JP2001519539A - 可変焦点レンズ - Google Patents
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Abstract
Description
に制御される可変焦点を有する液体レンズに関するものである。
alII、157〜163ページで出版された「Electrocapilla
rite et mouillage de films isolants
par l’eau」と称するB.Bergeの論文には、平坦な電極を覆って
いる誘電体薄膜上に配置された導体液体の液滴を備えたデバイスが開示されてい
る。電圧を液体導体の液滴と電極の間に印加することができる。この論文には、
導体液体に対する誘電性材料のぬれ変化の理論的研究が記載されており、導体液
体と電極の間に存在する電圧によって引き起こされる電界がある状態でぬれがか
なり増加するということが示されている。この現象は著者によってエレクトロウ
ェッティングと称されている。
て誘電体上に配置された不透明な導体液体の液滴の形状を変える表示デバイスが
開示されている。この文献には光学レンズとしての用途は提案されていない。
5〜2470ページ、Vallet、Berge、Vovelleの論文「El
ectrowetting of water and aqueous so
lutions on poly(ethylene terephthala
te) insulating films」には、電圧が印加される液体導体
の液滴の変形が開示されている。印加された電圧が高くなりすぎると、液滴の表
面が不安定になり、液滴の周縁で微小な液滴が放出され得ることが示されている
。
らに、これらのシステムは透明なバイアス電極と電極用の接続を必要とし、これ
によってシステムを製造困難または非効率にする。
制御の関数として焦点を連続的に変化させることができるレンズを提供すること
である。
と、チャンバの絶縁壁の第1の表面の領域に静止状態で配置された第2の液体の
液滴とを含む、可変焦点レンズを提供する。前記第1の液体と第2の液体は混和
せず、かつ異なる屈折率およびほぼ同じ密度をもっている。第1の液体は電導性
であり、第2の液体は絶縁性である。レンズには、導体液体と前記壁の第2の表
面に配置された電極との間に電圧を印加するための手段と、電圧が印加されてい
る間に液滴の縁部の心合わせを維持し、かつその形状を制御するための心合わせ
手段とがさらに含まれている。
圧が印加される間に、心合わせ手段は液滴の心合わせの連続的維持と液滴の縁部
の形状の連続的制御を可能にする。
あって第1の表面に垂直な軸を中心として心合わせされている。
漸進的に厚くなることに心合わせ手段が対応しており、前記電極は前記第2の表
面に接触させられている。
1の液体に対してぬれが半径方向に減少することに心合わせ手段は対応している
。
高さでチャンバの前記壁の誘電率の半径方向の勾配に対応している。
状であって第1の表面に垂直な軸を中心として心合わせされ、心合わせ手段には
、互いに絶縁され、かつ前記軸を中心として心合わせされる1つまたは複数の同
心の環状ストリップから形成された電極が備えられ、環状ストリップは前記軸に
向かって減少する値をもつ別個の電圧源によって給電される。
バの内側表面であり、第2の液体との接触域はチャンバの円筒形区域に対応し、
心合わせ手段は、互いに絶縁され、かつ前記接触域の境界の高さでチャンバの外
側表面に対して並列に配置された同じ直径をもつ1つまたは複数の円筒形電極か
ら構成され、電極は前記接触域の中心に向かって減少する値をもつ異なる電圧に
よって給電される。
であって第1の表面に垂直な軸に関して対称であり、心合わせ手段は、互いに絶
縁され、かつ前記軸に関して対称な1つまたは複数の同心の長方形のストリップ
から形成された電極から構成され、長方形のストリップは前記軸に向かって減少
する値をもつ別個の電圧源によって給電される。
記領域が前記2つの面をまたいでいる。
としてではなく例示として与えられた以下の実施形態の詳細な説明から明らかと
なろう。
す。絶縁液体11の液滴は、導体液体13が充填された誘電体チャンバ12の壁
の内側表面に位置している。絶縁液体11と導体液体13は両方とも透明であっ
て、混和せず、かつ異なる屈折率およびほぼ同じ密度をもっている。誘電体12
はもともと導体液体13に対して低いぬれを有している。導体液体13に対して
誘電体チャンバの壁のぬれが高いことを確実なものにする表面処理14は、絶縁
液体の液滴11とチャンバ12の壁との間の接触域15を取り囲んでいる。表面
処理14は液滴11の位置決めを維持し、絶縁液体が所望の接触面を超えて広が
るのを防止する。システムが停止している時、絶縁液体の液滴11は自然に参照
符号Aで表される形になる。「O」は、接触域15に垂直かつ、接触域15の中
心を貫通する軸を表す。停止中、絶縁液体の液滴11は、デバイスの光軸を構成
する軸Oを中心として心合わせされる。軸Oに隣接するデバイスの要素は透明で
ある。軸Oの付近の光を通す電極16は、誘電体チャンバ12の壁の外側表面に
配置され、前記誘電体チャンバ12上に絶縁液体の液滴11が位置している。電
極17は導体液体13と接触している。電極17を液体13に浸漬すること、ま
たはチャンバ12の内側壁に達成される導体堆積とすることができる。
のエレクトロウェッティングの原理によって導体液体13に対する領域15のぬ
れを高める。その結果、導体液体13が移動し、絶縁液体の液滴11を変形させ
る。したがって、レンズの焦点の変化が得られる。
らに、液滴が変形する間に、接触面の輪郭は環状という特性を失いがちである。
本発明の態様は、領域15の中心に向かって半径方向に減少する電界を発生させ
ることによって液滴の形が変化する間に、液滴の真円度と軸Oに対する液滴の同
心度を維持することである。
加的に設けられている。かかる心合わせ手段の例は、あとで記載される本発明の
第2から第6の実施形態に出てくる。
す。液滴11、軸O、チャンバ12、導体液体13、表面処理14、接触域15
、電極17などの要素は、図1に例示した実施形態のものと同じである。位置A
と位置Bもまたそれぞれ、液滴11の静止位置と液滴11の限界位置に対応して
いる。この第2の実施形態では、領域15の中心に向かって半径方向に減少する
電界の発生が心合わせ手段に含まれている。この目的のため、軸Oに近づきなが
ら領域15の表面から次第に離れる表面を有する電極26が設けられている。例
えば軸Oを中心として心合わせされ、かつ液滴11が配置されたチャンバ12の
壁の外側表面に達成されるテーパの側壁上に金属薄膜を堆積することによってか
かる電極26を得ることができる。別の実施形態は、軸Oを中心として心合わせ
され、かつ液滴11が配置されたチャンバ12の壁の外側表面に取り付けられる
透明な誘電性樹脂の液滴の表面に金属薄膜を堆積することにある。樹脂の液滴の
頂点は軸Oの付近に計画され、光を通す。
できる。最大電圧に達した時、絶縁液体の液滴11は限界位置(参照符号Bで表
す)に達する。電圧Vが0ボルトとその最大値の間を連続的に変化する時、絶縁
液体の液滴11は連続的に位置Aから位置Bへ変形する。液滴が導体液体ででき
ている場合に起こることとは異なり(上述のVallet、Berge、Vov
elleの論文を参照)、液滴11は絶縁液体でできており、電圧が高い時、そ
の周縁には微小な液滴が生じないことに留意されたい。
す。液滴11、軸O、チャンバ12、導体液体13、表面処理14、接触域15
、電極17などの要素は、図1に記載した実施形態のものと同じである。位置A
と位置Bもまたそれぞれ、液滴11の静止位置と液滴11の限界位置に対応して
いる。
電極35、36、37の1組が配置されており、前記環状電極は互いに絶縁され
、軸としてOを有している。電圧を電極35、36、37の各々と電極17との
間に印加することができる。模範的電圧V1、V2、V3を示すが、前記電圧の
各々は異なっている。これらの電圧は、電極35、36、37に電圧を印加する
ことによって生じる電界が領域15の中心に向かって半径方向に減少するように
、任意の時刻に軸Oに向かって値が減少するように選択される。電圧V1、V2
、V3が0ボルトとそれらの最大値の間を連続的に変化する時、絶縁液体の液滴
11は連続的にその静止位置Aと限界位置Bの間に変形する。
ッチによって同じ電圧源Vとアースのうちのどちらか一方に接続することができ
る。一定電圧V用に、電圧が印加される電極の数を変えることによって次に液滴
11の形は変化する。この場合、焦点の変化は不連続であり連続的ではない。し
たがって、液滴11から構成されるレンズ向けに唯一のある所定の焦点だけを得
ることができるが、利益は電圧制御の実施が比較的簡単であるということである
。
す。液滴11、軸O、導体液体13、表面処理14、接触域15、電極16、電
極17などの要素は、図1に記載した実施形態のものと同じである。位置Aと位
置Bもまたそれぞれ、液滴11の静止位置と液滴11の限界位置に対応している
。
バ52の壁には、軸Oを中心として光を通す環状誘電体域53が備えられている
。表面処理14がないと領域53は導体液体13に対して低いぬれを有する。領
域53の誘電率が軸Oに向かって半径方向に連続的に変化し、接触域15上を軸
Oに向かって半径方向に減少する勾配を電圧Vによって生じる電界が有するよう
に、領域53は処理される。電圧Vが0ボルトとその最大値の間を連続的に変化
する時、絶縁液体の液滴11は連続的にその静止位置Aと限界位置Bの間に変形
する。
す。液滴11、軸O、誘電体チャンバ12、導体液体13、接触域15、電極1
6、電極17などの要素は、図1に記載した実施形態のものと同じである。位置
Aと位置Bもまたそれぞれ、液滴11の静止位置と液滴11の限界位置に対応し
ている。
のぬれが軸Oに向かって半径方向に減少するように、絶縁液体の液滴11が配置
されている誘電体チャンバ12の壁の表面は異なる領域14、65、66、67
を処理されている。電圧Vを電極16と電極17の間に印加することができる。
電圧Vによって生じる電界は領域14、65、66、67のぬれを高めるが、初
期のぬれの勾配を維持している。電圧Vが0ボルトとその最大値の間を変化する
時、絶縁液体の液滴11の形は連続的にその静止位置Aと限界位置Bの間に変化
する。
によって覆われている、本発明の他の実施形態の略横断面図を示す。チャンバは
参照符号12で表されている。要素11、12、13を構成する材料は先行の実
施形態のものと同じである。
する表面処理14は、液体11とチャンバ12の内側表面との間の接触域15の
上方で達成される。表面処理14によって、液体11が接触面を超えて広がるこ
とを回避するために液体11の位置を維持することが可能となる。説明を簡単に
するために液体11の頭部だけを考慮に入れ、先行の実施形態のように「液滴1
1」と称することとする。システムが停止している時、絶縁液体の液滴11は自
然に参照符号Aで表される形になる。軸Oはチャンバ12の軸である。停止中、
絶縁液体の液滴11は、デバイスの光軸を構成する軸Oを中心として心合わせさ
れる。いくつかの電極75、76、77、78、79が接触域15の付近で誘電
体チャンバ12の外側壁を中心として配置されている。電極75、76、77、
78、79は互いに絶縁され、電極75と、導体液体13と接触している電極1
7の間に電圧Vが定立されている。電圧Vが定立した時、電極76、77、78
、79には静電性の影響によってバイアスがかかっている。壁12では、電圧V
によって生じた電界は電極75から電極79に向かって縦方向の勾配に従って減
少する。電圧Vが増加した時、導体液体13が移動し、絶縁液体の液滴11を変
形させる。したがってレンズの焦点の変化が得られる。液滴が永久に軸Oに関し
て半径方向の対称性を有することを、上述の電界の勾配が確実なものにする。電
圧Vが0ボルトとその最大値の間を変化する時、絶縁液体の液滴11は連続的に
その静止位置Aと限界位置Bの間に変化する。
せることができるであろう。
できる。
バ12の表面を凹形または凸形にすることができる。
有するように絶縁液体の液滴と誘電体チャンバの間の接触域を処理することがで
きる。
液体に対して低いぬれを接触域に与えるようになされた表面処理によって接触域
を達成することができる。
たは固着からなることができる。
ることができ、次いでこの導体液体と液体13の間に電圧Vを定立させる。
ら形成されたアレイを含むデバイスであって、例えばバイナリ・モードで動作し
、唯一の白色光源から発生した光を停止または通過させ、それにより大きなサイ
ズおよび適度なコストの発光カラー・スクリーンを形成するデバイスを実現する
ことが可能となろう。
ば電極16の輪郭によって決定される動作形状へ液滴を変化させるため以外は、
液滴11をその変形を通して環状に維持するためには上述の心合わせ手段がもは
や使用されないデバイスを実現することが可能となろう。したがって、長方形の
形状の表面処理14を使用することと、長方形の輪郭の電極16を心合わせする
こととによって可変焦点円筒形レンズを創造することが可能となる。
り、例えばある角度でまたはチャンバ12の角に液滴11が配置されている。こ
の代替形態によれば、もちろん接触域の高さで液滴11と接触している各々の壁
の裏面に電極は配置されている。かかる代替形態により可変偏光プリズムを達成
することができる。
有機体であろうがなかろうが、導電性であるかもしくはイオン成分の添加によっ
て導電性にされた、他のいかなる液体をも使用することができる。絶縁液体11
として、油、alcaneまたはalcaneの混合物、最終的にはハロゲン化
物、または導体液体13と混和しない他のいかなる絶縁液体をも使用することが
できる。シランで処理されるか、またはフッ素化合重合体の薄いコーティングも
しくはフッ素化合重合体とエポキシ樹脂とポリエチレンをサンドイッチした薄い
コーティングで覆われたガラス板からチャンバ12を構成することができる。
回避するために、電圧Vは交流であることが好ましい。
導体液体13と液滴11の絶縁液体はほぼ同じ密度であり、液滴12は半球の形
状を有している。液滴11が静止している時(位置A)、液滴11の縁部はチャ
ンバ12の表面に対して約45度の角度をなしている。その限界位置(位置B)
では、液滴11の縁部はチャンバ12の表面に対して約90度の角度をなしてい
る。導体液体13として屈折率1.35の塩水を、液滴11の絶縁液体用に屈折
率1.45を有する油を使用する記載のデバイスは、250ボルトの印加電圧と
数mWの電力に対して約40ジオプトリの焦点変化を達成する。この場合、交流
電圧の周波数は50〜10、000Hzの間に含まれ、その周期は百分の数秒と
いうシステムの応答時間よりもかなり小さい。
を有することができ、特に光電子システムの分野または内視鏡検査に応用するこ
とができる。
Claims (10)
- 【請求項1】 第1の液体(13)が充填されたチャンバ(12)と、チャ
ンバの絶縁壁の第1の表面の領域に静止して配置された第2の液体(11)の液
滴とを含む可変焦点レンズであって、第1の液体と第2の液体が混和せず、かつ
異なる屈折率およびほぼ同じ密度をもっており、 第1の液体が導電性であり、 第2の液体が絶縁性であり、 導体液体と、前記壁の第2の表面に配置された電極(16、26、35〜37
、75〜79)との間に電圧を印加するための手段と、 電圧が印加される間に液滴の縁部の心合わせを維持し、かつその形状を制御す
るための心合わせ手段と を含むことを特徴とする、可変焦点レンズ。 - 【請求項2】 電圧を印加するための前記手段によって変動電圧が印加され
る間に、心合わせ手段が液滴の心合わせの連続的維持と、液滴の縁部の形状の連
続的制御を可能にする、請求項1に記載の可変焦点レンズ。 - 【請求項3】 第1の表面がほぼ平坦であり、接触域(15)が環状であっ
て、かつ第1の表面に垂直な軸(O)を中心として心合わせされる、請求項2に
記載の可変焦点レンズ。 - 【請求項4】 前記軸に向かってチャンバの壁の第2の表面が漸進的に厚く
なることに心合わせ手段が対応し、前記電極(26)が前記第2の表面に接触さ
せられる、請求項3に記載の可変焦点レンズ。 - 【請求項5】 第2の液体との前記接触域15の中心に向かって、第1の液
体(13)に対するぬれが半径方向に減少することに心合わせ手段が対応する、
請求項3に記載の可変焦点レンズ。 - 【請求項6】 心合わせ手段が、第2の液体との前記接触域(15)の高さ
でチャンバ(53)の前記壁の誘電率の半径方向の勾配に対応する、請求項3に
記載の可変焦点レンズ。 - 【請求項7】 第1の表面がほぼ平坦であり、接触域(15)が環状であっ
て、かつ第1の表面に垂直な軸(O)を中心として心合わせされ、心合わせ手段
には、互いに絶縁され、かつ前記軸を中心として心合わせされる1つまたは複数
の同心の環状ストリップ(35〜37)から形成された電極が含まれ、前記軸に
向かって減少する値をもつ別個の電圧源によって環状ストリップが給電される、
請求項1に記載の可変焦点レンズ。 - 【請求項8】 チャンバが円筒形であり、第1の表面がチャンバの内側表面
であり、第2の液体との接触域がチャンバの円筒形区域に対応し、互いに絶縁さ
れ、かつ前記接触域の境界の高さでチャンバの外側表面に対して並列に配置され
た、同じ直径をもつ1つまたは複数の円筒形電極から心合わせ手段が構成され、
前記接触域の中心に向かって減少する値をもつ異なる電圧によって電極が給電さ
れる、請求項1に記載の可変焦点レンズ。 - 【請求項9】 第1の表面がほぼ平坦であり、接触域(15)が長方形であ
って、かつ第1の表面に垂直な軸(O)に関して対称であり、互いに絶縁され、
かつ前記軸(O)に関して対称である、1つまたは複数の同心の長方形のストリ
ップから形成された電極から心合わせ手段が構成され、前記軸に向かって減少す
る値をもつ別個の電圧源によって長方形のストリップが給電される、請求項1に
記載の可変焦点レンズ。 - 【請求項10】 前記壁が平行でない2つの面から構成され、前記領域が前
記2つの面をまたぐ、請求項1に記載の可変焦点レンズ。
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