質であれば特に制限されず、好適には、誘電率が比較的高い物質が選択される。また、比較的大きな静電容量を得るために絶縁膜１９の膜厚は薄い方が好ましいが、絶縁強度を確保できる膜厚以上であることが必要である。誘電率の比較的高い材料としては、例えば、酸化タンタル、酸化チタンなどの金属酸化物が挙げられるが、勿論これに限定されない。絶縁膜１９の形成方法も特に制限されず、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法等の真空薄膜形成方法のほか、めっき法、電着法、コート法、ディップ法等の各種コーティング方法が採用可能である。

また、絶縁膜１９は、第２の液体１２が接触する領域において撥水性を有することが好ましい。撥水膜の形成方法としては、例えばポリパラキシリレンをＣＶＤ法で成膜する方法、フッ素系のポリマーであるＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの材料を共通基板１４上にコーティングする方法などが挙げられる。また、高誘電率材料と撥水性材料とを複数組み合わせた積層構造で絶縁膜１９を構成してもよい。

本実施形態のレンズアレイ１０は、第１の液体１１が蓋体１５側に、第２の液体１２が共通基板１４側にそれぞれ偏在した複数のレンズ素子１３を備えている。各レンズ素子１３は、共通基板１４の側壁１４ａ内周部及び突起１６によって、それぞれの配列位置が決定される。即ち、図１Ａに示した例では、側壁１４ａの内周部とこれに隣接する突起１６の間、及び隣接する複数の突起１６間において、３行４列の合計１２個の四角形状のレンズ素子１３が面内にアレイ状に配列される。なお、実際は、突起１６は図示の例より更に多く立設されるため、レンズ素子１３の配列数は更に多くなる。

図１Ｂに示す状態において、各レンズ素子１３のレンズ面１３Ａは、第１の液体１１が共通基板１４の側壁１４ａ内面又は突起１６の周囲に対して所定の接触角で接することで所定の曲面形状を形成している。レンズ面１３Ａは側壁１４ａ内面と突起１６の間、及び突起１６間をつなぐ線が稜線を描くような曲面形状を有し、四角形状の素子中央部が凹状に湾曲している。

この状態で、端子部２１ａ，２１ｂ間に電圧を印加すると、エレクトロウェッティング効果（電気毛管現象）によって、第１の液体１１が側壁１４ａ内周及び突起１６の周囲に濡れ広がる。これにより、側壁１４ａ内周及び突起１６の周囲に対する第１の液体１１の接触角が変化し、レンズ面１３Ａの形状変化を引き起こす。レンズ面１３Ａの形状変化は可逆的である。従って、端子部２１ａ，２１ｂに印加する電圧の大きさにより、各レンズ素子１３のレンズ面１３Ａが任意に変化する。具体的に、印加電圧を大きくするとレンズ面１３Ａの曲率半径が大きくなり、その結果、焦点距離も大きくなる。これにより、レンズアレイ１０を透過する光について当該レンズアレイ１０を可変焦点レンズとして機能させることができる。

そこで、本実施形態によれば、隣接する複数のレンズ素子１３間において第１，第２の液体１１，１２が柱状の突起１６間を介して互いに連通しているので、従来のように各レンズ素子の周囲を仕切壁で囲む構成に比べて、レンズ素子間の仕切形成領域をはるかに少なくすることができ、これによりレンズの有効面積を大きくすることができるとともに、透過率の向上を図ることができる。

また、各レンズ素子１３の形状精度を突起１６の加工精度で制御することができるようになるため、レンズ素子１３の形状精度を出すための加工領域を従来よりも少なくでき、レンズアレイ１０の作製コストの大幅な低減を図ることができる。

更に、本実施形態によれば、隣接する複数のレンズ素子１３間において第１，第２の液体１１，１２が互いに連通する構成であるので、第１の液体１１と第２の液体１２との間の界面はひとつにつながっている。そして、この界面エネルギーは最小になるように働くので、個々のレンズ素子１３のバラツキは均一化される。これにより、レンズ素子１３ごとの第１，第２の液体１１，１２の液量のバラツキを抑えることができる。また、素子単位で液量を高精度に調整する必要がなくなる。以上により、レンズアレイ１０を構成する各レンズ素子１３のレンズ特性を容易かつ均一に行うことができるとともに、レンズアレイ１０の組立ても容易となる。

更に、液室内の気泡の発生が抑えられ、気泡が発生したとしても液室内の液体が素子間で連通しているため外部へ抜き易くなる。また、液室内に混入した異物も排出し易くなるという効果も有する。

ここで、レンズ素子１３の形状、大きさ等は、突起１６の形成間隔、断面形状等に応じてほぼ任意に設定することができる。例えば、突起１６を図１において上下左右方向いずれも等間隔で形成することにより、平面視正方形状のレンズ素子を構成することができると同時に、同様なレンズ特性を備えたレンズアレイを構成することができる。逆に、突起１６の形成間隔を領域毎に異ならせることで、異なるレンズ特性を有するレンズアレイを構成することができる。

また、隣接する複数の突起１６間の距離あるいは共通基板側壁１４ａ内面とこれに隣接する突起１６間の距離は、毛管長以下の長さに設定される。毛管長とは、界面張力に対して重力の影響を無視できる最大の長さをいい、導電性液体と絶縁性液体との関係においては下記（２）式で表される。

図２Ａは、突起１６間の距離が毛管長（κ^-1）以下のときの第１，第２の液体１１，１２の界面形状を示している。突起１６間の距離が毛管長以下のとき、第１，第２の液体１１，１２の界面は重力の影響を受けずに曲面形状を維持し、電気毛管現象による界面形状の制御が可能となる。これに対して、突起１６間の距離が毛管長より長くなると、図２Ｂに示すように、重力による影響を受けて第１，第２の液体１１，１２の界面は中央部において平坦となり、電気毛管現象を利用した界面形状の変化が困難になる。従って、隣接する複数の突起１６間の距離あるいは共通基板側壁１４ａ内面とこれに隣接する突起１６間の距離は、毛管長以下の長さに設定される必要がある。換言すると、四角形状のレンズ素子の一辺の長さ及び対角線長が毛管長以下に設定されることになる。

毛管長は、界面を構成する２つの媒体の種類によって異なる。図３は、２媒体が水と空気、水と油の場合のそれぞれの界面張力、密度差、毛管長を比較して示している。水と空気の場合の毛管長は２．７ｍｍであるのに対して、水と油の場合の毛管長は１５．２ｍｍである。従って、上述の第１，第２の液体１１，１２の密度差（比重差）を０．０１２９まで小さくすることで、１５．２ｍｍまで突起１６の間隔を広げられることになる。

柱状の突起１６の断面形状は図示の例では円形とされるが、勿論これに限られず、楕円体、三角系や四角形等の高く形状であってもよい。また、突起１６の高さは、図１Ｂに示したように共通基板１４の側壁１４ａの高さよりも低くする場合に限らず、側壁１４ａの高さと一致させてもよい。この場合、突起１６の上端が蓋体１５に接するため、レンズアレイ１０の面積を大きくしても外力等によって基板１４と蓋体１５との間隔が変化することが防止される。従って、レンズアレイ１０の大きさや使用条件によって、突起１６の上端と蓋体１５との間に隙間を設けてもよいし、突起１６の幾つかだけを蓋体１５と接する高さに形成するようにしてもよい。

更に、突起１６の側面は基板１４に対して垂直である場合に限らず、先細り形状あるいは先太り形状としてもよい。図４は突起形状の相違による第１，第２の液体１１，１２の界面の初期形状を比較して示す。図４Ａは直筒形状の突起１６の例を示し、図４Ｂは先細り形状の突起１６Ａの例を示し、図４Ｃは先太り形状の突起１６Ｂの例を示している。

突起側面に対する第１の液体１１の接触角は同一であるが、突起側面の形成角度によって２液体の界面形状が大きく変化する様子がわかる。先細り形状の突起１６Ａの場合は直筒形状の突起１６と比較して界面の曲率が小さくなり、先太り形状の突起１６Ｂの場合は直筒形状の突起１６と比較して界面の曲率が大きくなる。突起形状を最適化することにより、レンズアレイの可変焦点範囲を任意に調整することが可能となる。

（第２の実施形態）
図５Ａ，Ｂは本発明の第２の実施形態を示している。本実施形態では、個々のレンズ素子の形成範囲を区画する突起が線状に形成されている点で、上述の第１の実施形態と異なっている。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

図５Ａは、レンズアレイを構成する共通基板１４の平面図であり、線状の突起２６を２次元の格子状に配列して、隣接する複数の突起２６間において３行×４列の合計１２個の四角形状のレンズ素子形成領域を区画した例を示している。突起２６には、隣接するレンズ素子間における液連通を許容するための通路２７が形成されている。通路２７は、直線的に並ぶ複数の突起２６間に形成されているが、突起２６の一部を切り欠いて形成してもよい。

図５Ｂは、レンズアレイを構成する共通基板１４の平面図であり、線状の突起２６を１次元の格子状に配列して、隣接する複数の突起２６間において１行×４列の合計４本のシリンドリカルレンズ（あるいはレンチキュラーレンズ）の形成領域を区画した例を示している。この例においても、隣接するレンズ素子間における液連通を許容するための通路２７が形成されている。

これらの例においても、上述の実施形態と同様に、レンズの有効面積の増大と透過率の向上を図れるようになる。また、素子間における液量のバラツキを抑制してレンズ特性の均一化を図れるようになる。

（第３の実施形態）
図６Ａ，Ｂは本発明の第３の実施形態によるレンズアレイ３０の概略構成を示しており、Ａはレンズアレイ３０の内部構造を示す平面図、Ｂはレンズアレイ３０の要部断面図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

上述の第１の実施形態と同様に、共通基板１４と蓋体１５との間に形成された液室内には、第１，第２の液体１１，１２からなる複数のレンズ素子１３が二次元的に配列されている。なお、本実施形態において、共通基板１４は、蓋体１５と同様に、その表面及び裏面が平坦な透明な板材で構成されている。

本実施形態では、共通基板１４と蓋体１５との間に多孔板３１を配置し、この多孔板３１の面内に形成された複数の円形の開口部３２内に個々のレンズ素子１３を収容し、多孔板３１の非開口部３３によって各々のレンズ素子１３を区画するようにしている。多孔板３１と共通基板１４との間には、隣接する開口部３２間の液連通を許容する通路３５が形成されており、多孔板３１と蓋体１５との間には、隣接する開口部３２間の液連通を許容する通路３６が形成されている。一方の通路３５は、多孔板３１の共通基板３４と対向する側の面を凹状に形成することで形成され、他方の通路３６は、液室構成時における密封部材２０の形成厚で形成される。

多孔板３１は、その周囲の枠部３１Ｆの下面が共通基板１４上に接合されているとともに、この枠部３１Ｆの上面が密封部材２０を介して蓋体１５に密着固定されている。本実施形態において、多孔板３１は、シリコン基板等の半導体材料で構成されているが、これ以外にも、金属板や、ガラス、セラミックス、樹脂等の絶縁性基板で構成されていても構わない。絶縁性樹脂の場合は、導電性材料による電極膜を形成する。多孔板３１は端子部２１ｂを介して外部の電圧源（図示略）に接続されている。多孔板３１の表裏面および開口部３２の周縁は、絶縁膜３４で被覆されており、導電性の第１の液体１１と当該多孔板３１との間の電気的絶縁が図られている。

絶縁膜３４は、撥水性、透明性、所定の絶縁耐圧、均一な膜厚・膜質であれば、特に材料は限られない。レンズ素子１３の動作電圧は、絶縁膜３４の厚さと誘電率によって変化する。絶縁膜３４の膜厚が薄く、誘電率が高くなるほど動作電圧は低くなる。絶縁膜３４の形成は、多孔板３１と共通基板１４の接合前に行ってもよいし、接合後に行ってもよい。

多孔板３１と共通基板１４との間の接合は、多孔板３１及び共通基板１４の材質等によって各種接合法を採用することができる。例えば、上述のように多孔板３１がシリコン基板で構成され、共通基板１４がガラス材料で構成される場合には、多孔板３１と共通基板１４との間は陽極接合法により接合することができる。また、多孔板３１及び共通基板１４がともに合成樹脂で構成される場合には、拡散接合法や超音波接合法等が採用可能である。更に、接着剤を用いた接合法も適用可能であり、多孔板３１及び共通基板１４の材質の組合せを問わず使用することができる。

上述した構成の本実施形態のレンズアレイ３０においては、第１の実施形態と同様に、第１の液体１１が蓋体１５側に、第２の液体１２が共通基板１４側にそれぞれ偏在した複数のレンズ素子１３を備えている。各レンズ素子１３は、多孔板３１の開口部３２の形成位置によってそれぞれの配列位置が決定され、図６Ａに示した例においては、３行×３列の合計９個の円形状のレンズ素子１３が面内にアレイ状に配列される。なお、レンズ素子１３の配列数はこれに限定されず、開口部３２の形成数に合わせてレンズ素子１３の配列数を任意に調整することができる。

図６Ｂに示す状態において、各レンズ素子１３のレンズ面１３Ａは、第１の液体１１が多孔板３１の開口部３２の周縁に対して所定の接触角で接することで所定の曲面形状を形成している。レンズ面１３Ａは、素子中央部が凹状に湾曲した曲面形状を有している。

この状態で、端子部２１ａ，２１ｂ間に電圧を印加すると、エレクトロウェッティング効果（電気毛管現象）によって、第１の液体１１が開口部３２の周縁部に濡れ広がる。これにより、開口部３２の周縁部に対する第１の液体１１の接触角が変化し、レンズ面１３Ａの形状変化を引き起こす。レンズ面１３Ａの形状変化は可逆的である。従って、端子部２１ａ，２１ｂに印加する電圧の大きさにより、各レンズ素子１３のレンズ面１３Ａが任意に変化する。具体的に、印加電圧を大きくするとレンズアレイ３０を透過する光について当該レンズアレイ３０を可変焦点レンズとして機能させることができる。

本実施形態によれば、共通基板１４と蓋体１５との間に多孔板３１を配置し、当該多孔板３１の非開口部３３で複数のレンズ素子１３を区画するとともに、通路３５，３６を介して、隣接する複数のレンズ素子１３間の液滴な連通を図るようにしている。これにより、レンズ素子１３ごとの第１，第２の液体１１，１２の液量のバラツキを抑えることができる。また、素子単位で液量を高精度に調整する必要がなくなる。以上により、レンズアレイ３０を構成する各レンズ素子１３のレンズ特性を容易かつ均一に行うことができるとともに、レンズアレイ３０の組立ても容易となる。

本実施形態において、開口部３２を構成する多孔板３１の厚さは、印加電圧の設定範囲においてレンズ面１３Ａの形状変化を妨げない程度の厚さとされる。また、開口部３２の形状は円形に限らず、四角形等の多角形、楕円形などの他の幾何学的形状でも構わない。なお、開口部３２を円形とすることで、レンズ素子１３のレンズとしての有効面積を大きくすることができるので、光学特性に優れたレンズ素子１３を構成することができる。また、開口部３２を多角形状とすることにより、開口部３２の開口面積を大きくすることができる。開口部３２の大きさは、第１の実施形態において説明したように、毛管長以下の長さに設定されることが好ましい。

また、開口部３２の形成位置は、図６Ａに示したように縦方向および横方向に整列配置させる場合に限らず、例えば図７Ａに示すように、行方向に整列する開口部３２の間に次の行の開口部３２がそれぞれ位置するような開口部３２の稠密配置構造を採用してもよい。

一方、多孔板３２をガラスやプラスチック、セラミック等の絶縁性材料で構成する場合には、図７Ｂに示すように、各々の開口部３２の周縁部に、電極３７としてＩＴＯ等の透明導電膜をパターン形成し、図８に示すように電極３７を撥水性の絶縁膜３４で被覆すればよい。電極３７は、各開口部３２間で網目上に引き回され、多孔板３１の枠部３１Ｆの外面に形成した連絡部３７Ｐを介して、共通基板１４の表面の一側部に形成した端子部２１ｂに共通に接続される。なお、各開口部３２の電極３７を各々独立して形成し、各開口部に対応して設けた端子部２１ｂに個別に接続することで、個々のレンズ素子１３を独立して駆動させることが可能となる。

また、多孔板３１が共通基板１４及び蓋体１５に対し、それぞれ液連通用の通路３５及び通路３６を介して対向する構成に代えて、例えば、多孔板３１と蓋体１５との間を密着させ、多孔板３１と共通基板１４との間の通路３５のみで液連通を確保する構成を採用しても構わない。

更に、図９Ａに示すように、多孔板３１と共通基板１４との間に支柱３８を配置することで、多孔板３１と共通基板１４との間のクリアランスを一定に保持でき、レンズ素子１３間の液量のバラツキを防止できる。また、外部ストレスに対する耐久性の向上を図ることが可能となる。ここで、支柱３８は、多孔板３１の非開口部３３と共通基板１４との間に形成される。支柱３８の大きさ、形状、形成数は特に制限されない。支柱３８は、共通基板１４側に形成してもよいし、多孔板３１側に形成してもよい。支柱３８は、共通基板１４または多孔板３１と一体形成する場合に限らず、別部材で構成されていても構わない。

一方、図９Ｂは、多孔板３１の下面に通路３５を形成して隣接する開口部３２間を液滴に連通可能とした構成例を要部断面図である。通路３５の形状、大きさ、形成数、形成位置は特に制限されないが、開口部３２内への第１，第２の液体１１，１２の導入のし易さを確保できる程度に設計するのが好ましい。

続いて、本実施形態のレンズアレイ３０の製造方法について説明する。

図１０は、レンズアレイ３０の一製造方法を説明するための要部工程断面図である。図示の例では、多孔板３１としてシリコン基板を用い、共通基板１４としてパイレックスガラス（商品名）等のガラス基板を用いた例を示している。

まず、図１０Ａに示すように、多孔板３１を構成するシリコン基板４１の一方の面に、フォトリソグラフィ技術を用いて所定形状にパターニングされたレジスト層４２を形成する。そして、図１０Ｂに示すように、レジスト層４２をマスクとしてシリコン基板４１の一方の面を所定量エッチングする。これにより、シリコン基板４１の一方の面に所定深さの凹部４３が形成される。この凹部４３は、レンズアレイ３０において、多孔板３１と共通基板１４との間に形成される液連通用の通路３５（図６Ｂ）を構成する。

次に、レジスト層４２を除去し、図１０Ｃに示すように、シリコン基板４１の他方の面に、フォトリソグラフィ技術を用いて所定形状にパターニングされたレジスト層４４を形成する。そして、図１０Ｄに示すように、レジスト層４４をマスクとしてシリコン基板４１の他方の面をエッチングし、シリコン基板４１を貫通する複数の開口部３２を形成する。以上のようにして、共通基板１４と蓋体１５との間に配置される多孔板３１が作製される。

続いて、レジスト層４４を除去し、図１０Ｅに示すように、多孔板３１の一方の面と共通基板１４の上面とを陽極接合して一体化する。その後、図１０Ｆに示すように、多孔板３１及び共通基板１４の各々の表面に絶縁膜３４を形成する。これにより、多孔板３１の非開口部３３が絶縁膜３４で被覆される。

次に、図１０Ｇに示すように、多孔板３１の枠部上面に密封部材２０を設けることで液室を形成するとともに、多孔板３１の開口部３２内に導電性の第１の液体１１と絶縁性の第２の液体１２を充填する。第１，第２の液体１１，１２の充填方法としては、シリンジあるいはディスペンサノズル等の液滴下手段を用いて各開口部３２に所定量の第２の液体１２を注入した後、液室を第１の液体１１で充填する方法のほか、最初に第１の液体１１で液室を充填した後、各開口部３２に個々に第２の液体１２を所定量注入する方法がある。

最後に、図１０Ｈに示すように、密封部材２０の上に蓋体１５を配置し、液室内の第１，第２の液体１１，１２を封止する。これにより、第１，第２の液体１１，１２からなるレンズ素子１３が複数二次元的に配列されたレンズアレイ３０が作製される。

本実施形態によれば、隣接する複数のレンズ素子１３間が液的に連通された構成であるので、レンズ素子１３間の液量のバラツキを抑えることができる。また、素子単位で液量を高精度に調整する必要をなくすことができる。以上により、レンズアレイ３０を構成する各レンズ素子１３のレンズ特性を容易かつ均一に行うことができるとともに、レンズアレイ３０の組立ても容易となる。

次に、図１１〜図１３を参照して、レンズアレイ３０の他の製造方法を説明する。ここで、図１１Ａは、レンズアレイ３０の構成を示す要部断面図、図１１Ｂは図１１Ａにおける［Ｂ］−［Ｂ］線方向断面図、図１２及び図１３はレンズアレイ３０の製造方法を説明する工程断面図である。

図１１に示すレンズアレイ３０は、多孔板３１の枠部３１Ｆの所定位置に、液室内へ第１，第２の液体１１，１２を導入するための液導入口４７Ａと、液室内から第１，第２の液体１１，１２を排出するための液排出口４７Ｂがそれぞれ形成されているとともに、これら液導入口４７Ａ及び液排出口４７Ｂがシール部材４６Ａ，４６Ｂによってそれぞれ封止された構成を有している。液導入口４７Ａ及び液排出口４７Ｂの形成位置は特に限定されないが、本例では、多孔板３１の中心に関して対称な位置にそれぞれ形成されている。

また、図１１に示すレンズアレイ３０は、多孔板３１の非開口部３３と共通基板１４との間に支柱３８が設けられている。支柱３８は図９Ａに示したような構成を有しており、ここではその詳しい説明は省略する。なお、本例において支柱３８は、多孔板３１と一体形成されている。

上述した構成のレンズアレイ３０の製造方法について図１２及び図１３を参照して説明する。まず、図１２Ａに示すように、多孔板３１を構成するシリコン基板６１の一方の面に、フォトリソグラフィ技術を用いて所定形状にパターニングされたレジスト層６２を形成する。そして、図１２Ｂに示すように、レジスト層６２をマスクとしてシリコン基板６１の一方の面を所定量エッチングする。これにより、シリコン基板６１の一方の面に所定深さの凹部６３が形成されるとともに、支柱３８、液導入口４７Ａ及び液排出口４７Ｂが形成される。なお、凹部６３は、多孔板３１と共通基板１４との間に形成される液連通用の通路を構成する。

次に、レジスト層６２を除去し、図１２Ｃに示すように、シリコン基板６１の他方の面に、フォトリソグラフィ技術を用いて所定形状にパターニングされたレジスト層６４を形成する。そして、図１２Ｄに示すように、レジスト層６４をマスクとしてシリコン基板６１の他方の面をエッチングし、シリコン基板６１を貫通する複数の開口部３２を形成する。以上のようにして、共通基板１４と蓋体１５との間に配置される多孔板３１が作製される。

続いて、レジスト層６４を除去し、図１２Ｅに示すように、多孔板３１の枠部の上記一方の面及び支柱３８の先端と共通基板１４の上面とを陽極接合して一体化する。その後、図１３Ｆに示すように、多孔板３１及び共通基板１４の各々の表面に絶縁膜３４を形成する。これにより、多孔板３１の支柱３８を含む非開口部３３が絶縁膜３４で被覆される。

次に、図１３Ｇに示すように、多孔板３１の枠部上面に密封部材２０を介して蓋体１５を配置することで液室を形成する。次に、図１３Ｈに示すように、液導入口４７Ａから第１の液体１１を導入し、多孔板３１と共通基板１４および蓋体１５との間に形成された液連通用の通路を介して液室内に第１の液体１１を充填する。このとき、液排出口４７Ｂは開放しておき、液室内の残留空気と第１の液体１１の余剰分を当該液排出口４７Ｂから排出する。なお、図１３Ｈ以降においては、液導入口４７Ａ及び液排出口４７Ｂを断面で示す。

次に、図１３Ｉに示すように、液排出口４７Ｂを開放した状態のまま、液導入口４７Ａから第２の液体１２を導入する。第２の液体１２は、多孔板３１と共通基板１４との間の液連通用の通路を介して液室の全域に行き渡り、撥水性の絶縁膜３４によって多孔板３１の開口部３２周縁に濡れ広がる。第２の液体１２の導入当初、液排出口４７Ｂから第１の液体１１が排出されるが、第２の液体１２が液排出口４７Ｂに達すると、第１の液体１１は排出されなくなる。最後に、図１３Ｊに示すように、液導入口４７Ａと液排出口４７Ｂをシール部材４６Ａ，４６Ｂを用いてそれぞれ封止する。

なお、第２の液体１２の濡れ広がり速度が遅い場合には、液排出口４７Ｂに到達後も第２の液体１２の導入作業を続行し、液室内における第２の液体１２の液量を増やして、第１の液体１１と第２の液体の界面の上昇を促すようにする。

以上のようにして、液室内に第１、第２の液体１１，１２からなるレンズ素子１３が複数二次元的に配列されたレンズアレイ３０を作製することができる。本実施形態によれば、隣接する複数のレンズ素子１３間が液的に連通された構成であるので、レンズ素子１３間の液量のバラツキを抑えることができる。また、素子単位で液量を高精度に調整する必要をなくすことができる。以上により、レンズアレイ３０を構成する各レンズ素子１３のレンズ特性を均一化することができるとともに、レンズアレイ３０の組立ても容易となる。

本実施形態によれば、液室の側方から第１，第２の液体１１，１２を順に導入することでレンズアレイ３０を作製するようにしているので、第２の液体１２を液量調整して個々に滴下注入する作業が不要となり、レンズアレイ３０の組立て作業を更に容易に行うことができる。更に、シリンジやディスペンサノズル等を用いる方法では液体充填できないような微小なレンズ径（例えば数μｍ〜数十μｍ）をもつ構造にも容易に対応することができるようになる。

また、本実施形態によれば、第１，第２の液体１１，１２の導入圧を適宜調整することが可能である。例えば、液室内を大気圧よりも大きな圧力状態に保つことで、外部環境（例えば高山での減圧、水中での加圧）などの影響を受けにくいデバイスを構成することができる。

また、シール部材４６Ａ，４６Ｂとしては、ゴム栓のような弾性体を液導入口４７Ａ，液排出口４７Ｂに圧入した後、接着剤で外側を接着硬化させたり、液導入口４７Ａ，液排出口４７Ｂに直接接着剤を注入して硬化させたりする方法がある。また、シール部材４６Ａ，４６Ｂを、液流れ方向を規制したチェック弁（逆止弁）で構成するようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態によるレンズアレイの概略構成図であり、Ａは共通基板の平面図、Ｂはレンズアレイの要部断面図である。 図１のレンズアレイにおいて各レンズ素子を区画する突起の形成間隔を説明する断面図である。 水と空気、水と油の組合せ例における界面張力、密度差、毛管長の大きさを比較して説明する図である。 図１のレンズアレイにおいて各レンズ素子を区画する突起の形状の相違によるレンズ面の初期形状を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態によるレンズアレイの構成を説明する共通基板の平面図である。 本発明の第３の実施形態によるレンズアレイの概略構成図であり、Ａはレンズアレイの内部構造を示す平面図、Ｂはレンズアレイの要部断面図である。 本発明の第３の実施形態によるレンズアレイの構成の変形例を示す多孔板の平面図である。 図７Ｂに示した構成の多孔板を有するレンズアレイの要部断面図である。 本発明の第３の実施形態によるレンズアレイの構成の他の変形例を示す多孔板の断面図である。 本発明の第３の実施形態のレンズアレイの製造方法を説明する要部の工程断面図である。 本発明の第３の実施形態のレンズアレイの構成の変形例を示す図であり、Ａはレンズアレイの要部断面図、Ｂは図１１Ａにおける［Ｂ］−［Ｂ］線方向断面図である。 図１１に示したレンズアレイの製造方法を説明する要部の工程断面図である。 図１１に示したレンズアレイの製造方法を説明する要部の工程断面図である。 電気毛管現象を説明する原理図である。 従来のレンズアレイの概略構成図であり、Ａは共通基板の平面図、Ｂはレンズアレイの要部断面図である。

符号の説明

１０，３０…レンズアレイ、１１…第１の液体、１２…第２の液体、１３…レンズ素子、１３Ａ…界面（レンズ面）、１４…共通基板、１５…蓋体、１６…突起（柱状突起）、１７，１８，３７…透明電極、１９，３４…絶縁膜、２０…密封部材、２６…突起（線状突起）、２７，３５，３６…通路、３１…多孔板、３２…開口部、３３…非開口部、３８…支柱、４６Ａ，４６Ｂ…シール部材、４７Ａ…液導入口、４７Ｂ…液排出口

Claims (11)

1. 導電性の第１の液体と、
   前記第１の液体と屈折率が異なる絶縁性の第２の液体と、
   前記第１，第２の液体の界面でレンズ面を形成する複数のレンズ素子とを備え、
   印加電圧の出力制御によって前記レンズ素子のレンズ面が可逆的に変化するレンズアレイであって、
   隣接する複数の前記レンズ素子間が互いに液的に連通している
   ことを特徴とするレンズアレイ。
2. 前記複数のレンズ素子は、共通基板と、前記共通基板に対向する蓋体との間に形成された液室内に二次元的に配列されており、
   前記第１，第２の液体のうち少なくとも一方が、隣接する複数の前記レンズ素子間において互いに連通している
   ことを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイ。
3. 前記複数のレンズ素子は、前記共通基板上に立設された複数の突起で区画されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイ。
4. 前記突起は、個々のレンズ素子の四隅位置に配置された柱状突起である
   ことを特徴とする請求項３に記載のレンズアレイ。
5. 前記突起は、隣接する前記レンズ素子の間に配置され、当該隣接するレンズ素子間において液連通を許容する通路が形成された線状突起である
   ことを特徴とする請求項３に記載のレンズアレイ。
6. 隣接する前記複数の突起間の距離が、毛管長以下の長さに設定されている
   ことを特徴とする請求項３に記載のレンズアレイ。
7. 前記突起の表面は、透明電極膜で被覆されているとともに、前記透明電極膜の表面は撥水膜で被覆されている
   ことを特徴とする請求項３に記載のレンズアレイ。
8. 前記液室内には、少なくとも前記共通基板との間に液連通を許容する通路を形成する多孔板が配置されており、
   前記複数のレンズ素子は、前記多孔板の非開口部で区画されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のレンズアレイ。
9. 前記多孔板の開口部は、円形である
   ことを特徴とする請求項８に記載のレンズアレイ。
10. 前記多孔板の少なくとも開口部周縁は導電体で形成されているとともに、前記開口部周縁は撥水膜で被覆されている
    ことを特徴とする請求項８に記載のレンズアレイ。
11. 前記共通基板と前記蓋体との間には、前記液室の外部から内部へ前記第１，第２の液体を導入する液導入口と、前記液室の内部から外部へ前記第１，第２の液体を排出する液排出口が設けられている
    ことを特徴とする請求項２に記載のレンズアレイ。

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