JP2023531381A - 屈曲ジョイントを介して作動する制御可能レンズ - Google Patents

Abstract

本発明は、可変屈折力を備える制御可能レンズに関する。前記レンズは、第１及び第２のカバー部材（１１１，１１２）と、非流体ボディ（１０５）と、１つ又は複数のアクチュエータと、１つ又は複数の弾性要素（１３０，１３０ａ，１３０＿１，１３０＿２）と、を備え、前記非流体ボディ（１０５）は、透明で変形可能であり、前記第１及び第２の透明カバー部材の間に挟持され、前記第１及び第２の透明カバー部材及び前記非流体ボディがレンズを構成し、前記１つ又は複数のアクチュエータは、前記光軸と平行な方向に変位を提供するように配置され、前記１つ又は複数の弾性要素（１３０，１３０ａ，１３０＿１，１３０＿２）は、前記アクチュエータ変位要素を前記第１のカバー部材に接続し、前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれの少なくとも一部分は、前記第１の透明カバー部材と前記アクチュエータ変位要素との間の相対半径方向変位に応じて、弾性変形するように配置されている。【選択図】図４

Description

本発明は、コンパクトカメラで使用するための可変レンズなど、可変焦点距離を有するレンズに関する。

カメラやその他の電子デバイスでの可変焦点距離レンズの使用は、可変焦点距離を達成するためにレンズを変位させるためのモータで構成されたマルチレンズシステムをそのようなレンズが置き換えるかもしれないため、非常に興味深いものである。可変焦点距離レンズは、電子デバイスの性能を改善するために、及び／又は、サイズを縮小するために、使用される場合がある。レンズの波面誤差性能を低減するなど、可変レンズの性能と品質を改善する必要性が依然として存在する。

本発明の目的は、可変焦点距離レンズを改良することである。特に、本発明の目的は、適切なアクチュエータ機構を提供することであり、これは、収差及び波面誤差の発生を引き起こしうるメンブレンの変形を引き起こさない、アクチュエータの動きをレンズメンブレンに伝える方法を含む。

本発明の第１様態では、可変屈折力を備える制御可能レンズであって、前記制御可能レンズは、
第１のカバー部材及び第２のカバー部材と、
非流体ボディと、
１つ又は複数のアクチュエータと、
１つ又は複数の弾性要素と、
を備え、
前記第１及び第２のカバー部材のうち１つは透明であり、前記第１及び第２のカバー部材のうち他方は、透明又は反射性であり、
前記非流体ボディは、前記第１のカバー部材と前記第２のカバー部材との間に挟持され、透明で変形可能であり、前記第１及び第２のカバー部材及び前記非流体ボディが前記第１及び第２のカバー部材及び前記非流体ボディと交差する光軸を備えるレンズを構成し、
前記１つ又は複数のアクチュエータは、前記光軸と平行又は略平行な方向に変位するように配置されている複数のアクチュエータ変位要素を備え、
前記１つ又は複数の弾性要素は、前記アクチュエータ変位要素を前記第１のカバー部材に接続し、
前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれの弾性部材などの少なくとも一部分は、前記第１のカバー部材と前記アクチュエータ変位要素との間の相対半径方向変位に応じて、弾性変形するように配置されており、
前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれは、前記半径方向の第１の剛性と、前記光軸の方向の第２の剛性と、を備え、
前記第１の剛性は、前記第２の剛性よりも小さいことを特徴とする制御可能レンズが提供される。

弾性要素の剛性は、ばねの弾性係数などの弾性剛性又は粘弾性剛性であってもよい。剛性は、弾性要素の寸法と、材料のヤング率などの弾性素材特性の組み合わせによって与えられる。第１及び第２の剛性は、半径方向及び軸方向（光軸に沿った）の変形と、半径方向の変形を引き起こす半径方向の力又はトルク及び軸方向の変形を引き起こす軸方向の力と、の間の関係を与える。

好ましくは、カバー部材の曲げに応じて少なくとも半径方向に弾性的に変形するように設計することができる弾性接続要素によって、アクチュエータ出力をカバー部材、すなわちレンズメンブレンに接続することによって、アクチュエータによって生じるカバー部材の半径方向の伸びの変化は、弾性要素によって蓄積される。相対半径方向変位によって、相対半径方向変位の少なくとも一成分が、半径方向において光軸に対して垂直な方向を有することが理解される。

弾性要素は、半径方向に、すなわち光軸に向けて曲がるように設計された曲げ可能な形状を有する構造を備えるが、設計によって第１の又は半径方向の剛性が第２の又は軸方向の剛性よりも小さい場合、光軸に沿った軸方向では、構造は、曲げにくいか、曲げられないか、又はわずかな圧縮又は張力しか許容しない。

弾性変形は、光軸に向かう半径方向の変形、トルクによる回転方向の変形を含んでもよい。半径方向の変形は、０．１μｍから２５０μｍの範囲、０．１μｍから５０μｍの範囲、０．５μｍから５０μｍの範囲、１μｍから２５μｍの範囲、２μｍから５００μｍの範囲、５μｍから５００μｍの範囲、５μｍから２５０μｍの範囲、７μｍから１５０μｍの範囲など、０．０５μｍから５００μｍの範囲の変形を含む。

第１のカバー部材は第１の透明カバー部材であり、第２のカバー部材は第２の透明カバー部材又は第２の反射カバー部材のいずれかである。あるいは、第１のカバー部材は、第１の透明カバー部材又は第１の反射カバー部材のいずれかであり、第２のカバー部材は、第２の透明カバー部材である。

一実施形態によれば、弾性要素のそれぞれは、光軸に外接する経路に接する軸周りのトルクに応じて、弾性変形するように配置されており、トルクは、第１のカバー部材とアクチュエータ変位要素との間の相対半径方向変位によって生成される。

好ましくは、弾性要素は、第１のカバー部材の曲げに起因する低い弾性抵抗で回転成分を支持することができる。

一実施形態によれば、各弾性要素は、第１のカバー部材に固定された第１の部分と、アクチュエータ変位要素に固定された又はアクチュエータ変位要素のうちの少なくとも１つに固定された第２の部分と、を有し、第１及び第２の部分は、相対半径方向変位に応じて弾性変形するように配置された弾性要素の部分などによって、弾性接続されている。

好ましくは、固定された接続は、アクチュエータの動きを第１のカバー部材に効率的に伝達することを可能にする堅固な接続を提供する。

第１及び第２の部分は、弾性変形するように配置された１つ又は複数の弾性要素の関連する弾性部分を介して弾性的に接続されてもよい。第１及び第２の部分は、例えば、第１透明カバー部材とアクチュエータ変位要素との間の相対半径方向変位に応じて、変形しないか又は変形が少ない部分などの、弾性要素のより剛性の高い部分を形成することができる。従って、第１及び第２の部分は、第１の透明カバー部材とアクチュエータ変位要素との間の相対半径方向変位に対するより低い弾性（高剛性）などの弾性に関して、弾性要素の弾性部分と区別することができる。

一実施形態によれば、弾性要素の第１の部分は、光軸に外接する経路に沿って分配され、第１のカバー部材に、その離れた場所で接続される。

例えば、１つ又は複数のアクチュエータは、第１の及び／又は第２のカバー部材の曲率の制御可能な変化を生成するために、第１のカバー部材の光軸に外接する経路に沿って力を生成するように配置されてもよい。

一実施形態によれば、弾性要素のそれぞれは、半径方向の第１のばね定数と光軸の方向の第２のばね定数とを備え、第１のばね定数は、第２のばね定数より小さい。

一実施形態によれば、制御可能レンズは、アクチュエータ変位要素を第２のカバー部材に接続する１つ又は複数の他の弾性要素を備える。

従って、制御可能レンズは、それぞれ第１及び第２のカバー部材に面するように配置された第１の弾性要素及び第２の弾性要素を備えることができる。

一実施形態によれば、各弾性要素は、弾性接着剤を含む。代替的又は追加的に、弾性要素は非金属材料又は粘弾性材料を含み、弾性接着剤はその一例である。

有利なことに、接着剤（グルー）又は接着剤（アドヒーシブ）は、弾性部品として、又は弾性ヒンジ、屈曲構造、及び他のばね要素などの他の種類の弾性部品と組み合わせて使用されてもよい。

一実施形態によれば、各弾性要素は、１つ又は複数のばね要素を含み、各ばね要素は第１の部分を含む。

一実施形態によれば、各弾性要素は支持体部材を含み、支持体部材は第２の部分を含む。支持体部材は、複数のアクチュエータ変位要素の為の及び／又は１つ又は複数の弾性要素のそれぞれの複数の弾性部分の為の共通支持体として備えられる。

従って、力分散サポート部材などの支持体部材は、複数のアクチュエータ変位要素及び／又はばね要素などの複数の弾性部分と接続してもよい。一実施形態によれば、ばね要素のそれぞれは、個別のばね要素として構造化される。従って、各ばね要素は、他のばね要素から独立して変形することができる。

一実施形態によれば、支持体部材は、ばね要素よりも光軸に半径方向において近くに位置している。

一実施形態によれば、制御可能レンズは、アクチュエータ変位要素を第１のカバー部材に接続する第１の弾性要素と、制御可能レンズによって構成されるその他のアクチュエータ変位要素を第２のカバー部材に接続する第２の弾性要素と、を備える。

一実施形態によれば、弾性要素のそれぞれは、１つ又は複数のばね要素と、第１の及び／又は第２の部分に接続される弾性接着剤などの弾性素材と、を備える。

好ましくは、ばね要素と他の弾性素材との組み合わせは、弾性要素の能力を改善して、半径方向の変形に応じて、及びレンズの円周に外接する軸の周りの回転などの回転に応じて、低い剛性を提供することができる。同時に、例えば光軸に沿って、アクチュエータ変位要素の変位方向に高い剛性を提供する。

本発明の第２様態は、前記第１の様態に記載の制御可能レンズを備える電子デバイスに関する。例えば、前記電子デバイスは、説明に記載されているカメラモジュール又はその他のデバイスであってもよい。

電子デバイスは、レンズの屈折力の制御可能な変化を生成するために、１つ又は複数のアクチュエータに電力を供給及び制御するための制御システムを備える。制御システムは、レンズの所定の屈折力の間でシフトするように構成されてもよい。制御システムは、制御信号又は電力信号を生成する為、またオプションとして、制御信号又は電力信号を決定するための測定データを取得する為、及び、測定データとレンズの所望の屈折力などの基準値に基づくフィードフォワード又はフィードバック制御アルゴリズムを使用してアクチュエータを制御する為に、配置された電子回路及び／又はデジタルプロセッサを含んでもよい。

本発明の第３様態は、撮像、光照射、光ビームスキャン、光検出、及びその他の目的の為の前記第１の様態に記載の制御可能レンズの使用に関する。

一般に、本発明の様々な態様及び実施形態は、本発明の範囲内で可能な任意の方法で組み合わせたり合わせることができる。本発明のこれら及び他の態様、特徴及び／又は利点は、以下に記載される実施形態を参照して明らかになり理解されるであろう。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１Ａ～１Ｂは、制御可能可変焦点距離レンズを示す。 図１Ａ～１Ｂは、制御可能可変焦点距離レンズを示す。 図２Ａは、可変レンズの弾性要素の１つの変形能力を示す。 図２Ｂは、摺動接触に基づくアクチュエータと第１のカバー部材との間の接触のための代替解決策を示す。 図３Ａ～３Ｃは、弾性要素の第１の例を示す。 図３Ａ～３Ｃは、弾性要素の第１の例を示す。 図３Ａ～３Ｃは、弾性要素の第１の例を示す。 図４Ａ～４Ｄは、弾性要素の第２の例を示す。 図４Ａ～４Ｄは、弾性要素の第２の例を示す。 図４Ａ～４Ｄは、弾性要素の第２の例を示す。 図４Ａ～４Ｄは、弾性要素の第２の例を示す。 図５は、可変レンズを含む電子デバイスを示す。 図６Ａ～６Ｃは、弾性ヒンジ構造に基づく弾性要素の第３の例を示す。 図６Ａ～６Ｃは、弾性ヒンジ構造に基づく弾性要素の第３の例を示す。 図６Ａ～６Ｃは、弾性ヒンジ構造に基づく弾性要素の第３の例を示す。 図７は、ばね要素の更なる例を示す。 図８は、弾性要素の主な要件を示す。

図１Ａ及び図１Ｂは、制御可能可変焦点距離レンズ１００の側面図と上面図を示す。

レンズ１００は、第１のカバー部材１１１及び第２のカバー部材１１２を含む。第１及び第２のカバー部材の少なくとも１つは、アクチュエータによって提供される力によって曲げられるように構成される。一例では、第１及び第２のカバー部材１１１、１１２の両方が、例えば、ガラス製又はプラスチック製のような、透明なカバー部材である。

２つの透明なカバー部材１１１、１１２の代わりに、第１及び第２のカバー部材のいずれかが、例えば、反射金属層を備える、反射性であってもよく、これによって、完全又は部分的な反射を提供し、入射光ビームが反射されて反対側の透明カバー部材に戻るようにする。便宜上、本明細書の例及び実施形態は、透明なカバー部材１１１、１１２を指す。

レンズ１００は、第１及び第２の透明カバー部材１１１、１１２の間に挟まれた、透明で変形可能な非流体ボディ１０５を備える。非流体ボディ２０５は、第１及び第２のカバー部材１１１、１１２の内向きの表面に接する。

第１及び第２の透明カバー部材１１１、１１２及び非流体ボディ１０５は、第１及び第２の透明カバー部材及び非流体ボディと交差する光軸１５０を有するレンズを構成する。光軸は、第１及び第２の透明カバー部材１１１、１１２及び非流体ボディ１０５の中心を通り、カバー部材のうちの１つの平面に垂直な軸として定義されてもよい。光軸は、従来の光学的定義に従って定義されてもよい。

透明な変形可能な非流体レンズボディ１０５は、好ましくは弾性素材から作られる。レンズボディは非流体であるため、レンズボディからの漏れを防止するためにレンズボディをカプセル化するための流体密閉容器は必要ない。好ましい実施形態では、レンズボディは、シリコーン、ポリマーゲル、架橋又は部分架橋ポリマーのポリマーネットワーク、及び混和性油又はオイルの組み合わせなどの多くの異なる素材を含むソフトポリマーから構成されていてよい。非流体レンズボディの弾性係数は、３００Ｐａよりも大きくてもよく、それによって、通常の動作における重力による変形を回避する。非流体レンズボディの屈折率は、１．３より大きくてもよい。非流体ボディ２０５は、非流体ボディ１０５の境界での反射を低減するために、第１及び第２のカバー部材１１１、１１２の屈折率と等しい、実質的に等しい、又はそれに近い屈折率を有してもよい。

透明なカバー部材１１１、１１２は、アクリル、ポリオレフィン、ポリエステル、シリコーン、ポリウレタン、ガラスなどの多数の異なる材料から作られてよい。アクチュエータによって変形されるように配置された第１及び第２のカバー部材１１１，１１２のうちの少なくとも１つは、アクチュエータ１２１の作動によって曲げることを可能にするのに適した剛性を有する。一般的に、第１の及び／又は第２のカバー部材１１１，１１２は、必要な剛性を提供するために、５ＭＰａから１００ＧＰａの範囲のヤング率を有する材料で形成されてもよい。例えば、ホウケイ酸ガラスのヤング率は、６３ＧＰａ、溶融石英ガラスのヤング率は、７２ＧＰａである。

第１の及び／又は第２のカバー部材１１１、１１２の曲げは、少なくとも部分的には、レンズボディ１０５からの半径方向に変化する反力によるものであり、これは、カバー部材１１１、１１２のサグに影響を与え、従って、サグを変化させることなく単にレンズボディを垂直方向に圧縮するのではなく、屈折力に影響を与える。カバー部材の曲率に対するレンズボディ１０５の効果の完全な説明は、参照により本明細書に組み込まれる国際公開第２０１９／００２５２４号に記載されている。

レンズ１００は、光軸１５０と平行又は実質的に平行な方向に変位するように配置された複数のアクチュエータ変位要素１２２を備える１つ又は複数のアクチュエータ１２１をさらに備える。

１つ又は複数のアクチュエータ１２１は、第１又は第２のカバー部材１１１、１１２の表面上の円など、光軸１５０を囲む経路１５１に沿って、第１又は第２のカバー部材１１１、１１２に力を生成するように配置される。１つ又は複数のアクチュエータは、変位要素が第１及び第２のカバー部材１１１、１１２の一方又は両方の図示のような外向きの表面又は内向きの表面に作用するように配置されてもよい。

例えば、アクチュエータ１２１は、経路１５１に沿っていくつかの点、ここでは８個の点において変位を加えるように配置される、線形圧電モータ又は電磁モータ、圧電作動カンチレバーアクチュエータ、形状記憶合金、線形スクリュードライブ、又は線形ボイスコイルアクチュエータなどの線形変位アクチュエータであってもよい。

一例では、弾性要素１３０は、例えば、経路１５１に沿って配置される、光軸を取り囲む接着剤のリング又はトロイドとして構成される。リングが軸方向に曲がらないか、又は実質的に曲がらないように、金属リング又は他の十分に硬い材料で作られたリングなどの力分散リングが、円形の接着剤リングの上に配置される。力分散リングは、支持体部材３０２によって具現化されてもよい（他の箇所の支持体部材の説明を参照）。２つ以上の変位要素（１つ以上のアクチュエータによって作動される）が配置されて、力分散リングを軸方向に変位させ、第１又は第２のカバー部材を曲げる。この例では、弾性接着剤から形成されるリング形状の弾性要素１３０は、０．１ｍｍなどの０．０５ｍｍから０．２ｍｍの範囲にある軸方向の厚さと、０．２ｍｍなどの０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲にあるトロイドボディの幅（内側の半径と外側の半径との差、つまりリングの厚さ）とを備える。接着剤の剛性は、ヤング率で表すと、硬化又は固化したとき、２５ＭＰａなど、２～２００ＭＰａの範囲であってよい。

一例では、変位要素１２２が支持体１９０に対して変位するように、アクチュエータは静的支持体１９０に固定される。同様に、第２のカバー部材１１２が他のアクチュエータ１２１の他のアクチュエータ変位要素１２２によって作動されない限り、図２Ａ～２Ｂに示される第２のカバー部材１１２などの、作動されていないカバー部材は、静的支持体１９０によって支持され得る。

１つ又は複数のアクチュエータが、第１及び第２のカバー部材１１１、１１２の内向きの表面に作用するように配置される例では、アクチュエータ１２１は、弾性要素を介してカバー部材の１つに接続され、アクチュエータ変位要素１２２は弾性要素を介して反対側のカバー部材に接続される。このようにして、アクチュエータの変位は両方のカバー部材の曲げを引き起こす。あるいは、アクチュエータ１２１、すなわち静止するように構成された部品は、静的支持体１９０に固定され、アクチュエータ変位要素１２２は、第１及び第２のカバー部材１１１、１１２のうちの一方の内向きの表面に接続される。アクチュエータ変位要素に接続されていないカバー部材は、静的支持体１９０に接続されてもよい。

アクチュエータは、第１のカバー部材１１１と第２のカバー部材１１２との間に配置されてもよく、すなわち、単に第１のカバー部材１１１と第２のカバー部材１１２との間に挟まれてもよい。

経路１５１は、非流体ボディ２０５が図示のように経路１５１によって取り囲まれるように、透明で変形可能な非流体ボディ２０５を取り囲んでもよい。しかし、経路１５１は、非流体ボディ２０５の延長部内に配置することもできる。アクチュエータ１２１は、第１又は第２のカバー部材１１１、１１２の縁に作用するように、又は縁に近接して位置するように配置することもできる。

アクチュエータ１２１は、経路１５１に沿ってカバー部材１１１、１１２の表面に対して垂直又は実質的に垂直な方向に変位を生成するように配置される。この文脈では、実質的に垂直とは、垂直からの偏差が最大で１０～１５度であることを意味してもよい。直線変位の方向とカバー部材の表面との間の角度の角度変動は、カバー部材の曲げに依存して生成される。

以下により詳細に説明するように、アクチュエータの動作は、アクチュエータによって提供される力、トルク、又は変位に応じて、第１の及び／又は第２のカバー部材の曲率を変化させる。このように、アクチュエータを制御することによって、曲げること、つまりレンズ１００の屈折力、を制御することができる。アクチュエータが第１のカバー部材に接続して配置される場合、第２のカバー部材も曲がることができ、更に、カバー部材の厚さ又は剛性に依存して、その逆も可能である。アクチュエータが第１のカバー部材１１１に関連して配置されることも可能であるが、第１のカバー部材１１１は剛性が高く、第１のカバー部材１１１に作用するアクチュエータの変位により、主に第２のカバー部材１１２が曲げられる。この場合、第２のカバー部材１１２は、静的支持体１９０によって支持されてもよい。

尚、アクチュエータ１２１は、第１又は第２のカバー部材１１１、１１２のいずれかに作用するように配置することができる。アクチュエータ１２１が、第１及び第２のカバー部材１２１、１２２の両方に作用するように配置されることも可能であり、これにより、両方のカバー部材がアクチュエータ１２１の作用によって強制的に曲げられるように、もしかすると、どちらかの側のアクチュエータが独立して制御可能であるように、つまり、カバー部材の一方に加えられる変位／力が、他方に加えられる変位／力とは無関係であるようにするものである。

アクチュエータ１２１のアクチュエータ変位要素１２２は、弾性要素１３０を介して第１の透明カバー部材１１１に接続される。

弾性要素１３０は、第１の透明カバー部材１１１とアクチュエータ変位要素１２２との間の相対変位に応じて、弾性的に変形する。

一実施形態によれば、弾性要素１３０は、弾性接着剤などの弾性素材を含む。従って、アクチュエータ変位要素１２２のそれぞれとカバー部材１２１、１２２との間の弾性接続は、例えば、特定の量の接着剤を塗布してアクチュエータ変位要素１２２とカバー部材１１１、１１２との間の特定の距離及び向きが接着剤の硬化中に維持されることを確実にするなどの、接着プロセスを実行することによって達成され得る。

例えば、単一のアクチュエータ変位要素１２２をカバー部材１２１、１２２のうちの１つと接続する弾性接着剤から作られた単一の弾性要素１３０は、例えばバレル形状などの円筒形の要素として形成され、例えば、０．０１ｍｍから１ｍｍの範囲の軸方向（光軸に沿った）の厚さ、及び、０．０２ｍｍから２ｍｍの範囲の軸方向に垂直な（すなわち、半径方向の）幅又は半径を有してもよい。ヤング率で表した接着剤の剛性は、２５ＭＰａなど、２～２００ＭＰａの範囲であってよい。

一般に、弾性接着剤接続は、０．０１～５．００ｍｍの範囲の厚さ、０．０２～２．００ｍｍの半径方向の幅を有してよく、１～１０００ＭＰａの範囲のヤング率を有する接着剤から作られてもよい。

図２Ａは、弾性要素１３０のうちの１つの変形能力を示す。静止ｘｙｚ座標系は、例えば、弾性要素１３０が非変形状態にあるとき、弾性要素１３０の初期位置に対して定義され、この例では、ｚ軸は光軸１５０と平行である。

左の図では、第１のカバー部材１１１は初期の曲率を有する。初期の曲率は、予め成形された曲率によるか、又はアクチュエータ変位要素１２２の初期の変位によるものであってもよい。第１のカバー部材１１１上の接触点２８１は、弾性要素１３０と第１のカバー部材１１１との間の界面において、ｘｚ座標ｘ０，ｚ０を持つ。

右図では、アクチュエータ１２１は、ｚ軸に沿って距離ΔＬ１だけアクチュエータ変位要素１２２を移動又は延長するように制御されている。この変位により、第１のカバー部材１１１の曲がり又は追加の曲がりが生じ、光軸に向かう接触点２８１の半径方向の変位、つまり、ローカルｘｙｚ座標系のｘ軸に沿った変位によって、及び、ｚ軸に沿った変位によって、接触点２８１がｘ０，ｚ０からｘ１，ｚ１に移動する。

第１の透明部材１１１の曲がりにより、弾性要素１３０と第１のカバー部材１１１との間の界面における表面は、ｙ軸を中心に回転し、すなわち、一般には、光軸１５０に外接する経路１５１に接する軸の周りに回転する。

図示のように、弾性要素１３０は、第１の透明カバー部材１１１部材とアクチュエータ変位要素１２２との間の相対半径方向変位に応じて、ここではｘ軸に沿って、半径方向に弾性的に変形するように構成される。

更に、弾性要素１３０は、ｙ軸又は接線軸の周りに作用するトルクＴｙに応じて、弾性的に変形するように構成される。トルクＴｙは、ｙ軸周りの回転を含む第１の透明部材１１１の曲げにより、又は一般に、第１の透明カバー部材とアクチュエータ変位要素との間の相対変位により生成される。

好ましくは、弾性要素１３０は、半径方向の変形に応じて、及び接線軸、ここではｙ軸を中心とした回転などの回転に応じて、低い剛性を有する。第１の透明部材１１１の曲率に不適切な影響を与える可能性のある表面応力に晒されることなく第１の透明部材１１１を曲げることができるようにするためには、剛性が低いことが好ましく、これにより、修正された曲率は波面誤差を増加させる。望ましくないストレスは、例えば、半径方向及び接線軸又はｙ軸の周りに作用する弾性要素１３０からの力及びトルクによるものと考えられる。

一方、弾性要素は、アクチュエータ変位をカバー部材に伝達するために、アクチュエータ変位要素１２２の変位方向、すなわちｚ軸又は光軸１５０に沿って、高い剛性を有することが好ましい。

従って、一実施形態によれば、弾性要素は、半径方向に第１のばね定数ｋ１を有し、光軸１５０の方向に第２のばね定数ｋ２を有し、第１のばね定数ｋ１は第２のばね定数ｋ２より大きい。

以下の表は、第１又は第２の透明カバー部材１１１、１１２の生成された屈折力及び直径に関連する変形の大きさの例を示す。前記直径は、直径方向に対向するアクチュエータ変位要素１２２間の距離として指定することができる。曲げの高さは、湾曲したカバー部材１１１、１１２の頂点から変形していないカバー部材までの距離を指定する。

従って、表の値は、弾性要素１３０の半径方向及び回転方向の変形の例を示す。

弾性要素１３０は、第１又は第２の透明カバー部材に固定された第１の部分２０１（例えば、図２Ａのカバー部材１１１に接触する表面）と、アクチュエータ変位要素に固定された第２の部分２０２（例えば、図２Ａのアクチュエータ変位要素１２２に接触する表面）と、を有する構造として定義することができる。第１及び第２の部分２０１、２０２は、第１及び第２の部分２０１、２０２が例えば半径方向から光軸に向かって互いに対して弾性的に変位できるように、弾性的に接続される。弾性要素１３０は、シリコーン、ポリマー、金属、プラスチック、及び他の材料などの弾性素材からモノリシックに製造されてもよい。

図１Ｂ及び本明細書の他の例に示されるように、弾性要素１３０の第１の部分２０１は、光軸に外接する経路に沿って分布する分離した位置で第１の透明カバー部材に接続される。

一般に、１つ又は複数の弾性要素１３０は、所与の位置つまりアクチュエータ変位要素１２２の位置で半径方向の変形を可能にするように構成されるべきであり、他の位置での他の弾性要素１３０の変形とは無関係又は実質的に無関係である。従って、第１の部分２０１などの１つ又は複数の弾性要素１３０の少なくとも一部は、他の位置で第１の部分２０１とは独立して又は実質的に独立して変位するように配置されるべきである。明らかに、これは、図１Ａのようにアクチュエータ変位要素１２２ごとに個別の弾性要素１３０が使用される場合に達成される。しかしながら、この目的は、弾性要素１３０が、対応する複数のアクチュエータ変位要素１２２に個々にかつ独立して接続されていない複数の第１の部分２０１など、複数の変形可能な部分で構成されるときにも達成される。

図２Ｂは、第１又は第２のカバー部材１１１、１１２における発生応力を回避するための代替解決策を示す。この代替解決策によれば、制御可能レンズ１００は、弾性要素１３０の代わりに摺動接点２３９を備えて構成される。

摺動接点２３９は、アクチュエータ変位要素１２２と第１又は第２のカバー部材１１１、１１２との間の低摩擦接触によって実現されてもよい。低摩擦の接触は、第１又は第２のカバー部材１１１、１１２の表面に対して低摩擦又は十分に低摩擦を提供するアクチュエータ変位要素１２２の接触部分の材料などの、一対の低摩擦材料によって実現することができる。例としては、ポリエチレンやその他のプラスチック材料が挙げられる。従って、摺動接点２３９は、別個の要素によって構成される必要はなく、アクチュエータ変位要素１２２と第１又は第２のカバー部材１１１、１１２との間の直接接触から構成されてもよい。あるいは、摺動接触は、アクチュエータ変位要素１２２の端部に取り付けられた低摩擦材料によって実現されてもよい。

摺動接点３０４は、ｚ軸に沿ったアクチュエータ変位要素１２２の変位ΔＬ１によりカバー部材が曲がるにつれて、摺動接点２３９が第１及び第２のカバー部材１１１、１１２の表面上を摺動できるように構成される。この例では、変位により、第１のカバー部材１１１の曲がり又は追加の曲がりが生じ、光軸に向かう接触点２８１の半径方向変位、すなわちローカルｘｙｚ座標系のｘ軸に沿った変位によって、及び、ｚ軸に沿った変位によって、接触点２８１がｘ０，ｚ０からｘ１，ｚ１に移動する。図２Ｂに示されるように、曲げの間、摺動接点２３９はカバー部材の表面上を滑る。

図３Ａ～３Ｃは、複数のばね要素３０１の形態の複数の変形可能部分で構成された弾性要素１３０の例を示す。

ばね要素３０１は、第１の部分２０１を備える。例えば、第１の部分２０１は、ばね要素を具現化するカンチレバー構造の端面によって具現化されてよい。第１又は第２のカバー部材１１１、１１２の曲げに応じて、カンチレバー構造が曲がる。カンチレバー構造の曲げは、カンチレバーの光軸への傾斜とカンチレバーの回転の組み合わせを含む。従って、カンチレバーばね３０１の曲げは、弾性要素１３０の要件を容易にし、半径方向の変形に応じた低い剛性と、接線軸又はｙ軸を中心とした回転などの回転に応じた低い剛性を提供する。

ばね要素３０１のそれぞれは、隣接するばね要素から分離され、ばね要素３０１のそれぞれが隣接するばね要素３０１から独立して又は実質的に独立して変形できるようにする。従って、ばね要素は、個々のばね要素として構成される。

弾性要素は支持体部材３０２を備える。主に図示されるように、アクチュエータ変位要素１２２は、支持体部材３０２の表面に作用するように配置される。従って、支持体部材３０２は、第２の部分２０２を備え、複数の変位要素１２２のための共通支持体として構成される。すなわち、複数の変位要素１２２は、支持体部材３０２に共同で作用するように配置される。すなわち、変位要素１２２の変位が一緒に支持体部材に伝達されるようにする。

代替的又は追加的に、第２の部分２０２を備える支持体部材３０２は、複数のばね要素３０１の為に共通支持体として構成されており、又は、一般に弾性要素１３０の複数の弾性部分（弾性接着部分など）は、支持体部材３０２上で一緒に作用するように配置される。すなわち、複数のばね要素３０１又は弾性部分は、支持体部材３０２に一緒に接続される。すなわち、ばね要素３０１又は弾性部分の反力が一緒に支持体部材に伝達されるようにする。

この例では、第２の部分２０２は、弾性要素１３０のより剛性の高い部分、すなわち、弾性要素１３０の弾性部分の半径方向弾性係数ｋ１よりも高い弾性係数を少なくとも有する端部などの部分を構成する。同様に、第１の部分２０１は、弾性要素１３０のより剛性の部分を構成することもできる。

この例では、支持体部材３０２は、レンズ１００のためのアパーチャを構成する穴を有するリング形状の構造として形成される。

図３Ａ～３Ｃに示される弾性要素１３０は、モノリシックに形成され得る。別の例では、ばね要素３０１は、支持体部材とは異なる素材から作られる。

この例では、第１及び第２のカバー部材１１１、１１２はそれぞれ、上部の第１の弾性要素１３０及び下部の第２の弾性要素１３０ａを介して独立して作動される。

図４Ａ～４Ｄは、複数のばね要素３０１で構成される弾性要素１３０の別の例を示す。

図４Ｂ及び４Ｄに示されるように、ばね要素３０１は、Ｕ字形要素として形成される。ばね要素３０１の端部は、第１の部分２０１を含む。

ばね要素３０１のＵ字型設計により、接触点すなわち第１の部分２０１の半径方向移動及びｙ軸傾斜（図２参照）が可能になる。ばね要素３０１の断面厚さは、第１及び第２のばね定数ｋ１、ｋ２の所望の特性を達成するために、第１の部分２０１から第２の部分２０２まで変化し得る。ばね要素３０１の光軸１５０方向の厚さｔ（図４Ｃ）により、光軸方向のばね定数ｋ２を径方向のばね定数ｋ１よりも大きくすることができる。また、ｙ軸まわりのねじりばね定数（図２参照）は、第２のばね定数ｋ２に対して十分に低くすることができる。

カバー部材１１１、１１２が支持される第１の部分２０１の非対称設計及び中心から外れた位置は、ｙ軸傾斜を容易にする。すなわち、第１の部分２０１が圧力を受けるとき、非対称設計は、カバー部材１１１、１１２の曲げによる傾斜を支持する。

図４Ｃは、弾性要素１３０が平坦な構造として形成され、第１の部分２０１を含む端部が外側に突き出ており、第１の部分２０１が弾性要素１３０の他の部分から光軸１５０の方向に離れていることを示している。突出した第１の部分２０１により、第１の及び／又は第２のカバー部材１１１、１１２を第１の部分２０１に接続することができる一方で、突出した第１の部分によってカバー部材と弾性要素１３０との間のクリアランスが提供される。

特に、突出した第１の部分２０１などのばね３０１の突出部分によって提供されるクリアランスは、カバー部材と支持体部材３０２の内周との間のクリアランスを依然として確保しながら、カバー部材１１１、１１２が曲がることを可能にし、最小のクリアランスはカバー部材が最大で発生する。

この例でも、ばね要素３０１は、個々のばね要素として構成されている。

この例では、複数の弾性要素１３０＿１、１３０＿２の内周がレンズ１００のアパーチャを構成する穴を形成するように、複数の弾性要素１３０＿１、１３０＿２が配置される。

各弾性要素１３０は１つ又は複数のばね３０１を有してもよいものの、各弾性要素１３０は、この例では２つのばね３０１を備える。例えば、図３Ａ～３Ｃに示されるように、単一の弾性要素１３０がレンズ１００のアパーチャを構成する穴を形成するように構成される。

図３Ａ～３Ｃと同様に、各弾性要素１３０は、支持体部材３０２を備える。アクチュエータ変位要素１２２は、弾性要素１３０の第２の部分２０２を介して支持体部材３０２に接続される。

従って、この例では、支持体部材３０２のそれぞれは、複数のばね要素３０１又は弾性要素１３０の弾性部分のための共通支持体として構成される。示されるように、アクチュエータ変位要素１２２は、支持体部材３０２と１対１で接続されるが、支持体部材３０２の各々は、代わりに、複数のアクチュエータ変位要素の為の共通支持体として構成することができる。

図４Ａ～４Ｄに示される支持体部材１３０及び他の設計は、例えばＭＥＭＳ構造として、射出成形、３Ｄ印刷、又はその他の方法によって、モノリシックに形成されてもよい。

支持体部材３０２を構成する弾性要素１３０の部分は、ばね要素３０１よりも半径方向で光軸１５０に近い位置にある。

図３Ａ～３Ｃ及び図４Ａ～４Ｄに示される弾性要素１３０は、下記のように構成されてもよい。つまり、弾性要素１３０は、１つ又は複数のばね要素３０１に加えて、第１の及び／又は第２の部分２０１、２０２に接続された弾性接着剤などの弾性素材も含み、第１の部分２０１が接着剤を介してアクチュエータ変位要素１２２に固定されるように、及び／又は、第２の部分２０２が第１又は第２のカバー部材１１１、１１２に固定されるようにしてもよい。第１の及び／又は第２の部分２０１、２０２を変位要素１２２及びカバー部材１１１、１１２とそれぞれ接続するために提供される、ばね要素３０１と接着剤などの弾性素材の組み合わせにより、カバー部材１１１、１１２の曲げに応じて、弾性要素１３０の変形能力を有利に改善することができ、これにより、カバー部材における応力の発生が低減される。

図６Ａ～６Ｃは、弾性要素１３０の代替構成を示す。図６Ａは、弾性要素１３０が、第２の部分２０２を備えるリング形状の構造を備えることを示す。図６Ａ～６Ｂは、アクチュエータ変位要素１２２が第２の部分に固定されていることを主に示しているだけである。弾性要素は、ヒンジ構造として構成される複数のばね要素３０１を備える。ばね要素は、それらの第１の部分１０１を介して第１のカバー部材１１１に固定される。

図６Ｃは、ヒンジ軸を規定する方向に沿って薄い厚さを作り出すことによって形成されるヒンジ構造６０１、６０２の可能な構成を示す。図示のｘｙｚ座標系は、リング構造を介して第２の部分２０２に固定された表面２０２ａに対して定義される。

従って、ばね要素３０１は、ｙ軸の周り、又は光軸１５０に外接する経路１５１に接する軸の周りの回転を可能にする回転軸を画定する第１のヒンジ構造６０１を備える。第１のヒンジ構造６０１は、従って、第１の透明カバー部材１１１とアクチュエータ変位要素１２２との間のｙ軸周りの相対的な回転を支持する。換言すると、第１のヒンジ構造は、第１の透明カバー部材とアクチュエータ変位要素との間の相対変位によって生成されるｙ軸周りのトルクＴｙに応じて、弾性的に変形するように配置される。

ばね要素３０１は、ｚ軸を中心とした回転を可能にし、それによって支持する回転軸を画定する第２のヒンジ構造６０２をさらに備える。ｙ軸に沿ったばね要素３０１の伸長、ｚ軸回転により、第２のヒンジ構造６０２は半径方向の動きを生成し、これにより、第１の透明カバー部材１１１とアクチュエータ変位要素１２２との間の相対半径方向変位を支持する。

第１及び第２のヒンジ構造６０１、６０２の回転剛性は、材料の剛性に依存するので、必要に応じて設計されるが、明らかに限界がある。同様に、ヒンジ軸に沿って十分に長い長さを有する第１及び第２のヒンジ構造６０１、６０２を設計することによって、ヒンジ構造はｚ軸方向に高い剛性を有するように設計することができる。

好ましくは、第１及び第２のヒンジ構造６０１、６０２によって提供されるｙ軸及びｚ軸の回転は、切り離された回転を提供する。

図７は、図６Ｃに相当する、第１及び第２のヒンジ構造６０１、６０２を備えるが、ｚ軸に沿ってより低い高さを可能にする構成の別のばね構造３０１を示す。図７及び図６Ｃの２つの第２のヒンジ構造６０２は、ｚ軸を中心とした回転なしに、ばね要素３０１の第１の部分２０１が半径方向に、つまりｘ方向に、変位することを可能にする。

図８は、弾性要素１３０に対する要件を要約している。従って、左側の図は、アクチュエータ１２１が力を発生させていない状態、つまりＦ＝０の場合における、ばね要素３０１を含む弾性要素１３０又は弾性要素の一部を示す。従って、第１のカバー部材１１１は、アクチュエータによって曲率が変更されていない状態にある。

右の図では、アクチュエータ変位要素が作動して、ΔＬ１のｚ軸変位を引き起こす。ｚ軸変位は、第１のカバー部材１１１の曲げによって少なくとも部分的に引き起こされる反力により、ｚ方向に非ゼロの平衡力Ｆ１（すなわち、カバー部材の固定曲げ状態）を生成する。アクチュエータ１２１が発生するｚ軸変位により、第１のカバー部材１１１は誇張して示すように曲がる。曲げは、ΔＬ１のｚ軸変位に加えて、ｘ軸に沿った第１の部分２０１の半径方向の変位及びｙ軸を中心とした第１の部分２０１の回転を引き起こす。本明細書に記載の弾性要素１３０の異なる例は、アクチュエータ変位要素１２２の変位に同じ反応を提供する、つまり、第１又は第２のカバー部材１１１の曲げを支持するための半径方向変位及び回転を提供する。

図５は、スマートフォン、タブレット、ラップトップやその他のデバイスの一部などの電子デバイス５００の断面図を示す。デバイス５００は、アパーチャ５０２を介して受け取られたイメージセンサ上に光を結像するように構成されたカメラモジュール５０１を備えてもよい。制御可能レンズ１００は、カメラモジュール５０１の一部を形成し、オプションとして他のレンズ及び画像センサを形成する。電子デバイス５００の例は、ポータブルコンピュータ、スマートフォン、時計、タブレット、カメラ、可変レンズを備えた眼鏡、距離を走査するように配置された測定装置、光ビームを走査することによって画像を作成するように配置された画像プロジェクタを含む。したがって、レンズ１００は、撮像、光及び画像投影、光ビーム走査、光検出ライダー（Ｌｉｄａｒ）走査などの様々な目的に使用することができる。

Claims (16)

1. 可変屈折力を備える制御可能レンズ（１００）であって、前記制御可能レンズは、
   第１のカバー部材（１１１）及び第２のカバー部材（１１２）と、
   非流体ボディ（１０５）と、
   １つ又は複数のアクチュエータ（１２１）と、
   １つ又は複数の弾性要素（１３０、１３０ａ、１３０＿１、１３０＿２）と、
   を備え、
   前記第１及び第２のカバー部材のうち１つは透明であり、前記第１及び第２のカバー部材のうち他方は、透明又は反射性であり、
   前記非流体ボディ（１０５）は、前記第１のカバー部材と前記第２のカバー部材との間に挟持され、透明で変形可能であり、前記第１及び第２のカバー部材及び前記非流体ボディが前記第１及び第２のカバー部材及び前記非流体ボディと交差する光軸（１５０）を備えるレンズを構成し、
   前記１つ又は複数のアクチュエータ（１２１）は、前記光軸と平行又は略平行な方向に変位するように配置されている複数のアクチュエータ変位要素（１２２）を備え、
   前記１つ又は複数の弾性要素（１３０、１３０ａ、１３０＿１、１３０＿２）は、前記アクチュエータ変位要素を前記第１のカバー部材に接続し、
   前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれの少なくとも一部分は、前記第１のカバー部材と前記アクチュエータ変位要素（１２２）との間の相対半径方向変位に応じて、弾性変形するように配置されており、
   前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれは、前記半径方向の第１の剛性と、前記光軸の方向の第２の剛性と、を備え、
   前記第１の剛性は、前記第２の剛性よりも小さいことを特徴とする制御可能レンズ。
2. 前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれは、前記光軸に外接する経路（１５１）に接する軸周りのトルク（Ｔｙ）に応じて、弾性変形するように配置されており、
   前記トルクは、前記第１のカバー部材と前記アクチュエータ変位要素との間の前記相対半径方向変位によって生成されることを特徴とする請求項１に記載の制御可能レンズ。
3. 前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれは、前記第１のカバー部材に固定された少なくとも１つの第１の部分（２０１）と、前記アクチュエータ変位要素の少なくとも１つに固定された第２の部分（２０２）とを備え、
   前記第１及び第２の部分は、弾性的に接続されていることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の制御可能レンズ。
4. 前記制御可能レンズは、前記１つ又は複数の弾性要素（１３０）の複数の前記第１の部分（２０１）を備え、
   前記第１の部分は、前記光軸に外接する経路（１５１）に沿って分配され、前記第１のカバー部材（１０１）に、その離れた場所で接続されることを特徴とする請求項３に記載の制御可能レンズ。
5. 前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれは、前記半径方向の第１のばね定数（ｋ１）と前記光軸の方向の第２のばね定数（ｋ２）とを備え、
   前記第１のばね定数（ｋ１）は、前記第２のばね定数（ｋ２）より小さいことを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の制御可能レンズ。
6. 前記アクチュエータが静的支持体（１９０）に固定されることにより、前記アクチュエータ変位要素（１２２）は、前記静的支持体に対して変位することを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の制御可能レンズ。
7. 前記制御可能レンズは、前記アクチュエータ変位要素（１２２）を前記第２のカバー部材（１１２）に接続する１つ又は複数の他の弾性要素（１３０ａ）を含むことを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の制御可能レンズ。
8. 前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれが弾性接着剤であることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の制御可能レンズ。
9. 前記１つ又は複数の弾性要素（１３０）のそれぞれは、１つ又は複数のばね要素（３０１）であり、
   それぞれのばね要素は、請求項３に記載の前記第１の部分（２０１）を備えることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の制御可能レンズ。
10. 前記ばね要素のそれぞれは、個別のばね要素として構成されることを特徴とする請求項９に記載の制御可能レンズ。
11. 前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれは、複数の前記アクチュエータ変位要素（１２２）の為の及び／又は前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれの複数の前記弾性部分の為の共通支持体として備えられている支持体部材（３０２）を備え、
    前記支持体部材は、請求項３に記載の前記第２の部分（２０２）を備えることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の制御可能レンズ。
12. 前記支持体部材は、前記ばね要素よりも前記光軸に半径方向において近くに位置していることを特徴とする請求項１１に記載の制御可能レンズ。
13. 前記制御可能レンズは、前記アクチュエータ変位要素を前記第１のカバー部材（１１１）に接続する第１の弾性要素（１３０）と、前記制御可能レンズによって構成されるその他のアクチュエータ変位要素を前記第２のカバー部材（１１２）に接続する第２の弾性要素（１３０ａ）と、を備えることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の制御可能レンズ。
14. 前記１つ又は複数の弾性要素のそれぞれは、１つ又は複数のばね要素（３０１）と、前記第１の及び／又は第２の部分（２０１，２０２）に接続される弾性接着剤などの弾性素材と、を備えることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の制御可能レンズ。
15. 請求項１～１３のいずれか１項に記載の制御可能レンズ（１００）を備える電子デバイス。
16. 撮像、光照射、光ビームスキャン、光検出、及びその他の目的の為の請求項１～１４のいずれか１項に記載の制御可能レンズ（１００）の使用。

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