JP3480071B2 - Variable focus lens - Google Patents

Variable focus lens

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JP3480071B2 JP24782094A JP24782094A JP3480071B2 JP 3480071 B2 JP3480071 B2 JP 3480071B2 JP 24782094 A JP24782094 A JP 24782094A JP 24782094 A JP24782094 A JP 24782094A JP 3480071 B2 JP3480071 B2 JP 3480071B2
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司 甲村
金子  卓
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株式会社デンソー
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】この発明は、可変焦点レンズに係り、特に、例えばカメラやバーコードリーダ等の光学機器において使用される焦点距離が可変制御されるようにした可変焦点レンズに関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] FIELD OF THE INVENTION This invention relates to a variable focus lens, in particular, is variably controlled focal length to be used in an optical apparatus such as a camera or bar code reader It relates to a variable focus lens as. 【0002】 【従来の技術】前記のような可変焦点レンズの従来技術として、例えば、特開平4−67001号公報に示すような液体を利用した可変焦点レンズが知られていてる。 [0002] As a conventional art of the variable focus lens, such as, for example, the variable focus lens is known which utilizes a liquid, such as shown in JP-A-4-67001.
すなわち、この可変焦点レンズは、リング状のスペーサの一方に面に均一膜厚の透明弾性膜を張り付けると共に、他方の面に透明弾性膜あるいはガラスを張り付け、 That is, the variable focus lens, as well as pasting transparent elastic film having a uniform thickness on the surface on one of the ring-shaped spacer, sticking a transparent elastic film or glass on the other surface,
これらの透明弾性膜等で挟まれた内部空間に液体を封入し、その液体に加える外圧によって透明弾性膜等の歪を加減して、レンズとしての曲率半径を変えて焦点距離を可変調整するものである。 The liquid was sealed in space sandwiched by the transparent elastic film or the like, by adjusting the distortion such as a transparent elastic membrane by external pressure applied to the liquid, variably adjusting the focal length by changing the radius of curvature of the lens shall it is. 【0003】また、別の従来技術としてこの発明と同一出願人による特願平5−194721号に示すように透明弾性膜に膜厚分布を構成し変形形状を制御するものである。 [0003] controls the transparent elastic film constituting the film thickness distribution in the deformed shape, as shown in Japanese Patent Application No. Hei 5-194721 by the present invention and the same applicant as another prior art. 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第1の従来技術によると、可変焦点レンズを形成するために均一膜厚の透明弾性膜等を用いているため、内部空間に封入された液体に外圧をかけた場合、透明弾性膜等に掛かる液体の圧力によって透明弾性膜等は非球面に変形する。 [0004] The present invention is, however, according to the first prior art, the use of a transparent elastic film of uniform thickness to form a variable focus lens, sealed inside space If multiplied by external pressure to the liquid, a transparent elastic film or the like by the pressure of the liquid applied to the transparent elastic film or the like is deformed aspherical. 【0005】この非球面のレンズでは、特に透明弾性膜にかかる圧力が高くなり、変形した非球面形状の曲率半径が短くなる領域すなわち焦点距離が短い領域において光学収差が大きく、実際の光学系には使用できないという問題がある。 [0005] In this aspherical lens, the higher the pressure applied to the particular transparent elastic film, region or focal radius of curvature is shortened aspherical deformed optical aberrations is large in a short area, in an actual optical system there is a problem that can not be used. 【0006】また、上記第2の従来技術によると、その膜厚分布を応力解析を用いて計算する過程において、微小ひずみ理論を用いているため、焦点距離の短い領域、 [0006] According to the above second prior art, the process of calculating using the stress analysis of the film thickness distribution, the use of the micro-distortion theory, a short focal length range,
すなわち透明弾性膜の変形量が大きくなり透明弾性膜に作用する引っ張り力が支配的になる領域では、透明弾性膜の変形形状を正確に計算することができず、光学収差の低減を行うことができないといった問題がある。 That is, in the area where the tensile force becomes dominant amount of deformation of the transparent elastic film is applied to the larger becomes transparent elastic film, it is impossible to calculate the deformed shape of the transparent elastic film accurately be performed to reduce optical aberrations there is a problem can not be. 【0007】そこで、この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、少なくとも一面側に透明弾性膜を含んで構成された圧力室内に作動液を封入して、透明弾性膜に作用する作動液による圧力によって透明弾性膜を弾性変形させて、焦点距離が可変制御されるようにした場合、特に焦点距離の短い領域、すなわち透明弾性膜の変形量が大きくなり透明弾性膜に作用する引っ張り力が支配的になる領域で、透明弾性膜の変形形状がレンズとしての光学収差が小さくなるように最適化されると共に、 [0007] Therefore, operating the present invention has been made in view of the problems as described above, the enclosed hydraulic fluid in the pressure chamber which is configured to include a transparent elastic film on at least one side, acting on the transparent elastic film by elastically deforming the transparent elastic membrane by pressure by a liquid, if you like the focal length is variably controlled, tensile act on particular short region of the focal length, i.e. a transparent elastic film deformation amount becomes large transparent elastic film force in the region but which becomes dominant, with the deformed shape of the transparent elastic film is optimized so that the optical aberration is decreased as a lens,
圧力室内の作動液の圧力を透明弾性膜に形成された圧力センサで計測し、その値を基に作動液の圧力を調整することにより、作動液の熱膨張及び収縮等による焦点距離の変動も抑制することができるようにした可変焦点レンズを提供することを目的としているものである。 Measured by the pressure sensor that is a pressure of the hydraulic fluid in the pressure chamber in the transparent elastic film, by adjusting the pressure of the hydraulic fluid based on the value, fluctuation of the focal length due to thermal expansion and contraction of the working fluid those that are intended to provide a variable focus lens to be able to be suppressed. 【0008】 【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課題を解決するための手段として、所定の間隔が設定されて平行に配置され、その周辺部を封じてその相互間に圧力室が形成されるようにした少なくとも一方が弾性体によって構成される第1および第2の透明膜と、この第1 [0008] According to the present invention, in order to solve the problems] As a means for solving the above problems, is arranged in parallel with predetermined intervals are set, the pressure between the mutually sealed to the periphery thereof at least one of the first and second transparent film composed of an elastic body and as the chamber is formed, the first
および第2の透明膜の相互間の前記圧力室内に封入されるもので、前記第1および第2の透明膜と同等の屈折率を有する作動液と、前記弾性体によって構成される透明膜に作用する圧力が可変制御されるように、前記第1および第2の透明膜相互間の圧力室内に封入される前記作動液を制御する加圧手段と、前記弾性体によって構成される透明膜に作用する圧力を計測し、目標圧力値となるように前記加圧手段を制御する圧力測定制御手段と、前記第1および第2の透明膜相互間の圧力室内に封入される前記作動液の温度による膨張、収縮が、前記第1および第2の透明膜に作用する圧力に変動を与えないようにするため、前記圧力測定制御手段による前記加圧手段の制御に応じて前記作動液を蓄積するために前記圧力室に連通して形成され And intended to be sealed in the pressure chamber between each other of the second transparent layer, a hydraulic fluid having a first and second transparent films equivalent refractive index, the transparent film composed of the elastic member as pressure acting is variably controlled, and a pressure means for controlling the hydraulic fluid enclosed in the pressure chamber between the first and second transparent films each other, a transparent film composed of the elastic member measuring the pressure acting, the pressure measurement control means for controlling said pressurizing means so that the target pressure value, the temperature of the hydraulic fluid enclosed in the pressure chamber between the first and second transparent film each other expansion due, shrinkage, in order to avoid giving the variation in the pressure acting on the first and second transparent films, to accumulate the hydraulic fluid in response to a control of the pressure means according to the pressure measuring control means It is formed to communicate with the pressure chamber for 予備室とを具備し、前記弾性体によって構成された透明膜に、その中心部分とその周囲部分で曲率の相違する膜厚分布が設定され、前記作動液の圧力によって前記弾性体によって構成された透明膜の変形により生ずるレンズとしての光学収差が補正されるようにしたことを特徴とする可変焦点レンズが提供される。 ; And a preliminary chamber, a transparent film made by the elastic member, the film thickness distribution is set to the difference in curvature the central portion and its peripheral portion, which is constituted by the elastic body by the pressure of the working fluid variable focus lens is provided in which the optical aberrations of the lens caused by deformation of the transparent film is characterized in that it has to be corrected. 【0009】また、本発明によると、前記弾性体によって構成された透明膜の膜厚分布は、前記作動液による圧力が作用した場合の前記弾性体によって構成された透明膜の変形において、その中心部で球面が形成され、その周辺部では非球面が形成されるようにした可変焦点レンズが提供される。 [0009] According to the present invention, the film thickness distribution of the transparent film constituted by the elastic body, the deformation of the transparent film constituted by the elastic member when the pressure by the hydraulic fluid is applied, the center spherical is formed in part, at the peripheral portions thereof varifocal lenses as aspheric surface is formed is provided. 【0010】また、本発明によると、前記弾性体によって構成された透明膜には、その膜厚分布が幾何学的非線形性を考慮した応力解析に基づいて導出され、前記作動液による圧力が作用した場合の変形において曲率が小さくなり、可変焦点レンズとしての焦点距離が短くなる範囲において、光学収差が補正されるようにしたことを特徴とする可変焦点レンズが提供される。 [0010] According to the present invention, a transparent film made by the elastic member, the film thickness distribution is derived on the basis of the stress analysis using geometrical nonlinearity, pressure is exerted by the hydraulic fluid curvature decreases in the variant in the case of, in the focal length becomes shorter range as a variable focus lens, a variable focus lens is provided, characterized in that the optical aberration is to be corrected. 【0011】また、本発明によると、前記加圧手段は前記予備室を形成するために周辺部が封じられた加圧用弾性膜に形成した圧電素子によるユニモルフ機構として構成されることを特徴とする可変焦点レンズが提供される。 [0011] According to the present invention, the pressurizing means is characterized in that it is configured as a unimorph mechanism by the piezoelectric element formed pressurization elastic membrane peripheral portion is sealed to form the preliminary chamber variable focus lens is provided. 【0012】さらに、本発明によると、前記圧力測定制御手段は、前記弾性体によって構成される透明膜に形成される一対の圧力測定用歪ゲージと、この一対の圧力測定用歪ゲージに近接して形成される一対の温度補償用歪ゲージと、これら各一対の圧力測定用歪ゲージ及び温度補償用歪ゲージで構成されるホイートストーンブリッジ回路からの出力と前記目標圧力値の指令信号とに基いて前記圧電素子によるユニモルフ機構を駆動する駆動手段とを含んでなることを特徴とする請求項4に記載の可変焦点レンズが提供される。 Furthermore, according to the present invention, the pressure measuring control means includes a pair of pressure measuring strain gauges are formed on a transparent film composed of the elastic body, proximate to the pair of pressure measuring strain gauges a pair of temperature compensation strain gauges formed Te, to the command signal of the target pressure value and the output from the Wheatstone bridge circuit constituted by these pairs of pressure measuring strain gauges and the temperature compensation strain gages variable focus lens according to claim 4, characterized in that it comprises a driving means for driving the unimorph mechanism by the piezoelectric element is provided on the basis of. 【0013】以上のようにして、本発明では、透明膜の膜厚に分布を持たせることにより、加減圧時の透明膜の変形形状を所望の球面あるいは非球面に制御し、光学特性を向上したことを特徴とすると共に、例えば圧電ユニモルフを用いた加圧手段ポンプと、レンズ内の圧力を計測して目標圧力値に制御するための圧力測定制御手段を具備したことを特徴とする。 [0013] As described above, in the present invention, by providing a distribution in the film thickness of the transparent film, the deformed shape of the pressure during decompression of the transparent film is controlled to a desired spherical or aspherical, improved optical properties together, characterized in that the, characterized by comprising for example a pressure means pump using a piezoelectric unimorph measures the pressure in the lens of pressure measurement control means for controlling the target pressure value. 【0014】 【作用】本発明による可変焦点レンズでは、透明弾性膜内に生じる張力が変形形状に対して支配的になる焦点距離が短い領域において、透明弾性膜の変形形状を制御する膜厚分布を幾何学的非線形性を考慮した大変形解析により決定し、透明弾性膜の中心部を光学的に有用な曲面となるよう制御する。 [0014] In the variable focus lens according to the action of the present invention is to provide a dominant short focal length region becomes relative tension deformed shape caused in the transparent elastic film, the film thickness distribution to control the deformed shape of the transparent elastic film was determined by large deformation analysis considering geometric nonlinearity, it is controlled to be optically useful curved central portion of the transparent elastic film. 【0015】このように構成される本発明においては、 [0015] In the present invention configured as described above,
作動液によって透明弾性膜に作用する圧力が可変されることによって、透明弾性膜の形状が変化して、可変焦点レンズが構成されるようになる。 By the pressure acting on the transparent elastic film by the working fluid is variable, the shape of the transparent elastic film changes, so the variable focus lens is configured. 【0016】ここで、透明弾性膜の変形量が大きくなり透明弾性膜に作用する引っ張り力が支配的になる領域では、透明弾性膜に掛かる液体の圧力によって透明弾性膜は非球面に変形するが、この透明弾性膜に膜厚分布を構成することにより、非球面の変形形状が修正されて、焦点距離の短い領域で収差の少ない可変焦点レンズとする。 [0016] Here, in a region where tensile force acting on the transparent elastic film deformation amount becomes large transparent elastic film is dominant, transparent elastic film by the pressure of the liquid applied to the transparent elastic membrane is deformed aspheric but by configuring the film thickness distribution in the transparent elastic film, it is corrected deformed shape of the aspheric, and the aberration less variable focus lens with a short focal length area. 【0017】すなわち、本発明の可変焦点レンズによれば、少なくとも一面側が透明弾性膜によって構成された圧力室内に作動液を封入して、透明弾性膜に作用する作動液による圧力によって透明弾性膜を変形させて、焦点距離が可変制御されるようにした場合、透明弾性膜の変形形状がレンズ収差の発生が小さくなるように最適化されると共に、圧力室内の作動液の圧力を透明弾性膜に形成された圧力センサで計測し、その値を基に作動液の圧力を調整することにより、作動液の熱膨張及び収縮等による焦点距離の変動も抑制することができる。 [0017] That is, according to the variable focus lens of the present invention, by sealing the hydraulic fluid in the pressure chamber constituted at least one surface side of a transparent elastic film, a transparent elastic membrane by the pressure by the hydraulic fluid acting on the transparent elastic film It is deformed, when as the focal length is variably controlled, the deformed shape of the transparent elastic film is optimized so that the occurrence of lens aberrations is reduced, a transparent elastic membrane the pressure of the hydraulic fluid in the pressure chamber formed was measured by a pressure sensor, by adjusting the pressure of the hydraulic fluid based on that value, it is possible to suppress variation in the focal length due to thermal expansion and contraction of the working fluid. 【0018】 【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につき詳細に説明する。 [0018] BRIEF DESCRIPTION OF in detail embodiments of the present invention with reference to the drawings. 図1は本発明の一実施例による可変焦点レンズの構成を示す。 Figure 1 shows a configuration of a variable focus lens according to an embodiment of the present invention. すなわち、図1に示されるように部分的に異なる膜厚を有する透明弾性膜11にはガラスや樹脂を使い、その膜厚分布は後述するような所定の膜厚分布となるように鋳造法あるいは研削加工などによって形成する。 That is, use of glass or resin in the transparent elastic film 11 having different film thickness partially as shown in FIG. 1, the film thickness distribution casting so as to have a predetermined film thickness distribution as described below or formed by such grinding. 【0019】この透明弾性膜11はレンズとして使用する有効部111と非球面部112から成る。 [0019] The transparent elastic film 11 is made of an effective part 111 to be used as a lens of an aspherical portion 112. さらに、本実施例では透明弾性膜11は直径10mmで、このうちレンズとして使用する有効部111の直径は6mmである。 Moreover, the transparent elastic film 11 in the present embodiment, a diameter of 10 mm, the diameter of the effective portion 111 to be used as these lenses is 6 mm. 【0020】上記形状の透明弾性膜11を、リング状の封止用スペーサ12を介してガラス平面基板14上に配置し、透明弾性膜11とガラス平面基板14との間に形成される圧力室13内に透明弾性膜11と屈折率が等しくなるよう調整した作動液13a(シリコーンオイル等)を封入する。 [0020] The transparent elastic film 11 of the shape, then placed on a glass flat substrate 14 via a ring-shaped sealing spacers 12, the pressure chamber formed between the transparent elastic film 11 and the glass flat board 14 transparent elastic film 11 and the refractive index in the 13 to encapsulate the working fluid 13a which is adjusted to equal (silicone oil). 【0021】上記スペーサ12の一部及び後述するスペーサ15bの一部には圧力室13内の作動液13aが流通することができる流路16及び15cとが対向して設けられることにより、圧力室13と透明弾性膜11の外周に連設して配置された加圧部15の予備室15aとが連通状態とされている。 [0021] By a portion of the spacer 15b to be part and below the spacer 12 and the flow path 16 and 15c which can be hydraulic fluid 13a in the pressure chamber 13 flows are opposed, the pressure chamber 13 and the preliminary chamber 15a of the pressure 15 disposed continuously to the outer periphery of the transparent elastic film 11 is placed in the communicating state. 【0022】この加圧部15はリング状の封止用スペーサ15bを介してガラス基板14上に配置された加圧用弾性膜151とそれを駆動するアクチュエータ152から構成される。 [0022] The pressing 15 is comprised of an actuator 152 for driving it with pressurizing elastic membrane 151 disposed on the glass substrate 14 via a ring-shaped sealing spacers 15b. 【0023】このアクチュエータ152には加圧用弾性膜151上に形成した圧電素子によるユニモルフ機構が使用され、これによって図示矢印方向に加圧用弾性膜1 The unimorph mechanism by the piezoelectric element in the actuator 152 formed on the pressurizing elastic film 151 is used, which pressurizing the arrow direction by the elastic film 1
51を駆動して予備室15aを介して圧力室13の作動液13aを加圧および減圧する。 It drives 51 pressurizing and depressurizing the hydraulic fluid 13a in the pressure chamber 13 through the pre-chamber 15a with. 【0024】すなわち、圧力室13内に封入された作動液13aの圧力が変わると、これに応じて上記透明弾性膜11の撓みが変化して可変焦点レンズとしての焦点距離が変わる。 [0024] That is, when the pressure of the working fluid 13a which is sealed in the pressure chamber 13 changes, the focal length of the variable focus lens is varied deflection of the transparent elastic film 11 is changed accordingly. 【0025】さらに、非球面部112上には圧力センサ171,173と温度センサ172,174とが配置される。 Furthermore, on the aspherical portion 112 is disposed a pressure sensor 171, 173 and temperature sensor 172. 本実施例では圧力センサ171,173として圧力測定用歪ゲージを配置し、透明弾性膜11の撓みを検出する。 A strain gauge for pressure measurement is arranged as a pressure sensor 171, 173 in the present embodiment, to detect the deflection of the transparent elastic film 11. 【0026】この圧力センサ171,173の出力に基いて透明弾性膜11に掛かって作動液13aからの圧力を検出し、温度センサ172,174として配置される温度補償用歪ゲージからの出力を参照してアクチュエータ152の出力を調節することで、作動液13aの熱膨張及び収縮等で生じる焦点位置の変動を抑制する。 [0026] Referring to the output from the based on the output of the pressure sensor 171, 173 detects the pressure of the working fluid 13a hanging on the transparent elastic film 11, the temperature compensation strain gages arranged as temperature sensors 172 and 174 to by adjusting the output of the actuator 152, to suppress the fluctuation of focus position caused by thermal expansion and contraction of the working fluid 13a. 【0027】すなわち、圧力測定に用いる圧力測定用歪ゲージ(圧力センサ)171,173と歪ゲージ自体の温度特性を補償する温度補償用歪ゲージ(温度センサ) [0027] That is, the pressure measuring strain gauges used for pressure measurement (pressure sensor) 171, 173 and the temperature compensation strain gages to compensate for the temperature characteristic of the strain gage itself (temperature sensor)
172,174をそれぞれ透明弾性膜11上の近接した位置に直交して配置する。 The placing orthogonally to close positions on the transparent elastic film 11, respectively 172. 【0028】これらの歪ゲージ171,172,17 [0028] These strain gauges 171,172,17
3,174は例えば銅・ニッケル合金等の抵抗材料を薄い箔状にして透明弾性膜11上に接着することによって形成可能である。 3,174 can be formed by bonding onto the transparent elastic film 11 and the resistance material such as copper nickel alloy thin foil. 【0029】そして、圧力測定用歪ゲージ171,17 [0029] The pressure measurement for strain gauge 171,17
3を用いた圧力の測定には、図2に示すように、温度補償用歪ゲージ172,174と共に定電流源ISから定電流が供給されるホイートストンブリッジ回路を構成し、透明弾性膜11の変形により、圧力測定用歪ゲージ171,173の抵抗材料の抵抗率が変化し、それに伴ってブリッジの出力側に生じる電圧が変化する現象を用いる。 3 The measurement of pressure with, as shown in FIG. 2, the constant current from the constant current source IS is a Wheatstone bridge circuit which is supplied with the temperature compensation strain gages 172, 174, deformation of the transparent elastic film 11 accordingly, resistivity changes in the resistance material for pressure measurement strain gauges 171 and 173, using the phenomenon that the voltage at the output side of the bridge varies accordingly. 【0030】この出力電圧の変化は微小であるため、増幅器18によって増幅した後、アクチュエータ制御装置19に入力される。 [0030] Since the change of the output voltage is very small, after amplified by the amplifier 18, is inputted to the actuator control unit 19. そして、このアクチュエータ制御装置19においては、目標圧力の指令信号と、圧力測定信号との比較を行い、両者に差がある場合には、目標圧力となるようアクチュエータ152駆動信号を調節するフィードバック制御を行なう。 Then, in the actuator control unit 19, a command signal of the target pressure, to compare the pressure measurement signal, if there is a difference between the two is the feedback control for adjusting the actuator 152 drive signals so that the target pressure carried out. 【0031】以上により、作動液13aの熱膨張及び収縮等で生じる可変焦点レンズの焦点位置の変動を抑制する。 The [0031] above, suppressing the variation of the focal position of the variable focus lens caused by thermal expansion and contraction of the working fluid 13a. 次に、透明弾性膜11における最適な膜厚分布の導出について説明する。 Next, a description will be given derivation of optimum film thickness distribution in the transparent elastic film 11. 【0032】まず、図3に示すような適当な焦点距離において、透明弾性膜11の理想的な変形形状を設定する。 Firstly, in a suitable focal length, as shown in FIG. 3, to set the ideal deformation shape of the transparent elastic film 11. 本実施例では、作動液13aの圧力が5000Pa In this embodiment, the pressure of the working fluid 13a is 5000Pa
となったとき、透明弾性膜11の有効部111の曲率半径が125mmの球面に変形し、可変焦点レンズとして焦点距離250mmとなり、有効部111の外周にある非球面部112が、有効部111と周辺における境界条件を満足するように滑らかな補間曲面となるように設定する。 And when it, the curvature of the effective part 111 of the transparent elastic film 11 radius is deformed spherical surface of 125 mm, the focal length 250mm next as a variable focus lens, the aspheric portion 112 at the outer periphery of the effective portion 111, and the effective portion 111 set so that a smooth interpolation curved so as to satisfy the boundary conditions at the periphery. 【0033】上記の理想的変形形状を得るため、透明弾性膜11における膜厚分布の形状は図4に示す計算プロセスによって求める。 [0033] To obtain the ideal deformation shape, the shape of the film thickness distribution in the transparent elastic film 11 is obtained by calculation process shown in FIG. この計算プロセスは3つのステップからなるもので、まず、第1のステップは応力解析であり、この解析によって作動液13からの圧力が作用したとき、透明弾性膜11がどのように変形するかを解析する。 This calculation process is made of three steps, firstly, the first step is stress analysis, or when pressure is exerted from the hydraulic fluid 13 by this analysis, the transparent elastic film 11 is how deforming To analyze. 【0034】その計算手法は有限要素法(FEM)であり、解析の初期状態として、均一膜厚の透明弾性膜より計算を開始する。 [0034] The calculation method is the finite element method (FEM), as the initial state of the analysis, to start the calculation from the transparent elastic film having a uniform thickness. ここで、有限要素法の応力解析に幾何学的非線形性を考慮した大変形解析を用いて、焦点距離が短い領域、すなわち透明弾性膜の変形量が大きくなり、透明弾性膜に作用する引っ張り力が支配的になる領域での変形形状を正確に解析するようにする。 Here, using a large deformation analysis considering geometric nonlinearity stress analysis of the finite element method, a short focal length area, namely the amount of deformation of the transparent elastic film is increased, tensile acting on the transparent elastic film force There so as to accurately analyze the deformed shape of the region to become dominant. 【0035】第2ステップは感度解析であり、この感度解析にあっては有限要素法によって分割した、例えば要素jの膜厚が若干変化したときに、節点iの変位がどの程度影響を受けるか、その微分係数を求める作業である。 [0035] The second step is a sensitivity analysis, whether this be in the sensitivity analysis was divided by the finite element method, for example, the thickness of the element j is when slightly changed, the displacement of the node i receives a degree influence , it is a work of finding the differential coefficient. 【0036】この微分係数は感度係数と呼ぶもので、この図4において式(1)で示す偏微分として表現され、 [0036] This derivative is intended called a sensitivity coefficient, in FIG. 4 are expressed as partial differential represented by the formula (1),
この感度係数を要素jと節点iとの全ての組み合わせについて求めることになる。 Thereby obtaining the sensitivity coefficients for all combinations of the elements j and node i. 【0037】第3のステップは膜厚分布の最適化であり、全ての要素の膜厚がΔt iだけ変化したとすると、 [0037] When the third step is an optimization of the film thickness distribution, the thickness of all the elements and changes by Delta] t i,
節点iの変位u i kは感度解析で求めた感度係数を用いて、図4で示す式(2)のように表現される。 Displacement u i k of node i by using the sensitivity coefficient calculated by the sensitivity analysis, is expressed by Equation (2) shown in FIG. 【0038】この式(2)においてu i k+1が理想的変形形状の設定で節点iに課した要求変位u i 0に等しくなればよい。 [0038] u i k + 1 may if equal to the required displacement u i 0 imposed to node i in the set of ideal deformed shape in the equation (2). ここで、式(2)は節点iに関するものであるが、これを全ての節点について記述してまとめると、式(3)で示すような行列となるので、この式(3)を解くことによって膜厚の最適な変化量Δt iを求めることができる。 Here, equation (2) relates to the node i, summary this writing for all the nodes, since a matrix as shown in equation (3), by solving this equation (3) it is possible to find the optimal amount of change Delta] t i of thickness. 【0039】ただし、式(2)において膜厚の変化と節点の変位との間には線形性を仮定しているものであるが、膜厚の変化が大きい場合には線形性ではなくなる。 [0039] However, although between the displacement of the thickness variation and the node in the formula (2) in which assumes linearity, not the linearity when the change in the film thickness is large.
そこで、求めた膜厚分布をもとに再度ステップ1の応力解析にかけて、膜厚分布を持たせた透明弾性膜11の変形形状を求め、理想的変形形状との誤差を計算することにより、この誤差がゼロと見なせるようになるまでこのステップを繰り返す。 Therefore, over the stress analysis of step again based on 1 thickness distribution obtained, determine the deformed shape of the transparent elastic film 11 which gave a film thickness distribution by calculating an error between the ideal deformation shape, this error repeat this step until the regarded as zero. 【0040】図5はこのような計算結果によって求めた膜厚分布による透明弾性膜11を示すもので、その形状は以下に示す式(4)、式(5)、及び式(6)で示される曲線に従う曲面となっている。 [0040] Figure 5 shows a transparent elastic film 11 by the film thickness distribution obtained by this calculation result, the shape is shown in the following equation (4), represented by the formula (5), and (6) and it has a curved surface in accordance with the curve. 【0041】なお、式(4)、(5)、及び(6)におけるrは透明弾性膜11の中心からX軸方向への半径距離(単位mm)である。 [0041] Incidentally, formula (4), which is (5), and radial distance r from the center of the transparent elastic film 11 in (6) to the X-axis direction (in mm). 範囲1 0≦r<1.8 (単位:mm) t(r)=a 0 +a 2・r 2 +a 4・r 4 …(4) a 0 =8.7551×10 -32 =4.8928×10 -24 =1.4474×10 -4範囲2 1.8≦r<2.8 (単位:mm) t(r)=b 0 +b 1・r 1 +b 2・r 2 +b 3・r 3 +b 4・r 4 +b 5・r 5 +b 6・r 6 +b 7・r 7 +b 8・r 8 +b 9・r 9 …(5) b 0 =−0.13097 b 1 = 0.26559 b 2 =−0.19966 b 3 = 7.2522×10 -24 =−9.2687×10 -35 =−2.3741×10 -36 = 1.1878×10 -37 =−2.1075×10 -48 = 1.8161×10 -59 =−6.3325×10 -7範囲3 2.8≦r≦5.0 (単位:mm) t(r)=0.011 …(6) なお、これまでに示 Range 1 0 ≦ r <1.8 (Unit: mm) t (r) = a 0 + a 2 · r 2 + a 4 · r 4 ... (4) a 0 = 8.7551 × 10 -3 a 2 = 4. 8928 × 10 -2 a 4 = 1.4474 × 10 -4 range 2 1.8 ≦ r <2.8 (unit: mm) t (r) = b 0 + b 1 · r 1 + b 2 · r 2 + b 3 · r 3 + b 4 · r 4 + b 5 · r 5 + b 6 · r 6 + b 7 · r 7 + b 8 · r 8 + b 9 · r 9 ... (5) b 0 = -0.13097 b 1 = 0. 26559 b 2 = -0.19966 b 3 = 7.2522 × 10 -2 b 4 = -9.2687 × 10 -3 b 5 = -2.3741 × 10 -3 b 6 = 1.1878 × 10 -3 b 7 = -2.1075 × 10 -4 b 8 = 1.8161 × 10 -5 b 9 = -6.3325 × 10 -7 range 3 2.8 ≦ r ≦ 5.0 (unit: mm) t ( r) = 0.011 ... (6) It should be noted, shows so far た実施例においては、作動液13 In embodiments, the hydraulic fluid 13
aの圧力によって変形する透明弾性膜11に対向して設定されるガラス平面基板14は変形しないものとして説明したが、このガラス平面基板14の一部を作動液13 Glass planar substrate 14 which is set to face the transparent elastic film 11 is deformed by the pressure of a has been described as being non-deformable hydraulic fluid 13 to a portion of the glass planar substrate 14
aの圧力によって変形するような薄い膜構造にすることもできる。 It can also be a thin film structure as deformed by the pressure of a. 【0042】図6は上記膜厚分布の設定された透明弾性膜11を用いて構成した可変焦点レンズの解像力を示すものである。 [0042] FIG. 6 shows the resolution of the variable-focus lens constructed by using the set transparent elastic film 11 of the film thickness distribution. この解像力は1mmの間に描かれた白黒のラインペアが何組まで解像できるかによって示してある。 The resolution is illustrated by one can be resolved until several sets black and white line pairs drawn between 1 mm. 【0043】すなわち、図6中において同一の焦点距離であれば、空間周波数の値が大きいほど、レンズは収差が少なく解像度が高いことを示している。 [0043] That is, if the same focal length in a 6, the larger the value of the spatial frequency, the lens indicates that there is a strong aberration less resolution. この図6によると、特に焦点距離を200mmから600mmまで変化させた場合では、図示破線で示した均一膜厚(11μ According to FIG. 6, especially in the case of changing the focal length from 200mm to 600mm, the uniform thickness as shown in the illustrated dashed line (11Myu
m)の従来例と比較して、収差が小さくなり解像力が大きく向上している。 Compared with the conventional example of m), resolution aberration is small is improved greatly. 【0044】また、実測上では、透明弾性膜11の膜厚分布を、式(4)、(5)、および(6)に示した膜厚から全体に3μm薄くした場合においても、ほぼ図6に示すような光学特性が得られている。 [0044] Further, on the actual measurement, the film thickness distribution of the transparent elastic film 11, the formula (4), (5), and even when the thin 3μm throughout the film thickness shown in (6), approximately 6 optical characteristics are obtained as shown in. 【0045】それに対して、全体に膜厚を厚くした場合では光学特性は悪化し、膜厚分布を持たない透明弾性膜を使用した場合に対して、光学特性を改善できる焦点可変範囲が500mm以下と狭くなり、設計点250mm [0045] In contrast, the optical properties were deteriorated in case of increasing the thickness to the whole, for the case of using a transparent elastic film having no film thickness distribution, a variable focus range that can improve the optical properties 500mm or less narrows, design point 250mm and
での解像力も11cycle/mm程度に下がってしまう。 Resolution also would dropped to about 11cycle / mm in. 【0046】そして、以上のような透明弾性膜11の膜厚分布加工後の膜厚は、図7に示すように公知のレーザー共焦点顕微鏡を用いて計測することができる。 [0046] Then, the film thickness after the film thickness distribution processing of the transparent elastic film 11 as described above can be measured using a known laser confocal microscope, as shown in FIG. すなわち、図7のように加工後の透明弾性膜11の表面および裏面のそれぞれにレーザー共焦点顕微鏡50の焦点が合った時の顕微鏡対物レンズ51の高さをそれぞれh1, That is, the height of the microscope objective lens 51 when the focal point of the laser confocal microscope 50 is suitable for each of the front and back surfaces of the transparent elastic film 11 after processing each h1 as shown in FIG. 7,
h2とし、透明弾性膜11のレーザー光52に対する屈折率をnとすると、透明弾性膜11の膜厚tは以下に示す式(7)にしたがって算出される。 And h2, the refractive index and n with respect to the laser beam 52 in the transparent elastic film 11, the thickness t of the transparent elastic film 11 is calculated in accordance with Equation (7) shown below. 【0047】 t=n(h1−h2) …(7) よって、透明弾性膜全面にわたってレーザー共焦点顕微鏡にて走査することにより、透明弾性膜全体の膜厚分布を正確に計測することができる。 [0047] t = n (h1-h2) ... (7) Therefore, by scanning using a laser confocal microscope over the transparent elastic film over the entire surface, it is possible to accurately measure the film thickness distribution of the entire transparent elastic film. 【0048】 【発明の効果】従って、以上詳述したように、本発明によれば、少なくとも一面側が透明弾性膜によって構成された圧力室内に作動液を封入して、透明弾性膜に作用する作動液による圧力によって透明弾性膜を変形させて、 [0048] [Effect of the Invention] Accordingly, as described in detail above, operation according to the present invention, the encapsulating hydraulic fluid in the pressure chamber constituted at least one surface side of a transparent elastic film, acting on the transparent elastic film by deforming the transparent elastic membrane by pressure by the liquid,
焦点距離が可変制御されるようにした場合、透明弾性膜の変形形状がレンズ収差の発生が小さくなるように最適化されると共に、圧力室内の作動液の圧力を透明弾性膜に形成された圧力センサで計測し、その値を基に作動液の圧力を調整することにより、作動液の熱膨張及び収縮等による焦点距離の変動も抑制することができるようにした可変焦点レンズを提供することが可能となる。 If the focal distance is to be variably controlled, with the deformed shape of the transparent elastic film is optimized so that the occurrence of lens aberration is reduced, the pressure of the hydraulic fluid in the pressure chamber formed in the transparent elastic membrane pressure measured by the sensor, by adjusting the pressure of the hydraulic fluid based on the value, to provide a variable focus lens to be able to also suppress variation in the focal length due to thermal expansion and contraction of the working fluid It can become.

【図面の簡単な説明】 【図1】この発明の一実施例に係る可変焦点レンズを示すもので、(a)は平面図、(b)は断面構成図。 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [Figure 1] shows the variable focus lens according to an embodiment of the present invention, (a) shows the plan view, (b) sectional view. 【図2】圧力測定及び制御系の回路構成図。 [2] Pressure circuit diagram of a measurement and control system. 【図3】上記レンズを構成する透明弾性膜の変形形状を説明する図。 Figure 3 is a diagram illustrating a deformed shape of the transparent elastic film constituting the lens. 【図4】透明弾性膜の最適膜厚分布の計算プロセスを説明する図。 Diagram for explaining the calculation process of the optimum film thickness distribution of FIG. 4 transparent elastic film. 【図5】上記計算プロセスで導出された膜厚分布を説明するための図。 5 is a diagram for explaining a film thickness distribution derived by the calculation process. 【図6】膜厚分布の設定された透明弾性膜を用いて構成した可変焦点レンズの解像力を説明するための図。 6 is a diagram for explaining the resolution of the variable-focus lens constructed by using the set transparent elastic film having a film thickness distribution. 【図7】透明弾性膜の膜厚分布を計測する方法を説明する図。 7 is a diagram illustrating a method of measuring the film thickness distribution of the transparent elastic film. 【符号の説明】 11…透明弾性膜、111…有効部、112…非球面部、12,15b…スペーサ、13…圧力室、13a… [DESCRIPTION OF REFERENCE NUMERALS] 11 ... transparent elastic film, 111 ... effective section, 112 ... non-spherical portion, 12,15B ... spacer 13 ... pressure chamber, 13a ...
作動液、14…ガラス平面基板、15…加圧部、15a Hydraulic fluid, 14 ... glass flat substrate, 15 ... pressing portion, 15a
…予備室、151…加圧用弾性膜、152…アクチュエータ、16,15c…流路、171,173…圧力センサ、172,174…温度センサ。 ... preliminary chamber, 151 ... pressing elastic film, 152 ... actuator, 16,15C ... flow path, 171 and 173 ... pressure sensor, 172, 174 ... temperature sensor.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−258502(JP,A) 特開 平5−88004(JP,A) 特開 平1−302301(JP,A) 特開 平1−304417(JP,A) 特開 昭57−158802(JP,A) 特開 昭60−6901(JP,A) 特開 昭60−6902(JP,A) 特開 平2−166401(JP,A) 特開 平3−264901(JP,A) 特開 平5−2104(JP,A) 特開 平7−13001(JP,A) 特開 平7−49404(JP,A) 実開 昭55−48183(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl. 7 ,DB名) G02B 3/14 G02B 26/08 ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (56) reference Patent flat 6-258502 (JP, a) JP flat 5-88004 (JP, a) JP flat 1-302301 (JP, a) JP flat 1- 304417 (JP, A) JP Akira 57-158802 (JP, A) JP Akira 60-6901 (JP, A) JP Akira 60-6902 (JP, A) Patent Rights 2-166401 (JP, A) Patent Rights 3-264901 (JP, A) Patent Rights 5-2104 (JP, A) Patent Rights 7-13001 (JP, A) Patent Rights 7-49404 (JP, A) JitsuHiraku Akira 55-48183 (JP, U) (58) investigated the field (Int.Cl. 7, DB name) G02B 3/14 G02B 26/08

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 所定の間隔が設定されて平行に配置され、その周辺部を封じてその相互間に圧力室が形成されるようにした少なくとも一方が弾性体によって構成される第1および第2の透明膜と、 この第1および第2の透明膜の相互間の前記圧力室内に封入されるもので、前記第1および第2の透明膜と同等の屈折率を有する作動液と、 前記弾性体によって構成される透明膜に作用する圧力が可変制御されるように、前記第1および第2の透明膜相互間の圧力室内に封入される前記作動液を制御する加圧手段と、 前記弾性体によって構成される透明膜に作用する圧力を計測し、目標圧力値となるように前記加圧手段を制御する圧力測定制御手段と、 前記第1および第2の透明膜相互間の圧力室内に封入される前記作動 (57) is arranged Claims 1. A parallel with predetermined intervals are set, at least one of the elastic body so as the pressure chamber is formed on the inter and seal the peripheral portion first and second transparent films composed of, the present invention is sealed in the pressure chamber, the equivalent refractive said first and second transparent film between each other the first and second transparent films a hydraulic fluid having a rate such that said pressure acting on the transparent film composed of an elastic body is variably controlled, the working fluid sealed in the pressure chamber between the first and second transparent film each other and pressurizing means for controlling the measuring pressure acting on the transparent film composed of an elastic body, and a pressure measurement control means for controlling the pressurizing means so that the target pressure value, said first and second said actuation sealed in the pressure chamber between the transparent film each other 液の温度による膨張、収縮が、前記第1および第2の透明膜に作用する圧力に変動を与えないようにするため、前記圧力測定制御手段による前記加圧手段の制御に応じて前記作動液を蓄積するために前記圧力室に連通して形成される予備室とを具備し、 前記弾性体によって構成された透明膜に、その中心部分とその周囲部分で曲率の相違する膜厚分布が設定され、 Expansion due to temperature of the liquid, shrinkage, in order to avoid giving the variation in the pressure acting on the first and second transparent films, wherein the hydraulic fluid in response to a control of the pressure means according to the pressure measuring control means ; and a preliminary chamber formed in communication with the pressure chamber in order to accumulate, the transparent film constituted by the elastic body, is different to the thickness distribution of the curvature of the central portion and its peripheral portion set It is,
    前記作動液の圧力によって前記弾性体によって構成された透明膜の変形により生ずるレンズとしての光学収差が補正されるようにしたことを特徴とする可変焦点レンズ。 Variable focus lens wherein the optical aberrations of the lens caused by deformation of the transparent film constituted by the elastic body by the pressure of the hydraulic fluid has to be corrected. 【請求項2】 前記弾性体によって構成された透明膜の膜厚分布は、前記作動液による圧力が作用した場合の前記弾性体によって構成された透明膜の変形において、その中心部で球面が形成され、その周辺部では非球面が形成されるようにした請求項1記載の可変焦点レンズ。 2. A film thickness distribution of the transparent film constituted by the elastic body, the deformation of the transparent film constituted by the elastic member when the pressure by the hydraulic fluid is applied, spherical with its center formed is, variable focus lens according to claim 1 wherein as aspherical surface is formed at the periphery thereof. 【請求項3】 前記弾性体によって構成された透明膜には、その膜厚分布が幾何学的非線形性を考慮した応力解析に基づいて導出され、前記作動液による圧力が作用した場合の変形において曲率が小さくなり、可変焦点レンズとしての焦点距離が短くなる範囲において、光学収差が補正されるようにしたことを特徴とする請求項2記載の可変焦点レンズ。 To 3. A transparent film constituted by the elastic member in its film thickness distribution is derived on the basis of the stress analysis using geometrical nonlinearity deformation when the pressure by the hydraulic fluid is applied curvature decreases, the focal length becomes shorter range as a variable focus lens, a variable focus lens according to claim 2, wherein the optical aberration is to be corrected. 【請求項4】 前記加圧手段は前記予備室を形成するために周辺部が封じられた加圧用弾性膜に形成した圧電素子によるユニモルフ機構として構成されることを特徴とする請求項1乃至3に記載の可変焦点レンズ。 4. The method of claim 1 or 3 wherein the pressurizing means is characterized in that it is configured as a unimorph mechanism by the piezoelectric element formed pressurization elastic membrane peripheral portion is sealed to form the preliminary chamber variable focus lens according to. 【請求項5】 前記圧力測定制御手段は、 前記弾性体によって構成される透明膜に形成される一対の圧力測定用歪ゲージと、 この一対の圧力測定用歪ゲージに近接して形成される一対の温度補償用歪ゲージと、 これら各一対の圧力測定用歪ゲージ及び温度補償用歪ゲージで構成されるホイートストーンブリッジ回路からの出力と前記目標圧力値の指令信号とに基いて前記圧電素子によるユニモルフ機構を駆動する駆動手段とを含んでなることを特徴とする請求項4に記載の可変焦点レンズ。 Wherein said pressure measuring control means, the pair formed proximate a pair of pressure measuring strain gauges are formed on a transparent film composed of the elastic body, the pair of pressure measuring strain gauges a temperature compensation strain gauges, the piezoelectric element on the basis of the command signal of the target pressure value and the output from the Wheatstone bridge circuit constituted by these pairs of pressure measuring strain gauges and the temperature compensation strain gauges variable focus lens according to claim 4, characterized in that it comprises a driving means for driving the unimorph mechanism by.
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