JP2002131513A - 焦点距離可変レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】屈折率の変化ではなく、レンズ形状の変化によ
って大きな焦点距離の変化幅を実現することができ、し
かも、外部信号によって、容易に焦点距離を変更するこ
とができる焦点距離可変レンズを提供する。 【解決手段】光軸方向に対面する光透過性領域を有す
る、少なくとも一部の形状が可変で液密な容器と、容器
内に充填される光透過性の液体と、対面して配置される
導電性部材を有し、電圧を印加することによって導電性
部材の間隔を変化させることで容器を変形して、光透過
性領域の間隔を変化させる調整手段とを有することによ
り、前記課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズの技術分野
に属し、詳しくは、変形することによって焦点距離を調
整することができる焦点距離可変レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】画像読取装置、プリンタ、複写装置、カ
メラ等の様々な光学装置に、レンズが使用されている。
また、固定焦点ではなく、液晶やピエゾ素子を用いて、
レンズの屈折率を変化させることにより、焦点距離を変
化させるレンズ知られている。

【０００３】ところが、これらの焦点距離が可変のレン
ズは、屈折率の変化度合いが少ないため、焦点距離の変
化幅を十分に得ることができない。また、液晶を利用す
るものは、偏光が関係するため、全ての入射光を出射で
きるわけではなく、光の利用効率が悪い。他方、ピエゾ
素子を利用するものは、高い変調電圧が必要であり、エ
ネルギー効率の点で不利である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の問題点を解決することにあり、静電気を利用
するＭＥＭＳ(Micro Erectronic Mechanical System)を
用いて、屈折率の変化ではなく、レンズ形状の変化によ
って大きな焦点距離の変化幅を実現することができ、し
かも、外部信号によって、容易に焦点距離を変更するこ
とができる、焦点距離可変レンズを提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、光軸方向に対面する光透過性領域を有す
る、少なくとも一部の形状が可変で液密な容器と、前記
容器内に充填される光透過性の液体と、対面して配置さ
れる導電性部材を有し、電圧を印加することによって前
記導電性部材の間隔を変化させることで前記容器を変形
して、前記光透過性領域の間隔を変化させる調整手段と
を有することを特徴とする焦点距離可変レンズを提供す
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の焦点距離可変レン
ズについて、添付の図面に示される好適実施例を基に、
詳細に説明する。

【０００７】図１に、本発明の焦点距離可変レンズの一
例の概念図を示す。図１に示される焦点距離可変レンズ
１０（以下、可変レンズ１０とする）は、基本的に、透
明な板材である基板１２、および、この基板１２の端部
に立設する側壁１４からなる、一面が開放する筐体１６
と、この筐体１６の開放面を閉塞して液密な空間１８を
形成する、透明なシート２０とから構成される。筐体１
６の側壁１４（図示例では、図中右側）の一部には、貫
通孔２２が形成される。また、この貫通孔２２を液密に
閉塞するように、側壁１４には、袋体２４が固定され、
前記空間１８と袋体２４内とが連通される。

【０００８】なお、本発明の焦点距離可変レンズにおい
て、シート２０などの透明な部材、すなわち調光する光
が通過する部分は、焦点距離可変レンズが対象とする波
長領域に対して光透過性を有すればよく、例えば、無色
透明であってもよく、あるいは、必要に応じて、光の色
調整等を目的として有色であってもよく、光量調整等を
目的として無彩色の濃度を有してもよい。

【０００９】空間１８および袋体２４内は、透明な液体
で満たされている。この液体には、特に、限定はなく、
透明な液体であればよいが、蒸発の防止等を考慮する
と、油性材料が好ましく、例えば、光学部品の調整等に
用いられる各種のオイルが好適に例示される。また、可
変レンズ１０の屈折率の変化幅を大きくできる等の点
で、屈折率が大きい材料を用いるのが好ましい。

【００１０】基板１２も透明な材料であれば、各種の材
料が利用可能であり、例えば、レンズやフィルタ等の光
透過型の光学部材で利用される材料が例示される。基板
１２は、平面であってもよく、目的とする可変レンズ１
０の光学特性等に応じて、必要に応じて、曲面であって
もよい。また、基板１２は、基本的に、剛性を有するも
のであるが、必要に応じて、後述するシート２０と同様
の材料を使用して、駆動時に変形（湾曲）させてもよ
い。側壁１４は、光が通過する領域ではないので、筐体
１６を構成できるものであれば、透明でも不透明でもよ
い。このような基板１２および側壁１４で構成される筐
体１６の形状には、特に限定はないが、可変レンズ１０
の光学特性等の点で円筒状が好ましい。

【００１１】シート２０は、透明な材料で形成される、
弾性を有する膜（板）材である。シート２０の形成材料
には特に限定はなく、透明な弾性膜を得られる各種の材
料が利用可能であるが、強度や光学特性等の点で、各種
のポリカーボネートやＨＥＭＡ（2-hydroxyethyl metha
crylate)の重合体やその変性物などの各種のポリアクリ
ル酸エステル（中でも特に、ＨＥＭＡの重合体のような
ヒドロゲル）等が好ましく例示される。

【００１２】袋体２４は、前記液体を漏洩することなく
収容でき、かつ、収容する液体量に応じて、形状が可変
（膨張／収縮を伴っても可）な袋状物であればよく、例
えば、ゴム弾性を有する各種の樹脂材料で形成すればよ
い。

【００１３】このような可変レンズ１０において、シー
ト２０の内面（空間１８側）には透明導電膜２６が、他
方、基板１２の内面には透明導電膜２８が、それぞれ、
透明性を保って貼着（蒸着等でも可）されている。透明
導電膜としては、導電性の透明な材料が各種利用可能で
有り、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等が例示され
る。なお、透明導電膜２６および２８は、共に、外面に
貼着されてもよい。さらに、透明導電膜２６および２８
には、駆動電源３０が接続される。

【００１４】可変レンズ１０において、光軸方向は、基
板１２〜空間１８内（充填される液体）〜シート２０の
方向である。駆動電源３０が駆動していない、図１
（Ａ）に示される状態から、駆動電源３０が駆動して、
透明導電膜２６と透明導電膜２８との間に電圧がかかる
と、両者の間に静電気が発生して互いに引き寄せ合う。
これにより、図１（Ｂ）に示されるように、弾性を有す
るシート２０が基板１２側に湾曲すると共に、この湾曲
に応じて空間１８の容積が減少して、可変レンズ１０の
焦点距離が短くなる。なお、溢れた分の液体は、空間１
８から袋体２４に流入する。このシート２０の湾曲量す
なわち可変レンズ１０の焦点距離は、掛ける電圧に応じ
て調整することが可能である。

【００１５】駆動電源３０からの電力供給を停止する
と、シート２０と基板１２との間に掛かる静電力が無く
なり、シート２０は、自らの弾性あるいはさらに袋体２
４の弾性によって、図１（Ａ）に示される平面状に戻
り、可変レンズ１０の焦点距離が元にもどる。また、シ
ート２０が平面状に戻って、空間１８の容積が増加する
が、この分の液体は、袋体２４から空間１８内に戻る。

【００１６】図２に、本発明の別の態様を示す。なお、
図２に示される例も含め、以下の説明では、同じ部材に
は、同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【００１７】図２に示される焦点距離可変レンズ４０
（以下、可変レンズ４０とする）は、各種のレンズと同
様の形状をした中空のレンズ部４２と、内部をレンズ部
４２と連通する筐体状の駆動部４４とからなる、液密な
空間４６を有するレンズ本体４８を有する。また、レン
ズ本体４８の空間４６は、図１に示される可変レンズ１
０と同様の液体が満たされてる。

【００１８】図示例において、レンズ本体４８は、前記
図１に示されるレンズ１０のシート２０と同様な、透明
な材料で形成される弾性体である。なお、図２に示され
る態様においては、調光する光が通過するのはレンズ部
４２であるので、透明であるのは、レンズ部４２のみで
あってもよい。また、可変レンズ４０の焦点距離の変更
に無関係な部分、すなわち、レンズ部４２および後述す
る駆動部４４の導電層５０が形成された面（変形領域）
以外は、剛性体であってもよく、形状が可変であれば、
レンズ部４２は弾性を有さなくてもよい。さらに、レン
ズ部４２と駆動部４４とは、一体的に成形されても、別
体のものを液密に接合してもよい。

【００１９】駆動部４４の形状には特に限定はなく、筐
体状であればよいが、その一面（図示例では、図中の下
面）の外面（閉空間４６と逆面 内面でも可）には、導
電層５０が形成されている。また、スペーサ５２を介し
て所定の間隙を持って導電層５０と対面するように、剛
体板５４に支持された導電層５６が配置される。両導電
層は、公知の材料を用いて公知の方法で形成すればよ
い。さらに、導電層５０および５６には、駆動電源３０
が接続される。

【００２０】可変レンズ４０において、駆動電源３０が
駆動していない、図２（Ａ）に示される状態から、駆動
電源３０が駆動して、導電層５０と導電層５６の間に電
圧が掛かると、両者の間に静電気が発生して引き寄せ合
う。これにより、図２（Ｂ）に示されるように、弾性を
有する駆動部４４の導電層５０形成面が、剛体板５４に
支持される導電層５６側に膨らむように湾曲して、駆動
部４４の容積が大きくなり、レンズ部４２内の液体が駆
動部４４内に流入し、レンズ部４２の体積が減少して光
進行方向に薄くなり、可変レンズ４０の焦点距離が長く
なる。また、駆動部４４の変形量すなわち焦点距離は、
掛ける電圧に応じて調整することが可能であるのは、先
の例と同様である。

【００２１】駆動電源３０からの電力供給を停止する
と、導電層５０と導電層５６との間の静電力が無くな
り、駆動部４４の導電層５０形成領域およびレンズ部４
２の弾性によって、レンズ本体４８が図２（Ａ）に示さ
れる元の形状に戻り、可変レンズ４０の焦点距離が元に
戻る。

【００２２】図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示される例
においては、駆動部４４の一面にのみ導電層５０を形成
して、静電気を利用するＭＥＭＳを構成しているが、本
発明は、これに限定はされない。例えば、駆動部４４の
他の面、一例として、図２（Ｃ）に示されるように、駆
動部４４の導電層５０形成面と対向する面にも導電層５
８を形成して、同様の静電気を利用するＭＥＭＳを２つ
構成し、駆動部４４の容積変化量、すなわちレンズ部４
２の体積変化による焦点距離の変化幅を大きくしてもよ
い。

【００２３】あるいは、図２（Ｄ）に示されるように、
剛体板５４に支持された導電層５６と、導電層５０との
間の中央部のみにスペーサ６０を配置し、電圧を印加し
た際における導電層５０と導電層５６との間に生じる静
電気による引き合う力によって、スペーサ６０で駆動部
４４（導電層５０の形成面）を押して凹ませるようにし
てもよい。これにより、駆動部４４の容積を減少して、
レンズ部４２の体積を増加して厚くし、焦点距離を短く
することができる。

【００２４】また、例えば、図２（Ｃ）の導電層５８側
を図２（Ｄ）に示される態様とする等、駆動部４４の一
面に図２（Ａ）および（Ｂ）に示される態様と、図２
（Ｄ）に示される態様の両方を有し、駆動部４４の容積
の増減を両方行って、レンズ部４２を変形して、厚さを
変化させ、焦点距離の調整を行ってもよい。

【００２５】図３に、本発明の別の態様を示す。図３に
示される焦点距離可変レンズ７０（以下、可変レンズ７
０とする）は、レンズ部材７２と、２枚の電極板７４と
を有する。

【００２６】レンズ部材７２は、各種の凸レンズと同様
の形状を有する液密な袋状の部材で、図１に示される可
変レンズ１０のシート２０と同様な、透明な材料で形成
される弾性体である。また、レンズ部材７２の中には、
図１に示される可変レンズ１０と同様の液体が満たされ
ている。

【００２７】他方、電極板７４は、図３（Ｃ）に示され
るように、中央に貫通孔７６を有するドーナツ状の円盤
形状を有する導電板である。電極板７４は、レンズ部材
７２の中心（光軸）と貫通孔７６の中心とを一致して、
光軸方向からレンズ部材７２を挟持するように配置され
る。なお、可変レンズ７０において、光軸方向は、レン
ズ部材７２と同形状の凸レンズに準ずればよい。また、
両電極板７４には、駆動電源３０が接続される。

【００２８】可変レンズ７０において、駆動電源３０が
駆動していない、図３（Ａ）に示される状態から、駆動
電源３０が駆動して、電極板７４間に電圧が掛かると、
両者の間に静電気が発生して引き寄せ合う。これによ
り、図３（Ｂ）に示されるように、両電極板７４が接近
して、間隔がせまくなる。その結果、弾性体であるレン
ズ部材７２が押しつぶされた状態となり、厚さが薄くな
り、可変レンズ７０の焦点距離が長くなる。また、この
変形量すなわち焦点距離は、掛ける電圧に応じて調整す
ることが可能であるのは、他の態様と同様である。駆動
電源３０からの電力供給を停止すると、両電極板７４間
の静電気力が無くなり、レンズ部材７２は、自らの有す
る弾性によって、元の図３（Ａ）示される状態に戻り、
可変レンズ７０の焦点距離が元に戻る。

【００２９】図３に示される例は、静電力を利用して電
極板７４で押しつぶすことにより、レンズ部材７２変形
して、可変レンズ７０の焦点距離を調整したが、本発明
の別の態様では、同様のレンズ部材７２を引っ張ること
により、レンズの焦点距離を調整する。その一例を、図
４に示す。

【００３０】図４に示される焦点距離可変レンズ８０
（以下、可変レンズ８０とする）において、図３に示さ
れる可変レンズ７０と同様のレンズ部材７２の周辺部に
は、対向してレンズ部材７２を挟持するように、電極板
８２（８２ａおよび８２ｂ）が固定される。また、この
電極板８２と所定の間隙を持って対面して電極対を成す
ように、電極板８４（８４ａおよび８４ｂ）が配置され
る。電極板８２は、図示しない公知の手段で、前記挟持
方向に移動自在に支持され、他方、電極板８４は、位置
を固定されている。さらに、電極板８２および８４に
は、駆動電源３０が接続される。

【００３１】この可変レンズ８０において、駆動電源３
０が駆動していない、図４（Ａ）に示される状態から、
駆動電源３０が駆動して、電極板８２および８４の間に
電圧がかかると、両者の間に静電気が発生する。これに
より、図４（Ｂ）に示されるように、移動可能な電極板
８２が固定される電極板８４に引きつけられる。その結
果、弾性体であるレンズ部材７２が、電極板８２ａおよ
び８２ｂによって引っ張られ、レンズ部材７２の厚さが
薄くなり、可変レンズ８０の焦点距離が長くなる。ま
た、この変形量すなわち焦点距離は、掛ける電圧に応じ
て調整することが可能であるのは、他の態様と同様であ
る。

【００３２】駆動電源３０からの電力供給を停止する
と、電極板８２および８４間の静電力が無くなり、レン
ズ部材７２は、自らが有する弾性によって、元の図４
（Ａ）示される状態に戻り、可変レンズ８０の焦点距離
が元に戻る。

【００３３】また、本発明の別の態様においては、同様
のレンズ部材７２と透明導電膜とを用いて、焦点距離可
変レンズを構成する。図５に示される焦点距離可変レン
ズ９０（以下、可変レンズ９０とする）は、レンズ部材
７２の光軸方向に対向する内面（外面でも可）に、前記
図１に示される態様と同様にして、透明導電膜９２およ
び９４を貼着してなる構成を有する。また、透明導電膜
９２および９４には、駆動電源３０が接続される。

【００３４】この可変レンズ９０において、駆動電源３
０が駆動していない、図５（Ａ）に示される状態から、
駆動電源３０が駆動して、透明導電膜９２および９４に
電圧が掛かると、両者の間に静電気が発生する。これに
より、図５（Ｂ）に示されるように、透明導電膜９２お
よび９４が引きつけあって近接し、弾性体であるレンズ
部材７２がの厚さが薄くなり、可変レンズ９０の焦点距
離が長くなる。また、この変形量すなわち焦点距離は、
掛ける電圧に応じて調整することが可能であるのは、他
の態様と同様である。駆動電源３０からの電力供給を停
止すると、透明導電膜９２および９４の静電力が無くな
り、レンズ部材７２は、自らが有する弾性によって、元
の図５（Ａ）示される状態に戻り、可変レンズ９０の焦
点距離が元に戻る。

【００３５】以上、本発明の焦点距離可変レンズについ
て詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされ
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改
良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。

【００３６】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
焦点距離可変レンズは、静電気を利用するＭＥＭＳを用
いて、レンズ形状の変化によって大きな焦点距離の変化
幅を実現することができ、しかも、外部信号による制御
で、容易に焦点距離を変更することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の焦点距離可
変レンズの一例の概念図である。

【図２】 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の焦点距離可
変レンズの別の例の概念図で、（Ｃ）および（Ｄ）は、
その別の態様の部分拡大図である。

【図３】 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の焦点距離可
変レンズの別の例の概念図で、（Ｃ）は、（Ａ）を光軸
方向から見た図である。

【図４】 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の焦点距離可
変レンズの別の例の概念図である。

【図５】 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の焦点距離可
変レンズの別の例の概念図である。

【符号の説明】

１０，４０，７０，８０，９０ （焦点距離）可変レン
ズ １２ 基板 １４ 側壁 １６ 筐体 １８，４６ 空間 ２０ シート ２２，７６ 貫通孔 ２４ 袋体 ２６，２８，９２，９４ 透明導電膜 ３０ 駆動電源 ４２ レンズ部 ４４ 駆動部 ４８ レンズ本体 ５０，５６，５８ 導電層 ５２ スペーサ ５４ 剛体板 ７２ レンズ部材 ７４，８２，８４ 電極板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光軸方向に対面する光透過性領域を有す
   る、少なくとも一部の形状が可変で液密な容器と、 前記容器内に充填される光透過性の液体と、 対面して配置される導電性部材を有し、電圧を印加する
   ことによって前記導電性部材の間隔を変化させることで
   前記容器を変形して、前記光透過性領域の間隔を変化さ
   せる調整手段とを有することを特徴とする焦点距離可変
   レンズ。