JP2007519025A

JP2007519025A - 可変レンズ

Info

Publication number: JP2007519025A
Application number: JP2006520065A
Authority: JP
Inventors: ステインクイペル; ボッケジェイフェーンストラ
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2007-07-12
Also published as: US7245439B2; CN100373174C; EP1658517A1; KR20060034700A; WO2005006029A1; US20060279848A1; CN1823283A

Abstract

光軸を有する可変レンズが説明される。このレンズは、光軸の周りに配置される複数の環を有する。各環は、凹凸レンズを介して接触する第１の液体と第２の液体とを含むチャンバーを定める各側壁を有する。これらの液体はほぼ混ざらず、異なる屈折率を有する。少なくとも１つの環は、凹凸レンズの構成を変える少なくとも１つの電極を有する。

Description

本発明は、可変レンズ、このようなレンズを含む光装置、このようなレンズおよびこのような装置を製造する方法に関する。

レンズは、１つまたは複数の波長の光の広がり（収斂または発散）を変えることができる素子である。光という用語は、可視電磁波、および、他の波長の電磁波の双方を含むものと理解される。

可変（調節可能な）レンズは、レンズの１つまたは複数の特性を制御して調節できるレンズのことであり、例えば、焦点距離やレンズの位置を変えることができる。

エレクトロウェティング素子にもとづく可変焦点レンズが知られている。エレクトロウェッティング素子は、動作するためにエレクトロウェッティング現象を利用する素子である。エレクトロウェッティングでは、２つの流体と固体の間の３相接触角度が印加電圧にしたがって変えられる。

国際特許出願国際公開９９／１８４５６号は、エレクトロウェッティング効果を利用する可変焦点レンズを記載している。図１は、このような典型的な光素子の断面図である。素子は、シールされた空間９２（すなわちチャンバーまたはキャビティー）に閉じ込められた２つの混じり合わない流体８０、８７を有する。混じり合わないという用語は、２つの流体が混合しないことを示す。第１の流体８０は、絶縁体（例えば、シリコンオイル）であり、第２の流体８７は電気伝導性がある（例えば、水とエチルアルコールの混合）。第１の流体８０および第２の流体８７は異なる屈折率を有する。

電圧源５０からの電圧は、第１の流体８７と電極５２の間に電場を生成するように、２つの電極５１、５２に印可することができる（絶縁層６５は、第２の電極５２が伝導性の第２の流体に接触するのを阻止する）。

第２の流体８７に印可する電圧を変えることによって、界面８５によって与えられるレンズ関数を変えるように、第１の流体８０と第２の流体８７の間の界面８５の形が変えられる。素子は、第１の流体８０を配置するように、親水性エージェント７０によって囲まれた絶縁層６５上に直径Ｄ１の撥水フィルム６０を有する。

センチメートルまたはそれより大きいオーダーのサイズを有する、流体ベースのレンズは、重力、動き、振動に対してセンシティブになる。この問題は、高粘性流体を用いることによってある程度克服できるが、これはレンズ応答時間の減少という結果になる。

また、大きな直径を有する流体レンズは、一般に、大きな厚さをも有する。したがって、比較的大きな容積になる。これは、レンズをかさばるもの、応答時間が遅いもの、スペースが重要な用途で不適切なものにする可能性がある。

本発明の実施態様の目的は、本明細書または他の明細書のいずれかで参照されている、従来技術の１つまたは複数の問題を解決する可変レンズを提供することにある。また、本発明の目的は、このようなレンズを組み込んだ光装置、このようなレンズおよびこのような装置を製造する方法を提供することにある。

本発明の特別の実施形態の目的は、なおも比較的速い応答時間を維持しつつ、動きや振動に対して比較的センシティブではない、比較的大きな直径の可変レンズを提供することにある。本発明の特別の実施形態の目的は、比較的薄い大きな直径の可変レンズを提供することにある。

第１の態様では、本発明は、光軸を有する可変レンズであって、前記光軸の周りに配置されている複数の環を有し、各環は凹凸レンズを介して接触する第１の流体と第２の流体とを含むチャンバーを定める各側壁を有し、前記流体はほぼ混ざらず、異なる屈折率を有し、少なくとも１つの前記環は前記凹凸レンズの構成を変える少なくとも１つの電極を有するレンズを提供する。

このような環またはリングを備えることによって、レンズによって与えられる全体関数は、各環の凹凸レンズによって与えられる個々の光関数の総和である。レンズはフレネルレンズとして機能し、ここで、環はフレネルレンズのゾーンを形成する。各リングの厚さは、レンズ全体の半径よりも小さい。したがって、各個々の凹凸レンズ（したがって、レンズ全体）の応答時間は、単一の凹凸レンズを有する等価なレンズの応答時間よりも速くなる。

他の態様では、本発明は、可変レンズを有する装置であって、前記可変レンズは光軸を有し、前記レンズは前記光軸の周りに配置されている複数の環を有し、各環は凹凸レンズを介して接触する第１の流体と第２の流体とを含むチャンバーを定める各側壁を有し、前記流体はほぼ混ざらず、異なる屈折率を有し、少なくとも１つの前記環は前記凹凸レンズの構成を変える少なくとも１つの電極を有する装置を提供する。

他の態様では、本発明は、光軸を有する可変レンズを製造する方法であって、前記光軸の周りに配置される複数の環を設けることと、チャンバーに凹凸レンズを介して接触する第１の流体と第２の流体とを満たすことと、少なくとも１つの前記環に前記凹凸レンズの構成を変える少なくとも１つの電極を備えることとを有し、各環は前記チャンバーを定める各側壁を有し、前記流体はほぼ混ざり合わず、異なる屈折率を有している方法を提供する。

他の態様では、本発明は、可変レンズを有する装置を製造する方法であって、前記光軸の周りに配置される複数の環を設けることを有し、各環は凹凸レンズを介して接触する第１の流体と第２の流体とを含むチャンバーを定める各側壁を有し、前記流体はほぼ混ざらず、異なる屈折率を有し、少なくとも１つの前記環は前記凹凸レンズの構成を変える少なくとも１つの電極を有する方法を提供する。

本発明のさらなる理解のために、同じ実施形態がどのようにして効を奏するかを示すために、例として、添付の概略図の参照がこれからなされる。

図２Ａと２Ｂは、それぞれ、本発明の第１の実施形態の可変フレネルレンズ１００の断面および平面図を示している。光軸９０は、レンズ１００の中心を通って延びている。

レンズ１００は、一連の環またはリング（１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０）を有し、中心のエレクトロウェッティングレンズ素子１１０を囲む。

図３Ａは、リング例えばリング１４０の一方で切った断面を示している。各リングは、凹凸レンズ２２５によって第２の流体２３０から分離された第１の流体２２０を含む。凹凸レンズ２２５は、側壁２１０ａ、２１０ｂの間に延びている。凹凸レンズ２２５は、光軸９０を横切る平面において少なくとも部分的に延びている。横切るという用語は、平面が光軸９０にクロスする（すなわち、平行ではない）ことを意味する。

流体２２０、２３０は、ほぼ混ざらず、すなわち、混合することができない。流体２２０、２３０は、異なる屈折率を有し、これにより、膜２２５上に入射した光は屈折する。

２つの流体２２０、２３０は、レンズが方向に関係なく機能するように２つの流体の間の重力効果を最小化するために、同じ密度を有するようになっているのが好ましい。

流体は、任意の力に応じてその形を変える物質であり、そのチャンバーの輪郭に流れ、または、それに従う傾向があり、流れることが可能な、気体、液体、蒸気、固体および液体の混合物を含む。

この特別の実施形態では、第１の流体２２０は、シリコンオイルまたはアルカリ溶液のような非伝導性非極性液体である。第２の液体２３０は、塩溶液を含む水（または水とエチレングリコールの混合液）のような伝導性または極性液体である。

界面２２５の変化する形は、界面によって与えられる屈折特性を変える。界面２２５の形は、エレクトロウェッティング現象により、電極２６０と電極２４０の間に電圧、電極２６０と電極２５０の間に電圧を印加することによって調節される。図３Ａには電圧源２４５、２５５がＤＣ源として示されているが、実際、任意の電圧源を望むように使用できることが理解されるだろう。好ましくは、このような電圧源は、凹凸レンズが各側壁となす接触角度を連続的に変えることができるように、電圧の範囲内で連続的に変えられるようになっている。

光がレンズ１００を介して透過することができるために、少なくともリングの対向面（図２Ａと３Ａに示された方向において上面および下面）は透明である。この特別の実施形態において、各リングは長方形の断面２１０を有し、光は透明端２１２、２１４を介して入ったり出たりする。流体２２０、２３０は、透明端２１２、２１４と側壁２１０ａ、２１０ｂによって定められたシールされた空間内に閉じ込められる。リング１４０の内部表面の一端（電極２６０として示されている端）は、極性流体２３０をひきつけるように、親水性である。リング１４０の残り（すなわち、反対の端と内部側壁）は、反親水性コーティング２７０でコートされる。

流体２３０に接触する電極２６０の表面は、完全に親水性材料によって形成されてもよく、かわりに、親水性層（例えば、二酸化シリコンまたはガラス）でコートされてもよい。電極２６０は、薄い絶縁層でカバーされてもよく、その結果、電極は流体２３０に誘電的に結合される。

この特別の実施形態では、内部表面の親水性領域２６０は、流体２３０と電気的に接触する電極を形成するために、透明な親水性伝導体（例えばインジウムスズ酸化物）によって完全にカバーされる。この特別の実施形態では、電極２６０は、各リングに共通の電極を与えるために、各リングを横切って延びている。

各リング１２０−１７０の構成は、図３Ａに示されたリング１４０と同様である。

各リング内の界面２２５の形は、エレクトロウェッティング効果の応用によって変えられる。

図３Ｂは、図３Ａのチャンバー２８０を示しており、凹凸レンズ２２５の各サイド２２５ａ、２２５ｂの接触角度（φ_１，φ_２）が、電圧源２４５、２５５から電圧を印加することによって、図３Ａに示された構成から変えられる。接触角度の和φ_１＋φ_２＝１８０°であれば、凹凸レンズの形はほぼフラットである。しかしながら、たいていの構成では、この条件は満足されず、その結果、凹凸レンズの角度は湾曲している。もっとも、示された球状のフレネルレンズの形に対しては、各部分における凹凸レンズの形は湾曲しているのが好ましい（例えば、それは球状の断面を有している）。たいていの場合、凹凸レンズは傾いており、すなわち、凹凸レンズの周囲の一方のサイドは、他方のサイドよりも高い。このような状態では、中央のチャンバー１１０は典型的には球状である。これら凹凸レンズの湾曲は、一般的には比較的小さい。

透明電極２６０と、凹凸レンズの２つの３相線（２２５ａ、２２５ｂ）の１つに隣接した、レンズ１００の周りに延びる環状の電極２４０、２５０の１つにより、極性液体２３０の両端に電圧源からの電圧を印加することによって、３相線の各接触角度を制御して変えることができる。電極２４０、２５０は、極性流体２３０と電気的に接触していない。

リングの内部表面の一部領域を親水性にし、内部表面の残りの部分を反親水性にすることにより、この２つの流体システムにおいて装置の安定性は非常に増強されることが理解されるだろう。極性流体は、非極性流体のみ付着するのが望ましい内部表面のいかなる部分にも付着しないし、その逆もしかりである。

この状態は、極性流体２３０が反親水性コーティング２７０の一部と接触することを禁止しないことに注意すべきである。親水性層の目的は、極性流体を位置づけること、すなわち、極性流体を望む位置に維持することにある（しばしば少なくとも形を定める位置で）。したがって、比較的小さい親水性領域がこの目的のために適切かもしれない。例えば、ある形または位置に極性流体を維持するのに必要な領域を除き、リングの内部表面の全体が反親水性でもよい。

エレクトロウェッティングは、表面上の極性または伝導性流体の濡れ性を増大させるために用いることができる。この濡れ性が最初小さい場合（極性液体の場合、これはたいてい反親水性表面と呼ばれ、例えば、テフロン（登録商標）状表面がある）、これを大きくするために電圧を用いることができる。濡れ性が最初大きい場合（極性液体の場合、これはたいてい親水性表面と呼ばれ、例えば、二酸化シリコンである）、印加される電圧は比較的小さい効果を有する。したがって、エレクトロウェッティング装置において３相線は最初反親水性層に接触しているのが好ましい。

レンズ１００の中央チャンバー１００（すなわち、レンズ素子１１０）は、図３Ａにおいてリング断面１４０によって示されているのと同じ構成のエレクトロウェッティング装置である。典型的には、中央チャンバー１１０は円筒形であり、環状電極が表面外部の周りに延びている（すなわち、図３Ａに示されている電極２４０、２５０は共通の電極である）。

レンズ１００の各リングの内部の凹凸レンズの接触角度を適切に変えることにより、フレネルレンズの焦点距離は制御して変えることができる。また、このような構成は、可変非球面レンズを作製するために用いてもよい。

上記実施形態を例によって説明したにすぎず、さまざまな変形が当業者にとって明らかであることは理解されるであろう。

例えば、上記実施形態では、同じ２つの流体が各リング内で利用されることが想定されているにもかかわらず、実際、各リングは２つの異なる流体を含むことができることは理解されるだろう。異なる流体（および／または異なる濡れ特性を有する部分の異なる表面材料）を用いることによって、正しいレンズ関数が各リングの電極の両端に同じ電圧を印加することによって達成されるように、凹凸レンズの初期接触角度を調整することができる。このような場合、各環の各電極が他の環の対応する各電極に接続されるように配されるのが好ましい。電極のこの相互接続はレンズの作製を単純化することができる。

各リングを分離する壁２１０は、レンズ１００の光学品質の劣化を防止するためにできるだけ薄いのが好ましい。しかしながら、このような壁は任意の望む厚さにできることは理解されるであろう。

各リングは連続的なチャンバーとして説明されているが、実際にはリングは多くの部分から形成してもよいことは理解されるだろう。電極は部分の間の分割壁の上に配置してもよい。このような電極は、レンズの側壁内部の電極と分離することができ、接続することができる。このような付加的な電極は、レンズの精度を改善し、望ましい９０°の初期接触角度を得るのを容易にすることができる。

例えば、図４は、図２Ａ−３Ｂに示されたものと一般的に同じ構成のフレネルレンズ３００を示しており、同じ参照番号は同じ構造を示している。しかしながら、この特別の実施形態では、各リングは、分割壁によって多くの分離された部分に分割されるに注意されたい。例えば、リング１６０は分割壁３６０ａ−３６０ｉによって多くの部分に分割される。この分割により、凹凸レンズ上の動きおよび振動の効果が最小になる。また、もし各部分内の２つの流体の密度が異なる場合（例えば、第１の流体と第２の流体が異なる密度の場合）、この部分は、重力のレンズに対する影響を最小化するために機能する。

また、レンズは、望ましいレンズの構成を得るために、レンズ内の電極に印加される電圧を制御するようになっている電圧制御ユニットを有することができる。電圧制御システムは、任意の与えられた電圧に対するレンズの応答の校正にもとづいて、任意の望ましいレンズの形を達成する所定の方法で単純に電圧を印加するようになっていてもよい。かわりに、誘電読み出しシステムのようなフィードバックシステムを、凹凸レンズの位置および／または凹凸レンズの接触角度を測定するために用いることができる。

レンズが任意の温度変化を補償できるように、リング内の各部分は、フレキシブルな容器に接続することができる。

上記実施形態において、レンズは、光軸９０に対応する共通中心軸を有する、一連の同心円リングから形成されるとして説明した。しかしながら、リングは、円である必要はなく、任意の望ましい形、例えば、正方形、長方形、楕円であってもよいことは理解されるだろう。このようなリングは、上述したように、同様に部分に分割することができる。

図５Ａは、一連の長方形リング４１０、４２０、４３０を有するレンズ４００を示している。

同様に、リングは同心である必要はなく、偏心であってもよいことは理解されるだろう。例えば、図５Ｂは、各リングは光軸９０の周りに延びているものの、共通の中心を共有しない各リング５１０、５２０、５３０を有するレンズ５００を示している。

レンズ構成を特定のタイプのエレクトロウェッティングレンズ構成に関連して説明したが、実際、任意のエレクトロウェッティングレンズ構成を、本明細書で説明したような一連のリングを有するレンズを提供するために用いることができることは理解されるだろう。例えば、各リングは、国際公開９９／１８４５６に記載されたレンズ構成に対応しうる。

このような可変レンズは、オーバーヘッドプロジェクタ、赤外イメージング、ソーラーセル技術を含むさまざまな用途に用いてもよい。任意の非球面性を生成するための、レンズの焦点距離の調整と２つの流体の間の界面の修正とは、レンズの用途に多くの選択肢を与える。

例えば、ソーラーセル技術で現在用いられているフレネルレンズは、固定された焦点と形を有する。本発明の実施形態のフレネルレンズは、ソーラーセルが地上に固定された位置に対する明らかな太陽の動きにしたがって構成を変化させ、その結果、ソーラーセルシステムの効率を高める適応システムを作るのに用いることができる。

かわりに、このようなフレネルレンズは、ＶＤＵ（ヴィジュアルディスプレイユニット）のようなディスプレイユニット上で深さ表示を生成するのに用いることができる。フレネルレンズは、ディスプレイの前の、焦点距離よりもいくぶん短い距離に配置することができる。これは、深さ表示を有する、ほぼコリメートされたディスプレイを生成するために機能する。これは、例えば、飛行機や車のシミュレーションを含むＰＣゲームをよりリアルにするのに用いることができる。エレクトロウェッティングレンズが用いられる場合、レンズはオフにすることができ、その結果、ディスプレイはノーマルモードでも用いることができる。

上述したレンズを備えることによって、比較的速い応答時間を維持しつつも、比較的大きなレンズを生成することができるレンズ構成が生成される。また、レンズは、単一の凹凸レンズから生成される同じ直径のレンズと比較して薄い。

公知のエレクトロウェッティング可変レンズの断面図を示している。本発明の第１の実施形態による可変レンズの断面図を示している。本発明の第１の実施形態による可変レンズの平面図を示している。図２Ａおよび２Ｂに示されたレンズの環の断面概略図を示している。図３Ａに示された環断面の凹凸レンズの他の構成を示している。本発明の他の実施形態の平面図を示している。本発明の他の実施形態の平面図を示している。本発明の他の実施形態の平面図を示している。

Claims

光軸を有する可変レンズであって、前記光軸の周りに配置されている複数の環を有し、各環は凹凸レンズを介して接触する第１の流体と第２の流体とを含むチャンバーを定める各側壁を有し、前記流体はほぼ混ざらず、異なる屈折率を有し、少なくとも１つの前記環は前記凹凸レンズの構成を変える少なくとも１つの電極を有するレンズ。
各環内の前記凹凸レンズは、前記光軸に近い各側壁と前記光軸から遠い各側壁との間に延びている、請求項１に記載のレンズ。
前記凹凸レンズの構成は、少なくとも１つの前記側壁上の前記凹凸レンズの接触角度を変えることによって変えられる、請求項２に記載のレンズ。
前記凹凸レンズが前記近い側壁となす前記接触角度と、前記凹凸レンズが前記遠い側壁となす前記接触角度とは双方独立に制御可能である、請求項２または３に記載のレンズ。
前記環は、円、楕円、長方形、正方形の少なくとも１つである、請求項１から４のいずれか１項に記載のレンズ。
前記環は同心である、請求項１から５のいずれか１項に記載のレンズ。
前記光軸は、前記環の共通の中心を通って延びている、請求項６に記載のレンズ。
前記第１の流体と前記第２の流体とはほぼ同じ密度を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載のレンズ。
前記チャンバーの少なくとも１つに接続されているフレキシブルな流体容器をさらに有する、請求項１から８のいずれか１項に記載のレンズ。
少なくとも２つの前記環はそれぞれ各電極を有し、前記各電極は電気的に接続されている、請求項１から９のいずれか１項に記載のレンズ。
少なくとも１つの前記環は、少なくとも１つの電極を有する少なくとも１つの分割壁によって分割されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載のレンズ。
可変レンズを有する装置であって、前記可変レンズは光軸を有し、前記レンズは前記光軸の周りに配置されている複数の環を有し、各環は凹凸レンズを介して接触する第１の流体と第２の流体とを含むチャンバーを定める各側壁を有し、前記流体はほぼ混ざらず、異なる屈折率を有し、少なくとも１つの前記環は前記凹凸レンズの構成を変える少なくとも１つの電極を有する装置。
望ましい凹凸レンズの構成を得るように、前期電極に電圧を印加する電圧制御システムをさらに有する、請求項１２に記載の装置。
前記電圧は、前記レンズ内のキャパシタンスを測定することによって求められる、請求項１２または１３に記載の装置。
前記装置は、ソーラーセル、光表示ユニット用のカバー、光表示ユニット、ライトプロジェクタ、赤外イメージング装置の少なくとも１つを有する、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の装置。
光軸を有する可変レンズを製造する方法であって、前記光軸の周りに配置される複数の環を設けることと、チャンバーに凹凸レンズを介して接触する第１の流体と第２の流体とを満たすことと、少なくとも１つの前記環に前記凹凸レンズの構成を変える少なくとも１つの電極を備えることとを有し、各環は前記チャンバーを定める各側壁を有し、前記流体はほぼ混ざり合わず、異なる屈折率を有している方法。
可変レンズを有する装置を製造する方法であって、前記光軸の周りに配置される複数の環を設けることを有し、各環は凹凸レンズを介して接触する第１の流体と第２の流体とを含むチャンバーを定める各側壁を有し、前記流体はほぼ混ざらず、異なる屈折率を有し、少なくとも１つの前記環は前記凹凸レンズの構成を変える少なくとも１つの電極を有する方法。