JP2013025305A

JP2013025305A - 開口調節方法及び開口調節素子

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Publication number: JP2013025305A
Application number: JP2012093949A
Authority: JP
Inventors: Jong-Hyeon Jang; 鍾賢張
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-02-04
Also published as: US9063326B2; CN102879899A; KR20130009504A; US20130016515A1; EP2546691A1

Abstract

【課題】高速かつ精細に光が透過する開口を調節できる開口調節素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る開口調節素子は、流体が流動する空間を構成するチャンバと、当該チャンバ内に設けられるものであって、互いに混合されない性質を持ち、一つは透光性の、他の一つは遮光性または吸光性の物質で形成された第１流体及び第２流体と、チャンバの内側面に設けられるものであって、チャンバ内に電場を形成するために電圧が印加される一つ以上の電極がアレイされた第１電極部と、を備え、電場による第１流体と第２流体間の界面位置変化により光が透過される開口が調節される。
【選択図】図２

Description

本発明は、微小電気流体方式を用いて光が透過される開口を調節する開口調節方法及び開口調節素子に関する。

光の透過率を調節する技術は、映像を獲得する装置の絞りやシャッター、または映像を表示する装置において、それぞれの画素を駆動するために広く使われる技術である。

既存の光学システムで一般的に使われる可変絞りは、主に複数の金属ブレードを操作する方式を使用してきたが、機械的動きによる摩擦力または動く機械要素そのものが、小型化を制限する要因となる。

電熱または静電気方式のＭＥＭＳ絞りによる方式もあるが、開口部が非円形であってブレード間に隙間が存在し、全体素子面積に比べて最大開口率が１％以下と低いという問題がある。

一方、微小光学と微細流体システムとを結合した光流体技術の発展と共に、空圧でジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）メンブレンを変形させて開口率を調整する可変絞りが提案された。この技術により、３次元構造体と毛細管力とを用いて可変絞りの解像度が改善された。しかしこのような絞りは、既存のＭＥＭＳ絞りに比べて開口率を高くできるが、駆動のために注射器ポンプを使用しなくてはならず、高速に開口率を制御することはできない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、微小電気流体方式で高速かつ精細に光が透過する開口を調節できる開口調節方法及び開口調節素子を提供する。

本発明の一類型による開口調節素子は、流体が流動する空間を構成するチャンバと、前記チャンバ内に設けられ、互いに混合されない性質を持ち、透光性の第１流体及び遮光性または吸光性の第２流体と、前記チャンバの内側面に設けられ、前記チャンバ内に電場を形成するために電圧が印加される一つ以上の電極が配置された第１電極部と、を備え、前記電場による前記第１流体と前記第２流体間の界面位置変化により、光が透過する開口が調節される。

前記第１流体と第２流体のうちいずれか一方は液体金属または極性液体であり、他方はガスまたは非極性液体から構成される。

前記チャンバ内の領域は、前記界面位置変化によって調節される開口が形成されるチャネル領域と、前記界面位置変化によって前記チャネル領域から移動する流体が滞留する貯留領域と、を含む。

前記チャンバは、前記第１電極部が設けられた第１基板と、前記第１基板と対向する方向に離隔配置された第２基板と、前記第１基板上に、前記対向する方向と異なる方向に前記第２基板と離隔配置された隔壁と、を備える。

または、前記チャンバの領域は、第１チャネルと、前記第１チャネルの上部に、前記第１チャネルと連結するように設けられた第２チャネルと、を含み、前記第１チャネルと第２チャネルそれぞれで生じる前記第１流体と第２流体間の界面位置変化により前記開口範囲が定められる。

前記第２チャネルの高さは、前記第１チャネルの高さと同一か、またはより高く形成される。

前記チャンバは、前記第１電極部が設けられた第１基板と、前記第１基板と対向する方向に離隔配置された第２基板と、前記第２基板と対向して、前記対向する方向に離隔配置された第３基板と、前記第１基板と第３基板との間に形成される空間の少なくとも一側を取り囲み、前記第２基板と離隔配置された隔壁と、を備える。

前記第１チャネルは、前記第１電極部が形成された第１基板と、前記第１基板と離隔して設けられたものであって、中心部に第１貫通ホールが形成され、周辺部に第２貫通ホールが形成された第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に内部空間を形成するように設けられた第１スペーサと、により形成される。

前記第２チャネルは、前記第２基板と、前記第２基板と離隔して設けられた第３基板と、前記第２基板と前記第３基板との間に内部空間を形成するように設けられた第２スペーサと、により形成される。

前記第３基板上の中心部には、前記第１チャネル、第２チャネルを透過した光を遮断できる不透明パターン部がさらに形成され、前記不透明パターン部は、前記第１流体及び前記第２流体の流動によって定められる開口の最小サイズに対応するサイズを持つ。

前記第１チャネル及び第２チャネルが形成する空間内に、前記第１流体と第２流体のうち極性流体と接触する接地電極部がさらに形成される。

本発明の一類型による映像獲得装置は、前記開口調節素子と、前記開口調節素子を通じて入射された光から被写体の像を形成する結像部と、前記結像部で形成された像を電気信号に変換する撮像素子と、を備える。

本発明の一類型による映像表示装置は、映像形成用光を提供する光源部と、前記光源部から提供された光の透過率を映像情報によって調節する、前記複数の開口調節素子が配置されて形成されたディスプレイパネルと、を備える。

前記ディスプレイパネルは、前記開口調節素子であって、前記第１流体と第２流体のうち、透光性の流体が第１カラーを表すように構成された第１素子と、前記開口調節素子であって、前記第１流体と第２流体のうち、透光性の流体が第２カラーを表すように構成された第２素子と、前記開口調節素子であって、前記第１流体と第２流体のうち、透光性の流体が第３カラーを表すように構成された第３素子と、を備える。

前記ディスプレイパネルの上部に、前記複数の開口調節素子にそれぞれ対応するカラー領域を持つカラーフィルタがさらに設けられる。

また、本発明の一類型による開口調節方法は、一つ以上の電極が配置されて形成された電極部が備えられたチャンバ内に、互いに混合されない性質を持ち、透光性の第１流体及び遮光性または吸光性の第２流体を設け、前記一つ以上の電極のうち一部に選択的に電圧を印加し、前記第１流体と第２流体間の界面を移動させて光が通過する開口を調節する。

前記チャンバの領域は、前記界面変化により調節される開口が形成されるチャネル領域と、前記界面変化により前記チャネル領域から移動する流体が滞留する貯留領域と、を備える。

または、前記チャンバの領域は、第１チャネルと、前記第１チャネルの上部に前記第１チャネルと連結されるように設けられた第２チャネルと、を備え、前記第１チャネルと第２チャネルそれぞれで生じる前記第１流体と第２流体間の界面位置変化により前記開口範囲が定められる。

前記第１チャネルと第２チャネルとが連結される通路は、前記チャンバの中心部及び／または少なくとも一側のエッジに形成される。

本願発明によれば、高速かつ精細に光が透過する開口を調節できる。

本実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示す分離斜視図である。図１の開口調節素子の概略的な構造を示す断面図である。図１の開口調節素子が開口を駆動して調節する様子を示し、それぞれ異なるサイズの開口が形成された例を示す図面である。図１の開口調節素子が開口を駆動して調節する様子を示すものであって、それぞれ異なるサイズの開口が形成された例を示す図面である。図１の開口調節素子に採用できる電極部の例示的な電極配置を示す図面である。図１の開口調節素子に採用できる電極部の例示的な電極配置を示す図面である。図１の開口調節素子に採用できる電極部の例示的な電極配置を示す図面である。図１の開口調節素子に採用できる電極部の例示的な電極配置を示す図面である。図１の開口調節素子に採用できる電極部の例示的な電極配置を示す図面である。本発明の他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示す断面図である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示す断面図である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示す断面図である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。図８Ａ及び図８Ｂの開口調節素子に採用できる例示的な電極配置を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。さらに他の実施形態による開口調節素子の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した例を示す図面である。本実施形態による映像獲得装置の概略的な構造を示す図面である。本実施形態による映像表示装置の概略的な構造を示す図面である。他の実施形態による映像表示装置の概略的な構造を示す図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を称し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明確性及び便宜のため誇張している。

本発明の実施形態による開口調節素子は、電極部に一つ以上の電極をアレイ（配置）して形成し、当該電極部をチャンバ内に備える。また、当該チャンバ内には、互いに混合されない性質を持ち、一方は透光性の、他方は遮光性または吸光性の物質で形成された第１流体と第２流体とが備えられ、一つ以上の電極のうち一部に選択的に電圧を印加して、第１流体と第２流体間の界面を移動させて光が通過する開口を調節する。

このような開口調節素子は、流体の流動空間を提供するチャンバの構造と、チャンバ内に電場を形成するための電極の配置構造とによって、多様な形態に具現できる。これについての多様な実施形態を以下説明する。

図１は、一実施形態による開口調節素子１００の概略的な構造を示す分離斜視図であり、図２は、図１の開口調節素子１００の概略的な構造を示す断面図である。ただし、図１の斜視図では一部構成要素が便宜のため省略されている。

図面を参照すれば、開口調節素子１００は、第１チャネルＣ１と、該第１チャネルＣ１の上部に第１チャネルＣ１と連結されるように設けられた第２チャネルＣ２とを備える。第１チャネルＣ１と第２チャネルＣ２内には、第１チャネルＣ１、第２チャネルＣ２内で流動自在に設けられた第１流体Ｆ１及び第２流体Ｆ２が設けられている。第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２とは互いに混ざらない性質を持ち、また、いずれか一つは透光性、他の一つは光を遮断または吸収する性質を持つ。また、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２間の界面の表面張力を制御する電場形成のために、電圧が印加される電極部が備えられており、第１流体Ｆ１及び第２流体Ｆ２の流動によって開口Ａのサイズが変わって入射光の透過率が調節される。

本実施形態に係る開口調節素子１００について、さらに詳細な構成及び作用を以下に説明する。

第１チャネルＣ１及び第２チャネルＣ２は一つの流体チャンバを構成し、チャンバのエッジ及び中央部に２チャネルを連結する通路ＴＨ１が形成されている。第２チャネルＣ２の高さｈｃ２は第１チャネルＣ１の高さｈｃ１と同一であるか、またはそれより高く形成できる。第２チャネルＣ２の高さｈｃ２が第１チャネルＣ１の高さｈｃ１より高い場合、チャネルの幅に対する開口比率を高くできる。第２チャネルＣ２の高さｈｃ２が第１チャネルＣ１の高さｈｃ１と同一に形成された場合、駆動速度を速くできる。

具体的に、第１チャネルＣ１は、第１基板１１０と、当該第１基板１１０と離隔して設けられ、中心部に第１貫通ホールＴＨ１が形成され、周辺部に第２貫通ホールＴＨ２が形成された第２基板１５０と、第１基板１１０と第２基板１５０との間に内部空間を形成するように設けられた第１スペーサ１３０とにより形成される。また、第２チャネルＣ２は、第２基板１５０と、当該第２基板１５０と離隔して設けられた第３基板１９０と、第２基板１５０と第３基板１９０との間に内部空間を形成するように設けられた第２スペーサ１７０とにより形成される。第１貫通ホールＴＨ１の断面積は第２貫通ホールＴＨ２の断面積より小さく形成されて図示されているが、これは例示的なものであり、これに限定されるものではない。

第１基板１１０、第２基板１５０、第３基板１９０は、透光性素材で形成できる。

第１流体Ｆ１は、光を遮断または吸収する性質を持つ流体であって、チャンバのエッジに配置される。第１流体Ｆ１としては、液体金属または極性液体が使われうる。第１流体Ｆ１としては、例えば、Ｈｇなどの液体金属、または吸光波長領域に合わせて染料を溶かした溶液が採用される。このような染料としては、例えば、可視光線領域を吸収するカーボンブラックや、最大吸光波長が約９６８ｎｍの近赤外線吸収染料としてＥｐｏｌｉｎｅ社製のＥｐｏｌｉｇｈｔＴＭ２７１７、最大吸光波長が約１０５４ｎｍの近赤外線吸収染料としてＱＣＲＳｏｌｕｔｉｏｎ社製のＮＩＲ１０５４Ｂがある。

第２流体Ｆ２は、第１流体Ｆ１と混合されない透光性の流体であって、チャンバの中央部に設けられる。例えば、ガスまたは非極性液体が採用される。

第１流体Ｆ１及び第２流体Ｆ２は、第１チャネルＣ１及び第２チャネルＣ２内にそれぞれ流体界面を形成し、これらの流体界面の動きにより開口Ａのサイズが調節される。この点については後述する。

電極部は、第１基板１１０上に形成された一つ以上の電極で形成された第１電極部１２０と、第３基板１９０上に形成された一つ以上の電極で形成された第２電極部１８０とを備える。第１電極部１２０及び第２電極部１８０は絶縁物質でコーティングされており、例えば、第１電極部１２０を覆う第１誘電体層１２７、第２電極部１８０を覆う第２誘電体層１８７がそれぞれ形成されている。

第１電極部１２０は、開口Ａのデジタル制御のために一つ以上の電極を備えるように構成される。例えば、図示されたように同心環状であり、半径の異なる複数の電極１２１、１２２、１２３、１２４で形成される。第２電極部１８０も、一つ以上の電極を備えるように構成される。例えば、図示されたように環状の電極を備える。ただし、第１電極部１２０、第２電極部１８０を構成する電極の形状や数は、図示された形状、数に限定されず、多様に変更できる。

接地電極部１４０は、チャンバの内部いずれか１ヵ所以上で極性流体と接触を維持するように備えられ、例えば、極性の第１流体Ｆ１と接触を維持するように設けられ、図示されたように、第１基板１１０上に配置される。

第１電極部１２０、第２電極部１８０をなす電極は透明伝導性材質からなり、例えば、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）などの金属酸化物、Ａｕ、Ａｇなどの金属ナノ粒子分散薄膜、ＣＮＴ（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅ）、グラフェンなどの炭素ナノ構造体、ＰＥＤＯＴ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン））、ポリピロール（ＰＰｙ）、Ｐ３ＨＴ（ポリ（３−ヘキシルチオフェン））などの伝導性高分子などが使われる。

接地電極部１４０は、配置位置上透光性が要求されず、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉなどの金属薄膜で形成できる。

開口調節素子１００は、電気湿潤駆動と、第１チャネルＣ１、第２チャネルＣ２の高さ差、第１貫通ホールＴＨ１、第２貫通ホールＴＨ２の直径差により引き起こされる圧力差とにより、第１流体Ｆ１、第２流体Ｆ２間の界面が中心方向またはその逆方向に移動するように調節されて、開口Ａのサイズを変えられる。

図３Ａ及び図３Ｂは、図１の開口調節素子１００が光透過率を調節する駆動を示すものであって、それぞれ異なるサイズの開口直径ＡＤ１、ＡＤ２が形成された状態を示す。

電気湿潤現象は、絶縁体でコーティングされた電極上の電解質液滴に電圧を加えれば、液滴の接触角が変わる現象である。すなわち、流体、液滴、絶縁体が合う三相接触線（Ｔｈｒｅｅ−ＰｈａｓｅＣｏｎｔａｃｔｌｉｎｅ、ＴＣＬ）でそれぞれの界面張力によって接触角が変えられる。電気湿潤現象を利用することにより、低い電圧を使用して速く効果的に流体の流動を制御でき、可逆的に流体の移動及び制御が可能となる。

第１電極部１２０のいずれか一つの電極に適切な電圧を印加すれば、活性化された駆動電極、例えば、電極１２２上の三相接触線（ＴＣＬ）、すなわち、第１流体Ｆ１、第２流体Ｆ２及び第１誘電体層１２７が相接する接線に電気機械的な力が作用して、第１流体Ｆ１が第１チャネルＣ１を通じて中心部に移動して開口が縮少され、図３Ａに示したように、ＡＤ１の開口直径を形成する。

第２電極部１８０に適切な電圧を印加すれば、第１流体Ｆ１が第２チャネルＣ２を通じて中心部に移動し、第１チャネルＣ１のＴＣＬはエッジに押し出されて開口が拡張され、図３Ｂに示したようにＡＤ２の開口直径を形成する。

この時、第１電極部１２０を同心環状の複数電極１２１、１２２、１２３、１２４で構成する場合、活性化される電極を変化させることで開口サイズをデジタル方式で制御できる。

前述した説明で、光を遮断または吸収する第１流体Ｆ１が極性を有し、透光性の第２流体Ｆ２が非極性であることを例示して説明したが、光を遮断または吸収する第１流体Ｆ１が非極性であり、透光性の第２流体Ｆ２が極性を有するように構成することもできる。この場合、絞りの開閉傾向は逆になる。すなわち、第１電極部１２０に電圧が印加される時に開口Ａが拡大し、第２電極部１８０に電圧が印加される時に開口Ａが縮少する。

図４Ａないし図４Ｅは、図１の開口調節素子１００に採用できる第１電極部１２０の例示的な電極配置を示す。

図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ円形及び方形環状の電極１２１、１２２、１２３、１２４により、第１電極部１２０が形成されていることを示す。図４Ｃは、方形及び円形を内周または外周に適用した環状電極１２１、１２２、１２３、１２４で第１電極部１２０が形成された状態を示す。図示された環状電極１２１、１２２、１２３、１２４は、中心が互いに一致する位置に配置するように図示されているが、これは例示的なものであり、中心の相異なる位置に配置されてもよい。例えば、図４Ｄに示した第１電極部１２０’は、複数の微小電極１２９が２次元的にアレイされて形成されている。図４Ｅに示したような形状、位置の電極１２１、１２２、１２３、１２４に形成されてもよい。これらの形状の電極配置により、微小電極１２９から電圧の印加される一部の電極を選択することで、開口サイズだけでなく形状を多様に調節することも可能になる。

図５は、他の実施形態による開口調節素子１０１の概略的な構造を示す断面図である。

本実施形態は、開口調節素子１０１の開口が完全に遮蔽されるシャッターとしても機能できる構造という点で、図１ないし図３Ｂで説明した開口調節素子１００と異なる。第３基板１９０上の中心部には、第１チャネルＣ１、第２チャネルＣ２を透過した光を遮断できる不透明パターン部２３０がさらに形成されている。不透明パターン部２３０は、第１流体Ｆ１、第２流体Ｆ２の流動により定められる開口の最小サイズに対応するサイズに形成される。すなわち、第１電極部１２０で最も中心部に位置する電極１２１が活性化されて、第１チャネルＣ１の三相接触線が最大限中心部に移動して最小開口が形成される時、この最小開口を透過した光は不透明パターン部２３０により遮断される。

図６は、さらに他の実施形態による開口調節素子１０２の概略的な構造を示す断面図である。

本実施形態は、第２基板１５０の両面に一つ以上の電極で形成された第３電極部３２０及び第４電極部３８０がさらに備えられるという点で、図１ないし図３Ｂで説明した開口調節素子１００と異なる。第３電極部３２０は第１電極部１２０と共に、第１チャネルＣ１で発生する駆動力を増大させ、第４電極部３８０は第２電極部１８０と共に、第２チャネルＣ２で発生する駆動力を増大させる役割を行う。第３電極部３２０及び第４電極部３８０も、それぞれ一つ以上の同心環状の電極で形成され、例えば、第３電極部３２０は、図示されたように、同心環状であり、かつ半径の異なる複数の電極３２１、３２２、３２３、３２４で形成される。なお、電極は、図示された形状、数に限定されるものではない。また、第２基板１５０の両面にそれぞれ第３電極部３２０及び第４電極部３８０が備えられたと説明したが、これは例示的なものであり、第２基板１５０のいずれか一面のみに第３電極部３２０または第４電極部３８０が備えられる構成も可能である。

図７は、さらに他の実施形態による開口調節素子１０３の概略的な構造を示す断面図である。本実施形態は、開口が完全に遮蔽されるシャッターとしても機能できるように不透明パターン部４３０をさらに備えるという点で、図６の開口調節素子１０２と異なる。

図８Ａ及び図８Ｂは、他の実施形態による開口調節素子２００の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した状態を示す。図９は、図８Ａ及び図８Ｂの開口調節素子２００に採用できる例示的な電極配置を示す。

本実施形態は、第１流体Ｆ１及び第２流体Ｆ２の流動空間を提供するチャンバの領域が、チャネル領域と貯留（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）領域とを備える形態で構成されている。チャネル領域は、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２間の界面位置変化によって調節される開口が形成される領域であり、貯留領域は、界面位置変化によってチャネル領域から移動する流体が滞留する領域である。

具体的には、開口調節素子２００は、第１基板２１０と、当該第１基板２１０と対向し、所定方向に離隔配置された第２基板２５０と、第１基板２１０上に、前記所定方向と異なる方向に第２基板２１０と離隔配置された隔壁２３０とを備える。隔壁２３０は、第１基板２１０の枠の少なくとも一側を取り囲むように形成できる。第１基板２１０と第２基板２５０間の領域が、流体界面変化によって調節される開口範囲を画定するチャネル領域になる。第２基板２５０と隔壁２３０間の領域が、チャネル領域から移動する流体が滞留する貯留領域になる。

第１電極部２２０は、一つ以上の電極２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６のアレイから形成され、誘電体層２２７が電極部２２０を覆う形態に設けられうる。電極２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６の配置構造は、図９のような形態、数で図示されているが、例示的なものであり、これに限定されるものではない。

電極２２３に電圧が印加された場合に該当する図８Ａと、電極２２５に電圧が印加された場合に該当する図８Ｂとでは、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２間の界面位置が異なる。光を遮断または吸収する性質を持ち、極性を有する第１流体Ｆ１が、電圧が印加される電極の選択によって貯留領域からチャネル領域に、またはチャネル領域から貯留領域に流動し、これにより開口は可変される。このような形状の開口調節素子２００は、第２流体Ｆ２を他の貯留領域（図示せず）内に満たして動作させる形態に適用できる。

図面では、チャネル領域の下部のみに第１電極部２２０が形成されたように図示されているが、これは例示的なものであり、チャネル領域の上部、すなわち、第２基板２５０の下面にも一つ以上の電極がさらに備えられてもよい。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、さらに他の実施形態による開口調節素子２０１の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成したことを示す。

本実施形態は、隔壁２３１が第１基板２１０の枠に沿って第２基板２５０を取り囲む形態で形成されたという点で、図８Ａ及び図８Ｂで説明した開口調節素子２００と異なる。一方、電圧が印加される電極の選択によって、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２間の界面位置を移動させて開口を調節する作用は同一である。また、第２流体Ｆ２を他の貯留領域（図示せず）内に満たして動作させる形態にも適用できる。また、第２基板２５０の下面にも一つ以上の電極がさらに備えられうる。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、さらに他の実施形態による開口調節素子２０２の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成したことを示す。

本実施形態の開口調節素子２０２は、中央部に貫通ホールが形成された第２基板２５２を備えるという点で、図１０Ａ及び図１０Ｂの開口調節素子２０１と異なる。透光性の第２流体Ｆ２が、第２基板２５２に形成された貫通ホールに沿って流動するようにチャンバの領域中央部に設けられ、光遮断性または吸光性の第１流体Ｆ１は、チャンバの領域側部に設けられる。

第１電極部３６０はチャネル領域の下部、すなわち、第１基板２１０の上面に形成され、一つ以上の電極ｅを備える。また、第１電極部３６０を覆う誘電体層ｄが形成されている。第１電極部３６０を構成する電極ｅの配置は、例えば、図４Ａないし図４Ｅで例示した形状、またはそれを変形した多様な構造が採用されうる。また、チャネル領域の上部、例えば、第２基板２５２の下面にも一つ以上の電極がさらに備えられうる。このような開口調節素子２０１は、電圧が印加される電極の選択によって光を遮断または吸収でき、極性を有する第１流体Ｆ１をチャネル領域から第２基板２５２と隔壁２３１間の貯留領域に、または当該貯留領域からチャネル領域に流動させ、これにより、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２間の界面位置を移動して開口を調節できる。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、さらに他の実施形態による開口調節素子２０３の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成したことを示す。

本実施形態の開口調節素子２０３は、チャンバの領域中央に配置された透光性の第２流体Ｆ２’が極性流体であり、遮光性または吸光性の第１流体Ｆ１’が非極性流体であるという点で、図１１Ａ及び図１１Ｂの開口調節素子２０２と異なる。すなわち、電圧が印加される電極の選択によって光を透過させる性質を持ち、極性を有する第２流体Ｆ２’が、チャネル領域から第２基板２５２の貫通ホール内の貯留領域に、または当該貯留領域からチャネル領域に流動し、これにより、第１流体Ｆ１’と第２流体Ｆ２’間の界面位置が移動して開口が調節される。

図８Ａないし図１２Ｂでは、一つのチャネル領域を備える形態の開口調節素子２００、２０１、２０２、２０３を説明した。以下、図１３Ａないし図１８Ｂでは、互いに連結された２チャネルを備える実施形態について説明する。本実施形態で、流体の流動空間を提供するチャンバの領域は、第１チャネルと、第１チャネルの上部に第１チャネルと連結されるように設けられた第２チャネルとを備え、第１チャネルと第２チャネルそれぞれで生じる第１流体と第２流体間の界面位置変化により、開口範囲が定められる。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、さらに他の実施形態による開口調節素子４００の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した状態を示す。

開口調節素子４００で、流体の流動空間を提供するチャンバは、第１電極部４２０が設けられた第１基板４１０と、当該第１基板４１０と対向し、所定方向に離隔配置された第２基板４５０と、当該第２基板４５０と対向し、前記所定方向に離隔配置された第３基板４９０と、第１基板４１０と第３基板４９０との間に形成される空間の少なくとも一側を取り囲み、第２基板４５０と離隔配置された隔壁４３０とを備える。

第１基板４１０と第２基板４５０との間の領域が第１チャネル、第２基板４５０と第３基板４９０との間の領域が第２チャネルになり、第２チャネルの高さは第１チャネルの高さと同一であるか、またはそれより高く形成される。

第１電極部４２０をなす電極ｅのうち、電圧が印加される電極の選択によって第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２間の界面位置が変化して開口が調節される。

図１４Ａ及び図１４Ｂは、さらに他の実施形態による開口調節素子４０１の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した状態を示す。

本実施形態の開口調節素子４０１は、第１基板４１０と第３基板４９０の枠部に沿って第２基板４５０の側部を取り囲む形態で隔壁５４１が形成されたという点でのみ、図１３Ａ及び図１３Ｂの開口調節素子４００と異なる。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、さらに他の実施形態による開口調節素子４０２の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した状態を示す。

本実施形態の開口調節素子４０２は、中央部に貫通ホールが形成された第２基板２５２を備えるという点で、図１４Ａ及び図１４Ｂの開口調節素子４０１と異なる。透光性の第２流体Ｆ２が、第２基板４５２に形成された貫通ホールに沿って流動するようにチャンバの領域中央部に設けられ、遮光性または吸光性の第１流体Ｆ１は、チャンバの領域側部に設けられる。

第１電極部４６０は、第１チャネルの下部、すなわち、第１基板４１０の上面に形成され、一つ以上の電極ｅを備える。また、第１電極部４６０を覆う誘電体層ｄが形成されている。第１電極部３６０をなす電極ｅの配置は、例えば、図４Ａないし図４Ｅで例示した形状、またはこれを変形した多様な構造が採用される。また、第１チャネルの上部、例えば、第２基板４５２の下面にも一つ以上の電極がさらに備えられ、第２チャネルの下部、例えば、第２基板４５２の上面にも一つ以上の電極がさらに備えられる。

電圧が印加される電極の選択によって、光を遮断または吸収する性質を持ち、極性の第１流体Ｆ１がチャンバ領域の両側エッジの通路を通じて、第１チャネルから第２チャネルに、または第２チャネルから第１チャネルに流動し、これにより、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２間の界面位置を移動して開口が調節される。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、さらに他の実施形態による開口調節素子４０３の概略的な構造を示し、それぞれ異なるサイズの開口を形成した状態を示す。

本実施形態の開口調節素子４０３は、チャンバの領域中央に配置された透光性の第２流体Ｆ２’が極性流体であり、遮光性または吸光性の第１流体Ｆ１’が非極性流体であるという点で、図１５Ａ及び図１５Ｂの開口調節素子４０２と異なる。すなわち、電圧が印加される電極の選択によって光を透過させる性質を持ち、極性の第２流体Ｆ２’が貫通ホールを通じて、第１チャネルから第２チャネルに、または第２チャネルから第１チャネルに流動し、これにより、第１流体Ｆ１’と第２流体Ｆ２’間の界面位置を移動して開口が調節される。

図８Ａないし図１６Ｂで説明した開口調節素子２００、２０１、２０２、２０３、４００、４０１、４０２、４０３は、チャネルの下部のみに電極部を備えるように図示されているが、これは例示的なものであり、追加的な電極部がさらに備えられてもよい。例えば、チャネルの上部にも電極部が備えられてもよく、２チャネル構造の場合、第１チャネルの上部及び／または第２チャネルの上部及び／または第２チャネルの下部にも電極部が備えられてもよい。また、接地電極部がさらに備えられてもよい。例えば、接地電極部は、チャンバ内部のいずれか１ケ所以上で極性流体との接触を維持するように備えられうる。

前述した開口調節素子１００、１０１、１０２、１０３、２００、２０１、２０２、２０３、４００、４０１、４０２、４０３は、外部駆動ポンプや機械装置の要らない単純な構造なので、製作が容易である。また、互いに連結された２チャネルを備える構造の場合、両チャネルにおける電気湿潤駆動を利用するため、調節速度がさらに速くて電力消耗が低い。

前述した開口調節素子１００、１０１、１０２、１０３、２００、２０１、２０２、２０３、４００、４０１、４０２、４０３は、医療映像機器やカメラなどの映像獲得装置に採用できる可変絞りや光学シャッターとして応用でき、また、ディスプレイ素子（ディスプレイパネル）として応用できる。

図１７は、本実施形態による映像獲得装置５００の概略的な構造を示す。

映像獲得装置５００は、被写体ＯＢＪからの光が入射される開口Ａのサイズが調節される可変絞りＶＡ、可変絞りＶＡを通じて入射された光から被写体ＯＢＪの像を形成する結像部５２０、結像部５２０で形成された像を電気信号に変換する撮像素子５５０を備える。

可変絞りＶＡは、前述した開口調節素子１００、１０１、１０２、１０３、２００、２０１、２０２、２０３、４００、４０１、４０２、４０３のうちいずれか一つを採用でき、結像部５２０は、一つ以上のレンズから構成できる。撮像素子５５０としては、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌ−ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などを採用できる。

可変絞りＶＡは、微小電気流体方式を使用する構造で高速の微細駆動ができるため、これを採用する映像獲得装置５００は、ＯＣＴ（ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、顕微鏡などの医療映像機器に適している。

図１８は、本実施形態による映像表示装置６００の概略的な構造を示す。

映像表示装置６００は、映像形成用の光を提供する光源部６２０、光源部６２０から提供された光の透過率を映像情報に従って調節して映像を表示するディスプレイパネル６４０を備える。

ディスプレイパネル６４０は、前述した開口調節素子１００、１０１、１０２、１０３、２００、２０１、２０２、２０３、４００、４０１、４０２、４０３のうちいずれか一つが複数でアレイされた構成で形成できる。例えば、第１素子６４１、第２素子６４２、第３素子６４３を備えることができ、第１素子６４１は、前述した例のうち一つの開口調節素子であって、第１カラーを表す透光性流体ＦＲを備えるように構成される。第２素子６４２は、前述した例のうち一つの開口調節素子であって、第２カラーを表す透光性流体ＦＧを備えるように構成される。第３素子６４３は、前述した例のうち一つの開口調節素子であって、第３カラーを表す透光性流体ＦＢを備えるように構成される。第１カラー、第２カラー、第３カラーは、それぞれ赤色、緑色、青色でありうる。第１素子６４１、第２素子６４２、第３素子６４３それぞれは、映像情報によって電極部駆動が制御されて光源部６２０から入射される光を透過または遮断でき、また、透過モードで開口サイズが調節できるため、階調表示が可能である。

図１９は、他の実施形態による映像表示装置７００の概略的な構造を示す。

映像表示装置７００は、映像形成用の光を提供する光源部７２０、光源部７２０から提供された光の透過率を映像情報によって調節するディスプレイパネル７４０を備え、ディスプレイパネル７４０は、複数の開口調節素子７４５がアレイされた構成で形成される。開口調節素子７４５は、前述した開口調節素子１００、１０１、１０２、１０３、２００、２０１、２０２、２０３、４００、４０１、４０２、４０３のうちいずれか一つ、またはこれらからの変形例が採用できる。本実施形態の映像表示装置７００は、カラー表示のためのカラーフィルタ７５０を別途に備えるという点で、図８の映像表示装置６００と異なる。すなわち、ディスプレイパネル７４０の上部に複数の開口調節素子７４５にそれぞれ対応するカラー領域Ｒ、Ｇ、Ｂを持つカラーフィルタ７５０が配置される。

それぞれの開口調節素子７４５は、映像情報に基づいて電極部駆動が制御されて光源部７２０から入射される光を透過または遮断でき、また、透過モードで開口サイズが調節されてカラーフィルタ７５０のカラー領域Ｒ、Ｇ、Ｂに入射される光量が調節されるため、階調表示が可能である。

かかる本願発明は理解を助けるために図面に図示された実施形態を参考までに説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲により定められねばならない。

本発明は、開口調節素子関連の技術分野に好適に用いられる。

１００、１０１、１０２、１０３、２００、２０１、２０２、２０３、４００、４０１、４０２、４０３、６４１、６４２、６４３、７４５開口調節素子、
１１０、２１０、４１０第１基板、
１２０、２２０、３６０、４２０，４６０第１電極部、
１２７第１誘電体層、
１３０第１スペーサ、
１４０接地電極部、
１５０、２５０、２５２、４５０、４５２第２基板、
１７０第２スペーサ、
１８０第２電極部、
１８７第２誘電体層、
１９０、４９０第３基板、
２３０、４３０不透明パターン、
３２０第３電極部、
３２７第３誘電体層、
３８０第４電極部、
３８７第４誘電体層、
５２０結像部、５５０撮像素子、
６２０、７２０光源部、
６４０、７４０ディスプレイパネル。

Claims

流体が流動する空間を構成するチャンバと、
前記チャンバ内に設けられ、互いに混合されない性質を持ち、透光性の第１流体及び遮光性または吸光性の第２流体と、
前記チャンバの内側面に設けられ、前記チャンバ内に電場を形成するために電圧が印加される一つ以上の電極が配置された第１電極部と、を備え、
前記電場による前記第１流体と前記第２流体間の界面位置変化により、光が透過する開口が調節される開口調節素子。
前記第１流体と第２流体のうちいずれか一方は液体金属または極性液体であり、他方はガスまたは非極性液体から構成される請求項１に記載の開口調節素子。
前記チャンバ内の領域は、
前記界面位置変化によって調節される開口が形成されるチャネル領域と、
前記界面位置変化によって前記チャネル領域から移動する流体が滞留する貯留領域と、
を含む請求項１または２に記載の開口調節素子。
前記チャンバは、
前記第１電極部が設けられた第１基板と、
前記第１基板と対向する方向に離隔配置された第２基板と、
前記第１基板上に、前記対向する方向と異なる方向に前記第２基板と離隔配置された隔壁と、
を備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の開口調節素子。
前記隔壁は、前記第１基板の枠に沿って前記第２基板の側部を取り囲むように形成された請求項４に記載の開口調節素子。
前記第２基板上に前記第１電極部と対向して配置され、一つ以上の電極を備える第２電極部がさらに設けられた請求項４または５に記載の開口調節素子。
前記第２基板の中央部に貫通ホールが形成された請求項４〜６のいずれか一項に記載の開口調節素子。
前記第１流体と第２流体のうち、透光性の流体は前記貫通ホールに沿って流動するように前記チャネル領域の中央部に設けられ、遮光性または吸光性の流体は前記チャネル領域の側部に設けられる請求項７に記載の開口調節素子。
前記第１電極部は、複数の環状電極を備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の開口調節素子。
前記チャンバ内の領域は、
第１チャネルと、
前記第１チャネルの上部に、前記第１チャネルと連結するように設けられた第２チャネルと、を含み、
前記第１チャネルと第２チャネルそれぞれで生じる前記第１流体と第２流体間の界面位置変化により、前記開口範囲が定められる請求項１に記載の開口調節素子。
前記第２チャネルの高さは、前記第１チャネルの高さと同一か、またはより高く形成された請求項１０に記載の開口調節素子。
前記チャンバは、
前記第１電極部が設けられた第１基板と、
前記第１基板と対向し、所定方向に離隔配置された第２基板と、
前記第２基板と対向して、前記対向する方向に離隔配置された第３基板と、
前記第１基板と第３基板との間に形成される空間の少なくとも一側を取り囲み、前記第２基板と離隔配置された隔壁と、
を備える請求項１０または１１に記載の開口調節素子。
前記隔壁は、前記第１基板と第３基板の枠に沿って前記第２基板を取り囲むように形成された請求項１２に記載の開口調節素子。
前記第２基板の中央部に貫通ホールがさらに形成された請求項１２または１３に記載の開口調節素子。
前記第１流体と第２流体のうち、透光性の流体は前記貫通ホールに沿って流動するように前記チャンバの領域中央部に設けられ、遮光性または吸光性の流体は前記チャンバの領域側部に設けられる請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の開口調節素子。
前記第１チャネルは、
前記第１電極部が形成された第１基板と、
前記第１基板と離隔して設けられたものであって、中心部に第１貫通ホールが形成され、周辺部に第２貫通ホールが形成された第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に内部空間を形成するように設けられた第１スペーサと、により形成される請求項１０に記載の開口調節素子。
前記第２チャネルは、
前記第２基板と、
前記第２基板と離隔して設けられた第３基板と、
前記第２基板と前記第３基板との間に内部空間を形成するように設けられた第２スペーサと、により形成される請求項１６に記載の開口調節素子。
前記第１電極部は、一つ以上の環状電極を備える請求項１６または１７に記載の開口調節素子。
前記第１電極部を覆う第１誘電体層が形成された請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の開口調節素子。
前記第３基板上に形成された一つ以上の電極で形成された第２電極部をさらに備える請求項１７に記載の開口調節素子。
前記第２電極部を覆う第２誘電体層が形成された請求項２０に記載の開口調節素子。
前記第２電極部は、一つ以上の環状電極を備える請求項２０または２１に記載の開口調節素子。
前記第３基板上の中心部には、前記第１チャネル、第２チャネルを透過した光を遮断できる不透明パターン部がさらに形成された請求項１７〜２２のいずれか一項に記載の開口調節素子。
前記不透明パターン部は、前記第１流体及び前記第２流体の流動によって定められる開口の最小サイズに対応するサイズを持つ請求項２３に記載の開口調節素子。
前記第１チャネル及び第２チャネルが形成する空間内に、前記第１流体と第２流体のうち極性流体と接触する接地電極部がさらに形成された請求項１７〜２４のいずれか一項に記載の開口調節素子。
前記接地電極部は、前記第１基板上に設けられる請求項２５に記載の開口調節素子。
前記第２基板の一面に一つ以上の電極で形成された第３電極部をさらに備える請求項１７〜２６のいずれか一項に記載の開口調節素子。
前記第２基板の両面にそれぞれ形成されたものであって、
一つ以上の電極から形成された第３電極部及び第４電極部をさらに備える請求項１７〜２７のいずれか一項に記載の開口調節素子。
前記第３電極部を覆う第３誘電体層と、
前記第４電極部を覆う第４誘電体層と、が形成された請求項２８に記載の開口調節素子。
請求項１に記載の開口調節素子と、
前記開口調節素子を通じて入射された光から被写体の像を形成する結像部と、
前記結像部で形成された像を電気信号に変換する撮像素子と、
を備える映像獲得装置。
映像形成用の光を提供する光源部と、
前記光源部から提供された光の透過率を映像情報によって調節する、請求項１ないし２９のいずれか１項に記載の複数の開口調節素子が配置されて形成されたディスプレイパネルと、
を備える映像表示装置。
前記ディスプレイパネルは、
請求項１に記載の開口調節素子であって、前記第１流体と第２流体のうち、透光性の流体が第１カラーを表すように構成された第１素子と、
請求項１に記載の開口調節素子であって、前記第１流体と第２流体のうち、透光性の流体が第２カラーを表すように構成された第２素子と、
請求項１に記載の開口調節素子であって、前記第１流体と第２流体のうち、透光性の流体が第３カラーを表すように構成された第３素子と、を備える請求項３１に記載の映像表示装置。
前記ディスプレイパネルの上部に、前記複数の開口調節素子にそれぞれ対応するカラー領域を持つカラーフィルタがさらに設けられた請求項３１または３２に記載の映像表示装置。
一つ以上の電極が配置されて形成された電極部が備えられたチャンバ内に、互いに混合されない性質を持ち、透光性の第１流体及び遮光性または吸光性の第２流体を設け、
前記一つ以上の電極のうち一部に選択的に電圧を印加し、前記第１流体と第２流体間の界面を移動させて光が通過する開口を調節する開口調節方法。
前記チャンバの領域は、
前記界面変化により調節される開口が形成されるチャネル領域と、
前記界面変化により前記チャネル領域から移動する流体が滞留する貯留領域と、を備える請求項３４に記載の開口調節方法。
前記電極部は、
前記チャネル領域の下部に配置され、かつ一つ以上の電極で形成された第１電極部を備える請求項３４または３５に記載の開口調節方法。
前記電極部は、
前記チャネル領域の上部に配置され、かつ一つ以上の電極で形成された第２電極部をさらに備える請求項３４〜３６のいずれか一項に記載の開口調節方法。
前記チャンバの領域は、
第１チャネルと、
前記第１チャネルの上部に前記第１チャネルと連結されるように設けられた第２チャネルと、を備え、
前記第１チャネルと第２チャネルそれぞれで生じる前記第１流体と第２流体間の界面位置変化により前記開口範囲が定められる請求項３４に記載の開口調節方法。
前記第２チャネルの高さは前記第１チャネルの高さと同一であるか、またはより高く形成される請求項３８に記載の開口調節方法。
前記第１チャネルと第２チャネルとが連結される通路は、前記チャンバの中心部または一側のエッジの少なくとも一方に形成される請求項３８または３９に記載の開口調節方法。
前記電極部は、
前記第１チャネルの下部に配置され、かつ一つ以上の電極で形成された第１電極部と、前記第２チャネルの上部に配置され、かつ一つ以上の電極で形成された第２電極部と、を備える請求項３８に記載の開口調節方法。
前記電極部は、
前記第１チャネルの上部に配置され、かつ一つ以上の電極で形成された第３電極部をさらに備える請求項４１に記載の開口調節方法。
前記電極部は、
前記第２チャネルの下部に配置され、かつ一つ以上の電極で形成された第４電極部をさらに備える請求項４１または４２に記載の開口調節方法。
前記第１流体と第２流体のうちいずれか一つは液体金属または極性液体であり、他の一つはガスまたは非極性液体で構成される請求項３４〜４３のいずれか一項に記載の開口調節方法。