JP2009519480A - 調節可能な液体光学絞り - Google Patents

Abstract

この発明は、光学軸を有する調節可能な光学絞りに関し、この調節可能な光学絞りは、印加電圧の下で、エレクトロウェッティング現象により互いに対して移動可能である第１および第２の混合しない液体を含み、第１の液体は実質的に不透明であり、第２の液体は実質的に透明であり、この絞りは、内側表面を有し、かつ内側表面と接触し、光学軸上に中心を置き、界面で第２の液体と接触する第１の液体の環状ボリュームを含むチャンバを含み、界面は半径方向内側外周と半径方向外側外周とを有し、内側および外側外周は内側表面に接触し、内側および外側外周のうちの一方は前記印加電圧の変化により内側表面に対して移動可能であり、内側および外側外周の他方は内側表面に対して固定または少なくとも移動不可能である。

Description

発明の分野
この発明は調節可能な光学絞りに関する。特定的には、この発明はエレクトロウェッティングによって流体を移動させることにより与えられる変動可能なアパーチャを有する調節可能な液体光学絞りに関する。

発明の背景
光学装置に変動可能なアパーチャを与える機械的な絞りは公知であり、運動部分を含む。ある適用例、たとえば携帯電話におけるカメラ、の場合、小さい光学素子が変動可能なアパーチャを与えるために必要とされる。機械的な絞りは、嵩張り、運動部分のせいで寿命期間が限られ、かつ製造するのが相対的に高価であるため、この適用例には理想的ではない。

図１Ａおよび図１Ｂは米国特許出願番号第２００１／００１７９８５号で提案され、流体を含む光学装置の原理を示す。容器１００は不透明な第１の流体１０２と透明な第２の流体１０４とを含む。不透明な流体１０２はたとえばカーボン粒子と混合された水である。透明な流体１０４はたとえば油である。容器１００に形成される絶縁材料には環状電極１０６が埋込まれ、不透明な流体１０２に電圧を供給するよう電極１０８が構成される。図１Ａに示されるように、第１の状態では、不透明な流体は全装置にわたって存在し、光線１１０が装置を通り抜けるのを妨げる。

図１Ｂに示されるように、約±２００ボルトの振動電流が電極１０８に印加されると、不透明な流体１０２は光学装置の側に移動し、光線１１２が光学装置を通り抜けるのを可能にする。

図１Ａおよび図１Ｂの装置は多くの欠点を有する。装置の内側表面の上において、水の分離が始まる地点が規定されておらず、中心でない場合がある。次いで、ひとたび水が分離すると、装置が与えるアパーチャが装置の光学軸に対して回転対称になるのを保証する方法がない。さらに、油１０４が容器１００にくっつくことになり、電圧が除去されても、水１０２を装置にわたって再導入するのが難しくなる。アパーチャの開口および閉口が印加電圧に関連して単調になるように装置を制御することが難しくなる。

図２Ａおよび図２Ｂは、国際特許出願ＷＯ２００４／０２７４８９で提案される代替的な光学素子を示す。図２Ａに示されるように、光学シャッタ２００は第１の透明な液体２０２と第２の不透明な液体２０４とを含む。透明な液体２０２は導電性の液体であり、この場合は水である。液体２０４は誘電体であり、この例では油を含む。これら液体と電極２０８との間には接触層２０６が設けられる。層２０６は、第１の状態では油２０４が接触層２０６を覆うように親水性の表面を有する材料を含む。図２Ｂに示されるように、水２０２と電極２０８との間に電圧が印加されると、エレクトロウェッティング効果により、接触層２０６の濡れ性が増加し、水２０２はこの層２０６と接触し、油２０４を一方の側に移動させる。

装置２００はシャッタとして妥当に動作し得るが、この装置の問題は、開状態と閉状態との間の状態で容易に制御され得ないということである。これは、閉状態から開状態へ油２０４が大きく動くためであり、これは正確に制御するのが難しい。

発明の概要
この発明の実施例の目的は、上で議論した先行技術の問題に対して少なくとも部分的に対処する調整可能な絞りを提供することである。

この発明の第１の局面に従えば、光学軸を有する調節可能な光学絞りが提供され、この調節可能な光学絞りは、印加電圧の下で、エレクトロウェッティング現象により互いに対して移動可能である第１および第２の混合しない液体を含み、第１の液体は実質的に不透明であり、第２の液体は実質的に透明であり、この絞りは、内側表面を有し、かつ内側表面と接触し、光学軸上に中心を置き、界面で第２の液体と接触する第１の液体の環状ボリュームを含むチャンバを含み、界面は半径方向内側外周と半径方向外側外周とを有し、内側および外側外周は内側表面に接触し、内側および外側外周のうちの一方は前記印加電圧の変化により内側表面に対して移動可能であり、内側および外側外周の他方は内側表面に対して固定されているかまたは少なくとも移動不可能である。

この発明のいくつかの実施例に従えば、界面の内側外周は第１の領域の外周と、第１の領域を取囲む第２の領域の外周との間を移動可能であり、界面の外側外周はチャンバの内側表面の形状または湾曲における鋭い変動によって、たとえば直角の環状縁部によって固定される。代替的な実施例では、界面の外側外周は、例えば親水性または疎水性を有するよう表面を処理することによって達成される、チャンバの内側表面のエリアの間の濡れ性の差によって固定される。

この発明のいくつかの実施例に従えば、第１の液体はチャンバの内側表面の第３の領域と常に接触し、第３の領域は透明接触表面に対して傾いている。したがって、この傾いている第３の領域によって、第１の液体に対していくらかの支持が与えられる。

この発明のさらなる局面に従えば、エレクトロウェッティングにより互いに対して移動可能な第１および第２の混合しない液体を含む調節可能な光学絞りを製造する方法が提供され、第１の液体は実質的に不透明であり、第２の液体は実質的に透明であり、絞りは光学軸を有し、この方法は、内側表面を有するチャンバを規定するとともに蓋を含む格納容器を、蓋を取除いた状態で第２の液体に浸すステップと、第１の液体をチャンバの中に挿入するステップとを含み、チャンバは第１の液体が内側表面と接触し、光学軸の上に中心を置き、界面で第２の液体と接触する環状ボリュームを形成するように構成され、界面は半径方向内側外周と半径方向外側外周とを有し、内側および外側外周は内側表面と接触し、内側および外側外周の一方は内側表面に対して移動可能であり、内側および外側外周の他方は内側表面に対して固定されるかまたは少なくとも移動不可能であり、この方法はさらに、第１および第２の液体がチャンバ内にシールされるように格納容器の上に蓋をシールするステップを含む。

この発明のさらなる局面に従えば、絞りの方法または調節可能な絞りを動作させる方法が提供され、この方法は、光学軸を有し、エレクトロウェッティングにより互いに対して移動可能な第１および第２の混合しない液体を含むチャンバを提供するステップを含み、第１の液体は実質的に不透明であり、第２の液体は実質的に透明であり、チャンバは内側表面を含み、かつ内側表面と接触し、チャンバの光学軸の上に中心を置き、第２の液体と界面で接触する第１の液体の環状ボリュームを含み、界面は半径方向内側外周と半径方向外側外周とを有し、内側および外側外周は内側表面に接触し、この方法はさらに、内側および外側外周の一方を内側表面に対して固定するステップと、必要とされる絞り動作を提供するよう、内側および外側外周の他方を内側表面に対して移動させるステップとを含む
。

この発明のさらなる局面に従えば、静止画または動画を撮像するためのカメラが提供され、このカメラは、例えば変動可能な焦点液体レンズのようなレンズと、フォトセンサアレイと、メモリと、エレクトロウェッティングにより互いに対して移動可能な第１および第２の混合しない液体を含む調節可能な絞りとを含み、第１の液体は実質的に不透明であり、第２の液体は実質的に透明であり、絞りは光学軸を有するとともに、内側表面を含み、かつ内側表面と接触し、光学軸の上に中心を置き、界面で第２の液体と接触する第１の液体の環状ボリュームを含み、界面は半径方向内側外周および半径方向外側外周を有し、内側および外側外周は内側表面と接触し、内側および外側外周の一方は内側表面に対して移動可能であり、内側および外側外周の他方は内側表面に対して移動不可能である。

この発明のさらなる目的、特徴、および利点は、添付の図面とともに考慮されると、例示的な好ましい実施例の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

明確さのため、図面における同じ要素は、図面にわたって同じ参照番号で参照される。図面は尺度決めされて描かれているわけではない。

発明の実施例の詳細な説明
図３Ａおよび図３Ｂは変動可能なアパーチャを与える調節可能な絞りを示す。この装置は、透明なベース３０２、透明蓋３０４、および環状電極３０６を含む。ベース３０２および蓋３０４はガラスから形成されるのが好ましく、環状電極３０６は金属から形成されるのが好ましい。装置の中には、第１の透明な液体３０８と第２の不透明な液体３１０とが含まれる。透明な液体３０８は導電性の液体であり、塩のような電解質と混ぜられた水を含むのが好ましい。不透明な液体３１０は絶縁体であり、顔料と混ぜられた油を含むのが好ましい。第１および第２の液体３０８、３１０は混合しない。平坦な透明絶縁層３１２が第１および第２の液体３０８、３１０を、ベース３０２の上に形成される平坦な透明電極３１４から分離する。第１および第２の液体３０８、３１０は環状電極３０６の内側表面、蓋３０４の内側表面、透明絶縁層３１２の内側表面によって規定されるチャンバの中に含まれる。

透明なベース３０２と蓋３０４とに対して垂直に装置の中心を通るとともに、液体３０８、３１０を有するチャンバを通る絞り３００の光学軸Δが図３Ａに示される。光学軸Δは、変動可能な絞りによって与えられるアパーチャの中心であると解釈される。後でより詳細に議論されることになるチャンバの形状およびチャンバの壁への処理により、不透明な液体３１０は光学軸に対して回転対称である環状の落込みを形成する。

透明な絶縁体３１２の表面の円形領域３１６は親水性であり、絶縁体３１２の表面の残りおよび環状電極の内側表面３１８は疎水性である。領域３１６は装置の光学軸Δの上に中心を置く。明確さのため、図３Ａおよび図３Ｂでは厚みを有するかのよう示されるが、それはこの領域の光学特性に影響を与えないただの表面処理である。図３Ａに示されるように、静止状態では、液体３１０はエリア３１６に接触せず、光が通過し得る親水性の領域３１６を除いて、光学軸に平行にこの装置を通過する光線は不透明な液体３１０によって妨げられることになる。この領域３１６はしたがって、３２０_minで示される、装置３００の最小アパーチャ直径を与える。

電極３１４と電極３０６との間に電圧が印加され得る。しかしながら、図３Ａに示されるように、静止状態では電圧は印加されない。

図３Ｂは、電極３１４と環状電極３０６との間に最大電圧Ｖ_maxが印加される場合を示す。環状電極３０６は、環状の溝であるとともに断面が長方形であり、かつ環状電極の内側表面において透明蓋３０４と接触する端部に形成される領域３２２で、水３０８と接触する。水３０８はこの溝に入り込み、電極３０６と接触するが、環状電極３０６の内側表面３１８の残りは、不透明な液体３１０との接触により水から分離される。

電圧Ｖ_maxが印加されると、エレクトロウェッティング効果により、水３０８の傍の絶縁層３１２の濡れ性が増加し、これにより水３０８が絶縁層３１２の表面のより多くの部分と接触し、水が油３１０をチャンバの側に押しやる。油３１０の最大分離時には、装置３００のアパーチャは自身の最大直径３２０_max′になり、光線が通過し得る最大の開口を提供する。電圧を０ＶからＶ_maxに増加させると、アパーチャ直径が３２０_minから３２０_maxに単調増加する。

水３０８と油３１０との間の界面は、図３Ａおよび図３Ｂにおいて３２４で示されるとともに、絶縁層３１２にその内側外周３２６で接触する表面を規定する。内側外周３２６は、装置３００のアパーチャを与え、この実施例では、変動可能なアパーチャのすべての直径で常に円形であり、光学軸Δに対して回転対称であることになる。これは部分的には、アパーチャの開口が絶縁層３１２上のどの点で始まることになるかを決定する円形の親水性領域３１６によって達成される。さらにこれは、図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、水／油の界面３２４の外側外周３２８を電極３０６の縁部に固定することにより達成される。界面３２４の外側外周３２８は、環状電極の内側表面３１８とこの表面に形成される溝３２２との間で、電極３０６の直角の角部により相対的に移動不可能となるように固定される。表面３１８は、疎水性であるように、かつ水ではなく油がこの表面に接触するように処理されている。油は溝３２２に入ることはない。なぜならば、完全に開いた状態でも、縁部３２８での油と表面３１８との間の最大接触角度は、油が溝３２２に入るほど十分に大きくないからである。

図３Ｃを参照すると、図３Ａおよび図３Ｂの調節可能な絞り３００の平面図が示される。この図は、水／油の界面の外側外周３２８が固定される円形の縁部を含む環状電極３０６を示す。絶縁層３１２の円形親水性領域３１６も図示され、電極に電圧が印加されないときに、装置のアパーチャの最小直径を与える。図３Ｃは、油３１０が最大分離状態まで分離され、これにより最大アパーチャ直径３２０_maxを与えるのを示す。

ある実施例では、電極３０６および／または親水性領域３１６は円形でなく、その結果、異なる形のアパーチャが得られる。たとえば、楕円形または細長い円の形を有する形状は、正方形ではなくたとえば長方形の形状のセンサに光を与えるためにアパーチャが必要とされる実施例において便利である。図３Ｄは電極３０６が楕円形である場合を示す。絶縁層３１２の上に形成される親水性領域３１６も形状が楕円形であり、油３１０が親水性領域３１６から移動すると、油／水の界面の内側外周３２６も楕円形状を形成する。最大のアパーチャの場合が図３Ｄに示され、図３Ｄにおいて、楕円の長い方の軸に沿った最大幅のアパーチャは３２０_max′であり、楕円の短い方の軸に沿った最大幅のアパーチャは３２０′_maxである。

図４Ａおよび図４Ｂは調節可能な絞り４００の代替的な実施例の断面側面図を示す。この装置も、透明なベース４０２、透明蓋４０４、および環状電極４０６を含む。ベース４０２および蓋４０４はガラスから形成されるのが好ましく、環状電極４０６は金属から形成されるのが好ましい。装置には、第１の透明な液体４０８と第２の不透明な液体４１０とが含まれる。透明な液体４０８も導電性の液体であり、塩のような電解質と混ぜられた水を含むのが好ましい。不透明な液体４１０は絶縁体であり、顔料と混ぜられた油を含むのが好ましい。第１および第２の液体４０８、４１０は混合しない。平坦な透明絶縁層４
１２が、ベース４０２の上で、装置の光学軸Δ上に中心がある平坦な円盤として形成される平坦な透明電極４１４から第１および第２の液体４０８、４１０を分離する。図３Ａおよび図３Ｂの透明電極３１４は絶縁層３１２と同じエリアを覆いながら全装置にわたって延在するが、後でより詳しく説明するように、透明電極４１４は装置の可能な限り最大のアパーチャをほんの短い距離だけ超えて延在する。

第１および第２の液体４０８、４１０は、環状電極４０６の内側表面、蓋４０４の内側表面、絶縁層４１２の内側表面によって規定されるチャンバの中に含まれる。

図４Ａおよび図４Ｂの不透明な液体４１０は、図３Ａおよび図３Ｂに示されるように電極３０６の表面３１８に接触するのではなく、絶縁層４１２にのみ接触し、これによりドーナツの先端スライスの形状、すなわち自身の軸に直交してスライスされた形状を形成する。さらに、親水性領域４１６が絶縁層４１２の表面上に形成され、領域４１６は円形であり、光学軸Δの上に中心を置く。さらなる環状親水性領域４２２が絶縁層４１２の表面の上で、液体を含むチャンバの外周の近くに形成される。静止状態では、不透明な液体４１０が、領域４１６および４２２を除いて、絶縁層４１２を覆う。これは図４Ａに示される。親水性領域４１６は光が通過するのを許し、装置４００の最小直径４２０_minを与える。親水性領域４２２は、光が不透明な液体４１０の縁部の周りを通過するのを避けるよう光を妨げるように処理されるのが好ましい。

図４Ｂに示されるように、電圧が環状電極４０６と透明電極４１４との間に印加されると、エレクトロウェッティングにより、液体４０８が絶縁層４１２の表面に引寄せられ、油４１０を装置の中心から離れさせ、これにより装置のアパーチャを拡大させる。図４Ｂは、アパーチャ直径が自身の最大値４２０_maxを達成した場合を示す。

装置４００における水／油の界面は、４２４で示され、界面の内側外周４２６で絶縁層４１２と接触する。この外周４２６は装置のアパーチャを規定する。しかしながら、油／水の界面４２４の外側外周４２８は、環状電極の縁部にではなく、絶縁層４１２に固定される。装置３００における水／油の界面は電極３０６の機械的な構成により固定されるが、装置４００では、外側外周４２８は領域４２２における透明絶縁層４１２の表面処理によって固定される。絶縁層４１２の表面は、親水性領域４１６と親水性領域４２２との間の領域では疎水性である。この結果、図４Ａに示されるように、静止状態では水ではなく油がこの表面に接触する。絶縁層４１２の領域４１６および４２２と、環状電極４１６の内側表面４１８とは親水性であり、そのため水はこれらの表面に引寄せられ、油４１０はこれらの表面に接触しない。このように、水／油界面の外側外周４２８は装置の通常動作の間は動くことはない。電極の間に電圧が印加される際に、この外周がエレクトロウェッティングにより移動するのを避けるよう、透明電極４１４が油／水の界面の外側外周４２８の近傍にまで延在しないようにすることが必要である。

装置３００および４００がカメラに設置されると、たとえばｆ／２とｆ／１６との間の変動可能なアパーチャを提供する。ｆはカメラレンズ構成の焦点距離である。カメラが５ｍｍの焦点距離を有するとすると、これは最小アパーチャ直径３２０_minが約０．５ｍｍであり、最大アパーチャ直径３２０_maxが約２．５ｍｍであるということを意味する。装置３００および４００の厚みは１ｍｍから２ｍｍの範囲内である。

電極３１４および４１４は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）のような透明導電性材料から形成される。

親水性領域３１６、４１６、および４２２は、たとえば化学的侵食によってこれらの領域を処理することにより形成される。絶縁層３１２および４１２の他の領域は疎水性であ
るのが好ましいので、この層は（デュポン社（Dupont de Nemours）の）ブランドであるテフロン（登録商標）（Teflon）の透明なコーティングを酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）のような親水性の誘電体材料の層の上に堆積させ、次いで、領域３１６、４１６および４２２を形成するよう必要な領域においてテフロン（登録商標）を化学修飾することにより形成されるのが好ましい。代替的には、絶縁層３１２および４１２について、疎水性表面を有する材料が選ばれ得、領域３１６、４１６、および４２２は、たとえば表面をシランで処理することにより親水性になるよう処理され得る。上記の例の両方において、得られる絶縁層の表面は装置の光学特性に対して最小限の変更しか与えない。

この装置は、透明なベース３０２、４０２と、透明電極３１４、４１４と、透明絶縁層３１２、４１２とを形成し、たとえば接着剤または糊を用いてこれを環状電極３０６、４０６に固定またはシーリングすることにより製造されるのが好ましい。次いで、たとえば装置を透明な液体３０８、４０８に浸し、次いで注射器を用いて不透明な液体３１０、４１０を、図３Ａまたは図４Ａに示される位置にそれが自然に移動することになる大体の位置に挿入することにより、液体３０８、４０８および３１０、４１０がチャンバ内の適切な位置に挿入され得る。次いで、蓋３０４、４０４が装置に対してシールされ得る。液体３１０、４１０の量が注意深く制御されることは重要である。領域３１６、４１６、および４２２を除いて、それは光を妨げるのに必要とされる厚みで絶縁層を完全に覆うべきである。

図３Ａおよび図３Ｂの実施例では、環状電極３０６の内側表面３１８は、たとえばテフロン（登録商標）コーティングで疎水性を有するよう処理される。この内側表面３１８は絶縁層３１２に対して垂直であり、液体３１０を支持する。そのため、たとえばレンズが叩かれたり落とされたりしても、チャンバ内の液体３１０の望ましくない動きはあまり起こらない。この表面は絶縁層３１２に対して垂直であるよう図示されているが、代替的な実施例では、たとえば４５°といったような異なる傾斜であり得る。しかしながら、この表面が絶縁層３１２に対して傾斜する、すなわちそれに対して平行でないならば、不透明な液体３１０にはいくらかの支持が与えられることになる。

装置３００および４００のアパーチャが開くと、油３１０、４１０と絶縁層３１２、４１２との間の接触角度が増加することになる。外周３２６および４２６での接触角度は好ましくは３０°で始まり、油が分離するにつれて増加する。接触角度が変わる際にヒステリシスを避けるよう、油３１０、４１０と絶縁層３１２、４１２との間の接触角度が油とこの表面との自然な接触角度より高くなることが好ましい。この場合、基板の上にあるとともに導電性の液体に取囲まれる絶縁性の液体の自然な接触角度は、電圧が印加されず、かつ基板の湾曲における断絶または鋭い変化のような外乱が基板上に存在しない際に、これらの液体と基板との間の３種類の界面の地点で計測される基板との接線と絶縁性液体の表面との接線との間に形成される角度として規定される。電極３１４、４１４と３０６、４０６との間に印加される電圧は振動しているのが好ましい。なぜならば、これは絶縁層での電荷の蓄積を防止することになるからである。完全にアパーチャを開くのに６０Ｖまでの電圧が必要とされる。

図５Ａは調節可能な絞りの適用例の一実施例を示す。カメラのためのレンズユニット５００は、変動可能な液体レンズ５０２、調節可能な絞り５０４、多くの固定レンズ５０６、およびフォトセンサアレイ５０８を含む。これらの素子は直列に配され、光学軸δ上に中心を置く。この光学軸δは光学素子群の光学軸であり、調節可能な絞りの光学軸Δと一致する。この素子群の厚みは約７ｍｍであり、これにより携帯電話のカメラのような小さいカメラにとって好適になる。制御ユニット５１０は制御電圧を変動可能なレンズ５０２と調節可能な絞り５０４とに供給する。アレイによって撮像された画像を受取るために、メモリ５１２がフォトセンサアレイ５０８に接続される。光センサ５１４と焦点センサ５
１６とが制御ユニット５１０に接続される。しかしながら、これらのブロックの光感知および焦点合わせ機能は、カメラの画像センサ、すなわちフォトセンサアレイ５０８によって直接与えられ得、その場合にはこれらのブロックは必要ではない。

動作において、光センサ５１４は写真が撮られることになる環境における光量を感知し、この光量に基づく信号を制御ユニット５１０に供給する。焦点情報も焦点センサ５１６から制御ユニット５１０に供給され、光センサ５１４と焦点センサ５１６とからの信号に基づき、制御ユニット５１０は変動可能な焦点レンズ５０２と調節可能な絞り５０４とを駆動するよう制御信号を生成する。装置５０２と５０４とは自身に供給された制御信号にすばやく応答し、制御ユニット５１０はメモリ５１２を制御して、フォトセンサアレイ５０８が取得した値を保存させる。フォトセンサアレイ５０８が光および焦点情報を供給するのに用いられる場合は、フォトセンサアレイからの出力はブロック５１０によって処理され、変動可能な焦点レンズ５０２と調節可能な絞り５０４とに対する制御信号を生成するよう用いられる。

図５Ｂは、長方形のアレイが設けられるとともに、調節可能な絞りが最小直径では円形であるが、最大直径では楕円形となる場合のフォトセンサアレイ５０８の平面図を示す。調節可能な絞り５０４からの光はレンズ構成の光学軸δに中心があり、それは長方形のフォトセンサアレイ５０８の中心にある。調節可能な絞りの中心の親水性領域は円形であり、この結果、最小アパーチャ直径は円形となり、この設定において、絞りを通過する光が、５２０で示されるとともに長方形のアレイ５０８のすべての縁部内にある円形領域を形成する。調節可能な絞りの環状電極は楕円形であり、したがって最大アパーチャ直径の場合には、光は長方形のアレイ５０８の大部分を覆う楕円形状５２２を形成する。図５Ｂの例では、光の楕円形５２２は、長方形アレイ５０８の最長縁部に対して直角で最長直径を有する。これは、楕円形の縁部の湾曲が小さくなればなるほど光収差が少なくなるので有利であり得る。

したがって、ここに記載される実施例に従うと、変動可能な絞りを有する光学液体装置が提供される。第１の絶縁性の不透明な液体と第２の透明な導電性の液体とが、印加電圧を変化させることによって透明な液体の傍の接触表面の濡れ性を変更することにより移動する。これにより、透明な液体が接触表面のより多くの部分またはより少ない部分に接触する。立ち代って、透明な液体のこの移動は不透明な液体を変位させる。不透明な液体と透明な液体との間の界面の内側または外側外周は、たとえば印加電圧の変化によって動き得ないように固定される。この界面の内側または外側外周の他方は変動可能なアパーチャを提供し、印加電圧の変化によって移動可能である。このアパーチャが拡張または収縮すると、界面の一方の外周が固定されているので、界面の湾曲と、界面の縁部での接触角度とだけが変動する。したがって、アパーチャは最小のヒステリシスで、かつ単調な形で変動し得る。

さらに、図３および図４の円形の実施例では、界面の外側外周が環状電極の円形縁部または親水性領域と疎水性領域との間の円形の境界のいずれかに固定されるので、これにより界面の内側外周３２６も円形になるのが保証される。同じことが図３Ｄの楕円形の実施例にも当てはまる。この実施例では、アパーチャの楕円形状を維持することは、水／油の界面の外側外周を楕円形の電極の楕円形の縁部に固定することにより保証されるので、この界面の内側外周３２６はこの同じ形状に追随する。

油の分離のためにスタート地点を与えることにより、親水性領域３１６と４１６とは、装置の最小直径が光学軸の上に中心を置くことを確実にするだけでなく、この地点で水を透明電極３１４、４１４のより近くに至らせ、油が分離するのをより容易にする。もし油が絶縁層３１２、４１２の表面の全体を覆うようにされていたならば、水は透明電極３１
４、４１４から相対的に大きな離隔で始まり、水を絶縁層に接触させるのにより大きな電圧が必要であったであろう。

当業者には、ここで記載された実施例に対する多くの変形例が可能であるということは明らかであろう。

代替的な実施例では、環状電極、したがって装置３００または４００のアパーチャについて、円形および楕円形以外のその他の形状が可能である。たとえば、環状電極は正方形の形状であり得る。環状電極３０６、４０６と親水性領域３１６、４１６とは異なる形状、たとえば前者は正方形で後者は円形であることが可能であり、そのため、アパーチャが開くにつれて形状が変化する。

さらに、不透明な液体３１０、４１０は円形リング形状に限定されると意図されない環状の落込み形状を形成するが、ある量の不透明な液体３１０を、自身を環状にする穴を有する任意の形状で含み得る。この穴は絞りの光学軸に中心を置く。

上述した図３Ａおよび図３Ｂの実施例では、油／水の界面の外側外周は電極の直角の縁部により環状電極３０６の内側表面３１８に固定されるが、当業者ならば、代替的な実施例では、溝３２２が設けられず、あるレベルまでの表面の第１の領域が疎水性を有するとともに、このレベルを超える第２のエリアが親水性を有するように表面３１８を処理することにより縁部が固定され得るということは明らかであろう。図４Ａおよび図４Ｂの実施例では、油／水の界面の外側外周は、絶縁層４１２に円形の溝を設けることにより固定され得る。

さらに、図４の実施例では、油／水の界面４２４の内側外周は、調節可能であるアパーチャを有する調節可能な絞りを提供するよう移動可能であるが、代替的な実施例では、油／水の界面４２４の外側外周が調節可能であり得、内側外周が固定され得る。このような装置は、星の観察時のような、中心点で光を妨げる必要がある状況において便利である。これは、透明表面４１２の表面に環状の溝を設けることにより油／水の界面の内側外周を固定し、透明電極４１４を液体が移動することになる領域４２２の近くに、しかし界面が固定される領域４１６の近くではないところに位置決めされるように移動させることにより達成され得る。領域４１６は、この領域に光が入らないように不透明なコーティングで覆われ得る。

油および水の例が、不透明および透明な液体に対して上記の実施例で用いられてきたが、上記の実施例に記載の装置の動作を達成するよう、異なる液体が用いられ得るとともに、装置の内側表面に異なる表面処理を施すことが可能であるということは、当業者には明らかであろう。

装置３００および４００のアパーチャは０．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲で動作し得るが、他の実施例では０．５ｍｍより小さいまたは２．５ｍｍより大きいアパーチャが、装置の要件に依って提供され得るということは当業者には明らかであろう。装置の厚みも必要とされる使用に依って変動し得る。不透明な液体の厚みは、すべての予想される光のレベルに対して、不透明な液体で覆われる領域ではすべての光が防がれることを確実にするよう変動し得る。しかしながら、いくつかの実施例では、不透明な液体が最も薄いところを通過するのを許される光があり得、そのためアパーチャの開口と不透明な液体との間に穏やかな遷移がある。

このようにこの発明の少なくとも１つの説明的な実施例を記載してきたが、当業者ならばさまざまな変更例、修正例、および改善例を容易に思い付くであろう。このような変更
例、修正例、および改善例はこの発明の範囲内であるということが意図される。したがって、前述の記載はただの例示目的であり、限定を意図したものではない。この発明は特許請求の範囲およびその均等物において規定されるようにのみ限定される。

変動可能な絞りを提供する公知の光学装置の概略断面図である。 変動可能な絞りを提供する公知の光学装置の概略断面図である。 シャッタの機能を提供する公知の光学装置の概略図である。 シャッタの機能を提供する公知の光学装置の概略図である。 この発明の第１の実施例に従った調節可能な絞りの概略断面側面図である。 この発明の第１の実施例に従った調節可能な絞りの概略断面側面図である。 図３Ａおよび図３Ｂの調節可能な絞りの概略平面図である。 この発明の別の実施例に従った代替的な調節可能な絞りの概略平面図である。 この発明のさらなる実施例に従った調節可能な絞りの概略断面側面図である。 この発明のさらなる実施例に従った調節可能な絞りの概略断面側面図である。 この発明の実施例に従った装置の適用例の概略図である。 この発明の実施例に従った装置の適用例の概略図である。

Claims (15)

1. 光学軸（Δ）を有する調節可能な光学絞りであって、印加電圧の下で、エレクトロウェッティング現象により互いに対して移動可能である第１および第２の混合しない液体（３１０、４１０、３０８、４０８）を含み、第１の液体（３１０、４１０）は実質的に不透明であり、第２の液体（３０８、４０８）は実質的に透明であり、前記絞りは、内側表面を有し、かつ前記内側表面と接触し、前記光学軸（Δ）上に中心を置き、界面（３２４、４２４）で前記第２の液体と接触する前記第１の液体（３１０、４１０）の環状ボリュームを含むチャンバを含み、前記界面は半径方向内側外周（３２６、４２６）と半径方向外側外周（３２８、４２８）とを有し、前記内側および外側外周は前記内側表面に接触し、前記内側および前記外側外周のうちの一方は前記印加電圧の変化により前記内側表面に対して移動可能であり、前記内側および外側外周の他方は前記内側表面に対して移動不可能である、調節可能な光学絞り。
2. 前記チャンバの前記内側表面は前記装置の前記光学軸（Δ）に事実上垂直な透明接触表面（３１２）を含み、前記界面（３２４、４２４）の前記内側外周（３２６、４２６）は前記透明接触表面と接触し、前記透明接触表面は、前記光学軸（Δ）に事実上中心を置き、前記第２の液体（３０８、４０８）と常に接触するように構成される第１の領域（３１６、４１６）を含む、請求項１に記載の調節可能な光学絞り。
3. 前記界面（３２４、４２４）の前記内側外周（３２６、４２６）は前記第１の領域（３１６、４１６）の外周と、前記第１の領域を取囲む第２の領域の外周との間を移動可能である、請求項２に記載の調節可能な光学絞り。
4. 前記界面（３２４、４２４）の前記外側外周（３２８、４２８）は移動不可能であり、前記内側外周（３２６、４２６）は移動可能であり、前記外側外周は前記チャンバの前記内側表面の形状における鋭い変動によって固定される、請求項１に記載の調節可能な光学絞り。
5. 前記界面（３２４、４２４）の前記外側外周（３２８、４２８）は移動不可能であり、前記内側外周（３２６、４２６）は移動可能であり、前記外側外周は前記チャンバの前記内側表面のエリアの間の濡れ性の差によって固定される、請求項１に記載の調節可能な光学絞り。
6. 前記第１の液体（３１０）は前記チャンバの前記内側表面の第３の領域（３１８）と常に接触し、前記第３の領域（３１８）は前記透明接触表面（３１２）に対して傾いている、請求項２に記載の調節可能な光学絞り。
7. 前記第２の液体（３０８、４０８）と電気的に接触する第１の電極（３０６、４０６）と、前記移動可能な外周の近くにあるとともに前記移動可能な外周と平行なエリアに少なくともわたって形成される第２の透明電極（３１４、４１４）とをさらに含み、前記電圧は、前記印加電圧における前記変化が前記界面（３２４、４２４）の前記内側および外側外周の一方を動かすように前記第１および第２の電極の間に印加される、請求項１に記載の調節可能な光学絞り。
8. 前記界面（３２４、４２４）の前記外側外周（３２８、４２８）は円形であり、前記界面の前記内側外周（３２６、４２６）は円形であり、前記第１の領域（３１６、４１６）は円形である、請求項３に記載の調節可能な光学絞り。
9. 前記第１の液体（３１０、４１０）は絶縁性の液体を含み、前記第２の液体（３０８、
   ４０８）は導電性の液体を含む、請求項１に記載の調節可能な光学絞り。
10. 前記第１の領域（３１６、４１６）は親水性であり、前記第２の領域は疎水性である、請求項３に記載の調節可能な光学絞り。
11. 前記第１の液体（３１０、４１０）と前記透明接触表面との間の接触角度は、前記第１の液体と前記透明接触表面との間の自然な接触角度よりも大きいままである、請求項３に記載の調節可能な光学絞り。
12. エレクトロウェッティングにより互いに対して移動可能な第１および第２の混合しない液体（３１０、４１０、３０８、４０８）を含む調節可能な光学絞りを製造する方法であって、第１の液体（３１０、４１０）は実質的に不透明であり、第２の液体（３０８、４０８）は実質的に透明であり、絞りは光学軸（Δ）を有し、前記方法は、
    内側表面を有するチャンバを規定するとともに蓋を含む格納容器を、蓋を取除いた状態で前記第２の液体に浸すステップと、
    前記第１の液体をチャンバの中に挿入するステップとを含み、チャンバは前記第１の液体が前記内側表面と接触するとともに光学軸（Δ）の上に中心を置く環状ボリュームを形成するように構成され、前記第１の液体は界面（３２４、４２４）で前記第２の液体と接触し、界面は前記内側表面と接触する半径方向内側外周（３２６、４２６）と半径方向外側外周（３２８、４２８）とを有し、前記内側および外側外周の一方は前記内側表面に対して移動可能であり、前記内側および外側外周の他方は前記内側表面に対して移動不可能であり、前記方法はさらに、
    前記第１および第２の液体がチャンバ内にシールされるように格納容器の上に蓋をシールするステップを含む、方法。
13. 絞りの方法であって、前記方法は、
    光学軸（Δ）を有し、エレクトロウェッティングにより互いに対して移動可能な第１および第２の混合しない液体（３１０、４１０、３０８、４０８）を含むチャンバを提供するステップを含み、第１の液体（３１０、４１０）は実質的に不透明であり、第２の液体（３０８、４０８）は実質的に透明であり、前記チャンバは内側表面を含み、かつ前記内側表面と接触し、前記チャンバの光学軸（Δ）の上に中心を置き、前記第２の液体と界面（３２４、４２４）で接触する前記第１の液体（３１０，４１０）の環状ボリュームを含み、前記界面は半径方向内側外周（３２６、４２６）と半径方向外側外周（３２８、４２８）とを有し、前記内側および外側外周は前記内側表面に接触し、前記方法はさらに、
    前記内側および外側外周の一方を前記内側表面に対して固定するステップと、
    必要とされる絞り動作を提供するよう、前記内側および前記外側外周の他方を前記内側表面に対して移動させるステップとを含む、方法。
14. レンズ（５０２、５０６）と、
    フォトセンサアレイ（５０８）と、
    メモリ（５１２）と、
    エレクトロウェッティングにより互いに対して移動可能な第１および第２の混合しない液体を含む調節可能な絞りとを含み、第１の液体（３１０、４１０）は実質的に不透明であり、第２の液体は実質的に透明であり、絞りは光学軸（Δ）を有するとともに、内側表面を含み、かつ前記内側表面と接触し、前記光学軸（Δ）の上に中心を置き、半径方向内側外周（３２６、４２６）および半径方向外側外周（３２８、４２８）を有する界面（３２４、４２４）で前記第２の液体と接触する前記第１の液体の環状ボリュームを含み、前記内側および外側外周は前記内側表面と接触し、前記内側および外側外周の一方は前記内側表面に対して移動可能であり、前記内側および外側外周の他方は前記内側表面に対して移動不可能である、カメラ。
15. 前記レンズは液体の変動可能なレンズ（５０２）である、請求項１４に記載のカメラ。