JP2013003275A - 液体光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】界面を形成する２つの液体が容器内に収容された液体光学素子において、液体光学素子の光軸に対するチルト回転の外力などが素子に作用した際に、界面が過度に変形して容器の蓋部材などに接触するのを抑制する技術を提供する。
【解決手段】液体光学素子１００において、互いに混和しない２つの液体１２１、１２２が容器１０１、１１１、１１２内に収容され、２つの液体１２１、１２２の界面の端部が容器の内壁面上を移動することにより界面の状態を変化させる。容器の内壁は、液体光学素子１００の光軸１７１の周りにおいて、光軸１７１へ向かう方向に突出した部分１０２を有する。突出部１０２は、光軸１７１の方向における中心部において、面の法線が光軸１７１と交わる環状の面を有し、光軸１７１の方向における周辺部において、面の法線が光軸１７１と平行な方向へ向かって連続的に変化する環状の面を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクティブにパワー（屈折力）などの光学特性を変えることが可能な液体レンズなどの液体光学素子に関し、特に、外乱による液体間の界面の振動の際の振幅を小さく抑えることができる液体レンズなどの液体光学素子に関する。

近年、屈折力を変化させることが可能なレンズの１つとして、液体レンズの開発が進められている。エレクトロウェッティング（以下ではＥＷと称する。）現象を利用した液体レンズでは、互いに混和しない２つの液体を接触させて界面を形成し、界面の端部における接触角を変化させることにより界面の屈折力を制御している。界面は光学面として機能するため、液体レンズの不使用時に液体レンズに外力が作用して界面が変形したとしても、使用時には界面は変形前の形状に戻っている必要がある。特許文献１には、界面の端部が移動する面にエッジ部を設け、界面の端部がエッジ部を越えて移動するのを防ぐ技術が開示されている。

特開２００６−１７８４６９号公報

ＥＷ現象を利用した液体レンズは、光軸に対するチルト回転の外力が作用して液体レンズが急に回転した際などには、界面が変形してしまう。特許文献１の技術は、エッジ部において外力による界面端部の変化を止めている。しかし、大きな外力に対しては、充分に対応することが容易ではない。界面の変形が大きい場合には、界面が他の部材、例えば液体を密閉している容器の蓋部材と接触し、ここに液体が付着してしまい、界面が変位前の形状に戻らない可能性があることが懸念される。

上記課題を解決するために、本発明の液体光学素子は、互いに混和しない２つの液体が容器内に収容され、前記２つの液体の界面の端部が前記容器の内壁面を移動することにより前記界面の曲率などの状態を変化させる。前記容器の内壁は、当該液体光学素子の光軸の周りにおいて該光軸へ向かう方向に突出した部分を有する。そして、前記突出した部分は、前記光軸の方向における中心部において、面の法線が前記光軸と交わる環状の面を有し、前記光軸の方向における周辺部において、面の法線が前記光軸と平行な方向へ向かって連続的に変化する環状の面を有する。

本発明の液体光学素子によれば、容器内壁の突出部の周辺部を上記構造にすることで、外力による界面変形時に、容器内壁面と界面の接触点が突出部より容器内壁側に入り込み、例えば容器の上下の蓋部材などと接触するようなことを回避可能となる。

本発明の実施例１における液体レンズの光軸を含む断面での中心断面図。 本発明の効果を説明するための比較例の液体レンズの中心断面図。 本発明の実施例２における液体レンズの光軸を含む断面での中心断面図。 （ａ）は、本発明の実施例２における液体レンズの中心断面図、（ｂ）は、（ａ）の部分拡大図である。 本発明の実施例の効果を説明するための液体レンズの中心断面図。

本発明の特徴は、液体収容容器の内壁が、光軸の周りで、光軸へ向かう方向への突出部を有し、突出部が、光軸の方向における中心部及び周辺部で、夫々、面法線が光軸と交わる環状面及び面法線が光軸と平行な方向へ連続的に変化する環状面を有することである。この考え方に基づき、本発明の液体光学素子は、上記課題を解決するための手段のところで述べた様な基本的な構成を有する。典型的には、本発明の液体光学素子は、容器内に収容された互いに混和しない導電性液体及び非導電性液体と、容器の内壁に形成された電極と、電極上に形成され導電性液体と接触する絶縁体と、を備える。そして、導電性液体と電極との間に印加する電圧を制御して、界面の端部が絶縁体の表面を移動することにより界面の曲率などの形状を変化させる。しかし、２つの液体の界面の端部が容器の内壁面を移動することにより界面の状態を変化させる液体光学素子であれば、本発明は、液体レンズに限らず、どの様な形態の液体光学素子にも適用できる。また、突出部の環状面は、典型的には円環状であるが、楕円環状、丸みを持った角部を有する多角形環状などであってもよい。また、本発明の液体光学素子の対称性も、後述する実施例の様に、光軸の周りで対称であったり、突出部の光軸の方向における中心を通って光軸と垂直な断面に関して、対称であったりするが、何れか又は両方の対称性が多少崩れたりしていてもよい。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。
（実施例１）
本発明の実施例１の液体光学素子を説明する。この液体光学素子は、後述する導電性液体と非導電性液体との界面の端部が絶縁体の表面を移動することにより界面の曲率を変化させる焦点可変液体レンズである。図１（ａ）は実施例１の液体レンズ１００を示し、ここでは、内壁の一部が内側に突出した構造１０２を有する円筒状部材１０１の両端部に、光透過性を有する蓋部材１１１、１１２が接合されて円筒容器が構成されている。この円筒容器に、導電性及び光透過性を有する第１の液体１２１と、絶縁性（非導電性）及び光透過性を有する第２の液体１２２が収容されている。円筒状部材１０１の内側に突出した構造１０２は、円筒状部材１０１とは別の部材であっても良く、該構造１０２が円筒状部材１０１に接合された構造でも良い。

第１の液体１２１及び第２の液体１２２は互いに非混和な性質を有し、互いに屈折率が異なる液体である。また、第１の液体１２１と第２の液体１２２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ことがあるため、第１の液体１２１と第２の液体１２２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１２１には塩化ナトリウム水溶液などの導電性液体を用いることが可能であり、第２の液体１２２にはシリコンオイルなどの非導電性液体を用いることが可能である。

円筒状部材１０１の突出部１０２には電極１３１が形成されており、第１の液体１２１及び第２の液体１２２の一部は、絶縁体１４１を介して電極１３１に接触している。電圧印加装置１５１で、導電性の第１の液体１２１と電極１３１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１２１と第２の液体１２２との界面を、例えば、実線で示した界面１６１から点線で示した界面１６２へと変化させることが可能である。この時、界面の環状の端部は、液体レンズ１００の光軸１７１と平行な絶縁体１４１の表面を光軸１７１と平行な方向へ移動する。

ここでは、電圧を印加した際に、円筒状部材１０１及び突出部１０２を介して電圧がショートすることを防ぐため、円筒状部材１０１及び突出部１０２には絶縁性を有する部材が用いられる。ただし、円筒状部材１０１及び突出部１０２に導電性を有する部材を用い、円筒状部材１０１及び突出部１０２と導電性の第１の液体１２１が接触する面に絶縁性を有する部材を設けた構造にしても良い。また、電極１３１が円筒状部材１０１及び突出部１０２を兼ねた構造であっても良く、その際は導電性の第１の液体１２１と電極１３１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１３１の内壁のうち、第１の液体１２１と接触する部分にも絶縁体１４１が形成された構造にしても良い。

本実施例の液体レンズ１００は、蓋部材１１１、１１２を通して外部から光が入射する構造であるため、蓋部材１１１、１１２は光透過性を有する必要がある。よって、蓋部材１１１、１１２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。ただし、本実施例の液体レンズに要求される光透過性は該液体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ずしも必要とは限らない。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。

突出部１０２は、光軸１７１の方向における中心部において、面の法線が光軸１７１と常に一定の角度（ここでは９０度）で交わる面を有し、上下両方の周辺部において、面の法線が光軸１７１と平行な方向へ向かって連続的に単調に変化する面を有している。ここで、「単調に」とは、面の法線と光軸１７１との成す角度が上記一定の角度から、増減することなく単純に減少するか増大することを意味する。また、本実施例の液体レンズ１００は、光軸１７１の周りに対称、且つ、突出部１０２の光軸１７１の方向における中心を通って光軸１７１と垂直な断面に関して対称であり、突出部１０２の上記交わる面や周辺部の面は円環状の面である。このような面は、円筒状部材１０１の内壁における内側に突出した構造１０２を、上述したように面の方向が連続的に変化する形状になるよう金型で成形し、電極１３１及び絶縁体１４１を構造１０２の表面形状に倣うよう蒸着することで、形成可能である。勿論、電極１３１を、面の法線が周辺部で連続的に変化する形状に成形し、絶縁体１４１を電極１３１の形状に倣うように蒸着すれば、円筒状部材１０１の表面を上述した形状に成形する必要は無い。同様に、絶縁体１４１を、面の法線が周辺部で連続的に変化する形状に成形すれば、円筒状部材１０１や電極１３１の表面を上述した形状に成形する必要は無い。

図１（ｂ）は、液体レンズ１００の光軸１７１に対するチルト回転の外力が作用して液体レンズ１００が急に回転した際に、界面がＳ字形状を有した様子を概略的に示した図である。界面１８１、１８２、１８３は、変位過程の各段階における界面を表している。この時、界面の端部は、屈折力が電圧により変化する範囲での界面の端部の移動範囲を越えて、大きく移動する。しかし、絶縁体１４１の表面が連続的に変化していることにより、図１（ｂ）のように界面の端部が大きく移動した場合でも、界面の端部が絶縁体１４１の表面上を滑らかに移動することが可能となる。また、絶縁体１４１の表面を、光軸１７１と平行な方向から光軸１７１と直交する方向へと連続的に変化させることで、界面の端部の移動方向を、矢印１９１で示したように、光軸１７１と平行な方向から光軸１７１と直交する方向へと連続的に変えることができる。その結果、界面のＳ字の膨らみを抑えることができ、界面が上下の蓋部材１１１、１１２と接触するのを回避することが可能となる。

図２は、図１の液体レンズ１００の構造の一部を変えた比較例を示す。この図は、実施例１の効果を説明するために例示した比較例の液体レンズ２００の中心断面図である。液体レンズ２００は、本実施例の液体レンズ１００とは異なり、絶縁体２４１の表面の法線方向が光軸２７１と直交する方向から光軸２７１と平行な方向へと不連続に変化している。界面２８１、２８２、２８３は、液体レンズ２００の光軸２７１に対するチルト回転方向の外力が作用して液体レンズ２００が急に回転した際に、界面が膨らみの大きいＳ字形状になることを示している。液体レンズ２００では、絶縁体２４１の表面の法線方向が不連続的に変化しているため、図２のように界面の端部が大きく移動した場合、絶縁体２４１の表面の不連続変化部分（ここでは直角の角部）で界面の端部の移動が止まってしまうことがある。その場合、界面の端部は絶縁体２４１の表面上を矢印２９１で示した方向へ移動することができないため、液体レンズ１００のように界面のＳ字の膨らみを押さえることができない。

（実施例２）
図３（ａ）は、実施例１とは異なる形態を有する実施例２の液体レンズ３００の中心断面図である。本実施例の基本的構造は、実施例１のものと同様である。ここでも、内壁の一部が内側に突出した構造を有する円筒状部材３０１の両端部に、光透過性を有する蓋部材３１１、３１２が接合された円筒容器に、導電性及び光透過性の第１の液体３２１と、絶縁性及び光透過性の第２の液体３２２が収容されている。また、円筒状部材３０１の内壁の一部である内側に突出した構造３０２が、円筒状部材３０１とは別の部材であっても良く、該構造３０２が円筒状部材３０１に接合された構造でも良い。

２つの液体３２１、３２２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、２つの液体３２１、３２２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の液体には塩化ナトリウム水溶液などを用いることができ、第２の液体にはシリコンオイルなどを用いることができる。円筒状部材３０１及び突出部３０２の内壁には電極３３１が形成されており、２つの液体３２１、３２２の一部は、それぞれ、絶縁体３４１を介して電極３３１に接触している。

電圧印加装置３５１により、第１の液体３２１と電極３３１との間に電圧を印加することで、ＥＷ現象により２つの液体３２１、３２２の界面を、例えば、実線で示した界面３６１から点線で示した界面３６２へと変化させることが可能である。この時、界面の端部は絶縁体３４１の表面を移動する。円筒状部材３０１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。また、円筒状部材３０１に、導電性を有する部材を用い、円筒状部材３０１と第１の液体３２１が接触する面に絶縁性を有する部材を設けた構造にしても良い。また、電極３３１が円筒状部材３０１を兼ねた構造であっても良く、その際は、第１の液体３２１と電極３３１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３３１の内壁のうち、第１の液体３２１と接触する部分に絶縁体３４１が形成された構造にしても良い。液体レンズ３００の蓋部材３１１、３１２についても、実施例１で説明した通りである。

絶縁体３４１の表面は、表面の法線方向が光軸３７１と直交する方向から、光軸３７１との成す角度が角度θになる方向へと連続的に変化している。ここで、角度θの値は、後述する幾何学的条件を満たす値に設定される。このような面を形成する方法も、実施例１で説明した方法と同様である。

図３（ｂ）は、液体レンズ３００の光軸３７１に対するチルト回転の外力が作用して液体レンズ３００が急に回転した際に、界面が光軸３７１と平行な方向へ変位する様子を概略的に示した図である。界面３８１、３８２、３８３は、変位過程の界面を表している。この時、界面の端部は、屈折力が電圧により変化する範囲での界面の端部の移動範囲を越えて大きく移動する。本実施例でも、絶縁体３４１の表面が連続的に変化していることにより、図３（ｂ）のように界面の端部が大きく移動した場合でも、界面の端部が絶縁体３４１の表面上を滑らかに移動することが可能となる。また、絶縁体３４１の表面の法線を光軸３７１と直交する方向から光軸３７１との成す角度が角度θになる方向へと変化させることで、次の様にできる。すなわち、界面の端部の移動方向を、矢印３９１で示したように、光軸３７１と平行な方向から光軸３７１との成す角度が９０°−θになる方向へと連続的で且つ単調に変えることができる。その結果、Ｓ字の膨らみを抑えることができ、蓋部材３１１、３１２と接触するのを回避することができる。

図４（ａ）は、角度θが満たす幾何学的条件を説明するための、液体レンズ３００の中心断面図である。界面３８４は、上述したチルト回転の外力が作用して液体レンズ３００が急に回転した際の界面を表している。図４（ａ）のような光軸３７１を含む断面上では、界面３８４の端部は、光軸３７１を挟んで、絶縁体３４１の表面の互いに斜め対角の位置にある点３８５及び点３８６で接触している。線分３８７は、２つの接触点である点３８５と点３８６とを結ぶ線分である。角度θは、界面が絶縁体の表面に接触後に液体が分離するのを回避できる様に、突出した部分である絶縁体３４１の表面が線分３８７に接するか又は交わらないように設定する。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した液体レンズ３００において、界面の端部が移動する絶縁体３４１の表面付近を拡大した部分拡大図である。図中において、φは、絶縁体３４１の表面のうち、面の法線方向が光軸３７１と直交する方向である部分の内径である。Ｈは、絶縁体３４１の表面のうち、面の法線方向が光軸３７１と直交する方向である部分の長さである。Ｒは、絶縁体３４１の表面の方向が連続的に変化している部分の曲率半径である。ここでは簡単のため、絶縁体３４１の表面のうち、面の法線方向が変化している部分は、単一の曲率半径である場合を考える。この時、絶縁体３４１の表面が線分３８７に接するか又は交わらないように設定するという角度θが満たす条件は、以下のように定式化される。
（φ＋２Ｒ）ｓｉｎθ−Ｈｃｏｓθ≧２Ｒ
例えば、φ＝１０ｍｍ、Ｈ＝５ｍｍ、Ｒ＝２ｍｍの場合、θは約３５°以上となる。角度θを上述した条件を満たす角度にすることで、界面３８４が絶縁体３４１の表面に接触するのを防ぐことが可能となる。これにより、界面が絶縁体の表面に接触後、液体が分離するのを防ぐことが可能となる。

図５は、構造の一部を変えた液体レンズ５００の中心断面図である。この構造自体は本発明の範囲に含まれるものであるが、この構造と比較することで、実施例２の効果を明瞭に説明することができる。液体レンズ５００では、角度θを上述した条件を満たさない角度に設定している。図５において、界面５８４は、液体レンズ５００の光軸５７１に対するチルト回転の外力が作用して液体レンズ５００が急に回転した際に、界面がＳ字形状になるのを示している。線分５８７は、界面５８４の端部である点５８５と点５８６とを結ぶ線分である。角度θが上記条件を満たしていない場合、絶縁体５４１は線分５８７と交わっており、図５に示したように、界面５８４の一部が絶縁体５４１の一部と接触してしまうことがある。この時、界面５８４が複数に分割されてしまう恐れがある。このように界面５８４の一部が絶縁体５４１の一部と接触する現象は、光軸５７１に対するチルト回転の外力が液体レンズ５００に大きく作用し、界面の端部５８５、５８６が光軸５７１から離れた位置まで移動した場合に生じる。よって、本発明の液体レンズを、上記チルト回転の外力が大きく作用する機会が多い場所で使用する場合は、界面端部が光軸から離れた位置まで移動する可能性が高い為、図４の液体レンズ３００の様に角度θを上記条件を満たす角度に設定すると効果的である。

本発明の液体レンズを、実施例１の形態にするか、実施例２の形態にするかは、光軸に対するチルト回転の外力などの外乱が液体レンズに作用した際に界面の端部が移動する量を考慮して、決めることができる。

１００、２００、３００、５００：液体レンズ（液体光学素子）、１０１、３０１：円筒状部材（容器）、１１１、１１２、３１１、３１２：蓋部材（容器）、１２１、３２１：第１の液体（導電性液体）、１２２、３２２：第２の液体（非導電性液体）、１３１、３３１：電極、１４１、２４１、３４１、５４１：絶縁体

Claims (7)

1. 互いに混和しない２つの液体が容器内に収容され、前記２つの液体の界面の端部が前記容器の内壁面を移動することにより前記界面の状態を変化させる液体光学素子であって、
   前記容器の内壁は、当該液体光学素子の光軸の周りにおいて該光軸へ向かう方向に突出した部分を有し、
   前記突出した部分は、前記光軸の方向における中心部において、面の法線が前記光軸と交わる環状の面を有し、前記光軸の方向における周辺部において、面の法線が前記光軸と平行な方向へ向かって連続的に変化する環状の面を有することを特徴とする液体光学素子。
2. 前記容器内に収容された互いに混和しない導電性液体及び非導電性液体と、前記容器の内壁に形成された電極と、前記電極上に形成され前記導電性液体と接触する絶縁体と、を備え、
   前記導電性液体と前記電極との間に印加する電圧を制御して、前記導電性液体と前記非導電性液体との界面の端部が前記絶縁体の表面を移動することにより前記界面の形状を変化させることを特徴とする請求項１に記載の液体光学素子。
3. 前記突出した部分は、前記光軸の方向における中心部において、面の法線が前記光軸と常に一定の角度で交わる環状の面を有し、前記光軸の方向における周辺部において、面の法線が前記光軸と平行な方向へ向かって単調に連続的に変化する環状の面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液体光学素子。
4. 前記導電性液体と前記非導電性液体との界面の端部が前記絶縁体の表面を移動することにより前記界面の曲率を変化させる焦点可変液体レンズであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液体光学素子。
5. 前記光軸の周りで対称であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の液体光学素子。
6. 前記突出した部分の前記光軸の方向における中心を通って前記光軸と垂直な断面に関して、対称であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の液体光学素子。
7. 前記突出した部分の周辺部は、前記光軸を含む断面において、前記界面の端部が前記光軸を挟んで互いに斜め対角の位置にある前記周辺部と接触している時、２つの接触点を結ぶ線分が前記突出した部分と接するか又は交わらないような形状を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の液体レンズ。

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