JPH06308303A

JPH06308303A - 可変焦点レンズ及びその駆動装置

Info

Publication number: JPH06308303A
Application number: JP9033293A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Higuchi; 俊郎樋口; Taku Kaneko; 金子　　卓
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Priority date: 1993-04-19
Filing date: 1993-04-19
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】透明弾性膜に予め設定された膜厚分布を持た
せ、前記透明液体の加減圧時の前記透明弾性膜の変形形
状を所望の球面あるいは非球面に制御することにより、
コンパクトで、信頼性が高い、収差の十分小さな可変焦
点レンズ及びその駆動装置を提供する。【構成】２枚の透明弾性膜の間に透明液体を封入し、
液体の圧力を制御して２枚の透明弾性膜の曲率を変化さ
せて、焦点距離を変える可変焦点機能付きレンズにおい
て、膜厚分布を持つレンズ部１１と、中間枠部１２と、
加圧用弾性膜部１３と、外周枠部１４とからなる透明弾
性膜１と、前記加圧用弾性膜部１３に搭載されるアクチ
ュエータ４１とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学機器に使用するレ
ンズ、特にレンズの焦点距離を可変調節できる可変焦点
レンズ及びその駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
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る。これは、
図５及び図６に示すように、リング状のスペーサ３の一
方の面に透明弾性膜１を張り付けるとともに、他方の面
に透明弾性膜１（あるいはガラス）を張り付け、これら
透明弾性膜１で挟まれた内部空間に液体２を封入し、そ
の液体にピストン６ａとシリンダ６ｂからなる封入調整
器６によって加えられる外圧によって、透明弾性膜１の
歪みを加減して、レンズ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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の可変焦点レンズは、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１を用いているため、封
入された液体２に外圧をかけた場合、透明弾性膜１にか
かる液体２の圧力によって、透明弾性膜１は４次曲面に
変形する。この４次曲面のレンズでは収光特性が悪く、
実際の光学系に使用するには難があるといった問題があ
った。

【０００４】本発明は、上記した問題を解決するため
に、２枚の透明弾性膜の間に透明液体を封入し、液体の
圧力を制御して２枚の透明弾性膜の曲率を変化させて、
焦点距離を変える可変焦点機能付きレンズにおいて、前
記透明弾性膜に予め設定された膜厚分布を持たせ、前記
透明液体の加減圧時の前記透明弾性膜の変形形状を所望
の球面あるいは非球面に制御することにより、コンパク
トで、信頼性が高く、収差の十分小さな可変焦点レンズ
及びその駆動装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、２枚の透明弾性膜の間に透明液体を封入
し、液体の圧力を制御して２枚の透明弾性膜の曲率を変
化させて、焦点距離を変える可変焦点機能付きレンズに
おいて、前記透明弾性膜に予め設定された膜厚分布を持
たせ、前記透明液体の加減圧時の前記透明弾性膜の変形
形状を所望の球面あるいは非球面に制御するようにした
ものである。

【０００６】また、２枚の透明弾性膜の間に透明液体を
封入し、液体の圧力を制御して２枚の透明弾性膜の曲率
を変化させて、焦点距離を変える可変焦点機能付きレン
ズの駆動装置において、膜厚分布を持つレンズ部と、中
間枠部と、加圧用弾性膜部と、外周枠部とからなる透明
弾性膜と、前記加圧用弾性膜部に搭載されるアクチュエ
ータとを設けるようにしたものである。

【０００７】

【作用】本発明によれば、上記したように、透明弾性膜
に膜厚分布を持たせることにより、加圧時の透明弾性膜
の変形形状が、光学的に有用な球面あるいは非球面等の
形状になるため、このレンズ単体でも、従来のレンズと
同等の収光特性が得られる。

【０００８】ここで、透明弾性膜の膜厚分布は、有限要
素法を用いた応力計算によって、求める。すなわち（１）応力解析ステップ〔図３（ａ）〕では、膜厚ｔｊ
の初期値の下で、封入した液体から受ける圧力ｐが分布
荷重として作用した時の、透明弾性膜１の各点ｉ（ｉ＝
１，２，…，ｎ）の変位ｕｉを求める。この変化量ｕｉ
は上記各要素ｊの膜厚ｔｊの関数である。

【０００９】（２）感度解析ステップ〔図３（ｂ）〕で
は、各要素ｊの膜厚変化により上記変位量ｕｉが、どの
程度変化するかを示す感度係数を算出する。（３）膜厚分布最適化ステップ〔図３（ｃ）〕では、感
度係数方程式を解いて、膜厚の現設計点ｔ^kから次設計
点ｔ^k+1までの移動ベクトルΔｔを求める。ここではｋ
は繰り返し数である。

【００１０】そこで、透明液体への加圧力を制御するこ
とにより、焦点距離を変えることができ、レンズの位置
を変えて行っていた、従来の焦点調節機構を大幅に小型
化することができ、収差が十分小さな可変焦点レンズを
得ることができる。また、２枚の透明弾性膜の間に透明
液体を封入し、液体の圧力を制御して２枚の透明弾性膜
の曲率を変化させて、焦点距離を変える可変焦点機能付
きレンズの駆動装置において、膜厚分布を持つレンズ部
と、中間枠部と、加圧用弾性膜部と、外周枠部とからな
る透明弾性膜と、前記加圧用弾性膜部に搭載されるアク
チュエータとを設けるようにしたので、コンパクトで、
信頼性の高いものを得ることができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図２は本発明の実施例を示す可
変焦点レンズの断面図である。この透明弾性膜１にはガ
ラス（光学クラウンガラス等）を使い、膜厚分布は鋳造
法あるいは研削加工によって形成する。すなわち、透明
弾性膜は膜厚分布を持つレンズ部１１、中間枠部１２、
加圧用弾性膜１３、外周枠部１４から成る。さらに、レ
ンズ部１１はレンズとして使用する有効部１１１と３次
曲面部１１２から成る。この実施例では、例えば、レン
ズ部１１の直径φ₁は、例えば１０ｍｍであり、このう
ちレンズとして使用する有効部１１１の直径φ₂は、例
えば６ｍｍである。

【００１２】ここで、有効部１１１における曲面の加工
形状は、下記の式（１）で示される曲線Ａに従う、中心
に向けて漸次膜厚が厚くなる曲面となる。一方、３次曲
面部１１２における曲面は下式（２）で示される曲線Ｂ
に従う、外周に向けて漸次膜厚ｔが厚くなる曲面となっ
ている。曲線Ａと曲線Ｂの境界は、適当な円弧で滑らか
に接続してある。なお、下記の式（１）、（２）のｒは
レンズ部１１の中心からの距離（単位ｍｍ）であり、有
効部１１１の最大膜厚は１２．２μｍ、最小膜厚は７．
０μｍとなっている。

【００１３】ｔ（ｒ）＝ａ₀＋ａ₂・ｒ²＋ａ₄・ｒ⁴＋ａ₆・ｒ⁶ …式（１）ここで、ａ₀＝１．２１９２２×１０^-2 ａ₂＝−１．０９５５８×１０^-4 ａ₄＝−１．４２２４４×１０^-4 ａ₆＝９．４１７６４×１０^-6 単位ｍｍｔ（ｒ）＝ｂ₀＋ｂ₁・ｒ＋ｂ₂・ｒ²＋ｂ₃・ｒ³＋ｂ₄・ｒ⁴…式（２）ここで、ｂ₀＝３．５８２０６×１０^-1 ｂ₁＝−３．４７０９８×１０^-1 ｂ₂＝１．２４３８３×１０^-1 ｂ₃＝−１．９１６６８×１０^-2 ｂ₄＝１．０８１７７×１０^-3 単位ｍｍ上記透明弾性膜の膜厚分布は、有限要素法を用いた応力
計算によって、図３に示すように求めることができる。

【００１４】すなわち、計算の手順は、図３（ａ）に示
す応力解析ステップ、図３（ｂ）に示す感度解析ステッ
プ、及び図３（ｃ）に示す膜厚分布最適化ステップの３
ステップから成る。まず、応力解析ステップ〔図３
（ａ）〕においては、膜厚ｔｊの初期値の下で、封入し
た液体から受ける圧力ｐが分布荷重として作用した時
の、透明弾性膜１の各点ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）の変
位ｕｉを求める。この変化量ｕｉは上記各要素ｊの膜厚
ｔｊの関数である。

【００１５】このように、この応力解析ステップでは、
透明液体からの圧力ｐがかかった時の透明弾性膜の変形
量を求める。次に、感度解析ステップ〔図３（ｂ）〕で
は、各要素ｊの膜厚変化により上記変位量ｕｉがどの程
度変化するかを示す感度係数を算出する。つまり、感度
係数（下記参照）の算出を行う。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここで、ｕｉ（ｔ）は点ｉの変位、ｔｊは
要素ｊの膜厚である。次いで、膜厚分布最適化ステップ
〔図３（ｃ）〕では、感度係数方程式を解き、各点ｉの
変位量ｕｉが最も所望形状に近くなる各要素ｊの膜厚変
化量Δｔｊの集合たる移動ベクトルΔｔを求める。上記
応力解析ステップ、感度解析ステップ、膜厚分布最適化
ステップを繰り返して、各点ｉの変位量ｕｉが、最も所
望形状に近くなる最終的な各要素ｊの膜厚ｔｊを得て、
かかる膜厚分布を多項式近似し、上記式（１）、（２）
で示される加工曲面を得る。

【００１８】なお、本実施例において、３次曲面部１１
２は有効部１１１と滑らかに連続すれば良く、必ずしも
３次曲面とする必要はない。また、透明弾性膜の材料と
しては、ガラス以外の樹脂を使用することができる。次
に、本発明の実施例である上記した膜厚分布を持つ透明
弾性膜からなるレンズの駆動装置について図１及び図２
を参照しながら説明する。

【００１９】これらの図に示すように、中央に形成され
る膜厚分布を持つレンズ部１１と、該レンズ部１１の両
側に連設される中間枠部１２と、該中間枠部１２に連設
される加圧用弾性膜部１３と、該加圧用弾性膜部１３に
連設される外周枠部１４とからなる上記形状の透明弾性
膜１を２枚１組とし、スペーサ２を介して後面同士が向
かい合うように配置した中に透明弾性膜１と屈折率が等
しくなるよう調整した透明液体３を封入する。

【００２０】また、加圧用弾性膜部１３にはアクチュエ
ータ４１を搭載する。ここでは、透明液体３にシリコン
オイルを用いているが、屈折率が透明弾性膜１と等しけ
れば、有機溶液等も使用することができる。また、スペ
ーサ２には透明液体３が通じる流路２１が設けられ、透
明弾性膜１の外周に配置された加圧部４へと連通してい
る。その加圧部４には外周枠部１４が形成され、透明液
体３がシールされている。

【００２１】前記加圧部４には加圧用弾性膜部１３が形
成され、これを駆動するアクチュエータ４１が搭載さ
れ、軸方向に加圧用弾性膜部１３を駆動して透明液体３
を加圧及び減圧する。本実施例では、透明弾性膜１の外
周に加圧用弾性膜部１３を一体に加工しているが、加圧
用弾性膜部１３を樹脂膜等で構成して接着することも可
能である。

【００２２】また、ここでは、アクチュエータ４１は、
コア４１１、永久磁石４１２、コイル４１３を備えたボ
イスコイル型の電磁アクチュエータを用いているが、こ
れに代えて、圧電素子を用いたアクチュエータ等を用い
ることも可能である。図４は本発明の他の実施例を示す
膜厚分布を持つ透明弾性膜からなるレンズの駆動装置の
断面図である。

【００２３】本実施例では、２枚の透明弾性膜１の間に
透明液体３を封入し、液体の圧力を制御して２枚の透明
膜の曲率を変化させて、焦点距離を変える可変焦点機能
付きレンズの駆動装置において、中央に形成される加圧
用弾性膜部１３と、該加圧用弾性膜部１３の両側に連設
される中間枠部１２と、該中間枠部１２に連設される膜
厚分布を持つレンズ部１１と、該レンズ部１１に連設さ
れる外周枠部１４とからなる透明弾性膜１と、前記加圧
用弾性膜部１３に搭載されるアクチュエータ４１とを具
備する。

【００２４】そこで、アクチュエータ４１を中央に搭載
して、駆動することにより、中央の加圧用弾性膜部１３
を介して、両側に配置されるレンズ部１１を変形させる
ことにより、レンズ部１１を所望の球面あるいは非球面
に制御する。つまり、封入した透明液体３の圧力を変え
ると、これに応じて透明弾性膜１のたわみが変化して焦
点距離が変わる。

【００２５】ここに、コンピュータを用いた光学シュミ
レータで計算した結果を示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】この表１には、３０Ｐａ〜６０Ｐａまで加
圧力を変化した場合の焦点距離と近軸域焦点面でのスポ
ットサイズを示す。すなわち、従来の均一膜厚１１μｍ
の透明弾性膜においては、加圧力が３０Ｐａにおいて、
焦点距離が２２３．６ｍｍで、スポットサイズは２３
７．９μｍ、加圧力が４０Ｐａにおいて、焦点距離が１
６７．７ｍｍで、スポットサイズは２３７．７μｍ、加
圧力が５０Ｐａにおいて、焦点距離が１３４．１ｍｍ
で、スポットサイズは２３７．６μｍ、加圧力が６０Ｐ
ａにおいて、焦点距離が１１１．７ｍｍで、スポットサ
イズは２３７．４μｍである。

【００２８】これに対して、本実施例の膜厚分布を有す
る透明弾性膜においては、加圧力が３０Ｐａにおいて、
焦点距離が２０２．１ｍｍで、スポットサイズは７．２
５μｍ、加圧力が４０Ｐａにおいて、焦点距離が１５
１．６ｍｍで、スポットサイズは６．４７μｍ、加圧力
が５０Ｐａにおいて、焦点距離が１２１．２ｍｍで、ス
ポットサイズは６．４１μｍ、加圧力が６０Ｐａにおい
て、焦点距離が１０１．０ｍｍで、スポットサイズは
６．６１μｍである。

【００２９】このように、均一膜厚（１１μｍ）の従来
例と比較して、スポットサイズが本発明では１／３０程
度となり、収差は十分小さくなっている。なお、本発明
は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨
に基づき種々の変形が可能であり、それらを本発明の範
囲から排除するものではない。

【００３０】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、２枚の透明弾性膜の間に液体を封入し、液体の
圧力を制御して透明弾性膜の曲率を変化させて焦点距離
を変える可変焦点機能付きレンズにおいて、透明弾性膜
に研削加工等で膜厚分布を持たせることにより、加減圧
時の透明弾性膜の変形形状を光学的に有用な球面あるい
は非球面に制御して、従来の均一膜厚の物と比較して、
スポットサイズを約１／３０に低減することができる。

【００３１】また、２枚の透明弾性膜の間に透明液体を
封入し、液体の圧力を制御して２枚の透明弾性膜の曲率
を変化させて、焦点距離を変える可変焦点機能付きレン
ズの駆動装置において、膜厚分布を持つレンズ部と、中
間枠部と、加圧用弾性膜部と、外周枠部とからなる透明
弾性膜と、前記加圧用弾性膜部に搭載されるアクチュエ
ータとを具備することにより、コンパクトで、信頼性の
向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す膜厚分布を持つ透明弾性
膜からなるレンズの駆動装置の断面図である。

【図２】本発明の実施例を示す可変焦点レンズの断面図
である。

【図３】本発明の実施例を示す透明弾性膜の膜厚分布を
有限要素法を用いて求める工程図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す膜厚分布を持つ透明
弾性膜からなるレンズの駆動装置の断面図である。

【図５】従来の可変焦点レンズの断面図である。

【図６】従来の可変焦点レンズの平面図である。

【符号の説明】

１透明弾性膜２スペーサ３透明液体４加圧部１１透明弾性膜は膜厚分布を持つレンズ部１２中間枠部１３加圧用弾性膜部１４外周枠部２１流路４１アクチュエータ１１１有効部１１２３次曲面部４１１コア４１２永久磁石４１３コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の透明弾性膜の間に透明液体を封入
し、液体の圧力を制御して２枚の透明弾性膜の曲率を変
化させて、焦点距離を変える可変焦点機能付きレンズに
おいて、前記透明弾性膜に予め設定された膜厚分布を持たせ、前
記透明液体の加減圧時の前記透明弾性膜の変形形状を所
望の球面あるいは非球面に制御することを特徴とする可
変焦点レンズ。
【請求項２】２枚の透明弾性膜の間に透明液体を封入
し、液体の圧力を制御して２枚の透明弾性膜の曲率を変
化させて、焦点距離を変える可変焦点機能付きレンズの
駆動装置において、（ａ）膜厚分布を持つレンズ部と、
中間枠部と、加圧用弾性膜部と、外周枠部とからなる透
明弾性膜と、（ｂ）前記加圧用弾性膜部に搭載されるア
クチュエータとを具備することを特徴とする可変焦点レ
ンズの駆動装置。
【請求項３】２枚の透明弾性膜の間に透明液体を封入
し、液体の圧力を制御して２枚の透明弾性膜の曲率を変
化させて、焦点距離を変える可変焦点機能付きレンズの
駆動装置において、（ａ）中央に形成される膜厚分布を
持つレンズ部と、該レンズ部の両側に連設される中間枠
部と、該中間枠部に連設される加圧用弾性膜部と、該加
圧用弾性膜部に連設される外周枠部とからなる透明弾性
膜と、（ｂ）前記加圧用弾性膜部に搭載されるアクチュ
エータとを具備することを特徴とする可変焦点レンズの
駆動装置。
【請求項４】２枚の透明弾性膜の間に透明液体を封入
し、液体の圧力を制御して２枚の透明弾性膜の曲率を変
化させて、焦点距離を変える可変焦点機能付きレンズの
駆動装置において、（ａ）中央に形成される加圧用弾性
膜部と、該加圧用弾性膜部の両側に連設される中間枠部
と、該中間枠部に連設される膜厚分布を持つレンズ部
と、該レンズ部に連設される外周枠部とからなる透明弾
性膜と、（ｂ）前記加圧用弾性膜部に搭載されるアクチ
ュエータとを具備することを特徴とする可変焦点レンズ
の駆動装置。
【請求項５】前記アクチュエータはボイスコイル型の
電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項２、
３又は４記載の可変焦点レンズの駆動装置。
【請求項６】前記アクチュエータは圧電素子を用いた
アクチュエータであることを特徴とする請求項２、３又
は４記載の可変焦点レンズの駆動装置。