光学素子
【課題】薄型化を図る上で有利な光学素子を提供する。
【解決手段】第１の端面壁４２０２の内面の全域にわたって第１の液体４４に対する濡れ性が第２の液体４６に対する濡れ性よりも高い第１の膜５４が形成されている。第２の端面壁４２０６の内面の全域に第２の液体４６に対する濡れ性が第１の液体４４に対する濡れ性よりも高い第２の膜５６が形成されている。第１の液体４４に電圧印加がなされていない状態において、第２の液体４６が第２の膜５６に対して扁平に広がった状態で第１の液体４４が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在する。
【解決手段】第１の端面壁４２０２の内面の全域にわたって第１の液体４４に対する濡れ性が第２の液体４６に対する濡れ性よりも高い第１の膜５４が形成されている。第２の端面壁４２０６の内面の全域に第２の液体４６に対する濡れ性が第１の液体４４に対する濡れ性よりも高い第２の膜５６が形成されている。第１の液体４４に電圧印加がなされていない状態において、第２の液体４６が第２の膜５６に対して扁平に広がった状態で第１の液体４４が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用いて透過する光量の調整を行う光学素子１０が提案されている（特許文献１参照）。
この光学素子１０では、図１３に示すように、厚さ方向において互いに対向する端面壁１２と、両端面壁１２を接続する側面壁１４とを有する密閉された容器１６と、容器１６に封入された有極性または導電性を有する第１の液体２０と、容器１６に封入され第１の液体２０よりも透過率が高い第２の液体２２とを備えている。
そして、第１の液体２０と第２の液体２２として互いに混合しない性状のものを用い、かつ、第１の液体２０と第２の液体２２として互いに比重の等しいものを用い、容器１６内に空気などを混入せずにそれら第１の液体２０と第２の液体２２のみを封入すると、容器１６を回転させても揺らしても第１の液体２０と第２の液体２２のみを容器１６に封入した当初の状態が維持され、界面２４が端面壁１２にほぼ平行した状態が維持される。
図中符号２８は第１の液体２０に電圧を印加するための電極、３０は電極２８を覆う絶縁膜である。
そして、前記電圧印加手段によって第１の液体２０に電圧を印加することにより電気毛管現象によってそれら第１の液体２０と第２の液体２２の界面２４を図１３に実線と破線で示す間にわたって変形させ、これにより端面壁１２を通り容器１６の厚さ方向に延在する光の透過路１８を形成させるように構成されている。
具体的には、印加電圧が零の状態では光の透過方向と直交する方向の全域に図１３に実線で示すように第１の液体２０が延在することで光の透過を阻止、あるいは、減少させ、印加電圧を上昇させると図１３に破線で示すように第２の液体２２を両方の端面壁１２に接触することで透過路１８が形成され、印加電圧を調整することで第２の液体２２と一方の端面壁１２との接触面積を増減させ透過路１８の大きさを調整するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−２２８３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、このような光学素子１０をデジタルカメラなどの撮像装置に搭載する場合、撮像装置の小型化を図る上で光学素子１０の厚さ方向（光の透過方向）の寸法を如何に薄くするかが重要となっている。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、薄型化を図る上で有利な光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述の目的を達成するため、本発明は、厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の端面壁を接続する側面壁とを有する密閉された容器と、前記容器に封入された有極性または導電性を有する第１の液体と、前記容器に封入され前記第１の液体と互いに混合しない第２の液体と、前記第１の液体に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記第１の液体と第２の液体は実質的に等しい比重を有しかつ前記第１の液体の透過率は第２の液体の透過率よりも低く形成され、前記電圧印加手段による電圧印加によりそれら前記第１の液体と第２の液体の界面が変形し、前記第１、第２の端面壁を通り前記容器の厚さ方向に延在する光の透過路が形成される光学素子であって、前記第１の端面壁の内面の全域にわたって前記第１の液体に対する濡れ性が前記第２の液体に対する濡れ性よりも高い第１の膜が形成され、前記第２の端面壁の内面の全域に前記第２の液体に対する濡れ性が前記第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜が形成され、前記電圧印加手段は、前記第１の端面壁に設けられた第１の電極と、前記第２の端面壁に設けられた第２の電極とを含んで構成され、前記電圧印加手段による電圧印加がなされていない状態で、前記第２の液体は前記第２の膜上に位置し、かつ、前記第１の液体が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、第２の端面壁の内面の全域に第２の液体に対する濡れ性が第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜が形成されているので、第１の液体に電圧印加がなされていない状態において、第２の液体が第２の膜に対して扁平に広がった状態で第１の液体が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在するため、収容室の厚さ方向（光の透過方向）の寸法を可及的に削減することができ、光学素子の薄型化を図る上で有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
まず、本発明の光学素子が用いる電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）の原理について説明する。
図２は電気毛管現象の原理説明図であり、（Ａ）は電圧印加前の状態を示す図、（Ｂ）は電圧印加後の状態を示す図である。
図２（Ａ）に示すように、基板１の表面上に第１の電極２が形成され、この電極２の表面に絶縁膜３が形成されている。
この絶縁膜３の表面に有極性または導電性を有する第１の液体４が位置しており、第１の液体４には第２の電極５が電気的に接続されている。
図２（Ａ）に示すように、第１の電極２と第２の電極５との間に電圧Ｅが印加されていない状態では、第１の液体４は表面張力によってその表面が上方に凸のほぼ球面をなしている。このときに絶縁膜３の表面と、第１の液体４が絶縁膜３に接触している部分における液面の角度θ、すなわち接触角θをθ０とする。
ところが、図２（Ｂ）に示すように、第１の電極２と第２の電極５との間に電圧Ｅが印加された状態では、絶縁膜３の表面に例えばプラス電荷が帯電することで第１の液体４を構成する分子に電界（静電気力）が作用する。これにより、第１の液体４を構成する分子が引き寄せされることで、第１の液体４の絶縁膜３に対する濡れ性が良くなり、接触角θはθ０よりも小さなθ１となる。また、接触角θは電圧Ｅの値が大きくなるに従って小さくなる。
このような現象を電気毛管現象という。
【０００７】
次に、本実施の形態の光学素子４０について説明する。
図１は光学素子４０の構成を示す断面図である。
図１に示すように、光学素子４０は、容器４２と、第１の液体４４と、第２の液体４６と、電圧印加手段を含んで構成されている。
容器４２は、厚さ方向において互いに対向する第１の端面壁４２０２、第２の端面壁４２０４と、これら第１、第２の端面壁４２０２、４２０４を接続する側面壁４２０６とを有し、それら第１、第２の端面壁４２０２、４２０４を接続する側面壁４２０６とにより密閉された収容室４２Ａを有している。
本実施の形態では、第１、第２の端面壁４２０２、４２０４は同一径を有する円板状を呈し、側面壁４２０６は第１、第２の端面壁４２０２、４２０４の外径と同じ寸法の外径を有する円筒状を呈し、収容室４２Ａは扁平な円柱状を呈している。
また、第１、第２の端面壁４２０２、４２０４および側面壁４２０６は、絶縁性を有する材料で形成され、さらに、第１、第２の端面壁４２０２、４２０４は光を透過する透明な材料で形成されている。
第１、第２の端面壁４２０２、４２０４を構成する材料として、例えば、透明で絶縁性を有する合成樹脂材料あるいは透明なガラス材料を用いることができる。
第１の端面壁４２０２の内側には第１の液体４４に電圧を印加するための第１の電極４８（正極電極）が形成されており、本実施の形態では、第１の電極４８は第１の端面壁４２０２の全域にわたって円板状に形成されている。
第２の端面壁４２０４の内側には第２の液体４６に電圧を印加するための第２の電極５０（負正極電極）が形成されており、本実施の形態では、第２の電極５０は第２の端面壁４２０４の全域にわたって円板状に形成されている。
第２の電極５０の内側には第２の電極５０の全域を覆うように絶縁層５２が円板状に形成されている。
【０００８】
第１の電極４８の内側全域には、光を透過する透明な第１の膜５４が形成されている。本実施の形態では、第１の膜５４は、第１の電極４８の内側全域に加えて、第１の電極４８の外周から側面壁４２０６の内面全周にわたって連続して形成されている。
第１の膜５４は、第１の液体４４に対する濡れ性が第２の液体４６に対する濡れ性よりも高くなるように構成されたものであり、言い換えると、第１の膜５４に対する第１の液体４４の接触角は、第１の膜５４に対する第２の液体４６の接触角よりも小さい値となるように構成されている。
第１の膜５４は、親水性を有する膜（親水膜）であり、例えば親水性ポリマーや界面活性剤を側面壁４２０４の内面に塗布することで形成することができる。なお、第１の膜５４としては、従来公知の様々な材料を採用可能である。
【０００９】
第２の電極５０の内側全域には、光を透過する透明な第２の膜５６が形成されている。
第２の膜５６は、第２の液体４６に対する濡れ性が第１の液体４４に対する濡れ性よりも高くなるように構成されたものであり、言い換えると、第２の膜５６に対する第２の液体４６の接触角は、第２の膜５６に対する第１の液体４４の接触角よりも小さい値となるように構成され、例えば、０度以上から３０度以下の範囲である。
これは、一般的なフッ素系樹脂からなる撥水膜に対する第２の液体４６の接触角よりも小さい角度となっている。
第２の膜５６は、親油性を有する膜であり、例えば、シリコンを主成分とする材料を焼き付けることで、あるいは、非結晶フッ素樹脂からなる材料を蒸着することで形成することができる。なお、第２の膜５６としては、従来公知の様々な材料を採用可能である。
【００１０】
容器４２の外部には出力電圧が可変の電源５８が設けられ、電源５８の正電圧出力端子が第１の電極４８に電気的に接続され、電源５８の負電圧出力端子が第２の電極５０に電気的に接続されている。
第１の電極４８、第２の電極５０、電源５８によって前記電圧印加手段が構成されている。
【００１１】
第１の液体４４は、有極性または導電性を有し容器４２に封入されている。
第２の液体４６は、第１の液体４４と互いに混合しないものであり容器４２に封入されている。
また、第１の液体４４と第２の液体４６は実質的に等しい比重を有しかつ第１の液体４４の透過率は第２の液体４６の透過率よりも低くなるように形成されている。
本実施の形態では、第２の液体４６はシリコンオイルで構成され、第１の液体４４は、純水とエタノールとエチレングリコールとを混合し比重および屈折率を上記のシリコンオイルと実質的に等しく調節することで構成されている。
また、第２の液体４６がシリコンオイルであり、第２の膜５６が前述したシリコンを主成分とする材料を焼き付けることで形成され、あるいは、非結晶フッ素樹脂からなる材料である場合には、第２の液体４６の第２の膜５６に対する濡れ性は非常に高いものとなり、したがって、第２の液体４６の第２の膜５６に対する接触角は非常に小さいものとなり、例えば、０度以上２０度以下の範囲となる。
なお、第１の液体４４および第２の液体４６については後で詳述する。
【００１２】
第１の液体４４が位置する第１の端面壁４２０２内面に位置する第１の液体４４箇所の全域は、第１の膜５４を介して第１の電極４８に臨んだ状態となり、かつ、第２の液体４６が位置する第２の端面壁４２０６内面に位置する第２の液体４６の箇所の全域は、第２の膜５６、絶縁膜５２を介して第２の電極５０に臨んだ状態となる。
したがって、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に電圧が印加されると、第１の液体４４に電圧が印加されることになる。
【００１３】
次に、光学素子４０の動作について説明する。
図１に示すように、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に電圧が印加されない状態（Ｅ＝０Ｖ）では、第１、第２の液体４４、４６の界面６０の形状は第１、第２の液体４４、４６の表面張力、第２の膜５６上の界面張力のバランスによって決定される。
したがって、第２の膜５６に対する第１の液体４４の接触角と第２の液体の接触角との差が大きいほど、第２の膜５６上において第２の液体４６はより扁平に広がり、第１の液体４４と第２の液体４６の界面６０の形状が平坦面に近い曲面となる。
また、第１の液体４４は、第１の端面壁４２０２上の第１の膜５４から側面壁４２０４上の第１の膜５４を覆うように位置している。
したがって、第１の液体４４のうち側面壁４２０４と第２の端面壁４２０６の境界付近の環状の箇所に位置する第１の液体４４は、第２の膜５６に直接接するが、第２の液体４６は側面壁４２０４に接しない状態となる。
そのため、第１の液体４４が第２の膜５６に接触した環状部分は、第２の液体４６を介在させることなく、第２の膜５６、絶縁膜５２を挟んで第２の電極５０に対向している。
この際、第１の液体４４が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在することにより容器４０の厚さ方向に進行する光は遮断された状態となる。
【００１４】
次に、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に電圧Ｅが印加されると、電気毛管現象により、界面６０が第２の液体４６から第１の液体４４に向かって凸状の曲面（球面）となるように変形し、界面６０の中央が第１の端面壁４２０２に近づき、第１の液体４４の厚さの寸法は中央が最も小さく（薄く）、中央から収容室４２Ａの外周に離れるに従って厚さの寸法が大きく（厚く）なる。
この際の第１の液体４４の第２の膜５６に対する接触角は９０度よりも小さなものとなり、側面壁４２０６（第２の膜５６）の部分では第１の液体４４が側面壁４２０６に沿って第２の液体４６に進入している。
さらに、電圧Ｅが増大し第１の電圧Ｅ１となると、図３に示すように、界面６０の凸状の曲面（球面）の湾曲の傾斜が大きくなり、界面６０の中央が第１、第２の端面壁４２０２（第１の膜５４）に接触する。
これにより、第１の端面壁４２０２（第１の膜５４）上で界面６０が接触している領域には、第１の液体４４が存在しなくなり、収容室４２Ａの中央に（第１、第２の端面壁４２０２、４２０６の中央に）第２の液体４６のみが存在する領域６２が形成され、この領域６２により第１、第２の端面壁４２０２、４２０６を通り容器４２の厚さ方向に延在する光の透過路６４が形成される。
【００１５】
第１の電圧Ｅ１よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に印加されると（Ｅ２＞Ｅ１）、図４に示すように、界面６０の凸状の曲面（球面）の湾曲の傾斜がさらに大きくなる。
そして、収容室４２Ａの中央に（第１、第２の端面壁４２０２、４２０６の中央に）形成された第２の液体４６のみが存在する領域６２の直径が拡大され、光の透過路６４の直径が拡径される。
したがって、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に印加される電圧を調整することで、第２の液体４６のみが存在する領域６２の直径を拡大および縮小させることができ、光の透過路６４の直径を拡径および縮径する絞り動作を行うことができる。
【００１６】
本実施の形態によれば、第１の端面壁４２０２の内面の全域にわたって第１の液体４４に対する濡れ性が第２の液体４６に対する濡れ性よりも高い第１の膜５４が形成され、第２の端面壁４２０６の内面の全域に第２の液体４６に対する濡れ性が第１の液体４４に対する濡れ性よりも高い第２の膜５６が形成されている。
そのため、第１の液体４４に電圧印加がなされていない状態において、第２の液体４６が第２の膜５６に対して扁平に広がった状態で第１の液体４４が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在するため、第１の端面壁４２０２と第２の端面壁４２０６の間の寸法、すなわち、収容室４２Ａの厚さ方向（光の透過方向）の寸法を可及的に削減することができ、光学素子４０の薄型化を図る上で有利となる。
【００１７】
また、本実施の形態によれば、第１の液体４４に印加する電圧を低減する上で有利となる。
すなわち、エレクトロウェッティング現象は、絶縁膜５２にチャージされる電荷の量により第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状が変化する現象であり、言い換えれば、電荷の量により第２の液体４６の接触角を変化させることができる現象である。
電荷と第２の液体の接触角とは相対関係にあるので、電圧を印加しない状態での接触角が大きいほど、第２の液体の接触角をさらに増大させるために必要な電圧も高くなり、電圧を印加しない状態での接触角が小さいほど、第２の液体の接触角をさらに増大させるために必要な電圧も低いもので済む。
したがって、本実施の形態のように、電圧を印加しない状態での第２の液体４６の第２の膜に対する接触角θ１が非常に小さいため、印加すべき電圧が低くて済み、また、低い接触角で第２の液体４６を第１の端面壁４２０２に接触させることが可能となるので低電圧化が図れ、電力消費量を低減する上で有利となる。
【００１８】
また、本実施の形態によれば、第１の液体４４側の第１の端面壁４２０２上に第１の膜５４を形成したので、第１の液体４４が第１の膜５４に対して良く濡れる。したがって、第２の液体４６が第１の端面壁４２０２にいったん接触した後で第１の端面壁４２０２から離れる際に、第１の膜５４から第２の液体４６が離間しやすくなり、絞りの動作速度の高速化を図る上で有利となる。
また、第２の液体４６が位置する第２の端面壁４２０６上に第２の膜５６を形成したため、第１の液体４４が第２の膜５６の箇所まで位置した場合には、第２の膜５６上で第１の液体４４の液面が円滑に動きやすいので、絞りの動作速度の高速化を図る上で有利となる。
【００１９】
なお、本実施の形態では、第１の電極４８を第１の端面壁４２０２の全域にわたって形成した場合について説明したが、第１の電極４８は、該電極４８に電圧を印加した際に、第１の液体４４に電圧を印加させて第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状を変化させることができればよい。
したがって、必ずしも第１の電極４８を第１の端面壁４２０２の全域にわたって形成する必要はなく、第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状の変化によらず常時第１の液体４４に面している第１の端面壁４２０２の部分、例えば、第１の端面壁４２０２の外周部分にのみ形成するようにしてもよい。
このように第１の電極４８を第１の端面壁４２０２の外周部分のみに形成した場合には、第１の端面壁４２０２の前記外周部分を除く中心部分、すなわち、光の透過路６４上に第１の電極４８が存在しないので光学的に有利となる。
また、本実施の形態では、第２の電極５０を第２の端面壁４２０６の全域にわたって形成した場合について説明したが、第２の電極５０は、該電極５０に電圧を印加した際に、絶縁膜５２を介して第１の液体４４に電圧を印加させて第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状を変化させることができればよい。
したがって、必ずしも第２の電極５０を第２の端面壁４２０６の全域にわたって形成する必要はなく、第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状の変化によらず常時第１の液体４４に面している第２の端面壁４２０６の部分、例えば、第２の端面壁４２０６の外周部分にのみ形成するようにしてもよい。
このように第２の電極５０を第２の端面壁４２０６の外周部分のみに形成した場合には、第２の端面壁４２０６の前記外周部分を除く中心部分、すなわち、光の透過路６４上に第２の電極５０が存在しないので光学的に有利となる。
【００２０】
次に、本実施の形態で用いた第１の液体４４および第２の液体４６について説明する。
比重と屈折率とが互いに異なる３種類の液体を混合することで第１の液体４４を得、本発明者は、それら３種類の液体の混合比を変えることで第１の液体４４の比重および屈折率をそれぞれ大きな範囲で変えられることを見出した。
例えば、２種類の液体を用いて第１の液体４４を得る場合から説明する。
２種類の液体として純水とエタノールとを用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える。
図５に示すように、それらの混合比を変えていくと、第１の液体４４の比重と屈折率は、直線的にあるいは曲線的に変化していく。
また、２種類の液体として純水とエチレングリコールとを用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える。
図６に示すように、それらの混合比を変えていくと、第１の液体４４の比重と屈折率は、直線的にあるいは曲線的に変化していく。
なお、純水の比重は１．０、屈折率は１．３３３であり、エタノールの比重は０．７８９、屈折率は１．３６１であり、エチレングリコールの比重は１．１１３、屈折率は１．４３０である。
すなわち、図７に示すように、第１の液体４４が２種類の液体Ａ（屈折率がＲａ、比重がＳａ）と、液体Ｂ（屈折率がＲｂ、比重がＳｂ）を混合することで構成される場合、液体Ａ、Ｂの混合比を変えることで、第１の液体４４の屈折率と比重は、図中座標Ｏで示すように、座標（Ｒａ、Ｓａ）と座標（Ｒｂ、Ｓｂ）を結ぶ直線上でしか調整することができない。
【００２１】
これに対して、３種類の液体を用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える場合について説明する。
例えば、３種類の液体として純水とエタノールとエチレングリコールとを用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える。
図８に示すように、純水とエタノールとエチレングリコールの混合比を変えることで、純水とエタノールとエチレングリコールの３つの座標を結んだ三角形の大きな領域Ｒ内で第１の液体４４の比重と屈折率を変えることが可能である。
すなわち、図９に示すように、第１の液体４４が３種類の液体Ａ（屈折率がＲａ、比重がＳａ）と、液体Ｂ（屈折率がＲｂ、比重がＳｂ）と、液体Ｃ（屈折率がＲｃ、比重がＳｃ）を混合することで構成される場合、液体Ａ、Ｂ、Ｃの混合比を変えることで、第１の液体４４の屈折率と比重は、図中座標Ｏで示すように、座標（Ｒａ、Ｓａ）と座標（Ｒｂ、Ｓｂ）と座標（Ｒｃ、Ｓｃ）とを結ぶ三角形の領域Ｒ内で調整することができる。
一方、図８には、市販された各種のシリコンオイルの比重および屈折率の座標が点在されている。
したがって、三角形の領域Ｒ内に点在する市販のシリコンオイルを第２の液体４６として使用し、純水とエタノールとエチレングリコールとを混合し比重および屈折率を上記のシリコンオイルと実質的に等しくした第１の液体４４を得ることができる。
【００２２】
第１の液体４４は、純水とエタノールとエチレングリコールを混合した液体に光を透過しない材料であるカーボンブラックが混合されることで形成されている。
したがって、第１の液体４４は、カーボンブラックが混合されることで黒色を呈しており、０．１ｍｍ程度の厚さで光を遮光できるように形成され、光学素子の薄型化に有利となっている。
なお、光を透過しない材料としてカーボンブラックの代わりに染料などを用いてもよいことは無論である。
第１の液体４４の屈折率と第２の液体４６の屈折率を実質的に等しく形成すると、界面６０におけるレンズ効果の発生を防止でき、絞り動作を確実に行わせる上で有利となる。
また、エタノールを水に混合して第１の液体４４を形成すると、凝固点(融点)を下げることができ、寒冷地で凝固することを防止できるので、光学素子４０の寒冷地での使用が可能となる。
光学素子４０では、エタノールの凝固点は−１１４度であり、エチレングリコールの凝固点は−１３度であり、第１の液体４４の凝固点を−４０度以下とすることが可能である。
【００２３】
光学素子４０によれば、従来と違って第１の液体４４と第２の液体４６としてその比重が等しいものを選択するのではなく、第１の液体４４を、既存の比重が異なる３種類の液体を混合して用いるようにしたので、第１の液体の比重を、図７に領域Ｒで示すように、大きな範囲で変更できる。
すなわち、互いに比重が異なる２種類の液体を混合した場合には、２種類の液体の混合比を変えることで得られる第１の液体の比重は、図７に示すように、それら液体の座標を結んだ直線の範囲内でしか変えることができない。
これに対して、３種類の液体を混合した場合には、図８に示すように、純水とエタノールとエチレングリコールの３つの座標を結んだ三角形の大きな領域Ｒ内で第１の液体４４の比重を変えることが可能となる。
したがって、第１の液体４４の比重と第２の液体４６の比重とを簡単に実質的に等しくでき、所望の特性を有する光学素子４０を簡単に製造することができる。
さらに、図８、図９に示すように、比重とともに屈折率が異なる少なくとも３種類の液体、例えば、純水とエタノールとエチレングリコールを混合して第１の液体４４を得るようにしたので、第１の液体４４の比重と第２の液体４６の比重とを簡単に実質的に等しくできるとともに、同時に、第１の液体４４の屈折率と第２の液体４６の屈折率とを簡単に実質的に等しくでき、レンズ効果の発生を防止する上で有利となる。
【００２４】
また、光学素子４０では、複数種類の液体として純水とエタノールとエチレングリコールとを用いて第１の液体４４を得る場合について説明したが、使用する複数種類の液体は純水とエタノールとエチレングリコールに限定されず、既存の各種の液体を選択することが可能である。
図１０は様々な種類の液体の比重および屈折率を示す図、図１１は用いる各種液体の比重および屈折率の数値を示す図である。
例えば、図１０に示すように、用いる液体としてＡ群、Ｂ群、Ｃ群、Ｄ群のものが挙げられ、各Ａ乃至Ｄ群に用いる液体の具体名を図１１に示す。
Ａ群は、屈折率が１．３２以上１．４１未満で、比重が０．９以上１．２未満である。
Ｂ群は、屈折率が１．３２以上１．４１未満で、比重が０．６以上０．９未満である。
Ｃ群は、屈折率が１．４１以上１．６３未満で、比重が１．０５以上１．７未満である。
Ｄ群は、屈折率が１．４１以上１．６未満で、比重が０．８以上１．０５未満である。
したがって、３種類の液体として、これらＡ群乃至Ｄ群の中から選んだ任意の３つの群のそれぞれから選んだ３種類の液体の座標を結んだ三角形の大きな領域内で、それらの混合比を変えることで比重と屈折率を変えることが可能である。
すなわち、従来公知の様々な液体を選択し、それらの混合比を変えることで比重と屈折率を簡単に変えることが可能である。
【００２５】
なお、第１の液体に使用する液体の種類は３種類に限定されず、４種類以上であってもよい。
図１２に示すように、第１の液体４４が３種類の液体Ａ（屈折率がＲａ、比重がＳａ）と、液体Ｂ（屈折率がＲｂ、比重がＳｂ）と、液体Ｃ（屈折率がＲｃ、比重がＳｃ）と、液体Ｄ（屈折率がＲｄ、比重がＳｄ）を混合することで構成される場合、液体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの混合比を変えることで、第１の液体４４の屈折率と比重は、図中座標Ｏで示すように、座標（Ｒａ、Ｓａ）と座標（Ｒｂ、Ｓｂ）と座標（Ｒｃ、Ｓｃ）と座標（Ｒｄ、Ｓｄ）を結ぶ四角形の領域Ｒ内で簡単に調整することができる。
この場合にも、四角形の領域Ｒ内に位置する市販のシリコンオイル（不図示）を第２の液体４６として使用し、前記４種類の液体を混合し比重および屈折率を上記のシリコンオイルと実質的に等しくした第１の液体４４を得ることができる。
【００２６】
なお、光学素子４０では、単一のシリコンオイルを第２の液体４６として使用した場合について説明したが、シリコンオイル自体も屈折率や比重などの特性が異なるものが複数存在しており、所望の特性の一種類のシリコンオイルを選択し第２の液体４６として使用するようにしてもよく、あるいは、特性の異なる複数種類のシリコンオイルを選択し、それらの混合比を変えて所望の屈折率および比重とした後第２の液体４６として使用するようにしてもよい。
また、光学素子４０では、第１の液体４４に直流電圧を印加することで電気毛管現象を発生させる場合について説明したが、第１の液体４４に印加する電圧は直流電圧に限定されるものではなく、交流電圧やパルス電圧、あるいは、ステップ状に増減する電圧など、どのような電圧を用いてもよく、要は第１の液体４４に電気毛管現象を発生させることができればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】電圧を印加しない状態における光学素子４０を示す説明図である。
【図２】電気毛管現象の原理説明図であり、（Ａ）は電圧印加前の状態を示す図、（Ｂ）は電圧印加後の状態を示す図である。
【図３】光学素子４０に第１の電圧Ｅ１が印加された状態を示す説明図である。
【図４】光学素子４０に第１の電圧よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が印加された状態を示す説明図である。
【図５】純水とエタノールの混合比と比重および屈折率の特性を示す線図である。
【図６】純水とエチレングリコールの混合比と比重および屈折率の特性を示す線図である。
【図７】２種類の液体Ａ、Ｂを混合した場合の屈折率と比重の調整範囲を示す図である。
【図８】純水とエタノールとエチレングリコールの比重および屈折率を示す図である。
【図９】３種類の液体Ａ、Ｂ、Ｃを混合した場合の屈折率と比重の調整範囲を示す図である。
【図１０】様々な種類の液体の比重および屈折率を示す図である。
【図１１】用いる各種液体の比重および屈折率の数値を示す図である。
【図１２】４種類の液体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを混合した場合の屈折率と比重の調整範囲を示す図である。
【図１３】従来の光学素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
４０……光学素子、４２……容器、４２０２……第１の端面壁、４２０４……側面壁、４２０６……第２の端面壁、４４……第１の液体、４６……第２の液体、４８……第１の電極、５０……第２の電極、５４……第１の膜、５６……第２の膜、６０……界面、６４……光の透過路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）を用いて透過する光量の調整を行う光学素子１０が提案されている（特許文献１参照）。
この光学素子１０では、図１３に示すように、厚さ方向において互いに対向する端面壁１２と、両端面壁１２を接続する側面壁１４とを有する密閉された容器１６と、容器１６に封入された有極性または導電性を有する第１の液体２０と、容器１６に封入され第１の液体２０よりも透過率が高い第２の液体２２とを備えている。
そして、第１の液体２０と第２の液体２２として互いに混合しない性状のものを用い、かつ、第１の液体２０と第２の液体２２として互いに比重の等しいものを用い、容器１６内に空気などを混入せずにそれら第１の液体２０と第２の液体２２のみを封入すると、容器１６を回転させても揺らしても第１の液体２０と第２の液体２２のみを容器１６に封入した当初の状態が維持され、界面２４が端面壁１２にほぼ平行した状態が維持される。
図中符号２８は第１の液体２０に電圧を印加するための電極、３０は電極２８を覆う絶縁膜である。
そして、前記電圧印加手段によって第１の液体２０に電圧を印加することにより電気毛管現象によってそれら第１の液体２０と第２の液体２２の界面２４を図１３に実線と破線で示す間にわたって変形させ、これにより端面壁１２を通り容器１６の厚さ方向に延在する光の透過路１８を形成させるように構成されている。
具体的には、印加電圧が零の状態では光の透過方向と直交する方向の全域に図１３に実線で示すように第１の液体２０が延在することで光の透過を阻止、あるいは、減少させ、印加電圧を上昇させると図１３に破線で示すように第２の液体２２を両方の端面壁１２に接触することで透過路１８が形成され、印加電圧を調整することで第２の液体２２と一方の端面壁１２との接触面積を増減させ透過路１８の大きさを調整するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−２２８３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、このような光学素子１０をデジタルカメラなどの撮像装置に搭載する場合、撮像装置の小型化を図る上で光学素子１０の厚さ方向（光の透過方向）の寸法を如何に薄くするかが重要となっている。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、薄型化を図る上で有利な光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述の目的を達成するため、本発明は、厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の端面壁を接続する側面壁とを有する密閉された容器と、前記容器に封入された有極性または導電性を有する第１の液体と、前記容器に封入され前記第１の液体と互いに混合しない第２の液体と、前記第１の液体に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記第１の液体と第２の液体は実質的に等しい比重を有しかつ前記第１の液体の透過率は第２の液体の透過率よりも低く形成され、前記電圧印加手段による電圧印加によりそれら前記第１の液体と第２の液体の界面が変形し、前記第１、第２の端面壁を通り前記容器の厚さ方向に延在する光の透過路が形成される光学素子であって、前記第１の端面壁の内面の全域にわたって前記第１の液体に対する濡れ性が前記第２の液体に対する濡れ性よりも高い第１の膜が形成され、前記第２の端面壁の内面の全域に前記第２の液体に対する濡れ性が前記第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜が形成され、前記電圧印加手段は、前記第１の端面壁に設けられた第１の電極と、前記第２の端面壁に設けられた第２の電極とを含んで構成され、前記電圧印加手段による電圧印加がなされていない状態で、前記第２の液体は前記第２の膜上に位置し、かつ、前記第１の液体が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、第２の端面壁の内面の全域に第２の液体に対する濡れ性が第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜が形成されているので、第１の液体に電圧印加がなされていない状態において、第２の液体が第２の膜に対して扁平に広がった状態で第１の液体が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在するため、収容室の厚さ方向（光の透過方向）の寸法を可及的に削減することができ、光学素子の薄型化を図る上で有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
まず、本発明の光学素子が用いる電気毛管現象（エレクトロウエッティング現象）の原理について説明する。
図２は電気毛管現象の原理説明図であり、（Ａ）は電圧印加前の状態を示す図、（Ｂ）は電圧印加後の状態を示す図である。
図２（Ａ）に示すように、基板１の表面上に第１の電極２が形成され、この電極２の表面に絶縁膜３が形成されている。
この絶縁膜３の表面に有極性または導電性を有する第１の液体４が位置しており、第１の液体４には第２の電極５が電気的に接続されている。
図２（Ａ）に示すように、第１の電極２と第２の電極５との間に電圧Ｅが印加されていない状態では、第１の液体４は表面張力によってその表面が上方に凸のほぼ球面をなしている。このときに絶縁膜３の表面と、第１の液体４が絶縁膜３に接触している部分における液面の角度θ、すなわち接触角θをθ０とする。
ところが、図２（Ｂ）に示すように、第１の電極２と第２の電極５との間に電圧Ｅが印加された状態では、絶縁膜３の表面に例えばプラス電荷が帯電することで第１の液体４を構成する分子に電界（静電気力）が作用する。これにより、第１の液体４を構成する分子が引き寄せされることで、第１の液体４の絶縁膜３に対する濡れ性が良くなり、接触角θはθ０よりも小さなθ１となる。また、接触角θは電圧Ｅの値が大きくなるに従って小さくなる。
このような現象を電気毛管現象という。
【０００７】
次に、本実施の形態の光学素子４０について説明する。
図１は光学素子４０の構成を示す断面図である。
図１に示すように、光学素子４０は、容器４２と、第１の液体４４と、第２の液体４６と、電圧印加手段を含んで構成されている。
容器４２は、厚さ方向において互いに対向する第１の端面壁４２０２、第２の端面壁４２０４と、これら第１、第２の端面壁４２０２、４２０４を接続する側面壁４２０６とを有し、それら第１、第２の端面壁４２０２、４２０４を接続する側面壁４２０６とにより密閉された収容室４２Ａを有している。
本実施の形態では、第１、第２の端面壁４２０２、４２０４は同一径を有する円板状を呈し、側面壁４２０６は第１、第２の端面壁４２０２、４２０４の外径と同じ寸法の外径を有する円筒状を呈し、収容室４２Ａは扁平な円柱状を呈している。
また、第１、第２の端面壁４２０２、４２０４および側面壁４２０６は、絶縁性を有する材料で形成され、さらに、第１、第２の端面壁４２０２、４２０４は光を透過する透明な材料で形成されている。
第１、第２の端面壁４２０２、４２０４を構成する材料として、例えば、透明で絶縁性を有する合成樹脂材料あるいは透明なガラス材料を用いることができる。
第１の端面壁４２０２の内側には第１の液体４４に電圧を印加するための第１の電極４８（正極電極）が形成されており、本実施の形態では、第１の電極４８は第１の端面壁４２０２の全域にわたって円板状に形成されている。
第２の端面壁４２０４の内側には第２の液体４６に電圧を印加するための第２の電極５０（負正極電極）が形成されており、本実施の形態では、第２の電極５０は第２の端面壁４２０４の全域にわたって円板状に形成されている。
第２の電極５０の内側には第２の電極５０の全域を覆うように絶縁層５２が円板状に形成されている。
【０００８】
第１の電極４８の内側全域には、光を透過する透明な第１の膜５４が形成されている。本実施の形態では、第１の膜５４は、第１の電極４８の内側全域に加えて、第１の電極４８の外周から側面壁４２０６の内面全周にわたって連続して形成されている。
第１の膜５４は、第１の液体４４に対する濡れ性が第２の液体４６に対する濡れ性よりも高くなるように構成されたものであり、言い換えると、第１の膜５４に対する第１の液体４４の接触角は、第１の膜５４に対する第２の液体４６の接触角よりも小さい値となるように構成されている。
第１の膜５４は、親水性を有する膜（親水膜）であり、例えば親水性ポリマーや界面活性剤を側面壁４２０４の内面に塗布することで形成することができる。なお、第１の膜５４としては、従来公知の様々な材料を採用可能である。
【０００９】
第２の電極５０の内側全域には、光を透過する透明な第２の膜５６が形成されている。
第２の膜５６は、第２の液体４６に対する濡れ性が第１の液体４４に対する濡れ性よりも高くなるように構成されたものであり、言い換えると、第２の膜５６に対する第２の液体４６の接触角は、第２の膜５６に対する第１の液体４４の接触角よりも小さい値となるように構成され、例えば、０度以上から３０度以下の範囲である。
これは、一般的なフッ素系樹脂からなる撥水膜に対する第２の液体４６の接触角よりも小さい角度となっている。
第２の膜５６は、親油性を有する膜であり、例えば、シリコンを主成分とする材料を焼き付けることで、あるいは、非結晶フッ素樹脂からなる材料を蒸着することで形成することができる。なお、第２の膜５６としては、従来公知の様々な材料を採用可能である。
【００１０】
容器４２の外部には出力電圧が可変の電源５８が設けられ、電源５８の正電圧出力端子が第１の電極４８に電気的に接続され、電源５８の負電圧出力端子が第２の電極５０に電気的に接続されている。
第１の電極４８、第２の電極５０、電源５８によって前記電圧印加手段が構成されている。
【００１１】
第１の液体４４は、有極性または導電性を有し容器４２に封入されている。
第２の液体４６は、第１の液体４４と互いに混合しないものであり容器４２に封入されている。
また、第１の液体４４と第２の液体４６は実質的に等しい比重を有しかつ第１の液体４４の透過率は第２の液体４６の透過率よりも低くなるように形成されている。
本実施の形態では、第２の液体４６はシリコンオイルで構成され、第１の液体４４は、純水とエタノールとエチレングリコールとを混合し比重および屈折率を上記のシリコンオイルと実質的に等しく調節することで構成されている。
また、第２の液体４６がシリコンオイルであり、第２の膜５６が前述したシリコンを主成分とする材料を焼き付けることで形成され、あるいは、非結晶フッ素樹脂からなる材料である場合には、第２の液体４６の第２の膜５６に対する濡れ性は非常に高いものとなり、したがって、第２の液体４６の第２の膜５６に対する接触角は非常に小さいものとなり、例えば、０度以上２０度以下の範囲となる。
なお、第１の液体４４および第２の液体４６については後で詳述する。
【００１２】
第１の液体４４が位置する第１の端面壁４２０２内面に位置する第１の液体４４箇所の全域は、第１の膜５４を介して第１の電極４８に臨んだ状態となり、かつ、第２の液体４６が位置する第２の端面壁４２０６内面に位置する第２の液体４６の箇所の全域は、第２の膜５６、絶縁膜５２を介して第２の電極５０に臨んだ状態となる。
したがって、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に電圧が印加されると、第１の液体４４に電圧が印加されることになる。
【００１３】
次に、光学素子４０の動作について説明する。
図１に示すように、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に電圧が印加されない状態（Ｅ＝０Ｖ）では、第１、第２の液体４４、４６の界面６０の形状は第１、第２の液体４４、４６の表面張力、第２の膜５６上の界面張力のバランスによって決定される。
したがって、第２の膜５６に対する第１の液体４４の接触角と第２の液体の接触角との差が大きいほど、第２の膜５６上において第２の液体４６はより扁平に広がり、第１の液体４４と第２の液体４６の界面６０の形状が平坦面に近い曲面となる。
また、第１の液体４４は、第１の端面壁４２０２上の第１の膜５４から側面壁４２０４上の第１の膜５４を覆うように位置している。
したがって、第１の液体４４のうち側面壁４２０４と第２の端面壁４２０６の境界付近の環状の箇所に位置する第１の液体４４は、第２の膜５６に直接接するが、第２の液体４６は側面壁４２０４に接しない状態となる。
そのため、第１の液体４４が第２の膜５６に接触した環状部分は、第２の液体４６を介在させることなく、第２の膜５６、絶縁膜５２を挟んで第２の電極５０に対向している。
この際、第１の液体４４が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在することにより容器４０の厚さ方向に進行する光は遮断された状態となる。
【００１４】
次に、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に電圧Ｅが印加されると、電気毛管現象により、界面６０が第２の液体４６から第１の液体４４に向かって凸状の曲面（球面）となるように変形し、界面６０の中央が第１の端面壁４２０２に近づき、第１の液体４４の厚さの寸法は中央が最も小さく（薄く）、中央から収容室４２Ａの外周に離れるに従って厚さの寸法が大きく（厚く）なる。
この際の第１の液体４４の第２の膜５６に対する接触角は９０度よりも小さなものとなり、側面壁４２０６（第２の膜５６）の部分では第１の液体４４が側面壁４２０６に沿って第２の液体４６に進入している。
さらに、電圧Ｅが増大し第１の電圧Ｅ１となると、図３に示すように、界面６０の凸状の曲面（球面）の湾曲の傾斜が大きくなり、界面６０の中央が第１、第２の端面壁４２０２（第１の膜５４）に接触する。
これにより、第１の端面壁４２０２（第１の膜５４）上で界面６０が接触している領域には、第１の液体４４が存在しなくなり、収容室４２Ａの中央に（第１、第２の端面壁４２０２、４２０６の中央に）第２の液体４６のみが存在する領域６２が形成され、この領域６２により第１、第２の端面壁４２０２、４２０６を通り容器４２の厚さ方向に延在する光の透過路６４が形成される。
【００１５】
第１の電圧Ｅ１よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に印加されると（Ｅ２＞Ｅ１）、図４に示すように、界面６０の凸状の曲面（球面）の湾曲の傾斜がさらに大きくなる。
そして、収容室４２Ａの中央に（第１、第２の端面壁４２０２、４２０６の中央に）形成された第２の液体４６のみが存在する領域６２の直径が拡大され、光の透過路６４の直径が拡径される。
したがって、電源５８から第１の電極４８、第２の電極５０に印加される電圧を調整することで、第２の液体４６のみが存在する領域６２の直径を拡大および縮小させることができ、光の透過路６４の直径を拡径および縮径する絞り動作を行うことができる。
【００１６】
本実施の形態によれば、第１の端面壁４２０２の内面の全域にわたって第１の液体４４に対する濡れ性が第２の液体４６に対する濡れ性よりも高い第１の膜５４が形成され、第２の端面壁４２０６の内面の全域に第２の液体４６に対する濡れ性が第１の液体４４に対する濡れ性よりも高い第２の膜５６が形成されている。
そのため、第１の液体４４に電圧印加がなされていない状態において、第２の液体４６が第２の膜５６に対して扁平に広がった状態で第１の液体４４が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在するため、第１の端面壁４２０２と第２の端面壁４２０６の間の寸法、すなわち、収容室４２Ａの厚さ方向（光の透過方向）の寸法を可及的に削減することができ、光学素子４０の薄型化を図る上で有利となる。
【００１７】
また、本実施の形態によれば、第１の液体４４に印加する電圧を低減する上で有利となる。
すなわち、エレクトロウェッティング現象は、絶縁膜５２にチャージされる電荷の量により第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状が変化する現象であり、言い換えれば、電荷の量により第２の液体４６の接触角を変化させることができる現象である。
電荷と第２の液体の接触角とは相対関係にあるので、電圧を印加しない状態での接触角が大きいほど、第２の液体の接触角をさらに増大させるために必要な電圧も高くなり、電圧を印加しない状態での接触角が小さいほど、第２の液体の接触角をさらに増大させるために必要な電圧も低いもので済む。
したがって、本実施の形態のように、電圧を印加しない状態での第２の液体４６の第２の膜に対する接触角θ１が非常に小さいため、印加すべき電圧が低くて済み、また、低い接触角で第２の液体４６を第１の端面壁４２０２に接触させることが可能となるので低電圧化が図れ、電力消費量を低減する上で有利となる。
【００１８】
また、本実施の形態によれば、第１の液体４４側の第１の端面壁４２０２上に第１の膜５４を形成したので、第１の液体４４が第１の膜５４に対して良く濡れる。したがって、第２の液体４６が第１の端面壁４２０２にいったん接触した後で第１の端面壁４２０２から離れる際に、第１の膜５４から第２の液体４６が離間しやすくなり、絞りの動作速度の高速化を図る上で有利となる。
また、第２の液体４６が位置する第２の端面壁４２０６上に第２の膜５６を形成したため、第１の液体４４が第２の膜５６の箇所まで位置した場合には、第２の膜５６上で第１の液体４４の液面が円滑に動きやすいので、絞りの動作速度の高速化を図る上で有利となる。
【００１９】
なお、本実施の形態では、第１の電極４８を第１の端面壁４２０２の全域にわたって形成した場合について説明したが、第１の電極４８は、該電極４８に電圧を印加した際に、第１の液体４４に電圧を印加させて第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状を変化させることができればよい。
したがって、必ずしも第１の電極４８を第１の端面壁４２０２の全域にわたって形成する必要はなく、第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状の変化によらず常時第１の液体４４に面している第１の端面壁４２０２の部分、例えば、第１の端面壁４２０２の外周部分にのみ形成するようにしてもよい。
このように第１の電極４８を第１の端面壁４２０２の外周部分のみに形成した場合には、第１の端面壁４２０２の前記外周部分を除く中心部分、すなわち、光の透過路６４上に第１の電極４８が存在しないので光学的に有利となる。
また、本実施の形態では、第２の電極５０を第２の端面壁４２０６の全域にわたって形成した場合について説明したが、第２の電極５０は、該電極５０に電圧を印加した際に、絶縁膜５２を介して第１の液体４４に電圧を印加させて第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状を変化させることができればよい。
したがって、必ずしも第２の電極５０を第２の端面壁４２０６の全域にわたって形成する必要はなく、第１の液体４４、第２の液体４６の界面形状の変化によらず常時第１の液体４４に面している第２の端面壁４２０６の部分、例えば、第２の端面壁４２０６の外周部分にのみ形成するようにしてもよい。
このように第２の電極５０を第２の端面壁４２０６の外周部分のみに形成した場合には、第２の端面壁４２０６の前記外周部分を除く中心部分、すなわち、光の透過路６４上に第２の電極５０が存在しないので光学的に有利となる。
【００２０】
次に、本実施の形態で用いた第１の液体４４および第２の液体４６について説明する。
比重と屈折率とが互いに異なる３種類の液体を混合することで第１の液体４４を得、本発明者は、それら３種類の液体の混合比を変えることで第１の液体４４の比重および屈折率をそれぞれ大きな範囲で変えられることを見出した。
例えば、２種類の液体を用いて第１の液体４４を得る場合から説明する。
２種類の液体として純水とエタノールとを用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える。
図５に示すように、それらの混合比を変えていくと、第１の液体４４の比重と屈折率は、直線的にあるいは曲線的に変化していく。
また、２種類の液体として純水とエチレングリコールとを用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える。
図６に示すように、それらの混合比を変えていくと、第１の液体４４の比重と屈折率は、直線的にあるいは曲線的に変化していく。
なお、純水の比重は１．０、屈折率は１．３３３であり、エタノールの比重は０．７８９、屈折率は１．３６１であり、エチレングリコールの比重は１．１１３、屈折率は１．４３０である。
すなわち、図７に示すように、第１の液体４４が２種類の液体Ａ（屈折率がＲａ、比重がＳａ）と、液体Ｂ（屈折率がＲｂ、比重がＳｂ）を混合することで構成される場合、液体Ａ、Ｂの混合比を変えることで、第１の液体４４の屈折率と比重は、図中座標Ｏで示すように、座標（Ｒａ、Ｓａ）と座標（Ｒｂ、Ｓｂ）を結ぶ直線上でしか調整することができない。
【００２１】
これに対して、３種類の液体を用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える場合について説明する。
例えば、３種類の液体として純水とエタノールとエチレングリコールとを用いて第１の液体４４を得、それらの混合比を変える。
図８に示すように、純水とエタノールとエチレングリコールの混合比を変えることで、純水とエタノールとエチレングリコールの３つの座標を結んだ三角形の大きな領域Ｒ内で第１の液体４４の比重と屈折率を変えることが可能である。
すなわち、図９に示すように、第１の液体４４が３種類の液体Ａ（屈折率がＲａ、比重がＳａ）と、液体Ｂ（屈折率がＲｂ、比重がＳｂ）と、液体Ｃ（屈折率がＲｃ、比重がＳｃ）を混合することで構成される場合、液体Ａ、Ｂ、Ｃの混合比を変えることで、第１の液体４４の屈折率と比重は、図中座標Ｏで示すように、座標（Ｒａ、Ｓａ）と座標（Ｒｂ、Ｓｂ）と座標（Ｒｃ、Ｓｃ）とを結ぶ三角形の領域Ｒ内で調整することができる。
一方、図８には、市販された各種のシリコンオイルの比重および屈折率の座標が点在されている。
したがって、三角形の領域Ｒ内に点在する市販のシリコンオイルを第２の液体４６として使用し、純水とエタノールとエチレングリコールとを混合し比重および屈折率を上記のシリコンオイルと実質的に等しくした第１の液体４４を得ることができる。
【００２２】
第１の液体４４は、純水とエタノールとエチレングリコールを混合した液体に光を透過しない材料であるカーボンブラックが混合されることで形成されている。
したがって、第１の液体４４は、カーボンブラックが混合されることで黒色を呈しており、０．１ｍｍ程度の厚さで光を遮光できるように形成され、光学素子の薄型化に有利となっている。
なお、光を透過しない材料としてカーボンブラックの代わりに染料などを用いてもよいことは無論である。
第１の液体４４の屈折率と第２の液体４６の屈折率を実質的に等しく形成すると、界面６０におけるレンズ効果の発生を防止でき、絞り動作を確実に行わせる上で有利となる。
また、エタノールを水に混合して第１の液体４４を形成すると、凝固点(融点)を下げることができ、寒冷地で凝固することを防止できるので、光学素子４０の寒冷地での使用が可能となる。
光学素子４０では、エタノールの凝固点は−１１４度であり、エチレングリコールの凝固点は−１３度であり、第１の液体４４の凝固点を−４０度以下とすることが可能である。
【００２３】
光学素子４０によれば、従来と違って第１の液体４４と第２の液体４６としてその比重が等しいものを選択するのではなく、第１の液体４４を、既存の比重が異なる３種類の液体を混合して用いるようにしたので、第１の液体の比重を、図７に領域Ｒで示すように、大きな範囲で変更できる。
すなわち、互いに比重が異なる２種類の液体を混合した場合には、２種類の液体の混合比を変えることで得られる第１の液体の比重は、図７に示すように、それら液体の座標を結んだ直線の範囲内でしか変えることができない。
これに対して、３種類の液体を混合した場合には、図８に示すように、純水とエタノールとエチレングリコールの３つの座標を結んだ三角形の大きな領域Ｒ内で第１の液体４４の比重を変えることが可能となる。
したがって、第１の液体４４の比重と第２の液体４６の比重とを簡単に実質的に等しくでき、所望の特性を有する光学素子４０を簡単に製造することができる。
さらに、図８、図９に示すように、比重とともに屈折率が異なる少なくとも３種類の液体、例えば、純水とエタノールとエチレングリコールを混合して第１の液体４４を得るようにしたので、第１の液体４４の比重と第２の液体４６の比重とを簡単に実質的に等しくできるとともに、同時に、第１の液体４４の屈折率と第２の液体４６の屈折率とを簡単に実質的に等しくでき、レンズ効果の発生を防止する上で有利となる。
【００２４】
また、光学素子４０では、複数種類の液体として純水とエタノールとエチレングリコールとを用いて第１の液体４４を得る場合について説明したが、使用する複数種類の液体は純水とエタノールとエチレングリコールに限定されず、既存の各種の液体を選択することが可能である。
図１０は様々な種類の液体の比重および屈折率を示す図、図１１は用いる各種液体の比重および屈折率の数値を示す図である。
例えば、図１０に示すように、用いる液体としてＡ群、Ｂ群、Ｃ群、Ｄ群のものが挙げられ、各Ａ乃至Ｄ群に用いる液体の具体名を図１１に示す。
Ａ群は、屈折率が１．３２以上１．４１未満で、比重が０．９以上１．２未満である。
Ｂ群は、屈折率が１．３２以上１．４１未満で、比重が０．６以上０．９未満である。
Ｃ群は、屈折率が１．４１以上１．６３未満で、比重が１．０５以上１．７未満である。
Ｄ群は、屈折率が１．４１以上１．６未満で、比重が０．８以上１．０５未満である。
したがって、３種類の液体として、これらＡ群乃至Ｄ群の中から選んだ任意の３つの群のそれぞれから選んだ３種類の液体の座標を結んだ三角形の大きな領域内で、それらの混合比を変えることで比重と屈折率を変えることが可能である。
すなわち、従来公知の様々な液体を選択し、それらの混合比を変えることで比重と屈折率を簡単に変えることが可能である。
【００２５】
なお、第１の液体に使用する液体の種類は３種類に限定されず、４種類以上であってもよい。
図１２に示すように、第１の液体４４が３種類の液体Ａ（屈折率がＲａ、比重がＳａ）と、液体Ｂ（屈折率がＲｂ、比重がＳｂ）と、液体Ｃ（屈折率がＲｃ、比重がＳｃ）と、液体Ｄ（屈折率がＲｄ、比重がＳｄ）を混合することで構成される場合、液体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの混合比を変えることで、第１の液体４４の屈折率と比重は、図中座標Ｏで示すように、座標（Ｒａ、Ｓａ）と座標（Ｒｂ、Ｓｂ）と座標（Ｒｃ、Ｓｃ）と座標（Ｒｄ、Ｓｄ）を結ぶ四角形の領域Ｒ内で簡単に調整することができる。
この場合にも、四角形の領域Ｒ内に位置する市販のシリコンオイル（不図示）を第２の液体４６として使用し、前記４種類の液体を混合し比重および屈折率を上記のシリコンオイルと実質的に等しくした第１の液体４４を得ることができる。
【００２６】
なお、光学素子４０では、単一のシリコンオイルを第２の液体４６として使用した場合について説明したが、シリコンオイル自体も屈折率や比重などの特性が異なるものが複数存在しており、所望の特性の一種類のシリコンオイルを選択し第２の液体４６として使用するようにしてもよく、あるいは、特性の異なる複数種類のシリコンオイルを選択し、それらの混合比を変えて所望の屈折率および比重とした後第２の液体４６として使用するようにしてもよい。
また、光学素子４０では、第１の液体４４に直流電圧を印加することで電気毛管現象を発生させる場合について説明したが、第１の液体４４に印加する電圧は直流電圧に限定されるものではなく、交流電圧やパルス電圧、あるいは、ステップ状に増減する電圧など、どのような電圧を用いてもよく、要は第１の液体４４に電気毛管現象を発生させることができればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】電圧を印加しない状態における光学素子４０を示す説明図である。
【図２】電気毛管現象の原理説明図であり、（Ａ）は電圧印加前の状態を示す図、（Ｂ）は電圧印加後の状態を示す図である。
【図３】光学素子４０に第１の電圧Ｅ１が印加された状態を示す説明図である。
【図４】光学素子４０に第１の電圧よりも大きい値の第２の電圧Ｅ２が印加された状態を示す説明図である。
【図５】純水とエタノールの混合比と比重および屈折率の特性を示す線図である。
【図６】純水とエチレングリコールの混合比と比重および屈折率の特性を示す線図である。
【図７】２種類の液体Ａ、Ｂを混合した場合の屈折率と比重の調整範囲を示す図である。
【図８】純水とエタノールとエチレングリコールの比重および屈折率を示す図である。
【図９】３種類の液体Ａ、Ｂ、Ｃを混合した場合の屈折率と比重の調整範囲を示す図である。
【図１０】様々な種類の液体の比重および屈折率を示す図である。
【図１１】用いる各種液体の比重および屈折率の数値を示す図である。
【図１２】４種類の液体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを混合した場合の屈折率と比重の調整範囲を示す図である。
【図１３】従来の光学素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
４０……光学素子、４２……容器、４２０２……第１の端面壁、４２０４……側面壁、４２０６……第２の端面壁、４４……第１の液体、４６……第２の液体、４８……第１の電極、５０……第２の電極、５４……第１の膜、５６……第２の膜、６０……界面、６４……光の透過路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の端面壁を接続する側面壁とを有する密閉された容器と、
前記容器に封入された有極性または導電性を有する第１の液体と、
前記容器に封入され前記第１の液体と互いに混合しない第２の液体と、
前記第１の液体に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記第１の液体と第２の液体は実質的に等しい比重を有しかつ前記第１の液体の透過率は第２の液体の透過率よりも低く形成され、
前記電圧印加手段による電圧印加によりそれら前記第１の液体と第２の液体の界面が変形し、前記第１、第２の端面壁を通り前記容器の厚さ方向に延在する光の透過路が形成される光学素子であって、
前記第１の端面壁の内面の全域にわたって前記第１の液体に対する濡れ性が前記第２の液体に対する濡れ性よりも高い第１の膜が形成され、
前記第２の端面壁の内面の全域に前記第２の液体に対する濡れ性が前記第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜が形成され、
前記電圧印加手段は、前記第１の端面壁に設けられた第１の電極と、前記第２の端面壁に設けられた第２の電極とを含んで構成され、
前記電圧印加手段による電圧印加がなされていない状態で、前記第２の液体は前記第２の膜上に位置し、かつ、前記第１の液体が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在している、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１の膜は前記第１の電極の表面を覆うように設けられ、前記第２の膜は前記第２の電極の表面を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、前記第２の膜と前記第２の電極との間に形成された絶縁膜を含むことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２の液体はシリコンオイルで形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項５】
前記第２の膜はシリコンを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２の膜は非結晶フッ素樹脂からなる材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項７】
前記第２の液体が前記第２の膜に対してなす接触角が０度以上３０度以下であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の液体と第２の液体の界面は、前記第１の液体に対する電圧印加の有無に拘わらず、前記第１の液体から第２の液体に向かって凸状の曲面形状が維持されることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１の液体は複数種類の液体から構成され、前記複数種類の液体は水、エタノールおよびエチレングリコールの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項１】
厚さ方向において互いに対向する第１、第２の端面壁と、前記第１、第２の端面壁を接続する側面壁とを有する密閉された容器と、
前記容器に封入された有極性または導電性を有する第１の液体と、
前記容器に封入され前記第１の液体と互いに混合しない第２の液体と、
前記第１の液体に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記第１の液体と第２の液体は実質的に等しい比重を有しかつ前記第１の液体の透過率は第２の液体の透過率よりも低く形成され、
前記電圧印加手段による電圧印加によりそれら前記第１の液体と第２の液体の界面が変形し、前記第１、第２の端面壁を通り前記容器の厚さ方向に延在する光の透過路が形成される光学素子であって、
前記第１の端面壁の内面の全域にわたって前記第１の液体に対する濡れ性が前記第２の液体に対する濡れ性よりも高い第１の膜が形成され、
前記第２の端面壁の内面の全域に前記第２の液体に対する濡れ性が前記第１の液体に対する濡れ性よりも高い第２の膜が形成され、
前記電圧印加手段は、前記第１の端面壁に設けられた第１の電極と、前記第２の端面壁に設けられた第２の電極とを含んで構成され、
前記電圧印加手段による電圧印加がなされていない状態で、前記第２の液体は前記第２の膜上に位置し、かつ、前記第１の液体が光の透過方向と直交する方向の全域にわたって延在している、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１の膜は前記第１の電極の表面を覆うように設けられ、前記第２の膜は前記第２の電極の表面を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、前記第２の膜と前記第２の電極との間に形成された絶縁膜を含むことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２の液体はシリコンオイルで形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項５】
前記第２の膜はシリコンを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２の膜は非結晶フッ素樹脂からなる材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項７】
前記第２の液体が前記第２の膜に対してなす接触角が０度以上３０度以下であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の液体と第２の液体の界面は、前記第１の液体に対する電圧印加の有無に拘わらず、前記第１の液体から第２の液体に向かって凸状の曲面形状が維持されることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１の液体は複数種類の液体から構成され、前記複数種類の液体は水、エタノールおよびエチレングリコールの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−５７８０７（Ｐ２００７−５７８０７Ａ）
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４２９１２（Ｐ２００５−２４２９１２）
【出願日】平成１７年８月２４日（２００５．８．２４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２４日（２００５．８．２４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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