(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気活性光デバイスにおいて、
固体基板（７）と、
弾性光学素子（１）と、
前記弾性光学素子（１）に横方向に隣接して配置され、２つの電極（３ａ〜３ｅ）の電極対を複数有する電気活性素子（２）であって、前記電極間に弾性電気活性材料（５）が配置された電気活性素子（２）と、
を備え、
前記電極対の少なくとも１つに電圧が印加されると前記電極間の軸方向距離が変化することで、前記電極対の少なくとも１つに隣接する前記弾性光学素子内の第１領域の体積が変化し、それにより、前記第１領域と前記弾性光学素子（１）内の第２領域との間の前記弾性光学素子（１）における材料が軸方向に変位し、
前記領域の一方が軸方向に弾性的に膨張し、前記領域の他方が軸方向に弾性的に収縮することで、前記弾性光学素子（１）が変形状態となり、一方で、前記複数の電極対に電圧が印加されない場合には前記弾性光学素子（１）は弾性的に緩和状態であり、
前記複数の電極対は互いに積層され、複数のギャップが前記電極対間に形成され、前記ギャップは前記弾性電気活性材料（５）によって充填され、
前記電気活性光デバイスは、緩衝層（３０）をさらに備え、前記緩衝層（３０）は、前記固体基板（７）と前記電気活性素子（２）および前記弾性光学素子（１）との間に配置されるとともに、前記弾性光学素子（１）のヤング率以下のヤング率を有し、
前記電気活性光デバイスは、リッド層（３１）をさらに備え、前記リッド層（３１）は、前記弾性光学素子（１）に取り付けられているとともに、前記弾性光学素子（１）のヤング率よりも大きいヤング率を有する、
ことを特徴とする電気活性光デバイス。
【請求項２】
前記弾性光学素子（１）は、固体またはゲルである、
ことを特徴とする請求項１記載の電気活性光デバイス。
【請求項３】
前記電気活性素子（２）は、ゲル、ポリマー、アクリル樹脂材料、およびエラストマーからなる群から選択される材料を有する、
ことを特徴とする請求項１または２記載の電気活性光デバイス。
【請求項４】
前記弾性光学素子（１）の材料は、前記弾性電気活性材料（５）と同じ材料である、
ことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項５】
前記弾性光学素子（１）の材料は、前記弾性電気活性材料（５）と異なる材料である、ことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項６】
前記電気活性素子（２）は、前記弾性光学素子（１）を囲んでいる、
ことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項７】
前記弾性光学素子（１）は、前記電気活性素子（２）の第１側に配置され、
前記電気活性光デバイスが前記電気活性素子（２）の第２側に固体壁（４ａ，４ｂ）をさらに備え、
前記第２側は、前記第１側の反対側である、
ことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項８】
前記電極（３ａ〜３ｅ）の各々は、前記固体壁の少なくとも２つの異なる部分（４ａ，４ｂ）のうちの１つと電気的に接続されている、
ことを特徴とする請求項７記載の電気活性光デバイス。
【請求項９】
前記電気活性素子（２）は、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、カーボングリース、金属イオン、流体金属、金属粉末、導電性ポリマー、および、変形可能なリードに接続された剛体電極を含む群から選択される、少なくとも１つの材料からなる少なくとも１つの電極を有する、
ことを特徴とする請求項１〜８いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項１０】
前記緩衝層（３０）は前記固体基板（７）に取り付けられている、
ことを特徴とする請求項１〜９いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項１１】
前記リッド層（３１）は、前記固体基板（７）とは反対側の前記弾性光学素子（１）の一方側面に取り付けられている、
ことを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項１２】
前記電極（３ａ〜３ｅ）の少なくとも１つの内径が、少なくとも他のいくつかの電極の内径とは異なる、
ことを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項１３】
前記電気活性光デバイスの最上部表面に最も近接している電極（３ａ）は、その下の電極（３ｂ）よりも大きな内径を有し、
前記最上部表面は、電圧の印加により変形する表面である、
ことを特徴とする請求項１２記載の電気活性光デバイス。
【請求項１４】
前記弾性光学素子（１）の少なくとも１つの表面上にミラー素子（２５）をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１〜１３いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項１５】
前記弾性光学素子内に固体素子（２６）をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１〜１４いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項１６】
前記弾性光学素子の少なくとも１つの表面上に反射防止層をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１〜１５いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項１７】
前記弾性光学素子（１）の硬さは不均一である、
ことを特徴とする請求項１〜１６いずれか１項記載の電気活性光デバイス。
【請求項１８】
前記弾性光学素子（１）は不均一な重合ポリマーを有する、
ことを特徴とする請求項１７記載の電気活性光デバイス。
【請求項１９】
請求項１〜１８いずれか１項記載の少なくとも２つの電気活性光デバイス（１１ａ，１１ｂ）を互いに積み重ねた、
ことを特徴とする構造体。
【請求項２０】
前記電気活性光デバイス（１１ａ，１１ｂ）は、共通の固体基板（７）の互いに反対側の面に備えられている、
ことを特徴とする請求項１９記載の構造体。
【請求項２１】
請求項１〜１８いずれか１項記載の電気活性光デバイスの製造方法において、
ａ）複数の第１電極（３ｅ）を準備するステップと、
ｂ）前記第１電極（３ｅ）上に、弾性電気活性材料層（５ａ）を付着するステップと、
ｃ）弾性電気活性材料層（５ａ）上に、複数の第２電極（３ｄ）を、前記第２電極（３ｄ）の各々が前記第１電極（３ｅ）に対応するように付着するステップと、
ｄ）複数の電極対を互いに積み重ねて形成するために、前記ステップｂ）およびｃ）を繰り返すステップと、
ｅ）前記ステップａ）、ｂ）、ｃ）およびｄ）の結果得られた作製物を前記電気活性光デバイスの複数に分離するステップと、
を備えることを特徴とする電気活性光デバイスの製造方法。
【請求項２２】
前記電極（３ａ〜３ｅ）の接続のために、固体壁（４ａ，４ｂ）が前記弾性電気活性材料層（５ａ，５ｂ，…）に挿入されている、
ことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特には電気活性レンズである電気活性光デバイス、およびその製造方法に関する。
【０００２】
背景技術
電気活性光デバイスは、電気活性効果を利用して形状を変えることのできる光デバイスである。特に、電気活性レンズは、電気活性効果を利用して焦点距離を変えることのできるレンズである。
【０００３】
電気活性効果との用語は、固体または液体の変形を誘発する電場を表す。この変形は、電場における、電極間のクーロン力よるもの、および／または、電気イオンおよび／または多極子、特には双極子の再配列によるものといえる。電気活性材料の例としては、誘電エラストマー、電歪リラクサ強誘電体ポリマー、圧電性ポリマー（ＰＶＤＦ）、（熱的）液晶エラストマー、イオン性ポリマー金属複合材、メカノケミカルポリマー／ゲルがある。
【０００４】
電気活性レンズの構成としては、様々なものが公知である。
【０００５】
ＷＯ２００８／０４４９３７には、例えば、環状形圧電性結晶が薄いガラスカバーを曲げることで、レンズ機構の焦点距離をシフトさせるデバイスが記載されている。しかし、圧電性結晶に基づくデバイスの製造にはかなりコストがかかる。
【０００６】
ＷＯ２００５／０８５９３０は、例えば、両凸レンズとして形成可能な適応光学素子に関する。このレンズは、電気活性ポリマー層と層電極とを有するポリマーアクチュエータからなる。１０ｋＶもしくはそれ以上程度の電圧を印加するとポリマー層の変形が引き起こされ、その結果、レンズの変形が直接引き起こされる。このデバイスを制御するには高い電力が必要であるため、多くの用途に対してうまく適さない。
【０００７】
また、このようなタイプの従来技術におけるデバイスは、しばしば、その特性が徐々に劣化していく経年劣化を引き起こす。
【０００８】
最後に、液体充填レンズを用いる様々なデバイスが知られている。これらのデバイスは多くの欠点がある。特に、加速、重力効果、または振動などの外力による歪みの影響を受けやすい。
【０００９】
発明の開示
従って、本発明の全体的な目的は、信頼性が高く、上記記載の少なくとも一部を克服するようなタイプのデバイスを提供することである。
【００１０】
本目的は、請求項１の電気活性デバイスによって達成される。すなわち、デバイスは、弾性光学素子および光学素子の横方向に隣接して配置される電気活性素子を備える。電気活性素子は、有利には誘電エラストマーである弾性電気活性材料を有する少なくとも１つの電極対を有し、電気活性材料は電極対の電極間に配置される。電極対に電圧が印加されると、電極対の電極間の軸方向距離が変化することで、すなわち、距離が増加または減少することで、電極対に隣接する光学素子における第１領域の体積が弾性的に変化（すなわち、軸方向に伸長）する。これにより、次いで、第１領域および第２領域間で光学素子材料の軸方向への変位が引き起こされる。領域の１つは、軸方向に弾性的に膨張し、一方他方の領域は弾性的に収縮する。電極対に電圧が印加されていない場合、光学素子は機械的な緩和状態となる。
【００１１】
２つの領域の軸方向への膨張を変化させて光学素子材料を軸方向に変位させることにより、光学素子表面の湾曲を大きく変化させることが達成できる。
【００１２】
この構造では、可能性として製造工程が容易であり、変形が大きく、作動電圧が低いという電気活性アクチュエータの利点が利用されている。一方で、電圧を印加しない状態では、デバイスは弾性的に緩和状態となり、従って、既に歪んだ固体で形成されているため常に歪んだ状態になるデバイスよりも疲労が少ないという傾向があることから寿命が長い、という点も利用されている。
【００１３】
有利には、電圧を印加することで電極間の距離が減少し、従って、光学素子の第１領域の体積も縮小する。さらに、電極間の圧縮された電気活性材料は、光学素子に横方向の圧力を及ぼすことも可能である。両方の効果が組み合わされて、光学素子は大きく変形した状態となる。
【００１４】
ほとんどの場合、上記の効果により、電極対に電圧を印加することで光学素子の厚みが増加する。
【００１５】
有利には、電気活性素子は、互いに積層された複数の電極対を有し、電極対の間にはギャップを有する。ギャップは、有利には、電気活性材料で満たされる。この構成により、低い駆動電圧で光学素子材料の変位量を大きくすることができる。
【００１６】
本発明の他の態様として、そのようなデバイスの効率的な製造方法を提供することが目的である。本目的は、２つめの独立請求項により達成される。従って、本方法は以下のステップを備えている。
【００１７】
ａ）複数の第１電極を準備するステップ
ｂ）第１電極上に、電気活性材料の層を付着するステップ
ｃ）第１電極上に、複数の第２電極を、各第２電極が第１電極に対応するように付着するステップ
ｄ）前記ステップａ），ｂ）およびｃ）の結果得られた構造体を複数の電気活性デバイスに分離するステップ
ここでわかるように、本工程では、共通のステップａ），ｂ）およびｃ）を用いて複数のデバイスを同時に形成することが可能となり、それによって製造コストを抑えることができる。
【００１８】
有利には、低い電圧で制御可能なデバイスを製造するため、互いに積層された複数の電極対を形成するようにステップｂ）およびｃ）は繰り返される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】電圧を印加しない場合のレンズの断面図
【図２】図１のレンズの上面図
【図３】図１のレンズに電圧を印加した場合の図
【図４】製造工程における第１ステップの図
【図５】製造工程における第２ステップの図
【図６】製造工程における第３ステップの図
【図７】製造工程における第４ステップの図
【図８】製造工程における第５ステップの図
【図９】電圧が印加されていない場合、低電圧が印加された場合、高電圧が印加された場合の２つのレンズ構造を示す断面図
【図１０】４層積層レンズの構成を示す図
【図１１】段付き電極を有するレンズを示す図
【図１２】ビーム偏向器の上面図を示す図
【図１３】ビーム偏向器の３つの異なる状態を示す、図１２のラインＸＩＩＩに沿った断面図
【図１４】緩衝層を有する光デバイスのさらなる実施形態を示す図
【図１５】リッド層を有する光デバイスのさらなる実施形態を示す図
【図１６】リッド層および緩衝層を有する光デバイスのさらなる実施形態を示す図
【００２０】
発明を実施するための形態
本発明は、以下の詳細な説明を考慮することでよりよく理解され、上記説明した以外の目的についても明白になるであろう。本実施形態は添付の図面を参照して記載される。
【００２１】
定義
「軸方向」との用語は、通常、緩和状態にある光学素子の中央領域表面に垂直な方向を示すために用いられる。基板が存在している場合は、ほとんどの場合において、基板は軸方向に対して垂直に配置される。
【００２２】
「半径方向」との用語は、軸方向に垂直な方向を示すために用いられる。
【００２３】
イントロダクション
本発明は、多様な形態で実装可能であり、例えば、電気活性レンズ、ビーム偏向器、または、アンチジッタリングデバイスなどがある。以下に、これらの適用例をいくつか述べる。
【００２４】
電気活性レンズ
本発明の電気活性レンズとして可能な一実施形態が、図１および２に示されている。レンズは、弾性の光学素子１と電気活性素子２とを有する。本実施形態では、光学素子１は円形であり、電気活性素子２は光学素子を囲んでいる。しかし、下記に述べるように、本発明は非円形のレンズに対しても実施できる。例えば、電気活性素子２が光学素子１の少なくとも片側に隣接している限り、円柱レンズであってもよい。
【００２５】
電気活性素子２は、有利には２より多い少なくとも２つの垂直方向に積層された電極３ａ〜３ｅを有し、これら電極は少なくとも１つの電極対、有利にはいくつかの電極対を互いに積み重ねて形成される。
【００２６】
一番目の最上部電極３ａは、導体９ａによって側壁の第１部分４ａに電気的に接続され、一方で二番目の電極３ｂは導体９ｂによって側壁の第２部分４ｂに接続され、三番目の電極３ｃは導体９ｃによって第１部分４ａに再び接続され、四番目の電極３ｄは導体９ｄによって第２部分４ｂに接続されるなど、隣接電極が側壁の異なる部分に接続されるようになっている。側壁は、電気的導電性であり、導電性ポリマーのような固体材料である。側壁の２つの部分４ａ，４ｂに電位差が加えられると、電極３ａ〜３ｅの各隣接対にも同じ電位差が加えられる。
【００２７】
電気活性材料５は、電極３ａ〜３ｅの間のギャップに位置している。すなわち、電極間のギャップは全て、電気活性材料５で充填されている。電気活性材料は、隣接する電極間に電圧が印加されると電極間のクーロン力により引き起こされるマクスウェル応力を生み出すような任意の材料である。有利には、電気活性材料５は、誘電エラストマーもしくはゲルなどのような固体である。
【００２８】
レンズの光学素子１は、電気活性材料５と同じ材料からなっていてもよい。これにより、下記のように、製造工程が単純化される。しかし、光学素子１は、電気活性材料５と異なる材料からなっていてもよい。これにより、光学素子１および電気活性材料５の物理特性を独立に最適化することができる。
【００２９】
光学素子１は、透明な弾性固体もしくはゲルであり、電極３ａ〜３ｅに電圧が印加されない場合は、上述した理由により、電極は機械的に緩和した状態となる。有利には、光学素子１は、単一の材料で作製される。
【００３０】
図１および図２のレンズの機能は、図３を参照して示される。図に示すように、ゼロではない電圧Ｖが、電極３ａ〜３ｅにより形成される近隣の電極対全てに印加されると、電極間のクーロン力および／または材料内の多極子の再配列により、使用されている電気活性材料に依存して、電極間の軸方向距離の増減がもたらされる。特に、液晶エラストマーは、印加電場方向に広がるように、一方、他の材料のほとんどは収縮するように設計され得る。
【００３１】
電気活性材料が電場の印加により収縮すると、電気活性素子２の厚みは減少する。電気活性素子２は、垂直方向に光学素子１に接合されているため、圧縮された第１領域が電極に隣接した光学素子中に形成される。これは、同様に、光学素子１の材料が、典型的には光学素子１の中心に向かって、圧縮された第１領域から離れるような軸方向の変位を引き起こす。同様に、これにより、光学素子において、材料の非圧縮性による、第２領域の軸方向への広がりが形成される。図３において、この軸方向に広がる領域は、光学素子２の中心である。
【００３２】
電気活性材料が印加電場に沿って広がると、電気活性素子２の厚みは増加し、光学素子１の第１領域は半径方向に拡大し、一方第２領域は収縮する。
【００３３】
従って、電極に電圧を印加すると、光学素子１内における材料の再分布が引き起こされ、これは同様に光学素子１表面の湾曲に影響を及ぼす。特に、収縮した電気活性素子により加えられる境界条件により、光学素子１は、電圧が印加された電極に隣接する領域では薄くなり、一方他の領域では厚みが増す。
【００３４】
光学素子１および電気活性素子２の厚みと体積に依存して電極間の距離が減少した場合に光学素子１が変形することでもたらされる利点の１つは、電圧の印加により、電極間の電気活性材料５が圧縮されるという事実による。この圧縮は、材料の横方向への広がりに変換され（体積はほぼ一定）、これは電気活性素子２から光学素子１への材料の流れを引き起こし、従って光学素子１は厚くなり有利には分厚くなる。とりわけ、壁４ａ，４ｂが固体、有利には剛体リングであれば、横方向の広がりは内側に向かい、光学素子１の弾性材料に対して表面の変形を引き起こす圧力を及ぼす。図３に示されるように、緩和した表面がもともと平面であれば（図１）、変形により表面は外側に膨らみ、従って凸レンズ表面が形成され、光領域１により形成されるレンズの焦点距離に影響を及ぼす。
【００３５】
既に述べたように、本レンズは円形レンズである必要はない。既に述べたように、例えば、円柱レンズであってもよい。この場合、光学素子１は、透明な弾性材料からなる、細長いストリップから形成されている。ストリップは、少なくとも１つの側面に沿って配置された少なくとも１つの細長い電気活性素子２を有する。電気活性素子２は、上述したように、電極に近接した光学素子１において、収縮もしくは膨張した第１領域を生成するように配置される。またこの場合、有利には、電気活材料５が電気活性素子２の第２側（対向側）の方に曲がることを防ぐために、第２側に固体壁を配置し、それにより電圧によって引き起こされた材料の変位全体が光学素子１に向かうことになる。
【００３６】
図１〜３からわかるように、レンズは有利には、電気活性素子２および光学素子１が配置されている、固体で透明な基板７を有している。そのような基板は、デバイスの機械的安定性をもたらし、以下に述べる製造工程を単純化する。しかし、光学素子１が十分な機械的安定性を有しているならば、基板７は省略することもできる。
【００３７】
隣接電極３ａ〜３ｅ間の距離は、印加電圧が小さい場合でも強いクーロン力が得られるように、離れすぎていてはならない。有利には、２つの隣接電極間の距離は、２５０μｍより小さく、特に約１０μｍであり、１ｋＶを下回る電圧下で有為な変形が可能であるように十分小さい必要がある。
【００３８】
電極はコンプライアント、すなわち、損傷することなく電気活性素子２の変形に追随可能である必要がある。従って、有利には、電極は下記材料のうちの１つから作製される。
【００３９】
・カーボンナノチューブ（"Self-clearable carbon nanotube electrodes for improved performance of dielectric elastomer actuators", Proc. SPIE, Vol. 6927, 69270P (2008)を参照）
・カーボンブラック（"Low voltage, highly tunable diffraction grating based on dielectric elastomer actuators", Proc. SPIE, Vol. 6524, 65241N (2007)を参照）
・カーボングリース
・イオン（Ａｕ，Ｃｕ，Ｃｒ，…）（"Mechanical properties of electroactive polymer microactuators with ion-implanted electrodes", Proc. SPIE, Vol. 6524, 652410 (2007)を参照）
・流体金属（例えば、ガリンスタン）
・金属粉末、特に金属ナノ粒子（金、銀、銅）
・導電性ポリマー
・変形可能な導体に接続された剛体電極
【００４０】
光学素子１の材料および電気活性素子２の電気活性材料５は、例えば、以下の材料を有しているか、または、以下の材料から成っている。
【００４１】
・ゲル（光ゲルＯＧ−１００１，Ｌｉｔｅｗａｙ社）
・エラストマー（ＴＰＥ，ＬＣＥ，例えばＰＤＭＳ  Ｓｙｌｇａｒｄ１８６などのシリコン、アクリル、ウレタン）
・サーモプラスト（ＡＢＳ，ＰＡ，ＰＣ，ＰＭＭＡ，ＰＥＴ，ＰＥ，ＰＰ，ＰＳ，ＰＶＣ，…）
・デュロプラスト
【００４２】
電極３ａ〜３ｅの配置は、必ずしも同一である必要はない。図１１は、有利な実施形態を示しており、ここで電極３ａ〜３ｅは、その内径がデバイス表面に向かって次第に大きくなっている。つまり、上部表面に最も近接している電極３ａは、少なくともその下の電極の内径よりも大きい内径を有する（この文脈では、「上部表面」とは、電圧の印加で変形するレンズの表面を示す）。
【００４３】
この構造は、電圧を印加した場合に、電気活性材料５および光学素子１の材料における機械的歪みを低減させる。
【００４４】
より一般的には、少なくとも１つの電極３ａ〜３ｅの内径は、少なくともいくつかの他の電極の内径と異なっていてもよい。これにより、光学素子１の変形をより正確に制御することができる。
【００４５】
以下では、図４〜８を参照して有利な製造工程を記載する。この工程では、複数の電気活性レンズが共通のウェーハ上で同時に製造される。共通のウェーハは、光学素子２と組み合わせられるために、ハードレンズなどのような例えば固定構造を備えるように事前成形されてもよい。
【００４６】
工程は基板７から開始し（ステップａ，図４）、ここでもともと基板７のサイズは個々のレンズよりもずっと大きい。複数の隣接するレンズの最下部電極３ｅが基板状に配置される。これらの電極を作製するために、電極材料および基板と適合可能である限り、スパッタリングに続いてマスキングおよびエッチングを行うなどの任意の適切な方法を使用できる。
【００４７】
ここで（ステップｂ，図５）、電気活性材料５の層５ａが基板７上に付着される。層５ａの厚さは例えば、１０μｍである。
【００４８】
次のステップ（ステップｃ，図６）では、複数の第２電極すなわち電極３ｄが、電気活性材料の層５ａに付着される。電極３ｄは、１つの電極３ｄが各電極３ｅに対応するように電極３ｅに位置合わせされる。
【００４９】
次いで、ステップｂが繰り返される。すなわち、図６に示されるように、電気活性材料のさらなる層５ｂが付着され、図７に示すように、互いに積層された複数の電極対を有する十分な高さの積層構造が作製されるまで、ステップｃなどが繰り返される。
【００５０】
図７の層構造の完成後、事前に作製され、かつ例えば、共通のキャリア（図示せず）に実装される壁４ａ，４ｂは、上方から層構造に押し付けられる。層５ａ，５ｂ，…は軟質材料であるため壁４ａ，４ｂは図８に示す層に入り込み、壁の共通のキャリア（図示せず）はすぐに除去可能となる。壁４ａ，４ｂは、電極３ａ〜３ｅに接触するように位置決めされる。この目的のために、図７および図１，２からよく理解されるように、電極３ａ〜３ｅは各壁領域４ａまたは４ｂとの接触を提供するために、レンズの中心から離れる方向にラテラルに広がる導体９ａ〜９ｅを備える。
【００５１】
最後に、上記ステップによる作製物は、例えば、図８に示すライン１０に沿って隣接するレンズの壁との間で切断することにより、複数の電気活性レンズに分割される。代替として、基板７が十分に軟質であれば、レンズの分割は、例えば、電気活性材料層５ａ，５ｂ，…を介してのみならず、基板７を介して壁４ａ，４ｂを押すことによっても達成することができる。しかもさらなる代替として、壁４ａ，４ｂ、または電極３ａ〜３ｅとの接触を提供するような他の手段がそれぞれ各レンズに適用されるとすぐに、図７に示される作製物は先に切断されてもよい。
【００５２】
上記ステップｂにおいて、例えば、電気活性材料層５ａ，５ｂ，…を付着するために以下の方法を使用できる。
【００５３】
・スピンコーティングとそれに続く硬化処理
・吹き付けとそれに続く硬化処理
・印刷（例えば、スクリーン印刷）
・化学気相成長法、特にＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相成長法）
・材料層を事前に作製し基板に付着、有利には接着：この場合、厚みを減少させるために、付加的に、層は付着する前に非弾性的に伸長されていてもよい。
【００５４】
下記の材料が、例えば、電気活性材料および光学素子に使用され得る。
【００５５】
・ゲル（光ゲルＯＧ−１００１，Ｌｉｔｅｗａｙ社）
・ポリマー（例えば、ＰＤＭＳ  Ｓｙｌｇａｒｄ  １８６，Ｎｅｕｋａｓｉｌ  ＲＴＶ２５，ダウコーニング社）
・アクリル材料（例えば、ＶＨＢ４９１０，３Ｍ社）
・エラストマー
上記ステップｃでは、例えば、コンプライアント電極３ａ〜３ｄおよび付加的に電極３ｅを付着するために以下の方法を使用できる。
【００５６】
・イオン注入（"Mechanical properties of electroactive polymer microactuators with ion-implanted electrodes", Proc. SPIE, Vol. 6524, 652410 (2007)を参照）
・ＰＶＤ，ＣＶＤ
・蒸着
・スパッタリング
・印刷、特に密着印刷、インクジェット印刷、レーザ印刷、スクリーン印刷
・フィールドガイド自動アセンブリ（例えば、"Local surface charges direct the deposition of carbon nanotubes and fullerenes into nanoscale patterns", L. Seemann, A. Stemmer, and N. Naujoks, Nano Letters 7, 10, 3007-3012, 2007を参照）
・ブラッシング
・電極プレーティング
【００５７】
付加的に、光学素子１は、緩和したおよび／または変形した状態で所望の形状を有するように形成され得る。そのようなレンズの例が、図９と図１０を参照して以下に記載される。適切なレンズ形状は（緩和状態において）、例えば以下のものであればよい。
【００５８】
・球面レンズ（凹面および凸面）
・非球面レンズ（凹面および凸面）
・平面
・方形形状、三角形状、ラインまたはピラミッド状
・任意のマイクロ（例えば、マイクロレンズアレイ、回折格子、ホログラム）またはナノ（例えば、反射防止コーティング）構造を、光学素子１の開口部およびポリマー層を有するコンプライアント電極に組み込むことができる。
【００５９】
また、以下の任意の方法を、例えばレンズの成形に適用することができる。
【００６０】
ａ）鋳込み成形、特に射出成形
ｂ）例えば、熱エンボス加工がされたナノメータサイズの構造による、ナノインプリンティング
ｃ）（例えば、化学もしくはプラズマ）エッチング
ｄ）スパッタリング
ｅ）熱エンボス加工
ｆ）ソフトリソグラフィー（すなわち、ポリマーを事前成形した基板上に鋳込み成形する）
ｇ）化学的自動アセンブリ（例えば、"Surface tension-powered self-assembly of microstructures − the state-of-the-art", R.R.A. Syms, E. M. Yeatman, V.M. Bright, G.M. Whitesides, Journal of Microelectromechanical Systems 12(4), 2003, pp. 387−417を参照）
ｈ）電磁場ガイドパターン形成（例えば、"Electro-magnetic field guided pattern forming", L. Seemann, A. Stemmer, and N. Naujoks, Nano Lett., 7(10), 3007−3012, 2007. 10.1021/nl0713373を参照）
【００６１】
当業者にとっては明らかであるように、上記方法のいくつかは、図４〜８を参照して記載される製造工程に直接適合可能である。例えば、方法ｃ）およびｄ）は、図７に示す作製物において行うことができる。他の方法では、追加のステップが必要な場合もある。例えば、共通のキャリア上の凸レンズアレーは、方法ａ），ｂ）またはｅ）〜ｋ）の手段で製造することができ、次いで図７の作製物の上に適用される。
【００６２】
上記のようなタイプの電気活性レンズのいくつかは、多重レンズ機構を形成するために組み合わせることもできる。
【００６３】
そのような機構の例を図９に示す。ここで、２つの電気活性レンズ１１ａ，１１ｂは、固体で透明な共通基板７の互いに反対側の面に形成されている。左側の図からわかるように、電圧印加がされない場合、レンズ１１ａは平面であるがレンズ１１ｂは凸面である。レンズ１１は、例えば図４〜８に示すように製造することができ、一方、レンズ１１ｂの光学素子を例えば、上記の方法ｃ）またはｄ）を用いて続けて構成することができる。
【００６４】
僅かな電圧が印加された場合、中央の図で示されているように、レンズ１１ａは凸となる一方、レンズ１１ｂは緩い湾曲とはいえ凹のままである。最後に、図９の右側の図に示すように、電圧が十分に大きい場合、レンズ１１ａ，１１ｂは共に凸となる。
【００６５】
本レンズは、さらにより複雑な構成と組み合わせることもできる。そのような構造の例を図１０に示す。
【００６６】
図１０の機構は、４つの電気活性レンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄおよび互いに積層された４つのハードレンズ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを有している。壁４ａ，４ｂおよび付加的なスペーサ素子１３ａ，１３ｂは、レンズを互いに正しい距離に維持するために用いられる。図１０の例において、各電気活性レンズ１１ａ〜１１ｄは、基板７の片面に取り付けられ、ハードレンズ１２ａ〜１２ｄが同じ基板の反対側に配置される。
【００６７】
図１０の実施形態では、各ハードレンズが基板７に取り付けられている。しかし、１つ以上のハードレンズが基板に独立して取り付けられていてもよい。
【００６８】
電場がない状態の電気活性レンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｅ，１１ｄの形状は、上述した構成方法を用いて画定できる。
【００６９】
球面レンズ
多くの適用例では、レンズは球面でなければならない。図１〜１０に示す設計の略球面であるレンズを作製するために、電気活性素子２および光学素子１全体の厚みは、かなり大きくなければならない。特に、電気活性層が基板７に接着された場合、印加電圧下での変形は、電極の近くでは大きいがレンズの中央では小さい。
【００７０】
一方、図４〜８の製造工程を用いる場合、光学素子１および電気活性層２の全体の厚みが大きくなると、個々の層５ａ，５ｂ，…の数が比較的多くなることが要求され、工程のコストがかさむ。
【００７１】
この理由により、有利には、図１４に示されるような、弾性緩衝層３０によって電極３ａ〜３ｅが基板７から分離される構造が使用される。片面が基板７、他方の面が電気活性素子２および光学素子１との間に配置される緩衝層３０により、光学素子１の材料はより自由に、特に横方向に変位することができる。すなわち、緩衝層３０は、光学素子１を剛体基板７の機械的歪みから防ぐ。従って、有利には、緩衝層３０は比較的軟質の材料からなり、すなわち、光学素子１のヤング率以下のヤング率を有する必要がある。
【００７２】
緩衝層３０は、基板７および光学素子１に完全に取り付けられており、従って電極に電圧が印加された場合に、光学素子１の動きに制限されることなくこれらを接続することができる。
【００７３】
球面レンズの表面形状を改善する他の方法、すなわち、表面形状を理想的な球面レンズに近づける方法を図１５に示す。図１５の実施形態では、リッド層３１が光学素子１の上部、すなわち、基板７の反対側に取り付けられる。リッド層３１は、光学素子１よりも硬質であり、すなわち、そのヤング率は光学素子１のヤング率よりも大きい。高品質なレンズでは、特に、そのヤング率は、光学素子１のヤング率の６０倍大きくならなければならない。層厚がより薄ければ、ヤング率は増加し、十分な光学的品質をもたらす。
【００７４】
図１４および図１５の方法は、図１６に示すように組み合わせることもでき、ここで光デバイスは緩衝層３０およびリッド層３１を有している。
【００７５】
緩衝層３０およびリッド層３１に適切な材料は、例えば、ＰＤＭＳ、アクリルまたはポリウレタンである。緩衝層は典型的には２００ｋＰａ以下の範囲のヤング率を有し、リッド層は１０ＭＰａ以上のヤング率を有する。これらの材料は、有利には電気活性材料およびレンズ素子のためのエラストマー、アクリルおよびポリウレタンを組み合わせられる。
【００７６】
ビーム偏向器
上述した技術はレンズにのみ適用できる訳ではなく、ビーム偏向器またはアンチジッタリングデバイスなどの他の多様な電気活性光デバイスにも適用できる。
【００７７】
ビーム偏向器またはミラーの例を図１２および図１３に示す。ここでは、図１〜３のデバイスと基本的に同じ構成であるが、電極３ａおよび３ｃは、光学素子１の周り約１８０°にわたって広がる、それぞれ２つの電極部３ａ’および３ａ"と３ｃ’および３ｃ"とに分割される。従って、壁は、３つの領域４ａ，４ｂ，４ｃに分割され、領域４ａは電極部３ａ’および３ｃ’に接続され、領域４ｂは電極部３ａ"および３ｃ"に接続され、領域４ｃは電極部３ｂおよび３ｄに接続される。電圧Ｖ１は領域４ａおよび４ｃ間に印加され、圧Ｖ２は領域４ｂおよび４ｃ間に印加される。
【００７８】
Ｖｌ＝Ｖ２＝０の場合、図１３の左部分で示されるように、光学素子１の表面は平坦で水平である。Ｖ１≠０かつＶ２＝０の場合、光学素子の表面は実質的に片側に傾いており、一方、Ｖ１＝０かつＶ２≠０の場合、光学素子の表面は実質的に逆側に傾いている。
【００７９】
このようなタイプのデバイスは、透過型または反射型ビーム偏向器のいずれにも使用することができる。
【００８０】
デバイスが透過作用を有する場合は、光学素子１を通って進行するビームは、矢印２１で示されるように、ＶｌおよびＶ２に依存して左右どちらかに偏向され得る。
【００８１】
デバイスが反射作用を有する場合は、光学素子１の少なくとも１つの表面は、反射コーティング２５または剛体反射ミラープレートなどのミラー素子を備えることができ、かつビームは、点線の矢印２２で示されるように、それぞれ左右どちらかに偏向され得る。
【００８２】
ミラー素子は、上述のように、例えば表面２０に取り付けられたミラープレートとすることもでき、または例えばガリンスタンなどの液体金属コーティングなどのコーティングであってもよい。
【００８３】
図１２は、円形のビーム偏向器を示す。しかしながら、その形状は例えば、長方形であってもよく、電極３ａ’および３ａ"は長方形のそれぞれ反対の面に配置されていればよい。
【００８４】
他のタイプのデバイス
上述した技術は、さらに他のタイプのデバイス、例えば、光位相差板に（例えば、ＷＯ２００７／０９０８４３に記載されているような技術を用いて）適用することも可能である。
【００８５】
また、デバイスはさらに、平面もしくは湾曲ミラー、格子もしくはホログラムなどの光学素子と組み合わせることも可能である。
【００８６】
補足説明
上記実施形態では、環状部４ａ，４ｂおよび４ｃは、電極を接触させるために用いられる。しかし、様々な接触手段を使用することもできる点に注意が必要である。例えば、金属の針状構造が、共通の接触を提供するために導体９ａ，９ｂ，９ｃを介して積層されてもよい。代替として、導体材料で充填された導体バイアスが、層作製工程の間にスタックされた電気活性材料に組み込まれてもよい。この接触方法により、電気活性材料スタックの一側面からの電極３ａ〜３ｅの接続が可能になる。
【００８７】
さらに、図１〜３の例では、電極３ａ，３ｃ，３ｅには通常第１ポテンシャルが印加され、一方電極３ｂ，３ｄには第２ポテンシャルが印加される。電気活性素子２の変形をより正確に制御するために、電極のいくつかまたは全てにそれぞれのポテンシャルを印加することも可能である。
【００８８】
特に有利な実施形態においては、光学素子１の片面または両面に反射防止層を設けてもよい。この層は、以下からなる。
【００８９】
・光学素子１自体の材料または別のコーティング材料のいずれかに形成される「ナノメータ構造」。この構造は光の波長を十分に下回る大きさを有し、例えば、４００ｎｍより小さい。これは例えば、エッチング、射出成形、キャスティングまたはエンボス加工の手段により適用される。
・反射防止薄層コーティング
【００９０】
さらに有利な実施形態において、変形状態にある光学素子１の形状は、例えば紫外線硬化または化学的処理によって、光学素子の局所的な硬軟部分の影響を受け得る。図１３に本実施例を示す。ここで、ハッチング領域は表面２０の下の剛体素子２６を示し、この素子は局所硬化により製造され、デバイスに電圧が印加された場合に表面２０の平面度を改善する。剛体素子は、光学素子の残りの材料と異なる材料により作製することもでき、光学素子の表面に例えば、埋め込むか取り付けることによって光学素子に加えられる。剛体素子の位置は、電極に電圧が印加されたときに変化する。
【００９１】
より一般的には、光学素子１の材料の硬さは不均一であってもよく、特に不均一な重合ポリマーを有していてもよい。
【００９２】
また、光学素子１は、例えば、異なる光学分散を有する２つの材料を用いて色収差を補正するために、２つ以上の材料が適切に結合された構成でもあり得る。
【００９３】
さらに、光学素子１は、さらに例えば、以下の手段により構成できる。
【００９４】
・回折構造またはホログラフィック構造などのマイクロ構造
・（上述の）反射または反射防止コーティングまたは吸収コーティングなどの変形コーティング
【００９５】
適用例
電気活性光デバイスは、以下のような多岐にわたる用途に使用できる。
・携帯電話、デジタルＳＬＲカメラ、車両カメラ、監視システムなどにおけるカメラ（ズームおよびオートフォーカス）
・プロジェクタにおけるマクロおよびナノプロジェクタ、および、携帯電話プロジェクタ、のプロジェクタの光学部分
・レーザ切断やレーザ溶接を含む工業用途
・顕微鏡、拡大鏡
・視力矯正（人間の目に移植されたレンズ）
・内視鏡
・拡大鏡
・カメラなどのような視覚システム
・量子コンピューティングのための研究用途
・遠隔通信装置（振幅変調）
・偏向レーザビームなどのレーザ装置
・望遠鏡
・ディスプレイ
【００９６】
本発明の好ましい実施形態が示し記載してきたが、本発明がそれらに制限されるものではなく、下記の特許請求の範囲内で様々に具現化され実施されてもよいことは明白に理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
0005456040.tif 000003
【図３】
0005456040.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005456040.tif 000006
【図６】
0005456040.tif 000007
【図７】
0005456040.tif 000008
【図８】
0005456040.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005456040.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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