(57)【要約】  本開示は、パターン化フィーチャを有する電気抵抗素子を含む熱変調光学レンズ装置に関する。パターン化フィーチャは、マイクロサイズ以下であり得るとともに電気抵抗素子領域の電気抵抗密度を生成し得る。電気抵抗素子を可制御電源に電気的に接続することが可能である。本装置は、また、電気抵抗素子のパターン化フィーチャと熱接触する少なくとも１つの熱光学材料を含んでいる。少なくとも１つの熱光学材料は、電気抵抗密度に応じた光学的屈折率プロファイルを有し得る。
2017524990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱変調光学レンズであって、
パターン化フィーチャを備える電気抵抗素子であって、前記パターン化フィーチャはマイクロサイズ以下であるとともに前記電気抵抗素子領域の電気抵抗密度を形成し、前記電気抵抗素子は可制御電源に電気的に接続可能である、電気抵抗素子と、
前記電気抵抗素子の前記パターン化フィーチャと熱接触する少なくとも１つの熱光学材料であって、前記電気抵抗密度に応じた光学的屈折率プロファイルを有する前記少なくとも１つの熱光学材料とを備えている熱変調光学レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載の熱変調光学レンズであって、
前記パターン化フィーチャは、前記電気抵抗密度を不均一化して前記光学的屈折率プロファイルに反映させるように空間的に構成されている熱変調光学レンズ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱変調光学レンズであって、
前記パターン化フィーチャは、前記電気抵抗密度を不均一化して前記光学的屈折率プロファイルに反映させる複数の異なる材料から形成されている熱変調光学レンズ。
【請求項４】
請求項１に記載の熱変調光学レンズであって、
前記パターン化フィーチャはドーピングにより形成されている熱変調光学レンズ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱変調光学レンズであって、
前記電気抵抗素子はさらに基板を備え、前記基板上にまたは前記基板の内部に前記パターン化フィーチャが配置されている熱変調光学レンズ。
【請求項６】
請求項５に記載の熱変調光学レンズであって、
前記基板は、前記熱変調光学レンズを光透過構成において用いることができるように透光性材料から形成されている熱変調光学レンズ。
【請求項７】
請求項６に記載の熱変調光学レンズであって、
前記透光性材料は、ガラス、石英、シリカ、プラスチック、およびポリマーから構成される群から選択される熱変調光学レンズ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の熱変調光学レンズであって、
前記電気抵抗素子は透光性である熱変調光学レンズ。
【請求項９】
請求項５に記載の熱変調光学レンズであって、
前記基板は、前記熱変調光学レンズを光反射構成において用いることができるように非透光性材料から形成されている熱変調光学レンズ。
【請求項１０】
請求項９に記載の熱変調光学レンズであって、
前記非透光性材料は、シリカおよびシリコンから構成される群から選択される、熱変調光学レンズ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の熱変調光学レンズであって、
前記電気抵抗素子は電気抵抗器のアレイを備えている熱変調光学レンズ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の熱変調光学レンズであって、
前記電気抵抗器のアレイの所定の電気抵抗器を選択的に活性化して前記電気抵抗密度を制御する、制御可能な電気配線回路をさらに備えている熱変調光学レンズ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の熱変調光学レンズであって、
前記電気抵抗素子に電気的に接続された少なくとも１つの可制御電源を備えている熱変調光学レンズ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の熱変調光学レンズであって、
前記可制御電源はＡＣ電源であり、前記ＡＣ電源からのＡＣ電流の波形は前記電気抵抗素子領域の前記電気抵抗密度に寄与する、熱変調光学レンズ。
【請求項１５】
請求項１に記載の熱変調光学レンズを動作させる方法であって、
前記少なくとも１つの電気抵抗素子に電気的に接続された少なくとも１つの可制御電源を設け、
光源を設けて、前記光源から放射される光の少なくとも一部を前記少なくとも１つの熱光学材料に向けて指向させ、
前記少なくとも１つの可制御電源を駆動して前記少なくとも１つの電気抵抗素子から放熱させ、前記少なくとも１つの電気抵抗素子の前記パターン化フィーチャから前記少なくとも１つの熱光学材料へ伝達された前記熱の少なくとも一部は、前記少なくとも１つの熱光学材料中に前記電気抵抗密度に応じた光学的屈折率プロファイルを生成し、前記光源から放射された光の少なくとも一部を、前記少なくとも１つの熱光学材料の前記光学的屈折率プロファイルに応じて変調することから成る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は熱マイクロレンズに関し、より詳細には、誘起された温度変化によって特性を変化させる性能を有するとともに、これにより調整が可能であるレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
集積マイクロ光学素子は、データ記憶装置、光学ディスプレイ、および撮像システムにおいて主要な役割を果たしてきた。これらのシステムにおける精細な位置合せおよび焦点調整は、通常、高価で壊れやすく低速であることが多い機械部品によって実行される。
【０００３】
機械的調整によってもたらされる制約を解消するために、種々の電気方式の発明が提案されてきた。第１の方策は、材料の熱光学特性を変更することなく電気信号を用いて液体の表面を変形させることに基づいている。例えば、特許文献１に記載されたエレクトロウェッティングレンズは、電圧を印加することによって液滴の形状を変化させ得ることを示している。表面に印加された局所的な電圧によって液滴と表面との間の接触角が変化し、これによって液滴の形状が変化して、液体方式のマイクロレンズに付随する焦点の変化が生じる。これにも関わらず、このような解決法には、集積化の困難、遅い時間応答（用途によっては、システムの加速によって液滴の形状が変化し、レンズに不完全性が導入され得る）、および単一のレンズを用いて同時に複数の面に結像する性能の欠如を含む（しかし、これらに限定されない）欠点がある。
【０００４】
第２の方策は、電気的励起を用い、２つの電極間に配置されたレンズ効果材料を変化させてレンズ効果材料の特性を調整するエネルギーを供給することである。この方策に続いて、特許文献２に開示されるような電気的に励起された熱光学レンズが発明された。この特許では、一方が湾曲した２つの光学的に透明な表面の間に熱光学ポリマーが内包され、温度コントローラが熱光学材料に結合される。このレンズによって焦点特性が変化し得るが、焦点の局部調整などのより精細な制御は可能でない。その上、マトリクス構成をなすこの発明を考慮すると、各レンズに電気的にアドレスする必要があって、複雑なレンズシステム工学を招来しかねず、用途によってはその使用が阻害される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０１９４３２３号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１５／０１１７１９５号
【発明の概要】
【０００６】
本出願の主題は、従来技術の現状に即して、特に、レンズ装置の課題および要求に即して想起されるに至った。概して、本出願の主題は、上述した従来技術の欠点の少なくとも一部を克服する熱変調光学レンズの装置およびシステムを提供すべく想起されるに至った。
【０００７】
本開示の一実施形態は、パターン化フィーチャを有する電気抵抗素子を含んだ熱変調光学レンズ装置に関する。パターン化フィーチャは、マイクロサイズ以下であり得るとともに、電気抵抗素子領域の電気抵抗密度を生成し得る。電気抵抗素子は可制御電源に電気的に接続することが可能である。少なくとも１つの熱光学材料が、電気抵抗素子のパターン化フィーチャと熱接触する。電気抵抗素子のパターン化フィーチャから少なくとも１つの熱光学材料へ伝達された熱は、少なくとも１つの熱光学材料中に電気抵抗密度に応じた（例えば、電気抵抗密度に基づく、および／または電気抵抗密度の関数である）光学的屈折率プロファイルを生成する。
【０００８】
熱変調光学レンズ装置の一実装において、パターン化フィーチャが、電気抵抗密度を不均一化してそれぞれを光学的屈折率プロファイルに反映させるように空間的に構成されている。他の実装において、パターン化フィーチャが、電気抵抗密度を不均一化してそれぞれを光学的屈折率プロファイルに反映させる複数の異なる材料から形成されている。
【０００９】
熱変調光学レンズ装置のさらなる実装において、パターン化フィーチャが、電気抵抗密度を不均一化してそれぞれを光学的屈折率プロファイルに反映させる複数の製造技術を用いて形成されている。当該複数の製造技術の１つはドーピングである。
【００１０】
熱変調光学レンズ装置の一実装において、電気抵抗素子がさらに基板を含み、当該基板上に、または当該基板の内部にパターン化フィーチャが配置されている。基板は、熱変調光学レンズを光透過構成において用いることができるように透光性材料から形成され得る。例えば、透光性材料は、ガラス、石英、シリカ、プラスチック、およびポリマーを含む群から選択され得る。さらに、電気抵抗素子を透光性とすることもできる。一実装において、基板が、熱変調光学レンズを光反射構成において用いることができるように非透光性材料から形成されている。例えば、非透光性材料は、シリカおよびシリコンを含む群から選択され得る。熱変調光学レンズ装置は、さらに、電気抵抗素子と少なくとも１つの熱光学材料との間に配置された熱伝達媒体を含み得る。
【００１１】
さらに、熱変調光学レンズ装置のいくつかの実装によれば、電気抵抗素子は電気抵抗器のアレイを含み得る。当該装置は、さらに、電気抵抗器のアレイの所定の電気抵抗器を選択的に活性化して電気抵抗密度を制御する、制御可能な電気配線回路を含み得る。
【００１２】
本開示の他の実施形態は、パターン化フィーチャを有する電気抵抗素子を含んだ熱変調光学レンズシステムに関する。パターン化フィーチャは、マイクロサイズ以下であり得るとともに、電気抵抗素子領域の電気抵抗密度を生成し得る。当該システムは、さらに、電気抵抗素子に電気的に接続されて、電気抵抗素子のパターン化フィーチャにおいて発生する熱を制御する可制御電源を含んでいる。さらに、熱変調光学レンズシステムは、電気抵抗素子のパターン化フィーチャと熱接触する少なくとも１つの熱光学材料を含んでいる。電気抵抗素子のパターン化フィーチャから少なくとも１つの熱光学材料へ伝達された熱は、当該少なくとも１つの熱光学材料中に電気抵抗密度に応じた光学的屈折率プロファイルを生成する。
【００１３】
当該システムの一実装において、可制御電源がＡＣ電源であり、ＡＣ電流の波形が電気抵抗素子領域の電気抵抗密度に寄与する。当該システムの他の実装において、電気抵抗素子が電気抵抗器のアレイを含んでいる。さらに他の実装によれば、少なくとも１つの熱光学材料が、相互に重ねられて配置された熱光学レンズの積層を含んでいる。
【００１４】
所定の実装において、当該システムが、さらに、少なくとも１つの熱光学材料によって変調される少なくとも１つの光源を含み得る。光源から放射される光のスペクトル、角度、および偏光を制御可能とし得る。例えば、少なくとも１つの光源から放射された光の少なくとも一部が、熱光学材料を通過する、および／または熱光学材料から反射されることによって、変調／適応され得る。
【００１５】
他の実施形態によれば、本開示は、パターン化フィーチャを有する複数の電気抵抗素子を含んだ熱変調光学レンズシステムに関する。パターン化フィーチャは、マイクロサイズ以下であるとともに、電気抵抗素子領域の電気抵抗密度を生成する。当該システムは、さらに、複数の電気抵抗素子に電気的に接続されて、パターン化フィーチャにおいて発生する熱を制御する可制御電源を含んでいる。当該システムは、また、光源と、複数の電気抵抗素子のパターン化フィーチャと熱接触する少なくとも１つの熱光学材料とを含んでいる。複数の電気抵抗素子のパターン化フィーチャから少なくとも１つの熱光学材料へ伝達された熱は、少なくとも１つの熱光学材料中に電気抵抗密度に応じた光学的屈折率プロファイルを生成する。光源から放射された光の少なくとも一部は、少なくとも１つの熱光学材料の光学的屈折率プロファイルに応じて変調される。
【００１６】
さらに他の実施形態において、本開示は、光を変調する方法に関する。当該方法は、パターン化フィーチャを有する少なくとも１つの電気抵抗素子を設けることを含んでいる。パターン化フィーチャは、マイクロサイズ以下であり得るとともに、該フィーチャの形状/パターンは、電気抵抗素子領域の電気抵抗密度を生成し得る。当該方法は、さらに、少なくとも１つの電気抵抗素子のパターン化フィーチャと受熱接触する少なくとも１つの熱光学材料を設けることを含んでいる。当該方法は、また、少なくとも１つの電気抵抗素子に電気的に接続された少なくとも１つの可制御電源を設けることを含んでいる。さらに、当該方法は、光源を設けて、当該光源から放射される光の少なくとも一部を少なくとも１つの熱光学材料に向けて指向させることを含んでいる。当該方法は、さらに、少なくとも１つの可制御電源を駆動して少なくとも１つの電気抵抗素子から放熱させることを含んでいる。放散する熱または放散する熱の少なくとも一部は、少なくとも１つの電気抵抗素子のパターン化フィーチャから少なくとも１つの熱光学材料へ伝達されて、少なくとも１つの熱光学材料中に電気抵抗密度に応じた光学的屈折率プロファイルを生成する。光源から放射された光の少なくとも一部は、少なくとも１つの熱光学材料の光学的屈折率プロファイルに応じて変調される。いくつかの実装において、光の透過、反射、極性、スペクトル、および／または角度（その他の特性）が、熱光学材料の光学的屈折率によって制御され、変更され、調整され、変調され、適応され、またはその他の影響を受ける。
【００１７】
本開示の主題の、説明された特徴、構造、利点、および／または特性を、１つまたは複数の実施形態および／または実装において任意の好適な態様で組み合わせることができる。以下の説明では、本開示の主題の実施形態を十分に理解するために多くの具体的詳細を提供する。当業者であれば、特定の実施形態または実装の、１つまたは複数の特定の特徴、詳細、構成要素、材料、および／または方法を用いずに本開示の主題を実施し得ることを認識するであろう。その他の例において、全ての実施形態または実装に示されるとは限らないさらなる特徴および利点を、所定の実施形態および／または実装において認識することが可能である。また、本開示の主題の態様を曖昧にすることを避けるために、公知の構造、材料、または動作について詳細に図示も説明もしない例もある。本開示の主題の特徴および利点は、以下の説明および添付の請求項からより鮮明になるであろう、または以降に述べる主題の実施によって理解することができる。
【００１８】
本主題の利点をより容易に理解することができるように、以上に簡潔に説明した主題のより具体的な説明を、添付の図面に示す特定の実施形態を参照することによって与える。これらの図面は本主題の典型的な実施形態を示すに過ぎず、よって本主題の範囲を制限するものと解釈すべきではないことを理解した上で、図面の使用を通じて具体性および詳細を交えながら本主題を描写および説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】一実施形態による、パターン化された抵抗器を備える適応型熱レンズの原理を示す概略図である。
【図１Ｂ】一実施形態による、パターン化された抵抗器を備える適応型熱レンズの原理を示す概略図である。
【図１Ｃ】一実施形態による、パターン化された抵抗器を備える適応型熱レンズの原理を示す概略図である。
【図２Ａ】マイクロスケールまたはナノスケールでの抵抗器の空間的なパターン化の様々な概要例を示す図である。
【図２Ｂ】マイクロスケールまたはナノスケールでの抵抗器の空間的なパターン化の様々な概要例を示す図である。
【図２Ｃ】マイクロスケールまたはナノスケールでの抵抗器の空間的なパターン化の様々な概要例を示す図である。
【図３Ａ−３Ｃ】抵抗器の種々のパターンと、本開示のマイクロレンズのレンズ効果特性に反映された結果とを示す図である。
【図４Ａ−４Ｂ】マイクロスケールでパターン化された単一の抵抗器の光学顕微鏡画像および当該抵抗器を電気的に接続した状態を示す図である。
【図５Ａ】抵抗素子に供給された電気エネルギーと誘起されたレンズによって生じる焦点シフトとに関するレンズ伝達関数特性を示す図である。
【図５Ｂ】抵抗素子に供給された電気エネルギーと誘起されたレンズによって生じる焦点シフトとに関するレンズ伝達関数特性を示す図である。
【図５Ｃ】抵抗素子に供給された電気エネルギーと誘起されたレンズによって生じる焦点シフトとに関するレンズ伝達関数特性を示す図である。
【図５Ｄ】抵抗素子に供給された電気エネルギーと誘起されたレンズによって生じる焦点シフトとに関するレンズ伝達関数特性を示す図である。
【図６Ａ−６Ｂ】種々の電圧によって励起されたパターン化抵抗器によって誘起される焦点シフトマップを示す図である。
【図７Ａ−７Ｂ】マイクロスケールで様々にパターン化された抵抗素子によって誘起される焦点シフトマップを示す図である。
【図８】光を変調する方法の一実施形態の概略的なフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本開示の適応型熱マイクロレンズは、パターン化フィーチャを備えた少なくとも１つの電気抵抗素子を含んでいる。パターン化フィーチャはマイクロスケールまたはナノスケールでパターン化され、可制御電源、および当該抵抗素子と熱接触する熱光学材料によって駆動される。電気抵抗素子内での発熱によって、制御された／予測可能な方法で熱光学材料の光学的屈折率を変化させる温度パターンが生じる。「パターン化」および「パターン化フィーチャを作製すること」との文言は、局部的な抵抗を制御するために、電気抵抗素子に対してマイクロメータサイズまたはナノメータサイズのフィーチャを用いる所定の空間設計を導入することを指す。抵抗素子のパターン化は、当該抵抗素子に電圧が印加されるときに所定位置に放熱を誘起するように設計される。パターン化抵抗フィーチャの構成／配置は、電気抵抗密度として定義される。電気抵抗素子に電圧が印加されると、電気抵抗性のパターン化フィーチャから放散する熱の少なくとも一部は、直接的および／または間接的に熱光学材料に伝達されて、当該材料の光学特性を変化させ、電気抵抗密度と関連付けられた光学的屈折率を生成する。したがって、マイクロスケールおよびナノスケールで抵抗をパターン化することを用いて、電気抵抗密度の適用スケールで熱光学材料中に特定のレンズ効果プロファイル（すなわち、光学的屈折率プロファイル）を動的に生成し、これによってユーザが熱光学材料に特定のレンズ効果特性を付与することが可能となる。例えば、一実施形態において、光学的屈折率プロファイルが所定の関数またはマッピングに従って電気抵抗密度に関連付けられる。一実施形態において、空間設計に、単位長さ当たりの空間的密度の変化、特性が空間的に変化する材料の使用（例えば、ドーピング、不純物注入、および置換などといった製造技術による）、または異なる材料の組合せが含まれる。つまり、パターン化フィーチャの空間的配置を変化させる、パターン化フィーチャの付着／製造方法を変化させる、および／またはパターン化フィーチャを形成する材料を変化させるなどすることによって、電気抵抗密度を変化させる（すなわち、不均一化する）ことができる。
【００２１】
このようにして、少なくとも１つの位置における入射光源の波面を調整し得る。このことを用いて、焦点面中で焦点距離を局部的に変化させる、または入射光源を屈折させることができる。
【００２２】
パターン化フィーチャの特定位置で発熱するように、少なくとも１つの電気抵抗素子に少なくとも１つの可制御電源が接続されている、または少なくとも接続可能である。当該電源は、制御可能な電力を連続的に（ＤＣ）、または変調された波形の電力（ＡＣ）を、または両方の組合せを供給し得る。時間に依存する電気信号を利用して、対象とする抵抗素子の電力消費特性を変化させる、または電力消費を時間的に変調することができる。
【００２３】
本開示の適応型マイクロレンズは、電気的励起を用いて電気エネルギーを供給し、抵抗において熱に変換して熱光学材料の熱光学特性を変化させ、熱光学材料の光学特性を微調整することを可能とする。このようにして、熱光学材料内に所定の温度分布を生成する。マイクロスケールまたはナノスケールで電気抵抗素子をパターン化する、すなわちマイクロメートルサイズまたはナノメートルサイズのフィーチャを用いる所定の空間設計を導入することによって、局部的な抵抗、したがって局部的な温度の制御を達成する。前述のように、「空間設計」には、単位長さ当たりの空間的密度の変化、特性が空間的に変化する材料の使用（例えば、ドーピング、不純物注入、または置換による）、または異なる材料の組合せが含まれる。これにより、方向性を与えるものに照射される入射光源の焦点の局部的な調整、すなわち光の方向を制御する（入射光を偏向する）ことが可能となる。結果として、種々の焦点面の生成が、対象とする入射光源から単一の素子によって誘起される。なお、「光源」とは電磁放射を意味し、Ｘ線源、紫外線源、可視光源、赤外線源、近赤外線源、短波赤外線源、中波赤外線源、長波赤外線源、遠赤外線源、ラジオ波源、およびレーダ源を含むが、これらに限定されない。
【００２４】
熱光学材料の例には、様々な液体（水、オクタン、アルコール、グリセロール、生体媒質（血液、血しょうなど））、気体（空気、ヘリウムなど）、および固体（ガラス、シリカ、石英、プラスチック、またはポリマーなどであり、ポリマーには、ＰＭＭＡ、エポキシ、ゾルゲル（ジフェニルシラン有りまたは無し）、シリコーン、ＰＥＭＡ、Ｂ−ＰＥＥＫ、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタンアクリレートエラストマーが含まれる）が含まれる。温度プロファイルに屈折率の変化が追従して、屈折率の局部的なパターン化を生じる。このようにして、少なくとも１つの位置における焦点距離を調整することができ、焦点面中の焦点距離を局部的に変化させることができる。この変化を連続的に実行して、焦点距離の連続的な制御、または離散的なステップを生じさせることができる。離散的なステップは、単一の抵抗素子をパターン化することによって、または個別の熱レンズのアレイ／マトリクスを用いることによって達成することができる。熱光学材料は、均質である場合もあれば、隣接する被温度管理領域間に当該領域間を熱絶縁する熱障壁（異なる熱伝導率の材料）を備える場合もある。当該障壁を、蒸着またはスパッタリングにより、かつ、障壁の位置をパターン化するマスクを用いて付着させることができる。固相であれ、液相であれ、気相であれ、熱光学材料には同じ工程が適用される。本開示のさらに他の態様において既存のレンズを変化させる方法を提供するが、この方法では後述するものと同じ技術を用いて既存のレンズ上に熱光学材料として作用する抵抗をパターン化して、電源に接続されると、当初の既存レンズの焦点深度および焦点の水平位置を変化させることができる。
【００２５】
一実施形態（図１Ａ〜１Ｃ）において、抵抗器１が基板／表面２上に、または材料の内部にパターン化される。電気抵抗素子および電気抵抗素子のパターン化フィーチャは、金、アルミニウム、銅、亜鉛、鉄、および銀などといった導電材料から形成することができる。電気抵抗素子が何らかの形態で熱光学材料と熱接触し、これにより熱光学材料の温度を変化させることができるならば、電気抵抗素子のパターン化フィーチャに接触する表面または材料を、熱光学材料３自体または熱伝達媒体４とすることができる。透過構成（すなわち、透過モード）において適応するレンズを用いるには、このような材料をガラスなどの透明／透光性材料とすることができる。パターン化フィーチャを電源に接続してもよい（図１Ａ）。１つのまたはいくつかの抵抗素子に単一の電源を接続することができ、図１Ａに描いたように、並列に、直列に、または両者の組合せにより相互に接続することができる。
【００２６】
他の実施形態において、本開示は、独立に制御される種々の電気抵抗素子のアレイを備え得る（図１Ｂ）。いくつかのこのようなアレイを相互に積層することもできる。
【００２７】
複数の電気抵抗素子を近接させるよりも、マイクロスケールまたはナノスケールで電気抵抗素子をパターン化するほうが、温度分布に起因して良好な空間解像度が得られる。電源は、電力を、連続的に（ＤＣ）もしくは任意の周波数で時間的に変調して（ＡＣ）、または両者の組合せにより、また電力および／または周波数を制御可能として、供給することができる。ＡＣモードの場合は、時間に依存する電気信号を用いて、対象とする電気抵抗素子の電力消費特性を変化させる、または電力消費を時間的に変調することができる。熱接触は、物理的な接触が必要でないことを意味している。つまり、本開示では、対象とする電源による励起時に電気抵抗素子が発熱するならば、電気抵抗素子と熱光学材料との間に熱伝導媒体／材料を組み込むことができる。
【００２８】
電源からの制御電気信号によってレンズの画像焦点面を動的に形成することができる。当該手法は、いくつかの材料の屈折率の温度依存性と、電気抵抗素子が電気信号の供給時に発熱して所定の温度分布を生成する機能とに基づいている。局部的な温度の上昇は、光の伝搬に作用する屈折率の変化を誘起する。このことは全て、１個体の電気抵抗素子を備える実施形態にも当てはまる。
【００２９】
図１に示すように、パターン化された電気抵抗素子は、電気信号の少なくとも一部を消費する。このエネルギー消費によって、電気抵抗の少なくとも一部と熱接触する熱光学材料の温度上昇が生じる。したがって、熱光学材料の光学指数を、電力供給を制御することによって空間的および時間的に変調することができる。この光学指数の変調によって、入射光源は熱光学材料を通過するときに屈折し得る。光源は、電気抵抗素子の材料を通って熱光学材料に到達する、または熱光学材料に直接到達することができる。また、システムの反射／透過に応じて、本開示の主題を透過および／または反射において用いることができる。
【００３０】
図２に示すように、パターン化フィーチャのマイクロスケールまたはナノスケールでのパターン化を用いて、単一の電源により励起された１つのパターン化された抵抗器のみを用いる場合の旧来のレンズの機能とは異なり、高度な複雑性／制御を有する種々の機能を生成することができる。上記の抵抗素子のパターン化は、電気抵抗素子への電圧印加時に所定位置において熱放散を誘起するように設計され、これによって、熱光学材料中に所望の不均一な光学的屈折率マップを投影することが可能となる。したがって、マイクロスケールおよびナノスケールで電気抵抗素子をパターン化することを用いて電気抵抗密度を動的に生成することができ、熱の伝達によって熱光学材料に光学的屈折率プロファイルを付与し、これによって、熱光学材料中に特定のレンズ効果プロファイルを生成することができる。
【００３１】
図２Ａ〜２Ｃは、電気抵抗素子の特定のパターンを用いて所望の空間的抵抗を得ることができる方法の３つの例の図を示す。重要なことであるが、所定の抵抗パターンは種々の方法で得ることが可能であり、ここでは特定の例を示しているにすぎない。また、実施し得るパターンはこれら３つの例に限定されず、例えば、図４の説明において提案する技術を用いることによって、電気抵抗素子の任意の所望の空間パターンを実現することができる。
【００３２】
図３Ａ〜３Ｃは、電気抵抗素子の特定のパターン化によって、パターン化フィーチャへの電力供給時に所望の局部的な焦点シフトマップを生成することが可能な方法の概要例を示す。
【００３３】
具体的に、パターン化された電気抵抗素子の３つの異なる例を示し（図３Ａ〜３Ｃ上部）、当該電気抵抗素子に電力が供給されるときの、それらに対応する焦点シフトマップを示す（図３Ａ〜３Ｃ下部）。各場合について、グレースケール色マップを用いて相対的な焦点シフトの大きさを示す。図３Ａ〜３Ｃにおける、電流供給時にパターン化フィーチャとして作用する構造間の大きさおよび／または形状の対応関係は、電気抵抗素子のマイクロパターン化および／またはナノパターン化がマイクロレンズのレンズ効果特性に直接影響を与えることを示している。電気抵抗素子のパターン化を用いてレンズの大きさを減少させることができる、および／または、個別にアドレスすることが可能な多くのレンズを用いて達成するとすれば、不可能であるか極度に技術的に複雑／高度であって、またコストがかかり得る、複雑な形状を有するマイクロレンズを作製することができる。図３Ａ〜３Ｃにこのような例が示され、上述の工程によって作製したマイクロ構造およびナノ構造の使用によって、入射光源の波面に作用する不均一な分布、より的確には空間勾配分布を有するレンズを作製することが可能である。空間勾配とは、単位長さ当たりの抵抗の密度の変化を指す。実施例として、レンズの収差を減少させるために、抵抗パターンに勾配を付与することによって電気抵抗素子をパターン化することも可能である。これらの勾配を有するパターン化された抵抗器によって、従来のマイクロレンズを用いて達成することができない、より複雑な結果が得られる。パターン化された電気抵抗素子の実施例として、図４Ａ〜４Ｂに一例を示すように、放射方向に変化する密度を有する種々の大きさの渦巻き抵抗フィーチャを作製した。これを他のレンズを変化させる方法として用いることは可能である。所望の温度分布、したがって局部的な焦点シフトが得られるように電気抵抗素子をパターン化する。パターン化フィーチャは、熱光学材料との相互作用に起因してレンズ効果を生じる加熱領域の大きさおよび位置を規定する。したがって、光学指数が変化する領域の大きさおよび／または位置が、パターン化フィーチャの物理的な大きさと正確には同じでないことは明らかである。図４Ａに、マイクロスケールでパターン化された単一の電気抵抗素子の明視野（ＢＦ）顕微鏡画像を示す。この場合に、所定の空間位置に渦巻き状に配線を巻くことによって電気抵抗素子が得られる。渦巻き状の領域は、当該配線の他の部分より非常に大きな抵抗を示す。このような電気抵抗素子を作製するために、ＵＶリソグラフィ技術および電子ビームリソグラフィ技術を蒸着技術と組み合わせて、金を所望のパターンに堆積した。当該工程によって、マイクロスケールおよび／またはナノスケールでの電気抵抗素子の空間的なパターン化を制御することができる。図４Ｂに、種々のフィーチャを有するサンプルにおける電気抵抗素子の一例が示され、当該フィーチャは金から形成され、種々のスケールでパターン化され、種々の大きさを有している。第２のＢＦ画像は、電気抵抗素子の電気配線を示すために、より広い視野で撮影された。パターン化フィーチャを接続するのに用いられている配線は、外部電源との接続を与える電極として用いられる大きな金属パッドにも接続されている。標準的な電子産業に用いられる他の技術を採用して本開示に基づく実装を行うことも可能であり、例えば、リソグラフィ工程をレーザ書込み技術に置き換えることができる。
【００３４】
一実施形態において、電気抵抗素子が基板の内部または基板上に存在する。基板を、特に、ガラス、石英、シリカ、プラスチック、またはポリマーなどから形成することができる。これにより、レンズを透過構成に用いることが可能となる。これに代えて、基板をシリコンなどの不透明材料から形成することができ、これにより、適応型レンズを反射モードで使用することが可能となる。また、基板に光透過の依存性（例えば、スペクトル依存性、角度依存性、または偏光依存性）を付帯させることができ、これにより、同時に透過モードおよび反射モードで機能することが可能となる。この種の基板を、積層媒体または２色性素子を含む種々の手段によって作製することができる。
【００３５】
電気抵抗素子および電気配線を、基板上にパターン化して基板上に配置することができる。電気抵抗素子および電気配線を、金属（例えば、金、アルミニウム、銅、鉄、亜鉛、または銀）および合金（例えば、鉄合金など）を含む種々の材料から形成することができる。パターン化を、電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ、レーザ書込み、蒸着、スパッタリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、および／または化学気相堆積（ＣＶＤ）によって行うことができる。電気抵抗素子が透明または半透明である場合に（例えば、ＩＴＯ、５０％未満の被覆面積を有する渦巻きまたは円環のような非常に薄い導電体またはパターン）、電気抵抗素子を光路中に挿入することができる。
【００３６】
図５は、抵抗素子のレンズ伝達関数特性を示す。本発明において外部電源から供給される電圧（図５Ａ）または電流（図５Ｂ）により表される電力と、電気抵抗素子の中心を通過する入射光源（波長４７３ｎｍの青色レーザダイオード）の結果として得られる焦点シフトとの関係（例えば、伝達関数）を、同じ電気抵抗素子（図４Ａ）について測定し、また図４Ｂで対象とした同じ電気的励起構成に対して測定した。この線形の関係は、このような装置が入射光源の焦点位置の局部的な調整を精細に行う機能を明確に示している。また、抵抗器が存在しない場合の焦点シフト（「×」のクロス記号）、および低抵抗導線への電流供給時の焦点シフト（「＋」のクロス記号）を、図５Ａの種々の電流源に対して同じ条件で測定した。
【００３７】
図５Ｃは、図４Ｂに示された電気抵抗素子と同様の種々の電気抵抗素子によって生じる焦点シフトの比較を示す。このグラフは、基板上での電気抵抗素子のパターン化が、入射光源（波長４７３ｎｍの青色レーザダイオード）の焦点シフトを局部的に変化させる電気抵抗素子の機能に明らかに作用することを明示している。実際、各電気抵抗素子は入力電力（図５Ｃに示す場合では電圧）に対して線形の振舞いを示すが、傾きの正確な値は、対象とする電気抵抗素子のマイクロ構造および／またはナノ構造に依存する。この結果、同じ入力電流に対して各抵抗器の先で与えられる焦点シフトは相違し、このことは、最終的な像が、抵抗器についての対象とする空間位置に応じて異なる面に結像されることを意味する。
【００３８】
図５Ｄは、図５Ａで測定した焦点シフトを、他の入射光源（波長８００ｎｍの光源）とする以外は同じ実験条件および同じ電気抵抗素子で比較を行っている。これにより、焦点シフトが対象とする入射波長にも依存し得ることが示されている。したがって、信号を多重化するために、種々の光源または光源スペクトル成分の焦点を個別に調整するように熱光学材料または熱光学材料の組合せを工学設計することができる。
【００３９】
図６に、電気抵抗素子をマイクロスケールでパターン化した結果得られる、複合的な空間依存性を示す焦点シフトを示す。また、図６Ａと図６Ｂとの比較から、供給する電源を変化させることによって所定の電気抵抗素子の局部的な焦点シフトを動的に変化させる機能を示す。図６Ａ、図６Ｂにおいて、それぞれ、図４Ａに示す渦巻き電気抵抗素子に２Ｖ、４Ｖの電圧を印加し、４ミクロンまで、７ミクロンまでの焦点シフトが誘起された。同様に、図７ａ、図７Ｂにおいて、それぞれ、５０ミクロン、２０ミクロンの直径を有する２つの渦巻き電気抵抗素子に４Ｖ、３Ｖの電圧を印加した。図３Ｂに、２つの対象とする電気抵抗素子の光学像を示す。供給した電源によって、電気抵抗素子の近傍に７ミクロンまでの焦点シフトが生じる。電気抵抗素子の種々の大きさおよび種々のパターン化に起因して、種々の焦点シフトマップが得られる。このことは、結果として得られるレンズの焦点シフトマップに対する電気抵抗素子のマイクロスケールでのパターン化の重要性を示している。したがって、このようなマップは、図３Ａ〜３Ｃに示された手法の実施例を提供する。
【００４０】
図８は、光を変調する方法８００の一実施形態の概略的なフローチャートである。方法８００は、８１０において、パターン化フィーチャを有する少なくとも１つの電気抵抗素子を設けることを含んでいる。上述したように、一実施形態において、パターン化フィーチャがマイクロサイズ以下であり、当該フィーチャの構成／パターンが電気抵抗素子領域の電気抵抗密度を生成する。方法８００は、さらに、８２０において、少なくとも１つの電気抵抗素子のパターン化フィーチャと受熱接触する少なくとも１つの熱光学材料を設けることを含んでいる。さらに、方法８００は、８３０において、少なくとも１つの電気抵抗素子に電気的に接続された少なくとも１つの可制御電源を設け、８４０において、光源を設けることを含んでいる。一実施形態において、光源から放射される光の少なくとも一部が少なくとも１つの熱光学材料に向けて指向する。
【００４１】
方法８００は、また、８５０において、少なくとも１つの可制御電源を駆動して少なくとも１つの電気抵抗素子から放熱させることを含んでいる。放散する熱または放散する熱の少なくとも一部は、少なくとも１つの電気抵抗素子のパターン化フィーチャから少なくとも１つの熱光学材料へ伝達されて、少なくとも１つの熱光学材料中に電気抵抗密度に応じた光学的屈折率プロファイルを生成する。光源から放射された光の少なくとも一部は、少なくとも１つの熱光学材料の光学的屈折率プロファイルに応じて変調される。つまり、光の透過、反射、極性、スペクトル、および／または角度（その他の特性）は、熱光学材料の光学的屈折率によって制御され、変更され、調整され、変調され、適応され、またはその他の作用を受ける。
【００４２】
本開示は、適応型熱マイクロレンズを用いる方法についても述べる。本方法は、少なくとも１つの可制御電源を設けて、少なくとも１つの適応型熱マイクロレンズを駆動することを含んでいる。本方法はさらに、少なくとも１つの可制御電源に少なくとも１つの電気抵抗素子を接続し、これにより、抵抗パターンおよび電源から供給される電力に応じた制御態様によって熱光学材料の領域における屈折率を変調することを含んでいる。少なくとも１つの可制御電源を単一の電源とすることができ、マイクロレンズアレイは、さらに、いくつかの電気抵抗素子および／またはいくつかのパターン化フィーチャを接触／接続させる電気回路を含み得る。このような実施形態において、本方法は、さらに、電気回路を操作して（例えば、電気的スイッチまたはデマルチプレクサ（デマックス）による）、発熱する抵抗器の位置を変更することを含み得る。本方法は、また、少なくとも１つの適応型熱マイクロレンズを用いて入射光源を制御することを含み得る。例えば、この光源の波面を制御して、光源の焦点深度を変更する、または光の方向を制御する（例えば、光線を偏向させる）ことができる。
【００４３】
本稿において、「備える」との文言およびその派生形（「備えること」など）を、排他的な意味に理解すべきでない、すなわち、これらの文言を、説明され、定義されたものが他の構成要素、ステップなどを含み得る可能性を排除するものと解釈すべきでない。
【００４４】
本明細書を通して「一実施形態」、「実施形態」または類似の言葉に言及することは、実施形態に関連して説明した特定の特徴、特定の構造、または特定の特性が、本開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。本明細書を通して「一実施形態」、「実施形態」との語句および類似の言葉の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態に言及しているとは限らない。同様に、「実装」との文言の使用は、本開示の主題の１つまたは複数の実施形態に関連して説明した特定の特徴、特定の構造、または特定の特性を有する実装を意味するが、他のことを示す明確な相関が無い限り、実装は１つまたは複数の実施形態と関連し得る。
【００４５】
上述の説明において、「上へ」、「下へ」、「上の」、「下の」、「水平の」、「垂直の」、「左の」、「右の」、「の上に」、「の下に」などの所定の文言を用いる場合がある。これらの文言は、適用可能な箇所で、相互関係に言及する場合にある程度の説明の明確さを与えるために用いられる。しかし、これらの文言に絶対的な関係、位置、および／または方向の意味を含ませる意図はない。例えば、物体について、「上の」表面は、単に物体を反転させることにより「下の」表面となり得る。それでも、同じ物体であることに変わりはない。また、「含んでいる」、「備えている」、「有している」との文言およびそれらの変化形は、他の意味に明確に特定されない限り、「含んでいるが限定されない」を意味する。挙げられた項目の列記は、他の意味に明確に特定されない限り、いずれかの、または全ての項目が相互に排他的である、および／または相互に包含的であることを意味しない。「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」との文言は、また、他の意味に明確に特定されない限り、「１つまたは複数」のことを指す。また、「複数の」との文言は、「少なくとも２つ」と定義することができる。
【００４６】
さらに、本明細書における、１つの要素が他の要素と「結合する」例には、直接的な結合および間接的な結合が含まれ得る。直接的な結合は、１つの要素が他の要素と結合して何らかの接触状態にあることと定義することができる。間接的な結合は、２つの要素間の結合が相互に接触する状態ではなく、結合する要素間に１つまたは複数の他の要素を有していることと定義することができる。また、本稿において、１つの要素を他の要素に固定することには、直接的な固定および間接的な固定が含まれ得る。さらに、本稿において、「隣接した」は、必ずしも接触を意味しない。例えば、１つの要素が他の要素と、その要素に接触しないで隣接し得る。
【００４７】
本稿において、「の少なくとも１つ」との語句は、項目の列記とともに使われる場合に、列記された項目の１つまたは複数の種々の組合せを用いることができ、また、列記中の項目の１つのみを必要とすることができることを意味する。項目は、特定の対象、物、またはカテゴリからなり得る。つまり、「の少なくとも１つ」は、列記からの項目の任意の組合せ、または複数の項目を用いる得ることを意味するが、列記中の項目の全てを必要としなくてもよい。例えば、「項目Ａ、項目Ｂ、および項目Ｃの少なくとも１つ」は、項目Ａ、項目Ａと項目Ｂ、項目Ｂ、項目Ａと項目Ｂと項目Ｃ、または項目Ｂと項目Ｃを意味し得る。場合によっては、「項目Ａ、項目Ｂおよび項目Ｃの少なくとも１つ」が、例えば、限定するものではないが、２個の項目Ａと１個の項目Ｂと１０個の項目Ｃ、４個の項目Ｂと７個の項目Ｃやその他の好適な組合せを意味する。
【００４８】
一方、本開示は、本稿において説明した特定の実施形態に限定されないことは明らかであるが、また、請求項に定義した本開示の全範囲内で任意の当業者が考慮し得るいかなる変形例（例えば、材料、寸法、構成要素、構成などの選択）をも包含している。
【００４９】
本主題を、その精神または本質的な特質から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化することができる。説明した実施形態を、あらゆる点において例示的であって制限的ではないものとしてのみ考慮すべきである。
【図１Ａ】
2017524990.tif 000003
【図１Ｂ】
2017524990.tif 000004
【図１Ｃ】
2017524990.tif 000005
【図２Ａ】
2017524990.tif 000006
【図２Ｂ】
2017524990.tif 000007
【図２Ｃ】
2017524990.tif 000008
【図３Ａ】
2017524990.tif 000009
【図３Ｂ】
2017524990.tif 000010
【図３Ｃ】
2017524990.tif 000011
【図４Ａ】
2017524990.tif 000012
【図４Ｂ】
2017524990.tif 000013
【図５Ａ】
2017524990.tif 000014
【図５Ｂ】
2017524990.tif 000015
【図５Ｃ】
2017524990.tif 000016
【図５Ｄ】
2017524990.tif 000017
【図６Ａ】
2017524990.tif 000018
【図６Ｂ】
2017524990.tif 000019
【図７Ａ】
2017524990.tif 000020
【図７Ｂ】
2017524990.tif 000021
【図８】
2017524990.tif 000022
【国際調査報告】
2017524990.tif 000023
2017524990.tif 000024