(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形可能な膜（２）及び作動手段（５）を備える光学デバイスであって、
前記膜（２）が、支持体（１．５）の一方の面と接触した状態で一定量のリキッド（４）を収容することを補助するための前記支持体（１．５）上に配置されている係留領域（２．３）と、静止ポジションから可逆的に変形可能な中央領域（２．１）と、を備えており、
前記作動手段（５）が、前記中央領域（２．１）と前記係留領域（２．３）との間に位置している押圧部（２００）において前記膜（２）を押圧することによって、前記中央領域（２．１）内において前記リキッド（４）を変位させるように構成されている、前記光学デバイスにおいて、
前記作動手段（５）が、前記膜（２）の周縁に分散配置されている複数のマイクロビームタイプの熱アクチュエータ又は圧電アクチュエータ（５．１）を備えており、
前記熱アクチュエータ又は圧電アクチュエータ（５．１）は、動作中に前記支持体（１．５）に結合されている少なくとも一つの固定部と、動作中に前記押圧部（２００）において前記膜（２）と接触している少なくとも一つの可動部と、を有していることを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記可動部は、前記静止ポジションにおいて、前記膜（２）の前記押圧部（２００）と接触するものではないことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記可動部は、前記静止ポジションにおいて前記膜（２）の前記押圧部（２００）と接触しているか、又は、前記静止ポジションにおいて前記膜（２）の前記押圧部（２００）に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記マイクロビームタイプのアクチュエータ（５．１）は、間接的な様式で前記支持体に結合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記マイクロビームタイプのアクチュエータ（５．１）は、前記係留領域（２．３）における前記膜（２）によって前記支持体（１．５）に結合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記マイクロビームタイプのアクチュエータ（５．１）は、前記膜（２）の外側において前記支持体（１．５）に結合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記マイクロビームタイプのアクチュエータ（５．１）は、前記リキッド（４）と接触するか、あるいは前記リキッド（４）と接触しないものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記膜は、前記マイクロビームタイプのアクチュエータ（５．１）と一体化されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記マイクロビームタイプのアクチュエータ（５．１）は、前記膜（２）の二つの層（２０．１，２０．２）の間に挿入されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
前記マイクロビームタイプのアクチュエータ（５．１）は、動作中に屈曲するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記膜（２）は、前記膜（２）の表面全体を占める少なくとも一つの連続層（２．１２）を具備してなることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
前記押圧部（２００）が、前記中央領域（２．１）と前記中央領域（２．１）を取り囲む前記係留領域（２．３）との間に位置する前記膜の補強領域（２．２）に含まれており、前記補強領域（２．２）が、前記中央領域（２．１）の剛性および前記係留領域（２．３）の剛性より大きな剛性を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１３】
前記補強領域（２．２）は、前記中央領域（２．１）に侵入することなく前記中央領域（２．１）まで延在しているか、あるいは前記中央領域の手前で終端をなしていることを特徴とする請求項１２に記載の光学デバイス。
【請求項１４】
前記補強領域（２．２）は、前記係留領域（２．３）に侵入することなく前記係留領域（２．３）まで延在しているか、あるいは前記係留領域の手前で終端をなしていることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の光学デバイス。
【請求項１５】
前記補強領域（２．２）は、前記膜（２）の表面全体を占める連続層（２．１２）を具備してなり、
前記連続層（２．１２）が、前記補強領域（２．２）において、前記中央領域（２．１）より厚肉とされることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１６】
前記補強領域（２．２）は、前記膜（２）の表面全体を占める少なくとも一つの連続層（２．１２）と付加的な層（２．２０）とからなるスタックを具備してなることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１７】
前記係留領域（２．３）は、前記膜（２）の表面全体を占める少なくとも一つの連続層（２．１２）を備えており、
前記連続層（２．１２）が、前記補強領域（２．２）において、前記中央領域（２．１）より薄肉とされることを特徴とする請求項１２ないし請求項１６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１８】
中間ガード領域（２．４，２．５）が、前記係留領域（２．３）と前記補強領域（２．２）との間、および／または前記補強領域（２．２）と前記中央領域（２．１）との間に配置されており、前記中間ガード領域（２．４，２．５）は、前記膜（２）の表面全体を占める少なくとも一つの連続層（２．１２）を具備してなり、
前記連続層（２．１２）が、前記中間ガード領域（２．４，２．５）において、前記中央領域（２．１）より薄肉とされることを特徴とする請求項１２ないし請求項１７のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１９】
前記補強領域（２．２）は、単一部分からなるか、または複数の補強部（２．２ａ）に分割されていることを特徴とする請求項１２ないし請求項１８のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項２０】
前記押圧部（２００）の表面積は、補強領域（２．２）が単一部分から形成された場合には補強領域（２．２）の表面積より、あるいは補強領域（２．２）が分割された場合には前記補強部（２．２ａ）の表面積より小さいことを特徴とする請求項１９に記載の光学デバイス。
【請求項２１】
前記補強部（２．２ａ）のそれぞれが、前記中央領域（２．１）を取り囲むか、あるいは前記補強部（２．２ａ）のすべてが前記中央領域（２．１）を取り囲んでいることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の光学デバイス。
【請求項２２】
前記補強領域（２．２）が、複数の前記補強部（２．２ａ）を備えている場合に、
前記補強部（２．２ａ）が、前記中央領域（２．１）の周囲に沿って非連続的に且つ環状に配置されており、
前記膜（２）が、前記中央領域（２．１）を囲んでいる連続強化領域（２．６）を備えており、
前記連続強化領域（２．６）が、前記補強部（２．２ａ）より高剛性とされ、
前記連続強化領域（２．６）が、前記中央領域（２．１）と前記補強部（２．２ａ）との間に配置されていることを特徴とする請求項１９ないし請求項２１のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項２３】
前記補強領域（２２）は、連続的な環状とされるか、又は複数の部分から成る不連続な環状とされ、前記補強領域（２２）から前記中央領域（２．１）又は前記係留領域（２．３）へ向かって突出している放射状指状部を備えていることを特徴とする請求項１２ないし請求項１９のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項２４】
前記支持体（１．５）は、実質的に平坦なものであるか、または前記リキッド（４）を収容するための皿（３）を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項２３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項２５】
前記支持体（１．５）は、ともに組み合わせられた二つの基部（１００，１１０）を具備してなり、前記膜（２０）は、前記基部（１００）の一つに結合されており、前記マイクロビームタイプのアクチュエータはもう一方の基部（１１０）に連結されていることを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項２６】
前記支持体（１．５）は、２つの主平面を有しているフレーム（１）を備えており、
前記膜（２）が、前記フレーム（１）の前記主平面のうち一方の主平面に係留されており、
第２の膜（２０）が、前記フレーム（１）の前記主平面のうち他方の主平面に係留されていることを特徴とする請求項１ないし請求項２５のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項２７】
前記支持体（１．５）は、フレーム（１）と、前記リキッド（４）のための皿（３）を形成することを補助する前記フレームに固定された透過性プレート（１．１）と、を具備してなり、前記透過性プレートは、実質的に平坦でありかつ平行な面、もしくは実質的に凸形状の、前記皿に対して外側となる一面、あるいは実質的に凹形状の、前記皿に対して外側となる一面、を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項２６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項２８】
少なくとも一つの押圧部（２００）に、前記リキッド（４）の厚さを測定するための容量性手段（８．１）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項２７のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項２９】
リキッド（４）の測定された厚さに応じて、前記作動手段（５）を自動的に制御するための手段（８）が設けられていることを特徴とする請求項２８に記載の光学デバイス。
【請求項３０】
前記膜（２）は、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、パリレン、エポキシ樹脂などの有機物由来の材料、またはシリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化物、多結晶シリコン、チタニウム窒化物、ダイアモンドカーボン、スズおよびインジウム酸化物、アルミニウムなどの無機材料から形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項２９のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項３１】
前記リキッド（４）は、プロピレンカーボネート、水、所定の屈折率を有する指標リキッド、光学オイル、またはイオンリキッドであることを特徴とする請求項１ないし請求項３０のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項３２】
リキッドレンズまたはミラーであることを特徴とする請求項１ないし請求項３１のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項３３】
請求項１ないし請求項３２のいずれか一項に記載の少なくとも一つの光学デバイス（Ｌ，Ｌ’）を具備してなることを特徴とするカメラデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点距離リキッドレンズなどの変形可能な膜を備える光学デバイスに関するものであり、リキッドレンズは、適応光学(アダプティブ光学)あるいは膜状可変ミラーにおける光学収差の補正をするものである。
【０００２】
すべてのタイプの可変焦点距離リキッドレンズにおいて、その少なくとも一つが変位可能な壁同士の間の一定の空間において動作する光学リキッドの形態のものが存在する。光学リキッドは、その光の反射率に適当な光学特性を有し、かつ１より大きい、代表的には１.４または１.５より大きい指標(index)を有するリキッドを用いるものである。以下ではこれを用語「リキッド」として簡単化して使用する。こうしたタイプのレンズをカメラ付き携帯電話に組み込まれたカメラなどのミニチュアカメラに使用することにおいて、その焦点距離を変更するための機械的構造が複雑であり、そのサイズがレンズのコストおよび信頼性に関して不利に働くため、困難が伴う。
【０００３】
目で見えるように動作するこれらのミニチュアカメラは、ＣＣＭ(コンパクトカメラモジュール)として知られている。当該ＣＣＭには、その湿潤性を変化させるために電圧が付与される一つまたは二つのリキッドを含むレンズが備えられる。
【０００４】
特にオートフォーカス機能およびズーム機能を含む数多くの開発がなされてきた。これらの機能を導入する際の課題は、可能な限り応答時間を短くすることで実現されてきた。さらに一般的には、その課題として、コスト、サイズおよびエネルギー消費量を低減するためにできる限りこれらのＣＣＭの構成要素を一体化することが挙げられる。
【０００５】
他の用途は、赤外線(ＩＲ)で作動するカメラに関連するものである。一体化に関する発展は大きくなく、多くの場合において光学素子はカメラから分離されている。いくつかの開発、特に光学素子の一体化(カメラモジュールの作成)、オートフォーカス機能などを兼ね備えることに関する開発が行われている。今のところ、関連する技術的解決は得られておらず、そのためそれを明らかにする必要がある。
【０００６】
膜状可変ミラーの使用においてミラーは反射するものである。当該ミラーの焦点距離ならびにその曲率半径を調節することが望まれてもよい。そうしたミラーは眼科学または適応光学に使用されてもよい。
【背景技術】
【０００７】
少なくとも一方が変位可能な壁同士の間の一定の間隔における可変焦点距離リキッドレンズなどの可変焦点距離を有する光学デバイスは、いくつかの特許文献、例えば：特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７および特許文献８に記載の発明の対象となっている。
【０００８】
上記特許文献のうちで携帯電話機用カメラへの使用を開示するものはなく、その代わりに、望遠鏡、光学的顕微鏡、およびデジタルカメラへの使用を開示している。実際に、膜と連携する機械的構造はすべてにおいて非常に複雑でありかつこのタイプの用途に関しては非常に高価なものとなる。
【０００９】
図１５Ａ，１５Ｂには、引用文献１に開示される二つの可変焦点距離リキッドレンズの例を示す。これらのレンズは、最も簡単なレンズとして図示されているため、選択された。
【００１０】
図１５Ａのリキッドレンズ１０００は、第１の中央透過性弾性フィルム１０６ａと、第２の中央透過性弾性フィルム１０６ｂと、周縁弾性フィルム１０４と、周縁コンテナ１０５とを備える。第１および第２の中央透過性弾性フィルム１０６ａ，１０６ｂは、互いに対向するように配置されている。周縁弾性フィルム１０４は、第１の中央透過性弾性フィルム１０６ａの周囲に固定されており、かつその全体が第１の膜を形成する。第１の膜は、周縁コンテナ１０５の一つの面に係留(anchor)されている。第２の膜は、第２の弾性フィルムを備えている。それは、周縁コンテナの他方の面に係留されている。すべての要素は、互いに密封状態でシールされておりかつリキッド１０３を含んでいる。リキッド１０３に圧力をかける機能を有するレンズ１０２の作動手段は、周縁弾性フィルム１０４において作動する。それは、冠形状コンテナ２０３内に配置された複数のアクチュエータ２０１を備える。このコンテナは他に比べて厚みがあるものである。この動作は、周縁弾性フィルム１０４へ移行されるリングを経て膜上で実施される。二つのコンテナ１０５，２０３が互いに面するように組み合わせられている。透過性フィルムのみが光学的な役割を有し、かつ周縁弾性フィルムのみが機械的な役割を有する。
【００１１】
これらのリキッドレンズ１０００は、以下に挙げるような欠点を有している。
【００１２】
重要な欠点は、特にコンテナが原因となる、やっかいでありかつ複雑なタイプの作動に関連する。
【００１３】
これらのレンズを製造する方法は、多科学的でありかつ不可分なものである。この方法は、レンズを生成し、そしてレンズを形状付けるための処理するプラスチック、コンテナを形成するための射出および機械的工法から始まる。フィルムをコンテナへ密封状態で取り付けるための方法は、シーリング(プラスチック−プラスチック、プラスチック−ガラス、プラスチック-金属)の特性に応じて異なるものである。加えて、実施されるシーリングは同一平面においてすべてが配されるのではなく、それは、使用される方法および必要な道具を著しく複雑にするフィルムまたはプレートのやっかいな操作を要するものである。こうした技術は、マイクロエレクトロメカニカルシステムＭＥＭＳまたはマイクロフォトエレクトロメカニカルシステムＭＯＥＭＳを形成するために使用される従来のバッチ製造方法と互換性がない。ゆえに、そのコストは、そのサイズにしては非常に高いものとなる。
【００１４】
さらに、組立中に透過性弾性フィルムを周縁弾性フィルム上に配置すること、およびリングの搬送中にリングを周縁弾性フィルム上に完璧に配置することは難しい。他に、リングに対してアクチュエータを申し分なく配置することも難しい。もし配置が正確なものでない場合には、光学収差は得られるイメージの質を低下させる。
【００１５】
加えて、作動手段によって変位されるようになる周縁弾性フィルムが、静止状態または作動状態のいずれにおいても、係留のレベルにおける周縁コンテナの表面に対してできる限り平行となることが必要とされる。そうでない場合、光学収差が生じ、そして光学収差は得られるイメージの質を低下させる。実際に図１５において、特許文献１に開示されているリキッドレンズは、作動手段を除く横断方向に存在している。光学収差のいかなる問題も避けるために、膜の一部がシーリングのレベルにおいてコンテナおよび膜を構成するさまざまなフィルムの間のシーリングまで延在する主要平面同士が、実質的に平行となる必要がある。こうした状態を所定の複数のシーリングを伴って形成するのは非常に困難である。
【００１６】
さらにまた、パッチワークの様式において、いくつかのフィルムが密封状態で互いに対して、かつリキッドを封入するようコンテナに対してシールされるため、漏出の可能性を無視できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第5 917 657号明細書(US-B-5 917 657)
【特許文献２】米国特許第6 344 930号明細書(US-B-6 344 930)
【特許文献３】特開平10−144975号公報(JP-A-10-144975)
【特許文献４】特開平08−114703号公報(JP-A- 08-114 703)
【特許文献５】米国特許出願公開第5 138 494号明細書(US-A-5 138 494)
【特許文献６】国際公開第2003/102636号パンフレット(WO 2003/102636)
【特許文献７】特開2002−243918号公報(JP2002- 243918)
【特許文献８】特開昭60−220301号公報(JP-A-60 220301)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、正確に、上記欠点(すなわち、作動手段およびそのサイズの複雑化、光学収差、高い漏出可能性、マイクロエレクトロニック環境との不和合性、バッチでの製造の不可能性)のないリキッドレンズまたはミラー可変膜を備える光学デバイスを提供するという目的を有する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明は、単純でありかつ非常に著しい様式で作動手段のサイズを小さくする、膜の周縁に配されたマイクロビーム(micro-beam)タイプのいくつかの熱または圧電アクチュエータを備える作動手段を提供する。
【００２０】
マイクロビームは、そのセクションの固有の寸法(つまり、その厚さおよびその幅)がその長さより小さくなっている物体を意味するよう用いられている。少なくとも二つの、理想的には五つより多い要素が、そのセクションの長さと固有の寸法との間に存在する。長さのオーダーの大きさは、数十マイクロメートルから数ミリメートルである。
【００２１】
さらに言えば、本発明は、一定の容積のリキッドを包含するのに役立つ支持体上に係留領域を備える可変膜を備える光学デバイスであり、リキッドは、静止ポジションから可逆的に変形可能なその面のうちの一つ(実質的に中央領域である)と接触し、中央領域におけるリキッドを変位させるための作動手段が、中央領域と係留領域との間に位置する部分で膜を押圧する。作動手段は、膜の周縁に分散されるマイクロビームタイプのいくつかの熱または圧電アクチュエータを備えており、マイクロビームは、支持体に結合される少なくとも一つの固定部と、アクチュエータにおいて、中央領域と係留領域との間に位置する了以に出膜と接触する少なくとも一つの可動部とを有する。
【００２２】
可動部は、静止ポジションにおいて膜の押圧部と接触しないものであってもよい。
【００２３】
あるいは、可動部は、押圧部と結合することが必要とされる場合には、静止ポジションにおいて膜の押圧部と接触してもよい。
【００２４】
マイクロビームタイプのアクチュエータは、係留領域における膜によって支持体に結合されてもよい。
【００２５】
あるいは、マイクロビームタイプのアクチュエータは、膜を越えて支持体に結合されてもよい。
【００２６】
マイクロビームタイプのアクチュエータは、リキッドと接触しても、もしくは接触しなくてもよい。
【００２７】
特にサイズに関して、膜はマイクロビームタイプのアクチュエータと一体化されることは有利である。
【００２８】
同様の目的から、マイクロビームタイプのアクチュエータは、膜の二つの層の間に挿入されていてもよい。作動手段のサイズは最小となるように小さくされる。
【００２９】
マイクロビームは、矩形状または孤形状になされていてもよく、弧形状に曲げられている場合、マイクロビームの長さを増加させる一方で支持体の表面を小さくすることが可能となる。さらにこれは、サイズの低減にも有利である。
【００３０】
静止ポジションにおいて、膜は、凹状、凸状、または実質的に平坦となっていてもよい。
【００３１】
膜は、膜の全表面を占める少なくとも一つの連続層を備えており、それによって漏出の可能性が低減される。
【００３２】
できる限り一様な膜の作動を生じるように、押圧部は、中央領域と、中央領域を囲む係留領域との間に位置する膜の補強領域に含まれており、補強領域は、中央領域の剛性および係留領域の剛性よりも大きな剛性を有するようにすることもできる。
【００３３】
補強領域は、係留領域に侵入することなく係留領域まで延在していても、あるいは係留領域の手前で終端をなしていてもよい。
【００３４】
補強領域は、厚手の連続層から形成されていてもよい。
【００３５】
あるいは、補強領域は、少なくとも連続層および付加的な層を積み重ねたものから形成されていてもよい。
【００３６】
係留領域は、(必要であれば薄くなされた)連続層から少なくとも形成されていてもよい。
【００３７】
中間ガード領域が、係留領域と補強領域との間に、かつ／または補強領域と中央領域との間に配置されていてもよく、中間ガード領域は、(必要であれば薄くなされた)連続層から少なくとも形成されていてもよい。
【００３８】
補強領域は、単一部分であっても、もしくはいくつかに分割されたものであってもよい。
【００３９】
圧縮部の表面積は、補強領域が単一部分からなる場合の表面積、または分割された際の補強部分の表面積よりも小さい。
【００４０】
補強部分のそれぞれが中央領域に囲まれていてもよく、あるいは補強部分全体が中央領域に囲まれていてもよい。
【００４１】
補強部分は、実質的に、円形、冠形状、多角形、三日月形状、放射状のストリップであってもよい。
【００４２】
補強部分が中央領域の周りに非連続的な冠形状を形成する場合、膜は、さらに、中央領域を囲む補強領域を備えており、この補強領域は、補強部分よりも高い剛性を有しており、かつ中央領域と補強部分との間に配置される。
【００４３】
補強領域が、冠形状、あるいは中央領域へ向かうかまたは係留領域に向かう放射状指状突出部を備える冠形状の複数の部分のものであってもよい。
【００４４】
支持体は、実質的に平坦であるか、あるいはリキッドを収容する皿を有していてもよい。
【００４５】
支持体はともに組み合わせられた二つの基部を備えていてもよく、膜がこの基部に結合されており、マイクロビームアクチュエータが他方の基部に結合されている。
【００４６】
支持体は、フレームとフレームに係留される第２の膜を備えていてもよい。
【００４７】
支持体は、フレームと、リキッドのための皿を形成することに役に立つフレームに固定された透過性プレートとを備えていてもよく、透過性プレートは、実質的に平坦でありかつ平行な面、または実質的に凹状の皿の外側にある面、あるいは実質的に凸状の皿の外側にある面を有している。
【００４８】
リキッドの厚さを測定するための容量性手段(capacitive means)が少なくとも一つの押圧部に設けられていてもよい。
【００４９】
リキッドの測定された厚さに応じて作動手段を自動的に制御するための手段が設けられている。
【００５０】
光学デバイスは、マイクロエレクトロニクスまたはマイクロシステム技術によって形成される。
【００５１】
膜は、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、パリレン、エポキシ樹脂などの有機物由来の材料またはシリコン、シリコンカーボネート、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化物、多結晶シリコン、チタニウム窒化物、ダイアモンドカーボン、スズおよびインジウム酸化物、アルミニウムなどの無機材料から形成されてもよい。
【００５２】
リキッドは、プロピレンカーボネート、水、指標リキッド、光学オイル、またはイオンリキッドから選択されてもよい。
【００５３】
さらに、本発明は、少なくとも一つの光学デバイスを備え、それによって特性付けられるカメラデバイスに関するものである。
【００５４】
本発明は、非限定的な例示として与えられる実施形態および図面によってより良く理解されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１Ａ】補強部が設けられていない状態の本発明の光学デバイスの一例を示す図である。
【図１Ｂ】補強部が設けられていない状態の本発明の光学デバイスの一例を示す図である。
【図１Ｃ】補強部が設けられていない状態の本発明の光学デバイスの一例を示す図である。
【図１Ｄ】補強部が設けられていない状態の本発明の光学デバイスの一例を示す図である。
【図１Ｅ】補強部が設けられていない状態の本発明の光学デバイスの一例を示す図である。
【図２Ａ】本発明の光学デバイスの作動手段を概略的に示す図である。
【図２Ｂ】本発明の光学デバイスの作動手段を概略的に示す図である。
【図３．１】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．２】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．３】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．４】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．５】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．６】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．７】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．８】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．９】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．１０】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．１１】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．１２】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．１３】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．１４】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図３．１５】本発明の光学デバイスの膜の変形例の断面図である。
【図４Ａ】作動手段を備えていない、本発明の光学デバイスの他の変形例の示す図である。
【図４Ｂ】作動手段を備えていない、本発明の光学デバイスの他の変形例の示す図である。
【図４Ｃ】作動手段を備えていない、本発明の光学デバイスの他の変形例の示す図である。
【図５Ａ】単一部分の状態の補強部の変形例を示す図である。
【図５Ｂ】単一部分の状態の補強部の変形例を示す図である。
【図５Ｃ】単一部分の状態の補強部の変形例を示す図である。
【図６Ａ】分割された補強領域の変形例を示す図である。
【図６Ｂ】分割された補強領域の変形例を示す図である。
【図６Ｃ】分割された補強領域の変形例を示す図である。
【図６Ｄ】分割された補強領域の変形例を示す図である。
【図６Ｅ】分割された補強領域の変形例を示す図である。
【図６Ｆ】分割された補強領域の変形例を示す図である。
【図６Ｇ】分割された補強領域の変形例を示す図である。
【図６Ｈ】分割された補強領域の変形例を示す図である。
【図６Ｉ】分割された補強領域の変形例を示す図である。
【図７Ａ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｂ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｃ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｄ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｅ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｆ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｇ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｈ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｉ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｊ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｋ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｌ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｍ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図７Ｎ】作動手段の構造を断面で示す図である。
【図８】作動手段によって分割されるように緊張させられている補強領域を示す図である。
【図９Ａ】異なる数学的なパラメータの例を受けるよう用いられた光学デバイスの例示である。
【図９Ｂ】異なる数学的なパラメータの例を受けるよう用いられた光学デバイスの例示である。
【図１０Ａ】光学デバイスを形成するための方法のステップを示す図である。
【図１０Ｂ】光学デバイスを形成するための方法のステップを示す図である。
【図１０Ｃ】光学デバイスを形成するための方法のステップを示す図である。
【図１０Ｄ】光学デバイスを形成するための方法のステップを示す図である。
【図１０Ｅ】光学デバイスを形成するための方法のステップを示す図である。
【図１１】互いに組み合わせられた二つの支持体を備える光学デバイスを示す。
【図１２】リキッドの厚さを測定するための容量性手段と、リキッドの厚さの機能として作動手段を自動的に制御するための手段とを備える本発明の光学デバイスを示す図である。
【図１３Ａ】本発明の光学デバイスの支持体の構造を示す図である。
【図１３Ｂ】本発明の光学デバイスの支持体の構造を示す図である。
【図１３Ｃ】本発明の光学デバイスの支持体の構造を示す図である。
【図１３Ｄ】本発明の光学デバイスの支持体の構造を示す図である。
【図１３Ｅ】本発明の光学デバイスの支持体の構造を示す図である。
【図１４Ａ】本発明の少なくとも一つの光学デバイスを備えるカメラデバイスを示す図である。
【図１４Ｂ】本発明の少なくとも一つの光学デバイスを備えるカメラデバイスを示す図である。
【図１５Ａ】従来のリキッドレンズを示す図である。
【図１５Ｂ】従来のリキッドレンズを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
さまざまな図面に示される同一の部品、同様の部品、または同等の部品は、ある図面から次の図面へより容易に移行できるように、同じ参照番号が付与される。
【００５７】
より容易に図面を理解できるようにするために、図面におけるさまざまな部品は、必然的に、一様な寸法では示されていない。
【００５８】
ここで図１Ａ、１Ｂ、１Ｃを参照すると、本発明の対象物である、可変膜を備える簡略化された光学デバイスの一例が概略平面図で示される。
【００５９】
これらの光学デバイスはリキッドレンズであるが、それに限定されず、膜状可変ミラーであってもよいことが想定される。
【００６０】
リキッドレンズ１０は、その周縁が支持体１.５に密封状態で係留されている膜２を備える。支持体１.５に係留される膜の領域は、係留領域として知られており、かつ参照番号２.３が付与されている。この例において、係留は支持体１.５のフレーム１においてなされている。
【００６１】
フレーム１は、支持体１.５を並べることによって支持体１.５で形成される皿３を規定するのに役立つ。皿３は、一定の量のリキッド４を含むよう意図されている。支持体１.５は、主平面ｘ、ｙに沿って延在する。皿３は、底部３.１を備える。光学ビーム(図示せず)は、皿３の底部３.１における膜２、リキッド４および支持体１.５を伝播する一方で、リキッドレンズ１０を横断するよう意図されている。フレーム１および皿３は必要ではなく、支持体１.５は実質的に平坦な構造のものであってもよい。底部３.１は、使用される光学ビームのために透過性のあるものである。
【００６２】
支持体１は、図１ｂのように一体的な(monolithic)ものであるか、または図１３Ａのように、皿３の底部３.１にフレーム１を組み合わせることによって形成されたものであってもよい。
【００６３】
その量が一定であるリキッド４は、プロピレンカーボネート、水、指標リキッド、光学オイル、またはイオンリキッドであってもよい。特にそれは、リキッドレンズの場合にはその光学的な特性に関連して選択される。
【００６４】
光学デバイスが膜状可変ミラーである場合には、そうした膜は入射する光学ビームを反射するよう意図されたものであるから、当該膜は反射性を有する。光学フィールドは透過性のものでなくともよい。
【００６５】
膜は、リキッド４と、リキッド４に対してそのバリアの他方の側に配置された流体媒体との間のバリアとして機能するフレキシブルフィルムを意味するよう用いられる。当該流体は、まったく自然な空気または他のガスあるいは他のリキッドであってもよい。少なくとも中央領域２.１における膜２は、一方においてはリキッド４と、かつ他方においては少なくとも光学フィールドとして知られる中央領域２.１における流体と接触しており、これはリキッドレンズの使用においてだけではなく、ミラーの使用においても同様である。それによって、押圧中央領域が(他方においては押圧光学フィールドが)ときどき用いられるようになる。これに関連して、これらの押圧は同様になされる。リキッドレンズの使用において、光学フィールドは光学ビームによって横断されるようになり、かつそれは光学ビームのために透過性を有するものとなる。ミラーの使用においては、膜は、光学ビームが入射されるとき、中央領域に反射性を有するものとなる。中央領域はリキッドと接触する第１の面と、ジオプター(dioptre)を形成する第１の面と対向する第２の面とを備える。膜の材料は、破損することなく、リキッドの膨張、衝撃、重力によるリキッドの重量などの外部応力に耐えうるように選択される。
【００６６】
膜は、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃにおいて円形で示されているが、他の形状とすることもできる。
【００６７】
光学デバイスの焦点距離を変更可能にするために、リキッドは、中央領域における膜の下側に位置するリキッドの厚さが変更されるように一定の容量で変位されるようになる。作動手段５は、それが、静止ポジションから、膜２を変形させる少なくとも一つの作動ポジションまで移動できるよう設けられる。この作動手段は、圧電または熱的作動を伴う複数のマイクロビームタイプのアクチュエータ５.１を備えている。アクチュエータ５.１は、膜２の周縁に分散されている。マイクロビームのそれぞれは、支持体１.５に機械的に結合された少なくとも固定部５.１０と、膜２を変形させるように、動作時にかつ作動ポジションで、膜２の一部分２００と接触する少なくとも一つの可動部５.２０とを備えており、それによって、押圧部２００として知られる膜の当該部分２００が、光学フィールド２.１と係留領域２.３との間に位置する領域に配置されるようになる。当該ビームの可動部は、図１Ａ、１Ｂのように、その端部の一方であるか、または図１Ｃに示されるようにその中央部である。固定部は、マイクロビームの少なくとも一方の端部であってもよい。図１において、押圧部２００はアクチュエータ５.１によって覆われているため直接見ることはできない。
【００６８】
膜の中央領域２.１は、それがアクチュエータ５.１によって押圧される部分２００の変位によって活性化するとき、可逆的な変形が可能なように十分にフレキシブルでありかつ弾性を有するものである。支持体１.５に対する膜の固着は、その係留領域２.３において、動作時の膜の残り部分の変位に十分に耐えるものでなければならない。係留領域２.３は、リキッド４とは接触しない。
【００６９】
図１Ａにおいて、８つの放射状アクチュエータ５.１が示されている。この数は、非限定的なものであるので、さらに大きくてもよい。これは、変位が実質的に規則的な様式で生じるように、膜２の押圧部２００が中央領域２.１の周囲に実質的に規則的に分散されることを目的としている。マイクロビームは直線状のものである。図１Ａにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータのそれぞれに接続された電源パッド１５０および導電トラック１５１が示されており、これらのトラック１５１およびパッド１５０は、マイクロビームタイプのアクチュエータに適切な電圧を供給するようにその作動に使用される。
【００７０】
図１Ｃにおいて、膜の端の弦部(chord)に沿って実質的に四角形状で配置された４つのアクチュエータ５.１が示されており、マイクロビームのそれぞれの端部は支持体１.５に結合されている。マイクロビームは、実質的にブリッジ形状を有しており、端部に位置するその支柱部が支持体に結合されている。マイクロビームの中央部分は膜を押圧するものであり、その部分が橋床に対応する。
【００７１】
マイクロビームは図１Ｄに示されるように直線状のものである必要はない。図１Ｄではマイクロビームはカーブしている。図１Ｅにおいてもマイクロビームはカーブしているが、直線状部分で支持体の端部に機械的に連結された部分によって、より長いものとなっている。
【００７２】
図２Ａには圧電作動手段を示し、かつ図２Ｂには熱タイプ作動手段を示す。これらの作動手段を形成するために、例えば、圧電アクチュエータとして、センサおよびアクチュエータ Ａ-130-131(2006) 91-98「閉解析形態および実験結果による圧電重層屈曲アクチュエータの構成要素方程式(The constituent equations of piezoelectric multilayer bending actuators in closed analytical form and experimental results)」が、熱アクチュエータとして、「新式ウェハープローブカードのための熱的作動マイクロプローブ(Thermally actuated microprobes for new wafer probe card)」IEEE Journal of microelectromechanical Systems、 vol 8、１９９９年３月１日が、参照されてもよい。
【００７３】
図２Ａにおいて、圧電アクチュエータ５.１は、二つの電極５１，５２の間に挟まれた圧電材料５３からなる少なくとも一つの層を備える第１の部分５０を有している。この第１の部分５０は、受動部５４を越えるようになっており、受動層はニッケルからなる層状のグラスファイバーを備える複合材の二重層であってもよい。当該受動層５４は膜２の上に位置しており、かつ膜２と第１の部分５０との間に挿入されている。電極５１，５２は、作動時にエネルギーが供給されるように意図されている。続いて、ビームの屈曲が行われ、それは膜２を変位させる。屈曲は、一方向または使用される圧電材料のタイプに応じて他の方向になされる。
【００７４】
図２Ｂにおいて、アクチュエータ.１は、熱バイモルフ作用アクチュエータ(thermal bimorph effect actuator)である。その原理を次に示す：非常に差のある熱膨張率を有する二つの材料のスタックを使用する。バイモルフスタックからなる二つの構成要素が加熱手段５.５を挟んでいる。作動時に加熱手段に電流を流すことによって、ジュール効果(スタックの構成要素の一方が他方よりも膨張するという作用を有する)により加熱が行われる。最も膨張する構成要素は、加熱手段に関して膜２に対向しており、かつ最も膨張が小さい構成要素は、膜２の側方に配置される。記載する非限定的な例においては、バイモルフスタックの構成要素のうちの一つが膜２であるため、アクチュエータ５.１は膜２に組み込まれている。それはシリコン酸化膜であってもよい。スタックの他の構成要素(参照番号５.６)は、例えばアルミニウムから形成されてもよい。次に、作動手段のさまざまな実施形態について説明する。そうしたマイクロビームタイプのアクチュエータは、明らかに、従来のものに比べてその厚さがほとんど嵩張らないものであり、かつこれらは、支持体内のコイルの調整を行う必要があるため、磁性を帯びたものである。
【００７５】
ここで膜２について説明する。図１において、膜２は円形状で示されているが、他の実施形態では楕円形、長方形、または四辺形あるいは他の形状であってもよい。図４Ａ、４Ｂを参照されたい。
【００７６】
膜２は、図２Ａのように単層あるいは重層のものであってもよいが、膜の少なくとも一つの層がその表面全体にわたって延在している。並んで配置された複数の部分が従来におけるパッチワークの様式で組み込まれていないため、漏出の可能性が低減される。図２Ａにおいて、膜２の単層が膜の表面全体を占めている。
【００７７】
膜２は、図２Ａのように一様であってもよく、ここで「一様」とは、その表面全体にわたっていずれも一定でありかつ同じ物理的特性を有することを意味するよう用いられている。
【００７８】
膜２が不均一でありかつ膜２の押圧部２００が補強領域２.２(補強領域２.２は中央領域２.１に囲まれている)に含まれているリキッド４の変位に関連して、作動手段５の効率が向上されることは有利である。補強領域２.２は、中央領域２.１の剛性および係留領域２.３の剛性に比べてより大きな剛性を有することを意味している。補強領域２.２は、図４Ａ、４Ｂ、４Ｃに示されるように中央領域２.１を取り囲むように延在している。図４Ａでは押圧部２００のみが見えるようになっている。
【００７９】
補強領域２.２は、単一部分から形成されていてもよい。それは中央領域２.１を取り囲んでいる。それは、図４Ａのように中央領域２.１の周囲に実質的に冠形状の形成することができる。代替例において、補強領域２.２は、複数の補強部２.２ａにさらに細分化されてもよい。いくつかの補強部２.２ａが設けられる場合、その形状は後述するように変形可能である。それらは、中央領域の周囲に延在する実質的に矩形状連続部を形成しても、あるいは、そのそれぞれが、光学収差を避けるために中央領域を取り囲んでもよい。各押圧部２００は、補強領域２.２が単一部分に存在する場合に、またはそれがさらに分割された補強部２.２ａの各々に存在する場合に、補強領域２.２の表面積より小さな表面積を有している。
【００８０】
図３.１ないし３.１５を参照すると、膜２が不均質な場合の、膜２に適したさまざまな形態が示されている。これらの形態において、膜２の少なくとも一つの連続層２.１２がその表面全体を占めていることが重要である。
【００８１】
膜２のさまざまな部分の正確な寸法を求めるには、二つのパラメータを知る必要がある。それらは目標とする用途に依存する。それらは中央領域２.１の表面積である(それが、レンズまたはミラーに望ましい光学フィールド、および焦点距離に関して必要な変化を実現するために必要な中央領域２.１の最大たわみ(maximum deflection)に対応するためである)。
【００８２】
中央領域２.１は、(図３.１、３.２、３.４〜３.６、３.１０〜３.１２に示すように)単層、あるいは(図３.３、３.７〜３.９、３.１３、３.１４、３.１５に示すように)重層のものであってもよい。単層である場合、この層２.１１は、その表面全体にわたって連続するものであり、重層である場合には、その層２.１１または２.１２の少なくとも一つがその表面全体にわたって連続しかつ延在している。図３.３、３.７〜３.９、３.１３、３.１４の例において、重層中央領域２.１は、二つの重ね合わせられた層２.１２および２.１１を備えており、かつこれらの二つの層２.１２および２.１１は、膜の表面全体にわたって延在している。これは限定的なものではなく、そのうちの一つが連続性を確実なものとするのに十分であればよい。図３.１５において、中央領域２.１は二層であり、かつ層２.１２の一つのみが表面全他にわたって連続しており、参照番号２.１３の外側層が中央領域で終端をなしている。
【００８３】
複層中央領域２.１は、製造方法の要求に適うように、もしくはリキッドレンズまたはミラーが特定のパフォーマンスを達成するように選択される。したがって、中央領域２.１は、単層であるか、または複層であるかに応じて、一つの材料または複数の材料から構成されてもよい。中央領域２.１の弾性限度は、弾性領域における変形を、ひいては変形の可逆性(つまり、一度、作動手段が中断されると、初期位置へ復帰すること)を確実なものとするのに十分なものである。数多くの材料が、(例えば可視性における)透過率の光学特性および必要とされる弾力性の両方を有している。一例として、ポリジメチルシロキサン(ＰＤＭＳ)、ポリメチルメタクリレート(ＰＭＭＡ)などの有機材料が挙げられるが、そのヤング率が数１００ＭＰａから数ギガパスカルである、ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)、ポリカーボネート(ＰＣ)、パリレン、エポキシ樹脂なども挙げられる。あるいは、そのヤング率が数百ＧＰａである、シリコン酸化物、シリコン窒化物などの無機材料が挙げられる。
【００８４】
中央領域２.１は、図３.１、３.３ないし３.１４に示されるように、無機材料または有機材料に関して約数マイクロメートルの一定の厚さを有していてもよく、反対に、図３.２に示すように一様でない厚さを有するものでもよい。一定でない厚さの断面は、膜側において、リキッドレンズの視度(dioptre)を調節可能なように選択することができる。
【００８５】
補強領域２.２は、作動手段５によってもたらされる圧力がリキッド４上へ伝わり、それによってリキッド４の所望の変位が生じるように十分に剛性のあるものでなければならない。補強領域２.２は、中央領域２.１による層２.１２を備えるが、中央領域２.１に存在するようになっている当該層２.１２は、十分に剛性のあるものではない。中央領域２.１における当該層または層２.１１の剛性を高めるために、少なくとも一つの付加的な層２.２０が、これらの層に付加されてもよく、その層は、中央領域２.１における層２.１２，２.１１の材料のヤング率より高いヤング率を有する材料からなるものであり、それは、透過度の光学特性がもはや必要とされず、補強領域２.２が、光学フィールドから離れるので放射光線(radiation)の透過を必要としないため、より広い選択肢が存在する。あるいは、接着特性が、付加的な層２.２０の選択の必要条件となる。この代替形態は、図３.１〜３.４、３.７〜３.９、３.１１、３.１２および３.１４に示されている。付加的な層２.２０は、補強領域２.２の一方の面、あるいは他方の面に、つまり、リキッド４の側または他方の側のいずれに配置されていてもよい。付加的な層は、図３.１２および３.１４ではリキッド４の側に配置されており、３.１〜３.３、３.７〜３.９、３.１１および３.１５では、その反対側に配置されている。付加的な層２.２０の材料および厚さは、実験的でありかつ反復性のある様式で選択される。
【００８６】
以下に、付加的な層２.２０のためのいくつかの材料を挙げる。それは、その厚さが数マイクロメートルのオーダーのものでありかつ数十ＧＰａから数百ＧＰａのヤング率を有する、チタニウム、チタン窒化物、アルミニウムなどの金属材料であってもよい。それは、その厚さが数マイクロメートルのオーダーのものでありかつ数十ＧＰａから数百ＧＰａのヤング率を有する、シリコン酸化物、シリコン窒化物、などの材料であってもよい。最後にそれは、その厚さが数十マイクロメートルのオーダーのものでありかつ数ＧＰａのヤング率を有する、感光性ポリマーなどの有機材料、特に、ヘンゾシクロブテン(ＢＣＢ)であってもよい。
【００８７】
作動手段５が、バイモルフスタックから形成される熱作動手段でありかつ膜２がバイモルフからなる構成体である場合、その構成体は、膜の表面全体にわたって延在する層、または付加的な層であってもよい。
【００８８】
代替的なまたは組み合わせにおいて、補強領域２.２に要求される剛性を得るために、中央領域２.１における層２.１２を厚くすることができる。図３.５、３.６、３.１０、３.１、３.１２、３.１３、３.１４、３.１５には、厚くなされたものが示されている。中央領域２.１による複数の層２.１１，２.１２が設けられる場合、それらの層の一つ以上の層を厚くすることができる。層２.１１が厚手になされたものが、図３.１４に示される。これは、さらなる層の付加に比べると効率性が低減されるが、ある特定の用途においては十分なものとなる。この場合においては、作動手段５の構想は、第２の周縁領域２.２における中央領域２.１における層２.１２の厚さへの影響を有しており、かつこの厚さは、中央領域２.１における層２.１２の厚さと比べて２倍になる。
【００８９】
係留領域２.３は、中央領域２.１が単一材料から形成される場合においては、中央領域２.１と同じ材料から形成されてもよい。この代替形態が図３.１、３.２、３.４、３.５、３.６に示される。
【００９０】
中央領域２.１が複層でありかつさまざまな材料から形成される場合、係留領域２.３は、図３.３のように中央領域２.１のすべての材料から形成することができるか、もしくは、図３.７に示されるようにそれらのうちの一つまたは複数に限定されてもよい。
【００９１】
係留領域２.３の厚さは、中央領域２.１の厚さと同じである、つまり、無機材料に関しては数マイクロメートルのオーダーの、天然材料に関しては数十マイクロメートルもしくはそれ以上のオーダーのものであることが好ましい。係留領域２.３の厚さが、同じオーダーの範囲内にあるときに、中央領域２.１の厚さと異なっていてもよいことは明らかである。図３.２および３.８を参照されたい。フレーム１における係留領域２.３の接着を最適化するために、固定する前に、フレームに事前の処置を行うことができる。例えば、酸素を用いるプラズマを使用して表面処理を行うこと、あるいは接着プライマ材料の層の堆積を実施することができる。
【００９２】
中央領域２.１の機械的振る舞いは補強領域２.２の表面および作動手段５の力に左右される。中央領域２.１の寸法決めは、後述する研究「The(アクサンテギュ)orie des plaques et des coques(プレートとシェルの原理)」S. Timoshenko著、Librairie Polytechnique編集、Ch Be(アクサンテギュ)ranger、1951年に基づいて行われる。
【００９３】
この研究において、不均等に負荷がかけられた円形プレートに関していくつかの近似する公式が示されている。中央領域２.１およびその厚さに関する要求された最大たわみω０の関数として、さまざまなモデルがこの研究には開示されており、補強領域２.２の寸法を正確に決めることができる。
【００９４】
ここで、図５Ａないし５Ｅを参照して、補強領域２.２に関するさまざまな適用可能な構成について説明する。補強領域２.２は、すべての場合において、光学フィールドに侵入せずに、光学フィールド２.１の手前で終端をなしている。それは、係留領域２.３まで延在していてもよいが、係留領域２.３においてはリキッドが存在せずかつ膜が変位できないため、いずれにしても、係留領域２.３には侵入していない。一方で、作動手段５は、さらに係留領域２.３に沿って膜２と接触している。この態様は以下で説明する。
【００９５】
図５Ａないし５Ｅにおいて、作動手段と同様に押圧部も示されていない。図５Ａないし５Ｃにおいて、補強領域２.２は単一部分に存在しており、それは、光学フィールド２.１を取り囲む冠形状をしている。補強領域２.２分割された場合に適切となるものについては後述する。図５Ｂに示すように、補強領域２.２は光学フィールド２.１の終端から始まることも可能である。光学フィールド２.１の端部は点線によって示されている。
【００９６】
図５Ａおよび図５Ｃに示すように、光学フィールド２.１と補強領域２.２との間に中間ガード領域２.４を配置することができることは明らかである。これによって、光学フィールド２.１の光学パフォーマンスの低下を避けることができる。
【００９７】
中間ガード領域２.５は、図５Ａに示されるように、補強領域２.２と係留領域２.３との間に介在している。それはリキッドの上に配置されるが、図５Ａないし図５Ｃではリキッドは認識できない。補強領域２.２は、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、係留領域２.３に侵入することなく、係留領域２.３まで到達していてもよい。むしろ、中間ガード領域はそこには存在しない。さらに、中間ガード領域２.４，２.５は、図３のいくつかに示されている。それらは、(必要ならば薄くなされた)少なくとも連続層２.１１および／または２.１２を備えている。中央領域２.１と補強領域との間に位置する中間ガード領域２.５は、強化領域２.６とは異なるものであってもよい。
【００９８】
図４Ｂ、４Ｃには、四辺形または長円形の膜構造体を示すが、この場合、楕円形形状となっている。これらの二つの構造体において、光学フィールド２.１は円形状となっている。補強領域２.２は、円形によってその内側が規定されており、かつ四辺形または楕円形のそれぞれによってその外側が規定されている。
【００９９】
図５Ｄにおいて、膜２は円形であり、単一補強領域２.２は、光学フィールド２.１へ向かって突出する放射状指状部を備える冠形状を呈している。これらの指状部は、冠部分を形成するが、他の形状も可能であり、上記形状に限定されない。ガード領域２.５が、押圧部２.２と係留領域２.３との間に設けられている。マイクロビームタイプのアクチュエータは、放射状指状部のそれぞれに配置可能である。図５においてはそれらは図示されていない。
【０１００】
図５Ｅにおいて、膜２は円形であり、補強領域２.２は一つであり、それは光学フィールド２.１の側に冠形状を呈しており、かつ冠形状は係留領域２.３の方へ突出する放射状指状部を備えている。指状部はストリップ形状を有しているが、他の形状も可能である。補強領域２.２の冠形状と、放射状指状部同士の間の係留領域２.３との間に、中間分割ガード領域２.５が設けられている。マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は概略的に示されており、これらは、放射状指状部を覆っているが、冠形状に侵入せずかつ支持体１.５における放射状指状部を越えては延在していない。放射状指状部において、結果的に、ハッチングが重なっている部分が見られる。押圧部分は、放射状指状部に対応するが、冠形状ではない。
【０１０１】
ここまで図５において単一部分の状態の補強領域２.２を備える構造のみを説明してきた。ここで、補強領域２.２が複数の補強部２.２ａに分割されている膜２の構造について説明する。少なくとも一つのアクチュエータ５.１が、補強部２.２ａのそれぞれと協働する。マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は図６Ａのみに概略的に示されている。
【０１０２】
図６Ａにおいて、補強部２.２ａは冠部分であるが、これは非限定的なものであり、冠は円形状となっている。図６Ａにおいては８つの補強部が、図６Ｂにおいては２４の補強部が示されている。補強部２.２ａはさまざまな数にできることが明らかである。図６Ｃにおいて、補強部２.２ａは、三日月形状の部分であるが、その外側縁部は、膜２の縁部と同心円の部分となっている。四つの実質的に同一の補強部２.２ａが設けられている。補強部が同一のものでなくてもよいことに留意されたい。図６Ｄにおいて、補強部２.２ａは、同心の冠形状のものである。二つの補強部２.２ａが設けられている。補強部２.２ａの少なくとも一つに、図５Ｄ、５Ｅと同様の様式で放射状指状部が設けられてもよいことに留意されたい。この代替例は、不必要な指状部の数を増やさないために、図示されていない。図６Ｃ、６Ｄにおいて、係留領域２.３と補強領域２.２との間に中間ガード領域２.５が設けられている。
【０１０３】
図６Ｅにおいて、補強領域２.２ａは角ばった部分であり、この部分は、光学フィールド２.１(この例においては円形状)によってその内側が規定されており、かつ係留領域２.３を受容する支持体１.５(この例においては四角形状)の縁部によってその外側が規定されている。角ばった部分は、頂点において実質的に同じ角度を有しているが、これに限定されない。
【０１０４】
図６Ｆでは、同じ視覚性に関して、補強領域２.２ａは角ばった部分であり、この部分は、光学フィールドに対応する円形状によってその内側が規定されており、かつ係留領域２.３を受容する支持体１.５の縁部に対応する四角形状によってその外側が規定されている。これらの二つの例において、異なる補強部２.２ａはまったく同じものではない。
【０１０５】
図６Ｇにおいて、補強部２.２ａは、係留領域２.３のすぐ手前で終端をなす放射状帯片である。この補強部２.２ａは実質的に多角形状のものである。
【０１０６】
図６Ｈにおいて、補強部２.２ａは、放射状指状部を備え冠形状の部分である。この構成は、補強領域が分離されていることを除いて、図５Ｅのものに類似している。この例において、放射状指状部は係留領域２.３の方へ突出しているが、それは光学フィールド２.１へ向かって突出することも可能である。この代替形態は、不必要に指状部の数を増加させないために図示されない。
【０１０７】
複数の隣接する補強部２.２ａのが設けられかつ複数の補強部２.２ａが光学フィールド２.１の周囲に断続的な冠形状を形成する場合、光学フィールド２.１よりも高い合成を有する強化領域２.６が、補強領域２.２と光学フィールド２.１との間にも受けられることが好ましい。強化領域２.６は連続しかつ光学フィールド２.１を取り囲むものである。作動手段(図示せず)は、それを強化領域２.６を直接的に押圧しない。強化領域２.６の機能は、作動手段の作動時の光学フィールド２.１における膜２の変形を均一にすることである。強化領域２.６は、ｚ軸の周囲の作動手段の作動により引き起こされる、たわみの周期的変化による不変性(invariance by rotation the deflection)を呈するものであり、それは軸対称である。図６Ｉを参照されたい。補強部２.２ａは実質的に円形である。
【０１０８】
図７Ａから７Ｅには、作動手段５のためのさまざまな構成が示されている。
【０１０９】
作動時に、各マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、少なくとも押圧部２００において膜２と接触するようになる。しかしながら、それは、係留領域２.３における膜の全体または一部分と接触することもできる。それは、係留領域２.３における膜によってまたは支持体に固定された部分によって、支持体１.５と直接的にあるいは間接的に結合されている。
【０１１０】
静止状態において、アクチュエータ５.１は、押圧部２００におけるあるいは係留領域２.３における膜２と接触しないものであってもよい。
【０１１１】
代替形態において、静止状態にあるときに、アクチュエータ５.１は、押圧部２２０と接触してもよく、さらに押圧部２００に結合されていてもよい。同様に、アクチュエータ５.１は、係留領域２.３の全体またはその一部と接触してもよく、さらに係留領域２.３に結合されていてもよい。
【０１１２】
図７Ａにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、静止状態において、押圧部２００における膜２と接触しているが、係留領域２.３における膜２とは接触していない。この図は、支持体１.５との直接的なまたは間接的な接触状態を示すものではない。図７Ｂにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、静止状態において、係留領域２.３の、押圧部２００における膜と接触しており、かつ支持体１.５に結合されている。図７Ｃにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、静止状態において、押圧部２００および係留領域２.３における膜と接触している。
【０１１３】
図７Ｄにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、静止状態において、膜２とは接触していない。マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１を、係留領域２.３の上に設けかつ支持体１.５に結合することも考えられるが、これは、この図には示されていない。
【０１１４】
図７Ｅにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、静止状態において、押圧部２００および係留領域２.３に接触していないが、支持体１.５には直接的に結合されている。図７Ｆにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、静止状態で、押圧部分２００および係留領域２.３と接触していない。その支持体１.５への固定法は示されていない。
【０１１５】
図７Ｇにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、静止状態において、押圧部２００および係留領域２.３と接触しているが、押圧部２００と係留領域２.３との間の膜２とは接触していない。７Ａ、７Ｂ、７Ｃのように接触している他の図においては、押圧部２００は係留領域２.３と並置されている。そのようになされていない図７Ｇにおいて、押圧部２００と係留領域２.３とは、分離されている。図７において、補強領域は示されていない。補強領域は分割されるかまたはされない状態で設けることができる。
【０１１６】
膜２は、作動手段５が図７Ａから７Ｇに示されるように静止状態にあるときは、平坦となっている。皿３は、リキッド４を収容するために必要である。これは、無限半径の曲率と対応する。作動手段５が静止状態のときに、膜２が一方向または他の方向に隆起可能であることは明らかである。その際、それは無限半径の曲率を有し、したがってより小さなものとなる。図７ＨおよびＩには、ドーム状(凸状)の膜４と皿状(凹状)の膜２とのそれぞれを備える構成を示す。図７Ｈ、７Ｉにおいては、膜は反射しており、かつ光学デバイスがミラーであるように示されている。少なくとも中央領域２.１における、膜２の少なくとも前面において、反射コーティングＲＲが設けられており、それは例えば薄手のアルミニウムからなるものでもよい。
【０１１７】
図５Ａないし５Ｉに示される例は、膜２の前面(つまり、それはリキッド４と接触するよう対向する)と協働する作動手段５を示すものである。作動手段５が、膜２のリキッド４と接触する面において、膜２と協働可能であることも明らかである。
【０１１８】
図７Ｊにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、膜２と接触しているが、リキッド４とも接触していてもよい。それは、膜２の裏面においてなされる。
【０１１９】
それが静止状態から作動状態になされたときに、アクチュエータ５.１は、押圧部２００が皿３の底部３.１に近接するように、または光学フィールドにおけるリキッド４の厚さがおおむね低減されるように、膜２を引く必要がある。図７Ｊにおいて、膜２は均一であり、それは光学フィールド２.１押圧部２００の間において同様の厚さおよび同様の剛性を有している。
【０１２０】
図７Ｋにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、膜２に結合されておりかつ膜２内に組み込まれている。さらにこれはリキッド４と接触している。アクチュエータ５.１によって押圧される押圧部２００における膜２の厚さは、光学フィールド２.１における厚さよりも小さい。アクチュエータ５.１の厚さを兼ね備える押圧部２００の厚さは、実質的に、光学フィールド２.１の厚さとなっている。図７Ｋにおいて、アクチュエータ５.１は、支持体１.５とも接触しており、膜２はアクチュエータ５.１上に配置されかつ支持体１.５と接触している。
【０１２１】
皿３は上述したように必要なものではない。リキッド４は、実質的に平坦な支持体１.５上に配置されかつ膜２はそれを含むことができる。欧州特許出願公開第1 672 394号明細書には、そうしたリキッド含有膜構造体が開示されている。この代替例は、図７Ｌから７Ｍに示されており、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は膜２に結合されており、それは膜２の前面にあるいはその裏面に配置されている。こうした構造において、膜２は、作動手段５.１が静止状態のときには膨らんでいる。膜２は、リキッド４の液滴の上に直接的にパリレンなどの天然フィルムの堆積によってあるいは犠牲層を使用する方法によって形成されてもよい。支持体１.５は、必要であれば、その領域に応じて親水性または疎水性を有するように局所的に処理されてもよい。
【０１２２】
図７Ｎにおいて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、膜２に埋め込まれており、それは、膜２の二つの副次的層２０.１，２０.２の間にサンドイッチされている。それは膜２に組み込まれたものである。
【０１２３】
図８を参照すると、膜２の補強部分２.２ａに対してマイクロビームタイプのアクチュエータによってもたらされた歪み(strain)が図示されている。アクチュエータは図示されていないが、押圧部２００は図示されており、押圧部２００の配置される面は補強部２.２ａが配置される面よりも小さい。歪みは、好ましくは、ｚ軸に沿って方向付けられた力となることが好ましい。明らかなことに、補強領域が単一部分であるとき、押圧部分は補強領域の面積よりも小さな面積を有するようになる。いくつかの押圧部が補強領域と協働する。いくつかの押圧部２００が補強部と協働することも考えられる。
【０１２４】
焦点距離または光学デバイスの曲率に関連する変更が光学フィールドの変位に直接的に影響されるため、膜２の寸法決めは、光学フィールド２.１におけるその振る舞いによって導かれる。膜２の、特に膜２の表面全体を占める層の材料は、その弾性限度が弾性領域において機能しかつ変形の可逆性を有することを確実なものにするのに十分なように選択される。アクチュエータ５の作動によって膜２が一度変形された後、アクチュエータ５が静止ポジションに戻る場合に、膜２はその初期ポジションに戻るものでなければならない。数多くの有機または無機材料が膜２の構成に使用可能である。それらは、リキッド４を含有するための密封を、特に係留領域において、確実なものとすることができなければならない。その用途および構造に応じて、それらは、透過状態で機能する場合に使用される波長に関して透明なものである必要があるか、または、反射状態で機能する場合には反射するものである必要がある。それらは、誘導体であるか、それに対して後述するように導電性のものであってもよい。
【０１２５】
有機材料は、ポリジメチルシロキサン(ＰＤＭＳ)、ポリメチルメタクリレート(ＰＭＭＡ)など、またはポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)、ポリカーボネート(ＰＣ)、パリレン、エポキシ樹脂などから選択されるものであってもよく、そのヤング率が数１００ＭＰａから数ギガパスカルである。無機材料は、シリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化物、多結晶シリコン、チタニウム窒化物、ダイアモンドカーボンなどから選択されるものであってもよい。導体材料は、インジウム、可視状態において透過性を有する酸化スズＩＴＯ、またはその一部が反射性を有するようになっているアルミニウムなどから選択されてもよい。本発明の光学デバイスの構造については後述するが、このものにおいて、膜は、電気的な誘導性を有するものであり、かつ透過性または反射性のいずれかを有するものである。
【０１２６】
本発明の光学デバイスの正確な作動に関して、その光学パフォーマンスがその配向性(orientation)が独立的に確実なものとされることが望ましい。
【０１２７】
このようにするために、光学フィールド２.１における膜２のリキッド４の重量によって(その重さが原因となって)引き起こされる押圧が、その光学パフォーマンスを低下させる変形も生じないようにすることが必要である。
【０１２８】
膜２の断面形状は、光学フィールドのジオプトリー(視度)の形状に大きな影響を有する。平らな断面形状、つまり膜２の表面全体にわたって実質的に一定の厚さを有する形状において、ジオプトリーの形状は、文献「The(アクサンテギュ)orie des plaques et des coques」S. Timoshenko著、Librairie Polytechnique編集、Ch Be(アクサンテギュ)ranger、1951年に基づいて適切になされる。これから以下の式が得られる。
【０１２９】
【数１】
0005501964.tif 000002
【０１３０】
ここで、ω(ｒ)は、膜２の中央(それはレンズの光学的中心と同様である)から距離ｒに応じた膜の変形度(または変形)を示し、ａがその半径を示し、かつω０がその中央における最大たわみを示す。その近似値は、膜がその周縁において係留されかつ一定の圧力を受けるように考慮ために算出される。変形に関連して、ジオプトリーの実際の形状は、例えばＡＮＳＹＳなどの機械的シミュレーションソフトウェアを用いてより正確に決定されることを必要とする。実際の変形は、たいがい近似的変形と球状的変形との間に位置するようになる。膜の厚さおよび作動手段によって与えられる歪みの性質を変形することによって、上記変形を変化させ、それによって、それがミラーである場合にジオプトリーの形状、焦点距離またはカーブを変化させることができる。
【０１３１】
膜の機械的挙動は、特に、補強部２.２ａが存在する場合、補強部２.２ａの表面に影響される。光学フィールド２.１における膜２の剛性(つまり、パラメータｅ、ν、およびｈ)は、補強領域２.２の表面と作動手段５の力とが保持された状態で、発展するように構成される。実際に、リキッド４に接触する膜の全表面により増加される光学フィールド２.１におけるリキッド４によって生じる圧力は、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１によって増大される力に対して、非圧縮状態のリキッドを考慮することで第１の近似値と等しくなる。
【０１３２】
したがって、光学フィールドにおける膜の機械的挙動は、膜の最大たわみ、作動手段５によってもたらされる力、その運動および補強領域２.２の表面積に左右される。数回の反復が、上記大きさの光学フィールドの機械的挙動を適合させるために、必要とされてもよい。
【０１３３】
価値のある妥協点(compromise)に到達するように、まず、光学フィールドの焦点距離および形状に関する望ましい変化、膜および作動手段を形成する方法、膜の厚さに応じて、膜に関して一つ以上の材料を選択する必要があり、さまざまな厚さが検討されてもよい。したがって、光学フィールドにおける最大圧力を求める必要がある。補強領域の表面は、すべてのサイズ(低減されることが目的とされている)を考慮して、保持される動作の技術と対応可能な焦点距離に関する所望の変化を得るために作動に必要なひずみと運動とを比較することによって、補強領域が連続しかつ光学フィールドの周囲で均一となる、最も有利な事例をとるように最適化される。最後まで到達したとき、反復は膜のための材料を偏向することによって再度始められる。
【０１３４】
材料のための候補がいくつかあるため、膜の厚さは著しく変更でき、所望の最大圧力は、好適に選ばれた様式で調整されてもよい。
【０１３５】
補強部がいくつか設けられる場合、補強部のいくつかは、本発明の課題に関する、光学デバイスの構成のための重要なパラメータとなる。これらの補強部のそれぞれが、少なくともひとつのマイクロビームタイプのアクチュエータによって制御される。
【０１３６】
複数の補強部２.２ａが設けられる場合、二つのパラメータ、すなわち、中央領域２.１の周囲に連続するものである二つの連続した補強部２.２ａを分離する距離ｄｚと、補強部２.２ａと支持体１.５に対する係留領域２.３との間の距離ｄａｎｃｒとを考慮に入れる必要がある。距離ｄｚおよびｄａｎｃｒは、図９Ａ、９Ｂに示す。
【０１３７】
これらの距離ｄｚおよびｄａｎｃｒはあまり大きくないか、または膜の非常に弾性を有する部分には適用されないことを目標としており、それは、こうした部分が隣接する補強部２.２ａにおける作動手段５によって生じる圧力に耐える必要があるからである。これらの部分は、隣接する補強部２.２ａの変位を妨げないように、あまり剛性があるものでなくともよい。それは、補強部２.２ａにできるかぎり近接する様式で動くものであることを目標とする。
【０１３８】
本発明のそうした光学デバイスは、マイクロエレクトロクスおよびマイクロシステムに使用される技術を用いて製造されてもよい。膜および作動手段技術は、化学蒸着(ＣＶＤ)によって、熱酸化によって、電気蒸着によって、平行成長(epitaxy)によって、物理蒸着によって、あるいは蒸着によって薄手のフィルムを堆積することで使用可能となる。フィルムの積層の技術は、有機または溶液ゲル材料に関して、スピンコーター堆積モールディング、ホットエンボス、ナノプリンティング、直接結合による二つの基部の結合、共晶結合、陽極結合、天然結合が使用されてもよい。
【０１３９】
本発明の可変焦点距離を備える光学デバイスを形成するための方法の一例を以下に説明する。犠牲層が使用される。図１０Ａないし１０Ｅを参照されたい。
【０１４０】
まず、基部１００がもたらされ、このものにおいて、皿３がエッチングされる。基部１００は、例えば、ガラスから形成されてもよい。犠牲材料１０１が皿３に堆積される(図１０Ｂ)。犠牲材料１０１は、例えば感光性樹脂などの天然材料であるか、またはシリコン酸化物などの無機材料であってもよい。
【０１４１】
膜２が犠牲材料１０１の上に形成され、それによって、膜２は、皿３の縁部にわたって飛び出た状態となりかつそこに係留される(図１０Ｃ)。上で挙げた材料から選択された材料が、膜のために堆積されてもよい。堆積は、スピンコーターまたは化学蒸着によって実施されてもよい。続いて、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１が、そのそれぞれが膜２の押圧部２００の上に配置されるように、形成される。また、アクチュエータは、リキッドによって湿ってはいけない領域において基部１００と直接的にまたは間接的に接触している(図１０Ｃ)。膜２は、次に、犠牲材料１０１を取り除くことによって、解放された状態となる。このために、光学フィールドの外側に、少なくとも一つの孔１０７が、犠牲材料１０１に到達するよう基部１００に穿孔されていてもよい。孔１０７は、貫通されたものでありかつ皿３へと開口されている(図１０Ｄ)。犠牲材料１０１の除去は、化学的または熱的に、あるいは酸素プラズマによってなされる。続いて、皿３は、リキッド４によって満たされる(図１０Ｅ)。この充填は、リキッド４の浸透がもたらされるように、かつバブルの形成を避けるために、皿３を真空状態にすることによって実施できる。最後に、孔１０７は、リキッド４が漏出しないように、孔詰めされる(図１０Ｅ)。有機材料が使用されてもよい。これらのステップの順序は限定的なものではない。
【０１４２】
マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、膜２が解放された後に、例えば充填の前または後に、形成することもできる。さらに、リキッド４の側方にアクチュエータ５.１が配置される場合には、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、膜２の形成前に犠牲材料１０１および基部１００の上に形成可能である。そうした構成において、膜２は完全にまたは部分的にマイクロビームタイプのアクチュエータ５.１の上に配置される。
【０１４３】
図１０において、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、基部１００と接触した状態で示されているが、これに限定されず、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１は、膜２から離れて固定できず、かつ係留領域２.３に制限されない。
【０１４４】
膜２が静止状態において凸状にまたは凹状に膨らんでおり、犠牲材料１０１が膜２のためのモールドそして機能するため、適切な曲率が犠牲材料１０１に与えられることが好ましい。膜２の膨らみを得るための他の解決策として、膜２が解放された後に膜２をゆがませることが挙げられる。ゆがませることには熱を用いることができる。続いて、パラメータを決定することは、膜と基部との間の熱膨張率、ならびに膜の堆積温度における差異に関連する。
【０１４５】
膜２を保護するために、本発明の光学デバイスは、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１を支持する第１の支持体１１０と、膜２とリキッド４とを支持する第２の支持体１００の二つの支持体の組み合わせから形成することができる。第１の支持体１１０は、本発明の光学デバイスの機械的な保護部材として機能する。接着剤のジョイントＪが二つの支持体１００，１１０の組み立てに使用される。第１の支持体１１０は、その中央部分において中空となっており、中空部分１１５は、一度支持体１００，１１０が組み立てられると、膜２の光学フィールド２.１に対して少なくとも対応するようになっている。図１１を参照されたい。押圧部２００において、マイクロビームタイプのアクチュエータは、静止状態で、膜と接触しているか、または接触していなくてもよい。アクチュエータは、第１の支持体に結合されていてもよく、かつ必要であれば第２の支持体に結合されていてもよい。そうした構成において、膜を製造するための方法は、作動手段を製造するためのもから分離されており、それは、全体的に、すべての工程を簡略化させることができる。この方法によって、より良い製造歩留りが考えられる。
【０１４６】
ここで、本発明の光学デバイスの可変焦点距離に関する膜の形状に関連する有利な構成について説明する。リキッド４は、平坦な底部上に配置された状態で示されている。図９Ａを再度参照されたい。膜は円形であり、その光学フィールド２.１は円形であり、かつ補強領域２.２および係留領域２.３は同心円の冠形状である。
【０１４７】
不均等に荷重がかけられる円形プレートモデル(その周縁に係留されかつプレートの厚さに関して考えられるたわみに影響する)は、膜の特性を計算するのに使用され、このモデルは、上記S. Timoshenkoの研究おいて示される。
【０１４８】
光学フィールドの最大たわみω０は、以下の式によって与えられる。
【０１４９】
【数２】
0005501964.tif 000003
【０１５０】
ここで、Ｐは光学フィールドに生じる圧力を、ａは光学フィールドの半径を、Ｅは光学フィールドにおける膜を構成する材料のヤング率を、νは光学フィールドにおける膜を構成する材料のポワソン比を、ｈは光学フィールドにおける膜の厚さである。中央領域２.１のたわみω０を得るには、所望の焦点距離の変更を実施することが必要であり、中央領域２.１にけるリキッド４によって生じる最大圧力Ｐはこれから推論される。
【０１５１】
反復様式において、中央領域２.１を構成する材料を変更することによって、リキッドレンズまたはミラーの正確な作動のために要求される最大圧力Ｐが変更できる。上述したように中央領域２.１に関して適用可能な材料が複数あり、かつ中央領域２.１の厚さが著しい様式で変更可能であるため、所望の最大圧力Ｐは好適な様式で調整されてもよく、それによって、それは、補強領域２.２の表面積および作動手段の力Ｐを保持するようになる。中央領域２.１における膜の機械的挙動は、膜の最大たわみ、作動手段によって生じる力、その動き、および補強領域の表面積に影響される。
【０１５２】
光学フィールド２.１は、２.５ｍｍの直径を有していてもよく、光学フィールド２.１と補強領域２.２の間にはガード領域が設けられないが、光学フィールド２.１と係留領域２.３との間には中間ガード領域２.５が設けられる。係留領域２.３の幅は、２００マイクロメートルに等しい。補強領域２.２は、１.２５ｍｍの内径Ｒ’と１.３５から２.０５ｍｍの外径Ｒを有している。膜はパリレンから形成され、その厚さは１マイクロメートルでありかつ光学フィールドの中央領域における所望の最大たわみは、２０マイクロメートルとなるように示されている。ｚ軸に沿って作動手段によって生じるすべての力は、０.２から０.４ｍＮの間で変化する。この力に基づいて、マイクロビームタイプのアクチュエータに供給されるエネルギーを決定することは当業者には困難ではない。
【０１５３】
補強領域２.２の移動は、８.３ｍｍ２の表面積に関して３マイクロメートルから、０.８ｍｍ２の表面積に関して７マイクロメートルの間で変化する。中間ガード領域２.５の幅ｄａｎｃｒは例えば０.２ｍｍまで及ぶ。
【０１５４】
近似値のすべてをとることによってかつ寸法決めを改良することによって、あるいは実験的に機械的かつ光学的なシミュレーションにおいて、その力および運動が低減され、それが作動手段の寸法決めをより簡単にし、かつよりコンパクトな光学デバイスを提供すると考えられる。
【０１５５】
他の数値的な例を説明する。図９Ｂを参照されたい。図９Ａとの唯一の違いは、補強部２.２ａに分割された補強領域２.２が設けられていることであり、それは、実際に、中央領域２.１の周囲に配置された８つの円形冠形状の部分である。円形冠形状のさまざまな部分は、数十から数百マイクロメートルの距離ｄｚによって分離されている。補強領域２.２の表面積は以下のように表現される。
【０１５６】
【数３】
0005501964.tif 000004
【０１５７】
距離ｄｚは、焦点距離における変化の正確な作動を妨げてはならない。
【０１５８】
妥協点が複数の補強部２.２ａとその表面積との、したがって複数の補強部２.２ａとマイクロビームタイプのアクチュエータとの間になされる必要がある。複数の補強部２.２ａの選択は、実質的に同一の様式において補強部２.２ａのそれぞれを作動するための作動手段のキャパシティならびに作動手段によってもたらされる歪みの特性にも影響される。
【０１５９】
光学収差が本発明の光学デバイスとともに現れるようになってもよい。それらは、変形した膜２と係留状態の支持体１.５との間の平行度の不足に関連する。これらは、特に、本発明の光学デバイスが図１１に関して説明したように組み合わせられた二つの基部から形成される場合に見られる。これらは最大たわみω０を生じ、そして最大たわみω０は光学フィールド２.１の中央には存在しない。光学デバイスの光学軸は、光学フィールド２.１の中央を通る。イメージの質が低下する。
【０１６０】
そうした従来のリキッドレンズにおける事象を制限するために、支持体に対する膜の組立を最適化することを目的とし、この組み立ては、静止状態で所望の平行度が得られるようする密封技術に基づくものである。しかしながら、レンズが作動しているとき、作動手段５を作動させるために使用される電圧Ｖ０の供給によって、その焦点距離が変化する。作動手段５によって生じる変位がリキッドレンズの周縁全体にわたって均一でない場合、上記事象が現れ、かつイメージの質が低下する。皿３の底部と膜２の押圧部２００との間の空間ｄは、膜の周縁全体にわたって一定ではない。これは、作動手段５の指示(コマンド)中に何もない場合、変則的に、本発明の光学デバイスにおいても生じうる。実際に、異なるマイクロビームタイプのアクチュエータ５.１が同じ電圧Ｖ０を正確に供給しないこともある。特定のアクチュエータ５の方向にドリフトが生じことがある。リキッド４の圧力は、膜の周縁全体にわたっては完全に均一ではないこともあり、これは、デバイスがわずかに一方に傾いて使用されている場合に起こり得る。この動作において、上記事象は制御を困難にし、そしてこのタイプの光学デバイスは非常に不利となる。こうした作用を解消するために、作動手段５のコマンドの制御の提供を可能にする。
【０１６１】
図１２を参照されたい。光学デバイスの焦点距離の変更は、マイクロビームの機械的な変形を生じるのに役立つ供給電圧Ｖ０の付加によって、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１が作動されたときに、マイクロビームタイプのアクチュエータ５.１の作動によって常に実現される。加えて、作動手段５に供給される電圧を自動的に制御するための手段８が押圧部２００におけるリキッドの厚さｄに関連して設けられる。自動制御手段８は、リキッドの厚さを測定するための容量性手段８.１と協働し、容量性手段８.１は、好ましくは押圧部２００におけるいくつかの部分に配置されている。この測定手段８.１は、押圧部２.２に分配された一対の電極を複数、備えていてもよい。一対の電極のうちの第１の電極Ｅ１は、リキッド４の側において膜２と接触して配置されており、かつ第２の電極Ｅ２は、一対の電極の第１の電極Ｅ１に面する皿の底部に配置されている。電位差Ｖ１が一対の電極の二つの電極Ｅ１、Ｅ２のそれぞれに(電極Ｅ１、Ｅ２の間に一定のリキッド４が配置されている)付加されることによって、一対の電極Ｅ１、Ｅ２のそれぞれに取得され、それによって、膜２と皿３の底部３.１との間のリキッドの厚さが測定される。
【０１６２】
図１２において、自動制御手段８が示されているが、加えて、それらは、過度な負担とならないように、二つの一対の電極Ｅ１、Ｅ２および二つのアクチュエータ５.１のみが図示されたものである。
【０１６３】
本発明の対象物である光学デバイスの作動中において、容量測定がある場所から他方への(例えばｄ、ｄ＋ε)差異が得られた場合、自動制御手段８は、測定手段８.１から容量測定値を受け取り、それらを、他の方法で測定した空間ｄに対応する基準値と比較し、そして補足的な補正値ΔＶ０、さらには基準電圧Ｖ０であるコマンドが、容量測定が基準値と異なる場所において、対応するアクチュエータ５.１に供給される。したがって、アクチュエータ５.１の供給電圧を調整することによって、容量測定値のすべてが、ひいては膜２と皿３の底部３.１との間のすべての距離が基準値と等しくされる。
【０１６４】
これによって、レンズまたはミラーの正確な作動のために必要な平行度は、自動変位制御によって確実なものとなる。こうした自動制御は、当該技術分野のものに関していかなる問題ももたらさないものである。
【０１６５】
光学デバイスの焦点距離を変更することが望まれた場合には、電圧Ｖ０が、測定手段８.１によって、図１２に示されている作動手段であるアクチュエータ５.１のすべてに供給され、膜２と皿３の底部３.１との間の距離が測定され、その測定値が自動制御手段８に提供される。一つ以上の一対の電極Ｅ１，Ｅ２が寄生的なずれεを検出した場合、自動制御手段８は、検出された寄生的なずれεを有する一対の電極に最も近接する一つ以上のアクチュエータ５に対して、付加的な正しい電圧Ｖ０の供給の指示を出す。一つ以上のアクチュエータ５に供給される付加的な正確な電圧Ｖ０は、そのずれεが相殺されるように、それらが膜２を局所的に変位させる。
【０１６６】
複数の一対の電極Ｅ１，Ｅ２は、複数のアクチュエータ５.１、および補強領域が存在する場合には補強領域の表面積および剛性に関連する。一対の電極Ｅ１，Ｅ２の位置は、アクチュエータ５.１によって押圧された押圧部２００に応じて最適化される必要がある。この目的が一対の電極によって気付かされる上記ずれを補償可能にすることであるため、それは、各アクチュエータにおける、したがって各押圧部における一対の電極の適切な配置を示す。一対の電極を押圧部２００の間に配置するが、その形成に関して自動制御がより難しくなることは明らかである。
【０１６７】
電極Ｅ１，Ｅ２の表面積は、静止状態でのリキッド４の厚さに直接的に関連し、かつそれはリキッド４の厚さよりも高く、それは電極Ｅ１，Ｅ２の表面積より大きい。
【０１６８】
その寸法決めに関連して、光学デバイスの正確な作動のために必要な制度を組み込むことが必要である。実際に、対向する電極Ｅ１，Ｅ２によって形成される平坦なキャパシタのキャパシティＣは、Ｃ＝ε’Ｓ’/ｅによって示され、ここで、Ｓは電極の表面積であり、ｅはリキッドの厚さであり、ε’はリキッドの誘電率である。キャパシタＱの変化はＱ＝ＣＶ’によって示され、ここでＶ’はキャパシタの電極に付加される電位差である。それは結果としてＱ＝ε’Ｓ’Ｖ’/ｅを導く。与えられたＶ’およびε’に関して、より大きいものがＳ’であり、より小さいものがｅであり、より大きなものがＱであり、したがって、より感度の高いものがＥ１，Ｅ２である。光学デバイスに関して目標とする所定のパフォーマンスは、電極間の最大ずれεｍａｘが、イメージの質における影響を有することなく許容されてもよい。一対の電極の精度の測定はεｍａｘより小さくなければならない。
【０１６９】
オートフォーカスおよびズームを目的とした使用に関して、光学デバイスの焦点距離は、非常に素早く、つまりできる限り短い応答時間を確実なものとするために高い周波数で、変更される必要がある。さらにカメラまたはフィルムカメラの使用において、光学デバイスが焦点距離における変化中にとるさまざまな距離に関して、所望の焦点距離までイメージテストを行うように使用するために設けられるイメージセンサが備えられる。そうした動的動作において、容量測定は、所定の焦点距離に関して数回にわたって行われる。実際に、基準値を比較し、データを処理し、そしてアクチュエータに指示を出すという容量測定値の取得の数サイクルが、所望の光学特性を確実なものとするために各焦点距離の値に関して必要となる。したがって、容量測定値の取得振動数が焦点距離における変化の振動数に比べて著しく大きいことが必要となる。
【０１７０】
容量測定値によって変位の制御と関連する信号のすべての処理が、光学パフォーマンスに関して適用可能な範囲内でリキッドレンズの応答時間を低減すると同時に変位の均一性を確実なものとするために、最適化されることが必要である。これは当該技術分野のものに関していかなる問題ももたらさないものである。
【０１７１】
焦点距離の変化は、作動手段５からもたらされる力によって制御されるが、自動制御手段８を用いて変位に関して制御されてもよい。そうした変位の、したがって膜２の変形の制御は、光学デバイスの光学特性を著しく向上させることができる。
【０１７２】
本発明の光学デバイスの使用の方向性の望ましくない効果は、二つの要因：第一に、リキッド４の量を制限すること、それによってリキッド４の重量を最小化することであり、第二に、容量測定によって膜２の変位を制御することである：によって解決される。
【０１７３】
ここで、本発明の対象であるリキッドレンズタイプの光学デバイスの他の実施形態について説明する。図１３Ａないし１３Ｅを参照されたい。
【０１７４】
図１３Ａにおいて、膜２の支持体１.５は、皿３を形成するようプレート１.１に結合されたフレーム１.１から形成されている。プレート１.１は透過性を有する皿３の底部を実現する。上述したように比較される膜２とリキッド４との変形は生じない。作動手段は明瞭にするために図示されていない。
【０１７５】
透過性プレート１.１は、図１３Ａに示されるように実質的に平行な平坦な面を備える、実質的に一定の厚さのものであってもよい。少なくとも一つの面が、外面が凸状または凹状を呈するように、図１３Ｂ，１３Ｃ、１３Ｄのように構成できる。所望の光学パフォーマンスに応じてその選択がなされる。それは、レンズを透過する光学的放射線を通過させる。フレーム１はシリコンなどの半導体材料から形成されてもよく、それは、特に自動制御が用いられる場合に、作動手段のコマンドの処理と関連する回路に組み込まれていてもよい。回路は複雑にしないために図示していない。透過性プレート１.１はガラスまたはプラスチック材料から形成されてもよい。
【０１７６】
図１３Ｂ，１３Ｃにおいて、透過性プレート１.１は凸状構造のものであり、かつ図１３Ｄにおいては透過性プレート１.１は凹状構造のものである。透過性プレート１.１の構造は、例えばマシニングまたはモールディングによって得ることができる。
【０１７７】
図１３Ｅにおいて、支持体１.５はフレーム１によって実現されており、かつ透過性フレーム１.１は第２の膜２０に置き換えられている。第２の膜は、膜の表面全体にわたって延在する層を備えている。二つの膜２，２０は、その主面の一方において、それぞれ、フレーム１に係留されている。それらはリキッド４を含有するためのハウジングの形成に役立つ。これによって、膜の光学パフォーマンスを向上させることができる。作動手段５は膜２の一方のみに設けられている。膜２の三つの領域に作動手段５が設けられている。膜２０は動作させられていないが、作動手段５が作動されると膜２０は変形する。
【０１７８】
そうした変形可能な焦点距離の光学デバイスは、特にデバイスが単一の膜を備える場合に、従来のものよりも非常に簡略化される。それによって、このような簡略化、製造法の簡単化およびコストに関する利点に加えて、漏出の可能性が低減されたために全体的な信頼性が向上される。本発明の対象である光学デバイスの形成において、そのスケールは、従来のリキッドレンズが形成される際のスケールよりも、非常に小さなものとされてもよい。ウェハー技術による製造が正確化しかつ繰り返し可能であるため、数百ｍｍ３から数ｍｍ３までのオーダーとなるようにリキッドの量は低減されてもよい。こうした利点によって、従来の二つの問題点(温度における変化のおよび光学デバイスの作動時の圧力作用ならびにその耐衝撃性)が回避可能となる。実際に、一定の量のレンズにおいて、リキッドの量を最低限にするために、温度および圧力に関する変化の作用によるリキッドの膨張という事象が制限される。
【０１７９】
さらに、リキッドの量の低下は、光学デバイスの耐衝撃性に良好に働く。実際に、リキッドの量が小さくされると、衝撃時の膜の応力も小さくなる。
【０１８０】
そうした変形可能な焦点距離を伴う光学デバイスは、カメラデバイスに、特に携帯電話スチールカメラに使用されてもよい。図１４Ａを参照されたい。そうしたカメラデバイスは、縦方向に、本発明のリキッドレンズタイプの可変焦点距離Ｌを伴う少なくとも一つの光学デバイスを含む対物レンズ８０と、基部８２によって支えられた例えばＣＣＤまたはＣＭＯＳタイプのイメージセンサ８１とを備える。この例において、対物レンズ８０は、固定された焦点距離を備える少なくとも一つのレンズ８３と、本発明のリキッドレンズＬとを有する。そして、固定された焦点距離を伴うこのレンズ８３は、公知の光学セットとして知られるようになる。リキッドレンズＬは、従来の光学セット８３とイメージセンサ８１との間に配置される。代替的には、従来の光学セット８３は、リキッドレンズＬとイメージセンサ８１との間に配置されてもよい。従来の光学セット８３は、固定されている。上述したように、その製造方法の効果によって、リキッドレンズＬはＭＯＥＭＳ(マイクロエレクトロメカニカルシステム)と比較されてもよい。可変焦点距離を伴うリキッドレンズＬは、一定の距離をおいて配置されており、それは対物レンズ８０およびイメージセンサ８１の特性に左右されるものであるが、この距離が小さいときには、リキッドレンズＬおよびイメージセンサ８１はＡＩＣ(上型集積回路)技術によって、あるいはＷＬＣＳＰ(ウェハー レベル チップ スケール パッケージ)技術によって形成できる。リキッドレンズＬの焦点距離に加えて、静止状態の膜の曲率およびリキッドの屈折率に関しても、静止状態のリキッドの圧力を最適化することによって対処される。
【０１８１】
カメラデバイスが図１４Ｂのようにズーム機能を備える場合でも、光学セット８３は。固定された焦点距離を伴う少なくとも二つのレンズ８３.１，８３.２、ならびに二つのリキッドレンズＬおよびＬ’とともに使用され、リキッドレンズＬおよびＬ’のうちの一方が、光学セット８３の二つのレンズ８３.１，８３.２の間に配置され、かつもう一方が図１４Ｂに示されるようにイメージセンサ８１に近接して配置される。
【０１８２】
本発明のさまざまな実施形態について詳細に説明してきたが、本発明の範囲を超えることなく、さまざまな変更および改変が可能であることを理解されたい。特に多くの他の方法が膜および作動手段の形成に使用されてもよい。
【符号の説明】
【０１８３】
１  フレーム
１.５  支持体
２  膜
２.１  中央領域(光学フィールド)
２.１１，２.１２  連続層
２.２  補強領域
２.２ａ  補強部
２.３  係留領域
２.４，２.５  中間ガード領域
２.６  強化領域
３  皿
３.１  底部
４  リキッド
５  作動手段
５.１  アクチュエータ
５.１０  固定部
５.２０  可動部
５.５加熱手段
５.６  スタックの他の構成要素
８.１  容量性手段(測定手段)
１０  リキッドレンズ
２０.１，２０.２  副次的層
５０  第１の部分
５１，５２  電極
５３  圧電材料
５４  受動層
８０  対物レンズ
８１  イメージセンサ
８２  基部
８３  固定焦点距離レンズ(光学セット)
８３.１，８３.２  固定焦点距離レンズ
１００  基部(支持体)
１０１  犠牲材料
１０７  孔
１１０  支持体
１１５  中空部分
１５０  電源パッド
１５１  導電トラック
２００  押圧部
Ｅ１，Ｅ２  電極
Ｌ，  Ｌ’  リキッドレンズ
ＲＲ  反射コーティング
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
0005501964.tif 000011
【図３．１−３．８】
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【図３．９−３．１５】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図６Ｉ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
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【図７Ｊ】
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【図７Ｋ】
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【図７Ｌ】
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【図７Ｍ】
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【図７Ｎ】
0005501964.tif 000044
【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
0005501964.tif 000049
【図１０Ｃ】
0005501964.tif 000050
【図１０Ｄ】
0005501964.tif 000051
【図１０Ｅ】
0005501964.tif 000052
【図１１】
0005501964.tif 000053
【図１２】
0005501964.tif 000054
【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
0005501964.tif 000056
【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
0005501964.tif 000058
【図１３Ｅ】
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【図１４Ａ】
0005501964.tif 000060
【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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