JP2000249813A

JP2000249813A - 可変焦点レンズ

Info

Publication number: JP2000249813A
Application number: JP11054837A
Authority: JP
Inventors: Masanori Idesawa; 正徳出澤; Toyomi Fujita; 豊己藤田
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2000-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】焦点距離が可変である可変焦点レンズの提供【解決手段】可変焦点レンズ１００は、可撓性のある透
明板状対象物１１０の間に、変形可能な透明体１２０を
充填した構成を有している。この変形可能な透明体１２
０は、外部環境媒体（例えば空気）と異なる屈折率を有
している。このような構成のレンズ１００は、例えば上
下に付けられたアクチュエータ１３０を用いて形状を変
形させることができ、これにより、２つの板状対象物１
１０を通過する光の屈折状態を変化させることができ
る。本発明の可変焦点レンズは、人間の眼球において水
晶体の厚さを変化させて焦点調節を行っているのと同様
な原理に基づいている。透明体１２０は、透明板状対象
物１１０の間を隙間無く充填している流動体（例えば水
等の液体やゼリー状態の物質）とすることができ、板状
対象物１１０が変形すると、その変形に伴ってその形状
を変化させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦点を可変とする
ことができる可変焦点レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】撮像光学系の焦点距離の調節、すなわち
結像状態の調節にはもっぱら光学レンズと結像面の距離
を変化させたり、光学レンズを複数枚構成とし、それら
の相互距離を変化させる等の方法が用いられている。こ
れらの焦点調節メカニズムの構成においてはレンズを移
動させるためレンズ系が構造的に大きくなってしまうこ
と、また、焦点距離を調節するのに要する時間（応答時
間）が長くなることなどが問題となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
自動焦点調節機構においては、構造的に大きくなり小型
軽量化が一つの課題であった。また、レンズ等の位置を
機械的に移動させるために動作速度が遅く、その動作速
度の向上が望まれていた。本発明の目的は、構造的に小
さく軽く、焦点調節の応答が十分に速く、しかも簡便に
使用できる焦点調節機能を備えている新しい型の焦点調
節装置を実現するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、２つの透明な板状対象物間に外部環境媒
体と異なる屈折率を有する変形可能な透明体を充満する
ように介在させ、２つの板状対象物の表面形状及び変形
可能な透明体形状を変化させて、２つの板状対象物を通
過する光の屈折状態を変化させることによって、人間の
眼球において水晶体の厚さを変化させて焦点調節を行っ
ているのと同様な原理に基づいた可変焦点レンズが構成
される。外部環境媒体と異なる屈折率を有する前記変形
可能な透明体は、透明流動体とすることができる。ま
た、この透明流動体が可撓性の透明膜に閉じ込められて
いるような構成とすることもできる。

【０００５】可変焦点レンズを構成する二つの透明な板
状対象物はレンズ光軸を対称軸とした軸対称曲面状表面
であり、それらの曲率が互いに逆向きである構成とする
ことも、レンズ光軸に垂直であり、かつ、それらの曲率
が互いに逆向きとなる面対称曲面状表面となり、それら
の曲面の対称面が光軸方向の平面でありそれらが互いに
直交する状態となる構成とすることもできる。

【０００６】前記駆動部は、二つの透明板状対象物間に
介在させる変形可能な透明体に加わる圧力を変化させる
ことによって、透明な板状対象物の形状を変化させるよ
うに構成することが可能である。

【０００７】また、前記駆動部は、二つの板状透明体の
形状を制御することによって、それらの間に充満するよ
うに介在させた変形可能な透明体の形状を変化させるこ
とも可能である。前記駆動部は二つの板状透明体を伸縮
し、その張力を制御することによってそれらの間に充満
するように介在させた変形可能な透明体の形状を変化さ
れるようにすることもできる。前記駆動部は、二つの透
明板状対象物間の間隔を変化させることによって、変形
可能な透明体の厚みを変化させることもできる。

【０００８】本発明では、小型軽量で高速に動作できる
焦点調節を可能ならしめ、工業上の応用のみならず、日
常生活においてもたとえば、眼鏡に取り付け、遠距離を
見る場合と近距離を見る場合とで眼鏡レンズの焦点を変
化させて適応させるなどの目的に使うことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、図面を参照
して詳細に説明する。

【００１０】図１は、本発明である可変焦点レンズの構
成を示す図である。図１において、可変焦点レンズ１０
０は、可撓性のある透明板状対象物１１０の間に、変形
可能な透明体１２０を充填した構成を有している。この
変形可能な透明体１２０は、外部環境媒体（例えば空
気）と異なる屈折率を有している。このような構成のレ
ンズ１００は、例えば周囲に付けられたアクチュエータ
１３０を用いて形状を変形させることができ、これによ
り、２つの板状対象物１１０を通過する光の屈折状態を
変化させることができる。本発明の可変焦点レンズは、
人間の眼球において水晶体の厚さを変化させて焦点調節
を行っているのと同様な原理に基づいている。

【００１１】透明体１２０は、透明板状対象物１１０の
間を隙間無く充填している流動体（例えば水等の液体や
ゼリー状態の物質）とすることができ、板状対象物１１
０が変形すると、その変形に伴ってその形状を変化させ
ることができる。

【００１２】アクチュエータ１３０は、レンズ１００を
変形させるためのものであるが、例えば、板状対象物１
１０の形状を変化させる構成や、レンズ１００中に充填
されている変形可能な透明体１２０の体積を変化させる
構成、透明体１２０の流体圧力を変化させる構成等いろ
いろな構成とすることが可能である。アクチュエータ１
３０の働きについては、後で説明する。

【００１３】図２は、本発明の可変焦点レンズの動作を
説明するための図である。図２において、可変焦点レン
ズ１００をアクチュエータ１３０で変形させて、透明板
状対象物１１０が状態１１２（点線）および状態１１４
（実線）と変化させていることを示している。状態１１
４（実線）のとき、物体Ｏ２１０は、レンズ１００によ
り、焦点距離である位置Ｆに実像Ｉ２２０として出現し
ている。このレンズ１００がアクチュエータ１３０によ
り変形されて、状態１１２（点線）のように厚くなる
と、焦点距離が位置Ｆ’に変化し、実像Ｉ’２３０が出
現する。

【００１４】さて、この可変焦点レンズ１００を構成し
ている変形可能な透明体１２０は、図３（ａ）に示すよ
うに、可撓性透明膜１２４で包まれた透明流動体１２２
のような構成を有していてもよい。この構成を用いたレ
ンズを図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示されているレ
ンズ１００は、可撓性透明膜１２４で包まれた透明流動
体１２２を板状対象物１１０で挟む構成である。アクチ
ュエータ１３０により板状対象物１１０が動作すること
により、板状対象物１１０と可撓性透明膜１２４で包ま
れた透明流動体１２２との相互作用の結果、レンズ１０
０の変形が定まり、レンズ１００の焦点距離が決定す
る。

【００１５】＜レンズ形状＞図４および図５を用いて、
透明板状対象物１１０の形状の例について説明する。レ
ンズ１００の形状をアクチュエータ１３０で制御してい
るが、最終的には、透明板対象物１１０の形状を制御す
る必要がある。この形状を制御する際に、変形の計算が
容易となる形状が好ましい。通常は、図４のように、板
状対象物１１０は、光軸に対象な凸型の軸対象の円錐曲
面状表面、２次曲面（放物面）や３次曲面を有してい
る。これらの曲面は、変形を制御するための計算が複雑
となる。これらの曲面より単純な形としては、面対称の
円筒形、放物面、３次曲面でもよい。図５に面対称の円
筒形の場合を示す。この円筒形のＡおよびＢの中に透明
体を充填している。このような面対称の形状とすると、
軸対象の曲面と比較して、変形の制御の計算が容易にな
る。このような形状の２つの板状対象物１１０の間に、
透明体１２０があり、レンズ１００を構成している。

【００１６】なお、板状対象物１１０の形状・構成は、
図４や図５に示された可変焦点レンズを構成する二つの
透明な板状対象物がレンズ光軸を対称軸とした軸対称曲
面状表面であり、それらの曲率が互いに逆向きである構
成や、レンズ光軸に垂直であり、かつ、それらの曲率が
互いに逆向きとなる面対称曲面状表面となり、それらの
曲面の対称面が光軸方向の平面でありそれらが互いに直
交する状態となる構成に限られず、他の形状・構成とす
ることも可能である。

【００１７】＜アクチュエータ構成＞可変焦点レンズ１
００のアクチュエータ１３０の構成として、まず、充填
した透明体１２０の圧力や体積を変化させることが考え
られる。これは、透明な板状対象物１１０の内側に充填
された透明体１２０の圧力を変化させ、それによって、
板状対象物１１０の変形を引起こす。この結果として、
板状対象物１１０およびその内部に充填された透明体１
２０により構成するレンズ１００の形状が変化し、光学
的な屈折条件（レンズとしての効果）を変化させる。

【００１８】透明体１２０の圧力や体積を変化させるた
めの構成例を図６に示す。図６（ａ）において、透明体
１２０を流動することができる流動体（例えば水等の液
体やゼリー状態の物質）で構成する。そして、アクチュ
エータ１３０として外部に流動体を貯めておくサーバ１
３２を設ける。このサーバ１３２から例えばピストン等
で流動体を押して、レンズの方へ圧力を掛けるか、実際
に流動体を押し出す。これにより板状対象物１１０が変
形して、レンズ１００の焦点距離が変化する。サーバ１
３２から流動体を介して圧力を掛けるための構成は、ピ
ストン以外に、例えばサーバ１３２の容器を圧電素子で
構成し、電圧を印加することで容器を変形させ、圧力を
増加させる構成等いろいろなものを用いることが可能で
ある。なお、サーバ１３２の方に流動体１２０を引き込
むようにして、レンズ１００の焦点距離を制御すること
も可能である。

【００１９】サーバ１３２における圧力等を変化させる
構成の１例を図６（ｂ）、図６（ｃ）を用いて詳しく説
明する。図６（ｂ）において、変形させることができる
物質により構成されている可動部分３１０を変化させる
ことにより、サーバ１３２内の流動体の体積が変化し、
流動体がレンズ内へ流出またはレンズから流出する。こ
れによって、板状透明対象物１１０が弾性変形して、光
学的な屈折条件を変化させている。この可動部分３１０
の変形は、例えば、図６（ｃ）に示されているように、
２種類の圧電材料３１２および３１４により２層構造を
構成している。この圧電材料３１２および３１４は、電
圧を印加した場合に逆の方向に変形する。このため、可
動部分３１０は大きく変形することができる。

【００２０】図７には、アクチュエータ１３０の他の構
成が示されている。図７において、上下に設けたアクチ
ュエータ１３０自体が左右に伸縮できる構成となってい
る。このアクチュエータの伸縮する動作により、板状対
象物１１０の間隔が変化し、レンズ内の透明体１２０や
膜に閉じこめられた流動体１２２の圧力が変化して、板
状対象物１１０が弾性変化する。これによりレンズ１０
０の焦点距離が変わる。このアクチュエータ１３０の伸
縮動作は、例えば、ゴム等の弾性体で作成されたチュー
ブに流体を注入して厚さを変える機構や電圧を印加する
と変形する圧電材料等により実現することができる。

【００２１】図８は、アクチュエータ１３０のもう一つ
の形態を示している。図８（ａ）に示したアクチュエー
タ１３０は、板状対象物１１０を左右に開くように動か
す構成となっている。可撓性を有する板状対象物１１０
が左右に開くように動くと、密封された流動性を有する
透明体１２０の体積は変化しないので、板状対象物１１
０が弾性変形し、レンズ１００の厚みが変化して焦点距
離が変化する。

【００２２】図８（ａ）に示すような板状対象物１１０
を動かす構成の例を、図８（ｂ）、図８（ｃ）に示す。
図８（ｂ）において、アクチュエータ１３０は、２つの
可動部分３４２および３４４により構成されている。可
動部分３４２および３４４は逆方向に動くことができ、
その動きにより板状対象物１１０が変形する。この可動
部分３４２および３４４は、例えば圧電材料により構成
し電圧を印加することで上述の動きを発生させることが
できる。また、アクチュエータ１３０の他の構成とし
て、板状対象物１１０と連結して、軸を中心とする回転
運動を行う機構等の周知の機構を用いて実現することも
できる。また、図８（ｃ）は、板状対象物１１０自体が
変形する構成を示している。これは、例えば、板状対象
物を、前述の図６（ｃ）に示すような２層構造の圧電材
料で構成し、電圧を印加して板状対象物１１０を変形さ
せる。

【００２３】板状対象物１１０を動かして焦点距離を変
更することは、板状対象物１１０を図８に示すように変
形させる以外にも、図９（ａ）に示すように、板状対象
物１１０を引っ張ったり、撓ませるたりして（張力を変
化させて）、内部の透明体１２０や透明膜に包まれた流
動体１２２に対して、板状対象物が及ぼす加重が変化
し、レンズ１００の厚みが変わる。これは、人間の眼に
おける水晶体の厚さ制御による焦点調節に類似した構造
である。

【００２４】この図９（ａ）に示した構成は、図９
（ｂ）に示すように、透明板状対象物１１０を圧電材料
で構成し、印加する電圧を変化させて板状対象物１１０
の張力を変化させることもできる。また、例えば、図９
（ｃ）に示すように、透明板状対象物１１０の外周部を
圧電素子３５４等で構成し、固定フレーム３５２に対し
て収縮運動を行うことにより、板状対象物１１０の張力
を変化させることができる。レンズ１００のフレームを
変形させることにより、板状対象物１１０の張力を変化
させることにより実現してもよい。勿論、他の機械的な
機構を用いて板状対象物１１０を動作させることもでき
る。

【００２５】上述で説明した電気的に制御可能な収縮動
作を行う圧電材料としては、圧電セラミックや高分子圧
電材料（例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）や
ＶＤＦ／ＴｒＦＥ（フッ化ビニリデン／トリフロロエチ
レン）共重合体などを用いることができる。これらの材
料は、印加する電圧により収縮を制御することができ
る。

【００２６】このように、アクチュエータ１３０は、二
つの透明板状対象物１１０間に介在させる変形可能な透
明体１２０に加わる圧力を変化させることによって、透
明な板状対象物１１０の形状を変化させるように構成す
ることも可能である。

【００２７】また、アクチュエータ１３０は、二つの透
明板状対象物１１０間の間隔を変化させることによっ
て、充填している変形可能な透明体１２０の厚みを変化
させることもできるし、二つの板状対象物１１０の形状
を制御することによって、それらの間に充満するように
介在させた変形可能な透明体１２０の形状を変化させる
ことも可能である。二つの板状対象物１１０を伸縮さ
せ、その張力を制御することによってそれらの間に充満
するように介在させた変形可能な透明体１２０の形状を
変化されるようにすることもできる。

【００２８】アクチュエータ１３０による板状対象物の
動かし方については、図７ないし図９に示したような動
きばかりでなく、板状対象物１１０の形状が変化し、レ
ンズ１００の焦点距離を変化させることが可能であるよ
うな動きであれば、どのようなものでもよい。すなわ
ち、アクチュエータ１３０は、可変焦点レンズ１００を
構成する透明体１２０か、板状対象物１１０か、その双
方を制御することにより、レンズ１００の焦点を変化さ
せている。この透明体１２０は、板状対象物に充填させ
た透明流動体や、透明流動体を可撓性透明膜中に封じ込
めたものとすることができる。

【００２９】上述で説明した可変焦点レンズ１００は、
単独でも、他の固定焦点レンズ等と組み合わせてレンズ
系を構成し、レンズ系全体の焦点距離を変化させる構成
としても使用することが可能である。図１０はその構成
を示している。図１０において、本発明の可変焦点レン
ズ１００と通常の固定焦点レンズ１４０とを組み合わせ
て用いている様子を示している。可変焦点レンズ１００
の焦点を変化させることにより、可変焦点レンズ１００
と固定焦点レンズ１４０とで構成されるレンズ系の焦点
も変化させることができる。

【００３０】なお、上述の焦点可変レンズは、外側に凸
である凸レンズばかりではなく、板状対象物１１０を内
側に凸にすることにより、凹レンズにも適用することが
できる。

【００３１】

【発明の効果】上記の説明のように、本発明は、光学的
撮像システムなどの結像光学系内に配置し、結像光学系
全体としての焦点距離を限定された範囲内ではあるが、
微妙かつ動的に制御・調節するために使用される小型化
に適した可変焦点レンズである。

【００３２】本発明の可変焦点レンズは、工業における
各種画像センサ等における動的な高速自動焦点合わせな
どに適する。また、日常生活においては、たとえば眼鏡
の装備して注視点距離に応じて焦点距離を調節する遠近
両用自動焦点調節眼鏡などを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変焦点レンズの構成を示す図であ
る。

【図２】可変焦点レンズの動作を説明するための図であ
る。

【図３】透明体１２０の構成例を示す図である。

【図４】透明板状対象物１１０の形状の一例である。

【図５】透明板状対象物１１０の形状の他の例である。

【図６】透明体１２０の圧力や体積を変化させるアクチ
ュエータ１３０の構成例である。

【図７】板状対象物を動かすアクチュエータ１３０の構
成を示す図である。

【図８】板状対象物を動かすアクチュエータ１３０の他
の構成を示す図である。

【図９】板状対象物を動かすアクチュエータ１３０の他
の構成を示す図である

【図１０】本発明の可変焦点レンズを用いたレンズ系を
示す図である。

【符号の説明】

１００可変焦点レンズ１１０透明板状対象物１２０透明体（流動体）１２２透明流動体１２４可撓性透明膜１３０アクチュエータ１４０固定焦点レンズ２１０物体２２０，２３０実像３１０可動部分３１２，３１４圧電材料３４２，３４４可動部分３５２固定フレーム３５４圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの透明な板状対象物と、前記２つの透明な板状対象物間に介在し、外部環境媒体
と異なる屈折率を有する変形可能な透明体と前記透明板
状対象物と前記変形可能な透明体とを変化させる駆動部
とを備え、前記２つの板状対象物の表面形状及び前記変
形可能な透明体形状を変化させて、２つの板状対象物を
通過する光の屈折状態を変化させることを特徴とする可
変焦点レンズ。
【請求項２】請求項１に記載された可変焦点レンズ
の構成において、外部環境媒体と異なる屈折率を有する
前記変形可能な透明体は透明流動体であることを特徴と
する可変焦点レンズ。
【請求項３】請求項２に記載された可変焦点レンズ
において、透明流動体が可撓性の透明膜に閉じ込められ
ていることを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項４】請求項１〜３いずれかに記載された可
変焦点レンズにおいて、二つの透明な板状対象物がレンズ光軸を対称軸とした軸
対称曲面状表面であり、それらの曲率が互いに逆向きと
なるようにしたことを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項５】請求項１〜３いずれかに記載された可
変焦点レンズにおいて、二つの透明な板状対象物がレンズ光軸に垂直であり、か
つ、それらの曲率が互いに逆向きとなる面対称曲面状表
面となり、それらの曲面の対称面が光軸方向の平面であ
りそれらが互いに直交する状態となる様に配置されてい
ることを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項６】請求項１〜５いずれかに記載された可
変焦点レンズにおいて、前記駆動部は、二つの透明板状
対象物間に介在させる変形可能な透明体に加わる圧力を
変化させることによって、透明な板状対象物の形状を変
化させるように構成されたことを特徴とする可変焦点レ
ンズ。
【請求項７】請求項１〜５いずれかに記載された可
変焦点レンズおいて、前記駆動部は、二つの板状対象物
の形状を制御することによって、それらの間に充満する
ように介在させた変形可能な透明体の形状を変化させる
ことを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項８】請求項１〜５いずれかに記載された可
変焦点レンズにおいて、前記駆動部は二つの板状対象物
を伸縮し、その張力を制御することによってそれらの間
に充満するように介在させた変形可能な透明体の形状を
変化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９】請求項１〜５いずれかに記載された可
変焦点レンズにおいて、前記駆動部は、二つの透明板状
対象物間の間隔を変化させることによって、変形可能な
透明体の厚みを変化させるように構成されたことを特徴
とする可変焦点レンズ。