液体レンズの試作（１）
はじめに
液体レンズとは、透明な液体で構成されたレンズの事で、電圧や力学的な力を加える事で屈折率を変えるレンズです。
少ないエネルギーで焦点距離を自由に変更できる為、産業用カメラやスマートフォン、次世代のメガネ等々への応用が期待される面白い技術です。
液体レンズの研究の中でも特に興味深い研究は石川研究室の、ダイナモルフレンズです。
圧電素子と呼ばれる電気を流すと振動する素子を用いて、高速に焦点距離（液体の曲率）を変更できる液体レンズを試作しています。
また、焦点距離の高速調整機能を使って次のような衝撃的なデモを行っていました。
今回は、この液体レンズを作ってみたいと思います。
レンズの仕組み
まず、一般的なレンズについて考えてみます。
高校物理の単元では、薄肉レンズモデルという幾何光学の中でも最も基本的なレンズモデルについて習うと思います。
薄肉レンズ（以下レンズ）モデルは、以下のように、光源（左のろうそく）、レンズ、投影面と像（右のろうそく）で構成されます。
このモデルで最も重要な部分は、焦点距離と物体の距離、結像位置（ピントが合う位置）は一つの式で関係づけられている事です。
この式をガウスのレンズ公式といいます。
ガウスのレンズ公式から、物体の距離が変わると結像位置が変わることがわかります。
以下に、ちょっと正確ではないのですが、焦点距離fと投影面bの位置を変えずに、物体の距離aだけ変えて撮像した図を載せます。
上段は正しく結像している状態の図で、下段がその状態から物体の距離を変えた時の模式図です。
投影面と結像位置が異なっている為、ぼやけた絵になります。
スマートフォンとかで近い距離と遠い距離が混在するシーンを撮影すると、この様な焦点ボケを観察する事ができます。
一般的なカメラのオートフォーカス機能は、レンズと投影面の距離をアクチュエータ等で変更する事で、様々な距離に距離の物体にピントを合わせる事ができます。
【カメラ用語事典】コントラストAF | CAPA CAMERA WEB
理論的にはとても素直なのですが、レンズと投影面の距離を物理的に変える必要がある為、（精密機器としては）大きなエネルギーが必要となり、ミリ秒単位での制御が難しいという課題があります。
それに対し、液体レンズではレンズの焦点距離fを変える事で、オートフォーカスを実現しています。
物理的な移動が伴わないため、非常に応答速度が早いという特長があります。
液体レンズ
液体レンズは、液体の曲率を変える事で焦点距離を変更するレンズです。
液体レンズの構成方法は様々なものがありますが、今回はその中でも最もシンプルなものを考えてみました。
まず、ゴム製のリングの両面を伸縮性のある透明なシートで密閉します。
次に、リングの側面に開けた注入孔からシリンジを用いて透明な流体を注入します。
この流体を十分に注入すると両面の透明シートが膨らむのですが、この際に透明シートは半球面を形成します。
レンズの焦点距離は半球の曲率（曲率半径）によって定まるので、流体の充填率によって調整する事ができます。
非常に簡単な仕組みですが、これで基本的な液体レンズを構成する事ができます。
次回は、この設計図（？）に従って液体レンズを試作していきたいと思います。
