(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光スクランブラにおいて、
平面状に構成され、第１表面（１０２，２０２）および第２表面（１０３，２０３）を有するポリマーフィルム（１０１，２０１）と、
前記第１表面上に配置された第１電極（１０５，２０５）と、
前記第２表面上に配置された第２電極（１０６，２０６）と、
前記ポリマーフィルムに接続された光素子（１０４，２０４）と、
を備え、
前記第１電極（１０５，２０５）と前記第２電極（１０６，２０６）との間に電圧を印加すると、前記光素子（１０４，２０４）が前記ポリマーフィルムの前記平面に対して平行に変位する、
ここで、前記光素子（１０４，２０４）は剛性であり、かつ、変形せず、
前記ポリマーフィルム（１０１，２０１）の前記平面は、重なり合わない第１部分および第２部分を有し、前記電極（１０５，１０６，２０５，２０６）が前記第１部分に配置され、前記光素子（１０４，２０４）が前記第２部分に配置されており、
前記光素子は、往復運動する際に、可視スペックリング効果を破壊するように適合されている、光スクランブラ。
【請求項２】
前記光素子（１０４，２０４）は、光拡散器、屈折構造体、マイクロレンズアレイ、回折格子、および、ホログラムからなるグループより選択される、請求項１記載の光スクランブラ。
【請求項３】
前記剛性の光素子（１０４，２０４）は、接着剤を用いて、または、自己接着によって、または、溶接によって、前記ポリマーフィルムに接続されている、請求項１または２記載の光スクランブラ。
【請求項４】
前記剛性の光素子（１０４’）は、部分的または完全に前記ポリマーフィルム（１０１，２０１）に埋め込まれている、請求項１または２記載の光スクランブラ。
【請求項５】
前記ポリマーフィルム（１０１，２０１）は、ゲル、サーモプラスト、デュロプラスト、アクリル材料、エラストマーを含むグループから選択される材料を含んでいるか、または、前記材料からなっており、および／または、前記光素子（１０４，２０４）は、ポリマー、プラスチック、ガラス、または、結晶質材料である、請求項１乃至４いずれか１項記載の光スクランブラ。
【請求項６】
前記電極（１０５，１０６；２０５，２０６）は、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、導電グリース、金属イオン、流体金属、金属粉末、および、導電性ポリマーを含むグループから選択される少なくとも１つの材料から作製されている、請求項１乃至５いずれか１項記載の光スクランブラ。
【請求項７】
前記光デバイスの少なくとも１つの表面上に反射防止層（１１１，２１１）をさらに備え、特に、前記反射防止層は、５μｍより小さく、特に、１μｍより小さく、特に、２００ｎｍより小さいサイズを有する構造体を備えている、請求項１乃至６いずれか１項記載の光スクランブラ。
【請求項８】
前記ポリマーフィルム（１０１，２０１）は、保持手段（１０７，２０７，１０８，２０８）に自由懸架されている、請求項１乃至７いずれか１項記載の光スクランブラ。
【請求項９】
前記ポリマーフィルム（１０１，２０１）は、予延伸されて前記保持手段に取り付けられている、請求項８記載の光スクランブラ。
【請求項１０】
前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ、前記光素子の周囲の複数のセグメントに配置されており、
前記第１電極の第１の電極セグメントと、対応する前記第２電極の第１の電極セグメントとの間に印加される電圧により、前記ポリマーフィルムの前記平面に対して平行な第１方向における、前記剛性の光素子の横方向の変位が制御され、
前記第１電極の第２の電極セグメントと、対応する前記第２電極の第２の電極セグメントとの間に印加される電圧により、前記ポリマーフィルムの前記平面に対して平行な第２方向における、前記剛性の光素子の横方向の変位が制御される、
請求項１記載の光スクランブラ。
【請求項１１】
光デバイスを動作させる方法であって、
前記光デバイスは、
ポリマーフィルム（１０１，２０１）であって、前記ポリマーフィルム（１０１，２０１）は、重なり合わない第１部分と第２部分とを備え、前記ポリマーフィルム（１０１，２０１）は平面状に構成され、第１表面（１０２，２０２）および第２表面（１０３，２０３）を有する、ポリマーフィルム（１０１，２０１）と、
前記第１表面上に、かつ前記第１部分に配置された第１電極（１０５，２０５）と、
前記第２表面上に、かつ前記第１部分に配置された第２電極（１０６，２０６）と、
前記ポリマーフィルムに接続され、かつ前記第２部分に配置された変形しない剛性の光素子（１０４，２０４）と、を備えており、ここで、前記光素子は、往復運動する際に、可視スペックリング効果を破壊するように適合されており、
前記方法は、
前記第１電極（１０５，２０５）と前記第２電極（１０６，２０６）との間に電圧を印加するステップを備え、これにより前記剛性の光素子（１０４，２０４）を前記ポリマーフィルムに対して平行な平面に実質的に沿って変位させる、方法。
【請求項１２】
前記光素子（１０４，２０４）は、所定の周波数で、前記平面に対して平行に周期的な往復運動を行うように変位し、前記周波数は、前記運動の共振周波数である、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光スクランブラの光スクランブリングのための使用。
【請求項１４】
前記光素子は、往復運動する際に、可視スペックリング効果を破壊するために使用される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光スクランブラの光スクランブリングのための使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調整可能な光デバイス、特に電気活性光スクランブラ、光デバイスを動作させる方法およびデバイスの製造方法、および、光スクランブリングまたはレンズの位置決めのための光デバイスの使用に関する。
【０００２】
背景技術
電気活性光デバイスは、電気活性効果を利用する光デバイスである。
【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によるもの、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がある。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】
これまでに多様な光スクランブラが公知となっている。
【０００５】
例えば、スペックル雑音を抑制するために、特開平０７−２９７１１１号公報のレーザ光を使用する露光照明装置は、散乱板がコヒーレント光をインコヒーレント光に変換できるように、光学システム内において回転可能な散乱板を有する。
【０００６】
さらに、特開平０６−２０８０８９号公報のレーザ光を使用する投射型のディスプレイ装置は、拡散素子がコヒーレント光をインコヒーレント光に変換できるように、光学システムにおいて（回転および／または振動することなどが可能な）可動の拡散素子を有する。
【０００７】
例えば、ＷＯ２００６／０９８２８１（ＵＳ２００８／１９８３３４）には、コリメートされたコヒーレント光を反射し、かつ、反射素子の反射表面の法線方向に対して平行に振動することが可能な反射素子と、この振動動作のために反射素子を駆動する反射素子駆動ユニットとが記載されている。この装置は、複雑で製造に際してコストのかかる反射素子駆動ユニットと、透過光スクランブラよりもさらに複雑な光学設計が要求される反射素子とからなる。
【０００８】
ＷＯ２００７／０７２４１１には、電気活性のカメラダイアフラムが記載されており、ここでは、アパーチャが印加された電場により接触または延伸される。アパーチャは、デバイスの軟質で不透明な電極により形成されている。同文献には、レンズまたはリングがポリマーフィルムの平面を横切る方向に変位するデバイスが記載されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開平０７−２９７１１１号公報
［特許文献２］特開平０６−２０８０８９号公報
［特許文献３］国際公開２００６／０９８２８１号
［特許文献４］国際公開２００７／０７２４１１号
［特許文献５］欧州特許出願公開第１９９５６２２号明細書
【０００９】
発明の目的と要約
本発明の目的は、改良された光デバイス、特に光スクランブラを提案することである。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。
【００１０】
本目的を達成するために、本発明による光デバイスは、
平面状に構成され、第１表面および第２表面を有する、好ましくは予延伸されたポリマーフィルムと、
前記第１表面上に配置された第１電極と、
前記第２表面上に配置された第２電極と、
第１および／または第２表面、または、ポリマーフィルムに接続された剛性の光素子と、
を有する。
【００１１】
電極に電圧が印加されると、光素子が実質的にポリマーフィルムの面に沿って変位する。つまり、デバイスは、第１および第２電極間に電圧が印加されると、電極間の軸方向距離が変化するように構成されている。すなわち、クーロン力（マクスウェル応力）により軸方向距離が増加または減少し、ポリマーフィルムは面方向、すなわち、ポリマーフィルムに平行な方向に面積を変化させる。この平面変形は、剛性の光素子を有する領域に伝達され、横方向の変位、すなわち、剛性の光素子のポリマーフィルムに対して平行な方向における変位を生じさせて、その結果デバイスの光特性の変化がもたらされる。
【００１２】
光素子は、電気活性ポリマーフィルムと直接接触しているため、本発明の光デバイスのサイズは小さい。さらに、クーロン力によりポリマーフィルムに大きな横方向の変形が生じ得るため、光素子の変位は、例えば光スクランブリングのために、低周波数で達成される。これにより、駆動周波数が可聴領域に入ることが防止され、ノイズのない動作が保証される。
【００１３】
ポリマーフィルムの平面伸長は電極間に印加された電圧に依存するため、光素子の変位は容易に制御できる。
【００１４】
特に、光素子は、光拡散性、屈折性、反射性、または、回折性の構造体である。
【００１５】
光デバイスは、従って、剛性の光素子の横方向の位置を変えることにより、光スクランブリング、または、他の任意の光操作のために使用できる。
【００１６】
有利な実施形態において、光素子はプラスチックからなり、特に、ポリマー（例えば、ポリメチルメタクリレートまたはポリカーボネート）、またはガラスからなる。これらの材料は、光学的品質とポリマーの変形耐力との間に良好な妥協点をもたらす特性を有している。所期の用途によって、光素子は例えば、結晶質材料、特に、単結晶からなっていてもよい。
【００１７】
有利には、ポリマーフィルムの厚みは、１００ｎｍより大きくおよび／または１ｍｍより小さい。厚みが１００ｎｍを下回る場合はデバイスの製造が困難になり、また一方で、厚みが１ｍｍを上回る場合は所定の変位を得るために電極に大きな電圧を印加することが必要となる。
【００１８】
有利な実施形態において、ポリマーフィルムは、ポリマー（例えば、ダウコーニング社のＰＤＭＳ  Ｓｙｌｇａｒｄ  １８６、または、Ｌｉｔｅｗａｙ社の光ゲルＯＧ−１００１）、または、アクリル性誘電エラストマーからなる。これらの物質により実質的な変形が可能となり、光素子は大きな距離で変位することが可能となる。
【００１９】
極めてコンパクトな実施形態においては、第１および第２電極は、横方向で光素子に近接しており、および／または、周囲の保持フレームまでの距離ｄ＞０に位置する。
【００２０】
代替の実施形態では、第１および第２電極が、光素子および周囲の保持フレームまでの横方向距離ｄ＞０に配置される。この構造は、ポリマーフィルムの機械的応力を低減するという有利な点を有する。
【００２１】
本発明はまた、電圧を受けるように意図された、２つの電極間に挟まれたポリマーフィルムに関する。この電圧によってポリマーフィルムに接触している剛性の光素子が横方向に変位する。
【００２２】
当該フィルムの電気活性特性および電極に関するポリマーフィルムの特別な配置は、有利には、電気制御のもとで剛性の光素子を変位させるために使用される。
【００２３】
下記の実施形態に示されるように、有利には、ポリマーの１つの面は、重なり合わない第１および第２の部分を有し、電極が第１部分に配置され、光素子が第２部分に配置されている。これにより、電極に電圧が印加された際に最大の変位量を得ることができる。電極と光素子が実質的に任意に重なると、ポリマーフィルムが剛性の光素子の領域で変形しないため、デバイスの効率が低下する。
【００２４】
本発明はまた、光デバイスを動作させる方法に関し、光デバイスは、第１表面および第２表面を有するポリマーフィルムと、第１表面上に配置された第１電極と、第２表面上に配置された第２電極と、ポリマーフィルムに接続された変形しない剛性の光素子と、を有する。上記方法は、第１電極および第２電極間に電圧を印加するステップを有し、それにより剛性の光素子をポリマーフィルムに対して平行な面に沿って実質的に変位させる。
【００２５】
本発明による光デバイスの実施形態は、以下のステップを有する手順によって得たものであってもよい。
【００２６】
すなわち、ポリマーフィルムを所定量、例えば、ｘ方向に２００％およびｙ方向に３００％延伸させるステップと、
ポリマーフィルムを保持手段、例えば包囲フレームに取り付けるステップと、
ポリマーフィルムの第１表面上に第１電極を設けるステップと、
ポリマーフィルムの第２表面上に第２電極を設けるステップと、
ポリマーフィルムよりも機械的に硬質な材料からなる剛性の光素子を、電極の少なくとも１つに近接するポリマーフィルムの少なくとも１つの表面に設けるステップと、
を有する手順である。
【００２７】
製造方法の第２実施形態は以下のステップを有する。
【００２８】
すなわち、ａ）支持表面上に剛性の光素子を配置するステップと、
ｂ）剛性の光素子上に亘ってポリマーを分布させ、少なくともポリマーを部分的に硬化させてポリマーフィルムを形成するステップと、
ｃ）ステップａ）およびｂ）によって得られた集成体を支持表面から取り外し、剛性の光素子と共にポリマーフィルムを延伸させるステップと、
ｄ）ポリマーフィルムを保持手段、例えば包囲フレームに取り付けるステップと、
ｅ）ポリマーフィルムの第１表面上に第１電極を設けるステップと、
ｄ）ポリマーフィルムの第２表面上に第２電極を設けるステップと、
を有する。
【００２９】
本発明の詳細な説明と他の態様について以下に述べる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】本発明による、光デバイスの第１実施形態（第１状態）を示す図
【図１Ｂ】第１実施形態（第２状態）を示す図
【図１Ｃ】第１実施形態の上面図
【図１Ｄ】第１実施形態の代替の形態を示す図
【図２Ａ】本発明による、光デバイスの第２実施形態（第１状態）を示す図
【図２Ｂ】第２実施形態（第２状態）を示す図
【図２Ｃ】第２実施形態（第３状態）を示す図
【図２Ｄ】第３実施形態の上面図
【図２Ｅ】第３実施形態（第２状態）の上面図
【図２Ｆ】第２実施形態の代替の形態側面図
【図２Ｇ】第２実施形態の代替の形態上面図
【００３１】
発明の詳細な説明
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。
【００３２】
定義
「軸方向」との用語は、弛緩状態にあるポリマーフィルム表面に垂直な方向、すなわち、いくつかの図面に示される光軸ＡＡに平行な方向に一致する方向を示すために広く用いられる。「横方向」との用語は、軸方向に垂直な方向、すなわち、ポリマーフィルムに平行な方向を示すために用いられる。
【００３３】
「変形しない剛性の光素子」との用語は、ポリマーフィルムよりも実質的に硬い、すなわち、ポリマーフィルムの１つのヤング率に比して少なくとも１０倍、特に少なくとも１００倍を超えるヤング率を有している素子のことを示す。
【００３４】
イントロダクション
本発明は、変形を引き起こすマクスウェル応力による変形を利用するものである。この現象は、２つのコンプライアント電極間に挟まれたポリマー物質の変形に関連している。電極間に電圧が印加されると、自由電荷から生じる静電力によりポリマーは圧搾および延伸される。本発明は、様々な形態、例えば、電気活性光スクランブラまたは電気活性光素子変位デバイスとして実施可能である。以下では、これらの用途のうちいくつかを説明する。
【００３５】
電気活性光スクランブラ
本発明の可能な一実施形態は、図１Ａ乃至１Ｃに示される電気活性光スクランブラである。本実施形態は、第１表面１０２および第２表面１０３を有するポリマーフィルム１０１を有する。ポリマーフィルム１０１は、有利にはシリコーンゴムなどのエラストマー、アクリル誘電体エラストマー、デュロプラストエラストマー、熱可塑性エラストマー、または、ポリウレタンを含む。誘電ポリマーの特徴としては、軟性（コンプライアント）で、比較的高い誘電率（約２またはそれ以上）を有し、高い絶縁破壊強度（数十から数百ｋＶ／ｍｍ）を有することなどがある。
【００３６】
本実施形態は、また、
第１表面上１０２上に配置された第１電極１０５と、
第２表面上１０３上に配置された第２電極１０６と、
第１もしくは第２表面に接続された、または、ポリマーフィルム１０１に埋め込まれた変形しない剛性の光素子１０４と、を有している。光素子は、拡散（屈折、反射、回折、または、吸収）構造に対応している。光素子は、接着剤もしくは溶接の手段により第１もしくは第２表面に直接固定されてもよく、または、圧着手段によりポリマーフィルムに接続されてもよい。光構造体は、剛性で、動作中変形しない。
【００３７】
ポリマーフィルム１０１は、好ましくは、予延伸されており、ポリマーフィルムの保持手段を形成する第１および第２保持フレーム１０７および１０８のそれぞれに接続されている。本実施形態では、ポリマーフィルム１０１のエッジ領域は、第１および第２保持フレーム１０７，１０８間に圧着され、従って、保持手段に保持される。
【００３８】
当業者に知られているように、「予延伸」（または、予歪み）との用語は、引張り歪み、すなわち、ポリマーフィルムを水平に保つようにする張力下で、ポリマーフィルムを保持フレーム１０７，１０８に懸架することであると理解されよう。
【００３９】
ポリマーフィルムは、保持手段に自由懸架されている、すなわち、（光素子１０４を除いて）ポリマーフィルムの表面に接触する静止した剛性の構成要素をさらに用いることなく、保持手段によって支持されているのみである。
【００４０】
第１電極１０５は第１導線１０９に接続され、第２電極１０６は第２導線１１０に接続されている。導線１０９および１１０は、電圧Ｖに接続される。
【００４１】
電極はコンプライアント、すなわち、損傷することなくポリマーフィルム１０１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。
【００４２】
・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／導電グリース
・金属イオン（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）
・（真性導電体であるかまたは複合体である）導電性ポリマー
【００４３】
電極は、以下のいずれかの技術を使用して付着されてもよい。
【００４４】
・吹き付け
・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
・フォトリソグラフィ
・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
【００４５】
付加的に、光素子１０４が構造化されていてもよい。適切な形状は、例えば、以下のものであればよい。
【００４６】
・球面レンズ（凹面および凸面）
・フレネルレンズ
・円筒レンズ
・非球面レンズ（凹面および凸面）
・平面
・方形形状、三角形状、ライン状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）構造またはナノ（例えば、反射防止コーティング）構造１１１，２１１を、光素子１０４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。反射防止層が光デバイスの少なくとも１つの表面に形成される場合、反射防止層は、有利には、透過光の波長よりも小さいサイズを有する微細構造によって形成される。典型的には、このサイズは、赤外線を使用する装置では５μｍより小さく、近赤外線を使用する装置では１μｍより小さく、可視光を使用する装置では２００ｎｍより小さい。
【００４７】
光素子１０４を形成および構造化するために、例えば、以下の任意の方法を利用できる。
【００４８】
・成形、特に射出成形／注型成形処理
・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
・（例えば、化学もしくはプラズマ）エッチング
・スパッタリング
・熱エンボス加工
・ソフトリソグラフィ（すなわち、ポリマーを予成形した基板上に成形する）
・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）
・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）
【００４９】
光素子１０４は、例えば、以下の材料を有しているか、または、以下の材料からなる。
【００５０】
・ＰＭＭＡまたはＰＣ
・ガラス
・プラスチック
・ポリマー
・結晶質、特に、単一結晶材料
【００５１】
ポリマーフィルム１０１は、例えば、以下の材料を有しているか、または、以下の材料からなる。
【００５２】
・ゲル（Ｌｉｔｅｗａｙ社の光ゲルＯＧ−１００１）
・エラストマー（ＴＰＥ，ＬＣＥ，例えばＰＤＭＳ  Ｓｙｌｇａｒｄ１８６などのシリコーン、アクリル、ウレタン）
・熱可塑性材料すなわちサーモプラスト（ＡＢＳ，ＰＡ，ＰＣ，ＰＭＭＡ，ＰＥＴ，ＰＥ，ＰＰ，ＰＳ，ＰＶＣ，…）
・デュロプラスト
【００５３】
電極の形状は、円形、四角形、または任意の他の適切な形状であればよい。
【００５４】
図１Ａは、電圧を印加しない状態のデバイスを示す。図１Ｂに示される第２状態においては、導線１０９，１１０を介して電極１０５，１０６間に電圧Ｖ≠０が印加される。電極１０５，１０６間のポリマーフィルム１０１は圧縮される。ポリマーフィルムの体積非圧縮率により、コンプライアント電極間にあるポリマーフィルムの領域は、横方向に広がる。その結果、光素子は、距離ｄ１だけ横方向に変位する。ポリマーフィルムが予延伸されることにより、第１および第２電極１０５，１０６の間にない領域、および、光素子に接続されていない領域は、横方向に収縮する。これにより、デバイスは面外座屈から保護される。
【００５５】
ポリマーフィルムの歪み（一般的に、数十パーセントのオーダである）は、電圧Ｖと二次的な関係にある。電圧Ｖは、ポリマーフィルムの厚みに依存して数ｋＶのオーダであればよい。電圧を低減するために、有利には、複数のコンプライアント電極を有する多層構造が形成されてもよい。複数のコンプライアント電極は、互いに重なり合って積層され、かつ、交互に２つの異なる電位が印加される、すなわち、第１，第３，第５などの電極に第１電位が接続され、第２，第４，第６電極に第２電位が接続される。
【００５６】
図１Ｃは、図１Ａおよび図１Ｂの第１実施形態の上面図を示す。ポリマーフィルムは、有利には、長方形型保持フレーム１０７，１０８に取り付けられる。
【００５７】
図からわかるように、ポリマーフィルム１０１の平面は、３つの部分領域１２０，１２１，１２２に分割される。電極１０５，１０６は、第１部分領域１２０に配置される。光素子は、第２部分領域に配置される。第１部分領域１２０は、光素子１０４の端からフレーム１０８の第１側端１０８ａまで延びている。電極が配置されていない第３部分領域１２２は、光素子１０４の対向するエッジからフレーム１０８の第２側端１０８ｂまで延びている。第１側端１０８ａおよび第２側端１０８ｂは、互いに対向して配置されている。複数の電極が光素子１０４の第１側面１０４ａ（すなわち、第１側端１０８ａに対向している側面）に配置されるが、光素子１０４の第２側面１０４ｂ（すなわち、第２側端１０８ｂに対向している側面）には配置されないというこの構成により、光素子１０４は、一つの次元に沿って効率的に変位することが可能になる。
【００５８】
図１Ｄは、本発明による第１実施形態の代替形態の上面図を示す。図１Ｄは、いくつかの、本実施例では２組の、第１および第２電極がポリマーフィルム１０１の表面１０２および１０３上に配置されている点で、図１Ａ、図１Ｂ、および、図１Ｃと異なっている。電極１０５ａおよび１０６ａ間に印加された電圧により、ｘ方向における剛性の光素子１０４の横方向への変位が制御される。電極１０５ｂおよび１０６ｂ間に印加された電圧により、ｙ方向における剛性の光素子１０４の横方向への変位が制御される。
【００５９】
図１Ｄからわかるように、本実施形態において、フレーム１０８は４つの側端１０８ａ〜ｄを有する。複数の電極が光素子１０４の第１側面１０４ａおよび第３側面１０４ｃに配置されているが、第２側面１０４ｂおよび第４側面１０４ｄには配置されていない。ここで、側面１０４ａおよび１０４ｂ間の接続ラインは、側面１０４ｃおよび１０４ｄ間の接続ラインに対して横切るように、特には、垂直に延びている。これにより、光素子１０４は、ポリマーフィルム面の二つの次元に沿って効率的に変位することが可能になる。
【００６０】
図１Ｄのデバイスを動作させるために、例えば９０°の相互位相シフトを有する２つの振動信号を形成可能である発振器１３０が用いられる。
【００６１】
一般的に、光スクランブラなどの周期的な往復運動を行うために、光素子１０４が変位しなければならないようなデバイスを動作させる際には、周期的に変化する電気信号を形成する信号源１３０が設けられなければならない。有利には、信号の周波数は、光素子１０４の運動の共振周波数であるべきで、従って、比較的小さな信号で大きな機械的振動を得ることができる。数ｍｍのサイズのデバイスを有する典型的な適用例において、電気信号の周波数は、デバイスのサイズ、光素子の重量、および、ポリマーフィルムの弾性特性に依存して１００−１００００Ｈｚのオーダである。
【００６２】
このタイプの共振振動は、光素子が一方向にのみ変位する図１Ｃのタイプの光スクランブラ、または、光素子が二方向に変位する図１Ｄのタイプの光スクランブラにおいて使用できる。
【００６３】
しかし、共振振動は、光スクランブラ以外のデバイスにも使用可能である。
【００６４】
デバイスを光スクランブラとして使用する場合には、光素子１０４は、往復運動をする際に可視スペックル効果の破壊を行えるように成形されていなければならない。例えば、光素子１０４は、その表面にレンズアレイを有するかまたは他の光拡散器を有する、透明材料の平板であってもよい。このようなスクランブル素子は、当業者には公知である。
【００６５】
しかし、表面にレンズアレイを有する光素子は、ビーム散乱を生成することがわかっている。これは、レーザビームを用いる画像プロジェクタなど、多くの用途において不利益である。よりよい解決策が図１Ａに点線１０４"で示されており、ここで、光素子の表面は湾曲している。レーザビームによって接触されている領域のほぼ全体において、光素子は、完全に凸のまたは完全に凹のいずれかの表面を有している必要がある（凸または凹との用語は、非球面も含むことに注意が必要である）。上記のように、湾曲部にはマイクロ構造１１１が重ねられている（湾曲部１０４"に対しては図示されていない）。マイクロ構造１１１は凸または凹であってもよいが、曲率は小さくなければならない。すなわち、素子の焦点距離は、小さな散乱角を得るために、大きくなければならない。このタイプの素子は、周期的に振動する場合、好ましくないビーム散乱効果を避けると同時に、任意のスペックルを除去するのに十分であることがわかっている。
【００６６】
一般的に、光ビームをスクランブリングするために、光素子１０４が振動している間、光ビームは光素子１０４を通して送信されるか、光素子１０４によって反射される。光素子１０４を通過する光ビームの光路長（すなわち、その延在方向は光ビームに平行である）は、光素子１０４の変位方向に沿って変化する。
【００６７】
電気活性光素子変位デバイス
上記の技術は、電気活性光スクランブラだけではなく、レンズ位置決め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。「レンズ位置決め」とは、本文中では横方向、すなわち、レンズの光軸ＡＡに対して垂直な方向のレンズの変位のことを示す。
【００６８】
レンズ位置決めデバイスの例を図２Ａ乃至２Ｃに示す。これらの図は、４組の第１および第２電極が、ポリマーフィルム２０１上の表面２０２および２０３上に配置されている点で、図１Ａ、図１Ｂ、および、図１Ｃと異なっている。光素子１０４は、例えば、レンズもしくはミラーなどの屈折性、回折性、反射性、または、吸収性の光素子２０４で置き換えられている。
【００６９】
図２Ａは、本発明による第１状態における光デバイスの実施形態を示す。この実施形態には、以下が含まれる。
【００７０】
・第１表面２０２および第２表面２０３を有するポリマーフィルム２０１。ポリマーフィルム２０１は、有利には、シリコーンゴム、アクリル誘電体エラストマー、ポリウレタン、または、他の変形可能なエラストマーで作製されている。誘電体ポリマーの特徴は、軟質であり（コンプライアント）、比較的高い誘電率（約２またはそれ以上）を有し、高い絶縁破壊強度（数十から数百ｋＶ／ｍｍ）を有することなどがある。
・第１表面２０２上に配置された２つ以上の第１電極２０５ａ〜ｂ
・第２表面２０３上に配置された２つ以上の第２電極２０６ａ〜ｂ
・第１もしくは第２表面に接続された、または、ポリマーフィルム２０１に埋め込まれた、例えば、レンズなどの剛性の光素子２０４。光素子は、屈折構造もしくは反射構造に対応している。光素子は、接着剤もしくは溶接の手段によりポリマーフィルムの表面のうちの１つに直接固定されていてもよい。代替として、光素子は、接着または圧着の手段によりポリマーフィルムに固定されていてもよい。剛性の光素子２０４は、変形しないか、または少なくとも動作中は実質的に変形しない。
【００７１】
第１実施形態と同様の理由により、ポリマーフィルムは有利には、第１保持フレーム２０７および第２保持フレーム２０８の間の端部領域においてそれぞれ予延伸および圧着される。第１電極２０５ａ〜ｂは第１導線２０９ａ〜ｂに接続され、第２電極２０６ａ〜ｂは第２導線２１０ａ〜ｂに接続されている。導線２０９および２１０は、電圧Ｖに接続されることが意図される。
【００７２】
電気活性光素子変位デバイスの材料および製造プロセスは、電気活性光スクランブラの材料および製造プロセスと同じである。
【００７３】
図２Ａは、電圧がない状態のデバイスを示す。図２Ｂに示される第２状態において、導線２０９ａおよび２１０ａを介してそれぞれ電極２０５ａおよび２０６ａ間に電圧Ｖが印加される。電極２０５ａ〜２０６ａ間のポリマーフィルム２０１は圧縮される。ポリマーフィルムの体積非圧縮率により、コンプライアント電極間にあるポリマーフィルムの領域は、横方向に広がる。その結果、光素子２０４は、距離ｄ２だけ横方向に変位する。ポリマーフィルムが予延伸されることにより、駆動される第１および第２電極２０５ａ〜２０６ａ間にない領域、および／または、光素子に接続されている領域は、横方向に縮む。これにより、デバイスは面外座屈から保護される。
【００７４】
図２Ｃに示す第３状態において、導線２０９ｂを介して電圧が電極２０５ｂに、および２１０ｂを介して電圧が２０６ｂに印加される。電極２０５ｂ〜２０６ｂ間にあるポリマーフィルム２０１は圧縮される。ポリマーフィルムの体積非圧縮率により、コンプライアント電極２０５ｂおよび２０６ｂ間にあるポリマーフィルムの領域は、横方向に広がる。その結果、光素子２０４は、距離ｄ３だけ横方向に変位する。ポリマーフィルムが予延伸されることにより、駆動される第１および第２電極２０５ｂ〜２０６ｂの間にない領域、または、光素子に接続されている領域は、横方向に収縮する。これにより、デバイスは面外座屈から保護される。
【００７５】
図２Ｄは、電圧を印加しない状態の、本発明による第３実施形態の代替形態の上面図を示す。これらの図は、４組の第１および第２電極が、ポリマーフィルム上の表面２０２および２０３上に配置されている点で、図２Ａ、図２Ｂ、および、図２Ｃと異なっている。電極２０５ａ〜ｂおよび２０６ａ〜ｂ間に印加される電圧により、ｘ方向における剛性の光素子２０４の横方向への変位が制御される。電極２０５ｃ〜ｄおよび２０６ｃ〜ｄ間に印加される電圧により、ｙ方向における剛性の光素子２０４の横方向への変位が制御される。
【００７６】
図２Ｅは、第３実施形態の第２状態を示す。導線２０９ａおよび２１０ａを介して、電圧Ｖが電極２０５ａおよび２０６ａ間に印加される。電極２０５ａ〜２０６ａ間にあるポリマーフィルム２０１は圧縮される。ポリマーフィルムの体積非圧縮率により、コンプライアント電極間にあるポリマーフィルムの領域は横方向に広がる。従って、光素子は、ｘ方向において横方向に変位する。ポリマーフィルムが予延伸されることにより、駆動される第１および第２電極２０５ａ〜２０６ａ間にない領域、および／または、光素子に接続されている領域は、横方向に縮む。
【００７７】
図２Ｆおよび２Ｇは、本発明の第２実施形態の代替を示す。これらの図は、例えば、レンズまたはスクランブリング素子などの剛性の光素子２０４が、中間素子２１２を介してポリマーフィルム２０１に接続されているという点で、図２Ｄおよび２Ｅと異なっている。中間素子２１２は、ポリマーフィルム２０１の対向する側面に接続されている一対の剛性のリング２１２ａ、２１２ｂを有している。中間素子２１２は、接着剤または圧着によりポリマーフィルム２０１に接続されてもよい。剛性の光素子２０４は、例えば、接着剤または中間素子２１２に押し付けるなどの手段により、中間素子２１２に装着される。図２Ｆおよび２Ｇの実施形態において、剛性の光素子２０４は、電極２０５ａ〜２０５ｄおよび２０６ａ〜２０６ｄに電圧を印加することにより、ポリマーフィルム２０１に対して平行に変位可能な、レンズである。
【００７８】
電極２０５ａ〜２０５ｄおよび２０６ａ〜２０６ｄは、ここでも剛性の光素子２０４周囲のセグメントとして配置されている。電極２０５ａおよび２０６ａ間に印加された電圧により、ｘ方向における剛性の光素子２０４の横方向への変位が制御される。電極２０５ｂおよび２０６ｂ間に印加された電圧により、ｙ方向における剛性の光素子２０４の横方向への変位が制御される。
【００７９】
図２Ｆおよび２Ｇのデバイスを製造するために、ポリマーフィルムはまず、フレーム２０８または他のより大きなフレームのいずれかのフレーム内で延伸される。ついで、例えば、プリント技術により、電極が形成される。ここで、２つの剛性リング２１２ａ，２１２ｂはポリマーフィルムに取り付けられ、それにより、中間素子２１２が形成される。付加的に、ポリマーフィルムにフレーム２０８が取り付けられていてもよい。最後に、光素子２０４が、中間素子２１２に挿入される。
【００８０】
注記
一般的に、図に示されているように、有利には、デバイスは、平面状に構成されているポリマーフィルムを有している。１つのポリマーフィルムの表面には、電極が設けられている。剛性で、変形しない光素子がポリマーフィルムに接続されている。電極に電圧を印加することで、横方向、すなわち、ポリマーフィルムの平面に平行な方向に光素子が変位する。
【００８１】
典型的には、図に示されているように、ポリマーフィルムの平面は、デバイスの光軸ＡＡに対して垂直な方向に延在している。光軸ＡＡは、デバイスで処理される光に対して平行な軸である。従って、電極に電圧を印加することで、剛性の光素子は処理される光に対して垂直に変位する。
【００８２】
さらに、示されるように、電極は有利には、横方向で見て剛性の光素子の外側に配置される。
【００８３】
ポリマーフィルムの変形は、使用された材料の弾性率および誘電率、材料の形状、および、境界条件に依存する。
【００８４】
光素子の形状、および、ポリマーフィルムおよび電極の形状も、これら様々な用途に適合させることが可能である。特に、電極、フィルム、および、光素子は任意の適切な形状、例えば、方形形状、三角形状、円形状、または、多角形状であってもよい。第１および第２電極は、アニュラス形状であってもよい。
【００８５】
本発明は、上記のポリマーフィルムの形状に限定されるものではない。実際、ｘまたはｙ方向に対して平行ではない方向において光素子を変位させるための、他の形状も使用可能である。
【００８６】
上述したように、剛性の光素子１０４，２０４は、ポリマーフィルムに組み込まれてもよく、すなわち、例示により図１Ａの点線で示されている光素子１０４’で図示されているように、ポリマーフィルムに部分的または完全に埋め込まれていてもよい。
【００８７】
適用例
光デバイスは、下記のような多岐にわたる用途に使用できる。
【００８８】
・投射型デバイス、例えば、ビーム発生器におけるマクロおよびマイクロプロジェクタ、および、携帯デバイスのためのプロジェクタの光学部品用途
・レーザ計測システム
・ディスプレイ
・カメラにおける画像安定化
・工業システムにおける画像安定化
・レーザ切断または溶接を含む工業用途
・顕微鏡
・任意の種類のカメラを有する視覚システム
・研究アプリケーションにおける光スクランブリング
・遠隔通信の用途（振幅変調）
・発光素子の面に亘って吸収素子を位置決めすることによる色彩制御、発光のための指向性光制御、ＬＥＤ発光の輝度制御を含む、発光制御
【００８９】
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１Ａ−１Ｂ】
0005535240.tif 000002
【図１Ｃ】
0005535240.tif 000003
【図１Ｄ】
0005535240.tif 000004
【図２Ａ−２Ｃ】
0005535240.tif 000005
【図２Ｄ】
0005535240.tif 000006
【図２Ｅ】
0005535240.tif 000007
【図２Ｆ】
0005535240.tif 000008
【図２Ｇ】
0005535240.tif 000009