(57)【要約】【課題】エレクトロウェッティング現象を利用した可変光学素子において、例えば繰り返し動作の安定性、高温／低温保存の安定性、長期保存時の安定性等を向上させ、信頼性を向上させることである。【解決手段】可変光学素子は、一対の光透過性部材１０，３１と、絶縁性の第１液体１１と、導電性の第２液体１２と、第１電極２２と、第２電極３２と、第１絶縁膜２３と、第２絶縁膜３３とを備える構成とする。第１絶縁膜２３を、第１電極２２と第２液体１２との間に形成し、第２絶縁膜３３を、第２電極３２と第２液体１２との間に形成する。そして、第２絶縁膜３３を、その第２液体１２側の表面が第１液体１１より第２液体１２に対して親和性が高く、且つ、第２液体１２に対して非膨潤性を有する絶縁膜で構成する。【選択図】図２
2011090053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の光透過性部材と、
前記一対の光透過性部材間に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する第１液体と、
前記一対の光透過性部材間に収容され、前記第１液体と混合せず、光透過性を有し、前記第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する第２液体と、
前記一対の光透過性部材間に設けられ、前記第２液体に電圧を印加する第１及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２液体との間に形成され、前記第２液体側の表面が前記第２液体より前記第１液体に対して高い親和性を有する第１絶縁膜と、
前記第２電極と前記第２液体との間に形成され、前記第２液体側の表面が前記第１液体より前記第２液体に対して高い親和性を有し、且つ、前記第２液体に対して非膨潤性を有する第２絶縁膜と
を備える可変光学素子。
【請求項２】
前記第２絶縁膜が、シリカ系の無機コーティング材で形成されている
請求項１に記載の可変光学素子。
【請求項３】
前記第２絶縁膜の前記第２液体側の表面が、前記第１液体より前記第２液体に対して親和性が高くなるように表面処理されている
請求項１に記載の可変光学素子。
【請求項４】
前記第２絶縁膜が、ポリパラキシレンで形成されている
請求項３に記載の可変光学素子。
【請求項５】
第１及び第２光透過性部材と、
前記第１及び第２光透過性部材の間に設けられた複数の液体収容室と、
各液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する第１液体と、
各液体収容室に収容され、前記第１液体と混合せず、光透過性を有し、前記第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する第２液体と、
各液体収容室を画成する側壁上、及び、前記第２光透過性部材の前記第２液体側にそれぞれ設けられ、前記第２液体に電圧を印加する第１及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２液体との間に形成され、前記第２液体側の表面が前記第２液体より前記第１液体に対して高い親和性を有する第１絶縁膜と、
前記第２電極と前記第２液体との間に形成され、前記第２液体側の表面が前記第１液体より前記第２液体に対して親和性が高く、且つ、前記第２液体に対して非膨潤性を有する第２絶縁膜と
を備える液体レンズアレイ素子。
【請求項６】
第１及び第２光透過性部材と、前記第１及び第２光透過性部材の間に設けられた複数の液体収容室と、各液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する第１液体と、各液体収容室に収容され、前記第１液体と混合せず、光透過性を有し、前記第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する第２液体と、各液体収容室を画成する側壁上、及び、前記第２光透過性部材の前記第２液体側にそれぞれ設けられ、前記第２液体に電圧を印加する第１及び第２電極と、前記第１電極と前記第２液体との間に形成され、前記第２液体側の表面が前記第２液体より前記第１液体に対して高い親和性を有する第１絶縁膜と、前記第２電極と前記第２液体との間に形成され、前記第２液体側の表面が前記第１液体より前記第２液体に対して親和性が高く、且つ、前記第２液体に対して非膨潤性を有する第２絶縁膜とを有する液体レンズアレイ素子と、
前記液体レンズアレイ素子の前記第２液体側に配置され、前記液体レンズアレイ素子に光を出射する発光部と
を備える可変照明装置。
【請求項７】
第１及び第２光透過性部材と、前記第１及び第２光透過性部材の間に設けられた複数の液体収容室と、各液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する第１液体と、各液体収容室に収容され、前記第１液体と混合せず、光透過性を有し、前記第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する第２液体と、各液体収容室を画成する側壁上、及び、前記第２光透過性部材の前記第２液体側にそれぞれ設けられ、前記第２液体に電圧を印加する第１及び第２電極と、前記第１電極と前記第２液体との間に形成され、前記第２液体側の表面が前記第２液体より前記第１液体に対して高い親和性を有する第１絶縁膜と、前記第２電極と前記第２液体との間に形成され、前記第２液体側の表面が前記第１液体より前記第２液体に対して親和性が高く、且つ、前記第２液体に対して非膨潤性を有する第２絶縁膜とを有する液体レンズアレイ素子と、
前記液体レンズアレイ素子の前記第２液体側に配置された表示パネルと、
前記液体レンズアレイ素子の前記第１液体側に配置され、前記複数の液体収容室とそれぞれ対向する位置に配置され、且つ、２次元画像表示時の前記第１液体及び第２液体間の界面における負の屈折力を相殺する正の屈折力を有する複数の固定焦点レンズからなる固定レンズ部と
を備える２次元／３次元画像切替表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロウェッティング現象を利用した可変光学素子、液体レンズアレイ素子、可変照明装置、及び、２次元／３次元画像切替表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロウェッティング現象（電気毛管現象）を用いた種々の光学素子及びそれを備えた光学装置が提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。なお、エレクトロウェッティング現象は、例えば水等の導電性液体に電圧を印加すると、液体の界面張力が変化して、その界面が移動する現象である。
【０００３】
非特許文献１には、エレクトロウェッティング現象を利用した液体レンズが提案されている。非特許文献１に記載の液体レンズでは、液体に印加する電圧に応じて液体の界面形状を変化させ、レンズ効果をオン・オフ制御している。
【０００４】
また、特許文献１には、エレクトロウェッティング現象を利用した液体レンズを複数並べて（アレイ化して）構成したストロボ装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３５６７０８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Liquid Lens Technology: Principle of Electrowetting Based Lenses and Applications to Imaging”  B.Berge,  Proc. of IEEE Int’ 1 Conf. of MEMS 2005,  pp.227-230
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したエレクトロウェッティング現象を利用した光学素子は、一般に、導電性液体に電圧を印加するための一対の電極を備え、一方の電極の液体側には撥水性絶縁膜が形成され、他方の電極は直接、導電性液体に接触する構成となっている。そして、一対の電極間に電圧を印加することにより、撥水性絶縁膜の導電性液体に対する濡れ性（親和性）を変化させることにより、導電性液体の変形を促し、所望の特性を得る。
【０００８】
しかしながら、例えば、光学素子の繰り返し駆動による撥水性絶縁膜の劣化の影響や、プロセス時に撥水性絶縁膜内または撥水性絶縁膜及び電極間に混入したゴミ等の不純物の影響により、絶縁破壊が生じる場合がある。この場合、導電性液体が、撥水性絶縁膜が形成された電極に直接接し、一対の電極間が短絡状態となる。この結果、例えば電極の溶出、水の電気分解等の現象が加速的に発生し、光学素子に不可逆的なダメージを与えてしまう。これは、例えば、光学素子の長期間にわたる安定動作の保障等の信頼性を損なうこととなる。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、エレクトロウェッティング現象を利用した可変光学素子及びそれを用いた種々の光学装置において、例えば繰り返し動作の安定性、高温／低温保存の安定性、長期保存時の安定性等を向上させ、信頼性の向上を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の可変光学素子は、一対の光透過性部材と、第１液体と、第２液体と、第１及び第２電極と、第１絶縁膜と、第２絶縁膜とを備える構成とし、各部の構成及び配置関係は次のようにする。第１液体は、一対の光透過性部材間に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する。第２液体は、一対の光透過性部材間に収容され、第１液体と混合せず、光透過性を有し、第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する。第１及び第２電極は、一対の光透過性部材間に設けられ、第２液体に電圧を印加する。第１絶縁膜は、第１電極と第２液体との間に形成され、第２液体側の表面が第２液体より第１液体に対して高い親和性を有する。そして、第２絶縁膜は、第２電極と第２液体との間に形成され、第２液体側の表面が第１液体より第２液体に対して高い親和性を有し、且つ、第２液体に対して非膨潤性を有する。
【００１１】
また、本発明の液体レンズアレイ素子は、第１及び第２光透過性部材と、複数の液体収容室と、第１液体と、第２液体と、第１及び第２電極と、第１絶縁膜と、第２絶縁膜とを備える構成とし、各部の構成及び配置関係は次のようにする。複数の液体収容室は、第１及び第２光透過性部材の間に設けられる。第１液体は、各液体収容室に収容され、光透過性を有し、且つ、絶縁性または無極性を有する。第２液体は、各液体収容室に収容され、第１液体と混合せず、光透過性を有し、第１液体と異なる屈折率を有し、且つ、導電性または有極性を有する。第１及び第２電極は、各液体収容室を画成する側壁上、及び、第２光透過性部材の第２液体側にそれぞれ設けられ、第２液体に電圧を印加する。第１絶縁膜は、第１電極と前記第２液体との間に形成され、第２液体側の表面が第２液体より第１液体に対して高い親和性を有する。そして、第２絶縁膜は、第２電極と第２液体との間に形成され、第２液体側の表面が前記第１液体より前記第２液体に対して親和性が高く、且つ、第２液体に対して非膨潤性を有する。
【００１２】
また、本発明の可変照明装置は、上記本発明の液体レンズアレイ素子と、液体レンズアレイ素子の第２液体側に配置され、液体レンズアレイ素子に光を出射する発光部とを備える構成とする。
【００１３】
さらに、本発明の２次元／３次元画像切替表示装置は、上記本発明の液体レンズアレイ素子と、液体レンズアレイ素子の第２液体側に配置された表示パネルと、液体レンズアレイ素子の第１液体側に配置された固定レンズアレイ部とを備える構成とする。そして、固定レンズアレイ部を、複数の液体収容室とそれぞれ対向する位置に配置され、且つ、２次元画像表示時の第１液体及び第２液体間の界面における負の屈折力を相殺する正の屈折力を有する複数の固定焦点レンズで構成する。
【００１４】
本発明では、上述のように、第１電極と第２液体（導電性液体）との間だけでなく、第２電極と第２液体との間にも絶縁膜（第２絶縁膜）を設ける。そして、第２絶縁膜として、その第２液体側の表面が、第１液体より第２液体に対して親和性の高い（親水性を有する）構造を有し、さらに、第２液体に対して非膨潤性を有する性質を有する絶縁膜を用いる。それゆえ、本発明では、第１絶縁膜が絶縁破壊を起こしても、第２絶縁膜で一対の電極間の絶縁性は維持される。
【発明の効果】
【００１５】
上述のように、本発明では、第１電極と第２液体との間に第１絶縁膜を設けるとともに、第２電極と第２液体との間にも第２絶縁膜を設けるので、第１絶縁膜が絶縁破壊を起こしても、第２絶縁膜により一対の電極間の絶縁性を維持することができる。
【００１６】
それゆえ、本発明によれば、エレクトロウェッティング現象を利用した可変光学素子及びそれを用いた光学装置において、例えば繰り返し動作の安定性、高温／低温保存の安定性、長期保存時の安定性等を向上させることができ、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る照明装置の概略構成図である。
【図２】図２（ａ）は、第１の実施形態の照明装置における液体レンズ部の発光部側から見た概略側面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３（ａ）は、ＣＶＤコーティングする前のポリパラキシレンの化学式であり、図３（ｂ）は、ＣＶＤコーティング後のポリパラキシレンの化学式である。
【図４】図４は、第１の実施形態の照明装置の動作を説明するための図である。
【図５】図５は、第１の実施形態の照明装置の動作を説明するための図である。
【図６】図６は、第１液体及び第２液体間の界面の接触角の定義を説明するための図である。
【図７】図７は、第１の実施形態の照明装置の配光特性を示す図である。
【図８】図８は、比較例１の照明装置の概略構成図である。
【図９】図９（ａ）は、比較例１の照明装置における液体レンズ部の発光部側から見た概略側面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】図１０は、各種実施例における第１液体及び第２液体間の界面の接触角と、印加電圧との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、各種実施例における液体レンズ部の耐久性能を示す図である。
【図１２】図１２は、従来の液体レンズを適用した２Ｄ／３Ｄ表示装置における２Ｄモード時の動作状態を示す図である。
【図１３】図１３は、従来の液体レンズを適用した２Ｄ／３Ｄ表示装置における３Ｄモード時の動作状態を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２の実施形態に係る２Ｄ／３Ｄ表示装置における２Ｄモード時の動作状態を示す図である。
【図１５】図１５は、第２の実施形態の２Ｄ／３Ｄ表示装置における３Ｄモード時の動作状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施形態に係る可変光学素子を用いた光学装置の構成例を、図面を参照しながら以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：照明装置（ストロボ装置）の構成例
２．第２の実施形態：２次元／３次元画像切替表示装置の構成例
【００１９】
＜１．第１の実施形態＞
［照明装置の構成］
図１に、本発明の第１の実施形態に係る照明装置（可変照明装置）の概略構成を示す。本実施形態の照明装置１は、発光部２と、液体レンズ部３（液体レンズアレイ素子）とを備える。
【００２０】
発光部２は、主に、光源４と、反射板５とで構成される。光源４は、例えばキセノン管やＬＥＤ（Light-Emitting Diode）等で構成される。なお、光源４として、例えば一方向に延在した形状のキセノン管を用いた場合には、反射板５及び後述する液体レンズもそのキセノン管の形状に合わせてシリンドリカル形状にすることが好ましい。
【００２１】
反射板５は、例えばＡｌ（アルミニウム）等で形成された高反射率の板状部材で構成される。反射板５の断面は、例えば放物線、楕円等の形状とし、光源４から発生された光を絞ることができる形状とする。また、反射板５は、光源４から出射された光を絞ることができる位置に配置される。例えば、反射板５の断面形状を放物線状とした場合には、光源４の位置が、放物線の焦点位置となるように反射板５を配置する。
【００２２】
液体レンズ部３は、発光部２の光射出側に配置される。なお、本実施形態では、液体レンズ部３内に、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂ（可変光学素子）を設ける。そして、本実施形態では、液体レンズ部３の中心に対して対称な位置に２つの液体レンズ３ａ及び３ｂを配置する。なお、液体レンズ部３内に設ける液体レンズの数は、この例（２個）に限定されず、例えば用途、必要とする配光特性等に応じて適宜設定できる。
【００２３】
また、各液体レンズは、第１液体１１と、第１液体１１と混和（混合）せず且つ第１液体と屈折率の異なる第２液体１２とで構成され、両者の界面でレンズ効果を得る構成になっている。なお、本実施形態では、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂは、同じ構成を有する。
【００２４】
第１液体１１は、絶縁性または無極性の光透過性液体で構成される。無極性の液体材料としては例えばヘキサン等を用いることができる。また、絶縁性の液体材料としては、例えばシリコーンオイル等を用いることができる。本実施形態の照明装置１では、第１液体１１及び第２液体１２間の屈折率差を大きくすることによりレンズ効果が得るので、第１液体１１としては、例えばシリコーンオイル等の高屈折率材料を用いることが好ましい。
【００２５】
第２液体１２は、導電性または有極性の光透過性液体で構成される。有極性の液体材料としては、例えば純水等を用いることができる。また、導電性の液体材料としては、例えば塩を溶かした水溶液等を用いることができる。なお、照明装置１において高い信頼性を得るためには、第２液体１２としては、広い温度範囲で安定して液体として存在する液体材料を選定する必要がある。それゆえ、第２液体１２としては、例えば塩化リチウム水溶液（２０ｗｔ％）等を用いることが好ましい。
【００２６】
なお、第１液体１１及び第２液体１２として、上述のように、互いに混和せず、屈折率の異なる液体材料を選択するが、さらに、液体レンズのより安定した動作を得るために、第１液体１１の比重と第２液体１２の比重を同じにすることが好ましい。ただし、液体レンズのサイズが小さい場合には、液体レンズへの重力の影響より、液体間の表面張力の影響が大きくなるので、両者の比重が互いに異なっていてもよい。また、第１液体１１及び第２液体１２はともに、可変光学部材として使用するので、透明で粘度の小さな液体材料であることが好ましい。
【００２７】
本実施形態の照明装置１では、第２液体１２に駆動電圧を印加して、第１液体１１及び第２液体１２間の界面形状を変化させることにより、各液体レンズ３ａ，３ｂの焦点距離を変化させ、照明装置１から出射される光の配光性（光の広がり度）を変化させる。
【００２８】
なお、本実施形態の照明装置１では、発光部２と、液体レンズ部３とを接続する部分に光源４からの光に含まれる紫外線を遮断する光学フィルムを設けることが好ましい。この場合、液体レンズを構成する液体材料の劣化を抑制することができる。
【００２９】
［液体レンズ部の構成］
ここで、液体レンズ部３の構成を、図２（ａ）及び（ｂ）を参照しながらより詳細に説明する。なお、図２（ａ）は、液体レンズ部３の発光部２側から見た側面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。ただし、図２（ｂ）では、説明の便宜上、後述する第１電極の電極端子及びその引出電極も示す。
【００３０】
液体レンズ部３は、主に、第１基材１０（第１光透過性部材）と、液体収容部２０と、第２基材部３０と、封止部材４０と、液体収容部２０に封入された第１液体１１及び第２液体１２とで構成される。
【００３１】
なお、本実施形態では、液体収容部２０の一方の表面には、第１基材１０が設けられ、他方の表面には、封止部材４０を介して第２基材部３０が設けられる。そして、液体レンズ部３内部には、２つの液体収容室４１及び４２が形成（画成）されており、各液体収容室内では、第１液体１１が第１基材１０側に配置され、第２液体１２が第２基材部３０側に配置される。
【００３２】
第１基材１０は、光透過性の板状部材であり、例えばガラス、樹脂等の光透過性材料（透明性材料）で形成される。なお、図２（ｂ）に示すように、第１基材１０は、第１液体１１と接するので、第１液体１１に対して腐食性の少ない材料（例えばガラス等）を用いることが好ましい。
【００３３】
なお、第１基材１０の第１液体１１と接する面は、第１液体１１に対して親和性を有する面（撥水面）であることが好ましい。第１基材１０の第１液体１１と接する面を撥水面にするために、第１基材１０の形成材料として、例えばＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）等の撥水性材料を用いてもよい。また、第１基材１０の第１液体１１と接する部分に撥水膜（例えばフッ素コート膜等）を形成してもよい。さらに、第１基材１０には、例えば用途等に応じて、例えば反射防止フィルムやフレネルレンズ等の光学機能を適宜付加してもよい。
【００３４】
液体収容部２０は、液体収容部材２１と、第１電極２２と、第１絶縁膜２３とで構成される。
【００３５】
液体収容部材２１は、第１基材１０に比べて肉厚の透明性板状部材で構成される。なお、本実施形態では、後述するように、高アスペクト比の微細構造パターンが形成可能な例えばレジスト材料等で液体収容部材２１を形成する。本実施形態では、液体レンズ部３内に２つの液体レンズ３ａ及び３ｂを構成するので、液体収容部材２１に、その厚さ方向に沿って２つの貫通穴を設ける。
【００３６】
なお、本実施形態では、その貫通穴の開口形状を略矩形状とし、その短辺部の形状を円弧状とする（図２（ａ）参照）。そして、本実施形態では、その貫通穴を画成する液体収容部材２１の側壁面上に第１電極２２を形成し、さらに、第１電極２２上に第１絶縁膜２３を形成する。また、液体収容部材２１の貫通穴の一方の開口端（第１液体１１側の開口端）は、第１基材１０により直接封止される。これにより、第１基材１０の液体側に露出した表面、及び、第１絶縁膜２３により、液体レンズ部３内に、２つの液体収容室４１及び４２が画成される。なお、２つの液体収容室４１及び４２の間隔、すなわち、２つの液体収容室４１及び４２間の隔壁部２１ａの厚さはできる限り薄くすることが好ましい。
【００３７】
本実施形態では、各液体収容室の開口部を略矩形状とするので、各液体収容室にはシリンドリカル状の液体レンズが形成される。すなわち、本実施形態では、２つのシリンドリカル状の液体レンズ３ａ及び３ｂを一方向に配列（並列配置）した構成となる。ただし、本発明はこれに限定されない。液体収容室の開口部を円形とし、液体収容室内に球面状の液体レンズを形成してもよい。この場合、複数の液体収容室（液体レンズ）が２次元状に配置される。このような構成では、各液体レンズの液体界面の変位を安定駆動することができる。なお、液体レンズに入射される光の利用効率という点では、本実施形態のように、液体レンズをシリンドリカル状にする方が有利である。
【００３８】
なお、本実施形態では、液体収容部材２１の隔壁部２１ａの第１基材１０側の端部近傍に、隔壁部２１ａの厚さ方向に沿って微小な貫通穴を形成し、２つの液体収容室４１及び４２間で第１液体１１が流通する構成にしてもよい。このような構成にすると、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の高さを全ての液体収容室で均一にすることができ、より安定した動作が可能になる。
【００３９】
第１電極２２は、例えばＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）等の透明電極材料で形成される。なお、第１電極２２は、液体収容室４１及び４２の側面において、少なくとも、第１液体１１と第２液体１２との界面が接する部分に形成する。また、第１電極２２は、その引出電極２２ｂ及び電極端子２２ａを介して、外部の駆動電源の一方の端子に接続される。
【００４０】
第１絶縁膜２３は、例えばポリパラキシレン、酸化タンタル等で形成することができる。なお、エレクトロウェッティング現象を利用する液体レンズでは、液体収容室４１及び４２の側面において、少なくとも第１液体１１と第２液体１２との界面が接する部分は撥水面にする必要がある。それゆえ、第１絶縁膜２３は、撥水性と絶縁性とを兼ね備えた例えばポリパラキシレン等の撥水性絶縁材料で形成することが好ましい。なお、本発明はこれに限定されず、第１絶縁膜２３上に、別途、撥水膜（例えばフッ素コート膜等）を形成してもよい。本実施形態では、第１絶縁膜２３を、撥水性及び絶縁性だけでなく光透過性も有するポリパラキシレンで形成する例を説明する。
【００４１】
上述のように、本実施形態では、液体収容部材２１、第１電極２２及び第１絶縁膜２３を透明性材料で形成する。この場合、より明るい光学特性が得られる。ただし、本発明はこれに限定されず、液体収容部材２１を、例えば不透明材料で形成してもよい。この場合、第１電極２２を例えばＡｌＳｉ等の高反射率を有する材料で形成し、且つ、第１絶縁膜２３を例えばポリパラキシレン等の透明材料で形成すれば、より高い光学特性が得られる。
【００４２】
第２基材部３０は、第２基材３１（第２光透過性部材）と、第２基材３１の液体収容部２０側に形成された第２電極３２と、第２電極３２の液体収容部２０側に形成された第２絶縁膜３３とで構成される。すなわち、本実施形態の液体レンズ部３では、第１電極２２だけでなく、第２電極３２もまた第２液体１２に直接接触しない構成とする。
【００４３】
第２基材３１は、第１基材１０と同様に、光透過性の板状部材であり、例えばガラス、樹脂等の光透過性材料（透明性材料）で形成される。なお、本実施形態では、第２基材３１に、固定の光学機能（例えばレンズ機能等）を持たせてもよい。
【００４４】
第２電極３２は、図１に示すように、光源４から出射された光の光路上に配置される。それゆえ、第２電極３２は、第１電極２２と同様に、例えばＩＴＯ等の透明電極材料で形成することが好ましい。また、第２電極３２は、液体レンズ部３の外部に引き出された電極端子３２ａを介して、外部の駆動電源の他方の端子に接続される。
【００４５】
なお、図２（ｂ）に示す例では、第２基材３１の液体収容部２０側の表面全面に渡って第２電極３２を形成する例を示すが、本発明はこれに限定されない。第２電極３２は、第２基材３１の液体収容部２０側の第２液体１２と接する領域に形成されていればよい。第２電極３２を光源４から出射された光の光路上以外の領域に形成した場合には、第２電極３２を透明性材料以外の材料で形成してもよい。
【００４６】
第２絶縁膜３３は、その第２液体１２側の表面が第２液体１２に対して親和性（親水性）を有し、且つ、第２液体１２が浸透し難い性質（非膨潤性）を有する絶縁膜で形成される。
【００４７】
第２絶縁膜３３の表面を親水性にする理由は、次の通りである。液体レンズ部３の作製のプロセス工程上、注入する第１液体１１の余剰分の第２絶縁膜３３への付着は回避できない。第２絶縁膜３３の表面が撥水性を有する場合、第２絶縁膜３３に付着した第１液体１１の余剰分を取り除くことは困難である。そして、第１液体１１の余剰分が第２絶縁膜３３の表面に付着した状態で、液体レンズ部３を駆動すると所望の性能を得ることができない。それゆえ、本実施形態では、第２絶縁膜３３の第２液体１２側の表面を親水性にして、第１液体１１の余剰分の第２絶縁膜３３への付着を抑制する。
【００４８】
また、第２絶縁膜３３を、非膨潤性を有する絶縁膜で形成する理由は、次の通りである。第２絶縁膜３３として、第２液体１２に対して膨潤性を有する例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の親水膜を用いると、第２液体１２が第２電極３２に直接接触することとなる。この場合、第１絶縁膜２３が絶縁破壊すると、第１電極２２及び第２電極間が短絡状態となり、絶縁性を維持することができない。それゆえ、本実施形態では、第１絶縁膜２３が絶縁破壊しても、第１電極２２及び第２電極３２間の絶縁性を保障するために、第２絶縁膜３３として、第２液体１２が浸透し難い性質（非膨潤性）を有する絶縁膜を用いる。
【００４９】
ただし、本実施形態では、第２電極３２と第２液体５２との間に第２絶縁膜３３を設けるので、従来に比べて液体レンズ部３の駆動電圧が高くなる恐れがある。それゆえ、駆動電圧の上昇を抑制するため、本実施形態では、第２絶縁膜３３の膜厚を、絶縁効果を維持できる範囲内で、できる限り薄くすることが好ましい。このような絶縁効果と低電圧駆動とを両立するためには、第２絶縁膜３３を比誘電率の高い材料で形成することが好ましい。
【００５０】
上述のような理由から、第２絶縁膜３３としては、誘電率が高く、表面のみが親水性構造を有し、且つ、第２液体５２が浸透し難い性質（非膨潤性）を有する絶縁膜を用いることが最も好ましい。このような性質を有する絶縁膜としては、例えば、次のような膜が挙げられる。
【００５１】
（１）例えばＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の無機材料を真空蒸着法により薄膜成長させた無機絶縁膜。
（２）スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）と呼ばれるシリカ系の無機コーティング膜。なお、この膜はガラス化されたハードコート膜であり、例えばスピンコート法などでＳＯＧ溶液を被覆及び成膜し、比較的低温で焼成することにより形成される。
（３）水溶性液体の膨潤がほとんどないフッ素系樹脂を可溶化して、例えばスピンコート法などにより、そのフッ素系樹脂溶液を被覆及び成膜して形成した絶縁膜。
（４）絶縁性が高い例えばポリパラキシレン等を例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等で形成した絶縁膜。
【００５２】
なお、上記（３）及び（４）の絶縁膜は、撥水性を有する膜であるので、例えば酸素プラズマ法、ＵＶ（Ultraviolet）オゾン法等の表面処理技術を用いて、絶縁膜の表面に親水性表面を露出させる（親水化処理を施す）ことが好ましい。また、第２絶縁膜３３の形成材料は、上記（１）〜（４）に示す例に限定されず、上記性質を有する材料であれば任意の材料を用いることができる。例えば、可溶性ポリイミドなどを用いることができる。
【００５３】
封止部材４０（ギャップ形成部材）は、例えば、所定膜厚の樹脂フィルムや、樹脂製またはシリカ製等のビーズなどで構成される。
【００５４】
上述のように、本実施形態の液体レンズ部３では、第１液体１１及び第２液体１２と第１電極２２との間に絶縁膜（第１絶縁膜２３）を形成するとともに、第２液体１２と第２電極３２との間にも絶縁膜（第２絶縁膜３３）を設ける。また、この際、第２絶縁膜３３として、第２液体１２側の表面が親水性構造を有し、且つ、第２液体１２に対して非膨潤性を有する絶縁膜を用いる。
【００５５】
それゆえ、本実施形態の照明装置１では、例えば繰り返し動作や環境変化等による劣化や予期されない原因により、第１絶縁膜２３に例えば絶縁破壊等が発生しても、第１電極２２及び第２電極３２間の絶縁性は、第２絶縁膜３３により維持される。その結果、本実施形態では、液体レンズ部３の劣化の進行を抑制することができ、例えば繰り返し動作に対する安定性、高温／低温保存時の安定性、長期保存時の安定性等を向上させることができる。すなわち、本実施形態では、照明装置１の信頼性を一層向上させることができる。
【００５６】
［液体レンズ部の作製手法］
ここで、本実施形態の液体レンズ部３の作製手法を簡単に説明する。まず、第１基材１０となる基板を用意し、その基板を洗浄する。具体的には、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等のガラス基板の洗浄工程にも用いられる洗剤等を用いて、超音波基板洗浄機にて基板を洗浄する。次いで、脱イオン水にて十分に洗剤を除去する。そして、ＵＶオゾンドライ処理装置において、ドライ洗浄を行う。
【００５７】
次いで、洗浄された基板（第１基材１０）上に、スピンコート法により、レジスト材料を均一に成膜する。次いで、フォトリソ法により、２つの液体収容室４１及び４２の領域のレジスト材料のみを除去して、所望の形状を有する液体収容部材２１を第１基材１０上に形成する。なお、本実施形態では、レジスト材料として、高アスペクト比の微細構造パターンが形成可能な例えば化薬マイクロケム社製ＳＵ８等のレジスト材を用いる。また、例えば化薬マイクロケム社製ＳＵ８のドライフィルムを用いることで、さらに厚膜で、アスペクト比の大きな微細構造を形成させることも可能である。
【００５８】
次いで、液体収容部材２１が形成された第１基材１０を真空チャンバー内に配置し、液体収容部材２１の微細構造部（２つの液体収容室４１及び４２の側壁部）に、例えばスパッタ法等の手法により透明電極膜（ＩＴＯ）を積層して第１電極２２を形成する。なお、この際、２つの液体収容室４１及び４２の側壁部の深さ方向に第１電極２２を均一に形成するために、液体収容部材２１が形成された第１基材１０を真空チャンバー内で自転及び公転させながらＩＴＯ膜を成膜することが好ましい。
【００５９】
次いで、第１電極２２上に、ポリパラキシレン誘導体の原料（Ｋｉｓｃｏ株式会社製ｄｉｘＣ）を、ＣＶＤコーティングし、第１絶縁膜２３を形成する。本実施形態では、この際、液体収容部材２１の第２基材部３０側の端面上にも第１絶縁膜２３を形成する。なお、第１絶縁膜２３の厚みは約０．１〜５μｍ程度とする。また、ＣＶＤコーティングの条件は、ポリパラキシレン誘導体の原料の製造メーカが推奨する条件とする。
【００６０】
図３（ａ）及び（ｂ）に、本実施形態で用いたポリパラキシレン誘導体の化学式を示す。なお、図３（ａ）は、ポリパラキシレン誘導体の原料（ＣＶＤコーティング前）の化学式であり、図３（ｂ）は、ＣＶＤコーティング後のポリパラキシレン誘導体の化学式である。図３（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、ＣＶＤコーティング前の原料の状態では、ＣＨ２基同士が結合した状態であるが、ＣＶＤコーティング後はその結合が外れ、ポリパラキシレン誘導体は鎖状構造となる。
【００６１】
本実施形態では、上述のようにして、第１基材１０及び液体収容部２０を作製する。また、上記第１基材１０及び液体収容部２０の製造プロセスとは、別個に、液体レンズ部３の第２基材部３０を次のようにして作製する。
【００６２】
まず、第２基材３１となる基板を用意し、その基板を洗浄する。具体的には、例えばＬＣＤ等のガラス基板の洗浄工程にも用いられる洗剤等を用いて、超音波基板洗浄機にて基板を洗浄する。次いで、脱イオン水にて十分に洗剤を除去する。そして、ＵＶオゾンドライ処理装置において、ドライ洗浄を行う。
【００６３】
次いで、洗浄された基板（第２基材３１）を真空チャンバー内に配置し、第２基材３１上に、例えばスパッタ法等の手法により透明電極膜（ＩＴＯ）を積層して第２電極３２を形成する。この際、第２電極３２の抵抗値が１００［Ω／□：オーム・パー・スクエア］となるように第２電極３２を形成する。
【００６４】
次いで、第２電極３２上に、第２絶縁膜３３を形成する。なお、第２絶縁膜３３の形成手法は、その形成材料に応じて適宜変更する。各種形成材料に対応する第２絶縁膜３３の形成手法については、後で説明する。本実施形態では、上述のようにして、第２基材部３０を作製する。
【００６５】
次に、上述のようにして作製された第１基材１０及び液体収容部２０からなる構成部材に形成された２つの液体収容室４１及び４２内に、第１液体１１及び第２液体１２を注入する。具体的には、まず、２つの液体収容室４１及び４２の側壁に形成された第１絶縁膜２３（撥水膜）上に第１液体１１となるオイル材料を塗布する。そして、２つの液体収容室４１及び４２の開口端部（上端）から、一定速度で、第２液体１２となる水を２つの液体収容室４１及び４２内に流し入れる。これにより、２つの液体収容室４１及び４２内に第１液体１１及び第２液体１２を注入する。
【００６６】
次いで、第１基材１０及び液体収容部２０からなる構成部材の液体収容部材２１側の表面と、第２基材部３０の第２絶縁膜３３側の表面との距離が、約１０〜５００μｍとなるように、封止部材４０を介して、両者を貼り合わせる。この際、封止部材４０及び封止用接着剤を用いて、第１基材１０及び液体収容部２０からなる構成部材の液体収容部材２１と第２基材部３０とを接着固定する。
【００６７】
そして、最後に、第１電極２２及び第２電極３２と、外部駆動装置（外部電源）とを接続する。本実施形態では、このようにして、液体レンズ部３を作製する。
【００６８】
［照明装置の動作］
次に、本実施形態の照明装置１の動作について、図４及び５を参照しながら説明する。なお、図４は、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合の状態を示し、図５は、液体レンズ部３に所定の電圧値Ｖの駆動電圧を印加した際の状態を示す。なお、本実施形態では、液体レンズ部３に所定の電圧値Ｖの駆動電圧を印加した際、各液体レンズ内の第１液体１１及び第２液体１２間の界面と第１絶縁膜２３との間の接触角が９０度になるように、各液体の形成材料（屈折率）及び所定の電圧値Ｖ等が調整される。
【００６９】
ただし、本発明はこれに限定されず、駆動電圧を印加した際における、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と第１絶縁膜２３との間の接触角θの値は９０度以外の値であってもよい。駆動電圧印加時の接触角θの値は、例えば必要とする照明装置１の配光特性等に応じて適宜設定することができる。
【００７０】
ここで、本明細書における第１液体１１及び第２液体１２間の界面と第１絶縁膜２３との間の接触角θの定義を、図６を参照しながら説明する。なお、図６は、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と、第１絶縁膜２３との間の接触角θの定義を示す図である。本実施形態では、接触角θは、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と第１絶縁膜２３との接点における界面の接線方向と、第１絶縁膜２３との間の角度とする。そして、図６において、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と第１絶縁膜２３との接点における界面の接線方向に対して時計周り方向の角度を正の値とする。
【００７１】
液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合（図４の場合）、第１液体１１及び第２液体１２間の界面が接する第１絶縁膜２３は撥水性を有するので、第１絶縁膜２３と親和性の高い第１液体１１が第１絶縁膜２３の表面上に広がろうとする。それゆえ、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合には、第１液体１１及び第２液体１２間の界面と、第１絶縁膜２３との間の接触角θは、９０度より小さくなり、第１液体１１及び第２液体１２間の界面形状は、光源４側から見て凹状となる。
【００７２】
この場合、光源４から入射される光に対して、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂは凹レンズ（負の屈折力を有するレンズ）として作用する。それゆえ、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合には、光源４から２つの液体レンズ３ａ及び３ｂに入射された光は、その配光が広がるように、第１液体１１及び第２液体１２間の界面で屈折する。
【００７３】
一方、液体レンズ部３に所定の電圧値Ｖの駆動電圧を印加した場合（図５の場合）、エレクトロウェッティング現象により、第２液体１２の第１絶縁膜２３に対する濡れ性（親和性）が向上する。この結果、第２液体１２が第１絶縁膜２３の表面上に広がろうとするので、第１液体１１及び第２液体１２間の界面は、その接触角θが大きくなるように変形する。本実施形態では、この際、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θが９０度となり、両者の界面形状はフラットになる。
【００７４】
この場合、光源４から２つの液体レンズ３ａ及び３ｂに入射される光は、第１液体１１及び第２液体１２間の界面で屈折せず、直進する。すなわち、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂは、光源４から入射される光に対して、レンズとして機能しない。それゆえ、この場合には、２つの液体レンズ３ａ及び３ｂに入射される光の指向性は変化せず、その配光は狭くなる。
【００７５】
図７に、本実施形態の照明装置１の配光特性を示す。図７中の横軸は、液体レンズ部３から出射される光の角度であり、縦軸は、出射光の露光量（光量）である。なお、図７の横軸に示す角度では、液体レンズ部３の厚さ方向を０度とする。
【００７６】
図７中の黒菱形印で示された特性６１が、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合（図４の場合）の配光特性である。この特性６１から明らかなように、液体レンズ部３に駆動電圧を印加しない場合には、約±３０度の範囲で略均一の露光量が得られ、配光が広がることが分かる。
【００７７】
また、図７中の白抜き菱形印で示された特性６２が、液体レンズ部３に駆動電圧を印加した場合（図５の場合）の配光特性である。この特性６２から明らかなように、液体レンズ部３に駆動電圧を印加した場合には、０度の角度付近で光の露光量が最大となり、それ以外の角度では急激に露光量が低下する特性が得られ、配光が狭くなることが分かる。
【００７８】
［性能実験］
本実施形態では、第２絶縁膜３３の形成材料を変化させた種々の液体レンズ部３を作製し、その性能を測定し比較した。具体的には、第２絶縁膜３３の構成が異なる種々の液体レンズ部３に対して、印加電圧と、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θとの関係、並びに、各種液体レンズ部３の絶縁耐性について調べた。なお、以下に示す性能実験で作製した種々の液体レンズ部３では、第２絶縁膜３３以外の構成は全て共通とし、第１絶縁膜２３は、ポリパラキシレン誘導体（Ｋｉｓｃｏ株式会社製ｄｉｘＣ）で形成し、その厚さを１μｍとした。
【００７９】
（１）実施例１
実施例１の液体レンズ部３では、第２絶縁膜３３を、ＳｉＯ２からなる無機絶縁膜で形成した。また、その厚さは、１００ｎｍとした。
【００８０】
なお、この例の第２絶縁膜３３は、一般に用いられる真空蒸着法により形成した。具体的には、表面に第２電極３２が形成された第２基材３１を真空チャンバー内に配置し、その後、抵抗加熱法によりＳｉＯ２膜を第２電極３２上に蒸着した。その後、ＳｉＯ２膜の表面をＵＶオゾン法により１０分間表面処理した。この例では、このようにして第２絶縁膜３３を形成した。
【００８１】
（２）実施例２
実施例２の液体レンズ部３では、第２絶縁膜３３を、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）と呼ばれるシリカ系の無機コーティング膜で形成した。また、その膜厚は、５０ｎｍとした。
【００８２】
なお、この例では、第２絶縁膜３３の形成材料として、日産化学工業株式会社製の絶縁ハードコート材ＨＣＣとして市販されているＡＴ−９０２を用いた。なお、この材料（ＡＴ−９０２）の比誘電率は２０であり、形成時の焼成温度は３００℃である。
【００８３】
すなわち、一般的なＳＯＧの焼成温度は５００℃以上であるが、この例では、それよりも焼成温度の低いＳＯＧを用いる。このような材料では、コーティング材の焼成温度が３００℃程度であるので、第２基材３１にガラスを用いた場合にも適用可能となる。さらに、この例では、比誘電率が２０であるので、実施例１の第２絶縁膜３３の形成材料として用いたシリカ（ＳｉＯ２）の比誘電率（約２程度）に比べて、比誘電率を非常に大きくすることができる。
【００８４】
また、この例の第２絶縁膜３３の形成手法は、次の通りである。まず、第２基材３１上に形成された第２電極３２の表面に、例えばスピンコート法などでＡＴ−９０２の溶液を被覆及び成膜した。次いで、３００℃で焼成して、ガラス化されたハードコート膜（ＳＯＧ膜）を形成した。そして、ＳＯＧ膜の表面をＵＶオゾン法により１０分間表面処理した。この例では、このようにして第２絶縁膜３３を形成した。
【００８５】
（３）実施例３
実施例３の液体レンズ部３では、第２絶縁膜３３を、実施例２と同様に、ＳＯＧ膜で形成した。ただし、その膜厚は、１００ｎｍとした。それ以外は、実施例２と同様の構成とし、実施例２と同様にして第２絶縁膜３３を形成した。
【００８６】
（４）実施例４
実施例４の液体レンズ部３では、第２絶縁膜３３を、実施例３と同様に、ＳＯＧ膜で形成し、その膜厚は、１００ｎｍとした。ただし、この例では、第２絶縁膜３３の形成材料として、日産化学工業株式会社製の絶縁ハードコート材ＨＣＣとして市販されているＡＴ−７３２を用いた。なお、この材料（ＡＴ−７３２）の比誘電率は１４であり、形成時の焼成温度は３００℃である。それ以外は、実施例３と同様の構成とし、実施例３と同様にして第２絶縁膜３３を形成した。
【００８７】
この例においても、実施例２と同様に、コーティング材の焼成温度を低くすることができるので、第２基材３１にガラスを用いた場合にも適用可能となる。さらに、この例では、比誘電率が１４であるので、実施例１の第２絶縁膜３３の形成材料として用いたシリカ（ＳｉＯ２）の比誘電率（約２程度）に比べて、比誘電率を非常に大きくすることができる。
【００８８】
（５）実施例５
実施例５の液体レンズ部３では、第２絶縁膜３３を、第１絶縁膜２３と同様に、ポリパラキシレンをＣＶＤ成膜することにより形成した。なお、その膜厚は、１００ｎｍとした。その後、ポリパラキシレン膜の表面をＵＶオゾン法により１０分間表面処理して親水化した。この例では、このようにして第２絶縁膜３３を形成した。
【００８９】
なお、実施例３のように、第２絶縁膜３３をＳＯＧ膜で形成した場合には、その膜厚を１００ｎｍ以上とすることは困難であるが、この例のように第２絶縁膜３３をポリパラキシレン膜で形成する場合には、そのような制限はなく、膜厚をさらに厚くすることがきる。
【００９０】
（６）実施例６
実施例６の液体レンズ部３では、実施例５と同様に、第２絶縁膜３３を、ポリパラキシレンをＣＶＤ成膜することにより形成した。ただし、その膜厚は、１０００ｎｍとした。それ以外は、実施例５と同様の構成とした。
【００９１】
（７）実施例７
実施例７の液体レンズ部３では、実施例５と同様に、第２絶縁膜３３を、ポリパラキシレンをＣＶＤ成膜することにより形成した。ただし、その膜厚は、３０００ｎｍとした。それ以外は、実施例５と同様の構成とした。
【００９２】
また、本実施形態では、比較のため、次のような比較例に対しても上記実施例１〜７と同様に、印加電圧と、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θとの関係、並びに、液体レンズ部の絶縁耐性について調べた。
【００９３】
（８）比較例１
比較例１では、液体レンズ部を、第２絶縁膜を備えない構成とする。図８並びに図９（ａ）及び（ｂ）に、それぞれ比較例１の照明装置７０の概略構成、並びに、液体レンズ部７１の概略構成を示す。なお、図９（ａ）は、比較例１の液体レンズ部７１の発光部２側から見た概略側面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。また、図８並びに図９（ａ）及び（ｂ）において、第１の実施形態（図１並びに図２（ａ）及び（ｂ））と同じ構成には、同じ符号を付して示す。
【００９４】
図１並びに図２（ａ）及び（ｂ）（第１の実施形態）と、図８並びに図９（ａ）及び（ｂ）（比較例１）との比較から明らかにように、比較例１では、第２基材部７２が第２絶縁膜を備えないこと以外は第１の実施形態と同様の構成とした。
【００９５】
（９）比較例２
比較例２の液体レンズ部では、実施例５と同様に、第２絶縁膜を、ポリパラキシレンをＣＶＤ成膜することにより形成した。なお、その膜厚は、１００ｎｍとした。ただし、この例では、形成したポリパラキシレン膜に対して親水化処理を行わなかった。それ以外は、実施例５と同様の構成とした。
【００９６】
上述のようにして作製した実施例１〜７並びに比較例１及び２の第２絶縁膜の構成を下記表にまとめる。
【００９７】
【表１】
2011090053.tif 000003
【００９８】
図１０に、実施例１〜７並びに比較例１及び２で作製した液体レンズ部において得られた印加電圧と、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θとの関係を示す。なお、図１０中の横軸は、第１電極２２及び第２電極３２間に印加する電圧であり、縦軸は、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θである。ただし、図１０中には、比較例１、実施例２、３及び５〜７において得られた特性を示す。
【００９９】
なお、印加電圧と、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θとの関係においては、実施例１及び４の特性は、それぞれ実施例３及び６とほぼ同じ特性となったので、図１０では省略する。
【０１００】
また、比較例２については、第２絶縁膜の膜厚は実施例５と同様であり、実施例５と同様の性能が期待される。しかしながら、比較例２では、第２絶縁膜を親水化処理しなかったので、液体レンズ部の作製工程において、第１基材１０と第２基材部３０とを貼り合わせた際、第２絶縁膜上にオイル材料（第１液体１１）が付着していた。この結果、比較例２の液体レンズ部は正常動作しなかった。すなわち、比較例２の構成は、製造の点で欠点がある。それゆえ、比較例２における印加電圧と、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θとの関係の特性は図１０に示していない。なお、第２絶縁膜を親水化処理した各実施例の液体レンズ部では、第２絶縁膜上のオイル材料（第１液体１１）の付着は見られなかった。
【０１０１】
図１０の特性から明らかなように、印加電圧と第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θとの関係では、比較例１と、実施例２、３及び５とで同様の特性が得られる。しかしながら、比較例１では、第２絶縁膜を備えないので、印加電圧を増大させると絶縁破壊に伴うガスの発生のような現象が見られ、印加電圧を１００［Ｖ］まで増大させることができなかった。
【０１０２】
それに対して、実施例３及び５では、印加電圧を１００［Ｖ］付近まで増大させても絶縁破壊のような劣化は見られなかった。さらに、実施例３及び５では、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θを９０度まで変化させることができる。なお、接触角θ＝９０度は、後述の第２の実施形態で説明する２次元／３次元切り替え可能な表示装置において、必須となる接触角の値である。
【０１０３】
また、実施例６及び７では、実施例５に比べて第２絶縁膜の膜厚が厚い（それぞれ１０００ｎｍ及び３０００ｎｍ）ので、絶縁耐性は実施例５より向上することは予想される。しかしながら、接触角θを変化させるための印加電圧が実施例５に比べて大きくなることは避けられない。それゆえ、図１０に示すように、実施例６及び７の特性では、印加電圧に対する接触角θの変化率は、実施例５に比べて小さくなる。
【０１０４】
なお、実施例２では、比較例１と同様に、印加電圧を増大させると絶縁破壊に伴うガスの発生のような現象が見られ、印加電圧を１００［Ｖ］まで増大させることができなかった。しかしながら、図１０から明らかなように、比較例２より高い電圧を印加することができることが分かる。
【０１０５】
また、図１０に示す特性から、駆動電圧を高くすることなく、接触角θを９０度まで変化させるための第２絶縁膜３３の膜厚の好ましい範囲は、約１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であることが分かる。
【０１０６】
次に、印加電圧と、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θとの関係（図１０の特性）において、ほぼ同じ特性が得られた実施例２、３及び５、並びに、比較例１の液体レンズ部に対して絶縁耐性試験を行った。
【０１０７】
この試験では、実施例２、３及び５、並びに、比較例１の構成の液体レンズ部の評価サンプルをそれぞれ１０個用意し、各評価サンプルに対して、接触角θ＝８０度となる印加電圧と、０［Ｖ］とを、１秒毎に、交互に印加する繰り返し実験を行った。そして、この繰り返し実験の経過時間（動作時間）に対する正常動作品の数の変化を調べた。
【０１０８】
図１１に、この繰り返し実験の結果を示す。なお、図１１中の横軸は、繰り返し実験における動作時間であり、縦軸は、正常動作品の数である。
【０１０９】
図１１の特性から明らかなように、比較例１では、動作時間が１００時間以内で正常に動作する評価サンプルが無くなったのに対して、実施例２、３及び５では、１００時間以上動作させても正常動作品が得られた。また、実施例２、３及び５の特性から明らかなように、第２絶縁膜３３の膜厚が厚く（実施例３及び５）なると、動作時間に対する正常動作品の数が増大することが分かる。特に、第２絶縁膜３３の膜厚が１００ｎｍとなる実施例３及び５では、１０００時間動作させても、ほとんどの評価サンプル（約８０〜９０％のサンプル）で正常動作することが確認された。
【０１１０】
すなわち、図１１の結果から、本実施形態の構成の液体レンズ部では、第２絶縁膜の膜厚が厚くなると、動作時間に対する液体レンズ部３の信頼性（安定性）が増大することが分かる。また、このことから、本実施形態では、製品出荷後の動作不良品の発生数を低減できることが分かる。
【０１１１】
以上の性能実験から、本実施形態の液体レンズ部３では、以下の条件を満たす可変光学素子を実現することができる。
（１）駆動電圧をできる限る増大させない。
（２）駆動電圧を、第１液体１１及び第２液体１２間の界面の接触角θを９０度まで変化させ得る電圧値まで、安定して印加することができる。
（３）連続動作させても、長期間正常動作させることができる。
【０１１２】
＜２．第２の実施形態＞
上記第１の実施形態では、本発明の可変光学素子（液体レンズ）を照明装置（ストロボ）に適用する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、様々な用途に適用可能である。第２の実施形態では、その一例として、本発明の可変光学素子を２次元／３次元画像切替表示装置（以下、２Ｄ（Dimension）／３Ｄ表示装置という）に適用した例を説明する。
【０１１３】
従来、２次元表示モードと、３次元表示モードとを切り替え表示する２Ｄ／３Ｄ表示装置として、複数の液晶レンズからなる可変レンズアレイを用いたものが提案されている。例えば、「Dick K.G. de Boer, Martin G.H. Hiddink, Maarten Sluijter, Oscar H. Willemsen and Siebe T. de Zwart,“Switchable lenticular based 2D/3D displays”,SPIE Vol. 6490, 64900R(2007)」に、そのような構成が記載されている。
【０１１４】
上述のような２Ｄ／３Ｄ表示装置では、２次元表示モード（以下、２Ｄモードという）時には、レンズアレイをレンズ効果の無い状態（屈折力の無い状態）に切り替え、２次元表示装置からの表示画像光をそのままの状態で通過させる。一方、３次元表示モード（以下、３Ｄモードという）時には、レンズアレイを、レンズ効果を発生させた状態（例えば正の屈折力を有する状態）に切り替え、２次元表示装置からの表示画像光を複数の視野角方向に偏向させることで立体視を実現する。
【０１１５】
上述のように、２Ｄ／３Ｄ表示装置では、３Ｄモード時には、正の屈折力を有するレンズアレイが必要となるが、エレクトロウェッティング現象を利用した液体レンズは、上記第１の実施形態で説明したように、負の屈折力を有する。それゆえ、液体レンズを２Ｄ／３Ｄ表示装置に適用する場合には、負の屈折力を有し且つ焦点距離が可変の液体レンズアレイと、正の屈折力を有し且つ焦点距離が固定のシリンドリカルレンズアレイとを組み合わせて用いる。
【０１１６】
図１２及び１３に、液体レンズを適用した２Ｄ／３Ｄ表示装置の一構成例を示す。なお、図１２及び１３には、従来の液体レンズを適用した構成例を示す。また、図１２は、２Ｄモード時における２Ｄ／３Ｄ表示装置の動作状態を示す図である。一方、図１３は、３Ｄモード時における２Ｄ／３Ｄ表示装置の動作状態を示す図である。
【０１１７】
２Ｄ／３Ｄ表示装置２００は、主に、表示パネル１０１と、液体レンズ部２０２と、固定レンズ部１０３とで構成される。
【０１１８】
表示パネル１０１は、例えば液晶表示装置等で構成することができる。表示パネル１０１の表示面には、規則的に複数の表示画素が２次元配列される。
【０１１９】
液体レンズ部２０２は、主に、第１基材１１０と、液体収容部１２０と、第２基材部２３０と、封止部材１４０と、第１液体１１１と、第１液体１１１と混和しない第２液体１１２とで構成される。なお、図１２及び１３では、説明を簡略化するため、液体収容部１２０内の液体収容部材１２１の表面に形成される第１電極及び第１絶縁膜は、まとめて一つの積層膜１２２として（図１２及び１３中の太実線）で示す。
【０１２０】
液体レンズ部２０２内には、液体収容部１２０の複数の隔壁部１２１ａを介して、複数の液体収容室１４１が形成されており、各液体収容室１４１内に、第１基材１０側から第１液体１１１及び第２液体１１２がこの順で封入されている。すなわち、図１２に示す液体レンズ部２０２では、隔壁部１２１ａを挟んで、複数の液体レンズ１０２ａが並列配置される。なお、２Ｄ／３Ｄ表示装置２００では、各液体収容室１４１（液体レンズ１０２ａ）の幅は、例えば、約０．２〜０．３ｍｍ程度にすることができる。
【０１２１】
ただし、液体レンズ部２０２は、従来の液体レンズをアレイ化した可変レンズアレイ構造を有し、液体収容室１４１（液体レンズ１０２ａ）の数及び幅が異なること以外は、上記比較例１の液体レンズ部７１（図９（ａ）及び（ｂ））と同じ構成である。すなわち、図１２に示す液体レンズ部２０２では、隔壁部１２１ａ上には、第１絶縁膜が形成されるが、第２電極１３２と第２液体１１２との間には第２絶縁膜は形成されない。なお、液体レンズ１０２ａもまた比較例１と同様に、シリンドリカル状のレンズである。
【０１２２】
固定レンズ部１０３は、液体レンズ部２０２内の複数の液体レンズ１０２ａに対応して並列配置された複数の固定レンズ１０３ａを有する。各固定レンズ１０３ａは、対応する液体レンズ１０２ａと、第１基材１１０を挟んで対向する位置に配置される。
【０１２３】
また、図１２に示す例では、液体レンズ１０２ａの形状に合わせて、固定レンズ１０３ａにシリンドリカルレンズを用いる。各固定レンズ１０３ａは、表示パネル１０１から入射される表示画像光に対して凸レンズとして作用するので正の屈折力を有する。なお、図１２に示す例では、液体レンズ１０２ａのレンズ効果がオン状態（印加電圧が０［Ｖ］）であるとき、液体レンズ１０２ａの負の屈折力と、固定レンズ１０３ａの正の屈折力とが互いに相殺するように、固定レンズ１０３ａのレンズ形状が設定されている。
【０１２４】
次に、２Ｄ／３Ｄ表示装置２００の動作を簡単に説明する。２Ｄ／３Ｄ表示装置２００では、駆動電源１９０から液体レンズ部２０２に印加される電圧が０［Ｖ］の場合（図１２の場合）に２Ｄモードとなり、印加電圧が所定値Ｖである場合（図１３の場合）に３Ｄモードになる。なお、３Ｄモードでは、隔壁部１２１ａに対する第１液体１１１及び第２液体１１２間の界面の接触角θが９０度となるように、例えば印加電圧の値Ｖ等が設定されている。
【０１２５】
２Ｄモードでは、図１２に示すように、表示パネル１０１側から見て、各液体レンズ１０２ａは凹レンズとなり、対応する各固定レンズ１０３ａは凸レンズとなる。これにより、各液体レンズ１０２ａでの負の屈折力が固定レンズ１０３ａの正の屈折力により相殺される。この場合、液体レンズ部１０２及び固定レンズ部１０３からなる光学系は、実質、レンズ機能を果たさないので、表示パネル１０１から入射される表示画像光をそのままの状態で通過させる。
【０１２６】
一方、３Ｄモードでは、図１３に示すように、各液体レンズ１０２ａにおいて、隔壁部１２１ａに対する第１液体１１１及び第２液体１１２間の界面の接触角θが９０度となる。この場合、各液体レンズ１０２ａはレンズとして機能せず、液体レンズ部１０２及び固定レンズ部１０３からなる光学系は、実質、固定レンズ部１０３のみの構成と同等となる。この場合、表示パネル１０１からの表示画像光は、固定レンズ部１０３で複数の視野角方向に偏向され、立体視が実現される。
【０１２７】
上述のような構成にすることにより、エレクトロウェッティング現象を利用した液体レンズを２Ｄ／３Ｄ表示装置に適用可能である。しかしながら、図１２及び１３に示す例では、従来の液体レンズを用いているので、上述した例えば長期間にわたる安定動作の保障等の信頼性の問題は残る。第２の実施形態では、この問題を解決するために、２Ｄ／３Ｄ表示装置に、本発明の液体レンズ（可変光学素子）を適用した構成例を説明する。
【０１２８】
［２Ｄ／３Ｄ表示装置の構成］
図１４及び１５に、本実施形態の２Ｄ／３Ｄ表示装置の概略構成及び動作状態を示す。なお、図１４は、２Ｄモード時の２Ｄ／３Ｄ表示装置の動作状態を示す図であり、図１５は、３Ｄモード時の２Ｄ／３Ｄ表示装置の動作状態を示す図である。なお、図１４及び１５において、上述した図１２及び１３の例と同様の構成には同じ符号を付して示す。
【０１２９】
２Ｄ／３Ｄ表示装置１００は、表示パネル１０１と、液体レンズ部１０２（液体レンズアレイ素子）と、固定レンズ部１０３（固定レンズアレイ部）とを備える。
【０１３０】
表示パネル１０１は、図１２に示す例と同様に、例えば液晶表示装置等で構成することができる。なお、表示パネル１０１は、これに限定されず、任意の表示パネルを用いることができる。また、表示パネル１０１の表示面には、規則的に複数の表示画素が２次元配列される。
【０１３１】
液体レンズ部１０２は、表示パネル１０１の光射出側に配置される。本実施形態では、液体レンズ部１０２内に、複数の液体収容室１４１を設ける。そして、各液体収容室１４１には、第１液体１１１と、第１液体１１１と混和しない第２液体１１２とを封入する。すなわち、本実施形態では、液体レンズ部１０２内に、複数の液体レンズ１０２ａを、隔壁部１２１ａを挟んで並列配置する。
【０１３２】
なお、各液体収容室１４１（液体レンズ１０２ａ）は、全て同じ構成であり、その幅は、例えば、約０．２〜０．３ｍｍ程度にすることができる。また、液体レンズ１０２ａもまたシリンドリカル状のレンズである。
【０１３３】
なお、第１液体１１１は、絶縁性の液体または無極性の液体であり、上記第１の実施形態で説明した第１液体１１の液体材料で構成することができる。また、第２液体１１２は、導電性の液体または有極性の液体であり、上記第１の実施形態で説明した第２液体１２の液体材料で構成することができる。
【０１３４】
固定レンズ部１０３は、液体レンズ部１０２の光射出側（第１基材１１０側）に配置される。また、固定レンズ部１０３は、液体レンズ部１０２内の複数の液体レンズ１０２ａに対応してそれぞれ並列配置された複数の固定レンズ１０３ａを有する。複数の固定レンズ１０３ａはそれぞれ、対応する液体レンズ１０２ａと、第１基材１１０を挟んで対向する位置に配置される。
【０１３５】
また、本実施形態では、図１２に示す例と同様に、固定レンズ１０３ａとしてシリンドリカルレンズを用いる。各固定レンズ１０３ａは、表示パネル１０１から入射される表示画像光に対して凸レンズとして作用するので正の屈折力を有する。なお、本実施形態においても、液体レンズ１０２ａのレンズ効果がオン状態（印加電圧が０［Ｖ］）であるとき、液体レンズ１０２ａの負の屈折力と、固定レンズ１０３ａの正の屈折力とが互いに相殺するように、固定レンズ１０３ａのレンズ形状が設定されている。
【０１３６】
なお、本実施形態の２Ｄ／３Ｄ表示装置１００の動作は、上記図１２及び１３の例で説明した動作と同様である。
【０１３７】
すなわち、２Ｄモード（図１４）時には、表示パネル１０１側から見て、各液体レンズ１０２ａは凹レンズとなり、対応する固定レンズ１０３ａは凸レンズとなる。これにより、各液体レンズ１０２ａでの負の屈折力が固定レンズ１０３ａの正の屈折力が相殺される。この場合、液体レンズ部１０２及び固定レンズ部１０３からなる光学系は、実質、レンズ機能を果たさないので、表示パネル１０１からの表示画像光をそのままの状態で通過させる。
【０１３８】
一方、３Ｄモード（図１５）時には、各液体レンズ１０２ａにおいて、隔壁部１２１ａに対する第１液体１１１及び第２液体１１２間の界面の接触角θが９０度となる。この場合、各液体レンズ１０２ａはレンズとして機能せず、液体レンズ部１０２及び固定レンズ部１０３からなる光学系は、実質、固定レンズ部１０３のみの構成と同等となる。この場合、表示パネル１０１からの表示画像光は、固定レンズ部１０３で複数の視野角方向に偏向され、立体視が実現される。
【０１３９】
［液体レンズ部の構成］
ここで、本実施形態の液体レンズ部１０２の構成を、図１４を参照しながらより詳細に説明する。液体レンズ部１０２は、主に、第１基材１１０（第１光透過性部材）と、液体収容部１２０と、第２基材部１３０と、封止部材１４０と、液体収容部１２０に封入された第１液体１１１及び第２液体１１２とで構成される。なお、本実施形態では、液体収容部１２０の一方の表面には、第１基材１１０が設けられ、他方の表面には、封止部材１４０を介して第２基材部１３０が設けられる。そして、液体レンズ部１０２内部には、複数の液体収容室１４１が設けられ、それらは、等間隔で並列配置される。また、各液体収容室１４１には、第１液体１１１が第１基材１１０側に配置され、第２液体１１２が第２基材部１３０側に配置される。
【０１４０】
第１基材１１０は、光透過性の板状部材であり、上記第１の実施形態で説明した第１基材１０の形成材料と同様の材料で形成することができる。なお、第１基材１１０の第１液体１１１と接する面は、第１液体１１１に対して親和性を有する面（撥水面）であることが好ましい。第１基材１１０の第１液体１１１と接する面を撥水面にするために、第１基材１１０の形成材料として、例えばＰＭＭＡ等の撥水性材料を用いてもよいし、第１基材１１０の第１液体１１１と接する部分に撥水膜（例えばフッ素コート膜等）を形成してもよい。
【０１４１】
液体収容部１２０は、液体収容部材１２１と、第１電極及び第１絶縁膜とからなる積層膜１２２とで構成される。なお、図１４では、説明を簡略化するため、液体収容部１２０内の液体収容部材１２１の表面に形成される第１電極及び第１絶縁膜を、まとめて一つの積層膜１２２として（図１４中の太実線）で示す。
【０１４２】
なお、本実施形態の第１電極及び第１絶縁膜は、それぞれ、上記第１の実施形態で説明した第１電極２２及び第１絶縁膜２３の形成材料と同様の材料で形成することができる。また、第１電極は、外部の駆動電源１９０の一方の端子に接続される。
【０１４３】
液体収容部材１２１は、肉厚の板状部材であり、上記第１の実施形態で説明した液体収容部材２１の形成材料と同様の材料で形成することができる。また、本実施形態では、液体収容部材１２１に、その厚さ方向に沿って複数の貫通穴を設ける。これにより、隣り合う貫通穴間に、隔壁部１２１ａが形成される。なお、貫通穴の開口形状は略矩形状とし、その短辺部の形状を円弧状とする。また、貫通穴の開口部の長辺方向は、固定レンズ１０３ａの延在方向と一致させる。
【０１４４】
そして、本実施形態では、その貫通穴を画成する液体収容部材１２１の側壁上に第１電極を形成し、さらに、第１電極上に第１絶縁膜を形成する。なお、液体収容部材１２１の貫通穴の一方の開口端は、第１基材１１０により直接封止される。これにより、第１基材１１０の液体側に露出した表面、及び、液体収容部材１２１内の隔壁部１２１ａ上に形成された積層膜１２２により、液体収容室１４１が画成される。
【０１４５】
なお、本実施形態においても、液体収容部材１２１内の各隔壁部１２１ａの第１基材１０側の端部近傍に、隔壁部２１ａの厚さ方向に沿って微小な貫通穴を形成し、隣り合う液体収容室間で第１液体１１１が流通する構成にしてもよい。このような構成にすると、第１液体１１１及び第２液体１１２間の界面の高さを全ての液体収容室で均一にすることができ、より安定した動作が可能になる。
【０１４６】
第２基材部１３０は、主に、第２基材１３１（第２光透過性部材）と、第２基材１３１の液体収容部１２０側に形成された第２電極１３２と、第２電極１３２上に形成された第２絶縁膜１３３とで構成される。すなわち、本実施形態においても、第２電極１３２が第２絶縁膜１３３により第２液体１１２に直接接触しない構成とする。
【０１４７】
なお、本実施形態の第２基材１３１、第２電極１３２及び第２絶縁膜１３３は、それぞれ、上記第１の実施形態で説明した第２基材３１、第２電極３２及び第２絶縁膜３３と同様の構成であり、同様の材料で形成することができる。すなわち、本実施形態においても、第２絶縁膜１３３として、誘電率が高く、表面のみが親水性構造を有し、且つ、第２液体１１２が浸透し難い性質（非膨潤性）を有する絶縁膜を用いる。
【０１４８】
また、封止部材１４０（ギャップ形成部材）は、上記第１の実施形態と同様に、例えば、所定膜厚の樹脂フィルムや、樹脂製またはシリカ製等のビーズなどで構成される。
【０１４９】
上述のように、本実施形態の液体レンズ部１０２の構成は、並列配置する液体収容室１４１（液体レンズ１０２ａ）の数及び幅が異なること以外は、上記第１の実施形態の液体レンズ部３（図２（ａ）及び（ｂ））と同様の構成である。なお、本実施形態の液体レンズ部１０２は、上記第１の実施形態で説明した液体レンズ部３の作製手法と同様の手法で作製することができる。
【０１５０】
以上説明したように、本実施形態の液体レンズ部１０２では、上記第１の実施形態と同様に、第１液体１１１及び第２液体１１２と第１電極との間に第１絶縁膜を形成するだけでなく、第２液体１１２と第２電極１３２との間にも第２絶縁膜１３３を設ける。また、この際、第２絶縁膜１３３として、第２液体１１２側の表面が親水性を有し、且つ、第２液体１１２に対して非膨潤性を有する絶縁膜を用いる。
【０１５１】
そえゆえ、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、液体レンズ部１０２の劣化の進行を抑制することができる。この結果、２Ｄ／３Ｄ表示装置１００の長期安定動作が可能になり、信頼性を向上させることができる。
【０１５２】
上記第１及び第２の実施形態では、本発明の液体レンズ（可変光学素子）をアレイ化して、それぞれ照明装置及び２Ｄ／３Ｄ表示装置に適用する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。エレクトロウェッティング現象を用いる可変光学素子を用いる種々の用途の光学装置に適応化可能であり、同様の効果が得られる。また、本発明の可変光学素子を、例えば可変焦点レンズ等のように単体で用いても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１５３】
１…照明装置、２…発光部、３，１０２…液体レンズ部、３ａ，３ｂ，１０２ａ…液体レンズ、４…光源、５…反射板、１０，１１０…第１基材、１１，１１１…第１液体、１２，１１２…第２液体、２０，１２０…液体収容部、２１，１２１…液体収容部材、２１ａ，１２１ａ…隔壁部、２２…第１電極、２３…第１絶縁膜、３０，１３０…第２基材部、３１，１３１…第２基材、３２，１３２…第２電極、３３，１３３…第２絶縁膜、４０，１４０…封止部材、４１，４２，１４１…液体収容室、９０，１９０…駆動電源、１００…２Ｄ／３Ｄ表示装置、１０１…表示パネル、１０３…固定レンズ部、１０３ａ…固定レンズ
【図１】
2011090053.tif 000004
【図２】
2011090053.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2011090053.tif 000008
【図６】
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【図７】
2011090053.tif 000010
【図８】
2011090053.tif 000011
【図９】
2011090053.tif 000012
【図１０】
2011090053.tif 000013
【図１１】
2011090053.tif 000014
【図１２】
2011090053.tif 000015
【図１３】
2011090053.tif 000016
【図１４】
2011090053.tif 000017
【図１５】
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