KR20120127695A - 광학 소자, 광학 소자 어레이, 및 광학 소자의 제조 방법 - Google Patents

광학 소자, 광학 소자 어레이, 및 광학 소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 원하는 계면 형상을 형성할 수 있는 광학 소자, 광학 소자 어레이, 및 광학 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에서는, 액상을 이루는 투명액 (16) 과 기상을 이루는 마이크로 버블 (17) 중 적어도 일방이, 곡률 제어부 (6) 에 의해 온도 조절된다. 그리고, 온도 조절된 투명액 (16), 마이크로 버블 (17) 이 열팽창 또는 열수축함으로써, 투명액 (16) 과 마이크로 버블 (17) 사이에 형성되는 곡면 형상의 계면 (B) 의 형상이 변화된다. 따라서, 계면 형상의 제어가 가능해져, 원하는 계면 형상을 형성할 수 있다. 또한, 온도 조절을 위해서 전류 인가에 의한 줄열을 이용하기 때문에, 용기 (10) 내의 투명액 (16) 이나 마이크로 버블 (17) 에 직접 전압을 인가하여 이들의 표면 장력을 변화시키는 경우에 비해, 인가 전압을 저감시킬 수 있다.

Description

광학 소자, 광학 소자 어레이, 및 광학 소자의 제조 방법{OPTICAL ELEMENT, OPTICAL ELEMENT ARRAY, AND MANUFACTURING METHOD OF OPTICAL ELEMENT}
본 발명은 광학 소자, 광학 소자 어레이, 및 광학 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 광학 소자로서, 일본 공개특허공보 2008-298821호에 개시된 바와 같이, 광을 투과시켜 광의 회절각을 제어하기 위한 회절 격자로서, 등간격으로 배열되어 평행하게 연장되는 격벽을 구비하고, 인접하는 격벽 사이를 절연성의 액체 및 도전성의 액체에 의해 채우고, 도전성의 액체에 전압을 인가함으로써 이들 액체 사이에 형성된 계면의 위치를 변화시켜, 격자 상수를 가변으로 하는 것이 알려져 있다.
이 회절 격자에서는, 일렉트로웨팅 현상 (전기 모세관 현상) 을 이용하고 있다. 일렉트로웨팅 현상이란, 도전성의 액체와 전극 사이에 전압을 인가하였을 때에, 액체의 표면 장력이 변화되고, 이것에 수반하여 액체 표면의 형상이 변화되는 현상이다. 이와 같은 현상을 이용하여, 이 회절 격자에서는, 인가하는 전압을 크게 함으로써 액체의 표면 장력을 저하시켜, 계면의 위치를 높게 하고 있다.
일본 공개특허공보 2008-298821호
그러나, 상기 회절 격자에서는, 액체에 전압을 인가함으로써 계면의 형상이나 위치를 변화시키고 있기 때문에, 계면을 원하는 형상이나 위치로 변화시킬 수는 없었다.
그래서 본 발명은, 이와 같은 기술 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 원하는 계면 형상을 형성할 수 있는 광학 소자, 광학 소자 어레이, 및 광학 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명에 관련된 광학 소자는, 광을 투과시키는 용기와, 용기 내에 수용되어 제 1 상 (相) 을 이루는 제 1 투명 물질과, 용기 내에 수용되어 제 1 상과는 상이한 제 2 상을 이루고, 제 1 투명 물질과의 사이에 있어서 제 1 투명 물질을 향하여 볼록해진 곡면 형상의 계면을 형성하는 제 2 투명 물질과, 제 1 투명 물질 및 제 2 투명 물질 중 적어도 일방의 온도 조절을 행함으로써 계면의 형상을 제어하는 계면 형상 제어 수단을 구비하여 구성된다.
이 발명에서는, 제 1 상을 이루는 제 1 투명 물질과 제 2 상을 이루는 제 2 투명 물질 중 적어도 일방이, 계면 형상 제어 수단에 의해 온도 조절된다. 그리고, 온도 조절된 투명 물질이 열팽창 또는 열수축함으로써, 제 1 투명 물질과 제 2 투명 물질 사이에 형성되는 곡면 형상의 계면의 형상이 변화된다. 따라서, 계면 형상의 제어가 가능해져, 원하는 계면 형상을 형성할 수 있다. 여기서, 온도 조절을 위해서 전류를 인가하는 경우, 용기 내의 물질에 직접 전압을 인가하여 당해 물질의 표면 장력을 변화시키는 경우에 비해, 인가 전압을 저감시킬 수 있다. 따라서, 전류에 의한 줄열을 이용하는 방법을 취하는 것으로 하면, 인가 전압을 저감시키면서 원하는 계면 형상을 형성할 수 있다.
여기서, 제 1 상은 액상 (液相) 이고, 제 2 상은 기상 (氣相) 인 것이 바람직하다.
이 발명에 의하면, 기상을 이루는 제 2 투명 물질은, 용적당 질량이 작기 (밀도가 낮기) 때문에 중력의 영향을 잘 받지 않는다. 따라서, 계면의 형상을 양호한 정밀도로 제어할 수 있다. 또한, 액-액계와 비교하여, 혼합에 의한 품질 저하를 방지할 수 있다.
또한, 계면 형상 제어 수단은, 제 1 투명 물질 및 제 2 투명 물질 중 적어도 일방을 열팽창 또는 열수축시킴으로써 계면의 형상을 제어하는 것이 바람직하다.
이 발명에 의하면, 제 1 투명 물질 및 제 2 투명 물질 중 적어도 일방이, 계면 형상 제어 수단에 의해 열팽창 또는 열수축하기 때문에, 계면의 형상이 변화되기 쉬워진다. 따라서, 계면 형상의 제어가 가능해진다.
또한, 계면 형상 제어 수단은, 계면의 곡률을 제어하는 것이 바람직하다.
이 발명에 의하면, 계면 형상 제어 수단에 의해 계면의 곡률이 제어되기 때문에, 용기에 광을 투과시키는 경우의 굴절력 (렌즈 파워) 을 제어할 수 있다.
또한, 계면 형상 제어 수단은, 용기의 벽부에 형성되어 통전에 의해 발열되는 판 형상의 발열부를 갖고, 발열부는, 그 중앙에 협폭부 (幅狹部) 를 갖는 것이 바람직하다.
이 발명에 의하면, 발열부의 중앙에 있는 협폭부에서는 전기 저항이 커지기 때문에, 이 협폭부의 온도는 발열부 중에서 가장 높아진다. 따라서, 발열부의 중앙 부근에 있는 투명 물질을, 작은 전류로 충분히 가열할 수 있다. 이로써, 투명 물질을 용이하게 열팽창 및 상변화시킬 수 있어, 투명 물질의 형상의 제어가 용이해진다.
또한, 용기는, 서로 대향하는 제 1 벽부와 제 2 벽부를 갖고, 제 2 투명 물질은, 제 1 벽부의 주변과 제 2 벽부의 주변으로 나누어져 배치되어 있는 것이 바람직하다.
이 발명에 의하면, 제 1 투명 물질은, 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이에 있어서, 제 2 투명 물질에 의해 양측으로부터 사이에 끼워지도록 배치된다. 여기서, 제 1 투명 물질과 제 2 투명 물질 사이에 형성되는 계면의 형상은, 제 2 투명 물질로부터 제 1 투명 물질을 향하여 볼록해진 곡면 형상으로 되어 있다. 그 때문에, 제 1 벽부와 제 2 벽부의 각각으로부터 용기의 안쪽을 향하여 볼록해진 형상의 2 면의 계면이 형성된다. 따라서, 이와 같은 2 면의 계면에 의해, 제 1 벽부와 제 2 벽부 사이에 오목 렌즈를 형성할 수 있다.
또한, 용기를 2 개 구비하고, 용기의 각각은, 서로 대향하는 제 1 벽부와 제 2 벽부를 갖고, 용기의 각각에 있어서, 제 2 투명 물질은, 제 1 벽부의 주변에 배치되어 있고, 2 개의 용기의 제 1 벽부끼리가 접합되어 있는 것이 바람직하다.
이 발명에 의하면, 2 개의 용기의 각각에 있어서, 제 1 벽부로부터 제 2 벽부를 향하여 볼록해진 형상의 계면이 형성되고, 2 개의 용기의 제 1 벽부끼리가 접합된다. 이와 같이 하면, 접합된 제 1 벽부끼리를 단면에 포함하는 것과 같은, 2 개의 용기에 걸친 볼록 렌즈를 형성할 수 있다.
또한, 상기 광학 소자를 복수 배열시킨 광학 소자 어레이에 의하면, 각 광학 소자에 있어서, 용기 내에 형성되는 계면의 형상을 제어할 수 있다. 따라서, 각 광학 소자의 굴절력을 자유롭게 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 광원을 배열하고 광원의 각각에 대응시켜 광학 소자를 배열하면, 복수의 광원으로부터 출사되는 광을 자유롭게 집광 또는 확산시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 관련된 광학 소자의 제조 방법은, 광을 투과시키는 용기 내에 도전성의 액체가 충전된 광학 소자의 제조 방법으로서, 일방의 면이 개방된 용기를 사용하고, 일방의 면의 위치에 제 1 전극을 형성하고, 일방의 면에 대향하는 타방의 면의 위치에 제 2 전극을 형성하는 전극 형성 단계와, 액체를 대전시키고, 제 1 전극에 액체와는 역 (逆) 전하의 전압을 인가하여, 액체를 일방의 면으로부터 용기 내에 유입시키는 액체 유입 단계와, 제 1 전극에 액체와 동 (同) 전하의 전압을 인가하고, 제 2 전극에 액체와는 역전하의 전압을 인가하여, 액체를 용기 내에 충전하는 액체 충전 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관련된 광학 소자의 제조 방법에서는, 액체 유입 단계에서, 대전시킨 액체를 일방의 면으로부터 용기 내에 유입시킴에 있어서, 일방의 면의 위치에 형성된 제 1 전극에는, 액체와는 역전하의 전압이 인가된다. 그 때문에, 제 1 전극의 표면에 접하는 액체의 젖음성이 향상된다. 따라서, 일방의 면으로부터의 액체의 유입을 순조롭게 할 수 있다. 또한, 액체 충전 단계에서는, 제 1 전극에 액체와 동전하의 전압이 인가되고, 제 2 전극에 액체와는 역전하의 전압이 인가된다. 그 때문에, 제 2 전극의 표면에 접하는 액체의 젖음성이 향상된다. 따라서, 타방의 면의 주변에 있어서 구석구석까지 액체를 충전할 수 있다.
이와 같은 광학 소자의 제조 방법에 의하면, 용기가 작은 경우에도, 용기의 구석구석까지 액체를 고루 미치게 할 수 있다. 따라서, 용기 내에 투명 물질을 수용하는 상기 광학 소자 및 광학 소자 어레이를 바람직하게 제조할 수 있다.
본 발명에 의하면, 인가 전압을 저감시키면서 원하는 계면 형상을 형성할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 광학 소자를 나타내는 개요도이다.
도 2 는, 도 1 중의 용기 부분의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따른 단면도이다.
도 3 은, 도 1 의 광학 소자에 있어서의 기포의 성장 상태를 나타내는 개념도이다.
도 4 는, 도 3 중의 용기 부분의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따른 단면도이다.
도 5 는, 렌즈의 곡률과 굴절력의 관계를 나타내는 측단면도이다.
도 6 은, 도 1 의 광학 소자를 복수 배열한 광학 소자 어레이를 나타내는 개요도이다.
도 7 은, 도 6 중의 용기 부분의 측면도이다.
도 8 은, 도 6 의 광학 소자 어레이를 사용한 광학계 시스템의 예를 나타내는 도면이다.
도 9 는, 도 6 의 광학 소자 어레이의 제조 공정을 나타내는 단면도 및 상면도이다.
도 10 은, 도 9 에 계속되는 제조 공정을 나타내는 단면도 및 상면도이다.
도 11 은, 도 10 에 계속되는 제조 공정을 나타내는 단면도 및 상면도이다.
도 12 는, 도 11 에 계속되는 제조 공정을 나타내는 단면도 및 상면도이다.
도 13 은, 도 12 에 계속되는 제조 공정을 나타내는 단면도 및 상면도이다.
도 14 는, 제 2 실시형태에 관련된 광학 소자의 용기 부분의 측단면도이다.
도 15 는, 제 3 실시형태에 관련된 광학 소자의 용기 부분의 측단면도이다.
도 16 은, 제 4 실시형태에 관련된 광학 소자의 용기 부분의 측단면도이다.
도 17 은, 도 16 의 광학 소자를 헤드 업 디스플레이에 적용한 경우의 영상 표시 예를 나타내는 도면이다.
도 18 은, 제 5 실시형태에 관련된 광학 소자의 용기 부분의 측단면도이다.
도 19 는, 도 18 의 광학 소자를 복수 배열한 광학 소자 어레이의 측면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관련된 광학 소자에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일 요소에는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.
(제 1 실시형태)
도 1 은 제 1 실시형태에 관련된 광학 소자를 나타내는 개요도, 도 2 는 도 1 중의 용기 부분의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따른 단면도이다. 본 실시형태에 관련된 마이크로 렌즈 (광학 소자) (1) 는, 예를 들어 레이저 광원의 출사측에 배치되어, 당해 레이저 광원으로부터 출사된 레이저 광을 굴절시키기 위한 것이다.
마이크로 렌즈 (1) 는, 광을 투과시키는 대략 입방체 형상의 중공 용기 (10) 를 구비하고 있다. 이 용기 (10) 는, 투명 절연막에 의해 형성되어 있고, 소정의 두께를 갖는 6 면의 벽부 (11) 로 구성되어 있다. 6 면의 벽부 (11) 는, 밀폐된 대략 입방체 형상의 내부 공간 (S) 을 형성하고 있고, 용기 (10) 는, 그 내부 공간 (S) 내에 액체 또는 기체를 봉입할 수 있게 되어 있다. 용기 (10) 를 형성하는 투명 절연막으로서, 예를 들어 티탄산스트론튬, 니오브산리튬 등을 사용할 수 있다. 용기 (10) 의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 전형적으로는 한 변의 길이가 50 ? 100 ㎛ 정도로 되어 있다.
용기 (10) 를 구성하는 6 면의 벽부 (11) 중, 서로 대향하는 벽부인 제 1 측벽 (벽부) (11a) 및 제 2 측벽 (벽부) (11b) (도 2 참조) 은, 용기 (10) 의 광 투과면으로서 기능한다. 또한 도 1 에서는, 용기 (10) 내의 구성의 이해를 용이하게 하기 위해서 제 1 측벽 (11a) 은 나타내지 않았지만, 제 1 측벽 (11a) 은 도시 바로 앞측의 면에 위치하고 있다. 이하, 제 1 측벽 (11a) 및 제 2 측벽 (11b) 을 간단히 「측벽 (11a, 11b)」이라고도 한다.
이와 같은 용기 (10) 에 추가하여, 마이크로 렌즈 (1) 는, 측벽 (11a, 11b) 의 각각에 형성되어 통전에 의해 발열되는 판 형상의 히터 (발열부) (12, 12) 와, 배선 (4) 에 의해 히터 (12, 12) 에 접속되고, 히터 (12, 12) 에 전류를 인가함과 함께 그 발열량을 제어하는 제어부 (3) 와, 용기 (10) 의 내부 공간 (S) 측으로부터 히터 (12, 12) 의 표면 (내부 공간 (S) 측의 면) (12a) 을 덮도록 형성된 판 형상의 절연막 (13, 13) 을 구비하고 있다. 또한 도 2 에서는, 제어부 (3) 에 대해서는 도시를 생략하였다 (이하, 도 4, 도 5, 도 7, 및 도 8 에 있어서도 마찬가지로 한다).
또한, 마이크로 렌즈 (1) 는, 용기 (10) 내에 수용되어 액상 (제 1 상) 을 이루는 투명액 (제 1 투명 물질) (16) 과, 용기 (10) 내에 수용되어 기상 (제 2 상) 을 이루고, 투명액 (16) 과의 사이에 있어서 투명액 (16) 을 향하여 볼록해진 곡면 형상의 계면 (B) (도 2 참조) 을 형성하는 기포인 마이크로 버블 (제 2 투명 물질) (17) 을 구비하고 있다. 즉, 투명액 (16) 과 마이크로 버블 (17) 은 서로 상이한 상을 이루고 있다.
히터 (12) 는, 발열됨으로써 마이크로 버블 (17) 및 투명액 (16) 에 열을 전달하여, 마이크로 버블 (17) 및 투명액 (16) 을 열팽창 또는 열수축시키기 위한 것이다. 이 히터 (12) 는, 산화아연 (ZnO), 산화인듐주석 (Indium Tin Oxide；ITO) 등에 의해 형성된 투명 전극이다. 히터 (12) 는, 측벽 (11a, 11b) 의 내벽면 상의 일부에 형성되어 있다. 그리고, 히터 (12) 는, 측벽 (11a, 11b) 의 단변 (端邊) 끼리를 연결하여 서로 대향하는 상부벽 (11c) 및 하부벽 (11d) (이하, 간단히 「벽 (11c, 11d)」이라고도 한다) 에 걸쳐지도록 연장되어 있다. 즉, 히터 (12) 는, 그 길이 방향 (도 1 의 상하 방향) 의 길이가 내부 공간 (S) 의 한 변의 길이보다 약간 길게 되어 있어, 당해 길이 방향의 단부 (端部) (12c, 12d) 가 벽 (11c, 11d) 에 각각 접촉하고 있다.
이하의 설명에 있어서, 측벽 (11a, 11b) 의 벽면에 수직인 방향 (히터 (12) 에 수직인 방향) 을 「두께 방향」, 벽 (11c, 11d) 의 벽면에 수직인 방향 (히터 (12) 의 길이 방향에 평행한 방향) 을 「길이 방향」, 측벽 (11a, 11b) 및 벽 (11c, 11d) 의 어느 것과도 평행한 방향 (히터 (12) 의 짧은 방향에 평행한 방향) 을 「폭 방향」이라고 한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 히터 (12) 의 단부 (12c, 12d) 는 폭 방향의 길이가 폭 (L1) 으로 되어 있다. 또한 히터 (12) 는, 그 중앙에 협폭부 (12e) 를 갖고 있다. 여기서 말하는 「중앙」이란, 일방의 단부 (12c) 와 타방의 단부 (12d) 의 중간 위치로, 「대략 중앙」을 포함한다. 협폭부 (12e) 는, 폭 방향의 길이가 폭 (L1) 보다 짧은 폭 (L2) 으로 되어 있다. 그리고, 히터 (12) 의 형상은, 단부 (12c, 12d) 로부터 협폭부 (12e) 를 향함에 따라 폭 방향의 길이가 점감되고 있다. 이와 같이 하여, 히터 (12) 는, 협폭부 (12e) 에 대하여 대칭인 형상으로 되어 있다.
제어부 (3) 는, 히터 (12) 의 발열량을 제어함으로써, 마이크로 버블 (17) 및 투명액 (16) 을 열팽창 또는 열수축시켜, 계면 (B) 의 곡률을 제어하기 위한 것이다. 바꿔 말하면, 제어부 (3) 는, 마이크로 버블 (17) 및 투명액 (16) 의 온도 조절을 행함으로써 계면 (B) 의 형상을 제어한다. 제어부 (3) 는, 히터 (12) 의 발열량이나, 마이크로 버블 (17) 및 투명액 (16) 의 온도를 검출하는 수단을 갖고 있다. 또한, 제어부 (3) 는, 용기 (10) 내에 투명액 (16) 을 공급하는 제어 및 용기 (10) 내로부터 투명액 (16) 을 배출하는 제어를 행한다. 이 투명액 (16) 의 공급 제어 및 배출 제어에서는, 용기 (10) 를 통해 투명액 (16) 을 공급?배출할 수 있는 수법이면 어떠한 수법이 이용되어도 된다. 제어부 (3) 는, 계면 (B) 의 형상 제어에 관련된 연산을 위해서, CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory) 을 포함하는 컴퓨터를 갖고 있다.
히터 (12) 를 덮는 절연막 (13) 은, 히터 (12) 와 마이크로 버블 (17) 및 투명액 (16) 의 접촉을 막으면서, 히터 (12) 로부터의 열을 마이크로 버블 (17) 및 투명액 (16) 에 전달하기 위한 것이다. 절연막 (13) 은, 티탄산스트론튬, 니오브산리튬 등의 투명 절연막에 의해 형성되어 있고, 히터 (12) 의 표면 (12a) 전체면을 덮고 있다. 보다 상세하게는, 절연막 (13) 은, 히터 (12) 의 외형 형상보다 한층 큰 외형 형상을 이루고 있다. 즉, 절연막 (13) 의 길이 방향의 단부 (13c, 13d) 는, 폭 방향의 길이가 히터 (12) 의 단부 (12c, 12d) 의 폭 (L1) 보다 다소 길게 되어 있다. 또한 절연막 (13) 은, 히터 (12) 의 폭 방향의 단부 (12f) (도 1 참조) 에 있어서 두께 방향으로 연장되는 단면 (端面) (도시 생략) 도 덮고 있다. 한편, 배선 (4) 은 단부 (12c, 12d) 에 각각 접속되어 있다.
여기서, 제 1 측벽 (11a), 제 2 측벽 (11b), 및 절연막 (13) 의 각각에 있어서, 내부 공간 (S) 에 접하는 표면은, 후술하는 마이크로 버블 (17) 의 형상 제어를 위해서, 젖음성을 향상시키는 가공이 실시되어 있는 것이 바람직하다.
용기 (10), 히터 (12), 제어부 (3), 배선 (4), 및 절연막 (13) 은, 기존의 반도체 제조 기술에 의해 제조할 수 있다. 그 제조 방법은, 후술하는 마이크로 렌즈 어레이의 제조 공정과 동일하다.
투명액 (16) 및 마이크로 버블 (17) 은, 상만이 상이하고, 동일한 조성을 갖는 물질이다. 투명액 (16) 및 마이크로 버블 (17) 로서, 예를 들어 퍼플루오로카본 (프로리나토 (등록 상표)) 이나 실리콘 등을 사용할 수 있다. 투명액 (16) 은, 히터 (12) 로부터의 열을 받아 국소적으로 비등하여, 증기 기포가 되어 마이크로 버블 (17) 이 된다. 이 때, 투명액 (16) 과 마이크로 버블 (17) 의 합계 체적을 내부 공간 (S) 의 용적에 일치시키도록, 제어부 (3) 에 의해 투명액 (16) 의 배출을 실시한다. 또한 마이크로 버블 (17) 은, 용기 (10) 로부터 외부로의 방열 등에 의해 냉각되어 응축되고, 투명액 (16) 이 된다. 이 때, 투명액 (16) 과 마이크로 버블 (17) 의 합계 체적을 내부 공간 (S) 의 용적에 일치시키도록, 제어부 (3) 에 의해 투명액 (16) 의 공급을 실시한다. 이와 같은 제어에 의해, 투명액 (16) 의 체적과 마이크로 버블 (17) 의 체적의 합계는, 내부 공간 (S) 의 용적에 일치한다. 투명액 (16) 및 마이크로 버블 (17) 은, 제어부 (3) 에 의해 소정의 체적 및 형상으로 제어된다.
마이크로 버블 (17) 은, 제 1 측벽 (11a) 의 주변과 제 2 측벽 (11b) 의 주변의 2 지점으로 나누어져 대칭적으로 배치되어 있다 (도 2 참조). 마이크로 버블 (17) 은, 서로 근접하는 방향으로 볼록해진 대략 돔형의 형상을 나타내고 있고, 그 저면 (18) 이 측벽 (11a, 11b) 및 절연막 (13) 에 맞닿음과 함께, 두께 방향에서 보아 내부 공간 (S) 의 벽면에 내접하고 있다 (도 1 참조). 또한, 마이크로 버블 (17) 은, 그 돔 부분 (19) (도 2 참조) 이 내부 공간 (S) 의 안쪽을 향하여 볼록해진 구면 형상 (곡면 형상) 으로 됨과 함께, 투명액 (16) 과의 사이에 계면 (B) 을 형성하고 있다. 돔 부분 (19) 의 시작부 (저면 (18) 근처 부분) 가 측벽 (11a, 11b) 에 대하여 이루는 접촉각은, 표면 처리 상태에 따라 소정의 각도 (θ) 로 정해진다.
이하의 설명에 있어서, 제 1 측벽 (11a) 의 주변에 형성된 마이크로 버블 (17) 을 입사측 마이크로 버블 (17a) 이라고도 하고, 제 2 측벽 (11b) 의 주변에 형성된 마이크로 버블 (17) 을 출사측 마이크로 버블 (17b) 이라고도 한다 (도 2 참조).
입사측 마이크로 버블 (17a) 과 출사측 마이크로 버블 (17b) 은, 두께 방향으로 거리 (d) 이간되어 있다. 그리고, 입사측 마이크로 버블 (17a) 과 출사측 마이크로 버블 (17b) 에 의해 양측으로부터 사이에 끼워지도록 하여, 투명액 (16) 이 배치되어 있다. 그리고, 입사측 마이크로 버블 (17a) 과 투명액 (16) 사이 및 출사측 마이크로 버블 (17b) 과 투명액 (16) 사이에 형성된 2 면의 계면 (B) 에 의해, 제 1 측벽 (11a) 과 제 2 측벽 (11b) 사이에 오목 렌즈가 형성되어 있다.
또한, 입사측 마이크로 버블 (17a) 과 출사측 마이크로 버블 (17b) 은, 대칭적으로 배치되는 경우에 한정되지 않고, 각각 상이한 형상을 이룰 수도 있다. 마이크로 버블 (17) 의 형상 제어에 대하여 이하에 설명한다.
도 3 은 마이크로 렌즈 (1) 에 있어서의 기포의 성장 상태를 나타내는 개념도이고, 도 4 는 도 3 중의 용기 (10) 부분의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따른 단면도이다. 먼저, 용기 (10) 내에는 소정 온도의 투명액 (16) 이 채워져 있다. 제어부 (3) 에 의해 히터 (12) 에 전압이 인가되고 히터 (12) 에 전류가 흐르면, 다음 식 (1) 에 따라 히터 (12) 의 협폭부 (12e) 가 발열된다.
Figure pct00001
상기 식 (1) 에 있어서,
Q：발열량
R：협폭부 (12e) 의 저항
I：히터 (12) 를 흐르는 전류
m：투명액 (16) 의 중량
c：투명액 (16) 의 비열
t：통전 시간
이다.
발열량 (Q) 의 발열이 히터 (12) 의 협폭부 (12e) 에서 발생하면, 그 열이 절연막 (13) 을 통해 투명액 (16) 에 전달되고, 투명액 (16) 이 협폭부 (12e) 에 대응하는 위치에서 국소적으로 증발한다. 그리고, 협폭부 (12e) 의 주변에 초기의 마이크로 버블 (17) 이 발생한다 (도 3, 도 4 의 가상선 참조). 또한, 이 마이크로 버블 (17) 은 통전 시간 (t) 의 경과와 함께 커진다.
여기서,
r：마이크로 버블 (17) 의 돔 부분 (19) 의 반경
Κ：계면 (B) 의 곡률
로 하면, 다음 식 (2) 의 관계가 성립한다.
Figure pct00002
또한, 마이크로 렌즈 (1) 의 용기 (10) 는, 외부와의 열 교환을 항상 행하고 있기 때문에, 일정한 열량 (Qout) 을 빼앗기고 있다. 따라서, 초기의 마이크로 버블 (17) 발생 후에 통전을 멈춘 것으로 하면, 마이크로 버블 (17) 의 반경 (r) 은 그 내부의 압력 (P) 과 투명액 (16) 의 표면 장력이 동등한 크기로까지 작아진다. 또한, 용기 (10) 로부터 방출되는 열량 (Qout) 은, 용기 (10) 의 벽부 (11) 의 열전도 계수에도 영향을 받는다.
그리고, 열을 빼앗긴 투명액 (16) 은 온도가 저하되고, 마이크로 버블 (17) 도 계면 (B) 을 통해 열을 빼앗겨, 결과적으로 온도 변화 (ΔT) 만큼 온도가 저하된다. 여기서는, 열량 (Qout) 과 온도 변화 (ΔT) 사이에 있어서 다음 식 (3) 의 비례 관계가 성립한다.
Figure pct00003
기체의 상태 방정식에 의해, 다음 식 (4) 가 성립하기 때문에, 온도가 온도 변화 (ΔT) 저하되면, 마이크로 버블 (17) 의 내부압 (PB) 과 체적 변화 (ΔV) 의 곱이 저하된다.
Figure pct00004
여기서,
PB：마이크로 버블 (17) 의 내부압
ΔV：마이크로 버블 (17) 의 체적 변화
n：마이크로 버블 (17) 의 몰수
R：기체 상수
ΔT：마이크로 버블 (17) 의 온도 변화
이다.
내부압 (PB) 과 체적 변화 (ΔV) 의 곱 (PBΔV) 이 저하됨에 있어서, 내부압 (PB) 은 마이크로 버블 (17) 이 투명액 (16) 으로부터 눌리는 외압과도 동일해진다. 그 때문에, 내부압 (PB) 이 당해 외압과 동일해질 때까지, 마이크로 버블 (17) 의 체적이 감소한다.
마이크로 버블 (17) 의 반경 (r) 을 유지하는 위해서는, 소정의 열량 (Qe) 을 히터 (12) 에 의해 계속해서 부여할 필요가 있다. 마이크로 버블 (17) 의 반경 (r) 은, 히터 (12) 의 온 오프에 의해 소정의 열량 (Qe) 을 부여하거나 부여하지 않거나 함으로써, 확대 또는 축소시킬 수 있게 된다. 히터 (12) 의 발열량 (Q) 과 마이크로 버블 (17) 의 반경 (r) 의 관계는, 다음 식 (5) 와 같이 된다.
Figure pct00005
따라서, 히터 (12) 의 온 오프에 의해, 마이크로 버블 (17) (계면 (B)) 의 형상과 함께 반경 (r) (즉 곡률 (Κ)) 을 제어하여, 전술한 오목 렌즈의 굴절력을 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태의 마이크로 렌즈 (1) 에 있어서는, 히터 (12), 제어부 (3), 배선 (4), 및 절연막 (13) 을 구비하여, 계면 (B) 의 형상을 제어하는 곡률 제어부 (계면 형상 제어 수단) (6) 가 구성되어 있다. 즉, 곡률 제어부 (6) 는, 투명액 (16) 및 마이크로 버블 (17) 의 온도 조절을 행함으로써, 투명액 (16) 및 마이크로 버블 (17) 을 열팽창 또는 열수축시켜, 이 열팽창 또는 열수축에 의해 계면 (B) 의 곡률 (Κ) 을 제어하는 기능을 갖고 있다.
도 5 는, 렌즈의 곡률과 굴절력의 관계를 나타내는 측단면도이다. 도 5(a) 에 나타내는 바와 같이, 입사측 마이크로 버블 (17a) 과 출사측 마이크로 버블 (17b) 이 거리 (d) 이간되어 있는 경우, 굴절력 (렌즈 파워) (φ) 은, 다음 식 (6) 으로 나타낸다.
Figure pct00006
여기서,
φ：마이크로 렌즈 (1) 의 굴절력 (렌즈 파워)
na：투명액 (16) 의 굴절률
Κ1：입사측 마이크로 버블 (17a) 에 의해 형성되는 계면 (B) 의 곡률
Κ2：출사측 마이크로 버블 (17b) 에 의해 형성되는 계면 (B) 의 곡률
d：입사측 마이크로 버블 (17a) 과 출사측 마이크로 버블 (17b) 의 이간 거리
이다.
상기 식 (2) 에 나타낸 바와 같이, 입사측 마이크로 버블 (17a) 및 출사측 마이크로 버블 (17b) 의 반경이 정해지면, 곡률 (Κ1, Κ2) 이 정해진다. 그리고, 식 (6) 에 나타내는 바와 같이, 소정의 곡률 (Κ1, Κ2) 에 대하여 소정의 굴절력 (φ) 이 얻어진다.
예를 들어, 도 5(b) 에 나타내는 바와 같이, 곡률 (Κ1, Κ2) 이 도 5(a) 에 나타낸 경우보다 커지면, 굴절력 (φ) 은 커지고, 마이크로 렌즈 (1) 에 의한 광의 굴절 작용은 강해진다. 또한, 도 5(c) 에 나타내는 바와 같이, 곡률 (Κ1, Κ2) 이 도 5(a) 에 나타낸 경우보다 작아지면, 굴절력 (φ) 은 작아지고, 마이크로 렌즈 (1) 에 의한 광의 굴절 작용은 약해진다.
다음으로, 마이크로 렌즈 (1) 를 복수 배열시켜 이루어지는 본 실시형태의 마이크로 렌즈 어레이에 대하여 설명한다. 도 6 은 도 1 의 마이크로 렌즈 (1) 를 복수 배열한 마이크로 렌즈 어레이를 나타내는 개요도, 도 7 은 도 6 중의 용기 부분의 측면도이다. 도 6 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이 (광학 소자 어레이) (30) 는, 마이크로 렌즈 (1) 를 길이 방향 및 폭 방향으로 복수 배열시킨 것이다. 이 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에서는, 마이크로 렌즈 (1) 가 M 행 N 열 (M, N 은 자연수) 의 매트릭스 형상으로 배열되어 있다. 마이크로 렌즈 어레이 (30) 는, M 행 N 열의 매트릭스 형상으로 배열된 용기 (10) 와, 배선 (4) 에 의해 각 용기 (10) 에 접속되고, 각 용기 (10) 에 있어서의 히터 (12) 의 발열량을 제어하는 제어부 (33) 를 구비하고 있다.
이 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 있어서는, 제어부 (33), 배선 (4), 각 마이크로 렌즈 (1) 의 히터 (12) 및 절연막 (13) (도 1 참조) 을 구비하여, 계면 (B) 의 형상을 제어하는 곡률 제어부 (계면 형상 제어 수단) (36) 가 구성되어 있다. 또한 제어부 (33) 는, 각 마이크로 렌즈 (1) 의 제어부 (3) (도 1 참조) 를 마이크로 렌즈 (1) 의 개수와 동수 구비하는 것이어도 되고, 통합된 1 대의 장치로서 구성되고, 각 용기 (10) 내의 계면 (B) 의 형상을 제어할 수 있는 것이어도 된다.
이와 같은 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 있어서도, 각 용기 (10) 내에 형성되는 계면 (B) 의 곡률 (Κ) 이 제어되기 때문에, 각 마이크로 렌즈 (1) 의 굴절력 (φ) 을 자유롭게 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에서는, j 열에 있어서의 굴절력 (φj) 은 굴절력 (φ1, j ? φM, j) 이 되고, 이 중 i 행 j 열의 마이크로 렌즈 (1) 에 있어서의 굴절력은 굴절력 (φi, j) 이 된다 (도 7 참조).
또한, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이를 사용한 광학계 시스템 (100) 을 구성할 수도 있다. 이 광학계 시스템 (100) 은, 복수 배열한 광원 (예를 들어 레이저 광원 등) (35) 과, 각 광원 (35) 에 대응시켜 마이크로 렌즈 (1) 를 배열한 마이크로 렌즈 어레이 (30A) 를 갖고 있다. 또한, 광학계 시스템 (100) 은, 마이크로 렌즈 어레이 (30A) 와 투영면 (36) 사이에 배치된 광학 릴레이 렌즈 (37) 를 갖고 있다. 이와 같은 광학계 시스템 (100) 에서는, 투영면 (36) 에 있어서의 영사 이미지의 확대나 축소, 흔들림 보정 등이 가능해진다.
계속해서, 마이크로 렌즈 어레이 (30) 의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 9 ? 도 13 은, 도 6 의 마이크로 렌즈 어레이 (30) 의 제조 공정을 나타내는 단면도 및 상면도이다. 각 도면에 있어서, 좌측에 길이 방향에서 본 단면도를, 우측에 두께 방향에서 본 상면도를 나타내고 있다. 단면도에서는, 배열수가 4 열인 예에 대하여 나타내고 있다. 또한 상면도에서는, 그 중 하나의 마이크로 렌즈 (1) 만을 나타내고 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 용기 (10) 에 니오브산리튬을 사용하고, 히터 (12) 에 ITO 전극을 사용하는 경우에 대하여 설명한다.
먼저, 도 9(a) 에 나타내는 바와 같이, 소정 두께의 니오브산리튬 기판 (50) 을 준비한다 (S1). 다음으로, 도 9(b) 에 나타내는 바와 같이, 에칭에 의해, 두께 방향의 1 면이 개방된 대략 입방체 형상의 공극 (51) 을 형성한다 (S2). 여기서, 이 공극 (51) 은, 용기 (10) 의 내부 공간 (S) 에 상당하는 것이다. 또한, 공극 (51) 의 개방된 면을 상면 (일방의 면) (51a) 이라고 하고, 일방의 면에 대향하는 면을 저면 (타방의 면) (51b) 이라고 한다.
다음으로, 도 10(a) 에 나타내는 바와 같이, 공극 (51) 의 저면 (51b) 의 위치에 하부 ITO 전극 (52) 을 형성한다 (S3). 이 하부 ITO 전극 (52) 은 히터 (12) 에 상당하는 것이다. 다음으로, 도 10(b) 에 나타내는 바와 같이, 상면 (51a) 의 위치의 바로 아래까지, 공극 (51) 내에 산화막 (53) 을 소정 높이 퇴적시킨다 (S4).
다음으로, 도 11(a) 에 나타내는 바와 같이, 상면 (51a) 의 위치에 상부 ITO 전극 (54) 을 형성한다 (S5). 이 상부 ITO 전극 (54) 은 히터 (12) 에 상당하는 것이다. 다음으로, 도 11(b) 에 나타내는 바와 같이, 산화막 (53) 을 에칭에 의해 제거한다 (S6). 즉, 이들 단계 S3 ? 단계 S6 은, 상면 (51a) 이 개방된 니오브산리튬 기판 (용기) (50) 을 사용하고, 상면 (51a) 의 위치에 상부 ITO 전극 (제 1 전극) (54) 을 형성하고, 저면 (51b) 의 위치에 하부 ITO 전극 (제 2 전극) (52) 을 형성하는 전극 형성 단계에 상당한다. 또한, 히터 (12) 와 제어부 (33) 를 접속하는 배선 (4) 도, 히터 (12) 와 동일하게 하여 형성된다.
다음으로, 도 12(a) 에 나타내는 바와 같이, 하부 ITO 전극 (52) 및 상부 ITO 전극 (54) 을 덮도록 하여 게이트 산화막 (56) 을 형성한다 (S7). 이 게이트 산화막 (56) 은 절연막 (13) 에 상당하는 것이다. 또한, 게이트 산화막 (56) 은, 종래 알려져 있는 CVD (Chemical Vapor Deposition) 법에 의해 형성할 수 있다.
다음으로, 도 12(b) 에 나타내는 바와 같이, 퍼플루오로카본 등의 도전성의 액체 충전재 (57) 를 준비함과 함께, 이 충전재 (57) 에 플러스의 전압을 인가한다 (플러스로 대전시킨다). 또한, 상부 ITO 전극 (54) 의 공극 (51) 측 (도시 하측) 을 GND 에 인가한다 (접지한다). 그리고, 충전재 (57) 를 상면 (51a) 으로부터 공극 (51) 에 유입시킨다 (S8). 이 충전재 (57) 는 투명액 (16) 에 상당하는 것이다. 즉, 이 단계 S8 은, 충전재 (57) 를 대전시키고, 상부 ITO 전극 (54) 에 충전재 (57) 와는 역전하의 전압을 인가하여, 충전재 (57) 를 상면 (51a) 으로부터 용기 내에 유입시키는 액체 유입 단계에 상당한다. 이와 같은 액체 유입 방법에 의하면, 이른바 일렉트로웨팅 현상에 의해, 상부 ITO 전극 (54) 에 대한 충전재 (57) 의 젖음성이 향상되어, 충전재 (57) 의 유입이 촉진된다.
다음으로, 도 13(a) 에 나타내는 바와 같이, 하부 ITO 전극 (52) 에 플러스의 전압을 인가한다. 또한, 상부 ITO 전극 (54) 을 GND 에 인가한다 (접지한다). 그리고, 충전재 (57) 를 공극 (51) 내에 충전한다 (S9). 즉, 이 단계 S9 는, 상부 ITO 전극 (54) 에 충전재 (57) 와 동전하의 전압을 인가하고, 하부 ITO 전극 (52) 에 충전재 (57) 와는 역전하의 전압을 인가하여, 충전재 (57) 를 용기 내에 충전하는 액체 충전 단계에 상당한다. 이와 같은 액체 충전 방법에 의하면, 이른바 일렉트로웨팅 현상에 의해, 하부 ITO 전극 (52) 에 대한 충전재 (57) 의 젖음성이 향상되어, 충전재 (57) 가 하부 ITO 전극 (52) 주변에 간극없이 충전된다.
그리고, 도 13(b) 에 나타내는 바와 같이, 복수의 공극 (51) 의 상면 (51a) 을 폭 방향 및 길이 방향으로 덮도록 하여 UV 경화 수지 (58) 가 형성되고, 공극 (51) 이 봉지된다 (S10). 즉, 이 단계 S10 에 의해, 공극 (51) 내에 충전재 (57) 가 봉입된다. 또한, 도시는 생략하지만, 하부 ITO 전극 (52) 및 상부 ITO 전극 (54) 의 각각에 대하여, 배선 (4) 을 개재하여 제어부 (33) (도 6 참조) 가 접속된다.
이와 같은 일련의 공정에 의해, 도 6 에 나타낸 마이크로 렌즈 어레이 (30) 가 제조된다.
이상 설명한 본 실시형태의 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 액상을 이루는 투명액 (16) 및 기상을 이루는 마이크로 버블 (17) 이 곡률 제어부 (6) 에 의해 온도 조절된다. 그리고, 온도 조절된 투명액 (16), 마이크로 버블 (17) 이 열팽창 또는 열수축함으로써, 투명액 (16) 과 마이크로 버블 (17) 사이에 형성되는 곡면 형상의 계면 (B) 의 형상이 변화된다. 따라서, 계면 형상의 제어가 가능해져, 원하는 계면 형상을 형성할 수 있다. 또한, 온도 조절을 위해서 전류 인가에 의한 줄열을 이용하기 때문에, 용기 (10) 내의 투명액 (16) 이나 마이크로 버블 (17) 에 직접 전압을 인가하여 이들의 표면 장력을 변화시키는 경우에 비해, 인가 전압을 저감시킬 수 있다. 따라서, 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 인가 전압을 저감시키면서 원하는 계면 형상을 형성할 수 있다.
예를 들어, 직접 전압을 인가하는 종래의 일렉트로웨팅 방식에서는 100 V 정도의 전압이 필요했던 반면, 본 실시형태에서는 5 V 정도로 현격히 낮은 전압으로 계면 (B) 의 형상을 제어할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 기상을 이루는 마이크로 버블 (17) 은, 용적당 질량이 작기 (밀도가 낮기) 때문에 중력의 영향을 잘 받지 않는다. 따라서, 계면 (B) 의 형상을 양호한 정밀도로 제어할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 투명액 (16) 및 마이크로 버블 (17) 이 곡률 제어부 (6) 에 의해 열팽창 또는 열수축하기 때문에, 계면 (B) 의 형상이 변화되기 쉬워진다. 따라서, 계면 형상의 제어가 가능해진다.
또한, 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 곡률 제어부 (6) 에 의해 계면 (B) 의 곡률이 제어되기 때문에, 용기 (10) 에 광을 투과시키는 경우의 굴절력 (φ) 을 제어할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 히터 (12) 의 중앙에 있는 협폭부 (12e) 에서는 전기 저항이 커지기 때문에, 이 협폭부 (12e) 의 온도는 히터 (12) 중에서 가장 높아진다. 따라서, 히터 (12) 의 중앙 부근에 있는 투명액 (16) 이나 마이크로 버블 (17) 을, 작은 전류로 충분히 가열할 수 있다. 이로써, 투명액 (16) 이나 마이크로 버블 (17) 을 용이하게 열팽창 및 상변화시킬 수 있어, 투명액 (16) 이나 마이크로 버블 (17) 의 형상의 제어가 용이해진다.
또한, 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 투명액 (16) 은, 제 1 측벽 (11a) 과 제 2 측벽 (11b) 사이에 있어서, 입사측 마이크로 버블 (17a) 및 출사측 마이크로 버블 (17b) 에 의해 양측으로부터 사이에 끼워지도록 배치된다. 그 때문에, 제 1 측벽 (11a) 과 제 2 측벽 (11b) 의 각각으로부터 용기 (10) 의 안쪽을 향하여 볼록해진 형상의 2 면의 계면 (B) 이 형성된다. 따라서, 이와 같은 2 면의 계면 (B) 에 의해, 제 1 측벽 (11a) 과 제 2 측벽 (11b) 사이에 오목 렌즈를 형성할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 히터 (12) 로의 통전 시간 (t) 이나 인가 전류 (I) 의 크기에 의해 마이크로 버블 (17) 의 반경 (r) 을 용이하게 컨트롤할 수 있기 때문에, 렌즈의 굴절력 (φ) 을 크게 변화시킬 수 있다. 또한, 굴절력 (φ) 은 마이크로 버블 (17) 의 돔 부분 (19) 의 반경 (r) 에만 의존하므로, 투명액 (16) 의 액질이 변화된 경우에도, 인가 전류 (I) 를 변경하는 것만으로 굴절력 (φ) 을 용이하게 수정할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 액상과 기상에 의해 계면 (B) 이 형성되기 때문에, 액상끼리의 경우와 같이 서로 섞이는 경우가 없어, 계면 (B) 을 용이하게 형성할 수 있음과 함께, 물질의 변질도 적다. 또한, 상기와 같이 기상은 중력의 영향을 잘 받지 않기 때문에, 용기 (10) 를 작게 하면 할수록, 중력에 대하여 로버스트 (robust) 하게 된다. 그리고 또한, 용기 (10) 의 외부로의 열방출과 히터 (12) 에 의한 가열의 밸런스에 의해 마이크로 버블 (17) 의 크기나 형상이 정해지기 때문에, 계면 (B) 의 형상을 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이 (30) 에 의하면, 각 마이크로 렌즈 (1) 에 있어서, 용기 (10) 내에 형성되는 계면 (B) 의 형상을 제어할 수 있다. 따라서, 각 마이크로 렌즈 (1) 의 굴절력을 자유롭게 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 광원 (35) 을 배열하고 각 광원 (35) 에 대응시켜 마이크로 렌즈 (1) 를 배열하면, 복수의 광원 (35) 으로부터 출사되는 광을 자유롭게 집광 또는 확산시킬 수 있다.
그리고 또한, 본 실시형태의 마이크로 렌즈 어레이 (30) 의 제조 방법에 의하면, 액체 유입 단계 S8 에서, 대전시킨 충전재 (57) 를 상면 (51a) 으로부터 공극 (51) 에 유입시킴에 있어서, 상면 (51a) 에 형성된 상부 ITO 전극 (54) 에는, 충전재 (57) 와는 역전하의 전압이 인가된다. 그 때문에, 상부 ITO 전극 (54) 의 표면에 접하는 충전재 (57) 의 젖음성이 향상된다. 따라서, 상면 (51a) 으로부터의 충전재 (57) 의 유입을 순조롭게 실시할 수 있다. 또한, 액체 충전 단계 S9 에서는, 상부 ITO 전극 (54) 에 충전재 (57) 와 동전하의 전압이 인가되고, 하부 ITO 전극 (52) 에 충전재 (57) 와는 역전하의 전압이 인가된다. 그 때문에, 하부 ITO 전극 (52) 의 표면에 접하는 충전재 (57) 의 젖음성이 향상된다. 따라서, 저면 (51b) 의 주변에 있어서 구석구석까지 충전재 (57) 를 충전할 수 있다.
이와 같은 광학 소자의 제조 방법에 의하면, 용기 (10) 가 작은 경우에도, 용기 (10) 의 구석구석까지 충전재 (57) 를 고루 미치게 할 수 있다. 따라서, 마이크로 렌즈 (1) 및 마이크로 렌즈 어레이 (30) 를 바람직하게 제조할 수 있다.
(제 2 실시형태)
도 14 는, 제 2 실시형태에 관련된 마이크로 렌즈의 용기 부분의 측단면도이다. 도 14 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 마이크로 렌즈 (1A) 가 도 1 및 도 2 에 나타낸 제 1 실시형태의 마이크로 렌즈 (1) 와 상이한 점은, 상부벽 (11c) 및 하부벽 (11d) 에도 발열부로서의 히터 (12A) 를 구비한 점이다. 히터 (12A) 는, 상부벽 (11c) 및 하부벽 (11d) 의 내벽면 상에 형성되어 있고, 제 2 측벽 (11b) 의 근방으로부터 벽 (11c, 11d) 의 중앙 부근까지 두께 방향으로 연장되어 있다. 또한, 히터 (12A) 를 덮도록 하여 절연막 (13A) 이 형성되어 있다. 또한 도 14 에서는, 제어부 (3) 에 대해서는 도시를 생략하였다 (이하, 도 15, 도 16, 도 18, 및 도 19 에 있어서도 마찬가지로 한다).
이와 같은 마이크로 렌즈 (1A) 에 의하면, 입사측 마이크로 버블 (17a) 과 출사측 마이크로 버블 (17b) 을 비대칭의 형상으로 할 수 있다. 구체적으로는, 출사측 마이크로 버블 (17b) 을, 제 2 측벽 (11b) 의 주변뿐만 아니라, 벽 (11c, 11d) 의 주변에까지 배치할 수 있어, 반경 (r) 을 크게 할 수 있다. 이와 같이 하면, 입사측 마이크로 버블 (17a) 의 곡률을 크게 하는 한편, 출사측 마이크로 버블 (17b) 의 곡률을 작게 하는 것과 같은 제어가 가능해진다.
(제 3 실시형태)
도 15 는, 제 3 실시형태에 관련된 마이크로 렌즈의 용기 부분의 측단면도이다. 도 15 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 마이크로 렌즈 (1B) 가 도 1 및 도 2 에 나타낸 제 1 실시형태의 마이크로 렌즈 (1) 와 상이한 점은, 상부벽 (11c) 및 하부벽 (11d) 에 냉각부로서의 펠티에 소자 (20) 를 매설한 점이다. 이 펠티에 소자 (20) 는, 상부벽 (11c) 및 하부벽 (11d) 의 거의 전체면에 걸쳐 매설되어 있어도 되고, 일부에 매설되어 있어도 된다.
이와 같은 마이크로 렌즈 (1B) 에 의하면, 펠티에 소자 (20) 에 의해 용기 (10) 내의 마이크로 버블 (17) 을 효율적으로 냉각시킬 수 있고, 흡열 과정의 응답 속도를 높일 수 있다. 따라서, 발열과 흡열의 전환시의 응답 성능이 향상되고, 마이크로 버블 (17) 의 크기를 신속히 제어할 수 있다. 또한 본 실시형태에서는, 흡열이 일어나는 경로는, 마이크로 버블 (17), 투명액 (16), 벽 (11c, 11d), 펠티에 소자 (20) 의 순서가 된다.
(제 4 실시형태)
도 16 은, 제 4 실시형태에 관련된 마이크로 렌즈의 용기 부분의 측단면도이다. 도 16 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 마이크로 렌즈 (1C) 가 도 15 에 나타낸 제 3 실시형태의 마이크로 렌즈 (1B) 와 상이한 점은, 상부벽 (11c) 및 하부벽 (11d) 의 각각에 있어서, 두께 방향으로 서로 이간되어 병설된 복수의 미소한 발열부인 히터 (22a ? 22i) 및 히터 (23a ? 23i) 를 구비한 점이다. 이 히터 (22a ? 22i) 및 히터 (23a ? 23i) 는, 상부벽 (11c) 및 하부벽 (11d) 의 거의 전체면에 걸쳐 형성되어 있어도 되고, 일부에 형성되어 있어도 된다. 또한, 히터 (22a ? 22i) 및 히터 (23a ? 23i) 를 덮도록 하여 절연막 (13C) 이 형성되어 있다.
이와 같은 마이크로 렌즈 (1C) 에 의하면, 히터 (22a ? 22i) 및 히터 (23a ? 23i) 에 의해 상부벽 (11c) 및 하부벽 (11d) 에 있어서의 투명액 (16) 에 의한 젖음 상태 (또는 마이크로 버블 (17) 의 발생 상태) 를 부분적으로 세밀하게 제어할 수 있다. 도 16 에 나타내는 예에서는, 상부벽 (11c) 측의 일부의 히터 (22f ? 22i) 와 하부벽 (11d) 측의 모든 히터 (23a ? 23i) 를 온으로 함으로써, 온으로 한 히터의 근방에 있어서 절연막 (13C) 벽면의 젖음성이 향상됨과 함께 마이크로 버블 (17) 의 발생이 진행되어, 도 16 에 나타내는 바와 같은 계면 (B) 을 형성할 수 있다. 따라서, 광의 출사 각도를 제어할 수 있게 된다.
마이크로 렌즈 (1C) 에서는, 상기와 같이 광의 출사 각도를 제어할 수 있기 때문에, 마이크로 렌즈 (1C) 를 복수 배열시켜, 도 8 에 나타낸 광학계 시스템 (100) 과 동일한 시스템을 구성한 경우에는, 초점 거리를 가변으로 할 수 있다. 그리고, 이와 같은 시스템을 차량용 헤드 업 디스플레이 (HUD) 에 적용한 경우, HUD 표시 중에서 먼 표시 이미지와 가까운 표시 이미지를 구분하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 도 17(a) 에 나타내는 통상적인 표시 상태에서는, 차속을 나타내는 「75 ㎞/h」가 운전자 전방의 소정 위치에 표시된다. 한편, 경보 (워닝 정보) 를 표시하는 등의 비상시의 표시 상태에서는, 도 17(b) 에 나타내는 바와 같이, 운전자로부터 가까이에 보이도록 비상시의 메시지 「엔진 이상」가 표시된다. 이와 같이 하여, 비상시에는 워닝 정보를 가까운 표시 이미지로서 표시시켜, 당해 정보를 운전자에게 신속히 알아보게 할 수 있다.
(제 5 실시형태)
도 18 은, 제 5 실시형태에 관련된 마이크로 렌즈의 용기 부분의 측단면도이다. 도 18 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 마이크로 렌즈 (1D) 가 도 1 및 도 2 에 나타낸 제 1 실시형태의 마이크로 렌즈 (1) 와 상이한 점은, 용기 (10) 를 2 개 구비하고, 그 2 개의 용기 (10) 의 제 1 측벽 (11a) 끼리를 접합한 점과, 제 1 측벽 (11a) 의 주변에만 마이크로 버블 (17D) 이 배치되어 있고, 제 2 측벽 (11b) 의 주변에는 마이크로 버블이 배치되어 있지 않은 점이다.
보다 상세하게는, 마이크로 렌즈 (1D) 에서는, 제 1 측벽 (11a) 측에 형성된 히터 (12) 를 온으로 하고, 제 2 측벽 (11b) 측에 형성된 히터 (12) 를 오프로 하고 있다. 이와 같이 하면, 제 1 측벽 (11a) 의 주변에만 마이크로 버블 (17D) 을 발생시킬 수 있다.
이와 같은 마이크로 렌즈 (1D) 에 의하면, 접합된 제 1 측벽 (11a) 을 단면에 포함하는 것과 같은, 2 개의 용기 (10) 에 걸친 볼록 렌즈를 형성할 수 있다. 나아가서는, 마이크로 렌즈 (1D) 를 길이 방향으로 배열함으로써, 도 19 에 나타내는 바와 같은 볼록 렌즈 어레이 (80) 를 구성할 수도 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 실시형태에서는, 용기 (10) 의 6 면의 벽부 모두가 투명 절연막에 의해 형성되는 경우에 대하여 설명했지만, 측벽 (11a, 11b) 만이 투명 절연막에 의해 형성되어 있어도 된다. 즉, 측벽 (11a, 11b) 이외의 4 면은, 불투명한 절연막에 의해 형성되어 있어도 된다.
또한 상기 실시형태에서는, 투명액 (16) 및 마이크로 버블 (17) 이 곡률 제어부 (6) 에 의해 온도 조절되는 경우에 대하여 설명했지만, 투명액 (16) 및 마이크로 버블 (17) 중 어느 일방이 곡률 제어부 (6) 에 의해 온도 조절되어도 된다.
본 발명에 의하면, 인가 전압을 저감시키면서 원하는 계면 형상을 형성할 수 있다.
1, 1A, 1B, 1C, 1D … 마이크로 렌즈 (광학 소자)
6 … 곡률 제어부 (계면 형상 제어 수단)
10 … 용기
11a … 제 1 측벽 (제 1 벽부)
11b … 제 2 측벽 (제 2 벽부)
12 … 히터 (발열부)
12e … 협폭부
16 … 투명액 (제 1 투명 물질)
17, 17a, 17b … 마이크로 버블 (제 2 투명 물질)
30 … 마이크로 렌즈 어레이 (광학 소자 어레이)
36 … 곡률 제어부 (계면 형상 제어 수단)
B … 계면
Κ, Κ1, Κ2 … 곡률

Claims (9)

  1. 광을 투과시키는 용기와,
    상기 용기 내에 수용되어 제 1 상 (相) 을 이루는 제 1 투명 물질과,
    상기 용기 내에 수용되어 상기 제 1 상과는 상이한 제 2 상을 이루고, 상기 제 1 투명 물질과의 사이에 있어서 상기 제 1 투명 물질을 향하여 볼록해진 곡면 형상의 계면을 형성하는 제 2 투명 물질과,
    상기 제 1 투명 물질 및 상기 제 2 투명 물질 중 적어도 일방의 온도 조절을 행함으로써 상기 계면의 형상을 제어하는 계면 형상 제어 수단을 구비한, 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상은 액상이고, 상기 제 2 상은 기상인, 광학 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 계면 형상 제어 수단은, 상기 제 1 투명 물질 및 상기 제 2 투명 물질 중 적어도 일방을 열팽창 또는 열수축시킴으로써 상기 계면의 형상을 제어하는, 광학 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계면 형상 제어 수단은, 상기 계면의 곡률을 제어하는, 광학 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계면 형상 제어 수단은, 상기 용기의 벽부에 형성되어 통전에 의해 발열되는 판 형상의 발열부를 갖고,
    상기 발열부는, 그 중앙에 협폭부를 갖는, 광학 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기는, 서로 대향하는 제 1 벽부와 제 2 벽부를 갖고,
    상기 제 2 투명 물질은, 상기 제 1 벽부의 주변과 상기 제 2 벽부의 주변으로 나누어져 배치되어 있는, 광학 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기를 2 개 구비하고,
    상기 용기의 각각은, 서로 대향하는 제 1 벽부와 제 2 벽부를 갖고,
    상기 용기의 각각에 있어서, 상기 제 2 투명 물질은, 상기 제 1 벽부의 주변에 배치되어 있고,
    2 개의 상기 용기의 상기 제 1 벽부끼리가 접합되어 있는, 광학 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 광학 소자를 복수 배열시킨, 광학 소자 어레이.
  9. 광을 투과시키는 용기 내에 도전성의 액체가 충전된 광학 소자의 제조 방법으로서,
    일방의 면이 개방된 용기를 사용하고, 상기 일방의 면의 위치에 제 1 전극을 형성하고, 상기 일방의 면에 대향하는 타방의 면의 위치에 제 2 전극을 형성하는 전극 형성 단계와,
    상기 액체를 대전시키고, 상기 제 1 전극에 상기 액체와는 역전하의 전압을 인가하여, 상기 액체를 상기 일방의 면으로부터 상기 용기 내에 유입시키는 액체 유입 단계와,
    상기 제 1 전극에 상기 액체와 동전하의 전압을 인가하고, 상기 제 2 전극에 상기 액체와는 역전하의 전압을 인가하여, 상기 액체를 상기 용기 내에 충전하는 액체 충전 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI477847B (zh) * 2011-09-30 2015-03-21 Ibm 透明度調整裝置及具有該透明度調整裝置的顯示系統
CN103454705B (zh) 2012-06-04 2015-07-29 清华大学 液体透镜
KR102624872B1 (ko) * 2016-12-19 2024-01-16 현대자동차주식회사 차량용 헤드램프
US20220196964A1 (en) * 2019-05-31 2022-06-23 Lg Innotek Co., Ltd. Liquid lens

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006527388A (ja) * 2003-05-09 2006-11-30 コーニンクレッカ　フィリップス　エレクトロニクス　エヌ　ヴィ エレクトロウエッティングセル
US7088917B2 (en) * 2004-05-26 2006-08-08 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Bubble macro mode lens
JP2006064947A (ja) 2004-08-26 2006-03-09 Fuji Photo Film Co Ltd 光学素子、レンズユニット、および撮像装置
WO2006054209A1 (en) * 2004-11-17 2006-05-26 Koninklijke Philips Electronics N.V. Fluid ultraviolet lens
FR2887637B1 (fr) * 2005-06-23 2008-02-22 Varioptic Sa Procede de fabrication d'une lentille a focale variable a electromouillage
FR2887638B1 (fr) * 2005-06-23 2007-08-31 Varioptic Sa Lentille a focale variable a variation de pression interne reduite
US20100309560A1 (en) * 2006-02-24 2010-12-09 Agency For Science, Technology And Research Method for Forming Variable Focus Liquid Lenses in a Tubular Housing
JP2007307788A (ja) * 2006-05-18 2007-11-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd スクリーン印刷方法、スクリーン印刷装置
JP5092542B2 (ja) 2007-05-29 2012-12-05 ソニー株式会社 可変回折格子、回折角可変素子、撮像装置、及び、表示装置
CN101884008B (zh) * 2007-12-07 2012-09-19 夏普株式会社 显示元件和其制造方法
JP5360530B2 (ja) * 2008-07-01 2013-12-04 株式会社リコー 液膜光学装置

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