可変焦点レンズ
【課題】外乱に比較的強く、かつ、凸レンズ及び凹レンズがいずれも実現可能な構造を持つ可変焦点レンズを提供する。
【解決手段】第１媒質１２と第２媒質１４は、いずれも流動性を備えており、かつ、互いに異なる屈折率を有している。基板１６と第１薄膜１８との間には、第１媒質１２が充填されている。第１薄膜１８と第２薄膜２０との間には、第２媒質１４が充填されている。第１電極２２は、基板１６に取り付けられている。第２電極２４は、第１薄膜に取り付けられている。第１薄膜１８は、第１電極２２と第２電極２４との間に印加された電圧に応じて変形できる柔軟性を有している。
【解決手段】第１媒質１２と第２媒質１４は、いずれも流動性を備えており、かつ、互いに異なる屈折率を有している。基板１６と第１薄膜１８との間には、第１媒質１２が充填されている。第１薄膜１８と第２薄膜２０との間には、第２媒質１４が充填されている。第１電極２２は、基板１６に取り付けられている。第２電極２４は、第１薄膜に取り付けられている。第１薄膜１８は、第１電極２２と第２電極２４との間に印加された電圧に応じて変形できる柔軟性を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、エレクトロウエッティングの技術を用いた可変焦点レンズが記載されている。この技術では、異なる屈折率を持つ２種類の液体を基板上に積層させ、下方の液体と基板との間の濡れ性（接触角）を、電気的に制御する。これにより、２液間の境界面の曲率を変化させる。この境界面が光線屈折面となるため、この技術では、可変焦点レンズを実現することができる。
【０００３】
このような可変焦点レンズは、一般的に、
・可動部品がないために壊れにくい
・焦点変化のためにモータやギヤが不要であり、このため、小型化に適する
・構造が単純なので、製造コストを低く抑えることができる
などの利点がある。
【０００４】
このため、この種の可変焦点レンズは、携帯電話用の小型カメラや光ピックアップのための光学部品として実用化が期待されている。
【０００５】
ところで、前記した特許文献１の技術では、外乱のために、２液間の境界面形状が変形する可能性がある。外乱とは、例えば、振動や重力などの外力および温度変化である。この技術では、２液の比重が異なる場合、２液間の境界面形状が、振動や重力などの外力の影響を受けることにより、変形するおそれがある。初期状態において２液の比重が等しい場合であっても、２液それぞれにおける熱膨張率が異なる場合には、温度変化によって比重が変わってしまう。すると、振動や重力などの外力の影響のため、２液間の境界面形状が変形するおそれがある。
【０００６】
このように、この技術では、ある温度において同じ比重の２液を用いたとしても、温度変化により２液の間に比重差が生じるため、動作可能温度の範囲に制限が生じることが考えられる。また、振動や重力の影響の大きさは２液の体積に比例するため、この技術では、レンズ直径を大きくすることが難しく、直径５ｍｍ程度が限界であろうと考えられる。
【０００７】
さらに、この技術では、液体を封入するケーシングの形状が２液間の境界面形状に大きく影響を及ぼすため、歪みのないレンズ面を得るためには、歪みのないケーシングが必要となる。そのため、ケーシングの作製には高精度の３次元加工を必要とする。
【０００８】
一方、本発明者らは、下記非特許文献１に記載の技術を提案している。この技術では、パリレン（パラキシリレン系樹脂の総称）と呼ばれる樹脂で作られた膜と基板との間に、シリコーン樹脂を封止する。また、パリレン膜と基板とにそれぞれ電極を取り付ける。
【０００９】
この非特許文献１の技術では、両電極間に電圧を印加することにより、パリレン膜の曲率を変化させることができる。これにより、可変焦点レンズを提供することができる。
【００１０】
この技術では、
・外乱（振動や重力、および温度変化）の影響があっても、パリレン膜の曲率は変動しにくいので、外乱に強いレンズを提供できる、
・直径を大きく（例えば１０ｍｍ以上に）した場合であっても、外乱に強いレンズを提供できる、
・液体を封入するケーシングの形状が液体の形状に影響を及ぼすことがないため、ケーシングを作製する上で高精度の３次元加工が不要である（これは小型化および製造コストの面においてきわめて有利である）、
という利点がある。
【００１１】
しかしながら、非特許文献１の技術は、凹レンズを作ることが原理的に難しいという問題がある。
【特許文献１】特開２００６−１７８４６９号公報
【非特許文献１】Binh-Khiem Nguyen, et. al., "Electrically Driven Varifocal Micro Lens Fabricated by Depositing Parylene Directly on Liquid," pp. 305-308, Proceedings of IEEE MEMS 2007, Kobe, Japan, 21-25 January 2007.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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、外乱に比較的強く、かつ、凸レンズ及び凹レンズがいずれも実現可能な構造を持つ可変焦点レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
（項目１）
第１媒質と、第２媒質と、基板と、第１薄膜と、第２薄膜と、第１電極と、第２電極とを備えており、
前記第１媒質と前記第２媒質は、いずれも流動性を備えており、
かつ、前記第１媒質と前記第２媒質は、互いに異なる屈折率を有しており、
前記基板と前記第１薄膜との間には、第１空間が形成されており、
前記第１薄膜と前記第２薄膜との間には、第２空間が形成されており、
前記第１空間と前記第２空間とは重畳された状態となっており、
前記第１媒質は、前記第１空間の内部に充填されており、
前記第２媒質は、前記第２空間の内部に充填されており、
前記第１電極は、前記基板に取り付けられており、
前記第２電極は、前記第１薄膜に取り付けられており、
前記第１電極と前記第２電極との間には、電圧を印加できる構成となっており、
前記第１薄膜は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧に応じて変形できる柔軟性を有している
ことを特徴とする可変焦点レンズ。
【００１５】
この項目１の可変焦点レンズにおいては、第１電極と第２電極との間に印加された電圧に応じて、第１薄膜を変形させることができる。第１薄膜は、第１媒質又は第２媒質の表面形状を規定する。この表面形状は、これらの媒質を通過する光線に対する屈折面を構成する。したがって、この発明によれば、可変焦点レンズを実現できる。
【００１６】
第１媒質と第２媒質の屈折率を適宜に選択することにより、可変焦点レンズにおける屈折力の調整範囲を様々に設定することができる。第１薄膜の変形によって得られる曲率半径や、第１媒質及び第２媒質の屈折率を選択することにより、凹レンズを実現することも可能である。
【００１７】
（項目２）
前記第１媒質の屈折率ｎ１と前記第２媒質の屈折率ｎ２とは、ｎ１＜ｎ２という関係にあることを特徴とする項目１に記載の可変焦点レンズ。
【００１８】
このように構成すると、第１薄膜により凹レンズを構成することが可能となる。
【００１９】
（項目３）
前記第１媒質の屈折率ｎ１と前記第２媒質の屈折率ｎ２とは、ｎ１＞ｎ２という関係にあることを特徴とする項目１に記載の可変焦点レンズ。
【００２０】
このように構成すると、第１薄膜により凸レンズを構成することが可能となる。
【００２１】
（項目４）
さらに第３媒質と、第３薄膜とを備えており、
前記第３薄膜と前記第２薄膜との間には、前記第２空間に重畳された第３空間が形成されており、
前記第３媒質は、前記第３空間の内部に充填されている
ことを特徴とする、項目１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【００２２】
一般に、本発明においては、第ｎまでの薄膜（ｎは２以上の整数）を用いることができる。薄膜間に媒質を充填し、これらの媒質の屈折率を調整することにより、レンズ作用を得ることもできる。薄膜の全てあるいはその一部に電極を取り付け、電極間の電位を調整することにより、薄膜の曲率半径を調整することができる。このようにして、所望の焦点距離を持つ可変焦点レンズを構成することができる。
【００２３】
（項目５）
さらに第３電極と第４電極とスペーサとを備えており、
前記スペーサは、前記第１薄膜と前記第２薄膜との間に配置されており、
前記第３電極は、前記スペーサに取り付けられており、
前記第４電極は、前記第２薄膜に取り付けられており、
前記第３電極と前記第４電極との間には、電圧を印加できる構成となっており、
前記第２薄膜は、前記第３電極と前記第４電極との間の電圧に応じて変形できる柔軟性を有している
ことを特徴とする項目１〜４のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【００２４】
この発明のように、第２薄膜の曲率半径をさらに調整できるように構成すれば、いわゆるズームレンズを得ることができる。
【００２５】
（項目６）
さらに第２基板と第３媒質とを備えており、
前記第２薄膜と前記第２基板との間には、前記第２空間と重畳された第３空間が形成されており、
前記第３媒質は、前記第３空間に充填されている
ことを特徴とする項目１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【００２６】
（項目７）
前記基板には開口部が形成されており、
前記第１空間は、前記開口部により、外部の空間に開放されており、
前記第１媒質は空気である
ことを特徴とする項目１〜６のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、外乱に比較的強く、かつ、凸レンズ及び凹レンズがいずれも実現可能な構造を持つ可変焦点レンズを提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズを、図１〜図４に基づいて説明する。
【００２９】
本実施形態の可変焦点レンズは、第１媒質１２と、第２媒質１４と、基板１６と、第１薄膜１８と、第２薄膜２０と、第１電極２２と、第２電極２４と、スペーサ２６とを主要な構成として備えている。
【００３０】
第１媒質１２と第２媒質１４とは、いずれも流動性を備えている。具体的には、第１媒質１２と第２媒質１４として、液体が用いられている。さらに、第１媒質１２と第２媒質１４は、互いに異なる屈折率を有している。第１媒質１２あるいは第２媒質１４として好適な材料としては、拡散ポンプ油（シリコーンオイル）、液体パラフィン、グリセリン、イオン性液体などがあるが、これらには制約されない。
【００３１】
基板１６としては、この実施形態では、透明でかつ絶縁性が高い材質が用いられる。このような材質としては、例えば、ガラスがある。他に使用可能な材質としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）樹脂、アクリル樹脂などがあるが、これらには制約されない。
【００３２】
基板１６と第１薄膜１８との間には、第１空間２８が形成されている。第１薄膜１８と第２薄膜２０との間には、第２空間３０が形成されている。これらの第１空間２８と第２空間３０とは互いに重畳された状態となっている。
【００３３】
前記した第１媒質１２は、第１空間２８の内部に充填されている。第２媒質１４は、第２空間３０の内部に充填されている。
【００３４】
第１電極２２は、本実施形態では、シート状に構成されており、基板１６の表面に取り付けられている。第２電極２４は、本実施形態では、シート状に形成されており、第１薄膜１８の表面に取り付けられている（図２参照）。これらの電極の具体的な取り付け方法は後述する。
【００３５】
第２電極２４は、第１電極２２に対して、電気的に絶縁されている。さらに、第１電極２２と第２電極２４との間には、電圧を印加できる電源回路３２が接続されており、これらに対して所定の電圧（この実施形態では直流電圧）を供給できるようになっている。
【００３６】
第１電極２２と第２電極２４としては、この実施形態では、いずれも透明性が高く導電性が高い材質が用いられる。このような材質としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）や厚さ5nm程度の金属薄膜がある。
【００３７】
第１薄膜１８は、第１電極２２と第２電極２４との間に印加された電圧に応じて変形できる柔軟性を有している。
【００３８】
なお、図１において符号１８ａは、第１電極２２と第１薄膜１８との間に配置された薄膜を示す。同様に、符号２０ａは、スペーサ２６と第２薄膜２０との間に配置された薄膜を示す。
【００３９】
次に、図３を参照しながら、本実施形態における可変焦点レンズの作用を説明する。
【００４０】
まず、この実施形態において、第１媒質１２の屈折率ｎ１と第２媒質１４の屈折率ｎ２とが、ｎ２＞ｎ１の関係を満たすとする。この場合、図３（ａ）に示すように、基本的には、凹レンズの作用を果たすことが期待できる。図３に示す凹レンズの虚焦点を符号Ｆで示す。
【００４１】
ここで、第１電極２２と第２電極２４との間に電圧を印加し、両電極間に引力を発生させる。これは、例えば、両電極間に電位差を与えることにより実現できる（図３（ｂ）参照）。
【００４２】
すると、第２電極２４が取り付けられている第１薄膜１８は、第２電極２４に加えられた引力により変形し、その曲率半径が小さくなる（図３（ｂ）参照）。その結果、第１薄膜１８と基板１６との間に充填された第１媒質１２の上面（すなわちレンズ面）における曲率半径も小さくなる。
【００４３】
すると、第１媒質１２の表面（レンズ面）への入射光線の入射角が大きくなり、出射角も大きくすることができる。これにより、図３（ｂ）に示されるように、虚焦点Ｆの位置を接近させることができる。この例では、このようにして、可変焦点レンズを実現することができる。
【００４４】
なお、この説明においては、説明を簡易にするため、第１媒質１２の屈折率ｎ１を、基板１６の屈折率とほぼ等しいと仮定した。このため、第１媒質１２と基板１６との境界面における光の屈折は小さいとした（図３（ａ）参照）。
【００４５】
また、厳密には、第１薄膜１８及び第２薄膜２０の屈折率に応じて、これらの薄膜でのレンズ作用も考えられるが、これらの薄膜の厚さを十分に薄くすれば、実用上は、その影響を無視することが可能である。また、必要に応じて、これらの薄膜の屈折率を、第１媒質１２や第２媒質１４に近づけることにより、これらの薄膜によるレンズ作用の影響を一層軽減することが可能である。
【００４６】
また、本実施形態のレンズにおいては、薄膜によって媒質が覆われているので、外乱（振動や重力、および温度変化）があっても、媒質表面の振動や変形を防止ないし減少させることができるという利点がある。このため、得られる焦点距離の精度を向上させることができる。
【００４７】
なお、本実施形態において、第１電極２２と第２電極２４との間の電位差をほぼ０にすれば、第１薄膜１８の弾力により、第１媒質１２の上面形状は初期の状態に復帰する。これにより、虚焦点Ｆの位置を初期の位置に復帰させることができる。第１電極２２と第２電極２４との間の電位差をほぼ０にするためには、例えば、これらの電極への電圧印加を解除すればよい。
【００４８】
なお、ここで、本実施形態のレンズにおける駆動原理を更に詳しく説明する。第１電極２２と第２電極２４との間に電圧を印加すると、両電極間に引力が働き、第１薄膜１８は基板１６に引き寄せられる（図３（ｂ）参照）。ここで、第１媒質１２の周縁部分は、両電極間の距離が短いため、大きな引力が発生する。一方、第１媒質１２の中心付近は、電極間距離が長いため、あまり大きな引力は発生しない。このため、第１媒質１２の周縁部分のみが大きく変形し、第１薄膜１８が基板１６に引き寄せられる。ここで、第１薄膜１８と基板１６とで封止された液体の体積が一定であることに注意すると、初期状態において周縁部にあった第１媒質１２は、電極間に電圧を印加した状態では、中心付近に移動すると考えられる。その結果、電圧を印加した状態では、初期状態に比べて、レンズ口径が小さく、かつ、レンズ高さが大きくなる。つまり、電圧印加により、レンズの曲率半径を小さくすることができる。
【００４９】
（レンズの屈折力の調整）
つぎに、レンズの屈折力（レンズパワー）を調整する場合の原理を説明する。まず、符号を以下のように定義する。
ｎ０：レンズ外部における空気の屈折率、
ｎ１：第１媒質の屈折率、
ｎ２：第２媒質の屈折率、
Ｒ１：第１薄膜の曲率半径、
Ｒ２：第２薄膜の曲率半径。
【００５０】
この場合においては、以下のように屈折力が設定できる。
・ｎ２−ｎ０＞０：第２媒質１４の上面は凸レンズ、
・ｎ１−ｎ２＞０：第１媒質１２の上面（第１媒質１２と第２媒質１４の境界面）は凸レンズ、
・ｎ１−ｎ２＜０：第１媒質１２の上面は凹レンズ、
・（ｎ２−ｎ０）／Ｒ２＋（ｎ１−ｎ２）／Ｒ１＞０：レンズ全体として凸レンズ、
・（ｎ２−ｎ０）／Ｒ２＋（ｎ１−ｎ２）／Ｒ１＜０：レンズ全体として凹レンズ。
【００５１】
ただし、レンズ全体としての二つの式は、厳密にはスペーサ２６の厚さがＲ１、Ｒ２に対して小さい場合の近似式である。ある実施形態においてはこの近似式を用いて問題ない。スペーサ２６の厚さがＲ１、Ｒ２に対して大きい場合であっても、ｎ０、ｎ１、ｎ２、Ｒ１、Ｒ２およびスペーサ２６の厚さｔを用いて屈折力が設定できる。
【００５２】
（レンズの作製方法）
つぎに、図４を参照しながら、本実施形態に係る可変焦点レンズの作製方法の一例を説明する。
【００５３】
まず、ガラス製の基板１６を用意する（図４（ａ））。ついで、基板１６の上面に、第１電極２２を形成する。この例では、第１電極２２として、透明な電極材料であるＩＴＯ(Indium Tin Oxide)が用いられている。
【００５４】
ついで、透明樹脂製の薄膜１８ａをパターニングし、第１電極２２の上面を開放させる。この透明樹脂としては、例えば、アモルファスフッ素樹脂（商品名「Cytop」）を用いることができる。この状態で、第１電極２２の上面に第１媒質１２を配置する。この状態では、第１媒質１２は、それ自体の表面張力により、上方に盛り上がった状態となる（図４（ｂ）参照）。この例では、第１媒質１２として、液体パラフィンが用いられている。
【００５５】
ついで、第１媒質１２の上面に、第１薄膜１８を形成する（図４（ｃ）参照）。この薄膜１８は、この例では、膜厚約５００ｎｍのパリレン樹脂が用いられている。このような薄膜は、例えば蒸着により形成することができる。
【００５６】
ついで、第１薄膜１８の上面に、第２電極２４を配置する（図４（ｄ）参照）。この第２電極２４は、この例では、膜厚約５ｎｍの金あるいはアルミニウムが用いられている。第２電極２４も例えば蒸着により形成することができる。
【００５７】
ついで、第１薄膜１８の上方に、スペーサ２６を配置する（図４（ｅ）参照）。このスペーサ２６としては、この例では、ポリ塩化ビニル（PolyVinylChloride）を用いている。さらに、スペーサ２６の内部に形成された空間に、第２媒質１４を充填する。第２媒質１４の材質としては、この例では、シリコーンオイル（silicone fluid）を用いている。
【００５８】
その後、第２媒質１４の上面に第２薄膜２０を形成する（図４（ｆ）参照）。この薄膜２０は、この例では、膜厚約１０００ｎｍのパリレン樹脂が用いられている。このような薄膜も、例えば蒸着により形成することができる。
【００５９】
（実験例）
ついで、図４に示した可変焦点レンズを用いた実験例を、図５及び図６を用いて説明する。
【００６０】
図５は、第１電極２２と第２電極２４との間における電圧を０Ｖとした場合において、この実施形態のレンズで得られた像を示している。これに対して、図６は、両電極間の電圧を３００Ｖ（直流）とした場合に得られた像を示している。この図からも、本実施形態のレンズによって焦点距離を可変にできることが判る。
【００６１】
なお、この実験例における実験条件は以下の通りである。
【００６２】
（実験条件）
撮像方法：本実施形態のレンズを介して、顕微鏡により、物体を観察、
本実施形態のレンズの直径：４ｍｍ、
撮像される物体：「ＭＥＭＳ２００８」と書かれた紙、
顕微鏡：Keyence製VHX-500、
顕微鏡の倍率：５０倍（一定）、
物体とレンズとの距離：２９ｍｍ（一定）、
レンズと顕微鏡との距離：２６ｍｍ（一定）。
【００６３】
（第２実施形態）
つぎに、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００６４】
このレンズは、さらに、第３媒質３４、第３薄膜３６、第２スペーサ３８を備えている。
【００６５】
第３薄膜３６は、第２薄膜２０の上方に重畳された状態で配置されている（図７参照）。第２薄膜２０と第３薄膜３６との間には、第３空間４０が形成されており、ここには、第３媒質３４が充填されている。
【００６６】
本実施形態では、スペーサ２６に第３電極４１が取り付けられており、第２薄膜２０に第４電極４２が取り付けられている。さらに、第２電源回路４５により、これらの電極間に電圧を印加できるようになっている。
【００６７】
同様に、第２スペーサ３８に、第５電極４３が取り付けられ、第３薄膜３６に第６電極４４が取り付けられている。これらの電極にも第３電源回路４６が接続されており、独立して所望の電圧を印加できるようになっている。
【００６８】
なお、図７において符号３６ａは、第５電極４３と第３薄膜３６との間に配置された薄膜を示す。
【００６９】
第２実施形態のレンズによれば、それぞれ対向する電極間における電位差を調整することにより第１〜第３媒質の上面の曲率半径をそれぞれ変化させることができる。これにより、焦点距離を変化させることができる。
【００７０】
なお、この第２実施形態では、第３媒質までを例示したが、一般に、第ｎ薄膜（ｎは２以上の整数）を用いることによって、第ｎ媒質を積み上げることができる。これらの媒質の表面の曲率半径を電圧により変化させることで、積み上げられた状態のレンズにおける焦点距離を変化させることができる。
【００７１】
第２実施形態における他の構成及び利点は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００７２】
（第３実施形態）
つぎに、図８を参照して、本発明の第３実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００７３】
このレンズは、第１実施形態のレンズに加えて、さらに、第３媒質４８と、第２基板５０とを備えている。
【００７４】
第２基板５０は、第１実施形態で説明した基板１６と平行して、かつ、間隔を空けた状態で配置されている。
【００７５】
第２基板５０と第２薄膜２０との間には、第３空間５２が形成されており、その内部に、第３媒質４８が充填されている。
【００７６】
第２基板５０及び第２薄膜２０には、それぞれ、第１電極２２及び第２電極２４とは電気的に絶縁された第３電極５３及び第４電極５４が取り付けられている。
【００７７】
第３及び第４電極５３及び５４には、電源回路３２と同様の第２電源回路５５が接続されており、これらに対して独立して所望の電圧を印加できるようになっている。
【００７８】
第３実施形態のレンズによれば、第１電極２２と第２電極２４との間、及び第３電極５３と第４電極５４との間における電圧を調整することにより、基板間に配置された媒質の曲率半径を変化させることができる。これにより、焦点距離を変化させることができる。
【００７９】
第３実施形態における他の構成及び利点は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００８０】
（第４実施形態）
つぎに、図９を参照して、本発明の第４実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００８１】
このレンズでは、基板１６に開口部１６１が形成され、第１空間２８が外部に露出されている。また、この例では、第１媒質１２が、開口部１６１を介して外部から供給される空気となっている。つまり、この例では、第１媒質１２の屈折率ｎ１と空気の屈折率ｎ０とが等しくなっている。すなわち、ｎ１＝ｎ０である。
【００８２】
さらに、この例では、第２媒質１４の屈折率ｎ２が、屈折率ｎ１及びｎ０と異なっている。このレンズでは、他の実施形態の場合と同様、求める屈折力に対応して、レンズ全体として凸レンズとすることも、凹レンズとすることも可能である。また、他の実施形態の場合と同様、求める屈折力に対応して、ｎ２＜ｎ１とすることも、ｎ２＞ｎ１とすることも可能である。しかしながら、この実施形態（ｎ１＝ｎ０）の場合は、第２媒質１４の屈折率ｎ２を第１媒質１２の屈折率ｎ１（＝空気の屈折率ｎ０）より小さくすることは現実的には難しい。
【００８３】
第４実施形態のレンズにおいても、第１実施形態の場合と同様に、第１電極２２と第２電極２４との間に印加された電圧に対応して、第１媒質１２と第２媒質１４との境界面（レンズ面）の曲率半径を変化させることができる。これにより、焦点距離を変化させることができる。
【００８４】
第４実施形態における他の構成及び利点は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００８５】
（第５実施形態）
つぎに、図１０を参照して、本発明の第５実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００８６】
このレンズでは、スペーサ２６に第３電極４１が取り付けられており、第２薄膜２０に第４電極４２が取り付けられている更に、第３電極４１及び第４電極４２には、第２電源回路４５が接続されており、所望の電圧を独立して印加できるようになっている。
【００８７】
また、このレンズにおいては、第２薄膜２０は、第３電極４１と第４電極４２との間の電圧に応じて変形できる柔軟性を有することが好ましい。
【００８８】
第５実施形態のレンズにおいては、対向する電極間に対して適宜の電圧を供給することにより、第１媒質１２及び第２媒質１４の上面の曲率半径をいずれも独立して変化させることができる。このため、本実施形態のレンズにおいては、倍率変更と合焦点が可能となる。つまり、この実施形態によれば、ズームレンズを提供することが可能になる（図１１参照）。
【００８９】
第５実施形態における他の構成は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００９０】
（第６実施形態）
つぎに、図１２及び図１３を参照して、本発明の第６実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００９１】
このレンズでは、第１薄膜１８の上面に第１ミラー５６を配置する。さらに、第２薄膜２０の上面に第２ミラー５８を配置する。
【００９２】
図１２に示されるように各ミラーを取り付けることで、反射光学系を形成することができる。これらのミラーは、例えばアルミニウムの蒸着などによって製作可能である。第２薄膜２０を通過した光は、最初に下部の第１ミラー５６で反射し、次に上部の第２ミラー５８で反射し、最後に第１薄膜１８を通過して焦点を結ぶ。これにより、第２薄膜２０を通過した光の本来の焦点(F2)より近いところ(F1)に結像面が得られるため、光学系の薄型化が可能である。また、他の実施形態と同様に、静電気力によって第１薄膜１８および第２薄膜２０を駆動することで、焦点距離の微調整が可能である。
【００９３】
また、第１ミラー５６と第２ミラー５８とを調光ミラーにより構成することにより、図１３に示すレンズ作用を得ることができる。すなわち、下部の第１ミラー５６を調光ミラーとすれば、第２薄膜２０を通過した光が第１ミラー５６を透過するか、反射するかを選択することで、焦点距離を大きく変えることができる。ただし、ここでいう調光ミラーとは、電圧などの作用により、光を反射する「鏡の状態」と、光を透過する「透明な状態」とをスイッチングできる調光材料のことを指す。調光ミラーを用いる場合も、静電気力によって第１薄膜１８および第２薄膜２０を駆動することで、焦点距離の微調整が可能である。
【００９４】
なお、調光ミラーにおける反射透過特性には波長選択性が存在しうるので、目的の波長に対応した調光ミラーを用いることが好ましい。
【００９５】
また、調光ミラーの反射透過特性を制御するために、それぞれに対応する電極及び電源回路を設けることが好ましい。
【００９６】
第６実施形態における他の構成は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００９７】
なお、前記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。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図２】図１に示す可変焦点レンズの分解斜視図である。
【図３】図（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す可変焦点レンズの作用を説明するための説明図である。
【図４】図１に示す可変焦点レンズの作製方法の一例を説明するための説明図である。
【図５】実験例のレンズによって得られた像（電圧０Ｖの場合）を示す説明図である。
【図６】実験例のレンズによって得られた像（電圧３００Ｖの場合）を示す説明図である。
【図７】第２実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図８】第３実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図９】第４実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図１０】第５実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図１１】図１０の可変焦点レンズにおけるズーム作用を説明するための説明図である。図（ａ）は、第１薄膜のみを駆動した状態を示す。図（ｂ）は、第２薄膜のみを駆動した状態を示す。
【図１２】第６実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図１３】図１２の可変焦点レンズにおける調光レンズの作用を説明するための説明図である。図（ａ）は、調光レンズを光が透過する場合の作用を示している。図（ｂ）は、調光レンズで光が反射される場合の作用を示している。
【符号の説明】
【００９９】
１２ 第１媒質
１４ 第２媒質
１６ 基板
１６１ 開口部
１８ 第１薄膜
１８ａ 薄膜
２０ 第２薄膜
２０ａ 薄膜
２２ 第１電極
２４ 第２電極
２６ スペーサ
２８ 第１空間
３０ 第２空間
３２ 電源回路
３４・４８ 第３媒質
３６ 第３薄膜
３６ａ 薄膜
３８ 第２スペーサ
４０・５２ 第３空間
４１・５３ 第３電極
４２・５４ 第４電極
４３ 第５電極
４４ 第６電極
４５・５５ 第２電源回路
４６ 第３電源回路
５０ 第２基板
５６ 第１ミラー
５８ 第２ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、エレクトロウエッティングの技術を用いた可変焦点レンズが記載されている。この技術では、異なる屈折率を持つ２種類の液体を基板上に積層させ、下方の液体と基板との間の濡れ性（接触角）を、電気的に制御する。これにより、２液間の境界面の曲率を変化させる。この境界面が光線屈折面となるため、この技術では、可変焦点レンズを実現することができる。
【０００３】
このような可変焦点レンズは、一般的に、
・可動部品がないために壊れにくい
・焦点変化のためにモータやギヤが不要であり、このため、小型化に適する
・構造が単純なので、製造コストを低く抑えることができる
などの利点がある。
【０００４】
このため、この種の可変焦点レンズは、携帯電話用の小型カメラや光ピックアップのための光学部品として実用化が期待されている。
【０００５】
ところで、前記した特許文献１の技術では、外乱のために、２液間の境界面形状が変形する可能性がある。外乱とは、例えば、振動や重力などの外力および温度変化である。この技術では、２液の比重が異なる場合、２液間の境界面形状が、振動や重力などの外力の影響を受けることにより、変形するおそれがある。初期状態において２液の比重が等しい場合であっても、２液それぞれにおける熱膨張率が異なる場合には、温度変化によって比重が変わってしまう。すると、振動や重力などの外力の影響のため、２液間の境界面形状が変形するおそれがある。
【０００６】
このように、この技術では、ある温度において同じ比重の２液を用いたとしても、温度変化により２液の間に比重差が生じるため、動作可能温度の範囲に制限が生じることが考えられる。また、振動や重力の影響の大きさは２液の体積に比例するため、この技術では、レンズ直径を大きくすることが難しく、直径５ｍｍ程度が限界であろうと考えられる。
【０００７】
さらに、この技術では、液体を封入するケーシングの形状が２液間の境界面形状に大きく影響を及ぼすため、歪みのないレンズ面を得るためには、歪みのないケーシングが必要となる。そのため、ケーシングの作製には高精度の３次元加工を必要とする。
【０００８】
一方、本発明者らは、下記非特許文献１に記載の技術を提案している。この技術では、パリレン（パラキシリレン系樹脂の総称）と呼ばれる樹脂で作られた膜と基板との間に、シリコーン樹脂を封止する。また、パリレン膜と基板とにそれぞれ電極を取り付ける。
【０００９】
この非特許文献１の技術では、両電極間に電圧を印加することにより、パリレン膜の曲率を変化させることができる。これにより、可変焦点レンズを提供することができる。
【００１０】
この技術では、
・外乱（振動や重力、および温度変化）の影響があっても、パリレン膜の曲率は変動しにくいので、外乱に強いレンズを提供できる、
・直径を大きく（例えば１０ｍｍ以上に）した場合であっても、外乱に強いレンズを提供できる、
・液体を封入するケーシングの形状が液体の形状に影響を及ぼすことがないため、ケーシングを作製する上で高精度の３次元加工が不要である（これは小型化および製造コストの面においてきわめて有利である）、
という利点がある。
【００１１】
しかしながら、非特許文献１の技術は、凹レンズを作ることが原理的に難しいという問題がある。
【特許文献１】特開２００６−１７８４６９号公報
【非特許文献１】Binh-Khiem Nguyen, et. al., "Electrically Driven Varifocal Micro Lens Fabricated by Depositing Parylene Directly on Liquid," pp. 305-308, Proceedings of IEEE MEMS 2007, Kobe, Japan, 21-25 January 2007.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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、外乱に比較的強く、かつ、凸レンズ及び凹レンズがいずれも実現可能な構造を持つ可変焦点レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
（項目１）
第１媒質と、第２媒質と、基板と、第１薄膜と、第２薄膜と、第１電極と、第２電極とを備えており、
前記第１媒質と前記第２媒質は、いずれも流動性を備えており、
かつ、前記第１媒質と前記第２媒質は、互いに異なる屈折率を有しており、
前記基板と前記第１薄膜との間には、第１空間が形成されており、
前記第１薄膜と前記第２薄膜との間には、第２空間が形成されており、
前記第１空間と前記第２空間とは重畳された状態となっており、
前記第１媒質は、前記第１空間の内部に充填されており、
前記第２媒質は、前記第２空間の内部に充填されており、
前記第１電極は、前記基板に取り付けられており、
前記第２電極は、前記第１薄膜に取り付けられており、
前記第１電極と前記第２電極との間には、電圧を印加できる構成となっており、
前記第１薄膜は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧に応じて変形できる柔軟性を有している
ことを特徴とする可変焦点レンズ。
【００１５】
この項目１の可変焦点レンズにおいては、第１電極と第２電極との間に印加された電圧に応じて、第１薄膜を変形させることができる。第１薄膜は、第１媒質又は第２媒質の表面形状を規定する。この表面形状は、これらの媒質を通過する光線に対する屈折面を構成する。したがって、この発明によれば、可変焦点レンズを実現できる。
【００１６】
第１媒質と第２媒質の屈折率を適宜に選択することにより、可変焦点レンズにおける屈折力の調整範囲を様々に設定することができる。第１薄膜の変形によって得られる曲率半径や、第１媒質及び第２媒質の屈折率を選択することにより、凹レンズを実現することも可能である。
【００１７】
（項目２）
前記第１媒質の屈折率ｎ１と前記第２媒質の屈折率ｎ２とは、ｎ１＜ｎ２という関係にあることを特徴とする項目１に記載の可変焦点レンズ。
【００１８】
このように構成すると、第１薄膜により凹レンズを構成することが可能となる。
【００１９】
（項目３）
前記第１媒質の屈折率ｎ１と前記第２媒質の屈折率ｎ２とは、ｎ１＞ｎ２という関係にあることを特徴とする項目１に記載の可変焦点レンズ。
【００２０】
このように構成すると、第１薄膜により凸レンズを構成することが可能となる。
【００２１】
（項目４）
さらに第３媒質と、第３薄膜とを備えており、
前記第３薄膜と前記第２薄膜との間には、前記第２空間に重畳された第３空間が形成されており、
前記第３媒質は、前記第３空間の内部に充填されている
ことを特徴とする、項目１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【００２２】
一般に、本発明においては、第ｎまでの薄膜（ｎは２以上の整数）を用いることができる。薄膜間に媒質を充填し、これらの媒質の屈折率を調整することにより、レンズ作用を得ることもできる。薄膜の全てあるいはその一部に電極を取り付け、電極間の電位を調整することにより、薄膜の曲率半径を調整することができる。このようにして、所望の焦点距離を持つ可変焦点レンズを構成することができる。
【００２３】
（項目５）
さらに第３電極と第４電極とスペーサとを備えており、
前記スペーサは、前記第１薄膜と前記第２薄膜との間に配置されており、
前記第３電極は、前記スペーサに取り付けられており、
前記第４電極は、前記第２薄膜に取り付けられており、
前記第３電極と前記第４電極との間には、電圧を印加できる構成となっており、
前記第２薄膜は、前記第３電極と前記第４電極との間の電圧に応じて変形できる柔軟性を有している
ことを特徴とする項目１〜４のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【００２４】
この発明のように、第２薄膜の曲率半径をさらに調整できるように構成すれば、いわゆるズームレンズを得ることができる。
【００２５】
（項目６）
さらに第２基板と第３媒質とを備えており、
前記第２薄膜と前記第２基板との間には、前記第２空間と重畳された第３空間が形成されており、
前記第３媒質は、前記第３空間に充填されている
ことを特徴とする項目１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【００２６】
（項目７）
前記基板には開口部が形成されており、
前記第１空間は、前記開口部により、外部の空間に開放されており、
前記第１媒質は空気である
ことを特徴とする項目１〜６のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、外乱に比較的強く、かつ、凸レンズ及び凹レンズがいずれも実現可能な構造を持つ可変焦点レンズを提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズを、図１〜図４に基づいて説明する。
【００２９】
本実施形態の可変焦点レンズは、第１媒質１２と、第２媒質１４と、基板１６と、第１薄膜１８と、第２薄膜２０と、第１電極２２と、第２電極２４と、スペーサ２６とを主要な構成として備えている。
【００３０】
第１媒質１２と第２媒質１４とは、いずれも流動性を備えている。具体的には、第１媒質１２と第２媒質１４として、液体が用いられている。さらに、第１媒質１２と第２媒質１４は、互いに異なる屈折率を有している。第１媒質１２あるいは第２媒質１４として好適な材料としては、拡散ポンプ油（シリコーンオイル）、液体パラフィン、グリセリン、イオン性液体などがあるが、これらには制約されない。
【００３１】
基板１６としては、この実施形態では、透明でかつ絶縁性が高い材質が用いられる。このような材質としては、例えば、ガラスがある。他に使用可能な材質としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）樹脂、アクリル樹脂などがあるが、これらには制約されない。
【００３２】
基板１６と第１薄膜１８との間には、第１空間２８が形成されている。第１薄膜１８と第２薄膜２０との間には、第２空間３０が形成されている。これらの第１空間２８と第２空間３０とは互いに重畳された状態となっている。
【００３３】
前記した第１媒質１２は、第１空間２８の内部に充填されている。第２媒質１４は、第２空間３０の内部に充填されている。
【００３４】
第１電極２２は、本実施形態では、シート状に構成されており、基板１６の表面に取り付けられている。第２電極２４は、本実施形態では、シート状に形成されており、第１薄膜１８の表面に取り付けられている（図２参照）。これらの電極の具体的な取り付け方法は後述する。
【００３５】
第２電極２４は、第１電極２２に対して、電気的に絶縁されている。さらに、第１電極２２と第２電極２４との間には、電圧を印加できる電源回路３２が接続されており、これらに対して所定の電圧（この実施形態では直流電圧）を供給できるようになっている。
【００３６】
第１電極２２と第２電極２４としては、この実施形態では、いずれも透明性が高く導電性が高い材質が用いられる。このような材質としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）や厚さ5nm程度の金属薄膜がある。
【００３７】
第１薄膜１８は、第１電極２２と第２電極２４との間に印加された電圧に応じて変形できる柔軟性を有している。
【００３８】
なお、図１において符号１８ａは、第１電極２２と第１薄膜１８との間に配置された薄膜を示す。同様に、符号２０ａは、スペーサ２６と第２薄膜２０との間に配置された薄膜を示す。
【００３９】
次に、図３を参照しながら、本実施形態における可変焦点レンズの作用を説明する。
【００４０】
まず、この実施形態において、第１媒質１２の屈折率ｎ１と第２媒質１４の屈折率ｎ２とが、ｎ２＞ｎ１の関係を満たすとする。この場合、図３（ａ）に示すように、基本的には、凹レンズの作用を果たすことが期待できる。図３に示す凹レンズの虚焦点を符号Ｆで示す。
【００４１】
ここで、第１電極２２と第２電極２４との間に電圧を印加し、両電極間に引力を発生させる。これは、例えば、両電極間に電位差を与えることにより実現できる（図３（ｂ）参照）。
【００４２】
すると、第２電極２４が取り付けられている第１薄膜１８は、第２電極２４に加えられた引力により変形し、その曲率半径が小さくなる（図３（ｂ）参照）。その結果、第１薄膜１８と基板１６との間に充填された第１媒質１２の上面（すなわちレンズ面）における曲率半径も小さくなる。
【００４３】
すると、第１媒質１２の表面（レンズ面）への入射光線の入射角が大きくなり、出射角も大きくすることができる。これにより、図３（ｂ）に示されるように、虚焦点Ｆの位置を接近させることができる。この例では、このようにして、可変焦点レンズを実現することができる。
【００４４】
なお、この説明においては、説明を簡易にするため、第１媒質１２の屈折率ｎ１を、基板１６の屈折率とほぼ等しいと仮定した。このため、第１媒質１２と基板１６との境界面における光の屈折は小さいとした（図３（ａ）参照）。
【００４５】
また、厳密には、第１薄膜１８及び第２薄膜２０の屈折率に応じて、これらの薄膜でのレンズ作用も考えられるが、これらの薄膜の厚さを十分に薄くすれば、実用上は、その影響を無視することが可能である。また、必要に応じて、これらの薄膜の屈折率を、第１媒質１２や第２媒質１４に近づけることにより、これらの薄膜によるレンズ作用の影響を一層軽減することが可能である。
【００４６】
また、本実施形態のレンズにおいては、薄膜によって媒質が覆われているので、外乱（振動や重力、および温度変化）があっても、媒質表面の振動や変形を防止ないし減少させることができるという利点がある。このため、得られる焦点距離の精度を向上させることができる。
【００４７】
なお、本実施形態において、第１電極２２と第２電極２４との間の電位差をほぼ０にすれば、第１薄膜１８の弾力により、第１媒質１２の上面形状は初期の状態に復帰する。これにより、虚焦点Ｆの位置を初期の位置に復帰させることができる。第１電極２２と第２電極２４との間の電位差をほぼ０にするためには、例えば、これらの電極への電圧印加を解除すればよい。
【００４８】
なお、ここで、本実施形態のレンズにおける駆動原理を更に詳しく説明する。第１電極２２と第２電極２４との間に電圧を印加すると、両電極間に引力が働き、第１薄膜１８は基板１６に引き寄せられる（図３（ｂ）参照）。ここで、第１媒質１２の周縁部分は、両電極間の距離が短いため、大きな引力が発生する。一方、第１媒質１２の中心付近は、電極間距離が長いため、あまり大きな引力は発生しない。このため、第１媒質１２の周縁部分のみが大きく変形し、第１薄膜１８が基板１６に引き寄せられる。ここで、第１薄膜１８と基板１６とで封止された液体の体積が一定であることに注意すると、初期状態において周縁部にあった第１媒質１２は、電極間に電圧を印加した状態では、中心付近に移動すると考えられる。その結果、電圧を印加した状態では、初期状態に比べて、レンズ口径が小さく、かつ、レンズ高さが大きくなる。つまり、電圧印加により、レンズの曲率半径を小さくすることができる。
【００４９】
（レンズの屈折力の調整）
つぎに、レンズの屈折力（レンズパワー）を調整する場合の原理を説明する。まず、符号を以下のように定義する。
ｎ０：レンズ外部における空気の屈折率、
ｎ１：第１媒質の屈折率、
ｎ２：第２媒質の屈折率、
Ｒ１：第１薄膜の曲率半径、
Ｒ２：第２薄膜の曲率半径。
【００５０】
この場合においては、以下のように屈折力が設定できる。
・ｎ２−ｎ０＞０：第２媒質１４の上面は凸レンズ、
・ｎ１−ｎ２＞０：第１媒質１２の上面（第１媒質１２と第２媒質１４の境界面）は凸レンズ、
・ｎ１−ｎ２＜０：第１媒質１２の上面は凹レンズ、
・（ｎ２−ｎ０）／Ｒ２＋（ｎ１−ｎ２）／Ｒ１＞０：レンズ全体として凸レンズ、
・（ｎ２−ｎ０）／Ｒ２＋（ｎ１−ｎ２）／Ｒ１＜０：レンズ全体として凹レンズ。
【００５１】
ただし、レンズ全体としての二つの式は、厳密にはスペーサ２６の厚さがＲ１、Ｒ２に対して小さい場合の近似式である。ある実施形態においてはこの近似式を用いて問題ない。スペーサ２６の厚さがＲ１、Ｒ２に対して大きい場合であっても、ｎ０、ｎ１、ｎ２、Ｒ１、Ｒ２およびスペーサ２６の厚さｔを用いて屈折力が設定できる。
【００５２】
（レンズの作製方法）
つぎに、図４を参照しながら、本実施形態に係る可変焦点レンズの作製方法の一例を説明する。
【００５３】
まず、ガラス製の基板１６を用意する（図４（ａ））。ついで、基板１６の上面に、第１電極２２を形成する。この例では、第１電極２２として、透明な電極材料であるＩＴＯ(Indium Tin Oxide)が用いられている。
【００５４】
ついで、透明樹脂製の薄膜１８ａをパターニングし、第１電極２２の上面を開放させる。この透明樹脂としては、例えば、アモルファスフッ素樹脂（商品名「Cytop」）を用いることができる。この状態で、第１電極２２の上面に第１媒質１２を配置する。この状態では、第１媒質１２は、それ自体の表面張力により、上方に盛り上がった状態となる（図４（ｂ）参照）。この例では、第１媒質１２として、液体パラフィンが用いられている。
【００５５】
ついで、第１媒質１２の上面に、第１薄膜１８を形成する（図４（ｃ）参照）。この薄膜１８は、この例では、膜厚約５００ｎｍのパリレン樹脂が用いられている。このような薄膜は、例えば蒸着により形成することができる。
【００５６】
ついで、第１薄膜１８の上面に、第２電極２４を配置する（図４（ｄ）参照）。この第２電極２４は、この例では、膜厚約５ｎｍの金あるいはアルミニウムが用いられている。第２電極２４も例えば蒸着により形成することができる。
【００５７】
ついで、第１薄膜１８の上方に、スペーサ２６を配置する（図４（ｅ）参照）。このスペーサ２６としては、この例では、ポリ塩化ビニル（PolyVinylChloride）を用いている。さらに、スペーサ２６の内部に形成された空間に、第２媒質１４を充填する。第２媒質１４の材質としては、この例では、シリコーンオイル（silicone fluid）を用いている。
【００５８】
その後、第２媒質１４の上面に第２薄膜２０を形成する（図４（ｆ）参照）。この薄膜２０は、この例では、膜厚約１０００ｎｍのパリレン樹脂が用いられている。このような薄膜も、例えば蒸着により形成することができる。
【００５９】
（実験例）
ついで、図４に示した可変焦点レンズを用いた実験例を、図５及び図６を用いて説明する。
【００６０】
図５は、第１電極２２と第２電極２４との間における電圧を０Ｖとした場合において、この実施形態のレンズで得られた像を示している。これに対して、図６は、両電極間の電圧を３００Ｖ（直流）とした場合に得られた像を示している。この図からも、本実施形態のレンズによって焦点距離を可変にできることが判る。
【００６１】
なお、この実験例における実験条件は以下の通りである。
【００６２】
（実験条件）
撮像方法：本実施形態のレンズを介して、顕微鏡により、物体を観察、
本実施形態のレンズの直径：４ｍｍ、
撮像される物体：「ＭＥＭＳ２００８」と書かれた紙、
顕微鏡：Keyence製VHX-500、
顕微鏡の倍率：５０倍（一定）、
物体とレンズとの距離：２９ｍｍ（一定）、
レンズと顕微鏡との距離：２６ｍｍ（一定）。
【００６３】
（第２実施形態）
つぎに、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００６４】
このレンズは、さらに、第３媒質３４、第３薄膜３６、第２スペーサ３８を備えている。
【００６５】
第３薄膜３６は、第２薄膜２０の上方に重畳された状態で配置されている（図７参照）。第２薄膜２０と第３薄膜３６との間には、第３空間４０が形成されており、ここには、第３媒質３４が充填されている。
【００６６】
本実施形態では、スペーサ２６に第３電極４１が取り付けられており、第２薄膜２０に第４電極４２が取り付けられている。さらに、第２電源回路４５により、これらの電極間に電圧を印加できるようになっている。
【００６７】
同様に、第２スペーサ３８に、第５電極４３が取り付けられ、第３薄膜３６に第６電極４４が取り付けられている。これらの電極にも第３電源回路４６が接続されており、独立して所望の電圧を印加できるようになっている。
【００６８】
なお、図７において符号３６ａは、第５電極４３と第３薄膜３６との間に配置された薄膜を示す。
【００６９】
第２実施形態のレンズによれば、それぞれ対向する電極間における電位差を調整することにより第１〜第３媒質の上面の曲率半径をそれぞれ変化させることができる。これにより、焦点距離を変化させることができる。
【００７０】
なお、この第２実施形態では、第３媒質までを例示したが、一般に、第ｎ薄膜（ｎは２以上の整数）を用いることによって、第ｎ媒質を積み上げることができる。これらの媒質の表面の曲率半径を電圧により変化させることで、積み上げられた状態のレンズにおける焦点距離を変化させることができる。
【００７１】
第２実施形態における他の構成及び利点は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００７２】
（第３実施形態）
つぎに、図８を参照して、本発明の第３実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００７３】
このレンズは、第１実施形態のレンズに加えて、さらに、第３媒質４８と、第２基板５０とを備えている。
【００７４】
第２基板５０は、第１実施形態で説明した基板１６と平行して、かつ、間隔を空けた状態で配置されている。
【００７５】
第２基板５０と第２薄膜２０との間には、第３空間５２が形成されており、その内部に、第３媒質４８が充填されている。
【００７６】
第２基板５０及び第２薄膜２０には、それぞれ、第１電極２２及び第２電極２４とは電気的に絶縁された第３電極５３及び第４電極５４が取り付けられている。
【００７７】
第３及び第４電極５３及び５４には、電源回路３２と同様の第２電源回路５５が接続されており、これらに対して独立して所望の電圧を印加できるようになっている。
【００７８】
第３実施形態のレンズによれば、第１電極２２と第２電極２４との間、及び第３電極５３と第４電極５４との間における電圧を調整することにより、基板間に配置された媒質の曲率半径を変化させることができる。これにより、焦点距離を変化させることができる。
【００７９】
第３実施形態における他の構成及び利点は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００８０】
（第４実施形態）
つぎに、図９を参照して、本発明の第４実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００８１】
このレンズでは、基板１６に開口部１６１が形成され、第１空間２８が外部に露出されている。また、この例では、第１媒質１２が、開口部１６１を介して外部から供給される空気となっている。つまり、この例では、第１媒質１２の屈折率ｎ１と空気の屈折率ｎ０とが等しくなっている。すなわち、ｎ１＝ｎ０である。
【００８２】
さらに、この例では、第２媒質１４の屈折率ｎ２が、屈折率ｎ１及びｎ０と異なっている。このレンズでは、他の実施形態の場合と同様、求める屈折力に対応して、レンズ全体として凸レンズとすることも、凹レンズとすることも可能である。また、他の実施形態の場合と同様、求める屈折力に対応して、ｎ２＜ｎ１とすることも、ｎ２＞ｎ１とすることも可能である。しかしながら、この実施形態（ｎ１＝ｎ０）の場合は、第２媒質１４の屈折率ｎ２を第１媒質１２の屈折率ｎ１（＝空気の屈折率ｎ０）より小さくすることは現実的には難しい。
【００８３】
第４実施形態のレンズにおいても、第１実施形態の場合と同様に、第１電極２２と第２電極２４との間に印加された電圧に対応して、第１媒質１２と第２媒質１４との境界面（レンズ面）の曲率半径を変化させることができる。これにより、焦点距離を変化させることができる。
【００８４】
第４実施形態における他の構成及び利点は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００８５】
（第５実施形態）
つぎに、図１０を参照して、本発明の第５実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００８６】
このレンズでは、スペーサ２６に第３電極４１が取り付けられており、第２薄膜２０に第４電極４２が取り付けられている更に、第３電極４１及び第４電極４２には、第２電源回路４５が接続されており、所望の電圧を独立して印加できるようになっている。
【００８７】
また、このレンズにおいては、第２薄膜２０は、第３電極４１と第４電極４２との間の電圧に応じて変形できる柔軟性を有することが好ましい。
【００８８】
第５実施形態のレンズにおいては、対向する電極間に対して適宜の電圧を供給することにより、第１媒質１２及び第２媒質１４の上面の曲率半径をいずれも独立して変化させることができる。このため、本実施形態のレンズにおいては、倍率変更と合焦点が可能となる。つまり、この実施形態によれば、ズームレンズを提供することが可能になる（図１１参照）。
【００８９】
第５実施形態における他の構成は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００９０】
（第６実施形態）
つぎに、図１２及び図１３を参照して、本発明の第６実施形態に係る可変焦点レンズを説明する。本実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を付すことにより、説明を簡易化する。
【００９１】
このレンズでは、第１薄膜１８の上面に第１ミラー５６を配置する。さらに、第２薄膜２０の上面に第２ミラー５８を配置する。
【００９２】
図１２に示されるように各ミラーを取り付けることで、反射光学系を形成することができる。これらのミラーは、例えばアルミニウムの蒸着などによって製作可能である。第２薄膜２０を通過した光は、最初に下部の第１ミラー５６で反射し、次に上部の第２ミラー５８で反射し、最後に第１薄膜１８を通過して焦点を結ぶ。これにより、第２薄膜２０を通過した光の本来の焦点(F2)より近いところ(F1)に結像面が得られるため、光学系の薄型化が可能である。また、他の実施形態と同様に、静電気力によって第１薄膜１８および第２薄膜２０を駆動することで、焦点距離の微調整が可能である。
【００９３】
また、第１ミラー５６と第２ミラー５８とを調光ミラーにより構成することにより、図１３に示すレンズ作用を得ることができる。すなわち、下部の第１ミラー５６を調光ミラーとすれば、第２薄膜２０を通過した光が第１ミラー５６を透過するか、反射するかを選択することで、焦点距離を大きく変えることができる。ただし、ここでいう調光ミラーとは、電圧などの作用により、光を反射する「鏡の状態」と、光を透過する「透明な状態」とをスイッチングできる調光材料のことを指す。調光ミラーを用いる場合も、静電気力によって第１薄膜１８および第２薄膜２０を駆動することで、焦点距離の微調整が可能である。
【００９４】
なお、調光ミラーにおける反射透過特性には波長選択性が存在しうるので、目的の波長に対応した調光ミラーを用いることが好ましい。
【００９５】
また、調光ミラーの反射透過特性を制御するために、それぞれに対応する電極及び電源回路を設けることが好ましい。
【００９６】
第６実施形態における他の構成は、基本的に第１実施形態と同様なので、これ以上詳細な説明は省略する。
【００９７】
なお、前記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。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図２】図１に示す可変焦点レンズの分解斜視図である。
【図３】図（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す可変焦点レンズの作用を説明するための説明図である。
【図４】図１に示す可変焦点レンズの作製方法の一例を説明するための説明図である。
【図５】実験例のレンズによって得られた像（電圧０Ｖの場合）を示す説明図である。
【図６】実験例のレンズによって得られた像（電圧３００Ｖの場合）を示す説明図である。
【図７】第２実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図８】第３実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図９】第４実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図１０】第５実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図１１】図１０の可変焦点レンズにおけるズーム作用を説明するための説明図である。図（ａ）は、第１薄膜のみを駆動した状態を示す。図（ｂ）は、第２薄膜のみを駆動した状態を示す。
【図１２】第６実施形態に係る可変焦点レンズの原理的な構成を示すための断面図である。
【図１３】図１２の可変焦点レンズにおける調光レンズの作用を説明するための説明図である。図（ａ）は、調光レンズを光が透過する場合の作用を示している。図（ｂ）は、調光レンズで光が反射される場合の作用を示している。
【符号の説明】
【００９９】
１２ 第１媒質
１４ 第２媒質
１６ 基板
１６１ 開口部
１８ 第１薄膜
１８ａ 薄膜
２０ 第２薄膜
２０ａ 薄膜
２２ 第１電極
２４ 第２電極
２６ スペーサ
２８ 第１空間
３０ 第２空間
３２ 電源回路
３４・４８ 第３媒質
３６ 第３薄膜
３６ａ 薄膜
３８ 第２スペーサ
４０・５２ 第３空間
４１・５３ 第３電極
４２・５４ 第４電極
４３ 第５電極
４４ 第６電極
４５・５５ 第２電源回路
４６ 第３電源回路
５０ 第２基板
５６ 第１ミラー
５８ 第２ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１媒質と、第２媒質と、基板と、第１薄膜と、第２薄膜と、第１電極と、第２電極とを備えており、
前記第１媒質と前記第２媒質は、いずれも流動性を備えており、
かつ、前記第１媒質と前記第２媒質は、互いに異なる屈折率を有しており、
前記基板と前記第１薄膜との間には、第１空間が形成されており、
前記第１薄膜と前記第２薄膜との間には、第２空間が形成されており、
前記第１空間と前記第２空間とは重畳された状態となっており、
前記第１媒質は、前記第１空間の内部に充填されており、
前記第２媒質は、前記第２空間の内部に充填されており、
前記第１電極は、前記基板に取り付けられており、
前記第２電極は、前記第１薄膜に取り付けられており、
前記第１電極と前記第２電極との間には、電圧を印加できる構成となっており、
前記第１薄膜は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧に応じて変形できる柔軟性を有している
ことを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項２】
前記第１媒質の屈折率ｎ１と前記第２媒質の屈折率ｎ２とは、ｎ１＜ｎ２という関係に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。
【請求項３】
前記第１媒質の屈折率ｎ１と前記第２媒質の屈折率ｎ２とは、ｎ１＞ｎ２という関係に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。
【請求項４】
さらに第３媒質と、第３薄膜とを備えており、
前記第３薄膜と前記第２薄膜との間には、前記第２空間に重畳された第３空間が形成されており、
前記第３媒質は、前記第３空間の内部に充填されている
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項５】
さらに第３電極と第４電極とスペーサとを備えており、
前記スペーサは、前記第１薄膜と前記第２薄膜との間に配置されており、
前記第３電極は、前記スペーサに取り付けられており、
前記第４電極は、前記第２薄膜に取り付けられており、
前記第３電極と前記第４電極との間には、電圧を印加できる構成となっており、
前記第２薄膜は、前記第３電極と前記第４電極との間の電圧に応じて変形できる柔軟性を有している
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
さらに第２基板と第３媒質とを備えており、
前記第２薄膜と前記第２基板との間には、前記第２空間と重畳された第３空間が形成されており、
前記第３媒質は、前記第３空間に充填されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項７】
前記基板には開口部が形成されており、
前記第１空間は、前記開口部により、外部の空間に開放されており、
前記第１媒質は空気である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１】
第１媒質と、第２媒質と、基板と、第１薄膜と、第２薄膜と、第１電極と、第２電極とを備えており、
前記第１媒質と前記第２媒質は、いずれも流動性を備えており、
かつ、前記第１媒質と前記第２媒質は、互いに異なる屈折率を有しており、
前記基板と前記第１薄膜との間には、第１空間が形成されており、
前記第１薄膜と前記第２薄膜との間には、第２空間が形成されており、
前記第１空間と前記第２空間とは重畳された状態となっており、
前記第１媒質は、前記第１空間の内部に充填されており、
前記第２媒質は、前記第２空間の内部に充填されており、
前記第１電極は、前記基板に取り付けられており、
前記第２電極は、前記第１薄膜に取り付けられており、
前記第１電極と前記第２電極との間には、電圧を印加できる構成となっており、
前記第１薄膜は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧に応じて変形できる柔軟性を有している
ことを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項２】
前記第１媒質の屈折率ｎ１と前記第２媒質の屈折率ｎ２とは、ｎ１＜ｎ２という関係に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。
【請求項３】
前記第１媒質の屈折率ｎ１と前記第２媒質の屈折率ｎ２とは、ｎ１＞ｎ２という関係に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。
【請求項４】
さらに第３媒質と、第３薄膜とを備えており、
前記第３薄膜と前記第２薄膜との間には、前記第２空間に重畳された第３空間が形成されており、
前記第３媒質は、前記第３空間の内部に充填されている
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項５】
さらに第３電極と第４電極とスペーサとを備えており、
前記スペーサは、前記第１薄膜と前記第２薄膜との間に配置されており、
前記第３電極は、前記スペーサに取り付けられており、
前記第４電極は、前記第２薄膜に取り付けられており、
前記第３電極と前記第４電極との間には、電圧を印加できる構成となっており、
前記第２薄膜は、前記第３電極と前記第４電極との間の電圧に応じて変形できる柔軟性を有している
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
さらに第２基板と第３媒質とを備えており、
前記第２薄膜と前記第２基板との間には、前記第２空間と重畳された第３空間が形成されており、
前記第３媒質は、前記第３空間に充填されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【請求項７】
前記基板には開口部が形成されており、
前記第１空間は、前記開口部により、外部の空間に開放されており、
前記第１媒質は空気である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変焦点レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２２９５１３（Ｐ２００９−２２９５１３Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７１４０７（Ｐ２００８−７１４０７）
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術総合研究委託事業、「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成 少子高齢社会と人を支えるＩＲＴ基盤の創出」による産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術総合研究委託事業、「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成 少子高齢社会と人を支えるＩＲＴ基盤の創出」による産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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