JP5305128B2 - Droplet optical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は液滴光学装置に関し、詳細には雰囲気内又は密閉空間内の光学材料を凝集させて形成した液滴を温度制御することで可変可能な液滴光学装置に関する。 The present invention relates to a droplet optical equipment, to variably droplet optical device by controlling the temperature drop which is formed by aggregating the optical material or enclosed space atmosphere in detail.
従来、絞り、シャッター、フィルタ、透過、反射、屈折、回折や干渉作用をさせる液体の可変光学機構がある。人の眼球機能や3次元映像の実現などを目指す可変焦点液滴レンズなどの液体光学デバイスでは、ピエゾアクチェータ・ポンプによる液体輸送やElectro Wettingなどで液滴形状を制御する手段を用いている。現在の可変焦点液滴レンズでは、高解像度の撮像センサとの組み合わせで、デジタルカメラの画像品質に匹敵する画像を得ることが可能である。また、可変焦点液滴レンズは、電気により2種類の液体間の境界面を変化させてレンズの焦点を合わせる仕組みを採用しているため、オートフォーカス機能付きでメカ部分が不要となり、レンズサイズやコスト、耐久性など様々な面で従来のレンズより優れている。この液体レンズは、機械的な動作なしで形状を変えられるレンズであり、屈折率の異なる2種類の液体間の境界面の形状を変化させて、レンズの役割を果たしている。また、合焦の動作のみに電力を使用するものである。このような液体レンズは、携帯電話以外にも、パソコンや医療現場、保安用、デジタルカメラ向けなど様々な用途が想定されている。形状を可変させる光学デバイスや、微小集積光学システムに応用できる。例えば、可変焦点レンズ、複合レンズ、プリズム、マイクロレンズ、マイクロレンズアレー、反射光学デバイス、干渉光学デバイス、回折光学デバイス、共焦点光学デバイス、走査光学デバイス、光学スイッチ、光学シャッター、液晶光学デバイス、撮像デバイス、光源デバイス、3次元結像光学デバイス、赤外線センサの集光光学デバイス、駆動回路を基板に一体化した集積光学デバイスなどに応用できる。 Conventionally, there are variable optical mechanisms for liquids that cause diaphragms, shutters, filters, transmission, reflection, refraction, diffraction, and interference. In a liquid optical device such as a variable focus droplet lens aiming at realization of a human eyeball function or a three-dimensional image, means for controlling a droplet shape by liquid transportation by a piezo actuator pump or electro wetting is used. With current variable focus droplet lenses, it is possible to obtain an image comparable to the image quality of a digital camera in combination with a high resolution imaging sensor. In addition, the variable focus droplet lens employs a mechanism that changes the interface between two types of liquids by electricity to adjust the focus of the lens. It is superior to conventional lenses in various aspects such as cost and durability. This liquid lens is a lens whose shape can be changed without mechanical operation, and plays the role of a lens by changing the shape of the boundary surface between two types of liquids having different refractive indexes. Moreover, electric power is used only for the focusing operation. In addition to mobile phones, such liquid lenses are expected to be used for various purposes such as personal computers, medical sites, security, and digital cameras. It can be applied to an optical device whose shape is variable and a micro integrated optical system. For example, variable focus lens, compound lens, prism, micro lens, micro lens array, reflective optical device, interference optical device, diffractive optical device, confocal optical device, scanning optical device, optical switch, optical shutter, liquid crystal optical device, imaging It can be applied to a device, a light source device, a three-dimensional imaging optical device, a condensing optical device for an infrared sensor, an integrated optical device in which a driving circuit is integrated on a substrate, and the like.
しかし、これらの液滴形成技術は形状に関する範囲であり、液滴材料の全ての光学特性を制御するわけではない。特に、液滴材料は表面張力や粘性(流動性)だけでなく、ひいては屈折率までもが温度依存性を有するので、結像に対する温度補償又は液滴に対する温度制御が必要になっている。液滴光学デバイスとして、光学材料の液滴を所定箇所へ所定量、所定形状に正確に形成すると共に、所定箇所に保持させて量を調節し、形状を変化させ、そして保持箇所を移動させ、液滴材料の種類をできるだけ多く、更に液滴の温度制御をさせること及びこれらの機能を効率良く制御することができれば、より多くの可変光学デバイスに用いることができるようになる。 However, these droplet formation techniques are in terms of shape and do not control all the optical properties of the droplet material. In particular, since the droplet material has not only the surface tension and viscosity (fluidity) but also the refractive index as well, the temperature compensation for the image formation or the temperature control for the droplet is required. As a droplet optical device, a droplet of an optical material is precisely formed in a predetermined amount and a predetermined shape to a predetermined location, and is held at a predetermined location to adjust the amount, change the shape, and move the holding location, If the number of types of droplet materials is as many as possible, the temperature of the droplets can be further controlled, and these functions can be efficiently controlled, it can be used for more variable optical devices.
そこで、従来よりいくつかの提案がなされている。その一つとして、特許文献1によれば、親水性と疎水性の交互の領域を微小規模で表面に容易に製作でき、適当な条件下でそのような表面を水蒸気のある所で冷却すると水滴が疎水性表面の領域に選択的に凝結する。そのような水滴は、収束マイクロレンズまたは発散マイクロレンズとして作用することができる。また、SAM表面間の距離を変えることによって、液体レンズの形状、従って光学的特性を変えることができる。これ以外に液体レンズの形状及び光学的特性を変えるための幾つかの他の方法もある。例えば、レンズと表面の間の電気ポテンシャルを変えて、レンズの形状を変えさせることができる。また、レンズの屈折率を異なる液体材料を使うことによって変えることができる。液体レンズの凝集性及び付着性を、この液体材料の化学的性質を変えることによって、あるいは表面の化学的性質を変えることによって調節することができる。表面の3次元特性を変えることができる。
しかしながら、特許文献1によれば、例えばSAM表面間の距離を制御するので光軸が移動し制御が必要になり、入出光側から見ると液滴が光軸対象の球面形状にはならない。以下に図を用いて詳細に説明すると、図39に示すように、対向する基板501の表面には疎水性領域部502と親水性領域部503が交互に設けられ、それぞれの対向する基板501の間に液滴504を凝集させて、そして図39の(b)に示す基板の間隔Aや図40の(b)に示す基板の間隔Bを可変して液体レンズを可変させている。
However, according to
このように、距離調整誤差や部材の熱膨張率や距離調整機構の温度依存性などが加わり、光学部材とはかかわりのない制御箇所の新たな調整が必要となる。基板全体を冷却、加熱することによるので熱容量が大きく、温度を迅速に変えられないので所定の水滴のサイズを得るには、緩慢である。また、不要な箇所まで温度制御するため、エネルギーが無駄になる。更に、基板全体を同一の温度にすることになるので、個々の水滴を異なる水滴量に制御することが難しくなる。このことから、所定の箇所に所定の形状の液滴を形成するためには、極特定の箇所のみ冷却、加熱することが必要になってくる。また、温度を迅速に変えるためにはできるだけ、冷却、加熱する箇所を最小限にする必要がある。 As described above, the distance adjustment error, the coefficient of thermal expansion of the member, the temperature dependency of the distance adjustment mechanism, and the like are added, and a new adjustment of the control portion not related to the optical member is required. Since the entire substrate is cooled and heated, the heat capacity is large, and the temperature cannot be changed quickly. Therefore, it is slow to obtain a predetermined water droplet size. In addition, energy is wasted because temperature control is performed to unnecessary portions. Furthermore, since the entire substrate is brought to the same temperature, it is difficult to control the individual water droplets to different water droplet amounts. For this reason, in order to form a droplet having a predetermined shape at a predetermined location, it is necessary to cool and heat only a very specific location. In order to change the temperature quickly, it is necessary to minimize the number of places to be cooled and heated.
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、微小な領域を温度制御するMEMs(Micro Electro Mechanical System)を用いて液滴を形成する冷却手段を所定の微小な箇所に集積化することにより、冷却手段を微小に制御して液滴の形状などを制御することができる液滴光学装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, integrated cooling means to form droplets using MEMs controlling the temperature minute region (Micro Electro Mechanical System) to a predetermined small portion by, and an object thereof is to provide a droplet optical equipment capable of controlling the shape of the minute control to droplets cooling hand stage.
前記問題点を解決するために、本発明の液滴光学装置は、雰囲気中又は密閉空間中の光学材料を凝集させて、光学部材としての液滴を形成する液滴形成エリアを冷却する冷却手段と、該冷却手段の温度を制御する温度制御手段とを備え、温度制御手段によって冷却手段の温度を制御して、液滴形成エリアに液滴材料を凝集させて液滴を形成するともに、当該液滴の形状を変化させて光学部材としての液滴の光学特性を変えることに特徴がある。本発明の液滴光学装置は、雰囲気中又は密閉空間中の光学材料を凝集させて、光学部材としての液滴を形成する液滴形成エリアを冷却する冷却手段と、該冷却手段の温度を制御する温度制御手段とを多段に備え、各段の温度制御手段によって各段の冷却手段の温度をそれぞれ制御して、液滴形成エリアに液滴材料を凝集させて液滴を形成するともに、当該液滴の位置を変化させて光学部材としての液滴の光学特性を変えることに特徴がある。よって、液滴を光学液体レンズに適用したとき、光軸、焦点距離や焦点位置の変更が可能となる。また、液滴の温度制御を効率良く行うことにより液滴の形状などを微小に制御可能となり、より多くの液滴光学装置として用いることができる。 In order to solve the above problems, the droplet optical apparatus of the present invention is a cooling means for aggregating optical materials in an atmosphere or in a sealed space to cool a droplet formation area that forms droplets as optical members. And a temperature control means for controlling the temperature of the cooling means. The temperature control means controls the temperature of the cooling means to agglomerate the droplet material in the droplet formation area to form droplets. It is characterized in that the optical characteristics of the droplet as an optical member are changed by changing the shape of the droplet . The droplet optical device of the present invention is a cooling unit that aggregates optical materials in an atmosphere or a sealed space to cool a droplet formation area that forms a droplet as an optical member, and controls the temperature of the cooling unit. Temperature control means for controlling the temperature of the cooling means of each stage by the temperature control means of each stage, and forming droplets by aggregating the droplet material in the droplet formation area. It is characterized in that the optical characteristics of the droplet as an optical member are changed by changing the position of the droplet. Therefore, when the droplet is applied to the optical liquid lens, the optical axis, focal length, and focal position can be changed. Further, by efficiently controlling the temperature of the liquid droplets, the shape of the liquid droplets can be controlled minutely, and can be used as more liquid droplet optical devices.
また、温度制御手段によって冷却手段の温度を制御して液滴形成エリアに形成された液滴を保持する。よって、雰囲気の温度変化の影響を受けることなく、所定の液滴を保持できる。 The temperature control means controls the temperature of the cooling means to hold the droplets formed in the droplet formation area. Therefore, a predetermined droplet can be held without being affected by the temperature change of the atmosphere.
また、所定の光学材料を雰囲気中若しくは密閉空間中に供給、又は雰囲気中若しくは密閉空間中の液滴材料を排出、の少なくともいずれかを行う液滴材料供給排出路を設けることにより、液滴の再生、別の光学材料との交換が可能となり、再利用率の向上及び汎用性の向上が可能となる。 The supply of Jo Tokoro optical material during or enclosed space atmosphere, or discharging liquid droplets material during or enclosed space atmosphere, the by providing at least the droplet material supply and discharge passage to perform either droplets Can be reproduced and exchanged with another optical material , so that the reuse rate and versatility can be improved.
更に、冷却手段は熱電変換器又はヒートパイプであることが好ましい。 Furthermore, the cooling means is preferably a thermoelectric converter or a heat pipe.
また、液滴形成エリアの所定の箇所のみに熱線を照射する熱線照射手段を有し、冷却手段によって液滴形成エリアの全体を冷却し、熱線照射手段によって所定の箇所を照射して温度差を生じさせて液滴の形状を制御する。よって、光学材料の液滴を所定箇所に所定量、所定形状に正確に形成すると共に、所定箇所に保持させ、量を調整でき、形状を変化でき、これらの機能を効率良く制御することができる。 Also, it has a heat ray irradiating means for irradiating only a predetermined portion of the droplet formation area with a heat ray, the whole droplet formation area is cooled by the cooling means, and the predetermined portion is irradiated by the heat ray irradiating means to thereby reduce the temperature difference To control the shape of the droplet. Therefore, the liquid droplets of the optical material can be accurately formed in a predetermined amount and in a predetermined shape at a predetermined location, held in the predetermined location, the amount can be adjusted, the shape can be changed, and these functions can be controlled efficiently. .
更に、液滴形成エリアの所定の箇所に熱容量部材を設け、液滴形成エリアの所定の箇所とそれ以外の熱容量が異なるようにして温度差を生じさせて液滴の形状を制御する。よって、光学材料の液滴を所定箇所に所定量、所定形状に正確に形成すると共に、所定箇所に保持させ、量を調整でき、形状を変化でき、これらの機能を効率良く制御することができる。 Furthermore, a heat capacity member is provided at a predetermined location in the droplet formation area, and the shape of the droplet is controlled by causing a temperature difference so that the heat capacity other than the predetermined location in the droplet formation area is different. Therefore, the liquid droplets of the optical material can be accurately formed in a predetermined amount and in a predetermined shape at a predetermined location, held in the predetermined location, the amount can be adjusted, the shape can be changed, and these functions can be controlled efficiently. .
また、熱容量部材の厚み又は設定面積を可変して液滴形成エリアの所定の箇所に形成される液滴の形状を制御することにより、形成される液滴を個々に制御可能となり、自由度が高い。 In addition, by controlling the shape of the droplet formed at a predetermined location in the droplet formation area by changing the thickness or set area of the heat capacity member, it becomes possible to individually control the formed droplet, and the degree of freedom is increased. high.
更に、冷却手段を液滴形成エリアに集合配置することにより、迅速に温度制御ができ、液滴の形状を素早く所定の形状にできると共に、精細な形状制御も可能となる。 Further, by arranging and arranging the cooling means in the droplet forming area, the temperature can be quickly controlled, the shape of the droplet can be quickly set to a predetermined shape, and fine shape control can be performed.
また、液滴を形成する箇所に冷却手段を個別に配置することにより、形成される液滴を個々に制御可能となり、自由度が高い。 In addition, by individually disposing the cooling means at the positions where the droplets are formed, the formed droplets can be individually controlled and the degree of freedom is high.
更に、冷却手段を平坦状に配置することにより、メニスカスを平坦にでき、かつ液滴面に広い平面を形成できる。 Furthermore, by arranging the cooling means in a flat shape, the meniscus can be made flat and a wide plane can be formed on the droplet surface.
また、冷却手段を、角柱面、角錐面、円柱面、円錐面、ボビン型面、中絞り型面又は自由曲面の面上に集合配置することにより、液滴の形状やサイズなど目的に応じて液滴が形成できると共に、光学系の場合光学光路に対し開口率を上げることができる。 In addition, by arranging cooling means on a prismatic surface, a pyramid surface, a cylindrical surface, a conical surface, a bobbin-type surface, a medium-drawing surface, or a free-form surface, depending on the purpose such as the shape and size of the droplet In addition to forming droplets, the optical system can increase the aperture ratio with respect to the optical optical path.
また、雰囲気中又は密閉空間中の気体の温度及び密度を測定する測定器を設け、該測定器によって測定した雰囲気中又は密閉空間中の気体の温度及び密度に基づいて、温度制御手段は冷却手段の冷却温度を制御することが好ましく、液滴の形状などを微小に、かつより一層精度良く制御可能となり、より多くの液滴光学装置に用いることができる。 Further, a measuring device for measuring the temperature and density of the gas in the atmosphere or in the sealed space is provided, and the temperature control means is a cooling means based on the temperature and density of the gas in the atmosphere or in the sealed space measured by the measuring device. It is preferable to control the cooling temperature of the liquid, and it becomes possible to control the shape and the like of the liquid droplets minutely and with higher accuracy, so that it can be used for more liquid droplet optical devices.
雰囲気気体を液滴に凝集する場合、液滴のメニスカス外周、および曲面や平面をなす液面外形などの光学デバイスとして必要な形状として、所定のサイズに制御しなければならない。この場合、省エネルギーで効率良く液滴を形成することが必要である。このことは、上記特許文献2に示されている。しかし、液滴は光学特性に関する温度依存性があるため、液滴の温度制御も必要になる。また、液滴支持基材を含めた液滴の温度制御により、液滴光学系の制御ができ、液滴の温度依存性とは異なる、液滴支持基材の収縮、膨張による影響もあわせて温度制御し、効率が高く正確な形状制御が求められる。そこで、液滴形成技術及び液滴温度制御を兼ね備えた、気体から液体に相転移する機構を温度制御によって行う液滴形成技術を、光学材料の温度依存性に対する温度制御も含めて、直接、液体光学部材に適用する。光学材料の液滴を形成し、保持しつつ、かつ液滴の温度制御も行えるようにするため、液滴箇所の局所に冷却器を集合し、集合配置した内側に、液滴を形成及び、または液滴を保持する構造とする。このように、微小な領域を温度制御するMEMsを用いて液滴を形成する冷却手段を所定の微小な箇所に集積化することにより、冷却手段を微小に制御して液滴の形状などを制御することができる液滴光学装置を提供可能となる。 When the atmospheric gas is aggregated into droplets, it must be controlled to a predetermined size as a shape necessary for an optical device such as the outer circumference of the meniscus of the droplet and the liquid surface outer shape forming a curved surface or a flat surface. In this case, it is necessary to efficiently form droplets with energy saving. This is shown in Patent Document 2 above. However, since the droplet has temperature dependency on optical characteristics, it is necessary to control the temperature of the droplet. In addition, by controlling the temperature of the droplets including the droplet support substrate, the droplet optical system can be controlled, and the effects of shrinkage and expansion of the droplet support substrate, which are different from the temperature dependence of the droplets, are also included. Highly efficient and accurate shape control is required with temperature control. Therefore, the droplet formation technology that combines the droplet formation technology and droplet temperature control, which performs the phase transition mechanism from gas to liquid by temperature control, including the temperature control for the temperature dependence of the optical material, directly the liquid Applies to optical members . Forming a droplet of the optical material, while maintaining, and in order to allow even temperature control of the droplet, and set the cooler to the local droplet locations, inside which collectively arranged, forming droplets and, Or it is set as the structure which hold | maintains a droplet. Thus, by integrating the cooling means to form droplets on predetermined minute locations using MEMs for temperature control a minute region, such as the shape of the minute control to droplets cooling hand stage it is possible to provide a droplet optical equipment which can be controlled.
図1は本発明の第1の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。図1の(a)は同図の(b)のB−B’線断面図、同図の(b)は同図の(a)のA−A’線断面図である。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置1によれば、ガラス基板101上に、液滴形成エリア102を取り囲むように液滴形成管103が設けられ、更にはP型半導体104とN型半導体105を円周方向に沿って交互に配置されている。また、各P型半導体104の一端と各N型半導体105の一端の間には、放熱器106がそれぞれ設けられると共に、各P型半導体104の他端と各N型半導体105の他端の間には、冷却器107がそれぞれ設けられている。これらのP型半導体104、N型半導体105、放熱器106及び冷却器107を含んで熱電交換器108を構成している。また、始端となるP型半導体104と末端となるN型半導体105の間には、電圧を印加するための電力供給線109が設けられている。このように、液滴形成管103の周囲には、熱電変換器108の冷却器107を集合させ、外側に放熱器106を分散配置している。なお、P型半導体104及びN型半導体105はBi-Te等の熱電変換材料、放熱器106及び冷却器107は、Al、Au、Cu、Ni等の電極材料からなる。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a droplet optical device according to a first embodiment of the present invention. 1A is a cross-sectional view taken along line B-B ′ of FIG. 1B, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. According to the droplet
次に、図1に示すような構成を有する本実施の形態の液滴光学装置において液滴を形成する様子を図2に従って以下に説明する。先ず、凝集させる周辺の気体の種類、温度、密度を測定して予め露点及び液滴の液量や成長時間に応じた冷却器107の運転時間を算出し、同図の(a),(b)に示すように、算出した運転時間だけ冷却器107を運転することによって液滴形成管103の管壁を算出した露点以下に冷却する。すると、付近の気体が液滴形成管103の管壁に凝集し始め、そして液滴120になり始める。同図の(c),(d)に示すように、更に液滴120は液滴形成管103内の液滴形成エリア102全体に成長し、液滴光学デバイスが形成される。必要に応じて冷却器107を運転して液滴温度を制御することで液滴を制御する。このように、液滴光学デバイスとして、光学材料の液滴を所定箇所へ所定量、所定形状に正確に形成することができる。また、所定箇所に保持させ、量を調節し、形状を変化させ、保持箇所を移動させ、液滴材料の種類をできるだけ多く、さらに液滴の温度制御をさせること、及びこれらの機能を効率良く制御することによって、より多様な可変光学デバイスに用いることができる。
Next, how droplets are formed in the droplet optical apparatus of the present embodiment having the configuration as shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIG. First, the type, temperature, and density of the surrounding gas to be agglomerated are measured, and the operation time of the cooler 107 is calculated in advance according to the dew point, the liquid amount of the droplets, and the growth time, and FIGS. ), The cooler 107 is operated for the calculated operation time, whereby the tube wall of the
ここで、雰囲気気体の液滴を形成する機構として、雰囲気気体を液滴に凝集する相変化の仕組みを用いるにあたり、液滴を形成、保持する液滴支持基材の、液体が形成される熱的特性を、制御する必要がある。そこで、本実施の形態における液滴光学装置によれば、液滴を形成、保持する液滴支持基材の、液体が形成される局所の熱的特性を、温度制御や熱容量を制御する。以下、図面を用いて詳細に説明する。 Here, as a mechanism for forming atmospheric gas droplets, in using a phase change mechanism that aggregates atmospheric gas into droplets, the heat of liquid formation of the droplet support base material that forms and holds the droplets The physical characteristics need to be controlled. Therefore, according to the droplet optical device in the present embodiment, temperature control and heat capacity of the local thermal characteristics of the droplet support base material on which the droplet is formed and held are controlled. Hereinafter, it explains in detail using a drawing.
図3は本発明の第2の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図1と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置2は、液滴支持基材121に放熱器106及び冷却器107を含んで構成される熱電変換器108がアレー状に配列されている。始端となるP型半導体104と末端となるN型半導体105の間には、電圧を印加するための電力供給線109が設けられている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In the droplet optical device 2 of the present embodiment shown in the same figure,
次に、図3に示すような構成を有する本実施の形態の液滴光学装置2において液滴を形成する様子を図4に従って以下に説明する。同図の(a),(b)に示すように、液滴支持基材121と本実施の形態の液滴光学装置2が接続される。そして、同図の(c)に示すように、液滴支持基材121における、任意の液滴形成箇所以外の領域に、熱線が所定の照射量に従って照射される。よって、照射された領域は所定の温度に昇温する。同図の(d)に示すように、その後液滴光学装置2の冷却器107によって液滴支持基材121全体を冷却すると、昇温された領域における温度との温度差が生じ、より低温の領域で優先して液滴の凝集が進行して所定の形状やサイズの液滴120が形成される。次に、同図の(e),(f)に示すように、液滴支持基材121から本実施の形態の液滴光学装置2を分離して、液滴支持基材121上への液滴形成が可能となる。
Next, how droplets are formed in the droplet optical device 2 of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 3 will be described below with reference to FIG. As shown in FIGS. 4A and 4B, the
なお、図4では液滴支持基材全体を冷却し、液滴を形成しない箇所に熱線を照射して所定の低温箇所をつくるものであったが、図5の(a)〜(c)に示すように、液滴を形成する箇所のみに熱電変換器108を設け、当該箇所のみを低温にすることで、所定の形状やサイズの液滴120を所定の箇所に形成することもできる。また、図6の(a)〜(c)に示すように、予め液滴を形成する箇所と対向する液滴支持基材121の裏面の箇所に熱容量差を有する部材122を設けて、液滴支持基材121に比熱の異なる箇所を作ることで、所定の形状やサイズの液滴120を所定の箇所に形成することもできる。更に、図7のように、熱容量差を有する部材122の厚みを可変することで、液滴120のサイズを変えることができる。また、図8の(a)〜(c)に示すように、熱容量差を有する部材122−1,122−2の面積を小さくし、更に液滴120を形成する箇所に熱容量差を有する部材122−2よりも大きい熱容量差を有する部材122−1を設けることで、液滴120のサイズを小さくすると共に所定の箇所に液滴120を形成することができる。よって、熱容量差を有する部材が設けられている面積や厚みを変えることで、液滴120の横方向のサイズや縦方向のサイズを調整することができる。
In FIG. 4, the entire droplet support base material is cooled, and a portion where no droplet is formed is irradiated with heat rays to form a predetermined low temperature portion. FIG. 5 (a) to (c) As shown in the figure, by providing the
また、所定の光学的な透過特性や反射特性を持つ液滴材料および液滴支持基材を適用する。更に、熱電変換器としてP型半導体及びN型半導体からなるペルチェ素子を示しているが、ヒートパイプにより温度制御することでもできる。また、冷却手段は最終段階で分離した状態を示しているが、液滴の形状を形成後さらに調節する場合は接続した状態で形状制御に用いる。液滴支持基材は、熱伝導率が大きいと迅速に面内温度分布が均一化するので、温度分布が均一にならないように、熱伝導率が小さいことが必要であり、例えば電気絶縁性が高い材料や気体(空間)を多く含む多孔質構造材料が適している。液滴支持基材表面に液滴との親和性や親水性を付与することによって、表面の所定の箇所に液滴を形成する場合には、マイクロスタンピングによるSAMs技術のように表面の所定の箇所に限定させる必要がなく、基材表面全面に、界面活性剤の塗布やプラズマ改質などにより、親水性付与しても表面の所定の箇所に液滴を形成させることができるし、液滴の形成効率を上げることができる。 In addition, a droplet material and a droplet support base material having predetermined optical transmission characteristics and reflection characteristics are applied. Furthermore, although the Peltier device which consists of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor is shown as a thermoelectric converter, it can also be temperature-controlled by a heat pipe. Further, the cooling means shows a state where it is separated at the final stage, but when the shape of the droplet is further adjusted after formation, it is used for shape control in a connected state. Since the in-plane temperature distribution of the droplet support substrate quickly becomes uniform when the thermal conductivity is large, the thermal conductivity is required to be small so that the temperature distribution is not uniform. High-quality materials and porous structural materials containing a large amount of gas (space) are suitable. When droplets are formed at predetermined locations on the surface by imparting affinity or hydrophilicity to the droplet support substrate surface, the predetermined locations on the surface as in SAMs technology by micro stamping. However, it is possible to form droplets at predetermined locations on the surface even if hydrophilicity is imparted to the entire surface of the substrate by applying a surfactant or plasma modification. The formation efficiency can be increased.
ここで、熱電変換材料、例えばペルチェ効果を利用するものであればBiTeを主成分(Bi、Sb、In、Ga、Se、Te等を置換・添加)とするものが代表的である。N型SiおよびP型Siを使うこともでき、SOI基板を用いSOI層を、熱電変換材料BOX層を液滴支持層とすることができる。高性能の材料を見出すには、熱伝導率が小さいこと、また導電性が良いことなどの必要性能指数の高い材料が好ましいが、プロセス適合性や安定性能との適正により選択される。次に、熱電変換器の電極と冷却器、放熱器の役割をなすAl、Auなどの金属材料をパターン形成する。そして、外部引出し配線電極(ボンディングパッド:図示省略)領域を除き、SiO2、Si3N4やAl2O3等のパッシベーション材料で被覆する。 Here, a thermoelectric conversion material, for example, one using BiTe as a main component (substitution / addition of Bi, Sb, In, Ga, Se, Te, etc.) is typical if the Peltier effect is used. N-type Si and P-type Si can also be used, and an SOI substrate can be used as an SOI substrate, and a thermoelectric conversion material BOX layer can be used as a droplet support layer. In order to find a high-performance material, a material having a high required performance index such as low thermal conductivity and good conductivity is preferable, but it is selected depending on suitability for process compatibility and stability performance. Next, a pattern of a metal material such as Al or Au that functions as an electrode, a cooler, and a radiator of the thermoelectric converter is formed. Then, it is covered with a passivation material such as SiO 2 , Si 3 N 4 or Al 2 O 3 except for the external lead wiring electrode (bonding pad: not shown) region.
図9は本発明の第3の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す概略断面図である。同図において、図1と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置3において、第1の実施の形態の液滴光学装置1と異なる構成として、液滴形成管103と、P型半導体104、N型半導体105、放熱器106及び冷却器107を有する熱電交換器108とをテーパー形状とし、かつ開口部を広くすることで、液滴形成エリア102を円錐形状に形成している。同図の(b)に示すように、開口率を上げ、かつ液滴形成管103の管壁同士の一部の間隔が狭くなることで、より早く液滴120を形成することができる。なお、冷却器107が接する液滴形成管103の表面を、光路を含む角柱面、角錐面、円柱面、円錐面、ボビン(バレル)型面、中絞り(逆バレル)型面、または自由曲面にすることでもよい。
FIG. 9 is a schematic sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In the droplet
図10は本発明の第4の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。同図の(a)は同図の(b)のD−D’線断面図、同図の(b)は同図の(a)のC−C’線断面図である。同図において、図1と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置4によれば、液滴形成エリア102の底面に電気絶縁層123を介して冷却器107が設けられ、かつその冷却器107の外周側に放熱膜206が設けられている。よって、それぞれの冷却器107の間隔が狭くなって冷却密度が高くなり、かつそれぞれの放熱器106が外部に拡がるように分散して放熱効率が高くなるため、液滴の形成効率が向上する。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a droplet optical device according to the fourth embodiment of the present invention. 4A is a cross-sectional view taken along the line D-D ′ in FIG. 4B, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line C-C ′ in FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. According to the droplet
図11は本発明の第5の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図1と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置5は、例えば上述の第1の実施の形態の液滴光学装置を多段(本実施の形態では3段)に設けたものである。同図の(a)において、2段目の液滴光学装置124−2の冷却器によって冷却を開始すると液滴120が形成し始め、同図の(b),(c)に示すように所望のサイズや形状の液滴120が形成される。そして、同図の(d)に示すように、液滴光学装置124−3の冷却器のみで冷却すると、形成された液滴120が液滴光学装置124−3の位置まで移動する。このように、多段構造の各液滴光学装置を制御することにより、液滴の形状制御や位置の移動を行うことができる。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to the fifth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. The droplet
図12は本発明の第6の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図1と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の(a)に示す本実施の形態の液滴光学装置6は、例えば上述の第1の実施の形態の液滴光学装置における電力供給線109を熱電交換器108のP型半導体104とN型半導体105にそれぞれ設けている。そして、同図の(b)に示す本実施の形態の液滴光学装置は、第6の実施の形態の液滴光学装置を多段(本実施の形態では3段)に設けたものである。このように各熱電交換器108にそれぞれ電力供給線109を設けたこと、そして多段構造を成すことにより、円環状に配置された熱電交換器の冷却器を個々に制御できる。よって、形成された液滴120の光軸を傾けたり中心の軸位置を移動させたりすることができる。なお、同図の(c)は液滴形成エリアのボビン(バレル)型面に沿って多段(ここでは6段)に第6の実施の形態の液滴光学装置125−1〜125−6を設けた例であり、同図の(d)は液滴形成エリアの円錐面に沿って多段(ここでは3段)に第6の実施の形態の液滴光学装置125−1〜125−3を設けた例である。同図の(c)、(d)に示すいずれの例の場合でも、熱電交換器の冷却器を個々に制御することによって、形成された液滴120の光軸を傾けることができる。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to the sixth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In the droplet
図13は本発明の第7の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。同図の(a)は同図の(b)のF−F’線断面図、同図の(b)は同図の(a)のE−E’線断面図である。同図において、図10と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置7において、液滴形成エリア102が透明基材127によって閉塞されており、更に液滴形成エリア12に連通する液滴部材供給排出路126が設けられている。この液滴部材供給排出路126は、液滴形成エリア102に外部から液滴を形成するための液体や気体を導入したり排出したりする供給排出路である。このような構成を有する第7の実施の形態の液滴光学装置7によれば、液滴部材供給排出路126を介して液滴を形成するため液体又は気体が液滴形成エリア102に供給され、液滴を形成するため液体又は気体が熱電交換器108の冷却器107によって凝集され、所望の液滴120が形成できる。他の液滴を形成するため液体又は気体を交換するときは、液滴部材供給排出路126を介して液滴形成エリア102内から液滴を外部に排出し、他の液体又は気体を供給する。また、形成されている液滴120の形状又はサイズを変えるときは、液滴部材供給排出路126を介して液滴形成エリア102へ気体又は液体を更に供給したり排出したりする。このように、一旦形成した液滴を再利用して任意の液滴を形成することができ、利用効率を向上することができる。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a droplet optical device according to the seventh embodiment of the present invention. 4A is a cross-sectional view taken along the line F-F ′ of FIG. 4B, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line E-E ′ of FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 10 denote the same components. In the droplet
図14は本発明の第8の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図13と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態の液滴光学装置8において、同図の(a)に示すように、曲面をなす液滴120の表面に光を照射して反射させ、かつ液滴120の形状や液滴120の液面位置を制御することによって反射光路を変えることができる。また、同図の(b)に示すように、液滴形成エリアの底部表面に反射膜128を設けることによって、曲面をなす液滴120の内部に照射した光が進入にし、進入した光が液滴形成エリアの底部表面に設けられた反射膜128によって反射され、かつ液滴120の形状や液滴120の液面位置を制御することによって反射光路を変えることができる。更に、同図の(c)に示すように、表面張力が小さい部材によって形成された液滴120において、メニスカスが平坦面をなす液滴表面に、光を照射して反射させ、かつ液滴120の液面位置を制御することによって反射光路を変えることができる。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of the droplet optical apparatus according to the eighth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 13 denote the same components. In the droplet optical device 8 of the present embodiment, as shown in FIG. 5A, the surface of the
図15は本発明の第9の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図13と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置9において、液滴形成エリア102を構成する壁面の一部に圧電膜129を設けている。同図の(a)に示す例では、圧電膜129を液滴形成エリア102の底部面に設け、この圧電膜129によってこの液滴120の平坦な表面に定在波形を形成している。また、同図の(b)に示す例では、圧電膜129を液滴形成エリア102の側部面に設け、圧電膜129によってこの液滴120の表面の曲面に定在波形を形成している。この圧電膜129によって発生する圧縮波によって作られる液滴光学装置の液滴120の液面の形状は主に液滴の表面張力や粘性等によるものであるがこれらは温度に依存性があり、本発明の液滴光学装置における熱電変換器の冷却器によってこの液滴120を温度制御できる。同図に示すように、液滴120は液滴120に接した圧電膜129から発生した圧縮波により、液面の形状が共振して定在波を形成する。圧電膜129の発振周波数に共振した液滴表面の定在波形状を、液滴120の表面の光を反射させて光の回折、干渉作用を起こさせる所定のパターンとして得ることができる。また、液滴120の温度変化により、液滴表面張力や粘性等が異なり、定在波形状が変化する。更に、周囲温度が変化して液滴温度が変化する影響だけではなく、共振した液滴の運動による発熱もあるので、液滴120は液滴を形成、保持する冷却器により液滴の温度制御をしつつ、液滴120に接した圧電膜129から発生した圧縮波により、液面の形状が共振して所定の定在波を形成することができる。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the configuration of the droplet optical apparatus according to the ninth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 13 denote the same components. In the droplet optical device 9 according to the present embodiment shown in the figure, a
図16は本発明の第10の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図15と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置10は、Electro Wettingによる液滴形状制御光学デバイスであるが、制御電極130を配置した温度制御機構を備えている。また、このような電極パターンによって、形成した液滴の物性を測定し、温度制御することもできる。このように、Electro Wetting材料からなる液滴を用い、電極パターンにより液滴を形状制御できる。このように液滴の電気容量に対して電極パターンにより静電的に形状制御する。なお、電極パターンに赤外線を検知する機能を付与し、赤外線集光用液滴レンズを集積した赤外線センサや、図17に示すように液晶材料からなる液滴131を用い、配向膜132、偏光膜133、駆動電極134又は透明電極パターン135を設け、かつ駆動電極134又は透明電極パターン135によって制御される液晶光学素子にもできる。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to the tenth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 15 denote the same components. The droplet optical apparatus 10 of the present embodiment shown in the figure is a droplet shape control optical device by Electro Wetting, but includes a temperature control mechanism in which a
図18は本発明の第11の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図14と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置11によれば、逆角錐(逆台形)の斜面に配置した冷却器107の内側の液滴形成エリアに、気体を凝集、液滴を形成させる。また、液体と冷却器面における全反射もしくは冷却面に設けられた反射膜128での反射によりプリズム像を生成させる。そして、入射光が平面の液滴に入射するように、平面形状のメニスカスは、表面張力が小さい液体の、平面領域を用いる。よって、液滴プリズム形状制御と液滴温度制御ができる。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the configuration of the droplet optical apparatus according to the eleventh embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 14 denote the same components. According to the droplet optical device 11 of the present embodiment shown in the figure, gas is aggregated and droplets are formed in the droplet formation area inside the cooler 107 arranged on the inclined surface of the inverted pyramid (inverted trapezoid). . Also, a prism image is generated by total reflection on the liquid and the cooler surface or reflection on the
図19は本発明の第12の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図14と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置12は、液滴120の内部の温度分布による熱レンズ効果を示す例である。つまり、冷却器107を温度制御することによって、熱レンズ効果が大きく得られるのである。なお、液滴120を通過する光による熱エネルギーにより温度上昇しやすい液滴材料、熱が急速に拡散しないような熱伝導率の小さい液滴材料が好ましい。熱レンズの応用としては熱レンズ顕微鏡等に利用される。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing the configuration of the droplet optical apparatus according to the twelfth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 14 denote the same components. The droplet optical device 12 of the present embodiment shown in the figure is an example showing the thermal lens effect due to the temperature distribution inside the
図20は別の発明の第1の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の(a)は本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の(b)は液滴形成後の本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の(c)は同図の(b)のG−G’線断面図である。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス100は、比熱の大きい基板201の空洞部202上に液滴支持層203を設け、液滴支持層203上に、P型半導体膜204、N型半導体膜205、放熱膜206及び冷却膜207を含んで集積化して構成される熱電交換器208を円環状に配置し、薄膜構造を成している。また、始端となるP型半導体膜204と末端となるN型半導体膜205の間に電圧を印加するための電力供給線209を設けている。このように、円環状の内円に沿って熱電変換器208の冷却膜207が集合配置しているので冷却密度が高くなっている。更に、熱電交換器208の冷却膜207と放熱膜106をつなぐPN部材の間隔を空洞部202によって削除し、冷却膜207周辺の熱容量を低減でき、かつ放熱膜206からの熱伝導を低減できる。一方、放熱膜206は円環状の外円に沿って分散配置し、更には比熱の大きい基板201に接しているので、放熱膜206の放熱効果がより一層高くなっている。このような構成を有する本実施の形態の液滴光学デバイス100によれば、冷却膜207で囲まれた液滴形成管壁210を冷却膜207によって冷却し、付近の気体が液滴形成管壁に凝集し所定の液滴が形成できる。また、迅速に温度制御ができるため、液滴120を早く所定の形状に形成することができ、かつ精細な形状制御も可能となる。なお、透明支持層203は所定の特性の光に対する透過性に応じ、あるいは厚さが波長に対しても、薄くも厚くも設定することができる。また、空洞部202のパターンから液滴支持層203に到る箇所まで基板201をエッチングして空洞部202を形成する。
FIG. 20 is a diagram showing a configuration of a droplet optical device according to the first embodiment of another invention. (A) of the figure is a plan view of the droplet optical device of the present embodiment, (b) of the figure is a plan view of the droplet optical device of the present embodiment after droplet formation, and (c) of FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the line GG ′ of FIG. In the droplet
図21は別の発明の第2の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の(a)は本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の(b)は同図の(b)のH−H’線断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス200は、図20に示す第1の実施の形態の液滴光学デバイス100の構成に、更に液特性を検出するため、あるいは液を制御するための検出用電極211及び検出用電極211からの検出信号を取り出す検出信号線212を追加配置し集積したものである。液滴120を冷却膜207により形状制御するだけでなく、検出用電極211によって液膜の温度や粘性などを検出すると共に、例えばElectro Wetting材料からなる液膜を用い、この液膜に電荷を与えて液膜を制御することができる。なお、検出用電極211に赤外線を検知する機能を付与し、赤外線集光用液滴レンズを集積した赤外線センサや、液晶材料からなる液滴を用い、検出用電極211によって制御される液晶光学素子にもできる。よって、本実施の形態によれば、電極層または電極を併設することにより、温度制御と同時に、より高精度の液滴制御ができる。なお、図22に示すように、周囲雰囲気の気体の種類、温度、密度及び蒸気圧をモニタする検出器213及び検出器213からの検出信号を取り出す検出信号線214を集積することにより、液滴付近の気体の種類、温度、密度及び蒸気圧を測定し、気体を凝集させる冷却器の温度(露点以下)を設定でき、液滴付近の気体の状態変化に応じた液滴を増量させるための冷却温度の維持や、液滴からの蒸発程度を観測し液滴の保持に必要な冷却温度が設定できる。
FIG. 21 is a diagram showing a configuration of a droplet optical device according to the second embodiment of another invention. (A) of the figure is a plan view of the droplet optical device of the present embodiment, and (b) of the figure is a sectional view taken along the line H-H ′ of (b) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. The droplet
図23は別の発明の第3の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す平面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス300は、冷却膜207を平行に対向させて配置し、対向間隙の液滴形成エリアに液滴120を形成するものである。このようなパターン配置により、液滴の形状を効率良く、迅速に、正確に形成できる。
FIG. 23 is a plan view showing a configuration of a droplet optical device according to a third embodiment of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. The droplet
図24は別の発明の第4の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の(a)は本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の(b)は同図の(b)のJ−J’線断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス400は、冷却膜207で囲まれた液滴形成管壁210に連通する液滴部材供給排出路215が設けられている。この液滴部材供給排出路215は、液滴形成管壁210に外部から液滴を形成するための液体や気体を導入したり排出したりする供給排出路である。このような構成を有する第4の実施の形態の液滴光学デバイスによれば、液滴部材供給排出路215を介して液滴を形成するため液体又は気体が液滴形成管壁210に供給され、液滴を形成するため液体又は気体が熱電交換器208の冷却膜207によって凝集され、所望の液滴120が形成できる。
FIG. 24 is a diagram showing a configuration of a droplet optical device according to a fourth embodiment of another invention. (A) of the same figure is a top view of the droplet optical device of this Embodiment, (b) of the same figure is a J-J 'sectional view taken on the line (b) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. The droplet
図25は別の発明の第5の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス500は、基板201と透明支持層203の間に、透明支持層203を上下させるための熱膨張伸縮部材又は圧電振動部材を用いた伸縮層216を設けている。この伸縮層216を均一に上下することにより、液滴光学デバイス500によって形成された液滴120のレンズの焦点位置を変えることができる。また、この伸縮層216の伸縮幅を不均等に変化して傾けることにより、液滴光学デバイス500によって形成された液滴120のレンズの光軸を傾けることができる。
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to a fifth embodiment of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. In the droplet
図26は別の発明の第6の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス600は、基板201及び透明支持層203を挟むように、静電電極膜217を設けている。この各静電電極膜217の間に印加する電圧の電圧値を可変することにより、同図の(a)における点線で囲んだ部分の拡大図である同図の(b)、(c)に示すように、静電電極膜217の間に働くクーロン力により透明支持層203が湾曲することによって、形成された液滴120の曲率が湾曲して、液滴120のレンズの焦点位置を変えることができる。なお、透明支持層203を湾曲させる他の機構として、図27に示すように、透明基材218で気密とした空洞部202と連通する通気流路219を通して空洞部202内の圧力を変化させることでも、形成された液滴120の曲率を湾曲させて液滴120のレンズの焦点位置を変えることができる。
FIG. 26 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to a sixth embodiment of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. In the droplet
図28は別の発明の第7の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の(a)は本実施の形態の液滴光学デバイスの適用例の平面図、同図の(b)は同図の(b)のK−K’線断面図である。同図において、図23と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス700は、液滴を形成する冷却膜207の対向間隙に、光路220を液滴120と同一面上に設定し、光導波路を集積したものである。よって、光導波路中の液滴光学デバイスの温度変化の影響が制御できるので、安定して使うことができ、かつ同一の基板内で対処できる。
FIG. 28 is a diagram showing a configuration of a droplet optical device according to a seventh embodiment of another invention. (A) of the same figure is a top view of the example of application of the droplet optical device of this Embodiment, (b) of the figure is a K-K 'line sectional view of (b) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 23 denote the same components. The droplet
図29は別の発明の第8の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の(a)は本実施の形態の液滴光学デバイスの適用例の平面図、同図の(b)は同図の(b)のL−L’線断面図である。同図において、図22と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス800は、第1の実施の形態の液滴光学デバイス100を同一基板に複数個(ここでは3個)集積しアレー状に配列している。よって、本実施の形態の液滴光学デバイスを、複数個を配置すれば、マイクロレンズアレー及び3次元映像装置を実現できる。ただ、複数個を異なる形状制御する上では個々の液体レンズに対してそれぞれ異なる温度制御も必要になる。そこで、複数個を配置するにあたり、個々の液滴を温度制御する機構を配置し、集積した液滴光学デバイスとしている。なお、複数個集積するに当たり、MEMS構造が適している。また、液滴形成、保持や温度制御させるための条件設定するにあたり、周囲気体などの状態検出機構も集積することができる。
FIG. 29 is a diagram showing a configuration of a droplet optical device according to an eighth embodiment of another invention. (A) of the same figure is a top view of the example of application of the droplet optical device of this Embodiment, (b) of the same figure is the L-L 'sectional view taken on the line of (b) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 22 denote the same components. In the droplet
図30は別の発明の第9の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図24と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すように、同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス900では、異なる種類(本実施の形態では2種類)の第1の液滴120−1,第2の液滴120−2を積層させ、複合レンズのような光学系を形成させている。詳細には、個々の種類の気体の性質に対応させ、気体を凝集させる工程を冷却膜207の温度制御によって行う。つまり、異なる種類の液滴を凝集温度の高い材料から順に、冷却膜207の温度を降下させて積層凝集させる。このように、本実施の形態の液滴光学デバイスは多成分複層液滴を示すもので、第1の液滴の気体を凝集し第1の液滴を形成した後、第2の液滴の気体を凝集し第1の液滴の上に第2の液滴を形成する。同図のようなMEMSによる構造以外の構造でも可能である。よって、多種類の液滴を積層させることができる液滴光学デバイスにより、光学デバイスとして応用範囲が広くなる。
FIG. 30 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to the ninth embodiment of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 24 denote the same components. As shown in the figure, in the droplet
図31は別の発明の第10の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すように、同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス1000は、2枚の合わせレンズであって、1枚ごとに異なる基板に集積し、基板を接合したものである。同図の(a)に示す例はスタック、同図の(b)は裏面どうしを接合したものであり、同図の(c)は対面を接合したもので、空洞内の気体成分を外部と異なるように設定することができる。特に、同図の(c)に示す対面接合タイプのものは、基板の厚みに関係なく、2枚のレンズを短い間隔から長距離まで製作できる自由度がある。このように、複数個を基板に集積することによって、多種多様な液滴光学系が高精度に実現できる。
FIG. 31 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to a tenth embodiment of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. As shown in the figure, the droplet
図32は別の発明の第11の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス1100は、可変形状の不透明な液滴120により、光路を可変形状に制限する絞り機構に応用するにあたり、液滴120を冷却膜207により温度制御するものである。冷却膜207に不透明な液滴120を形成し、形状やサイズを冷却膜207の温度制御により可変にするとともに、周囲温度変動や光から与えられる熱により、液滴の膨張、粘性低下や表面張力低下が生じるので、冷却器で温度制御し、所定の形状を得る。このように、不透明な液滴を形成することによる可変形状絞りに適用することができる。
FIG. 32 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to an eleventh embodiment of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. The droplet
図33は別の発明の第12の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス1200は、不透明な液滴120を形成することによる回折レンズ、可変形状絞り、シャッターなどに適用できる。
FIG. 33 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to a twelfth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. The droplet
図34は別の発明の第13の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図31と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス1300は、裏面どうしを接合したものとスタックタイプのもので、不透明な液滴120を形成することによる回折レンズ、可変形状絞り、シャッターなどに適用できる。
FIG. 34 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to a thirteenth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 31 denote the same components. The droplet
図35は別の発明の第14の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス1400は、液滴120の表面で反射、液滴の形状を制御することによって、液滴120に入射する光の光角度を変化させて反射角度を変化させることに適用できる。詳細には、液滴支持層203に反射膜層221を被覆してあるので、液滴120の形状を変化させ、反射光路を変える走査装置などに適用できる。
FIG. 35 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet optical device according to a fourteenth embodiment of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. The droplet
図36は別の発明の第15の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス1500は、圧電材料層222を組み合わせたMEMSである。なお、可変発振周波数による可変回折干渉パターンを得る手段としてだけではなく、所定の温度に変化させて、定在波形状を変化させることもできる。
FIG. 36 is a cross-sectional view showing the configuration of a droplet optical device according to a fifteenth embodiment of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. A droplet
図37は別の発明の液滴撮像デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本発明の液滴撮像デバイス1600は、第1の実施の形態の液滴光学デバイス100と、撮像デバイス230とを一体化して構成する。詳細には、同図に示すように、イメージセンサ223の受光経路に液滴光学デバイス100の液滴120が形成できるように、基板どうしのパターンを配置し、基板を接合する。なお、図示していないが制御回路も同一基板上に集積できる。このように、高精度に一体化することにより、イメージセンサからの熱影響のばらつきが小さくできるので、液滴の温度制御がばらつき少なく正確にできる。また、一体化すると全体のシステムが簡略化されるだけでなく、制御回路も集積できるので、なお簡便であり信頼性が向上する。
FIG. 37 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet imaging device of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. The
図38は別の発明の液滴光源デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図20と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本発明の液滴光源デバイス1700は、第1の実施の形態の液滴光学デバイス100と、放射光源デバイス240とを一体化して構成する。詳細には、同図の(a)に示すように、発光ダイオード224の発光経路に液滴光学デバイス100の液滴120が形成できるように、基板どうしのパターンを配置し、基板を接合する。なお、図示していないが制御回路も同一基板上に集積できる。このように、高精度に一体化することにより、放射光源からの熱影響のばらつきが小さくできるので、液滴の温度制御がばらつき少なく正確にできる。また、一体化すると全体のシステムが簡略化されるだけでなく、制御回路も集積できるので、なお簡便であり信頼性が向上する。
FIG. 38 is a cross-sectional view showing a configuration of a droplet light source device of another invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 20 denote the same components. The droplet
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It cannot be overemphasized that various deformation | transformation and substitution are possible if it is description in a claim.
1〜12;液滴光学装置、
100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100,1200,1300,1400,1500;液滴光学デバイス、101,201;ガラス基板、
102,202;液滴形成エリア、103,203;液滴形成管、
104,204;P型半導体、105,205;N型半導体、
106,206;放熱器、107,207;冷却器、
108,208;熱電交換器、109,209;電力供給線、
120;液滴、210;液滴形成管壁、211;検出用電極、
212,214;検出信号線、213;検出器、
215;液滴部材供給排出路、216;伸縮層、217;静電電極膜、
218;透明基材、219;通気流路、220;光路、
221;反射膜層、222;圧電材料層、223;イメージセンサ、
224;発光ダイオード、1600;液滴撮像デバイス、
1700;液滴光源デバイス。
1-12; droplet optical device,
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500; droplet optical device, 101, 201; glass substrate,
102, 202; droplet formation area, 103, 203; droplet formation tube,
104, 204; P-type semiconductor, 105, 205; N-type semiconductor,
106,206; radiator, 107,207; cooler,
108, 208; thermoelectric exchanger, 109, 209; power supply line,
120; droplet, 210; droplet formation tube wall, 211; detection electrode,
212, 214; detection signal line, 213; detector,
215; droplet member supply / discharge path, 216; elastic layer, 217; electrostatic electrode film,
218; transparent substrate, 219; vent flow path, 220; optical path,
221; reflective film layer, 222; piezoelectric material layer, 223; image sensor,
224; light emitting diode, 1600; droplet imaging device,
1700; droplet light source device.
Claims (13)
該冷却手段の温度を制御する温度制御手段とを備え、
前記温度制御手段によって前記冷却手段の温度を制御して、前記液滴形成エリアに前記液滴材料を凝集させて液滴を形成するともに、当該液滴の形状を変化させて光学部材としての液滴の光学特性を変えることを特徴とする液滴光学装置。 A cooling means for aggregating the optical material in the atmosphere or the sealed space to cool a droplet formation area for forming droplets as optical members ;
Temperature control means for controlling the temperature of the cooling means ,
The temperature of the cooling means is controlled by the temperature control means to form liquid droplets by aggregating the liquid droplet material in the liquid droplet formation area, and the liquid shape as an optical member is changed by changing the shape of the liquid droplets. A droplet optical device characterized by changing the optical characteristics of the droplet.
各段の前記温度制御手段によって各段の前記冷却手段の温度をそれぞれ制御して、前記液滴形成エリアに前記液滴材料を凝集させて液滴を形成するともに、当該液滴の位置を変化させて光学部材としての液滴の光学特性を変えることを特徴とする液滴光学装置。By controlling the temperature of the cooling means at each stage by the temperature control means at each stage, the droplet material is aggregated in the droplet formation area to form droplets, and the position of the droplets is changed. A droplet optical apparatus characterized in that the optical characteristics of the droplet as an optical member are changed.
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