JP5089116B2 - レンズ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系で使用されるレンズに関し、より詳しくは、調節可能な焦点距離を持つレンズに関する。

通常、光学系の焦点距離調節レンズは、機械式調節レンズおよび電動式調節レンズの2つのタイプに分類することができる。機械式調節レンズでは、調節機能はレンズを前後に移動するモーターによって達成される。したがって、移動レンズのため大きな外形と多量の電力消費が必要である。

従来の技術では、電動式調節レンズはエレクトロウェッティング・メカニズムで液体の形状を変形させることによって、焦点距離を調節する。 電動式調節レンズの液体には、通常導電性の液体および絶縁性の液体が含まれる。レンズの焦点距離を変えることが可能なように、導電性の液体の形状はエレクトロウェッティング・メカニズムによって電気的に変えることができるようになっている。

米国特許6,545,815号では、エレクトロウェッティング・メカニズムの助けを借りる調節可能な液体レンズが開示されている。
図1は、この従来の技術において提案されている液体レンズ10を例示したものである。この特許においては、導電性の液体の液滴11が、潤滑層としても機能する絶縁層12に配置されている。制御電極15は、絶縁層12の下に設置されている。液滴電極16は導電性液体の液滴11と直接接触する。制御電極15と液滴電極16の間の電圧差は、エレクトロウェッティング効果を引き起こし、導電性液体の液滴11の形状を変形させる。液体レンズ10の焦点距離は導電性液体の液滴11の形状が電気的に変形して調節される。

従来の技術のエレクトロウェッティング・メカニズム利用レンズには、導電性の液体が電解質でできているという難点が有る。たとえば、導電性の液体の液滴11は高い電流を引き起こす液滴電極16と直接接触する。電流のため導電性の液体の液滴11に電気分解が起こる。更に、導電性の液体の液滴11は、電圧差によって生じる電界のため加熱されてしまう。この効果はジュール加熱と呼ばれている。
米国特許6,545,815号

本発明の主要な目的の一つは、調節可能な焦点距離を持つレンズ装置を提供することである。

前述の問題を解決するため、本発明では、エレクトロウェッティング・メカニズムの代わりに誘電力を使用する調節可能な焦点距離を持つレンズを提供する。誘電力は、2つの非導電性媒体（例えば液体、気体および固体）の間に誘電率の差があるため生じる外部の電界の下で発生する。エレクトロウェッティングの方法で使用される導電性の液体とは異なり、誘電力の方法で使用される液体は非導電性である。

この発明の一つの好ましい実施態様は非導電性の液滴を具備するレンズである。非導電性の液滴が第１の電極セットを具備する底部プレートに置かれている。第１の電極セットは、第１の電極セットに選択的にバイアスをかけることができ、液滴と各第１の電極セットの間にそれぞれ第１の電位差がつくり出されるような方法で配置されている。液滴と液滴を取り囲んでいる媒体（例えば空気もしくはその他の液体）の誘電率は異なる。第１の電位差が印加される間に誘電率の差によって誘電力が引き起こされる。非導電性の液滴の形状は、誘電力によって変形し、それによってレンズの焦点距離の変化を引き起こす。

本発明のその他の好ましい実施態様は、チャンバおよび電極１セットを具備するレンズである。チャンバには、第１の液体ならびに第2の液体の液滴が満たされている。第１の液体と第2の液体は、相互に不混和性である。両液体とも非導電性であり、それぞれ誘電率は異なる。第1の液体および第2の液体の液滴（すなわち液滴の表面形状）間の界面は、電極セットによって作り出される電界によって変形することが可能である。したがって、レンズの焦点距離が界面を変形させることによって調節可能である。

各媒体（例えば液体）は、特定の誘電特性、特に特定の誘電率を有する。１つの誘電率は、実数部分と虚数部分から構成されている。実数部分は液体の分極率を虚数部分は液体の導電率をそれぞれ表す。分極率は、媒体の分子が電界の下でいかに適切に分極するかを示す。誘電率の異なる実数部分を持つ2つの相互に不混和性の液体の場合、電界が界面中を通過する間に二つの液体の界面上に誘電力が引き起こされる。誘電力は、電気エネルギーεε0E2の勾配から生じる。ここでεは誘電率の実数部分で、Eは二つの液体の界面の電界強度である。したがって、二つの液体間の誘電率の実数部分の差によって、誘電力が引き起こされる。本発明の非導電性の液体は、σ/（ωεε0）<1として、理論的に定義できる。ここで、σは導電率、ωは角周波数、ε₀は自由空間（真空）の誘電率である。

本発明では、液滴の形状をコントロールするために誘電力が活用されており、これによってレンズの焦点距離が調節可能となっている。
本発明の場合、液滴には液晶、エーテル・ケトン、アルコールまたは、電界によって分極されうる任意の有機物質を材料に使用できる。液滴は、導電性である必要はない。その上、電界を発生させるための電極は本発明では液体と直接接触することは必要ない。このようにして、従来の技術における多くの難点が回避される。

本発明の利点および精神は、以下の添付図面とあわせてする説明によって理解されよう。

図2(A)は、本発明の第１の好ましい実施態様のレンズを示したものである。レンズ20は、非導電性液体の液滴（22Aと22B）および底部プレート24を具備する。曲線22Aおよび22Bはそれぞれ電界の影響がない場合と影響がある場合の液滴の形状を表す。底部プレート24は、第１の電極セット25を具備する。底部プレート24は液滴を配置するために使用される。第１の電極セット25は、液滴と第１の電極セット各々の間に第１の電位差を造り出すため、第１の電極セット25に個別的に選択してバイアスをかけることが可能なように配置されている。非導電性液体の液滴の形状は、誘電力によって変形され、それによってレンズの焦点距離を変える。すなわち、レンズの焦点距離は、電界の分布をコントロールすることによって調節可能になるのである。

誘電力による焦点距離の調節作用を改善するため、図2（B）に示すように、底部プレート24をさらに潤滑層26で被覆することができる。潤滑層26は、液滴と第１の電極セット25の間に配置されている。潤滑層26は、テフロン（登録商標）、ポリジメチル・シロキサン（PDMS）、厚膜フォトレジスト、パリレン、酸化ケイ素、または、任意の疎水性の物質で構成することができる。潤滑層26は液滴と底部プレート24の間の摩擦を引き下げるために使用される。

図2（C）は、図2(A)で示したレンズのもう一つの変更を図示したものである。更に、レンズ20は上部プレート27を具備する。上部プレート27は、液滴と第2の電極セット28各々の間に第2の電位差を造り出すため、第2の電極セット28に個別的に選択してバイアスをかけることができるよう配置された第2の電極セット28を具備する。液滴の形状は、誘電力によって変形され、それによってレンズの焦点距離を変える。誘電力は電界が印加されている間の誘電率の実数部分の差によって引き起こされる。電界の強さは、第2の電極セット28と第１の電極セット25の間の電位差によってコントロールされる。非導電性液体の液滴の形状は、印加電圧によって電気的に調節される。

図3は、本発明の第2の好ましい実施態様のレンズを示したものである。 レンズ30は、液滴（32Aおよび32B）、底部プレート34および上部プレート37を具備する。曲線32Aおよび32Bはそれぞれ電界の影響がない場合と影響がある場合の液滴の形状を表す。第2および第１の実施態様の間の主な差は、底部プレート34が 液滴を配置するためだけに使用されるということにある。この実施態様においては、電界は電極38によって上部プレート37に作り出される。

図4は、本発明の第3の好ましい実施態様のレンズ40を示したものである。レンズ40は、チャンバ42、第１の液体44および第2の液体46の液滴を具備する。第１の液体44および第2の液体46の液滴はともにチャンバ42内に配置されている。

第１の液体44および第2の液体46の液滴は、非導電性の液体である。第１の液体44は第１の誘電率を有し、第2の液体46の液滴は第2の誘電率を有する。第１の誘電率と第2の誘電率は、等しくない。この実施態様において、第１の液体44と第2の液体46は、相互に不混和性である。したがって、第１の液体44と第2の液体46の液滴の間に界面45が形成される。

レンズ40は、第3の電極セット48を具備する。第3の電極セット48は、界面45を通して電界を発生させるため第3の電極セット48に選択的にバイアスがかけられるように配置されている。電界を変えることによって、界面45は誘電力によって変形することが可能になる。このように界面45の形状が調節可能であり、したがってレンズの焦点距離は調節可能である。

図5は、電極の可能な配列形をいくつか示したものである。実際に応用する場合、第1の電極25、第2の電極28および第3の電極48は、図5(A)で示す行列の形、図5（B）で示す同心円、または、図5（C）で示す円の形で配置することが可能である。第3の電極48は、また図4で示すように、平行に配置することも可能である。液滴の形状をコントロールする効果が得られる限り、本発明の実施態様ではこれ以外の電極の配置形態を適用することも可能である。

本発明の調節可能な焦点距離を持つレンズは効果的な調節方法を提供するものである。本発明の電極は直接液滴に接触しないので、本発明における電流は従来の技術における電流より電位的に低くなっている。さらにまた、本発明によれば、従来の技術の場合のジュール加熱と電気分解の問題を回避することができる。

上記の実例と説明によって、本発明の機能と精神が適切に記述できたものと考える。当業者は、本発明の教示するところを維持しながら、数多くの改造および変更を装置に行うことが可能なことにすぐに気がつくことであろう。したがって、上記の開示は添付クレームの境界によってのみ制約されるものと解釈さるべきである。

エレクトロウェッティング効果によって調節される液体レンズを図示したものである。 第１の好ましい実施態様である本発明のレンズを図示したものである。 は、第１の好ましい実施態様に潤滑層が更にどのように含まれているかを示している。 第１の好ましい実施態様に上部プレートが更にどのように含まれているかを示している。 第２の好ましい実施態様である本発明のレンズを図示したものである。 第３の好ましい実施態様である本発明のレンズを図示したものである。 可能な電極の配列形を示したものである。 可能な電極の配列形を示したものである。 可能な電極の配列形を示したものである。

符号の説明

２０ レンズ
２２Ａ、２２Ｂ 液滴
２４ 底部プレート
２５ 第１の電極セット
２６ 潤滑層
２７ 上部プレー
２８ 第２の電極セット
３０ レンズ
３２Ａ、３２Ｂ 液滴
３４ 底部プレート
３７ 上部プレー
４０ レンズ
４２ チャンバ
４４ 第１の液体
４５ 界面
４６ 第２の液体

Claims (5)

1. 第１の液体および第２の液体が相互に不混和であり、第１の液体および第２の液体がともに非導電性である、第１の液体および第２の液体の液滴を満たしたチャンバであって、
   前記非導電性は、σを導電率、ωを角周波数、ε _０ を真空の誘電率、εを前記第１の液体または第２の液体の各々の誘電率とするときに、σ／（ωεε _０ ）＜１で規定されるチャンバと、
   電界をコントロールすることによって、前記第１の液体と前記第２の液体の液滴との間の界面が調節可能な、前記電界を発生させるための電極一セットと、よりなるレンズ装置。
2. 前記レンズ装置が更に前記第１の液体、前記第２の液体の液滴および前記電極セットの間に配置される潤滑層を具備する、請求項１のレンズ装置。
3. 前記潤滑層が少なくとも以下の一つよりなる請求項２のレンズ装置：
   テフロン（登録商標）、ポリジメチル・シロキサン（PDMS）、厚膜フォトレジスト、パリレン、酸化ケイ素、または、絶縁材。
4. 前記第１の液体が少なくとも以下の一つよりなる請求項１のレンズ装置：
   液晶、エーテル、ケトン、アルコール、および電界によって分極化することが可能な有機物質。
5. 前記電極セットが円、行列、または、同心円の形で配置されている請求項１のレンズ装置。