JP4543320B2

JP4543320B2 - 光学素子

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Publication number: JP4543320B2
Application number: JP2005063244A
Authority: JP
Inventors: 敬太田中
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: JP2006250967A

Description

本発明は光学素子に関する。

電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用いて透過する光量の調整を行う光学素子１０が提案されている（特許文献１参照）。
この光学素子１０では、図５に示すように、厚さ方向において互いに対向する端面壁１２と、両端面壁１２を接続する側面壁１４とを有する密閉された容器１６と、容器１６に封入された有極性または導電性を有する第１の液体２０と、容器１６に封入され第１の液体２０よりも透過率が高い第２の液体２２とを備えている。
そして、第１の液体２０と第２の液体２２として互いに混合しない性状のものを用い、かつ、第１の液体２０と第２の液体２２として互いに比重の等しいものを用い、容器１６内に空気などを混入せずにそれら第１の液体２０と第２の液体２２のみを封入すると、容器１６を回転させても揺らしても第１の液体２０と第２の液体のみを容器１６に封入した当初の状態が維持され、界面２４が端面壁１２にほぼ平行した状態が維持される。
図中符号２８は第１の液体２０に電圧を印加するための電極、３０は電極２８を覆う絶縁膜である。
そして、前記電圧印加手段によって第１の液体２０に電圧を印加することにより電気毛管現象によってそれら第１の液体２０と第２の液体２２の界面２４を図５に実線と破線で示す間にわたって変形させ、これにより端面壁１２を通り容器１６の厚さ方向に延在する光透過路１８を形成させるように構成されている。
具体的には、印加電圧が零の状態では光の透過方向と直交する方向の全域に図５に実線で示すように第１の液体２０が延在することで光の透過を阻止、あるいは、減少させ、印加電圧を上昇させると図５に破線で示すように第２の液体２２を両方の端面壁１２に接触することで光透過路１８が形成され、印加電圧を調整することで第２の液体２２と一方の端面壁１２との接触面積を増減させ光透過路１８の大きさを調整するようにしている。
特開２００１−２２８３０７号公報

このような従来の光学素子１０では、光透過路１８を形成する場合には、電圧印加手段によって第１の液体２０に電圧を印加した状態を維持しなくてはならず、光透過路１８を形成している限り電力が消費されてしまう。
一方、このような光学素子１０が搭載される撮像装置は省電力化が求められており、光学素子１０の消費電力を如何に低下するかが大きな問題となっている。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、消費電力の低減を図る上で有利な光学素子を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の端面壁を接続する側面壁とを有する密閉された容器と、前記第１の端面壁に位置するように容器に封入された有極性または導電性を有する第１の液体と、前記第２の端面壁に位置するように前記容器に封入され前記第１の液体と互いに混合しない第２の液体と、前記第１の液体に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記第１の液体と前記第２の液体は互いに異なる光の透過率を有するように形成され、前記電圧を印加していない状態で前記容器内において、前記第１の端面壁と前記第２の端面壁との間にわたって前記第１の液体と前記第２の液体のうち光の透過率が高い液体のみが存在する光透過路が形成され、前記第１の液体に電圧が印加されることにより、前記光透過路の直径が縮小するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、電圧を印加しない状態で光透過路の直径が最大となるため、光学素子が用いられる撮像装置において、光透過路の直径が最大となった状態（開放状態）で光学素子を使用する頻度が多い場合、消費電力を低減する上で有利となる。

電圧を印加していない状態で容器内において、第２の液体を第２の端面壁の外周に沿って位置させ、第１の液体を第２の液体を除く残りの箇所に位置させ、第２の液体の内側で第１の端面壁と第２の端面壁との間にわたって第１の液体のみが存在する光透過路を形成させることで上記目的を実現した。

次に本発明の実施例１について図面を参照して説明する。
まず、本発明の光学素子が用いる電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）の原理について説明する。
図４は電気毛管現象の原理説明図であり、（Ａ）は電圧印加前の状態を示す図、（Ｂ）は電圧印加後の状態を示す図である。
図４（Ａ）に示すように、基板１の表面上に第１の電極２が形成され、この電極２の表面に絶縁膜３が形成されている。
この絶縁膜３の表面に有極性または導電性を有する第１の液体４が位置しており、第１の液体４には第２の電極５が電気的に接続されている。
図４（Ａ）に示すように、第１の電極２と第２の電極５との間に電圧Ｅが印加されていない状態では、第１の液体４は表面張力によってその表面が上方に凸のほぼ球面をなしている。このときに絶縁膜３の表面と、第１の液体４が絶縁膜３に接触している部分における液面の角度θ、すなわち接触角θをθ０とする。
ところが、図４（Ｂ）に示すように、第１の電極２と第２の電極５との間に電圧Ｅが印加された状態では、絶縁膜３の表面に例えばプラス電荷が帯電することで第１の液体４を構成する分子に電界（静電気力）が作用する。これにより、第１の液体４を構成する分子が引き寄せされることで、第１の液体４の絶縁膜３に対する濡れ性が良くなり、接触角θはθ０よりも小さなθ１となる。また、接触角θは電圧Ｅの値が大きくなるに従って小さくなる。
このような現象を電気毛管現象という。

次に、実施例１の光学素子４０について説明する。
図１は実施例１における光学素子４０の構成を示す断面図である。
図１に示すように、光学素子４０は、容器４２と、第１の液体４４と、第２の液体４６と、電圧印加手段を含んで構成されている。
容器４２は、厚さ方向において互いに対向する端面壁４２０２と、両端面壁４２０２を接続する側面壁４２０４とを有し、それら両端面壁４２０２と側面壁４２０４とにより密閉された収容室４２Ａを有している。
本実施例では、端面壁４２０２は円板状を呈し、側面壁４２０４は端面壁４２０２の外径と同じ寸法の外径を有する円筒状を呈し、収容室４２Ａは扁平な円柱状を呈している。
また、端面壁４２０２および側面壁４２０４は、絶縁性を有する材料で形成され、さらに、端面壁４２０２は光を透過する透明な材料で形成されている。
端面壁４２０２を構成する材料として、例えば、透明で絶縁性を有する合成樹脂材料あるいは透明なガラス材料を用いることができる。
側面壁４２０４の内側には側面壁４２０４の全周に沿って第１の電極４８（負極電極）が円筒状に延在形成され、第１の電極４８の内側には第１の電極４８の全域を覆うように第１の電極４８の全周に沿って絶縁膜５０が円筒状に延在形成されている。

２つの端面壁４２０４のうちの一方の端面壁４２０４（特許請求の範囲の第２の端面壁に相当）の内面の外周寄りの箇所には、該一方の端面壁４２０４と同心円状に環状の第２の電極５２（正極電極）が延在形成され、第２の電極５２はその内周部分が収容室４２Ａ内に露出するとともに、第２の電極５２は絶縁膜５０により第１の電極４８と絶縁されている。
容器４２の外部には出力電圧が可変の電源５６が設けられ、電源５６の正電圧出力端子が第１の電極４８に電気的に接続され、電源５６の負電圧出力端子が第２の電極５２に電気的に接続されている。
本実施例では、第１の電極４８、第２の電極５２、電源５６によって特許請求の範囲の電圧印加手段が構成されている。

第１の液体４４は、有極性または導電性を有し容器４２に封入されている。
第２の液体４６は、第１の液体４４と互いに混合しないものであり容器４２に封入されている。
また、第１の液体４４と第２の液体４６は等しい比重を有しかつ第２の液体４６の透過率は第１の液体４４の透過率よりも低くなるように形成されている。
第１、第２の液体４４，４６としては、従来公知の様々な液体が採用可能である。
第１の液体４４としては、例えば、純水にエタノールを混合したものを用いることができ、第２の液体４６としては、例えば、市販のシリコンオイルにカーボンブラックを混合したものを用いることができる。

２つの端面壁４２０４のうちの他方の端面壁４２０４（特許請求の範囲の第１の端面壁に相当）の内面内側全域に光を透過する透明な撥水膜５４が形成されている。
また、側面壁４２０４の内面全域にも撥水膜５８が形成されている。
これら撥水膜５４、５８は第２の液体４６に対する濡れ性が第１の液体４４に対する濡れ性よりも高くなるように形成されている。
言い換えると、撥水膜５４、５８に対する第２の液体４６の接触角は、撥水膜５４、５８に対する第１の液体４４の接触角よりも小さい値となるように構成されている。
これら撥水膜５４、５８は、例えばフッ化化合物などからなる撥水処理剤を他方の端面壁４２０４の内面あるいは側面壁４２０４の内面に塗布することで形成することができ、従来公知の様々な材料を採用可能である。

容器４２の収容室４２Ａには、他方の端面壁４２０２上に（撥水膜５４が設けられていない端面壁４２０２上に）第１の液体４４が注入され、次いでその上に第２の液体４６が注入され、収容室４２Ａから空気を抜いてそれら第１の液体４４および第２の液体４６が容器４２内に封入される。
これにより、第１の液体４４が位置する他方の端面壁４２０２の内面の外周全周に位置する第１の液体４４箇所の全域は、第２の電極５２に接触することで第２の電極５２に電気的に接続された状態となり、かつ、収容室４２Ａの外周全周に位置する第１の液体４４の箇所の全域は、絶縁膜５０、撥水膜５８を介して第１の電極４８に臨んだ状態となる。
したがって、電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に電圧が印加されると、第１の液体４４に電圧が印加されることになる。

次に、光学素子４０の動作について説明する。
電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に電圧Ｅが印加されない状態（Ｅ＝０Ｖ）では、図１に示すように、収容室４２Ａ内で他方の端面壁４２０２の全域に第１の液体４４が位置するとともに、第１の液体４４が一方の端面壁４２０２に臨む液面は一方の端面４２０２側に凸状となっている。
すなわち、第１の液体４４は、収容室４２Ａの中間の高さまで撥水膜５８に接触しており、第１、第２の液体４４，４６の表面張力、撥水膜５４，５８上における第１の液体４４の界面張力のバランスにより、この接触された部分の端部から湾曲面状の界面６２が一方の端面壁４２０２に接続され、この接続された部分の内側全域の一方の端面壁４２０２箇所に第１の液体４４のみが接触している。図中θは第１の液体４４の撥水膜５８に対する接触角を示す。
一方、撥水膜５４，５８は第２の液体４６に対する濡れ性が第１の液体４４に対する濡れ性よりも高いため、言い換えると、第２の液体４６の撥水膜５４，５８に対する接触角が第１の液体４４の第２の液体４６の撥水膜５４，５８に対する接触角よりも小さため、第２の液体４６は、一方の端面壁４２０２側でその外周部と、一方の端面壁４２０２寄りの撥水膜５８箇所との間に界面６２を介して環状に延在している。
したがって、収容室４２Ａ内においてその中央に、第１の液体４４のみが容器４２の厚さ方向に延在する領域６４が形成され、この領域６４により光の透過を可能とした光透過路６６が形成される。

図２は光学素子４０に第１の電圧Ｅ１が印加された状態を示す説明図である。
電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に電圧Ｅ１が印加されると（Ｅ１＞０Ｖ）、電気毛管現象により、第１の液体４４の撥水膜５８に対する接触角θが小さくなることにより、第１の液体４４が撥水膜５８に接触する部分が上方に変位し、界面６２の傾斜が緩やかとなり、第１の液体４４が一方の端面壁４２０２に接触する部分の面積が減少する。
一方、第２の液体４６は、一方の端面壁４２０２においてその中央側に延在し、電圧を印加しない状態よりも小さい寸法の内径で環状に延在する。
これにより、電圧を印加しない状態よりも小さい面積で、収容室４２Ａ内の中央において、第１の液体４４のみが容器４２の厚さ方向に延在する領域６４が形成され、この領域６４により光の透過を可能とした光透過路６６が形成される。

図３は光学素子４０に第１の電圧よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が印加された状態を示す説明図である。
第１の電圧よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に印加されると（Ｅ２＞Ｅ１）、第１の液体４４の撥水膜５８に対する接触角θがさらに小さくなることにより、第１の液体４４が撥水膜５８に接触する部分がさらに上方に変位し、界面６２の傾斜がより緩やかとなり、撥水膜５４の全域に第１の液体４４が入り込み、界面６２が撥水膜５４から離れ撥水膜５４側に凸状の曲面（球面）となる。
すなわち、第１の液体４４は撥水膜５４から離れ、撥水膜５４の全域に第２の液体４６のみが接触し、収容室４２Ａ内において、容器４２の厚さ方向に第１の液体４４のみが存在する領域６４が無くなり、光透過路６６が閉塞される。
したがって、電源５６から第１の電極４８、第２の電極５２に印加される電圧を調整することで、第１の液体４４のみが存在する領域６４の直径を拡大および縮小あるいは領域６４を消滅させることができ、光透過路６６の直径を拡径および縮径する絞り動作を行うことができる。
また、図１〜図３に示すように、第１の液体４４と第２の液体４６の界面６２は、第１の液体４４に対する電圧印加の有無に拘わらず、第１の液体４４から第２の液体４６に向かって凸状の曲面をなした状態が維持される。

本実施例によれば、電圧を印加しない状態で光透過路６６の直径が最大となるため、光学素子４０が用いられる撮像装置において、光透過路６６の直径が最大となった状態（開放状態）で光学素子４０を使用する頻度が多い場合、消費電力を低減する上で有利となる。
また、従来の光学素子では、光透過路が閉塞された状態から光透過路が形成される状態とするためには、第１、第２の液体の界面が、第１の液体が第２の液体に向かって凸状をなした状態から、これとは反対に第２の液体が第１の液体に向かって凸状をなした状態まで大きく変位しなければならず、したがって、第１の液体により高い電圧を印加しなくてはならず、消費電力を低減する上で不利であったのに対し、本実施例では、第１の液体４４と第２の液体４６の界面６２は、第１の液体４４に対する電圧印加の有無に拘わらず、第１の液体４４から第２の液体４６に向かって凸状の曲面をなした状態が維持されており、光透過路６６の直径を調整するに際して、第１の液体４４および第２の液体４６の変位は僅かなもので済む。したがって、第１の液体４４に印加する電圧も低くて済み、消費電力を低減する上で有利である。

なお、本実施例では、第１の液体４４に直流電圧を印加することで電気毛管現象を発生させる場合について説明したが、第１の液体４４に印加する電圧は直流電圧に限定されるものではなく、交流電圧はパルス電圧、あるいは、ステップ状に増減する電圧など、どのような電圧を用いてもよく、要は第１の液体４４に電気毛管現象を発生させることができればよい。

実施例１における光学素子４０の構成を示す断面図である。光学素子４０に第１の電圧Ｅ１が印加された状態を示す説明図である。光学素子４０に第１の電圧よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が印加された状態を示す説明図である。電気毛管現象の原理説明図であり、（Ａ）は電圧印加前の状態を示す図、（Ｂ）は電圧印加後の状態を示す図である。従来の光学素子の構成を示す図である。

符号の説明

４０……光学素子、４２……容器、４２０２……端面壁、４２０４……側面壁、４４……第１の液体、４６……第２の液体、６２……界面、６６……光透過路。

Claims

厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の端面壁を接続する側面壁とを有する密閉された容器と、
前記第１の端面壁に位置するように前記容器に封入された有極性または導電性を有する第１の液体と、
前記第２の端面壁に位置するように前記容器に封入され前記第１の液体と互いに混合しない第２の液体と、
前記第１の液体に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記第１の液体と前記第２の液体は互いに異なる光の透過率を有するように形成され、
前記電圧を印加していない状態で前記容器内において、前記第１の端面壁と前記第２の端面壁との間にわたって前記第１の液体と前記第２の液体のうち光の透過率が高い液体のみが存在する光透過路が形成され、
前記第１の液体に電圧が印加されることにより、前記光透過路の直径が縮小するように構成されている
光学素子。
前記第２の液体は前記第１の液体より低い光の透過率を有するように形成されている請求項１記載の光学素子。
前記第１の液体と第２の液体の界面は、前記第１の液体に電圧が印加されることにより、前記第１の液体と前記側面壁の内面との接触角が小さくなるように変形する請求項１記載の光学素子。
前記第２の端面壁に、前記第１の液体に対する濡れ性よりも前記第２の液体に対する濡れ性が高い撥水膜が設けられている請求項１記載の光学素子。
前記側面壁に、前記第１の液体に対する濡れ性よりも前記第２の液体に対する濡れ性が高い撥水膜が設けられている請求項１記載の光学素子。
前記電圧印加手段は、前記側面壁の内面の全周に設けられた第１の電極と、前記第１の端面壁の内面の外周に設けられた第２の電極とを含んで構成されている請求項１記載の光学素子。
前記第１の液体と第２の液体の界面は、前記第１の液体に対する電圧印加の有無に拘わらず、前記第１の液体から第２の液体に向かって凸状の曲面形状が維持される請求項１記載の光学素子。