JP7233082B2 - 光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法に関する。

従来から、電圧の印加によって変形する高分子材料を用いて、レンズを光軸方向に移動させる焦点調節機構（たとえば、特許文献１参照）、レンズ駆動機構（たとえば、特許文献２参照）等が知られている。高分子材料はレンズを保持するレンズホルダに用いられており、電圧印加による高分子材料の伸縮を利用して、レンズの位置を光軸に沿って動かしている。

また、電界の印加方向に伸縮する有機材料を一対の電極で挟み、有機材料層の電界印加方向と垂直な面内で単位電場当たりの電歪性歪量に分布を持たせることで、有機材料層と電極を変形させて凸レンズ、凹レンズ等を形成する方法が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

人工筋肉アクチュエータに適用される高分子柔軟アクチュエータとして、ポリ塩化ビニル１～５０重量部に対してイオン液体を１～３０重量部含むゲル材料が知られている（たとえば特許文献４参照）。

特許第４５３０１６３号 特許第５１８０１１７号 特許第５０２９１４０号 特許第５３９２６６０号

レンズを光軸に沿って移動させる構成は、レンズホルダに配置された高分子材料を伸縮させることで、単一のレンズの位置を変化させている。この構成は、まずホルダを変形させ、ホルダの変形によってレンズ位置を変えるので、レンズ駆動の応答性と精度を十分に高めることが難しい。

有機材料層の面内方向に電歪性歪量の分布を持たせる構成は、インクジェットやマイクロコンタクトプリンティングなどで、特性の異なる材料を微小量ずつ所望の位置に塗布するため、レンズ作製の工程が複雑であり時間がかかる。

また、上述した従来構成はいずれも単一のレンズの調整を目的としているが、イメージングや映像関連製品では、多数の微細なレンズを用いたマイクロレンズアレイに対する需要が高まっている。マイクロレンズアレイに焦点調整機能を付与することができれば、付加価値を高めることができる。

上記の課題に鑑みて、本発明は、簡単な構成で光学特性を調整することのできる光学素子とその作製方法を提供することを目的とする。

本発明では、電圧印加による高分子材料の伸縮または変形を利用して、光学素子の表面に光散乱体を形成する。

第１の態様では、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される高分子材料層とを有する光学素子は、電圧印加の下で前記高分子材料層が変形して前記光学素子の表面に光散乱体が形成される。

第２の態様では、光学素子の作製方法は、
第１の電極層の上に高分子材料層を形成し、
前記高分子材料層の上に、第２の電極層を配置し、
前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に電圧を印加して前記高分子材料層を変形させて、前記第２の電極層の表面に前記高分子材料層の一部を突出させて光散乱体を形成する、
工程を含む。

上記の構成と手法により、簡単な構成で光学特性を調整することのできる光学素子とその作製方法が実現される。

実施形態の光学素子の基本構成を示す概略模式図である。 実施形態の光学素子の動作原理を説明する図である。 図１の光学素子の変形例を示す図である。 実施形態のマイクロレンズアレイの概略模式図である。 実施形態のマイクロレンズアレイの変形過程を示す３Ｄ画像である。 実施形態のマイクロレンズアレイの変形過程を示す３Ｄ画像である。 図５Ａ及び図５Ｂのマイクロレンズアレイで用いる電極構成を示す図である。 図５Ａ及び図５Ｂのマイクロレンズアレイの断面プロファイルを電圧の関数として示す図である。 図５Ａ及び図５Ｂのマイクロレンズアレイの形態の光学素子の動作原理を説明する図である。 比較例としてメッシュ電極を用いたときの３Ｄ画像である。 図９で用いたポリマーゲルの断面プロファイルを示す図である。 比較例のポリマーゲルの変形を説明する模式図である。 光学素子のさらに別の変形例を示す図である。 実施形態の光学素子の光拡散分布を評価するテスト装置の模式図である。 図１３のテスト装置での評価結果を示す画像である。 実施形態のマイクロレンズアレイを用いた撮像装置の模式図である。 実施形態のマイクロレンズアレイを用いた照明装置の模式図である。 高分子材料に種々のイオン液体を添加したときの高分子材料層の応答特性を示す図である。 イオン液体の物性とポリマーゲルの変位状態を示す図である。 イオン液体の添加量とポリマーゲルの変位の関係を示す図である。 電圧印加により形成された光散乱体の評価結果をイオン液体の添加量ごとに示す図である。 イオン液体の電極劣化への影響を示す図である。

図１は、実施形態の光学素子１０の基本構成図である。光学素子１０は、一対の電極１２と電極１３の間に、高分子材料層１１が挟持された三層の積層構造を有する。電極１２と電極１３の間に電圧が印加された状態で、少なくとも一方の電極（たとえば電極１３）の表面１３ｓに、光散乱体１５を有する。光散乱体１５は、高分子材料層１１と同じ材料で形成されている。

高分子材料層１１と光散乱体１５は、ゲル状のポリマー材料（以下、適宜「ポリマーゲル」と呼ぶ）で形成されている。光散乱体１５は、電圧の印加によるポリマーゲルの伸縮または変形を利用して形成されている。図１（Ａ）の例では、光散乱体１５は、凸形状を有する。本明細書及び特許請求の範囲で「凸形状」というときは、とは、変形したポリマーゲルの少なくとも一部が電極の表面１３ｓ（ゼロ面）から上方に少なくとも一部が突出した状態を意味し、図１（Ａ）のようにすべてが突出した状態に限られるものではない。

図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、凸形の光散乱体の中央付近が凹状にくぼんだ形状も、光散乱体１５全体としてみたときに電極１３の開口１４から突出しており、光散乱効果を有する。図１（Ｂ）のように、光散乱体１５Ａの頂点がわずかにくぼんだ状態だけではなく、図１（Ｃ）のように、光散乱体１５Ｂの中央部が電極１３の表面１３ｓよりも下方にある場合も、「凸形状」に含まれる。

ポリマーゲルは、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：polyvinyl chloride）、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等であり、使用波長に対して透明な高分子（または樹脂）材料を適宜選択することができる。

実施形態では、電場の作用による変形例が大きく、取扱いが容易なＰＶＣを用いる。ＰＶＣに適切な可塑剤を添加してもよいし、ＰＶＣを溶媒に溶解させてもよい。可塑剤を用いる場合は、アジピン酸ジブチル（ＤＢＡ：dibutyl adipate）、アジピン酸ジエチル（ＤＥＡ：diethyl adipate）、セバシン酸ジエチル（ＤＥＳ：diethyl sebacate）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ：dioctyl phthalate）、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ：diethyl phthalate）等を用いることができる。溶媒として、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等を用いることができる。

可塑剤の混合比率は５０ｗｔ％以上、好ましくは７５ｗｔ％以上である。混合比率が５０ｗｔ％未満だと、電圧を印加しても高分子材料層１１を変形させることが困難になる。混合比率が５０ｗｔ％以上７５ｗｔ％未満のときは、電圧印加により高分子材料層１１を変形させることができるが、印加する電圧レベルが高くなるおそれがある。混合比率を７５ｗｔ％以上とすることで、適切な電圧レベルで高分子材料層１１を変形させることができる。

電極１２と電極１３は、導電性を有する材料であれば、特に制限はない。電極１２と電極１３の少なくとも一方を金属で形成する場合は、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、チタン、タンタル、インジウム、パラジウム、リチウム、ニオブ、これらの合金などを用いることができる。電極１２と電極１３の少なくとも一方をＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ）等の透明な酸化物半導体材料で形成してもよいし、導電性ポリマー、導電性カーボン等を用いてもよい。

電極１２と電極１３の極性は、高分子材料層１１の形状を変化させる方向に応じて設定することができる。図１（Ａ）～図１（Ｃ）の例では、電極１２は陰極層、電極１３は陽極層である。電極１２と電極１３は、高分子材料層１１と面接触している。

電極１３は開口１４を有し、電圧が印加された状態で、光散乱体１５、１５Ａ、及び１５Ｂが、開口１４から電極１３の表面１３ｓを超えて突出している。開口１４の径は、光学素子１０の用途に応じて適宜設定することができるが、１ｍｍ未満、好ましくは３００μｍ以下である。開口１４の径が１ｍｍ以上になると、電圧の印加によってポリマーゲルを開口１４から突出させることが困難になる。開口の径が３００μｍ以下とすることで、電圧印加に対するポリマーゲルの変形効率を高め、開口１４の中心に対してほぼ均等な凸形状を形成することができる。

開口１４の形状は、円、楕円、多角形等、目的に応じて決定することができる。

光学素子１０の作製方法としては、所定の寸法に形成された電極１２の上に、可塑剤が添加されたＰＶＣの溶液をキャスト法等で塗布して、高分子材料層１１を形成する。高分子材料層１１の上で、あらかじめ開口１４のパターンを形成した電極１３を配置する。電極１２と電極１３の間に所定の電圧を印加して、電極１３の表面に光散乱体１５、１５Ａ、または１５Ｂを形成する。

高分子材料層１１の厚さは、開口１４のサイズ、形成したい光散乱体１５の高さｈ、用いる電極１２，１３の厚さ等に応じて適宜決定されるが、一例として、１ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ～０．５ｍｍである。高分子材料層１１の厚さが０．１ｍｍ以下のときは多少ハンドリングしにくくなるが、あくまでも電極１３の開口サイズとの兼ね合いがあるので、微細な多数のレンズを有するマイクロレンズアレイシートを作製する場合は、高分子材料層１１の厚さが０．１ｍｍ以下になる場合もあり得る。

図２は、図１（Ａ）の形状を例にとって、実施形態の光学素子１０の動作原理を説明する図である。図２（Ａ）は電圧が印加されていない状態を示す。図２（Ｂ）は電圧が印加されたときの状態を示す。

図２（Ａ）の状態では、高分子材料層１１は表面がフラットな状態で開口１４の内部にある。このときの高分子材料層１１の表面位置は、高さ方向（積層方向）で電極１３の表面１３ｓよりも低い。電極１３の表面１３ｓを高さ方向のゼロ面とする。

図２（Ｂ）のように、電極１２と電極１３の間に電圧が印加されると、陰極である電極１２からポリマーゲルの高分子材料層１１に電子が注入される。電子を含むポリマーゲルは陽極である電極１３の開口１４の端面に引き付けられる。ゲルの弾性により、微細な開口１４で圧縮された分のポリマーゲルが開口１４の中央から押し上げられ、電極１３の表面１３ｓから突出し、光散乱体１５が形成される。

ポリマーゲルの変形は、ゲルの弾性と電圧応答特性に基づくものであり、開口１４から隆起して、開口１４の中心に対して点対称な突起となる。高分子材料層１１の組成が均一であれば、同じレベルの電圧を印加することで、ばらつきの少ない凸形状の光散乱体１５を形成することができる。

トータルのポリマーゲルの体積は同じであるから、開口１４からポリマーゲルが突出した分だけ、高分子材料層１１の厚さが若干、低減する。高分子材料層１１の厚さが低減すると、高分子材料層１１と面接触している電極１３の位置も下方に下がる。

高分子材料層１１の変形は可逆的であり、電圧の印加を停止することで、図２（Ｂ）の初期状態に戻すことができる。また、後述するように、印加する電圧のレベルに応じて、光散乱体１５の高さｈを調整することができる。

図３は、光学素子１０の変形例である光学素子１０Ａの模式図である。光学素子１０Ａでは、図１の金属等の電極１３に替えて、絶縁体１６を導電膜１７でコーティングした電極１３Ａを陽極として用いる。絶縁体１６は、二酸化ケイ素、アルミナセラミクス等の無機絶縁体や、絶縁樹脂を用いることができる。導電膜１７は、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、チタン、タンタル、インジウム、パラジウム、リチウム、ニオブ、これらの合金などの薄膜、導電性のポリマー、導電性カーボン、酸化物半導体の薄膜等で形成される。絶縁体１６と導電膜１７の双方を透明な材料で形成してもよい。

光散乱体１５は、図２で説明したのと同様に、電圧印加の有無による可逆的な変形過程で形成される。上述のように、光散乱体１５は、高分子材料層１１の弾性と電圧応答特性を利用して開口１４から押し出されて形成されるので、電圧印加により良好な凸形状を得ることができる。

図３の構成においても、光散乱体１５の凸形状は、図１（Ｂ）の光散乱体１５Ａの断面形状と、図１（Ｃ）の光散乱体１５Ｂの断面形状を含む。

図３の構成は、透明絶縁体と透明導電膜を用いることで、透明な光学素子の作製が可能になるという利点がある。また、金属材料の使用を減らして、光学素子１０Ａ全体の質量を軽くできる。

図１の構成と、図３の構成は、光学素子の両面に光散乱体１５を有する構成に拡張することが可能である。たとえば、陰極である電極１２を共通電極として用い、電極１２の両面に高分子材料層１１を配置して２つの陽極の電極１３で挟むことで、電圧印加により、光学素子の両面に光散乱体１５を発生させることができる。中間にある電極１２を透明電極にすることで、両側が凸のレンズユニットを形成することができる。

図４は、図１の光学素子１０の適用例として、マイクロレンズアレイ１００を示す模式図である。マイクロレンズアレイ１００は、電極１３の表面１３ｓに複数の光散乱体１５の配列を有する。

マイクロレンズアレイ１００は、一対の電極１２と電極１３の間に、高分子材料層１１が挟持された三層の積層構造を有する。高分子材料層１１は、図１を参照して説明したように、ＰＣ、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等のポリマーゲルである。

ポリマーゲルに、ＤＢＡ、ＤＥＡ、ＤＥＳ、ＤＯＰ、ＤＥＰ等の可塑剤を添加してもよい。可塑剤の混合比は、５０ｗｔ％以上、より好ましくは７５ｗｔ％以上である。

電極１２と電極１３は、適切な導電性の材料で形成されている。電極１２は陰極層、電極１３は陽極層であり、光散乱体１５の配列は、陽極の表面１３ｓに形成されている。一例として、高分子材料層１１の厚さは５００μｍ、光散乱体１５の径は１５０μｍ、中心心間のピッチは２００μｍ、隣接する２つの光散乱体１５の間隔は５０μｍである。

マイクロレンズアレイ１００は、フィルム状の電極１３に形成されたミクロンオーダーの開口とポリマーゲルの弾性を利用して形成されており、電極１３の表面１３ｓに、均一な凸形状の光散乱体１５が配列されている。

図２を参照して説明したように、電極１２と電極１３の間に印加される電圧のレベルに応じて、光散乱体１５の配列を出現させ、及び／または光散乱体１５の高さを変更することができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、図４のマイクロレンズアレイ１００に印加する電圧のレベルを変えながら観察した３Ｄ画像である。印加電圧を０Ｖ、６００Ｖ、７００Ｖ、８００Ｖと変化させて得られた各画像が図５Ａの（Ａ）、（Ｂ）、及び図５Ｂの（Ａ），（Ｂ）である。電極１３の表面１３ｓの位置を０μｍとして、光散乱体１５が突出する方向をプラス側、表面１３ｓよりも低い側をマイナス側とする。３Ｄ観測は、キーエンス社製のデジタルマイクロスコープＶＨＸ１０００を用いて行う。

図６は、図５Ａ及び図５Ｂの３Ｄ観察に用いたサンプルの電極３の諸元を説明する図である。電極１３は、複数の開口１４を有する。６ｍｍ×６ｍｍの開口領域に、径φが１５０μｍの開口１４を３０×３０のマトリクスに配置する。開口１４のピッチＰは２００μｍ、隣接する開口１４と開口１４の間隔は５０μｍである。

陰極となる電極１２にＩＴＯフィルムを用い、陽極となる電極１３に金属膜を用いる。電極１２の厚さｔ１は３０μｍ、電極１３の厚さｔ２は３０μｍ、高分子材料層１１の厚さｔ３は５００μｍである。

高分子材料層１１は、ＰＶＣにアジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）を混合比率が８０ｗｔ％となるように添加し、ＴＨＦの溶媒に完全に溶解させてゲル溶液とした後、ゲル溶液を電極１２の上に厚さ５００μｍでキャストしたものである。可塑剤であるＤＢＡはマイナスイオンを帯びやすく、電圧の印加により、ポリマーゲルを陽極の開口１４に引き付けることができる。高分子材料層１１の上に、電極１３を配置する。

図５Ａ及び図５Ｂに戻って、図５Ａの画像（Ａ）で電圧の印加がない場合は（Ｖ＝０Ｖ）、高分子材料層１１は開口１４の内部でフラットな状態にある。同図の画像（Ｂ）で、６００Ｖの電圧を印加すると、開口１４内に部分的な突起が観察される。図５Ｂの画像（Ａ）で、７００Ｖの電圧を印加すると、ポリマーゲルが開口１４の全体にわたって凸形状に変形して、電極１３の表面から突出する。同図の画像（Ｂ）で、８００Ｖの電圧を印加すると、さらに高さが増大して中心に対してほぼ対称の凸形状が得られる。

図７は、図５Ａ及び図５Ｂの３Ｄ画像から、対角上に並ぶ３つの連続する光散乱体１５の高さを電圧印加の関数としてプロットしたものである。縦軸が電極１３の表面１３ｓからの高さ、横軸が電極１３の面内位置であり、１グリッドを１５０μｍとしている。

電圧の印加がないとき（０Ｖ）、開口１４の内部でのポリマーゲルの高さ位置は、－３０μｍよりも数μｍ浅い位置にある。これは電極３の自重により高分子材料層１１の表面がわずかに開口１４に中に入るからである。開口１４内でのポリマーゲルのプロファイルは平坦になっている。

電圧の印加が５００Ｖのとき、ポリマーゲルの変形が始まり、開口１４の中心近傍でポリマーゲルの表面位置が、初期位置よりも低くなる。これは、プラスの開口１４のエッジがプラス極になり、ポリマーゲルが開口１４の側壁に張り付いて引き上げられたことにより、開口の中央近傍でポリマーゲルの表面位置が下がったためである。

電圧の印加が６００Ｖのとき、ポリマーゲルは部分的に、開口１４から電極１３の表面位置を超えて突出する。突出は、開口１４の中央部分から始まる。

電圧の印加が７００Ｖのとき、ポリマーゲルの突出が顕著になり、凸型に変形する。電圧の印加が８００Ｖで、高さが４０μｍの凸形状が得られる。図７のプロファイルから分かるように、各光散乱体の端面形状は均一な形状となる。図４の構成を採用することで、電圧の印加により均一なマイクロレンズアレイが得られる。

図８は、図５Ａ及び図５Ｂの電圧印加によるマイクロレンズアレイの動作原理を説明する図である。図８（Ａ）で、印加電圧が５００Ｖ未満のときは、高分子材料層１１は表面がフラットな状態で開口１４の内部にある。このときの高分子材料層１１の表面位置は、高さ方向（積層方向）で電極１３の表面１３ｓよりも低い。ここで、印加電圧が５００Ｖ未満というのは、用いる高分子材料層１１の弾性率、電極１３の開口１４の径φ等によって決まる電圧レベルであり、一例にすぎないことに留意されたい。

図８（Ｂ）のように、印加される電圧レベルを６００Ｖとすることで、電子を帯びたポリマーゲルが陽極の電極１３の開口１４の端面に引き付けられる。ポリマーゲルの変形の初期は、プラスの電荷をおびている開口１４の端面に優先的に引き付けられ、開口１４の中央部でポリマーゲルは、電極１３の表面１３ｓ位置よりも低い。図５Ａ、図５Ｂ、及び図７を参照すると、ポリマーゲルが開口１４の周囲に引き付けられた凹状態から凸状態に遷移するときの最初の突起は、開口１４の中央部から生じると考えられる。

図８（Ｃ）で、印加される電圧レベルが６００Ｖを超えると、ポリマーゲルの弾性により、ポリマーゲルは開口１４内に全体的に押し上げられる。開口１４で圧縮された分のポリマーゲルは開口１４からさらに押し上げられ、電極１３の表面１３ｓから突出し、光散乱体１５が形成される。

なお８００Ｖを印加してもポリマーゲルに流れる電流は１０μＡ以下と非常に低く、発熱量が抑制され、長期の使用に耐えられる。

図８のポリマーゲルの変化は、すべての開口１４で発生する。高分子材料層１１の組成が完全に均一、かつすべての開口１４が完全に同一な理想的な状態では、均一な形状の光散乱体１５のアレイが得られるはずである。実際は、開口１４の加工ばらつき、高分子材料層１１の内部での組成のばらつき等により、図７のように、光散乱体１５の形状に若干のばらつきが含まれるが、図５Ｂで観察されるように、全体として均一なマイクロレンズアレイ１００が実現される。

図９は、比較例として、電極１３に替えて、断面が円形の金属配線を用いたメッシュ電極を用いたときのポリマーゲルの変化を観察した３Ｄ画像である。直径７０μｍの銅線を１４０μ間隔のメッシュに編み込んで、１４０μｍ×１４０μｍの開口１１４を有するメッシュ電極を形成する。図５Ａ及び図５Ｂで用いたのと同じ厚さ３０μｍの陰極の上に、同一組成のポリマーゲルを用いた高分子材料層１１を厚さ１５０μｍに塗布する。高分子材料層１１の上にメッシュ電極を配置し、図５Ｂと同様に、陰極とメッシュ電極の間に８００Ｖの電圧を印加する。３Ｄ観察では、８００Ｖの電圧を印加してもメッシュ電極の開口１１４内に、突起が観察されない。

図１０は、図９の３Ｄ画像から、Ｘ－Ｘ'ラインに沿って並ぶ開口内の高分子材料層１１の高さをプロットしたものである。縦軸がメッシュ電極の表面からの高さである。メッシュ電極は、断面が円形の銅電線で形成されており、同電線の最も高い位置を０μｍとしている。

図１０からわかるように、８００Ｖの電圧をかけても、メッシュ電極の開口１１４から表面に突出する突起は形成されない。これは、実施形態のマイクロレンズアレイ１００に用いられる電極１３が高分子材料層１１と面接触しているのに対し、導電線を編み込んだメッシュ電極は、垂直断面で高分子材料層１１と点接触に近い状態にあるからと考えられる。

なお、図１０で電圧印加がない状態での高さ位置が－２００μｍになっているのは、メッシュ構造で導電線がクロスする点では、導電線が２本分の厚さになるからである。メッシュの編み込みは必ずしも均一でなく、導電線に隙間や歪みが含まれるとクロス位置での深さ位置は若干変動する。光学的な測定で光が入りづらい深さ方向での誤差（±２０μｍ程度）を考慮すると、図１０の測定結果は妥当な結果である。

図１１は、図９の比較例の構成で電圧が印加されたときの動作を説明する図である。図１１（Ａ）で印加電圧が０Ｖのときは、高分子材料層１１の表面はフラットである。高分子材料層１１の上に配置されるメッシュ電極の導電線は、接線方向で高分子材料層１１の表面と接触している。

図１１（Ｂ）で８００Ｖの電圧を印加した場合、負の電荷をおびたポリマーゲルは、陽極線（メッシュ電極）の周囲に張り付くように、流動する。しかし、開口１１４内でゲルが突起するほどの変形は生じない。陽極線と高分子材料層１１の接触は点接触であり、ポリマーゲルを開口１１４内で均一に押し上げる変形をもたらすだけの均一な電圧印加が得られていないためと考えられる。

印加電圧をさらに高くした場合（たとえば１０００Ｖ以上にした場合）は、開口１１４内にポリマーゲルが突出する可能性があり得るが、消費電力が大きくなるうえに、実施形態のような均一な形状の光散乱体１５の配列を有するマイクロレンズアレイは期待できない。

図１２は、光学素子１０のさらに別の変形例として、光学素子１０Ｂの構成を示す。図１～図３の構成では、電極１３は開口１４を有しており、電圧印加の下で光散乱体１５を開口１４から突出させている。図１２の構成では、電極１３は、所定の形状の非導電性領域１９を有する。非導電性領域１９は、電気的に中立で、かつ高分子材料層１１の変形に追従して変形可能な光透過性の材料で形成されている。

変形可能な非導電性かつ光透過性の材料は、高分子材料層１１と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。非導電性領域１９を高分子材料層１１と異なる材料で形成する場合は、屈折率の違いを利用して、光の拡散を制御することができる。

非導電性領域１９の平面形状は、光学素子の目的、用途に応じて適宜選択され、円、楕円、多角形等である。非導電性領域１９は、たとえば、電極１３にあらかじめ所定の形状の開口１４を形成し、開口内に、電気的に中立、かつ高分子材料層１１の変形に追従して変形可能な光透過性の材料の層を充填することで形成される。

図１２（Ｂ）に示すように、電極１２と電極１３の間に電圧が印加されると、高分子材料層１１が変形する。高分子材料層１１の変形に追従して非導電性領域１９が変形する。高分子材料層１１の変形部１８と、非導電性領域１９とで、光散乱体１５が形成される。

非導電性領域１９を構成する層の厚さは、必ずしも電極１３の厚さと一致している必要はなく、電極１３の厚さよりも薄くてもよい。また、非導電性領域１９と高分子材料層１１はかならずしも面接触していなくてもよく、間に空気層が介在していてもよい。後者の場合、電圧の印加により高分子材料層１１が変形して非導電性領域１９と接触すると、高分子材料層１１の変形に追従して非導電性領域１９が変形して、光散乱体１５を形成することができる。

図１３は、実施形態の光学素子１０の光拡散分布を評価するテスト装置の模式図である。光学素子１０は、陽極に１５０μｍ径の開口が形成された厚さ３０μｍの金属フィルムを用い、陰極に、厚さ１５０μｍのＩＴＯフィルムを用いている。陽極と陰極の間に挟まれる高分子材料層として、可塑剤ＤＢＡの含有率が８３％のＰＶＣゲルを用いる。ＰＶＣゲルの厚さは１５０μｍである。この三層構造の光学素子１０をポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のベースフィルム上に保持し、種々の直流電圧を印加して光散乱体１５を陽極の表面に形成する。

光学素子１０は、陰極となるＩＴＯ膜がレーザ源の側にあり、光散乱体１５がスクリーンの方向に向かって突出するように保持されている。電極に印加される電圧を、０Ｖ、６００Ｖ、７００Ｖ、８００Ｖと変化させる。各電圧レベルで、レーザ源から赤色平行光Ｌを光学素子１０に入射して、光散乱体１５による集光と拡散を評価する。上述のように、赤色レーザ光は光学素子１０の透明な陰極側から入射し、光散乱体１５によって集光される。

光学素子１０の光散乱体１５の径は１５０μｍ、高さは０～４０μｍである。陽極の表面に光散乱体１５が形成されて集光機能が発現した場合、その焦点位置は光学素子１０のきわめて近傍にあり、肉眼での観察が困難である。そこで、焦点を超えた位置にスクリーンを配置し、一度集光した後の光拡散を観察する。

図１４は、図１３のテスト装置での評価結果を示す画像である。画像（Ａ）は、印加電圧が０Ｖのときのスクリーン上の光拡散画像である。画像（Ｂ）は、印加電圧が６００Ｖのときのスクリーン上の光拡散画像である。画像（Ｃ）は、印加電圧が７００Ｖのときのスクリーン上の光拡散画像である。画像（Ｄ）は、印加電圧が８００Ｖのときのスクリーン上の光拡散画像である。

図１４の（Ａ）で、電圧が印加されていないときは、光学素子１０の陽極面に光散乱体１５は形成されておらず、陰極のＩＴＯフィルムから入射した光は、フラットなＰＶＣゲル層をそのまま透過して、スクリーンに投射される。光の拡散は小さく、スクリーンの中央に明るいスポットが観察される。

図１４の（Ｂ）で、印加電圧が６００Ｖのときは、ＰＶＣゲルの変形初期であり、変形が開始されても集光機能を発現する凸形状には至っていない。したがって、光学素子１０の陰極側から入射した光は、集光作用をほとんど受けずにスクリーンに投射され、印加電圧が０Ｖのときと類似した光スポットが観察される。

図１４の（Ｃ）で、印加電圧が７００Ｖのときは、陽極の表面に凸状の光散乱体１５が形成される。レーザ光は光散乱体１５で集光された後に拡散して、拡散光がスクリーンに投射される。７００Ｖの電圧印加では、光散乱体１５の曲率半径は比較的大きく、焦点距離が長いため、スクリーン位置での光の拡散はそれほど顕著ではない。

図１４の（Ｄ）で、印加電圧が８００Ｖのときは、陽極の表面により高さの高い凸状の光散乱体１５が形成される。光散乱体の曲率半径は小さく、焦点距離が短くなり、光学素子１０の近傍で焦点を結んだあとに拡散される。スクリーンの位置では、大きく拡散された光が観察される。

これらの光拡散分布から、印加電圧を調整することにより、光散乱体１５の焦点距離を可変にできることが確認される。実施形態の光学素子１０は、可変焦点レンズ、または可変形状レンズとして用いることができる。

図１５は、実施形態のマイクロレンズアレイ１００を用いた撮像装置１５０の模式図である。撮像装置１５０は、複数の光散乱体１５の配列を有するマイクロレンズアレイ１００と、複数の撮像素子が配列された撮像素子アレイ１３０を有する。撮像素子は、ＣＣＤ（charge coupled device）、ＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）センサなどで形成されている。撮像素子の配列に対応して、三色のカラーフィルタ１３１が配置されていてもよい。この例では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ１３１Ｒ、１３１Ｇ、１３１Ｂが交互に配置されている。

図１６は、実施形態のマイクロレンズアレイ１００を用いた照明装置２５０の模式図である。照明装置２５０は、たとえばＬＥＤランプ等の光源２３０と、光源２３０の出力側の前面に配置されたマイクロレンズアレイ１００を有する。マイクロレンズアレイ１００を配置することで、光拡散を制御して、輝度を高く保った状態で拡散光を平行光に変換することができる。また、微細な発光素子の出力面の近傍に実施形態の光学素子、または複数個の光散乱体１５を有するマイクロレンズアレイ１００を配置することで、顕微鏡用、産業用等の照明装置に適用することもできる。

マイクロレンズアレイ１００は、１ｍｍ以下の薄型に形成され、陽極、陰極ともに透明化することができるので、超薄型カメラ、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シート、等への適用のほか、内視鏡システム等の医療の分野にも適用可能である。単一の光散乱体１５を有する光学素子１０も、医療、画像形成の分野で光拡散シート、レンズシート等に適用することができる。

＜高分子材料の構成＞
上述のように、実施形態の光学素子とマイクロレンズアレイは、複雑な機構を用いずに電圧をオン／オフ制御、あるいは電圧レベルを調整することで、様々な配向分布をもつ光散乱体を発生させることができる。印加される電圧は低い方が望ましい。そこで、光学素子及びマイクロレンズアレイに用いられる高分子材料の組成を工夫して、印加電圧を低減する。

具体的には、高分子材料層１１で用いられるゲル状の高分子材料（ポリマーゲル）に、所定の条件を満たすイオン液体を添加することで、光学素子１０またはマイクロレンズアレイ１００の駆動電圧を低減する。イオン液体の添加により、高分子材料の変形効率を高めることができる。

イオン液体は、カチオン（正の電荷を帯びたイオン）とアニオン（負の電荷を帯びたイオン）で構成される塩であり、２５℃で液体のものをいう。所定の条件のひとつは、イオン液体が、２５℃で一定値以上のアニオン（負イオン）輸率をもつことである。この条件の詳細については、後述する。

高分子材料は、上述したように、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：polyvinyl chloride）、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等である。好ましい構成例では、使用波長に対して透明な高分子または樹脂材料が用いられる。

このような高分子材料に対するイオン液体の重量割合は、０．２ wt%以上、１．５ wt%以下であり、より好ましくは、０．３ wt%以上、１．０ wt%以下である。高分子材料の重量を１（または１００％）としたときに、この重量割合のイオン液体を混合することで、光学素子またはマイクロレンズアレイの駆動電圧を低減することができる。この根拠についても後述する。

ポリマーゲルに適切な可塑剤を添加してもよいし、溶媒に溶解させてもよい。可塑剤を用いる場合は、アジピン酸ジブチル（ＤＢＡ：dibutyl adipate）、アジピン酸ジエチル（ＤＥＡ：diethyl adipate）、セバシン酸ジエチル（ＤＥＳ：diethyl sebacate）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ：dioctyl phthalate）、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ：diethyl phthalate）等を用いることができる。溶媒としては、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等のエーテル系の溶媒を用いることができる。

イオン液体が添加された高分子材料は、図１及び図２の光学素子１０、図３の光学素子１０Ａ、図１２の光学素子１０Ｂ、及び図４のマイクロレンズアレイ１００のいずれにも適用可能である。以下で詳細に述べるように、高分子材料に所定の条件のイオン液体を添加することで、高分子材料層１１の駆動電圧を２００Ｖ以下、より好ましくは、１５０Ｖ以下に低減することができる。

図１７は、種々のイオン液体を添加したときのポリマーゲルの電圧応答特性を示す。重量平均分子量が２３００００のＰＶＣをテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の溶媒に溶解させたポリマーゲルを準備し、種々のイオン液体を添加して複数種類のサンプルを作製する。各サンプルを図１及び図２のように電極１２と電極１３の間に挟み込み、印加電圧を変えてピーク高さｈの電圧依存性を測定する。比較例として、イオン液体が添加されていないポリマーゲルを用いて、同じくピーク高さの電圧依存性を測定する。ここで、ピーク高さというときは、電極１３の表面１３ｓからの高さｈが最も高い部分の値をいう。

下部電極となる電極１２の上に、サンプルと比較例のポリマーゲルを厚さ３００μｍに塗布する。ポリマーゲルの上に、上部の電極１３として、直径１００μｍのホールが形成された厚さ２０μｍの金属薄膜を配置する。電極１２と電極１３の間に印加する電圧を０Ｖから４００Ｖの間で変化させて、電極１３から突出する光散乱体１５のピーク高さｈを測定する。

ラインＡは、イオン液体として１－エチル－３－メチルイミダゾリウム＝テトラフルオロボラート（ＥＭＩ-ＢＦ₄）を添加したサンプルＡのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＥＭＩ－ＢＦ₄の重量割合は０．５ wt%であ。ＥＭＩはカチオン、ＢＦ₄はアニオンである。

ラインＢは、イオン液体として１－オクチル－３－メチルイミダゾリウム＝テトラフルオロボラート（ＯＭＩ-ＢＦ₄）を添加したサンプルＢのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＯＭＩ－ＢＦ₄の重量割合は０．５ wt%である。ＯＭＩはカチオン、ＢＦ₄はアニオンである。

ラインＣは、イオン液体として１－エチル－３－メチルイミダゾリウム＝ジシアナミド（ＥＭＩ-ＤＣＡ）を添加したサンプルＣのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＥＭＩ－ＤＣＡの重量割合は、０．５ wt%である。ＥＭＩはカチオン、ＤＣＡ（Ｃ₂Ｎ₃）はアニオンである。

ラインＤは、イオン液体としてテトラブチルホスホニウム=テトラフルオロボラート（ＴＢＰ－ＢＦ₄）を添加したサンプルＤのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＴＢＰ－ＢＦ₄の重量割合は、０．１ wt%である。ＴＢＰはカチオン、ＢＦ₄はアニオンである。

ラインＥは、イオン液体としてテトラブチルホスホニウム=テトラフルオロボラート（ＴＢＰ－ＢＦ₄）を添加したサンプルＥのピーク高さの電圧依存性を示す。イオン液体の種類はサンプルＤと同じであるが、ＰＶＣに対するＴＢＰ－ＢＦ₄の重量割合は０．５ wt%である。ＴＢＰはカチオン、ＢＦ₄はアニオンである。

ラインＦは、イオン液体として１－エチル－３－メチルイミダゾリウム＝トリフルオロメタンスルフォンイミド（ＥＭＩ－ＴＦＳＩ）を添加したサンプルＦのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＥＭＩ－ＴＦＳＩの重量割合は０．５ wt%である。ＥＭＩはカチオン、ＴＦＳＩはアニオンである。

ラインＧは、イオン液体としてテトラブチルホスホニウム＝メタンスルホン酸（ＴＢＰ－ＭＥＳ）を添加したサンプルＧのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＴＢＰ－ＭＥＳの重量割合は、０．５ wt%である。ＴＢＰはカチオン、ＭＥＳはアニオンである。

ラインＷは、比較例としてイオン液体が添加されていないサンプルＷのＰＶＣポリマーゲルのピーク高さの電圧依存性を示す。

図１７の測定結果から、イオン液体を添加しない場合でも、誘電分極が生じるポリマーゲルを用いることで、電圧印加によりポリマーゲルが変形する。イオン液体を添加していない比較例のポリマーゲルＷでは、印加電圧に対してほぼリニアに光散乱体１５の高さが増大している。しかし、サンプルＷを電極１３の表面１３ｓから２０μｍの高さに突出させるには、４００Ｖの電圧が必要である。

これに対し、イオン液体としてＥＭＩ－ＢＦ₄を０．５ wt%添加したサンプルＡと、ＯＭＩ－ＢＦ₄を０．５ wt%添加したサンプルＢは、１００Ｖ以下の電圧印加で、高分子材料層１１を２０μｍ以上の高さに駆動することができる。特に、サンプルＡは、５０Ｖの電圧印加で２０μｍの高さ、２００Ｖの電圧印加で、４０μｍ弱の高さに変位する。サンプルＢも、１００Ｖの電圧印加で２５μｍの高さ、２００Ｖの電圧印加で３０μｍの高さに変位する。

ＥＭＩ－ＤＣＡを０．５ wt%添加したサンプルＣは、イオン液体を添加しないサンプルＷと比較して、約半分の印加電圧（２１０～２２０Ｖ）で同じ２０μｍのピーク高さを得ることができ、変形効率を大きく向上している。

ＴＢＰ－ＢＦ₄を０．１ wt%添加したサンプルＤは、５０Ｖの電圧印加で電極１３の表面１３ｓから光散乱体１５を突出させることができるが、電圧を高くしても、ピーク高さは１０μｍ未満のままであり、５０Ｖから４００Ｖの範囲でピーク高さの変化が小さい。サンプルＤでは、電圧制御により光散乱体１５の高さを精度良く調整することが難しい。

ＴＢＰ－ＢＦ₄を０．５ wt%添加したサンプルＥ、ＥＭＩ－ＴＦＳＩを０．５ wt%添加したサンプルＦ、及びＴＢＰ－ＭＥＳを０．５ wt%添加したサンプルＧは、４００Ｖの電圧を印加しても、電極１３の表面１３ｓから光散乱体１５を突出させることができない。

図１７の測定結果から、イオン液体の種類（すなわち物性）と添加量の少なくとも一方が高分子材料層１１の駆動電圧の低減に関与していると考えられる。

＜ポリマーゲルの変位とイオン液体の物性の関係＞
図１８は、ポリマーゲルの変位とイオン液体の物性の関係を示す図である。イオン液体として、図１７のサンプルＡ～Ｇに加えて、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム＝フルオロスルホニルイミド（ＥＭＩ－ＦＳＩ）を添加したサンプルＨの物性も併せて測定する。

各種のイオン液体を添加したサンプルＡ～Ｈで、変位がプラスのものは、電圧の印加によりポリマーゲルが電極１３の表面１３ｓから突出して光散乱体１５が形成されたものを示す。変位がマイナスのものは、電圧を印加しても電極１３の表面１３ｓからポリマーゲルが突出しないものである。

各イオン液体の物性として、導電率、電位窓のサイズ、２５℃での負イオンの拡散係数と輸率を測定する。用いたイオン液体の中には、２５℃で固体のものもあるため、８０℃に加熱して溶融したものについては、８０℃での負イオンの拡散係数と輸率を測定する。

上述のパラメータのうち、まず導電率について検討する。サンプルＣは、サンプルＡ，Ｂと比較して導電率が２桁小さいが、サンプルＣを添加したポリマーゲルはプラスに変位している。これに対し、サンプルＨは、サンプルＣよりもはるかに導電率が大きいが、ポリマーゲルはプラスに変位していない。イオン液体の導電率は、ポリマーゲルの変形効率に直接関係しないと考えられる。

電位窓は、図２の系で電気化学的に安定性が保たれる電位領域のことである。電位窓が広いほど（数値が大きいほど）、系が電気化学的に安定する範囲が広い。サンプルＡとサンプルＦの電位窓は同じ広さであるにもかかわらず、サンプルＡのポリマーゲルはプラスに変位し、サンプルＦのポリマーゲルは、プラスの変位が得られていない。イオン液体の電位窓の広さも、ポリマーゲルの変形効率に直接関係しないと考えられる。

次に、２５℃でのアニオン（負イオン）の拡散係数と輸率について検討する。イオン液体に含まれる正負イオンの拡散係数は、測定機器として、固体ＮＭＲ（Varian社製のVNMR System）を用いて測定する。測定手順は、キャピラリーにイオン液体を注入し、装置にセットする。所定温度（この場合は２５℃と８０℃）で磁場の変化に対するシグナル強度を計測し、Stokes-Einsteinの式から正負イオンの拡散係数を算出する。

負イオンの輸率は、イオン液体に電流を流した際に、全電流に対するアニオンが担う電流の割合を表わす。負イオンの輸率は、上記で求めた負イオンの拡散係数と正イオンの拡散係数の総和に対する負イオンの拡散係数の比（Ｄ_anion／（Ｄ_cation＋Ｄ_anion））として計算される。

サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｆ、Ｈに用いられたイオン液体は、２５℃で液体であり、液体クロマトグラフィーによる測定結果から、各イオン液体の負イオンの拡散係数と輸率を算出した。プラスの変位が得られたサンプルＡ、Ｂ，Ｃで、２５℃でのイオン液体の負イオンの輸率は、いずれも０．４以上である。これに対し、プラスの変位が得られないサンプルＦとＨで用いられたイオン液体の２５℃での負イオンの輸率は０．４よりも小さい。ここから、室温での負イオンの輸率がポリマーゲルの変形効率に影響していると考えられる。

なお、プラスの変位が得られたサンプルＤに添加されたイオン液体ＴＢＰ－ＢＦ₄は、用いた液体クロマトグラフの加熱可能温度（８０℃）では溶融しないため、拡散係数を測定することができなかった。

プラスの変位が得られないサンプルＧに添加されたイオン液体ＴＢＰ－ＭＥＳも２５℃で固体であるため、拡散係数を測定することができない。このイオン液体を８０℃に加熱したところ、溶融したので負イオンの拡散係数と輸率を計算したところ、輸率は０．６であった。

図１８の結果から、高分子材料層１１に添加されるイオン液体の特性として、２５℃での負イオンの輸率が０．４以上のものが望ましいとわかる。

図１７及び図１８から、イオン液体のアニオンのサイズ（分子量）が小さいほうが、ポリマーゲルの変形効率に寄与することが推定される。一方、イオン液体のカチオンのサイズは、変形効率にはそれほど寄与していないと考えられる。しかし、サンプルＤの変形効率が十分でないことから、カチオンの種類によって、陰極の劣化に影響している可能性がある。これについては、図２１を参照して後述する。

なお、サンプルＧで用いられたイオン液体のアニオンサイズもカチオンサイズも中程度であるが、イオン液体が２５℃で固体であるため、攪拌によってポリマーゲル中に分散されても、ゲルの変形効率にはそれほど寄与していないものと考えられる。

以上から、ＢＦ₄ ^―及びＤＣＡ以外にも、アニオンとしてイオンサイズが比較的小さいＣｌ^－やＢｒ^―を用いることができる。また、カチオンとして、陰極の劣化に影響しないものを選択することで、種々のイオン液体を用いることができる。たとえば、Ｌｉ－ＢＦ₄ ^―をイオン液体として用い得る。

＜イオン液体の添加量とポリマーゲルの変位の関係＞
図１９は、イオン液体の添加量とポリマーゲルの変位の関係を示す図である。横軸は、ポリマーゲルの高分子材料に対するイオン液体の含有量（wt%）、縦軸が変位のピーク高さである。

高分子材料として、分子量が２３００００のＰＶＣを用い、イオン液体としてサンプルＡのＥＭＩ－ＢＦ₄を用いる。ＥＭＩ－ＢＦ₄の添加量を０ wt%から５．０ wt%の範囲で変化させる。また、印加電圧を０Ｖ、５０Ｖ、１００Ｖ、２００Ｖ、４００Ｖと変える。

印加する電圧のレベルに拠らず、イオン液体の添加量が、０．２ wt%～１．５ wt%の範囲でプラスの変位が得られる。また、０．３ wt%～１．０ wt%の範囲で、変位が最大になる。この範囲のイオン液体の添加により、１００Ｖ以下の電圧印加で、電極１３の表面に光散乱体１５を形成することができる。イオン液体の添加量が５．０ wt%のときは、電圧をオフにしても変形が戻らないメモリー現象が発生する。

図１９から、高分子に対するイオン液体の重量比率は、０．２ wt%～１．５ wt%が望ましく、より好ましくは、０．３ wt%～１．０ wt%であることがわかる。これは、図１７の結果とも一致する。

図２０は、高分子材料層１１への電圧印加により形成される光散乱体１５の光拡散分布の評価結果を、イオン液体の添加量ごとに示す図である。イオン液体としてＥＭＩ－ＢＦ₄を用い、ＥＭＩ－ＢＦ₄の添加量を変えた高分子材料層１１で、図２の光学素子１０を作製する。高分子材料層１１は、ポリマーゲルとしてＰＶＣを含み、可塑剤としてアジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）を含む。ＰＶＣとＤＢＡの総量に対するＤＢＡの含有割合は８３ wt%である。

陰極となる電極１２を、厚さ１５０μｍのＩＴＯで形成し、電極１２と電極１３の間に挟んだ高分子材料層１１に電圧を印加して光散乱体１５を形成する。図１３と同様に、ＩＴＯで形成される電極１２の側にレーザを配置し、光散乱体１５が形成される側にスクリーンを配置する。電極１２の裏面側から、赤色平行光のレーザ光を光学素子１０に入射して、スクリーンでの光拡散状態を観察する。

スクリーンは、光散乱体１５の光出射側で、光散乱体１５の焦点よりも遠い位置に配置されている。光散乱体１５の焦点で一度集光された後の光拡散を、スクリーン上で観察する。光学素子１０の光散乱体１５の径は１００μｍ、高さは０～４０μｍ程度と小さく、その焦点位置は光学素子１０のきわめて近傍にあり、肉眼での観察が困難だからである。光散乱体１５の焦点を超えた位置での光拡散を観察することで、集光状態を評価することができる。

イオン液体が添加されていないサンプル（「w/o IL」と表記）では、２００Ｖの電圧を印加しても電極１３の表面から突出する光散乱体１５が形成されない。光学素子１０の裏面から入射された赤色平行光は、集光されずに平行光のまま光学素子１０を透過し、印加電圧のレベルにかかわらず、スクリーン上に同じサイズのスポットが形成されている。

ＥＭＩ－ＢＦ₄が０．０５ wt%添加されたサンプルでは、１００Ｖの電圧印加により、電極１３の表面でポリマーゲルがわずかに膨らむが、集光機能が不十分であり、スクリーン位置でほぼ平行光のスポットが維持されている。２００Ｖの電圧印加で、ピーク高さが１０μｍ程度の（曲率の緩やかな）光散乱体１５が形成される。いったん光散乱体１５の焦点位置で集光された光は、拡散して広がり、スクリーン上にスポットは現れない。

ＥＭＩ－ＢＦ₄が０．５ wt%添加されたサンプルでは、５０Ｖの電圧印加により、電極１３の表面に光散乱体１５が形成され、集光後に拡散し始めた光がスクリーン位置で観察される。１００Ｖの電圧と２００Ｖの電圧印加では、５０Ｖ印加時よりもピーク高さが大きい、すなわち曲率が急な光散乱体１５が電極１３の表面に形成される。光学素子の裏側から入射した光は、集光された後に大きく拡散し、スクリーン位置でスポットは観察されない。これらの評価結果は、図１９の測定結果と一致する。

図２０の光拡散分布から、印加電圧を調整することにより、光散乱体１５の焦点距離を可変にできることが確認される。実施形態の光学素子１０は、可変焦点レンズ、または可変形状レンズとして用いることができる。

＜イオン液体（カチオン）の陰極劣化への影響＞
図２１は、イオン液体の陰極劣化への影響を示す図である。試験用のサンプルとして、金属基板上に、種々のイオン液体を添加したＰＶＣゲルを塗布し、ＰＶＣゲルの上に対向電極としてＩＴＯ電極を配置する。

塗布するＰＶＣゲルの種類は、サンプルＡ（０．５ wt%のＥＭＩ－ＢＦ₄を含む）、サンプルＢ（０．５ wt%のＯＭＩ－ＢＦ₄を含む）、サンプルＣ（０．５ wt%のＥＭＩ－ＤＣＡを含む）、サンプルＤ（０．１ wt%のＴＢＰ－ＢＦ₄を含む）、サンプルＨ（０．５ wt%のＥＭＩ－ＦＳＩを含む）、及びサンプルＧ（０．５ wt%のＴＢＰ－ＭＥＳを含む）の６種類である。このうち、図１８でプラスの変位が得られたのは、サンプルＡ～Ｄである。サンプルＤは、イオン液体の重量割合を他のサンプルと同じ０．５wt%にした場合、変位が得られないので、添加量を０．１ wt%に減らしたサンプルである。

金属基板を正極、ＩＴＯを負極として、ＰＶＣゲルに印加する電圧レベルを変えながらＩＴＯ側から電極の表面状態を観察する。

変位効果がなかったサンプルＧは、５０Ｖという低い印加電圧でＩＴＯ（陰極）の劣化が観察される。また、サンプルＤでも電圧印加によるＩＴＯ電極の劣化が観察される。これは、カチオンがＩＴＯ電極の劣化に影響しているためと考えられる。これに対し、変位効果の高いサンプルＡ～Ｃでは、印加電圧を上げてもＩＴＯ電極の劣化は観察されていない。

図１７～図２１の考察から、２５℃で負イオンの輸率が０．４以上のイオン液体を添加することで、イオン液体を添加しないポリマーゲルと比較して、低い印加電圧で大きな変形を得ることができる。特に、サンプルＡとサンプルＢのように、アニオンサイズが小さいイオン液体を用いると、１００Ｖ以下の電圧範囲で、ピーク高さを大きく変えることができ、光散乱体１５の制御が容易である。すなわち、印加電圧のレベルに応じて、光散乱体１５を出現させ、その高さを調整することができる。これらのサンプルでは、光学素子１０の駆動時に、陰極に対する悪影響も少ない。

イオン液体を添加した高分子材料は、上述のように、図４のマイクロレンズアレイ１００に適用可能である。この場合、電極１２と電極１３の間に２００Ｖ以下の電圧を印加することで、陽極となる電極１３の表面１３ｓに光散乱体１５の配列を形成することができる。添加するイオン液体の種類によっては、１００Ｖ以下の電圧印加で２０μｍ以上の高さの光散乱体１５の配列を形成することができる。

イオン液体が添加された高分子材料層１１を用いて、直径１００μｍ、中心間ピッチが１５０μｍの光散乱体１５の配列を形成することができる。このとき、隣接する２つの光散乱体１５の間隔を５０μｍに設定してもよい。マイクロレンズアレイ１００は、フィルム状の電極１３に形成されたミクロンオーダーの開口とポリマーゲルの電圧変位特性を利用して形成されており、電極１３の表面１３ｓに、均一な凸形状の光散乱体１５が配列されている。電極１２と電極１３の間に印加される２００Ｖ以下の電圧のレベルに応じて、光散乱体１５の配列を出現させ、及び／または光散乱体１５の高さを調整することができる。

イオン液体が添加された高分子材料層１１を用いる場合も、マイクロレンズアレイの電極１３を単層の導電層で構成する替わりに、図３のように所定の開口が形成された樹脂等の絶縁シートの両面と開口内を導電膜でコーティングしたものを用いてもよい。あるいは図１２のように、開口に替えて、高分子材料層１１の変位に追従して変形することのできる光透過性の非導電領域を電極１３に設けてもよい。

以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。マイクロレンズアレイ１００において、光散乱体１５の配列はマトリクス状の配列に限定されず、互い違いの配列にしてもよい。あるいは、電極１３の開口１４の形状を六角形にして細密配置にしてもよい。

実施形態の光学素子１０、１０Ａ、１０Ｂと、図７のマイクロレンズアレイ１００は、両面に光散乱体１５を有する構成に拡張することが可能である。陰極である電極１２を共通電極として用い、電極１２の両面に高分子材料層１１を配置し、陽極となる２つの電極１３で挟むことで、電圧印加により、光学素子またはマイクロレンズアレイシートの両面に光散乱体１５を発生させることができる。中間に配置される電極１２を透明電極にすることで、両側が凸のレンズユニットを形成することができる。

実施形態の光学素子とマイクロレンズアレイは、複雑な機構を用いずに、様々な配向分布をもつ光散乱体を発生させることができる。特に、イオン液体が添加された高分子材料層を用いることで、低減された駆動電圧で効率良く光散乱体を発生させることができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 光学素子
１１ 高分子材料層
１２ 電極（第１の電極層）
１３、１３Ａ 電極（第２の電極層）
１４ 開口
１５、１５Ａ、１５Ｂ 光散乱体
１６ 絶縁体
１７ 導電膜
１８ 変形部
１９ 非導電性領域
１００ マイクロレンズアレイ
１３０ 撮像素子アレイ
１３１Ｒ、１３１Ｇ、１３１Ｂ カラーフィルタ
１５０ 撮像装置
２５０ 照明装置

Claims (16)

1. 第１の電極層と、
   第２の電極層と、
   前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される高分子材料層と、
   を有する光学素子であって、
   電圧印加の下で前記高分子材料層が変形して前記光学素子の表面に光散乱体が形成され、前記高分子材料層は、ゲル状の高分子材料に２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体が添加されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記高分子材料に対する前記イオン液体の重量比率は０．２wt%以上、１．５ wt%以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第２の電極層は開口を有し、
   前記電圧印加の下で、前記光散乱体は前記開口から前記第２の電極層の表面に突出してい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。
4. 前記第２の電極層は、所定の形状の非導電領域を有し、
   前記非導電領域は、電気的に中性で、かつ前記高分子材料層の変形に追従して変形する光透過性の材料で形成されており、
   前記電圧印加の下で、前記高分子材料層と前記非導電領域が前記第２の電極層の表面に突出して前記光散乱体を形成してい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。
5. 前記第２の電極層は、前記高分子材料層と面接触している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。
6. 前記光散乱体は、凸形状であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記第２の電極層は陽極層であり、前記第１の電極層は陰極層であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記第２の電極層は、金属材料で形成されてい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。
9. 前記第２の電極層は、絶縁体を導電膜で覆った構成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。
10. 前記第１の電極層と前記第２の電極層の少なくとも一方は、透明電極層であることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の光学素子。
11. 第１の電極層と、
    第２の電極層と、
    前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置される高分子材料層と、
    を有し、電圧印加の下で前記第２の電極層の表面に複数の光散乱体の配列を有し、
    前記高分子材料層は、ゲル状の高分子材料に２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体が添加されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
12. 請求項１１に記載のマイクロレンズアレイと、
    前記マイクロレンズアレイに対向して配置される撮像素子アレイと、
    を有することを特徴とする撮像装置。
13. 請求項１１に記載のマイクロレンズアレイと、
    光源と、
    を有することを特徴とする照明装置。
14. 第１の電極層の上に高分子材料層を形成し、
    前記高分子材料層の上に、第２の電極層を配置し、
    前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に電圧を印加して前記高分子材料層を変形させて、前記第２の電極層の表面に前記高分子材料層の一部を突出させて光散乱体を形成する、
    工程を含み、前記高分子材料層は、ゲル状の高分子材料に２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体が添加されている、
    光学素子の作製方法。
15. 前記第２の電極層にあらかじめ所定の開口を形成し、
    前記電圧の印加により、前記開口から前記高分子材料層の一部を突出させることを特徴とする請求項１４に記載の光学素子の作製方法。
16. 前記第２の電極層に、電気的に中性で、かつ、前記高分子材料層の変形に追従して変形可能な光透過性の材料で所定の形状の非導電領域を形成し、
    前記電圧の印加により、前記高分子材料層と前記非導電領域を変形させて前記第２の電極層の表面に前記光散乱体を形成することを特徴とする請求項１４に記載の光学素子の作製方法。

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