JP2016151595A - 液体レンズ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】形状変化量が大きい液体レンズ層を有する液体レンズ装置を提供する。
【解決手段】 液体レンズ装置は、透明基板１、下部電極層２、撥油性のスペーサ層３、油性もしくは非イオン性の液体レンズ層４’、封止層５、及び上部電極層６’よりなる。液体レンズ層４’には両親媒性分子材料が混合されている。上部電極層６’は封止層５の周縁部に環状に設けられている。下部電極層２と上部電極層６’との間に電圧Ｖを印加すると、液体レンズ層４’の中央部では、小さな引力が発生し、液体レンズ層４’の周縁部では、大きな引力が発生する。従って、液体レンズ層４’の媒体が周縁部から中央部へ移動し、液体レンズ層４’の焦点距離は小さくなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は可変焦点の液体レンズ装置に関する。

図１４は第１の従来の液体レンズ装置を示す断面図である（参照：特許文献１）。

図１４の液体レンズ装置は、透明基板１、インジウム錫酸化物（ITO）よりなるシート状の下部電極層２、下部電極層２の周囲に設けられた撥油性のアモルファス系フッ素樹脂よりなるスペーサ層３、シリコーンオイル等よりなる油性もしくは非イオン性の液体レンズ層４、液体レンズ層４を封止するポリパラキシリレンよりなる封止層５、及び薄い金（Au）よりなるシート状の上部電極層６によって構成されている。

図１４の液体レンズ装置においては、下部電極層２と上部電極層６との間に電圧Vを印加して液体レンズ層４の曲率を制御して可変焦点距離もしくは可変配光性を実現する。すなわち、下部電極層２と上部電極層６との間に電圧Vを印加すると、下部電極層２と上部電極層６との間に引力が発生する。このとき、液体レンズ層４の中央部では、電極間距離が大きいので、小さな引力が発生し、他方、液体レンズ層４の周縁部では、電極間距離が小さいので、大きな引力が発生する。従って、液体レンズ層４の体積が一定であるので、液体レンズ層４の媒質が周縁部から中央部に移動し、液体レンズ層４の焦点距離は小さくなる。この結果、液体レンズ層４の焦点距離もしくは配光性は下部電極層２と上部電極層６との間に印加される電圧Vに応じて変化することになる。

上述の図１４に示す液体レンズ装置は次の利点を有する。
１）振動、重力等の外力及び温度変化のような外乱があっても、液体レンズ層４の曲率が変形しにくい。この場合、直径をたとえば10mm以上に大きくした場合にあっても、液体レンズ層４の曲率が変形しにくい。従って、外乱に強いレンズを提供できる。
２）液体レンズ層４を封入するケーシングの形状が液体レンズ層４の形状に影響しないので、高精度の３次元加工は不要となり、この結果、小型化できると共に、製造コストを低減できる。

しかしながら、図１４に示す第１の従来の液体レンズ装置においては、液体レンズ層４の焦点位置の制御のための印加電圧用の上部電極層６は液体レンズ層４全体に金（Au）を蒸着させて形成される。従って、上部電極層６は可視光の大部分を吸収するので、液体レンズ装置の光透過性が非常に悪い。しかも、液体レンズ層４の形状変化による焦点距離もしくは配光性の変化量は不十分である。

図１５は第２の従来の液体レンズ装置を示す断面図である（参照：特許文献２）。

図１５においては、図１４のシート状の上部電極層６の代りに、封止層５の周縁部のみに設けられ環状をなしている図１６に示す上部電極層６’を設ける。これにより、上部電極層６’の占有面積が小さくなった分、液体レンズ装置の光透過性が向上する。

下部電極層２と上部電極層６’との間に電圧Vを印加した場合、液体レンズ層４の中央部では、上部電極層６’が存在しないので、引力はほとんど発生せず、他方、液体レンズ層４の周縁部では、電極間距離が小さいので、比較的大きな引力が発生する。従って、液体レンズ層４の媒質の周縁部から中央部への移動量は図１４の液体レンズ層４に比較して増大する。この結果、液体レンズ層４の焦点距離は図１４の液体レンズ層４に比較して大きく変化する。このようにして、電圧無印加時に、長い焦点距離あるいは広い配光性を示し、電圧印加時に、短い焦点距離あるいは狭い配光性を示すことができる。

特開２００８−１９７６１１号公報 特開２０１４−２０２８０４号公報

しかしながら、図１５に示す第２の従来の液体レンズ装置においても、液体レンズ層４の形状変化による焦点距離もしくは配光性の変化量は不十分であるという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る液体レンズ装置は、透明基板と、透明基板上に設けられた下部電極層と、下部電極層の周縁部に設けられた撥油性のスペーサ層と、スペーサ層によって囲まれかつ下部電極層上に設けられ、両親媒性分子材料が添加された油性もしくは非イオン性の液体レンズ層と、スペーサ層上に位置する周縁部及び液体レンズ上に位置する中央部よりなり、液体レンズ層を封止する封止層と、封止層の上面の一部に設けられた上部電極層とを具備し、下部電極層と上部電極層との間に電圧を印加することにより液体レンズ層の厚さを変化させるようにしたものである。

本発明によれば、両親媒性分子材料を液体レンズ層に添加することにより、封止層付加後の液体レンズ層の薄い部分がより薄くなり、従って、液体レンズ層の形状変化が大きくなり、この結果、焦点距離もしくは配光性の変化を大きくできる。

本発明に係る液体レンズ装置の実施の形態を示す断面図である。 図１の液体レンズ層に混合される両親媒性分子材料の例を示す構造式である。 図１の液体レンズ層の形成後の状態を説明する断面図である。 図１の液体レンズ層の厚さ及びその変化率を示す表である。 図１５の液体レンズ層の厚さ及びその変化率を示す表である。 図４、図５の厚さ変化を表したグラフである。 図１の液体レンズ層の厚さ変化率の向上率を示す表である。 図１の液体レンズ装置を用いた印刷物観察光学システムを示す図である。 図８の印刷物観察光学システムによって得られた光学顕微鏡写真である。 図１５の液体レンズ層を用いた図８の印刷物観察光学システムによって得られた光学顕微鏡写真である。 図９、図１０の文字拡大率を表したグラフである。 図１の液体レンズ装置の文字拡大率の向上率を示す表である。 図１の液体レンズ層の作用を説明するための断面図である。 第１の従来の液体レンズ装置を示す断面図である。 第２の従来の液体レンズ装置を示す断面図である。 図１５の上部電極層の上面図である。

図１は本発明に係る液体レンズ装置の実施の形態を示す断面図である。

図１においては、図１５の液体レンズ層４の代りに、たとえばシリコーンオイルに両親媒性分子材料が添加（混合）された液体レンズ層４’を設けてある。

次に、図１の液体レンズ装置の各部を詳細に説明する。

透明基板１は、ガラス、ポリエチレンテレフタラート樹脂、アクリル樹脂等よりなる。

下部電極層２はITOよりなる。但し、上面視でリング状に形成する場合には、銅、アルミニウム、金等の金属でもよい。

スペーサ層３は撥油性の材料、たとえばポリテトラフルオロエチレンもしくはアモルファス系フッ素樹脂たとえばアモルファスフルオロカーボンポリマよりなる。

液体レンズ層４’はたとえば油性のシリコーンオイル、液体パラフィン、グリセリン、もしくはイオン性液体等に、親水基及び親油基を合わせて有する両親媒性分子材料を添加（混合）した液体媒質である。

封止層５は好ましくはポリパラキシリレンもしくはポリイミドよりなる。

上部電極層６’は薄いITOあるいは金（Au）、アルミニウム（Al）等よりなる。

次に、図１の液体レンズ装置の製造方法を説明する。

始めに、透明基板１上にITOよりなるシート状の下部電極層２を形成し、フォトリソグラフィ／エッチング法によってパターニングする。

次に、アモルファス系フッ素樹脂をスピンコート法によって均一に被膜し、次いで、フォトリソグラフィ／エッチング法によってパターニングしてスペーサ層３を下部電極層２の周縁部に形成する。

次に、下部電極層２上に上述の液体媒質を滴下する。この場合、スペーサ層３が液体媒質と反撥して液体媒質の境界面をなすので、液体媒質がそれ自体の表面張力によって上方へ盛り上がった状態となって液体レンズ層４’を形成する。

両親媒性分子材料の例として、図２の（Ａ）に示す構造式を有するオレイン酸及び図２の（Ｂ）に示す構造式を有するオクタデシルアミンを上げることができる。

上述の両親媒性分子材料としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤等のイオン性界面活性剤、及び非イオン性活性剤がある。

アニオン界面活性剤の例としては、アルキルホスフェート塩、アルキルエーテルホスフェート塩、ジアルキルホスフェート塩、ジアルキルスルホサクシネート塩、アルキルベンゼンスルホネート塩、アルキルスルホネート塩、アルキルサルフェート塩、セカンダリーアルキルサルフェート塩、ステアリン酸ナトリウム、ドデカン酸ナトリウム、硫酸ドデシルナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム等がある。

カチオン界面活性剤の例としては、オクタジシルアミンの外、オレイルアミン、アルキル（又はアルケニル）トリメチルアンモニウムハライド、ジアルキル（又はアルケニル）ジメチルアンモニウムハライド、アルキル（又はアルケニル）ピリジニウムハライド、ドデシルアンモニウムクロライド、ドデシルアンモニウムブロマイド、ドデシルトリメチルアンモニウムブロマイド、ドデシルピリジウムクロライド、ドデシルピリジウムブロマイド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロマイド等がある。

両性イオン界面活性剤の例として、アルキルジメチルペタイン、アルキルアミドアルキルジメチルペタイン、アルキルジヒドロキシアルキルペタイン、スルフォペタイン型界面活性剤等のペタイン型両性イオン界面活性剤、アラニン型両性イオン界面活性剤、グリシン型両性イオン界面活性剤などのアミノ酸型両性イオン界面活性剤、及びアルキルタウリン型などのアミノスルホン酸型両性イオン界面活性剤がある。

非イオン界面活性剤の例としては、オレイン酸の外、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル等の多価アルコール脂肪酸エステル及び上記多価アルコール脂肪酸エステルのアルキレンオキシド付加物、ポリオキシアルキレン、アルキルアミド、ポリオキシアルキシレンアルキルアミド、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレン変性シリコーン、アミノ変性シリコーン、ポリオキシエチレンドデシルエーテル、ポリオキシエチレンヘキサデシルエーテル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレアートエーテル、モノデカノイルショ糖等がある。

図３は図１の液体レンズ層４’の形成後の状態を示す断面図である。図３に示すように、液体レンズ層４’において、シリコーンオイルに含まれる両親媒性分子材料の親水基は空気層側に向くように配向される。他方、親油基は空気層と反対側に配向される。

次に、液体レンズ層４’の表面上に、ポリパラキシリレンよりなる厚さ約1μmの封止層５を真空蒸着法もしくは化学的気相成長（ＣＶＤ）法によって形成する。尚、この場合、蒸着重合する他の材料たとえばポリイミドでもよい。ポリパラキシリレンの形成は、ガス流路で連結された原料気化室、熱分解室、蒸着室よりなる装置で行われる。ここで、
原料気化室の温度、真空度は100〜200°C、133Pa(1 Torr)、
熱分解室の温度、真空度は450〜700°C、66.5〜133Pa (0.5〜1 Torr)
蒸着室の温度、真空度は25〜30°C、13.3〜0.133Pa (0.1〜0.001 Torr)
である。原料気化室では、ポリパラキシリレンの原料であるジパラキシリレンの気化を行う。熱分解室では、ジパラキシリレンを熱分解してパラキシリレンラジカルを発生する。蒸着室では、パラキシリレンラジカルがサンプル台に設置したサンプル、つまり、スペーサ層３及び液体レンズ層４’に付着する。パラキシリレンラジカルは付着と同時に気相重合して高分子量のポリパラキシリレンとなり、封止層５が形成されることになる。

最後に、封止層５上に、厚さ約10〜100nmの金（Au）あるいはアルミニウム（Al）、あるいはITOを形成し、フォトリソグラフィ／エッチング法によってパターニングして環状の上部電極層６’を封止層５の周縁部に形成する。

次に、図１の液体レンズ層４’の厚さ変化について説明する。

図１において、液体レンズ層４’の直径を7ｍｍとし、上部電極層６’の開口径（内径）を5ｍｍとし、下部電極層２、上部電極層６’間に0Ｖ、300Ｖを印加した場合、図４に示す液体レンズ層４’の厚さ及びその変化率が得られた。これに対し、図１５（従来）の両親媒性分子材料を混合しない液体レンズ層４の場合、図５に示す液体レンズ層の厚さ及びその変化率が得られた。図４、図５の液体レンズの厚さ変化をプロットとした結果を図６に示す。図１の液体レンズ層４’の厚さ及びその変化率を図１５の液体レンズ層４の厚さ及びその変化率と比較すると、図７に示すごとく、最大で1.39倍、開口部（測定場所1〜6mmの範囲）で平均1.08倍に向上していることが分かる。

次に、図１の液体レンズ装置の文字拡大率について説明する。

図８に示すごとく、文字観察光学システムにおいては、図１の液体レンズ装置８１を印刷物８２の8ｍｍ上に載置し、液体レンズ装置８１上に、光学顕微鏡８３を載置して印刷物８２の文字を観察した。

図８の印刷物観察光学システムにおいて、液体レンズ装置８１の下部電極層２、上部電極層６’間の印加電圧を0Ｖ、200Ｖ、300Ｖとした場合に、図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す画像が光学顕微鏡８３に得られた。これに対し、液体レンズ装置８１において図１５（従来）の両親媒性分子材料を混合しない液体レンズ層４を用いた場合、図１０の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す画像が光学顕微鏡８３に得られた。図９、図１０の文字拡大率をプロットした結果を図１１に示す。図９の本発明の文字拡大率を図１０の従来の文字拡大率と比較すると、図１２に示すごとく、印加電圧200Ｖで1.019倍、印加電圧300Ｖで1.069倍も向上していることが分かる。

次に、図１の両親媒性分子材料が混合された液体レンズ層４’の作用について考察する。

液体レンズ層４’の両親媒性分子材料の親水基が液体レンズ層４’の封止層５に向くように配向され、他方、親油基が下部電極層２に向くように配向される。従って、液体レンズ層４’の薄い部分において下部電極層２と封止層５との間に両親媒性分子材料の層ができることで、下部電極層２と封止層５とのファン・デル・ワールス力が変化し、この結果、図１３に示すごとく、液体レンズ層４’の最外縁部分と水平面との角度α１が両親媒性分子材料が混合されていない図１５の場合の角度α２に比較して小さくなる。従って、液体レンズ層４’の外縁部分における下部電極層２と上部電極層６’との距離がさらに小さくなり、同一の静電気力でも下部電極層２と上部電極層６’との距離つまり液体レンズ層４’の厚さの変化量がさらに大きくなる。この結果、液体レンズ層４’の形状変化量がさらに大きくなると考察できる。

尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る液体レンズ装置は、モバイル端末用オートフォーカスレンズ、モバイル端末用レンズ、カプセル内視鏡用オートフォーカスレンズ、カプセル内視鏡用ズームレンズ等の可変焦点レンズ、及び照明器具用、モバイル端末用、カプセル内視鏡用等の可変配光レンズに利用できる。

１：透明基板
２：下部電極層
３：スペーサ層
４、４’：液体レンズ層
５：封止層
６、６’：上部電極層
８１：液体レンズ装置
８２：印刷物
８３：光学顕微鏡

Claims (2)

1. 透明基板と、
   前記透明基板上に設けられた下部電極層と、
   前記下部電極層の周縁部に設けられた撥油性のスペーサ層と、
   前記スペーサ層によって囲まれかつ前記下部電極層上に設けられ、両親媒性分子材料が添加された油性もしくは非イオン性の液体レンズ層と、
   前記スペーサ層上に位置する周縁部及び前記液体レンズ上に位置する中央部よりなり、前記液体レンズ層を封止する封止層と、
   前記封止層の上面の一部に設けられた上部電極層と
   を具備し、
   前記下部電極層と前記上部電極層との間に電圧を印加することにより前記液体レンズ層の厚さを変化させるようにした液体レンズ装置。
2. 前記上部電極層は前記封止層の周縁部上に環状に設けられた請求項１に記載の液体レンズ装置。