(57)【要約】【課題】所望の配光特性を安定して得ることができ、機器への組込みも容易な、エレクトロウェッティング効果を有する光源装置を提供する。【解決手段】本発明に係る光源装置１は、導電性の第１の液体１１と、第１の液体と屈折率が異なる絶縁性の第２の液体１２と、第１，第２の液体を収容する液室と、第１，第２の液体間の界面１３Ａの形状を変化させる電圧印加手段と、液室内に設置された発光体２０とを備える。液室内に発光体２０を設置することで、レンズ素子１３と光源との一体化を図れることにより、光源装置全体の小型化、薄型化を実現できる。また、光源とレンズ素子の一体的な設計、製作及び機器への組込みが可能となるので、所望の配光特性が安定して得られるようになる。【選択図】図１
2008187065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の第１の液体と、
前記第１の液体と屈折率が異なる絶縁性の第２の液体と、
前記第１，第２の液体を収容する液室と、
前記第１，第２の液体の界面の形状を変化させる電圧印加手段と、
前記液室内に設置された発光体と、を備えた
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記発光体は、半導体発光素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記液室は、前記発光体の出射光を内面反射する反射体で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項４】
前記反射体は、その内面で反射した光に指向性をもたせる湾曲形状を有している
ことを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
【請求項５】
前記第１，第２の液体の界面と前記発光体との間に、前記発光体の出射光を平行光に変換するレンズ層が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項６】
前記液室は、アレイ状に複数配列されており、
前記発光体は、前記複数の液室にそれぞれ個々に設置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【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効果（電気毛管現象）を利用した光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロウェッティング効果を利用した光学素子（エレクトロウェッティングデバイス）の開発が進められている。エレクトロウェッティング効果は、導電性を有する液体と電極との間に電圧を印加したときに電極表面と液体との固液界面のエネルギーが変化し、液体表面の形状が変化する現象をいう。
【０００３】
例えば下記特許文献１には、エレクトロウェッティング効果を利用したカメラのストロボ装置が開示されている。このストロボ装置は、光源と、絶縁性液体と導電性液体との間の界面形状で個々のレンズを形成したレンズアレイとを備え、エレクトロウェッティング効果を利用してレンズアレイの個々のレンズ形状を電気的に制御することによって、背面から照射される光源光の配光角を任意に制御するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３５６７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載のストロボ装置においては、レンズアレイを光源とは別個に構成しているため、ストロボ装置全体の小型化、薄型化が図れないという問題がある。また、レンズアレイと光源との間の幾何学的位置関係は機器の光学特性に影響を与えることから、両者間の位置のバラツキによって所望の配光特性を安定して得ることが困難である。
【０００６】
また、使用される光源の形態、大きさ、発光特性等に合わせてレンズアレイの設置位置や個々のレンズ特性の最適化を図る必要があるため、機器の設計が煩雑となる。更には、光源とレンズアレイとが別構成であるため、カメラ等の光学機器に対する組み込み作業工数を増加させるという問題がある。
【０００７】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、所望の配光特性を安定して得ることができ、機器への組み込みも容易な、エレクトロウェッティング効果を有する光源装置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】
【０００８】
以上の課題を解決するに当たり、本発明の光源装置は、導電性の第１の液体と、第１の液体と屈折率が異なる絶縁性の第２の液体と、第１，第２の液体を収容する液室と、第１，第２の液体間の界面の形状を変化させる電圧印加手段と、液室内に設置された発光体とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
上記第１の液体と第２の液体は、互いに混和することなく液室内に収容され、これらの２液界面においてレンズ面を形成するレンズ素子を構成する。このレンズ素子は、導電性液体と液室内面との間におけるエレクトロウェッティング効果を利用して界面のレンズ形状が電気的に制御される。
【００１０】
本発明の光源装置においては、これら第１，第２の液体を収容する液室内に発光体を設置することで、レンズ素子と光源との一体化を図るようにしている。これにより、光源装置全体の小型化、薄型化を実現できる。また、光源とレンズ素子の一体的な設計、製作及び機器への組込みが可能となるので、所望の配光特性が安定して得られるようになる。
【００１１】
発光体としては、発光ダイオードや半導体レーザ等の半導体発光素子が好適である。これ以外に、キセノン管等の線状光源、ランプ光源等が適用可能である。
【００１２】
電圧印加手段は、導電性の第１の液体と液室内面との間に所定の電圧を印加する。液室の内面には電極層とその表面を被覆する撥水性の絶縁膜が形成されている。電圧無印加状態では、第１，第２の液体の表面張力等により定まる所定の界面形状を維持するが、駆動電圧の印加により液室内面に対する第１の液体の接触角が変化する。従って、駆動電圧の大きさを適宜調整することで、界面形状を可逆的に変化させ、発光体からの出射光の任意の配光制御が可能となる。
【００１３】
このとき、液室を、発光体の光を内面反射する反射体（リフレクタ）で形成することにより、光の利用効率、配光制御性などを向上させることが可能となる。この場合、反射光が指向性をもつように当該反射体の内面を所定の湾曲形状に形成するのが好ましい。一方、上記反射体に代えて、第１，第２の液体の界面と発光体との間に、発光体の出射光を平行光に変換するレンズ層を設けることによって、上述と同様の効果を得ることができる。
【００１４】
また、液室をアレイ状に複数配列させることにより、光源と一体的なレンズアレイを構成することができる。ここで、発光体として半導体発光素子等の点光源が用いられる場合、発光体は複数の液室にそれぞれ個々に設置することができる。一方、発光体として蛍光管等の線光源が用いられる場合、発光体は、隣接する複数の液室に共通に設置することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上述べたように、本発明の光源装置によれば、光源とレンズ素子が一体的に構成されているので、光源装置全体の小型化、薄型化を実現することができる。また、光源とレンズ素子の一体的な設計、製作及び機器への組込みが可能となるので、所望の配光特性が安定して得られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の各実施形態に限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による光源装置１の概略構成を示す側断面図である。本実施形態の光源装置１は、密閉性の容器１９の内部に形成された液室に、導電性の第１の液体１１と絶縁性の第２の液体１２が収容されてなり、これら第１の液体１１と第２の液体１２の界面１３Ａでレンズ面を形成するレンズ素子１３を構成している。そして、このレンズ素子１３を収容する容器１９の底部に、発光体２０が設置されている。
【００１８】
第１の液体１１としては、導電性を有する透明な液体が用いられ、例えば、水、電解液（塩化カリウムや塩化ナトリウム、塩化リチウム等の電解質の水溶液）、分子量の小さなメチルアルコール、エチルアルコール等のアルコール類、常温溶融塩（イオン性液体）などの有極性液体を用いることができる。
【００１９】
第２の液体１２としては、絶縁性を有する透明な液体が用いられ、例えば、デカン、ドデカン、ヘキサデカンもしくはウンデカン等の炭化水素系の材料、シリコーンオイル、フッ素系の材料などの無極性溶媒を用いることができる。本実施形態において、第２の液体１２の表面張力は、第１の液体１１の表面張力よりも小さいものが用いられている。
【００２０】
第１，第２の液体１１，１２は、互いに異なる屈折率を有するとともに、互いに混和することなく存在できる材料が選ばれる。具体的に、本実施形態では、第１の液体１１として塩化リチウム水溶液（濃度３．６６ｗｔ％、屈折率１．３４）が用いられ、第２の液体１２としてシリコーンオイル（ＧＥ東芝シリコーン社製ＴＳＦ４３７、屈折率１．４９）が用いられる。また、第１，第２の液体１１，１２は互いに同等の比重をもつことが好ましい。また、必要に応じて、第１，第２の液体１１，１２は着色されていてもよい。
【００２１】
次に、容器１９は、容器本体となる筺体１４と、筺体１４の下端に液密に固定された基板１５と、筺体１４の上端に液密に固定された透明な蓋体１６とによって構成されている。
【００２２】
筺体１４は、円筒状又は角筒状に形成され、内部空間がレンズ素子１３を収容する液室として形成されている。筺体１４の内面には電極層１７と、この電極層１７を被覆する絶縁膜１８が形成されている。本実施形態において電極層１７は筺体１４の内面のほぼ全域に形成されているが、少なくとも、レンズ素子１３のレンズ面１３Ａが上下移動する領域に形成されていればよい。電極層１７と第１の液体１１は、それぞれ配線２１，２２を介して外部の図示しない電圧源に接続されている。これら電極層１７、配線２２，２２、電圧源は本発明の「電圧印加手段」を構成している。
【００２３】
絶縁膜１８は、電極層１７と第１の液体１１との間の電気的絶縁を図るためのもので、撥水性の材料で形成されているか、又は表面に撥水処理が施されている。絶縁膜１８は、ＣＶＤ法、ディッピング法、電着法等の適当な表面被覆法を用いて形成される。絶縁膜１８の構成材料としては、例えば、ポリパラキシリレン、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの有機系材料のほか、酸化タンタルや酸化チタン等の金属酸化物を用いることができる。
【００２４】
発光体２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）で構成されているが、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）等の他の半導体発光素子で構成されていてもよい。発光体２０は、基板１５の上に実装されることで液室内に設置される。基板１５は配線基板として構成され、発光体２０と電気的に接続されている。なお、図１に示す発光体２０は、表面側に一方の端子が形成されるタイプのものが用いられ、ボンディングワイヤ及び基板１４の配線層を含む配線２３を介して外部電源に接続されているが、勿論、裏面側に全ての端子が形成されるタイプの発光体を用いても構わない。
【００２５】
なお、発光体２０は絶縁性の第２の液体１２によって周囲が覆われることにより、発光体２０と第１の液体との間の電気的絶縁が確保されている。また、容器１９は、筺体１４と基板１５及び蓋体１６との間に接着剤等の密着部材を介在させることによって、第１，第２の液体１１，１２を液密に封止している。
【００２６】
以上のように構成される本実施形態の光源装置１においては、発光体２０で発光した光はレンズ素子１３及び蓋体１６を介して外部へ出射される。第１の液体１１と第２の液体１２の界面１３Ａの形状は、球面あるいは非球面であり、その曲率は、外部電圧源から供給される駆動電圧の大きさに応じて変化する。そして、界面１３Ａは、第１の液体１１と第２の液体１２の屈折率差に応じたレンズパワーをもつレンズ面を構成する。従って、第１の液体１１と電極層１７との間に印加する駆動電圧の大きさを調整することで、発光体２０から出射された光の配光角（あるいは焦点距離）を変化させることが可能となる。
【００２７】
具体的に、電圧無印加状態では、図１において実線で示すように、第１の液体１１と第２の液体１２の界面１３Ａは発光体２０側に凸となる凹レンズ形状で釣り合っている。従って、第２の液体１２の屈折率が第１の液体１１の屈折率よりも大きい場合、当該形状の界面１３Ａを有するレンズ素子１３は、発光体２０の光Ｌを拡散して出射させる。
【００２８】
一方、第１の液体１１と電極層１７との間に電圧を印加し始めると、エレクトロウェッティング効果によって液室（容器１９）内面の絶縁膜１８に対する第１の液体１１の濡れ性が高まり、その結果、界面１３Ａの曲率が徐々に小さくなる。駆動電圧が一定以上大きくなると、図１において一点鎖線で示すように界面１３Ａが平面となる。この場合、発光体２０の光Ｌは界面１３Ａにおけるレンズ効果をほとんど受けることなく直線的に出射されることになる。なお、この状態から駆動電圧を更に大きくすると界面１３Ａが蓋体１６側に凸となる凸レンズ形状を呈することになり、発光体の光は収束して出射されることになる。
【００２９】
以上のように、本実施形態によれば、第１の液体１１と電極層１７との間に印加する駆動電圧の大きさを調整することによって、レンズ素子１３のレンズ面１３Ａを可逆的に変化させることができるので、発光体２０にて発光した光の出射配光角を電気的に変化させることが可能となる。これにより、当該光源装置１から出射する光の強度、照射範囲を任意に調整することが可能となり、例えば、ペンライトやレーザポインタ、光ピックアップ装置用レーザ光源等の小型光源機器として好適に用いられる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、レンズ素子１３と発光体（光源）２０とが一体的に構成されているため、光源装置全体の小型化、薄型化を図ることが可能となるとともに、機器への組込みの際に光源とレンズ素子との間の面倒な位置合わせ作業が不要となる。
【００３１】
更に、本実施形態によれば、レンズ素子１３と発光体（光源）２０とが一体的に構成されているため、これら光源とレンズ素子の一体的な設計、製作及び機器への組込みが可能となり、所望の配光特性が安定して得られるようになる。特に、発光体２０として半導体発光素子のような微小部品を用いた小型の配光角可変光源装置を高精度かつ容易に作製することができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態による光源装置２の概略構成を示す側断面図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
【００３３】
本実施形態の光源装置２は、上述した光源装置１が複数アレイ状に配列されたレンズアレイを構成している。配列方向は一次元方向に限らず、二次元方向であっても構わない。個々のレンズ素子１３はそれぞれ同一の構成を有しており、基板１５の上に共通に設置されている。容器１９の内部は仕切壁２１によって複数の液室に仕切られており、これら個々の液室にレンズ素子１３が収容されるとともに発光体２０がそれぞれ個別に設置されている。また、容器１９の上壁は、複数の液室に共通の透明な蓋体１６で形成され、各発光体２０から出射される光の出射面を構成している。
【００３４】
以上のように構成される本実施形態の光源装置２においては、発光体２０を備えたレンズ素子１３が複数アレイ状に配列されたレンズアレイを構成しているので、上述の第１の実施形態に比べて光源光の照射領域が広くなり、例えばカメラのストロボ装置として好適に実施することが可能となる。また、各レンズ素子を共通に駆動制御する場合に限らず、個別に制御することも可能である。
【００３５】
（第３の実施形態）
図３及び図４は、本発明の第３の実施形態による光源装置３の概略構成を示す側断面図であり、図３は光源光Ｌの拡散出射モードを示し、図４は光源光Ｌの平行出射モードを示している。なお、図において上述の第１，第２の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
【００３６】
本実施形態の光源装置３は、個々のレンズ素子１３を収容する容器が反射体（リフレクタ）２２で構成されている点で、上述の第２の実施形態と異なっている。反射体２２は、その内面が、発光体２０から出射される光を蓋体１６の方向に指向性をもって反射させるべく所定の湾曲形状に形成されている。反射体２２の内面には、電極層１７が形成されているとともに、この電極層１７を被覆する絶縁膜１８が形成されている。発光体２０は、反射体２２の内側底部に直接設置され、反射体２２を通して外部電源回路に電気的に接続されている。
【００３７】
以上のように構成される本実施形態の光源装置３においては、上述の第２の実施形態と同様に、発光体２０を備えたレンズ素子１３が複数アレイ状に配列されたレンズアレイを構成しているので、上述の第１の実施形態に比べて光源光Ｌの照射領域が広くなり、例えばカメラのストロボ装置や自動車用ヘッドランプ等として好適に実施することが可能となる。
【００３８】
特に本実施形態によれば、レンズ素子１３を収容する容器が反射体２２で構成されているので、発光体２０で発生した光を有効に活用することが可能となり、光源としての照度を向上させることができる。また、反射体２２によって発光体２０から出射した光を正面方向（図中上方向）に立ち上げる作用を有するので、図４に示すように界面１３Ａが平面となるレンズ素子１３の電圧駆動時において出射光の平行化が容易となり、配光制御性を高めることが可能となる。
【００３９】
（第４の実施形態）
続いて、図５及び図６は、本発明の第４の実施形態による光源装置４の概略構成を示す側断面図であり、図５は光源光Ｌの拡散出射モードを示し、図６は光源光Ｌの平行出射モードを示している。なお、図において上述の第１，第２の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
【００４０】
本実施形態の光源装置４は、レンズ素子１３を収容する個々の液室の内部に、発光体２０の出射光を平行光に変換するレンズ層２３が設けられている。このレンズ層２３は、第１，第２の液体１１，１２の界面１３Ａと発光体２０との間に配置され、基板１５上の発光体２０をモールドする透明な絶縁性樹脂層で形成されている。また、レンズ層２３を構成する樹脂材料は、第２の液体１２とは異なる屈折率を有する材料が用いられている。
【００４１】
このような構成により、レンズ層２３によって発光体２０の出射光を正面方向に効率的に立ち上げられることから、上述の第３の実施形態と同様に、光の利用効率及び配光制御性の向上を図ることが可能となる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、発光体２０がレンズ層２３によって封止された構成であるため、第１の液体１１と第２の液体１２の上下の配置関係を逆にしても発光体２０の電気的絶縁を確保することが可能となり、レンズ素子１３の設計自由度の向上が図れるようになる。
【００４３】
（第５の実施形態）
図７及び図８は、本発明の第５の実施形態による光源装置５の概略構成を示す側断面図であり、図７は光源装置５の構成を説明する側断面図、図８は光源装置５の作用を説明する側断面図である。なお、図において上述の第１，第３の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
【００４４】
本実施形態の光源装置５は、容器として構成される反射体２２の内部にレンズ素子１３が収容されるとともに発光体２４が容器２２の底部に設置された構成を有している。本実施形態において、発光体２４は、キセノン管等の線状光源で構成されている。
【００４５】
本実施形態の光源装置５においては、発光体２４の周囲から出射される光を反射体２２によって正面方向に立ち上げることが可能となるので、光の利用効率を高められると同時に、エレクトロウェッティング効果を利用したレンズ素子１３による配光制御性を高めることができる。図８Ａに界面１３Ａが凹レンズ状のときの光源光Ｌの拡散出射モード（電圧無印加時）を示すとともに、図８Ｂに界面１３Ａが平面状のときの光源光Ｌの平行出射モード（電圧印加時）を示す。なお、駆動電圧を更に大きくすることで、光源光Ｌの収束（集光）出射モードを実現することができる。
【００４６】
更に、この光源装置５を複数アレイ状に配列してレンズアレイを構成することも可能である。この場合、図示せずとも、発光体２４は、光源装置５の配列方向に延在させ、当該配列方向に隣接する複数の光源装置に共通の発光体として構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態による光源装置の概略構成を示す側断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による光源装置の概略構成を示す側断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による光源装置の概略構成及び一作用を説明する側断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による光源装置の他の作用を説明する側断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態による光源装置の概略構成及び一作用を説明する側断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態による光源装置の他の作用を説明する側断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態による光源装置の概略構成を示す側断面図である。
【図８】本発明の第５の実施形態による光源装置の作用を説明する側断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１，２，３，４，５…光源装置、１１…第１の液体、１２…第２の液体、１３…レンズ素子、１３Ａ…界面（レンズ面）、１４…筺体、１５…基板、１６…蓋体、１７…電極層、１８…絶縁膜、１９…容器、２０，２４…発光体、２１…仕切壁、２２…反射体、２３…レンズ層、Ｌ…光源光
【図１】
2008187065.tif 000003
【図２】
2008187065.tif 000004
【図３】
2008187065.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008187065.tif 000007
【図６】
2008187065.tif 000008
【図７】
2008187065.tif 000009
【図８】
2008187065.tif 000010