KR20110107812A

KR20110107812A - 전기활성 광학 장치

Info

Publication number: KR20110107812A
Application number: KR1020117015881A
Authority: KR
Inventors: 마누엘 아슈반덴
Original assignee: 옵토투네 아게
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-10-04
Also published as: US20140002877A1; US8902520B2; WO2010078662A1; JP5535240B2; US20110267680A1; WO2010078666A1; JP2012514764A; CN102265202A; EP2386070A1; US8553341B2

Abstract

광학 장치는 제1 표면과 제2 표면을 구비하는 연질의 폴리머를 포함하고 있다. 유연한 제1 전극이 제1 표면에 연결되고, 유연한 제2 전극이 제2 표면에 연결된다. 강성 광학 요소는 제1 및/또는 제2 표면에 연결되거나, 또는 폴리머 막에 통합된다.

Description

전기활성 광학 장치{ELECTROACTIVE OPTICAL DEVICE}

본 발명은 조정가능한 광학 장치 특히, 전기활성 광 스크램블러(electroactive light scrambler)와, 이러한 장치를 제조 및 작동시키기 위한 방법에 관한 것이며, 광 스크램블 또는 렌즈 위치설정을 위한 이러한 장치의 사용에 관한 것이다.

전기활성 광학 장치는 전기활성 효과를 이용하는 광학 장치이다.

전기활성 효과라는 용어는 고체 또는 액체의 전기장 유도 변형을 설명한다. 변형은 전극들 사이의 쿨롱의 힘으로 인한 것일 수 있고, 및/또는 전기장 내의 전기적 이온 및/또는 다중극 특히 이중극의 재배열로 인한 것일 수 있다. 전기활성 재료의 예로는 유전체 엘라스토머와, 전왜 완화제 강유전성 폴리머(electrostrictive relaxor ferroelectric polymer)와, 압전기 폴리머(PVDF)와, 액정 엘라스토머(열적), 이온 폴리머-금속 합성물과, 기계화학적(mechano-chemical) 폴리머/겔이 있다.

다양한 광학 광 스크램블러(scrambler)가 알려져 있다.

스펙클 노이즈(speckle noise)를 억제하기 위해, 레이저 광을 사용하는 일본 특허 공개 공보 07-297111 호의 노출 조명 장치는 그 광학 시스템에서 회전할 수 있는 확산기 판을 포함하고, 확산기 판은 예를 들어 간섭성 광을 비간섭성 광으로 전환시킬 수 있다.

또한, 레이저 광을 사용하는 일본 특허 공개 공보 06-208089호의 프로젝션 디스플레이 장치는 그 광학 시스템에 가동 확산기 판(이것은 회전 및/또는 진동 등을 수행함)을 포함하여, 확산기 판은 간섭성 광을 비간섭성 광으로 전환시킬 수 있다.

국제 특허 공개 공보 제2006/098281호(미국 특허 공개 공보 2008/198334 호)에는 예를 들어 시준된 간섭성 광을 반시시키고 반사기 요소의 반사기 표면에 수직하는 방향과 평행하게 진동할 수 있는 반사기 요소와, 반사기 요소를 진동 운동하게 구동하는 반사기 요소 구동 유닛이 기재되어 있다. 이 장치는 투과성 광학 광 스크램블러보다 더 복잡한 광학 구성이 필요한 반사기 요소와 반사기 요소 구동 유닛을 제조하기 위해 복잡하고 고가로 이루어져 있다.

국제 특허 공개 공보 제2007/072441호에는 인가된 전기장에 의해 개구가 접촉되거나 또는 연장되는 전기활성 카메라 다이어프램이 기재되어 있다. 개구는 장치의 연질의 비투과성 전극에 의해 형성된다. 동일한 문헌에는 폴리머 막의 평면을 가로지르는 방향으로 렌즈 또는 링이 변위되는 장치가 기재되어 있다.

본 발명의 목적은 개선된 광학 장치 특히, 광 스크램블러를 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구항 1의 광학 장치에 의해 달성된다.

이러한 목적으로, 본 발명에 다른 광학 장치는 평면에 배열되고 제1 표면과 제2 표면을 포함하는 바람직하게는 예비신장된 폴리머 막과,

상기 제1 표면에 위치하는 제1 전극과,

상기 제2 표면에 위치하는 제2 전극과,

상기 제1 표면 및/또는 제2 표면 또는 폴리머 막에 연결되는 강성 광학 요소를 포함하고 있다.

전극에 전압을 인가하면 광학 요소가 실질적으로 폴리머 막의 평면을 따라 이동하게 된다. 환언하면, 장치는, 제1 전극과 제2 전극 사이에 전압 차이가 인가될 때, 전극들 사이의 축방향 거리가 변화하는데 즉, 이러한 거리는 쿨롱 힘(맥스웰 응력)으로 인해 증가하거나 감소하여, 폴리머 막이 평면 방향으로 즉, 폴리머 막에 평행한 방향으로 치수가 변화하도록 구성된다. 이 평면적 변형은 강성 광학 요소를 구비하는 영역에 전달되어, 강성 광학 요소의 측방향 변위 즉, 폴리머 막과 평행한 방향으로의 변위를 일으켜서, 장치의 광학 특성이 변화하게 된다.

광학 요소는 전기활성 폴리머 막과 직접 접촉하기 때문에, 장치는 소형 크기이다. 또한, 쿨롱 힘이 폴리머 막의 큰 측방향 변형을 일으킬 수 있기 때문에, 예를 들어 광 스크램블(scramble)을 위한 광학 요소의 변위는 저 주파수에서 달성될 수 있고, 이에 의해 가청 범위 내의 작동 주파수가 방지되고 노이즈 없는 작동이 보장된다.

폴리머 막의 평면적 연장은 전극들 사이에 인가된 전압 차이에 따라 달라지기 때문에, 광학 요소의 변위는 용이하게 제어될 수 있다.

특히, 광학 요소는 광학 확산기, 굴절성, 반사성 또는 회절성 구조체이다.

따라서, 광학 장치는 광 스크램블을 위해 또는 강성 광학 요소의 측방향 위치를 변화시키는 것에 의한 임의의 다른 광 조정을 위해 사용될 수 있다.

유리한 실시형태에 있어서, 광학 요소는 플라스틱, 특히 폴리머[예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylat) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate)], 또는 유리로 제조된다. 이러한 재료는 폴리머의 변형에 저항하는 능력과 광학 품질 사이에서 양호한 타협점에 도달하는 특성을 갖는다. 의도된 용도에 따라서, 광학 요소는 예를 들어, 결정질 재료 특히, 단일 결정으로 제조될 수 있다.

유리하게도, 폴리머 막은 100nm 보다 크고, 및/또는 1mm 보다 작은 두께를 갖는다. 두께가 100nm 미만이면 장치가 제조하기 어려워지는 반편, 두께가 1mm 초과하면 소정의 변위를 위해 전극에 큰 전압의 인가를 필요로 한다.

유리한 실시형태에 있어서, 폴리머 막은 폴리머(예를 들어, 다우 코닝의 PDMS Sylgard 186 또는 리트웨이의 Optical Gel OG-1001) 또는 아크릴 유전체 엘라스토머로 제조된다. 이러한 재료는 광학 요소가 큰 거리만큼 변위될 수 있도록 실질적인 변형을 가능하게 한다.

매우 컴팩트한 실시형태에 있어서, 제1 및 제2 전극은 상기 광학 요소에 측방향으로 인접해 있고, 및/또는 포위하는 유지 프레임으로부터 0보다 큰 거리에 있다.

변형 실시형태에 있어서, 제1 및 제2 전극은 광학 요소와 포위하는 유지 프레임에 0 보다 큰 측방향 거리를 갖고 있다. 이러한 구성은 폴리머 막의 기계적 응력을 감소시킨다는 잇점을 갖는다.

또한, 본 발명은 상기 폴리머 막과 접촉하는 강성 광학 요소의 측방향 변위를 위해 전압 차이를 수용하도록 2개의 전극 사이에 끼워져 있는 폴리머 막에 관한 것이다.

이러한 막의 전기활성 특성과 전극에 대한 폴리머 막의 특별한 구성이 유리하게도 전기적 제어 하에서 강성 광학 요소의 변위를 위해 사용된다.

유리하게도, 그리고 이하의 실시형태에 도시되어 있는 바와 같이, 폴리머의 평면은 제1 및 제2 비중첩 부분을 포함하고, 전극은 제1 부분에 배열되며, 광학 요소는 제2 부분에 배열된다. 이로 인하여 전극에 전압을 인가할 때 최대 변위량을 얻을 수 있다. 전극과 광학 요소 사이의 임의의 실질적인 중첩은, 폴리머 막이 강성 광학 요소의 구역에서 변형되지 않기 때문에, 장치의 효율을 저하시킨다.

또한, 본 발명은 광학 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것으로, 이 광학 장치는 제1 표면과 제2 표면을 구비하는 폴리머 막과, 상기 제1 표면 상에 위치하는 제1 전극과, 상기 제2 표면 상에 위치하는 제2 전극과, 상기 폴리머 막에 연결되어 있는 강성의 변형 불가능한 광학 요소를 포함하고 있다. 이 방법은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전압 차이를 인가하는 단계와, 그로 인해 실질적으로 상기 폴리머 막에 평행한 평면을 따라서 상기 강성 광학 요소를 변위시키는 단계를 포함하고 있다.

본 발명에 따른 광학 장치의 실시형태가,

폴리머 막을 소정량만큼 예를 들어 x 방향으로 200% 그리고 y 방향으로 300% 신장시키는 단계와,

폴리머 막을 유지 수단 예를 들어 포위 프레임에 부착시키는 단계와,

폴리머 막의 제1 표면 상에 제1 전극을 적용하는 단계와,

폴리머 막의 제2 표면 상에 제2 전극을 적용하는 단계와,

상기 전극 중 적어도 하나에 인접한 폴리머 막의 표면 중 적어도 하나에 폴리머 막보다 기계적으로 경질인 재료로 이루어진 강성 광학 요소를 적용하는 단계를 포함하는 공정에 의해 얻어질 수 있다.

제조 공정의 제2 실시형태는,

지지 표면 상에 강성 광학 요소를 배치하는 단계와,

강성 광학 요소 위에 폴리머를 분배하고, 이 폴리머를 적어도 부분적으로 경화하여 폴리머 막을 형성하는 단계와,

상기 단계 a) 및 b)에 의해 얻어진 조립체를 상기 지지 표면으로부터 제거하고, 강성 광학 요소로 폴리머 막을 예비신장시키는 단계와,

폴리머 막을 유지 수단 예를 들어, 포위 프레임에 부착하는 단계와,

폴리머 막의 제1 표면 상에 제1 전극을 적용하는 단계와,

폴리머 막의 제2 표면 상에 제2 전극을 적용하는 단계를 포함하고 있다.

본 발명의 상세한 설명 및 다른 측면을 아래에서 제시하겠다.

아래의 발명의 상세한 설명을 고려하면 본 발명이 보다 잘 이해될 것이고, 전술한 것 이외의 목적도 명백해질 것이다. 이러한 설명에 첨부 도면을 참조한다.

도 1의 (a)에는 제1 상태의 본 발명에 따른 광학 장치의 제1 실시형태가 도시되어 있다.
도 1의 (b)에는 제2 상태의 제1 실시형태가 도시되어 있다.
도 1의 (c)에는 제1 실시형태의 상면도가 도시되어 있다.
도 1의 (d)에는 제1 실시형태의 변형예가 도시되어 있다.
도 2의 (a)에는 제1 상태의 본 발명에 따른 광학 장치에 대한 제2 실시형태가 도시되어 있다.
도 2의 (b)에는 제2 상태의 제2 실시형태가 도시되어 있다.
도 2의 (c)에는 제3 상태의 제2 실시형태가 도시되어 있다.
도 2의 (d)에는 제3 실시형태의 상면도가 도시되어 있다.
도 2의 (e)에는 제3 상태의 제3 실시형태가 도시되어 있다.
도 2의 (f)에는 제2 실시형태의 변형예에 대한 측면도가 도시되어 있다.
도 2의 (g)에는 제2 실시형태의 변형예에 대한 상면도가 도시되어 있다.

정의

용어 "축방향"은 느슨한 상태의 폴리머 막의 표면에 수직하는 방향을 지시하기 위해 일반적으로 사용되는데, 이 방향은 도면 중 일부에 도시되어 있는 광학축(AA)에 평행한 방향에 해당한다. 용어 "측방향"은 축방향에 수직하는 방향 즉, 폴리머 막과 평행한 방향을 지시하기 위해 사용된다.

용어 "강성의 변형 불가능한 광학 요소"는 폴리머 막보다 실질적으로 보다 강성인 요소, 즉 적어도 10, 특히 적어도 100의 계수만큼 폴리머 막의 영률을 초과하는 영률을 가진 요소를 지시하고 있다.

소개

본 발명은 맥스웰 응력 유도 변형으로 인한 변위를 이용하고 있다. 이 현상은 2개의 유연한 전극 사이에 끼워져 있는 폴리머 재료의 변형에 관한 것이다. 상기 전극 사이에 전압을 가하면, 자유 전하로 인한 정전력이 폴리머를 압착하고 신장시킨다. 본 발명은 다양한 형태 예를 들어, 전기활성 광 스크램블러 또는 전기활성 광학 요소 변위 장치로 실행될 수 있다. 이하에서, 이들 용례 중 일부를 설명하겠다.

전기활성 광 스크램블러

본 발명의 가능한 한 가지 실시형태가 도 1의 (a) 내지 (c)에 도시되어 있는 바와 같은 전기활성 광 스크램블러이다. 이 실시형태는 제1 표면(102)과 제2 표면(103)을 포함하는 폴리머 막(101)을 포함하고 있다. 폴리머 막(101)은 유리하게도 실리콘 고무, 아크릴 유전체 엘라스토머, 듀로플라스틱 엘라스토머, 열가소성 엘라스토머 또는 폴리우레탄과 같은 엘라스토머로 제조된다. 유전체 폴리머의 특성은 연질(유연성)이고, 비교적 높은 유전 상수(대략 2 또는 그 이상)를 가지며, 높은 전기 파손 강도(수십 내지 수백 kV/mm)를 갖는다는 것이다.

또한, 상기 실시형태는 제1 표면(102)에 위치하는 제1 전극(105), 제2 표면(103)에 위치하는 제2 전극(106), 제1 또는 제2 표면에 연결되어 있거나, 또는 폴리머 막(101) 내에 통합되어 있는 강성 광학 요소(104)를 더 포함한다. 광학 요소는 확산성(굴절성, 반사성, 회절성 또는 흡수성) 구조체에 해당한다. 광학 요소는 제1 또는 제2 표면 상에 직접 고정되거나, 접착제 또는 용접 결합에 의해 고정되거나, 또는 클램핑 접착에 의해 폴리머 막에 연결될 수 있다. 광학 구조체는 강성이고, 작동 중에 변형되지 않는다.

폴리머 막(101)은 바람직하게는 예비 신장되고, 폴리머 막의 유지 수단을 형성하는 제1 및 제2 유지 프레임(107, 108)에 각각 연결된다. 본 발명의 실시형태에 있어서, 폴리머 막(101)의 에지 구역이 제1 및 제2 유지 프레임(107, 108) 사이에 클램핑되고, 이에 따라 유지 수단에 유지된다.

당업자에 알려져 있는 바와 같이, 용어 "예비신장(prestretching)"{또는 프리스트레인됨(prestraining)}은, 폴리머 막이 장력 스트레인 하에 있는 상태 즉, 장력이 폴리머 막을 직선 상태로 유지시키도록 폴리머 막을 유지 프레임(107, 108)에 매다는 것으로 이해될 수 있다.

폴리머 막은 유지 수단에 자유롭게 매달려 있는데, 즉 폴리머 막은 광학 요소(104)와 떨어진 상태에서 어떠한 추가의 고정 강성 요소가 그 표면과 접촉하지 않은 채로 유지 수단에 의해서만 지지된다.

제1 전극(105)은 제1 컨덕터(109)에 연결되고, 제2 전극(106)은 제2 컨덕터(110)에 연결된다. 컨덕터들(109, 110)는 전압 차이(V)에 연결되도록 되어 있다.

전극은 유연성이 있어야 하는데, 즉 전극은 손상되지 않고 폴리머 막(101)의 변형을 추종할 수 있어야 한다. 유리하게도, 이에 따라 전극은 이하의 재료 중 하나, 즉

* 카본 나노튜브{"유전체 엘라스토머 작동기의 개선된 성능을 위한 셀프 제거가능한 탄소 나노튜브 전극"을 참조, Proc. SPIE, Vol. 6927, 69270P (2008)},

* 카본 블랙{"유전체 엘라스토머 작동기에 기초한 저전압 고도 조정가능한 회절 격자"를 참조, Proc. SPIE, Vol. 6524, 65241N (2007)},

* 카본 그리즈/전도성 그리즈,

* 금속 이온(Au, Cu, Cr,......){"이온 주입된 전극을 가진 전기활성 폴리머 마이크로작동기의 기계적 특성"을 참조, Proc. SPIE, Vol. 6524, 652410 (2007)},

* 액체 금속{예를 들어, 갈린스탄(Galinstan)},

* 금속 분말, 특히 금속 나노입자(금, 은, 구리),

* 전도성 폴리머(본질적으로 전도성 또는 합성 물질) 중 하나로 제조된다.

전극은 아래의 기법 중 어느 하나 즉,

스프레이법,

이온 주입법{"이온 주입된 전극을 가진 전기활성 폴리머 마이크로작동기의 기계적 특성"을 참조, Proc. SPIE, Vol. 6524, 652410 (2007)},

물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법,

증발법,

스퍼터링법,

포토리쏘그래피법,

프린팅, 특히 접촉 프린팅, 잉크젯 프린팅, 레이저 프린팅 및 스크린 프린팅,

필드 안내 셀프 조립(field-guided self-assembly)(예를 들어, "국부적인 표면 전하가 나노스케일 패턴 내로 카본 나노튜브 및 풀러린의 퇴적을 안내함"을 참조, L.Seemann, A. Stemmer, and N.Naujoks, Nono Letters 7, 10, 3007-3012, 2007),

브러싱,

전극 도금 중 어느 하나의 기법에 의해 적층될 수 있다.

선택적으로, 광학 요소(104)는 구조화될 수 있다. 적절한 형상으로는 예를 들어,

구면 렌즈(볼록 및 오목),

프레넬 렌즈,

원통형 렌즈,

비구면 렌즈(볼록 및 오목),

평탄형,

사각형, 삼각형, 직선형 또는 피라미드형이 있을 수 있고,

임의의 마이크로(예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이, 회절 격자, 홀로그램) 또는 나노(예를 들어, 반사방지 코팅) 구조체(111, 211)가 광학 요소(104)와 유연한 전극 함유 폴리머 층 내에 통합될 수 있다. 반사방지 층은 광학 장치의 적어도 하나의 표면에 도포될 때, 투과된 광의 파장보다 작은 크기를 갖는 미세 구조체에 의해 형성되는 것이 유리하다. 전형적으로, 크기는 적외선 용도에 있어서 5㎛ 보다 작고, 근적외선 용도에 있어서 1㎛ 보다 작으며, 가시광선을 사용하는 용도에 있어서 200nm 보다 작아야 한다.

이하의 방법 중 어느 하나,

캐스팅, 특히 사출 성형/성형 처리,

예를 들어 고온 엠보싱 나노미터 크기의 구조체에 의한 나노-임프린팅(nano-imprinting),

에칭(예를 들어, 화학적 또는 플라즈마 에칭),

스퍼터링,

고온 엠보싱,

소프트 리쏘그래피(즉, 미리성형된 기판 상에 폴리머를 캐스팅함),

화학적 셀프 조립(예를 들어, "마이크로구조체의 표면 장력 셀프 조립 - 최신 기술"을 참조, R.R.A. Syms, E. M. Yeatman, V.M. Bright, G.M. Whitesides, Jouranl of Microelectromechanical Systmes 12(4), 2003, pp. 387-417),

전자기장 안내 패턴 성형(예를 들어, "전자기장 안내 패턴 성형" 참조, L. Seemann, A. Stemmer, and N. Naujoks, Nano Lett., 7(10), 3007 - 3012, 2007. 10.1021/n10713373) 중 어느 하나가 예를 들어 광학 요소(104)를 형성하고 구조화하기 위해 적용될 수 있다.

광학 요소(104)의 재료는,

PMMA 또는 PC,

유리,

플라스틱,

폴리머,

결정질, 특히 단일 결정 재료로 이루어지거나 포함할 수 있다.

폴리머 막(101)을 위한 재료는 예를 들어,

겔(라이트웨이의 Optical Gel OG-1001),

엘라스토머(TPE, LCE, 실리콘 예를 들어, PDMS Sylgard 186, 아크릴, 우레탄),

써모플라스트(ABS, PA, PC, PMMA, PET, PE, PP, PS, PVC,...)

듀로플라스트로 이루어져 있거나 포함할 수 있다.

전극의 기하학적 형상은 둥근형, 사각형, 또는 임의의 다른 형상일 수 있다.

도 1의 (a)에는 인가 전압이 없는 상태의 장치가 도시되어 있다. 도 1의 (b)에 도시되어 있는 제2 상태에 있어서, 전극(105, 106)들 사이에서 컨덕터(109, 110)를 거쳐 전압 차이 V≠0이 인가된다. 전극(105, 106) 사이에서 폴리머 막(101)이 압축된다. 폴리머 막의 체적 비압축성으로 인하여, 유연한 전극들 사이에 있는 폴리머 막의 구역이 측방향으로 팽창된다. 그 결과, 광학 요소는 측방향으로 소정 거리(d1)만큼 변위된다. 폴리머 막의 예비신장으로 인하여, 제1 전극(105)과 제2 전극(106) 사이에 있지 않고 광학 요소에 연결되어 있지 않은 구역은 측방향으로 수축된다. 이에 의해 장치가 면외 좌굴되는 것이 방지된다.

폴리머 막의 스트레인(일반적으로 약 수 십 퍼센트)은 전압 차이(V)에 대해 2차 방정식 관계를 갖는다. 전압 차이(V)는 폴리머 막의 두께에 따라 약 수 kV일 수 있다. 전압을 감소시키기 위해, 유리하게도 서로의 상부에 적층되는 복수 개의 유연한 전극을 포함하는 다중층 구조체가 제조되며, 2개의 상이한 포텐셜에 교번적으로 인가되는데, 즉 제1, 제3, 제5 등의 전극은 제1 포텐셜에 연결되고, 제2, 제4, 제6의 전극은 제2 포텐셜에 연결된다.

도 1의 (c)에는 도 1의 (a) 및 (b)의 제1 실시형태가 상면도로 도시되어 있다. 폴리머 막은 직사각형 유지 프레임(107, 108)에 부착되는 것이 유리하다.

알 수 있는 바와 같이, 폴리머 막(101)의 평면은 3개의 섹션(120, 121, 122)으로 분할된다. 전극(105, 106)은 제1 섹션(120) 내에 배열되어 있다. 광학 요소는 제2 섹션(121) 내에 배열되어 있다. 제1 섹션(120)은 광학 요소(104)의 에지로부터 프레임(108)의 제1 측부 에지(108a)로 연장된다. 어떠한 전극도 내부에 배열되어 있지 않은 제3 전극(122)은 광학 요소(104)의 대향 에지로부터 프레임(108)의 제2 측부 에지(108b)로 연장된다. 제1 측부 에지(108a)와 제2 측부 에지(108b)는 서로 대향하도록 배열되어 있다. 광학 요소(104)의 제1 측부(104a){즉, 제1 에지(108a)를 향하는 측부}에 전극이 배열되어 있지만, 광학 요소(104)의 제2 측부(104b)(즉, 제2 에지(108b)를 향하는 측부)에는 어떠한 전극도 배열되어 있지 않은 이러한 구성에 의해 1차원을 따라 광학 요소(104)의 변위가 가능하게 된다.

도 1의 (d)에는 본 발명에 따른 제1 실시형태에 대한 변형예가 상면도로 도시되어 있다. 이 도면은, 여러 쌍, 이 경우에는 2 쌍의 제1 및 제2 전극이 폴리머 막(101)의 표면(102, 103)에 위치한다는 점에 있어서, 도 1의 (a), (b), (c)와 상이하다. 전극(105a, 106b) 사이에 인가된 전압 차이가 x 방향에서 강성 광학 요소(104)의 측방향 변위를 제어한다. 전극(105b, 106b) 사이에 인가된 전압 차이는 y 방향에서 강성 광학 요소(104)의 측방향 변위를 제어한다.

알 수 있는 바와 같이, 도 1의 (d)의 실시예에 있어서, 프레임(108)은 4개의 측부 에지(108a-108d)를 구비하고 있다. 광학 요소(104)의 제1 측부(104a) 및 제3 측부(104c)에 전극이 배열되어 있지만, 제2 측부(104b) 및 제4 측부(104d)에는 어떠한 전극도 배열되어 있지 않고, 측부(104a, 104b)들 사이의 연결 라인이 측부(104c, 104d)들 사이의 연결 라인에 횡방향으로 특히 수직하게 연장되어 있다. 이에 의해 폴리머 막 평면의 2차원을 따라 효과적인 방식으로 광학 요소(104)가 변위될 수 있다.

도 1의 (d)의 장치를 작동시키기 위해, 예를 들어 90°의 상호 위상 시프트를 갖는 2개의 진동 신호를 발생시킬 수 있는 진동기(130)가 사용된다.

일반적인 조건에서, 광학 요소(104)가 광 스크램블러와 같이 주기적인 전후 운동을 수행하도록 변위되어야만 하는 장치를 작동시킬 때에, 주기적으로 변화하는 전기적 신호를 발생시키는 신호원(130)이 제공되어야 한다. 유리하게도, 신호의 주파수는 광학 요소(104)의 상기 운동에 대한 공진 주파수이어서, 비교적 작은 신호로 큰 기계적 진동이 달성될 수 있다. 수 mm 크기를 가진 장치를 구비하는 일반적인 용례에 있어서, 장치의 크기, 광학 요소의 중량 및 폴리머 막의 탄성 특성에 따라, 전기적 신호의 주파수가 약 100Hz 내지 10000Hz이다.

이러한 유형의 공진 진동은, 광학 요소가 단일 반향으로만 변위되는 도 1의 (c)의 유형의 광 스크램블러 또는 광학 요소가 2개의 방향으로 변위되는 도 1의 (d)의 유형의 광 스크램블러에 사용될 수 있다.

그러나, 광 스크램블러를 제외한 장치를 위해서도 공진 진동이 사용될 수 있다.

광 스크램블러로서 장치를 사용할 때, 광학 요소(104)는 전후로 이동될 때 가시적인 스페클링 효과(visible speckling effect)를 없애기에 적합하도록 성형되어야 한다. 예를 들어, 광학 요소(104)는 그 표면에 렌즈 어레이 또는 다른 광학 확산기를 구비하는 투명한 재료의 슬래브(slab)일 수 있다. 이러한 스크램블 요소는 당업자에게 공지되어 있다.

그러나, 그 표면에 렌즈 어레이를 구비하는 광학 요소는 레이저 비임을 사용하는 이미지 프로젝터와 같이 다수의 용례에 있어서 불리한 비임 산란(beam scattering)을 발생시킴이 밝혀졌다. 더 좋은 해결방안이 도 1의 (a)에 점선(104'')으로 도시되어 있는데, 여기서 광학 요소의 표면은 만곡되어 있다. 레이저 비임에 의해 접촉되는 실질적으로 전체 영역에 있어서, 광학 요소는 순수하게 볼록한 또는 순수하게 오목한 표면을 가져야 한다(볼록 또는 오목이라는 용어는 비구면 표면도 포함한다는 것에 유의하여야 한다). 만곡부는 전술한 바와 같은 미세구조체(111)에 의해 씌워질 수 있고{만곡부(104'')에는 도시되어 있지 않음},볼록 또는 오목할 수 있지만, 곡률이 약해야만 하는데 즉, 요소의 촛점 길이는 작은 확산 각도를 달성하도록 커야만 한다. 이러한 유형의 요소는 주기적으로 진동될 때에, 원하지 않는 비임 산락 효과를 피하면서 어떠한 스페클링도 제거하기에 충분한 것으로 밝혀졌다.

일반적으로, 광 비임을 스크램블하기 위해서, 광 비임은 광학 요소(104)가 진동하는 동안에 광학 요소(104)를 통해 보내지거나 또는 반사된다. 광학 요소(104)를 통해 통과하는 광 비임의 광학 경로의 길이(즉, 광 비임에 평행한 그 연장)는 요소(104)의 변위 방향을 따라 변화된다.

전기활성 광학 요소 변위 장치

전술한 기술은 전기활성 광 스크램블러 뿐 아니라 렌즈 위치설정기와 같은 다양한 다른 전기활성 광학 장치에도 적용될 수 있다. "렌즈 위치설정"이란 문맥에서 측방향 즉, 렌즈의 광학축(AA)에 수직하는 방향으로의 렌즈의 변위를 지시한다.

렌즈 위치설정기의 예가 도 2의 (a) 내지 (c)에 도시되어 있다. 이것은 4개의 쌍의 제1 및 제2 전극이 폴리머 막(201)의 표면(202, 203)에 위치하고, 확산 광학 요소(104)가 굴절성, 회절성, 반사성 또는 흡수성 광학 요소(204) 예를 들어 렌즈 또는 미러에 의해 대체되는 점에 있어서 도 1의 (a), (b), (c)와 상이하다.

도 2의 (a)에는 제1 상태의 본 발명에 따른 광학 장치의 실시형태가 도시되어 있다. 이 실시형태는 제1 표면(202)과 제2 표면(203)을 구비하는 폴리머 막(201)을 포함하고 있다. 폴리머 막(201)은 실리콘 고무, 아크릴 유전체 엘라스토머, 폴리우레탄 또는 다른 변형가능한 엘라스토머로 제조되는 것이 유리하다. 유전체 폴리머의 특성은 연질(soft)이고[유연하고(compliant)], 비교적 높은 유전 상수(대략 2 또는 그 이상)이며, 높은 전기 파손 강도(수십 내지 수백 kV/mm)를 갖도록 되어 있다는 것이다.

또한, 상기 실시형태는 제1 표면(202) 상에 위치하는 2개 또는 그 이상의 제1 전극(205a, 205b)과,

제2 표면(203) 상에 위치하는 2개 또는 그 이상의 제2 전극(206a, 206b)과,

제1 또는 제2 표면에 연결되거나 또는 폴리머 막(201) 내에 통합되어 있는 강성 광학 요소(204) 예를 들어 렌즈를 더 포함하고 있다. 광학 요소는 굴절성 또는 반사성 구조체에 해당된다. 광학 요소는 접착 또는 용접에 의해 폴리머 막(201)의 표면 중 하나에 직접 고정된다. 대안으로서, 광학 요소는 접착제 또는 클램핑에 의해 폴리머 막에 고정될 수 있다. 강성 광학 요소(204)는 변형되지 않고, 또는 작동 중에 적어도 실질적으로 변형되지 않는다.

제1 실시형태에서와 동일한 이유로, 폴리머 막은 제1 및 제2 유지 프레임(207, 208) 사이의 에지 구역에서 각각 예비신장되고 클램핑되는 것이 유리하다. 제1 전극(205a, 205b)은 제1 컨덕터(209a, 209b)에 연결되고, 제2 전극(206a, 206b)은 제2 컨덕터(210a, 210b)에 연결된다. 컨덕터(209, 210)는 전압 차이(V)에 연결되도록 되어 있다.

전기활성 광학 요소 변위 장치의 재료 및 제조 공정은 전기활성 광 스크램블러의 재료 및 제조 공정과 동일하다.

도 3의 (a)에는 인가된 전압 차이가 없는 상태의 장치가 도시되어 있다. 도 2의 (b)에 도시되어 있는 제2 상태에 있어서, 전압 차이(V)가 컨덕터(209a, 210a)를 거쳐서 전극(205a, 206a) 사이에 각각 인가된다. 전극(205a, 206a) 사이에 있는 폴리머 막(201)이 압축된다. 폴리머 막의 체적 비압축성으로 인하여, 유연한 전극들 사이에 있는 폴리머 막의 구역은 측방향으로 팽창된다. 그 결과, 광학 요소(204)는 소정 거리(d2)만큼 측방향으로 변위된다. 폴리머 막의 예비신장으로 인하여, 작동된 제1 및 제2 전극(205a, 206a) 사이에 있지 않고, 및/또는 광학 요소에 연결되어 있는 구역은 측방향으로 수축된다. 이로 인하여 장치가 면외 좌굴(out of plane buckling)되는 것이 방지된다.

도 2의 (c)에 도시되어 있는 제3 상태에 있어서, 전압 차이(V)가 컨덕터(209b, 210b)를 거쳐서 전극(205b, 206b) 사이에 각각 인가된다. 전극(205b, 206b) 사이에서 폴리머 막(201)이 압축된다. 폴리머 막의 체적 비압축성으로 인하여, 유연한 전극(205b, 206b) 사이에 있는 폴리머 막의 구역이 측방향으로 팽창된다. 그 결과, 광학 요소(204)는 소정 거리(d3)만큼 측방향으로 변위된다. 폴리머 막의 예비신장으로 인하여, 작동된 제1 및 제2 전극(205b, 206b) 사이에 있지 않거나, 또는 광학 요소에 연결되는 구역은 측방향으로 수축된다. 이에 의해 장치가 면외 좌굴되는 것이 방지된다.

도 2의 (d)는 인가된 전압 차이가 없는 상태의 본 발명에 따른 제3 실시형태의 변형예가 상면도로 도시되어 있다. 이것은 4개의 쌍의 제1 및 제2 전극이 폴리머 막의 표면(202, 203)에 위치한다는 점에 있어서 도 2의 (a), (b), (c)와 상이하다. 전극(205a, 205b)과 전극(206a, 206b) 사이에 인가된 전압이 x 방향에서 강성 광학 요소(204)의 측방향 변위를 제어한다. 전극(205c, 205d)과 전극(206c, 206d) 사이에 인가된 전압 차이가 y 방향에서 강성 광학 요소(204)의 측방향 변위를 제어한다.

도 2의 (e)에는 제2 상태의 제3 실시형태가 도시되어 있다. 컨덕터(209a, 210a)를 거쳐서 전극(205a, 206a)들 사이에 전압 차이(V)가 인가된다. 전극(205a, 206a) 사이의 폴리머 막(201)이 압축된다. 폴리머 막의 체적 비압축성으로 인하여, 유연성 전극들 사이의 폴리머 막의 구역이 측방향으로 팽창된다. 그 결과, 광학 요소는 x 방향으로 측방향으로 변위된다. 폴리머 막의 예비신장으로 인하여, 작동된 제1 및 제2 전극(205a, 206a) 사이에 있지 않고, 및/또는 광학 요소에 연결되어 있는 구역은 측방향으로 수축된다.

도 2의 (f) 및 (g)에는 본 발명의 제2 실시형태에 대한 변형예가 도시되어 있다. 이것은 예를 들어 렌즈 또는 스크램블 요소인 강성 광학 요소(204)가 중간 요소(212)를 거쳐 폴리머 막(201)에 연결되는 점에 있어서 도 2의 (d) 및 (e)와 상이하다. 중간 요소(212)는 폴리머 막(201)의 대향측에 연결되는 한 쌍의 강성 링(212a, 212b)을 포함하고 있다. 중간 요소(212)는 접착 또는 클램핑에 의해 폴리머 막(201)에 연결될 수 있다. 강성 광학 요소(204)는 예를 들어 접착제에 의해 또는 중간 요소(212) 내에 끼워 넣어져서 중간 요소(212)에 장착된다. 도 2의 (f) 및 (g)의 실시형태에 있어서, 강성 광학 요소(204)는 전압을 전극(205a-205d, 206a-206d)에 인가함으로써 폴리머 막(201)에 평행하게 변위될 수 있는 렌즈이다.

다시, 전극(205a-205d, 206a-206d)이 강성 광학 요소(204) 둘레에 부분적으로 배열된다. 전극(205a, 206a) 사이에 인가된 전압 차이는 x 방향에서 강성 광학 요소(204)의 측방향 변위를 제어한다. 전극(205b, 206b)들 사이에 인가된 전압 차이가 y 방향에서 강성 광학 요소(204)의 측방향 변위를 제어한다.

도 2의 (f) 및 (g)의 장치를 제조하기 위해, 프레임 내부에서 즉, 프레임(208) 내부 또는 다른 더 큰 프레임 내부에서 폴리머 포일(foil)이 먼저 신장된다. 이어서, 예를 들어 인쇄 기법에 의해 전극이 도포된다. 이제, 2개의 강성 링(212a, 212b)이 폴리머 막에 부착되고, 이에 의해 중간 요소(212)를 형성한다. 선택적으로 프레임(208)이 폴리머 막에 장착된다. 최종적으로, 광학 요소(204)가 중간 요소(212)에 삽입된다.

노트 :

일반적으로 그리고 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 장치는 유리하게도 평탄한 평면에 배열된 폴리머 막을 포함하고, 폴리머 막의 표면에는 전극이 도포되어 있다. 강성의 변형 불가능한 광학 요소가 폴리머 막에 연결되어 있다. 전극에 전압을 인가함으로써 광학 요소를 측방향으로 즉, 폴리머 막의 평탄한 평면에 평행한 방향으로 변위시킬 수 있다.

일반적으로 그리고 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 폴리머 막의 평탄한 평면은 장치의 광학축(AA)에 수직으로 연장되고, 광학축(AA)은 장치에 의해 처리되는 광에 평행한 축이다. 이에 따라 전극에 전압을 인가하면 강성 광학 요소가 처리되는 광에 수직하게 변위하게 된다.

또한, 도시되어 있는 바와 같이, 전극은 강성 광학 요소 외부에 측방향으로 배치되는 것이 유리하다.

폴리머 막의 변형은 사용된 재료의 탄성 계수 및 유전 상수와, 재료의 형상, 및 경계 조건에 의존한다.

폴리머 막과 광학 요소의 형상과, 전극은 이러한 다양한 용례에 순응될 수 있다. 특히, 전극과, 막과, 광학 요소는 임의의 적절한 형상 예를 들어, 삼각형, 직사각형, 원형 또는 다각형일 수 있다. 제1 및 제2 전극은 또한 환형 형상을 가질 수도 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 폴리머 막의 형상에 제한되지 않는다. 사실상, x 또는 y 방향에 평행하지 않은 방향으로 광학 요소를 변위시키기 위한 다른 형상이 규정될 수 있다.

언급한 바와 같이, 강성 광학 요소(104, 204)가 폴리머 막 내에 통합될 수 있고, 즉 도 1의 (a)에 점선으로 도시되어 있는 광학 요소(104')에 의해 예로서 예시되어 있는 바와 같이 폴리머 막 내에 부분적으로 또는 완전히 매립될 수 있다.

소정의 용례

광학 장치는,

예를 들어, 비머(beamer) 및 소형 장치(hand-held device)의 매크로 및 마이크로 프로젝터용의 프로젝터 광학 부품 용도의 투사 장치와,

레이저 계측 시스템과,

디스플레이와,

카메라의 이미지 안정화와,

산업용 시스템의 이미지 안정화와,

레이저 절삭 또는 용접을 비롯한 산업 용도와,

현미경과,

임의의 종류의 카메라를 갖는 영상 시스템과,

탐색 용도의 광 스크램블러와,

전기 통신 용도(진폭 변조)와,

조명 요소에 위에의 흡수 요소의 배치에 의한 색상 제어와, 조명을 위한 방향성 광 제어, LED 조명의 강도 제어를 비롯한 조명 제어와 같은 다양한 용도에 사용될 수 있다.

본 발명의 현재 바람직한 실시형태를 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라 이하의 특허청구범위의 보호범위 내에서 다양하게 구현 및 실시될 수 있다는 것을 분명히 이해하여야 한다.

Claims

광학 장치 특히 광 스크램블러이며,
평면 내에 배열되고 제1 표면(102, 202)과 제2 표면(103, 203)을 포함하는 폴리머 막(101, 201)과,
상기 제1 표면 상에 위치하는 제1 전극(105, 205)과,
상기 제2 표면 상에 위치하는 제2 전극(106, 206)과,
상기 폴리머 막에 연결된 강성의 변형 불가능한 광학 요소(104, 204)를 포함하고,
상기 제1 전극(105, 205)과 상기 제2 전극(106, 206) 사이의 전압 차이의 인가에 의해 상기 광학 요소(104, 204)가 상기 폴리머 막의 평면에 평행하게 변위되는
광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 광학 요소(104, 204)는 상기 제1 표면 및/또는 제2 표면에 연결되는
광학 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
강성 광학 요소(104, 204)는 접착제, 자가 접착(self-adhesion) 또는 용접에 의해 폴리머 막에 연결되는
광학 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 강성 광학 요소(104')는 상기 폴리머 막(101, 201) 내에 부분적으로 또는 완전히 매립되는
광학 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머 막(101, 201)의 평면은 제1 및 제2 비중첩 부분을 포함하며, 전극(105, 106, 205, 206)은 상기 제1 비중첩 부분에 배열되고, 광학 요소(104, 204)는 제2 비중첩 부분에 배열되는
광학 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머 막(101, 201)은 겔, 엘라스토머, 써모플라스트(thermoplast), 듀로플라스트(duroplast), 아크릴 재료 및 엘라스토머를 포함하는 군으로부터 선택된 재료로 이루어져 있거나 포함하고, 및/또는 상기 광학 요소(104, 204)는 폴리머, 플라스틱, 유리 또는 결정질 재료인
광학 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머 막(101, 201)은 유지 수단(107, 207, 108, 208) 내에서 자유롭게 현수되는
광학 장치.
제7항에 있어서,
폴리머 막(101, 201)은 예비신장 방식으로 유지 수단에 부착되는
광학 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극(105, 106; 205, 206)은 카본 나노튜브, 카본 블랙, 전도성 그리즈, 금속 이온, 유체 금속, 금속 파우더(metallic powder) 및 전도성 폴리머를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료로 제조되는
광학 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 장치의 하나 이상의 표면에 반사방지 층(111, 211)을 더 포함하고, 특히 상기 반사방지 층은 5㎛보다 작은, 특히 1㎛ 보다 작은, 그리고 특히 200nm 보다 작은 크기를 갖는 구조체를 포함하는
광학 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극은 상기 광학 요소(104)의 제1 측부(104a)에 배열되지만, 상기 광학 요소의 반대편 제2 측부(104b)에는 배열되지 않는
광학 장치.
제11항에 있어서,
상기 전극은 상기 광학 요소(104)의 제3 측부(104c)에 배열되지만, 상기 광학 요소의 제4 측부(104d)에는 배열되지 않고, 상기 제3 및 제4 측부(104c, 104d)는 서로 대향하는
광학 장치.
광학 장치를 작동시키기 위한 방법이며,
상기 광학 장치는 평면 내에 놓여 있고 제1 표면(102, 202)과 제2 표면(103, 203)을 구비하는 폴리머 막(101, 201)과, 상기 제1 표면 상에 위치하는 제1 전극(105, 205)과, 상기 제2 표면 상에 위치하는 제2 전극(106, 206)과, 상기 폴리머 막에 연결되는 강성의 변형 불가능한 광학 요소(104, 204)를 포함하고,
상기 방법은 상기 제1 전극(105, 205)과 상기 제2 전극(106, 206) 사이에 전압 차이를 인가하는 단계와, 그로 인해 실질적으로 상기 폴리머 막에 평행한 평면을 따라서 상기 강성 광학 요소(104, 204)를 변위시키는 단계를 포함하는
광학 장치 작동 방법.
제13항에 있어서,
상기 광학 요소(104, 204)는 상기 평면에 평행한 주기적인 전후 운동을 소정의 주파수로 수행하도록 변위되며, 상기 주파수는 상기 운동의 공진 주파수인
광학 장치 작동 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,
광 비임을 스크램블(scramble)하기 위해, 상기 광 비임을 상기 광학 요소(104, 204)를 통해 송출하거나 또는 상기 광학 요소(104, 204)에 의해 반사시키며, 상기 광학 요소(104, 204)는 곡면을 가지고 왕복 운동하도록 진동하며, 상기 광학 요소(104, 204)는 상기 레이저 비임에 의해 접촉되는 영역에 순수하게 볼록한 또는 순수하게 오목한 표면을 구비하는
광학 장치 작동 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 광학 장치를 제조하기 위한 방법이며,
a) 폴리머 막(101, 201)을 신장시키는 단계와,
b) 폴리머 막(101, 201)을 유지 수단(107, 207, 108, 208)에 부착시키는 단계와,
c) 폴리머 막(101, 201)의 제1 표면(102, 202) 상에 제1 전극(105, 205)을 적용하는 단계와,
d) 폴리머 막(101, 201)의 제2 표면(103, 203) 상에 제2 전극(106, 206)을 적용하는 단계와,
e) 폴리머 막보다 기계적으로 더 경질인 재료로 이루어진 강성 광학 요소(104, 204)를 폴리머 막의 표면 중 하나 이상에 적용하거나 또는 상기 전극 중 하나 이상에 인접한 폴리머 막에 직접 적용하는 단계를 포함하는
광학 장치 제조 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 광학 장치를 제조하기 위한 방법이며,
a) 지지 표면 상에 강성 광학 요소(104, 204)를 배치하는 단계와,
b) 강성 광학 요소 위에 폴리머를 분배하고, 폴리머 막(101, 201)을 형성하도록 폴리머를 적어도 부분적으로 경화시키는 단계와,
c) 상기 단계 a) 및 b)에 얻어진 조립체를 상기 지지 표면으로부터 제거하고, 강성 광학 요소(104, 204)로 폴리머 막(101, 201)을 예비신장시키는 단계와,
d) 폴리머 막(101, 201)을 유지 수단(107, 207, 108, 208)에 부착하는 단계와,
e) 폴리머 막(101, 201)의 제1 표면(102, 202) 상에 제1 전극(105, 205)을 적용하는 단계와,
f) 폴리머 막(101, 201)의 제2 표면(103, 203) 상에 제2 전극(106, 206)을 적용하는 단계를 포함하는
광학 장치 제조 방법.
광 스크램블러 또는 렌즈 위치설정을 위한 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 장치의 사용.