JP2011090054A - 可変光学素子、液体レンズアレイ素子、可変照明装置及び２次元／３次元画像切替表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エレクトロウェッティング現象を利用した可変光学素子において、例えば繰り返し動作の安定性、高温／低温保存の安定性、長期保存時の安定性等を向上させ、信頼性を向上させることである。
【解決手段】可変光学素子は、第１及び第２光透過性部材１０，３１と、それらの間に設けられた液体収容室４１と、液体収容室４１に収容された絶縁性の第１液体１１と、液体収容室４１に収容された導電性の第２液体１２とを備える。さらに、可変光学素子は、第１電極２２と、第２電極３２と、第１絶縁膜２３と、第２絶縁膜２４とを備える構成とする。そして、第２絶縁膜２４を、液体収容室４１を画成する側壁２１ａ，２１ｂの第２光透過性部材３１側の端面上に形成し、その表面を第１液体１１より第２液体１２に対して親和性を高くする。
【選択図】図２

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光学素子、液体レンズアレイ素子、可変照明装置、及び、２次元／３次元画像切替表示装置に関する。

近年、エレクトロウェッティング現象（電気毛管現象）を用いた種々の光学素子及びそれを備えた光学装置が提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。なお、エレクトロウェッティング現象は、例えば水等の導電性液体に電圧を印加すると、液体の界面張力が変化して、その界面が移動する現象である。

非特許文献１には、エレクトロウェッティング現象を利用した液体レンズが提案されている。非特許文献１に記載の液体レンズでは、液体に印加する電圧に応じて液体の界面形状を変化させ、レンズ効果をオン・オフ制御している。

また、特許文献１には、エレクトロウェッティング現象を利用した液体レンズを複数並べて（アレイ化して）構成したストロボ装置が提案されている。

特開２０００−３５６７０８号公報

"Liquid Lens Technology: Principle of Electrowetting Based Lenses and Applications to Imaging" B.Berge, Proc. of IEEE Int’ 1 Conf. of MEMS 2005, pp.227-230

上述したエレクトロウェッティング現象を利用した光学素子は、一般に、導電性液体に電圧を印加するための一対の電極を備え、一方の電極の液体側には撥水性絶縁膜が形成され、他方の電極は直接、導電性液体に接触する構成となっている。そして、一対の電極間に電圧を印加することにより、撥水性絶縁膜の導電性液体に対する濡れ性（親和性）を変化させることにより、導電性液体の変形を促し、所望の特性を得る。

図１５に、従来のエレクトロウェッティング現象を利用した光学素子をアレイ化して構成した照明装置の一般的な構成例を示す。照明装置３００は、発光部２と、発光部２の光射出側に配置された液体レンズ部３０１とを備える。発光部２は、主に、光源４と、反射板５とで構成される。

また、図１５には、液体レンズ部３０１内に、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂ（可変光学素子）を設ける例を示す。なお、各液体レンズは、第１液体１１と、第１液体１１と混和せず且つ第１液体と屈折率の異なる第２液体１２とで構成され、両者の界面でレンズ効果を得る構成になっている。

ここで、液体レンズ部３０１の構成を、図１６（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。なお、図１６（ａ）は、液体レンズ部３０１の発光部２側から見た側面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）中のＣ−Ｃ断面図である。

液体レンズ部３０１は、主に、光透過性を有する第１基材１０と、液体収容部３０２と、第２基材部３０と、封止部材４０と、液体収容部３０２に封入された絶縁性の第１液体１１及び導電性の第２液体１２とで構成される。なお、本実施形態では、液体収容部３０２の一方の表面には、第１基材１０が設けられ、他方の表面には、封止部材４０を介して第２基材部３０が設けられる。そして、液体レンズ部３０１内部には、２つの液体収容室４１及び４２が形成（画成）されており、各液体収容室には、第１液体１１が第１基材１０側に配置され、第２液体１２が第２基材部３０側に配置される。

液体収容部３０２は、２つの貫通穴が形成された液体収容部材２１と、その貫通穴の壁面上に形成された第１電極２２と、第１電極２２上に形成された撥水性の絶縁膜２３とを備える。なお、図１６（ｂ）に示す例では、液体収容室を分離する隔壁部２１ａと液体収容部３０２の側壁を形成する側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上にも、絶縁膜２３を形成する例を考える。

本発明者らが、上記構成の液体レンズ部３０１に対して種々の検証実験を行ったところ、例えば静置した状態で長期保存または高温下保存した場合や、振動を伴ったような状態で長期保存または高温下保存した場合、次のような問題が生じることが分かった。上記状況下に液体レンズ部３０１を置くと、液体収容室内の第１液体１１に穴が開いたような状態なり、さらに、その穴が塞がらない現象が発生することが分かった。すなわち、液体レンズ部３０１を上記状況下に置くことにより、液体レンズ部３０１に不可逆的で且つ致命的なダメージが与えられることが分かった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、エレクトロウェッティング現象を利用した可変光学素子及びそれを用いた種々の光学装置において、上述した現象を防止し、例えば繰り返し動作の安定性、高温／低温保存の安定性、長期保存時の安定性等を向上させ、信頼性の向上を図ることである。

上記課題を解決するために、本発明の可変光学素子は、第１及び第２光透過性部材と、有底の液体収容室と、第１液体と、第２液体と、第１及び第２電極と、第１絶縁膜と、第２絶縁膜とを備える構成とし、各部の構成及び配置関係は次のようにする。液体収容室は、第１及び第２光透過性部材の間に設けられ、開口部が前記第２光透過性部材と対向する。第１液体は、液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する。第２液体は、液体収容室に収容され、第１液体と混合せず、光透過性を有し、第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する。第１及び第２電極は、液体収容室を画成する側壁の側面上、及び、第２光透過性部材の第２液体側にそれぞれ設けられ、第２液体に電圧を印加する。第１絶縁膜は、第１電極上に形成され、表面が第２液体より第１液体に対して高い親和性を有する。そして、第２絶縁膜は、液体収容室を画成する側壁の第２光透過性部材側の端面上に形成され、表面が第１液体より第２液体に対して高い親和性を有する。

また、本発明の液体レンズアレイ素子は、第１及び第２光透過性部材と、有底の複数の液体収容室と、第１液体と、第２液体と、第１及び第２電極と、第１絶縁膜と、第２絶縁膜とを備える構成とし、各部の構成及び配置関係は次のようにする。複数の液体収容室は、第１及び第２光透過性部材の間に並列配置して設けられ、開口部が第２光透過性部材と対向する。第１液体は、各液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する。第２液体は、各液体収容室に収容され、第１液体と混合せず、光透過性を有し、第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する。第１及び第２電極は、各液体収容室を画成する側壁の側面上、及び、第２光透過性部材の第２液体側にそれぞれ設けられ、第２液体に電圧を印加する。第１絶縁膜は、第１電極上に形成され、表面が第２液体より第１液体に対して高い親和性を有する。そして、第２絶縁膜は、各液体収容室を画成する側壁の第２光透過性部材側の端面上に形成され、表面が第１液体より第２液体に対して高い親和性を有する。

また、本発明の可変照明装置は、上記本発明の液体レンズアレイ素子と、液体レンズアレイ素子の第２液体側に配置され、液体レンズアレイ素子に光を出射する発光部とを備える構成とする。

さらに、本発明の２次元／３次元画像切替表示装置は、上記本発明の液体レンズアレイ素子と、液体レンズアレイ素子の第２液体側に配置された表示パネル表示パネルと、液体レンズアレイ素子の第１液体側に配置された固定レンズアレイ部とを備える構成とする。そして、固定レンズアレイ部は、複数の液体収容室とそれぞれ対向する位置に配置され、且つ、２次元画像表示時の第１液体及び第２液体間の界面における負の屈折力を相殺する正の屈折力を有する複数の固定焦点レンズで構成する。

上述のように、本発明では、液体収容室を画成する側壁部の第２光透過性部材側の端面に、第１液体より第２液体に対して高い親和性を有する第２絶縁膜を形成する。本発明によれば、この特徴により、エレクトロウェッティング現象を利用した可変光学素子及びそれを用いた種々の光学装置において、例えば繰り返し動作の安定性、高温／低温保存の安定性、長期保存時の安定性等を向上させ、信頼性の向上を図ることができる。なお、この効果が得られる原理については後で詳述する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る照明装置の概略構成図である。 図２（ａ）は、第１の実施形態の照明装置における液体レンズ部の発光部側から見た概略側面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。 図３は、第１の実施形態における液体レンズ部の親水化処理の手法を説明するための図である。 図４（ａ）は、第１の実施形態の液体収容部材の発光部側から見た概略側面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。 図５は、第１の実施形態の照明装置の動作を説明するための図である。 図６は、第１の実施形態の照明装置の動作を説明するための図である。 図７は、第１液体及び第２液体間の界面の接触角の定義を説明するための図である。 図８は、第１の実施形態の照明装置の配光特性を示す図である。 図９は、各種実施例における液体レンズ部の耐振性能を示す図である。 図１０は、変形例１の液体レンズ部の概略構成図である。 図１１は、従来の液体レンズを適用した２Ｄ／３Ｄ表示装置における２Ｄモード時の動作状態を示す図である。 図１２は、従来の液体レンズを適用した２Ｄ／３Ｄ表示装置における３Ｄモード時の動作状態を示す図である。 図１３は、本発明の第２の実施形態に係る２Ｄ／３Ｄ表示装置における２Ｄモード時の動作状態を示す図である。 図１４は、第２の実施形態の２Ｄ／３Ｄ表示装置における３Ｄモード時の動作状態を示す図である。 図１５は、従来の液体レンズを適用した照明装置の概略構成図である。 図１６（ａ）は、従来の液体レンズを適用した照明装置における液体レンズ部の発光部側から見た概略側面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）中のＣ−Ｃ断面図である。 図１７（ａ）及び（ｂ）は、従来の液体レンズを適用した照明装置における課題を説明するための図である。

以下に、本発明の実施形態に係る可変光学素子を用いた光学装置の構成例を、図面を参照しながら以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：照明装置（ストロボ装置）の構成例
２．第２の実施形態：２次元／３次元画像切替表示装置の構成例

＜１．第１の実施形態＞
第１の実施形態では、本発明の実施形態に係る可変光学素子を用いた照明装置（可変照明装置）について説明する。ただし、その前に、上述した状況下（例えば静置した状態で長期保存または高温下保存した場合、振動状態で長期保存または高温下保存した場合）に、従来の液体レンズを置いた際に生じる問題について、より具体的に説明する。

通常、エレクトロウェッティング現象を用いた液体レンズでは、高温時に、液体の表面張力の温度依存性に伴って、絶縁膜面上での第１液体１１及び第２液体１２間の界面の角度が変化し、第１液体１１に穴が空いた（第１液体１１が分断された）現象が生じる。しかしながら、常温に戻ると、第１基材１０の液体が触れる領域は撥水性を有する絶縁膜で被覆されていることが多いので、第２液体１２が第１基材１０に弾かれ、その結果、液体収容室内で分断された第１液体１１は再度つながり（穴が塞がり）、元の状態に戻る。

しかしながら、本発明者らは、図１６（ａ）及び（ｂ）に示す液体レンズ部３０１を上述した状況下で置いた場合、液体収容室内で第１液体１１に穴が開いたような状態なり、さらに、その穴が塞がらない現象が発生することが分かった。この状態を観察したところ、所期設計では液体収容部材２１の第２液体１２のみが接する領域、例えば、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上に第１液体１１が漏れ出していることが確認された。

この現象は、長期保存や高温保存、さらには振動ストレスの増長等により、例えば次のような変化等が発生したことが原因であると考えられる。
（１）温度変化による液体の比重変化。
（２）絶縁膜２３の濡れ性の経時変化。
（３）振動等により発生する第１液体１１の動的な動きに伴う過渡挙動。

図１７（ａ）及び（ｂ）に、そのような状態の様子を示す。なお、図１７（ａ）は、液体レンズ部３０１の発光部２側から見た側面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）中のＤ−Ｄ断面図である。なお、図１７（ａ）及び（ｂ）に示す例では、液体収容室４１内の第１液体１１の一部が漏れ出した例を示す。

液体収容室４１から第１液体１１ｂ及び１１ｃが、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面にそれぞれ漏れ出すと、その漏れ出た第１液体１１ｂ及び１１ｃの量だけ、液体収容室４１内の第１液体１１の量が減少する。それゆえ、漏れ出した第１液体１１ｂ及び１１ｃの量が多いと、図１７（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２液体１２が直接第１基材１０に接してしまう。この結果、液体収容室４１内では、第２液体１２により第１液体１１が分断された状態となり、第１液体１１に穴１２ａが形成される。

また、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面は、撥水性を有する絶縁膜２３が形成されており、且つ、その端面には電極が形成されていないので、この領域では、エレクトロウェッティング現象が発生しない。そのため、駆動電圧を印加しても、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの端面では、絶縁膜２３の濡れ性が親油性（撥水性）から親水性に変化しないので、漏れ出した第１液体１１ｂ及び１１ｃは、その場所で安定して存在することができる。

それゆえ、エレクトロウェッティング現象が生じない領域に第１液体１１の一部１１ｂ及び１１ｃが漏れ出すと、それらが液体収容室４１に戻らなくなる。その結果、第１液体１１に形成された穴１２ａは塞がらず、液体レンズ部３０１が正常動作しなくなる。

また、液体収容室４１から漏れ出た第１液体１１ｂ及び１１ｃの量がさらに多いと、隔壁部２１ａの第２基材部３０側の端面を介して、２つの液体収容室４１及び４２内の第１液体１１同士がつながり一体化した状態になる可能性もある。

そこで、本実施形態では、上述した液体収容室からの第１液体１１の漏れ出しを抑制できる液体レンズ及びそれを用いた照明装置の構成例を説明する。

［照明装置の構成］
図１に、本発明の第１の実施形態に係る照明装置（可変照明装置）の概略構成を示す。本実施形態の照明装置１は、発光部２と、液体レンズ部３（液体レンズアレイ素子）とを備える。

発光部２は、主に、光源４と、反射板５とで構成される。光源４は、例えばキセノン管やＬＥＤ（Light-Emitting Diode）等で構成される。なお、光源４として、例えば一方向に延在した形状のキセノン管を用いた場合には、反射板５及び後述する液体レンズもそのキセノン管の形状に合わせてシリンドリカル形状にすることが好ましい。

反射板５は、例えばＡｌ（アルミニウム）等で形成された高反射率の板状部材で構成される。反射板５の断面は、例えば放物線、楕円等の形状とし、光源４から発生された光を絞ることができる形状とする。また、反射板５は、光源４から出射された光を絞ることができる位置に配置される。例えば、反射板５の断面形状を放物線状とした場合には、光源４の位置が、放物線の焦点位置となるように反射板５を配置する。

液体レンズ部３は、発光部２の光射出側に配置される。なお、本実施形態では、液体レンズ部３内に、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂ（可変光学素子）を設ける。そして、本実施形態では、液体レンズ部３の中心に対して対称な位置に２つの液体レンズ３ａ及び３ｂを配置する。なお、液体レンズ部３内に設ける液体レンズの数は、この例（２個）に限定されず、例えば用途、必要とする配光特性等に応じて適宜設定できる。

また、各液体レンズは、第１液体１１と、第１液体１１と混和（混合）せず且つ第１液体と屈折率の異なる第２液体１２とで構成され、両者の界面でレンズ効果を得る構成になっている。なお、本実施形態では、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂは、同じ構成を有する。

第１液体１１は、絶縁性または無極性の光透過性液体で構成される。無極性の液体材料としては例えばヘキサン等を用いることができる。また、絶縁性の液体材料としては、例えばシリコーンオイル等を用いることができる。本実施形態の照明装置１では、第１液体１１及び第２液体１２間の屈折率差を大きくすることによりレンズ効果が得るので、第１液体１１としては、例えばシリコーンオイル等の高屈折率材料を用いることが好ましい。

第２液体１２は、導電性または有極性の光透過性液体で構成される。有極性の液体材料としては、例えば純水等を用いることができる。また、導電性の液体材料としては、例えば塩を溶かした水溶液等を用いることができる。なお、照明装置１において高い信頼性を得るためには、第２液体１２としては、広い温度範囲で安定して液体として存在する液体材料を選定する必要がある。それゆえ、第２液体１２としては、例えば塩化リチウム水溶液（２０ｗｔ％）等を用いることが好ましい。

なお、第１液体１１及び第２液体１２として、上述のように、互いに混和せず、屈折率の異なる液体材料を選択するが、さらに、液体レンズのより安定した動作を得るために、第１液体１１の比重と第２液体１２の比重を同じにすることが好ましい。ただし、液体レンズのサイズが小さい場合には、液体レンズへの重力の影響より、液体間の表面張力の影響が大きくなるので、両者の比重が互いに異なっていてもよい。また、第１液体１１及び第２液体１２はともに、可変光学部材として使用するので、透明で粘度の小さな液体材料であることが好ましい。

本実施形態の照明装置１では、第２液体１２に駆動電圧を印加して、第１液体１１及び第２液体１２間の界面形状を変化させることにより、各液体レンズ３ａ，３ｂの焦点距離を変化させ、照明装置１から出射される光の配光性（光の広がり度）を変化させる。

なお、本実施形態の照明装置１では、発光部２と、液体レンズ部３とを接続する部分に光源４からの光に含まれる紫外線を遮断する光学フィルムを設けることが好ましい。この場合、液体レンズを構成する液体材料の劣化を抑制することができる。

［液体レンズ部の構成］
ここで、液体レンズ部３の構成を、図２（ａ）及び（ｂ）を参照しながらより詳細に説明する。なお、図２（ａ）は、液体レンズ部３の発光部２側から見た側面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。ただし、図２（ｂ）では、説明の便宜上、後述する第１電極２２の電極端子２２ａ及びその引出電極２２ｂも示す。

液体レンズ部３は、主に、第１基材１０（第１光透過性部材）と、液体収容部２０と、第２基材部３０と、封止部材４０と、液体収容部２０に封入された第１液体１１及び第２液体１２とで構成される。

なお、本実施形態では、液体収容部２０の一方の表面には、第１基材１０が設けられ、他方の表面には、封止部材４０を介して第２基材部３０が設けられる。そして、液体レンズ部３内部には、２つの液体収容室４１及び４２が形成（画成）されており、各液体収容室内では、第１液体１１が第１基材１０側に配置され、第２液体１２が第２基材部３０側に配置される。

第１基材１０は、光透過性の板状部材であり、例えばガラス、樹脂等の光透過性材料（透明性材料）で形成される。なお、図２（ｂ）に示すように、第１基材１０は、第１液体１１と接するので、第１液体１１に対して腐食性の少ない材料（例えばガラス等）を用いることが好ましい。

なお、第１基材１０の第１液体１１と接する面は、第１液体１１に対して親和性を有する面（撥水面）であることが好ましい。第１基材１０の第１液体１１と接する面を撥水面にするために、第１基材１０の形成材料として、例えばＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）等の撥水性材料を用いてもよい。また、第１基材１０の第１液体１１と接する部分に撥水膜（例えばフッ素コート膜等）を形成してもよい。さらに、第１基材１０には、例えば用途等に応じて、例えば反射防止フィルムやフレネルレンズ等の光学機能を適宜付加してもよい。

液体収容部２０は、液体収容部材２１と、第１電極２２と、絶縁膜２３（第１絶縁膜）と、親水化絶縁膜２４（第２絶縁膜）とで構成される。

液体収容部材２１は、第１基材１０に比べて肉厚の透明性板状部材で構成される。なお、本実施形態では、後述するように、高アスペクト比の微細構造パターンが形成可能な例えばレジスト材料等で液体収容部材２１を形成する。本実施形態では、液体レンズ部３内に２つの液体レンズ３ａ及び３ｂを構成するので、液体収容部材２１に、その厚さ方向に沿って２つの貫通穴を設ける。

なお、本実施形態では、その貫通穴の開口形状を略矩形状とし、その短辺部の形状を円弧状とする（図２（ａ）参照）。そして、本実施形態では、その貫通穴を画成する液体収容部材２１の側壁面上に第１電極２２を形成し、さらに、第１電極２２上に絶縁膜２３を形成する。また、液体収容部材２１の貫通穴の一方の開口端（第１液体１１側の開口端）は、第１基材１０により直接封止される。これにより、第１基材１０の液体側に露出した表面、及び、絶縁膜２３により、液体レンズ部３内に、２つの液体収容室４１及び４２が画成される。なお、２つの液体収容室４１及び４２の間隔、すなわち、２つの液体収容室４１及び４２間の隔壁部２１ａの厚さはできる限り薄くすることが好ましい。

本実施形態では、各液体収容室の開口部を略矩形状とするので、各液体収容室にはシリンドリカル状の液体レンズが形成される。すなわち、本実施形態では、２つのシリンドリカル状の液体レンズ３ａ及び３ｂを一方向に配列（並列配置）した構成となる。ただし、本発明はこれに限定されない。液体収容室の開口部を円形とし、液体収容室内に球面状の液体レンズを形成してもよい。この場合、複数の液体収容室（液体レンズ）が２次元状に配置される。このような構成では、各液体レンズの液体界面の変位を安定駆動することができる。なお、液体レンズに入射される光の利用効率という点では、本実施形態のように、液体レンズをシリンドリカル状にする方が有利である。

なお、本実施形態では、液体収容部材２１の隔壁部２１ａの第１基材１０側の端部近傍に、隔壁部２１ａの厚さ方向に沿って微小な貫通穴を形成し、２つの液体収容室４１及び４２間で第１液体１１が流通する構成にしてもよい。このような構成にすると、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の高さを全ての液体収容室で均一にすることができ、より安定した動作が可能になる。

第１電極２２は、例えばＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）等の透明電極材料で形成される。なお、第１電極２２は、液体収容室４１及び４２の側面において、少なくとも、第１液体１１と第２液体１２との界面が接する部分に形成する。また、第１電極２２は、その引出電極２２ｂ及び電極端子２２ａを介して、外部の駆動電源の一方の端子に接続される。

絶縁膜２３は、例えばポリパラキシレン、酸化タンタル等で形成することができる。なお、エレクトロウェッティング現象を利用する液体レンズでは、液体収容室４１及び４２の側面において、少なくとも第１液体１１と第２液体１２との界面が接する部分は撥水面にする必要がある。それゆえ、絶縁膜２３は、撥水性と絶縁性とを兼ね備えた例えばポリパラキシレン等の撥水性絶縁材料で形成することが好ましい。なお、本発明はこれに限定されず、絶縁膜２３上に、別途、撥水膜（例えばフッ素コート膜等）を形成してもよい。本実施形態では、絶縁膜２３を、撥水性及び絶縁性だけでなく光透過性も有するポリパラキシレンで形成する例を説明する。

なお、本実施形態のように、液体収容部材２１、第１電極２２及び絶縁膜２３を透明性材料で形成した場合、より明るい光学特性が得られる。ただし、本発明はこれに限定されず、液体収容部材２１を、例えば不透明材料で形成してもよい。この場合、第１電極２２を例えばＡｌＳｉ等の高反射率を有する材料で形成し、且つ、絶縁膜２３を例えばポリパラキシレン等の透明性材料で形成すれば、より高い光学特性が得られる。

親水化絶縁膜２４は、その表面が、第１液体１１より第２液体１２に対して親和性の高い性質（親水性）を有する絶縁膜である。本実施形態では、親水化絶縁膜２４を、例えばポリパラキシレン等の撥水性絶縁材料で形成し、さらに、その表面を、例えば酸素プラズマ法、ＵＶ（Ultraviolet）オゾン法等の表面処理技術で親水化処理して、親水性表面を露出させることにより形成する。すなわち、本実施形態では、親水化絶縁膜２４の第２液体１２側の表面層のみが親水性を有する。なお、本発明はこれに限定されず、絶縁膜上に例えばポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂等の親水性材料をコーティングして親水化絶縁膜２４を形成してもよい。

また、本実施形態では、親水化絶縁膜２４を、２つの液体収容室４１及び４２を分離する隔壁部２１ａの第２基材部３０側の端面上、並びに、液体収容部２０の側壁を形成する側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上に形成する。

第２基材部３０は、第２基材３１（第２光透過性部材）と、第２基材３１の液体収容部２０側に形成された第２電極３２とで構成される。

第２基材３１は、第１基材１０と同様に、光透過性の板状部材であり、例えばガラス、樹脂等の光透過性材料（透明性材料）で形成される。なお、本実施形態では、第２基材３１に、固定の光学機能（例えばレンズ機能等）を持たせてもよい。

本実施形態では、第２電極３２を光源４から出射された光の光路上に配置されるので（図１参照）、第２電極３２は、第１電極２２と同様に、例えばＩＴＯ等の透明電極材料で形成することが好ましい。また、第２電極３２は、液体レンズ部３の外部に引き出された電極端子３２ａを介して、外部の駆動電源の他方の端子に接続される。

なお、図２（ｂ）に示す例では、第２基材３１の液体収容部２０側の表面全面に渡って第２電極３２を形成する例を示すが、本発明はこれに限定されない。第２電極３２は、第２基材３１の液体収容部２０側の第２液体１２と接する領域に形成されていればよい。第２電極３２を光源４から出射された光の光路上以外の領域に形成した場合には、第２電極３２を透明性材料以外の材料で形成してもよい。

封止部材４０（ギャップ形成部材）は、例えば、所定膜厚の樹脂フィルムや、樹脂製またはシリカ製等のビーズなどで構成される。なお、本実施形態では、第１液体１１の液体収容室からの漏れ出しをより一層抑制するために、封止部材４０の表面を親水化処理、または、親水膜をコーティングすることが好ましい。

上述のように、本実施形態の液体レンズ部３では、親水化絶縁膜２４を、２つの液体収容室４１及び４２を分離する隔壁部２１ａ、並びに、液体収容部２０の側壁を形成する側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上にそれぞれ形成する。これにより、液体レンズ部３に例えば振動等が与えられても、親水化絶縁膜２４の表面は第１液体１１を弾く性質を有するので、各液体収容室内の第１液体１１が液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上に漏れ難くなる。また、たとえ、第１液体１１が液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上に漏れ出しても、第１液体１１が安定して存在し得る領域がないので、第１液体１１は再度、液体収容室に戻り易くなる。

それゆえ、本実施形態の照明装置１では、液体収容室からの第１液体１１の漏れ出しを抑制することができ、例えば繰り返し動作の安定性、高温／低温保存の安定性、長期保存時の安定性等を向上させ、信頼性の向上を図ることができる。

［液体レンズ部の作製手法］
ここで、本実施形態の液体レンズ部３の作製手法を簡単に説明する。まず、第１基材１０となる基板を用意し、その基板を洗浄する。具体的には、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等のガラス基板の洗浄工程にも用いられる洗剤等を用いて、超音波基板洗浄機にて基板を洗浄する。次いで、脱イオン水にて十分に洗剤を除去する。そして、ＵＶオゾンドライ処理装置において、ドライ洗浄を行う。

次いで、洗浄された基板（第１基材１０）上に、スピンコート法により、レジスト材料を均一に成膜する。次いで、フォトリソ法により、２つの液体収容室４１及び４２の領域のレジスト材料のみを除去して、所望の形状を有する液体収容部材２１を第１基材１０上に形成する。なお、本実施形態では、レジスト材料として、高アスペクト比の微細構造パターンが形成可能な例えば化薬マイクロケム社製ＳＵ８等のレジスト材を用いる。また、例えば化薬マイクロケム社製ＳＵ８のドライフィルム等を用いることで、さらに厚膜で、アスペクト比の大きな微細構造を形成させることも可能である。

次いで、液体収容部材２１が形成された第１基材１０を真空チャンバー内に配置し、液体収容部材２１の微細構造部（２つの液体収容室４１及び４２の側壁部）に、例えばスパッタ法等の手法により透明電極膜（ＩＴＯ）を積層して第１電極２２を形成する。なお、この際、２つの液体収容室４１及び４２の側壁部の深さ方向に第１電極２２を均一に形成するために、液体収容部材２１が形成された第１基材１０を真空チャンバー内で自転及び公転させながらＩＴＯ膜を成膜することが好ましい。

次いで、第１電極２２上に、ポリパラキシレン誘導体の原料（Ｋｉｓｃｏ株式会社製ｄｉｘＣ）をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）コーティングし、絶縁膜２３を形成する。本実施形態では、この際、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上にもポリパラキシレンからなる絶縁膜を形成する。なお、絶縁膜２３の厚みは約０．１〜５μｍ程度とする。また、ＣＶＤコーティングの条件は、ポリパラキシレン誘導体の原料の製造メーカが推奨する条件とする。

次いで、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上に形成された絶縁膜を親水化処理する。具体的には、まず、２つの液体収容室４１及び４２の開口部をマスキングテープで被覆する。

図３に、その様子を示す。なお、図３は、２つの液体収容室４１及び４２の開口部側から見た液体収容部材２１の概略側面図である。上述したポリパラキシレン誘導体をＣＶＤコーティングした後は、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上には、その全面に渡ってポリパラキシレンからなる絶縁膜２５が形成される。そして、２枚のマスキングテープ８０が、それぞれ２つの液体収容室４１及び４２の開口部を塞ぐように取り付けられる。ただし、マスキングテープ８０の形状は液体収容室の開口部と同じであり、マスキングテープ８０のサイズは液体収容室の開口部より若干大きくする。

次いで、親水化処理を施さない２つの液体収容室４１及び４２の開口部をマスキングテープで被覆した状態で、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの端面を、親水化処理して、隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの端面に親水性表面を露出させる。この際、マスキングテープ８０で被覆されていない領域が親水化処理される。なお、親水化処理の手法としては、例えばＵＶオゾン法や、さらに強度的に強い酸素プラズマ法等の表面処理技術を用いることができる。そして、所定時間、親水化処理を行ったあと、マスキングテープ８０を剥離する。

図４（ａ）及び（ｂ）に、上述した親水化処理後の、第１基材１０及び液体収容部２０からなる構成部材の概略構成を示す。なお、図４（ａ）は、２つの液体収容室４１及び４２の開口部側から見た第１基材１０及び液体収容部２０からなる構成部材の側面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。上述した親水化処理により、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面の全面に渡って形成されていた絶縁膜２５は、親水化絶縁膜２４に変わる。なお、本発明はこれに限定されず、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの端面に形成された絶縁膜２５上に親水膜を、別途、コーティングしてもよい。

本実施形態では、上述のようにして、第１基材１０及び液体収容部２０を作製する。また、上記第１基材１０及び液体収容部２０の製造プロセスとは、別個に、液体レンズ部３の第２基材部３０を次のようにして作製する。

まず、第２基材３１となる基板を用意し、その基板を洗浄する。具体的には、例えばＬＣＤ等のガラス基板の洗浄工程にも用いられる洗剤等を用いて、超音波基板洗浄機にて基板を洗浄する。次いで、脱イオン水にて十分に洗剤を除去する。そして、ＵＶオゾンドライ処理装置において、ドライ洗浄を行う。

次いで、洗浄された基板（第２基材３１）を真空チャンバー内に配置し、第２基材３１上に、例えばスパッタ法等の手法により透明電極膜（ＩＴＯ）を積層して第２電極３２を形成する。本実施形態では、このようにして、第２基材部３０を作製する。

次に、上述のようにして作製された第１基材１０及び液体収容部２０からなる構成部材に形成された２つの液体収容室４１及び４２内に、第１液体１１及び第２液体１２を注入する。具体的には、まず、２つの液体収容室４１及び４２の側壁に形成された絶縁膜２３（撥水膜）上に第１液体１１となるオイル材料を塗布する。そして、２つの液体収容室４１及び４２の開口端部（上端）から、一定速度で、第２液体１２となる水を２つの液体収容室４１及び４２内に流し入れる。これにより、２つの液体収容室４１及び４２内に第１液体１１及び第２液体１２を注入する。

次いで、第１基材１０及び液体収容部２０からなる構成部材の液体収容部材２１側の表面と、第２基材部３０の第２電極３２側の表面との距離が、約１０〜５００μｍとなるように、封止部材４０を介して、両者を貼り合わせる。この際、封止部材４０及び封止用接着剤を用いて、第１基材１０及び液体収容部２０からなる構成部材の液体収容部材２１と第２基材部３０とを接着固定する。

そして、最後に、第１電極２２及び第２電極３２と、外部駆動装置（外部電源）とを接続する。本実施形態では、このようにして、液体レンズ部３を作製する。

［照明装置の動作］
次に、本実施形態の照明装置１の動作について、図５及び６を参照しながら説明する。なお、図５は、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合の状態を示し、図６は、液体レンズ部３に所定の電圧値Ｖの駆動電圧を印加した際の状態を示す。なお、本実施形態では、液体レンズ部３に所定の電圧値Ｖの駆動電圧を印加した際、各液体レンズ内の第１液体１１及び第２液体１２間の界面と、絶縁膜２３との間の接触角が９０度になるように、各液体の形成材料（屈折率）及び所定の電圧値Ｖ等が調整される。

ただし、本発明はこれに限定されず、駆動電圧を印加した際における、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と絶縁膜２３との間の接触角θの値は９０度以外の値であってもよい。駆動電圧印加時の接触角θの値は、例えば必要とする照明装置１の配光特性等に応じて適宜設定することができる。

ここで、本明細書における第１液体１１及び第２液体１２間の界面と絶縁膜２３との間の接触角θの定義を、図７を参照しながら説明する。なお、図７は、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と、絶縁膜２３との間の接触角θの定義を示す図である。本実施形態では、接触角θは、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と絶縁膜２３との接点における界面の接線方向と、絶縁膜２３との間の角度とする。そして、図７において、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と絶縁膜２３との接点における界面の接線方向に対して時計周り方向の角度を正の値とする。

液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合（図５の場合）、第１液体１１及び第２液体１２間の界面が接する絶縁膜２３は撥水性を有するので、絶縁膜２３と親和性の高い第１液体１１が絶縁膜２３の表面上に広がろうとする。それゆえ、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合には、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と、絶縁膜２３との間の接触角θは、９０度より小さくなり、第１液体１１及び第２液体１２間の界面形状は、光源４側から見て凹状となる。

この場合、光源４から入射される光に対して、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂは凹レンズ（負の屈折力を有するレンズ）として作用する。それゆえ、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合には、光源４から２つの液体レンズ３ａ及び３ｂに入射された光は、その配光が広がるように、第１液体１１及び第２液体１２間の界面で屈折する。

一方、液体レンズ部３に所定の電圧値Ｖの駆動電圧を印加した場合（図６の場合）、エレクトロウェッティング現象により、第２液体１２の絶縁膜２３に対する濡れ性（親和性）が向上する。この結果、第２液体１２が絶縁膜２３の表面上に広がろうとするので、第１液体１１及び第２液体１２間の界面は、その接触角θが大きくなるように変形する。本実施形態では、この際、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θが９０度となり、両者の界面形状はフラットになる。

この場合、光源４から２つの液体レンズ３ａ及び３ｂに入射される光は、第１液体１１及び第２液体１２間の界面で屈折せず、直進する。すなわち、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂは、光源４から入射される光に対して、レンズとして機能しない。それゆえ、この場合には、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂに入射される光の指向性は変化せず、その配光は狭くなる。

図８に、本実施形態の照明装置１の配光特性を示す。図８中の横軸は、液体レンズ部３から出射される光の角度であり、縦軸は、出射光の露光量（光量）である。なお、図８の横軸に示す角度では、液体レンズ部３の厚さ方向を０度とする。

図８中の黒菱形印で示された特性６１が、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合（図５の場合）の配光特性である。この特性６１から明らかなように、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合には、約±３０度の範囲で略均一の露光量が得られ、配光が広がることが分かる。

また、図８中の白抜き菱形印で示された特性６２が、液体レンズ部３に駆動電圧を印加した場合（図６の場合）の配光特性である。この特性６２から明らかなように、液体レンズ部３に駆動電圧を印加した場合には、０度の角度付近で光の露光量が最大となり、それ以外の角度では急激に露光量が低下する特性が得られ、配光が狭くなることが分かる。

［耐振性試験］
また、本実施形態では、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上にポリパラキシレンからなる絶縁膜２５を形成し、その絶縁膜２５の表面を親水化処理する時間を種々変えて液体レンズ部３を作製した。そして、その親水化処理時間の異なる種々の液体レンズ部３に対して耐振性試験を行った。なお、親水化処理には、ＵＶオゾン法を用い、親水化処理時間以外は、全て同じ条件で液体レンズ部３を作製した。すなわち、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上に形成される親水化絶縁膜２４の構成以外は、同じ構成とした。

具体的には、親水化処理時間を３分（実施例１）、５分（実施例２）、１０分（実施例３）及び２０分（実施例４）とした液体レンズ部３を用意した。また、比較のため、親水化処理を行わなかった液体レンズ部（比較例）も作製し、同様に耐振性試験を行った。なお、比較例の液体レンズ部の具体的な構成は、図１６（ａ）及び（ｂ）で説明した従来の液体レンズを用いた液体レンズ部３０１と同様の構成である。

ここで、上記実施例１〜４及び比較例における親水化処理時間と、水との接触角との関係について簡単に説明する。この関係を調べるために、上記実施例１〜４及び比較例の液体レンズ部３と同じ条件でポリパラキシレンをスライドガラス上に成膜し、次いで、親水化処理時間を上記実施例１〜４及び比較例に対応した時間で変化させた種々の接触角測定用サンプルを用意した。そして、各種接触角測定用サンプルの表面に水（第２液体１１）を滴下し、その接触角を測定した。その結果を下記表に示す。

上記表１の結果から明らかなように、親水化処理時間を１０分程度以上行うと、接触角が飽和することが分かる。

次に、本実施形態で行った耐振性試験について説明する。この耐振性試験では、実施例１〜４及び比較例の液体レンズ部３のサンプルをそれぞれ１０個用意した。

そして、各サンプルを、７０℃の高温環境の下で、３次元（Ｘ、Ｙ及びＺ方向）の各方向に、２時間ずつ、全振幅幅１．５ｍｍ、掃引速度１０Ｈｚで振動させる。次いで、液体レンズ部３のサンプルを常温環境中に１時間放置する。その後、目視観測で正常品の数を測定する。耐振性試験では、このサイクルを繰り返す。

なお、目視観測では、液体収容室の第１基材１０側の面、または、第１基材１０側及び第２基材部３０側の両面で、第１液体に穴（開口）が空いたような形状が見られた場合、そのサンプルを不良品と判定した。

図９に、耐振性試験の結果を示す。なお、図９中の特性の横軸は、耐振性試験の時間であり、対数表示で示す。一方、図９中の特性の縦軸は正常品の数である。

図９の特性から明らかなように、比較例（親水化未処理）では、４８時間後に正常品が２個程度に減少し、１００時間前に正常品が無くなる。それに対して、実施例１〜４では、１００時間以上、振動させても正常動作品が得られた。

また、図９の特性から親水化処理時間が長くなると、正常品の残存時間が長くなることが分かる。具体的には、実施例１では、１００時間後に２個は正常品として残り、実施例２では１２０時間後で２個は正常品として残る。さらに、実施例３及び４では、１０００時間経過しても、約８０〜９０％のサンプルが正常品として残る結果が得られた。なお、正常品と判定されたサンプルに外部電源を接続して駆動したところ、所期の動作特性が得られた。

上記耐振性試験の結果から、本実施形態のように、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面に親水化絶縁膜２４することにより、液体レンズ部３の耐振性が向上することが分かった。このことから、本実施形態の液体レンズ部３では、２つの液体収容室４１及び４２から第１液体１１が漏れ難くなっていることが分かる。それゆえ、この耐振性試験の結果からも、本実施形態の照明装置１では、例えば繰り返し動作の安定性、高温／低温保存の安定性、長期保存時の安定性等を向上させ、信頼性の向上を図ることができることが確認された。

［変形例］
上記第１の実施形態では、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面に親水化絶縁膜２４を形成する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面だけでなく、液体収容室内の第１液体１１が常時接する側壁部にも親水化絶縁膜を形成してもよい。変形例では、その一構成例を説明する。

図１０に、変形例の液体レンズ部の概略構成を示す。なお、図１０において、上記第１の実施形態の液体レンズ部３（図２（ｂ））と同じ構成には、同じ符号を付して示す。図１０（変形例）と図２（ｂ）（第１の実施形態）との比較から明らかなように、変形例の液体レンズ部５０では、液体収容部５１内の親水化絶縁膜５２の構成が異なり、それ以外の構成は、上記第１の実施形態の液体レンズ部３と同様の構成である。

この例の液体レンズ部５０では、親水化絶縁膜５２を、液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面から各液体収容室の開口付近の側壁面に渡って形成する。このような構成にすると、２つの液体収容室４１及び４２内にも、第１液体１１に対して親和性の低い領域、すなわち、第１液体１１を弾く領域が形成されるので、第１液体１１は、親水化絶縁膜５２より第２基材部３０側に一層移動し難くなる。それゆえ、この例では、液体収容室からの第１液体１１の漏れ出しを一層抑制することができ、この例の液体レンズ部５０を用いた照明装置では、その信頼性をより向上させることができる。

なお、この例の液体レンズ部５０では、エレクトロウェッティング現象を利用するので、液体収容室４１及び４２の側面において、第１液体１１と第２液体１２との界面が接する部分は撥水面とする必要がある。それゆえ、親水化絶縁膜５２を、この例のような構成にする場合、親水化絶縁膜５２は、第１液体１１と第２液体１２との界面と、各液体収容室の側面との接触部分より、第２基材部３０側に形成する。

具体的は、第１液体１１と第２液体１２との界面と各液体収容室の側面との接触部分は、駆動電圧を印加しない状態（図５の状態）で、最も第２基材部３０側に位置することとなる。それゆえ、親水化絶縁膜５２をこの例のような構成にする場合には、駆動電圧を印加しない状態（図５の状態）における液体間の界面と各液体収容室の側面との接触部分の位置より、第２基材部３０側に親水化絶縁膜５２を形成する必要がある。

＜２．第２の実施形態＞
上記第１の実施形態では、本発明の可変光学素子（液体レンズ）を照明装置（ストロボ）に適用する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、様々な用途に適用可能である。第２の実施形態では、その一例として、本発明の可変光学素子を２次元／３次元画像切替表示装置（以下、２Ｄ（Dimension）／３Ｄ表示装置という）に適用した例を説明する。

従来、２次元表示モードと、３次元表示モードとを切り替え表示する２Ｄ／３Ｄ表示装置として、複数の液晶レンズからなる可変レンズアレイを用いたものが提案されている。例えば、「Dick K.G. de Boer, Martin G.H. Hiddink, Maarten Sluijter, Oscar H. Willemsen and Siebe T. de Zwart,“Switchable lenticular based 2D/3D displays”,SPIE Vol. 6490, 64900R(2007)」に、そのような構成が記載されている。

上述のような２Ｄ／３Ｄ表示装置では、２次元表示モード（以下、２Ｄモードという）時には、レンズアレイをレンズ効果の無い状態（屈折力の無い状態）に切り替え、２次元表示装置からの表示画像光をそのままの状態で通過させる。一方、３次元表示モード（以下、３Ｄモードという）時には、レンズアレイを、レンズ効果を発生させた状態（例えば正の屈折力を有する状態）に切り替え、２次元表示装置からの表示画像光を複数の視野角方向に偏向させることで立体視を実現する。

上述のように、３Ｄモード時には、正の屈折力を有するレンズアレイが必要となるが、エレクトロウェッティング現象を利用した液液体レンズは、上記第１の実施形態で説明したように、負の屈折力を有する。それゆえ、液体レンズを２Ｄ／３Ｄ表示装置に適用する場合には、負の屈折力を有し且つ焦点距離が可変の液体レンズアレイと、正の屈折力を有し且つ焦点距離が固定のシリンドリカルレンズアレイとを組み合わせて用いる。

図１１及び１２に、液体レンズを適用した２Ｄ／３Ｄ表示装置の一構成例を示す。なお、図１１及び１２には、従来の液体レンズを適用した構成例を示す。また、図１１は、２Ｄモード時における２Ｄ／３Ｄ表示装置の動作状態を示す図である。一方、図１２は、３Ｄモード時における２Ｄ／３Ｄ表示装置の動作状態を示す図である。

２Ｄ／３Ｄ表示装置２００は、主に、表示パネル１０１と、液体レンズ部２０２と、固定レンズ部１０３とで構成される。

表示パネル１０１は、例えば液晶表示装置等で構成することができる。表示パネル１０１の表示面には、規則的に複数の表示画素が２次元配列される。

液体レンズ部２０２は、主に、第１基材１１０と、液体収容部１２０と、第２基材部２３０と、封止部材１４０と、第１液体１１１と、第１液体１１１と混和しない第２液体１１２とで構成される。なお、図１１及び１２では、説明を簡略化するため、液体収容部１２０内の液体収容部材１２１の表面に形成される第１電極及び絶縁膜は、まとめて一つの積層膜１２２として（図１１及び１２中の太実線）で示す。

液体レンズ部２０２内には、液体収容部１２０の複数の隔壁部１２１ａを介して、複数の液体収容室１４１が形成されており、各液体収容室１４１内に、第１基材１０側から第１液体１１１及び第２液体１１２がこの順で封入されている。すなわち、図１２に示す液体レンズ部２０２では、隔壁部１２１ａを挟んで、複数の液体レンズ１０２ａが並列配置される。なお、２Ｄ／３Ｄ表示装置２００では、各液体収容室１４１（液体レンズ１０２ａ）の幅は、例えば、約０．２〜０．３ｍｍ程度にすることができる。

ただし、液体レンズ部２０２は、従来の液体レンズをアレイ化した構造を有し、液体収容室１４１の数及び幅が異なること以外は、図１６（ａ）及び（ｂ）で説明した従来の液体レンズを用いた液体レンズ部３０１と同じ構成である。なお、液体レンズ１０２ａもまた、図１６（ａ）及び（ｂ）に示す従来の液体レンズと同様に、シリンドリカル状のレンズである。

固定レンズ部１０３は、液体レンズ部２０２内の複数の液体レンズ１０２ａに対応して並列配置された複数の固定レンズ１０３ａを有する。各固定レンズ１０３ａは、対応する液体レンズ１０２ａと、第１基材１１０を挟んで対向する位置に配置される。

また、図１１に示す例では、液体レンズ１０２ａの形状に合わせて、固定レンズ１０３ａにシリンドリカルレンズを用いる。各固定レンズ１０３ａは、表示パネル１０１から入射される表示画像光に対して凸レンズとして作用するので正の屈折力を有する。なお、図１１に示す例では、液体レンズ１０２ａのレンズ効果がオン状態（印加電圧が０［Ｖ］）であるとき、液体レンズ１０２ａの負の屈折力と、固定レンズ１０３ａの正の屈折力とが互いに相殺するように、固定レンズ１０３ａのレンズ形状が設定されている。

次に、２Ｄ／３Ｄ表示装置２００の動作を簡単に説明する。２Ｄ／３Ｄ表示装置２００では、駆動電源１９０から液体レンズ部２０２に印加される電圧が０［Ｖ］の場合（図１１の場合）に２Ｄモードとなり、印加電圧が所定値Ｖである場合（図１２の場合）に３Ｄモードになる。なお、３Ｄモードでは、隔壁部１２１ａに対する第１液体１１１及び第２液体１１２間の界面の接触角θが９０度となるように、例えば印加電圧の値Ｖ等が設定されている。

２Ｄモードでは、図１１に示すように、表示パネル１０１側から見て、各液体レンズ１０２ａは凹レンズとなり、対応する各固定レンズ１０３ａは凸レンズとなる。これにより、各液体レンズ１０２ａでの負の屈折力が固定レンズ１０３ａの正の屈折力により相殺される。この場合、液体レンズ部１０２及び固定レンズ部１０３からなる光学系は、実質、レンズ機能を果たさないので、表示パネル１０１から入射される表示画像光をそのままの状態で通過させる。

一方、３Ｄモードでは、図１２に示すように、各液体レンズ１０２ａにおいて、隔壁部１２１ａに対する第１液体１１１及び第２液体１１２間の界面の接触角θが９０度となる。この場合、各液体レンズ１０２ａはレンズとして機能せず、液体レンズ部１０２及び固定レンズ部１０３からなる光学系は、実質、固定レンズ部１０３のみの構成と同等となる。この場合、表示パネル１０１からの表示画像光は、固定レンズ部１０３で複数の視野角方向に偏向され、立体視が実現される。

上述のような構成にすることにより、エレクトロウェッティング現象を利用した液体レンズを２Ｄ／３Ｄ表示装置に適用可能である。しかしながら、図１１及び１２に示す例では、従来の液体レンズを用いているので、上述した第１液体１１の液体収容室からの漏れ出しの問題は残る。第２の実施形態では、この問題を解決するために、２Ｄ／３Ｄ表示装置に、本発明の液体レンズ（可変光学素子）を適用した構成例を説明する。

［２Ｄ／３Ｄ表示装置の構成］
図１３及び１４に、本実施形態の２Ｄ／３Ｄ表示装置の概略構成を示す。なお、図１３は、２Ｄモード時の２Ｄ／３Ｄ表示装置の動作状態を示す図であり、図１４は、３Ｄモード時の２Ｄ／３Ｄ表示装置の動作状態を示す図である。なお、図１３及び１４において、上述した図１１及び１２の例と同様の構成には同じ符号を付して示す。

２Ｄ／３Ｄ表示装置１００は、表示パネル１０１と、液体レンズ部１０２（液体レンズアレイ素子）と、固定レンズ部１０３（固定レンズアレイ部）とを備える。

表示パネル１０１は、図１１に示す例と同様に、例えば液晶表示装置等で構成することができる。なお、表示パネル１０１は、これに限定されず、任意の表示パネルを用いることができる。また、表示パネル１０１の表示面には、規則的に複数の表示画素が２次元配列される。

液体レンズ部１０２は、表示パネル１０１の光射出側に配置される。本実施形態では、液体レンズ部１０２内に、複数の液体収容室１４１を設ける。そして、各液体収容室１４１には、第１液体１１１と、第１液体１１１と混和しない第２液体１１２とを封入する。すなわち、本実施形態では、液体レンズ部１０２内に、複数の液体レンズ１０２ａを、隔壁部１２１ａを挟んで並列配置する。

なお、各液体収容室１４１（液体レンズ１０２ａ）は、全て同じ構成であり、その幅は、例えば、約０．２〜０．３ｍｍ程度にすることができる。また、液体レンズ１０２ａもまたシリンドリカル状のレンズである。

なお、第１液体１１１は、絶縁性の液体または無極性の液体であり、上記第１の実施形態で説明した第１液体１１の液体材料で構成することができる。また、第２液体１１２は、導電性の液体または有極性の液体であり、上記第１の実施形態で説明した第２液体１２の液体材料で構成することができる。

固定レンズ部１０３は、液体レンズ部１０２の光射出側（第１基材１１０側）に配置される。また、固定レンズ部１０３は、液体レンズ部１０２内の複数の液体レンズ１０２ａに対応してそれぞれ並列配置された複数の固定レンズ１０３ａを有する。複数の固定レンズ１０３ａはそれぞれ、対応する液体レンズ１０２ａと、第１基材１１０を挟んで対向する位置に配置される。

また、本実施形態では、図１１に示す例と同様に、固定レンズ１０３ａとしてシリンドリカルレンズを用いる。各固定レンズ１０３ａは、表示パネル１０１から入射される表示画像光に対して凸レンズとして作用するので正の屈折力を有する。なお、本実施形態においても、液体レンズ１０２ａのレンズ効果がオン状態（印加電圧が０［Ｖ］）であるとき、液体レンズ１０２ａの負の屈折力と、固定レンズ１０３ａの正の屈折力とが互いに相殺するように、固定レンズ１０３ａのレンズ形状が設定されている。

なお、本実施形態の２Ｄ／３Ｄ表示装置１００の動作は、上記図１１及び１２の例で説明した動作と同様である。

すなわち、２Ｄモード（図１３）時には、表示パネル１０１側から見て、各液体レンズ１０２ａは凹レンズとなり、対応する固定レンズ１０３ａは凸レンズとなる。これにより、各液体レンズ１０２ａでの負の屈折力が固定レンズ１０３ａの正の屈折力が相殺される。この場合、液体レンズ部１０２及び固定レンズ部１０３からなる光学系は、実質、レンズ機能を果たさないので、表示パネル１０１からの表示画像光をそのままの状態で通過させる。

一方、３Ｄモード（図１４）時には、各液体レンズ１０２ａにおいて、隔壁部１２１ａに対する第１液体１１１及び第２液体１１２間の界面の接触角θが９０度となる。この場合、各液体レンズ１０２ａはレンズとして機能せず、液体レンズ部１０２及び固定レンズ部１０３からなる光学系は、実質、固定レンズ部１０３のみの構成と同等となる。この場合、表示パネル１０１からの表示画像光は、固定レンズ部１０３で複数の視野角方向に偏向され、立体視が実現される。

［液体レンズ部の構成］
ここで、本実施形態の液体レンズ部１０２の構成を、図１３を参照しながらより詳細に説明する。液体レンズ部１０２は、主に、第１基材１１０（第１光透過性部材）と、液体収容部１２０と、第２基材部１３０と、封止部材１４０と、液体収容部１２０に封入された第１液体１１１及び第２液体１１２とで構成される。なお、本実施形態では、液体収容部１２０の一方の表面には、第１基材１１０が設けられ、他方の表面には、封止部材１４０を介して第２基材部１３０が設けられる。そして、液体レンズ部１０２内部には、複数の液体収容室１４１が設けられ、それらは、等間隔で並列配置される。また、各液体収容室１４１には、第１液体１１１が第１基材１１０側に配置され、第２液体１１２が第２基材部１３０側に配置される。

第１基材１１０は、光透過性の板状部材であり、上記第１の実施形態で説明した第１基材１０の形成材料と同様の材料で形成することができる。なお、第１基材１１０の第１液体１１１と接する面は、第１液体１１１に対して親和性を有する面（撥水面）であることが好ましい。第１基材１１０の第１液体１１１と接する面を撥水面にするために、第１基材１１０の形成材料として、例えばＰＭＭＡ等の撥水性材料を用いてもよいし、第１基材１１０の第１液体１１１と接する部分に撥水膜（例えばフッ素コート膜等）を形成してもよい。

液体収容部１２０は、液体収容部材１２１と、第１電極及び絶縁膜（第１絶縁膜）とからなる積層膜１２２とで構成される。なお、図１３では、説明を簡略化するため、液体収容部１２０内の液体収容部材１２１の表面に形成される第１電極及び絶縁膜を、まとめて一つの積層膜１２２として（図１３中の太実線）で示す。

なお、本実施形態の第１電極及び絶縁膜は、それぞれ、上記第１の実施形態で説明した第１電極２２及び絶縁膜２３の形成材料と同様の材料で形成することができる。また、第１電極は、外部の駆動電源１９０の一方の端子に接続される。

液体収容部材１２１は、肉厚の板状部材であり、上記第１の実施形態で説明した液体収容部材２１の形成材料と同様の材料で形成することができる。また、本実施形態では、液体収容部材１２１に、その厚さ方向に沿って複数の貫通穴を設ける。これにより、隣り合う貫通穴間に、隔壁部１２１ａが形成される。なお、貫通穴の開口形状は略矩形状とし、その短辺の形状を円弧状とする。また、貫通穴の開口部の長辺方向は、固定レンズ１０３ａの延在方向と一致させる。

そして、本実施形態では、その貫通穴を画成する液体収容部材１２１の側壁上に第１電極を形成し、さらに、第１電極上に絶縁膜を形成するとともに、液体収容部材１２１の第２基材部１３０側の端面に親水化絶縁膜１２３（第２絶縁膜）を形成する。なお、第１電極、絶縁膜及び親水化絶縁膜１２３は、上記第１の実施形態で説明した第１電極２２、絶縁膜２３及び親水化絶縁膜２４と同様の構成であり、同様の手法で形成することができる。

また、液体収容部材１２１の貫通穴の一方の開口端は、第１基材１１０により直接封止される。これにより、第１基材１１０の液体側に露出した表面、及び、液体収容部材１２１内の隔壁部１２１ａ上に形成された積層膜１２２により、液体収容室１４１が画成される。

なお、本実施形態においても、液体収容部材１２１内の各隔壁部１２１ａの第１基材１０側の端部近傍に、隔壁部２１ａの厚さ方向に沿って微小な貫通穴を形成し、隣り合う液体収容室間で第１液体１１１が流通する構成にしてもよい。このような構成にすると、第１液体１１１及び第２液体１１２間の界面の高さを全ての液体収容室で均一にすることができ、より安定した動作が可能になる。

第２基材部１３０は、主に、第２基材１３１（第２光透過性部材）と、第２基材１３１の液体収容部１２０側に形成された第２電極１３２とで構成される。なお、本実施形態の第２基材１３１及び第２電極１３２は、それぞれ、上記第１の実施形態で説明した第２基材３１及び第２電極３２と同様の構成であり、同様の材料で形成することができる。

また、封止部材１４０（ギャップ形成部材）は、上記第１の実施形態と同様に、例えば、所定膜厚の樹脂フィルムや、樹脂製またはシリカ製等のビーズなどで構成される。

上述のように、本実施形態の液体レンズ部１０２の構成は、並列配置する液体収容室１４１（液体レンズ１０２ａ）の数及び幅が異なること以外は、上記第１の実施形態の液体レンズ部３（図２（ａ）及び（ｂ））と同様の構成である。なお、本実施形態の液体レンズ部１０２は、上記第１の実施形態で説明した液体レンズ部３の作製手法と同様の手法で作製することができる。

以上説明したように、本実施形態の液体レンズ部１０２では、上記第１の実施形態と同様に、液体収容部材１２１の第２基材部１３０側の端面上に、親水化絶縁膜１２３を形成する。

それゆえ、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、各液体収容室内の第１液体１１が液体収容部材２１の隔壁部２１ａ及び側壁部２１ｂの第２基材部３０側の端面上に移動し難くなる。その結果、本実施形態の２Ｄ／３Ｄ表示装置１００では、例えば繰り返し動作の安定性、高温／低温保存の安定性、長期保存時の安定性等を向上させ、信頼性の向上を図ることができる。

上記第１及び第２の実施形態では、本発明の液体レンズ（可変光学素子）をアレイ化して、それぞれ照明装置及び２Ｄ／３Ｄ表示装置に適用する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。エレクトロウェッティング現象を用いる可変光学素子を用いる種々の用途の光学装置に適応化可能であり、同様の効果が得られる。また、本発明の可変光学素子を、例えば可変焦点レンズ等のように単体で用いても同様の効果が得られる。

１…照明装置、２…発光部、３，１０２…液体レンズ部、３ａ，３ｂ，１０２ａ…液体レンズ、４…光源、５…反射板、１０，１１０…第１基材、１１，１１１…第１液体、１２，１１２…第２液体、２０，１２０…液体収容部、２１，１２１…液体収容部材、２１ａ，１２１ａ…隔壁部、２１ｂ…側壁部、２２…第１電極、２３…絶縁膜、２４，１２３…親水化絶縁膜、３０，１３０…第２基材部、３１，１３１…第２基材、３２，１３２…第２電極、４０，１４０…封止部材、４１，４２，１４１…液体収容室、９０，１９０…駆動電源、１００…２Ｄ／３Ｄ表示装置、１０１…表示パネル、１０３…固定レンズ部、１０３ａ…固定レンズ

Claims (6)

1. 第１及び第２光透過性部材と、
   前記第１及び第２光透過性部材の間に設けられ、開口部が前記第２光透過性部材と対向する有底の液体収容室と、
   前記液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する第１液体と、
   前記液体収容室に収容され、前記第１液体と混合せず、光透過性を有し、前記第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する第２液体と、
   前記液体収容室を画成する側壁の側面上、及び、前記第２光透過性部材の前記第２液体側にそれぞれ設けられ、前記第２液体に電圧を印加する第１及び第２電極と、
   前記第１電極上に形成され、表面が前記第２液体より前記第１液体に対して高い親和性を有する第１絶縁膜と、
   前記液体収容室を画成する側壁の前記第２光透過性部材側の端面上に形成され、表面が前記第１液体より前記第２液体に対して高い親和性を有する第２絶縁膜と
   を備える可変光学素子。
2. 前記第２絶縁膜の表面が、前記第１液体より前記第２液体に対して親和性が高くなるように表面処理されている
   請求項１に記載の可変光学素子。
3. 前記第２絶縁膜が、ポリパラキシレンで形成されている
   請求項２に記載の可変光学素子。
4. 第１及び第２光透過性部材と、
   前記第１及び第２光透過性部材の間に設けられ、開口部が前記第２光透過性部材と対向する有底の複数の液体収容室と、
   各液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する第１液体と、
   各液体収容室に収容され、前記第１液体と混合せず、光透過性を有し、前記第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する第２液体と、
   各液体収容室を画成する側壁の側面上、及び、前記第２光透過性部材の前記第２液体側にそれぞれ設けられ、前記第２液体に電圧を印加する第１及び第２電極と、
   前記第１電極上に形成され、表面が前記第２液体より前記第１液体に対して高い親和性を有する第１絶縁膜と、
   各液体収容室を画成する側壁の前記第２光透過性部材側の端面上に形成され、表面が前記第１液体より前記第２液体に対して高い親和性を有する第２絶縁膜と
   を備える液体レンズアレイ素子。
5. 第１及び第２光透過性部材と、前記第１及び第２光透過性部材の間に設けられ、開口部が前記第２光透過性部材と対向する有底の複数の液体収容室と、各液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する第１液体と、各液体収容室に収容され、前記第１液体と混合せず、光透過性を有し、前記第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する第２液体と、各液体収容室を画成する側壁の側面上、及び、前記第２光透過性部材の前記第２液体側にそれぞれ設けられ、前記第２液体に電圧を印加する第１及び第２電極と、前記第１電極上に形成され、表面が前記第２液体より前記第１液体に対して高い親和性を有する第１絶縁膜と、各液体収容室を画成する側壁の前記第２光透過性部材側の端面上に形成され、表面が前記第１液体より前記第２液体に対して高い親和性を有する第２絶縁膜とを有する液体レンズアレイ素子と、
   前記液体レンズアレイ素子の前記第２液体側に配置され、前記液体レンズアレイ素子に光を出射する発光部と
   を備える可変照明装置。
6. 第１及び第２光透過性部材と、前記第１及び第２光透過性部材の間に設けられ、開口部が前記第２光透過性部材と対向する有底の複数の液体収容室と、各液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する第１液体と、各液体収容室に収容され、前記第１液体と混合せず、光透過性を有し、前記第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する第２液体と、各液体収容室を画成する側壁の側面上、及び、前記第２光透過性部材の前記第２液体側にそれぞれ設けられ、前記第２液体に電圧を印加する第１及び第２電極と、前記第１電極上に形成され、表面が前記第２液体より前記第１液体に対して高い親和性を有する第１絶縁膜と、各液体収容室を画成する側壁の前記第２光透過性部材側の端面上に形成され、表面が前記第１液体より前記第２液体に対して高い親和性を有する第２絶縁膜とを有する液体レンズアレイ素子と、
   前記液体レンズアレイ素子の前記第２液体側に配置された表示パネルと、
   前記液体レンズアレイ素子の前記第１液体側に配置され、前記複数の液体収容室とそれぞれ対向する位置に配置され、且つ、２次元画像表示時の前記第１液体及び第２液体間の界面における負の屈折力を相殺する正の屈折力を有する複数の固定焦点レンズからなる固定レンズ部と
   を備える２次元／３次元画像切替表示装置。

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