JP5419005B2 - 可変焦点レンズ - Google Patents

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Description

本発明は、可変焦点レンズに関するものである。
近年、液体界面を屈折面とした可変焦点レンズ技術が登場し、注目を集めている。一般に、液体界面は、理想的には完全な球面の一部になるという性質がある。従来の可変焦点レンズでは、この性質を利用しつつ、球面の曲率を変化させることにより、精度のよい球面屈折面を形成している。例えば、下記非特許文献１〜３の技術は、液体の濡れ性を電気的に制御することによって、界面の曲率を制御している。このような可変焦点レンズは、特に光学系の小型化・省電力化を実現するためのキーデバイスとして開発されている。
また、可変焦点レンズでは、焦点距離制御を高速に行えるという利点もある。既存のほとんどの焦点距離制御手法は、光学系を構成するレンズ（群）位置を動かすことで実現されている。このため、焦点距離制御の高速化は難しかった。これに対して、可変焦点レンズでは、表面形状の微小な変化のみで焦点距離を大きく変えることが可能であるために、高速化が容易であると期待できる。しかしながら、液体の濡れ性を電気的に制御するという従来の方式は、その特性上、高速化の限界が低いと考えられている。
本発明者らは、焦点距離制御の高速化を目指して、ピエゾアクチュエータと、圧力伝播用の液体とを用いた可変焦点レンズを提案した（非特許文献4,5及び特許文献１）。この技術によれば、1kHz 以上の動作周波数で、焦点距離制御を行うことが可能である。
しかしながら、この可変焦点レンズは、レンズ表面のガラス薄板を変形させて屈折面を形成しているために、屈折面形状が非球面となり、大きな球面収差を生じるという問題があった。つまり、このレンズでは、十分な光学性能を得ることが難しいという問題があった。
そこで、本発明者らは、高い応答速度及び光学性能を持ちうるレンズとして、非特許文献６及び７記載の可変焦点レンズを提案した。このレンズの概要を図１に示す。
このレンズでは、二つの液体の間における界面の形状を、圧力により変化させることによって、可変焦点を実現する。
すなわち、このレンズでは、混ざらない２種類の液体１及び２が、金属容器３の内部に充填されている。これら二液の間における界面は、容器３に形成された円形のアパーチャー４に接するように配置される（図１（ａ）参照）。
アパーチャー４の断面形状は、図１に示されるように、略三角形状となるように加工されている。つまり、アパーチャー４の表面は、円錐面となるように加工されている。そして、二液間の界面は、アパーチャー４の先端に配置される。
積層型ピエゾアクチュエータ５を伸縮させると、その下部にある液体２の容積が変化する（図１（ｂ）参照）。これにより、液体１が液体２の方向に押し出され、二液間の界面形状が変化する（図１（ｂ）及び（ｃ）参照）。
この技術では、このようにして、屈折面の曲率を変更して、可変焦点レンズを実現することができる。理想的には、界面の形状は、常に球面となる。
国際公開WO2003/102636号公報 C. B. Gorman, H. A. Biebuyck, and G. M. Whitesides. Langmuir 11, 2242-2246 (1995) B. Berge, and J. Peseux. Eur. Phys. J. E 3, 159-163 (2000) S. Kuper, and B. H. W. Hendriks. Appl. Phys. Lett. 85, 1128-1130 (2004) 奥 寛雅，石川 正俊．光学 31, no. 10, 758-764 (2002) H. Oku, K. Hashimoto, and M. Ishikawa. Opt. Express 12, 2138-2149 (2004) H. Oku, and M. Ishikawa. Rapid Liquid Variable-Focus Lens with 2-ms Response, Proc. of the 19th Annual Meeting of the IEEE LEOS (2006) 奥寛雅，石川正俊：液体界面を屈折面とする高速可変焦点レンズの構造，日本光学会年次学術講演会・日本分光学会秋季講演会 Optics & Photonics Japan 2006 (東京，2006.11.9)／Post-Deadline 論文集, pp.10-11
ところで、前記した非特許文献６及び７に記載の技術では、アパーチャー４の表面を円錐面に形成するために、機械加工を用いている。機械加工は、得られる形状の自由度が高いという利点がある。
しかしながら、この従来の技術では、アパーチャー４を機械加工で形成しているために、その先端（内周縁）形状の加工誤差が大きくなりやすいという傾向がある。この部分の加工誤差が大きいと、界面で形成されるレンズの形状がいびつになり、レンズの解像度が悪くなるという問題がある。特に、機械加工の場合、先端形状が鋸歯状となってしまうことがあり、そうなると、レンズの解像度が大きく劣化するおそれがある。
本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、高い解像度を得ることが可能な可変焦点レンズを提供することである。
本発明は、下記のいずれかの項目に記載の構成を備えている。
（項目１）
収容部と、駆動部と、第１媒質と、第２媒質とを備えており、
前記収容部は、収容空間と、第１壁部と、第２壁部と、仕切部を備えており、
前記収容空間は、前記第１壁部と前記第２壁部との間に配置されており、
かつ、前記第１壁部と前記第２壁部とは、前記収容空間を挟んで対向するように配置されており、
前記第１壁部は、光を透過させる第１窓部を備えており、
前記第２壁部は、前記第１窓部を透過した光をさらに透過させる第２窓部を備えており、
前記仕切部は、前記収容空間を仕切ることで、第１空間と第２空間とを形成する構成となっており、
前記仕切部は、第１表面と、貫通孔とを備えており、
前記第１表面は、前記仕切部の表面における少なくとも一部を構成しており、
かつ、前記第１表面は、一つの仮想的な平坦面内に配置されており、
前記貫通孔は、前記第１表面を貫通し、かつ、前記仕切部を貫通するように形成されており、
前記貫通孔は、前記第１窓部を透過した光が前記第２窓部に向かう光路上に配置されており、
かつ、前記貫通孔は、前記第１窓部を透過した光を透過させる構成となっており、
前記貫通孔の開口端を構成する周縁部は、前記第１表面の端部に配置されており、
前記第１媒質と前記第２媒質とは、接触状態において互いに混合しない材質とされており、
かつ、前記第１媒質と前記第２媒質の屈折率は、互いに異なるものとされており、
前記第１媒質は、前記第１空間中に収容されており、
前記第２媒質は、前記第２空間中に収容されており、
前記第１媒質と前記第２媒質とは、互いに接触させられており、
前記第１媒質と前記第２媒質との間における界面の外周は、前記貫通孔における前記周縁部に位置しており、
前記駆動部は、前記第１媒質又は前記第２媒質の圧力又は体積を変動させることにより、前記界面の曲率を変化させる構成となっている
ことを特徴とする可変焦点レンズ。
この可変焦点レンズでは、平坦面である第１表面を貫通するように貫通孔を形成したので、貫通孔の周縁部の加工精度を高くすることができる。一方、第１媒質と第２媒質との間の界面（すなわちレンズ面）の外周部は、貫通孔の周縁部に捕捉される。このため、このレンズによれば、レンズ形状の精度を高くすることができ、その結果、レンズ解像度の向上を図ることができる。
（項目２）
前記第１媒質及び前記第２媒質は、いずれも液体である
ことを特徴とする項目１に記載の可変焦点レンズ。
媒質を液体とすることにより、駆動部２０から媒質に与えられた振動を素早く界面に伝えることができる。このため、この発明によれば、焦点距離調整における動作周波数を高くすることができる。
（項目３）
前記第１媒質の密度と、前記第２媒質の密度とは、実質的に等しい
ことを特徴とする項目２に記載の可変焦点レンズ。
両媒質の密度を実質的に等しくすることにより、媒質に作用する重力の向きが変化しても、界面の形状が変わらない。このため、レンズを移動させても、焦点距離を一定に保つことができる。
（項目４）
前記駆動部は、前記第１媒質と前記第２媒質に対して直接又は間接に振動を加えるピエゾ素子を用いて構成されている
ことを特徴とする、項目１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
ピエゾ素子は、高速で動作することができるので、この発明によれば、焦点距離調整における動作周波数を高くすることができる。
（項目５）
前記ピエゾ素子自体の位置を調整するための調整ステージをさらに備えた
ことを特徴とする項目４に記載の可変焦点レンズ。
調整ステージを設けることにより、ピエゾ素子と媒体との位置関係を調整することができる。これにより、媒体間における界面のおおよその位置を決定することができる。
（項目６）
前記仕切部は、基板とマスク部とを備えており、
前記マスク部は、前記基板の表面上に配置されており、
前記貫通孔は、フォトリソグラフィを用いて、前記基板と前記マスク部とを貫通するように形成されており、
前記第１表面は、前記マスク部の表面によって構成されている
ことを特徴とする項目１〜５のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
マスク部の表面によって貫通孔の周縁部を形成することにより、周縁部の加工精度を更に高めることができる。
（項目７）
前記貫通孔は、前記仕切部の表面を平坦面に加工することによって前記第１表面を形成した後、前記第１表面に穴開け加工を行うことによって形成されたものである
ことを特徴とする項目１〜５のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
仕切部の表面を平坦面に加工する作業においては、高い加工精度を得る技術が確立している。そのような技術を用いることにより、第１表面の平坦度を高めることができる。その後に貫通孔を形成することによって、貫通孔の周縁部の加工精度を高めることができ、レンズの解像度を向上させることができる。
（項目８）
前記仕切部は、基板と薄膜部とを備えており、
前記貫通孔は、前記基板と前記薄膜部とを貫通するように形成されており、
前記第１表面は、前記薄膜部の表面により構成されており、
前記貫通孔に面する前記薄膜部の周縁部は、前記基板よりも、前記貫通孔の内側方向に突出するように形成されている
ことを特徴とする項目２に記載の可変焦点レンズ。
薄膜部の周縁部を貫通孔の内側に突出させることによって、界面の曲率半径が変動できる範囲を広げることができる。
（項目９）
前記第１媒質又は前記第２媒質には、負の熱膨張率を持つ物質が混合されている
ことを特徴とする項目１〜８のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
負の熱膨張率を持つ物質を媒質に混合することにより、温度変化があっても、焦点距離の変動を小さく抑えることができる。
（項目１０）
さらに第３媒質を備えており、
前記第３媒質は、前記第１媒質及び前記第２媒質のうちの一方と前記駆動部との間に配置されており、
前記駆動部は、前記第３媒質を介して、前記一方の媒質に振動を加える構成となっており、
かつ、前記第３媒質は、前記一方の媒質よりも低い圧縮率を有している
ことを特徴とする項目１〜９のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
本発明のように構成することにより、焦点距離の調整における動作周波数を高めることが可能になる。
（項目１１）
さらに第３媒質を備えており、
前記第３媒質は、前記第１媒質及び前記第２媒質のうちの一方と前記駆動部との間に配置されており、
前記駆動部は、前記第３媒質を介して、前記一方の媒質に振動を加える構成となっており、
かつ、前記第３媒質は、前記一方の媒質よりも低い熱膨張率を有している
ことを特徴とする項目１〜９のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
本発明のように構成することにより、温度変化に起因する焦点距離の変動を小さく抑えることが可能になる。
（項目１２）
項目１に記載の可変焦点レンズの製造方法であって、以下を含む：
（１）前記仕切部における前記第１表面を平坦面に加工するステップ；
（２）その後に、前記第１表面に前記貫通孔を形成することにより、前記周縁部を形成するステップ。
仕切部の表面を平坦面に加工する作業においては、高い加工精度を得る技術が確立している。そのような技術を用いることにより、第１表面の平坦度を高めることができる。その後に貫通孔を形成することによって、貫通孔の周縁部の加工精度を高めることができ、レンズの解像度を向上させることができる。
（項目１３）
項目１に記載の可変焦点レンズの製造方法であって、前記第１媒質及び前記第２媒質は流動体とされており、かつ、この製造方法は、以下を含む：
（１）前記前記第１空間に前記第１媒質を充填するステップ；
（２）前記第１媒質で反射される光学像を、前記貫通孔を介して視認するステップ；
（３）前記光学像の倍率が変更されたときに、前記第１媒質の充填を停止し、その後、前記第２媒質を充填するステップ。
貫通孔を微少に形成した場合には、界面を視認することが難しい。しかしながら、この発明によれば、項目１３のようにして第１媒質を充填することによって、界面の外周部を、貫通孔の周縁部に正確に一致させることができる。
（項目１４）
項目１〜１１のいずれか１項に記載された可変焦点レンズを備えた撮像装置。
ここで、撮像装置とは、例えばカメラである。撮像装置は、可変焦点レンズで得られた像を解析する画像処理チップを備えることができる。また、そのようなチップは、画像解析の結果に基づいて、レンズの焦点距離を調整するための指令を生成することも可能である。
（項目１５）
項目１〜１１のいずれか１項に記載された可変焦点レンズを備えた投射装置。
投射装置とは、例えばプロジェクタである。すなわち、本発明の可変焦点レンズは、撮像光学系だけでなく、投射光学系において用いることもできる。
（項目１６）
項目１〜１１のいずれか１項に記載された可変焦点レンズを用いた、全焦点画像の生成方法であって、以下のステップを備える：
（１）前記駆動部を動作させることによって、焦点位置を変えながら、複数の画像を取得するステップ；
（２）前記複数の画像を用いて、全焦点画像を生成するステップ。
焦点位置を変えながら画像を取得することにより、各画像における焦点位置を異ならせることができる。つまり、合焦されている位置が、取得された各画像において異なることになる。このような複数の画像を用いることにより、合成された全焦点画像を得ることができる。また、本発明に係る可変焦点レンズでは、焦点位置の変更を高速に行うことが可能なので、全焦点画像を高速で生成することが可能になる。
本発明によれば、高い解像度を得ることが可能な可変焦点レンズを提供することができる。
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズを、図２及び図３に基づいて説明する。
この可変焦点レンズ７は、収容部１０と、駆動部２０と、第１媒質３０と、第２媒質４０と、制御部５０と、駆動ステージ６０とを備えている。
収容部１０は、収容空間１１と、第１壁部１２と、第２壁部１３と、仕切部１４を備えている。
収容空間１１は、第１壁部１２と第２壁部１３との間に配置されている。さらに、第１壁部１２と第２壁部１３とは、収容空間１１を挟んで対向するように配置されている。
第１壁部１２は、光を透過させる第１窓部１２１を備えている。第２壁部１３は、第１窓部１２１を透過した光をさらに透過させる第２窓部１３１を備えている。第１窓部１２１及び第２窓部１３１は、例えば、第１壁部１２及び第２壁部１３に貫通孔を形成した後、この部分に透明なガラスをはめ込むことにより構成することができる。
仕切部１４は、収容空間１１を仕切ることで、第１空間１１１と第２空間１１２とを形成する構成となっている。
仕切部１４は、この実施形態では、平板状に構成されている。仕切部１４は、第１表面１４１と、貫通孔１４２とを備えている。この実施形態では、仕切部１４の上面（図２参照）が第１表面１４１を構成している。これにより、第１表面１４１は、仕切部１４の表面における少なくとも一部を構成するものとなっている。
第１表面１４１は、一つの仮想的な平坦面内に配置されている。すなわち、第１表面１４１は、一つの仮想的な平坦面の一部をなす形状となっている。図２では、第１表面１４１が、仕切部１４の上面総てと一致している。しかしながら、後述するように、第１表面１４１は、貫通孔１４２の周囲のみに存在すればよく、その面積はごく微少であっても良い。
貫通孔１４２は、第１表面１４１を貫通し、かつ、仕切部１４を貫通するように形成されている。貫通孔１４２は、横断面において円形となる円筒形状に形成されている。貫通孔１４２の大きさは、用途に応じて適宜に設定できる。本実施形態では、貫通孔１４２として、直径３．０００±０．０００１ｍｍ程度の大きさ及び加工誤差を想定しているが、これはあくまで一例である。また、貫通孔１４２をアレイ状に多数形成することも可能であるが、本実施形態では一つの貫通孔１４２について説明する。
貫通孔１４２は、第１窓部１２１を透過した光が第２窓部１３１に向かう光路上に配置されている（図２参照）。貫通孔１４２は、第１窓部１２１を透過した光を透過させる構成となっている。
貫通孔１４２の開口端を構成する周縁部１４２１は、第１表面１４１の端部に配置されている。具体的には、この実施形態においては、周縁部１４２１は、第１表面１４１と、貫通孔１４２の内周面との交線によって構成されている。周縁部１４２１の形状は、一般的には真円であることが好ましいが、必要となるレンズの形状に応じて、例えば楕円形とすることも原理的には可能である。
第１媒質３０と第２媒質４０とは、接触状態において互いに混合しない材質とされている。第１媒質３０と第２媒質４０の屈折率は、互いに異なるものとされている。このような媒質の組み合わせは、適宜選択しうるが、例えば、ＰＤＭＳ（Poly-Dimethyl-Siloxane）と純水の組み合わせを用いることができる。屈折率はそれぞれ1.40と1.33 である。どちらを第１媒質３０としてもよい。
この明細書の説明では、特に説明がない限り、第１媒質３０の屈折率（ｎ１）よりも第２媒質４０の屈折率（ｎ２）が小さい（つまりｎ１＞ｎ２である）と仮定する。ただし、屈折率の大小関係を、これとは逆にすることは可能である。
この例では、第１媒質３０及び第２媒質４０として液体が用いられている。ただし、これらの媒質としては、液体以外に、ゾル状、ゲル状、弾性体などの状態であることも可能である。要するに、媒質としては、駆動部２０から受けた押圧力の変化を、両媒質間の界面に作用させて、この界面の形状を変化させることができるものであればよい。
第１媒質３０は、第１空間１１１中に収容されている。同様に、第２媒質４０は、第２空間１１２中に収容されている。もちろん、第２媒質４０を第１空間１１１に収容することも可能であるが、説明の便宜上、本明細書では、第１空間１１１に収容される媒質を第１媒質と名付けている。
収容空間１１に収容された状態においては、第１媒質３０と第２媒質４０とは、互いに接触させられている。この接触状態における、第１媒質３０と第２媒質４０との間における界面７０の外周は、貫通孔１４２における周縁部１４２１に位置している（図３参照）。
また、第１媒質３０の密度と、第２媒質４０の密度とは、実質的に等しいものとされている。
駆動部２０は、第１媒質３０又は第２媒質４０の圧力又は体積を変動させることにより、界面７０の曲率を変化させる構成となっている。
この実施形態では、駆動部２０は、積層構造のピエゾ素子２１を主体として構成されている。ピエゾ素子は、印加電圧に応じて形状を変化させる圧電素子である。交流電圧を印加することにより、ピエゾ素子の形状を周期的に伸縮させることができる。このような駆動部２０の構成は、前記した非特許文献６及び７に示されているものと基本的に同様でよいので、詳しい説明は省略する。
また、この実施形態では、駆動部２０は、第１媒質３０に対して、周期的な圧力変動を加える構成となっている。もちろん、第２媒質４０に対して圧力変動を加える構成とすることも可能である。
制御部５０は、駆動信号を駆動部２０に送ることによって、駆動部２０の動作を制御する構成となっている。制御部５０における駆動信号は、予め入力されたデータに従って生成されても良いし、レンズにより得られた像の解析に基づいて動的に生成されても良い。
駆動ステージ６０は、第１媒質３０に対する駆動部２０の位置あるいは姿勢を調整するための機構である。このような駆動ステージ６０は、例えば、駆動部２０を固定するテーブルと、このテーブルを３次元方向に位置決めできるアクチュエータ（いずれも図示せず）によって容易に構成することができるので、詳しい説明は省略する。
（本実施形態の可変焦点レンズの製造方法）
次に、本実施形態に係る可変焦点レンズ７を製造する方法の概要を、図４に示すフローチャートに基づいて説明する。
（ステップＳＡ−１）
まず、平板状の仕切部１４を用意する。ついで、この仕切部１４の表面を平坦面に加工する。表面の平坦度は、高い方が好ましい。平坦度を上げる方法としては、例えば、半導体基板を製造する際に用いられるポリッシング加工がある。つまり、平坦度を上げる方法は、半導体製造プロセスなどの技術において確立されているので、それを用いれば、比較的に容易に、高い平坦度を達成することができる。
本実施形態では、このように形成された平坦面を、仕切部１４における第１表面１４１とすることができる。
本実施形態では、第１表面１４１を平坦面としたので、高い加工精度（つまり高い平坦度）の第１表面１４１を、比較的容易に得ることができる。
（ステップＳＡ−２）
ついで、仕切部１４に対して穴開けを行い、貫通孔１４２を形成する。穴開けの具体的方法としては、例えばフォトリソグラフィを用いたエッチング加工がある。この加工方法の一例を以下に示す。
この方法では、まず、基板（例えばSi基板）の表面に、マスク部（例えばSiO2膜）を形成する（図示せず）。ついで、マスク部の表面にフォトレジスト（感光剤）を塗布した後、フォトレジストを所定のパターンで感光させる。その後、感光したフォトレジスト（あるいは逆に感光していないフォトレジスト）を除去する。その後、フォトレジストに転写されたパターンに基づいて、マスク部をエッチングで除去する。さらに、マスク部が除去された部分における基板をエッチングで除去する。このようにして、貫通孔１４２を形成することができる。
本実施形態では、仕切部１４に対して第１表面１４１を形成し、これを貫通するように、貫通孔１４２を形成する。このため、この技術では、貫通孔１４２を形成するために、フォトリソグラフィのような、高い加工精度を得られる技術を適用することができる。
すなわち、本実施形態によれば、貫通孔１４２の加工精度をきわめて高くすることができる。
従来の技術（非特許文献６及び７）に記載のものでは、既に述べたように、貫通孔の周縁部近傍が傾斜面（円錐面）となっている。このため、従来の技術では、フォトリソグラフィのようなＭＥＭＳ技術を用いて貫通孔を形成することが難しく、貫通孔周縁部の加工精度が低くなりやすいという問題があった。貫通孔の周縁部の形状における寸法誤差は、得られるレンズ面の精度に影響するため、従来のレンズでは、解像度の向上が困難であった。
これに対して、本実施形態の技術では、仕切部１４に平坦な第１表面１４１を形成し、これを貫通するように貫通孔１４２を形成したので、貫通孔１４２の加工精度を高くすることができる。このため、この技術では、貫通孔１４２の周縁部１４２１の寸法精度を高くすることが容易になる。
よって、本実施形態の可変焦点レンズ７によれば、界面７０によって形成されるレンズ面を精度良く形成することができる。このため、この可変焦点レンズ７によれば、レンズの解像度を向上させることができるという利点がある。
なお、以上において説明した動作に鑑みると、第１表面１４１は、周縁部１４２１を構成することに寄与していればよい。つまり、第１表面１４１は、周縁部１４２１の構成に寄与しない部分においては、平坦でない形状に加工されても良い。例えば、第１表面１４１を平坦に加工した後、他の形状に加工することも可能である。また、第１表面１４１の上に他の部材を積層することも可能である。
（ステップＳＡ−３）
ついで、仕切部１４を、収容部１０における収容区間１１に取り付け（図２参照）、これによって、第１空間１１１と第２空間１１２とを形成する。
その後、まず、第１空間１１１に、第１媒質３０を充填する。すると、第１媒質３０の液面が徐々に上昇し、貫通孔１４２の内側に達する。貫通孔１４２の内側においても、液面はさらに上昇して、周縁部１４２１に達する。
作業者は、液面が上昇する間、特に、貫通孔１４２の内側に達した後は、第１媒質３０の液面で反射される光学像を観察する。
（ステップＳＡ−３）
そして、第１媒質３０の液面で反射される光学像の倍率が大きく変化した時点で、液面が周縁部１４２１に到達したと判断する。その時点で、第１媒質３０の充填を停止する。
一般に、第１媒質３０が貫通孔１４２の内側において上昇する場合、その液面の形状は、貫通孔内周面と第１媒質３０とで決定される接触角によって規定される。このため、基本的には、液面での反射により観察される光学像は変化しない。
しかし、一旦、液面が周縁部１４２１に達すると、液面外周の位置は、周縁部１４２１に固定される。この状態で液面が上昇すると、液面の曲率が大きく変化する。例えば、凹面状であった液面が、凸面状に変化する。すると、液面における反射像の倍率が大きく変化し、観察者に視認される。もちろん、この視認は、直接肉眼によることも可能であるが、レンズが微少である場合は、顕微鏡を介して行うことができる。
したがって、反射像の倍率が大きく変化したことによって第１媒質３０の充填を停止すれば、液面外周の位置を、周縁部１４２１に確実に一致させることができる。
したがって、この点からも、周縁部１４２１によって規定されるレンズ形状の精度を高めることができるという利点がある。
（ステップＳＡ−５）
ついで、第２媒質４０を、第２空間１１２に充填する。これにより、第２媒質４０を、第１媒質３０の上部に接触した状態で配置するとができる。この状態では、第１媒質３０と第２媒質４０との接触部分に界面７０（図２参照）が形成される。
その後、駆動部２０を収容部１０に取り付けることにより、可変焦点レンズを得ることができる。前記以外の具体的な製造方法は、非特許文献６及び７に記載の技術と同様でよいので、これ以上詳しい説明は省略する。
（可変焦点レンズの動作）
次に、本実施形態に係る可変焦点レンズの動作を説明する。初期状態において、界面７０でのレンズ作用による焦点の位置を、図２において符号Ｆで表す。
ついで、駆動部２０を駆動することにより、第１媒質３０を押圧して、界面７０を上方に突出させる。すると、界面７０の周囲が、貫通孔１４２の周縁部１４２１に接触したままの状態で、界面７０が、図２において上方に膨出する（図２において破線で示す）。これにより、界面７０でのレンズ作用による焦点の位置は、図２において符号Ｆ'で示される位置に変化する。
本実施形態によれば、このようにして、可変焦点レンズを得ることができる。
本実施形態のレンズでは、界面７０の形状、すなわちレンズ面の形状を、きわめて高精度とすることができるので、可変焦点レンズでありながら、高い解像度を得ることができるという利点がある。
第１媒質３０への押圧を解除することにより、焦点の位置を初期状態に復帰させることができる。もちろん、第１媒質３０への押圧量を調整することにより、焦点距離を適宜に調整することができる。
本実施形態では、駆動部２０としてピエゾ素子を用いているので、例えば１ｋＨｚ程度の高い周波数で、焦点距離を変化させることが可能である。
また、本実施形態では、第１媒質３０及び第２媒質４０として、液体を用いているので、媒質そのものの圧縮量が小さい。このため、第１媒質３０への押圧力を直ちに第２媒質４０に伝達することができる。この点からも、本実施形態のレンズでは、高い動作周波数を達成することができる。
さらに、本実施形態では、第１媒質３０の密度と、第２媒質４０の密度とを実質的に一致させている。両媒質の密度が異なると、レンズの姿勢が変化した場合（例えばレンズの天地方向が反転した場合）には、重力の影響により、界面７０の形状が変化する。例えば、界面形状に偏りが生じて偏心するというような現象を生じる。これに対して、本実施形態では、両媒質の密度を一致させているので、このような場合でも、界面７０の形状が変化しないという利点がある。
（第２実施形態）
次に、図５を参照して、第２実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。この実施形態の説明においては、第１実施形態のレンズと基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることにより、説明を簡略化する。
第１実施形態のレンズでは、図３に示されるように、貫通孔１４２が、第１表面１４１に対して、ほぼ垂直な方向に延長されている。このため、貫通孔１４２の内周面と第１表面１４１とのなす角は、ほぼ直角となっている。
これに対して、第２実施形態のレンズ（図５参照）では、貫通孔１４２を、第１表面１４１に対して、傾斜する方向に延長している。
このレンズにおける他の構成及び利点は、前記した第１実施形態のレンズと同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
（第３実施形態）
次に、図６を参照して、第３実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。この実施形態の説明においては、第１実施形態のレンズと基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることにより、説明を簡略化する。
第１実施形態のレンズでは、仕切部１４における第１表面１４１が、第２空間１１２に面する位置とされている（図２参照）。
これに対して、第３実施形態のレンズ（図６参照）では、仕切部１４における第１表面１４１が、第１空間１１１に面する位置とされている。そして、貫通孔１４２の周縁部１４２１も、第１空間１１１に面している。
この実施形態では、この位置における周縁部１４２１に、界面７０が配置されている。この実施形態でも、第１実施形態の場合と同様に、周縁部１４２１に界面７０が捕捉されたときに、反射された光学像の変化を生じる。このため、この現象を充填作業に利用して、作業を効率化することができる。
このレンズにおける他の構成及び利点は、前記した第１実施形態のレンズと同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
（第４実施形態）
次に、図７を参照して、第４実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。この実施形態の説明においては、第３実施形態のレンズと基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることにより、説明を簡略化する。
第３実施形態のレンズでは、図６に示されるように、貫通孔１４２が、第１表面１４１に対して、ほぼ垂直な方向に延長されている。
これに対して、第６実施形態のレンズ（図７参照）では、貫通孔１４２を、第１表面１４１に対して、傾斜する方向に延長している。
このレンズにおける他の構成及び利点は、前記した第３実施形態のレンズと同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
（第５実施形態）
次に、図８を参照して、第５実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。この実施形態の説明においては、第１実施形態のレンズと基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることにより、説明を簡略化する。
第５実施形態のレンズでは、仕切部１４が、基板（例えばSi基板）１４３とマスク部（薄膜部；例えばSiO2膜）１４４とから構成されている。マスク部１４４は、基板１４３の表面上に配置されている。貫通孔１４２は、第１実施形態において説明したフォトリソグラフィの技術によって、基板１４３とマスク部１４４とを貫通するように形成されている。
第５実施形態における第１表面１４１は、マスク部１４４の表面（図８における上面）によって構成されている。
また、この実施形態では、貫通孔１４２の周縁部１４２１は、マスク部１４４の開口端によって構成されている。この周縁部１４２１は、基板１４３よりも、貫通孔１４２の内側方向に突出するように形成されている（図８（ｂ））。
このような構造は、第１実施形態で説明した製造方法（エッチングによる加工方法）において用いるマスク部を除去せずに残存させることで、比較的容易に得ることができる。
一般に、フォトリソグラフィでは、レジストのパターンが直接的に転写されるのはマスク部であるため、マスク部の加工精度は、基板の加工精度より高い。
本実施形態では、マスク部１４４の開口端によって、貫通孔１４２の周縁部１４２１を形成しているので、周縁部１４２１の加工精度を更に向上させることができる。したがって、本実施形態では、得られるレンズ面の精度が高くなるという利点がある。
また、本実施形態の場合は、界面７０の曲率変化の範囲を広げることが可能となる。以下、この動作について、図９を参照しながら説明する。
前記した第１実施形態においては、界面７０が変化できる範囲は、概略的には、図９（ａ）のように考えることができる。
一方、第５実施形態においては、界面７０が変化できる範囲は、概略的には、図９（ｂ）のようになる。つまり、マスク部１４４の開口端における上下両端を、それぞれ、界面７０を固定するための周縁部として利用できる。
このため、図９ｂ（ｂ）に示されるように、界面７０の曲率変化の範囲を広げることができる。
ただし、第５実施形態のレンズでは、上下両端を使っているために、マスク部１４４の厚さだけ、レンズ周縁の位置が動くことになる。しかしながら、一般に、マスクの厚さは、非常に薄い（例えば２μｍ以下）。したがって、マスク部１４４の厚さを、周縁部１４２１において求められる加工精度より薄くすれば、マスク部１４４の存在は、レンズ性能にはほとんど影響しない。
このレンズにおける他の構成及び利点は、前記した第１実施形態のレンズと同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
（第６実施形態）
次に、図１０を参照して、第６実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。この実施形態の説明においては、第１実施形態のレンズと基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることにより、説明を簡略化する。
第６実施形態の可変焦点レンズでは、第１媒質３０及び第２媒質４０に、負の熱膨張率を持つ物質８０が混合されている。このような物質８０を各媒質（液体）に混合することにより、液体の温度による体積変化を除去したり、もしくは所望の範囲に抑えることが可能になる。以下、この作用について説明する。
液体は温度に対する体積膨張率が高い。このため、液体を第１又は第２媒質として用いると、界面７０（つまりレンズ面）曲率が、温度に依存して変化することになる（図１０（ｂ）参照）。
そこで、常温で負の熱膨張率をもつ物質（例えばタングステン酸ジルコニウム(ZrW2O8)）８０を液体中に混ぜる。すると、温度による体積変化を相殺できる。
ただし、一般に、液体の熱膨張率は負熱膨張物質８０のそれに比べて十倍以上大きい。そこで、液体の体積変化を完全に相殺するためには、物質８０の体積比を相当に大きくする必要がある。そのためには、例えば、粉末状、もしくはビーズ状の負熱膨張物質に液体を浸潤させる方法が考えられる。このようにすれば、媒質を介しての圧力伝達が可能で、かつ、体積変化が少なくなる。
なお、本実施形態の手法でも、体積変化を精度良く補正できるのは、ある特定の温度だけとなる。そこで、媒質の温度を測定する温度センサや、温度制御用のベルチェ素子などのデバイスを用いて、温度のフィードバック制御を行うことが好ましい。このようにすれば、±10度以上の範囲で、レンズ周囲の温度が変化しても、安定した焦点距離制御性能を達成できると考えられる。
このレンズにおける他の構成及び利点は、前記した第１実施形態のレンズと同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
（第７実施形態）
次に、図１１を参照して、第７実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。この実施形態の説明においては、第１実施形態のレンズと基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることにより、説明を簡略化する。
第７実施形態の可変焦点レンズは、さらに第３媒質９０を備えている。第３媒質９０は、第１媒質３０と駆動部２０との間に配置されている。駆動部２０は、第３媒質９０を介して、第１媒質３０に振動（圧力変動）を加える構成となっている。
第３媒質は、第１媒質３０よりも低い圧縮率及び熱膨張率を有している。
本実施形態のレンズでは、光が透過する部分は、第１媒質３０及び第２媒質４０であり、第３媒質には光は透過しない。このため、第３媒質としては、光の透過性と関係なく、好適な圧縮率及び熱膨張率の材料を選択することができる。
そして、第３媒質９０の圧縮率を、第１媒質３０よりも低いものとすることにより、駆動部２０による圧力伝達の効率や応答速度を向上させることができる。
また、第３媒質９０の熱膨張率を、第１媒質３０よりも低いものとすることにより、熱変動に起因するレンズ特性の変化を小さく抑えることができる。
なお、第３媒質９０は、液体、ゾル、ゲル、弾性体など、適宜の材質とすることができる。
また、第３媒質９０は、第１媒質３０と混合しない材質であることが好ましいが、必要に応じて、第１媒質３０との間に、変形可能な膜を配置して、混合を防止することができる。この場合において、本実施形態では、膜に透光性を与える必要がないので、膜として利用できる材質の自由度が高くなる。
さらに、前記の説明では、第３媒質９０により第１媒質３０を押圧しているが、第３媒質により第２媒質４０を押圧する構造とすることもできる。この場合の構成は前記の説明から容易に理解できるので、詳しい説明は省略する。
このレンズにおける他の構成及び利点は、前記した第１実施形態のレンズと同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
（第８実施形態）
次に、図１２を参照して、第８実施形態に係る撮像装置を説明する。この実施形態の説明においては、第１実施形態のレンズと基本的に共通する構成要素については、同一符号を用いることにより、説明を簡略化する。
第１１実施形態の撮像装置は、前記したいずれかの実施形態における可変焦点レンズ７と、画像センサ８とを備えている。この装置では、対象物９の光学像を、可変焦点レンズ７及び画像センサ８によって取得し、解析することができる。
この撮像装置において、画像センサ８として、高速動作できるもの（例えば「石川正俊：超並列・超高速視覚情報システム−汎用ビジョンチップと階層型光電子ビジョンシステム−，応用物理，Vol.67，No.1，pp.33-38 (1998)」参照）を用いると、以下のような動作が可能になる。
・ 温度変化に起因する焦点距離の変化を画像から検出して、焦点距離を補正すること；
・ 対象物９に対して高速にオートフォーカスを行うこと；
・ 対象の奥行き位置を、いわゆる、「Depth From Focus理論」により検出すること。
なお、「Depth from Focus 理論」とは、レンズの焦点距離を変化させ、それぞれの焦点距離で得られた画像を解析することで、物体までの距離を取得するものである。
また、前記した各実施形態における可変焦点レンズを、投射装置用の投射レンズとして用いることも可能である。
（応用例）
前記した各実施形態における可変焦点レンズを用いて、全焦点画像を生成することができる。この方法は、以下のステップにより実現できる。
（１）駆動部２０を動作させることによって、焦点位置を変えながら、複数の画像を取得するステップ；
（２）取得された複数の画像を用いて、全焦点画像を生成するステップ。
焦点位置を変えながら画像を取得することにより、各画像における焦点位置を異ならせることができる。つまり、合焦されている位置が、取得された各画像において異なることになる。このような複数の画像を用いることにより、奥行き方向においてボケが少ない画像、すなわち、いわゆる全焦点画像を得ることができる。
前記した実施形態における可変焦点レンズでは、焦点位置の変更を高速に行うことが可能なので、結果的に、全焦点画像を高速で生成することが可能になる。
例えば、実験的には、本発明の原理を用いた可変焦点レンズを用いて、１秒間あたり８０００枚の速さで、焦点位置を変えながら、画像を取得できている。すると、計算時間を考えても、１０００枚／秒の割合で全焦点画像を生成することが可能であると考えられる。なお、全焦点画像の生成手法自体は、従来から知られているアルゴリズムを用いることができるので、これについての詳しい説明は省略する。
なお、前記実施形態及び実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。
従来の可変焦点レンズの概略的な構造を示す説明図である。図（ａ）は、初期状態を示す。図（ｂ）は、第１液を若干押圧した状態を示す。図（ｃ）は、第１液をさらに押圧した状態を示す。 本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズの概略的な横断面図である。 図２の要部を拡大した説明図である。 第１実施形態のレンズを製造するプロセスを説明するためのフローチャートである。 第２実施形態のレンズの要部を説明するための説明図である。 第３実施形態のレンズの要部を説明するための説明図である。 第４実施形態のレンズの要部を説明するための説明図である。 第５実施形態に係る可変焦点レンズの要部の構成を示すための説明図である。図（ａ）は仕切部の斜視図である。図（ｂ）は貫通孔の開口端部分の拡大図である。 第５実施形態に係る可変焦点レンズの動作を説明するための説明図である。図（ａ）は、一つの開口端のみで界面を保持した例である。図（ｂ）は二つの開口端で界面を保持した例である。 第６実施形態に係る可変焦点レンズの原理を説明するための説明図である。図（ａ）は、低温時の媒質の状態を示す。図（ｂ）は、高温時において体積が増加した媒質を示す。図（ｃ）は、負膨張率物質を混合した媒質を示す。図（ｄ）は、高温時において負膨張率物質が収縮している状態を示す。 第７実施形態に係る可変焦点レンズを説明するための説明図である。 第８実施形態に係る撮像装置を示すためのブロック図である。
７ 可変焦点レンズ
８ 画像センサ
９ 対象物
１０ 収容部
１１ 収容空間
１１１ 第１空間
１１２ 第２空間
１２ 第１壁部
１２１ 第１窓部
１３ 第２壁部
１３１ 第２窓部
１４ 仕切部
１４１ 第１表面
１４２ 貫通孔
１４２１ 周縁部
１４３ 基板
１４４ マスク部（薄膜部）
２０ 駆動部
２１ ピエゾ素子
３０ 第１媒質
４０ 第２媒質
５０ 制御部
６０ 駆動ステージ
７０ 界面
８０ 負の熱膨張率を有する物質
９０ 第３媒質

Claims (13)

  1. 収容部と、駆動部と、第１媒質と、第２媒質とを備えており、
    前記収容部は、収容空間と、第１壁部と、第２壁部と、仕切部を備えており、
    前記収容空間は、前記第１壁部と前記第２壁部との間に配置されており、
    かつ、前記第１壁部と前記第２壁部とは、前記収容空間を挟んで対向するように配置されており、
    前記第１壁部は、光を透過させる第１窓部を備えており、
    前記第２壁部は、前記第１窓部を透過した光をさらに透過させる第２窓部を備えており、
    前記仕切部は、前記収容空間を仕切ることで、第１空間と第２空間とを形成する構成となっており、
    前記仕切部は、基板と薄膜部と貫通孔とを備えており、
    前記貫通孔は、前記基板と前記薄膜部とを貫通するように形成されており、
    前記薄膜部の表面は、第１表面を備えており、
    前記貫通孔に面する前記薄膜部の周縁部は、前記基板よりも、前記貫通孔の内側方向に突出するように形成されており、
    かつ、前記第１表面は、一つの仮想的な平坦面内に配置されており、
    前記貫通孔は、前記第１表面を貫通し、かつ、前記仕切部を貫通するように形成されており、
    前記貫通孔は、前記第１窓部を透過した光が前記第２窓部に向かう光路上に配置されており、
    かつ、前記貫通孔は、前記第１窓部を透過した光を透過させる構成となっており、
    前記第１媒質と前記第２媒質とは、接触状態において互いに混合しない材質とされており、
    かつ、前記第１媒質と前記第２媒質の屈折率は、互いに異なるものとされており、
    前記第１媒質は、前記第１空間中に収容されており、
    前記第２媒質は、前記第２空間中に収容されており、
    前記第１媒質と前記第２媒質とは、互いに接触させられており、
    前記第１媒質と前記第２媒質との間における界面の外周は、前記貫通孔に面する前記薄膜部の周縁部に位置しており、
    前記駆動部は、前記第１媒質又は前記第２媒質の圧力又は体積を変動させることにより、前記界面の曲率を変化させる構成となっている
    ことを特徴とする可変焦点レンズ。
  2. 前記第１媒質及び前記第２媒質は、いずれも液体である
    ことを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
  3. 前記第１媒質の密度と、前記第２媒質の密度とは、等しい
    ことを特徴とする請求項２に記載の可変焦点レンズ。
  4. 前記駆動部は、前記第１媒質と前記第２媒質に対して直接又は間接に振動を加えるピエゾ素子を用いて構成されている
    ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
  5. 前記ピエゾ素子自体の位置を調整するための調整ステージをさらに備えた
    ことを特徴とする請求項４に記載の可変焦点レンズ。
  6. 前記薄膜部は、マスク部によって構成されており、
    前記マスク部は、前記基板の表面上に配置されており、
    前記貫通孔は、フォトリソグラフィを用いて、前記基板と前記マスク部とを貫通するように形成されており、
    前記第１表面は、前記マスク部の表面によって構成されている
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
  7. 前記第１媒質又は前記第２媒質には、負の熱膨張率を持つ物質が混合されている
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
  8. さらに第３媒質を備えており、
    前記第３媒質は、前記第１媒質及び前記第２媒質のうちの一方と前記駆動部との間に配置されており、
    前記駆動部は、前記第３媒質を介して、前記一方の媒質に振動を加える構成となっており、
    かつ、前記第３媒質は、前記一方の媒質よりも低い圧縮率を有している
    ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
  9. さらに第３媒質を備えており、
    前記第３媒質は、前記第１媒質及び前記第２媒質のうちの一方と前記駆動部との間に配置されており、
    前記駆動部は、前記第３媒質を介して、前記一方の媒質に振動を加える構成となっており、
    かつ、前記第３媒質は、前記一方の媒質よりも低い熱膨張率を有している
    ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
  10. 請求項１に記載の可変焦点レンズの製造方法であって、前記第１媒質及び前記第２媒質は流動体とされており、かつ、この製造方法は、以下を含む：
    （１）前記第１空間に前記第１媒質を充填するステップ；
    （２）前記第１媒質で反射される光学像を、前記貫通孔を介して視認するステップ；
    （３）前記光学像の倍率が変更されたときに、前記第１媒質の充填を停止し、その後、前記第２媒質を充填するステップ。
  11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載された可変焦点レンズを備えた撮像装置。
  12. 請求項１〜９のいずれか１項に記載された可変焦点レンズを備えた投射装置。
  13. 請求項１〜９のいずれか１項に記載された可変焦点レンズを用いた、全焦点画像の生成方法であって、以下のステップを備える：
    （１）前記駆動部を動作させることによって、焦点位置を変えながら、複数の画像を取得するステップ；
    （２）前記複数の画像を用いて、全焦点画像を生成するステップ。
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