熱変色性材料ベース動的光学部品
【課題】デジタルカメラ等に搭載する小型の動的光学素子を提供する。
【解決手段】ダイナミック材料面を有する実質的に透光性の基板と、基板のダイナミック材料面の少なくとも一部上に形成された熱変色性材料（ＴＣ）材料の層と、ＴＣ材料の層に熱的に結合され、ＴＣ材料の層の温度を制御可能に変化させる加熱手段とを有する、動的光学素子。ＴＣ材料は、ＴＣ材料の層の温度がＴＣ材料の遷移温度未満のときにＴＣ材料が取る第１の温度依存性状態と、ＴＣ材料の層の温度が遷移温度より大きいときにＴＣ材料が取る第２の温度依存性状態とを有する。
【解決手段】ダイナミック材料面を有する実質的に透光性の基板と、基板のダイナミック材料面の少なくとも一部上に形成された熱変色性材料（ＴＣ）材料の層と、ＴＣ材料の層に熱的に結合され、ＴＣ材料の層の温度を制御可能に変化させる加熱手段とを有する、動的光学素子。ＴＣ材料は、ＴＣ材料の層の温度がＴＣ材料の遷移温度未満のときにＴＣ材料が取る第１の温度依存性状態と、ＴＣ材料の層の温度が遷移温度より大きいときにＴＣ材料が取る第２の温度依存性状態とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱変色性材料を利用する動的光学部品に関する。特に、これらの光学素子は、フィルタ、アパーチャ、フレネル帯板、透光性グレーティング、および動的マスクを含み得る。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラ装置は、だんだんとより小さなパッケージに実装されつつある。これらの小型サイズを達成するために、より大きなシステムに比較して、いくつかの特徴部を制限するかあるいは取り除いてしまうことがしばしば必要になる。しかし、ユーザはこれらの特徴部が欲しいかもしれない。設計者が元々選択した既存の特徴部を、所望の特徴部によって置き換え得る場合もあるが、そのような交換を行うにはこれらの特徴部に用いられる所望の光学またはその他の部品が大きすぎる場合があり、また、ユーザが特徴部を交換したくない場合もある。したがって、これらのデジタルカメラに付随させるための、より小さな光学部品の需要が存在する。
【０００３】
さらに、電源のためのスペースを減少することもまた望ましいため、機械的部品によるエネルギー消費は問題になり得る。例えば、新型の監視セキュリティカメラシステムにおいては、電源要求を減少しかつ設計上の制約を避けるために、モーターレスのカメラが望ましくあり得る。昼間／夜間機能および可変絞りを有するレンズも望まれ得る。これらの機能を実現するためには、電子制御赤外線（ＩＲ）および減光（ＮＤ）フィルタが望まれる。望まれるＩＲフィルタは、電流無印加時にはＩＲ波長において透明であるが、電流印加時にはこれらのＩＲ波長を遮断する（あるいはその逆の）、光学素子である。望まれるＮＤフィルタは、電流無印加時にはゼロまたは低ＮＤ値（可視波長において）を有し、電流印加時には高ＮＤ値を有する（あるいはその逆の）、光学素子である。
【０００４】
液晶装置（ＬＣＤ）は、電子制御ＮＤフィルタとして用いられ得る。しかし、ＬＣＤＮＤフィルタの有する問題可能性の１つは、そのような装置は必ず入射光の５０％を失ってしまい、これは、特に低光または好感度アプリケーションにおいて望ましくない場合がある。また、ＬＣＤには複数の界面が存在するために、ぎらつき／ゴースト像の可能性があり、これが問題となり得る。
【０００５】
望まれる電子制御ＮＤフィルタにおいて用いられ得るもう１つの可能性は、エレクトロクロミックデバイスである。しかし、エレクトロクロミックデバイスは典型的にはダイナミックレンジが制限される。このダイナミックレンジは、問題にならないアプリケーションもあるが、より大きなダイナミックレンジが非常に望まれるアプリケーションも存在する。
【０００６】
ＶＯ2などの酸化バナジウム膜は、可逆性の半導体−金属相遷移（これは単斜晶系から正方晶系への構造的相変化と関連する）を経ることにより、温度上昇に応答する。この可逆性の相遷移は、赤外線波長光に対する膜の反射性の有意な増加をもたらす。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態例は、ダイナミック材料面を有する実質的に透光性の基板と、前記基板の前記ダイナミック材料面の少なくとも一部上に形成された熱変色性材料（ＴＣ）材料の層と、前記ＴＣ材料の層に熱的に結合され、前記ＴＣ材料の層の温度を制御可能に変化させる加熱手段とを有する、動的光学素子である。前記ＴＣ材料は、前記ＴＣ材料の層の温度が前記ＴＣ材料の遷移温度未満のときに前記ＴＣ材料が取る第１の温度依存性状態と、前記ＴＣ材料の層の温度が前記遷移温度より大きいときに前記ＴＣ材料が取る第２の温度依存性状態とを有する。
【０００８】
本発明の別の実施形態例は、第１の面および前記第１の面に実質的に平行な第２の面を有する第１の実質的に透光性の基板と、第３の面および前記第３の面実質的に平行な第４の面を有する第２の実質的に透光性の基板と、前記第１の基板の前記第２の面と前記第２の基板の前記第３の面との間に配置されたＴＣゲル材料の層と、前記ＴＣゲル材料の層に熱的に結合され、前記ＴＣゲル材料の層の温度を制御可能に変化させる加熱手段と、を有する動的光学素子である。前記第２の実質的に透光性の基板は、その第３の面が、前記第１の実質的に透光性の基板の前記第２の面に近くかつ実質的に平行であるようにされる。前記ＴＣゲル材料は、前記ＴＣゲル材料の層の温度が前記ＴＣゲル材料の遷移温度未満のときに前記ＴＣゲル材料が取る第１の温度依存性状態と、前記ＴＣゲル材料の層の温度が前記遷移温度より大きいときに前記ＴＣゲル材料が取る第２の温度依存性状態とを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに読んだときもっともよく理解される。一般に行われるように、図面の様々な要素は縮尺通りではないことを強調しておく。逆に、明瞭さのために様々な要素の寸法を任意に拡大または縮小している。図面には以下の図が含まれる。
【００１０】
本発明の実施形態例は熱変色性材料（ＴＣ）材料ベース動的光学素子を含み、これには動的ＩＲおよびＮＤフィルタが含まれる。これら実施形態例において用いられるＴＣ材料は望ましくは、色変化特性のみを有する材料に加え、サーモトロピック材料を含み得る。これらの光学素子例は、大きなダイナミックレンジとより小さな物理的サイズを有する、高速かつエネルギー効率の良い光学部品を提供するために用いられ得る。このような光学部品は特に、ミニカメラおよび監視アプリケーションにおける使用について望ましい。
【００１１】
ＴＣ材料においては、材料の透過率は材料の温度とともに変化する。この特性により、ＴＣ材料を、光学部品の透過率をアクティブにチューニングするために用いることが可能になる。例えば図１Ａおよび１Ｂに、本発明によるＴＣ材料ベース動的フィルタ例を示す。図１Ａおよび１Ｂのフィルタ例は、実質的に透光性の基板１００を有しており、ＴＣ材料の層１０２がダイナミック材料面の一部上に形成されている。本発明の動的光学素子例はまた、ＴＣ材料の温度を制御可能に変化させるための加熱手段を有している。図１Ａおよび１Ｂの実施形態例において、加熱手段は抵抗加熱素子１０４および電気的接点１０６を有している。加熱手段は、実質的に透光性の基板１００の対向面上（図１Ａ、１Ｂ、６Ａおよび６Ｂに示す）、実質的に透光性の基板１００とＴＣ材料の層との間（図２Ａ、２Ｂ、および４Ａに示す）、あるいはＴＣ材料の層上（図３Ａ、３Ｂ、５Ａおよび５Ｂに示す）のいずれにも形成され得ることが、当業者には理解される。
【００１２】
実質的に透光性の基板１００は望ましくは、ガラス、石英、石英ガラス、またはサファイアなどの、標準的な光学誘電性材料から形成される。動的フィルタが意図される波長帯に応じて、シリコン、窒化シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、または様々なＩＩＩ／Ｖ材料などの他の光学材料を、実質的に透光性の基板１００に用い得る。実質的に透光性の基板１００はまた、複数の層から形成されてもよい。例えば実質的に透光性の基板１００は、光学素子の透光性を改善するために、そのダイナミック材料面（ＴＣ材料の層１０２が形成された面）および／またはその対向面上に形成された、反射防止コーティング（不図示）を有していてもよい。
【００１３】
ＴＣ材料の層１０２は、第１の温度依存性状態および第２の温度依存性状態を有し、基板のダイナミック材料面の動作エリアを実質的に覆っている。したがって、ＴＣ材料がその第１の温度依存性状態にあるとき、動的光学素子は実質的に透光性であり、ＴＣ材料がその第２の温度依存性状態にあるとき、動的光学素子は減光フィルタ、赤外線フィルタ、またはカラーフィルタのうちいずれか１つである。層１０２のＴＣ材料は、その温度がＴＣ材料の遷移温度未満であるときその第１の温度依存性状態にあり、その温度が遷移温度より大きいときに第２の温度依存性状態にある。この動的フィルタ設計例を用いて、ＴＣ材料のタイプに基づいて、赤外線（ＩＲ）フィルタや、減光（ＮＤ）フィルタや、カラーフィルタなどの、複数の動的光フィルタを作製し得る。
【００１４】
本発明の実施形態例において用い得るＴＣ材料のタイプ例としては、Ｆｅ3Ｏ4、ＦｅＳｉ2、ＮｂＯ2、ＮｉＳ、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ4Ｏ7、Ｔｉ5Ｏ9、ＶＯ2、またはＶ2Ｏ3を含む、いくつかの遷移金属酸化物および関連化合物があげられる。
【００１５】
ＶＯ2の膜は、可逆性の半導体−金属相遷移（これは単斜晶系から正方晶系結晶への構造的相変化と関連する）を経ることにより、温度上昇に応答する。この相遷移は、図９に示すように、赤外線波長光に対する膜の反射性の有意な増加をもたらす。ＶＯ2の臨界遷移温度は約６０℃〜７０℃である。スペクトル９０６は、臨界遷移温度より下におけるＶＯ2膜例の反射率を示し、スペクトル９０４は、臨界遷移温度より上におけるこの膜例の反射率を示している。スペクトル９００および９０２はそれぞれ、臨界遷移温度の上および下における、この膜例の対応する透過率を示している。
【００１６】
ＶＯ2の臨界遷移温度は、ＶＯ2にＷ、Ｍｏ、Ｎｂ、またはＦ2の少なくとも１つをドーピングすることによって変更され得る。Ｗをドーパントとして用いることによる３０℃と言う低い遷移温度が、ＶＯ2について報告されている。大部分のアプリケーションにおいては、遷移温度が周囲温度よりも大きくされることにより、加熱のみでＴＣ材料が自身の２つの状態間をスイッチングできるようにすることが望ましい。しかし多くのアプリケーションにおいて周囲温度は幅広く変化し得る。例えばデジタルカメラは、−２０℃から４０℃あるいはそれ以上の温度に曝され得る。したがって、デジタルカメラアプリケーションに用いられるＴＣ材料の遷移温度は４５℃以上が望ましいが、この選択の場合、寒天においてＴＣ材料を「ｏｎ」にスイッチするにはより長い時間がかかり得る。これに代えて、ＴＣ材料温度を両状態において制御することで、より高速なスイッチング時間を維持するようにしてもよい。
【００１７】
なお、遷移温度がより高ければ、周囲条件においてより高速な冷却が可能になるため、ＴＣ材料の第２の状態から第１の状態へとより高速にスイッチングすることが可能になる。一方、低い遷移温度は、ＴＣ材料を第１の状態から第２の状態へスイッチングするために必要な加熱を少なくするため、動的光学素子例のエネルギー消費を低減し得ることに、留意されたい。
【００１８】
抵抗加熱素子１０４は望ましくは、抵抗特性がわかっていて、かつ動的光学素子例の動作波長帯において実質的に透光性である材料から、形成される。ただし、電気的接点１０６は望ましくは動的光学素子例の動作エリア外に形成されるため、この帯域において電気的接点１０６が実質的に透光性であることは必要ではない。抵抗加熱素子１０４は、酸化スズ、酸化インジウムスズ、金およびカルシウムなどの金属薄層、またはポリアニリンを含む、いくつかの材料から形成され得る。
【００１９】
なお、ＴＣ材料の層１０２および抵抗加熱素子１０４を基板１００の対向面上に形成することで、図１Ａおよび１Ｂに示す実施形態例の製造を単純化することができるが、この設計を選択すると、基板１００の熱質量によっては、ＴＣ材料の２つの状態がスイッチングされるスピードが減少し得ることに留意されたい。
【００２０】
図２Ａおよび２Ｂは、本発明による別の光学素子例である、ＴＣ材料ベース動的グレーティングを示している。この動的グレーティング例において、抵抗加熱素子１０４が実質的に透光性の基板１００のダイナミック材料面上に形成されており、ＴＣ材料層２００が抵抗加熱素子１０４上に形成されている。ＴＣ材料層２００は、ＴＣ材料がその第２の温度依存性状態にあるときに、動的光学素子がグレーティングとなるようにパターニングされている。ＴＣ材料がその第２の温度依存性状態にあるとき、（ｉ）ＴＣ材料の透光性が減少し、かつ（ｉｉ）その反射性が増加するため、この動的グレーティング構造例は、動的透光性グレーティング、動的反射性グレーティング、またはその両方として用いられ得る。
【００２１】
また、本発明の実施形態例における加熱手段は、加熱素子および／またはＴＣ材料層の温度をモニターするための温度センサ（図２Ｂではサーミスタ２０２として示す）ならびに、所望の温度を維持するための制御回路２０４を望ましくは有する。制御回路２０４は温度センサに電気的に結合され、ＴＣ材料層の温度に対応する温度信号を受け取る。そして制御回路は、ＴＣ材料層の所望の温度を維持するように加熱素子を制御する。図２Ｂの実施形態例の場合、制御回路２０４は、サーミスタ２０２によって生成される温度信号（すなわち、定電圧でサーミスタ２０２を流れる電流）に基づいて、抵抗加熱素子１０４を流れる電圧および／または電流を制御することにより、より多くまたはより少ない熱を所望に提供する。
【００２２】
なお、多くのアプリケーションにおいて微細な温度制御は必要ではないことに留意されたい。遷移温度は、周囲温度が有意に（例えば＞１０℃）遷移温度を下回るように選択され、加熱手段は、遷移温度を有意に上回るようにＴＣ材料の層を加熱するよう設定される。他のほとんどのアプリケーションにおいて、制御することが望ましいのは、動的光学素子が「ｏｎ」であるとき（すなわちＴＣ材料が第２の状態にあるとき）の温度のみである。装置が「ｏｆｆ」であるときのＴＣ材料は典型的には周囲温度のままにされ得るが、両方の状態において遷移温度に近くなるようＴＣ材料の温度を制御することによって、光学素子例のオフ−オン間のより素早いスイッチングが可能になり得、これはアプリケーションによっては望ましい。
【００２３】
図３Ａおよび３Ｂは、本発明のさらなる実施形態例である、ＴＣ材料ベースマルチ径動的アパーチャ例を示す。このマルチ径動的アパーチャ例は、３つの組の電気配線３１２、３１４、および３１６にそれぞれ電気的に結合された、パターニングされた抵抗加熱素子の３つの別々の部分３０６、３０８、および３１０を有している。これにより、３つの抵抗加熱素子部分３０６、３０８、および３１０が独立に作動されることが可能になる。抵抗加熱素子部分３０６を加熱することにより、ＴＣ材料層の部分３００が状態をスイッチングし、アパーチャの直径を減少させる。同様に、抵抗加熱素子部分３０８を加熱することによりＴＣ材料層の部分３０２が状態をスイッチングし、抵抗加熱素子部分３１０を加熱することによりＴＣ材料層の部分３０４が状態をスイッチングする。このように、様々な抵抗加熱素子部分を加熱することで、３つの減少された直径のアパーチャが形成され、３つのリング状アパーチャ構成が形成される。
【００２４】
なお、図３Ａおよび３ＢのＴＣ材料の部分３００、３０２、および３０４は、ＴＣ材料層の単一のパターニングされた部分から形成されていてもよいが、これらの部分は、ＴＣ材料の別々の部分（おそらくは異なる遷移温度を有する）から形成されてもよいことに留意されたい。後者の場合、パターニングされた抵抗加熱素子部分３０６、３０８、および３１０をまとめて制御し、温度を増加するにしたがって、動的アパーチャの様々な直径をたどっていくことができる。図３Ａおよび３Ｂには図示しないが、部分３０６、３０８、および３１０におけるＴＣ材料の遷移を空間的に正確に制御したければ、これらの部分間には何らかの断熱手段が存在することが望ましいことが、当業者には理解される。実質的に透光性の基板１００の基板材料があまり熱伝導性でない場合は、部分間にわずかな間隔を残しておくことによって、部分３０６、３０８、および３１０間に有意な断熱が達成され得る。あるいは、異なる遷移温度を有するＴＣ材料で形成された部分を用いることが望ましい。
【００２５】
図４Ａは、部分４００、４０２、および４０４中の様々な画素が、３つの異なる遷移温度を有するＴＣ材料で形成されている、本発明によるＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例を示す。上述のように、酸化バナジウムなどのいくつかのＴＣ材料の遷移温度は、ドーピングによって制御し得る。図４Ｂ〜Ｄは、このマルチパターン動的マスク例を、部分４００、４０２、および４０４（簡単さのため温度順の番号とする）のＴＣ材料の遷移温度を通じて加熱していくことによる効果を示している。図４Ｂは、温度が部分４００および４０２の遷移温度の間であるときに形成されるマスクパターン例４０６を示す。図４Ｃは、温度が部分４０２および４０４の遷移温度の間であるときに形成されるマスクパターン例４０８を示す。そして図４Ｂは、温度が部分４０４の遷移温度より大きいときに形成されるマスクパターン例４１０を示す。
【００２６】
図５Ａおよび５Ｂは、本発明の別の実施形態例である、ＴＣ材料ベース動的１次元フレネル帯板例を示す。この実施形態例において、抵抗加熱素子５００は、ＴＣ材料の所定の部分にのみ熱的に結合されるようにパターニングされており、動的光学素子が動的１次元フレネル帯板であるようになっている。抵抗加熱素子５００の部分は望ましくは共通の電気的接点５０２によって互いに電気的に結合されている。
【００２７】
図６Ａおよび６Ｂは、本発明によるさらに別のＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す。この動的光学素子例は、誘電体層６００および光源６０２を含む、別の加熱手段を有している。光６０４が光源により発生される。誘電体層６００は、動的光学素子の動作波長帯において実質的に透光性であり、かつ動作波長帯の外にある制御波長において実質的に吸光性であるような、誘電性材料から形成されている。これにより、制御波長を含む光６０４による照射によって誘電体層６００を加熱することが可能になる。光源６０２は望ましくは、光を制御波長で発生し得る、レーザ源、パラメトリック光増幅器、または発光ダイオード（ＬＥＤ）などの狭帯域の光源である。例えばＩＲフィルタにおいて、誘電体層６００はチタニウムドーピングされたサファイア（ＩＲにおいて実質的に透光性である）から形成され得、光源６０２はアルゴンレーザまたは緑色ＬＥＤであり得る。
【００２８】
図６Ａおよび６Ｂは、動的光学素子例の全動作エリアにわたって誘電体層６００が延びるように示しているが、ＴＣ材料層１０２の所定の部分のみを加熱するように誘電体層６００をパターニングしてもよいことが、当業者には理解される。さらに、誘電体層６００は、ＴＣ材料層１０２上またはＴＣ材料層１０２と基板１００との間に形成してもよい（それぞれ図３Ａおよび２Ａの実施形態の抵抗加熱素子と同様）。また、動的減光フィルタ、動的赤外線フィルタ、動的カラーフィルタ、動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、動的マスク、マルチ径動的アパーチャまたはマルチパターン動的マスクなどのいくつかの動的光学素子のうちの任意のいずれか間で動的光学素子がスイッチングし得るように、光源６０２は、制御波長の光によって照射される誘電体層６００の部分を制御するための光学系を含んでいてもよいことに留意されたい。
【００２９】
図７Ａおよび７Ｂは、本発明によるＴＣ材料ベース動的２次元フレネル帯板例を示す正面図である。ＴＣ材料の層を選択的に加熱することにより、黒い円形リング７００と黒い楕円形リング７０２とを、動的にオンオフスイッチングし得る。この動的２次元フレネル帯板例のこれら黒いリングは、ＴＣ材料層をパターニングすること（図２Ａ、２Ｂ、および４Ａの実施形態例と同様）、加熱素子をパターニングすること（図３Ａ、３Ｂ、５Ａ、および５Ｂの実施形態例と同様）、または誘電体層のこれらの部分を制御波長の光で照射すること（図６Ａおよび６Ｂの実施形態例と同様）によって、形成し得る。
【００３０】
図８Ａおよび８Ｂは、本発明によるさらなるＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す。これらの動的光学素子例は、例えば２つの基板８００間に配置されたポリエーテル／エチレンオキシド／カルボキシビニルヒドロゲルなどの、ＴＣゲル材料の層８０２をベースとしている。それぞれ図８Ａおよび８Ｂに示すように、加熱素子８０４は、基板８００のうち一方の外側面上、または基板８００のうち一方の内側面とＴＣゲル材料８０２との間に形成され得る。
【００３１】
基板８００は望ましくは、これら基板のゲルに面する内側の面が、互いに近くかつ実質的に平行であるように構成される。典型的には、ＴＣゲル材料の層８０２について約１〜１０ｍｍの間隔があれば十分であり得る。基板８００は、望ましくは、ガラス、石英、石英ガラス、サファイアなどの実質的に透光性の光学材料、または、アクリル、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネートなどの光学プラスチックから形成される。動的フィルタが意図される波長帯に応じて、シリコン、窒化シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、または様々なＩＩＩ／Ｖ材料などの他の光学材料を基板８００に用い得る。基板８００はまた、複数の層から形成され得る。例えば、光学素子例の透光性を改善するために、これらの基板は、その内側面（単数または複数）および／または外側面（単数または複数）上に形成された反射防止コーティングを有していてもよい。
【００３２】
先の実施形態例について前述したように、加熱素子８０４は抵抗加熱素子、または動的光学素子の動作波長帯の外にある制御波長において実質的に吸光性である誘電体層であり得る。加熱素子８０４を、図８Ａおよび８Ｂにおける光学素子例の全動作エリアを覆うように示しており、動的フィルタを形成するように用い得る。しかし、加熱素子８０４はまた、図３Ａ、３Ｂ、５Ａ、および５Ｂに示す加熱素子例と同様にパターニングされることによって、動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、動的マスク、マルチ径動的アパーチャおよびマルチパターン動的マスクを含む、様々な動的光学素子例を形成することを可能にし得る。
【００３３】
本発明はいくつかのＴＣ材料例ベース動的光学素子を包含する。本発明を特定の実施形態について図示および説明したが、本発明は示された詳細に限定されるものではない。むしろ、請求項の均等物の範疇・範囲内において、本発明から逸脱することなく、詳細について様々な改変をなし得る。特に、様々な具体的に説明した実施形態の多くの特徴を混合することにより、やはり本発明によって実現されるさらなるＴＣ材料例ベース動的光学素子を形成し得ることが、当業者に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】図１Ａは、図１Ｂ中の線１Ａ〜１Ａにおける破断側面図であり、本発明による熱変色性材料（ＴＣ）材料ベース動的フィルタ例を示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＴＣ材料ベース動的フィルタ例を示す正面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図２Ｂ中の線２Ａ〜２Ａにおける破断側面図であり、本発明によるＴＣ材料ベース動的グレーティング例を示している。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２ＡのＴＣ材料ベース動的グレーティング例を示す正面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図３Ｂ中の線３Ａ〜３Ａにおける破断側面図であり、本発明によるＴＣ材料ベースマルチ径動的アパーチャ例を示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３ＡのＴＣ材料ベースマルチ径動的アパーチャ例を示す正面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明によるＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例を示す正面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４ＡのＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例の様々なパターン例を示す正面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４ＡのＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例の様々なパターン例を示す正面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４ＡのＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例の様々なパターン例を示す正面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図５Ｂ中の線５Ａ〜５Ａにおける破断側面図であり、本発明によるＴＣ材料ベース動的１次元フレネル帯板例を示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５ＡのＴＣ材料ベース動的１次元フレネル帯板例を示す正面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図６Ｂ中の線６Ａ〜６Ａにおける破断側面図であり、本発明によるＴＣ材料ベース動的光学素子例を示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６ＡのＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す正面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明によるＴＣ材料ベース動的２次元フレネル帯板例を示す正面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明によるＴＣ材料ベース動的２次元フレネル帯板例を示す正面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明による別のＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す側面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明による別のＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す側面図である。
【図９】図９は、ＶＯ2膜の反射率および透過率スペクトル例を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱変色性材料を利用する動的光学部品に関する。特に、これらの光学素子は、フィルタ、アパーチャ、フレネル帯板、透光性グレーティング、および動的マスクを含み得る。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラ装置は、だんだんとより小さなパッケージに実装されつつある。これらの小型サイズを達成するために、より大きなシステムに比較して、いくつかの特徴部を制限するかあるいは取り除いてしまうことがしばしば必要になる。しかし、ユーザはこれらの特徴部が欲しいかもしれない。設計者が元々選択した既存の特徴部を、所望の特徴部によって置き換え得る場合もあるが、そのような交換を行うにはこれらの特徴部に用いられる所望の光学またはその他の部品が大きすぎる場合があり、また、ユーザが特徴部を交換したくない場合もある。したがって、これらのデジタルカメラに付随させるための、より小さな光学部品の需要が存在する。
【０００３】
さらに、電源のためのスペースを減少することもまた望ましいため、機械的部品によるエネルギー消費は問題になり得る。例えば、新型の監視セキュリティカメラシステムにおいては、電源要求を減少しかつ設計上の制約を避けるために、モーターレスのカメラが望ましくあり得る。昼間／夜間機能および可変絞りを有するレンズも望まれ得る。これらの機能を実現するためには、電子制御赤外線（ＩＲ）および減光（ＮＤ）フィルタが望まれる。望まれるＩＲフィルタは、電流無印加時にはＩＲ波長において透明であるが、電流印加時にはこれらのＩＲ波長を遮断する（あるいはその逆の）、光学素子である。望まれるＮＤフィルタは、電流無印加時にはゼロまたは低ＮＤ値（可視波長において）を有し、電流印加時には高ＮＤ値を有する（あるいはその逆の）、光学素子である。
【０００４】
液晶装置（ＬＣＤ）は、電子制御ＮＤフィルタとして用いられ得る。しかし、ＬＣＤＮＤフィルタの有する問題可能性の１つは、そのような装置は必ず入射光の５０％を失ってしまい、これは、特に低光または好感度アプリケーションにおいて望ましくない場合がある。また、ＬＣＤには複数の界面が存在するために、ぎらつき／ゴースト像の可能性があり、これが問題となり得る。
【０００５】
望まれる電子制御ＮＤフィルタにおいて用いられ得るもう１つの可能性は、エレクトロクロミックデバイスである。しかし、エレクトロクロミックデバイスは典型的にはダイナミックレンジが制限される。このダイナミックレンジは、問題にならないアプリケーションもあるが、より大きなダイナミックレンジが非常に望まれるアプリケーションも存在する。
【０００６】
ＶＯ2などの酸化バナジウム膜は、可逆性の半導体−金属相遷移（これは単斜晶系から正方晶系への構造的相変化と関連する）を経ることにより、温度上昇に応答する。この可逆性の相遷移は、赤外線波長光に対する膜の反射性の有意な増加をもたらす。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態例は、ダイナミック材料面を有する実質的に透光性の基板と、前記基板の前記ダイナミック材料面の少なくとも一部上に形成された熱変色性材料（ＴＣ）材料の層と、前記ＴＣ材料の層に熱的に結合され、前記ＴＣ材料の層の温度を制御可能に変化させる加熱手段とを有する、動的光学素子である。前記ＴＣ材料は、前記ＴＣ材料の層の温度が前記ＴＣ材料の遷移温度未満のときに前記ＴＣ材料が取る第１の温度依存性状態と、前記ＴＣ材料の層の温度が前記遷移温度より大きいときに前記ＴＣ材料が取る第２の温度依存性状態とを有する。
【０００８】
本発明の別の実施形態例は、第１の面および前記第１の面に実質的に平行な第２の面を有する第１の実質的に透光性の基板と、第３の面および前記第３の面実質的に平行な第４の面を有する第２の実質的に透光性の基板と、前記第１の基板の前記第２の面と前記第２の基板の前記第３の面との間に配置されたＴＣゲル材料の層と、前記ＴＣゲル材料の層に熱的に結合され、前記ＴＣゲル材料の層の温度を制御可能に変化させる加熱手段と、を有する動的光学素子である。前記第２の実質的に透光性の基板は、その第３の面が、前記第１の実質的に透光性の基板の前記第２の面に近くかつ実質的に平行であるようにされる。前記ＴＣゲル材料は、前記ＴＣゲル材料の層の温度が前記ＴＣゲル材料の遷移温度未満のときに前記ＴＣゲル材料が取る第１の温度依存性状態と、前記ＴＣゲル材料の層の温度が前記遷移温度より大きいときに前記ＴＣゲル材料が取る第２の温度依存性状態とを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに読んだときもっともよく理解される。一般に行われるように、図面の様々な要素は縮尺通りではないことを強調しておく。逆に、明瞭さのために様々な要素の寸法を任意に拡大または縮小している。図面には以下の図が含まれる。
【００１０】
本発明の実施形態例は熱変色性材料（ＴＣ）材料ベース動的光学素子を含み、これには動的ＩＲおよびＮＤフィルタが含まれる。これら実施形態例において用いられるＴＣ材料は望ましくは、色変化特性のみを有する材料に加え、サーモトロピック材料を含み得る。これらの光学素子例は、大きなダイナミックレンジとより小さな物理的サイズを有する、高速かつエネルギー効率の良い光学部品を提供するために用いられ得る。このような光学部品は特に、ミニカメラおよび監視アプリケーションにおける使用について望ましい。
【００１１】
ＴＣ材料においては、材料の透過率は材料の温度とともに変化する。この特性により、ＴＣ材料を、光学部品の透過率をアクティブにチューニングするために用いることが可能になる。例えば図１Ａおよび１Ｂに、本発明によるＴＣ材料ベース動的フィルタ例を示す。図１Ａおよび１Ｂのフィルタ例は、実質的に透光性の基板１００を有しており、ＴＣ材料の層１０２がダイナミック材料面の一部上に形成されている。本発明の動的光学素子例はまた、ＴＣ材料の温度を制御可能に変化させるための加熱手段を有している。図１Ａおよび１Ｂの実施形態例において、加熱手段は抵抗加熱素子１０４および電気的接点１０６を有している。加熱手段は、実質的に透光性の基板１００の対向面上（図１Ａ、１Ｂ、６Ａおよび６Ｂに示す）、実質的に透光性の基板１００とＴＣ材料の層との間（図２Ａ、２Ｂ、および４Ａに示す）、あるいはＴＣ材料の層上（図３Ａ、３Ｂ、５Ａおよび５Ｂに示す）のいずれにも形成され得ることが、当業者には理解される。
【００１２】
実質的に透光性の基板１００は望ましくは、ガラス、石英、石英ガラス、またはサファイアなどの、標準的な光学誘電性材料から形成される。動的フィルタが意図される波長帯に応じて、シリコン、窒化シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、または様々なＩＩＩ／Ｖ材料などの他の光学材料を、実質的に透光性の基板１００に用い得る。実質的に透光性の基板１００はまた、複数の層から形成されてもよい。例えば実質的に透光性の基板１００は、光学素子の透光性を改善するために、そのダイナミック材料面（ＴＣ材料の層１０２が形成された面）および／またはその対向面上に形成された、反射防止コーティング（不図示）を有していてもよい。
【００１３】
ＴＣ材料の層１０２は、第１の温度依存性状態および第２の温度依存性状態を有し、基板のダイナミック材料面の動作エリアを実質的に覆っている。したがって、ＴＣ材料がその第１の温度依存性状態にあるとき、動的光学素子は実質的に透光性であり、ＴＣ材料がその第２の温度依存性状態にあるとき、動的光学素子は減光フィルタ、赤外線フィルタ、またはカラーフィルタのうちいずれか１つである。層１０２のＴＣ材料は、その温度がＴＣ材料の遷移温度未満であるときその第１の温度依存性状態にあり、その温度が遷移温度より大きいときに第２の温度依存性状態にある。この動的フィルタ設計例を用いて、ＴＣ材料のタイプに基づいて、赤外線（ＩＲ）フィルタや、減光（ＮＤ）フィルタや、カラーフィルタなどの、複数の動的光フィルタを作製し得る。
【００１４】
本発明の実施形態例において用い得るＴＣ材料のタイプ例としては、Ｆｅ3Ｏ4、ＦｅＳｉ2、ＮｂＯ2、ＮｉＳ、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ4Ｏ7、Ｔｉ5Ｏ9、ＶＯ2、またはＶ2Ｏ3を含む、いくつかの遷移金属酸化物および関連化合物があげられる。
【００１５】
ＶＯ2の膜は、可逆性の半導体−金属相遷移（これは単斜晶系から正方晶系結晶への構造的相変化と関連する）を経ることにより、温度上昇に応答する。この相遷移は、図９に示すように、赤外線波長光に対する膜の反射性の有意な増加をもたらす。ＶＯ2の臨界遷移温度は約６０℃〜７０℃である。スペクトル９０６は、臨界遷移温度より下におけるＶＯ2膜例の反射率を示し、スペクトル９０４は、臨界遷移温度より上におけるこの膜例の反射率を示している。スペクトル９００および９０２はそれぞれ、臨界遷移温度の上および下における、この膜例の対応する透過率を示している。
【００１６】
ＶＯ2の臨界遷移温度は、ＶＯ2にＷ、Ｍｏ、Ｎｂ、またはＦ2の少なくとも１つをドーピングすることによって変更され得る。Ｗをドーパントとして用いることによる３０℃と言う低い遷移温度が、ＶＯ2について報告されている。大部分のアプリケーションにおいては、遷移温度が周囲温度よりも大きくされることにより、加熱のみでＴＣ材料が自身の２つの状態間をスイッチングできるようにすることが望ましい。しかし多くのアプリケーションにおいて周囲温度は幅広く変化し得る。例えばデジタルカメラは、−２０℃から４０℃あるいはそれ以上の温度に曝され得る。したがって、デジタルカメラアプリケーションに用いられるＴＣ材料の遷移温度は４５℃以上が望ましいが、この選択の場合、寒天においてＴＣ材料を「ｏｎ」にスイッチするにはより長い時間がかかり得る。これに代えて、ＴＣ材料温度を両状態において制御することで、より高速なスイッチング時間を維持するようにしてもよい。
【００１７】
なお、遷移温度がより高ければ、周囲条件においてより高速な冷却が可能になるため、ＴＣ材料の第２の状態から第１の状態へとより高速にスイッチングすることが可能になる。一方、低い遷移温度は、ＴＣ材料を第１の状態から第２の状態へスイッチングするために必要な加熱を少なくするため、動的光学素子例のエネルギー消費を低減し得ることに、留意されたい。
【００１８】
抵抗加熱素子１０４は望ましくは、抵抗特性がわかっていて、かつ動的光学素子例の動作波長帯において実質的に透光性である材料から、形成される。ただし、電気的接点１０６は望ましくは動的光学素子例の動作エリア外に形成されるため、この帯域において電気的接点１０６が実質的に透光性であることは必要ではない。抵抗加熱素子１０４は、酸化スズ、酸化インジウムスズ、金およびカルシウムなどの金属薄層、またはポリアニリンを含む、いくつかの材料から形成され得る。
【００１９】
なお、ＴＣ材料の層１０２および抵抗加熱素子１０４を基板１００の対向面上に形成することで、図１Ａおよび１Ｂに示す実施形態例の製造を単純化することができるが、この設計を選択すると、基板１００の熱質量によっては、ＴＣ材料の２つの状態がスイッチングされるスピードが減少し得ることに留意されたい。
【００２０】
図２Ａおよび２Ｂは、本発明による別の光学素子例である、ＴＣ材料ベース動的グレーティングを示している。この動的グレーティング例において、抵抗加熱素子１０４が実質的に透光性の基板１００のダイナミック材料面上に形成されており、ＴＣ材料層２００が抵抗加熱素子１０４上に形成されている。ＴＣ材料層２００は、ＴＣ材料がその第２の温度依存性状態にあるときに、動的光学素子がグレーティングとなるようにパターニングされている。ＴＣ材料がその第２の温度依存性状態にあるとき、（ｉ）ＴＣ材料の透光性が減少し、かつ（ｉｉ）その反射性が増加するため、この動的グレーティング構造例は、動的透光性グレーティング、動的反射性グレーティング、またはその両方として用いられ得る。
【００２１】
また、本発明の実施形態例における加熱手段は、加熱素子および／またはＴＣ材料層の温度をモニターするための温度センサ（図２Ｂではサーミスタ２０２として示す）ならびに、所望の温度を維持するための制御回路２０４を望ましくは有する。制御回路２０４は温度センサに電気的に結合され、ＴＣ材料層の温度に対応する温度信号を受け取る。そして制御回路は、ＴＣ材料層の所望の温度を維持するように加熱素子を制御する。図２Ｂの実施形態例の場合、制御回路２０４は、サーミスタ２０２によって生成される温度信号（すなわち、定電圧でサーミスタ２０２を流れる電流）に基づいて、抵抗加熱素子１０４を流れる電圧および／または電流を制御することにより、より多くまたはより少ない熱を所望に提供する。
【００２２】
なお、多くのアプリケーションにおいて微細な温度制御は必要ではないことに留意されたい。遷移温度は、周囲温度が有意に（例えば＞１０℃）遷移温度を下回るように選択され、加熱手段は、遷移温度を有意に上回るようにＴＣ材料の層を加熱するよう設定される。他のほとんどのアプリケーションにおいて、制御することが望ましいのは、動的光学素子が「ｏｎ」であるとき（すなわちＴＣ材料が第２の状態にあるとき）の温度のみである。装置が「ｏｆｆ」であるときのＴＣ材料は典型的には周囲温度のままにされ得るが、両方の状態において遷移温度に近くなるようＴＣ材料の温度を制御することによって、光学素子例のオフ−オン間のより素早いスイッチングが可能になり得、これはアプリケーションによっては望ましい。
【００２３】
図３Ａおよび３Ｂは、本発明のさらなる実施形態例である、ＴＣ材料ベースマルチ径動的アパーチャ例を示す。このマルチ径動的アパーチャ例は、３つの組の電気配線３１２、３１４、および３１６にそれぞれ電気的に結合された、パターニングされた抵抗加熱素子の３つの別々の部分３０６、３０８、および３１０を有している。これにより、３つの抵抗加熱素子部分３０６、３０８、および３１０が独立に作動されることが可能になる。抵抗加熱素子部分３０６を加熱することにより、ＴＣ材料層の部分３００が状態をスイッチングし、アパーチャの直径を減少させる。同様に、抵抗加熱素子部分３０８を加熱することによりＴＣ材料層の部分３０２が状態をスイッチングし、抵抗加熱素子部分３１０を加熱することによりＴＣ材料層の部分３０４が状態をスイッチングする。このように、様々な抵抗加熱素子部分を加熱することで、３つの減少された直径のアパーチャが形成され、３つのリング状アパーチャ構成が形成される。
【００２４】
なお、図３Ａおよび３ＢのＴＣ材料の部分３００、３０２、および３０４は、ＴＣ材料層の単一のパターニングされた部分から形成されていてもよいが、これらの部分は、ＴＣ材料の別々の部分（おそらくは異なる遷移温度を有する）から形成されてもよいことに留意されたい。後者の場合、パターニングされた抵抗加熱素子部分３０６、３０８、および３１０をまとめて制御し、温度を増加するにしたがって、動的アパーチャの様々な直径をたどっていくことができる。図３Ａおよび３Ｂには図示しないが、部分３０６、３０８、および３１０におけるＴＣ材料の遷移を空間的に正確に制御したければ、これらの部分間には何らかの断熱手段が存在することが望ましいことが、当業者には理解される。実質的に透光性の基板１００の基板材料があまり熱伝導性でない場合は、部分間にわずかな間隔を残しておくことによって、部分３０６、３０８、および３１０間に有意な断熱が達成され得る。あるいは、異なる遷移温度を有するＴＣ材料で形成された部分を用いることが望ましい。
【００２５】
図４Ａは、部分４００、４０２、および４０４中の様々な画素が、３つの異なる遷移温度を有するＴＣ材料で形成されている、本発明によるＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例を示す。上述のように、酸化バナジウムなどのいくつかのＴＣ材料の遷移温度は、ドーピングによって制御し得る。図４Ｂ〜Ｄは、このマルチパターン動的マスク例を、部分４００、４０２、および４０４（簡単さのため温度順の番号とする）のＴＣ材料の遷移温度を通じて加熱していくことによる効果を示している。図４Ｂは、温度が部分４００および４０２の遷移温度の間であるときに形成されるマスクパターン例４０６を示す。図４Ｃは、温度が部分４０２および４０４の遷移温度の間であるときに形成されるマスクパターン例４０８を示す。そして図４Ｂは、温度が部分４０４の遷移温度より大きいときに形成されるマスクパターン例４１０を示す。
【００２６】
図５Ａおよび５Ｂは、本発明の別の実施形態例である、ＴＣ材料ベース動的１次元フレネル帯板例を示す。この実施形態例において、抵抗加熱素子５００は、ＴＣ材料の所定の部分にのみ熱的に結合されるようにパターニングされており、動的光学素子が動的１次元フレネル帯板であるようになっている。抵抗加熱素子５００の部分は望ましくは共通の電気的接点５０２によって互いに電気的に結合されている。
【００２７】
図６Ａおよび６Ｂは、本発明によるさらに別のＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す。この動的光学素子例は、誘電体層６００および光源６０２を含む、別の加熱手段を有している。光６０４が光源により発生される。誘電体層６００は、動的光学素子の動作波長帯において実質的に透光性であり、かつ動作波長帯の外にある制御波長において実質的に吸光性であるような、誘電性材料から形成されている。これにより、制御波長を含む光６０４による照射によって誘電体層６００を加熱することが可能になる。光源６０２は望ましくは、光を制御波長で発生し得る、レーザ源、パラメトリック光増幅器、または発光ダイオード（ＬＥＤ）などの狭帯域の光源である。例えばＩＲフィルタにおいて、誘電体層６００はチタニウムドーピングされたサファイア（ＩＲにおいて実質的に透光性である）から形成され得、光源６０２はアルゴンレーザまたは緑色ＬＥＤであり得る。
【００２８】
図６Ａおよび６Ｂは、動的光学素子例の全動作エリアにわたって誘電体層６００が延びるように示しているが、ＴＣ材料層１０２の所定の部分のみを加熱するように誘電体層６００をパターニングしてもよいことが、当業者には理解される。さらに、誘電体層６００は、ＴＣ材料層１０２上またはＴＣ材料層１０２と基板１００との間に形成してもよい（それぞれ図３Ａおよび２Ａの実施形態の抵抗加熱素子と同様）。また、動的減光フィルタ、動的赤外線フィルタ、動的カラーフィルタ、動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、動的マスク、マルチ径動的アパーチャまたはマルチパターン動的マスクなどのいくつかの動的光学素子のうちの任意のいずれか間で動的光学素子がスイッチングし得るように、光源６０２は、制御波長の光によって照射される誘電体層６００の部分を制御するための光学系を含んでいてもよいことに留意されたい。
【００２９】
図７Ａおよび７Ｂは、本発明によるＴＣ材料ベース動的２次元フレネル帯板例を示す正面図である。ＴＣ材料の層を選択的に加熱することにより、黒い円形リング７００と黒い楕円形リング７０２とを、動的にオンオフスイッチングし得る。この動的２次元フレネル帯板例のこれら黒いリングは、ＴＣ材料層をパターニングすること（図２Ａ、２Ｂ、および４Ａの実施形態例と同様）、加熱素子をパターニングすること（図３Ａ、３Ｂ、５Ａ、および５Ｂの実施形態例と同様）、または誘電体層のこれらの部分を制御波長の光で照射すること（図６Ａおよび６Ｂの実施形態例と同様）によって、形成し得る。
【００３０】
図８Ａおよび８Ｂは、本発明によるさらなるＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す。これらの動的光学素子例は、例えば２つの基板８００間に配置されたポリエーテル／エチレンオキシド／カルボキシビニルヒドロゲルなどの、ＴＣゲル材料の層８０２をベースとしている。それぞれ図８Ａおよび８Ｂに示すように、加熱素子８０４は、基板８００のうち一方の外側面上、または基板８００のうち一方の内側面とＴＣゲル材料８０２との間に形成され得る。
【００３１】
基板８００は望ましくは、これら基板のゲルに面する内側の面が、互いに近くかつ実質的に平行であるように構成される。典型的には、ＴＣゲル材料の層８０２について約１〜１０ｍｍの間隔があれば十分であり得る。基板８００は、望ましくは、ガラス、石英、石英ガラス、サファイアなどの実質的に透光性の光学材料、または、アクリル、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネートなどの光学プラスチックから形成される。動的フィルタが意図される波長帯に応じて、シリコン、窒化シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、または様々なＩＩＩ／Ｖ材料などの他の光学材料を基板８００に用い得る。基板８００はまた、複数の層から形成され得る。例えば、光学素子例の透光性を改善するために、これらの基板は、その内側面（単数または複数）および／または外側面（単数または複数）上に形成された反射防止コーティングを有していてもよい。
【００３２】
先の実施形態例について前述したように、加熱素子８０４は抵抗加熱素子、または動的光学素子の動作波長帯の外にある制御波長において実質的に吸光性である誘電体層であり得る。加熱素子８０４を、図８Ａおよび８Ｂにおける光学素子例の全動作エリアを覆うように示しており、動的フィルタを形成するように用い得る。しかし、加熱素子８０４はまた、図３Ａ、３Ｂ、５Ａ、および５Ｂに示す加熱素子例と同様にパターニングされることによって、動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、動的マスク、マルチ径動的アパーチャおよびマルチパターン動的マスクを含む、様々な動的光学素子例を形成することを可能にし得る。
【００３３】
本発明はいくつかのＴＣ材料例ベース動的光学素子を包含する。本発明を特定の実施形態について図示および説明したが、本発明は示された詳細に限定されるものではない。むしろ、請求項の均等物の範疇・範囲内において、本発明から逸脱することなく、詳細について様々な改変をなし得る。特に、様々な具体的に説明した実施形態の多くの特徴を混合することにより、やはり本発明によって実現されるさらなるＴＣ材料例ベース動的光学素子を形成し得ることが、当業者に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】図１Ａは、図１Ｂ中の線１Ａ〜１Ａにおける破断側面図であり、本発明による熱変色性材料（ＴＣ）材料ベース動的フィルタ例を示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＴＣ材料ベース動的フィルタ例を示す正面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図２Ｂ中の線２Ａ〜２Ａにおける破断側面図であり、本発明によるＴＣ材料ベース動的グレーティング例を示している。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２ＡのＴＣ材料ベース動的グレーティング例を示す正面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図３Ｂ中の線３Ａ〜３Ａにおける破断側面図であり、本発明によるＴＣ材料ベースマルチ径動的アパーチャ例を示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３ＡのＴＣ材料ベースマルチ径動的アパーチャ例を示す正面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明によるＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例を示す正面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４ＡのＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例の様々なパターン例を示す正面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４ＡのＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例の様々なパターン例を示す正面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４ＡのＴＣ材料ベースマルチパターン動的マスク例の様々なパターン例を示す正面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図５Ｂ中の線５Ａ〜５Ａにおける破断側面図であり、本発明によるＴＣ材料ベース動的１次元フレネル帯板例を示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５ＡのＴＣ材料ベース動的１次元フレネル帯板例を示す正面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図６Ｂ中の線６Ａ〜６Ａにおける破断側面図であり、本発明によるＴＣ材料ベース動的光学素子例を示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６ＡのＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す正面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明によるＴＣ材料ベース動的２次元フレネル帯板例を示す正面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明によるＴＣ材料ベース動的２次元フレネル帯板例を示す正面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明による別のＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す側面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明による別のＴＣ材料ベース動的光学素子例を示す側面図である。
【図９】図９は、ＶＯ2膜の反射率および透過率スペクトル例を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイナミック材料面を有する、実質的に透光性の基板と、
前記基板の前記ダイナミック材料面の少なくとも一部上に形成された熱変色性材料（ＴＣ）材料の層であって、前記ＴＣ材料は第１の温度依存性状態および第２の温度依存性状態を有する層と、
前記ＴＣ材料の層に熱的に結合され、前記ＴＣ材料の層の温度の制御可能に変化させる加熱手段と、
を備える動的光学素子であって、
前記ＴＣ材料は、前記ＴＣ材料の層の温度が前記ＴＣ材料の遷移温度未満のとき前記第１の温度依存性状態にあり、前記ＴＣ材料は、前記ＴＣ材料の層の温度が前記遷移温度より大きいとき前記第２の温度依存性状態にある、
動的光学素子。
【請求項２】
前記ＴＣ材料の層は、前記基板の前記ダイナミック材料面の動作エリアを実質的に覆っており、
前記動的光学素子は、前記ＴＣ材料が前記第１の温度依存性状態にあるとき実質的に透光性であり、
前記ＴＣ材料が前記第２の温度依存性状態にあるとき、前記動的光学素子は減光フィルタ、赤外線フィルタ、またはカラーフィルタのうちいずれか１つである、
請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項３】
前記ＴＣ材料の層は、Ｆｅ3Ｏ4、ＦｅＳｉ2、ＮｂＯ2、ＮｉＳ、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ4Ｏ7、Ｔｉ5Ｏ9、ＶＯ2、またはＶ2Ｏ3のうち少なくとも１つである、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項４】
前記ＴＣ材料の層は、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、またはＦ2のうち少なくとも１つがドーピングされたＶＯ2である、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項５】
前記ＴＣ材料の層は、
前記ＴＣ材料が前記第１の温度依存性状態にあるとき、前記動的光学素子は実質的に透光性であり、
前記ＴＣ材料が前記第２の温度依存性状態にあるとき、前記動的光学素子は、アパーチャ、１次元フレネル帯板、２次元フレネル帯板、グレーティング、またはマスクのうち１つである、
ようにパターニングされている、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項６】
前記ＴＣ材料の層は複数の部分を有しており、前記ＴＣ材料の層の各部分のＴＣ材料は、ＴＣ材料の層の他の部分の前記ＴＣ材料とは異なる遷移温度を有するように適合している、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項７】
前記ＴＣ材料の層の前記部分は、前記動的光学素子がマルチ径動的アパーチャまたはマルチパターン動的マスクのうち１つであるようにパターニングされている、請求項６に記載の動的光学素子。
【請求項８】
前記加熱手段は、前記動的光学素子の動作波長帯において実質的に透光性である加熱素子を含み、
前記加熱素子は、
前記ＴＣ材料の層上、
前記ＴＣ材料の層と前記基板の前記ダイナミック材料面との間、または
前記基板の前記ダイナミック材料面に実質的に平行な、前記基板の対向面上、
に形成されている、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項９】
前記加熱素子は、酸化スズ、酸化インジウムスズ、金、カルシウム、またはポリアニリンのうち少なくとも１つから形成された抵抗加熱素子である、請求項８に記載の動的光学素子。
【請求項１０】
前記抵抗加熱素子は、前記ＴＣ材料の所定の部分に熱的に結合されるようにパターニングされていることにより、前記動的光学素子は動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、または動的マスクのうち１つである、請求項９に記載の動的光学素子。
【請求項１１】
前記抵抗加熱素子は複数の個々に制御可能な部分を含んでおり、
前記抵抗加熱素子の各個々に制御可能な部分は、前記ＴＣ材料の別々の部分に熱的に結合されるようにパターニングされていることにより、前記動的光学素子はマルチ径動的アパーチャまたはマルチパターン動的マスクのうち１つである、
請求項９に記載の動的光学素子。
【請求項１２】
前記加熱素子は、前記動的光学素子の前記動作波長帯の外にある制御波長において実質的に吸光性である誘電体層であり、
前記加熱手段はさらに、前記誘電体層を照射するための、前記制御波長の光を供給するための光源を含んでいる、
請求項８に記載の動的光学素子。
【請求項１３】
前記光源は、前記動的光学素子が動的減光フィルタ、動的赤外線フィルタ、動的カラーフィルタ、動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、動的マスク、マルチ径動的アパーチャ、またはマルチパターン動的マスクのうち少なくとも１つであるように、前記制御波長で照射される前記誘電体層の一部を制御する光学系を含む、請求項１２に記載の動的光学素子。
【請求項１４】
前記加熱手段はさらに、
前記加熱素子または前記ＴＣ材料の層のうち少なくとも一方に熱的に結合されており、前記ＴＣ材料の層の温度をモニターし、前記モニターされた温度に対応する温度信号を生成する、温度センサと、
前記温度センサに電気的に結合されて温度信号を受け取り、前記加熱素子に結合されて前記ＴＣ材料の層の温度を制御する制御回路と、
を含む、請求項８に記載の動的光学素子。
【請求項１５】
前記基板の前記ダイナミック材料面または、
前記基板の前記ダイナミック材料面の実質的に平行な、前記基板の対向面、
のうち少なくとも１つ上に形成された反射防止コーティングをさらに備える、
請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項１６】
第１の面および前記第１の面に実質的に平行な第２の面を有する、第１の実質的に透光性の基板と、
第３の面および前記第３の面に実質的に平行な第４の面を有する第２の実質的に透光性の基板であって、前記第２の実質的に透光性の基板の前記第３の面が前記第１の実質的に透光性の基板の前記第２の面に近くかつ実質的に平行であるように配置された、前記第２の実質的に透光性の基板と、
前記第１の基板の前記第２の面と前記第２の基板の前記第３の面との間に配置された熱変色性材料（ＴＣ）ゲル材料の層であって、前記ＴＣゲル材料は第１の温度依存性状態および第２の温度依存性状態を有する層と、
前記ＴＣゲル材料の層に熱的に結合され、前記ＴＣゲル材料の層の温度を制御可能に変化させる加熱手段と、
を備える動的光学素子であって、
前記ＴＣゲル材料は、前記ＴＣゲル材料の層の温度が前記ＴＣゲル材料の遷移温度未満のとき前記第１の温度依存性状態にあり、前記ＴＣゲル材料は、前記ＴＣゲル材料の層の温度が前記遷移温度より大きいとき前記第２の温度依存性状態にある、
動的光学素子。
【請求項１７】
前記加熱手段は、前記動的光学素子の動作波長帯において実質的に透光性である加熱素子を含み、
前記加熱素子は、
前記第１の基板の前記第１の面、
前記第１の基板の前記第２の面、
前記第２の基板の前記第３の面、または
前記第２の基板の前記第４の面、
のうち少なくとも１つ上に形成されている、請求項１６に記載の動的光学素子。
【請求項１８】
前記加熱素子は、前記動的光学素子の動作断面を実質的に覆っており、
前記動的光学素子は、前記ＴＣゲル材料が前記第１の温度依存性状態にあるとき実質的に透光性であり、
前記ＴＣゲル材料が前記第２の温度依存性状態にあるとき、前記動的光学素子は減光フィルタ、赤外線フィルタ、またはカラーフィルタのうちいずれか１つである、
請求項１７に記載の動的光学素子。
【請求項１９】
前記加熱素子は、酸化スズ、酸化インジウムスズ、金、カルシウム、またはポリアニリンの少なくとも１つから形成された抵抗加熱素子である、請求項１７に記載の動的光学素子。
【請求項２０】
前記抵抗加熱素子は、前記ＴＣゲル材料の所定の部分に熱的に結合されるようにパターニングされていることにより、前記動的光学素子は動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、または動的マスクのうち１つである、請求項１９に記載の動的光学素子。
【請求項２１】
前記抵抗加熱素子は複数の個々に制御可能な部分を含んでおり、
前記抵抗加熱素子の各個々に制御可能な部分は、前記ＴＣゲル材料の別々の部分に熱的に結合されるようにパターニングされていることにより、前記動的光学素子はマルチ径動的アパーチャまたはマルチパターン動的マスクのうち１つである、
請求項１９に記載の動的光学素子。
【請求項２２】
前記加熱素子は、前記動的光学素子の前記動作波長帯の外にある制御波長において実質的に吸光性である誘電体層であり、
前記加熱手段はさらに、前記誘電体層を照射するための、前記制御波長の光を供給するための光源を含んでいる、
請求項１７に記載の動的光学素子。
【請求項２３】
前記光源は、前記動的光学素子が動的減光フィルタ、動的赤外線フィルタ、動的カラーフィルタ、動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、動的マスク、マルチ径動的アパーチャ、またはマルチパターン動的マスクのうち少なくとも１つであるように、前記制御波長で照射される前記誘電体層の一部を制御する光学系を含む、請求項２２に記載の動的光学素子。
【請求項２４】
前記第１の基板の前記第１の面、
前記第１の基板の前記第２の面、
前記第２の基板の前記第３の面、または
前記第２の基板の前記第４の面、
のうち少なくとも１つ上に形成された反射防止コーティングをさらに備える、
請求項１６に記載の動的光学素子。
【請求項１】
ダイナミック材料面を有する、実質的に透光性の基板と、
前記基板の前記ダイナミック材料面の少なくとも一部上に形成された熱変色性材料（ＴＣ）材料の層であって、前記ＴＣ材料は第１の温度依存性状態および第２の温度依存性状態を有する層と、
前記ＴＣ材料の層に熱的に結合され、前記ＴＣ材料の層の温度の制御可能に変化させる加熱手段と、
を備える動的光学素子であって、
前記ＴＣ材料は、前記ＴＣ材料の層の温度が前記ＴＣ材料の遷移温度未満のとき前記第１の温度依存性状態にあり、前記ＴＣ材料は、前記ＴＣ材料の層の温度が前記遷移温度より大きいとき前記第２の温度依存性状態にある、
動的光学素子。
【請求項２】
前記ＴＣ材料の層は、前記基板の前記ダイナミック材料面の動作エリアを実質的に覆っており、
前記動的光学素子は、前記ＴＣ材料が前記第１の温度依存性状態にあるとき実質的に透光性であり、
前記ＴＣ材料が前記第２の温度依存性状態にあるとき、前記動的光学素子は減光フィルタ、赤外線フィルタ、またはカラーフィルタのうちいずれか１つである、
請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項３】
前記ＴＣ材料の層は、Ｆｅ3Ｏ4、ＦｅＳｉ2、ＮｂＯ2、ＮｉＳ、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ4Ｏ7、Ｔｉ5Ｏ9、ＶＯ2、またはＶ2Ｏ3のうち少なくとも１つである、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項４】
前記ＴＣ材料の層は、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、またはＦ2のうち少なくとも１つがドーピングされたＶＯ2である、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項５】
前記ＴＣ材料の層は、
前記ＴＣ材料が前記第１の温度依存性状態にあるとき、前記動的光学素子は実質的に透光性であり、
前記ＴＣ材料が前記第２の温度依存性状態にあるとき、前記動的光学素子は、アパーチャ、１次元フレネル帯板、２次元フレネル帯板、グレーティング、またはマスクのうち１つである、
ようにパターニングされている、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項６】
前記ＴＣ材料の層は複数の部分を有しており、前記ＴＣ材料の層の各部分のＴＣ材料は、ＴＣ材料の層の他の部分の前記ＴＣ材料とは異なる遷移温度を有するように適合している、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項７】
前記ＴＣ材料の層の前記部分は、前記動的光学素子がマルチ径動的アパーチャまたはマルチパターン動的マスクのうち１つであるようにパターニングされている、請求項６に記載の動的光学素子。
【請求項８】
前記加熱手段は、前記動的光学素子の動作波長帯において実質的に透光性である加熱素子を含み、
前記加熱素子は、
前記ＴＣ材料の層上、
前記ＴＣ材料の層と前記基板の前記ダイナミック材料面との間、または
前記基板の前記ダイナミック材料面に実質的に平行な、前記基板の対向面上、
に形成されている、請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項９】
前記加熱素子は、酸化スズ、酸化インジウムスズ、金、カルシウム、またはポリアニリンのうち少なくとも１つから形成された抵抗加熱素子である、請求項８に記載の動的光学素子。
【請求項１０】
前記抵抗加熱素子は、前記ＴＣ材料の所定の部分に熱的に結合されるようにパターニングされていることにより、前記動的光学素子は動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、または動的マスクのうち１つである、請求項９に記載の動的光学素子。
【請求項１１】
前記抵抗加熱素子は複数の個々に制御可能な部分を含んでおり、
前記抵抗加熱素子の各個々に制御可能な部分は、前記ＴＣ材料の別々の部分に熱的に結合されるようにパターニングされていることにより、前記動的光学素子はマルチ径動的アパーチャまたはマルチパターン動的マスクのうち１つである、
請求項９に記載の動的光学素子。
【請求項１２】
前記加熱素子は、前記動的光学素子の前記動作波長帯の外にある制御波長において実質的に吸光性である誘電体層であり、
前記加熱手段はさらに、前記誘電体層を照射するための、前記制御波長の光を供給するための光源を含んでいる、
請求項８に記載の動的光学素子。
【請求項１３】
前記光源は、前記動的光学素子が動的減光フィルタ、動的赤外線フィルタ、動的カラーフィルタ、動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、動的マスク、マルチ径動的アパーチャ、またはマルチパターン動的マスクのうち少なくとも１つであるように、前記制御波長で照射される前記誘電体層の一部を制御する光学系を含む、請求項１２に記載の動的光学素子。
【請求項１４】
前記加熱手段はさらに、
前記加熱素子または前記ＴＣ材料の層のうち少なくとも一方に熱的に結合されており、前記ＴＣ材料の層の温度をモニターし、前記モニターされた温度に対応する温度信号を生成する、温度センサと、
前記温度センサに電気的に結合されて温度信号を受け取り、前記加熱素子に結合されて前記ＴＣ材料の層の温度を制御する制御回路と、
を含む、請求項８に記載の動的光学素子。
【請求項１５】
前記基板の前記ダイナミック材料面または、
前記基板の前記ダイナミック材料面の実質的に平行な、前記基板の対向面、
のうち少なくとも１つ上に形成された反射防止コーティングをさらに備える、
請求項１に記載の動的光学素子。
【請求項１６】
第１の面および前記第１の面に実質的に平行な第２の面を有する、第１の実質的に透光性の基板と、
第３の面および前記第３の面に実質的に平行な第４の面を有する第２の実質的に透光性の基板であって、前記第２の実質的に透光性の基板の前記第３の面が前記第１の実質的に透光性の基板の前記第２の面に近くかつ実質的に平行であるように配置された、前記第２の実質的に透光性の基板と、
前記第１の基板の前記第２の面と前記第２の基板の前記第３の面との間に配置された熱変色性材料（ＴＣ）ゲル材料の層であって、前記ＴＣゲル材料は第１の温度依存性状態および第２の温度依存性状態を有する層と、
前記ＴＣゲル材料の層に熱的に結合され、前記ＴＣゲル材料の層の温度を制御可能に変化させる加熱手段と、
を備える動的光学素子であって、
前記ＴＣゲル材料は、前記ＴＣゲル材料の層の温度が前記ＴＣゲル材料の遷移温度未満のとき前記第１の温度依存性状態にあり、前記ＴＣゲル材料は、前記ＴＣゲル材料の層の温度が前記遷移温度より大きいとき前記第２の温度依存性状態にある、
動的光学素子。
【請求項１７】
前記加熱手段は、前記動的光学素子の動作波長帯において実質的に透光性である加熱素子を含み、
前記加熱素子は、
前記第１の基板の前記第１の面、
前記第１の基板の前記第２の面、
前記第２の基板の前記第３の面、または
前記第２の基板の前記第４の面、
のうち少なくとも１つ上に形成されている、請求項１６に記載の動的光学素子。
【請求項１８】
前記加熱素子は、前記動的光学素子の動作断面を実質的に覆っており、
前記動的光学素子は、前記ＴＣゲル材料が前記第１の温度依存性状態にあるとき実質的に透光性であり、
前記ＴＣゲル材料が前記第２の温度依存性状態にあるとき、前記動的光学素子は減光フィルタ、赤外線フィルタ、またはカラーフィルタのうちいずれか１つである、
請求項１７に記載の動的光学素子。
【請求項１９】
前記加熱素子は、酸化スズ、酸化インジウムスズ、金、カルシウム、またはポリアニリンの少なくとも１つから形成された抵抗加熱素子である、請求項１７に記載の動的光学素子。
【請求項２０】
前記抵抗加熱素子は、前記ＴＣゲル材料の所定の部分に熱的に結合されるようにパターニングされていることにより、前記動的光学素子は動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、または動的マスクのうち１つである、請求項１９に記載の動的光学素子。
【請求項２１】
前記抵抗加熱素子は複数の個々に制御可能な部分を含んでおり、
前記抵抗加熱素子の各個々に制御可能な部分は、前記ＴＣゲル材料の別々の部分に熱的に結合されるようにパターニングされていることにより、前記動的光学素子はマルチ径動的アパーチャまたはマルチパターン動的マスクのうち１つである、
請求項１９に記載の動的光学素子。
【請求項２２】
前記加熱素子は、前記動的光学素子の前記動作波長帯の外にある制御波長において実質的に吸光性である誘電体層であり、
前記加熱手段はさらに、前記誘電体層を照射するための、前記制御波長の光を供給するための光源を含んでいる、
請求項１７に記載の動的光学素子。
【請求項２３】
前記光源は、前記動的光学素子が動的減光フィルタ、動的赤外線フィルタ、動的カラーフィルタ、動的アパーチャ、動的１次元フレネル帯板、動的２次元フレネル帯板、動的グレーティング、動的マスク、マルチ径動的アパーチャ、またはマルチパターン動的マスクのうち少なくとも１つであるように、前記制御波長で照射される前記誘電体層の一部を制御する光学系を含む、請求項２２に記載の動的光学素子。
【請求項２４】
前記第１の基板の前記第１の面、
前記第１の基板の前記第２の面、
前記第２の基板の前記第３の面、または
前記第２の基板の前記第４の面、
のうち少なくとも１つ上に形成された反射防止コーティングをさらに備える、
請求項１６に記載の動的光学素子。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【公開番号】特開２００７−３１０３５４（Ｐ２００７−３１０３５４Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００７−１７８９０（Ｐ２００７−１７８９０）
【出願日】平成１９年１月２９日（２００７．１．２９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７８９０（Ｐ２００７−１７８９０）
【出願日】平成１９年１月２９日（２００７．１．２９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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