(57)【要約】本発明は、流体メニスカスの接触角を変化させることにより焦点距離を制御することができる、可変焦点流体レンズを提供する。水などの液体(20)が、隣接する親水性(40)および疎水性(30)の区域または領域を含む内表面を有する管状収納器(10)内に充填され、親水性領域と疎水性領域との間の境界が液体(20)を拘束し、該境界における静的接触角によって一部が画定される曲率を有するメニスカス(50)を呈する。液体(20)に制御圧力を加えると、該境界における液体の接触角が変化するにつれて、メニスカス(50)の曲率が変化する。2009527795.tif 000003
2009527795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)疎水性部分および親水性部分を持つ内表面を有する、管状収納器；
(b)該管状収納器内に、親水性表面部分に接して配置された第一流体であって、親水性表面部分と疎水性表面部分との間の境界が流体を拘束してメニスカスを呈する、第一流体；ならびに
(c)メニスカスの曲率を調節するための、流体と連結された圧力制御手段
を含む、光学装置。
【請求項２】
疎水性表面部分および親水性表面部分が内表面上に配置されている、請求項1記載の装置。
【請求項３】
第一流体が第二流体に接している、請求項1記載の装置。
【請求項４】
第一流体が第二流体に接していない、請求項1記載の装置。
【請求項５】
第二流体が第一流体と混和しない、請求項3記載の装置。
【請求項６】
第一流体および／または第二流体が、誘電性または導電性の流体である、請求項3記載の装置。
【請求項７】
第一流体および／または第二流体が極性をもつ、請求項6記載の装置。
【請求項８】
第二流体が第一流体と混和せず、かつ気体、液体、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項3記載の装置。
【請求項９】
管状収納器が、対称的な断面または非対称的な断面を有する、請求項1記載の装置。
【請求項１０】
対称的な断面および／または非対称的な断面の形状および／または大きさが、管状収納器の異なる位置で変化する、請求項9記載の装置。
【請求項１１】
対称的な断面が、楕円形、円形、および多角形の断面からなる群より選択される断面であり、かつ多角形の断面の辺の数が3〜16である、請求項9記載の装置。
【請求項１２】
流体が、気体、液体、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項1または3記載の装置。
【請求項１３】
親水性表面部分が、ガラス、溶融石英、セラミック、親水性金属、および親水性ポリマー材料からなる群より選択される材料を含む、請求項1記載の装置。
【請求項１４】
疎水性表面が、ポリマーおよび有機小分子からなる群より選択される材料を含む、請求項1記載の装置。
【請求項１５】
ポリマーが、テフロン、CYTOP、およびペルフルオロアルキルトリクロロシランからなる群より選択される、請求項14記載の装置。
【請求項１６】
圧力または体積の制御手段が、ネジ式ポンプ装置およびペリスタポンプ(peristaltic pump)からなる群より選択される動電学的または機械的な圧力または体積の制御アセンブリを含む、請求項1記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも1枚の固体レンズを管状収納器内にさらに含む、請求項1記載の装置。
【請求項１８】
(a)内表面を有する管状収納器；
(b)該内表面に配置された親水性または疎水性の表面；
(c)管状収納器内に親水性または疎水性の表面に接して配置された流体であって、境界特性が流体を拘束してメニスカスを呈する、流体；および
(d)メニスカスの曲率を調節するために流体と連結された、圧力または体積の制御手段
を含む、光学装置。
【請求項１９】
境界特性が、管状収納器の内表面に接する構造物である、請求項18記載の装置。
【請求項２０】
境界特性が、内表面に配置された材料のリングを含む、請求項18記載の装置。
【請求項２１】
(a)流体を、親水性表面部分および疎水性表面部分を有する管状収納器内に提供する工程であって、流体のメニスカスが、親水性表面部分と疎水性表面部分との間の境界において拘束される、工程；ならびに
(b)流体に加える圧力または収納器内の流体の体積を調節して、メニスカスの曲率を変化させる工程
を含む、流体のメニスカスの曲率を調節する方法。
【請求項２２】
疎水性表面部分および親水性表面部分が内表面上に配置される、請求項21記載の方法。
【請求項２３】
流体が少なくとも一つの他の流体に接している、請求項21記載の方法。
【請求項２４】
流体が他のいかなる流体にも接していない、請求項21記載の方法。
【請求項２５】
流体が互いに混和しない、請求項23記載の方法。
【請求項２６】
流体が、誘電性または導電性の流体である、請求項21記載の方法。
【請求項２７】
流体が極性をもつ、請求項26記載の方法。
【請求項２８】
流体が、気体、液体、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項21記載の方法。
【請求項２９】
管状収納器が、対称的な断面または非対称的な断面を有する、請求項21記載の方法。
【請求項３０】
管状収納器が、様々なサイズの断面を有する、請求項21記載の方法。
【請求項３１】
対称的な断面が円形の断面および多角形の断面からなる群より選択される断面であり、かつ多角形の断面の辺の数が3〜16である、請求項29記載の方法。
【請求項３２】
(a)親水性または疎水性の表面、および流体を拘束してメニスカスを呈する境界特性を有する管状収納器内に流体を提供する工程；ならびに
(b)流体に加える圧力または収納器内の流体の体積を調節して、メニスカスの曲率を変化させる工程
を含む、流体のメニスカスの曲率を調節する方法。
【請求項３３】
境界特性が、管状収納器の内表面に接する構造物である、請求項32記載の装置。
【請求項３４】
境界特性が、内表面に配置された材料のリングを含む、請求項32記載の装置。
【請求項３５】
小型カメラ、光学スイッチ、携帯型顕微鏡、CDもしくはDVD装置、バーコードリーダー、内視鏡、ビームステアリング装置、または光線操作装置からなる群より選択される機器の製造における、請求項1または18記載の光学装置の使用。
【請求項３６】
光ファイバー連結、光検出、または顕微鏡手術への適用における、請求項1または18記載の光学装置の使用。
【請求項３７】
(a)内表面を有する管状収納器；
(b)管状収納器内に配置された固体レンズ；
(c)固体レンズに接して管状収納器内に配置された第一流体；
(d)第一流体に接して管状収納器内に配置された第二流体であって、第一流体と第二流体との間の境界がメニスカスを呈する、第二流体；および
(e)メニスカスの曲率を調節するために第一流体または第二流体と連結された、圧力または体積の制御手段
を含む、光学装置。
【請求項３８】
第二流体が第一流体と混和しない、請求項37記載の装置。
【請求項３９】
第一流体が液体である、請求項37記載の装置。
【請求項４０】
第二流体が第一流体と混和せず、かつ第二流体が、気体、液体、および気体と液体の組み合わせからなる群より選択される、請求項39記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
発明の背景
本発明は、一般に光学システムに関し、より詳細には可変焦点流体レンズに関する。
【０００２】
レーザー、光伝導体、および他の光学部品は、例えば光通信システムおよびカメラ機器などの多くの光電子工学の用途において広く用いられる。従来、そのような用途では、画像の焦点を検出器上に保持し、かつレンズに対して種々の角度方向から出てくる光線を受け取るために、レンズおよびその周囲の支持構造物を手動で位置決めし、調整することが必要である。しかしながら、そのような手動位置決めに依存する装置は遅く、また非常に高価であり得る。
【０００３】
手動調整を排除するために、調整可能なマイクロレンズを開発して、光発生源と光検出器などの光信号受信器との間の最適な光結合を達成した。マイクロレンズは、その意図した目的物(例えば光検出器)上に光信号を集中させるように作用する。ある場合には、マイクロレンズへの光線の入射がその公称の整列入射から変わる際に、マイクロレンズの焦点特性を変更するためにこれらのマイクロレンズの屈折率は自動的に変えられる。このようにして、マイクロレンズと光検出器との間で、所望の連結が維持される。
【０００４】
調整可能な屈折率分布型レンズは、大多数の電気光学材料に見られる比較的小さな電気光学係数に関連する固有の限界を有する。これが小さな光路調節をもたらし、したがって厚いレンズまたは非常に高い電圧を用いることが必要である。さらに、多くの電気光学材料は強い複屈折を示してマイクロレンズの偏光依存性を生じさせ、それが一定の偏光を有する光を歪曲する。
【０００５】
機械的に調整できる可撓性レンズは、典型的には、屈折率分布型レンズよりも実質的に広い調節範囲を有する。しかしそれらは、作動するためにはマイクロポンプなどの外部の駆動装置が必要である。そのような駆動装置を光電子パッケージ中へ組み込むには、それらの小型化および位置決めに関連する本質的な問題が関わる。これらは、調節可能なマイクロレンズの二次元アレイが必要な場合には、特に困難となる。
【０００６】
例として、既存の携帯電話カメラの一つの弱点は、それが、乏しい採光能力、非常に限定された焦点範囲、および限定された解像力を有する小さな固定焦点レンズを用いることである。その結果、従来の写真用カメラと比較して画質がかなり低い。将来的な改善として、携帯電話カメラには、コンパクトな焦点調節手段が必要である。
【０００７】
多くの可変焦点レンズは、エレクトロウェッティング(electro wetting)効果(米国特許第6,538,823号(特許文献1))を用いて作動させるレンズに限定されており、液晶を用いるレンズではそれほど成功していない。薄いポリマーメンブレンに封入された流体マイクロレンズについても、いくつか公開されている(米国特許第6,188,525号(特許文献2))。これらのレンズは、シリンジポンプなどの外部アクチュエータを用いて焦点を合わせる。
【０００８】
したがって、上記およびその他の問題を克服するシステムおよび方法を提供することが望ましい。特に、機械的な光学調整が不要で、かつ容易に焦点距離を調節できて調整が簡単な、低価格で小型のマイクロレンズが必要である。驚くべきことに、本発明の局面は、これらおよびその他の必要性に合致している。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第6,538,823号
【特許文献２】米国特許第6,188,525号
【発明の開示】
【００１０】
発明の概要  
本発明は、流体メニスカスの接触角を変化させることによって焦点距離を制御することができる、可変焦点流体レンズを提供する。流体界面のメニスカスがレンズの光学的特性を形成し、その(調整可能な)曲率半径により焦点距離が決定される。
【００１１】
本発明によれば、流体を拘束し、それによって、例えば、液体−液体界面または液体−気体界面などの流体界面、すなわちメニスカスを呈する特性を含む内表面を有する管状収納器内に、液体などの流体を充填する。一つの局面では、管状収納器の内表面は、隣接した親水性および疎水性の区域または領域を含み、疎水性領域と親水性領域との間の境界は、流体を拘束し、該境界での流体の静的接触角によって部分的に画定される曲率を有するメニスカスを呈する。親水性-疎水性の境界の全体にわたる流体界面をシフトさせることにより、球面状の界面の曲率が、境界での流体の接触角が変化するにつれて変わる。一つの局面では、流体に制御圧力を加えることによって、または流体レンズを形成する間隙にさらなる流体(例えば液体)を追加することによって、シフトを行う。
【００１２】
本発明の一つの局面によれば、内表面を有する管状収納器、疎水性表面、親水性表面、および該親水性表面に接して管状収納器内に収容された第一流体を典型的に含む光学装置が提供され、ここで、親水性表面と疎水性表面との間の境界が流体を拘束してメニスカスを呈する。該光学装置にはまた、流体の圧力を調節してそれによりメニスカスの曲率も調節するための、流体と流体的に連結された圧力または体積の制御手段も典型的に含まれる。
【００１３】
本発明の別の局面によれば、内表面を有する管状収納器、該内表面に配置された親水性表面、該親水性表面に接して管状収納器内に配置された流体を典型的に含む光学装置が提供され、ここで、境界特性が流体を拘束してメニスカスを呈する。該光学装置にはまた、メニスカスの曲率を調節するための、流体と連結された圧力または体積の制御手段も典型的に含まれる。
【００１４】
本発明の異なる局面により、流体メニスカスの曲率を調節する方法が提供される。該方法には、親水性表面および疎水性表面を有する管状収納器内に流体を提供する工程であって、親水性表面と疎水性表面との間の境界において流体メニスカスが拘束される、工程、および流体に加える圧力を調節してメニスカスの曲率を変化させる工程が典型的に含まれる。
【００１５】
本発明のさらに別の局面により、流体メニスカスの曲率を調節する方法が提供される。該方法は、通常は親水性表面または疎水性表面を有する管状収納器内に流体を提供する工程であって、境界特性が流体を拘束してメニスカスを呈する、工程、および流体に加える圧力を調節してメニスカスの曲率を変化させる工程を含む。
【００１６】
本発明のさらなる局面によって、小型カメラ、光学スイッチ、携帯型顕微鏡、CDまたはDVD駆動装置、バーコードリーダー、および内視鏡からなる群より選択される機器中での光学装置の使用が提供される。
【００１７】
本発明のさらなる局面によって、光ファイバー連結、検出、および顕微鏡手術への適用における光学装置の使用が提供される。
【００１８】
添付の図面および特許請求の範囲、ならびに明細書の残りの部分を参照することによって、本発明の他の特徴および長所が理解されると考えられる。本発明のさらなる特徴および長所、ならびに本発明の様々な態様の構造および操作を、添付の図面と対応して以下に詳細に記述する。図面中の同じ参照番号は、同一または機能的に類似した構成要素を示す。
【００１９】
発明の詳細な説明
本発明は、焦点距離を流体のメニスカスの接触角を変化させることにより制御することができる、可変焦点流体レンズを提供する。
【００２０】
図1は、本発明の一つの態様による焦点調節可能流体レンズを有する光学装置を示す。示されているように、管状収納器10は、親水性領域40に隣接する疎水性領域30を含む。水などの第一流体20が、管状収納器10の内部に含まれている。示されているように、流体20は、領域30の疎水的特性により疎水性領域30と親水性領域40との間の境界において拘束される。第二流体25がさらに流体20を拘束し、流体−流体界面50、即ちメニスカスを形成する。第二流体25は、第一流体20と混和しない気体または第二の液体を含んでもよい。流体−流体界面50の接触角が、メニスカス50の曲率を画定し、それが次に、流体レンズの焦点距離を画定する。
【００２１】
図1に示されている模式図はまた、一つの態様による液体レンズの曲率、およびそれにより焦点を調節するための方法論を、図示する。示されているように、水などの親水性の高表面張力流体が、親水性区域、正確には疎水性区域との境界まで充填される。図1aでは、この状態のメニスカス50の接触角は凹である。流体に圧力を加えることによって(図1b)、メニスカスの曲率は減少する(曲率半径は増大する)。さらに圧力を増加させることによって(図1c)、メニスカスが疎水性の区域へ押されて、接触角は凸になる。
【００２２】
従って、流体のメニスカスによって形成されたレンズの曲率は、調整することができる。一般にメニスカスの曲率は、例えば水などの流体と親水性表面との静的接触角と、例えば水などの流体と疎水性表面との静的接触角との間の、調整可能な範囲を有すると考えられる。
【００２３】
動的焦点が、同じ方法で、二つの非混合性液体の液体−液体界面のメニスカスを用いて達成される。図2は、水−シリコン油界面で得られるレンズ化効果の画像を示す。ガラス管(親水性層)、および疎水性層としてテフロン被覆を用いて、プロトタイプを製作した。レンズの曲率を、液体に加えられた圧力の変化により調節することができる。
【００２４】
二つの液体の界面を用いることの一つの利点は、レンズを形成する例えば水などの流体の蒸発が回避されることである。しかし、液体の選択には、適当な液体密度および屈折率を合致させるための注意深い設計が必要である。例えば、ある局面では、両液体は同一または類似の密度を有し、かつ両液体は等しくない屈折率を有することが望ましい。いくつかの他の局面では、二つの液体は同一もしくは類似の密度、および類似の屈折率を有してもよく；または、二つの液体は異なる密度および類似の屈折率を有してもよく；または、二つの液体は異なる密度および異なる屈折率を有してもよい。
【００２５】
図3は、本発明の一つの態様による、可変焦点流体レンズを含む光学装置を示す。示されているように、該装置は、二つの異なるサイズの内部断面を有する管状収納器100を有する。他の様々な形および大きさを有する管状収納器も本発明で用いることができることは、当業者には明らかである。収納器100は、いくつかの疎水性の区域131〜134、ならびに親水性区域121および122に分けられた、内表面を有する。示されている装置は、1枚の固体レンズ140ならびに2枚の液体レンズ110および112を有する。液体レンズ110および112は、親水性区域121および122にそれぞれ接している。個々の液体レンズ内の液体160および液体162は、同一もしくは類似の液体、または完全に異なる液体であり得る。図3に示されているように、流体150は、液体レンズ110の片側に接して、一つの流体−液体界面170を形成する。同様に、流体151は、液体レンズ110の反対側に接して、別の流体−液体界面175を形成する。同様に、流体152は、液体レンズ112の片側に接して、一つの流体−液体界面180を形成し、流体153は、液体レンズ112の反対側に接して、別の流体−液体界面185を形成する。あるいは、液体レンズ110および／または112は別の流体には接しない。図3は、固体レンズ140が2枚の液体レンズの間に位置している本発明の一つの態様を示す。管状収納器内での液体レンズおよび固体レンズのその他の配置および配列が実現可能であることを、当業者は当然理解すると考えられる。一つまたは複数の圧力ポート(図示せず)を管状収納器100内に提供することにより、収納器100内に含まれる流体の圧力を調節して、様々な流体−流体界面の曲率を調節できるようにする。
【００２６】
本発明のいくつかの局面では、少なくとも1枚の液体レンズが複数の固体レンズの間に位置していてもよい。液体レンズの二つの界面は両方とも凸、両方とも凹、または一つが凸で他方が凹であってよい。図3に示されているように、レンズ110および112内の液体160および液体162は、同一もしくは類似の液体、または異なる液体であってよい。本発明の一つの態様では、液体レンズ110および112は、親水性の表面121および122にそれぞれ接している。あるいは、液体レンズは疎水性の表面に接していてもよい。
【００２７】
図4は、本発明の一つの態様による、複数の可変焦点流体レンズを含む別の光学装置を示す。示されているように、該装置は、二つの異なるサイズの内部断面を有する管状収納器200を有する。他の様々な形および大きさを有する管状収納器も本発明で用いることができることは、当業者には明らかである。収納器200は、いくつかの疎水性の領域231〜234、ならびに親水性領域221および222に分けられた内表面を有する。図の装置はまた、示されているように、2枚の流体レンズ212および214に接する1枚の固体レンズ240、ならびに固体レンズ240の各側に位置する2枚のさらなる流体レンズ210および216を有する。流体レンズ210および216は、疎水性領域と親水性領域221および222との間の界面に、それぞれ近接している。個々の液体レンズを形成する流体260、262、264、および266は、同一もしくは類似の液体、または完全に異なる流体(例えば液体)であり得る。図4に示されているように、流体250は、流体レンズ210の片側に接して、一つの流体−流体界面270を形成する。同様に、流体251は、流体レンズ210の反対側に接して、別の流体−流体界面275を形成する。同様に、流体252は、流体レンズ216の片側に接して、一つの流体−流体界面280を形成し、流体253は、流体レンズ216の反対側に接して、別の流体−流体界面285を形成する。流体251もまた、流体レンズ212に接して、一つの流体−流体界面290を形成し、流体252も、流体レンズ214に接して、別の流体−流体界面292を形成する。さらに、流体レンズ212および214は、固体レンズ240に接して、それぞれ固体−流体界面410および412を形成する。あるいは、液体レンズ210および／または216は別の流体には接しない。管状収納器内での液体レンズおよび固体レンズのその他の配置、数、および配列が実現可能であることを、当業者は当然理解すると考えられる。一つまたは複数の圧力ポート(図示せず)を管状収納器200内に提供することにより、収納器200内に含まれる流体の圧力を調節して、様々な流体−流体界面の曲率を調節できるようにする。
【００２８】
本発明のいくつかの局面では、少なくとも1枚の液体レンズが固体レンズの間に位置していてもよい。液体レンズの二つの界面は両方とも凸、両方とも凹、または一つが凸で他方が凹であってよい。図4に示されているように、レンズ210、216、212、および214内の液体260、262、264、および266はそれぞれ、同一もしくは類似の液体、または異なる液体であってよい。本発明の一つの態様では、液体レンズ210および216は、親水性の表面221および222にそれぞれ接している。あるいは、液体レンズは疎水性の表面に接していてもよい。
【００２９】
図5は、レンズ収納器の封入窓の上への液体フィルムの適用を示す模式図である。示されているように、装置は管状収納器300を有する。収納器300は、液体レンズ340を形成する流体330および342を保持し拘束するように構成された窓310、内表面350を有する。窓310は、ガラスまたはプラスチックなどの疎水性材料または親水性材料で作製することができる。窓は、内表面312および外表面314を有する。内表面312を親水性材料または疎水性材料で覆ってもよい。一つの局面では、窓は、示されているように、薄い液体320に覆われるかまたは接している。薄い液体320は、さらに流体330と接する表面322を有する。流体330は、空気、酸素、窒素、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、もしくは希ガスなどの気体であってもよく；または炭化水素溶媒、油などの液体、または液体320の蒸気であってもよい。収納器の内表面350は、親水性または疎水性の表面であってよい。液体レンズ340は、収納器の内表面320に接しており、流体330に接する表面344を有する。液体342は液体320と同一であっても、または液体320と異なってもよい。図5は、窓310がガラスの窓である本発明の一つの態様を示す。液体320および342は平衡状態の水であり、また流体330は空気である。内表面350は疎水性材料である。他の流体、液体、および内表面のコーティング材料を、本発明の装置中で使用できることは、当業者は理解すると考えられる。
【００３０】
疎水性の表面を、フッ素化ポリマー、たとえばテフロン(ポリテトラフルオロエチレン)、CYTOP (ペルフルオロ(アルケニルビニルエーテル)の共重合によって得られる非晶質ペルフルオロポリマー)、または例えば1H,1H,2H,2H-ペルフルオロデシルトリクロロシランなどのペルフルオロアルキルトリクロロシラン、もしくはOTS (オクタデシルトリクロロシラン)などのアルキルトリクロロシランから作製することができる。親水性表面は、一般にガラスもしくは溶融石英、セラミックもしくは親水性金属などのその他の材料、または親水性ポリマー(例えば、ヒドロキシポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリアクリルアミド、セルロースポリマー、ポリビニルアルコール)で作製される。これらの材料のコーティングを用いることもできる。一つの態様では、疎水性表面が親水性表面に接している。
【００３１】
本発明の一つの局面では、装置の疎水性表面、例えば表面131〜134は、同一または類似のタイプの材料を含む。あるいは、装置の疎水性表面、例えば表面131〜134は、異なるタイプの材料を含む。
【００３２】
上記のように、一つの局面では、本発明の管状収納器は、疎水性領域および親水性領域をその内表面上に有する。代替的にまたは追加的に、管状収納器は、親水性または疎水性の内表面、および流体を拘束するように機能する境界特性を含んでもよい。境界特性は、ナノスケールの微細構造物または管状収納器の内表面内に突き出るか伸長する構造物であり得る。該構造物は、典型的には、射出成形技術、あるいは当技術分野において周知のナノインプリンティングまたはナノリソグラフィーなどのインプリンティング技術またはリソグラフィー技術を用いて形成することができる。
【００３３】
本発明の境界特性は、管状収納器の内表面に配置された材料のリングなどの管状収納器の内表面に接する構造物であってもよい。境界特性構造物は、収納器と同一かまたは異なる材料(ポリマー、無機物、金属またはセラミック材料、あるいはそれらの混成体など)のナノ構造物またはミクロ構造物から構成されてもよい。
【００３４】
本発明で用いられる管状収納器は、様々な形状および大きさを有してもよい。一つの態様では、管状収納器は対称的な断面を有し、別の態様では、管状収納器は非対称的な断面を有する。さらに別の態様では、例えば図3および4に示されているように、管状収納器に沿って断面のサイズが連続的または段階的に変化してもよい。本発明に用いられる管状収納器の一部は、楕円形、円形、および／または多角形の断面を有してもよい。多角形の断面の辺の数は3〜約16まで変化してよい。一つの例は、正方形または長方形などの4辺を有する多角形である。
【００３５】
様々なタイプの流体を管状収納器内で用いることができる。管状収納器に入れる流体は、液体または気体のいずれかであり得る。流体は、非極性の液体または気体と組み合わされた、極性をもつ液体または気体でよい。有用な極性液体の例には、水、またはグリセリン、1,2-プロパンジオール、エチレングリコール等の多価アルコールが含まれる。有用な非極性液体の例には、シリコン油、または1-ブロモドデカン、ブチルベンジルフタレート、ベンジルアルコールなどの炭化水素が含まれる。適当な気体の例は空気である。一つの態様では、流体は内表面の親水性領域に接している。あるいは、流体は内表面の疎水性領域に接していてもよい。収納器内の流体は、別の流体に接していてもよく、または他のいかなる流体とも接触していなくてもよい。流体は、物理的な境界特性によって、または親水性表面と疎水性表面との間に形成された境界によって拘束されて、流体−流体の界面、即ちメニスカスを形成することができる。
【００３６】
本発明の一つの局面では、管状収納器内の第一流体は少なくとも一つの第二流体に接していてもよい。第二流体は第一流体と混合しないか、または第一流体に部分的に溶解してもよい。極性流体と非極性流体の任意の組み合わせ、および極性流体と上に挙げた例からの気体の任意の組み合わせも適切である。本発明の異なる局面では、管状収納器は、一つの流体のみを含む。
【００３７】
流体の界面は、境界(例えば、親水性-疎水性の境界、または物理的な境界特性)においてメニスカスを呈する。メニスカスの曲率または曲率半径(曲率の逆数)および接触角は、流体に圧力を加えることにより調節することができる。平面曲線の曲率は、方程式(x'y"-y'x")/(x'2+y'2)3/2によって定義される(式中、x'、x"、y'、およびy"は、一次導関数および二次導関数である)。図1に示されているように、流体に加える圧力を増大または減少させることにより、メニスカスの曲率を調整することができる。曲率は、図1(a)および図1(c)で反対の符号を有する。図1(b)のメニスカスの曲率はゼロである。曲率の調節可能な範囲は、親水性または疎水性の表面上の流体の静的接触角から、疎水性または親水性表面上の流体の接触角までである。
【００３８】
好ましい態様では、圧力の変更を、圧力発生装置および／または空洞内の流体の体積を変更する装置を用いて行う。例えば一つの局面では、流体に加えられる圧力は、例えば電気浸透、ラチェットポンプ(ratchet pump)、またはエレクトロウェッティングによって生成される動電学的な圧力である。別の態様では、空気ポンプまたは磁気流体力学ポンプを用いて、流体圧力を生成する。さらに別の態様では、流体に加えられる圧力は、機械装置によって生成される。有用な機械的圧力発生装置の一つの例は、ネジ式ポンプ装置またはペリスタポンプ(peristaltic pump)である。
【００３９】
本発明はまた、流体のメニスカスの曲率を調節する方法も提供する。該方法には典型的に、親水性表面および疎水性表面を有する管状収納器内に流体を提供する工程であって、流体のメニスカスが、親水性表面と疎水性表面との間の境界において拘束される、工程、および流体に加える圧力を調節してメニスカスの曲率を変化させる工程が含まれる。一つの態様では、管状収納器は内部に流体が提供される。別の態様では、管状収納器は、親水性表面および疎水性表面が提供される。さらに別の態様では、管状収納器が提供され、その後で親水性表面および任意で疎水性表面が形成される。圧力発生装置は、直接または媒体を通して流体に接触することができる。好ましい圧力発生装置は、電気浸透性アセンブリである。
【００４０】
本発明は、流体メニスカスの曲率を調節する方法をさらに提供する。この方法には典型的に、親水性表面を有する管状収納器内に流体を提供する工程であって、境界特性が流体を拘束してメニスカスを呈する、工程、および流体に加える圧力を調節してメニスカスの曲率を変化させる工程が含まれる。一つの態様では、管状収納器は内部に流体が提供される。別の態様では、管状収納器は、親水性表面および疎水性表面が提供される。さらに別の態様では、管状収納器が提供され、その後で親水性表面および任意で疎水性表面が追加される。圧力発生装置は、直接または媒体を通して流体に接触することができる。好ましい圧力発生装置は、電気浸透性アセンブリである。
【００４１】
本発明に記述された液体レンズは、携帯型撮像装置用に理想的な、非常に低価格でコンパクトな光学焦点調節システムを有利に提供する。
【００４２】
別の局面では、本発明は、小型カメラ、光学スイッチ、携帯型顕微鏡、CDまたはDVD装置、バーコードリーダー、および内視鏡からなる群より選択される機器中での光学装置の使用を提供する。例えば、本発明によるレンズを、電気通信(例えば小型カメラ、光スイッチ)、データ記憶(例えばCD、DVD型の駆動装置、バーコードリーダー)、検出(例えば分析装置)、生産(例えばレーザー技術)、および医薬用(例えば内視鏡)への適用において使用される、光学装置中の構成部品として使用することができる。特に本発明は、携帯電話カメラおよびデジタルカメラの製造に役立つ。
【００４３】
さらに別の局面では、本発明は、光ファイバー連結、検出、および顕微鏡手術への適用における光学装置の使用を提供する。本発明に記述された可変焦点レンズは、携帯電話カメラでの使用に特に適している。
【００４４】
好ましい局面では、標準的なフォトリソグラフィー技術を用いて、シリコン基板収納器内に流体路を形成する。他の有用な基板材料には、絶縁金属、絶縁非金属、絶縁半導体、および絶縁体が含まれる。特定の例には、シリコン、窒化ケイ素、石英、ガラスなどが含まれる。当業者には明白なその他の材料を用いてもよいことは明らかである。本発明による流体路は、例えば図1に示されているように、好ましくは円形の断面を有する。しかし、流体路が、例えば卵形または楕円形、正方形、長方形、三角形、六角形等の任意の断面形状を有してよいことは明らかである、さらに、流体路はある局面では、特定の用途に適する大きさを有するべきである。例えば、一つの円形断面の態様では、流体路(したがって流体レンズの直径)は、約1000〜100μmまたはそれ未満の直径を有する。直径(あるいは、他の断面形状の流体路の、該当する大きさ)は、下はフォトリソグラフィー処理の限界(例えば、現在はおよそ100nm)から上はmm〜cmの範囲であることは明らかである。
【００４５】
本発明による装置の構造物、例えば基板(収納器)内の流体路を形成するプロセスの一例についてここで記述する。一つの局面では、標準的なシリコン／ガラス微細加工技術を用いて、収納器内に流体路を製作する。最初に、シリコンおよびガラスウエハーを、標準的な清浄化技術を用いて清浄にする。流体路については、フォトレジストをシリコンウエハー上にスピンコートし、次に、流体路パターンを含むフォトマスクを載せて露光する。現像した後、流体路パターンをフォトレジストに転写する。例えばBHFエッチングなどのエッチングを用いて、パターン区域上のSiO2を除去する。その後、ウェットエッチング(例えば、40％ KOH、＋60℃)または他のエッチング技術を用いて、流体路を所望の深さ、例えば深さ約100μmに、エッチングする。次に、疎水性材料(例えばCYTOP)に、周知のように、パターン形成し、蒸着し(例えばスピンコートし)、露光し、現像し、およびエッチングしてもよい。あるいは、疎水性領域の代わりに、または疎水性領域に追加して、流体路に表面特性構造物を蒸着するか、または形成することができる。例えば、材料のリングなどの表面特性を、流体路の形成中、例えばパターン形成、マスキング、エッチングの段階に、基板中に形成してもよいし、または流体路を形成した後に材料のリングを蒸着または形成してもよい。上に挙げたのは流体路を作製する可能な方法の一例に過ぎず、その他の追加的または代替的な材料、パラメーター、および処理段階を必要に応じて用いてもよいことは明らかである。
【００４６】
本発明を、例を挙げておよび特定の態様によって記述してきたが、本発明は、開示された態様に制限されないことが理解される。それどころか、本発明は、当業者に明白な様々な改変および類似の構成を包含するものとする。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのような改変および類似の構成をすべて包含するように、最も広い解釈を与えられなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による焦点調節可能流体レンズを示す。例えば液体−液体界面または液体−気体界面などの流体界面の動的焦点が、図1a〜1cに示されているように、種々の表面エネルギー特性によって画定される境界、例えば疎水性区域と親水性区域とによって画定される境界などにおける流体界面の接触角をシフトすることによって、達成される。
【図２】疎水性のテフロンと親水性のガラスとの境界に、例えば水−ポリフェニルメチルシロキサン界面などの液体−液体界面を有する焦点調節可能流体レンズの画像を示す。界面の曲率半径の変化は、液体に加える圧力を変化させることによって達成される。
【図３】サイズが変化する管状収納器内に少なくとも1枚の固体レンズを有する焦点調節可能流体レンズシステムを示す。
【図４】サイズが変化する管状収納器内に、2枚の液体レンズに接する少なくとも1枚の固体レンズを有する、焦点調節可能流体レンズシステムを示す。
【図５】レンズ収納器の封入窓上の液体フィルムを示す模式図を表す。
【図６】レンズ収納器の封入窓上に水フィルムを有する、焦点調整式液体レンズの画像を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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