JP2009175539A - Liquid prism and projector using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid prism (variable optical axis element) in which the refraction angle of emitting light is made larger with respect to incident light. <P>SOLUTION: The voltage applied between a conductive liquid and electrodes is so controlled in the liquid prism that a liquid boundary plane becomes flat, and the maximum tilt line of the liquid boundary plane passes through two corners which are mostly separated from each other among corners of a vessel. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、液体の界面を利用して光を屈折させる液体プリズムに関し、特に、エレクトロウェッティングによって液体の界面を駆動させるように構成された液体プリズムに関する。   The present invention relates to a liquid prism that refracts light using a liquid interface, and more particularly, to a liquid prism configured to drive a liquid interface by electrowetting.

液体プリズムは、互いに屈折率が異なり、且つ、互いに混じりあわない、2つの液体間の界面又は液体と気体の間の界面における光の屈折を利用する光学素子である。界面の傾斜角及び最大傾斜方向は、エレクトロウェッティングによって駆動させる。エレクトロウェッティングとは、電極と液体の間に電位差を与えることで、液体の電極に対する見かけの接触角を変化させる現象である(非特許文献1)。界面の傾斜角及び最大傾斜方向を変化させることにより、光の屈折角及び屈折方向を変化させることができる。液体プリズムの従来例は、特許文献2、非特許文献2などに記載されている。また、特許文献1には、携帯機器用プロジェクタの例が記載されている。   The liquid prism is an optical element that utilizes the refraction of light at the interface between two liquids or the interface between a liquid and a gas, which have different refractive indexes and are not mixed with each other. The tilt angle and the maximum tilt direction of the interface are driven by electrowetting. Electrowetting is a phenomenon in which an apparent contact angle of a liquid with respect to an electrode is changed by applying a potential difference between the electrode and the liquid (Non-Patent Document 1). By changing the inclination angle and the maximum inclination direction of the interface, the refraction angle and refraction direction of light can be changed. Conventional examples of the liquid prism are described in Patent Document 2, Non-Patent Document 2, and the like. Patent Document 1 describes an example of a projector for a portable device.

特開2005-148459号公報JP 2005-148459 特表2006-509263号公報Special Table 2006-509263 Frieder Mugele and Jean-Christophe Baret, “Electrowetting: from basics to applications”, J. Phys.: Condens. Matter 17 (2005) R705-R774.Frieder Mugele and Jean-Christophe Baret, “Electrowetting: from basics to applications”, J. Phys .: Condens. Matter 17 (2005) R705-R774. Neil R. Smith, Don C. Abeysinghe, Joseph W. Haus, and Jason Heikenfeld, “Agile wide-angle beam steering with electrowetting microprisms”, OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 14, pp.6557-6563.Neil R. Smith, Don C. Abeysinghe, Joseph W. Haus, and Jason Heikenfeld, “Agile wide-angle beam steering with electrowetting microprisms”, OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 14, pp.6557-6563.

液体プリズムでは、エレクトロウェッティングによって界面の傾斜角及び最大傾斜方向を変化させる。しかしながら、エレクトロウェッティングでは、電極面に対する液面の接触角の可変範囲に制限がある。従って、光軸に対する界面の傾斜角には制限がある。そのため、入射光に対する出射光の屈折角には制限がある。   In the liquid prism, the tilt angle and the maximum tilt direction of the interface are changed by electrowetting. However, in electrowetting, the variable range of the contact angle of the liquid surface with respect to the electrode surface is limited. Therefore, there is a limit to the inclination angle of the interface with respect to the optical axis. Therefore, there is a limit to the refraction angle of the outgoing light with respect to the incident light.

本発明の目的は、入射光に対する出射光の屈折角を大きくすることができる液体プリズム(光軸可変素子)を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a liquid prism (optical axis variable element) capable of increasing the refraction angle of outgoing light with respect to incident light.

本発明の液体プリズムでは、次の条件を満たすように、導電性液体と電極の間に印加する電圧が制御される。
(1)液界面は平面である。
(2)液界面の最大傾斜線は、容器の角部のうち、互いに最も離れた2つの角部を通る。従って、液界面の最大傾斜線は、容器の2つの角部を通るが、容器の側面を通らない。容器の断面が、互いに直交する長軸と短軸を有する図形の場合、液界面は、容器の断面を短軸回りに回転させて得られる面であり、液界面の最大傾斜線は、断面の長軸を短軸回りに回転させて得られる線である。
In the liquid prism of the present invention, the voltage applied between the conductive liquid and the electrode is controlled so as to satisfy the following condition.
(1) The liquid interface is a plane.
(2) The maximum inclination line of the liquid interface passes through two corners farthest from each other among the corners of the container. Thus, the maximum slope of the liquid interface passes through the two corners of the container but not through the side of the container. When the cross section of the container is a figure having a major axis and a minor axis perpendicular to each other, the liquid interface is a surface obtained by rotating the cross section of the container around the minor axis, and the maximum inclination line of the liquid interface is the cross section of the cross section. It is a line obtained by rotating the major axis around the minor axis.

本発明の液体プリズムによると、入射光に対する出射光の屈折角を大きくすることができる。   According to the liquid prism of the present invention, the refraction angle of outgoing light with respect to incident light can be increased.

図1を参照して、本発明の液体プリズムを説明する。本発明の液体プリズムは、容器100と、その内部に封入された導電性液体10と絶縁性液体11を有する。導電性液体10と絶縁性液体11は界面12で接している。導電性液体10と絶縁性液体11は、互いに混じり合わず、且つ、互いに屈折率が異なる。   The liquid prism of the present invention will be described with reference to FIG. The liquid prism of the present invention has a container 100, and a conductive liquid 10 and an insulating liquid 11 sealed therein. The conductive liquid 10 and the insulating liquid 11 are in contact with each other at the interface 12. The conductive liquid 10 and the insulating liquid 11 are not mixed with each other and have different refractive indexes.

容器100は、第1面101と、第2面102と、少なくとも3つの側面(図1には2つの側面103a、103cのみが示されている)からなる。液体プリズムの光軸200を、図示のように、第1面101及び第2面102を通る、容器100の中心軸線に沿って設定する。   The container 100 includes a first surface 101, a second surface 102, and at least three side surfaces (only two side surfaces 103a and 103c are shown in FIG. 1). The optical axis 200 of the liquid prism is set along the central axis of the container 100 passing through the first surface 101 and the second surface 102 as shown.

容器100を、光軸200に垂直な面で切断した断面の形状は、正方形、長方形、菱形、多角形等の点対称図形であってよいが、直角三角形、2等辺三角形等の非点対称図形であってもよい。第1面101と第2面102は、光軸200に垂直に配置されている。複数の側面103a、103cは、光軸200に平行に配置されてよい。この場合、容器の断面形状は、光軸に垂直な複数の面で切断すると、全て同一となる。しかしながら、複数の側面103a、103cは、光軸200に平行でなくてもよい。この場合、容器の断面形状は、光軸に垂直な複数の面で切断すると、互いに相似形であるが異なる寸法の形状となる。例えば、第1面101から第2面102の方向に沿って、容器の断面が小さくなるように構成してよい。容器の形状の例は後に説明する。   The shape of the cross section obtained by cutting the container 100 along a plane perpendicular to the optical axis 200 may be a point-symmetrical figure such as a square, a rectangle, a rhombus, or a polygon, but an astigmatic figure such as a right-angled triangle or an isosceles triangle. It may be. The first surface 101 and the second surface 102 are arranged perpendicular to the optical axis 200. The plurality of side surfaces 103 a and 103 c may be arranged in parallel to the optical axis 200. In this case, the cross-sectional shapes of the containers are all the same when cut along a plurality of surfaces perpendicular to the optical axis. However, the plurality of side surfaces 103 a and 103 c may not be parallel to the optical axis 200. In this case, when the cross-sectional shape of the container is cut along a plurality of planes perpendicular to the optical axis, they are similar to each other but have different dimensions. For example, you may comprise so that the cross section of a container may become small along the direction from the 1st surface 101 to the 2nd surface 102. FIG. An example of the shape of the container will be described later.

複数の側面103a、103cの内面には、それぞれ電極(図1には2つの電極104a、104cのみが示されている)が設けられている。電極を覆うように、電極の内面に、それぞれ絶縁膜(図1には2つの絶縁膜106a、106cのみが示されている)が設けられている。更に、絶縁膜を覆うように、絶縁膜の内面に、それぞれ撥水膜(図1には2つの撥水膜107a、107cのみが示されている)が設けられている。撥水膜が十分な絶縁性を有する場合には、絶縁膜は不要である。第1面101の内面には共通電極105が設けられている。共通電極105は、導電性液体10に接触している。   Electrodes (only two electrodes 104a and 104c are shown in FIG. 1) are provided on the inner surfaces of the plurality of side surfaces 103a and 103c, respectively. Insulating films (only two insulating films 106a and 106c are shown in FIG. 1) are provided on the inner surfaces of the electrodes so as to cover the electrodes. Further, a water-repellent film (only two water-repellent films 107a and 107c are shown in FIG. 1) is provided on the inner surface of the insulating film so as to cover the insulating film. When the water repellent film has sufficient insulating properties, the insulating film is unnecessary. A common electrode 105 is provided on the inner surface of the first surface 101. The common electrode 105 is in contact with the conductive liquid 10.

共通電極105と複数の電極104a、104cの間に、それぞれ電源(図1には2つの電源108a、108cのみが示されている)が接続されている。電源によって、共通電極105に接触している導電性液体10と電極104a、104cの間に、それぞれ電圧が印加される。エレクトロウェッティングによって、容器100の側面に対する、導電性液体10の接触角が変化する。電源108a、108cからの電圧を調節することによって、容器100の側面の各々における、導電性液体10の接触角を所望の値に変化させることができる。こうして、光軸200に対する界面12の傾斜角及び最大傾斜方向を所望の値に設定することができる。図示のように、第2面102を経由して、光軸200に沿って入射された光は、界面12にて屈折し、第1面101を経由して出射される。入射光201に対する出射光202のなす角、即ち、屈折角αは、導電性液体10と絶縁性液体11の屈折率、及び、液界面12の傾斜角に依存する。   A power source (only two power sources 108a and 108c are shown in FIG. 1) is connected between the common electrode 105 and the plurality of electrodes 104a and 104c. A voltage is applied between the conductive liquid 10 in contact with the common electrode 105 and the electrodes 104a and 104c by the power source. The contact angle of the conductive liquid 10 with respect to the side surface of the container 100 is changed by electrowetting. By adjusting the voltages from the power supplies 108a and 108c, the contact angle of the conductive liquid 10 on each of the side surfaces of the container 100 can be changed to a desired value. Thus, the inclination angle and the maximum inclination direction of the interface 12 with respect to the optical axis 200 can be set to desired values. As shown in the drawing, the light incident along the optical axis 200 via the second surface 102 is refracted at the interface 12 and is emitted via the first surface 101. The angle formed by the outgoing light 202 with respect to the incident light 201, that is, the refraction angle α depends on the refractive index of the conductive liquid 10 and the insulating liquid 11 and the inclination angle of the liquid interface 12.

本例の液体プリズムでは、導電性液体10は共通電極105に接触するように、第1面101側に配置されている。即ち、容器100を、3次元空間内にて、どのような回転方向及び回転位置に配置しても、導電性液体10は絶縁性液体11より分離し、且つ、共通電極105に接触するように、第1面101側に配置される。導電性液体10を第1面101側に配置するために、任意の物理現象、例えば、付着力を利用してもよい。この場合、第1面101の材質として、導電性液体10の付着力が大きいものを選択し、第2面102の材質として、絶縁性液体11の付着力が大きいもの選択する。   In the liquid prism of this example, the conductive liquid 10 is disposed on the first surface 101 side so as to contact the common electrode 105. That is, the conductive liquid 10 is separated from the insulating liquid 11 and is in contact with the common electrode 105 regardless of the rotation direction and rotation position in the three-dimensional space. , Disposed on the first surface 101 side. In order to arrange the conductive liquid 10 on the first surface 101 side, an arbitrary physical phenomenon, for example, an adhesive force may be used. In this case, as the material of the first surface 101, a material having a large adhesion force of the conductive liquid 10 is selected, and as the material of the second surface 102, a material having a large adhesion force of the insulating liquid 11 is selected.

本例の液体プリズムの構成部材の材料について説明する。第1面101及び第2面102の材料は、液体プリズムへの入射光201を透過させることができる材質であればどのようなものであってもよい。例えば、入射光201が可視光の場合、第1面101及び第2面102は、ガラス又はアクリルによって構成してよい。絶縁膜106a、106cは、SiO2、parylene(商品名)などをCVDにより成膜したものでよい。撥水膜107a、107cは、フッ素系材料であるサイトップ(商品名)やAF1601(商品名)などをディップコートもしくはスピンコートで成膜したものでよい。 The material of the constituent member of the liquid prism of this example will be described. The material of the first surface 101 and the second surface 102 may be any material as long as it can transmit the incident light 201 to the liquid prism. For example, when the incident light 201 is visible light, the first surface 101 and the second surface 102 may be made of glass or acrylic. The insulating films 106a and 106c may be formed by depositing SiO 2 , parylene (trade name) or the like by CVD. The water-repellent films 107a and 107c may be formed by dip-coating or spin-coating CYTOP (trade name) or AF1601 (trade name), which is a fluorine-based material.

導電性液体10と絶縁性液体11は、互いに交じり合わず、且つ、屈折率が異なる液体であればよい。例えば、導電性液体10は、水、塩化カリウムなどの電解質を溶解した水溶液でよい。絶縁性液体11はシリコーンオイルやフッ素系オイルなどのオイルや、デカンやドデカンなどの有機溶媒などでよい。また、導電性液体10と絶縁性液体11は、第1面101及び第2面102と同様に、入射光201の波長を透過する材質である。   The conductive liquid 10 and the insulating liquid 11 may be liquids that do not cross each other and have different refractive indexes. For example, the conductive liquid 10 may be an aqueous solution in which an electrolyte such as water or potassium chloride is dissolved. The insulating liquid 11 may be an oil such as silicone oil or fluorine oil, or an organic solvent such as decane or dodecane. Further, the conductive liquid 10 and the insulating liquid 11 are materials that transmit the wavelength of the incident light 201, as in the first surface 101 and the second surface 102.

図2を参照して本発明の特徴を詳細に説明する。図2Aは、本例の液体プリズムの容器100の側面と、容器の内部に収納された導電性液体10と絶縁性液体11のみを示す斜視図である。本例の容器100は4つの側面103a、103b、103c、103dを有し、光軸200に垂直な面で切断した容器の断面は4辺形である。電極104a、104b、104c、104d、絶縁膜106a、106b、106c、106d、撥水膜107a、107b、107c、107d、及び、共通電極105の図示は省略されている。   The features of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2A is a perspective view showing only the side surface of the container 100 of the liquid prism of this example, and the conductive liquid 10 and the insulating liquid 11 housed in the container. The container 100 of this example has four side surfaces 103a, 103b, 103c, and 103d, and the cross section of the container cut along a plane perpendicular to the optical axis 200 is a quadrilateral. The electrodes 104a, 104b, 104c, 104d, the insulating films 106a, 106b, 106c, 106d, the water repellent films 107a, 107b, 107c, 107d, and the common electrode 105 are not shown.

導電性液体10の接触角について説明する。界面12の4つの辺、即ち、界面12が4つの側面103a、103b、103c、103dと接触する接触線を、それぞれ、12a、12b、12c、12dとする。導電性液体10の接触角は、界面12の4つの接触線における、界面12と側面のなす角として定義される。図示のように、側面103a、103b、103c、103dに対する導電性液体10の接触角を、それぞれθa、θb、θc、θdとする。例えば、側面103aに対する導電性液体10の接触角θaは、接触線12aにおける界面12と側面103aのなす角である。容器100を、接触線12aに垂直な面によって切断したとき、その切断面において、界面12と側面103aのなす角が、側面103aにおける導電性液体10の接触角θaである。他の接触角θb、θc、θdも、同様に求められる。   The contact angle of the conductive liquid 10 will be described. The four sides of the interface 12, that is, the contact lines where the interface 12 contacts the four side surfaces 103a, 103b, 103c, and 103d are defined as 12a, 12b, 12c, and 12d, respectively. The contact angle of the conductive liquid 10 is defined as the angle formed by the interface 12 and the side surface at the four contact lines of the interface 12. As illustrated, the contact angles of the conductive liquid 10 with respect to the side surfaces 103a, 103b, 103c, and 103d are θa, θb, θc, and θd, respectively. For example, the contact angle θa of the conductive liquid 10 with respect to the side surface 103a is an angle formed by the interface 12 and the side surface 103a in the contact line 12a. When the container 100 is cut by a plane perpendicular to the contact line 12a, the angle formed by the interface 12 and the side surface 103a on the cut surface is the contact angle θa of the conductive liquid 10 on the side surface 103a. Other contact angles θb, θc, and θd are obtained in the same manner.

接触角θa、θb、θc、θdの各々は、絶縁膜106a、106b、106c、106d、及び、撥水膜107a、107b、107c、107dの各々の比誘電率と厚さに依存する。更に、接触角θa、θb、θc、θdの各々は、導電性液体10と電極104a、104b、104c、104dの間に印加される電圧に、それぞれ依存する。   Each of the contact angles θa, θb, θc, and θd depends on the relative dielectric constant and thickness of each of the insulating films 106a, 106b, 106c, and 106d and the water-repellent films 107a, 107b, 107c, and 107d. Furthermore, each of the contact angles θa, θb, θc, and θd depends on the voltage applied between the conductive liquid 10 and the electrodes 104a, 104b, 104c, and 104d, respectively.

図2Bは、容器100を光軸200に垂直な面で切断した断面形状を示す。図示のように、容器100の断面は、4つの頂点14a、14b、14c、14dを有する菱形である。容器100の断面は、菱形の短軸に沿った短い対角線13aと長軸に沿った長い対角線13bを有し、両者の交点を光軸200が通る。頂点14bを挟む2つの側面103b、103cのなす角、即ち、頂点角をβとする。   FIG. 2B shows a cross-sectional shape of the container 100 cut along a plane perpendicular to the optical axis 200. As shown, the cross section of the container 100 is a diamond having four vertices 14a, 14b, 14c, 14d. The cross section of the container 100 has a short diagonal line 13a along the short axis of the rhombus and a long diagonal line 13b along the long axis, and the optical axis 200 passes through the intersection of both. The angle formed by the two side surfaces 103b and 103c sandwiching the vertex 14b, that is, the vertex angle is β.

図2Cは、容器100の長い対角線13bと光軸200Cの両者を通る面によって切断した、容器100の断面を示す。光軸200に垂直な面に対する液界面12の傾斜角をφとする。液界面12は、容器100の断面を短い対角線13a回りに傾斜させた平面である。液界面12の最大傾斜線は、長い対角線13bを短い対角線13a回りに傾斜させた線である。液体プリズムへの入射光201は、液体プリズムの光軸200に沿って、第2面102から入射され、液界面12により屈折し、第1面101を通って、液体プリズムの外へ出射される。入射光201に対する出射光202の屈折角はαである。   FIG. 2C shows a cross section of the container 100 cut by a plane passing through both the long diagonal 13b of the container 100 and the optical axis 200C. An inclination angle of the liquid interface 12 with respect to a plane perpendicular to the optical axis 200 is φ. The liquid interface 12 is a plane in which the cross section of the container 100 is inclined around a short diagonal line 13a. The maximum inclination line of the liquid interface 12 is a line obtained by inclining the long diagonal line 13b around the short diagonal line 13a. Incident light 201 to the liquid prism enters from the second surface 102 along the optical axis 200 of the liquid prism, is refracted by the liquid interface 12, passes through the first surface 101, and exits from the liquid prism. . The refraction angle of the outgoing light 202 with respect to the incident light 201 is α.

4つの電極104a、104b、104c、104dに対してそれぞれ電圧を印加すると、エレクトロウェッティングにより接触角θa、θb、θc、θdがそれぞれ変化する。すなわち、電源108a、108b、108c、108dの電圧によって光軸200に対する液界面12の角度φを操作可能である。液界面12の角度φを調節することにより、所望の屈折角αを得ることができる。   When voltages are respectively applied to the four electrodes 104a, 104b, 104c, and 104d, the contact angles θa, θb, θc, and θd are changed by electrowetting. That is, the angle φ of the liquid interface 12 with respect to the optical axis 200 can be manipulated by the voltages of the power supplies 108a, 108b, 108c, and 108d. A desired refraction angle α can be obtained by adjusting the angle φ of the liquid interface 12.

本発明によると、液面12の傾斜角φの最大値を、従来の液体プリズムと比較して、より大きくすることができる。本発明によると、液界面は次の条件を有する。
(1)液界面は平面である。
(2)液界面の最大傾斜線は、容器の角部のうち、互いに最も離れた2つの角部を通る。従って、液界面の最大傾斜線は、容器の2つの角部を通るが、容器の側面を通らない。容器の断面が、互いに直交する長軸と短軸を有する図形の場合、液界面は、容器の断面を短軸回りに回転させて得られる面であり、液界面の最大傾斜線は、断面の長軸を短軸回りに回転させて得られる線である。
According to the present invention, the maximum value of the inclination angle φ of the liquid surface 12 can be made larger than that of a conventional liquid prism. According to the present invention, the liquid interface has the following conditions.
(1) The liquid interface is a plane.
(2) The maximum inclination line of the liquid interface passes through two corners farthest from each other among the corners of the container. Thus, the maximum slope of the liquid interface passes through the two corners of the container but not through the side of the container. When the cross section of the container is a figure having a major axis and a minor axis perpendicular to each other, the liquid interface is a surface obtained by rotating the cross section of the container around the minor axis, and the maximum inclination line of the liquid interface is the cross section of the cross section. It is a line obtained by rotating the major axis around the minor axis.

この2つの液面条件を満たすために必要な条件を説明する。本例では、容器100の断面は菱形である。従って、頂点14aの両側の隣り合う2つの側面103a、103bに対する接触角θa、θbは等しく、頂点14cの両側の隣り合う2つの側面103c、103dに対する接触角θc、θdは等しい。
θa=θb、且つ、θc=θd 式1
The conditions necessary for satisfying these two liquid level conditions will be described. In this example, the cross section of the container 100 is a rhombus. Accordingly, the contact angles θa and θb with respect to the two adjacent side surfaces 103a and 103b on both sides of the vertex 14a are equal, and the contact angles θc and θd with respect to the two adjacent side surfaces 103c and 103d on both sides of the vertex 14c are equal.
θa = θb and θc = θd Equation 1

更に、頂点14bの両側の隣り合う2つの側面103b、103cに対する接触角θbとθcの和は180゜となり、頂点14dの両側の隣り合う2つの側面103a、103dに対する接触角θa、θdの和は180゜となる。
θb+θc=θa+θd=180゜ 式2
Further, the sum of the contact angles θb and θc for the two adjacent side surfaces 103b and 103c on both sides of the vertex 14b is 180 °, and the sum of the contact angles θa and θd for the two adjacent side surfaces 103a and 103d on both sides of the vertex 14d is 180 °.
θb + θc = θa + θd = 180 ° Equation 2

このように、接触角を設定することにより、上述の2つの条件が満たされる。4つの側面103a、103b、103c、103dに装着された絶縁膜106a、106b、106c、106dの比誘電率と厚さが全て等しく、撥水膜107a、107b、107c、107dの比誘電率と厚さが全て等しいと仮定する。4つの側面における接触角が、式1及び式2の関係を満たすためには、電極104aと電極104bに同一の電圧を印加し、電極104cと電極104dに同一の電圧を印加すればよい。こうして、4つの電極に、所定の電圧を印加することにより、各側面におけるエレクトロウェッティングを制御することができる。即ち、エレクトロウェッティングにより、それぞれの接触角を調整することができる。それによって、上述の2つの条件を満たす液界面を得ることができる。   Thus, the above-mentioned two conditions are satisfied by setting the contact angle. The relative dielectric constants and thicknesses of the insulating films 106a, 106b, 106c, 106d mounted on the four side surfaces 103a, 103b, 103c, 103d are all equal, and the relative dielectric constants and thicknesses of the water-repellent films 107a, 107b, 107c, 107d. Are all equal. In order for the contact angles on the four side surfaces to satisfy the relationship of Equations 1 and 2, the same voltage may be applied to the electrode 104a and the electrode 104b, and the same voltage may be applied to the electrode 104c and the electrode 104d. Thus, electrowetting on each side surface can be controlled by applying a predetermined voltage to the four electrodes. That is, each contact angle can be adjusted by electrowetting. Thereby, a liquid interface satisfying the above two conditions can be obtained.

図3を参照して、容器の断面形状と液面12の傾斜角φの関係を説明する。容器100の断面は4辺形であり、その頂点角βが90゜、120゜、150゜、180゜の4つの場合について、側面103aに対する導電性液体10の接触角θaと液界面の傾斜角φの関係を計算した。図3Aは、接触角θaと液界面の傾斜角φの関係を示す図である。横軸は、側面103aにおける接触角θa、縦軸は、液界面の傾斜角φである。接触角θaの最小値は60゜である。即ち、接触角θaは60゜〜180゜の範囲で可変である。   The relationship between the cross-sectional shape of the container and the inclination angle φ of the liquid surface 12 will be described with reference to FIG. The cross section of the container 100 is a quadrilateral, and when the apex angle β is 90 °, 120 °, 150 °, and 180 °, the contact angle θa of the conductive liquid 10 with respect to the side surface 103a and the inclination angle of the liquid interface The relationship of φ was calculated. FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the contact angle θa and the inclination angle φ of the liquid interface. The horizontal axis represents the contact angle θa at the side surface 103a, and the vertical axis represents the tilt angle φ of the liquid interface. The minimum value of the contact angle θa is 60 °. That is, the contact angle θa is variable in the range of 60 ° to 180 °.

側面103aにおける接触角θaを所定の値に設定し、容器の頂点角βを90°より大きくすると、液界面の傾斜角φが大きくなることが判る。例えば、接触角θaを60゜とする。容器の頂点角βが90゜のとき、液界面の傾斜角φは45°である。即ち、容器の断面が正方形であり、側面103aにおける接触角θaを60゜とすると、液界面の傾斜角φは45°となる。   It can be seen that when the contact angle θa on the side surface 103a is set to a predetermined value and the apex angle β of the container is larger than 90 °, the inclination angle φ of the liquid interface increases. For example, the contact angle θa is 60 °. When the vertex angle β of the container is 90 °, the inclination angle φ of the liquid interface is 45 °. That is, when the cross section of the container is square and the contact angle θa on the side surface 103a is 60 °, the inclination angle φ of the liquid interface is 45 °.

しかしながら、容器の頂点角βが120°のとき、即ち、容器の断面が菱形の場合、液界面の傾斜角φは45゜以上(もしくは90゜)となる。尚、接触角θaが90゜のとき、液界面の傾斜角φは0°となる。また、液界面の傾斜角φが負の値のとき、図2Cの断面図において、液界面12が左下−右上に傾いた状態となる。   However, when the apex angle β of the container is 120 °, that is, when the cross section of the container is rhombus, the inclination angle φ of the liquid interface is 45 ° or more (or 90 °). When the contact angle θa is 90 °, the inclination angle φ of the liquid interface is 0 °. Further, when the tilt angle φ of the liquid interface is a negative value, the liquid interface 12 is tilted from the lower left to the upper right in the cross-sectional view of FIG. 2C.

図3Bは、導電性液体10と電極の間に印加する電圧と液界面の傾斜角φの関係を示す図である。横軸は、側面103aに装着された電極104aと導電性液体10の間の印加電圧V、縦軸は、液界面の傾斜角φである。容器100の断面は4辺形であり、その頂点角βが90゜、120゜、150゜、180゜の4つの場合について、印加電圧Vと液界面の傾斜角φの関係を計算した。尚、液体の電極面に対する接触角と液体と電極との電位差の関係は非特許文献1に記載されている。   FIG. 3B is a diagram showing the relationship between the voltage applied between the conductive liquid 10 and the electrode and the tilt angle φ of the liquid interface. The horizontal axis represents the applied voltage V between the electrode 104a mounted on the side surface 103a and the conductive liquid 10, and the vertical axis represents the tilt angle φ of the liquid interface. The cross section of the container 100 is a quadrilateral, and the relationship between the applied voltage V and the inclination angle φ of the liquid interface was calculated for four cases where the apex angle β was 90 °, 120 °, 150 °, and 180 °. The relationship between the contact angle of the liquid with respect to the electrode surface and the potential difference between the liquid and the electrode is described in Non-Patent Document 1.

絶縁膜106a、106b、106c、106d、及び、撥水膜107a、107b、107c、107dの材料として、電荷を有さない材料を用いてよいが、電荷を有する材料を用いてもよい。   As materials for the insulating films 106a, 106b, 106c, and 106d and the water-repellent films 107a, 107b, 107c, and 107d, materials having no charge may be used, but materials having charges may be used.

絶縁膜106a、106b、106c、106d、及び、撥水膜107a、107b、107c、107dが電荷を有さない場合、導電性液体10と電極の間の電位差、即ち、印加電圧Vは、電源(図1には2つの電源108a、108cのみが示されている。)の電圧に等しい。電源の電圧をVbとすると、V=Vbである。   When the insulating films 106a, 106b, 106c, and 106d and the water repellent films 107a, 107b, 107c, and 107d have no charge, the potential difference between the conductive liquid 10 and the electrode, that is, the applied voltage V is the power supply ( In FIG. 1, only two power supplies 108a and 108c are shown. When the power supply voltage is Vb, V = Vb.

本例では、絶縁膜を兼ねる撥水膜を比誘電率2.1、厚さ300nmのサイトップとし、印加電圧Vがゼロのときの側面103aに対する導電性液体10の接触角θaを180゜、導電性液体10と絶縁性液体11の界面張力を40mN/mとして計算した。   In this example, the water repellent film also serving as an insulating film is a Cytop having a relative dielectric constant of 2.1 and a thickness of 300 nm, and the contact angle θa of the conductive liquid 10 with respect to the side surface 103a when the applied voltage V is zero is 180 °. The interfacial tension between the liquid 10 and the insulating liquid 11 was calculated as 40 mN / m.

絶縁膜106a、106b、106c、106d、及び、撥水膜107a、107b、107c、107dが電荷を有する場合、印加電圧Vは、絶縁膜、及び、撥水膜の電位差と、電源電圧の和に等しい。絶縁膜、及び、撥水膜の電位差を、Viとすると、V=Vi+Vbである。絶縁膜106a、106b、106c、106d、又は、撥水膜107a、107b、107c、107dをエレクトレットによって構成することができる。エレクトレットは電荷を有する。エレクトレット電位をVelとする。印加電圧Vは、V=Vel+Vbとなる。電源電圧がゼロ(Vb=0)のとき、導電性液体10と電極の間にエレクトレット電位が印加される。印加電圧Vがエレクトレット電位に等しいとき、即ち、電源電圧がゼロのとき(Vb=0)、側面に対する導電性液体12の接触角が90゜であると仮定する。電源電圧がゼロのとき(Vb=0)、液界面12は入射光201に対して垂直となり、電源電圧がゼロでないのとき(Vb≠0)、液界面12が傾斜する。   When the insulating films 106a, 106b, 106c, and 106d and the water-repellent films 107a, 107b, 107c, and 107d have electric charges, the applied voltage V is the sum of the potential difference between the insulating film and the water-repellent film and the power supply voltage. equal. When the potential difference between the insulating film and the water repellent film is Vi, V = Vi + Vb. The insulating films 106a, 106b, 106c, 106d or the water repellent films 107a, 107b, 107c, 107d can be formed of electrets. The electret has a charge. Let the electret potential be Vel. The applied voltage V is V = Vel + Vb. When the power supply voltage is zero (Vb = 0), an electret potential is applied between the conductive liquid 10 and the electrode. When the applied voltage V is equal to the electret potential, that is, when the power supply voltage is zero (Vb = 0), it is assumed that the contact angle of the conductive liquid 12 with respect to the side surface is 90 °. When the power supply voltage is zero (Vb = 0), the liquid interface 12 is perpendicular to the incident light 201, and when the power supply voltage is not zero (Vb ≠ 0), the liquid interface 12 is inclined.

再び図3Bに戻る。頂点角βが90゜、120゜、150゜、180゜のいずれであっても、液界面の傾斜角φが0゜となる電圧が存在する。本例では、印加電圧が37.5ボルトのとき、液界面の傾斜角φが0゜となる。液界面の傾斜角φが0゜となる電圧は、絶縁膜及び撥水膜の比誘電率と厚さに依存する。更に、印加電圧Vを増加させると、液界面の傾斜角φは増加する。更に、頂点角βが大きいほど、印加電圧Vに対する液界面の傾斜角φの増加率は大きい。   Returning to FIG. 3B again. Regardless of the vertex angle β being 90 °, 120 °, 150 ° or 180 °, there is a voltage at which the inclination angle φ of the liquid interface becomes 0 °. In this example, when the applied voltage is 37.5 volts, the inclination angle φ of the liquid interface is 0 °. The voltage at which the inclination angle φ of the liquid interface becomes 0 ° depends on the relative dielectric constant and thickness of the insulating film and the water repellent film. Further, when the applied voltage V is increased, the tilt angle φ of the liquid interface increases. Furthermore, as the vertex angle β is larger, the increasing rate of the tilt angle φ of the liquid interface with respect to the applied voltage V is larger.

図3A及び図3Bによって、容器の頂点角βが90°より大きいと、液界面の傾斜角φを大きくすることができることが判る。例えば、容器の断面が、正方形の場合より菱形のほうが、液界面の傾斜角φを大きくすることができる。   3A and 3B, it can be seen that the inclination angle φ of the liquid interface can be increased when the apex angle β of the container is larger than 90 °. For example, when the cross section of the container is a square, the rhomboid can increase the inclination angle φ of the liquid interface.

上述の液面の条件を満たすなら、容器の断面は、正方形、又は、菱形でなくてもよい。以下に、容器の断面が、正方形、又は、菱形でない場合を説明する。   As long as the above liquid level conditions are satisfied, the cross section of the container may not be square or rhombus. Below, the case where the cross section of a container is not a square or a rhombus is demonstrated.

図4は、本発明による液体プリズムの第2の例を示す。図4は、本例の容器100を光軸200に垂直な面で切断した断面形状を示す。図示のように、容器100の断面は、4つの頂点14a、14b、14c、14dを有する4辺形であるが、4つの辺の長さは同一ではない。容器100の断面は、2つの頂点14b、14dの間を結ぶ短い対角線13aと、2つの頂点14a、14cの間を結ぶ長い対角線13bを有し、両者は直交する。両者の交点を光軸200が通る。容器100の断面は、長い対角線13bに対して対称な4辺形である。従って、頂点14aを通る稜線を挟む2つの側面103a、103bは同一の寸法を有し、頂点14cを通る稜線を挟む2つの側面103c、103dは同一の寸法を有する。   FIG. 4 shows a second example of a liquid prism according to the present invention. FIG. 4 shows a cross-sectional shape obtained by cutting the container 100 of this example along a plane perpendicular to the optical axis 200. As shown, the cross section of the container 100 is a quadrilateral having four apexes 14a, 14b, 14c, 14d, but the lengths of the four sides are not the same. The cross section of the container 100 has a short diagonal line 13a connecting the two apexes 14b and 14d and a long diagonal line 13b connecting the two apexes 14a and 14c, and they are orthogonal to each other. The optical axis 200 passes through the intersection of the two. The cross section of the container 100 is a quadrilateral symmetrical with respect to the long diagonal line 13b. Accordingly, the two side surfaces 103a and 103b sandwiching the ridge line passing through the vertex 14a have the same dimension, and the two side surfaces 103c and 103d sandwiching the ridge line passing through the vertex 14c have the same dimension.

液界面12は、容器100の断面を短い対角線13a回りに傾斜させた平面である。長い対角線13bと光軸200の両者を通る面と、液界面12の交線が、液界面12の最大傾斜線である。即ち、液界面12の最大傾斜線は、頂点14aを通る稜線と頂点14cを通る稜線の間を結ぶ直線である。   The liquid interface 12 is a plane in which the cross section of the container 100 is inclined around a short diagonal line 13a. The intersecting line of the liquid interface 12 and the plane passing through both the long diagonal line 13b and the optical axis 200 is the maximum inclination line of the liquid interface 12. That is, the maximum inclination line of the liquid interface 12 is a straight line connecting between a ridge line passing through the vertex 14a and a ridge line passing through the vertex 14c.

上述の液界面の条件を満たすように、4つの側面における導電性液体10の接触角を設定する。本例では、上述の式1を満たすが、式2は成立しない。しかしながら、式2の代わりに、θa+θd=θb+θcとなる関係が成立する。こうして、本例の液体プリズムでは、液界面12の傾斜角φを大きくすることができる。   The contact angles of the conductive liquid 10 on the four side surfaces are set so as to satisfy the above-described liquid interface conditions. In this example, the above-described Expression 1 is satisfied, but Expression 2 is not satisfied. However, instead of Equation 2, a relationship of θa + θd = θb + θc is established. Thus, in the liquid prism of this example, the inclination angle φ of the liquid interface 12 can be increased.

図5は、本発明による液体プリズムの第3の例を示す。図5は、本例の容器100を光軸200に垂直な面で切断した断面形状を示す。図示のように、容器100の断面は、6つの頂点14a、14b、14c、14d、14e、14fを有する6辺形であるが、6つの辺の長さは同一ではない。本例の容器は、図2に示した断面が菱形の容器を2つに分割し、その間に、互いに平行な2つの側面を挿入することによって得られる。容器100の断面は、2つの頂点14a、14dの間を結ぶ対角線13bを有し、その中点を光軸200が通る。容器100の断面は、対角線13bに対して対称な6辺形である。従って、頂点14aを通る稜線を挟む2つの側面103a、103bは同一の寸法を有し、頂点14dを通る稜線を挟む2つの側面103c、103dは同一の寸法を有する。また、両側の2つの側面103e、103fは、互いに平行であり、且つ、同一の寸法を有する。   FIG. 5 shows a third example of a liquid prism according to the present invention. FIG. 5 shows a cross-sectional shape of the container 100 of this example cut along a plane perpendicular to the optical axis 200. As shown, the cross section of the container 100 is a hexagon having six apexes 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, and 14f, but the lengths of the six sides are not the same. The container of this example is obtained by dividing a container having a diamond-shaped cross section shown in FIG. 2 into two and inserting two parallel side surfaces therebetween. The cross section of the container 100 has a diagonal line 13b connecting the two apexes 14a and 14d, and the optical axis 200 passes through the midpoint. The cross section of the container 100 is a hexagon symmetrical with respect to the diagonal line 13b. Accordingly, the two side surfaces 103a and 103b sandwiching the ridge line passing through the vertex 14a have the same dimension, and the two side surfaces 103c and 103d sandwiching the ridge line passing through the vertex 14d have the same dimension. The two side surfaces 103e and 103f on both sides are parallel to each other and have the same dimensions.

容器100の断面上にて、対角線13bの中点を通り、対角線13bに直交する軸13aを設定する。液界面12は、容器100の断面を、軸13a回りに傾斜させた平面である。長い対角線13bと光軸200の両者を通る面と、液界面12の交線が、液界面12の最大傾斜線である。即ち、液界面12の最大傾斜線は、頂点14aを通る稜線と頂点14dを通る稜線の間を結ぶ直線である。   On the cross section of the container 100, an axis 13a passing through the midpoint of the diagonal line 13b and orthogonal to the diagonal line 13b is set. The liquid interface 12 is a plane in which the cross section of the container 100 is inclined around the axis 13a. The intersecting line of the liquid interface 12 and the plane passing through both the long diagonal line 13b and the optical axis 200 is the maximum inclination line of the liquid interface 12. That is, the maximum inclination line of the liquid interface 12 is a straight line connecting the ridge line passing through the vertex 14a and the ridge line passing through the vertex 14d.

上述の液界面の条件を満たすように、6つの側面における導電性液体10の接触角を設定する。側面103e、103fが光軸200に平行であるとする。この場合、側面103e、103fに対する導電性液体10の接触角を90゜に設定する。他の側面103a、103b、103c、103dに対する導電性液体10の接触角は、図2に示した例の場合と同様に設定する。こうして、本例の液体プリズムでは、液界面12の傾斜角φを大きくすることができる。   The contact angles of the conductive liquid 10 on the six side surfaces are set so as to satisfy the above-described liquid interface conditions. It is assumed that the side surfaces 103e and 103f are parallel to the optical axis 200. In this case, the contact angle of the conductive liquid 10 with respect to the side surfaces 103e and 103f is set to 90 °. The contact angle of the conductive liquid 10 with respect to the other side surfaces 103a, 103b, 103c, and 103d is set in the same manner as in the example shown in FIG. Thus, in the liquid prism of this example, the inclination angle φ of the liquid interface 12 can be increased.

ここでは、容器100の断面は6辺形であるが、より多くの辺を有する多角形とすることができる。この場合、側面103e、103fをそれぞれ、複数の側面によって構成すればよい。例えば、側面103e、103fをそれぞれ、3角柱によって置き換えることによって、容器100の断面を、8辺形とすることができる。   Here, the cross section of the container 100 is a hexagon, but it can be a polygon having more sides. In this case, each of the side surfaces 103e and 103f may be constituted by a plurality of side surfaces. For example, by replacing each of the side surfaces 103e and 103f with a triangular prism, the cross section of the container 100 can be an octagon.

図6は、本発明による液体プリズムの第4の例を示す。図6は、本例の容器100を光軸200に垂直な面で切断した断面形状を示す。図示のように、容器100の断面は、3つの頂点14a、14b、14cを有する2等辺3角形である。本例の容器は、図2に示した断面が菱形の容器を、長い対角線13bと光軸200Cの両者を通る面によって切断することによって得られる。頂点14bを通る稜線を挟む2つの側面103b、103cは同一の寸法を有する。容器100の断面上にて、頂点14bより、2つの頂点14a、14cを結ぶ底辺の中点に垂線13aを下ろす。この垂線13aの中点を、光軸200が通る。   FIG. 6 shows a fourth example of a liquid prism according to the present invention. FIG. 6 shows a cross-sectional shape of the container 100 of this example cut along a plane perpendicular to the optical axis 200. As shown, the cross section of the container 100 is an isosceles triangle having three vertices 14a, 14b, 14c. The container of this example is obtained by cutting the diamond-shaped container shown in FIG. 2 by a plane passing through both the long diagonal line 13b and the optical axis 200C. The two side surfaces 103b and 103c sandwiching the ridge line passing through the vertex 14b have the same dimensions. On the cross section of the container 100, the perpendicular line 13a is lowered from the vertex 14b to the midpoint of the bottom connecting the two vertices 14a and 14c. The optical axis 200 passes through the midpoint of the perpendicular 13a.

液界面12は、容器100の断面を、軸13a回りに傾斜させた平面である。液界面12の最大傾斜線は、頂点14aを通る稜線と頂点14cを通る稜線の間を結ぶ直線である。即ち、液界面12の最大傾斜線は、液界面12が側面103aと接触する接触線である。   The liquid interface 12 is a plane in which the cross section of the container 100 is inclined around the axis 13a. The maximum inclination line of the liquid interface 12 is a straight line connecting between a ridge line passing through the vertex 14a and a ridge line passing through the vertex 14c. That is, the maximum inclination line of the liquid interface 12 is a contact line where the liquid interface 12 contacts the side surface 103a.

上述の液界面の条件を満たすように、3つの側面における導電性液体10の接触角を設定する。側面103aが光軸200に平行であるとする。この場合、側面103aに対する導電性液体10の接触角を90゜に設定する。他の側面103b、103cに対する導電性液体10の接触角は、図2に示した例の場合と同様に設定する。こうして、本例の液体プリズムでは、液界面12の傾斜角φを大きくすることができる。   The contact angles of the conductive liquid 10 on the three side surfaces are set so as to satisfy the above-described liquid interface conditions. It is assumed that the side surface 103a is parallel to the optical axis 200. In this case, the contact angle of the conductive liquid 10 with respect to the side surface 103a is set to 90 °. The contact angle of the conductive liquid 10 with respect to the other side surfaces 103b and 103c is set in the same manner as in the example shown in FIG. Thus, in the liquid prism of this example, the inclination angle φ of the liquid interface 12 can be increased.

図7は、本発明による液体プリズムの第4の例を示す。図7Aは、本例の容器100の上面を示す。図示のように、容器100の上面は、4つの頂点14a、14b、14c、14dを有する菱形である。容器100の上面は、2つの頂点14b、14dの間を結ぶ短い対角線13aと、2つの頂点14a、14cの間を結ぶ長い対角線13bを有し、両者の交点を光軸200が通る。   FIG. 7 shows a fourth example of a liquid prism according to the present invention. FIG. 7A shows the top surface of the container 100 of this example. As shown, the upper surface of the container 100 is a diamond having four vertices 14a, 14b, 14c, 14d. The upper surface of the container 100 has a short diagonal line 13a connecting the two vertices 14b and 14d and a long diagonal line 13b connecting the two vertices 14a and 14c, and the optical axis 200 passes through the intersection of both.

図7Bは、容器100の長い対角線13bと光軸200の両者を通る面によって切断した、容器100の断面を示す。本例では、4つの側面は光軸200に対して傾斜している。容器100を光軸200に垂直な面で切断した断面は、菱形であるが、切断する位置によって菱形の寸法は変化する。光軸200に垂直な面に対する液界面12の傾斜角をφとする。   FIG. 7B shows a cross section of the container 100 cut by a plane that passes through both the long diagonal 13b of the container 100 and the optical axis 200. FIG. In this example, the four side surfaces are inclined with respect to the optical axis 200. The cross section of the container 100 cut by a plane perpendicular to the optical axis 200 is a rhombus, but the size of the rhombus changes depending on the cutting position. An inclination angle of the liquid interface 12 with respect to a plane perpendicular to the optical axis 200 is φ.

容器100の断面上にて、対角線13aに平行な軸13cを設定する。液界面12は、容器100の断面を、軸13c回りに傾斜させた平面である。長い対角線13bと光軸200の両者を通る面と、液界面12の交線が、液界面12の最大傾斜線である。即ち、液界面12の最大傾斜線は、頂点14aを通る稜線と頂点14cを通る稜線の間を結ぶ直線である。   On the cross section of the container 100, an axis 13c parallel to the diagonal line 13a is set. The liquid interface 12 is a plane in which the cross section of the container 100 is inclined around the axis 13c. The intersecting line of the liquid interface 12 and the plane passing through both the long diagonal line 13b and the optical axis 200 is the maximum inclination line of the liquid interface 12. That is, the maximum inclination line of the liquid interface 12 is a straight line connecting between a ridge line passing through the vertex 14a and a ridge line passing through the vertex 14c.

上述の液界面の条件を満たすように、4つの側面における導電性液体10の接触角を設定する。それによって、液界面12の傾斜角φを大きくすることができる。   The contact angles of the conductive liquid 10 on the four side surfaces are set so as to satisfy the above-described liquid interface conditions. Thereby, the inclination angle φ of the liquid interface 12 can be increased.

図8を参照して、本発明による液体プリズムアレイの例を説明する。本例の液体プリズムアレイは、基板110に形成された複数の液体プリズムと、それらを接続する配線109を有する。各液体プリズムは、容器100と電極104a〜104dを有する。容器100の内部には、導電性液体と絶縁性液体が封入されている。全ての液体プリズムにおいて、入射光の方向、屈折角、及び、出射光の方向は同一である。即ち、全ての液体プリズムにおいて、光軸に沿った入射光は、第1面より入射し、所定の屈折角にて屈折し、出射光は、第2面を経由して出射する。   An example of a liquid prism array according to the present invention will be described with reference to FIG. The liquid prism array of this example includes a plurality of liquid prisms formed on the substrate 110 and wiring 109 connecting them. Each liquid prism includes a container 100 and electrodes 104a to 104d. Inside the container 100, a conductive liquid and an insulating liquid are sealed. In all liquid prisms, the direction of incident light, the angle of refraction, and the direction of outgoing light are the same. That is, in all the liquid prisms, incident light along the optical axis is incident from the first surface and refracted at a predetermined refraction angle, and the emitted light is emitted through the second surface.

液体プリズムは、半導体微細加工技術の応用によって、基板110に形成される。従って、容器100のサイズを小さくすることができる。また、駆動部である導電性液体10及び絶縁性液体11の質量を小さくし、液界面12の傾斜角の変化の応答速度を上げることが可能である。本例では、容器100の断面積が小さいため、液体プリズム内に入射する入射光201の光量が小さい。したがって、複数個の液体プリズムを配置すれば、入射光量の総量を大きくすることができる。この場合、全ての液体プリズムの液界面は、同一方向に駆動される。したがって、全ての液体プリズムにおいて、対応する電極には同一の電圧を印加する。全ての液体プリズムへの配線109は図示のように、櫛歯状にすることができる。容器100を同一の基板に形成する場合は、配線109は基板の第1面に形成することが可能である。   The liquid prism is formed on the substrate 110 by application of semiconductor microfabrication technology. Therefore, the size of the container 100 can be reduced. In addition, it is possible to reduce the mass of the conductive liquid 10 and the insulating liquid 11 that are driving units and increase the response speed of the change in the tilt angle of the liquid interface 12. In this example, since the cross-sectional area of the container 100 is small, the amount of incident light 201 incident on the liquid prism is small. Therefore, if a plurality of liquid prisms are arranged, the total amount of incident light can be increased. In this case, the liquid interfaces of all the liquid prisms are driven in the same direction. Accordingly, the same voltage is applied to the corresponding electrodes in all the liquid prisms. The wiring 109 to all the liquid prisms can be comb-shaped as shown in the figure. When the container 100 is formed on the same substrate, the wiring 109 can be formed on the first surface of the substrate.

基板110として単結晶シリコンを用いることができる。単結晶シリコンの場合、ウェットエッチングによって、容器の側面を形成するとき、結晶の界面に沿って容器の側面が形成される。例えば、図2Aに示す断面が菱形の孔を形成することができ、2つの側面の間の頂点角βは、109.5゜となる。   Single crystal silicon can be used for the substrate 110. In the case of single crystal silicon, when the side surface of the container is formed by wet etching, the side surface of the container is formed along the crystal interface. For example, a hole having a diamond shape in cross section shown in FIG. 2A can be formed, and the apex angle β between the two side surfaces is 109.5 °.

図9を参照して本発明による液体プリズムを用いたプロジェクタの構成を示す。本例のプロジェクタは、光源301、垂直走査用液体プリズム302、水平走査用液体プリズム303、及び、それらを収納する筐体300を有する。本例のプロジェクタは、更に、光源と液体プリズムを駆動する駆動回路320、及び、電源321を有する。駆動回路320は、画像データ322を制御信号に変換する画像データ変換回路323、画像信号から変換された出力信号に応じて光源と液体プリズムの駆動信号を出力する制御回路324、制御回路の出力信号に基づいて光源301に駆動電圧を与える光源駆動ドライバ331、制御回路の出力信号に基づいて液体プリズム302、303に駆動電圧を与える液体プリズム駆動ドライバ332、333からなる。   Referring to FIG. 9, the configuration of a projector using a liquid prism according to the present invention is shown. The projector of this example includes a light source 301, a vertical scanning liquid prism 302, a horizontal scanning liquid prism 303, and a housing 300 for housing them. The projector of this example further includes a drive circuit 320 that drives the light source and the liquid prism, and a power source 321. The drive circuit 320 includes an image data conversion circuit 323 that converts the image data 322 into a control signal, a control circuit 324 that outputs a drive signal for the light source and the liquid prism in accordance with an output signal converted from the image signal, and an output signal of the control circuit The light source driving driver 331 for applying a driving voltage to the light source 301 based on the above, and the liquid prism driving drivers 332 and 333 for supplying the driving voltage to the liquid prisms 302 and 303 based on the output signal of the control circuit.

光源301の出射光301aは、垂直走査用液体プリズム302によって垂直方向に走査され、水平走査用液体プリズム303によって水平方向に走査され、スクリーン上をラスタースキャンされる。走査位置に応じた光源301の光量の制御により、画像が形成される。   The emitted light 301a of the light source 301 is scanned in the vertical direction by the vertical scanning liquid prism 302, is scanned in the horizontal direction by the horizontal scanning liquid prism 303, and is raster scanned on the screen. An image is formed by controlling the light amount of the light source 301 in accordance with the scanning position.

光源301には、半導体レーザやLEDなどを用いることができる。特に光源301にLEDを用いた場合、光源から出射される光の拡がり角が大きいため、光源からの光を調整する光学系が必要である。   As the light source 301, a semiconductor laser, an LED, or the like can be used. In particular, when an LED is used as the light source 301, an optical system for adjusting the light from the light source is necessary because the divergence angle of the light emitted from the light source is large.

図10は、光源からの光を調整する光学系の例を示す。本例の光学系は、光源301、集光レンズ304、垂直走査用液体プリズム302、水平走査用液体プリズム303、コリメートレンズ305、及び、筐体300を有する。光源301から出射された光は、集光レンズ304によって集光され、液体プリズム302、303に、それぞれ入射する。液体プリズム302、303から出射した光は、コリメートレンズ305によって拡がり角を絞られ、平行光線となって出射される。   FIG. 10 shows an example of an optical system that adjusts light from a light source. The optical system of this example includes a light source 301, a condensing lens 304, a vertical scanning liquid prism 302, a horizontal scanning liquid prism 303, a collimating lens 305, and a housing 300. The light emitted from the light source 301 is condensed by the condenser lens 304 and enters the liquid prisms 302 and 303, respectively. Light emitted from the liquid prisms 302 and 303 is narrowed by the collimating lens 305 and emitted as parallel rays.

図11を参照して本発明による液体プリズムを用いたプロジェクタの他の例の構成を示す。図10のプロジェクタは単色であるが、本例のプロジェクタはフルカラーを表示可能である。本例のプロジェクタは、赤、緑、青の3色の光源301A、301B、301Cを有する。赤の光源301Aに対して、水平走査用液体プリズム302A、垂直走査用液体プリズム303Aが設けられている。同様に、緑の光源301Bに対して、水平走査用液体プリズム302B、垂直走査用液体プリズム303Bが設けられ、青の光源301Cに対して、水平走査用液体プリズム302C、垂直走査用液体プリズム303Cが設けられている。これらの3色の液体プリズムは、筐体300に収納されている。   Referring to FIG. 11, a configuration of another example of a projector using a liquid prism according to the present invention is shown. Although the projector of FIG. 10 is a single color, the projector of this example can display full color. The projector of this example includes light sources 301A, 301B, and 301C of three colors of red, green, and blue. A horizontal scanning liquid prism 302A and a vertical scanning liquid prism 303A are provided for the red light source 301A. Similarly, a horizontal scanning liquid prism 302B and a vertical scanning liquid prism 303B are provided for the green light source 301B, and a horizontal scanning liquid prism 302C and a vertical scanning liquid prism 303C are provided for the blue light source 301C. Is provided. These three color liquid prisms are housed in a housing 300.

3色の水平走査用液体プリズム302A、302B、302Cにおいて、入射光の方向、屈折角、及び、出射光の方向は同一である。即ち、3色の水平走査用液体プリズムにおいて、光軸に沿った入射光は、第1面より入射し、所定の屈折角にて屈折し、出射光は、第2面を経由して出射する。   In the three-color horizontal scanning liquid prisms 302A, 302B, and 302C, the direction of incident light, the refraction angle, and the direction of outgoing light are the same. That is, in the three-color horizontal scanning liquid prism, the incident light along the optical axis is incident from the first surface, refracted at a predetermined refraction angle, and the emitted light is emitted through the second surface. .

3色の垂直走査用液体プリズム303A、303B、303Cにおいて、入射光の方向、屈折角、及び、出射光の方向は同一である。即ち、3色の垂直走査用液体プリズムにおいて、光軸に沿った入射光は、第1面より入射し、所定の屈折角にて屈折し、出射光は、第2面を経由して出射する。   In the three-color vertical scanning liquid prisms 303A, 303B, and 303C, the direction of incident light, the refraction angle, and the direction of outgoing light are the same. That is, in the three-color vertical scanning liquid prism, incident light along the optical axis is incident from the first surface, refracted at a predetermined refraction angle, and emitted light is emitted through the second surface. .

本例では、3色の光源光からの光が、スクリーン上の一点に照射されるように、光源301A、301B、301Cの波長に応じてそれぞれの液体プリズムの液界面角を調整する。この場合、一般的なラスタースキャンによる光走査で画像を形成する。   In this example, the liquid interface angles of the respective liquid prisms are adjusted according to the wavelengths of the light sources 301A, 301B, and 301C so that light from the light sources of the three colors is irradiated to one point on the screen. In this case, an image is formed by light scanning by general raster scanning.

以上本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者により容易に理解されよう。   The example of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described example, and various modifications can be easily made by those skilled in the art within the scope of the invention described in the claims. Will be understood.

本発明の液体プリズムは、携帯機器の分野において、利用することができる。   The liquid prism of the present invention can be used in the field of portable devices.

本発明による液体プリズムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the liquid prism by this invention. 本発明による液体プリズムの液界面の接触角を説明する図である。It is a figure explaining the contact angle of the liquid interface of the liquid prism by this invention. 本発明による液体プリズムの接触角又は印加電圧と液界面の傾斜角の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the contact angle or applied voltage of the liquid prism by this invention, and the inclination angle of a liquid interface. 本発明による液体プリズムの第2の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 2nd example of the liquid prism by this invention. 本発明による液体プリズムの第3の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 3rd example of the liquid prism by this invention. 本発明による液体プリズムの第4の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 4th example of the liquid prism by this invention. 本発明による液体プリズムの第5の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 5th example of the liquid prism by this invention. 本発明による液体プリズムアレイの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the liquid prism array by this invention. 本発明による液体プリズムを用いたプロジェクタの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the projector using the liquid prism by this invention. 本発明によるプロジェクタの単色の光源装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the monochromatic light source device of the projector by this invention. 本発明によるプロジェクタの3色の光源装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the light source device of 3 colors of the projector by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…導電性液体、11…絶縁性液体、12…液界面、13a…容器の断面の短い対角線、13b…容器の断面の長い対角線、100…容器、103a、103b、103c、103d、103e、103f…側面、104、104a、104b、104c、104d…電極、105…共通電極、106a、106b、106c、106d…絶縁膜、107a、107b、107c、107d…撥水膜、108a、108b、108c、108d…電源、109…配線、200…光軸、201…入射光、202…屈折光、300…筐体、301…光源、301a…光源14の出射光、301A…光源(赤)、301B…光源(緑)、301C…光源(青)、302A…光源(赤)垂直走査用液体プリズム、302B…光源(緑)垂直走査用液体プリズム、302C…光源(青)垂直走査用液体プリズム、303A…光源(赤)水平走査用液体プリズム、303B…光源(緑)水平走査用液体プリズム、303C…光源(青)水平走査用液体プリズム、304…集光レンズ、305…コリメートレンズ、320…駆動回路、321…電源、322…画像データ、323…画像データ変換回路、324…制御回路、331…光源駆動ドライバ、332、333…液体プリズム駆動ドライバ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Conductive liquid, 11 ... Insulating liquid, 12 ... Liquid interface, 13a ... Short diagonal of the cross section of a container, 13b ... Long diagonal of the cross section of a container, 100 ... Container, 103a, 103b, 103c, 103d, 103e, 103f ... Side, 104, 104a, 104b, 104c, 104d ... Electrode, 105 ... Common electrode, 106a, 106b, 106c, 106d ... Insulating film, 107a, 107b, 107c, 107d ... Water repellent film, 108a, 108b, 108c, 108d DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Power supply, 109 ... Wiring, 200 ... Optical axis, 201 ... Incident light, 202 ... Refraction light, 300 ... Housing, 301 ... Light source, 301a ... Light emitted from light source 14, 301A ... Light source (red), 301B ... Light source ( Green), 301C ... Light source (blue), 302A ... Light source (red) vertical scanning liquid prism, 302B ... Light source (green) vertical scanning liquid Prism, 302C ... Light source (blue) vertical scanning liquid prism, 303A ... Light source (red) horizontal scanning liquid prism, 303B ... Light source (green) horizontal scanning liquid prism, 303C ... Light source (blue) horizontal scanning liquid prism, 304 ... Condenser lens, 305 ... Collimator lens, 320 ... Drive circuit, 321 ... Power supply, 322 ... Image data, 323 ... Image data conversion circuit, 324 ... Control circuit, 331 ... Light source drive driver, 332, 333 ... Liquid prism drive driver

Claims (15)

入射光が通過する第1面と該第1面と反対側の出射光が通過する第2面と上記第1面及び第2面の間に配置された少なくとも3つの側面と前記第1面及び第2面を通る光軸とを有する容器と、前記側面の各々の内面に配置された電極と、前記容器に封入され互いに混じり合わず且つ互いに屈折率が異なる導電性液体及び絶縁性液体と、前記側面の各々における前記導電性液体の接触角を変化させるために、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させる電源装置と、を有する液体プリズムにおいて、
前記電源装置は、前記導電性液体と前記絶縁性液体の液界面が平面となり、該液界面の最大傾斜線が、前記容器の角部のうち、互いに最も離れた2つの角部を通るように、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させることを特徴とする液体プリズム。
A first surface through which incident light passes, a second surface through which outgoing light opposite to the first surface passes, at least three side surfaces arranged between the first surface and the second surface, the first surface, A container having an optical axis passing through the second surface; an electrode disposed on each inner surface of the side surface; and a conductive liquid and an insulating liquid which are enclosed in the container and are not mixed with each other and have different refractive indexes; In a liquid prism having a power supply device that changes a potential difference between each of the electrodes and the conductive liquid in order to change a contact angle of the conductive liquid on each of the side surfaces,
In the power supply device, a liquid interface between the conductive liquid and the insulating liquid is a flat surface, and a maximum inclined line of the liquid interface passes through two corners farthest from each other among corners of the container. A liquid prism that changes a potential difference between each of the electrodes and the conductive liquid.
請求項1記載の液体プリズムにおいて、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面は、互いに直交する長軸と短軸を有する4辺形であり、前記液界面の最大傾斜線は、前記四辺形の長軸が通る前記容器の2つの角部を通ることを特徴とする液体プリズム。   2. The liquid prism according to claim 1, wherein a cross section of the container cut by a plane perpendicular to the optical axis is a quadrilateral having a major axis and a minor axis perpendicular to each other, and the maximum inclination line of the liquid interface is A liquid prism characterized by passing through two corners of the container through which the long axis of the quadrilateral passes. 請求項1記載の液体プリズムにおいて、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面は、長軸と短軸を有する菱形であり、前記液界面の最大傾斜線は、前記菱形の長軸が通る前記容器の2つの角部を通ることを特徴とする液体プリズム。   2. The liquid prism according to claim 1, wherein a cross section obtained by cutting the container along a plane perpendicular to the optical axis is a rhombus having a major axis and a minor axis, and a maximum inclination line of the liquid interface is a major axis of the rhombus. A liquid prism, characterized in that it passes through two corners of the container. 請求項3記載の液体プリズムにおいて、前記断面の頂点角の一つが109.5゜であることを特徴とする液体プリズム。   4. The liquid prism according to claim 3, wherein one of the vertex angles of the cross section is 109.5 [deg.]. 請求項3記載の液体プリズムにおいて、前記断面の頂点角の一つが90゜であることを特徴とする液体プリズム。   4. The liquid prism according to claim 3, wherein one of the vertex angles of the cross section is 90 degrees. 請求項1から5に記載の液体プリズムにおいて、前記第1面から前記第2面に向かって前記容器の側面がテーパを有することを特徴とする液体プリズム。   6. The liquid prism according to claim 1, wherein a side surface of the container has a taper from the first surface toward the second surface. 請求項1記載の液体プリズムにおいて、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面は、3角形であり、前記液界面の最大傾斜線は、前記3角形の最も長い辺が通る前記容器の2つの角部を通ることを特徴とする液体プリズム。   2. The liquid prism according to claim 1, wherein a cross section of the container taken along a plane perpendicular to the optical axis is a triangle, and a maximum inclination line of the liquid interface passes through the longest side of the triangle. A liquid prism characterized by passing through the two corners. 請求項1記載の液体プリズムにおいて、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面は、6角形であり、前記液界面の最大傾斜線は、前記6角形の最も長い対角線が通る前記容器の2つの角部を通ることを特徴とする液体プリズム。   2. The liquid prism according to claim 1, wherein a cross section of the container cut by a plane perpendicular to the optical axis is a hexagon, and a maximum inclination line of the liquid interface is the container through which the longest diagonal line of the hexagon passes. A liquid prism characterized by passing through the two corners. 請求項1に記載の液体プリズムにおいて、前記電極の各々の上に所定の電位を有する誘電膜が形成され、前記電極の各々と前記導電性液体の間には、前記電源装置による電位差と前記誘電膜の電位の和の電位差が付与されることを特徴とする液体プリズム。   2. The liquid prism according to claim 1, wherein a dielectric film having a predetermined potential is formed on each of the electrodes, and a potential difference caused by the power supply device and the dielectric between each of the electrodes and the conductive liquid. A liquid prism characterized by being provided with a potential difference that is the sum of the potentials of the membrane. 請求項9に記載の液体プリズムにおいて、前記誘電膜は、エレクトレットにより構成され、前記誘電膜の電位は全て等しいことを特徴とする液体プリズム。   10. The liquid prism according to claim 9, wherein the dielectric film is formed of an electret, and the potentials of the dielectric films are all equal. 請求項9に記載の液体プリズムにおいて、前記電源装置による電位差がゼロのとき、前記側面に対する前記導電性液体の接触角が90゜となることを特徴とする液体プリズム。   10. The liquid prism according to claim 9, wherein a contact angle of the conductive liquid with respect to the side surface is 90 ° when a potential difference by the power supply device is zero. 基板と、該基板に形成された複数の液体プリズムと、前記基板に形成された配線と、を有する液体プリズムアレイにおいて、
前記液体プリズムの各々は、入射光が通過する第1面と該第1面と反対側の出射光が通過する第2面と上記第1面及び第2面の間に配置された少なくとも3つの側面と前記第1面及び第2面を通る光軸を有する容器と、前記側面の各々の内面に配置された電極と、前記容器に封入され互いに混じり合わず且つ互いに屈折率が異なる導電性液体及び絶縁性液体と、前記側面の各々における前記導電性液体の接触角を変化させるために、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させる電源装置と、を有し、
前記電源装置は、前記導電性液体と前記絶縁性液体の液界面が平面となり、該液界面の最大傾斜線が、前記容器の角部のうち、互いに最も離れた2つの角部を通るように、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させることを特徴とする液体プリズムアレイ。
In a liquid prism array having a substrate, a plurality of liquid prisms formed on the substrate, and wiring formed on the substrate,
Each of the liquid prisms includes at least three surfaces disposed between a first surface through which incident light passes, a second surface through which outgoing light on the opposite side of the first surface passes, and the first and second surfaces. A container having an optical axis passing through a side surface, the first surface and the second surface; an electrode disposed on each inner surface of the side surface; and a conductive liquid which is enclosed in the container and does not mix with each other and has a different refractive index. And an insulating liquid, and a power supply device that changes a potential difference between each of the electrodes and the conductive liquid in order to change a contact angle of the conductive liquid on each of the side surfaces,
In the power supply device, a liquid interface between the conductive liquid and the insulating liquid is a flat surface, and a maximum inclined line of the liquid interface passes through two corners farthest from each other among corners of the container. A liquid prism array that changes a potential difference between each of the electrodes and the conductive liquid.
請求項12に記載の液体プリズムアレイにおいて、前記基板は単結晶シリコンによって形成され、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面の頂点角の一つが109.5゜であることを特徴とする液体プリズムアレイ。   13. The liquid prism array according to claim 12, wherein the substrate is made of single crystal silicon, and one of the vertex angles of a cross section obtained by cutting the container along a plane perpendicular to the optical axis is 109.5 °. Liquid prism array. 複数の光源と、前記光源の各々に設けられた水平走査用液体プリズム及び垂直走査用液体プリズムと、を有するプロジェクタにおいて、
前記液体プリズムの各々は、入射光が通過する第1面と該第1面と反対側の出射光が通過する第2面と上記第1面及び第2面の間に配置された少なくとも3つの側面からなる容器と、前記側面の各々の内面に配置された電極と、前記容器に封入され互いに混じり合わず且つ互いに屈折率が異なる導電性液体及び絶縁性液体と、前記側面の各々における前記導電性液体の接触角を変化させるために、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させる電源装置と、を有し、
前記電源装置は、前記導電性液体と前記絶縁性液体の液界面が平面となり、該液界面の最大傾斜線が、前記容器の角部のうち、互いに最も離れた2つの角部を通るように、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させることを特徴とするプロジェクタ。
In a projector having a plurality of light sources, and a horizontal scanning liquid prism and a vertical scanning liquid prism provided in each of the light sources,
Each of the liquid prisms includes at least three surfaces disposed between a first surface through which incident light passes, a second surface through which outgoing light on the opposite side of the first surface passes, and the first and second surfaces. A container composed of a side surface; an electrode disposed on an inner surface of each of the side surfaces; a conductive liquid and an insulating liquid which are sealed in the container and are not mixed with each other and have different refractive indexes; A power supply device that changes a potential difference between each of the electrodes and the conductive liquid to change a contact angle of the conductive liquid;
In the power supply device, a liquid interface between the conductive liquid and the insulating liquid is a flat surface, and a maximum inclined line of the liquid interface passes through two corners farthest from each other among corners of the container. A projector that changes a potential difference between each of the electrodes and the conductive liquid.
請求項14に記載のプロジェクタにおいて、前記液体プリズムからの出射光の方向が全て同一となるように、前記複数の光源からの光を走査することを特徴とするプロジェクタ。   The projector according to claim 14, wherein the light from the plurality of light sources is scanned so that the directions of the light emitted from the liquid prism are all the same.
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