JP2006512607A - 重合体アクチュエータを含む光学デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、ａ）第一の表面（１０７）及び第二の表面（１０８）を含む重合体フィルム（１０１）、ｂ）前記第一の表面（１０７）に配置された第一の電極（１０２）、ｃ）前記第二の表面（１０８）に配置された第二の電極（１０３）、ｄ）前記第一の電極（１０２）に又は前記第一の表面（１０７）に配置された変形可能な光学素子（１０４）を含む光学デバイスに関する。

Description

本発明は、光学特性を変更するために変形させることができる光学素子を含む光学デバイスに関する。

本発明を、レンズの焦点又は回折格子のピッチのような、光学素子の光学特性を変化させる必要がある任意の装置又はデバイスに使用してもよい。

特許文献１は、可変焦点レンズを記載している。その可変焦点レンズは、弾性的に変形可能なレンズの赤道直径に小さい変化を生じさせることによって、構築される。そのレンズを、光軸に概して垂直な平面に働かせた径方向の張力によって、変形させてもよい。径方向の張力を、機械的手段によって、又は、レンズの赤道に埋め込まれた若しくは取り付けられた環によって、働かせてもよく、そのレンズの直径を、加熱することによって、又は、電場若しくは磁場の印加によって、変えることができる。

その先行技術文献に記載された技術は、レンズの焦点を変化させるための複雑な且つ多数のアクチュエータの使用を暗示するだけでなく、小さいデバイス又は装置において実施することもまた、困難である。
米国特許出願公開第２００１／００４０７３５Ａ１号明細書

本発明の目的は、光学素子を変形させるための改善された光学デバイスを提示することである。

このために、本発明に係る光学デバイスは、
第一の表面及び第二の表面を含む重合体フィルム、
前記第一の表面に配置された第一の電極、
前記第二の表面に配置された第二の電極、及び
前記第一の電極に又は前記第一の表面に配置された変形可能な光学素子
を含む。

電圧の差が、二つの電極の間に印加されるとき、マックスウェルの応力の現象は、重合体フィルムが、平面の方向に延びることを引き起こし、且つ、この伸長は、変形可能な光学素子に伝達される。光学素子の光学特性は、それの変形の結果として、変化する。

光学素子が、重合体フィルムと直接接触するので、光学デバイスは、小さい大きさのものである。

重合体フィルムの伸長が、電極の間に印加された電圧の差に依存するので、光学素子の変形は、容易に制御可能である。

特に、前記光学素子は、円形のレンズ又は回折格子である。

このように、光学デバイスを、レンズの焦点又は回折格子のピッチを変動させるために、使用することができる。

好適な実施形態において、光学素子は、シリコーンゴムで作られるか、又は、環状オレフィン共重合体で作られる。

このような材料は、光学品質と変形する能力との間の妥協に至る特性を有する。

好適な実施形態において、重合体フィルムは、シリコーンゴム又はアクリル系の誘電性エラストマーで作られる。

このような材料は、光学素子の光学特性を、大部分において変更することができるように、実質的な変形を可能にする。

好適な実施形態において、第一の電極及び第二の電極は、円形の形状を有する。

好適な実施形態において、第一の電極及び第二の電極は、環の形状を有する。

電極が、透明な材料で作られるとすれば、光ビームは、重合体フィルム及びそれの光軸に沿って光学素子を通過することができる。この特徴は、特に、円形のレンズに関する。

環の形状を有する電極は、電極について透明な材料又は不透明な材料のいずれの使用をも可能にする。

また、本発明は、重合体フィルム又は電極と接触した光学素子を変形させるための、電圧の差を受けることが意図された二つの電極の間に挟まれた重合体フィルムに関する。

このようなフィルムの特性及び電極に対する重合体フィルムの特定の配置は、都合良くは、電気的な制御の下で光学素子を変形させるために使用される。

また、本発明は、光学素子の光学特性を変化させる方法に関し、
当該方法は、
重合体フィルムの第一の表面に第一の電極を配置するステップ、
前記重合体フィルムの第二の表面に第二の電極を配置するステップ、
前記第一の電極に又は前記第一の表面に前記光学素子を配置するステップ、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧の差を印加するステップ
を含む。

このような方法を、光学素子の光学特性を電気的に変化させるために、使用することができる。

本発明の詳細な説明及び他の態様を、以下に与えることにする。

今、本発明の特定の態様を、以後に記載する且つ添付する図面と一緒に考慮される実施形態を参照して説明することにするが、ここで同一の部分又はサブステップは、同じ様に表される。

本発明は、マックスウェルの応力の現象を利用する。この現象は、二つの電極の間に挟まれた重合体材料の変形に関する。電圧の差が、前記電極の間に印加されるとき、自由電荷から結果として生じる静電力が、重合体を圧迫する及び引き伸ばす。

図１Ａは、第一の状態における本発明に係る光学デバイスの実施形態を描く。この実施形態は、第一の表面１０７及び第二の表面１０８を含む重合体フィルム１０１、前記第一の表面に配置された第一の電極１０２、前記第二の表面に配置された第二の電極１０３、前記第一の電極１０２に配置された変形可能な光学素子１０４を含む。重合体フィルム１０１は、都合良くは、シリコーンゴム又はアクリル系の誘電性エラストマー（例えば、ＮｕＳｉｌのＣＦ１９−２１８６及びＶＨＢ４９１０アクリル系と呼ばれるエラストマー）で作られる。誘電性重合体の特性は、それらが軟らかい（準拠した）ようなものであり、相対的に高い（おおよそ３以上の）比誘電率を有し、且つ、（数十ｋＶ／ｍｍから百ｋＶ／ｍｍまでの）高い破壊電圧を有する。光学素子は、都合良くは、シリコーンゴムで作られた又は環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）で作られた円形のレンズに対応する。そのレンズを、直接的に又は接着剤によって電極に固定してもよい。そのレンズは、値ｒ１の曲率半径を有する。

この光学デバイスは、都合良くは、光学素子１０４の光軸に対応する、軸ＡＡのまわりに対称的である。

第一の電極１０２は、線１０５に接続され、且つ、第二の電極１０３は、線１０６に接続される。線１０５及び１０６は、電圧の差Ｖに接続されることが意図されている。

電極は、それらが、重合体フィルムと共に変形することができるように、準拠した（軟らかい）材料で作られる。電極を、溶射、スクリーン印刷、又はフォトリソグラフィーを介して、堆積させてもよい。電極を、黒鉛のペースト、非常に細い金属の線、又は非常に薄い金属のフィルムで作ることができる。

電極は、都合良くは、光ビームが、レンズ、重合体フィルム、及び電極を通過することができるように、透明な材料で作られる。その場合には、電極は、例えば、重合体のＬＥＤ表示装置に使用される“ｐｄｏｔ”として知られた材料で作られる。

図１Ｂに描いた第二の状態において、電圧の差Ｖは、線１０５−１０６を介して電極の間に印加される。重合体フィルム１０１（及び電極１０２−１０３）は、結果として、重合体フィルムによって定義された平面に対して平行な平面における径の方向ｄ１及びｄ２において、膨張する。結果として、レンズ１０４は、また変形し、それの曲率半径ｒ２が変化することを引き起こす。

（概して数十パーセント程度の）重合体フィルムのひずみは、電圧の差Ｖに対して二次の関係を有する。それは、重合体フィルムの厚さに依存して、数ｋＶ程度のものでなければならない。電圧を減少させるために、都合良くは、多層構造を作ってもよい。

図１Ｃは、三次元の分解組み立て図で図１Ａ及び図１Ｂの第一の実施形態を描く。重合体フィルムは、好ましくは、それの変形が、径の方向に対称的であるように、円形の形状を有する。都合良くは、レンズ１０４の光軸ＡＡは、重合体フィルム１０１によって定義された平面に対して垂直である。

図１Ｄは、第一の状態における本発明に係る第一の実施形態の代替物を描く。それは、円形のレンズ１０４が、第一の表面１０７に配置されるという点で、図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃと異なる。さらに、光学レンズの前における第二の表面１０８の部分的な領域は、前記第二の電極によって被覆されない。このように、電極１０２−１０３は、レンズ１０４の光軸ＡＡのまわりに中心を置いた環を形成する。この代替物は、不透明な電極１０２−１０３のみならず透明な電極の使用を可能にする。

図１Ｅに描かれた第二の状態において、電圧の差Ｖは、線１０５−１０６を介して電極の間に印加される。重合体フィルム１０１（及び電極１０２−１０３）は、重合体フィルムによって定義された平面に対して平行な平面における、径の方向ｄ１及びｄ２において膨張する。結果として、レンズ１０４は、また変形し、それの曲率半径ｒ２が変化することを引き起こす。

図１Ｆは、三次元の分解組み立て図で図１Ｄ及び図１Ｅに記載されたような第一の実施形態を描く。

図２Ａは、第一の状態における本発明に係る光学デバイスの第二の実施形態を描く。この実施形態は、第一の表面２０７及び第二の表面２０８を含む重合体フィルム２０１、前記第一の表面に配置された第一の電極２０２、前記第二の表面に配置された第二の電極２０３、第一の電極２０２に配置された変形可能な光学素子２０４を含む。重合体フィルム２０１は、都合良くは、シリコーンゴム又はアクリル系の誘電性エラストマー（例えば、ＮｕＳｉｌのＣＦ１９−２１８６及びＶＨＢ４９１０アクリル系と呼ばれるエラストマー）で作られる。誘電性重合体の特性は、それらが軟らかい（準拠した）ようなものであり、相対的に高い（おおよそ３以上の）比誘電率を有し、且つ、（数十ｋＶ／ｍｍから百ｋＶ／ｍｍまでの）高い破壊電圧を有する。光学素子は、都合良くはシリコーンゴムで作られた又は環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）で作られた基部の表面を有する回折格子に対応する。回折格子を、電極に直接的に又は接着剤によって、固定してもよい。回折格子は、値ｐ１のピッチを有する。

第一の電極２０２は、線２０５に接続され、且つ、第二の電極２０３は、線２０６に接続される。線２０５及び２０６は、電圧の差Ｖに接続されることが意図されている。

電極は、それらが、重合体フィルムと共に変形することができるように、準拠した（軟らかい）材料で作られる。電極を、溶射、スクリーン印刷、又はフォトリソグラフィーを介して、堆積させてもよい。電極を、黒鉛のペースト、非常に細い金属の線、又は非常に薄い金属のフィルムで作ってもよい。

図２Ｂに描いた第二の状態において、電圧の差Ｖは、線２０５−２０６を介して電極の間に印加される。重合体フィルム２０１（及び電極２０２−２０３）は、重合体フィルムによって定義された平面に対して平行な平面における方向ｄ１及びｄ２において、膨張する。結果として、回折格子２０４は、また、それの回折格子のベクトルに沿って変形し、それのピッチｐ２が変化することを引き起こす。

電極は、都合良くは、光ビームが、回折格子、重合体フィルム、及び電極を通過することができるように、透明な材料で作られる。その場合には、電極は、例えば、重合体のＬＥＤ表示装置に使用される“ｐｄｏｔ”として知られた材料で作られる。

（概して数十パーセント程度の）重合体フィルムのひずみは、電圧の差Ｖに対して二次の関係を有する。それは、重合体フィルムの厚さに依存して、数ｋＶ程度のものでなければならない。電圧を減少させるために、都合良くは、多層構造を作ってもよい。

図２Ｃは、三次元の分解組み立て図で図２Ａ及び図２Ｂの第二の実施形態を描く。重合体フィルムは、好ましくは、回折格子の構造に対して平行な及び垂直な辺を有する長方形の形状を有する。

図２Ｄは、三次元の分解組み立て図で、本発明に係る第二の実施形態の代替物を描く。それは、回折格子２０４が、第一の表面２０７に配置されるという点で、図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃと異なる。さらに、回折格子の前における第二の表面２０８の部分的な領域は、前記第二の電極によって被覆されない。このように、電極２０２−２０３は、長方形の又は正方形の周囲を形成する。この代替物は、不透明な電極２０２−２０３のみならず透明な電極の使用を可能にする。

フィルムの重合体の変形は、境界条件のみならず、使用される材料の弾性率、その材料の形状に依存する。

本発明は、重合体フィルムについて記載した形状に限定されない。それどころか、他の形状を、前記重合体フィルムに配置された光学素子を不均一な方式で変形させるために、定義することができるであろう。

また、本発明は、光学素子を変形させるための二つの電極の間に挟まれた重合体フィルムに関する。

また、本発明は、光学素子の光学特性を変化させる方法に関し、当該方法は、
重合体フィルムの第一の表面に第一の電極を配置するステップ、
前記重合体フィルムの第二の表面に第二の電極を配置するステップ、
前記第一の電極に又は前記第一の表面に前記光学素子を配置するステップ、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧の差を印加するステップ
を含む。

第一の状態における本発明に係る光学デバイスの第一の実施形態を描く。 第二の状態における第一の実施形態を描く。 三次元の分解組み立て図で第一の実施形態を描く。 第一の状態における第一の実施形態の代替物を描く。 第二の状態における第一の実施形態の代替物を描く。 三次元の分解組み立て図で第一の実施形態の代替物を描く。 第一の状態における本発明に係る光学デバイスの第二の実施形態を描く。 第二の状態における第二の実施形態を描く。 三次元の分解組み立て図で第二の実施形態を描く。 三次元の分解組み立て図で第二の実施形態の代替物を描く。

Claims (8)

1. 第一の表面及び第二の表面を含む重合体フィルム、
   前記第一の表面に配置された第一の電極、
   前記第二の表面に配置された第二の電極、
   前記第一の電極に又は前記第一の表面に配置された変形可能な光学素子
   を含む光学デバイス。
2. 前記光学素子は、円形のレンズ又は回折格子である、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記光学素子は、シリコーンゴム又は環状オレフィン共重合体で作られる、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記重合体フィルムは、シリコーンゴム又はアクリル系の誘電性エラストマーで作られる、請求項１、２又は３に記載の光学デバイス。
5. 前記第一の電極及び前記第二の電極は、円の形状を有する、請求項１、２、３又は４に記載の光学デバイス。
6. 前記第一の電極及び前記第二の電極は、環の形状を有する、請求項１、２、３又は４に記載の光学デバイス。
7. 電圧の差を受けることが意図された二つの電極の間に挟まれた重合体フィルムであって、
   前記重合体フィルム又は前記電極と接触した光学素子を変形させる、重合体フィルム。
8. 光学素子の光学特性を変化させる方法であって、
   当該方法は、
   重合体フィルムの第一の表面に第一の電極を配置するステップ、
   前記重合体フィルムの第二の表面に第二の電極を配置するステップ、
   前記第一の電極に又は前記第一の表面に前記光学素子を配置するステップ、
   前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧の差を印加するステップ
   を含む方法。

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