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JP7783604B2 - Variable focus lens and method for controlling the variable focus lens - Google Patents
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JP7783604B2 - Variable focus lens and method for controlling the variable focus lens - Google Patents

Variable focus lens and method for controlling the variable focus lens

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JP7783604B2 JP2022578167A JP2022578167A JP7783604B2 JP 7783604 B2 JP7783604 B2 JP 7783604B2 JP 2022578167 A JP2022578167 A JP 2022578167A JP 2022578167 A JP2022578167 A JP 2022578167A JP 7783604 B2 JP7783604 B2 JP 7783604B2
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Description

本発明は、可変焦点レンズおよび可変焦点レンズの制御方法に関する。 The present invention relates to a variable focus lens and a method for controlling a variable focus lens.

可変焦点ゲルレンズとしては、例えば、特許文献1に記載のものが知られている。特許文献1に記載の可変焦点ゲルレンズは、中央開口部を有する環状の超音波振動子と、中央開口部に配置された透明粘弾性ゲルからなるレンズとを備える。特許文献1に記載の可変焦点ゲルレンズは、超音波振動子で発生させた超音波の音響放射力によって透明粘弾性ゲルの表面を押し上げることで、レンズの中心部を凸型形状に変形させることができる。また、超音波振動子に印加する電気信号の電圧値を制御することで、焦点距離を制御することができる。 One known example of a variable-focus gel lens is that described in Patent Document 1. The variable-focus gel lens described in Patent Document 1 comprises an annular ultrasonic transducer with a central opening and a lens made of transparent viscoelastic gel placed in the central opening. The variable-focus gel lens described in Patent Document 1 can deform the center of the lens into a convex shape by pushing up the surface of the transparent viscoelastic gel with the acoustic radiation force of ultrasound generated by the ultrasonic transducer. Furthermore, the focal length can be controlled by controlling the voltage value of the electrical signal applied to the ultrasonic transducer.

可変焦点ゲルレンズをスマートグラス等の眼鏡デバイスへ適用するためには、単一のレンズで凹凸両方の形状を実現し、かつ凹凸両方の形状おいて焦点距離を制御できることが好ましい。しかしながら、特許文献1に記載の可変焦点ゲルレンズは、レンズの中心部を凹型形状に変形させることができないという問題がある。 To apply variable-focus gel lenses to eyeglass devices such as smart glasses, it is desirable to achieve both concave and concave shapes in a single lens and to be able to control the focal length for both shapes. However, the variable-focus gel lens described in Patent Document 1 has the problem that the center of the lens cannot be deformed into a concave shape.

特開2013-61549号公報JP 2013-61549 A

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、レンズの中心部を凹型形状に変形させることができ、かつ凹型形状おいて焦点距離を制御可能な可変焦点レンズおよび可変焦点レンズの制御方法を提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and its objective is to provide a variable-focus lens and a method for controlling a variable-focus lens that can deform the center of the lens into a concave shape and control the focal length in the concave shape.

上記課題を解決するために、本発明に係る可変焦点レンズは、
中央開口部を有する環状の超音波振動子と、
前記中央開口部に配置され、透明かつ弾性を有するレンズと、
前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させ、前記超音波により前記レンズの形状を変形させる駆動部と、
を備える可変焦点レンズであって、
前記超音波振動子は、周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備え、
前記駆動部は、
前記N個の電極に対して、異なる位相でかつ周方向に増加または減少させた位相の前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせ、前記進行波により前記レンズの周辺部を中心部に対して隆起させることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the variable focus lens according to the present invention comprises:
an annular ultrasonic transducer having a central opening;
a transparent and elastic lens disposed in the central opening;
a driving unit that applies an electric signal to the ultrasonic vibrator to generate ultrasonic waves and deforms the shape of the lens using the ultrasonic waves;
A variable focus lens comprising:
The ultrasonic transducer includes N electrodes (N is an integer of 3 or more) divided into N parts in the circumferential direction,
The drive unit is
The electrical signals are applied to the N electrodes at different phases and with phases that increase or decrease in the circumferential direction, generating a traveling wave of the ultrasonic waves that propagates in the circumferential direction of the lens, and the traveling wave causes the peripheral part of the lens to rise relative to the center part.

この構成によれば、超音波の進行波によりレンズの周辺部の圧力を高めて周辺部を隆起させることで、レンズの中心部を凹型形状に変形させることができる。また、電気信号の電圧値を制御することで、焦点距離を制御することができる。 With this configuration, the traveling ultrasonic waves increase the pressure on the periphery of the lens, causing the periphery to bulge, thereby deforming the center of the lens into a concave shape. Furthermore, the focal length can be controlled by controlling the voltage value of the electrical signal.

前記可変焦点レンズにおいて、
前記駆動部は、
同位相の前記電気信号を前記N個の電極に印加し、前記超音波の定在波を生じさせ、前記定在波により前記レンズの前記中心部を前記周辺部に対して隆起させることが好ましい。
In the variable focus lens,
The drive unit is
It is preferable that the electrical signals of the same phase are applied to the N electrodes to generate standing waves of the ultrasonic waves, and that the central portion of the lens is raised relative to the peripheral portion by the standing waves.

この構成によれば、単一のレンズで凹凸両方の形状を実現することができ、かつ凹凸両方の形状おいて焦点距離を制御することができる。 With this configuration, both concave and convex shapes can be achieved with a single lens, and the focal length can be controlled for both convex and concave shapes.

前記可変焦点レンズにおいて、
前記N個の電極は、同一の形状であり、
前記電気信号は、前記N個の電極に対して周方向に位相を(360/N)°ずつずらしたものであってもよい。
In the variable focus lens,
The N electrodes have the same shape,
The electrical signals may be shifted in phase by (360/N) degrees in the circumferential direction for the N electrodes.

前記可変焦点レンズにおいて、
前記レンズは、透明粘弾性ゲルにより構成できる。
In the variable focus lens,
The lens may be made of a transparent viscoelastic gel.

前記可変焦点レンズにおいて、
前記レンズは、
液体材料と、
前記液体材料の表面を覆うように形成され、前記超音波により形状を変形させる膜材料と、により構成できる。
In the variable focus lens,
The lens is
A liquid material;
a film material formed to cover the surface of the liquid material and whose shape is deformed by the ultrasonic waves.

上記課題を解決するために、本発明に係る可変焦点レンズの制御方法は、
中央開口部を有する環状に形成されるとともに周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備える超音波振動子と、前記中央開口部に配置された透明かつ弾性を有するレンズと、前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部とを備える可変焦点レンズの制御方法であって、
前記駆動部により前記N個の電極に対して、異なる位相でかつ周方向に増加または減少させた位相の前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせ、前記進行波により前記レンズの周辺部を中心部に対して隆起させる第1ステップを含むことを特徴とする。
In order to solve the above problem, a method for controlling a variable-focus lens according to the present invention includes:
A method for controlling a variable-focus lens comprising: an ultrasonic transducer formed in an annular shape having a central opening and divided into N electrodes in a circumferential direction (N being an integer of 3 or more); a transparent and elastic lens disposed in the central opening; and a driver that applies an electric signal to the ultrasonic transducer to generate ultrasonic waves,
The method is characterized by including a first step in which the driving unit applies the electrical signals of different phases and of which phases increase or decrease in the circumferential direction to the N electrodes, generating a traveling wave of the ultrasonic waves that propagates in the circumferential direction of the lens, and the traveling wave causes the peripheral part of the lens to rise relative to the center part.

この構成によれば、超音波の進行波によりレンズの周辺部の圧力を高めて周辺部を隆起させることで、レンズの中心部を凹型形状に変形させることができる。また、電気信号の電圧値を制御することで、焦点距離を制御することができる。 With this configuration, the traveling ultrasonic waves increase the pressure on the periphery of the lens, causing the periphery to bulge, thereby deforming the center of the lens into a concave shape. Furthermore, the focal length can be controlled by controlling the voltage value of the electrical signal.

前記可変焦点レンズの制御方法において、
前記駆動部により同位相の前記電気信号を前記N個の電極に印加し、前記超音波の定在波を生じさせ、前記定在波により前記レンズの前記中心部を前記周辺部に対して隆起させる第2ステップを含むよう構成できる。
In the method for controlling a variable-focus lens,
The method can be configured to include a second step of applying the electrical signals of the same phase to the N electrodes by the driving unit to generate standing waves of the ultrasonic waves, and causing the central part of the lens to rise relative to the peripheral part by the standing waves.

この構成によれば、単一のレンズで凹凸両方の形状を実現することができ、かつ凹凸両方の形状おいて焦点距離を制御することができる。 With this configuration, both concave and convex shapes can be achieved with a single lens, and the focal length can be controlled for both convex and concave shapes.

前記可変焦点レンズの制御方法において、
前記レンズは、透明粘弾性ゲルにより構成できる。
In the method for controlling a variable-focus lens,
The lens may be made of a transparent viscoelastic gel.

前記可変焦点レンズの制御方法において、
前記レンズは、
液体材料と、
前記液体材料の表面を覆うように形成され、前記超音波により形状を変形させる膜材料と、により構成できる。
In the method for controlling a variable-focus lens,
The lens is
A liquid material;
a membrane material formed to cover the surface of the liquid material and whose shape is deformed by the ultrasonic waves.

本発明によれば、レンズの中心部を凹型形状に変形させることができ、かつ凹型形状おいて焦点距離を制御可能な可変焦点レンズおよび可変焦点レンズの制御方法を提供することができる。 The present invention provides a variable-focus lens and a method for controlling a variable-focus lens that can deform the center of the lens into a concave shape and control the focal length in the concave shape.

本発明の第1実施形態に係る可変焦点レンズであって、(A)は平面図、(B)は断面図である。1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, of a variable focus lens according to a first embodiment of the present invention. 定在波モードにおけるレンズ上面の振動強度を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing vibration intensity on the upper surface of the lens in a standing wave mode. 進行波モードにおけるレンズ上面の振動強度を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing vibration intensity on the upper surface of the lens in a traveling wave mode. 定在波モードにおける電気信号のピーク間電圧値とレンズの断面形状との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the peak-to-peak voltage value of an electrical signal in a standing wave mode and the cross-sectional shape of a lens. 進行波モードにおける電気信号のピーク間電圧値とレンズの断面形状との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the peak-to-peak voltage value of an electrical signal in a traveling wave mode and the cross-sectional shape of a lens. 本発明の第2実施形態に係る可変焦点レンズであって、(A)は平面図、(B)は断面図である。1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, of a variable focus lens according to a second embodiment of the present invention.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る可変焦点レンズおよび可変焦点レンズの制御方法の実施形態について説明する。なお、可変焦点レンズとして、第1実施形態では可変焦点ゲルレンズを例に挙げて説明し、第2実施形態では可変焦点液体レンズを例に挙げて説明する。 Embodiments of a variable-focus lens and a variable-focus lens control method according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that in the first embodiment, a variable-focus gel lens will be used as an example of the variable-focus lens, and in the second embodiment, a variable-focus liquid lens will be used as an example.

[第1実施形態]
(可変焦点ゲルレンズ)
図1に、第1実施形態に係る可変焦点ゲルレンズ1を示す。可変焦点ゲルレンズ1は、基板2と、超音波振動子3と、レンズ4と、駆動部5とを備える。
[First embodiment]
(variable focus gel lens)
1 shows a variable-focus gel lens 1 according to the first embodiment. The variable-focus gel lens 1 includes a substrate 2, an ultrasonic transducer 3, a lens 4, and a driving unit 5.

基板2は、円盤状に形成されたガラス基板である。基板2は、30[mm]の径、0.7[mm]の厚みを有する。Substrate 2 is a glass substrate formed in a disk shape. Substrate 2 has a diameter of 30 mm and a thickness of 0.7 mm.

超音波振動子3は、中央開口部を有する円環形状の圧電超音波振動子であり、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で構成されている。超音波振動子3は、20[mm]の内径、30[mm]の外径、1[mm]の厚みを有する。 The ultrasonic vibrator 3 is a circular piezoelectric ultrasonic vibrator with a central opening and is made of lead zirconate titanate (PZT). The ultrasonic vibrator 3 has an inner diameter of 20 mm, an outer diameter of 30 mm, and a thickness of 1 mm.

超音波振動子3は、周方向に4分割された4個のアルミニウム電極(第1電極31、第2電極32、第3電極33および第4電極34)を備える。4個のアルミニウム電極は、いずれも互いに絶縁された正電極および負電極からなり、同一形状である。 The ultrasonic transducer 3 has four aluminum electrodes (first electrode 31, second electrode 32, third electrode 33, and fourth electrode 34) divided into four parts in the circumferential direction. All four aluminum electrodes consist of a positive electrode and a negative electrode that are insulated from each other and have the same shape.

第1電極31は、第1正電極31aおよび第1負電極31bからなる。第2電極32は、第2正電極32aおよび第2負電極32bからなる。第3電極33は、第3正電極33aおよび第3負電極33bからなる。第4電極34は、第4正電極34aおよび第4負電極34bからなる。第1負電極31b、第2負電極32b、第3負電極33bおよび第4負電極34bは、超音波振動子3の下面側(基板2側)に形成された共通の負電極に接続されている。 The first electrode 31 consists of a first positive electrode 31a and a first negative electrode 31b. The second electrode 32 consists of a second positive electrode 32a and a second negative electrode 32b. The third electrode 33 consists of a third positive electrode 33a and a third negative electrode 33b. The fourth electrode 34 consists of a fourth positive electrode 34a and a fourth negative electrode 34b. The first negative electrode 31b, the second negative electrode 32b, the third negative electrode 33b, and the fourth negative electrode 34b are connected to a common negative electrode formed on the underside (substrate 2 side) of the ultrasonic vibrator 3.

レンズ4は、透明粘弾性ゲルからなり、超音波振動子3の中央開口部に配置されている。レンズ4は、0.5[mm]の厚みを有する。透明粘弾性ゲルは、可視光に対して透明であり、重力に抗して形状を維持することができ、かつ音響放射力による圧力によって形状を変形できるゲルである。本実施形態では、透明粘弾性ゲルとして、疎水性シリカ粒子とシリコーンオイルからなり、疎水性シリカ粒子の質量比を7%としたシリコーンゲルを用いる。 Lens 4 is made of a transparent viscoelastic gel and is placed in the central opening of the ultrasonic transducer 3. Lens 4 has a thickness of 0.5 mm. The transparent viscoelastic gel is transparent to visible light, can maintain its shape against gravity, and can deform under pressure from acoustic radiation force. In this embodiment, the transparent viscoelastic gel is a silicone gel made of hydrophobic silica particles and silicone oil, with the mass ratio of hydrophobic silica particles being 7%.

駆動部5は、駆動モードとして進行波モードと定在波モードとを有し、超音波振動子3に電気信号(交流電圧信号)を印加して超音波を発生させるよう構成される。駆動部5は、第1電極31に接続される第1駆動部51と、第2電極32に接続される第2駆動部52と、第3電極33に接続される第3駆動部53と、第4電極34に接続される第4駆動部54とを含む。第1駆動部51~第4駆動部54は、それぞれ独立して電気信号の位相、電圧値および周波数を制御できる。 The driver 5 has two drive modes, a traveling wave mode and a standing wave mode, and is configured to generate ultrasonic waves by applying an electrical signal (AC voltage signal) to the ultrasonic transducer 3. The driver 5 includes a first driver 51 connected to the first electrode 31, a second driver 52 connected to the second electrode 32, a third driver 53 connected to the third electrode 33, and a fourth driver 54 connected to the fourth electrode 34. The first driver 51 to the fourth driver 54 can each independently control the phase, voltage value, and frequency of the electrical signal.

定在波モード時の駆動部5は、同位相の電気信号を超音波振動子3に印加する。すなわち、第1駆動部51~第4駆動部54が、それぞれの接続先の第1電極31~第4電極34に、同位相の電気信号を印加する。第1電極31~第4電極34は、電気信号に応じた所定の周波数の超音波を発生させる。例えば、第1電極31~第4電極34は、レンズ4の共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させる。 In standing wave mode, the driver 5 applies in-phase electrical signals to the ultrasonic transducer 3. That is, the first driver 51 to the fourth driver 54 apply in-phase electrical signals to the first electrode 31 to the fourth electrode 34 to which they are connected. The first electrode 31 to the fourth electrode 34 generate ultrasonic waves at a predetermined frequency corresponding to the electrical signal. For example, the first electrode 31 to the fourth electrode 34 generate ultrasonic waves with a frequency that matches the resonant frequency of the lens 4.

第1電極31~第4電極34で発生した超音波がレンズ4に伝搬すると、レンズ4では超音波の定在波(音響定在波)、具体的には1次モードのたわみ振動の定在波が発生する。1次モードのたわみ振動とは、振動強度がレンズ4の中心から外周面に向かって連続的に小さくなる振動のことをいう。なお、本発明では、レンズ4の中心およびその近傍を中心部とし、中心部の周り(レンズ4全体のうち中心部以外のところ)を周辺部とする。 When ultrasonic waves generated by the first electrode 31 to the fourth electrode 34 propagate to the lens 4, standing waves of ultrasonic waves (acoustic standing waves), specifically standing waves of primary mode flexural vibration, are generated in the lens 4. Primary mode flexural vibration refers to vibration in which the vibration intensity decreases continuously from the center of the lens 4 toward the outer periphery. In the present invention, the center of the lens 4 and its vicinity are defined as the central portion, and the area around the central portion (the entire lens 4 other than the central portion) is defined as the peripheral portion.

レンズ4でたわみ振動の定在波が発生すると、レンズ4の上面と空気との境界面およびレンズ4の下面と基板2との境界面に、定在波の音響放射力による圧力が働く。定在波の音響放射力による圧力は、レンズ4の中心部で高くなり、中心部を隆起させて凸型形状に変形させる。 When a standing wave of flexural vibration occurs in lens 4, pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave acts on the boundary between the upper surface of lens 4 and air and the boundary between the lower surface of lens 4 and substrate 2. The pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave is highest at the center of lens 4, causing the center to bulge and deform into a convex shape.

また、電気信号の電圧値を変化させると、定在波の音響放射力による圧力が変化し、レンズ4の中心部の凸型形状の高さも変化して、焦点距離が変化する。したがって、駆動部5で電気信号の電圧値を制御することにより、凸型形状において焦点距離を制御することができる。 Furthermore, changing the voltage value of the electrical signal changes the pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave, which in turn changes the height of the convex shape at the center of lens 4, thereby changing the focal length. Therefore, by controlling the voltage value of the electrical signal with drive unit 5, the focal length of the convex shape can be controlled.

進行波モード時の駆動部5は、第1電極31~第4電極34に対して周方向に位相を90°ずつずらした(90°ずつ増加させた)電気信号を印加する。すなわち、第1駆動部51が第1電極31に印加する電気信号に対して、第2駆動部52が第2電極32に印加する電気信号は90°の位相差を有し、第3駆動部53が第3電極33に印加する電気信号は180°の位相差を有し、第4駆動部54が第4電極34に印加する電気信号は270°の位相差を有する。第1電極31~第4電極34は、各電気信号に応じた超音波を発生させる。 In traveling wave mode, the drive unit 5 applies electrical signals to the first electrode 31 through the fourth electrode 34, with the phases shifted by 90° (incremented by 90°) in the circumferential direction. That is, with respect to the electrical signal applied to the first electrode 31 by the first drive unit 51, the electrical signal applied to the second electrode 32 by the second drive unit 52 has a phase difference of 90°, the electrical signal applied to the third electrode 33 by the third drive unit 53 has a phase difference of 180°, and the electrical signal applied to the fourth electrode 34 by the fourth drive unit 54 has a phase difference of 270°. The first electrode 31 through the fourth electrode 34 generate ultrasonic waves corresponding to each electrical signal.

第1電極31~第4電極34で発生した超音波がレンズ4に伝搬すると、レンズ4では、周方向に伝搬する超音波の進行波(音響進行波)、すなわち、たわみ振動の進行波が発生する。 When the ultrasonic waves generated by the first electrode 31 to the fourth electrode 34 propagate to the lens 4, a traveling wave of ultrasonic waves (acoustic traveling wave) propagating in the circumferential direction, i.e., a traveling wave of flexural vibration, is generated in the lens 4.

レンズ4でたわみ振動の進行波が発生すると、レンズ4の上面と空気との境界面およびレンズ4の下面と基板2との境界面に、進行波の音響放射力による圧力が働く。進行波の音響放射力による圧力は、レンズ4の周辺部で高くなり、周辺部を隆起させる。周辺部が隆起した分、中心部は沈降して凹型形状に変形する。 When a traveling wave of flexural vibration occurs in lens 4, pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave acts on the boundary between the upper surface of lens 4 and air and the boundary between the lower surface of lens 4 and substrate 2. The pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave is higher at the periphery of lens 4, causing the periphery to rise. As the periphery rises, the center sinks and deforms into a concave shape.

また、電気信号の電圧値を変化させると、進行波の音響放射力による圧力が変化し、レンズ4の中心部の凹型形状の深さも変化して、焦点距離が変化する。したがって、駆動部5で電気信号の電圧値を制御することにより、凹型形状において焦点距離を制御することができる。 Furthermore, when the voltage value of the electrical signal is changed, the pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave changes, and the depth of the concave shape at the center of lens 4 also changes, changing the focal length. Therefore, by controlling the voltage value of the electrical signal with drive unit 5, the focal length of the concave shape can be controlled.

(可変焦点ゲルレンズの制御方法)
第1実施形態に係る可変焦点ゲルレンズの制御方法は、上記の可変焦点ゲルレンズ1の制御方法である。すなわち、当該制御方法は、レンズ4を凹型形状に変化させる第1ステップと、レンズ4を凸型形状に変化させる第2ステップとを含む。
(Method for controlling a variable focus gel lens)
The control method for the variable focus gel lens according to the first embodiment is the control method for the variable focus gel lens 1. That is, the control method includes a first step of changing the lens 4 into a concave shape and a second step of changing the lens 4 into a convex shape.

第1ステップでは、駆動部5(第1駆動部51~第4駆動部54)が、第1電極31~第4電極34に対して周方向に位相を90°ずつずらした(90°ずつ増加させた)電気信号を印加し、レンズ4の周方向に伝搬するたわみ振動の進行波を生じさせる。第1駆動部51~第4駆動部54が出力する各電気信号は、位相のみ相違し、電圧値(本実施形態では、ピーク間電圧値=10[Vpp])および周波数(本実施形態では、26[kHz])は共通している。 In the first step, the drive unit 5 (first drive unit 51 to fourth drive unit 54) applies electrical signals to the first electrode 31 to the fourth electrode 34, with the phases shifted by 90° (increased by 90°) in the circumferential direction, generating traveling waves of flexural vibration that propagate in the circumferential direction of the lens 4. The electrical signals output by the first drive unit 51 to the fourth drive unit 54 differ only in phase, but have the same voltage value (in this embodiment, peak-to-peak voltage value = 10 Vpp) and frequency (in this embodiment, 26 kHz).

レンズ4でたわみ振動の進行波が発生すると、レンズ4の透明粘弾性ゲルには進行波の音響放射力による圧力が働き、透明粘弾性ゲルの周辺部を隆起させる。周辺部が隆起した分、透明粘弾性ゲルの中心部は沈降し、レンズ4は凹型形状に変形する。When a traveling wave of flexural vibration is generated in lens 4, pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave acts on the transparent viscoelastic gel of lens 4, causing the peripheral portion of the transparent viscoelastic gel to rise. As the peripheral portion rises, the center of the transparent viscoelastic gel sinks, and lens 4 is deformed into a concave shape.

第2ステップでは、駆動部5(第1駆動部51~第4駆動部54)が、第1電極31~第4電極34に対して同相の電気信号を印加し、レンズ4にたわみ振動の定在波を生じさせる。第1駆動部51~第4駆動部54が出力する各電気信号は、電圧値(本実施形態では、ピーク間電圧値=10[Vpp])および周波数(本実施形態では、40[kHz])も共通している。 In the second step, the driving unit 5 (first driving unit 51 to fourth driving unit 54) applies in-phase electrical signals to the first electrode 31 to fourth electrode 34, generating standing waves of flexural vibration in the lens 4. The electrical signals output by the first driving unit 51 to fourth driving unit 54 also have the same voltage value (in this embodiment, peak-to-peak voltage value = 10 Vpp) and frequency (in this embodiment, 40 kHz).

レンズ4でたわみ振動の定在波が発生すると、レンズ4の透明粘弾性ゲルには定在波の音響放射力による圧力が働き、透明粘弾性ゲルの中心部を隆起させる。その結果、レンズ4は凸型形状に変形する。When a standing wave of flexural vibration occurs in lens 4, pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave acts on the transparent viscoelastic gel of lens 4, causing the center of the transparent viscoelastic gel to bulge. As a result, lens 4 is deformed into a convex shape.

第1ステップおよび第2ステップにおいて、第1駆動部51~第4駆動部54が、電気信号の電圧値を変化させると、レンズ4の焦点距離が変化する。また、第1駆動部51~第4駆動部54による各電気信号の電圧値の変化量が異なる場合、焦点距離に加えて、XY平面における焦点位置も制御することができる。 In the first and second steps, when the first to fourth driving units 51 to 54 change the voltage value of the electrical signal, the focal length of the lens 4 changes. Furthermore, if the first to fourth driving units 51 to 54 change the voltage value of each electrical signal by different amounts, it is possible to control not only the focal length but also the focal position on the XY plane.

(評価実験)
次に、可変焦点ゲルレンズ1およびその制御方法の評価実験について説明する。
(Evaluation experiment)
Next, an evaluation experiment of the variable-focus gel lens 1 and its control method will be described.

図2および図3は、レーザドップラー振動計(LDV)を用いて観察した、レンズ4の上面の振動強度分布を示す画像である。図2は定在波モード時、図3は進行波モード時の画像である。 Figures 2 and 3 are images showing the vibration intensity distribution on the top surface of lens 4, observed using a laser Doppler vibrometer (LDV). Figure 2 is an image in standing wave mode, and Figure 3 is an image in traveling wave mode.

図2から、定在波モードにおいては、たわみ振動の振動強度がレンズ4の中心部で高くなっていることが分かる。この結果は、レンズ4の中心部が凸型形状になっていることを示す。図3から、進行波モードにおいては、たわみ振動の振動強度がレンズ4の周辺部で高くなっており、中心部で低くなっていることが分かる。この結果は、レンズ4の中心部が凹型形状になっていることを示す。 Figure 2 shows that in the standing wave mode, the vibration intensity of the flexural vibration is higher at the center of lens 4. This result indicates that the center of lens 4 has a convex shape. Figure 3 shows that in the traveling wave mode, the vibration intensity of the flexural vibration is higher at the periphery of lens 4 and lower at the center. This result indicates that the center of lens 4 has a concave shape.

図4は、定在波モードにおける電気信号のピーク間電圧値Vppとレンズ4の断面形状との関係を示す図である。図5は、進行波モードにおける電気信号のピーク間電圧値Vppとレンズ4の断面形状との関係を示す図である。図4および図5において、縦軸はレンズ4の上面位置を示し、電気信号が印加されていないときの上面位置を0とする。また、横軸はレンズ4の径方向(X方向)の位置を示し、レンズ4の中心を0とする。 Figure 4 shows the relationship between the peak-to-peak voltage value Vpp of the electrical signal in standing wave mode and the cross-sectional shape of lens 4. Figure 5 shows the relationship between the peak-to-peak voltage value Vpp of the electrical signal in traveling wave mode and the cross-sectional shape of lens 4. In Figures 4 and 5, the vertical axis indicates the top surface position of lens 4, with the top surface position when no electrical signal is applied being set to 0. The horizontal axis indicates the radial position (X direction) of lens 4, with the center of lens 4 being set to 0.

図4から、定在波モードにおいては、レンズ4の中心部が凸型形状になり、かつ電気信号のピーク間電圧値Vppが大きくなるほど、中心部の上面位置が高くなることが分かる。図5から、進行波モードにおいては、レンズ4の中心部が凹型形状になり、かつ電気信号のピーク間電圧値Vppが大きくなるほど、中心部の上面位置が低くなることが分かる。これらの結果は、電気信号のピーク間電圧値Vppを制御することで、凹凸両方の形状おいて焦点距離を制御できることを示す。 Figure 4 shows that in standing wave mode, the center of lens 4 becomes convex and the higher the peak-to-peak voltage value Vpp of the electrical signal, the higher the top surface position of the center. Figure 5 shows that in traveling wave mode, the center of lens 4 becomes concave and the higher the peak-to-peak voltage value Vpp of the electrical signal, the lower the top surface position of the center. These results show that by controlling the peak-to-peak voltage value Vpp of the electrical signal, the focal length can be controlled for both convex and concave shapes.

結局、可変焦点ゲルレンズ1およびその制御方法によれば、スマートグラス等の眼鏡デバイスで求められる、一枚のレンズでの凹凸両方のレンズ機能(例えば、近視用と遠視用とを切り替え可能なレンズ)を実現することができ、多機能かつ薄型の可変焦点レンズを提供することができる。 In the end, the variable focus gel lens 1 and its control method can achieve both concave and convex lens functions in a single lens (for example, a lens that can be switched between nearsightedness and farsightedness), which is required for eyeglass devices such as smart glasses, and can provide a multifunctional, thin variable focus lens.

[第2実施形態]
(可変焦点液体レンズ)
図6に、第2実施形態に係る可変焦点液体レンズ1’を示す。可変焦点液体レンズ1’は、ゲルレンズで構成されたレンズ4の代わりに液体レンズで構成されたレンズ4’を備える点を除いて、第1実施形態と共通する。
Second Embodiment
(variable focus liquid lens)
6 shows a variable-focus liquid lens 1′ according to the second embodiment. The variable-focus liquid lens 1′ is the same as the first embodiment except that it includes a lens 4′ made of a liquid lens instead of the lens 4 made of a gel lens.

図6(B)に示すように、レンズ4’は、液体材料4aと、液体材料4aの表面(上面)を覆うように形成された膜材料4bとを含む。このように、本発明においては、液体材料と膜材料とで構成されたレンズを液体レンズという。 As shown in Figure 6(B), the lens 4' includes a liquid material 4a and a film material 4b formed to cover the surface (top surface) of the liquid material 4a. In this way, in the present invention, a lens made up of a liquid material and a film material is called a liquid lens.

可変焦点液体レンズ1’では、超音波振動子3の隙間および超音波振動子3と基板2との隙間が封止材料(例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料)で封止されているので、液体材料4aが超音波振動子3の中央開口部から流出するおそれはない。このため、膜材料4bは、所定の張力を有するように、液体材料4aの表面(上面)にのみ形成されている。しかしながら、膜材料4bは、液体材料4aの表面に加えて、液体材料4aの側面(外周面)に形成されてもよいし、液体材料4aの裏面(下面)に形成されてもよい。 In the variable-focus liquid lens 1', the gaps between the ultrasonic transducers 3 and the gap between the ultrasonic transducers 3 and the substrate 2 are sealed with a sealing material (e.g., a resin material such as epoxy resin), so there is no risk of the liquid material 4a leaking out of the central opening of the ultrasonic transducer 3. For this reason, the film material 4b is formed only on the surface (top surface) of the liquid material 4a so as to have a predetermined tension. However, in addition to the surface of the liquid material 4a, the film material 4b may also be formed on the side (outer peripheral surface) of the liquid material 4a or on the back surface (bottom surface) of the liquid material 4a.

液体材料4aは、可視光に対して透明な、液体もしくは液体に近い低粘性のものであればよい。液体材料4aとしては、例えば、水、シリコーンオイル、またはフッ素系不活性液体を用いることができる。液体材料4aは、超音波振動子3の中央開口部に充填された状態で、例えば、300[μm]~1000[μm]の厚みを有する。 The liquid material 4a may be any material that is transparent to visible light and has a low viscosity, such as a liquid or liquid-like substance. Examples of the liquid material 4a include water, silicone oil, and a fluorine-based inert liquid. When filled into the central opening of the ultrasonic transducer 3, the liquid material 4a has a thickness of, for example, 300 μm to 1000 μm.

膜材料4bは、可視光に対して透明であり、重力に抗して形状(レンズ4’の形状)を維持することができ、かつ音響放射力による圧力によって形状を変形できる膜であればよい。本実施形態では、平坦な形状から凹状または凸状に湾曲した形状に変形する。膜材料4bとしては、例えば、シリコーンゴム(例えば、PDMS)、フッ素ゴム、またはウレタンゴムを用いることができる。膜材料4bは、例えば、50[μm]~500[μm]の厚みを有し、液体材料4aよりも薄い方が好ましい。 The film material 4b may be any film that is transparent to visible light, can maintain its shape (the shape of the lens 4') against gravity, and can deform under pressure from acoustic radiation force. In this embodiment, it deforms from a flat shape to a concave or convex curved shape. Examples of materials that can be used as the film material 4b include silicone rubber (e.g., PDMS), fluororubber, and urethane rubber. The film material 4b has a thickness of, for example, 50 μm to 500 μm, and is preferably thinner than the liquid material 4a.

本実施形態では、膜材料4bの厚みを均一にしているが、不均一にしてもよい。例えば、膜材料4bの中心部と周辺部とで厚みを変えてもよい。また、本実施形態では、超音波振動子3に電気信号を印加していない状態において、膜材料4bは平坦な形状であるが、凹状または凸状に湾曲した形状であってもよい。 In this embodiment, the thickness of the membrane material 4b is uniform, but it may also be non-uniform. For example, the thickness of the membrane material 4b may be different between the center and the peripheral portion. Also, in this embodiment, when no electrical signal is applied to the ultrasonic transducer 3, the membrane material 4b has a flat shape, but it may also have a concave or convex curved shape.

レンズ4’でたわみ振動の定在波が発生すると、膜材料4bの上面と空気との境界面、膜材料4bの下面と液体材料4aの上面との境界面、液体材料4aの下面と基板2の上面との境界面、基板2の下面と空気との境界面に、定在波の音響放射力による圧力が働く。ただし、レンズ4’の変形に最も寄与するのは、膜材料4bの上面と空気との境界面に働く定在波の音響放射力である。当該音響放射力による圧力は、膜材料4bの上面の中心部で高くなり、膜材料4bの中心部を隆起させる。膜材料4bの中心部が隆起することで、液体材料4aの中心部の厚みが増加し、レンズ4’は凸型形状に変形する。 When a standing wave of flexural vibration occurs in lens 4', pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave acts on the interface between the upper surface of film material 4b and air, the interface between the lower surface of film material 4b and the upper surface of liquid material 4a, the interface between the lower surface of liquid material 4a and the upper surface of substrate 2, and the interface between the lower surface of substrate 2 and air. However, it is the acoustic radiation force of the standing wave acting on the interface between the upper surface of film material 4b and air that contributes most to the deformation of lens 4'. The pressure due to this acoustic radiation force is highest at the center of the upper surface of film material 4b, causing the center of film material 4b to bulge. The bulging of the center of film material 4b increases the thickness of the center of liquid material 4a, and lens 4' deforms into a convex shape.

また、電気信号の電圧値を変化させると、定在波の音響放射力による圧力が変化し、レンズ4’の中心部の凸型形状の高さも変化して、焦点距離が変化する。したがって、駆動部5で電気信号の電圧値を制御することにより、凸型形状において焦点距離を制御することができる。 Furthermore, when the voltage value of the electrical signal is changed, the pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave changes, and the height of the convex shape at the center of lens 4' also changes, changing the focal length. Therefore, by controlling the voltage value of the electrical signal with drive unit 5, the focal length of the convex shape can be controlled.

レンズ4’でたわみ振動の進行波が発生すると、膜材料4bの上面と空気との境界面、膜材料4bの下面と液体材料4aの上面との境界面、液体材料4aの下面と基板2の上面との境界面、基板2の下面と空気との境界面に、進行波の音響放射力による圧力が働く。ただし、レンズ4’の変形に最も寄与するのは、膜材料4bの上面と空気との境界面に働く進行波の音響放射力である。当該音響放射力による圧力は、膜材料4bの上面の周辺部で高くなり、膜材料4bの周辺部を隆起させる。膜材料4bの周辺部が隆起した分、膜材料4bの中心部は沈降し(液体材料4aの周辺部は厚みが増加する一方、液体材料4aの中心部は厚みが減少し)、レンズ4’は凹型形状に変形する。When a traveling wave of flexural vibration is generated in lens 4', pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave acts on the interface between the upper surface of film material 4b and air, the interface between the lower surface of film material 4b and the upper surface of liquid material 4a, the interface between the lower surface of liquid material 4a and the upper surface of substrate 2, and the interface between the lower surface of substrate 2 and air. However, it is the acoustic radiation force of the traveling wave acting on the interface between the upper surface of film material 4b and air that contributes most to the deformation of lens 4'. The pressure due to this acoustic radiation force is higher at the periphery of the upper surface of film material 4b, causing the periphery of film material 4b to rise. As the periphery of film material 4b rises, the center of film material 4b sinks (the thickness of the periphery of liquid material 4a increases, while the thickness of the center of liquid material 4a decreases), and lens 4' deforms into a concave shape.

また、電気信号の電圧値を変化させると、進行波の音響放射力による圧力が変化し、レンズ4’の中心部の凹型形状の深さも変化して、焦点距離が変化する。したがって、駆動部5で電気信号の電圧値を制御することにより、凹型形状において焦点距離を制御することができる。 Furthermore, changing the voltage value of the electrical signal changes the pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave, which in turn changes the depth of the concave shape at the center of lens 4', thereby changing the focal length. Therefore, by controlling the voltage value of the electrical signal with drive unit 5, the focal length of the concave shape can be controlled.

レンズ4’の焦点合わせの応答時間は、レンズ4’を構成する材料の粘度等に依存する。例えば、高粘度の材料であれば形状変化の立ち上がり時の応答速度は遅くなり、低粘度の材料であれば形状変化の立ち上がり時の応答速度は速くなる。本実施形態では、レンズ4’が液体材料4aを含むため、第1実施形態と比較して形状変化の立ち上がり時の応答速度は速くなり、焦点合わせの応答時間を短くすることができる。なお、低粘度にしすぎると、立ち上がり後にリンギングが生じるため、定常状態に達するまでの時間が逆に長くなる場合もあるが、本実施形態では、膜材料4bの張力や厚み(質量)を調整するとともに液体材料4aの粘度を最適化することで、リンギングをある程度抑制することができる。The focusing response time of lens 4' depends on the viscosity of the material comprising lens 4'. For example, a high-viscosity material will have a slower response speed at the start of the shape change, while a low-viscosity material will have a faster response speed at the start of the shape change. In this embodiment, because lens 4' contains liquid material 4a, the response speed at the start of the shape change is faster than in the first embodiment, and the focusing response time can be shortened. Note that if the viscosity is too low, ringing will occur after the start of the shape change, which may actually lengthen the time it takes to reach a steady state. However, in this embodiment, ringing can be suppressed to some extent by adjusting the tension and thickness (mass) of film material 4b and optimizing the viscosity of liquid material 4a.

(可変焦点液体レンズの制御方法)
第2実施形態に係る可変焦点液体レンズの制御方法は、上記の可変焦点液体レンズ1’の制御方法である。すなわち、当該制御方法は、レンズ4’を凹型形状に変化させる第1ステップと、レンズ4’を凸型形状に変化させる第2ステップとを含む。
(Method for controlling a variable-focus liquid lens)
The control method for the variable-focus liquid lens according to the second embodiment is the control method for the variable-focus liquid lens 1′ described above, that is, the control method includes a first step of changing the shape of the lens 4′ to a concave shape and a second step of changing the shape of the lens 4′ to a convex shape.

第1ステップでは、駆動部5(第1駆動部51~第4駆動部54)が、第1電極31~第4電極34に対して周方向に位相を90°ずつずらした(90°ずつ増加させた)電気信号を印加し、レンズ4’の周方向に伝搬するたわみ振動の進行波を生じさせる。第1駆動部51~第4駆動部54が出力する各電気信号は、位相のみ相違し、電圧値および周波数は共通している。 In the first step, the drive unit 5 (first drive unit 51 to fourth drive unit 54) applies electrical signals to the first electrode 31 to the fourth electrode 34, with the phases shifted by 90° (increased by 90°) in the circumferential direction, generating traveling waves of flexural vibration that propagate in the circumferential direction of the lens 4'. The electrical signals output by the first drive unit 51 to the fourth drive unit 54 differ only in phase, but have the same voltage value and frequency.

レンズ4’でたわみ振動の進行波が発生すると、主に、膜材料4bの上面と空気との境界面に進行波の音響放射力による圧力が働き、膜材料4bの周辺部を隆起させる。周辺部が隆起した分、膜材料4bの中心部は沈降し(液体材料4aの周辺部は厚みが増加する一方、液体材料4aの中心部は厚みが減少し)、レンズ4’は凹型形状に変形する。When a traveling wave of flexural vibration is generated in lens 4', pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave acts mainly on the boundary between the upper surface of membrane material 4b and the air, causing the peripheral portion of membrane material 4b to rise. As the peripheral portion rises, the center of membrane material 4b sinks (the thickness of the peripheral portion of liquid material 4a increases, while the thickness of the central portion of liquid material 4a decreases), and lens 4' deforms into a concave shape.

第2ステップでは、駆動部5(第1駆動部51~第4駆動部54)が、第1電極31~第4電極34に対して同相の電気信号を印加し、レンズ4’にたわみ振動の定在波を生じさせる。第1駆動部51~第4駆動部54が出力する各電気信号は、電圧値および周波数も共通している。 In the second step, the driving unit 5 (first driving unit 51 to fourth driving unit 54) applies in-phase electrical signals to the first electrode 31 to the fourth electrode 34, generating a standing wave of flexural vibration in the lens 4'. The electrical signals output by the first driving unit 51 to the fourth driving unit 54 also have the same voltage value and frequency.

レンズ4’でたわみ振動の定在波が発生すると、主に、膜材料4bの上面と空気との境界面に定在波の音響放射力による圧力が働き、膜材料4bの中心部を隆起させる(液体材料4aの中心部は厚みが増加する)。その結果、レンズ4’は凸型形状に変形する。When a standing wave of flexural vibration occurs in lens 4', pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave acts mainly on the boundary between the upper surface of membrane material 4b and the air, causing the center of membrane material 4b to bulge (the thickness of the center of liquid material 4a increases). As a result, lens 4' deforms into a convex shape.

第1ステップおよび第2ステップにおいて、第1駆動部51~第4駆動部54が、電気信号の電圧値を変化させると、レンズ4’の焦点距離が変化する。また、第1駆動部51~第4駆動部54による各電気信号の電圧値の変化量が異なる場合、焦点距離に加えて、XY平面における焦点位置も制御することができる。さらに、本実施形態では、液体材料4aを含むレンズ4’を用いているため、第1実施形態と比較して、焦点合わせの応答時間を短くすることができる。 In the first and second steps, when the first to fourth driving units 51 to 54 change the voltage value of the electrical signal, the focal length of the lens 4' changes. Furthermore, if the first to fourth driving units 51 to 54 change the voltage value of each electrical signal by different amounts, it is possible to control not only the focal length but also the focal position in the XY plane. Furthermore, since this embodiment uses a lens 4' containing liquid material 4a, the focusing response time can be shortened compared to the first embodiment.

[変形例]
以上、本発明に係る可変焦点レンズおよび可変焦点レンズの制御方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
[Modification]
Although the embodiments of the variable-focus lens and the control method for the variable-focus lens according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments.

本発明に係る可変焦点レンズは、中央開口部を有する環状の超音波振動子と、中央開口部に配置され、透明かつ弾性を有するレンズと、超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させ、超音波によりレンズの形状を変形させる駆動部と、を備える可変焦点レンズであって、超音波振動子は、周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備え、駆動部は、N個の電極に対して、異なる位相でかつ周方向に増加または減少させた位相の電気信号を印加し、レンズの周方向に伝搬する超音波の進行波を生じさせ、進行波によりレンズの周辺部を中心部に対して隆起させるのであれば、適宜構成を変更できる。 The variable-focus lens of the present invention is a variable-focus lens comprising an annular ultrasonic transducer having a central opening, a transparent and elastic lens positioned in the central opening, and a drive unit that applies an electrical signal to the ultrasonic transducer to generate ultrasonic waves and deform the shape of the lens using the ultrasonic waves.The ultrasonic transducer has N electrodes (N is an integer of 3 or greater) divided circumferentially into N parts, and the drive unit applies electrical signals to the N electrodes with different phases and with phases that increase or decrease circumferentially, generating traveling waves of ultrasonic waves that propagate circumferentially around the lens, and the configuration can be modified as appropriate, as long as the traveling waves cause the peripheral portion of the lens to rise relative to the center.

上記実施形態では、駆動部5は、第1電極31~第4電極34に対して周方向に位相を90°ずつ増加させた電気信号を印加しているが、レンズ4(4’)の周方向に伝搬する超音波の進行波を生じさせることができるのであれば、任意の位相の電気信号を印加してもよい。 In the above embodiment, the driving unit 5 applies electrical signals to the first electrode 31 to the fourth electrode 34 with the phase increasing by 90° in the circumferential direction, but electrical signals of any phase may be applied as long as they can generate traveling ultrasonic waves that propagate in the circumferential direction of the lens 4 (4').

第1実施形態に係る可変焦点ゲルレンズ1は、基板2を備えているが、レンズ4を超音波振動子3の中央開口部に保持できるのであれば、基板2を備えていなくてもよい。第2実施形態に係る可変焦点液体レンズ1’においても、同様に基板を省略できるが、その場合、膜材料4bを液体材料4aの裏面(下面)にも形成する必要がある。 The variable focus gel lens 1 of the first embodiment includes a substrate 2, but does not need to include a substrate 2 if the lens 4 can be held in the central opening of the ultrasonic transducer 3. The variable focus liquid lens 1' of the second embodiment can also omit the substrate, but in that case, it is necessary to form the film material 4b on the back surface (bottom surface) of the liquid material 4a as well.

第1実施形態のレンズ4は、可視光に対して透明であるように構成されているが、レンズ4で使用する光の波長領域に対して透明であるように構成できる。例えば、紫外光を使用するのであれば紫外光に対して透明であればよく、赤外光を使用するのであれば赤外光に対して透明であればよい。第2実施形態のレンズ4’を構成する液体材料4aおよび膜材料4bも同様に、使用する光の波長領域に対して透明であるように構成できる。 The lens 4 of the first embodiment is configured to be transparent to visible light, but can also be configured to be transparent to the wavelength range of light used in the lens 4. For example, if ultraviolet light is used, it only needs to be transparent to ultraviolet light, and if infrared light is used, it only needs to be transparent to infrared light. The liquid material 4a and film material 4b that make up the lens 4' of the second embodiment can also be configured to be transparent to the wavelength range of light used.

本発明に係る可変焦点レンズの制御方法は、本発明に係る可変焦点レンズの駆動部により、超音波振動子のN個の電極に対して、異なる位相でかつ周方向に増加または減少させた位相の電気信号を印加し、レンズの周方向に伝搬する超音波の進行波を生じさせ、進行波によりレンズの周辺部を中心部に対して隆起させる第1ステップを含むのであれば、適宜構成を変更できる。 The control method for a variable-focus lens according to the present invention can be configured as appropriate, provided that it includes a first step in which a driving unit of the variable-focus lens according to the present invention applies electrical signals of different phases and with phases that increase or decrease circumferentially to N electrodes of an ultrasonic vibrator, thereby generating traveling waves of ultrasonic waves that propagate circumferentially around the lens, and causing the peripheral portion of the lens to rise relative to the center using the traveling waves.

1 可変焦点ゲルレンズ
1’ 可変焦点液体レンズ
2 基板
3 超音波振動子
31 第1電極
31a 第1正電極
31b 第1負電極
32 第2電極
32a 第2正電極
32b 第2負電極
33 第3電極
33a 第3正電極
33b 第3負電極
34 第4電極
34a 第4正電極
34b 第4負電極
4、4’ レンズ
4a 液体材料
4b 膜材料
5 駆動部
51 第1駆動部
52 第2駆動部
53 第3駆動部
54 第4駆動部
1 Variable focus gel lens 1' Variable focus liquid lens 2 Substrate 3 Ultrasonic transducer 31 First electrode 31a First positive electrode 31b First negative electrode 32 Second electrode 32a Second positive electrode 32b Second negative electrode 33 Third electrode 33a Third positive electrode 33b Third negative electrode 34 Fourth electrode 34a Fourth positive electrode 34b Fourth negative electrode 4, 4' Lens 4a Liquid material 4b Film material 5 Drive unit 51 First drive unit 52 Second drive unit 53 Third drive unit 54 Fourth drive unit

Claims (9)

中央開口部を有する環状の超音波振動子と、
前記中央開口部に配置され、透明かつ弾性を有するレンズと、
前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させ、前記超音波により前記レンズの形状を変形させる駆動部と、
を備える可変焦点レンズであって、
前記超音波振動子は、周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備え、
前記駆動部は、
前記N個の電極に対して、異なる位相でかつ周方向に増加または減少させた位相の前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせ、前記進行波により前記レンズの周辺部を中心部に対して隆起させる
ことを特徴とする可変焦点レンズ。
an annular ultrasonic transducer having a central opening;
a transparent and elastic lens disposed in the central opening;
a driving unit that applies an electric signal to the ultrasonic vibrator to generate ultrasonic waves and deforms the shape of the lens using the ultrasonic waves;
A variable focus lens comprising:
The ultrasonic transducer includes N electrodes (N is an integer of 3 or more) divided into N parts in the circumferential direction,
The drive unit is
A variable focus lens characterized in that the electrical signals are applied to the N electrodes with different phases and with phases that increase or decrease in the circumferential direction, generating a traveling wave of the ultrasonic waves that propagates in the circumferential direction of the lens, and the traveling wave causes the peripheral part of the lens to rise relative to the center part.
前記駆動部は、駆動モードとして進行波モードと定在波モードとを有し、
前記進行波モード時の前記駆動部は、前記進行波により前記周辺部を前記中心部に対して隆起させ、
前記定在波モード時の前記駆動部は、同位相の前記電気信号を前記N個の電極に印加し、前記超音波の定在波を生じさせ、前記定在波により前記レンズの前記中心部を前記周辺部に対して隆起させる
ことを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ。
the driving unit has a traveling wave mode and a standing wave mode as driving modes,
the driving unit in the traveling wave mode causes the peripheral portion to rise relative to the central portion by the traveling wave;
The variable focus lens of claim 1, characterized in that in the standing wave mode, the driving unit applies the electrical signals of the same phase to the N electrodes, generating standing waves of the ultrasonic waves, and causing the central part of the lens to rise relative to the peripheral part by the standing waves.
前記N個の電極は、同一の形状であり、
前記電気信号は、前記N個の電極に対して周方向に位相を(360/N)°ずつずらしたものである
ことを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ。
The N electrodes have the same shape,
2. The variable-focus lens according to claim 1, wherein the electrical signals are shifted in phase by (360/N) degrees in the circumferential direction for the N electrodes.
前記レンズは、透明粘弾性ゲルにより構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ。
2. The variable focus lens according to claim 1, wherein the lens is made of a transparent viscoelastic gel.
前記レンズは、
液体材料と、
前記液体材料の表面を覆うように形成され、前記超音波により形状を変形させる膜材料と、により構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ。
The lens is
A liquid material;
2. The variable-focus lens according to claim 1, further comprising a film material formed to cover the surface of the liquid material, the film material being deformed by the ultrasonic waves.
中央開口部を有する環状に形成されるとともに周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備える超音波振動子と、前記中央開口部に配置された透明かつ弾性を有するレンズと、前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部とを備える可変焦点レンズの制御方法であって、
前記駆動部により前記N個の電極に対して、異なる位相でかつ周方向に増加または減少させた位相の前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせ、前記進行波により前記レンズの周辺部を中心部に対して隆起させる第1ステップを含む
ことを特徴とする可変焦点レンズの制御方法。
A method for controlling a variable-focus lens comprising: an ultrasonic transducer formed in an annular shape having a central opening and divided into N electrodes in a circumferential direction (N being an integer of 3 or more); a transparent and elastic lens disposed in the central opening; and a driver that applies an electric signal to the ultrasonic transducer to generate ultrasonic waves,
A method for controlling a variable-focus lens, comprising a first step of applying the electrical signals of different phases and of which the phases increase or decrease in the circumferential direction to the N electrodes by the driving unit, generating a traveling wave of the ultrasonic waves that propagates in the circumferential direction of the lens, and causing the peripheral portion of the lens to rise relative to the center portion by the traveling wave.
前記駆動部により同位相の前記電気信号を前記N個の電極に印加し、前記超音波の定在波を生じさせ、前記定在波により前記レンズの前記中心部を前記周辺部に対して隆起させる第2ステップを含む
ことを特徴とする請求項6に記載の可変焦点レンズの制御方法。
A control method for a variable focus lens as described in claim 6, characterized in that it includes a second step of applying the electrical signals of the same phase to the N electrodes by the driving unit to generate standing waves of the ultrasonic waves, and causing the central part of the lens to rise relative to the peripheral part by the standing waves.
前記レンズは、透明粘弾性ゲルにより構成される
ことを特徴とする請求項6に記載の可変焦点レンズの制御方法。
7. The method for controlling a variable-focus lens according to claim 6, wherein the lens is made of a transparent viscoelastic gel.
前記レンズは、
液体材料と、
前記液体材料の表面を覆うように形成され、前記超音波により形状を変形させる膜材料と、により構成される
ことを特徴とする請求項6に記載の可変焦点レンズの制御方法。
The lens is
A liquid material;
and a film material formed to cover the surface of the liquid material, the film material being deformed by the ultrasonic waves.
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