特表 2023-503537 磁場調整に基づくズーム液体レンズ及び光学倍率計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-31

(54)【発明の名称】磁場調整に基づくズーム液体レンズ及び光学倍率計

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/14 20060101AFI20230124BHJP

【ＦＩ】

G02B3/14

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022522319

(86)(22)【出願日】2020-12-15

(85)【翻訳文提出日】2022-04-13

(86)【国際出願番号】 CN2020136504

(87)【国際公開番号】W WO2022088423

(87)【国際公開日】2022-05-05

(31)【優先権主張番号】202011204120.5

(32)【優先日】2020-11-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521017642

【氏名又は名称】山東大学

【氏名又は名称原語表記】ＳＨＡＮＤＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１７９２３， Ｊｉｎｇｓｈｉ Ｒｏａｄ， Ｌｉｘｉａ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ Ｊｉｎａｎ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５００６１， Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】100146374

【弁理士】

【氏名又は名称】有馬 百子

(72)【発明者】

【氏名】劉 剣

(72)【発明者】

【氏名】蘇 昴

(72)【発明者】

【氏名】張 季儒

(72)【発明者】

【氏名】高 瑞

(57)【要約】

【要約】
本発明は液体レンズの分野に属し、磁場調整に基づくズーム液体レンズおよび光学倍率計を提供する。ここで、磁場調整に基づくズーム液体レンズは、２つの相溶性のない透明な液体をカプセル化する円筒状の空洞と、円筒状の空洞の底板の下面に付着する磁性導電層と、磁性導電層に均一に分布して、底板に垂直な磁場と、官能基がグラフトされ、底板の上面に堆積するナノ磁性粒子と、を含み、ここで、前記ナノ磁性粒子の凝集体形態は、磁場強度の変化に伴って変化し、底板の上面の親水性と疎水性を調整し、ズームの目的を達成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁場調整に基づくズーム液体レンズであって、
２つの相溶性のない透明な液体をカプセル化する円筒状の空洞と、
円筒状の空洞の底板の下面に付着する磁性導電層と、磁性導電層に均一に分布して、底板に垂直な磁場と、
官能基がグラフトされ、底板の上面に堆積するナノ磁性粒子と、を含み、ここで、前記ナノ磁性粒子の凝集体形態は、磁場強度の変化に伴って変化し、底板の上面の親水性と疎水性を調整し、ズームの目的を達成することを特徴とする磁場調整に基づくズーム液体レンズ。

【請求項2】

前記底板の上面と下面の相対位置には、光透過領域が設置されることを特徴とする請求項１に記載の磁場調整に基づくズーム液体レンズ。

【請求項3】

前記光透過領域の片側には磁性導電層がなく、他側にはナノ磁性粒子が堆積していないことを特徴とする請求項２に記載の磁場調整に基づくズーム液体レンズ。

【請求項4】

前記底板は透明な材料であることを特徴とする請求項１に記載の磁場調整に基づくズーム液体レンズ。

【請求項5】

前記円筒状の空洞の上部にカバープレートも設置されることを特徴とする請求項１に記載の磁場調整に基づくズーム液体レンズ。

【請求項6】

前記カバープレートは透明な材料であることを特徴とする請求項５に記載の磁場調整に基づくズーム液体レンズ。

【請求項7】

磁場の増加に伴い、ナノ磁性粒子の凝集体形態が変化するため、底板と液滴の間の実際の接触面積が増加し、底板の性質が疎水性から親水性に変化し、液滴と底板の接触角が小さくなり、液滴の曲率が小さくなり、焦点距離が長くなることを特徴とする請求項１に記載の磁場調整に基づくズーム液体レンズ。

【請求項8】

前記磁場強度は、外部磁界によって生成されることを特徴とする請求項１に記載の磁場調整に基づくズーム液体レンズ。

【請求項9】

光学倍率計であって、請求項１～８のいずれか一項に記載の磁場調整に基づくズーム液体レンズを含むことを特徴とする光学倍率計。

【請求項10】

前記ズーム液体レンズはフォーカシング部から完全に分離されており、外部磁場をかけることで遠距離リモコンフォーカシングを実現することを特徴とする請求項９に記載の光学倍率計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体レンズの分野、特に磁場調整に基づくズーム液体レンズ及び光学倍率計に関する。

【背景技術】

【0002】

この部分の記述は、本発明に関連する背景情報を提供するだけであり、必ずしも先行技術を構成するものではない。

【0003】

従来の固体レンズフォーカシングは、レンズの相対位置を変更することによってのみ達成でき、その結果、レンズグループは複雑な機械装置を備えており、操作が不便であり、製造コストが高い。液体セルフズームレンズは、曲率や屈折率などの自身のパラメータを変更することで焦点距離調整の目的を達成するためのものであり、小型化と軽量化が容易である。液体レンズは液体の表面張力の変化に基づいているため、液面の滑らかさは従来のレンズの機械加工精度よりもはるかに高く、表面粗さは１ｎｍ未満であり、優れた表面精度を備えている。

【0004】

既存の液体レンズは２つの液体をカプセル化し、上の明るい色は油で、下の暗い色は水である。既存のフォーカシング方法は、電磁コイルを介してシートの上下運動を制御し、液液接触面の曲率を調整してフォーカシングを達成することを含み、この方法の欠点は、レンズの構成が複雑で、正確に操作するのが難しいことである。もう１つは、円筒状の空洞の内壁と水との接触角を電流で変化させ、液液接触面の曲率を調整してフォーカシングを実現することであり、欠点は、レンズをワイヤーで接続するには電源が必要であり、これは、レンズの小型化には役立たないことである。

【0005】

既存の液体セルフズームレンズは、主にエレクトロウェッティング原理に基づくものなどの物性制御タイプと、静電力および圧力調整に基づくものなどの機械的駆動タイプを含み、その中で物性制御タイプが最も多様である。発明者は、既存の液体レンズのフォーカシングのほとんどが、電圧および電流によって直接的または間接的に制御されており、非接触フォーカシングを達成できないことを発見した。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記の背景技術に存在する少なくとも１つの技術的問題を解決するために、本発明の第１の態様は、磁場調整に基づくズーム液体レンズを提供し、それは、外部磁場を調整するだけで液体レンズのフォーカシングを実現することができ、レンズとフォーカシング装置の完全な分離を実現し、小型化に便利である。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するために、本発明は以下の技術的解決手段を採用する。

【0008】

磁場調整に基づくズーム液体レンズであって、
２つの相溶性のない透明な液体をカプセル化する円筒状の空洞と、
円筒状の空洞の底板の下面に付着する磁性導電層と、
磁性導電層に均一に分布して、底板に垂直な磁場と、
官能基がグラフトされ、底板の上面に堆積するナノ磁性粒子と、を含む。ここで、前記ナノ磁性粒子の凝集体形態は、磁場強度の変化に伴って変化し、底板の上面の親水性と疎水性を調整し、ズームの目的を達成する。

【0009】

ここで、磁場の作用下で、磁性粒子は底板の上面にいくつかの凝集体配列を形成する。磁場は底板に垂直な方向に強度勾配があるため、磁性凝集体は、円錐状の形態をしている。円錐形の凝集体のテーパーは、磁場強度によって調整される。たとえば、磁場強度を大きくすると、円錐形の凝集体のテーパーが小さくなり、液滴と底板の実際の接触面積が大きくなり、そして底板の上面をそれに接触する液体に対して親水性にする。したがって、外部磁場の強さを調整することにより、円錐形の磁性粒子凝集体のテーパーを調整して、底板の上面と接触する液体の実際の接触面積を変更することができ、底板上面の親水性・疎水性度を変化させ、液体ビーズの曲率を調整してズームの目的を達成する。

【0010】

１つの実施形態として、前記底板の上面と下面の相対位置には、光透過領域が設置される。

【0011】

１つの実施形態として、前記光透過領域の片側には磁性導電層がなく、他側にはナノ磁性粒子が堆積していない。

【0012】

ここで、光透過領域は、光の透過に使用され、磁場線に対するヨークの拘束効果により、底板の中央領域に磁場分布がなく、したがって磁性粒子がなく、光が乱されない光透過領域を形成する。

【0013】

１つの実施形態として、前記底板は透明な材料である。

【0014】

該技術的解決手段の利点は、底板が透明な材料でできており、光が光透過領域を通過できるようにして、液滴による増幅を実現することである。

【0015】

１つの実施形態として、前記円筒状の空洞の上部にカバープレートも設置される。

【0016】

１つの実施形態として、前記カバープレートは透明な材料である。

【0017】

該技術的解決手段の利点は、光がレンズを通過できるようにするために、液滴を通して拡大機能を達成することである。

【0018】

１つの実施形態として、磁場の増加に伴い、ナノ磁性粒子の凝集体形態が変化するため、底板と液滴の間の実際の接触面積が増加し、底板の性質が疎水性から親水性に変化し、液滴と底板の接触角が小さくなり、液滴の曲率が小さくなり、焦点距離が長くなる。

【0019】

該技術的解決手段の利点は、原理がシンプルで、フォーカシングが便利で効率が高いことである。１つの実施形態として、前記磁場強度は、外部磁界によって生成される。上記解決手段の利点は、磁場で焦点距離を調整することで、レンズ部とフォーカシング部を完全に分離することができ、レンズの小型化が可能で、外部磁場をかけることで遠距離リモコンフォーカシングが可能であることである。

【0020】

本発明の第２の態様は、磁場調整に基づく上記ズーム液体レンズを含む光学倍率計を提供する。

【0021】

１つの実施形態として、前記ズーム液体レンズはフォーカシング部から完全に分離されており、外部磁場をかけることで遠距離リモコンフォーカシングを実現する。

【発明の効果】

【0022】

本発明の有益な効果は以下のとおりである。
（１）磁場によって接触面のマイクロナノ構造を調整することにより、ナノスケールの磁性粒子を小容量液体レンズに適用することができる。ナノスケールの磁性粒子は超常磁性で磁気応答が速く、磁場強度の変化に応じてナノ磁性粒子の配列形態を調整したり、底板表面の微細構造を調整したりすることができ、そして、底板の表面の親水性と疎水性の調整を実現し、液体ビーズの曲率の調整を実現してズームの目的を達成する。
（２）磁場で焦点距離を調整することで、レンズ部とフォーカシング部を完全に分離することができ、レンズの小型化が可能で、外部磁場をかけることで遠距離リモコンフォーカシングが可能である。既存の類似の液体レンズはすべて電力を供給する必要があるため、余分な導線または電源部品がある。

【0023】

本発明の追加の態様の利点は、部分的には以下の説明に記載され、部分的には以下の説明から明らかになるか、または本発明の実施によって学習される。

【図面の簡単な説明】

【0024】

本発明の一部を形成する添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために使用され、本発明の例示的な実施例およびそれらの説明は、本発明を説明するために使用され、本発明の不適切な制限を構成するものではない。

【0025】

【図1】図１は、本発明の実施例による磁場調整に基づくズーム液体レンズの概略構造図である。

【図2】図２は、本発明の実施例による磁場調整に基づくズーム液体レンズの立体図である。

【図3】図３は、本発明の実施例による底板の上面の概略図である。

【図4】図４（ａ）は、本発明の実施例において、磁場強度がＢ１である場合の底板の上面における磁性ナノ粒子の配列形態である。 図４（ｂ）は、本発明の実施例において、磁場強度がＢ１である場合の液滴状態である。 図４（ｃ）は、本発明の実施例において、磁場強度がＢ２である場合の底板の上面における磁性ナノ粒子の配列形態である。ここで、Ｂ２＞Ｂ１。 図４（ｄ）は、本発明の実施例において、磁場強度がＢ２である場合の液滴状態である。 図４（ｅ）は、本発明の実施例において、磁場強度がＢ３である場合の底板の上面における磁性ナノ粒子の配列形態である。ここで、Ｂ３＞Ｂ２。 図４（ｆ）は、本発明の実施例において、磁場強度がＢ３である場合の液滴状態である。

【図5】図５は、本発明の実施例の磁性粒子の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下に図面及び実施例を参照しながら本発明をさらに説明する。

【0027】

以下の詳細な説明はすべて例示的なものであり、本発明のさらなる説明を提供することを意図していることに留意されたい。特に明記しない限り、本発明で使用されるすべての技術用語および科学用語は、当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。

【0028】

本明細書で使用される用語は、具体的な実施形態を説明することのみを目的としており、本発明による例示的な実施形態を限定することを意図するものではないことに留意されたい。本明細書で使用されるように、本発明が他に明確に示さない限り、単数形は複数形を含むことも意図され、また、本明細書で「含む」及び／又は「含み」という用語が使用される場合、それは、特徴、ステップ、操作、デバイス、構成要素、及び／又はそれらの組み合わせの存在を示すことも理解される。

【0029】

本発明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「縦」、「横」、「側」、「底」などの用語が示されている方向または位置の関係は、図面に示されている方向または位置の関係であり、本発明の各構成要素または要素の構造的関係を説明するために決定された関係語だけであり、本発明の任意の構成要素または要素を具体的に指すものではなく、本発明の限定として解釈されるべきではない。

【0030】

本発明において、「固定接続」、「相互接続」、「接続」などの用語は、広い意味で理解する必要がある。これは、固定接続、一体型接続、または取り外し可能な接続である可能性がある。直接接続または中間媒体を介して間接接続も可能であることを示す。当業者にとって、本発明における上記の用語の具体的な意味は、具体的な状況に従って決定することができ、これは、本発明の限定として解釈されるべきではない。

【0031】

本実施例は、磁場調整に基づくズーム液体レンズを提供し、それは、外部磁場を調整するだけで液体レンズのフォーカシングを実現することができ、レンズとフォーカシング装置の完全な分離を実現し、小型化に便利である。

【0032】

図１および２に示されるように、本実施例の磁場調整に基づくズーム液体レンズは、円筒状の空洞１を含み、円筒状の空洞１内に、相溶性のない第１の透明な液体３および第２の透明な液体４でカプセル化されている。

【0033】

底板５の下面に磁性導電層が付着し、磁性導電層に、底板に垂直な磁場が均一に分布し、底板５の上面は、第２の透明な液体４への親和性を示すために、グラフトされた官能基を有するナノ磁性粒子で堆積されている。

【0034】

ここで、ナノ磁性粒子の凝集体形態は、磁場強度の変化に伴って変化し、底板の上面の親水性および疎水性特性を調整し、ズームの目的を達成する。

【0035】

ここで、磁場の作用下で、磁性粒子は底板の上面にいくつかの凝集体配列を形成する。磁場は底板に垂直な方向に強度勾配があるため、磁性凝集体は、円錐状の形態をしている。円錐形の凝集体のテーパーは、磁場強度によって調整される。たとえば、磁場強度を大きくすると、円錐形の凝集体のテーパーが小さくなり、液滴と底板の実際の接触面積が大きくなり、そして底板の上面をそれに接触する液体に対して親水性にする。したがって、外部磁場強度を調整することにより、円錐形の磁性粒子凝集体のテーパーを調整して、底板の上面と接触する液体の実際の接触面積を変更することができる。底板上面の親水性・疎水性度を変化させ、液体ビーズの曲率を調整してズームの目的を達成する。

【0036】

具体的な実施において、前記円筒状の空洞の底板には、光透過領域が設置される。光透過領域は、液体レンズ倍率の機能を実現するために光を透過するために使用される。

【0037】

前記光透過領域の片側には磁性導電層がなく、他側にはナノ磁性粒子が堆積していない。磁場線に対するヨークの拘束効果により、底板の中央領域に磁場分布がなく、したがって磁性粒子がなく、光が乱されない光透過領域を形成する。

【0038】

光が光透過領域を通過できるようにし、液滴を介して増幅を達成するために、前記底板は透明な材料でできている。前記円筒状の空洞の上部にカバープレートも設置される。前記カバープレートは透明な材料である。

【0039】

第１の透明な液体は油であり得、第２の透明な液体は水であり得ることに留意されたい。当業者はまた、実際の状況に応じて具体的に設定することができる。

【0040】

図５に示すように、サイズが２０ｎｍ未満の磁性ナノ粒子は超常磁性を示す、つまり磁場中での磁気応答が速く、磁場がなくなると磁性がなくなると一般に考えられている。磁性ポリマーブラシは通常、磁性ナノ粒子の簡単な修飾を実行する。次に、機能性ポリマーブラシをさまざまな方法で磁性ナノ粒子の表面にグラフトする。

【0041】

レンズ焦点距離計算式はｆ＝ｒ／（ｎ’－ｎ）であり、ｆはレンズの焦点距離、ｒはレンズの曲率半径（例：水滴の曲率半径）、ｎ’はレンズ材料の屈折率（例：水の屈折率）、ｎは媒体の屈折率（例：油の屈折率）である。

【0042】

具体的な実施において、底板５が垂直磁場内にある場合、ナノスケールの磁性粒子は超常磁性を有し、磁気誘導線に沿って配置されるため、底板５の上面に順序付けられたマイクロナノスケールの配列が形成され、図３に示すように、磁性粒子が光透過領域を遮らないようにするために、底板５の下面の光透過領域の外側に磁性導電性材料の層が、ヨークとして、貼り付けられる。ヨークは磁気誘導線を拘束する働きをし、底板の表面にヨークが取り付けられている場所に磁場が均一に分布し、光透過領域にヨークがないため、磁場がなく、したがって磁性粒子の分布がない。

【0043】

Ｗｅｎｚｅｌ方程式によると、ｃｏｓθ＝ ｒ・ｃｏｓθ_ｅ
ここで、θは粗い表面の見かけの接触角、θ_ｅは平面の固有の接触角（ヤングの接触角）、ｒは粗さ係数（固液界面の実際の接触面積と仮想接触面積の比率に等しく、ｒ≧１））であり、この式から、元々親水性の表面（θ_ｅ＜９０°）の場合、ｒが大きいほどθが小さくなることがわかる。つまり、表面の実際の接触面積を増やすと、固体表面の見かけの接触角が減少する。

【0044】

磁場強度の増加に伴い、粒子の配列形態が変化し、透明な液体４と底板５の上面との間の実際の接触面積が増加し、その結果、底板の特性が疎水性から親水性に変化し、接触角が減少する。したがって、磁場強度を変えることにより、透明な液体４の曲率を変えることができ、レンズの焦点距離の調整を実現することができる。異なる強度磁場における磁性粒子の配列形態を図４（ａ）～図４（ｆ）に示す。

【0045】

磁場の増加に伴い、磁性粒子の配列形態が変化し、底板と液滴との実際の接触面積が増加し、それによって液滴と底板との接触角が減少し、液滴の曲率が小さくなり、焦点距離が長くなる。

【0046】

本実施例において、磁場強度は、外部磁界によって生成することができる。磁場で焦点距離を調整することで、レンズ部とフォーカシング部を完全に分離することができ、レンズの小型化が可能で、外部磁場をかけることで遠距離リモコンフォーカシングが可能である。

【0047】

具体的な実施例を以下に示す。円筒状の空洞は黒色のＰＯＭプラスチックでできており、外径は８ｍｍ、内径は７ｍｍ、高さは３ｍｍである。上下のカバープレートは光学ガラス板でできており、厚さは０．５ｍｍ、光透過領域の直径は１ｍｍである。透明な液体３は、屈折率が１．６５、アッベ数が６２．８の無色透明のシリコーンオイルである。透明な液体４は、屈折率が１．３３でアッベ数が５５．８のＮａＣｌ水溶液である。磁性粒子は親水性官能基がグラフトされたＦｅ_３Ｏ_４ナノ粒子であり、磁場はレンズ下５ｃｍにある直径２ｃｍ、巻数１００の帯電コイルによって提供される。底板の下面には、光透過領域を除いて、厚さ０．２ｍｍの軟鉄の層が、ヨークとして貼り付けられている。

【0048】

磁場がない場合、液滴４が底板５上での見かけの接触角は約８０度であり、レンズの焦点距離は約６．３５ｍｍである。磁場が飽和に近づくと、見かけの接触角は約２０度、レンズの焦点距離は約１８．２７ｍｍになる。焦点距離調整範囲は（６．３５ｍｍ、１８．２７ｍｍ）である。

【0049】

本実施例はまた、上記磁場調整に基づくズーム液体レンズを含む光学倍率計を提供する。

【0050】

ここで、前記ズーム液体レンズはフォーカシング部から完全に分離されており、外部磁場をかけることで遠距離リモコンフォーカシングを実現する。

【0051】

光学倍率計は、医療機器内視鏡、顕微鏡などの他の光学倍率計であり得ることに留意されたい。

【0052】

本実施例では、磁場によって接触面のマイクロナノ構造を調整し、底板と液滴との間の実際の接触面積を変化させ、接触角を調整し、液体ビーズの曲率の調整を実現してズームの目的を達成する。

【0053】

本実施例では、磁場で焦点距離を調整することで、レンズ部とフォーカシング部を完全に分離することができ、レンズの小型化が可能で、外部磁場をかけることで遠距離リモコンフォーカシングが可能である。既存の類似の液体レンズはすべて電力を供給する必要があるため、余分な導線または電源部品がある。

【0054】

上記の説明は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明を限定することを意図するものではない。当業者にとって、本発明は、様々な修正および変更を有することができる。 本発明の精神および原則の範囲内で行われた修正、同等の交換、改善などは、本発明の保護範囲に含まれるものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】