JP4414641B2

JP4414641B2 - 潤滑補助されたエレクトロウェッティングによる調整可能な液体マイクロレンズ

Info

Publication number: JP4414641B2
Application number: JP2002267498A
Authority: JP
Inventors: 二キータクロウペンキンティモフェイ; ヤンシュー
Original assignee: アルカテル−ルーセントユーエスエーインコーポレーテッド
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: EP1293807A1; CN1407353A; DE60215093T2; CA2395766C; US20030048541A1; DE60215093D1; US6545815B2; JP2003177219A; CA2395766A1; CN1265213C; EP1293807B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロレンズに関し、さらに詳細には液体マイクロレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願は、２００１年６月１９日出願の「調整可能な液体マイクロレンズ」と題された、ＴｉｍｏｆｅｉＮ．ＫｒｏｕｐｅｎｋｉｎｅおよびＳｈｕＹａｎｇに対する米国特許出願第０９／８８４，６０５号に関連する。
【０００３】
大抵の調整可能なマイクロレンズは、屈折率を静電制御する屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズまたは形状を機械的に制御する可撓性高分子レンズである。両技術には、既存の調節可能なマイクロレンズの性能を厳しく制限する固有の限界がある。
【０００４】
調整可能な屈折率分布型レンズには、大半の電気光学材料に見られる相対的に小さい電気光学係数に関連する固有の限界がある。そのために光路長変調が小さく、したがって厚いレンズまたは非常に高い電圧を必要とする。さらに、多くの電気光学材料は、マイクロレンズ特性の偏光依存を引起こす強い複屈折を示す。
【０００５】
機械的に調整可能な可撓性レンズは通常、屈折率分布型レンズよりも実質的に広い調整範囲を有する。しかし、それを動作させるには、マイクロポンプなどの外部作動デバイスが必要である。このようなデバイスの微小集積は、実質的な問題を含むが、調整可能なマイクロレンズの二次元アレイが必要な場合は、特に深刻である。
【０００６】
自己集合単分子膜（ＳＡＭ）を介して制御する液体マイクロレンズなど、他の技術を使用して調整可能なマイクロレンズを作製することも試みられてきた。これらの試みのいくつかが、２０００年１月１１日付けでＷｏｈｌｓｔａｄｔｅｒに発行された米国特許第６，０１４，２５９号に説明されており、参照によってその全体を本明細書に組み込む。しかし、自己集合単分子膜を利用するマイクロレンズも、材料の選択に対する厳しい制限、および調整電圧の遮断後に、マイクロレンズの形状復帰不良を招く強いヒステリシスを含む、いくつかの問題を抱えている。さらに、上述のマイクロレンズはいずれも、レンズ位置の調節および焦点距離の調整ができない。
【０００７】
調整可能な液体レンズは、本出願人の同時係属の、２００１年６月１９日出願の「調整可能な液体マイクロレンズ」という名称の、ＴｉｍｏｆｅｉＮ．ＫｒｏｕｐｅｎｋｉｎｅおよびＳｈｕＹａｎｇに対する米国特許出願第０９／８８４，６０５号において提案されている。この特許出願第０９／８８４，６０５号の調整可能な液体マイクロレンズは、レンズ位置の調節および焦点距離の調整が可能である。この特許出願第０９／８８４，６０５号に説明されている典型的な調整可能な液体マイクロレンズの一実施形態では、透明な導電性液体の小滴が、高フッ素化炭化水素のようなフッ素化ポリマーなどの支持基板の上に配置されている。このような構成によって、高度に調整可能で、かつエレクトロウェッティングの間に生じる恐れのある、よく知られたヒステリシスおよびスティックスリップ効果の影響を受けない液体マイクロレンズが提供される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
米国特許出願第０９／８８４，６０５号は、例示的な調整可能の液体マイクロレンズを提供するが、材料選択時の自由度をさらに高め、優れた調整能力を提供する一方、接触角ヒステリシスおよびスティックスリップ効果を軽減または解消する調節可能な液体マイクロレンズが依然として必要とされている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これは、絶縁層、透明な導電性液体の小滴および、本発明の原理に従って、絶縁層の第１表面に配置され、かつ小滴と絶縁層の間に配置される潤滑層を具備する、改良された調整可能な液体マイクロレンズによって実現される。このマイクロレンズはまた、絶縁層および潤滑層によって小滴から絶縁されている複数の電極を具備し、これらの複数の電極が、小滴と複数の電極のそれぞれとの間でそれぞれの電圧を発生するために、それらの電極に選択的にバイアスを掛けることができるように配置され、それによって小滴と絶縁層の第１表面に平行な平面との間の角度を変化させ、かつ絶縁層に対して小滴の位置を変化させることができる。
【００１０】
潤滑補助されたエレクトロウェッティングによる調整可能な液体マイクロレンズは、レンズ位置の調節および焦点距離の調整が可能である。さらに、この調整可能な液体マイクロレンズによって、材料の選択の自由度がさらに高まり、接触角ヒステリシスおよびスティックスリップ効果が排除されると共に優れた調整制御が可能になる。
【００１１】
添付の図面は本発明の好ましい実施の形態およびその開示に関する他の情報を例示する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図は例示目的のために含まれており、原寸に比例して示されないことを理解されたい。
【００１３】
本発明の調整可能な液体マイクロレンズを詳細に説明する前に、最初に液体マイクロレンズを一般的に説明し、さらにエレクトロウェッティング現象を説明する。
【００１４】
図１Ａを参照すると、液体マイクロレンズ１０が示されている。このマイクロレンズ１０は、典型的には（しかし必ずしもそうでなくてもよいが）数マイクロメートルから数ミリメートルの直径を有する、水などの透明な液体の小さな小滴１２を具備する。小滴１２が、透明な基板１４上に配置されている。この基板は典型的には、疎水性であるか、または疎水性被覆を含む。これらの液体および基板は、選択された範囲内の波長を有する光波に対してのみ透明であることを要する。光波が、参照数字１６によって例示されている。光波は、液体マイクロレンズ１０を通過して、小滴１２と基板１４の間の接触面から焦点距離「ｆ」にある焦点面内の焦点またはフォーカルスポット（参照数字１８によって示されている）において集束する。
【００１５】
小滴１２と基板１４の間の接触角「θ」は、界面張力（界面エネルギーとも呼ぶ）「γ」によって決定され、一般に１メートル当たりのミリニュートン（ｍＮ／ｍ）の単位で測定する。ここで用いているように、γ_Ｓ−Ｖは、基板とその基板１４を取囲む空気、気体または他の液体との間の界面張力であり、γ_Ｌ−Ｖは、小滴１２とその小滴１２を取囲む空気、気体または他の液体との間の界面張力であり、さらにγ_Ｓ−Ｌは、基板１４と小滴１２の間の界面張力である。接触角θは、数式（１）から求めることができる。
【数１】
数（１）

【００１６】
小滴１２の表面曲率のメートル単位で表される半径「Ｒ」は、次のように数式（２）にしたがって、接触角θと立方メートル（ｍ^３）の単位で表される小滴体積とによって決定される。
【数２】
数（２）

【００１７】
メートル単位で表される焦点距離は、半径Ｒと屈折率「ｎ」の関数であるが、ここでｎ_{Ｌｉｑｕｉｄ}が小滴１２の屈折率であり、ｎ_{Ｖａｐｏｒ}がこの小滴１２を取囲む空気、気体または他の液体の屈折率である。焦点距離ｆは、数式（３）から求めることができる。
【数３】
数（３）

【００１８】
基板の屈折率は、光波の入口平面と出口平面が平行なので重要ではない。したがって、マイクロレンズ１０の焦点距離は、接触角θの関数である。
【００１９】
図１Ｂは、エレクトロウェッティング現象を利用して、導電性液体（透明であってもまたは不透明であってもよい）の小滴２２と、「ｄ」として示されている厚さおよび比誘電率ε_ｒを有する誘電体絶縁層２４との間の接触角θを可逆的に変化させることができる。金属電極２６などの電極が、誘電体絶縁層２４の下に位置し、かつこの層２４によって小滴２２から絶縁されている。小滴２２は、例えば、水の小滴でよく、基板２４は、例えば、テフロン（登録商標）Ｐａｒｙｌｅｎｅ面でよい。
【００２０】
小滴２２と電極２６の間に電圧の差が存在しない場合、小滴２２は、その体積と接触角θ_１によって画定される形状を維持するが、ここでθ_１は、上で説明したように界面エネルギーγによって決定される。破線２８は、電圧が電極２６と小滴２２の間に印加されると、小滴２２が、電極２６に対してその中央位置から層２４の横方向に均等に広がることを例示する。電圧は、数ボルトから数百ボルトの範囲の値を取り得る。特に、電極２６と小滴２２の間に、極性に関わらず電圧を印加すると、接触角θがθ_１からθ_２へ小さくなる。広がり量、すなわち、θ_１とθ_２の間の差によって決定されるような量は、印加される電圧Ｖの関数である。この接触角θ_２は、数式（４）から求めることができる。
【数４】
数（４）

【００２１】
上式で、ｃｏｓθ（Ｖ＝０）は、電圧が小滴２２と電極２６の間に印加されていないときの、絶縁層２４と小滴２２の間の接触角であり、γ_Ｌ−Ｖは、上で説明した小滴の界面張力であり、ε_ｒは、絶縁層の比誘電率であり、さらにε_０は、８．８５ｘ１０^−１２Ｆ／ｍ、すなわち、真空の誘電率である。
【００２２】
図２Ａおよび２Ｂは、以下に説明するように位置および焦点距離を変更することができる調整可能な液体マイクロレンズを例示する。特に図２Ａを参照すると、調整可能な液体マイクロレンズ１００が、透明の誘電体絶縁層１０４の第１表面上に位置する透明の導電性液体の小滴１０２を具備する。この絶縁層１０４は、例えば、高フッ素化炭化水素などのフッ素化ポリマーを被覆したポリイミドでよい。いずれの場合においても、絶縁層１０４は、接触角および接触角ヒステリシスの所定の値を与え、かつ印加電圧に関して適正な高い絶縁破壊の強度を有していなければならない。マイクロレンズ１００は、絶縁層１０４によって小滴１０２から絶縁されている複数の電極１０６ａ〜１０６ｄを具備する。このマイクロレンズ１００はまた、電極１０６および絶縁層１０４を支持する透明な支持基板１１０を具備する。電極１０６および支持基板１１０は、例えば、それぞれ金およびガラスでよい。
【００２３】
図２Ｂは、電極１０６ａ〜１０６ｄに関する典型的な構成の上面図である。４個の電極１０６ａ〜１０６ｄの一構成が示されているが、マイクロレンズ１００の調整に対する所望の制御レベルに応じて、電極１０６のその他の、数、組合せおよびパターンを用いることができる。各電極１０６ａ〜１０６ｄが、それぞれの電圧Ｖ_１〜Ｖ_４に結合され、かつ電極１０６に対して最初は中心に位置する小滴１０２が、電圧Ｖ_０に結合する小滴電極１０８に結合される。
【００２４】
小滴１０２と、電極１０６のいずれの電極との間にも電圧の差が存在せず（すなわち、Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３＝Ｖ_４＝Ｖ_０）、かつ小滴が、電極１０６および象限ＩからＩＶに対して中心に位置するとき、この小滴１０２は、上で説明した数式（１）〜（３）により、接触角θおよび小滴１０２の体積によって決定されるような形状を取る。図２Ｃに、小滴１０２のこのような最初の位置が破線で例示されている。小滴１０２の位置およびマイクロレンズ１００の焦点距離は、小滴１０２と電極１０６の間に電圧電位を選択的に印加することによって調節可能である。４個の電極すべてに均等な電圧を印加すると（すなわち、Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３＝Ｖ_４≠Ｖ_０）、小滴１０２は、図２Ｄの破線で示されているように、象限Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩおよびＩＶ内で均等に（すなわち、横軸ＸおよびＹに沿って均等に）広がる。要するに、小滴１０２と絶縁層１０４の間の接触角θが小さくなる。そのようにすると、マイクロレンズ１００の焦点距離は、最初の接触角θにおける（すなわち、Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３＝Ｖ_４＝Ｖ_０のときの）マイクロレンズの焦点距離から増加する。
【００２５】
図２Ｅは、小滴１０２に対して、電極１０６に選択的にバイアスをかけることによって、絶縁層１０４の第１表面上の最初の位置に対して、ＸおよびＹ軸沿いの小滴１０２の横方向の配置を変化させることも可能なことを例示する。例えば、Ｖ_１＝Ｖ_３＝Ｖ_０とし、かつＶ_２をＶ_４よりも大きくすることによって、小滴１０２が電極１０６ｂの高い電圧に向かって引寄せられて、象限ＩＩに向かって移動する。小滴１０２の横方向の位置を調節することによって、焦点面内のマイクロレンズの焦点の横方向の位置も調節される。
【００２６】
接触角θを調節し、それによってマイクロレンズ１００の焦点距離を変更するために、小滴電極（したがって小滴１０２）に対して、任意の数の組合せの電極１０６に選択的にバイアスをかけることが可能なことは、上の例から明白なはずである。同様に、絶縁層１０４上の最初の位置に対して小滴１０２の位置を変更し、それによってマイクロレンズの焦点の横方向の位置を調節するように、任意の数の組合せの電極１０６に選択的にバイアスをかけることができる。したがって、マイクロレンズは、三次元での焦点、すなわち、焦点距離と、マイクロレンズの第１表面に平行で、かつマイクロレンズから焦点距離だけ離れている焦点面内の焦点の横方向の位置とによって決定される、焦点の位置を調節することができる。
【００２７】
図３Ａは、接地または他の一定の電圧水準などの電圧Ｖ_０に小滴１０２を接続する一態様を例示する。マイクロレンズ１００ａは、酸化スズインジウムガラスなど導電ガラスを含む支持基板１１０ａを含むことができる。この導電ガラスが電圧Ｖ_０に結合され、電極１１６が、基板１１０ａを小滴１０２に結合する。電極１１６および支持基板１１０ａを一括して小滴電極と見なすことができる。図３Ａはまた、絶縁誘導体層１０４が、誘導体層１１４および疎水性被覆層１１２を含むことができることを例示する。この被覆層１１２は、相対的に大きい接触角θを与えなければならない。一例として、テフロン（登録商標）またはテフロン（登録商標）に類似の化学的構造を有する他の材料などの高フッ素化ポリマーがある。ケイ素含有ポリマーまたは分子などの低い表面エネルギー材料も適切である。一実施形態では、絶縁層１０４ａが、ポリイミド誘電体層１１４上に配置されたテフロン（登録商標）の薄膜である被覆層１１２を含む。
【００２８】
図３Ｂの等角図に示すマイクロレンズ１００Ｂの一代替実施形態では、小滴電極１１６は、例えば、１つの区域または複数の区域内の絶縁層１０４（図示せず）の第１表面上に蒸着または別の方法で付着された金の電極でもよいが、それは、小滴１０２が絶縁層１０４の第１表面に沿って位置を変えるとき、小滴電極１１６が小滴１０２との接触を確実に維持する。小滴１０２が位置を変えるとき、この電極１１６は、小滴１０２との接触を維持するように配置されているが、小滴１０２は、絶縁層１０４の第１表面上に実質的に位置する。マイクロレンズ１００Ｂは、支持基板１１０ａを具備することができるが、その基板は導電性である必要はなく、例えば、絶縁層１０４および電極１０６を機械的に支持する役割を果たす非導電性のガラスであってもよい。その場合、小滴電極１１６を電圧Ｖ_０に直接に結合することができる。代替的には、この支持層１１０ａは、電圧Ｖ_０に結合される導電性ガラス基板でもよい。その実施形態では、小滴電極１１６を支持層１１０ａに結合することができる。図３Ｂにはまた、電極１０６ａ〜１０６ｄおよびそれらの各入力リード線１１８ａ〜１１８ｄが示されているが、それらの入力リード線は、電圧Ｖ_１〜Ｖ_４にそれぞれ結合している。絶縁層１０４は図３Ｂに示されていないが、これは例示のためだけであり、絶縁層１０４は、小滴１０２および小滴電極１１６を電極１０６ａ〜１０６ｄから絶縁する。
【００２９】
図３Ｃは、電極１１６が不要であり、それによって電極１１６からの電位によるマイクロレンズに対する干渉がいずれも軽減される調整可能な液体マイクロレンズ１００Ｃの典型的な実施形態を例示する。マイクロレンズ１００Ｃは、絶縁層１０４ｂの第１表面上に配置されている小滴１０２を含む。マイクロレンズ１００Ｃはまた、絶縁層１０４ｂの第１表面に対向する絶縁層１０４ｂの第２表面に沿って配置されている、小滴電極としての役割を果たす透明の導電性支持層１１０ａを含む。絶縁層１０４ｂが、その絶縁層１０４ｂよって画成されている開口１１８を含み、かつそれを介して連続していることを例示するために、マイクロレンズ１００Ｃが断面図で示されている。小滴１０２は、少なくともこの開口１１８の一部を占有しており、それによって小滴１０２を、小滴電極、すなわち、支持基板１１０ａに電気的に連通させる。次いで、この支持基板１１０ａが、電圧Ｖ_０に結合される。この典型的な実施形態では、開口が十分広くて、その開口を貫通する光が特定の応用例に関して十分である限り、絶縁層１０４ｂも透明である必要はない。
【００３０】
液体の小滴も、所望の波長に対して透明であり、かつ本質的に導電性であるか、または様々な添加剤を使用することによって導電性にすることができる任意の液体でよい。典型的な例には、様々な塩の水溶液がある。電極は、金、アルミニウムまたは酸化スズインジウムガラスなどの、任意の透明あるいは不透明な中実の導電材でよい。絶縁層は、十分に高い誘電体強度と、接触角および接触角ヒステリシスの既定値を与える任意の中実の誘電体または１組の中実な誘電体でよい。この絶縁層は、透明でもあるいは不透明でもよい。例としては、ポリイミドおよびパリレンなどの中実のポリマーがある。支持基板は、ガラスまたは中実のポリマーなどの所与の波長に対して透明な任意の基板でよい。印加電圧は、数式（１）〜（４）によって示したように、選択した材料、マイクロレンズの構成および接触角の所望の変更次第である。典型的な電圧は、０ボルトと約２００ボルトの間の値を取り得るが、許容電圧はこの範囲に限定されない。
【００３１】
一実施形態では、マイクロレンズの液体小滴を、その小滴と混和しない液体によって実質的に取囲むことができる。この周囲液は、マイクロレンズの小滴の蒸発防止に役立つ。小滴が水性の場合、様々な油または高分子量のアルコール（例えば、ペンタノール、オクタノールなど）を使用することができる。
【００３２】
図３Ｃのマイクロレンズ１００Ｃをテストした。このマイクロレンズには、１％のＫＮＯ_３水溶液２０μｌを含む小滴１０２を備えた。絶縁層１０４ｂには、約１０９°の初期接触角を与える高フッ素化ポリマーの非常に薄い（≒０．０２〜２μｍ）層が被覆された厚さ３μｍのポリイミド層を備えた。図２Ｂおよび３Ｃに示されているように、１組の４個の金の電極１０６を配置した。マイクロレンズには、図３Ｃに示した導電性の透明な支持基板１１０ａとしてＩＴＯ（酸化スズインジウム）を備えた。０ボルトと約１５０ボルトの間の動作電圧を印加した。
【００３３】
６ｍｍと８ｍｍの間の範囲内で、マイクロレンズの焦点距離の可逆的な調節が示された。また、絶縁層の表面に沿って任意の横方向に約３ｍｍの範囲内で、マイクロレンズ位置の調節が示された。得られた結果は、マイクロレンズの限界を示すものではなく、焦点距離と焦点位置を変更することができる調整可能な液体マイクロレンズが作製可能なことを示すのに役に立つものと理解されたい。
【００３４】
以上のことから、説明のマイクロレンズは、小滴と電極１０６の間に電圧の差が存在しないときの所望の接触角θと、所望の接触角ヒステリシスとを有するように設計できることが明白なはずである。それは、上に掲げた数式に示されたように、適切な材料、寸法および体積を選択することによって実現することができる。したがって、このマイクロレンズは、小滴の曲面率および位置制御が実質的に自由になり、それによってマイクロレンズ、焦点距離、焦点位置および開口数における広範囲な調整能力が実現する。
【００３５】
本発明のマイクロレンズは、いくつかの光学電気的応用例に使用することが可能であることを当業者なら理解するはずである。例えば、これらのマイクロレンズを使用して、レーザなどの光信号送信器２０４と光検出器などの光信号受信器２０２との間の最適な結合を実現することができる。それが、図４に例示されている。送信器２０４からの光信号が発散しており、焦点面２０６の背後で集束されることが図４から理解されるはずである。このような最適な結合を実現するように、マイクロレンズ１００のレンズ焦点距離と焦点面２０６内の焦点２０８の横方向の位置決めとが、上で説明したように、複数の電極１０６に選択的にバイアスをかけることによって調整可能である。受信器２０２で最高出力が検出されるまで（送信器２０４と受信器２０２の間の最適な結合を表す）、これらのバイアス電極に選択的にバイアスをかけることができる。現在では、光学電気パッケージ、すなわち、レーザおよび／または光検出器などの光学電気構成要素を組込んだ物理的装置が、最適な結合を実現するために構成要素部品を物理的に移動させることによって較正されている。このような方法は時間が掛かり、かつ極めてコストが高くなる恐れがある。本発明の少なくとも１個のマイクロレンズを装置に含むことによって、最適な結合を実現するために構成要素部品を物理的に位置合わせする必要がなくなる。さらに適切に言えば、本発明のマイクロレンズの焦点距離および焦点の横方向の位置を調節して、送信器から固定受信器へ光信号を転送することができる。
【００３６】
図５に例示されている別の典型的な実施形態では、本発明のマイクロレンズ１００または複数のマイクロレンズを利用して、プリント回路基板５００上のボール格子アレイ５１２を介して表面取付けされている光検出器５０６などの光学電気構成要素を埋込み平面導波管５０４に結合する。方向を示す矢印によって示されているように、光は、平面導波管５０４のコア５０２を介して伝搬する。その光は、ミラー端５０８によって、プリント回路基板５００の上面５１０に向かって反射される。調整可能な液体マイクロレンズ１００が、このプリント回路基板５００の上面５１０上に配置され、示されている方向に光検出器５０６に向けて、光５０２を導く。平面導波管５０４から光検出器５０６への光送信を最適化するようにマイクロレンズ１００を調整するために、調整可能な液体マイクロレンズ１００の電極に選択的にバイアスをかけて、マイクロレンズ１００の焦点距離および横方向の焦点位置を調節することができる。マイクロレンズの形状は、適正な電圧を印加することによって維持される。
【００３７】
図６および７は、焦点位置および焦点距離を変更すると共に、調整可能な液体マイクロレンズに利用可能な材料の範囲を広げることができる、調整可能な液体マイクロレンズの別の典型的な実施形態を例示する。最初に「スティックスリップ」現象の概略を簡単に述べる。図１Ｂに関連して上に挙げたエレクトロウェッティングの概略で述べたように、層２４と小滴２２の間の接触角θは、電極２６と小滴２２の間に電圧を印加することによって変更可能である。スティックスリップ現象よって、この接触角θは、印加電圧下で、初期接触角から最終接触角へ滑らかに移行せず、段階的に変化する場合がある。電圧が印加されていると、小滴が基板２４の表面に「膠着」し、最初の接触角θ_Ｘを一定の時間維持する場合がある。最終的には、印加電圧下で、この小滴が「滑り」、新たな接触角θ_Ｙが画定される。このような段階的な急変が、最初の接触角と最終的な接触角の間を移行する際に数回生じる場合があるが、それは印加電圧に応じて起こる。小滴が最初はくっつき、次いで滑るので、接触角θが段階的に変化し、さらに、例えば、θ_Ｘとθ_Ｙの間にある接触角を容易に実現することができない。
【００３８】
このスティックスリップ現象は主に、基板２４中の異質物、不純物および汚染物質によって引起こされるが、小滴２２と基板２４の間の界面張力に局部的な不整合を招くと考えられている。このスティックスリップ現象によって、エレクトロウェッティングを利用するマイクロレンズを正確に調整する能力が制限される恐れがある。
【００３９】
スティックスリップ現象に密接に関連するその他の現象が、接触角ヒステリシス現象である。接触角ヒステリシスは、進行中の小滴接触角（例えば、電圧が０ボルトからＶ_０ボルトへ上昇する間の所与の電圧で得られる角度など）と後退中の小滴の接触角（同じ電圧であるが、例えば、電圧がＶ_０ボルトから０ボルトへ低下する間に得られる接触角など）の間の差異を指す。接触角ヒステリシスは、小滴の履歴（すなわち、電圧が増大中であるのかまたは減少中であるのか）上で接触角への依存を招き、さらにエレクトロウェッティングによる小滴の制御を複雑にする。また、このヒステリシスが十分高いと、電圧が取除かれたときに、小滴がその元の形状に復帰するのを妨げる恐れがある。しかし、スティックスリップ現象と接触角ヒステリシスは、密接に関連する現象であるが、それらは同一の現象ではないことに留意されたい。特に、一定の状況では、認め得るほどのどんなスティックスリップ挙動にも関連しない接触角ヒステリシス挙動を得ることが可能である。
【００４０】
図２Ａから３Ｃに関連して説明した典型的な調整可能な液体マイクロレンズに関して、例えば、高フッ素化炭化水素などのフッ素化ポリマーを含む適切な絶縁層を選択することによって、認め得るどんな接触角ヒステリシスおよびスティックスリップも回避することができる。これは、ヒステリシスおよびスティックスリップ問題を回避する許容可能な１つの解決策であるが、本発明の調整可能な液体マイクロレンズの絶縁層として利用可能な材料の選択範囲を活用することも望ましい。
【００４１】
図６を参照すると、調整可能な液体マイクロレンズ６００が例示されている。この調整可能な液体マイクロレンズ６００は、図２Ａのマイクロレンズ１００と同じ基本的な構造を有するが、同じ構成要素が同じ参照数字を共有する。しかし、調整可能な液体マイクロレンズ６００は、絶縁層１０４の第１表面上に配置されている相対的に薄い潤滑層８００（斜めの平行線模様で例示されている）を具備する。この潤滑層８００は、絶縁層１０４の第１表面全体に塗布されており、小滴１０２は、潤滑層８００が絶縁層１０４と小滴１０２の間にあるように、潤滑層８００上に配置されている。
【００４２】
角θ_ａは一般に、小滴１０２と、絶縁層１０４の第１表面に平行な平面６０２との間で画定される。図２Ａ〜３Ｃに関連して説明した接触角θと同様に、電極１０６と小滴１０２の間に電圧を選択的に印加することによって、角θ_ａを変化させることができる。このようにして、マイクロレンズ６００の焦点距離が調整可能となる。この潤滑層は、小滴１０２を絶縁層１０４から分離し、小滴１０２と潤滑層８００の間に、空間的に均一な界面張力を与える。小滴１０２は、別の方法であれば小滴１０２と絶縁層１０４の間に接触角ヒステリシスおよびスティックスリップ効果を招くことになる、どんな局在的な異質物または汚染物質にも接触することがないので、絶縁層１０４用に広い範囲から材料を選択することができる。
【００４３】
図２Ａ〜３Ｃのマイクロレンズと同様に、このマイクロレンズは、電極１０６に選択的にバイアスをかけることによって、絶縁層１０４に対して、すなわち、平面６０２に沿ってその位置を変更することも可能である。このようにして、この調整可能な液体マイクロレンズ６００の焦点位置を変更することができる。
【００４４】
図６は、小滴１０２が潤滑層８００上に配置されているとき、潤滑層８００が、液体の小滴１０２を絶縁層１０４から分離する液層として実施することができることを示す。図７に例示されている別の典型的な調整可能な液体マイクロレンズ７００では、マイクロレンズ７００が、潤滑層８００を含む周囲液８０２（斜めの平行線模様で示されている）を具備しており、その液体は、小滴１０２と混和せず、かつ小滴１０２の表面を実質的に取囲む。
【００４５】
角θ_ｂが、マイクロレンズ７００の小滴１０２と、絶縁層１０４の第１表面に平行な平面６０４との間で画定されている。マイクロレンズ６００と同様に、マイクロレンズ７００の焦点距離を変更するために、小滴１０２に対して、電極１０６に選択的にバイアスをかけることによって、角θ_ｂを変更することが可能である。また、マイクロレンズ７００の焦点位置を変更するために、絶縁層１０４に対して、すなわち、平面６０４に沿って小滴１０２の位置を変化させることができる。
【００４６】
図６および７に示したように、潤滑層８００を絶縁基板１０４の第１表面に沿って塗布することもできるし、あるいは潤滑層８００を含む液体８０２中に、マイクロレンズの小滴１０２を完全に埋没させることもできる。この潤滑層８００は、光の所望の波長に対して透明でなければならないが、図３Ｃに示した開口１１８を有する構造を利用すれば、それは問題にする必要はない。この場合、支持導電層に選択された材料の表面エネルギーが一定の閾値を超えていれば、潤滑層が開口１１８を塞ぐことはない。そのようなことが生じるのは、潤滑剤が、以下にさらに説明するように、一定の閾値より低い表面エネルギーを有する表面のみをぬらす（すなわち、ゼロの接触角を与える）ことができるからである。潤滑層は誘電性でなければならないし、かつそれはマイクロレンズの小滴１０２の下にある誘電性基板１０４をぬらすように選択されなければならない。典型的な潤滑層８００は、小滴１０２と混和しない低表面エネルギー液を含む。いくつかのフッ素化有機液も同様に使用することができるが、例えば、ペンシルベニア州タリータウンのＧｅｌｅｓｔ社から入手可能な、ＦＭＳ−１３１、ＦＭＳ−２２１（ポリ（３，３，３−トリフルオロプロピルメチルシロキサン））およびＳＩＢ１８１６．０（［ビス（トリデカフルオロオクチル）テトラメチルシロキサン］）などのフルオロシリコーンがある。潤滑層による基板のぬれは、完全である場合もあるが、あるいはこの潤滑層と絶縁層１０４の間に、限定的な、しかし小さい接触角を有する場合もある。いずれの場合も、潤滑層８００が、マイクロレンズの小滴１０２の下に薄い層を自然に形成し、接触角ヒステリシスおよび「スティックスリップ」挙動を実質的に阻止する。
【００４７】
図６のマイクロレンズ６００および図７のマイクロレンズ７００は、潤滑層８００が、小滴１０２を絶縁層１０４から分離しているのを示す。潤滑層８００が、小滴１０２と絶縁層１０４の間に確実に分離層を形成するために、適正な表面エネルギーγを有する材料を選択しなければならない。当然のことであるが、ある程度は試行錯誤によってこれらの材料を選択することは可能であるが、次の原理を利用することもできる。
【００４８】
例えば、最も単純な理論的シナリオを想定すると、小滴１０２と電極１０６の間に電圧が印加されていないとき、図７に示されているように、小滴１０２は球形である。すなわち、小滴１０２が液体８０２によって完全に取囲まれており、この小滴１０２は、絶縁層１０４の第１表面に平行な平面６０４と１８０°の角度を成す。電圧が印加されていないときの角θ_ｂは、基板１０４と小滴１０２の間の界面張力（γ_Ｓ−Ｌ）、基板１０４と潤滑液８００の間の界面張力（γ_Ｓ−Ｆ）および小滴１０２と潤滑液８０２の間の界面張力（γ_Ｌ−Ｆ）によって最初に決定される。角θ_ｂは、次のように数式（５）によって求めることができる。
【数５】
数（５）

【００４９】
上式で、γ_ｉｊ（ｉ、ｊ＝Ｓ、ＬまたはＦ）は、上で説明した界面エネルギーである。γ_ｉｊの値は、数式（６）にしたがって求めることができる。
【数６】
数（６）

【００５０】
上式で、Φ_ｉｊは、関与する材料の分子特性から算出することができる無次元の相互作用助変数であり、有機系に関する単位元に近い。
【００５１】
述べたように、例えば、γ_Ｓ−Ｌは、基板１０４と小滴１０２の間の界面張力または界面エネルギーを表す。基板１０４の表面エネルギーは、γ_Ｓとして表されている。この記号は、当該材料（この場合は基板１０４など）とその飽和蒸気の間の界面エネルギーを指す。
【００５２】
さらに、θ_ｂが１８０°ならば（この条件によって、上記シナリオの下では、潤滑層８００が絶縁層１０４を小滴１０２から分離することが保証される）、ｃｏｓθ_ｂは負の１（−１）に等しい。次に、１８０°の接触角になるように設計するために、数式（７）が数式（５）から導かれる。
【数７】
数（７）

【００５３】
この概念が図８にもっとも適正に例示されているが、それは、ペンシルベニア州タリータウンのＧｅｌｅｓｔ社製ＤＭＳ−Ｔ１１シリコーン油およびＤＭＳ−Ｔ００シリコーン油を含む潤滑液にそれぞれ対応する２つの異なるγ_Ｆ（２０ｍＮ／ｍおよび１６ｍＮ／ｍ）に関する、絶縁層のγ_Ｓに対する角θ_ｂのグラフである。数式（５）および（６）を用いて図８のグラフを作成することができる。小滴１０２は、７２ｍＮ／ｍのγ_Ｌを有する水であると想定する。図８のグラフから、水の小滴１０２と１６ｍＮ／ｍのγ_Ｆによって特徴付けられる潤滑液８０２を想定すると、絶縁層１０４が約２６ｍＮ／ｍ（破線９０２によって例示されている）より小さいかまたは等しいγ_Ｓによって特徴付けられる材料なら、１８０°の角θ_ｂが実現され、かつ数式（７）が満足される。同様に、水の小滴１０２と２０ｍＮ／ｍのγ_Ｆによって特徴付けられる潤滑液を想定すると、絶縁層１０４が約３６ｍＮ／ｍ（破線９０４によって例示されている）より小さいかまたは等しいγ_Ｓによって特徴付けられる材料なら、１８０°の角θ_ｂが実現される。
【００５４】
上の例によって、潤滑液によって補助されたエレクトロウェッティングを用いると、広範囲の材料およびそれらのそれぞれの付着技術を使用できることが証明されている。実際に、潤滑剤を使用しないで、スティックスリップを伴わない、低ヒステリシス挙動を提供するために、高度に均一、超清浄、低エネルギーの表面を使用しなければならない。それによって、利用可能な材料が、高フッ素化炭化水素などの材料およびそれに類似の材料に大部分限定される。しかも、純度および表面の均一性の要求度を保証するために、選択された材料を慎重に付着しなければならない。これらの問題を克服することは可能であるが、問題解決には、複雑でかつコストの掛かる作業および設備を必要とする恐れがある。他方、潤滑層８００を使用することによって、高度に均一、超清浄、低エネルギーの表面が不要なので、材料の選択範囲を大きく広げることができる。例えば、２０ｍＮ／ｍのγ_Ｆを有する潤滑剤を使用するならば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレンなどの普通のポリマーを始めとして広範囲の材料が、約３６ｍＮ／ｍよりも小さい表面エネルギーγ_Ｓという条件を満たすことになろう。また、材料の付着作業中に、表面汚染および不均一性を避けるために払わねばならない配慮も軽減され、簡単でコストの掛からない付着技術が提供されることになる。
【００５５】
調整可能な液体マイクロレンズ６００、７００は、図２Ａで示した基本構造を有するように示されているが、図３Ａ〜３Ｃに関連して示し、かつ説明したような構造の他のマイクロレンズ構造も等しく適切である。同様に、これらの調整可能な液体マイクロレンズ６００、７００は、図４および図５に関連して説明した例などの様々な光学電気的な応用例にも使用可能である。
【００５６】
調整可能な液体マイクロレンズ６００、７００は、レンズ位置調節および焦点調整が可能である。さらに、これらの調整可能な液体マイクロレンズ６００、７００は、材料の選択の自由度を一段と高めると共に、接触角およびスティックスリップ現象を回避することによって、優れた調整性能を提供する。
【００５７】
以上本発明について典型的な実施形態を用いて説明してきたが、それらに限定されない。さらに言えば、添付の特許請求の範囲は、当業者が本発明の均等物の範囲および領域から逸脱することなく実施することができる本発明の他の変形および実施形態を包含するものと広く解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】液体マイクロレンズを通過する光波を表す図である。
【図１Ｂ】エレクトロウェッティング現象を表す図である。
【図２Ａ】本発明の調整可能な液体マイクロレンズを表す図である。
【図２Ｂ】本発明の調整可能な液体マイクロレンズに関する一典型的な電極パターンを例示する図である。
【図２Ｃ】図２Ｂの電極への選択的なバイアス印加に対する本発明の調整可能な液体マイクロレンズの反応を例示する図である。
【図２Ｄ】図２Ｂの電極への選択的なバイアス印加に対する本発明の調整可能な液体マイクロレンズの反応を例示する図である。
【図２Ｅ】図２Ｂの電極への選択的なバイアス印加に対する本発明の調整可能な液体マイクロレンズの反応を例示する図である。
【図３Ａ】本発明による調整可能な液体マイクロレンズの典型的な実施形態を表す図である。
【図３Ｂ】本発明による調整可能な液体マイクロレンズの典型的な実施形態を表す図である
【図３Ｃ】本発明による調整可能な液体マイクロレンズの典型的な実施形態を表す図である
【図４】本発明の調整可能な液体マイクロレンズを具備する光学系を例示する図である。
【図５】本発明の平面導波管および調整可能な液体マイクロレンズを具備する装置図である。
【図６】潤滑層を利用する本発明の調整可能な液体マイクロレンズの典型的な実施形態を表す図である。
【図７】潤滑層を利用する本発明の調整可能な液体マイクロレンズの別の典型的な実施形態を表す図である。
【図８】図６および図７のマイクロレンズに及ぼす材料選択の効果を例示するグラフである。

Claims

調整可能な液体マイクロレンズ（６００）であって、
絶縁層（１０４）と
透明な導電性液体の小滴（１０２）と、
前記絶縁層（１０４）の第１表面上に配置され、かつ前記小滴（１０２）と前記絶縁層（１０４）との間に配置された潤滑層（８００）と、
前記絶縁層（１０４）および前記潤滑層（８００）によって前記小滴（１０２）から絶縁された複数の電極（１０６）とを備え、
前記複数の電極（１０６）が、前記小滴（１０２）と前記複数の電極（１０６）のそれぞれとの間でそれぞれの電位を発生するために、選択的にバイアスを掛けることができるように配置され、
前記複数の電極（１０６）に選択的にバイアスを掛けることにより、前記小滴（１０２）と、前記絶縁層（１０４）の前記第１表面に平行な平面（６０２）との間の角度を変化させることができ、かつ前記絶縁層（１０４）に対して前記小滴（１０２）の位置を変化させることができる、調整可能な液体マイクロレンズ（６００）。
前記複数の電極に関して、前記小滴にバイアスを掛けるための小滴電極（１０８）をさらに備える、請求項１に記載の調整可能な液体マイクロレンズ。
前記小滴電極が、前記第１表面に対向する前記絶縁層の第２表面に沿って配置された導電性の透明な基板（１１０）を含み、前記絶縁層が、前記絶縁層を貫通して開口（１１８）を画定し、それによって前記小滴が、前記開口を少なくとも部分的に占有し、かつ前記小滴電極と電気的に連通している、請求項２に記載の調整可能な液体マイクロレンズ。
前記小滴電極が、
前記第１表面に対向する前記絶縁層の第２表面に沿って配置された導電性の透明な基板（１１０）と、
前記導電性の透明な基板に前記小滴を結合する導電リード線（１１６）とを含む、請求項２に記載の調整可能な液体マイクロレンズ。
前記小滴が、前記小滴と混和しない潤滑液（８０２）によって実質的に取囲まれ、前記潤滑液が前記潤滑層を含む、請求項１に記載の調整可能な液体マイクロレンズ。
前記潤滑層がシリコーン油を含む、請求項１に記載の調整可能な液体マイクロレンズ。
液体マイクロレンズ（６００）を調整する方法であって、該液体マイクロレンズ（６００）は、透明な導電性液体の小滴（１０２）と、絶縁層（１０４）と、前記絶縁層（１０４）の第１表面上に配置され、かつ前記小滴（１０２）及び前記絶縁層（１０４）の間に配置される潤滑層（８００）とを含み、該方法は、
前記絶縁層（１０４）および前記潤滑層（８００）によって前記小滴（１０２）から絶縁された複数の電極（１０６）に選択的にバイアスを掛けて、前記小滴（１０２）と前記複数の電極（１０６）のそれぞれとの間でそれぞれの電位を発生するステップを含み、
小滴（１０２）と該複数の電極（１０６）のそれぞれとの間でそれぞれの電位を発生するステップは、該複数の電極に選択的にバイアスを掛けて、該小滴と前記絶縁層の該第１表面に平行な平面（６０２）との間の角度を変化させ、かつ、該絶縁層に対して該小滴の位置を変化させるステップを含む方法。
光信号を提供する送信器（２０４）と、
前記光信号を受信する受信器（２０２）と、
前記送信器（２０４）から前記受信器（２０２）へ前記光信号を導くように配置されている調整可能な液体マイクロレンズ（６００）とを具備する装置であって、前記調整可能な液体マイクロレンズ（６００）が、
絶縁層（１０４）と、
透明な導電性液体の小滴（１０２）と、
前記絶縁層（１０４）の第１表面上に配置され、かつ前記小滴（１０２）と前記絶縁層（１０４）との間に配置された潤滑層（８００）と、
前記絶縁層（１０４）および前記潤滑層（８００）によって前記小滴（１０２）から絶縁された複数の電極（１０６）とを備え、
前記複数の電極（１０６）が、前記小滴（１０２）と前記複数の電極（１０６）のそれぞれとの間でそれぞれの電位を発生するために、選択的にバイアスを掛けることができるように配置され、
前記複数の電極（１０６）に選択的にバイアスを掛けることによって、前記小滴（１０２）と、前記絶縁層（１０４）の前記第１表面に平行な平面（６０２）との間の角度を変化させ、かつ前記絶縁層（１０４）に対して前記小滴（１０２）の位置を変化させることができ、
該複数の電極（１０６）に選択的にバイアスをかけることにより、前記マイクロレンズ（６００）の焦点距離と、前記マイクロレンズ（６００）の焦点の横方向の位置とを調節して、前記送信器（２０４）から前記受信器（２０２）へ前記光信号を導く装置。
光信号を送信する方法であって、
透明な導電性液体の小滴（１０２）と、絶縁層（１０４）と、前記絶縁層（１０４）の第１表面上に配置され、かつ前記小滴（１０２）及び前記絶縁層（１０４）の間に配置された潤滑層（８００）とを具備する液体マイクロレンズ（６００）に向けて、第１の位置から前記光信号を送信するステップと、
該液体マイクロレンズ（６００）を調整して該光信号を転送するステップとを含み、
該液体マイクロレンズ（６００）を調整して該光信号を転送するステップは、前記絶縁層（１０４）によって前記小滴（１０２）から絶縁されている複数の電極（１０６）に選択的にバイアスを掛けて、前記小滴（１０２）と前記複数の電極（１０６）のそれぞれとの間でそれぞれの電位を発生するステップからなり、
該滴（１０２）と前記複数の電極（１０６）のそれぞれとの間でそれぞれの電位を発生するステップは、該複数の電極に選択的にバイアスを掛けて、前記小滴と前記絶縁層の前記第１表面に平行な平面（６０２）との間の角度を変化させ、かつ、前記絶縁層に対して前記小滴の位置を変化させるステップを含む方法。