DE60202815T2

DE60202815T2 - Steuerbare flüssige Mikrolinse

Info

Publication number: DE60202815T2
Application number: DE60202815T
Authority: DE
Inventors: Timofei N. Kroupenkine; Shu Yang
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2022-03-23
Also published as: CA2381745C; CA2381745A1; JP2003050303A; DE60202815D1; US6538823B2; US20020196558A1; EP1271218B1; EP1271218A1; JP4351420B2

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Mikrolinsen und insbesondere flüssige Mikrolinsen.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Die meisten abstimmbaren Mikrolinsen sind entweder Gradientenindexlinsen (GRIN), bei denen der Brechungsindex elektrostatisch gesteuert wird, oder flexible Polymerlinsen, bei denen die Gestalt mechanisch gesteuert wird. Beide Technologien weisen inhärente Begrenzungen auf, die die Leistung dieser existierenden abstimmbaren Mikrolinsen stark einschränken.
Abstimmbare Gradientenindexlinsen weisen inhärente Begrenzungen auf, die mit den relativ kleinen elektrooptischen Koeffizienten verbunden sind, die man in der Mehrzahl elektrooptischer Materialien antrifft. Dies führt zu einer geringen Lichtwegmodulation und erfordert deshalb den Einsatz von dicken Linsen oder sehr hohen Spannungen. Außerdem zeigen viele elektrooptische Materialien eine starke Doppelbrechung, die zu einer Polarisationsabhängigkeit der Eigenschaften der Mikrolinse führt.
Mechanisch justierbare flexible Linsen weisen im allgemeinen einen wesentlich breiteren Abstimmungsbereich als die Gradientenindexlinsen auf. Zum Arbeiten benötigen sie jedoch externe Aktivierungseinrichtungen wie etwa Mikropumpen. Die Mikrointegration derartiger Einrichtungen ist mit erheblichen Problemen verbunden, die besonders dort schwerwiegend sind, wo ein zweidimensionales Array von abstimmbaren Mikrolinsen erforderlich ist.
Es sind Versuche unternommen worden, zum Herstellen von abstimmbaren Mikrolinsen andere Technologien einzusetzen, wie etwa flüssige Mikrolinsen, die durch SAMs (self assembled monolayers – selbst-organisierende Monoschichten) gesteuert werden. Einige dieser Versuche sind in dem am 11.1.2000 an Wohlstadter erteilten US-Patent Nr. 6,014,259 beschrieben, das durch Bezugnahme hier in seiner Gänze aufgenommen ist. Mikrolinsen, die selbst-organisierende Monoschichten verwenden, sind jedoch ebenfalls mit schweren Problemen behaftet, einschließlich schwerwiegenden Begrenzungen hinsichtlich Materialwahl und starker Hysterese, die dazu führt, daß nach dem Abschalten einer Abstimmspannung die Mikrolinse nicht in ihre ursprüngliche Gestalt zurückkehrt. Außerdem gestattet keine der oben beschriebenen Mikrolinsen sowohl eine Linsenpositionsjustierung als auch eine Brennweitenabstimmung.
Aus FR-A-2769375 ist eine Linse mit variabler Brennweite bekannt, bei der ein Tröpfchen aus einer isolierenden Flüssigkeit auf einer isolierenden Wand einer Kammer angeordnet ist. Eine leitende Flüssigkeit füllt die Kammer und umgibt das Tröpfchen. Die Linse enthält Mittel zum Zentrieren des Rands des Tröpfchens, wenn eine Spannung zwischen der leitenden Flüssigkeit und unter der isolierenden Schicht angeordneten Elektroden angelegt wird.
Aus US-A-5486337 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Manipulieren von kleinen Tröpfchen aus Flüssigkeit zu Zwecken der Analyse, Detektion oder Forschung bekannt. Tröpfchen werden auf benetzbaren Positionierungselektroden auf einem unbenetzbaren Substrat plaziert. Spannungen werden an die Positionierungselektroden angelegt, um die Tröpfchen zu laden, und Spannungen der entgegengesetzten Polarität werden an Zielelektroden angelegt, wodurch die Tröpfchen von den Positionierungselektroden zu den Zielelektroden hingezogen werden.
US-A-4,569,575 stellt eine Einrichtung bereit zum Bewegen von Fluidkügelchen, damit sie innerhalb eines Kapillarraums zirkulieren, und zwar mit Hilfe von Paaren von Elektroden, die Fangstellen festlegen. Die Elektroden von zwei aufeinanderfolgenden Paaren haben mindestens eine Einbuchtung gemeinsam, die einen konvexen und einen konkaven Teil umfaßt. Die Einrichtung kann in Sichtdisplays und bei der elektrischen Datenspeicherung verwendet werden.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine abstimmbare flüssige Mikrolinse, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß der Erfindung sind wie in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Eine abstimmbare flüssige Mikrolinse enthält eine Isolierschicht, ein auf einer ersten Oberfläche der Isolierschicht angeordnetes Tröpfchen einer transparenten leitenden Flüssigkeit und mehrere durch die Isolierschicht von dem Tröpfchen isolierte Elektroden. Die mehreren Elektroden sind so angeordnet, daß sie selektiv vorgespannt werden können, um ein jeweiliges Spannungspotential zwischen dem Tröpfchen und jeder der mehreren Elektroden zu erzeugen, wodurch ein Kontaktwinkel zwischen dem Tröpfchen und der ersten Oberfläche variabel ist und das Tröpfchen entlang der ersten Oberfläche neu positioniert werden kann. Man beachte, daß unter dem Ausdruck "transparent" transparent bei der relevanten Lichtfrequenz verstanden wird, die sichtbar sein kann oder nicht.
Die abstimmbare flüssige Mikrolinse gestattet sowohl Linsenpositionsjustierung als auch Brennweitenabstimmung. Außerdem erhält man durch die abstimmbare flüssige Mikrolinse eine größere Freiheit bei der Materialwahl.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie andere für die Offenbarung relevante Informationen. Es zeigen:
1A eine schematische Darstellung von durch eine flüssige Mikrolinse hindurchtretenden Lichtwellen;
1B eine schematische Darstellung des Elektrobenetzungsphänomens;
2A eine schematische Darstellung einer abstimmbaren flüssigen Mikrolinse der vorliegenden Erfindung;
2B ein beispielhaftes Elektrodenmuster für eine abstimmbare flüssige Mikrolinse der vorliegenden Erfindung;
2C–2E die Reaktion der abstimmbaren flüssigen Mikrolinse der vorliegenden Erfindung auf ausgewählte Vorspannungsvorgänge der Elektroden von 2B;
3A–C schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen einer abstimmbaren flüssigen Mikrolinse gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ein optisches System, das eine abstimmbare flüssige Mikrolinse der vorliegenden Erfindung enthält; und
5 ein Diagramm einer Vorrichtung, die einen planaren Wellenleiter und eine abstimmbare flüssige Mikrolinse der vorliegenden Erfindung enthält.
Es versteht sich, daß die Figuren zu Zwecken der Veranschaulichungen aufgenommen sind und nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Vor der ausführlichen Beschreibung der abstimmbaren flüssigen Mikrolinse der vorliegenden Erfindung erfolgen zuerst eine Beschreibung einer flüssigen Mikrolinse allgemein und eine Beschreibung des Elektrobenetzungsphänomens.
Unter Bezugnahme auf 1A wird eine flüssige Mikrolinse 10 gezeigt. Die Mikrolinse 10 enthält ein kleines Tröpfchen 12 aus einer transparenten Flüssigkeit wie etwa Wasser, das in der Regel (aber nicht notwendigerweise) einen Durchmesser zwischen mehreren Mikrometern und mehreren Millimetern aufweist. Das Tröpfchen 12 ist auf einem transparenten Substrat 14 angeordnet. Das Substrat ist in der Regel hydrophob oder enthält eine hydrophobe Beschichtung. Die Flüssigkeit und das Substrat brauchen nur für Lichtwellen mit einer Wellenlänge innerhalb eines ausgewählten Bereichs transparent zu sein. Lichtwellen werden durch eine Bezugszahl 16 veranschaulicht. Lichtwellen treten durch die flüssige Mikrolinse 10 hindurch und werden auf einem Brennpunkt oder Brennfleck (mit der Bezugszahl 18 bezeichnet) in einer Brennebene fokussiert, die sich in einer Brennweite "f" von der Kontaktebene zwischen dem Tröpfchen 12 und dem Substrat 14 befindet.
Der Kontaktwinkel "θ" zwischen dem Tröpfchen 12 und dem Substrat 14 wird durch Grenzflächenspannungen "γ" bestimmt, die im allgemeinen in Milli-Newton pro Meter (mN/m) gemessen werden. Der Term γ_S-V ist, wie er hier verwendet wird, die Grenzflächenspannung zwischen dem Substrat und der Luft, dem Gas oder einer anderen Flüssigkeit, die das Substrat 14 umgibt, γ_L-V ist die Grenzflächenspannung zwischen dem Tröpfchen 12 und der Luft, Gas oder einer anderen Flüssigkeit, die das Tröpfchen 12 umgibt, und γ_S-L ist die Grenzflächenspannung zwischen dem Substrat 14 und dem Tröpfchen 12. Der Kontaktwinkel θ kann an Hand von Gleichung (1) bestimmt werden:
Der Radius "R" der Oberflächenkrümmung des Tröpfchens 12 in Metern wird durch den Kontaktwinkel θ und das Tröpfchenvolumen in Kubikmetern (m³) gemäß Gleichung (2) wie folgt bestimmt:
Die Brennweite in Metern ist eine Funktion des Radius R und der Brechungsindizes "n", wobei n_Liquid der Brechungsindex des Tröpfchens 12 und n_Vapor der Brechungsindex der Luft, des Gases oder einer anderen Flüssigkeit ist, das bzw. die das Tröpfchen 12 umgibt. Die Brennweite f kann an Hand von Gleichung (3) bestimmt werden:
Der Brechungsindex des Substrats ist wegen der parallelen Eintritts- und Austrittsebene für die Lichtwellen nicht wichtig. Die Brennweite der Mikrolinse 10 ist deshalb eine Funktion des Kontaktwinkels θ.
1B zeigt, daß das Phänomen der Elektrobenetzung dazu verwendet werden kann, den Kontaktwinkel θ zwischen einem Tröpfchen 22 aus einer leitenden Flüssigkeit (die transparent sein kann oder nicht) und einer dielektrischen Isolierschicht 24 mit einer als "d" bezeichneten Dicke und einer Dielektrizitätskonstante ε_r umkehrbar zu ändern. Eine Elektrode wie etwa eine Metallelektrode 26 ist unter der dielektrischen Schicht 24 positioniert und durch die Schicht 24 von dem Tröpfchen 22 isoliert. Das Tröpfchen 22 kann beispielsweise ein Wassertröpfchen sein, und das Substrat 24 kann beispielsweise eine Teflon-Parylen-Oberfläche sein.
Wenn zwischen dem Tröpfchen 22 und der Elektrode 26 keine Spannungsdifferenz vorliegt, behält das Tröpfchen 22 eine Gestalt bei, die durch das Volumen des Tröpfchens 22 und den Kontaktwinkel θ₁ definiert ist, wobei θ₁ durch die Grenzflächenspannungen γ bestimmt wird, wie oben erläutert. Die gestrichelte Linie 28 zeigt, daß sich das Tröpfchen 22 gleichmäßig von seiner zentralen Position relativ zu der Elektrode 26 gleichmäßig über die Schicht 24 ausbreitet, wenn zwischen der Elektrode 26 und dem Tröpfchen 22 eine Spannung angelegt wird. Die Spannung kann zwischen einigen Volt und mehreren hundert Volt liegen. Genauer gesagt nimmt der Kontaktwinkel θ von θ₁ zu θ₂ ab, wenn die Spannung unabhängig von der Polarität zwischen der Elektrode 26 und dem Tröpfchen 22 angelegt wird. Das Ausmaß der Ausbreitung, das heißt wie durch die Differenz zwischen θ₁ und θ₂ bestimmt, ist eine Funktion der angelegten Spannung V. Der Kontaktwinkel θ₂ kann an Hand Gleichung (4) bestimmt werden:
wobei cos θ (V = 0) der Kontaktwinkel zwischen der Isolierschicht 24 und dem Tröpfchen 22 ist, wenn zwischen dem Tröpfchen 22 und der Elektrode 26 keine Spannung angelegt wird, γ_L-V die oben beschriebene Tröpfchengrenzspannung, ε_r die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht und ε₀ 8,85 × 10^–12 F/m, die Permitivität eines Vakuums, ist.
Die 2A und 2B veranschaulichen eine abstimmbare flüssige Mikrolinse, die wie unten beschrieben sowohl die Position als auch die Brennweite variieren kann. Insbesondere unter Bezugnahme auf 2A enthält eine abstimmbare flüssige Mikrolinse 100 ein Tröpfchen 102 aus einer transparenten, leitenden Flüssigkeit, das auf einer ersten Oberfläche einer transparenten dielektrischen Isolierschicht 104 angeordnet ist. Die Isolierschicht 104 kann beispielsweise ein mit einem fluorierten Polymer wie etwa einem hochfluorierten Kohlenwasserstoff beschichtetes Polyimid sein. Jedenfalls sollte die Isolierschicht 104 vorbestimmte Werte für den Kontaktwinkel und die Kontaktwinkelhysterese liefern und eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweisen, die für die angelegten Spannungen angemessen ist. Die Mikrolinse 100 enthält mehrere, durch die Isolierschicht 104 von dem Tröpfchen 102 isolierte Elektroden 106a–106d. Die Mikrolinse 100 kann auch ein transparentes tragendes Substrat 110 enthalten, das die Elektroden 106 und die Isolierschicht 104 trägt. Die Elektroden 106 und das tragende Substrat 110 können beispielsweise aus Gold bzw. Glas sein.
2B ist eine Draufsicht auf eine beispielhafte Konfiguration für die Elektroden 106a–106d. Obwohl eine Konfiguration aus vier Elektroden 106a–106d gezeigt ist, können je nach dem gewünschten Niveau der Steuerung über das. Abstimmen der Mikrolinse 100 andere Anzahlen, Kombinationen und Muster von Elektroden 106 verwendet werden. Jede Elektrode 106a–106d ist an eine jeweilige Spannung V₁–V₄ gekoppelt, und das Tröpfchen 102, das anfänglich relativ zu den Elektroden 106 zentriert ist, ist an eine Tröpfchenelektrode 108 gekoppelt, die an eine Spannung Vo gekoppelt ist.
Wenn keine Spannungsdifferenz zwischen dem Tröpfchen 102 und einer beliebigen der Elektroden 106 vorliegt (das heißt V₁ = V₂ = V₃ = V₄ = Vo) und das Tröpfchen relativ zu den Elektroden 106 und den Quadranten I bis IV zentriert ist, nimmt das Tröpfchen 102 eine Gestalt an, die durch den Kontaktwinkel θ und das Volumen des Tröpfchens 102 gemäß den oben erläuterten Gleichungen (1)–(3) bestimmt wird. 2C zeigt diese Anfangsposition des Tröpfchens 102 mit einer gestrichelten Linie. Die Position des Tröpfchens 102 und die Brennweite der Mikrolinse 100 können justiert werden, indem zwischen dem Tröpfchen 102 und den Elektroden 106 selektiv ein Spannungspotential angelegt wird. Wenn an alle vier Elektroden gleiche Spannungen angelegt werden, das heißt V₁ = V₂ = V₃ = V₄ ≠ Vo, dann breitet sich das Tröpfchen 102 gleichmäßig in den Quadranten I, II, III und IV aus (das heißt gleichermaßen entlang der seitlichen Achsen X und Y), wie durch die gestrichelte Linie von 2D gezeigt. Im wesentlichen nimmt der Kontaktwinkel θ zwischen dem Tröpfchen 102 und der Isolierschicht 104 ab. Dabei nimmt die Brennweite der Mikrolinse 100 von der Brennweite der Mikrolinse bei dem anfänglichen Kontaktwinkel θ aus zu (d.h. wenn V₁ = V₂ = V₃ = V₄ = Vo).
2E veranschaulicht, daß die seitliche Positionierung des Tröpfchens 102 entlang der X- und Y-Achse auch relativ zum anfänglichen Ort des Tröpfchens 102 auf der ersten Oberfläche der Isolierschicht 104 geändert werden kann, indem die Elektroden 106 relativ zum Tröpfchen 102 selektiv vorgespannt werden. Indem beispielsweise V₁ = V₃ = Vo und V₂ größer als V₄ gemacht wird, wird das Tröpfchen 102 in Richtung der höheren Spannung der Elektrode 106b angezogen und bewegt sich zum Quadranten II. Durch Justieren der seitlichen Position des Tröpfchens 102 wird auch die seitliche Position des Brennflecks der Mikrolinse in der Brennebene justiert.
Aus den obigen Beispielen sollte offensichtlich sein, daß die Elektroden 106 in einer beliebigen Anzahl von Kombinationen relativ zu der Tröpfchenelektrode (und somit mit dem Tröpfchen 102) selektiv vorgespannt werden können, um den Kontaktwinkel θ zu justieren und dadurch die Brennweite der Mikrolinse 100 zu modifizieren. Analog können die Elektroden 106 in einer beliebigen Anzahl von Kombinationen selektiv vorgespannt werden, um das Tröpfchen 102 relativ zu einem anfänglichen Ort auf der Isolierschicht 104 neu zu positionieren, wodurch die seitliche Position des Brennflecks der Mikrolinse justiert wird. Deshalb gestattet die Mikrolinse die Justierung des Brennflecks in drei Dimensionen, die Position des Brennflecks bei Bestimmung durch die Brennweite und die seitliche Position des Brennflecks in der Brennebene, die parallel zur ersten Oberfläche der Mikrolinse verläuft und eine Brennweite von der Mikrolinse entfernt ist.
3A veranschaulicht einen Weg, wie das Tröpfchen 102 an eine Spannung Vo, wie etwa Masse oder einen anderen konstanten Spannungspegel, gekoppelt werden kann. Die Mikrolinse 100a kann ein tragendes Substrat 110a enthalten, das ein leitendes Glas wie etwa Indium-Zinnoxid-Glas enthält. Das leitende Glas ist an die Spannung Vo gekoppelt, und eine Elektrode 116 koppelt das Substrat 110a an das Tröpfchen 102. Die Elektrode 116 und das tragende Substrat 110a können kollektiv als eine Tröpfchenelektrode angesehen werden. 3A veranschaulicht außerdem, daß die dielektrische Isolierschicht 104 eine dielektrische Schicht 114 und eine hydrophobe Beschichtungsschicht 112 enthalten kann. Die Beschichtungsschicht 112 sollte einen relativ hohen Kontaktwinkel θ liefern. Ein Beispiel ist ein hochfluoriertes Polymer wie etwa Teflon oder ein anderes Material mit einer ähnlichen chemischen Struktur wie Teflon. Es eignen sich auch Materialien mit einer niedrigen Oberflächenenergie, wie etwa siliziumhaltige Polymere oder Moleküle. Bei einer Ausführungsform enthält die Isolierschicht 104a eine Beschichtungsschicht 112, die ein auf einer dielektrischen Polyimidschicht 114 angeordneter Teflonfilm ist.
Bei einer in der isometrischen Ansicht von 3B gezeigten alternativen Ausführungsform einer Mikrolinse 100B kann die Tröpfchenelektrode 116 beispielsweise eine Goldelektrode sein, die auf einer ersten Oberfläche einer Isolierschicht 104 (nicht gezeigt) in einem Bereich oder mehreren Bereichen aufgedampft oder auf andere Weise abgeschieden worden ist, der sicherstellt, daß die Elektrode 116 den Kontakt mit dem Tröpfchen 102 beibehält, wenn das Tröpfchen 102 seine Position entlang der ersten Oberfläche der Isolierschicht 104 ändert. Obwohl die Elektrode 116 so angeordnet ist, daß sie den Kontakt mit dem Tröpfchen 102 beibehält, wenn das Tröpfchen 102 seine Position ändert, ist das Tröpfchen 102 im wesentlichen auf der ersten Oberfläche der Isolierschicht 104 angeordnet. Die Mikrolinse 100B kann ein tragendes Substrat 110A enthalten, das nicht leitend sein muß und das beispielsweise ein. nichtleitendes Glas sein kann, das als eine mechanische Tragschicht für die Isolierschicht 104 und die Elektroden 106 dienen kann. In diesem Fall kann die Tröpfchenelektrode 116 direkt an eine Spannung Vo gekoppelt sein. Alternativ kann die tragende Schicht 110a ein leitendes Glassubstrat sein, das an eine Spannung Vo gekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Tröpfchenelektrode 116 an die tragende Schicht 110a gekoppelt sein. In 3B sind außerdem Elektroden 106a–106d und ihre jeweiligen Stromzuleitungen 118a–118d gezeigt, die jeweils an die Spannungen V₁-V₄ gekoppelt sind. Obwohl in 3B keine Isolierschicht 104 gezeigt ist, ist dies nur zu Zwecken der Veranschaulichung, und eine Isolierschicht 104 isoliert das Tröpfchen 102 und die Elektrode 116 gegenüber den Elektroden 106a–106d.
3C veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer abstimmbaren flüssigen Mikrolinse 100C, bei der keine Elektrode 116 erforderlich ist, wodurch eine etwaige mögliche Störung mit der Mikrolinse von der Elektrode 116 reduziert wird. Die Mikrolinse 100C enthält ein auf einer ersten Oberfläche einer Isolierschicht 104b angeordnetes Tröpfchen 102. Die Mikrolinse 100C enthält außerdem eine transparente leitende tragende Schicht 110a, die als Tröpfchenelektrode dient, die entlang einer zweiten Oberfläche der Isolierschicht 104b gegenüber der ersten Oberfläche der Isolierschicht 104b angeordnet ist. Die Mikrolinse 100C ist im Querschnitt gezeigt, um darzustellen, daß die Isolierschicht 104b eine Öffnung 118 enthält, die durch die Isolierschicht 104b definiert ist und sich durch sie hindurch fortsetzt. Das Tröpfchen 102 belegt zumindest einen Teil der Öffnung 118, wodurch das Tröpfchen 102 in elektrische Verbindung mit der Tröpfchenelektrode, das heißt dem tragenden Substrat 110a, versetzt wird. Das tragende Substrat 110a ist dann an eine Spannung Vo gekoppelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel braucht auch die Isolierschicht 104b solange nicht transparent zu sein, wie die Öffnung breit genug ist, sodaß das durch die Öffnung hindurchdringende Licht für die jeweilige Anwendung ausreicht.
Die flüssigen Tröpfchen können aus jeglicher Flüssigkeit sein, die für die gewünschte Wellenlänge transparent ist und die von sich aus leitend ist oder leitend gemacht gemacht werden kann, etwa durch die Verwendung irgendeines Additivs. Zu typischen Beispielen zählen wäßrige Lösungen verschiedener Salze. Die Elektroden können aus einem beliebigen massiven leitenden Material sein, das transparent sein kann oder nicht, wie etwa Gold, Aluminium oder Indium-Zinnoxid-Glas. Die Isolierschicht kann aus einem beliebigen massiven Dielektrikum oder aus einer Menge von massiven Dielektrika sein, die eine ausreichend hohe Durchschlagsfestigkeit und vordefinierte Werte für den Kontaktwinkel und die Kontaktwinkelhysterese liefern. Die Isolierschicht kann transparent sein oder nicht. Zu Beispielen zählen massive Polymere wie etwa Polyimid und Parylen. Bei dem tragenden Substrat kann es sich um ein beliebiges Substrat handeln, das für eine gegebene Wellenlänge transparent ist, wie etwa Glas oder ein massives Polymer. Die angelegten Spannungen hängen von den ausgewählten Materialien, dem Layout der Mikrolinse und der gewünschten Änderung beim Kontaktwinkel ab, wie durch die obigen Gleichungen (1)–(4) geführt. Typische Spannungen können zwischen 0 Volt und etwa 200 Volt variieren, wenngleich die annehmbaren Spannungen nicht auf diesen Bereich beschränkt sind.
Bei einer Ausführungsform kann das flüssige Tröpfchen der Mikrolinse im wesentlichen von einer Flüssigkeit umgeben sein, die sich nicht mit dem Tröpfchen vermischt. Die umgebende Flüssigkeit kann dabei mithelfen zu verhindern, daß das Mikrolinsentröpfchen verdunstet. Wenn das Tröpfchen auf Wasserbasis ist, können verschiedene Öle oder Alkohole mit einem hohen Molekulargewicht (z.B. Pentanol, Octanol, usw.) verwendet werden.
Die Mikrolinse 100C von 3C wurde getestet. Die Mikrolinse enthielt ein Tröpfchen 102, das 20 μl einer 0,01 wäßrigen KNO₃-Lösung enthielt. Die Isolierschicht 104b enthielt eine 3 μm dicke Polyimidschicht, die mit einer sehr dünnen (~0,02 μm) Schicht aus einem hochfluorierten Polymer beschichtet war, das einen anfänglichen Kontaktwinkel von etwa 109° lieferte. Eine Menge von vier Goldelektroden 106 war wie in den 2B und 3C gezeigt angeordnet. Die Mikrolinse enthielt eine ITO-Glasplatte (Indium-Zinnoxid) als ein leitendes transparentes tragendes Substrat 110a, in 3C gezeigt. Arbeitsspannungen zwischen 0 V und etwa 150 V wurden angelegt.
Eine umkehrbare Justierung der Brennweite der Mikrolinse im Bereich zwischen 6 mm und 8 mm wurde vorgeführt. Außerdem wurde eine Justierung einer Mikrolinsenposition in einem Bereich von etwa 3 mm in beliebiger seitlicher Richtung entlang der Oberfläche der Isolierschicht vorgeführt. Es ist zu verstehen, daß die erzielten Ergebnisse nicht die Grenzen der Mikrolinse darstellen, sondern vielmehr als Hinweis darauf dienen, daß eine abstimmbare flüssige Mikrolinse hergestellt werden kann, die sowohl die Brennweite als auch die Brennfleckposition variieren kann.
An Hand des oben gesagten sollte offensichtlich sein, daß die beschriebene Mikrolinse so ausgelegt werden kann, daß sie einen gewünschten Kontaktwinkel θ aufweist, wenn keine Spannungsdifferenz zwischen dem Tröpfchen und der Elektrode 106 vorliegt, und eine gewünschte Kontaktwinkelhysterese. Dies kann durch Auswahl entsprechender Materialien, Abmessungen und Volumen erzielt werden, wie durch die oben dargelegten Gleichungen geführt. Die Mikrolinse gestattet deshalb erhebliche Freiheit bei der Steuerung sowohl der Tröpfchenkrümmung als auch der Position, was zu einem großen Bereich an Abstimmbarkeit bei der Mikrolinse, der Brennweite, der Brennfleckposition und der numerischen Apertur führt.
Der Durchschnittsfachmann erkennt, daß die Mikrolinse der vorliegenden Erfindung in mehreren optoelektronischen Anwendungen eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann die Mikrolinse dazu verwendet werden, eine optimale Kopplung zwischen einem Sender 204 für optische Signale wie etwa einem Laser und einem Empfänger 202 für optische Signale wie etwa einem Fotodetektor zu erzielen. Dies ist in 4 dargestellt. Aus 4 ist zu verstehen, daß das optische Signal von dem Sender 204 divergiert und hinter der Brennebene 206 fokussiert wird. Die Linsenbrennweite und die seitliche Positionierung des Brennflecks 208 innerhalb der Brennebene 206 der Mikrolinse 100 kann wie oben beschrieben justiert werden, indem die mehreren Elektroden 106 selektiv vorgespannt werden, um diese optimale Kopplung zu erzielen. Die vorspannenden Elektroden können selektiv vorgespannt werden, bis am Empfänger 202 die höchste Leistung detektiert wird, was die optimale Kopplung zwischen Sender 204 und Empfänger 202 darstellt. Gegenwärtig werden optoelektronische Bausteine, d.h. physische Vorrichtungen, in die optoelektronische Komponenten wie etwa Laser und/oder Fotodetektoren integriert sind, dadurch kalibriert, daß Komponententeile physisch bewegt werden, um die optimale Kopplung zu erzielen. Dieser Prozeß kann langsam und recht teuer sein. Indem in die Vorrichtung mindestens eine Mikrolinse der vorliegenden Erfindung aufgenommen wird, entfällt die Notwendigkeit zum physischen Ausrichten von Komponententeilen, um eine optimale Kopplung zu erzielen. Vielmehr können die Brennweite und die seitliche Position des Brennflecks der Mikrolinse der vorliegenden Erfindung justiert werden, um ein optisches Signal von einem Sender zu einem festen Empfänger umzulenken.
Bei einer weiteren, in 5 dargestellten beispielhaften Anwendung werden eine Mikrolinse 100 oder mehrere Mikrolinsen der vorliegenden Erfindung dazu verwendet, eine optoelektronische Komponente wie etwa einen Fotodetektor 506, der auf einem Ball-Grid-Array 512 auf einer Leiterplatte 500 oberflächenmontiert ist, mit einem eingebetteten planaren Wellenleiter 504 zu koppeln. Licht breitet sich durch einen Kern 502 des planaren Wellenleiters 504 aus, wie durch die Richtungspfeile angegeben. Das Licht wird von einem Spiegelrand 508 in Richtung auf eine obere Oberfläche 510 der Leiterplatte 500 reflektiert. Eine abstimmbare flüssige Mikrolinse 100 ist auf der oberen Oberfläche 510 der Leiterplatte 500 angeordnet und lenkt das Licht 502 in der gezeigten Richtung auf den Fotodetektor 506. Die Elektroden der abstimmbaren flüssigen Mikrolinse 100 können selektiv vorgespannt werden, um die Brennweite und die seitliche Position des Brennflecks der Mikrolinse 100 zu justieren, um die Mikrolinse 100 abzustimmen, damit die Übertragung des Lichts vom planaren Wellenleiter 504 zum Fotodetektor 506 optimiert wird. Durch das Anlegen der entsprechenden Spannung wird die Gestalt der Mikrolinse beibehalten.
Wenngleich die Erfindung im Hinblick auf Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt. Vielmehr sollten die beigefügten Ansprüche weitgehend ausgelegt werden, daß sie andere Varianten und Ausführungsformen der Erfindung beinhalten, die der Fachmann vornehmen kann, ohne von dem Schutzbereich und Bereich von Äquivalenten der Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung, die folgendes umfaßt: eine abstimmbare flüssige Mikrolinse (100) mit einer Isolierschicht (104), wobei ein Tröpfchen (102), das eine transparente leitende Flüssigkeit enthält, auf einer ersten Oberfläche der Isolierschicht (104) angeordnet ist, und mehreren, durch die Isolierschicht (104) von dem Tröpfchen (102) getrennten Elektroden (106), dadurch gekennzeichnet, daß: die mehreren Elektroden (106) derart angeordnet sind, daß sie selektiv vorgespannt werden können, um zwischen dem Tröpfchen (102) und jeder der mehreren Elektroden (106) ein jeweiliges Spannungspotential zu erzeugen, und daß die Elektroden so konfiguriert sind, daß ein Kontaktwinkel zwischen dem Tröpfchen (102) und der ersten Oberfläche variabel ist und das Tröpfchen (102) durch selektives Vorspannen der Elektroden (106) entlang der ersten Oberfläche neu positioniert wird, wodurch eine Brennweite und eine seitliche Position eines Brennflecks der Mikrolinse (100) verstellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die abstimmbare Mikrolinse weiterhin eine Tröpfchenelektrode (108) zum Vorspannen des Tröpfchens bezüglich der mehreren Elektroden umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Tröpfchenelektrode ein entlang einer zweiten Oberfläche der Isolierschicht angeordnetes leitendes transparentes Substrat (110) enthält, wobei die zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche liegt, wobei die Isolierschicht eine Öffnung (118) durch die Isolierschicht definiert, durch die das Tröpfchen mindestens teilweise die Öffnung belegt und mit der Tröpfchenelektrode in elektrischer Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Tröpfchenelektrode folgendes umfaßt: eine leitende Zuleitung (116), die an der ersten Oberfläche der Isolierschicht befestigt ist und das Tröpfchen kontaktiert, und ein leitendes transparentes Substrat (110), das entlang einer zweiten Oberfläche der Isolierschicht angeordnet ist, wobei die zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche liegt, wobei die leitende Zuleitung das Tröpfchen an das leitende transparente Substrat koppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Tröpfchen im wesentlichen von einer Flüssigkeit umgeben ist, die mit dem Tröpfchen nicht vermischt werden kann, wobei die Flüssigkeit das Tröpfchen vor Verdunstung schützt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin folgendes enthält: einen Sender (204), der ein optisches Signal liefert, und einen Empfänger (202), der das optische Signal empfängt; wobei die abstimmbare flüssige Mikrolinse so angeordnet ist, daß sie das optische Signal von dem Sender (204) zu dem Empfänger (202) lenkt, wobei die Brennweite und die seitliche Position des Brennflecks der Mikrolinse (100) verstellt werden, um das optische Signal von dem Sender (204) zu dem Empfänger (202) zu lenken, indem die Elektroden (106) selektiv vorgespannt werden.
Verfahren zum Übertragen eines optischen Signals, bei dem das optische Signal von einer ersten Stelle zu einer Linse (100) gelenkt und die Linse abgestimmt wird, um das optische Signal umzulenken, dadurch gekennzeichnet, daß: die Linse eine flüssige Mikrolinse (100) enthält, die ein Tröpfchen (102) aus einer transparenten leitenden Flüssigkeit enthält, angeordnet an einer ersten Oberfläche einer Isolierschicht (104), und wobei der Abstimmschritt den Schritt des Abstimmens der flüssigen Mikrolinse (100) durch selektives Vorspannen mehrerer durch die Isolierschicht (104) von dem Tröpfchen (102) isolierter Elektroden (106) zum Erzeugen eines jeweiligen Spannungspotentials zwischen dem Tröpfchen (102) und jeder der mehreren Elektroden (106) beinhaltet, wobei die Elektroden so konfiguriert sind, daß ein Kontaktwinkel zwischen dem Tröpfchen (102) und der ersten Oberfläche variabel ist und das Tröpfchen (102) durch selektives Vorspannen der Elektroden (106) entlang der ersten Oberfläche neu positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des selektiven Vorspannens den Schritt des selektiven Vorspannens der mehreren Elektroden (106) zum Variieren eines Kontaktwinkels zwischen dem Tröpfchen (102) und der ersten Oberfläche beinhaltet, wobei eine Brennweite der flüssigen Mikrolinse (100) verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des selektiven Vorspannens den Schritt des selektiven Vorspannens der mehreren Elektroden (106) zum Neupositionieren des Tröpfchens (102) entlang der ersten Oberfläche beinhaltet, wobei eine seitliche Position eines Brennflecks der flüssigen Mikrolinse (100) verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des selektiven Vorspannens die folgenden Schritte beinhaltet: selektives Vorspannen der mehreren Elektroden (106) zum Variieren eines Kontaktwinkels zwischen dem Tröpfchen (102) und der ersten Oberfläche, wodurch eine Brennweite der abstimmbaren flüssigen Mikrolinse (100) verstellt wird, und selektives Vorspannen der mehreren Elektroden (106) zum Neupositionieren des Tröpfchens (102) entlang der ersten Oberfläche, wodurch eine seitliche Position eines Brennflecks der flüssigen Mikrolinse (100) verstellt wird.