可変焦点レンズ及びその焦点制御方法
【課題】 高速応答を可能化にした可変焦点液体レンズ及びその焦点制御方法を提供する。
【解決手段】 圧電体１１Ａにより囲繞された中央開口部１２を有する超音波振動子１１の駆動により励振される超音波を上記中央開口部１２に放射して、該中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子１１が上記中央開口部１２に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変する。
【解決手段】 圧電体１１Ａにより囲繞された中央開口部１２を有する超音波振動子１１の駆動により励振される超音波を上記中央開口部１２に放射して、該中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子１１が上記中央開口部１２に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的可動部を有することなく焦点を可変できる可変焦点レンズ及びその焦点制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、焦点距離調整機能を有する顕微鏡や撮像装置、情報記録再生装置等の各種光学装置のレンズ系においては、多くの場合、ネジ等の直動機構を手動や電動（モータ等）により、複数のレンズ間の距離を変化させて焦点距離を変化させて、焦点距離調整を行うようにしていた。
【０００３】
例えば、携帯型電子機器等における撮像部の光学系は、プラスチックレンズと、それを光軸方向に移動させ焦点位置を変化させるためのアクチュエータとギア機構を組み合わせたものが主流となっている。
【０００４】
これに対し、レンズの位置関係を動かすことなく、例えば電気的な制御信号のみによって焦点距離を変化させることができる可変焦点液体レンズとして、例えば、透明部材の間に２種の液体が挿入され、電圧印加によりエレクトロウェッティング現象を利用して液体界面を変形させるようにしたもの可変焦点液体レンズ（例えば、特許文献１、２参照）や、透明部材と薄板や弾性膜等より成る変形部との間に液体が挿入され、液体に圧力を加えることによって薄膜や弾性膜を変形させるようにした可変焦点液体レンズ（例えば、特許文献３参照）が提案されている。
【０００５】
また、アクチュエータにより機械的にシリコーンゲルを変形させるようにした可変焦点レンズ（例えば、特許文献４参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１５４８５８号公報
【特許文献２】特開２００６−１４５８０７号公報
【特許文献３】特開２００９−２１７２４９号公報
【特許文献４】特開２００９−２７１０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、電子機器のディジタル化の進展とともに、ディジタルスチルカメラが普及してきている。ディジタルスチルカメラにおいて、薄型でコンパクトカメラが市場で求められている。また、携帯電話のカメラ装着率の拡大に伴い、より軽くかつより薄い携帯電話の撮像部のコンパクト化が強く要請されてきている。
【０００８】
しかしながら、ステッピングモータやボイスコイルモータ等のアクチュエータ付レンズは、フォーカシングの際に光軸に沿ってレンズを動かす必要があるため、レンズモジュールが大きくなる、時間応答性が低いなどの問題点があり、また、機械的可動部を有するため、衝撃に弱い、部品数が多いなどの問題点がある。
【０００９】
また、可変焦点液体レンズは、レンズの位置関係を動かすことなく焦点を可変することのできるので、光学系を薄型化するのに適しているのであるが、レンズの使用条件、使用時間によっては２液体が混ざり合い乳化によるレンズの白濁や、レンズ液体内に電気分解やキャビテーションによる気泡が発生し、レンズの光学特性に影響を与え、また、環境温度によって液体粘性が変化し，レンズの光学特性に影響を与えるなどの問題点がある。
【００１０】
さらに、アクチュエータにより機械的にシリコーンゲルを変形させる可変焦点レンズでは、アクチュエータを用いるためレンズの応答速度が遅く、また、機械的可動部を有し部品数が多いなどの問題点がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の現状に鑑み、簡単な構造で高速応答を可能にした薄型の可変焦点レンズ及びその焦点制御方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
液体表面に超音波が伝搬した場合，その気液界面ではエネルギー密度差により，液体側から気体側に向かって静圧（音響放射力と呼ばれる）が働き、液体は気体側に向かって引っ張られる形となり液面形状が変形する現象がある。従来、本現象を用いて液体の粘性を測定する手法などが報告されている。
【００１４】
本発明では、人体の水晶体を模擬した機械的可動部を持たない可変焦点レンズを透明粘弾性材料とリング型圧電超音波振動子で構成し、レンズ自体を超音波の放射力により変形させることにより、その焦点位置を変化させる。すなわち、粘弾性材料に音響放射力を作用させ、その形状を変化させて可変焦点レンズとして動作させる。本発明に係る可変焦点レンズでは、アクチュエータなどの動作機構を必要としないことから、従来の可変焦点レンズに比べて大幅に小型化することができる。また、リング状超音波振動子の径方向広がり振動モードを利用することにより、厚み方向に依存しないレンズ設計が可能となり、さらに小型化することができる。
【００１５】
すなわち、本発明は、可変焦点レンズであって、圧電体により囲繞された中央開口部を有する超音波振動子と、上記中央開口部に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部とを備え、上記超音波振動子の駆動により励振される超音波を上記中央開口部に放射して上記レンズ部に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部の周囲の媒質と上記レンズ部の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子が上記中央開口部に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記超音波振動子は、上記圧電体が径方向拡がり振動モードで励振されることにより、上記レンズ部に音響定在波を発生させるものとすることができる。
【００１７】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記超音波振動子は、正円形状の上記中央開口部を囲繞する円環状の圧電体からなるものとすることができる。
【００１８】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記超音波振動子は、長径と短径を有する長尺な直線状の上記中央開口部を囲繞する圧電体からなり、超音波を上記中央開口部に放射して音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部をシリンドリカルレンズとして機能させるものとすることができる。
【００１９】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記レンズ部は、入射側開口又は出射側開口の一方が透明樹脂フィルムにて閉じられた上記超音波振動子の上記中央開口部に注入された透明粘弾性材料の原材料液体をゲル化してなるものとすることができる。
【００２０】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記透明樹脂フィルムは、上記レンズ部を正レンズとして機能させる曲面を有するものとすることができる。
【００２１】
さらに、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記透明樹脂フィルムは上記レンズ部を負レンズとして機能させる曲面を有するものとすることができる。
【００２２】
また、本発明は、焦点制御方法であって、リング状の圧電体により囲繞された中央開口部を有する超音波振動子の駆動により励振される超音波を上記中央開口部に放射し、上記中央開口部に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部の周囲の媒質と上記レンズ部の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子が上記中央開口部に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、レンズ自体を超音波の放射力により変形させることにより、その焦点位置を変化することができ、透明粘弾性材料からなるレンズ部とリング型圧電超音波振動子のみで構成される単純な構造の可変焦点レンズとしたことにより、通常のカメラモジュールに必要な焦点合わせのためのアクチュエータやギア機構を不要であり、これらモジュールを大幅に小型化することができる。
【００２４】
本発明に係る可変焦点レンズは、リング状超音波振動子の径方向広がり振動モードを利用することにより、厚み方向に依存しないレンズ設計が可能となり、１ｍｍ程度に薄型化することが可能であり、また、代表的な可変焦点レンズである液体レンズに比べて、構造がより単純であるため、大量生産性に優れている。また、耐熱・耐寒性を有する粘弾性材料（例えばシリコーンゲル）をレンズ部に用いることにより、液体レンズで問題となる温度依存性を改善でき、また、レンズ内への気体の混入などの心配もない。
【００２５】
したがって、本発明によれば、簡単な構造で高速応答を可能にした薄型の可変焦点レンズ及びその焦点制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明を適用した可変焦点レンズの構成を模式的に示す図であり、（Ａ）は可変焦点レンズの斜視図であり、（Ｂ）はその断面図である。
【図２】上記可変焦点レンズの製造過程を模式的に示す図である。
【図３】上記可変焦点レンズにおける超音波振動子の振動の様子を模式的に示す図であり、（Ａ）は有限要素分析（ＦＥＭ）による計算結果を示し、（Ｂ）は音響定在波の発生状態を示している。
【図４】上記可変焦点レンズにおいてレンズ部の透明粘弾性材料内に発生する音響定在波を模式的に示す図であり、（Ａ）は音響定在波の音圧分布の様子を示し、（Ｂ）はその音圧振幅値の有限要素分析（ＦＥＭ）による計算結果を示している。
【図５】上記可変焦点レンズにおける超音波振動子を構成している圧電体に印加される周波数が２２６ｋＨｚの電気信号の電圧振幅値を０Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、１８Ｖ、２１Ｖに変化した場合のレンズ部中央の変形の様子を示す図である。
【図６】上記レンズ部に光線が入射した場合の透過光分布の様子を示す図である。
【図７】上記可変焦点レンズにおける超音波振動子の駆動電圧と焦点距離の関係を示す図である。
【図８】上記可変焦点レンズにおいて、上記超音波振動子の駆動電圧をオンオフした場合に、１９５１ ＵＳＡＦ テストパターンチャートを撮影して得られた画像の変化の様子を示す図であり、（Ａ）はオフ状態での取得画像を示し、（Ａ）はオン状態での取得画像を示している。
【図９】上記可変焦点レンズの応答速度の測定結果を示す図である。
【図１０】上記可変焦点レンズを容器に収納した状態を示す断面図である。
【図１１】上記可変焦点レンズのレンズ部に透明樹脂（ＰＥＴ）フィルムによりレンズ効果を付与した例を模式的に示す図であり、（Ａ）はレンズ部を正（凸）レンズとして機能させた可変焦点レンズを示し、（Ｂ）はレンズ部を負（凹）レンズとして機能させた可変焦点レンズを示している。
【図１２】シリンドリカルレンズとして機能する可変焦点レンズの構成を模式的に示す図であり、（Ａ）は可変焦点レンズの平面図であり、（Ｂ）はその縦断側面図である。
【図１３】複数個の可変焦点レンズを２次元に配列してレンズアレイを模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２８】
本発明は、例えば図１に示すような構成の可変焦点レンズ１０に適用される。
【００２９】
図１は、本発明を適用した可変焦点レンズ１０の構成を模式的に示す図であり、可変焦点レンズ１０の斜視図を（Ａ）に示し、その断面図を（Ｂ）に示している。
【００３０】
この可変焦点レンズ１０は、圧電体１１Ａにより囲繞された中央開口部１２を有する超音波振動子１１と、上記中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３を備える。
【００３１】
上記超音波振動子１１は、図１の（Ｂ）に具体的な寸法例を示してあるように、正円形状の中央開口部１２を有する厚み２ｍｍ、外径３０ｍｍ、内径１５ｍｍの円環形状で、厚さ方向に分極される圧電体（例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３ ））１１Ａからなる。
【００３２】
上記圧電体１１Ａにより囲繞された中央開口部１２に充填される透明粘弾性材料としては、アクリル系粘弾性材料、シリコン系粘弾性材料、ウレタン系粘弾性材料など各種の透明粘弾性材料を挙げることができ、流動性がなく、複素弾性率が小さい材料が適している。
【００３３】
この可変焦点レンズ１０は、上記透明粘弾性材料として例えばシリコーンゲル（信越化学工業株式会社製のKE-1052、信越シリコーン）を用いて、次のようにして上記レンズ部１３が形成されている。
【００３４】
すなわち、この可変焦点レンズ１０において、上記レンズ部１３は、図２の（Ａ）に示すように、入射側開口又は出射側開口の一方が厚み０．１ｍｍの透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４にて閉じられた上記超音波振動子１１の上記中央開口部１２に、図２の（Ｂ）に示すように、透明粘弾性材料（シリコーンゲル）の原材料液体１３Ａを注入し、図２の（Ｃ）に示すように、注入された透明粘弾性材料の上記原材料液体１３Ａをゲル化することにより形成される。
【００３５】
ここで、上記信越化学工業株式会社製のKE-1052、信越シリコーンは、−４０°Ｃ〜２００°Ｃに亘る広い温度範囲で安定した弾性を呈する無色透明で光透過性が良好なシリコーンゲルとして供給されており、その複素弾性率は２×１０４Ｎ／ｍ２である。上記シリコーンゲル（信越化学工業株式会社製のKE-1052、信越シリコーン）は、主剤（KE-1052-A）と硬化剤（KE-1052-B）を所定の配合比で配合した無色透明の原材料液体を１００〜１５０°Ｃで１５分から６０分加熱することにより硬化しゲル状になる透明粘弾性材料である。
【００３６】
この可変焦点レンズ１０のレンズ部１３は、上記主剤（KE-1052-A）と硬化剤（KE-1052-B）を１：０．７の配合比で配合した原材料液体１３Ａをゲル化して形成した。このようにして形成したレンズ部１３は、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４を備えることにより、逆さにしてもレンズ形状の変化は極めて少なく、姿勢の影響を被ることはなかった。
【００３７】
すなわち、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４は、上記中央開口部１２に透明粘弾性材料の原材料液体１３Ａを注入してゲル化して上記レンズ部１３を形成する際に、上記原材料液体１３Ａが上記中央開口部１２から漏出するのを防止する機能、及び、形成されたレンズ部１３のレンズ面が姿勢に依存して変形するのを防止する機能を果たしている。
【００３８】
上記中央開口部１２に注入される透明粘弾性材料は、シリコーンゲルに限定されるものでなく、常温下又は加熱下において注入作業が可能な程度の流動性を有し、常温下又は加熱下において硬化する性質を有しているものであればよい。
【００３９】
また、上記中央開口部１２に注入された透明粘弾性材料の原材料液体１３Ａが表面張力によりその形状を維持して上記中央開口部１２から漏出せず、また、ゲル化した状態でレンズ面の変形に姿勢が影響しない条件を満たすように、可変焦点レンズ１０のサイズを小さくした場合、あるいは、上記条件を満たす特性の透明粘弾性材料を用いる場合には、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４はなくても良い。
【００４０】
このように上記中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３は、上記中央開口部１２に注入された透明粘弾性材料の原材料液体１３Ａをゲル化してなるものとすることにより、上記中央開口部１２を囲繞している上記圧電体１１Ａの内周壁とレンズ部１３との間に空隙を生じることなく密着性を確保することができ、上記超音波振動子１１により発生される超音波が効率よく伝搬されることになる。
【００４１】
なお、上記レンズ部１３は、上記中央開口部１２の形状に適合した円盤形状に予め形成した透明粘弾性材料を上記中央開口部１２に充填することにより形成するようにしても良い。
【００４２】
そして、この可変焦点レンズ１０において、上記超音波振動子１１は、上記円環形状の圧電体１１Ａが径方向拡がり振動モードで励振される周波数の連続正弦波の電気信号が上記圧電体１１Ａに印加されることにより駆動され、上記超音波振動子１１の駆動により径方向拡がり振動モードで励振される超音波を上記中央開口部１２に放射して上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部１３の周囲の媒質（気体もしくは液体）と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面において生じるエネルギー密度差に応じて上記界面を静的に変形させてレンズ面として機能させる。
【００４３】
すなわち、上記超音波振動子１１は、上記圧電体１１Ａの振動状態を有限要素分析（ＦＥＭ）により計算した結果を図３の（Ａ）に示すように、周波数２２６ｋＨｚ，１８Ｖｐｐの連続正弦波の電気信号が上記円環形状の圧電体１１Ａに印加されることより、上記圧電体１１Ａが径方向拡がり振動モードで励振される。上記超音波振動子１１の駆動により径方向拡がり振動モードで励振される超音波を上記中央開口部１２に放射して上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に伝搬させると、図３の（Ｂ）に示すように、音響定在波を発生させることにより、透明粘弾性材料内に超音波を効率よく伝搬することができる。上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面は、上記音響定在波の発生により、静的に変形させてレンズ面として機能する。
【００４４】
ここで、上記超音波振動子１１の駆動により径方向拡がり振動モードで励振される超音波を上記中央開口部１２に放射して上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に伝搬させることにより、上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に発生する音響定在波は、上記中央開口部１２が正円形状であるので、図４の（Ａ）に示すように、同心円状となる。上記音響定在波の音圧振幅値の有限要素分析（ＦＥＭ）による計算結果は、図４の（Ｂ）に実線にて示すように、破線にて示すベッセル関数でフィッティングすることができる。
【００４５】
そして、上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に発生する音響定在波により、上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面において生じるエネルギー密度差は、上記レンズ部１３の透明粘弾性材料の表面張力により平滑化され、上記界面が上記同心円の中心を通過する回転対称軸を光軸とする曲面形状に静的に変形されてレンズ面として機能する。
【００４６】
上記超音波振動子１１が上記中央開口部１２に放射する超音波の放射圧は、上記圧電体１１Ａに印加される周波数が２２６ｋＨｚの電気信号の電圧振幅値に応じて変化するので、上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に発生する音響定在波による上記レンズ部１３の透明粘弾性材料の変形変位は、上記電圧振幅値の増大とともに大きくなる。
【００４７】
上記圧電体１１Ａに印加される周波数が２２６ｋＨｚの電気信号の電圧振幅値を０Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、１８Ｖ、２１Ｖに変化した場合の上記レンズ部１３中央の変形の様子を図５に示す。また、上記レンズ部１３に光線が入射した場合の透過光分布の様子を図６に示す。さらに、この可変焦点レンズ１０における超音波振動子１１の駆動電圧と焦点距離の関係を図７に示す。このように、上記圧電体１１Ａに電気信号を印加することにより透過光が焦点を結び、この可変焦点レンズ１０は、上記圧電体１１Ａに印加される電気信号の電圧振幅値に応じて焦点距離が変化する。
【００４８】
この可変焦点レンズ１０では、リング状の圧電体１１Ａにより囲繞された中央開口部１２を有する超音波振動子１１の駆動により励振される超音波を上記中央開口部１２に放射し、上記中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子１１が上記中央開口部１２に放射する超音波の放射圧、すなわち、上記圧電体１１Ａに印加される電気信号の電圧振幅値により、上記レンズ面の焦点を可変することができる。
【００４９】
ここで、この可変焦点レンズ１０において、上記超音波振動子１１の駆動電圧をオンオフした場合に、１９５１ ＵＳＡＦ テストパターンチャートを撮影して得られた画像の変化の様子を図８の（Ａ）、（Ｂ）に示す。
【００５０】
この可変焦点レンズ１０は、上記超音波振動子１１の駆動電圧をオフした状態では、負（凹）レンズとして働き、透過光はレンズ面で広まり、図８の（Ａ）に示すように、焦点が存在しない。そして、この可変焦点レンズ１０は、上記超音波振動子１１の駆動電圧をオンすると、正（凸）レンズとして働き、図８の（Ｂ）に示すように、透過光は焦束され、駆動電圧が１８Ｖであったとき、図８の（Ｂ）に示すように、対象にピントが合い、焦点距離はレンズ面から５５ｍｍであった。
【００５１】
また、この可変焦点レンズ１０の応答速度を測定した結果を図９に示す。
【００５２】
この可変焦点レンズ１０において、上記超音波振動子１１の駆動電圧（１８Ｖ）をオンしてから焦点が定常状態に達するまでの応答速度は、図９に示すように、およそ０．１秒であった。
【００５３】
この可変焦点レンズ１０は、最適設計することにより、さらに低電圧、高速応答化することが可能である。
【００５４】
このような構成の可変焦点レンズ１０では、レンズ自体を超音波の放射力により変形させることにより、その焦点位置を変化することができ、透明粘弾性材料からなるレンズ部１３と超音波振動子１１のみで構成される単純な構造であって、通常のカメラモジュールに必要な焦点合わせのためのアクチュエータやギア機構を不要であり、これらモジュールを大幅に小型化することができる。
【００５５】
また、この可変焦点レンズ１０では、径方向と直交する厚み方向に分極される板状の円環状圧電体１１Ａで超音波振動子１１を構成し、上記圧電体１１Ａが径方向拡がり振動モードで励振されることにより、上記レンズ部１３に音響定在波を発生させるので、厚み方向に依存しないレンズ設計が可能となり、１ｍｍ程度に薄型化することが可能であり、また、代表的な可変焦点レンズである液体レンズに比べて、構造がより単純であるため、大量生産性に優れている。また、耐熱・耐寒性を有する透明粘弾性材料である例えばシリコーンゲルによりレンズ部１３を構成することにより、液体レンズで問題となる温度依存性を改善でき、また、レンズ部１３内への気体の混入などの心配もない。さらに、径方向拡がり振動モードは厚み振動モードよりも低い周波数で励振されるので、超音波振動子１１を少ない電力で簡単に駆動することができる。
【００５６】
ここで、上記可変焦点レンズ１０では、径方向と直交する厚み方向に分極される板状の円環状圧電体１１Ａで超音波振動子１１を構成し、上記圧電体１１Ａが径方向拡がり振動モードで励振されることにより、上記レンズ部１３に音響定在波を発生させるので、この可変焦点レンズ１０を容器に収納して保護する場合、例えば図１０に示すように、上記径方向拡がり振動モードで励振される圧電体１１Ａが変位しない位置で上記圧電体１１Ａを厚み方向の両側から挟持する金属製リブ１０１Ａ，１０１Ｂを有する上ハーフ１１０Ａと下ハーフ１１０Ｂからなる容器１００に収容される。上記上ハーフ１１０Ａと下ハーフ１１０Ｂには、上記レンズ部１３に対応する位置にそれぞれ開口（入射窓と出射窓）１２０Ａ，１２０Ｂが形成されている。また、上記圧電体１１Ａの電極に上記金属製リブ１０１Ａ，１０１Ｂを介して導通され、上記圧電体１１Ａに駆動電圧を印加するためのリード線１０５Ａ，１０５Ｂが上記金属製リブ１０１Ａ，１０１Ｂから導出されている。
【００５７】
ここで、上記可変焦点レンズ１０において、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４は、上記中央開口部１２に透明粘弾性材料の原材料液体１３Ａを注入してゲル化して上記レンズ部１３を形成する際に、上記原材料液体１３Ａが上記中央開口部１２から漏出するのを防止する機能、及び、形成されたレンズ部１３のレンズ面が姿勢に依存して変形するのを防止する機能を果たすものであるが、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４をレンズ効果のある曲面形状にしたり、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４を上記レンズ部１３にレンズ効果を付与する曲面形状に成形することもできる。
【００５８】
例えば、図１１の（Ａ）に示す可変焦点レンズ１０Ａにように、レンズ部１３を正（凸）レンズとして機能させる曲面を有する透明樹脂フィルム１４Ａを備えるものとしたり、また、 図１１の（Ｂ）に示す可変焦点レンズ１０Ｂにように、レンズ部１３を負（凹）レンズとして機能させる曲面を有する透明樹脂フィルム１４Ｂを備えるものとすることができる。
【００５９】
また、上記可変焦点レンズ１０では、光軸方向と同方向の厚み方向に分極される円環形状の圧電体１１Ａからなる超音波振動子１１を駆動することにより、径方向拡がり振動モードで励振される超音波による音響定在波を発生させて、正円形状の中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面を静的に変形させるようにしたが、上記超音波振動子１１は、径方向と同方向の厚み方向に分極される円筒形状の圧電体により構成し、円筒形状の圧電体が径方向拡がり振動モードで励振されるようにすることもできる。
【００６０】
また、上記可変焦点レンズ１０では、正円形状の中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３を備え、上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面を、上記超音波振動子１１の駆動により発生される音響定在波により静的に変形させ、上記回転対称軸を光軸とする曲面形状のレンズ面として機能するようにして、正円形状のレンズを構成したが、楕円形状や長円形状のレンズを構成することもできる。
【００６１】
さらに、例えば図１２に示す可変焦点レンズ２０のように長径と短径を有する長尺な直線状の中央開口部２２を囲繞する圧電体２１Ａからなる超音波振動子２１と上記中央開口部２２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部２３とでシリンドリカルレンズを構成することもできる。
【００６２】
この図１２に示す可変焦点レンズ２０では、上記超音波振動子２１は、光軸方向と直交する径方向に分極された長円筒形状の圧電体２１Ａにより構成されており、上記長円筒形状の圧電体２１Ａが径方向拡がり振動モードで励振されるようになっている。
【００６３】
そして、この可変焦点レンズ２０では、上記超音波振動子２１の駆動により径方向拡がり振動モードで励振される超音波を上記中央開口部２２に放射して上記レンズ部２３の透明粘弾性材料内に伝搬させて音響定在波を発生させ、その短径方向の音響定在波により、上記レンズ部２３の周囲の媒質と上記レンズ部２３の透明粘弾性材料とで形成される界面を静的に変形させて、長軸を回転対称軸とする曲面形状のレンズ面とし、上記レンズ部２３をシリンドリカルレンズとして機能させることができる。
【００６４】
なお、上記可変焦点レンズ２０において、上記超音波振動子２１は、径方向と直交する光軸方向に分極された長円環形状の圧電体により構成して、上記長円環形状の圧電体が径方向拡がり振動モードで励振されるようにしてもよい。
【００６５】
さらに、上記可変焦点レンズ１０は、複数個を１次元配列あるいは２次元配列してレンズアレイを構成するようにしても良い。例えば、図１３に示すように、複数個の可変焦点レンズ１０を２次元に配列してレンズアレイ３０を構成することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０，１０Ａ，１０Ｂ 可変焦点レンズ、１１ 超音波振動子、１１Ａ 圧電体、１２ 中央開口部、１３ レンズ部、１３Ａ 原材料液体、１４，１４Ａ，１４Ｂ 透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム、２０ 可変焦点レンズ、２１Ａ 圧電体、２１ 超音波振動子、２２ 中央開口部、２３ レンズ部、３０ レンズアレイ、１００ 容器、１０１Ａ，１０１Ｂ 金属製リブ１０１Ａ，１０１Ｂ、１０５Ａ，１０５Ｂ リード線、１１０Ａ 上ハーフ、１１０Ｂ 下ハーフ、１２０Ａ，１２０Ｂ 開口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的可動部を有することなく焦点を可変できる可変焦点レンズ及びその焦点制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、焦点距離調整機能を有する顕微鏡や撮像装置、情報記録再生装置等の各種光学装置のレンズ系においては、多くの場合、ネジ等の直動機構を手動や電動（モータ等）により、複数のレンズ間の距離を変化させて焦点距離を変化させて、焦点距離調整を行うようにしていた。
【０００３】
例えば、携帯型電子機器等における撮像部の光学系は、プラスチックレンズと、それを光軸方向に移動させ焦点位置を変化させるためのアクチュエータとギア機構を組み合わせたものが主流となっている。
【０００４】
これに対し、レンズの位置関係を動かすことなく、例えば電気的な制御信号のみによって焦点距離を変化させることができる可変焦点液体レンズとして、例えば、透明部材の間に２種の液体が挿入され、電圧印加によりエレクトロウェッティング現象を利用して液体界面を変形させるようにしたもの可変焦点液体レンズ（例えば、特許文献１、２参照）や、透明部材と薄板や弾性膜等より成る変形部との間に液体が挿入され、液体に圧力を加えることによって薄膜や弾性膜を変形させるようにした可変焦点液体レンズ（例えば、特許文献３参照）が提案されている。
【０００５】
また、アクチュエータにより機械的にシリコーンゲルを変形させるようにした可変焦点レンズ（例えば、特許文献４参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１５４８５８号公報
【特許文献２】特開２００６−１４５８０７号公報
【特許文献３】特開２００９−２１７２４９号公報
【特許文献４】特開２００９−２７１０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、電子機器のディジタル化の進展とともに、ディジタルスチルカメラが普及してきている。ディジタルスチルカメラにおいて、薄型でコンパクトカメラが市場で求められている。また、携帯電話のカメラ装着率の拡大に伴い、より軽くかつより薄い携帯電話の撮像部のコンパクト化が強く要請されてきている。
【０００８】
しかしながら、ステッピングモータやボイスコイルモータ等のアクチュエータ付レンズは、フォーカシングの際に光軸に沿ってレンズを動かす必要があるため、レンズモジュールが大きくなる、時間応答性が低いなどの問題点があり、また、機械的可動部を有するため、衝撃に弱い、部品数が多いなどの問題点がある。
【０００９】
また、可変焦点液体レンズは、レンズの位置関係を動かすことなく焦点を可変することのできるので、光学系を薄型化するのに適しているのであるが、レンズの使用条件、使用時間によっては２液体が混ざり合い乳化によるレンズの白濁や、レンズ液体内に電気分解やキャビテーションによる気泡が発生し、レンズの光学特性に影響を与え、また、環境温度によって液体粘性が変化し，レンズの光学特性に影響を与えるなどの問題点がある。
【００１０】
さらに、アクチュエータにより機械的にシリコーンゲルを変形させる可変焦点レンズでは、アクチュエータを用いるためレンズの応答速度が遅く、また、機械的可動部を有し部品数が多いなどの問題点がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の現状に鑑み、簡単な構造で高速応答を可能にした薄型の可変焦点レンズ及びその焦点制御方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
液体表面に超音波が伝搬した場合，その気液界面ではエネルギー密度差により，液体側から気体側に向かって静圧（音響放射力と呼ばれる）が働き、液体は気体側に向かって引っ張られる形となり液面形状が変形する現象がある。従来、本現象を用いて液体の粘性を測定する手法などが報告されている。
【００１４】
本発明では、人体の水晶体を模擬した機械的可動部を持たない可変焦点レンズを透明粘弾性材料とリング型圧電超音波振動子で構成し、レンズ自体を超音波の放射力により変形させることにより、その焦点位置を変化させる。すなわち、粘弾性材料に音響放射力を作用させ、その形状を変化させて可変焦点レンズとして動作させる。本発明に係る可変焦点レンズでは、アクチュエータなどの動作機構を必要としないことから、従来の可変焦点レンズに比べて大幅に小型化することができる。また、リング状超音波振動子の径方向広がり振動モードを利用することにより、厚み方向に依存しないレンズ設計が可能となり、さらに小型化することができる。
【００１５】
すなわち、本発明は、可変焦点レンズであって、圧電体により囲繞された中央開口部を有する超音波振動子と、上記中央開口部に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部とを備え、上記超音波振動子の駆動により励振される超音波を上記中央開口部に放射して上記レンズ部に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部の周囲の媒質と上記レンズ部の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子が上記中央開口部に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記超音波振動子は、上記圧電体が径方向拡がり振動モードで励振されることにより、上記レンズ部に音響定在波を発生させるものとすることができる。
【００１７】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記超音波振動子は、正円形状の上記中央開口部を囲繞する円環状の圧電体からなるものとすることができる。
【００１８】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記超音波振動子は、長径と短径を有する長尺な直線状の上記中央開口部を囲繞する圧電体からなり、超音波を上記中央開口部に放射して音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部をシリンドリカルレンズとして機能させるものとすることができる。
【００１９】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記レンズ部は、入射側開口又は出射側開口の一方が透明樹脂フィルムにて閉じられた上記超音波振動子の上記中央開口部に注入された透明粘弾性材料の原材料液体をゲル化してなるものとすることができる。
【００２０】
また、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記透明樹脂フィルムは、上記レンズ部を正レンズとして機能させる曲面を有するものとすることができる。
【００２１】
さらに、本発明に係る可変焦点レンズにおいて、上記透明樹脂フィルムは上記レンズ部を負レンズとして機能させる曲面を有するものとすることができる。
【００２２】
また、本発明は、焦点制御方法であって、リング状の圧電体により囲繞された中央開口部を有する超音波振動子の駆動により励振される超音波を上記中央開口部に放射し、上記中央開口部に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部の周囲の媒質と上記レンズ部の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子が上記中央開口部に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、レンズ自体を超音波の放射力により変形させることにより、その焦点位置を変化することができ、透明粘弾性材料からなるレンズ部とリング型圧電超音波振動子のみで構成される単純な構造の可変焦点レンズとしたことにより、通常のカメラモジュールに必要な焦点合わせのためのアクチュエータやギア機構を不要であり、これらモジュールを大幅に小型化することができる。
【００２４】
本発明に係る可変焦点レンズは、リング状超音波振動子の径方向広がり振動モードを利用することにより、厚み方向に依存しないレンズ設計が可能となり、１ｍｍ程度に薄型化することが可能であり、また、代表的な可変焦点レンズである液体レンズに比べて、構造がより単純であるため、大量生産性に優れている。また、耐熱・耐寒性を有する粘弾性材料（例えばシリコーンゲル）をレンズ部に用いることにより、液体レンズで問題となる温度依存性を改善でき、また、レンズ内への気体の混入などの心配もない。
【００２５】
したがって、本発明によれば、簡単な構造で高速応答を可能にした薄型の可変焦点レンズ及びその焦点制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明を適用した可変焦点レンズの構成を模式的に示す図であり、（Ａ）は可変焦点レンズの斜視図であり、（Ｂ）はその断面図である。
【図２】上記可変焦点レンズの製造過程を模式的に示す図である。
【図３】上記可変焦点レンズにおける超音波振動子の振動の様子を模式的に示す図であり、（Ａ）は有限要素分析（ＦＥＭ）による計算結果を示し、（Ｂ）は音響定在波の発生状態を示している。
【図４】上記可変焦点レンズにおいてレンズ部の透明粘弾性材料内に発生する音響定在波を模式的に示す図であり、（Ａ）は音響定在波の音圧分布の様子を示し、（Ｂ）はその音圧振幅値の有限要素分析（ＦＥＭ）による計算結果を示している。
【図５】上記可変焦点レンズにおける超音波振動子を構成している圧電体に印加される周波数が２２６ｋＨｚの電気信号の電圧振幅値を０Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、１８Ｖ、２１Ｖに変化した場合のレンズ部中央の変形の様子を示す図である。
【図６】上記レンズ部に光線が入射した場合の透過光分布の様子を示す図である。
【図７】上記可変焦点レンズにおける超音波振動子の駆動電圧と焦点距離の関係を示す図である。
【図８】上記可変焦点レンズにおいて、上記超音波振動子の駆動電圧をオンオフした場合に、１９５１ ＵＳＡＦ テストパターンチャートを撮影して得られた画像の変化の様子を示す図であり、（Ａ）はオフ状態での取得画像を示し、（Ａ）はオン状態での取得画像を示している。
【図９】上記可変焦点レンズの応答速度の測定結果を示す図である。
【図１０】上記可変焦点レンズを容器に収納した状態を示す断面図である。
【図１１】上記可変焦点レンズのレンズ部に透明樹脂（ＰＥＴ）フィルムによりレンズ効果を付与した例を模式的に示す図であり、（Ａ）はレンズ部を正（凸）レンズとして機能させた可変焦点レンズを示し、（Ｂ）はレンズ部を負（凹）レンズとして機能させた可変焦点レンズを示している。
【図１２】シリンドリカルレンズとして機能する可変焦点レンズの構成を模式的に示す図であり、（Ａ）は可変焦点レンズの平面図であり、（Ｂ）はその縦断側面図である。
【図１３】複数個の可変焦点レンズを２次元に配列してレンズアレイを模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２８】
本発明は、例えば図１に示すような構成の可変焦点レンズ１０に適用される。
【００２９】
図１は、本発明を適用した可変焦点レンズ１０の構成を模式的に示す図であり、可変焦点レンズ１０の斜視図を（Ａ）に示し、その断面図を（Ｂ）に示している。
【００３０】
この可変焦点レンズ１０は、圧電体１１Ａにより囲繞された中央開口部１２を有する超音波振動子１１と、上記中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３を備える。
【００３１】
上記超音波振動子１１は、図１の（Ｂ）に具体的な寸法例を示してあるように、正円形状の中央開口部１２を有する厚み２ｍｍ、外径３０ｍｍ、内径１５ｍｍの円環形状で、厚さ方向に分極される圧電体（例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３ ））１１Ａからなる。
【００３２】
上記圧電体１１Ａにより囲繞された中央開口部１２に充填される透明粘弾性材料としては、アクリル系粘弾性材料、シリコン系粘弾性材料、ウレタン系粘弾性材料など各種の透明粘弾性材料を挙げることができ、流動性がなく、複素弾性率が小さい材料が適している。
【００３３】
この可変焦点レンズ１０は、上記透明粘弾性材料として例えばシリコーンゲル（信越化学工業株式会社製のKE-1052、信越シリコーン）を用いて、次のようにして上記レンズ部１３が形成されている。
【００３４】
すなわち、この可変焦点レンズ１０において、上記レンズ部１３は、図２の（Ａ）に示すように、入射側開口又は出射側開口の一方が厚み０．１ｍｍの透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４にて閉じられた上記超音波振動子１１の上記中央開口部１２に、図２の（Ｂ）に示すように、透明粘弾性材料（シリコーンゲル）の原材料液体１３Ａを注入し、図２の（Ｃ）に示すように、注入された透明粘弾性材料の上記原材料液体１３Ａをゲル化することにより形成される。
【００３５】
ここで、上記信越化学工業株式会社製のKE-1052、信越シリコーンは、−４０°Ｃ〜２００°Ｃに亘る広い温度範囲で安定した弾性を呈する無色透明で光透過性が良好なシリコーンゲルとして供給されており、その複素弾性率は２×１０４Ｎ／ｍ２である。上記シリコーンゲル（信越化学工業株式会社製のKE-1052、信越シリコーン）は、主剤（KE-1052-A）と硬化剤（KE-1052-B）を所定の配合比で配合した無色透明の原材料液体を１００〜１５０°Ｃで１５分から６０分加熱することにより硬化しゲル状になる透明粘弾性材料である。
【００３６】
この可変焦点レンズ１０のレンズ部１３は、上記主剤（KE-1052-A）と硬化剤（KE-1052-B）を１：０．７の配合比で配合した原材料液体１３Ａをゲル化して形成した。このようにして形成したレンズ部１３は、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４を備えることにより、逆さにしてもレンズ形状の変化は極めて少なく、姿勢の影響を被ることはなかった。
【００３７】
すなわち、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４は、上記中央開口部１２に透明粘弾性材料の原材料液体１３Ａを注入してゲル化して上記レンズ部１３を形成する際に、上記原材料液体１３Ａが上記中央開口部１２から漏出するのを防止する機能、及び、形成されたレンズ部１３のレンズ面が姿勢に依存して変形するのを防止する機能を果たしている。
【００３８】
上記中央開口部１２に注入される透明粘弾性材料は、シリコーンゲルに限定されるものでなく、常温下又は加熱下において注入作業が可能な程度の流動性を有し、常温下又は加熱下において硬化する性質を有しているものであればよい。
【００３９】
また、上記中央開口部１２に注入された透明粘弾性材料の原材料液体１３Ａが表面張力によりその形状を維持して上記中央開口部１２から漏出せず、また、ゲル化した状態でレンズ面の変形に姿勢が影響しない条件を満たすように、可変焦点レンズ１０のサイズを小さくした場合、あるいは、上記条件を満たす特性の透明粘弾性材料を用いる場合には、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４はなくても良い。
【００４０】
このように上記中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３は、上記中央開口部１２に注入された透明粘弾性材料の原材料液体１３Ａをゲル化してなるものとすることにより、上記中央開口部１２を囲繞している上記圧電体１１Ａの内周壁とレンズ部１３との間に空隙を生じることなく密着性を確保することができ、上記超音波振動子１１により発生される超音波が効率よく伝搬されることになる。
【００４１】
なお、上記レンズ部１３は、上記中央開口部１２の形状に適合した円盤形状に予め形成した透明粘弾性材料を上記中央開口部１２に充填することにより形成するようにしても良い。
【００４２】
そして、この可変焦点レンズ１０において、上記超音波振動子１１は、上記円環形状の圧電体１１Ａが径方向拡がり振動モードで励振される周波数の連続正弦波の電気信号が上記圧電体１１Ａに印加されることにより駆動され、上記超音波振動子１１の駆動により径方向拡がり振動モードで励振される超音波を上記中央開口部１２に放射して上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部１３の周囲の媒質（気体もしくは液体）と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面において生じるエネルギー密度差に応じて上記界面を静的に変形させてレンズ面として機能させる。
【００４３】
すなわち、上記超音波振動子１１は、上記圧電体１１Ａの振動状態を有限要素分析（ＦＥＭ）により計算した結果を図３の（Ａ）に示すように、周波数２２６ｋＨｚ，１８Ｖｐｐの連続正弦波の電気信号が上記円環形状の圧電体１１Ａに印加されることより、上記圧電体１１Ａが径方向拡がり振動モードで励振される。上記超音波振動子１１の駆動により径方向拡がり振動モードで励振される超音波を上記中央開口部１２に放射して上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に伝搬させると、図３の（Ｂ）に示すように、音響定在波を発生させることにより、透明粘弾性材料内に超音波を効率よく伝搬することができる。上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面は、上記音響定在波の発生により、静的に変形させてレンズ面として機能する。
【００４４】
ここで、上記超音波振動子１１の駆動により径方向拡がり振動モードで励振される超音波を上記中央開口部１２に放射して上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に伝搬させることにより、上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に発生する音響定在波は、上記中央開口部１２が正円形状であるので、図４の（Ａ）に示すように、同心円状となる。上記音響定在波の音圧振幅値の有限要素分析（ＦＥＭ）による計算結果は、図４の（Ｂ）に実線にて示すように、破線にて示すベッセル関数でフィッティングすることができる。
【００４５】
そして、上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に発生する音響定在波により、上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面において生じるエネルギー密度差は、上記レンズ部１３の透明粘弾性材料の表面張力により平滑化され、上記界面が上記同心円の中心を通過する回転対称軸を光軸とする曲面形状に静的に変形されてレンズ面として機能する。
【００４６】
上記超音波振動子１１が上記中央開口部１２に放射する超音波の放射圧は、上記圧電体１１Ａに印加される周波数が２２６ｋＨｚの電気信号の電圧振幅値に応じて変化するので、上記レンズ部１３の透明粘弾性材料内に発生する音響定在波による上記レンズ部１３の透明粘弾性材料の変形変位は、上記電圧振幅値の増大とともに大きくなる。
【００４７】
上記圧電体１１Ａに印加される周波数が２２６ｋＨｚの電気信号の電圧振幅値を０Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、１８Ｖ、２１Ｖに変化した場合の上記レンズ部１３中央の変形の様子を図５に示す。また、上記レンズ部１３に光線が入射した場合の透過光分布の様子を図６に示す。さらに、この可変焦点レンズ１０における超音波振動子１１の駆動電圧と焦点距離の関係を図７に示す。このように、上記圧電体１１Ａに電気信号を印加することにより透過光が焦点を結び、この可変焦点レンズ１０は、上記圧電体１１Ａに印加される電気信号の電圧振幅値に応じて焦点距離が変化する。
【００４８】
この可変焦点レンズ１０では、リング状の圧電体１１Ａにより囲繞された中央開口部１２を有する超音波振動子１１の駆動により励振される超音波を上記中央開口部１２に放射し、上記中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子１１が上記中央開口部１２に放射する超音波の放射圧、すなわち、上記圧電体１１Ａに印加される電気信号の電圧振幅値により、上記レンズ面の焦点を可変することができる。
【００４９】
ここで、この可変焦点レンズ１０において、上記超音波振動子１１の駆動電圧をオンオフした場合に、１９５１ ＵＳＡＦ テストパターンチャートを撮影して得られた画像の変化の様子を図８の（Ａ）、（Ｂ）に示す。
【００５０】
この可変焦点レンズ１０は、上記超音波振動子１１の駆動電圧をオフした状態では、負（凹）レンズとして働き、透過光はレンズ面で広まり、図８の（Ａ）に示すように、焦点が存在しない。そして、この可変焦点レンズ１０は、上記超音波振動子１１の駆動電圧をオンすると、正（凸）レンズとして働き、図８の（Ｂ）に示すように、透過光は焦束され、駆動電圧が１８Ｖであったとき、図８の（Ｂ）に示すように、対象にピントが合い、焦点距離はレンズ面から５５ｍｍであった。
【００５１】
また、この可変焦点レンズ１０の応答速度を測定した結果を図９に示す。
【００５２】
この可変焦点レンズ１０において、上記超音波振動子１１の駆動電圧（１８Ｖ）をオンしてから焦点が定常状態に達するまでの応答速度は、図９に示すように、およそ０．１秒であった。
【００５３】
この可変焦点レンズ１０は、最適設計することにより、さらに低電圧、高速応答化することが可能である。
【００５４】
このような構成の可変焦点レンズ１０では、レンズ自体を超音波の放射力により変形させることにより、その焦点位置を変化することができ、透明粘弾性材料からなるレンズ部１３と超音波振動子１１のみで構成される単純な構造であって、通常のカメラモジュールに必要な焦点合わせのためのアクチュエータやギア機構を不要であり、これらモジュールを大幅に小型化することができる。
【００５５】
また、この可変焦点レンズ１０では、径方向と直交する厚み方向に分極される板状の円環状圧電体１１Ａで超音波振動子１１を構成し、上記圧電体１１Ａが径方向拡がり振動モードで励振されることにより、上記レンズ部１３に音響定在波を発生させるので、厚み方向に依存しないレンズ設計が可能となり、１ｍｍ程度に薄型化することが可能であり、また、代表的な可変焦点レンズである液体レンズに比べて、構造がより単純であるため、大量生産性に優れている。また、耐熱・耐寒性を有する透明粘弾性材料である例えばシリコーンゲルによりレンズ部１３を構成することにより、液体レンズで問題となる温度依存性を改善でき、また、レンズ部１３内への気体の混入などの心配もない。さらに、径方向拡がり振動モードは厚み振動モードよりも低い周波数で励振されるので、超音波振動子１１を少ない電力で簡単に駆動することができる。
【００５６】
ここで、上記可変焦点レンズ１０では、径方向と直交する厚み方向に分極される板状の円環状圧電体１１Ａで超音波振動子１１を構成し、上記圧電体１１Ａが径方向拡がり振動モードで励振されることにより、上記レンズ部１３に音響定在波を発生させるので、この可変焦点レンズ１０を容器に収納して保護する場合、例えば図１０に示すように、上記径方向拡がり振動モードで励振される圧電体１１Ａが変位しない位置で上記圧電体１１Ａを厚み方向の両側から挟持する金属製リブ１０１Ａ，１０１Ｂを有する上ハーフ１１０Ａと下ハーフ１１０Ｂからなる容器１００に収容される。上記上ハーフ１１０Ａと下ハーフ１１０Ｂには、上記レンズ部１３に対応する位置にそれぞれ開口（入射窓と出射窓）１２０Ａ，１２０Ｂが形成されている。また、上記圧電体１１Ａの電極に上記金属製リブ１０１Ａ，１０１Ｂを介して導通され、上記圧電体１１Ａに駆動電圧を印加するためのリード線１０５Ａ，１０５Ｂが上記金属製リブ１０１Ａ，１０１Ｂから導出されている。
【００５７】
ここで、上記可変焦点レンズ１０において、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４は、上記中央開口部１２に透明粘弾性材料の原材料液体１３Ａを注入してゲル化して上記レンズ部１３を形成する際に、上記原材料液体１３Ａが上記中央開口部１２から漏出するのを防止する機能、及び、形成されたレンズ部１３のレンズ面が姿勢に依存して変形するのを防止する機能を果たすものであるが、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４をレンズ効果のある曲面形状にしたり、上記透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム１４を上記レンズ部１３にレンズ効果を付与する曲面形状に成形することもできる。
【００５８】
例えば、図１１の（Ａ）に示す可変焦点レンズ１０Ａにように、レンズ部１３を正（凸）レンズとして機能させる曲面を有する透明樹脂フィルム１４Ａを備えるものとしたり、また、 図１１の（Ｂ）に示す可変焦点レンズ１０Ｂにように、レンズ部１３を負（凹）レンズとして機能させる曲面を有する透明樹脂フィルム１４Ｂを備えるものとすることができる。
【００５９】
また、上記可変焦点レンズ１０では、光軸方向と同方向の厚み方向に分極される円環形状の圧電体１１Ａからなる超音波振動子１１を駆動することにより、径方向拡がり振動モードで励振される超音波による音響定在波を発生させて、正円形状の中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面を静的に変形させるようにしたが、上記超音波振動子１１は、径方向と同方向の厚み方向に分極される円筒形状の圧電体により構成し、円筒形状の圧電体が径方向拡がり振動モードで励振されるようにすることもできる。
【００６０】
また、上記可変焦点レンズ１０では、正円形状の中央開口部１２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部１３を備え、上記レンズ部１３の周囲の媒質と上記レンズ部１３の透明粘弾性材料とで形成される界面を、上記超音波振動子１１の駆動により発生される音響定在波により静的に変形させ、上記回転対称軸を光軸とする曲面形状のレンズ面として機能するようにして、正円形状のレンズを構成したが、楕円形状や長円形状のレンズを構成することもできる。
【００６１】
さらに、例えば図１２に示す可変焦点レンズ２０のように長径と短径を有する長尺な直線状の中央開口部２２を囲繞する圧電体２１Ａからなる超音波振動子２１と上記中央開口部２２に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部２３とでシリンドリカルレンズを構成することもできる。
【００６２】
この図１２に示す可変焦点レンズ２０では、上記超音波振動子２１は、光軸方向と直交する径方向に分極された長円筒形状の圧電体２１Ａにより構成されており、上記長円筒形状の圧電体２１Ａが径方向拡がり振動モードで励振されるようになっている。
【００６３】
そして、この可変焦点レンズ２０では、上記超音波振動子２１の駆動により径方向拡がり振動モードで励振される超音波を上記中央開口部２２に放射して上記レンズ部２３の透明粘弾性材料内に伝搬させて音響定在波を発生させ、その短径方向の音響定在波により、上記レンズ部２３の周囲の媒質と上記レンズ部２３の透明粘弾性材料とで形成される界面を静的に変形させて、長軸を回転対称軸とする曲面形状のレンズ面とし、上記レンズ部２３をシリンドリカルレンズとして機能させることができる。
【００６４】
なお、上記可変焦点レンズ２０において、上記超音波振動子２１は、径方向と直交する光軸方向に分極された長円環形状の圧電体により構成して、上記長円環形状の圧電体が径方向拡がり振動モードで励振されるようにしてもよい。
【００６５】
さらに、上記可変焦点レンズ１０は、複数個を１次元配列あるいは２次元配列してレンズアレイを構成するようにしても良い。例えば、図１３に示すように、複数個の可変焦点レンズ１０を２次元に配列してレンズアレイ３０を構成することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０，１０Ａ，１０Ｂ 可変焦点レンズ、１１ 超音波振動子、１１Ａ 圧電体、１２ 中央開口部、１３ レンズ部、１３Ａ 原材料液体、１４，１４Ａ，１４Ｂ 透明樹脂（ＰＥＴ）フィルム、２０ 可変焦点レンズ、２１Ａ 圧電体、２１ 超音波振動子、２２ 中央開口部、２３ レンズ部、３０ レンズアレイ、１００ 容器、１０１Ａ，１０１Ｂ 金属製リブ１０１Ａ，１０１Ｂ、１０５Ａ，１０５Ｂ リード線、１１０Ａ 上ハーフ、１１０Ｂ 下ハーフ、１２０Ａ，１２０Ｂ 開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体により囲繞された中央開口部を有する超音波振動子と、
上記中央開口部に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部と
を備え、
上記超音波振動子の駆動により励振される超音波を上記中央開口部に放射して上記レンズ部に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部の周囲の媒質と上記レンズ部の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子が上記中央開口部に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変することを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項２】
上記超音波振動子は、上記圧電体が径方向拡がり振動モードで励振されることにより、上記レンズ部に音響定在波を発生させることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
【請求項３】
上記超音波振動子は、正円形状の上記中央開口部を囲繞する円環状の圧電体からなることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項４】
上記超音波振動子は、長径と短径を有する長尺な直線状の上記中央開口部を囲繞する圧電体からなり、超音波を上記中央開口部に放射して音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部をシリンドリカルレンズとして機能させることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に可変焦点レンズ。
【請求項５】
上記レンズ部は、入射側開口又は出射側開口の一方が透明樹脂フィルムにて閉じられた上記超音波振動子の上記中央開口部に注入された透明粘弾性材料の原材料液体をゲル化してなることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
上記透明樹脂フィルムは上記レンズ部を正レンズとして機能させる曲面を有することを特徴とする請求項５記載の可変焦点レンズ。
【請求項７】
上記透明樹脂フィルムは上記レンズ部を負レンズとして機能させる曲面を有することを特徴とする請求項５記載の可変焦点レンズ。
【請求項８】
リング状の圧電体により囲繞された中央開口部を有する超音波振動子の駆動により励振される超音波を上記中央開口部に放射し、上記中央開口部に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部の周囲の媒質と上記レンズ部の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、
上記超音波振動子が上記中央開口部に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変することを特徴とする焦点制御方法。
【請求項１】
圧電体により囲繞された中央開口部を有する超音波振動子と、
上記中央開口部に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部と
を備え、
上記超音波振動子の駆動により励振される超音波を上記中央開口部に放射して上記レンズ部に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部の周囲の媒質と上記レンズ部の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、上記超音波振動子が上記中央開口部に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変することを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項２】
上記超音波振動子は、上記圧電体が径方向拡がり振動モードで励振されることにより、上記レンズ部に音響定在波を発生させることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
【請求項３】
上記超音波振動子は、正円形状の上記中央開口部を囲繞する円環状の圧電体からなることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項４】
上記超音波振動子は、長径と短径を有する長尺な直線状の上記中央開口部を囲繞する圧電体からなり、超音波を上記中央開口部に放射して音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部をシリンドリカルレンズとして機能させることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に可変焦点レンズ。
【請求項５】
上記レンズ部は、入射側開口又は出射側開口の一方が透明樹脂フィルムにて閉じられた上記超音波振動子の上記中央開口部に注入された透明粘弾性材料の原材料液体をゲル化してなることを特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
上記透明樹脂フィルムは上記レンズ部を正レンズとして機能させる曲面を有することを特徴とする請求項５記載の可変焦点レンズ。
【請求項７】
上記透明樹脂フィルムは上記レンズ部を負レンズとして機能させる曲面を有することを特徴とする請求項５記載の可変焦点レンズ。
【請求項８】
リング状の圧電体により囲繞された中央開口部を有する超音波振動子の駆動により励振される超音波を上記中央開口部に放射し、上記中央開口部に透明粘弾性材料を充填してなるレンズ部に伝搬させ、音響定在波を発生させることにより、上記レンズ部の周囲の媒質と上記レンズ部の透明粘弾性材料とで形成される界面を変形させてレンズ面として機能させ、
上記超音波振動子が上記中央開口部に放射する超音波の放射圧により上記レンズ面の焦点を可変することを特徴とする焦点制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−６１５４９（Ｐ２０１３−６１５４９Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２００７９４（Ｐ２０１１−２００７９４）
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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