JP2011085787A - 可変照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型を実現しつつ所望の光配向特性を有するエレクトロウエッティング現象を利用した可変照明装置を提供すること。
【解決手段】可変照明装置１は、液体レンズ素子１４０と、光源１０と、反射板２０と、光学部材２４０とを具備する。液体レンズ素子１４０は、第１の基板１４１と、第２の基板１４２と、第１、第２の基板の間に配置され液室１４８を形成する第３の基板１４３と、液室１４８の内部に収容された屈折率の異なる２液の界面で形成され電気的に変形可能な複数のレンズ面１５１とを有する。光源１０は、液体レンズ素子１４０に対して光を照射する。反射板２０は、光源１０を収容し、光源１０から出射される光を反射し平行光として液体レンズ素子１４０に入射させる。光学部材２４０は、光源１０から出射され平行光と平行でない光を平行光として出射し、光源１０と液体レンズ素子１４０との間に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトロウェッティング現象を利用した可変照明装置に関する。

出射する光の配向を可変させる可変照明装置として、例えばエレクトロウェッティング現象を利用して広範囲の被写体に対してフラッシュ照射できるフラッシュ装置がある。（例えば、特許文献１参照。）。このフラッシュ装置は、印加電圧を制御することにより形状が変化する２つの屈折率の異なる液体の界面（レンズ面）を備える液体レンズ素子と光源とを備えている。このようなフラッシュ装置において、フラッシュ装置の薄型化を実現するために、液体レンズ素子のレンズ面を複数設けることにより１つ１つのレンズ面の高さを低くし、１つのレンズ面を備える液体レンズ素子よりも薄い液体レンズ素子を構成することが考えられる。

特開２００８−１８０９１９号公報（段落[００２３]）

しかしながら、１つの光源に対して複数のレンズ面を設ける場合、光源から出射される光の光軸付近の光量が少なくなり、所望の光配向特性を得ることができない。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、薄型を実現しつつ所望の光配向特性を有するエレクトロウェッティング現象を利用した可変照明装置を提供することにある。

本発明の一形態に係る可変照明装置は、液体レンズ素子と、光源と、反射板と、光学部材とを具備する。前記液体レンズ素子は、第１の基板と、第２の基板と、前記第１、第２の基板の間に配置され液室を形成する第３の基板と、前記液室の内部に収容された屈折率の異なる２液の界面で形成され電気的に変形可能な複数のレンズ面とを有する。前記光源は、前記液体レンズ素子に対して光を照射する。前記反射板は、前記光源を収容し、前記光源から出射される光を反射し平行光として前記液体レンズ素子に入射させる。前記光学部材は、前記光源から出射され前記平行光と平行でない光を平行光として出射し、前記光源と前記液体レンズ素子との間に配置される。

この構成によれば、光学部材を設けることにより、光源から出射される光のうち反射板で反射せず平行光と平行でない光を平行光とすることができる。従って、光源の光軸付近の光の光量を、光学部材を設けない場合と比較して、増加させることができ、液体レンズ素子を透過した光に所望の光配向特性を持たせることができる。また、複数のレンズ面を設けることにより、１つのレンズ面を設ける場合と比較して、薄型化が可能となる。また、光学部材を設けることにより、光源が１つであっても、液体レンズ素子を透過する光に、複数のレンズ面それぞれに対応して光源が１つずつ配置されるのと同等な光配向特性を持たせることができる。

前記光源、前記光学部材及び前記レンズ面は、それぞれの長手方向が互いに平行な線形状を有していてもよい。このように、線形状の光源を用いる場合、光学部材及びレンズ面も線形状とすることができる。

前記複数のレンズ面は、前記第２の基板面と平行な面内に前記長手方向と直交する方向に配列されていてもよい。このように、長手方向と直交する方向に複数のレンズ面を配列することができる。

前記光学部材は凸レンズでもよい。このように、光学部材として、光源から入射された光を平行光とする凸レンズを用いることができる。

前記凸レンズはシリンドリカルレンズでもよい。このように長手方向を有するシリンドリカルレンズを用いることができる。

前記液体レンズ素子は２つの前記レンズ面を有し、前記光源は１つであり、前記光源及び前記光学部材は、隣り合う２つの前記レンズ面の境界に対応して配置されていてもよい。このように、レンズ面を２つ、光源を１つ設ける場合、２つのレンズ面の境界に光源からの光の光軸が位置するように配置され、更に、２つのレンズ面の境界に対応してシリンドリカルレンズを配置することができる。これにより、光源が１つであっても、液体レンズ素子を透過する光に、２つのレンズ面それぞれに対応して光源が１つずつ計２つ配置されるのと同等な光配向特性を持たせることができる。

以上のように、本発明によれば、所望の光配向特性を得ることが可能な可変照明装置を提供することが可能である。

第１の実施形態に係るフラッシュ装置の概略断面図である。 図１のフラッシュ装置を構成する液体レンズ素子の概略平面図である。 図１のフラッシュ装置の電圧無印加状態、電圧印加状態の概略断面図及び比較例としてのフラッシュ装置の概略断面図である。 図１のフラッシュ装置の電圧無印加状態、電圧印加状態における光学特性を示す図である。 第２の実施形態に係るフラッシュ装置の概略断面図である。 第３の実施形態に係るフラッシュ装置の概略断面図である。

（第１の実施形態）

以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態に係る可変照明装置としてのフラッシュ装置の概略断面図である。図２は、フラッシュ装置を構成する液体レンズ素子の概略平面図である。

図１及び図２に示すように、エレクトロウェッティング現象を利用したフラッシュ装置１は、光源１０と、反射板としてのリフレクタ２０と、レンズ素子４０とを備える。

光源１０は、線状の直径１〜２ｍｍの円筒形の閃光放電管（キセノン管）である。キセノン管１０は、隣り合う２つのレンズ面１５１の境界に対応して配置され、キセノン管１０からレンズ素子４０に出射される光の光軸１１（ｚ軸に平行）に２つのレンズ面１５１の境界が位置するように配置される。

リフレクタ２０は、キセノン管１０を収容し、キセノン管１０から出射される光を反射させ絞って平行光として、レンズ素子４０に対して照射するものである。線状のリフレクタ１０は、その断面が半楕円弧形状や放物線形状を有し、キセノン管１０から出射される光を絞るように、例えば放物線の焦点にキセノン管１０が位置するように配置される。リフレクタ２０は、例えばアルミニウム等の高反射率を有する部材から形成される。リフレクタ２０は、キセノン管１０から出射される光を反射させ平行光としてレンズ素子４０に対して出射するものである。

レンズ素子４０は、液体レンズ素子１４０と、光学部材としてのシリンドリカルレンズ２４０とを備えている。

液体レンズ素子１４０は、第１の基板１４１、第２の基板１４２、第３の基板としてのキャビティ基板１４３及び封止部材１４４を有し、その内部に第１の液体１４５及び第２の液体１４６が収容される。

液体レンズ素子１４０は、第１の基板１４１、キャビティ基板１４３、第２の基板１４２の順で積層され、キャビティ基板１４３に形成された貫通孔１４７と、第１の基板１４１及び第２の基板１４２とで形成される空間が液室１４８となる。第１の液体１４５及び第２の液体１４６は液室１４８に収容される。封止部材１４４はその平面形状が環状で、第１の液体１４５及び第２の液体１４６を液体レンズ素子１４０内に封止することが可能な位置に配置される。

本実施形態に係る液体レンズ素子１４０は、エレクトロウェッティング効果による光学特性を発現することが可能に構成される。尚、液体レンズ素子１４０の構成は以下に示すものに限定されない。

第１の基板１４１及び第２の基板１４２は、液室１４８を形成すると共に、液体レンズ素子１４０への入射光あるいは液体レンズ素子１４０からの出射光の経路となる。第１の基板１４１及び第２の基板１４２をガラス、アクリル樹脂等の透明度が高い素材で形成することにより、入射光あるいは出射光強度の損失を低減することが可能である。第２の基板１４２の液室１４８側の面には、第１の液体１４５と接触する第２の電極１５２が形成され、第２の電極１５２は図示しない外部電源と接続されている。

キャビティ基板１４３は、液室１４８の隔壁として機能する。キャビティ基板１４３には、複数の、本実施形態においては２つの貫通孔１４７が形成されている。キャビティ基板１４３は、合成樹脂、金属、ガラス、セラミックス等の材料から形成される。キャビティ基板１４３の、液室１４８側の面には、第１の電極１４９が形成され、第１の電極１４９の上層には絶縁層１５０が形成される。第１の電極１４９は図示しない外部電源と接続されている。

封止部材１４４は、キャビティ基板１４３と第１の基板１４１の間に配置される。封止部材１４４は、キャビティ基板１４３の貫通孔１４７の周縁部あるいは、貫通孔１４７と別に形成された封止部材用溝等に配置されてもよい。封止部材１４４は、第１の液体１４５及び第２の液体１４６を封止することが可能なように、エラストマー、金属、合成樹脂等の材料から形成される。封止部材１４４の断面形状は、円形、Ｖ字形、矩形等から適宜選択可能である。

第１の電極１４９はスパッタリング法等により形成された、酸化スズ、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等からなる透明な薄膜である。絶縁層１５０は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成されたパリレン（パラキシリレン系樹脂）、無機材料等からなる撥水性を有する薄膜である。

第１の液体１４５は導電性あるいは有極性の液体である。有極性の液体材料としては、たとえば純水などを用いることができる。導電性の液体材料としては、塩を溶かした水溶液などを用いることができる。第１の液体１４５として、広い温度範囲で安定に液体として存在する液体を選定することが望ましく、本実施形態に係る第１の液体１４５として、塩化リチウム水溶液（２０ｗｔ％）を用いた。

第２の液体１４６は絶縁性の液体又は無極性の液体である。無極性の液体材料としてはヘキサンなどを用いることができる。絶縁性の液体としては、例えばシリコーンオイルなどを用いることができる。本実施形態に係る第２の液体１４６として、第１の液体１４５との屈折率差を大きくするため、高屈折率材料であるシリコーンオイルを用いた。

第１の液体１４５と第２の液体１４６は、混和しない液体材料を選定する必要がある。また、安定な液体レンズ素子を提供するため、第１の液体１４５と第２の液体１４６の比重を同じにすることが望ましい。更に、第１の液体１４５及び第２の液体１４６は可変光学部材として使用するため、透明で粘度の小さな液体材料であることが望ましい。

本実施形態の液体レンズ素子１４０は、第１の液体１４５と第２の液体１４６の２液の界面で形成された２つのレンズ面１５１を有している。２つのレンズ面１５１は、線形状を有し、その長手方向はキセノン管１０の長手方向と平行となっている。２つのレンズ面１５１は、第２の基板１４２の面と平行な面内にその長手方向と直交する方向に配列されている。２つのレンズ面１５１は、第１の電極１４９及び第２の電極１５２による電圧制御により電気的に変形可能となっている。

凸レンズであるシリンドリカルレンズ２４０は線形状を有し、その長手方向がキセノン管１０及びレンズ面１５１それぞれの長手方向と平行となるように配置されている。シリンドリカルレンズ２４０は、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等の透明有機部材からなり、正の焦点距離を持つ。シリンドリカルレンズ２４０は、第２の基板１４２上に、２つの隣り合うレンズ面１５１の境界に対応して、固定配置される。言い換えると、液室１４８内を複数の領域に区分けするキャビティ基板１４３の隔壁に対応して配置される。シリンドリカルレンズ２４０は、キセノン管１０と液体レンズ素子１４０との間に配置される。キセノン管１０及びシリンドリカルレンズ２４０はそれぞれ２つのレンズ面１５１の境界に対応して配置される。

シリンドリカルレンズ２４０は、その断面の直径がキセノン管１０の直径とほぼ同等かそれ以下とすることができる。これにより、キセノン管１０から出射され、リフレクタ２０を反射しない、平行光と平行でない光は、シリンドリカルレンズ２４０を透過することによって平行光となって出射し、液体レンズ素子１４０に入射される。例えばシリンドリカルレンズ２４０の断面の直径が、キセノン管１０の直径よりも大きいと、リフレクタ２０に反射して平行光となった光がシリンドリカルレンズ２４０を透過し、平行光に対して斜めの光となってしまい、所望の光学特性が得られにくい。

上述のように構成された液体レンズ素子１４０は、次のように動作する。以下、図３及び図４を用いて説明する。

図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態におけるフラッシュ装置の概略断面図である。図３（ａ）は液体レンズ素子１４０に電圧を印加していない状態、図３（ｂ）は液体レンズ素子１４０に電圧を印加した状態を示す。図３（ｃ）は、比較例としてのフラッシュ装置１００１の概略断面図であり、図３（ａ）、（ｂ）で示した本実施形態に係るレンズ素子４０のシリンドリカルレンズ２４０を除いた形態となっており、その他の構成は本実施形態と同様である。尚、図３（ｃ）において、図３（ａ）、（ｂ）と同様の構成には同様の符合を付した。また、図３において、図面を見やすくするために、第１の電極１４９、第２の電極１５２及び絶縁層１５０についてはそれらの図示を省略している。

図４は、図３（ａ）、図３（ｂ）で示したフラッシュ装置の光配向特性を示し、図３（ａ）、（ｂ）それぞれに示すフラッシュ装置の光配向特性は、それぞれ順に実線ａ、ｂとして示される。図４において、縦軸は、キセノン管から出射されレンズ素子４０又は液体レンズ素子１４０を通過した出射光の光量を示す。横軸は、キセノン管１０から出射されレンズ素子４０又は液体レンズ素子１４０を通過した出射光の第１の基板に対する角度、すなわち出射角を示す。

図３（ａ）に示すように、電圧無印加状態では、第１の液体１４５及び第２の液体１４６は、２液間及びそれぞれと（撥水性である）絶縁層１５０の間の界面張力により、例えば曲面状の２液界面１５１（レンズ面）を形成する。第１の液体１４５と第２の液体１４６の絶対屈折率が異なるため、液体レンズ素子１４０に入射した光は、当該２液界面１５１でのレンズ効果を受け屈折する。電圧無印加状態では、図４に示す実線ａに示すように、フラッシュ装置１から出射される光は広い配光特性を有する。

キャビティ基板１４３に形成された第１の電極１４９に、外部電源により電圧を印加することによって、第１の液体１４５及び第１の電極１４９に電荷が蓄積する。この電荷が引き合うことによって、第１の液体１４５と第１の電極１４９上に配置されている絶縁層１５０の間の界面張力が変化し、図３（ｂ）に示すように、２液界面１５１の形状が変化する（エレクトロウェッティング効果）。電圧印加状態では、キセノン管１０から出射されて、リフレクタ２０及びシリンドリカルレンズ２４０により平行光となった光は、そのまま平行光として液体レンズ素子１４０を通過、出射される。図４の実線ｂに示すように、フラッシュ装置１から出射される光は狭い配光特性を有する、言い換えれば、電圧印加により光を絞ることができる。このように、電圧印加により光配向特性が変化するレンズ面１５１を得ることができる。

図３（ｃ）に示す、シリンドリカルレンズが設けられていないフラッシュ装置の場合、シリンドリカルレンズが設けられた場合と比較して、キセノン管１０から出射され液体レンズ素子１４０を通過する出射光のうち、出射角が０度付近の光は、その光量が少なくなる。すなわち、キセノン管１０から出射され第２の基板１４２に入射される光にはリフレクタ２０に反射せず平行光と平行でない光があるため、第２の基板１４２の基板面と垂直なｚ軸と平行な光軸１１付近の光の光量が少なくなる。従って、キセノン管１０の光軸１１に沿って配置される２つのレンズ面１５１の境界付近に入射される光が少なくなり、液体レンズ素子１４０を通過した光のうち出射角が０度付近の光の光量が少なくなる。これに対し、本実施形態におけるレンズ素子４０は、キセノン管１０の光軸１１に対応してシリンドリカルレンズ２４０を設けているので、キセノン管１０から出射され、リフレクタ２０に反射しない平行光と平行でない光は、シリンドリカルレンズ２４０によって平行光となる。これにより、キセノン管１０から出射される光の光軸１１付近の光量を十分に確保でき、所望の光配向特性を得ることができる。

このように、本実施形態においては、出射される光の光軸１１に対応してシリンドリカルレンズ２４０を配置することにより、あたかも２つのレンズ面１５１それぞれに対応してキセノン管１０が１つずつ計２つ設けられた場合の光配向特性とほぼ同等の光配向特性を得ることができる。

（第２の実施形態）

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。

以下、第２の実施形態について、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

図５は、本実施形態に係るフラッシュ装置２００１を示す断面図である。

本実施形態においては、キャビティ基板２１４３の形状が異なる点で第１の実施形態と異なる。

本実施形態におけるフラッシュ装置２００１は、光源１０と、反射板としてのリフレクタ２０と、レンズ素子２０４０とを備える。

レンズ素子２０４０は、液体レンズ素子２１４０と、光学部材としてのシリンドリカルレンズ２４０とを備えている。

液体レンズ素子２１４０は、第１の基板１４１、第２の基板１４２、第３の基板としてのキャビティ基板２１４３及び封止部材１４４を有し、その内部に第１の液体１４５及び第２の液体１４６が収容される。

液体レンズ素子２１４０は、第１の基板１４１、キャビティ基板２１４３、第２の基板１４２の順で積層され、キャビティ基板２１４３に形成された貫通孔２１４７と、第１の基板１４１及び第２の基板１４２とで形成される空間が液室１４８となる。第１の液体１４５及び第２の液体１４６は液室１４８に収容される。

キャビティ基板２１４３は、液室１４８の隔壁として機能する。キャビティ基板２１４３には、複数の、本実施形態においては２つの貫通孔２１４７が形成されている。キャビティ基板２１４３は、合成樹脂、金属、ガラス、セラミックス等の材料から形成される。キャビティ基板２１４３の、液室１４８側の面には、第１の電極１４９が形成され、第１の電極１４９の上層には絶縁層１５０が形成される。第１の電極１４９は図示しない外部電源と接続されている。キャビティ基板２１４３の基板周縁部に沿って形成された隔壁は、図５に示すように、第２の基板１４２から第１の基板１４１に向かって液室１４８の開口が広がるようにテーパー状に設けられている。テーパーは、第２の基板１４２に対して垂直な平面に対して５〜１０°の角度のテーパー角θを有している。

第１の実施形態においては、キャビティ基板２１４３の基板周縁部に沿って形成された隔壁は、第１の基板１４１及び第２の基板１４２に対して垂直に設けられている。これにより、球面レンズ面を有する状態の液体レンズ素子１４０の光軸は、キセノン管１０から出射されレンズ素子２０４０に対して垂直に入射される光の光軸１１と平行となる。これに対し、第２の実施形態のようにキャビィティ基板２１４３にテーパーを設ける場合では、球面レンズ面を有する状態の液体レンズ素子２１４０の光軸３０は、光軸１１に対して外側に広がるように斜めとなっている。このため、液体レンズ素子２１４０を透過する光は、第１の実施形態における液体レンズ素子１４０を透過する光と比較して、外側に広がるような光配向特性を有する。

（第３の実施形態）

本発明の第３の実施形態を説明する。

以下、第３の実施形態について、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

図６は、本実施形態に係るフラッシュ装置３００１を示す断面図である。

本実施形態においては、第１の実施形態とキャビティ基板２１４３の形状が異なる。第１の実施形態ではレンズ面１５１が２つあるのに対して、本実施形態では３つのレンズ面３１５１を有する点で第１の実施形態と異なる。

本実施形態におけるフラッシュ装置３００１は、光源１０と、反射板としてのリフレクタ２０と、レンズ素子３０４０とを備える。

レンズ素子３０４０は、液体レンズ素子３１４０と、光学部材としてのシリンドリカルレンズ２４０とを備えている。

液体レンズ素子３１４０は、第１の基板１４１、第２の基板１４２、第３の基板としてのキャビティ基板３１４３及び封止部材１４４を有し、その内部に第１の液体１４５及び第２の液体１４６が収容される。

液体レンズ素子３１４０は、第１の基板１４１、キャビティ基板３１４３、第２の基板１４２の順で積層され、キャビティ基板３１４３に形成された貫通孔３１４７と、第１の基板１４１及び第２の基板１４２とで形成される空間が液室１４８となる。第１の液体１４５及び第２の液体１４６は液室１４８に収容される。

キャビティ基板３１４３は、液室１４８の隔壁として機能する。キャビティ基板３１４３には、複数の、本実施形態においては、３つの貫通孔３１４７が形成されている。キャビティ基板３１４３は、合成樹脂、金属、ガラス、セラミックス等の材料から形成される。キャビティ基板３１４３の、液室１４８側の面には、第１の電極１４９が形成され、第１の電極１４９の上層には絶縁層１５０が形成される。第１の電極１４９は図示しない外部電源と接続されている。

このようにレンズ面３１５１を３つ設ける場合においても、キセノン管１１から出射される光の光軸１１に対応してシリンドリカルレンズ２４０を配置することにより、あたかも３つのレンズ面３１５１それぞれに対応してキセノン管１０が１つずつ計３つ設けられた場合の光学特性とほぼ同等の光学特性を得ることができる。

上述の実施形態においては、光源として線形状のキセノン管を用いたが、点形状のＬＥＤ（発光ダイオード）を用いても良い。

また、上述の実施形態においては、複数の各レンズ面１５１、３１５１を構成する第１の液体１４５が互いに連通可能にキャビティ基板１４３、２１４３、３１４３の隔壁が形成されている。しかし、複数のレンズ面１５１を構成する液体が互いに連通しないように各レンズ面１５１を区分けするようにキャビティ基板１４３、２１４３、３１４３の隔壁を形成してもよい。

１０…光源
２０…リフレクタ
１４０、２１４０、３１４０…液体レンズ素子
１４１…第１の基板
１４２…第２の基板
１４３、２１４３、３１４３…キャビティ基板
１４５…第１の液体
１４６…第２の液体
１４８…液室
１５１、３１５１…レンズ面
２４０…シリンドリカルレンズ

Claims (6)

1. 第１の基板と、第２の基板と、前記第１、第２の基板の間に配置され液室を形成する第３の基板と、前記液室の内部に収容された屈折率の異なる２液の界面で形成され電気的に変形可能な複数のレンズ面とを有する液体レンズ素子と、
   前記液体レンズ素子に対して光を照射する光源と、
   前記光源を収容し、前記光源から出射される光を反射し平行光として前記液体レンズ素子に入射させる反射板と、
   前記光源から出射され前記平行光と平行でない光を平行光として出射する、前記光源と前記液体レンズ素子との間に配置された光学部材と
   を具備する可変照明装置。
2. 請求項１に記載の可変照明装置であって、
   前記光源、前記光学部材及び前記レンズ面は、それぞれの長手方向が互いに平行な線形状を有する可変照明装置。
3. 請求項２に記載の可変照明装置であって、
   前記複数のレンズ面は、前記第２の基板面と平行な面内に前記長手方向と直交する方向に配列されている可変照明装置。
4. 請求項３に記載の可変照明装置であって、
   前記光学部材は凸レンズである可変照明装置。
5. 請求項４に記載の可変照明装置であって、
   前記凸レンズはシリンドリカルレンズである可変照明装置。
6. 請求項５に記載の可変照明装置であって、
   前記液体レンズ素子は２つの前記レンズ面を有し、
   前記光源は１つであり、
   前記光源及び前記光学部材は、隣り合う２つの前記レンズ面の境界に対応して配置される可変照明装置。

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