(57)【要約】光学素子は、第１の表面と第２の表面との間に保持され、且つ適用される分野の変化に応じて可変である屈折率を有する、流体材料を有する。第１の表面と第２の表面は夫々、第１及び第２の断面形状を有し、該形状は、夫々第１及び第２の表面にわたって、光学素子の光軸に対して平行に測定される際に高さにおいて変化する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有する光学素子であって、
前記素子は、適用される分野の変化に応じて可変である屈折率を有する流体材料を有し、
前記流体材料は、第１の表面と第２の表面との間に保持され、
前記第１の表面及び前記第２の表面は、夫々第１及び第２の断面形状を有し、
前記第１の断面形状は、前記第１の表面にわたって、前記光軸に対して平行に測定される高さにおいて変化し；
前記第２の断面形状はまた、前記第２の表面にわたって、前記光軸に対して平行に測定される、高さにおいて変化する、ことを特徴とする、
光学素子。
【請求項２】
第１及び第２の形状は、異なる、
請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記第２の表面は、前記光軸に対して実質的に平行である第１の表面部分と、前記光軸に対して実質的に垂直である第２の表面部分と、を有し、
前記第１及び第２の表面部分は、前記第２の形状において段差を形成する、
請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２の形状は、複数の段差を有する、
請求項３記載の光学素子。
【請求項５】
調整層は、前記段差の前記第２の表面部分上に配置される、
請求項４記載の光学素子。
【請求項６】
前記複数の段差は、実質的に一定の高さを有する、
請求項４又は５記載の光学素子。
【請求項７】
前記複数の段差は、前記第２の表面にわたって変化する幅を有する、
請求項４乃至６のうちいずれか一項記載の光学素子。
【請求項８】
前記複数の段差は、前記第２の表面にわたって減少する幅を有する、
請求項７記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１の表面は、レンズ表面である、
請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第１の表面は、前記光軸に対して傾斜する平面である、
請求項１乃至６記載の光学素子。
【請求項１１】
前記光軸に対して垂直にあるよう各々が配置される２つの電極を有し、
前記流体材料の屈折率は、前記電極間に電圧を印加することによって可変である、
請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の光学素子。
【請求項１２】
前記流体材料は、液晶材料である、
請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載の光学素子。
【請求項１３】
前記第１及び第２の表面は、１つ又はそれより多い成形基板の表面の形状で与えられる、
請求項１乃至１２のうちいずれか一項記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に係り、また、限定的ではないが特には液晶材料である可変の屈折率を有する流体材料を有する光学素子に係る。
【背景技術】
【０００２】
可変の焦点距離を有する光学集束系（ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）は、光学系において広く使用される。焦点距離を修正するよう機械的ユニットを使用することを避けるよう、例えば液晶（ＬＣ）レンズである可変焦点距離を有する非機械的光学素子は、提案されてきている。
【０００３】
米国特許第４，４６６，７０３号明細書（特許文献１）は、２つの電極間に挟まれる液晶（ＬＣ）を有する可変焦点距離を説明する。該電極のうち一方は、複数の同心環状電極を有する。電源は、環状の透明な電極の各々に対して異なる電位を与え、液晶に対して傾斜強度分布を有する電場を適用し、それによって、該結晶（ｃｒｙｓｔａｌ）がレンズ作用を有する屈折率分布を作るようにさせる。該レンズ作用の焦点距離は、適用されるべき電場を変えることによって変えられる。しかしながら、この構造は、レンズの製造における複雑性をもたらす。
【０００４】
代替案は、米国特許第６，４６９，６８３号明細書（特許文献２）中に記載される通り、ＬＣ材料の凹状層を有して作られるＬＣレンズと、電源に対して接続される２つの電極間に配置される固体高分子材料を有する対応する凸状基板とを有することである。構造はまた、凹形状が固体高分子材料を有して形成され、且つ対応する凸形状が液晶材料を有して形成されるよう、配置され得る。レンズの焦点距離は、電極間に適用される電場の強度を変えることによって液晶層の屈折率を変化させることによって修正される。
【０００５】
大きな集束範囲にわたって作動しなければならない液晶レンズの使用に伴って発生する問題は、液晶材料の１つの焦点距離から他の焦点距離までの切替え速度が、例えばカメラに与えられる要求に合致しない、ことである。液晶材料の切替え速度は、液晶層の厚さと相関性がある。実際のところ、切替え速度は、層の厚さと共に二次的に（ｑｕａｄｒａｔｉｃａｌｌｙ）増大し、５μｍの液晶レンズに対する切替え速度は、典型的には１０ｍｓであり、５０μｍの液晶レンズに対する切替え速度は、典型的には１秒である。
【０００６】
前出の特許文献２はまた、フレネルレンズ構造の使用を記載する。これは、液晶層の厚さを低減し、故に所望の焦点距離に調整するよう液晶材料に対する応答時間を向上させる。かかるフレネルレンズは、小さく且つ深い溝を有し、該溝の製造は、不可能ではないが、ダイヤモンド旋盤を使用しても大変困難であり得る。更には、フレネルレンズは、特定の波長に対してのみ設計される。結果として、例えばカメラにおける自然光等である異なる波長を有する光を使用する適用においては、かかるレンズを使用することは所望されない。
【特許文献１】米国特許第４，４６６，７０３号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４６９，６８３号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、光軸を有する光学素子が与えられる。該素子は、適用される分野の変化に応じて可変である屈折率を有する流体材料を有する。前出の流体材料は、第１の表面と第２の表面との間に保持され、第１の表面及び第２の表面は夫々、第１及び第２の断面形状を有する。第１の断面形状は、第１の表面にわたって、前出の光軸に対して平行に測定される、高さにおいて変化する。本発明は、第２の断面形状も、第２の表面にわたって、光軸に対して平行に測定される高さにおいて変化する、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明の使用によって、流体材料にわたる層の厚さにおける差異は、光学素子の光軸に対して平行に測定される際、低減され得る。これは、流体材料にわたる電場をより一様にし、故により一様の切替えを可能にし、結果として素子の全表面にわたって一様な屈折率、及び１つの状態から他の状態への流体材料の向上された切替え速度をもたらす、という利点を有する。
【０００９】
切替え動作は、流体材料層にわたる印加された電場の分布によって確定される。電極において印加される定電圧に対して、流体材料層にわたる適用される場の均質性は、流体材料にわたる層の厚さにおける相違が低減される場合において、向上される。
【００１０】
更には、液晶層の厚さをフレネルレンズ以外の手段によって低減することによって、本発明の光学素子は、異なる波長を有する光を使用する適用において使用され得る。更には、変わる高さを有する２つの成形表面の使用は、可変の高さを有する単一の表面上にフレネルレンズの小さく且つ深い溝を製造することにおける困難を避けることによって、製造可能性を向上させるよう使用され得る。
【００１１】
第１及び第２の表面は、形状においては異なるが、望ましくは適合する。一方で、形状は望ましくは、高さにおいて別個の段差を有する形状によって近似される高さにおいて徐々に変化する屈折形状である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の更なる特性及び利点は、本発明の望ましい実施例に関する以下の説明から明らかとなる。該説明は、単なる例証として与えられ、添付の図面が参照される。
【００１３】
図１は、本発明に従った光学素子の一実施例の拡大断面図である。この実施例では、光学素子１２０は、２つの透明な板１００，１０２、及び２つの透明な電極１１４，１１６を有する。該電極は各々、点線で示される光軸に対して垂直であるよう配置される。電極は、電源Ｖに対して接続され、絶縁体スペーサ１２２，１２４を介して接合される。両電極とも、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）をコーティングされたガラスを有して形成され得、蒸発又はスパッタリングを用いて透明な板１００，１０２の内側側部上に通常は適用される。光学素子はまた、流体材料１０４を有する。該流体材料は、電極間の印加電圧に応じて可変である屈折率を有し、該印加電圧は望ましくは、ＡＣ電圧である。この実施例では、要素は、液晶（ＬＣ）レンズであり、流体材料は、液晶材料である。薄い材料１０４は、レンズ形状、即ち球面又は非球面である第１の断面形状を有する第１の表面１０６と、複数の段差を有する、第１の形状とは異なる第２の断面形状を有する第２の表面１０８との間において挟まれる。第１及び第２の形状は、夫々第１及び第２の表面にわたって、光軸に対して平行に測定される際に高さにおいて変化する。第２の形状の各段差は、光軸に対して実質的に平行である第１の表面部分１０７、及び光軸に対して実質的に垂直である第２の表面部分によって形成される。望ましくは、第１及び第２の表面部分１０７，１０９は夫々、最大許容差±２０°を有して光軸に対して平行及び垂直である。更により望ましくは、最大許容差は、±１０°である。複数の段差は、第２の表面にわたって、光軸に対して平行に測定される際減少する幅、及び実質的には一定の高さを有する。第１の表面形状が２つ又はそれより多い半径（ｒａｄｉｉ）を有する非球面レンズである場合、第２の表面形状の段差は、その高さが実質的に一定であるよう、可変の幅を有する。
【００１４】
第１及び第２の表面は、１つ又はそれより多い成形基板、より正確には、望ましくは高分子材料である透明な材料を有して形成される参照符号１１０及び１１２で示される２つの基板の表面の形状において与えられる。成形基板を得る工程は、後に説明される。
【００１５】
この実施例では、調整層（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｌａｙｅｒｓ）１２６は、光軸に対して垂直である基板１１０の段差１０９の部分上に適用され、調整層１２８はまた、基板１０６の非球面の表面上に適用される。調整層は、材料１０４においてもたらされる液晶分子の向きを定める。調整層は、例えばポリイミドを有して形成され得る。ポリイミドが使用される場合、その溶液は例えば、回転塗布され得、高温（例えば９０℃）における乾燥後に布地を有してすり込まれる。液晶材料１０４は、基板１１０及び１１２と関連付けられる調整層１２６及び１２８との間に閉じこめられ、薄いＬＣレンズを形成する。
【００１６】
光ビームが光学素子を通過する際、屈折は、ＬＣレンズの球面又は非球面の表面において発生するが、複数の段差は、ＬＣレンズ機能に限られた影響を有するのみである。
【００１７】
本発明のこの実施例の利点は、ＬＣレンズの中心からＬＣレンズの外側までの液晶の厚さにおける差異が、両形状がたとえ形状において異なっても実質的に適合するため、大きく変わることはない、ということである。その結果、液晶層にわたる電場のより優れた均質性は得られ、故に、より優れた切替え速度及びより優れた切替え均質性に繋がり、１つの焦点距離から他の焦点距離までの光学素子の光学品質の向上をもたらす。例えば屈折表面が非球面レンズ形状を有する場合、結果もたらされる光学形状は、同様の形状を有するべきであるが、異なる光学強度を有する、可変の屈折率媒体の切替え状態に依存する。
【００１８】
基板１１０及び１１２の高分子ボディは夫々、単量体の光重合を有する光複製（ｐｈｏｔｏｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ）工程を使用して鋳型に与えられる単量体を有して形成される。基板形状が得られるところの鋳型形状は、容易に製造され得、望ましくはダイヤモンド旋盤を介して得られる。
【００１９】
単量体を重合する段階は、多くの異なる方途において実行され得る。１つの特定の手法は、光重合工程を使用することである。前出の単量体を重合させる段階は、単量体を電磁放射線に対して露出する段階を有する。電磁放射線は、望ましくは紫外線光であり、単量体は、光重合工程を促進させる光開始剤を有し得る。
【００２０】
あるいは、又は組み合わせて、重合の段階は、単量体の後硬化に対して、３０℃を上回る温度及び望ましくは１２０℃を上回る温度まで単量体を加熱する段階を有する。求められる特定の温度は、間近の（ａｔ  ｈａｎｄ）単量体の種類、並びに使用される開始剤の種類に大きく依存する。
【００２１】
電磁放射線に対する露出が加熱処理と組み合わされる場合、単量体の電磁放射線に対する露出は、レンズの形状を設定する初期の機能を有し得、レンズがその鋳型から解放されるようにし得る。しかしながら、単量体のゲル化及び／又は溶融固化が反応基の流動性を低減するため、電磁放射線のみを使用する単量体の重合は、１００％には達しそうにない。したがって、示された範囲における高温又は該範囲を上回る高温における後硬化段階は、望ましくは、流動性を一時的に上昇させるよう、また重合を１００％に向かって押し上げるよう、取り入れられる。
【００２２】
しかしながら、単量体は、電磁放射線に対して露出される間、既に加熱され得る。放射線によって開始される重合、及び重合中に熱によってもたらされる流動性の同時効果は、重合の度合いへの相乗効果を有し、重合を１００％近くに押し上げる。
【００２３】
基板１１０及び１１２は、光学素子の製造中に別個に成形され、続いて位置合わせされる。
【００２４】
図２は、本発明に従った光学素子の第２の実施例の拡大断面図である。この第２の実施例は、第１の実施例に類似しており、光学素子２２０は、板２００及び２０２、２つの透明な電極２１４及び２１６、並びに、２つの成形基板２１０及び２１２の表面の形状において与えられる第１及び第２の表面２０６，２０８の間に挟まれ、薄いＬＣレンズを形成する液晶材料２０４を有する。第１の表面２０６は、球面又は非球面である第１の断面形状を有し、第２の表面２０８は、複数の段差を有する、第１の形状とは異なるが略適合する第２の断面形状を有する。第１及び第２の形状は、第１及び第２の表面にわたって、光軸に対して平行に測定される際の高さにおいて変化する。しかしながら、この第２の実施例では、第２の表面２０８の第２の表面部分２０９は、光軸に対して実質的に垂直であるレンズ断面形状を有する。
【００２５】
図３は、本発明に従った光学素子の第３の実施例の拡大断面図である。この第３の実施例は、第１の実施例に類似しており、光学素子３２０は、板３００及び３０２、２つの透明な電極３１４及び３１６、並びに、２つの成形基板３１０及び３１２の表面の形状において与えられる第１及び第２の表面３０６，３０８の間に挟まれ、薄いＬＣレンズを形成する液晶材料３０４を有する。しかしながら、この第３の実施例では、第１及び第２の表面の形状は、反転されており、第１の表面３０６が、球面又は非球面である断面形状を有し、第２の表面３０８が複数の段差を有する断面形状を有する。両形状は、略適合し、ＬＣレンズの中心から外側までの液晶の厚さにおける差異は、大きく変化しない。
【００２６】
図１乃至３中に示される実施例のうち１つに従って配置される光学素子は例えば、画像センサと関連付けられる際に、焦点又は焦点面の調整可能な奥行きを達成するよう、デジタルカメラにおいて使用され得る。更には、ズーム機能は、達成され得る。焦点機能において所望される可変性を与えるよう、１つ又はそれより多い固定焦点レンズと組み合わせて使用され得る。
【００２７】
図４は、本発明に従った光学素子の第４の実施例の拡大断面図である。この実施例では、第１の表面４０６は、光軸に対して傾斜される平面であり、第２の表面４０８は、複数の段差を有する断面形状を有する。液晶材料４０４は、２つの成形基板４１０及び４１２の表面の形状において与えられる第１及び第２の表面の間に挟まれ、薄いＬＣ格子を形成する。
【００２８】
上述された実施例の例証として理解されるべきである。本発明の更なる実施例は、想定される。例えば、本発明は、複数の適応光学機能が所望されるいかなる応用においても使用され得る。光学素子は、携帯電話のカメラ、キーリングカメラ、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、内視鏡、カプセル内視鏡、及び関節鏡において使用され得る。１つの段差のみを有する形状によって適合される非球面形状等である代替の断面形状は、想定され得る。可変屈折率を有する他の流体材料はまた、本発明に従って使用され得る。例えば、２つの電極間に適用される電位差によって作られる電流を受ける際に回転され得る電荷置換基を有する分子は、使用され得る。更には、一定の偏光を有する光に対してのみ制御可能である高偏光感度のＬＣレンズを考慮する際、垂直の分子の向きを有する可変の屈折率を有する夫々の流体材料を有する２つの光学素子の重畳は、想定される。該２つの光学素子を通って移動する全ての光が２つの光学素子のうち一方及び一方のみによって影響を与えられるため、このことは、偏光独立レンズをもたらす。
【００２９】
いずれか１つの実施例に関連して記載される特徴は、単独で、あるいは記載される他の特徴と組み合わせて使用され得、また、他のいずれかの実施例の１つ又はそれより多い特徴と組み合わせて、あるいはいずれかの実施例の組合せで使用され得る、ことが理解されるべきである。更には、上述されていない同様のもの及び修正はまた、添付の請求項中に定義付けられる本発明の範囲を逸脱することなく用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に従った光学素子の一実施例の拡大断面図である。
【図２】本発明に従った光学素子の第２の実施例の拡大断面図である。
【図３】本発明に従った光学素子の第３の実施例の拡大断面図である。
【図４】本発明に従った光学素子の第４の実施例の拡大断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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