(57)【要約】【課題】光透過性が向上した液体レンズユニットを有し、照射光量を増大した光照射装置を提供すること。【解決手段】  光照射装置は液体レンズユニット１００ａ、小型光源２００及び透明保護カバー３００よりなる。液体レンズユニット１００ａは透明基板１、下部電極層２、スペーサ層３、液体レンズ４、絶縁層５及び上部電極層６ａよりなる。上部電極層６ａは絶縁層５の周縁部に環状に設けられ、液体レンズユニット１００ａの光透過性を向上させる。下部電極層２と上部電極層６ａとの間に電圧Ｖを印加すると、液体レンズ４の中央部では、小さな引力が発生し、液体レンズ４の周縁部では、大きな引力が発生する。従って液体レンズ４の媒体が周縁部から中央部へ移動し、液体レンズ４の焦点距離は小さくなり、この結果、広い配光性（実線矢印）から狭い配光性（点線矢印）へ変化する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体レンズユニットと、
該液体レンズユニットの一方側に設けられた光源と
を具備し、
前記液体レンズユニットは、
前記光源側に設けられた透明基板と、
該透明基板上に設けられた下部電極層と、
該下部電極層の周縁部に設けられたスペーサ層と、
該スペーサ層に囲まれ、前記下部電極層上に設けられた液体レンズと、
該液体レンズ上にあって該液体レンズを封止する絶縁層と、
該絶縁層上にあって該絶縁層の中央部及び周縁部の一方に設けられた上部電極層と
を具備し、
前記下部電極層と前記上部電極層との間に電圧を印加することにより前記光源から前記液体レンズユニットを介して照射させる光の配光性を制御するようにした照射装置。
【請求項２】
前記上部電極層は複数個に分割されて設けられ、前記下部電極層と前記各分割された上部電極層との間に異なる電圧を印加するようにした請求項１に記載の光照射装置。
【請求項３】
さらに、前記液体レンズユニットの他方側に設けられた透明保護カバーを具備する請求項１に記載の光照射装置。
【請求項４】
さらに、前記液体レンズユニットの他方側に設けられたシリンドリカルレンズを具備する請求項１に記載の光照射装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の前記光照射装置が複数個マトリクス状に配置された光源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可変配光性を有する光照射装置及びこれを用いた光源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
可変配光性を有する光照射装置を実現可能な技術として可変焦点レンズが知られる。
【０００３】
従来、可変配光性を有する光照射装置は、集光レンズ、及び集光レンズを移動させて集光レンズの照射角を変更させる調整用モータ等により構成されている。従って、可動部品を有しているので、壊れ易く、小型化できず、製造コストが高いという欠点を有している（参照：特許文献１）。
【０００４】
また、エレクトロウェッティングを利用した従来の可変焦点レンズにおいては、屈折率が異なる絶縁性液体下層及び導電性液体上層を基板上に積層し、導電性液体上層と基板との間に電圧を印加して絶縁性液体下層と基板との間の濡れ性を変化させて絶縁性液体下層の基板との接触角を制御する。これにより、光線屈折面（レンズ面）として作用する絶縁性液体下層と導電性液体上層との境界面の曲率を制御して可変配光性を実現する（参照：特許文献２）。
【０００５】
上述のエレクトロウェッティングを利用した従来の可変焦点レンズを用いた光照射装置は次の利点を有する。
１）可動部品がないので、壊れにくい。
２）焦点を可変するためのモータ、ギア等が不要なので、小型化に適する。
３）構造が単純なので、製造コストを低減できる。
【０００６】
しかしながら、上述のエレクトロウェッティングを利用した従来の可変焦点レンズを用いた光照射装置は次の欠点を有する。
１）振動、重力等の外力及び温度変化のような外乱によって絶縁性液体下層と導電性液体上層との境界面が変形することがある。従って、絶縁性液体下層と導電性液体上層とが混ざり合ってレンズ機能を喪失し、この結果、可変配光性が消失する。
２）絶縁性液体下層の熱膨張率と導電性液体上層の熱膨張率とが異なる場合、温度変化により比重が変化し、従って、絶縁性液体下層と導電性液体上層との間で乱流が発生してレンズ機能を喪失し、この結果、可変配光性が消失する。
３）絶縁性液体下層及び導電性液体上層の変形速度は固体の変形速度に比較して小さいので、高速の可変配光性を実現できない。
４）絶縁性液体下層及び導電性液体上層を封入するケーシングの形状がこれらの間の境界面形状に影響する。このため、歪みないレンズ面を得るには、歪みのないケーシングを高精度の３次元加工で製造するので、製造コストが高くなる。
【０００７】
さらに、液体レンズを利用した可変焦点レンズがある（参照：特許文献３、非特許文献１）。
【０００８】
液体レンズを利用した従来の可変焦点レンズ（参照：非特許文献１）は、図１１に示すように、透明基板１、ITOよりなるシート状の下部電極層２、下部電極層２の周囲に設けられたスペーサ層３、液体レンズ４、液体レンズ４を封止するポリパラキシレンよりなる絶縁層５及び薄い金（Au）よりなるシート状の上部電極層６よりなる。
【０００９】
図１１の可変焦点レンズにおいては、下部電極層２と上部電極層６との間に電圧Vを印加して液体レンズ４の曲率を制御して可変配光性を実現する。すなわち、下部電極層２と上部電極層６との間に電圧Vを印加すると、下部電極層２と上部電極層６との間に引力が発生する。このとき、液体レンズ４の中央部では、電極間距離が大きいので、小さな引力が発生し、他方、液体レンズ４の周縁部では、電極間距離が小さいので、大きな引力が発生する。従って、液体レンズ４の体積が一定であるので、液体レンズ４の媒質が周縁部から中央部に移動し、液体レンズ４の焦点距離は小さくなる。この結果、液体レンズ４の焦点距離は下部電極層２と上部電極層６との間に印加される電圧Vに応じて変化することになる。このようにして、電圧無印加時に広い配光性を示し、電圧印加時に狭い配光性を示すことができる。
【００１０】
上述の図１１に示す従来の可変焦点レンズを用いた光照射装置は次の利点を有する。
１）振動、重力等の外力及び温度変化のような外乱があっても、液体レンズ４の曲率が変形しにくい。この場合、直径をたとえば10mm以上に大きくした場合にあっても、液体レンズ４の曲率が変形しにくい。従って、外乱に強いレンズを提供できる。
２）液体レンズ４を封入するケーシングの形状が液体レンズ４の形状に影響しないので、高精度の３次元加工は不要となり、この結果、小型化できると共に、製造コストを低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２８４０９５号公報
【特許文献２】特開２００６−１７８４６９号公報
【特許文献３】特開２００２−１３１５１３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Nguyen Binh-Khiem, Kiyoshi Matsumoto, and Isao Shimoyama, “Polymer thin film deposited on liquid for varifocal encapsulated liquid lenses”, Applied Physics Letters, 93, 124101 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図１１に示す従来の可変焦点レンズを用いた光照射装置においては、可変焦点レンズの焦点位置の制御のための印加電圧用上部電極６は液体レンズ４上全体に金（Au）を蒸着させて形成する。従って、上部電極６は可視光の大部分を吸収するので、可変焦点レンズ１００の光透過性が非常に悪く、この結果、照射光量が著しく低下するという課題がある。
【００１４】
また、可変焦点レンズを白色発光ダイオード（LED）素子のような小型光源と組合わせた場合、小型光源と可変焦点レンズの中心とを結ぶ軸上に対称な配光を得ることができるが、軸上から離れた非対称的な配光を得ることは困難であるという課題もある。
【００１５】
さらに、可変焦点レンズを小型光源と組合わせた場合、可変焦点レンズが外部へ露出され、寿命及び故障の観点から、好ましくないという課題もある。
【００１６】
さらにまた、光照射される対象物が複数ある場合に、各対象物に対して独立の可変配光性を実現することが困難であるという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述の課題を解決するために本発明に係る光照射装置は、液体レンズユニットと、液体レンズユニットの一方側に設けられた光源とを具備し、液体レンズユニットは、光源側に設けられた透明基板と、透明基板上に設けられた下部電極層と、下部電極層の周縁部に設けられたスペーサ層と、スペーサ層に囲まれ、下部電極層上に設けられた液体レンズと、液体レンズ上にあって液体レンズを封止する絶縁層と、絶縁層上にあって絶縁層の中央部及び周縁部の一方に設けられた上部電極層とを具備し、下部電極層と上部電極層との間に電圧を印加することにより光源から液体レンズユニットを介して照射させる光の配光性を制御するようにしたものである。これにより、上部電極層の占有面積が減少して可視光光吸収が減少して液体レンズユニットの光透過性が向上する。
【００１８】
また、上部電極層は複数個に分割されて設けられ、下部電極層と各分割された上部電極層との間に異なる電圧を印加するようにする。これにより、光源と液体レンズの中心とを結ぶ軸上から離れた非対称的な配光が可能となる。
【００１９】
さらに、液体レンズユニットの他方側に設けられた透明保護カバーまたはシリンドリカルレンズを具備する。これにより、液体レンズユニットの外部への露出を避ける。
【００２０】
さらにまた、上述の光照射装置を複数個マトリクス状に配置する。これにより、種々の対象物に対して独立の可変配光性を実現する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、液体レンズユニットの光透過性が向上するので、光照射装置の照射光量を増大できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る光照射装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の上部電極層の上面図である。
【図３】図２の第１の変更例を示す上面図である。
【図４】図２の第２の変更例を示す上面図である。
【図５】本発明に係る光照射装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図６】図５の上部電極層の上面図である。
【図７】図６の第１の変更例を示す上面図である。
【図８】図６の第２の変更例を示す上面図である。
【図９】図１の光照射装置の変更例を示す断面図である。
【図１０】図１の光照射装置を複数個マトリクス状に配置した光源システムを示す平面図である。
【図１１】従来の可変焦点レンズを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は本発明に係る光照射装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【００２４】
図１においては、液体レンズユニット１００ａ、液体レンズユニット１００ａの一方側に設けられた白色LED素子よりなる小型光源２００及び透明保護カバー３００が設けられている。
【００２５】
液体レンズユニット１００ａは図１１の可変焦点レンズと同一構成を有するが、上部電極層６ａは可変焦点レンズの上部電極層６と異なる。すなわち、液体レンズユニット１００ａの上部電極層６ａは図１１のシート状の上部電極層６と異なり、図２に示すごとく、絶縁層５の周縁部のみ設けられた環状をなしている。これにより、上部電極層の占有面積が小さくなった分、液体レンズ４の光透過性が向上する。
【００２６】
また、下部電極層２と上部電極層６ａとの間に電圧Vを印加した場合、液体レンズ４の中央部では、上部電極層６ａが存在しないので、引力はほとんど発生せず、他方、液体レンズ４の周縁部では、電極間距離が小さいので、比較的大きな引力が発生する。従って、液体レンズ４の媒質の周縁部から中央部への移動量は従来に比較して増大する。この結果、液体レンズ４の焦点距離は従来に比較して大きく変化する。このようにして、電圧無印加時に、実線に示すごとく、広い配光性を示し、電圧印加時に、点線に示すごとく、狭い配光性を示すことができる。
【００２７】
さらに、透明保護カバー３００によって液体レンズユニット１００ａが外部へ露出されなくなり、この結果、液体レンズユニット１００ａの高寿命化を図ることができると共に故障の発生を抑止できる。
【００２８】
次に、液体レンズユニット１００ａの各部を詳細に説明する。
【００２９】
透明基板１は、ガラス、ポリエチレンテレフタラート樹脂、アクリル樹脂等よりなる。
【００３０】
下部電極層２はITOよりなる。
【００３１】
スペーサ層３はポリテトラフルオロエチレンもしくはアモルファス系フッ素樹脂たとえばアモルファスフルオロカーボンポリマよりなる。
【００３２】
液体レンズ４はたとえばシリコーン樹脂、液体パラフィン、グリセリン、イオン性液体等よりなる。
【００３３】
絶縁層５は好ましくはポリパラキシレンもしくはポリイミドよりなる。
【００３４】
上部電極層６ａは薄いITOあるいは金（Au）、アルミニウム（Al）等よりなる。
【００３５】
次に、液体レンズユニット１００ａの製造方法を説明する。
【００３６】
始めに、透明基板１上にITOよりなるシート状の下部電極層２を形成する。
【００３７】
次に、アモルファス系フッ素樹脂を被膜してパターニングしてスペーサ層３を下部電極層２の周縁部に形成する。
【００３８】
次に、下部電極層２上に液体媒質たとえばシリコーン樹脂を滴下する。この場合、スペーサ層３が液体媒質の境界面をなすので、液体媒質がそれ自体の表面張力によって上方へ盛り上がった状態となって液体レンズ４を形成する。
【００３９】
次に、液体レンズ４の表面上に、ポリパラキシレンよりなる厚さ約1μmの絶縁層５を真空蒸着法によって形成する。尚、この場合、蒸着重合する他の材料たとえばポリイミドでもよい。
【００４０】
最後に、絶縁層５上に、厚さ約10〜100nmの金（Au）あるいはアルミニウム（Al）、あるいはITOを形成し、パターニングして環状の上部電極層６ａを絶縁層５の周縁部に形成する。
【００４１】
図３は図２の第１の変更例を示す上面図である。図３に示すように、図２の上部電極層６ａを2分割して2つの上部電極層６ａ−１、６ａ−２とし、別個の電圧V1、V2によって制御するようにしたものである。これにより、小型光源２００と液体レンズユニット１００ａの中心とを結ぶ軸上に非対称な配光を発生できる。
【００４２】
図４は図２の第２の変更例を示す上面図である。図４に示すように、図２の上部電極層６ａを4分割して4つの上部電極層６ａ−１、６ａ−２、６ａ−３、６ａ−４とし、別個の電圧V1、V2、V3、V4によって制御するようにしたものである。これにより、やはり、小型光源２００と液体レンズユニット１００ａの中心とを結ぶ軸上に非対称な配光を発生できる。
【００４３】
尚、図２の上部電極層６ａは、上述の2分割、4分割以外の任意の数で分割することも可能であるが、その分、制御が複雑となる。
【００４４】
図５は本発明に係る光照射装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００４５】
図５においては、図１の液体レンズユニット１００ａの代りに液体レンズユニット１００ｂが設けられている。
【００４６】
液体レンズユニット１００ｂも図１１の可変焦点レンズと同一構成を有するが、上部電極層６ｂは可変焦点レンズの上部電極層６と異なる。すなわち、液体レンズユニット１００ｂの上部電極層６ｂは図１１のシート状の上部電極層６と異なり、図６に示すごとく、絶縁層５の中央部のみ設けられた円形状をなしている。これにより、上部電極層の占有面積が小さくなった分、液体レンズ４の光透過性が向上する。
【００４７】
また、下部電極層２ｂと上部電極層６ｂとの間に電圧Vを印加した場合、液体レンズ４の周縁部では、上部電極層６ｂが存在しないので、引力はほとんど発生せず、他方、液体レンズ４の中央部では、電極が存在するので、引力が発生する。従って、液体レンズ４の媒質は中央部から周縁部へ移動する。この結果、レンズが電圧印加によって扁平形状となり、液体レンズ４の焦点距離は大きくなる。このようにして、電圧無印加時に、実線に示すごとく、狭い配光性を示し、電圧印加時に、点線に示すごとく、広い配光性を示すことができる。
【００４８】
図７は図６の第１の変更例を示す上面図である。図７に示すように、図６の上部電極層６ｂを2分割して2つの上部電極層６ｂ−１、６ｂ−２とし、別個の電圧V1、V2によって制御するようにしたものである。これにより、小型光源２００と液体レンズユニット１００ｂの中心とを結ぶ軸上に非対称な配光を発生できる。
【００４９】
図８は図６の第２の変更例を示す上面図である。図８に示すように、図６の上部電極層６ｂを4分割して4つの上部電極層６ｂ−１、６ｂ−２、６ｂ−３、６ｂ−４とし、別個の電圧V1、V2、V3、V4によって制御するようにしたものである。これにより、やはり、小型光源２００と液体レンズユニット１００ｂの中心とを結ぶ軸上に非対称な配光を発生できる。
【００５０】
尚、図６の上部電極層６ｂは、上述の2分割、4分割以外の任意の数で分割することも可能であるが、その分、制御が複雑となる。
【００５１】
図１の変更例を示す図９においては、図１の透明保護カバー３００に代えて、シリンドリカルレンズ３００’を設けてある。シリンドリカルレンズ３００’は図１の透明保護カバー３００の作用をすると共に、開口がワイドになった分だけ液体レンズユニット１００ａからの光照射の光取り込み効率を向上させることができる。
【００５２】
尚、図５の透明保護カバー３００も図９のシリンドリカルレンズ３００’に置換し得る。
【００５３】
図１０は図１の光照射装置を複数個たとえば４個マトリクス状に配置した光源システムを示す。尚、図１０においては、図１の光照射装置としてその上部電極層６ａのみを図示してある。図１０においては、異なる対象物に対して図１の光照射装置を設け、異なる電圧V1、V2、V3、V4により各光照射装置の配光性を独立に制御する。尚、この場合、上部電極層６ａの代りに、上部電極層６ａ−１（６ａ−２）、６ａ−１（６ａ−２、６ａ−３、６ａ−４）を用いることもできる。
【００５４】
また、図５の光照射装置も複数個マトリクス状に配置して光源システムを実現できる。尚、この場合、上部電極層６ｂ、上部電極層６ｂ−１（６ｂ−２）、上部電極層６ｂ−１（６ｂ−２、６ｂ−３、６ｂ−４）のいずれでもよい。
【００５５】
また、電圧Vに静電容量計を付加して電極間に生じる帯電量を検出し、帯電量によってレンズの焦点位置を制御することにより、より精密な配光の制御が可能となる。この理由は、電極間に生じる引力が直接的には帯電量と関係していることに起因する。特に、日本では、夏場と冬場で湿度が大きく異なり、レンズ間に同じ電圧を印加しても季節によって帯電量が異なるので、湿度の影響をフィードバックする帯電量モニターが重要な役割を果たす。
【００５６】
尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更も適用し得る。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明に係る光源装置は、ストロボ光源、照明用光源、自動車光源等の各種光源に利用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１：透明基板 
２：下部電極層
３：スペーサ層
４：液体レンズ
５：絶縁層
６,６ａ, ６ａ−１, ６ａ−２,６ａ−３,６ａ−４, ６b, ６b−１, ６b−２,６b−３,６b−４：上部電極層
１００,１００ａ,１００b：液体レンズユニット
２００：小型光源
３００：透明保護カバー
３００’：シリンドリカルレンズ
【図１】
2014202804.tif 000003
【図２】
2014202804.tif 000004
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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