JP2010501890A - 可変焦点ズームレンズ - Google Patents

Abstract

本発明は、可変焦点半固体ズームレンズと、可変焦点レンズを作製しかつ使用する方法と、可変焦点半固体レンズを含む光学装置とを、提供する。焦点距離は、半固体レンズの形、大きさ、寸法、形状、外径または表面の曲率を変化させることにより制御することができる。焦点距離の変更は、半固体レンズと連結された圧力制御装置を用いることにより達成することができる。半固体レンズを収納器に装着することもできる。

Description

発明の背景
光通信システムおよびカメラ装置などの従来の光学的撮像応用においては、画像センサ上に画像の焦点を合わせるためにおよびレンズに対して様々な方向から光を受け取るために、レンズの手動調整および物理的な位置決めが典型的には必要である。手動調整の非能率な点を解消し、経費を削減するために、光源を光検出器などの光信号受信器へ最適に連結することにより光学信号を焦点に集める、調整可能なマイクロレンズが開発された。場合によっては、マイクロレンズへの光束の入射が公称の位置合わせした入射と異なる場合に、マイクロレンズと光検出器との間の最適な連結を維持するために、マイクロレンズの屈折率が自動的に変更されてマイクロレンズの焦点を変化させる。

しかし、屈折率分布型レンズなどの調整可能なマイクロレンズは、そのようなレンズに用いられる大多数の電気光学材料に見られる小さい電気光学係数に関連する、固有の限界を有する。このため、多くの場合、光経路調節力が小さくなり、従って厚いレンズまたは高電圧が必要となる。さらに、多くの電気光学材料が強い複屈折を示し、それがマイクロレンズの偏光依存性を引き起こして、一定の偏光を有する光を歪曲させる。これらの問題は、調整可能なマイクロレンズアレイが必要な場合に、特に深刻である。例えば、既存のカメラ付携帯電話は、貧弱な光収集能力、限定された焦点範囲および限定された解像力を有する、小さな固定焦点レンズを用いる。その結果、従来の写真カメラと比較して画質が劣る。

可変焦点液体レンズは、レンズの光学的特性を形成する、流体メニスカスの接触角または曲率半径を変化させることにより、焦点距離が制御される場合に提供される。光学装置はまた典型的には、流体の圧力を調節し、かつそのためにメニスカスの曲率も調節するための、流体と流動的に連結された圧力または体積制御手段も含む。

しかし、液体レンズのいくつかの特有の問題については、さらに改善の可能性がある。第一に、液体レンズは、衝撃の後または乱暴な取扱いの後に乱されることもある。第二に、重力効果のために、大きな直径を有する可変焦点液体レンズは製作するのが困難である。第三に、液体レンズは典型的には球形であり、現在の技術に基づいて非球形可変焦点液体レンズの作製に成功する可能性はほとんどない。第四に、多くの技術的応用において、画質を改善する非反射被覆材などの材料によってレンズの表面を改変することも極めて望ましい。しかしそのような処理は、液体レンズでは可能ではなかった。

したがって、上記のおよび他の問題を克服するシステムおよび方法を提供することが望まれる。特に、球形および非球形であることができる低価格で大直径の可変焦点レンズの必要性が存在する。乱暴な取扱いが予想される、小さく携帯型の撮像用途のための頑丈な光学的焦点調節系を提供することもまた望ましい。本発明の態様は、これらおよび他の要求に応える。

発明の簡単な概要
本発明は、可変焦点半固体レンズ、可変焦点レンズを作製し用いる方法と、可変焦点半固体レンズを含む光学装置とを提供する。焦点距離は、半固体レンズの形、大きさ、寸法、形状、体積、圧力、または表面曲率を変化させることにより、例えば半固体レンズの表面のある領域のまたは半固体レンズの全体の、曲率または曲率半径を変化させることにより、制御することができる。半固体の表面はレンズの光学的特性を形成し、その(調整可能な)曲率半径が焦点距離を決定する。可変焦点半固体レンズの一つの例は、ポリマーレンズまたはゲルレンズであり得る。有利なことに、本発明の半固体可変焦点レンズは、大直径を有する球形または非球形の可変焦点レンズの容易な製造、および画質改善のためのレンズ表面上の非反射被覆などの被覆の容易な蒸着を可能にする。

本発明によれば、半固体物質に加える圧力を調節することで半固体物質の形、大きさ、寸法、形状、体積または表面曲率を変化させることにより、可変焦点能力が得られる。一つの局面では、レンズの体積を比較的一定に保ちながら、半固体レンズの形、大きさ、寸法、形状または表面曲率を変化させることにより、可変焦点能力が得られる。一つの態様では、半固体物質の直径を変化させることにより可変焦点能力が得られる。

本発明の一つの局面によれば、所定の曲率の表面領域を有する光学的に透明な半固体物質と、半固体物質の表面領域の曲率を調節するために半固体物質と連結された圧力制御手段とを典型的に含む、光学装置が提供される。一つの態様では、光学装置は、保持手段、例えば物質を保持するための収納器を含み、半固体物質は該収納器に配置されるかまたは装着される。別の態様では、半固体物質は、マイクロメートルからミリメートルの範囲の厚さを有する薄膜である。

本発明の別の局面によれば、所定の曲率の表面領域を有する一つまたは複数の半固体レンズと、一つまたは複数の固体レンズと、任意で一つまたは複数の流体レンズと、レンズを装着するための収納器と、少なくとも一つの半固体レンズに連結された少なくとも一つの圧力制御手段と、任意で、流体レンズに連結された少なくとも一つの圧力制御手段とを典型的に含む、光学装置が提供される。

本発明のさらに別の局面によれば、光学装置を作製する方法が提供される。方法には、光学的に透明な半固体物質を加工して可変焦点レンズにする工程が含まれる。一つの態様では、方法は、射出成形工程を含む。別の態様では、方法はインサイチュー硬化工程を含む。

本発明のさらに別の局面によれば、所定の曲率の表面領域を有する光学的に透明な半固体物質の表面の曲率または曲率半径を調節するための方法が提供される。方法には、半固体物質に加えられる圧力を調節して、半固体物質の表面領域の曲率を変化させる工程が含まれる。

本発明のさらなる局面によれば、可変焦点半固体レンズを有する光学装置の撮像用途のための使用が提供される。

図面および特許請求の範囲を含む、明細書の残りの部分への言及によって、本発明の他の特徴および長所が理解されることになろう。本発明のさらなる特徴および長所、ならびに本発明の様々な態様の構造および操作を、添付の図面に関連して以下に詳細に記載する。図面中では、同じ参照番号は、同一のまたは機能的に類似の構成要素を示す。

本発明の態様による、レンズの外径を変化させることにより焦点距離を調節することができる、可変焦点半固体レンズを示す。 本発明の態様による、レンズの外径を変化させることにより半固体レンズの形を調節するためのピエゾ（piezo）リングアクチュエータを備えた半固体レンズの模式的側面図を示す。 本発明の態様による、レンズの表面曲率を調節するための、人工筋肉リング、圧電リングまたは機械的リング構成を有する可変焦点半固体レンズの上面図を示す。 本発明の態様による、収納器に装着された半固体レンズおよび該半固体レンズの表面曲率を調節するための流体圧モジュレータを有する、光学装置の横断側面図を示す。 2枚レンズアセンブリを備えた光学装置の模式図を示す。本発明の態様によれば、光学装置は、収納器中に装着された半固体レンズおよび固体レンズを含む。 本発明の実施態様による、透明カバーを備えた収納器中に装着された半固体レンズおよび固体レンズ、ならびに半固体レンズの表面曲率を調節するための流体圧モジュレータを有する光学装置を示す。 本発明の実施態様による、半固体レンズの収納器への接着性を増すため粗い表面の収納器を有する、半固体および固体レンズのアセンブリを備えた光学装置を示す。 本発明の態様による、半固体レンズが凸曲面を有する3枚レンズアセンブリを備えた光学装置の模式的側面図を示す。 本発明の態様による、半固体レンズまたは液体レンズの表面曲率を調節するために、流体圧モジュレータが半固体レンズまたは液体レンズに連結されている、3枚レンズアセンブリを備えた光学装置を示す。 本発明の態様による、3枚レンズアセンブリを備えた光学装置の側面図を示し、収納器が透明なカバーまたはレンズの形をしたカバーを有し、複数の流体圧モジュレータが半固体レンズの表面曲率を調節するために半固体レンズに連結されている。 本発明の態様による、第2半固体レンズの表面曲率を調節するための第2半固体レンズに連結された第2流体圧モジュレータを任意で有する、3枚レンズアセンブリを備えた光学装置の側面図を示す。 本発明の態様による、半固体レンズまたは液体レンズの表面曲率を調節するための圧電アクチュエータを有する3枚レンズアセンブリを備えた光学装置の側面図を示す。 本発明の態様による、半固体レンズまたは液体レンズの表面曲率を調節するための、アクチュエータリング、アクチュエータダイヤフラム、ピエゾリング、または電気的活性ポリマーを有する、3枚レンズアセンブリを備えた光学装置の側面図を示す。 本発明の態様による、4枚レンズアセンブリを備えた光学装置の側面図を示す。 本発明の態様による、レンズ空胴を備えた、半固体レンズまたは液体レンズアセンブリの側面図を示す。 図15Aは、本発明の態様による、液体または半固体レンズおよび固体レンズを示す。図15Bは、本発明の態様による、液体または半固体レンズおよび固体平凸レンズを示す。図15Cは、本発明の態様による、2枚の液体レンズまたは2枚の半固体レンズ、および2枚の固体レンズを示す。図15Dは、本発明の態様による、2枚の液体レンズまたは2枚の半固体レンズ、およびその間に挟まれた1枚の固体レンズを示す。 本発明の態様による、液体に基づくまたは半固体レンズに基づく、自動焦点レンズシステムの側面図を示す。 本発明の別の態様による、液体レンズに基づくまたは半固体レンズに基づく、自動焦点レンズシステムの側面図を示す システムの態様による、ズーム／焦点モジュールを備えた、液体レンズまたは半固体レンズシステムの側面図を示す。 システムの態様による、可変焦点および可変直径レンズモジュールを備えた、液体または半固体レンズシステムの側面図を示す。 本発明の別の態様による、ズーム／焦点モジュールを備えた、液体または半固体レンズシステムの側面図を示す。 図21Aは、本発明の態様による圧電ディスクアクチュエータの上面図を示す。図21Bは、本発明の態様による、液体ポンプ輸送のための圧電ディスクアクチュエータの側面図を示す。図21Cは、本発明の態様による、湾曲した圧電ダイヤフラムを用いる圧電アクチュエータの上面図を示す。 本発明の態様による、可変焦点エラストマーレンズの画像を示す。 本発明の態様による、レンズを変形しかつレンズの焦点距離を制御することができる機械的アクチュエータを備えた可変焦点エラストマーレンズモジュールを示す。 本発明の態様による、約20Vの駆動電圧での管状ピエゾアクチュエータの体積変化の実証である。 本発明の態様による、半固体薄箔レンズアセンブリの模式的側面図を示す。 本発明の態様による、薄箔レンズおよび固体レンズを備えた2枚レンズアセンブリの側面図を示す。 半固体レンズを用いる固定焦点レンズモジュールの側面図を示す。 3枚レンズアセンブリを有する光学装置、ならびに半固体レンズの操作および機能性を示す。

発明の詳細な説明
本発明は、可変焦点半固体レンズと、可変焦点半固体レンズを作製しかつ使用する方法とを提供する。焦点距離は、半固体レンズのまたは半固体レンズのある表面領域の、形、大きさ、寸法、形状、直径、圧力、体積、曲率、または曲率半径の調節により制御することができる。

本明細書に用いられる「半固体」という用語とは、固体および液体の両方の特性を有する物質を指す。例えば、半固体は、紫外部(UV)または赤外線(IR)放射を濾過する材料であり得る。特に半固体は、圧力変化などの外部刺激に応答して、形、大きさ、寸法、形状、および／または表面曲率を変化させることができる。半固体は、粘性液体；エラストマーゲルなどのゲル；半導体被覆；電気的活性ゲル；半液晶；あるいは熱可塑性エラストマーまたはシロキサンなどのエラストマーであることができる。特に半固体は、ポリマー材料、例えば有機ポリマー、無機ポリマー、もしくは種々のポリマーおよび添加剤の混合体、または複合材料であることができる。本明細書に用いられるゲルにはまた、ほとんど液体であるが、固体のように振る舞うコロイド材料、例えばコロイドを含むことができる。

本明細書に用いられる「流体」という用語とは、気体、液体、または気体と液体の混合物を指す。気体には、空気、酸素、窒素、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、希(不活性)ガス、低沸点有機溶媒、低沸点有機溶媒の蒸気、またはそれらの組合せが非限定的に含まれる。液体は、任意の透明な液体であることができる。本発明に用いられる液体の例には、水、油、有機溶媒、およびそれらの組合せが非限定的に含まれる。液体は、半固体レンズに加えてレンズとして働いても、または働かなくてもよい。

本明細書で用いられる装置の側面図は、装置の断面図も意味する。

本明細書に用いられ「曲率」という用語とは、幾何学的物体が平面であることから乖離する量を指す。平面曲線については、曲率は、(x'y"-y'x")/(x'²+y'²)^3/2と定義される。式中、x'、x"、y'およびy"は一次および二次導関数である。二次元曲面については、点Pにおける曲率は、

と定義される。式中、rは点Pからの短い距離であり、C(r)は点Pからの距離がrである円の周辺の長さである。例えば表面が平らな場合は、C(r)＝2πrである。典型的には、半固体レンズは、所定の表面曲率を有する表面領域を有する。

図1は、焦点距離が、レンズのある表面領域のまたはレンズ全体の形、大きさ、寸法、外径、曲率、または曲率半径を変化させることによって調節することができる、可変焦点半固体レンズを示す模式図である。レンズは、半固体物質102、表面110および112、ならびに境界120を有する。図1に示されるように、一つの態様では、半固体レンズの直径を図1A中のD1から図1Bの中のD2に変化させることにより、表面110が表面112に変化して表面曲率が変わり、可変焦点能力が達成される。ある場合には、レンズの体積は、比較的一定に保つことができる。他の場合には、半固体レンズに力または圧力を加えると、使用する半固体材料が圧縮されて、その体積を縮小することができる。レンズに外部刺激、例えば力、圧力、光束を加えることにより、レンズの表面曲率、形、形状、または寸法の変更を行なうことができる。

本発明は、所定の曲率の表面領域を有する光学的に透明な半固体物質と、半固体の表面領域の曲率を調節するための半固体物質と連結された圧力制御手段とから成る光学装置を提供する。図2は、本発明の光学装置の模式的側面図である。図2に示すように、装置は、半固体物質210、表面領域230、および半固体210と連結された圧力制御手段220を有する。圧力制御手段220は、例えば物質210と接触させることにより直接半固体210と連結されることができるか、または間接的に媒介物、例えば流体層または固体層などの媒介層、を介して210と相互作用することにより表面230の曲率を調節する。一つの態様では、レンズは圧力制御手段220に囲まれている。別の態様では、圧力制御手段220は、レンズの一部に接している。例示的な圧力制御手段220は、圧電リングなどのその外周が収縮することができるリングである。反射または非反射層などの別個の層、例えば、画質改善のために半固体レンズの表面に蒸着されたものを、半固体レンズに加えることもできる。

図3は、レンズを囲む圧力制御手段310を備えたレンズ340を含む、本発明の態様の上面図を示す。レンズ340は、半固体レンズまたは流体レンズであることができる。

本発明で用いられる圧力制御手段の例には、下記が非限定的に含まれる：人工筋肉リング；電界を加えるとその直径を変化させることができる、ピエゾリング、ピエゾシリンダー、ピエゾスリーブまたはピエゾ被覆金属リングもしくはシリンダー、圧電リングなどの圧電装置；機械的アクチュエータ；電気機械的アクチュエータ；マイクロ流体を用いるモジュレーションのための流体圧モジュレータ；光束；および電圧または電気的刺激。本発明で用いられる圧力制御装置は、様々な形および寸法を有することができる。本発明で用いられる圧力制御装置の諸部分は、楕円形、円形および／または多角形の断面を有することができる。多角形断面の辺の数は、3〜約16まで変化してもよい。一つの例は、正方形か長方形のような四辺を有する多角形である。

様々な半固体材料を本発明で用いることができる。好ましくは、材料は、操作条件下で光学的に透明であり安定している。半固体材料には、下記が非限定的に含まれる：油などの粘性液体；低分子量の架橋または非架橋のポリマーおよびコロイドなどのゲル；架橋または非架橋の熱可塑性および熱硬化性エラストマーなどのエラストマー；ならびにそれらの混合物。ポリマーまたはオリゴマーの例には、ホモポリマー、コポリマー、ポリマー混合体およびそれらの混合物が非限定的に含まれる。例示的なポリマーまたはオリゴマーには、シロキサン、ポリ(ジメチルシロキサン)などのポリシロキサン；ポリカーボネート；ポリホスファゼン；およびポリ(メチルメタクリレート)などのポリアクリレートが含まれる。

光学装置はさらに、収納器などの保持手段を含む。図4は、本発明の別の態様の横断側面図を示す。図4に示すように、光学装置は、所定の曲率の表面領域440を有する半固体レンズ420、収納器430および圧力制御手段414を有する。レンズ420は、収納器430に装着されている。レンズ420に加える圧力を変化させて表面440の曲率を変化させるために、レンズ420を圧力制御手段414に直接連結している。または、圧力制御手段414は、流体または層などの媒介物を通してレンズ420に間接的に連結されることもできる。圧力制御手段は、流体410ならびに入口および／または出口412を含むマイクロ流体調節装置であり得る。流体は液体または気体であり得る。当業者は、圧電装置、機械的または電気的アクチュエータなどの他の圧力制御手段をまた用いて、レンズ420の焦点距離を変化させることができることが分かるであろう。

本発明で用いられる収納器は、可変の形および寸法を有することができる。一つの態様では、管状の収納器は対称な断面を有し、また別の態様では、管状の収納器は非対称な断面を有する。さらに別の態様では、管状収納器は、管状収納器に沿った断面の大きさが、連続的または不連続に変わるものであってよい。本発明で用いられる管状収納器の諸部分は、楕円形、円形および／または多角形の断面を有してもよい。多角形断面の辺の数は、3〜約16まで変化してもよい。一つの例は、正方形または長方形などの四辺を有する多角形である。

別の態様では、本発明は、図5に示すような2枚レンズアセンブリを有する光学装置を提供する。光学装置は、収納器530に装着された、表面540を有する半固体レンズ510および固体レンズ520を含む。図5に示すように、半固体レンズ510および固体レンズ520は互いに直接接触している。または、二つのレンズを所定の距離だけ分離することができ、例えば、二つのレンズは液体または気体などの流体によって分離することができる。

さらなる態様では、図5の装置と同様に、図6Aの光学装置は、収納器630に装着された、表面670を有する半固体レンズ640および固体レンズ650を含む。装置はまた、流体615を含み入口／出口660を有する圧力制御手段610を有する。圧力制御手段を用いて、レンズ640の形、大きさ、または形状、寸法、および表面670の曲率を調節する。装置はまた、カバー620を有し、好ましくは、カバーは透明である。別の態様では、半固体材料は、中空の空胴を備えており、該半固体材料は外力または圧力を加えられるとそこに入り込むことができ、半固体の焦点距離、または形、あるいは曲率を変化させる。例えば図6Bに示すように、光学装置は、半固体レンズの隣に中空の空胴680を有し、圧力制御装置610が半固体レンズ640に圧力を加えた場合に半固体レンズが入り込むためのいくらかの追加スペースを提供する。

図7は、本発明のさらなる態様を提供する。図6と同様に光学装置は、収納器720に装着された、表面770を有する半固体レンズ750および固体レンズ760を有するレンズアセンブリを含む。レンズ750の形、大きさ、形状および／または寸法、ならびに表面770の曲率を調節するために、流体および入口／出口740を有する圧力制御手段730を用いて、レンズ750に加える圧力を制御する。特に光学装置は、収納器の表面に対して半固体の牽引力、摩擦および接着力を増加させるための粗い表面、例えば微視的な突出、くぼみまたは空隙などの微細構造を備えた表面などを有する材料で作られた、収納器を提供する。表面は、疎水性または親水性であることができる。表面は、ポリマー、無機物、金属またはセラミック材料あるいはそれらの混成物などの収納器と同じかまたは異なる材料を含むナノ構造またはマイクロ構造の材料からなることができる。

図8は、3枚レンズアセンブリを有する光学装置を提供する本発明の別の態様の模式図である。光学装置は、表面850を有する第1半固体レンズ810と表面855を有する第2半固体レンズ812との間に挟まれた固体レンズ820を有する。当業者は、レンズの他の配置もまた、本発明について実現可能であることが分かるであろう。レンズ810、812および820を、鋭いエッジ840が存在するように収納器830に配置するかまたは装着する。それが凸形を有する半固体レンズの形成を可能にし、それがレンズ材料、例えばゲルが収納器の空胴から漏れるのを防止することができる。

図9は、本発明の別の態様を示す。図8と同様に、光学装置は、収納器920に配置されたまたは装着された、表面領域970を有する第1レンズ940と、表面領域975を有する第2レンズ960との間に挟まれた、固体レンズ950を含む。装置はまた、鋭いエッジ901を有することができる。または、装置は滑らかなエッジを有することもできる。レンズ940および960は、半固体レンズまたは流体レンズであることができる。流体は気体または液体であることができる。レンズ940および960の形、大きさ、形状および／または寸法、ならびに表面970および975の曲率を、圧力制御手段910および912によってそれぞれ調節することができる。圧力制御手段910および912は、レンズに加えられる圧力を調節して表面970および975の曲率の変化をもたらす流体を含む装置であり得る。流体は、半固体に圧力を伝達するように機能する。可変焦点アセンブリを実現するためにレンズの他の配置もまた可能であることを、当業者は当然分かるであろう。

図10A〜10Bは、本発明の他の態様を示す。図9の光学装置と同様に、図10Aに示される光学装置は、表面領域1080を有する第1半固体レンズ1030と表面領域1085を有する第2半固体レンズ1032との間に挟まれた、固体レンズ1040を有する。レンズは、収納器1020に配置されるかまたは装着される。第1圧力制御手段1070がレンズ1030に連結されている。第2圧力制御手段1072が、レンズ1032に連結されている。圧力制御手段は、気体または液体などの流体1010および1012を含む容器であることができる。流体1010および1012は、同じ種類または異なる種類であることができる。好ましくは、圧力制御手段1070および1072は、柔軟な容器材料で作られる。一つの態様では、圧力制御手段1070および／または1072は、透明である。圧力制御手段は、直接的接触または間接的相互作用のいずれかによって、半固体レンズ1030および1032に連結することができる。光学装置はまた、透明なカバー1050および1060を有する。一つの態様では、カバーはレンズの形をしている。図10Bに示されるように、圧力を加えた場合に半固体レンズが入り込む、中空の空胴1090が提供される。

図11は、本発明の別の態様を示す。図10の装置と同様に、光学装置は、表面1170を有する第1半固体レンズ1140と表面1175を有する第2半固体レンズ1142との間に挟まれた、固体レンズ1150を有する。レンズアセンブリを、収納器1130に配置するかまたは装着する。第1圧力制御装置1110を第1半固体レンズ1140に接着させて、レンズ1140の形、大きさ、形状および／または寸法、あるいは表面曲率、ならびに表面1170の曲率を調節する。圧力制御手段1110は、レンズ1140に対する圧力を生成するための装置に適する流体1112および流体入口／出口1160を有する。光学装置は任意で、第2レンズ1142に接着された第2圧力制御手段1114を有する。任意で装置1114は、レンズ1142の圧力調節のために、内部に流体を有する。光学装置はまた、カバー1120および1122を有し、好ましくは、カバーの少なくとも一つは透明である。

図12A〜12Bは、レンズの組合せを用いる本発明の態様を示す。図12Aに示されるように、光学装置は、レンズ部分、収納器1220、および半固体レンズの各々に連結された圧力制御手段部分を有する。レンズ部分は、表面領域1260を有する第1半固体レンズ1240、固体または流体のレンズ1250、および表面領域1265を有する第2半固体レンズ1242から構成される。一つの態様では、レンズ1250は、レンズ1240とレンズ1242との間に位置する。レンズ部分を収納器1220に配置するかまたは装着する。第1圧力制御手段1210をレンズ1240に連結する。空胴1230および1232は、それぞれレンズ1240およびレンズ1242の駆動のためにある。任意で、第2圧力制御手段1212をレンズ1242に連結する。図12Bに示されるように、一つの態様では、レンズはレンズ開口1270および1275、ならびに流体1280を有する。圧力制御手段1210および／または1212は、ピエゾリング／湾曲ダイヤフラム、または圧電材料で覆われた金属リング／湾曲ダイヤフラム、あるいは人工筋肉などの電気的活性ポリマー材料のリング／湾曲ダイヤフラムである。金属リング／湾曲ダイヤフラムは機械的増幅を提供する。レンズへアクチュエータの駆動作用を伝える液体、気体または空気などの媒介流体を用いることによって、レンズを駆動してもよい。

図13は、本発明の別の態様を示し、これは4枚レンズアセンブリを有する光学装置を提供する。表面1360を有する第1半固体レンズ1320が、半固体レンズ1320との界面1370を有する流体レンズ1330の上に配置されている。流体レンズ1330は、固体レンズ1340の上に配置され、界面1375を形成する。さらに固体レンズ1340は、表面1365を有する第2半固体レンズ1322の上に配置される。レンズの他の配置を用いて、所望の可変焦点の結果を得ることができることを当業者は認識するであろう。図13では、レンズの各々が他のレンズと接触している。他の態様では、いくつかのレンズは互いに接触し、その一方で他のレンズは所定距離だけ離れていることができる。さらに他の態様では、レンズの各々は、他のレンズと接触していない。レンズ1320および1330は、収納器1310に配置されるかまたは装着される。流体レンズ1330は、流体が通過できる入口／出口1350を有する。

図14は、レンズ空胴1404を備えた半固体レンズまたは液体レンズアセンブリの側面図を示す。レンズ空胴1404は、内側に湾曲しているか、外側に湾曲しているか、または真直であることができる。一つの態様では、レンズ空胴1404は被覆1406および1410で覆われた内層を有し、またレンズアセンブリの上部および底部表面即ち外層は被覆1408で覆われている。被覆1406、1410および1408は、親水性材料または疎水性材料のいずれかであり得る。レンズ空胴が液体を含む場合は、被覆1406および1410は好ましくは親水性材料である。疎水性領域の境界が液体を束縛し、境界に、流体の静的(または動的)接触角によって一部分規定される曲率を有するメニスカスを呈する。疎水性材料は、プラスチック、ポリマー、セラミックス、合金、または、Teflonなどのフルオロポリマー、CYTOPまたは酸窒化ジルコニウムのような材料であってよい。親水性領域は、プラスチック、ポリマー、ガラス、石英、酸窒化ジルコニウム、または融解石英などの材料で出来ていればよい。他の適当な材料には、セラミックス、親水性金属、親水性合金または親水性ポリマー、例えばヒドロキシル酸ポリアクリレートもしくはポリメタクリレート、ポリアクリルアミド、セルロース誘導体ポリマー、ポリビニルアルコールなどが含まれる。これらの材料の被覆を用いて、レンズ空胴壁を覆うこともできる。

本発明の別の態様には、焦点調節およびズーミングのためのいくつかの液体レンズおよび／または固体レンズを備えた、液体または半固体レンズアセンブリが含まれる。図15A〜15Dは、様々な可能な配置を示す。図15Aは、液体レンズ1504および固体レンズ1502を含む組合せを示す。図15Bは、液体レンズ1504および固体平凸レンズ1506を含む組合せを示す。図15Cは、2枚の液体レンズおよび2枚の固体レンズ1506の組合せを示す。図15Dは、2枚の液体レンズ1504、およびその間に挟まれた1枚の固体レンズ1508を示す。固体および／または液体レンズの様々な配置を含む多くの他のアセンブリ構成が、本明細書の教示に基づいて可能であることは当然である。

図16は本発明の態様による、自動焦点モジュールを備えた液体レンズまたは半固体システムの側面図を示す。収納器1600は、第1固体レンズ1606と第2固体レンズ1608との間に、可変焦点の液体レンズまたは半固体レンズ1604を保持する。収納器1600は、被覆された内表面1602、および空胴を満たしかつ液体レンズの光学特性(例えばメニスカス)を制御するためのチャネル1612を含む。表面1602は、疎水性かまたは親水性のいずれかであり得る。この態様の自動焦点システムでは、第2固体レンズ上に絞り1610が形成される(例えば、印刷によって)。

図17は、本発明の別の態様による、自動焦点モジュールを備えた液体レンズまたは半固体レンズシステムの側面図を示す。図16に示した態様と同様に、収納器1700は、可変焦点の液体レンズまたは半固体レンズ1704、第1固体レンズ1706および第2固体レンズ1708を保持するが、しかしさらに第3固体レンズ1710も保持する。収納器1700はまた、疎水性表面1702を含む。液体レンズ1704は、駆動手段またはポンプ1716に連結された液体貯留槽または圧力制御手段1714からのチャネル1712を通して、空胴を満たす。

図18は、本発明の態様による、ズーム／焦点モジュールを備えた液体レンズまたは半固体レンズシステムの側面図を示す。図17の態様と同様に、疎水性表面1802を有する収納器1800は、第1固体レンズ1808、第2固体レンズ1810、第3固体レンズ1812、および第1可変焦点レンズ1804を保持し、それは第1液体レンズまたは第1半固体レンズであることができる。しかし、収納器1800は、さらに第2可変焦点レンズ1806を保持し、それは第2液体レンズまたは第2半固体レンズであることができる。一つの態様では、第1可変焦点レンズ1804は、アクチュエータまたはポンプ1816に連結された第1液体貯留槽または第1圧力制御手段1814から第1空胴を満たす、第1液体レンズである。第2可変焦点レンズ1806は、アクチュエータまたはポンプ1820に連結された第2液体貯留槽または第2圧力制御手段1818から第2空胴を満たす、第2液体レンズである。別の態様では、第1可変焦点レンズ1804は、アクチュエータまたはポンプ1816に連結された第1液体貯留槽または第1圧力制御手段1814から第1空胴を満たす、第1半固体レンズである。第2可変焦点レンズ1806は、アクチュエータまたはポンプ1820に連結された第2液体貯槽または第2圧力制御手段1818から第2空胴を満たす、第2半固体レンズである。別の態様では、半固体レンズ用のアクチュエータは、半固体レンズと直接接触しているピエゾリングアクチュエータであり得る。

図19は、本発明の態様による、可変焦点および可変直径モジュールを備えた、液体レンズまたは半固体レンズシステムの側面図を示す。疎水性表面1902を有する収納器1900は、固体レンズ1904、第1液体レンズまたは第1半固体レンズ1906、および第2液体レンズまたは第2半固体レンズ1912を保持する。第1液体レンズまたは第1半固体レンズ1906は、アクチュエータまたはポンプ1920に連結された第1液体貯留槽または第1圧力制御手段1918から第1空胴を満たす。第2液体レンズまたは第2半固体レンズ1912は、アクチュエータまたはポンプ1924に連結された第2液体貯留槽または第2圧力制御手段1922から第2空胴を満たす。この態様の収納器1900は階段状になっていて、液体がさらに空胴の中にポンプ輸送されると、液体レンズまたは半固体レンズの直径が増大する。例えば、液体レンズまたは半固体レンズ1906は、直径が増大して1908で示される拡大した液体レンズまたは半固体レンズになり、それはさらに大きくなって1910で示される拡大した液体レンズまたは半固体レンズになることができる。同様に第2液体レンズまたは半固体レンズ1912の直径が増大して、拡大した液体レンズまたは半固体レンズ1914を形成し、さらに増大して拡大した液体レンズまたは半固体レンズ1916を形成する。いくつかの態様では、半固体レンズに圧力を加えると、半固体材料が圧縮されて体積を縮小することができる。ある他の態様では、半固体レンズを、マクロ機能を有する固定焦点レンズとして用いる。

図20は、本発明の別の態様による、ズーム／焦点モジュールを備えた液体レンズまたは半固体レンズシステムの側面図を示す。疎水性または親水性のいずれかの表面2002を有する収納器2000は、第1固体レンズ2004、第2固体レンズ2006、第3固体レンズ2008、および第4固体レンズ2010を保持する。収納器2000はまた、第1可変焦点液体レンズまたは半固体レンズ2012、および第2可変焦点液体レンズまたは半固体レンズ2014も保持する。第1液体レンズまたは半固体レンズ2012は、アクチュエータまたはポンプ2018に連結された第1液体貯留槽または第1圧力制御手段2016から第1空胴を満たす。第2液体レンズまたは半固体レンズ2014は、アクチュエータまたはポンプ2022に連結された第2液体貯留槽または第2圧力制御手段2020から第2空胴を満たす。全てのレンズは、収納器2000に配置されるかまたは装着される。

図21A〜21Bは、本発明の態様による、圧電ブザーダイヤフラムを用いる圧電ディスクアクチュエータを示す。図21Aは、金属ダイヤフラム2100および圧電層2102を含む、圧電ブザーダイヤフラムの上面図を示す。図21Bは、液体レンズまたは半固体レンズシステムの収納器2104に配置されたかまたは装着された、ダイヤフラム2100および圧電層2102を含む、圧電ブザーダイヤフラムの断面図を示す。ダイヤフラム2100は、チャネル2108から液体2106をポンプ輸送して液体レンズを形成するように作動する。図21Cは、図21A〜21Bの態様の変形を示し、圧電層2110および湾曲した金属ダイヤフラム2112を含む。図21A〜21Bのディスク態様はレンズ収納器の上に置かれるが、湾曲した圧電ダイヤフラムは、レンズ収納器の周りに配置されるかまたは装着される。

図22は、成形プロセスによって形成された可変焦点エラストマーレンズの画像を示す。

図23A〜23Bは、機械的アクチュエータを備えた可変焦点エラストマーレンズモジュールを示し、機械的アクチュエータはレンズを変形させてレンズの焦点距離を制御することができる。

図24A〜24Bは、駆動電圧約20Vでの管状ピエゾアクチュエータの体積変化の実証を示す。

図25は、本発明の態様による半固体薄箔レンズアセンブリの模式的側面図を示す。図25に示されるように、光学装置は、半固体物質の薄膜または層から調製される薄箔レンズ2510、および薄箔レンズの焦点距離の調節のために用いられるアクチュエータリング2520を含む。半固体薄膜レンズの厚さは、約1μm〜約5mmの範囲に、例えば、1μm〜10μm、10μm〜30μm、20μm〜50μm、40μm〜80μm、75μm〜150μm、100μm〜300μm、180μm〜400μm、200μm〜600μm、250μm〜700μm、350〜800μm、400μm〜900μm、500μm〜850μm、750μm〜950μm、900μm〜1mm、0.5mm〜1.5mm、1.0mm〜2mm、1.5mm〜2.5mm、2mm〜3mm、2.5mm〜3.5mm、3mm〜4mm、2.5mm〜4.5mm、または4mm〜5mmの範囲であり得る。いくつかの例では、半固体薄膜レンズの厚さは、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、15μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1mm、2mm、3mm、4mm、または5mmであり得る。

図26は、本発明の態様による2枚レンズアセンブリの側面図を示す。図26に示すように、光学装置は、収納器2630に配置されたかまたは装着された薄箔レンズ2610および固体レンズ2640を含む。リングアクチュエータを薄箔レンズ2610に接着させて、レンズの焦点距離を調節する。アクチュエータは、先に議論した圧力調節装置のいずれかであることができる。薄箔レンズは、半固体レンズまたは液体のいずれかであることができる。レンズの他のアセンブリもまた可能であることを当業者は当然分かるであろう。例えば本発明はさらに、一つまたは複数の薄箔レンズ、一つまたは複数の固体レンズおよび一つまたは複数の液体レンズの組合せを含む、二つまたはそれ以上のレンズを備えたレンズアセンブリも提供する。

図27は、半固体レンズを用いる固定焦点レンズモジュールの側面図を示す。半固体レンズを固定焦点レンズとして用いる光学装置は、マクロ機能を有する。光学装置は、第1半固体レンズ2710と第2半固体レンズ2712との間に挟まれた固体レンズ2720を含む。レンズは、収納器2730に配置されるかまたは装着される。他の態様では、レンズのいくつかは互いに直接接触していることができ、一方で、他のレンズは所定距離だけ、例えば流体、気体または真空によって分離されていることができる。さらに他の態様では、全てのレンズが所定距離だけ離れていることができる。

図28は、3枚レンズアセンブリおよび半固体レンズの機能性を有する光学装置を示す。図28に示されるように、光学装置は第1半固体レンズ2810と第2半固体レンズ2850との間に挟まれた固体レンズ2860、流体入口2830を有する第1圧力制御手段2880、および流体出口2832を有する第2圧力制御手段2882を含む。レンズは、収納器2870に配置されるかまたは装着される。半固体レンズ2810は、それぞれの初期位置に表面2822、2824および2826を有する。半固体レンズ2850は、それらの初期位置の表面2852、2854、および2856を有する。図5はまた、レンズに加えられる圧力を変化させることにより半固体レンズの表面の曲率または曲率半径を調節することができることも実証する。圧力制御装置2880が流体2840を通じて圧力を増加させると、半固体レンズ2810はその形を変化させ、表面2822、2824および2826にそれぞれ対応する新しい表面2821、2823および2825を形成する。逆に圧力制御装置が、出口2832を通じて流体2842を除去することよって圧力を減少させると、半固体レンズはその形を変化させ、表面2852、2854および2856にそれぞれ対応する新しい表面2851、2853および2855を形成する。

本発明はまた、可変焦点半固体レンズを生産する方法を提供する。一つの態様では、レンズは、ポリマーなどの光学的に透明な半固体で作製される。半固体レンズは、射出成形により、レンズの形状をした鋳型へ注入することにより、注型成形により、あるいは、ポリマーレンズなどの半固体レンズの生産に用いられる任意の他の方法により、製造することができる。例えば、液状の材料を空胴または鋳型に注入するかまたは流し込む工程、次にその液体材料を半固体物質またはゲルへ硬化させる工程により、半固体レンズを作製することができる。

本発明はまた、所定の曲率の表面領域を有する半固体レンズの曲率を調節するための方法も提供する。方法は、半固体物質に加える圧力を調節して、半固体物質の表面領域の曲率を変化させる工程を含む。

本発明はまた、撮像用途のための半固体光学装置の使用を提供する。

本発明はまた、上記の全ての液体レンズは、選択的にまたは完全に半固体レンズと置き換えることができるものとする。本発明は、上記のレンズすべてを半固体箔状薄レンズと選択的にまたは全て置き換えることができることをさらに提供する。

本発明を、例を通じておよび具体的な態様によって記載してきたが、本発明が開示された態様に限定されないことは当然である。それとは反対に、本発明は、当業者には明白であろう様々な改変および類似の構成を包含するものとする。例えば、半固体レンズの可変焦点能力を備えたレンズアセンブリの様々な可能な構成が存在し、それらの態様は本明細書に記載された構成に限定されない。したがって、添付の特許請求の範囲についての範囲には、そのような改変および類似の構成のすべてを包含するように最も広い解釈が与えられなければならない。

Claims (69)

1. 所定の曲率の表面領域を有する光学的に透明な半固体物質と；
   該半固体物質の表面領域の曲率を調節するために、該半固体物質と連結された圧力制御手段と
   を含む、光学装置。
2. 半固体物質が別個の層を含む、請求項1記載の装置。
3. 別個の層が反射層または非反射層である、請求項2記載の装置。
4. 別個の層が半固体物質に接触している、請求項2記載の装置。
5. 物質を支持するための保持手段をさらに含む、請求項1記載の装置。
6. 保持手段が収納器を含み、半固体物質が該収納器中に装着される、請求項5記載の装置。
7. 収納器が親水性内層および疎水性外層を含む、請求項6記載の装置。
8. 収納器が透明なカバーを含む、請求項6記載の装置。
9. 半固体物質が、ゲル、粘性液体、コロイド、エラストマー、エラストマーゲル、半導体被覆、有機ポリマー、無機ポリマー、半液晶およびそれらの組合せからなる群より選択される、請求項1記載の装置。
10. 半固体物質がゲルを含む、請求項9記載の装置。
11. ゲルが、ポリシロキサン、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリ(メチルメタクリレート)およびそれらの組合せからなる群より選択される、請求項10記載の装置。
12. 半固体物質がエラストマーを含む、請求項9記載の装置。
13. エラストマーが、熱可塑性エラストマーまたはシロキサンである、請求項12記載の装置。
14. エラストマーがポリジメチルシロキサンである、請求項12記載の装置。
15. 半固体物質が赤外線光を吸収する、請求項1記載の装置。
16. 圧力制御手段が、圧電装置、機械的アクチュエータ、電気機械的アクチュエータ、流体圧モジュレータ、人工筋肉リングおよび光束からなる群より選択される装置である、請求項1記載の装置。
17. 圧力制御手段が圧電装置である、請求項16記載の装置。
18. 圧電装置が、圧電リング、圧電層、および管状ピエゾ（piezo）アクチュエータからなる群より選択される、請求項17記載の装置。
19. 圧力制御手段が流体圧モジュレータである、請求項16記載の装置。
20. 流体圧モジュレータが、液体、気体およびそれらの混合物からなる群より選択される流体を含む、請求項19記載の装置。
21. 約1μm〜約5mmの範囲の厚さおよび所定の曲率の表面領域を有する光学的に透明な半固体膜と；
    該半固体物質の表面領域の曲率を調節するために、該半固体物質と連結された圧力制御手段と
    を含む、光学装置。
22. 半固体膜が配置された収納器をさらに含む、請求項21記載の装置。
23. 収納器中に配置された固体レンズをさらに含む、請求項22記載の装置。
24. 所定の曲率の表面領域を有する第1半固体レンズと；
    固体レンズと；
    該第1半固体レンズおよび該固体レンズが配置された、収納器と；
    該第1半固体レンズの曲率を調節するために、該第1半固体レンズに連結された第1圧力制御手段と
    を含む、光学装置。
25. 第1半固体レンズがゲルレンズである、請求項24記載の装置。
26. 流体レンズをさらに含む、請求項24記載の装置。
27. 所定の曲率の表面領域を有する第2半固体レンズをさらに含む、請求項24記載の装置。
28. 固体レンズが第1半固体レンズと第2半固体レンズとの間に配置された、請求項27記載の装置。
29. 第2半固体レンズの曲率を調節するために、該第2半固体レンズに連結された第2圧力制御手段をさらに含む、請求項27記載の装置。
30. 第1半固体レンズが固体レンズに接触している、請求項24記載の装置。
31. 収納器が、第1半固体レンズに接触している複数の空胴を含む、請求項24記載の装置。
32. 第1半固体レンズが収納器の表面に接触している、請求項24記載の装置。
33. 収納器の表面上の第1半固体レンズの牽引力を増加させるために、該収納器の表面が微細構造を含む、請求項32記載の装置。
34. 微細構造が複数のマイクロ空胴を含む、請求項33記載の装置。
35. 所定の曲率の第1表面領域を有する第1半固体レンズと；
    流体レンズと；
    所定の曲率の第2表面領域を有する第2半固体レンズと；
    該第1半固体レンズ、該第2半固体レンズおよび該流体レンズが配置された、収納器と；
    該第1半固体レンズの曲率を調節するために、該第1半固体レンズに連結された第1圧力制御手段と
    を含む、光学装置。
36. 固体レンズをさらに含む、請求項35記載の装置。
37. 第2半固体レンズの曲率を調節するために、該第2半固体レンズに連結された第2圧力制御手段をさらに含む、請求項35記載の装置。
38. 所定の曲率の第1表面領域を有する第1半固体レンズと；
    固体レンズと；
    所定の曲率の第2表面領域を有する第2半固体レンズと；
    該第1半固体レンズ、該第2半固体レンズおよび該固体レンズが配置された、収納器と；
    該第1半固体レンズの曲率を調節するために、該第1半固体レンズに連結された第1圧力制御手段と；
    該第2半固体レンズの曲率を調節するために、該第2半固体レンズに連結された第2圧力制御手段と
    を含む、光学装置。
39. 固体レンズが第1半固体レンズと第2半固体レンズとの間に配置された、請求項38記載の装置。
40. 固体レンズが第1半固体レンズおよび第2固体レンズに接触している、請求項39記載の装置。
41. 圧力制御手段がアクチュエータまたはポンプを含む、請求項38〜請求項40のいずれか一項記載の装置。
42. 圧力制御手段が、流体圧モジュレータおよび圧電装置からなる群より選択される、請求項1〜請求項41のいずれか一項記載の装置。
43. 第1固体レンズと；
    所定の曲率の表面領域を有する半固体レンズと；
    第2固体レンズと；
    該第1固体レンズ、該第2固体レンズおよび該半固体レンズが配置された、収納器と
    を含む、光学装置。
44. 圧力制御手段をさらに含む、請求項43記載の装置。
45. 半固体レンズが第1固体レンズと第2固体レンズとの間に配置された、請求項43記載の装置。
46. 収納器が疎水性表面を有する、請求項45記載の装置。
47. 表面が半固体レンズに接触している、請求項46記載の装置。
48. 第1固体レンズと；
    第2固体レンズと；
    第3固体レンズと；
    所定の曲率の表面領域を有する第1半固体レンズと；
    該第1固体レンズ、該第2固体レンズ、該第3固体レンズおよび該第1半固体レンズが配置された、収納器と；
    任意で、該第1半固体レンズに連結された圧力制御手段と
    を含む、光学装置。
49. 第1半固体レンズが第1固体レンズと第2固体レンズとの間に配置された、請求項48記載の装置。
50. 圧力制御手段が駆動手段と連結された、請求項49記載の装置。
51. 収納器内に配置された第2半固体レンズをさらに含む、請求項48記載の装置。
52. 第2半固体レンズが、第2固体レンズと第3固体レンズとの間に配置された、請求項51記載の装置。
53. 第2半固体レンズに連結された圧力制御手段をさらに含む、請求項52記載の装置。
54. 第1固体レンズと；
    第2固体レンズと；
    第3固体レンズと；
    第4固体レンズと；
    所定の曲率の第1表面領域を有する第1半固体レンズと；
    所定の曲率の第2表面領域を有する第2半固体レンズと；
    該第1固体レンズ、該第2固体レンズ、該第3固体レンズ、該第4固体レンズ、該第1半固体レンズおよび該第2半固体レンズが配置された、収納器と；
    任意で、該第1半固体レンズに対する第1圧力制御手段と；
    任意で、該第2半固体レンズに連結された第2圧力制御手段と
    を含む、光学装置。
55. 第2および第3固体レンズが第1固体レンズと第4固体レンズとの間に配置された、請求項54記載の装置。
56. 第1半固体レンズが第2固体レンズまたは第3固体レンズと接触している、請求項55記載の装置。
57. 第2半固体レンズが第2固体レンズまたは第3固体レンズと接触している、請求項55記載の装置。
58. 第1および第2半固体レンズが第2固体レンズと第3固体レンズとの間に配置された、請求項56または請求項57記載の装置。
59. 所定の曲率の第1表面領域を有する第1半固体レンズと；
    所定の曲率の第2表面領域を有する第2半固体レンズと；
    該第1半固体レンズと該第2半固体レンズとの間に配置された固体レンズと；
    該第1半固体レンズ、該第2半固体レンズおよび該固体レンズが装着された、収納器と
    を含む、光学装置。
60. 成形工程によって調製された、半固体レンズ。
61. 半固体物質を加工してレンズにする工程を含む、半固体光学装置を作製する方法。
62. 所定の曲率のレンズに半固体物質を射出成形する工程を含む、半固体光学レンズを作製する方法。
63. 流体材料を所定の構造を有する鋳型の中に注入する工程；および
    該流体材料を所定の曲率の半固体レンズへ硬化させる工程
    を含む、半固体光学レンズを作製する方法。
64. レンズを収納器中に装着する工程をさらに含む、請求項61、62または63のいずれか一項記載の方法。
65. 所定の曲率の表面領域を有する半固体物質に加える圧力を調節して、半固体物質の表面領域の曲率を変化させる工程を含む、半固体レンズの曲率を調節する方法。
66. 圧力が機械的アクチュエータから加えられる、請求項65記載の方法。
67. 撮像応用のための請求項1〜請求項59のいずれか一項記載の装置の使用。
68. 本明細書に実質的に記載された、光学装置。
69. 本明細書に実質的に記載された、光学装置を作製する方法。

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