JP2008502923A - 光学要素 - Google Patents

Abstract

光学要素は、流体チャンバと、流体チャンバの少なくとも一部に対して磁場を与える装置とを有する。流体チャンバは側部及び端部を有し、第１流体及び第２流体を有する。それらの流体は非混和性であり、第２流体は磁場により影響を受けることができる。流体チャンバの端部は側部のみにより共に接続されている。

Description

本発明は、光学要素に関する。レンズ、シャッタ及び絞りのような光学要素は、カメラのような光学装置で使用される。

第３世代の携帯電話のような携帯型マルチメディア装置におけるカメラの出現により、軽量且つコンパクトであり、更には、適切な光学特性を備えている光学要素の供給が益々重要視されてきた。このために、所謂、流体焦点レンズが開発されてきた。

例えば、米国特許第６９４４９０８１号明細書において、そのような要素を用いる光学要素及び光学装置について開示されている。その光学要素は、互いに非混和性の第１流体と、導電性又は有極性の第２流体とを有し、それらの流体は、第１基板と第２基板との間に形成された密閉空間内に密閉されている。第１流体及び第２流体は、互いに異なるそれぞれの光透過率を有する。第２流体に印加する電圧を変化させることにより、光学要素を透過する光の量を変えるために、第１流体と第２流体との間の界面の形状が変化する。

この種のレンズはエレクトロウェッティングレンズとして知られていて、そのエレクトロウェッティングレンズは、通常の動作において消費電力が比較的小さく、電圧変化に対して速い反応を示す。しかしながら、エレクトロウェッティングレンズは、２つの流体間の関係が変化するように大きい切り換え電圧を必要とし、そのことは、それら２つの流体間のメニスカスの半径において得られる変化を制限する。

特開昭６２−１０５１２５号公報において、透明な容器にしっかりと密閉された、挿入されて維持されている磁気流体及び透明な液体を有する絞りについて開示されている。分離器が中央部に備えられ、その分離器及び透明な容器は、同じ品質又は同じ光学特性、若しくは同じ構成体を有する材料を有する。軸方向に磁化された環状磁石が、容器に対して同軸上に隣接して構成され、環状コイルが、容器の外側周辺部分に同軸上に置かれる。コイルが電気導電性でないとき、磁気流体は、その磁石の磁界により外側の周辺部分の低端部に対して環状に置かれ、直流電流がコイルを流れるようにされるとき、磁界が軸方向に発生され、環状に置かれた磁気流体は、変形し、軸心に向かって広がり、絞り効果を有する。

上記特許文献の絞りは、原理的に、多くの欠点を有し、デザインは非常に複雑であり、その結果、装置のアプリケーションのフィールドを限定している。その絞りは、固定された磁石及び逆方向の磁場を生成するためのコイルを有し、流体チャンバの内側の中央の分離器を備え、それらの全ては、製造コストが掛かり、製造が困難である装置をもたらす。その装置自体は、単に絞りとして機能するが、レンズ又はシャッタとして機能しない。
米国特許第６９４４９０８１号明細書 特開昭６２−１０５１２５号公報

本発明の目的は、先行技術の欠点を改善することである。

本発明の第１の特徴にしたがって、流体チャンバを有する光学要素であって、その流体チャンバは側部及び端部を有し、第１流体及び第２流体を有し、それらの流体は非混和性であり、第２流体は磁場により影響を受けることができ、装置は、流体チャンバの少なくとも一部に対して磁場を与えるためのものであり、流体チャンバの端部は側部のみにより共に接続されている、光学要素を提供する。

本発明にしたがって、光学的機能の変化を与えることができ、比較的製造コストが掛からず、製造が容易であり、そして、動作中に、エレクトロウェッティング流体焦点レンズの大きい電圧を必要としない光学要素を提供することが可能である。流体チャンバの端部は側部のみにより互いに接続されているため、流体チャンバの幅に亘って光路における障害は存在しない。

好適には、流体チャンバの端部は実質的に平坦である。これは、流体チャンバについての最も単純な構成であり、製造を最も簡単にし、流体チャンバを通る光路における障害が最小であることを確実にする。

有利である一実施形態においては、第２流体は流体チャンバの第１端部と接触し、磁場は、第１流体が第１端部と接触するように、第２流体を移動させることができる。このことは、光学要素の絞りとしての使用を支援する。

有利であることに、流体チャンバの端部は第１流体をはじく、又は、流体チャンバの端部は、第１流体をはじくコーティングを備えている。第１流体をはじくことにより、磁場が存在しないとき、出射窓の構造は、それらの流体の元々の位置にそれらの流体を戻すことを支援する。

好適には、第２流体は磁性流体である。磁性流体は、磁場の影響下に置かれるときに、高磁場密度を有する位置に移動する傾向を有し、したがって、光学要素内で用いるのに理想的に適するものである。

理想的には、流体チャンバの側部は、実質的に円筒形の壁を有する。これは、流体チャンバの最も単純な実施形態を構成し、光学要素を使用する何れの装置で用いるのに、最も簡単であり製造が容易である。

有利であることに、流体チャンバの少なくとも一部に対して磁場を与える装置は、勾配磁場を発生するための電圧電源を有し、その電圧電源は流体チャンバの周りに１つ又はそれ以上のコイルを有する。上記のように、これは、磁場の電圧電源の最も簡単な実施形態である。

好適には、第１流体は透明であり、及び第２流体は透明でなく、又は、第１流体は透明であり、及び第２流体は不完全に透明である。それらの２つの別個の実施形態は、異なるタイプの光学要素をもたらし、そのことは、光学要素が実施されるアプリケーションに依存する。

本発明の実施形態について、以下、図を参照して、例示として詳述する。

図１において、光学要素１０は流体チャンバ１２を有し、その流体チャンバ１２は、側部１４並びに端部１６及び１８を有する。端部１６及び１８は、入射窓１６（光の）及び出射窓１８としての役割を果たす。流体チャンバ１２の側部１４は、実質的に円筒形の壁４を有する。流体チャンバ１２の端部１６及び１８は共に、側部１４のみによって接続されている。端部１６及び１８は、実質的に平坦である。

流体チャンバは第１流体２０及び第２流体２２を有し、それらの流体２０及び２２は非混和性である。第２流体２２は第１端部１８（出射窓１８）と接し、磁界による影響を受けることができる。光学要素１０はまた、流体チャンバ１２の少なくとも一部において磁界を与えるための装置２４を有し、その装置２４は、勾配磁界を生成するための電圧電源２４である。図１の実施形態においては、電圧電源２４は、流体チャンバ１２の周りにコイル２６を有する。

図１の実施形態は、その光学要素の３つの異なる段階を示している。光学要素１０についての３つのビューの左側は、磁界が存在しない標準位置にある要素１０を示している。第１流体２０は透明であり、第２流体は透明でない。入射窓１６を通って流体チャンバ１２に入射する何れの光は、磁性流体である非透過性の第２流体により透過しないようにされているため、流体チャンバ１２を透過しない。光学要素１０は、この位置においてシャッタとして機能しているとき、デジタルカメラにおいて、光が写真フィルムと、又は、更には、光検出面と反応しないようにする。

光学要素１０の中央の第２のビューにおいては、コイル２６により、電圧電源２４は、磁性流体２２を有する流体チャンバ１２の一部において磁界を生成している。磁性流体２２は生成された磁界により影響され、光学要素１０の中央のビューにおいて示されている位置のような位置に移動する。磁性流体２２は流体チャンバ１２の側部１４の方に引き寄せられるため、磁界は、第１流体２０が出射窓１８と接するようになるような位置に磁性流体を移動させることができる。第１流体２０は透明であるため、少量の光が流体チャンバ１２を透過し、出射窓１８を透過して進む。これについては、光学要素の真ん中のビューに、光学要素１０の出射側において、図に矢印を用いて示している。

電圧電源２４により増加された電圧により、磁界の大きさが大きくなるにつれて、磁性流体２２は、流体チャンバ１２の側部の方に益々引き寄せられる。これは、図１に示す流体チャンバ１２の右側のビューに示されている流体２０及び２２の位置をとるように変化した流体２０及び２２の位置をもたらす。このビューから理解できるように、流体チャンバ１２の出射窓１８と接する第１流体２０の量は増加している。

第１流体２０は透明である一方、第２流体２２、即ち、磁性流体は透明でないため、流体チャンバ１２の出射窓１８と接する第１流体２０の量が多くなればなる程、流体チャンバ１２を透過し、出射窓１８を出る光は多くなる。これについては、流体チャンバ１２を出射する光の量を示す３組の矢印により図１の３つのビューの右側に示している。

電圧電源２４は、電圧の範囲において電圧のスムーズな変化を与え、それにより、コイルが種々の大きさの磁界を生成するようにし、それにより、チャンバ１２における２つの流体２０及び２２の位置における細かい制御を可能にする。

一旦、電圧電源２４が０に戻されると、流体チャンバ１３の周りのコイル２６はもはや、チャンバ１２に対して磁界を与えなくなる。これが生じるとき、２つの流体２０及び２２はそれらの開始位置に戻り、光学要素１０について図１の左側のビューに示すような構成に戻る。第２流体は再度、光が流体チャンバ１２を透過しないようにする。図１の光学要素１０の実施形態は、シャッタ又は絞りとして機能する光学要素１０を有する。コイル２６により生成される磁界の制御下、即ち、電圧電源２４の制御下で、２つの流体は、時間の短い期間中、少量の光がチャンバ１２を透過するように操作される。

流体２０及び２２の開始位置にそれらの流体を戻すように支援し、２つの流体が２つの個別の単一の総量を保つ（即ち、磁界を取り除いたときに、第１流体２０の何れの部分が流体チャンバ１２の出射窓１８側に残らないようにする）ことを確実にするように、流体チャンバ１２の実質的に平坦な出射窓１８は第１流体２０をはじくようになっている。

代替の解決策は、流体チャンバ１２の実質的に平坦な出射窓１８が、第１流体２０をはじくコーティングを備えていることである。どちらにしても、出射窓１８は流体２０をはじき、そのことは、磁界が流体チャンバ１２における作用が取り除かれるときに重要である。この点で、出射窓が第１流体２０をはじく材料でコーティングされている又はその材料から成ることは、その流体が、図１の左側のビューに示す位置に戻されることを確実にする。

光学要素１０の第２の実施形態は図２において、図１で用いている光学要素と同様の方式で示されている光学要素１０の３つのビューを用いて示されている。光学要素１０の物理的構造は第１実施形態の物理的構造と同じであり、透明である第１流体２０を有しているが、第２流体（図２の第２実施形態における参照番号２８）は、図１の実施形態と異なり、不十分に透明であり、第２流体２２は完全に非透明でない。

上記の実施形態におけるように、光学要素１０は流体チャンバ１２を有し、電圧源２４は、流体チャンバ１２に対して磁界を与えるためのコイル２６を有する。図２の光学要素１０の左側のビューにおいては、電圧源２４により与えられる電圧はなく、それに対応して、磁界は存在せず、少量の光が流体チャンバ１２を透過する。この光の量は、不十分に透明な第２流体２８は流体チャンバ１２に入射する光の一部を吸収するため、入射側においてそのチャンバに入射する光の量より少ない。光学要素１０の出射側においては、図２の左側のビューに示すように、複数の矢印はチャンバ１２を透過した光を表している。

電圧源２４がオンに切り換えられるとき、コイル２６がチャンバ１２に対して磁界を発生するように、第２流体２８は磁界の方に引き寄せられ、図２の３つのビューの真ん中のビューに示すような位置をとる。光学要素１０の光学特性は変化し、光学要素１０の光学チャンバ１２を透過する光の量は変化する。第２流体２８は不十分に透明であるため、何れの特定の点において、光学チャンバ１２を出射する光の量は、光が透過した第２流体２８のカラムの高さに依存する。

図２に示す光学要素１０の第２実施形態は、電圧源２４のコイル２６により生成された磁界の強度にしたがって、光学要素を透過する光の量を変化させることにおいて、可変ビーム強度整形要素として、主に機能する。図２の３つのビューの真ん中のビューにおいては、流体チャンバ１２の出射側における矢印の大きさは、光学チャンバ１２の出射窓１８を透過して出る光の相対的な強度のおおまかな様子を示している。

コイル２６に印加される電圧を増加させることにより磁界の大きさが大きくなるにつれ、第２流体２８は磁界により更に影響を受け、図２の右側のビューに示す位置と同じ位置に移動する。光学要素１０の光学特性は更に修正され、光学要素１０の断面を横断する光強度のプロファイルは、同様に更に変化する。

上記のように、図１に示す第１実施形態については、電圧源２４が、コイル２６に印加される電圧が存在しないように制御されるとき、磁界はもはや存在せず、流体チャンバ１２の内側の流体２０及び２８は、図２の第１のビューに示す構成に戻る。また、流体チャンバ１２の表面は親水性であることが可能であり、それにより、２つの流体２０及び２８の元々の位置にそれらの流体を戻すように支援するように、第１流体２０をはじくものである。

光学要素１０の第３実施形態が、図３の２つのビューに示されている。光学要素１０の全体的構造は、上記の２つの実施形態におけるように、２つの非混和性流体２０及び２２を有する流体チャンバ１２と、流体チャンバ１２において規定されている入射窓及び出射窓とを有している。光学要素１０の第１実施形態におけるように、流体２０は透明であり、流体２２は透明でない。流体チャンバ１２の周りにコイル２６を有する、勾配磁界を発生させるための電圧源２４がまた、備えられている。

しかしながら、この実施形態において、磁界が存在していないとき、２つの流体２０及び２２の開始位置は、図３の左側のビューに示すようなものである。上記の２つの実施形態と異なり、２つの流体の界面は平坦な円形ではない（円筒形の流体チャンバにおいて）が、曲面的なメニスカスを効果的に形成する。これを達成するように、出射窓１８は、流体２０を引き寄せるディスク形状のコーティングを備えている。代替として、出射窓１８は流体２０を引き寄せることが可能であるが、その場合、リング形状のはじくコーティングがコーティングされている。例えば、流体２０は水性であることが可能である。流体２２は油性であることが可能であり、フルオロシランのリング形状の層がコーティングされたガラスより成る出射窓を有する。

上記の実施形態におけるように、図３の光学要素１０は絞りとして機能する。光学要素１０は、流体チャンバ１２を横断する磁界の強度にしたがって、透過する光の量を変化させる。電圧源２４からの電圧が増加するにつれ、磁界の大きさは大きくなり、第２流体２２は、流体チャンバ１２の側に引き寄せられる。これは、チャンバの出射窓と接触する第１流体２０の量を増加させ、それ故、透過する光の量を多くする。出射側の矢印は、チャンバ１２を透過する光の量における変化を表すように用いられている。

チャンバ１２の出射窓１８は、好適な位置にシャッタ又は絞りを正確に位置付けるように、接触角を修正するリング形状のコーティングの幾何学的構造又は組み合わせを用いて、リング状にパターニングされることが可能である。この解決方法は、上記の３つの実施形態に適用可能である。

図１においては、チャンバ１２の側壁１４は、アモルファスのフッ素ポリマーのようなヒステリシスの小さい材料である必要があり、それ故、両方の液体間の接触ラインは、くっつくことなく、側壁に沿って容易に滑るようになっている。磁性流体２２は、キャリア流体中のカプセル化された（磁性）磁気粒子の微粒子及び分散剤を有することが可能である。磁性流体２２は水性又は油性であることが可能である。水性の磁性流体の場合、他の流体２０は、例えば、シリコーン油又はアルカンである。その場合、出射窓１８は、疎水性である必要があり、例えば、アモルファスのフッ素ポリマーから成るコーティングによるものである。油性の磁性流体２２の場合、他の流体２０は、例えば、水又はエチレンゴリコールである。そのとき、例えば、出射窓１８がガラスから成るとき、出射窓１８は疎水性である必要がある。

上記３つの実施形態にしたがって作られる光学要素は、図４に示すようなカメラのような画像捕捉装置で使用するために適する。図４においては、カメラ４２を有する、携帯電話４０の背面を示している。カメラ４２は光学要素１０を有し、その光学要素は、ここでは、図１を参照して説明した実施形態におけるように、シャッタとして機能する。光学要素１０においては、機械的可動部品がなく、動作する短い時間の期間に比較的低電圧のみを必要とする。このことは、消費電力が非常に重要である状況下で使用することに適する、高効果的及び効率的なシャッタをもたらす。これは、携帯電話の無線通信モジュール及びディスプレイ装置に電力供給するために十分なエネルギーを必要とする携帯電話のような装置の場合に特に当て嵌まる。

上記の３つの実施形態の何れにしたがって作られる光学要素は、ＣＤ又はＤＶＤディスクのような異なるディスクフォーマットを読み出すときに光ビームの開口数を変化させるように、ＣＤ／ＤＶＤを両立させることができる光記録ピックアップユニットにおけるような何れの光記録装置で使用することに適する。

３つの異なる動作位置における光学要素の模式図である。 ３つの異なる動作位置における光学要素の第２の実施形態の模式図である。 ２つの異なる動作位置における光学要素の第３の実施形態の模式図である。 光学要素の実施形態を有する画像捕捉装置の模式図である。

Claims (13)

1. 光学要素であって：
   流体チャンバであって、側部及び端部を有する、流体チャンバ；
   第１流体及び第２流体であって、それらの流体は非混和性であり、前記第２流体は磁場により影響を受けることができる、第１流体及び第２流体；並びに
   前記流体チャンバの少なくとも一部に対して磁場を与える装置；
   を有する光学要素であり、
   前記流体チャンバの前記端部は前記側部のみにより共に接続されている；
   光学要素。
2. 請求項１に記載の光学要素であって、前記流体チャンバの前記端部は実質的に平坦である、光学要素。
3. 請求項１又は２に記載の光学要素であって、前記第２流体は前記流体チャンバの第１端部と接し、前記磁場は、前記第１流体が前記第１端部と接するように、前記第２流体を移動させることができる、光学要素。
4. 請求項１乃至３の何れ一項に記載の光学要素であって、前記流体チャンバの端部は前記第１流体をはじく、光学要素。
5. 請求項１乃至３の何れ一項に記載の光学要素であって、前記流体チャンバの端部は、前記第１流体をはじくコーティングを備えている、光学要素。
6. 請求項１乃至５の何れ一項に記載の光学要素であって、前記第２流体は磁性流体である、光学要素。
7. 請求項１乃至６の何れ一項に記載の光学要素であって、前記流体チャンバの前記側部は実質的に円筒形の壁を有する、光学要素。
8. 請求項１乃至７の何れ一項に記載の光学要素であって、前記流体チャンバの少なくとも一部に対して磁場を与えるための前記装置は、勾配磁場を発生させる電圧電源を有する、光学要素。
9. 請求項８に記載の光学要素であって、前記電圧電源は、前記流体チャンバの周りに１つ又はそれ以上のコイルを有する、光学要素。
10. 請求項１乃至９の何れ一項に記載の光学要素であって、前記第１流体は透明であり、前記第２流体は透明でない、光学要素。
11. 請求項１乃至９の何れ一項に記載の光学要素であって、前記第１流体は透明であり、前記第２流体は不十分に透明である、光学要素。
12. 請求項１乃至１１の何れ一項に記載の光学要素を有する画像捕捉装置。
13. 請求項１乃至１１の何れ一項に記載の光学要素を有する光記録装置。

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