JP4851089B2 - 切り換え可能な光学的部品 - Google Patents

Description

本発明は、切り換え可能な光学的部品に関し、切り換え可能な光学的部品を含む光学的デバイスにも関する。さらに、本発明は、切り換え可能な光学的部品を製造する方法に関し、光学的走査デバイスを製造する方法にも関する。切り換え可能な光学的部品は、それだけには限定されないが、光学的な絞り、シャッタまたはカラー・フィルタとしての使用に、特に適している。

シャッタや絞りなどを含め、機械的可動部品に基づく切り換え可能な光学的部品は、既知である。機械的可動部品に基づく切り換え可能な光学的部品は、光学的透過率が相違する所定の状態、たとえば減衰率が高い状態または低い状態を切り換えることができる光学的透過特性を有する。しかし、機械的可動部品は、比較的大きく、製造が高価になることがある。さらに、機械的可動部品は、磨耗を受け、したがって寿命が限られ、その耐用年数の間に信頼性問題が起きることがある。

米国特許出願第2001/0017985号に、機械的可動部品を必要とせず、所定の状態を切り換えることができる光学的透過特性を有する光学的デバイスが記載されている。図１２および１３は、実質的に不透明な第１の液体１０１と、実質的に透明な第２の液体１０２とを容器１０３中に含むデバイス１００を示す。液体は、混じりあわず、それらの境界１０４が実質的に球状の表面の一部として形成されるように、容器１０３中において構成される。界面電気現象（エレクトロウエッティング）を使用して、第１および第２の液体１０１、１０２の間の境界１０４の形状を図１２の構成と図１３の構成で変化させることができる。

図１２の構成では、デバイス１００に電圧が加えられておらず、デバイス１００への入射光は、実質的に不透明な第１の液体１０１によって遮られる。デバイスに電圧を加えると、図１３の構成がもたらされる。図１３では、第１および第２の液体１０１、１０２の間の境界１０４は、第１の液体１０１がデバイス１００の光路から除外されるように形作られる。境界１０４の形状は、境界１０４が容器１０３の内側表面に接触し、その接触領域から第１の液体１０１を強制的に排除するように制御される。したがって、デバイス１００への入射光は、第１の液体１０１によって遮られることなく、デバイス１００は実質的に透明になる。

デバイス１００には、いくつかの欠点がある。第１に、デバイス１００は、接触領域の形状を円形でない何かの形になるように制御することが難しいので、比較的柔軟性がない。第２に、実際に、オン状態（図１３）からオフ状態(図１２)に変化するとき、容器１０３の内側表面から第２の液体１０２を引き離すのが困難になることがある。第２の液体１０２が内側表面から離れ、またこれに付着すると、単調でない遷移を示すことがおおくなる。

第３に、オフ状態で２つの液体間の界面１０４が湾曲しているのは、デバイスがその領域全体で一様な透過特性を有さない恐れがあることを意味する。第４に、表面が湾曲しているので、光学的に有効な領域は、デバイスの実際の大きさより著しく小さい。第５に、２つの液体間の境界１０４が一般に湾曲しているので、液体は、レンズ効果が境界において生ずるのを避けるために、実質的に等しい屈折率でなければならない。液体の特性に対して、エレクトロウエッティング効果が起こるのを可能にし、透過率特性の所望の変動性をもたらす他の要求事項がある。したがって、デバイス中で使用するために利用できる液体の範囲は、比較的限定され、実用的なデバイスを実現するには、いくつかの特性について妥協しなければならない場合がある。

本発明の好ましい実施形態の一目的は、本明細書で言及されるまたはそうでなくとも従来技術の１つまたは複数の問題点に対処する、切り換え可能な光学的部品を提供することである。別の目的は、かかる部品を製造する方法を提供することである。

第１の態様では、本発明は、切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って互いに相対的に配置された第１および第２の流動体を含む液体室と、第１の流動体に結合された第１の電極と、第２の電極とを含み、第２の流動体が、第１および第２の電極に加えられた電圧に応答して実質的に光軸に対して横向きに移動し、それによって光軸に沿った、液体室の透過率を変更するように構成される、切り換え可能な光学的部品を提供する。

かかるデバイスは、非円形の、または他の形に形成された有効領域を有するように設計することができる。第２の液体が液体室の内側表面に接触して、透過率の実質的な変化をもたらす必要がなく、したがってその表面から第２の液体を引き離すという問題も起こらない。さらに、第１および第２の液体の間に実質的に平面である界面が可能になり、部品全体で高度な一様性が得られる。これは、第１および第２の液体の間の境界に起因して起こるレンズ効果の問題を防止し、切り換え可能な部品中により広い範囲の液体を使用できることを意味し、したがって液体の選択において妥協しなければならないことは、ほとんどなくなる。さらに、界面が実質的に平面であることによって、部品を薄くすることが可能になる。

別の態様では、本発明は、切り換え可能な光学的部品を含み、この切り換え可能な光学的部品が、切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って互いに相対的に配置された第１および第２の流動体を含む液体室と、第１の流動体に結合された第１の電極と、第２の電極とを含み、第２の流動体が、第１および第２の電極に加えられた電圧に応答して実質的に光軸に対して横向きに移動し、それによって光軸に沿った、液体室の透過率を変更するように構成される、光学的デバイスを提供する。

別の態様では、本発明は、切り換え可能な光学的部品を製造する方法を提供し、この方法は、切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って互いに相対的に配置された第１および第２の流動体を含む液体室を設けるステップと、第１の流動体に結合された第１の電極および第２の電極を設けるステップとを含み、第２の流動体が、第１および第２の電極に加えられた電圧に応答して実質的に光軸に対して横向きに移動し、それによって光軸に沿った、液体室の透過率を変更するように構成されるものである。

別の態様では、本発明は、光学的記録器の情報層を走査するための光学的走査デバイスを製造する方法を提供し、この方法は、第１の放射線ビームを生成するための第１の放射線源を設けるステップと、第１の放射線ビームを情報層上に収束させるための対物システムを設けるステップと、第１の放射線ビームを制御するように構成された切り換え可能な光学的部品を設けるステップとを含み、この方法は、設けられる切り換え可能な光学的部品が、切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って互いに相対的に配置された第１および第２の流動体を含む液体室と、第１の流動体に結合された第１の電極と、第２の電極とを含み、第２の流動体が、第１および第２の電極に加えられた電圧に応答して実質的に光軸に対して横向きに移動し、それによって光軸に沿った、液体室の透過率を変更するように構成されることを特徴とする。

本発明の他の目的および利点は、添付の特許請求の範囲によって記載された好ましい特徴から明らかになろう。

本発明のより良い理解を得、本発明の実施形態をどのように実行に移すことができるかを示すために、ここで例として、添付の図面を参照されたい。

本発明者らによって、図１２および１３のデバイス１００にともなう欠点の克服を可能にすることが実現され、小型であり機械的可動部品を有さず、多数の用途において使用できる切り換え可能な光学的部品が提供される。流動体がこの部品の光軸に対して実質的に横向きに移動するように構成された切り換え可能な光学的部品を提供することによって、多数の効果、たとえば可変開口率絞り、切り換え可能なカラー・フィルタおよびシャッタを得ることが可能となる。ここで、シャッタとして働く本発明の第１の実施形態の動作を説明する。

図１は、第１の状態にある本発明の第１の好ましい実施形態による切り換え可能な光学的部品１の側面図を示す。この切り換え可能な光学的部品１の光軸は、ラインＡ−Ａに平行であり、デバイスの有効領域は領域Ｂの上に延在する。切り換え可能な光学的部品１は、液体室２と、第１の流動体２０と、第２の流動体２２とを含み、シャッタを形成するように構成される。第１および第２の流動体２０、２２は、実質的に互いに混じらない液体からなり、光軸に沿って互いに相対的に置き換えられる。第２の流動体２２は、実質的に不透明であり、第１の状態では、切り換え可能な光学的部品１内に配置されて、領域Ｂ全体にわたって連続する層の形になり、それによって光が領域Ｂにおいて切り換え可能な光学的部品１を通過しないようにする。第１の状態では、シャッタは、閉である。

図２は、第２の状態にある切り換え可能な光学的部品１の側面図を示す。第２の状態では、第２の流動体２２は、光が光軸Ａ−Ａに沿って領域Ｂを通過できるように配置される。第２の状態では、光軸から横向きで離れる方向に、脇の方へ領域Ｂから離れるように第２の流動体２２を引っ張ることによって、シャッタは、開になる。

ここで、切り換え可能な光学的部品１の動作をより詳しく説明する。具体的には、第２の流動体２２をどのように使用して、切り換え可能な光学的部品１を第１の状態から第２の状態に切り換えるかを説明する。

図１および２に、第１の電極２４、第２の電極２６および誘電性コンタクト層２８も示す。コンタクト層２８は、第２の電極２６と第１および第２の流動体２０、２２の間に絶縁障壁を含む。切り換え可能な光学的部品１中の第１の流動体２０は、極性または伝導性液体、ここでは水を含み、第２の流動体２２は、非伝導性液体、ここでは油を含む。油および水は、実質的に互いに混じらなく、したがって別個の第１および第２の流動体２０、２２になる。油および水は、実質的に等しい密度になるように選ばれ、切り換え可能な光学的部品１が、重力および慣性の作用の影響を比較的受けないようにする。この部品が十分に小さければ、第１および第２の液体の密度は、互いに異なっても良い。コンタクト層２８は、疎水性表面を有する電気絶縁性材料を含む。コンタクト層２８の疎水性表面によって、切り換え可能な光学的部品１は、静止状態であるとき、図１に示すように確実に第１の状態にされるはずである。

第２の電極２６およびコンタクト層２８は、デバイスの光路中にあり、したがって実質的に透明な材料からなる。たとえば、第２の電極２６は、液晶表示器の分野で周知の透明な伝導体、インジウム・スズ酸化物の層を含む。

他の光透過性伝導性層、たとえばＲｕＯ_２、ＰＥＤＯＴを使用することもできるはずである。コンタクト層は、アモルファス・フッ化炭化水素を含む。なぜならこの種の材料は、高度に疎水性であり、低誘電率を有し、良好な光透過率をもたらすからである。適正な特性の組み合わせを有する他の材料、たとえばポリアミドを使用することもできるはずである。

第１の電極２４は、第１の流動体２０にそれと直接に接触して結合される。第１の電極２４と第１の流動体２０が直接に接触していることによって、その間での良好な電気伝導性を有した接触を確保することが可能になる。しかし、容量結合によって第１の電極２４を第１の流動体２０に結合することも可能である。これとは違って、第２の電極２６は、第１および第２の流動体２０、２２から隔離することが好ましい。コンタクト層２８は、液体室２の内側と第２の電極２６の間の絶縁障壁になる。

第１および第２の電極２４、２６の間に電圧源Ｖから電圧を加えると、エレクトロウエッティング効果によって、コンタクト層２８の水による湿潤性が増大する。これは、水中の自由電荷が第１の電極２４から反発され、第２の電極２６に引き付けられ、したがって水を第２の電極２６に引き付けることに起因する。実質的に、第２の電極２６は、第１の流動体２０に容量結合される。十分な電圧を加えた場合、水は、コンタクト層２８に接触させられ、油は脇に移動させられて、油が光軸および領域Ｂから移動させられて離された図２に示す第２の状態をもたらす。第１および第２の電極２４、２６の間から電圧を除去すると、切り換え可能な光学的部品１が、図１の構成に戻るのが可能になる。

図３および４は、図１および２の切り換え可能な光学的部品１がそれぞれ第１および第２の状態にある平面図である。この図から分かるように、切り換え可能な光学的部品１は、実質的に四角の形状をしているが、円形、楕円形、六辺形または不規則な形状を含め、他の形状も可能である。

いくつかの技法を使用して、予想ができ再現性がある形で、確実に光軸から離れるように油を移動させることができる。液体室２の内側表面の湿潤性を変化させるのは、加えられた電圧に応答する油の移動の方向を制御する好都合な技法となる。

油の移動の一例として、図１および２の実施形態では、コンタクト層２８全体にわたって互いに平行に走る多数の等しい大きさで独立にアドレス可能なライン部に第２の電極２６を分割する。この独立にアドレス可能なライン部に次々と電圧を加えることによって、そのライン部の上にあるコンタクト層２８の湿潤性を次々と増大することができ、それによって油の移動が開始される位置、およびコンタクト層２８を端から端に移動する油のその後の方向を制御する。電圧を加えて、切り換え可能な光学的部品１を第１の状態から第２の状態に切り換えるとき、独立にアドレス可能なライン部は、領域Ｂ全体にわたって一度に１本ずつ、順番に電圧を加えられ、他のライン部は付勢されない。これによって、電圧が加えられているライン部の下に、湿潤性が増大した一定の大きさの移動する領域が生成される。

他の電極の組み合わせを使用して、油の移動を制御することもできる。たとえば、多数の独立にアドレス可能な同心で環状の電極を使用して、もっとも内側から始めてそれぞれに次々と電圧を加えることによって、その共通の中心から離れるように移動を制御することもできる。他の例では、１つの非伝導性領域または電極がない領域をコンタクト層の下に有する電極を使用することもできるはずである。この場合、油は、非伝導性領域の上の領域に集まろうとするはずである。均一な電極を使用して、製造した不均一部または他の不均一部をデバイス中に存在させることによって、移動が初期設定される油の移動を得ることができる。

異なる電極に電圧を加えることによってコンタクト層の湿潤性を制御する方法の一別法として、たとえば、第１の水による湿潤性を有するコンタクト層の第１の領域と、より高い第２の湿潤性を有し、疎水性がより低い第２の領域とを設けることによって、コンタクト層の固有の湿潤性を部品全体にわたって変えることができる。この場合、電極に加えられた電圧に応答する油の移動は、比較的疎水性が低い領域から始まるはずである。

液体室の内側表面に不均一部を設けて、加えられた電極の電圧に応答する第２の流動体の移動の再現性を高めることができる。

たとえば、液体室の側壁を疎水性または親水性の材料で被覆することによって、側壁と油／水の間の界面張力を変化させると、加えられた電極の電圧に応答した特定の方向の油移動の再現性を高めることができる。さらに、壁の湿潤性は、液体間の界面がオフ状態で実質的に平面になる、またはある特有の曲率半径を有する（たとえば、光軸のまわりで油の変位の開始を促進する）ように、選ぶことができる。

液体室の内側表面は、ある幾何的な不均一部、たとえばデバイスの中心に向かって延びる突起部などの不規則なフィーチャーを設けることもできる。デバイスの光軸に対して対称でないフィーチャーも適切な不均一部をもたらし、それによって加えられた電極の電圧に応答して起こる油の移動の再現性も高まる。

コンタクト層の厚さまたは誘電特性に所定のプロフィールを部品全体にわたって与えて、様々な領域において加えられた電極の電圧に応答して電場の強さが相違するようにさせることができる。これは、エレクトロウエッティングの効果を局所的に増大することになる。たとえば、コンタクト層がより薄い領域においては、水および第２の電極が相対的により接近し、電場がより高くなる。油の移動は、電場がより高い領域で開始される。なぜならこの領域では湿潤性が増大しているからである。第２の電極に接触した第１の凹面の表面と、油に接触した第２の実質的に平面状の表面とを有するコンタクト層を使用することができるはずである。

この場合、コンタクト層がもっとも薄い部分の上の油層が最初に移動し、油の移動がこの部分から進行するはずである。

エレクトロウエッティング効果を局所的に増大する別の技法は、コンタクト層から延びた突起部を設けることを含む。突起部は、油層から延びており、電圧が電極に加えられていないときは、水と直接に連絡するように構成することができる。水が突起部の表面と触れていると、電圧が電極に加えられたとき、水がそこから油をより容易に移動することができる開始点が水に提供される。さらに、油層から突出している領域において、水による突起部の湿潤性の増大によって、突起部の作用が高まるので、油層から突出している領域において突起部を親水性被覆で覆うことができる。あるいは、電圧が電極に加えられていないときは、油層の下に留まり、コンタクト層と水の分離間隔を減らすことによってエレクトロウエッティング効果を局所的に増大させるように突起部を構成することができる。

上記の技法のみ、またはその組み合わせを使用することによって、可変開口率絞りとして働き、油が光軸上の中心領域から移動して離れる切り換え可能な光学的部品を製造することができる。製造された絞りは、機械式絞りの代用品として、たとえばレーザ共振空洞内で、光学的ディスク記録／再生システム内で、または写真機内で使用することができる。

図５は、第１および第２の鏡５１、５２と、絞り５３の形としての切り換え可能な光学的部品とを含むレーザ共振空洞５０を示す。レーザ空洞からの出力ビームは、第１および第２の鏡５１、５２の形状と、第１および第２の鏡５１、５２の分離間隔と、第１および第２の鏡５１、５２の間の光路中の、絞り５３によってもたらされるような何らかの制約の存在とに依存する。有限開口を有するレーザ共振器は、コーゲルニックおよびリー（H. Kogelnik and T. Li）著、「レーザ・ビームおよび共振器（Laser Beams and Resonators）」、Appl. Opt. 5, 1966, ページ1550〜1567、ならびにシーグマン（A. E. Siegman）著、「レーザ（Lasers）」、University Science Books, Mill Valley, California, の本の第１９章に広範囲にわたって記載されている。多数の用途用に特定のレーザ源を使用するのを可能にするために、空洞内の共振モードの同調、したがって出力ビームの同調が可能になるように、第１および第２の鏡５１、５２および／または絞り５３の変更が所望される。しかし、鏡および／または絞りを調節することによって同調可能なレーザ空洞を実現する従来の機械式方法は、高価でかさばり信頼性にかける。本発明の一実施形態による絞り５３を使用することによって、機械的可動部品に頼らず空洞内でモード構造を電気的に制御することが可能になる。

これから説明する切り換え可能な絞りの別の用途は、光学的記録器６２を走査するためのデバイス６１中にある。図６は、光学的記録器６２を走査するための、対物レンズ６１８を含むデバイス６１を示す。記録器は、透明な層６３を含み、その層の一方の側面上に情報層６４が配置されている。透明層から遠くなる方向の情報層の側面は、保護層６５によって環境の影響から保護される。デバイスの方向の透明層の側面は、入射面６６と呼ばれる。透明層６３は、情報層の機械的支持部になることによって記録器用の基板として働く。

あるいは、透明な層は、情報層を保護するという唯一の機能を有し、一方情報層の他の側面上の層、たとえば保護層６５または別の情報層および情報層６４に接続された透明層が、機械的支持部になることができる。

情報は、この図には示していないが、実質的に平行な、同心の、またはらせん状のトラック中に配列された光学的に検出可能なマークの形によって、記録器の情報層６４に格納することができる。このマークは、光学的に読み出し可能な任意の形、たとえばその周辺とは異なる反射係数または磁化方向を有するくぼみまたは領域の形、またはその形の組み合わせとすることができる。

走査デバイス６１は、放射線ビーム６１２を放出できる放射線源６１１を含む。放射線源は半導体レーザでよい。ビーム・スプリッタ６１３は、発散する放射線ビーム６１２をコリメータ・レンズ６１４に向けて反射し、そのレンズは、発散する放射線ビーム６１２を平行ビーム６１５に変換する。平行ビーム６１５は、本発明の一実施形態による可変開口絞り６００を含む対物システム６１８に入射する。

対物システムは、１つまたは複数のレンズおよび／または格子を含んでよい。対物システム６１８は、光軸６１９を有する。対物システム６１８は、ビーム１７を収束するビーム６２０に変形し、記録器６２の入射面６６に入射する。対物システムは、透明層６３の厚さ分を通る放射線ビームの通過用に球面収差補正を適応されている。収束ビーム６２０は、情報層６４上でスポット６２１を形成する。情報層６４によって反射された放射線は、発散ビーム６２２となり、対物システム６１８によって実質的に平行ビーム６２３に変換され、その後コリメータ・レンズ６１４によって収束ビーム６２４に変換される。ビーム・スプリッタ６１３は、少なくとも収束ビーム６２４の一部分を検出システム６２５に向けて送ることによって、入射ビームおよび反射ビームを分離する。検出システムは放射線を捕捉し、それを電気出力信号６２６に変換する。信号プロセッサ６２７は、この出力信号を他の様々な信号に変換する。

１つの信号は、情報信号６２８であり、その値は、情報層６４から読み出された情報を表す。情報信号は、エラー補正用情報処理ユニット６２９によって処理される。信号プロセッサ６２７からの他の信号は、焦点エラー信号および半径方向エラー信号６３０である。焦点エラー信号は、スポット６２１と情報層６４の間の高さの、軸方向の差を表す。半径方向エラー信号は、スポット６２１とスポットが追従するはずの情報層６４中のトラック中心との間の、情報層６４平面上における間隔を表す。焦点エラー信号および半径方向エラー信号は、サーボ回路６３１中に入力され、その回路は、これらの信号を、それぞれ焦点駆動部および半径方向駆動部を制御するためのサーボ制御信号６３２に変換する。駆動部は、この図には示していない。焦点駆動部は、焦点方向６３３で対物システム６１８の位置を制御し、それによってスポット６２１の位置が情報層６４の表面と実質的に一致するようにスポット６２１の実際の位置を制御する。半径方向駆動部は、半径方向６３４で対物レンズ６１８の位置を制御し、それによってスポット６２１の半径方向の位置が、情報層６４中の追従するはずのトラック中心ラインと実質的に一致するように、スポット６２１の半径方向の位置を制御する。この図のトラックは、この図の表面に対して直角方向に走っている。

この特定の実施形態では図６のデバイスは、記録器６２より厚い透明層を有する第２の種類の記録器を走査するようにもなされている。デバイスは、第２の種類の記録器を走査するために異なる波長を有する放射線ビームを使用する。第２の種類の記録器に関する第２の放射線源は、デバイス６１中に含まれる。この好ましい実施形態では、放射線源６１１は、ＣＤ用レーザおよびＤＶＤ用レーザを含み、したがってデバイスは、ＣＤおよびＤＶＤのディスクを走査することができ、さらに適切なＣＤおよびＤＶＤのディスクに書き込むことができる。

ＣＤディスクから読み出すために必要な光ビームの開口数（ＮＡ）は、通常０．４５であり、一方ＤＶＤディスクから読み出すために必要なＮＡは、０．６５である。光学的記録器を走査するために、対物システム６１８においてデバイス６１の光路中に切り換え可能な絞り６００を導入することによって、ＣＤおよびＤＶＤのディスクの両方のフォーマットに適するようにビームＮＡを変えるのが可能になる。

記録媒体を再生するのに適するようにＮＡを調節するために絞り６００を切り換えることに加えて、再生モードおよび記録モードを切り換えるときに、絞りを使用してビームのＮＡを変えることができる。書き込み時、ディスクの情報層上のスポット中に大きいピーク・パワーを生成するために、ディスク読み出し中よりもＮＡをいくらか大きくしてディスク上にビームを合焦することが好ましい。ディスク上へのマークの書き込みは、ディスク上にスポットの中心ピークを加えて実施され、一方スポットのサイドローブは、記録媒体の状態を変えるのに十分なエネルギーを含まない。その結果、スポットのサイドローブをディスクの傾きに対してより反応させるより大きいＮＡは、書き込み時問題を生じない。逆に、読み出し中、サイドローブ反射からのクロストークを防ぐために高い縁強度および非常に小さいサイドローブを生成することが好ましい。したがって、読み出すためには、ＮＡは、書き込み段階より小さいことが好ましい。絞り６００を使用して、記録または読み出しの要求に対してビーム・プロフィールを整合させる助けとすることができる。ビームＮＡの変化をさせるのみならず、本発明の好ましい実施形態による切り換え可能な光学的部品を使用して、記録モードと読み出しモードでビーム形状を変えることができる。上述したように、記録用ビームは、通常ピーク強度が高くなるように形作られる。しかし、読み出す場合は、互いに隣接するトラック間のクロストークを低減することが重要である。いくつかの例では、楕円形または他の非円形の対称的なビーム形状を使用することができ、そのビーム形成は、切り換え可能な光学的部品の開口形状を変えることによってもたらされる。

光学的情報記憶システムをＣＤおよびＤＶＤ機能を有するものとして説明してきたが、切り換え可能な光学的部品を同様に他の情報記憶フォーマット、たとえばブルーレイ・ディスクを有するシステムに適用することができる。

第２の液体として使用に適した油には、鉱物性の油、たとえばシリコン油が含まれる。適切な量の染料または顔料を油に添加することによって、油の選ばれた光学的透過特性を調整して効果を得ることができる。油に添加する染料の量および種類を選ぶことによって、様々な光学的な効果を得ることができる。たとえば、上記のシャッタまたは絞りを得るためには、黒色染料を添加することによって油を実質的に不透明にする。あるいは、着色染料を添加して切り換え可能なフィルタ作用を実現することができる。別の例として、光散乱粒子を油に添加して切り換え可能な拡散性反射フィルタを製造することができる。無色の油を染色しまたはその他の方法で処理した油の代わりに、固有色または光散乱作用を有する油を使用して、光学的透過率の所望の変化が得られると予想できる。切り換え可能な光学的部品は、可視スペクトル外で動作することができるはずで、たとえば電磁スペクトルの紫外線または赤外線の部分で有効であることを理解されたい。切り換え可能なフィルタの用途には、シアン・フィルタを使用して日中と夜間の感度を切り換えることができる写真機およびビデオカメラにおける使用、または様々な色の画像が時間に連続的な投射によって重畳されるビデオ投射システムにおける使用が含まれる。

図７は、２重カラー・フィルタを含む切り換え可能な光学的部品７を示す。２重カラー・フィルタは、２個の部品を含み、そのそれぞれが本発明の第１の実施形態について説明したのと同様に実質的に機能するように構成されているが、固形の隔離する境界がその間にない１個の液体室に密閉されている。１個の切り換え可能な光学的部品中に２個のフィルタを組み込んだことによって、大きさを減らすことが可能になる。

液体室２は、第１の流動体２０と、第１のフィルタとして働く第２の流動体２２と、第２のフィルタとして働く第３の流動体２３とを含む。第１、第２および第３の流動体２０、２２、２３は、光軸に沿って互いに相対的に配置される。第１の電極２４は、第１の流動体２０に接触し、第１および第２のフィルタに対して共通である。

２重フィルタの作用を実現するために、第２および第３の液体の透過率を互いに異なるように選ぶ。たとえば、第２の流動体２２は、シアン色に着色され、第１の状態では、領域Ｂ全体にわたって連続する層の形になり、それによって領域Ｂにおいて切り換え可能な光学的部品１を通過する光をフィルタリングするように、切り換え可能な光学的部品１内に配置される。たとえば、第３の流動体２３は、マジェンタ色に着色され、第１の状態では、領域Ｂ全体にわたって連続する層の形になり、それによって領域Ｂにおいて切り換え可能な光学的部品１を通過する光をフィルタリングするように、切り換え可能な光学的部品１内に配置される。液体室２内のすべての液体の密度は、実質的に等しく、切り換え可能な光学的部品４が重力および慣性の負荷を受けたとき安定性が得られるように選ばれる。システムが十分に小さい場合、第１および第２の液体の密度は互いに異なっても良い。

共通の第１の電極２４と、第１および第２のフィルタの第２の電極２６および／または第３の電極２６’との間に適切な電圧を加えることによって、第２および第３の流動体２２、２３によって構成されたフィルタ層のどちらかの一方または両方が部品の光路から外に出て切り換えが可能になる、２重フィルタを製造することができる。第３の電極２６’は、第２のコンタクト層２８’によって液体室内の流動体から隔離される。第２のコンタクト層２８’は、第３の電極２６’と第１、第２および第３の流動体２０、２２、２３の間の絶縁性障壁になる。第１および第２のフィルタの第２および第３の電極２６、２６’、または第１および第２のフィルタの他の特性は、それぞれのフィルタが加えられた電圧に対して異なって応答し、ある範囲の作用を可能にするように変えることができる。より詳しくは、図１０および１１の説明と関連して以下で説明する。

図８は、電圧が第１、第２および第３の電極２４、２６、２６’に加えられているときの切り換え可能な光学的部品４の平面図を示す。第２および第３の電極２６、２６’は、それぞれ複数の独立にアドレス可能なライン電極を含み、しかし第２の電極２６のライン電極は、第２および第３の流動体２２、２３を互いに異なる方向で光軸から移動して離すことができるように、実質的に互いに直角に配列される。他の電極構成を使用して様々な効果を得ることもできる。

オフ状態で水に接触する液体空洞の内側壁は、実質的に親水性である。このようにして、水が２つの油の流動体間に保持され、油の流動体は、部品の末端部から離れて移動できないようにする。

図９は、２個の切り換え可能な光学的部品を含む写真機９を示す。絞り９１およびシャッタ９２が設けられ、これらを使用して写真機９４内のＣＣＤ９３における、または他の光学的検出器における受光を制御する。本発明の実施形態による絞り９１およびシャッタ９２を使用すると、絞り９１およびシャッタ９２を互いに非常に接近させて配置することが可能になる。これは、製造するデバイスが小型になるので有利である。シャッタ９２と絞り９１を互いに接近させた配置が確保されるので、シャッタ９２の必要な開口部直径が最小になる。これは、シャッタ９２の大きさが小さくなるにつれてシャッタ９２の最小の切り換え時間が減るので、有利である。

明るい状況では、絞り開口部の直径を小さくし、速いシャッタ・スピードが必要になる。上記のように、シャッタ９２が絞りに近接して配置されているとき、必要なシャッタ９２の開口部の大きさが小さくなるので、速いシャッタ・スピードがより容易に得られる。暗い光の状況では、絞り開口部の直径を大きくする。しかし、暗い光の状況では、長い露出時間も所望され、したがって必要なシャッタの開口部の大きさを大きくし、その結果として生じるよりゆっくりした切り換えに対応することができる。

シャッタ９２を開き閉じるのと同時に絞り開口部の大きさを動的に変えることによって、様々な光学的効果を達成することが可能になる。

図１０は、１個のデバイス中に組み込まれた切り換え可能なフィルタおよび絞りの側面図を示す。大きさを小さくするのみならず、複数の部品をパッケージ中に組み込むことによって、デバイスを通過する光が通らねばならない境界の数も少なくなる。各境界は起こり得る反射損失を意味するので、境界の数が減ることは有利である。さらに、２重部品の製造にともなう製造コストは、同じ機能を果たすために２個の別々の部品を製造するコストより低減される。

さらに、他の部品の統合も可能であり、たとえば図１１に示す光学的デバイス１１を参照されたい。光学的デバイス１１は、レンズと、切り換え可能な光学的部品とを含む。図１１に例として示したレンズは、切り換え可能な光学的部品と一体に形成された調節可能なエレクトロウエッティングレンズであるが、他の固定されたまたは調節可能なレンズを切り換え可能な光学的部品に結合することもできるはずである。

第１および第２の電極２４、２６のみならず、さらに、図１１のデバイスは、レンズ調節電極２７および第３の流動体２３も含む。第１および第３の流動体２０、２３は、実質的に透明であり、湾曲した表面２５に沿って互いに面している。静止時の表面２５の曲率は、第２のコンタクト層２８’の、第１および第３の流動体２０、２３による湿潤性によって決定される。

第１および第２の電極間に電圧Ｖ１を加えることによって、絞り作用をもたらすように、上記と同様に第２の流動体２２の位置を変えることができる。第１の電極２４とレンズ調節電極２７の間に電圧Ｖ２を加えることによって、調節可能な仕事率（power）のレンズが得られるように、第１および第３の流動体間の界面２５の形状を変えることができる。

本明細書では第１の液体を水として言及してきたが、この用語はある範囲の極性および／または伝導性の液体を包含するものであることを理解されたい。適切なエレクトロウエッティング効果を得るために、水および油でない液体システムを使用することが可能であり、実際に、液体の１つが液体でなく、ガスまたは蒸気を含むことができる。油および水の例では、デバイスについての電気的な測定ができるように、塩化ナトリウムなどの電解液を水に含めることができる。

製造を簡単にするために、コンタクト層は、基板の上部において疎水性の表面被覆を含むことができる。基板は、所望の形状で形成でき、疎水性の表面被覆をそれに適用することができる。この技法を使用すると、コンタクト層を製作するのに必要な疎水性材料の量を最小にすることができ、これは、適切な疎水性材料が比較的高価になりがちであるので、有利である。コンタクト層として使用するのに適切な疎水性材料、またはコンタクト層の疎水性の表面被覆は、アモルファス・フッ素重合体を含む。

本発明の実施形態による切り換え可能な光学的部品は、同様の作用を達成するための機械式装置に比べると、比較的小型にすることができる。小さい直径であるのみならず、切り換え可能な光学的部品は、光軸の方向に非常に薄くなるように製造することもできる。実用的なデバイスは、現在、直径が５００μｍの小ささで、ｃｍスケールのデバイスまでのより大きなデバイスの範囲も可能で、組み立てることができる。

切り換え可能な光学的部品は、直径が小さいときは、切り換え時間が１０ｍｓ程度になるように制御することができる。

上記で説明したように、重力、回転または衝撃による負荷に対する切り換え可能な光学的部品の抵抗力を増大するために、油および水の密度を整合させることができる。比較的小さなシステムでは、切り換え可能な光学的部品中の表面張力および界面張力は、慣性力を抑えて、デバイスを比較的安定にさせることになる。実験的な試験では、直径が約５ｍｍより小さいデバイスは、ある範囲の第１および第２の液体の場合、十分安定であることが示されている。より大きいデバイスの場合、第１および第２の液体の密度の精密な整合をさせることがより重要になる。水の密度をある程度まで微調整するために、純水の密度とは異なる密度を有するメタノールまたは他の水溶性液体の量を可変にして、水と混合することができる。このようにして、水の密度を精密に変えて、油の密度との良好な整合を得ることができる。

密度の整合は、他の液体の密度と整合するために、異なる密度の油を混合することによっても達成することができる。

本明細書に説明してきた本発明による切り換え可能な光学的部品の用途例のみならず、切り換え可能な光学的部品を使用できるはずの他の光学的デバイスも当業者は予想できよう。さらに、直列または並列に構成された複数の切り換え可能な光学的部品を使用して、光学的デバイス用に切り換え可能な透過特性を提供することができるはずである。

たとえば、切り換え可能な赤、緑および青のフィルタを、時間に連続して重畳させる投射器中、または他の表示用途で、組み合わせることができるはずである。

図７の２重フィルタの実施形態は、２種の可変特性を含む切り換え可能な光学的部品の一例を含む。明らかに、可変特性の他の組み合わせがすべて可能であり、たとえばシャッタとフィルタ、シャッタと絞り、フィルタと絞りなどである。さらに、可変レンズを含む図１１の実施形態では、切り換え可能な光学的部品は、説明された可変特性のどれでも有することができる。

これまで説明してきた切り換え可能な光学的部品は、既存の周知なデバイスおよび技法より多数の利点を有する。詳細にデバイスを説明したのみならず、この技術が特に適している多数の用途も提示してきた。

本発明の第１の好ましい実施形態による、第１の状態にある切り換え可能な光学的部品の側面図である。 第２の状態にある、図１の切り換え可能な光学的部品の側面図である。 第１の状態にある、図１の切り換え可能な光学的部品の平面図である。 第２の状態にある、図１の切り換え可能な光学的部品の平面図である。 本発明の第２の好ましい実施形態による、レーザ共振空洞内の定位置にある切り換え可能な光学的部品の側面図である。 本発明の第３の好ましい実施形態による、光学的記録器を走査するためのデバイス内の定位置にある切り換え可能な光学的部品の概略側面図である。 本発明の第４の好ましい実施形態による、第１の状態にある２重切り換え可能な光学的部品の側面図である。 第２の状態にある、図７の切り換え可能な光学的部品の平面図である。 ２つの本発明の実施形態による切り換え可能な光学的部品を備えるカメラ装置の側面図である。 本発明の第５の実施形態による切り換え可能な光学的部品の側面図である。 本発明の第６の実施形態による切り換え可能な光学的部品の側面図である。 オフ状態に構成された従来技術によるデバイスの側面図である。 オン状態に構成された図１２のデバイスの側面図である。

Claims (28)

1. 切り換え可能な光学的部品であって、
   当該切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って配置された第１及び第２の流動体、並びに該第１及び第２の流動体に対して当該切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って配置された第３の流動体を含む流体室と、
   前記第１の流動体に結合された第１の電極と、
   第２の電極と、
   第３の電極を含み、
   前記第２の流動体が、前記第１および第２の電極に加えられた電圧に応答して、前記光軸に対して実質的に横向きに移動し、それによって前記光軸に沿って前記流体室の透過率を変化させるように構成され、かつ
   前記第３の流動体が、前記第１及び第３の電極に加えられた電圧に応答して、前記光軸に対して横向きの方向に移動し、それによって前記光軸に沿って前記流体室の透過率を変化させるように構成される、
   ことを特徴とする切り換え可能な光学的部品。
2. 前記第２の流動体が、非伝導性の液体であり、前記第１の流動体が、少なくとも極性液体および伝導性液体のなかの１つである、請求項１に記載の切り換え可能な光学的部品。
3. 前記第２の電極と流体室内の前記第１および第２の流動体との間の絶縁性障壁を形成する第１のコンタクト層をさらに備える、請求項１または２に記載の切り換え可能な光学的部品。
4. 前記第１のコンタクト層が、前記第１の流動体に対するよりも、前記第２の流動体に対してより高い湿潤性を有する材料を含む、請求項３に記載の切り換え可能な光学的部品。
5. 前記第１のコンタクト層が、アモルファス・フッ素重合体（amorphous fluoropolymer）を含む、請求項３または４に記載の切り換え可能な光学的部品。
6. 前記第１のコンタクト層が、前記第１の流動体による第１の湿潤性を有する第１の領域と、前記第１の流動体による、前記第１の湿潤性より高い第２の湿潤性を有する第２の領域とを備える、請求項３に記載の切り換え可能な光学的部品。
7. 前記第２の領域が当該切り換え可能な光学的部品の光軸上に供される、請求項６に記載の切り換え可能な光学的部品。
8. 前記第２の流動体の移動が、エレクトロウエッティング効果によって起こされる、請求項１ないし７のいずれかに記載の切り換え可能な光学的部品。
9. 前記第１のコンタクト層が、前記第１及び第２の流動体から前記第２の電極への分離間隔が減少することで前記エレクトロウエッティング効果が局所的に増大する領域を備える、請求項８に記載の切り換え可能な光学的部品。
10. 前記第１のコンタクト層が、前記エレクトロウエッティング効果を局所的に増大させるために、前記流体室中に突出した領域を備える、請求項８または９に記載の切り換え可能な光学的部品。
11. 前記流体室の内側表面が、前記第１及び第２の電極に対する印加電圧に応答する前記第２の流動体の移動の再現性を高めるように構成された不均一部を備える、請求項８ないし１０のいずれかに記載の切り換え可能な光学的部品。
12. 前記第２の電極が、複数の独立にアドレス指定可能な部分を備える、請求項１ないし１１のいずれかに記載の切り換え可能な光学的部品。
13. 前記独立にアドレス可能な部分が、印加電圧に応答して前記第１のコンタクト層全体にわたって異なる湿潤性を提供するように構成される、請求項１２に記載の切り換え可能な光学的部品。
14. 前記第２の電極が、透明であり、前記光軸を実質的に横切るように構成される、請求項１ないし１３のいずれかに記載の切り換え可能な光学的部品。
15. 前記第３の電極と前記の流体室内の流動体との間に絶縁性障壁を形成する第２のコンタクト層をさらに備える、請求項１に記載の切り換え可能な光学的部品。
16. 前記第３の流動体が、前記第２の流動体とは異なる透過率スペクトルを有する、請求項１に記載の切り換え可能な光学的部品。
17. 当該切り換え可能な光学的部品に電圧が加えられていないとき、前記の第１の流動体に接触した流体室の内側表面では、前記第２の流体による湿潤状態よりも、前記第１の流体による湿潤状態の方が高くなる、請求項１に記載の切り換え可能な光学的部品。
18. 前記第１、第２、及び第３の流動体が、実質的に等しい密度である、請求項１ないし１７のいずれかに記載の切り換え可能な光学的部品。
19. シャッタ、絞り、拡散反射器またはフィルタのなかの少なくとも１つである、請求項１ないし１８のいずれかに記載の切り換え可能な光学的部品。
20. 切り換え可能な光学的部品を含む光学的デバイスであって、
    当該切り換え可能な光学的部品が、
    当該切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って配置された第１及び第２の流動体を含み、さらに該第１及び第２の流動体に対して当該切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って配置された第３の流動体を含む流体室と、
    前記第１の流動体に結合された第１の電極と、
    第２の電極と、
    第３の電極を含み、
    前記第２の流動体が、前記第１及び第２の電極に加えられた電圧に応答して、前記光軸に対して実質的に横向きに移動し、それによって前記光軸に沿って流体室の透過率を変化させるように構成され、かつ
    前記第３の流動体が、前記第１及び第３の電極に加えられた電圧に応答して、前記光軸に対して横向きの方向に移動し、それによって前記光軸に沿って前記流体室の透過率を変化させるように構成される、
    光学的デバイス。
21. レンズをさらに含む、請求項２０に記載の光学的デバイス。
22. 前記レンズが、当該切り換え可能な光学的部品と一体に形成される、請求項２１に記載の光学的デバイス。
23. 前記レンズが、調節可能なエレクトロウエッティングレンズである、請求項２１または２２に記載の光学的デバイス。
24. 光学的記録器の情報層を走査するためのデバイスをさらに備える請求項２０ないし２３のいずれかに記載の光学的デバイスであって、
    当該光学的デバイスが、第１の放射線ビームを生成するための第１の放射線源と、情報層上に第１の放射線ビームを収束させるための対物システムとを備え、
    当該切り換え可能な光学的部品が、前記第１の放射線ビームを制御するように構成される、
    光学的デバイス。
25. 前記第１の放射線ビームとは異なる波長の第２の放射線ビームを生成するための第２の放射線源をさらに備え、
    前記対物システムが、前記情報層上に前記第１または第２の放射線ビームを収束させるように選択的に構成され、
    当該切り換え可能な光学的部品がさらに、前記第２の放射線ビームを制御するように構成される、請求項２４に記載の光学的デバイス。
26. 当該切り換え可能な光学的部品が、前記対物システム中に組み込まれる、請求項２４または２５に記載の光学的走査デバイス。
27. 切り換え可能な光学的部品を製造する方法であって、
    当該切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って配置された第１及び第２の流動体を含む流体室を設ける工程と、
    前記第１及び第２の流動体に対して当該切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って配置された第３の流動体を設ける工程と、
    前記第１の流動体に結合する第１の電極、第２の電極、及び第３の電極を設ける工程とを備え、
    前記第２の流動体が、前記第１及び第２の電極に加えられた電圧に応答して、前記光軸に対して実質的に横向きに移動し、それによって前記光軸に沿って前記流体室の透過率を変化させるように構成され、かつ
    前記第３の流動体が、前記第１及び第３の電極に加えられた電圧に応答して、前記光軸に対して横向きの方向に移動し、それによって前記光軸に沿って前記流体室の透過率を変化させるように構成される、
    方法。
28. 光学的記録器の情報層を走査するための光学的走査デバイスを製造する方法であって、
    第１の放射線ビームを生成するための第１の放射線源を設ける工程と、
    前記第１の放射線ビームを情報層上に収束させるための対物系を設ける工程と、
    前記第１の放射線ビームを制御するように構成された切り換え可能な光学的部品を設ける工程とを備え、
    当該設けられる切り換え可能な光学的部品が、
    当該切り換え可能な光学的部品の光軸に沿って配置された第１及び第２の流動体を含む流体室と、
    前記第１の流動体に結合する第１の電極と、
    第２の電極と、及び
    第３の電極を含み、
    前記第２の流動体が、前記第１及び第２の電極に加えられた電圧に応答して、前記光軸に対して実質的に横向きに移動し、それによって前記光軸に沿って前記流体室の透過率を変化させるように構成され、かつ
    前記第３の流動体が、前記第１及び第３の電極に加えられた電圧に応答して、前記光軸に対して横向きの方向に移動し、それによって前記光軸に沿って前記流体室の透過率を変化させるように構成される、
    ことを特徴とする、方法。

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