JP2012042744A - 液体レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズを構成する電極や絶縁体の材料や厚さの選択の自由度を増すと共に迷光によるフレアやゴーストの発生を抑制した液体レンズを提供すること
【解決手段】 液体を収容するための容器と、前記容器に収容された第１の液体及び第２の液体と、前記第１の液体と前記第２の液体との間に形成される屈曲面と、を含み、前記屈曲面の曲率が変化する液体レンズにおいて、遮光部材を、前記第１の液体又は前記第２の液体中における前記屈曲面と接触しない位置に、前記屈曲面の端部が接触する前記容器の壁面から離間して設けた液体レンズ。
【選択図】 図１

Description

本発明は液体を用いて屈折力を変化させる液体レンズに関する。

近年、屈折力を変化させることが可能なレンズの一形態として液体レンズの研究・開発が進められてきている。

液体レンズにあっては、形状可変の光学面を形成する液体が円筒状の筐体に収容されているため、液体中に入射した迷光が筐体の壁で反射や散乱し、結果としてゴーストやフレアの原因となる場合がある。

こうしたなか、特許文献１には、液体レンズを構成する筐体の外部壁面に一体的に遮光部材を設けることで、ゴーストやフレアを生じ難くする技術が開示されている。

特表２００７−５３１０５１号公報

一般的に電界を印加することで液体と絶縁体の接触角が変化するエレクトロウェッティング（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｗｅｔｔｉｎｇ： 以下、単に「ＥＷ」ともいう。）現象を利用した液体レンズにおいては、筐体の壁を構成する電極や絶縁体の材質や厚さ等が特性に影響を及ぼす。
そこで、筐体を構成する材料の材質や厚さ等は液体レンズの特性が最大限発揮されるように決められることが望ましいが、その場合、適切な遮光を考慮しつつ、特性と遮光の両立を図ることは容易なことではない。

特許文献１に開示の技術を、実際にＥＷを利用する液体レンズに適用する場合には、電極や絶縁体に用い得る材料が限定される。また、液体レンズの構成要素である導電性を有する液体と電極との間隔が大きくなる場合も考えられ、この場合、実質的に絶縁体の厚さが大きくなる為、必要な印加電圧が高くなることが懸念される。

本発明は、レンズを構成する電極や絶縁体の材料や厚さの選択の自由度を増すと共に迷光によるフレアやゴーストの発生を抑制した液体レンズを提供することを目的とする。

本発明により提供される液体レンズは、液体を収容するための容器と、前記容器に収容された第１の液体及び第２の液体と、前記第１の液体と前記第２の液体との間に形成される屈曲面と、を含み、前記屈曲面の曲率が変化する液体レンズにおいて、遮光部材を、前記第１の液体又は前記第２の液体中における前記屈曲面と接触しない位置に、前記屈曲面の端部が接触する前記容器の壁面から離間して設けたことを特徴とする。

本発明によれば、容器の壁面から離間して遮光部材を設けることで、ＥＷに最適な電極や絶縁体の材料や仕様の選択の自由度が増大すると共に、迷光によるフレアやゴーストの発生を抑制することができる。

本発明の液体レンズの一例を示す模式的断面図である。 遮光部材近傍の界面の状態を説明する為の模式図である。 本発明の実施例１における液体レンズ１００の模式的断面図である。 本発明の実施例１における液体レンズ４００の模式的断面図である。 本発明の実施例１における液体レンズ５００の模式的断面図である。 遮光部材を設ける位置を説明する為の説明図である。 本発明の実施例２における液体レンズ７００の模式的断面図である。

本発明の液体レンズは、液体を収容するための容器と、該容器に収容された第１の液体及び第２の液体と、前記第１の液体と前記第２の液体との間に形成される屈曲面と、を含んで構成される。本発明の液体レンズは、遮光部材を、第１の液体又は第２の液体中における屈曲面と接触しない位置に、屈曲面の端部が接触する容器の壁面から離間して設けたことを特徴とする。

本発明の液体レンズは、以下の形態を包含する。

前記屈曲面の端部の前記壁面上の移動に伴い前記屈曲面の曲率が変化する液体レンズであり、液体レンズへの入射面上の任意の点と前記屈曲面の端部が移動する領域上の任意の点とを結ぶ線分を連ねた領域内に、前記遮光部材の一部が位置するように構成することもできる。

この構成によると液体レンズに入射した迷光の一部が必ず遮光部材に吸収又は散乱されることとなり、確実にフレアやゴーストが抑制される。

遮光部材を少なくとも前記第１の液体及び前記第２の液体中に夫々１つ設けた構成とすることもできる。この構成によると遮光部材が覆う領域が増えるので好適である。

また、絶縁体により第１の液体及び第２の液体が接する容器の内壁面を構成したものを本発明は包含する。

更に、内壁面により規定される直径をφ、前記液体レンズの光入射面の開口径をψ、前記光入射面と光出射面との距離をＨ、前記第１の液体の重心と前記第２の液体の重心を通る直線の方向における前記第１の液体中に設けた遮光部材と前記第２の液体中に設けた遮光部材との間隔をＬ、前記遮光部材と前記壁面との距離をＤとして、以下の関係式を満たす液体レンズを包含する。
Ｌ／Ｄ≦２Ｈ／（φ＋ψ）
この関係式は、液体レンズへ入射する迷光の内、最大入射角の迷光を遮光するのに好適な遮光部材の条件を示すもので、この条件を満たすことで迷光が遮光部材の隙間に入り込み難くなるため都合が良い。

また、本発明の液体レンズは、容器の壁面の形状が、第１の液体の重心と第２の液体の重心を通る直線に沿ったテーパ形状をなす構成とすることもできる。この構成では、液体レンズに入射した迷光の内、遮光部材の一方で遮光できず反射した迷光が、テーパ形状をなす他方の遮光部材により遮蔽されるので好適である。

また、本発明の液体レンズは、壁面の形状の一部が、前記第１の液体の重心と前記第２の液体の重心を通る直性と直交する方向に凸又は凹となるものをも包含する。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

図１（ａ）は、本実施例における液体レンズ１００の断面図である。

図１（ａ）においては、円筒部材１０１の開口部をなす両端部に光透過性を有する蓋部材１０２、１０３が配され（接合され）て、液体を収容するための円筒状の容器が構成されている。この容器内には、絶縁性及び光透過性を有する第１の液体１０４と、導電性及び光透過性を有する第２の液体１０５が収容されている。

第１の液体１０４及び第２の液体１０５は互いに非混和性を有し、互いに屈折率が異なる液体であるため、液体同士の界面は光学的な屈曲面として機能する。また、第１の液体１０４と第２の液体１０５の密度が互いに異なる場合、重力の影響により液体同士の界面が球面状にならないため、第１の液体１０４と第２の液体１０５の密度は互いに近い値にすることが望ましい。

第１の液体１０４にはシリコンオイルなどが用いられ、第２の液体１０５には塩化ナトリウム水溶液などが用いられる。

円筒容器１０１の内側には電極１０７がリング状に形成されており、更にその内側には、絶縁体１０６が配されていて内壁面を構成している。第１の液体１０４及び第２の液体１０５は絶縁体１０６を介して電極１０７に接触している。

電圧印加装置１０８により、第２の液体１０５と電極１０７との間に電圧を印加することで、ＥＷ現象により第１の液体１０４と第２の液体１０５との界面を、実線で示した界面１０９から点線で示した界面へと変化させることが可能である。

電圧を印加した際に、円筒部材１０１を介して電圧がショートすることを防ぐため、円筒部材１０１には電気的に絶縁性を有する部材が用いられる。勿論、導電性を有する円筒部材１０１の内壁面に電気的に絶縁性を有する部材を設ける構造でも良い。

また、電極１０７が円筒部材１０１を兼ねた構造であっても良く、その際は第２の液体１０５と電極１０７との間で電圧がショートしない構造が用いられる。例えば、電極１０７の内壁面で第２の液体１０５と接する部分にも絶縁体１０６が形成された構造などが挙げられる。

液体レンズ１００は蓋部材１０２、１０３を通して外部から光が入射する構造であるため、蓋部材１０２、１０３は光透過性を有する必要がある。よって、蓋部材１０２、１０３にはガラスやアクリルなど、光透過性を有する部材が用いられる。

尚、本発明の液体レンズに要求される光透過性はレンズの用途によって異なるため、広い範囲の透過波長幅や高い光透過率が必要とは限らない。故に、上述した光透過性は、定性的又は定量的に表された特定の基準によって規定されるものではない。

部材１１３、１３０は光吸収性を有する円筒状の遮光部材である。図において、遮光部材１１３は蓋部材１０２の下面より下方に、遮光部材１３０は蓋部材１０３の上面より上方に、夫々の先端部が液体同士の界面に接触しない位置で、かつ、電極１０７及び絶縁体１０６から成る壁面から離間して設けられている。

遮光部材１１３を液体同士の界面に接触する位置に設けると、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、界面１０９は遮光部材１１３を境に界面１１８や界面１１９のように元の曲率とは異なる曲率を有する界面に変形してしまう。

その結果、液体レンズ１００における界面の光学有効部の曲率も変化してしまい、前記界面を制御する上で弊害となる。そのため、遮光部材１１３は液体同士の界面に接触しない位置に設けることが必要である。遮光部材１３０についても同様である。

遮光部材１１３、１３０は、黒色のプラスチック、プラスチックの表面に黒色の塗装を施したもの、黒色アルマイト処理を施したアルミニウムなど、遮光に最適な素材を用いることが可能である。

液体レンズ１００に入射した迷光１３３、１１１は、絶縁体１０６（及び電極１０７）で構成された内壁面に到達することなく遮光部材１１３、１３０に吸収されるため、ゴーストやフレアの発生を低く抑えることが可能となる。

図１（ｂ）は、液体レンズ１００の中心断面における液体同士の界面付近を拡大した部分拡大図である。

前述したように、液体レンズ１００に電圧を印加することで液体同士の界面１０９は点線で示した界面へと変化し、図１（ａ）に示した第１の液体１０４の重心と第２の液体１０５の重心を通る直線１９０の方向に所定の範囲を移動する。

ここで、液体レンズ１００は軸対象である為、直線１９０は液体レンズ１００の中心軸１９１と一致する。そこで、説明をより分かり易くする為、これ以降の説明では、直線１９０の代わりに中心軸１９１を用いる。

図１（ｂ）において、矢印１５１から１５５は、前記界面上の任意の位置における前記所定の範囲を移動する界面の中心軸１９１の方向における軌跡の範囲を示す。

ＥＷを利用した液体レンズのように容器に収容される液体の液量比が常に一定の場合、矢印１５３のように前記界面の端部から離れた位置の中に、前記所定の範囲を移動する界面の軌跡の範囲が最小となる位置が存在する。

例えば、液体レンズ１００において、前記界面の形状が平面になった時の直径１６１が１０ｍｍの場合、前記壁面から中心軸１９１と直交する方向への距離１６２が約１．３５ｍｍの位置で、前記所定の範囲１５３が最小値約１．４９ｍｍとなる。

上記のように界面の軌跡の範囲が最小となる位置に遮光部材１１３、１３０を設けることにより、遮光部材１１３、１３０の中心軸１９１の方向における長さを最大にすることができるため、より多くの迷光を遮光することが可能となる。

図３は、液体レンズ１００の代表的な寸法を記載した液体レンズ１００の断面図である。

図中において、φは絶縁体１０６（及び電極１０７）から成る内壁面の直径である。ψは入射面として機能する蓋部材１０２の上面の直径である。Ｈは蓋部材１０２の上面と出射面として機能している蓋部材１０３の下面との距離である。Ｌは遮光部材１１３と遮光部材１３０との中心軸１９１の方向における間隔である。Ｄは遮光部材１１３及び遮光部材１３０の前記壁面からの距離である。

蓋部材１０２を通して液体レンズ１００へ入射した迷光の内、迷光１２１は蓋部材１０２への入射角１７１が最も大きい。迷光１２１が遮光部材１１３又は遮光部材１３０で遮光されるように遮光部材１１３及び１３０を設けることにより、蓋部材１０２を通して液体レンズ１００へ入射する迷光が、遮光部材１１３と遮光部材１３０との隙間に入り込み難くなる。また、前記隙間に入り前記壁面で反射した迷光に対しても、遮光部材１３０によって遮られ易くなる。

迷光１２１が遮光部材１１３又は遮光部材１３０で遮光される為には、図３中に示した寸法が以下に示す（式１）を満たせば良い。
Ｌ／Ｄ≦２Ｈ／（φ＋ψ） （式１）
例えば、φ＝１０ｍｍ、ψ＝５ｍｍ、Ｈ＝９ｍｍの場合、式１の右辺は以下に示す（式２）となる。
Ｌ／Ｄ≦１．２ （式２）
更に、界面の軌跡の範囲が最小となる位置であるＤ＝１．３５ｍｍの時、（式２）は以下に示す（式３）となる。
Ｌ≦１．６２ｍｍ （式３）
前述したように、Ｄ＝１．３５ｍｍの位置での界面の中心軸１９１の方向における軌跡の範囲は約１．４９ｍｍである。よって、１．４９ｍｍ＜Ｌ≦１．６２ｍｍとなるように遮光部材１１３、１３０を設けることにより、液体同士の界面に接触せず、かつ、迷光１２１を遮光することができる。

一方、φ＝１０ｍｍ、ψ＝５ｍｍ、Ｈ＝８ｍｍ、Ｄ＝１．３５ｍｍの場合、（式１）は以下に示す（式４）となる。
Ｌ≦１．４４ｍｍ （式４）
この場合、液体同士の界面に接触せず、かつ、迷光１２１を遮光することができるように遮光部材１１３、１３０を設けることはできないが、前記界面に接触しない範囲でＬを小さくすることにより、より多くの迷光を遮光することが可能となる。

ここで、エレクトロウェッティングを利用した液体レンズにおける液体同士の界面は、液体同士の界面及び前記界面が接触する面における界面エネルギと電極及び第２の液体間に発生する静電エネルギとの総和が最小となるような曲率を形成する。よって、遮光部材が前記界面エネルギ及び前記静電エネルギに影響を与えない限り、前記遮光部材が前記界面の形状を変化させてしまう恐れは無い。

本発明の液体レンズは、液体同士の界面の可動範囲外に遮光部材を設けているため、遮光部材が前記界面エネルギに影響を与えることは無い。また、第１の液体と第２の液体の内部は夫々同電位であるため、何れの液体の内部に遮光部材を設けた場合でも、遮光部材の表面に電荷が誘起されることは無いため、遮光部材が前記静電エネルギに影響を与えることは無い。よって、本発明の液体レンズにおいて、遮光部材が液体同士の界面の形状を変化させてしまう恐れは無い。

図４は、遮光部材４１３を片側のみに設けた液体レンズ４００の断面図である。

液体レンズ４００のように遮光部材を片側のみに設けた液体レンズでは、液体レンズ１００のように遮光部材を両側に設けた液体レンズと比較して、遮光部材で吸収される迷光は少なくなるが、構成が簡単になる為、コストが低くなるという利点がある。

よって、遮光部材を両側に設けるか片側のみに設けるかは、ゴーストを許容する基準やコストなどとの兼ね合いから決定される。

図５は、遮光部材５１３を電極５０７に近い位置に設けた液体レンズ５００の断面図である。

二点鎖線で示す面５２０のような、液体同士の界面の端部が接触しない面、即ちＥＷ現象に影響しない面や光学的に利用しない面は、反射防止加工を直接面に施すなどゴーストの発生に寄与しない構造にすることが可能である。

液体レンズ５００のように遮光部材を電極に近い位置に設けた液体レンズでは、液体レンズ１００、４００のように液体同士の界面における中心軸の方向への可動範囲が最も小さな界面の付近に設けた液体レンズと比較して、迷光に対する遮光領域が少なくなる。しかしながら一方で、液体レンズ５００のように遮光部材を電極に近い位置に設けた液体レンズでは、光学有効部が大きくなるため光学設計の観点で有利になる場合も存在する。

よって、遮光部材を設ける位置は、液体同士の界面に接触しないという条件を前提に、上述した（式１）の関係を考慮しながらゴーストを許容する基準や光学設計などとの兼ね合いで決定される。

図６（ａ）は、遮光部材５１３を設けた場合に遮光に対して有効となる領域５１４を示した液体レンズ５００の断面図である。

斜線の領域５１４は、蓋部材５０２の下面又は蓋部材５０３の上面の任意点と領域５１５の任意点とを結ぶ線分を連ねた領域である。蓋部材５０２、５０３を通して液体レンズ５００に入射し面５１５に到達する迷光は領域５１４を通過する。そのため、遮光部材５１３の一部が領域５１４に含まれるように遮光部材５１３を設けることにより、前記迷光の少なくとも一部は遮光部材５１３で吸収される。

図６（ｂ）は、遮光部材５１３を設けるのに適した領域５４０を示した液体レンズ５００の断面図である。

遮光部材５１３は前記界面の可動範囲に接触しないように設ける必要から、領域５８０、５８１には遮光部材を設けることができない。以上のことより、領域５１４から領域５８０、５８１を差し引いた領域５４０が、遮光部材５１３を設けるのに適した領域である。

遮光部材５１３は、図６（ｂ）のように液体同士の界面よりも蓋部材５０２側に設ける他、液体同士の界面よりも蓋部材５０３側に設けても良い。また、液体レンズ１００のように、液体同士の界面を挟んで両側に設けても良い。

本実施例では、光吸収性を有する遮光部材で迷光を吸収することにより、ゴーストやフレアの発生を低減させる例を挙げたが、光散乱性を有する散乱部材で迷光を散乱させることによりゴーストの発生を低減させることも可能である。よって、これまでに説明した光吸収性を有する遮光部材の代わりに光散乱性を有する散乱部材を用いても、本発明の効果を得ることが可能である。

尚、遮光部材は壁面に沿った形状即ち円筒形状に限らず、例えば電極形状が円錐形状のような場合は、円錐に沿ったテーパのついた円筒形状等であっても良い。

図７は、実施例１とは異なる形態を有する液体レンズ７００の断面図である。

液体レンズ７００では、内壁にテーパ形状を有する円筒部材７０１の開口部をなす両端部に光透過性を有する蓋部材７０２、７０３を配して（接合された）円筒容器が構成され、内部に絶縁性及び光透過性を有する第１の液体７０４と、導電性及び光透過性を有する第２の液体７０５が収容されている。

第１の液体７０４及び第２の液体７０５は互いに非混和性を有し、互いに屈折率が異なる液体である。また、第１の液体７０４と第２の液体７０５の密度は互いに近い値にすることが望ましいことは、実施例１で説明した通りである。

第１の液体７０４にはシリコンオイルなどが用いられ、第２の液体７０５には塩化ナトリウム水溶液などが用いられる。

円筒容器７０１の内壁には、電極７０７がテーパのついたリング状に形成されており、第１の液体７０４及び第２の液体７０５は絶縁体７０６を介して電極７０７に接触している。

電圧印加装置７０８により、第２の液体７０５と電極７０７との間に電圧を印加することで、ＥＷ現象により第１の液体７０４と第２の液体７０５との界面を、実線で示した界面７０９から点線で示した界面へと変化させることが可能である。

円筒部材７０１には電気的に絶縁性を有する部材が用いられることは、実施例１で説明した通りである。

液体レンズ７００は蓋部材７０２、７０３を通して外部から光が入射する構造であるため、蓋部材７０２、７０３は光透過性を有する必要がある。よって、蓋部材７０２、７０３にはガラスやアクリルなど、光透過性を有する部材が用いられている。

液体レンズ７００に迷光７１１が入射した場合、電極７０７が第１の液体７０４の重心と第２の液体７０５の重心を通る直線７９０に対して傾きを持つことにより、電極７０７で反射する迷光は前記傾きに対応して反射光７３１から反射光７３２へと軌跡が変化する。その結果として、より多くの迷光が遮光部材７３０で吸収されるようになる。こうした処置は、遮光部材７１３と遮光部材７３０との間隔が設計条件等の制約で（式１）の条件を満たすことができない場合に有効である。

また、上述した効果は、前記壁面の断面が曲線である液体レンズでも同様に得ることが可能である。

尚、本発明は、実施例１または実施例２で説明したＥＷ現象を用いた液体レンズに限らず、特表２００７−５００８７４号公報に開示された液体レンズのようにポンプを用いて界面を制御するものにも適用可能である。

また、本発明は、液体同士の界面が光学的な屈折面として機能する液体レンズに限らず、複数の液体が弾性を有する膜を介して配され、前記膜が光学的な屈折面として機能する液体レンズにも適用可能である。

１００、４００、５００、７００ 液体レンズ
１０１、７０１ 円筒部材
１０２、１０３、５０２、５０３、７０２、７０３ 蓋部材
１０４、７０４ 第１の液体
１０５、７０５ 第２の液体
１０６、７０６ 絶縁体
１０７、５０７、７０７ 電極
１１３、１３０、４１３、５１３、７１３、７３０ 遮光部材

Claims (7)

1. 液体を収容するための容器と、前記容器に収容された第１の液体及び第２の液体と、前記第１の液体と前記第２の液体との間に形成される屈曲面と、を含み、前記屈曲面の曲率が変化する液体レンズにおいて、遮光部材を、前記第１の液体又は前記第２の液体中における前記屈曲面と接触しない位置に、前記屈曲面の端部が接触する前記容器の壁面から離間して設けたことを特徴とする液体レンズ。
2. 前記遮光部材を少なくとも前記第１の液体及び前記第２の液体中に夫々１つ設けたことを特徴とする請求項１に記載の液体レンズ。
3. 前記屈曲面の端部の前記壁面上の移動に伴い前記屈曲面の曲率が変化する液体レンズであり、液体レンズへの入射面上の任意の点と前記屈曲面の端部が移動する領域上の任意の点とを結ぶ線分を連ねた領域内に、前記遮光部材の一部が位置することを特徴とする請求項１に記載の液体レンズ。
4. 前記容器の壁面が、円筒形状をなすことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体レンズ。
5. 前記壁面により規定される直径をφ、前記液体レンズの光入射面の開口径をψ、前記光入射面と光出射面との距離をＨ、前記第１の液体の重心と前記第２の液体の重心を通る直線の方向における前記第１の液体中に設けた遮光部材と前記第２の液体中に設けた遮光部材との間隔をＬ、前記遮光部材と前記壁面との距離をＤとして、以下の関係式を満たすことを特徴とする請求項４に記載の液体レンズ。
   Ｌ／Ｄ≦２Ｈ／（φ＋ψ）
6. 前記壁面の形状の一部が、前記第１の液体の重心と前記第２の液体の重心を通る直線に沿ったテーパ形状をなすことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の液体レンズ。
7. 前記壁面の形状の一部が、前記第１の液体の重心と前記第２の液体の重心を通る直性と直交する方向に凸又は凹であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液体レンズ。

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