JP6089196B2 - 光照射装置及びこれを用いた光源システム - Google Patents

Description

本発明は可変配光性を有する光照射装置及びこれを用いた光源システムに関する。

可変配光性を有する光照射装置を実現可能な技術として可変焦点レンズが知られる。

従来、可変配光性を有する光照射装置は、集光レンズ、及び集光レンズを移動させて集光レンズの照射角を変更させる調整用モータ等により構成されている。従って、可動部品を有しているので、壊れ易く、小型化できず、製造コストが高いという欠点を有している（参照：特許文献１）。

また、エレクトロウェッティングを利用した従来の可変焦点レンズにおいては、屈折率が異なる絶縁性液体下層及び導電性液体上層を基板上に積層し、導電性液体上層と基板との間に電圧を印加して絶縁性液体下層と基板との間の濡れ性を変化させて絶縁性液体下層の基板との接触角を制御する。これにより、光線屈折面（レンズ面）として作用する絶縁性液体下層と導電性液体上層との境界面の曲率を制御して可変配光性を実現する（参照：特許文献２）。

上述のエレクトロウェッティングを利用した従来の可変焦点レンズを用いた光照射装置は次の利点を有する。
１）可動部品がないので、壊れにくい。
２）焦点を可変するためのモータ、ギア等が不要なので、小型化に適する。
３）構造が単純なので、製造コストを低減できる。

しかしながら、上述のエレクトロウェッティングを利用した従来の可変焦点レンズを用いた光照射装置は次の欠点を有する。
１）振動、重力等の外力及び温度変化のような外乱によって絶縁性液体下層と導電性液体上層との境界面が変形することがある。従って、絶縁性液体下層と導電性液体上層とが混ざり合ってレンズ機能を喪失し、この結果、可変配光性が消失する。
２）絶縁性液体下層の熱膨張率と導電性液体上層の熱膨張率とが異なる場合、温度変化により比重が変化し、従って、絶縁性液体下層と導電性液体上層との間で乱流が発生してレンズ機能を喪失し、この結果、可変配光性が消失する。
３）絶縁性液体下層及び導電性液体上層の変形速度は固体の変形速度に比較して小さいので、高速の可変配光性を実現できない。
４）絶縁性液体下層及び導電性液体上層を封入するケーシングの形状がこれらの間の境界面形状に影響する。このため、歪みないレンズ面を得るには、歪みのないケーシングを高精度の３次元加工で製造するので、製造コストが高くなる。

さらに、液体レンズを利用した可変焦点レンズがある（参照：特許文献３、非特許文献１）。

液体レンズを利用した従来の可変焦点レンズ（参照：非特許文献１）は、図１２に示すように、透明基板１、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スペーサ層３、液体レンズ４、液体レンズ４を封止するポリパラキシレンよりなる絶縁層５及び薄い金（Au）よりなるシート状の上部電極層６よりなる。

図１２の可変焦点レンズにおいては、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４の曲率を制御して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４の体積が一定であるので、液体レンズ４の媒質が周縁部から中央部に移動し、液体レンズ４の焦点距離は小さくなる。この結果、液体レンズ４の焦点距離は下部電極層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。このようにして、電圧無印加時に広い配光性を示し、電圧印加時に狭い配光性を示すことができる。

上述の図１２に示す従来の可変焦点レンズを用いた光照射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４を封入するケーシングの形状が液体レンズ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。

特開２００５−２８４０９５号公報 特開２００６−１７８４６９号公報 特開２００２−１３１５１３号公報

Nguyen Binh-Khiem, Kiyoshi Matsumoto, and Isao Shimoyama, "Polymer thin film deposited on liquid for varifocal encapsulated liquid lenses", Applied Physics Letters, 93, 124101 (2008)

しかしながら、図１２に示す従来の可変焦点レンズを用いた光照射装置においては、可変焦点レンズの焦点位置の制御のための印加電圧用上部電極層６は液体レンズ４上全体に金（Au）を蒸着させて形成する。従って、上部電極層６は可視光の大部分を吸収するので、可変焦点レンズ１００の光透過性が非常に悪く、この結果、照射光量が著しく低下するという課題がある。

また、可変焦点レンズを白色発光ダイオード（LED）素子のような小型光源と組合わせた場合、小型光源と可変焦点レンズの中心とを結ぶ軸上に対称な配光を得ることができるが、軸上から離れた非対称的な配光を得ることは困難であるという課題もある。

さらに、可変焦点レンズを小型光源と組合わせた場合、可変焦点レンズが外部へ露出され、寿命及び故障の観点から、好ましくないという課題もある。

さらにまた、光照射される対象物が複数ある場合に、各対象物に対して独立の可変配光性を実現することが困難であるという課題もある。

上述の課題を解決するために本発明に係る光照射装置は、液体アクチュエータと、液体アクチュエータの上面に設けられた光源、光源の上方に設けられたレンズとを具備し、液体アクチュエータは、基板と、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スペーサ層と、スペーサ層に囲まれ、下部電極層上に設けられた液体層と、液体層上にあって液体層を封止する絶縁層と、絶縁層上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光源からレンズを介して照射させる光の配光性を制御するようにしたものである。これにより、光源の光は液体アクチュエータを介さずにレンズに直接出射する。これにより、可視光の吸収が減少する。

また、上部電極層は複数個に分割されて設けられ、下部電極層と各分割された上部電極層との間に異なる電圧を印加するようにする。これにより、光源と液体アクチュエータの中心とを結ぶ軸上から離れた非対称的な配光が可能となる。

さらに、レンズは透明保護カバーの作用もする。これにより、液体アクチュエータの外部への露出を避ける。

さらにまた、上述の光照射装置を複数個マトリクス状に配置する。これにより、種々の対象物に対して独立の可変配光性を実現する。

本発明によれば、光源の光が液体アクチュエータを介さずに直接レンズに出射するので、光照射装置の照射光量を増大できる。

本発明に係る光照射装置の実施の形態を示す断面図である。 図１の上部電極層の上面図である。 図２の第１の変更例を示す上面図である。 図２の第２の変更例を示す上面図である。 図２の第３の変更例を示す上面図である。 図２の第４の変更例を示す上面図である。 図２の第５の変更例を示す上面図である。 図２の第６の変更例を示す上面図である。 図１のレンズの第１の変更例を示す断面図である。 図１のレンズの第２の変更例を示す断面図である。 図１の光照射装置を複数個マトリクス状に配置した光源システムを示す平面図である。 従来の可変焦点レンズを示す断面図である。

図１は本発明に係る光照射装置の実施の形態を示す断面図、図２は図１の上部電極層の上面図である。

図１においては、液体アクチュエータ１００が設けられ、液体アクチュエータ１００の上面には熱伝導性インターフェイス材料（Thermal Interface Material）層２００ａを介して白色LED素子よりなる小型光源２００が設けられ、さらに、その上方には、凸レンズ３００が設けられている。

液体アクチュエータ１００は図１２の可変焦点レンズと同一構成を有するが、レンズの作用を有せず、アクチュエータの作用を有する。従って、液体アクチュエータ１００において、図１２の透明基板１、下部電極層２、液体レンズ４、絶縁層５及び上部電極層６に対応する基板１’、下部電極層２’、液体層４’、絶縁層５’及び上部電極層６’は透明である必要はない。

このように、小型光源２００の光は液体アクチュエータ１００を介さずに凸レンズ３００に直接出射されるので、液体アクチュエータ１００の光透過性の有無は問題とならず、可視光の大部分が凸レンズ３００を通過することになる。

図１の液体アクチュエータ１００は図１２の可変焦点レンズとほぼ同一の動作を行い、下部電極層２’と上部電極層６’との間に電圧Vを印加して液体層４’の曲率を制御して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、液体層４’の体積が一定であるので、液体層４’の媒質が周縁部から中央部に移動し、小型光源２００と凸レンズ３００との距離は小さくなる。この結果、小型光源２００と凸レンズ３００との距離は下部電極層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。このようにして、電圧無印加時には、実線で示すごとく、狭い配光性を示し、電圧印加時には、点線で示すごとく、広い配光性を示すことができる。

また、凸レンズ３００は保護カバーとしても作用するので、液体アクチュエータ１００が外部へ露出されなくなり、この結果、液体アクチュエータ１００の高寿命化を図ることができると共に故障の発生を抑止できる。

次に、液体アクチュエータ１００の各部を詳細に説明する。

基板１’は透明であっても不透明でもよく、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’は透明であっても不透明でもよく、ITO、金（Au）、アルミニウム（Al）等よりなる。

スペーサ層３は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。

液体層４’は透明であっても不透明でもよく、たとえばシリコーン樹脂、液体パラフィン、グリセリン、イオン性液体等よりなる。

絶縁層５’は好ましくはポリパラキシレンもしくはポリイミドよりなる。

上部電極層６’は透明であっても不透明でもよく、薄いITOあるいは金（Au）、アルミニウム（Al）等よりなる。

次に、液体アクチュエータ１００の製造方法を説明する。

始めに、基板１’上にITO等よりなるシート状の下部電極層２’を形成する。

次に、アモルファス系フッ素樹脂等を被膜し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’上に液体媒質たとえばシリコーン樹脂を滴下する。この場合、スペーサ層３が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層４’を形成する。

次に、液体層４’の表面上に、ポリパラキシレンよりなる厚さ約1μmの絶縁層５’を真空蒸着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。

最後に、絶縁層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、パターニングして円形状の上部電極層６’を絶縁層５’の周縁部に形成する。

図３は図２の第１の変更例を示す上面図である。図３に示すごとく、上部電極層６’ａは絶縁層５’の周縁部のみ設けられた環状をなしている。

図３においては、下部電極層２’と上部電極層６’ａとの間に電圧Vを印加した場合、液体層４’の中央部では、上部電極層６’ａが存在しないので、引力はほとんど発生せず、他方、液体層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、液体層４’の媒質の周縁部から中央部への移動量は図２の場合に比較して増大する。この結果、小型光源２００と凸レンズ３００との距離は図２の場合に比較して大きく変化する。

図４は図２の第２の変更例を示す上面図である。図４に示すように、図３の上部電極層６’ａを2分割して2つの上部電極層６’ａ−１、６’ａ−２とし、別個の電圧V1、V2によって制御するようにしたものである。これにより、小型光源２００と液体アクチュエータ１００の中心とを結ぶ軸上に非対称な配光を発生できる。

図５は図２の第３の変更例を示す上面図である。図５に示すように、図３の上部電極層６’ａを4分割して4つの上部電極層６’ａ−１、６’ａ−２、６’ａ−３、６’ａ−４とし、別個の電圧V1、V2、V3、V4によって制御するようにしたものである。これにより、やはり、小型光源２００と液体アクチュエータ１００の中心とを結ぶ軸上に非対称な配光を発生できる。

尚、図３の上部電極層６’ａは、上述の2分割、4分割以外の任意の数で分割することも可能であるが、その分、制御が複雑となる。

図６は図２の第４の変更例を示す上面図である。図６に示すごとく、上部電極層６’ｂは絶縁層５’の中央部のみ設けられた円形状をなしている。

図６においては、下部電極層２’と上部電極層６’ｂとの間に電圧Vを印加した場合、液体層４’の周縁部では、上部電極層６’ｂが存在しないので、引力はほとんど発生せず、他方、液体層４’の中央部では、電極が存在するので、引力が発生する。従って、液体層４’の媒質は中央部から周縁部へ移動する。この結果、液体層４’が電圧印加によって扁平形状となり、小型光源２００と凸レンズ３００との距離は大きくなる。

図７は図２の第５の変更例を示す上面図である。図７に示すように、図６の上部電極層６’ｂを2分割して2つの上部電極層６’ｂ−１、６’ｂ−２とし、別個の電圧V1、V2によって制御するようにしたものである。これにより、小型光源２００と液体アクチュエータ１００の中心とを結ぶ軸上に非対称な配光を発生できる。

図８は図２の第６の変更例を示す上面図である。図８に示すように、図６の上部電極層６’ｂを4分割して4つの上部電極層６’ｂ−１、６’ｂ−２、６’ｂ−３、６’ｂ−４とし、別個の電圧V1、V2、V3、V4によって制御するようにしたものである。これにより、やはり、小型光源２００と液体アクチュエータ１００の中心とを結ぶ軸上に非対称な配光を発生できる。

尚、図６の上部電極層６’ｂは、上述の2分割、4分割以外の任意の数で分割することも可能であるが、その分、制御が複雑となる。

図１の凸レンズ３００は単眼であるが、図９に示すごとく、複眼凸レンズ３００’とすることもできる。この場合、より狭い配光を広い角度で実現できる。また、図１０に示すごとく、図１の凸レンズ３００に代えて、シリンドリカルレンズ３００”を設けてもよい。シリンドリカルレンズ３００”は、開口がワイドになった分だけ小型光源２００からの光照射の光取り込み効率を向上させることができる。

図１１は図１の光照射装置を複数個たとえば４個マトリクス状に配置した光源システムを示す。尚、図１１においては、図１の光照射装置としてその上部電極層６’のみを図示してある。図１１においては、異なる対象物に対して図１の光照射装置を設け、異なる電圧V1、V2、V3、V4により各光照射装置の配光性を独立に制御する。

また、電圧Vに静電容量計を付加して電極間に生じる帯電量を検出し、帯電量によって液体アクチュエータ１００と小型光源２００の距離を制御することにより、より精密な配光の制御が可能となる。この理由は、電極間に生じる引力が直接的には帯電量と関係していることに起因する。特に、日本では、夏場と冬場で湿度が大きく異なり、液体層間に同じ電圧を印加しても季節によって帯電量が異なるので、湿度の影響をフィードバックする帯電量モニターが重要な役割を果たす。

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も適用し得る。

本発明に係る光源装置は、ストロボ光源、照明用光源、自動車光源等の各種光源に利用できる。

１：透明基板
１’：基板
２、２’：下部電極層
３：スペーサ層
４：液体レンズ
４’：液体層
５、５’：絶縁層
６、６’、６’ａ、６’ａ−１、６’ａ−２、６’ａ−３、６’ａ−４、６’b、６’b−１、６’b−２、６’b−３、６’b−４：上部電極層
１００：液体アクチュエータ
２００：小型光源
３００：単眼凸レンズ
３００’：複眼凸レンズ
３００”：シリンドリカルレンズ

Claims (7)

1. 液体アクチュエータと、
   該液体アクチュエータの上面に設けられた光源と、
   該光源の上方に設けられたレンズと
   を具備し、
   前記液体アクチュエータは、
   基板と、
   該基板上に設けられた下部電極層と、
   該下部電極層の周縁部に設けられたスペーサ層と、
   該スペーサ層に囲まれ、前記下部電極層上に設けられた液体層と、
   該液体層上にあって該液体層を封止する絶縁層と、
   該絶縁層上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光源から前記レンズを介して照射させる光の配光性を制御するようにした照射装置。
2. 前記上部電極層は複数個に分割されて設けられ、前記下部電極層と前記各分割された上部電極層との間に異なる電圧を印加するようにした請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記上部電極層は前記絶縁層の中央部及び周縁部の一方のみに設けられた請求項１に記載の光照射装置。
4. 前記レンズは単眼凸レンズである請求項１に記載の光照射装置。
5. 前記レンズは複眼凸レンズである請求項１に記載の光照射装置。
6. 前記レンズはシリンドリカルレンズである請求項１に記載の光照射装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の前記光照射装置が複数個マトリクス状に配置された光源システム。
   

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