KR20070073928A - 광학소자, 광학장치, 애트머스피어 제공기, 광학 스캐닝장치, 광 커플링 장치, 및 계면파의 조정방법 - Google Patents

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KR20070073928A
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스테인 카이퍼
베르나르더스 에이치. 더블유. 헨드릭스
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

광학소자(1)는 전기습윤 방식에 의해 계면파들을 발생시키기 위해 제공된다. 상기 광학소자(1)는 적어도 하나의 측벽과 광축(10)을 갖는 유체 챔버(3)를 포함한다. 또한, 상기 유체 챔버(3)는 계면(4)에 의해 분리되는, 혼합될 수 없는 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)를 포함한다. 제1 전기습윤전극(2) 및 제2 전기습윤전극(9)이 제공되며, 제1 전기습윤전극(2)은 유체 접촉층(8)에 의해 제1 유체(A)와 제2 유체(B)로부터 분리된다. 제2 전기습윤전극(9)은 제1 유체(A)에 작용하도록 제공된다. 선택된 정재파 또는 연속파들은 제1 및 제2 전기습윤전극들(2,9)에 선택 전압들을 각각 인가함으로써 형성될 수 있다.
광학 소자, 전기습윤, 유체 챔버

Description

광학소자, 광학장치, 애트머스피어 제공기, 광학 스캐닝 장치, 광 커플링 장치, 및 계면파의 조정방법{OPTICAL ELEMENT, OPTICAL DEVICE, ATMOSPHERE PROVIDER, OPTICAL SCANNING DEVICE, LIGHT COUPLING DEVICE, AND METHOD OF OPERATING INTERFACIAL WAVES}
본 발명은 전기습윤 방식에 의해 계면파를 제공하는 광학소자, 그러한 광학 소자를 포함하는 광학장치, 및 계면파를 조정하는 방법에 관한 것이다.
US 6,369,954 B1에 가변초점렌즈가 개시되어 있다. 이 초점렌즈는 전도성이 있는 제1 액체와 절연성 액체인 제2 액체의 액적으로 채워진 챔버를 포함한다. 이 액체들은 혼합될 수 없으며, 제2 액체는 챔버 벽의 한 표면 영역에 유지된다. 이 액적은 소수성 및 친수성 부분 또는 층들을 포함하는 유체 접촉층에 의해 이 영역에 위치한다. 챔버의 전극들 사이에 전압이 인가되면, 전도성 액체는 절연성 액적의 표면이 보다 볼록하게 되도록 절연성 액적의 움직임 및 변형을 야기한다. 일 실시예에는, 소수성 및 친수성 층들이 실린더형 표면을 따라 배열되고, 액적의 측면들이 그 실린더형 표면을 축방향으로 따라 위치하여, 전압이 인가되지 않으면 친수성 액체에 의해, 전압이 인가되면 실린더의 측면을 따라 축방향으로 이격되어 배치된 일련의 전극들에 의해 중심 배치된다.
또한, 그러한 구성을 갖는 개선된 가변초점렌즈가 국제특허출원 WO 00/58763에 개시되어 있다. 절연성 액체의 액적을 중심배치하기 위해 제시된 수단은 조절가능한 렌즈내에 절연층으로 형성된 종 형상의 오목부이다. 이 오목부의 측면들은 오목부 내에 중심배치된 액적을 유지하고 그 액적의 표면에 볼록렌즈를 제공하도록 배열되어 있다. 오목부의 저부가 그 오목부의 측면과 동일한 재료로 형성되므로, 렌즈가 작동되기 위해서는 이러한 재료들을 투명체로 선택하여야 한다.
본 발명의 목적은, 예컨대 연속적으로 조정 가능한 광회절격자 등을 생성하기 위해 전기습윤 현상을 이용하여 계면파들을 제공하는 광학소자를 제공하는 것이다.
제1 측면에서, 본 발명은 전기습윤 방식에 의해 계면파를 제공하기 위한 광학소자를 제공하는 것으로서, 상기 광학소자는,
유체 챔버 - 이 유체 챔버는 계면에 의해 분리되는 제1 유체 및 제2 유체를 포함하고, 이 유체들은 혼합될 수 없음 -,
제1 전기습윤전극 및 제2 전기습윤전극 - 제1 전기습윤전극은 전기적으로 절연성인 유체 접촉층에 의해 제1 유체와 제2 유체로부터 분리되고, 제2 전기습윤전극은 제1 유체에 직접 작용하거나 축전결합되어 있음 -, 및
계면파들을 생성하기 위해, 양 전기습윤전극들 사이의 전압차를 적시에 변화시키기 위한 전압 제어 시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 이러한 광학소자에 있어서, 제1 유체와 제2 유체 사이의 계면(유체들 사이의 경계층 또는 영역)의 형상은 양 전기습윤전극들에 의해 변화 가능하다. 계면의 형상은 가변되고 제어 가능하다. 제1 전기습윤전극과 통상 전극인 제2 전기습윤전극의 구성에 인가되는 가변 전압 패턴의 인가 하에서는, 양 액체들과 제1 전기습윤전극 사이의 계면의 접촉각이 변화된다. 접촉각이 적시에 변화하면 계면파들이 발생한다. 따라서, 연속적으로 조정 가능한 광회절격자와 같은 더 많은 형상들이 생성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제1 전기습윤전극은 적어도 2개의 제1 전기습윤전극들로 분리된다. 절연 전극인 하나의 전기습윤전극도 이미 파동을 생성시키지만, 제1 및 제2 전기습윤전극들의 상이한 전압들은 유체 챔버의 측벽과 계면의 접촉각을 상이하게 하기 때문에, 적어도 2개의 전기습윤전극들일 경우 가능한 파형의 수가 증가된다.
다른 측면에서, 본 발명은 전기 습윤 방식에 의해 계면파들을 제공하는 광학소자를 포함하는 광학장치를 제공한다. 본 발명의 이러한 측면의 광학장치는 텔레비젼 세트 등의 주위의 배광 및 배색을 생성하는 조명 응용을 위한 애트머스피어 제공기(atmosphere provider)일 수 있다. 이와 같은 방식에 의해, 표시되는 영화에 대해 강한 인상을 얻을 수 있다. 본 발명의 광학장치는 본 발명에 따른 광학소자를 갖는 광학 스캐닝 장치도 가능하다. 이 광학소자는 크로스토크 트랜슬레이션(crosstalk translation)을 위한 광학 레코드 캐리어의 정보층에 위성 스폿들을 생성하는데 사용된다. 또한, 본 발명의 광학장치는 광 가이드의 광을 커플링 아웃하는 등의 커플링 아웃용 광 커플링 장치도 가능하다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 전기습윤 방식에 의해 계면파를 조절하는 방법을 제공하며, 상기 방법은,
유체 챔버를 제공하는 단계,
혼합될 수 없는 제1 유체와 제2 유체로 유체 챔버를 채우되, 그 유체들이 계면상에서 접촉되게 하는 단계,
제1 전기습윤전극 및 제2 습윤전기전극을 제공하는 단계 - 제1 전기습윤전극은 전기적으로 절연성인 유체 접촉층에 의해 제1 유체와 제2 유체로부터 분리되고, 제2 전기습윤전극은 제1 유체에 작용함 -, 및
계면파들을 생성하기 위하여 전압제어시스템에 의해 적시에 양 전기습윤전극들 사이의 전압차를 변화시키는 방법을 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점은 이하 기재되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부 도면을 참조하면 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학소자의 단면도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 광학소자에서 사용될 전기습윤전극 구성의 상부 단면도.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 광학소자에서 사용될 다른 전기습윤전극 구성의 상부 단면도.
도 3a, 3b는 본 발명의 실시예에 따른 애트머스피어 제공기의 일부의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광 커플링 장치의 개략적인 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광학 스캐닝 장치의 개략적인 단면도.
도 1은 전기습윤 셀 또는 전기습윤장치인 광학소자(1)를 도시한다. 이와 같은 전기습윤장치들은 작동을 위해 전기습윤 현상을 이용하는 장치들이다. 전기 습윤 방식에서, 후술되는 3상의 접촉각은 전압의 인가에 의해 변화된다. 3상은 2개의 유체와 1개의 고체로 구성된다. 전형적으로 유체들 중 적어도 하나는 액체이다.
유체는 임의의 힘에 응답하여 그 형상을 변화시키는 물질이다. 따라서, 그 챔버의 아웃라인을 따라 흐르거나 그 형태를 따르는 경향이 있고, 기체, 증기, 액체, 및 유동성이 있는 고체와 액체의 혼합물을 포함한다.
도 1의 광학소자(1)는 모세관을 형성하는 단일의 고리형 절연 전극인 제1 전기습윤전극(2)을 포함한다. 또한, 광학소자(1)는 제1 유체(A)와 제2 유체(B)를 포함하는 유체 챔버(3)를 포함한다. 제1 유체(A)와 제2 유체(B)는 계면(4)을 통해 접촉되어 있다. 두 유체들(A 및 B)은 2개의 혼합될 수 없는 액체들로 구성되며, 제1 유체(A)는 염 용액을 포함하는 물 또는 물과 에틸렌글리콜의 혼합물 등의 전도성 또는 극성 액체이다. 제2 유체(B)는 실리콘 오일 또는 알칸 등의 절연성 액체이다. 양 유체들(A 및 B)은 두 액체 사이의 중력 효과를 최소화하도록, 동일한 밀도를 갖게 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로 렌즈는 방향에 무관하게 기능한다.
두 유체(A 및 B)는 상이한 굴절률을 갖는다. 유체(A)에 부가된 염의 양에 따라, 염 용액의 굴절률은 1.33과 1.50 사이에서 변화 가능하다. 유체(B)의 선택에 따라 유체(B)의 굴절률은 1.25와 1.70 사이에서 변화 가능하다.
유체 챔버(3)는 투명한 정면부 소자(5)와 투명한 배면부 소자(6)에 의해 밀봉된다. 이와 같은 방식으로, 광학소자(1)의 투명한 소자들(5 및 6)을 통해 광이 유체 챔버(3)를 출입 가능하다.
제1 전기습윤전극(2)은 금속 재료로 형성되고, 파릴렌 등의 절연층(7)에 의해 코팅된다. 절연층(7)은 50㎚와 100㎛ 사이의 두께, 전형적으로는 1㎛와 10㎛ 사이의 값을 갖는다. 절연층(7) 상의 코팅인 유체 접촉층(8)은 유체 챔버(3)의 벽면과 계면(4)의 접촉각(α)의 이력현상을 감소시킨다. 유체 접촉층(8)은 듀퐁사에 의해 제조되는 TeflonTM AF 1600 등의 비결정질의 플루오르화 탄소로 형성되는 것이 바람직하다. AF 1600 코팅은 제1 전기습윤전극(2)의 연속적인 침적코팅에 의해 생성될 수 있으며, 이에 의해 실질적으로 상기 전극(2)의 실린더형 측면이 실린더형 전극(2)에 평행하게 되므로 균일한 두께의 재료로 이루어진 균질층을 형성한다. 침적 코팅은 전극(2)을 그 축 방향을 따라 침적 용액에 넣었다 빼면서 전극(2)을 침적시켜 수행된다. 제1 및 제2 전기습윤전극 사이에 전압이 인가되지 않은 경우, 제1 유체(A)에 의한 유체 접촉층(8)의 습윤성은, 유체 접촉층(8)과 계면(4)의 교차부의 양 측에서 본질적으로 동일하다. 제2 전기습윤전극(9)은 유체 챔버(3)의 일방 단부에, 이 경우에서는 정면부 소자(5)에 배치되어 유체 챔버(3)의 광축(10)을 따라 연장되며, 다르게는 유체 챔버(3) 내에 링 형상으로 배치하는 것도 가능하고, 정면부 소자(5)에 박막 코팅하는 것도 가능하다. 제2 전기습윤전극(9)은 이 경우에서는 투명 전극이고, 제2 전기습윤전극(9)이 제1 유체(A)에 작용하도록 유체 챔버(3)의 적어도 일 부분에 배치되어 있다. 이와 같은 방식으로 전기습윤전극(9)은 전도성 액체(A)와 직접 접촉된다. 또한, 예컨대 제2 전기습윤전극(9)이 절연 코팅으로 피복되는 경우는, 제2 전기습윤전극(9)이 유체(A)와 직접 접촉되지 않는 방식도 가능하다. 이 경우 제2 전기습윤전극(9)은 유체(A)와 축전결합될 것이다. 또한, 전기습윤전극(9)이 계면(4)을 통해 유체 챔버(3)의 광축(10)을 따라 연장되는 것도 가능하다.
전기습윤 방식은 표면에서 전도성 유체의 습윤성을 증가시키는데 이용될 수 있다. 제1 전기습윤전극(2)과 제2 전기습윤전극(9) 사이에 전압이 인가되지 않으면, 유체 접촉층(8)은 제1 유체(A)에 비해 제2 유체(B)에 대해 고 습윤성을 갖는다. 전기 습윤 때문에 제2 전기습윤전극(9)과 제1 전기습윤전극(2) 사이의 전압 인가시, 제1 유체(A)에 의한 습윤성이 변화되고, 이것은 3상 라인의 계면(4)의 접촉각(α)을 변화시키는 경향이 있다. 3상 라인은 유체 접촉층(8)과 두 액체(A 및 B) 사이의 접촉 라인이다. 접촉각은, 전도성 액체(A)를 통해 측정되는, 절연된 제1 전기습윤전극(2)과 액체/액체 계면의 각(α)으로 정의된다. 따라서, 계면(4)의 형상은 전압 V1을 제공하는 전압 제어 시스템의 인가 전압에 따라 가변된다. 전도성 액체(A)와 접촉되어 있는 통상적인 제2 전기습윤전극(9)과 절연성 전기습윤전 극(2) 사이의 전압차는 두 액체(A 및 B) 사이의 계면(4)의 접촉각(α)을 변화시킨다. 본 실시예에서 유체 챔버(3)의 벽면과 계면(4)의 접촉각(α)은 유체 챔버(3)의 전체 벽면을 따라 동일한 반면, 적시에 접촉각(α)을 변화시키면 계면파가 발생한다. 이와 같은 계면파들은 조정가능한 진폭과 파장을 갖는 정재파 또는 연속파에 의해 생성 가능하다. 푸리에 변환 이론을 이용하면 다수의 임의의 계면 형상을 생성할 수 있다. 푸리에 변환은 1주기 내에서 규정되는 임의의 함수 f(x)가 일련의 사인함수와 코사인함수로서 표현된다고 하는 푸리에 해석으로부터 유도된다. 이러한 사인함수와 코사인함수는 공간 또는 시간 함수이다. 즉, 푸리에 변환은 매우 유용한 수학적 도구이며, 푸리에 변환의 핵심은 임의의 함수가 다수의 파동의 합이라는 점이다. 이와 같은 다수의 파동은 전기습윤전극(2 및 9) 상의 전압을 이용하고 제어함으로써 생성될 수 있다.
도 1에서, 고리형 전기습윤전극(2)은 2개의 별개의 전극도 가능하다. 이와 같은 방식에서, 전기습윤전극(2 및 9) 상의 상이한 전압 V1 및 V2에 의해 유체 챔버(3)의 벽면과 계면(4)의 접촉각(α)이 상이해지기 때문에, 전기습윤전극(2)을 2개로 하면 가능한 파형의 수가 증가된다.
상기에서, 단일 전기습윤전극(2)이 계면(4)의 경계에 작용하는 것으로 기술되었다. 하나 이상의 전극이 제공될 수 있다는 것도 예상할 수 있다. 따라서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 다수의 절연 전극들을 사용하는 것도 가능하다. 전극의 수가 많을수록, 보다 많은 파형이 생성 가능하다.
예컨대, 도 2a는 유체 챔버(3)의 광축(10)에 수직하는 광학소자(1)의 상부 단면도를 도시한다. 본 실시예에서는, 유체 챔버(3)와 관련하여 다른 전기습윤전극 구성이 도시되어 있다. 도 2a에서는, 단일의 고리형 전기습윤전극(2)이 유체 챔버(3)의 둘레를 따라 연장되는 대신에, 유체 챔버(3)의 둘레를 따라 동일하게 이격된 17개의 분리된 단편 전극들(2')이 제공된다. 각 측벽 단편 전극(2')과 통상적인 제2 전기습윤전극(9)에 독립적이며 상이한 전압을 인가함으로써, 이러한 전기습윤전극 구성은 두 액체(A 및 B) 사이의 계면(4)의 형상을 다양하게 한다
도 2b는, 4개의 직사각형 단편 전극들(2a,2b,2c,2d)이 제2 전기습윤전극(9)이 배치되어 있는 유체 챔버(3)의 광축(10) 주위에 세로 에지가 평행한 정사각형 형태로 배치되는, 광학소자(1)의 다른 실시예의 단면도를 도시한다. 따라서, 정사각형 유체 챔버(3)가 형성된다. 단편 전극들(2',2a,2b,2c,2d)의 내부 표면은 예컨대 TeflonTM의 AF1600으로 형성된, 전기적으로 절연된 유체 접촉층(11)에 의해 연속된 균일한 두께로 피복된다. 제2 전기습윤전극(9)은 보이지 않거나 투명해야 하며, 필요에 따라 광축(10)을 따라 유체 챔버(3)의 중앙에 배열될 수도 있고, 중심을 벗어나서 배치될 수도 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 측벽 단편 전극들(2' 및 2a,2b,2c,2d)과 제2 전기습윤전극(9) 사이에 전압을 인가할 수 있다. 각 전극과 계면(4) 사이의 상이한 접촉각과 전극들에 인가되는 상이한 전압의 조합에 의해, 정재파 또는 연속파가 생성된다. 응용에 따라, 1개와 10개 사이의 전극들이 바람직하고, 1개와 4개 사이의 전극들이 가장 바람직하다. 하나의 전극은 어드레스하기 쉽기 때문에 저비용 응용에 이용될 것이다. 도 2a 및 도 2b의 상기의 구성의 결과로서, 고리형 전기습윤전극(2)을 광축(10)에 평행하게 다수의 소 전극들(예컨대, 2' 및 2a,2b,2c,2d)로 분리시킴으로써 접촉각(α)을 상이하게 할 수 있어, 독특한 파형을 생성시킬 가능성이 보다 높아지게 된다.
광학소자(1)의 또 다른 실시예에서, 유체 챔버(3)의 일 측벽에 하나의 전극(2)만이 제공되는 것도 가능하다. 이 경우, 전극들에 전압을 인가함으로써 생성되는 파형이 유체 챔버(3)의 반대측 측벽에서 반사된다. 유체 챔버(3)의 반대측 측벽은 파동 반사벽이므로, 파동이 반사된다. 파동이 반사되지 않고 흡수되도록 유체 챔버(3)의 반대측 측벽이 파동 흡수벽을 갖게 되면 다른 가능성이 발생한다. 이러한 방식에서는 연속파를 생성하기가 쉽다.
또한, 유체 챔버(3)가 도 1에서는 원형 실린더로서 도시되어 있지만, 사실 유체 챔버(3)를 어떠한 원하는 형상으로도 할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 유체 챔버(3)는 실린더형, 타원형, 직사각형, 원환체 등의 원형 이외의 다른 기하학적 구조도 가능하다. 유체 챔버(3)의 형상은 응용에 의존된다. 본 실시예들에서는, 직사각형 또는 실린더형 유체 챔버(3)가 바람직하다. 도 1의 유체 챔버(3)의 측벽들은 광축(10)과 평행하게 배열되어 있다. 그러나, 측벽들을 광축(10)과 평행하게 할 필요는 없다. 예컨대, 직사각형 또는 정사각형 유체 챔버는 피라미드형 유체 챔버일 수도 있고, 실린더형 유체 챔버는 원뿔형 유체 챔버일 수도 있다. 이러한 유체 챔버(3)의 형상의 변화에 의해 다른 파형이 생성되며, 보다 고진폭의 정재파 또는 연속파를 생성케 하기도 한다. 파형은 유체 챔버의 기하학적 구조에만 의존하지 않고, 전극 구조, 액체(A) 및 액체(B)의 밀도 및 표면장력, 및 전기습윤전극들(2 및 9)에 인가되는 전압들에도 의존한다.
광학소자(1)의 또 다른 실시예에서, 유체들(A,B) 중 적어도 어느 하나는 광반사 입자들(도시 안됨)을 포함한다. 상기 입자들은 유체(A)와 유체(B) 사이의 계면(4)에 고정되도록 처리되며, 상기 입자들은 미러로서 작용한다. 따라서, 광반사 파동들이 생성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예는 정재파 또는 연속파를 생성하는 것이다. 절연된 전기습윤전극(2)의 전압을 주기적으로 변화시킴으로써, 정재파 또는 연속파가 생성될 수 있다. 전기습윤전극(2) 상의 전압이 1주기 내에서 스위치되는 방식에 따라, 정재파 또는 연속파의 파형이 결정된다. 획득된 정재파 또는 연속파의 구조는 회절격자로서 사용될 수 있다.
두 유체(A 및 B) 사이의 계면(4)은 완전히 정적인 것이 아니라, 시간 의존적이다. 연속파의 경우, 파동은 계면(4)을 따라 한 방향으로 진행한다. 정재파는 2개의 연속파들의 합으로서 정의되며, 계면파들의 진폭이 항상 0인 노드들(14)로서 나타나는 점들을 제공한다. 노드들(14)은 항상 반파장 거리에 위치한다. 진폭들이 최대인 곳은 안티노드들(12,13)로서 나타난다. 노드들 상에서 계면(4)은 정지되어 있다. 안티노드들(12,13) 상에서, 계면(4)은 상하로 움직인다. 도 1에서, 두 유체(A 및 B) 사이의 계면(4)은 임의의 순간에 회절격자로 나타난다. 반주기의 진동시간 후, 상부 안티노드들(12)은 하강하고, 하부 안티노드들(13)은 상승함에 주목한다. 노드들(14)은 그대로 제자리에 있다. 1/4 주기의 진동시간 후, 계면(4)은 평평해진다. 따라서, 회절격자의 형상은 시간 의존적이다. 또한, 파동들이 대개 정사각형 형상이 아니므로, 파동들로 구성된 회절격자는 완전하지 않다. 예컨대 정사각형, 사인 형태 등과 같은 파동의 형상은 회절격자의 효율성을 결정한다. 노드들(14) 사이의 거리는 격자상수를 결정한다. 따라서, 연속적으로 조정 가능한 회절격자를 생성하는 것이 가능하다. 일부 응용에서는 정재파의 안티노드들(12,13)이 상하로 움직이는 것이 문제가 될 수 있을 것이다. 파동발생 전압제어시스템에 광원 트리거를 커플링함으로써, 안티노드들이 특정 위치에 있을 때에만 광원이 동작하도록 할 수 있다. 이는 회절광의 출력에 있어서 유용하다.
정재파는 유체 챔버(3)가 반파장의 정수배를 수용할 때 생성된다. 연속파는 예컨대 유체 챔버(3)의 각 측면에 있는 두 전극들(2)이 상이한 전압을 발생시키거나 또는 계면파의 파장(λ)이 유체 챔버(3)에 정재파를 발생시키는 기준을 충족시키지 못하면 발생된다. 이러한 연속적으로 조정 가능한 광회절격자의 주목적은 조명 응용에서 애트머스피어 제공기를 제공하는 것이지만, 이와 같은 장치는 다른 층용에서도 이용 가능하다.
애트머스피어 제공기는 예컨대 텔레비젼 세트(TV 세트) 같은 것으로, 이것은 동영상들의 전송뿐만 아니라 TV 세트 주위에 배광 및 배색을 생성한다. 이는 예컨대 표시되는 영화 또는 스포츠 게임들의 체험을 개선한다. 이를 위해 배광을 변화시키는 상이한 방식들이 기존에 존재하고 있다. 그러나, 이러한 장치들 및 방법들은 대부분 기계 의존적이고 비용 집약적이다. 또한, 이러한 장치들은 장착할 때 민감하므로, 가능한 배광 구성의 수가 제한적이다.
도 3a 및 도 3b에는, 애트머스피어 제공기의 일부, 즉 본 발명의 가장 중요한 부분만이 도시되어 있다. 광학소자(1)는 도 1의 광학소자와 동일한 구성을 가지므로, 발광 다이오드(LED)(100)의 전방에는 동일한 참조부호가 제공되어 있다. LED(100)는 상이한 파장을 발생시켜 상이한 광색을 발생시키는 3개의 이미터들로 제조되기 때문에, 이 LED(100)는 예컨대 백색광(101)을 발광시킨다. 따라서, 이러한 구성은 백색광을 생성한다. 또한, 둘 이상의 LED 및/또는 둘 이상의 광학소자를 사용하는 것도 가능하다. 임의의 색의 하나의 LED를 사용하는 것도 가능하다. 이와 같은 방식으로 광도를 변화시킴으로써 모든 종류의 색들이 생성 가능하기 때문에, 3개의 LED들(적색, 녹색, 청색)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 2개의 혼합될 수 없는 액체(A) 및 액체(B) 사이의 계면(4)에 계면파가 생성될 수 있다. 본 실시예에서, 가능한 파동 모드들은 유체 챔버의 주위벽들의 기하학적 구조, 전극 구조 및 상기 전극에 인가되는 전압에 의존한다. LED(100)의 전방에 광학소자(1)를 배치함으로써, 어드레스된 모드에 따라 다양한 배광을 제공하는 것이 가능하며, 도 3a 및 도 3b에서 애트머스피어 제공기의 가장 중요한 부분의 구성은 동일하지만, 계면(4)의 파동 모드가 양 도면에서 상이하다(즉, 하나의 LED 전방의 하나의 광학소자에 상이한 파동 모드가 생성될 수 있다). 상기 모드들은 정재파 또는 연속파 중 어느 하나일 수 있다. 양 경우에 있어서, 배광은 고정되어 있지 않다. 정재파의 경우, TV 세트 주위에 있는 방의 벽면의 배광은 실질적으로 위치 고정된 채로 유지되지만, 정재파가 변하는 것과 동 일한 방식으로 적시에 광도를 변화시킬 수 있다. 이는 LED(100)의 광점이 벽면상에서 이동하지 않고, 하나의 위치에서 얼마간 유지됨을 의미한다. 그러나, 광점은 정재파의 안티노드들처럼 상하로 다소 이동한다. 연속파의 경우, 연속파가 계면(4)을 따라 진행함에 따라 벽면상의 광점이 벽면을 따라 움직인다.
진동시간에 따라, 생성되는 점 또는 이미지는, 고속 진동 시간 동안 인간의 눈에 의해 평균화되거나(인간의 눈은 명멸 주파수만 분석할 수 있다) 또는 저속 진동 시간 동안 인간의 눈에 가시화될 수 있다. 따라서, 고속 진동 시간 동안, 배광은 고정된 것으로 관찰된다.
본 실시예에서, 2개의 혼합될 수 없는 액체(A 및 B)가 굴절률은 동일하지만 투과 특성이 상이하다면, 계면파들에 의해 야기되는 두 액체의 두께의 변화에 의해 광점이 전송되는 벽면의 배광에 차이가 발생할 수 있다.
애트머스피어 제공기와 같은 TV 세트의 경우, 광학 소자(들)과 결합되는 LED(들)은 TV 세트의 경계부에 배열된다. 생성된 광 펄스에 의해 TV 세트 주위에 광을 발생시킨다. 또한, TV에 표시되는 장면 또는 프로그램의 타입과 배광 및 배색이 커플링되는 것도 가능하다.
각 LED(100)의 광도를 변화시키면서 각 광학소자(1)의 모드들을 변화시킴으로써, 가동 부분들을 갖지 않는 저비용의 광학장치가 형성된다. 물론, 컴퓨터 등과 같은 다른 장치들을 애트머스피어 제공기로서 제공하는 것도 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 광학소자(1)는 도 4에 따라 광 커플링 장치에 제공된다. 광 커플링 장치는 광빔 발생용 광원과 상기 광원으로부터 해당 지점 으로 광을 전송하는 적어도 하나의 광 가이드를 포함한다. 도 4에는, 하나의 광 가이드(15)만이 도시되어 있다. 광 가이드는 종래의 기술 문헌들에 의해 잘 알려져 있기 때문에, 광 가이드(15)의 구성은 상술하지 않는다. 광 가이드(15)는 광이 광 가이드(15)의 측벽(16,16')에서 전반사되도록 구성된다. 본 실시예에서는 하나의 전반사 광빔(17)만이 광 가이드(15)에 도시되어 있다. 전반사는 광빔의 입사각이 전반사의 임계각 이상이면 발생되고, 상기 반사는 광학적으로 소한 매질에 대해 표면에 광학적으로 밀한 매질을 제공하는 광 가이드(15) 내에서 발생한다. 본 실시예의 공기와 같이 광학적으로 소한 매질은 광 가이드(15)의 굴절률에 비해 낮은 굴절률을 갖는다.
광 가이드(15)는 도 1에 도시된 광학소자(18)에 커플링된다. 광학소자(18)는 도 1의 광학소자(1)와 동일한 구성을 갖는다. 그러나, 유체(A 및 B)의 수위는 파동들(19)이 광학소자(18)의 저부에 접하여 광 가이드(15)의 측벽(16)에도 접할 수 있도록 낮아진다. 유체(A)는 실리콘 오일 또는 알칸 등의 전기적으로 절연된 액체이다. 유체(B)는 물 또는 염 용액이 함유된 물 등의 전기적으로 전도성이 있는 액체이다. 유체(B)의 굴절률은 1.33과 1.50 사이에서 변화하는 반면, 유체(A)의 굴절률은 1.25와 1.70 사이에서 변화 가능하다. 본 실시예의 유체들은 유체(A)가 큰 굴절률을 갖고, 유체(B)는 작은 굴절률을 갖도록 선택된다.
광 가이드(15)로부터 광을 커플링 아웃하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 연속파(19)의 진폭이 측벽(16)의 광 가이드(15)에 접할 정도로 충분히 크게 되도록, 유체(A)/ 유체(B)의 계면을 따라 연속파(19)가 도입되어야 한다. 광 가이 드(15)가 파동과 접하는 예컨대 지점(20) 및 지점(21) 등의 각각의 위치에서, 내부 전반사가 더 이상 발생하지 않기 때문에 광(17')이 커플링 아웃될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 파동의 진폭을 적시에 변화시키는 것이 가능하다. 따라서, 하나의 스캐닝 라인이 생성될 수 있다. 이는 도 1에 상세히 도시된 광학소자(18)의 전극이 하나의 단일 파동만을 발생시킬 수 있음을 의미한다. 이 경우, 일련의 연속파들 대신에 하나의 연속파가 생성된다. 도 4의 이러한 장치에 의해, 광을 보다 경제적으로 더 양호하게 커플링 아웃할 수 있다.
본 실시예는 LCD들의 백라이트 또는 조명 응용에 특히 제공된다.
도 5는 광학 레코드 캐리어(23)를 스캐닝하는 광학 스캐닝 장치(22)를 도시한다. 레코드 캐리어(23)는 일측에 투명층(24)을 포함하고, 그 투명층(24)의 일 측에 정보층(25)이 배치되어 있다. 정보층(25) 중 투명층(24)의 반대측은 보호층(26)에 의해 주위의 영향으로부터 보호된다. 투명층(24)의 광학 스캐닝 장치(22) 측을 입사면(27)이라고 한다. 투명층(24)은 정보층(25)에 기계적인 지지부를 제공함으로써 레코드 캐리어(23)의 기판으로서 작용한다. 이와 달리, 투명층(24)이 정보층(25)을 보호하는 기능만을 하고, 기계적인 지지부가 정보층(25)의 타측의 층에 의해, 예컨대 보호층(26)에 의해 또는 상기 정보층(25)에 연결되어 있는 투명층 및 다른 정보층에 의해 제공되는 것도 가능하다. 도 5에 도시되어 있지는 않지만, 정보는 실질적으로 평행하거나 동심원형 또는 나선형 트랙들로 배열된 광학적으로 탐지 가능한 마크의 형태로 레코드 캐리어(23)의 정보층(25)에 저장 가능하다. 그러한 마크는 광학적으로 판독 가능한 어떠한 형태라도 가능하며, 예컨 대 주변과는 다른 자기화 방향 또는 반사계수를 갖는 피트나 영역의 형태, 또는 그러한 형태들의 조합일 수 있다.
스캐닝 장치(22)는 발산형 방사빔(29)을 방출하는, 예컨대 반도체 레이저 등의 발광원(28)을 포함한다. 빔 스플리터(30)는 방사빔(29)을 콜리메이터 렌즈(31)를 향해 반사시킨다. 콜리메이터 렌즈(31)는 발산형 빔(29)을 콜리메이트된 빔(32)으로 전환시킨다. 콜리메이트된 빔(32)은 대물렌즈 시스템(33)으로 입사된다.
대물렌즈 시스템(33)은 하나 이상의 렌즈 또는 회절격자를 포함할 수 있다. 또한, 대물렌즈 시스템(33)은 광축(34)을 포함하고, 콜리메이트된 빔(32)을 레코드 캐리어(23)의 입사면(27)에 입사되는 수렴형 빔(35)으로 변화시킨다. 수렴형 빔(35)은 정보층(25) 상에 스캐닝 스폿(36)을 형성한다. 상기 정보층(25)에 의해 반사되는 광은 대물렌즈 시스템(33)에 의해 실질적으로 콜리메이트된 빔(38)으로 변환된 후 콜리메이터 렌즈(31)에 의해 수렴형 빔(39)으로 변환되는 발산형 빔(37)을 형성한다. 빔 스플리터(30)는 수렴형 빔(39)의 적어도 일부를 검출 시스템(40)을 향해 투과시킴으로써 전방 빔(29) 및 반사 빔(39)을 분리시킨다. 검출 시스템(40)은 상기 광을 포획하여 전기출력신호(41)로 변환시킨다. 신호 프로세서(42)는 이 출력신호들(41)을 다양한 타 신호들로 변환시킨다. 상기 신호들 중 하나는, 정보층(25)으로부터 판독된 정보를 나타내는 값을 갖는 정보 신호(43)이다. 정보 신호(43)는 에러 정정용 정보처리유닛(44)에 의해 처리된다. 신호 프로세서(42)로부터의 타 신호들은 포커스 에러 신호와 반경방향 에러 신호(45)이다. 포커스 에 러 신호는 스캐닝 스폿(36)과 정보층(25) 사이의 축방향 높이차를 나타낸다. 반경방향 에러 신호는 정보층(25)의 평면내에서 스캐닝 스폿(36)과 스캐닝 스폿(36)이 따라가 정보층(26)의 트랙의 중심 사이의 거리를 나타낸다. 포커스 에러 신호와 반경방향 에러 신호(45)는 이들 신호들을 각각 포커스 엑츄에이터와 반경방향 엑츄에이터를 제어하는 서보제어신호들(47)로 변환시키는 회로(46)로 공급된다. 상기 엑츄에이터들은 도 4에는 도시되어 있지 않다. 포커스 엑츄에이터는 포커스 방향(48)의 대물렌즈 시스템(33)의 위치를 제어하여, 정보층(25)의 평면과 실질적으로 일치되도록 스캐닝 스폿(36)의 실제 위치를 제어한다. 반경방향 엑츄에이터는 반경방향(49)의 대물렌즈 시스템(33)의 위치를 제어하여, 정보층(25) 내에서 추종되는 트랙의 중심선과 가능한 한 일치되도록 스캐닝 스폿(36)의 반경방향 위치를 제어한다. 도 5에 도시된 트랙들은 도면의 면과 수직한 방향으로 연속된다.
본 실시예에 있어서, 도 5의 광학 스캐닝 장치(22)는 레코드 캐리어(23)에 비해 두꺼운 투명층을 갖는 제2형의 레코드 캐리어를 스캐닝하도록 구성될 수도 있다. 광학 스캐닝 장치(22)는 방사빔(29) 또는 제2형의 레코드 캐리어를 스캐닝하기 위해 상이한 파장을 갖는 방사빔을 사용하는 것도 가능하다. 방사빔의 개구수는 상기 타입의 레코드 캐리어에 맞게 수정될 수 있다. 상기 대물렌즈 시스템(33)의 구면수차 보정이 그에 따라 수정되어야 한다.
또한, 도 5에서는, 도 1, 도 2a 및 도 2b에서 도시된 것과 유사한 광학소자(50)가 제공된다. 이 광학소자(50)는 바람직하게는 광원(28)과 빔 스플리터(30) 사이의 광방사 내에 제공된다. 전압제어시스템(51)은 현재 스캐닝되는 정보층(25) 에 따라 광학소자(50)의 전극들에 선택전압들을 인가하기 위해 제공된다. 본 실시예에서, 광학소자(50)의 유체 챔버는 직사각형 형태이다. 유체 챔버의 벽면에 있는 도 1의 제1 전기습윤전극(2)과 유사한 제1 전기습윤전극은, 제1 유체와 제2 유체 사이에 평평한 계면의 정재파를 획득하기 위해 주기적으로 어드레스된다. 상기 정재파는 임의의 접촉각을 갖는 선형 회절격자를 제공한다. 이와 같은 방식으로, 조정가능한 선형 회절격자를 생성하는 것이 가능하다. 이 회절격자는 중심 스캐닝 스폿(36)에 인접한 스폿들(위성 스폿들)을 생성하는데 이용된다. 이들 위성 스폿들은 중심 스캐닝 스폿(36)으로부터 잘못된 정보를 필터링한다. 따라서, 위성 스폿들은 크로스토크 트랜슬레이션을 위한 판독에 사용된다.
또한, 광학소자(50)는 코마수차와 비점수차 등의 비대칭 파면 변경을 발생시킬 수 있는 조정가능한 파면 변경기이다. 파면 변경기로서 광학소자(50)를 사용하면, 광학 레코드 캐리어(23)의 경사량에 의해 야기되는 코마수차를 보정할 수 있다. 대물렌즈 시스템(43)이 중심에서 벗어난 경우에 필요한 비점수차도 본 발명에 따른 파면 변경기에 의해 도입될 수 있다.
도 1 및 도 5에 각각 도시된 것과 같은 광학소자(50)는 원치 않는 수차들을 상쇄시키기 위해, 소망하는 수차의 범위 또는 크로스토크 트랜슬레이션을 위한 위성 스폿들을 생성하는데 사용될 수 있다. 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이 광학소자를 제공함으로써 저가의 동작보상장치를 제공할 수 있고, 이러한 광학소자가 일정 범위의 광학장치내에 탑재될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
액체(A)와 액체(B)의 투과 특성이 상이하고, 계면파들이 각각 제공되거나 생 성되면, 애트머스피어 제공기를 사용함으로써 실내 벽면에 광도의 변화를 각각 야기시킬 수도 있다.
상기 실시예들은 본 발명의 설명적인 예시로서 이해될 것이다. 또한 일 실시예와 관련하여 설명된 임의의 특징들은 타 실시예들과 타 광학장치들에서도 사용 가능하다.
청구항에 있는 임의의 참조부호들은 청구범위를 제한하지 않음이 명백할 것이다.

Claims (27)

  1. 전기습윤 방식(electro wetting)에 의해 계면파를 제공하기 위한 광학 소자로서,
    계면(4)에 의해 분리되는 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)를 포함하는 유체 챔버(3) - 상기 유체들은 혼합될 수 없음 -,
    제1 전기습윤전극(2) 및 제2 전기습윤전극(9) - 상기 제1 전기습윤전극은 전기적으로 절연되어 있는 유체 접촉층(8,11)에 의해 상기 제1 유체와 상기 제2 유체로부터 분리되고, 상기 제2 전기습윤전극은 상기 제1 유체에 직접 작용하거나 축전결합되어 있음 -, 및
    계면파를 생성하기 위해, 양 전기습윤전극 사이의 전압차를 적시에 변화시키기 위한 전압 제어 시스템(51)을 포함하는 광학소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체들(A,B)은 상이한 굴절률을 갖는 광학소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유체들(A,B)은 동일한 굴절률을 갖고, 상기 유체들의 투과 특성은 상이한 광학소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체(A)는 전도성 액체이고, 상기 제2 유체(B)는 절연성 액체인 광학소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 계면파는 정재파(standing wave) 또는 연속파(running wave)인 광학소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 전기습윤전극(2)은 적어도 2개의 제1 전기습윤전극들(2',2a,2b,2c,2d)로 분리되는 광학소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 2개의 제1 전기습윤전극들(2a,2b,2c,2d)은 유체 챔버(3)의 둘레에 서로 거리를 두고 대향하여 배치되어 있고, 적어도 하나의 다른 전기습윤전극과 실질적으로 수직으로 배치되어 있는 광학소자.
  8. 제6항에 있어서, 상기 적어도 2개의 전기습윤전극들(2')은 유체 챔버(3)의 둘레에 원형, 광타원형(oval), 또는 타원형으로 배열되어 있는 광학소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유체 챔버(3)의 일 측벽에는 하나의 전기습윤전극(20)이 제공되고, 상기 유체 챔버의 반대 측벽에는 흡수벽이 제공되며, 상기 전기습윤전극들에 전압을 인가함으로써 생성되는 계면파는 상기 흡수벽에서 흡수되는 광학소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체(A)와 상기 제2 유체(B)가 동일한 밀도를 갖 는 광학소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광학 소자(1)는 광회절격자가 생성되는 방식으로 구성되는 광학소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 유체들(A,B) 중 적어도 하나는 광반사 입자들을 포함하는 광학소자.
  13. 제1항에 기재된 광학소자를 갖는 광학장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 광학장치의 광원이 상기 광학소자(1)의 전압제어시스템(51)에 커플링되어 트리거되는 광학장치.
  15. 다양한 배광 및 배색을 생성하기 위해, 적어도 하나의 광원(100) 및 제1항에 기재된 적어도 하나의 광학소자(1)를 포함하는, 조명 응용을 위한 애트머스피어 제공기(atmosphere provider).
  16. 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 발광 다이오드(LED)이고, 상기 적어도 하나의 광학소자는 상기 발광 다이오드의 전방에 배치되어 있는 애트머스피어 제공기.
  17. 광학 레코드 캐리어(23)의 정보층(25)을 스캐닝하기 위한 광학 스캐닝 장치로서,
    방사빔(29)을 발생시키는 발광원(28), 상기 정보층에 상기 방사빔을 수렴시키는 대물렌즈 시스템(33) 및 제1항에 기재된 광학소자(50)를 포함하는 광학 스캐닝 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 광학 소자(50)는 크로스토크 트랜슬레이션(crosstalk translation)을 위해 상기 정보층(25)에 위성 스폿들의 생성하는 데에 사용되는 광학 스캐닝 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 광학소자(50)는 자신을 통과하는 상기 방사빔의 파면을 변경시키는 광학 파면 변경기인 광학 스캐닝 장치.
  20. 광을 커플링 아웃(coupling out)하기 위한 광 커플링 장치로서,
    광빔(17)을 발생시키는 광원, 상기 광원으로부터 한 지점으로 광을 전달하는 적어도 하나의 광 가이드(15) 및 제1항에 기재된 광학소자를 포함하는 광 커플링 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 계면파(19)는 연속파인 광 커플링 장치.
  22. 전기습윤 방식에 의해 계면파를 조절하는 방법으로서,
    유체 챔버(3)를 제공하는 단계,
    유체들이 계면(4)에서 접촉되도록, 혼합될 수 없는 제1 유체(A)와 제2 유체(B)로 유체 챔버(3)를 채우는 단계,
    제1 전기습윤전극(2) 및 제2 습윤전기전극(9)을 제공하는 단계 - 상기 제1 전기습윤전극은 전기적으로 절연되어 있는 유체 접촉층(8,11)에 의해 상기 제1 유체와 상기 제2 유체로부터 분리되고, 상기 제2 전기습윤전극은 상기 제1 유체에 직접 작용하거나 또는 축전결합됨, 및
    계면파를 생성하기 위하여 전압제어시스템(51)에 의해 양 전기습윤전극들 사이의 전압차를 적시에 변화시키는 단계
    를 포함하는 계면파 조절 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 유체들(A,B)은 상이한 굴절률을 갖는 계면파 조절 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 유체들(A,B)은 동일한 굴절률을 갖고, 상기 유체들의 투과 특성은 상이한 계면파 조절 방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 제1 유체(A)는 전도성 액체이고, 상기 제2 유체(B)는 절연성 액체인 계면파 조절 방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 제1 유체(A)와 상기 제2 유체(B)가 동일한 밀도를 갖는 계면파 조절 방법.
  27. 제22항에 있어서, 상기 유체들(A,B) 중 적어도 하나는 광반사 입자들을 포함하는 계면파 조절 방법.
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