JPH0327086B2

JPH0327086B2 -

Info

Publication number: JPH0327086B2
Application number: JP777484A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Baba; Hiroyuki Imataki; Takashi Serizawa; Hiroyasu Nose; Masayuki Usui
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-01-18
Filing date: 1984-01-18
Publication date: 1991-04-12
Also published as: JPS60151603A

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
距離及び光軸の方向あるいは位置を変化させうる
ような光学素子に関する。

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。

また、従来の光学素子を用いて、焦点距離が可
変でしかも光軸の位置が変えられる装置を製作し
ようとすると、装置全体が複雑で大型化し、この
ためコスト高となる等の欠点があつた。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたもの
で、簡単な構成で焦点距離の変化量が大きく、し
かも光軸の位置を変えることができる光学素子を
提供することを目的とするものである。

本発明の光学素子は、開口を有し、実質的に変
形しない材料でつくられた開口部材と、前記開口
よりも広い面積の面を持つ弾性体と、前記開口部
材と共に前記弾性体を挾持する底板とを有し、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透過性あるいは光反射性の光
学表面とし、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
記開口から突出又は沈降させる構成にして焦点可
変とした光学素子で、前記開口部材を、前記開口
の張る面に垂直な光軸に対し直交する方向に移動
可能に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、開口を有し、実質
的に変形しない材料でつくられた開口部材と、前
記開口よりも広い面積の面を持つ弾性体と、前記
開口部材と共に前記弾性体を挾持する底板とを有
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透過性あるいは光反射
性の光学表面とし、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又は沈降させる構成にして
焦点可変とした光学素子で、前記開口の張る面と
前記底板とのなす角度を変化可能にしたことを特
徴とするものである。

さらに、本発明の光学素子は、開口を有し、実
質的に変形しない材料でつくられた開口部材と、
前記開口よりも広い面積の面を持つ弾性体と、前
記開口部材と共に前記弾性体を挾持する底板とを
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透過性あるいは光反
射性の光学表面とし、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又は沈降させる構成にし
て焦点可変とした光学素子で、前記開口部材を、
前記開口の張る面と垂直な光軸に対し直交する方
向に移動可能にすると共に、前記開口の張る面と
前記底板とのなす角度を変化可能にしたことを特
徴とするものである。

さら、本発明の光学素子は、開口を有し、実質
的に変形しない材料でつくられた開口部材と、前
記開口よりも広い面積の面を持つ弾性体と、前記
開口部材と共に前記弾性体を挾持する底板とを有
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透過性あるいは光反射
性の光学表面とし、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又は沈降させる構成にして
焦点可変とした光学素子で、前記開口部材を球面
とし、前記球面によつて形成される球の中心を回
転中心として前記開口部材を回転可能にしたこと
を特徴とするものである。

すなわち、本発明による光学素子は、塊状の弾
性体自体の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、その開口で弾性体が形
成する光学表面を変形し、その曲率を変化させる
ことにより所望の焦点距離を得、かつ開口の方向
あるいは位置を変化させることによつて、光学表
面の光軸の方向あるいは位置を可変としたもので
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＝ρ／γ（ρ＝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10¹¹〜10¹³dyne／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れ
らるが、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。JIS K6301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JIS K2808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
は“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）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。

開口板に設ける開口の形状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
を形成することができ、また多数の開口を設ける
事によりアレイ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。

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。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例に
ついて説明する。

第１図は、本発明による光学素子の一例を示す
断面図で、容器１内には弾性体４が充填されてい
て、弾性体４の上部には開口部材３が配置されて
いる。開口部材３には開口２が形成されている。

この状態で弾性体４に圧力を加えられると、開
口２から弾性体４が突出する。第１図に示す本発
明の光学素子においては、平常状態でも弾性体４
に圧力が加えられるようになつている。従つて、
開口２内の弾性体の表面５（以下、開口内表面）
はゆるい凸形状となり、光学表面を形成する。

第１図に示す本発明の光学素子では、容器１の
底板１ａが圧電素子でできていて、底板１ａに電
圧を加えると、第２図に示すように底板１ａは容
器１内側に隆起して弾性体４に圧力を加える。す
ると、開口内表面５は第１図に示す形状よりも曲
率半径の小さい凸形状となる。

その結果、本発明の光学素子は、第１図の場合
よりも焦点距離が短かくなる。図示例において
は、底板１ａによつて弾性体４に圧力が加えられ
るようになつているが、開口部材３あるいは容器
１の側面によつて弾性体４に圧力を加えるように
構成してもかまわない。

さて、本発明の光学素子では開口部材３を任意
に移動させることができる。第３図に示す本発明
の光学素子では、開口部材３の開口２が容器１の
側面１ｂ方向に移動している。従つて、本発明の
光学素子の光軸ｋは、開口部材３の移動ととも平
行移動する。つまり開口部材３は、第１図〜第３
図からわかるように、開口２の張る面に垂直な光
軸ｋに対し直交する方向に移動可能に設けられて
いる。一方、開口内表面５の表面形状は、弾性体
４にかかる圧力（張力）を変化させない限りかわ
らない。

第１図〜第３図においては、弾性体４として透
明なものを用い、本発明による光学素子をレンズ
として用いた。図中、点Ｐに点光源をおいた場
合、第１図の状態においては、開口内表面５の弱
い正の屈折力により、点Ｑに光束が結像する。し
かし、第２図の状態においては、開口内表面５の
強い屈折力により点Q′に、また第３図において
は開口内表面５の平行移動により点Q″に結像位
置がかわる。即ち第１図に示す本発明の光学素子
は圧電素子の底板１ａに印加する電圧と、開口３
の位置により、結像位置を任意に変えることがで
き、本発明における光学素子は３次元光走査機能
を有する。開口内表面５は屈折面としてばかりで
なく、反射面として用いることもできる。

第４図は、本発明による光学素子の他の例を示
すもので、開口９を有する開口部材７が球面形状
をしている。このため、開口部材７は球面上を移
動することになる。つまり開口部材７は、第４図
〜第６図からわかるように、開口部材７の球面に
よつて形成される球の中心を回転中心として回転
できるように設けられている。第４図に示す本発
明の光学素子では、容器８の底板８ａが上下に移
動可能に構成され、弾性体６には、底板８ａによ
つて圧力（張力）が加えられる。

第４図は、底板８ａに圧力を加えない状態を示
したものである。第５図では開口９が左方に移動
するとともに、底板８ａが上昇して弾性体６に圧
力を加えられている。従つて、開口内表面１６は
凸形状となり、光軸ｌは開口部材７の移動ととも
に回転する。第６図では、開口９が右方に移動す
るとともに、底板８ａが下降して弾性体６に負圧
が加えられている。従つて、開口内表面１６は凹
形状となり、光軸ｌは開口部材７の移動とともに
回転する。

この例においては、第１図の例と異なり、開口
部材７の移動によつておこる開口内表面１６の偏
芯は平行偏芯と傾き偏芯の両方となる。

つまり、開口部材を、この開口部材に形成され
た開口の張る面と垂直な光軸に対し直交する方向
に移動可能で、かつ前記張る面と底板とのなす角
度が可変となるように設けている。

第７図は本発明による光学素子のさらに他の例
を示すもので、開口１７を有する開口部材１０上
に２つの永久磁石１１，１１′が配置されている。
１８は弾性体、１９は平行平板ガラスの底板であ
る。底板１９の下方には、２つの電磁石１２，１
２′が配置されている。２つの電磁石１２，１
２′の電流量を独立に制御することにより、電磁
石１２，１２′と永久磁石１１，１１′の間に働く
引力あるいは斥力を変化させ、開口内表面２０の
形状及び光軸の位置を自由に変えることができ
る。

第７図は電磁石１２，１２′に電流を流さない
場合第８図は永久磁石１１と電磁石１２の間に強
い引力、永久磁石１１′と電磁石１２′の間に弱い
引力が働くよう電流を流した場合、第９図は永久
磁石１１と電磁石１２の間に強い斥力、永久磁石
１１′と電磁石１２′の間に弱い斥力が働くように
電流を流した場合を示す。

第７図〜第９図からわかるように、開口部材１
０は開口１７の張る面と底板１９とのなす角度が
可変となるように設けられている。

次に、本発明の光学素子を実際のレンズ系に使
用した例を示す。

本発明の光学素子は、例えば光デイスクのピツ
クアツプ用対物レンズ系に使用することができ
る。第１０図及び第１１図は、本発明の光学素子
を用いた光デイスクのピツクアツプ用対物レンズ
系の構成例で、１３は第７図に示した本発明の光
学素子、１４は対物レンズ、１５は光デイスクの
記録面である。

図面左方より入射した平行レーザビームは、本
発明の光学素子１３、対物レンズ１４によつて光
デイスクの記録面１５上に結像される。結像され
たレーザビームは、その結像点に書きこまれてい
る情報に従つて、偏光状態に変化を受けて反射さ
れる。発射されたレーザービームは入射時と同じ
光路を逆行し、検出器によつてその偏光状態が検
出され、情報が読み出される。

このような光学系においては、光デイスクの所
定位置に、小さいスポツトとしてレーザビームを
集光する必要があり、振動や光デイスクの偏芯、
面のうねり等の影響を除去しなければならない。
このため、光デイスクのピツクアツプには自動調
節機構すなわち記録面１５が対物レンズ系の光軸
ｍ方向に移動しても常に記録面１５上にビームを
結像する機構を、トラツキング機構すなわち記録
面１５が光軸ｍに対して垂直方向に移動しても常
に記録面１５の同一円周上にビームを結像する機
構が必要である。

このため、従来の光デイスクのピツクアツプで
は対物レンズ全体を機械的に移動させたり、ある
いはガルヴアノメータの光偏向等の手段を用いて
これらの機構を設けていたが、装置の小型化や応
答速度の点に問題があつた。

しかし、第１０図及び第１１図に示すように、
本発明の光学素子１３を使用すれば、開口部材１
０を光軸ｍ方向に移動させることによつて、対物
レンズ系全体の焦点距離を変化させることができ
る。また、開口部材１０の底板１９に対する角度
を変化させることによつて、プリズム作用でレー
ザビームを偏向させることができる。つまり、本
発明の光学素子によれば、自動焦点調節機構とト
ラツキング機構を同時に得ることができる。

すなわち、記録面１５上の特定の点Ｒが光軸ｍ
方向あるいは光軸ｍに対して垂直方向に移動して
も、本発明による光学素子１３によりレーザビー
ムは常に点Ｒに結像することができる。

本発明による光学素子の他の応用としては、レ
ーザ加工機やレーザメス等の集光レンズ等の種々
の照明、投光光学系あるいは立体形状の読みとり
装置等が考えられる。

本発明の光学素子は、以上説明したような非常
に簡単な構成によつて、焦点距離を大きく変える
ことができるとともに、光軸の位置も自由に変更
することができ大変有効である。このため、本発
明の光学素子を用いれば光学装置全体がシンプル
になり小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学素子の一例を示す断面
図、第２図は第１図に示す光学素子で焦点距離を
変化させた例を示す断面図、第３図は第２図に示
す光学素子で光軸を平行移動させた例を示す断面
図、第４図は本発明による光学素子の他の例を示
す断面図、第５図は第４図に示す光学素子の開口
内表面を凸形状とするとともに光軸の向きを変化
させた例を示す断面図、第６図は第４図に示す光
学素子の開口内表面を凹形状にするとともに光軸
の向きを変化させた例を示す断面図、第７図は本
発明による光学素子のさらに他の例を示す断面
図、第８図は第７図に示す光学素子の開口内表面
を凸形状にするとともに光軸の向きを変化させた
例を示す断面図、第９図は第７図に示す光学素子
の開口内表面を凹形状にするとともに光軸の向き
を変化させた例を示す断面図、第１０図及び第１
１図は第７図に示す本発明の光学素子を光デイス
クのピツクアツプ用対物レンズ系に使用した例を
示す断面図である。１，８……容器、２，９，１７……開口、３，
７，１０……開口部材、４，６，１８……弾性
体、５，１６，２０……開口内表面、１１，１
１′……永久磁石、１２，１２′……電磁石、１３
……光学素子、１４……対物レンズ、１５……記
録面、１９……底板。

Claims

【特許請求の範囲】１開口を有し、実質的に変形しない材料でつく
られた開口部材と、前記開口よりも広い面積の面
を持つ弾性体と、前記開口部材と共に前記弾性体
を挾持する底板とを有し、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
透過性あるいは光反射性の光学表面とし、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又は
沈降させる構成にして焦点可変とした光学素子
で、前記開口部材を、前記開口の張る面に垂直な
光軸に対し直交する方向に移動可能にしたことを
特徴とする光学素子。２開口を有し、実質的に変形しない材料でつく
られた開口部材と、前記開口よりも広い面積の面
を持つ弾性体と、前記開口部材と共に前記弾性体
を挾持する底板とを有し、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
透過性あるいは光反射性の光学表面とし、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又は
沈降させる構成にして焦点可変とした光学素子
で、前記開口の張る面と前記底板とのなす角度を
変化可能にしたことを特徴とする光学素子。３開口を有し、実質的に変形しない材料でつく
られた開口部材と、前記開口よりも広い面積の面
を持つ弾性体と、前記開口部材と共に前記弾性体
を挾持する底板とを有し、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
透過性あるいは光反射性の光学表面とし、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又は
沈降させる構成にして焦点可変とした光学素子
で、前記開口部材を、前記開口の張る面と垂直な
光軸に対し直交する方向に移動可能にすると共
に、前記開口の張る面と前記底板とのなす角度を
変化可能にしたことを特徴とする光学素子。４開口を有し、実質的に変形しない材料でつく
られた開口部材と、前記開口よりも広い面積の面
を持つ弾性体と、前記開口部材と共に前記弾性体
を挾持する底板とを有し、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
透過性あるいは光反射性の光学表面とし、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又は
沈降させる構成にして焦点可変とした光学素子
で、前記開口部材を球面とし、前記球面によつて
形成される球の中心を回転中心として前記開口部
材を回転可能にしたことを特徴とする光学素子。