(57)【要約】      （修正有）【課題】電圧の印加により速い応答速度で変形可能であり、焦点距離可変レンズとして用いた場合に高速で焦点距離を調節できる光学素子の提供。【解決手段】粒子を含有するゲルを有し、電圧の印加により変形可能な光学素子であって、粒子の１次粒子径が０．２ｎｍ以上で５００ｎｍ未満であり、体積固有抵抗が１０の２乗Ω・ｃｍ以上で１０の１３乗Ω・ｃｍ未満であり、ゲルは２５℃において数平均分子数が８００未満の液体を含有する。【選択図】図１
2007011120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を含有するゲルを有し、電圧の印加により変形可能であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記粒子の１次粒子径が０．２ｎｍ以上５００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記粒子の体積固有抵抗が１０2Ω・ｃｍ以上１０13Ω・ｃｍ未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記ゲルは、２５℃において液体である物質を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記２５℃において液体である物質は、数平均分子量が８００未満の物質であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記ゲルは、数平均分子量が８００以上の高分子を含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記光学素子がレンズであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧の印加により変形可能な光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電圧の印加により変形可能な光学素子は、焦点距離可変レンズ等の多くの用途でその実用化が検討されている。
【０００３】
例えば、高分子ゲルからなるレンズの周縁部分に電極を配置した構成となし、電場の作用で生ずる高分子ゲルの体積変化を利用してゲル表面の曲率を変え焦点距離を変化させる試みが提案されている。
【０００４】
具体的には、透明な高分子ゲルよりなるレンズの両面上にそれぞれ接続した陰極および陽極間に電圧を印加して、該ゲルレンズを不均一体積相転移によって変形させることよりなる高分子ゲルレンズの焦点距離制御方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−２７３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示された方法では、高分子ゲルの体積変化の応答速度が遅いという問題がある。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電圧の印加により速い応答速度で変形可能な光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、以下のような構成により達成される。
（請求項１）
粒子を含有するゲルを有し、電圧の印加により変形可能であることを特徴とする光学素子。
（請求項２）
前記粒子の１次粒子径が０．２ｎｍ以上５００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
（請求項３）
前記粒子の体積固有抵抗が１０2Ω・ｃｍ以上１０13Ω・ｃｍ未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
（請求項４）
前記ゲルは、２５℃において液体である物質を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
（請求項５）
前記２５℃において液体である物質は、数平均分子量が８００未満の物質であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
（請求項６）
前記ゲルは、数平均分子量が８００以上の高分子を含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
（請求項７）
前記光学素子がレンズであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子。
【０００８】
本発明者は、以下のように考え本発明に至った。
【０００９】
本発明者は、鋭意研究の結果、粒子を含有するゲルを有し、電圧の印加により変形可能な光学素子を用いることにより、粒子を含有するゲルに電圧が印加されると、ゲル中に均一に分散していた粒子が、電気的分極を起こして各粒子間の相互結合力が増し、粒子同志が近接する方向に瞬時に移動する。そのため、ゲルは、速い応答速度で収縮変形する。また、電圧印加を中止してゲルから電界を取り除くことで、各粒子同志の相互結合力は解除され、元のゲルの体積に戻る。電圧の大きさを変化させることにより、ゲルの収縮変形量を変化させることができる。
【００１０】
また、分散媒がゲルであるので、粒子は電圧を印加しない状態において均一に分散される。また、ゲルは光学素子としての所望の形状に容易に成型できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光学素子は、電圧の印加により速い応答速度で変形可能であり、例えば焦点距離可変レンズとして用いた場合に高速で焦点距離を調節できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明に関する実施の形態の例を示すが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
【００１３】
なお。本発明に係る光学素子として、焦点距離可変レンズを、ゲルとして高分子ゲルを例に挙げて説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る粒子分散高分子ゲルレンズを示す斜視図である。
【００１５】
図１において、１は粒子分散高分子ゲルレンズ、５は粒子、６は高分子ゲル、７はリング状電極である。レンズの入射光側及び透過光側の表面は、図では、平面で表してあるが、実際は、外側に凸の曲面になっている。また、光はリング状電極がない部分を透過する。
【００１６】
同図において、２枚のリング状電極７の間に粒子分散高分子ゲルレンズ１を挟み込み、そのリング状電極７に直流可変電源４（図２）から電圧をかけると以下のように動作する。
【００１７】
次に、その動作について説明する。ここで示した粒子分散高分子ゲルレンズ１の外周のリング状電極に対応する部分の粒子分散高分子ゲルには、直流可変電源４からの電圧がリング状電極７に印加され、そのリング状電極７により生ずる電界が加えられる。このことにより、高分子ゲル６中に均一に分散していた粒子５が電気的に分極し、＋部分と−部分ができて双極子になる。この双極子となった粒子がお互いに＋側と−側を接触させるように移動して、粒子同志が近接する方向に瞬時に移動する。そのため、粒子分散高分子ゲルレンズ１の外周のリング状電極に対応する部分の粒子分散高分子ゲルは、速い応答速度で、レンズの厚さ方向に収縮変形する。この反動により、光路であるリング状電極７のないレンズ中央近傍は、レンズの厚さ方向に膨張変形する。
【００１８】
さらに、直流可変電源４からの電圧印加を中止して上記電界を取り除くことで、各粒子５同志の相互結合力は解除され、元のゲルの体積に戻る。電圧の大きさを変化させることにより、ゲルの膨張変形量（収縮変形量に対応）を変化させることがでる。すなわち、この膨張変形量は、印加する電界の強さにより変化するので、印加する電界を調整することにより、所望の膨張変形量を得ることができ、焦点距離を調節できる。
【００１９】
電極は、図１に示されているようにゲルレンズの両面の外側にリング状に配置するほか、適宜の位置に配置することができる。図１の様な配置にすることによって、電極７がレンズの光路から外れるようにすることができる。電極材料としては、金、白金、銅等の金属電極を用いることがこのましい。金属膜をスパッタコーティングすればよい。
【００２０】
また、ゲルレンズの光路を横切る両面全面にＩＴＯやＺｎＯなどの透明導電膜をスパッタコーティングしてもよい。この場合、電圧の印加により、レンズは、表面全体が厚さ方向に収縮変形することにより、焦点距離を調節できる。
【００２１】
本発明の光学素子に使用し得る高分子ゲルには多種多様なものがある。例えばゼラチン、メタクリル酸、メチルアクリラート、アクリルアミド、あるいはメタクリルアミドなどのモノマーを、メチレンビスアクリルアミドなどのアクリル系モノマーやオリゴマー、ジアリルフタラートなどの多官能性アリル系モノマー、あるいはエチレングリコールジアクリラートなどの多官能性アクリル系モノマーやオリゴマーで架橋したものなど、これまでに公知の高分子ゲルを使用することができる。また、ゲルには、数平均分子量が８００以上の高分子を含有させることが好ましい。粒子をより均一に分散できる。
【００２２】
図１の粒子分散高分子ゲルにおいては、粒子による光の散乱により不透明になることを抑えることが好ましく、光学素子として使用する光の波長領域でヘイズ率が０％以上３０％未満であることが好ましい。より好ましくはヘイズ率が０％以上２０％未満、さらに好ましくは０％以上１０％未満である。例えば、以下に示す粒子径の設定により達成できる。ヘイズ率は、公知の測定方法により測定できる。
【００２３】
ゲルに含有（分散）させる粒子としては、１次粒子径が０．２ｎｍ以上５００ｎｍ未満であることが好ましい。１次粒子径が０．２ｎｍ未満であると電圧印加時の変形量が小さくなる。また、５００ｎｍ以上であると材料の透明性が低下する。光の散乱などを考慮すると一次粒子径は１００ｎｍ未満が好ましく、さらに好ましいのは１０ｎｍ未満である。なお一次粒子径は、電子顕微鏡を用いて測定される。
【００２４】
また粒子の体積固有抵抗が１０2Ω・ｃｍ以上１０13Ω・ｃｍ未満であることが好ましい。このような粒子としては、例えば、酸化スズが好適である。
【００２５】
粒子の体積固有抵抗については、体積固有抵抗が１０2Ω・ｃｍ未満であると電圧印加時に電流が流れすぎるので好ましくなく、また抵抗が１０13Ω・ｃｍ以上であると電圧印加時の変形量が小さくなるので好適ではない。光学素子として消費電力が小さく、また電圧印加時に大きな変形量が得られるのは体積固有抵抗が１０4Ω・ｃｍ以上１０12Ω・ｃｍ未満であるが、本発明の目的を達成可能であればこの範囲以外の粒子でも用いることが可能である。
【００２６】
体積固有抵抗は、粒子を粉体として取り出し、直径１ｃｍのセルにいれ１０ＭＰａの圧力をかけて厚さ１〜５ｍｍ程度に錠剤成型した後、２５℃５０％ＲＨの温湿度に調整された環境下で、二端子法で計測する。このとき上下に電極を有するセルの中に粉体を入れ圧力をかけた状態で測定しても良い。ただしいずれの測定法においても体積固有抵抗の値は、測定値を１００で除した値を意味している。
【００２７】
また、粒子としては無色であることが好ましい。
【００２８】
このような粒子分散高分子ゲルレンズを成型するには、ゲルのブロック体より所望の形状に切り出してもよいが、最も好ましい方法は、目的とするレンズの曲面に相当する成型面を有する型内で粒子を分散したゲル形成原料を重合させ離型することである。
【００２９】
このような高分子ゲルは、２５℃において液体である物質を含有させることが好ましい。高分子ゲルにこのような液体を吸収させることにより、膨潤してゲルの弾性率を下げることができる。このことにより、ゲルが変形しやすくなるので、前述の分極した粒子の移動がしやすくなり、所定の電圧印加に対する変形量を大きくすることができるので好ましい。
【００３０】
このような２５℃において液体である物質として、数平均分子量が８００未満の物質が好ましい。このような物質として、誘電率が高いものが前述の変形量を大きくできるので好ましく、具体的には水や液晶性化合物が好ましい。
【００３１】
図２には、図１の粒子分散高分子ゲルレンズを用いた焦点距離可変システムの一例を示す。図２において、２はＣＣＤ撮像素子、３は信号処理回路、４は直流可変電源である。
【００３２】
粒子分散高分子ゲルレンズ１を透過した透過光をＣＣＤ撮像素子２上に結像させる。ＣＣＤ撮像素子２からのビデオ信号を、信号処理回路３へ転送し、それを微分処理する。処理信号の高調波成分が最大となるとき焦点距離が合ったと判定する。
【００３３】
従って、処理信号を直流可変電源にフィードバックして、焦点距離が合った時の電圧値を求め、この電圧値をリング状電極７に印加して変形させたレンズを通してＣＣＤ撮像素子上に鮮明な映像を結像させる。また、電源としては交流電源を用いることも可能である。
【００３４】
以上の実施形態では、電圧の印加により変形可能な光学素子の例として、焦点距離可変レンズを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば反射型の光学素子など他の光学素子にも適用できる。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は実施例により限定されるものではない。
＜酸化スズ粒子Ａの合成方法＞
塩化第二スズ水和物６５ｇを３０℃の蒸留水２０００ｍｌに溶解し均一溶液を得た。次いでこれを煮沸し共沈殿物を得た。生成した沈殿物をデカンテーションにより取り出し、蒸留水にて沈殿を４０回水洗する。水洗後８００℃の筒状の電気炉の中へスプレーし粉末を取り出した。この粉末を２０００ｍｌの水中に分散し、加温しながら濃度１４％のアンモニア水を加える。９０℃前後に保ちながら攪拌を続け、均一な透明水溶液になるまで濃度１４％のアンモニア水を加える。透明になったらアンモニア水を加えながら煮沸し、０．０１Ｐａ・ｓ程度の粘度になるまで濃縮する。この濃縮液から一部を取り出し、３００℃のオーブン中で乾燥して固形分濃度を測定したところ９．０質量％であった。また得られた粉末の体積固有抵抗を測定したところ１０9Ω・ｃｍであった。
【００３６】
濃縮液を２倍に希釈後、電子顕微鏡観察用の試料台にスピンコート後電子顕微鏡で観察を行った。この視野には、１０ｎｍ前後の凝集した粒子も見られたが明確な１次粒子を確認できる界面を観察でき、この界面を基に１次粒子径を測定したところ３ｎｍであった。
＜酸化スズ粒子Ｂの合成方法＞
塩化第二スズ水和物６５ｇを８０℃の蒸留水２０００ｍｌに溶解し均一溶液を得た。次いでこれを煮沸し共沈殿物を得た。生成した沈殿物をデカンテーションにより取り出し、蒸留水にて沈殿を４０回水洗する。その後２０００ｍｌの水中に分散し、加温しながら濃度１４％のアンモニア水を加える。９０℃前後に保ちながら攪拌を続け、均一な透明水溶液になるまで濃度１４％のアンモニア水を加える。透明になったら濃度１４％のアンモニア水を加えながら煮沸し、０．０１Ｐａ・ｓ程度の粘度になるまで濃縮する。この濃縮液から一部を取り出し、３００℃のオーブン中で乾燥して固形分濃度を測定したところ８．５質量％であった。
【００３７】
また、得られた粉末の体積固有抵抗を測定したところ１０6Ω・ｃｍであった。
【００３８】
濃縮液を２倍に希釈後、電子顕微鏡観察用の試料台にスピンコート後電子顕微鏡で観察を行ったところ、一次粒子が多数つながった粒子が観察された。酸化スズ粒子Ａと同様に界面を基にこの１次粒子径を測定したところ１ｎｍであった。
（実施例１）
酸化スズ粒子Ｂの合成で得られた０．０１Ｐａ・ｓのアンモニア水のゾルを直径５ｃｍのシャーレにとり、室温にて１５日間自然乾燥したところ、ヘイズ率１％のゲルが得られた。このゲルから厚み２ｍｍ直径１ｃｍの円盤を切り出し、図１のように電極をつけた。図２に示す方法で焦点距離の変化を測定したところ、電圧（０．１Ｖ）のＯＮ、ＯＦＦに瞬時に応答して焦点距離が変化した。
（実施例２）
６０５ｍｌの水にオセインゼラチンを２４．９ｇ添加後、５０℃で溶解し、ゼラチン水溶液とする。酸化スズ粒子Ｂの水溶液２００ｇを５０℃まで加温後、この５０℃のゼラチン水溶液に攪拌しながら添加する。十分に混合後一部シャーレにとり室温まで冷却後４℃の雰囲気で１週間放置する。得られたゲルのヘイズ率は５％であった。実施例１と同様に切り出し電圧（１Ｖ）を印加したところ、電圧のＯＮ、ＯＦＦに瞬時に応答して焦点距離が変化した。
（実施例３）
実施例２において、分子量１００００のポリアクリルアミド１０％水溶液を２０ｇ添加した以外は、実施例１と同様に切り出し電圧（１Ｖ）を印加したところ、電圧のＯＮ、ＯＦＦに瞬時に応答して焦点距離が変化した。得られたゲルのヘイズ率は６％であった。
（実施例４）
ポリアクリルアミド１０％ラテックス水溶液１００ｇに酸化スズ粒子Ａの水溶液１００ｇを加え良く攪拌する。その後スプレードライを行い、ポリアクリルアミドと酸化スズ粒子Ａの混合粉体を得る。この混合粉体を厚み２ｍｍ直径１ｃｍの円板に成型後、ｐＨ５の酢酸水溶液で膨潤させる。得られたゲルのヘイズ率は１０％であった。その後実施例１と同様に切り出し電圧（１．５Ｖ）を印加したところ、電圧のＯＮ、ＯＦＦに瞬時に応答して焦点距離が変化した。
（比較例１）
６０５ｍｌの水にオセインゼラチンを２４．９ｇ添加後、５０℃で溶解し、ゼラチン水溶液とする。一部シャーレにとり室温まで冷却後、４℃の雰囲気で１週間放置する。実施例１と同様に切り出し電圧を印加したが応答速度が極めて遅く、瞬時には焦点距離が変化しなかった。
（比較例２）
ポリアクリルアミド１０％ラテックス水溶液１００ｇをスプレードライし、ポリアクリルアミド粉体を得る。この粉体を厚み２ｍｍ直径１ｃｍの円板に成型後、ｐＨ５の酢酸水溶液で膨潤させる。その後実施例１と同様に電圧印加したが応答速度が極めた遅く、瞬時には焦点距離は変化しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態に係る粒子分散高分子ゲルレンズを示す斜視図である。
【図２】図１の粒子分散高分子ゲルレンズを用いた焦点距離可変システムを示す概略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  粒子分散高分子ゲルレンズ
２  ＣＣＤ撮像素子
３  信号処理回路
４  直流可変電源
５  粒子
６  高分子ゲル
７  リング状電極
【図１】
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【図２】
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