JP2016500830A - マイクロ可変レンズ本体の圧電アクチュエータの配置を最適化する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
i)可撓性レンズ表面領域の各所に所定のおよび所望の均一性を有する曲げ力分布を提供するように構成可能な相互嵌合電極パターンを有する圧電アクチュエータ素子を設計する。このような曲げ力は、従来技術の解決策と比較して増加した焦点距離を提供するため、均一であるように構成可能であってもよい。光学的効果および収差(またはレンズの欠点)を補正するため、あるいは特定のデバイス用途の要求によって、非均一(歪んだ)の曲げ力を提供できるよう相互嵌合電極パターンが構成可能であることも、本発明の範囲内である。
ii)最小の圧電体層の厚みおよび/または作動電圧要件を有する圧電素子および電極構成を設計する。これらは、重要な設計の課題である。
iii)可能な限り少ない層を有するマイクロ可変レンズ内に、圧電素子および電極構成を設計する。これは、製造工程数、材料および部品を減少させ、したがって関連するコストを減少させる。
として表すことができ、eIDEは、相互嵌合電極をパターニングしたアクチュエータの圧電係数であり、Eは印加電界(v/a)である。この応力は、フィンガ間での均一な屈曲につながる。結果として得られる圧電応力屈曲の変位関数u(x)は、印加された電界に比例した2次導関数を有する。曲率(c)の一般式は、
で与えられる。
最後の電気的接続をN番目と表すと、和はN(n=N)までである。
(和は、前の行を修正して、大文字のNまでであることに注意)
結果がb=0に対して確認され、反りまたは曲げ力は、次に予想されるように得られる。
ここでTprは、rまたはx方向に沿った圧電応力である。因数1/2は、中立面がガラス層の中心にあるという近似によるものである。レンズの境界における線力pからのモーメント(r=r0またはx=L(L=カンチレバーの長さ=r1−r0))は、曲げモーメントも生成する。これは、長方形状のカンチレバーである、すなわちカンチレバーの長さと比較した場合に半径が大きく、角度φが十分に小さい、という仮定を導入することが可能である。リング形状は、角度φのセグメントに分割されてもよい。xのモーメントは、次のように得られる。
弾性板の中心における最もシンプルなケースにおいて、Iは、中立軸の周りの屈曲によるものであり、したがってすべてのモーメントが合算されてゼロになる状態であるから、te/2である。
ガラス板のあらゆる箇所が、同じ厚さと同じ特性を有する場合、項YeIiは定数であり、モーメントの二重積分は、ゼロでなければならない。長方形カンチレバーの場合、以下の通りとなる。
は、x=0とx=xの間の平均である。
は、数式(13)によって計算される必要がある平均値である。μpが定数である場合、すべての平均値は同一となり、この定数に等しい。この式は、長さをセクションに分割して数値的に求めることができる。重要なセクションは、最初のセクションであることが分かる。例えば、6つのセクションがあり、μがセクションごとに0または1である場合、数式(13)の積分は、全てのμが1の場合には18(=36/2)となる。最後(x=L)がゼロである場合には17となり、最初(x=1)がゼロである場合には13.2となる。
力の変化は、したがって、この偏位の変化と同じである。
径方向の接続は、デッドゾーンの影響を緩和するという所望の効果を得るために、幾何学様式風に分布されなければならない。例えば、レンズ本体の光学的有効口径領域の各所に均一に力を分布するために、圧電素子の部分的にリング状である同心の電極間にある、径方向に向いた電気的接続は、「径方向のデッドゾーン」の釣り合いが取れ、結果として均一な力の分布がされてもよいように均一に分布されなければならない。図8には円の相互嵌合電極が描かれている。径方向の電気的接続の対称的な配置は、例えば、図9に描かれる4つの四分円のように、円を所定の数の扇形に分割すること、または円を角度で分割することにより実現されてもよい。
径方向の接続は、多角形の対称特性に応じて分布され、最も一般的には、多角形の2つの辺の接合点に配置される。ここでは、nまたは8以上を有する多角形であることが好ましい。図10は、六角形の相互嵌合電極パターンの一例を示しており、径方向の接続は、対称的に分散されて均一な曲げ力の分布を提供している。
円形の相互嵌合電極が、径方向の接続を均等に分散するために、偶数の均等なサイズの「部分」に分割される。図11を参照。この場合、より多い数の径方向のデッドゾーンが存在するが、中央の光軸に対する対称な力の設定が可能である。図11は、径方向の接続が対称的に分布される、8つのセクションに分割された円の相互嵌合電極パターンの一例を示している。
Claims (19)
- マイクロ可変レンズ本体の圧電アクチュエータの配置を最適化する方法であって、
前記方法は、
可撓性レンズ本体の表面上に堆積された圧電材料の表面上に配置される電極を有する部分的にリング状である同心の電極を配置し、それにより前記レンズ本体の中央に位置する透明な部分を囲む前記可撓性レンズ本体の表面に圧電アクチュエータを構成することと、
を備え、
前記圧電アクチュエータは、第1の正電極および第2の負電極を有し、それぞれは前記レンズ本体の透明な部分を囲む、部分的にリング状である同心の電極のブランチで構成され、径方向に構成された電極部を含み、
前記正電極および負電極のブランチは、反対の極性で並列、または部分的に非並列に、前記透明な部分または前記レンズ本体の光軸からそれぞれ異なる距離に連続的に配置され、
前記方法は、
コンピュータシステムにおいて実行可能なシミュレーションモデルを適用し、前記モデルは、前記可撓性レンズ本体の表面上の前記電極の初期配置における前記圧電素子の前記電極へのシミュレートされた印加電圧に応じて、レンズ本体の表面の、結果として生じる成形をシミュレートするように適合されており、
反復プロセスは、第1の同心状に構成された電極部のブランチ間の第1の電気的接続を適用すること、および第2の同心状に構成された電極部のブランチ間の第1の電気的接続を適用することにより、前記圧電素子の電極の初期配置を修正することをさらに備え、シミュレーションモデルは、前記圧電素子の電極へのシミュレートされた印加電圧に応じて、結果として生じる前記レンズ本体表面の成形を再シミュレートするために利用され、
径方向に向いた1つの電極部の2つのブランチの間で電気的接続を適用する場合、前記2つのブランチの間に配置される、他の径方向に向いた電極部の反対の極性のブランチに隙間が設けられることにより、前記電気的接続が通ることが許可され、
前記圧電素子の電極の配置の修正および前記第1電極部のブランチ間および前記第2電極部のブランチ間のさらなる電気的接続の適用によって反復プロセスを継続し、前記圧電素子の前記電極へのシミュレートされた印加電圧に応じて、結果として生じる前記レンズ本体表面の成形を再シミュレートするため、シミュレーションモデルが各反復ステップに使用され、
各反復ステップは、
a)前記第1電極部の電気的接続をランダムに選択し、前記接続を前記電気的接続が接続されている前記ブランチの周辺でランダムに選択された方向に移動することと、
b)前記電気的接続が移動される場合、前記第1電極部の2つのブランチの間に配置される前記第2電極部に配置される隙間は、移動される際に前記第1電極の前記電気的接続が通り、ランダムに選択された位置に前記隙間とともに前記電気的接続を移動させることと、
c)前記第2電極部の電気的接続をランダムに選択し、前記電気的接続を前記電気的接続が接続される前記ブランチの周辺でランダムに選択された方向に移動することと、
d)前記電気的接続が移動される場合、前記第2電極部の2つのブランチの間に配置される前記第1電極部に配置される隙間は、移動される際に前記第2電極の電気的接続が通り、ランダムに選択された位置に前記隙間とともに前記電気的接続を移動させることと、
e)前記最新の反復ステップa)および最新の反復ステップb)によって設けられた前記電極の構成に従い、前記圧電素子の電極へのシミュレートされた印加電圧に応じて、結果として生じる前記レンズ本体表面の成形を再シミュレートして、前記レンズ本体表面形状の前記成形を、所定の目標成形と比較することと、
を備え、
前記レンズ本体表面成形の前記成形が、
前記レンズ本体の前記所定の目標成形に対する所定の許容範囲内に入るまでステップa)からe)を継続すること、または、代わりに、所定の最大数の反復の後に停止することを備える方法。 - 前記圧電材料の表面の上の前記径方向に向いた電極部の厚さは、前記圧電材料の上の電極の対応するブランチの厚さより実質的に薄くされる、
請求項1に記載の方法。 - 前記反復ステップa)からe)が終了する時点で前記レンズ成形の目標値に到達しない場合に、前記第1電極および/または第2電極に、部分的にリング状であり同心の電極の追加のブランチを挿入することにより、前記圧電素子の構成を変更する、
請求項1に記載の方法。 - 前記反復ステップa)からe)が終了する時点で前記レンズ成形の目標値に到達しない場合に、前記第1電極および/または第2電極に、部分的にリング状であり同心の電極のブランチを取り除くことにより、前記圧電素子の構成を変更する、
請求項1に記載の方法。 - ステップa)における前記第1電極部の前記電気的接続の前記ランダムな位置を選択するステップは、
f)前記シミュレータにて、前記第1電極部の前記電気的接続の前記ランダムに選択された位置の周辺の前記可撓性レンズ本体の表面の前記曲げ力を計算して、
この値を、初期の圧電電極構成の前記初期の構成に提供される最大曲げ力と比較することと、
g)前記ランダムに選択された位置の周辺で、前記ブランチの方向に沿って前後どちらかに、前記第1電極部の前記電気的接続をさらに移動し、そして前記第1電極部の前記電気的接続の前記さらに選択された位置周辺の次の局部的曲げ力分布を計算して、
前記次の局部的曲げ力分布を所定の局部的目標の値と比較することと、
h)前記曲げ力分布の前記局部的目標が達成されるまで、ステップf)からg)における、前記さらなる位置の反復を継続することと、
をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記反復ステップにおける前記目標成形は、前記可撓性レンズ本体表面における曲げ力の均一分布である、
請求項1に記載の方法。 - 前記反復ステップにおける前記目標成形は、前記可撓性レンズ本体表面における前記曲げ力の不均一な分布であり、
前記曲げ力の不均一な分布は、前記可撓性レンズ本体の表面の予め選択された曲率を提供する、
請求項1に記載の方法。 - 前記曲げ力の前記局部的目標分布は、前記第1電極部の電気的接続の位置周辺の所定の領域における前記局部的曲げ力の平均値であり、前記局部的目標の平均値は、圧電電極の前記初期構成により提供される前記最大曲げ力に対する割合として定義される、
請求項5に記載の方法。 - 径方向に向いた電極部を、前記可撓性レンズ本体の初期構成における対応する電極の、同心でありリング状のブランチに接続して配置するステップをさらに備え、
前記曲げ力分布の計算は、異なる電圧値のそれぞれを、径方向に向いた電極部のそれぞれに適用することを含む、
請求項1に記載の方法。 - 第1の径方向に向いた電極部および第2の径方向に向いた電極部の電気的接続双方が、規則的な配置パターンによって前記可撓性レンズアセンブリの表面の各所に分布される、
請求項1から9のいずれかに記載の方法。 - 第1の径方向に向いた電極部および第2の径方向に向いた電極部の前記電気的接続双方が、
所定の不規則な配置パターンによって前記可撓性レンズアセンブリの前記表面の各所に分布される、
請求項1から9のいずれかに記載の方法。 - 前記圧電素子は、前記可撓性レンズ本体の表面上の、可撓性のある透明な膜の上に配置される、
請求項1に記載の方法。 - 前記圧電素子は、前記可撓性レンズ本体の上の前記可撓性のある透明な膜の両側のバイモルフ構造として配置される、
請求項12に記載の方法。 - 前記圧電電極の構成は、前記可撓性レンズ本体表面の内側に埋め込まれて配置される、
請求項1から9のいずれかに記載の方法。 - 前記圧電電極は、前記可撓性レンズ本体の上の前記可撓性のある透明な膜の両側の電極として配置される、
請求項12に記載の方法。 - 前記圧電電極は、前記可撓性レンズ本体表面の内側に埋め込まれて配置される、
請求項12に記載の方法。 - 前記可撓性レンズ本体は、ガラスまたは他の透明な材料により構成される、
請求項1に記載の方法。 - 前記可撓性レンズ本体の、実行可能な物理的シミュレーションモデルであって、
圧電アクチュエータ素子を有する前記可撓性レンズ本体が、請求項1から17のいずれかに記載の前記シミュレーションモデルにおいて構成される物理的シミュレーションモデルと、
前記シミュレータモデルに設けられる圧電アクチュエータ素子の構成の表示を提供するインタラクティブ・グラフィカル・インターフェースであって、
前記インタラクティブ・グラフィカル・インターフェースは、前記圧電素子の電極の構成のグラフィカルな操作をする手段をさらに提供し、前記電極の操作された構成は、前記シミュレータにおいて、圧電アクチュエータを有する前記可撓性レンズ本体の前記シミュレーションモデルを繰り返し更新するために使用されるインタラクティブ・グラフィカル・インターフェースと、
を備える、可撓性レンズ本体の表面の上の圧電アクチュエータ構造の最適化を提供するコンピュータシステム。 - 請求項1から17のいずれかに記載の方法によって前記マイクロ可変レンズの前記表面上のパターンに構成される圧電アクチュエータを備えるマイクロ可変レンズ。
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