JP4760426B2 - 光学素子およびレンズアレイ - Google Patents

Description

本発明は、エレクトロウェッティング効果（電気毛管現象）を利用した光学素子およびレンズアレイに関する。

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すると、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。

図１２Ａ，Ｂは、エレクトロウェッティング効果を説明する原理図である。
図１２Ａに示すように、電極１の表面には絶縁膜２が形成されており、この絶縁膜２の上に電解液の液滴３が置かれている。絶縁膜２の表面は撥水処理が施されており、図１２Ａに示す無電圧状態では絶縁膜２の表面と液滴３との間の相互作用エネルギーは低く接触角θ０は大きい。ここで、接触角θ０は絶縁膜２表面と液滴３の正接線の間の角度であり、液滴３の表面張力や絶縁膜２の表面エネルギーなどの性質に依存する。

一方、図１２Ｂに示すように、電極１と液滴３との間に所定電圧を印加すると、界面に電極１側の自由電子と液滴３側の電解質イオンとによる電荷二重層が形成され、液滴３の表面張力の変化が誘発される。この現象がエレクトロウェッティング効果であり、印加電圧の大きさによって液滴３の接触角が変化する。すなわち、図１２Ｂにおいて、接触角θｖは電圧Ｖの関数として以下の（１）式で表される。

以上のように、電極１と液滴３との間に印加する電圧Ｖの大きさによって、液滴３の表面形状（曲率）が変化する。従って、液滴３をレンズ素子として用いた場合に焦点位置を電気的に制御できる光学素子を実現できることになる。

さて、このような光学素子を用いた光学装置の開発が進められている。例えば下記特許文献１には、ストロボ装置向けのレンズアレイが提案されている。これは、基板表面の撥水膜上にアレイ状に配置された絶縁性液体の液滴と導電性液体を封入して可変焦点レンズを構成したものである。この構成では、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が形成され、エレクトロウェッティング効果を利用して個々のレンズ形状を電気的に制御し焦点距離を変化させている。

しかしながら、この種の光学素子においては、電圧の印加前後にわたって個々のレンズの光軸を一定に保つことが困難であり、このためレンズのセンタリング性を高める技術の確立が重要な課題となっている。そこで、例えば下記特許文献２には、図１３に示すような構成が開示されている。

図１３において下部透明基板５に電極層６を介して絶縁層７が形成されており、この絶縁層７の平坦な表面に上部透明基板８が対向配置されている。絶縁層７と上部透明基板８との間には、導電性を有する透明な第１の液体９と、絶縁性を有する透明な第２の液体１０とがそれぞれ封入されている。第１，第２の液体９，１０は互いに異なる屈折率を有するとともに、互いに同等の比重をもち、かつ互いに混和することなく独立して存在している。絶縁層７の表面の中央部は撥水面１１となっており、第２の液体（液滴）１０はこの絶縁層７表面の撥水面１１に濡れ広がって光軸１３上に頂点をもつ凸形状のレンズ素子を構成している。一方、絶縁層７表面の撥水面１１を囲む領域は親水膜１２で覆われており、第１の液体９と接している。

このような構成の光学素子において、電極層６と第１の液体９との間に電圧が印加されていない状態では、第１の液体９と第２の液体１０との間の界面形状は図１３に実線で示したとおりであり、第２の液体１０は絶縁膜７表面の撥水面１１に濡れ広がっている。この状態で、電極層６と第１の液体９との間に電圧が印加されると、エレクトロウェッティング効果により第１の液体９が撥水面１１の周囲から撥水面１１内に侵入する。これにより、第１の液体９と第２の液体１０との間の界面形状が例えば図１３に破線で示すように変化する。このように、電圧印加状態では電圧無印加状態に比べて第１，第２の液体９，１０間の界面の曲率が大きくなるので、電圧無印加状態よりも電圧印加状態の方が焦点距離を短くできる。

そして、図１３の構成においては、電圧無印加状態と電圧印加状態とでレンズ素子を構成する液滴１０の光軸のずれ（偏心）を抑えるために、電極層６と絶縁層７表面との間の距離が液滴１０の周囲下方位置よりも液滴１０の中央側下方位置の方が長くなるように、電極層６が凹状に形成されている。これにより、電極層６と絶縁層７表面との間に電位分布をもたせて電圧印加時における液滴１０の光軸１３を中心とする移動が得られ易くなっている。

液滴１０の移動特性は、絶縁層７表面の撥水領域と親水領域とのパターニング精度に大きく依存する。しかしながら、このパターニングを精度良く行うのは困難であり、個々のレンズ素子においてバラツキが出る場合が多い。したがって、個々のレンズ素子をアレイ状に配列した際には、個々のレンズ素子で光軸が安定せずに特性がばらつくという問題がある。

一方、例えば下記特許文献３には、図１４に示すように、絶縁層７に円錐状のくぼみ（凹部）１５を形成し、このくぼみ１５の中に液滴１０を収容してレンズ素子を構成したものが開示されている。この場合、くぼみ１５は、液滴１０とくぼみ１５の接触の境界のポイント（ＣＰ１）において、表面の該ポイントならびに対称ポイント（ＣＰ２）の両方で、くぼみ１５の表面に接している円（ＴＣ）の曲率よりも小さい、またはそれと反対の曲率を備えるよう該位置に形成される。このように、液滴１０をくぼみ１５の中に収容することで液滴１０のセンタリング性を高め、光軸のずれ（偏心）を抑えるようにしている。

特開２０００−３５６７０８号公報 国際公開第９９／１８４５６号パンフレット 特表２００２−５４０４６４号公報

しかしながら、図１４に示した特許文献３に記載の構成においては、くぼみ１５を所定の円錐状に形成することが困難であり、僅かな加工誤差によってもレンズの光軸がばらついてしまうという問題がある。このことは、電圧駆動時における液滴１０の偏心の原因にもなり得る。更に、レンズアレイを構成する場合にはレンズの小径化を実現する必要があるが、上記構成のくぼみ１５を微細かつ高精度に形成することは非常に困難であるという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、作製が容易で微細加工が可能であり、加工精度に起因する光軸のバラツキと電圧駆動時の液滴の偏心を抑えることができる光学素子およびレンズアレイを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明に係る光学素子は、密閉性のセルの内部に液滴を収容してなる光学素子において、セルの内部には、上記液滴を収容する角錐状の凹部が形成されている。

本発明において、液滴を収容する凹部が角錐状に形成されることによって、当該凹部に収容される液滴のセンタリング性を高めることができ、液滴によって形成されるレンズ素子の光軸のバラツキを抑えることができる。また、光軸を安定に保持して電圧駆動時の液滴の偏心を防ぐことができる。更に、当該凹部が円錐状である場合に比べて作製が容易であり、凹部の微細加工も可能となる。

この凹部を二次元的に複数配列することで、レンズアレイを構成することができる。特に本発明においては、凹部が角錐状に形成されているので、面内において稠密に凹部を配列することができ、レンズアレイ全体として有効面積の大きなレンズ面を確保することができる。

凹部は四角錐あるいは四角錐台形状に形成することができるが、これに限らず、三角錐や六角錐あるいはそれらの角錐台形状が適用可能である。なお、ここでいう角錐台形状には、凹部の開口側が底部よりも面積的に大きな逆角錐形状と、凹部の開口側が底部よりも面積的に小さな角錐形状とが含まれる。

凹部の内周面を構成する各傾斜面の傾斜角はそれぞれ実質的に同一であってもよいし、一部が異なる傾斜角の傾斜面であってもよい。また、例えば凹部が四角錐台形状の場合、その四角形状は正方形状に限らず、長方形状や平行四辺形状であってもよい。

角錐状の凹部を形成する方法としては、例えば、シリコン等の単結晶基板や金属板表面に対する異方性ウェットエッチングが好適であり、これにより凹部の各周面に所定の傾斜角を容易かつ適正に付与することができる。なお、これに限らず、ドライエッチングプロセスやレーザ加工法を用いることもできる。

また、本発明に係るセルは、一対の透明基板と、これら一対の透明基板の間に形成される液室と、この液室に充填され互いに屈折率が異なる第１，第２の液体と、液室内に配置され表面が絶縁膜で被覆された電極層とを有する。第１の液体は導電性で、第２の液体は絶縁性であるとともに、互いに混和することなく液室内に存在する。そして、上記凹部は電極層の面内に形成されるとともに、当該凹部には第１，第２の液体の何れか一方が収容されている。

第１，第２の液体は互いに屈折率が異なるので、これら第１，第２の液体の間の界面がレンズ面として機能する。レンズ面の形状は、第１，第２の液体の各々の体積や界面張力などで決定され、エレクトロウェッティング効果を利用することで当該レンズ面の形状を変化させることができる。導電性の第１の液体としては例えば電解液が用いられ、絶縁性の第２の液体としては例えばシリコーンオイルが用いられる。角錐状の凹部には例えば第２の液体からなる液滴が収容される。

上述した例において、角錐状の凹部は、第１の電極層の表面に形成した角錐状の貫通孔と、第１の電極層の一方の面に接合されるとともに上記貫通孔の一端を閉塞する第１の透明基板とにより構成することができる。第１の電極層としては、例えば単結晶シリコン基板を用いることができる。当該凹部を含む第１の電極層の表面は絶縁膜で覆われている。第１の電極層は、上記凹部を囲む形状に形成された密閉層を介して第２の透明基板に対向している。これら第１の電極層と第２の透明基板とにより本発明に係る上記セルを構成することができる。セルの内部には上記第１，第２の液体が封入され、絶縁性の第２の液体が凹部の内部に収容される。第１の電極層と第２の透明基板との間には、導電性の第１の液体と接する第２の電極層が設けられる。この第２の電極層としては、第２の透明基板の内面側に形成された透明電極層とすることができる。

以上述べたように、本発明の光学素子によれば、密閉性のセル内に封入された第１，第２の液体からなるレンズ素子を容易かつ微細に作製できるとともに、加工精度に起因するレンズ光軸のバラツキを抑えることができる。また、電圧駆動時の液滴の偏心を防止することができる。
また、本発明のレンズアレイによれば、レンズを仕切る隔壁面積を低減できるのでレンズの有効面積を増加させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（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学素子２０の概略構成を示す側断面図である。本実施形態の光学素子２０は、密閉性のセル３０の内部に形成された液室２７に第１の液体３１と第２の液体３２が収容されてなり、これら第１の液体３１と第２の液体３２の界面３３によってレンズ面が形成される液体レンズ素子を構成している。

第１の液体３１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。

第２の液体３２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。

第１，第２の液体３１，３２は互いに異なる屈折率を有するとともに、液室２７において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３１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３２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３１，３２は互いに同等の比重をもつことが好ましい。

なお以下の説明では、「第１の液体」を電解液３１と称し、「第２の液体」を液滴３２と称するものとする。

続いて、セル３０の構成について説明する。

セル３０は、上下一対の透明基板２３，２４を備えている。第１の透明基板としての下部透明基板２３の内面側には第１電極層２１が接合されており、第２の透明基板としての上部透明基板２４の内面側には第２電極層２２が接合されている。そして、これら第１，第２電極層２１，２２を密閉層２５を介して互いに貼り合わせることで、内部に液室２７を有するセル３０が構成される。また、図示の例では、下部透明基板２３の外面側に、透光孔２９ａが形成された支持板２９が接合されている。

一対の透明基板２３，２４は、ガラス基板や非導電性のプラスチック基板、フィルムあるいはシート等で構成することができる。密閉層２５はゴムや樹脂材料等の液密性を確保できる材料で構成することができる。また、電極層２１，２２は金属、導電性酸化物、半導体材料等で構成することができる。

第１電極層２１には逆四角錐形状の貫通孔２１ａが形成されており、第２電極層２２には、貫通孔２１ａの大径部と同等の開口径を有する開口２２ａが形成されている。これら貫通孔２１ａ、開口２２ａおよび支持板２９の透光孔２９ａはそれぞれ光軸３５上に整列されており、セル３０を透過する光の入射口あるいは出射口とされる。

本実施形態において、第１電極層２１は単結晶シリコン基板が用いられる。単結晶シリコン基板には、所定の導電性を得るために必要なドーパント（不純物イオン）が必要量添加されたＮ型基板あるいはＰ型基板が用いられる。なお仕様等に応じて、ノンドープ型の単結晶シリコン基板を用いてもよい。

第１電極層２１に対する逆四角錐状の貫通孔２１ａを形成する方法としては、異方性ウェットエッチング法が好適である。第１電極層２１にシリコン等の単結晶シリコン基板を用いる場合、結晶方位に依存したエッチング選択性が発生する。これにより、所定の傾斜角を有する傾斜面（テーパー面）で貫通孔２１ａの各内周面を容易に形成することができる。また、貫通孔２１ａの内周面は結晶面であるため平坦性に優れている。このため、エレクトロウェッティング効果による電解液３１の移動を円滑に行うことができ、界面３３の形状変化が容易となる。

本実施形態では、図２に模式的に示すように、シリコン基板の（１００）面を被加工面として傾斜角θが５５°の傾斜面（｛１１１｝面）からなる内周面を有する逆四角錐形状の貫通孔２１ａを形成するようにしている。貫通孔２１ａは正四角錐形状に限らず、平面的に見て長方形状であってもよい。なお、図２において符号３６はマスクパターンである。

第１電極層２１の貫通孔２１ａを含む全表面は、絶縁膜２６で被覆されている。絶縁膜２６は絶縁性の物質であれば特に限定されず、好適には、誘電率が比較的高い物質が選択される。また、比較的大きな静電容量を得るために絶縁膜２６の膜厚は薄い方が好ましいが、絶縁強度を確保できる膜厚以上であることが必要である。誘電率の比較的高い材料としては、例えば、酸化タンタル、酸化チタンなどの金属酸化物が挙げられるが、勿論これに限定されない。絶縁膜２６の形成方法も特に制限されず、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法等の真空薄膜形成方法のほか、めっき法、電着法、コート法、ディップ法等の各種コーティング方法が採用可能である。なお、絶縁膜２６は少なくとも第１電極層２１の内面側に形成されていればよい。

また、絶縁膜２６は、液滴３２が接触する貫通孔２１ａの内周領域において撥水性を有することが好ましい。撥水膜の形成方法としては、例えばポリパラキシリレンをＣＶＤ法で成膜する方法、フッ素系のポリマーであるＰＶｄＦやＰＴＦＥなどの材料を電極層表面にコーティングする方法などが挙げられる。また、高誘電率材料と撥水性材料とを複数組み合わせた積層構造で絶縁膜２６を構成してもよい。

なお、第１電極層２１に対する貫通孔２１ａの形成方法は上記の例に限定されることはなく、例えば、レーザー加工法や切削その他の機械加工法が適用可能である。また、第２電極層２２に対する開口２２ａの形成も上記の例と同様な方法で行うことができる。

液室２７は、第１電極層２１の貫通孔２１ａと下部透明基板２３とにより形成される凹部２８の内部空間、第２電極層２２の開口部２２ａの内部空間、及び、第１電極層２１と第２電極層２２との間隙（密閉層２５の厚みに相当）によって形成される。液室２７の全容積は電解液３１および液滴３２で占有される。電解液３１は第２電極層２２に接しており、液滴３２は凹部２８の内部に収容されている。

第１電極層２１と第２電極層２２との間には電圧供給源３４が設けられている。電解液３１と液滴３２の界面３３の形状は球面あるいは非球面形状であり、その曲率は電圧供給源３４から供給される電圧の大きさに応じて変化する。そして、界面３３は、電解液３１と液滴３２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電極層２１と電解液３１との間に印加する電圧の大きさを調整することで、光軸３５に沿って入射する光の焦点距離を変化させることが可能となる。

図３に印加電圧と焦点距離との関係を示す。図３において縦軸は焦点距離ｆの逆数を表し、横軸は印加電圧を表している。電圧無印加状態（Ｖ＝０）では、液滴３２は図１において一点鎖線で示すように凹部２８の内周面に濡れ広がっており、電解液３１との界面３３Ａは下部透明基板２３側に凸なる凹レンズ形状で釣り合っている。従って、当該形状の界面３３Ａを有する光学素子２０は下部透明基板２３側に焦点を有し、下部透明基板２３側からセル３０内に入射した光ＬＡは図１に示すように発散して出射される。

次に、第１電極層２１と電解液３１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基づいた電解液３１の凹部２８内への移動が誘発される。電圧印加開始から所定電圧Ｖ１までの範囲では、電解液３１の顕著な移動は認められず、従って、電解液３１と液滴３２との間の界面３３Ａの形状の変化は少ない。

印加電圧の大きさがＶ１を超えると、電解液３１が凹部２８の内周面に対する濡れ性が高まり、凹部２８の周縁から凹部２８の内方へ侵入し始める。その結果、電解液３１と液滴３２との界面３３の曲率が小さくなり、印加電圧Ｖ２で界面形状が平坦になる。この状態では、界面３３におけるレンズ効果はなく、焦点距離は無限大となる（１／ｆ＝０）。

印加電圧を更に大きくすると、電解液３１による凹部２８内の浸食領域は増大し、電界液３１と液滴３２との界面３３Ｂの形状は図１において実線で示すように上部基板２４側に凸なる凸レンズ形状となる。この状態から更に印加電圧が大きくなると、当該凸レンズ形状の界面３３の曲率は更に大きくなり、図１において破線で示すような形状の界面３３Ｃが得られる。当該凸レンズ形状の界面３３Ｂ，３３Ｃを有する光学素子２０を透過する光ＬＢ，ＬＣは上部透明基板２４側に焦点を有するとともに、界面３３Ｂのレンズ形状を透過する光ＬＢに比べて界面３３Ｃのレンズ形状を透過する光ＬＣの方が焦点距離は短い。これにより、本実施形態の光学素子２０は、印加電圧の大きさで焦点距離を調整可能な可変焦点レンズとして機能する。

そして、以上のように構成される本実施形態の光学素子２０においては、液滴３２が収容される凹部２８の形状が角錐形状に形成されているので、当該凹部２８に収容される液滴３２のセンタリング性を高めることができる。これにより、液滴３２の光軸を安定に保持でき、電圧駆動時における液滴３２の偏心を防止できる。

特に本実施形態では、凹部２８の内周面を構成する絶縁膜の下地が第１電極層２１で構成されているので、このことが電圧印加時において電解液３１が凹部２８の周面に沿って移動させるガイド機能を奏し、液滴３２のセンタリング性の向上に大きく貢献する。

また、凹部２８が第１電極層２１の表面に形成されたエッチング加工痕で構成されるので、凹部の形成を容易かつ精度良く行うことができる。これにより、加工誤差に起因する光軸のバラツキを抑えることができる。

更に、凹部２８を角錐形状に構成することで、凹部２８に収容された液滴３２の電解液３１との間の界面形状は、凹部２８の周縁近傍で非球面形状を実現できる。このため、本実施形態の光学素子２０は、例えばカメラの歪曲収差（樽型収差、糸巻き型収差）補正などの非球面レンズ素子として応用することができる。歪曲収差の例としては、樽型収差や糸巻き型収差などがある。

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図４及び図５は、本発明に係る光学素子を備えたレンズアレイ４０の概略構成を示している。ここで、図４はレンズアレイ４０の分解斜視図、図５はレンズアレイ４０の概略側断面図である。

レンズアレイ４０は、上述の第１の実施形態において説明した光学素子（液体レンズ素子）が二次元的に複数配列されることで構成されている。なお図５の断面図においては、説明の便宜上、セル５０内に２つの液体レンズ素子を並置した例を示している。

本実施形態のレンズアレイ４０は、第１電極層としてのシリコン基板４１と、このシリコン基板４１にシールリング４５を介して貼り合わされる上部透明基板４４と、シリコン基板４１を収容する筐体４９とを備えている。

シリコン基板４１は矩形状を有し、その面内に逆四角錐形状の貫通孔４１ａが二次元的に複数形成されている。シリコン基板４１と上部透明基板４４との間には、導電性の第１の液体からなる電解液５１と絶縁性の第２の液体からなる液滴５２とで充填された液室４７が形成されている。シリコン基板４１の下面には下部透明基板４３が接合されており、貫通孔４１ａの底部がこの下部透明基板４３に閉塞されることで、液室４７内に二次元的に配列された複数の凹部４８が形成されている。

シリコン基板４１の表面の凹部４８を含む領域は、絶縁膜４６で被覆されている。絶縁膜４６として、本実施形態では、撥水性のポリパラキシリレンが用いられている。

液室４７において、個々の凹部４８の内部には液滴５２が収容されており、残余の領域は電解液５１で満たされている。電解液５１及び液滴５２は、同等の比重を有するとともに互いに混和することなく液室４７内に存在することにより、これらの間に球面あるいは非球面形状の界面５３を形成している。そして、電解液５１及び液滴５２は、互いに異なる屈折率をもち、界面５３に屈折率差に応じたレンズパワーを有するレンズ素子を構成している。

上部透明基板４４の内面には、第２電極層としての透明電極膜４２が形成されている。透明電極膜４２は、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide)等の透明な導電性金属酸化物で構成されている。透明電極膜４２には、電圧供給源５４の一方の端子に連絡する配線部材５５が導電性ペーストや異方性導電フィルム等を介して接着されている。配線部材５５には、例えばフレキシブル配線基板等が用いられている。

液室４７内の電解液５１は、この透明電極膜４２に接しており、絶縁膜４６を挟んでシリコン基板４１と電解液５１との間に電圧を印加することが可能とされる。界面５３の形状はシリコン基板４１と電解液５１との間に印加される電圧の大きさで変化する。従って、この電圧の大きさを調整することでレンズ素子の焦点距離が制御される。

筐体４９は、例えばプラスチック材料等の絶縁性の材料で形成されており、上面及び下面に開口を有している。筐体４９の上縁は、紫外線硬化接着剤等の接着剤５６を介して上部透明基板４４の下面周縁部に接着されている。筐体４９の下端は内方側に屈曲形成されており、その縁部に金属電極５７がカシメ、接着等の手法により取り付けられている。金属電極５７は銅板等の金属板で形成され、電圧供給源５４の他方の端子に接続されている。また、金属電極５７は、シリコン基板４１の下面に形成されたコンタクト電極５８に接合されている。

以上のように構成される本実施形態のレンズアレイ４０においては、シリコン基板４１と透明電極膜４２との間に印加される電圧の大きさによって、各凹部４８の内部に収容された液滴５２と電解液５１との界面５３の形状を同時に変化させることが可能となる。これにより、シート状の液体レンズ素子を構成することができ、例えばカメラのストロボ装置等の面発光光源用の焦点可変素子として用いることができる。

特に本実施形態では、液滴５２を収容する凹部４８の形状が四角錐形状であるため、シリコン基板４１の表面に凹部４８を稠密に配置することができ、レンズを仕切る隔壁面積の低減を図ることができる。これにより、レンズアレイ全体として有効面積の大きなレンズ面を確保することができる。

次に、以上のように構成されるレンズアレイ４０の製造方法について説明する。図６及び図７はレンズアレイ４０の製造方法を説明する工程断面図である。

［コンタクト電極形成工程］
まず、図６Ａに示すように、シリコン基板４１の一方の面（下面）に、コンタクト電極５８を形成する。シリコン基板４１の下面は、下部透明基板４３が接合される面であり、密着層として、ＴｉやＣｒ等の薄膜が形成されている。コンタクト電極５８は、上記密着層の形成後、ＰｔやＡｕなどの表面の安定な金属薄膜を真空蒸着法等によりパターン形成される。

コンタクト電極５８は、筐体４９の下縁に取り付けられた金属電極５７との接触導通をとるため比較的厚めに形成されるのが好ましい。このため、ＰｔやＡｕなどの金属薄膜を形成後、表面にめっき膜を形成することでコンタクト電極５８を厚くするようにしてもよい。

また、コンタクト電極５８は、シリコン基板４１のダイシング時に、切断位置を示す位置決めマークとしても利用可能である。この場合、図示するようにダイサー（ダイシングソー）を挟むような２重線になるようにコンタクト電極５８を形成するとよい。また、コンタクト電極５８は、後述する絶縁膜形成工程において、絶縁膜の非形成面として識別するのにも利用可能である。

［下部透明基板接合工程］
続いて、図６Ｂに示すように、シリコン基板４１の下面に下部透明基板４３を接合する工程が行われる。下部透明基板４３はガラス基板で構成されている。ガラス基板としては、パイレックスガラス（「パイレックス」は登録商標）に代表される珪ホウ酸ガラスなどの低膨張係数のガラス基板が好適である。また、珪ホウ酸ガラスは、軟化点が低いためシリコン基板４１に対して陽極接合が可能であり、良好な密着性が得られる。

なお、シリコン基板４１と下部透明基板４３との接合方法としては、低融点ガラスを接着剤として使用して接合する方法や、プラズマ照射によって表面を活性化して接合する方法なども採用可能である。樹脂の接着剤でも、電解液５１や液滴５２に侵されないものであれば利用可能である。

［凹部形成工程］
次に、図６Ｃに示すように、異方性ウェットエッチング法によりシリコンウェーハ４１に対して角錐状の凹部４８を形成する工程が行われる。

凹部４８の形成の際、シリコン基板４１の他方の面（上面）には、凹部４８の形成位置が開口されたマスクパターンをあらかじめ形成しておく。エッチング液としては、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液が用いられ、この場合のマスクパターンは窒化シリコン膜が適している。なお、エッチング液はこれに限らず、シリコン基板の異方性ウェットエッチングに使用されるようなアルカリ溶液が使用可能であり、溶液の種類に応じてマスク材料も選択される。

シリコン基板の結晶方位面を適切に選択することで、四角錐を逆さにした逆四角錐形状の凹部４８が形成される。エッチング液はシリコン基板４１を貫通し、下部透明基板４３の表面でエッチングが終了する。これにより、凹部４８の底面がガラス窓となり、レンズ素子の開口面となる。マスクパターンの精度を向上させることにより、個々のレンズ間のバラツキの少ないレンズアレイを形成することが可能である。また、シリコン基板４１の下面に下部透明基板４３を接合した状態で凹部４８を形成するので、凹部４８の底部が平坦となり、収差の小さいレンズ素子が形成可能となる。

［ダイシング工程］
続いて、図６Ｄに示すように、シリコン基板４１を個片化するダイシング工程が行われる。ダイシング工程では、シリコン基板４１の下面に所定の間隔をあけて２重線状に形成したコンタクト電極５８の間をダイシングする。

［絶縁膜形成工程］
次に、図７Ｅに示すように、個片化したシリコン基板４１の上面に絶縁膜４６を形成する工程が行われる。絶縁膜４６は、シリコン基板４１に形成した凹部４８の表面にも形成される。絶縁膜４６としては、段差の多い面への成膜であるため、被覆性に優れた材料が適している。本実施形態では、撥水性のポリパラキシリレンを真空蒸着にて成膜する方法が採用されている。

レンズ素子の駆動電圧は、この絶縁膜４６の膜厚に大きく依存する。すなわち、絶縁膜４６の膜厚が小さいほど電解液５１とシリコン基板４１との間の静電容量が大きくなり、レンズ素子の駆動電圧を低減できる。凹部４８は、シリコン基板４１に対する異方性ウェットエッチングによって形成されているため、凹部４８のテーパー状の内周面はナノスケールで平坦化されている。従って、絶縁膜４６の膜厚を高精度に制御でき、絶縁膜４６の薄膜化も容易である。本例では、絶縁膜４６の膜厚を約３μｍとしている。

［液注入工程］
次に、図７Ｆに示すように、シリコン基板４１の上面にシールリング４５を配置する。シールリング４５は例えばゴム製のＯリングからなり、シリコン基板４１上の凹部４８の形成領域を囲む周縁領域に貼り付けられる。その後、シールリング４５の内周側空間部に電解液５１と液滴５２とが注入される。液滴５２は各凹部４８の内部に収容され、電解液５１は凹部４８の上部空間に充填される。

凹部４８に対する液滴５２の注入方法としては、シールリング４５の内周側空間部を電解液５１で満たした後、電解液５１内にノズル先端を浸漬し凹部４８内に液滴５２を滴下する方法や、液滴５２を凹部４８内に滴下した後、液滴５２の上から電解液５１を注入する方法などがある。

［組立工程］
最後に、図７Ｇに示すように、シリコン基板４１に上部透明基板４４を貼り合わせるとともに、シリコン基板４１を筐体４９に収納し上部透明基板４４と筐体４９とを接着固定する工程が行われる。

上部透明基板４４と筐体４９との接着にはＵＶ反応型接着剤５６が用いられ、上部透明基板４４側からＵＶ照射して硬化される。また、上部透明基板４４と筐体４９との間の接着の際に、筐体４９の下端の金属電極５７がシリコン基板４１下面のコンタクト電極５８に加圧接触して電気的導通がとられる。金属電極５７は筐体４９にあらかじめカシメや接着などで一体化される。上部透明基板４４と筐体４９との接着工程では、両者の平行度を調整して組み立てられる。

また、上部透明基板４４には配線部材５５が導電性接着剤や異方性導電フィルムを介して接合され、上部透明基板４４の内面側に形成された透明電極膜４２と配線部材５５とが電気的に接続される。なお、配線部材５５を取り付ける代わりに、透明電極膜４２をそのまま端子として使用してもよいし、透明電極膜４２の外に出ている部分だけ更に金属膜を形成し、ワイヤーボンディングやはんだ付けにて配線を形成してもよい。

本実施形態のレンズアレイ４０は以上のようにして製造される。
本実施形態によれば、上述の第１の実施形態と同様に、作製が容易で微細加工が可能であり、加工精度に起因する光軸のバラツキと電圧駆動時の液滴の偏心を抑えることができる。また、レンズを仕切る隔壁面積を低減できるのでレンズの有効面積を増加させることができる。

特に、シリコン基板４１上の凹部４８を異方性ウェットエッチングで形成するようにしているので、複数の凹部４８を同時にかつ高精度に形成することができる。また、凹部４８の微細加工も容易に行うことができる。

また、凹部４８のテーパー状の内周面を寸法精度高く形成できるので、個々のレンズの液量、変形量、その他光学特性のバラツキが非常に小さいレンズアレイ４０を作製できる。更に、シリコン基板４１、一対の透明基板４３，４４などの構成材料を薄くすることにより、組立後も非常に薄型のレンズアレイ４０を作製することができる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、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。

例えば以上の各実施形態では、密閉性のセル３０，５０内の凹部２８，４８に絶縁性の第２の液体からなる液滴３２，５２を収容した例について説明したが、勿論これに限られず、凹部２８，４８内に導電性の第１の液体からなる液滴を収容してもよい。

また、以上の各実施形態では、凹部２８，４８のテーパー状の内周面を形成する各傾斜面を同一の傾斜角で形成したが、一部の傾斜面を他の傾斜面と異なる傾斜角で形成してもよい。例えば図８は、左右方向の傾斜角が同一の内周面からなる凹部２８Ａに隣接して、左右方向で傾斜角が異なる２種類の凹部２８Ｂ，２８Ｃを設けた例を示している。図示の例のように、凹部２８の内周面の傾斜角を任意に調整することで、液滴３２の光軸を任意に調整できるようになる。これにより、例えばレンズアレイに光拡散機能を付与することが可能となる。

また、凹部の形状は、上述した逆四角錐形状に限らず、図９に示すように開口部面積が底部面積よりも小さくなるようなテーパ−方向の内周面をもつ角錐形状の凹部２８Ｄも本発明は適用可能である。この場合、液滴３２のレンズ面（界面）３３は、上述の実施形態の場合に比べて曲率が大となる。

更に、凹部は四角錐形状に限らず、三角錐形状や六角錐形状等の他の角錐形状であってもよい。図１０に六角錐形状の凹部２８Ｅを稠密配置した例を示す。

更にまた、図１１に示すように、凹部の開口形状を長方形状としてもよい。この場合、凹部２８Ｆに収容される液滴のレンズ面を長辺方向と短辺方向とで曲率の異なるシリンドリカル状あるいはトロイダル状に形成することができる。この種のレンズは、例えば、照明光学系、レーザープリンタや光ディスク装置等の光学系に幅広く用いることができる。

本発明の実施形態による光学素子の概略構成を示す側断面図である。 光学素子を構成するシリコン基板に対する角錐状の貫通孔の形成方法を説明する斜視図である。 光学素子に印加する駆動電圧と焦点距離との関係を示す特性図である。 本発明の実施形態によるレンズアレイの概略構成を示す分解斜視図である。 レンズアレイの要部側断面図である。 レンズアレイの製造方法を説明する工程断面図である。 レンズアレイの製造方法を説明する工程断面図である。 凹部の形状の変形例を説明する要部断面図である。 凹部の形状の他の変形例を説明する要部断面図である。 六角錐形状の凹部を示す斜視図である。 開口形状が長方形状の凹部を示す斜視図である。 エレクトロウェッティング効果（電気毛管現象）の説明図である。 従来の光学素子の概略構成を示す要部断面図である。 従来の他の光学素子の概略構成を示す要部断面図である。

符号の説明

２０…光学素子、２１，４１…第１電極層（シリコン基板）、２２，４２…第２電極層、２３…第１の透明基板（下部透明基板）、２４…第２の透明基板（上部透明基板）、２５…密閉層（シールリング）、２６，４６…絶縁膜、２７，４７…液室、２８，４８…凹部、３０，５０…セル、３１，５１…第１の液体（電解液）、３２，５２…第２の液体（液滴）、３３，５３…界面（レンズ面）、３４，５４…電圧供給源、３５…光軸、４０…レンズアレイ、４９…筐体、５５…配線部材、５７…金属電極、５８…コンタクト電極。

Claims (14)

1. 密閉性のセルの内部に液滴を収容してなる光学素子において、
   前記セルの内部には、前記液滴を収容する角錐状の凹部が形成されている
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記凹部は四角錐台形状を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記セルは、
   一対の透明基板と、
   これら一対の透明基板の間に形成される液室と、
   前記液室に充填され互いに屈折率が異なる第１，第２の液体と、
   前記液室内に配置され表面が絶縁膜で被覆された電極層とを有し、
   前記第１の液体は導電性で、前記第２の液体は絶縁性であるとともに、互いに混和することなく前記液室内に存在し、
   前記凹部は前記電極層の面内に形成されるとともに、当該凹部には前記第１，第２の液体の何れか一方が収容されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
4. 前記一対の透明基板のうち、前記液室を挟んで前記電極層と対向する側の透明基板には透明電極層が形成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 前記第１の液体と前記第２の液体との間の界面が非球面形状である
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
6. 前記電極層は単結晶シリコン基板からなり、
   前記凹部は当該単結晶シリコン基板の表面に形成されたエッチング加工痕からなる
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
7. 前記凹部の内周面が撥水面である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
8. 前記凹部の内周面を形成する全ての傾斜面は、それぞれ実質的に同一の傾斜角で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
9. 前記凹部の内周面を形成する一部の傾斜面が他の傾斜面と異なる傾斜角で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
10. 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の液体と前記第２の液体とを互いに混和させることなく収容する密閉性のセルとを有する光学素子であって、
    前記セルは、
    前記第２の液体を収容する角錐状の貫通孔が形成された第１の電極層と、
    前記第１の電極層を被覆する絶縁膜と、
    前記第１の電極層の一方の面に接合されるとともに前記貫通孔の一端を閉塞する第１の透明基板と、
    前記第１の電極層の他方の面に密閉層を介して対向配置される第２の透明基板と、
    前記第１の電極層と前記第２の透明基板との間に配置されるとともに前記第１の液体に接する第２の電極層とを備えた
    ことを特徴とする光学素子。
11. 前記第２の電極層は、前記第２の透明基板上に形成された透明電極膜である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の光学素子。
12. 前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に所定電圧を印加可能な電圧供給源を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の光学素子。
13. 密閉性のセルの内部に液滴を収容してなる光学素子において、
    前記セルの内部には、前記液滴を収容する角錐状の凹部が二次元的に複数形成されている
    ことを特徴とするレンズアレイ。
14. 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の液体と前記第２の液体とを互いに混和させることなく収容する密閉性のセルとを有するレンズアレイであって、
    前記セルは、
    前記第２の液体をそれぞれ収容する角錐状の貫通孔が二次元的に複数配列された第１の電極層と、
    前記第１の電極層を被覆する絶縁膜と、
    前記第１の電極層の一方の面に接合されるとともに前記貫通孔の一端を閉塞する第１の透明基板と、
    前記第１の電極層の他方の面に密閉層を介して対向配置される第２の透明基板と、
    前記第２の透明基板の内面側に形成された透明な第２の電極層とを備えた
    ことを特徴とするレンズアレイ。
    
    

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