JP2012514764A - 電気活性光デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
電気活性光デバイスは、電気活性効果を利用する光デバイスである。
本発明の目的は、改良された光デバイス、特に光スクランブラを提案することである。本目的は、請求項1の電気活性デバイスによって達成される。
所定の平面に配置され、第1表面および第2表面を有する、好ましくは予延伸されたポリマー膜と、
前記第1表面上に配置された第1電極と、
前記第2表面上に配置された第2電極と、
第1および/または第2表面、または、ポリマー膜に接続された剛性の光素子と、
を有する。
ポリマー膜を保持手段、例えば包囲フレームに取り付けるステップと、
ポリマー膜の第1表面上に第1電極を設けるステップと、
ポリマー膜の第2表面上に第2電極を設けるステップと、
ポリマー膜よりも機械的に硬質な材料からなる剛性の光素子を、電極の少なくとも1つに近接するポリマー膜の少なくとも1つの表面に設けるステップと、
を有する手順である。
b)剛性の光素子上に亘ってポリマーを分布させ、少なくともポリマーを部分的に硬化させてポリマー膜を形成するステップと、
c)ステップa)およびb)によって得られた集成体を支持表面から取り外し、剛性の光素子と共にポリマー膜を延伸させるステップと、
d)ポリマー膜を保持手段、例えば包囲フレームに取り付けるステップと、
e)ポリマー膜の第1表面上に第1電極を設けるステップと、
d)ポリマー膜の第2表面上に第2電極を設けるステップと、
を有する。
本発明は、以下の詳細な説明を考慮することでよりよく理解され、上記説明した以外の目的についても明白になるであろう。本実施形態は添付の図面を参照して記載される。
「軸方向」との用語は、弛緩状態にあるポリマー膜表面に垂直な方向、すなわち、いくつかの図面に示される光軸AAに平行な方向に一致する方向を示すために広く用いられる。「横方向」との用語は、軸方向に垂直な方向、すなわち、ポリマーフィルムに平行な方向を示すために用いられる。
本発明は、変形を引き起こすマクスウェル応力による変形を利用するものである。この現象は、2つのコンプライアント電極間に挟まれたポリマー物質の変形に関連している。電極間に電圧が印加されると、自由電荷から生じる静電力によりポリマーは圧搾および延伸される。本発明は、様々な形態、例えば、電気活性光スクランブラまたは電気活性光素子変位デバイスとして実施可能である。以下では、これらの用途のうちいくつかを説明する。
本発明の可能な一実施形態は、図1A乃至1Cに示される電気活性光スクランブラである。本実施形態は、第1表面102および第2表面103を有するポリマー膜101を有する。ポリマー膜101は、有利にはシリコーンゴムなどのエラストマー、アクリル誘電体エラストマー、デュロプラストエラストマー、熱可塑性エラストマー、または、ポリウレタンを含む。誘電ポリマーの特徴としては、軟性(コンプライアント)で、比較的高い誘電率(約2またはそれ以上)を有し、高い絶縁破壊強度(数十から数百kV/mm)を有することなどがある。
第1表面上102上に配置された第1電極105と、
第2表面上103上に配置された第2電極106と、
第1もしくは第2表面に接続された、または、ポリマー膜101に埋め込まれた変形しない剛性の光素子104と、を有している。光素子は、拡散(屈折、反射、回折、または、吸収)構造に対応している。光素子は、接着剤もしくは溶接の手段により第1もしくは第2表面に直接固定されてもよく、または、圧着手段によりポリマー膜に接続されてもよい。光構造体は、剛性で、動作中変形しない。
・カーボンブラック("Low voltage, highly tunable diffraction grating based on dielectric elastomer actuators", Proc. SPIE, Vol. 6524, 65241N (2007)を参照)
・カーボングリース/導電グリース
・金属イオン(Au,Cu,Cr,…)("Mechanical properties of electroactive polymer microactuators with ion-implanted electrodes", Proc. SPIE, Vol. 6524, 652410 (2007)を参照)
・流体金属(例えば、ガリンスタン)
・金属粉末、特に金属ナノ粒子(金、銀、銅)
・(真性導電体であるかまたは複合体である)導電性ポリマー
・イオン注入("Mechanical properties of electroactive polymer microactuators with ion-implanted electrodes", Proc. SPIE, Vol. 6524, 652410 (2007)を参照)
・PVD,CVD
・蒸着
・スパッタリング
・フォトリソグラフィ
・印刷、特に密着印刷、インクジェット印刷、レーザ印刷、スクリーン印刷
・フィールドガイド自動アセンブリ(例えば、"Local surface charges direct the deposition of carbon nanotubes and fullerenes into nanoscale patterns", L. Seemann, A. Stemmer, and N. Naujoks, Nano Letters 7, 10, 3007-3012, 2007を参照)
・ブラッシング
・電極プレーティング
・フレネルレンズ
・円筒レンズ
・非球面レンズ(凹面および凸面)
・平面
・方形形状、三角形状、ライン状またはピラミッド状
・任意のマイクロ(例えば、マイクロレンズアレイ、回折格子、ホログラム)構造またはナノ(例えば、反射防止コーティング)構造111,211を、光素子104およびポリマー層を有するコンプライアント電極に組み込むことができる。反射防止層が光デバイスの少なくとも1つの表面に形成される場合、反射防止層は、有利には、透過光の波長よりも小さいサイズを有する微細構造によって形成される。典型的には、このサイズは、赤外線を使用する装置では5μmより小さく、近赤外線を使用する装置では1μmより小さく、可視光を使用する装置では200nmより小さい。
・例えば、熱エンボス加工がされたナノメータサイズの構造による、ナノインプリンティング
・(例えば、化学もしくはプラズマ)エッチング
・スパッタリング
・熱エンボス加工
・ソフトリソグラフィ(すなわち、ポリマーを予成形した基板上に成形する)
・化学的自動アセンブリ(例えば、"Surface tension-powered self-assembly of microstructures − the state-of-the-art", R.R.A. Syms, E. M. Yeatman, V.M. Bright, G.M. Whitesides, Journal of Microelectromechanical Systems 12(4), 2003, pp. 387-417を参照)
・電磁場ガイドパターン形成(例えば、"Electro-magnetic field guided pattern forming", L. Seemann, A. Stemmer, and N. Naujoks, Nano Lett., 7(10), 3007-3012, 2007. 10.1021/nl0713373を参照)
・ガラス
・プラスチック
・ポリマー
・結晶質、特に、単一結晶材料
・エラストマー(TPE,LCE,例えばPDMS Sylgard186などのシリコーン、アクリル、ウレタン)
・熱可塑性材料すなわちサーモプラスト(ABS,PA,PC,PMMA,PET,PE,PP,PS,PVC,…)
・デュロプラスト
上記の技術は、電気活性光スクランブラだけではなく、レンズ位置決めデバイスなどの他の多様な電気活性光デバイスにも適用できる。「レンズ位置決め」とは、本文中では横方向、すなわち、レンズの光軸AAに対して垂直な方向のレンズの変位のことを示す。
・第1表面202上に配置された2つ以上の第1電極205a〜b
・第2表面203上に配置された2つ以上の第2電極206a〜b
・第1もしくは第2表面に接続された、または、ポリマー膜201に埋め込まれた、例えば、レンズなどの剛性の光素子204。光素子は、屈折構造もしくは反射構造に対応している。光素子は、接着剤もしくは溶接の手段によりポリマー膜の表面のうちの1つに直接固定されていてもよい。代替として、光素子は、接着または圧着の手段によりポリマー膜に固定されていてもよい。剛性の光素子204は、変形しないか、または少なくとも動作中は実質的に変形しない。
一般的に、図に示されているように、有利には、デバイスは、平面に配置されているポリマー膜を有している。1つのポリマー膜の表面には、電極が設けられている。剛性で、変形しない光素子がポリマー膜に接続されている。電極に電圧を印加することで、横方向、すなわち、ポリマー膜の平面に平行な方向に光素子が変位する。
光デバイスは、下記のような多岐にわたる用途に使用できる。
・レーザ計測システム
・ディスプレイ
・カメラにおける画像安定化
・工業システムにおける画像安定化
・レーザ切断または溶接を含む工業用途
・顕微鏡
・任意の種類のカメラを有する視覚システム
・研究アプリケーションにおける光スクランブリング
・遠隔通信の用途(振幅変調)
・発光素子の面に亘って吸収素子を位置決めすることによる色彩制御、発光のための指向性光制御、LED発光の輝度制御を含む、発光制御
Claims (18)
- 光デバイス、特に、光スクランブラにおいて、
所定の平面に配置され、第1表面(102,202)および第2表面(103,203)を有するポリマー膜(101,201)と、
前記第1表面上に配置された第1電極(105,205)と、
前記第2表面上に配置された第2電極(106,206)と、
前記ポリマー膜に接続された変形しない剛性の光素子(104,204)と、
を備え、
前記第1および前記第2電極(105,205;106,206)間に電圧が印加されると、前記光素子(104,204)が前記ポリマー膜の前記平面に対して平行に変位する、
ことを特徴とする、光デバイス。 - 前記光素子(104,204)は、前記第1および/または前記第2表面に接続されていることを特徴とする、請求項1記載の光デバイス。
- 前記剛性の光素子(104,204)は、接着剤を用いて、または、自己接着、または、溶接により、ポリマー膜に接続されていることを特徴とする、請求項1または2記載の光デバイス。
- 前記剛性の光素子(104’)は、部分的または完全に前記ポリマー膜(101,201)に埋め込まれていることを特徴とする、請求項1または2記載の光デバイス。
- 前記ポリマー膜(101,201)の前記平面は、重なり合わない第1および第2の領域を有し、前記電極(105,106,205,206)が前記第1領域に配置され、前記光素子(104,204)が前記第2領域に配置されていることを特徴とする、請求項1乃至4いずれか1項記載の光デバイス。
- 前記ポリマー膜(101,201)は、ゲル、エラストマー、サーモプラスト、デュロプラスト、アクリル材料、エラストマーを含むグループから選択される材料を含んでいるか、または、前記材料からなっており、および/または、前記光素子(104,204)は、ポリマー、プラスチック、ガラス、または、結晶質材料であることを特徴とする、請求項1乃至5いずれか1項記載の光デバイス。
- 前記ポリマー膜(101,201)は、保持手段(107,207,108,208)に自由懸架されていることを特徴とする、請求項1乃至6いずれか1項記載の光デバイス。
- 前記ポリマー膜(101,201)は、予延伸されて前記保持手段に取り付けられていることを特徴とする、請求項7記載の光デバイス。
- 前記電極(105,106;205,206)は、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、導電グリース、金属イオン、流体金属、金属粉末、および、導電性ポリマーを含むグループから選択される少なくとも1つの材料を含むことを特徴とする、請求項1乃至8いずれか1項記載の光デバイス。
- 前記光デバイスの少なくとも1つの表面上に反射防止層(111,211)をさらに備え、例えば、前記反射防止層は5μmより小さく、有利には1μmより小さく、有利には200nmより小さいサイズの構造体を有していることを特徴とする、請求項1乃至9いずれか1項記載の光デバイス。
- 前記電極は、前記光素子(104)の第1側面(104a)に配置され、前記光素子の反対側の第2側面(104b)には配置されないことを特徴とする、請求項1乃至10いずれか1項記載の光デバイス。
- 前記電極はさらに、前記光素子(104)の第3側面(104c)に配置され、前記光素子の第4側面(104d)には配置されず、前記第3および前記第4側面(104c,104d)は互いに対向していることを特徴とする、請求項11記載の光デバイス。
- 所定の平面に配置され、第1表面(102,202)および第2表面(103,203)を有するポリマー膜(101,201)と、
前記第1表面上に配置された第1電極(105,205)と、
前記第2表面上に配置された第2電極(106,206)と、
前記ポリマー膜に接続された変形しない剛性の光素子(104,204)と、を備えた、
光デバイスを動作させる方法において、
前記第1電極(105,205)および前記第2電極(106,206)間に電圧を印加するステップを備え、これにより前記剛性の光素子(104,204)を前記ポリマー膜に対して平行な平面に沿って実質的に変位させる、
ことを特徴とする、光デバイスを動作させる方法。 - 前記光素子(104,204)が変位して、所定の周波数で、前記平面に対して平行に周期的な往復運動を行い、前記周波数は、前記運動の共振周波数であることを特徴とする、請求項13記載の方法。
- 光ビームをスクランブリングするために、前記光ビームが前記光素子(104,204)を通って送信され、または、前記光素子(104,204)によって反射され、
前記光素子(104,204)は、湾曲表面を有し、振動動作で振動し、
前記光素子(104,204)は、前記光ビームが接触する領域において、完全に凸のまたは完全に凹の表面を有する、
請求項13または14記載の方法。 - a)ポリマー膜(101,201)を延伸させるステップと、
b)前記ポリマー膜(101,201)を保持手段(107,207,108,208)に取り付けるステップと、
c)前記ポリマー膜(101,201)の第1表面(102,202)上に第1電極(105,205)を設けるステップと、
d)前記ポリマー膜(101,201)の第2表面(103,203)上に第2電極(106,206)を設けるステップと、
e)前記ポリマー膜よりも機械的に硬質な材料からなる剛性の光素子(104,204)を、前記ポリマー膜の少なくとも1つの前記表面に設ける、または、前記電極の少なくとも1つに近接する前記ポリマー膜に直接設けるステップと、
を備えることを特徴とする、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光デバイスの製造方法。 - a)支持表面上に剛性の光素子(104,204)を配置するステップと、
b)前記剛性の光素子上に亘ってポリマーを分布させ、少なくとも前記ポリマーを部分的に硬化させてポリマー膜(101,201)を形成するステップと、
c)前記ステップa)およびb)によって得られた集成体を前記支持表面から取り外し、前記剛性の光素子(104,204)と共に前記ポリマー膜(101,201)を延伸させるステップと、
d)前記ポリマー膜(101,201)を保持手段(107,207,108,208)に取り付けるステップと、
e)前記ポリマー膜(101,201)の第1表面(102,202)上に第1電極(105,205)を設けるステップと、
f)前記ポリマー膜(101,201)の第2表面(103,203)上に第2電極(106,206)を設けるステップと、
を備えることを特徴とする、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光デバイスの製造方法。 - 請求項1乃至12のいずれか1項に記載のデバイスの、光スクランブリングまたはレンズ位置決めのための使用。
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