WO2014181419A1 - 可変焦点レンズ - Google Patents

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elastic film
space
focus lens
tension
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寛雅 奥
立輝 王
正俊 石川
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University of Tokyo NUC
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University of Tokyo NUC
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration

Definitions

  • the present invention relates to a variable focus lens.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 below describe a variable focus lens having a configuration in which an elastic film is disposed at a boundary portion between a first liquid and a second liquid.
  • the refractive index of the first liquid is different from the refractive index of the second liquid, and the elastic film is used to maintain the boundary surface shape of these two liquids.
  • variable focus lens by applying pressure to one of the liquids (for example, the second liquid), the curvature of the elastic film (that is, the curvature of the interface shape between the two liquids) can be changed.
  • the refractive power (so-called lens power) can be adjusted.
  • the specific gravity (or density) of the first liquid and the second liquid having different refractive indexes it is difficult to make the specific gravity (or density) of the first liquid and the second liquid having different refractive indexes completely equal.
  • the density difference between the two liquids in a certain temperature range can be brought close to 0, but usually the density difference becomes large in a different temperature range.
  • An object of the present invention is to provide a variable focus lens capable of exhibiting high lens performance.
  • Another object of the present invention is to provide a variable focus lens capable of maintaining the lens performance even when the lens diameter is increased.
  • the present invention has a configuration described in any of the following items.
  • the housing is configured such that light can pass along the optical axis direction of the lens,
  • the said accommodating part is equipped with the 1st space arranged along the said optical axis direction, and the 2nd space,
  • the first elastic film is disposed between the first space and the second space, and is extended in a direction intersecting the optical axis direction, whereby the first space and the second space are It is configured to partition between The first space is filled with the first medium,
  • the second space is filled with the second medium,
  • the refractive indexes of the first medium and the second medium are different from each other,
  • the first elastic film is disposed between the first medium and the second medium,
  • the first elastic film is configured to be elastically deformable by a pressure difference between the first medium and the second medium
  • the drive unit is configured to change the curvature of the first elastic film by changing the pressure or volume of the first medium or
  • the drive unit causes a pressure difference between the first medium and the second medium by changing the pressure or volume of the first medium or the second medium, and as a result, changes the curvature of the first elastic film. Can do.
  • the first tension applying unit is A holding portion for holding an outer periphery of the first elastic membrane; An isotropic tensile stress is generated in the first elastic film by pressing the vicinity of the outer periphery of the first elastic film held by the holding portion substantially uniformly along the optical axis direction.
  • (Item 4) Item 4.
  • the accommodating portion further includes a third space,
  • the third space is disposed at a position along the optical axis direction with respect to the first space and the second space,
  • the second elastic film is disposed between the second space and the third space, and is extended in a direction intersecting the optical axis direction, whereby the second space, the third space, It is configured to partition between The third space is filled with the third medium,
  • the refractive index of the third medium is different from the refractive index of the first medium or the second medium
  • the second elastic film is disposed between the second medium and the third medium,
  • the second elastic film is configured to be elastically deformable by a pressure difference between the second medium and the third medium
  • the drive unit is configured to change the curvature of the second elastic film by changing the pressure or volume of the second medium or the third medium, 5.
  • the variable focus lens according to any one of items 1 to 4, wherein the second tension applying unit is configured to apply iso
  • the drive unit causes a pressure difference between the second medium and the third medium by changing the pressure or volume of the second medium or the third medium, and as a result, changes the curvature of the second elastic film. Can do.
  • (Item 9) A projection apparatus comprising the variable focus lens according to any one of items 1 to 7.
  • the present invention has the above-described configuration, it is possible to provide a variable focus lens that can exhibit high lens performance even at low lens power. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a large aperture variable focus lens having high lens performance.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a variable focus lens according to a first embodiment of the present invention. It is explanatory drawing which expanded the principal part of FIG. It is explanatory drawing of the isotropic tension
  • the vertical axis of the graph (b) represents the root mean square of the difference between the ideal wavefront and the wavefront estimated by the finite element method (so-called wavefront aberration), and the horizontal axis represents the lens refractive power.
  • the lens according to the present embodiment includes a housing unit 1, a first elastic film 2, a first medium 3, a second medium 4, a driving unit 5, and a first tension applying unit 6.
  • the housing part 1 is configured such that light can pass along the direction of the optical axis 100 of the lens (indicated by a dashed line in FIG. 1).
  • the storage unit 1 includes a first window portion 11 and a second window portion 12 that are spaced apart from each other in the optical axis direction.
  • the 1st window part 11 and the 2nd window part 12 are made transparent in the part through which light passes, and light can pass in the direction of the optical axis 100 through these window parts 11 and 12 by this.
  • the term “transparent” means that the amount of attenuation with respect to light in the wavelength band targeted for lens action is as small as practically necessary.
  • the lens of this embodiment is for visible light unless otherwise specified.
  • the accommodating part 1 of this embodiment is made into the cylindrical shape by which both ends were closed by the 1st window part 11 and the 2nd window part 12, it is not restricted to this, For example, appropriate shapes, such as a rectangular tube shape, are used. Selectable.
  • the housing unit 1 includes a first space 13 and a second space 14 arranged along the direction of the optical axis 100. More specifically, the accommodating part 1 of this embodiment is provided with the cylindrical side wall 15 which connects these between the 1st window part 11 and the 2nd window part 12, By these, the accommodating part 1 is provided. An internal space is formed in the interior. As described later, the first space 13 and the second space 14 are formed by partitioning the internal space by the first elastic film 2. In other words, the first space 13 and the second space 14 are partitioned by the first elastic film 2.
  • the first elastic film 2 is disposed between the first space 13 and the second space 14, and is extended in a direction intersecting the optical axis 100 direction (a direction orthogonal in this example). Thereby, as described above, the first elastic film 2 partitions the first space 13 and the second space 14.
  • the first space 13 is filled with the first medium 3, and the second space 14 is filled with the second medium 4.
  • first space 13 and the second space 14 it is not essential that the first space 13 and the second space 14 be sealed, and either the first medium 3 or the second medium 4 is substantially open to the outside ( That is, it may be in a state under atmospheric pressure).
  • the medium to be pressurized or depressurized is preferably sealed so that the pressure can be varied.
  • the refractive indexes of the first medium 3 and the second medium 4 are different from each other.
  • the specific gravity (density) of the first medium 3 and the second medium 4 is preferably as equal as possible in the temperature range assumed for use.
  • a combination of such media can be selected as appropriate.
  • a combination of PDMS (Poly-Dimethyl-Siloxane) and pure water can be used.
  • the refractive indices are 1.40 and 1.33 mm, respectively. Either of them may be the first medium 3.
  • liquid is used as the first medium 3 and the second medium 4.
  • these media can be in the form of a sol, a gel, or an elastic body in addition to the liquid.
  • any medium can be used as long as the change in the pressing force received from the drive unit 5 can be applied to the interface between the two media to bulge the interface toward one side.
  • the first elastic film 2 is disposed between the first medium 3 and the second medium 4.
  • a material of the first elastic film 2 for example, a highly transparent silicone resin can be used.
  • the first elastic film 2 is not limited to a silicone resin, and may be any material that can be elastically deformed by a pressure difference between the first medium 3 and the second medium 4.
  • the first elastic film 2 of this example is formed in a thin circular sheet shape.
  • the first medium 3 and the second medium 4 are in direct contact with the first elastic film 2, but these media are in contact with the first elastic film 2 indirectly through some pressure transmission material. You may do it. In short, it is sufficient that the pressure from the first medium 3 or the second medium 4 can be transmitted to the first elastic film 2.
  • the drive unit 5 is configured to change the curvature of the first elastic film 2 by changing the pressure or volume of the first medium 3 or the second medium 4. More specifically, the drive unit 5 of this example is connected to the second space 14 and is configured to be able to increase or decrease the pressure of the second medium 4.
  • achieving the drive part 5 is not restrict
  • the first tension applying unit 6 is configured to apply isotropic tension to the first elastic film 2. More specifically, the first tension applying unit 6 of this example includes a holding unit 61 that holds the outer periphery of the first elastic membrane 2, and an area near the outer periphery of the first elastic membrane 2 that is held by the holding unit 61. And a pressing portion 62 that generates isotropic tensile stress on the first elastic film 2 by pressing substantially uniformly along the direction of the optical axis 100 (see FIG. 2). 2 exaggerates the thickness of the elastic film 2, and the overall dimensions are not accurate.
  • the outer periphery of the first elastic film 2 and the holding portion 61 can be fixed by, for example, welding of the contact surface by plasma treatment or adhesion with an adhesive.
  • the pressing portion 62 has a protruding portion 621 that protrudes in the direction of the optical axis 100.
  • isotropic tension is applied to the first elastic film 2.
  • Stress see FIG. 3 can be applied.
  • FIG. 3 schematically illustrates the direction of the tensile stress, and the dimensions are not accurate.
  • the protruding portion 621 of this example has an annular shape when viewed from the optical axis direction.
  • the pressure difference between the first medium 3 and the second medium 4 is set to 0 [Pa]. That is, both hydrostatic pressures are made equal.
  • the first elastic membrane 2 in this state is indicated by a two-dot chain line in FIG.
  • the conventional variable focus lens due to the subtle difference in density between the two media, unintended minute deformation may occur in the elastic film between the media due to the influence of gravity. For this reason, the conventional lens may not exhibit sufficient optical performance particularly when the lens power is small (that is, when the curvature of the film is small).
  • the first tension applying unit 6 applies isotropic tensile stress to the first elastic film 2. Even if there is a small density difference between the two media 4, the deformation of the first elastic film 2 can be kept small. That is, in this embodiment, there is an advantage that the optical performance of the lens can be improved particularly when the lens power is small by reducing the influence of gravity due to the density difference between the media. Further, since the influence of gravity as described above becomes conspicuous as the diameter of the lens increases, the lens of this embodiment also has an advantage that it is suitable for increasing the diameter. That is, according to the present embodiment, it is possible to provide a variable aperture lens having a large aperture and high performance.
  • the drive unit 5 pressurizes the second medium 4. Then, a pressure difference is generated between the first medium 3 and the second medium 4, and the boundary between both moves to a position where the pressures of both the media are balanced.
  • the shape of the first elastic film 2 can be expanded into a dome shape or a paraboloid shape.
  • the lens power can be changed.
  • the first elastic film 2 is bulged in the left direction in the figure, but the first elastic film 2 is bulged in the opposite direction by setting the pressure to the second medium 4 to a negative pressure. You can also.
  • the hydrostatic pressure of the second medium 4 is changed by the drive unit 5, but the shape of the first elastic film 2 is changed by pressurization or decompression of the first medium 3. It is also possible to change.
  • the hydrostatic pressure of each medium is changed by moving the position of the holding unit 61 that holds the first elastic film 2 along the optical axis direction (for example, moving left and right in FIG. 1).
  • a configuration in which the shape of the first elastic film 2 is changed is also possible. This has the advantage that the size of the entire lens including the drive unit can be reduced.
  • the color dispersion characteristics of the first medium 3 and the color dispersion characteristics of the second medium 4 can be different characteristics. This has the advantage that the chromatic aberration of the entire lens can be reduced.
  • the lens of the present embodiment since the tension is applied to the first elastic film 2 in advance, the speed until the deformed elastic film 2 returns to the initial position can be improved. For this reason, according to this lens, there is an advantage that the moving cycle of the lens focal position can be speeded up.
  • First medium pure water (refractive index 1.33, density 0.997 g / cm 3 )
  • Second medium PDMS liquid (poly-dimethyl-siloxane liquid) (refractive index 1.40, density 0.975 g / cm 3 )
  • First elastic membrane circular sheet with a diameter of 30 mm, thickness 0.1 mm, Young's modulus 5 MPa, Poisson's ratio 0.45
  • the ⁇ marks indicate the results when no pre-tension is applied to the film (that is, the comparative example), and the ⁇ marks indicate the results when the pre-tension is applied to the film (that is, this example).
  • the external pressure means the pressure applied to the second medium 4 by the drive unit 5.
  • the vertical axis of FIG. 4A shows how far the point where the displacement in the elastic film is the largest is located from the center of the film (that is, the center of the light beam or the optical axis). The closer to 0, the more the interface shape symmetry is maintained (that is, good optical performance can be obtained).
  • the same refractive power can be obtained, for example, when the refractive power is 0.3 [1 / m], in the example of no tension (marked with a circle in the figure), the deviation amount is about 0.7 mm, but there is tension (see FIG. In the example of the middle ⁇ mark), the amount of deviation is suppressed to as low as about 0.1 mm. Therefore, according to the present embodiment, it can be seen that a variable lens having high optical performance can be provided even in a low refractive power region.
  • the vertical axis in FIG. 4B shows the root-means-square-error (RMSE) of the difference between the ideal wavefront and the wavefront estimated by the finite element method (so-called wavefront aberration).
  • RMSE root-means-square-error
  • variable focus lens according to the second embodiment further includes a second elastic film 7, a third medium 8, and a second tension applying unit 9.
  • the accommodating portion 1 of the present embodiment further includes a third space 16.
  • the third space 16 is arranged at a position along the direction of the optical axis 100 with respect to the first space 13 and the second space 14. More specifically, the third space is a region surrounded by the second elastic film 7, the second window portion 12, and the side wall 15.
  • the second elastic film 7 is disposed between the second space 14 and the third space 16 and is extended in a direction intersecting the optical axis 100 (specifically, an orthogonal direction), whereby the second space 14 and the third space 16 are partitioned.
  • the second elastic film 7 is disposed between the second medium 4 and the third medium 8. Further, the second elastic film 7 is configured to be elastically deformable by a pressure difference between the second medium 4 and the third medium 8.
  • the color dispersion characteristics of the first elastic film 2 and the color dispersion characteristics of the second elastic film 7 are different characteristics.
  • the second elastic film 7 can be configured in the same manner as the first elastic film 2.
  • the third space 16 is filled with the third medium 8.
  • the refractive index of the third medium 8 is different from the refractive index of the first medium 3 and / or the second medium 4 so that the lens action can be exhibited.
  • the third medium 8 can be configured in the same manner as the first medium 3 and the second medium 4.
  • the drive unit 5 is configured to change the curvature of the second elastic film 7 by changing the pressure or volume of the second medium 4 or the third medium 8. More specifically, the drive unit 5 of this example can drive both the first elastic film 2 and the second elastic film 7 by changing the pressure of the second medium 4.
  • the initial pressures of the first medium 3 and the third medium 4 are the same, and the pressure difference between these two media and the second medium 4 is equal.
  • the second tension applying unit 9 is configured to apply isotropic tension to the second elastic film 7.
  • the tension applied to the first elastic film 2 and the tension applied to the second elastic film 7 have different magnitudes.
  • the second tension applying unit 9 is configured in the same manner as the first tension applying unit 6.
  • variable focus lens of the second embodiment As in the first embodiment, the first elastic film 2 and the second elastic film 7 in the initial state are in a flat state (state indicated by a two-dot chain line in FIG. 5). .
  • the drive unit 5 varies the pressure of the second medium 4. Thereby, the curvature of the 1st elastic film 2 and the 2nd elastic film 7 can be changed.
  • both the first elastic film 2 and the second elastic film 7 (more specifically, the interface between the three media) exhibit the lens action. Therefore, in the second embodiment, a variable focus lens having a plurality of single lenses can be provided.
  • the tension applied to the first elastic film 2 and the tension applied to the second elastic film 7 have different magnitudes. Furthermore, in this embodiment, the initial pressures of the first medium 3 and the third medium 4 are the same, and the pressure difference between these two media and the second medium 4 is equal. Then, the refractive power generated in both elastic films changes according to the tension applied to each film (see the solid line in FIG. 5). Thus, in 2nd Embodiment, the several lens from which refractive power differs can be provided by adjusting the tension
  • the chromatic dispersion characteristics of the first elastic film 2 and the chromatic dispersion characteristics of the second elastic film 7 are different from each other, so that the chromatic aberration of the entire lens can be reduced. There is also.
  • the film thickness and the distance between the elastic films in this embodiment can be appropriately designed so as to be suitable for a zoom lens.
  • the pressure of the second medium 4 is changed.
  • the pressure of the other medium may be changed.
  • a drive unit for changing the medium may be prepared separately, or the drive unit described above may be shared.
  • the color dispersion characteristics in the first elastic film 2 and the color dispersion characteristics in the second elastic film 7 are different characteristics, but the same characteristics are possible.
  • tensile_strength provision part 9 was comprised similarly to the 1st tension
  • the second elastic film and the third medium are further provided.
  • a structure in which a larger number of elastic films and mediums are stacked is also possible.
  • a complicated lens configuration can be realized. Since the configuration of the elastic film and the like in this case can be understood from the above, detailed description is omitted.
  • An imaging device such as a camera or a projection device such as a liquid crystal projector can be configured using the lens of each embodiment described above.
  • each of the embodiments and examples is merely an example, and does not indicate a configuration essential to the present invention.
  • the configuration of each part is not limited to the above as long as the gist of the present invention can be achieved.
  • tension is applied to the elastic film using the pressing portion 62.
  • the present invention is not limited to this.
  • the elastic film is attached to a frame having a higher thermal expansion coefficient than the elastic film and heated. After applying tension to the elastic membrane, it is also possible to maintain the tension applied to the elastic membrane by attaching this frame to another highly rigid support.
  • the refractive index of each medium described above can be variously set according to the design purpose of the lens.

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Abstract

本発明は、低いレンズパワーにおいても高いレンズ性能を発揮可能な可変焦点レンズを提供するものである。また、本発明は、比較的に大きな口径を実現可能な可変焦点レンズを提供するものである。本発明の第１弾性膜は、第１媒質と第２媒質との間に配置されている。第１弾性膜は、第１媒質又は第２媒質からの圧力による弾性変形が可能とされている。駆動部は、第１媒質又は第２媒質の圧力又は体積を変動させることにより、第１弾性膜の曲率を変化させる。第１張力付与部は、第１弾性膜に対して、等方的な張力を付与している。

Description

可変焦点レンズ
　本発明は、可変焦点レンズに関するものである。
　下記特許文献１及び非特許文献１には、第１液と第２液との境界部分に弾性膜を配置した構成の可変焦点レンズが記載されている。このレンズでは、第１液の屈折率と第２液の屈折率とが異なっており、弾性膜は、これら２液の境界面形状を保つために用いられている。
　この可変焦点レンズでは、どちらかの液体（例えば第２液）に圧力を付与することにより、弾性膜の曲率（つまり２液間の界面形状の曲率）を変化させることができ、これによって、レンズとしての屈折力（いわゆるレンズパワー）を調整することができる。
　一般に、液体の界面形状を用いたレンズにおいては、レンズ径を大きくすると、液体の表面張力よりも、液体に作用する重力の影響が支配的となるため、重力によるレンズ形状への影響が無視できなくなる。弾性膜を使用すると、この重力による影響を軽減できるという利点もある。
特開２００４－２３３９４５号公報
Lihui Wang, Hiromasa Oku and Masatoshi Ishikawa "Variable-focus lens with 30mm optical aperture based on liquid-membrane-liquid structure" Appl. Phys. Lett. 102, 131111 (2013)
　ところで、前記した可変焦点レンズにおいては、異なる屈折率を持つ第１液と第２液の比重（あるいは密度）を完全に等しくすることが難しい。例えば、添加物を用いて、ある温度範囲における両液間の密度差を０に近づけることは可能であるが、通常、異なる温度範囲では密度差が大きくなってしまう。
　このように密度差を生じると、両液間の界面が、重力の影響によって微妙に歪み、その結果、弾性膜自体も微妙に歪む。すると、レンズとしての所期の光学的性能を得ることが難しくなるという問題を生じる。この歪みは、レンズの大径化に伴って顕著となるため、この問題は、レンズ大径化の妨げにもなる。本発明者らの知見によれば、特に弾性膜の変形量が小さいときに、この歪みの影響が表出しやすい。
　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、高いレンズ性能を発揮可能な可変焦点レンズを提供することである。本発明の他の目的は、レンズ径を大きくしてもレンズ性能を維持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、第１弾性膜と、第１媒質と、第２媒質と、駆動部と、第１張力付与部とを備えており、
　前記収容部は、レンズの光軸方向に沿って光が通過可能とされており、
　かつ、前記収容部は、前記光軸方向に沿って配列された第１空間と、第２空間とを備えており、
　前記第１弾性膜は、前記第１空間と前記第２空間との間に配置され、かつ、前記光軸方向に交差する方向に延長されることによって、前記第１空間と前記第２空間との間を仕切る構成とされており、
　前記第１空間には、前記第１媒質が充填されており、
　前記第２空間には、前記第２媒質が充填されており、
　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弾性膜は、前記第１媒質と前記第２媒質との間に配置されており、
　かつ、前記第１弾性膜は、前記第１媒質と前記第２媒質との間の圧力差によって弾性変形可能な構成とされており、
　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、前記第１弾性膜の曲率を変化させる構成となっており、
　前記第１張力付与部は、前記第１弾性膜に対して、等方的な張力を付与する構成とされている
　ことを特徴とする可変焦点レンズ。
　駆動部が、第１媒質又は第２媒質の圧力又は体積を変動させることにより、第１媒質と第２媒質との間に圧力差を生じ、その結果、第１弾性膜の曲率を変化させることができる。
　（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。
　（項目３）
　前記第１張力付与部は、
　前記第１弾性膜の外周を保持する保持部と、
　前記保持部に保持された状態の前記第１弾性膜の外周近傍を、前記光軸方向に沿ってほぼ一様に押圧することによって、前記第１弾性膜に等方的な引張応力を発生させる押圧部と
　を備える項目１又は２に記載の可変焦点レンズ。
　（項目４）
　前記第１媒質の色分散特性と、前記第２媒質の色分散特性とは、異なる特性とされている
　項目１～３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
　（項目５）
　第２弾性膜と、第３媒質と、第２張力付与部とをさらに備えており、
　前記収容部は、第３空間をさらに備えており、
　前記第３空間は、前記第１空間及び第２空間に対して、前記光軸方向に沿う位置に配置されており、
　前記第２弾性膜は、前記第２空間と前記第３空間との間に配置され、かつ、前記光軸方向に交差する方向に延長されることによって、前記第２空間と前記第３空間との間を仕切る構成とされており、
　前記第３空間には、前記第３媒質が充填されており、
　前記第３媒質の屈折率は、第１媒質又は前記第２媒質の屈折率とは異なるものとされており、
　前記第２弾性膜は、前記第２媒質と前記第３媒質との間に配置されており、
　かつ、前記第２弾性膜は、前記第２媒質と前記第３媒質との間の圧力差によって弾性変形可能な構成とされており、
　前記駆動部は、前記第２媒質又は第３媒質の圧力又は体積を変動させることにより、前記第２弾性膜の曲率を変化させる構成となっており、
　前記第２張力付与部は、前記第２弾性膜に対して、等方的な張力を付与する構成とされている
　項目１～４のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
　駆動部が、第２媒質又は第３媒質の圧力又は体積を変動させることにより、第２媒質と第３媒質との間に圧力差を生じ、その結果、第２弾性膜の曲率を変化させることができる。
　（項目６）
　前記第１弾性膜に付与された前記張力と、前記第２弾性膜に付与された前記張力とは、異なる大きさとされている
　項目５に記載の可変焦点レンズ。
　（項目７）
　前記第１弾性膜における色分散特性と、前記第２弾性膜における色分散特性とは、異なる特性とされている
　項目５又は６に記載の可変焦点レンズ。
　（項目８）
　項目１～７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。
　（項目９）
　項目１～７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。
　本発明は、前記の構成を備えているので、低いレンズパワーにおいても高いレンズ性能を発揮可能な可変焦点レンズを提供することができる。さらに、本発明によれば、高いレンズ性能を持つ大口径の可変焦点レンズを提供することが可能となる。
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実施形態における弾性膜に付与される等方的張力の説明図である。 実施例のシミュレーション結果を示すグラフである。図（ａ）の縦軸は、弾性膜表面において変位が最も大きい点が，膜の中心からどの程度ずれた場所にあるかを示し、横軸はレンズ屈折力を示す。図（ｂ）の縦軸は、理想的な波面と有限要素法で推定された波面との差（いわゆる波面収差）の二乗平均平方根を示し、横軸はレンズ屈折力を示す。 本発明の第２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。
　（第１実施形態の構成）
　以下、本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズ（以下単に「レンズ」と略称することがある）を、添付の図面に基づいて説明する。本実施形態のレンズは、収容部１と、第１弾性膜２と、第１媒質３と、第２媒質４と、駆動部５と、第１張力付与部６とを備えている。
　収容部１は、レンズの光軸１００（図１において一点鎖線で示す）の方向に沿って光が通過可能とされている。具体的には、収容部１は、光軸方向において離間して対向配置された第１窓部１１と第２窓部１２とを備えている。第１窓部１１及び第２窓部１２は、光が通過する部分において透明とされており、これによって、これらの窓部１１及び１２を介して光が光軸１００方向に通過可能となっている。なお、本明細書において透明とは、レンズ作用の対象となる波長帯域の光に対する減衰量が、実用上必要な程度に小さいことを意味している。したがって、例えば、赤外光用のレンズであれば、それ以外の帯域の光（例えば可視光）に対して不透明であっても、本明細書での意味においては透明ということができる。ただし、以降の説明においては、特に言及しない限り、本実施形態のレンズを可視光用のものと仮定する。本実施形態の収容部１は、第１窓部１１と第２窓部１２とによって両端が閉鎖された円筒形状とされているが、これに限らず、例えば角筒形状など、適宜の形状を選択可能である。
　収容部１は、光軸１００の方向に沿って配列された第１空間１３と、第２空間１４とを備えている。より具体的には、本実施形態の収容部１は、第１窓部１１と第２窓部１２との間に、これらをつなぐ円筒形状の側壁１５を備えており、これらによって、収容部１の内部に内部空間が形成されている。この内部空間を、後述するように第１弾性膜２で仕切ることにより、前記した第１空間１３と第２空間１４とが形成されている。つまり、第１空間１３と第２空間１４との間が第１弾性膜２で仕切られるようになっている。
　第１弾性膜２は、第１空間１３と第２空間１４との間に配置されており、かつ、光軸１００方向に交差する方向（本例では直交する方向）に延長されている。これによって、前記したように、第１弾性膜２が、第１空間１３と第２空間１４との間を仕切るようになっている。
　第１空間１３には第１媒質３が充填されており、第２空間１４には第２媒質４が充填されている。ここで、本実施形態では、第１空間１３及び第２空間１４が密閉されることは必須ではなく、第１媒質３及び第２媒質４のいずれかが実質的に外部に開放された状態（つまり大気圧下にある状態）であってもよい。加圧又は減圧される媒質については、圧力を変動できるように、密閉することが好ましい。
　第１媒質３と第２媒質４の屈折率は、互いに異なるものとされている。一方、第１媒質３と第２媒質４の比重（密度）は、使用において想定される温度域においてなるべく等しいものであることが好ましい。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３としてもよい。この例では、第１媒質３及び第２媒質４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５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、この界面を一方に向けて膨出させることができるものであればよい。
　第１弾性膜２は、第１媒質３と第２媒質４との間に配置されている。第１弾性膜２の材質としては、例えば、透明度の高いシリコーン樹脂を用いることができる。ただし、第１弾性膜２としては、シリコーン樹脂に限らず、第１媒質３と第２媒質４との間の圧力差によって弾性変形可能な材質であればよい。本例の第１弾性膜２は薄肉の円形シート状に形成されている。また、本例では、第１媒質３及び第２媒質４が第１弾性膜２に直接接触しているが、何らかの圧力伝達物質を介して間接的にこれらの媒質が第１弾性膜２に接触していてもよい。要するに、第１媒質３又は第２媒質４からの圧力を第１弾性膜２に伝達可能であればよい。
　駆動部５は、第１媒質３又は第２媒質４の圧力又は体積を変動させることにより、第１弾性膜２の曲率を変化させる構成となっている。より具体的には、本例の駆動部５は、第２空間１４に接続されており、第２媒質４の圧力を増減させることができる構成となっている。駆動部５を実現するための具体的構成は特に制約されないが、たとえばシリンジポンプを用いることができる。
　第１張力付与部６は、第１弾性膜２に対して、等方的な張力を付与する構成とされている。より具体的には、本例の第１張力付与部６は、第１弾性膜２の外周を保持する保持部６１と、保持部６１に保持された状態の第１弾性膜２の外周近傍を、光軸１００方向に沿ってほぼ一様に押圧することによって、第１弾性膜２に等方的な引張応力を発生させる押圧部６２とを有している（図２参照）。なお、図２は、弾性膜２の厚さを誇張して記載したものであって、全体的に寸法は正確ではない。第１弾性膜２の外周と保持部６１との固定は、例えば接触面のプラズマ処理による溶着や、接着剤による接着によって行うことができる。押圧部６２は、光軸１００方向に向けて突出された突出部６２１を有しており、この突出部６２１を第１弾性膜２に押し付けることによって、第１弾性膜２に等方的な引っ張り応力（図３参照）を付与できるようになっている。なお、図３は、引っ張り応力の方向を模式的に説明したものであって、寸法は正確ではない。また、本例の突出部６２１は、光軸方向から見た状態において円環形状とされている。
　（第１実施形態の動作）
　次に、本実施形態に係る可変焦点レンズの動作について説明する。
　まず、初期状態では、第１媒質３と第２媒質４との圧力差を０〔Pa〕とする。つまり、両者の静水圧を等しくする。この状態では、第１弾性膜２は、第１媒質３と第２媒質４との間にあって、平坦な状態（つまり曲率＝０あるいは曲率半径＝∞）となる。この状態の第１弾性膜２を、図１において二点鎖線で示す。
　ここで、従来の可変焦点レンズでは、両媒質間の微妙な密度差に起因して、重力の影響により、媒質間の弾性膜に意図しない微小変形を生じることがあった。このため、従来のレンズでは、特にレンズパワーが小さいとき（つまり膜の曲率が小さいとき）において、十分な光学的性能を発揮できないことがあった。
　これに対して、本実施形態の可変焦点レンズでは、第１張力付与部６によって、第１弾性膜２に対して、等方的な引っ張り応力を付与しているので、第１媒質３と第２媒質４との間に仮に小さな密度差があったとしても、第１弾性膜２の変形を小さく抑えることができる。つまり、本実施形態では、媒質間の密度差に起因する重力の影響を減少させることにより、特にレンズパワーが小さいときのレンズの光学的性能を向上させることができるという利点がある。また、前記のような重力の影響は、レンズの大径化によって顕著となるので、本実施形態のレンズは、大径化に適するという利点もある。つまり、本実施形態により、大口径かつ高性能の可変焦点レンズを提供することが可能ととなる。
　レンズのパワー（すなわち屈折力）を変更する場合は、駆動部５により、第２媒質４を加圧する。すると、第１媒質３と第２媒質４との間に圧力差を生じ、両者間の境界は、両媒質の圧力が釣り合う位置に移動する。これにより、図１において実線で示すように、第１弾性膜２の形状をドーム状あるいは回転放物面状に膨出させることができる。その結果、レンズパワーを変更することができる。図１では、図中左方向に第１弾性膜２を膨出させているが、第２媒質４への圧力を負圧とすることにより、逆方向に第１弾性膜２を膨出させることもできる。
　なお、前記した第１実施形態の説明においては、駆動部５により第２媒質４の静水圧を変化させたが、第１媒質３への加圧あるいは減圧により、第１弾性膜２の形状を変化させることも可能である。
　あるいは、駆動部５としては、第１弾性膜２を保持する保持部６１の位置を光軸方向に沿って移動させる（例えば図１において左右に移動させる）ことによって、各媒質の静水圧を変化させ、これによって第１弾性膜２の形状を変化させる構成も可能である。このようにすると、駆動部を含めたレンズ全体の大きさを小さくすることができるという利点がある。
　なお、第１媒質３の色分散特性と、第２媒質４の色分散特性とを、異なる特性とすることも可能である。このようにすると、レンズ全体としての色収差を減少させることができるという利点がある。
　さらに、本実施形態のレンズでは、第１弾性膜２にあらかじめ張力を付与しているので、変形した弾性膜２が初期位置に復帰するまでの速度を向上させることができる。このため、このレンズによれば、レンズ焦点位置の移動サイクルを高速化することができるという利点がある。
　（実施例）
　前記した第１実施形態の可変焦点レンズの性能を検証するため、有限要素解析法（finite element analysis）を用いてシミュレーションを行った。条件は以下のとおりである。
　第１媒質：純水（屈折率１．３３、密度０．９９７ｇ／ｃｍ３）
　第２媒質：ＰＤＭＳ液（poly-dimethyl-siloxane liquid）（屈折率１．４０、密度０．９７５ｇ／ｃｍ３）
　第１弾性膜：直径３０ｍｍの円形シート状、厚さ０．１ｍｍ、ヤング率５ＭＰａ、ポアソン比０．４５
　また、このシミュレーションでは、基準温度（例えば両媒質の温度）に対して、第１弾性膜の温度を１度低く設定することにより、第１弾性膜に等方的な引っ張り応力を発生させる条件とした。なお、この膜における、熱膨張についてのセカント弾性係数（secant coefficient of thermal expansion）は０．００４に設定されている。前記以外の条件は前記した第１実施形態の構成と同様とした。
　上記の条件により得られた結果を図４に示す。この図において、○印は、膜に事前の張力を付与していない場合（すなわち比較例）、▽印は、膜に事前の張力を付与した場合（すなわち本実施例）の結果を示す。この図において外部圧力とは、駆動部５により第２媒質４に加えられる圧力を意味する。
　図４（ａ）に示されるように、外部圧力＝０のとき（つまり媒体に対する圧力を加えていないとき）において、比較例としての張力なし（図中○印）の例では、０．２７程度の屈折力が既に発生している。これは、媒体間の密度差により、膜が既に変形してしまっていることを意味する。これでは、それ以下の屈折力を提供することができないという問題がある。これに対して、本実施例である張力あり（図中▽印）の例では、外部圧力＝０のとき、０．０３程度の低い屈折力を得ている。両者間の屈折力の差を、図４（ｂ）において符号ａで示す。したがって、前記した実施形態のレンズによれば、低い屈折力を持つ大口径の可変焦点レンズを提供できることがわかる。
　また、図４（ａ）の縦軸は、弾性膜における変位が最も大きい点が、膜の中心（つまり光線中心あるいは光軸）からどの程度ずれた場所にあるかを示しており、この値が０に近いほど界面形状の対称性が保たれている（つまり良好な光学性能を得られる）ことを示す。同じ屈折力を得られるとき、例えば屈折力が０．３〔1/m〕のとき、張力なし（図中○印）の例では、ずれ量が０．７ｍｍ程度であるが、張力あり（図中▽印）の例では、このずれ量が０．１ｍｍ程度と低く抑えられている。したがって、本実施形態により、低い屈折力の領域であっても高い光学性能を有する可変レンズを提供できることがわかる。
　さらに、図４（ｂ）の縦軸は、理想的な波面と有限要素法で推定された波面との差（いわゆる波面収差）の二乗平均平方根（root-means-square-error：RMSE）を示しており、この値が０に近いほど波面収差が小さい（つまり良好な光学性能を得られる）ことを示す。同じ屈折力を得られるとき、例えば屈折力が０．３〔1/m〕のとき、張力なし（図中○印）の例では、RMSEが１５μｍ程度であるが、張力あり（図中▽印）の例では、このRMSEが２．０μｍ程度と低く抑えられている。このことからも本実施形態により、低い屈折力の領域であっても高い光学性能を有する可変レンズを提供できることがわかる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態に係る可変焦点レンズを、図５を参照しながら説明する。この第２実施形態の説明においては、前記した第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、同一符号を付すことによって、説明の煩雑を避ける。
　第２実施形態の可変焦点レンズは、第２弾性膜７と、第３媒質８と、第２張力付与部９とをさらに備えている。また、本実施形態の収容部１は、第３空間１６をさらに備えている。
　第３空間１６は、第１空間１３及び第２空間１４に対して、光軸１００方向に沿う位置に配置されている。より具体的には、第３空間は、第２弾性膜７と第２窓部１２と側壁１５とによって囲まれた領域となっている。
　第２弾性膜７は、第２空間１４と第３空間１６との間に配置され、かつ、光軸１００に交差する方向（具体的には直交方向）に延長されることによって、第２空間１４と第３空間１６との間を仕切る構成とされている。第２弾性膜７は、第２媒質４と第３媒質８との間に配置されている。さらに、第２弾性膜７は、第２媒質４と第３媒質８との間の圧力差によって弾性変形可能な構成とされている。また、本実施形態では、第１弾性膜２における色分散特性と、第２弾性膜７における色分散特性とは、異なる特性とされている。それ以外の点においては、第２弾性膜７は、第１弾性膜２と同様に構成することができる。
　第３空間１６には、第３媒質８が充填されている。第３媒質８の屈折率は、レンズ作用を発揮できるように、第１媒質３及び／又は第２媒質４の屈折率とは異なるものとされている。それ以外の点においては、第３媒質８は、第１媒質３及び第２媒質４と同様に構成することができる。
　駆動部５は、第２媒質４又は第３媒質８の圧力又は体積を変動させることにより、第２弾性膜７の曲率を変化させる構成となっている。より具体的には、本例の駆動部５は、第２媒質４の圧力を変動させることにより、第１弾性膜２と第２弾性膜７とを共に駆動できるようになっている。なお、第２実施形態においては、第１媒質３と第３媒質４の初期圧力は同じとなっており、これら両媒質と第２媒質４との圧力差が等しくなるようになっている。
　第２張力付与部９は、第２弾性膜７に対して、等方的な張力を付与する構成とされている。ここで、この実施形態では、第１弾性膜２に付与された張力と、第２弾性膜７に付与された張力とは、異なる大きさとされている。それ以外の点においては、第２張力付与部９は、第１張力付与部６と同様に構成されている。
　（第２実施形態の動作）
　第２実施形態の可変焦点レンズにおいても、第１実施形態と同様に、初期状態の第１弾性膜２及び第２弾性膜７は、平坦状態（図５において二点鎖線で示す状態）にある。ついで、第２実施形態の可変焦点レンズでは、駆動部５によって第２媒質４の圧力を変動させる。これにより、第１弾性膜２及び第２弾性膜７の曲率を変化させることができる。第２実施形態のレンズにおいては、第１弾性膜２及び第２弾性膜７の両方（より具体的には三つの媒質間の界面）がレンズ作用を発揮する。したがって、第２実施形態では、複数の単レンズを有する可変焦点レンズを提供することができる。
　ここで、この実施形態では、第１弾性膜２に付与された張力と、第２弾性膜７に付与された張力とが、異なる大きさとされている。さらに、この実施形態においては、第１媒質３と第３媒質４の初期圧力は同じとなっており、これら両媒質と第２媒質４との圧力差が等しくなるようになっている。すると、両弾性膜において生じる屈折力は、各膜への張力に応じて変わることになる（図５の実線参照）。このように、第２実施形態では、膜への張力を調整することにより、屈折力の異なる複数のレンズを提供することができる。
　また、第２実施形態では、第１弾性膜２における色分散特性と、第２弾性膜７における色分散特性とを、異なる特性としたので、レンズ全体としての色収差を減少させることができるという利点もある。
　さらに、第２実施形態では、複数の単レンズを実現できるので、ズームレンズとしての機能を発揮可能になるという利点もある。もちろん、本実施形態における各弾性膜の膜厚や膜間距離は、ズームレンズに適するように適宜設計可能である。
　なお、第２実施形態では、第２媒質４の圧力を変動させるものとしたが、その代わりに、あるいはそれに追加して、他の媒質の圧力を変動させる構成としてもよい。その場合においても、前記した第１実施形態で説明したように、低い屈折力でかつ高い光学性能を持つレンズを提供できるという利点がある。この場合、媒質を変動させるための駆動部を別に用意してもよいし、前記した駆動部を共用することもできる。
　また、第２実施形態では、第１弾性膜２における色分散特性と、第２弾性膜７における色分散特性とを、異なる特性としたが、同じ特性とすることは可能である。また、第２実施形態において、各媒質の色分散特性を調整することにより、色収差を低減させることが可能である。さらに、本実施形態では、第２張力付与部９を、第１張力付与部６と同様に構成したが、異なる構成によって膜に張力を付与する構成であってもよい。
　第２実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　なお、第２実施形態では、第２弾性膜と第３媒質とをさらに備える構成としたが、それ以上の数の弾性膜と媒質とを積層した構成も可能であり、その場合には、さらに複雑なレンズ構成を実現可能である。この場合の弾性膜等の構成は、前記から理解可能なので、詳しい説明は省略する。
　前記した各実施形態のレンズを用いて、カメラなどの撮像装置あるいは液晶プロジェクタなどの投射装置を構成することができる。
　なお、前記各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。例えば、前記した各実施形態では、押圧部６２を用いて弾性膜に張力を付与したが、これに限らず、例えば、弾性膜よりも熱膨張率の高い枠体に弾性膜を取り付け、加熱して弾性膜に張力を付与した後、この枠体を別の高剛性の支持体に取り付けることで、弾性膜に与えた張力を維持することも可能である。また、前記した各媒質の屈折率は、レンズの設計目的に応じて種々に設定可能である。

Claims (9)

  1. 　収容部と、第１弾性膜と、第１媒質と、第２媒質と、駆動部と、第１張力付与部とを備えており、
    　前記収容部は、レンズの光軸方向に沿って光が通過可能とされており、
    　かつ、前記収容部は、前記光軸方向に沿って配列された第１空間と、第２空間とを備えており、
    　前記第１弾性膜は、前記第１空間と前記第２空間との間に配置され、かつ、前記光軸方向に交差する方向に延長されることによって、前記第１空間と前記第２空間との間を仕切る構成とされており、
    　前記第１空間には、前記第１媒質が充填されており、
    　前記第２空間には、前記第２媒質が充填されており、
    　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弾性膜は、前記第１媒質と前記第２媒質との間に配置されており、
    　かつ、前記第１弾性膜は、前記第１媒質と前記第２媒質との間の圧力差によって弾性変形可能な構成とされており、
    　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、前記第１弾性膜の曲率を変化させる構成となっており、
    　前記第１張力付与部は、前記第１弾性膜に対して、等方的な張力を付与する構成とされている
    　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張力付与部は、
    　前記第１弾性膜の外周を保持する保持部と、
    　前記保持部に保持された状態の前記第１弾性膜の外周近傍を、前記光軸方向に沿ってほぼ一様に押圧することによって、前記第１弾性膜に等方的な引張応力を発生させる押圧部と
    　を備える請求項１又は２に記載の可変焦点レンズ。
  4. 　前記第１媒質の色分散特性と、前記第２媒質の色分散特性とは、異なる特性とされている
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
  5. 　第２弾性膜と、第３媒質と、第２張力付与部とをさらに備えており、
    　前記収容部は、第３空間をさらに備えており、
    　前記第３空間は、前記第１空間及び第２空間に対して、前記光軸方向に沿う位置に配置されており、
    　前記第２弾性膜は、前記第２空間と前記第３空間との間に配置され、かつ、前記光軸方向に交差する方向に延長されることによって、前記第２空間と前記第３空間との間を仕切る構成とされており、
    　前記第３空間には、前記第３媒質が充填されており、
    　前記第３媒質の屈折率は、第１媒質又は前記第２媒質の屈折率とは異なるものとされており、
    　前記第２弾性膜は、前記第２媒質と前記第３媒質との間に配置されており、
    　かつ、前記第２弾性膜は、前記第２媒質と前記第３媒質との間の圧力差によって弾性変形可能な構成とされており、
    　前記駆動部は、前記第２媒質又は第３媒質の圧力又は体積を変動させることにより、前記第２弾性膜の曲率を変化させる構成となっており、
    　前記第２張力付与部は、前記第２弾性膜に対して、等方的な張力を付与する構成とされている
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
  6. 　前記第１弾性膜に付与された前記張力と、前記第２弾性膜に付与された前記張力とは、異なる大きさとされている
    　請求項５に記載の可変焦点レンズ。
  7. 　前記第１弾性膜における色分散特性と、前記第２弾性膜における色分散特性とは、異なる特性とされている
    　請求項５又は６に記載の可変焦点レンズ。
  8. 　請求項１～７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。
  9. 　請求項１～７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。
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