JP2008501139A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

光学素子は、側壁及び端壁を有する流体室を含み、第一流体（２０）及び第二流体（２２）を含む。流体は非混和性であり、第二流体は磁場によって影響を受け得る。流体室の少なくとも一部の上に磁場をもたらすための装置（１９）が設けられ、磁場は、流体室内の第一流体及び第二流体の位置が変更されるよう第二流体を移動し得る。第二流体は磁性流体であり得る。

Description

本発明は光学素子に関する。レンズ、シャッター、絞りのような光学素子は、カメラのような光学装置において使用される。

第三世代携帯電話のような移動マルチメディア装置におけるカメラの出現は、軽量且つコンパクトでありながら十分な光学的性質をもたらす光学素子を提供することの重要性を増大した。この目的を達成するために、所謂可変エレクトロウェッティング素子が開発された。

例えば、米国特許第６，４４９，０８１号は、光学素子と、光学素子を使用する光学装置とを開示している。光学素子は、互いに混和せず、且つ、第一支持体と第二支持体との間に創成された封止空間内に閉じ込められた、第一流体と、電気伝導性又は極性の第二流体とを有する。第一流体及び第二流体は、互いに異なる光透過率をそれぞれ有する。第二流体に印加される電圧を変えることによって、光学素子を通過する光の量を変更するために、第一流体と第二流体との間の界面の形状が変更される。

この種類の素子はエレクトロウェッティング素子として既知であり、それは通常動作中の比較的低い電力消費、及び、可変電圧に対する素早い応答を有する。しかしながら、エレクトロウェッティング素子は、２つの流体間の界面の形状を変更するのに大きな切換電圧を必要とし、それは界面の形状の入手可能な変化を制限する。

同様に、日本国特許出願公開第２００３−０５７４１１号は、電界を感知し且つ透明容器内の電界を感知しない特性を有する２つの種類の流体を閉じ込め、外部からそれらに電界を印加し、各流体の密度分布を傾斜することによって、２つの種類の流体を通過する光路を変更し得る可変焦点レンズを開示している。電界感応流体及び電界非感応流体が、レンズ本体内部に詰め込まれる。電界が電極及び電極を通じて電源によって外部からそれらに印加される。次に、両方の流体の密度分布中に傾斜が生成される。

同様に、この公報に記載されている種類のレンズもエレクトロウェッティングレンズであり、それも通常動作中の比較的低い電力消費、及び、可変電圧に対する素早い応答を有する。しかしながら、エレクトロウェッティングレンズは、２つの流体間の関係を変更するために大きな切換電圧を必要とするという問題を依然として有し、それは２つの流体間の界面形状関係における入手可能な変化を制限する。

既知の技術を改良することが本発明の目的である。

本発明の第一の特徴によれば、側壁と端壁とを有し、且つ、第一流体と第二流体とを含む流体室と、流体室の少なくとも一部の上に磁場をもたらすための装置とを含み、流体は非混和性であり、第二流体は磁場によって影響を受けることができ、磁場は、流体室内の第一流体と第二流体との間の界面の位置及び／又は形状が変更されるよう、第二流体を移動することができる光学素子が提供される。

本発明の故に、装置の光学的性質を変えるために流体室内の流体を移動することが可能な光学素子を提供することが可能である。流体のこの移動は、それらの間の接触面が変化するよう、流体を単に移動することであり得るし、或いは、それは流体室内の流体の実際の場所を変更することであり得る。

１つの好適実施態様において、流体室は第三流体をさらに含む。流体室の広範な考え得る構造が可能であり、一部の実施態様では、第三流体を使用することが好ましい。これは磁場によって移動される流体である第二流体が非透明である故であり得る。第一流体及び第三流体は、光が光学素子内を進行する軸に沿って使用される。この場合には、第一流体及び第三流体は透明である。

有利に、流体室内の如何なる２つの異なる流体の間の全ての接触面は、メニスカスを形成する。流体は、それらが接触する場所で、メニスカスを形成し、それは光学装置に光学的性質をもたらす。一部の実施態様において、流体室内に含まれる少なくとも１つの流体は、２つのメニスカスを有する。流体が２つの他の流体と接触するときに、或いは、もし流体室が２つの異なる流体間に複数の接触面があるよう構成されるならば、これが結果として生じる。

好ましくは、流体室は、主室と、側室とを含み、側室は、主室の各端部で、主室に接続される。流体室内での側室の使用は、光学素子の全体的構造を単純化する。何故ならば、磁場を生成するための装置を、側室と関連して作動するよう配置し得るからである。

理想的には、流体室の少なくとも一部の上に磁場をもたらすための装置は、傾斜磁場を発生するための電圧源を含み、磁場をもたらすための装置は、単一コイル又は一対のコイルも含む。もし単一コイルがあるならば、これは流体室の側室の周りにあるよう有利に配置され、同様に、もし一対のコイルがあるならば、好ましくは、一対のコイルの少なくとも１つは流体室の側室の周りに配置される。

１つの実施態様において、流体室の側壁は、流体室が実質的に円筒形状を構成するよう成形され、他の実施態様において、流体室の側壁は、流体室が実質的に切頭体形状を構成するよう成形される。

好ましくは、第二流体は磁性流体である。１つの実施態様では、第一流体及び第二流体は透明であり、第二実施態様では、第一流体は透明であり、第二流体は非透明である。

有利に、流体室の内面の少なくとも一部は、疎水性絶縁体を備える。疎水性絶縁体はメニスカスの動作を促進するので、この絶縁体は流体室内のヒステリシスを減少するために使用される。

光学素子は、デジタルカメラのような画像キャプチャ装置のような装置における使用のためであり、或いは、コンピュータのような装置内で使用されるようなＣＤレコーダのような光記録装置における使用のためである。

添付の図面を参照して、実施例のみけによって本発明の実施態様を今や記載する。

図１において、光学素子１０は、流体室１２を含む。流体室１２は、側壁１４と端壁１６とを有し、多数の非混和性流体を含む。光学素子１０が使用されているとき、光学素子に進入する如何なる光も、端部１６の一方で進入し、１つ又はそれより多くの流体を通じる経路を通過し、反対の端部１６から出る。流体室１２内の多様な流体が、以下により詳細に議論される。

光学素子１０は、流体室１２の少なくとも一部の上に磁場をもたらすための装置１も含む。磁場を提供するためのこの装置１８は、傾斜磁場を発生するための電圧源１７を含み、一対のコイル１９も含む。如何なる電圧も電圧源１７によって供給されないとき、磁場は存在しないが、電圧が増大するに応じて、傾斜磁場がもたらされる。

流体室１２は、第一流体２０及び第二流体２２を含み、第二流体２２は磁場によって影響を受け得る。装置１８によって提供される磁場は、流体室１２内の第一流体２０及び第二流体２２の位置が変更されるよう、第二流体２２を移動し得る。流体室１２は、第三流体２４及び第四流体２６も含む。流体室１２内の４つの流体は、組み合わさって、光学素子１０にその可変な光学的性質をもたらす。

流体室１２内の如何なる２つの異なる流体の間の全ての接触もメニスカスを形成し、流体室１２内に含まれる少なくとも１つの流体は、２つのメニスカスを有する。図１に示される実施例において、すべての４つの流体が２つのメニスカスを有するよう、全ての流体は２つの他の流体に接触している。

流体室１２は、主室２８と、側室３０とを含む。側室３０は、その各端部で、主室２８に接続されている。一対のコイル１９は、流体室の側室の周りに配置されている。

図２は、光学素子１０の第二実施態様を示している。前と同じように、光学素子１０は、主室２８と側室３０とを有する流体室１２を含む。この点において、図２の実施態様は、図１に示される実施態様と同一である。しかしながら、流体室１２の少なくとも一部の上に磁場を供給するための装置１８の一部を形成するコイル１９は、主室２８の周りに配置され、流体室１２は２つの流体、即ち、第一流体２０及び第二流体（磁性流体）２２のみを含む。

光学素子１０は、コイル１９によって供給され得る磁場の使用によって、その光学的性質を変化させ得る。電圧がコイル１９に印加されると、その性質に従って磁性流体２２に影響を及ぼす傾斜磁場がもたらされる。磁性流体２２は、流体室１２内の２つの流体を移動する磁場によって移動される。この動作は、流体室内の流体の位置を変更し、従って、流体室１２を通じる光のための新しい経路を生み出す。電圧が増大すると、磁性流体２２はさらに影響を受け、さらに移動される。コイル１９上で電圧を逆転し、磁場を逆転させ、それによって、磁性流体２２の動作を逆転し得る。

図３は、図１及び２の実施態様に示されるものとは異なる形態の流体室１２を備える光学素子１０の第三実施態様をさらに示している。流体室１２は、主室２８及び側室３２を依然として備えるが、側室３２は最初の２つの実施態様における側室よりも小さい。側室３２は、主室２８の一端で、並びに、主室２８のほぼ中央で、流体室２４の主室２８に接合されている。

図３の光学素子１０において、磁場を発生するための装置の一部を形成するコイル１９は、流体室１２の側室３２の周りに設けられている。流体室１２は、磁性流体２２を含む４つの異なる流体を含む。他の３つの流体２０，２４，２６は、主室２８内で整列し、光が光学素子１０内を進行する経路を提供している。

一対のコイル１９は、電圧が印加されると、磁性流体２２の容積を移動するために使用される側室３２の上に磁場を生み出す。この流体２２の動作は、流体２０，２４の動作を引き起こす。この結果、第一流体２０と第三流体２４との間の界面であるメニスカス３４は、最近接する端壁により近付いて或いは離れるよう移動される。メニスカス３４は多少なりとも形状を変えないが、流体室の端部に対して移動するよう制御され、それによって、流体室１２を通過する如何なる光の光路にも影響を及ぼす。第三流体２４と第四流体２６の界面によって形成されるメニスカス３６は、流体２０及び２４の動作に係わらず、移動しないし、形状も変えない。

光学素子の第四バージョンが図４に例証されており、図３の流体室１２と構造が同一の流体室１２を示している。その実施態様におけるように、主室２８は、それと平行に延在するより短い側室３２に接続されているが、主室２８の長さの一部に沿ってのみである。光学装置１０のこの実施態様は、流体室１２内に３つの流体を有し、磁場を発生するための二対のコイル１９を有する。

しかしながら、二対のコイル１９は、図面に見られるように、室２８，３２のそれぞれに１つのコイルを備える。第一流体２０は、磁性流体２２と第三流体２４との間に位置している。前のように、主室２８は光学素子１０の一部であり、光学素子１０の動作中、光は光学素子を通過する。第三流体がそうであるように、第一流体２０及び第二流体２２は透明である。光学素子１０の光学的性質は、コイル１９による磁場の提供によって変更される。磁場は、メニスカス３６が流体室１２内で移動されるよう、第二流体２２に影響を及ぼす。

図１乃至４に示される全ての４つの実施態様において、流体室１２の側壁１４は、流体室１２が実質的に円筒形を有するよう成形されている。端壁１６は実質的に平面である。

図５は、光学素子１０の第五実施態様を示しており、流体室１２の側壁１４は、流体室１２が実質的に切頭体形状を構成するよう成形されている。流体室１２は、２つの流体２０，２２を含み、第一流体２０は透明なオイルであり、第二流体２２は透明な水性の磁性流体２２である。２つの流体は非混和性である。流体室１２は、主室２８と、側室３０とを有し、単一コイル１９が側室３０の周りに設けられている。側室３０は、側室３０の各端部で、主室２８に接合されている。

２つの流体２０，２２は、それらの接触面で、メニスカスを形成している。流体室１２の主室２８内のメニスカス３８は、光学素子１０にその光学的性質をもたらし、このメニスカスの位置の変化は、光学素子１０を通じる光の集束又は透過を変更する。側室３０内の単一コイル１９は、磁性流体２２を引き付けるために使用され、メニスカス４０によって引き起こされるラプラス圧力は、反力として作用する。側室３０の可変直径は、メニスカス４０上の圧力を位置依存になさしめる（ラプラス圧力は如何なるメニスカスの半径とも反比例する）。その結果、コイル１９内の電流の各値に関して、メニスカス４０の特異な位置がある。

流体室１２の内面の少なくとも一部は、疎水性絶縁体を備える。これは、２つの端壁のより大きなものを除き、流体室１２の全ての内面を覆う。光学素子１０は、メニスカス変位に基づきレンズとして作用し、変位作用は磁性流体ポンプを用いて遂行される。もしコイル１９が活性化されるならば、矢印４２によって例証されるように、磁性流体２２はコイル１９内に注入される。これは、コイル１９内に、より小さな半径のメニスカス４０、よって、より大きな反発性のラプラス圧力をもたらす。疎水性絶縁体は、ヒステリシスを減少するために使用される。

光学素子１０の第六実施態様が図６に示されており、それは図５の実施態様の変形である。光学素子１０内の流体室１２の物理的構造は、前の実施態様の物理的構造と同一であり、単一コイル１９の位置は、その第五実施態様に対して不変である。この実施態様において、第一流体２０は透明であり、第二流体（磁性流体）２２は非透明（不透明）である。流体室は第三流体２４を含み、第三流体は透明であり、且つ、磁性流体２２及びコイル２０と非混和性である。

図６の光学素子は、前の実施態様と同様に作動し、コイル１９によって生み出される磁場が磁性流体２２を移動させ、それによって、流体室１２の主室２８内でレンズとして作用するメニスカスの位置に影響を及ぼす。

図７は、光学素子１０の第七実施態様を示しており、主室２８内のレンズが二重メニスカスによって形成されている。この実施態様における第一流体２０は２つの部分に分離され、流体室１２の各端部に各１つある。第二流体、即ち、磁性流体２２は、側室２９内に配置され、前と同様に、コイル１９によって生み出される磁場の影響下で、主室２８内のメニスカスの位置に影響を及ぼすようポンプとして作用する。第三流体２４は、磁性流体２２及びオイル２０と非混和性の液体である。

上記の全ての実施態様において、磁性流体２２の動作は、光学素子内の光路上に位置する２つの流体の間の少なくとも１つのメニスカスの位置の変化を引き起こす。しかしながら、光路上に位置するメニスカスが所定位置に固定されるよう光学素子を設計することが可能である。これが起こるとき、磁性流体の動作は、磁場の作用下で、メニスカスの形状を変化させ、その光学的性質の変化を伴う。２つの流体間の界面の形状が変更され、メニスカスを平面化し或いはより丸くする。

光学素子の流体室の側部へのメニスカスの固定は、流体室の表面特性に突然の変化を有することによって達成される。もしメニスカスの１つの側の流体の１つが水であり、他がオイルであるならば、流体室は、水と触れ合う部分上のみで、疎水性物質によって被覆される。これは水を所定位置に効率的に維持し、疎水性物質の被膜が終了する流体室内の地点で流体室の両側にメニスカスを固定する。

７つの実施態様のいずれかに従って作成される光学素子は、図８に示されるもののような、カメラのような画像キャプチャ装置における使用に適している。この図面には、カメラ６２を備える携帯電話６０の背面が示されている。カメラ６２は、ここではズームレンズとして動作する光学素子１０を含む。光学素子１０は、機械的移動部分を有さず、動作のために短い時間周期に亘る比較的低い電圧のみを必要とする。

これは、電力消費が大きな重要性を有する状況における使用に適した、極めて効果的且つ効率的なレンズをもたらす。これは、ディスプレイ装置に電力供給するためにかなりのエネルギーを必要とする携帯電話及び携帯電話の無線通信モジュールのような装置において特に当て嵌まる。

光学素子を示す概略図である。 光学素子の第二実施態様を示す概略図である。 光学素子の第三実施態様を示す概略図である。 光学素子の第四実施態様を示す概略図である。 光学素子の第五実施態様を示す概略図である。 光学素子の第六実施態様を示す概略図である。 光学素子の第七実施態様を示す概略図である。 光学素子の実施態様を組み込んだ画像キャプチャ装置を示す概略図である。

Claims (19)

1. 側壁と端壁とを有し、且つ、第一流体と第二流体とを含む流体室と、該流体室の少なくとも一部の上に磁場をもたらすための装置とを含み、
   前記流体は非混和性であり、前記第二流体は前記磁場によって影響を受けることができ、
   前記磁場は、前記流体室内の前記第一流体と前記第二流体との間の界面の位置及び／又は形状が変更されるよう、前記第二流体を移動することができる、光学素子。
2. 前記流体室は、第三流体をさらに含む、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記流体室内の２つの異なる流体の間の接触面又は各接触面は、メニスカスを形成する、請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記流体室内に含まれる少なくとも１つの流体は、２つのメニスカスを有する、請求項３に記載の光学装置。
5. 前記流体室は、主室と、側室とを含む、上記請求項のうちいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記側室は、前記主室の各端部で、前記主室に接続される、請求項５に記載の光学装置。
7. 前記流体室の少なくとも一部の上に磁界をもたらすための前記装置は、傾斜磁場を発生するための電圧源を含む、上記請求項のうちいずれか１項に記載の光学装置。
8. 前記流体室の少なくとも一部の上に磁場をもたらすための前記装置は、単一コイルを含む、請求項７に記載の光学装置。
9. 前記単一コイルは、前記流体室の前記側室の周りにある、請求項５又は６に従属するときの請求項８に記載の光学装置。
10. 前記流体室の少なくとも一部の上に磁場をもたらすための前記装置は、一対のコイルを含む、請求項７に記載の光学装置。
11. 前記一対のコイルの少なくとも１つは、前記流体室の前記側壁の周りにある、請求項５又は６に従属するときの請求項１０に記載の光学装置。
12. 前記流体室の前記側壁は、前記流体室が実質的に円筒形状を含むよう成形される、上記請求項のうちいずれか１項に記載の光学装置。
13. 前記流体室の前記側壁は、前記流体室が実質的に切頭体形状を含むよう成形される、請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の光学装置。
14. 前記第二流体は、磁性流体である、上記請求項のうちいずれか１項に記載の光学装置。
15. 第一流体及び第二流体は透明である、上記請求項のうちいずれか１項に記載の光学装置。
16. 前記第一流体は透明であり、前記第二流体は非透明である、請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の光学装置。
17. 前記流体室の内面の少なくとも一部は、疎水性絶縁体を備える、上記請求項のうちいずれか１項に記載の光学装置。
18. 請求項１乃至１７のうちいずれか１項に記載の光学装置を組み込んだ画像キャプチャ装置。
19. 請求項１乃至１７のうちいずれか１項に記載の光学装置を組み込んだ光記録装置。

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