(57)【要約】【課題】電気毛管現象を利用して光学的効果を制御する光学素子および表示装置を提供する。【解決手段】光学素子１を、隔壁３により一部が連通するように仕切られた第１室１０と第２室１１とを厚さ方向である上下方向に重ね、それらに互いに混合しない異なる屈折率の第１の液体１３と第２の液体１４とを封入して構成する。第１室１０の第１の面８には、レンズ構造が設けられている。第１の面８、第２の面９および隔壁３の両方の面には、電極２１と絶縁膜２２とを配置する。第１の面８の電極２１と隔壁３の対向する電極２１との間の電圧印加および第２の面９の電極２１および隔壁３の対向する電極２１との間の電圧印加を制御し、第１の液体１３が第１室１０に収容されるか否かを制御し、第１の面８のレンズ構造によるレンズ機能の発揮の有無を選択できるようにする。光学素子１を用いて表示装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向において互いに対向する第１の壁部および第２の壁部と、
前記第１の壁部および前記第２の壁部を接続する側壁部と、
前記第１の壁部、前記第２の壁部および前記側壁部の内部に密封された空間を厚さ方向に分割し、前記第１の壁部の第１の面との間に第１室を形成し、前記第２の壁部の第２の面との間に第２室を形成して、前記第１室と前記第２室とを互いに一部で連通させるようにする隔壁と、
前記第１室および前記第２室に封入された、有極性または導電性の第１の液体および前記第１の液体と互いに混合しない第２の液体と
を有し、外部からの入射光の出射方向を制御する光学素子であって、
前記第１の壁部の前記第１の面および前記第２の壁部の前記第２の面のうちの少なくとも一方には、前記入射光を屈折させるための表面構造が形成され、
前記第１の壁部の前記第１の面、前記第２の壁部の前記第２の面、前記隔壁の前記第１の面に対向する面および前記隔壁の前記第２の面に対向する面の上にはそれぞれ、電極と絶縁膜とがこの順で配置され、
前記第１の壁部と前記第２の壁部とは実質的に等しい第１の屈折率を有し、前記第１の液体および前記第２の液体のうちの少なくとも一方が、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有しており、
前記第１の壁部の前記第１の面の前記電極と前記隔壁の前記第１の面に対向する面の前記電極との間に印加する電圧、および、前記第２の壁部の前記第２の面の前記電極と前記隔壁の前記第２の面に対向する面の前記電極との間に印加する電圧をそれぞれ制御して、前記第１の液体および前記第２の液体のそれぞれが前記第１室および前記第２室のうちのいずれに収容されるかを制御し、
前記第１の壁部の前記第１の面および前記第２の壁部の前記第２の面における前記入射光の屈折を制御して、前記入射光の出射方向を制御するよう構成されたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１の壁部の前記第１の面、前記第２の壁部の前記第２の面、前記隔壁の前記第１の壁部と対向する面および前記隔壁の前記第２の壁部と対向する面の上に配置された前記絶縁膜の上に、それぞれ撥水層が配置されたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１の液体は、前記第２の液体より小さい屈折率を有し、前記第２の液体は、前記第１の壁部および前記第２の壁部と実質的に等しい屈折率を有す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】
前記第１の壁部の前記第１の面および前記第２の壁部の前記第２の面のうちの少なくとも一方に形成された前記表面構造は、レンズ構造、プリズム構造およびランダムな凹凸構造のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１の壁部の前記第１の面および前記第２の壁部の前記第２の面のそれぞれに、レンズ構造、プリズム構造およびランダムな凹凸構造のうちのいずれかの前記表面構造が形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子を用いて構成されたことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気毛管現象（エレクトロウエッティング（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｗｅｔｔｉｎｇ）現象）を利用して素子を構成する新しい技術が注目されている。
【０００３】
電気毛管現象は、基板上に置かれた液滴において、その基板との接触角が、電界の影響によって変化する現象である。より具体的には、第１の電極と絶縁膜とが順次積層された基板の絶面膜の上に、有極性または導電性を有する液体からなる液滴を配置する。そしてその液滴に第２の電極を接続し、基板の第１の電極と液滴に接続する第２の電極との間に電圧を印加する。その結果、液滴の濡れ性が変化して基板との接触角が変化する。そして、液滴と基板との接触面積が拡大し、液滴がより広がった状態となって基板上に配置されるようになる。
【０００４】
こうした電気毛管現象は、多様な素子への適用が期待されている。例えば、非特許文献１には、電気毛管現象を利用した表示装置が開示されている。この表示装置は、互いに混合しない、着色された水と油を、表面に電極の形成された一対の基板間に挟持する。そして、所望領域の電極間に電圧を印加することで、静電気力により、その水をその所望とする領域に移動させ、表示を可能とするように構成されている。
【０００５】
また、特許文献１には、電気毛管現象を光学素子に適用する例が開示されている。
特許文献１に記載の光学素子は、電圧の印加制御により、焦点距離を連続的に変えられるレンズを構成する。すなわち、その光学素子は、光透過性の容器内に、有極性または導電性を有する第１の液体とその第１の液体と互いに混合しない第２の液体とを封入して構成される。そして、第１の液体に電圧を印加し、その電圧印加によって第１の液体と第２の液体の界面形状を曲面状に連続的に変形させる。その結果、光学素子に入射して上記界面を通過する光の屈折を制御して、光の焦点距離を制御するように構成されている。このような構成の光学素子は小型化が可能であり、それを用いた撮像装置等の小型化にも有効とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２１８２１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】カールハインツ  ブランケンバッハ、他１名（KarlheinzBlankenbach, et al)、「双安定電気毛管ディスプレイ（BistableElectrowetting Displays)」、プロシーディングオブＳＰＩＥ（Proc. of SPIE）、７９５６巻、ｐ７９５６０９−１〜７９５６０９−１５、２０１１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、その一方で、特許文献１に記載された構造の光学素子では、印加電圧を制御して出射光の焦点距離を高精度に制御するため、印加電圧と焦点距離のフィードバックのための複雑な制御機構が必要となる。そして、焦点距離を固定して、より単純な使用方法で用いる場合でも、印加電圧の制御が必要となって、複雑な制御機構を簡便なものにすることは難しい。したがって、電気毛管現象を利用し、より簡便化された制御機構を用いた光学素子の開発が求められている。
【０００９】
また、上記した電気毛管現象を利用し、例えば、印加電圧の制御によって性能を制御できる光学素子は、マイクロレンズアレイへの応用が期待されている。
マイクロレンズアレイは、微小なマイクロレンズを基板上に多数配列して構成された光学素子であり、例えば、液晶プロジェクタ内部の液晶ディスプレイやデジタルカメラに搭載される固体撮像装置の集光力を補強する手段として使用されている。
【００１０】
従来のマイクロレンズアレイは、樹脂等を成形して製造され、各マイクロレンズは固定された焦点距離を有するのが通常である。そのため、使用用途は、上記した集光力の補強等に限られている。
【００１１】
そこで、例えば、電圧の印加制御により、焦点距離を制御できる光学素子を多数配置してマイクロレンズアレイを構成する技術が開発されれば、レンズアレイ毎に焦点距離を自在に制御することができるマイクロレンズアレイの提供が可能となる。また、より簡便な構成として、レンズアレイ毎にレンズ機能の発揮の有無を自在に選択できるマイクロレンズアレイ等を提供できることになる。そうしたマイクロレンズアレイの用途は、上述した集光力を補強する手段等に留まることなく、より多様なものが期待できる。
例えば、マイクロレンズアレイのレンズ毎に、集光機能を制御するとともに、集光方向を制御することができれば、液晶プロジェクタにおける液晶表示パネルを代替し、より明るい表示装置を提供すること等が可能となる。
【００１２】
しかしながら、そうした光学素子を、特許文献１に記載される光学素子を多数配列して構成しようとする場合、光学素子毎に印加電圧を制御し、上述の第１の液体と第２の液体との間の界面形状を正確に制御する必要がある。そして、各光学素子の焦点距離が高精度に等しくなるように制御する必要が生じて、その実現は、生産性の面においても、非常に困難なものとなる。
【００１３】
そこで、電気毛管現象を利用し、より単純な機構で、光学的効果の発揮の有無を容易に制御することができる新しい光学素子が求められている。そして、その光学素子を用いた表示装置の提供が求められている。
【００１４】
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。
すなわち、本発明の目的は、電気毛管現象を利用して光学的効果を制御する光学素子を提供することにある。そして、その光学素子を用いた表示装置を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の態様は、厚さ方向において互いに対向する第１の壁部および第２の壁部と、
第１の壁部および第２の壁部を接続する側壁部と、
第１の壁部、第２の壁部および側壁部の内部に密封された空間を厚さ方向に分割し、第１の壁部の第１の面との間に第１室を形成し、第２の壁部の第２の面との間に第２室を形成して、その第１室と第２室とを互いに一部で連通させるようにする隔壁と、
第１室および第２室に封入された、有極性または導電性の第１の液体およびその第１の液体と互いに混合しない第２の液体と
を有し、外部からの入射光の出射方向を制御する光学素子であって、
第１の壁部の第１の面および第２の壁部の第２の面のうちの少なくとも一方には、入射光を屈折させるための表面構造が形成され、
第１の壁部の第１の面、第２の壁部の第２の面、第１の壁部の第１の面に対向する隔壁の面および第２の壁部の第２の面に対向する隔壁の面の上にはそれぞれ、電極と絶縁膜とがこの順で配置され、
第１の壁部と第２の壁部とは実質的に等しい第１の屈折率を有し、第１の液体および第２の液体のうちの少なくとも一方が、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有しており、
第１の壁部の第１の面の電極と隔壁の第１の面に対向する面の電極との間に印加する電圧、および、第２の壁部の第２の面の電極と隔壁の第２の面に対向する面の電極との間に印加する電圧をそれぞれ制御して、第１の液体および第２の液体のそれぞれが第１室および第２室のうちのいずれに収容されるかを制御し、
第１の壁部の第１の面および第２の壁部の第２の面における入射光の屈折を制御して、入射光の出射方向を制御するよう構成されたことを特徴とする光学素子に関する。
【００１７】
本発明の第１の態様において、第１の壁部の第１の面、第２の壁部の第２の面、隔壁の第１の壁部と対向する面および隔壁の第２の壁部と対向する面の上に配置された絶縁膜の上に、それぞれ撥水層が配置されることが好ましい。
【００１８】
本発明の第１の態様において、第１の液体は、第２の液体より小さい屈折率を有し、その第２の液体は、第１の壁部および第２の壁部と実質的に等しい屈折率を有することが好ましい。
【００１９】
本発明の第１の態様において、第１の壁部の第１の面および第２の壁部の第２の面のうちの少なくとも一方に形成された表面構造は、レンズ構造、プリズム構造およびランダムな凹凸構造のうちのいずれかであることが好ましい。
【００２０】
本発明の第１の態様において、第１の壁部の第１の面および第２の壁部の第２の面のそれぞれに、レンズ構造、プリズム構造およびランダムな凹凸構造のうちのいずれかの表面構造が形成されることが好ましい。
【００２１】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様の光学素子を用いて構成されたことを特徴とする表示装置に関する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の第１の態様によれば、電気毛管現象を利用して光学的効果を制御する光学素子が提供される。
【００２３】
本発明の第２の態様によれば、電気毛管現象を利用して光学的効果を制御する光学素子を用いた表示装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態の光学素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態である光学素子の別の構成を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の光学素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態の光学素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態の光学素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態である光学素子の別の例の構成を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の実施形態の表示装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明者は、上述した非特許文献１に記載された技術に着目する。すなわち、電気毛管現象を利用し、互いに混合しない水と油を一対電極間に配置して、その電極間に電圧を印加する。そして、水を所望とする領域に移動させ、画像表示に利用する技術に着目する。
【００２６】
本発明者は、電気毛管現象を利用し、一方が有極性または導電性の液体である、互いに混合しない２種の液体に対して電界を印加し、その２種の液体の配置位置を変化させる。そして、その２種の液体の配置の変化に伴って、所望とする光学的効果の発揮の有無を選択することができる光学素子を構成する。
以下、本発明の光学素子について説明する。
【００２７】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の第１実施形態の光学素子の構成を示す模式的な断面図である。
【００２８】
図１に示すように、本発明の第１実施形態の光学素子１は、隔壁３により一部が連通するように仕切られた第１室１０と第２室１１とを厚さ方向である上下方向（図１のＹ方向）に２段に重ね、その第１室１０と第２室１１に、互いに混合しない第１の液体１３と第２の液体１４とを封入して構成されている。
【００２９】
より詳細には、光学素子１は、四角柱状の形状を有し、厚さ方向において互いに対向する第１の壁部５および第２の壁部６と、第１の壁部５および第２の壁部６を接続する側壁部７とを有する。
【００３０】
そして、光学素子１は、第１の壁部５、第２の壁部６および側壁部７の内部に密封された空間を、厚さ方向（上下方向）であるＹ方向に分割する隔壁３を有する。隔壁３は、第１の壁部５の第１の面８との間に第１室１０を形成し、第２の壁部６の第２の面９との間に第２室１１を形成する。このとき、隔壁３は、第１室１０と第２室１１との間を完全に遮断しないよう側壁部７との間に連通路４が設けられ、第１室１０と第２室１１との間で互いに一部が連通するように構成されている。すなわち、第１室１０と第２室１１とは隔壁３により、厚さ方向である上下方向（図１のＹ方向）に並んで配置されるとともに、互いに一部が連通するように構成されている。このとき、第１室１０と第２室１１の容積は、それぞれ実質的に等しくなるように構成されることが好ましい。
【００３１】
第１の壁部５、第２の壁部６、隔壁３および側壁部７は、それぞれ絶縁性を有する材料で形成される。そして、第１の壁部５、第２の壁部６および隔壁３は光を透過する光透過性の材料で形成されている。さらに、第１の壁部５と第２の壁部６とは、実質的に等しい屈折率を有するように構成されることが好ましい。
【００３２】
第１の壁部５と第２の壁部６は同じ材料によって構成することが可能である。そうすることにより、第１の壁部５と第２の壁部６とは、実質的に等しい屈折率を有することができる。第１の壁部５および第２の壁部６を構成する材料としては、例えば、透明で絶縁性を有する樹脂あるいは透明なガラスを用いることができる。また、隔壁３を構成する材料についても、例えば、透明で絶縁性を有する樹脂あるいは透明なガラスを用いることができる。
【００３３】
図１の光学素子１では、例えば、第１の壁部５および第２の壁部６を、それぞれ屈折率が１．５２であるガラスから構成することが可能である。
【００３４】
光学素子１の第１室１０および第２室１１には、有極性または導電性の液体である第１の液体１３およびその第１の液体１３と互いに混合しない第２の液体１４とが、実質的に同じ量となるように封入されている。
このとき、第１の液体１３と第２の液体１４とは、実質的に等しい比重を有することが好ましい。
【００３５】
そして、第１の液体１３と第２の液体１４は、少なくとも一方が、第１の壁部５および第２の壁部６の屈折率と異なる屈折率を有するようにされることが好ましい。
【００３６】
本実施形態の光学素子１において、第１の液体１３と第２の液体１４は、第１の液体１３の屈折率ｎ１が第２の液体１４の屈折率ｎ２よりも小さくなることが好ましい。すなわち、第２の液体１４の屈折率ｎ２が第１の液体１３の屈折率ｎ１よりも大きくなることが好ましい。そして、第２の液体１４の屈折率ｎ２が、第１の壁部５および第２の壁部６の屈折率と実質的に等しくなるように、それぞれ選択されることが好ましい。
【００３７】
本実施形態の光学素子１では、例えば、第２の液体１４を屈折率が１．５２であるシリコーンオイル（ｎ２＝１．５２）で構成し、第１の液体１３を屈折率が１．３８２であるニトロメタン（ｎ１＝１．３８２）とすることが可能である。
【００３８】
本実施形態の光学素子１において、第１の液体１３として使用できる液体は、有極性または導電性の液体である。具体的には、上述したニトロメタンの他、例えば、無水酢酸、酢酸メチル、酢酸エチル、メタノール、アセトニトリル、アセトン、エタノール、プロピオニトリル、テトロヒドロフラン、ｎ−ヘキサン、２−プロパノール、２−ブタノン、ｎ−ブチロニトリル、１−プロパノール、１−ブタノール、ジメチルスルホキシド、クロロベンゼン、エチレングリコール、ホルムアミド、ニトロベンゼン、炭酸プロピレン、１，２−ジクロロエタン、二硫化炭素、クロロホルム、ブロモベンゼン、四塩化炭素、トリクロロ酢酸無水物、トルエン、ベンゼン、エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、リン酸トリブチル、ピリジン、ベンゾニトル、アニリン、１，４−ジオキサン、ヘキサメチルホスホルアミド等を挙げることができる。これらの中から、第１の壁部５および第２の壁部６との屈折率の違いを考慮して選択されることが好ましい。
【００３９】
また、第２の液体１４として使用できる液体は、第１の液体１３と互いに混合しない液体である。例えば、シリコーン、デカン系、オクタン系、ノナン、ヘプタン等を挙げることができる。これらの中から、第１の壁部５および第２の壁部６の屈折率を考慮して選択されることが好ましい。
【００４０】
第１の液体１３および第２の液体１４は、それぞれ単一の液体で構成することが可能であり、また、複数の液体を混合して構成することも可能である。その場合、第１の液体１３と第２の液体１４が実質的に等しい比重を有するように構成され、また、第１の液体１３の屈折率ｎ１が第２の液体１４の屈折率ｎ２よりも小さくなるように構成される。
【００４１】
光学素子１の第１室１０を構成する第１の壁部５の第１の面８には、光学素子１が光学的機能を発揮するための構造が表面構造として設けられている。すなわち、光学素子１の第１の面８には、図１に示す、厚み方向であるＹ方向と平行な入射光１９を屈折させるための表面構造が設けられている。本実施形態の光学素子１では、光学素子１が入射光１９を屈折させ、レンズ機能を発揮するための、片面凸レンズ状のレンズ構造が表面構造として設けられている。
【００４２】
光学素子１の第１の面８上のレンズ構造は、平面構造が円となるように構成することが可能である。また、楕円の他、四角形や六角形等の多角形とすることも可能である。図１に示す片面凸レンズ状のレンズ構造は、平面構造が円となるように構成され、その曲率半径は、例えば、２０ｍｍとすることができる。
【００４３】
一方、図１の光学素子１の第２の壁部６の第２の面９は、光学素子１の厚み方向と直交するように平面状に形成されている。同様に、隔壁３においても、第１の面８および第２の面９のそれぞれに対向する面が、光学素子１の厚み方向と直交するように平面状に形成されている。
【００４４】
第１の壁部５の表面構造のある第１の面８、第２の壁部６の第２の面９、隔壁３の第１の壁部５の第１の面８に対向する面および隔壁３の第２の壁部６の第２の面９に対向する面の上にはそれぞれ、電極２１と絶縁膜２２とがこの順で配置されている。後述するように、これら各電極２１は光学素子１において電圧印加のために用いられ、絶縁膜２２は、電極２１間の絶縁性を確保するために配設される。電極２１は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）等の光透過性の導電材料から形成された透明電極であることが好ましい。
【００４５】
そして、光学素子１は、電極２１上の絶縁膜２２の上に、撥水層２３を設けることが好ましい。この撥水層２３は親油性の層であり、水等の高極性の液体や導電性の液体に対して濡れ性が低く、所謂はじく性質を示す。そのため、撥水層２３は、後述するように、第１の液体１３および第２の液体１４を光学素子１の第１室１０と第２室１１との間で移動させるのを助けるためのものとなる。撥水層２３は、公知の材料を用いて形成することができる。例えば、フッ素を含む材料等を用いて形成することができる。
【００４６】
以上の構成を有する本実施形態の光学素子１は、レンズ機能の発揮の有無を自在に選択できるレンズを構成する。
光学素子１では、第１の液体１３と第２の液体１４とが、互いに混じり合うこと無く、分離した状態で、例えば、図１に示すように、第１室１０と第２室１１にそれぞれ収容されている。この状態は、安定な状態である。
【００４７】
そして、図１に示す光学素子１では、厚み方向であるＹ方向と平行な入射光１９が、第２の壁部６の側の外部から入射する。入射光１９は、第２の壁部６および隔壁３等をそのまま透過して直進する。すなわち、光学素子１では、入射光１９が第２の壁部６の第２の面９において屈折しないように制御する。そして、入射光１９は、片面凸レンズ状のレンズ構造が形成された第１の壁部５の第１の面８に到達する。第１の面８では、第１の液体１３の屈折率ｎ１と第１の壁部５の屈折率の違いによる入射光１９の屈折が生じる。その結果、光学素子１は、レンズ機能を発揮する。
【００４８】
その場合、例えば、光学素子１において第１の壁部５の屈折率が１．５２、第１の液体１３の屈折率が１．３８２および第１の面８上のレンズ構造の曲率半径が２０ｍｍであるときに、焦点距離（ｆ）は、式：ｆ＝２０（ｍｍ）／（１．５２／１．３８２−１）を用いて算出することができ、その値は約２００ｍｍとなる。
【００４９】
すなわち、図１に示す光学素子１は、焦点距離２００ｍｍのレンズとして機能する。このように、光学素子１は、第１の面８のレンズ構造の曲率半径、第１の液体１３の屈折率、第２の液体１４の屈折率、第１の壁部５の屈折率を調整して、焦点距離を制御することができる。
【００５０】
図２は、本発明の第１実施形態である光学素子の別の状態を示す模式的な断面図である。
【００５１】
図２に示す光学素子１は、後述するように、電圧印加によって、第１の液体１３が第２室１１に、第２の液体１４が第１室１０に収容されるようになった状態を示しており、図１の光学素子と共通する構成要素については、同じ符号を付して説明する。
【００５２】
次に、図１に示す光学素子１に対し、第２の壁部６の第２の面９上の電極２１および隔壁３の第２の面９に対向する面の電極２１を用いて、それらの電極間に電圧を印加する。この電圧印加により、第２室１１を構成する第２の壁部６の第２の面９上の絶縁膜２２および隔壁３の第２の面９に対向する面の絶縁膜２２が帯電し、これによって第１の液体１３を構成する分子に電界（静電気力）が作用して電気毛管現象が発生するようになる。
【００５３】
その結果、光学素子１では、より安定な状態をとることができるように、第１の液体１３が、連通路４を通って、第１室１０から第２室１１に移動する。そして、図２に示されるように、第１の液体１３が第２室１１に、第２の液体１４が第１室１０に収容されるようになる。こうした移動による第１の液体１３および第２の液体１４の配置形成の後、上述した電圧の印加を停止する。すると、光学素子１は再び、第１の液体１３および第２の液体１４が安定に配置された状態を呈するようになる。
【００５４】
図２に示すように、第１の液体１３が第２室１１に、第２の液体１４が第１室１０に収容された光学素子１では、厚み方向であるＹ方向と平行な入射光１９が第２の壁部６側の外部から入射すると、第２の壁部６および隔壁３等をそのまま透過して直進する。すなわち、光学素子１では、入射光１９が第２の壁部６の第２の面９において屈折しないように制御する。
【００５５】
そして、入射光１９は、片面凸レンズ状のレンズ構造が形成された第１の壁部５の第１の面８に到達する。第１の面８では、第２の液体１４の屈折率ｎ２と第１の壁部５の屈折率が等しく、入射光１９の屈折は生じない。すなわち、光学素子１は、第１の面８において入射光１９の屈折が生じないように制御する。入射光１９はそのまま第１の面８を通過して直進する。こうして、第１の液体１３が第２室１１に、第２の液体１４が第１室１０に収容された状態の光学素子１では、第１の面８のレンズ構造に由来するレンズ機能が発揮されないようになる。
【００５６】
さらに、第１の液体１３が第２室１１に、第２の液体１４が第１室１０に収容された光学素子１に対し、第１の壁部５の第１の面８上の電極２１および隔壁３の第１の面８に対向する面の電極２１を用いて、それらの電極間に電圧を印加する。この電圧印加により、第１室１０を構成する第１の壁部５の第１の面８上の絶縁膜２２および隔壁３の第１の面８に対向する面の絶縁膜２２が帯電し、これによって第１の液体１３を構成する分子に電界（静電気力）が作用して電気毛管現象が発生するようになる。その結果、光学素子１では、より安定な状態をとることができるように、第１の液体１３が、連通路４を通って、第２室１１から第１室１０に移動する。そして、図１に示されるように、第１の液体１３が第１室１０に、第２の液体１４が第２室１１に収容されるようになる。
【００５７】
こうした液体の移動による第１の液体１３および第２の液体１４の配置形成の後、電圧の印加を停止する。すると、光学素子１は再び、第１の液体１３および第２の液体１４が安定に配置された状態を呈するようになる。そして、光学素子１は、上述した第１の面８のレンズ構造に由来するレンズ機能を再び発揮するようになる。
【００５８】
以上のように、本実施形態の光学素子１は、第１の壁部５の第１の面８上の電極２１と、隔壁３の第１の面８に対向する面の電極２１との間の電圧印加を制御する。併せて、第２の壁部６の第２の面９上の電極２１と、隔壁３の第２の面９に対向する面の電極２１との間の電圧印加を制御する。それにより、第１の液体１３が、第１室１０に収容されるか、または第２室１１に収容されるかを自在に選択することができる。そして、光学素子１は、入射光１９の、第１の壁部５の第１の面８における屈折の有無を制御することができる。その結果、光学素子１は、第１の面８の表面構造に由来するレンズとしての機能を発揮するか否かを自在に選択することが可能となる。
【００５９】
光学素子１は、第１の液体１３が、第１室１０に収容された図１の状態と、第２室１１に収容された図２の状態とのいずれもが、電圧無印加の状態で安定な状態となる。すなわち、光学素子１の図１に示す状態および図２に示す状態はそれぞれ、電圧印加を停止した後もメモリーされ、次に電圧が印加されて液体の移動が促されるまでは安定した状態を示す。
【００６０】
したがって、光学素子１は、それぞれが安定な双安定（バイステーブル）状態間で、電圧の印加制御による切り替えがなされ、その切り替えとともにレンズとしての機能発揮の有無を選択することが可能となる。そして、光学素子１は、電圧の印加制御によって入射光１９の屈折の有無を制御し、レンズ効果の発揮の有無を制御することができる。
【００６１】
尚、図１および図２において、光学素子１の第１の壁部５の第１の面８上に形成された表面構造は、片面凸レンズ状の形状が１つ形成されているが、表面構造の数は１つに限られず、より微細な多数の片面レンズ状の形状を設けることが可能である。
【００６２】
そして、光学素子１は、図１のＸ方向である横方向の幅を１００μｍ〜１０ｍｍの大きさとすることが可能である。そして、光学素子１は、多数が集められて配列され、マイクロレンズ状の光学素子を構成することも可能である。そうすることにより、レンズアレイ毎にレンズ機能の発揮の有無を自在に選択できるマイクロレンズアレイを提供することができる。
【００６３】
＜実施の形態２＞
図３は、本発明の第２実施形態の光学素子の構成を示す模式的な断面図である。
【００６４】
図３に示すように、本発明の第２実施形態の光学素子１００は、隔壁３により一部が連通するように仕切られた第１室１０と第２室１１とを厚さ方向である上下方向（図３のＹ方向）に２段に重ね、その第１室１０と第２室１１に、互いに混合しない第１の液体１３と第２の液体１４とを封入して構成されている。
【００６５】
本実施形態の光学素子１００では、上述した第１実施形態の光学素子１と同様、例えば、第２の液体１４を屈折率が１．５２であるシリコーンオイル（ｎ２＝１．５２）で構成し、第１の液体１３を屈折率が１．３８２であるニトロメタン（ｎ１＝１．３８２）とすることが可能である。そして、光学素子１００では、第１の壁部５および第２の壁部６を、それぞれ屈折率が１．５２であるガラスから構成することが可能である。
【００６６】
そして、図３に示す光学素子１００は、第１の壁部５の第１の面１０８上に形成された表面構造が、図１の第１実施形態の光学素子１と異なる以外は同様の構造を有する。したがって、共通するまたは類似する構成要素は、図１の光学素子１と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６７】
光学素子１００の第１室１０を構成する第１の壁部５の第１の面１０８には、光学素子１００が光学的機能を発揮するための構造が表面構造として設けられている。すなわち、光学素子１００の第１の面１０８には、図３に示す、厚み方向であるＹ方向と平行な、外部からの入射光１９を屈折させるための表面構造が設けられている。具体的には、本実施形態の光学素子１００が入射光１９を屈折させ、プリズム機能を発揮するためのプリズム構造が表面構造として設けられている。
【００６８】
光学素子１００の第１の面１０８上のプリズム構造は、そのプリズム角を、例えば、１０°とすることができる。
【００６９】
一方、図３の光学素子１００の第２の壁部６の第２の面９は、光学素子１００の厚み方向と直交するように平面状に形成されている。同様に、隔壁３においても、第１の面１０８および第２の面９のそれぞれに対向する面が、光学素子１００の厚み方向と直交するように平面状に形成されている。
【００７０】
第１の壁部５の表面構造のある第１の面１０８、第２の壁部６の第２の面９、隔壁３の第１の壁部５の第１の面１０８に対向する面および隔壁３の第２の壁部６の第２の面９に対向する面の上にはそれぞれ、電極２１と絶縁膜２２とがこの順で配置されている。後述するように、これら各電極２１は光学素子１００において電圧印加のために用いられ、絶縁膜２２は、電極２１間の絶縁性を確保するために配設される。電極２１は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）等の光透過性の導電材料から形成された透明電極であることが好ましい。
【００７１】
そして、光学素子１００は、電極２１上の絶縁膜２２の上に、撥水層２３を設けることが望ましい。この撥水層２３は親油性の層であり、水などの高極性の液体に対して濡れ性が低く、所謂はじく性質を示す。そのため、撥水層２３は、第１の液体１３および第２の液体１４を光学素子１００の第１室１０と第２室１１との間で移動させるのを助けるためのものとなる。撥水層２３は、公知の材料を用いて形成することができる。例えば、フッ素を含む材料等を用いて形成することができる。
【００７２】
以上の構成を有する本実施形態の光学素子１００は、プリズム機能の発揮の有無を自在に選択できるプリズムを構成する。
光学素子１００では、第１の液体１３と第２の液体１４とが、互いに混じり合うこと無く、分離した状態で、例えば、図３に示すように、第１室１０と第２室１１に収容されている。この状態は、安定な状態である。
【００７３】
そして、図３に示す光学素子１００では、厚み方向であるＹ方向と平行な入射光１９が、第２の壁部６の側の外部から入射する。入射光１９は、第２の壁部６および隔壁３等をそのまま透過して直進する。すなわち、光学素子１００では、入射光１９が第２の壁部６の第２の面９において屈折しないように制御する。そして、入射光１９は、プリズム構造が形成された第１の壁部５の第１の面１０８に到達する。第１の面１０８では、第１の液体１３の屈折率ｎ１と第１の壁部５の屈折率の違いによる入射光１９の屈折が生じる。例えば、第１の壁部５の屈折率が１．５２、第１の液体１３の屈折率が１．３８２および第１の面１０８上のプリズム構造のプリズム角が１０°であるときに入射光１９の屈折角（θ）は、式：θ＝ｓｉｎ−１｛（ｎ１／ｎ２）×ｓｉｎ（１０°）｝を用いて算出することができ、その値は約９°となる。
【００７４】
すなわち、図３に示す光学素子１００は、入射光１９を厚み方向であるＹ方向から約９°屈折させることができるプリズムとして機能する。このように、光学素子１００は、第１の面１０８のプリズム構造のプリズム角、第１の液体１３の屈折率および第２の液体の屈折率１４を調整して、入射光１９の屈折角を制御し、入射光１９の進行方向を制御することができる。
【００７５】
そして、図１および図２に示した第１実施形態の光学素子１と同様に、電気毛管現象を利用し、第１の液体１３が、第１室１０に収容されるか、または第２室１１に収容されるかを自在に選択することができる。
【００７６】
すなわち、本実施形態の光学素子１００は、第１の壁部５の第１の面１０８上の電極２１と、隔壁３の第１の面１０８に対向する面の電極２１との間の電圧印加を制御する。併せて、第２の壁部６の第２の面９上の電極２１と、隔壁３の第２の面９に対向する面の電極２１との間の電圧印加を制御する。そうした電圧印加の制御により、第１の液体１３が、第１室１０に収容されるか、または第２室１１に収容されるかを自在に選択することができる。光学素子１００は、第１の液体１３が第１室１０に収容される場合、プリズム機能を発揮して、入射光１９の進行方向を変化させる。一方、第１の液体１３が、第２室１１に収容される場合には、光学素子１００はプリズム機能を発揮せず、入射光１９はそのまま光学素子１００を透過して直進する。
【００７７】
したがって、光学素子１００は、電圧の印加を制御することで、第１の面１０８の表面構造に由来するプリズムとしての機能を発揮するか否かを自在に選択することが可能となる。すなわち、光学素子１００は、入射光１９の、第１の壁部５の第１の面１０８における屈折を制御することができる。
【００７８】
そして、光学素子１００は、第１の液体１３が、第１室１０に収容された図３の状態と、第２室１１に収容された状態とのいずれもが、電圧無印加の状態で安定な状態となる。すなわち、光学素子１００の図３に示す状態および第１の液体１３が第２室１１に収容された状態はそれぞれ、電圧印加を停止した後もメモリーされ、次に電圧が印加されて液体の移動が促されるまでは安定した状態を示す。
【００７９】
したがって、光学素子１００は、それぞれが安定な双安定（バイステーブル）状態間で、電圧の印加制御による切り替えがなされ、その切り替えとともにプリズムとしての機能発揮の有無を選択することが可能となる。そして、光学素子１００は、電圧の印加制御によって入射光の屈折の有無を制御し、光の進行方向を変える効果の有無を制御することができる。
【００８０】
尚、図３において、光学素子１００の第１の壁部５の第１の面１０８上に形成された表面構造は、プリズム構造が１つ形成されているが、表面構造の数は１つに限られず、より微細なプリズム構造を多数設けることも可能である。
【００８１】
また、光学素子１００の第１の面１０８上のプリズム構造は、平面構造が四角でピラミッド状の形状となるように構成することも可能である。
【００８２】
そして、光学素子１００は、図３のＸ方向である横方向の幅を１００μｍ〜１０ｍｍの大きさとすることが可能である。そして、光学素子１００は、多数が集められて配列され、プリズムアレイ状の光学素子を構成することも可能である。そうすることにより、構成要素である光学素子毎にプリズム機能の発揮の有無を自在に選択できるプリズムアレイを提供することができる。
【００８３】
＜実施の形態３＞
図４は、本発明の第３実施形態の光学素子の構成を示す模式的な断面図である。
【００８４】
図４に示すように、本発明の第３実施形態の光学素子２００は、隔壁３により一部が連通するように仕切られた第１室１０と第２室１１とを厚さ方向である上下方向（図３のＹ方向）に２段に重ね、その第１室１０と第２室１１に、互いに混合しない第１の液体１３と第２の液体１４とを封入して構成されている。
【００８５】
本実施形態の光学素子２００では、上述した第１実施形態の光学素子１と同様、例えば、第２の液体１４を屈折率が１．５２であるシリコーンオイル（ｎ２＝１．５２）で構成し、第１の液体１３を屈折率が１．３８２であるニトロメタン（ｎ１＝１．３８２）とすることが可能である。そして、光学素子２００では、第１の壁部５および第２の壁部６を、それぞれ屈折率が１．５２であるガラスから構成することが可能である。
【００８６】
そして、図４に示す光学素子２００は、第１の壁部５の第１の面２０８上に形成された表面構造が、図１の第１実施形態の光学素子１と異なる以外は同様の構造を有する。したがって、共通するまたは類似する構成要素は、図１の光学素子１と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００８７】
光学素子２００の第１室１０を構成する第１の壁部５の第１の面２０８には、光学素子２００が光学的機能を発揮するための構造が表面構造として設けられている。すなわち、光学素子２００の第１の面２０８には、図４に示す、厚み方向であるＹ方向と平行な、外部からの入射光１９を屈折させるための表面構造が設けられている。具体的には、本実施形態の光学素子２００は、入射光１９を屈折させて散乱させる散乱機能を発揮するため、微細でランダムな凹凸構造が表面構造として設けられている。
【００８８】
一方、図４の光学素子２００の第２の壁部６の第２の面９は、光学素子２００の厚み方向と直交するように平面状に形成されている。同様に、隔壁３においても、第１の面２０８および第２の面９のそれぞれに対向する面が、光学素子１の厚み方向と直交するように平面状に形成されている。
【００８９】
第１の壁部５の表面構造のある第１の面２０８、第２の壁部６の第２の面９、隔壁３の第１の壁部５の第１の面２０８に対向する面および隔壁３の第２の壁部６の第２の面９に対向する面の上にはそれぞれ、電極２１と絶縁膜２２とがこの順で配置されている。後述するように、これら各電極２１は光学素子２００において電圧印加のために用いられ、絶縁膜２２は、電極２１間の絶縁性を確保するために配設される。電極２１は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）等の光透過性の導電材料から形成された透明電極であることが好ましい。
【００９０】
そして、光学素子２００は、電極２１上の絶縁膜２２の上に、撥水層２３を設けることが望ましい。この撥水層２３は親油性の層であり、水などの高極性の液体に対して濡れ性が低く、所謂はじく性質を示す。そのため、撥水層２３は、後述するように、第１の液体１３および第２の液体１４を光学素子２００の第１室１０と第２室１１との間で移動させるのを助けるためのものとなる。撥水層２３は、公知の材料を用いて形成することができる。例えば、フッ素を含む材料等を用いて形成することができる。
【００９１】
以上の構成を有する本実施形態の光学素子２００は、光の散乱機能の発揮の有無を自在に選択できる光散乱素子を構成する。
光学素子２００では、第１の液体１３と第２の液体１４とが、互いに混じり合うこと無く、分離した状態で、例えば、図４に示すように、第１室１０と第２室１１に収容されている。この状態は、安定な状態である。
【００９２】
そして、図４に示す光学素子２００では、厚み方向であるＹ方向と平行な入射光１９が、第２の壁部６の側の外部から入射する。入射光１９は、第２の壁部６および隔壁３等をそのまま透過して直進する。すなわち、光学素子２００では、入射光１９が第２の壁部６の第２の面９において屈折しないように制御する。そして、入射光１９は、ランダムな凹凸構造が形成された第１の壁部５の第１の面２０８に到達する。第１の面２０８では、第１の液体１３の屈折率ｎ１と第１の壁部５の屈折率の違いによる入射光１９の屈折が生じる。
【００９３】
すなわち、図４に示す状態の光学素子２００は、入射光１９を散乱させる光散乱素子として機能する。
【００９４】
そして、図１および図２に示した第１実施形態の光学素子１と同様に、電気毛管現象を利用し、第１の液体１３が、第１室１０に収容されるか、または第２室１１に収容されるかを自在に選択することができる。
【００９５】
すなわち、本実施形態の光学素子２００は、第１の壁部５の第１の面２０８上の電極２１と、隔壁３の第１の面２０８に対向する面の電極２１との間の電圧印加を制御する。併せて、第２の壁部６の第２の面９上の電極２１と隔壁３の第２の面９に対向する面の電極２１との間の電圧印加を制御する。そうした電圧印加の制御により、第１の液体１３が、第１室１０に収容されるか、または第２室１１に収容されるかを自在に選択することができる。光学素子２００は、第１の液体１３が第１室１０に収容される場合、光散乱機能を発揮する。一方、第１の液体１３が、第２室１１に収容される場合には、光学素子２００は光散乱機能を発揮せず、入射光１９はそのまま光学素子を透過して直進する。
【００９６】
したがって、光学素子２００は、電圧の印加を制御することで、第１の面２０８の表面構造に由来する光散乱素子としての機能を発揮するか否かを自在に選択することが可能となる。すなわち、光学素子２００は、入射光１９の、第１の壁部５の第１の面２０８における屈折を制御することができる。
【００９７】
そして、光学素子２００は、第１の液体１３が、第１室１０に収容された図４の状態と、第２室１１に収容された状態とのいずれもが、電圧無印加の状態で安定な状態となる。すなわち、光学素子２００の図４に示す状態および第１の液体１３が第２室１１に収容された状態はそれぞれ、電圧印加を停止した後もメモリーされ、次に電圧が印加されて液体の移動が促されるまでは安定した状態を示す。
【００９８】
したがって、光学素子２００は、それぞれが安定な双安定（バイステーブル）状態間で、電圧の印加制御による切り替えがなされ、その切り替えとともに光散乱素子としての機能発揮の有無を選択することが可能となる。そして、光学素子２００は、電圧の印加制御によって入射光１９の屈折の有無を制御し、光の散乱効果の有無を制御することができる。
【００９９】
光学素子２００は、図４のＸ方向である横方向の幅を１００μｍ〜１０ｍｍの大きさとすることが可能である。そして、光学素子２００は、多数を集め、微細な光学素子を配列してなるアレイ状の光散乱素子を構成することも可能である。そうすることにより、アレイ状の光散乱素子を構成する光学素子毎に光散乱機能の発揮の有無を自在に選択できる光散乱素子を提供することができる。
【０１００】
以上の本発明の第１実施形態〜第３実施形態の光学素子１、１００、２００では、第１の壁部５の第１の面８、１０８、２０８の、入射光を屈折させるための表面構造が、レンズ構造、プリズム構造、およびランダムな凹凸構造であったが、表面構造はこうした構造のみに限られない。回折効果を持っている表面構造でもよい。また他にも、多様な構造を形成することが可能である。例えば、円柱を軸方向に２つに割った形のシリンドリカルレンズ形状を、光学素子の第１の壁部の第１の面に表面構造として形成することが可能である。そうすることにより、シリンドリカルレンズとしての機能の発揮の有無を電圧印加の制御によって自在に選択できる光学素子を提供することができる。
【０１０１】
＜実施の形態４＞
上述した本発明の第１実施形態〜第３実施形態の光学素子１、１００、２００では、入射光１９を屈折させるための表面構造が、第１の壁部５の第１の面８、１０８、２０８のみに形成されている。そして、第２の壁部６の第２の面９は、厚み方向と垂直な平面を形成する。しかしながら、本発明の実施形態の光学素子では、表面構造が設けられる面を一方の面のみに限る必要はなく、第１の壁部の第１の面と第２の壁部の第２の面の両方に設けることが可能である。
【０１０２】
図５は、本発明の第４実施形態の光学素子の構成を示す模式的な断面図である。
【０１０３】
図５に示すように、本発明の第４実施形態の光学素子３００は、隔壁３により一部が連通するように仕切られた第１室１０と第２室１１とを厚さ方向である上下方向（図３のＹ方向）に２段に重ね、その第１室１０と第２室１１に、互いに混合しない第１の液体１３と第２の液体１４とを封入して構成されている。
【０１０４】
本実施形態の光学素子３００では、上述した第１実施形態の光学素子１と同様、例えば、第２の液体１４を屈折率が１．５２であるシリコーンオイル（ｎ２＝１．５２）で構成し、第１の液体１３を屈折率が１．３８２であるニトロメタン（ｎ１＝１．３８２）とすることが可能である。そして、光学素子３００では、第１の壁部５および第２の壁部３０６を、それぞれ屈折率が１．５２であるガラスから構成することが可能である。
【０１０５】
そして、図５に示す光学素子３００は、第１の壁部５の第１の面３０８上にプリズム構造が形成され、第２の壁部３０６の第２の面３０９上にも表面構造が形成されたこと以外は、図１の第１実施形態の光学素子１と同様の構造を有する。すなわち、図５の光学素子３００は、図３の第２実施形態の光学素子１００において、第２の壁部６の第２の面９にも新たな表面構造が形成された構造に対応する。したがって、光学素子１と共通するまたは類似する構成要素は、図１の光学素子１と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０６】
光学素子３００の第１室１０を構成する第１の壁部５の第１の面３０８には、光学素子３００が光学的機能を発揮するための構造が表面構造として設けられている。すなわち、光学素子３００の第１の面３０８には、図５に示す、厚み方向であるＹ方向と平行な、外部からの入射光１９を屈折させるための表面構造が設けられている。具体的には、本実施形態の光学素子３００が入射光１９を図５における左側に屈折させ、プリズム機能を発揮するための、プリズム構造が表面構造として設けられている。
【０１０７】
そして、光学素子３００の第２室１１を構成する第２の壁部３０６の第１の面３０９にも、光学素子３００が光学的機能を発揮するための構造が表面構造として設けられている。すなわち、光学素子３００の第２の面３０９には、図５に示す、厚み方向であるＹ方向と平行な、外部からの入射光１９を屈折させるための表面構造が設けられている。具体的には、本実施形態の光学素子３００が入射光１９を屈折させ、プリズム機能を発揮するための、プリズム構造が表面構造として設けられている。
【０１０８】
光学素子３００の第１の面３０８上のプリズム構造は、そのプリズム角を、例えば、水平方向（図５のＸ方向）を基準に反時計回りに＋１０°とすることができる。一方、光学素子３００の第１の面３０８と対向する第２の面３０９上のプリズム構造については、そのプリズム角を同様に−１０°とすることができる。
【０１０９】
そして、隔壁３においては、第１の面３０８および第２の面３０９のそれぞれに対向する面が、光学素子３００の厚み方向と直交するように平面状に形成されている。
【０１１０】
第１の壁部５の表面構造のある第１の面３０８、第２の壁部３０６の表面構造のある第２の面３０９、隔壁３の第１の壁部５の第１の面３０８に対向する面および隔壁３の第２の壁部３０６の第２の面３０９に対向する面の上にはそれぞれ、電極２１と絶縁膜２２とがこの順で配置されている。後述するように、これら各電極２１は光学素子３００において電圧印加のために用いられ、絶縁膜２２は、電極２１間の絶縁性を確保するために配設される。電極２１は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）等の光透過性の導電材料から形成された透明電極であることが好ましい。
【０１１１】
そして、光学素子３００は、電極２１上の絶縁膜２２の上に、撥水層２３を設けることが望ましい。この撥水層２３は親油性の層であり、水などの高極性の液体に対して濡れ性が低く、所謂はじく性質を示す。そのため、撥水層２３は、後述するように、第１の液体１３および第２の液体１４を光学素子３００の第１室１０と第２室１１との間で移動させるのを助けるためのものとなる。撥水層２３は、公知の材料を用いて形成することができる。例えば、フッ素を含む材料等を用いて形成することができる。
【０１１２】
以上の構成を有する本実施形態の光学素子３００は、プリズム機能を発揮するとともに、光の屈折方向を自在に選択できるプリズムを構成する。
光学素子３００では、第１の液体１３と第２の液体１４とが、互いに混じり合うこと無く、分離した状態で、例えば、図５に示すように、第１室１０と第２室１１に収容されている。この状態は、安定な状態である。
【０１１３】
そして、図５に示す光学素子３００では、厚み方向であるＹ方向と平行な入射光１９が、第２の壁部３０６の側から入射する。入射光１９は、第２の壁部３０６および隔壁３等をそのまま透過して直進する。すなわち、図５の光学素子３００では、第２室１１を第２の液体１４で満たし、入射光１９が第２の壁部３０６の第２の面３０９において屈折を生じないように制御する。
【０１１４】
そして、入射光１９は、プリズム構造が形成された第１の壁部５の第１の面３０８に到達する。第１の面３０８では、第１の液体１３の屈折率ｎ１と第１の壁部５の屈折率の違いによる入射光１９の屈折が生じる。例えば、第１の壁部５の屈折率が１．５２、第１の液体１３の屈折率が１．３８２および第１の面３０８上のプリズム構造のプリズム角が１０°であるときに入射光１９の屈折角（θ）は、式：θ＝ｓｉｎ−１｛（ｎ１／ｎ２）×ｓｉｎ（１０°）｝を用いて算出することができ、その値は約９°（絶対値）となる。その結果、光学素子３００から出射する出射光３１９の角度は、厚み方向であるＹ方向を基準として、反時計回りに約９°となる。
【０１１５】
すなわち、図５に示す光学素子３００は、入射光１９を、厚み方向であるＹ方向から、反時計回りに約９°屈折させることができるプリズムとして機能する。
【０１１６】
そして、光学素子３００は、図１および図２に示した第１実施形態の光学素子１と同様に、電気毛管現象を利用し、第１の液体１３が、第１室１０に収容されるか、または第２室１１に収容されるかを自在に選択することができる。
【０１１７】
すなわち、本実施形態の光学素子３００は、第１の壁部５の第１の面３０８上の電極２１と、隔壁３の第１の面３０８に対向する面の電極２１との間の電圧印加を制御する。併せて、第２の壁部３０６の第２の面３０９上の電極２１と、隔壁３の第２の面３０９に対向する面の電極２１との間の電圧印加を制御する。光学素子３００は、そうした電圧印加の制御により、第１の液体１３が、第１室１０に収容されるか、または第２室１１に収容されるかを自在に選択することができる。
【０１１８】
光学素子３００では、第１の液体１３が第１室１０に収容される場合、上述したように入射光１９を、厚み方向であるＹ方向から反時計回りに約９°屈折させるプリズム機能を発揮する。
【０１１９】
一方、第１の液体１３が、第２室１１に収容される場合には、光学素子３００は異なる特性のプリズム機能を発揮する。
【０１２０】
すなわち、図５に示す光学素子３００では、厚み方向であるＹ方向と平行な入射光１９が入射すると、第２の壁部３０６を透過して直進し、プリズム構造が形成された第２の壁部３０６の第２の面３０９に到達する。第２の面３０９では、第１の液体１３の屈折率ｎ１と第２の壁部３０６の屈折率の違いによる入射光１９の屈折が生じる。例えば、第２の壁部３０６の屈折率が１．５２、第１の液体１３の屈折率が１．３８２および第２の面３０９上のプリズム構造のプリズム角が１０°であるときに入射光１９の屈折角は、上述したのと同様の計算方法により算出することができ、その値は約９°（絶対値）となる。その結果、光学素子３００から出射する出射光３１９の角度は、厚み方向であるＹ方向を基準として、時計回りに約９°となる
【０１２１】
すなわち、図５の光学素子３００は、第１の液体１３が第２室１１に収容される場合、入射光１９を、厚み方向であるＹ方向から、時計回りに約９°屈折させることができるプリズムとして機能する。第２の壁部３０６の第２の面３０９で屈折した入射光１９は、そのまま隔壁３、第１室１０および第１の壁部５を透過して、光学素子３００から出射する。
【０１２２】
したがって、光学素子３００は、電圧の印加を制御することで、第１の面３０８の表面構造に由来するプリズムとしての機能を発揮するか、または、第２の面３０９の表面構造に由来するプリズムとしての機能を発揮するかを自在に選択することが可能となる。すなわち、光学素子３００は、入射光１９の、第１の壁部５の第１の面３０８における屈折および第２の壁部３０６の第２の面３０９における屈折を制御することができる。
【０１２３】
そして、光学素子３００は、厚み方向であるＹ方向と平行な入射光１９を、Ｙ方向を基準として、時計回りと反時計回りの、逆の２方向から選択して、同じ角度（絶対値）で屈折させ、出射光として出射させることができるプリズムを構成する。
【０１２４】
そして、光学素子３００は、第１の液体１３が、第１室１０に収容された図５の状態と、第２室１１に収容された状態とのいずれもが、電圧無印加の状態で安定な状態となる。すなわち、光学素子３００の図５に示す状態および第１の液体１３が第２室１１に収容された状態はそれぞれ、電圧印加を停止した後もメモリーされ、次に電圧が印加されて液体の移動が促されるまでは安定した状態を示す。
【０１２５】
したがって、光学素子３００は、それぞれが安定な双安定（バイステーブル）状態間で電圧の印加制御による切り替えがなされ、その切り替えとともにプリズムとして発揮される特性を切り替えることが可能となる。そして、光学素子３００は、電圧の印加制御によって入射光１９の屈折方向を所定の２方向のうちから選択することができ、出射する光の進行方向を制御することができる。
【０１２６】
尚、図５において、光学素子３００の第１の壁部５の第１の面３０８および第２の壁部３０６の第２の面３０９上に形成された表面構造は、プリズム構造が１つ形成されているが、表面構造の数は１つに限られない。より微細な構造のプリズム構造を多数設けることが可能である。
【０１２７】
また、光学素子３００の第１の壁部５の第１の面３０８および第２の壁部３０６の第２の面３０９上に形成されたプリズム構造のプリズム角を互いに異なるように形成することも可能である。そうした構成とすることにより、光学素子３００は、電圧の印加制御によって入射光１９の屈折方向を、Ｙ方向を基準として、異なる角度(絶対値）の所定の２方向のうちから選択することができ、出射する光の進行方向を制御することができる。
【０１２８】
そして、光学素子３００は、図５のＸ方向である横方向の幅を１００μｍ〜１０ｍｍの大きさとすることが可能である。そして、光学素子３００は、多数を集めて配列し、プリズムアレイ状の光学素子を構成することも可能である。そうすることにより、プリズム毎に出射光の方向を所定の異なる２方向から自在に選択できるプリズムアレイを提供することができる。
【０１２９】
以上の構成を備えた光学素子３００を多数配置して構成されたプリズムアレイは、液晶パネルと組み合わせて、立体画像表示装置を構成することが可能である。
【０１３０】
すなわち、液晶パネルの各画素に対応するように、光学素子３００を形成して配列し、プリズムアレイを構成する。そして、そのプリズムアレイを液晶パネルと組み合わせて表示装置を構成する。
【０１３１】
この表示装置では、プリズムアレイを用いて液晶パネルの各画素から出射する画像光の進行方向をそれぞれ制御し、液晶パネル上に形成された右目用画像を観察者の右目に届けるようにし、液晶パネル上に形成された左目用画像を観察者の左目に届けるようにすることができる。こうして、上記プリズムアレイと液晶パネルを組み合わせて構成された表示装置を用いることにより、そこに形成される画像を観察する観察者は、右目では右目用画像のみを、左目では左目用画像のみを見ることができ、液晶パネル上に形成された画像を立体画像として観察することができる。
【０１３２】
尚、液晶パネルと上記プリズムアレイとの組み合わせによる表示装置において、表示領域の一部領域のみ立体画像が形成され、他の領域では、通常の２次元画像が形成されるようにすることも可能である。その場合、プリズムアレイを構成する各光学素子を制御し、２次元画像の形成領域では、観察者の左右の目のそれぞれに対し、右目用画像と左目用画像の両方が届くようにする。一方、立体画像の形成領域では、画像を観察する観察者の右目に対し右目用画像のみが届き、左目に対しては左目用画像のみが届くようにして立体画像を提供する。
【０１３３】
その場合、液晶パネルを構成する画素毎に、２つの光学素子３００が１つの組として割り当てられるように上述のプリズムアレイを構成することも可能である。そして、液晶パネルの画素毎に、立体画像を形成するか、または、２次元画像を形成するかを選択できるようにしてもよい。液晶パネルの画素に対応する光学素子３００の組において、液晶パネルからの画像光を両方とも同じ方向に屈折させる場合、立体画像の形成が可能となる。一方、光学素子３００の組において、それぞれが異なる方向に画像光を屈折させる場合、２次元画像を形成することになる。
【０１３４】
また、光学素子３００を多数配置して構成された上述のプリズムアレイは、液晶パネルと組み合わせて、液晶パネルで異なる２種の画像を形成するとともに、各画像を異なる方向から観察できるようにされた表示装置を構成することが可能である。こうした表示装置は、例えば、自動車のフロントパネルに設けられる表示装置として好適に用いることができる。そして、運転席の観察者と助手席の観察者との間で、１つのフロントパネル上、異なる画像を観察できるようにすることが可能である。
【０１３５】
また、本発明の第４実施形態である光学素子３００は、第１室１０を構成する第１の壁部５の第１の面３０８および第２室１１を構成する第２の壁部３０６の第２の面３０９のそれぞれに、同様のプリズム構造が表面構造として設けられている。このとき、光学素子３００は、第１の面３０８および第２の面３０９の表面構造を異なる構造とすることも可能である。
【０１３６】
例えば、図１および図２に示す光学素子１において、レンズ構造の形成された第１の壁部５の第１の面８に対し、第２の壁部６の第２の面９に、曲率半径の異なる片面凸レンズ状の表面構造を形成することが可能である。そうした構造を有することにより、所定の２種の焦点距離を自在に選択できる光学素子およびそれを用いたマイクロレンズアレイを構成することが可能となる。
【０１３７】
また、図４に示す光学素子２００において、レンズ構造の形成された第１の壁部５の第１の面２０８に対し、対向する第２の壁部６の第２の面９にも入射光１９を屈折させて散乱させる散乱機能を発揮するための、微細でランダムな凹凸構造を表面構造として設けることが可能である。
【０１３８】
その場合、第２の壁部６の第２の面９に形成する凹凸構造を、第１の面と異なるものとすることにより、所定の２種の散乱特性を自在に選択できる光学素子を構成することが可能となる。
【０１３９】
図６は、本発明の第４実施形態である光学素子の別の例の構成を示す模式的な断面図である。
【０１４０】
図６に示すように、本発明の第４実施形態の別の例である光学素子４００は、隔壁３により一部が連通するように仕切られた第１室１０と第２室１１とを厚さ方向である上下方向（図３のＹ方向）に２段に重ね、その第１室１０と第２室１１に、互いに混合しない第１の液体１３と第２の液体１４とを封入して構成されている。
【０１４１】
本実施形態の光学素子４００では、上述した第１実施形態の光学素子１と同様、例えば、第２の液体１４を屈折率が１．５２であるシリコーンオイル（ｎ２＝１．５２）で構成し、第１の液体１３を屈折率が１．３８２であるニトロメタン（ｎ１＝１．３８２）とすることが可能である。そして、光学素子４００では、第１の壁部５および第２の壁部４０６を、それぞれ屈折率が１．５２であるガラスから構成することが可能である。
【０１４２】
そして、図６に示す光学素子４００は、第１の壁部５の第１の面４０８上に形成された表面構造が異なり、また、第２の壁部４０６の第２の面４０９の上にも表面構造が形成された以外は、図１の第１実施形態の光学素子１と同様の構造を有する。すなわち、図６の光学素子４００は、図４の第３実施形態の光学素子２００において、第２の壁部６の第２の面９に新たに表面構造が形成された構造に対応する。したがって、共通するまたは類似する構成要素は、図１の光学素子１と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１４３】
光学素子４００の第１室１０を構成する第１の壁部５の第１の面４０８には、光学素子４００が光学的機能を発揮するための構造が表面構造として設けられている。すなわち、光学素子４００の第１の面４０８には、図６に示す、厚み方向であるＹ方向と平行な入射光１９を屈折させるための表面構造が設けられている。具体的には、本実施形態の光学素子４００は、入射光１９を屈折させて散乱させる散乱機能を発揮するため、微細でランダムな凹凸構造が表面構造として設けられている。
【０１４４】
そして、光学素子４００は、第２室１１を構成する第２の壁部４０６の第２の面４０９においても、入射光１９を屈折させて散乱させる散乱機能を発揮するための、微細でランダムな凹凸構造が表面構造として設けられている。このとき、第２の面４０９の上の凹凸構造は、第１の面４０８上の凹凸構造と比べ、凹凸が小さく、より平坦な構造となっている。したがって、入射光１９を屈折させて散乱させる散乱機能は、第１の壁部５の第１の面４０８のほうが、第２の壁部４０６の第２の面４０９よりも強い。
【０１４５】
以上の構成を有する光学素子４００は、上述した第１実施形態の光学素子１等と同様に、印加電圧の制御により電気毛管現象を利用して、第１の液体１３を第１室１０に収容するか、または第２室１１に収容するかを選択することができる。そして、光学素子４００は、そうした第１の液体１３の配置に対応して、第１の液体１３と第１の壁部５および第２の壁部４０６との間の屈折率の違いを利用し、所定の２種の散乱特性を自在に選択することができる。また、このような光散乱機能を持たせることで、広視野角表示用、狭視野角表示用に切り替えることが可能となる液晶表示装置のバックライトを提供することができる。
【０１４６】
また、光学素子４００をアレイ状に配列し、光散乱素子を構成することも可能である。形成される光散乱素子は、アレイ状に配列する光学素子毎に光散乱性の強さ等の特性を、２種類の中から自在に選択することができる。
【０１４７】
以上のように、本発明の実施形態の光学素子においては、表面構造が設けられる面を一方の面のみに限る必要はなく、第１の壁部の第１の面と第２の壁部の第２の面の両方に設けることが可能である。その場合、第１の面と第２の面に設けられる表面構造を類似の形状とする必要はなく、全く異なるタイプの形状とすることが可能である。
【０１４８】
例えば、第１の壁部の第１の面の、入射光を屈折させるための表面構造を、レンズ構造、プリズム構造、およびランダムな凹凸構造のうちのいずれか１つとする。そして、第２の壁部の第２の面の、入射光を屈折させるための表面構造を、レンズ構造、プリズム構造、およびランダムな凹凸構造のうちの、第１の面とは異なるいずれかの構造とすることが可能である。そうした構造とすることにより、多様な光学機能の中から２種を選択するとともに、その２種の光学機能を選択的に実現できる光学素子を構成することができる。
【０１４９】
＜実施の形態５＞
本発明の実施形態の光学素子は、上述したように、液晶パネル等の従来の表示素子と組み合わせることにより、新規な表示装置を構成することができる。
さらに、本発明の実施形態の光学素子を単独で用いて、表示装置を構成することも可能である。
【０１５０】
例えば、図３に示した本発明の第２実施形態の光学素子１００や図４に示した第３実施形態の光学素子２００を用いて表示装置を構成することが可能である。
【０１５１】
図７は、本発明の実施形態の表示装置の構成を模式的に示す図である。
【０１５２】
本実施形態の表示装置５００は、図３の光学素子１００を用いて構成される。その場合、光学素子１００は、多数が集められてマトリクス状に配列され、図７に示すプリズムアレイ状光学素子５０４として使用される。そして、このプリズムアレイ状光学素子５０４は、それを構成する各光学素子１００（図７中には図示されない。）が、画像表示を行うための画素としての機能を果たす。
【０１５３】
図７に示すように、本実施形態の表示装置５００は図示されないスクリーン上に画像を表示する投射型の表示装置であり、光源５０１と、集光レンズ５０３と、上述したプリズムアレイ状光学素子５０４と、投射レンズ５０５とを主要な構成要素として構成される。
【０１５４】
表示装置５００では、光源５０１から出射された光５０２が集光レンズ５０３で平行光に変換され、プリズムアレイ状光学素子５０４に、その厚み方向と平行な入射光として入射する。
【０１５５】
プリズムアレイ状光学素子５０４は、上述したように、マトリクス状に配列された多数の光学素子１００から構成されている。各光学素子１００では、入射光に対し、そのまま透過させて直進するように出射させるか、または上述した屈折角θで屈折させて出射させるかの選択がなされる。
【０１５６】
すなわち、表示装置５００では、プリズムアレイ状光学素子５０４の各光学素子１００を制御して、その光学素子１００毎に入射光の出射方向を制御する。その結果、表示装置５００では、プリズムアレイ状光学素子５０４の各光学素子１００を透過して直進する光がＯＮ光（図７中、「ＯＮ」として示される。）となり、角度θで屈折する光がＯＦＦ光（図７中、「ＯＦＦ」として示される。）となる。このＯＮ光は、そのまま、前方の投射レンズ５０５に入射し、例えば、図示されないスクリーン上で明表示を行う。一方、ＯＦＦ光は、投射レンズ５０５に入射せず、上記スクリーン上を照らすことは無い。したがって、プリズムアレイ状光学素子５０４の、入射光を角度θで屈折させる光学素子１００は、スクリーン上を光で照らさない暗表示を行うように機能する。
【０１５７】
こうして、表示装置５００は、プリズムアレイ状光学素子５０４の各光学素子１００が画素を構成し、それらを制御して明表示と暗表示を形成する。その結果、表示装置５００は、画像の表示を行うことができる。そして、別に準備されたカラーフィルタをプリズムアレイ状光学素子５０４と組み合わせて用いることも可能であり、その場合、カラー表示も可能となる。
【０１５８】
表示装置５００では、従来の液晶パネルを用いる場合と異なり、偏光板を使用する必要は無い。すなわち、従来の液晶パネルを用いる表示装置では、液晶パネルとそれを挟持する一対の偏光板により、光の透過と遮断を制御して画像形成を行っている。このとき、従来の表示装置では、光の遮断を偏光板の光吸収によって実現している。そのため、表示に使用される光の無駄な消費と、それとともに生じる発熱の問題がある。
【０１５９】
これに対し、本実施形態の表示装置５００では、光の進行方向を制御するのみで、光源５０１から出射される光５０２の無駄は少ない。したがって、非常に高効率な画像形成が可能となる。そして、発熱の問題も少ない。
【０１６０】
さらに、本実施形態の表示装置５００では、光の進行方向を一律の方向に変えられたＯＦＦ光を適当なミラーや集光レンズ等を用いて回収することが可能である。すなわち、表示装置５００は、ＯＦＦ光を、再度、プリズムアレイ状光学素子５０４より光源５０１側に戻すことが可能である。その結果、ＯＦＦ光とされ、スクリーン上での画像形成に用いられなかった光を回収し、再度、光源５０１からの光５０２とともに、スクリーン上での画像表示のために使用することが可能である。
【０１６１】
以上より、本実施形態の表示装置５００は、非常に高効率の画像表示を行うことが可能となり、高輝度な画像表示に好適となる。
【０１６２】
次に、本発明においては、上述した光学素子１００の他に、第３実施形態である光学素子２００を用いて表示装置の別の例を構成することが可能である。
その場合、光学素子２００は、多数が集められてマトリクス状に配列され、アレイ状の光散乱素子として使用される。そして、このアレイ状の光散乱素子は、それを構成する各光学素子２００が、画像表示を行うための画素としての機能を果たす。
【０１６３】
そして、アレイ状の光散乱素子を用い、光源、集光レンズ、アパーチャおよび投射レンズ等と組み合わせて投射型の表示装置を構成することが可能である。
【０１６４】
その場合、アレイ状の光散乱素子を構成する各光学素子２００では、入射光に対し、そのまま透過させて直進させるようにするか、または、散乱させるかの選択がなされる。光学素子２００を通過した光のうち、入射光に対して直進する光は集光レンズにより集光され、アパーチャに開けられた孔を通過して、投射レンズを通しスクリーン上等に投射されて明表示を形成する。一方、光学素子２００で散乱させられた直進しない光は、集光レンズにより集光されても、アパーチャに開けられた孔を通過しない。このため、散乱光がスクリーン上に投射されないことになり、暗表示を形成する。
【０１６５】
こうして、光学素子２００を用いた表示装置は、各光学素子２００が画素を構成し、それらを制御して明表示と暗表示を形成し、その結果、画像の表示を行うことができる。そして、別に準備されたカラーフィルタを組み合わせて用いることも可能であり、その場合、カラー表示も可能となる。また、別の態様として、本発明のプリズムアレイを表示装置の画素毎に配置した場合、表示装置の走査電極に同期させて第１室と第２室の液体の移動を行う制御することもできる。
【０１６６】
尚、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【０１６７】
１、１００、２００、３００、４００    光学素子
３    隔壁
４    連通路
５    第１の壁部
６、３０６、４０６    第２の壁部
７    側壁部
８、１０８、２０８、３０８、４０８    第１の面
９、３０９、４０９    第２の面
１０    第１室
１１    第２室
１３    第１の液体
１４    第２の液体
１９    入射光
２１    電極
２２    絶縁膜
２３    撥水層
３１９    出射光
５００    表示装置
５０１    光源
５０２    光
５０３    集光レンズ
５０４    プリズムアレイ状光学素子
５０５    投射レンズ
【図１】
2013156581.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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