(57)【要約】  色消しエレクトロウェッティング・レンズが提供される。このレンズは、屈折率をｎ、アッベ数をＶとして、パラメータｎ１、ｎ２、Ｖ１およびＶ２の特定の選択により実現される。以下の式（Ｉ）【数１５】2007518133.tif 000017の関係式を満たすことにより、エレクトロウェッティング・レンズの色収差補正が実現される。
2007518133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  非混和性でありメニスカスに亘って接触状態にある、第１の流体および第２の流体を含む流体チャンバーと、
−  前記メニスカスの形状が電界に応じて変化するように、前記流体チャンバーに電界を印加する手段とを含み、
−  前記第１の流体が屈折率ｎ１およびアッベ数Ｖ１を有し、前記第２の流体が屈折率ｎ２およびアッベ数Ｖ２を有し、前記ｎ１は前記ｎ２と異なる屈折率であり、これらのパラメータｎ１、ｎ２、Ｖ１、Ｖ２が、
【数１】
2007518133.tif 000015
なる関係式に従うパラメータであることを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項２】
前記パラメータｎ１、ｎ２、Ｖ１、Ｖ２が、
【数２】
2007518133.tif 000016
なる関係式に従うパラメータであることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
【請求項３】
−  前記流体チャンバーが、実質的に円柱状の壁を含み、
−  前記円柱状の壁の内側に、流体接触層が配されており、
−  前記電界を印加する手段が、前記流体接触層により前記第１の流体および前記第２の流体から隔てられた第１の電極と、前記第１の流体に作用する第２の電極とを含んでおり、
−  前記メニスカスの形状が電圧に応じて変化するように、前記流体接触層が、前記第１の電極と前記第２の電極との間への電圧の印加の下で変化する、前記第１の流体による濡れ性を有していることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
【請求項４】
前記第１の流体がｎ１＝１．３７の屈折率およびＶ１＝４９のアッベ数を有し、前記第２の流体がｎ２＝１．４の屈折率およびＶ２＝５３のアッベ数を有することを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
【請求項５】
前記第１の流体が塩水を含み、前記第２の流体がポリジメチルシロキサンを含んでいることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
請求項１から５いずれか１項記載のレンズを含む光学機器。
【請求項７】
請求項１から５いずれか１項記載のレンズを含む画像取込装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の流体と第２の流体とを含み、両流体が非混和性でありメニスカスに亘って接触状態にある、可変焦点レンズに関するものである。電圧を印加することにより、メニスカスの形状、したがってレンズの焦点を制御することができる。
【背景技術】
【０００２】
この種のレンズは、エレクトロウェッティング・レンズと呼ばれている。機械的な可動部品は何ら必要とされないので、これらのエレクトロウェッティング・レンズは、少量の電力によってその焦点を変えることができる。そのようなエレクトロウェッティング・レンズを含む光学機器の一例は、米国特許出願公開ＵＳ２００２／０１７６１４８Ａ１号に示されている。
【０００３】
低い電力消費量、および変化する電圧への速い応答性のため、エレクトロウェッティング・レンズは、頻繁な焦点変更が望まれる携帯機器用途に特に適している。
【０００４】
残念ながら、固体レンズで構築された古典的な光学系における達成事項の多くは、エレクトロウェッティング・レンズでは利用できない。たとえば、従来型のレンズ系は、接着ダブレットを形成すること、すなわち通常の屈折レンズを回折レンズと組み合わせることにより、色消しレンズ系とすることができる。接着ダブレットでは、通常、レンズを形成する２つの要素は、実質的に等しい屈折率と、互いに異なるアッベ数とを有する。色収差補正を提供するために、２つの要素の光学パワーＫ１ならびにＫ２、およびアッベ数Ｖ１ならびにＶ２は、式
【数３】
2007518133.tif 000003
に従うように選択される。ここで、Ｋ＝Ｋ１＋Ｋ２は、ダブレットの全体の光学パワーである。上記の条件を満たす色消しレンズの一例は、所与の光学パワーＫ０に対し、Ｋ１＝−Ｋ０、Ｋ２＝２Ｋ０とされ、かつＶ１＝３０、Ｖ２＝６０とされた色消しレンズである。
【０００５】
屈折レンズの色収差を補正する別の１つの方法は、回折機構を追加する方法である。色収差補正は、接着ダブレットの場合と類似しているが、回折機構のアッベ数は−３．４５２に等しい負のアッベ数であるという違いがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
色消しレンズを提供する上記の方法はいずれも固定の光学パワーを有するレンズに対してのみ機能するところ、エレクトロウェッティング・レンズは光学パワーを変えるので、上記の方法はいずれも、エレクトロウェッティング・レンズには適用できない。さらに、エレクトロウェッティング・レンズは、２つの流体間のメニスカス面の半径に応じて、正の値から負の値へと光学パワーを変えることができる。
【０００７】
本発明の１つの目的は、色消し特性を有する可変焦点レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、本願の独立請求項に記載の特徴により解決される。本発明のさらなる発展形態および好ましい実施形態の要点は、従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明によれば、
−  非混和性でありメニスカスに亘って接触状態にある、第１の流体（Ａ）および第２の流体（Ｂ）を含む流体チャンバーと、
−  メニスカスの形状が電界に応じて変化するように、上記の流体チャンバーに電界を印加する手段とを含み、
−  第１の流体が屈折率ｎ１およびアッベ数Ｖ１を有し、第２の流体が屈折率ｎ２およびアッベ数Ｖ２を有し、ｎ１はｎ２と異なる屈折率であり、これらのパラメータｎ１、ｎ２、Ｖ１、Ｖ２が、
【数４】
2007518133.tif 000004
なる関係式に従うパラメータである可変焦点レンズが提供される。
【００１０】
上記の関係式により規定されるパラメータ範囲は、理論的分析と実験による分析との組合せから導出できる。屈折率ｎ１を有する第１の流体と、屈折率ｎ２を有する第２の流体とから作られたレンズの光学パワーは、
【数５】
2007518133.tif 000005
である。Ｒは、２つの流体間のメニスカスの半径である。ここで、レンズの動作波長が、たとえば５８７ｎｍであるとする。レンズが異なる波長で動作させられたことに起因して、屈折率に小さな変化δｎが生じる場合を考える。ここで、δｎは、δｎ＝ｎ（４８６ｎｍ）−ｎ（６５６ｎｍ）、すなわち４８６ｎｍおよび６５６ｎｍの波長で測定される屈折率の差であるとする。すると、エレクトロウェッティング・レンズの光学パワーの変化は、
【数６】
2007518133.tif 000006
で与えられる。したがって、式（２）を用いると、
【数７】
2007518133.tif 000007
であることが分かる。
【００１１】
さらに、
【数８】
2007518133.tif 000008
で規定されるアッベ数Ｖの定義と、式（４）とを考慮すると、
【数９】
2007518133.tif 000009
が得られる。
【００１２】
δＫがなくなるには、すなわち波長の変化に起因する光学パワーの変化をなくすには、関係式
【数１０】
2007518133.tif 000010
が満たされなくてはならないことが分かる。
【００１３】
この理論上の結果からスタートし、色消し特性に関連するエレクトロウェッティング・レンズの性能についての測定結果を考慮に入れると、
【数１１】
2007518133.tif 000011
との条件が結果として得られる。
【００１４】
ここで、この関係式中の値０．７５および１．２５は、色消し可変焦点レンズの製造時における固定の限界値ではない点に留意されたい。色収差補正に関するレンズ性能が特別に重要というわけではない場合には、０．７５から１．２５までよりも広い範囲を許容するのが適切であるかもしれない。上記の式（７）が良好に満たされるほど、色収差補正に関するレンズの性能はよりよくなる。
【００１５】
この意味で、パラメータｎ１、ｎ２、Ｖ１、Ｖ２が、
【数１２】
2007518133.tif 000012
なる関係式に従うとき、レンズの良好な性能を提供することができる。
【００１６】
本発明に係る可変焦点レンズの１つの好ましい実施形態では、
−  流体チャンバーが、実質的に円柱状の壁を含み、
−  上記の円柱状の壁の内側に、流体接触層が配されており、
−  電界を印加する手段が、上記の流体接触層により第１の流体および第２の流体から隔てられた第１の電極と、第１の流体に作用する第２の電極とを含んでおり、
−  メニスカスの形状が電圧に応じて変化するように、上記の流体接触層が、第１の電極と第２の電極との間への電圧の印加の下で変化する、第１の流体による濡れ性を有している可変焦点レンズが提供される。
【００１７】
したがって、本発明は、現在の市場において受け入れられている種のエレクトロウェッティング・レンズと共に用いることができる。
【００１８】
本発明に係る可変焦点レンズの１つの好適例は、第１の流体がｎ１＝１．３７の屈折率およびＶ１＝４９のアッベ数を有し、第２の流体がｎ２＝１．４の屈折率およびＶ２＝５３のアッベ数を有するようなレンズによって提供される。現実的な条件下において容易に提供することができるこれらの値は、色収差補正についての上記の関係式を充足する。
【００１９】
本発明に従う可変焦点レンズは、第１の流体が塩水（えんすい）を含み、第２の流体がポリジメチルシロキサンを含むレンズとして考えることもできる。これらおよびその他の流体を、使用し、アッベ数および屈折率を付与し、上記の色収差補正についての関係式を満たすようにすることが可能である。
【００２０】
したがって、この可変焦点レンズは、光学機器、特に全波長範囲に作用する携帯機器用途を有する光学機器に、有利に実装することができる。
【００２１】
その意味において、本発明は、画像取込装置との関連において特に有利である。たとえば、機器の小さなサイズを維持するため、画像取込機能が与えられた携帯電話に、本発明に従う可変焦点レンズを付与することが可能である。しかしながら、通常のカメラまたはビデオカメラといったような、種々の異なる画像取込装置の場合でも、機械的な移動部品を避け、機器サイズを小さくし、高速の焦点変更を可能とすることが望ましいので、それら種々の異なる画像取込装置にも、本発明に従う光学機器を付与することができる。
【００２２】
画像取込装置以外の適用分野としては、光記録、検眼レンズ、内視鏡レンズ、望遠鏡顕微鏡検査、およびリソグラフィの分野における適用が挙げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に説明する実施形態を参照することにより、本発明の上記およびその他の側面が明らかとなる。
【００２４】
図１は、本発明の１つの実施形態に従う可変焦点レンズの概略断面図である。このレンズは、毛細管を形成する円柱状の第１の電極１４を含んでいる。この第１の電極１４は、透明な前面要素２０および透明な後面要素２２により封止されて、２つの流体ＡおよびＢを含む透明チャンバー１０を形成している。電極１４は、管の内壁に施された導電コーティングであってもよい。
【００２５】
２つの流体ＡおよびＢは、塩（えん）の溶液を含む水のような導電性の第１の流体Ａ、およびシリコーン油もしくはアルカン（以下、本明細書では「油」と呼ぶ）のような電気絶縁性の第２の流体Ｂの形態の、非混和性の２つの液体からなる。２つの液体は、レンズが方向に依存せずに機能するように（すなわち２つの液体間に働く重力の効果に依存せずに機能するように）、等しい密度を有するよう調整されていることが好ましい。かかる態様は、第１の液体の構成成分を適切に選択することにより実現され得る。たとえば、アルカンまたはシリコーン油は、分子構成成分を添加することにより、塩の溶液の密度に合致すべく密度を増大させるように調整され得る。
【００２６】
第１の電極１４は、内半径が典型的には１ｍｍと２０ｍｍとの間とされた円柱である。第２の電極である円環状電極１６は、流体チャンバー１０の一端、この例では後面要素２２に近い方の一端に配されている。第２の電極１６は、第１の流体Ａに作用するように、少なくとも一部が流体チャンバー１０内に配されている。電極１４と１６とは、それら電極に電圧を供給するため、すなわち流体チャンバー１０内に電界を供給するために、電源２４に接続されている。
【００２７】
２つの流体ＡおよびＢは、メニスカス１２により分離されて２つの塊の流体に分かれる傾向を有するように、非混和性のものとされている。電源ポート２４に電圧が印加されると、第１の流体Ａによる流体接触層１８の濡れ性が変化するので、流体接触層１８と、２つの流体ＡおよびＢとの間の接触ラインにおいて、メニスカス１２の接触角度が変化する。第１の電極１４と流体接触層１８との間には、隔離層２６が設けられている。したがって、メニスカス１２の形状は、印加電圧に応じて可変である。実際、メニスカス１２は、凸状とも凹状ともされ得る。さらに、流体チャンバーの構成および電極の配置に応じても、メニスカス１２の複数の異なる形状が実現可能である。
【００２８】
一般的に、使用される油の選択に応じて、油の屈折率は、１．２５と１．６０との間で変化し得る。同様に、添加される塩の量に応じて、塩の溶液の屈折率も、１．３３と１．４８との間で変化し得る。この実施形態における各流体は、第１の流体Ａが、第２の流体Ｂよりも低い屈折率を有するように選択されている。
【００２９】
本発明によれば、十分な性能を有する色消しレンズを提供するためには、第１の流体の屈折率ｎ１、第２の流体の屈折率ｎ２、第１の流体のアッベ数Ｖ１、および第２の流体のアッベ数Ｖ２は、
【数１３】
2007518133.tif 000013
との関係式に従わなくてはならない。レンズの色収差補正に関する性能を改善するためには、パラメータｎ１、ｎ２、Ｖ１およびＶ２は、
【数１４】
2007518133.tif 000014
との等式が良好な近似で満たされるように選択される。
【００３０】
色消し特性を有するエレクトロウェッティング・レンズの一例は、以下のとおりである。この例示的なエレクトロウェッティング・レンズは、屈折率ｎ１＝１．３７かつアッベ数Ｖ１＝４９の塩の溶液を含む。第２の流体は、屈折率ｎ２＝１．４かつアッベ数Ｖ２＝５３の、ポリジメチルシロキサンである。
【００３１】
別の例では、０．１Ｍ  ＫＣｌの塩の水溶液が用いられる。この溶液は、ｎ１＝１．３３４、Ｖ１＝５７．６というパラメータを有する。第２の流体は、ｎ２＝１．３７５、Ｖ２＝５７．６のｎ−ヘキサンである。これによれば、（Ｖ１／Ｖ２）×（ｎ２−１）／（ｎ１−１）＝１．１２となるので、十分な色収差補正がもたらされる。
【００３２】
さらに別の例では、上記と同一の塩の溶液が使用され、第２の流体は、ｎ２＝１．４１２、Ｖ２＝５７．２のｎ−デカンとされる。これによれば、（Ｖ１／Ｖ２）×（ｎ２−１）／（ｎ１−１）＝１．２４となるので、十分な色収差補正がもたらされる。ｎ１＝１．３７、Ｖ１＝４９である、より高濃度の塩の溶液を用いた場合は、上記の比は０．９５４となり、明らかによりよい値となる。
【００３３】
本発明に従うものではない１つの参考例では、上記と同一の塩の溶液が用いられるが、第２の流体は、ｎ２＝１．３８９、Ｖ２＝４９．９のデカメチルテトラシロキサンとされる。これによれば、（Ｖ１／Ｖ２）×（ｎ２−１）／（ｎ１−１）＝１．３１となるので、不十分な色収差補正がもたらされる。しかしながら、塩の溶液を変更し、ｎ１＝１．３７、Ｖ１＝４９の、より高濃度の塩の溶液を用いれば、（Ｖ１／Ｖ２）×（ｎ２−１）／（ｎ１−１）の値が１．０３２となる、極めて良好な色収差補正が達成される。この形態は、アルカンと比較して、塩の溶液と第２の流体との間の密度の差が制限されるというさらなる利点を有する。このデカメチルテトラシロキサンは、０．８５ｋｇ／ｍ３の密度を有し、上記の塩の溶液は、約１．０３ｋｇ／ｍ３の密度を有する。
【００３４】
以下、本発明に係る必要条件を満たすエレクトロウェッティング・レンズおよび満たさないエレクトロウェッティング・レンズの、挙動の例を挙げる。
【００３５】
図２ａおよび２ｂは、２つの両極端な切換構成状態にある可変焦点レンズの概略断面図を示している。第１の切換構成状態が図２ａに示されており、第２の切換構成状態が図２ｂに示されている。図２ｂの構成状態では、このエレクトロウェッティング・レンズは負の光学パワーを有する。したがって、平行光ビーム（物体が無限遠にある）は、図２ｂにおいて左側に位置する虚像を形成する。図２ａならびに２ｂの概略図と図１との比較、および対応の説明より、図２ａおよび２ｂの意味は明らかである。
【００３６】
図３ａおよび３ｂは、本発明に従う可変焦点レンズについて、異なる波長に対する波面のプロットを示している。異なる３つの波長について、規格化された入射瞳の座標ｐｙおよびｐｘに対し、波面収差Ｗがプロットされている。一点鎖線は４８６ｎｍの波長に対応し、点線は５８８ｎｍの波長に対応し、実線は６５６ｎｍの波長に対応する。縦軸の目盛りとして与えられているのは、個々の関心波長に対する割合であり、各図の最大目盛りは０．３波長である。
【００３７】
図３ａには、図２ａに示した第１の切換構成状態に関し、異なる波長における波面収差がプロットされている。図３ｂには、図２ｂに示した第２の切換構成状態に関し、異なる波長における波面収差がプロットされている。見て取れるように、種々の波長について、非常に小さな波面収差しか存在せず、さらに、異なる波長に対する収差は同じ傾向を有する。この結果（以下の図４ａおよび４ｂの説明を参照することにより、よりよく理解される）は、色収差補正に関し、高い性能を示すレンズが提供されていることを示す。この結果は、パラメータｎ１、ｎ２、Ｖ１およびＶ２を、本発明に従って、具体的にはｎ１＝１．３７、ｎ２＝１．４、Ｖ１＝４９、Ｖ２＝５３と選択することにより実現される。
【００３８】
図４ａおよび４ｂは、本発明に係る条件を満たさない可変焦点レンズについて、波面のプロットを示している。これらの図は、図３ａおよび３ｂと同様にして解釈されるべきものである。特に、各異なる図の軸の目盛りは、図３ａおよび３ｂにおける目盛りと等しい。見て取れるように、種々の波長に対する波面収差は、図３ａおよび３ｂにおける波面収差よりも極めて大きく、さらに、異なる波長に対する収差は、入射瞳の座標が大きくなるにつれて大きく発散している。さらには、これらの図より、光学パワーの符号が異なる２つの構成状態間において、エレクトロウェッティング・レンズが切り換えられると、色収差の符号が変わるということが導き出される（図４ａでは一点鎖線は上側の線であるが、図４ｂでは下側の線となっている）。この特徴のため、レンズを色消しレンズとする従来型の技術は、レンズの光学パワーによらず一定の補正を与えるものであるので、ここでは適用することができない。その意味において、図４は、色消しレンズでないエレクトロウェッティング・レンズの挙動を示している。これは、パラメータｎ１、ｎ２、Ｖ１およびＶ２によりもたらされた結果である。ｎ１、ｎ２およびＶ１は図３ａおよび３ｂの例と同様に選択されているが、Ｖ２は３５となるように選択されている。したがって、図４ａおよび４ｂは、本発明に従うものでないエレクトロウェッティング・レンズの挙動を示している。
【００３９】
本発明に従うエレクトロウェッティング・レンズは、図に示され上記で説明された例とは異なるものであってもよい点に留意されたい。エレクトロウェッティング・レンズは円柱状であることが好ましいが、円柱形状からのずれも可能である。さらに、電界が第１および第２の電極により印加される形態のみならず、電界を、そして最終的にはメニスカスを、特定の形状に設計するために、電界が複数の電極により印加される形態も、本発明の範囲内である。全体として、本開示における「含む」または「備える」との語は、さらなる要素の存在を排除するものではなく、１つの特定の要素への言及は、その言及された要素に関し、複数の要素が存在することを排除するものではない。上記の実施形態は、本発明を説明するための例として理解されるべきものであり、本発明のさらに別の実施形態も考えられる。たとえば、第２の流体は、絶縁液体ではなく、気体からなる流体であってもよい。
【００４０】
さらに、特許請求の範囲において規定される本発明の範囲から逸脱することなく、上記で説明されていない等価形態および変更形態を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の１つの実施形態に係る可変焦点レンズの概略断面図
【図２ａ】一方の極端な切換構成状態にある可変焦点レンズの概略断面図
【図２ｂ】他方の極端な切換構成状態にある可変焦点レンズの概略断面図
【図３ａ】本発明に従う可変焦点レンズについて、異なる波長に対する波面をプロットした図
【図３ｂ】本発明に従う可変焦点レンズについて、異なる波長に対する波面をプロットした図
【図４ａ】本発明に係る条件を満たさない可変焦点レンズについて、波面をプロットした図
【図４ｂ】本発明に係る条件を満たさない可変焦点レンズについて、波面をプロットした図
【図１】
2007518133.tif 000018
【図２ａ】
2007518133.tif 000019
【図２ｂ】
2007518133.tif 000020
【図３ａ】
2007518133.tif 000021
【図３ｂ】
2007518133.tif 000022
【図４ａ】
2007518133.tif 000023
【図４ｂ】
2007518133.tif 000024
【国際調査報告】
2007518133.tif 000025
2007518133.tif 000026