JPH08114703A - 可変焦点レンズ - Google Patents
可変焦点レンズInfo
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- JPH08114703A JPH08114703A JP24782094A JP24782094A JPH08114703A JP H08114703 A JPH08114703 A JP H08114703A JP 24782094 A JP24782094 A JP 24782094A JP 24782094 A JP24782094 A JP 24782094A JP H08114703 A JPH08114703 A JP H08114703A
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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、作動液の加減圧による前記透明弾性膜の変形形状に
おいて、特に変形量が大きくなる短焦点の領域で所望の
球面あるいは非球面に制御することにより、収差の十分
小さな可変焦点レンズを提供する。 【構成】 所定の膜厚分布を持つ透明弾性膜１１を、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との間の加圧室１３
に作動液１３ａを封入する。スペーサ１２には作動液１
３ａが流れることができる流路１６が設けてあり、透明
弾性膜１１の外周に配置された加圧部１５の予備室１５
ａとつながっている。この加圧部１５に構成された加圧
用弾性膜１５１によって作動液１３ａを加減圧し、透明
弾性膜１１を変形させて焦点距離が可変されるレンズが
構成される。透明弾性膜１１は、変形量が大きくなる領
域で前記透明弾性膜の変形形状を所望の球面あるいは非
球面に制御できるよう膜厚分布が設定されており、短焦
点の領域で収差の少ないレンズが形成されるようにして
いる。
せ、作動液の加減圧による前記透明弾性膜の変形形状に
おいて、特に変形量が大きくなる短焦点の領域で所望の
球面あるいは非球面に制御することにより、収差の十分
小さな可変焦点レンズを提供する。 【構成】 所定の膜厚分布を持つ透明弾性膜１１を、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との間の加圧室１３
に作動液１３ａを封入する。スペーサ１２には作動液１
３ａが流れることができる流路１６が設けてあり、透明
弾性膜１１の外周に配置された加圧部１５の予備室１５
ａとつながっている。この加圧部１５に構成された加圧
用弾性膜１５１によって作動液１３ａを加減圧し、透明
弾性膜１１を変形させて焦点距離が可変されるレンズが
構成される。透明弾性膜１１は、変形量が大きくなる領
域で前記透明弾性膜の変形形状を所望の球面あるいは非
球面に制御できるよう膜厚分布が設定されており、短焦
点の領域で収差の少ないレンズが形成されるようにして
いる。
Description
【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。
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。
【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。
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、
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。
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。
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、
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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、
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。
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、
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。
【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、
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。
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、
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。
【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
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、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。
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
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、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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【００１５】このように構成される本発明においては、
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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。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。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。
詳細に説明する。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。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。
【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。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。
る有効部１１１と非球面部１１２から成る。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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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
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。
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
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。
【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。
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。
【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。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。
１７１，１７３と温度センサ１７２，１７４とが配置さ
れる。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。
【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。
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。
【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）
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。
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）
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。
【００２８】これらの歪ゲージ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。
【００２９】そして、圧力測定用歪ゲージ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。
【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。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。
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。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。
【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。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。
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。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。
【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。本実施例では、作動液１３ａの圧力が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。
おいて、透明弾性膜１１の理想的な変形形状を設定す
る。本実施例では、作動液１３ａの圧力が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。
【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。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。
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。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。
【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。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。
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。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。
【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。
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。
【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、
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。
の図４において式（１）で示す偏微分として表現され、
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。
【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Δｔi だけ変化したとすると、
節点ｉの変位ｕi 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。
り、全ての要素の膜厚がΔｔi だけ変化したとすると、
節点ｉの変位ｕi 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。
【００３８】この式（２）においてｕi 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ｕi 0 に等しく
なればよい。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Δｔi を
求めることができる。
形形状の設定で節点ｉに課した要求変位ｕi 0 に等しく
なればよい。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Δｔi を
求めることができる。
【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。
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。
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。
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。
【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。
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。
【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。 範囲１ ０≦ｒ＜１．８ （単位：ｍｍ） ｔ（ｒ）＝ａ0 ＋ａ2 ・ｒ2 ＋ａ4 ・ｒ4 …（４） ａ0 ＝８．７５５１×１０-3 ａ2 ＝４．８９２８×１０-2 ａ4 ＝１．４４７４×１０-4 範囲２ １．８≦ｒ＜２．８ （単位：ｍｍ） ｔ（ｒ）＝ｂ0 ＋ｂ1 ・ｒ1 ＋ｂ2 ・ｒ2 ＋ｂ3 ・ｒ3 ＋ｂ4 ・ｒ4 +b5 ・ｒ5 ＋ｂ6 ・ｒ6 ＋ｂ7 ・ｒ7 ＋ｂ8 ・ｒ8 ＋ｂ9 ・ｒ9 …（５） ｂ0 ＝−０．１３０９７ ｂ1 ＝ ０．２６５５９ ｂ2 ＝−０．１９９６６ ｂ3 ＝ ７．２５２２×１０-2 ｂ4 ＝−９．２６８７×１０-3 ｂ5 ＝−２．３７４１×１０-3 ｂ6 ＝ １．１８７８×１０-3 ｂ7 ＝−２．１０７５×１０-4 ｂ8 ＝ １．８１６１×１０-5 ｂ9 ＝−６．３３２５×１０-7 範囲３ ２．８≦ｒ≦５．０ （単位：ｍｍ） ｔ（ｒ）＝０．０１１ …（６） なお、これまでに示した実施例においては、作動液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
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。
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。 範囲１ ０≦ｒ＜１．８ （単位：ｍｍ） ｔ（ｒ）＝ａ0 ＋ａ2 ・ｒ2 ＋ａ4 ・ｒ4 …（４） ａ0 ＝８．７５５１×１０-3 ａ2 ＝４．８９２８×１０-2 ａ4 ＝１．４４７４×１０-4 範囲２ １．８≦ｒ＜２．８ （単位：ｍｍ） ｔ（ｒ）＝ｂ0 ＋ｂ1 ・ｒ1 ＋ｂ2 ・ｒ2 ＋ｂ3 ・ｒ3 ＋ｂ4 ・ｒ4 +b5 ・ｒ5 ＋ｂ6 ・ｒ6 ＋ｂ7 ・ｒ7 ＋ｂ8 ・ｒ8 ＋ｂ9 ・ｒ9 …（５） ｂ0 ＝−０．１３０９７ ｂ1 ＝ ０．２６５５９ ｂ2 ＝−０．１９９６６ ｂ3 ＝ ７．２５２２×１０-2 ｂ4 ＝−９．２６８７×１０-3 ｂ5 ＝−２．３７４１×１０-3 ｂ6 ＝ １．１８７８×１０-3 ｂ7 ＝−２．１０７５×１０-4 ｂ8 ＝ １．８１６１×１０-5 ｂ9 ＝−６．３３２５×１０-7 範囲３ ２．８≦ｒ≦５．０ （単位：ｍｍ） ｔ（ｒ）＝０．０１１ …（６） なお、これまでに示した実施例においては、作動液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
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。
【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。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。
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。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。
【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。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
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。
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。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
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。
【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。
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。
【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
での解像力も１１ｃｙｃｌｅ／ｍｍ程度に下がってしま
う。
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
での解像力も１１ｃｙｃｌｅ／ｍｍ程度に下がってしま
う。
【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。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，
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。
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。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，
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。
【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。
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。
【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、
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。
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。
【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。
すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面構成図。
【図２】圧力測定及び制御系の回路構成図。
【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。
説明する図。
【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。
明する図。
【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。
するための図。
【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。
した可変焦点レンズの解像力を説明するための図。
【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。
る図。
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…
作動液、１４…ガラス平面基板、１５…加圧部、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。
部、１２，１５ｂ…スペーサ、１３…圧力室、１３ａ…
作動液、１４…ガラス平面基板、１５…加圧部、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。
Claims (5)
- 【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、
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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24782094A JP3480071B2 (ja) | 1994-10-13 | 1994-10-13 | 可変焦点レンズ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24782094A JP3480071B2 (ja) | 1994-10-13 | 1994-10-13 | 可変焦点レンズ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08114703A true JPH08114703A (ja) | 1996-05-07 |
| JP3480071B2 JP3480071B2 (ja) | 2003-12-15 |
Family
ID=17169151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24782094A Expired - Fee Related JP3480071B2 (ja) | 1994-10-13 | 1994-10-13 | 可変焦点レンズ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3480071B2 (ja) |
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