(57)【要約】【課題】  複雑な界面の形状を有する可変焦点液体レンズを提供する。【解決手段】  外部電極５と内部電極６との間に外部電極５がプラスになるような電圧を印加すると、外部電極５の幅の不均一さのために、保持部２における外側と内側の単位面積当たりの平均電位差は、（ｂ）の右側のグラフに示すようになり、容器の下部で大きく、上部に行くに従って小さくなる。これにより、電子ウェッティング効果は、容器の下側で大きく上に行くに従って小さくなる。このため、従来技術ではＡ（破線）として示すように球面に近かった導電性液体３と絶縁性液体４との界面が、Ｂ（実線）として示すように非球面形状になる。非球面形状の形は、外部電極５の各電極の幅の分布及び外部電極５と内部電極６の間の電位差により決定される。【選択図】  図１
2006145807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率と比重を有する導電性の第１液体と、前記第１液体と異なる第２の屈折率と比重を有し、前記第１液体と混じり合わない絶縁性の第２液体と、前記第１液体と前記第２液体とを内部に保持する円筒状の絶縁体からなる保持手段と、前記第１液体と前記保持手段の外面との間に電位差を与える電位差印加手段とを備え、前記第１液体と前記保持手段の外面との間に電位差を与えることにより、前記第１液体と第２液体の境界面を曲面としてレンズ作用を持たせ、前記電位差を変えることよって焦点距離を可変とした可変焦点液体レンズであって、前記電位差印加手段は、前記保持手段の中心軸方向に不均一な分布を有する電位差を与えるものであることを特徴とする可変焦点液体レンズ。
【請求項２】
前記電位差印加手段は、前記第１液体に接する第１の電極と、前記保持手段の外面に接し、前記中心軸方向に間隔を空けて並ぶ、幅が異なるリング状の複数の第２の電極からなる電極群と、前記第１の電極と、前記複数の各第２の電極との間に同一の電圧を印加する電源装置を有することを特徴とする請求項１に記載の可変焦点液体レンズ。
【請求項３】
前記電位差印加手段は、前記第１液体に接する第１の電極と、前記保持手段の外面に接し、前記中心軸方向に間隔を空けて並ぶ、幅が同一のリング状の複数の第２の電極からなる電極群と、前記第１の電極と、前記複数の各第２の電極との間に異なる電圧を印加する電源装置を有することを特徴とする請求項１に記載の可変焦点液体レンズ。
【請求項４】
前記電位差印加手段は、前記第１液体に接する第１の電極と、前記保持手段の外面に接するリング状の第２の電極と第３の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に第１の電圧を印加する第１の電源装置と、前記第１の電極と前記第３の電極間に前記第１の電圧と異なる第２の電圧を印加する第２の電源装置を有することを特徴とする請求項１に記載の可変焦点液体レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率と比重が異なる導電性液体と絶縁性液体を絶縁性の保持手段に収納し、導電性液体と保持手段の外面の間に電位差を発生させることにより、導電性液体と保持手段の間の表面張力を変化させ、これにより導電性液体と絶縁性液体の界面を曲面としてレンズ作用を持たせ、電位差を変化させることによりこのレンズの焦点距離を可変にした可変焦点液体レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
屈折率と比重が異なる導電性液体と絶縁性液体を絶縁性の保持手段に収納し、導電性液体と保持手段の間に電位差を発生させることにより、導電性液体と保持手段の間の表面張力を変化させ、これにより導電性液体と絶縁性液体の界面を曲面としてレンズ作用を持たせ、電位差を変化させることによりこのレンズの焦点距離を可変にした可変焦点液体レンズは、新しい方式の可変焦点レンズとして注目を集めており、その概要が、フィリップス社のインターネットホームページ
「http://www.philips.co.jp/about/news/section-13914/article-2631.html」
に紹介されている。
【０００３】
この概要を図４に示す。図４（ａ）に示すように、絶縁体からなる底部２１と円筒状の絶縁体からなる保持部２２で構成される容器の中には、導電性液体２３と絶縁性液体２４が収容されている。そして、保持部２２の外側には、それを取り巻くように外部電極２５が設けられ、導電性液体２３に接するように内部電極２６が設けられている。又、外部電極２５と内部電極２６の間に電圧を与えるための電源装置２７が設けられている。
【０００４】
導電性液体２３と絶縁性液体２４とは混じり合わず、かつ、導電性液体２３の方が絶縁性液体２４よりも比重が大きいので、外部電極２５と内部電極２６の間に電圧が印加されていないときは、（ａ）に示すように、導電性液体２３の上に絶縁性液体２４が位置し、両者の境界面は水平となっている。
【０００５】
今、図４（ｂ）に示すように、外部電極２５が内部電極２６よりマイナスになるような電圧を両者の間に印加すると、保持部２２の導電性液体２３と接する側の電位は、保持部２２の外側の電位より高くなり、これによって、保持部２２の撥水性が弱くなる。この現象は「電子ウェッティング（electro-wetting）」として知られている。
【０００６】
保持部２２の撥水性が弱くなると、導電性液体２３の保持部２２と接する表面が毛細管現象により引き上げられ、図４（ｂ）に示すように、導電性液体２３と絶縁性液体２４の界面は上側に凹となる。通常、絶縁性液体２４の方が導電性液体２３より屈折率が大きいので、結局導電性液体２３と絶縁性液体２４は凸レンズとして機能することになる。
【０００７】
逆に、（ｃ）に示すように、外部電極２５が内部電極２６よりプラスになるような電圧を両者の間に印加すると、保持部２２の導電性液体２３と接する側の電位は、保持部２２の外側の電位より低くなり、これによって、保持部２２の撥水性が強くなる。
【０００８】
保持部２２の撥水性が強くなると、導電性液体２３の保持部２２と接する表面が導電性液体２３の表面張力により引き下げられ、図４（ｃ）に示すように、導電性液体２３と絶縁性液体２４の界面は上側に凸となる。よって、導電性液体２３と絶縁性液体２４は凹レンズとして機能することになる。
【０００９】
【非特許文献１】http://www.philips.co.jp/about/news/section-13914/article-2631.html
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、これらの公知技術で形成できるレンズの形状は球面レンズに近い形状に決まってしまい、通常の光学系で使用されている非球面レンズの形状を形成することができなかった。それ故、光学系で問題となる収差の補正をしにくいという問題点があった。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、複雑な界面の形状を有する可変焦点液体レンズを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するための第１の手段は、第１の屈折率と比重を有する導電性の第１液体と、前記第１液体と異なる第２の屈折率と比重を有し、前記第１液体と混じり合わない絶縁性の第２液体と、前記第１液体と前記第２液体とを内部に保持する円筒状の絶縁体からなる保持手段と、前記第１液体と前記保持手段の外面との間に電位差を与える電位差印加手段とを備え、前記第１液体と前記保持手段の外面との間に電位差を与えることにより、前記第１液体と第２液体の境界面を曲面としてレンズ作用を持たせ、前記電位差を変えることよって焦点距離を可変とした可変焦点液体レンズであって、前記電位差印加手段は、前記保持手段の中心軸方向に不均一な分布を有する電位差を与えるものであることを特徴とする可変焦点液体レンズ（請求項１）である。
【００１３】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記電位差印加手段は、前記第１液体に接する第１の電極と、前記保持手段の外面に接し、前記中心軸方向に間隔を空けて並ぶ、幅が異なるリング状の複数の第２の電極からなる電極群と、前記第１の電極と、前記複数の各第２の電極との間に同一の電圧を印加する電源装置を有することを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１４】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、前記電位差印加手段は、前記第１液体に接する第１の電極と、前記保持手段の外面に接し、前記中心軸方向に間隔を空けて並ぶ、幅が同一のリング状の複数の第２の電極からなる電極群と、前記第１の電極と、前記複数の各第２の電極との間に異なる電圧を印加する電源装置を有することを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１５】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段であって、前記電位差印加手段は、前記第１液体に接する第１の電極と、前記保持手段の外面に接するリング状の第２の電極と第３の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に第１の電圧を印加する第１の電源装置と、前記第１の電極と前記第３の電極間に前記第１の電圧と異なる第２の電圧を印加する第２の電源装置を有することを特徴とするもの（請求項４）である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複雑な界面の形状を有する可変焦点液体レンズを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である可変焦点液体レンズの概要を示す図である。図１（ａ）に示すように、絶縁体からなる底部１と円筒状の絶縁体からなる保持部２で構成される容器の中には、導電性液体３と絶縁性液体４が収納されている。そして、保持部２の外側には、それを取り巻くように外部電極５が設けられ、導電性液体３に接するように内部電極６が設けられている。又、外部電極５と内部電極６の間に電圧を与えるための電源装置７が設けられている。
【００１８】
導電性液体３と絶縁性液体４とは混じり合わず、かつ、導電性液体３の方が絶縁性液体４よりも比重が大きいので、外部電極５と内部電極６の間に電圧が印加されていないときは、図１（ａ）に示すように、導電性液体３の上に絶縁性液体４が位置し、両者の境界面は水平となっている。なお、図において８は保持部２の円筒の中心軸である。
【００１９】
これらの構成の殆どは、図４に示した従来技術と同じであるが、本実施の形態においては、外部電極５が複数のリング状の電極からなり、それらの間には僅かの等間隔の隙間が設けられている。そして、リング状の電極は、図１（ａ）に示すように、下ほど広く、上に行くほど狭くされている。図では、簡略化して４個の電極を示しているが、実際には多数の電極からなり、それらの電極の幅が、上に行くほど徐々に狭くなるようにされている。
【００２０】
外部電極５と内部電極６との間に外部電極５がプラスになるような電圧を印加すると、外部電極５の幅の不均一さのために、保持部２における外側と内側の単位面積当たりの平均電位差は、図１（ｂ）の右側のグラフに示すようになり、容器の下部で大きく、上部に行くに従って小さくなる。これにより、電子ウェッティング効果は、容器の下側で大きく上に行くに従って小さくなる。
【００２１】
このため、従来技術ではＡ（破線）として示すように球面に近かった導電性液体３と絶縁性液体４との界面が、Ｂ（実線）として示すように非球面形状になる。非球面形状の形は、外部電極５の各電極の幅の分布及び外部電極５と内部電極６の間の電位差により決定される。
【００２２】
図１（ｃ）は、図１（ａ）、（ｂ）に示すものとは逆に、外部電極５を構成する電極の幅を、下方に行くほど狭くしたものである。このような電極構成においては、外部電極５と内部電極６との間に外部電極５がプラスになるような電圧を印加すると、外部電極の幅の不均一さのために、保持部２の外側と内側の単位面積当たりの平均電位差は、図１（ｃ）の右側のグラフに示すようになり、容器の上部で大きく、下部に行くに従って小さくなる。これにより、電子ウェッティング効果は、容器の上側で大きく下に行くに従って小さくなる。
【００２３】
このため、従来技術ではＡ（破線）として示すように球面に近かった導電性液体３と絶縁性液体４との界面が、Ｂ（実線）として示すように非球面形状になる。非球面形状の形は、外部電極５の各電極の幅の分布及び外部電極５と内部電極６の間の電位差により決定される。
【００２４】
図２は、本発明の第２の実施の形態である可変焦点液体レンズの概要を示す図である。以下の図において本欄における前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２５】
本実施の形態は、第１の実施の形態とは、外部電極５と電源装置が異なるだけであり、他の構成は同じであるので、同一の部分の説明を省略し、異なる部分のみを説明する。本実施の形態においては、図２（ａ）に示すように、外部電極５は同じ幅のリング状の電極が等間隔で設けられたものから構成され、電源装置９からは、各電極に、内部電極６に対して異なった電圧が印加されるようになっている。図においては、簡略化して４個の電極を示しているが、実際には多数の電極からなる。
【００２６】
外部電極５の各電極に、下の電極ほど内部電極６に対して電位が高いプラスの電圧（図２（ｂ）の右端に示すような電圧分布の電圧）を印加すると、保持部２の外側と内側の単位面積当たりの平均電位差は、図２（ｂ）の中央のグラフに示すようになり、容器の下部で大きく、上部に行くに従って小さくなる。これにより、電子ウェッティング効果は、容器の下側で大きく上に行くに従って小さくなる。
【００２７】
このため、従来技術ではＡ（破線）として示すように球面に近かった導電性液体３と絶縁性液体４との界面が、Ｂ（実線）として示すように非球面形状になる。非球面形状の形は、外部電極５の各電極に印加する電圧の分布により決定される。上の電極ほど電位が高いプラスの電圧を与えるようにすれば、図１（ｃ）に示すような導電性液体３と絶縁性液体４の界面形状を得ることができる。
【００２８】
図３は、本発明の第３の実施の形態である可変焦点液体レンズの概要を示す図である。本実施の形態は、第１の実施の形態とは、外部電極が異なるだけであり、他の構成は同じであるので、同一の部分の説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【００２９】
本実施の形態は、外部電極５の代わりにリング状の外部電極１０、１１を電極として使用する。電源装置１２により、外部電極１０と内部電極６とを同電位とし、外部電極１１をこれらに対してプラスの電位とすると、保持部２の外側の高さ方向各部分における電圧分布は、図３の右側に示すようになり、保持部２の外側と内側の単位面積当たりの平均電位差は、図３（ｂ）の中央のグラフに示すようになって、容器の下部で大きく、上部に行くに従って小さくなる。これにより、電子ウェッティング効果は、容器の下側で大きく上に行くに従って小さくなる。
【００３０】
このため、従来技術ではＡ（破線）として示すように球面に近かった導電性液体３と絶縁性液体４との界面が、Ｂ（実線）として示すように非球面形状になる。非球面形状の形は、外部電極１０と外部電極１１の間の電位差により決定される。
【００３１】
逆に、外部電極１１と内部電極６とを同電位とし、外部電極１０をこれらに対してプラスの電位とすると、図１（ｃ）に示すような導電性液体３と絶縁性液体４との界面形状を得ることができる。
【００３２】
以上の例においては、いずれも、外部電極５、１０、１１を内部電極６に対してプラスの電位としていたが、外部電極５、１０、１１を内部電極６に対してマイナスの電位とすることで、導電性液体３と絶縁性液体４の界面が導電性液体３側に凸な非球面形状を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態である可変焦点液体レンズの概要を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である可変焦点液体レンズの概要を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態である可変焦点液体レンズの概要を示す図である。
【図４】従来の可変焦点液体レンズの概要を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…底部、２…保持部、３…導電性液体、４…絶縁性液体、５…外部電極、６…内部電極、７…電源装置、８…中心軸、９…電源装置、１０…外部電極、１１…外部電極、１２…電源装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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