(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の第一表面と第二表面との間で前記基板を貫通して延びる第一チャネルと前記基板の第一表面と第二表面との間で前記基板を貫通して延びる少なくとも１つの第二チャネルとを含む、前記基板と；
第一液体を含む液滴であって、その液滴は前記基板を貫通して延びる前記第一チャネル内に配置されるものとし、前記液滴は、前記基板の前記第一表面から突出している第一キャピラリー表面を有する第一ドロップレット部分と、前記基板の前記第二表面から突出している第二キャピラリー表面を有する第二ドロップレット部分とを含むものとし、そして、前記第一ドロップレット部分と前記第二ドロップレット部分とが前記第一チャネルを通じて連結しているものとする、前記液滴と；
前記基板を少なくとも部分的に包囲し、そして、チャンバを含む筐体であって、ここで、前記基板を貫通して延びる前記第一チャネルが、前記筐体の前記チャンバ内に存在しているものとする、前記筐体と；
前記チャンバ内に配置される第二液体であって、ここで、前記第一液体を含む前記液滴と前記第二液体とが、前記チャンバ内で動作可能なように結合しているものとする、前記第二液体と；
前記第一チャネル内で前記液滴を振動させるためのドライバであって、ここで、前記ドライバが前記少なくとも１つの第二チャネル内に配置される少なくとも１つの磁性流体滴を含み、その少なくとも１つの磁性流体滴を磁気的に振動させることが可能であり、この結果前記液滴を振動させることを容易にし、そして前記ドライバの前記少なくとも１つの磁性流体滴が、前記筐体の前記チャンバ内に配置される前記第二液体を介して、前記液滴を１つのチャネル内で動作可能なように結合しているものとする、前記ドライバと；
を含む、液体レンズ。
【請求項２】
基板の第一表面は、チャンバの第一チャンバ部分を規定することを容易にし、前記基板の第二表面は、前記チャンバの第二チャンバ部分を規定することを容易にし、そして、第二液体が、前記第一チャンバ部分及び前記第二チャンバ部分を実質的に充填する、請求項１に記載の液体レンズ。
【請求項３】
第一液体を含む液滴と第二液体とが、第一チャンバ部分内で直接接触し、そして、第二チャンバ部分内で直接接触する、請求項２に記載の液体レンズ。
【請求項４】
前記ドライバの少なくとも１つの磁性流体滴は、前記液滴を、すなわち、前記液滴の前記第一ドロップレット部分及び前記第二ドロップレット部分を前記１つのチャネル内で連続又は断続的に振動させることを可能にする、請求項１に記載の液体レンズ。
【請求項５】
第一液体を含む液滴及び第二液体が直接接触し、そして、非混合性である、請求項１に記載の液体レンズ。
【請求項６】
前記基板の第一表面は、チャンバの第一チャンバ部分を規定することを容易にし、前記基板の第二表面は、前記チャンバの第二チャンバ部分を規定することを容易にし、第二液体が、前記第一チャンバ部分及び前記第二チャンバ部分を実質的に充填し、そして、前記ドライバが、電磁ドライバを更に含み、ここで、前記電磁ドライバは、前記少なくとも１つの磁性流体滴を前記少なくとも１つの第二チャネル内で振動させ、従って、前記液滴を前記第一チャネル内で振動させるものとする；
請求項５に記載の液体レンズ。
【請求項７】
ドライバが、基板の第一表面と第二表面との間で前記基板を貫通して延びている複数の第二チャネル中に配置される複数の磁性流体滴を含み、前記複数の磁性流体滴の各磁性流体滴の体積は、前記基板を貫通して延びている第一チャネル内の液滴の体積よりも小さく、そして、前記複数の磁性流体滴は、チャンバの第一及び第二チャンバ部分の間で前記複数の磁性流体滴が振動する際に、前記チャンバの前記第一及び第二チャンバ部分との間に存在する基板の第一チャネル内で前記液滴を移動させる、請求項６に記載の液体レンズ。
【請求項８】
電磁ドライバが第一電磁ドライバであり、前記ドライバが第二電磁ドライバを更に含み、前記第一電磁ドライバと前記第二電磁ドライバとが一緒になって、少なくとも１つの第二チャネル内の少なくとも１つの磁性流体滴を振動させ、そして、このようにして第一チャネル内の液滴を振動させる、請求項６に記載の液体レンズ。
【請求項９】
第一液体が高屈折率の液体を含み、そして、第二液体が水を含む、請求項１に記載の液体レンズ。
【請求項１０】
前記基板が、第一チャネルの基板の端部で液滴が固定されたままであることを容易にするように選択される非湿潤性材料を含む、請求項１に記載の液体レンズ。
【請求項１１】
筐体が、液滴の少なくとも第一ドロップレット部分又は第二ドロップレット部分にわたって配置される透明なハウジング部分を含み、そして、チャンバが、密封されたチャンバである、請求項１に記載の液体レンズ。
【請求項１２】
液体レンズ及び少なくとも１つのイメージセンサーを含むイメージングシステムであり、
前記液体レンズは：
基板の第一表面と第二表面との間で前記基板を貫通して延びている第一チャネルと前記基板の第一表面と第二表面との間で前記基板を貫通して延びる少なくとも１つの第二チャネルとを含む、前記基板と；
第一液体を含む液滴であって、その液滴は、前記基板を貫通して延びている前記第一チャネル内に配置されるものとし、前記液滴は、前記基板の前記第一表面から突出している第一キャピラリー表面を有する第一ドロップレット部分と、前記基板の前記第二表面から突出している第二キャピラリー表面を有する第二ドロップレット部分とを含むものとし、そして、前記第一ドロップレット部分と前記第二ドロップレット部分とが前記第一チャネルを通じて連結しているものとする、前記液滴と；
前記基板を少なくとも部分的に包囲し、そして、チャンバを含む筐体であって、ここで、前記基板を貫通して延びる前記第一チャネルが、前記筐体の前記チャンバ内に存在しているものとする、前記筐体と；
前記チャンバ内に配置される第二液体であって、ここで、前記第一液体を含む前記液滴と、前記第二液体とが、前記チャンバ内で動作可能なように結合しているものとする、前記第二液体と；
前記第一チャネル内で前記液滴を振動させるためのドライバであって、ここで、前記ドライバが前記少なくとも１つの第二チャネル内に配置される少なくとも１つの磁性流体滴を含み、その少なくとも１つの磁性流体滴を磁気的に振動させることが可能であり、この結果前記液滴を振動させることを容易にし、そして前記ドライバの前記少なくとも１つの磁性流体滴が、前記筐体の前記チャンバ内に配置される前記第二液体を介して、前記液滴を１つのチャネル内で動作可能なように結合しているものとする、前記ドライバと；を含む前記液体レンズであり、そして、
前記少なくとも１つのイメージングセンサーは、少なくとも１つのイメージング経路へ結合しているものとし、そして、前記イメージング経路は、前記第一チャネル内の振動液滴の前記第一及び第二ドロップレット部分を通過して、前記振動液滴の前記第一ドロップレット部分及び前記第二ドロップレット部分を通じて画像を取得するものとする、前記イメージングセンサーである、
前記イメージングシステム。
【請求項１３】
少なくとも１つのイメージセンサーが少なくとも１つのイメージ経路へ動作可能なように結合しており、前記イメージ経路は、液滴の第一及び第二ドロップレット部分が連続又は断続的に振動する間に、前記振動液滴の前記第一及び第二ドロップレット部分を通じて画像を取得する、請求項１２に記載のイメージングシステム。
【請求項１４】
ドライバへ連結され、そして、基板の１つのチャネル内での液滴の振動を制御するように構成されるコントローラーを更に含む、請求項１２に記載のイメージングシステム。
【請求項１５】
液体レンズが、固定接触振動液体レンズである、請求項１３に記載のイメージングシステム。
【請求項１６】
基板の第一表面はチャンバの第一チャンバ部分を規定することを容易にし、前記基板の第二表面は前記チャンバの第二チャンバ部分を規定することを容易にし、第二液体は前記第一チャンバ部分及び前記第二チャンバ部分を実質的に充填し、第一液体を含む液滴と前記第二液体とが、前記第一チャンバ部分内で直接接触し、前記第二チャンバ部分で直接接触し、そして、非混合性である、請求項１２に記載のイメージングシステム。
【請求項１７】
前記ドライバが電磁ドライバを更に含み、ここで、前記電磁ドライバは、少なくとも１つの前記第二チャネル内で前記少なくとも１つの磁性流体滴を振動させ、そして、このようにして前記第一チャネル内の前記液滴を振動させる、請求項１２に記載のイメージングシステム。
【請求項１８】
筐体が、液滴の第一ドロップレット部分又は第二ドロップレット部分の少なくとも１つにわたって配置される透明なハウジング部分を含み、そして、チャンバが、密封チャンバである、請求項１２に記載のイメージングシステム。
【請求項１９】
液体レンズの液滴を振動させる工程；及び
前記液滴の第一又は第二ドロップレット部分の少なくとも１つを通過するイメージ経路を介して少なくとも１つの画像を取得する工程；
を含むイメージング方法であって、前記振動工程において、
前記液体レンズは、基板の第一表面と第二表面との間に延びている第一チャネルと前記基板の第一表面と第二表面との間に延びている少なくとも１つの第二チャネルとを含む前記基板を含むものとし、前記液滴は前記第一チャネル内に配置されるものとし、前記液滴は、前記基板の前記第一表面から突出している第一キャピラリー表面を含む第一ドロップレット部分と、前記基板の前記第二表面から突出している第二キャピラリー表面を含む第二ドロップレット部分とを含むものとし、前記液滴の前記第一及び第二ドロップレット部分は前記第一チャネルを通じて連結しているものとし、前記液体レンズは筐体を更に含むものとし、前記筐体は、チャンバを含み、そして、前記基板を少なくとも部分的に包囲するものとし、第一チャネルが第二液体を含む前記チャンバ内に存在するものとし、第一液体を含む前記液滴と前記第二液体とが前記チャンバ内で動作可能なように結合しているものとし、そして、
前記液体レンズは、前記第一チャネル内で前記液滴を振動させるためのドライバを含み、ここで、前記ドライバが前記少なくとも１つの第二チャネル内に配置される少なくとも１つの磁性流体滴を含み、その少なくとも１つの磁性流体滴を磁気的に振動させることが可能であり、この結果前記液滴を振動させることを容易にし、そして前記ドライバの前記少なくとも１つの磁性流体滴が、前記筐体の前記チャンバ内に配置される前記第二液体を介して、前記液滴を１つのチャネル内で動作可能なように結合しているものとし、前記振動は、前記第一ドロップレット部分又は前記第二ドロップレット部分の少なくとも１つに振動力を付与して、前記第一チャネル内で前記液滴を振動させるもとのする、
前記イメージング方法。
【請求項２０】
振動液滴の第一及び第二ドロップレット部分を通じて複数の画像を取得する工程；少なくとも１つの画像基準に基づいて取得画像を評価する工程；そして
評価に基づいて、少なくとも１つの取得画像を最終画像として選択する工程；
を更に含む、請求項１９に記載のイメージング方法。
【請求項２１】
画像取得工程が、振動液体レンズの振動期間にわたって起こり、そして、評価工程が、複数の画像から少なくとも１つの焦点の合った画像を選択することを含む、請求項２０に記載のイメージング方法。
【請求項２２】
液体レンズを製造する方法であって：
液滴に対して非湿潤性の基板を得る工程；
前記基板の第一表面から第二表面へ延びている第一チャネルと前記基板の第一表面から第二表面へ延びている少なくとも１つの第二チャネルとを前記基板に提供する工程；
第一チャネル内に、第一液体を含む前記液滴を提供する工程、ここで、前記液滴は、前記基板の前記第一表面から突出している第一キャピラリー表面を有する第一ドロップレット部分と、前記基板の前記第二表面から突出している第二キャピラリー表面を有する第二ドロップレット部分とを含むものとし、前記第一ドロップレット部分と前記第二ドロップレット部分とが前記第一チャネルを通じて連結しているものとする、前記工程；
前記基板を貫通して延びている前記の１つのチャネルを包囲するチャンバを含む筐体を提供する工程、ここで、前記基板の前記第一表面は、前記チャンバの第一チャンバ部分を規定することを容易にし、前記基板の前記第二表面は、前記チャンバの第二チャンバ部分を規定することを容易にし、前記第一ドロップレット部分が前記チャンバの前記第一チャンバ部分内にあり、そして、前記第二ドロップレット部分が前記チャンバの前記第二チャンバ部分内にあるものとする、前記工程； 
前記チャンバの前記第一チャンバ部分及び前記第二チャンバ部分内に第二液体を配置する工程、ここで、前記第二液体と前記液滴とが、前記チャンバ内で動作可能なように結合しているものとする、前記工程；及び
ドライバを提供する工程、ここで、前記ドライバが、前記基板の前記第一表面と前記第二表面との間で前記基板を貫通して延びている少なくとも１つの第二チャネル中に配置される少なくとも１つの磁性流体滴を含み、前記ドライバの前記少なくとも１つの磁性流体滴が、前記筐体の前記チャンバ内に配置される前記第二液体を介して、前記液滴を１つのチャネル内で動作可能なように結合しているものとする、前記工程；
を含む、前記方法。
【請求項２３】
前記液滴の振動が、種々の焦点距離での液体レンズによる画像取得を容易にするものとする、請求項２２に記載の前記方法。
【請求項２４】
第一液体を含む液滴と第二液体とが、非混合性であり且つ直接接触しており、前記基板の第一表面がチャンバの第一チャンバ部分を規定することを容易にし、前記基板の第二表面が前記チャンバの第二チャンバ部分を規定することを容易にし、前記第二液体が前記第一チャンバ部分及び前記第二チャンバ部分を実質的に充填し、そして、ドライバを提供する工程が：
前記少なくとも１つの磁性流体滴を少なくとも１つの前記第二チャネル内で振動させ、そして、そのようにして前記第一チャネル内で前記液滴を振動させるために、電磁ドライバを提供する工程；
を含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【連邦支援研究に関する記載】
【０００１】
本発明は、契約番号ＨＲ００１−０９−１−００５２のもと、アメリカ合衆国国防総省の国防総省国防高等研究事務局（ＤＡＲＰＡ）からの支援によりなされたものである。従って、米国政府は、本発明においてある程度の権利を有することがある。
【関連出願の相互参照】
【０００２】
本願は、２０１０年７月２７日に出願された米国特許仮出願第６１／３６８，０２０号についての優先権を主張し、これらの開示内容は、これらの全体が参照により本明細書中に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、一般的に適応光学デバイスに関するものであり、より詳細には、液体レンズ、並びに、前記液体レンズを使用するイメージングシステム及びイメージング方法に関するものである。
【０００４】
光学焦点調節は、画像に焦点を合わせるまでカメラのレンズを機械的に動かすことによる遅延のために、多くの場合時間のかかるプロセスである。液体はレンズ材料にとって珍しい選択であると考えられているが、高速応答を必要とする適応光学での用途、又は、小規模又は費用効率の高い光学を必要とする用途のための液体レンズには関心がある。液体レンズは、重量の増加及び固体レンズを移動させることに関連する製造上の複雑さを有利に回避する。表面張力のおかげで、液体レンズの界面（interface）は良好な光学的品質を有する。なぜなら、前記表面張力は、重力をサブミリ波スケールで支配し、そして、ほとんど完全な球形状で、且つ分子スケールにまで至る光学的平滑な界面を提供するからである。
【０００５】
消費者レベルでのワイヤレス通信における画像及びマルチメディアの使用の近年の急増によって、軽量且つ丈夫な適応光学に対する研究が増加してきた。しかしながら、このようなレンズに対する要望は、携帯電話及びビデオカメラを超え、生物医学的検出及びイメージング、監視及び防衛のための自律航空機及び水中機、並びにマイクロ製造用の顕微鏡検査及び適応リソグラフィなどにおける先端技術にまで及ぶ。
【発明の概要】
【０００６】
或る観点では、液体レンズを提供することにより、先行技術の欠点を克服し、そして、追加の利点を提供する。液体レンズは、第一液体を含む液滴（liquid drop）と基板とを含み、前記基板は、前記基板の第一表面と第二表面との間で前記基板を貫通して延びている少なくとも１つのチャネルを含む。液滴は、基板を貫通して延びている少なくとも１つのチャネルの内の１つのチャネル内に配置され、そして、第一ドロップレット部分（droplet portion）及び第二ドロップレット部分を含む。前記第一ドロップレット部分は、基板の第一表面から突出している第一キャピラリー表面を有し、そして、前記第二ドロップレット部分は、基板の第二表面から突出している第二キャピラリー表面を有する。第一ドロップレット部分と第二ドロップレット部分とは、１つのチャネルを通じて連結している。液体レンズは筐体を更に含む。前記筐体は、基板を少なくとも部分的に包囲し、そして、チャンバを含む。基板を貫通して延びている少なくとも１つのチャネルの内の１つのチャネルは、筐体のチャンバ内に存在する。第二液体はチャンバ内に配置され、そして、第一液体を含む液滴と第二液体とは、チャンバ内で直接又は間接的に接触している。ドライバを提供して、基板を貫通して延びている１つのチャネル内で液滴を振動させる。
【０００７】
別の観点では、液体レンズ及び少なくとも１つのイメージセンサーを有するイメージングシステムを提供する。液体レンズは、第一液体を含む液滴と基板とを含み、前記基板は、前記基板の第一表面と第二表面との間で前記基板を貫通して延びている少なくとも１つのチャネルを含む。液滴は、基板を貫通して延びている少なくとも１つのチャネルの内の１つのチャネル内に配置され、そして、第一ドロップレット部分及び第二ドロップレット部分を含む。前記第一ドロップレット部分は、基板の第一表面から突出する第一キャピラリー表面を有し、そして、前記第二ドロップレット部分は、基板の第二表面から突出する第二キャピラリー表面を有する。第一ドロップレット部分と第二ドロップレット部分とは、１つのチャネルを通じて連結している。液体レンズは筐体を更に含む。前記筐体は、基板を少なくとも部分的に包囲し、そして、チャンバを含み、ここで、基板を貫通して延びている少なくとも１つのチャネルの内の１つのチャネルは、筐体のチャンバ内に存在する。第二液体はチャンバ内に配置され、そして、第一液体を含む液滴と第二液体とは、チャンバ内で直接又は間接的に接触している。ドライバを提供して、基板を貫通して延びている１つのチャネル内の液滴を振動させる。１つのチャネル内の液滴の第一及び第二ドロップレット部分を通過する少なくとも１つのイメージング経路へ少なくとも１つのイメージングセンサーを連結させ、振動液滴の第一及び第二ドロップレット部分を通じて画像を取得する。
【０００８】
更に別の観点では、イメージング方法を提供する。前記イメージング方法は：
液体レンズの液滴を振動させる工程；及び
液滴の第一又は第二ドロップレット部分の少なくとも１つを通過するイメージ経路によって、少なくとも１つの画像を取得する工程；
を含み、前記振動工程において、
液体レンズは、基板の第一表面と第二表面との間に延びているチャネルを規定する前記基板を含むものとし；
前記液滴は前記チャネル内に配置されるものとし；
前記液滴は、前記基板の前記第一表面から突出している第一キャピラリー部分を有する第一ドロップレット部分と、前記基板の前記第二表面から突出している第二キャピラリー部分を有する第二ドロップレット部分とを含むものとし；
前記液滴の前記第一及び第二ドロップレット部分が前記チャネルを通じて連結しているものとし；
前記液体レンズは筐体を更に含むものとし、前記筐体は前記チャンバを含み、そして、前記基板を少なくとも部分的に包囲するものとし；
１つのチャネルは、前記第二液体を含むチャンバ内に存在するものとし；
第一液体を含む前記液滴と前記第二液体とは、前記チャンバ内で直接又は間接的に接触しているものとし；そして、
振動が、前記第一ドロップレット部分又は第二ドロップレット部分の少なくとも１つに振動力を付与して前記チャネル内の前記液滴を振動させることを含むものとする。
【０００９】
更なる観点では、液体レンズの製造方法を提供する。前記製造方法は；
液滴に対して非湿潤性の基板を得る工程；
前記基板の第一表面から第二表面へ延びている少なくとも１つのチャネルを前記基板に提供する工程；
前記基板を貫通して延びている前記少なくとも１つのチャネルの内の１つのチャネル内に、第一液体を含む前記液滴を提供する工程、ここで、前記液滴は、前記基板の前記第一表面から突出している第一キャピラリー表面を有する第一ドロップレット部分と、前記基板の前記第二表面から突出している第二キャピラリー表面を有する第二ドロップレット部分とを含むものとし、そして、前記第一ドロップレット部分と前記第二ドロップレット部分とが前記の１つのチャネルを通じて連結しているものとする、前記工程；
前記基板を貫通して延びている前記の１つのチャネルを包囲するチャンバを含む筐体を提供する工程、ここで、前記基板の前記第一表面は、前記チャンバの第一チャンバ部分を規定することを容易にし、そして、前記基板の前記第二表面は、前記チャンバの第二チャンバ部分を規定することを容易にするものとする、前記工程；及び
前記チャンバの前記第一チャンバ部分及び前記第二チャンバ部分内に前記第二液体を配置する工程、ここで、前記第二液体と前記液滴とが、前記チャンバ内で直接又は間接的に接触しているものとする、前記工程；
を含む。
【００１０】
追加の特徴及び利点は本発明の技術を介して実現される。本発明のその他の実施態様及び観点は、本明細書中に詳細に記載され、そして、本発明の一部としてみなされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の１つ以上の観点は、本明細書末尾の特許請求の範囲において特に整理され、そして、例として明確に記載される。本発明の上記の及びその他の目的、特徴、並びに利点は、添付の図面とともに以下の発明の詳細な説明から明らかになろう：
【００１２】
【図１Ａ】本発明の１つ以上の観点による液体−液体レンズの或る実施態様の断面図である；
【００１３】
【図１Ｂ】本発明の１つ以上の観点による、液体−液体レンズのアセンブリを示す図１Ａの液体−液体レンズの部分分解等角図である；
【００１４】
【図２Ａ−２Ｂ】本発明の１つ以上の観点による、ドライバに対応する図１Ａの液体−液体レンズ実施態様の液滴の操作上の運動を示すものであり、図２Ａには、基板の第二表面から突出している第二キャピラリー表面を有する第二ドロップレット部分が拡大されて示されており、図２Ｂには、基板の第一表面から突出している第一キャピラリー表面を有する第一ドロップレット部分が拡大されて示されている。
【００１５】
【図３】本発明の１つ以上の観点による、図示されたレンズ構造の右側の磁性流体滴へ付与される電磁信号で駆動される固定（pinned）接触振動液体−液体レンズの経過図である。
【００１６】
【図４Ａ】本発明の１つ以上の観点による、焦点の合っている物体のイメージングを表し、そして、振動液体−液体レンズを使用するイメージングシステムの或る実施態様の概略図である。
【００１７】
【図４Ｂ】本発明の１つ以上の観点による、振動液体−液体レンズを含むパッケージ化されたイメージングシステム（例えば、電話のカメラ）の或る実施態様を示す。
【００１８】
【図４Ｃ】本発明の１つ以上の観点による、図４Ｂの線４Ｃ−４Ｃによるパッケージ化されたイメージングシステムの図であり、振動液体−液体レンズを使用するイメージングシステムのその他の実施態様のそこに含まれる内包物を示す。
【００１９】
【図４Ｄ】本発明の１つ以上の観点による、振動液体−液体レンズを含むイメージングシステム（例えば、スキャニング光学顕微鏡）の別の実施態様を示す。
【００２０】
【図５Ａ】本発明の１つ以上の観点による、振動液体−液体レンズの光学モデルの結果を示し、そして、収束範囲スキャンの限界（破線で表される）の近くに配置される２つの標的及び相当する被写界深度（灰色のシェーディングで表される）とともに、焦点の合った物体距離を黒色曲線として表す。
【００２１】
【図５Ｂ】本発明の１つ以上の観点による、図５Ａに示される２つの標的の、振動液体−液体レンズを介して取得される（光学トレーンの物体として使用される）画像の鮮鋭度を分析することにより得られる実験データを示す。
【００２２】
【図６Ａ】本発明の１つ以上の観点による、上から下へ示される重力の方向（ｇ）をともなう液体−液体レンズ構造の部分描写である。
【００２３】
【図６Ｂ】本発明の１つ以上の観点による、右から左へ示される重力の方向（ｇ）に向きを変更された図６Ａの液体−液体レンズの部分描写である。
【００２４】
【図７】本発明の１つ以上の観点による、液体−液体レンズの別の実施態様の断面図である。
【００２５】
【図８Ａ】本発明の１つ以上の観点による、基板を含む液体−液体レンズの部分描写である。
【００２６】
【図８Ｂ】本発明の１つ以上の観点による、基板を含む液体−液体レンズの別の実施態様の部分描写である。
【００２７】
【図８Ｃ】本発明の１つ以上の観点による、基板を含む液体−液体レンズの更なる実施態様の部分描写である。
【００２８】
【図８Ｄ】本発明の１つ以上の観点による、図８Ａ〜図８Ｃに示される滴の体積に対する液体−液体レンズの共振周波数を示すグラフであり、挿入グラフは、図８Ａ〜図８Ｃに示される各構成の実験的に測定された周波数応答を示す。
【００２９】
【図９】本発明の１つ以上の観点による、振動液体−液体レンズを使用するイメージング方法の或る実施態様のフローチャートである。
【発明の詳細な説明】
【００３０】
レンズを最終位置に移動させる代わりに、前記レンズの形状を連続的に振動させて、その焦点距離を連続的に振動させる、極めて高速の焦点調節パラダイムが本明細書中に記載される。振動期間に、焦点距離はその全ての値域へ展開し、同期した高速センサーを使用して鮮鋭な画像を種々の焦点位置で取得する。０．０１秒の範囲内の焦点調節は実験的に達成されており、それは振動期間よりも小さいものであった。このことは、小さい（例えば、ミリメートルサイズ）液体レンズを使用することでシステムをその共振周波数で振動させることにより達成された。
【００３１】
より具体的には、振動と「同期」して画像をとらえることによって或る範囲における任意の画像平面を取得することのできる、振動焦点距離を有する液体−液体レンズが例として本明細書中に記載される。レンズを振動させることにより、焦点距離を変更する課題は、機械的な操作から、より著しく高速に達成することが可能な画像取得の電子計時へと変換する。高品質のイメージングはミリメートルスケールの液体レンズについて１００Ｈｚで実証されており、前記液体レンズは共振で動かされ、そして、固定接触線を特徴とする。理論的な予測により、極めて高速の応答は小型のレンズを使用することにより可能であることが示されている。
【００３２】
特定の方法は膜を使用して液体レンズを含有していたのに対して、特に興味深いのは、液体レンズがその表面張力のみによって制約されることであり、これは主に、均一で長持ちする膜の製造において、膜が画像品質及び製造課題に対して悪影響を与えることによる。しかしながら、表面張力結合方法（surface-tension-bound strategies）であっても、重量によって開口部が数ミリメートルに限定され、そして、数分に及ぶ安定的な作業が蒸発によって妨げられてしまうため、実際には扱いにくいものであった。
【００３３】
これらの問題に対処するために、少なくとも３０Ｈｚでの安定的作業、センチメートルスケールの開口部、方向独自性及び長期安定性を達成することによりこれまでの液体レンズの欠点を緩和する、液体−液体レンズ構造並びに前記液体−液体レンズ構造を使用するイメージングシステム及びイメージング方法を本明細書に開示する。基板（例えば、プレート）中の第一チャネル（例えば、円形孔）を通じて高い屈折率を有する第一液体の２つのドロップレットを連結させ；そして、筐体（例えば、透明なアクリル製の箱）によって包囲されるレンズシステムとともに、基板及び液体レンズを包囲する第二液体（例えば、水）を提供する；ことによって液体−液体レンズを形成する。第一液体ドロップレットの密度（ρＤ）と周囲液体（例えば、水）の密度（ρＷ）とを適合させることによって、キャピラリーの長さ（（ρＤ−ρＷ）−１／２に対応する）をミリメートル（通常の気体中液体液体レンズ（liquid in gas liquid lens）、例えば、空気中の水レンズのための）からセンチメートルまで増加させることができる。
【００３４】
ドロップレットの屈曲部に変化を生じさせる（焦点距離を変化させる）ためには、封入されたレンズシステムを非侵襲的な方法で作動させることが望ましい。この目的のために、１つ以上の第二チャネル（又は開口部）を基板中に提供する。第二チャネルの各々は、非混合性磁性流体の２つのドロップレットを提供する。筐体の外側に配置される比較的小型の電磁ドライバを使用することによって、磁性流体滴は「液体ピストン」として機能することができ、これは、基板のいずれかの側にある第一及び第二チャンバ部分の固定体積内で磁性流体ドロップレットを移動させる際に、第一液滴（すなわち、液体レンズ）を移動させる。振動電圧信号（例えば、振幅の３ボルト）を電磁ドライバ（例えば、鉄心を有する１５０回転の電磁石）へ提供して、振動磁場を生じさせることができ、これは同時に、磁性流体滴の、その結果として液滴（すなわち、液体レンズ）の振動運動を生じさせる。単純化のために、１つの電磁石を使用して、復元力であるキャピラリー（すなわち、バネ様）動作をともなって、１つの磁性流体滴（２つの結合した磁性流体ドロップレットを含む）を摂動させる。
【００３５】
理解を容易にするために単純化され、そして、縮尺通りではない以下の図面を参照にされたい。この図面において、種々の図面にわたって使用される同一の参照番号は、同一又は類似の部分を表す。
【００３６】
図１Ａは、本発明の１つ以上の観点による液体レンズ構造（多くの場合、符号１００で表わされる）の或る実施態様を表す。液体レンズ構造１００は、本明細書中において液体−液体レンズ構造と代替的に称され、そして、向かい合っている第一主要表面１１１及び第二主要表面１１２それぞれをもつ基板１１０を含む。基板１１０は、周囲液体（例えば、水）の存在下で、レンズ及びドライバ液に関して非湿潤性であり、そして、或る実施例において、疎水性材料（例えば、陽極酸化アルミニウム）を含む。基板１１０それ自体は、前記非湿潤性材料から形成されるか、又は、非湿潤性材料でコーティングされることもあるが、本明細書中に記載の１つ以上のチャネル（又は開口部）内ではその必要はない。図示された実施例において、基板１１０は、第一主要表面１１１と第二表面１１２との間でそれらを貫通して延びている第一チャネル１１３及び第二チャネル１１４を含む。これらの第一及び第二チャネル１１３，１１４は、一例として示される。その他の実施形態（implementations）では、本明細書中に記載の液体−液体レンズシステムの液体レンズ部分か又はドライバ部分のいずれかに複数のチャネルの配置を提供することがある。例えば、その他の実施形態において、前記構造の液体レンズ部分又はドライバ部分のいずれか又は両方に複数のチャネルを提供することがあり、前記チャネルの各々は、所望により、共通の横断面積（例えば、共通の直径）か、又は、種々の横断面積（例えば、種々の直径）を有することがある。種々の断面積を有するチャネル又は同一の断面積のチャネルから突出する液体の種々の量を有するチャネルを提供することによって、結合したドロップレットの配置は、種々の焦点調節特性又は種々のドライブ特性を達成することがある。
【００３７】
液滴１２０は、基板１１０の第一チャネル１１３内に配置される。例として、液滴（液体レンズシステムのレンズ部分として機能する）に対応する各チャネルは、基板を貫通する円筒形の孔（又は穴）を含むことがある。ここで、各液滴は、透明液体（例えば、シリコーン油）の滴である。しかしながら、当業者は、その他の液体を液体レンズとして代替的に使用できることを留意するであろう。基板１１０が非湿潤性であるため、液滴１２０は基板上に広がらず、そして、筐体１４０（下記に記載される）により規定されるチャンバ内の第二液体１３０（例えば、水）と、液滴１２０と、基板１１０との間の液体−液体−固体接触線が、第一チャネル１１３のエッジ部１２１で固定される。液滴１２０は、第一ドロップレット部分２０１（図２Ａ及び図２Ｂ参照）及び第二ドロップレット部分２０２（図２Ａ及び図２Ｂ）を含むものとして特徴づけられることができ、前記第一ドロップレット部分２０１は、基板１１０の第一表面１１１から突出する第一キャピラリー表面を含み、そして、前記第二ドロップレット部分２０２は、基板１１０の第二表面１１２から突出する第二キャピラリー表面を含む。この実施態様では、液滴１２０の第一キャピラリー表面及び第二キャピラリー表面によって、液滴と第二液体とは直接接触し、そして、非混合性である。前記第一キャピラリー表面及び第二キャピラリー表面は、本明細書中に記載の液体−液体レンズの液体対液体界面（liquid-to-liquid interface surfaces）であり、これは、上記の通り、表面張力のためにほぼ完全な球形状である。液滴１２０の第一ドロップレット部分２０１と第二ドロップレット部分２０２とは、基板１１０の第一チャネル１１３内に配置される液滴１２０の液体部分を通じて直接連結（すなわち、相互連結）している。
【００３８】
ドロップレット部分の向かい合った屈曲部はバネ状の力を生み出し、このバネ状の力は、力が液滴１２０の大部分に作用する際に、前記液滴１２０を固有のオシレータにする。本発明の或る観点によると、種々のパラメータについて、ドロップレット部分２０１，２０２の形状が本質的に球形状であるように、従って、光学に適するように、液滴１２０を調和的に動かすことができることを実証することができる。また、システム共振で液体レンズを強制させることによって、極めてわずかなエネルギー入力で振動運動を持続させることが可能になる。接触線の移動に関連する消散（粘性又はそれ以外）は、非湿潤性基板を使用して接触線を固定することにより最小限になる。更に、振動は時間及び長さのスケールで生じるようになっており、この場合、粘度とは対照的にキャピラリー現象が慣性のバランスをとる。液体レンズの固有振動数は、Ｒ−３／２としてのレンズの半径に対応し、その結果、サイズの小さいレンズを使用して、超短波応答（very-high-frequency response）を得ることができる。
【００３９】
上記の通り、図１Ａの図示された液体−液体レンズ構造１００は、筐体１４０と、前記筐体１４０により規定されているチャンバ内に配置される第二液体１３０と、ドライバ１５０とを更に含む。或る実施態様において、チャンバは、第一チャンバ部分１３１及び第二チャンバ部分１３２を含み、これらの各々は第二液体１３０によって実質的に充填される。或る実施態様において、筐体１４０は、底壁１つ、前壁及び後壁の２つ、側壁２つ、及び最上部（又は蓋）１つを含み、これらは、図１Ｂに示されるように、取り外し可能であり、筐体の内部へアクセスすることが可能である。或る実施態様では、筐体１４０が透明のハウジングであり、出っ張り部１４２を有するように構成されるその側壁によって、筐体内で基板を支持及び保持する。
【００４０】
或る実施態様において、ドライバ１５０は、液滴１２０を第一チャンバ部分１３１と第二チャンバ部分１３２との間で非侵襲的且つ間接的に振動させるように構成される。一例として、ドライバ１５０は、磁性流体滴１５１及び電磁ドライバ１５２を含むことがあり、ここで、前記磁性流体滴１５１は、基板１１０の第一主要表面１１１と第二主要表面１１２との間に延びている第二チャネル１１４内に配置される。例として、磁性流体滴１５１は、第一ドロップレット部分２１０（図２Ａ及び図２Ｂ参照）及び第二ドロップレット部分２１１（図２Ａ及び図２Ｂ参照）を含むものとして特徴づけられることがあり、ここで、前記第一ドロップレット部分２１０は、基板１１０の第一表面１１１から突出している第一キャピラリー表面を含み、そして、前記第二ドロップレット部分２１１は、基板１１０の第二表面１１２から突出している第二キャピラリー表面を含む。磁性流体滴１５１の第一及び第二キャピラリー表面は、本明細書中に開示される液体−液体レンズ構造における液体−液体界面である。第一及び第二ドロップレット部分２１０，２１１は、基板１１０の第二チャネル１１４内に配置される磁性流体滴１５１の液体部分を通じて直接連結（すなわち、相互連結）する。
【００４１】
電磁ドライバ１５２（例えば、鉄心を有する１５０回転の電磁石）は、振動する磁場を作り出し、それは、同様に、磁性流体滴１５１の振動運動、及び、結果的に（非圧縮性の第二液体１３０を介して）液滴１２０（すなわち、液体レンズ）の振動運動を作り出す。液体レンズ滴１２０と同様に、磁性流体滴１５１の向かい合った屈曲部もバネ状の力を作り出し、このバネ状の力は、力が磁性流体滴１５１の大部分に作用する際に、前記磁性流体滴１５１を固有のオシレータにする。磁性流体滴１５１は「液体ピストン」として機能し、これは、磁性流体滴が振動する際に、第一チャンバ部分１３１内と第二チャンバ部分１３２内とに第二液体１３０を交互に移動させて、液体レンズ滴１２０を動かす。図示された実施態様では、１つの電磁ドライバ１５２（例として）を使用して、復元力であるキャピラリー作用をともなって１つの磁性流体滴１５１に摂動を与える。しかしながら、以下に更に説明されるように、複数の電磁ドライバを使用して、磁性流体滴１５１の振動をよりポジティブに制御（more positively control）することもある。更に、その他の実施形態では、共通の横断面積（例えば、共通の直径）又は種々の横断面積（例えば、種々の直径）を有する複数の第二チャネル１１４を提供することもある。チャネルから突出している磁性流体滴の種々の断面積又は量を複数の第二チャネル１１４に提供することによって、以下に更に説明されるように、液体レンズシステムについての種々のドライブ特性を達成することができる。
【００４２】
当業者は、周囲の第二液体１３０の非圧縮性の動きを介した磁性流体滴１５１の連続的又は断続的振動によって、液滴１２０の形状、及び、特に、前記液滴の上側及び下側界面が連続的又は断続的に変化すること、従って、入射光１０１に焦点を合わせるために使用されることのできる適合液体レンズを作り出すこと、を本明細書中の記載から留意されたい。
【００４３】
図１Ｂは、本発明の１つ以上の観点による液体−液体レンズ構造１００を組み立てるための或る実施態様を示す。この構造及び製造方法が例のみとして提供されていることに留意されたい。製造プロセスは、以下を含む：
●基板１１０の第一チャネル１１３及び第二チャネル１１４を予め湿らせて、これらのチャネルにおいてそれぞれの液体が湿らせることを確実にする。これを達成するために、基板を貫通するチャネルに、第一液体（第一チャネル１１３内）又は磁性流体（第二チャネル１１４内）のそれぞれをスワビング（swabbed with）する。このプロセスの間で、基板１１０の第一主要表面１１１及び第二主要表面１１２には、いずれの流体も接触させない。なぜなら、チャネルの外側に液体が付与されると、固定が困難になるからである。基板を乾燥させ、液体の残余物をそのままにしておき（いずれのチャネル内にもごく少量が存在することが望ましい）、油を使用する場合には、完全に乾燥させない。
●次に、筐体１４０の側壁２つにおける出っ張り部１４２より上も含めて、筐体１４０を非混合性第二流体１３０で充填する（図１Ａ参照）。液体−液体レンズ構造に部品（piece）を加える際に第二流体があふれ出ることが分かっていて、筐体のチャンバ全体を充填することが可能であることを留意されたい。
●次に、基板１１０を液体で充填された筐体内に置き、前記基板を斜めに保持して、気泡が前記基板の下に閉じ込められていないことを確実にする。基板を平坦な出っ張り部１４２に置き、そして、そこへ固定して、非混合性の第二液体が基板を取り囲むことを確実にする。
●次に、シリンジを使用して、第一液体で第一チャネル１１３を充填し始めることがある。シリンジの先端をチャネルに対して接触させて、キャピラリー表面が直径にわたって完全に形成されるまで、流体を注入しながら外周の周りで作業することによって開始する。このことが起こった後で、シリンジ先端を静止させ続け、そして、カラムへ流体を注入することによって、充填手順を終了させることができる。このプロセスを、次に、磁性流体滴に対して繰り返す。
●結合したドロップレットの各ペアが固定されることを確実にするために、ドロップレットは、チャネルの端部を超えて過充填される必要がある。すべての領域が固定されていない場合、シリンジ先端をチャネルの縁の周囲で円を描くように動かして（より多くの液体を追加しないように）、そして、同様に、基板１１０の第一主要表面又は第二主要表面に接触させないようにする。
●結合したドロップレットのセットの固定が確立された後で、体積を設定することができる。例えば、シリンジ上の計量を使用することによって、又は、外観検査を介して、各々の結合したドロップレットの体積を設定することができる。体積の外観検査では、チャネルの半径（ａ）を把握し、そして、球状キャップの公式化「Ｖ＝１／６πｈ（ａ２＋ｈ２）」を使用して、各ドロップレットの高さ（ｈ）を断面図から見出して、体積を決定することができる（例えば、カメラ及びＬａｂＶｉｅｗを使用して達成される）。
●同じ手順をその後に続けて磁性流体滴を確立する。
●両方の結合したドロップレットのセットを充填して固定した後、次に、筐体内で過充填状態（凸面メニスカス）に達するまで、非混合性の第二液体（すなわち、周囲液体）を加えて、結合したドロップレットを分裂させないようにする。
●最後に、筐体１４０の最上部１４１を、例えば、筐体上へ斜めに置くことによって筐体上で固定して、最上部１４１が密封する際にレンズシステムに気泡を加えないように、そして、非混合性の第二液体（すなわち、周囲液体）が移動しないようにすることができる最上部１４１を筐体のバランスに取り付けて、流体密封の密閉されたチャンバを筐体内に形成する。
【００４４】
上記で述べたとおり、図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の１つ以上の観点による可変焦点距離の液体−液体レンズ構造１００の作用を示している。実施において、電磁ドライブ１５２が磁化状態２２０（前記電磁ドライブ１５２へ付与される振動信号において図示される）にある場合、磁性流体滴１５１の第一ドロップレット部分２１０は、（図２Ａに図示されるように）筐体１４０の第一チャンバ部分１３１内でより大きな体積を有し、そして、ドライブ信号が非アクティブ化２２１される場合（図２Ｂ）には、慣性及び表面張力によって、磁性流体滴１５１の第二ドロップレット部分２１１が、図２Ｂに図示されるように第二チャンバ部分１３２内でより大きくなる。電磁ドライブをアクティブ化して図２Ａに図示される程度まで磁性流体ドライブ１５１に影響を与える場合、非圧縮性の第二液体１３０は、筐体１４０の第二チャンバ部分１３２内に広がっている第二ドロップレット部分２０２中へ液滴１２０のより多くの第一液体を押し進める役割を果たす。このことは、同様に、焦点入射光１０１においてより長い焦点距離を生じさせる。逆の状態、すなわち、第一液体のほとんどが筐体１４０の第一チャンバ部分１３１中の第一ドロップレット部分２０１にある場合では、図２Ｂに図示されるようにより短い焦点距離が達成される。このように、磁性流体滴が振動するにつれて、液滴１２０の焦点距離は連続的に変化する。これは、同様に、入射光１０１の屈折を、及び、それによって焦点を変化させて、液体レンズに適応焦点距離機能を提供する。
【００４５】
図３は、本明細書中に記載の液体−液体レンズの操作上の実施例を示す。本明細書中に記載の構造において、三重の接触線（すなわち、液体−液体−固体接触線）は、基板を通って形成される各チャネル（又は開口部）の周囲で固定されることに留意されたい。多くのその他の適応液体レンズ戦略において生じる接触線の前進及び後退に関連する粘性消散は、これらの固定接触線によって排除される。更に、システム共振でデバイスを運転することによって、デバイスの全体的効率を増加させることができる。図３の実施例では、システムは共振で振動しており、そして、液滴１２０（例えば、シリコーン油液体レンズ）の動作及び瞬間形状は、閉鎖されたシステム中の両方の連結したドロップレットのセットを包囲している水（図示せず）とともに磁性流体滴１５１によって制御される。この実施例では、第一及び第二ドロップレットチャネルの両方は、直径が５ｍｍであり、そして、５ボルト未満（最大振幅）で駆動する。図３において検討されるケースでは、周囲の水（図示せず）を含む液体レンズシステムが、１つの完全なサイクルを示す図３に関して８．６Ｈｚでの共振挙動を示す。
【００４６】
本明細書中に記載の液体−液体レンズ構造は、種々のイメージングシステムにおいて組み込まれ、そして、使用されることがある。
【００４７】
図４Ａは、例えば、図１Ａ〜図３に関して上記に記載の振動液体−液体レンズ構造１００を使用するイメージングシステム（多くの場合、符号４００で表される）を示す。上記の通り、液体−液体レンズ構造１００は、少なくとも１つの第一チャネル及び少なくとも１つの第二チャネルを含む基板１１０を含む。本明細書中に記載の通り、前記第一チャネルは、基板を通じて、液体レンズとして機能する少なくとも１つの液滴１２０を含有し、そして、前記第二チャネルは、液体レンズの運動を容易にする少なくとも１つの磁性流体滴１５１を含有する。液体−液体レンズ構造は、密封チャンバを規定する筐体１４０を更に含み、前記密封チャンバは、基板の両側で、第一チャンバ部分１３１及び第二チャンバ部分１３２を含み、これらの両方は、第二液体（例えば、水）で充填される。基板は非湿潤性であり、そして、液滴１２０及び磁性流体滴１５１は、基板１１０を通じて、これらのチャネルのそれぞれの端部で固定される。
【００４８】
図４Ａの実施例では、イメージングシステム４００はコントローラー４１０を更に含み、前記コントローラー４１０としては、例えば、汎用コンピューターコントローラー４１０を挙げることができ、そして、前記コントローラーは、磁性流体滴１５１の振動、従って、液体−液体レンズ構造１００の液滴１２０の振動を制御するための、及び、イメージセンサー４２０を介する１つ以上の焦点画像の取得を制御するための（例えば）論理回路を備えている。この実施例では、磁性流体滴１５１の上下の配置において２つの電磁ドライブ１５２，１５２’を使用して逐次的な引張力を結合したドロップレット上に発生させることにより磁性流体滴の動作を制御して、上記の通り、上面の体積を大きくするか、又は、下面の体積を大きくするかのいずれかを引き起こすことに留意されたい。このことは、同様に、第一チャンバ部分１３１又は第二チャンバ部分１３２へレンズ滴が突出する体積を変化させる。そのようにレンズ滴１２０を移動させることによって、連結したドロップレットの屈曲部の半径を操作し、同様に、物体４３０の焦点距離を変化させる。イメージセンサー４２０を液体レンズの一方の側に置き、そして、任意の光学部品４２５をもう一方の側に置くことによって、種々の距離で物体４３０に焦点を合わせることができる。
【００４９】
図示された実施例において、イメージセンサー４２０は、或る実施態様では透明なハウジング（又は筐体）である筐体１４０よりも上部に設置されること、そして、液滴１２０を通過する、特に、液滴１２０の第一振動ドロップレット部分２０１及び第二ドロップレット部分２０２を通過する画像パスと並んでいることに留意されたい。更に、画像パスは、筐体１４０を通過し、そして、本明細書に記載の振動液体レンズとともに場合により使用されることのある任意の追加の光学部品４２５（例えば、大口径対物レンズ）を通過する。得られるイメージングシステムは規定の範囲内の焦点距離を有し、この場合、前記範囲内に位置する物体をスキャニングの間に取得することができる。イメージセンサー４２０が任意の適当なイメージングデバイスを含むことがあることに留意されたい。或る実施例において、イメージセンサーはデジタルカメラ又はビデオレコーダーの部分である。
【００５０】
上記の通り、例えば図４Ａに示されるような振動焦点距離を有する光学システムにおいて、焦点調節の課題は変化する。一定の形状のレンズの位置を操作する代わりに、画像記録のタイミングをレンズの振動と同期させ、そして、システムの焦点が合っている間の時間間隔内で写真を撮ることが好ましい。高速時間計時は、最近の高速度カメラを使用することによって容易に実施することができる。その結果として、既存の光学の機械的な動きによって可能であるものよりもはるかに高速の適応レンズが得られる。
【００５１】
本明細書に記載の振動液体レンズは、振動周期よりも高速である。システムをその共振周波数で運転することによって、例えば、レンズの界面が球形状のままであり、そして、振動の振幅は最大限に高まる。振動焦点距離レンズと高速度カメラとの組み合わせは、三次元（３Ｄ）イメージングの機能も提供する。例えば、振動レンズに基づく顕微鏡対物は、調査中のサンプル内部を種々の深さで高速スキャニングすることが可能である。高速度カメラは、単レンズの振動周期で十分な画像を取得して、デコンボリューションにより３Ｄ画像を生成することも考えられる。このようなシステムは、レンズの振動率と同じフレーム率で３Ｄ顕微鏡ムービーを取得することも考えられる。一例として、ＥＸ−Ｆ１光速度カメラ（カシオ計算機株式会社により販売）を、本明細書中に記載の振動液体レンズで使用することが考えられる。
【００５２】
図４Ｂ及び図４Ｃは、例えば、携帯電話のカメラとしての、電話４５０において実装される図４Ａのイメージングシステムを示す。図４Ｃの部分断面図に表されるように、或る実施態様において、液体−液体レンズ構造１００をイメージセンサー４２０と任意の光学部品４２５との間に配置することができる。磁性流体滴１５１の、及び、その結果としての液滴１２０（すなわち、液体レンズ）の動きは、（本実施例では）単一の電磁ドライブ１５２によって誘発される。
【００５３】
更なる例として、本明細書中に記載の液体−液体レンズ構造を、図４Ｄに表されるような顕微鏡４７０内で使用することも考えられる。このイメージングシステムでは、液体−液体レンズ構造１００を、光学部品４２５を含む対象と接眼レンズ４７１（又はイメージセンサー）との間に配置する。液滴１２０（すなわち、液体レンズ）の焦点距離における変動を誘発することによって、観察者４７２（あるいは、自動化イメージングセンサー）は、対象物体４３０の種々の深さを走査することができる。
【００５４】
センチメートルスケールの光学性能及び分析を支援するために、本明細書中に記載の液体−液体レンズを評価した。特に、図５Ａに表されるような、振動液体−液体レンズ（光学トレーン（optical train）中の追加の固定エレメントを有する）についての理論的光学モデルの結果を得た。焦点の合っている物体距離は、相当するグレー部分で表示される被写界深度５０１をともなって、黒字曲線５００により示される。２つの標的を、集束範囲走査の限界部分５０２，５０３の付近に配置する。このグラフにおいて、単一の振動期間の間で焦点の合っている物体距離は、実線の黒字曲線５００により示される。
【００５５】
図５Ｂは、本明細書中に記載の液体−液体レンズ構造により得られる画像の鮮鋭度を分析することによって得られた実験データを表す。特に、図５Ａ中に確認される二つの標的５０２，５０３の光学トレーンの対象として液体−液体レンズを配置することによってデータを得た。２つの物体の最大鮮鋭度は、モデルから予期されるように、５０３での物体に相当する曲線５０５と、５０２での物体に相当する曲線５０６とで、完全に位相が不一致である。
【００５６】
図６Ａ及び図６Ｂは、異なる重力方向を有する液体−液体レンズの不変性（invariance）を示す。図６Ａは、重力ベクトルの方向（ｇ）に平行な光軸を有する液体−液体レンズ構造を示し、そして、図６Ｂは、重力ベクトルの方向（ｇ）に垂直に位置づけられている光軸を有する液体−液体レンズ構造を示す。重力結合数（gravitational bond number）Ｂ０＜１を保つことによって、表面張力は重力物体力を支配する。従って、重力の方向にかかわらず、ドロップレットはその球形状を維持しようとする。図６Ａ及び図６Ｂには、液滴１２０（液体レンズとして機能する）及び磁性流体滴１５１（ドライバーとして機能する）を有する基板１１０を含む、本明細書中に記載の液体−液体レンズシステムが特に示される。上記の通り、両方の滴は、第一ドロップレット部分及び第二ドロップレット部分を有する結合したドロップレットを含み、前記第一ドロップレット部分及び第二ドロップレット部分は、基板１１０の第一主要表面及び第二主要表面の上下にそれぞれ延びている。この構成によって、図６Ａ及び図６Ｂに示される両方の場合での均一な（球形状の）曲率半径からの測定された最大逸脱は、１％未満である。重力方向に対する不変性は、液体−液体レンズシステムに使用される流体を密度整合（density-matching）することによって更に高めることができる。
【００５７】
更なる例として、図７は、図４Ａのイメージングシステム態様の二重の電磁ドライバ１５２，１５２’を有する、図１Ａ〜図３の液体−液体レンズ構造１００を示す。液体−液体レンズ構造は二重の力構造（dual forcing structure）であり、前記構造では、基板１１０中の第二チャネルを占める磁性流体滴１５１を含む結合した磁性流体ドロップレットが、磁性流体滴の上下に配置される電磁ドライバ１５２，１５２’によって制御される。特に、電磁ドライバ１５２，１５２’は、相互に１８０°の位相不一致で励磁され（energized 180o out of phase with each other）、磁性流体滴振動を誘発することができ、これは、同様に、液体−液体レンズ構造の第一チャンバ部分１３１及び第二チャンバ部分１３２を充填している非圧縮性浸液１３０の相当する運動を通じて液滴１２０（すなわち、液体レンズ）へ移行される。結果として、入射光１０１の焦点を制御可能に合わせる本明細書中に記載の適応液体レンズが得られる。
【００５８】
ウェブベースのビデオにおける関心の高まりとともに、任意の画像平面について毎秒３０フレームのイメージング速度を達成することが重要である。ドロップレットが振動する際に、各画像平面は、二回焦点が合うことができる（ドロップレットが対象に向かって移動する間に一回、そして、それが遠ざかって動く間に一回）。従って、１５Ｈｚを超えるシステム共振が非常に望ましい。液体−液体レンズシステムの共振周波数を高める方法の１つは、システム中の有効なバネを固くすることである。（液体レンズ及びドライバ部分の両方において）表面張力が主要なバネであるため、（小さな液滴による）キャピラリー効果の増加が全体的なシステム共振周波数を増加させる。レンズサイズを縮小することは非生産的であることがあるので、より小さなドライバの配置をともなって作動することが１つの可能な解決策である。
【００５９】
図８Ａ〜図８Ｃは、例えば本明細書中に記載の液体−液体レンズ構造において使用されることのある、三つの異なる基板（すなわち、基板１１０（図８Ａ）、基板１１０’（図８Ｂ）及び基板１１０’’（図８Ｃ））を示す。
【００６０】
図８Ａにおいて、基板１１０は、図１Ａ〜図７に関して上記に説明されたものと実質的に同一である。基板にわたって第一チャネル１１３及び第二チャネル１１４を提供して、図８Ａに表されるような、液滴１２０及び磁性流体滴１５１を形成するそれぞれの結合したドロップレットを提供する。例として、図８Ａ〜図８Ｃの３つの基板のチャネル１１３は、５ｍｍの開口部を有する５ｍｍ内径チャネルである（そして、無次元化体積（non-dimensionalized volume）Ｖ／Ｖｓｐｈ＝０．５であり、ここで、Ｖｓｐｈは開口部と同じ直径の球の体積である。）。
【００６１】
図８Ｂでは、３つの異なる結合した磁性流体ドロップレット１５１’を提供する３つの第二チャネル１１４’が示される。図８Ｃの例では、基板１１０’’に７つの異なる第二チャネル１１４’’が備えられ、７つの異なる磁性流体ドロップレット１５１’’が提供される。例として、図８Ａのチャネル１１４の半径は２．５ｍｍであり、図８Ｂのチャネル１１４’の半径は１．５ｍｍであり、そして、図８Ｃのチャネル１１４’’の半径は１．２５ｍｍであることができる。
【００６２】
図８Ｄは、３ボルトの振幅を有する電磁ドライバに対する調和インプット（harmonic input）が与えられ、そして、図８Ａ〜図８Ｃに示される３つの液体−液体レンズシステム構成の実験的に測定された周波数応答（各々の場合で最大振幅により正規化される）を表す。より小さいドライバの配置での運転によってシステム全体の周波数応答をかなり増加することが示されており、すなわち、より小さいドライバの配置を使用することによってかなり高い共振周波数を達成することができる。例えば、小さいドロップレットの配置で運転することにより３０Ｈｚを超える共振周波数（範囲内の各焦点距離について毎秒６０スキャンに相当する）を達成することが可能である。液体−液体レンズについて実験的モデルと理論的モデルとの間の適正な合意が達成された。
【００６３】
図９は、例えば、本明細書中に記載の振動液体レンズを使用するイメージング方法の或る実施態様を示す。イメージング方法９００は、例えば本明細書中に記載の液体−液体レンズ９１０の固定接触液体滴を振動させること、そして、液体−液体レンズの振動の間に、液滴９２０の振動を通じて１つ以上の画像を取得することを含む。具体的には、１つ以上の画像が、滴の第一ドロップレット部分及び第二ドロップレット部分を通じて取得され、ここで、前記第一ドロップレット部分及び第二ドロップレット部分は、液滴が存在するチャネルを規定する基板の第一表面及び第二表面のそれぞれを超えて広がっている。取得された画像はコントローラーへと転送され、（或る実施態様において）前記コントローラーは、１つ以上の画像基準（例えば、画像の鮮鋭度）に基づいて取得された画像を評価９３０する論理回路を含むコンピューターを含む。デジタル画像の評価は、当業者が既存の画像分析ソフトウェアをある程度使用することによって容易に達成することができる。次に、取得された１つ以上の画像は、評価に基づいて、１つ以上の最終画像として選択９４０される。実施に応じて、最終画像は物体の３Ｄ表示に組み合わされることができる。
【００６４】
当業者は、本明細書中に記載の固定接触振動液体−液体レンズが、焦点距離を素早く変更することが必要な場合に、イメージングシステムにとって新たな解決策を提供することを留意するであろう。液体レンズは、本明細書に記載のような非侵襲性の振動運動アプローチをともなう小型及び軽量パッケージで製造することができる。有利には、活性化メカニズムにおいて比較的小さい電圧レベルを使用して、液体−液体レンズの適用を実用的にすることができる。
【００６５】
本明細書中には、或る振動範囲において任意の画像平面を取得することのできる、振動焦点距離を有する液体−液体レンズが記載される。レンズは、非湿潤性基板に対する固定接触線によって、円筒形チャネル（又は孔）を通じて結合している２つのドロップレット部分を特徴とする。非圧縮性の第二液体は、閉塞したチャンバ内の液体レンズを包囲する。非侵襲性電磁ドライブを使用して、基板の第二円筒形チャネル（又は孔）における結合した磁性流体ドロップレットを振動させることができる。磁性流体ドロップレットの振動は、非圧縮性の周囲液体を介して、液体レンズドロップレットの相当する振動を引き起こす。ドロップレット部分の屈曲部の変化によって、焦点距離の変化が引き起こされる。ドロップレットの向かい合った屈曲部は、システムを固有振動させるバネのような力を生み出す。画像取得は電子計時であるため、素早く達成することができ、その結果、レンズの周波数応答はシステムの共振周波数によってのみ限定される。提示される液体レンズは、非常にわずかなインプットをともなう共振で振動させることのできる、結合ドロップレットシステムである。振動が十分に速い場合には、レンズは、所望の焦点距離にあることが常に時間的に極めて近いものであることが考えられ；従って、液体−液体レンズの裏側にある高速焦点調節の考えが提示される。
【００６６】
有利には、本明細書に記載の液体−液体レンズ構造を使用してセンチメートルスケールの開口部を得ることができる。スケールが十分に小さく、その結果、重力が支配的でない場合に、結合ドロップレット液体レンズ（固定接触線を有する）は表面張力に対して流体慣性のバランスを取り、そして、システムが振動することができる。実験結果は、ミリメートルスケールの液体レンズ及びセンチメートルスケールのレンズが実用的であることを示した。
【００６７】
本明細書中に記載の大口径の高速適応液体−液体レンズは、既存のアプローチに対して優れた利点及び能力を提供する。集光の増加は、３０Ｈｚを超える振動をもたらす種々の運転方法（すなわち、６０Ｈｚまでのフレーム取得率）をともなうセンチメートルスケールの開口レンズによってもたらされる（例えば、空気中の１．６８ｍｍ直径の液体レンズから１０ｍｍ直径の液体−液体レンズまで進む集光能力における３０倍の増加）。エネルギー効率を保持したまま、以前の空気中液体レンズ設計をこれまで悩ませてきた（例えば、消散による）長期安定性の問題が解消され、設計中の全ては重力の向きに関してほとんど不変である。
【００６８】
当業者は、本明細書中に記載の結合ドロップレットレンズシステムを数多くの用途に適用することができることに留意されたい。前記用途としては、例えば、携帯電話、ビデオ記録装置、及びビデオ記録性能を有するその他の小型軽量消費財を挙げることができる。その他の用途としては、例えば、高速適応イメージング、ビデオカメラ、及びエネルギー消費に重点を置いた負担の少ない用途のための再設定性及びレンズの配置によるその他の３Ｄ画像再構築を挙げることができる。例えば、その他の用途としては、正面（又は下方）のヴィジョンだけではない多くの方向でのイメージング性能からの恩恵を受ける、監視及び防衛用の自律超小型飛行機を挙げることができる。提示される比較的小型且つ高いエネルギー効率の液体−液体レンズは、これらのレンズのいくつかをこのような小型車両へ搭載して、常に全ての方向でのイメージングを実現することに適当である。
【００６９】
当業者によって理解されるように、上記のコントローラーの観点は、システム、方法、又はコンピュータープログラム製品として具体化されることがある。従って、コントローラーの観点は、完全にハードウェアの実施態様、完全にソフトウェアの実施態様（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、又は本明細書において多くの場合「回路」、「モジュール」、又は「システム」と呼ばれることのあるソフトウェア観点及びハードウェア観点の組み合わさった実施態様の形態をとることがある。更に、コントローラーの観点は、１つ以上のコンピューター可読媒体（そこで具体化されるコンピューター可読プログラムコードを有する）において具体化されるコンピュータープログラム製品の形態をとることがある。
【００７０】
１つ以上のコンピューター可読媒体の任意の組み合わせを利用することがある。コンピューター可読媒体は、コンピューター可読ストレージ媒体であることがある。コンピューター可読ストレージ媒体としては、以下に限定されるものではないが、例えば、電子の、磁気の、光学の、又は半導体のシステム、装置、デバイス、あるいは、前記のいずれかの任意の適当な組み合わせであることがある。コンピューター可読ストレージ媒体のより具体的な例（限定的なリスト）としては、以下を挙げることができる：１つ以上のワイヤーを有する電気的接続；ポータブルフロッピーディスク；ハードディスク；ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）；読込専用メモリ（ＲＯＭ）；消去可能な読込専用メモリ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）；光ファイバー；ポータブルコンパクトディスク読込専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）；光学ストレージデバイス；磁気ストレージデバイス；又は前記のいずれかの任意の適当な組み合わせ。本明細書の文脈において、コンピューター可読ストレージ媒体は任意の実態的媒体であることがあり、前記媒体は、命令実行システム、装置、又はデバイスによる使用又はそれらに関連する使用のためのプログラムを、含む又は保存することのできるものである。
【００７１】
コンピューター可読信号媒体は、例えば、ベースバンド中に又は搬送波の部分として、そこへ具体化されるコンピューター可読プログラムコードを有する伝搬データ信号を含むことがある。このような伝搬信号は種々の形態をとることがあり、例としては以下に限定されるものではないが、電磁の、光学の、又はそれらの適当な組み合わせを挙げることができる。コンピューター可読信号媒体は任意のコンピューター可読媒体であることがあり、前記媒体は、コンピューター可読ストレージ媒体ではなく、そして、命令実行システム、装置、又はデバイスによる使用又はそれらに関連する使用のためのプログラムを、通信、伝搬、又は輸送することができる。
【００７２】
コンピューター可読媒体上に具体化されるプログラムコードは、適当な媒体を使用して送信されることがあり、前記媒体の例としては、以下に限定されるものではないが、ワイヤレス、有線、光ファイバーケーブル、ＲＦなど、又はこれらの任意の適当な組み合わせを挙げることができる。
【００７３】
本発明の観点のための操作を実行するコンピュータープログラムは、１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせによって書かれることがあり、前記プログラミング言語としては、オブジェクト指向プログラミング言語（例えば、Ｊａｖａ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ++など）及び従来の手続き型プログラミング言語（例えば、“Ｃ”プログラミング言語又は同様のプログラミング言語）を挙げることができる。
【００７４】
本発明の実施態様による方法、装置（システム）及びコンピュータープログラム製品のフローチャート図及び／又はブロック図を参照しながら、本発明の観点を説明する。フローチャート図及び／又はブロック図の或るブロック及びフローチャート図及び／又はブロック図のブロックの組み合わせを、コンピュータープログラム命令によって実行できることを理解されたい。汎用コンピューター、専用コンピューター、又はその他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサへこれらのコンピュータープログラム命令を提供して、コンピューター又はその他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサを介して実行する命令が、フローチャート及び／又はブロック図の１つ以上のブロックで特定される機能／指示を実行する手段を作り出すように、機械を製造することがある。
【００７５】
これらのコンピュータープログラム命令を、コンピューター、その他のプログラマブルデータ処理装置、又はその他のデバイスを管理することのできるコンピューター可読媒体で保存して、特定の方法において、コンピューター可読媒体中に保存された命令が、フローチャート及び／又はブロック図の１つ以上のブロックに特定される機能／指示を実行する命令を含む製造品を製造するように、これらを機能させることがある。
【００７６】
コンピュータープログラム命令を、コンピューター、その他のプログラマブルデータ処理装置、又はその他のデバイスに搭載し、コンピューター、その他のプログラマブルデータ処理装置、又はその他のデバイスで一連の作業工程を実行して、コンピューター又はその他のプログラマブル装置で実行される命令が、フローチャート及び／又はブロック図の１つ以上のブロックに特定される機能／指示を実行するプロセスを提供するように、コンピューター実装プロセスを製造することがある。
【００７７】
図中のフローチャート及びブロック図は、本発明の種々の実施態様によるシステム、方法、及びコンピュータープログラム製品の考え得る実装のアーキテクチャ、機能性及び操作を表す。これに関して、フローチャート又はブロック図における或るブロックは、特定の論理関数を実装するための１つ以上の実行可能命令を含むコードのモジュール、セグメント又は部分を表す。また、いくつかの代替的な実装において、ブロック中に記載された機能が図中に記載されるものとは順不同で生じることがあることに留意されたい。例えば、関連する機能性に応じて、連続して示される２つのブロックが、実際には実質的に同時に実行されるか、又は、或る場合には、ブロックが逆の順序で実行されることがある。また、ブロック図及び／又はフローチャート図の或るブロック、並びに、ブロック図及び／又はフローチャート図のブロックの組み合わせが、特定の機能又は指示、あるいは、専用ハードウェア及びコンピューター命令の組み合わせを実行する専用ハードウェア向きシステムを実装することができることに留意されたい。
【００７８】
本明細書中で使用される用語は、特定の実施態様を記載するためのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書中に使用されるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、特に文脈上明確に別途示されない限り、複数形も含むように意図される。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」（及び「含む」の任意の形態、例えば、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」）、「有する（ｈａｖｅ）」（及び「有する」の任意の形態、例えば、「有する（ｈａｓ）」及び「有している（ｈａｖｉｎｇ）」）、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」（及び「含む」の任意の形態、例えば、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」）、並びに「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」（及び「含有する」の任意の形態、例えば、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」及び「含有している（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」）は、制限のない連結動詞である。結果として、１つ以上の工程又はエレメントを「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」方法又はデバイスは、これらの１つ以上の工程又はエレメントを有するものであるが、これらの１つ以上の工程又はエレメントのみを有することに限定されない。同様に、１つ以上の特徴を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」方法の工程あるいはデバイスのエレメントは、これらの１つ以上の特徴を有するものであるが、これらの１つ以上の特徴のみを有することに限定されない。更に、特定の方法で構成されるデバイス又は構造は、少なくとも本明細書中に記載されるように構成されるが、本明細書に記載されていない方法で構成されることもある。
【００７９】
以下の特許請求の範囲における全てのステッププラスファンクションエレメント又は手段の対応する構造、材料、行為、及び等価物は、それがある場合、特に特許請求の範囲に記載されるその他のエレメントと組み合わせて機能を実行する任意の構造、材料、又は行為を含むことを意図する。本発明の明細書は例示及び説明の目的で示されているが、開示された形態での発明に網羅的である又は限定されるものではない。本発明の範囲及び精神に逸脱することのない多くの修正及び変化は、当業者に自明である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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