JP6959745B2 - 光学装置および眼科装置 - Google Patents

Description

本発明は、光路長の調整または光の偏向を行う光学素子であるエレクトロウェッティング素子に係り、特に、エレクトロウェッティング素子の耐久性を向上させる技術に関する。

ＯＣＴ（光干渉断層像 (optical coherence tomography)）を利用した眼科装置や、スキャナや測量機等の光学装置に用いられる光学素子として、エレクトロウェッティング素子が知られている。エレクトロウェッティング素子は、互いに屈折率または反射率が異なり混和しない有極性液と無極性液とが封入されており、これらの液体がレンズとして機能する。

素子に印加する電圧を調整することにより、液体レンズの形状を変化させ、光学特性を変化させることができる。これにより、上記の眼科装置や光学装置では、参照側光路の可変機構の構成や、走査の構成を簡単にすることができる。

一般的にエレクトロウェッティング素子は、一対のガラス基板の内側にそれぞれ電極層が設けられ、電極層内側にそれぞれ高誘電体膜が設けられ、高誘電体膜で挟まれた空間に有極性液と無極性液が封入されてなる。

このような構造を有するため、一方の高誘電体膜には有極性液が接し、他方の高誘電体膜には無極性液が接する。また、素子の誘電率を高める必要から高誘電体膜は可能な限り薄く（１μｍ程度）構成されるため、ピンホールの発生が不可避である。そして、有極性液としては、水分を含有する液体が用いられることが多いため、水蒸気が高誘電体膜のピンホールを透過し、電極層を腐食するという問題があった。

このような問題に関連して、特許文献１では、エレクトロウェッティング素子に封入する液体を十分に密閉するため、０．１５ｇ・ｍｍ／ｍ^２・ｄａｙ未満の低い水蒸気透過係数を有する熱可塑性高分子材料で本体２０２（電極部を兼ねる）を構成することが開示されている。

特表２０１０−５３２０１０号公報（段落００３３）

しかしながら、特許文献１に記載のエレクトロウェッティング素子においては、防水策が施された電極部２０２は、素子内部空間内に単一の値の電圧が印加される構造であり、素子の光路上には配置されていない。特許文献１の素子において光路上には、電極を有さない２枚の透明窓１２，１４が配置されるのみである。

一方、本発明のエレクトロウェッティング素子では、図１に示すように光路上に透明電極層が配置された構造であり、図２に示すように透明電極層は、多数の微細な画素電極が配置されてなり、個々の電極に異なる値の電圧を印加することができる構造である。

このように、特許文献１と本発明では素子構造が異なるため、特許文献１の技術を本発明に適用することはできない。仮に特許文献１の技術において透明窓１２，１４に透明電極層を設けるとすると、有極性液が接することによる水蒸気透過の問題が解決できない。

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、有極性液から生じる水蒸気の透過による電極層の腐食を抑制し、エレクトロウェッティング素子の耐久性を向上させる技術の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、入射光を反射光または透過光として出射する光学装置であって、分離した有極性液および無極性液の２種類の液体と、前記有極性液に電圧を加える一対の有極性液側電極および無極性液側電極と、前記電圧を加える場所および前記電圧の一方または両方を制御する制御部とを有し、 さらに、前記一対の各電極の前記液体側に、一対の厚さ１０〜２００ｎｍのバリア膜と、一対の高誘電体膜を有し、前記制御により、前記２種類の液体の界面の向きが変更され、前記２種類の液体の前記界面の向きが変更されることで、前記界面における光の反射方向または光の屈性方向が変更され、前記界面における前記光の反射方向または前記光の屈性方向の変更により、出射する光の光軸の方向の制御が行われることを特徴とする光学装置である。

請求項２に記載の発明は、入射光を反射光または透過光として出射する光学装置であって、分離した有極性液および無極性液の２種類の液体と、前記有極性液に電圧を加える一対の有極性液側電極および無極性液側電極と、前記電圧を加える場所および前記電圧の一方または両方を制御する制御部とを有し、 さらに、前記一対の各電極の前記液体側に、一対の厚さ１０〜２００ｎｍのバリア膜と、一対の高誘電体膜を有し、前記制御により、前記２種類の液体の界面の位置が変更され、前記２種類の液体の前記界面の位置が変更されることで、前記２種類の液体の少なくとも一方を透過する光の光路長が変更されることを特徴とする光学装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記バリア膜は前記電極に隣接し、前記高誘電体膜は前記バリア膜に隣接して設けられたこと特徴とする。請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記高誘電体膜は前記電極に隣接し、前記バリア膜は前記高誘電体膜に隣接して設けられたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記バリア膜は、ＳｉＯ_２膜であることを特徴とする。請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記高誘電体膜は、厚さ０．３〜５μｍであることを特徴とする。請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記高誘電体膜は、ＰＶｄＦまたはＰＴＦＥであることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記２種類の液体の一方が光透過性で他方が光反射性であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記２種類の液体は共に光透過性を有し、且つ、屈折率が異なることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記出射する光の光軸の方向の制御により、複数の光路の中の一つが選択されることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記出射する光の光軸の方向の制御により、走査光の生成を行うことを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、前記走査光の生成は、前記２種類の液体の界面の向きを制御することで行われることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１２の光学装置のいずれか一つを備えたことを特徴とするＯＣＴの機能を有する眼科装置である。

請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の発明において、前記光学装置を参照光の光路長を変更する手段として用いたことを特徴とする。

請求項１５に記載の発明は、請求項１３または１４に記載の発明において、前記光学装置を眼底に照射される走査光を生成する手段として用いたことを特徴とする。

本発明によれば、電極層がバリア膜によって保護されているので、水蒸気の透過が抑制され、水蒸気が電極層に悪影響を与えることを抑制する。これにより、エレクトロウェッティング素子の耐久性が向上するという効果を奏する。

液体光学装置の動作の形態を示す概念図（Ａ）および（Ｂ）であり、反射型の光路長変更装置の概念図（Ａ）および（Ｂ）である。 駆動電極層の概念図である。 液体光学装置の動作の形態を示す概念図（Ａ）および（Ｂ）である。 反射型の光路長変更装置の概念図（Ａ）および（Ｂ）である。 透過型の光路長変更装置の概念図（Ａ）および（Ｂ）である。 透過型のスキャン装置の概念図（Ａ）および（Ｂ）である。 透過型スキャン装置の概念図（Ａ）〜（Ｃ）である。 反射型のスキャン装置の概念図（Ａ）および（Ｂ）である。 反射型スキャン装置の概念図（Ａ）〜（Ｃ）である。 ＯＣＴを利用した眼科装置の一例を示す図である。

（液体光学装置の構成）
図１には、本発明を利用した液体光学装置１００が示されている。液体光学装置１００は、入射光を反射光または透過光として出射する。液体光学装置１００は、分離した無極性液１２９ａおよび有極性液１２９ｂと、有極性液１２９ｂに電圧を加える駆動電極層１２２ｂおよび透明電極層１２２ａと、駆動電極層１２２ｂへの制御信号を出力し、電圧を加える場所および電圧の一方または両方を制御する制御部１０１とを有し、前記制御により、前記２種類の液体の界面１３０の向きが変更され、界面１３０の向きが変更されることで、界面１３０における光の反射方向または光の屈折方向が変更され、界面１３０における光の反射方向または光の屈折方向の変更により、出射する光の方向の制御が行われる。

以下、液体光学装置１００について詳細に説明する。ここでは、反射タイプの液体光学装置１００について説明する。液体光学装置１００は、光を反射し、且つ、その反射光の反射方向を変更できる。光軸の方向から見た液体光学装置１００の形状は、矩形または円形の外観を有している（形状は任意に選択できる）。液体光学装置１００は、隙間を有した状態で対向して配置された一対のガラス基板１２１ａと１２１ｂを用いて構成されている。一対の基板の内、少なくとも一方は光透過性である必要がある。光透過性を有する材料としては、ガラス以外に透明なプラスチック材料を用いることもできる。

下側のガラス基板１２１ａ上には、０Ｖ（基準電位）に保たれる一面ベタな共通な電極となる透明電極層（ＩＴＯ膜）１２２ａが配置されている。透明電極層１２２ａの上には、バリア膜１２３ａが配置されている。バリア膜１２３ａとしては、水蒸気を浸透させない膜で、例えばＳｉＯ_２が好ましい。バリア膜１２３ａの上には、高誘電体膜１２４ａが配置されている。高誘電体膜１２４ａとしては、例えばＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。高誘電体膜１２４ａに接して撥水膜１２５ａが配置されている。撥水膜１２５ａは、撥水性を有する膜で、例えばテフロン（登録商標）ＡＦやサイトップが用いられる。

上側高誘電体膜１２４ｂと下側高誘電体膜１２４ａとの間で液体光学装置１００の側部には、リング状の親水膜１２５ｃが配置されており、その内側に内部空間１２８が形成されている。親水膜１２５ｃの外側には、リング部材１２６が配置されている。リング部材１２６は、リング状の部材で、上下の高誘電膜１２４ａおよび１２４ｂにも接する。

上側の高誘電膜１２４ｂの上には、バリア膜１２３ｂが配置されている。バリア膜１２３ｂとしては、水蒸気を浸透させない膜で、バリア膜１２３ａと同じものである。バリア膜１２３ｂの上には、透明電極層１２２ａの対向電極となる駆動電極層１２２ｂが配置されている。この例では、駆動電極層１２２ｂとして、液晶表示装置等で公知のアクティブマトリクス電極（図２参照）を採用している。図２は、見やすいように、上下を反転させた状態で、駆動電極層１２２ｂを含む層構造が示されている。駆動電極層１２２ｂは、透明電極層１２２ａの基準電位（０Ｖ）対して正（＋）又は負（−）の電位とされ、透明電極層１２２ａと駆動電極層１２２ｂの間に電圧が加えられ、両者の間に電界が形成される。勿論、駆動電極層１２２ｂの電位を透明電極層１２２ａと同電位とすることも可能である。

なお、透明電極層１２２ａと駆動電極層１２２ｂの位置を交換した形態、両者の電位関係を反転させた形態、透明電極層１２２ａに対して駆動電極層１２２ｂの一または複数の画素電極の電位をマイナス電位とプラス電位の間で調整する形態等も可能である。これらは、後述する有極性液と無極性液の選択、実際の製品の形態等に鑑み、適宜選択することできる。

駆動電極層１２２ｂは、縦横に配置された画素電極により構成されるマトリクス電極と、各画素電極の電位を決める画素毎に配置されたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）と、ＴＦＴを駆動する周辺駆動回路を備えている。画素電極は、ＩＴＯ膜等の透明導電膜により構成され、各画素電極の電位は、制御部１０１から出力される制御信号により、個別に制御が可能とされている。制御部１０１により、界面１３０の位置および向きの一方または両方が制御され、光路長の変更、光の出射する方向の制御、スキャン動作等の制御が行われる。

駆動電極層１２２ｂの構造は、周知の液晶ディスプレイ用のアクティブマトリクス回路と同じである。駆動電極層１２２ｂとしては、複数の電極を放射状に配置した構造、同心円状のリング電極を配置した構造、複数の電極をストライプ状に配置した構造等が挙げられる。例えば、後述する図３（Ａ）←→図３（Ｂ）の切り替えであれば、縦横に画素電極を配置する必要はなく、また電極の密度もそれほど精細である必要はない。最適な画素電極の寸法は、液体の粘度や基板間隔等によって変わるので、実験的に決めることが好ましい。上記の各種形態の電極構造の場合も各電極にＴＦＴ等のスイッチング素子を配置し、各電極の電位を個別に制御できる構造とする。

駆動電極層１２２ｂは、上側のガラス基板１２１ｂに接して設けられている。リング部材１２６の周囲は、封止材１２７により封止され、内部空間１２８を密閉空間としている。上側の高誘電膜１２４ｂの内部空間１２８の側には、親水膜１２５ｂが配置されている。親水膜１２５ｂは、親水機能を有する膜で、例えばトリシラノールやシリカなどの無機分散体により構成されている。

リング部材１２６の部分、すなわち側面を光透過性としてもよい。この場合、側面からの光の入射または出射が可能となる。また、リング部材１２６の部分（つまり側面）に電極を設ける構成も可能である。本実施形態では、後述する有極性液と無極性液の界面の向きの制御が重要であり、この界面の向きの制御のために、側面からの電界の印可が効果的な場合がある。この場合は、側面の少なくとも一部に電極を設けてもよい。また、側面の電極を透明電極とすることで、側面からの電界の印可が可能で、且つ、側面からの光の入射および出射が可能な構造も可能である。

内部空間１２８は、透明な水系の有極性液１２９ｂと、光反射性の金属粉（例えば、アルミニウム粉）を分散させた光反射性を有する無極性液１２９ａで満たされている。有極性液１２９ｂの具体的な例としては、水やメタノール等が挙げられる。無極性液１２９ａとしては、炭化水素系合成油、シリコーンオイル等のオイルが挙げられる。無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂは、水と油のように互い混じり合わずに分離する性質のものが選択される。光反射性の無極性液を作る具体例としては、シリコーンオイルに粒径が１〜４００ｎｍのアルミニウム粉を１〜５０重量部分散させたものが挙げられる。

また、逆に、無極性液１２９ａを透明なもので構成し、有極性液１２９ｂの方に光反射性のチタン酸バリウム、酸化ジルコニウム、高屈折無機物塩等を分散させて光反射性の層とすることもできる。

各部の寸法としては、一例であるが、液体光学装置１００の有効面（レンズとして有効に機能する領域）の寸法が直径２５ｍｍ〜４０ｍｍ程度の円形、ガラス基板１２１ａ／１２１ｂの厚みが０．１〜０．５ｍｍ、高誘電体膜１２４ａ／１２４ｂの厚みは０．３〜５μｍ、撥水膜１２５ａ／親水膜１２５ｂの厚みは数〜５００ｎｍ、内部空間の高さ（撥水膜１２５ａと親水膜１２５ｂとの間の距離）が０．１〜５ｍｍ、透明電極層１２２ａの厚みが１０〜２００ｎｍの場合が挙げられる。駆動電極層１２２ｂ各部の寸法は、公知の液晶ディスプレイ用のアクティブマトリクス基板で採用される値とする例が挙げられる。

本発明の特徴であるバリア膜の厚さは、１０〜２００ｎｍが好ましく、バリア膜がこの範囲より薄い場合は、水蒸気の透過を抑制する効果が得られず、この範囲より厚い場合は、電極間距離を広げてしまい、液体光学装置の誘電率が低くなってしまう。バリア膜の厚さは、２０〜１００ｎｍがより好ましく、５０ｎｍ程度がさらに好ましい。

図１に示すように、有極性液１２９ｂは、直接あるいは親水膜１２５ｂを通じて高誘電体膜１２４ｂに接しており、従来、水蒸気の透過の問題があった。また、対向する側も、無極性液１２９ａおよび撥水膜１２５ａの配置された位置は水蒸気透過の問題はないものの、その周辺部では有極性液１２９ｂが直接高誘電体膜１２４ａに接していて同様の問題があった。本発明のバリア膜は、極めて薄く形成された高誘電体膜１２４ａおよび１２４ｂに不可避的に発生するピンホールを通じた水蒸気の透過から電極層を保護するため、電極層１２２ａおよび１２２ｂで挟まれた内側の空間に配置されることを必須の構成としている。

バリア膜１２３ａ，１２３ｂは、電極よりも内部空間１２８側に配置されていればよいので、図１に図示した通り透明電極層１２２ａ、バリア膜１２３ａ、高誘電体膜１２４ａの順および駆動電極層１２２ｂ、バリア膜１２３ｂ、高誘電体膜１２４ｂの順に配置することもできるし、また、図示は省略したが透明電極層１２２ａ、高誘電体膜１２４ａ、バリア膜１２３ａの順および駆動電極層１２２ｂ、高誘電体膜１２４ｂ、バリア膜１２３ｂの順に配置することもできる。

しかしながら、高誘電体膜としてＰＶｄＦやＰＴＦＥを用いた場合、電極層は直接接合することが困難であるという問題があるため、高誘電体膜にまずバリア層を積層しておき、この接合体をバリア層と電極層が隣接するように接合するとこの問題が解決されるため、好ましい。

バリア層の形成手段は、ガラス前駆体を含有する溶液を湿式で塗布することもできるが、１０〜２００ｎｍという厚さを実現するため、高誘電体膜表面にＣＶＤ（chemical vapor deposition）にて乾式条件で形成することが好ましい。

（液体光学装置の動作）
図３（Ａ）および（Ｂ）には、以上説明した本発明のバリア層を有する液体光学装置１００の動作形態の一例が示されている。図３には、図示省略されているが、図３の場合も図１と同様に、駆動電極層１２２ｂの駆動制御を行う制御部を備え、この制御部により、以下に示す各種動作の制御が行われる。これは、図４〜８の場合も同じである。図３（Ａ）の状態では、内部空間１２８の左上側に相対的に高い電圧を加え、右上側に進むに従い相対的に低い電圧を加えている。この場合、有極性液１２９ｂが電界密度の高い内部空間１２８の左側に寄り、また有極性液１２９ｂが撥水膜１２５ａから極力離れようとし、且つ、親水膜１２５ｂに極力接触しようとすることから、図示する形状に無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂとの間の界面１３０が形成される。

図３（Ｂ）の状態では、内部空間１２８の右上側に相対的に高い電圧を加え、左上側に進むに従い相対的に低い電圧を加えている。この場合、有極性液１２９ｂが電界密度の高い内部空間１２８の右側に寄り、また有極性液１２９ｂが撥水膜１２５ａから極力離れようとし、且つ、親水膜１２５ｂに極力接触しようとすることから、図示する形状に無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂとの間の界面１３０が形成される。

図３において、有極性液１２９ｂを透明とし、無極性液１２９ａ光反射性とした場合であって、光線が図の液体光学装置１００の上方から入射した場合を考える。この場合、有極性液１２９ｂが透明で無極性液１２９ａが光反射性なので、図３（Ａ）の場合、上方から入射した入射光は、界面１３０で左斜め上の方向に反射される。また、図３（Ｂ）の場合、上方から入射した入射光は、界面１３０で右斜め上の方向に反射される。

界面１３０の傾きは、加える電圧の分布を調整することで制御できる。こうして、ガラス基板１２１ａと１２１ｂの間（内部空間１２８）への電圧印加の面内分布を調整することで、反射面となる界面１３０の向きを変更し、界面１３０からの反射光の方向を制御できる。

（反射型の光路長変更装置）
図４には、反射型の光路長変更装置２００が示されている。光路長変更装置２００は、液体光学装置１００と同様な構造を有する液体光学装置２１０と２２０を備えている。液体光学装置２１０と２２０は、光の入射方向が逆方向となる向きで配置されている。液体光学装置２１０，２２０の左側には、反射ミラー２３１，２３２が配置され、液体光学装置２１０，２２０の右側には、反射ミラー２３３，２３４が配置されている。

液体光学装置２１０では、無極性液１２９ａとして、入射光を主要波長で透過する透明であるものが選択され、有極性液１２９ｂとして、光反射性であるものが選択されている。一方、液体光学装置２２０では、無極性液１２９ａとして光反射性であるものが選択されており、有極性液１２９ｂとして入射光を主要波長で透過する透明であるものが選択されている。

図４（Ａ）の場合、液体光学装置２１０への入射光２４１は、その主要波長の光が無極性液１２９ａを透過し、界面１３０でミラー２３１の方向に反射され、更にミラー２３２で反射されて液体光学装置２２０に入射する。この入射光は、有極性液１２９ｂを透過し、界面１３０で反射され、出射光２４２となる。

図４（Ｂ）の場合、液体光学装置２１０への入射光２４１は、その主要波長の光が無極性液１２９ａを透過し、界面１３０でミラー２３３の方向に反射され、更にミラー２３４で反射されて液体光学装置２２０に入射する。この入射光は、有極性液１２９ｂを透過し、界面１３０で反射され、出射光２４２となる。

図４（Ａ）と（Ｂ）の切り替えは、図３に関連して説明した液体光学装置２１０，２２０における基板間（内部空間１２８）への電圧印加の面内分布を調整することで行われる。すなわち、内部空間１２８への電圧の加え方を制御することで、界面１３０の向きを図４（Ａ）および図４（Ｂ）の一方とし、２つある光路の一方を選択する。この制御は、図４では図示省略されている制御装置（図１の制御部１０１）によって行われる。

図４（Ａ）と（Ｂ）では、ミラー２３１，２３２と、ミラー２３３，２３４の配置位置の違いにより、光路長が異なるように設定されている。このため、図４（Ａ）を選択した場合は、相対的に長光路長の光路が選択される。そして、図４（Ｂ）を選択した場合は、相対的に短光路長の光路が選択される。こうして、液体光学装置２１０，２２０における界面１３０の向きを電気的に制御することで、設定された２つの光路のいずれかを選択できる。この切り替えには、機械的な可動部分はなく、分離した無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂを電気的に移動させることで行われる。

（反射型の光路長変更装置の他の例）
（その１）
図１には、反射型の液体光学装置１００が示されている。図１（Ａ）の場合、無極性液１２９ａは光反射性のもので構成され、親和性の高い撥水膜１２５ａに接触して存在している。有極性液１２９ｂは入射光を主要波長で透過する透明であるもので構成され、親和性の高い親水膜１２５ｂ，１２５ｃに接触して存在している。光反射性を有する無極性液１２９ａは、上に凸型の水滴状になっている。上方から入射した光は、図１（Ａ）に示すように界面１３０で反射する。

ここで、基板間（内部空間１２８）に加える電圧の面内分布を調整する。具体的には、中央で相対的に低電圧、周辺で相対的に高電圧となるように面内電圧分布を調整する。この結果、有極性液１２９ｂが周辺に集まり、有極性液１２９ｂに押し込まれる形で無極性液１２９ａが中央に集まる。こうして、図１（Ｂ）の状態が得られる。この場合、反射面となる界面１３０は図１（Ａ）より高い位置にあり、上方から入射した光は、図１（Ｂ）に示すように、より高い位置で反射する。

図１（Ａ）と（Ｂ）の状態の一方を選択することで、中央部分の界面１３０の高さ位置の違いの分、光路長に差が生じる。

（透過型の光路長変更装置）
図５には、透過型の光路長変更装置３００が示されている。光路長変更装置３００は、液体光学装置１００と同様な構造を有する液体光学装置３１０と３２０を備えている。ここで、無極性液１２９ａおよび有極性液１２９ｂが共に、入射光を主要波長で透過する透明であるもので構成され光透過性を有する。また、無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂの屈折率は異なっている。

この例では、図示省略した制御装置により、各液体光学装置に供給する制御電圧を調整し、無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂの界面１３０の傾きを変化させる。界面１３０の傾きを調整することで、界面１３０を通過する際の屈折の状態を変化させ、透過光の光軸の方向を変更する。この光軸の方向を変えることで、光路の選択（切り替え）を行う。

界面１３０の傾きの制御は、図３に関連して説明した原理で行われる。図５（Ａ）では、基板間（内部空間１２８）に加える電圧は、ゼロであり、界面１３０の中央部は水平（ガラス基板１２１ａ，１２１ｂと平行）である。この場合、入射光は、液体光学装置３１０，３２０をそのまま真っすぐに透過する。

図５（Ｂ）では、２つの液体光学装置で電圧をＯＮとし、液体光学装置３１０および３２０を図３（Ａ）の状態とする。この場合、界面１３０が傾き、また無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂの屈折率が異なっているので、界面１３０で屈折が生じ、液体光学装置３２０への入射光３３０は、当初の光軸と異なる方向に出射する。この屈折した光軸の線上に反射ミラー３３１が配置され、反射ミラー３３２→３３３→３３４とリレーして、液体光学装置３１０に光線は入射する。液体光学装置３１０では、液体光学装置３２０と逆の光学作用で屈折が生じ、出射光３３１が生じる。

図５（Ｂ）の光路では、反射ミラー３３１→３３２→３３３→３３４と光路が迂回しているので、図５（Ａ）の場合よりも光路長が長くなる。こうして、液体光学装置３１０，３２０における電圧ＯＮ／ＯＦＦを選択することで、異なる２つの光路長を選択できる。

（透過型の偏向装置（スキャナ））
図６には、透過型の偏向装置（スキャナ）４００の原理が示されている。偏向装置４００は、透過する光の光軸の向きを変え、走査光を生成する。偏向装置４００は、液体光学装置１００と同様な構造を有している。ここで、無極性液１２９ａおよび有極性液１２９ｂが共に、入射光を主要波長で透過する透明であるもので構成され光透過性を有する。また、無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂの屈折率は異なっている。

電圧ＯＦＦにおいて、偏向装置４００に入射した入射光は、直進して出射する（図６（Ａ））。他方で、図３（Ｂ）の状態となるように、無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂに電圧を加えると、界面１３０が入射光の光軸に対して傾斜し、界面１３０を通過する際に入射光の屈折が生じる。この場合、図６（Ｂ）に示すように、偏向装置４００から出射する光の光軸の方向が図６（Ａ）の場合と違う方向になる。ここで、界面１３０の傾きを連続的（あるいは段階的）に変化させ、更にこの変化を繰り返すことで、偏向装置４００から出射する光を走査光（スキャン光）とできる。

図７には、Ｙ軸方向のスキャンを行う場合の状態が段階的に示されている。図７には、概念的に３段階のスキャンを行った場合が示されている。また、図７の（Ａ）〜（Ｃ）各図の左側は、右側に示す光学装置の光が透過する中央部近傍の拡大図であるので、光の屈折面が近似的に平面で示されている。図７に示すように、Ｙ軸方向における界面１３０の傾きを徐々に変化させることで、偏向装置４００を透過する光のＹ軸方向における向きは徐々に変化する。なお、図７には、界面１３０の傾きおよび偏向の様子が誇張して示されている。

図７には、Ｙ軸方向のスキャンの例が示されているが、同様の原理により、Ｘ軸方向における界面１３０の傾きを変化させることで、偏向装置４００を透過する光がＸ軸方向に走査される走査光となる。そして、Ｘ軸方向における界面１３０の傾きとＹ軸方向における界面１３０の傾きを組み合わせることで、Ｘ−Ｙ平面における２次元走査光が得られる。すなわち、偏向装置４００を透過型の２次元スキャナとして利用できる。

例えば、図７（Ａ）の状態でＸ軸方向におけるスキャンを行い、次いで図７（Ｂ）の状態に移行し、Ｘ軸方向におけるスキャンを行い、次いで図７（Ｃ）の状態に移行し、Ｘ軸方向におけるスキャンを行うことで、２次元のスキャンが行える。なお、偏向装置４００を２つ用いて、Ｘ軸方向のスキャンとＹ軸方向のスキャンを個別に行い、それを合成することで、２次元スキャナを得ることもできる。

（反射型の偏向装置（スキャナ））
図８には、偏向装置５００が示されている。偏向装置５００は、液体光学装置１００において、無極性液１２９ａを入射光を主要波長で透過する透明であるもので構成して光透過性とし、有極性液１２９ｂを光反射性としたものである。偏向装置５００の詳細は、図１の液体光学装置１００と同じである。この場合、偏向装置５００の無極性液１２９ａの側から光が入射する。また、入射光は、偏向装置５００に対して垂直でなく、斜めの方向から入射させる。

無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂに印加する電圧がＯＦＦの状態では、界面１３０は、偏向装置５００の面に平行であり、入射角＝反射角の関係で入射光は界面１３０において反射する（図８（Ａ））。図３（Ｂ）の状態となるように無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂに印加する電圧を調整すると、界面１３０が傾き、図８（Ａ）の場合とは異なる方向に反射光が出射する（図１１（Ｂ））。ここで、界面１３０の傾きを連続的（または段階的）に変化させ、それを周期的に繰り返すことで、走査光（スキャン光）を得ることができる。

図９には、Ｙ軸方向のスキャンを行う場合の状態が段階的に示されている。図９には、概念的に３段階のスキャンを行った場合が示されている。図９に示すように、Ｙ軸方向における界面１３０の傾きを徐々に変化させることで、偏向装置５００で反射する光のＹ軸方向における向きは徐々に変化する。なお、図９には、界面１３０の傾きおよび偏向の様子が誇張して示されている。

図９には、Ｙ軸方向のスキャンの例が示されているが、同様の原理により、Ｘ軸方向における界面１３０の傾きを変化させることで、偏向装置５００で反射する光がＸ軸方向に操作される走査光となる。そして、Ｘ軸方向における界面１３０の傾きとＹ軸方向における界面１３０の傾きを組み合わせることで、Ｘ−Ｙ平面における２次元走査光が得られる。すなわち、偏向装置５００を反射型の２次元スキャナとして利用できる。

例えば、図９（Ａ）の状態でＸ軸方向におけるスキャンを行い、次いで図９（Ｂ）の状態に移行し、Ｘ軸方向におけるスキャンを行い、次いで図９（Ｃ）の状態に移行し、Ｘ軸方向におけるスキャンを行うことで、２次元のスキャンが行える。なお、偏向装置５００を２つ用いて、Ｘ軸方向のスキャンとＹ軸方向のスキャンを個別に行い、それを合成することで、２次元スキャナを得ることもできる。

（ＯＣＴ装置）
本発明を利用したＯＣＴ装置の例を説明する。図１０には、ＯＣＴ装置６００が示されている。ＯＣＴ装置６００は、マイケルソン干渉計を基本としている。ＯＣＴ装置６００は、光源６０１を備えている。光源６０１は、時間的に低コヒーレンスである光を出力するレーザー光源が選択される。光源６０１から出射した光は、光ファイバによりファイバーカプラー６０２に送られる。ファイバーカプラー６０２は、光ファイバで伝送される光の分岐および合成を行う光学素子である。ファイバーカプラー６０２は、光源６０１からの光を参照光と測定光とに分岐する。参照光と測定光の光量比は、例えば、８０：２０とされている。

参照光は、ファイバーカプラー６０２から、リファレンスユニット６３０に送られる。リファレンスユニット６３０は、参照光の光路長が測定光の光路長と同じになるように調整を行う。リファレンスユニット６３０に導かれた参照光は、コリメータ６０４を介して光路長調整部６０６に入射する。光路長調整部６０６は、図４および５に示す光路長変更装置の一または複数により構成されている。光路長調整部６０６を通過した参照光は、ミラー６０７で反射され、再び光路長調整部６０６を通り、コリメータ６０４を介してファイバーカプラー６０２に戻る。

光路長調整部６０６は、後述する視度補正系６１０で生じる測定光および検出光の光路長の変化に対応させて、参照光の光路長を調整し、測定に係るＯＣＴ光の光路長と参照光の光路長が同じになるように調整する。

光源６０１から出射し、ファイバーカプラー６０２で分岐された光の他方は、測定光としてコリメータ６０８を介して、２次元スキャナ６０９に導かれる。２次元スキャナ６０９は、図６，７または図８，９の構造を有し、コリメータ６０８から出射した測定光を２次元走査光として出射させる。

２次元スキャナ６０９から出射した２次元走査光とされた測定光は、視度補正系６１０、レンズ系６１１を介して、被検眼６１２の眼底６１３に照射される。視度補正系６１０は、眼底６１３の被観察点が光学系の焦点となるように調整を行う。すなわち、視度補正系６１０は、測定光を眼底６１３上に略点像として照射するように調整を行う。視度補正系６１０は、くの字形状の一対の視度補正ミラーを備え、この一対の視度補正ミラーの間隔を調整することで、上記の調整を行う。視度補正系６０１として、図４および５に示す光路長変更装置の一または複数を用いることもできる。

視度には、個人差や個体差があるが、この視度に違いがあっても、視度補正系６１０の機能により、眼底６１３上に測定光が略点像として集光して照射されるように調整が行われる。また、視度補正系６１０により、被検眼６１２の屈折異常への対応、観察対象となる特定の層への集光位置の微調整が行われる。

眼底６１３で反射された測定光は、検出光として測定光と逆の経路をたどり、ファイバーカプラー６０２に戻ってくる。この検出光は、リファレンスユニット６３０から得られる参照光とファイバーカプラー６０２において合成される。この合成により、干渉光が得られ、この干渉光は、干渉光検出部６１６に送られる。干渉光検出部６１６は、回折格子により構成される分光器６１７、分光器６１７で分光された干渉光を検出するラインセンサ６１８を備えている。

時間的に低コヒーレンスである光を用いた場合、参照光路と測定光の光路長がほぼ等しいときに干渉信号が得られる。眼底のような多層構造の対象を測定する場合、異なる層からの反射光あるいは後方散乱した光は、光源波長幅内の異なる波長で干渉する。この干渉光の波長スペクトルをスペクトル分光器で取得し、スペクトル強度分布に対してフーリエ変換することで、実空間での深さに関する情報を得ることができる。

この例では、分光器６１７で分光された干渉光がラインセンサ６１８で検出される。ラインセンサ６１８の出力は、デジタル信号処理を行う電子回路を備えた干渉光分析部６１９に送られる。干渉光分析部６１９では、上述した原理に従ってデジタル信号処理により、眼底６１３の深さ方向の情報（網膜の層構造の情報）を得る。この情報は、層画像作成部６２０に送られ、層画像作成部６２０は、デジタル処理により網膜の層構造に係る断層画像を作成する。この網膜の層構造に係る断層画像は、図示しないディスプレイに送られ、そこに表示される。

機械的な機構を用いずに光路または光路長の変更が可能となる。また、光の偏向制御では、回転ミラーのような回転軸が存在しないので、簡素な構造で２次元スキャナを実現できる。ＯＣＴ装置のような眼科装置に適用した場合、精密な可動機構部分を減らすことができ、振動への耐性や可動部の経時変化に対する耐性の点で有利となる。さらに、電極層１２２ａおよび駆動電極層１２２ｂの内部空間１２８側にバリア膜１２３ａおよび１２３ｂが配置されているので、有極性液１２９ｂに含有される水蒸気が高誘電体膜１２４ａ，１２４ｂを透過して電極層１２２ａおよび駆動電極層１２２ｂに悪影響を与えることを抑制し、光学装置の耐久性の向上・長寿命化に寄与する。

１００：液体光学装置
１２１ａ、１２１ｂ：ガラス基板
１２２ａ：透明電極層
１２２ｂ：駆動電極層
１２３ａ、１２３ｂ：バリア膜
１２４ａ、１２４ｂ：高誘電体膜
１２５ａ：撥水膜
１２５ｂ、１２５ｃ：親水膜
１２６：リング部材
１２７：封止材
１２８：内部空間
１２９ａ：無極性液
１２９ｂ：有極性液
１３０：無極性液１２９ａと有極性液１２９ｂとの間の界面
２００：光路長変更装置
２１０，２２０：液体光学装置
２３１〜２３４：反射ミラー
２４１：入射光
２４２：出射光
３００：光路長変更装置
３１０，３２０：液体光学装置
３３１〜３３４：反射ミラー
４００：偏向装置
５００：偏向装置

Claims (15)

1. 入射光を反射光または透過光として出射する光学装置であって、
   分離した有極性液および無極性液の２種類の液体と、
   前記有極性液に電圧を加える一対の有極性液側電極および無極性液側電極と、
   前記電圧を加える場所および前記電圧の一方または両方を制御する制御部と
   を有し、
   さらに、前記一対の各電極の前記液体側に、一対の厚さ１０〜２００ｎｍのバリア膜と、一対の高誘電体膜を有し、
   前記制御により、前記２種類の液体の界面の向きが変更され、
   前記２種類の液体の前記界面の向きが変更されることで、前記界面における光の反射方向または光の屈性方向が変更され、
   前記界面における前記光の反射方向または前記光の屈性方向の変更により、出射する光の光軸の方向の制御が行われることを特徴とする光学装置。
2. 入射光を反射光または透過光として出射する光学装置であって、
   分離した有極性液および無極性液の２種類の液体と、
   前記有極性液に電圧を加える一対の有極性液側電極および無極性液側電極と、
   前記電圧を加える場所および前記電圧の一方または両方を制御する制御部と
   を有し、
   さらに、前記一対の各電極の前記液体側に、一対の厚さ１０〜２００ｎｍのバリア膜と、一対の高誘電体膜を有し、
   前記制御により、前記２種類の液体の界面の位置が変更され、
   前記２種類の液体の前記界面の位置が変更されることで、
   前記２種類の液体の少なくとも一方を透過する光の光路長が変更されることを特徴とする光学装置。
3. 前記バリア膜は前記電極に隣接し、前記高誘電体膜は前記バリア膜に隣接して設けられたこと特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記高誘電体膜は前記電極に隣接し、前記バリア膜は前記高誘電体膜に隣接して設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
5. 前記バリア膜は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮＯ_ｘ膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学装置。
6. 前記高誘電体膜は、厚さ０．３〜５μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学装置。
7. 前記高誘電体膜は、ＰＶｄＦまたはＰＴＦＥであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学装置。
8. 前記２種類の液体の一方が光透過性で他方が光反射性であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
9. 前記２種類の液体は共に光透過性を有し、且つ、屈折率が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
10. 前記出射する光の光軸の方向の制御により、複数の光路の中の一つが選択されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
11. 前記出射する光の光軸の方向の制御により、走査光の生成を行うことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
12. 前記走査光の生成は、前記２種類の液体の界面の向きを制御することで行われることを特徴とする請求項１１に記載の光学装置。
13. 請求項１〜１２の光学装置のいずれか一つを備えたことを特徴とするＯＣＴの機能を有する眼科装置。
14. 前記光学装置を参照光の光路長を変更する手段として用いたことを特徴とする請求項１３に記載の眼科装置。
15. 前記光学装置を眼底に照射される走査光を生成する手段として用いたことを特徴とする請求項１３または１４に記載の眼科装置。

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