(57)【要約】【課題】  本発明は、冷却手段又は冷却パターン層を微小に制御して光の入射口と出射口を有する液滴の形状などを制御することができる。【解決手段】  本発明の液滴光学装置は、光の入射口と出射口を有する液滴を該液滴の表面張力によって支持する液滴支持手段を有している。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の入射口と出射口を有する液滴を該液滴の表面張力によって支持する液滴支持手段を有することを特徴とする液滴光学装置。
【請求項２】
前記液滴支持手段は貫通孔を有し、該貫通孔の内周面において前記液滴を支持することを特徴とする請求項１記載の液滴光学装置。
【請求項３】
前記液滴支持手段の前記貫通孔内に固体光学基材を設け、前記液滴支持手段によって支持される前記液滴で前記固体光学基材の表面を覆うことを特徴とする請求項２記載の液滴光学装置。
【請求項４】
前記固体光学基材は、レンズ基材又はプリズム基材であることを特徴とする請求項３記載の液滴光学装置。
【請求項５】
前記液滴支持手段によって支持される前記液滴の形状を制御するための電圧を印加される制御電極を前記液滴支持手段に設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項６】
前記液滴はイオン液体材料であり、前記液滴を形成する液滴形成エリアの温度を可変する温度可変手段と、該温度可変手段の温度を制御する温度制御手段とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項７】
雰囲気中又は密閉空間中の液滴材料を凝集して光の入射口と出射口を有する液滴を形成する液滴形成エリアの温度を可変する温度可変手段と、該温度可変手段の温度を制御する温度制御手段とを有することを特徴とする液滴光学装置。
【請求項８】
前記温度制御手段によって前記温度可変手段の温度を制御して前記液滴形成エリアに形成された液滴を保持することを特徴とする請求項７記載の液滴光学装置。
【請求項９】
前記温度制御手段によって前記温度可変手段の温度を制御して前記液滴形成エリアに形成された液滴の形状を可変することを特徴とする請求項７記載の液滴光学装置。
【請求項１０】
所定の液滴材料を雰囲気中若しくは密閉空間中に供給、又は雰囲気中若しくは密閉空間中の液滴材料を排出、の少なくともいずれかを行う液滴材料供給排出路を設けることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項１１】
前記温度可変手段は熱電変換器又はヒートパイプであることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項１２】
前記温度可変手段を前記液滴形成エリアに集合配置することを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項１３】
液滴を形成する箇所に前記温度可変手段を個別に配置することを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項１４】
前記温度可変手段を平坦状に配置することを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項１５】
前記温度可変手段を、角柱面、角錐面、円柱面、円錐面、ボビン型面、中絞り型面又は自由曲面の面上に集合配置することを特徴とする請求項６〜１４のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項１６】
前記温度可変手段及び前記温度制御手段を多段に設け、各段毎の前記各温度制御手段によって前記温度可変手段のそれぞれの温度を制御して、形成された液滴の形状及び位置を制御することを特徴とする請求項６〜１５のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項１７】
雰囲気中又は密閉空間中の気体の温度及び密度を測定する測定器を設け、該測定器によって測定した雰囲気中又は密閉空間中の気体の温度及び密度に基づいて、前記温度制御手段は前記温度可変手段の温度を制御することを特徴とする請求項６〜１６のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項１８】
前記液滴形成エリアに固体光学基材を設け、前記温度可変手段によって形成される液滴膜で前記固体光学基材の表面を覆うことを特徴とする請求項６〜１５のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項１９】
前記固体光学基材は、レンズ基材又はプリズム基材であることを特徴とする請求項１８記載の液滴光学装置。
【請求項２０】
前記温度可変手段によって前記液滴形成エリアに異なる液滴形成材料による複数層の液滴を形成し、各液滴の液界面において入射された光の角度を変化させてプリズムデバイスを構成することを特徴とする請求項６〜１９のいずれか１項に記載の液滴光学装置。
【請求項２１】
基板の空洞部の上に配置し、光の入射口と出射口を有する液滴を該液滴の表面張力によって支持する液滴支持層を有することを特徴とする液滴光学デバイス。
【請求項２２】
前記液滴支持層には貫通孔が設けられ、該貫通孔の内周面において前記液滴を支持することを特徴とする請求項２１記載の液滴光学デバイス。
【請求項２３】
前記液滴支持層に支持される前記液滴の形状を制御するための電圧を印加される制御電極を前記液滴支持層に設けることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の液滴光学デバイス。
【請求項２４】
前記液滴はイオン液体材料であり、前記液滴を形成する液滴形成エリアの温度を調整する温度可変パターンを有する温度可変パターン層を前記液滴支持層に積層することを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の液滴光学デバイス。
【請求項２５】
基板の空洞部の上に配置して前記空洞部と連通する貫通孔を有する液滴支持層と、雰囲気中又は密閉空間中の液滴材料を凝集するために、前記液滴支持層上であって光の入射口と出射口を有する液滴を形成する液滴形成エリアの温度を調整する温度可変パターンを有する温度可変パターン層とを少なくとも積層することを特徴とする液滴光学デバイス。
【請求項２６】
前記温度可変パターンを円環に配置させ、あるいは対向させて配置させ、円環の内側又は対向間に前記液滴形成エリアを設けることを特徴とする請求項２５記載の液滴光学デバイス。
【請求項２７】
同一基板上に複数個の前記空洞部を設け、前記各空洞部の上に設けられた前記各液滴支持層に前記各温度可変パターン層をそれぞれ積層したことを特徴とする請求項２５又は２６に記載の液滴光学デバイス。
【請求項２８】
複合基板に複数個の前記空洞部を設け、前記各空洞部の上に設けられた前記各液滴支持層に前記各温度可変パターン層をそれぞれ積層したことを特徴とする請求項２５又は２６に記載の液滴光学デバイス。
【請求項２９】
前記温度可変パターンを対向させ、対向間の前記液滴形成エリアに形成された液滴を通る光路中に光導波路を設けたことを特徴とする請求項２５又は２６に記載の液滴光学デバイス。
【請求項３０】
前記液滴形成エリアに形成された、光の入射口と出射口を有する液滴を通過する光による熱エネルギーによって温度上昇領域を形成し、該温度上昇領域の屈折率を変化させることを特徴とする請求項２５〜２９のいずれか１項に記載の液滴光学デバイス。
【請求項３１】
前記液滴支持層を変位させる変位手段を設け、該変位手段によって前記液滴支持層を変位させて液滴の形状を変化させることを特徴とする請求項２５記載の液滴光学デバイス。
【請求項３２】
基板と前記液滴支持層の間に、伸縮部材としての前記変位手段を設け、当該変位手段によって前記液滴支持層を変位させて液滴の形状を変化させることを特徴とする請求項３１記載の液滴光学デバイス。
【請求項３３】
前記変位手段は、前記液滴支持層に設けられた第１の静電電極膜と、前記空洞部を挟んで前記液滴支持層に対向する基板側に設けられた第２の静電電極膜との間に働くクーロン力によって前記液滴支持層を変位させて液滴の形状を変化させることを特徴とする請求項３１記載の液滴光学デバイス。
【請求項３４】
前記液滴形成エリアに液滴材料で光の入射口と出射口を有する液滴を形成し、形成した液滴上に更に当該液滴と異なる液滴材料で別の液滴を形成することを特徴とする請求項２５〜３３のいずれか１項に記載の液滴光学デバイス。
【請求項３５】
貫通孔である前記液滴形成エリアが同一方向に設けられるように複数の液滴光学デバイスを重ねて構成することを特徴とする請求項２５〜３４のいずれか１項に記載の液滴光学デバイス。
【請求項３６】
互いの前記液滴支持層が対向するように複数の液滴光学デバイスを重ねて構成することを特徴とする請求項２５〜３４のいずれか１項に記載の液滴光学デバイス。
【請求項３７】
互いの前記液滴形成エリアが対向するように複数の液滴光学デバイスを重ねて構成することを特徴とする請求項２５〜３４のいずれか１項に記載の液滴光学デバイス。
【請求項３８】
液滴材料に不透明な材料を用いて液滴を形成することを特徴とする請求項２５〜３７のいずれか１項に記載の液滴光学デバイス。
【請求項３９】
前記液滴支持層は、基板面に対して平行に光路を形成するために基板上に起立させて設けられていることを特徴とする請求項２１〜３８のいずれか１項に記載の液滴光学デバイス。
【請求項４０】
液滴に入射する入射光の特性値又は液滴の物性値を測定する検出器となる電極を前記液滴形成エリアに形成することを特徴とする請求項２１〜３９のいずれか１項に記載の液滴光学デバイス。
【請求項４１】
請求項２１〜４０のいずれか１項に記載の液滴光学デバイスと、イメージセンサデバイスとを複合させて構成することを特徴とする液滴撮像デバイス。
【請求項４２】
請求項２１〜４０のいずれか１項に記載の液滴光学デバイスと、発光デバイスとを複合させて構成することを特徴とする液滴光源デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴光学装置、液滴光学デバイス、液滴撮像デバイス及び液滴光源デバイスに関し、詳細には雰囲気内又は密閉空間内の液滴材料を凝集して形成した光の入射口と出射口を有する液滴の形状を温度制御することで可変可能な液滴光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、絞り、シャッター、フィルタ、透過、反射、屈折、回折や干渉作用をさせる液体の可変光学機構がある。人の眼球機能や３次元映像の実現などを目指す可変焦点液滴レンズなどの液体光学デバイスでは、ピエゾアクチェータ・ポンプによる液体輸送やElectro Wettingなどで液滴形状を制御する手段を用いている。現在の可変焦点液滴レンズでは、高解像度の撮像センサとの組み合わせで、デジタルカメラの画像品質に匹敵する画像を得ることが可能である。また、可変焦点液滴レンズは、電気により２種類の液体間の境界面を変化させてレンズの焦点を合わせる仕組みを採用しているため、オートフォーカス機能付きでメカ部分が不要となり、レンズサイズやコスト、耐久性など様々な面で従来のレンズより優れている。この液体レンズは、機械的な動作なしで形状を変えられるレンズであり、屈折率の異なる２種類の液体間の境界面の形状を変化させて、レンズの役割を果たしている。また、合焦の動作のみに電力を使用するものである。このような液体レンズは、携帯電話以外にも、パソコンや医療現場、保安用、デジタルカメラ向けなど様々な用途が想定されている。形状を可変させる光学デバイスや、微小集積光学システムに応用できる。例えば、可変焦点レンズ、複合レンズ、プリズム、マイクロレンズ、マイクロレンズアレー、反射光学デバイス、干渉光学デバイス、回折光学デバイス、共焦点光学デバイス、走査光学デバイス、光学スイッチ、光学シャッター、液晶光学デバイス、撮像デバイス、光源デバイス、３次元結像光学デバイス、赤外線センサの集光光学デバイス、駆動回路を基板に一体化した集積光学デバイスなどに応用できる。
【０００３】
しかし、これらの液滴形成技術は形状に関する範囲であり、液滴材料の全ての光学特性を制御するわけではない。特に、液滴材料は表面張力や粘性（流動性）だけでなく、ひいては屈折率までもが温度依存性を有するので、結像に対する温度補償又は液滴に対する温度制御が必要になっている。液滴光学デバイスとして、光学材料の液滴を所定箇所へ所定量、所定形状に正確に形成すると共に、所定箇所に保持させて量を調節し、形状を変化させ、そして保持箇所を移動させ、液滴材料の種類をできるだけ多く、更に液滴の温度制御をさせること及びこれらの機能を効率良く制御することができれば、より多くの可変光学デバイスに用いることができるようになる。
【０００４】
そこで、従来よりいくつかの提案がなされている。その一つとして、特許文献１によれば、親水性と疎水性の交互の領域を微小規模で表面に容易に製作でき、適当な条件下でそのような表面を水蒸気のある所で冷却すると水滴が疎水性表面の領域に選択的に凝結する。そのような水滴は、収束マイクロレンズまたは発散マイクロレンズとして作用することができる。また、ＳＡＭ表面間の距離を変えることによって、液体レンズの形状、従って光学的特性を変えることができる。これ以外に液体レンズの形状及び光学的特性を変えるための幾つかの他の方法もある。例えば、レンズと表面の間の電気ポテンシャルを変えて、レンズの形状を変えさせることができる。また、レンズの屈折率を異なる液体材料を使うことによって変えることができる。液体レンズの凝集性及び付着性を、この液体材料の化学的性質を変えることによって、あるいは表面の化学的性質を変えることによって調節することができる。表面の３次元特性を変えることができる。
【０００５】
また、特許文献２には、ウェハ表面の微小な凹凸箇所へウェハを冷却して周囲の気体を凝縮させることによって液体の性質を用い、表面の凹凸形状が修復され表面がなめらかになるように平坦化材料層形成方法が開示されている。
【特許文献１】特表平１１−５１３１２９号公報
【特許文献２】特開平０６−０７７１２６号公報
【特許文献３】特開２００６−１４５８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１によれば、例えばＳＡＭ表面間の距離を制御するので光軸が移動し制御が必要になり、入出光側から見ると液滴が光軸対象の球面形状にはならない。以下に図を用いて詳細に説明すると、図３６及び図３７に示すように、対向する基板３０１の表面には疎水性領域部３０２と親水性領域部３０３が交互に設けられ、それぞれの対向する基板３０１の間に液滴３０４を凝集させて、そして図３６の（ｂ）に示す基板の間隔Ａや図３７の（ｂ）に示す基板の間隔Ｂを可変して液体レンズを可変させている。
【０００７】
このように、距離調整誤差や部材の熱膨張率や距離調整機構の温度依存性などが加わり、光学部材とはかかわりのない制御箇所の新たな調整が必要となる。基板全体を冷却、加熱することによるので熱容量が大きく、温度を迅速に変えられないので所定の水滴のサイズを得るには、緩慢である。また、不要な箇所まで温度制御するため、エネルギーが無駄になる。更に、基板全体を同一の温度にすることになるので、個々の水滴を異なる水滴量に制御することが難しくなる。このことから、所定の箇所に所定の形状の液滴を形成するためには、極特定の箇所のみ冷却、加熱することが必要になってくる。また、温度を迅速に変えるためにはできるだけ、冷却、加熱する箇所を最小限にする必要がある。なお、上記特許文献２は、形成した液体を、液体の状態で利用するものでなく、かつ液体によって固体表面を滑らかにして光学的に利用するものでもない。
【０００８】
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、微小な領域を温度制御するＭＥＭｓ（Micro Electro Mechanical System）を用いて液滴を形成する冷却手段又は冷却パターン層を所定の微小な箇所に集積化することにより、冷却手段又は冷却パターン層を微小に制御して光の入射口と出射口を有する液滴の形状などを制御することができる液滴光学装置、液滴光学デバイス、液滴撮像デバイス及び液滴光源デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記問題点を解決するために、本発明の液滴光学装置は、光の入射口と出射口を有する液滴を該液滴の表面張力によって支持する液滴支持手段を有することに特徴がある。よって、光の入射口と出射口を有する液滴を形成でき、滑らかな液界面の特性を活用して歪みのない光学特性を有する光学デバイスを提供することができる。
【００１０】
また、液滴支持手段は貫通孔を有し、該貫通孔の内周面において液滴を支持することが好ましい。
【００１１】
更に、液滴支持手段の貫通孔内に固体光学基材を設け、液滴支持手段によって支持される液滴で固体光学基材の表面を覆うことにより、固体光学基材の表面凹凸を液滴で覆うことで滑らかな表面が得られ、光の乱れが少ない光学デバイスを提供することができる。
【００１２】
また、固体光学基材は、レンズ基材又はプリズム基材である。
【００１３】
更に、液滴支持手段によって支持される液滴の形状を制御するための電圧を印加される制御電極を液滴支持手段に設けることにより、液滴の形状を制御することができる。
【００１４】
また、液滴はイオン液体材料であり、液滴を形成する液滴形成エリアの温度を可変する温度可変手段と、該温度可変手段の温度を制御する温度制御手段とを有することにより、蒸発しない性質の液滴材料としてイオン液体材料を用いることができる。
【００１５】
更に、本発明の液滴光学装置は、雰囲気中又は密閉空間中の液滴材料を凝集して光の入射口と出射口を有する液滴を形成する液滴形成エリアの温度を可変する温度可変手段と、該温度可変手段の温度を制御する温度制御手段とを有することに特徴がある。よって、光の入射口と出射口を有する液滴の温度制御を効率良く行うことにより液滴の形状などを微小に制御可能となり、より多くの液滴光学装置に用いることができる。
【００１６】
また、温度制御手段によって温度可変手段の温度を制御して液滴形成エリアに形成された液滴を保持する。よって、雰囲気の温度変化の影響を受けることなく、所定の液滴を保持できる。
【００１７】
更に、温度制御手段によって温度可変手段の温度を制御して液滴形成エリアに形成された液滴の形状を可変することにより、光の入射口と出射口を有する液滴を光学液体レンズに適用したとき光軸、焦点距離や焦点位置の可変が可能となる。
【００１８】
また、所定の液滴材料を雰囲気中若しくは密閉空間中に供給、又は雰囲気中若しくは密閉空間中の液滴材料を排出、の少なくともいずれかを行う液滴材料供給排出路を設けることにより、光の入射口と出射口を有する液滴の再生、別の液滴材料との交換が可能となり、再利用率の向上及び汎用性の向上が可能となる。
【００１９】
更に、温度可変手段は熱電変換器又はヒートパイプであることが好ましい。
【００２０】
また、温度可変手段を液滴形成エリアに集合配置することにより、迅速に温度調整ができ、光の入射口と出射口を有する液滴の形状を素早く所定の形状にできると共に、精細な形状制御も可能となる。
【００２１】
更に、液滴を形成する箇所に温度可変手段を個別に配置することにより、形成される液滴を個々に温度調整可能となり、自由度が高い。
【００２２】
また、温度可変手段を平坦状に配置することにより、メニスカスを平坦にでき、かつ液滴面に広い平面を形成できる。
【００２３】
更に、温度可変手段を、角柱面、角錐面、円柱面、円錐面、ボビン型面、中絞り型面又は自由曲面の面上に集合配置することにより、光の入射口と出射口を有する液滴の形状やサイズなど目的に応じて液滴が形成できると共に、光学系の場合光学光路に対し開口率を上げることができる。
【００２４】
また、温度可変手段及び温度制御手段を多段に設け、各段毎の各温度制御手段によって温度可変手段のそれぞれの温度を制御して形成された液滴の形状及び位置を制御することにより、複数の温度可変手段を個々に独立に温度設定でき、光の入射口と出射口を有する液滴の形状や保持、更には液滴の移動が正確に可能となる。
【００２５】
更に、雰囲気中又は密閉空間中の気体の温度及び密度を測定する測定器を設け、該測定器によって測定した雰囲気中又は密閉空間中の気体の温度及び密度に基づいて、温度制御手段は温度可変手段の温度を制御することが好ましく、光の入射口と出射口を有する液滴の形状などを微小に、かつより一層精度良く制御可能となり、より多くの液滴光学装置に用いることができる。
【００２６】
また、別の発明としての液滴光学デバイスは、基板の空洞部の上に配置し、光の入射口と出射口を有する液滴を該液滴の表面張力によって支持する液滴支持層を有することに特徴がある。よって、光の入射口と出射口を有する液滴を形成でき、滑らかな液界面の特性を活用して歪みのない光学特性を有する光学デバイスを提供することができる。
【００２７】
更に、液滴支持層には貫通孔が設けられ、該貫通孔の内周面において液滴を支持することにより、光の入射口と出射口を有する液滴を形成できる。
【００２８】
また、液滴支持層に支持される液滴の形状を制御するための電圧を印加される制御電極を液滴支持層に設けることにより、液滴形状制御ができる。
【００２９】
更に、液滴はイオン液体材料であり、液滴を形成する液滴形成エリアの温度を可変する温度可変パターンを有する温度可変パターン層を液滴支持層に積層することにより、蒸発しない性質の液滴材料としてイオン液体材料を用いることができる。
【００３０】
また、別の発明としての液滴光学デバイスは、基板の空洞部の上に配置して空洞部と連通する貫通孔を有する液滴支持層と、雰囲気中又は密閉空間中の液滴材料を凝集するために、液滴支持層上であって光の入射口と出射口を有する液滴を形成する液滴形成エリアの温度を可変する温度可変パターンを有する温度可変パターン層とを少なくとも積層することに特徴がある。よって、微細な液滴を高精度に形成させることでき、多彩な形状、微細な形状の多種多様な液滴光学デバイスを提供することができる。
【００３１】
更に、温度可変パターンを円環に配置させ、あるいは対向させて配置させ、円環の内側又は対向間に液滴形成エリアを設けることにより、光の入射口と出射口を有する液滴の形成を効率良く、高速に、かつ正確に形成できる。
【００３２】
また、同一基板上に複数個の空洞部を設け、各空洞部の上に設けられた各液滴支持層に各温度可変パターン層をそれぞれ積層したことにより、多種多様な液滴光学系が高精度に実現できる。
【００３３】
更に、複合基板に複数個の空洞部を設け、各空洞部の上に設けられた各液滴支持層に各温度可変パターン層をそれぞれ積層したことにより、多種多様な液滴光学系が高精度に実現できる。
【００３４】
また、温度可変パターンを対向させ、対向間の液滴形成エリアに形成された液滴を通る光路中に光導波路を設けたことにより、光導波路中の液滴光学デバイスの温度変化の影響を制御できるので、安定して光導波路として使用することができる。
【００３５】
更に、液滴形成エリアに形成された、光の入射口と出射口を有する液滴を通過する光による熱エネルギーによって温度上昇領域を形成し、該温度上昇領域の屈折率を変化させることにより、熱レンズ効果が得られ、熱レンズの応用としての熱レンズ顕微鏡に利用可能となる。
【００３６】
また、液滴支持層を変位させる変位手段を設け、該変位手段によって液滴支持層を変位させて液滴の形状を変化させることにより、光の入射口と出射口を有する液滴を光学液体レンズに適用したとき、光軸、焦点距離や焦点位置の可変が可能となる。
【００３７】
更に、基板と液滴支持層の間に、伸縮部材としての変位手段を設け、当該変位手段によって液滴支持層を変位させて液滴の形状を変化させることにより、光の入射口と出射口を有する液滴を光学液体レンズに適用したとき、光軸、焦点距離や焦点位置の可変が可能となる。
【００３８】
また、変位手段は、液滴支持層に設けられた第１の静電電極膜と、空洞部を挟んで液滴支持層に対向する基板側に設けられた第２の静電電極膜との間に働くクーロン力によって液滴支持層を変位させて液滴の形状を変化させる。よって、光の入射口と出射口を有する液滴を光学液体レンズに適用したとき、光軸、焦点距離や焦点位置の可変が可能となる。
【００３９】
更に、液滴形成エリアに液滴材料で光の入射口と出射口を有する液滴を形成し、形成した液滴上に更に当該液滴と異なる液滴材料で別の液滴を形成することにより、複合レンズなど多種多様の液滴光学デバイスを提供することができる。
【００４０】
また、貫通孔である液滴形成エリアが同一方向に設けられるように複数の液滴光学デバイスを重ね、あるいは互いの液滴支持層が対向するように複数の液滴光学デバイスを重ねて構成する。よって、短い間隔から長距離まで製作できる自由度がある２枚合せレンズなど多種多様の液滴光学デバイスを提供することができる。
【００４１】
更に、液滴材料に不透明な材料を用いて液滴を形成することにより、絞り、回折レンズ、シャッターなど多種多様の液滴光学デバイスを提供することができる。
【００４２】
また、液滴支持層は、基板面に対して平行に光路を形成するために基板上に起立させて設けられている。よって、基材や基板の配置にとらわれず、自由な姿勢に液滴が形成できる。
【００４３】
更に、液滴に入射する入射光の特性値又は液滴の物性値を測定する検出器となる電極を液滴形成エリアに形成することにより、より高精度の液滴制御を行うことができる。
【００４４】
更に、別の発明としての液滴撮像デバイスは、上記液滴光学デバイスとイメージセンサデバイスとを複合させて構成することにより、熱影響のばらつきを小さくでき、温度制御をばらつき少なく正確に行うことができ、信頼性の高い液滴撮像デバイスを提供できる。
【００４５】
また、別の発明としての液滴光源デバイスは、上記液滴光学デバイスと発光デバイスとを複合させて構成することにより、熱影響のばらつきを小さくでき、温度制御をばらつき少なく正確に行うことができ、信頼性の高い液滴光源デバイスを提供できる。
【発明の効果】
【００４６】
雰囲気気体を液滴に凝集する場合、液滴のメニスカス外周、および曲面や平面をなす液面外形などの光学デバイスとして必要な形状として、所定のサイズに制御しなければならない。この場合、省エネルギーで効率良く液滴を形成することが必要である。このことは、上記特許文献３に示されている。しかし、液滴は光学特性に関する温度依存性があるため、液滴の温度制御も必要になる。また、液滴支持基材を含めた液滴の温度制御により、液滴光学系の制御ができ、液滴の温度依存性とは異なる、液滴支持基材の収縮、膨張による影響もあわせて温度制御し、効率が高く正確な形状制御が求められる。そこで、液滴形成技術及び液滴温度制御を兼ね備えた、気体から液体に相転移する機構を温度制御によって行う液滴形成技術を、液滴材料の温度依存性に対する温度制御も含めて、直接液体光学デバイスに適用する。光学材料液滴を形成し、保持しつつ、かつ液滴の温度制御も行えるようにするため、液滴箇所の局所に冷却器を集合し、集合配置した内側に、光の入射口と出射口を有する液滴を形成及び、または液滴を保持する構造とする。このように、微小な領域を温度制御するＭＥＭｓを用いて液滴を形成する温度可変手段又は温度可変パターン層を所定の微小な箇所に集積化することにより、温度可変手段又は温度可変パターン層を微小に制御して光の入射口と出射口を有する液滴の形状などを制御することができる液滴光学装置、液滴光学デバイス、液滴撮像デバイス及び液滴光源デバイスを提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学装置の構成を示す透視斜視図、同図の（ｂ）は本実施の形態の液滴光学装置の構成を示す平面図、同図の（ｃ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置１は、液滴１０の外周を支持する液滴支持部１１を有している。そして、液滴１０の上面と下面は開口しており、液滴１０を通る光路と周囲気体以外に介在物は存在しない構成となっている。つまり、液滴１０を通る光の入射口と出射口は気体に接する液滴表面となるように、液滴支持部１１は液滴１０における光路を妨げないように液滴１０の外周のみで液滴１０を支持している。このような構成を有する本実施の形態の液滴光学装置によれば、液滴の周縁を支え、可変形状の液滴光学デバイスの滑らかな液滴界面の特性を活用することによって歪みの少ない光学特性を有する光学系デバイスを提供することができる。
【００４８】
図２は本発明の第２の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学装置の構成を示す平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置２には、Electro Wettingによる液滴形状制御光学デバイスであって液滴１０の形状を制御するための電圧を印加する電極１２が液滴支持部１１の内周に沿って設けられている。このような構成を有する本実施の形態の液滴光学装置によれば、液滴の周縁を支えつつ液滴の形状を制御することによって、可変焦点レンズとなるだけでなく、液滴の滑らかな表面状態により光の伝播に乱れを少なくできる。
【００４９】
図３は本発明の第３の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学装置の構成を示す平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置３には、液滴支持部１１内の液滴形成エリアに液体を供給したり、排出したりするための液体供給排出路１３が設けられている。この液体供給排出路１３に、液体タンク（図示せず）から液体ポンプ（図示せず）によって液体タンク内の液体が供給され、液体供給排出路１３を介して液滴支持部１１内の液滴形成エリアに液体が供給される。また、液滴支持部１１内の液滴形成エリアに形成された液滴１０自体を他の液体材料に交換する際は液体供給排出路１３を介して液滴支持部１１内の液滴形成エリアから液体が排出される。このような構成を有する本実施の形態の液滴光学装置によれば、気体を凝集させることなく液体を供給して保持することができるため凝集させる電力や時間を要せず、かつ気体の種類の制限がなくより多くの液滴を形成できると共に、一旦形成した液滴を再利用して任意の液滴を形成することができるため利用効率を向上することができる。また、気相に接する液滴材料であるため、蒸発しない性質の液滴材料が有用であり、イオン液体が適するが、一方気体を凝集できないことになるので、その場合でも液滴形成エリアに液体が供給できる。
【００５０】
図４は本発明の第４の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図２と同じ参照符号は同じ構成要件を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置４は、固定の光の媒質を有する固定レンズ基材１４の表面を液体膜１５で被覆したものである。また、液体膜１５はElectro Wettingによって形状制御される。よって、固体レンズなどの固体光学材料の表面が滑らかとなる。ここで、液体膜だけでは所定の屈折率が得にくい場合、例えば液滴の屈折率より大きく、固体レンズの厚みを増やさずにしたい場合は、屈折率の大きい固体レンズ基材１４を介して液体膜１５で被覆する。この場合、固定レンズ基材１４と液体膜１５の屈折率が近い値であるほど、固体レンズ基材１４の表面凹凸による光の乱れは少なくなるので、表面凹凸量と液体膜１５で被覆することによる修復効果を適宜見定めた上で液体膜の材料と固体レンズ基材の材料を選択するほうがよい。また、複雑な非球面形状や表面粗さがある状態を滑らかに修復でき、可変焦点範囲の可変幅が小さいものなどに簡便に適用できる。
【００５１】
図５は本発明の第５の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。同図の（ａ）は同図の（ｂ）のＥ−Ｅ’線断面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置５によれば、ガラス基板１６上に、貫通孔構造の液滴形成エリア１７を取り囲むように液滴形成管１８が設けられ、更にはＰ型半導体１９とＮ型半導体２０を円周方向に沿って交互に配置されている。また、各Ｐ型半導体１９の一端と各Ｎ型半導体２０の一端の間には、放熱器２１がそれぞれ設けられると共に、各Ｐ型半導体１９の他端と各Ｎ型半導体２０の他端の間には、冷却器２２がそれぞれ設けられている。これらのＰ型半導体１９、Ｎ型半導体２０、放熱器２１及び冷却器２２を含んで熱電交換器２３を構成している。また、始端となるＰ型半導体１９と末端となるＮ型半導体２０の間には、電圧を印加するための電力供給線２４が設けられている。このように、液滴形成管１８の周囲には、温度可変手段として、熱電変換器２３の冷却器２２を集合させ、外側に放熱器２１を分散配置している。なお、Ｐ型半導体１９及びＮ型半導体２０はＢｉ-Ｔｅ等の熱電変換材料、放熱器２１及び冷却器２２は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ等の電極材料からなる。
【００５２】
次に、図５に示すような構成を有する本実施の形態の液滴光学装置において液滴を形成する様子を図６に従って以下に説明する。先ず、凝集させる周辺の気体の種類、温度、密度を測定して予め露点及び液滴の液量や成長時間に応じて、温度可変手段としての冷却器２２の運転時間を算出し、同図の（ａ），（ｂ）に示すように、算出した運転時間だけ冷却器２２を運転することによって液滴形成管１８の管壁を算出した露点以下に冷却する。すると、付近の気体が液滴形成管１８の管壁に凝集し始め、そして液滴１０になり始める。同図の（ｃ），（ｄ）に示すように、更に液滴１０は液滴形成管１８内の液滴形成エリア１７全体に成長し、光の入射口と出射口を有する液滴光学デバイスが形成される。必要に応じて冷却器２２を運転して液滴温度を制御することで液滴を制御する。このように本実施の形態の液滴光学装置によれば、液滴光学デバイスとして、光学材料の液滴を所定箇所へ所定量、所定形状に正確に形成することができる。また、所定箇所に保持させ、量を調節し、形状を変化させ、保持箇所を移動させ、液滴材料の種類をできるだけ多く、さらに液滴の温度制御をさせること、及びこれらの機能を効率良く制御することによって、より多様な可変光学デバイスに用いることができる。
【００５３】
また、所定の光学的な透過特性や反射特性を持つ液滴材料および液滴支持基材を適用する。更に、温度可変手段として、熱電変換器のＰ型半導体及びＮ型半導体からなるペルチェ素子を示しているが、ヒートパイプにより温度制御することでもできる。また、温度可変手段としての冷却手段は最終段階で分離した状態を示しているが、液滴の形状を形成後さらに調節する場合は接続した状態で形状制御に用いる。液滴支持基材は、熱伝導率が大きいと迅速に面内温度分布が均一化するので、温度分布が均一にならないように、熱伝導率が小さいことが必要であり、例えば電気絶縁性が高い材料や気体（空間）を多く含む多孔質構造材料が適している。液滴支持基材表面に液滴との親和性や親水性を付与することによって、表面の所定の箇所に液滴を形成する場合には、マイクロスタンピングによるＳＡＭｓ技術のように表面の所定の箇所に限定させる必要がなく、基材表面全面に、界面活性剤の塗布やプラズマ改質などにより、親水性付与しても表面の所定の箇所に液滴を形成させることができるし、液滴の形成効率を上げることができる。
【００５４】
ここで、熱電変換材料、例えばペルチェ効果を利用するものであればＢｉＴｅを主成分（Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ、Ｔｅ等を置換・添加）とするものが代表的である。Ｎ型ＳｉおよびＰ型Ｓｉを使うこともでき、高性能の材料を見出すには、熱伝導率が小さいこと、また導電性が良いことなどの必要性能指数の高い材料が好ましいが、プロセス適合性や安定性能との適正により選択される。
【００５５】
図７は本発明の第６の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す概略断面図である。同図において、図５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置６において、第５の実施の形態の液滴光学装置５と異なる構成として、液滴形成管１８と、Ｐ型半導体１９、Ｎ型半導体２０、放熱器２１及び冷却器２２を有する熱電交換器２３とをテーパー形状とし、かつ開口部を広くすることで、貫通孔構造の液滴形成エリア１７を円錐形状に形成している。同図の（ｂ）に示すように、開口率を上げ、かつ液滴形成管１８の管壁同士の一部の間隔が狭くなることで、光の入射口と出射口を有する液滴１０をより早く形成することができる。なお、温度可変手段としての冷却器２２が接する液滴形成管１８の表面を、光路を含む角柱面、角錐面、円柱面、円錐面、ボビン（バレル）型面、中絞り（逆バレル）型面、または自由曲面にすることでもよい。
【００５６】
図８は本発明の第７の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置７は、例えば上述の第５の実施の形態の液滴光学装置を多段（本実施の形態では３段）に設けたものである。同図の（ａ）において、２段目の液滴光学装置２５−２の冷却器によって冷却を開始すると液滴１０が形成し始め、同図の（ｂ）に示すように光の入射口と出射口を有する所望のサイズの凸形状の液滴１０が形成される。また、同図の（ｃ）に示すように、１段目の液滴光学装置２５−１の冷却器と３段目の液滴光学装置２５−３の冷却器によって冷却を行って光の入射口と出射口を有する所望のサイズの凹形状の液滴１０も形成できる。更に、同図の（ｄ）に示すように、２段目の液滴光学装置２５−２の冷却器よりも３段目の液滴光学装置２５−３の冷却器の温度を降下させて、同図の（ｂ）に示す液滴１０の位置から、液滴１０を液滴光学装置２５−３の位置まで移動することができる。このように、多段構造の各液滴光学装置の冷却器を温度制御することにより、液滴の形状制御や位置の移動を行うことができる。
【００５７】
図９は本発明の第８の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）に示す本実施の形態の液滴光学装置８は、例えば上述の第５の実施の形態の液滴光学装置における電力供給線２４を全ての熱電交換器２３のＰ型半導体１９とＮ型半導体２０にそれぞれ設けている。そして、同図の（ｂ）に示す本実施の形態の液滴光学装置は、第８の実施の形態の液滴光学装置を多段（本実施の形態では３段）に設けたものである。このように各熱電交換器２３にそれぞれ電力供給線２４を設けたこと、そして多段構造を成すことにより、円環状に配置された熱電交換器の冷却器を個々に制御できる。よって、同図の（ｂ）に示すように、光の入射口と出射口を有する液滴１０の光軸を傾けたり中心の軸位置を移動させたりすることができる。なお、同図の（ｃ）は液滴形成エリアのボビン（バレル）型面に沿って多段（ここでは６段）に第８の実施の形態の液滴光学装置２５−１〜２５−６を設けた例であり、同図の（ｄ）は液滴形成エリアの円錐面に沿って多段（ここでは３段）に第８の実施の形態の液滴光学装置２５−１〜２５−３を設けた例である。同図の（ｃ）、（ｄ）に示すいずれの例の場合でも、熱電交換器の冷却器を個々に温度制御することによって、光の入射口と出射口を有する液滴１０の光軸を傾けることができる。
【００５８】
図１０は本発明の第９の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図４及び図５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置９は、固定の光の媒質を有する固定プリズム基材２６を液低形成エリア１７内に設置し、固定プリズム基材２６の表面を液体膜１５で被覆したものである。光路は固定のプリズム基材２６内を透過するが、光の入出射口は固体の光媒体を覆う滑らかな液滴表面となる。
【００５９】
図１１は本発明の第１０の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置５０は、Ｐ型半導体１９、Ｎ型半導体２０、放熱器２１及び冷却器２２を有する熱電交換器２３を底面に設け、装置全体の厚さを薄くしている。
【００６０】
図１２は本発明の第１１の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。同図の（ａ）は同図の（ｂ）のＧ−Ｇ’線断面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＦ−Ｆ’線断面図である。同図において、図７と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置６０には、液滴形成エリア１７に連通する液滴部材供給排出路２７が設けられている。この液滴部材供給排出路２７は、液滴形成エリア１７に外部から液滴を形成するための液体や気体を導入したり排出したりする供給排出路である。このような構成を有する第１１の実施の形態の液滴光学装置６０によれば、液滴部材供給排出路２７を介して液滴を形成するため液体又は気体が液滴形成エリア１７に供給され、液滴を形成するため液体又は気体が熱電交換器の冷却器によって凝集され、所望の液滴１０が形成できる。他の液滴を形成するため液体又は気体を交換するときは、液滴部材供給排出路２７を介して液滴形成エリア１７内から液滴を外部に排出し、他の液体又は気体を供給する。また、形成されている液滴１０の形状又はサイズを変えるときは、液滴部材供給排出路２７を介して液滴形成エリア１７へ気体又は液体を更に供給したり排出したりする。このように、一旦形成した液滴を再利用して任意の液滴を形成することができ、利用効率を向上することができる。また、気相に接する液滴材料であるため、蒸発しない性質の液滴材料が有用であり、イオン液体が利用できるが、一方気体を凝集できないことになるので、その場合でも液滴形成エリアに液体が供給でき、かつ温度制御できる。イオン液体としては、陽イオンの、イミダゾリウム系、ピリジウム系、脂環式アミン系、脂肪族アミン系、脂肪族ホスホニウム系と、陰イオンの、ＢＦ４−、ＰＦ６−等の無機イオン系、ＣＦ３ＳＯ２−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、ＣＦ３ＣＯ２−等のフッ素系陰イオンとの組合せ他様々な構造からなっている常温溶融塩である。
【００６１】
図１３は本発明の第１２の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図１１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置７０は、第１０の実施の形態の液滴光学装置５０の構成に、更に制御電極２８を配置したElectro Wettingによる液滴形状制御機構を付加したものである。このような構成を有する本実施の形態の液滴光学装置によれば、液滴の周縁を支えつつ、液滴の形状を制御することによって、可変焦点レンズとなるだけでなく、液滴の滑らかな表面状態により光の伝播に乱れを少なくできる。
【００６２】
図１４は本発明の第１３の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置８０は、図５に示すような液滴光学装置８０−１に光の入射口と出射口を有する凹レンズの液滴１０を、液滴光学装置８０−２に光の入射口と出射口を有する凸レンズの液滴１０をそれぞれ形成し、各液滴光学装置８０−１，８０−２をスタックして組合せレンズを構成したものである。また、図１５に示す本発明の第１４の実施の形態に係る液滴光学装置９０は、図５に示すような液滴光学装置８０−１に絞りとなる液滴２９を、また液滴光学装置８０−２に光の入射口と出射口を有する凸レンズの液滴１０をそれぞれ形成し、各液滴光学装置８０−１，８０−２をスタックして組合せレンズを構成したものである。
【００６３】
図１６は本発明の第１５の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図４及び図５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置１００は、図５に示す第５の実施の形態の液滴光学装置５の構成を有し、かつ固体レンズ基材１４の表面を液体膜１５で被膜したものである。本実施の形態によれば、液滴だけでは所定の屈折率が得にくい場合、例えば液滴の屈折率より大きく、レンズの厚みを増やさずにしたい場合、屈折率の大きい固体レンズ基材１４を介して液体膜１５で被覆する。この場合、固体レンズ基材１４と液体膜１５の屈折率が近い値であるほど、固体レンズ基材１４の表面凹凸による光の乱れは少なくなるので、表面凹凸を液体膜で被覆することによる修復効果を適宜見定めて、液体膜材料と固体レンズ材料を選択するとよい。また、複雑な非球面形状や表面粗さがある状態をなめらかに修復でき、精密な研磨加工を低減できる。
【００６４】
図１７は本発明の第１６の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図１６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置１１０は、図５に示す第５の実施の形態の液滴光学装置５の構成を有し、かつ平板透明固体基材３０の表面を液体膜１５で被膜したものである。よって、本実施の形態によれば、厚いレンズを任意の曲率で形成したい場合で、少量の液滴で迅速な形状制御が可能である。固体基材を平滑にすると同時に可変焦点範囲の可変幅が大きいものなどに簡便に適用できる。
【００６５】
図１８は本発明の第１７の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図７と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置１２０によれば、先ず逆角錐（逆台形）の斜面に配置した冷却器２２の内側の液滴形成エリアに、１層目の液滴膜３１を凝集、液滴を形成させる。その後、１層目の液滴膜３１の上に、１層目と混ざり合わない２層目の液滴膜３２を凝集、液滴を形成させる。１層目と２層目の界面において表面張力によって滑らかな２層目の液滴膜３２の表面が形成でき、プリズム像を生成させる。そして、入射光が平面の液滴に入射するように、平面形状のメニスカスは、表面張力が小さい液体の、平面領域を用いる。よって、液滴プリズム形状制御と液滴温度制御ができる。このとき、２層目の液滴膜３２の温度を上昇させることによって気体にならないよう、１層目の液滴膜３１の気化温度より２層目の液滴膜３２の気化温度が高いように冷却器２２の温度を調整する必要がある。そして、入射光が平面の液滴に入射するように、平面形状のメニスカスは、表面張力が小さい液体の、平面領域を用いる。よって、液滴プリズム形状制御と液滴温度制御ができる。
【００６６】
図１９は本発明の第１８の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。同図において、図５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学装置１３０は、光の入射口と出射口を有する液滴１０の内部の温度分布による熱レンズ効果を示す例である。つまり、冷却器２２を温度制御することによって、熱レンズ効果が大きく得られるのである。なお、液滴１０を通過する光による熱エネルギーにより温度上昇しやすい液滴材料、熱が急速に拡散しないような熱伝導率の小さい液滴材料が好ましい。熱レンズの応用としては熱レンズ顕微鏡等に利用される。
【００６７】
図２０は別の発明の第１の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＨ−Ｈ’線断面図である。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス２００は、比熱の大きい基板２０１に設けられた空洞部２０２上に、当該空洞部２０２と連通する貫通孔２０３を有する液滴支持層２０４を設け、液特性を検出するため、あるいは液を制御するための検出用電極２０５及び検出用電極２０５からの検出信号を取り出す検出信号線２０６を配置し集積したものである。また、Electro Wetting材料からなる液滴を用い、液滴の電気容量に対して電極パターンにより静電的に形状制御することができ、光路は貫通孔箇所の液滴２０７を通過する箇所に設定される。なお、検出用電極２０５の電極パターンは、光の入射口と出射口を有する液滴２０７を形状制御するだけでなく、液滴の体積に関する熱容量、温度、熱伝導率や粘性などを検出することができる。また、電極パターンに赤外線を検知する機能を付与し、赤外線集光用液滴レンズを集積した赤外線センサに応用できる。また、電極パターンにＬＥＤやフォトダイオードを形成すれば発光素子や受光素子に応用できる。更に、液晶材料からなる液滴を用い、電極パターンによって制御される液晶光学素子に応用できる。
【００６８】
図２１は別の発明の第２の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の（ｂ）は液滴形成後の本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の（ｃ）は同図の（ｂ）のＩ−Ｉ’線断面図である。同図において、図２０と同じ参照符号は同じ構成要件を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス３００は、比熱の大きい基板２０１の空洞部２０２上に、当該空洞部２０２と連通する貫通孔２０３を有する液滴支持層２０４を設け、液滴支持層２０４上に、Ｐ型半導体膜２０８、Ｎ型半導体膜２０９、放熱膜２１０及び冷却膜２１１を含んで集積化して構成される熱電交換器２１２を円環状に配置し、薄膜構造を成している。また、始端となるＰ型半導体膜２０８と末端となるＮ型半導体膜２０９の間に電圧を印加するための電力供給線２１３を設けている。このように、円環状の内円に沿って熱電変換器２１２の冷却膜２１１が集合配置しているので冷却密度が高くなっている。更に、熱電交換器２１２の冷却膜２１１と放熱膜２１０をつなぐＰＮ部材の間隔を空洞部２０２によって削除し、冷却膜２１１周辺の熱容量を低減でき、かつ放熱膜２１０からの熱伝導を低減できる。一方、放熱膜２１０は円環状の外円に沿って分散配置し、更には比熱の大きい基板２０１に接しているので、放熱膜２１０の放熱効果がより一層高くなっている。このような構成を有する本実施の形態の液滴光学デバイス３００によれば、冷却膜２１１で囲まれた液滴形成管壁を冷却膜２１１によって冷却し、付近の気体が液滴形成管壁に凝集し光の入射口と出射口を有する所定の液滴２０７が形成できる。また、迅速に温度制御ができるため、液滴２０７を早く所定の形状に形成することができ、かつ精細な形状制御も可能となる。また、空洞部２０２のパターンから液滴支持層２０４の貫通孔に到る箇所まで基板２０１をエッチングして空洞部２０２を形成する。ここで、熱電変換材料、例えばペルチェ効果を利用するものであればＢｉＴｅを主成分（Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ、Ｔｅ等を置換・添加）とするものが代表的である。Ｎ型ＳｉおよびＰ型Ｓｉを使うこともでき、ＳＯＩ基板を用いＳＯＩ層を、熱電変換材料ＢＯＸ層を液滴支持層とすることができる。高性能の材料を見出すには、熱伝導率が小さいこと、また導電性が良いことなどの必要性能指数の高い材料が好ましいが、プロセス適合性や安定性能との適正により選択される。次に、熱電変換器の電極と冷却器、放熱器の役割をなすＡｌ、Ａｕなどの金属材料をパターン形成する。そして、外部引出し配線電極（ボンディングパッド：図示省略）領域を除き、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等のパッシベーション材料で被覆する。
【００６９】
図２２は別の発明の第３の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＪ−Ｊ’線断面図である。同図において、図２０及び図２１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス４００は、図２１に示す第２の実施の形態の液滴光学デバイス３００の構成に、更に液特性を検出するため、あるいは液を制御するための検出用電極２０５及び検出用電極２０５からの検出信号を取り出す検出信号線２０６を追加配置し集積したものである。光の入射口と出射口を有する液滴２０７を冷却膜２１１により形状制御するだけでなく、検出用電極２０５によって液膜の体積に関する熱容量、温度、熱伝導率や粘性などを検出すると共に、例えばElectro Wetting材料からなる液膜を用い、この液膜に電荷を与えて液膜を制御することができる。なお、検出用電極２０５に赤外線を検知する機能を付与し、赤外線集光用液滴レンズを集積した赤外線センサや、電極パターンにＬＥＤやフォトダイオードを形成すれば発光素子や受光素子に応用できる。液晶材料からなる液滴を用い、検出用電極２０５によって制御される液晶光学素子にもできる。よって、本実施の形態によれば、電極層または電極を併設することにより、温度制御と同時に、より高精度の液滴制御ができる。なお、図２３に示すように、周囲雰囲気の気体の種類、温度、密度及び蒸気圧をモニタする検出器２１４及び検出器２１４からの検出信号を取り出す検出信号線２１５を近傍に集積することにより、液滴付近の気体の種類、温度、密度及び蒸気圧を測定し、気体を凝集させる冷却器の温度（露点以下）を設定でき、液滴付近の気体の状態変化に応じた液滴を増量させるための冷却温度の維持や、液滴からの蒸発程度を観測し液滴の保持に必要な冷却温度が設定できる。
【００７０】
図２４は別の発明の第４の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＬ−Ｌ’線断面図である。同図において、図２１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス５００は、冷却膜２１１を平行に対向させて配置し、対向間隙の液滴形成エリアに光の入射口と出射口を有する液滴２０７を形成するものである。このようなパターン配置により、液滴の形状を効率良く、迅速に、正確に形成できる。そして、液滴２０７を形成する冷却膜２１１の対向間隙に、光路２１６を液滴２０７と同一面上に設定し、光導波路を集積したものである。よって、光導波路中の液滴光学デバイスの温度変化の影響が制御できるので、安定して使うことができ、かつ同一の基板内で対処できる。
【００７１】
図２５は別の発明の第５の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＭ−Ｍ’線断面図である。同図において、図２１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス６００は、冷却膜２１１で囲まれた液滴形成管壁に連通する液滴部材供給排出路２１７が設けられている。この液滴部材供給排出路２１７は、液滴形成管壁に外部から液滴を形成するための液体や気体を導入したり排出したりする供給排出路である。このような構成を有する第５の実施の形態の液滴光学デバイスによれば、液滴部材供給排出路２１７を介して液滴を形成するため液体又は気体が液滴形成管壁に供給され、光の入射口と出射口を有する液滴２０７を形成するため液体又は気体が熱電交換器２１２の冷却膜２１１によって凝集され、所望の液滴２０７が形成できる。
【００７２】
図２６は別の発明の第６の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図２１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス７００は、基板２０１と液滴支持層２０４の間に、液滴支持層２０４を上下させるための熱膨張伸縮部材又は圧電振動部材を用いた伸縮層２１８を設けている。この伸縮層２１８を均一に上下することにより、液滴光学デバイス７００によって形成された、光の入射口と出射口を有する液滴２０７のレンズの焦点位置を変えることができる。また、この伸縮層２１８の伸縮幅を不均等に変化して傾けることにより、液滴光学デバイス７００によって光の入射口と出射口を有する液滴２０７のレンズの光軸を傾けることができる。
【００７３】
図２７は別の発明の第７の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図２１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス８００は、基板２０１及び液滴支持層２０４を挟むように、静電電極膜２１９を設けている。電極端子２２０を介して各静電電極膜２１９の間に印加する電圧の電圧値を可変することにより、静電電極膜２１９の間に働くクーロン力により液滴支持層２０４が湾曲することによって、形成された液滴２０７の曲率が湾曲して、光の入射口と出射口を有する液滴２０７のレンズの焦点位置を変えることができる。
【００７４】
図２８は別の発明の第８の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学デバイスの適用例の平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＮ−Ｎ’線断面図である。同図において、図２２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス９００は、第３の実施の形態の液滴光学デバイス４００を同一基板に複数個（ここでは３個）集積しアレー状に配列している。よって、本実施の形態の液滴光学デバイスを、複数個を配置すれば、マイクロレンズアレー及び３次元映像装置を実現できる。ただ、複数個を異なる形状制御する上では個々の液体レンズに対してそれぞれ異なる温度制御も必要になる。そこで、複数個を配置するにあたり、個々の液滴を温度制御する機構を配置し、集積した液滴光学デバイスとしている。なお、複数個集積するに当たり、ＭＥＭＳ構造が適している。また、液滴形成、保持や温度制御させるための条件設定するにあたり、周囲気体などの状態検出機構も同一基板に隣接させて集積することができる。
【００７５】
図２９は別の発明の第９の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図２５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すように、同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス１０００では、異なる種類（本実施の形態では２種類）の第１の液滴２０７−１，第２の液滴２０７−２を積層させ、複合レンズのような光学系を形成させている。詳細には、個々の種類の気体の性質に対応させ、気体を凝集させる工程を冷却膜２１１の温度制御によって行う。つまり、異なる種類の液滴を凝集温度の高い材料から順に、冷却膜２１１の温度を降下させて積層凝集させる。このように、本実施の形態の液滴光学デバイスは多成分複層液滴を示すもので、液滴部材供給排出路２１７を介して液滴形成エリアに第１の液滴の気体を供給して凝集し第１の液滴２０７−１を形成した後、液滴部材供給排出路２１７を介して液滴形成エリアに第２の液滴の気体を供給して凝集し第１の液滴２０７−１の上に第２の液滴２０７−２を形成する。同図のようなＭＥＭＳによる構造以外の構造でも可能である。よって、多種類の液滴を積層させることができる液滴光学デバイスにより、光学デバイスとして応用範囲が広くなる。
【００７６】
図３０は別の発明の第１０の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図２２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すように、同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス１１００は、２枚の合わせレンズであって、１枚ごとに異なる基板に集積し、基板を接合したものである。同図の（ａ）に示す例はスタック、同図の（ｂ）は裏面どうしを接合したものであり、同図の（ｃ）は対面を接合したもので、空洞内の気体成分を外部と異なるように設定することができる。特に、同図の（ｃ）に示す対面接合タイプのものは、基板の厚みに関係なく、２枚のレンズを短い間隔から長距離まで製作できる自由度がある。このように、複数個を基板に集積することによって、多種多様な液滴光学系が高精度に実現できる。
【００７７】
図３１は別の発明の第１１の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図２２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス１１００は、裏面どうしを接合したものであり、液滴光学デバイス４００−２で形成した可変形状の不透明な液滴２２１により、光路を可変形状に制限する絞り機構に応用するにあたり、液滴光学デバイス４００−１で形成された光の入射口と出射口を有する液滴２０７を冷却膜２１１により温度制御するものである。液滴光学デバイス４００−２における冷却膜で不透明な液滴２２１を形成し、形状やサイズを冷却膜の温度制御により可変にするとともに、周囲温度変動や光から与えられる熱により、液滴の膨張、粘性低下や表面張力低下が生じるので、冷却器で温度制御し、所定の形状を得る。このように、不透明な液滴を形成することによる可変形状絞りに適用することができる。
【００７８】
図３２は別の発明の第１２の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。同図の（ａ）は本実施の形態の液滴光学デバイスの平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＯ−Ｏ’線断面図である。同図において、図２４と同じ参照符号は同じ構成要件を示す。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス１３００は、基板上に薄膜形成することによって液滴支持部となるパイプ２２２を形成し、このパイプ２２２を冷却する機構によりパイプ２２２内に光の入射口と出射口を有する液滴２０７を形成し、かつ形状制御するものである。
【００７９】
図３３は別の発明の第１３の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。同図の（ａ）は斜視図、同図の（ｂ）は平面図、同図の（ｃ）は同図の（ｂ）のＰ−Ｐ’線断面図である。同図に示す本実施の形態の液滴光学デバイス１４００は、支持基材や支持層の表面を起立させる姿勢で冷却膜２１１を形成している。このように、上述したような支持基材や支持層に液滴形成箇所を組み合わせるのではなく、基板を製造する過程の中で表面に起立する姿勢を形成することにより、光学系に必要な高精度の形状、寸法を得ることができる。また、本実施の形態では、レーザダイオード２２３などの放射光源を搭載しており、集光系や拡散系を含む作像装置を構成することができる。なお、イメージセンサを搭載すれば結像系を含む撮像装置となる。
【００８０】
図３４は別の発明の液滴撮像デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図２２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本発明の液滴撮像デバイス１５００は、第３の実施の形態の液滴光学デバイス４００と、撮像デバイス２３０とを一体化して構成する。詳細には、同図に示すように、イメージセンサ２２４の受光経路に液滴光学デバイス４００での光の入射口と出射口を有する液滴２０７が形成できるように、基板どうしのパターンを配置し、基板を接合する。なお、図示していないが制御回路も同一基板上に集積できる。このように、高精度に一体化することにより、イメージセンサからの熱影響のばらつきが小さくできるので、液滴の温度制御がばらつき少なく正確にできる。また、一体化すると全体のシステムが簡略化されるだけでなく、制御回路も集積できるので、なお簡便であり信頼性が向上する。
【００８１】
図３５は別の発明の液滴光源デバイスの構成を示す断面図である。同図において、図２２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本発明の液滴光源デバイス１６００は、第３の実施の形態の液滴光学デバイス４００と、放射光源デバイス２４０とを一体化して構成する。詳細には、同図に示すように、発光ダイオード２２５の発光経路に液滴光学デバイス４００での光の入射口と出射口を有する液滴２０７が形成できるように、基板どうしのパターンを配置し、基板を接合する。なお、図示していないが制御回路も同一基板上に集積できる。このように、高精度に一体化することにより、放射光源からの熱影響のばらつきが小さくできるので、液滴の温度制御がばらつき少なく正確にできる。また、一体化すると全体のシステムが簡略化されるだけでなく、制御回路も集積できるので、なお簡便であり信頼性が向上する。
【００８２】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。
【図６】第５の実施の形態の液滴光学装置において液滴を形成する様子を示す断面図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す概略断面図である。
【図８】本発明の第７の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第８の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の第９の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１０の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の第１１の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の第１２の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図１４】本発明の第１３の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図１５】本発明の第１４の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図１６】本発明の第１５の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図１７】本発明の第１６の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図１８】本発明の第１７の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図１９】本発明の第１８の実施の形態に係る液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図２０】別の発明の第１の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。
【図２１】別の発明の第２の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。
【図２２】別の発明の第３の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。
【図２３】別の発明の第３の実施の形態に係る液滴光学デバイスの別の構成を示す図である。
【図２４】別の発明の第４の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。
【図２５】別の発明の第５の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。
【図２６】別の発明の第６の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。
【図２７】別の発明の第７の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。
【図２８】別の発明の第８の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。
【図２９】別の発明の第９の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。
【図３０】別の発明の第１０の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。
【図３１】別の発明の第１１の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。
【図３２】別の発明の第１２の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す断面図である。
【図３３】別の発明の第１３の実施の形態に係る液滴光学デバイスの構成を示す図である。
【図３４】別の発明の液滴撮像デバイスの構成を示す断面図である。
【図３５】別の発明の液滴光源デバイスの構成を示す断面図である。
【図３６】従来の液滴光学装置の構成を示す断面図である。
【図３７】従来の液滴光学装置の別の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
１〜９，２５−１，２５−２，２５−３，５０，６０，７０，８０，８０−１，８０−２，９０，１００，１１０，１２０，１３０；液滴光学装置、
１０，２９，２０７，２２１；液滴、１１；液滴支持部、１２；電極、
１３；液体供給排出路、１４；固定レンズ基材、１５；液体膜、
１６；ガラス基板、１７；液滴形成エリア、１８；液滴形成管、
１９；Ｐ型半導体、２０；Ｎ型半導体、２１；放熱器、２２；冷却器、
２３；熱電交換器、２４，２１３；電力供給線、
２６；固定プリズム基材、２７，２１７；液滴部材供給排出路、
２８；制御電極、３０；透明固体基材、３１，３２；液滴膜、
２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００，１１００，１２００，１３００，１４００，１５００，１６００；液滴光学デバイス、
２０１；基板、２０２；空洞部、２０３；貫通孔、
２０４；液滴支持層、２０５；検出用電極、
２０６，２１５；検出信号線、２０８；Ｐ型半導体膜、
２０９；Ｎ型半導体膜、２１０；放熱膜、２１１；冷却膜、
２１２；熱電交換器、２１４；検出器、２１６；光路、
２１８；伸縮層、２１９；静電電極膜、２２０；電極端子、
２２２；パイプ、２２３；レーザダイオード、
２２４；イメージセンサ、２２５；発光ダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010008622.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010008622.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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