JP4974677B2 - 可変形状レンズ - Google Patents

Description

本発明は、可変レンズに、このようなレンズを含む光学デバイスに、並びに、このようなレンズ及びこのようなデバイスを製造する方法に、関する。

レンズは、一つ以上の波長の光を集束させる（収束させる又は発散させる）ことができるデバイスである。用語の“光”は、可視の電磁放射及び他の波長の電磁放射の両方を含むことが理解される。

可変の（又は調節可能な）レンズは、そのレンズの一つ以上の特性を、制御可能に調節することができる、たとえば、そのレンズの焦点距離又は位置のいずれかを変えることができる、レンズである。

特許文献１は、図１Ａ及び１Ｂに図解するような、可変レンズ系４０を記述する。レンズ系４０は、流体４４で満たされた弾力的な膜４２を含む。その膜内の流体４４の圧力は、ポンプ４６によって制御される。点線は、レンズ系４０の光軸９０を図解する。膜４２は、可変レンズとして作用し、且つ、そのレンズの形状（よって、パワー）は、流体４４の圧力に依存して、変動する。図１Ａは、低い圧力での流体４４を、すなわち、膜４２が両凹レンズを形成することを、示す。図１Ｂは、高い圧力での流体４４を、膜４２が両凸レンズを形成することを、示す。

このような系は、多くの不都合を持つ。その膜の表面の移動により、良好な光学特性を維持することは、困難であると共に、それは、振動に敏感である。さらに、それは、機械的疲労に敏感である。そのレンズの形状の制御は、重力及び流体４４の圧力の両方に依存するだけでなく、膜４２の弾性エネルギー容量にもまた依存する。その結果として、ある範囲の所望のレンズの形状を得ることは、特に、膜４２の弾性が時間とともに変化するとすれば、疑問であり得る。加えて、柔軟な膜は、通常、気密なものではなく、時間と共にそのデバイスからその流体が蒸発することに帰着する。

エレクトロウェッティングデバイスに基づいた可変焦点レンズもまた知られている。エレクトロウェッティングデバイスは、動作するためにエレクトロウェッティングの現象を利用するデバイスである。エレクトロウェッティングにおいては、三相の接触角は、印加電圧で変化させられる。それら三相は、二つの流体及び一つの固体を構成する。

特許文献２は、エレクトロウェッティングの効果を利用する可変焦点レンズを記述する。図２は、このような典型的な光学デバイスの断面図である。そのデバイスは、密閉された空間９２（すなわち、チャンバー又は空洞）に制限された二つの不混和性の流体８０、８７を有する。用語の“不混和性の”は、それら二つの流体が混合しないことを示唆する。第一の流体８０は、絶縁体（たとえば、シリコーン油）であり、且つ、第二の流体８７は、導電性（たとえば、水及びエチルアルコールの混合物）である。第一の流体８０及び第二の流体８７は、異なる屈折率を有する。

電圧源５０からの電圧を、第一の流体８７と電極５２との間に電場を生じさせるために、二つの電極５１、５２に印加することができる（絶縁層６５は、第二の電極５２が、導電性の第二の流体に接触することを予防する）。

第二の流体８７に印加された電圧を変動させることによって、第一の流体８０と第二の流体８７との間の界面８５の形状は、界面８５によって提供されたレンズの機能を変化させるために、変えられる。図１におけるデバイスは、第一の流体８０を位置させるために、親水性の試剤７０の環によって囲まれた絶縁層６５に直径Ｄ１の撥水性フィルム６０を有する。

このエレクトロウェッティングレンズもまた、多くの不都合を持つ。例えば、そのレンズの形状は、可変電圧によって定義され、且つ、そのレンズの形状は、その絶縁層のどんな不均一性によっても、影響される。その構成は、界面８５の形状を変えるために、相対的に高い電圧を要求する。さらに、その絶縁層は、（特に高い電圧で）帯電することを欠点としてもつこともある。その絶縁層が、不均等に帯電させられるとすれば、これは、不均等な接触角に、且つ、このように、球面でないレンズに、至ることになる。さらに、このようなレンズが、正のパワーのレンズから負のパワーのレンズへ（又は、逆の場合も同じ）変動することは、可能ではない。
独国特許出願公開第１９７１０６６８号明細書 国際公開第９９／１８４５６号パンフレット

本発明の実施形態の目的は、ここで参照されるのであろうと別な方法で参照されるのであろうと、先行技術の一つ以上の問題を扱う可変レンズを提供することである。また、本発明の目的は、このようなレンズを組み込む光学デバイス、並びに、このようなレンズ及びこのようなデバイスを製造する方法を提供することである。

第一の態様において、本発明は、チャンバー、そのチャンバーを通じて延びる光軸を含む可変レンズを提供し、そのチャンバーは、その光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触している第一の流体及び第二の流体を含有し、そのメニスカスの周は、そのチャンバーの内部の表面に固定して位置させられ、それら流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、その可変レンズは、そのチャンバー内に含有された前記の流体の各々の相対的な容積を変えることによって、そのメニスカスの形状を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを含む。

それら二つの流体の間におけるそのメニスカスは、レンズとして作用し、そのように、そのレンズの有効な形状を、そのメニスカスの形状を変化させることによって、容易に調節することができる。機械的な構成部品が、そのレンズの光路内に要求されないと、その光路は、機械的な摩耗及び引き裂きを欠点としてもたない。さらに、そのレンズの形状は、電圧における変化に直接的に関係付けられず、このように、そのレンズを、絶縁層内での帯電の効果と無関係にする。さらに、その設計は、正のパワーのレンズから負のパワーのレンズへ（又は、逆の場合も同じ）調節可能であるレンズが、生産されることを可能にし、このように、設計の自由度における広い範囲を許容する。

別の態様において、本発明は、可変レンズを含む光学デバイスを提供し、そのレンズは、チャンバー、そのチャンバーを通じて延びる光軸を含み、そのチャンバーは、その光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触している第一の流体及び第二の流体を含有し、そのメニスカスの周は、そのチャンバーの内部の表面に固定して位置させられ、それら流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、そのレンズは、そのチャンバー内に含有された前記の流体の各々の相対的な容積を変えることによって、そのメニスカスの形状を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを含む。

さらなる態様において、本発明は、可変レンズを製造する方法を提供し、その方法は、チャンバーを提供することを含み、そのチャンバーは、そのチャンバーを通じて延びる光軸を備えており、そのチャンバーは、そのチャンバーに第一の流体及び第二の流体を、それら二つの流体が、その光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触しているように、置き、そのメニスカスの周は、そのチャンバーの内部の表面に固定して位置させられ、それら流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、その方法は、そのチャンバー内に含有された前記の流体の各々の相対的な容積を変えることによって、そのメニスカスの形状を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを提供することを含む。

別の態様において、本発明は、光学デバイスを製造する方法を提供し、その方法は、可変レンズを提供するステップを含み、その可変レンズは、チャンバー、そのチャンバーを通じて延びる光軸を含み、そのチャンバーは、その光軸を横断して広がるメニスカスにわたって接触している第一の流体及び第二の流体を含有し、そのメニスカスの周は、そのチャンバーの内部の表面に固定して位置させられ、それら流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有し、且つ、その方法は、そのチャンバー内に含有された前記の流体の各々の相対的な容積を変えることによって、そのメニスカスの形状を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを提供するステップを含む。

本発明の他の目的及び利点は、添付する特許請求の範囲に提示されるような好適な特徴から明らかであると思われる。

本発明のより良好な理解のために、及び、それらの実施形態をどのように実施するかを示すために、今、一例として、添付する概略的な図面を参照することにする。

図３Ａは、本発明の第一の実施形態と一致した可変レンズを示す。レンズ１００を、二つの別個の素子で、すなわち、二つの流体１３０、１４０の間におけるメニスカス１５０によって形成されたレンズの機能及びそのレンズの機能の形状を変えるために配置されたびポンプ１１０で、形成されるものとみなすことができる。

流体は、どんな力に応じてもそれの形状を変える、流れる又はチャンバーの輪郭に一致する傾向にある、及び、気体、液体、蒸気、並びに流れの可能な固体及び液体の混合物を含む、物質である。

二つの流体１３０、１４０は、実質的に不混和性である、すなわち、二つの流体は、混合しない。二つの流体１３０、１４０は、異なる屈折率を有する。このように、それら流体が、異なる屈折率を有すると、レンズの機能は、それら二つの流体の接触領域に沿って形成されたメニスカス１５０によって、提供される。レンズの機能は、一つ以上の波長の光を集束させる（収束させる又は発散させる）メニスカス１５０の能力である。この特定の実施形態においては、流体１３０が、流体１４０よりも高い屈折率を有することが、仮定される。

それら二つの流体は、好ましくは、レンズ１００における重力の効果を最小にするために、実質的に等しい密度のものである。

流体１３０、１４０は、チャンバー１２５内に閉じ込められる。この実施形態においては、チャンバー１２５は、縦に延びる管の形態をとり、その管は、内部の表面１２０によって定義された側壁を有する。光軸は、その管を通じて縦に延びる。この特定の例において、その管は、一定の円形の断面積の柱体の管であり、且つ、その光軸は、その管の軸と同軸である。付加的な壁１２１、１２２は、それら流体を閉じ込めるチャンバー１２５を形成するために、その管の末端を横切って延びる。少なくとも、光軸９０に沿って存在するチャンバー１２５の壁１２１、１２２の部分は、透明である。望みであれば、これらの壁１２１、１２２の一方又は両方を、レンズに形作ってもよい。

二つの流体１３０、１４０の間におけるメニスカス１５０は、レンズ１００の光軸９０を横断して延びる。用語の“横断して”は、そのメニスカスが、その光軸と交差する（すなわち、それは、その光軸を横切って延びる）と共に、それが、その光軸に平行ではないことを示唆する。メニスカス１５０は、どんな所望の角度においても、光軸９０と交差してもよい。メニスカス１５０の周は、その管の側壁１２０によって定義される。

典型的には、チャンバー１２５の所望の部分内に流体１３０、１４０を位置させるために、そのチャンバーの異なる領域は、各々の流体がぞれぞれの領域によって誘引されることになるように、各々の流体について異なる湿潤性を有することになる。湿潤性は、ある領域が流体によって湿潤させられる（覆われる）程度である。例えば、流体１３０が水であると共に流体１４０が油であるとすれば、壁１２２の内部の表面は、流体１３０を誘引すると共に流体１４０を誘引しないために、親水性であってもよい。

メニスカス１５０の周は、その管の側壁の表面１２０に接触する。そのメニスカスの周は、その表面１２０に固定して位置させられる。換言すれば、メニスカス１５０の周が、表面１２０に接する部分１５１は、固定される、すなわち、そのメニスカスの周は、その表面に留められる。この特定の実施形態においては、そのメニスカスの周は、部分１５１における表面の湿潤性における急な変化によって、その表面に固定される、たとえば、部分１５１において、その表面１２０は、疎水性から親水性へ変化する。

メニスカス１５０の形状は、それら二つの流体の間における圧力差及びその柱体の内径の両方によって決定される。図解されたメニスカス１５０は、（流体１３０から目視すると）凸である。

流体で満たされたチャンバー１２５に接続されたポンプ１１０は、チャンバー１２５へ及びチャンバー１２５からある量の一つ以上の流体をポンプで供給するために、配置される。

この特定の例において、ポンプ１１０は、チャンバー１２５内におけるそれら二つの流体の同じ合計の容積を維持するように、同時に流体１３０の容積を増加させると共に流体１４０の容積を減少させるために（逆の場合も同じ）、配置される。その結果は、そのメニスカスの周が、表面１２０に留められると、メニスカス１５０の形状は、変化させられることになる、ということになる。

例えば、余分な流体１３０が、チャンバー１２５へ追加されるとすれば、そのメニスカスの形状は、より凸であるように、すなわち、点線１５０’によって示唆されたメニスカスを形成するように、変化してもよい。あるいは、余分な流体１４０が、追加されるとすれば、そのメニスカスは、形状を、点線１５０’’によって示唆されたものに、変化させてもよい、すなわち、そのメニスカスは、（流体１３０から目視すると）凹になる。チャンバー１２５内のそれら流体の容積を変えることによって、そのとき、そのメニスカスの形状を、凸から、平面へ、凹へ、変化させることができることは、認識されると思われる。

そのメニスカスの形状の最大の曲率は、そのメニスカスが半球を形成するときであろうということが、予想される。しかしながら、そのメニスカスが、その後に位置を移動させることになるという結果と共に、圧力が、そのメニスカスの留める作用が圧倒されるほど、大きくなるとき、そのメニスカスが移動する閾値の圧力であるらしいことは、認識されると思われる。このような閾値の圧力は、湿潤性における変化の規模に依存する。

図３Ｂは、流体１３０の屈折率が流体１４０よりも高いとき、メニスカス１５０によって提供された、有効な光学的機能を図解する、すなわち、それは、焦点距離ｆの平凸レンズ１６０のものである。換言すれば、メニスカス１５０は、レンズ１６０の機能を有効に提供し、そのレンズは、（光軸９０に平行な方向でそのレンズに入射する）平行な光１７０を、そのレンズから距離ｆの焦点１７２へもたらすであろう。

そのメニスカスが、形状を、（すなわち、図３Ａにおける点線１５０’によって示された形状へ）変化させてしまったとき、その有効なレンズの機能もまた、点線１６０’によって示されたものへ変化する。メニスカス１５０’が、メニスカス１５０よりも湾曲したものであると、そのレンズは、より高いパワーのものであことになる、すなわち、それは、より短い焦点距離を有することになり、平行な光１７０２ａを、そのレンズからより短い距離の焦点１７２’へもたらす。

図３Ａに示した実施形態においては、メニスカス１５０は、その表面の湿潤性における変化によって、固定して位置させられる。しかしながら、そのメニスカスの周の位置を固定するために、他の技術を使用してもよいことは、認識されると思われる。

例えば、図４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃは、本発明のさらなる実施形態と一致した可変レンズ２００、２２０、２４０の断面図を示す。同一の符号は、類似の特徴を表示する。

デバイス２００のチャンバー１２５を、二つの部分（１２５ａ、１２５ｂ）にあるものとして、構想することができる。両方の部分１２５ａ、１２５ｂは、柱体の円形の管であり、各々は、一方の末端で閉じられる。二つの部分１２５ａ及び１２５ｂは、異なる円形の断面のものであり、且つ、一方の部分（１２５ｂ）は、他方のものよりも小さいものである。その結果として、それら二つの管が、連結される場合、外部の角を備えた階段を、生じさせる。

この特定の実施形態においては、そのメニスカスは、そのメニスカスが接触する表面１２０の幾何学的配置における変化によって、正しい位置に留められる。特に、そのメニスカスの周は、表面１２０における階段の角（位置１５１）に接触する。幾何学的配置における、この急な変化は、そのメニスカスの周を固定して位置させるためには、十分である。

幾何学的配置における、他の変化を、メニスカス１５０を固定して位置させるために、使用してもよいことは、認識されると思われる。好ましくは、そのメニスカスが接触する位置は、角度において急な変化をうける表面である。角度におけるその変化が、大きければ大きいほど（たとえば、その縁又は角が、より急であればあるほど、又は、より鋭利であればあるほど）、そのメニスカスの留める作用は、より大きく、このように、そのメニスカスが、曲率半径におけるより大きい変化をうけることを可能にする。

一例として、図４Ｂは、輪（又は環）が、内部の表面１２０のある部分のまわりに広がるデバイス２２０を示す。好ましくは、その輪の平面は、光軸９０に垂直である。その輪は、鋭利な角が、その環の内部の表面に形成されるように、三角形の断面を有する。そのメニスカスは、この角（位置１５１）に接触する。

図４Ｃは、概して、図４Ｂに示されたものに類似した、本発明の代替の実施形態を示す。この特定の例においては、その輪は、その輪の内部の表面が、事実上、スパイクであるように、非常に薄い。メニスカス１５０は、この鋭利な内部の表面（位置１５１）で、その環に接触する。メニスカス１５０の位置を固定するために適切であるような、幾何学的配置における他の適切な変化は、当業者には明らかであると思われる。

望みであれば、メニスカス１５０を、幾何学的配置における変化及び湿潤性における変化の両方によって、正しい位置に留めてもよい。例えば、図４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃにおいては、留める効果を、鋭利な角が位置させられる点におけるそのチャンバーの壁の湿潤性を急に変動させることによって、高めてもよい。

チャンバー１２５の中への及びチャンバー１２５の外への流体のポンプによる供給を、多くの方式で、例えば、機械的なポンプによって、することができることは、認識されると思われる。図５は、ポンプによる供給が、エレクトロウェッティングによって行われる、本発明の代替の実施形態を示す。

図５に示されたデバイス２５０において、それら二つの流体を含有するチャンバー１２５を定義する柱体が、親水性の材料、たとえばガラスで形成されることが、仮定される。この実施形態における第一の流体１３０は、水であり、且つ、第二の流体１４０は、油である。チャンバー１２５を定義する内部の表面１２０の上側の部分１２２は、疎水性の層で被覆される。その結果は、その水が、そのガラスを湿潤させることになるが、疎水性のコーティングを湿潤させないことになる、ということになる。その結果として、湿潤性におけるこの変化は、正しい位置にメニスカス１５０の周を留めることになる。そのメニスカスによって提供されたレンズの機能の周辺の質が、コーティングを堆積させる（又は、そのコーティングが、最初に、内部の表面の全てに設けられ、そして、選択的に取り除かれるとすれば、取り除く）ことができる確度によって決定されることは、認識されると思われる。

例えば、その材料の層を、旋盤によって、又は、リソグラフィーの技術によって、部分的に取り除くことができるであろう。幾何学的配置における精確な変化を、射出成形を含む、多くの技術によって得てもよい。

流路１１６は、それら二つの不混和性の液体（水及び油）を接続する。それら液体を、この流路１１６を通じて、ポンプで供給することができ、且つ、その結果として、チャンバー１２５内におけるそれら液体の容積を、変化させることになり、よって、そのチャンバーにおけるメニスカス１５０の曲率半径もまた変化する。

流路１１６内では、それら二つの液体の間の界面を定義する、さらなるメニスカス１１２が、存在する。エレクトロウェッティングは、このメニスカス１１２の曲率（よって、位置）を変化させるために、利用され、且つ、その結果は、チャンバー１２５内のそれら流体の容積を変えることになるということである。エレクトロウェッティングは、それら二つの流体１３０、１４０と流路１１６の表面との間の三相の接触角が、変化するように、電極１１４と電極１１８との間に電圧を印加することによって、行われる。

この特定の実施形態において、流路１１６の半径は、チャンバー１２５の半径よりもはるかに小さい。その結果として、流路１１６におけるメニスカス１１２の接触角における相対的に小さい変化は、チャンバー１２５におけるメニスカス１５０の接触角におけるはるかにより大きい変化に至ることになる。その流路１１６は、メニスカス１１２の所望の範囲及び移動を受け入れるのに十分に、長くなければならない。望みであれば、流路１１６を、管、たとえば、柔軟な管で、又は、第二の柱体（たとえば、図４に示された配置と同様にして、より大きい柱体を、第一の柱体のまわりに置くことができるであろう）によって、形成することができるであろう。

図６は、本発明の別の実施形態と一致した可変レンズ３００を示す。この特定の実施形態において、そのレンズのメニスカス１５０を定義する二つの流体１３０、１４０は、不混和性のものであるが、エレクトロウェッティングに必ずしも適切ではない。例えば、第一の流体１３０は、フッ素化された油であり得るであろうし、且つ第二の流体１４０は、炭化水素の油であり得るであろう。そのフッ素化された油は、非常に低い屈折率を有し、その屈折率は、それら二つの流体の間の屈折率における大きい差を得ることを、可能なものにする。

重ねて、メニスカス１５０の周は、湿潤性における急な変化によって、正しい位置に留められる。チャンバー１２５の内部の表面の上側の部分は、炭化水素の油（たとえば、ポリエチレン）によって湿潤可能である層によって被覆され、且つ、その内部の表面の残りは、フッ素化された油（たとえば、テフロン（登録商標））によって湿潤可能な層によって被覆される。（“水のスラグ”と称された）ある容積の水１３５が、流路１１６内に存在する。炭化水素の油１４０を仮定することは、エレクトロウェッティングに適切なことであり、そして、その流路におけるその水のスラグを、エレクトロウェッティングで移動させることができ、これは、その流路の外への流体１３０及び１４０の対応する移動によって反射される。その結果として、水のスラグ１３５によって提供されたポンプの作用によって、大きいメニスカス１５０の形状を、変化させてもよく、このように、そのレンズのパワーを変化させる。

このようなレンズ３００は、レンズの作用のためのメニスカス１５０を提供するそれら二つの流体が、エレクトロウェッティングに適切なものであることが、必ずしも必要ではないことの例であり、それら二つの液体は、単に、不混和性である必要がある。この例では、流体１３０、１４０の一方のみが、エレクトロウェッティングに適切であり、且つ、付加的な流体（スラグ１３５）は、エレクトロウェッティングの効果を、ポンプとして使用することを可能にするために、提供される。しかしながら、それら流体が、別のポンプの作用、たとえば、機械的なポンプによって、移動させられるとすれば、可能な液体における範囲は、いっそうより大きくなることは、認識されると思われる。このように、適切な設計は、選択される流体のタイプにおける広い選択を許容する。

図７は、本発明のいっそうさらなる実施形態と一致したレンズ３５０を示す。そのレンズ３５０は、概して、図５に示されたレンズ２５０に類似する。しかしながら、この実施形態においては、中央の柱１２４を、チャンバー１２５の中へ導入しておいた。柱１２４は、外側の柱体の壁１２２と同じ高さ（すなわち、光軸９０に垂直な相対的な位置）で、疎水性の層１２２で被覆される。その結果は、留められたメニスカス１５０が、ドーナツに形作られるということである。今、そのメニスカスは、光学的なパワーを導入しないが、球面収差を導入する。メニスカス１５０によって導入された球面収差の程度は、ドーナツに形作られたメニスカスの曲率に依存することになり、且つ、広い範囲の球面収差が、潜在的に可能である。その結果として、このようなレンズを、収差の補正器として使用することができる。

この特定のレンズ３５０において、柱１２４は、光軸９０と同軸の円形の柱体の形態をとる。しかしながら、その柱が、事実上は、どんな所望の形状をも、又は、チャンバー１２５内におけるどんな所望の位置をも、とることができるであろうということは、認識されると思われる。柱１２４の湿潤性における変化は、表面１２０における湿潤性の変化と同じ高さにある必要はない。

様々なタイプのポンプを、ポンプ１１０として使用してもよい。例えば、国際公開第０２／０６９０１６号パンフレットは、流体を移動させることができる方法の多くの方式を、たとえば、電気毛管、差圧電気毛管、エレクトロウェッティング、継続的エレクトロウェッティング、電気泳動、電気浸透、誘電泳動、電磁流体力学的ポンピング、熱毛管、熱膨張、誘電ポンピング、又は可変誘電ポンピングを、記述し、それらのいずれも、ポンプ１１０によって要求されたポンプの作用を提供するために、使用することができるであろう。あるいは、そのポンプは、機械的なポンプであり得るであろう。

上記の実施形態においては、その管は、円形の管として記載されている（すなわち、それは、円形の断面を有する）が、事実上は、その管が、どんな所望の断面をも、たとえば、正方形の、長方形の、又は楕円形のものを、有することができることは、認識されると思われる。

均等に、上記の実施形態においては、そのレンズを、流体の二つの本体で形成されるものとして、それら流体の間の界面がそのレンズの機能を提供することと共に、記載してきた。しかしながら、そのレンズが、事実上は、流体のどんな数の本体をも含むことができるであろうということは、認識されると思われる。例えば、そのレンズは、ある容積の水によって分離された二つの容積の油を含むことができるであろう。その結果として、二つのメニスカスを備えた二重レンズが、生産されるであろうし、各々のメニスカスは、その水とそれぞれの容積の油との間の界面に対応するであろう。二つのメニスカスの各々を、留めることができるであろう。それら流体の本体の各々のそれぞれの容積を変えることによって（すなわち、その管内におけるそれら油の本体の各々の容積のみならず、その管内に含有された水の容積を変えることによって）、二つのメニスカスによって提供されたレンズの機能の両方を、制御可能に変えることができる。

本発明の可変レンズが、レンズを要求するどんな光学デバイスの部分をも形成することができることは、認識されると思われる。

図８は、本発明の実施形態と一致した可変焦点レンズを含む対物レンズ系１８を含む、光記録担体２を走査するためのデバイス１を示す。その記録担体は、透明層３を含み、それの一方の側には、情報層４が、配置される。その透明層から離れて面する情報層の側は、保護層５によって環境の影響から保護される。そのデバイスに面するその透明層の側は、入射面６と呼ばれる。透明層３は、その情報層に機械的な支持を提供することによって、その記録担体用の基板として作用する。

あるいは、その透明層は、その機械的な支持を、その情報層の他方の側における層によって、例えば、保護層５によって、又は、さらなる情報層及び情報層４に接続された透明層によって、提供する一方で、その情報層を保護するただ一つの機能を有してもよい。

情報を、図に示唆されない、実質的に平行な、同心の、又は螺旋のトラックに配置された光学的に検出可能なマークの形態で、その記録担体の情報層４に記憶させてもよい。それらマークは、どんな光学的に読み取り可能な形態で、たとえば、ピット若しくは周囲と異なる反射係数若しくは磁化の方向を備えた領域の形態で、又は、これらの形態の組み合わせであってもよい。

走査デバイス１は、放射ビーム１２を放出することができる放射源１１を含む。その放射源は、半導体レーザーであってもよい。ビームスプリッター１３は、発散する放射ビーム１２をコリメータレンズ１４に向かって反射させ、そのレンズは、発散するビーム１２を、コリメートされたビーム１５へ変換する。コリメートされたビーム１５は、対物系１８に入射する。

その対物系は、一つ以上のレンズ及び／又は回折格子を含んでもよい。対物系１８は、光軸１９を有する。対物系１８は、ビーム１７を、記録担体２の入射面６に入射する、収束するビーム２０へ変化させる。その対物系は、透明層３の厚さを通じたその放射ビームの通過に適合した球面収差の補正を有する。収束するビーム２０は、情報層４にスポット２１を形成する。情報層４によって反射させられた放射は、発散するビーム２２を形成し、そのビームは、対物系１８によって、実質的にコリメートされたビーム２３に、及びその後、コリメータレンズ１４によって、収束するビーム２４に、変換される。ビームスプリッター１３は、収束するビーム２４の少なくとも一部分を、検出系２５に向かって透過させることによって、前進のビーム及び反射されたビームを分離する。その検出系は、その放射を取得すると共に、それを、電気的な出力信号２６へ変換する。信号処理装置２７は、これらの出力信号を、様々な他の信号へ変換する。

それら信号の一つは、情報信号２８であり、その信号の値は、情報層４から読み取られた情報を表す。その情報信号は、誤差補正用の情報処理ユニット２９によって処理される。信号処理装置２７からの他の信号は、焦点誤差信号及び径方向誤差信号３０である。その焦点誤差信号は、スポット２１と情報層４との間の高さにおける軸上の差を表す。その径方向誤差信号は、スポット２１とそのスポットによって追跡されるその情報層におけるトラックの中心との間の、情報層４の平面における距離を表す。その焦点誤差信号及びその径方向誤差信号は、これらの信号を、それぞれ焦点アクチュエータ及び径方向アクチュエータを制御するためのサーボ制御信号３２に変換する、サーボ回路３１に供給される。それらアクチュエータは、図には示されない。その焦点アクチュエータは、焦点の方向３３において対物系１８の位置を制御し、それによって、スポット２１の現実の位置を、それが、情報層４の平面と実質的に一致するように、制御する。その径方向アクチュエータは、径の方向３４において対物系１８の位置を制御し、それによって、スポット２１の径方向の位置を、それが、情報層４において追跡されるトラックの中心線と実質的に一致するように、制御する。図におけるトラックは、図の平面に垂直な方向に走る。

この特定の実施形態における図８のデバイスは、記録担体２よりも厚い透明層を有する第二のタイプの記録担体もまた走査するように、適合させられる。そのデバイスは、放射ビーム１２又は第二のタイプの記録担体を走査するための異なる波長を有する放射ビームを使用してもよい。この放射ビームのＮＡを、記録担体のタイプに適合させてもよい。その対物系の球面収差の補償を、それに応じて、適合させなければならない。

例えば、二重層のＢＤ（ブルーレイ・ディスク）のディスクにおいては、二つの情報層が、０．１ｍｍ及び０．０８ｍｍの深さにある。このように、それらは、典型的には、０．０２ｍｍだけ分離される。一方の層から別のものへ再度集束させるとき、情報層の深さにおける差により、若干の２００ｍλの所望されてない球面収差が発生し、その球面収差は、補償されることを必要とする。これを、その球面収差が相殺するように、対物系１８へ球面収差を導入することによって、達成することができる。

この発明の一つの実施形態において、球面収差は、本発明と一致した可変レンズを使用することによって、対物系１８に入射するビーム１５のコリメーションを変えることによって、対物系１８へ導入される。このような可変レンズを、ビーム１５の光路内に、余分なデバイスとして導入することができるか、又は、その可変レンズが、レンズ１４の部分を形成することができる（たとえば、レンズ１４が、複合レンズである）。その所望の球面収差を導入するために、その可変レンズ内のメニスカスの形状を変動させることによって、ビーム１５を、平行であることから、要求されるように、わずかに収束する又は発散することへ、変動させることができる。

図９は、本発明の代替の実施形態と一致したレンズを含む可変焦点画像取得デバイス４００を図解する。

デバイス４００は、表面１２０の柱体の管、うね状にした前側のレンズ４０４、及びうね状にした後側のレンズ４０６を含む複合可変焦点レンズを含む。それら二つのレンズ及びその管によって閉じ込められた間隔は、柱体の流体チャンバー１２５を形成する。流体チャンバー１２５は、第一及び第二の流体１３０及び１４０を保持する。それら二つの流体は、メニスカス１５０に沿って接する。そのメニスカスは、ポンプ４２２によってそのチャンバーに提供された各々の流体のそれぞれの容積に依存して、先に記載したように、可変な形状のメニスカスレンズを形成する。

前側のレンズ４０４は、ポリカーボナート又は環状オレフィンの共重合体（ＣＯＣ）のような、高度に屈折性のプラスチックの両凸レンズであり、且つ、正のパワーを有する。その前側のレンズの表面の少なくとも一つは、所望の初期の集束の特性を提供するために、非球面である。後側のレンズ４０６は、ＣＯＣのような、低い分散性のプラスチックで形成され、且つ、視野フラッターとして作用する非球面のレンズの表面を含む。その後側のレンズ素子の他方の面は、平坦、球面、又は非球面であってもよい。

遮光絞り４１６及び開口絞り４１８は、そのレンズの前側に追加される。ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）センサーアレイのような、ピクセル化されたイメージセンサー４２０は、そのレンズの後方におけるセンサーの平面に位置させられる。

ポンプ４２２は、無限と１０ｃｍとの間の対象の範囲を提供するために、画像信号の焦点制御処理によって誘導された、焦点制御信号と一致して、そのレンズを駆動する。

前側のレンズ素子４０４は、好ましくは、管を備えた単一の本体として形成され、その管は、密閉されたユニットを形成するために、後側のレンズ４０６によって、封鎖される。第二のレンズ素子４０６を、図８に示したものに関して、延ばしてもよく、且つ、そのレンズの寸法を減少させるために、イメージセンサー４２０をそのレンズより下に置くことを可能とするように、レンズ素子４０６の平坦な後側の表面を、角度を付けられた、好ましくは、４５°の角度を付けられた鏡の表面によって置き換えてもよい。

前側のレンズ４０４の内側の表面及び後側のレンズ４０６の内側の表面を、流体１３０及び１４０とそのレンズが作られる材料の不適合性を回避するために、保護層で被覆してもよい。また、その保護層は、反射防止の特性を有してもよい。

上記の例から、本発明の実施形態において、可変レンズが、提供され、そのレンズの形状を、それら二つの流体の間におけるそのメニスカスの形状を制御可能に変えることによって、容易に調節することができることは、認識されると思われる。機械的な構成部品が、光路内に要求されないので、その光路は、機械的な摩耗及び引き裂きを欠点としてもたない。さらに、そのレンズを、正のパワーを有することと負のパワーを有することとの間で、調節してもよい。

図１Ｂと異なる構成における概略の断面で、知られた可変レンズを示す。 図１Ａと異なる構成における概略の断面で、知られた可変レンズを示す。 知られたタイプのエレクトロウェッティング可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明の第一の実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明の第一の実施形態と一致した、可変レンズによって提供された等価な光学的な機能を図解する。 本発明のさらなる実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明のさらなる実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明のさらなる実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明のさらなる実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明の別の実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明のさらなる実施形態と一致した、可変レンズの概略の断面を図解する。 本発明のある実施形態と一致した可変レンズを含む、光記録担体を走査するためのデバイスを図解する。 本発明のある実施形態と一致した可変レンズを含む、可変焦点画像取得デバイスを図解する。

Claims (9)

1. 第一の流体及び第二の流体を含有するチャンバーを有する可変レンズであって、
   該チャンバーは、内面を有し、かつ管の軸が定められた管として形成され、
   該第一の流体及び第二の流体は、それぞれ異なる屈折率を有し、且つ、実質的に不混和性であることで、前記第一の流体及び第二の流体の接触領域に沿ってメニスカスを形成し、
   前記メニスカスは、前記管の軸と交差し、かつ周に沿って前記内面と接触し、
   前記第一の流体は、前記内面の親水性領域と接し、該親水性領域は、前記第二の流体に対する湿潤性よりも前記第一の流体に対して高い湿潤性を有し、
   前記第二の流体は、前記内面の疎水性領域と接し、該疎水性領域は、前記第一の流体に対する湿潤性よりも前記第二の流体に対して高い湿潤性を有し、
   それにより該メニスカスの周は前記内面に固定した状態で設けられ、
   当該可変レンズは少なくとも一つのポンプをさらに含み、
   前記少なくとも一つのポンプは、該チャンバー内に含有された該流体の各々の相対的な容積を変えることによって、該メニスカスの形状を制御可能に変えるために配置される、
   レンズ。
2. 前記ポンプは、電気毛管、差圧電気毛管、エレクトロウェッティング、継続的エレクトロウェッティング、電気泳動、電気浸透、誘電泳動、電磁流体力学的ポンピング、機械的ポンピング、熱毛管、熱膨張、誘電ポンピング、又は可変誘電ポンピングの少なくとも一つを利用して、動作する、請求項１に記載のレンズ。
3. 前記チャンバーは、円形の、長方形の、又は、楕円形の、断面を有する、請求項1又は2に記載のレンズ。
4. 前記チャンバーは、前記光軸を横断して広がる第二のメニスカスにわたって前記第二の流体と接触する第三の流体をさらに含有し、
   該第二のメニスカスの周は、前記チャンバーの内部の表面に固定して位置させられ、
   前記第二の流体及び該第三の流体は、実質的に不混和性であると共に異なる屈折率を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレンズ。
5. 前記第三の流体及び前記第一の流体は、同じ材料である、請求項４に記載のレンズ。
6. 可変レンズを含む光学デバイスであって、
   該レンズは、第一の流体及び第二の流体を含有するチャンバーを含み、
   該チャンバーは、内面を有し、かつ管の軸が定められた管として形成され、
   該第一の流体及び第二の流体は、それぞれ異なる屈折率を有し、且つ、実質的に不混和性であることで、前記第一の流体及び第二の流体の接触領域に沿ってメニスカスを形成し、
   前記メニスカスは、前記管の軸と交差し、かつ周に沿って前記内面と接触し、
   前記第一の流体は、前記内面の親水性領域と接し、該親水性領域は、前記第二の流体に対する湿潤性よりも前記第一の流体に対して高い湿潤性を有し、
   前記第二の流体は、前記内面の疎水性領域と接し、該疎水性領域は、前記第一の流体に対する湿潤性よりも前記第二の流体に対して高い湿潤性を有し、
   それにより該メニスカスの周は前記内面に固定した状態で設けられ、
   
   且つ、
   該レンズは、該チャンバー内に含有された該流体の各々の相対的な容積を変えることによって、該メニスカスの形状を制御可能に変えるために配置された少なくとも一つのポンプを含む、光学デバイス。
7. 当該デバイスは、光記録担体の情報層を走査する光走査デバイスであり、
   当該デバイスは、放射ビームを発生させる放射源及び該情報層に該放射ビームを収束させる対物系を含む、請求項６に記載の光学デバイス。
8. 当該デバイスは、可変焦点画像取得デバイスである、請求項６に記載の光学デバイス。
9. 可変レンズを制御する方法であって、
   当該可変レンズ内に、内面を有し、かつ軸が定められた円筒管として形成されたチャンバーを供する工程；
   前記チャンバー内に、それぞれ異なる屈折率を有し、かつ互いに実質的に不混和性である第一の流体及び第二の流体を供する工程；
   前記第一の流体を、前記第二の流体に対する湿潤性よりも前記第一の流体に対して高い湿潤性を有する前記内面の親水性領域と接触させ、かつ、前記第二の流体を、前記第一の流体に対する湿潤性よりも前記第二の流体に対して高い湿潤性を有する前記内面の疎水性領域と接触させることで、前記第一の流体及び第二の流体の接触領域に沿ってメニスカスを形成する工程であって、前記メニスカスが、前記管の軸と交差し、かつ周に沿って前記内面と接触することで、該メニスカスの周を前記内面に固定した状態で設けられる工程；
   該チャンバー内に含有された該流体の各々の相対的な容積を変えることによって、該メニスカスの形状を制御可能に変える工程；
   を有する方法。

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