JP2008546031A - 二つのメニスカスを有する可変流体レンズ - Google Patents

Abstract

可変レンズ及び可変レンズの動作の方法が記載される。可変レンズは、光軸（１９）を有する。レンズは、第一の及び第二のレンズ素子を含む。第一のレンズ素子は、光軸を横切って延在する第一のメニスカス（１３２）で接触した二つの流体を含み、流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有する。第二のレンズ素子は、光軸を横切って延在する第二のメニスカス（１３４）で接触した二つの流体を含み、流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有する。メニスカス制御器は、各々のメニスカスを制御するように配置される。メニスカス制御器（１１０）は、少なくとも所定の波長の放射について、第一のメニスカスによって生じた球面収差の量が、第二のメニスカスによって生じた球面収差の量によって実質的に補償されるように、メニスカスの形状を制御するように配置される。このような可変レンズを、光学走査デバイス、カメラ、顕微鏡又は望遠鏡を含む、多種多様な装置に組み込むことができる。

Description

本発明は、可変レンズに、このような可変レンズを動作させる方法に、カメラ、光学走査デバイス、顕微鏡及び望遠鏡を含む、このような可変レンズを含む装置に、並びに、このような可変レンズ及びこのような装置の製造の方法に、関係する。

可変レンズは、可変の焦点を有するレンズである。可変レンズは、カメラ、顕微鏡法若しくは天文学における像の焦点調節を可能にするもの、又は、代わりに、光学走査デバイスのような装置における対物レンズの共役な距離を変化させるもののような、多種多様な用途に使用される。

可変レンズは、幅広い種類の構成に存在する。可変レンズを、少なくとも一つのレンズ又はレンズ群を機械的に変位させることによって形成することができる。このような機械的なレンズは、相対的に高価な、疲労を被りがちな、且つ、振動に影響されやすいものである。あるいは、切り替え可能なレンズは、知られたものであるが、そのレンズにおいては、焦点距離における変化は、レンズの構成を切り替えることによって達成される。いくつかの切り替え可能なレンズは、液晶で形成されたものであると共に、液晶の主軸が、少なくとも二つの方向の間で切り替え可能である。このように、液晶分子の配向を切り替えることは、入射する偏光した光によって経験されるレンズの屈折率を、及び、よって焦点距離を、変化させる。

メニスカスで接触した不混和性の流体で形成される他の切り替え可能なレンズは、知られたものである。流体は異なる屈折率を有する。メニスカスの形状を変化させることは、レンズによって提供された焦点距離における変化を提供する。（国際公開第０３／０６９３８０Ａ１号パンフレット（特許文献１）として公開された）国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ０３／００２２２号は、このような可変焦点レンズを記載し、そのレンズにおいては、メニスカスの形状が、エレクトロウェッティング効果を介して変えられる。

このような切り替え可能なレンズは、一般には、より安価な且つ機械的な効果に対してあまり脆弱ではないものである一方で、液晶又はエレクトロウェッティングレンズの合焦を変化させることは、典型的には、望まれない球面収差の発生に帰着する。
国際公開第０３／０６９３８０Ａ１号パンフレット

本発明の実施形態の目標は、ここに又は別な具合に記載されたものであろうとなかろうと、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。本発明の特定の実施形態の目標は、まさに、相対的に安価な可変レンズを提供することであり、そのレンズは、実質的に球面収差の無いままである。

本発明の第一の態様に従って、提供されるものは、光軸を有する可変レンズであって、レンズは、光軸を横切って延在する第一のメニスカスで接触した二つの流体を含む第一のレンズ素子を含み、流体は、不混和性であり且つ異なる屈折率を有し；レンズは、光軸を横切って延在する第二のメニスカスで接触した二つの流体を含む第二のレンズ素子を含み、流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；且つ、レンズは、各々のメニスカスの形状を制御するように配置されたメニスカス制御器：を含み、ここで、メニスカス制御器は、少なくとも所定の波長の放射について、第一のメニスカスによって生じた球面収差の量が、第二のメニスカスによって生じた球面収差の量によって実質的に補償されるように、メニスカスの形状を制御するように配置される。

このような可変レンズは、第一のメニスカスによって生じた球面収差の量が、第二のメニスカスのものによって実質的に補償されるように、メニスカスの形状の設定を利用する。このような構成は、実質的な球面収差無しで、連続的な範囲の焦点の距離を提供する可変レンズが形成されることを可能にする。

メニスカス制御器は、メニスカスによって提供された球面収差の正味の量が、２００ｍλのＯＰＤｒｍｓよりも少ないものであることを保証するように、各々のメニスカスの形状を制御するように配置されることがある。

メニスカス制御器は、メニスカスによって提供された球面収差の正味の量が、１００ｍλのＯＰＤｒｍｓよりも少ないものであることを保証するように、各々のメニスカスの形状を制御するように配置されることがある。

メニスカス制御器は、メニスカスによって提供された球面収差の正味の量が、回折限界よりも少ないものであるように、各々のメニスカスの形状を制御するように配置されることがある。

第一のレンズ素子及び第二のレンズ素子は、流体の第一の、第二の及び第三の本体を含有する単一の共通の流体チャンバーによって定義されることがあり、流体の第一の及び第二の本体は、前記の第一のレンズ素子の二つの流体であり、且つ、流体の第二の及び第三の本体は、前記の第二のレンズ素子の二つの流体である。

メニスカス制御器は、各々のメニスカスの曲率半径を変えるように配置されることがある。

レンズは、前記のメニスカスの少なくとも一つの位置を検出し且つメニスカス制御器に対する測定された位置を示す信号を提供するように配置されることがあるメニスカス検出器をさらに含むことがある。

本発明の第二の態様に従って、提供されるものは、上に記載されたような可変レンズを含む装置である。

装置は、可変レンズを透過した放射ビームの球面収差を決定するための、且つ、検出された球面収差を示すメニスカス制御器へ信号を提供するように配置された、球面収差検出器をさらに含むことがある。

装置は、光学走査デバイス、カメラ、携帯電話、顕微鏡、及び望遠鏡：の少なくとも一つを含むことがある。

本発明の第三の態様に従って、提供されるものは、光軸を有する可変レンズを製造する方法であって、方法は、光軸を横切って延在する第一のメニスカスで接触した二つの流体を含む第一のレンズ素子を提供することを含み、流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；方法は、光軸を横切って延在する第二のメニスカスで接触した二つの流体を含む第二のレンズ素子を提供することを含み、流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；且つ方法は、各々のメニスカスの形状を制御するように配置されたメニスカス制御器を提供すること：を含み、ここで、メニスカス制御器は、少なくとも所定の波長の放射について、第一のメニスカスによって生じた球面収差の量が、第二のメニスカスによって生じた球面収差の量によって実質的に補償されるように、メニスカスの形状を制御するように配置される。

本発明の第四の態様に従って、提供されるものは、光軸を有する可変レンズを動作させる方法であって、レンズは、光軸を横切って延在する第一のメニスカスで接触した二つの流体を含む第一のレンズ素子を含み、流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；レンズは、光軸を横切って延在する第二のメニスカスで接触した二つの流体を含む第二のレンズ素子を含み、流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；方法は、少なくとも所定の波長の放射について、第一のメニスカスの球面収差が、第二のメニスカスの球面収差を実質的に補償するように、各々のメニスカスの形状を制御すること：を含む。

方法は、レンズの所望の焦点距離を示す信号を受信すること；及び所望の焦点距離を提供するために各々のメニスカスの所望の形状を示すデータを読み取ること：をさらに含むことがある。

方法は、前記のメニスカスの少なくとも一つの形状を、他のメニスカスの所望の形状を決定するために、決定すること：をさらに含むことがある。

方法は、可変レンズを透過した放射ビームの球面収差を測定することを示す信号を決定すること；及び放射ビームへ提供された正味の球面収差を減少させるように各々のメニスカスの形状を制御すること：をさらに含むことがある。

メニスカス制御器は、エレクトロウェッティング効果によって前記のメニスカスの少なくとも一つの形状を制御するように配置されることがある。

前記のレンズ素子の少なくとも一つは、二つのそれぞれの流体を含有する流体チャンバーを含むことがあり：そして、方法は、前記のチャンバー内に含有された各々の流体の体積を調節することによって、チャンバーを含む前記のレンズ素子のメニスカスの形状を制御すること：をさらに含む。

本発明の実施形態を、添付する図面を参照して、ほんの一例として、ここより後に記載することにする。

本発明は、二つのメニスカスを含む流体に基づいたレンズを提供することによって、最小限の球面収差を提供する可変の流体に基づいたレンズを形成することができるということを実現してきたものである。レンズの全体的な焦点距離は、両方のメニスカスの形状によって決定される。一つのメニスカスによって生じた球面収差の量が、第二のメニスカスのものによって実質的に補償されるように、メニスカスの形状を制御することによって、相対的に球面収差の無いレンズを形成することができる。

各々のメニスカスは、二つのそれぞれの不混和性の（非混和性の）流体の間における界面であると共に、二つの流体の各々は、異なる屈折率を有する。

各々のメニスカスは、そのメニスカスの形状に依存性の、それぞれの焦点の距離を定義することになる。可変レンズの正味の焦点の距離又は焦点距離は、メニスカスの組み合わせられた焦点の距離によるものである。各々のメニスカスについて、曲率半径は、焦点の距離を定義する。このように、可変レンズのいずれの与えられた焦点の距離についても、その焦点の距離を達成するためのメニスカスの二つの半径の無限の数の組み合わせが存在することになる。各々のメニスカスの各々の設定は、所定の量の球面収差を生じさせることになる。このように、全体的な可変レンズを実質的に球面収差の無いものとするために、メニスカスの設定は、第一のメニスカスによって生じた球面収差の量が、第二のメニスカスのものによって実質的に補償されるように、選ばれる。これを、連続的な範囲のレンズ焦点距離について行うことができる。

各々のメニスカスの形状の決定を、ルックアップテーブルを利用することによって、行うことができる。言い換えれば、可変レンズに各々の所望の焦点距離を提供するために、各々のメニスカスについての所望の形状（例．曲率半径）を示すデータを組み込む、データベースが、形成されると共に、可変レンズは、全ての焦点距離で実質的に収差の無いものである。

あるいは、各々のメニスカスの形状を、動的に制御することができる。例えば、可変レンズを透過した放射ビームの球面収差を示す質の信号を決定することができる。そして、各々のメニスカスの形状は、質の信号を最適化するがしかし所望の焦点距離を維持するように、制御される。例えば、各々のメニスカスの形状は、変えられるかもしれず、且つ、次に、メニスカスの最適な形状／設定を決定するために、質の信号が、多くの繰り返しにわたって、再度測定される。この最適化を、例．最も急勾配の降下の方法に基づいた、最適化のアルゴリズムを使用することで、行うことができるであろう。

図１は、装置１００内に組み込まれた可変レンズ１３０の概略図である。

可変レンズ１３０を、二つのレンズ素子で形成されるものとみなすことができる。第一のレンズ素子は、第一のメニスカス１３２で接触した二つの流体を含む、即ち、第一のメニスカスは、二つの流体の間の界面である。二つの流体は、非混和性であり、且つ、異なる屈折率を有する。第一の流体は、屈折率ｎ_１を有すると共に、他方の流体は、異なる屈折率ｎ_２を有する。

第二のレンズ素子は、また、第二のメニスカス１３４で接触した二つの流体を含む。重ねて、流体は、非混和性であり、且つ異なる屈折率を有する。図１において、第二のレンズ素子の流体は、それぞれ、ｎ_２及びｎ_３の屈折率を有する。この特定の実施形態において、両方のレンズ素子が流体の三つの本体によって定義されることは、予見されることである。このように、屈折率ｎ_２の流体の単一の共通の本体は、メニスカス１３２、１３４を分離する。

可変レンズ１３０は、光軸１９を有すると共に、両方のメニスカスは、光軸を横切って（にわたって）延在する。図１は、また、各々のメニスカス１３２、１３４の形状を制御可能に変動させるために利用されるメニスカス制御器１１０を示す。

計算の容易さのために、この特定の実施形態において、二つのメニスカス１３２、１３４の間における分離度ｄは、無視できるものであることが、仮定される。入射の放射ビーム１２０は、入射瞳の半径ｈ（即ち、入射する放射ビーム１２０のビームウェストが半径ｈのものである）を備えた平行なビームである。第一の及び第二のメニスカスの光学パワーとしてそれぞれＫ_１及びＫ_２を取ること及びの可変レンズ１３０の合計のパワーとしてＫを定義することは、

：を与えるが、ここで、ｒ_１は、第一のメニスカス１３２の曲率半径であり、且つ、ｒ_２は、第二のメニスカス１３４の曲率半径である。ｒ_１及びｒ_２の両方は、それらが表すメニスカスが、屈折率ｎ_２の流体の第二の本体から理解されるように凸のものであるとき、正のものとして定義される。

パラメータβは、第二のメニスカスの倍率として定義され、且つ、

：によって与えられるが、ここで、ｌ’が、両方のメニスカス１３２、１３４の組み合わせられた焦点距離から結果として生じる、可変レンズ１３０の焦点距離である一方で、ｌは、（焦点Ｆ１までの）第一のメニスカスの焦点距離である。言い換えれば、入射する平行な放射ビーム１２０は、（無視できる分離度を有する）メニスカス１３２、１３４からの距離ｌ’で焦点Ｆ１２へ集束させられることになる。

近軸計算から、三次の波面収差の解析（ザイデル（Ｓｅｉｄｅｌ）の収差）との組み合わせで、系の三次の球面波の波面収差ΔＷは、

：である（例．Ｗ．Ｔ．Ｗｅｌｄｆｏｒｄによる“Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ”，出版社Ａｄａｍ Ｈｉｌｇｅｒ，ＩＳＢＮ０−８５２７４−５６４−８を参照のこと）。

このように、可変レンズが、実質的に球面収差の無いものであるために、方程式［５］によって与えられた三次の近似を、ΔＷ＝０で解かなければならない。可変レンズを作り上げる流体の適切な選抜（特に、屈折率ｎ_１、ｎ_２、及びｎ_３）によって、レンズを形成することができ、そのレンズについて、焦点の距離の連続的な範囲にわたって、可変レンズを実質的に収差の無いものとする半径ｒ_１及びｒ_２の設定が存在する。

表Ｉは、この方程式５の様々な解を図解し、様々な球面収差の無いレンズをどのように形成することができるかを示す。表Ｉは、解ΔＷ＝０について、ｎ_１＝１．５、ｎ_２＝１．３５、及びｎ_３＝１．３８であるとき、Ｋ_１及びＫ_２についての値を示す。
表Ｉ

上記の実施形態において、可変レンズの正味の球面収差が、少なくとも三次の収差の解析まで収差の無いものであることは、仮定されてきたことである。しかしながら、これは、系を球面収差の無いものであるように形成することができる程度の単なる一つの尺度であることが、認められることになる。球面収差が装置に影響を及ぼす精確な程度は、その装置内で可変レンズから球面収差を取り除くことが望ましい程度を決定することになる。たとえば、いくつかの用途において、球面収差の程度が、球面収差の効果が回折限界よりも少ないものであるようなものであることが、望ましいことがある。

好ましくは、ＯＰＤｒｍｓ＜２００ｍλとすれば、装置は、実質的に球面収差の無いものとみなされるが、ここで、ＯＰＤｒｍｓは、放射ビームの波面にわたる二乗平均平方根の光路長差である。より好ましくは、ＯＰＤｒｍｓ＜１００ｍλ及びいっそうより好ましくはＯＰＤｒｍｓ＜７０ｍλである。ＯＰＤｒｍｓが、７０ｍλ以下であるとすれば、そのとき、放射ビームの球面収差の程度は、回折限界より少ないとみなされる。

今、図１に示されたものと概して類似の構造を有する、可変レンズの例を記載することにする。レンズは、１．５ｍｍの入射瞳の直径を有する。レンズは、波長４０５ｎｍの入射する放射について実質的に収差の無いものである。三つの流体の屈折率は、ｎ_１＝１．６０、ｎ_２＝１．３４、及びｎ_３＝１．６１である。二つのメニスカスは、最後のメニスカスから焦点までの距離であるＤの距離（例．図１においては、Ｄは、メニスカス１３４からＦ１２までの距離に対応するであろう）だけ分離される。計算の単純さのみのために、メニスカスが形状を変化させる際のメニスカスの間の分離におけるシフトは、考慮に入れられてこなかったものである。

表ＩＩは、実質的にゼロの球面収差を生じさせる、このような可変レンズの適当な設定のリストを提供する。Ｄのより小さい値についての収差における増加は、開口数における増加によるものである。球面収差は、ｍλの単位における二乗平均平方根の光路長差として表現される（ここでλは、入射する放射の波長である）。光路長差の二乗平均平方根が、７０ｍλよりも少ないものであるとすれば、そのとき、可変レンズは、球面収差の無いものであると考慮されることになる。
表ＩＩ

図１に示された装置１００は、可変レンズを組み込むことが望ましいいずれの装置でもあり得る、例．装置は、カメラ、顕微鏡、望遠鏡、又は光学走査デバイスであり得るであろう。あるいは、装置は、前述した装置のいずれかを組み込むいずれのデバイスであり得るであろう、例．装置は、携帯電話、携帯情報端末（personal digital assistant）（ＰＤＡ）、コンピュータ、又はカメラを組み込む電子玩具であり得るであろう。用語カメラは、静止画像（写真）カメラ又はビデオカメラの両方を包含するように考慮される。カメラは、フィルム又はディジタルカメラであることがある。

例えば、図２は、第一の放射ビーム４の手段によって第一の光学記録担体３の第一の情報層２を走査するためのデバイス１を示すが、デバイスは、対物レンズ系８を含む。

光学記録担体３は、透明層５を含み、その透明層の一方の側に情報層２が配置される。透明層５から離れて面する、情報層２の側面は、保護層６によって環境的な影響から保護される。デバイスに面する透明層の側面は、入口面と呼ばれる。透明層５は、情報層２に機械的な支持を提供することによって、光学記録担体３についての基板として作用する。あるいは、機械的な支持が、情報層２の他方の側面における層によって、たとえば、保護層６によって又は最上の情報層へ接続された追加の情報層及び透明層によって、提供される一方で、透明層５は、情報層を保護するという単独の機能を有することがある。情報層が、この実施形態においては図１に示されるように透明層５の厚さに対応する、第一の情報層の深さ２７を有することは、留意されることである。情報層２は、担体３の表面である。

情報は、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における記録担体の情報層２に記憶される。トラックは、集束した放射ビームのスポットによって追跡されることがある経路である。マークは、いずれの光学的に読み取り可能な形態に、例、ピット、若しくは反射係数を備えたエリア、若しくは周囲と異なる磁化の方向の形態、又はこれらの形態の組み合わせに、あることもある。光学記録担体３がディスクの形状を有する場合には。

図２に示されるように、光学走査デバイス１は、放射源７、コリメーターレンズ１８、ビームスプリッター９、並びに、光軸１９ａを有する対物レンズ系８、可変レンズ３０、及び検出系１０を含む。さらには、光学走査デバイス１は、サーボ回路１１、フォーカスアクチュエータ１２、ラジアルアクチュエータ１３、及び、誤り訂正用の情報処理ユニット１４を含む。

この特定の実施形態において、放射源７は、第一の放射ビーム４、第二の放射ビーム４’、及び第三の放射ビーム４’’を連続的に又は別個に供給するために配置される。例えば、放射源７は、放射ビーム４、４’及び４’’の二つを連続的に供給するための調整可能な半導体レーザを、第三のビームを供給する別個のレーザと共に、又は、これらの放射ビームを別個に供給するための三つの半導体レーザを、含むことがある。

放射ビーム４は、波長λ_１及び偏光ｐ_１を有し、放射ビーム４’は、波長λ_２及び偏光ｐ_２を有し、且つ、放射ビーム４’’は、波長λ_３及び偏光ｐ_３を有する。波長λ_１、λ_２、及びλ_３は、全て異なるものである。好ましくは、いずれの二つの波長の間における差異も、２０ｎｍ以上、且つより好ましくは、５０ｎｍ以上である。偏光ｐ_１、ｐ_２、及びｐ_３の二つ以上は、相互に異なることがある。

コリメーターレンズ１８は、発散性の放射ビーム４を実質的にコリメートされたビーム２０へと変換するために光軸１９ａに配置される。同様に、それは、放射ビーム４’及び４’’を二つのそれぞれの実質的にコリメートされたビーム２０’及び２０’’へと変換する（図２に示されない）。

ビームスプリッタ９は、対物レンズ系８に向かって光路に沿って放射ビームを透過させるために配置される。示された例において、放射ビームは、ビームスプリッタ９を通じた透過によって、対物レンズ系８に向かって透過させられる。好ましくは、ビームスプリッタ９は、光軸に関して角度αで傾斜させられる平行平面板で形成され、且つより好ましくはα＝４５°である。この特定の実施形態においては、対物レンズ系８の光軸１９ａは、放射源７の光軸と共通である。

対物レンズ系８は、コリメートされた放射ビーム２０を第一の集束した放射ビーム１５へ変換して情報層２の位置に第一の走査スポット１６を形成するために配置される。

走査の間に、記録担体３は、（図２に示されない）主軸上で回転し、且つ、情報層２は、次に、透明層５を通じて走査される。集束した放射ビーム１５は、情報層２に反映し、それによって、反射されたビーム２１を形成し、そのビームは、前方に収束するビーム１５の光路に戻る。対物レンズ系８は、反射された放射ビーム２１を、反射されたコリメートされた放射ビーム２２へ変換する。

ビームスプリッタ９は、検出系１０に向かった光路に沿って、反射された放射２２の少なくとも一部を透過させることによって、反射された放射ビーム２２から前方の放射ビーム２０を分離する。図解した例においては、反射された放射ビーム２２は、ビームスプリッタ９内の板からの反射によって、検出系１０へ向かって透過させられる。示された特定の実施形態においては、ビームスプリッタ９は、偏光ビームスプリッタである。四分の一波長板９’は、ビームスプリッタ９と対物レンズ系８との間における光軸１９ａに沿って位置決めされる。四分の一波長板９’及び偏光ビームスプリッタ９の組み合わせは、反射された放射ビーム２２の大部分が、検出系の光軸１９ｂに沿って検出系１０に向かって透過させられることを保証する。検出系の光軸１９ｂは、検出系１０に向かって、反射された放射２２の少なくとも一部を透過させるビームスプリッタ９により、光軸１９ａの継続である。このように、対物レンズ系の光軸は、符号１９ａ及び１９ｂによって示された軸を含む。

検出系１０は、収束性のレンズ２５及び検出器２３を含み、それらレンズ及び検出器は、反射された放射ビーム２２の前記の部分を獲得するために配置される。

本発明の実施形態に従った可変レンズ３０は、ビームスプリッタ９と検出器２３との間における光路に位置させられる。好ましくは、可変レンズ３０は、ビームスプリッタ９と収束性のレンズ２５との間に位置させられる。可変レンズ３０は、反射された放射ビーム２２の前記の部分の合焦を制御するために利用される。

多数の先行技術の光学走査デバイスにおいて、異なる放射ビームによって形成された像は、異なる軸上の位置にあることになる。これを、異なる軸上の位置にある異なる放射ビーム及び／又は放射源について異なる共役の設定の使用によるものであり得る。像の異なる軸上の位置を補償するためには、多数の例において、先行技術の光学走査デバイスは、異なる放射ビームに異なる検出器を含有することになる。これは、このような光学走査デバイスの費用及び大きさの両方を増加させる。

ここに記載された実施形態においては、像の異なる軸上の位置のこの問題を解決するために、可変レンズ３０の焦点距離は、異なる放射ビームからのスポットが、同じ像平面（即ち、情報検出器のもの）に集束されることを保証するために、調節される。このように、単一の情報検出器を利用することができる。先行技術の可変レンズにおいて、焦点距離を調節することは、異なる量の望まれない球面収差を生じさせるであろう。この問題は、可変レンズ３０によって回避される。

可変レンズ３０のメニスカスは、所望の焦点の距離を提供するために、しかし、二つのメニスカスの組み合わせによって生じた球面収差の正味の量が無視できるものであることを保証するために、即ち、可変レンズによって生じた球面収差が、それが光学走査デバイスの性能に有害な影響を与えない程度に十分に低いものであるように、制御される。

検出器２３は、反射されたビームの前記の部分を一つ以上の電気信号へ転換するために配置される。

信号の一つは、情報信号であり、その情報信号の値は、情報層２に走査された情報を表す。情報信号は、誤り訂正用の情報処理ユニット１４によって処理される。

検出系１０からの他の信号は、フォーカスエラー信号及びラジアルトラッキングエラー信号である。フォーカスエラー信号は、走査スポット１６と情報層２の位置との間におけるＺ軸に沿った高さにおける軸上の差異を表す。好ましくは、この信号は、とりわけ、Ｇ．Ｂｏｕｗｈｕｉｓ，Ｊ．Ｂｒａａｔ，Ａ．Ｈｕｉｊｉｓｅｒ ｅｔ ａｌ，“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ”，ｐｐ．７５−８０（Ａｄａｍ Ｈｉｌｇｅｒ １９８５，ＩＳＢＮ０−８５２７４−７８５−３）による本から知られたものである“非点収差法”によって形成される。ラジアルトラッキングエラー信号は、走査スポット１６と走査スポット１６によって追跡されるものである情報層２におけるトラックの中心との間における情報層２のＸＹ平面内の距離を表す。この信号を、Ｇ．Ｂｏｕｗｈｕｉｓ，ｐｐ．７０−７３による前述の本からまた知られたものである“ラジアルプッシュ−プル法”から形成することができる。

サーボ回路１１は、フォーカスエラー信号及びラジアルトラッキングエラー信号に応じて、それぞれフォーカスアクチェータ１２及びラジアルアクチュエータ１３を制御するためのサーボ回路信号を提供するために、配置される。フォーカスアクチュエータ１２は、Ｚ軸に沿った対物レンズ８の位置を制御し、それによって、走査スポット１６の位置を、それが、情報層２の平面と実質的に一致するように、制御する。ラジアルアクチュエータ１３は、走査スポット１６の径方向の位置を、それが対物レンズ８の位置を変えることによって情報層２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。

対物レンズ８は、走査スポット１６を形成するために、コリメートされた放射ビーム２０を、第一の開口数ＮＡ_１を有する、集束された放射ビーム１５へ変換するために配置される。言い換えれば、光学走査デバイス１は、波長λ_１、偏光ｐ_１、及び開口数ＮＡ_１を有する放射ビーム１５の手段によって、第一の情報層２を走査することが可能なものである。

さらには、この実施形態における光学走査デバイスは、また、放射ビーム４’の手段によって第二の光学記録担体３’の第二の情報層２’を、及び、放射ビーム４’’の手段によって第三の光学記録担体３’’の第三の情報層２’’を、走査することが可能なものである。このように、対物レンズ系８は、情報層２’の位置に第二の走査スポット１６’を形成するために、コリメートされた放射ビーム２０’を、第二の開口数ＮＡ_２を有する、第二の集束された放射ビーム１５’へ変換する。対物レンズ系８は、また、情報層２’’の位置に第三の走査スポット１６’’を形成するために、コリメートされた放射ビーム２０’’を、第三の開口数ＮＡ_３を有する、第三の集束された放射ビーム１５’’へ変換する。

走査スポット１６、１６’、１６’’のいずれか一つ以上が、エラー信号を提供することにおける使用のための二つの追加のスポットで形成されることがある。これらの関連した追加のスポットを、光学ビーム２０の経路に適当な回折素子を提供することによって、形成することができる。

光学記録担体３と同様に、光学記録担体３’は、第二の透明層５’を含み、その透明層の一方の側には、情報層２’が、第二の情報層の深さ２７’で配置され、且つ、光学記録担体３’’は、第三の透明層５’’を含み、その透明層の一方の側には、情報層２’’が、第三の情報層の深さ２７’’で配置される。

可変レンズ３０内のメニスカスは、走査される光学記録担体のタイプを示す信号（例．信号は、可変レンズの所望の焦点距離を示すものである）を受信するメニスカス制御器を使用することで、制御されることがあると共に、制御器は、次に、実質的に球面収差の無い動作と共に、可変レンズの所望の焦点距離を提供するために必要とされた各々のメニスカスの所望の形状を示す（例．メモリストア又はルックアップテーブルからの）データを読み取る。

あるいは、検出系１０は、また、球面収差及び／又はスポットの焦点を検出し且つ可変レンズ３０の動作を制御するための、レンズ制御信号をサーボ回路１１へ提供することがある。球面収差の信号は、このように、質の信号として、最適な動作を達成するために、即ち、与えられた所望の焦点距離についての可変レンズによって提供される実質的に正味の球面収差と共に、メニスカスの各々の形状（曲率半径）の最適の設定を決定するための入力として、使用される。与えられた所望の焦点距離は、検出系１０によって決定されたフォーカスエラー信号が、最小限であるときのものである。

この実施形態においては、光学記録担体３、３’、及び３’’は、ほんの一例として、それぞれ、“ブルー・レイ・ディスク”形式のディスク、ＤＶＤ形式のディスク、及びＣＤ形式のディスクである。このように、波長λ_１は、３６５ｎｍと４４５ｎｍとの間の範囲に含まれ、且つ好ましくは４０５ｎｍである。開口数ＮＡ_１は、読み取りモード及び書き込みモードの両方において、約０．８５に等しい。波長λ_２は、６２０ｎｍと７００ｎｍとの間の範囲に含まれ、且つ好ましくは、６５０ｎｍである。開口数ＮＡ_２は、読み取りモードにおいては約０．６に等しく、且つ、書き込みモードにおいては０．６より上、好ましくは０．６５である。波長λ_３は、７４０ｎｍと８２０ｎｍとの間の範囲に含まれ、且つ好ましくは約７８５ｎｍである。開口数ＮＡ_３は、ＣＤ形式のディスクからの情報の読み取りについては０．５より下であり、且つ好ましくは０．４５であり、且つ、ＣＤ形式のディスクへ情報を書き込むためには好ましくは０．５と０．５５との間にある。

本発明の代わりの実施形態において、ここに記載されたような可変レンズ３０は、顕微鏡の一部を形成する。顕微鏡の対物レンズは、試験体によって放出された光を平行なビームへと変換する。先行技術のデバイスにおいて、これは、典型的には、対物系を機械的に変位させることによって、対物系の焦点を試験体と一致させることによって、成し遂げられる。通常の先行技術の液体レンズが、（液体レンズの焦点距離を変化させることによって）この焦点調節の動作を行うために利用されたとすれば、これは、一般には、異なる量の収差をビームへ導入して、このようにビームの光学的な質を劣化させるであろう。ここに記載されたような可変レンズを使用することによって、可変レンズの焦点距離を、球面収差がビームへ導入されることなく、変えることができる。

二つの流体の間におけるメニスカスの形状を変える動作を、多種多様な技術を使用することで行うことができる。エレクトロウェッティング効果を、メニスカスの形状（例．曲率半径）を変えるために利用することができる。例えば、国際公開第９９／１８４５６号パンフレット及び国際公開第００／５８７６３号パンフレットは、可変焦点レンズを記載する。

本発明の実施形態に従った第一の及び第二のレンズ素子は、各々、各々のレンズ素子における流体に印加された電圧が、各々のレンズ素子内のメニスカスの形状が適当であることを保証することを、保証するための適当な電圧の制御の追加と共に、このような知られた可変焦点レンズのそれぞれ一つから形成されることがある。言い換えれば、各々のメニスカスは、別個の流体チャンバー又はセル内に形成される。本発明の実施形態に従った可変レンズは、このようなレンズ素子の二つ（以上）を直列に置くことによって、このように形成されると共に、共通の光軸が各々のレンズ素子を通じて延在する。各々のレンズ素子は、このように、光軸を横切って延在するメニスカスで接触した二つの流体を含むと共に、各々のレンズ素子の二つの流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有する。第二のレンズ素子は、第一のレンズ素子と同じ流体を利用することがあるか、又は、一つ以上の異なる流体を利用することがある。

あるいは、及びより好ましくは、二つのメニスカスは、単一の共通のチャンバー内に形成されると共に、流体の単一の本体が、両方のメニスカスを分離する（例．図１に示されるようなもの）。図３は、本発明の実施形態に従ったエレクトロウェッティングレンズ３３０の一つの例を示す。可変レンズ３３０は、一般に、（国際公開第２００４／０３８４８０号パンフレットとして公開された）国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ２００３／００４５９５号に記載されたズームレンズに類似のものである。

可変レンズ３３０は、チャンバー３００を含む。三つの流体Ａ、Ｂ、Ｂ’は、チャンバー３００内に位置させられる。チャンバー３００は、この実施形態においては、側壁３０６及び端壁３０２、３０４によって定義された円筒形のチャンバーである。光軸１９は、チャンバーを通じて延在する。二つのメニスカス３３２、３３４は、チャンバー内の三つの流体Ａ、Ｂ、Ｂ’によって定義される。各々のメニスカス３３２、３３４は、光軸１９を横切って延在する。チャンバー３００内の流体Ａ、Ｂ、Ｂ’の少なくとも一つは、流体の少なくとも一つが電気的に影響されやすいものではない一方で、電気的に影響されやすいものである（即ち、流体は、電場の印加によって影響を及ぼされる）。

この特定の実施形態において、流体Ａは、電気的に影響されやすいものではない、例．それは、油又はアルカンのような絶縁体である。流体Ｂ、Ｂ’は、電気的に影響されやすい流体である、例．流体Ｂ、Ｂ’は、水性の塩の溶液のような、電気伝導性の流体である。第一のメニスカス３３２は、流体Ａ、Ｂ間の界面によって定義される。流体Ａ及びＢは、異なる屈折率を有する。第二のメニスカス３３４は、流体Ａ及びＢ’の間の界面によって定義される。流体Ａ及びＢ’は、異なる屈折率を有する。流体Ｂ及びＢ’は、同一の屈折率を有することがある（と共に同じ流体であることがある）が、しかし、この特定の実施形態においては、それらは、異なる屈折率を備えた異なる流体である。

チャンバーの末端３０２、３０４は、光学的に透明な材料、例．ガラスによって定義される。この特定の実施形態においては、末端３０２、３０４は、また、それぞれの隣接した流体Ｂ、Ｂ’へ電圧を印加するための電極として作用する。これを、透明な電気伝導体、例．酸化スズインジウムの層、で末端をコートすることによって、得ることができる。円筒形のチャンバー３００の側面３１６は、絶縁層３０６、例えばパリレンでコートされる。好ましくは、薄い疎水性のコーティング（例．ＡＦ−１６００）は、パリレン層の内部の表面に提供される。円筒形の電極３１６は、絶縁性の円筒形のチャンバーの側壁３０６の外側の表面のまわりに、このように延在する。電極３１６を金属の管で構築することができる。

第一の電圧源３１２は、メニスカス３３２の形状を変化させるために、第一の末端の電極３０２及び円筒形の側面の電極３１６にわたって電圧を適用するために配置される。第二の電圧源３１４は、第二の末端の電極３０４及び円筒形の側面の電極３１６にわたって電圧を印加して、メニスカス３３４の形状を変化させるために配置される。

エレクトロウェッティングは、流体による表面の濡れ性が、電圧の印加の下で変動する現象である。これは、三相の線でのメニスカスの接触角の変化に帰着し、且つ、よってメニスカスの形状を変化させる。三相の線は、表面と二つの隣接した流体との間の接触の線である。例えば、メニスカス３３２についての三相の線は、メニスカスの境界線が円筒形の側壁３０６に接触する点である。このように、電極３０２及び３１６の間における電圧源３１２からの電圧の印加によって、表面３０６の濡れ性を、変えることができ、三相の接触線における変化、及びよって、メニスカスの曲率半径におけるその結果としての変化に至る。同様に、メニスカス３３４の形状を、電極３０４及び３１６の間における電圧の印加によって制御することができる。

このように、メニスカス制御器３１０は、電圧源３１２、３１４並びに電極３０２、３０４及び３１６によって提供されるが、その制御器は、両方の材料の形状の制御を可能にする。メニスカス制御器３１０は、第一のメニスカス３３２によって生じた球面収差の量が、第二のメニスカス３３４によって生じた球面収差の量によって実質的に補償されるように、メニスカスの形状を制御するように配置される。メニスカス制御器は、ある範囲の可変な焦点距離が可変レンズ３３０によって提供されることを可能にするために、メニスカスの形状を制御するように、さらに配置される。

しかしながら、エレクトロウェッティングを除いて他の技術が、各々のメニスカスの形状を変えるために、適用されることがあることは、認識されることになる。

たとえば、図４は、本発明の実施形態に従った可変レンズにおける使用に適切なレンズ素子４３０を示す。レンズ素子４３０は、チャンバー４００内に位置させられた流体Ａ、Ｂの体積を変化させるための、ポンピングシステムを利用する。光軸１９は、チャンバー４００を通じて延在する。チャンバー４００は、均一な濡れ性のものである側壁４１０を有する。チャンバー４００は、円錐台として整形されると共に、側壁４１０は、（線形なものに対立するものとして）曲面のものである。このように、流体Ａ、Ｂの間に定義されたメニスカス４３２が、光軸に沿って移動させられると、メニスカス４３２の形状は、変化する。これは、メニスカス４３２が、表面の濡れ性が均一であると、一定の三相の接触角を維持することを試みるためである。この一定の三相の接触角を維持するためには、光軸１９に相対的な側壁の角度が、光軸１９に沿った距離の関数として変化すると、メニスカスの形状は、それが光軸１９に沿って移動すると、変化する。

入口４０２、４０４は、チャンバー４００のそれぞれの末端で、ポンプ４０６へ接続される。ポンプ４０６は、チャンバー内の不混和性の流体Ａ、Ｂのそれぞれの体積を変えて、光軸に沿ってメニスカスの位置を変えるために、利用される。このように、ポンプ４０６は、光軸に沿ったメニスカス４３２の並進によってメニスカス４３２の形状を変化させるために、メニスカスの制御器として作用する。類似のレンズ素子は、二つのレンズ素子によって形成された可変レンズが、所定の波長又はある範囲の波長の入射する放射に対して無視できない球面収差を提供することを保証するために、適当な制御器と共に、図の４３０に示されたものと直列に提供されるであろう。

代わりの実施形態において、図４の構成が、壁へのメニスカスのピン留めとの組み合わせで使用される。メニスカスの境界線を、壁の幾何学的配置又は濡れ性における突然の変化によって、壁における特定の位置へピン留めすることができる。ポンピングによって体積を変化させることは、次に、メニスカスの形状における変化を提供すると共に、位置における変化を提供しない。

ここに記載されたように、可変レンズは、二つのメニスカスを含む。メニスカスの制御器は、第一のメニスカスによって生じた球面収差の量が、第二のメニスカスによって生じた球面収差の量によって実質的に補償されるように、メニスカスの形状を制御するように配置される。これは、無視できる球面収差を提供する適切な可変レンズを提供するために、可変レンズが、ある範囲の焦点の距離（及び／又は入射する放射のある範囲の波長）にわたって調整されることを可能にする。このように、球面収差の無いものであり且つ振動によって影響を及ぼされがちなものではない、相対的に安価な可変レンズを、提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に従ったデバイスにおける可変レンズのレイアウトを図解する概略図である。 図２は、本発明の実施形態に従った可変レンズを組み込む光学走査デバイスの概略図である。 図３は、本発明の実施形態に従った、エレクトロウェッティング効果を使用することで制御された可変レンズの概略図である。 図４は、本発明のさらなる実施形態に従った可変レンズにおける使用のための、ポンピングを使用することで制御されたレンズ素子の概略図である。

Claims (17)

1. 光軸を有する可変レンズであって、
   当該レンズは、該光軸を横切って延在する第一のメニスカスで接触した二つの流体を含む第一のレンズ素子を含み、該流体は、不混和性であり且つ異なる屈折率を有し；
   当該レンズは、該光軸を横切って延在する第二のメニスカスで接触した二つの流体を含む第二のレンズ素子を含み、該流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；且つ、
   当該レンズは、各々のメニスカスの形状を制御するように配置されたメニスカス制御器：を含み、
   該メニスカス制御器は、少なくとも所定の波長の放射について、該第一のメニスカスによって生じた球面収差の量が、該第二のメニスカスによって生じた球面収差の量によって実質的に補償されるように、該メニスカスの形状を制御するように配置される、レンズ。
2. 前記メニスカス制御器は、前記メニスカスによって提供された球面収差の正味の量が、２００ｍλのＯＰＤｒｍｓよりも少ないことを保証するように、各々のメニスカスの形状を制御するように配置される、請求項１に記載のレンズ。
3. 前記メニスカス制御器は、前記メニスカスによって提供された球面収差の正味の量が、１００ｍλのＯＰＤｒｍｓよりも少ないことを保証するように、各々のメニスカスの形状を制御するように配置される、請求項１に記載のレンズ。
4. 前記メニスカス制御器は、前記メニスカスによって提供された球面収差の正味の量が、回折限界よりも少ないように、各々のメニスカスの形状を制御するように配置される、請求項１乃至３のいずれかに記載のレンズ。
5. 前記第一のレンズ素子及び前記第二のレンズ素子は、流体の第一の、第二の及び第三の本体を含有する単一の共通の流体チャンバーによって定義され、
   該流体の第一の及び第二の本体は、前記第一のレンズ素子の前記二つの流体であり、且つ、該流体の第二の及び第三の本体は、前記第二のレンズ素子の前記二つの流体である、請求項１乃至４のいずれかに記載のレンズ。
6. 前記メニスカス制御器は、各々のメニスカスの曲率半径を変えるように配置される、請求項１乃至５のいずれかに記載のレンズ。
7. 前記メニスカスの少なくとも一つの位置を検出し且つ前記メニスカス制御器に対する測定された位置を示す信号を提供するように配置されたメニスカス検出器をさらに含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のレンズ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の可変レンズを含む装置。
9. 前記可変レンズを透過した放射ビームの球面収差を決定するための、且つ、検出された球面収差を示すメニスカス制御器へ信号を提供するように配置された、球面収差検出器をさらに含む、請求項８に記載の装置。
10. 当該装置は、光学走査デバイス、カメラ、携帯電話、顕微鏡、及び望遠鏡：の少なくとも一つを含む、請求項８又は９に記載の装置。
11. 光軸を有する可変レンズを製造する方法であって、
    当該方法は、該光軸を横切って延在する第一のメニスカスで接触した二つの流体を含む第一のレンズ素子を提供することを含み、該流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；
    当該方法は、該光軸を横切って延在する第二のメニスカスで接触した二つの流体を含む第二のレンズ素子を提供することを含み、該流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；且つ
    当該方法は、各々のメニスカスの形状を制御するように配置されたメニスカス制御器を提供すること：を含み、
    該メニスカス制御器は、少なくとも所定の波長の放射について、該第一のメニスカスによって生じた球面収差の量が、該第二のメニスカスによって生じた球面収差の量によって実質的に補償されるように、該メニスカスの形状を制御するように配置される、方法。
12. 光軸を有する可変レンズを動作させる方法であって、
    該レンズは、該光軸を横切って延在する第一のメニスカスで接触した二つの流体を含む第一のレンズ素子を含み、該流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；
    該レンズは、該光軸を横切って延在する第二のメニスカスで接触した二つの流体を含む第二のレンズ素子を含み、該流体は、非混和性であり且つ異なる屈折率を有し；
    当該方法は、少なくとも所定の波長の放射について、該第一のメニスカスの球面収差が、該第二のメニスカスの球面収差を実質的に補償するように、各々のメニスカスの形状を制御すること：を含む、方法。
13. 前記レンズの所望の焦点距離を示す信号を受信すること；及び
    該所望の焦点距離を提供するために各々のメニスカスの所望の形状を示すデータを読み取ること
    ：をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記メニスカスの少なくとも一つの形状を、他のメニスカスの所望の形状を決定するために、決定すること：をさらに含む、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 該可変レンズを透過した放射ビームの球面収差を測定することを示す信号を決定すること；及び
    該放射ビームへ提供された正味の球面収差を減少させるように各々のメニスカスの形状を制御すること
    ：をさらに含む、請求項１２乃至１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記メニスカス制御器は、エレクトロウェッティング効果によって前記メニスカスの少なくとも一つの形状を制御するように配置される、請求項１２乃至１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記レンズ素子の少なくとも一つは、二つのそれぞれの流体を含有する流体チャンバーを含み：
    当該方法は、前記チャンバー内に含有された各々の流体の体積を調節することによって、チャンバーを含む前記レンズ素子の前記メニスカスの形状を制御すること：をさらに含む、請求項１２乃至１６のいずれかに記載の方法。
    

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