WO2007094259A1 - 光学素子およびレンズアレイ - Google Patents

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WO2007094259A1
WO2007094259A1 PCT/JP2007/052375 JP2007052375W WO2007094259A1 WO 2007094259 A1 WO2007094259 A1 WO 2007094259A1 JP 2007052375 W JP2007052375 W JP 2007052375W WO 2007094259 A1 WO2007094259 A1 WO 2007094259A1
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liquid
electrode layer
optical element
transparent substrate
recess
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PCT/JP2007/052375
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Inventor
Yuichi Takai
Original Assignee
Sony Corporation
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    • G02C—SPECTACLES; SUNGLASSES OR GOGGLES INSOFAR AS THEY HAVE THE SAME FEATURES AS SPECTACLES; CONTACT LENSES
    • G02C3/00—Special supporting arrangements for lens assemblies or monocles

Definitions

  • the present invention relates to an optical element and a lens array using an electrowetting effect (electrocapillarity).
  • the electrowetting effect is a phenomenon in which when a voltage is applied between a conductive liquid and an electrode, the energy at the solid-liquid interface between the electrode surface and the liquid changes and the shape of the liquid surface changes.
  • FIG. 12A and FIG. 12B are principle diagrams for explaining the electrowetting effect.
  • an insulating film 2 is formed on the surface of the electrode 1, and an electrolytic solution droplet 3 is placed on the insulating film 2.
  • the surface of the insulating film 2 is water-repellent.
  • the contact angle ⁇ 0 is an angle between the surface of the insulating film 2 and the tangent of the droplet 3 and depends on properties such as the surface tension of the droplet 3 and the surface energy of the insulating film 2.
  • the surface shape (curvature) of the droplet 3 changes depending on the magnitude of the voltage V applied between the electrode 1 and the droplet 3. Therefore, when the droplet 3 is used as a lens element, an optical element that can electrically control the focal position can be realized.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-356708 proposes a lens array for a strobe device.
  • This is a variable focus lens configured by enclosing insulating liquid droplets and a conductive liquid arranged in an array on a water repellent film on a substrate surface.
  • individual lenses are formed in the shape of the interface between the insulating liquid and the conductive liquid, and each lens shape is electrically controlled using the electrowetting effect to change the focal length. ing.
  • an insulating layer 7 is formed on the lower transparent substrate 5 via the electrode layer 6, and the upper transparent substrate 8 is disposed opposite to the flat surface of the insulating layer 7. Between the insulating layer 7 and the upper transparent substrate 8, a transparent first liquid 9 having electrical conductivity and a transparent second liquid 10 having insulating properties are sealed, respectively.
  • the first and second liquids 9 and 10 have different refractive indexes, have the same specific gravity, and exist independently without being mixed with each other.
  • the central portion of the surface of the insulating layer 7 is a water repellent surface 11, and the second liquid (droplet) 10 spreads wet on the water repellent surface 11 of the surface of the insulating layer 7 and has a vertex on the optical axis 13. Convex lens elements are formed.
  • the region surrounding the water repellent surface 11 on the surface of the insulating layer 7 is covered with the hydrophilic film 12 and is in contact with the first liquid 9.
  • the optical element between the first liquid 9 and the second liquid 10 when no voltage is applied between the electrode layer 6 and the first liquid 9, the optical element between the first liquid 9 and the second liquid 10 is used.
  • the interface shape is as shown by the solid line in FIG. 13, and the second liquid 10 wets and spreads on the water-repellent surface 11 on the surface of the insulating layer 7.
  • the first liquid 9 enters the water-repellent surface 11 from the periphery of the water-repellent surface 11 due to the electrowetting effect.
  • the interface shape between the first liquid 9 and the second liquid 10 changes, for example, as shown by the broken line in FIG.
  • the curvature of the interface between the first and second liquids 9 and 10 is larger in the voltage application state than in the voltage non-application state, the focal length is greater in the voltage application state than in the voltage non-application state. Can be shortened.
  • the electrode layer 6 and the insulating layer 7 are used in order to suppress the deviation (eccentricity) of the optical axis of the droplet 10 constituting the lens element between the non-voltage applied state and the voltage applied state.
  • the electrode layer 6 is formed in a concave shape so that the distance from the surface is longer at the lower position on the center side of the droplet 10 than at the lower position around the droplet 10.
  • a potential distribution is provided between the electrode layer 6 and the surface of the insulating layer 7 so that the movement of the droplet 10 around the optical axis 13 when a voltage is applied can be easily obtained.
  • the movement characteristics of the droplet 10 largely depend on the patterning accuracy between the water-repellent region and the hydrophilic region on the surface of the insulating layer 7. However, it is difficult to accurately perform this patterning, and there are many cases in which individual lens elements vary. Therefore, when individual lens elements are arranged in an array, there is a problem that the optical axes of the individual lens elements are not stable and the characteristics vary.
  • a conical recess (recess) 15 is formed in the insulating layer 7, and a droplet 10 is placed in the recess 15.
  • a lens element that is housed and configured is disclosed.
  • the depression 15 is a circle (TC) that is in contact with the surface of the depression 15 at both the point of the surface as well as the symmetry point (CP2) at the point of contact of the drop 10 and the depression 15 (CP1). It is formed at this position so as to have a curvature smaller than or opposite to the curvature of the above. In this way, the droplet 10 is stored in the recess 15. This improves the centering property of the droplet 10 and suppresses the deviation (eccentricity) of the optical axis.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and is easy to manufacture and capable of fine processing.
  • Optical technology that can suppress variations in the optical axis due to processing accuracy and eccentricity of droplets during voltage driving. It is an object to provide an element and a lens array.
  • an optical element according to the present invention is an optical element in which droplets are accommodated in a hermetic cell, and the corner for accommodating the droplets is contained in the cell. A conical recess is formed.
  • the concave portion for accommodating the droplet is formed in a pyramid shape, whereby the centering property of the droplet accommodated in the concave portion can be improved, and the lens element formed by the droplet. Variation in the optical axis can be suppressed. In addition, the optical axis can be held stably to prevent the eccentricity of the droplet during voltage driving. Furthermore, it is easier to manufacture than the case where the concave portion is conical, and the fine processing of the concave portion is also possible.
  • a lens array can be configured by two-dimensionally arranging the concave portions.
  • the concave portions are formed in a pyramid shape, the concave portions can be arranged densely in the plane, and a lens surface having a large effective area can be maintained as the entire lens array.
  • the concave portion can be formed in a quadrangular pyramid or a quadrangular pyramid shape, but is not limited thereto, and a triangular pyramid, a hexagonal pyramid, or a truncated pyramid shape is applicable.
  • the truncated pyramid shape includes an inverted pyramid shape in which the opening side of the concave portion is larger in area than the bottom portion, and a pyramid shape in which the opening side of the concave portion is smaller in area than the bottom portion.
  • the inclination angles of the inclined surfaces constituting the inner peripheral surface of the recess may be substantially the same, or some of them may be inclined surfaces having different inclination angles.
  • the quadrangular shape is not limited to a square shape, and may be a rectangular shape or a parallelogram shape.
  • anisotropic wet etching is preferably applied to the surface of a single crystal substrate such as silicon or a metal plate, whereby a predetermined inclination angle is formed on each peripheral surface of the recess. Can be easily and properly applied.
  • the present invention is not limited to this, and a dry etching process or a laser cutting method can also be used.
  • the cell according to the present invention includes a pair of transparent substrates, a liquid chamber formed between the pair of transparent substrates, and first and second liquid crystals filled in the liquid chamber and having different refractive indexes. And an electrode layer disposed in the liquid chamber and having a surface covered with an insulating film.
  • the first liquid is electrically conductive and the second liquid is insulative and exists in the liquid chamber without being miscible with each other.
  • the recess is formed in the surface of the electrode layer, and the recess contains either one of the first and second liquids! RU
  • the interface force between these first and second liquids functions as an S lens surface.
  • the shape of the lens surface is determined by the volume and interface tension of each of the first and second liquids, and the shape of the lens surface can be changed by utilizing the electrowetting effect.
  • an electrolytic solution is used as the conductive first liquid
  • silicone oil is used as the insulating second liquid.
  • a droplet having a second liquid force is accommodated in the pyramid-shaped recess.
  • the pyramid-shaped recess is joined to the pyramid-shaped through hole formed on the surface of the first electrode layer and one surface of the first electrode layer, and one end of the through-hole.
  • a first transparent substrate that closes the substrate.
  • the first electrode layer for example, a single crystal silicon substrate can be used.
  • the surface of the first electrode layer including the recess is covered with an insulating film.
  • the first electrode layer is opposed to the second transparent substrate via a sealing layer formed in a shape surrounding the recess.
  • the first electrode layer and the second transparent substrate can constitute the cell according to the present invention.
  • the first and second liquids are sealed inside the cell, and the insulating second liquid is accommodated inside the recess.
  • First electrode layer and second Between the transparent substrate, a second electrode layer in contact with the conductive first liquid is provided.
  • the second electrode layer can be a transparent electrode layer formed on the inner surface side of the second transparent substrate.
  • the first and second liquid-powered lens elements enclosed in the hermetic cell can be easily and finely manufactured and the processing accuracy can be improved.
  • the resulting variation in the lens optical axis can be suppressed.
  • the area of the partition wall that partitions the lenses can be reduced, so that the effective area of the lens can be increased.
  • FIG. 1 is a side sectional view showing a schematic configuration of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view for explaining a method of forming a pyramid-shaped through hole for a silicon substrate constituting the optical element.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the drive voltage applied to the optical element and the focal length.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of a lens array according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a sectional side view of a main part of the lens array.
  • FIG. 6 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a lens array.
  • FIG. 7 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a lens array.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part for explaining a modification of the shape of the recess.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part for explaining another modification of the shape of the recess.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a hexagonal pyramid-shaped recess.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a concave portion having a rectangular opening shape.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram of the electrowetting effect (electrocapillary phenomenon).
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a principal part showing a schematic configuration of a conventional optical element.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a principal part showing a schematic configuration of another conventional optical element.
  • FIG. 1 is a side sectional view showing a schematic configuration of an optical element 20 according to the first embodiment of the present invention.
  • a first liquid 31 and a second liquid 32 are accommodated in a liquid chamber 27 formed in a hermetic cell 30, and the first liquid 31 and the second liquid 32 are contained in the liquid chamber 27.
  • a liquid lens element in which a lens surface is formed by the interface 33 of the liquid 32 is configured.
  • a transparent liquid having conductivity is used.
  • an electrolytic solution an aqueous solution of an electrolyte such as salty potassium, salty sodium, or lithium chloride
  • a molecular weight Small alcohols such as methyl alcohol and ethyl alcohol
  • polar liquids such as room temperature molten salts (ionic liquids)
  • the second liquid 32 a transparent liquid having an insulating property is used.
  • An organic solvent can be used.
  • the first and second liquids 31 and 32 are selected from materials having different refractive indexes and capable of existing in the liquid chamber 27 without being mixed with each other. Specifically, in the present embodiment, an aqueous lithium chloride solution (concentration 3.66 wt%, refractive index 1.34) is used as the first liquid 31, and silicone oil (TSF437 manufactured by GE Toshiba Silicone Co., Ltd.) is used as the second liquid 32. Refractive index 1. 4 9) is used.
  • the first and second liquids 31 and 32 preferably have the same specific gravity.
  • the “first liquid” is referred to as the electrolytic solution 31, and the “second liquid” is referred to as the droplet 32.
  • the cell 30 includes a pair of upper and lower transparent substrates 23 and 24.
  • the first electrode layer 21 is bonded to the inner surface side of the lower transparent substrate 23 as the first transparent substrate
  • the second electrode layer 22 is bonded to the inner surface side of the upper transparent substrate 24 as the second transparent substrate. It is joined. Then, the first and second electrode layers 21 and 22 are bonded to each other via the sealing layer 25, whereby the cell 30 having the liquid chamber 27 inside is configured.
  • the support plate 29 in which the light transmitting holes 29a are formed is joined.
  • the pair of transparent substrates 23 and 24 can be formed of a glass substrate, a non-conductive plastic substrate, a film, a sheet, or the like.
  • the sealing layer 25 can be made of a material that can ensure liquid tightness, such as rubber or resin material.
  • the electrode layers 21 and 22 can be made of metal, conductive oxide, semiconductor material, or the like.
  • a through hole 21a having an inverted quadrangular pyramid shape is formed in the first electrode layer 21, and an opening 22a having an opening diameter equivalent to the large diameter portion of the through hole 21a is formed in the second electrode layer 22.
  • the through hole 21a, the opening 22a, and the light transmitting hole 29a of the support plate 29 are aligned on the optical axis 35, and serve as an entrance or an exit for light transmitted through the cell 30, respectively.
  • the first electrode layer 21 is a single crystal silicon substrate.
  • the single crystal silicon substrate an N-type substrate or a P-type substrate to which a necessary amount of dopant (impurity ions) necessary for obtaining predetermined conductivity is added is used. Depending on the specifications, a non-doped single crystal silicon substrate may be used.
  • an anisotropic wet etching method is suitable.
  • a single crystal silicon substrate such as silicon is used for the first electrode layer 21
  • etching selectivity depending on the crystal orientation occurs.
  • each inner peripheral surface of the through hole 21a can be easily formed by an inclined surface (tapered surface) having a predetermined inclination angle.
  • the inner peripheral surface of the through hole 21a is a crystal surface, the flatness is excellent. Therefore, the electrolyte solution 31 can be moved smoothly by the electrowetting effect, and the shape of the interface 33 can be easily changed.
  • an inner peripheral surface composed of an inclined surface ( ⁇ 111 ⁇ surface) having an inclination angle ⁇ force of 5 ° with the (100) surface of the silicon substrate as the processing surface.
  • a through-hole 21a having an inverted quadrangular pyramid shape is formed.
  • the through-hole 21a is not limited to a regular quadrangular pyramid shape, and may be a rectangular shape in plan view.
  • reference numeral 36 denotes a mask pattern.
  • the entire surface including the through hole 21 a of the first electrode layer 21 is covered with an insulating film 26.
  • the insulating film 26 is not particularly limited as long as it is an insulating material, and a material having a relatively high dielectric constant is preferably selected.
  • the insulating film 26 is thin to obtain a relatively large capacitance. Although it is preferable, it is necessary that the film thickness be equal to or greater than that which can ensure insulation strength.
  • Examples of the material having a relatively high dielectric constant include, but are not limited to, a force that can include metal oxides such as acid tantalum and acid titanium.
  • the method for forming the insulating film 26 is not particularly limited, and various coating methods such as a plating method, an electrodeposition method, a coating method, and a dip method can be adopted in addition to a vacuum thin film forming method such as a sputtering method, a CVD method, and an evaporation method. It is.
  • the insulating film 26 is formed on the inner surface side of the first electrode layer 21 at least!
  • the insulating film 26 preferably has water repellency in the inner peripheral region of the through hole 21a with which the droplet 32 contacts.
  • the method for forming the water-repellent film include a method of forming polyparaxylylene by the CVD method, and a method of coating the surface of the electrode layer with a material such as PVdF or PTFE that is a fluorine-based polymer.
  • the insulating film 26 may be formed of a laminated structure in which a plurality of high dielectric constant materials and water repellent materials are combined.
  • the method of forming the through hole 21a in the first electrode layer 21 is not limited to the above example.
  • a laser processing method, a cutting method, or another machining method can be applied.
  • the opening 22a can be formed in the second electrode layer 22 by the same method as in the above example.
  • the liquid chamber 27 includes an internal space of the recess 28 formed by the through hole 21a of the first electrode layer 21 and the lower transparent substrate 23, an internal space of the opening 22a of the second electrode layer 22, and the first It is formed by a gap between the electrode layer 21 and the second electrode layer 22 (corresponding to the thickness of the sealing layer 25).
  • the entire volume of the liquid chamber 27 is occupied by the electrolytic solution 31 and the droplet 32.
  • the electrolytic solution 31 is in contact with the second electrode layer 22, and the droplet 32 is accommodated in the recess 28.
  • a voltage supply source 34 is provided between the first electrode layer 21 and the second electrode layer 22.
  • the shape of the interface 33 between the electrolytic solution 31 and the droplet 32 is spherical or aspherical, and the curvature thereof varies depending on the magnitude of the voltage supplied to the voltage supply source 34.
  • the interface 33 constitutes a lens surface having a lens power corresponding to the refractive index difference between the electrolytic solution 31 and the droplet 32. Therefore, by adjusting the magnitude of the voltage applied between the first electrode layer 21 and the electrolytic solution 31, it becomes possible to change the focal length of the light incident along the optical axis 35.
  • FIG. 3 shows the relationship between the applied voltage and the focal length.
  • the vertical axis represents the reciprocal of the focal length f
  • the horizontal axis represents the applied voltage.
  • the shape of the recess 28 in which the droplet 32 is stored is formed in a pyramid shape, it is stored in the recess 28.
  • the centering property of the droplet 32 can be improved. Thereby, the optical axis of the droplet 32 can be stably held, and the eccentricity of the droplet 32 during voltage driving can be prevented.
  • the base of the insulating film constituting the inner peripheral surface of the recess 28 is configured by the first electrode layer 21, this is the fact that the electrolyte 31 is surrounded by the periphery of the recess 28 when voltage is applied.
  • the guide function of moving along the surface of the droplet 32 is greatly contributed to the improvement of the centering property of the droplet 32.
  • the recess 28 is composed of etching marks formed on the surface of the first electrode layer 21, the recess can be easily and accurately formed. As a result, variations in the optical axis due to machining errors can be suppressed.
  • the interface shape between the liquid droplet 32 accommodated in the concave portion 28 and the electrolytic solution 31 can be aspherical in the vicinity of the periphery of the concave portion 28.
  • the optical element 20 of the present embodiment can be applied as an aspheric lens element for correcting camera distortion (barrel aberration, pincushion aberration), for example.
  • distortion include barrel aberration and pincushion aberration.
  • FIG. 4 and 5 show a schematic configuration of a lens array 40 including an optical element according to the present invention.
  • 4 is an exploded perspective view of the lens array 40
  • FIG. 5 is a schematic sectional side view of the lens array 40. As shown in FIG.
  • the lens array 40 is configured by two-dimensionally arranging a plurality of optical elements (liquid lens elements) described in the first embodiment.
  • 5 shows an example in which two liquid lens elements are juxtaposed in the cell 50 for convenience of explanation.
  • the lens array 40 of the present embodiment accommodates a silicon substrate 41 as a first electrode layer, an upper transparent substrate 44 bonded to the silicon substrate 41 via a seal ring 45, and the silicon substrate 41. And a housing 49 to be provided.
  • the silicon substrate 41 has a rectangular shape, and a plurality of through-holes 41a having an inverted quadrangular pyramid shape are two-dimensionally formed in the plane. Between the silicon substrate 41 and the upper transparent substrate 44, a liquid chamber 47 filled with an electrolytic solution 51 that also has a conductive first liquid force and a droplet 52 that also has an insulating second liquid force is formed. ing. A lower transparent substrate 43 is bonded to the lower surface of the silicon substrate 41, and the bottom of the through hole 41a is closed by the lower transparent substrate 43, so that a plurality of recesses arranged two-dimensionally in the liquid chamber 47 are formed. 48 is formed.
  • the region including the recess 48 on the surface of the silicon substrate 41 is covered with an insulating film 46.
  • water-repellent polyparaxylylene is used as the insulating film 46.
  • droplets 52 are accommodated in the individual recesses 48, and the remaining areas are filled with the electrolytic solution 51.
  • the electrolyte solution 51 and the droplet 52 have the same specific gravity and are present in the liquid chamber 47 without being mixed with each other, thereby forming a spherical or aspherical interface 53 therebetween. ing.
  • the electrolytic solution 51 and the liquid droplet 52 constitute a lens element having different refractive indexes and having lens power corresponding to the refractive index difference at the interface 53.
  • a transparent electrode film 42 as a second electrode layer is formed on the inner surface of the upper transparent substrate 44.
  • the transparent electrode film 42 is made of a transparent conductive metal oxide such as ITO (Indium Tin Oxide) or IZO (Indium Zinc Oxide).
  • a wiring member 55 connected to one terminal of the voltage supply source 54 is bonded to the transparent electrode film 42 via a conductive paste or an anisotropic conductive film.
  • a flexible wiring board or the like is used for example.
  • the electrolytic solution 51 in the liquid chamber 47 is in contact with the transparent electrode film 42, and a voltage can be applied between the silicon substrate 41 and the electrolytic solution 51 with the insulating film 46 interposed therebetween.
  • the shape of the interface 53 varies depending on the magnitude of the voltage applied between the silicon substrate 41 and the electrolyte 51. Therefore, the focal length of the lens element is controlled by adjusting the magnitude of this voltage.
  • the casing 49 is formed of an insulating material such as a plastic material, for example, and has openings on the upper surface and the lower surface.
  • the upper edge of the casing 49 is bonded to the peripheral edge of the lower surface of the upper transparent substrate 44 through an adhesive 56 such as an ultraviolet curable adhesive.
  • the lower end of the casing 49 is bent inward, and a metal electrode 57 is attached to the edge by a technique such as force squeezing or bonding.
  • the metal electrode 57 is formed of a metal plate such as a copper plate and is connected to the other terminal of the voltage supply source 54. Further, the metal electrode 57 is joined to a contact electrode 58 formed on the lower surface of the silicon substrate 41.
  • the lens array 40 of the present embodiment configured as described above, it is accommodated inside each recess 48 depending on the magnitude of the voltage applied between the silicon substrate 41 and the transparent electrode film 42. It becomes possible to simultaneously change the shape of the interface 53 between the droplet 52 and the electrolytic solution 51. As a result, a sheet-like liquid lens element can be formed, and can be used, for example, as a focus variable element for a surface light source such as a strobe device of a camera.
  • the shape of the concave portion 48 that accommodates the droplet 52 is a quadrangular pyramid shape, the concave portion 48 can be densely arranged on the surface of the silicon substrate 41, and the partition wall area that partitions the lens can be reduced. Reduction can be achieved. As a result, it is possible to secure a lens surface having a large effective area as the entire lens array.
  • FIG. 6 and 7 are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the lens array 40.
  • a contact electrode 58 is formed on one surface (lower surface) of the silicon substrate 41.
  • the lower surface of the silicon substrate 41 is a surface to which the lower transparent substrate 43 is bonded, and a thin film such as Ti or Cr is formed as an adhesion layer.
  • the contact electrode 58 is formed by patterning a metal thin film having a stable surface such as Pt or Au after the formation of the adhesion layer by vacuum deposition or the like.
  • the contact electrode 58 is preferably formed relatively thick in order to achieve contact conduction with the metal electrode 57 attached to the lower edge of the casing 49. Therefore, the contact electrode 58 may be made thicker by forming a plating film on the surface after forming a metal thin film such as Pt or Au.
  • the contact electrode 58 can also be used as a positioning mark indicating a cutting position when the silicon substrate 41 is diced.
  • the contact electrode 58 may be formed so as to form a double line sandwiching a dicer (dicing saw).
  • the contact electrode 58 can also be used to identify the non-formed surface of the insulating film in the insulating film forming process described later.
  • the lower transparent substrate 43 is composed of a glass substrate.
  • a glass substrate having a low expansion coefficient such as silicoborate glass represented by Pyrex glass (“Pyrex” is a registered trademark) is suitable.
  • Pyrex silicoborate glass represented by Pyrex glass
  • borosilicate glass has a low softening point, anodic bonding to the silicon substrate 41 is possible, and good adhesion can be obtained.
  • low melting point glass is used as a method of joining the silicon substrate 41 and the lower transparent substrate 43. It is also possible to employ a method of joining using the adhesive, a method of activating the surface by plasma irradiation and joining. Even a resin adhesive can be used as long as it is V, which is not affected by the electrolytic solution 51 or the droplet 52.
  • a step of forming a pyramidal recess 48 in the silicon wafer 41 is performed by an anisotropic wet etching method.
  • a mask pattern having an opening at which the recess 48 is formed is preliminarily formed on the other surface (upper surface) of the silicon substrate 41.
  • a KOH (potassium hydroxide) solution is used as the etchant, and a silicon nitride film is suitable for the mask pattern in this case.
  • the etching solution is not limited to this, and an alkaline solution used for anisotropic wet etching of a silicon substrate can be used, and a mask material is also selected according to the type of the solution.
  • an inverted quadrangular pyramid-shaped recess 48 in which the quadrangular pyramid is inverted is formed.
  • the etching solution penetrates the silicon substrate 41 and the etching is completed on the surface of the lower transparent substrate 43.
  • the bottom surface of the recess 48 becomes a glass window, which becomes the opening surface of the lens element.
  • the concave portion 48 is formed in a state where the lower transparent substrate 43 is bonded to the lower surface of the silicon substrate 41, the bottom portion of the concave portion 48 becomes flat, and a lens element with small aberration can be formed.
  • a dicing process for dividing the silicon substrate 41 into individual pieces is performed.
  • dicing is performed between the contact electrodes 58 formed in a double line shape at a predetermined interval on the lower surface of the silicon substrate 41.
  • a step of forming an insulating film 46 on the upper surface of the separated silicon substrate 41 is performed.
  • the insulating film 46 is also formed on the surface of the recess 48 formed in the silicon substrate 41. Since the insulating film 46 is formed on a surface with many steps, a material with excellent coverage is suitable.
  • water-repellent polyparaxylylene is formed by vacuum deposition. A filming method is employed.
  • the driving voltage of the lens element greatly depends on the film thickness of the insulating film 46. That is, the smaller the film thickness of the insulating film 46, the larger the capacitance between the electrolytic solution 51 and the silicon substrate 41, and the driving voltage of the lens element can be reduced. Since the recess 48 is formed by anisotropic wet etching with respect to the silicon substrate 41, the tapered inner peripheral surface of the recess 48 is flattened with a nanoscale. Therefore, the thickness of the insulating film 46 can be controlled with high accuracy, and the insulating film 46 can be easily made thin. In this example, the thickness of the insulating film 46 is about 3 m.
  • a seal ring 45 is disposed on the upper surface of the silicon substrate 41.
  • the seal ring 45 also has a rubber O-ring force, for example, and is affixed to a peripheral region surrounding the formation region of the recess 48 on the silicon substrate 41.
  • the electrolytic solution 51 and the droplet 52 are injected into the inner circumferential space of the seal ring 45.
  • the droplet 52 is accommodated in each recess 48, and the electrolyte 51 is filled in the upper space of the recess 48.
  • the inner peripheral space of the seal ring 45 is filled with the electrolyte 51, and then the nozzle tip is immersed in the electrolyte 51 to drop the droplet 52 into the recess 48.
  • a UV-reactive adhesive 56 is used for bonding the upper transparent substrate 44 and the casing 49, and the upper transparent substrate 44 side cover is cured by UV irradiation.
  • the metal electrode 57 at the lower end of the housing 49 is brought into pressure contact with the contact electrode 58 on the lower surface of the silicon substrate 41 to be electrically connected.
  • the metal electrode 57 is integrated into the casing 49 by caulking or bonding. In the bonding process between the upper transparent substrate 44 and the housing 49, the parallelism between the two is adjusted and assembled.
  • the wiring member 55 is provided with a conductive adhesive or an anisotropic conductive film on the upper transparent substrate 44.
  • the transparent electrode film 42 formed on the inner surface side of the upper transparent substrate 44 and the wiring member 55 are electrically connected.
  • the transparent electrode film 42 may be used as a terminal as it is, or a metal film is further formed only on the portion outside the transparent electrode film 42 for wire bonding or soldering. You can also form wiring by attaching.
  • the lens array 40 of the present embodiment is manufactured as described above.
  • the present embodiment as in the first embodiment described above, fabrication is easy and microfabrication is possible, and variations in the optical axis due to machining accuracy and eccentricity of the droplet during voltage driving are achieved. Can be suppressed.
  • the area of the partition wall for partitioning the lens can be reduced, the effective area of the lens can be increased.
  • the recesses 48 on the silicon substrate 41 are formed by anisotropic wet etching, the plurality of recesses 48 can be formed simultaneously and with high accuracy. Further, the microfabrication of the concave portion 48 can be easily performed.
  • the tapered inner peripheral surface of the recess 48 can be formed with high dimensional accuracy, it is possible to manufacture the lens array 40 in which variations in the liquid amount, deformation amount, and other optical characteristics of individual lenses are extremely small. Furthermore, by thinning the constituent materials such as the silicon substrate 41 and the pair of transparent substrates 43 and 44, a very thin lens array 40 can be manufactured even after assembly.
  • the example in which the liquid droplets 32 and 52 that also have the insulating second liquid force are accommodated in the recesses 28 and 48 in the sealing cells 30 and 50 has been described.
  • the recesses 28 and 48 may contain droplets having the first conductive liquid force.
  • the inclined surfaces forming the tapered inner peripheral surfaces of the recesses 28 and 48 are formed at the same inclination angle, but some of the inclined surfaces are different from other inclined surfaces. It may be formed with different inclination angles.
  • FIG. 8 shows an example in which two types of recesses 28B and 28C having different inclination angles in the left-right direction are provided adjacent to the recesses 28A having the same inner peripheral surface force with the same inclination angle in the left-right direction.
  • the optical axis of the droplet 32 can be arbitrarily adjusted by arbitrarily adjusting the inclination angle of the inner peripheral surface of the recess 28.
  • the shape of the recess is not limited to the above-described inverted quadrangular pyramid shape, but is a pyramid shape having an inner peripheral surface in a taper direction such that the opening area is smaller than the bottom area as shown in FIG.
  • the present invention can also be applied to the recess 28D.
  • the lens surface (interface) 33 of the droplet 32 has a larger curvature than in the above-described embodiment.
  • the concave portion is not limited to a quadrangular pyramid shape, and may be another pyramid shape such as a triangular pyramid shape or a hexagonal pyramid shape.
  • FIG. 10 shows an example in which hexagonal pyramid-shaped recesses 28E are densely arranged.
  • the opening shape of the recess may be rectangular.
  • the lens surface of the droplet accommodated in the recess 28F can be formed in a cylindrical shape or a toroidal shape having different curvatures in the long side direction and the short side direction.
  • This type of lens can be widely used in optical systems such as illumination optical systems, laser printers, and optical disk devices.

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Abstract

　作製が容易で微細加工が可能であり、加工精度に起因する光軸のバラツキと電圧駆動時の液滴の偏心を抑える。本発明に係るレンズアレイ４０は、導電性の第１の液体５１と絶縁性の第２の液体（液滴）５２が互いに混和することなく充填された密閉性のセル５０の内部に、液滴５２を収容する角錐状の凹部４８が二次元的に複数形成されている。凹部４８が角錐状に形成されることによって、当該凹部に収容される液滴５２のセンタリング性を高めることができ、液滴５２の界面５３によって形成されるレンズ素子の光軸のバラツキを抑えることができる。また、光軸を安定に保持して電圧駆動時の液滴５２の偏心を防ぐことができる。更に、当該凹部４８が円錐状である場合に比べて微細加工が容易であり、凹部の稠密配置が可能となる。

Description

明 細 書
光学素子およびレンズアレイ
技術分野
[0001] 本発明は、エレクトロウエツティング効果 (電気毛管現象)を利用した光学素子およ びレンズアレイに関する。
背景技術
[0002] 近年、エレクトロウエツティング効果を利用した光学素子の開発が進められている。
エレクトロウ ッテイング効果は、導電性を有する液体と電極との間に電圧を印加する と、電極表面と液体との固液界面のエネルギーが変化し、液体表面の形状が変化す る現象をいう。
[0003] 図 12の A,図 12の Bは、エレクトロウエツティング効果を説明する原理図である。
[0004] 図 12の Aに示すように、電極 1の表面には絶縁膜 2が形成されており、この絶縁膜 2 の上に電解液の液滴 3が置かれている。絶縁膜 2の表面は撥水処理が施されており 、図 12の Aに示す無電圧状態では絶縁膜 2の表面と液滴 3との間の相互作用ェネル ギ一は低く接触角 Θ 0は大きい。ここで、接触角 Θ 0は絶縁膜 2表面と液滴 3の正接 線の間の角度であり、液滴 3の表面張力や絶縁膜 2の表面エネルギーなどの性質に 依存する。
[0005] 一方、図 12の Bに示すように、電極 1と液滴 3との間に所定電圧を印加すると、界面 に電極 1側の自由電子と液滴 3側の電解質イオンとによる電荷二重層が形成され、液 滴 3の表面張力の変化が誘発される。この現象がエレクトロウエツティング効果であり 、印加電圧の大きさによって液滴 3の接触角が変化する。すなわち、図 12の Bにおい て、接触角 θ Vは電圧 Vの関数として以下の（1)式で表される。
Figure imgf000004_0001
TLG :電解液の表面張力
e :絶縁膜の膜厚
ε :絶縁膜の比誘電率
So :真空の誘電率
[0006] 以上のように、電極 1と液滴 3との間に印加する電圧 Vの大きさによって、液滴 3の表 面形状（曲率)が変化する。従って、液滴 3をレンズ素子として用いた場合に焦点位 置を電気的に制御できる光学素子を実現できることになる。
[0007] さて、このような光学素子を用いた光学装置の開発が進められている。例えば特開 2000— 356708号公報には、ストロボ装置向けのレンズアレイが提案されている。こ れは、基板表面の撥水膜上にアレイ状に配置された絶縁性液体の液滴と導電性液 体を封入して可変焦点レンズを構成したものである。この構成では、絶縁性液体と導 電性液体との間の界面形状で個々のレンズが形成され、エレクトロウエツティング効 果を利用して個々のレンズ形状を電気的に制御し焦点距離を変化させている。
[0008] しかしながら、この種の光学素子においては、電圧の印加前後にわたって個々のレ ンズの光軸を一定に保つことが困難であり、このためレンズのセンタリング性を高める 技術の確立が重要な課題となっている。そこで、例えば国際公開第 99Z18456号 パンフレットには、図 13に示すような構成が開示されている。
[0009] 図 13において下部透明基板 5に電極層 6を介して絶縁層 7が形成されており、この 絶縁層 7の平坦な表面に上部透明基板 8が対向配置されている。絶縁層 7と上部透 明基板 8との間には、導電性を有する透明な第 1の液体 9と、絶縁性を有する透明な 第 2の液体 10とがそれぞれ封入されている。第 1,第 2の液体 9, 10は互いに異なる 屈折率を有するとともに、互いに同等の比重をもち、かつ互いに混和することなく独 立して存在している。絶縁層 7の表面の中央部は撥水面 11となっており、第 2の液体 (液滴） 10はこの絶縁層 7表面の撥水面 11に濡れ広がって光軸 13上に頂点をもつ 凸形状のレンズ素子を構成している。一方、絶縁層 7表面の撥水面 11を囲む領域は 親水膜 12で覆われており、第 1の液体 9と接している。
[0010] このような構成の光学素子において、電極層 6と第 1の液体 9との間に電圧が印加さ れていない状態では、第 1の液体 9と第 2の液体 10との間の界面形状は図 13に実線 で示したとおりであり、第 2の液体 10は絶縁層 7表面の撥水面 11に濡れ広がって ヽ る。この状態で、電極層 6と第 1の液体 9との間に電圧が印加されると、エレクトロウエツ ティング効果により第 1の液体 9が撥水面 11の周囲から撥水面 11内に侵入する。こ れにより、第 1の液体 9と第 2の液体 10との間の界面形状が例えば図 13に破線で示 すように変化する。このように、電圧印加状態では電圧無印加状態に比べて第 1,第 2の液体 9, 10間の界面の曲率が大きくなるので、電圧無印加状態よりも電圧印加状 態の方が焦点距離を短くできる。
[0011] そして、図 13の構成においては、電圧無印加状態と電圧印加状態とでレンズ素子 を構成する液滴 10の光軸のずれ (偏心）を抑えるために、電極層 6と絶縁層 7表面と の間の距離が液滴 10の周囲下方位置よりも液滴 10の中央側下方位置の方が長くな るように、電極層 6が凹状に形成されている。これにより、電極層 6と絶縁層 7表面との 間に電位分布をもたせて電圧印加時における液滴 10の光軸 13を中心とする移動が 得られ易くなつている。
[0012] 液滴 10の移動特性は、絶縁層 7表面の撥水領域と親水領域とのパターユング精度 に大きく依存する。しかしながら、このパターユングを精度良く行うのは困難であり、個 々のレンズ素子においてバラツキが出る場合が多い。したがって、個々のレンズ素子 をアレイ状に配列した際には、個々のレンズ素子で光軸が安定せずに特性がばらつ くという問題がある。
[0013] 一方、例えば特表 2002— 540464号公報には、図 14に示すように、絶縁層 7に円 錐状のくぼみ（凹部） 15を形成し、このくぼみ 15の中に液滴 10を収容してレンズ素子 を構成したものが開示されている。この場合、くぼみ 15は、液滴 10とくぼみ 15の接触 の境界のポイント（CP1)において、表面の該ポイントならびに対称ポイント（CP2)の 両方で、くぼみ 15の表面に接している円（TC)の曲率よりも小さい、またはそれと反 対の曲率を備えるよう該位置に形成される。このように、液滴 10をくぼみ 15の中に収 容することで液滴 10のセンタリング性を高め、光軸のずれ (偏心）を抑えるようにして いる。
[0014] しかしながら、図 14に示した特表 2002— 540464号公報に記載の構成において は、くぼみ 15を所定の円錐状に形成することが困難であり、僅かな加工誤差によって もレンズの光軸がばらついてしまうという問題がある。このことは、電圧駆動時におけ る液滴 10の偏心の原因にもなり得る。更に、レンズアレイを構成する場合にはレンズ の小径ィ匕を実現する必要があるが、上記構成のくぼみ 15を微細かつ高精度に形成 することは非常に困難であるという問題がある。
[0015] 本発明は上述の問題に鑑みてなされ、作製が容易で微細加工が可能であり、加工 精度に起因する光軸のバラツキと電圧駆動時の液滴の偏心を抑えることができる光 学素子およびレンズアレイを提供することを課題とする。
発明の開示
[0016] 以上の課題を解決するに当たり、本発明に係る光学素子は、密閉性のセルの内部 に液滴を収容してなる光学素子において、セルの内部には、上記液滴を収容する角 錐状の凹部が形成されている。
[0017] 本発明において、液滴を収容する凹部が角錐状に形成されることによって、当該凹 部に収容される液滴のセンタリング性を高めることができ、液滴によって形成されるレ ンズ素子の光軸のバラツキを抑えることができる。また、光軸を安定に保持して電圧 駆動時の液滴の偏心を防ぐことができる。更に、当該凹部が円錐状である場合に比 ベて作製が容易であり、凹部の微細加工も可能となる。
[0018] この凹部を二次元的に複数配列することで、レンズアレイを構成することができる。
特に本発明においては、凹部が角錐状に形成されているので、面内において稠密 に凹部を配列することができ、レンズアレイ全体として有効面積の大きなレンズ面を ½保することができる。
[0019] 凹部は四角錐あるいは四角錐台形状に形成することができるが、これに限らず、三 角錐や六角錐あるいはそれらの角錐台形状が適用可能である。なお、ここでいう角 錐台形状には、凹部の開口側が底部よりも面積的に大きな逆角錐形状と、凹部の開 口側が底部よりも面積的に小さな角錐形状とが含まれる。 [0020] 凹部の内周面を構成する各傾斜面の傾斜角はそれぞれ実質的に同一であっても よいし、一部が異なる傾斜角の傾斜面であってもよい。また、例えば凹部が四角錐台 形状の場合、その四角形状は正方形状に限らず、長方形状や平行四辺形状であつ てもよい。
[0021] 角錐状の凹部を形成する方法としては、例えば、シリコン等の単結晶基板や金属板 表面に対する異方性ウエットエッチングが好適であり、これにより凹部の各周面に所 定の傾斜角を容易かつ適正に付与することができる。なお、これに限らず、ドライエツ チングプロセスやレーザカ卩工法を用いることもできる。
[0022] また、本発明に係るセルは、一対の透明基板と、これら一対の透明基板の間に形 成される液室と、この液室に充填され互いに屈折率が異なる第 1,第 2の液体と、液 室内に配置され表面が絶縁膜で被覆された電極層とを有する。第 1の液体は導電性 で、第 2の液体は絶縁性であるとともに、互いに混和することなく液室内に存在する。 そして、上記凹部は電極層の面内に形成されるとともに、当該凹部には第 1,第 2の 液体の何れか一方が収容されて！、る。
[0023] 第 1,第 2の液体は互いに屈折率が異なるので、これら第 1,第 2の液体の間の界面 力 Sレンズ面として機能する。レンズ面の形状は、第 1,第 2の液体の各々の体積ゃ界 面張力などで決定され、エレクトロウ ッテイング効果を利用することで当該レンズ面 の形状を変化させることができる。導電性の第 1の液体としては例えば電解液が用い られ、絶縁性の第 2の液体としては例えばシリコーンオイルが用いられる。角錐状の 凹部には例えば第 2の液体力 なる液滴が収容される。
[0024] 上述した例において、角錐状の凹部は、第 1の電極層の表面に形成した角錐状の 貫通孔と、第 1の電極層の一方の面に接合されるとともに上記貫通孔の一端を閉塞 する第 1の透明基板とにより構成することができる。第 1の電極層としては、例えば単 結晶シリコン基板を用いることができる。当該凹部を含む第 1の電極層の表面は絶縁 膜で覆われている。第 1の電極層は、上記凹部を囲む形状に形成された密閉層を介 して第 2の透明基板に対向している。これら第 1の電極層と第 2の透明基板とにより本 発明に係る上記セルを構成することができる。セルの内部には上記第 1,第 2の液体 が封入され、絶縁性の第 2の液体が凹部の内部に収容される。第 1の電極層と第 2の 透明基板との間には、導電性の第 1の液体と接する第 2の電極層が設けられる。この 第 2の電極層としては、第 2の透明基板の内面側に形成された透明電極層とすること ができる。
[0025] 以上述べたように、本発明の光学素子によれば、密閉性のセル内に封入された第 1,第 2の液体力 なるレンズ素子を容易かつ微細に作製できるとともに、加工精度に 起因するレンズ光軸のバラツキを抑えることができる。また、電圧駆動時の液滴の偏 、を防止することができる。
[0026] また、本発明のレンズアレイによれば、レンズを仕切る隔壁面積を低減できるのでレ ンズの有効面積を増加させることができる。
図面の簡単な説明
[0027] [図 1]図 1は、本発明の実施形態による光学素子の概略構成を示す側断面図である
[図 2]図 2は、光学素子を構成するシリコン基板に対する角錐状の貫通孔の形成方法 を説明する斜視図である。
[図 3]図 3は、光学素子に印加する駆動電圧と焦点距離との関係を示す特性図であ る。
[図 4]図 4は、本発明の実施形態によるレンズアレイの概略構成を示す分解斜視図で ある。
[図 5]図 5は、レンズアレイの要部側断面図である。
[図 6]図 6は、レンズアレイの製造方法を説明する工程断面図である。
[図 7]図 7は、レンズアレイの製造方法を説明する工程断面図である。
[図 8]図 8は、凹部の形状の変形例を説明する要部断面図である。
[図 9]図 9は、凹部の形状の他の変形例を説明する要部断面図である。
[図 10]図 10は、六角錐形状の凹部を示す斜視図である。
[図 11]図 11は、開口形状が長方形状の凹部を示す斜視図である。
[図 12]図 12は、エレクトロウエツティング効果 (電気毛管現象)の説明図である。
[図 13]図 13は、従来の光学素子の概略構成を示す要部断面図である。
[図 14]図 14は、従来の他の光学素子の概略構成を示す要部断面図である。 発明を実施するための最良の形態
[0028] 以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
[0029] (第 1の実施形態）
図 1は本発明の第 1の実施形態による光学素子 20の概略構成を示す側断面図で ある。本実施形態の光学素子 20は、密閉性のセル 30の内部に形成された液室 27 に第 1の液体 31と第 2の液体 32が収容されてなり、これら第 1の液体 31と第 2の液体 32の界面 33によってレンズ面が形成される液体レンズ素子を構成している。
[0030] 第 1の液体 31としては、導電性を有する透明な液体が用いられ、例えば、水、電解 液 (塩ィ匕カリウムや塩ィ匕ナトリウム、塩化リチウム等の電解質の水溶液)、分子量の小 さなメチルアルコール、エチルアルコール等のアルコール類、常温溶融塩 (イオン性 液体)などの有極性液体を用いることができる。
[0031] 第 2の液体 32としては、絶縁性を有する透明な液体が用いられ、例えば、デカン、 ドデカン、へキサデカンもしくはゥンデカン等の炭化水素系の材料、シリコーンオイル 、フッ素系の材料などの無極性溶媒を用いることができる。
[0032] 第 1,第 2の液体 31, 32は互いに異なる屈折率を有するとともに、液室 27において 互いに混和することなく存在できる材料が選ばれる。具体的に、本実施形態では、第 1の液体 31として塩化リチウム水溶液 (濃度 3. 66wt%、屈折率 1. 34)が用いられ、 第 2の液体 32としてシリコーンオイル（GE東芝シリコーン社製 TSF437、屈折率 1. 4 9)が用いられる。また、第 1,第 2の液体 31, 32は互いに同等の比重をもつことが好 ましい。
[0033] なお以下の説明では、「第 1の液体」を電解液 31と称し、「第 2の液体」を液滴 32と 称するものとする。
[0034] 続いて、セル 30の構成について説明する。
[0035] セル 30は、上下一対の透明基板 23, 24を備えている。第 1の透明基板としての下 部透明基板 23の内面側には第 1電極層 21が接合されており、第 2の透明基板として の上部透明基板 24の内面側には第 2電極層 22が接合されている。そして、これら第 1,第 2電極層 21, 22を密閉層 25を介して互いに貼り合わせることで、内部に液室 2 7を有するセル 30が構成される。また、図示の例では、下部透明基板 23の外面側に 、透光孔 29aが形成された支持板 29が接合されて 、る。
[0036] 一対の透明基板 23, 24は、ガラス基板や非導電性のプラスチック基板、フィルムあ るいはシート等で構成することができる。密閉層 25はゴムゃ榭脂材料等の液密性を 確保できる材料で構成することができる。また、電極層 21, 22は金属、導電性酸ィ匕 物、半導体材料等で構成することができる。
[0037] 第 1電極層 21には逆四角錐形状の貫通孔 21aが形成されており、第 2電極層 22に は、貫通孔 21aの大径部と同等の開口径を有する開口 22aが形成されている。これら 貫通孔 21a、開口 22aおよび支持板 29の透光孔 29aはそれぞれ光軸 35上に整列さ れており、セル 30を透過する光の入射口あるいは出射口とされる。
[0038] 本実施形態において、第 1電極層 21は単結晶シリコン基板が用いられる。単結晶 シリコン基板には、所定の導電性を得るために必要なドーパント (不純物イオン）が必 要量添加された N型基板あるいは P型基板が用いられる。なお仕様等に応じて、ノン ドープ型の単結晶シリコン基板を用いてもょ 、。
[0039] 第 1電極層 21に対する逆四角錐状の貫通孔 21aを形成する方法としては、異方性 ウエットエッチング法が好適である。第 1電極層 21にシリコン等の単結晶シリコン基板 を用いる場合、結晶方位に依存したエッチング選択性が発生する。これにより、所定 の傾斜角を有する傾斜面 (テーパー面)で貫通孔 21aの各内周面を容易に形成する ことができる。また、貫通孔 21aの内周面は結晶面であるため平坦性に優れている。 このため、エレクトロウエツティング効果による電解液 31の移動を円滑に行うことがで き、界面 33の形状変化が容易となる。
[0040] 本実施形態では、図 2に模式的に示すように、シリコン基板の（100)面を被加工面 として傾斜角 Θ力 5° の傾斜面（{ 111 }面)からなる内周面を有する逆四角錐形状 の貫通孔 21aを形成するようにしている。貫通孔 21aは正四角錐形状に限らず、平面 的に見て長方形状であってもよい。なお、図 2において符号 36はマスクパターンであ る。
[0041] 第 1電極層 21の貫通孔 21aを含む全表面は、絶縁膜 26で被覆されている。絶縁 膜 26は絶縁性の物質であれば特に限定されず、好適には、誘電率が比較的高い物 質が選択される。また、比較的大きな静電容量を得るために絶縁膜 26の膜厚は薄い 方が好ましいが、絶縁強度を確保できる膜厚以上であることが必要である。誘電率の 比較的高い材料としては、例えば、酸ィ匕タンタル、酸ィ匕チタンなどの金属酸ィ匕物が挙 げられる力 勿論これに限定されない。絶縁膜 26の形成方法も特に制限されず、ス パッタ法、 CVD法、蒸着法等の真空薄膜形成方法のほか、めっき法、電着法、コート 法、ディップ法等の各種コーティング方法が採用可能である。なお、絶縁膜 26は少 なくとも第 1電極層 21の内面側に形成されて!、ればよ!/、。
[0042] また、絶縁膜 26は、液滴 32が接触する貫通孔 21aの内周領域において撥水性を 有することが好ましい。撥水膜の形成方法としては、例えばポリパラキシリレンを CVD 法で成膜する方法、フッ素系のポリマーである PVdFや PTFEなどの材料を電極層 表面にコーティングする方法などが挙げられる。また、高誘電率材料と撥水性材料と を複数組み合わせた積層構造で絶縁膜 26を構成してもよ ヽ。
[0043] なお、第 1電極層 21に対する貫通孔 21aの形成方法は上記の例に限定されること はなぐ例えば、レーザー加工法や切削その他の機械加工法が適用可能である。ま た、第 2電極層 22に対する開口 22aの形成も上記の例と同様な方法で行うことができ る。
[0044] 液室 27は、第 1電極層 21の貫通孔 21aと下部透明基板 23とにより形成される凹部 28の内部空間、第 2電極層 22の開口部 22aの内部空間、及び、第 1電極層 21と第 2 電極層 22との間隙 (密閉層 25の厚みに相当）によって形成される。液室 27の全容積 は電解液 31および液滴 32で占有される。電解液 31は第 2電極層 22に接しており、 液滴 32は凹部 28の内部に収容されている。
[0045] 第 1電極層 21と第 2電極層 22との間には電圧供給源 34が設けられている。電解液 31と液滴 32の界面 33の形状は球面あるいは非球面形状であり、その曲率は電圧供 給源 34力も供給される電圧の大きさに応じて変化する。そして、界面 33は、電解液 3 1と液滴 32の屈折率差に応じたレンズパワーをもつレンズ面を構成する。従って、第 1電極層 21と電解液 31との間に印加する電圧の大きさを調整することで、光軸 35〖こ 沿って入射する光の焦点距離を変化させることが可能となる。
[0046] 図 3に印加電圧と焦点距離との関係を示す。図 3において縦軸は焦点距離 fの逆数 を表し、横軸は印加電圧を表している。電圧無印加状態 (V=0)では、液滴 32は図 1において一点鎖線で示すように凹部 28の内周面に濡れ広がっており、電解液 31と の界面 33Aは下部透明基板 23側に凸なる凹レンズ形状で釣り合つている。従って、 当該形状の界面 33Aを有する光学素子 20は下部透明基板 23側に焦点を有し、下 部透明基板 23側力もセル 30内に入射した光 LAは図 1に示すように発散して出射さ れる。
[0047] 次に、第 1電極層 21と電解液 31との間に電圧を印加し始めると、エレクトロウエツテ イング効果に基づいた電解液 31の凹部 28内への移動が誘発される。電圧印加開始 力も所定電圧 VIまでの範囲では、電解液 31の顕著な移動は認められず、従って、 電解液 31と液滴 32との間の界面 33Aの形状の変化は少ない。
[0048] 印加電圧の大きさが VIを超えると、電解液 31が凹部 28の内周面に対する濡れ性 が高まり、凹部 28の周縁から凹部 28の内方へ侵入し始める。その結果、電解液 31と 液滴 32との界面 33の曲率が小さくなり、印加電圧 V2で界面形状が平坦になる。この 状態では、界面 33におけるレンズ効果はなぐ焦点距離は無限大となる（lZf=0)。
[0049] 印加電圧を更に大きくすると、電解液 31による凹部 28内の浸食領域は増大し、電 界液 31と液滴 32との界面 33Bの形状は図 1にお 、て実線で示すように上部透明基 板 24側に凸なる凸レンズ形状となる。この状態力も更に印加電圧が大きくなると、当 該凸レンズ形状の界面 33の曲率は更に大きくなり、図 1において破線で示すような 形状の界面 33Cが得られる。当該凸レンズ形状の界面 33B, 33Cを有する光学素子 20を透過する光 LB, LCは上部透明基板 24側に焦点を有するとともに、界面 33Bの レンズ形状を透過する光 LBに比べて界面 33Cのレンズ形状を透過する光 LCの方 が焦点距離は短い。これにより、本実施形態の光学素子 20は、印加電圧の大きさで 焦点距離を調整可能な可変焦点レンズとして機能する。
[0050] そして、以上のように構成される本実施形態の光学素子 20においては、液滴 32が 収容される凹部 28の形状が角錐形状に形成されているので、当該凹部 28に収容さ れる液滴 32のセンタリング性を高めることができる。これにより、液滴 32の光軸を安定 に保持でき、電圧駆動時における液滴 32の偏心を防止できる。
[0051] 特に本実施形態では、凹部 28の内周面を構成する絶縁膜の下地が第 1電極層 21 で構成されているので、このことが電圧印加時において電解液 31が凹部 28の周面 に沿って移動させるガイド機能を奏し、液滴 32のセンタリング性の向上に大きく貢献 する。
[0052] また、凹部 28が第 1電極層 21の表面に形成されたエッチング加工痕で構成される ので、凹部の形成を容易かつ精度良く行うことができる。これにより、加工誤差に起因 する光軸のバラツキを抑えることができる。
[0053] 更に、凹部 28を角錐形状に構成することで、凹部 28に収容された液滴 32の電解 液 31との間の界面形状は、凹部 28の周縁近傍で非球面形状を実現できる。このた め、本実施形態の光学素子 20は、例えばカメラの歪曲収差 (樽型収差、糸巻き型収 差)補正などの非球面レンズ素子として応用することができる。歪曲収差の例としては 、樽型収差や糸巻き型収差などがある。
[0054] (第 2の実施形態）
続いて、本発明の第 2の実施形態について説明する。図 4及び図 5は、本発明に係 る光学素子を備えたレンズアレイ 40の概略構成を示している。ここで、図 4はレンズァ レイ 40の分解斜視図、図 5はレンズアレイ 40の概略側断面図である。
[0055] レンズアレイ 40は、上述の第 1の実施形態において説明した光学素子 (液体レンズ 素子）が二次元的に複数配列されることで構成されている。なお図 5の断面図におい ては、説明の便宜上、セル 50内に 2つの液体レンズ素子を並置した例を示している。
[0056] 本実施形態のレンズアレイ 40は、第 1電極層としてのシリコン基板 41と、このシリコ ン基板 41にシールリング 45を介して貼り合わされる上部透明基板 44と、シリコン基 板 41を収容する筐体 49とを備えている。
[0057] シリコン基板 41は矩形状を有し、その面内に逆四角錐形状の貫通孔 41aが二次元 的に複数形成されている。シリコン基板 41と上部透明基板 44との間には、導電性の 第 1の液体力もなる電解液 51と絶縁性の第 2の液体力もなる液滴 52とで充填された 液室 47が形成されている。シリコン基板 41の下面には下部透明基板 43が接合され ており、貫通孔 41aの底部がこの下部透明基板 43に閉塞されることで、液室 47内に 二次元的に配列された複数の凹部 48が形成されて 、る。
[0058] シリコン基板 41の表面の凹部 48を含む領域は、絶縁膜 46で被覆されている。絶縁 膜 46として、本実施形態では、撥水性のポリパラキシリレンが用いられている。 [0059] 液室 47において、個々の凹部 48の内部には液滴 52が収容されており、残余の領 域は電解液 51で満たされている。電解液 51及び液滴 52は、同等の比重を有すると ともに互 、に混和することなく液室 47内に存在することにより、これらの間に球面ある いは非球面形状の界面 53を形成している。そして、電解液 51及び液滴 52は、互い に異なる屈折率をもち、界面 53に屈折率差に応じたレンズパワーを有するレンズ素 子を構成している。
[0060] 上部透明基板 44の内面には、第 2電極層としての透明電極膜 42が形成されてい る。透明電極膜 42は、例えば、 ITO(Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide)等 の透明な導電性金属酸化物で構成されている。透明電極膜 42には、電圧供給源 54 の一方の端子に連絡する配線部材 55が導電性ペーストや異方性導電フィルム等を 介して接着されている。配線部材 55には、例えばフレキシブル配線基板等が用いら れている。
[0061] 液室 47内の電解液 51は、この透明電極膜 42に接しており、絶縁膜 46を挟んでシ リコン基板 41と電解液 51との間に電圧を印加することが可能とされる。界面 53の形 状はシリコン基板 41と電解液 51との間に印加される電圧の大きさで変化する。従つ て、この電圧の大きさを調整することでレンズ素子の焦点距離が制御される。
[0062] 筐体 49は、例えばプラスチック材料等の絶縁性の材料で形成されており、上面及 び下面に開口を有している。筐体 49の上縁は、紫外線硬化接着剤等の接着剤 56を 介して上部透明基板 44の下面周縁部に接着されている。筐体 49の下端は内方側 に屈曲形成されており、その縁部に金属電極 57が力シメ、接着等の手法により取り 付けられている。金属電極 57は銅板等の金属板で形成され、電圧供給源 54の他方 の端子に接続されている。また、金属電極 57は、シリコン基板 41の下面に形成され たコンタクト電極 58に接合されている。
[0063] 以上のように構成される本実施形態のレンズアレイ 40においては、シリコン基板 41 と透明電極膜 42との間に印加される電圧の大きさによって、各凹部 48の内部に収容 された液滴 52と電解液 51との界面 53の形状を同時に変化させることが可能となる。 これにより、シート状の液体レンズ素子を構成することができ、例えばカメラのストロボ 装置等の面発光光源用の焦点可変素子として用いることができる。 [0064] 特に本実施形態では、液滴 52を収容する凹部 48の形状が四角錐形状であるため 、シリコン基板 41の表面に凹部 48を稠密に配置することができ、レンズを仕切る隔壁 面積の低減を図ることができる。これにより、レンズアレイ全体として有効面積の大き なレンズ面を確保することができる。
[0065] 次に、以上のように構成されるレンズアレイ 40の製造方法について説明する。図 6 及び図 7はレンズアレイ 40の製造方法を説明する工程断面図である。
[0066] [コンタクト電極形成工程]
まず、図 6の Aに示すように、シリコン基板 41の一方の面（下面）に、コンタクト電極 5 8を形成する。シリコン基板 41の下面は、下部透明基板 43が接合される面であり、密 着層として、 Tiや Cr等の薄膜が形成されている。コンタクト電極 58は、上記密着層の 形成後、 Ptや Auなどの表面の安定な金属薄膜を真空蒸着法等によりパターン形成 される。
[0067] コンタクト電極 58は、筐体 49の下縁に取り付けられた金属電極 57との接触導通を とるため比較的厚めに形成されるのが好ましい。このため、 Ptや Auなどの金属薄膜 を形成後、表面にめっき膜を形成することでコンタクト電極 58を厚くするようにしても よい。
[0068] また、コンタクト電極 58は、シリコン基板 41のダイシング時に、切断位置を示す位置 決めマークとしても利用可能である。この場合、図示するようにダイサー (ダイシングソ 一）を挟むような 2重線になるようにコンタクト電極 58を形成するとよい。また、コンタク ト電極 58は、後述する絶縁膜形成工程において、絶縁膜の非形成面として識別する のにも利用可能である。
[0069] [下部透明基板接合工程]
続いて、図 6の Bに示すように、シリコン基板 41の下面に下部透明基板 43を接合す る工程が行われる。下部透明基板 43はガラス基板で構成されている。ガラス基板とし ては、パイレックスガラス（「パイレックス」は登録商標）に代表される珪ホウ酸ガラスな どの低膨張係数のガラス基板が好適である。また、珪ホウ酸ガラスは、軟化点が低い ためシリコン基板 41に対して陽極接合が可能であり、良好な密着性が得られる。
[0070] なお、シリコン基板 41と下部透明基板 43との接合方法としては、低融点ガラスを接 着剤として使用して接合する方法や、プラズマ照射によって表面を活性化して接合 する方法なども採用可能である。榭脂の接着剤でも、電解液 51や液滴 52に侵されな V、ものであれば利用可能である。
[0071] [凹部形成工程]
次に、図 6の Cに示すように、異方性ウエットエッチング法によりシリコンゥエーハ 41 に対して角錐状の凹部 48を形成する工程が行われる。
[0072] 凹部 48の形成の際、シリコン基板 41の他方の面（上面）には、凹部 48の形成位置 が開口されたマスクパターンをあら力じめ形成しておく。エッチング液としては、例え ば KOH (水酸ィ匕カリウム)溶液が用いられ、この場合のマスクパターンは窒化シリコン 膜が適している。なお、エッチング液はこれに限らず、シリコン基板の異方性ウエット エッチングに使用されるようなアルカリ溶液が使用可能であり、溶液の種類に応じて マスク材料も選択される。
[0073] シリコン基板の結晶方位面を適切に選択することで、四角錐を逆さにした逆四角錐 形状の凹部 48が形成される。エッチング液はシリコン基板 41を貫通し、下部透明基 板 43の表面でエッチングが終了する。これにより、凹部 48の底面がガラス窓となり、 レンズ素子の開口面となる。マスクパターンの精度を向上させることにより、個々のレ ンズ間のバラツキの少ないレンズアレイを形成することが可能である。また、シリコン 基板 41の下面に下部透明基板 43を接合した状態で凹部 48を形成するので、凹部 4 8の底部が平坦となり、収差の小さいレンズ素子が形成可能となる。
[0074] [ダイシング工程]
続いて、図 6の Dに示すように、シリコン基板 41を個片化するダイシング工程が行わ れる。ダイシング工程では、シリコン基板 41の下面に所定の間隔をあけて 2重線状に 形成したコンタクト電極 58の間をダイシングする。
[0075] [絶縁膜形成工程]
次に、図 7の Eに示すように、個片化したシリコン基板 41の上面に絶縁膜 46を形成 する工程が行われる。絶縁膜 46は、シリコン基板 41に形成した凹部 48の表面にも形 成される。絶縁膜 46としては、段差の多い面への成膜であるため、被覆性に優れた 材料が適している。本実施形態では、撥水性のポリパラキシリレンを真空蒸着にて成 膜する方法が採用されている。
[0076] レンズ素子の駆動電圧は、この絶縁膜 46の膜厚に大きく依存する。すなわち、絶 縁膜 46の膜厚が小さいほど電解液 51とシリコン基板 41との間の静電容量が大きくな り、レンズ素子の駆動電圧を低減できる。凹部 48は、シリコン基板 41に対する異方性 ウエットエッチングによって形成されているため、凹部 48のテーパー状の内周面はナ ノスケールで平坦化されている。従って、絶縁膜 46の膜厚を高精度に制御でき、絶 縁膜 46の薄膜化も容易である。本例では、絶縁膜 46の膜厚を約 3 mとしている。
[0077] [液注入工程]
次に、図 7の Fに示すように、シリコン基板 41の上面にシールリング 45を配置する。 シールリング 45は例えばゴム製の Oリング力もなり、シリコン基板 41上の凹部 48の形 成領域を囲む周縁領域に貼り付けられる。その後、シールリング 45の内周側空間部 に電解液 51と液滴 52とが注入される。液滴 52は各凹部 48の内部に収容され、電解 液 51は凹部 48の上部空間に充填される。
[0078] 凹部 48に対する液滴 52の注入方法としては、シールリング 45の内周側空間部を 電解液 51で満たした後、電解液 51内にノズル先端を浸漬し凹部 48内に液滴 52を 滴下する方法や、液滴 52を凹部 48内に滴下した後、液滴 52の上から電解液 51を 注入する方法などがある。
[0079] [組立工程]
最後に、図 7の Gに示すように、シリコン基板 41に上部透明基板 44を貼り合わせる とともに、シリコン基板 41を筐体 49に収納し上部透明基板 44と筐体 49とを接着固定 する工程が行われる。
[0080] 上部透明基板 44と筐体 49との接着には UV反応型接着剤 56が用いられ、上部透 明基板 44側カゝら UV照射して硬化される。また、上部透明基板 44と筐体 49との間の 接着の際に、筐体 49の下端の金属電極 57がシリコン基板 41下面のコンタクト電極 5 8に加圧接触して電気的導通がとられる。金属電極 57は筐体 49にあらカゝじめカシメ や接着などで一体化される。上部透明基板 44と筐体 49との接着工程では、両者の 平行度を調整して組み立てられる。
[0081] また、上部透明基板 44には配線部材 55が導電性接着剤や異方性導電フィルムを 介して接合され、上部透明基板 44の内面側に形成された透明電極膜 42と配線部材 55とが電気的に接続される。なお、配線部材 55を取り付ける代わりに、透明電極膜 4 2をそのまま端子として使用してもよいし、透明電極膜 42の外に出ている部分だけ更 に金属膜を形成し、ワイヤーボンディングやはんだ付けにて配線を形成してもよ 、。
[0082] 本実施形態のレンズアレイ 40は以上のようにして製造される。
[0083] 本実施形態によれば、上述の第 1の実施形態と同様に、作製が容易で微細加工が 可能であり、加工精度に起因する光軸のバラツキと電圧駆動時の液滴の偏心を抑え ることができる。また、レンズを仕切る隔壁面積を低減できるのでレンズの有効面積を 増カロさせることができる。
[0084] 特に、シリコン基板 41上の凹部 48を異方性ウエットエッチングで形成するようにして いるので、複数の凹部 48を同時にかつ高精度に形成することができる。また、凹部 4 8の微細加工も容易に行うことができる。
[0085] また、凹部 48のテーパー状の内周面を寸法精度高く形成できるので、個々のレン ズの液量、変形量、その他光学特性のバラツキが非常に小さいレンズアレイ 40を作 製できる。更に、シリコン基板 41、一対の透明基板 43, 44などの構成材料を薄くする ことにより、組立後も非常に薄型のレンズアレイ 40を作製することができる。
[0086] 以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定さ れることなぐ本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
[0087] 例えば以上の各実施形態では、密閉性のセル 30, 50内の凹部 28, 48に絶縁性 の第 2の液体力もなる液滴 32, 52を収容した例について説明したが、勿論これに限 られず、凹部 28, 48内に導電性の第 1の液体力もなる液滴を収容してもよい。
[0088] また、以上の各実施形態では、凹部 28, 48のテーパー状の内周面を形成する各 傾斜面を同一の傾斜角で形成したが、一部の傾斜面を他の傾斜面と異なる傾斜角 で形成してもよい。例えば図 8は、左右方向の傾斜角が同一の内周面力もなる凹部 2 8Aに隣接して、左右方向で傾斜角が異なる 2種類の凹部 28B, 28Cを設けた例を 示している。図示の例のように、凹部 28の内周面の傾斜角を任意に調整することで、 液滴 32の光軸を任意に調整できるようになる。これにより、例えばレンズアレイに光拡 散機能を付与することが可能となる。 [0089] また、凹部の形状は、上述した逆四角錐形状に限らず、図 9に示すように開口部面 積が底部面積よりも小さくなるようなテーパー方向の内周面をもつ角錐形状の凹部 2 8Dも本発明は適用可能である。この場合、液滴 32のレンズ面（界面） 33は、上述の 実施形態の場合に比べて曲率が大となる。
[0090] 更に、凹部は四角錐形状に限らず、三角錐形状や六角錐形状等の他の角錐形状 であってもよい。図 10に六角錐形状の凹部 28Eを稠密配置した例を示す。
[0091] 更にまた、図 11に示すように、凹部の開口形状を長方形状としてもよい。この場合、 凹部 28Fに収容される液滴のレンズ面を長辺方向と短辺方向とで曲率の異なるシリ ンドリカル状あるいはトロイダル状に形成することができる。この種のレンズは、例えば 、照明光学系、レーザープリンタや光ディスク装置等の光学系に幅広く用いることが できる。

Claims

請求の範囲
[1] 密閉性のセルの内部に液滴を収容してなる光学素子にお 、て、
前記セルの内部には、前記液滴を収容する角錐状の凹部が形成されている ことを特徴とする光学素子。
[2] 前記凹部は四角錐台形状を有する
ことを特徴とする請求項 1に記載の光学素子。
[3] 前記セルは、
一対の透明基板と、
これら一対の透明基板の間に形成される液室と、
前記液室に充填され互いに屈折率が異なる第 1,第 2の液体と、
前記液室内に配置され表面が絶縁膜で被覆された電極層とを有し、
前記第 1の液体は導電性で、前記第 2の液体は絶縁性であるとともに、互いに混和 することなく前記液室内に存在し、
前記凹部は前記電極層の面内に形成されるとともに、当該凹部には前記第 1,第 2 の液体の何れか一方が収容されて 、る
ことを特徴とする請求項 1に記載の光学素子。
[4] 前記一対の透明基板のうち、前記液室を挟んで前記電極層と対向する側の透明基 板には透明電極層が形成されている
ことを特徴とする請求項 3に記載の光学素子。
[5] 前記第 1の液体と前記第 2の液体との間の界面が非球面形状である
ことを特徴とする請求項 3に記載の光学素子。
[6] 前記電極層は単結晶シリコン基板からなり、
前記凹部は当該単結晶シリコン基板の表面に形成されたエッチング加工痕カ な る
ことを特徴とする請求項 3に記載の光学素子。
[7] 前記凹部の内周面が撥水面である
ことを特徴とする請求項 1に記載の光学素子。
[8] 前記凹部の内周面を形成する全ての傾斜面は、それぞれ実質的に同一の傾斜角 で形成されている
ことを特徴とする請求項 1に記載の光学素子。
[9] 前記凹部の内周面を形成する一部の傾斜面が他の傾斜面と異なる傾斜角で形成 されている
ことを特徴とする請求項 1に記載の光学素子。
[10] 導電性の第 1の液体と、
前記第 1の液体と屈折率が異なる絶縁性の第 2の液体と、
前記第 1の液体と前記第 2の液体とを互いに混和させることなく収容する密閉性の セルとを有する光学素子であって、
前記セルは、
前記第 2の液体を収容する角錐状の貫通孔が形成された第 1の電極層と、 前記第 1の電極層を被覆する絶縁膜と、
前記第 1の電極層の一方の面に接合されるとともに前記貫通孔の一端を閉塞する 第 1の透明基板と、
前記第 1の電極層の他方の面に密閉層を介して対向配置される第 2の透明基板と 前記第 1の電極層と前記第 2の透明基板との間に配置されるとともに前記第 1の液 体に接する第 2の電極層とを備えた
ことを特徴とする光学素子。
[11] 前記第 2の電極層は、前記第 2の透明基板上に形成された透明電極膜である ことを特徴とする請求項 10に記載の光学素子。
[12] 前記第 1の電極層と前記第 2の電極層との間に所定電圧を印加可能な電圧供給源 を有する
ことを特徴とする請求項 10に記載の光学素子。
[13] 密閉性のセルの内部に液滴を収容してなる光学素子において、
前記セルの内部には、前記液滴を収容する角錐状の凹部が二次元的に複数形成 されている
ことを特徴とするレンズアレイ。 [14] 導電性の第 1の液体と、
前記第 1の液体と屈折率が異なる絶縁性の第 2の液体と、
前記第 1の液体と前記第 2の液体とを互いに混和させることなく収容する密閉性の セルとを有するレンズアレイであって、
前記セルは、
前記第 2の液体をそれぞれ収容する角錐状の貫通孔が二次元的に複数配列され た第 1の電極層と、
前記第 1の電極層を被覆する絶縁膜と、
前記第 1の電極層の一方の面に接合されるとともに前記貫通孔の一端を閉塞する 第 1の透明基板と、
前記第 1の電極層の他方の面に密閉層を介して対向配置される第 2の透明基板と 前記第 2の透明基板の内面側に形成された透明な第 2の電極層とを備えた ことを特徴とするレンズアレイ。
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