JP2008512715A - 反射型エレクトロウェッティングレンズ - Google Patents

Abstract

本発明は、メニスカス（２０８）によって分離された２つの混合しない流体（２０５，２０６）を収容する流体室を含む反射型エレクトロウェッティング装置（２００）を提供する。流体室は、さらに、電極（２０３，２０４）と、２つの混合しない流体（２０５，２０６）に対する異なるウェッティング特性を有するウェッティング面（２０７）を含み、疎液力及び静電力の相互作用によってもたらされるエレクトロウェッティング力が、メニスカスに衝突する光（２１０，２１２）がメニスカスで全反射によって反射されるよう、メニスカス（２０８）を制御するために利用される。本発明は、さらに、そのような反射型エレクトロウェッティング装置のシステム及び配列を提供する。

Description

本発明は、反射型光弁に関する。

反射型光弁は、光波の方向を操作し且つ制御するために、多くの用途で使用されている。そのような用途の例は、投射システム、投射ディスプレイ、及び、照明システムを含む。

最も一般的な種類の反射型光弁は、入射光波をミラーの角位置に依存して所望方向に反射する回転ミラーを含む。そのような構成は周知であり、異なる構造において現在使用されている。回転ミラー構造の１つの例は、米国特許第４，９３４，７８１号内に与えられている。しかしながら、そのような構成は、時間と共に性能劣化をもたらす顕著な摩耗に晒される移動部分を明らかに含む。回転ミラーを使用することの追加的な不利点は、騒音及び振動を含む。

ここに、改良された反射型光弁の必要がある。

よって、本発明の目的は、上記問題点を軽減する改良された反射型光弁を提供することである。

この目的は、添付の請求項１に定められるような反射型エレクトロウェッティング装置の形態の反射型光弁によって、請求項７に定められるような反射システムによって、並びに、請求項８に定められるような配列によって充足される。本発明の有利な実施態様が、添付の従属項に定められる。本発明は、反射型エレクトロウェッティング装置を使用する方法も提供する。

故に、本発明の１つの特徴によれば、反射型エレクトロウェッティング装置が提供される。反射型エレクトロウェッティング装置は、光波のための光路を定め、流体室と、少なくとも２つの電極と、ウェッティング面と、流体室内に収容され、且つ、前側流体と後側流体とを含む、エレクトロウェッティング流体システムとを含む。前側流体及び後側流体は、異なる電気特性、ウェッティング面に対する異なるウェッティング特性を有し、電極に亘って加えられる電界によって制御可能な形状を有するメニスカスによって分離される。前側流体は、メニスカスの形状、並びに、前側流体及び後側流体の屈折率の間の比に依存する反射角で、メニスカスによって光路内に全反射がもたらされるよう、光路の一部を形成し、且つ、後側流体の屈折率よりも高い屈折率を有する。その結果、光路内の反射角は、前記電界を用いて制御可能である。

よって、本発明は、反射型エレクトロウェッティング装置を提供する。これは近年より多くの焦点を引き付けた透過型エレクトロウェッティング装置（例えば、レンズ）に対するものである。透過型エレクトロウェッティングレンズは、例えば、国際公開第ＷＯ０３／０６９３８０号に記載されている。透過型エレクトロウェッティングレンズでは、典型的には、メニスカスを通じて等される光波を偏向するために、メニスカスが使用される。対称的に、本発明に従った反射型エレクトロウェッティング装置において、メニスカスは、光波が反射されるよう、光波を偏向するために使用される。換言すれば、透過型レンズにおいて、光波はメニスカスを通じて進行するのに対し、反射型装置において、光波はメニスカスによって反射され、よって、メニスカスの元の側に残る。

メニスカスに衝突する光の反射は、後側流体よりも高い屈折率を有する前側流体によって制御され、前側流体は、光がそこを通じてメニスカスに衝突する流体であり、後側流体は、メニスカスの他の側に位置する。メニスカスに完全に垂直に衝突する光は、メニスカスを通じて常に透過される。しかしながら、屈折率の間の比の大きさに依存して、十分な角度でメニスカスに衝突する光は、完全に或いは部分的に反射される。屈折率の差が小さければ小さいほど、光の全反射を保証するために角度はより大きくなければならない。

屈折率ｕ_ｉを有する第一材料と屈折率ｕ_ｔを有する第二材料との間の界面を横断して進行する光の偏向のための一般式は、以下によってもたらされる。

ここで、θ_ｉ及びθ_ｔは、それぞれ入射角及び出射角である。θ＝０°は、界面に垂直に衝突する光に対応し、θ＝９０°は、界面と平行に進行する光に対応する。よって、θ_ｔ＞９０°は、光の全反射に対応し、偏向光が界面によって反射され、よって、第一材料を通じて進行し続けることを意味する。θ_ｔのための解法方程式は、次をもたらす。

故に、ｕ_ｉ＞ｕ_ｔであることを条件として、光は、ある角度θ_ｉ＜９０°のために、角度θ_ｔ＞９０°で全反射される。全反射される角度θ_ｉの範囲は、θ_ｉ＝９０°から開始し、ｕ_ｉ／ｕ_ｔのサイズに依存して、一組のより小さな角度を含む。例えば、ｕ_ｉ／ｕ_ｔ＝３／２は、（ｓｉｎ４５°＝２／３であるので）θ_ｉ＝９０°とθ_ｉ＝４５°との間の入射角を有する光の全反射をもたらす。

上記方程式（２）によれば、反射光の角度（ここでは反射角と表示される）は、屈折率の比（ｕ_ｉ／ｕ_ｔ）、並びに、入射角（θ_ｉ）に依存する。しかしながら、屈折率の比は、概ね静的パラメータである（第一材料及び第二材料の屈折率は、合理的な動作条件内で本質的に一定である）。故に、反射角は、入射角の一次関数である。次いで、入射角は、反射装置内の光波の入射角、並びに、メニスカスの形状に依存する。故に、反射角は、エレクトロウェッティング力を使用してメニスカスの形状を偏向することによって変更可能である。

本発明に従って、制御可能な反射型エレクトロウェッティング装置を提供するためにこの効果を利用し得ることが分かった。透過型エレクトロウェッティング装置と比較すると、そのような反射型エレクトロウェッティング装置は、光路がレンズ室内の２つの流体の一方に制限される点、並びに、この特定の流体が、他（後側）の流体よりも高い屈折率を有さなければならない点で異なる。

反射型エレクトロウェッティング装置の動作は、透過型エレクトロウェッティング装置の動作と概念的に異なるが、２つの概念の間には明らかな類似性がある。故に、材料及び流体の選択等になると、反射型エレクトロウェッティング装置にも適用するために、透過型エレクトロウェッティングレンズに向けられた教示を採り得る。

しかしながら、透過型エレクトロウェッティング装置において、レンズの光路は、典型的には、メニスカスの伸びに対して本質的に垂直に配置される。対称的に、反射型エレクトロウェッティング装置において、レンズの光路は、好ましくは、メニスカスに対してある角度で配置される。これはメニスカスでの光の全反射がメニスカスに十分な角度で衝突する光のためにのみ起こるという事実に起因する。

本発明は、メニスカスの形状に関する大きな自由度を提供する。１つの実施態様によれば、メニスカスは、本質的に矩形の形状を有し、ウェッティング面は、メニスカスの周辺の２つの面する縁部に沿ってのみ配置される２つの地域に分離される。その結果、メニスカスの形状は、ウェッティング面地域と平行な方向に沿ってのみ曲がるよう制御可能である。そのような構成の実施例は、図５を参照して、以下に与えられる。

他の実施態様によれば、ウェッティング面は、メニスカスの形状が２つの垂直な方向に沿って曲がるよう制御可能であるよう、流体室の周辺に沿ってメニスカス全体を取り囲む。例えば、メニスカスは円形の形状であり得るし、メニスカスは凸形状と凹形状との間で制御可能であり得る。

さらに１つの実施態様によれば、異なる対の電極間に加えられる異なる電界によってメニスカスの形状を制御し得るよう、追加的な電極がメニスカスの周辺に沿って配置される。この結果、大きな組の形状の間でメニスカスを制御することが可能である。さらに、適切な電位をそれぞれの電極に加えることによって、それぞれの電極に加えられる電位に依存して傾斜可能な本質的に平坦なメニスカスを提供することができる。

故に、さらに１つの実施態様によれば、流体室、ウェッティング面、及び、電極は、メニスカスの形状が本質的に平坦であり且つ傾斜可能であるよう構成される。

上記に議論されたように、全反射が起こるために、光は十分な角度でメニスカスに衝突しなければならない（所要の角度は、流体の屈折率間の比に依存する）。しかしながら、小さ過ぎる角度で衝突する僅かの光も同様に反射されるのに対し、光の残部はメニスカスを通じて透過される。実際には、所要の入射角に接近するとき、反射される僅かの光は増大する。部分的に透過的であり且つ部分的に反射的である、或いは、ある状態の全ての光を反射するが他の状態にある殆どの光を透過する装置を提供することによって、この現象を活用し得る。

故に、１つの実施態様によれば、メニスカスは、光路内を進行する光の第一部分がメニスカスで反射され、且つ、光路内を進行する光の第二部分がメニスカスを通じて透過される形状に制御可能である。

本発明に従った反射型エレクトロウェッティング装置を、反射型装置のシステム内にも組み込み得る。本発明の他の特徴は、上記されたような少なくとも２つの反射型エレクトロウェッティング装置を含み、且つ、相互接続された光路を有する反射システムを提供する。この結果、より一層複雑な光路を提供することが可能である。例えば、第一の反射型エレクトロウェッティング装置は、１つの方向に沿った制御を促進し、第二方向に沿った光の制御を促進する第二の反射型エレクトロウェッティング装置に光を送る。

本発明のさらに１つの特徴は、反射型エレクトロウェッティング装置の配列を提供する。配列は、複合光路を共に形成する上記されたような少なくとも２つの反射型エレクトロウェッティング装置を含み、各反射型エレクトロウェッティング装置は、前記複合光路の別個に制御可能な副部分を構成する。そのような配列は、例えば、各反射型装置が１つの画素（ピクセル）に対応し得るディスプレイ装置において有用であり得る。

本発明のさらに１つの特徴は、前記メニスカスに衝突する光波をメニスカスの形状に依存する方向に反射するために、上記のような反射型エレクトロウェッティング装置の使用を提供することである。

添付の例示的な図面を参照して本発明をさらに記載する。

明瞭性の理由のために、エレクトロウェッティング装置の背後の基本機構を初めに記載する。概念は、２つの力、即ち、疎液力及び静電力の組み合わせを使用することである。

疎液力は、溶剤剥離面によって溶剤上に加えられる力である。水性溶剤のために、機構は、通常、疎水性と呼ばれる。例えば、ワックス面は、典型的には、水剥離性であり、故に、疎水性である。

静電力は、引き付け合い或いは反発し合う電気チャージによって加えられる力である。

エレクトロウェッティング装置における概念は、異なる静電特性を有し且つ疎液面に対して異なって挙動する２つの混合しない流体から成る流体システムを創成することである。基本構造において、装置は流体室を含み、流体室は、流体システムを収容し、且つ、その内面に配置された疎液部を有する。疎液部は、流体システムが１つの明確な休止位置、故に、流体を分離するメニスカスの明確な形状を有するよう配置される。流体は、例えば、オイル又は水であり得るし、その場合には、疎液部は疎水性であるのあるのが好ましい。例えば、流体室の内面の半分は疎水性であり、残余の内面は２つの流体に対して中性であり得る。それによって、水は室の中性部内に位置し、オイルは室の疎水部内に位置する。

流体の異なる静電特性は、一方の流体が導電的であり、故に、電界によって引き付けられ、他方の流体が非導電的であり（或いは、少なくとも、実質的に余り導電的でなく）、故に、電界によって引き付けられないようにされている。

疎液面部に加えて、室内に配置された電極がある。電極は、導電的である流体に亘って電位を印加するよう配置されている。そのような電界の印加は、導電性流体を電極に向かって引き付け、よって、流体システム内に追加的な力を創成し、それは流体の位置、故にメニスカスの形状を変更する。その結果、如何なる移動部も使用することなしに、電界を加えることによって、流体を移動し、メニスカスの形状を変更することが可能である。

図１は、本発明に従ったエレクトロウェッティング装置１００の実施態様の概略的な断面図を例証している。反射型エレクトロウェッティング装置１００は、２つの混合しない流体を収容する円筒形の流体室と、前側流体１０６と、後側流体１０５とを含む。流体室は、円筒形壁１０２と、上方側壁１１１と、下方側壁１０１とを含む。円筒形壁は、円筒形電極１０３と、その周辺の周りのウェッティング面１０７とを支持している。ウェッティング面１０７は、シリンダの内面に面し、２つの混合しない流体１０５，１０６に対して異なる特性を有する。

前側流体１０６及び後側流体１０５は、メニスカス１０８によって分離されている。前側流体１０６は、後側流体１０５の屈折率よりも高い屈折率を有する。さらに、混和しない流体の一方は導電的であるのに対し、他方の流体は本質的に非伝導的である。加えて、混和しない流体は、ウェッティング面１０７に対して異なるウェッティング特性を有する。２つの混和しない流体は、例えば、シリコンオイル及び塩水（溶解されたＮａＣｌを備える水）から成る。選択される具体的なシリコンオイル及び水の塩度に依存して、最大の屈折率を有する流体が前側流体でなければならない。

２つの混和しない流体及び流体室の配置を、透過型エレクトロウェッティングレンズから既知の配置とそっくりに設計し得る。

図１に例証される左手断面は、２つの流体を分離する凸形状のメニスカス１０８を有するエレクトロウェッティング装置を描写している。メニスカス上への入射地点に依存して、光線は比較的大きな反射角と比較的小さな反射角との間で散乱される。図面中の点線矢印１１０は、ほぼ垂直にメニスカスに衝突する故に比較的小さな角度で反射される１つの具体的な光線を例証しており、点線矢印１１１は、異なる位置でメニスカスに衝突する故により急な角度で反射される平行に入射する光線を例証している。

図１中に例証される反射型エレクトロウェッティング装置は、シリンダ壁１０２と、円筒形電極１０３と、ウェッティング面１０７とを横断する光路を定める。よって、この設計は、これらの構成素子が光学品質を有する（即ち、装置の寿命中透明である）ことを必要とする。これは一部の用途にとって不利であり得る。

図２は、光路が代わりに頂壁１１１を通じて方向付けられる代替的な反射型エレクトロウェッティング装置を例証している。その結果、頂壁１１１のみが光学品質を有することが必要であり、光学特性と無関係に如何なる材料からも側壁を製造し得る。図２において、同一の機能及び構成素子は、図１におけるように開示され、１００を伴って増分された参照番号を有する（即ち、１０１は２０１で表示される等）。

明らかに、光路が頂壁１１１の部分を通じて並びに円筒形壁１０２の部分を通じて進行するよう配置することも可能である。

図２中に例証されるような装置を使用することで、頂壁を通じて向けられるそれらの光路を有することは、３つの別個の反射器３０１が反射器配列３００内に配置される図３に例証されるような、独立して制御可能な反射器の配列を配置することを容易にするだけである。

上記に観察されるように、前側流体と後側流体の屈折率間の比に依存して、特定角度内でメニスカスに衝突する光のために全反射が達成される。この比は無限であり得ないので、全反射が達成されない０°（メニスカスに対して垂直）付近に中心付けられる角度範囲が常にある。屈折率間の比が小さければ小さいほど、この組の角度はより大きい（故に、入射光がメニスカスとより平行な角度でメニスカスに衝突することを必要とする）。

しかしながら、全反射が起こるには小さ過ぎる入射角でメニスカスに衝突する光は、典型的には、いずれにしてもある角度反射される。故に、僅かの光だけが反射されることに留意すれば、全反射をもたらす範囲外でさえ、反射角を制御することが可能である。後側流体の光学特性に依存して、光の残部は、後側流体を通じて透過するか或いは後側流体内に吸収される。

一部の光を反射し一部の光を透過することが望ましい用途においては部分反射を利用し得る。そのような用途では、透過光は、典型的には、通常の透過型エレクトロウェッティングレンズとしてのメニスカスによって偏向される。

流体室を配置することで、ウェッティング面及び電極は、適切な方法で異なるメニスカス形状の大きな空間を提供する。図４は、この事実が利用された実施態様の上面図（右）及び側面図（左）を例証している。図４に例証されるように、円筒形流体室４０１が、多数の周辺電極４０２を備える。その結果、大きな自由度でメニスカスの形状を変更することが可能である。例えば、表面の平坦性を殆ど影響されずに維持しながら、メニスカスを任意の角度に傾斜し得る。その結果、光を算することなしに、光ビームをｘ及びｙ方向に対する任意の方向に反射することが可能である。図４には、３つの異なるメニスカス設定が例証されている（Ａ、Ｂ、及び、Ｃ）。

さらに１つの代替的なメニスカス形状が図５に例証されている。そこでは、流体室５０１は矩形であり、ウェッティング面５０２が２つの対抗する側壁だけに配置されている。その結果、メニスカスがウェッティング面と平行な軸（図５中のｘ軸）に沿って曲がることが可能である。図５には、２つの異なるメニスカス状態が例証されている（Ａ及びＢ）。よって、これは点ではなく線形態で装置の上にかかる光の操作を容易にする。実際には、入射光は一方向（図５中のｙ方向）に散乱され得るが、他の方向（図５中のｘ方向）では影響を受けないままにある。

さらに、図６を参照すると、相関的な反射装置のシステムを配置することが可能である。図６では、２つの反射装置、即ち、光を第一方向（ここではｘ方向）に操作するよう配置される第一反射器６０１と、光を第二方向（ここではｙ方向）に操作するよう配置される第二反射器６０２とが配置されている。第一反射器６０１は図１又は２に例証された種類から成り得る。その結果、余り複雑でない構成素子を使用して、二次元における正確な操作を達成することが可能である。二次元操作は、もちろん、図３に例証されるような反射器を使用しても可能である。しかしながら、図３に例証されるような構成は、２つの電極のみを有する構成よりも製造がより複雑である。（２つの電極は、図１、２、及び、４に例証されるような構成にとって十分である。）

反射型エレクトロウェッティング装置を多数の用途において使用し得る。例えば、従来的には回転ミラーを使用する多くの用途は、本発明によってもたらされる利点から利益を受けるであろう。反射型エレクトロウェッティング装置を、例えば、（バーコード）スキャナ、ディスプレイ（投射装置）、通信装置、及び、照明装置において使用し得る。

要約すると、本発明は、メニスカス２０８によって分離される２つの混合しない流体２０５，２０６を収容する流体室を含む反射型エレクトロウェッティング装置を提供する。流体室は、さらに、電極２０３，２０４と、２つの混合しない流体２０５，２０６に関して異なるウェッティング特性を有するウェッティング面２０７とを含む。疎液力及び静電力の相互作用によってもたらされるエレクトロウェッティング力は、メニスカスに衝突する光２１０，２１２がメニスカスで全反射によって反射されるよう、メニスカス２０８を制御するために利用される。本発明は、さらに、そのような反射型エレクトロウェッティング装置のシステム及び配列を提供する。

メニスカスがそれぞれ第一状態（左）及び第二状態（右）にあり、且つ、光路が流体室の側壁を通じて配置される反射型エレクトロウェッティング装置を示す断面図である。 光路が流体室の頂面を通じて配置されるエレクトロウェッティング装置を示す断面図である。 各装置が複合光路の別個の制御可能な副部分を提供する反射型エレクトロウェッティング装置の配列を示す斜視図である。 メニスカスの周辺に沿って配置された多数の電極を有する円形の反射型エレクトロウェッティング装置を示す断面図（左）及び上面図（右）である。 メニスカスが本質的に一方向に沿ってのみ曲がるよう制御可能である矩形の反射型エレクトロウェッティング装置を示す斜視図である。 相互接続された光路を有する２つの反射型エレクトロウェッティング装置のシステムを示す斜視図である。

Claims (9)

1. 光波のための光路を定める反射型エレクトロウェッティング装置であって、
   流体室と、
   少なくとも２つの電極と、
   ウェッティング面と、
   前記流体室内に収容され、且つ、前側流体と、後側流体とを含む、エレクトロウェッティング流体システムとを含み、
   前記前側流体及び前記後側流体は、異なる電気特性、前記ウェッティング面に対する異なるウェッティング特性を有し、前記電極に亘って加えられる電界によって制御可能な形状を有するメニスカスによって分離され、
   前記前側流体は、前記メニスカスの形状、並びに、前記前側流体及び前記後側流体の屈折率の間の比に依存する反射角で、前記メニスカスによって前記光路内に全反射がもたらされるよう、前記光路の一部を形成し、且つ、前記後側流体の屈折率よりも高い屈折率を有することによって、前記光路内の前記反射角は、前記電界を用いて制御可能である、
   反射型エレクトロウェッティング装置。
2. 前記メニスカスは、本質的に矩形の形状を有し、前記ウェッティング面は、前記メニスカスの周辺の２つの面する縁部に沿って配置される２つの地域に分離されることで、前記メニスカスの形状は、前記ウェッティング面地域とのみ平行な方向に沿って曲がるよう制御可能である、請求項１に記載の反射型エレクトロウェッティング装置。
3. 前記ウェッティング面は、前記メニスカスの形状が２つの垂直な方向に沿って曲がるよう制御可能であるよう、前記流体室の周辺に沿ってメニスカス全体を取り囲む、請求項１に記載の反射型エレクトロウェッティング装置。
4. 異なる対の電極間に加えられる異なる電界によってメニスカスの形状を制御し得るよう、前記メニスカスの周辺に沿って配置される追加的な電極を含む、請求項１に記載の反射型エレクトロウェッティング装置。
5. 前記流体室、前記ウェッティング面、及び、前記電極は、前記メニスカスの形状が本質的に平坦であり、且つ、傾斜可能であるよう構成される、請求項１に記載の反射型エレクトロウェッティング装置。
6. 前記メニスカスは、前記光路内を進行する光の第一部分が前記メニスカスで反射され、且つ、前記光路内を進行する光の第二部分が前記メニスカスを通じて透過される形状に制御可能である、請求項１に記載の反射型エレクトロウェッティング装置。
7. 請求項１に記載の少なくとも２つの反射型エレクトロウェッティング装置を含み、且つ、相互接続された光路を有する反射システム。
8. 請求項１に記載の少なくとも２つの反射型エレクトロウェッティング装置を含み、且つ、複合光路を共に形成し、各反射型エレクトロウェッティング装置は、前記複合光路の別個に制御可能な副部分を構成する、反射型エレクトロウェッティング装置の配列。
9. 前記メニスカスの形状に依存する方向で前記メニスカスに衝突する反射光波のための、請求項１に記載の反射型エレクトロウェッティング装置の使用。

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