光学元件、成像装置以及驱动光学元件的方法.pdf

本发明提供了一种光学元件、成像装置以及驱动光学元件的方法。该光学元件包括：具有极性或导电性的第一液体；与第一液体不混溶的第二液体；第一基板部；第二基板部；将第一基板部连接至第二基板部的侧壁部；以及容纳部，由所述第一基板部、第二基板部和侧壁部构成且将所述第一液体和所述第二液体密封在其中。第一基板部包括第一电极，第二基板部包括第二电极，而侧壁部包括第三电极。

1.  一种光学元件，包括：
第一液体，具有极性或导电性；
第二液体，其与所述第一液体不混溶；
第一基板部，包括：
第一基板，具有光学透明性，
第一电极，设置在所述第一基板的一个表面上且具有光学透明性，
第一绝缘膜，设置在所述第一电极上且具有光学透明性，
第一膜，设置在所述第一绝缘膜上、与所述第一液体的亲和性高于与所述第二液体的亲和性并且具有光学透明性；以及
第二膜，设置在所述第一膜的中央、与所述第二液体的亲和性高于与所述第一液体的亲和性并且具有光学透明性；
第二基板部，包括：
第二基板，具有光学透明性，
第二电极，设置在所述第二基板的一个表面上且具有光学透明性，
第二绝缘膜，设置在所述第二电极上且具有光学透明性；以及
第三膜，设置在所述第二绝缘膜上、与所述第二液体的亲和性高于与所述第一液体的亲和性并且具有光学透明性；
侧壁部，包括第三电极，并且将所述第一基板部连接至所述第二基板部，使得所述第一膜和所述第三膜彼此相对；以及
容纳部，由所述第一基板部、所述第二基板部和所述侧壁部构成并将所述第一液体和所述第二液体密封在其中。

2.  根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述第一液体的光透射率小于所述第二液体的光透射率高，并且
所述第一液体的折射率与所述第二液体的折射率相同。

3.  根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述第一膜的厚度与所述第二膜的厚度相同。

4.  根据权利要求1所述的光学元件，进一步包括：
第四膜，设置在所述侧壁部的表面上，所述表面与所述容纳部相邻，并且所述第四膜与所述第一液体的亲和性高于与所述第二液体的亲和性。

5.  根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述第三电极是管形电极，并且
所述第一基板部和所述第二基板部通过它们之间的所述第三电极连接。

6.  根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述第三电极是棒形电极，并且
所述第三电极的一端与所述容纳部中的所述第一液体接触。

7.  根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述第二膜在所述容纳部侧的表面形状为圆形。

8.  根据权利要求1所述的光学元件，其中，在所述第二电极的中央设置星形开口。

9.  一种成像装置，包括：
光学元件，包括
第一液体，具有极性或导电性；
第二液体，其与所述第一液体不混溶；
第一基板部，包括：
第一基板，具有光学透明性，
第一电极，设置在所述第一基板的一个表面上且具有光学透明性，
第一绝缘膜，设置在所述第一电极上且具有光学透明性，
第一膜，设置在所述第一绝缘膜上、与所述第一液体的亲和性高于与所述第二液体的亲和性并且具有光学透明性；以及
第二膜，设置在所述第一膜的中央、与所述第二液体的亲和性高于与所述第一液体的亲和性并且具有光学透明性；
第二基板部，包括：
第二基板，具有光学透明性，
第二电极，设置在所述第二基板的一个表面上且具有光学透明性，
第二绝缘膜，设置在所述第二电极上且具有光学透明性；以及
第三膜，设置在所述第二绝缘膜上、与所述第二液体的亲和性高于与所述第一液体的亲和性并且具有光学透明性；
侧壁部，包括第三电极，并且将所述第一基板部连接至所述第二基板部，使得所述第一膜和所述第三膜彼此相对；以及
容纳部，由所述第一基板部、所述第二基板部和所述侧壁部构成且将所述第一液体和所述第二液体密封在其中；
供电单元，被构造成在所述光学元件的所述第一电极与所述第三电极之间或者所述第二电极与所述第三电极之间施加电压；
透镜单元，被构造成聚焦入射光；以及
成像元件，所述入射光通过所述光学元件和所述透镜单元聚焦在所述成像元件上。

10.  一种驱动光学元件的方法，所述光学元件包括：
第一液体，具有极性或导电性；
第二液体，其与所述第一液体不混溶；
第一基板部，包括：
第一基板，具有光学透明性，
第一电极，设置在所述第一基板的一个表面上且具有光学透明性，
第一绝缘膜，设置在所述第一电极上且具有光学透明性，
第一膜，设置在所述第一绝缘膜上、与所述第一液体的亲和性高于与所述第二液体的亲和性并且具有光学透明性；以及
第二膜，设置在所述第一膜的中央、与所述第二液体的亲和性高于与所述第一液体的亲和性并且具有光学透明性；
第二基板部，包括：
第二基板，具有光学透明性，
第二电极，设置在所述第二基板的一个表面上且具有光学透明性，
第二绝缘膜，设置在所述第二电极上且具有光学透明性；以及
第三膜，设置在所述第二绝缘膜上、与所述第二液体的亲和性高于与所述第一液体的亲和性并且具有光学透明性；
侧壁部，包括第三电极，并且将所述第一基板部连接至所述第二基板部，使得所述第一膜和所述第三膜彼此相对；以及
容纳部，由所述第一基板部、所述第二基板部和所述侧壁部构成并将所述第一液体和所述第二液体密封在其中，
所述方法包括以下步骤：
在所述光学元件的所述第二电极与所述第三电极之间施加电压，以改变所述第一液体与所述第二液体之间的界面形状；以及
在所述第一电极与所述第三电极之间施加电压，以使所述第一液体与所述第二液体之间的被改变的界面形状恢复为原始形状。

光学元件、成像装置以及驱动光学元件的方法
相关申请的引用
本申请包含在2008年9月26日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2008-249241所披露的主题，将其全部内容并入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及一种光学元件、成像装置以及驱动方法。更具体地，本发明涉及一种利用电润湿现象的光学元件、包括该光学元件的成像装置以及驱动该光学元件的方法。
背景技术
近年来，已经提出了各种利用电润湿现象(电毛细管现象)的光学装置(光学器件)(诸如透镜)。这样的光学装置利用这样的特性，即，封入光学装置中并彼此不混溶(不互溶)的两种液体之间的界面形状通过电润湿现象而变化。作为这样的光学装置之一，已经提出了利用电润湿现象被构造成控制透过的光量的光学元件(孔径(aperture)机构)，所谓的液体光圈(liquid iris)(参见，例如，日本未审查专利申请公开第2006-250967号和第2006-250977号)。
根据在日本未审查专利申请公开第2006-250967号和第2006-250977号中披露的液体光圈，将导电性第一液体以及第二液体封入液体光圈的内部，其中第二液体具有与第一液体相同的比重、与第一液体不混溶、并且具有高于第一液体的透射率(transmittance)。此外，与第一液体具有高亲和性的薄膜(亲水膜)以及与第二液体具有高亲和性的薄膜(防水膜(water-repellent film))设置在容纳第一和第二液体的容纳室的内壁上。因此，在静止状态下(在液体光圈没有被驱动的状态下)，在容纳室内第一液体设置在亲水膜侧，而第二液体设置在防水膜侧。
在日本未审查专利申请公开第2006-250967号和第2006-250977号中披露的各液体光圈中，在设置在液体光圈的侧壁上的电极与设置在光发射侧的端壁上的透明电极之间施加电压，以通过电润湿现象改变第一液体与第二液体之间的界面形状。因此，第二液体的一部分压到光入射侧的端壁上，形成开口，光通过它透射至液体光圈的光入射侧。可以通过改变施加的电压大小来控制该开口的尺寸。
发明内容
在上述利用电润湿现象的液体光圈中，当第一液体与第二液体之间的界面形状改变时(当形成开口时)，施加了电压。另一方面，当第一液体与第二液体之间的界面形状返回至原始形状(静止状态)时，停止施加电压。具体地，在相关技术的液体光圈中，通过单侧驱动系统(single-side driving system)来执行开口的打开/关闭操作。
在这样的单侧驱动系统中，当第一液体与第二液体之间的界面形状从静止状态下的形状改变时，通过施加电压使由电润湿现象引起的外力作用于界面。因此，在这种情况下，界面形状的变化速度(液体光圈的操作速度)较高。然而，当界面的形状返回至原始静止状态下的形状时(当开口关闭时)，在不施加电压的情况下，通过由容纳室内的防水膜与第二液体之间的亲和性引起的恢复力(回复力)来操作界面。因此，存在这样的问题，即，界面形状的变化速度低。
在利用电润湿现象的光学元件中，期望增加当第一液体与第二液体之间的界面的形状返回至原始静止状态下的形状时的操作速度。
根据本发明实施方式的光学元件包括具有极性或导电性的第一液体以及与第一液体不混溶的第二液体。根据本发明实施方式的光学元件进一步包括第一基板部，第二基板部，将第一基板部连接至第二基板部的侧壁部，以及由第一基板部、第二基板部和侧壁部构成并将第一液体和第二液体密封在其中的容纳部。第一基板部包括具有光学透明性(optical transparency)的第一基板，设置在第一基板的一个表面上并具有光学透明性的第一电极，以及设置在第一电极上并具有光学透明性的第一绝缘膜。此外，第一基板部包括第一膜以及第二膜，其中，第一膜设置在第一绝缘膜上、与第一液体的亲和性高于与第二液体的亲和性并且具有光学透明性，并且第二膜设置在第一膜的中央、与第二液体的亲和性高于与第一液体的亲和性并且具有光学透明性。第二基板部包括具有光学透明性的第二基板，设置在第二基板的一个表面上且具有光学透明性的第二电极，以及设置在第二电极上且具有光学透明性的第二绝缘膜。此外，第二基板部包括第三膜，该第三膜设置在第二绝缘膜上、与第二液体的亲和性高于与第一液体的亲和性并且具有光学透明性。此外，侧壁部包括第三电极并将第一基板部连接至第二基板部，使得第一膜和第三膜彼此相对。
根据本发明实施方式的成像装置包括根据本发明实施方式的光学元件以及供电单元(电源单元，power supply unit)，该供电单元被构造成在光学元件的第一电极与第三电极之间或第二电极与第三电极之间施加电压。成像装置进一步包括被构造成聚焦入射光的透镜单元以及通过光学元件和透镜单元将入射光聚焦在其上的成像元件。
在根据本发明实施方式的驱动光学元件的方法中，如下驱动光学元件。首先，在根据本发明实施方式的光学元件的第二电极与第三电极之间施加电压，以改变第一液体与第二液体之间的界面形状。随后，当第一液体与第二液体之间的界面变为原始形状时，在第一电极与第三电极之间施加电压。
如上所述，在根据本发明实施方式的光学元件中，第一基板部包括第一电极，第二基板部包括第二电极，并且侧壁部包括第三电极。在这种情况下，对于光学元件(第一液体)，可以在第一电极与第三电极之间或在第二电极与第三电极之间施加电压。在本发明的实施方式中，当第一液体与第二液体之间的界面从静止状态下的形状改变时，与在相关技术中一样，在第二电极与第三电极之间施加电压。当第一液体与第二液体之间的界面形状返回至静止状态下的原始形状时，在第一电极与第三电极之间施加电压。即，在本发明的实施方式中，当第一液体与第二液体之间的被改变的界面形状恢复到静止状态下的原始形状时，通过电润湿现象将外力施加至第一液体与第二液体之间的界面，以恢复到静止状态下的原始形状。
根据本发明的实施方式，当第一液体与第二液体之间的被改变的界面形状恢复到静止状态下的形状时，由于电润湿现象引起的外力提供给第一液体与第二液体之间的界面。因此，根据本发明的实施方式，可以在第一液体与第二液体之间的被改变的界面形状恢复到静止状态下的形状时，提高操作(动作，operation)速度。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的成像装置的示意性结构图；
图2A是该实施方式的液体光圈的示意性剖视图；
图2B是从光入射侧观看的图2A所示的液体光圈的顶视图；
图3是示出了用于制造该实施方式的液体光圈的步骤的流程图；
图4A是示出了在将电压施加至极性液体之前，极性液体的状态的视图；
图4B是示出了在将电压施加至极性液体时，极性液体的状态的视图；
图5是示出了该实施方式的液体光圈的驱动操作的循环的流程图；
图6A是当形成开口时的液体光圈的示意性剖视图；
图6B是当形成开口时从光入射侧观看的图6A所示的液体光圈的顶视图；
图7是示出了当形成开口时，液体光圈的操作原理的视图；
图8A是当形成开口时的液体光圈的示意性剖视图；
图8B是当形成开口时从光入射侧观看到的图8A所示的液体光圈的顶视图；
图9A是当形成开口时的液体光圈的示意性剖视图；
图9B是当形成开口时从光入射侧观看到的、图9A所示的液体光圈的顶视图；
图10A是当关闭开口时的液体光圈的示意性剖视图；
图10B是当关闭开口时从光入射侧观看到的、图10A所示的液体光圈的顶视图；
图11是当关闭开口时的液体光圈的操作原理的视图；
图12A是第一变形例的液体光圈的示意性剖视图；
图12B是从光入射侧观看的、图12A所示的液体光圈的顶视图；
图13A是第二变形例的液体光圈的示意性剖视图；
图13B是从光入射侧观看的、图13A所示的液体光圈的顶视图；
图14是第三变形例的第二电极的结构图；以及
图15是示出了通过第三变形例的第二电极进行偏心控制的原理图。
具体实施方式
现在，将参照附图来描述本发明的实施方式。在以下实施方式中，作为根据本发明实施方式的光学元件的实例，将描述在成像装置中使用的液体光圈(孔径机构)。应当注意，本发明的实施方式并不限于下面描述的实施例。
1.成像装置的结构
图1示出了应用了本实施方式的液体光圈的成像装置的示意性结构的实例。图1示出了包括变焦机构(zoom mechanism)的成像装置的实例。图1主要示出了成像装置的光学系统的结构，并且省略了构造成处理获取的图像的部分以及构造成执行光学系统的控制处理的部分的结构。本发明的实施方式还可以应用于并不包括变焦机构的成像装置。
成像装置20的光学系统包括第一透镜单元1、第二透镜单元2、液体光圈10、第三透镜单元3、第四透镜单元4、滤光器(filter)5和成像元件6。将第一透镜单元1、第二透镜单元2、液体光圈10、第三透镜单元3、第四透镜单元4、滤光器5和成像元件6从光束30的入射侧开始依次进行布置。
在用于聚焦入射光的第一透镜单元1至第四透镜单元4中，第一透镜单元1和第三透镜单元3被固定连接在镜筒(未示出)中。第二透镜单元2是用于变焦的透镜单元，以可沿光轴7的方向移动的方式连接至镜筒。第四透镜单元4是用于聚焦的透镜单元，并且以可沿光轴7的方向移动方式连接。第二透镜单元2(用于变焦)和第四透镜单元4(用于聚焦)沿光轴7的方向的移动通过成像装置20中的控制单元(未示出)来控制。
液体光圈10(光学元件)通过利用电润湿现象来调整液体光圈10在光入射侧上的开口直径(孔径(aperture diameter))，由此调整穿过液体光圈10的光束30的量。通过改变施加至液体光圈10的电压值来调整液体光圈10在光入射侧上的开口直径(孔径)，并且通过成像装置20中的控制单元(未示出)来控制该调整。下面将详细地描述液体光圈10的具体结构和操作。
滤光器5由红外线截止滤光器(infrared cut filter)、低通滤光器等构成。成像元件6由例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)构成。
在该实施方式的成像装置20中，如图1所示，从第一透镜单元1侧入射的光束30通过上述各种光学元件而聚焦在成像元件6的成像表面6a上。在成像元件6中获取的图像数据通过成像装置20中的图像处理单元(未示出)进行预定处理。
2.液体光圈的结构
图2A和2B示出了该实施方式的液体光圈10的示意性结构。图2A是当没有施加电压时(在静止状态下)的液体光圈10的示意性剖视图，而图2B是此时从光入射侧观看的液体光圈10的顶视图。
液体光圈10包括第一基板部11、第二基板部21以及将第一基板部11连接至第二基板部21的侧壁部31。第一液体41和第二液体42密闭地封在由第一基板部11、第二基板部21和侧壁部31构成的容纳室40(容纳部)中。
作为第一液体41，使用具有极性或导电性的液体。可以使用具有这样的特性的任何液体作为第一液体41。例如，可以使用水(比重：1，折射率：1.333)作为第一液体41。代替水，还可以使用水和乙醇的混合液体，水、乙醇和乙二醇的混合液体，通过向水和乙醇的混合液体中添加食盐而制备的混合液体等作为第一液体41。在该实施方式中，为了减小第一液体41的光学透明性，通过混合炭黑等对第一液体41进行着色。也可以使用除了炭黑以外的染料作为着色剂。
作为第二液体42，使用与第一液体41不混溶、具有与第一液体41基本上相同的比重和折射率、具有绝缘性或非极性、并且具有光学透明性的液体。可以使用具有这样的特性的任何液体作为第二液体42。通过将第一液体41的折射率调整成基本上与第二液体42的折射率相同，可以防止或充分减少在第一液体41与第二液体42之间的界面上的光的折射(透镜效果)，从而更可靠地执行液体光圈10的孔径(aperture)操作。此外，通过将第一液体41的比重调整成基本上与第二液体42的比重相同，当整个装置振动或倾斜时，可以抑制第一液体41和第二液体42之间的界面形状的变化。应当注意，第一液体41与第二液体42的比重值和折射率值的接近程度只要使装置的光学特性、耐振动性等在装置的容许公差(allowable tolerance)之内就可以了。由于第二液体42没有着色，因此第二液体42的光透射率高于第一液体41。
当使用水作为第一液体41时，例如，可以使用硅酮油作为第二液体42。存在各种类型的商业上可获得的具有不同比重和折射率的硅酮油。因此，在该实施方式中，在各种类型的商业上可获得的硅酮油中，选择具有与第一液体41基本上相同比重和折射率的硅酮油用作第二液体42。为了使第一液体41的比重和折射率更接近第二液体42的比重和折射率，例如，可以使用通过将乙醇、乙二醇、食盐等与水混合而制备的液体作为第一液体41，并且第一液体41的比重和折射率可以通过调整它们的混合比率来控制。
第一基板部11包括第一基板12、设置在第一基板12上的第一电极13、设置在第一电极13上的第一绝缘膜14、设置在第一绝缘膜14上的亲水膜15以及设置在亲水膜15的中央的第一防水膜16。
第一基板12是由诸如透明玻璃的透光材料(光透过性材料)构成并具有例如约0.2mm～0.3mm的厚度的正方形板状构件。可替换地，可以使用透明合成树脂材料等作为第一基板12的材料。第一电极13是由氧化铟锡(ITO)等构成的透明电极。第一电极13连接至成像装置20的供电单元8。更具体地，供电单元8包括电源8a和选择器开关8b，并且第一电极13连接至作为选择器开关8b的端子之一的端子B。第一绝缘膜14是由聚偏二氯乙烯、聚偏氟乙烯等构成的介电膜。
亲水膜15(第一膜)是与第一液体41的亲和性高于与第二液体42的亲和性的薄膜。即，第一液体41在亲水膜15上的润湿性大于第二液体42在亲水膜15上的润湿性。在该实施方式中，使用聚乙烯醇树脂、聚丙烯酸树脂等作为亲水膜15的材料。可以使用具有亲水性和光学透明性的任何薄膜作为亲水膜15。
第一防水膜16(第二膜)是与第二液体42的亲和性高于与第一液体41的亲和性的薄膜(疏水或亲脂薄膜)。即，第二液体42在第一防水膜16上的润湿性大于第一液体41在第一防水膜16上的润湿性。在该实施方式中，使用氟碳树脂等作为第一防水膜16的材料。可以使用任何具有亲脂性和光学透明性的薄膜作为第一防水膜16。
第一防水膜16在容纳室40侧的表面形状为圆形(参见图2B)。本发明的实施方式并不限于此，第一防水膜16的表面也可以具有除了圆形形状之外的形状。然而，如下所述，在该实施方式中，透射光的开口从作为中心的第一防水膜16展开。在这种情况下，考虑到分辨率，开口的平面形状优选为圆形。因此，为了将开口的平面形状保持为圆形，第一防水膜16的表面形状优选地为圆形。
优选地，第一防水膜16的直径尽可能大。如下所述，在该实施方式中，当关闭液体光圈10的开口时，即，当第一液体41与第二液体42之间的界面形状返回到原始静止状态下的形状时，在第一电极13与下面描述的侧壁电极32之间施加电压。在该步骤中，通过由于第二液体42与下面描述的第二防水膜25之间的亲和性引起的恢复力以及通过在第一防水膜16上的电润湿而作用于第一液体41与第二液体42之间的界面的外力，使得界面形状返回到原始静止状态下的形状。因此，在该实施方式中，当关闭液体光圈10的开口时，有必要在第一防水膜16上充分引起电润湿现象。根据由本发明的发明人进行的实验，证实了，随着第一防水膜16的直径增大，在第一防水膜16上更容易发生电润湿现象。然而，如果第一防水膜16的直径过度增大，则在容纳室40的第一基板部11侧上的表面上第一液体41与亲水膜15之间的亲和性降低。在这种情况下，在静止状态下，很难将第一液体41与第二液体42之间的界面保持为图2A所示的状态(第二液体42不与第一基板部11侧上的膜接触的状态)。因此，要考虑使得在第一防水膜16上容易发生电润湿现象，并保持静止状态下的界面形状等，适当地设定第一防水膜16的直径。
此外，优选地，第一防水膜16的厚度基本上与亲水膜15相同。具体地，优选第一防水膜16在容纳室40侧的表面与亲水膜15在容纳室40侧的表面齐平。对于此的理由如下。如果第一防水膜16的厚度不同于亲水膜15的厚度，并且在容纳室40侧的表面上产生水平差(difference in level)，则光学特性通过包括水平差的部分改变，因此很难获得期望的光学特性。此外，从液体光圈10的光学特性的观点来看，优选这样选择亲水膜15和第一防水膜16的材料，使得亲水膜15的折射率尽可能接近于第一防水膜16的折射率。应当注意，亲水膜15与第一防水膜16的厚度值和折射率值的接近程度使得装置的光学特性在装置的容许公差内就可以了。
第二基板部21包括第二基板22、设置在第二基板22上的第二电极23、设置在第二电极23上的第二绝缘膜24以及设置在第二绝缘膜24上的第二防水膜25。
与在第一基板12中一样，第二基板22是由诸如透明玻璃的透光材料构成且具有例如约0.2mm～0.3mm的厚度的正方形板状构件。与在第一电极13中一样，第二电极23是由ITO等构成的透明电极。第二电极23连接至作为供电单元8的选择器开关8b的端子之一的端子A。与在第一绝缘膜14中一样，第二绝缘膜24是由聚偏二氯乙烯、聚偏氟乙烯等构成的介电膜。
与在第一防水膜16中一样，第二防水膜25(第三膜)是与第二液体42的亲和性高于与第一液体41的亲和性的薄膜。在该实施方式中，使用与第一防水膜16相同的材料作为第二防水膜25的材料。应当注意，构成第二防水膜25的材料可以与构成第一防水膜16的材料相同或不同。
侧壁部31包括圆柱形侧壁电极32以及设置在侧壁电极32的内壁表面上的亲水膜33。
侧壁电极32是由金属构成的圆柱形构件(环形构件)。在该实施方式中，侧壁电极32由内径为约9mm、外径为约11mm以及高度为约1mm的铜圆柱形构件(铜管)构成。侧壁电极32连接至供电单元8的电源8a。侧壁电极32包括用于将第一液体41和第二液体42注入到液体光圈中的入口(未示出)。使用粘合构件(未示出)从侧壁电极32的外部(外侧)密封入口。可以使用通过将例如镍、金、铂或铝沉积在由铜等构成的圆柱形构件的表面上而制备的构件，即，表面处理后的构件作为侧壁电极32。可替换地，作为侧壁电极32，也可以使用通过将例如铜、镍、金、铂或铝沉积在由玻璃、树脂等构成的圆柱形构件的表面上而制备的构件。
亲水膜33(第四膜)是与第一液体41的亲和性高于与第二液体42的亲和性的薄膜。在该实施方式中，与在第一基板部11的亲水膜15中一样，使用聚乙烯醇树脂、聚丙烯酸树脂等作为亲水膜33的材料。可以使用具有亲水性和光学透明性的任何薄膜作为亲水膜33。
如图2A所示，连接至侧壁电极32的电源8a连接至作为选择器开关8b的端子之一的端子C。在这样的实施方式中使用交流电源作为电源8a。可替换地，可以使用直流电源。
在该实施方式的液体光圈10中，在第一电极13与侧壁电极32之间或在第二电极23与侧壁电极32之间没有施加电压的情况下(在静止状态下)，第一液体41与第二液体42之间的界面处于图2A所示的状态。
更具体地，第二防水膜25设置在容纳室40的第二基板部21侧的整个表面上，因此对第二防水膜25具有更高润湿性(与第二防水膜25的亲和性)的第二液体42遍布在第二防水膜25上并与第二防水膜25接触。此外，如图2A所示，第二液体42遍布在第二防水膜25上并接近侧壁部31，但是并不接触侧壁部31，这是因为在容纳室40的侧壁部31侧设置有亲水膜33。
另一方面，亲水膜15主要设置在容纳室40在第一基板部11侧的表面(除了中央以外)上，因此在亲水膜15上具有更高润湿性的第一液体41与第一基板部11侧的膜接触。此外，亲水膜33设置在容纳室40在侧壁部31侧的表面上，因此第一液体41还与亲水膜33接触。从而，如图2A所示，第一液体41设置在第二液体42与容纳室40的第一基板部11侧的膜(亲水膜15和第一防水膜16)之间，使得包围第二液体42。第一液体41与第二液体42之间的界面形状为曲面。该形状由第一液体41和第二液体42的表面张力以及第二防水膜25上的界面张力的平衡来决定。
此外，在这样的静止状态下，着色的第一液体41存在于第二液体42与容纳室40的第一基板部11侧的膜之间。因此，如图2B所示，当从光束30的入射侧观看液体光圈10时，没有形成光束30通过的开口。
3.制造液体光圈的方法
接着，将参照图3来描述该实施方式的制造液体光圈10的方法。图3是示出了用于制造液体光圈10的步骤的流程图。
首先，制备由诸如透明玻璃的透光材料构成的第二基板22。接着，通过气相沉积法等在第二基板22的表面上形成由透光导电性材料(例如，ITO)构成的第二电极23，使得具有约30nm的膜厚度(步骤S1)。接着，使用粘合剂将由聚偏二氯乙烯、聚偏氟乙烯等构成且具有在例如约1μm～5μm的范围中的厚度的介电膜粘结到第二电极23上以形成第二绝缘膜24(步骤S2)。
接着，通过旋涂法等将氟碳树脂等涂覆到第二绝缘膜24上，并且在例如150℃下烧制以形成具有在约10nm～30nm的范围内的厚度的第二防水膜25(步骤S3)。通过上述步骤S1～S3来制备第二基板部21。
此外，如下与步骤S1～S3并行地制备第一基板部11和侧壁部31。首先，制备由诸如透明玻璃的透光材料构成的第一基板12。接着，通过气相沉积法等在第一基板12的表面上形成由透光导电性材料(例如，ITO)构成的第一电极13，使得具有约30nm的膜厚度(步骤S4)。接着，使用粘合剂将由聚偏二氯乙烯、聚偏氟乙烯等构成且具有在例如约1μm～5μm的范围内的厚度的介电膜粘结到第一电极13上以形成第一绝缘膜14(步骤S5)。
接着，使用例如紫外线可固化粘合剂将侧壁电极32粘结到第一绝缘膜14上(步骤S6)。接着，通过旋涂法等将聚乙烯醇树脂、聚丙烯酸树脂等涂覆到第一绝缘膜14和侧壁电极32的内壁上，以形成均具有在约300nm～600nm的范围内的厚度的亲水膜15和33(步骤S7)。
接着，在亲水膜15的中央形成第一防水膜16(步骤S8)。在该步骤中，将第一防水膜16的厚度控制为基本上与亲水膜15的厚度相同。第一防水膜16可以通过以下方法来形成。首先，在第一绝缘膜14的整个表面上形成亲水膜15。接着，掩盖(mask)亲水膜15的除了将形成第一防水膜16的部分之外的区域。接着，通过蚀刻等除去亲水膜15的将形成第一防水膜16的部分。然后，将氟碳树脂等涂覆到已经除去亲水膜15的部分上，从而形成第一防水膜16。可替换地，可以使用以下方法。首先，掩盖第一绝缘膜14的将形成第一防水膜16的一部分，并且通过旋涂法等将聚乙烯醇树脂、聚丙烯酸树脂等涂覆在其上以形成亲水膜15。接着，掩盖亲水膜15，然后将氟碳树脂等涂覆在其上以形成第一防水膜16。通过上述步骤S4～S8来制备第一基板部11、侧壁部31以及通过将第一基板部11连接至侧壁部31而制造的构件。
接着，使用例如紫外线可固化粘合剂来使如上所述制备的第二基板部21和通过将第一基板部11连接至侧壁部31而制造的构件彼此粘结(步骤S9)。在该步骤中，将第二基板部21粘结至该构件，使得第二防水膜25面对亲水膜15(第一防水膜16)。在该步骤中，在液体光圈10中形成用于封入第一液体41和第二液体42的容纳室40。
接着，通过气相沉积法等在液体光圈10的期望表面(光入射侧或光发射侧的表面)上形成抗反射膜(未示出)(步骤S10)。例如，可以使用其中低折射率层和高折射率层交替堆叠的多层抗反射膜作为抗反射膜。例如，抗反射膜由LaTiO₃/SiO₂膜等形成，并且其厚度为例如约400nm。
接着，使用注射器从通过侧壁电极32提供的入口(未示出)将第一液体41和第二液体42注入到容纳室40中(步骤S11)。在该步骤中，首先，将预定量的第一液体41注入到容纳室40中，然后将第二液体42填充在容纳室40中的剩余空间中。在该步骤中，填充第一液体41和第二液体42使得空气不会保留在容纳室40中。根据第一液体41在亲水膜15和33上的润湿性程度、第二液体42在第一防水膜16和第二防水膜25上的润湿性程度、第一防水膜16的直径等来适当地调整注入的第一液体41的量与注入的第二液体42的量的比率。
接着，将第一电极13和第二电极23连接至选择器开关8b，并且将侧壁电极32连接至电源8a(步骤S12)。最后，例如，将紫外线可固化粘合剂涂覆到侧壁电极32上，然后通过紫外线照射来固化粘合剂以密封侧壁电极32的入口(步骤S13)。因此，容纳室40被密闭密封，使得第一液体41和第二液体42被密封在其中。如上所述，在该实施方式中生产了液体光圈10。
4.电润湿现象
在描述该实施方式的液体光圈10的驱动操作之前，将简要描述在驱动操作中使用的电润湿现象(电毛细管现象)。图4A和4B是示出了电润湿现象的原理的视图。图4A是示出了在不向极性液体90施加电压时极性液体90的状态图，图4B是示出了在将电压施加至极性液体90时极性液体90的状态图。
在图4A和4B所示的实例中，构件包括基板91、设置在基板91上的电极92、设置在电极92上的绝缘膜93以及设置在绝缘膜93上的防水膜94(疏水膜)。假定将极性液体90(例如，水)滴在防水膜94上。极性液体90通过开关96连接至电源95的端子，并且电源95的另一端子连接至电极92。在该实例中，如图4A所示，在极性液体90中存在正离子分子(positive-ion molecule)90a和负离子分子(negative-ion molecule)90b。
当不向极性液体90施加电压时(当开关96处于断开状态时)，极性液体90的表面由于表面张力而变成球形(图4A所示的状态)。在这种情况下，由防水膜94的表面和与防水膜94接触的极性液体90的液体表面的部分所形成的角(即接触角)由θ₀表示。
当接通开关96且向极性液体90施加电压时，在绝缘膜93的一个表面上产生正电荷93a，并且在其另一个表面上产生负电荷93b。在图4A和4B所示的实例中，在绝缘膜93的极性液体90侧产生正电荷93a，并且在绝缘膜93的电极92侧产生负电荷93b。在这种情况下，静电力作用于极性液体90的负离子分子90b上，并且负离子分子90b被吸引至绝缘膜93上的防水膜94。结果，与不施加电压的情况(图4A所示的状态)相比，极性液体90以散开方式粘附至防水膜94(图4B所示的状态)。此时极性液体90的接触角θ变得小于没有施加电压时的接触角θ₀。具体地，通过施加电压可以增加极性液体90在防水膜94上的润湿性(即，极性液体90和防水膜94之间的亲和性)。该现象称为电润湿现象。
5.液体光圈的操作循环
接着，将参照图2A和图2B以及图5来描述该实施方式的液体光圈10的驱动操作(驱动方法)的概要。图5是示出了液体光圈10的驱动操作的循环的流程图。这里，将从其中在第一电极13与侧壁电极32之间或在第二电极23与侧壁电极之间没有施加电压的状态(静止状态)开始描述。如图2A和图2B所示，在静止状态下，由于第二液体42不与第一基板部11侧上的膜接触，因此没有形成开口。
接着，将选择器开关8b连接至端子A以在第二电极23与侧壁电极32之间施加电压(步骤S21)。因此，在第二防水膜25上引起电润湿现象，从而将第二液体42压到第一基板部11侧上的膜上。该操作在液体光圈10的光入射侧上形成开口。下面将详细地描述当形成开口时液体光圈10的操作。
接着，当关闭开口时，将选择器开关8b连接至端子B以在第一电极13与侧壁电极32之间施加电压(步骤S22)。因此，在第一防水膜16上引起电润湿现象。从而，第一液体41在第一防水膜16上的润湿性增加，因此使得第一液体41遍布在第一防水膜16上。结果，外力沿远离第一基板部11侧的膜的方向而作用于第二液体42。因此，可以增加关闭开口过程中的操作速度。下面，将详细地描述当关闭开口时液体光圈10的操作。预定时间以后，切断选择器开关8b，以返回至静止状态(图2A和图2B所示的状态)。这里，已经描述了其中关闭开口，然后切断选择器开关8b的实例，但是本发明的实施方式并不限于此。可替换地，在关闭开口的过程中选择器开关8b可以持续连接至端子B，以在第一电极13与侧壁电极32之间连续施加电压。
如上所述，在该实施方式中，在形成开口的操作和关闭开口的操作的过程中均施加电压。具体地，通过两侧驱动系统来执行该实施方式的液体光圈10中的开口的打开/关闭操作。这样的驱动系统的使用不仅在形成开口时而且在关闭开口时可以改善液体光圈10的响应性(responsiveness)。
此外，在该实施方式中，由于与第一液体41相比与第二液体42具有更高亲和性的第一防水膜16设置在第一基板部11的亲水膜15的中央，因此第一液体41被第一防水膜16排斥。因此，在开口中消除了黑色残留物(污点)，从而增加光透射率。
6.当形成开口时液体光圈的操作
现在，将详细地描述当形成开口时液体光圈10的操作(图5中的步骤S21的操作)。当形成开口时，如上所述，将选择器开关8b连接至端子A，并在第二电极23与侧壁电极32之间施加电压。图6A和图6B示出了操作状态。
图6A和6B是示出了当在第二电极23与侧壁电极32之间施加电压V₁时液体光圈10的操作状态的视图。图6A是液体光圈10的剖视图，而图6B是此时从光入射侧观看的液体光圈10的顶视图。
当在第二电极23与侧壁电极32之间施加电压V₁时，第一液体41与第二液体42之间的界面形状通过在第二防水膜25上的电润湿现象而改变，使得第二液体42被压紧至第一基板部11侧。因此，第二液体42的一部分接触第一基板部11侧的膜，以在第二液体42与第一基板部11侧的膜之间形成接触区域，即开口50(具有圆形形状)(参见图6B)。在该开口50的范围内，在液体光圈10中形成穿过第一基板部11、第二液体42以及第二基板部42的光路。具体地，开口50的直径R₁对应于液体光圈10的孔径。
与第二液体42具有高亲和性的第一防水膜16设置在亲水膜15的中央。因此，当第二液体42的一部分与第一基板部11侧的膜接触时，第二液体42的该部分与第一防水膜16接触。因此，在光入射侧上形成的开口50的中心可以位于第一防水膜16的中心。即，在该实施方式中，通过存在第一防水膜16可以防止偏心，从而抑制分辨率的降低。
参照图7，将描述当在第二电极23和侧壁电极32之间施加电压时，第一液体41和第二液体之间的界面形状通过电润湿现象改变，并且第二液体42的一部分压到第一基板部11侧的膜上的原理。图7是示出了当形成开口50时液体光圈10的操作原理图。图7仅示出了第二防水膜25与液体之间的界面附近的部分。在图7中，将描述其中在第二绝缘膜24的液体侧产生正电荷24a，并且在第二绝缘膜24的第二电极23侧产生负电荷24b的实例。
当在第二电极23与侧壁电极32之间施加电压时，在第二绝缘膜24的液体侧产生正电荷24a。在这种情况下，静电力作用于作为极性液体的第一液体41中的负离子分子41b上，并且负离子分子41b被吸引至第二防水膜25侧(如图7中的白色箭头所示)。具体地，第一液体41在第二防水膜25上的润湿性增加。在这种情况下，通过电润湿现象使第一液体41遍布在第二防水膜25上。因此，推力(由图7中的黑色箭头所示)从在第二液体42周围存在的第一液体41作用于第二液体42。因此，第二液体42在第一基板部11侧的表面形状被改变，使得推向第一基板部11(如图7中的阴影箭头所示)。结果，第二液体42的表面的一部分被压到第一基板部11侧的膜上，因此在液体光圈10的光入射侧形成圆形开口50。
在第二防水膜25的表面与第一液体41和第二液体42的界面之间形成的角(接触角)利用施加的电压等由数值表达式1表示。
[数值表达式1]
cosθS=cosθS0+12γϵ0ϵγdV2]]>
在数值表达式1中，θ_s是当施加电压V时界面的接触角，而θ_s0是当不施加电压时(在图2A所示的静止状态下)界面的接触角。此外，ε₀是在真空下的介电常数8.85×10^-12(F/m)，ε_r是第二绝缘膜24的相对介电常数，V是施加的电压(V)，d是第二绝缘膜24的厚度(m)，而γ是第一液体41与第二液体42之间的界面张力(或界面能)(N/m)。
从数值表达式1可以看出，随着施加在第二电极23与侧壁电极32之间的电压增加，在第二防水膜25的表面与第一液体41和第二液体42的界面之间形成的角θ_s也增大。这是因为，当在第二电极23与侧壁电极32之间施加的电压增加时，第一液体41在第二防水膜25上的润湿性增加，从而增加由第一液体41作用于第二液体42的推力(由图7中的黑色箭头所示)。
图8A和图8B以及图9A和图9B示出了当在第二电极23与侧壁电极32之间施加的电压V增加时，与图6A和图6B所示的情况相比，第一液体41与第二液体42之间的界面形状的变化。具体地，图8A和图8B以及图9A和图9B示出了在液体光圈10的光入射表面侧上形成的开口50中的变化状态。
图8A和图8B是示出了将比在图6A和图6B所示的情况下施加的电压V₁大的电压V₂施加在第二电极23与侧壁电极32之间时，开口50的开口状态的视图。图8A是液体光圈10的示意性剖视图，而图8B是此时从光入射侧观看到的液体光圈10的顶视图。图9A和图9B是示出了当将大于施加的电压V₂的电压V₃施加在第二电极23与侧壁电极32之间时，开口50的开口状态的视图。图9A是液体光圈10的示意性剖视图，而图9B是此时从光入射侧观看到的液体光圈10的顶视图。在图8A和图8B以及图9A和图9B中，与图6A和图6B中相同的部件赋予相同的参考标号。
如图6A和图6B、图8A和图8B以及图9A和图9B所示，当在第二电极23与侧壁电极32之间施加的电压增加至V₁＜V₂＜V₃时，第二液体42与第一基板部11侧的膜之间的接触面积增加，并且开口50的直径也增加至R₁＜R₂＜R₃。即，在该实施方式中，通过改变施加的电压，可以控制通过液体光圈10的光束30的量。
7.当关闭开口时液体光圈的操作
接着，将详细地描述当关闭开口50时液体光圈10的操作(在图5中的步骤S22中的操作)。当关闭开口50时，如上所述，选择器开关8b连接至端子B，并且在第一电极13与侧壁电极32之间施加电压。图10A和图10B示出了操作状态。图10A和图10B是示出了当在第一电极13与侧壁电极32之间施加电压时，液体光圈10的操作状态的视图。图10A是液体光圈10的剖视图，而图10B是此时从光入射侧观看的液体光圈10的顶视图。
当关闭开口50时，即，当与容纳室40的第一基板部11侧的膜接触的第二液体42的一部分与膜分离时，通过在第一电极13与侧壁电极32之间施加电压可以在第一防水膜16上引起电润湿现象。
参照图11，将描述当关闭开口50时，通过在第一电极13与侧壁电极32之间施加电压而在第一防水膜16上引起的电润湿现象。图11是示出了当关闭开口50时，液体光圈10的操作原理图。图11仅示出了液体与第一防水膜16和亲水膜15之间的界面附近的部分。在图11中，将描述其中在第一绝缘膜14的液体侧产生正电荷14a，并且在第一绝缘膜14的第一电极13侧产生负电荷14b的实例。
当在第一电极13与侧壁电极32之间施加电压时，在第一绝缘膜14的液体侧产生正电荷14a。在这种情况下，静电力作用于作为极性液体的第一液体41的负离子分子41b上，并且负离子分子41b被吸引至亲水膜15侧(如图11中的白色箭头所示)。在这种情况下，通过电润湿现象使第一液体41遍布在第一防水膜16上。因此，来自设置在第二液体42周围的第一液体41的推力(如图11中的黑色箭头所示)作用于第二液体42。由于该推力，力(如图11中的阴影箭头所示)沿远离第一防水膜16的方向(沿图11中的向下方向)作用在与第一防水膜16接触的第二液体42的一部分上。
如上所述，在该实施方式中，当关闭开口50时，不仅由于第二液体42与第一防水膜16之间的亲和性引起的恢复力施加至第二液体42，而且基于电润湿现象从第一液体41作用于第二液体42的推力(外力)也施加至第二液体42。因此，可以增加当第一液体41与第二液体42之间的界面形状返回到原始静止状态下的形状时的操作速度。
8.变形例
第一变形例
在上述实施方式中，已经描述了其中使用金属圆柱形构件作为将第一基板部11连接至第二基板部21的侧壁构件，并且使用该侧壁构件作为电极的实例。然而，本发明的实施方式并不限于此。例如，侧壁构件可以由绝缘圆柱形构件构成，并且由金属构成的棒形电极可以通过该侧壁构件而插入到容纳室40中。图12A和图12B示出了具有这样的结构的液体光圈的实例(第一变形例)。
图12A是当没有施加电压时第一变形例的液体光圈60的示意性剖视图，而图12B是此时从光入射侧观看的液体光圈60的顶视图。在图12A和图12B所示的液体光圈60中，与上述实施方式的液体光圈10(图2A和图2B所示)相同的部件赋予相同的参考标号。
除了液体光圈60的侧壁部61之外，第一变形例的液体光圈60的结构与上述实施方式的相同。在第一变形例的液体光圈60中，棒形电极63通过侧壁构件62和亲水膜33插入，并且棒形电极63的一端直接与第一液体41接触。棒形电极63连接至供电单元8的电源8a。侧壁构件62由绝缘材料(例如，玻璃)构成。
第二变形例
在上述实施方式中，已经描述了其中使用具有带圆形截面的开口的管状金属构件作为侧壁电极32的实例。然而，本发明的实施方式并不限于此。可以使用任何侧壁电极，只要侧壁电极32的开口的截面形状相对于开口的截面中心具有点对称性。例如，侧壁电极的开口的截面形状可以是正方形。图13A和图13B示出了具有这样的结构的液体光圈的实例(第二变形例)。
图13A是当没有施加电压时第二变形例的液体光圈70的示意性剖视图，而图13B是此时从光入射侧观看到的液体光圈70的顶视图。在图13A和图13B所示的液体光圈70中，与上述实施方式的液体光圈10(图2A和图2B所示)相同的部件赋予相同的参考标号。
除了液体光圈70的侧壁部71之外，第二变形例的液体光圈70的结构与上述实施方式的相同。在第二变形例的液体光圈70中，使用具有正方形截面形状的开口的侧壁电极72。因此，如图13B所示，当从光入射侧观看液体光圈70时，着色的第一液体41的部分的形状为正方形。
第三变形例
在上述实施方式中，已经描述了其中第二电极23设置在第二基板22的整个表面上的实例。然而，本发明的实施方式并不限于此。第二电极23可以被图案化，使得具有预定形状。图14示出了这样的第二电极的实例(第三变形例)。
图14是第三变形例的液体光圈的第二电极的示意性结构图。星形电极开口80b设置在第二电极80的电极部80a的中央。电极部80a由与上述实施方式的第二电极23相同的材料构成，并且可以具有与第二电极23相同的厚度。其上设置有第二电极80的第二基板22暴露于电极开口80b。
电极开口80b包括设置在第二电极80中央的圆形部80c和四个突起部80d。突起部80d以90度的间隔分别设置在圆形部80c的圆周周围，并且均从圆周朝向外部以倒V字形状突出。
可以如下形成(图案化)电极开口80b。首先，与在上述实施方式中一样，在第二基板22的整个表面上形成第二电极80。接着，通过湿蚀刻法等除去对应于电极开口80b的第二电极80的一部分，以形成电极开口80b。可替换地，掩盖对应于电极开口80b的第二基板22的一部分，然后可以在第二基板22上形成第二电极80。除了如上述形成电极开口80b之外，可以与在上述实施方式中一样来制备第三变形例的液体光圈。
通过在第二电极80的中央设置图14所示的星形电极开口80b，可以增加开口的抑制偏心的效果。图15示出了抑制开口偏心的原理。
如图15所示，当第二液体42(非极性液体)的位置在其中央具有星形电极开口80b的第二电极80上从第二电极80的中央偏移(偏心)时，第二液体42与电极部80a重叠的区域变得不均匀(即，区域的对称性丧失)。
当将电压施加至处于这样的状态的液体光圈时，由于电润湿现象从第一液体41作用于第二液体42的推力的平衡被破坏。在这种情况下，平衡推力的力，即，用于使第二液体42返回到第二电极80的中央的恢复力(由图15中的白色箭头所示)作用于第二液体42。因此，在该第三变形例中，在施加电压期间恢复力起作用，使得第二液体42位于第二电极80的中央，因此可以抑制开口的偏心。
如在上述实施方式中所描述的，当形成开口时，设置在亲水膜15的中央的第一防水膜16也提供抑制开口的偏心的效果。因此，当使用具有在第三变形例中描述的结构的第二电极80时，在形成开口时可以三维地抑制开口的偏心，由此可以进一步增加抑制偏心的效果。
第二电极的电极开口可以具有任何形状，只要当第二液体42位于第二电极的中央时，第二液体42与电极部重叠的区域(部分)相对于第二电极的中心是对称的。尤其是，就电极开口的星形形状而言，从中心突出至外部的多个突起以基本上彼此相同的距离(基本上相同的间隔)沿第二电极中心周围的方向布置。
在实施方式以及第一至第三变形例中，已经描述了本发明应用于液体光圈的实例，但是本发明并不限于此。本发明还可以应用于诸如遮光器(光闸，shutter)或透镜的光学元件。然而，当本发明应用于透镜时，第一液体41和第二液体42均可以通过透明液体构成，并且使用具有彼此不同的折射率的液体作为第一液体41和第二液体42。
本领域的普通技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种变形、组合、子组合以及改变，只要它们在所附权利要求书的范围内或其等同范围内。