JPH0749404A - 可変焦点レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】この発明は、例えば電気的な信号によって焦点
距離が可変制御できるようにした、バーコードリータ等
に使用できる可変焦点レンズを提供することを目的とす
る。 【構成】平行平板状のガラス基板11の表面にスペーサ13
を介して透明弾性膜12を対向設定し、ガラス基板11と透
明弾性膜12との間に圧力室14を形成する。この圧力室14
に連通通路19を介してポンプ15が設けられ、弾性膜16を
電気的に歪ませることによって圧力室18内の作動液20を
圧力室14に出し入れし、透明弾性膜12を歪ませて焦点距
離が可変されるレンズが構成されるようにする。透明弾
性膜12は、中央部で曲面が形成され、その周囲で３次曲
面が形成される厚膜分布を有するもので、圧力室14に作
動液が送り込まれたときに、中央部は球面状に歪むよう
になって、収差のないレンズ体が形成されるようにして
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばバーコードリ
ーダ等において使用される焦点距離が可変制御されるよ
うにした可変焦点レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】焦点距離を可変することのでき可変焦点
レンズは従来から種々提案されているものであるが、例
えば特開昭５５−３６８５７号に示されるように、所定
の間隔で対向設定された一対の透明弾性膜によって形成
される密封室内に、シリコーンオイルのような作動液を
充填する構造のものが考えられている。すなわち、一対
の透明弾性膜の相互間の室内に充填される作動液を加圧
することによって、透明弾性膜を凸面上に撓ませ、例え
ば中央部分の膨らむようにした凸面レンズの形状が成形
されるようにしている。

【０００３】この様な構造のレンズ構成である場合、透
明弾性膜の剛性によってその変形の形状が変わる。例え
ば、透明弾性膜において曲げ剛性が支配的であるとする
と、変形形状が４次曲面の状態となる。また張力が支配
的であるとすると、透明弾性膜の変形形状が球面形状に
近くなる。

【０００４】この可変焦点レンズの種々の応用を考える
と、レンズ機能として高速の応答性が求められるもので
あるが、この様な高速応答性に対処するためには、透明
弾性膜としては剛性の高い材料が必要とされる。しか
し、剛性の高い材料によって透明弾性膜を構成すると、
作動液の加圧によって４次曲面形状のレンズが構成され
るようになって収差が発生し易い状況となり、例えばバ
ーコードの読取りを高精度に行わせることが困難とな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、一対の透明膜によって構成
された圧力室内に作動液を充填して、透明膜に作用する
作動液による圧力によって透明膜を弾性変形させて、焦
点距離が可変制御されるようにした場合、透明膜の変形
形状がレンズ収差の発生が小さくされるように最適化さ
れるようにした可変焦点レンズを提供しようとするもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る可変焦点
レンズは、少なくとも一方が弾性体によって構成される
第１および第２の透明膜を所定の間隔で平行に配置し、
その周辺部を封じて相互間に圧力室が形成されるように
すると共に、この圧力室内に前記第１および第２の透明
膜と同等の屈折率を有する作動液を封入するもので、圧
力室内に導入される前記作動液をポンプ手段によって制
御して前記弾性体によって構成される透明膜に作用する
圧力を可変制御してこの透明膜を変形し、前記弾性体に
よって構成された透明膜に、その中心部分とその周囲部
分で曲率の相違する膜厚分布が設定されるようにしてい
る。

【０００７】

【作用】この様に構成される可変焦点レンズにおいて
は、第１および第２の透明膜の相互間の作動液によって
透明膜に作用する圧力が可変されることによって、特に
弾性体によって構成された透明膜の形状が変化して、レ
ンズ体が構成されるようになる。ここで、弾性体によっ
て構成された透明膜を剛性の高い材料によって構成する
と、その変形形状が４次曲面となってレンズ収差が発生
するものであるが、この弾性体によって構成された透明
膜を中心部分と周囲部分で曲率が相違するような膜厚分
布で構成することにより、４次曲面の変形形状が修正さ
れて収差のないレンズ体とされて、その焦点距離が可変
制御されるようになる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１はその構成を示すもので、両面が平行平
面に設定されたガラス基板11を備え、このガラス基板11
の面上に所定の間隔を設定して透明弾性膜12が設定され
る。この透明弾性膜12は肉薄に構成されるものである
が、その中央部が第１の曲面121 によって構成されるよ
うにすると共に、この第１の曲面121 の周囲部分は第２
の曲面122 によって構成されるようにした膜厚分布が設
定されている。

【０００９】この透明弾性膜12の外周部は、例えばシリ
コンによって構成されたリング状のスペーサ13を介して
ガラス基板11の表面に接合されるもので、このガラス基
板11と透明弾性膜12との相互間に、スペーサ13によって
取り囲まれた圧力室14が形成されるようにする。

【００１０】この様な圧力室14に隣接して、ガラス基板
11に共通に設定されるようにしてポンプ15が設けられ
る。このポンプ15は図２に取り出して示すように絶縁物
によって構成した薄い弾性膜16を有し、この弾性膜16の
外周部が有底の円筒容器状に構成された磁気回路を構成
するためのヨーク17の外周部に接合されるもので、この
ヨーク17の内部に圧力室18が形成されるようになってい
る。

【００１１】この圧力室18は連通路19を介して、透明弾
性膜12によって構成された圧力室14と連通されているも
ので、連通路19で共通の部屋とされる圧力室14および18
の内部には、シリコーン等の透明弾性膜12およびガラス
基板11と等しい屈折率が得られる作動液20で満たされて
いる。

【００１２】ヨーク17は、弾性膜16の外周が接合される
円筒状の外周部と、先端が弾性膜16に近接する状態にし
た中心極とによって構成されるもので、それぞれ図で示
すようにＮ極およびＳ極に着磁されている。そして、弾
性膜16の圧力室18の内部の面に、中心極を取り巻くよう
にして螺旋状のシートコイル21が形成されている。

【００１３】このシートコイル21には、選択的に直流電
流が供給されるもので、この電流とヨーク17の磁力線21
との相互作用によるローレンツ力で弾性膜16がヨーク17
の中心極の方向に吸引されて変形し、圧力室18の容積が
減少される。したがって、この圧力室18内の作動液20が
連通路19を介して作動室14内に圧送され、透明弾性膜12
が押し上げられ、221 、222 で示すような曲面を形成す
るようになる。

【００１４】この曲面221 、222 がレンズ作用をするよ
うになって、照射されたレーザ光23が図のように集光さ
れるようになるもので、その焦点距離はポンプ15からの
作動液20の圧送量に依存する。すなわち、ポンプ15のシ
ートコイル21に供給される電流によって、レンズの焦点
距離が可変制御される。

【００１５】圧力室14内の作動液20の圧力が上昇して透
明弾性膜12が曲面221 、222 状になるとき、曲面121 お
よび122 による膜厚分布のため、中央部の曲面221 は球
面状に歪むようになる。このため、この様に構成される
レンズの収差は、例えば第１表で示すように、膜厚分布
のない従来に比較して改善される。

【００１６】

【表１】 次に、透明弾性膜12の最適な膜厚分布の導出について説
明する。

【００１７】まず、図３に示すような適当な焦点距離
（ここでは４００ｍｍとする）において、透明弾性膜12
の理想的な変形形状を設定する。ここでは、透明弾性膜
12の中央部分を（１）式で示す球面とすると共に、その
周辺部分を球面と周辺における境界条件を満足するよう
に（２）式で示す３次曲面とするもので、このときの作
動液20の圧力は５４Ｐａとした。

【００１８】

【数１】 圧力室14において作動液20から透明弾性膜12の圧力が作
用したときに、この様な変形形状が設定されるように透
明弾性膜12に膜厚分布を与えるものであるが、そのため
の計算プロセスについて図４を用いて説明する。

【００１９】この計算プロセスは３つのステップからな
るもので、まず第１のプロセスは応力解析プロセスであ
り、このプロセスによって作動液20からの圧力が作用し
たときに、透明弾性膜12がどの様に変形するかを解析す
る。その計算手法は有限要素法（ＦＥＭ）であり、その
計算の出発は平行平面の透明弾性膜である。

【００２０】第２のステップは感度解析であり、この感
度解析にあっては有限要素法によって分割するようにし
た、例えば要素ｊの膜厚が若干変化したときに節点ｉの
変位がどの程度であるが、その微分係数を求める作業で
ある。この微分係数は感度係数と呼ぶもので、この図に
おいて式（３）で示す偏微分として表現される。そし
て、これを要素ｊと節点ｉの全ての組み合わせについて
求める。

【００２１】第３のステップは膜厚分布の最適化であ
る。全ての要素の膜厚がΔｔ_i だけ変化したとすると、
節点ｉの変位ｕ_i ^k は感度解析で求めた感度係数を用い
て、図で示す式（４）のように表現される。この式にお
いてｕ_i ^k+1 が理想変形形状の設定で節点ｉに課した要
求変位ｕ_i ^o に等しくなればよいわけである。

【００２２】式（４）は節点ｉに関するものであるが、
これを全ての節点について書き出してまとめると、式
（５）で示すような行列となる。したがって、この式を
解くことによって膜厚の変化Δｔ_i を求めることができ
る。ただし、式（４）において膜厚の変化と節点の変位
との間には線形性を仮定しているものであるが、膜厚の
変化が大きい場合にはこの仮定は崩れる。そこで、求め
た膜厚分布をもたせた透明弾性膜を再度応力解析にかけ
てその膜厚分布における変形形状を求める。そして、こ
れらの３つのステップを変形形状が収束するまで繰り返
す。

【００２３】図５はこの様な計算結果によって求めた膜
厚分布による透明弾性膜12を示すもので、その結果は２
つの多項式で近似している。すなわち、この透明弾性膜
12の中央部分は式（６）で示す４次関数、またその周辺
部分は式（７）で示す５次関数である。

【００２４】

【数２】 ただし、この膜厚分布は特定の圧力のときに透明弾性膜
12が理想的に変形するものであり、作動液20の圧力を変
えたときの変形形状が理想的であることを保証している
ものではない。そこで、以上のようにして求めた膜厚分
布をもつ透明弾性膜12に設定した圧力を含めて、種々の
圧力を作用されたときの結果について次に説明する。

【００２５】種々の圧力を作用させたときの透明弾性膜
12の変形形状は、前述した応力解析によって求める。そ
して、その結果求められた変形形状によってこのレンズ
の平行光線を入射させ、そのときのスポット径を求めた
結果が前に示した第１表である。平行光線の径はφ８mm
である。

【００２６】この表には、参考のため透明弾性膜が平行
平板であるときの結果を従来例として示している。膜厚
分布が形成されたときの結果が焦点距離約６００〜３５
０mmで３０μｍであるのに対して、均一膜厚の従来例に
あっては焦点距離が若干異なるが約２００μｍと１／７
程度に収差の改善が図れることが明らかとなった。

【００２７】この様に膜厚分布は求められるものである
が、透明弾性膜12においてこの様な膜厚分布を形成する
ための方法について説明する。図６の（Ａ）においてま
ず基板となるシリコンウエハ31の表面に、ガラス（パイ
レックスガラス）32を陽極接合する。ここで、シリコン
ウエハ31およびガラス32は、共に数１００μｍの膜厚に
設定するものであるが、ガラス32を切削研磨することに
よって、その厚さが必要とされる厚さ（数１０μｍ）と
されるようにするもので、この切削研磨に際してはガラ
ス32の平行度に特に気を付ける。そして、このガラス32
の表面に膜厚分布の凹凸に応じた厚さでポジフォトレジ
スト33を塗布し、このポジフォトレジスト33の面上をフ
ォトマスク34を介して、膜厚分布に応じた露光量で露光
する。

【００２８】この様な露光量を与える方法としては、例
えばレーザ光を２次元走査しながらその強度を変える方
法、あるいは図で示すようにディザを利用したフォトマ
スク34で露光分布を与える方法等がある。

【００２９】この様な露光工程が終了したならばこれを
現像するものであるが、この現像の結果（Ｂ）図で示す
ように露光分布に応じた曲線がフォトレジスト33に形成
される。この様に膜厚分布に応じた曲線がフオトレジス
ト33に形成されたならば、このフォトレジスト33とガラ
ス32とが同時にエッチングできるドライエッチングを行
う。このエッチャントは、フォトレジススト33に対して
は酸素、ガラス32に対してはＣＦ₄ であり、これらを適
当な混合比および圧力で設定してドライエッチングを行
うと、フォトレジスト33に形成された膜厚分布に対応し
た曲線が（Ｃ）図で示されるようにガラス32に対して転
写されるようになる。その後、シリコンウエハ31をＫＯ
Ｈでウエットエッチングして裏面から取り除くことによ
り、所定の膜厚分布をもったガラスによる透明弾性膜が
形成される。

【００３０】これまで示した実施例においては、作動液
圧力によって変形する透明弾性膜12に対向して設定され
る平行平面なガラス基板11は、変形しないものとして説
明した。しかし、この基板部を作動液20の圧力によって
変形するような薄い構成とすることもできる。

【００３１】図７はこの様な概念に基づく実施例であ
り、厚膜分布の形成された透明弾性膜12の対向するガラ
ス基板はその膜厚が充分に薄く構成されて弾性変形する
弾性薄膜111 で構成されるもので、この弾性薄膜111 は
膜厚分布を有さず平行平面で構成される。

【００３２】この様に構成された場合の透明弾性膜12の
膜厚分布は次のようにして求める。この実施例において
基板となる弾性薄膜111 は、作動液20による圧力が作用
したときの変形形状は球面ではなく、このためにレンズ
収差をもつようになる。そこで、この収差を打ち消すよ
うに膜厚分布をもたせるべき透明弾性膜12の理想変形形
状を設定するもので、この理想変形形状に対応して図４
で示した計算プロセスによって膜厚分布を求めればよ
い。

【００３３】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係る可変焦点レ
ンズによれば、一対の透明膜によって構成された圧力室
内に作動液を充填して、透明膜に作用する作動液による
圧力によって透明膜を弾性変形させて、焦点距離が可変
制御されるようにした場合、透明膜の変形形状がレンズ
収差の発生が小さくされるように最適化されるものであ
り、作動液圧力によって焦点距離が任意に可変設定され
る収差のないレンズとされるようになって、例えばバー
コードリーダ等の各種光学機器に対しての応用が可能と
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る可変焦点レンズを示
すもので、（Ａ）は平面から見た図、（Ｂ）は断面構成
図。

【図２】上記実施例の作動液のポンプ部を取り出して示
す断面構成図。

【図３】上記レンズを構成する透明弾性膜の変形形状を
説明する図。

【図４】透明弾性膜の最適膜厚分布の計算プロセスを説
明する図。

【図５】上記計算プロセスで導出された膜厚分布を説明
するための図。

【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は膜厚分布の設定された透明弾
性膜の製造方法を順次説明する図。

【図７】この発明の他の実施例を示す断面構成図。

【符号の説明】

11…ガラス基板、12…透明弾性膜、13…スペーサ、14、
18…圧力室、15…ポンプ、16…弾性膜、17…ヨーク、19
…連通路、20…作動液、21…シートコイル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の間隔が設定されて平行に配置さ
   れ、その周辺部を封じてその相互間に圧力室が形成され
   るようにした少なくとも一方が弾性体によって構成され
   る第１および第２の透明膜と、 この第１および第２の透明膜の相互間の前記圧力室内に
   封入された前記第１および第２の透明膜と同等の屈折率
   を有する作動液と、 前記弾性体によって構成される透明膜に作用する圧力が
   可変制御されるように、前記第１および第２の透明膜相
   互間の圧力室内導入される前記作動液を制御するポンプ
   手段とを具備し、 前記弾性体によって構成された透明膜に、その中心部分
   とその周囲部分で曲率の相違する膜厚分布が設定され、
   前記作動液の充填によって前記弾性体によって構成され
   た透明膜の変形により生ずる収差が補正されるようにし
   たことを特徴とする可変焦点レンズ。
2. 【請求項２】 前記弾性体によって構成された透明膜の
   膜厚分布は、その中心部分で球面が形成され、その周辺
   部分では３次曲面が形成されるようにした請求項１記載
   の可変焦点レンズ。