JPH0327082B2 - - Google Patents

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
光学素子を提供するものである。

本発明の光学素子は、実質的に変形しない材料
で作られ、開口を有する一対の開口部材と、前記
一対の開口部材の間に配された分離部材と、前記
一対の開口部材と前記分離部材の間に挾持され、
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
とすると共に、前記一対の開口部材のそれぞれに
設けられた開口を前記分離部材を介して対向する
ように配置し、前記弾性体に与えられた体積変化
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。

また、本発明の光学素子は、実質的に変形しな
い材料で作られ、分離部材及び対向した開口を有
し、かつ前記分離部材で分離された各空間の容積
が可変の容器と、前記各空間にそれぞれ保持さ
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、前記空間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又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。

本発明による光学素子は、弾性体および該弾性
体を突出又は沈降させて光学表面を変形できる開
口を有する部材からなる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。

また、本発明による光学素子は、対向する開口
の間に弾性体の分離部材を介在させてあることか
ら、対向する開口のそれぞれに形成される光学表
面を独立に所望の形状にすることができるため、
より高度な焦点の可変が可能な光学素子として用
いることができるものである。

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により均
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や、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）などの
合成ゴム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10¹¹〜10¹⁸dyne／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；
KE104GEL（商品名））と触媒（商品名；
CataIyst−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基本原
理を説明するための光学素子の断面を示すもの
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。

第１図〜第４図に示されるように弾性体は開口
によつて、光学表面を形成できるのであるが、本
発明では特に、複数の光学表面形状を独立に変化
させることを実現するために弾性体の分離部材を
設けるものであり、第５図はその代表的な１態様
を示す。第５図の光学素子は弾性体３が円筒状の
容器８内に円板状の分離部材１１で分離して収容
されているものであり、対向する開口部材１０お
よび１３には対向する開口部９および１２が位置
する。開口部９および１２に形成される弾性体の
光学表面は開口部材１０と１３又は１１或いは開
口部材と分離部材の両者を開口と直角方向に移動
させることによつて所望の形状に変形させること
ができる。例えば、分離部材１１を固定し、開口
部材１０および１３を分離部材に近ずけるように
動かすことによつて、開口部９と１２に形成され
る光学表面を凸状にすることができるし、また、
分離部材から離すように移動させることによつ
て、開口部９と１２に形成される光学表面を凹状
にすることができる。また、開口部材１０と１３
を同一方向に移動させることによつて、または、
開口部材を固定して分離部材１１を移動させるこ
とによつて、開口部９と１２に形成される光学表
面の一方を凸状に他方を凹状にすることができ
る。開口部材又は分離部材を駆動して弾性体３に
圧力を加える方法は、いかようなものも可動であ
り、簡単な方法としては、容器８にネジを切つて
おき開口部材又は分離部材をネジ込む方法や、電
磁石を用いて開口部材又は分離部材を制御する方
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。なお、分離部材１１は
一般には、光学的に透明な部材である。

第６図に示す光学素子は、本発明の他の態様の
断面図であり、弾性体３が容器に収容されていな
いものである。この場合には必要に応じて、弾性
体の円周側面は硬化処理されていてもよい。硬化
処理は、例えば弾性体を架橋硬化剤を溶解した溶
液中に、デイツプしその表面にのみ架橋を行わせ
る事や紫外線硬化形の樹脂に浸漬し、その樹脂の
硬化を紫外線照射して行う。

また、他の光学素子の例としては、第７図に示
すように、円筒形のピゾエ素子１４および１５を
用いて、その径方向の伸縮により、ピゾエ素子の
内部に充填した弾性体３を円筒の開口部１６およ
び１７から突出・沈降させて光学表面を形成する
こともできる。１８は固定された円板状の分離部
材であり、ピエゾ素１４および１５を独立して作
動させることによつて、開口部１６および１７に
異なる光学表面を形成することができる。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１８を有する容器１９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
リカル又はトーリツク状にすることが可能であ
る。２０は分離部材である。

また、２つの対向する開口部が同一の大きさ、
あるいは形状である必要はない。

また、分離部材を平板で構成する必要もなく、
レンズ形状をしたものを用いることも、光学設計
上有用である。また、不透明な分離部材に開口を
設け、絞りとして用いることも有用であり、その
場合、弾性体は分離部材により完全には分離され
ないので、第５図のような例と比べて、弾性体を
一度に成形できる。

実施例 第９図は、本実施例で製造した光学素子の断面
図である。まず、真ちゆう製の円筒容器２１（内
径50mm、深さ45mm）の内部中央に、厚さ１mmのガ
ラス板２４を分離部材として固定し、その両側に
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：Catalyst104，
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２６，
２６′とした。この弾性体の弾性率は約２×
10⁵dyn／cm²である。次に、この弾性体２６，２
６′上に、直径約15mmの開口部２３，３′を有する
鉄板２２，２２′を、各々弾性体２６，２６′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，信越化学工業製）を行ない、鉄板２２，
２２′と弾性体２６，２６′を接着させた。

この容器２１の周囲に２つの電磁石２５，２
５′を配置し、その電流量によつて鉄板２２，２
２′にかかる圧力を独立に制御し、開口部２３，
２３′より突出するシリコーンゴムの形状を種々
変化させた。なお、鉄板２２，２２′に圧力を加
えない状態においては、シリコーンゴムの表面２
３と２３′間の距離は約15mmであり、鉄板２２，
２２′に圧力を加えた場合でも、シリコーンゴム
の表面２３と２３′の頂点間の距離はほとんど変
わらなかつた。

電磁石２５により鉄板２２に＋20ｇ／cm²，＋40
ｇ／cm²の圧力を印加したとき、シリコーンゴムの
表面２３は近軸曲率半径が各々、約300mm、約150
mmの凸面となり、−20ｇ／cm²の圧力を印加したと
きは、近軸曲率半径約310mmの凹面となつた。

鉄板２２′に圧力を印加したときの、シリコー
ンゴムの表面２３′も同様である。

シリコーンゴム２６，２６′、ガラス板２４の
屈折率はいずれも約1.4であり、従つて鉄板２２，
２２′各々に＋40ｇ／cm²の圧力を同時に印加した
状態では焦点距離約190mmの両凸レンズ、鉄板２
２に＋40ｇ／cm²、鉄板２２′に−20ｇ／cm²を印加
した状態では焦点距離約700mmのメニスカスレン
ズ、鉄板２２，２２′各々に−20ｇ／cm²の圧力を
印加した状態では焦点距離約−370mmの両凸レン
ズが得られた。

また、鉄板２２に＋20ｇ／cm²、開口部２２′に
−20ｇ／cm²の圧力を印加した状態（実質的に鉄板
２２，２２′を容器２１に固定し、分離部材であ
るガラス板２４を下向きに圧力40ｇ／cm²の力で移
動させた場合と等価）においては、ほとんど焦点
距離∞のメニスカスレンズとなつた。

【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
学素子の原理を説明するための光学素子の断面図
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図は、本
発明による光学素子の原理を説明するための光学
素子の断面図である。第５図および第６図は、そ
れぞれ本発明の光学素子の１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
図は、本発明の実施例の光学素子の断面図であ
る。 １，５および８，２１……容器、３……弾性
体、２，７，９，１２，１６，１７および１８…
…開口部、４および６……可動部、１１，１８お
よび２０……分離部材、１４および１５……ピエ
ゾ素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 実質的に変形しない材料で作られ、開口を有
   する一対の開口部材と、前記一対の開口部材の間
   に配された分離部材と、前記一対の開口部材と前
   記分離部材の間に挾持され、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すると共に、前記
   一対の開口部材のそれぞれに設けられた開口を前
   記分離部材を介して対向するように配置し、前記
   弾性体に与えられた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。 ２ 実質的に変形しない材料で作られ、分離部材
   及び対向した開口を有し、かつ前記分離部材で分
   割された各空間の容積が可変の容器と、前記各空
   間にそれぞれ保持され、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、前記空間の容積を
   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又は
   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。