大口径可変焦点レンズ
概要
従来の固体による光学特性が固定されたレンズを用いて焦点移動を実現するには，2つ以上のレンズを協調動作させる必要がある．焦点距離を変えるため機械的に固体レンズを動かす代わりに，可変焦点レンズは単一レンズで焦点距離を動的に制御することが可能である．液体を充満させた可変焦点レンズは，曲率の変化する屈折面の物理的変形に基づき動作する．例として液気レンズは高い応答速度と高い光学特性を持つが，この種のレンズは口径が大きくなった際に，垂直に立てると重力の影響によりレンズ特性が非対称的に変化してしまう．一方，2種類の混ざらない液体間の界面もレンズの屈折面の役割を果たすことができ，その界面形状は流動的圧力やエレクトロウェッティング，誘電泳動効果によって制御可能である．しかしながら，高い光学特性を維持するには，口径は物理的限界である毛管長よりはるかに小さくする必要がある．したがって，液液レンズの口径は常にミリメートルの大きさとなってしまい，液体を封入した大口径レンズはいまだに未解決の問題となっている．
我々は新しい大口径可変焦点レンズを提案し，試作レンズを構築した．2つのチャンバーに2種類の異なる液体を封入しており，理想的な液体の組み合わせは同一密度だが異なる屈折率を持つものである．面内に均質な荷重力を分布させた膜を利用し，膜のゆがみは円形境界条件である円形のリングで制限され，変形する界面は2種類の液体の屈折率の比によって屈折面として作用することとなる．片方の液体を自由にチャンバー内に出入させ，もう片方の液体を固定することで，シリンジポンプを使ってレンズの屈折力の正負を動的に変化させることができる．
上記の発想に基づき，直径26mmの大口径の可変焦点レンズを試作した．なお，更に口径を大きくすることに関して技術的問題は無い．焦点距離として[-∞ -150mm]と[150mm ∞]の範囲が可能であることを示し，最小F/5まで達成可能である．
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| 図1 大口径可変焦点レンズの仕組み | 図2 試作した大口径可変焦点レンズの写真 |
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動画
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参考文献
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- Virtual Journal for Biomedical Optics, Vol.9, Issue 10 (2014) にも掲載
- Lihui Wang, Hiromasa Oku, Masatoshi Ishikawa, Variable-focus lens with 30 mm optical aperture based on liquid--membrane--liquid structure, Applied Physics Letters, Vol.102, 131111 (2013)[PDF(1.1M)][DOI:10.1063/1.4800603]*AIP
- Lihui Wang, Hiromasa Oku, Masatoshi Ishikawa, A Weak Power Enhanced Liquid-Membrane-Liquid Lens by a Pretension Elastic Membrane, OSA's 97th annual meeting, Frontiers in Optics 2013/ Laser Science XXIX(FiO/LS 2013)(Orlando, Florida, USA, 2013.10.06-10)/ (Oral Session) [OSA Technical Digest FTu5F.5][DOI:10.1364/FIO.2013.FTu5F.5]
- Lihui Wang, Hiromasa Oku, Masatoshi Ishikawa, A solution of pre-tension membrane for improving the usability of liquid-membrane-liquid lens in its weak power area, 2nd EOS Conference on Optofluidics 2013 (Munich, Germany, 2013.05.13-15) / (Oral Session) [Abstract 1569716891]
- Lihui Wang, Hiromasa Oku, Masatoshi Ishikawa, Development of variable-focal lens with liquid-membrane-liquid structure and 30mm optical aperture, SPIE Photonics West 2013 (San Francisco, California, USA, 2013.02.02-07) / (Oral Session) [SPIE Proceedings 8617-5] [DOI:10.1117/12.2005531]
- Lihui Wang, Hiromasa Oku, Masatoshi Ishikawa, A Liquid Lens with Liquid-Membrane-Liquid Structure, OSA's 96th annual meeting, Frontiers in Optics 2012/ Laser Science XXVIII(FiO/LS 2012)(Rochester, NewYork, USA, 2012.10.14-18)/ (Oral Session)[OSA Technical Digest FM3A.3][DOI:10.1364/FIO.2012.FM3A.3]
*AIP © 2013 American Institute of Physics. This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and the American Institute of Physics. The article appeared in L. Wang et al.,Appl. Phys. Lett. 102, 131111 (2013) and may be found at http://link.aip.org/link/?APL/102/131111.
