JP4834682B2 - 液体プリズム及びそれを用いたプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、液体の界面を利用して光を屈折させる液体プリズムに関し、特に、エレクトロウェッティングによって液体の界面を駆動させるように構成された液体プリズムに関する。

液体プリズムは、互いに屈折率が異なり、且つ、互いに混じりあわない、２つの液体間の界面又は液体と気体の間の界面における光の屈折を利用する光学素子である。界面の傾斜角及び最大傾斜方向は、エレクトロウェッティングによって駆動させる。エレクトロウェッティングとは、電極と液体の間に電位差を与えることで、液体の電極に対する見かけの接触角を変化させる現象である（非特許文献１）。界面の傾斜角及び最大傾斜方向を変化させることにより、光の屈折角及び屈折方向を変化させることができる。液体プリズムの従来例は、特許文献２、非特許文献２などに記載されている。また、特許文献１には、携帯機器用プロジェクタの例が記載されている。

特開2005-148459号公報 特表2006-509263号公報 Frieder Mugele and Jean-Christophe Baret, "Electrowetting: from basics to applications", J. Phys.: Condens. Matter 17 (2005) R705-R774. Neil R. Smith, Don C. Abeysinghe, Joseph W. Haus, and Jason Heikenfeld, "Agile wide-angle beam steering with electrowetting microprisms", OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 14, pp.6557-6563.

液体プリズムでは、エレクトロウェッティングによって界面の傾斜角及び最大傾斜方向を変化させる。しかしながら、エレクトロウェッティングでは、電極面に対する液面の接触角の可変範囲に制限がある。従って、光軸に対する界面の傾斜角には制限がある。そのため、入射光に対する出射光の屈折角には制限がある。

本発明の目的は、入射光に対する出射光の屈折角を大きくすることができる液体プリズム（光軸可変素子）を提供することにある。

本発明の液体プリズムでは、次の条件を満たすように、導電性液体と電極の間に印加する電圧が制御される。
（１）液界面は平面である。
（２）液界面の最大傾斜線は、容器の角部のうち、互いに最も離れた２つの角部を通る。従って、液界面の最大傾斜線は、容器の２つの角部を通るが、容器の側面を通らない。容器の断面が、互いに直交する長軸と短軸を有する図形の場合、液界面は、容器の断面を短軸回りに回転させて得られる面であり、液界面の最大傾斜線は、断面の長軸を短軸回りに回転させて得られる線である。

本発明の液体プリズムによると、入射光に対する出射光の屈折角を大きくすることができる。

図１を参照して、本発明の液体プリズムを説明する。本発明の液体プリズムは、容器１００と、その内部に封入された導電性液体１０と絶縁性液体１１を有する。導電性液体１０と絶縁性液体１１は界面１２で接している。導電性液体１０と絶縁性液体１１は、互いに混じり合わず、且つ、互いに屈折率が異なる。

容器１００は、第１面１０１と、第２面１０２と、少なくとも３つの側面（図１には２つの側面１０３ａ、１０３ｃのみが示されている）からなる。液体プリズムの光軸２００を、図示のように、第１面１０１及び第２面１０２を通る、容器１００の中心軸線に沿って設定する。

容器１００を、光軸２００に垂直な面で切断した断面の形状は、正方形、長方形、菱形、多角形等の点対称図形であってよいが、直角三角形、２等辺三角形等の非点対称図形であってもよい。第１面１０１と第２面１０２は、光軸２００に垂直に配置されている。複数の側面１０３ａ、１０３ｃは、光軸２００に平行に配置されてよい。この場合、容器の断面形状は、光軸に垂直な複数の面で切断すると、全て同一となる。しかしながら、複数の側面１０３ａ、１０３ｃは、光軸２００に平行でなくてもよい。この場合、容器の断面形状は、光軸に垂直な複数の面で切断すると、互いに相似形であるが異なる寸法の形状となる。例えば、第１面１０１から第２面１０２の方向に沿って、容器の断面が小さくなるように構成してよい。容器の形状の例は後に説明する。

複数の側面１０３ａ、１０３ｃの内面には、それぞれ電極（図１には２つの電極１０４ａ、１０４ｃのみが示されている）が設けられている。電極を覆うように、電極の内面に、それぞれ絶縁膜（図１には２つの絶縁膜１０６ａ、１０６ｃのみが示されている）が設けられている。更に、絶縁膜を覆うように、絶縁膜の内面に、それぞれ撥水膜（図１には２つの撥水膜１０７ａ、１０７ｃのみが示されている）が設けられている。撥水膜が十分な絶縁性を有する場合には、絶縁膜は不要である。第１面１０１の内面には共通電極１０５が設けられている。共通電極１０５は、導電性液体１０に接触している。

共通電極１０５と複数の電極１０４ａ、１０４ｃの間に、それぞれ電源（図１には２つの電源１０８ａ、１０８ｃのみが示されている）が接続されている。電源によって、共通電極１０５に接触している導電性液体１０と電極１０４ａ、１０４ｃの間に、それぞれ電圧が印加される。エレクトロウェッティングによって、容器１００の側面に対する、導電性液体１０の接触角が変化する。電源１０８ａ、１０８ｃからの電圧を調節することによって、容器１００の側面の各々における、導電性液体１０の接触角を所望の値に変化させることができる。こうして、光軸２００に対する界面１２の傾斜角及び最大傾斜方向を所望の値に設定することができる。図示のように、第２面１０２を経由して、光軸２００に沿って入射された光は、界面１２にて屈折し、第１面１０１を経由して出射される。入射光２０１に対する出射光２０２のなす角、即ち、屈折角αは、導電性液体１０と絶縁性液体１１の屈折率、及び、液界面１２の傾斜角に依存する。

本例の液体プリズムでは、導電性液体１０は共通電極１０５に接触するように、第１面１０１側に配置されている。即ち、容器１００を、３次元空間内にて、どのような回転方向及び回転位置に配置しても、導電性液体１０は絶縁性液体１１より分離し、且つ、共通電極１０５に接触するように、第１面１０１側に配置される。導電性液体１０を第１面１０１側に配置するために、任意の物理現象、例えば、付着力を利用してもよい。この場合、第１面１０１の材質として、導電性液体１０の付着力が大きいものを選択し、第２面１０２の材質として、絶縁性液体１１の付着力が大きいもの選択する。

本例の液体プリズムの構成部材の材料について説明する。第１面１０１及び第２面１０２の材料は、液体プリズムへの入射光２０１を透過させることができる材質であればどのようなものであってもよい。例えば、入射光２０１が可視光の場合、第１面１０１及び第２面１０２は、ガラス又はアクリルによって構成してよい。絶縁膜１０６ａ、１０６ｃは、SiO₂、parylene（商品名）などをCVDにより成膜したものでよい。撥水膜１０７ａ、１０７ｃは、フッ素系材料であるサイトップ（商品名）やAF1601（商品名）などをディップコートもしくはスピンコートで成膜したものでよい。

導電性液体１０と絶縁性液体１１は、互いに交じり合わず、且つ、屈折率が異なる液体であればよい。例えば、導電性液体１０は、水、塩化カリウムなどの電解質を溶解した水溶液でよい。絶縁性液体１１はシリコーンオイルやフッ素系オイルなどのオイルや、デカンやドデカンなどの有機溶媒などでよい。また、導電性液体１０と絶縁性液体１１は、第１面１０１及び第２面１０２と同様に、入射光２０１の波長を透過する材質である。

図２を参照して本発明の特徴を詳細に説明する。図２Ａは、本例の液体プリズムの容器１００の側面と、容器の内部に収納された導電性液体１０と絶縁性液体１１のみを示す斜視図である。本例の容器１００は４つの側面１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄを有し、光軸２００に垂直な面で切断した容器の断面は４辺形である。電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、絶縁膜１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、撥水膜１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、及び、共通電極１０５の図示は省略されている。

導電性液体１０の接触角について説明する。界面１２の４つの辺、即ち、界面１２が４つの側面１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄと接触する接触線を、それぞれ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとする。導電性液体１０の接触角は、界面１２の４つの接触線における、界面１２と側面のなす角として定義される。図示のように、側面１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄに対する導電性液体１０の接触角を、それぞれθa、θb、θc、θdとする。例えば、側面１０３ａに対する導電性液体１０の接触角θaは、接触線１２ａにおける界面１２と側面１０３ａのなす角である。容器１００を、接触線１２ａに垂直な面によって切断したとき、その切断面において、界面１２と側面１０３ａのなす角が、側面１０３ａにおける導電性液体１０の接触角θaである。他の接触角θb、θc、θdも、同様に求められる。

接触角θa、θb、θc、θdの各々は、絶縁膜１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、及び、撥水膜１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄの各々の比誘電率と厚さに依存する。更に、接触角θa、θb、θc、θdの各々は、導電性液体１０と電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄの間に印加される電圧に、それぞれ依存する。

図２Ｂは、容器１００を光軸２００に垂直な面で切断した断面形状を示す。図示のように、容器１００の断面は、４つの頂点１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを有する菱形である。容器１００の断面は、菱形の短軸に沿った短い対角線１３ａと長軸に沿った長い対角線１３ｂを有し、両者の交点を光軸２００が通る。頂点１４ｂを挟む２つの側面１０３ｂ、１０３ｃのなす角、即ち、頂点角をβとする。

図２Ｃは、容器１００の長い対角線１３ｂと光軸２００Ｃの両者を通る面によって切断した、容器１００の断面を示す。光軸２００に垂直な面に対する液界面１２の傾斜角をφとする。液界面１２は、容器１００の断面を短い対角線１３ａ回りに傾斜させた平面である。液界面１２の最大傾斜線は、長い対角線１３ｂを短い対角線１３ａ回りに傾斜させた線である。液体プリズムへの入射光２０１は、液体プリズムの光軸２００に沿って、第２面１０２から入射され、液界面１２により屈折し、第１面１０１を通って、液体プリズムの外へ出射される。入射光２０１に対する出射光２０２の屈折角はαである。

４つの電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄに対してそれぞれ電圧を印加すると、エレクトロウェッティングにより接触角θa、θb、θc、θdがそれぞれ変化する。すなわち、電源１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄの電圧によって光軸２００に対する液界面１２の角度φを操作可能である。液界面１２の角度φを調節することにより、所望の屈折角αを得ることができる。

本発明によると、液面１２の傾斜角φの最大値を、従来の液体プリズムと比較して、より大きくすることができる。本発明によると、液界面は次の条件を有する。
（１）液界面は平面である。
（２）液界面の最大傾斜線は、容器の角部のうち、互いに最も離れた２つの角部を通る。従って、液界面の最大傾斜線は、容器の２つの角部を通るが、容器の側面を通らない。容器の断面が、互いに直交する長軸と短軸を有する図形の場合、液界面は、容器の断面を短軸回りに回転させて得られる面であり、液界面の最大傾斜線は、断面の長軸を短軸回りに回転させて得られる線である。

この２つの液面条件を満たすために必要な条件を説明する。本例では、容器１００の断面は菱形である。従って、頂点１４ａの両側の隣り合う２つの側面１０３ａ、１０３ｂに対する接触角θa、θｂは等しく、頂点１４ｃの両側の隣り合う２つの側面１０３ｃ、１０３ｄに対する接触角θｃ、θdは等しい。
θa＝θｂ、且つ、θc＝θd 式１

更に、頂点１４ｂの両側の隣り合う２つの側面１０３ｂ、１０３ｃに対する接触角θｂとθｃの和は180゜となり、頂点１４ｄの両側の隣り合う２つの側面１０３ａ、１０３ｄに対する接触角θａ、θdの和は180゜となる。
θｂ＋θｃ＝θa＋θｄ＝180゜ 式２

このように、接触角を設定することにより、上述の２つの条件が満たされる。４つの側面１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄに装着された絶縁膜１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの比誘電率と厚さが全て等しく、撥水膜１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄの比誘電率と厚さが全て等しいと仮定する。４つの側面における接触角が、式１及び式２の関係を満たすためには、電極１０４ａと電極１０４ｂに同一の電圧を印加し、電極１０４ｃと電極１０４ｄに同一の電圧を印加すればよい。こうして、４つの電極に、所定の電圧を印加することにより、各側面におけるエレクトロウェッティングを制御することができる。即ち、エレクトロウェッティングにより、それぞれの接触角を調整することができる。それによって、上述の２つの条件を満たす液界面を得ることができる。

図３を参照して、容器の断面形状と液面１２の傾斜角φの関係を説明する。容器１００の断面は４辺形であり、その頂点角βが90゜、120゜、150゜、180゜の４つの場合について、側面１０３ａに対する導電性液体１０の接触角θaと液界面の傾斜角φの関係を計算した。図３Ａは、接触角θaと液界面の傾斜角φの関係を示す図である。横軸は、側面１０３ａにおける接触角θa、縦軸は、液界面の傾斜角φである。接触角θaの最小値は60゜である。即ち、接触角θaは60゜〜180゜の範囲で可変である。

側面１０３ａにおける接触角θaを所定の値に設定し、容器の頂点角βを９０°より大きくすると、液界面の傾斜角φが大きくなることが判る。例えば、接触角θaを60゜とする。容器の頂点角βが90゜のとき、液界面の傾斜角φは４５°である。即ち、容器の断面が正方形であり、側面１０３ａにおける接触角θaを60゜とすると、液界面の傾斜角φは４５°となる。

しかしながら、容器の頂点角βが１２０°のとき、即ち、容器の断面が菱形の場合、液界面の傾斜角φは４５゜以上（もしくは９０゜）となる。尚、接触角θaが９０゜のとき、液界面の傾斜角φは０°となる。また、液界面の傾斜角φが負の値のとき、図２Ｃの断面図において、液界面１２が左下−右上に傾いた状態となる。

図３Ｂは、導電性液体１０と電極の間に印加する電圧と液界面の傾斜角φの関係を示す図である。横軸は、側面１０３ａに装着された電極１０４ａと導電性液体１０の間の印加電圧Ｖ、縦軸は、液界面の傾斜角φである。容器１００の断面は４辺形であり、その頂点角βが90゜、120゜、150゜、180゜の４つの場合について、印加電圧Ｖと液界面の傾斜角φの関係を計算した。尚、液体の電極面に対する接触角と液体と電極との電位差の関係は非特許文献１に記載されている。

絶縁膜１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、及び、撥水膜１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄの材料として、電荷を有さない材料を用いてよいが、電荷を有する材料を用いてもよい。

絶縁膜１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、及び、撥水膜１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄが電荷を有さない場合、導電性液体１０と電極の間の電位差、即ち、印加電圧Ｖは、電源（図１には２つの電源１０８ａ、１０８ｃのみが示されている。）の電圧に等しい。電源の電圧をＶｂとすると、Ｖ＝Ｖｂである。

本例では、絶縁膜を兼ねる撥水膜を比誘電率2.1、厚さ300nｍのサイトップとし、印加電圧Ｖがゼロのときの側面１０３ａに対する導電性液体１０の接触角θａを１８０゜、導電性液体１０と絶縁性液体１１の界面張力を40mN/mとして計算した。

絶縁膜１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、及び、撥水膜１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄが電荷を有する場合、印加電圧Ｖは、絶縁膜、及び、撥水膜の電位差と、電源電圧の和に等しい。絶縁膜、及び、撥水膜の電位差を、Ｖｉとすると、Ｖ＝Ｖｉ＋Ｖｂである。絶縁膜１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、又は、撥水膜１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄをエレクトレットによって構成することができる。エレクトレットは電荷を有する。エレクトレット電位をＶｅｌとする。印加電圧Ｖは、Ｖ＝Ｖｅｌ＋Ｖｂとなる。電源電圧がゼロ（Ｖｂ＝０）のとき、導電性液体１０と電極の間にエレクトレット電位が印加される。印加電圧Ｖがエレクトレット電位に等しいとき、即ち、電源電圧がゼロのとき（Ｖｂ＝０）、側面に対する導電性液体１２の接触角が90゜であると仮定する。電源電圧がゼロのとき（Ｖｂ＝０）、液界面１２は入射光２０１に対して垂直となり、電源電圧がゼロでないのとき（Ｖｂ≠０）、液界面１２が傾斜する。

再び図３Ｂに戻る。頂点角βが90゜、120゜、150゜、180゜のいずれであっても、液界面の傾斜角φが０゜となる電圧が存在する。本例では、印加電圧が３７．５ボルトのとき、液界面の傾斜角φが０゜となる。液界面の傾斜角φが０゜となる電圧は、絶縁膜及び撥水膜の比誘電率と厚さに依存する。更に、印加電圧Ｖを増加させると、液界面の傾斜角φは増加する。更に、頂点角βが大きいほど、印加電圧Ｖに対する液界面の傾斜角φの増加率は大きい。

図３Ａ及び図３Ｂによって、容器の頂点角βが９０°より大きいと、液界面の傾斜角φを大きくすることができることが判る。例えば、容器の断面が、正方形の場合より菱形のほうが、液界面の傾斜角φを大きくすることができる。

上述の液面の条件を満たすなら、容器の断面は、正方形、又は、菱形でなくてもよい。以下に、容器の断面が、正方形、又は、菱形でない場合を説明する。

図４は、本発明による液体プリズムの第２の例を示す。図４は、本例の容器１００を光軸２００に垂直な面で切断した断面形状を示す。図示のように、容器１００の断面は、４つの頂点１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを有する４辺形であるが、４つの辺の長さは同一ではない。容器１００の断面は、２つの頂点１４ｂ、１４ｄの間を結ぶ短い対角線１３ａと、２つの頂点１４ａ、１４ｃの間を結ぶ長い対角線１３ｂを有し、両者は直交する。両者の交点を光軸２００が通る。容器１００の断面は、長い対角線１３ｂに対して対称な４辺形である。従って、頂点１４ａを通る稜線を挟む２つの側面１０３ａ、１０３ｂは同一の寸法を有し、頂点１４ｃを通る稜線を挟む２つの側面１０３ｃ、１０３ｄは同一の寸法を有する。

液界面１２は、容器１００の断面を短い対角線１３ａ回りに傾斜させた平面である。長い対角線１３ｂと光軸２００の両者を通る面と、液界面１２の交線が、液界面１２の最大傾斜線である。即ち、液界面１２の最大傾斜線は、頂点１４ａを通る稜線と頂点１４ｃを通る稜線の間を結ぶ直線である。

上述の液界面の条件を満たすように、４つの側面における導電性液体１０の接触角を設定する。本例では、上述の式１を満たすが、式２は成立しない。しかしながら、式２の代わりに、θa＋θｄ＝θｂ＋θｃとなる関係が成立する。こうして、本例の液体プリズムでは、液界面１２の傾斜角φを大きくすることができる。

図５は、本発明による液体プリズムの第３の例を示す。図５は、本例の容器１００を光軸２００に垂直な面で切断した断面形状を示す。図示のように、容器１００の断面は、６つの頂点１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆを有する６辺形であるが、６つの辺の長さは同一ではない。本例の容器は、図２に示した断面が菱形の容器を２つに分割し、その間に、互いに平行な２つの側面を挿入することによって得られる。容器１００の断面は、２つの頂点１４ａ、１４ｄの間を結ぶ対角線１３ｂを有し、その中点を光軸２００が通る。容器１００の断面は、対角線１３ｂに対して対称な６辺形である。従って、頂点１４ａを通る稜線を挟む２つの側面１０３ａ、１０３ｂは同一の寸法を有し、頂点１４ｄを通る稜線を挟む２つの側面１０３ｃ、１０３ｄは同一の寸法を有する。また、両側の２つの側面１０３ｅ、１０３ｆは、互いに平行であり、且つ、同一の寸法を有する。

容器１００の断面上にて、対角線１３ｂの中点を通り、対角線１３ｂに直交する軸１３ａを設定する。液界面１２は、容器１００の断面を、軸１３ａ回りに傾斜させた平面である。長い対角線１３ｂと光軸２００の両者を通る面と、液界面１２の交線が、液界面１２の最大傾斜線である。即ち、液界面１２の最大傾斜線は、頂点１４ａを通る稜線と頂点１４ｄを通る稜線の間を結ぶ直線である。

上述の液界面の条件を満たすように、６つの側面における導電性液体１０の接触角を設定する。側面１０３ｅ、１０３ｆが光軸２００に平行であるとする。この場合、側面１０３ｅ、１０３ｆに対する導電性液体１０の接触角を90゜に設定する。他の側面１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄに対する導電性液体１０の接触角は、図２に示した例の場合と同様に設定する。こうして、本例の液体プリズムでは、液界面１２の傾斜角φを大きくすることができる。

ここでは、容器１００の断面は６辺形であるが、より多くの辺を有する多角形とすることができる。この場合、側面１０３ｅ、１０３ｆをそれぞれ、複数の側面によって構成すればよい。例えば、側面１０３ｅ、１０３ｆをそれぞれ、３角柱によって置き換えることによって、容器１００の断面を、８辺形とすることができる。

図６は、本発明による液体プリズムの第４の例を示す。図６は、本例の容器１００を光軸２００に垂直な面で切断した断面形状を示す。図示のように、容器１００の断面は、３つの頂点１４ａ、１４ｂ、１４ｃを有する２等辺３角形である。本例の容器は、図２に示した断面が菱形の容器を、長い対角線１３ｂと光軸２００Ｃの両者を通る面によって切断することによって得られる。頂点１４ｂを通る稜線を挟む２つの側面１０３ｂ、１０３ｃは同一の寸法を有する。容器１００の断面上にて、頂点１４ｂより、２つの頂点１４ａ、１４ｃを結ぶ底辺の中点に垂線１３ａを下ろす。この垂線１３ａの中点を、光軸２００が通る。

液界面１２は、容器１００の断面を、軸１３ａ回りに傾斜させた平面である。液界面１２の最大傾斜線は、頂点１４ａを通る稜線と頂点１４ｃを通る稜線の間を結ぶ直線である。即ち、液界面１２の最大傾斜線は、液界面１２が側面１０３ａと接触する接触線である。

上述の液界面の条件を満たすように、３つの側面における導電性液体１０の接触角を設定する。側面１０３ａが光軸２００に平行であるとする。この場合、側面１０３ａに対する導電性液体１０の接触角を90゜に設定する。他の側面１０３ｂ、１０３ｃに対する導電性液体１０の接触角は、図２に示した例の場合と同様に設定する。こうして、本例の液体プリズムでは、液界面１２の傾斜角φを大きくすることができる。

図７は、本発明による液体プリズムの第４の例を示す。図７Ａは、本例の容器１００の上面を示す。図示のように、容器１００の上面は、４つの頂点１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを有する菱形である。容器１００の上面は、２つの頂点１４ｂ、１４ｄの間を結ぶ短い対角線１３ａと、２つの頂点１４ａ、１４ｃの間を結ぶ長い対角線１３ｂを有し、両者の交点を光軸２００が通る。

図７Ｂは、容器１００の長い対角線１３ｂと光軸２００の両者を通る面によって切断した、容器１００の断面を示す。本例では、４つの側面は光軸２００に対して傾斜している。容器１００を光軸２００に垂直な面で切断した断面は、菱形であるが、切断する位置によって菱形の寸法は変化する。光軸２００に垂直な面に対する液界面１２の傾斜角をφとする。

容器１００の断面上にて、対角線１３ａに平行な軸１３ｃを設定する。液界面１２は、容器１００の断面を、軸１３ｃ回りに傾斜させた平面である。長い対角線１３ｂと光軸２００の両者を通る面と、液界面１２の交線が、液界面１２の最大傾斜線である。即ち、液界面１２の最大傾斜線は、頂点１４ａを通る稜線と頂点１４ｃを通る稜線の間を結ぶ直線である。

上述の液界面の条件を満たすように、４つの側面における導電性液体１０の接触角を設定する。それによって、液界面１２の傾斜角φを大きくすることができる。

図８を参照して、本発明による液体プリズムアレイの例を説明する。本例の液体プリズムアレイは、基板１１０に形成された複数の液体プリズムと、それらを接続する配線１０９を有する。各液体プリズムは、容器１００と電極１０４ａ〜１０４ｄを有する。容器１００の内部には、導電性液体と絶縁性液体が封入されている。全ての液体プリズムにおいて、入射光の方向、屈折角、及び、出射光の方向は同一である。即ち、全ての液体プリズムにおいて、光軸に沿った入射光は、第１面より入射し、所定の屈折角にて屈折し、出射光は、第２面を経由して出射する。

液体プリズムは、半導体微細加工技術の応用によって、基板１１０に形成される。従って、容器１００のサイズを小さくすることができる。また、駆動部である導電性液体１０及び絶縁性液体１１の質量を小さくし、液界面１２の傾斜角の変化の応答速度を上げることが可能である。本例では、容器１００の断面積が小さいため、液体プリズム内に入射する入射光２０１の光量が小さい。したがって、複数個の液体プリズムを配置すれば、入射光量の総量を大きくすることができる。この場合、全ての液体プリズムの液界面は、同一方向に駆動される。したがって、全ての液体プリズムにおいて、対応する電極には同一の電圧を印加する。全ての液体プリズムへの配線１０９は図示のように、櫛歯状にすることができる。容器１００を同一の基板に形成する場合は、配線１０９は基板の第１面に形成することが可能である。

基板１１０として単結晶シリコンを用いることができる。単結晶シリコンの場合、ウェットエッチングによって、容器の側面を形成するとき、結晶の界面に沿って容器の側面が形成される。例えば、図２Ａに示す断面が菱形の孔を形成することができ、２つの側面の間の頂点角βは、１０９．５゜となる。

図９を参照して本発明による液体プリズムを用いたプロジェクタの構成を示す。本例のプロジェクタは、光源３０１、垂直走査用液体プリズム３０２、水平走査用液体プリズム３０３、及び、それらを収納する筐体３００を有する。本例のプロジェクタは、更に、光源と液体プリズムを駆動する駆動回路３２０、及び、電源３２１を有する。駆動回路３２０は、画像データ３２２を制御信号に変換する画像データ変換回路３２３、画像信号から変換された出力信号に応じて光源と液体プリズムの駆動信号を出力する制御回路３２４、制御回路の出力信号に基づいて光源３０１に駆動電圧を与える光源駆動ドライバ３３１、制御回路の出力信号に基づいて液体プリズム３０２、３０３に駆動電圧を与える液体プリズム駆動ドライバ３３２、３３３からなる。

光源３０１の出射光３０１ａは、垂直走査用液体プリズム３０２によって垂直方向に走査され、水平走査用液体プリズム３０３によって水平方向に走査され、スクリーン上をラスタースキャンされる。走査位置に応じた光源３０１の光量の制御により、画像が形成される。

光源３０１には、半導体レーザやLEDなどを用いることができる。特に光源３０１にLEDを用いた場合、光源から出射される光の拡がり角が大きいため、光源からの光を調整する光学系が必要である。

図１０は、光源からの光を調整する光学系の例を示す。本例の光学系は、光源３０１、集光レンズ３０４、垂直走査用液体プリズム３０２、水平走査用液体プリズム３０３、コリメートレンズ３０５、及び、筐体３００を有する。光源３０１から出射された光は、集光レンズ３０４によって集光され、液体プリズム３０２、３０３に、それぞれ入射する。液体プリズム３０２、３０３から出射した光は、コリメートレンズ３０５によって拡がり角を絞られ、平行光線となって出射される。

図１１を参照して本発明による液体プリズムを用いたプロジェクタの他の例の構成を示す。図１０のプロジェクタは単色であるが、本例のプロジェクタはフルカラーを表示可能である。本例のプロジェクタは、赤、緑、青の３色の光源３０１Ａ、３０１Ｂ、３０１Ｃを有する。赤の光源３０１Ａに対して、水平走査用液体プリズム３０２Ａ、垂直走査用液体プリズム３０３Ａが設けられている。同様に、緑の光源３０１Ｂに対して、水平走査用液体プリズム３０２Ｂ、垂直走査用液体プリズム３０３Ｂが設けられ、青の光源３０１Ｃに対して、水平走査用液体プリズム３０２Ｃ、垂直走査用液体プリズム３０３Ｃが設けられている。これらの３色の液体プリズムは、筐体３００に収納されている。

３色の水平走査用液体プリズム３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃにおいて、入射光の方向、屈折角、及び、出射光の方向は同一である。即ち、３色の水平走査用液体プリズムにおいて、光軸に沿った入射光は、第１面より入射し、所定の屈折角にて屈折し、出射光は、第２面を経由して出射する。

３色の垂直走査用液体プリズム３０３Ａ、３０３Ｂ、３０３Ｃにおいて、入射光の方向、屈折角、及び、出射光の方向は同一である。即ち、３色の垂直走査用液体プリズムにおいて、光軸に沿った入射光は、第１面より入射し、所定の屈折角にて屈折し、出射光は、第２面を経由して出射する。

本例では、３色の光源光からの光が、スクリーン上の一点に照射されるように、光源３０１Ａ、３０１Ｂ、３０１Ｃの波長に応じてそれぞれの液体プリズムの液界面角を調整する。この場合、一般的なラスタースキャンによる光走査で画像を形成する。

以上本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者により容易に理解されよう。

本発明の液体プリズムは、携帯機器の分野において、利用することができる。

本発明による液体プリズムの構成を示す図である。 本発明による液体プリズムの液界面の接触角を説明する図である。 本発明による液体プリズムの接触角又は印加電圧と液界面の傾斜角の関係を説明する図である。 本発明による液体プリズムの第２の例の構成を示す図である。 本発明による液体プリズムの第３の例の構成を示す図である。 本発明による液体プリズムの第４の例の構成を示す図である。 本発明による液体プリズムの第５の例の構成を示す図である。 本発明による液体プリズムアレイの例を示す図である。 本発明による液体プリズムを用いたプロジェクタの構成を示す図である。 本発明によるプロジェクタの単色の光源装置の構成を示す図である。 本発明によるプロジェクタの３色の光源装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０…導電性液体、１１…絶縁性液体、１２…液界面、１３ａ…容器の断面の短い対角線、１３ｂ…容器の断面の長い対角線、１００…容器、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆ…側面、１０４、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ…電極、１０５…共通電極、１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ…絶縁膜、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ…撥水膜、１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ…電源、１０９…配線、２００…光軸、２０１…入射光、２０２…屈折光、３００…筐体、３０１…光源、３０１ａ…光源１４の出射光、３０１Ａ…光源（赤）、３０１Ｂ…光源（緑）、３０１Ｃ…光源（青）、３０２Ａ…光源（赤）垂直走査用液体プリズム、３０２Ｂ…光源（緑）垂直走査用液体プリズム、３０２Ｃ…光源（青）垂直走査用液体プリズム、３０３Ａ…光源（赤）水平走査用液体プリズム、３０３Ｂ…光源（緑）水平走査用液体プリズム、３０３Ｃ…光源（青）水平走査用液体プリズム、３０４…集光レンズ、３０５…コリメートレンズ、３２０…駆動回路、３２１…電源、３２２…画像データ、３２３…画像データ変換回路、３２４…制御回路、３３１…光源駆動ドライバ、３３２、３３３…液体プリズム駆動ドライバ

Claims (15)

1. 入射光が通過する第１面と該第１面と反対側の出射光が通過する第２面と上記第１面及び第２面の間に配置された少なくとも３つの側面と前記第１面及び第２面を通る光軸とを有する容器と、前記側面の各々の内面に配置された電極と、前記容器に封入され互いに混じり合わず且つ互いに屈折率が異なる導電性液体及び絶縁性液体と、前記側面の各々における前記導電性液体の接触角を変化させるために、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させる電源装置と、を有する液体プリズムにおいて、
   前記電源装置は、前記導電性液体と前記絶縁性液体の液界面が平面となり、該液界面の最大傾斜線が、前記容器の角部のうち、互いに最も離れた２つの角部を通るように、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させることを特徴とする液体プリズム。
2. 請求項１記載の液体プリズムにおいて、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面は、互いに直交する長軸と短軸を有する４辺形であり、前記液界面の最大傾斜線は、前記四辺形の長軸が通る前記容器の２つの角部を通ることを特徴とする液体プリズム。
3. 請求項１記載の液体プリズムにおいて、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面は、長軸と短軸を有する菱形であり、前記液界面の最大傾斜線は、前記菱形の長軸が通る前記容器の２つの角部を通ることを特徴とする液体プリズム。
4. 請求項３記載の液体プリズムにおいて、前記断面の頂点角の一つが109.5゜であることを特徴とする液体プリズム。
5. 請求項３記載の液体プリズムにおいて、前記断面の頂点角の一つが90゜であることを特徴とする液体プリズム。
6. 請求項１から５に記載の液体プリズムにおいて、前記第１面から前記第２面に向かって前記容器の側面がテーパを有することを特徴とする液体プリズム。
7. 請求項１記載の液体プリズムにおいて、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面は、３角形であり、前記液界面の最大傾斜線は、前記３角形の最も長い辺が通る前記容器の２つの角部を通ることを特徴とする液体プリズム。
8. 請求項１記載の液体プリズムにおいて、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面は、６角形であり、前記液界面の最大傾斜線は、前記６角形の最も長い対角線が通る前記容器の２つの角部を通ることを特徴とする液体プリズム。
9. 請求項１に記載の液体プリズムにおいて、前記電極の各々の上に所定の電位を有する誘電膜が形成され、前記電極の各々と前記導電性液体の間には、前記電源装置による電位差と前記誘電膜の電位の和の電位差が付与されることを特徴とする液体プリズム。
10. 請求項９に記載の液体プリズムにおいて、前記誘電膜は、エレクトレットにより構成され、前記誘電膜の電位は全て等しいことを特徴とする液体プリズム。
11. 請求項９に記載の液体プリズムにおいて、前記電源装置による電位差がゼロのとき、前記側面に対する前記導電性液体の接触角が90゜となることを特徴とする液体プリズム。
12. 基板と、該基板に形成された複数の液体プリズムと、前記基板に形成された配線と、を有する液体プリズムアレイにおいて、
    前記液体プリズムの各々は、入射光が通過する第１面と該第１面と反対側の出射光が通過する第２面と上記第１面及び第２面の間に配置された少なくとも３つの側面と前記第１面及び第２面を通る光軸を有する容器と、前記側面の各々の内面に配置された電極と、前記容器に封入され互いに混じり合わず且つ互いに屈折率が異なる導電性液体及び絶縁性液体と、前記側面の各々における前記導電性液体の接触角を変化させるために、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させる電源装置と、を有し、
    前記電源装置は、前記導電性液体と前記絶縁性液体の液界面が平面となり、該液界面の最大傾斜線が、前記容器の角部のうち、互いに最も離れた２つの角部を通るように、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させることを特徴とする液体プリズムアレイ。
13. 請求項１２に記載の液体プリズムアレイにおいて、前記基板は単結晶シリコンによって形成され、前記容器を前記光軸に垂直な面で切断した断面の頂点角の一つが109.5゜であることを特徴とする液体プリズムアレイ。
14. 複数の光源と、前記光源の各々に設けられた水平走査用液体プリズム及び垂直走査用液体プリズムと、を有するプロジェクタにおいて、
    前記液体プリズムの各々は、入射光が通過する第１面と該第１面と反対側の出射光が通過する第２面と上記第１面及び第２面の間に配置された少なくとも３つの側面からなる容器と、前記側面の各々の内面に配置された電極と、前記容器に封入され互いに混じり合わず且つ互いに屈折率が異なる導電性液体及び絶縁性液体と、前記側面の各々における前記導電性液体の接触角を変化させるために、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させる電源装置と、を有し、
    前記電源装置は、前記導電性液体と前記絶縁性液体の液界面が平面となり、該液界面の最大傾斜線が、前記容器の角部のうち、互いに最も離れた２つの角部を通るように、前記電極の各々と前記導電性液体の間の電位差を変化させることを特徴とするプロジェクタ。
15. 請求項１４に記載のプロジェクタにおいて、前記液体プリズムからの出射光の方向が全て同一となるように、前記複数の光源からの光を走査することを特徴とするプロジェクタ。

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