JP4144079B2

JP4144079B2 - 可変焦点レンズ

Info

Publication number: JP4144079B2
Application number: JP25162698A
Authority: JP
Inventors: 伸章川原; 金子　　卓
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2018-09-04
Also published as: JP2000081504A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズの焦点距離を可変制御できる可変焦点レンズに関するもので、当該可変焦点レンズは、顕微鏡、顕微鏡カメラ装置、その他医療用、工業用のカテーテル、プルーブの先端に装備される光学レンズ等、広い分野に応用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微小な物体を観察するために、光学式顕微鏡や、拡大光学機構を備えた顕微鏡カメラが多く使用されている。これらの光学式顕微鏡や顕微鏡カメラは、倍率が大きくなるほど被写体深度が浅くなるため、近年研究が盛んになってきているマイクロマシンにおける微小で、かつ、立体的な部品の組立や観察は困難である。特開平９−２３０２５２号公報には、これに対処すべきカメラ装置が提案されている。
【０００３】
当該カメラ装置は、対物レンズの物体側の焦点面の高速振動により生ずる残像現象を利用して被写体深度を大幅に拡大すべく機能するもので、この対物レンズは、外力により変形するレンズ部と、その回りに配置された複数のアクチュエータ部とからなる可変焦点レンズとして構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した可変焦点レンズにおいては、アクチュエータ部の構成が複雑であり、また、レンズ部に付与する外力を大きくするため、レンズ部に対してアクチュエータ部を複数配設する手段が採られている。このため、アクチュエータ部自体を小型化することが困難であるとともに、可変焦点レンズを小型化することが困難である。また、可変焦点レンズのレンズ部を構成する弾性膜に圧電素子を接合してなる単純な構造も提案されているが、レンズ部を高速で振動させるための大きい作用力を発生させ得ないおそれがある。さらにまた、レンズ部を構成する弾性膜としては、付与される外力に対する変形の応答性を鋭敏にすべく、極めて薄いガラスダイヤフラム等の強度の低い弾性薄膜が採用されるため、衝撃等の外力に対する破損の問題がある。従って、本発明の目的は、これらの問題に対処することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る可変焦点レンズにおいては、外力による形状変化により焦点距離が変化するレンズ部と、該レンズ部の一面側に沿って位置して該レンズ部に形状変化させるための外力を付与するリング状で平板状のアクチュエータ部を備えた構成としており、可変焦点レンズの厚みを大幅に縮小している。
【０００６】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいては、前記アクチュエータ部における内孔を前記レンズ部に対する光路として能動光学デバイスを構成しており、能動光学デバイスの光路を容易に確保して簡単で、かつ、小型化している。
【０００７】
【発明の作用・効果】
このように、本発明に係る可変焦点レンズによれば、その厚みを大幅に縮小して小型化を図るとともに、レンズ部に対する光路を容易に確保し得て構造簡単で小型化を図ることができるが、アクチュエータ部をレンズ部の表裏両面側にそれぞれ配置するように構成すれば、レンズ部の曲率半径の変化を増大することができて、焦点距離の可変できる範囲を拡大することができる。
【０００８】
本発明に係る可変焦点レンズにおいて、前記アクチュエータ部を、リング状の弾性板と、電極を有するリング状の圧電薄板からなる圧電ユニモルフまたは圧電バイモルフとすれば、アクチュエータ部の制御に対する応答性を高めることができる。この場合、レンズ部とその表裏両面側に位置する各アクチュエータ部とを、筒状の外側連結部材により外周部にて一体的に連結する構成を採れば、各アクチュエータ部で発生する作動力をレンズ部へ効率よく伝達することができるとともに、構成上部品点数を削減することができ、かつ、部品点数の削減に起因してプロセスの簡便化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいては、前記レンズ部を、２枚の透明なダイヤフラムと、これら各ダイヤフラムが表裏各面側に接合されてこれら各ダイヤフラムとともに空間部を形成するリングと、該空間部に封入された透明な動作流体とにより構成することができる。この場合、各アクチュエータ部をレンズ部の各ダイヤフラムの表面に密接させるように構成すれば、各アクチュエータ部で発生する作動力をレンズ部へ効率よく伝達することができ、かつ、各アクチュエータ部がレンズ部を保護して外部からの衝撃等に対する強度を高めることができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明すると、図１および図２には、本発明の一例に係る可変焦点レンズを使用した能動光学デバイスが示されている。当該能動光学デバイスは、レンズ部１０と、一対のアクチュエータ部２０とにより構成されている。
【００１１】
レンズ部１０は、図３（模式図）に示すように、ガラス製の円形リング１１、円形リング１１の表裏各面に接合されたガラス製のダイヤフラム１２，１３、およびシリコーンオイル等の透明な動作流体１４からなるもので、動作流体１４は、円形リング１１と両ダイヤフラム１２，１３にて形成されている空間部に封入されている。
【００１２】
本実施例においては、円形リング１１は外径１５ｍｍ、内径１３ｍｍ、厚み２ｍｍのほう珪酸ガラスからなるリングで、内外に貫通する２個の貫通穴を備えている。一方の貫通穴は、動作流体を空間部に注入する注入穴として使用され、かつ、他方の貫通穴は、動作流体を空間部に注入する際の空間部内の空気を排出する排出穴として使用されるもので、両貫通穴は動作流体の空間部への注入後密閉される。また、各ダイヤフラム１２，１３は、直径１５ｍｍ、厚み５０μｍの珪酸ガラスからなる弾性膜である。なお、各ダイヤフラム１２，１３の一方または両方を、中央部に透明窓を有するステンレス等の弾性膜にて形成することもできる。
【００１３】
アクチュエータ部２０はリング状の圧電バイモルフであり、図４に示すように、リング状の弾性金属板２１と、弾性金属板２１の表裏両面に接合されたリング状で平板状の一対の圧電素子２２，２３からなるもので、各圧電素子２２，２３はペロブスカイト型構造のジルコン酸鉛とチタン酸鉛の固溶体Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃にて形成されている。各圧電素子２２，２３は、表裏両面に銀電極が印刷されていて、導電性接着剤を介して弾性金属板２１にそれぞれ接合されている。
【００１４】
アクチュエータ部２０において、両圧電素子２２，２３は弾性金属板２１を介して積層状態にあるが、積層方向に対して同一の分極方向になるように積層されている。このため、両圧電素子２２，２３は、電圧印加時、両圧電素子２２，２３には逆向きの電圧が印加されて、両圧電素子２２，２３の一方が径方向に収縮するとともに他方が径方向に膨張して変形する。
【００１５】
各アクチュエータ部２０は、レンズ部１０の表裏各面側にそれぞれ配置されていて、レンズ部１０を挟持した状態で、パイプ状の外側連結部材２４にて互いに連結されており、各アクチュエータ部２０の内周縁に設けたリング状の内側連結部材２５がレンズ部１０を構成する各ダイヤフラム１２，１３当接して接合している。これにより、各アクチュエータ部２０に設けた内側連結部材２５は、レンズ部１０に対する光路を形成している。
【００１６】
図２は、当該能動光学デバイスの動作状態を模式的に示すもので、各アクチュエータ部２０に対する電圧印加により、各アクチュエータ部２０は印加される電圧の大小に応じて変形し、レンズ部１０を構成する各ダイヤフラム１２，１３を押圧および引張して、動作流体１４を加減圧する。これにより、各ダイヤフラム１２，１３の曲率が同図の（ａ），（ｂ），（ｃ）のごとく変化して、レンズ部１０における曲率半径を変化させて、レンズの焦点距離を可変とする。
【００１７】
このように、当該能動光学デバイスにおいては、レンズ部１０の表裏両面側に配置した両アクチュエータ部２０によりレンズ部１０の両ダイヤフラム１２，１３の曲率を変化させるものであるから、アクチュエータ部２０をレンズ部１０の片側に配置する場合に比較して焦点距離の最大変化量を倍にすることができて、焦点距離の可変範囲を拡大することができる。また、ダイヤフラム１２，１３に膜圧分布を形成することにより、ダイヤフラム１２，１３の変形形状を制御することが可能であり、当該能動光学デバイスの光学特性を向上させることができる。
【００１８】
ところで、当該能動光学デバイスにおいては、外力による形状変化により焦点距離が変化するレンズ部１０と、レンズ部１０の一面側に沿って位置してレンズ部１０に形状変化させるための外力を付与するリング状で平板状のアクチュエータ部２０を備えた構成としているため、能動光学デバイス全体の厚みを大幅に縮小することができ、また、アクチュエータ部２０における内孔をレンズ部１０に対する光路として使用するため、能動光学デバイスの光路を容易に確保し得て、能動光学デバイス簡単な構成で小型化することができる。
【００１９】
また、当該能動光学デバイスにおいて、アクチュエータ部２０を、リング状の弾性金属板２１と、電極を有するリング状の圧電素子２２，２３からなる圧電バイモルフに構成しているため、アクチュエータ部２０の制御に対する応答性を高めることができる。この場合、レンズ部１０とその表裏両面側に位置する各アクチュエータ部２０を、パイプ状の外側連結部材２４により外周部にて一体的に連結しているため、各アクチュエータ部２０で発生する作動力（変形により発生）をレンズ部１０へ効率よく伝達することができるとともに、構成上部品点数を削減することができ、かつ、部品点数の削減に起因してプロセスの簡便化を図ることができる。
【００２０】
また、当該能動光学デバイスにおいては、レンズ部１０を、２枚の透明なダイヤフラム１２，１３と、各ダイヤフラム１２，１３が表裏各面側に接合されてこれら各ダイヤフラム１１２，１３とともに空間部を形成するリング１１と、該空間部に封入された透明な動作流体１４とにより構成して、各アクチュエータ部２０をレンズ部１０の各ダイヤフラム１２，１３の表面に密接させているため、各アクチュエータ部２０で発生する作動力をレンズ部１０へ効率よく伝達することができ、かつ、各アクチュエータ部２０がレンズ部１０を保護して外部からの衝撃等に対する強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係る可変焦点レンズを使用した能動光学デバイスを縦断した斜視図である。
【図２】同能動光学デバイスの動作説明図（ａ），（ｂ），（ｃ）である。
【図３】同能動光学デバイスを構成するレンズ部を縦断し分解した斜視図である。
【図４】同能動光学デバイスを構成するアクチュエータ部を縦断した斜視図である。
【符号の説明】
１０…レンズ部、１１…円形リング、１２，１３…ダイヤフラム、１４…動作流体、２０…アクチュエータ部、２１…弾性金属板、２２，２３…圧電素子、２４…外側連結部材、２５…内側連結部材。

Claims

外力による形状変化により焦点距離が変化するレンズ部と、該レンズ部の一面側に沿って位置して該レンズ部に形状変化させるための外力を付与するリング状で平板状のアクチュエータ部を備え、
前記アクチュエータ部は、前記レンズ部の表裏両面側にそれぞれ配置されており、
前記レンズ部と、該レンズ部の表裏両面側に位置する各アクチュエータ部とが、筒状の外側連結部材により外周部にて一体的に連結されている、
ことを特徴とする可変焦点レンズ。
前記アクチュエータ部における内孔が前記レンズ部に対する光路に形成されて能動光学デバイスを構成している請求項１に記載の可変焦点レンズ。
前記アクチュエータ部は、リング状の弾性板と、電極を有するリング状の圧電薄板からなる圧電ユニモルフまたは圧電バイモルフである請求項１または２に記載の可変焦点レンズ。
前記レンズ部は、２枚の透明なダイヤフラムと、これら各ダイヤフラムが表裏各面側に接合されてこれら各ダイヤフラムとともに空間部を形成するリングと、該空間部に封入された透明な動作流体とにより構成されている請求項１乃至３に記載の可変焦点レンズ。
前記各アクチュエータ部が前記レンズ部を構成する各ダイヤフラムの表面に密接している請求項４に記載の可変焦点レンズ。