(57)【要約】  第１の流体（１４）と第２の流体（１６）とを含む流体チャンバ（１２）を備えた可変焦点レンズ（１０）を開示する。両流体は、非混和性であり、メニスカス（１８）に亘って接触状態にある。第２の流体は、磁場の作用下においてその形状を変化させることができる。第２の流体は、好ましくは磁性流体とされる。流体チャンバの少なくとも一部に傾斜磁場（２４）を印加する手段（２０、２２）であって、磁場に応じてメニスカスの形状が変化するように、磁束を最大化させるような流体の移動を誘起することのできる手段が付与されている。
2008501140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体と第２の流体とを含む流体チャンバであって、前記第１の流体と前記第２の流体とが非混和性でありメニスカスに亘って接触状態にあり、前記第２の流体が磁場の作用下においてその形状を変化させることのできるものである流体チャンバと、
前記流体チャンバの少なくとも一部に傾斜磁場を印加する手段であって、該傾斜磁場の印加により、前記磁場に応じて前記メニスカスの形状が変化するように、磁束を最大化させるような前記第１の流体および前記第２の流体の移動を誘起する手段とを含むことを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項２】
前記第２の流体が磁性流体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】
前記流体チャンバが、実質的に円筒状の壁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４】
前記傾斜磁場を印加する前記手段が、前記傾斜磁場を発生させるために電圧を印加することができる、少なくとも１つのコイルを含む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】
前記傾斜磁場が、前記メニスカスの角頂領域に実質的に局在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６】
前記第１の流体および前記磁性流体が透明であり、かつ前記第１の流体および前記磁性流体が異なる屈折率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７】
前記第１の流体が透明であり、前記磁性流体が不透明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８】
鏡面を形成するために、前記第１の流体と前記第２の流体との間の界面の少なくとも一部に、金属液体様フィルムが捕捉されていることを特徴とする請求項７記載の可変焦点レンズ。
【請求項９】
前記磁性流体の不透明性を担う粒子を前記メニスカスの前記角頂領域の方向に移動させるために磁場が印加され、それにより前記第２の流体内に透明な領域が生成され、前記第１の流体と前記第２の流体の前記透明領域とが、異なる屈折率を有することを特徴とする請求項７記載の可変焦点レンズ。
【請求項１０】
前記第１の流体と前記第２の流体とが、実質的に同一の密度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１１】
前記第１の流体および前記第２の流体の一方が親水性であり、一方が脂肪親和性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１２】
請求項１から１１いずれか１項記載の可変焦点レンズを含む光学機器。
【請求項１３】
請求項１から１１いずれか１項記載の可変焦点レンズを含む画像取得装置。
【請求項１４】
請求項１から１１いずれか１項記載の可変焦点レンズを含む光記録装置。
【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。メニスカスの形状を変化させることにより、レンズの焦点を変化させることができる。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の可変焦点レンズは、エレクトロウェッティングレンズとして知られている。これらのエレクトロウェッティングレンズは、２種類の非混和性の流体を含む流体チャンバを備え、これら２種類の流体は、それら流体間の界面においてメニスカスを形成する。したがって、両流体が異なる屈折率を有するものであれば、この系は屈折レンズとして機能することができる。一方の流体は導電性であり、他方の流体は非導電性なので、レンズに電界を印加することによって、メニスカスの形状を変化させ、それによりレンズの焦点を変化させることができる。
【０００３】
エレクトロウェッティングレンズは、たとえば国際公開ＷＯ０３／０６９３８０Ａ１号に記載されている。
【０００４】
低い電力消費、および変化する電圧に対する速い応答性のため、エレクトロウェッティングレンズは、頻繁な焦点の変更が望まれる携帯機器の用途に特に適している。さらに、レンズが機械的な部品を何ら含まないことと相俟った単純な構造は、とりわけ有利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、エレクトロウェッティングレンズの１つの欠点は、メニスカスの形状に十分な変化を生じさせるのに必要な切換電圧が、比較的大きいことである。典型的な切換電圧は、１００Ｖの範囲内にある。また、電極と導電性流体との間に必要とされる絶縁層の制限ある絶縁破壊電圧のため、または飽和効果のために、メニスカスの半径には変化の最大限度が存在する。
【０００６】
本発明の１つの目的は、必要な切換電圧が低減され、絶縁破壊電圧に起因する焦点変化の限度が存在しないような、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】
【０００７】
上記の目的は、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は、従属請求項に規定されている。
【０００８】
本発明によれば、第１の流体と第２の流体とを含む流体チャンバであって、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り、第２の流体が磁場の作用下においてその形状を変化させることのできるものである流体チャンバと、流体チャンバの少なくとも一部に傾斜磁場を印加する手段であって、その傾斜磁場の印加により、磁場に応じてメニスカスの形状が変化するように、磁束を最大化させるような流体の移動を誘起する手段とを含むことを特徴とする、可変焦点レンズが提供される。したがって、磁場を印加することにより、誘起されたメニスカスの変化のため、レンズの焦点を変化させることができる。原理上は、本発明には、十分な磁気モーメントを有するあらゆる流体を採用することができる。
【０００９】
好ましくは、上記の第２の流体は磁性流体とされる。傾斜磁場内において、磁性流体は、最も高磁束の領域に移動する均質な磁性液体として応答する。磁性流体は、一般的に、強磁性体粒子がキャリア液内にコロイド状に浮遊した状態で保持された、多相液体を用いて提供される。
【００１０】
本発明は、流体チャンバが実質的に円筒状の壁を含み、傾斜磁場を印加する上記の手段が、傾斜磁場を発生させるために電圧を印加することができる少なくとも１つのコイルを含むような実施形態に関し、特に大きな利点を有する。すなわち、可変の電圧により、磁場を容易に発生および変化させることができる。
【００１１】
本発明の１つの好ましい実施形態によれば、傾斜磁場は、メニスカスの角頂領域に実質的に局在させられる。メニスカスの全体形状を変化させるためには、角頂付近に傾斜磁場を発生させれば十分である。したがって、この領域に磁場を実質的に局在化させ、それにより必要な磁場強度の合計を減らすことが有用である。
【００１２】
有利な形態では、第１の流体および磁性流体は透明とされ、かつ両流体は異なる屈折率を有するものとされる。これにより、屈折レンズが提供される。
【００１３】
本発明の別の実施形態によれば、第１の流体は透明とされ、磁性流体は不透明とされる。この場合、反射レンズが提供される。この反射レンズは、レンズと像との間の光路に、対象物からの光をカップリングすることにより動作させられる。
【００１４】
ここで、鏡面を形成するために、２つの流体間の界面の少なくとも一部に、金属液体様フィルムが捕捉されていると特に有利である。かかる金属液体様フィルム（ｍｅｔａｌ  ｌｉｑｕｉｄ  ｌｉｋｅ  ｆｉｌｍ；ＭＥＬＬＦ）は、２つの液体間の界面に捕捉され、鏡面を形成する微粒子からなる。これにより、反射レンズの反射特性が向上させられる。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態によれば、磁性流体の不透明性を担う粒子をメニスカスの角頂領域の方向に移動させるために磁場が印加され、それにより第２の流体内に透明な領域が生成され、第１の流体と第２の流体の透明領域とが、異なる屈折率を有するものとされる。この施策により、不透明な磁性流体を用いた場合においても、本発明に係る可変焦点レンズの屈折レンズとしての動作が可能となる。
【００１６】
別の実施形態によれば、第１の流体と第２の流体とが、実質的に同一の密度を有するものとされる。その結果、重力がメニスカスに影響を及ぼさないこととなる。
【００１７】
好ましくは、流体の一方が親水性とされ、一方が脂肪親和性とされる。油性の磁性流体と同様、水性の磁性流体も知られているので、第１の流体と第２の流体とのいくつかの組合せが可能である。
【００１８】
可変焦点レンズは、光学機器、より具体的には画像取得装置内に有利に実装することができる。たとえば、画像取得機能を有する携帯電話機の小さなサイズを維持するため、それらの携帯電話機に、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、たとえば通常のカメラやビデオカメラといった異なる画像取得装置の場合にも、機械的な可動部品を避けること、装置のサイズを小さくすること、迅速かつ相当量の焦点変更の可能性を提供すること、およびこの焦点変更を低い電圧レベルで得ることが望ましいので、これらの画像取得装置にも、本発明に従う光学機器を付与することができる。
【００１９】
他の応用分野は、光記録、検眼レンズ、内視鏡レンズ、望遠鏡、顕微鏡およびリソグラフィーの分野にある。
【００２０】
本発明の上記およびその他の側面は、以下に説明する実施形態を参照することにより明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、第１の切換形状にある、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を示している。断面図は、レンズ１０を軸方向に切断した状態を示している。レンズ１０は、円筒状の流体チャンバ１２を含んでいる。流体チャンバ１２内には、第１の流体１４および第２の流体１６が付与されている。第２の流体１６は、磁性流体である。また、両流体は非混和性である。そのため、流体１４と１６との間の界面に、メニスカス１８が形成されている。流体チャンバ１２の内壁は、流体接触層（図示せず）によりコーティングされていてもよく、これにより、流体チャンバ１２の円筒形壁とメニスカスとの接触角度のヒステリシスが減少させられる。流体接触層は、好ましくは、ＤｕＰｏｎｔ（登録商標）により製造されたテフロン（登録商標）ＡＦ１６００等のアモルファス性フッ化炭素から形成される。流体接触層は、好ましくは５ｎｍと５０μｍとの間の厚みを有している。ＡＦ１６００コーティングは、流体チャンバ１２の連続的なディップコーティングにより生成されてもよく、これは、実質的に均一な厚みの均質な材料層を形成する。ディップコーティングは、流体チャンバ１２を、その軸方向に沿ってディッピング溶液に出し入れしつつ、流体チャンバ１２を浸漬することにより行われる。別の好ましい流体接触層は、フルオロシランにより形成された流体接触層であり、これは好ましくは、蒸着または溶液からの堆積によって、単層で施される。好ましくは、メニスカス１８の形状がレンズの向きに依存しないように、２種類の流体１４および１６は、類似の密度を有するものとされる。メニスカス１８の角頂領域２６には、流体チャンバ１２の外側に、傾斜磁場を発生させるための、電源２２を有するコイル２０が配されている。たとえば可動の永久磁石といった、可変の傾斜磁場を発生させるための他の手段も適用可能である。以下、さらに図２も参照しながら、可変焦点レンズ１０の動作を説明する。
【００２２】
流体１４と１６との適切な組合せとしては、非常に多くの可能な選択肢がある。たとえば、流体１４は水性の流体であってもよい。この場合、第２の流体１６は、脂肪親和性の磁性流体とされる。また、親水性の磁性流体１６を付与することも可能である。この場合、第１の流体１４は脂肪親和性とされる。いずれの流体も、その流体内にさらなる物質を溶かし込むことにより、その物理的特性、特に密度または屈折率が左右させられてもよい。たとえば、水性の溶液は、塩を添加することにより、上記の特性が変化させられ得る。たとえばアルカンまたはシリコーンオイルのような、脂肪親和性の流体は、分子成分の添加により変化させられてもよい。可変焦点レンズ１０を屈折レンズとして動作させるためには、流体１４および１６の双方が、少なくとも部分透過性であり、異なる屈折率を有していなくてはならない。磁性流体１６の透明性は、透明な磁性流体を付与すること、または磁性流体１６に透明な中心領域を付与することにより、実現することができる。後者は、流体中の磁性粒子を、流体チャンバ１２の壁の方向に移動させることにより実現される。
【００２３】
図２は、第２の切換形状にある、図１の可変焦点レンズを示している。図１と同一の可変焦点レンズ１０が図示されている。図１と異なり、コイル２０を電流が流れており、それによりメニスカス１８の角頂領域２６に、傾斜磁場２４が発生させられる。その結果、この系は、高い磁場強度を有する領域に入り込むよう磁性流体１６を移動させることにより実現できる磁束を、最大化させようとする傾向を有する。メニスカス全体は、角頂領域２６内における変化に応じて、その形状を順応させる。とりわけ、角頂領域２６における傾斜磁場は、メニスカス１８の形状を変化させるのに十分な傾斜磁場とされる。したがって、たとえ不透明な磁性流体１６が付与された場合であっても、その流体に不透明性を与えている磁性粒子を流体チャンバの壁領域へと移動させ、それにより、流体チャンバ１２の中心領域に透明性を与え、かつ依然として角頂領域２６に傾斜磁場２４を印加することによりメニスカスの形状を変化させる可能性を提供することができる。
【００２４】
結果として、図１および図２に示した光線３０に関し、図１では可変焦点レンズ１０は集光特性を有し、図２では可変焦点レンズ１０は発散特性を有する。磁場強度および磁場の幾何学的特性を適切に選択することにより、メニスカス１８の様々な形状、具体的には図１および図２に示した両極端の切換形状の間に相当する形状を、実現することができる。
【００２５】
図３は、本発明の１つの実施形態に係る可変焦点レンズの、さらなる実施形態の概略断面図である。流体チャンバおよびその構成要素ならびに周辺要素は、図１および図２の流体チャンバと同様に構成されているが、図１および図２に従う実施形態と異なり、磁性流体１６は不透明であり、透明領域を付与するための方策は何らとられていない。したがって、図３に従う可変焦点レンズ１０は、屈折レンズとして動作させることはできず、反射レンズとして動作させられる。流体１４と１６との間の界面において改善された反射率を提供するため、金属液体様フィルム（ＭＥＬＬＦ）が、この界面に付与されている。ＭＥＬＬＦは、２つの流体間の界面に捕捉され、鏡面を形成する微粒子からなる。ＭＥＬＬＦの作製は、たとえば、一般的には水性溶液内における銀塩の化学的還元により、銀のナノ粒子を生成し、その後、それらの粒子を、金属結合性の強い有機分子（リガンド）によりコーティングする処理を含む。コーティングされると、それらの粒子は、もはや水性相内では安定性を欠き、水と有機物質との界面に自発的に集まる。ここでも、焦点の変更は、角頂領域２６付近に磁場を印加し、それによりメニスカス１８の形状を変化させることにより実現される。可変焦点レンズ１０の外部には、対象物と像との間の光路を提供するために、適当な手段が配されている。レンズやコリメータ等といった複数の光学機器が付与され得る。一例として、ビームスプリッタ３２が示されている。
【００２６】
図４は、本発明に従うレンズ１０を含む画像取得装置を示している。この例では、画像取得装置は、画像取得機能を有する携帯電話機４０である。携帯電話機４０は、レンズ系４２を含んでおり、このレンズ系４２内には、本発明に従う可変焦点レンズが含まれている。
【００２７】
図５は、本発明の１つの実施形態に係るレンズを含む光走査装置の構成要素を示している。この装置は、たとえば二層デジタルビデオ記録（ＤＶＲ）ディスクといった、光ディスク５６の記録および／または再生のための装置である（たとえば、Ｋ．Ｓｃｈｅｐ、Ｂ．Ｓｔｅｋ、Ｒ．ｖａｎ  Ｗｏｕｄｅｎｂｅｒｇ、Ｍ．Ｂｌｕｍ、Ｓ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、Ｔ．Ｎａｒａｈａｒａ、Ｔ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ、Ｈ．Ｏｇａｗａによる記事「Ｆｏｒｍａｔ  ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２２．５ＧＢ  ＤＶＲ  ｄｉｓｃ（２２．５ＧＢ  ＤＶＲディスクのフォーマット仕様および評価）」、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ、ＩＳＯＭ  ２０００、日本、千歳、２０００年９月５−８日参照）。この装置は、入射する平行光ビームを、現在走査されている情報層の平面内のスポット５８に合焦させる、複合対物レンズを含んでいる。この複合対物レンズは、たとえば０．８５の開口数を有する、たとえば国際特許出願ＷＯ０１／７３７７５号に記載されているような剛性前方レンズ５２および剛性後方レンズ５４を含むものとされ得る。平行光ビームは、たとえば４０５ｎｍの波長を有するものであり、実質的に平行な複数の光線からなる。
【００２８】
二層ＤＶＲディスク内には、２つの情報層が、０．１ｍｍおよび０．０８ｍｍの深さに存在する。すなわち、これらの情報層は典型的には０．０２ｍｍだけ離間されている。１つの層から別の層に合焦し直す際には、この情報層の深さの違いのため、約２００ｍλの望ましくない球面波面収差が生じる。この球面波面収差は補償される必要がある。この補償を実現する１つの方法は、比較的高コストな機械的なアクチュエータ、たとえば装置内の可動コリメータレンズを用いて、入射ビームのバージェンス（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）を変化させる方法である。別の１つの方法は、切換可能な液晶セルを用いる方法であるが、これも比較的高コストな解決法である。
【００２９】
この実施形態では、図１および図２との関連で説明したものと類似の、切換可能な可変焦点レンズ１０が用いられる。レンズ１０が平面のメニスカスを有するように配されている際、各流体は、約１ｍｍの厚さを有する。
【００３０】
この装置は、現在走査されている情報層に応じて、２つの選択された電圧のうちの１つをレンズ１０のコイルに印加する、電子制御回路６０を含む。０．０８ｍｍの深さにある情報層を走査している際の１つの形状では、Ｒ＝−２１．２６ｍｍのメニスカスの曲率半径を生成するように、比較的低い選択された電圧が印加される。０．１ｍｍの深さにある情報層を走査している際の別の形状では、平面状のメニスカスの曲率を生成するように、比較的高い選択された電圧が印加される。その結果、波面収差の自乗平均平方根の値を、２００ｍλから１８ｍλへと低減させることができる。ここで、必要とされるのはレンズパワーの変化のみであるので、メニスカスの曲率の異なる組合せを用いても、同様の効果が得られる点に留意されたい。さらに、２種類の流体の屈折率をより近くすることにより、メニスカスのより大きな移動によって、レンズパワーの差を実現することもできる。また、本発明に係る可変焦点レンズは、図面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。レンズは、円柱状であることが好ましいが、円錐形状その他の形状といった、円柱形状からずれた形状も可能である。さらに、磁場が単一のコイルにより印加される形態のみならず、傾斜磁場したがってメニスカスを特定の形状に設計するために、複数のコイルにより磁場が印加される形態も、本発明の範囲内である。全体として、本開示における「含む」および「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、ある特定の要素への言及は、その言及された要素に関連する複数の要素の存在を排除するものではない。上記の実施形態は、本発明の説明のための例である点を理解されたい。本発明については、さらなる実施形態を考えることもできる。たとえば、第１の流体が、流体ではなく蒸気からなるものであってもよい。
【００３１】
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、上記では説明されていない等価形態や修正形態を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の切換形状にある、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２】第２の切換形状にある、図１の可変焦点レンズを示した図
【図３】本発明の１つの実施形態に係る可変焦点レンズの、さらなる実施形態の概略断面図
【図４】本発明に従うレンズ１０を含む画像取得装置を示した図
【図５】本発明の１つの実施形態に係るレンズを含む、光走査装置の構成要素を示した図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008501140.tif 000006
【図５】
2008501140.tif 000007
【国際調査報告】
2008501140.tif 000008
2008501140.tif 000009
2008501140.tif 000010