(57)【要約】【課題】、屈折率が高く各種特性に優れた液体光学材料及び光学素子を提供する。【解決手段】液体光学材料は、無極性液体であるジフェニルシリコーンにジフェニルシリコーンの屈折率より高い屈折率１．４１より高い屈折率２．４９を有し、透過させる光の波長の１／１０以下、例えば数ｎｍ〜１００ｎｍの粒径であるセラミックス微粒子１３としてチタン酸バリウム微粒子分散させて構成する。液体レンズは、ガラス基板１、２に透明電極３、４と絶縁膜５、６と撥水撥油膜７、８とをこの順に形成した組立体の撥水撥油膜７、８が互いに向き合うようにして対向させかつ組立体の対向間にスペーサ部材９を介在させて包囲空間を形成し、この包囲空間に有極性液体１０と液体光学材料１１とを封入し、有極性液体１０に駆動電圧を印加することにより液体光学材料１１に対する有極性液体１０の接触角を変化させ液体レンズの焦点距離を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無極性液体に前記無極性液体の屈折率より高い屈折率を有し、透過させる光の波長の１／１０以下の粒径であるセラミックス微粒子を分散させたことを特徴とする液体光学材料。
【請求項２】
前記無極性液体は、合成油、又は鉱物油であることを特徴とする請求項１に記載の液体光学材料。
【請求項３】
前記無極性液体は、ジメチルシリコーン、メチルフェニルシリコーン、ジフェニルシリコーンから選択した１又は複数のものであることを特徴とする請求項１に記載の液体光学材料。
【請求項４】
前記セラミックス微粒子は、チタン酸バリウム、窒化ホウ素、フェライト、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ステアタイト、高温超伝導セラミックス、酸化亜鉛、ジルコニアから選択した１又は複数のものであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の液体光学材料。
【請求項５】
前記セラミックス微粒子の前記無極性液体への分散量は、前記無極性液体の２０質量％以下であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の液体光学材料。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の液体光学材料を用いたことを特徴とする光学素子。
【請求項７】
透明基板に透明電極と絶縁膜と撥水性油膜とをこの順に形成した組立体を、前記撥水性油膜が互いに向き合うようにして対向させかつ該組立体の対向間にスペーサ部材を介在させて包囲空間を形成し、この包囲空間に有極性液体と前記無極性液体とを封入し、前記有極性液体に駆動電圧を印加することにより前記無極性液体に対する前記有極性液体の接触角を変化させて前記無極性液体の形状を変更する光学素子において、
前記無極性液体が請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の液体光学材料であることを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無極性液体を用いた液体光学材料及び光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロウエッティングは、電界を用いて、疎水性誘電体フィルムの表面の濡れ性（wettability）を疎水性（撥水性）から親水性の間で変化させる技術である。このエレクトロウエッティングを利用して、疎水性誘電膜の表面に誘電性液滴で形成した液体レンズ等の光学素子作成を駆動することができる。このような液体レンズは、水中に配置されることがあり、このような液体レンズを形成する誘電性液体としては、シリコーンオイルを用いることがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８１５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、シリコーンオイルは屈折率が、低いため、光学素子として設計の自由度が低いという問題がある。
【０００５】
ここで、液体レンズを前提とすると液体レンズを形成する誘電性液体としての液体光学材料として下記の特性が求められる。
・水の屈折率との差が大きい
・水の相溶性がない（−30℃〜80℃）
・凝固点が低い（＜−30℃）
・粘度係数（粘度の温度依存性）が小さい
【０００６】
このような観点から各種シリコーンオイルの特性を検討すると以下のようになる。
【０００７】
【表１】
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ここで「○」は優、「△」は可、「×」は不可を示す。
【０００８】
また、屈折率が高いジフェニルシリコーンに硫黄（Ｓ）を入れて各種特性を向上させることもできるが、経時的に硫黄が分離し変質してしまい、実用に耐えない。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、屈折率が高く各種特性に優れた液体光学材料及び光学素子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】
【００１０】
前記課題を解決する請求項１に記載の発明は、無極性液体に前記無極性液体の屈折率より高い屈折率を有し、透過させる光の波長の１／１０以下の粒径であるセラミックス微粒子を分散させたことを特徴とする。
【００１１】
同じく請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体光学材料において、前記無極性液体は、合成油、又は鉱物油であることを特徴とする。
【００１２】
同じく請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の液体光学材料において、前記無極性液体は、ジメチルシリコーン、メチルフェニルシリコーン、ジフェニルシリコーンから選択した１又は複数のものであることを特徴とする。
【００１３】
同じく請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の液体光学材料において、前記セラミックス微粒子は、チタン酸バリウム、窒化ホウ素、フェライト、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ステアタイト、高温超伝導セラミックス、酸化亜鉛、ジルコニアから選択した１又は複数のものであることを特徴とする。
【００１４】
同じく請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の液体光学材料において、前記セラミックス微粒子の前記無極性液体への分散量は、前記無極性液体の２０質量％以下であることを特徴とする。
【００１５】
同じく請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の液体光学材料を用いたことを特徴とする光学素子である。
【００１６】
同じく請求項７に記載の発明は、透明基板に透明電極と絶縁膜と撥水性油膜とをこの順に形成した組立体を、前記撥水性油膜が互いに向き合うようにして対向させかつ該組立体の対向間にスペーサ部材を介在させて包囲空間を形成し、この包囲空間に有極性液体と無極性液体とを封入し、前記有極性液体に駆動電圧を印加することにより前記無極性液体に対する前記有極性液体の接触角を変化させて前記無極性液体の形状を変更する光学素子において、前記無極性液体が請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の液体光学材料であることを特徴とする光学素子である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る液体光学材料によれば、無極性液体に前記無極性液体の屈折率より高い屈折率を有し、透過させる光の波長の１／１０以下の粒径であるセラミックス微粒子を分散させており、全体として高い屈折率とすることができ、光学素子の設計の自由度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る液体光学材料を用いた光学素子である液体レンズの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を実施するための形態に係る液体光学材料及び光学素子について説明する。
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係る光学素子として液体レンズについて説明する。図１は本発明の実施形態に係る液体光学材料を用いた液体レンズの構成を示す断面図である。本実施形態に係る液体レンズは、ガラス基板１、２と、電圧が印加される透明電極３、４と、絶縁膜５、６と、撥水性油膜である撥水撥油膜７、８とガラスリング部材９と、有極性液体１０と、無極性液体である液体光学材料１１とからなる。
【００２１】
ガラス基板１、２の上面には、透明電極３、４がパターンニングにより形成されている。また、透明電極３、４の表面には、絶縁膜５、６が形成されている。この絶縁膜５、６の表面には撥水撥油膜７、８が形成されている。ガラス基板１、２は、スペーサ部材としてのガラスリング部材９を介して互いに対向して配設されている。このガラスリング部材９の外周面には耐久性接着剤９ａが設けられている。
【００２２】
ここで、透明電極３、４は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）を蒸着して構成されている。絶縁膜５、６は、熱可塑性フッ素重合体としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の溶液に、セラミックスのナノ粒子を分散させて形成されている。撥水撥油膜７、８にはＡＦコートを用いる。即ち、撥水撥油膜７、８の材料には、ポリパラキシリレン、ポリテトラフルオロエタン、フッ素系のポリマー、シリコーン樹脂等が用いられる。
【００２３】
有極性液体１０と、液体光学材料１１とは、ガラス基板１、２とガラスリング部材９とにより形成された包囲空間に封入されている。包囲空間の注入口は封止剤１２としてのＵＶ硬化樹脂（紫外線硬化型接着剤）によって封止されている。
【００２４】
この液体レンズを製造するには、透明基板としてのガラス基板１、２に透明電極３、４と絶縁膜５、６と撥水撥油膜７、８とがこの順に形成された一対の組立体の撥水撥油膜７、８が互いに向き合うようにして組立体を対向させ、かつ組立体の対向間にスペーサ部材としてのガラスリング部材９を介在させて包囲空間を形成する。ついで、この包囲空間に有極性液体１０と液体光学材料１１とを封入する。
【００２５】
本実施形態に液体レンズによれば、透明電極３、４に所定の駆動電圧（電位差）を与えると、有極性液体１０に対する液体光学材料１１の接触角が変化し、液体光学材料１１が破線で示すように形状を変更する。このため、有極性液体１０と液体光学材料１１との界面１０ｃの曲率と厚みとが変化し、液体レンズ全体の焦点距離が変化する。よって、駆動電圧を制御することにより液体レンズの焦点距離を制御できる。
【００２６】
有極性液体１０は、例えば、水を主成分として、不凍液が添加されている。液体光学材料１１は、この例では、透明な無極性液体であるジメチルシリコーンにこのジメチルシリコーンの屈折率より高い屈折率を有し、透過させる光の波長の１／１０以下の粒径であるセラミックス微粒子１３を分散させている。即ち、液体光学材料１１内にチタン酸バリウムのナノ粒子が混入されている。
【００２７】
混入するセラミックスは、チタン酸バリウムの他、チタン酸バリウム、窒化ホウ素、フェライト、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ステアタイト、高温超伝導セラミックス、酸化亜鉛、ジルコニア等から１又は複数のものを選択できる。上述したセラミックスのうちのいくつかのものの屈折率は、下表の通りである。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
分散するチタン酸バリウム微粒子の粒径は、数ｎｍ〜１００ｎｍ、分散するセラミックス微粒子の分散量は、ジメチルシリコーン重量の２０質量％以下とする。セラミックス微粒子が２０％を超えると、粘性が増してしまい液体光学材料１１が変形しにくくなる。
【００３０】
ここで、ジフェニルシリコーンにチタン酸バリウムなどの微粒子を均一かつ安定的に分散するには、その粒子の表面をシリコーン化合物で修飾すればよい。
【００３１】
粒径１０〜２０ｎｍのチタン酸バリウム微粒子を屈折率１．４０のジメチルシリコーンに２０％分散したとき、屈折率は１．５６であった。
【００３２】
更に、他のセラミックス微粒子として、チタン酸バリウム、酸化アルミニウム、ジルコニア、酸化セリウム、アルミン酸イットリウム、酸化イットリウム、等を使用できる。
また、他のシリコーンオイルとして、メチルフェニル、ジフェニルなどや変性シリコーンオイル等を使用できる。
【００３３】
シリコーンオイル中に高屈折率のセラミックス微粒子を分散させると入射した光は、セラミックスにより屈折され、全体として屈折率がシリコーンオイルの屈折率より増加する。また、セラミックス微粒子を入射する光の波長の１／１０以下とすると、微粒子による透明性に影響を与えない。
【００３４】
本実施形態に係る液体光学材料１１は、ジメチルシリコーン中にチタン酸バリウム微粒子を散乱させている。このため、液体光学材料１１の屈折率はジメチルシリコーンの屈折率より大きくなる。この屈折率の増加は、チタン酸バリウム微粒子の量を増加するほど大きくなる。
【００３５】
このように本実施形態では流体レンズの屈折率を、チタン酸バリウム微粒子を分散しないジメチルシリコーンを使用した場合より大きくすることができる。また、液体レンズに必要とされる各種特性を満たすものとできる。これにより、流体レンズの設計の自由度が向上する。
【００３６】
なお、無極性液体としては、上述したジメチルシリコーンの他、メチルフェニルシリコーン、ジフェニルシリコーン等のシリコーンオイルの他、室温において液体状である合成油、鉱物油等を使用できる。このような合成油、鉱物油は、水系の極性液体ではなく、無極性液体であり、上述した本発明の液体光学材料に使用する条件、即ち、水の屈折率との差が大きい、水の相溶性がない、凝固点が低い、粘度係数を満たしている。
なお、上記例では光学素子として液体レンズについて説明したが、本発明に係る光学素子により液体レンズの他、入射した光を走査するスキャナ素子に適用できる。
【００３７】
そして、本発明に係る液体光学材料及び光学素子は、視力計、レフラクトメータ、ハンディタイプＯＣＴ（眼底断層像観察装置）の光学レンズ、カメラ等のズーム光学系、検眼用メガネの交換レンズなどに用いることができる。また、本発明に係る液体光学材料及び光学素子は、測量機のコンペンセーサーなどオイルを使ったチルトセンサー、シャッター部材、エンコーダ等の光学素子に適用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１、２：ガラス基板
３、４：透明電極
５、６：絶縁膜
７、８：撥水撥油膜
９：スペーサ部材、
９ａ：耐久性接着剤
１０：有極性液体
１０’：液滴
１０ａ：電極
１０ｃ：界面
１１：液体光学材料
１２：封止材
１３：セラミックス微粒子
θ：接触角
Ｖ：駆動電圧
【図１】
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