WO2019131925A1 - 光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法 - Google Patents

光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法 Download PDF

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WO2019131925A1
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polymer material
electrode layer
optical element
voltage
electrode
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PCT/JP2018/048287
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山田　泰美
利博 平井
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日東電工株式会社
国立大学法人信州大学
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B15/00—Special procedures for taking photographs; Apparatus therefor

Definitions

  • the present invention relates to an optical element, a microlens array, and a method of manufacturing an optical element.
  • a focusing mechanism see, for example, Patent Document 1
  • a lens driving mechanism see, for example, Patent Document 2
  • a polymer material is used for a lens holder for holding a lens, and the position of the lens is moved along the optical axis by using expansion and contraction of the polymer material by applying a voltage.
  • an organic material can be obtained by sandwiching an organic material that expands and contracts in the application direction of the electric field with a pair of electrodes, and providing an electrostrictive strain amount per unit electric field in a plane perpendicular to the application direction of the organic material layer.
  • a method of forming a convex lens, a concave lens and the like by deforming a layer and an electrode has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
  • a gel material containing 1 to 30 parts by weight of an ionic liquid with respect to 1 to 50 parts by weight of polyvinyl chloride is known (see, for example, Patent Document 4).
  • the configuration in which the lens is moved along the optical axis changes the position of a single lens by expanding and contracting the polymer material disposed in the lens holder.
  • the holder is first deformed, and the lens position is changed by the deformation of the holder, so it is difficult to sufficiently improve the responsiveness and accuracy of the lens drive.
  • the present invention has an object to provide an optical element capable of adjusting optical characteristics with a simple configuration and a method of manufacturing the same.
  • the light scatterer is formed on the surface of the optical element by using expansion and contraction or deformation of the polymer material by voltage application.
  • an optical element having a first electrode layer, a second electrode layer, and a polymer material layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer, Under voltage application, the polymer material layer is deformed to form a light scatterer on the surface of the optical element.
  • a method of manufacturing an optical element is Forming a polymer material layer on the first electrode layer; Placing a second electrode layer on the polymeric material layer; A voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer to deform the polymer material layer, and a part of the polymer material layer is projected on the surface of the second electrode layer To form a light scatterer, Including the steps.
  • FIG. 5D is a top view of the electrode configuration used in the microlens array of FIGS. 5A-5D.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view of an electrode configuration used in the microlens array of FIGS. 5A-5D.
  • FIG. 5D shows the cross-sectional profile of the microlens array of FIGS. 5A-5D as a function of voltage.
  • FIG. 5D is a view for explaining the operating principle of the optical element in the form of the microlens array of FIGS. 5A to 5D. It is a 3D image when a mesh electrode is used as a comparative example.
  • FIG. It is a figure which shows the cross-sectional profile of the polymer gel used in FIG. It is a schematic diagram explaining the deformation
  • FIGS. 1A to 1C are basic configuration diagrams of an optical element 10 according to an embodiment.
  • the optical element 10 has a three-layer laminated structure in which the polymer material layer 11 is sandwiched between the pair of electrodes 12 and 13. In a state where a voltage is applied between the electrode 12 and the electrode 13, the light scatterer 15 is provided on the surface 13 s of at least one of the electrodes (for example, the electrode 13).
  • the light scatterer 15 is formed of the same material as the polymer material layer 11.
  • the polymer material layer 11 and the light scattering body 15 are formed of a gel-like polymer material (hereinafter, appropriately referred to as “polymer gel”).
  • the light scatterer 15 is formed by using expansion and contraction or deformation of the polymer gel by application of a voltage.
  • the light scatterer 15 has a convex shape.
  • convex means that at least a portion of the deformed polymer gel protrudes at least partially upward from the surface 13s (zero plane) of the electrode.
  • the present invention is not limited to the state in which all project as shown in FIG. 1A.
  • the concave shape of the light scatterer near the center of the convex light scatterer also protrudes from the opening 14 of the electrode 13 when viewed as a whole of the light scatterer 15, and the light scattering effect Have.
  • FIG. 1B not only when the top of the light scatterer 15A is slightly recessed, but also when the center of the light scatterer 15B is below the surface 13s of the electrode 13 as shown in FIG. 1C. It is included in "convex shape".
  • the polymer gel is polyvinyl chloride (PVC), polymethyl methacrylate, polyurethane, polystyrene, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, silicone rubber, etc., and is transparent to the used wavelength.
  • Polymer (or resin) material can be selected appropriately.
  • PVC which is easily modified due to the action of the electric field
  • a suitable plasticizer may be added to PVC, or PVC may be dissolved in a solvent.
  • a plasticizer dibutyl adipate (DBA: dibutyl adipate), diethyl adipate (DEA: diethyl adipate), diethyl sebacate (DES: diethyl sebacate), dioctyl phthalate (DOP: dioctyl phthalate), diethyl phthalate (DEP: diethyl phthalate) etc.
  • DBA dibutyl adipate
  • DEA diethyl adipate
  • DES diethyl sebacate
  • DOP dioctyl phthalate
  • DEP diethyl phthalate
  • Tetrahydrofuran (THF) etc. can be used as a solvent.
  • the mixing ratio of the plasticizer is 50 wt% or more, preferably 75 wt% or more. If the mixing ratio is less than 50 wt%, it becomes difficult to deform the polymer material layer 11 even if a voltage is applied. When the mixing ratio is 50 wt% or more and less than 75 wt%, the polymer material layer 11 can be deformed by voltage application, but the voltage level to be applied may be high. By setting the mixing ratio to 75 wt% or more, the polymer material layer 11 can be deformed at an appropriate voltage level.
  • the electrodes 12 and 13 are not particularly limited as long as the materials have conductivity.
  • at least one of the electrode 12 and the electrode 13 is formed of metal, platinum, gold, silver, nickel, chromium, copper, titanium, tantalum, indium, palladium, lithium, niobium, an alloy of these, or the like can be used.
  • At least one of the electrode 12 and the electrode 13 may be formed of a transparent oxide semiconductor material such as ITO (Indium Tin Oxide: indium tin oxide), or a conductive polymer, conductive carbon, or the like may be used.
  • the polarities of the electrodes 12 and 13 can be set according to the direction in which the shape of the polymer material layer 11 is changed.
  • the electrode 12 is a cathode layer and the electrode 13 is an anode layer.
  • the electrode 12 and the electrode 13 are in surface contact with the polymer material layer 11.
  • the electrode 13 has an opening 14, and the light scatterers 15, 15 A, and 15 B protrude from the opening 14 over the surface 13 s of the electrode 13 in a state where a voltage is applied.
  • the diameter of the opening 14 can be appropriately set depending on the application of the optical element 10, but is less than 1 mm, preferably 300 ⁇ m or less. When the diameter of the opening 14 is 1 mm or more, it becomes difficult to cause the polymer gel to protrude from the opening 14 by the application of a voltage. By setting the diameter of the opening to 300 ⁇ m or less, it is possible to enhance the deformation efficiency of the polymer gel with respect to the voltage application, and to form a substantially uniform convex shape with respect to the center of the opening.
  • the shape of the opening 14 can be determined according to the purpose, such as a circle, an ellipse, or a polygon.
  • a solution of PVC to which a plasticizer is added is applied by a casting method or the like on the electrode 12 formed to have a predetermined dimension to form the polymer material layer 11.
  • the electrode 13 in which the pattern of the opening 14 is formed in advance is disposed on the polymer material layer 11.
  • a predetermined voltage is applied between the electrode 12 and the electrode 13 to form the light scatterer 15, 15A or 15B on the surface of the electrode 13.
  • the thickness of the polymer material layer 11 is appropriately determined in accordance with the size of the opening 14, the height h of the light scattering body 15 to be formed, the thickness of the electrodes 12 and 13 used, etc. Preferably, it is 0.1 mm to 0.5 mm. When the thickness of the polymer material layer 11 is 0.1 mm or less, it becomes somewhat difficult to handle, but there is a balance with the aperture size of the electrode 13 to the last, so a microlens array sheet having a large number of fine lenses is manufactured In some cases, the thickness of the polymer material layer 11 may be 0.1 mm or less.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle of the optical element 10 of the embodiment, taking the shape of FIG. 1A as an example.
  • (A) of FIG. 2 shows the state to which the voltage is not applied.
  • (B) of FIG. 2 shows the state when a voltage is applied.
  • the polymer material layer 11 In the state where no voltage is applied, the polymer material layer 11 is inside the opening 14 in a flat state.
  • the surface position of the polymer material layer 11 at this time is lower than the surface 13s of the electrode 13 in the height direction (stacking direction).
  • the surface 13s of the electrode 13 is a zero plane in the height direction.
  • the deformation of the polymer gel is based on the elasticity and voltage response characteristics of the gel, and it bulges from the opening 14 and becomes a point-symmetrical protrusion with respect to the center of the opening 14. If the composition of the polymer material layer 11 is uniform, by applying the same level of voltage, it is possible to form the light scatterer 15 having a convex shape with less variation.
  • the thickness of the polymer material layer 11 is slightly reduced by the amount of protrusion of the polymer gel from the opening 14.
  • the position of the electrode 13 in surface contact with the polymer material layer 11 is also lowered.
  • the deformation of the polymer material layer 11 is reversible, and can be returned to the initial state of FIG. 2 (B) by stopping the application of the voltage. Further, as described later, the height h of the light scatterer 15 can be adjusted in accordance with the level of the applied voltage.
  • FIG. 3 is a schematic view of an optical element 10A which is a modified example of the optical element 10.
  • an electrode 13A in which an insulator 16 is coated with a conductive film 17 is used as an anode, instead of the electrode 13 made of metal or the like in FIGS. 1A to 1C.
  • an inorganic insulator such as silicon dioxide or alumina ceramic, or an insulating resin can be used.
  • the conductive film 17 is a thin film of platinum, gold, silver, nickel, chromium, copper, titanium, tantalum, indium, palladium, lithium, niobium, an alloy thereof, a conductive polymer, a conductive carbon, a thin film of an oxide semiconductor And so on. Both the insulator 16 and the conductive film 17 may be formed of a transparent material.
  • the light-scattering body 15 is formed in the reversible deformation process by the presence or absence of voltage application similarly to FIG. As described above, since the light scattering body 15 is formed by being extruded from the opening 14 utilizing the elasticity and the voltage response characteristic of the polymer material layer 11, it is possible to obtain a good convex shape by voltage application.
  • the convex shape of the light scatterer 15 includes the cross-sectional shape of the light scatterer 15A of FIG. 1B and the cross-sectional shape of the light scatterer 15B of FIG. 1C.
  • FIG. 3 is advantageous in that it is possible to produce a transparent optical element by using a transparent insulator and a transparent conductive film.
  • the use of a metal material can be reduced to reduce the overall mass of the optical element 10A.
  • FIGS. 1A to 1C and the configuration of FIG. 3 can be extended to a configuration having light scatterers 15 on both sides of the optical element.
  • the electrode 12 which is a cathode as a common electrode and arranging the polymer material layer 11 on both sides of the electrode 12 and sandwiching it between the electrodes 13 of two anodes, light scatterers are formed on both sides of the optical element by voltage application. 15 can be generated.
  • the electrode 12 in the middle into a transparent electrode, it is possible to form a lens unit in which both sides are convex.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a microlens array 100 as an application example of the optical element 10 of FIGS. 1A to 1C.
  • the microlens array 100 has an array of a plurality of light scatterers 15 on the surface 13 s of the electrode 13.
  • the microlens array 100 has a three-layer laminated structure in which the polymer material layer 11 is sandwiched between a pair of electrodes 12 and 13.
  • the polymer material layer 11 is, as described with reference to FIG. 1A, a polymer gel such as PC, polymethyl methacrylate, polyurethane, polystyrene, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, silicone rubber, etc. It is.
  • a plasticizer such as DBA, DEA, DES, DOP, DEP may be added to the polymer gel.
  • the mixing ratio of the plasticizer is 50 wt% or more, more preferably 75 wt% or more.
  • the electrodes 12 and 13 are formed of an appropriate conductive material.
  • the electrode 12 is a cathode layer
  • the electrode 13 is an anode layer
  • the arrangement of the light scatterers 15 is formed on the surface 13s of the anode.
  • the thickness of the polymer material layer 11 is 500 ⁇ m
  • the diameter of the light scatterer 15 is 150 ⁇ m
  • the pitch between the centers is 200 ⁇ m
  • the distance between two adjacent light scatterers 15 is 50 ⁇ m.
  • the microlens array 100 is formed by using the micron-order opening formed in the film-like electrode 13 and the elasticity of the polymer gel, and the light scatterer 15 having a uniform convex shape is formed on the surface 13 s of the electrode 13. It is arranged.
  • the arrangement of the light scatterers 15 appears and / or the height of the light scatterers 15 increases. It can be changed.
  • 5A to 5D are 3D images observed while changing the level of the voltage applied to the microlens array 100 of FIG. Images obtained by changing the applied voltage to 0 V, 600 V, 700 V, and 800 V correspond to FIGS. 5A, 5 B, 5 C, and 5 D, respectively.
  • the position of the surface 13s of the electrode 13 is 0 ⁇ m, and the direction in which the light scatterer 15 protrudes is the plus side, and the side lower than the surface 13s is the minus side.
  • 3D observation is performed using a digital microscope VHX1000 manufactured by Keyence Corporation.
  • FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining the specifications of the electrode 3 of the sample used for the 3D observation of FIGS. 5A to 5D.
  • the electrode 13 has a plurality of openings 14. In the 6 mm ⁇ 6 mm opening area, the openings 14 with a diameter ⁇ of 150 ⁇ m are arranged in a 30 ⁇ 30 matrix.
  • the pitch P of the openings 14 is 200 ⁇ m, and the distance between the adjacent openings 14 and the openings 14 is 50 ⁇ m.
  • An ITO film is used for the electrode 12 to be a cathode, and a metal film is used for the electrode 13 to be an anode.
  • the thickness t1 of the electrode 12 is 30 ⁇ m
  • the thickness t2 of the electrode 13 is 30 ⁇ m
  • the thickness t3 of the polymer material layer 11 is 500 ⁇ m.
  • the polymer material layer 11 is prepared by adding dibutyl adipate (DBA) to PVC so that the mixing ratio is 80 wt% and completely dissolving in a solvent of THF to form a gel solution, and then the gel solution is placed on the electrode 12 Cast to a thickness of 500 ⁇ m.
  • DBA dibutyl adipate
  • the plasticizer, DBA tends to carry negative ions, and the application of a voltage can attract the polymer gel to the opening 14 of the anode.
  • the electrode 13 is disposed on the polymer material layer 11.
  • FIG. 5B when a voltage of 600 V is applied, a partial protrusion is observed in the opening 14.
  • FIG. 5C when a voltage of 700 V is applied, the polymer gel deforms in a convex shape throughout the opening 14 and protrudes from the surface of the electrode 13.
  • FIG. 5D when a voltage of 800 V is applied, the height is further increased to obtain a convex shape approximately symmetrical with respect to the center.
  • FIG. 7 is a plot of the heights of three consecutive light scatterers 15 arranged diagonally as a function of voltage application from the 3D images of FIGS. 5A-5D.
  • the vertical axis is the height from the surface 13s of the electrode 13
  • the horizontal axis is the in-plane position of the electrode 13
  • one grid is 150 ⁇ m.
  • the height position of the polymer gel inside the opening 14 is a few ⁇ m shallower than ⁇ 30 ⁇ m. This is because the surface of the polymer material layer 11 slightly enters the opening 14 due to the weight of the electrode 3.
  • the profile of the polymer gel in the opening 14 is flat.
  • the polymer gel When the voltage is applied at 600 V, the polymer gel partially protrudes from the opening 14 beyond the surface position of the electrode 13. The protrusion starts from the central part of the opening 14.
  • the protrusion of the polymer gel becomes prominent and deforms into a convex shape.
  • a convex shape with a voltage application of 800 V and a height of 40 ⁇ m is obtained.
  • the end face shape of each light scatterer is a uniform shape.
  • FIG. 8 is a view for explaining the operation principle of the microlens array by voltage application in FIGS. 5A to 5D.
  • the applied voltage is less than 500 V
  • the polymer material layer 11 is inside the opening 14 in a flat state.
  • the surface position of the polymer material layer 11 at this time is lower than the surface 13s of the electrode 13 in the height direction (stacking direction).
  • the applied voltage is less than 500 V is a voltage level determined by the elastic modulus of the polymer material layer 11 used, the diameter ⁇ of the opening 14 of the electrode 13 and the like, and this is merely an example.
  • the polymer gel bearing electrons is attracted to the end face of the opening 14 of the electrode 13 of the anode.
  • the initial stage of deformation of the polymer gel is preferentially attracted to the end face of the opening 14 which is positively charged, and the polymer gel at the center of the opening 14 is lower than the surface 13 s position of the electrode 13.
  • FIGS. 5A, 5 B, and 7 it is believed that the first protrusion of the polymer gel as it transitions from a concave to a convex state drawn around the opening 14 originates from the central portion of the opening 14.
  • the current flowing through the polymer gel is as low as 10 ⁇ A or less, the calorific value is suppressed, and it can withstand long-term use.
  • the polymer gel change of FIG. 8 occurs at all apertures 14. Under the ideal condition that the composition of the polymer material layer 11 is completely uniform and all the openings 14 are completely identical, an array of light scatterers 15 of uniform shape should be obtained. In fact, as shown in FIG. 7, although the shape of the light scatterer 15 slightly varies due to processing variation of the opening 14, composition variation inside the polymer material layer 11, etc., it is observed in FIG. 5B. Thus, an overall uniform microlens array 100 is realized.
  • FIG. 9 is, as a comparative example, a 3D image obtained by observing a change in polymer gel when using a mesh electrode using a metal wire having a circular cross section in place of the electrode 13.
  • a 70 ⁇ m diameter copper wire is woven into a 140 ⁇ m mesh to form a mesh electrode with 140 ⁇ m ⁇ 140 ⁇ m openings 114.
  • a polymer material layer 11 using a polymer gel of the same composition is applied to a thickness of 150 ⁇ m on the same 30 ⁇ m thick cathode as used in FIGS. 5A and 5B, and a mesh is formed on the polymer material layer 11 Place the electrode.
  • (A) of FIG. 9 shows a state in which no voltage is applied
  • (b) of FIG. 9 shows an observation image when a voltage of 800 V is applied between the cathode and the mesh electrode as in FIG. 5B. In the 3D observation, no protrusion is observed in the opening 114 of the mesh electrode even when a voltage of 800 V is applied.
  • FIG. 10 is a plot of the height of the polymer material layer 11 in the openings aligned along the X-X ′ line from the 3D image of FIG.
  • the vertical axis is the height from the surface of the mesh electrode.
  • the mesh electrode is formed of a copper wire having a circular cross section, and the highest position of the wire is 0 ⁇ m.
  • the height position is ⁇ 200 ⁇ m in the state where no voltage is applied because the thickness of two conductive lines is at the point where the conductive lines cross in the mesh structure. .
  • the meshing of the mesh is not necessarily uniform, and if the conductive wire contains gaps or distortions, the depth position at the cross position slightly fluctuates.
  • the measurement result of FIG. 10 is a reasonable result in consideration of an error (about ⁇ 20 ⁇ m) in the depth direction where light does not easily enter by optical measurement.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the operation when a voltage is applied in the configuration of the comparative example of FIG.
  • the applied voltage is 0 V in (a) of FIG. 11
  • the surface of the polymer material layer 11 is flat.
  • the conductive lines of the mesh electrode disposed on the polymer material layer 11 are in contact with the surface of the polymer material layer 11 in the tangential direction.
  • the applied voltage is further increased (for example, when it is set to 1000 V or more), there is a possibility that the polymer gel may protrude into the opening 114, but the power consumption is increased and a uniform shape as in the embodiment is obtained.
  • a microlens array having an arrangement of light scatterers 15 can not be expected.
  • FIG. 12 shows a configuration of an optical element 10B as still another modified example of the optical element 10.
  • the electrode 13 has an opening 14 and causes the light scatterer 15 to project from the opening 14 under voltage application.
  • the electrode 13 has a nonconductive region 19 of a predetermined shape.
  • the nonconductive region 19 is formed of a light transmissive material which is electrically neutral and deformable following the deformation of the polymer material layer 11.
  • the deformable nonconductive and light transmissive material may be the same material as the polymeric material layer 11 or may be a different material.
  • the nonconductive region 19 is formed of a material different from that of the polymer material layer 11, the difference in refractive index can be used to control light diffusion.
  • the planar shape of the nonconductive region 19 is appropriately selected according to the purpose and application of the optical element, and is a circle, an ellipse, a polygon or the like.
  • Non-conductive region 19 forms, for example, an opening 14 of a predetermined shape in electrode 13 in advance, and is electrically neutral within the opening and light transmissive which can be deformed following the deformation of polymer material layer 11. Is formed by filling a layer of material.
  • the thickness of the layer constituting the nonconductive region 19 does not have to be the same as the thickness of the electrode 13 and may be thinner than the thickness of the electrode 13.
  • the nonconductive region 19 and the polymer material layer 11 may not necessarily be in surface contact, and an air layer may be interposed therebetween. In the latter case, when the polymer material layer 11 is deformed by application of a voltage and comes into contact with the nonconductive region 19, the nonconductive region 19 is deformed following the deformation of the polymer material layer 11, and the light scatterer 15 can be formed.
  • FIG. 13 is a schematic view of a test apparatus for evaluating the light diffusion distribution of the optical element 10 of the embodiment.
  • the optical element 10 uses a metal film with a thickness of 30 ⁇ m in which an opening with a diameter of 150 ⁇ m is formed in the anode, and uses an ITO film with a thickness of 150 ⁇ m for the cathode.
  • a PVC gel having a plasticizer DBA content of 83% is used as a polymer material layer sandwiched between the anode and the cathode.
  • the thickness of the PVC gel is 150 ⁇ m.
  • the optical element 10 of this three-layer structure is held on a base film of polyethylene terephthalate (PET), and various direct current voltages are applied to form the light scatterer 15 on the surface of the anode.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the optical element 10 has an ITO film serving as a cathode on the side of the laser source, and is held so that the light scatterer 15 protrudes toward the screen.
  • the voltage applied to the electrodes is changed to 0V, 600V, 700V, 800V.
  • the red parallel light L is made incident on the optical element 10 from the laser source, and the light collection and diffusion by the light scatterer 15 are evaluated.
  • the red laser light enters from the transparent cathode side of the optical element 10 and is condensed by the light scatterer 15.
  • the light scatterer 15 of the optical element 10 has a diameter of 150 ⁇ m and a height of 0 to 40 ⁇ m.
  • the focal position is very near to the optical element 10 and observation with the naked eye is difficult. Therefore, a screen is placed at a position beyond the focal point, and light diffusion once observed is observed.
  • FIG. 14 is an image showing an evaluation result in the test apparatus of FIG.
  • the upper left image is a light diffusion image on the screen when the applied voltage is 0V.
  • the upper right image is a light diffusion image on the screen when the applied voltage is 600V.
  • the lower left image is a light diffusion image on the screen when the applied voltage is 700V.
  • the lower right image is a light diffusion image on the screen when the applied voltage is 800V.
  • the light scatterer 15 When no voltage is applied (0 V), the light scatterer 15 is not formed on the anode surface of the optical element 10, and light incident from the ITO film of the cathode is transmitted through the flat PVC gel layer as it is. , Is projected on the screen. Light diffusion is small and bright spots are observed at the center of the screen.
  • the applied voltage is 600 V
  • it is in the early stage of deformation of the PVC gel, and even if deformation is started, it has not reached a convex shape that exhibits a light collecting function. Therefore, light incident from the cathode side of the optical element 10 is projected onto the screen with almost no light condensing effect, and a light spot similar to that when the applied voltage is 0 V is observed.
  • the convex light scatterer 15 is formed on the surface of the anode.
  • the laser light is condensed by the light scatterer 15 and then diffused to project the diffused light on the screen.
  • the radius of curvature of the light scatterer 15 is relatively large and the focal length is long, so the light diffusion at the screen position is not so remarkable.
  • a convex light scatterer 15 having a high height is formed by the surface of the anode.
  • the radius of curvature of the light scatterer is small, the focal length is short, and the light scatters after being focused in the vicinity of the optical element 10. At the position of the screen, highly diffuse light is observed.
  • the focal length of the light scatterer 15 can be made variable by adjusting the applied voltage.
  • the optical element 10 of the embodiment can be used as a variable focus lens or a variable shape lens.
  • FIG. 15 is a schematic view of an imaging device 150 using the microlens array 100 of the embodiment.
  • the imaging device 150 has a microlens array 100 having an array of a plurality of light scatterers 15, and an imaging element array 130 in which a plurality of imaging elements are arrayed.
  • the imaging device is formed of a charge coupled device (CCD), a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) sensor, or the like.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • Three color filters 131 may be arranged corresponding to the arrangement of the imaging elements. In this example, red (R), green (G) and blue (B) color filters 131R, 131G and 131B are alternately arranged.
  • FIG. 16 is a schematic view of a lighting device 250 using the microlens array 100 of the embodiment.
  • the lighting device 250 includes a light source 230 such as an LED lamp, and a microlens array 100 disposed on the front side of the light source 230 on the output side.
  • a light source 230 such as an LED lamp
  • a microlens array 100 disposed on the front side of the light source 230 on the output side.
  • the microlens array 100 is formed to be 1 mm or less in thickness, and both the anode and the cathode can be made transparent, so application to an ultra-thin camera, head mounted display (HMD), microlens array (MLA) sheet, etc. In addition, it is applicable also to the field of medical care, such as an endoscope system.
  • the optical element 10 having a single light scatterer 15 can also be applied to a light diffusion sheet, a lens sheet or the like in the field of medicine and image formation.
  • the optical element and the microlens array of the embodiment generate light scatterers having various orientation distributions by controlling the voltage on / off or adjusting the voltage level without using a complicated mechanism. It can be done. It is desirable that the applied voltage be low. Therefore, the applied voltage is reduced by devising the composition of the polymer material used for the optical element and the microlens array.
  • the driving voltage of the optical element 10 or the microlens array 100 can be obtained by adding an ionic liquid satisfying a predetermined condition to the gel-like polymer material (polymer gel) used in the polymer material layer 11. Reduce.
  • the addition of the ionic liquid can enhance the deformation efficiency of the polymer material.
  • the ionic liquid is a salt composed of a cation (positively charged ion) and an anion (negatively charged ion), and is a liquid at 25 ° C.
  • One of the predetermined conditions is that the ionic liquid has an anion (negative ion) transport number of a certain value or more at 25 ° C. Details of this condition will be described later.
  • the polymer material is, as described above, polyvinyl chloride (PVC), polymethyl methacrylate, polyurethane, polystyrene, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, silicone rubber and the like.
  • PVC polyvinyl chloride
  • polymethyl methacrylate polyurethane
  • polystyrene polyvinyl acetate
  • polyvinyl alcohol polycarbonate
  • polyethylene terephthalate polyacrylonitrile
  • silicone rubber polyacrylonitrile
  • the weight ratio of the ionic liquid to such a polymer material is 0.2 wt% or more and 1.5 wt% or less, more preferably 0.3 wt% or more and 1.0 wt% or less.
  • the drive voltage of the optical element or the microlens array can be reduced by mixing this weight ratio of the ionic liquid. This basis will also be described later.
  • a suitable plasticizer may be added to the polymer gel or it may be dissolved in a solvent.
  • a plasticizer dibutyl adipate (DBA: dibutyl adipate), diethyl adipate (DEA: diethyl adipate), diethyl sebacate (DES: diethyl sebacate), dioctyl phthalate (DOP: dioctyl phthalate), diethyl phthalate (DEP: diethyl phthalate) etc.
  • DBA dibutyl adipate
  • DEA diethyl adipate
  • DES diethyl sebacate
  • DOP dioctyl phthalate
  • DEP diethyl phthalate
  • solvent ether solvents such as tetrahydrofuran (THF) can be used.
  • the polymer material to which the ionic liquid is added is applicable to any of the optical element 10 of FIGS. 1A to 2, the optical element 10A of FIG. 3, the optical element 10B of FIG. 12, and the microlens array 100 of FIG. is there.
  • the drive voltage of the polymer material layer 11 can be reduced to 200 V or less, more preferably 150 V or less, by adding an ionic liquid under predetermined conditions to the polymer material.
  • FIG. 17 shows the voltage response characteristics of the polymer gel when various ionic liquids are added.
  • a polymer gel in which PVC having a weight average molecular weight of 230,000 is dissolved in a solvent of tetrahydrofuran (THF) is prepared, and various ionic liquids are added to prepare multiple types of samples.
  • THF tetrahydrofuran
  • Each sample is sandwiched between the electrodes 12 and 13 as shown in FIGS. 1A to 1C and FIG. 2, and the applied voltage is changed to measure the voltage dependency of the peak height h.
  • the voltage dependence of peak height is also measured using a polymer gel to which no ionic liquid is added.
  • peak height refers to the value of the portion where the height h from the surface 13s of the electrode 13 is the highest.
  • the polymer gel of the sample and the comparative example is applied to a thickness of 300 ⁇ m on the electrode 12 to be the lower electrode.
  • a metal thin film with a thickness of 20 ⁇ m in which holes with a diameter of 100 ⁇ m are formed is disposed as the upper electrode 13.
  • the voltage applied between the electrode 12 and the electrode 13 is changed between 0 V and 400 V, and the peak height h of the light scatterer 15 protruding from the electrode 13 is measured.
  • the weight ratio of EMI-BF 4 to PVC is 0.5 wt%.
  • EMI is a cation and BF 4 is an anion.
  • the weight ratio of OMI-BF 4 to PVC is 0.5 wt%.
  • OMI is a cation and BF 4 is an anion.
  • Line C shows the voltage dependence of the peak height of sample C to which 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (EMI-DCA) is added as an ionic liquid.
  • EMI-DCA 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide
  • the weight ratio of EMI-DCA to PVC is 0.5 wt%.
  • EMI is a cation
  • DCA C 2 N 3
  • the weight ratio of TBP-BF 4 to PVC is 0.1 wt%.
  • TBP is a cation, and BF 4 is an anion.
  • Type of ionic liquids are the same as sample D, but the weight ratio of TBP-BF 4 for PVC is 0.5 wt%.
  • TBP is a cation, and BF 4 is an anion.
  • the weight ratio of EMI-TFSI to PVC is 0.5 wt%.
  • EMI is a cation and TFSI is an anion.
  • the weight ratio of TBP-MES to PVC is 0.5 wt%.
  • TBP is a cation and MES is an anion.
  • Line W shows the voltage dependence of the peak height of the PVC polymer gel of sample W to which the ionic liquid is not added as a comparative example.
  • the polymer gel W of the comparative example in which the ionic liquid is not added the height of the light scatterer 15 increases substantially linearly with the applied voltage.
  • a voltage of 400 V is required.
  • Sample A to which 0.5 wt% of EMI-BF 4 was added as an ionic liquid and Sample B to which 0.5 wt% of OMI-BF 4 was added were polymer material layers when a voltage of 100 V or less was applied.
  • 11 can be driven to a height of 20 ⁇ m or more.
  • the sample A is displaced to a height of less than 40 ⁇ m by application of a voltage of 50 V and a height of 20 ⁇ m and application of a voltage of 200 V.
  • the sample B is also displaced to a height of 25 ⁇ m at a voltage application of 100 V and a height of 30 ⁇ m at a voltage application of 200 V.
  • Sample C added with 0.5 wt% of EMI-DCA can obtain the same 20 ⁇ m peak height with about half applied voltage (210 to 220 V) as compared with sample W to which no ionic liquid is added. The deformation efficiency has been greatly improved.
  • Sample D to which 0.1 wt% of TBP-BF 4 is added, can cause the light scatterer 15 to project from the surface 13 s of the electrode 13 by applying a voltage of 50 V, but the peak height It remains less than 10 ⁇ m and the change in peak height is small in the range of 50V to 400V. In the sample D, it is difficult to accurately adjust the height of the light scatterer 15 by voltage control.
  • FIG. 18 is a view showing the relationship between the displacement of the polymer gel and the physical properties of the ionic liquid.
  • the samples A to H to which various ionic liquids are added, in which the displacement is positive, indicate that the polymer gel protrudes from the surface 13s of the electrode 13 by application of a voltage and the light scatterer 15 is formed.
  • the negative displacement is one in which the polymer gel does not protrude from the surface 13s of the electrode 13 even when a voltage is applied.
  • each ionic liquid As physical properties of each ionic liquid, conductivity, size of potential window, diffusion coefficient and transport number of negative ions at 25 ° C. are measured. Since some of the used ionic liquids are solid at 25 ° C., the diffusion coefficient and transport number of negative ions at 80 ° C. are measured for those melted by heating to 80 ° C.
  • the conductivity of sample C is smaller by two orders of magnitude compared with samples A and B, the polymer gel to which sample C is added is positively displaced.
  • sample H is much more conductive than sample C, but the polymer gel is not positively displaced. It is believed that the conductivity of the ionic liquid is not directly related to the deformation efficiency of the polymer gel.
  • the potential window is a potential region where electrochemical stability is maintained in the system of FIG.
  • the wider the voltage window (the larger the value), the wider the range in which the system is electrochemically stable.
  • the potential windows of the sample A and the sample F are the same width, the polymer gel of the sample A is displaced to the plus, and the polymer gel of the sample F does not obtain the plus displacement.
  • the width of the potential window of the ionic liquid is also considered not to be directly related to the deformation efficiency of the polymer gel.
  • the diffusion coefficient and transport number of anions (negative ions) at 25 ° C. are examined.
  • the diffusion coefficient of positive and negative ions contained in the ionic liquid is measured using solid-state NMR (VNMR System manufactured by Varian) as a measurement instrument.
  • VNMR System manufactured by Varian
  • an ionic liquid is injected into the capillary and set in the apparatus.
  • the signal intensity with respect to the change of the magnetic field is measured at a predetermined temperature (in this case, 25 ° C. and 80 ° C.), and the diffusion coefficients of positive and negative ions are calculated from the Stokes-Einstein equation.
  • the transport number of negative ions represents the ratio of the current carried by the anion to the total current when a current is applied to the ionic liquid.
  • the transport number of the negative ion is calculated as the ratio of the diffusion coefficient of the negative ion to the sum of the diffusion coefficient of the negative ion and the diffusion coefficient of the positive ion determined above (D anion / (D cation + D anion )).
  • the ionic liquids used for the samples A, B, C, F, and H were liquids at 25 ° C., and the diffusion coefficient and transport number of negative ions of each ionic liquid were calculated from the measurement results by liquid chromatography.
  • the transport number of negative ions of the ionic liquid at 25 ° C. is 0.4 or more.
  • the transport number of negative ions at 25 ° C. of the ionic liquid used in samples F and H which can not obtain positive displacement is smaller than 0.4. From this, it is considered that the transport number of negative ions at room temperature influences the deformation efficiency of the polymer gel.
  • the diffusion coefficient can not be measured.
  • this ionic liquid was heated to 80 ° C. and melted, the diffusion coefficient and transport number of negative ions were calculated, and the transport number was 0.6.
  • the anion size and the cation size of the ionic liquid used in sample G are also moderate, the ionic liquid is solid at 25 ° C. Therefore, even if the ionic liquid is dispersed in the polymer gel by stirring, the deformation efficiency of the gel is Is considered to have contributed less.
  • ionic liquids can be used by selecting the thing which does not influence deterioration of a cathode as a cation.
  • Li-BF 4 - may be used as ionic liquids.
  • FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the amount of ionic liquid added and the displacement of the polymer gel.
  • the abscissa represents the content (wt%) of the ionic liquid relative to the polymer material of the polymer gel, and the ordinate represents the peak height of the displacement.
  • EMI-BF 4 of sample A is used as the ionic liquid.
  • the amount of EMI-BF 4 added is varied in the range of 0 wt% to 5.0 wt%. Further, the applied voltage is changed to 0V, 50V, 100V, 200V, and 400V.
  • positive displacement can be obtained when the amount of ionic liquid added is in the range of 0.2 wt% to 1.5 wt%. In addition, the displacement is maximized in the range of 0.3 wt% to 1.0 wt%.
  • the light scatterer 15 can be formed on the surface of the electrode 13 by applying a voltage of 100 V or less.
  • the addition amount of the ionic liquid is 5.0 wt%, a memory phenomenon occurs in which the deformation does not return even when the voltage is turned off.
  • the weight ratio of the ionic liquid to the polymer is desirably 0.2 wt% to 1.5 wt%, and more preferably 0.3 wt% to 1.0 wt%. This is also in agreement with the result of FIG.
  • FIG. 20 is a view showing the evaluation results of the light diffusion distribution of the light scatterer 15 formed by applying a voltage to the polymer material layer 11 for each addition amount of the ionic liquid.
  • the optical element 10 of FIG. 2 is produced by using a polymer material layer 11 in which EMI-BF 4 is used as the ionic liquid and the addition amount of EMI-BF 4 is changed.
  • the polymer material layer 11 contains PVC as a polymer gel and dibutyl adipate (DBA) as a plasticizer.
  • DBA dibutyl adipate
  • the electrode 12 to be a cathode is formed of ITO having a thickness of 150 ⁇ m, and a voltage is applied to the polymer material layer 11 sandwiched between the electrode 12 and the electrode 13 to form a light scatterer 15. Similar to FIG. 13, the laser is disposed on the side of the electrode 12 formed of ITO, and the screen is disposed on the side on which the light scatterer 15 is formed. Laser light of red parallel light is incident on the optical element 10 from the back surface side of the electrode 12, and the light diffusion state on the screen is observed.
  • the screen is disposed on the light exit side of the light scatterer 15 at a position farther than the focal point of the light scatterer 15.
  • the light diffusion once collected at the focal point of the light scatterer 15 is observed on the screen. This is because the diameter of the light scatterer 15 of the optical element 10 is as small as 100 ⁇ m and the height is as small as about 0 to 40 ⁇ m, and the focal position thereof is very near the optical element 10 and observation with the naked eye is difficult. By observing the light diffusion at a position beyond the focus of the light scatterer 15, it is possible to evaluate the light collection state.
  • the light scatterer 15 protruding from the surface of the electrode 13 is not formed even when a voltage of 200 V is applied.
  • the red parallel light incident from the back surface of the optical element 10 passes through the optical element 10 as collimated light without being collected, and spots of the same size are formed on the screen regardless of the level of the applied voltage. .
  • a light scatterer 15 is formed on the surface of the electrode 13 by applying a voltage of 50 V, and light which has started to be diffused after being collected is observed at the screen position .
  • the light scatterer 15 having a larger peak height, ie, a sharp curvature, is formed on the surface of the electrode 13 than when 50 V is applied.
  • the light incident from the back side of the optical element is greatly diffused after being condensed, and no spot is observed at the screen position.
  • the focal length of the light scatterer 15 can be made variable by adjusting the applied voltage.
  • the optical element 10 of the embodiment can be used as a variable focus lens or a variable shape lens.
  • FIG. 21 is a view showing the influence of the ionic liquid on the cathode degradation.
  • a PVC gel to which various ionic liquids are added is applied on a metal substrate, and an ITO electrode is disposed on the PVC gel as a counter electrode.
  • the types of PVC gel to be applied are Sample A (containing 0.5 wt% EMI-BF 4 ), Sample B (containing 0.5 wt% OMI-BF 4 ), Sample C (0.5 wt% EMI-DCA), Sample D (with 0.1 wt% TBP-BF 4 ), Sample H (with 0.5 wt% EMI-FSI), and Sample G (0.5 wt%) (Including TBP-MES).
  • Sample A to D have obtained positive displacement in FIG.
  • Sample D is a sample in which the added amount is reduced to 0.1 wt% because displacement is not obtained when the weight ratio of the ionic liquid is set to 0.5 wt% the same as the other samples.
  • the surface condition of the electrode is observed from the ITO side while changing the voltage level applied to the PVC gel by using a metal substrate as a positive electrode and ITO as a negative electrode.
  • the polymeric material to which the ionic liquid is added is applicable to the microlens array 100 of FIG. 4 as described above.
  • an array of light scatterers 15 can be formed on the surface 13 s of the electrode 13 to be an anode.
  • an array of light scatterers 15 having a height of 20 ⁇ m or more can be formed by applying a voltage of 100 V or less.
  • An array of light scatterers 15 having a diameter of 100 ⁇ m and a center-to-center pitch of 150 ⁇ m can be formed using the polymer material layer 11 to which the ionic liquid is added. At this time, the distance between two adjacent light scatterers 15 may be set to 50 ⁇ m.
  • the microlens array 100 is formed by utilizing the micron-order opening formed in the film-like electrode 13 and the voltage displacement characteristic of the polymer gel, and a light scattering member having a uniform convex shape on the surface 13 s of the electrode 13 Fifteen are arranged. Depending on the level of the voltage of 200 V or less applied between the electrodes 12 and 13, the arrangement of the light scatterers 15 can appear and / or the height of the light scatterers 15 can be adjusted.
  • insulation such as a resin having a predetermined opening formed as shown in FIG. It is also possible to use one coated on both sides of the sheet and the inside of the opening with a conductive film.
  • a light transmitting non-conductive area that can be deformed following the displacement of the polymer material layer 11 may be provided in the electrode 13.
  • the present invention has been described above based on the specific embodiments, the present invention is not limited to the above-described configuration examples.
  • the arrangement of the light scatterers 15 is not limited to the matrix arrangement, and may be a staggered arrangement.
  • the shape of the opening 14 of the electrode 13 may be hexagonal and arranged finely.
  • the optical elements 10, 10A, 10B of the embodiment and the microlens array 100 of FIG. 7 can be expanded to a configuration having the light scatterers 15 on both sides.
  • the electrode 12 as a cathode as a common electrode, arranging the polymer material layer 11 on both sides of the electrode 12 and sandwiching it between two electrodes 13 as an anode, voltage is applied to both sides of the optical element or the microlens array sheet
  • the light scatterer 15 can be generated.
  • the electrode 12 disposed in the middle into a transparent electrode it is possible to form a lens unit in which both sides are convex.
  • the optical element and the microlens array of the embodiment can generate light scatterers having various orientation distributions without using a complicated mechanism.
  • the light scattering material can be generated efficiently with the reduced driving voltage.

Landscapes

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Abstract

本発明は、簡単な構成で光学特性を調整することのできる光学素子とその作製方法を提供する。　本発明の光学素子（１０）は、第１の電極層（１２）と、第２の電極層（１３）と、前記第１の電極層（１２）と前記第２の電極層（１３）の間に配置される高分子材料層（１１）とを有し、電圧印加の下で前記高分子材料層（１１）が変形して前記光学素子（１０）の表面に光散乱体（１５）が形成される。

Description

光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法
　本発明は、光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法に関する。
　従来から、電圧の印加によって変形する高分子材料を用いて、レンズを光軸方向に移動させる焦点調節機構（たとえば、特許文献１参照）、レンズ駆動機構（たとえば、特許文献２参照）等が知られている。高分子材料はレンズを保持するレンズホルダに用いられており、電圧印加による高分子材料の伸縮を利用して、レンズの位置を光軸に沿って動かしている。
　また、電界の印加方向に伸縮する有機材料を一対の電極で挟み、有機材料層の電界印加方向と垂直な面内で単位電場当たりの電歪性歪量に分布を持たせることで、有機材料層と電極を変形させて凸レンズ、凹レンズ等を形成する方法が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
　人工筋肉アクチュエータに適用される高分子柔軟アクチュエータとして、ポリ塩化ビニル１～５０重量部に対してイオン液体を１～３０重量部含むゲル材料が知られている（たとえば特許文献４参照）。
特許第４５３０１６３号 特許第５１８０１１７号 特許第５０２９１４０号 特許第５３９２６６０号
　レンズを光軸に沿って移動させる構成は、レンズホルダに配置された高分子材料を伸縮させることで、単一のレンズの位置を変化させている。この構成は、まずホルダを変形させ、ホルダの変形によってレンズ位置を変えるので、レンズ駆動の応答性と精度を十分に高めることが難しい。
　有機材料層の面内方向に電歪性歪量の分布を持たせる構成は、インクジェットやマイクロコンタクトプリンティングなどで、特性の異なる材料を微小量ずつ所望の位置に塗布するため、レンズ作製の工程が複雑であり時間がかかる。
　また、上述した従来構成はいずれも単一のレンズの調整を目的としているが、イメージングや映像関連製品では、多数の微細なレンズを用いたマイクロレンズアレイに対する需要が高まっている。マイクロレンズアレイに焦点調整機能を付与することができれば、付加価値を高めることができる。
　上記の課題に鑑みて、本発明は、簡単な構成で光学特性を調整することのできる光学素子とその作製方法を提供することを目的とする。
　本発明では、電圧印加による高分子材料の伸縮または変形を利用して、光学素子の表面に光散乱体を形成する。
　第１の態様では、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される高分子材料層とを有する光学素子は、電圧印加の下で前記高分子材料層が変形して前記光学素子の表面に光散乱体が形成される。
　第２の態様では、光学素子の作製方法は、
　第１の電極層の上に高分子材料層を形成し、
　前記高分子材料層の上に、第２の電極層を配置し、
　前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に電圧を印加して前記高分子材料層を変形させて、前記第２の電極層の表面に前記高分子材料層の一部を突出させて光散乱体を形成する、
工程を含む。
　上記の構成と手法により、簡単な構成で光学特性を調整することのできる光学素子とその作製方法が実現される。
実施形態の光学素子の基本構成を示す概略模式図である。 実施形態の光学素子の基本構成を示す概略模式図である。 実施形態の光学素子の基本構成を示す概略模式図である。 実施形態の光学素子の動作原理を説明する図である。 図１Ａの光学素子の変形例を示す図である。 実施形態のマイクロレンズアレイの概略模式図である。 実施形態のマイクロレンズアレイの変形過程を示す３Ｄ画像である。 実施形態のマイクロレンズアレイの変形過程を示す３Ｄ画像である。 実施形態のマイクロレンズアレイの変形過程を示す３Ｄ画像である。 実施形態のマイクロレンズアレイの変形過程を示す３Ｄ画像である。 図５Ａ～図５Ｄのマイクロレンズアレイで用いる電極構成の上面図である。 図５Ａ～図５Ｄのマイクロレンズアレイで用いる電極構成の断面図である。 図５Ａ～図５Ｄのマイクロレンズアレイの断面プロファイルを電圧の関数として示す図である。 図５Ａ～図５Ｄのマイクロレンズアレイの形態の光学素子の動作原理を説明する図である。 比較例としてメッシュ電極を用いたときの３Ｄ画像である。 図９で用いたポリマーゲルの断面プロファイルを示す図である。 比較例のポリマーゲルの変形を説明する模式図である。 光学素子のさらに別の変形例を示す図である。 実施形態の光学素子の光拡散分布を評価するテスト装置の模式図である。 図１３のテスト装置での評価結果を示す画像である。 実施形態のマイクロレンズアレイを用いた撮像装置の模式図である。 実施形態のマイクロレンズアレイを用いた照明装置の模式図である。 高分子材料に種々のイオン液体を添加したときの高分子材料層の応答特性を示す図である。 イオン液体の物性とポリマーゲルの変位状態を示す図である。 イオン液体の添加量とポリマーゲルの変位の関係を示す図である。 電圧印加により形成された光散乱体の評価結果をイオン液体の添加量ごとに示す図である。 イオン液体の電極劣化への影響を示す図である。
　図１Ａ～図１Ｃは、実施形態の光学素子１０の基本構成図である。光学素子１０は、一対の電極１２と電極１３の間に、高分子材料層１１が挟持された三層の積層構造を有する。電極１２と電極１３の間に電圧が印加された状態で、少なくとも一方の電極（たとえば電極１３）の表面１３ｓに、光散乱体１５を有する。光散乱体１５は、高分子材料層１１と同じ材料で形成されている。
　高分子材料層１１と光散乱体１５は、ゲル状のポリマー材料（以下、適宜「ポリマーゲル」と呼ぶ）で形成されている。光散乱体１５は、電圧の印加によるポリマーゲルの伸縮または変形を利用して形成されている。図１Ａの例では、光散乱体１５は、凸形状を有する。本明細書及び特許請求の範囲で「凸形状」というときは、とは、変形したポリマーゲルの少なくとも一部が電極の表面１３ｓ（ゼロ面）から上方に少なくとも一部が突出した状態を意味し、図１Ａのようにすべてが突出した状態に限られるものではない。
　図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、凸形の光散乱体の中央付近が凹状にくぼんだ形状も、光散乱体１５全体としてみたときに電極１３の開口１４から突出しており、光散乱効果を有する。図１Ｂのように、光散乱体１５Ａの頂点がわずかにくぼんだ状態だけではなく、図１Ｃのように、光散乱体１５Ｂの中央部が電極１３の表面１３ｓよりも下方にある場合も、「凸形状」に含まれる。
　ポリマーゲルは、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：polyvinyl chloride）、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等であり、使用波長に対して透明な高分子（または樹脂）材料を適宜選択することができる。
　実施形態では、電場の作用による変形例が大きく、取扱いが容易なＰＶＣを用いる。ＰＶＣに適切な可塑剤を添加してもよいし、ＰＶＣを溶媒に溶解させてもよい。可塑剤を用いる場合は、アジピン酸ジブチル（ＤＢＡ：dibutyl adipate）、アジピン酸ジエチル（ＤＥＡ：diethyl adipate）、セバシン酸ジエチル（ＤＥＳ：diethyl sebacate）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ：dioctyl phthalate）、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ：diethyl phthalate）等を用いることができる。溶媒として、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等を用いることができる。
　可塑剤の混合比率は５０ｗｔ％以上、好ましくは７５ｗｔ％以上である。混合比率が５０ｗｔ％未満だと、電圧を印加しても高分子材料層１１を変形させることが困難になる。混合比率が５０ｗｔ％以上７５ｗｔ％未満のときは、電圧印加により高分子材料層１１を変形させることができるが、印加する電圧レベルが高くなるおそれがある。混合比率を７５ｗｔ％以上とすることで、適切な電圧レベルで高分子材料層１１を変形させることができる。
　電極１２と電極１３は、導電性を有する材料であれば、特に制限はない。電極１２と電極１３の少なくとも一方を金属で形成する場合は、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、チタン、タンタル、インジウム、パラジウム、リチウム、ニオブ、これらの合金などを用いることができる。電極１２と電極１３の少なくとも一方をＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ）等の透明な酸化物半導体材料で形成してもよいし、導電性ポリマー、導電性カーボン等を用いてもよい。
　電極１２と電極１３の極性は、高分子材料層１１の形状を変化させる方向に応じて設定することができる。図１Ａ～図１Ｃの例では、電極１２は陰極層、電極１３は陽極層である。電極１２と電極１３は、高分子材料層１１と面接触している。
　電極１３は開口１４を有し、電圧が印加された状態で、光散乱体１５、１５Ａ、及び１５Ｂが、開口１４から電極１３の表面１３ｓを超えて突出している。開口１４の径は、光学素子１０の用途に応じて適宜設定することができるが、１ｍｍ未満、好ましくは３００μｍ以下である。開口１４の径が１ｍｍ以上になると、電圧の印加によってポリマーゲルを開口１４から突出させることが困難になる。開口の径が３００μｍ以下とすることで、電圧印加に対するポリマーゲルの変形効率を高め、開口１４の中心に対してほぼ均等な凸形状を形成することができる。
　開口１４の形状は、円、楕円、多角形等、目的に応じて決定することができる。
　光学素子１０の作製方法としては、所定の寸法に形成された電極１２の上に、可塑剤が添加されたＰＶＣの溶液をキャスト法等で塗布して、高分子材料層１１を形成する。高分子材料層１１の上で、あらかじめ開口１４のパターンを形成した電極１３を配置する。電極１２と電極１３の間に所定の電圧を印加して、電極１３の表面に光散乱体１５、１５Ａ、または１５Ｂを形成する。
　高分子材料層１１の厚さは、開口１４のサイズ、形成したい光散乱体１５の高さｈ、用いる電極１２，１３の厚さ等に応じて適宜決定されるが、一例として、１ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ～０．５ｍｍである。高分子材料層１１の厚さが０．１ｍｍ以下のときは多少ハンドリングしにくくなるが、あくまでも電極１３の開口サイズとの兼ね合いがあるので、微細な多数のレンズを有するマイクロレンズアレイシートを作製する場合は、高分子材料層１１の厚さが０．１ｍｍ以下になる場合もあり得る。
　図２は、図１Ａの形状を例にとって、実施形態の光学素子１０の動作原理を説明する図である。図２の（ａ）は電圧が印加されていない状態を示す。図２の（ｂ）は電圧が印加されたときの状態を示す。
　電圧が印加されていない状態では、高分子材料層１１は表面がフラットな状態で開口１４の内部にある。このときの高分子材料層１１の表面位置は、高さ方向（積層方向）で電極１３の表面１３ｓよりも低い。電極１３の表面１３ｓを高さ方向のゼロ面とする。
　図２の（ｂ）のように、電極１２と電極１３の間に電圧が印加されると、陰極である電極１２からポリマーゲルの高分子材料層１１に電子が注入される。電子を含むポリマーゲルは陽極である電極１３の開口１４の端面に引き付けられる。ゲルの弾性により、微細な開口１４で圧縮された分のポリマーゲルが開口１４の中央から押し上げられ、電極１３の表面１３ｓから突出し、光散乱体１５が形成される。
　ポリマーゲルの変形は、ゲルの弾性と電圧応答特性に基づくものであり、開口１４から隆起して、開口１４の中心に対して点対称な突起となる。高分子材料層１１の組成が均一であれば、同じレベルの電圧を印加することで、ばらつきの少ない凸形状の光散乱体１５を形成することができる。
　トータルのポリマーゲルの体積は同じであるから、開口１４からポリマーゲルが突出した分だけ、高分子材料層１１の厚さが若干、低減する。高分子材料層１１の厚さが低減すると、高分子材料層１１と面接触している電極１３の位置も下方に下がる。
　高分子材料層１１の変形は可逆的であり、電圧の印加を停止することで、図２（Ｂ）の初期状態に戻すことができる。また、後述するように、印加する電圧のレベルに応じて、光散乱体１５の高さｈを調整することができる。
　図３は、光学素子１０の変形例である光学素子１０Ａの模式図である。光学素子１０Ａでは、図１Ａ～図１Ｃの金属等の電極１３に替えて、絶縁体１６を導電膜１７でコーティングした電極１３Ａを陽極として用いる。絶縁体１６は、二酸化ケイ素、アルミナセラミクス等の無機絶縁体や、絶縁樹脂を用いることができる。導電膜１７は、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、チタン、タンタル、インジウム、パラジウム、リチウム、ニオブ、これらの合金などの薄膜、導電性のポリマー、導電性カーボン、酸化物半導体の薄膜等で形成される。絶縁体１６と導電膜１７の双方を透明な材料で形成してもよい。
　光散乱体１５は、図２で説明したのと同様に、電圧印加の有無による可逆的な変形過程で形成される。上述のように、光散乱体１５は、高分子材料層１１の弾性と電圧応答特性を利用して開口１４から押し出されて形成されるので、電圧印加により良好な凸形状を得ることができる。
　図３の構成においても、光散乱体１５の凸形状は、図１Ｂの光散乱体１５Ａの断面形状と、図１Ｃの光散乱体１５Ｂの断面形状を含む。
　図３の構成は、透明絶縁体と透明導電膜を用いることで、透明な光学素子の作製が可能になるという利点がある。また、金属材料の使用を減らして、光学素子１０Ａ全体の質量を軽くできる。
　図１Ａ～図１Ｃの構成と、図３の構成は、光学素子の両面に光散乱体１５を有する構成に拡張することが可能である。たとえば、陰極である電極１２を共通電極として用い、電極１２の両面に高分子材料層１１を配置して２つの陽極の電極１３で挟むことで、電圧印加により、光学素子の両面に光散乱体１５を発生させることができる。中間にある電極１２を透明電極にすることで、両側が凸のレンズユニットを形成することができる。
　図４は、図１Ａ～図１Ｃの光学素子１０の適用例として、マイクロレンズアレイ１００を示す模式図である。マイクロレンズアレイ１００は、電極１３の表面１３ｓに複数の光散乱体１５の配列を有する。
　マイクロレンズアレイ１００は、一対の電極１２と電極１３の間に、高分子材料層１１が挟持された三層の積層構造を有する。高分子材料層１１は、図１Ａを参照して説明したように、ＰＣ、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等のポリマーゲルである。
　ポリマーゲルに、ＤＢＡ、ＤＥＡ、ＤＥＳ、ＤＯＰ、ＤＥＰ等の可塑剤を添加してもよい。可塑剤の混合比は、５０ｗｔ％以上、より好ましくは７５ｗｔ％以上である。
　電極１２と電極１３は、適切な導電性の材料で形成されている。電極１２は陰極層、電極１３は陽極層であり、光散乱体１５の配列は、陽極の表面１３ｓに形成されている。一例として、高分子材料層１１の厚さは５００μｍ、光散乱体１５の径は１５０μｍ、中心心間のピッチは２００μｍ、隣接する２つの光散乱体１５の間隔は５０μｍである。
　マイクロレンズアレイ１００は、フィルム状の電極１３に形成されたミクロンオーダーの開口とポリマーゲルの弾性を利用して形成されており、電極１３の表面１３ｓに、均一な凸形状の光散乱体１５が配列されている。
　図２を参照して説明したように、電極１２と電極１３の間に印加される電圧のレベルに応じて、光散乱体１５の配列を出現させ、及び／または光散乱体１５の高さを変更することができる。
　図５Ａ～図５Ｄは、図４のマイクロレンズアレイ１００に印加する電圧のレベルを変えながら観察した３Ｄ画像である。印加電圧を０Ｖ、６００Ｖ、７００Ｖ、８００Ｖと変化させて得られた各画像が図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄにそれぞれ対応する。電極１３の表面１３ｓの位置を０μｍとして、光散乱体１５が突出する方向をプラス側、表面１３ｓよりも低い側をマイナス側とする。３Ｄ観測は、キーエンス社製のデジタルマイクロスコープＶＨＸ１０００を用いて行う。
　図６Ａと図６Ｂは、図５Ａ～図５Ｄの３Ｄ観察に用いたサンプルの電極３の諸元を説明する図である。電極１３は、複数の開口１４を有する。６ｍｍ×６ｍｍの開口領域に、径φが１５０μｍの開口１４を３０×３０のマトリクスに配置する。開口１４のピッチＰは２００μｍ、隣接する開口１４と開口１４の間隔は５０μｍである。
　陰極となる電極１２にＩＴＯフィルムを用い、陽極となる電極１３に金属膜を用いる。電極１２の厚さｔ１は３０μｍ、電極１３の厚さｔ２は３０μｍ、高分子材料層１１の厚さｔ３は５００μｍである。
　高分子材料層１１は、ＰＶＣにアジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）を混合比率が８０ｗｔ％となるように添加し、ＴＨＦの溶媒に完全に溶解させてゲル溶液とした後、ゲル溶液を電極１２の上に厚さ５００μｍでキャストしたものである。可塑剤であるＤＢＡはマイナスイオンを帯びやすく、電圧の印加により、ポリマーゲルを陽極の開口１４に引き付けることができる。高分子材料層１１の上に、電極１３を配置する。
　図５Ａ～図５Ｄに戻って、図５Ａで電圧の印加がない場合は（Ｖ＝０Ｖ）、高分子材料層１１は開口１４の内部でフラットな状態にある。図５Ｂで、６００Ｖの電圧を印加すると、開口１４内に部分的な突起が観察される。図５Ｃで、７００Ｖの電圧を印加すると、ポリマーゲルが開口１４の全体にわたって凸形状に変形して、電極１３の表面から突出する。図５Ｄで、８００Ｖの電圧を印加すると、さらに高さが増大して中心に対してほぼ対称の凸形状が得られる。
　図７は、図５Ａ～図５Ｄの３Ｄ画像から、対角上に並ぶ３つの連続する光散乱体１５の高さを電圧印加の関数としてプロットしたものである。縦軸が電極１３の表面１３ｓからの高さ、横軸が電極１３の面内位置であり、１グリッドを１５０μｍとしている。
　電圧の印加がないとき（０Ｖ）、開口１４の内部でのポリマーゲルの高さ位置は、－３０μｍよりも数μｍ浅い位置にある。これは電極３の自重により高分子材料層１１の表面がわずかに開口１４に中に入るからである。開口１４内でのポリマーゲルのプロファイルは平坦になっている。
　電圧の印加が５００Ｖのとき、ポリマーゲルの変形が始まり、開口１４の中心近傍でポリマーゲルの表面位置が、初期位置よりも低くなる。これは、プラスの開口１４のエッジがプラス極になり、ポリマーゲルが開口１４の側壁に張り付いて引き上げられたことにより、開口の中央近傍でポリマーゲルの表面位置が下がったためである。
　電圧の印加が６００Ｖのとき、ポリマーゲルは部分的に、開口１４から電極１３の表面位置を超えて突出する。突出は、開口１４の中央部分から始まる。
　電圧の印加が７００Ｖのとき、ポリマーゲルの突出が顕著になり、凸型に変形する。電圧の印加が８００Ｖで、高さが４０μｍの凸形状が得られる。図７のプロファイルから分かるように、各光散乱体の端面形状は均一な形状となる。図４の構成を採用することで、電圧の印加により均一なマイクロレンズアレイが得られる。
　図８は、図５Ａ～図５Ｄの電圧印加によるマイクロレンズアレイの動作原理を説明する図である。図８の（ａ）で、印加電圧が５００Ｖ未満のときは、高分子材料層１１は表面がフラットな状態で開口１４の内部にある。このときの高分子材料層１１の表面位置は、高さ方向（積層方向）で電極１３の表面１３ｓよりも低い。ここで、印加電圧が５００Ｖ未満というのは、用いる高分子材料層１１の弾性率、電極１３の開口１４の径φ等によって決まる電圧レベルであり、一例にすぎないことに留意されたい。
　図８の（ｂ）のように、印加される電圧レベルを６００Ｖとすることで、電子を帯びたポリマーゲルが陽極の電極１３の開口１４の端面に引き付けられる。ポリマーゲルの変形の初期は、プラスの電荷をおびている開口１４の端面に優先的に引き付けられ、開口１４の中央部でポリマーゲルは、電極１３の表面１３ｓ位置よりも低い。図５Ａ、図５Ｂ、及び図７を参照すると、ポリマーゲルが開口１４の周囲に引き付けられた凹状態から凸状態に遷移するときの最初の突起は、開口１４の中央部から生じると考えられる。
　図８の（ｃ）で、印加される電圧レベルが６００Ｖを超えると、ポリマーゲルの弾性により、ポリマーゲルは開口１４内に全体的に押し上げられる。開口１４で圧縮された分のポリマーゲルは開口１４からさらに押し上げられ、電極１３の表面１３ｓから突出し、光散乱体１５が形成される。
　なお８００Ｖを印加してもポリマーゲルに流れる電流は１０μＡ以下と非常に低く、発熱量が抑制され、長期の使用に耐えられる。
　図８のポリマーゲルの変化は、すべての開口１４で発生する。高分子材料層１１の組成が完全に均一、かつすべての開口１４が完全に同一な理想的な状態では、均一な形状の光散乱体１５のアレイが得られるはずである。実際は、開口１４の加工ばらつき、高分子材料層１１の内部での組成のばらつき等により、図７のように、光散乱体１５の形状に若干のばらつきが含まれるが、図５Ｂで観察されるように、全体として均一なマイクロレンズアレイ１００が実現される。
　図９は、比較例として、電極１３に替えて、断面が円形の金属配線を用いたメッシュ電極を用いたときのポリマーゲルの変化を観察した３Ｄ画像である。直径７０μｍの銅線を１４０μ間隔のメッシュに編み込んで、１４０μｍ×１４０μｍの開口１１４を有するメッシュ電極を形成する。図５Ａ及び図５Ｂで用いたのと同じ厚さ３０μｍの陰極の上に、同一組成のポリマーゲルを用いた高分子材料層１１を厚さ１５０μｍに塗布し、高分子材料層１１の上にメッシュ電極を配置する。図９の（ａ）は、電圧の印加がない状態、図９の（ｂ）は、図５Ｂと同様に、陰極とメッシュ電極の間に８００Ｖの電圧を印加したときの観察画像である。３Ｄ観察では、８００Ｖの電圧を印加してもメッシュ電極の開口１１４内に、突起が観察されない。
　図１０は、図９の３Ｄ画像から、Ｘ－Ｘ’ラインに沿って並ぶ開口内の高分子材料層１１の高さをプロットしたものである。縦軸がメッシュ電極の表面からの高さである。メッシュ電極は、断面が円形の銅電線で形成されており、同電線の最も高い位置を０μｍとしている。
　図１０からわかるように、８００Ｖの電圧をかけても、メッシュ電極の開口１１４から表面に突出する突起は形成されない。これは、実施形態のマイクロレンズアレイ１００に用いられる電極１３が高分子材料層１１と面接触しているのに対し、導電線を編み込んだメッシュ電極は、垂直断面で高分子材料層１１と点接触に近い状態にあるからと考えられる。
　なお、図１０で電圧印加がない状態での高さ位置が－２００μｍになっているのは、メッシュ構造で導電線がクロスする点では、導電線が２本分の厚さになるからである。メッシュの編み込みは必ずしも均一でなく、導電線に隙間や歪みが含まれるとクロス位置での深さ位置は若干変動する。光学的な測定で光が入りづらい深さ方向での誤差（±２０μｍ程度）を考慮すると、図１０の測定結果は妥当な結果である。
　図１１は、図９の比較例の構成で電圧が印加されたときの動作を説明する図である。図１１の（ａ）で印加電圧が０Ｖのときは、高分子材料層１１の表面はフラットである。高分子材料層１１の上に配置されるメッシュ電極の導電線は、接線方向で高分子材料層１１の表面と接触している。
　図１１の（ｂ）で８００Ｖの電圧を印加した場合、負の電荷をおびたポリマーゲルは、陽極線（メッシュ電極）の周囲に張り付くように、流動する。しかし、開口１１４内でゲルが突起するほどの変形は生じない。陽極線と高分子材料層１１の接触は点接触であり、ポリマーゲルを開口１１４内で均一に押し上げる変形をもたらすだけの均一な電圧印加が得られていないためと考えられる。
　印加電圧をさらに高くした場合（たとえば１０００Ｖ以上にした場合）は、開口１１４内にポリマーゲルが突出する可能性があり得るが、消費電力が大きくなるうえに、実施形態のような均一な形状の光散乱体１５の配列を有するマイクロレンズアレイは期待できない。
　図１２は、光学素子１０のさらに別の変形例として、光学素子１０Ｂの構成を示す。図１Ａ～図３の構成では、電極１３は開口１４を有しており、電圧印加の下で光散乱体１５を開口１４から突出させている。図１２の構成では、電極１３は、所定の形状の非導電性領域１９を有する。非導電性領域１９は、電気的に中立で、かつ高分子材料層１１の変形に追従して変形可能な光透過性の材料で形成されている。
　変形可能な非導電性かつ光透過性の材料は、高分子材料層１１と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。非導電性領域１９を高分子材料層１１と異なる材料で形成する場合は、屈折率の違いを利用して、光の拡散を制御することができる。
　非導電性領域１９の平面形状は、光学素子の目的、用途に応じて適宜選択され、円、楕円、多角形等である。非導電性領域１９は、たとえば、電極１３にあらかじめ所定の形状の開口１４を形成し、開口内に、電気的に中立、かつ高分子材料層１１の変形に追従して変形可能な光透過性の材料の層を充填することで形成される。
　図１２の（ａ）の状態から、図１２の（ｂ）のように、電極１２と電極１３の間に電圧が印加されると、高分子材料層１１が変形する。高分子材料層１１の変形に追従して非導電性領域１９が変形する。高分子材料層１１の変形部１８と、非導電性領域１９とで、光散乱体１５が形成される。
　非導電性領域１９を構成する層の厚さは、必ずしも電極１３の厚さと一致している必要はなく、電極１３の厚さよりも薄くてもよい。また、非導電性領域１９と高分子材料層１１はかならずしも面接触していなくてもよく、間に空気層が介在していてもよい。後者の場合、電圧の印加により高分子材料層１１が変形して非導電性領域１９と接触すると、高分子材料層１１の変形に追従して非導電性領域１９が変形して、光散乱体１５を形成することができる。
　図１３は、実施形態の光学素子１０の光拡散分布を評価するテスト装置の模式図である。光学素子１０は、陽極に１５０μｍ径の開口が形成された厚さ３０μｍの金属フィルムを用い、陰極に、厚さ１５０μｍのＩＴＯフィルムを用いている。陽極と陰極の間に挟まれる高分子材料層として、可塑剤ＤＢＡの含有率が８３％のＰＶＣゲルを用いる。ＰＶＣゲルの厚さは１５０μｍである。この三層構造の光学素子１０をポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のベースフィルム上に保持し、種々の直流電圧を印加して光散乱体１５を陽極の表面に形成する。
　光学素子１０は、陰極となるＩＴＯ膜がレーザ源の側にあり、光散乱体１５がスクリーンの方向に向かって突出するように保持されている。電極に印加される電圧を、０Ｖ、６００Ｖ、７００Ｖ、８００Ｖと変化させる。各電圧レベルで、レーザ源から赤色平行光Ｌを光学素子１０に入射して、光散乱体１５による集光と拡散を評価する。上述のように、赤色レーザ光は光学素子１０の透明な陰極側から入射し、光散乱体１５によって集光される。
　光学素子１０の光散乱体１５の径は１５０μｍ、高さは０～４０μｍである。陽極の表面に光散乱体１５が形成されて集光機能が発現した場合、その焦点位置は光学素子１０のきわめて近傍にあり、肉眼での観察が困難である。そこで、焦点を超えた位置にスクリーンを配置し、一度集光した後の光拡散を観察する。
　図１４は、図１３のテスト装置での評価結果を示す画像である。左上の画像は、印加電圧が０Ｖのときのスクリーン上の光拡散画像である。右上の画像は、印加電圧が６００Ｖのときのスクリーン上の光拡散画像である。左下の画像は、印加電圧が７００Ｖのときのスクリーン上の光拡散画像である。右下の画像は、印加電圧が８００Ｖのときのスクリーン上の光拡散画像である。
　電圧が印加されていないとき（０Ｖ）は、光学素子１０の陽極面に光散乱体１５は形成されておらず、陰極のＩＴＯフィルムから入射した光は、フラットなＰＶＣゲル層をそのまま透過して、スクリーンに投射される。光の拡散は小さく、スクリーンの中央に明るいスポットが観察される。
　印加電圧が６００Ｖのときは、ＰＶＣゲルの変形初期であり、変形が開始されても集光機能を発現する凸形状には至っていない。したがって、光学素子１０の陰極側から入射した光は、集光作用をほとんど受けずにスクリーンに投射され、印加電圧が０Ｖのときと類似した光スポットが観察される。
　で、印加電圧が７００Ｖのときは、陽極の表面に凸状の光散乱体１５が形成される。レーザ光は光散乱体１５で集光された後に拡散して、拡散光がスクリーンに投射される。７００Ｖの電圧印加では、光散乱体１５の曲率半径は比較的大きく、焦点距離が長いため、スクリーン位置での光の拡散はそれほど顕著ではない。
　印加電圧が８００Ｖのときは、陽極の表面により高さの高い凸状の光散乱体１５が形成される。光散乱体の曲率半径は小さく、焦点距離が短くなり、光学素子１０の近傍で焦点を結んだあとに拡散される。スクリーンの位置では、大きく拡散された光が観察される。
　これらの光拡散分布から、印加電圧を調整することにより、光散乱体１５の焦点距離を可変にできることが確認される。実施形態の光学素子１０は、可変焦点レンズ、または可変形状レンズとして用いることができる。
　図１５は、実施形態のマイクロレンズアレイ１００を用いた撮像装置１５０の模式図である。撮像装置１５０は、複数の光散乱体１５の配列を有するマイクロレンズアレイ１００と、複数の撮像素子が配列された撮像素子アレイ１３０を有する。撮像素子は、ＣＣＤ（charge coupled device）、ＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）センサなどで形成されている。撮像素子の配列に対応して、三色のカラーフィルタ１３１が配置されていてもよい。この例では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ１３１Ｒ、１３１Ｇ、１３１Ｂが交互に配置されている。
　図１６は、実施形態のマイクロレンズアレイ１００を用いた照明装置２５０の模式図である。照明装置２５０は、たとえばＬＥＤランプ等の光源２３０と、光源２３０の出力側の前面に配置されたマイクロレンズアレイ１００を有する。マイクロレンズアレイ１００を配置することで、光拡散を制御して、輝度を高く保った状態で拡散光を平行光に変換することができる。また、微細な発光素子の出力面の近傍に実施形態の光学素子、または複数個の光散乱体１５を有するマイクロレンズアレイ１００を配置することで、顕微鏡用、産業用等の照明装置に適用することもできる。
　マイクロレンズアレイ１００は、１ｍｍ以下の薄型に形成され、陽極、陰極ともに透明化することができるので、超薄型カメラ、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シート、等への適用のほか、内視鏡システム等の医療の分野にも適用可能である。単一の光散乱体１５を有する光学素子１０も、医療、画像形成の分野で光拡散シート、レンズシート等に適用することができる。
　＜高分子材料の構成＞
　上述のように、実施形態の光学素子とマイクロレンズアレイは、複雑な機構を用いずに電圧をオン／オフ制御、あるいは電圧レベルを調整することで、様々な配向分布をもつ光散乱体を発生させることができる。印加される電圧は低い方が望ましい。そこで、光学素子及びマイクロレンズアレイに用いられる高分子材料の組成を工夫して、印加電圧を低減する。
　具体的には、高分子材料層１１で用いられるゲル状の高分子材料（ポリマーゲル）に、所定の条件を満たすイオン液体を添加することで、光学素子１０またはマイクロレンズアレイ１００の駆動電圧を低減する。イオン液体の添加により、高分子材料の変形効率を高めることができる。
　イオン液体は、カチオン（正の電荷を帯びたイオン）とアニオン（負の電荷を帯びたイオン）で構成される塩であり、２５℃で液体のものをいう。所定の条件のひとつは、イオン液体が、２５℃で一定値以上のアニオン（負イオン）輸率をもつことである。この条件の詳細については、後述する。
　高分子材料は、上述したように、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：polyvinyl chloride）、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等である。好ましい構成例では、使用波長に対して透明な高分子または樹脂材料が用いられる。
　このような高分子材料に対するイオン液体の重量割合は、０．２ wt%以上、１．５ wt%以下であり、より好ましくは、０．３ wt%以上、１．０ wt%以下である。高分子材料の重量を１（または１００％）としたときに、この重量割合のイオン液体を混合することで、光学素子またはマイクロレンズアレイの駆動電圧を低減することができる。この根拠についても後述する。
　ポリマーゲルに適切な可塑剤を添加してもよいし、溶媒に溶解させてもよい。可塑剤を用いる場合は、アジピン酸ジブチル（ＤＢＡ：dibutyl adipate）、アジピン酸ジエチル（ＤＥＡ：diethyl adipate）、セバシン酸ジエチル（ＤＥＳ：diethyl sebacate）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ：dioctyl phthalate）、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ：diethyl phthalate）等を用いることができる。溶媒としては、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等のエーテル系の溶媒を用いることができる。
　イオン液体が添加された高分子材料は、図１Ａ～図２の光学素子１０、図３の光学素子１０Ａ、図１２の光学素子１０Ｂ、及び図４のマイクロレンズアレイ１００のいずれにも適用可能である。以下で詳細に述べるように、高分子材料に所定の条件のイオン液体を添加することで、高分子材料層１１の駆動電圧を２００Ｖ以下、より好ましくは、１５０Ｖ以下に低減することができる。
　図１７は、種々のイオン液体を添加したときのポリマーゲルの電圧応答特性を示す。重量平均分子量が２３００００のＰＶＣをテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の溶媒に溶解させたポリマーゲルを準備し、種々のイオン液体を添加して複数種類のサンプルを作製する。各サンプルを図１Ａ～図１Ｃ、及び図２のように電極１２と電極１３の間に挟み込み、印加電圧を変えてピーク高さｈの電圧依存性を測定する。比較例として、イオン液体が添加されていないポリマーゲルを用いて、同じくピーク高さの電圧依存性を測定する。ここで、ピーク高さというときは、電極１３の表面１３ｓからの高さｈが最も高い部分の値をいう。
　下部電極となる電極１２の上に、サンプルと比較例のポリマーゲルを厚さ３００μｍに塗布する。ポリマーゲルの上に、上部の電極１３として、直径１００μｍのホールが形成された厚さ２０μｍの金属薄膜を配置する。電極１２と電極１３の間に印加する電圧を０Ｖから４００Ｖの間で変化させて、電極１３から突出する光散乱体１５のピーク高さｈを測定する。
　ラインＡは、イオン液体として１－エチル－３－メチルイミダゾリウム＝テトラフルオロボラート（ＥＭＩ-ＢＦ4）を添加したサンプルＡのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＥＭＩ－ＢＦ4の重量割合は０．５ wt%であ。ＥＭＩはカチオン、ＢＦ4はアニオンである。
　ラインＢは、イオン液体として１－オクチル－３－メチルイミダゾリウム＝テトラフルオロボラート（ＯＭＩ-ＢＦ4）を添加したサンプルＢのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＯＭＩ－ＢＦ4の重量割合は０．５ wt%である。ＯＭＩはカチオン、ＢＦ4はアニオンである。
　ラインＣは、イオン液体として１－エチル－３－メチルイミダゾリウム＝ジシアナミド（ＥＭＩ-ＤＣＡ）を添加したサンプルＣのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＥＭＩ－ＤＣＡの重量割合は、０．５ wt%である。ＥＭＩはカチオン、ＤＣＡ（Ｃ2Ｎ3）はアニオンである。
　ラインＤは、イオン液体としてテトラブチルホスホニウム=テトラフルオロボラート（ＴＢＰ－ＢＦ4）を添加したサンプルＤのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＴＢＰ－ＢＦ4の重量割合は、０．１ wt%である。ＴＢＰはカチオン、ＢＦ4はアニオンである。
　ラインＥは、イオン液体としてテトラブチルホスホニウム=テトラフルオロボラート（ＴＢＰ－ＢＦ4）を添加したサンプルＥのピーク高さの電圧依存性を示す。イオン液体の種類はサンプルＤと同じであるが、ＰＶＣに対するＴＢＰ－ＢＦ4の重量割合は０．５ wt%である。ＴＢＰはカチオン、ＢＦ4はアニオンである。
　ラインＦは、イオン液体として１－エチル－３－メチルイミダゾリウム＝トリフルオロメタンスルフォンイミド（ＥＭＩ－ＴＦＳＩ）を添加したサンプルＦのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＥＭＩ－ＴＦＳＩの重量割合は０．５ wt%である。ＥＭＩはカチオン、ＴＦＳＩはアニオンである。
　ラインＧは、イオン液体としてテトラブチルホスホニウム＝メタンスルホン酸（ＴＢＰ－ＭＥＳ）を添加したサンプルＧのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＴＢＰ－ＭＥＳの重量割合は、０．５ wt%である。ＴＢＰはカチオン、ＭＥＳはアニオンである。
　ラインＷは、比較例としてイオン液体が添加されていないサンプルＷのＰＶＣポリマーゲルのピーク高さの電圧依存性を示す。
　図１７の測定結果から、イオン液体を添加しない場合でも、誘電分極が生じるポリマーゲルを用いることで、電圧印加によりポリマーゲルが変形する。イオン液体を添加していない比較例のポリマーゲルＷでは、印加電圧に対してほぼリニアに光散乱体１５の高さが増大している。しかし、サンプルＷを電極１３の表面１３ｓから２０μｍの高さに突出させるには、４００Ｖの電圧が必要である。
　これに対し、イオン液体としてＥＭＩ－ＢＦ4を０．５ wt%添加したサンプルＡと、ＯＭＩ－ＢＦ4を０．５ wt%添加したサンプルＢは、１００Ｖ以下の電圧印加で、高分子材料層１１を２０μｍ以上の高さに駆動することができる。特に、サンプルＡは、５０Ｖの電圧印加で２０μｍの高さ、２００Ｖの電圧印加で、４０μｍ弱の高さに変位する。サンプルＢも、１００Ｖの電圧印加で２５μｍの高さ、２００Ｖの電圧印加で３０μｍの高さに変位する。
　ＥＭＩ－ＤＣＡを０．５ wt%添加したサンプルＣは、イオン液体を添加しないサンプルＷと比較して、約半分の印加電圧（２１０～２２０Ｖ）で同じ２０μｍのピーク高さを得ることができ、変形効率を大きく向上している。
　ＴＢＰ－ＢＦ4を０．１ wt%添加したサンプルＤは、５０Ｖの電圧印加で電極１３の表面１３ｓから光散乱体１５を突出させることができるが、電圧を高くしても、ピーク高さは１０μｍ未満のままであり、５０Ｖから４００Ｖの範囲でピーク高さの変化が小さい。サンプルＤでは、電圧制御により光散乱体１５の高さを精度良く調整することが難しい。
　ＴＢＰ－ＢＦ4を０．５ wt%添加したサンプルＥ、ＥＭＩ－ＴＦＳＩを０．５ wt%添加したサンプルＦ、及びＴＢＰ－ＭＥＳを０．５ wt%添加したサンプルＧは、４００Ｖの電圧を印加しても、電極１３の表面１３ｓから光散乱体１５を突出させることができない。
　図１７の測定結果から、イオン液体の種類（すなわち物性）と添加量の少なくとも一方が高分子材料層１１の駆動電圧の低減に関与していると考えられる。
　＜ポリマーゲルの変位とイオン液体の物性の関係＞
　図１８は、ポリマーゲルの変位とイオン液体の物性の関係を示す図である。イオン液体として、図１７のサンプルＡ～Ｇに加えて、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム＝フルオロスルホニルイミド（ＥＭＩ－ＦＳＩ）を添加したサンプルＨの物性も併せて測定する。
　各種のイオン液体を添加したサンプルＡ～Ｈで、変位がプラスのものは、電圧の印加によりポリマーゲルが電極１３の表面１３ｓから突出して光散乱体１５が形成されたものを示す。変位がマイナスのものは、電圧を印加しても電極１３の表面１３ｓからポリマーゲルが突出しないものである。
　各イオン液体の物性として、導電率、電位窓のサイズ、２５℃での負イオンの拡散係数と輸率を測定する。用いたイオン液体の中には、２５℃で固体のものもあるため、８０℃に加熱して溶融したものについては、８０℃での負イオンの拡散係数と輸率を測定する。
　上述のパラメータのうち、まず導電率について検討する。サンプルＣは、サンプルＡ，Ｂと比較して導電率が２桁小さいが、サンプルＣを添加したポリマーゲルはプラスに変位している。これに対し、サンプルＨは、サンプルＣよりもはるかに導電率が大きいが、ポリマーゲルはプラスに変位していない。イオン液体の導電率は、ポリマーゲルの変形効率に直接関係しないと考えられる。
　電位窓は、図２の系で電気化学的に安定性が保たれる電位領域のことである。電位窓が広いほど（数値が大きいほど）、系が電気化学的に安定する範囲が広い。サンプルＡとサンプルＦの電位窓は同じ広さであるにもかかわらず、サンプルＡのポリマーゲルはプラスに変位し、サンプルＦのポリマーゲルは、プラスの変位が得られていない。イオン液体の電位窓の広さも、ポリマーゲルの変形効率に直接関係しないと考えられる。
　次に、２５℃でのアニオン（負イオン）の拡散係数と輸率について検討する。イオン液体に含まれる正負イオンの拡散係数は、測定機器として、固体ＮＭＲ（Varian社製のVNMR System）を用いて測定する。測定手順は、キャピラリーにイオン液体を注入し、装置にセットする。所定温度（この場合は２５℃と８０℃）で磁場の変化に対するシグナル強度を計測し、Stokes-Einsteinの式から正負イオンの拡散係数を算出する。
　負イオンの輸率は、イオン液体に電流を流した際に、全電流に対するアニオンが担う電流の割合を表わす。負イオンの輸率は、上記で求めた負イオンの拡散係数と正イオンの拡散係数の総和に対する負イオンの拡散係数の比（Ｄanion／（Ｄcation＋Ｄanion））として計算される。
　サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｆ、Ｈに用いられたイオン液体は、２５℃で液体であり、液体クロマトグラフィーによる測定結果から、各イオン液体の負イオンの拡散係数と輸率を算出した。プラスの変位が得られたサンプルＡ、Ｂ，Ｃで、２５℃でのイオン液体の負イオンの輸率は、いずれも０．４以上である。これに対し、プラスの変位が得られないサンプルＦとＨで用いられたイオン液体の２５℃での負イオンの輸率は０．４よりも小さい。ここから、室温での負イオンの輸率がポリマーゲルの変形効率に影響していると考えられる。
　なお、プラスの変位が得られたサンプルＤに添加されたイオン液体ＴＢＰ－ＢＦ4は、用いた液体クロマトグラフの加熱可能温度（８０℃）では溶融しないため、拡散係数を測定することができなかった。
　プラスの変位が得られないサンプルＧに添加されたイオン液体ＴＢＰ－ＭＥＳも２５℃で固体であるため、拡散係数を測定することができない。このイオン液体を８０℃に加熱したところ、溶融したので負イオンの拡散係数と輸率を計算したところ、輸率は０．６であった。
　図１８の結果から、高分子材料層１１に添加されるイオン液体の特性として、２５℃での負イオンの輸率が０．４以上のものが望ましいとわかる。
　図１７及び図１８から、イオン液体のアニオンのサイズ（分子量）が小さいほうが、ポリマーゲルの変形効率に寄与することが推定される。一方、イオン液体のカチオンのサイズは、変形効率にはそれほど寄与していないと考えられる。しかし、サンプルＤの変形効率が十分でないことから、カチオンの種類によって、陰極の劣化に影響している可能性がある。これについては、図２１を参照して後述する。
　なお、サンプルＧで用いられたイオン液体のアニオンサイズもカチオンサイズも中程度であるが、イオン液体が２５℃で固体であるため、攪拌によってポリマーゲル中に分散されても、ゲルの変形効率にはそれほど寄与していないものと考えられる。
　以上から、ＢＦ4 ―及びＤＣＡ以外にも、アニオンとしてイオンサイズが比較的小さいＣｌ－やＢｒ―を用いることができる。また、カチオンとして、陰極の劣化に影響しないものを選択することで、種々のイオン液体を用いることができる。たとえば、Ｌｉ－ＢＦ4 ―をイオン液体として用い得る。
　＜イオン液体の添加量とポリマーゲルの変位の関係＞
　図１９は、イオン液体の添加量とポリマーゲルの変位の関係を示す図である。横軸は、ポリマーゲルの高分子材料に対するイオン液体の含有量（wt%）、縦軸が変位のピーク高さである。
　高分子材料として、分子量が２３００００のＰＶＣを用い、イオン液体としてサンプルＡのＥＭＩ－ＢＦ4を用いる。ＥＭＩ－ＢＦ4の添加量を０ wt%から５．０ wt%の範囲で変化させる。また、印加電圧を０Ｖ、５０Ｖ、１００Ｖ、２００Ｖ、４００Ｖと変える。
　印加する電圧のレベルに拠らず、イオン液体の添加量が、０．２ wt%～１．５ wt%の範囲でプラスの変位が得られる。また、０．３ wt%～１．０ wt%の範囲で、変位が最大になる。この範囲のイオン液体の添加により、１００Ｖ以下の電圧印加で、電極１３の表面に光散乱体１５を形成することができる。イオン液体の添加量が５．０ wt%のときは、電圧をオフにしても変形が戻らないメモリー現象が発生する。
　図１９から、高分子に対するイオン液体の重量比率は、０．２ wt%～１．５ wt%が望ましく、より好ましくは、０．３ wt%～１．０ wt%であることがわかる。これは、図１７の結果とも一致する。
　図２０は、高分子材料層１１への電圧印加により形成される光散乱体１５の光拡散分布の評価結果を、イオン液体の添加量ごとに示す図である。イオン液体としてＥＭＩ－ＢＦ4を用い、ＥＭＩ－ＢＦ4の添加量を変えた高分子材料層１１で、図２の光学素子１０を作製する。高分子材料層１１は、ポリマーゲルとしてＰＶＣを含み、可塑剤としてアジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）を含む。ＰＶＣとＤＢＡの総量に対するＤＢＡの含有割合は８３ wt%である。
　陰極となる電極１２を、厚さ１５０μｍのＩＴＯで形成し、電極１２と電極１３の間に挟んだ高分子材料層１１に電圧を印加して光散乱体１５を形成する。図１３と同様に、ＩＴＯで形成される電極１２の側にレーザを配置し、光散乱体１５が形成される側にスクリーンを配置する。電極１２の裏面側から、赤色平行光のレーザ光を光学素子１０に入射して、スクリーンでの光拡散状態を観察する。
　スクリーンは、光散乱体１５の光出射側で、光散乱体１５の焦点よりも遠い位置に配置されている。光散乱体１５の焦点で一度集光された後の光拡散を、スクリーン上で観察する。光学素子１０の光散乱体１５の径は１００μｍ、高さは０～４０μｍ程度と小さく、その焦点位置は光学素子１０のきわめて近傍にあり、肉眼での観察が困難だからである。光散乱体１５の焦点を超えた位置での光拡散を観察することで、集光状態を評価することができる。
　イオン液体が添加されていないサンプル（「w/o IL」と表記）では、２００Ｖの電圧を印加しても電極１３の表面から突出する光散乱体１５が形成されない。光学素子１０の裏面から入射された赤色平行光は、集光されずに平行光のまま光学素子１０を透過し、印加電圧のレベルにかかわらず、スクリーン上に同じサイズのスポットが形成されている。
　ＥＭＩ－ＢＦ4が０．０５ wt%添加されたサンプルでは、１００Ｖの電圧印加により、電極１３の表面でポリマーゲルがわずかに膨らむが、集光機能が不十分であり、スクリーン位置でほぼ平行光のスポットが維持されている。２００Ｖの電圧印加で、ピーク高さが１０μｍ程度の（曲率の緩やかな）光散乱体１５が形成される。いったん光散乱体１５の焦点位置で集光された光は、拡散して広がり、スクリーン上にスポットは現れない。
　ＥＭＩ－ＢＦ4が０．５ wt%添加されたサンプルでは、５０Ｖの電圧印加により、電極１３の表面に光散乱体１５が形成され、集光後に拡散し始めた光がスクリーン位置で観察される。１００Ｖの電圧と２００Ｖの電圧印加では、５０Ｖ印加時よりもピーク高さが大きい、すなわち曲率が急な光散乱体１５が電極１３の表面に形成される。光学素子の裏側から入射した光は、集光された後に大きく拡散し、スクリーン位置でスポットは観察されない。これらの評価結果は、図１９の測定結果と一致する。
　図２０の光拡散分布から、印加電圧を調整することにより、光散乱体１５の焦点距離を可変にできることが確認される。実施形態の光学素子１０は、可変焦点レンズ、または可変形状レンズとして用いることができる。
　＜イオン液体（カチオン）の陰極劣化への影響＞
　図２１は、イオン液体の陰極劣化への影響を示す図である。試験用のサンプルとして、金属基板上に、種々のイオン液体を添加したＰＶＣゲルを塗布し、ＰＶＣゲルの上に対向電極としてＩＴＯ電極を配置する。
　塗布するＰＶＣゲルの種類は、サンプルＡ（０．５ wt%のＥＭＩ－ＢＦ4を含む）、サンプルＢ（０．５ wt%のＯＭＩ－ＢＦ4を含む）、サンプルＣ（０．５ wt%のＥＭＩ－ＤＣＡを含む）、サンプルＤ（０．１ wt%のＴＢＰ－ＢＦ4を含む）、サンプルＨ（０．５ wt%のＥＭＩ－ＦＳＩを含む）、及びサンプルＧ（０．５ wt%のＴＢＰ－ＭＥＳを含む）の６種類である。このうち、図１８でプラスの変位が得られたのは、サンプルＡ～Ｄである。サンプルＤは、イオン液体の重量割合を他のサンプルと同じ０．５wt%にした場合、変位が得られないので、添加量を０．１ wt%に減らしたサンプルである。
　金属基板を正極、ＩＴＯを負極として、ＰＶＣゲルに印加する電圧レベルを変えながらＩＴＯ側から電極の表面状態を観察する。
　変位効果がなかったサンプルＧは、５０Ｖという低い印加電圧でＩＴＯ（陰極）の劣化が観察される。また、サンプルＤでも電圧印加によるＩＴＯ電極の劣化が観察される。これは、カチオンがＩＴＯ電極の劣化に影響しているためと考えられる。これに対し、変位効果の高いサンプルＡ～Ｃでは、印加電圧を上げてもＩＴＯ電極の劣化は観察されていない。
　図１７～図２１の考察から、２５℃で負イオンの輸率が０．４以上のイオン液体を添加することで、イオン液体を添加しないポリマーゲルと比較して、低い印加電圧で大きな変形を得ることができる。特に、サンプルＡとサンプルＢのように、アニオンサイズが小さいイオン液体を用いると、１００Ｖ以下の電圧範囲で、ピーク高さを大きく変えることができ、光散乱体１５の制御が容易である。すなわち、印加電圧のレベルに応じて、光散乱体１５を出現させ、その高さを調整することができる。これらのサンプルでは、光学素子１０の駆動時に、陰極に対する悪影響も少ない。
　イオン液体を添加した高分子材料は、上述のように、図４のマイクロレンズアレイ１００に適用可能である。この場合、電極１２と電極１３の間に２００Ｖ以下の電圧を印加することで、陽極となる電極１３の表面１３ｓに光散乱体１５の配列を形成することができる。添加するイオン液体の種類によっては、１００Ｖ以下の電圧印加で２０μｍ以上の高さの光散乱体１５の配列を形成することができる。
　イオン液体が添加された高分子材料層１１を用いて、直径１００μｍ、中心間ピッチが１５０μｍの光散乱体１５の配列を形成することができる。このとき、隣接する２つの光散乱体１５の間隔を５０μｍに設定してもよい。マイクロレンズアレイ１００は、フィルム状の電極１３に形成されたミクロンオーダーの開口とポリマーゲルの電圧変位特性を利用して形成されており、電極１３の表面１３ｓに、均一な凸形状の光散乱体１５が配列されている。電極１２と電極１３の間に印加される２００Ｖ以下の電圧のレベルに応じて、光散乱体１５の配列を出現させ、及び／または光散乱体１５の高さを調整することができる。
　イオン液体が添加された高分子材料層１１を用いる場合も、マイクロレンズアレイの電極１３を単層の導電層で構成する替わりに、図３のように所定の開口が形成された樹脂等の絶縁シートの両面と開口内を導電膜でコーティングしたものを用いてもよい。あるいは図１２のように、開口に替えて、高分子材料層１１の変位に追従して変形することのできる光透過性の非導電領域を電極１３に設けてもよい。
　以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。マイクロレンズアレイ１００において、光散乱体１５の配列はマトリクス状の配列に限定されず、互い違いの配列にしてもよい。あるいは、電極１３の開口１４の形状を六角形にして細密配置にしてもよい。
　実施形態の光学素子１０、１０Ａ、１０Ｂと、図７のマイクロレンズアレイ１００は、両面に光散乱体１５を有する構成に拡張することが可能である。陰極である電極１２を共通電極として用い、電極１２の両面に高分子材料層１１を配置し、陽極となる２つの電極１３で挟むことで、電圧印加により、光学素子またはマイクロレンズアレイシートの両面に光散乱体１５を発生させることができる。中間に配置される電極１２を透明電極にすることで、両側が凸のレンズユニットを形成することができる。
　実施形態の光学素子とマイクロレンズアレイは、複雑な機構を用いずに、様々な配向分布をもつ光散乱体を発生させることができる。特に、イオン液体が添加された高分子材料層を用いることで、低減された駆動電圧で効率良く光散乱体を発生させることができる。
　この出願は、２０１７年１２月２８日に日本国特許庁に出願された特許出願第２０１７－２５４３５１号と、２０１８年１２月２６日に日本特許庁に出願された特許出願第２０１８－２４３５９８号の全内容を含むものである。
１０、１０Ａ、１０Ｂ　光学素子
１１　高分子材料層
１２　電極（第１の電極層）
１３、１３Ａ　電極（第２の電極層）
１４　開口
１５　光散乱体
１６　絶縁体
１７　導電膜
１８　変形部
１９　非導電性領域
１００　マイクロレンズアレイ
１３０　撮像素子アレイ
１３１Ｒ、１３１Ｇ、１３１Ｂ　カラーフィルタ
１５０　撮像装置
２５０　照明装置

Claims (19)

  1. 　第１の電極層と、
    　第２の電極層と、
    　前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される高分子材料層と、
    を有する光学素子であって、
    　電圧印加の下で前記高分子材料層が変形して前記光学素子の表面に光散乱体が形成されることを特徴とする光学素子。
  2. 　前記第２の電極層は開口を有し、
    　前記電圧印加の下で、前記光散乱体は前記開口から前記第２の電極層の表面に突出していることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記第２の電極層は、所定の形状の非導電領域を有し、
    　前記非導電領域は、電気的に中性で、かつ前記高分子材料層の変形に追従して変形する光透過性の材料で形成されており、
    　前記電圧印加の下で、前記高分子材料層と前記非導電領域が前記第２の電極層の表面に突出して前記光散乱体を形成していることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  4. 　前記第２の電極層は、前記高分子材料層と面接触していることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光学素子。
  5. 　前記光散乱体は、凸形状であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の光学素子。
  6. 　前記第２の電極層は陽極層であり、前記第１の電極層は陰極層であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の光学素子。
  7. 　前記第２の電極層は、金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  8. 　前記第２の電極層は、絶縁体を導電膜で覆った構成であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  9. 　前記第１の電極層と前記第２の電極層の少なくとも一方は、透明電極層であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の光学素子。
  10. 　前記高分子材料層は、ゲル状の高分子材料に２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体が添加されていることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の光学素子。
  11. 　前記高分子材料に対する前記イオン液体の重量比率は０．２wt%以上、１．５ wt%以下であることを特徴とする請求項１０に記載の光学素子。
  12. 　第１の電極層と、
    　第２の電極層と、
    　前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される高分子材料層と、
    を有し、電圧印加の下で前記第２の電極層の表面に複数の光散乱体の配列を有することを特徴とするマイクロレンズアレイ。
  13. 　前記高分子材料層は、ゲル状の高分子材料に２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体が添加されていることを特徴とする請求項１２に記載のマイクロレンズアレイ。
  14. 　請求項１２または１３に記載のマイクロレンズアレイと、
    　前記マイクロレンズアレイに対向して配置される撮像素子アレイと、
    を有することを特徴とする撮像装置。
  15. 　請求項１２または１３に記載のマイクロレンズアレイと、
    　光源と、
    を有することを特徴とする照明装置。
  16. 　第１の電極層の上に高分子材料層を形成し、
    　前記高分子材料層の上に、第２の電極層を配置し、
    　前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に電圧を印加して前記高分子材料層を変形させて、前記第２の電極層の表面に前記高分子材料層の一部を突出させて光散乱体を形成する、
    工程を含む光学素子の作製方法。
  17. 　前記第２の電極層にあらかじめ所定の開口を形成し、
    　前記電圧の印加により、前記開口から前記高分子材料層の一部を突出させることを特徴とする請求項１６に記載の光学素子の作製方法。
  18. 　前記第２の電極層に、電気的に中性で、かつ、前記高分子材料層の変形に追従して変形可能な光透過性の材料で所定の形状の非導電領域を形成し、
    　前記電圧の印加により、前記高分子材料層と前記非導電領域を変形させて前記第２の電極層の表面に前記光散乱体を形成することを特徴とする請求項１６に記載の光学素子の作製方法。
  19. 　前記高分子材料層は、ゲル状の高分子材料に２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体が添加されていることを特徴とする請求項１６～１８のいずれか１項に記載の光学素子の作製方法。
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