JPH0327081B2

JPH0327081B2 -

Info

Publication number: JPH0327081B2
Application number: JP21911383A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Imataki; Takashi Serizawa; Masayuki Usui; Takeshi Baba; Hiroyasu Nose
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-11-21
Filing date: 1983-11-21
Publication date: 1991-04-12
Also published as: JPS60111201A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はカメラ、ビデオ等の光学機器や光通
信、レーザーデイスクをはじめとするエレクトロ
オプテイクス機器に用いられる光学素子に関し、
特に光学表面形状を変化させることにより、焦点
距離を変化させうるような可変焦点光学素子に関
する。

従来、可変焦点レンズとしては、特開昭55−
36857に見られる様な弾性体の容器に液体をつめ
その液圧でその形状を変化せしめるものや、特開
昭56−110403、特開昭58−85415のように圧電体
を使用したものが提案されている。

しかし、前者の所謂、液体レンズは、液溜めや
加圧装置などが必要で素子のコンパクト化に問題
があり、後者は、その可変量があまり大きくとれ
ない欠点を有する。

本発明の目的は、上述の如き欠点を解決し、焦
点距離の変化量が大きく、構成が簡単な可変焦点
レンズを提供するものである。

本発明の光学素子は、開口を有し、かつ実質的
に変形しない材料でつくられた容積可変の容器
と、前記容器に保持され、かつ前記開口よりも広
い面積の面を持つ光透過性の弾性体とを有し、前
記面を前記開口に対向して配置して前記開口内の
前記弾性体表面を光学表面とし、前記容器の容積
を変化させることにより前記弾性体に体積変化を
与え、前記弾性体の体積変化を前記開口で解放す
ることにより前記光学表面を前記開口から突出ま
たは沈降させる構成にして焦点可変としたことを
特徴とするものである。即ち、本発明による光学
素子は、塊状の弾性体自体を部材の開口から凸状
に突出又は凹状に沈降させることによつて、その
開口部での弾性体が形成する光学表面を変形し
て、所望の光学特性、例えば焦点距離を得ること
ができるものである。従つて弾性体に対して外力
を印加するだけで、あるいは、弾性体の体積変化
をさせるだけで光学表面を可逆的に変化させて、
所望の光学特性が得られるため、光学素子の構成
や制御が極めて容易で、且つ光学表面の形状変化
に基く光学特性の変化のため光学特性の変化率を
極めて大きく設定することができる。

本発明に用いる弾性体としては物体に力を加え
ると変形を起し、加えた力があまり大きくない限
り（弾性限界内で）、力を取り去ると変形も元に
もどる性質（弾性）を有するものを用いることが
できる。

通常の固体では、その弾性限界内での最大ひず
み（限界ひずみ）は１％程度である。また、加硫
された弾性ゴムでは、弾性限界が非常に大きくそ
の限界ひずみは1000％近くになる。

本発明による光学素子においては、形成しよう
とする光学素子の特性に応じた弾性率のものが適
宜使用されるが、一般に大きい弾性変形を容易に
得るため、或いは変形後の状態が光学的より均質
になるようにするため弾性率が小さいものが好ま
しい。

なお、弾性率（Ｇ）はＧ＝σ／γ（σ＝応力、
γ＝弾性ひずみ）として表わされる。また、小さ
い応力で大変形を生じるような弾性は高弾性また
はゴム弾性と呼ばれ、従つて本発明では特にこの
種の弾性体が好ましく利用できることになる。

このようなゴム弾性体としては一般に“ゴム”
と知られている天然ゴム、例えばスチレンブタジ
エンゴム（SBR）、ブタジエンゴム（BR）、イソ
プレンゴム（IR）、エチレンプロピレンゴム
（EPM，EPDM）、ブチルゴム（IIR）、クロロプ
レンゴム（CR）、アクリロニトリル−ブタジエン
ゴム（NBR）、ウレタンゴム（Ｕ）、シリコーン
ゴム（Si）、ふつ素ゴム（FPM）、多硫化ゴム
（Ｔ）、ポリエーテルゴム（POR，CHR，CHC）
などを挙げることができる。これらはいずれも室
温でゴム状態を示す。しかし、一般に高分子物質
は分子のブラウン運動の程度によつて、ガラス状
態、ゴム状態又は熔融状態のいずれかをとる。従
つて、光学素子の使用温度においてゴム状態を示
す高分子物質は広く本発明の弾性体として利用で
きる。ゴム状態における弾性率は、主にその弾性
体を構成している高分子鎖の架橋状態によつて決
定され、従つて、例えば、天然ゴムにおける加硫
は弾性率を決める処理に他ならない。

本発明では使用する弾性体としては、小さい応
力で大きな変形を得る事が望ましく、その為の架
橋状態の調整は重要である。

しかしながら、弾性率の減少（小さい応力で大
きな変形を示すようになる傾向）は、他方で強度
の低下を招くため、形成しようとする光学素子の
目的に応じた強度を保てるように、使用する弾性
体を適宜選択することが必要である。又、その弾
性率の測定も、光学素子の使用形態による応力の
種類に応じて、例えば、引張り、曲げ、圧縮など
の方法から選んで行われる。

本発明に用いる弾性体としては、通常の固体で
の弾性率10¹¹〜10¹³dyne／cm²よりも小さく、ゴム
弾性体の10⁸dyne／cm²以下が適当で、好ましくは
10⁶dyne／cm²以下、特に好ましくは５×
10⁵dyne／cm²以下であり、下限は弾性体が光学素
子を構成する場合に、通常の液体とは異なり、こ
ぼれない性状の弾性体であれば小さい程好まし
い。なお、光学素子は、多くの場合室温で用いら
れるが、特に高温又は低温で用いられる場合もあ
るので、上記の弾性率の範囲は光学素子の使用温
度におけるものである。

弾性体の硬さ、軟さはある程度その弾性に依存
する。JISK6301では試料表面にスプリングによ
り微小なひずみを与え、その針入度によりゴムの
硬質を評価する方法が規定されており、簡便に知
ることが出来る。

しかしながら、弾性率が10⁶dyn／cm²以下と低
い値になると上述の方法では、測定が出来ずその
場合にはJISK2808による1/4インチミクロ稠度計
を用いてその針入度で評価する。

又、弾性率が小さい場合、その測定方法として
“引張り−伸び”では測定が困難なので圧縮（５
％変形）によりその値を求め、先の針入度との対
応を求めることができる。

ゴム弾性体は従来知られている加硫（橋かけ）
によるものの他にエチレン−酢酸ビニル共重合体
やＡ−Ｂ−Ａ型ブタジエン−スチレンブロツク共
重合体などのように加硫を必要としないもの、又
鎖状高分子などを適当（橋かけ点間の分子鎖長を
制御）にゲル化する事によつて得ることが出来
る。

これらはいずれもその架橋状態、ブロツク共重
合体に於る分子の組合せ、ゲル状態などを調節し
ながらその弾性率の制御が行われる。

又、弾性体自身の構造により、その弾性体を制
御する場合の他に希釈剤や充てん剤を加える事に
よつてもその特性を変化調節する事が可能であ
る。

例えばシリコーンゴム（信越化学工業製；
KE104（商品名））と触媒（商品名；AT−104，
信越化学工業製）に希釈剤（商品名；RTVシン
ナー、信越化学工業製）を加えた場合、その添加
量の増大とともに硬さ、引張り強さは低下し、逆
に伸びは増大する。

弾性体の開口部での光学表面を変形させる方法
は、外力の他、上記材料を用いて熱膨張・収縮や
ゾルーゲル変化などによる体積変化を利用するこ
ともできる。

弾性体の光学表面を形成するための開口を有す
る部材は平板に開口が設けられているものでもよ
いし、また、弾性体を容器に収容して使用する場
合には、収容する容器の少なくとも１つの壁に開
口が設けられているものでもよい。また、この開
口は要求される光学効果によつて異なるが、一般
的には円形に開口し焦点距離可変な凸、凹レンズ
を形成するのが一般的である。

又、矩形のスリツト状に開口を設ける事によ
り、シリンドリカルレンズ及びトーリツクレンズ
を形成することもできる。

これら開口によつて形成される光学素子はその
弾性体に加える外力又は弾性体の体積変化によつ
て、その形状を任意に変化させる事ができ、その
程度はその効果を検出しながらフイードバツクし
てコントロールする事が可能である。

又、この開口を円筒型ピエゾの様に圧電素子で
設ける事も可能であり、これにより著しく素子の
コンパクト化を実現する事ができる。

弾性体に外力を与える手段は、従来知られてい
る全べての方法で行う事が可能であるが、その弾
性体の変形を、光学効果を検出しながらフイード
バツク機構で行う事が望しく、この為には電磁石
やステツピングモーター、圧電素子等の電気的な
制御が可能な方法が好ましい。また、加熱による
体積変化は、弾性体の外部又は内部に設けられた
ヒーターをもつて行うことができる。次に、本発
明による光学素子の代表的な構成を図面により説
明する。

第１図〜第３図は、本発明の光学素子の代表的
な基本構成の断面を示すもので、１は円形開口部
２を有する円筒形の容器、３は透明な弾性体、４
は弾性体を加圧するための可動部で光学的に透明
な平行平板からなる。第１図は、圧力を加えてい
ない状態である。第２図は可動部４を通じて弾性
体３に圧力を加えた状態であり、この場合加えた
圧力の大きさにしたがつて、弾性体の一部が開口
部より凸レンズ状に突出する。第３図は、可動部
４を通じて弾性体に負圧を加えた状態で、この場
合弾性体は開口部において凹レンズ状になる。

このようにして、容器の可動部に印加する外力
の大きさによつて弾性体の一部により開口部に所
望の光学表面形状を実現することができるもので
ある。また、開口部２を有する開口板２′は光学
的に不透明であることが望ましいが、透明である
場合には、二重焦点の光学素子としての利用が可
能になる。また、可動部と弾性体は必要に応じて
接着剤などにより接着される。また、必要なら弾
性体と容器の内壁面とが全体的に接着される。ま
た、第１図のような構成の変わりに第４図のよう
に光学的に透明な平行平板を底にもつ容器５に入
れた弾性体３を円形開口部７を有する可動部６で
加圧するような構成にすることもできる。さらに
第５図に示すように、複数の開口部７および９を
設け、加圧によりおのおの曲率を与えることも可
能である。また、複数の開口部の大きさを変える
ことにより、それぞれ異つた曲率を与えることも
できる。また、第６図に示すように、弾性体３は
開口部１３が容器の内部に形成されているような
容器１０に収容されていてもよい。この開口部１
３は、容器の光学的に透明な上蓋１１に固定され
た円筒１２によつて形成されており、可動部４に
外圧に加えることによつて弾性体による光学表面
が開口部１３に形成される。

ここで可動部４又は６を駆動して弾性体３に圧
力を加える方法は、いかようなものも可能であ
り、簡単な方法としては、容器にネジを切つてお
き可動部をネジ込む方法や、電磁石を用いて可動
部を制御する方法などがあるが、それらの方法に
よつて本発明が限定されるものではない。また、
他の光学素子の例としては、第７図に示すよう
に、円筒形のピエゾ素子１４を用いて、その径方
向の伸縮により、ピエゾ素子の内部に充填した弾
性体３を円筒の開口部１５から突出・沈降させて
光学表面を形成することもできる。また本発明に
よる光学素子の開口部は円形に限られるものでは
なく、例えば第８図に示したように、矩形状の開
口部１７を有する容器１６を用いれば、加圧によ
り突出・沈降した弾性体の形状をシリンドリカル
レンズ又はトーリツク状にすることが可能であ
る。

なお、第９図および第１０図は弾性体に外力を
加える具体例であり、第９図は、円筒形の圧電体
２１の中に弾性体３を収容し、電源２２からスイ
ツチ２３を経て電圧を印加することによつて円板
状の可動部２０と開口部１８を有する駆動部１９
を接近させることで開口部１８の光学表面を変形
させるものである。また第１０図は、電磁石２６
により強磁性材からなる可動部２５を容器２７の
深さ方向に移動させることによつて弾性体３の開
口部２４における光学表面を変形させることがで
きるものである。

実施例１第１１図は本実施例で製造した光学素子の断面
図である。まず、透明なガラス板２８を底にもつ
真ちゆう製の円筒容器２９（内径50mm、深さ20
mm）にシリコーンゴム（商品名：KE104Gel，信
越化学工業製）に対して、触媒（商品名：Ca−
talyst104，信越化学工業製）を12重量％添加し
た混合液を収容し、50℃で48時間放置し、透明な
弾性体３０とする。この透明弾性体の弾性率は約
２×10⁵dyn／cm²である。次にこの透明弾性体３
０の上に直径約15mmの開口部３２を有するアルミ
板３１を載置し、それをおさえ環３３でおさえ
る。ここでおさえ環３３は円筒容器２９に対して
ねじ込めるようになつており、おさえ環３３の回
転でアルミ板３１を上下させ、アルミ板３１の開
口部３２により透明弾性体を突出又は沈降させ
る。このときの突出沈降部の形状は、光軸付近の
曲率半径が大きく、周辺部の曲率半径が小さいよ
うな回転対称非球面となつており、おさえ環の回
転により加える圧力を０〜200ｇ／cm²の範囲で変
化させると光軸付近の曲率半径は∞〜30mmの範囲
で連続的に変化させることができた。

またこの時のレンズの焦点距離は∞〜74mmの範
囲で変化させることができた。

実施例２実施例１においてアルミ板３１の開口部３２の
直径を10mmにしたところ、圧力０〜200ｇ／cm²に
対して、光軸付近の曲率半径は∞〜23mm、焦点距
離は∞〜57mmの範囲で変化させることができた。

実施例３実施例１において、触媒の添加量を10％とした
ところ、得られた透明弾性体の弾性率は約１×
10⁵dyn／cm²であつた。このときの圧力０〜100
ｇ／cm²に対して、光軸付近の曲率半径は∞〜32
mm、焦点距離は∞〜79mmの範囲で変化させること
ができた。

実施例４実施例１において開口部を有するアルミ板３１
の透明弾性体３０と接触する面に予めプライマー
処理（商品名：プライマーＡ、信越化学製）を行
ない、アルミ板３１と透明弾性体３０を接着させ
た。おさえ環３３の回転によりアルミ板３１を引
き上げ、透明弾性体３０に負圧をかけるとアルミ
板の開口部３２において透明弾性体３０が凹面状
に沈降した。加える負圧０〜100ｇ／cm²に対し光
軸付近の曲率半径は、∞〜63mm、焦点距離は−∞
〜−155mmまで連続的に変化させることができた。

この事により、アルミ板を押し下げたり、引き
上げたりする事により、凸−凹状のレンズを連続
的に形成することが可能となり、焦点距離が∞〜
74mm←→−∞〜−155mmの範囲で変化する光学素子
として作用することが認められた。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明による光
学素子の断面図であり、第１図は外力を印加して
いない状態、第２図は外力を上方に印加した状態
および第３図は外力を下方に印加した状態を示
す。第４図、第５図および第６図は、それぞれ本
発明の光学素子の他の態様の断面図である。第７
図は、円筒形のピエゾ素子を用いた光学素子の例
を示す断面図である。第８図は、本発明によるさ
らに他の光学素子の斜視図である。第９図、第１
０図および第１１図はそれぞれ本発明による光学
素子に外力を印加する手段を配置した断面図であ
る。１，５，８，１０，１６および２９……容器、
３および３０……弾性体、２，７，９，１３，１
５，１７および３２……開口部、４および６……
可動部、１４……ピエゾ素子、２８……ガラス
板、３１……アルミ板、３３……おさえ環。

Claims

【特許請求の範囲】

１開口を有し、かつ実質的に変形しない材料で
つくられた容積可変の容器と、前記容器に保持さ
れ、かつ前記開口よりも広い面積の面を持つ光透
過性の弾性体とを有し、前記面を前記開口に対向
して配置して前記開口内の前記弾性体表面を光学
表面とし、前記容器の容積を変化させることによ
り前記弾性体に体積変化を与え、前記弾性体の体
積変化を前記開口で解放することにより前記光学
表面を前記開口から突出または沈降させる構成に
して焦点可変としたことを特徴とする光学素子。