(57)【要約】  エレクトロウエッティング型可変レンズは、第1の導電性流体(40)及び第2の非導電性流体(50)を含む流体チャンバ(22)を有し、第1流体と接続する第1電極(34)及び、チャンバの内壁に備えられている第2電極手段(30,32)をさらに有する。それにより、流体のうちの一の容積は、他方の流体の二の容積の間に備えられている。本発明のレンズは、流体間の二の界面のため、第1電極と第2電極との間に印加される電圧は低くても駆動可能であり、比較的高い光パワーを有する。
2007531041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の導電性流体及び第2の非導電性流体を有し、前記両流体は相互に非混和接触し、屈折率がそれぞれ異なっていることを特徴とする、実質的に円柱状のチャンバ、及び、
前記第1流体と接触する第1電極及び、チャンバ壁上に備えられている第2電極手段を有する電極配置、
を有し、
前記流体のうちの一の容積は、前記他方の流体の二の容積の間に備えられていて、
前記第2の電極手段は、少なくとも二のサブ電極を有し、各サブ電極は、前記円柱の円柱軸方向において、前記円柱の壁の各異なる部位を被覆し、かつ、
前記チャンバ壁は、互いが反対側の終端部にある二の開口部と共に供され、これらは外部の流体ガイドの手段によって相互接続し、前記流体のうちの一をチャンバへ流入及びチャンバから流出させることで循環させる、
ことを特徴とする可変レンズ。
【請求項２】
前記流体に面する前記流体チャンバ内壁は絶縁層で被覆されていることを特徴とする、請求項1に記載の可変レンズ。
【請求項３】
前記絶縁層は疎水性であることを特徴とする、請求項2に記載の可変レンズ。
【請求項４】
前記第1流体の容積は前記第2流体の複数の容積間に備えられていることを特徴とする、請求項1、2又は3に記載の可変レンズ。
【請求項５】
前記第2流体の容積は前記第1流体の複数の容積間に備えられていることを特徴とする、請求項1、2又は3に記載の可変レンズ。
【請求項６】
前記第1電極は、実質的に前記チャンバ壁内の前記開口部のうちの一に備えられていることを特徴とする、請求項5に記載の可変レンズ。
【請求項７】
前記第2電極手段は一連の環状電極を有することを特徴とする、請求項1から6のうちのいずれか1つに記載の可変レンズ。
【請求項８】
前記流体は液体であることを特徴とする、請求項1から7のうちのいずれか1つに記載の可変レンズ。
【請求項９】
前記第1液体は食塩水で、かつ、
前記第2液体は油である、
ことを特徴とする、請求項8に記載の可変レンズ。
【請求項１０】
ズームレンズであることを特徴とする、請求項1から9のうちのいずれか1つに記載の可変レンズ。
【請求項１１】
レンズ系及び受像ユニットを有し、
前記レンズ系は、請求項1から9のうちのいずれか1つに記載の可変レンズを有する、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
請求項11に記載の撮像装置を有するカメラ。
【請求項１３】
前記レンズ系はズームレンズ系であることを特徴とする、請求項12に記載のカメラ。
【請求項１４】
請求項12又は13に記載のカメラを有するハンドヘルド装置。
【請求項１５】
携帯電話であることを特徴とするハンドヘルド装置。
【請求項１６】
情報層を走査する光学装置であって、
走査ビームを供給する放射光源ユニット、
前記走査ビームを前記情報層中の走査スポットに集光する光学レンズ系、及び、
前記情報層からの走査放射ビームを電気信号に変換する感光性検出ユニット、
を有し、
前記レンズ系は、請求項1から9のうちのいずれか1つに記載の可変レンズを有する、
ことを特徴とする光学装置。
【請求項１７】
1つの記録キャリア中に、異なる深さにある少なくとも2層の情報層を走査する、請求項16に記載の光学装置であって、
対物レンズ系及びコリメーションレンズ系を有し、
前記情報層の深さがそれぞれで異なることによって導入される球面収差を補正するため、前記可変レンズは前記コリメーションレンズ系に含まれる、
ことを特徴とする光学走査装置。
【請求項１８】
異なるフォーマットを有する、少なくとも2層の情報層を走査する、請求項16に記載の光学走査装置であって、
前記放射光源ユニットは、異なる波長を有する少なくとも2種類のビーム放出を切り替えが可能で、
前記レンズ系は対物レンズ系を有し、
前記対物レンズ系を前記情報層の各異なるフォーマットに適応させるために、前記可変レンズが前記対物レンズ系に含まれる、
ことを特徴とする光学走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可変レンズに関する。可変レンズは、
-円柱状の壁を有し、第1の導電性流体及び第2の非導電性流体を有し、両流体は相互に非混和接触し、両流体の屈折率が異なっていることを特徴とする、実質的に円柱状のチャンバ、及び、
-第1流体と接触する第1電極及び、チャンバ壁上に備えられている第2電極手段を有する電極配置
を有する。
【０００２】
本発明はまた、そのような可変レンズを有するカメラにも関する。
【背景技術】
【０００３】
可変レンズとは、レンズの一以上の特性を制御して調節することが可能なレンズのことを意味すると理解されている。たとえば、光学活性素子の焦点距離又は位置は変更可能である。流体とは、力に応答して形状を変化させ、流動すなわちチャンバの外形に形状を適応させる、並びに、気体、液体及び、流動可能な固体と液体の混合物を有する物質を意味すると理解されている。
【特許文献１】独国特許第19710668号明細書
【特許文献２】国際公開第03/069380号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献1は、流体で満たされた弾性膜を有する可変レンズについて説明している。レンズの屈折面を形成する膜内部の流体圧力は、ポンプの手段によって制御され、かつ膜の曲率を決定する。レンズの光パワーは、膜の曲率、膜内部の流体の屈折率及び膜外での媒質の屈折率によって決定される。圧力を変化させることで、膜の曲率すなわちレンズの光パワーを変化させることができる。
【０００５】
そのようなレンズは多くの欠点をもたらす。膜の曲率変化が生じるため、良好な光学特性を維持するのが難しい。さらにレンズ系は機械的疲労の影響を受けやすい。膜つまり屈折面の形状制御は流体圧力に依存するだけではなく、膜の弾性にも依存する。その結果として、所望の膜形状の範囲、つまり所望の焦点距離の範囲の取得には問題が生じるだろう。それは特に膜の弾性が時間変化する場合で顕著である。さらにフレキシブル膜は通常、気密性ではなく、その結果として、時間経過と共に装置から流体が蒸発してしまう。
【０００６】
エレクトロウエッティング装置に基づく可変焦点レンズもまた既知である。エレクトロウエッティング装置は、エレクトロウエッティング現象を利用して動作する装置である。エレクトロウエッティングでは、3相の接触角、つまり二流体の接触面とたとえばチャンバ壁のような固体表面との間の角が電圧印加で変化する。
【０００７】
特許文献2は、エレクトロウエッティング効果を利用した可変焦点レンズについて説明している。このレンズは密閉空間、つまりチャンバ又は空洞(cavity)に閉じこめられた二の非混和性流体を有する。“非混和性”という語は、複数の流体が混合しないことを意味する。第1流体は導電性で、たとえば食塩水を含む水であり、第2流体は非導電性の、シリコーン油である。第1流体と第2流体とは各異なる屈折率を有する。第1流体は第1電極と接触し、第2電極はチャンバ内壁に備えられ、絶縁層によって第1流体から隔離されていて良い。電源からの電圧は二電極間に印加することが可能である。この電圧を変化させることで、界面形状、つまり第1流体と第2流体との間のメニスカスを変化させることで界面によって提供されるレンズ機能が変化する。
【０００８】
たとえ、このエレクトロウエッティングレンズが小型でかつ容易に制御可能なレンズという点において大きな進歩に寄与しているとしても、依然として多くの欠点をもたらす。この構成は、二の液体界面の形状を変化させるのに、比較的大きな電圧を必要とする。高電圧が必要になるため、使用できる液体は、両液体の屈折率比が比較的小さいものになってしまう。それは、レンズパワーが比較的小さいことを意味する。焦点変化に必要な界面の変形はレンズの光学的品質に影響を及ぼす。しかも、固定焦点レンズにおいても問題になっているように、同一レンズ形状を維持するが、単純にレンズの位置を変えること望ましい場合、完全な装置はたとえば高価なアクチュエータによって機械的に移動しなければならない。そのような移動は正確な制御が難しく、振動、機械的摩耗及び機械的亀裂を受けやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は上述の問題を解決し、高光パワーを有する可変レンズを提供することである。このレンズでは、非常に低い電圧で焦点を変化させることができる。本発明に従ったレンズは以下の特徴を有する。
-流体のうちの1つの容積は、他方の流体の二の容積の間に備えられている、
-二の電極手段は、少なくとも二のサブ電極を有し、各サブ電極は、円柱軸方向において、円柱壁の各異なる部位を被覆し、かつ、
-チャンバ壁には、その互いが反対側にある終端部に二の開口部が供され、これらは外部流体ガイドの手段によって相互接続している、流体のうちの一をチャンバへ流入及びチャンバから流出させることで循環させる。
【００１０】
流体チャンバ内では、二の異なる側において、流体のうちの一が他方の流体によって強く取り囲まれている。又は換言すれば、液体のうちの一の容積、それは小塊(slug)と呼ばれてよいものである、は、他方の流体の二の容積の間に設けられる。その結果、チャンバは二の液体-液体界面又はメニスカスを有する。これは、二の屈折面が存在することを意味する。よって新しいレンズは、既知のエレクトロウエッティングレンズの2倍の光パワーを有することができる。中性的状態では、小塊は第2電極のサブ電極に対して対称になるように設けられ、二の界面は同一の表面張力を示す。界面のうちの一の表面張力が他方の表面張力と異なるとすぐに、小塊は円柱チャンバ方向に移動を開始する。この方向はレンズの光軸である。移動が開始されるには、わずかな表面張力の違いがあれば十分である。表面張力差はサブ電極のうちの一に電圧を印加することで生じる。これにより、このサブ電極側での界面の曲率に変化が起こり、界面での表面張力の変化が実現する。求められる曲率変化つまり求められる表面張力差を実現するには、非常に低い電圧、つまりわずか数[V]しか必要としない。
【００１１】
小塊は活性化したサブ電極の方向に移動し、電圧が切り替わる、又は小塊がチャンバ壁終端に到着するまで移動し続ける。
【００１２】
屈折面形状を変化させる代わりに、小塊を移動させることで本レンズの焦点を変化させる。これは同一目的における従来レンズについても同様であるが、アクチュエータの使用は必要ない。屈折面の変形が非常に小さいため、本レンズの光学的品質は実質的に、屈折界面を変形させて焦点変化を実現するレンズの品質よりも良好である。駆動電圧が低いため、流体に課される要求は軽くなる。それにより、二の流体が比較的大きな屈折率差を有することが可能となる。この方法に従って、レンズのパワーは既知のエレクトロウエッティングレンズに対して増大させることが可能となる。
【００１３】
可変レンズは、流体に面する流体チャンバ内壁が絶縁層で被覆されている特徴をさらに有する。
【００１４】
この層は、第2電極手段から第1流体を隔離する。
【００１５】
可変レンズは、絶縁層が疎水性であることを特徴として有することが好ましい。
【００１６】
絶縁層は、望まない場所で流体が内壁に粘着するのを防ぐ。
【００１７】
可変レンズの第1実施例は、第1流体の容積が第2流体の複数の容積の間に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
可変レンズの第2実施例は、第2流体の容積が第1流体の複数の容積の間に設けられていることを特徴とする。
【００１９】
この実施例はさらに、第1電極がチャンバ壁内の開口部のうちの一に実質的に備えられていることを特徴とするのが好ましい。
【００２０】
このようにして、第1電極は常に第1流体に到達することが保証される。
【００２１】
可変レンズの特定の実施例は、第2電極が一連の環状電極を有することを特徴とする。
【００２２】
この実施例は、ズームレンズとしての使用、又はズームレンズ系での使用に非常に適している。
【００２３】
可変レンズの実用的な実施例は、すべての流体は液体であることを特徴とする。
【００２４】
この実施例はさらに、第1流体が食塩水で、第2流体が油であることを特徴とする。
【００２５】
これらの流体は、エレクトロウエッティングレンズでの使用において利点であることが示された。
【００２６】
特定の実施例では、可変レンズはズームレンズである。
【００２７】
可変レンズは、レンズ系及び像受信ユニットを有する像キャプチャ装置で使用することが可能である。この装置は、レンズ系が上述の可変レンズを有することを特徴とする。
【００２８】
像キャプチャ装置はカメラ、より具体的には小型カメラでの使用に非常に適している。
【００２９】
このカメラのレンズ系はズームレンズ系であって良い。
【００３０】
このカメラはハンドヘルド装置に組み込むことが可能である。その際、このカメラを有するそのような装置は本発明の一部を構成する。
【００３１】
そのようなハンドヘルド装置はたとえば、携帯電話である。
【００３２】
本発明はまた、走査ビームを提供する放射光源ユニット、走査ビームを情報層中の走査スポットに集光する光学レンズ系及び情報層からの走査ビーム放射線を電気信号に変換する放射線を検出するユニットを有する情報層走査用の光学装置でも使用可能である。この装置は、レンズ系が上述の可変レンズを有することを特徴とする。
【００３３】
対物レンズ系及びコリメータレンズ系を有する、一の記録キャリアにおいて、少なくとも二の情報層を各異なる深さで走査するのに用いられるこの装置は、可変レンズが二の情報層の深さがそれぞれ異なることに起因する球面収差を補正するコリメータレンズ系に含まれる。
【００３４】
放射光源ユニットは、少なくとも二のそれぞれ異なる波長のビーム放出の切り替えが可能であって、かつ、レンズ系は対物レンズ系を有することを特徴とする、それぞれ異なる形式を有する、少なくとも2層の情報層を走査する装置は、可変レンズが対物レンズ系に含まれ、この系をそれぞれ異なる形式を有する情報に適応させることを特徴として良い。
【実施例】
【００３５】
本発明のこれら及び他の態様を、以降で説明する非限定的例示である実施例を参照して説明する。
【００３６】
図1で図示された既知のレンズ1は、透明な前面素子4によって密閉された、毛管を形成する円柱状の第1電極2及び透明な背面素子6を有し、二の流体を含む流体チャンバを形成する。電極2は管内壁に成膜された導電性コーティングであって良い。
【００３７】
二の流体は、二の非混和性液体から構成される。2液体の形式は、シリコーン油又はアルケンのような、以降では“油”と呼ぶ、絶縁性第1液体A及び、食塩水を含む水のような導電性液体Bである。レンズが配向に独立して、つまり、液体間の重力の影響に依存することなく機能するように、二の液体の密度は等しいことが好ましい。液体は、第1流体Aの屈折率が第2流体Bの屈折率よりも大きくなるように選ばれる。
【００３８】
電極2は、たとえばパリレンのような絶縁層8でコーティングされる。この層は、流体がチャンバ壁に留まるのを防ぐ疎水性層10によってコーティングされる。
【００３９】
第2の環状電極12は、第2流体Bに作用するように、流体チャンバの少なくとも一部で、背面素子に隣接して備えられている。
【００４０】
二の流体A,Bは非混和性で、そのためメニスカス形式の界面14によって、二の流体すなわち二の容積に分離される。第1電極と第2電極との間に電圧が印加されない場合、疎水性層は、流体Bに対するよりも流体Aに対してより高い濡れ性(wettability)を有する。エレクトロウエッティングのため、第2流体の濡れ性は、第1電極と第2電極との間に印加される電圧で変化する。この変化は、3相線つまり疎水性層10と二の液体A,Bとの間の接触線でのメニスカスの接触角を変化させようとする。よってメニスカス14の形状すなわちレンズの焦点は印加電圧で変化する。
【００４１】
要求される焦点変化に依存して、この電圧はたとえば、数10[V]から200[V]の値を有しなければならない。この値ゆえ、このレンズはハンドヘルド装置用としては適さない。しかも、液体A及び液体Bとしての使用に適する液体の屈折率差は比較的低いため、レンズの光パワーには制限がある。
【００４２】
本発明に従ったレンズは、そのような欠点を示さない。このレンズもエレクトロウエッティングを用いるが、メニスカスを変形させるものではなく、メニスカスの移動を起こし、その移動は二のメニスカスの表面張力差によって維持される。
【００４３】
図2aは本発明の第1実施例における第1状態を、図2bは、本発明の第1実施例における第2状態をそれぞれ図示している。レンズは二の流体40及び50を有する。それらはたとえば非混和性で、各異なる屈折率を有する液体である。流体40は導電性であって、たとえば水を有し、流体50は絶縁性であって、たとえば油を有する。この実施例では、流体40の容積又は小塊は、レンズが屈折率の異なる物質間に二の界面42及び44を有し、界面はメニスカス形状を有するように、流体50の二の容積の間に備えられている。このレンズは、二の屈折面を有する固体レンズ、この場合は凸レンズ、匹敵するレンズとなりうる。そのようなレンズは大きなレンズパワーを有して良く、光ビームbの集光を可能にする。
【００４４】
流体は流体チャンバ22に含まれる。この実施例では、チャンバは側壁124によって画定されている縦方向に延在する管の形式を取り、管の軸を有する。この特別な例では、チャンバは円柱管であって、光軸OO’は管軸と一致する。付加的壁26及び付加的壁28は、流体を閉じこめるためのチャンバ22を形成するため、管終端部を横切るように延在する。光軸OO’周辺に存在する壁26及び壁28の少なくとも一部は透明である。
【００４５】
二の流体間のメニスカス42及びメニスカス44は、レンズ20の光軸OO’を横切るように延在する。横切るという語は、メニスカスは光軸と交差する、すなわち光軸を横切るように延在し、光軸とは平行にならない状態を指す。メニスカスは所望の角度で光軸と交差して良い。メニスカス42及びメニスカス44の周辺はチャンバ側壁によって画定されている。
【００４６】
典型的には、流体40及び流体50をチャンバ22の所望の場所内に設置するため、チャンバの異なる領域は、各流体が各対応する領域で引きつけられるように、各異なる濡れ性を有する。濡れ性とは、領域が濡れる程度、つまり流体によって被覆される程度である。たとえば、流体40が導電性で、極性を有する流体で、流体50が非導電性floodの場合、壁24の内部面は、流体40を引きつけて流体50を引きつけないようにするために疎水性となるだろう。
【００４７】
メニスカス42及びメニスカス44の形状はメニスカス端部と流体チャンバの壁との接触角によって決定される。従って、メニスカス形状はこの表面の濡れ性によって決定される。このレンズでは、メニスカスの形状はほぼ一定である。図示されているメニスカスの形状は流体40から見て凸面であるが、凹面であっても良い。
【００４８】
レンズ20は第1流体40に到達する第1電極34をさらに有し、電源60の第1出力62と永久に接続する。第2電極手段はチャンバの壁24上に備えられている。この実施例では、第2電極手段は、第1サブ電極30及び第2サブ電極32をそれぞれ有する。各々は円柱長のほぼ半分を占めて良い。これらの電極はギャップ43によって互いに分離している。サブ電極30は、導体68及びスイッチ72を介して、電源60の第2出力64と接続して良く、サブ電極32は、導体66及びスイッチ70を介して、第2出力と接続して良い。
【００４９】
チャンバ壁の全内壁、サブ電極30、サブ電極32及びギャップ43は、絶縁層によって被覆されて良く、この層は、図1に図示したレンズ同様に、疎水性層によって被覆されて良い。代替方法として、層48はチャンバ内壁を被覆する。この層は、図2a及び図2bで図示されているように、絶縁性と疎水性の両方である。レンズの中間的状態では、サブ電極30及びサブ電極32には電圧は印加されない、つまり導体66及び導体68は、スイッチ70及びスイッチ72を介してグランド電極に接続する。小塊とも呼ばれる第1流体の容積41は、サブ電極30及びサブ電極32に対して対称となるように設けられている。界面42及び界面44の表面張力は等しく、これらの界面は同一の曲率及び同一の接触角θを有し、小塊41は静止している。
【００５０】
サブ電極32がスイッチ70を介して電源70の第2出力と接続する場合、つまり電圧がこのサブ電極と第1電極34との間に印加される場合、サブ電極32はエレクトロウエッティング力を発生させる。このサブ電極の位置での疎水性層48は親水性になる。エレクトロウエッティング力は界面44の接触角に変化を起こす。界面はそのときには、サブ電極32の範囲内にある。その結果、界面44の曲率の小さな変化が生じる。界面42の接触角θ1は依然として、初期値を有し、この界面は依然として初期の曲率を有する。ラプラスの法則に従うと、流体内部の圧力は流体間の界面の曲率に依存する。二の界面の曲率が異なる結果、界面42及び界面44は各異なる表面張力を有する。表面張力におけるこの差異のため、小塊41は活性化しているサブ電極32へ向かって移動を開始する。この移動は、電極32と電極34との間の電圧が維持されている限り、又は小塊がチャンバの底部壁面28に到達するまで続く。サブ電極32と第1電極34との間の電圧がオフの場合、小塊41はその時点で到達した位置を維持する。
【００５１】
図2aは、小塊がほぼ底部壁面28に到達し、レンズは二の極限焦点位置のうちの一の位置にある状況を図示している。
【００５２】
小塊41の移動を開始させるのに必要な界面44の小さな曲率変化を実現するためには、電源が低電圧源であるように、小さな電圧たとえば数[V]しか必要としない。なぜなら、移動開始は、ほんのわずかな曲率変化しか必要としないため、レンズの光学品質は移動によってはほとんど影響しない。
【００５３】
小塊41の下方移動中、サブ電極30と第1電極34との間には電圧が印加されない、つまり電極30はスイッチ72によって、グランド電極74と接続する。電極30の位置での疎水性層は疎水性のままである。小塊41の下方移動は、チャンバの下側で、第2流体を、チャンバ壁内の開口部37を介して押し出す。チャンバの上側で、この開口部及び開口部36と接続する流体ガイド38は、流体50を開口部37から、流体が再度チャンバに入り込む開口部36へ導く。
【００５４】
図2bは、レンズの第2の極限状態を図示している。この状態は、サブ電極30と第1電極34との間には低電圧が印加されるように、スイッチ72及び導体68を介して、サブ電極30を電源の第2出力64に接続することで到達される。サブ電極30の位置でのエレクトロウエッティング力は、界面42が界面44と異なるように、界面42の接触角θ1の小さな変化及び、この界面の曲率の小さな変化を引き起こす。界面42と界面44との表面張力の差異がサブ電極への小塊41の移動を引き起こす。電圧は、小塊が図2bで図示された位置に到達するまで維持される。この移動中、サブ電極32と第1電極34との間には電圧は存在しない。流体50は、流体ガイド38を介して開口部36から開口部37へ導かれる。
【００５５】
図2a及び図2bで図示されているように、流体40の量及び流体チャンバの内部空間は常に、界面30及び界面32のうちの一がサブ電極30で囲まれた空間領域に適応し、もう一方の界面がサブ電極32で囲まれた空間に適応するように選択される。これは常に、小塊41を引きつける活性化された電極の存在を可能にする。流体50が油であることを特徴とする図2a及び図2bで図示された実施例では、小塊と層48との間に非常に薄い油膜が存在する。その膜は小塊41の移動を容易にする潤滑膜として機能する。
【００５６】
図2a及び図2bのレンズを駆動させるのに必要な低電圧は、流体に課される要求を緩和させ、大抵のエレクトロウエッティングレンズに含まれる流体よりも非常に大きな屈折率差を示す流体の選択を可能にする。従って本発明に従ったレンズは、既知のエレクトロウエッティングレンズよりも非常に大きな光パワーを有する。
【００５７】
サブ電極は典型的には1mmから20mmの内径を有する円柱を形成する。これらの電極は金属材料で構成されて良く、引き続いて絶縁層及び疎水性層で、又は、絶縁性でかつ疎水性の単一層でコーティングして良い。この層、図2a及び図2bの48、は5nmから50μmの厚さを有する。
【００５８】
図3は、本発明に従ったレンズの第2実施例を図示している。電極34の位置を除けば、この実施例は図2aで図示されている実施例と同様の構成である。しかし、図3aの実施例では、たとえば油のような第2流体50の容積すなわち小塊は、たとえば直円錐のような第1流体40の二の容積の間に備えられている。小塊から見て、界面42’及び界面44’は凹面である。この実施例では、油小塊は、電極30が活性化することで上方移動し、電極32が活性化することで下方移動する。図3は、電極30の活性化が終了、又は依然として続いている、つまり電極30が電源と接続することで、第1流体40がこの電極の円柱部分に吸い込まれ、第2流体が電極32の円柱部分に置換される状態を図示している。液体40が常に電源60の第1出力と接続するため、対向電極とも呼ばれる電極34は、チャンバ開口部36及びチャンバ開口部37のうちの一へ、又は、常に流体40が存在するチャンバ壁内の流体を直接取り囲むものへ至るのが好ましい。これは図3では、参照番号35で示されている。
【００５９】
図4は、二の円柱状電極の代わりに、多数の小さな環状電極92が使用されているレンズの実施例を図示している。形状がたとえば球で近似される第1流体40の容積及び環状電極の高さは、第1液体の小塊が常に二の隣接電極、92n及び92n-1の“領域”内に存在するように選ばれる。これら二の電極のうち、一は活性化し、他方は活性化しない。図4で図示された実施例のチャンバの構成は、さらなる説明を必要としないように、これまでの構成と同一である。
【００６０】
ある一の環状電極から隣接の環状電極に切り替えることで、小塊は一の電極の距離を上又は下に向かって超える。図4で図示された状態において、電極92nが活性化する、つまりこの電極に電圧が印加されると仮定すると、連続的に電極92n-1、92n-2のように活性化することで、第1液体40の小塊は下方へ移動し、連続的に電極92n+1、92n+2のように活性化することで、小塊は上方へ移動する。このようにして、この実施例がズームレンズ系での使用に非常に適するように、レンズ焦点を小さなステップで変化させることが可能である。
【００６１】
多数の電極を連続的に電源へスイッチングする電子回路は、当技術分野で周知であり、図4のレンズにそのような系を用いるのは、当業者には明白である。
【００６２】
図3での実施例同様、図4での実施例においても、液体を入れ替えて良い。つまり、たとえば油のような第2液体50の小塊を第1液体40の二の容積間に備えて良い。図4には図示されていないが、対向電極34は二のチャンバ開口部36又は37のうちの一に備えられる。
【００６３】
上述の実施例は例示として供されているだけであり、様々な代替的設計が本発明の技術的範囲内で可能であることは明白である。
【００６４】
たとえば上述の実施例では、壁24で画定されたチャンバは円形の断面を有する。しかし、実際にはチャンバは如何なる所望の断面つまり、正方形、長方形、円又は楕円、を有しても良いことは明白である。
【００６５】
本発明に従った可変レンズは非常にコンパクトなので、小型カメラでの使用に非常に適している。そのようなカメラの光学的原理を図5に示す。カメラ100は、光軸104を有する対物レンズ系102及び、レンズ系102によって生成されたレンズ系左手側の情景又は物体の像を受像する受像ユニット112を有する。ユニット112はCCDセンサ又はCMOSセンサのような電気光学的センサであって良いが、写真フィルムであっても良い。カメラは静止画カメラ又はビデオカメラであって良い。レンズ系は図2a、図2b及び図3で説明したような可変レンズであるため、第2流体110の二の容積間にある第1流体108の小塊を有する液体チャンバ102を有する。これまで説明してきたように、このレンズは大きなパワーを有して良く、焦点は電極間に印加される低電圧の手段によって変化させることが可能である。カメラレンズ系は、可変レンズとの集積が可能な付加的レンズ素子を有して良い。
【００６６】
図6は、本発明が実装されているカメラを含むハンドヘルド装置の例を図示している。装置は携帯電話120であって、その前面像が図6に図示されている。携帯電話は、ユーザーの音声をデータとして入力するマイクロホン122、通信する相手の声を出力する拡声器124及び、通信波を伝送及び受信するアンテナ126を有する。携帯電話はさらに、ユーザーがダイアルする電話番号のような情報を入力する手段である入力ダイアル128及び、たとえば液晶ディスプレイパネルのようなディスプレイ130を有する。このパネルは、ユーザーの通信相手の写真の表示、又は、データ及びグラフィックスの表示に使用することが可能である。入力データ及び受信データを処理するため、データ処理ユニット（図示されていない）が携帯電話に含まれる。
【００６７】
携帯電話には、図2a、図2b及び図3で説明したような可変レンズを有する小型カメラと共に供されている。図6ではその前面のみが図示されている。この方向における携帯電話の大きさが十分であれば、液体チャンバのようなカメラの素子、場合によっては他のレンズ素子及び像センサは、電話前面に垂直な線、つまり図6の面に垂直な方向に沿って配置されて良い。あるいはその代わりに、カメラは、カメラ光路の実質的部分が携帯電話の前面に平行になるように、一以上の可倒式(folding)ミラーと共に供されて良い。そのときには、携帯電話は比較的薄くて良い。
【００６８】
大抵の場合、携帯電話用小型カメラのレンズは固定された焦点を有し、テレタイプ（商標）である。このことは、このレンズがセンサ上に、カメラからは長距離で離れている物体又は情景のシャープな像を生成することを意味する。図2a及び図2b又は図3で図示された可変レンズの最も単純な実施例を含めることで、カメラは、カメラからの距離が短い物体又は情景についてもセンサ上でシャープに画像化できるように、テレモードとマクロモードとの間をスイッチングすることができる。
【００６９】
特に、図4で図示されているような一連のリング形状電極を有する可変レンズの実施例が携帯電話カメラに含まれている場合には、小型カメラは固定焦点カメラからズームカメラへ改善させることが可能である。このレンズが大きな光パワーを有し、非常に小さな駆動電圧しか必要としないため、この用途でのこのレンズは非常に魅力的である。
【００７０】
ズームは、像スケールの変化、つまりズームレンズの焦点距離を変化させることで、画像化される物体の情景のサイズを選択することを意味する。ズームレンズの極限的設定(extreme  settings)は、物体情景の小さな部分が結像されることを特徴とするテレモードである。図4で図示されている可変レンズは、ズーム機能を実行する、つまり、テレからワイドへ、かつ両者の間で焦点距離を変化させることが可能である。大抵の場合ズームレンズでは、第2の機能である焦点合わせ機能が実行されなくてはならない。焦点合わせは、物体情景の一部をどのズーム状態であっても焦点合わせされた状態でズームすることを意味すると理解されている。焦点合わせ機能実行するには、ズームレンズ系は第2可変レンズを有していなければならない。従来、後者のレンズは可動固体レンズである。本発明に従っても、レンズは上述の可変レンズに置換して良い。
【００７１】
本発明の可変レンズもまた、ズームレンズ系以外のレンズ系で使用しても良い。
【００７２】
本発明に従った可変レンズが使用可能な他のハンドヘルド装置は、たとえば携帯情報端末(PDA)、ポケットコンピュータ及び電子玩具のような小型カメラが内蔵されているようなものである。
【００７３】
本発明はまた、ウエブカメラ、インターホンシステム用カメラ並びに、たとえばデジタルカメラのようなポケットサイズ及び他のサイズのカメラのような非組み込みカメラで実装することも可能である。カメラがフィルムを使用するか、又は電子センサを使用するのかは、本発明には関係ない。
【００７４】
可変レンズはまた、図7で図示されているような光学記録キャリア150の走査用装置に使用することも可能である。記録キャリアは、一の面に情報層154が備えられている透明層152を有する。透明層の反対側に面している情報層の面は、保護層156によって外部の影響から保護されている。装置160に面する透明層152の面は光侵入面(entrance  face)158と呼ばれる。透明層152は情報層を機械的に支持することで、記録キャリアの基板としての役割を果たす。
【００７５】
あるいはその代わりに、機械的支持は情報層の反対面上にある層、たとえば保護層156又は、情報層154と接続するさらなる情報層及び透明層によってなされる一方で、透明層152は、情報層154を保護する保護する唯一の機能を有して良い。
【００７６】
情報は記録キャリアの情報層154中に、実質的に平行、同心に又は螺旋状トラックに配列した、光学的に検出可能な印の形式で保存されて良い、図示されていないが。印は如何なる光学的に読み取り可能な形式であって良い。たとえば、ピット、周囲とは異なる反射係数若しくは磁化方向有する領域、又はこれらの組み合わせの形式であって良い。走査装置160は放射ビーム164を放出することが可能な放射光源162を有する。放射光源は半導体レーザー又はダイオードレーザーであることが好ましい。ビームスプリッタ166は、発散ビーム164をコリメーションレンズ168へ向けて反射する。コリメーションレンズ168は、発散ビーム164をコリメーションビーム170に変換する。コリメーションビーム170は対物レンズ系174へ入射する。ここでは対物レンズ系174は単一レンズ素子として表されているが、複数のレンズ素子及び/又は回折格子を有しても良い。対物レンズ系174は光軸176を有する。
【００７７】
対物系172はコリメーションビーム170を集束ビーム172に変換する。集束ビーム172は、記録キャリアの光侵入面158に入射する。対物系は、透明層152の厚みを介する放射ビームの光路に適応する球面収差補正器を有する。集束ビーム172は、情報層154中に走査スポット178を形成する。円盤状記録キャリアを、図7の面に平行な中心軸の周りで回転させることで、情報トラックは走査、つまり読み取り又はデータの提供が行われる。走査スポットを動径方向に移動させることで、情報層中の全トラックを走査することができる。
【００７８】
情報層154によって反射される走査放射ビームは発散ビーム180を生成する。このビームは対物系174によって、実質的にコリメートされたビーム182に変換され、続いてコリメーションレンズ168によって集束ビーム184に変換される。ビームスプリッタ166は、集束ビーム184の少なくとも一部を感光性の検出系186へ向かって透過させることで、反射ビームを記録キャリアへ向かうビームから分離する。検出系186は、放射ビーム184を捕獲し、それを電気出力信号188に変換する。信号処理装置190は、これらの出力信号を様々な他の信号に変換する。
【００７９】
信号の一は情報信号192で、この値は情報層154から読み取られた情報を表す。エラー補正用情報処理ユニット194は、情報信号を処理する。信号処理装置190からの他の信号は、焦点エラー信号及びトラックエラー信号である。焦点エラー信号は、スポット178と情報層154との間の軸方向高さの差異を表す。トラックエラー信号は、情報層154面内における、スポット178とスポットによって追跡される情報層中のトラックの中心との距離を表す。焦点エラー信号及びトラックエラー信号は、サーボ回路198に送られる。サーボ回路は、焦点エラー信号を焦点アクチュエータ制御用の、トラックエラー信号をトラックアクチュエータ制御用のサーボ制御信号200にそれぞれ変換する。これらのアクチュエータは図7には図示されていない。焦点アクチュエータは、焦点方向202における対物系174の位置を制御することにより、スポット178の実際の位置が情報層154の面と実質的に一致するように制御する。トラックアクチュエータは、走査されるトラックに対するスポット位置を制御する。その方法としてはたとえば、スポット中心がトラック中心線と実質的に一致するように、トラックを横切る方向に対物系174の位置を制御するがある。図7では、トラックは図面に垂直な方向に続いている。
【００８０】
現時点では、データは、コンパクトディスク(CD)、デジタル多目的ディスク(DVDs)及びブルーレイ（商標）ディスクのようなそれぞれ異なる形式を有する光記録キャリアの情報層に保存することが可能である。消費者が、それぞれのフォーマットが異なるディスクからのデータを読み取り及び/又は書き込むために、それぞれのフォーマットに合わせて異なる装置を購入しなければならなくなる事態を回避するため、単一の走査装置が異なるフォーマットの光記録ディスクを走査できることが望ましい。コンビプレーヤ(combi-player)とも呼ばれるこの走査装置は、それぞれ異なる形式に対して各異なる特性を有していなければならない。たとえば、CDsは、波長約785nmで開口数(NA)0.45のレーザービームで走査されるように設計され、その一方でDVDは、650nm領域の波長で開口数(NA)0.6のレーザービームで走査されるように設計されている。ブルーレイ（商標）ディスクは、波長約405nmで開口数(NA)0.85のレーザービームで走査されるように設計されなくてはならない。異なるフォーマットの光ディスクを走査する能力を有する装置は要求される異なる波長のレーザービームを放出できる放射光源を有していけなければならない。そしてその対物系は可変で、各異なる波長及び、各異なるディスクの透明層152の厚さに対して適応できなければならない。また、集束ビーム172のNAはディスクフォーマットに対して適応可能でなくてはならない。これまでに説明してきた可変レンズは、コンビプレーヤーの対物系において、この対物系を、異なる波長のビームで走査される、各異なるフォーマットのディスクに求められる、焦点及び/又は球面収差補正器に適応させるのに有利に使用可能である。たとえば2層ブルーレイ（商標）ディスクでは、2層の情報層は、深さ0.1mm及び0.08mmつまり、0.02mm間隔で分離されている。特定波長λのレーザービームがある一の層からもう一方の層に再度集光されるとき、情報層深さの差異のため、約200mλの意図しない球面収差が発生し、それは補償される必要がある。補償されるべき球面収差を打ち消すように、反対の大きさを有する球面収差を対物系174に導入することで補償は実現される。
【００８１】
本発明が実装されている走査装置の実施例では、対物系174に入射するビームのコリメーションの大きさを変化させる、かつ、本発明に従った可変レンズを使用することで、球面収差は対物系174に導入される。そのような可変レンズは、追加の素子としてビーム164の光路内に組み込んで良い。あるいは、可変レンズはコリメーションレンズ168の一部を形成して良い。たとえば、レンズ168は複合レンズである。必要となる球面収差を導入するため、ビーム164は、可変レンズ内部でメニスカスの位置を変化させることで、平行なビームから、必要に応じてわずかに集束した、又はわずかに発散したビームに変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】既知のエレクトロウエッティングレンズの原理を図示している。
【図２ａ】本発明の第1実施例における第1状態を図示している。
【図２ｂ】本発明の第1実施例における第2状態を図示している。
【図３】本レンズの第2実施例を図示している。
【図４】本レンズの第3実施例を図示している。
【図５】本発明に従ったレンズを有するカメラの概略図を図示している。
【図６】そのようなカメラを有する携帯電話を図示している。
【図７】本発明に従ったレンズを有する光記録キャリア用光学装置を図示している。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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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【図７】
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【国際調査報告】
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