(57)【要約】【課題】液体が満たされるホールの深さを最小化させることでスリム化が可能な液体レンズを提供する。【解決手段】液体レンズは、内部にホール１１０が形成され、底部が下部透明板２００で塞がれたチャンバー１００と、互いに混合することなく且つ互いに異なる屈折率を有し、球形の界面を形成するように上記ホールの床から順次に積層される絶縁液Ｂ及び電解液Ａを含む。上記ホールは初期界面、即ち、電気湿潤が発生する前の界面高さと、最終界面、即ち電気湿潤現象が最大に発生した際の界面高さのうち大きい値以上の高さを有するように形成される。本発明による液体レンズは、接触角とホール傾斜角の液体界面形状との関係を利用してホールを最小深さに製作するので、液体レンズのスリム化及び小型化を実現することができ、液体レンズの動作性を向上させることができるという長所がある。【選択図】        図４
2007164177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にホールが形成されるチャンバーと、互いに混合することなく且つ互いに異なる屈折率を有し、球形の界面を形成するように前記ホールの床から順次に積層される絶縁液及び電解液を含む液体レンズにおいて、
前記ホールは初期界面高さ、即ち電気湿潤が発生する前の界面の高さと、最終界面高さ、即ち電気湿潤現象が最大に発生した際の界面の高さのうち大きい値以上の高さを有するように形成されることを特徴とする液体レンズ。
【請求項２】
前記初期界面高さは、下記式１及び式２：
【数１】
2007164177.tif 000013
【数２】
2007164177.tif 000014
（ここで、Ｙは高さ、Ｘはホールの上側終端半径、Ｒはホールの下側終端半径、θ′は初期界面接触角からπ／２を引いた値、αはホールの内壁傾斜角を示す。）に基づいて算出される高さ値によって決定されることを特徴とする、請求項１に記載の液体レンズ。
【請求項３】
前記最終界面高さは、前記式１と、下式３、式４及び式５：
【数３】
2007164177.tif 000015
（ここで、θ′≧０である場合（ｓｇｎ）＝＋１、θ′＜０である場合（ｓｇｎ）＝−１である。）
【数４】
2007164177.tif 000016
【数５】
2007164177.tif 000017
（ここで、θ′≧０である場合（ｓｇｎ）＝＋１、θ′＜０である場合（ｓｇｎ）＝−１である。なお、Ｙは高さ、Ｘはホールの上側終端半径、Ｒはホールの下側終端半径、θw′は初期界面接触角からπ／２を引いた値、αはホールの内壁傾斜角、ρは初期界面曲率半径、ρwは最終界面曲率半径、Voilは絶縁液の体積を示す。）に基づいて算出される高さ値によって決定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の液体レンズ。
【請求項４】
前記ホールの内壁に電気湿潤現象が発生しなかった際には絶縁液Ｂで満たされ、電気湿潤現象が最大に発生した際には電解液Ａで満たされる溝が形成される場合、前記絶縁液Ｂの体積Ｖoilは前記式３に基づいて計算された値に溝の体積を足すことによって決定され前記ホールの高さが設定されることを特徴とする、請求項３に記載の液体レンズ。
【請求項５】
前記ホールの傾斜角は、１８０度から初期界面接触角を引いた値より１０乃至５０度大きく形成されることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の液体レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つ以上の互いに異なる液体を含む液体レンズに関し、より詳しくは液体が満たされるホールの深さを最小化させることでスリム化及び小型化が可能な液体レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に使用されているレンズモジュールは、焦点距離が一定になるように固定された硝子などのような固体で製作されたレンズを使用している。このようなレンズモジュールは焦点調節のために多数の固体レンズを備え、各レンズ間の距離が変更可能になるように構成されなければならないため、製品の小型化に限界があるばかりでなく焦点調節のための駆動が複雑であるという問題点がある。
【０００３】
上記のような問題点を解決するために互いに異なる種類の液体を満たした後、液体の間の境界球面曲率を変更させ焦点を調節するように構成される液体レンズが最近台頭している。上記液体レンズは内部構成が簡単なため製品を小型化させることができ、焦点変更をより容易に行うことができるという長所がある。
【０００４】
２０００年初め、電気湿潤（ＥＬＥＣＴＲＯＷＥＴＴＩＮＧ）現象を利用した液体レンズに関する研究が可視化されることによって多様な応用例が紹介されており、またこれに対する産業化の努力が加速化されている。流体レンズは既存レンズの駆動方式に比べ小サイズ、低消費電力、そして早い回答速度と優れた繰り返し再現性などの長所を有している。そこで、最近流体レンズをモバイル携帯電話及びＰＤＡなどに搭載されたカメラの自動焦点モジュール開発が活発に進められている。
【０００５】
以下、添付された図面を参照して従来の液体レンズについて詳しく説明する。
【０００６】
図１は液体レンズの第１の従来例の断面図で、図２は液体レンズの第２の従来例の断面図であり、図３は液体レンズの第３の従来例の断面図である。
【０００７】
図１に示すように従来の液体レンズは、図１に示すように内部に円形断面のホール１２が備えられたチャンバー１０と、上記ホール１２の床面を密閉させる下部透明板２０と、上記ホール１２内部に積層方式で満たされる互いに混合されない２種類の液体を含んで構成される。
【０００８】
この際、ホール１２の内壁には液体レンズの動作のために絶縁膜がコーティングされる。
【０００９】
また、上記２種類の液体は実質的に同じ比重を有し且つ互いに異なる屈折率を有し、いずれか一つは伝導性流体であり、他方は非伝導性流体である。一般的に、上側に位置される流体が伝導性を有する電解液Ａであり、下側に位置される流体が非伝導性を有する絶縁液Ｂである。
【００１０】
ホール１２内部に液体が満たされると、二つの流体Ａ、Ｂと壁面との親和力の差により一定の初期接触角θを有するように湿潤され一定の界面形状を有するが、電気湿潤に用いられる２つの流体Ａ、Ｂと絶縁膜は通常電解液Ａと絶縁液Ｂとの界面の中央部を凹状に形成する。
【００１１】
このように構成される液体レンズは、電圧印加による電気湿潤現象が生じることにより最終接触角が鋭角になるよう、つまり、電解液Ａと絶縁液Ｂとの界面が上向に凸状に形成されレンズの役目を果たすようになる。
【００１２】
製作上の余裕分（ｍａｒｇｉｎ）や環境的要素による影響を排除した液体レンズの理想的な高さは、液体の初期接触角（印加される電圧が０Ｖである時の接触角）と最終接触角（最高作動電圧における接触角）とホール１２の形状によって決定される。液体レンズに用いられる電解液Ａと絶縁液Ｂはレンズの特性を有しなければならないため、ホール１２内部は気泡のように光の透過を妨げる異物質のない純粋な状態の電解液Ａと絶縁液Ｂで満タンになって密閉される。従って液体レンズの高さは界面の高さに応じて高くなるか、または低くなるべきである。
【００１３】
電解液Ａ及び絶縁液Ｂと、ホール１２の内壁が成す接触角が決定されると、電解液Ａと絶縁液Ｂとの界面（以下、界面と略称する）は球形の一部で表現される。電気湿潤現象によって界面の接触角が鋭角を成すように形成される場合にも上記界面は球形の一部で表現される。
【００１４】
この際、初期接触角は液体の特性による固有値であるため、ホール１２に満たされる液体の種類によって異なって現れる。例えば初期接触角がθより大きいδを有する絶縁液Ｂをホール１２に満たすようになると、界面は図２に示すようにより凹んだ形状を現すようになる。このように界面の初期接触角が大きくなると、界面はより凹んだ形状になるためホール１２の深さはより深くならなければならず、これにより液体レンズの全体高さが増加され製品の小型化に限界をもたらすようになる。
【００１５】
液体レンズ用チャンバー１０を製作する際、使用される液体の初期接触角とホール１２の形状から最小高さを計算し、これを基準に安全率を考慮してホール１２の高さを最適化すると低い高さのレンズを設計することが可能である。
【００１６】
また、製作上の便宜のためにホール１２の内壁下端部にアンダーカット（Ｕｎｄｅｒ−Ｃｕｔ）を形成する場合には、界面が最終接触角を成すように変形される際に界面とホール１２の壁面が接する点がホール１２の下端のアンダーカット部分の下に形成される場合、適切なレンズの役目が果たせなくなる。
【００１７】
特に、図３に示すように低い高さのレンズのために上記ホール１２が下端部に向かうほど細くなるように内壁が傾斜するように形成される場合には、図１に示す第１の従来例と接触角が同じであっても界面の周縁部と中央部の高さの差が異なって形成されるが、上記高さの差はホール１２の内壁傾斜角を変化させることにより変更される。各々の場合のようにホール１２の最小高さを界面の接触角と壁面の形状に応じて最適化することが効率的な設計を可能にする方法である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記のような問題点を解決するために提案されたものであり、本発明の目的は液体が満たされるホールの深さを最小化させることでスリム化及び小型化が可能な液体レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記のような目的を達成するための本発明による液体レンズは、内部にホールが形成されるチャンバーと、互いに混合することなく且つ互いに異なる屈折率を有し、球形の界面を形成するように上記ホールの床から順次に積層される絶縁液及び電解液を含む液体レンズにおいて、上記ホールは初期界面、即ち、電気湿潤が発生する前の界面高さと、最終界面、即ち電気湿潤現象が最大に発生した際の界面高さのうち大きい値以上の高さを有するように形成される。
【００２０】
初期界面高さは、下記式１及び式２に基づいて算出される高さ値によって決定される。
【数１】
2007164177.tif 000003
【数２】
2007164177.tif 000004
（ここで、Ｙは高さ、Ｘはホールの上側終端半径、Ｒはホールの下側終端半径、θ′は初期界面接触角からπ／２を引いた値、αはホールの内壁傾斜角を示す。）
【００２１】
なお、最終界面高さは上記式１と、下式３、式４及び式５に基づいて算出される高さ値によって決定される。
【数３】
2007164177.tif 000005
（ここで、θ′≧０である場合（ｓｇｎ）＝＋１、θ′＜０である場合（ｓｇｎ）＝−１である。）
【数４】
2007164177.tif 000006
【数５】
2007164177.tif 000007
（ここで、θ′≧０である場合（ｓｇｎ）＝＋１、θ′＜０である場合（ｓｇｎ）＝−１である。なお、Ｙは高さ、Ｘはホールの上側終端半径、Ｒはホールの下側終端半径、θw′は初期界面接触角からπ／２を引いた値、αはホールの内壁傾斜角、ρは初期界面曲率半径、ρwは最終界面曲率半径、Voilは絶縁液の体積を示す。）
【００２２】
上記ホールの傾斜角は１８０度から初期界面接触角を引いた値より１０乃至５０度大きく形成されることが好ましい。
【００２３】
また、上記ホールの内壁に電気湿潤現象が発生しなかった際には絶縁液Ｂで満たされ、電気湿潤現象が最大に発生した際には電解液Ａで満たされる溝が形成される場合、上記絶縁液Ｂの体積Ｖoilは上記式３より計算された値に溝の体積を含んで決定される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明による液体レンズは、接触角とホール傾斜角度の液体界面形状との関係を利用してホールを最小深さに製作するので、液体レンズのスリム化及び最小化を実現することができ、液体レンズの動作性を向上させることができるという長所がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付された図面を参照して本発明による液体レンズの実施例を説明する。
【００２６】
図４は本発明による液体レンズに電気湿潤現象が発生しなかった際の形状を示す断面図である。
【００２７】
図４に示すように本発明による液体レンズは、下側に向かうほど狭くなる方向に内壁が一定の傾斜角αで傾斜するように形成される円形断面のホール１１０が形成されたチャンバー１００と、上記ホール１１０の床面を密閉させる下部透明板２００と、上記ホール１１０内部に積層方式で満たされる互いに混合されない電解液Ａと絶縁液Ｂを含んで構成される。この際、本図面では発明の理解を得るために図示していないが、ホール１１０の内壁には液体レンズの動作のために絶縁膜がコーティングされ、ホール１１０の上面には電解液Ａと絶縁液Ｂを密封させる上部透明板が結合される。
【００２８】
また、電解液Ａと絶縁液Ｂは実質的に同じ比重を有し且つ互いに異なる屈折率を有し、上側に電解液Ａが配置され、下側に絶縁液Ｂが配置される。
【００２９】
上記のようなチャンバー１００の形状や、電解液Ａと絶縁液Ｂの特性は従来の液体レンズに使用されるチャンバーや電解液及び絶縁液と同じであるので、これに対する詳細な説明は省略する。
【００３０】
図４に示す電解液Ａと絶縁液Ｂの界面（以下、界面と略称する）は、電気湿潤現象が発生しなかった際の形状である。また図４に示すチャンバー１００はホール１１０の床面に界面の下側終端が接し、内壁の上側終端に界面の周縁が接するように、即ち、界面と同じ高さに形成された例として、このように形成された時最低高さを有するようになる。チャンバー１００の高さが低くなると、液体レンズの全体高さが低くなることにより製品の小型化が可能になるだけでなく、液体レンズの内部に通過される光の経路が短くなるので、透過率が向上するという長所がある。
【００３１】
しかし、チャンバー１００が図４に示す例よりさらに低く形成されると界面が球の一部形状を有するようになることができず屈折率が不規則になるため、電解液Ａと絶縁液Ｂがレンズの役目を果たせなくなる。
【００３２】
また、界面がホール１１０の床面に接する点には絶縁液Ｂが存在しないため、上記ホール１１０は床面が界面と一定の間隔に離隔され床面全体に絶縁液Ｂが存在できるように、即ち、少なくとも界面の高さより高く形成されることが好ましい。
【００３３】
チャンバー１００の高さを最小化するためにホール１１０の最低高さを計算する方式は次の通りである。
【００３４】
ホール１１０は界面と同じ高さ値Ｙに高さが設定されたときに最低高さを有するようになるが、高さ値Ｙは下記式１によって計算される。
【数６】
2007164177.tif 000008
【００３５】
ここで、Ｘはホール１１０の上側終端半径であり、θ′は界面の初期接触角、即ち、電気湿潤現象が発生しなかった際の界面接触角からπ／２を引いた角度を意味する。
【００３６】
ホール１１０の上側終端半径Ｘをホール１１０の下側終端半径Ｒに表すと、式２の通りである。
【数７】
2007164177.tif 000009
【００３７】
この際、ホール１１０は内壁の上側終端で界面と接することが可能になるように内壁傾斜角αがθ′／２より大きく形成されるべきであることは自明である。
【００３８】
ホール１１０の上側終端半径Ｘが一定の値に設定されている場合には、式１のみを使用して高さ値Ｙを求めることができるが、ホール１１０の下側終端半径Ｒと内壁傾斜角αのみが一定の値に設定されている場合には式１と式２を使用して高さ値Ｙを計算することができる。
【００３９】
図５は本発明による液体レンズに電気湿潤現象が最大に発生した際の形状を示す断面図である。
【００４０】
図５に示すように電気湿潤現象が最大に発生した際、即ち、界面の中心部が最大限上向に凸状に形成され、周縁がホール１１０の周縁に接するようになる時の界面高さが式１及び式２により求められた高さ値Ｙより大きくなると、界面の中心部はホール１１０外部から外れるようになるので、この時もやはり界面が球の一部である形状を有するようになることができず屈折率が不規則になり、このため電解液Ａと絶縁液Ｂがレンズの役目を果たせなくなる。
【００４１】
従って、ホール１１０の高さは電気湿潤現象が発生しなかった際の界面高さと電気湿潤現象が最大に発生した際の界面高さのうち大きい値より高く形成されなければならない。
【００４２】
図５に示す界面の高さを求めるためには、先ず絶縁液Ａの体積を知らなければならず、最終界面接触角、即ち電気湿潤現象が最大に発生した際の接触角が分からなければならない。
【００４３】
先ず、絶縁液Ａの体積Ｖoilは下記式３により計算される。
【数８】
2007164177.tif 000010
（ここで、θ′≧０である場合（ｓｇｎ）＝＋１、θ′＜０である場合（ｓｇｎ）＝−１である。）
【００４４】
ここで、ρは初期界面曲率半径を意味するが、初期界面曲率ρは下記の式４によって計算される。
【数９】
2007164177.tif 000011
【００４５】
上記のような式により絶縁液Ａの体積Ｖoilが求められると、電圧印加後の最終界面曲率半径ρwを下記式５を利用して求めることができる。
【数１０】
2007164177.tif 000012
（ここで、θ′≧０である場合（ｓｇｎ）＝＋１、θ′＜０である場合（ｓｇｎ）＝−１である。）
【００４６】
このように最終界面曲率半径ρwが分かれば、電気湿潤現象が最大に発生した際の界面高さが分かるので、電気湿潤が発生する前の界面高さと最終界面、即ち電気湿潤現象が最大に発生した際の界面高さのうち大きい値以上の高さを有するようにホール１１０を形成する。
【００４７】
通常、電気湿潤に用いられる液体は接触角が１５０度以上の値を有し、この場合ホール１１０の最小高さは図４に示した場合であることがほとんどである。
【００４８】
しかし、ホール１１０の内壁に電気湿潤現象が発生しなかった際には絶縁液Ｂで満たされ電気湿潤現象が最大に発生した際には電解液Ａで満たされる溝が形成される場合、電気湿潤現象が最大に発生した際溝の内部に満たされていた一部の絶縁液Ｂが溝の外部に引き出されながら上記絶縁液Ｂの中心部がより上向に上昇されるので、図５に示す界面の高さがホール１１０の最小高さになることができる。従って、ホール１１０の内壁に電気湿潤現象が発生した際には絶縁液Ｂで満たされ電気湿潤現象が最大に発生した際には電解液Ａで満たされる溝が形成される場合には、絶縁液Ｂの体積Ｖoilは上記式３に基づいて計算された値に溝の体積を足すことで決定される。
【００４９】
図６は本発明による液体レンズの他の実施例の断面図である。図６に示すようにホール１１０の内壁傾斜を下げ、界面を水平面に近くなるように変形させるとホール１１０の高さをより低く形成することができる。
【００５０】
しかし、このようにホール１１０の内壁傾斜を過度に低めると、液体レンズの幅が増大され液体レンズが大きくなったり、光が通過する穴、つまり、ホール１１０の床面が細くなり光の透過量が少なくなったりするという問題点がある。
【００５１】
従って、ホール１１０の傾斜角は１８０度から初期界面接触角を引いた値より１０乃至５０度大きく形成されることが好ましい。
【００５２】
以上、本発明を好ましき実施例を用いて詳しく説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲によって解釈されるべきである。また、該技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲から外れないながらも多様な修正及び変形が可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第１の従来例の液体レンズの断面図である。
【図２】第２の従来例の液体レンズの断面図である。
【図３】第３の従来例の液体レンズの断面図である。
【図４】本発明による液体レンズに電気湿潤現象が発生しなかった際の形状を示す断面図である。
【図５】本発明による液体レンズに電気湿潤現象が最大に発生した際の形状を示す断面図である。
【図６】本発明による液体レンズの他の実施例の断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１００  チャンバー
１１０  ホール
２００  下部透明板
Ａ  電解液
Ｂ  絶縁液
Ｙ  高さ値
Ｘ  ホールの上側終端半径
Ｒ  ホールの下側終端半径
Ｖoil  絶縁液の体積
α  ホールの内壁傾斜角
θ′初期界面接触角−π／２
θw′  最終界面接触角−π／２
ρ  初期界面曲率半径
ρw  最後界面曲率半径
【図１】
2007164177.tif 000018
【図２】
2007164177.tif 000019
【図３】
2007164177.tif 000020
【図４】
2007164177.tif 000021
【図５】
2007164177.tif 000022
【図６】
2007164177.tif 000023