JPH01166003A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、自ら変形することにより光路を変更しうる光
学素子に関する。

〈従来の技術〉 従来の自ら変形することにより光路を変更しうる光学素
子としては、弾性体の容器に液体をつめ、その液圧でそ
の形状を変化させて焦点距離を制御するもの（特開昭５
５−３６８７５号公報）や、上記形状を変化させるため
に圧電体を使用するもの（特開昭５６−１１０４０３号
公報、特開昭５８−８５４１５号公報）が提案されてい
る。また、例えばシリコンゴムの如きの弾性体を開口部
から突出または沈降させることにより、開口部で弾性体
が形成する光学表面を任意に変形し、所望の焦点距離を
得る可変焦点の光学素子が提案されている（特開昭６０
−８４５０２号公報）。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、従来の光学素子においては、■　いわゆ
る液体レンズは、液溜や加圧装置が必要で小型化が難か
しく、 ■　圧電体を使用した場合は焦点距離の可変量が小さく
、 ■　弾性体を変形する際にその機構が複雑であり、 という種々の問題があった。

本発明は以上述べた事情に鑑み、自ら変形して光路を変
更する光学素子であって、構造が簡易でコンパクトなも
のを提供することを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 前記目的を達成するための本発明の構成は、相対向して
設けられた光透過性の透過体と、これら透過体の縁部同
志を連結するとともに少なくともその一部が水を通過さ
せうる内壁と、上記透過体及び内壁で囲まれた室内に内
封されるとともに電圧を印加されて収縮する含水高分子
ゲルと、との含水高分子ゲルに接触する電極とを有し、
電極に印加される電圧の変化により上記透過体を通過す
る光の光路を変化させることを特徴とする。

本発明で用いた上記含水嶌分子ゲルは、数Ｖから数十Ｖ
の直流電圧を印加すると、水を放出しながら収縮する性
質を有する（高分子３６巻５月号１１９８７）。本発明
は、この含水高分子ゲルの性質を利用して、自ら変形し
て光路を変更しうる光学素子としたものである。

本発明にかかる高分子ゲルは、天然物又は合成化合物の
アニオン、カチオン及びベタイン等のイオン性基を含有
するポリマーのゲルをいう。

例えばアニオン性基含有ポリマーとしては、特公昭４１
−１２８３５号、同５７−３３７７７号、同５９−７７
２４号、特開昭５７−１０５４７１号、同５１−８１１
２３号、同５３−３９１１９号、同５２−６７３１８号
、同５５−９８７４６号、同５６−５５３７号、同５３
−１３４１１号、１同５５−９８７４５号、同５３−１
８６８７号、米国特許第３７４６５４７号、同第３７６
７４１０号、英国特許第１４２１９３０号、仏閣特許２
１１７８１５７号などの公報に記載されている化合物が
有用である。

アニオン性基含有ポリマーの好ましい例として以下の一
般式（Ｉ）〜一般式■であられされろ化合物をあげるこ
とができる。

一般式（Ｉ） Ｑｒ′ｅｎＭの 式中、Ａは共重合可能なエチレン性不飽和モノマーを共
重合したモノマー単位をあられし、２種以上のモノマー
単位を含んでも良い。

一般式（Ｉ）のＡで示されるエチレン性不飽和モノマー
の例は、スチレン、ヒドロキシメチルスチレン、α−メ
チルスチレン、４−ビニルピリジン、Ｎ−ビニルピロリ
ドン、１−ビー４＝ ニルイミダゾール、２−メチル−１−ビニルイミダゾー
ル、脂肪酸のモノエチレン性不飽和エステル（例えば酢
酸ビニル）、無水マレイン酸、エチレン性不飽和のモノ
カルボン酸もしくはジカルボン酸のエステル（例えばｎ
−ブチルアクリレ−）、Ｎ、Ｎ−ジエチルアミノエチル
メタクリレート、２−ヒト四キシエチルアクリレートお
よびメタクリレートなど）、エチレン性不飽和エーテル
（例えばメチルビニルエーテルなど）、エチレン性不飽
和モノカルボン酸、もしくはジカルボン酸のアミド（例
えばアクリルアミド、Ｎ−（１，１−ジメチル−３−オ
キソブチル）アクリルアミド、Ｎ−イソプロピルアクリ
ルアミド、（Ｎ−（３−アクリルアミドプロピル）−Ｎ
、Ｎ−ジメチルアンモニオ）アセテートベタインなど）
があげられる。

Ｒ１は水素原子または１から６個の炭素原子を有する低
級アルキル基（例えばメチル基、エチル基、ブチル基な
ど）をあられし、この中で水素原子、またはメチル基が
特に好ましい。

Ｌは単結合もしくは２価の連結基であり置換されていて
も良い。好ましくはアルキレン基、アリーレン基、又は
これらの基と一〇−１れる結合を１つあるいは複数組み
あわせることにより形成される２価の基である。Ｒ２は
水素原子、又は１〜１０個の炭素原子を有するアルキル
基、アラルキル基をあられす。特に好ましくは、”Ｌは −ＣＯＮＨＣ（ＯＨ３）、ＣＨ２−１−ＣＯＯＣＨ２Ｃ
Ｈ，０−１−ＣＯ０ＣＨ２ＣＨ２０ＣＯＣＨ２ＣＨ，−
１−ＣＯＮＨＣ■２ＣＩ（２０−１−ＣＯＮＨＣＨ２Ｃ
Ｈ２０ＣＯＣＨ２ＣＨ，−１−ＣＯＯＣＨ２ＣＨ２−１
−ＣＯＮＨＣＨ２ＣＨ２−１および単結合である。

Ｑｏｏはアニオン性基をあられし、好ましくはカルボキ
シル基、スルホ基、ホスポン酸基である。

ｎは１または２であり　Ｑ　’ｉｉｌの種類によって規
定される。（例えばＱ″ｅがスルホ基、カルボキシル基
などではｎ　＝　１である。）Ｍ＠は水素イオン、１価
の金属イオン、アンモニウムカチオンをあられし、水素
イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、アンモニ
ウムイオンが好ましい。

が 位は２種以上の異なったモノマー単位の混合物であって
も良い。

ｘ、ｙはモル百分率をあられし、Ｘは０ないし９９、ｙ
は１ないし１００の値をとる。

好ましくは、Ｘは０ないし７５、ｙは２５ないし１００
である。

一般式（９） 式中、Ａ、ｘ、ｙは一般式（Ｉ）の定義と同じ定義であ
り、一般式（Ｉ）の項で好ましいと列挙されたものがこ
の場合にも好ましい例である。

Ｒ３、Ｒ４は一般式（Ｉ）のＲ１と同定義であり、同じ
であっても異なっても良い。Ｒ３、Ｒ４は水素原子が好
ましい。

Ｘは水素原子、１価の金属原子、アンモニウム塩をあら
れし、水素原子、ナトリウム原子、カリウム原子が好ま
しい。Ｙは一〇−ま１０個の炭素原子を有するアルキル
基、アラルキル基、アリール基をあられす。）、−０−
が好ましい。ＺはＲ５で定義されたものの他むこＹが一
〇−のときは１価の金属原子、アンモニウム塩をあられ
し、水素原子、ナトリウム原子、カリウム原子が好まし
い。

また、望ましいアニオン性基含有ポリマーの具体例を以
下に示すが、本発明はこれに限定されない。

しｒｌつ また、カチオン性基含有ポリマー、としては特開昭５６
−４７０３６号、特公昭５９−３９７３９号、米国特許
筒４，３０４，８５２号、同第４，３４３，８９４号、
同第４，３６２，８１２号、同第４．３３０．６１８号
等に記載されているもの、及びベタイン基含有ポリマー
としては、例えば米国特許筒４、４９５．２７５号、同
第４．２６６、０１５号、同第４、２２９．５２４号、
に記載されるものが望ましい。

望ましいカチオン性基、ベタイン基を含有するポリマー
の具体例を以下に示す。

１ｌ− ＝１２＝ く作　　　用〉 前記構成の本発明の光学素子は、含水高分子ゲルに電圧
を印加すると水を放出しながら該ゲルが収縮するととも
に該ゲルを内封していた光透過性の透過体が変形又は移
動され、透過体を通過する光の光路が変化する。一方、
電圧の印加を止めると含水高分子ゲルは内壁外へ放出さ
れた水を吸収しながら膨潤し、透過体がもとへもどる。

く実　施　例〉 以下本発明の好適な実施例を説明する。

第１図は本発明の第１実施例にかかる光学素子の平面図
、第２図（ａｌ、（ｂｌは光学素子の収縮状態を示す縦
断面図である。これらの図面に示すように本実施例の光
学素子ＩＡのケーシング２ａ、２ｂは厚さ方向に移動自
在に互いに嵌合してお９、ケーシング２ａ、２ｂ同志は
その線部の複数個所に設けられたばね３により嵌合する
方向に付勢されている。

これらケーシング２ａ、２ｂの矩形の底面の中央部の開
口４には光透過性のガラス板５が相対向して平行に設け
られており、乙れらガラス板５，５に挾まれた空間はケ
ーシング２の内側に突設されるとともに互いに摺動自在
に嵌合する内壁６，６で画成された室内には含水高分子
ゲル７が内封されている。すなわち、含水高分子ゲル７
はガラス板５，５及び内壁６，６で囲まれて四角柱状に
保形されており、含水ゲル７自体は内壁６，６から外へ
もれないようになっている。そして第２図中上下側の内
壁６には水を通過しうるが含水ゲル７自体は通過させな
い通過孔が形成されている。また、これら内壁６，６の
外側にはケーシング２ａ、２ｂの内面同志を連結するよ
うにフレキシブル膜８が設けられており、このフレキシ
ブル膜８により水分を外方へもらさないようになってい
る。図中上下側の内壁６とフレキシブル膜８との間には
水を吸収・保持しうる吸収体９が内包されている。さら
に含水ゲル７に電圧を印加するための電極１０Ａは図中
上下側の内壁６に平行に含水ゲル７内に押入されている
。

なお、光学素子ＩＡにおいては含水ゲル７は、電極１０
Ａに電圧を印加しない状態で第２図（ａ）に示すように
ばね３に抗してガラス板５．５間の距＠ｌを大とするよ
うに膨潤しうるものが内封されている。

このような光学素子ＩＡを第４図に示すようなレンズＬ
の後に第２図（ａ）の状態の光学素子を設けて、この光
学素子ＩＡに数Ｖ〜数十■の電圧を印加すると、ゲル７
から水が放出されガラス板間の距１ｉＩ１１が小さくな
り　（ｌ→１２）、光路イの（第４図（ａ））状態から
光路口（第４図（ｂ））の状態に変化し、結像の位置が
αだけ光学素子ＩＡ側へ移動することとなる。

尚、本実施例では放出された水は吸収体９を用いて吸収
したが、この吸収体９を用いない場合には第２図（ａ）
の状態において（距１ｇｌが大のとき）にフレキシブル
膜と内壁６との間に水を充満させておき、電圧を印加す
るに従って水が該水を充満させたところに移動させてフ
レキシブル膜を膨張させ、第２図（ｂｌの状態（距離ｌ
が小）になるようにすればよい。

次に本発明の第２の実施例について説明する。本実施例
は第３図に示すように第１実施例で用いた光学素子ＩＡ
の棒状の電極１０Ａを、透明電極１０Ｂに変更し、該電
極をガラス板５の内面５ｂに設けたもので、他は第１実
施例と同様の構成を有しているものであり、第１実施例
と重複している部分の説明は省略する。

尚、本実施例の光学素子ＩＢは第１実施例の光学素子Ｉ
Ａと同様な作用・効果を有するものであり、その説明は
省略する。

次に本発明の第３実施例について説明する。

第５図（ａＬ（ｂ）は本実施例の光学素子の断面図を示
す。これらの図面に示すように光学素子ＩＣのリング、
状のケーシング１１、開口１２゜１２には中央部が外側
へ突出する凸状の弾性膜１３が相対向するように設けら
れており、これら弾性膜１３の間に凸状のレンズの空間
を形成している。この弾性膜１３は例えばシリコーンゴ
ム等の伸縮自在に変形可能な樹脂を成形したものである
。また上記レンズ状の空間は該空間とケーシング１１内
のリング状の空間とは水が通過しうる通過孔が形成され
ている内壁１４により仕切られている。そしてケーシン
グ１１内のリング状の空間には上記レンズ状の空間のみ
連通するフレキシブル膜１５により仕切られた空間が形
成されている。すなわち、フレキシブル膜１５は水をケ
ーシング２内の空間へもらさないよう防水性を有してお
り、折りたたみ部１５ａを有することによりその内部空
間の大きさを変化できるようになっている。

この凸状のレンズ状の空間内には含水高分子ゲル１６が
、フレキシブル膜１５内には水がそれぞれ内封されてい
る。そして、このゲル１６に接触するように弾性膜１３
の外縁部近傍の内側には一対のリング状電極１７ａ。

１７ｂが貼着されている。

含水ゲル１６は電圧を印加しない状態では第５図（ａ）
に示すように膨潤した状態で弾性膜１３を伸張させその
曲率を大としてレンズ空間内に内封されており、このと
きフレキシブル膜１５の折りたたみ部１５ａは折りたた
まれた状態で水が満たされている。

このような光学素子ＩＣにおいて、直流電圧を一対の電
１１７ａ、１７ｂ間に印加すると含水高分子ゲル１６に
保持されていた水が内壁１４を通過してフレキシブル膜
１５の空間内に移動することとなり折たたみ部が膨張す
るとともに、伸縮性を有する弾性膜１３が収縮し、その
曲率が変化することとなる。よってこのような光学素子
ＩＣはゲルに電圧を印加することにより焦点距離が変化
するレンズとなる。

次に本発明の第４実施例について説明する。

本実施例の光学素子は第３実施例の光学素子ＩＣの凸状
の可変する弾性膜１３の一方を平板ガラス板とし、また
電極の取付は位置及び形状を変更した他は、第３実施例
の構成を有しているものであり、第３実施例と重複する
部分の説明は省略する。

第６図（ａｌ　（ｂｌは本実施例にかかる光学素子の断
面図、第７図はその平面図である。これらの図面に示す
ように光学素子ＩＤは第３実施例で用いた伸縮性を有す
る弾性膜１３の一方を円形の平板ガラス板２０としたも
のであり、このガラス板２０の中心部には針状の電極２
１が設けられており、ゲル１６に挿入されている。この
針状電極２１は結像の際に該像を阻害しないためにその
大きさを８１ｉ極細いものとしている。一方の電極は第
３実施例と同様なリング状の透明電極１７ａが設けられ
ている。

尚、本実施例の光学素子ＩＤは第３実施例の光学素子Ｉ
Ｃと同様な作用効果であり、その説明は省略する。

思上第１実施例から第４実施例まで述べたようにこれら
の実施例では含水高分子ゲルを水で飽和させた状態で内
封させているので例えばガラス板間の距＠ｌ又はレンズ
の曲率が最大となり、一方ゲルに印加を続けて水を放出
してゲルが収縮した状態では、それらの距離！又は曲率
を最小としている。

尚、途中で印加を停止したときは、水は再びゲルの方へ
逆転し、ゲルに水が再び保持されることとなりもとの状
態に戻る。

また、第３実施例、第４実施例では凸状のレンズを挙げ
て説明したが本発明はこれに限定されず凹レンズであっ
てもよい。

〈発明の効果〉 以上実施例とともに詳しく説明したように、本発明の光
学素子は透過体間に電圧の印加により収縮しうる含水高
分子ゲルを内封して構成されているので、印加する電圧
の変化により自ら変形して光路を変更できるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例にかかる光学素子の平面図、第２図
（ａｌ、（ｂ）は光学素子の収縮状態を示す縦断面図、
第３図は第２実施例にかかる光学素子の断面図、第４図
は光学素子を光学系に配置した説明図、第５図（ａＬ　
（ｂ）は第３実施例にかかる光学素子の断面図、第６図
（ａｌ）　（ｂｌは第４実施例にかかる光学素子の断面
図、第７図はその平面図である。 図面中、 ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ，ＩＤは光学素子、 ７．１６は含水高分子ゲル、 １０Ａ、ＩＯＢ、１７ａ、１７ｂ、２１は電極である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）相対向して設けられた光透過性の透過体と、これら
   透過体の縁部同志を連結するとともに少なくともその一
   部が水を通過させうる内壁と、上記透過体及び内壁で囲
   まれた室内に内封されるとともに電圧を印加されて収縮
   する含水高分子ゲルと、この含水高分子ゲルに接触する
   電極とを有し、電極に印加される電圧の変化により上記
   透過体を通過する光の光路を変化させることを特徴とす
   る光学素子。 ２）上記透過体が平板状であるとともに内壁が透明体間
   の距離を可変に連結するものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の光学素子。 ３）上記透過体の少なくとも一方が光透過性の弾性体で
   あり、伸縮により曲率が変化するものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の光学素子。