光学素子及び撮像装置
【課題】エレクトロウェッティング現象を用いた光学素子において、より簡易な構成で、開口部の偏芯を抑制する。
【解決手段】本発明の光学素子は、無極性または絶縁性の第１液体と、第１液体と混合せず且つ第１液体と略等しい比重を有する有極性または導電性の第２液体とを備える。また、第１基材部と、第２基材部と、側壁部と、第２基材部及び側壁部の一方に設けられた第２電極と、第１基材部、第２基材部及び側壁部により画成され、第１及び第２液体を内部に密封する収容部とを備える。また、収容部の第１基材部側には第１液体との親和性の高い第１撥水膜を形成し、第２基材部側には第２液体との親和性の高い親水膜を形成する。そして、親水膜の中央には、第１液体との親和性の高い第２撥水膜を形成する。
【解決手段】本発明の光学素子は、無極性または絶縁性の第１液体と、第１液体と混合せず且つ第１液体と略等しい比重を有する有極性または導電性の第２液体とを備える。また、第１基材部と、第２基材部と、側壁部と、第２基材部及び側壁部の一方に設けられた第２電極と、第１基材部、第２基材部及び側壁部により画成され、第１及び第２液体を内部に密封する収容部とを備える。また、収容部の第１基材部側には第１液体との親和性の高い第１撥水膜を形成し、第２基材部側には第２液体との親和性の高い親水膜を形成する。そして、親水膜の中央には、第１液体との親和性の高い第２撥水膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及び撮像装置に関し、より詳細には、エレクトロウェッティング現象を利用した光学素子及びこれを備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スチルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置に用いられる撮影光学系においては、焦点調節や光量調節の機能を有すること、自然なボケ味を実現すること、像面の光量分布を均一にすることなどが要求される。その中で、光量調節に関しては、一般に、複数枚の可動羽根からなる機械式の絞り機構によりその要求に応えている。
【０００３】
しかしながら、機械式の絞り機構には、次のような欠点がある。可動羽根を駆動するためのメカニカル駆動部が必要となり、装置が大型化する。また、絞り機構の開口部を小さくした小絞り状態では、光線の回折が生じ、結像画像の解像度が低下する。さらには、絞り機構の操作時に音が発生する。
【０００４】
機械式の絞り機構における上記欠点を解消するために、従来、電気毛管現象（エレクトロウェッティング現象）を用いた光学素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１８に、特許文献１で提案されている光学素子の概略構成図を示す。特許文献１の光学素子１００は、素子内を通過する光線３０の光量（透過光量）を制御する光学素子である。
【０００５】
光学素子１００は、円筒形の容器１０５の上下の開口に透明基板１０２及び透明カバー板１０６を接着等により液密に封止して構成される。透明基板１０２の内面上には、透明電極１０３、絶縁層１０４及び撥水膜１１１が形成され、透明カバー板１０６の内面上には、親水膜１１３が形成される。また、容器１０５には、容器１０５を貫通する棒状電極１２５が設けられ、その先端が第１の液体１２１と接触する。そして、第１及び第２の液体１２１，１２２は親水膜１１３、撥水膜１１１及び容器１０５の内壁により画成される空間に密封される。なお、第１の液体１２１は、導電性または有極性を有する液体であり、第２の液体１２２は、第１の液体１２１と混合しない液体である。また、第１及び第２の液体１２１，１２２の屈折率は実質的に等しいが、第１及び第２の液体１２１，１２２の透過率は異なる。
【０００６】
特許文献１の光学素子１００では、透明電極１０３及び棒状電極１２５の間に電圧を印加して、エレクトロウェッティング現象により２つの液体間の界面形状を変化させる。これにより、第２の液体１２２の親水膜１１３側の表面の一部が親水膜１１３と接触して、親水膜１１３上に光が透過可能な開口部が形成される（光学素子１００内に光路が生成される）。この光学素子１００では、印加電圧を変化させることにより親水膜１１３上に形成される開口部のサイズを変化させ、これにより、光学素子１００内を通過する光線３０の透過光量を調整する。すなわち、この光学素子１００では、電気的に光量調節が可能であり、上述した機械式の絞り機構の欠点を解消することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３５６７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のようなエレクトロウェッティング現象を用いた光学素子では、光入射側に形成される開口部が偏芯し易く、また、その偏芯量も大きい。このような場合、解像度が低下するという問題が生じる。特許文献１では、この問題を解消するために、透明電極１０３の形状が液体側から見て凹形状となるように、透明電極１０３を形成する。しかしながら、このような構成では、光学素子１００の厚さを薄くすることが困難であるという問題が生じる。また、特許文献１の光学素子１００では、透明電極１０３を液体側から見て凹形状となるように形成するため、構造が複雑となり、光学素子１００の作製及び小型化が困難になる。
【０００９】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、エレクトロウェッティング現象を用いた光学素子において、より簡易な構成で、開口部の偏芯を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するために、本発明の光学素子を、次のような構成とした。本発明の光学素子は、第１液体と、第１液体と混合しない有極性または導電性を有する第２液体とを備える。また、本発明の光学素子は、第１基材部と、第２基材部と、側壁部と、第２基材部及び側壁部の一方に設けられた第２電極と、第１基材部、第２基材部及び側壁部により画成され、第１及び第２液体を内部に密封する収容部とを備える。なお、第１基材部は、光透過性を有する第１基材と、第１基材の一方の面上に形成された光透過性を有する第１電極と、第１電極上に形成された光透過性を有する絶縁膜とを有する。さらに、第１基材部は、絶縁膜上に形成され、第２液体より第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第１膜を有する。第２基材部は、光透過性を有する第２基材と、第２基材の一方の面上に形成され、第１液体より第２液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第２膜と、第２膜の中央に形成され、第２液体より第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第３膜とを有する。そして、側壁部は、第１膜及び第２膜が対向するように、第１及び第２基材部を接続する。
【００１１】
また、上記問題を解決するために、本発明の撮像装置を、次のような構成とした。本発明の撮像装置は、上記本発明の光学素子と、光学素子の第１電極及び第２電極間に電圧を印加する電源部と、入射光を集光するレンズ群と、光学素子及びレンズ群を介して光が集光される撮像素子とを備える。
【００１２】
本発明では、第２基材部の第２膜の中央に、第２液体より第１液体との親和性の高い第３膜を形成しているので、第１液体は、電圧を印加しない場合において、第１基材部の第１膜だけでなく、第２基材部の第３膜にも接触して固定される。これにより、第１液体と収容部の第２基材部側の膜との接触領域は、第３膜上あるいは、第３膜を中心とした領域に形成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、第２基材部の第２膜の中央に、第２液体より第１液体との親和性の高い第３膜を形成することにより、第１液体と収容部の第２基材部側の膜との接触領域の中心が光軸上からずれることを抑制する。すなわち、本発明によれば、より簡易な構成で、第１液体と収容部の第２基材部側の膜との接触領域の偏芯を抑制することができる。
【００１４】
なお、本発明の光学素子を、例えば、撮像装置等の絞り機構（アイリス）に適用した場合には、上述の接触領域は光を透過させる開口部となる。それゆえ、この場合には、より簡易な構成で、開口部の偏芯を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら下記の順で説明する。以下の実施形態では、本発明の光学素子として、撮像装置に用いられる絞り機構（アイリス）を例にとり説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：基本構成例
２．第２の実施形態：第１電極をパターニングする構成例
【００１６】
＜１．第１の実施形態＞
［撮像装置の構成］
図１に、本実施形態の絞り機構（以下、液体アイリスという）を適用した撮像装置の概略構成例を示す。なお、図１には、ズーム機構を備えた撮像装置の例を示す。また、図１には、主に撮像装置の光学系の構成を示し、撮像した画像の処理及び光学系の制御処理を行う構成部は省略する。なお、本発明は、ズーム機構を備えない撮像装置にも適用可能である。
【００１７】
撮像装置２０の光学系は、第１レンズ群１と、第２レンズ群２と、液体アイリス１０と、第３レンズ群３と、第４レンズ群４と、フィルタ５と、撮像素子６とを備える。また、第１レンズ群１、第２レンズ群２、液体アイリス１０、第３レンズ群３、第４レンズ群４、フィルタ５及び撮像素子６は、光線３０の入射側から、この順で配置される。
【００１８】
入射光を集光するための第１〜第４レンズ群のうち、第１レンズ群１及び第３レンズ群３は、鏡筒（不図示）内に固定して取り付けられる。第２レンズ群２は、ズーム用のレンズ群であり、光軸７の方向に沿って移動可能に鏡筒に取り付けられる。また、第４レンズ群４は、フォーカス用のレンズ群であり、光軸７の方向に移動可能に取り付けられる。なお、第２レンズ群２（ズーム用）及び第４レンズ群４（フォーカス用）の光軸７方向の移動は、撮像装置２０内の図示しない制御部により制御される。
【００１９】
液体アイリス１０（光学素子）は、エレクトロウェッティング現象を利用して液体アイリス１０の光入射側の開口径（絞り径）を調整し、これにより、液体アイリス１０内を通過する光線３０の光量を調整する。液体アイリス１０の光入射側の開口径（絞り径）は、液体アイリス１０に印加する電圧値により調整し、この調整は撮像装置２０内の図示しない制御部により制御される。なお、液体アイリス１０の具体的な構成及び動作は後で詳述する。
【００２０】
フィルタ５は、赤外カットフィルタやローパスフィルタ等から構成される。また、撮像素子６は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等で構成される。
【００２１】
本実施形態の撮像装置２０では、図１に示すように、第１レンズ群１側から入射された光線３０は、上述した種々の光学素子を介して、撮像素子６の結像面６ａに集光される。そして、撮像素子６で取得した画像データは、撮像装置２０内の図示しない画像処理部により所定の処理が施される。
【００２２】
［液体アイリスの構成］
図２（ａ）及び（ｂ）に、本実施形態の液体アイリス１０の概略構成を示す。図２（ａ）は、電圧を印加していないとき（以下、この状態を静止状態ともいう）の液体アイリス１０の概略断面図であり、図２（ｂ）は、そのときの光入射側からみた液体アイリス１０の上面図である。
【００２３】
液体アイリス１０は、第１基材部１１と、第２基材部２１と、第１基材部１１及び第２基材部２１を接続する側壁部３１とで構成される。そして、第１基材部１１、第２基材部２１及び側壁部３１により画成された収容室４０（収容部）に、第１液体４１及び第２液体４２が密閉封入される。
【００２４】
第１液体４１には、絶縁性または無極性を有し且つ光透過性を有する液体を用いる。第１液体４１としては、このような特徴を有する任意の液体を用いることができる。例えば、第１液体４１として、シリコーンオイルを用いる。なお、市販されているシリコーンオイルには種々のものがあり、それぞれ、その比重や屈折率が異なる。それゆえ、第１液体４１としてシリコーンオイルを用いる場合には、市販のシリコーンオイルの中から、後述する第２液体４２と略同じ比重及び屈折率を有する市販のシリコーンオイルを選び、それを第１液体４１として用いる。
【００２５】
一方、第２液体４２には、第１液体４１と混合せず、第１液体４１と略等しい比重及び屈折率を有し、有極性または導電性を有する液体を用いる。第２液体４２としては、このような特徴を有する任意の液体を用いることができる。例えば、第１液体４１として、シリコーンオイルを用いる場合には、第２液体４２として、水（比重１、屈折率１．３３３）を用いることができる。また、この場合、水以外では、水とエタノールとの混合液体、水とエタノールとエチレングリコールとの混合溶液、水及びエタノールの混合液体に食塩を加えた混合液体等を第２液体４２として用いることができる。また、本実施形態では、第２液体４２の光透過率を第１液体４１のそれより低くするために（第２液体４２の光透過性を抑制するために）、第１液体４１（水等）にカーボンブラック等を混合して着色する。なお、着色材としては、カーボンブラック以外の染料を用いてもよい。
【００２６】
また、第１液体４１と第２液体４２の比重及び屈折率をより近くするために、例えば、第２液体４２として、水にエタノール、エチレングリコール、食塩等を混合したものを用い、それらの混合比を調節して第２液体４２の比重及び屈折率を調整してもよい。なお、第１液体４１の屈折率と第２液体４２の屈折率を略同一にすることにより、第１液体４１と第２液体４２との界面における光の屈折（レンズ効果）を防止または十分小さくすることができ、液体アイリス１０の絞り動作をより確実に行わせることができる。また、比重を略同じにすることによって、装置全体が振動したり、傾いたりした場合における第１液体４１及び第２液体４２の界面の変形をすることを抑制することができる。なお、第１液体４１及び第２液体４２の比重及び屈折率は、装置の光学特性、耐振動特性等が装置の許容範囲内となる程度に近い数値であればよい。
【００２７】
第１基材部１１は、第１基材１２と、第１基材１２上に形成された第１電極１３と、第１電極１３上に形成された絶縁膜１４と、絶縁膜１４上に形成された第１撥水膜１５とを備える。
【００２８】
第１基材１２は、透明ガラス等の光透過性材料で形成された、例えば、厚さ約０．２〜０．３ｍｍの正方形状の板状部材である。なお、第１基材１２の形成材料としては、透明性を有する合成樹脂材料を用いてもよい。第１電極１３は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）等で形成された透明電極である。第１電極１３は、撮像装置２０の電源８の一方の端子に接続される。また、絶縁膜１４は、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン等で形成された誘電体膜である。
【００２９】
第１撥水膜１５（第１膜）は、第２液体４２（有極性液体）より第１液体４１（無極性液体）との親和性の高い薄膜（疎水性または親油性の薄膜）である。すなわち、第１液体４１の第１撥水膜１５に対する濡れ性は、第２液体４２の第１撥水膜１５に対する濡れ性より大きくなる。本実施形態では、第１撥水膜１５の形成材料として、フッ素系樹脂等を用いる。なお、第１撥水膜１５としては、親油性及び光透過性を有する薄膜であれば任意の薄膜を用いることができる。
【００３０】
第２基材部２１は、第２基材２２と、第２基材２２上に形成された第２電極２３と、第２電極２３上に形成された親水膜２４と、親水膜２４の中央に形成された第２撥水膜２５とを備える。
【００３１】
第２基材２２は、第１基材１２と同様に、透明ガラス等の光透過性材料で形成された、例えば、厚さ約０．２〜０．３ｍｍの正方形状の板状部材である。第２電極２３は、第１電極１３と同様に、ＩＴＯ等で形成された透明電極である。また、第２電極２３は、撮像装置２０の電源８の他方の端子に接続される。
【００３２】
親水膜２４（第２膜）は、第１液体４１（無極性液体）より第２液体４２（有極性液体）との親和性の高い薄膜である。すなわち、第２液体４２の親水膜２４に対する濡れ性は、第１液体４１の親水膜２４に対する濡れ性より大きくなる。本実施形態では、親水膜２４の形成材料として、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂等を用いる。なお、親水膜２４としては、親水性及び光透過性を有する薄膜であれば任意の薄膜を用いることができる。
【００３３】
第２撥水膜２５（第３膜）は、第１撥水膜１５と同様に、第２液体４２（有極性液体）より第１液体４１（無極性液体）との親和性の高い薄膜（親油性の薄膜）である。本実施形態では、第２撥水膜２５の形成材料としては、第１撥水膜１５と同じものを用いる。なお、第２撥水膜２５の形成材料は、第１撥水膜１５と同じでもよいし、第１撥水膜１５の形成材料と異なっていてもよい。
【００３４】
また、第２撥水膜２５の収容室４０側の面形状は円形とする（図２（ｂ）参照）。なお、本発明はこれに限定されず、第２撥水膜２５の面形状を円形以外の形状としてもよい。ただし、後述するように、本実施形態では、光を通過させる開口部５０は第２撥水膜２５を中心にして広がる。この際、開口部５０の面形状は解像度を考慮して円形であることが好ましい。それゆえ、開口部５０の面形状を円形に維持するために、第２撥水膜２５の形状としては円形が好ましい。
【００３５】
なお、本実施形態では、親水膜２４の中央に第２液体４２より第１液体４１との親和性が高い第２撥水膜２５を形成するので、静止状態においても、図２（ａ）に示すように、第２撥水膜２５に第１液体４１の一部が接触する。その結果、図２（ｂ）に示すように、静止状態においても光入射側に開口部５０が形成される。それゆえ、開口部５０の開口径の変化範囲をより大きくするためには、静止状態における開口部５０の開口径をできる限り小さくする方が望ましい。すなわち、第２撥水膜２５の径はできる限り小さくすることが望ましい。
【００３６】
さらに、第２撥水膜２５の膜厚は、親水膜２４とほぼ同じ膜厚にすることが好ましい。すなわち、第２撥水膜２５の収容室４０側の表面と、親水膜２４の収容室４０側の表面とを略面一にすることが好ましい。これは、第２撥水膜２５の膜厚と親水膜２４とが異なり、収容室４０側の表面に段差が生じると、その段差部により光学特性が変化し、所望の光学特性が得られなくなるためである。また、液体アイリス１０の光学特性の観点から、親水膜２４の屈折率と第２撥水膜２５の屈折率とができる限り近くなるように、各膜の形成材料を選択することが好ましい。なお、親水膜２４及び第２撥水膜２５の膜厚及び屈折率は、装置の光学特性が装置の許容範囲内となる程度に近い値であればよい。
【００３７】
側壁部３１は、主に、円筒状の側壁部材３２と、側壁部材３２の内壁面上に形成された親水膜３３とを備える。
【００３８】
側壁部材３２は、絶縁性材料（例えば、ガラス等）で形成された円筒状部材である。本実施形態では、例えば、側壁部材３２の内径を約９ｍｍ、外径を約１１ｍｍ、そして、高さを約１ｍｍとする。また、側壁部材３２は、第１液体４１及び第２液体４２を、液体アイリス１０内に注入するための注入口３２ａを有する。そして、その注入口３２ａは側壁部材３２の外側から接着部材３４により封止される。
【００３９】
親水膜３３（第４膜）は、第１液体４１（無極性液体）より第２液体４２（有極性液体）との親和性の高い薄膜である。本実施形態では、親水膜３３の形成材料として、第２基材部２１の親水膜２４と同様に、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂等を用いる。なお、親水膜３３としては、親水性及び光透過性を有する薄膜であれば任意の薄膜を用いることができる。
【００４０】
また、第１電極１３及び第２電極２３が接続されている撮像装置２０の電源８（電源部）には、交流電源を用いる。なお、電源８としては、直流電源を用いてもよい。ただし、この場合、電圧印加状態から電源をオフにした際に、絶縁膜１４に若干電荷が残るので、第１液体４１が元の静止状態に戻る動作が、交流電源の場合に比べて若干遅くなる。それゆえ、電源８としては、交流電源の方がより好ましい。
【００４１】
［偏芯抑制の原理］
ここで、本実施形態の液体アイリス１０における開口部５０の偏芯抑制の原理を説明する。本実施形態の液体アイリス１０において、第１電極１３及び第２電極２３間に電圧を印加しない場合（静止状態）には、第１液体４１と第２液体４２との界面は、図２（ａ）に示すような状態になる。
【００４２】
より具体的に説明すると、収容室４０の第１基材部１１側の表面には全面に渡って第１撥水膜１５が形成されるので、第１撥水膜１５に対してより濡れ性の大きい第１液体４１が、第１撥水膜１５上に広がって接触する。また、収容室４０の第２基材部２１側の表面の中央には第２撥水膜２５が形成されるので、第１液体４１の第２基材部２１側の表面の一部が第２撥水膜２５に接触する。すなわち、本実施形態では、収容室４０内において、第１液体４１は、第１基材部１１側の第１撥水膜１５と、第２基材部２１側の第２撥水膜２５とで固定される。
【００４３】
一方、第２液体４２は、収容室４０の第２基材部２１側に形成された親水膜２４及び側壁部３１側に形成された親水膜３３と接触し、第１液体４１を取り囲むように配置される。
【００４４】
なお、第１液体４１及び第２液体４２との界面形状は球面状となるが、この形状は、第１液体４１及び第２液体４２の表面張力、並びに、第１撥水膜１５上での界面張力のバランスにより決定される。また、第１液体４１は、図２（ａ）に示すように、第１撥水膜１５上で側壁部３１近くまで広がるが、収容室４０の側壁部３１側には親水膜３３が形成されるので、第１液体４１は側壁部３１に接触しない。
【００４５】
上述のように、第１液体４１の一部は、第２基材部２１側に形成された第２撥水膜２５で固定される。第２撥水膜２５は、親水膜２４の中央に形成されているので、第２撥水膜２５の中心と、光軸位置とはほぼ一致する。それゆえ、第１液体４１と第２撥水膜２５との接触領域の中心位置、すなわち、液体アイリス１０の光入射側（第２基材部２１側）に形成される開口部５０の中心位置はほぼ光軸上となり、偏芯を抑制することができる。
【００４６】
上述のように、本実施形態では、第１撥水膜１５と第１液体４１との親和性だけでなく、第２撥水膜２５と第１液体４１との親和性を利用して、第１液体４１の偏芯、すなわち、開口部５０の偏芯を抑制する。すなわち、本実施形態では、立体的な偏芯抑制制御を行うことができる。その様子を示したのが、図３（ａ）及び（ｂ）である。
【００４７】
図３（ａ）は、静止状態時の液体アイリス１０の概略断面図であり、図３（ｂ）は、静止状態時の光入射側から見た液体アイリス１０の上面図である。図３（ａ）では、本実施形態の液体アイリス１０の立体的な偏芯抑制制御の概念を黒丸印で示す。
【００４８】
なお、比較のため、図４（ａ）及び（ｂ）に、第２撥水膜２５を設けない場合の液体アイリス（比較例）における偏芯抑制の概念を示す。図４（ａ）は、静止状態時の比較例の液体アイリスの概略断面図であり、図４（ｂ）は、静止状態時の光入射側から見た比較例の液体アイリスの上面図である。比較例の場合には、第１撥水膜１５と第１液体４１との親和性のみを利用して偏芯抑制を行うので、平面的な偏芯抑制制御となる（図４（ａ）黒丸印参照）。それゆえ、比較例の液体アイリス９０では、本実施形態に比べて偏芯抑制の効果は小さくなる。
【００４９】
上述のように、本実施形態では、液体アイリス１０の光入射側の親水膜２４の中央に、第２液体４２より第１液体４１との親和性の高い第２撥水膜２５を設けることにより、立体的な偏芯抑制制御が可能になり、偏芯抑制の効果を増大させることができる。
【００５０】
また、本実施形態では、親水膜２４の中央に、第２液体４２より第１液体４１との親和性の高い第２撥水膜２５を設けているので、第２液体４２が第２撥水膜２５ではじかれるので、開口部５０内に黒色残り（汚れ）が無くなり、光の透過率が高くなる。
【００５１】
さらに、本実施形態では、親水膜２４の中央に第２撥水膜２５を形成した簡単な構成で偏芯を抑制する。また、本実施形態の液体アイリス１０内の電極は平坦であり、特許文献１の光学素子（図１８参照）のように凹状の形状としない。それゆえ、本実施形態では、特許文献１に比べて構造が簡易であり、液体アイリス１０の厚さを薄くすることができる。
【００５２】
［液体アイリスの作製方法］
次に、本実施形態の液体アイリス１０の作製方法を、図５を参照しながら説明する。図５は、液体アイリス１０の作製手順を示したフローチャートである。
【００５３】
まず、透明ガラス等の光透過性材料からなる第１基材１２を用意する。次いで、第１基材１２の一方の表面上に、蒸着法等により、光透過性導電材（ＩＴＯ等）からなる第１電極１３を、例えば膜厚約３０ｎｍで形成する（ステップＳ１）。次いで、第１電極１３上に、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン等で形成された、例えば厚さ約１〜５μｍの誘電体膜を接着剤で貼り付け等を行うことにより、絶縁膜１４を形成する（ステップＳ２）。
【００５４】
次いで、絶縁膜１４上に、フッ素系樹脂等をスピンコート法等により塗布し、その後、例えば１５０℃で焼成して、例えば膜厚約１０〜３０ｎｍの第１撥水膜１５を形成する（ステップＳ３）。上述したステップＳ１〜Ｓ３の工程により第１基材部１１を作製する。
【００５５】
また、ステップＳ１〜Ｓ３と並行して、第２基材部２１及び側壁部３１を次のようにして作製する。まず、透明ガラス等の光透過性材料からなる第２基材２２を用意する。次いで、第２基材２２の一方の表面上に、蒸着法等により、光透過性導電材（ＩＴＯ等）からなる第２電極２３を、例えば膜厚約３０ｎｍで形成する（ステップＳ４）。
【００５６】
次いで、第２電極２３上に、側壁部材３２を、例えば紫外線硬化型の接着剤を用いて接着する（ステップＳ５）。次いで、第２電極２３上及び側壁部材３２の内壁上に、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂等をスピンコート法等により塗布し、例えば膜厚約３００〜６００ｎｍの親水膜２４，３３を形成する（ステップＳ６）。
【００５７】
次いで、親水膜２４の中央に、第２撥水膜２５を形成する（ステップＳ７）。この際、第２撥水膜２５の膜厚は、親水膜２４の膜厚と略同じにする。第２撥水膜２５の形成方法としては、次のような方法で形成することができる。まず、第２電極２３の全面に渡って親水膜２４を形成し、次いで、第２撥水膜２５を形成する部分以外の親水膜２４の領域をマスクする。次いで、第２撥水膜２５を形成する部分の親水膜２４をエッチング法等により除去する。そして、除去された部分にフッ素系樹脂等を塗布して第２撥水膜２５を形成する。また、別の方法として、次のような方法を用いてもよい。まず、第２電極２３上の第２撥水膜２５を形成する部分をマスクしておき、その上から、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂等をスピンコート法等により塗布して親水膜２４を形成する。次いで、親水膜２４をマスクし、その上からフッ素系樹脂等を塗布して第２撥水膜２５を形成する。
【００５８】
上述したステップＳ４〜Ｓ７の工程により、第２基材部２１及び側壁部３１、並びに、それらを接続した部材を作製する。
【００５９】
次に、上述のようにして作製した第１基材部１１と、第２基材部２１及び側壁部３１を接続した部材とを、例えば紫外線硬化型の接着剤を用いて接着する（ステップＳ８）。なお、この際、第１撥水膜１５と、親水膜２４（第２撥水膜２５）とが対向するように接着する。この工程により、液体アイリス１０内に、第１液体４１及び第２液体４２を封入する収容室４０が形成される。
【００６０】
次いで、液体アイリス１０の所望の面（光入射側または光出射側の表面）に、蒸着法等により反射防止膜（不図示）を形成する（ステップＳ９）。なお、反射防止膜としては、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された多層反射膜等を用いることができる。例えば、反射防止膜をＬａＴｉＯ３／ＳｉＯ２膜等で形成し、その膜厚を例えば約４００ｎｍとする。
【００６１】
次いで、注射器等を用いて、側壁部材３２に設けられた注入口３２ａから第１液体４１及び第２液体４２を収容室４０に注入する（ステップＳ１０）。この際、先に、所定量の第２液体４２を収容室４０内に注入し、その後、残りの収容室４０内の空間に第１液体４１を充填する。また、この際、収容室４０内に空気が残らないように第１液体４１及び第２液体４２を充填する。なお、第１液体４１の注入量と第２液体４２の注入量との割合は、第２液体４２の親水膜２４，３３に対する濡れ性の大きさ、第１液体４１の第１及び第２撥水膜１５，２５に対する濡れ性の大きさ、第２撥水膜２５の径等に応じて適宜調整する。
【００６２】
次いで、第１電極１３及び第２電極２３を電源８に接続する（ステップＳ１１）。そして、最後に、例えば紫外線硬化型の接着剤（接着部材３４）を側壁部材３２上に塗布した後、紫外線照射を行って接着剤を硬化し、側壁部材３２の注入口３２ａを封止する（ステップＳ１２）。これにより、収容室４０を密閉し、内部に第１液体４１及び第２液体４２を密封する。上述のようにして、本実施形態では、液体アイリス１０を作製する。
【００６３】
［液体アイリスの動作］
次に、本実施形態の液体アイリス１０の電圧印加時の動作を説明するが、その前に、エレクトロウェッティング現象（電気毛管現象）について簡単に説明する。
【００６４】
図６（ａ）及び（ｂ）に、エレクトロウェッティング現象の原理図を示す。図６（ａ）は、有極性液体８０に電圧が印加されていない場合の有極性液体８０の状態を示す図であり、図６（ｂ）は、有極性液体８０に電圧を印加した際の有極性液体８０の状態を示す図である。
【００６５】
図６（ａ）及び（ｂ）の例では、基材８１上に電極８２、絶縁膜８３及び撥水膜８４（疎水膜）が形成された部材の撥水膜８４上に有極性液体８０（例えば、水）が滴下されている場合を考える。なお、有極性液体８０はスイッチ８６を介して電源８５の一方の端子に接続され、電源８５の他方の端子は電極８２に接続される。また、この例では、図６（ａ）に示すように、有極性液体８０内には、プラスイオンの分子８０ａとマイナスイオンの分子８０ｂとが存在する。
【００６６】
有極性液体８０に電圧が印加されていない場合（スイッチ８６がオフの場合）、有極性液体８０の表面は、表面張力により球面状になる（図６（ａ）の状態）。このときの撥水膜８４の表面と、有極性液体８０の撥水膜８４に接触している部分の液面との角度、すなわち接触角をθ０とする。
【００６７】
ここで、スイッチ８６を閉じて、有極性液体８０に電圧を印加すると、絶縁膜８３の一方の表面にプラス電荷８３ａが帯電し、他方の表面にマイナス電荷８３ｂが帯電する。図６（ａ）及び（ｂ）の例では、絶縁膜８３の有極性液体８０側にプラス電荷８３ａが帯電し、電極８２側にマイナス電荷８３ｂが帯電する場合を考える。この場合、有極性液体８０のマイナスイオンの分子８０ｂに静電気力が作用し、マイナスイオンの分子８０ｂは絶縁膜８３上の撥水膜８４に引き付けられる。この結果、電圧を印加しない場合（図６（ａ）の状態）に比べて、有極性液体８０は、撥水膜８４上により広がった状態で付着する（図６（ｂ）の状態）。このときの有極性液体８０の接触角θは、電圧を印加しない場合の接触角θ０より小さくなる。すなわち、電圧を印加することで、有極性液体８０の撥水膜８４に対する濡れ性（有極性液体８０と撥水膜８４との親和性）が大きくなる。このような現象がエレクトロウェッティング現象とよばれるものである。
【００６８】
本実施形態では、上述したエレクトロウェッティング現象を利用して、液体アイリス１０内に封入された第１液体４１と第２液体４２との界面形状を変形させて、液体アイリス１０の絞り動作を行う。
【００６９】
図７（ａ）及び（ｂ）に、第１電極１３及び第２電極２３間に電圧Ｖ１を印加した際の液体アイリス１０の動作の様子を示す。なお、図７（ａ）は、電圧Ｖ１を印加した際の液体アイリス１０の断面図であり、図７（ｂ）は、その際の光入射側から見た液体アイリス１０の上面図である。第１電極１３及び第２電極２３間に電圧Ｖ１を印加すると、エレクトロウェッティング現象により第１液体４１が第２基材部２１側の膜にさらに押しつけられる。これにより、第１液体４１と第２基材部２１側の膜との接触領域、すなわち、液体アイリス１０の光入射側に形成される円形の開口部５０の径が大きくなる。例えば、図７（ａ）及び（ｂ）の例では、電圧Ｖ１を印加すると、開口部５０の径がＴ１となり、静止状態時（図２（ｂ）参照）の開口部５０の径より大きくなる。
【００７０】
ここで、第１電極１３及び第２電極２３間に電圧を印加した際に、エレクトロウェッティング現象により、第１液体４１と第２基材部２１側の膜との接触領域が大きくなる原理を図８を参照しながら説明する。図８は、液体アイリス１０に電圧を印加した際の動作原理図である。なお、図８では、電圧印加時に、絶縁膜１４の液体側にプラス電荷１４ａが帯電し、第１電極１３側にマイナス電荷１４ｂが帯電する例を説明する。
【００７１】
第１電極１３及び第２電極２３間に電圧を印加すると、絶縁膜１４の液体側にプラス電荷１４ａが帯電する。この場合、有極性液体である第２液体４２中のマイナスイオンの分子４２ｂに静電気力が作用し、マイナスイオンの分子４２ｂは第１撥水膜１５側に引き付けられる（図８中の白抜き矢印）。この際、第２液体４２は、エレクトロウェッティング現象により第１撥水膜１５上に広がろうとするので、第１液体４１には、その周囲に存在する第２液体４２から押す力（図８中の黒矢印）が生じる。これにより、第１液体４１の親水膜２４側の表面が親水膜２４側に押し出されるように変形し（図８中の斜線矢印）、第１液体４１の親水膜２４側の表面の一部が親水膜２４側が押しつけられる。この結果、第１液体４１と第２基材部２１側の膜との接触領域が大きくなり、液体アイリス１０の光入射側（親水膜２４側）に形成される開口部５０の径が大きくなる。
【００７２】
そこで、さらに、第１電極１３及び第２電極２３間に印加する電圧を大きくすると、第２液体４２は、エレクトロウェッティング現象により第１撥水膜１５上により一層広がろうとする。これにより、第２液体４２から第１液体４１に働く押力（図８中の黒矢印）がさらに大きくなり、第１液体４１の親水膜２４側の表面が親水膜２４側にさらに押し出されるように変形する。すなわち、第１液体４１及び第２液体４２の界面の第１撥水膜１５に対する傾斜角がさらに大きくなる。この場合、第１液体４１と親水膜２４側の膜との接触領域がさらに広くなり、開口部５０の径がさらに大きくなる。その様子を、図９（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００７３】
図９（ａ）は、第１電極１３及び第２電極２３間に電圧Ｖ２（＞Ｖ１）を印加した際の液体アイリス１０の断面図であり、図９（ｂ）は、その際の光入射側から見た液体アイリス１０の上面図である。第１電極１３及び第２電極２３間に印加する電圧をＶ１からＶ２に大きくすると、液体アイリス１０の光入射側に形成される開口部５０の径もＴ１からＴ２に大きくなる。
【００７４】
また、本実施形態の液体アイリス１０では、上述のように静止状態において第１液体４１の一部が親水膜２４の中央に形成された第２撥水膜２５に固定される。それゆえ、印加電圧時に形成される開口部５０は、第２撥水膜２５を中心にして広がる。すなわち、電圧印加時においても、光入射側に形成された開口部５０の中心と光軸との位置ずれ（偏芯）は起こらない。それゆえ、本実施形態によれば、電圧印加時においても偏芯を抑制することができ、解像度の低下を抑制することができる。
【００７５】
＜２．第２の実施形態＞
第２の実施形態では、第１の実施形態の液体アイリス１０の構成において、さらに第１電極の構成を変えた例を説明する。
【００７６】
［液体アイリスの構成］
図１０（ａ）及び（ｂ）に、本実施形態の液体アイリスの概略構成図を示す。図１０（ａ）は、電荷を印加していないときの液体アイリス６０の断面図であり、図１０（ｂ）は、その際の光線３０の入射側から見た液体アイリス６０の上面図である。なお、図１０（ａ）及び（ｂ）の液体アイリス６０において、第１の実施形態の液体アイリス１０（図２（ａ）及び（ｂ））と同じ構成部分には同一符号を付して示す。
【００７７】
液体アイリス６０は、第１基材部６１と、第２基材部２１と、第１基材部６１及び第２基材部２１を接続する側壁部３１とで構成される。そして、第１基材部６１、第２基材部２１及び側壁部３１により画成された収容室４０に、第１液体４１及び第２液体４２が密閉封入される。
【００７８】
本実施形態では、第１基材部６１の第１電極６３の構造を変えたこと以外は、第１の実施形態の液体アイリス１０と同様の構成とする。それゆえ、ここでは、第１電極６３以外の構成についての説明は省略する。
【００７９】
図１１に、本実施形態で用いる第１電極６３の概略構成を示す。第１電極６３の電極部６３ａの中央には、電極開口部６３ｂが形成される。なお、第１電極６３の電極部６３ａは、第１の実施形態の第１電極１３と同じ材料、同じ厚さで形成される。また、電極開口部６３ｂには、第１電極６３が形成される第１基材１２が露出している。
【００８０】
電極開口部６３ｂは、星形形状の開口部である。本実施形態では、電極開口部６３ｂを、第１電極６３の中心に形成された円形部６３ｃと、円形部６３ｃの外周部において互いに９０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって逆Ｖ字状に突出した４つの凸部６３ｄとで構成する。
【００８１】
電極開口部６３ｂの形成（パターニング）は、次のようにして行うことができる。まず、第１電極６３を、第１の実施形態と同様にして、第１基材１２上にその全面に渡って形成する（図５中のステップＳ１）。次いで、電極開口部６３ｂに対応する部分の第１電極６３をウェットエッチング法等により除去して、電極開口部６３ｂを形成する。また、別の方法としては、第１基材１２上の電極開口部６３ｂに対応する部分をマスクして、その上から第１電極６３を形成してもよい。なお、本実施形態の液体アイリス６０は、電極開口部６３ｂを上述のようにして形成すること以外は、第１の実施形態と同様にして作製することができる。
【００８２】
［偏芯抑制の原理］
図１２に、第１電極６３の中央に星形形状の電極開口部６３ｂを形成した場合の開口部の偏芯抑制の原理図を示す。第１液体４１（絶縁性の透明液体）が、図１２に示すように、第１電極６３上で第１電極６３の中央からずれている（偏芯している）と、第１液体４１と電極部６３ａとの重なる部分が不均一になる（対称性が無くなる）。
【００８３】
このような状況で液体アイリス６０に電圧を印加すると、エレクトロウェッティング現象により第２液体４２から第１液体４１に作用する押力のバランスが崩れる。このとき、この押力のバランスがとれるようにする力、すなわち、第１液体４１を第１電極６３の中央に戻そうとする復元力（図１２中の白抜き矢印）が第１液体４１に働く。それゆえ、本実施形態では、電圧印加時には、第１液体４１を、第１電極６３の中央に位置づけるように復元力が働くので、開口部の偏芯を抑制することができる。したがって、本実施形態では、第１電極６３上（第１撥水膜１５上）での偏芯抑制の効果を一層増大させることができる。
【００８４】
［第１電極の別の構成例］
第１電極６３の電極開口部６３ｂの形状は、図１１に示した星形形状に限定されない。電極開口部の星形形状としては、中心から外側に突出する複数の凸部が第１電極の中心に対して周回方向に略等距離（略等間隔）で配置される形状が好ましい。図１１の形状以外の星形形状の電極開口部の例を図１３〜１７に示す。
【００８５】
図１３の例では、電極開口部７０ｂは、第１電極７０の中心に形成された円形部７０ｃと、円形部７０ｃの外周部において互いに６０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって逆Ｖ字状に突出した６つの凸部７０ｄとで構成される。
【００８６】
図１４の例では、電極開口部７１ｂは、第１電極７１の中心に形成された円形部７１ｃと、円形部７１ｃの外周部において互いに４５度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって逆Ｖ字状に突出した８つの凸部７１ｄとで構成される。
【００８７】
図１５の例では、電極開口部７２ｂは、第１電極７２の中心に形成された円形部７２ｃと、円形部７２ｃの外周部において互いに６０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって略逆Ｖ字状に突出した６つの凸部７２ｄとで構成される。また、図１５の例では、各凸部７２ｄの先端形状は、円形部７２ｃと同心円の円弧形状になる。
【００８８】
図１６の例では、電極開口部７３ｂは、第１電極７３の中心に形成された円形部７３ｃと、円形部７３ｃの外周部において互いに１２０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって逆Ｖ字状に突出した３つの凸部７３ｄとで構成される。
【００８９】
図１７の例では、電極開口部７４ｃは、第１電極７４の中心に形成された円形部７４ｃと、円形部７４ｃの外周部において互いに６０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって幅均一で突出した矩形状の６つの凸部７４ｄとで構成される。
【００９０】
また、第１電極の電極開口部の形状としては、第２液体４２が第１電極の中央に位置する際に、第２液体４２と電極部との重なる部分が第１電極の中心に対して対称になるような形状であれば、任意の形状を用いることができる。
【００９１】
［変形例］
上記実施形態では、第２基材２２上に、第２電極２３を透明電極膜で形成する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２電極として、特許文献１と同様に、棒状電極を用いてもよい。この場合、棒状電極は側壁部から挿入され、棒状電極の先端が第１液体４１に直接接触した状態となる。また、この場合、親水膜２４及び第２撥水膜２５は、第２基材２２上に直接形成される。
【００９２】
また、上記実施形態では、液体アイリスに本発明を適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されない。シャッターやレンズ等の光学素子に対しても適用可能である。ただし、レンズに本発明を用いる場合には、第１液体４１及び第２液体４２の両方を透明液体で構成し、第１液体４１の屈折率と第２液体４２の屈折率とが異なるものを用いる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施形態に係る撮像装置の概略構成図である。
【図２】図２（ａ）は、第１の実施形態に係る液体アイリスの概略断面図であり、図２（ｂ）は、光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図３】第１実施形態の液体アイリスの作製手順を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ）は、有極性液体に電圧を印加する前の有極性液体の状態を示す図であり、図４（ｂ）は、有極性液体に電圧を印加した際の有極性液体の状態を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、電圧印加時の液体アイリスの概略断面図であり、図５（ｂ）は、電圧印加時の光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図６】液体アイリスの動作原理を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、電圧印加時の液体アイリスの概略断面図であり、図７（ｂ）は、電圧印加時の光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図８】図８（ａ）は、静止状態時の液体アイリスの概略断面図であり、図８（ｂ）は、静止状態時の光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図９】図９（ａ）は、静止状態時の比較例の液体アイリスの概略断面図であり、図９（ｂ）は、静止状態時の光入射側から見た比較例の液体アイリスの上面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、第２の実施形態に係る液体アイリスの概略断面図であり、図１０（ｂ）は、光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図１１】第２の実施形態の第１電極の構成図である。
【図１２】第１電極による偏芯制御の原理図である。
【図１３】第１電極の別の構成例である。
【図１４】第１電極の別の構成例である。
【図１５】第１電極の別の構成例である。
【図１６】第１電極の別の構成例である。
【図１７】第１電極の別の構成例である。
【図１８】従来の光学素子の概略断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
１…第１レンズ群、２…第２レンズ群、３…第３レンズ群、４…第４レンズ群、５…フィルタ、８…電源（電源部）、１０…液体アイリス（光学素子）、１１…第１基材部、１２…第１基材、１３…第１電極、１４…絶縁膜、１５…第１撥水膜（第１膜）、２０…撮像装置、２１…第２基材部、２２…第２基材、２３…第２電極、２４…親水膜（第２膜）、２５…第２撥水膜（第３膜）、３１…側壁部、３２…側壁部材、３３…親水膜（第４膜）、４０…収容室（収容部）、４１…第１液体、４２…第２液体、５０…開口部、６３…第１電極、６３ａ…電極部、６３ｂ…電極開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及び撮像装置に関し、より詳細には、エレクトロウェッティング現象を利用した光学素子及びこれを備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スチルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置に用いられる撮影光学系においては、焦点調節や光量調節の機能を有すること、自然なボケ味を実現すること、像面の光量分布を均一にすることなどが要求される。その中で、光量調節に関しては、一般に、複数枚の可動羽根からなる機械式の絞り機構によりその要求に応えている。
【０００３】
しかしながら、機械式の絞り機構には、次のような欠点がある。可動羽根を駆動するためのメカニカル駆動部が必要となり、装置が大型化する。また、絞り機構の開口部を小さくした小絞り状態では、光線の回折が生じ、結像画像の解像度が低下する。さらには、絞り機構の操作時に音が発生する。
【０００４】
機械式の絞り機構における上記欠点を解消するために、従来、電気毛管現象（エレクトロウェッティング現象）を用いた光学素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１８に、特許文献１で提案されている光学素子の概略構成図を示す。特許文献１の光学素子１００は、素子内を通過する光線３０の光量（透過光量）を制御する光学素子である。
【０００５】
光学素子１００は、円筒形の容器１０５の上下の開口に透明基板１０２及び透明カバー板１０６を接着等により液密に封止して構成される。透明基板１０２の内面上には、透明電極１０３、絶縁層１０４及び撥水膜１１１が形成され、透明カバー板１０６の内面上には、親水膜１１３が形成される。また、容器１０５には、容器１０５を貫通する棒状電極１２５が設けられ、その先端が第１の液体１２１と接触する。そして、第１及び第２の液体１２１，１２２は親水膜１１３、撥水膜１１１及び容器１０５の内壁により画成される空間に密封される。なお、第１の液体１２１は、導電性または有極性を有する液体であり、第２の液体１２２は、第１の液体１２１と混合しない液体である。また、第１及び第２の液体１２１，１２２の屈折率は実質的に等しいが、第１及び第２の液体１２１，１２２の透過率は異なる。
【０００６】
特許文献１の光学素子１００では、透明電極１０３及び棒状電極１２５の間に電圧を印加して、エレクトロウェッティング現象により２つの液体間の界面形状を変化させる。これにより、第２の液体１２２の親水膜１１３側の表面の一部が親水膜１１３と接触して、親水膜１１３上に光が透過可能な開口部が形成される（光学素子１００内に光路が生成される）。この光学素子１００では、印加電圧を変化させることにより親水膜１１３上に形成される開口部のサイズを変化させ、これにより、光学素子１００内を通過する光線３０の透過光量を調整する。すなわち、この光学素子１００では、電気的に光量調節が可能であり、上述した機械式の絞り機構の欠点を解消することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３５６７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のようなエレクトロウェッティング現象を用いた光学素子では、光入射側に形成される開口部が偏芯し易く、また、その偏芯量も大きい。このような場合、解像度が低下するという問題が生じる。特許文献１では、この問題を解消するために、透明電極１０３の形状が液体側から見て凹形状となるように、透明電極１０３を形成する。しかしながら、このような構成では、光学素子１００の厚さを薄くすることが困難であるという問題が生じる。また、特許文献１の光学素子１００では、透明電極１０３を液体側から見て凹形状となるように形成するため、構造が複雑となり、光学素子１００の作製及び小型化が困難になる。
【０００９】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、エレクトロウェッティング現象を用いた光学素子において、より簡易な構成で、開口部の偏芯を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するために、本発明の光学素子を、次のような構成とした。本発明の光学素子は、第１液体と、第１液体と混合しない有極性または導電性を有する第２液体とを備える。また、本発明の光学素子は、第１基材部と、第２基材部と、側壁部と、第２基材部及び側壁部の一方に設けられた第２電極と、第１基材部、第２基材部及び側壁部により画成され、第１及び第２液体を内部に密封する収容部とを備える。なお、第１基材部は、光透過性を有する第１基材と、第１基材の一方の面上に形成された光透過性を有する第１電極と、第１電極上に形成された光透過性を有する絶縁膜とを有する。さらに、第１基材部は、絶縁膜上に形成され、第２液体より第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第１膜を有する。第２基材部は、光透過性を有する第２基材と、第２基材の一方の面上に形成され、第１液体より第２液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第２膜と、第２膜の中央に形成され、第２液体より第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第３膜とを有する。そして、側壁部は、第１膜及び第２膜が対向するように、第１及び第２基材部を接続する。
【００１１】
また、上記問題を解決するために、本発明の撮像装置を、次のような構成とした。本発明の撮像装置は、上記本発明の光学素子と、光学素子の第１電極及び第２電極間に電圧を印加する電源部と、入射光を集光するレンズ群と、光学素子及びレンズ群を介して光が集光される撮像素子とを備える。
【００１２】
本発明では、第２基材部の第２膜の中央に、第２液体より第１液体との親和性の高い第３膜を形成しているので、第１液体は、電圧を印加しない場合において、第１基材部の第１膜だけでなく、第２基材部の第３膜にも接触して固定される。これにより、第１液体と収容部の第２基材部側の膜との接触領域は、第３膜上あるいは、第３膜を中心とした領域に形成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、第２基材部の第２膜の中央に、第２液体より第１液体との親和性の高い第３膜を形成することにより、第１液体と収容部の第２基材部側の膜との接触領域の中心が光軸上からずれることを抑制する。すなわち、本発明によれば、より簡易な構成で、第１液体と収容部の第２基材部側の膜との接触領域の偏芯を抑制することができる。
【００１４】
なお、本発明の光学素子を、例えば、撮像装置等の絞り機構（アイリス）に適用した場合には、上述の接触領域は光を透過させる開口部となる。それゆえ、この場合には、より簡易な構成で、開口部の偏芯を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら下記の順で説明する。以下の実施形態では、本発明の光学素子として、撮像装置に用いられる絞り機構（アイリス）を例にとり説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：基本構成例
２．第２の実施形態：第１電極をパターニングする構成例
【００１６】
＜１．第１の実施形態＞
［撮像装置の構成］
図１に、本実施形態の絞り機構（以下、液体アイリスという）を適用した撮像装置の概略構成例を示す。なお、図１には、ズーム機構を備えた撮像装置の例を示す。また、図１には、主に撮像装置の光学系の構成を示し、撮像した画像の処理及び光学系の制御処理を行う構成部は省略する。なお、本発明は、ズーム機構を備えない撮像装置にも適用可能である。
【００１７】
撮像装置２０の光学系は、第１レンズ群１と、第２レンズ群２と、液体アイリス１０と、第３レンズ群３と、第４レンズ群４と、フィルタ５と、撮像素子６とを備える。また、第１レンズ群１、第２レンズ群２、液体アイリス１０、第３レンズ群３、第４レンズ群４、フィルタ５及び撮像素子６は、光線３０の入射側から、この順で配置される。
【００１８】
入射光を集光するための第１〜第４レンズ群のうち、第１レンズ群１及び第３レンズ群３は、鏡筒（不図示）内に固定して取り付けられる。第２レンズ群２は、ズーム用のレンズ群であり、光軸７の方向に沿って移動可能に鏡筒に取り付けられる。また、第４レンズ群４は、フォーカス用のレンズ群であり、光軸７の方向に移動可能に取り付けられる。なお、第２レンズ群２（ズーム用）及び第４レンズ群４（フォーカス用）の光軸７方向の移動は、撮像装置２０内の図示しない制御部により制御される。
【００１９】
液体アイリス１０（光学素子）は、エレクトロウェッティング現象を利用して液体アイリス１０の光入射側の開口径（絞り径）を調整し、これにより、液体アイリス１０内を通過する光線３０の光量を調整する。液体アイリス１０の光入射側の開口径（絞り径）は、液体アイリス１０に印加する電圧値により調整し、この調整は撮像装置２０内の図示しない制御部により制御される。なお、液体アイリス１０の具体的な構成及び動作は後で詳述する。
【００２０】
フィルタ５は、赤外カットフィルタやローパスフィルタ等から構成される。また、撮像素子６は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等で構成される。
【００２１】
本実施形態の撮像装置２０では、図１に示すように、第１レンズ群１側から入射された光線３０は、上述した種々の光学素子を介して、撮像素子６の結像面６ａに集光される。そして、撮像素子６で取得した画像データは、撮像装置２０内の図示しない画像処理部により所定の処理が施される。
【００２２】
［液体アイリスの構成］
図２（ａ）及び（ｂ）に、本実施形態の液体アイリス１０の概略構成を示す。図２（ａ）は、電圧を印加していないとき（以下、この状態を静止状態ともいう）の液体アイリス１０の概略断面図であり、図２（ｂ）は、そのときの光入射側からみた液体アイリス１０の上面図である。
【００２３】
液体アイリス１０は、第１基材部１１と、第２基材部２１と、第１基材部１１及び第２基材部２１を接続する側壁部３１とで構成される。そして、第１基材部１１、第２基材部２１及び側壁部３１により画成された収容室４０（収容部）に、第１液体４１及び第２液体４２が密閉封入される。
【００２４】
第１液体４１には、絶縁性または無極性を有し且つ光透過性を有する液体を用いる。第１液体４１としては、このような特徴を有する任意の液体を用いることができる。例えば、第１液体４１として、シリコーンオイルを用いる。なお、市販されているシリコーンオイルには種々のものがあり、それぞれ、その比重や屈折率が異なる。それゆえ、第１液体４１としてシリコーンオイルを用いる場合には、市販のシリコーンオイルの中から、後述する第２液体４２と略同じ比重及び屈折率を有する市販のシリコーンオイルを選び、それを第１液体４１として用いる。
【００２５】
一方、第２液体４２には、第１液体４１と混合せず、第１液体４１と略等しい比重及び屈折率を有し、有極性または導電性を有する液体を用いる。第２液体４２としては、このような特徴を有する任意の液体を用いることができる。例えば、第１液体４１として、シリコーンオイルを用いる場合には、第２液体４２として、水（比重１、屈折率１．３３３）を用いることができる。また、この場合、水以外では、水とエタノールとの混合液体、水とエタノールとエチレングリコールとの混合溶液、水及びエタノールの混合液体に食塩を加えた混合液体等を第２液体４２として用いることができる。また、本実施形態では、第２液体４２の光透過率を第１液体４１のそれより低くするために（第２液体４２の光透過性を抑制するために）、第１液体４１（水等）にカーボンブラック等を混合して着色する。なお、着色材としては、カーボンブラック以外の染料を用いてもよい。
【００２６】
また、第１液体４１と第２液体４２の比重及び屈折率をより近くするために、例えば、第２液体４２として、水にエタノール、エチレングリコール、食塩等を混合したものを用い、それらの混合比を調節して第２液体４２の比重及び屈折率を調整してもよい。なお、第１液体４１の屈折率と第２液体４２の屈折率を略同一にすることにより、第１液体４１と第２液体４２との界面における光の屈折（レンズ効果）を防止または十分小さくすることができ、液体アイリス１０の絞り動作をより確実に行わせることができる。また、比重を略同じにすることによって、装置全体が振動したり、傾いたりした場合における第１液体４１及び第２液体４２の界面の変形をすることを抑制することができる。なお、第１液体４１及び第２液体４２の比重及び屈折率は、装置の光学特性、耐振動特性等が装置の許容範囲内となる程度に近い数値であればよい。
【００２７】
第１基材部１１は、第１基材１２と、第１基材１２上に形成された第１電極１３と、第１電極１３上に形成された絶縁膜１４と、絶縁膜１４上に形成された第１撥水膜１５とを備える。
【００２８】
第１基材１２は、透明ガラス等の光透過性材料で形成された、例えば、厚さ約０．２〜０．３ｍｍの正方形状の板状部材である。なお、第１基材１２の形成材料としては、透明性を有する合成樹脂材料を用いてもよい。第１電極１３は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）等で形成された透明電極である。第１電極１３は、撮像装置２０の電源８の一方の端子に接続される。また、絶縁膜１４は、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン等で形成された誘電体膜である。
【００２９】
第１撥水膜１５（第１膜）は、第２液体４２（有極性液体）より第１液体４１（無極性液体）との親和性の高い薄膜（疎水性または親油性の薄膜）である。すなわち、第１液体４１の第１撥水膜１５に対する濡れ性は、第２液体４２の第１撥水膜１５に対する濡れ性より大きくなる。本実施形態では、第１撥水膜１５の形成材料として、フッ素系樹脂等を用いる。なお、第１撥水膜１５としては、親油性及び光透過性を有する薄膜であれば任意の薄膜を用いることができる。
【００３０】
第２基材部２１は、第２基材２２と、第２基材２２上に形成された第２電極２３と、第２電極２３上に形成された親水膜２４と、親水膜２４の中央に形成された第２撥水膜２５とを備える。
【００３１】
第２基材２２は、第１基材１２と同様に、透明ガラス等の光透過性材料で形成された、例えば、厚さ約０．２〜０．３ｍｍの正方形状の板状部材である。第２電極２３は、第１電極１３と同様に、ＩＴＯ等で形成された透明電極である。また、第２電極２３は、撮像装置２０の電源８の他方の端子に接続される。
【００３２】
親水膜２４（第２膜）は、第１液体４１（無極性液体）より第２液体４２（有極性液体）との親和性の高い薄膜である。すなわち、第２液体４２の親水膜２４に対する濡れ性は、第１液体４１の親水膜２４に対する濡れ性より大きくなる。本実施形態では、親水膜２４の形成材料として、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂等を用いる。なお、親水膜２４としては、親水性及び光透過性を有する薄膜であれば任意の薄膜を用いることができる。
【００３３】
第２撥水膜２５（第３膜）は、第１撥水膜１５と同様に、第２液体４２（有極性液体）より第１液体４１（無極性液体）との親和性の高い薄膜（親油性の薄膜）である。本実施形態では、第２撥水膜２５の形成材料としては、第１撥水膜１５と同じものを用いる。なお、第２撥水膜２５の形成材料は、第１撥水膜１５と同じでもよいし、第１撥水膜１５の形成材料と異なっていてもよい。
【００３４】
また、第２撥水膜２５の収容室４０側の面形状は円形とする（図２（ｂ）参照）。なお、本発明はこれに限定されず、第２撥水膜２５の面形状を円形以外の形状としてもよい。ただし、後述するように、本実施形態では、光を通過させる開口部５０は第２撥水膜２５を中心にして広がる。この際、開口部５０の面形状は解像度を考慮して円形であることが好ましい。それゆえ、開口部５０の面形状を円形に維持するために、第２撥水膜２５の形状としては円形が好ましい。
【００３５】
なお、本実施形態では、親水膜２４の中央に第２液体４２より第１液体４１との親和性が高い第２撥水膜２５を形成するので、静止状態においても、図２（ａ）に示すように、第２撥水膜２５に第１液体４１の一部が接触する。その結果、図２（ｂ）に示すように、静止状態においても光入射側に開口部５０が形成される。それゆえ、開口部５０の開口径の変化範囲をより大きくするためには、静止状態における開口部５０の開口径をできる限り小さくする方が望ましい。すなわち、第２撥水膜２５の径はできる限り小さくすることが望ましい。
【００３６】
さらに、第２撥水膜２５の膜厚は、親水膜２４とほぼ同じ膜厚にすることが好ましい。すなわち、第２撥水膜２５の収容室４０側の表面と、親水膜２４の収容室４０側の表面とを略面一にすることが好ましい。これは、第２撥水膜２５の膜厚と親水膜２４とが異なり、収容室４０側の表面に段差が生じると、その段差部により光学特性が変化し、所望の光学特性が得られなくなるためである。また、液体アイリス１０の光学特性の観点から、親水膜２４の屈折率と第２撥水膜２５の屈折率とができる限り近くなるように、各膜の形成材料を選択することが好ましい。なお、親水膜２４及び第２撥水膜２５の膜厚及び屈折率は、装置の光学特性が装置の許容範囲内となる程度に近い値であればよい。
【００３７】
側壁部３１は、主に、円筒状の側壁部材３２と、側壁部材３２の内壁面上に形成された親水膜３３とを備える。
【００３８】
側壁部材３２は、絶縁性材料（例えば、ガラス等）で形成された円筒状部材である。本実施形態では、例えば、側壁部材３２の内径を約９ｍｍ、外径を約１１ｍｍ、そして、高さを約１ｍｍとする。また、側壁部材３２は、第１液体４１及び第２液体４２を、液体アイリス１０内に注入するための注入口３２ａを有する。そして、その注入口３２ａは側壁部材３２の外側から接着部材３４により封止される。
【００３９】
親水膜３３（第４膜）は、第１液体４１（無極性液体）より第２液体４２（有極性液体）との親和性の高い薄膜である。本実施形態では、親水膜３３の形成材料として、第２基材部２１の親水膜２４と同様に、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂等を用いる。なお、親水膜３３としては、親水性及び光透過性を有する薄膜であれば任意の薄膜を用いることができる。
【００４０】
また、第１電極１３及び第２電極２３が接続されている撮像装置２０の電源８（電源部）には、交流電源を用いる。なお、電源８としては、直流電源を用いてもよい。ただし、この場合、電圧印加状態から電源をオフにした際に、絶縁膜１４に若干電荷が残るので、第１液体４１が元の静止状態に戻る動作が、交流電源の場合に比べて若干遅くなる。それゆえ、電源８としては、交流電源の方がより好ましい。
【００４１】
［偏芯抑制の原理］
ここで、本実施形態の液体アイリス１０における開口部５０の偏芯抑制の原理を説明する。本実施形態の液体アイリス１０において、第１電極１３及び第２電極２３間に電圧を印加しない場合（静止状態）には、第１液体４１と第２液体４２との界面は、図２（ａ）に示すような状態になる。
【００４２】
より具体的に説明すると、収容室４０の第１基材部１１側の表面には全面に渡って第１撥水膜１５が形成されるので、第１撥水膜１５に対してより濡れ性の大きい第１液体４１が、第１撥水膜１５上に広がって接触する。また、収容室４０の第２基材部２１側の表面の中央には第２撥水膜２５が形成されるので、第１液体４１の第２基材部２１側の表面の一部が第２撥水膜２５に接触する。すなわち、本実施形態では、収容室４０内において、第１液体４１は、第１基材部１１側の第１撥水膜１５と、第２基材部２１側の第２撥水膜２５とで固定される。
【００４３】
一方、第２液体４２は、収容室４０の第２基材部２１側に形成された親水膜２４及び側壁部３１側に形成された親水膜３３と接触し、第１液体４１を取り囲むように配置される。
【００４４】
なお、第１液体４１及び第２液体４２との界面形状は球面状となるが、この形状は、第１液体４１及び第２液体４２の表面張力、並びに、第１撥水膜１５上での界面張力のバランスにより決定される。また、第１液体４１は、図２（ａ）に示すように、第１撥水膜１５上で側壁部３１近くまで広がるが、収容室４０の側壁部３１側には親水膜３３が形成されるので、第１液体４１は側壁部３１に接触しない。
【００４５】
上述のように、第１液体４１の一部は、第２基材部２１側に形成された第２撥水膜２５で固定される。第２撥水膜２５は、親水膜２４の中央に形成されているので、第２撥水膜２５の中心と、光軸位置とはほぼ一致する。それゆえ、第１液体４１と第２撥水膜２５との接触領域の中心位置、すなわち、液体アイリス１０の光入射側（第２基材部２１側）に形成される開口部５０の中心位置はほぼ光軸上となり、偏芯を抑制することができる。
【００４６】
上述のように、本実施形態では、第１撥水膜１５と第１液体４１との親和性だけでなく、第２撥水膜２５と第１液体４１との親和性を利用して、第１液体４１の偏芯、すなわち、開口部５０の偏芯を抑制する。すなわち、本実施形態では、立体的な偏芯抑制制御を行うことができる。その様子を示したのが、図３（ａ）及び（ｂ）である。
【００４７】
図３（ａ）は、静止状態時の液体アイリス１０の概略断面図であり、図３（ｂ）は、静止状態時の光入射側から見た液体アイリス１０の上面図である。図３（ａ）では、本実施形態の液体アイリス１０の立体的な偏芯抑制制御の概念を黒丸印で示す。
【００４８】
なお、比較のため、図４（ａ）及び（ｂ）に、第２撥水膜２５を設けない場合の液体アイリス（比較例）における偏芯抑制の概念を示す。図４（ａ）は、静止状態時の比較例の液体アイリスの概略断面図であり、図４（ｂ）は、静止状態時の光入射側から見た比較例の液体アイリスの上面図である。比較例の場合には、第１撥水膜１５と第１液体４１との親和性のみを利用して偏芯抑制を行うので、平面的な偏芯抑制制御となる（図４（ａ）黒丸印参照）。それゆえ、比較例の液体アイリス９０では、本実施形態に比べて偏芯抑制の効果は小さくなる。
【００４９】
上述のように、本実施形態では、液体アイリス１０の光入射側の親水膜２４の中央に、第２液体４２より第１液体４１との親和性の高い第２撥水膜２５を設けることにより、立体的な偏芯抑制制御が可能になり、偏芯抑制の効果を増大させることができる。
【００５０】
また、本実施形態では、親水膜２４の中央に、第２液体４２より第１液体４１との親和性の高い第２撥水膜２５を設けているので、第２液体４２が第２撥水膜２５ではじかれるので、開口部５０内に黒色残り（汚れ）が無くなり、光の透過率が高くなる。
【００５１】
さらに、本実施形態では、親水膜２４の中央に第２撥水膜２５を形成した簡単な構成で偏芯を抑制する。また、本実施形態の液体アイリス１０内の電極は平坦であり、特許文献１の光学素子（図１８参照）のように凹状の形状としない。それゆえ、本実施形態では、特許文献１に比べて構造が簡易であり、液体アイリス１０の厚さを薄くすることができる。
【００５２】
［液体アイリスの作製方法］
次に、本実施形態の液体アイリス１０の作製方法を、図５を参照しながら説明する。図５は、液体アイリス１０の作製手順を示したフローチャートである。
【００５３】
まず、透明ガラス等の光透過性材料からなる第１基材１２を用意する。次いで、第１基材１２の一方の表面上に、蒸着法等により、光透過性導電材（ＩＴＯ等）からなる第１電極１３を、例えば膜厚約３０ｎｍで形成する（ステップＳ１）。次いで、第１電極１３上に、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン等で形成された、例えば厚さ約１〜５μｍの誘電体膜を接着剤で貼り付け等を行うことにより、絶縁膜１４を形成する（ステップＳ２）。
【００５４】
次いで、絶縁膜１４上に、フッ素系樹脂等をスピンコート法等により塗布し、その後、例えば１５０℃で焼成して、例えば膜厚約１０〜３０ｎｍの第１撥水膜１５を形成する（ステップＳ３）。上述したステップＳ１〜Ｓ３の工程により第１基材部１１を作製する。
【００５５】
また、ステップＳ１〜Ｓ３と並行して、第２基材部２１及び側壁部３１を次のようにして作製する。まず、透明ガラス等の光透過性材料からなる第２基材２２を用意する。次いで、第２基材２２の一方の表面上に、蒸着法等により、光透過性導電材（ＩＴＯ等）からなる第２電極２３を、例えば膜厚約３０ｎｍで形成する（ステップＳ４）。
【００５６】
次いで、第２電極２３上に、側壁部材３２を、例えば紫外線硬化型の接着剤を用いて接着する（ステップＳ５）。次いで、第２電極２３上及び側壁部材３２の内壁上に、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂等をスピンコート法等により塗布し、例えば膜厚約３００〜６００ｎｍの親水膜２４，３３を形成する（ステップＳ６）。
【００５７】
次いで、親水膜２４の中央に、第２撥水膜２５を形成する（ステップＳ７）。この際、第２撥水膜２５の膜厚は、親水膜２４の膜厚と略同じにする。第２撥水膜２５の形成方法としては、次のような方法で形成することができる。まず、第２電極２３の全面に渡って親水膜２４を形成し、次いで、第２撥水膜２５を形成する部分以外の親水膜２４の領域をマスクする。次いで、第２撥水膜２５を形成する部分の親水膜２４をエッチング法等により除去する。そして、除去された部分にフッ素系樹脂等を塗布して第２撥水膜２５を形成する。また、別の方法として、次のような方法を用いてもよい。まず、第２電極２３上の第２撥水膜２５を形成する部分をマスクしておき、その上から、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂等をスピンコート法等により塗布して親水膜２４を形成する。次いで、親水膜２４をマスクし、その上からフッ素系樹脂等を塗布して第２撥水膜２５を形成する。
【００５８】
上述したステップＳ４〜Ｓ７の工程により、第２基材部２１及び側壁部３１、並びに、それらを接続した部材を作製する。
【００５９】
次に、上述のようにして作製した第１基材部１１と、第２基材部２１及び側壁部３１を接続した部材とを、例えば紫外線硬化型の接着剤を用いて接着する（ステップＳ８）。なお、この際、第１撥水膜１５と、親水膜２４（第２撥水膜２５）とが対向するように接着する。この工程により、液体アイリス１０内に、第１液体４１及び第２液体４２を封入する収容室４０が形成される。
【００６０】
次いで、液体アイリス１０の所望の面（光入射側または光出射側の表面）に、蒸着法等により反射防止膜（不図示）を形成する（ステップＳ９）。なお、反射防止膜としては、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された多層反射膜等を用いることができる。例えば、反射防止膜をＬａＴｉＯ３／ＳｉＯ２膜等で形成し、その膜厚を例えば約４００ｎｍとする。
【００６１】
次いで、注射器等を用いて、側壁部材３２に設けられた注入口３２ａから第１液体４１及び第２液体４２を収容室４０に注入する（ステップＳ１０）。この際、先に、所定量の第２液体４２を収容室４０内に注入し、その後、残りの収容室４０内の空間に第１液体４１を充填する。また、この際、収容室４０内に空気が残らないように第１液体４１及び第２液体４２を充填する。なお、第１液体４１の注入量と第２液体４２の注入量との割合は、第２液体４２の親水膜２４，３３に対する濡れ性の大きさ、第１液体４１の第１及び第２撥水膜１５，２５に対する濡れ性の大きさ、第２撥水膜２５の径等に応じて適宜調整する。
【００６２】
次いで、第１電極１３及び第２電極２３を電源８に接続する（ステップＳ１１）。そして、最後に、例えば紫外線硬化型の接着剤（接着部材３４）を側壁部材３２上に塗布した後、紫外線照射を行って接着剤を硬化し、側壁部材３２の注入口３２ａを封止する（ステップＳ１２）。これにより、収容室４０を密閉し、内部に第１液体４１及び第２液体４２を密封する。上述のようにして、本実施形態では、液体アイリス１０を作製する。
【００６３】
［液体アイリスの動作］
次に、本実施形態の液体アイリス１０の電圧印加時の動作を説明するが、その前に、エレクトロウェッティング現象（電気毛管現象）について簡単に説明する。
【００６４】
図６（ａ）及び（ｂ）に、エレクトロウェッティング現象の原理図を示す。図６（ａ）は、有極性液体８０に電圧が印加されていない場合の有極性液体８０の状態を示す図であり、図６（ｂ）は、有極性液体８０に電圧を印加した際の有極性液体８０の状態を示す図である。
【００６５】
図６（ａ）及び（ｂ）の例では、基材８１上に電極８２、絶縁膜８３及び撥水膜８４（疎水膜）が形成された部材の撥水膜８４上に有極性液体８０（例えば、水）が滴下されている場合を考える。なお、有極性液体８０はスイッチ８６を介して電源８５の一方の端子に接続され、電源８５の他方の端子は電極８２に接続される。また、この例では、図６（ａ）に示すように、有極性液体８０内には、プラスイオンの分子８０ａとマイナスイオンの分子８０ｂとが存在する。
【００６６】
有極性液体８０に電圧が印加されていない場合（スイッチ８６がオフの場合）、有極性液体８０の表面は、表面張力により球面状になる（図６（ａ）の状態）。このときの撥水膜８４の表面と、有極性液体８０の撥水膜８４に接触している部分の液面との角度、すなわち接触角をθ０とする。
【００６７】
ここで、スイッチ８６を閉じて、有極性液体８０に電圧を印加すると、絶縁膜８３の一方の表面にプラス電荷８３ａが帯電し、他方の表面にマイナス電荷８３ｂが帯電する。図６（ａ）及び（ｂ）の例では、絶縁膜８３の有極性液体８０側にプラス電荷８３ａが帯電し、電極８２側にマイナス電荷８３ｂが帯電する場合を考える。この場合、有極性液体８０のマイナスイオンの分子８０ｂに静電気力が作用し、マイナスイオンの分子８０ｂは絶縁膜８３上の撥水膜８４に引き付けられる。この結果、電圧を印加しない場合（図６（ａ）の状態）に比べて、有極性液体８０は、撥水膜８４上により広がった状態で付着する（図６（ｂ）の状態）。このときの有極性液体８０の接触角θは、電圧を印加しない場合の接触角θ０より小さくなる。すなわち、電圧を印加することで、有極性液体８０の撥水膜８４に対する濡れ性（有極性液体８０と撥水膜８４との親和性）が大きくなる。このような現象がエレクトロウェッティング現象とよばれるものである。
【００６８】
本実施形態では、上述したエレクトロウェッティング現象を利用して、液体アイリス１０内に封入された第１液体４１と第２液体４２との界面形状を変形させて、液体アイリス１０の絞り動作を行う。
【００６９】
図７（ａ）及び（ｂ）に、第１電極１３及び第２電極２３間に電圧Ｖ１を印加した際の液体アイリス１０の動作の様子を示す。なお、図７（ａ）は、電圧Ｖ１を印加した際の液体アイリス１０の断面図であり、図７（ｂ）は、その際の光入射側から見た液体アイリス１０の上面図である。第１電極１３及び第２電極２３間に電圧Ｖ１を印加すると、エレクトロウェッティング現象により第１液体４１が第２基材部２１側の膜にさらに押しつけられる。これにより、第１液体４１と第２基材部２１側の膜との接触領域、すなわち、液体アイリス１０の光入射側に形成される円形の開口部５０の径が大きくなる。例えば、図７（ａ）及び（ｂ）の例では、電圧Ｖ１を印加すると、開口部５０の径がＴ１となり、静止状態時（図２（ｂ）参照）の開口部５０の径より大きくなる。
【００７０】
ここで、第１電極１３及び第２電極２３間に電圧を印加した際に、エレクトロウェッティング現象により、第１液体４１と第２基材部２１側の膜との接触領域が大きくなる原理を図８を参照しながら説明する。図８は、液体アイリス１０に電圧を印加した際の動作原理図である。なお、図８では、電圧印加時に、絶縁膜１４の液体側にプラス電荷１４ａが帯電し、第１電極１３側にマイナス電荷１４ｂが帯電する例を説明する。
【００７１】
第１電極１３及び第２電極２３間に電圧を印加すると、絶縁膜１４の液体側にプラス電荷１４ａが帯電する。この場合、有極性液体である第２液体４２中のマイナスイオンの分子４２ｂに静電気力が作用し、マイナスイオンの分子４２ｂは第１撥水膜１５側に引き付けられる（図８中の白抜き矢印）。この際、第２液体４２は、エレクトロウェッティング現象により第１撥水膜１５上に広がろうとするので、第１液体４１には、その周囲に存在する第２液体４２から押す力（図８中の黒矢印）が生じる。これにより、第１液体４１の親水膜２４側の表面が親水膜２４側に押し出されるように変形し（図８中の斜線矢印）、第１液体４１の親水膜２４側の表面の一部が親水膜２４側が押しつけられる。この結果、第１液体４１と第２基材部２１側の膜との接触領域が大きくなり、液体アイリス１０の光入射側（親水膜２４側）に形成される開口部５０の径が大きくなる。
【００７２】
そこで、さらに、第１電極１３及び第２電極２３間に印加する電圧を大きくすると、第２液体４２は、エレクトロウェッティング現象により第１撥水膜１５上により一層広がろうとする。これにより、第２液体４２から第１液体４１に働く押力（図８中の黒矢印）がさらに大きくなり、第１液体４１の親水膜２４側の表面が親水膜２４側にさらに押し出されるように変形する。すなわち、第１液体４１及び第２液体４２の界面の第１撥水膜１５に対する傾斜角がさらに大きくなる。この場合、第１液体４１と親水膜２４側の膜との接触領域がさらに広くなり、開口部５０の径がさらに大きくなる。その様子を、図９（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００７３】
図９（ａ）は、第１電極１３及び第２電極２３間に電圧Ｖ２（＞Ｖ１）を印加した際の液体アイリス１０の断面図であり、図９（ｂ）は、その際の光入射側から見た液体アイリス１０の上面図である。第１電極１３及び第２電極２３間に印加する電圧をＶ１からＶ２に大きくすると、液体アイリス１０の光入射側に形成される開口部５０の径もＴ１からＴ２に大きくなる。
【００７４】
また、本実施形態の液体アイリス１０では、上述のように静止状態において第１液体４１の一部が親水膜２４の中央に形成された第２撥水膜２５に固定される。それゆえ、印加電圧時に形成される開口部５０は、第２撥水膜２５を中心にして広がる。すなわち、電圧印加時においても、光入射側に形成された開口部５０の中心と光軸との位置ずれ（偏芯）は起こらない。それゆえ、本実施形態によれば、電圧印加時においても偏芯を抑制することができ、解像度の低下を抑制することができる。
【００７５】
＜２．第２の実施形態＞
第２の実施形態では、第１の実施形態の液体アイリス１０の構成において、さらに第１電極の構成を変えた例を説明する。
【００７６】
［液体アイリスの構成］
図１０（ａ）及び（ｂ）に、本実施形態の液体アイリスの概略構成図を示す。図１０（ａ）は、電荷を印加していないときの液体アイリス６０の断面図であり、図１０（ｂ）は、その際の光線３０の入射側から見た液体アイリス６０の上面図である。なお、図１０（ａ）及び（ｂ）の液体アイリス６０において、第１の実施形態の液体アイリス１０（図２（ａ）及び（ｂ））と同じ構成部分には同一符号を付して示す。
【００７７】
液体アイリス６０は、第１基材部６１と、第２基材部２１と、第１基材部６１及び第２基材部２１を接続する側壁部３１とで構成される。そして、第１基材部６１、第２基材部２１及び側壁部３１により画成された収容室４０に、第１液体４１及び第２液体４２が密閉封入される。
【００７８】
本実施形態では、第１基材部６１の第１電極６３の構造を変えたこと以外は、第１の実施形態の液体アイリス１０と同様の構成とする。それゆえ、ここでは、第１電極６３以外の構成についての説明は省略する。
【００７９】
図１１に、本実施形態で用いる第１電極６３の概略構成を示す。第１電極６３の電極部６３ａの中央には、電極開口部６３ｂが形成される。なお、第１電極６３の電極部６３ａは、第１の実施形態の第１電極１３と同じ材料、同じ厚さで形成される。また、電極開口部６３ｂには、第１電極６３が形成される第１基材１２が露出している。
【００８０】
電極開口部６３ｂは、星形形状の開口部である。本実施形態では、電極開口部６３ｂを、第１電極６３の中心に形成された円形部６３ｃと、円形部６３ｃの外周部において互いに９０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって逆Ｖ字状に突出した４つの凸部６３ｄとで構成する。
【００８１】
電極開口部６３ｂの形成（パターニング）は、次のようにして行うことができる。まず、第１電極６３を、第１の実施形態と同様にして、第１基材１２上にその全面に渡って形成する（図５中のステップＳ１）。次いで、電極開口部６３ｂに対応する部分の第１電極６３をウェットエッチング法等により除去して、電極開口部６３ｂを形成する。また、別の方法としては、第１基材１２上の電極開口部６３ｂに対応する部分をマスクして、その上から第１電極６３を形成してもよい。なお、本実施形態の液体アイリス６０は、電極開口部６３ｂを上述のようにして形成すること以外は、第１の実施形態と同様にして作製することができる。
【００８２】
［偏芯抑制の原理］
図１２に、第１電極６３の中央に星形形状の電極開口部６３ｂを形成した場合の開口部の偏芯抑制の原理図を示す。第１液体４１（絶縁性の透明液体）が、図１２に示すように、第１電極６３上で第１電極６３の中央からずれている（偏芯している）と、第１液体４１と電極部６３ａとの重なる部分が不均一になる（対称性が無くなる）。
【００８３】
このような状況で液体アイリス６０に電圧を印加すると、エレクトロウェッティング現象により第２液体４２から第１液体４１に作用する押力のバランスが崩れる。このとき、この押力のバランスがとれるようにする力、すなわち、第１液体４１を第１電極６３の中央に戻そうとする復元力（図１２中の白抜き矢印）が第１液体４１に働く。それゆえ、本実施形態では、電圧印加時には、第１液体４１を、第１電極６３の中央に位置づけるように復元力が働くので、開口部の偏芯を抑制することができる。したがって、本実施形態では、第１電極６３上（第１撥水膜１５上）での偏芯抑制の効果を一層増大させることができる。
【００８４】
［第１電極の別の構成例］
第１電極６３の電極開口部６３ｂの形状は、図１１に示した星形形状に限定されない。電極開口部の星形形状としては、中心から外側に突出する複数の凸部が第１電極の中心に対して周回方向に略等距離（略等間隔）で配置される形状が好ましい。図１１の形状以外の星形形状の電極開口部の例を図１３〜１７に示す。
【００８５】
図１３の例では、電極開口部７０ｂは、第１電極７０の中心に形成された円形部７０ｃと、円形部７０ｃの外周部において互いに６０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって逆Ｖ字状に突出した６つの凸部７０ｄとで構成される。
【００８６】
図１４の例では、電極開口部７１ｂは、第１電極７１の中心に形成された円形部７１ｃと、円形部７１ｃの外周部において互いに４５度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって逆Ｖ字状に突出した８つの凸部７１ｄとで構成される。
【００８７】
図１５の例では、電極開口部７２ｂは、第１電極７２の中心に形成された円形部７２ｃと、円形部７２ｃの外周部において互いに６０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって略逆Ｖ字状に突出した６つの凸部７２ｄとで構成される。また、図１５の例では、各凸部７２ｄの先端形状は、円形部７２ｃと同心円の円弧形状になる。
【００８８】
図１６の例では、電極開口部７３ｂは、第１電極７３の中心に形成された円形部７３ｃと、円形部７３ｃの外周部において互いに１２０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって逆Ｖ字状に突出した３つの凸部７３ｄとで構成される。
【００８９】
図１７の例では、電極開口部７４ｃは、第１電極７４の中心に形成された円形部７４ｃと、円形部７４ｃの外周部において互いに６０度間隔で離れ、且つ、その外周部から外側に向かって幅均一で突出した矩形状の６つの凸部７４ｄとで構成される。
【００９０】
また、第１電極の電極開口部の形状としては、第２液体４２が第１電極の中央に位置する際に、第２液体４２と電極部との重なる部分が第１電極の中心に対して対称になるような形状であれば、任意の形状を用いることができる。
【００９１】
［変形例］
上記実施形態では、第２基材２２上に、第２電極２３を透明電極膜で形成する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２電極として、特許文献１と同様に、棒状電極を用いてもよい。この場合、棒状電極は側壁部から挿入され、棒状電極の先端が第１液体４１に直接接触した状態となる。また、この場合、親水膜２４及び第２撥水膜２５は、第２基材２２上に直接形成される。
【００９２】
また、上記実施形態では、液体アイリスに本発明を適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されない。シャッターやレンズ等の光学素子に対しても適用可能である。ただし、レンズに本発明を用いる場合には、第１液体４１及び第２液体４２の両方を透明液体で構成し、第１液体４１の屈折率と第２液体４２の屈折率とが異なるものを用いる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施形態に係る撮像装置の概略構成図である。
【図２】図２（ａ）は、第１の実施形態に係る液体アイリスの概略断面図であり、図２（ｂ）は、光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図３】第１実施形態の液体アイリスの作製手順を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ）は、有極性液体に電圧を印加する前の有極性液体の状態を示す図であり、図４（ｂ）は、有極性液体に電圧を印加した際の有極性液体の状態を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、電圧印加時の液体アイリスの概略断面図であり、図５（ｂ）は、電圧印加時の光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図６】液体アイリスの動作原理を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、電圧印加時の液体アイリスの概略断面図であり、図７（ｂ）は、電圧印加時の光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図８】図８（ａ）は、静止状態時の液体アイリスの概略断面図であり、図８（ｂ）は、静止状態時の光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図９】図９（ａ）は、静止状態時の比較例の液体アイリスの概略断面図であり、図９（ｂ）は、静止状態時の光入射側から見た比較例の液体アイリスの上面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、第２の実施形態に係る液体アイリスの概略断面図であり、図１０（ｂ）は、光入射側から見た液体アイリスの上面図である。
【図１１】第２の実施形態の第１電極の構成図である。
【図１２】第１電極による偏芯制御の原理図である。
【図１３】第１電極の別の構成例である。
【図１４】第１電極の別の構成例である。
【図１５】第１電極の別の構成例である。
【図１６】第１電極の別の構成例である。
【図１７】第１電極の別の構成例である。
【図１８】従来の光学素子の概略断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
１…第１レンズ群、２…第２レンズ群、３…第３レンズ群、４…第４レンズ群、５…フィルタ、８…電源（電源部）、１０…液体アイリス（光学素子）、１１…第１基材部、１２…第１基材、１３…第１電極、１４…絶縁膜、１５…第１撥水膜（第１膜）、２０…撮像装置、２１…第２基材部、２２…第２基材、２３…第２電極、２４…親水膜（第２膜）、２５…第２撥水膜（第３膜）、３１…側壁部、３２…側壁部材、３３…親水膜（第４膜）、４０…収容室（収容部）、４１…第１液体、４２…第２液体、５０…開口部、６３…第１電極、６３ａ…電極部、６３ｂ…電極開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１液体と、
前記第１液体と混合しない有極性または導電性を有する第２液体と、
光透過性を有する第１基材と、前記第１基材の一方の面上に形成された光透過性を有する第１電極と、前記第１電極上に形成された光透過性を有する絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、前記第２液体より前記第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第１膜とを有する第１基材部と、
光透過性を有する第２基材と、前記第２基材の一方の面上に形成され、前記第１液体より前記第２液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第２膜と、前記第２膜の中央に形成され、前記第２液体より前記第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第３膜とを有する第２基材部と、
前記第１膜及び前記第２膜が対向するように、前記第１及び第２基材部を接続する側壁部と、
前記第２基材部及び前記側壁部の一方に設けられた第２電極と、
前記第１基材部、前記第２基材部及び前記側壁部により画成され、前記第１及び第２液体を内部に密封する収容部と
を備える光学素子。
【請求項２】
前記第１液体の光透過率が前記第２液体の光透過率より高く、前記第１液体の屈折率と前記第２液体の屈折率とが同じである
請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第３膜の前記収容部側の面形状が円形である
請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２膜の膜厚と、前記第３膜の膜厚とが同じである
請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１電極の中央に星形形状の開口部が形成されている
請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２電極が、光透過性を有する電極であり、前記第２基材と前記第２膜との間に形成されている
請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
前記側壁部が、前記側壁部の前記収容部側の面上に形成され且つ前記第１液体より前記第２液体との親和性が高い第４膜を有する
請求項１に記載の光学素子。
【請求項８】
第１液体と、前記第１液体と混合しない有極性または導電性を有する第２液体と、光透過性を有する第１基材、前記第１基材の一方の面上に形成された光透過性を有する第１電極、前記第１電極上に形成された光透過性を有する絶縁膜、及び、前記絶縁膜上に形成され、前記第２液体より前記第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第１膜を有する第１基材部と、光透過性を有する第２基材、前記第２基材の一方の面上に形成され、前記第１液体より前記第２液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第２膜、及び、前記第２膜の中央に形成され、前記第２液体より前記第１液体の親和性が高く且つ光透過性を有する第３膜を有する第２基材部と、前記第１膜及び前記第２膜が対向するように前記第１及び第２基材部を接続する側壁部と、前記第２基材部及び前記側壁部の一方に設けられた第２電極と、前記第１基材部、前記第２基材部及び前記側壁部により画成され且つ前記第１及び第２液体を内部に密封する収容部とを有する光学素子と、
前記光学素子の前記第１電極及び前記第２電極間に電圧を印加する電源部と
入射光を集光するレンズ群と、
前記光学素子及び前記レンズ群を介して光が集光される撮像素子と
を備える撮像装置。
【請求項１】
第１液体と、
前記第１液体と混合しない有極性または導電性を有する第２液体と、
光透過性を有する第１基材と、前記第１基材の一方の面上に形成された光透過性を有する第１電極と、前記第１電極上に形成された光透過性を有する絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、前記第２液体より前記第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第１膜とを有する第１基材部と、
光透過性を有する第２基材と、前記第２基材の一方の面上に形成され、前記第１液体より前記第２液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第２膜と、前記第２膜の中央に形成され、前記第２液体より前記第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第３膜とを有する第２基材部と、
前記第１膜及び前記第２膜が対向するように、前記第１及び第２基材部を接続する側壁部と、
前記第２基材部及び前記側壁部の一方に設けられた第２電極と、
前記第１基材部、前記第２基材部及び前記側壁部により画成され、前記第１及び第２液体を内部に密封する収容部と
を備える光学素子。
【請求項２】
前記第１液体の光透過率が前記第２液体の光透過率より高く、前記第１液体の屈折率と前記第２液体の屈折率とが同じである
請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第３膜の前記収容部側の面形状が円形である
請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２膜の膜厚と、前記第３膜の膜厚とが同じである
請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１電極の中央に星形形状の開口部が形成されている
請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２電極が、光透過性を有する電極であり、前記第２基材と前記第２膜との間に形成されている
請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
前記側壁部が、前記側壁部の前記収容部側の面上に形成され且つ前記第１液体より前記第２液体との親和性が高い第４膜を有する
請求項１に記載の光学素子。
【請求項８】
第１液体と、前記第１液体と混合しない有極性または導電性を有する第２液体と、光透過性を有する第１基材、前記第１基材の一方の面上に形成された光透過性を有する第１電極、前記第１電極上に形成された光透過性を有する絶縁膜、及び、前記絶縁膜上に形成され、前記第２液体より前記第１液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第１膜を有する第１基材部と、光透過性を有する第２基材、前記第２基材の一方の面上に形成され、前記第１液体より前記第２液体との親和性が高く且つ光透過性を有する第２膜、及び、前記第２膜の中央に形成され、前記第２液体より前記第１液体の親和性が高く且つ光透過性を有する第３膜を有する第２基材部と、前記第１膜及び前記第２膜が対向するように前記第１及び第２基材部を接続する側壁部と、前記第２基材部及び前記側壁部の一方に設けられた第２電極と、前記第１基材部、前記第２基材部及び前記側壁部により画成され且つ前記第１及び第２液体を内部に密封する収容部とを有する光学素子と、
前記光学素子の前記第１電極及び前記第２電極間に電圧を印加する電源部と
入射光を集光するレンズ群と、
前記光学素子及び前記レンズ群を介して光が集光される撮像素子と
を備える撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−７９０９６（Ｐ２０１０−７９０９６Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４９２４０（Ｐ２００８−２４９２４０）
【出願日】平成２０年９月２６日（２００８．９．２６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２６日（２００８．９．２６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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