JP2007500377A - 可変レンズ - Google Patents

Abstract

可変レンズ（１００、２００、３００、４００、５００、６００）を記載する。そのレンズ（１００、２００、３００、４００、５００、６００）は、チャンバー（１２５）を含み、そのチャンバーは、少なくとも一つの側壁によって定義されると共にそのチャンバーを通じて縦に延びる光軸（９０）を有する。チャンバー（１２５）は、光軸（９０）を横断して広がるメニスカス（１５０）にわたって接触している第一の流体（１３０）及び第二の流体（１４０）を含有する。メニスカス（１５０）の周は、側壁（１２５）によって束縛される。流体（１３０、１４０）は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有する。少なくとも一つのポンプ（１１０、１１２、１１４、１１６、１５２、４２２）は、チャンバー（１２５）内に含有された流体（１３０、１４０）の各々の相対的な容積を変えることによって、光軸（９０）に沿ってメニスカス（１５０）の位置を制御可能に変えるために、配置される。

Description

本発明は、可変レンズに、このようなレンズを含む光学デバイスに、並びに、このようなレンズ及びこのようなデバイスを製造する方法に、関する。

レンズは、一つ以上の波長の光を集束させる（収束させる又は発散させる）ことができるデバイスである。用語の“光”は、可視の電磁放射及び他の波長の電磁放射の両方を含むことが理解される。

可変の（又は調節可能な）レンズは、そのレンズの一つ以上の特性を、制御可能に調節することができる、たとえば、そのレンズの焦点距離又は位置のいずれかを変えることができる、レンズである。

特許文献１は、図１Ａ及び１Ｂに図解するような、可変レンズ系４０を記述する。レンズ系４０は、流体４４で満たされた弾力的な膜４２を含む。その膜内の流体４４の圧力は、ポンプ４６によって制御される。点線は、レンズ系４０の光軸９０を図解する。膜４２は、可変レンズとして作用し、且つ、そのレンズの形状（よって、パワー）は、流体４４の圧力に依存して、変動する。図１Ａは、低い圧力での流体４４を、すなわち、膜４２が両凹レンズを形成することを、示す。図１Ｂは、高い圧力での流体４４を、膜４２が両凸レンズを形成することを、示す。

このような系は、多くの不都合を持つ。その膜の表面の移動により、良好な光学特性を維持することは、困難である。さらに、それは、機械的疲労に敏感である。そのレンズの形状の制御は、流体４４の圧力に依存するだけでなく、膜４２の弾性エネルギー容量にもまた依存する。その結果として、ある範囲の所望のレンズの形状を得ることは、特に、膜４２の弾性が時間とともに変化するとすれば、疑問であり得る。さらに、柔軟な膜は、通常、気密なものではなく、時間と共にそのデバイスからその流体が蒸発することに帰着する。

エレクトロウェッティングデバイスに基づいた可変焦点レンズもまた知られている。エレクトロウェッティングデバイスは、動作するためにエレクトロウェッティングの現象を利用するデバイスである。エレクトロウェッティングにおいては、三相の接触角は、印加電圧で変化させられる。それら三相は、二つの流体及び一つの固体を構成する。

特許文献２は、エレクトロウェッティングの効果を利用する可変焦点レンズを記述する。図２は、このような典型的な光学デバイスの断面図である。そのデバイスは、密閉された空間９２（すなわち、チャンバー又は空洞）に制限された二つの不混和性の流体８０、８７を有する。用語の“不混和性の”は、それら二つの流体が混合しないことを示唆する。第一の流体８０は、絶縁体（たとえば、シリコーン油）であり、且つ、第二の流体８７は、導電性（たとえば、水及びエチルアルコールの混合物）である。第一の流体８０及び第二の流体８７は、異なる屈折率を有する。

電圧源５０からの電圧を、第一の流体８７と電極５２との間に電場を生じさせるために、二つの電極５１、５２に印加することができる（絶縁層６５は、第二の電極５２が、導電性の第二の流体に接触することを予防する）。

第二の流体８７に印加された電圧を変動させることによって、第一の流体８０と第二の流体８７との間の界面８５の形状は、界面８５によって提供されたレンズの機能を変化させるために、変えられる。図１におけるデバイスは、第一の流体８０を位置させるために、親水性の試剤７０の環によって囲まれた絶縁層６５に直径Ｄ１の撥水性フィルム６０を有する。

このエレクトロウェッティングレンズもまた、多くの不都合を持つ。例えば、そのレンズの形状は、可変電圧によって定義され、且つ、そのレンズの形状は、その絶縁層のどんな不均一性によっても、影響される。その構成は、界面８５の形状を変えるために、相対的に高い電圧を要求する。さらに、その絶縁層は、（特に高い電圧で）帯電することを欠点としてもつこともある。その絶縁層が、不均等に帯電させられるとすれば、これは、不均等な接触角に、且つ、このように、球面でないレンズに、至ることになる。

最後に、固定焦点レンズとの問題でもあるが、同じ形状のレンズを維持するが、そのレンズの位置を単純に変えることが、望ましいとすれば、その全部のデバイスを、たとえば、高価なアクチュエータによって、機械的に移動させなければならない。このような移動は、正確に制御することが、困難であり得ると共に、振動並びに機械的な摩耗及び引き裂きに敏感であり得る。
独国特許出願公開第１９７１０６６８号明細書 国際公開第９９／１８４５６号パンフレット

本発明の実施形態の目的は、ここで参照されるのであろうと別な方法で参照されるのであろうと、先行技術の一つ以上の問題を扱う可変レンズを提供することである。また、本発明の目的は、このようなレンズを組み込む光学デバイス、並びに、このようなレンズ及びこのようなデバイスを製造する方法を提供することである。

本発明の特定の実施形態の目的は、光路が、動作中における機械的な摩耗及び引き裂きに相対的に敏感でないが、レンズの位置及びレンズの焦点が同時に調節されることを可能にする、可変レンズを提供することである。

第一の態様において、本発明は、チャンバーを含む可変レンズを提供し、そのチャンバーは、少なくとも一つの側壁によって定義されると共にそのチャンバーを通じて縦に延びる光軸を有し、そのチャンバーは、その光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触している第一の流体及び第二の流体を含有し、そのメニスカスの周は、前記の側壁によって束縛され、それら流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、その可変レンズは、そのチャンバー内に含有された前記の流体の各々の相対的な容積を変えることによって、その光軸に沿ってそのメニスカスの位置を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを含む。

それら二つの流体の間におけるそのメニスカスは、レンズとして作用し、そのように、そのレンズの有効な位置を、そのメニスカスを移動させることによって、容易に調節することができる。機械的な構成部品が、そのレンズの光路内に要求されないと、その光路は、機械的な摩耗及び引き裂きを欠点としてもたない。さらに、そのレンズの形状は、変化する電圧にさらされず、このように、そのレンズを、絶縁層の厚さ又は組成における不均一性と無関係にする。また、高い電圧におけるその絶縁層の帯電の危険度がない。

別の態様において、本発明は、可変レンズを含む光学デバイスを提供し、そのレンズは、チャンバーを含み、そのチャンバーは、少なくとも一つの側壁によって定義されると共にそのチャンバーを通じて縦に延びる光軸を有し、そのチャンバーは、その光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触している第一の流体及び第二の流体を含有し、そのメニスカスの周は、前記の側壁によって束縛され、それら流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、その可変レンズは、そのチャンバー内に含有された前記の流体の各々の相対的な容積を変えることによって、その光軸に沿ってそのメニスカスの位置を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを含む。

さらなる態様において、本発明は、可変レンズを製造する方法を提供し、その方法は、チャンバーを提供することを含み、そのチャンバーは、少なくとも一つの側壁によって定義されると共にそのチャンバーを通じて縦に延びる光軸を有し、その方法は、そのチャンバーに第一の流体及び第二の流体を、それら流体が、その光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触しているように、提供することを含み、そのメニスカスの周は、前記の側壁によって束縛され、それら流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、その方法は、そのチャンバー内に含有された前記の流体の各々の相対的な容積を変えることによって、その光軸に沿ってそのメニスカスの位置を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを提供することを含む。

別の態様において、本発明は、光学デバイスを製造する方法を提供し、その方法は、可変レンズを提供するステップを含み、その可変レンズは、チャンバーを含み、そのチャンバーは、少なくとも一つの側壁によって定義されると共にそのチャンバーを通じて縦に延びる光軸を有し、そのチャンバーは、その光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触している第一の流体及び第二の流体を含有し、そのメニスカスの周は、前記の側壁によって束縛され、それら流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、その方法は、そのチャンバー内に含有された前記の流体の各々の相対的な容積を変えることによって、その光軸に沿ってそのメニスカスの位置を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを提供するステップを含む。

本発明の他の目的及び利点は、添付する特許請求の範囲に提示されるような好適な特徴から明らかであると思われる。

本発明のより良好な理解のために、及び、それらの実施形態をどのように実施するかを示すために、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。

図３Ａは、本発明の第一の実施形態と一致した可変レンズを示す。レンズ１００を、二つの別個の素子で、すなわち、二つの流体１３０、１４０の間におけるメニスカス１５０によって形成されたレンズの機能及びそのレンズの機能の位置を変えるために配置されたびポンプ１１０で、形成されるものとみなすことができる。

流体は、どんな力に応じてもそれの形状を変える、流れる又はチャンバーの輪郭に一致する傾向にある、及び、気体、蒸気、液体、並びに流れの可能な固体及び液体の混合物を含む、物質である。

二つの流体１３０、１４０は、実質的に不混和性である、すなわち、二つの流体は、混合しない。二つの流体１３０、１４０は、異なる屈折率を有する。このように、それら流体が、異なる屈折率を有すると、レンズの機能は、それら二つの流体の接触領域に沿って形成されたメニスカス１５０によって、提供される。レンズの機能は、一つ以上の波長の光を集束させる（収束させる又は発散させる）メニスカス１５０の能力である。

それら二つの流体は、好ましくは、レンズ１００における重力の効果を最小にするために、実質的に等しい密度のものである。

流体１３０、１４０は、チャンバー１２５内に閉じ込められる。この実施形態においては、チャンバー１２５は、内部の表面又は側壁１２０によって定義された縦に延びる管の形態をとる。光軸は、その管を通じて縦に延びる。この特定の例において、そのチャンバーは、一定の円形の断面積の柱体の管であり、且つ、その光軸は、その管の軸と同軸である。付加的な壁１２１、１２２は、それら流体を閉じ込めるチャンバー１２５を形成するために、その管の末端を横切って延びる。少なくとも、光軸９０に沿って存在するチャンバー１２５の壁１２１、１２２の部分は、透明である。

二つの流体１３０、１４０の間におけるメニスカス１５０は、レンズ１００の光軸９０を横断して延びる。用語の“横断して”は、そのメニスカスが、その光軸と交差する（すなわち、それは、その光軸を横切って延びる）と共に、それが、その光軸に平行ではないことを示唆する。メニスカス１５０は、どんな所望の角度においても、光軸９０と交差してもよい。メニスカス１５０の周は、そのチャンバーの側壁１２０によって定義される。

典型的には、チャンバー１２５の所望の部分内に流体１３０、１４０を位置させるために、そのチャンバーの異なる領域は、各々の流体がぞれぞれの領域によって誘引されることになるというような、各々の流体について異なる湿潤性を有することになる。湿潤性は、ある領域が流体によって湿潤させられる（覆われる）程度である。例えば、流体１３０が有極性の流体であると共に流体１４０が無極性の流体であるとすれば、壁１２２の内部の表面は、有極性の流体１３０を誘引すると共に無極性の流体１４０を誘引しないために、親水性であってもよい。

メニスカス１５０の形状は、内部の表面１２０とそのメニスカスの縁の接触角によって決定される。よって、そのメニスカスの形状は、表面１２０の湿潤性に依存する。図解されたメニスカス１５０は、（流体１３０から目視すると）凸であるが、そのメニスカスは、どんな所望の形状のもの、たとえば、凸の、凹の、又は実質的に平坦なものであってよい。

流体で満たされたチャンバー１２５に接続されたポンプ１１０は、チャンバー１２５へ及びチャンバー１２５からある量の一つ以上の流体をポンプで供給するために、配置される。この特定の例において、ポンプ１１０は、チャンバー１２５内におけるそれら二つの流体の同じ合計の容積を維持するように、同時に流体１３０の容積を増加させると共に流体１４０の容積を減少させるために（逆の場合も同じ）、配置される。その結果は、それぞれの流体が、追加されると、メニスカス１５０を、光軸９０に沿って移動させることになる、たとえば、余分な流体１３０が、追加されるとすれば、そのメニスカスは、点線１５０’によって示唆された位置へ、その光軸に沿って距離Ｘを移動してもよい、ということになる。この特定の実施形態において、そのメニスカスの形状は、（表面１２０が、均一な湿潤性のものであると、）この移動によって変えられず、そのメニスカスの場所のみが、光軸９０に沿って変えられる。

図３Ｂは、メニスカス１５０によって提供された有効な光学的機能を図解する、すなわち、それは、焦点距離ｆの平凸レンズ１６０のものである。換言すれば、メニスカス１５０は、レンズ１６０の機能を有効に提供し、そのレンズは、（光軸９０に平行な方向でそのレンズに入射する）平行な光１７０を、そのレンズから距離ｆの焦点１７２へもたらすであろう。

そのメニスカスを（すなわち、図３Ａにおける点線１５０’によって示された位置へ）移動させてしまったとき、そのレンズの有効な位置もまた、点線１６０’によって示されたところへ移動する。メニスカス１５０、１５０’が同じ形状であると、均等に、それらが、同じ等価なレンズ１６０、１６０’の形状を有する（且つ、その結果として、同じレンズの特性、すなわち、同じパワー及び焦点距離を有することになる）。

図３Ａは、そのメニスカスが、それを位置１５０から位置１５０’へ移動させるとき、左へ距離Ｘだけ変位させられることを示唆する。同様に、等価なレンズの機能１６０’もまた、レンズの機能１６０の左にあることになる。図３Ｂの光線図が、事実とは無関係に等価な機能の実例であるとすれば、１６０’は、距離Ｙだけ１６０の左にあることになり、ここでＹ＝Ｘ／ｎ１３０であり、且つｎ１３０は、流体１３０の屈折率である。

図４は、本発明の第二の実施形態と一致した可変レンズ２００を示す。同一の符号は、類似の特徴を示唆するために、利用される。先のように、チャンバーは、側壁１２０によって定義される。そのチャンバーは、二つの実質的に不混和性の流体１３０、１４０の間の界面を形成するメニスカス１５０を含有する。光軸９０に対するメニスカス１５０の位置は、ポンプによって制御される。

レンズ２００は、本質的に、同軸に置かれた円形の柱体１２４（たとえば、側壁１２０の形態で内側の表面を有する内側のチャンバー）を含有する円錐の形状の柱体１２３（たとえば、外側のチャンバー）に対応する。柱体１２４は、円錐の形状の柱体１２３における液体の残りとの開放接続を有する。この実施形態において、第一の液体１３０は、有極性の又は導電性の液体（たとえば、水、又は導電性を増加させるために添加された塩を伴った水）であり、且つ、流体１４０は、非導電性のもの（たとえば、シリコーン油又はアルカン）である。環状の電極１１６は、それを、また、その電極を覆う絶縁層を介して第一の流体に容量性に結合させてもよいが、好ましくは、第一の流体１３０と電気的な接触にある。柱体の電極１１４、１１２は、電気絶縁性の層１１３で覆われる。

デバイス２００の内部の表面の大部分は、流体１３０によって優先的に湿潤させられる、壁１２２及び電極１１６を覆う表面から離れた、流体１４０によって優先的に湿潤させられる材料の層によって覆われる。例えば、１３０が、水であるとすれば、壁１２２及び電極１１６を覆う表面は、その水を誘引すると共に正しい位置に位置させられた水の容積を保つために、親水性である。そのデバイスの内部の表面の残りは、疎水性である。

エレクトロウェッティングを、二つの柱体１２３、１２４の間の空間においてメニスカス１５２の曲率半径を増加させるために、使用することができる。これを、電極１１６と電極１１２、１１４との間に電圧を印加する（望みであれば、同じ電位を電極１１２、１１４へ印加することができる）ことによって、達成することができる。

ラプラス（Ｌａｐｌａｃｅ）の法則に従って、その液体の内側の圧力は、それら液体間の界面の曲率半径に依存する。仮に両方の液体が、ある柱体に制限されるとすれば、圧力における変化は、流れに至らないであろう。しかしながら、この特定の実施形態におけるように、柱体１２４の両方の末端は、閉じたループを形成するために、相互接続され、液体の流れが、可能になる。このような液体の流れは、それら二つの流体の間におけるメニスカス１５０の位置を変化させることができる。メニスカス１５０の並進を、そのレンズの位置の並進とみなすことができ、従って、焦点の動きを得るために使用してもよい。

二つの柱体１２３、１２４の間におけるメニスカス１５２の半径における増加は、そのメニスカスにわたる圧力差における減少を引き起こすことになる。その結果として、液体１３０、１４０は、メニスカス１５２の半径を減少させるために、移動することになる、すなわち、それは、柱体１２３、１２４の間の間隔がより小さい方向に（すなわち、図４に示した意味においては、上方へ）移動することになる。それら液体の間の界面１５２は、柱体１２３、１２４の間の間隔が、元来の半径を復元するのに十分に小さくなるまで、移動することを継続することになる。流体１３０、１４０の合計の容積が、そのレンズ内で一定であると、メニスカス１５２の上方への移動は、表面１２０によって定義されたチャンバー内のメニスカス１５０の下方への対応する移動に至ることになる。メニスカス１５０が、光軸９０に沿って存在すると、これは、メニスカス１５０によって提供されたレンズの有効な位置における変化に対応する。この特定の例においては、表面１２０は、その光軸に実質的に平行であり、且つ、その結果として、そのレンズの機能は、位置において変化するのみであることになり、さもなければ、そのレンズの特性を変化させないことになる。

図５は、本発明の代替の実施形態を示す。その構造は、概して、図４に示したものに類似するが、この特定の実施形態において、圧力を発生させるメニスカス１５２が、平行な壁の間に制限されるのに対して、そのレンズを形成するメニスカスは、表面１２０によって定義された円錐のチャンバーに制限される。

このレンズ３００の動作の原理は、概して、レンズ２００のものと同じである。その結果として、そのエレクトロウェッティングの効果は、メニスカス１５２の曲率半径を変化させるために、利用され、メニスカス１５０の位置におけるその後の変化に至る。しかしながら、この特定の実施形態においては、メニスカス１５０の半径は、位置の関数として変動する、すなわち、そのメニスカスが、（図５に示した意味において）下方へ移動するとすれば、そのレンズの半径は、増加し、このように、レンズの強さにおける減少に至る。その結果として、この特定のレンズ３００の設計は、そのレンズの機能の強さ及び位置の両方を同時に変動させることを可能にする。位置に伴ったレンズの強さにおける変動を、適切な設計の選択によって、すなわち、光軸９０に関するそのチャンバーの表面１２０の傾斜の角度を制御することによって、制御することができる。

好ましくは、図４及び５に示したデバイスにおいて、それら円錐の柱体は、光軸９０に対する相対的に小さい傾斜の角度（たとえば、１０°未満、及びより好ましくは、５°未満）を有する。換言すれば、それら円錐の柱体は、ほとんど直立した柱体である。これは、小さい電圧の変動が、曲率における変化を補償するための、そのメニスカスの大きい変位に至ることになるという利点を有する。その結果として、小さい傾斜の角度を有することは、機能するための相対的に低い電圧を要求するデバイスを提供する。

望みであれば、それら柱体の表面は、両方とも、互いに関して平行であってもよい（たとえば、両方の円形の柱体が、その光軸に平行である）。このような例において、不安定な平衡が、それら二つのメニスカスの間で（すなわち、メニスカス１５０とメニスカス１５２との間で）発生することになる。しかしながら、光学的なメニスカス１５０を、メニスカス１５０の位置を維持するために要求されるようなメニスカス１５２を移動させるためのエレクトロウェッティングの効果を利用する、フィードバックシステムを利用することによって、正しい位置に保つことができるであろう。

あるいは、それら柱体の一つの傾斜角度が、相対的に大きい（たとえば、その光軸に関して４５°又は６０°）とすれば、そのメニスカスの大きい変位を提供するために、電圧における相対的に大きい変化が、要求されることになることは、認識されると思われる。これは、そのメニスカスの位置の非常に正確な配置を許容する。

上記の実施形態が、ほんの一例として提供されること、及び、様々な代替の設計が、本発明の範囲内に属することになることは、認識されると思われる。

例えば、上記の実施形態において、側壁１２０によって定義されたチャンバーが、円形の断面を有することが、仮定されてきた。しかしながら、そのチャンバーが、事実上は、どんな所望の断面の、すなわち、正方形の、長方形の、円形の、又は楕円形のものでもあり得ることは、認識されると思われる。その断面は、光軸９０に関して対称的なものである必要はない。

均等に、そのチャンバーを形成する表面１２０が、光軸９０に対して所定の角度で傾斜させられるか、又は、光軸９０に平行であるか、いずれかであることが、仮定されてきた。しかしながら、それら表面におけるどんな所望の配向又は変化をも利用することができるであろうということは、認識されると思われる。例えば、図６Ａは、そのチャンバーを形成する表面１２０ａの断面図を図解し、且つ、光軸９０に対するその表面の傾斜の角度は、その光軸に沿った位置と共に変動する、すなわち、表面１２０ａの断面は、湾曲させられる。

図６Ｂは、代替の構成を図解し、その構成においては、そのチャンバーを形成する表面１２０ｂのある部分が、その光軸に対して傾斜させられると共に、それら表面のある部分が、その光軸に対して実質的に平行である。

図６Ｃは、そのチャンバーを形成する表面１２０ｃのさらなる代替の配置を図解し、その配置においては、それら表面が、初期には、その光軸から所定の距離であり、且つ、その光軸に沿った距離と共に、それらが、その光軸に向かって傾斜し、且つ、その光軸から離れて傾斜させられる。

様々なタイプのポンプを、ポンプ１１０として使用してもよい。例えば、国際公開第０２／０６９０１６号パンフレットは、流体を移動させることができる方法の多くの方式を、たとえば、電気毛管、差圧電気毛管、エレクトロウェッティング、継続的エレクトロウェッティング、電気泳動、電気浸透、誘電泳動、電磁流体力学的ポンピング、熱毛管、熱膨張、誘電ポンピング、又は可変誘電ポンピングを、記述し、それらのいずれも、ポンプ１１０によって要求されたポンプの作用を提供するために、使用することができるであろう。あるいは、機械的なポンプもまた、使用することができるであろう。

本発明の可変レンズは、レンズを要求するどんな光学デバイスの部分をも形成することができるか、又は、それどころか、上述したレンズ素子は、より大きいレンズの組み立て品の部分を形成してもよいことは、認識されると思われる。

例えば、ズームレンズ内のレンズ群の少なくとも一つは、本発明の実施形態と一致したレンズを含有することができるであろう。ズームレンズは、レンズ（典型的には、カメラレンズ）であり、それの焦点距離は、固定された焦平面を維持する一方で、連続的に可変であり、このように、主体の可変な倍率を提供する。ズームレンズは、通常、二つの独立した可変レンズ群を含む。

上記の実施形態においては、そのチャンバーの表面１２０が、実質的に均一な湿潤性のものであることが、仮定されてきた。しかしながら、望みであれば、表面１２０の湿潤性を、受動的に（たとえば、コーティングを有することによって、それの湿潤性は、その光軸に沿った距離と共に変動する）か、又は、表面１２０と接触したメニスカス１５０の接触角を変化させるためにエレクトロウェッティングの効果を利用することによってか、のいずれかで、変動させることができる。このような効果を、そのレンズの曲率半径を変えることによって、レンズの強さを所望の強さに変化させるために、使用することができる。このようなレンズを、そのレンズの光学的パワーのみならず位置を別々に調節することができると、ズームレンズとして使用することができる。

図７は、本発明の別の実施形態と一致したレンズ５００を図解する。レンズの構造は、概して、図４に示したレンズ２００のものに類似する。しかしながら、余分の電極（この例では、柱体のレンズ５１４）を、表面１２０と接触したメニスカス１５０の接触角を変化させるためのエレクトロウェッティングの効果を利用するために、提供しておいた。その電極５１４は、絶縁体（たとえば、表面１２０）によって覆われる。これは、メニスカス１５０の半径を、メニスカス１５２のものとは別々に変動させることを可能にする。その結果として、メニスカス１５０によって提供されたレンズの機能の半径及び位置の両方を、電極１１２／１１４と電極１１６との間に電圧を、及び、電極１１６と電極５１４との間に電圧を、提供することによって、制御可能に変えることができる。例えば、メニスカス１５０の位置及び形状を、点線１５０’’によって示された位置及び形状へ変化させることができるであろう。このように、メニスカス１５０の位置を移動させることによって焦点に対象をまだ保つ一方で、メニスカス１５０の曲率を変化させることによって、そのレンズの焦点距離を変動させることが、可能になる。これは、光が一つの可変な界面のみを通過する必要があるズームレンズを構築することを、可能にする。

図８は、本発明の別の実施形態と一致したレンズ６００を示す。そのレンズの形状は、表面１２０の真下の余分の電極６１４の追加と共に、概して、図５に示したレンズ３００に類似する。円錐の電極６１４は、表面１２０とのメニスカス１５０の接触角を変えるために、配置される。この特定の実施形態においては、メニスカス１５０の半径（よって、そのメニスカスによって提供されたレンズの機能の半径）は、電極６１４の電圧に依存するだけでなく、メニスカス１５０の位置にもまた依存する。メニスカス１５０が、下方に移動させられるとすれば、その半径は（及び、レンズの強さと共に）、減少することになる。表面１２０のある一定の傾斜の角度については、一つの電圧のみを変化させることによって連続的に拡大する又は縮小する一方で、対象を焦点に保つことが、可能になる。

本発明の実施形態と一致したレンズを、様々な用途及びデバイスに使用することができる。

図９は、本発明の実施形態と一致した可変焦点レンズを含む対物レンズ系１８を含む、光記録担体２を走査するためのデバイス１を示す。その記録担体は、透明層３を含み、それの一方の側には、情報層４が、配置される。その透明層から離れて面する情報層の側は、保護層５によって環境の影響から保護される。そのデバイスに面するその透明層の側は、入射面６と呼ばれる。透明層３は、その情報層に機械的な支持を提供することによって、その記録担体用の基板として作用する。

あるいは、その透明層は、その機械的な支持を、その情報層の他方の側における層によって、例えば、保護層５によって、又は、さらなる情報層及び情報層４に接続された透明層によって、提供する一方で、その情報層を保護するただ一つの機能を有してもよい。

情報を、図に示唆されない、実質的に平行な、同心の、又は螺旋のトラックに配置された光学的に検出可能なマークの形態で、その記録担体の情報層４に記憶させてもよい。それらマークは、どんな光学的に読み取り可能な形態で、たとえば、ピット若しくは周囲と異なる反射係数若しくは磁化の方向を備えた領域の形態で、又は、これらの形態の組み合わせであってもよい。

走査デバイス１は、放射ビーム１２を放出することができる放射源１１を含む。その放射源は、半導体レーザーであってもよい。ビームスプリッター１３は、発散する放射ビーム１２をコリメータレンズ１４に向かって反射させ、そのレンズは、発散するビーム１２を、コリメートされたビーム１５へ変換する。コリメートされたビーム１５は、対物系１８に入射する。

その対物系は、一つ以上のレンズ及び／又は回折格子を含んでもよい。対物系１８は、光軸１９を有する。対物系１８は、ビーム１７を、記録担体２の入射面６に入射する、収束するビーム２０へ変化させる。その対物系は、透明層３の厚さを通じたその放射ビームの通過に適合した球面収差の補正を有する。収束するビーム２０は、情報層４にスポット２１を形成する。情報層４によって反射させられた放射は、発散するビーム２２を形成し、そのビームは、対物系１８によって、実質的にコリメートされたビーム２３に、及びその後、コリメータレンズ１４によって、収束するビーム２４に、変換される。ビームスプリッター１３は、収束するビーム２４の少なくとも一部分を、検出系２５に向かって透過させることによって、前進のビーム及び反射されたビームを分離する。その検出系は、その放射を取得すると共に、それを、電気的な出力信号２６へ変換する。信号処理装置２７は、これらの出力信号を、様々な他の信号へ変換する。

それら信号の一つは、情報信号２８であり、その信号の値は、情報層４から読み取られた情報を表す。その情報信号は、誤差補正用の情報処理ユニット２９によって処理される。信号処理装置２７からの他の信号は、焦点誤差信号及び径方向誤差信号３０である。その焦点誤差信号は、スポット２１と情報層４との間の高さにおける軸上の差を表す。その径方向誤差信号は、スポット２１とそのスポットによって追跡されるその情報層におけるトラックの中心との間の、情報層４の平面における距離を表す。その焦点誤差信号及びその径方向誤差信号は、これらの信号を、それぞれ焦点アクチュエータ及び径方向アクチュエータを制御するためのサーボ制御信号３２に変換する、サーボ回路３１に供給される。それらアクチュエータは、図には示されない。その焦点アクチュエータは、焦点の方向３３において対物系１８の位置を制御し、それによって、スポット２１の現実の位置を、それが、情報層４の平面と実質的に一致するように、制御する。その径方向アクチュエータは、径の方向３４において対物系１８の位置を制御し、それによって、スポット２１の径方向の位置を、それが、情報層４において追跡されるトラックの中心線と実質的に一致するように、制御する。図におけるトラックは、図の平面に垂直な方向に走る。

この特定の実施形態における図９のデバイスは、記録担体２よりも厚い透明層を有する第二のタイプの記録担体もまた走査するように、適合させられる。そのデバイスは、放射ビーム１２又は第二のタイプの記録担体を走査するための異なる波長を有する放射ビームを使用してもよい。この放射ビームのＮＡを、記録担体のタイプに適合させてもよい。その対物系の球面収差の補償を、それに応じて、適合させなければならない。

例えば、二重層のＤＶＲ（ディジタル・ビデオ・レコーディング）ディスクにおいては、二つの情報層が、０．１ｍｍ及び０．０８ｍｍの深さにある。このように、それらは、典型的には、０．０２ｍｍだけ分離される。一方の層から別のものへ再度集束させるとき、情報層の深さにおける差により、若干の２００ｍλの所望されてない球面収差が発生し、その球面収差は、補償されることを必要とする。これを、その球面収差が相殺するように、対物系１８へ球面収差を導入することによって、達成することができる。

この発明の一つの実施形態において、球面収差は、本発明と一致した可変レンズを使用することによって、対物系１８に入射するビーム１５のコリメーションを変えることによって、対物系１８へ導入される。このような可変レンズを、ビーム１５の光路内に、余分なデバイスとして導入することができるか、又は、その可変レンズが、レンズ１４の部分を形成することができる（たとえば、レンズ１４が、複合レンズである）。その所望の球面収差を導入するために、その可変レンズ内のメニスカスの位置を変動させることによって、ビーム１５を、平行であることから、要求されるように、わずかに収束する又は発散することへ、変動させることができる。

図１０は、本発明の代替の実施形態と一致したレンズを含む可変焦点画像取得デバイス４００を図解する。

デバイス４００は、表面１２０の柱体の管、うね状にした前側のレンズ４０４、及びうね状にした後側のレンズ４０６を含む複合可変焦点レンズを含む。それら二つのレンズ及びその管によって閉じ込められた間隔は、柱体の流体チャンバー１２５を形成する。流体チャンバー１２５は、第一及び第二の流体１３０及び１４０を保持する。それら二つの流体は、メニスカス１５０に沿って接する。そのメニスカスは、ポンプ４２２によってそのチャンバーに提供された各々の流体のそれぞれの容積に依存して、先に記載したように、可変な位置のメニスカスレンズを形成する。

前側のレンズ４０４は、ポリカーボナート又は環状オレフィンの共重合体（ＣＯＣ）のような、高度に屈折性のプラスチックの両凸レンズであり、且つ、正のパワーを有する。その前側のレンズの表面の少なくとも一つは、所望の初期の集束の特性を提供するために、非球面である。後側のレンズ４０６は、ＣＯＣのような、低い分散性のプラスチックで形成され、且つ、視野フラッターとして作用する非球面のレンズの表面を含む。その後側のレンズ素子の他方の面は、平坦、球面、又は非球面であってもよい。

遮光絞り４１６及び開口絞り４１８は、そのレンズの前側に追加される。ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）センサーアレイのような、ピクセル化されたイメージセンサー４２０は、そのレンズの後方におけるセンサーの平面に位置させられる。

ポンプ４２２は、無限と１０ｃｍとの間の対象の範囲を提供するために、画像信号の焦点制御処理によって誘導された、焦点制御信号と一致して、そのレンズを駆動する。

前側のレンズ素子４０４は、好ましくは、チャンバーを備えた単一の本体として形成され、そのチャンバーは、密閉されたユニットを形成するために、後側のレンズ４０６によって、封鎖される。第二のレンズ素子４０６を、図８に示したものに関して、延ばしてもよく、且つ、そのレンズの寸法を減少させるために、イメージセンサー４２０をそのレンズより下に置くことを可能とするように、レンズ素子４０６の平坦な後側の表面を、角度を付けられた、好ましくは、４５°の角度を付けられた鏡の表面によって置き換えてもよい。

前側のレンズ４０４の内側の表面及び後側のレンズ４０６の内側の表面を、流体１３０及び１４０とそのレンズが作られる材料の不適合性を回避するために、保護層で被覆してもよい。また、その保護層は、反射防止の特性を有してもよい。

上記の例によって、本発明の実施形態において、可変レンズが、提供され、そのレンズの有効な部分を、そのメニスカスを移動させることによって、容易に調節することができることは、認識されると思われる。そのレンズのチャンバーの表面の適切な設計によって、そのレンズの形状（よって、焦点距離）もまた、そのレンズを移動させるのと同時に調節してもよい。機械的な構成部品が、光路内に要求されないので、その光路は、機械的な摩耗及び引き裂きを欠点としてもたない。

図１Ｂと異なる構成における概略の断面で、知られた可変レンズを示す。 図１Ａと異なる構成における概略の断面で、知られた可変レンズを示す。 知られたタイプのエレクトロウェッティング可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明の第一の実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明の第一の実施形態と一致した、可変レンズによって提供された等価な光学的な機能を図解する。 本発明の第二の実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明の第三の実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明の図６Ｂ及びＣと異なる実施形態について、側壁の代替の断面の例を図解する。 本発明の図６Ａ及びＣと異なる実施形態について、側壁の代替の断面の例を図解する。 本発明の図６Ａ及びＢと異なる実施形態について、側壁の代替の断面の例を図解する。 本発明の第四の実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明の第五の実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明のある実施形態と一致した可変レンズを含む、光記録担体を走査するためのデバイスを図解する。 本発明のある実施形態と一致した可変レンズを含む、可変焦点画像取得デバイスを図解する。

Claims (12)

1. 可変レンズであって、
   チャンバーを含み、該チャンバーは、少なくとも一つの側壁によって定義されると共に該チャンバーを通じて縦に延びる光軸を有し、
   該チャンバーは、該光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触している第一の流体及び第二の流体を含有し、
   該メニスカスの周は、該側壁によって束縛され、
   該流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、
   当該可変レンズは、該チャンバー内に含有された該流体の各々の相対的な容積を変えることによって、該光軸に沿って該メニスカスの位置を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを含む、レンズ。
2. 前記ポンプは、電気毛管、差圧電気毛管、エレクトロウェッティング、継続的エレクトロウェッティング、電気泳動、電気浸透、誘電泳動、電磁流体力学的ポンピング、熱毛管、熱膨張、誘電ポンピング、機械的ポンピング、又は可変誘電ポンピングの少なくとも一つを利用して、動作する、請求項１に記載のレンズ。
3. 前記チャンバーの内部の表面の湿潤性は、縦に変動する、請求項１又は２に記載のレンズ。
4. 前記チャンバーの内部の表面の湿潤性は、エレクトロウェッティングの効果によって制御可能に変えられるように、配置される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレンズ。
5. 前記チャンバーは、円形の断面を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレンズ。
6. 前記チャンバーの前記内部の表面を定義する前記側壁の少なくとも一つは、前記光軸に平行ではない、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレンズ。
7. 当該レンズは、ズームレンズである、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレンズ。
8. 可変レンズを含む光学デバイスであって、
   該レンズは、チャンバーを含み、該チャンバーは、少なくとも一つの側壁によって定義されると共に該チャンバーを通じて縦に延びる光軸を有し、
   該チャンバーは、該光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触している第一の流体及び第二の流体を含有し、
   該メニスカスの周は、該側壁によって束縛され、
   該流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、
   該レンズは、該チャンバー内に含有された該流体の各々の相対的な容積を変えることによって、該光軸に沿って該メニスカスの位置を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを含む、光学デバイス。
9. 当該デバイスは、光記録担体の情報層を走査する光走査デバイスであり、
   当該デバイスは、放射ビームを発生させる放射源及び該情報層に該放射ビームを収束させる対物系を含む、請求項８に記載の光学デバイス。
10. 当該デバイスは、可変焦点画像取得デバイスである、請求項８に記載の光学デバイス。
11. 可変レンズを製造する方法であって、
    当該方法は、チャンバーを提供することを含み、該チャンバーは、少なくとも一つの側壁によって定義されると共に該チャンバーを通じて縦に延びる光軸を有し、
    当該方法は、該チャンバーに第一の流体及び第二の流体を、該流体が、該光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触しているように、提供することを含み、
    該メニスカスの周は、該側壁によって束縛され、
    該流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、
    当該方法は、該チャンバー内に含有された該流体の各々の相対的な容積を変えることによって、該光軸に沿って該メニスカスの位置を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを提供することを含む、方法。
12. 光学デバイスを製造する方法であって、
    当該方法は、可変レンズを提供するステップを含み、
    該可変レンズは、チャンバーを含み、該チャンバーは、少なくとも一つの側壁によって定義されると共に該チャンバーを通じて縦に延びる光軸を有し、
    該チャンバーは、該光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触している第一の流体及び第二の流体を含有し、
    該メニスカスの周は、該側壁によって束縛され、
    該流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、
    当該方法は、該チャンバー内に含有された該流体の各々の相対的な容積を変えることによって、該光軸に沿って該メニスカスの位置を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを提供するステップを含む、方法。

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