JP2010532010A - 高分子電極を有するエレクトロウェッティング装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、液−液界面（１９）において互いに接触する第一および第二の非混和性液体（１６，１８）を備えるチャンバ（１５）を備え、第一の液体は絶縁性液体であり第二の液体は導電性液体であり、第一の電極（２０）は第二の液体に接触し、第二の電極（２０２）は絶縁層によって第一および第二の液体から絶縁され、第二の電極は導電性の成型された高分子材料から形成され、上記液−液界面の曲率は上記第一および第二の電極間の電圧の印加により制御可能である、エレクトロウェッティング光学装置に関する。

Description

発明の分野
本発明は、エレクトロウェッティング（electrowetting）装置に関し、特に、高分子材料により形成された少なくとも一つの電極を有するエレクトロウェッティング装置に関する。

発明の背景
エレクトロウェッティング装置、特にエレクトロウェッティングレンズは、当該技術分野において公知であり、概して、第一の非混和性液体と第二の非混和性液体との間の、エレクトロウェッティングにより移動可能な屈折界面を備える。

図１は、欧州特許出願ＥＰ１６６２２７６号の図４を表わし、先行技術の一例に従った可変焦点レンズ１０を示す。レンズ１０は、並行してかつ互いに対向して配置され、異なる光学指標を有する二つの非混和性液体１６，１８を含む内部容積１５の境界を一部定める、二つの透明窓１２，１４を備える。二つの液体は、これらが接するところで、メニスカス形状の光学界面１９を形成するが、この光学界面は、多数の異なる形状を有し得る。線Ａおよび線Ｂにより例が示される。液体１６，１８は、実質的に等しい比重を有し、一方は好ましくは、たとえば油および／または油性物質を備える絶縁性液体であり、他方は好ましくは、たとえば水溶液を備える導電性液体である。

窓１２，１４は好ましくは、ガラスのような光学的透明材料で形成される、透明の板である。

液体を含むレンズ１０の構造は、たとえば接着剤２１によって透明窓１２が固定される蓋２１と、たとえば接着剤２３によって透明窓１４が固定される本体２２とを備える。蓋２０と本体２２とは、ガスケット２４により分離される。蓋２０は、実質的に円筒状の側壁２６を備え、一方本体２２は、実質的に円筒状の側壁２７を備える。ガスケット２４は、側壁２６と側壁２７との間に位置し、レンズ構造の堅固さを確保する。

この例では、蓋２０と本体２２とがレンズの電極を形成する。蓋２０は、導電性液体１８に電圧を供給するために使用される。本体２２は、液−液界面１９の端部近くに電圧を供給するために使用される。液−液界面１９の端部は、環状の本体の絶縁された円錐形表面２６に接触する。円錐状表面２６を含む、液体１６，１８に接触する本体の一部は、絶縁層（図示せず）で被覆される。界面１９は、環状の本体２２の、光線が通過可能な開口を横切った。

エレクトロウェッティング効果によって、蓋２０と本体２２との間に電圧を印加することで、円錐状表面２６上で液−液界面の端部の位置を変化させ、それにより液体１６と液体１８との間の屈折界面の曲率を変化させることが可能である。たとえば、界面は、初期の点線Ａで示される凹形状から、実線Ｂで示されるような凸形状へ変化してもよい。このようにして、屈折界面Ａ，Ｂの領域内で窓１２，１４に対し垂直にレンズを通過する光線は、蓋２０と本体２２との間に印加される電圧に依存して、より多くまたは少なく焦点を合わせられる。

本体２２は、金属により形成され、図１に示す形状に機械加工される。たとえば、本体２２が環状であるとき、本体は機械の中で回転され、所望の形状を切削するために刃が使用されてもよい。特に携帯電話産業のようないくつかの産業での使用のために、液体レンズをより薄くする一般的な要請がある。これにより、本願出願人は、０．５ｍｍを下回る極小高さの本体を有するレンズを設計するに至った。しかしながら、そのような小さい寸法のためには、本体を機械加工するのは不正確であるとわかっている。この不正確さのために、本体のある表面が必要とする余裕を増加させる必要があるが、このことが液体の界面との接触のために利用可能な範囲を減少させ、逆にレンズの焦点範囲を減少させる。

発明の要約
本発明の実施の形態の目的は、先行技術の一つ以上の欠点を少なくとも部分的に克服する、レンズを提供することである。

本発明の一の局面に従えば、液−液界面において互いに接触する第一および第二の非混和性液体を含み、第一の液体は絶縁性液体であり第二の液体は導電性液体である、チャンバと、第二の液体に接触する第一の電極と、絶縁層によって第一および第二の液体から絶縁される第二の電極と、を備え、第二の電極は導電性の成型された高分子材料から形成され、上記液−液界面の曲率は上記第一および第二の電極間の電圧の印加によって制御可能である、エレクトロウェッティング光学装置が提供される。

本発明の他の実施の形態に従えば、第二の電極は、固有導電性高分子を含む高分子材料により形成される。

本発明の一実施の形態に従えば、第二の電極は、導電性粒子の導入によって導電性にされた高分子材料により形成される。

本発明の一実施の形態に従えば、高分子材料は、熱可塑性高分子、好ましくは液晶ポリマーである。

本発明の一実施の形態に従えば、高分子材料は、熱硬化性高分子、好ましくはエポキシである。

本発明の一実施の形態に従えば、高分子材料は、炭素の粒子を備える。
本発明の一実施の形態に従えば、高分子材料は、カーボンナノチューブを備える。

本発明の一実施の形態に従えば、第二の電極は、射出成形される。
本発明の一実施の形態に従えば、第二の電極は、１０^４から１０^７Ω・ｃｍの範囲、好ましくは１０^５から５×１０^６Ω・ｃｍの範囲の導電率を有する。

本発明の一実施の形態に従えば、エレクトロウェッティング光学装置は、上記第二の電極上に複数の接点を備え、各々の接点は、上記液−液界面の異なる部分を制御するための別々の電圧を受けるために配置される。

本発明の一実施の形態に従えば、第二の電極は、成型された非導電性高分子部分をさらに備える本体の一部である。

本発明の一実施の形態に従えば、エレクトロウェッティング光学装置は、ガスケットによって絶縁された蓋と本体とを備え、第二の電極は本体の少なくとも一部を形成する。

本発明の一実施の形態に従えば、エレクトロウェッティング光学装置は、一以上の別々の電圧の印加に基づいて、可変焦点、可変傾斜および可変非点収差の関数の一つ以上を提供するように、配置される。

本発明の一実施の形態に従えば、第二の電極は、上記液−液界面の端部に接触するように配置された、円錐状表面を備える。

本発明の他の局面に従えば、撮像のためのイメージセンサと、上記イメージセンサに像を形成するように配置され、上記の光学装置を備える、レンズ装置と、上記第一および第二の電極間に印加された少なくとも一つの電圧を生成するために配置された駆動回路と、を備える、光学設備が提供される。

本発明の一実施の形態に従えば、光学設備は、上記光学設備の動きを検出するための動き検出器をさらに備え、上記光学装置は、上記動き検出器により検出された動きに対応して上記イメージセンサに形成された像を移動するために配置される。

本発明の一実施の形態に従えば、駆動回路は、上記第一の電極と上記第二の電極の第一の接点との間に印加される第一の周波数の第一発振電圧を生成するため、および、上記第一の電極と上記第二の電極の第二の接点との間に印加される上記第一の周波数と異なる第二の周波数の第二発振電圧を生成するために、配置される。

本発明の他の局面に従えば、上記光学設備を備える携帯電話が提供される。
本発明の他の局面に従えば、上記光学設備を備えるデジタルカメラが提供される。

本発明の他の局面に従えば、上記エレクトロウェッティング光学装置を形成する方法であって、金型を使用して上記高分子材料を成型することにより上記第二の電極を形成するステップを備える、方法が提供される。

本発明の一実施の形態に従えば、成型するステップは、上記第二の電極を射出成形するステップを備える。

図面の簡単な説明
本発明の上述したおよびその他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面に関連して例示のためであって制限的でなく与えられた、以下の実施の形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

（上述された）先行技術に従った液体レンズの断面図である。 本発明の第一の実施の形態に従った液体レンズの断面図である。 本発明の他の実施の形態に従った液体レンズの断面図である。 図３Ａの液体レンズの平面図である。 更なる実施の形態に従った図３Ａの液体レンズの平面図である。 本発明の実施の形態における傾斜効果を模式的に示す断面図である。 本発明の更なる実施の形態に従った液体レンズを示す平面図である。 本発明の更なる実施の形態に従った液体レンズを示す平面図である。 本発明の実施の形態に従った光学設備の模式図である。 本発明の他の実施の形態に従った液体レンズの断面図である。

発明の詳細な説明
図２は、本発明に従った可変焦点液体レンズ２００の例を示す断面図である。レンズ２００は、たとえば透明窓１２，１４、液体１６，１８、蓋２０、ガスケット２４などの、上述したレンズ１０と同一の部品を多数備える。これらの部品は、再度詳細に説明されない。しかし、レンズ２００において、本体２２は本体２０２によって置き換えられている。

本体２０２は、導電性高分子材料が成型されている。本体２０２は、円錐状表面２０４を備えるように成型されているが、円錐状表面はレンズの光学軸Δに対して回転対称であり、屈折界面１９の中心を合わせるために使用される。円錐状表面２０４は、光学軸Δを通過する頂点を有する円錐の一部を形成するように、光学軸Δに対して傾いた傾斜面である。

本体２０２はさらに、窓１４を受けるための窪み領域２０６と、本体の下側から突起し、本体２０２の電圧源への接続を容易にする、環状脚２０８と、を備える。本体２０２は、ガスケット２４に接触してレンズの堅固さを確保する、実質的に円筒状の外表面２１０を備える。本体２０２の、少なくとも液体１６，１８に接触する領域は、絶縁層（図示せず）で被覆されている。

本体２０２は好ましくは、熱可塑性高分子の一種で形成される。好ましくは本体は、レンズの内部容積１５内に液体１６，１８を含むために十分に密閉されるように、０．１５ｇ・ｍｍ／ｍ^２・ｄａｙ（ＤＩＮ ５３１２２ ｐａｒｔ ２により測定される）未満の水蒸気透過（ＷＶＴ，Water Vapour Transmission）を有する、熱可塑性高分子で形成される。より好ましくは、本体２０２のＷＶＴ係数は、０．０２ｇ・ｍｍ／ｍ^２・ｄａｙ未満である。

本出願人は、液晶ポリマー（ＬＣＰ，Liquid Crystal Polymer）がそのＷＶＴ係数に関して良好な材料であることを示した。それゆえに、本体は好ましくは、たとえばＴｉｃｏｎａ社のＶｅｃｔｒａ Ａ７２５のような、ＬＣＰを備える。

本出願人は、たとえばエポキシのような熱硬化性高分子もまた、本体２０２を形成するために使用できることを示した。熱硬化性高分子は、良好な機械的特性を示し、良好な化学的耐性および適切に低いＷＶＴ係数を有する。

本体２０２の役割の一つは、レンズの電極を形成し、円錐状表面２０４近くの領域に電圧が供給されるようにすることである。それゆえに、本体２０２の高分子材料は、固有導電性高分子（ＩＣＰ，intrinsically conductive polymer）で形成されてもよい。ＩＣＰの語は、多共役π電子系（すなわち、二重結合、芳香環もしくはヘテロ芳香環、または三重結合）を有する有機化合物をいう。そのような高分子の例は、ポリジアセチレン、ポリアセチレン（ＰＡｃ）、ポリピロール（ＰＰｙ）、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリチオフェン（ＰＴｈ）、ポリイソチオナフタレン（ＰＩＴＮ）、ポリヘテロアリレンビニレン（ＰＡｒＶ）（ヘテロアリレン基はチオフェン、フラン、ピロールであってもよい）、ポリ−ｐ−フェニレン（ＰｐＰ）、ポリフタロシアニン（ＰＰｈｃ）など、およびこれらの派生物（たとえば、側鎖または側基で置換されたモノマーから形成される）、これらの共重合体、これらの混合物である。有利には、固有導電性高分子と、従来の加工に適した熱可塑性樹脂と、の混合物が使用されてもよい。そのような混合物の例は、Ｋｕｌｋａｒｎｉらの米国特許第５，２１７，６４９号に開示されるが、これは法により許可され得る程度まで本明細書中に引用により援用される。この特許は、「ドープされた」ポリアニリンと、塩化ポリビニル、塩素化ポリエチレンまたはその他の高い電気伝導性を示す熱可塑性高分子との混合により、導電性高分子の混合物を作ることを開示する。混合物は、固有導電性高分子、絶縁性熱可塑性材料、ならびに、衝撃改質剤、エステルの入っていない可塑剤、および酸性界面活性剤から成る群より選択される少なくとも一つの添加物を備える。

ＬＣＰまたはエポキシのようないくつかの高分子は、固有導電性ではないが、導電性の粒子または繊維を高分子中に混合するまたは埋め込むことにより導電性にすることができ、本体２０２を形成するための複合導電性高分子が形成される。たとえば炭素繊維、カーボンナノチューブまたは微細な金属ワイヤのような繊維を使用することで、機械的強度の高い複合物が形成されるが、これは、たとえば蓋が波形にされた本体のような、機械的応力が加わりやすい本体を形成するために、特に有利である。たとえばガラスを被覆する銀のような、金属で被覆された繊維を使用する変形例も可能である。

導電性材料を設けるために高分子に混合された粒子を使用することは、これにより本体２０２の密閉性を向上できるので、いくつかの場合において好ましい。一つの例によると、炭化水素蒸気の不完全燃焼によって生産された、カーボンブラックの添加物を有する高分子が使用されてもよい。そのような材料は、黒い複合物を有するポリエチレンを含む。また、本体２０２の導電性をより良く制御するために、たとえばニッケルまたは銀などの金属粒子が混合された高分子が使用されてもよい。あるいはまた、高分子に導電性粒子がドープされてもよい。一つの例は、高分子母材と共通の溶媒を有する金属の有機電荷移動塩を使用することである。このような材料は、網状ドープ高分子と名づけられる。

本体２０２を形成するために、射出成形が使用されるのが好ましい。インジェクションマウンディング（injection mounding）によって、金型の表面を何度も複製することができる。そのため、たとえば何千もの高分子の本体２０２を製造するために使用される金型は、それが非常に正確であることを保証するために、高価な金属が機械加工されてもよい。さらに、高分子の本体２０２の、レンズの光学的品質を決定する円錐状表面２０４を形成する表面のような、金型の表面は、表面粗度を向上するために、好ましくは研磨される。本体２０２がエポキシのような熱硬化性高分子で形成されるとき、複製のような他の成型技術が使用されてもよい。

蓋２０は、窓１２のために設けられた開口と側部２４との間の上面に、多数の起伏２１４を備える。起伏２１４は、光学軸に対して回転対称である。起伏２１４により、レンズの液体１６，１８の拡張または収縮に対応して、光学軸Δに垂直な方向において窓１２が多少動くことができる。

電気的絶縁層（図２には図示せず）は、本体２０２の少なくとも液体１６，１８に露出した部分を覆って設けられる。これは有利には、フッ素化パリレンで形成されてもよい。たとえば、パリレンＣ、パリレンＮ、パリレンＤ、パリレンＡＦ−４、パリレンＦ（パリレンＨＴまたはパリレンＤｉｘＦとして市販されている）、パリレンＶＴ−４、または他の種類のフッ素化パリレンなどで形成されてもよい。好ましくは、パリレンＣまたはパリレンＦが使用される。それに代えて、たとえばパリレンＣと、パリレンＤ、パリレンＡＦ−４、パリレンＦもしくはパリレンＶＴ−４とのような、上記のパリレン型高分子の積層でもよく、または、レンズの特定の液体１６，１８の関数として選択される異なるパリレンのその他の組合せでもよい。絶縁層は、印加される電圧などのレンズの特性に依存して、たとえば５０ｎｍと１００ミクロンとの間の厚みを有し、典型的な値は１ミクロンと１０ミクロンとの間である。被覆は、化学気相成長法により施されてもよい。たとえば、均一な層をもたらす気相蒸着重合法でもよい。パリレンを形成する材料は、良好な誘電体特性を示し、有利には低い液体吸収性を有し、本体２０２への保護用の被覆と相当に高い熱膨張係数とを提供し、本体２０２の温度変化に対する被覆の良好な絶縁信頼性を導く。特に、パリレンが（高いＣＴＥを有する）樹脂であることを考えると、系に熱応力が作用するとき誘電体は基板の熱膨張に追従することができ、これは信頼性の高い誘電体層であることを意味する。代替の被覆は、たとえば５０ｎｍと１０００ｎｍとの間の厚みを有し、たとえば被覆を覆って形成された数ナノメートルと１００ナノメートルとの間の厚みの疎水性層を有する、薄い電気的絶縁性の無機層を備えてもよい。

いくつかの実施の形態では、本体２０２に一つの電圧が印加されるが、本体２０２が十分に導電性を有するので、電圧は本体２０２の全ての領域、特に円錐状表面１０４の近くに、比較的均一に分散する。その代わりに、抵抗性の本体２０２が設けられても良いが、ここでは説明されない。

図３Ａは、レンズ２００の断面図であって、複数の電圧が本体２０２に印加される例を示すために使用される。これにより、傾斜または非点収差を設けるように液体界面１９を制御することができる。

この例では、本体２０２は、部分的に誘電性の、たとえば１０^４から１０^７Ω・ｃｍの範囲の、好ましくは１０^５から５×１０^６Ω・ｃｍの範囲の、より好ましくは約５×１０^５Ω・ｃｍに等しい、均一な導電性を有する材料で形成される。その結果、本体２０２周囲の異なる点に複数の異なる電圧が印加されるとき、レンズ周囲の異なる領域における液体界面１９の端部の変位は、ある程度まで別々に制御される。

図３Ａは、電圧Ｖ１が点３００において本体２０２の環状脚２０８の一方側に印加され、加えて、第二の電圧Ｖ２が点３０２において環状脚２０８の反対側に印加される例を示す。電圧はたとえば、各々実効値０Ｖから１２０Ｖの範囲の交流電圧である。たとえば電圧は、たとえば一点において本体２０２に接着された電線の先端によって印加されてもよく、または、たとえば接着され、気相蒸着プロセスにより堆積され、もしくは力により本体に押圧された中間導体によって、より大きな範囲に亘って接続が広げられてもよい。一実施の形態では、電気的接点の各々は、液体界面の近傍に近い、好ましくは、円錐状表面２０４の上端および下端から比較的均一な距離において円錐状表面２０４に最も近接する端部を有し、円錐状表面の頂および底から比較的均質の電界を設ける、薄い層として広げられてもよい。

本体２０２は回転対称に設けられてもよく、レンズがホルダ内に設置されるとき、一度に異なる電圧を供給するために本体２０２との接続が形成されてもよいことは明白である。その代わりとして、接続が形成される環状脚２０８から延びる多数の接続突起が形成されてもよいが、これはたとえば、電極が機械加工されるというよりもむしろ成型されるために、可能である。

印加される電圧Ｖ１，Ｖ２は、本体２０２内部に電位勾配を生成する。この勾配は、本体２０２の導電率に依存する。したがって、円錐状表面２０４に近い規定位置における本体２０２内部の有効電圧は、電圧Ｖ１またはＶ２の大きさに依存し、規定位置から点３００，３０２への距離にも依存する。有効電圧（Ｖｃ）は、領域３０８，３１０に印加され、エレクトロウェッティングにより界面１９の端部を動かし、したがって界面２１２と表面２２４との間の接触角も変化させるが、接地されたＲＣ回路に関するミルマンの式に基づいて、以下の通り概算される。

Ｖｃ＝Ｖ／√（１＋Ｒｓ^２ω^２Ｃｓ^２）＝Ｖ／√（１＋ｄ^２σ^２ω^２Ｃｓ^２）
ここでＶは、電極３００または３０２と蓋２０との間に印加される電圧Ｖ１またはＶ２である。ｄは、電極３００または３０２から界面の接続部分２０４までの距離である。ωは２πｆに等しいが、ここでｆは電圧Ｖの周波数である。Ｃｓは、円錐状表面２０４を覆う絶縁層の単位面積あたりの容量である。Ｒｓは、電極３００または３０２と円錐状表面２０４との間の単位面積あたりの抵抗である。σは、本体２０２の材料の抵抗率である。有効電圧Ｖｃは、電気的接続位置と本体２０２の三次元形状との複雑な関数であるが、距離ｄと導電性高分子の本体２０２の抵抗率σとを考慮して概算され得る。この公式から、高分子の本体２０２の抵抗率が高くなるほど、電極３００または３０２からの距離ｄに関連して電圧Ｖｃが早く降下するということがわかる。

矢印３０４，３０６に示されるとおり、電圧Ｖ２が印加される点３０２からの距離は、レンズの同じ側にある円錐上表面２０４に近い本体２０２内にある位置３０８に相対的に近いが、レンズの他の側にある円錐状表面２０４に近い本体２０２内にある位置３１０から相対的に遠い。図３Ａには図示されないものの、矢印３０６により示される経路は、実際には、レンズの両側の環状脚２０８の周囲を通る二つの分岐を備える。電極３０２に印加される電圧Ｖ２の大部分が液体界面１９の端部３１２の位置３０８に存在し、一方、電圧Ｖ１の比較的小さな割合が界面１９の端部の位置３１０に存在するように、電極３００，３０２が配置されるのが望ましく、本体２０２の抵抗率σが選択されるのが望ましい。したがって電圧Ｖ２は、位置３１０に近い液体界面１９よりも位置３０８に近い液体界面１９に、より大きな影響を与える。一方、逆のことが電圧Ｖ１に当てはまる。

本体２０２に複数の電圧が印加されるとき、電流が本体を通過する。この電流は、オームの法則Ｉ＝ΔＶ／Ｒに示されるように、本体２０２の抵抗率に反比例する。この理由により、抵抗率を増加させることは電流の減少につながり、したがって装置の電力消費量の低減に繋がる。一方、抵抗率が大きすぎると、本体での電圧の減衰が大きくなりすぎ、本体２０２内での孤立した（isolated）電位を導き、結果として液体界面１９のねじれを引き起こす。したがって、レンズの低電力消費を達成することと、本体２０２内における比較的均一な電位勾配と、の間の調整が行なわれるのが好ましい。

図３Ｂは、レンズ２００の下側を示す平面図であって、電圧Ｖ１およびＶ２が印加される点３００，３０２の位置の一例を示す。この例では、これらの点はレンズを横切る正反対の点にあり、光学軸Δと一致する。Ｖ２がＶ１よりも高い電圧であれば、点線３０８，３１０に示すように、本体２０２を通って電源Ｖ２から電源Ｖ１へ電流が流れる。点線３１２は、環状脚１０８に関して、液体界面の端部の位置を示す。図示されるように、電圧Ｖ２は、電源Ｖ２に最も近い領域３１４における液体界面１９に、より大きい影響を及ぼす。一方電圧Ｖ１は、電源Ｖ１に最も近い領域３１６における液体界面１９に、より大きい影響を及ぼす。このようにして、異なる電圧Ｖ１およびＶ２の印加により、液体界面は、異なるレンズの大きさに対し異なって制御される。

図３Ｃは、図３Ｂに類似する平面図であって、レンズ２００の下側に対応し、レンズ２００の更なる実施の形態を示す。この例では、本体２０２の環状脚２０８は、二つの窪んだ領域３２０をさらに備える。窪んだ領域３２０は、たとえばカメラモジュールなどの光学系に一体化されたとき、レンズ２００の正確な位置決めを行なう為の鍵の役割を果たす。鍵３２０はまた、本体２０２上での電気的接点３００，３０２の正確な位置決めを可能にする。これにより、たとえば製造上の理由で本体２０２の導電率が完全に均質でない場合に、レンズ２００のより再現性のある性能を得ることができる。これは、導電性の高分子の本体がたとえば単一のゲートを使用して射出成形されたとき、射出成形の径方向の対称性が悪いために、発生し得る。

図４は、液体レンズ２００の一部を模式的に示す断面図であり、異なる電圧Ｖ１およびＶ２の印加によってどのように傾斜が得られるかを示す図である。本体部分２０２を被覆する絶縁層は符号４０２で示される。本体２０２の左手側に印加された電圧Ｖ１が本体の右手側に印加された電圧Ｖ２よりも高い例が示されている。図示されるように、エレクトロウェッティング効果のために、左手側に供給されたより高い電圧は、液体界面１９のレンズの左手側における端部４０４が、右手側における端部４０４の変位よりも大きく変位する原因となる。この結果、屈折界面１９の通常の光学軸Δは窓１２，１４に垂直なレンズの中心軸を経由して延びるのに対し、傾斜した屈折界面の新たな光学軸Δ’は通常の光学軸Δに対し角度α分傾いているように、屈折界面１９が傾斜する。

角度αはたとえば、Ｖ１とＶ２との相違によって、０−３０°の範囲で制御可能である。レンズの規定の断面に対する角度αは、レンズの両側における屈折界面１９の端部４０４の円錐状表面２０４との間の接触角の相違の、およそ半分として決定されてもよい。電圧Ｖ１の領域における端部４０２と表面２０４との間の接触角βと仮定し、電圧Ｖ２の領域における端部４０２と表面２０４との間の接触角γと仮定すると、角度αは、（β−γ）／２とおよそ等しいように決定されてもよい。これは、屈折界面の幾何学的傾斜を表わす。有効な光学的傾斜はおよそ、以下のように決定され得る。

光学的傾斜＝幾何学的傾斜・Δｎ
ここでΔｎは、絶縁性液体１６の屈折率から導電性液体１８の屈折率を引いた差である。

いくつかの実施の形態に従えば、傾斜角はレンズの倍率、すなわち、屈折界面４０６の曲率の程度と同時に、制御可能である。レンズの倍率は、電圧Ｖ１およびＶ２の平均に基づいて決定されるが、一方傾斜は電圧Ｖ１とＶ２との差に従って決定される。

本発明者らは、電圧Ｖ１およびＶ２の周波数ｆもまた表面２０４の有効電圧に影響を与えることを見出した。特に、周波数ｆが高くなるほど、電源Ｖ１およびＶ２から離れた抵抗性の本体における有効電圧は急速に降下する。上記の演算の例において、Ｖ１およびＶ２は、たとえば両方とも約１ｋＨｚの周波数を有する。しかし、他の例において、電圧の一方の周波数はたとえば約２０ｋＨｚであり、したがってこの電極に印加される電圧の影響は減少する。これにより、倍率および傾斜は、第一の周波数のＶ１と第二の周波数のＶ２とを印加することにより、個々に制御可能である。本明細書中に述べられる実施の形態において本体電極と蓋電極との間に印加される電圧は、好ましくは５００Ｈｚから２００ｋＨｚの範囲の周波数を有する。たとえば、低周波数の電圧は倍率を制御するために使用され、一方、高周波数の第二の電圧は傾斜を制御するために使用されてもよい。

図５Ａおよび図５Ｂは、さらなる実施の形態の下側の図であり、図３Ｂおよび３Ｃに係る実施の形態と類似するが、本体２０２の環状脚２０８に四つの別々の電圧が印加される点で異なる。電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４は、環状脚の周囲に、約９０°離れ等しい間隔をおいて印加される。四つの接点を設け四つの別々の電圧を供給することにより、屈折界面はより複雑に制御され得る。特に、二つの隣接する点に高い電圧を印加することにより、界面は傾斜する。一方、互いに対向する側に高い電圧を印加することにより、非点収差が設けられる。さらに、これらの効果を変化させるために、電圧の周波数が変化される。

光学的界面に可変の傾斜または非点収差を与えるために多数の電極を設けるという思想は、本体が有する任意の数の接点にまで拡張され得ることは明らかである。接点数を増加することにより、液体界面のより複雑な制御が可能である。

図６は、たとえばコンパクトデジタルカメラ、携帯電話、またはその他の電子機器に用いられる、本発明の実施の形態に従った光学装置を含む光学設備６００の模式図である。光学設備６００は、レンズ装置６０３と、本明細書中に開示された実施の形態のうちの一つに従った光学装置６０４と、を含む、カメラモジュール６０２を備える。光学装置６０４は、電圧をレンズの本体（図示せず）に接続するための、少なくとも二つの別々の接点６０６，６０７を有するが、任意の数の接点が設けられてもよい。少なくとも一つのさらなる電極６０８が、レンズ内の導電性液体との接続を形成するために、設けられる。レンズ装置６０３は、多数の固定されたレンズを備える。

駆動回路６１６は、接点６０６，６０７および電極６０８に接続されて設けられる。駆動回路６１６は、各々の電極へ発振する電圧信号を生成する。

駆動回路６１６はたとえば、一つ以上の規定の周波数の信号を生成するための、一つ以上の周波数発信機を備える。これらの信号はその後、接点６０６および／または接点６０７と電極６０８との間に供給される前に、増幅されてもよい。

いくつかの実施の形態に従うと、電極６０８と、本体の電極の接点６０６，６０７との間に印加される電圧は、異なる電圧レベルまたは実効値を有する。これはたとえば、ピーク・ピーク電圧レベルが別々に変化するように電圧信号と各々の電極の接点との間に直列に接続された可変抵抗を設けることにより、達成される。

その代わりとして、同一のピーク・ピーク電圧値と同一の周期と同一の実効値とを有する、同一の電圧信号を、同時に電極に印加してもよい。しかし、接点６０６，６０７の各々に印加される信号に、可変遅れが追加される。このようにして、電圧の実効値は、電極６０８と接点６０６，６０７の一つとに印加される信号が正確に一致するときの０Ｖと、電圧信号の位相の不一致が正確に１８０°であるときの最大値との間の、任意の点に変えることが可能である。そのような遅れは、たとえばコンデンサによって設けられる。

さらなる代案として、接点６０６，６０７の各々への信号の電圧の実効値は、これらの信号の各々の負荷サイクルを変化させ、一方、電極６０８へ０Ｖまたは一定の負荷サイクルを有する信号のいずれかを供給することにより、変化され得る。

代替的な実施の形態では、接点６０６，６０７の各々は、交互に交流電圧信号を供給される。電圧信号が印加される時間は、必要な電圧が印加されるように、各々の接点に対して異なる。好ましくは、接点６０６，６０７が交流電圧信号に接続されていない時間は、界面が望ましくない動きをしないように、液−液界面の応答時間よりも短い。その代わりとして、信号の周波数が、たとえば参照された発振信号の選択されたパルスのみを印加することによって、増加されまたは減少されてもよく、その結果として電圧出力の実効値が変化する。

カメラモジュール６０２は、光学装置６０４により受けられた光線により形成された像を撮影するイメージセンサ６１２と、固定されたレンズ６０３とをさらに備える。

処理装置６１４は、光学設備６００に設けられるが、たとえば画像信号処理機または携帯電話のベースバンドプロセッサである。処理装置６１４は、駆動回路６１６を制御するためのアルゴリズムを実行し、また撮像するためのイメージセンサ６１２を制御する。処理装置６１４は、イメージセンサ６１２から撮影された画像を受け取り、それらをメモリ６１８に保存する、および／またはそれらをディスプレイ６２０に表示する。

電力供給ユニット６２４は、駆動回路６１６、イメージセンサ６１２および処理装置６１４に、供給電圧を供給する。

いくつかの実施の形態では、光学装置６０４は可変傾斜が可能であるレンズであり、そのような機能は、ぼやけの原因となる撮像するときの光学設備６００の動きを相殺するために使用できる。設備の動きを検出するために、いくつかの実施の形態では動き検出器６２６が設けられ、処理装置６１４に接続されてもよく、または駆動回路６１６に直接接続されてもよい。動き検出器６２６は、あらゆる動きを検出し、それに応じて光学装置６０４の屈折界面の傾斜の程度を制御するための出力信号を生成する。動き検出器６２６は、たとえば微小電気機械（ＭＥＭ）システムの加速度計のような、設備の動きを検出するための任意の好適な手段を備えてもよい。代替的には、イメージセンサにより感知された画像の動きを検出することにより、動きが検出されてもよい。

光学装置６０４は、たとえば図３Ｃに示された光学装置本体の環状脚に形成された鍵のような、位置決め機能（図示せず）によって、カメラモジュール６０２内で方向付けられる。この機能によって、電気的接点を、動き検出器に対して相対的に、常に同じように位置決めできる。好ましくは、写真が撮られる前に傾斜を調整するための調整ループが設けられる。特に、画像がプレビューされている間の、最終の画像が撮られる前に、たとえば動き検出器６２６を使用して動きが検出されてもよく、それに応じて動きを考慮して画像が傾斜されてもよく、動きに基づいて正しい傾斜が適用されているか決定するためにイメージセンサからの画像が使用されてもよい。特に、大きすぎるまたは小さすぎる傾斜が与えられた場合、この情報は、将来の動きのための規定の動きに適応した傾斜の再調整のために使用されてもよい。写真が撮られるとき動き検出器が調整されるように、調整が複数回繰り返されてもよい。

図７は、本発明に従ったエレクトロウェッティング光学装置のさらなる実施の形態の断面図であるが、この光学装置が図６を参照して述べられた光学設備に一体化されることも可能である。図７の実施の形態は、本体２０２が二つの部分７２０，７２１で形成されている点を除いて、図３Ａの実施の形態と類似する。本体２０２の部分７２１は、導電性の成型された高分子材料、たとえば先述した材料のうち一つから形成され、第二の電極の機能を果たす。部分７２０は、非導電性の高分子、たとえばＬＣＰのような非帯電熱可塑性高分子またはエポキシのような非帯電熱硬化性高分子から形成される。部分７２１は環状であり、本体の液−液界面に接触する円錐状部分の上側に対応する。部分７２０および７２１は成型され、好ましくは射出成形され、単一の本体部品２０２を形成するためにたとえば接着される。部分７２０をしっかりと固定するために、部分７２１に切り欠きが形成されてもよい。図７は、二つの電気的接点７００および７０２を介して、二つの異なる電圧Ｖ１およびＶ２が印加される一例を示す。これらの接点は、たとえば薄い金属層、または他の導電性材料の積層であり、環状脚２０８の基部から導電性の部分７２１の下側部分まで、本体の下側を被覆して広がる。

この実施の形態の一つの利点は、有効電圧が印加された電圧と同等であるように、印加された電圧Ｖ１およびＶ２を円錐状表面６０４の非常に近くに与えることである。これにより、導電体を横切る電気的損失の可能性を低減でき、したがってレンズの電力消費量を低減でき、液−液界面の変形をよりよく制御できる。

このように、装置の一つの電極を形成する本体が導電性の成型された高分子材料で形成されている、エレクトロウェッティング光学装置が開示された。本体はたとえば、０．５ｍｍより小さい高さを有する。

有利には、本体、または本体の一部を成型することにより、表面の精度を向上できる。特に、図２で符号２０４が付され図７で符号７０４が付された、液体界面１９を受ける円錐状表面の精度を向上できる。一例として、図１の機械加工された本体２２は、円錐状表面２６の高さにおいて概略±０．０４ｍｍ、円錐状表面の径において概略±０．０２ｍｍの典型的な公差を有し、０Ｖにおいて±４〜６ディオプタの屈折界面１９の焦点の誤差がもたらされる、ということがわかっている。これに対して、射出成形された本体２０２は、円錐状表面の高さおよび径においておよそ±０．００８ｍｍのみの公差を有し、０Ｖにおいて±１〜２ディオプタのみの誤差がもたらされる、ということがわかっている。

このような本体を金属で成型することは、樹脂で成型するのと比較して、相対的に高価であり、また品質および精度において劣ることになる。しかしながら、本体を高分子材料で成型することにより、優れた精度および低いコストが達成できる。

成型された部品が機械加工された部品と区別し得ることは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、二つの成型部分間の接合部において部品に残る特徴から、または、射出成形部品の場合、高分子材料が射出される箇所に残る特徴において、明らかである。

本体の円錐状表面の精度向上の利点は、電極に電圧が印加されていないときにレンズの焦点がより正確なことである。つまり、駆動回路が切断されたまたは誤作動しているときでさえ、たとえば無限に焦点を合わせられ、レンズは作動可能である。

有利には、導電性の高分子の本体を設けることにより、液体界面と接触する滑らかな接触面が得られ、レンズのヒステリシスおよび波面誤差を低減する。導電性の高分子は、高分子に金属の膜を形成するなどの他の解決法よりも有利である。そのような金属膜は、表面品質の劣る円錐状表面をもたらす。高分子材料の比較的粗い表面が、金属が被覆されることを一般的に必要とするためである。

高分子の本体２０２のさらなる利点は、金属の本体よりも軽量なことであるが、これは多くの用途、特に携帯電話およびデジタルカメラなどの小型携帯機器において望ましい。

有利には、高分子で本体２０２を形成することにより、装置はまた、機械的衝撃に対しより耐久性がある。

有利には、本体を成型することにより、円錐状表面がよりよい精度で形成されるだけでなく、図２に示す円錐状表面２０４と窓１４との間の円筒状部分２１２もまたより精度よく形成され、特に正確な高さを有する。これは液体レンズにおいて重要である。なぜなら、規定の量の絶縁性液体１６がレンズ内に注入されるとき、円筒状表面２１２の高さは、円錐状表面２０４上の液体界面１９が到達する高さを決定し、したがって界面の位置および形状を決定するからである。

さらに、たとえば０．５ｍｍ以下の高さの本体を有する、非常に薄いレンズが製造されるとき、もし手頃な価格の機械加工が使用されるのであれば、液体界面１９の端部が接触する円錐状表面は、その寸法において非常に制限される。これは、機械加工の際に本体の表面のために許容されなければならない許容誤差のためであるが、これはたとえば、図２の円筒状表面２１２のような表面が、少なくとも機械加工により形成され得るための最小限の高さを有さなければならないことを意味する。本体が非常に薄いのであれば、そのような最小限の高さが本体の高さ全体の大部分であり、これにより円錐状表面の高さが減少し、したがって液体界面１９の可動範囲が減少し、レンズの可変性もまた減少する。これに対して、成型が使用されるとき、許容誤差は低減され、円筒状表面２１２のような部品はずっと小さく形成され、円錐状表面２０４の高さをより大きくできる。

有利には、本体２０２、または本体７２１の一部が成型で形成されるとき、特に、低粗度の成型を形成するための、超精密工作機械と、たとえばダイヤモンド旋削技術などの適切な技術と、が使用されるとき、成型後に本体を研磨する工程は必要でない。一方、金属の本体が機械加工で形成されるのであれば、不必要な残留物を除去するために研磨工程が必要になることが多い。これは、本体のある角における径、換言すると、円錐状表面の上端および下端のような鋭い端部の曲がりをもたらすが、これによりレンズの正確な焦点範囲は減少する。したがって、本体を成型することでレンズの焦点範囲を向上することができる。

このように本発明の例示的な実施の形態の少なくとも一つを開示することで、種々の変形、修正および改良が、当業者にとって容易に行なわれる。

たとえば、異なる電圧を供給するために本体の電極へ２および４接点を有する実施の形態が開示されたが、液体界面の必要な制御に依存して、任意の数の接点が設けられてもよい。接点は好ましくは、本体周りに等しく間隔をあけて、円錐状表面２０４から等しい距離にある。

さらに、液体界面１９の端部の支持および中心合わせ手段を設けるための円錐状表面２０４が開示されたが、他の実施の形態では、異なる形状の表面が設けられてもよい。

図において、平板状の窓１２，１４が示されたが、これらの窓は固定されたレンズに置き換えられ、レンズの光学軸Δに中心合わせされてもよく、これらが蓋２０および本体２２に接着または熱溶接のような他の手段によって固定されてもよい。さらに、いずれかの窓は、レンズが可変の光学特性を有する鏡として作用するように、レンズに対向する鏡張りの表面に置き換えられてもよい。

本明細書中に開示された実施の形態に従ったエレクトロウェッティング装置は、たとえばカメラ、携帯電話、眼科用器具、内視鏡、バーコードリーダー、双眼鏡などの、任意の光学系に組み込まれてもよい。

Claims (21)

1. 液−液界面（１９）において互いに接触する第一および第二の非混和性液体（１６，１８）を含み、第一の液体は絶縁性液体であり第二の液体は導電性液体である、チャンバ（１５）と、
   第二の液体に接触する第一の電極（２０，６０８）と、
   絶縁層（４０２）によって第一および第二の液体から絶縁された第二の電極（２０２）と、を備え、第二の電極は導電性の成型された高分子材料から形成され、前記液−液界面の曲率は前記第一および第二の電極間の電圧の印加によって制御可能である、エレクトロウェッティング光学装置。
2. 第二の電極は、固有導電性高分子を含む高分子材料により形成される、請求項１に記載のエレクトロウェッティング光学装置。
3. 第二の電極は、導電性粒子の導入によって導電性にされた高分子材料により形成される、請求項１に記載のエレクトロウェッティング光学装置。
4. 前記高分子材料は、熱可塑性高分子、好ましくは液晶ポリマーである、請求項３に記載のエレクトロウェッティング光学装置。
5. 前記高分子材料は、熱硬化性高分子、好ましくはエポキシである、請求項１から請求項３のいずれかに記載のエレクトロウェッティング光学装置。
6. 前記高分子材料は、炭素の粒子を備える、請求項３から請求項５のいずれかに記載のエレクトロウェッティング光学装置。
7. 前記高分子材料は、カーボンナノチューブを備える、請求項６に記載のエレクトロウェッティング光学装置。
8. 前記第二の電極は、射出成形される、請求項１から請求項７のいずれかに記載のエレクトロウェッティング光学装置。
9. 前記第二の電極は、１０^４から１０^７Ω・ｃｍの範囲、好ましくは１０^５から５×１０^６Ω・ｃｍの範囲の導電率を有する、請求項１から請求項８のいずれかに記載のエレクトロウェッティング光学装置。
10. 前記第二の電極上に複数の接点を備え、各々の接点は、前記液−液界面の異なる部分を制御するための別々の電圧を受けるために配置される、請求項１から請求項９のいずれかに記載のエレクトロウェッティング光学装置。
11. 前記第二の電極は、成型された非導電性高分子部分（７２０）をさらに備える本体（２０２）の一部（７２１）である、請求項１から請求項１０のいずれかに記載のエレクトロウェッティング光学装置。
12. ガスケット（２４）によって絶縁された蓋（２０）と本体（２０２）とを備え、第二の電極は本体（２０２）の少なくとも一部を形成する、請求項１から請求項１１のいずれかに記載のエレクトロウェッティング光学装置。
13. 一以上の別々の電圧の印加に基づいて、以下の関数の一つ以上を提供するように設けられる、請求項１から請求項１２のいずれかに記載のエレクトロウェッティング光学装置。
    ｉ．可変焦点
    ｉｉ．可変傾斜
    ｉｉｉ．可変非点収差
14. 第二の電極は、前記液−液界面の端部に接触するように配置された、円錐状表面を備える、請求項１から請求項１３のいずれかに記載のエレクトロウェッティング光学装置。
15. ｉ．撮像のためのイメージセンサ（６１２）と、
    ｉｉ．前記イメージセンサに像を形成するように配置され、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の光学装置を備える、レンズ装置と、
    ｉｉｉ．前記第一および第二の電極間に印加された少なくとも一つの電圧を生成するために配置された駆動回路と、
    を備える、光学設備。
16. 前記光学設備の動きを検出するための動き検出器をさらに備え、前記光学装置は、前記動き検出器により検出された動きに対応して前記イメージセンサに形成された像を移動するために配置される、請求項１５に記載の光学設備。
17. 前記駆動回路は、前記第一の電極と前記第二の電極の第一の接点との間に印加される第一の周波数の第一発振電圧を生成するため、および、前記第一の電極と前記第二の電極の前記第二の接点との間に印加される前記第一の周波数と異なる第二の周波数の第二発振電圧を生成するために配置される、請求項１５または請求項１６に記載の光学設備。
18. 請求項１５から請求項１７のいずれかに記載の光学設備を備える、携帯電話。
19. 請求項１５から請求項１７のいずれかに記載の光学設備を備える、デジタルカメラ。
20. 金型を使用して前記高分子材料を成型することにより前記第二の電極を形成するステップを備える、請求項１に記載のエレクトロウェッティング光学装置を形成する方法。
21. 前記成型するステップは、前記第二の電極を射出成形するステップを備える、請求項２０に記載の方法。

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