JP2007183635A - 流体チャンバーの一端に多重突起が形成された可変焦点レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】気泡が発生されないように容易に製造できる可変焦点レンズ。
【解決手段】互いに混合することなく且つ互いに屈折率の異なる第１流体及び第２流体が入った管体であって、開放された一端に互いに離隔された複数の突起が形成された流体チャンバーと、上記突起と予め所定の間隔を置いて上記チャンバーの一端に密封結合された透明板と、第１流体に作用するよう上記チャンバー内に配置された第１電極と、第１流体と絶縁された第２電極とを含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、可変焦点レンズに関し、より具体的にはチャンバーの一端に複数の突起が形成され気泡が生じないよう容易に製造することができるばかりでなく、温度及び圧力のような外部環境の変化による流体の体積変化を吸収することで、体積変化による気泡の流入及び成長をなくし外部環境の変化にもレンズとしての役目に問題がないように構成した可変焦点レンズに関する。

一般的にカメラは、多数個のレンズを設けており、各々のレンズを移動させその相対距離を変化させることで光学的な焦点距離を調節するように構成される。一方、このようなレンズが装着されるカメラなどの光学機器が小型化されるによってレンズもやはり小型化が求められている。

小型化の要求に応ずるための方法としては、特許文献１に開示したもののような可変焦点レンズがある。

図１は、特許文献１の実施例として提案された可変焦点レンズの簡略断面図である。図１のように上記の可変焦点レンズは、互いに異なる屈折率を有し且つメニスカス（ｍｅｎｉｓｃｕｓ）１４を介して接触する非混合性の第１流体Ａ及び第２流体Ｂとを備えており、シリンダ壁を有するシリンダ形状の流体チャンバー５と、上記シリンダ壁の内側に配置された流体接触層（ｃｏｎｔａｃｔ ｌａｙｅｒ）１０と、上記流体接触層１０によって上記第１流体Ａ及び第２流体Ｂと分離される第１電極２及び上記第２流体Ｂを活性化させる第２電極１２とを含む。

ここで、上記第１電極２はシリンダ形状として絶縁層（ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇｌａｙｅｒ）８によってコーティングされ、かつ金属性物質から成り、上記第２電極１２は流体チャンバー５の一側に配置される。

また、透明な前方要素４と透明な後方要素６は上記の２つの流体を収容する上記流体チャンバー５のカバーを形成する。

このような構成を有する可変焦点レンズの動作は次の通りである。

上記第１電極２と第２電極１２の間に電圧が印加されない時、上記流体接触層１０は第２流体Ｂより第１流体Ａに対して高い湿潤性（ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ）を有する。

仮に上記第１及び第２電極の間に電圧が印加されると、電気湿潤（ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）のために、上記第２流体Ｂによる湿潤性が変わり、図に示すようにメニスカス１４の接触角Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が変わるようになる。

従って、印加される電圧に応じてメニスカスの形状が変化するようになり、これを利用して焦点調節が行われるようになる。

即ち、図１乃至図３のように、印加された電圧の大きさに応じて第１流体Ｂで測定した上記メニスカス１４と流体接触層１０の間の角度は、各々鈍角から鋭角、例えば略１４０゜、１００゜、６０゜などに変化するようになる。

ここで、図１は高い負の屈折力（Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ）、図２は低い負の屈折力、図３は正の屈折力を有する配置を示している。

このように流体を利用した可変焦点レンズは、従来のレンズの機械的駆動によって焦点を調節する方式に比べ小型化に有利な長所を有する。

しかしながら、このような可変焦点レンズは、図４に示すような短所がある。即ち、可変焦点レンズは液体から成るためチャンバー５内に完全に密封されていないと、図４に示すように気泡１８が発生する恐れがある。

一方、図面の符号１６は前方要素４と流体接触層１０とを密封結合させるシーリングである。

これを図５及び図６を参照してより詳しく説明する。

先ず、図５に示すように、チャンバー壁３０の間の空間に流体Ａ、Ｂをチャンバー壁の上端３２に流れない程度に凸状になるように満たす。この状態で、上部透明板４０を矢印Ｃに沿って上から下に移動させると、流体Ａは上部透明板４０の下面と接触することによって上部透明板の下面に沿って広がるようになる。従って、上部透明板４０がチャンバー壁３０と完全に結合されると、図６に示すように、流体Ａの中間部分に気泡Ｖが発生するようになる。流体レンズにこのような気泡Ｖが発生すると使用できなくなる。これは図４を参照して前述した問題の一例である。

これを防止するために、レンズ組立作業を液体内で行うことができるが、これは気泡の発生を完壁に抑制できず、作業性を落としてレンズの大量生産を妨げる。
国際公開０３／０６９３８０号パンフレット

従って、本発明は前述した従来の技術の問題を解決するために案出されたもので、本発明の目的はチャンバーの一端に複数の突起が形成され気泡が発生しないように容易に製造することができる可変焦点レンズを提供することである。

本発明の他の目的は、チャンバーの一端に複数の突起が形成され温度及び圧力のような外部環境の変化による流体の体積変化を吸収することで、体積変化による気泡の流入及び成長をなくし外部環境の変化にもレンズとしての役目に問題がないように構成した可変焦点レンズに関する。

前述した本発明の目的を達成すべく、本発明は互いに混合することなく且つ互いに屈折率の異なる第１流体及び第２流体が入った管体であって、開放された一端縁に沿って複数の突起が形成された流体チャンバーと、上記突起と予め所定の間隔を置いて上記チャンバーの一端に密封結合された透明板と、第１流体に作用するよう上記チャンバー内に配置された第１電極と、第１流体と絶縁された第２電極とを含むことを特徴とする可変焦点レンズを提供することを特徴とする。

本発明において、上記チャンバーは透明な材料から成り、一定な厚さで塞がれた他端を有することを特徴とする。

本発明において、上記第１流体は伝導性流体であり、上記第２流体は非伝導性流体であることを特徴とする。

本発明において、各々の上記突起の断面形状は、三角形、四角形及び梯形のいずれか一つであることを特徴とする。

本発明において、上記チャンバーの他端に密封結合された第２透明板をさらに含むことを特徴とする。

本発明において、上記複数の突起のうち第１突起及び第２突起は第１流体及び第２流体の全体体積の１％に該当する大きさの空間を形成するように互いに離隔されたことを特徴とする。

本発明によれば、可変焦点レンズはチャンバーの一端に複数の突起が形成されることによって気泡の発生による性能低下を防止することができる。また、本発明の可変焦点レンズは空気中で製造することができる。従って、本発明は可変焦点レンズの安全性を改善するだけでなく、その製造を容易にすることによって生産性を画期的に向上させることが可能である。さらに複数の突起は温度変化などによる流体体積の変化を吸収することで、流体体積の変化がレンズ本体に及ぶストレスを除去するか最小化することができる。

以下、本発明の好ましき実施例を、添付図面を参照してより詳しく説明する。

先ず、図７を参照すると、本発明の実施例による可変焦点レンズ１００の構成が概略的に示される。

本発明の可変焦点レンズ１００は、一端に第１バンプまたは第１突起１１２、第２突起１１４及び２つの第３突起１１５が形成され、管形状の内部空間を形成するチャンバー壁１１０と、突起１１２、１１４、１１５と予め所定の間隔Ｇを置いてチャンバー壁１１０の上端１１０Ａに結合された上部透明板１２０及びチャンバー壁１１０の下端１１０Ｂに結合された下部透明板１３０とを含む。

ここで、第１突起１１２は直四角形の断面を有し、各々の第２突起１１４及び第３突起１１５は三角形の断面を有する。従って、第１突起１１２、第２突起１１４及び第３突起１１５によって３つの溝が形成される。

この際、上部透明板１２０とチャンバー壁１１０はシーリング１２２を介して気密結合され、下部透明板１３０とチャンバー壁１１０は（図示せず）ボンディング層によって互いに結合される。ボンディング方法では、例えばフリットボンディング（ｆｒｉｔ ｂｏｎｄｉｎｇ）を採用することができる。これと異なって、下部透明板１３０はチャンバー壁１１０と一体で形成され得る。例えば透明な基板にチャンバーに該当する、塞がれた溝を加工することにより下部透明板とチャンバー壁が一体となったレンズ本体を形成することができる。

一方、チャンバー壁１１０と、上部透明板１２０及び下部透明板１３０によって形成されたチャンバーの内部空間内には互いに混合しない第１流体Ａ及び第２流体Ｂが満たされる。第１流体Ａ及び第２流体Ｂは実質的に同じ比重を有し、且つ互いに異なる屈折率を有する。また、いずれかの一つは伝導性流体であり、他方は非伝導性流体である。本実施例では、流体Ａが伝導性流体であり、流体Ｂが非伝導性流体である。

図７のＡ部分をより詳しく説明すると、流体Ａの一部は第１１２と第２突起１１４の間の空間を満たし、第２突起１１４と上部透明板１２０の間に凸状にとどまった凸面Ａ１を形成し、第２突起１１４の内側では上部透明板１２０と密着接触する。この時、図１２を参照して後述するように、流体Ａの量が多い場合、その一部が突起１１４と上部透明板１２０の間から気泡の領域、即ち空隙Ｖに落ち滴状Ｄ１で存在することもできる。その結果、気泡は突起１１４の外側、即ち突起１１４とシーリング１２２の間の空隙Ｖにのみ存在し、突起１１４の内側のチャンバー内には存在しない。このような凸面Ａ１は突起１１４と上部透明板１２０の間に沿って円形で形成される。図８（ａ）にこれらの上からみたものを示す。

このように流体Ａを第１突起１１２及び第２突起１１４の間の空間に満たして置くと、温度変化により流体Ａ、Ｂの体積が減少した際、凸面Ａ１を形成していた第１流体Ａの剰余分がチャンバー側に移動する。その結果、第１突起１１２の内側には気泡が発生されなくなる。

一方、図７のＢ部分及び図８（ｂ）に示すように、流体Ａの凸面Ａ２は第１突起１１２と上部透明板１２０の間に沿って形成されることもできる。

一方、図８（ｃ）に示すように、流体Ａは一部が第１突起１１２と上部透明板１２０の間に沿って凸面Ａ２を形成し、他の一部が第２突起１１４と上部透明板１２０の間に沿って凸面Ａ１を形成することもできる。

このような凸面Ａ１、Ａ２は流体Ａの量または体積の変化に応じて決められる。

図９を参照すると、本発明の他の実施例による可変焦点レンズ１００Ａの構成が概略的に示される。

図９の可変焦点レンズ１００Ａはチャンバー壁１１０の内面１１６が内側から下向きに傾斜している。そのため、チャンバー壁１１０の内径は図面の上から下に、即ち上端１１０Ａから下端１１０Ｂに向かうほど細くなっている。このような傾斜した構成は第１流体Ａ及び第２流体Ｂの初期条件を最適化するために適用され、傾斜角はこれらの流体Ａ、Ｂの接触角に応じて異なって適用される。こうすると、第１突起１１２ａは梯形断面を有するようになる。

可変焦点レンズ１００Ａはこのような傾斜構成を除いては、図７の構成と実質的に同じであるので追加説明は省略する。

図１０を参照すると、本発明のさらに他の実施例による可変焦点レンズ１００Ｂの構成が概略的に示される。

図１０の可変焦点レンズ１００Ｂは第１突起１１２ｂの末端が尖って形成されたことを除いては、図９の構成と実質的に同じである。勿論、このように尖って形成した第１突起１１２ｂは、図７の構成にも採用することが可能である。

図１１乃至図１３は、図１０の可変焦点レンズ構造での界面形態及び効果を示す断面図である。便宜上、図１０の構造に基づいて説明するが、これは図７及び図９の構造にも同じく適用できる。

先ず、チャンバー内に流体Ｂと流体Ａを精密に注入すると、上層の流体Ａは突起１１２ｂの上側から膨らんだ形状を有するようになる。この形状は、便宜上、誇張したものであり、実際には注入される流体Ａの量が精密制御されるので、流体Ａが突起１１２ｂ上に突出する大きさは微々たるものである。

この状態で、上部透明板１２０を上から下へとチャンバー壁１１０に結合させると、先ず流体Ａの凸部分が透明板１２０の下面と接触し、その後透明板１２０によって押さえられ外側方向、即ち、第１突起１１２ｂの方に押し出され、図１２に示すように第２突起１１４と上部透明板１２０の間に凸状に形成された状態でとどまるようになる。

言い換えると、流体Ａは上部透明板１２０の下面と接触することによって上部透明板１２０の下面に沿って広がるようになる。この際、第１突起１１２ｂと第２突起１１４の間の空間を満たした後、第２突起１１４と上部透明板１２０の間に凸面Ａ１を形成しながらとどまった状態のままになる。これは流体Ａと突起１１４の先端が有する力（または表面張力）が、上部透明板１２０の下面に沿って広がる流体Ａの力より大きく流体Ａを第２突起１１４と上部透明板１２０の間に取って置くためである。このような現象は水滴が平坦面上で凸状を維持するのと類似して理解できる。

一方、仮に流体Ａの量が多すぎて突起１１４の内側の空間を満たして残った場合には、余分の流体が突起１１２と上部透明板１２０の間の力に打ち勝ち、滴状で第２突起１１４から落ちる。この余分の流体は、図１２に示すように第２突起１１４と第３突起１１５の間の溝に滴Ｄ１を形成するようになる。一方、押し出された流体の量が第２突起１１４と第３突起１１５の間の溝より大きいと、超過分に該当する流体は第３突起１１５の間の溝に再び滴を形成するようになる。

こうなると、図４乃至図６に示すような従来の技術の問題が解消できる。

即ち、第２突起１１４の先端に流体Ａが到逹すると、流体Ａは図６のように広がる一方に、突起１１４との作用する力によって突起１１４と上部透明板１２０の下面の間にとどまるようになることで、図４及び図６に示すような気泡の発生を防止するようになる。従って、本発明の可変焦点レンズは空気中で容易に製造でき、それにより生産性が画期的に向上できるようになる。

このような現象は上部透明板１２０を装着する時にのみ起こるものではない。即ち、図１２に示した形態に装着された場合にも、温度上昇などによって流体Ａ、Ｂに体積の増加が起こると、増えた体積に該当する流体Ａの一部は第２突起１１４及び第３突起１１５の間の溝に移動し、図１２のような滴Ｄ１を形成するようになる。

逆に、図１３に示した形態に装着された場合には、温度下降などによって流体Ａ、Ｂの体積が減少すると、流体Ａの凸面Ａ１は矢印Ｃ方向に移動し内側凸面Ａ２を形成することにより第１突起１１２の内側の体積減少を補うようになる。この際、凸面Ａ２は図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように第１突起１１２ｂの全体または一部に沿って形成される。即ち、体積減少の大きい場合には図８（ｂ）に示すように凸面Ａ２が形成され、体積減少が小さい場合には図８（ｃ）に示すように凸面Ａ１、Ａ２が混在するようになる。

このような特徴を考慮した時、本発明の多重突起構造は流体チャンバー内側の気泡形成を防止する機能だけでなく、流体Ａ、Ｂの体積変化により流体レンズ本体に加えられるストレスを吸収することができることが分かる。

このような特徴を達成するためには、第１突起１１２ｂ及び第２突起１１４は、流体Ａの特性に応じて異なり得るが、組立の際、気泡が発生されず、流体レンズで作動しながら密封状態を維持することができる程度の間隔と幅で形成するようになる。

図１０の突起構造を再度説明すると、突起１１２ｂ、１１４、１１５と上部透明板１２０との間隔Ｇは液体注入量に応じて調節可能であるが、概ね２０μｍ以下であることが好ましい。間隔Ｇはストッパによって調節可能であり、ストッパにはシーリング１２２を利用するか、他の物理的な手段を採用することができる。

第１突起１１２ｂと第２突起１１４との間隔Ｐ１と、第２突起１１４と第３突起１１５との間隔Ｐ２は３００μｍの程度が好ましい。一方、第１突起乃至第３突起１１２ｂ、１１４、１１５の空間の深さ、即ちこれら突起１１２、１１４、１１５の高さｈは４００μｍの程度が好ましい。

一方、図７及び図９の構造を基にした時、第１突起１１２、１１２ａの幅は ３００μｍ以下にする方が良い。

このような数値は温度変化などによる通常最大１％に達する流体Ａ、Ｂの体積変化を収容できる程度で決められる。即ち、全体体積が約２０μｌである液体レンズを製造した際、該レンズの直径は略５ｍｍとなるので、この周りに３００μｍの広さと４００μｍの高さに第１突起とともに一つの第２突起を形成すると、このような体積変化を十分に吸収することができる。勿論、流体チャンバーの体積が２０μｌより小さい場合にはこれより小さい値に調節するようになる。また、安定した性能のためには一つまたはその以上の第２突起を形成することが可能である。

続いて、図１４ａ乃至図１５を参照して図９の可変焦点レンズの多重突起の変形例を説明する。

図１４ａの変形例で、第２突起１１４ａ及び第３突起１１５ａは直四角形の断面を有する。図１４ｂ及び図１４ｃの変形例において第２突起１１４ｂ及び第３突起１１５ｂは直角三角形の断面を有するが、図１４ｂの形態と図１４ｃの形態とは図中で左右対称である。

図１５の変形例では、第１突起１１２ｂに加えて、第２突起１１４および第３突起１１５の２つの突起が形成される。第２突起１１４は、第１突起１１２ｂから予め所定の間隔Ｐ_１を置いて形成される。また、第３突起１１５は、第２突起１１４に対して予め所定の間隔Ｐ_２を置いて形成される。

この時、間隔Ｐ_１、Ｐ_２は７５０μｍ以下であることが好ましい。これは間隔Ｐ_１、Ｐ_２が７５０μｍを超えてしまうと、突起１１２ｂ、１１４、１１５の間の距離が大きすぎて第２突起１１４及び第３突起１１５を形成した効果を期待し難くなるためである。

図１６は図９の可変焦点レンズ１００Ａに電極１４０、１４２を形成した状態を示す。

図１６の可変焦点レンズは、上部透明板１２０の下面に形成された第１電極１４０と、チャンバー壁１１０の内面１１６に形成された第２電極１４２及び第１電極１４０と第２電極１４２との電気的絶縁のために第２電極１４２の表面に形成された絶縁層１４６とをさらに含む。一方、第２電極１４２と外部電源１５０との連結のためにチャンバー壁１１０の下端１１０Ａと下部透明板１３０の間の境界面に伝導体１４４が設けられている。

この際、第１流体Ａは伝導性流体であり、第２流体Ｂは非伝導性流体である。また、チャンバー壁１１０は硝子及びセラミックのような絶縁体で構成される。

また、電源１５０と電線が提供され、第１電極１４０は電線を介して電源１５０に電気的に繋がり、第２電極１４２は伝導体１４４と電線１４８を電源１５０に電気的に繋がる。

こうすると、図１乃至図３を参照して説明したように電源１５０の印加電圧を変化させ第１流体Ａ及び第２流体Ｂの間のメニスカスＭを変化させることで可変焦点レンズの焦点距離を調節することが可能である。

この際、メニスカスＭの変化に応じて伝導性第１流体Ａが第２電極１４２と接触しないように絶縁層１４６は十分な広さで第２電極１４２を覆うように形成されなければならない。

一方、第１電極１４０及び第２電極１４２はスパッタリングまたは電子ビーム蒸着のような蒸着作業によって形成すると好ましい。

このように形成すれば、第１突起１１２ａ及び第２突起１１４間の溝には余剰流体が滴Ｄ１として形成され得る。

図１７は図９の可変焦点レンズ１００Ａに電極を他の形態に形成した状態を示す断面図である。

図１７の可変焦点レンズは上部透明板１２０の向かい側の突起１１２ａ、１１４、１１５と、チャンバー壁１１０の上端１１０Ａに設けられた第１電極１４０と、チャンバー壁１１０の内面１１６に設けられた第１電極１４０と第２電極１４２との電気的絶縁のために第２電極１４２の表面に形成された絶縁層１４６とをさらに含む。

このような第１電極１４０の形態を除いた他の構成は図１６の構成と同じであるので追加説明は省略する。

上記では本発明の好ましき実施例を参照して説明したが、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば上述の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内において本発明を多様に修正及び変更できることを理解するであろう。

従来技術による可変焦点レンズの構造及び動作を示す断面図である。 従来技術による可変焦点レンズの構造及び動作を示す断面図である。 従来技術による可変焦点レンズの構造及び動作を示す断面図である。 従来技術による可変焦点レンズの問題点を示す断面図である。 従来技術による可変焦点レンズでの界面形態及び効果を説明する断面図である。 従来技術による可変焦点レンズでの界面形態及び効果を説明する断面図である。 本発明の実施例による可変焦点レンズの構成を概略的に示す断面図である。 図７の流体領域を示す平面図である。 本発明の他の実施例による可変焦点レンズの構成を概略的に示す断面図である。 本発明のさらに他の実施例による可変焦点レンズの構成を概略的に示す断面図である。 図１０の可変焦点レンズ構造での界面形態及び効果を説明する断面図である。 図１０の可変焦点レンズ構造での界面形態及び効果を説明する断面図である。 図１０の可変焦点レンズ構造での界面形態及び効果を説明する断面図である。 図１０の可変焦点レンズの多重突起の変形例を示す断面図である。 図１０の可変焦点レンズの多重突起の変形例を示す断面図である。 図１０の可変焦点レンズの多重突起の変形例を示す断面図である。 図１０の可変焦点レンズに２つの形態の電極を形成した状態を示す断面図である。 図９の可変焦点レンズに２つの形態の電極を形成した状態を示す断面図である。 図９の可変焦点レンズに２つの形態の電極を形成した状態を示す断面図である。

符号の説明

１００、１００Ａ、１００Ｂ 可変焦点レンズ、
１１０ チャンバー壁、
１１０Ａ 上端、
１１０Ｂ 下端、
１１２、１１２ａ、１１２ｂ 第１突起、
１１４、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ 第２突起、
１１５、１１５ｂ、１１５ｃ 第３突起、
１１６ 内面、
１２０ 上部透明板、
１２２ シーリング、
１３０ 下部透明板、
１４０ 第１電極、
１４２ 第２電極、
１４４ 伝導体、
１４６ 絶縁層、
１４８ 電線、
１５０ 電源

Claims (6)

1. 互いに混合することなく且つ互いに屈折率の異なる第１流体及び第２流体が入った管体であって、
   開放された一端縁に沿って複数の突起が形成された流体チャンバーと、
   前記突起と予め所定の間隔を置いて前記チャンバーの一端に密封結合された透明板と、
   第１流体に作用するよう前記チャンバー内に配置された第１電極と、
   第１流体と絶縁された第２電極と、
   を含むことを特徴とする可変焦点レンズ。
2. 前記チャンバーは透明な材料から成り、一定な厚さで塞がれた他端を有することを特徴とする、請求項１に記載の可変焦点レンズ。
3. 前記第１流体は伝導性流体であり、前記第２流体は非伝導性流体であることを特徴とする、請求項１に記載の可変焦点レンズ。
4. 各々の前記突起の断面形状は、三角形、四角形及び梯形のいずれか一つであることを特徴とする、請求項１に記載の可変焦点レンズ。
5. 前記チャンバーの他端に密封結合された第２透明板をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の可変焦点レンズ。
6. 前記複数の突起のうち第１突起及び第２突起は、第１流体及び第２流体の全体体積の１％に該当する大きさの空間を形成するように互いに離隔されたことを特徴とする、請求項１に記載の可変焦点レンズ。

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