(57)【要約】  開示されるのは、光軸を有する、可変焦点レンズであって、流体チャンバーを含み、その流体チャンバーは、第一の流体及び軸に沿って変位した第二の流体を含み、それら流体は、メニスカス上で接触して、混和性でないものであると共に異なる屈折率を有し、そのレンズは、そのチャンバーの壁の内側に配置された流体接触層、その流体接触層によって第一の流体及び第二の電極から分離された第一の電極、第二の流体に作用する第二の電極を含み、その流体接触層は、第一の電極と第二の電極との間の電圧の印加の下で、そのメニスカスの形状が、前記の電圧に依存して変動するように、変動する第二の流体によって湿潤性を有する、可変焦点レンズにおいて、その流体チャンバーは、そのチャンバーの壁とその光軸との間に形成された角度が、その光軸の長さに沿って減少するように、形作られる、可変焦点レンズである。
2008500574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有する、可変焦点レンズであって、
当該可変焦点レンズは、流体チャンバーを含み、該流体チャンバーは、第一の流体及び軸に沿って変位した第二の流体を含み、該流体は、メニスカス上で接触して、混和性でないものであると共に異なる屈折率を有し、
当該レンズは、
該チャンバーの壁の内側に配置された流体接触層、
該流体接触層によって該第一の流体及び第二の電極から分離された第一の電極、
該第二の流体に作用する第二の電極
を含み、
該流体接触層は、該第一の電極と該第二の電極との間の電圧の印加の下で、該メニスカスの形状が、前記電圧に依存して変動するように、変動する該第二の流体によって湿潤性を有する、可変焦点レンズにおいて、
該流体チャンバーは、該チャンバーの壁と該光軸との間に形成された角度が、該光軸の長さに沿って減少するように、形作られる、可変焦点レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載のレンズにおいて、
前記第一の流体は、絶縁性の流体を含むと共に、前記第二の流体は、導電性の流体を含む、レンズ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレンズにおいて、
前記角度は、前記第一の流体に向かった且つ前記第二の流体から離れた方向において前記光軸に沿って減少する、レンズ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレンズにおいて、
前記第二の流体からの距離が、増加すると、角度の変化率が、増加する、レンズ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレンズにおいて、
前記チャンバーの壁及び前記光軸は、前記チャンバーの一つの極値点で実質的に平行である、レンズ。
【請求項６】
請求項５に記載のレンズにおいて、
前記チャンバーの壁及び前記光軸は、前記チャンバーの別の極値点で実質的に垂直である、レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メニスカス上で接触して保持される第一の及び第二の流体を含有するセルを含む可変焦点レンズに関する。そのメニスカスの形状、よって、そのレンズの焦点を、そのセルへの電圧の印加によって、制御することができる。このようなレンズは、時々、エレクトロウェッティングレンズとして知られる。
【０００２】
流体は、流れる又はそれを含有するチャンバーの輪郭に従う傾向がある、いずれの力にも応じて、それの形状を変える物質であると共に、流れの可能な、気体、蒸気、液体、並びに、固体及び液体の混合物を含む。
【背景技術】
【０００３】
一般的には、典型的なエレクトロウェッティングレンズにおけるメニスカスを制御するために、相対的に高い電圧、典型的には１００Ｖが、要求される。携帯用カメラなどのような、携帯用の用途には、この電圧は、実用的であるためには、高過ぎると共に、もし可能であれば、より低い電圧を利用することは、望ましいことである。要求された電圧を低減する二つの知られた方式は、電極を囲む絶縁性の層の厚さを低減すること、及び、二つの液体及び壁の界面張力を低減することである。要求された電圧を、バッテリーから動作するｄｃからｄｃへの変換器を使用して、得ることができる。
【０００４】
特許文献１は、可変焦点レンズ、メニスカス上で接触した第一の及び第二の非混和性の流体を開示する。そのメニスカスの形状が、そのレンズの本体に位置決めされた一対の電極にわたる電圧の印加によって、変わることを、引き起こす。
【特許文献１】国際公開第０３／０６９３８０号パンフレット
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第一の態様に従って、光軸を有する、可変焦点レンズであって、流体チャンバーを含み、その流体チャンバーは、第一の流体及び軸に沿って変位した第二の流体を含み、それら流体は、メニスカス上で接触して、混和性でないものであると共に異なる屈折率を有し、そのレンズは、そのチャンバーの壁の内側に配置された流体接触層、その流体接触層によって第一の流体及び第二の電極から分離された第一の電極、第二の流体に作用する第二の電極を含み、その流体接触層は、第一の電極と第二の電極との間の電圧の印加の下で、そのメニスカスの形状が、前記の電圧に依存して変動するように、変動する第二の流体によって湿潤性を有する、可変焦点レンズにおいて、その流体チャンバーは、そのチャンバーの壁とその光軸との間に形成された角度が、その光軸の長さに沿って減少するように、形作られる、可変焦点レンズが、提供される。
【０００６】
好ましくは、第一の流体は、絶縁性の流体を含むと共に、第二の流体は、導電性の流体を含む。
【０００７】
好ましくは、その角度は、第一の流体に向かった且つ第二の流体から離れた方向において、その光軸に沿って減少する。
【０００８】
好ましくは、第二の流体からの距離が、増加すると、角度の変化率は、増加する。その角度が、線形の関係式よりも多く、変化する、即ち、そのチャンバーの壁とその光軸との間の角度が、その光軸に沿った距離の幾分非線形の関数に依存するとすれば、特に有利な効果が、実現されることは、見出されることである。
【０００９】
好ましくは、そのチャンバーの壁及びその光軸は、実質的に、そのチャンバーの一つの極値点で平行である。
【００１０】
好ましくは、そのチャンバーの壁及びその光軸は、実質的に、そのチャンバーの別の極値点で垂直である。
【００１１】
従来技術のエレクトロウェッティングレンズでの問題及び１００Ｖの領域における電圧の源を提供する要件を軽減するために、本発明の実施形態は、エレクトロウェッティングセルの直径が、そのレンズ系の光軸に沿った位置の関数として線形によりも多く、減少するように、構成される。
【００１２】
そのセルの直径が、線形によりも多く減少するとき、それら流体を含有するセルの壁は、その光軸に向かって、内方へ曲がる。
【００１３】
その壁とのそのメニスカスの接触角が、そのセルへ電圧を印加することによって、切り替えられるとき、そのメニスカスの切り取りの点が、その光軸に沿った方向において、そのセルの側壁に沿って移動する。この効果は、両方の液体の容積が、そのメニスカスの曲率が変化するとき、同じままでなければならないという事実の結果であると共に、それは、いずれの壁の形状について生じる。
【００１４】
しかしながら、内方へ曲がる壁は、メニスカスの曲率における結果として生じる変化を向上させる。従って、曲率におけるある一定の変化を得るために要求された電圧は、先行技術のデバイスにおけるものよりも小さいものである。
【００１５】
そのメニスカスのある一定の曲率を生じさせるために要求された電圧が、先行技術の系と比較して、低減されるという事実のみならず、湾曲した壁無しの系におけるものよりも、そのメニスカスにおけるより大きい程度の曲がりを生じさせることは、可能なことである。都合良く、これは、仮に先行技術が使用されたとする場合のものであるよりも、より大きいズーム係数を備えたレンズが、構築されることを許容する。
【００１６】
その切り替えの電圧が、それら液体及びそれら壁の材料の性質にだけでなく、その壁の外形にもまた、依存することは、見出されることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のより良好な理解のために、及び、それの実施形態を、どのように実行に移すことがあるかを示すために、今、一例として、添付する概略的な図面を参照することにする。
【００１８】
本発明の実施形態の動作を理解するために、図１に示した先行技術のエレクトロウェッティングレンズの動作を概観することは、教訓的なことである。このレンズは、国際公開第０３／０６９３８０号パンフレットに詳細に記述されると共に、この刊行物への参照は、そのレンズの動作及び構築の十分な適用のために推奨される。
【００１９】
本目的のために、以下に続く簡単な説明は、十分であると思われる。
【００２０】
図１に示したレンズは、二つの流体を含有する流体チャンバー５を形成するための透明な前方の素子４及び透明な後方の素子６によって封止された、毛細管を形成する円筒形の第一の電極２を含む。電極２は、その管の内壁へ設けられた導電性のコーティングであることもある。
【００２１】
二つの流体は、ここでは“油”と呼ばれる、シリコーン油又はアルカンのような電気的に絶縁性の第一の液体Ａ、及び、塩の溶液を含有する水のような電気的に導電性の第二の液体Ｂの形態における、二つの混和性でない液体からなる。それら二つの流体は、好ましくは、そのレンズが、配向と独立して、即ち、それら二つの液体の間における重力の効果の依存性無しに、機能するように、等しい密度を有するように、配置される。これは、第一の液体の構成要素の適切な選択によって、達成されることもある。例えば、アルカン又はシリコーン油は、それらの密度を、その塩の溶液のものと調和するように、増加させるための分子の構成要素の添加によって、改質されることもある。
【００２２】
使用される油の選択に依存して、その油の屈折率は、１．２５と１．６０との間で変動することもある。同様に、添加された塩の量に依存して、その塩の溶液は、１．３３と１．４８との間の屈折率において、変動することもある。図１のレンズに使用される流体は、第一の流体Ａが、第二の流体Ｂよりも、より高い屈折率を有するように、選択される。
【００２３】
第一の電極２は、典型的には１ｍｍと２０ｍｍとの間の内側の半径の円筒である。電極２は、金属の材料から形成されると共に、例えばパリレンで形成された、絶縁性の層８によって被覆される。その絶縁性の層は、５０ｎｍと１００μｍとの間の、１μｍと１０μｍとの間の典型的な値を備えた、厚さを有する。その絶縁性の層は、流体接触層１０で被覆されるが、その流体接触層は、その流体チャンバーの円筒形の壁とのそのメニスカスの接触角におけるヒステリシスを低減する。その流体チャンバーの接触層は、好ましくは、Ｄｕ  ＰｏｎｔＴＭによって生産されたＴｅｆｌｏｎ  ＡＦ１６００のような非晶質のフルオロカーボンから形成される。その流体接触層は、５ｎｍと５０μｍとの間の厚さを有する。ＡＦ１６００の被覆物は、電極２の継続的な浸漬塗工によって、生じさせられることもあるが、その浸漬塗工は、その電極の円筒形の側が、その円筒形の電極に対して実質的に平行であるので、実質的に均一な厚さの材料の均質な層を形成する。浸漬塗工は、浸漬溶液の中において及びその溶液の外へその電極をそれの軸の方向に沿って移動させる一方で、その電極を浸漬することによって、行われる。そのパリレンの被覆物は、化学気相蒸着法を使用して、設けられることもある。第二の流体によるその流体接触層の湿潤性は、電圧が第一の電極と第二の電極との間に印加されない場合における、流体接触層１０とのメニスカス１４の切り取りの両側に実質的に等しいものである。
【００２４】
第二の輪状の電極１２は、その流体チャンバーの一方の端に、この場合においては、後方の素子６に隣接して、配置される。第二の電極１２は、その電極が第二の流体Ｂに作用するように、その流体チャンバーにおける少なくとも一つの部分と共に配置される。
【００２５】
二つの流体Ａ及びＢは、メニスカス１４によって分離された二つの流体の本体へと分離する傾向があるために、混和性でないものである。電圧が、第一の電極と第二の電極との間に印加されない場合には、その流体接触層は、第二の流体Ｂよりも第一の流体Ａに関して、より高い湿潤性を有する。エレクトロウェッティングのおかげで、第二の流体Ｂによる湿潤性は、第一の電極と第二の電極との間における電圧の印加の下で、変動するが、その電圧は、三相の線（流体接触層１０と二つの液体Ａ及びＢとの間の接触の線）でそのメニスカスの接触角を変化させる傾向がある。このように、そのメニスカスの形状は、印加された電圧にして、可変である。
【００２６】
低い電圧Ｖ１、０Ｖと２０Ｖとの間の例が、それら電極の間に印加されるとき、そのメニスカスは、第一の凹のメニスカスの形状を採用する。この構成においては、流体Ｂにおいて測定された、そのメニスカスと流体接触層１０との間の初期の接触角Ｑ１は、例えば、おおよそ１４０°である。第二の流体Ｂよりも第一の流体Ａのより高い屈折率のおかげで、そのメニスカスによって形成されたレンズは、ここではメニスカスレンズと呼ばれるが、この構成においては相対的に高い負の屈折力を有する。
【００２７】
そのメニスカスの形状の陥凹を低減するために、より高い規模の電圧が、第一の電極と第二の電極との間に印加される。中間の電圧、例、２０ボルトと１５０ボルトの間のものが、その絶縁性の層の厚さに依存して、それら電極の間に印加されるとき、そのメニスカスは、図１に示したメニスカスとの比較において増加させられた曲率半径を有する第二の凹のメニスカスの形状を採用する。この構成においては、第一の流体Ａと流体接触層１０との間の中間の接触角は、例えば、おおよそ１００°である。第一の流体Ａ及び第二の流体Ｂのより高い屈折率のおかげで、この構成におけるメニスカスレンズは、相対的に低い負の屈折力を有する。
【００２８】
本発明の好適な実施形態の以下に続く記述において、そのエレクトロウェッティングレンズの基本的な構造は、図１との関係で開示されたものに類似する。本発明の実施形態を形成するレンズの全てのさらなる記述は、電極、前方の及び後方の素子、並びに流体接触層のようなレンズ素子の物理的な構造に関する具体的な詳細を除外することにする。当業者は、もちろん、これらの構造が、それらが、議論した先行技術に当てはまると、本発明の実施形態に、等しく当てはまると共に、同様に果たされることもあることを理解すると思われる。その代わりとして、以下に続く記述は、そのエレクトロウェッティングレンズの形状及びそれの様々な構成成分に集中することにするが、それら形状及び構成成分の少なくとも一つは、先行技術から離れて本発明の実施形態を設定する。
【００２９】
本発明の第一の実施形態を、図２ａ及び２ｂに示す。概念的に、そのレンズは、それの上部に位置決めされた楕円形のドームを備えた円柱で作り上げられる。そのレンズに使用された二つの流体は、油及び水を主材料とした溶液である。
【００３０】
（この配向において底部に示した）そのレンズの第一の極値、（油及び水の名称を付けられた流体を含有する）、そのチャンバーの壁は、破線によって示した、そのレンズの光軸に対して実質的に平行な方向に延びることを、見ることができる。その光軸に沿った距離が、増加すると、その水から離れた方向において、そのチャンバーの壁は、その光軸に向かって内方へ坂をなす、即ち、そのチャンバーの壁とその光軸との間に形成された角度は、減少する。
【００３１】
その距離が、その油を含有するチャンバーのまさしくその端に向かって、増加すると、その壁とその光軸との間に形成された角度は、９０°に向かって行く、即ち、そのチャンバーの壁は、その光軸に直交したものになる。
【００３２】
図２ａは、そのセルに印加された電圧の無い状態でのレンズの構成を示すと共に、図２ｂは、切り替えの電圧（Ｖ０）が印加された状態での構成を示す。
【００３３】
ゼロの電圧での大抵の油（図２ａを参照のこと）について、水−油の界面のメニスカスは、その球体及びその楕円体の切り取りの点が、それがちょうど半楕円体における半球体であるようなものである場合には、半球状のものである。そのセルを形成する、その楕円体の壁は、式
【００３４】
【数１】
2008500574.tif 000003
によって決定される。
【００３５】
楕円体の半分の容積は、
【００３６】
【数２】
2008500574.tif 000004
によって与えられる。
【００３７】
球体の半分の容積は、
【００３８】
【数３】
2008500574.tif 000005
である。
【００３９】
それで、そのセルの上側の部分における油によって占められた容積（Ｉ）は、
【００４０】
【数４】
2008500574.tif 000006
である。
【００４１】
今、そのメニスカスが電圧（Ｖ０）の印加によって切り替えられる場合を考慮する。これは、そのメニスカスが、その半球とその半楕円体との間における先の切り取りの点より上の高さｈで平坦な位置に示される、図２ｂに示される。
【００４２】
その状況の切り替え後は、Ａ及びＢの名称を付けられた部分が水を表すと共にＣの名称を付けられた部分が油である、図３において、より詳細に示される。その油と水との間のメニスカスが、完全には平坦であり得ないので、Ｂの名称を付けられた水の部分は、その切り替えられた位置におけるメニスカスのわずかな曲率を表す。高さｐは、理想的な平坦なメニスカスより上のそのメニスカスの高さを表す。高さｈは、以前のとおり、切り替えられない切り取りの点より上の理想的なメニスカスの高さを表す。
【００４３】
【数５】
2008500574.tif 000007
【００４４】
【数６】
2008500574.tif 000008
さらには、我々は、関係
【００４５】
【数７】
2008500574.tif 000009
を有する。
【００４６】
それで、
【００４７】
【数８】
2008500574.tif 000010
最後に、我々は、Ｃの容積（Ｉ）が、
【００４８】
【数９】
2008500574.tif 000011
によって与えられることを見出す。
【００４９】
これは、（４）に等しいものであるべきである。これは、方程式
【００５０】
【数１０】
2008500574.tif 000012
に帰着する。
【００５１】
それで、
【００５２】
【数１１】
2008500574.tif 000013
図２ｂに示した、特別な場合に留意すること。
【００５３】
【数１２】
2008500574.tif 000014
式（１１）は、解析的に解くことができる、Ｒについての第三の方程式に帰着する。
【００５４】
そのメニスカスがその壁となす角度についてのその楕円体の内方への曲がりの効果を調査するためには、そのメニスカスが、それが実質的に平坦であるように、切り替えられる（Ｖ＝Ｖ０）場合を考慮する。それら液体の容積が同じままであるという制約条件から、我々は、高さｈを決定する方程式を導出することができる。そのメニスカスは、Ｒ＝∞のとき、理想的な場合には、平坦であると共に、従って、容積Ｂ＝０、それで、我々は、ｈを決定する関係
【００５５】
【数１３】
2008500574.tif 000015
（ｐ＝０）を見出す。
【００５６】
解
【００５７】
【数１４】
2008500574.tif 000016
ａ＞＞ｂの場合には、我々は、
【００５８】
【数１５】
2008500574.tif 000017
を見出す。
【００５９】
我々が、ｂ＝１を仮定するとすれば、
【００６０】
【表１】
2008500574.tif 000018
特性決定を要求する最後の項目は、そのメニスカスとその壁との間の角度θである。図２ｂを考慮する。高さｈでの切り取りの点において、その楕円の法線ベクトルは、
【００６１】
【数１６】
2008500574.tif 000019
によって与えられる。
【００６２】
そして、その球体における法線ベクトルについては、我々は、図３から、規格化された法線ベクトルが、
【００６３】
【数１７】
2008500574.tif 000020
であることを見出す。
【００６４】
それで、角度θの余弦は、それら法線ベクトルの内積をとることによって、見出される。
【００６５】
【数１８】
2008500574.tif 000021
その界面が平坦であると共にＲ＝∞の特別な場合には、我々は、（１４）によって与えられたｈと共に、
【００６６】
【数１９】
2008500574.tif 000022
を有する。
【００６７】
円筒形のセル（ａ＝∞）の場合には、その油と水との間に平坦な界面があるが、その場合には、ｃｏｓθ＝０である。この平坦な界面に到達するための対応する電圧がＶ０であることを仮定する。ｃｏｓθが、平方した電圧に比例することは、エレクトロウェッティングにおいては、周知のことであり、それで、我々は、
【００６８】
【数２０】
2008500574.tif 000023
を書くことができる。
【００６９】
楕円形のセル（ａ＝有限）の場合には、平坦な界面を有するためには、ｃｏｓθ＞０である。
【００７０】
これは、（１４）によって与えられたｈと共に、
【００７１】
【数２１】
2008500574.tif 000024
で生ずる。
【００７２】
以下の表１において、ａ／ｂの様々な値について、高さｈ及びその角度を、表に記入しておいた。
【００７３】
【表２】
2008500574.tif 000025
表１：様々なパラメータの表
表１から、当然、比ａ／ｂが、５未満になるとき、その要求された電圧は、その壁がｚ方向において曲げられないときよりも、顕著に、より低いものになるということになる。その低減は、ａ／ｂ＝１．１については、ほとんど、二の係数になる。
【００７４】
そのエレクトロウェッティングセルが、壁として楕円体を有する、具体的な場合が、とはいえ、いずれのタイプの内方への曲がる壁が、切り替えの電圧の低減に至ることになることは、当業者によって容易に認められることであると思われる。従って、楕円体に対して類似の性質を有する他の外形の形状を、向上させるために、エレクトロウェッティングレンズの切り替えの動作を使用することができる。
【００７５】
記述したタイプのレンズは、縮小型の及びハンドヘルド撮像装置の範囲における一般的な用途を見出す。特定の用途は、携帯用のカメラ、ビデオカメラ、及び、電話のような撮像通信デバイスを含む。
【００７６】
本発明の実施形態によって提示された利点は、与えられた範囲のズーム係数を生み出すために、より低い電圧の供給を要求する光学デバイスの構築を許容する。あるいは、先行技術のデバイスにおいて使用されるのと類似の範囲を使用する、電圧の源は、より大きい範囲のズームの値を生じさせることができる。
【００７７】
注目が、この出願と関連してこの明細書と同時に又はそれより先に提出される、及び、この明細書と共に公衆の閲覧に付されたものである、全ての論文及び文献に向けられると共に、全てのこのような論文及び文献の内容は、ここでは、参照によって組み込まれる。
【００７８】
（添付する特許請求の範囲、要約、及び図面のいずれをも含む）この明細書に開示された特徴の全ては、及び／又は、そのように開示されたいずれの方法又は工程のステップの全ては、このような特徴及び／又はステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除いて、いずれの組み合わせでも、組み合わせられることもある。
【００７９】
（添付する特許請求の範囲、要約、及び図面のいずれをも含む）この明細書に開示された各々の特徴は、明示的に別段の定めをした場合を除き、同じ、等価な、又は類似の目的に役に立つ代替の特徴によって置き換えられることもある。このように、明示的に別段の定めをした場合を除き、開示された各々の特徴は、等価な又は類似の特徴の包括的な系列の一つの例のみである。
【００８０】
本発明は、前述する実施形態の詳細に制限されない。本発明は、（添付する特許請求の範囲、要約、及び図面のいずれをも含む）この明細書に開示された特徴の、いずれの新規なものにも、若しくは、いずれの新規な組み合わせにも、又は、そのように開示されたいずれの方法若しくは工程のステップの、いずれの新規なものにも、若しくは、いずれの新規な組み合わせにも、及ぶ。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、先行技術のエレクトロウェッティングレンズを示す。
【図２】図２ａ及び２ｂは、それぞれ、切り替えられてない状態及び切り替えられた状態における本発明の実施形態に従ったエレクトロウェッティングレンズを示す。
【図３】図３は、切り替えられてない状態における本発明の実施形態に従ったエレクトロウェッティングレンズを示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態のメニスカスの詳細を示す。
【図１】
2008500574.tif 000026
【図２】
2008500574.tif 000027
【図３】
2008500574.tif 000028
【図４】
2008500574.tif 000029
【国際調査報告】
2008500574.tif 000030
2008500574.tif 000031
2008500574.tif 000032