JP4487460B2

JP4487460B2 - 薄膜光学装置

Info

Publication number: JP4487460B2
Application number: JP2001268500A
Authority: JP
Inventors: 浩司北川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: JP2003075735A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光量調整機能を有する薄膜光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カメラ等の撮像機器では、レンズに入ってくる光量を絞り羽根等を開け閉めすることによって適正な露出となるように調整している。すなわち、光が強い時には、絞りを強くしてレンズへの入射光量をおさえ、逆に光が弱い場合には絞りを弱めてレンズへの入射光量を増やす。ここで、絞り調整機構は絞り羽根等の機械部品であるため、その機械的摺動部分の摩耗等がカメラ等の撮像機器の寿命を大きく左右するという現状がある。
【０００３】
機械的な摩耗のない光量調整機構として期待される光学デバイスとして、例えば特開平９−９０４３６号公報には、酸化還元反応物質の酸化還元反応を利用した光学フィルタがある。この光学フィルタは、内面に電極が設けられたセルの内部を、可逆的に酸化還元反応する反応物質を含む反応溶液で充たし、セル内の反応物質の酸化還元反応によって光の透過率の制御を行うものである。
【０００４】
このような光学フィルタのセルは、例えば、透明な導電性物質である酸化インジウムスズからなる電極（以下、ＩＴＯ電極）および銀板電極が形成された円盤状の第１の透明基板と、この第１の透明基板とほぼ同じ形状の第２の透明基板と、第１の透明基板と第２の透明基板との間に配される環状のスぺーサーとからなる。第１の透明基板と第２の透明基板とはスぺーサーを介して対向するように配置され、第１の透明基板、第２の透明基板およびスぺーサーに囲まれた部分に反応溶液が充たされている。このセル内部に充たされる反応溶液としては、例えば、可逆的に酸化還元反応する反応物質であるＡｇＣｌを含むんだ溶液が用いられる。
【０００５】
このような光学フィルタで光透過率を制御する際は、ＩＴＯ電極と銀板電極とに電位差を生じさせることにより、反応溶液中で酸化還元反応を起してＡｇをＩＴＯ電極上に析出させたり溶解させる。すなわち光透過率を低下させるときには酸化還元反応によってＩＴＯ電極上にＡｇを析出させ、光透過率を上げるときには酸化還元反応によってＩＴＯ電極上のＡｇを溶解する。
【０００６】
しかしながら、かかる酸化還元反応物質を用いた光学フィルタでは、経年使用等に伴う反応物質の劣化によって酸化還元反応が鈍くなってくると、ＩＴＯ電極上に付着したＡｇが酸化還元反応による溶解で除去しきらずに残留するおそれがあり、良好な光量調整機能を維持できなくなるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、透明基板上に第１の電極層、光学多層膜、第２の電極層を順に積層し、第１の電極層と光学多層膜との間にはエアギャップを設け、電極間に印加する電圧を制御することによって電極間に生じた静電引力でエアギャップを変形させ、これによって光の多重干渉条件を変化させることで光量調整を行う薄膜光学装置の開発が本発明者等によって進められている。
【０００８】
このような構造の薄膜光学装置においては、電極間に生じた静電引力によって、エアギャップの部分にて第１の電極層と光学多層膜とが密着状態になる。この際、チャージアップ電荷が電極に残っていたり残留ひずみ等によって、光学多層膜が第１の電極層に張り付いたまま元に戻らなくなり、光の透過率制御を正常に行えなくなる懸念があった。
【０００９】
この発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、ギャップの部分における薄膜の張り付きを防止して、永続的に安定した光量調整を行うことの可能な薄膜光学装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明の薄膜光学装置は、透明基板と、この透明基板の上に積層された第１の電極層と、この第１の電極層との間にギャップを介して積層された絶縁層と、この絶縁層の上に積層された第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の静電引力により前記ギャップを変形させて光の多重干渉条件を変化させるための制御電圧を生成する制御電圧生成手段と、この制御電圧生成手段によって生成された制御電圧に交流バイアスを重畳して前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に印加する交流バイアス重畳手段とを具備してなるものである。
【００１１】
すなわち、この発明は、制御電圧に交流バイアスを重畳したものを電極間に印加することによって、ギャップ上方の薄膜部分を小さい振幅で定常的に振動させるものである。これによって第１の電極層と絶縁層とが長時間密着しつづけることによって生じる張り付きを防止できる。また、静電引力による一定方向の力によって経年的に蓄積される残留歪を低減することができる。したがって、永続的に安定した光量調整を行うことが可能な薄膜光学装置を提供できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、この発明の実施の形態にかかる薄膜光学装置の全体の外観を示す平面図である。
【００１４】
同図に示すように、この薄膜光学装置１０１は主に、フレキシブル印刷基板の基体１０と、この基体１０の面に均一に配設された薄膜光スイッチ素子１１の群とで構成されている。
【００１５】
図２に薄膜光スイッチ素子１１の構成を示す。同図に示すように、図１のフレキシブル印刷基板の基体１０を構成する透明基板としての透明フィルム１の上には第１の電極層３、光学多層膜５、第２の電極層７が順に積層されている。ここで、第１の電極層３および第２の電極層７には、例えば、透明な導電性物質である酸化インジウムスズからなる電極（ＩＴＯ電極）で構成されている。光学多層膜５はたとえばＳｉＯ2 等からなる絶縁層とＳｉＮ層とで構成される。第１の電極層３と光学多層膜５との間には複数のエアギャップ９が形成されている。そして第１の電極層３、光学多層膜５、第２の電極層７および一つのエアギャップ９で一つの薄膜光スイッチ素子１１が構成されている。
【００１６】
また、図１に示すように、フレキシブル印刷基板１０の外縁部には、上記第１の電極層３および第２の電極層７と導通接続された導体配線１３が設けられている。透明フィルム１の一端部にはコントローラ１５との接続部１４が設けられている。コントローラ１５は上記第１の電極層３と第２の電極層７との間に印加する電圧の可変制御を行う。
【００１７】
図３を参照して、薄膜光スイッチ素子１１の作用を説明する。
【００１８】
薄膜光スイッチ素子１１は光の透過のオン／オフを切り替える光スイッチとして機能する。すなわち、図３（ａ）は第１の電極層３と第２の電極層７との間に電圧が印加されていないときの状態を示し、図３（ｂ）は電圧が印加されているときの状態を示している。
【００１９】
図３（ａ）に示すように、第１の電極層３と第２の電極層７との間に電圧が印加されていないときは、第１の電極層３と光学多層膜５との間に一定のエアギャップ９が存在し、この部分に入射した光は多重干渉により遮光される。これに対して図３（ｂ）に示すように、第１の電極層３と第２の電極層７との間に電圧が印加されると静電引力が発生し、この静電引力によってエアギャップ９の上方の光学多層膜５より上層部分が基板側に撓む。これにより薄膜光スイッチ素子１１における多重干渉条件が変化し、光が透過し得るようになる。この原理によって、第１の電極層３と第２の電極層７との間に印加する電圧を制御することで光量調整を行うことが可能になる。この薄膜光学装置１０１には機械的な磨耗点がなく、永続的に安定して光量調整を行うことが可能である。
【００２０】
また、画面の所望の位置でフェードイン、フェードアウトのような映像効果のための光量調整を行うことが可能なように、この薄膜光学装置１０１の薄膜光スイッチ素子１１の群をいくつかの領域にグループ分けしておき、これらの領域毎に印加する電圧を制御するように構成してもよい。
【００２１】
図４に、薄膜光スイッチ素子群の領域分割例を示す。同図の例は、薄膜光スイッチ素子１１の群を中心からの距離によって複数の領域Ａ（１）−Ａ（ｎ）にグループ分けし、各グループ毎に印加する電圧を制御することによって光量調整を行うようにした例である。また、図５に示すように、薄膜光スイッチ素子１１群を縦横に複数の領域Ａ（１）−Ａ（４）にグループ分けし、各グループ毎に光量調整を行うように構成してもよい。
【００２２】
次に、この薄膜光学装置１０１の電極間に印加される電圧について説明する。図６において、（ａ）は光量調整のための制御電圧、（ｂ）はこの光量調整制御電圧に重畳されるバイアス電圧、そして（ｃ）は光量制御電圧とバイアス電圧との重畳電圧である。この重畳電圧が薄膜光学装置１０１の電極間に印加される。
【００２３】
バイアス電圧には、同図に示されるようなｓｉｎθ波の他、三角波など、交流であればいかなる波形を用いることが可能である。このバイアス電圧の電圧と周波数は、エアギャップ９の部分での薄膜の張り付き防止に関与する重要なパラメータである。特に電圧については、光の多重干渉条件の変化による光透過率の制御に実用上影響しない程度に低い電圧とすべきであり、かつ張り付き防止の目的が達成される程度の高さの電圧とすべきである。例えば、交流バイアスによる薄膜の変位がこの薄膜の最大変位量の１／１０以上ないし１以下となるような電圧が適当である。
【００２４】
なお、図７に示すように、このようなバイアス重畳電圧ｃは、例えば、光量調整制御電圧ａとバイアス電圧ｂとを、オペアンプＯＰを用いた非反転増幅器にて増幅加算することにより得ることができる。
【００２５】
この制御電圧に交流バイアスを重畳した電圧を電極間に印加することによって、エアギャップ９上方の薄膜部分が光の多重干渉条件の変化による光透過率の制御に実用上影響しない程度に小さい振幅で定常的に振動する。これによってエアギャップ９の部分で第１の電極層３と光学多層膜５とが密着しつづけることによって生じる張り付きを防止することが可能となる。
【００２６】
また、電極間での静電引力による一定方向の力によってエアギャップ９上方の薄膜部分には経年的に残留歪が蓄積される傾向にあるが、エアギャップ９上方の薄膜部分を交流バイアスによって振動させることで残留歪を低減する効果を期待できる。
【００２７】
尚、本発明の薄膜光学装置は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、制御電圧に交流バイアスを重畳したものを電極間に印加してギャップ上方の薄膜部分を小さい振幅で定常的に振動させるようにしたことで、ギャップの部分での薄膜の張り付きを防止することができ、また、静電引力による一定方向の力によって経年的に蓄積される残留歪を低減することができる。したがって、永続的に安定した光量調整を行うことが可能な薄膜光学装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態にかかる薄膜光学装置の全体の外観を示す平面図である。
【図２】この実施形態の薄膜光スイッチ素子の構成を示す断面図である。
【図３】図２の薄膜光スイッチ素子の作用を説明するための断面図である。
【図４】図２の薄膜光スイッチ素子群の領域分割の例を示す図である。
【図５】図２の薄膜光スイッチ素子群の領域分割の別の例を示す図である。
【図６】この実施形態の薄膜光学装置の電極間に印加されるバイアス重畳電圧について説明するための電圧波形を示す図である。
【図７】図６のバイアス重畳電圧の生成回路の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１透明フィルム
３第１の電極層
５光学多層膜
７第２の電極層
９エアギャップ
１０フレキシブル印刷基板
１１薄膜光スイッチ素子
１５コントローラ
１０１薄膜光学装置
ａ光量調整制御電圧
ｂバイアス電圧
ｃバイアス重畳電圧

Claims

透明基板と、
この透明基板の上に配設された、第１の電極層と、この第１の電極層との間にギャップを介して積層された絶縁層と、この絶縁層の上に積層された第２の電極層とを有する薄膜光スイッチ素子の群と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の静電引力により前記ギャップを変形させて光の多重干渉条件を変化させるための制御電圧を生成する制御電圧生成手段と、
この制御電圧生成手段によって生成された制御電圧に交流バイアスを重畳して前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に印加する交流バイアス重畳手段と
を具備し、
前記交流バイアスの電圧が、この交流バイアスによる前記ギャップの変位がこのギャップの最大変位量の１／１０以上ないし１以下となるような値に設定され、
前記薄膜光スイッチ素子群は中心からの距離によって複数の領域にグループ分けされ、各グループ毎に印加する電圧が制御され、
前記各グループ毎に印加する電圧の制御により、フェードイン又はフェードアウトの映像効果のための光量調整を行う
薄膜光学装置。