JPH0327087B2

JPH0327087B2 -

Info

Publication number: JPH0327087B2
Application number: JP59012489A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Nose; Hiroyuki Imataki; Takeshi Baba; Takashi Serizawa; Masayuki Usui
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-01-26
Filing date: 1984-01-26
Publication date: 1991-04-12
Also published as: JPS60156003A

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
オプデイスク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。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたもの
で、構成が簡単で焦点距離の変化量が大きく、さ
らに所望の光学表面形状を形成することができる
可変焦点の光学素子を提供することを目的とす
る。

本発明の光学素子は、開口及び前記開口に対向
して配した底板を有し、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、前記容器内
に保持され、かつ前記開口よりも広い面積の面を
持つ弾性体とを有し、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透過
性あるいは光反射性の光学表面とし、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、前記底板の前記開口に向く面を凸状ある
いは凹状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（小さく応力で大
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。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10⁶dyne／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）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ましく、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
ヒータをもつて行うことができる。

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〜第１１図は、本発明の光学素子の基本
原理を説明するために示したもので、本発明者に
よつて考えられたものである。

第１図〜第３図で、１は円形開口部２を有する
円筒形部材、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２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３に負圧を加えた状態で、この場合弾性体
３は開口部２において凹レンズ状になる。

このようにして、可動部に印加する外力の大き
さによつて弾性体３の一部により開口部２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、複数の開口部の大きさを変えることに
より、それぞれ異なつた曲率を与えることもでき
る。

第４図は、開口部７を有する上蓋部材８が動
き、弾性体３に圧力（張力）を加えるように構成
されている。５は円筒形部材を示す。

また、第５図に示すように、弾性体３は開口部
１３が内部に形成されているような円筒形部材１
０に収容されていてもよい。この開口部１３は、
円筒形部材１０の光学的に透明な上蓋部材１１に
固定された円筒１２によつて形成されており、可
動部６に外圧を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４，６又は上蓋部材８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、円筒形部材
にネジを切つておき可動部あるいは上蓋部材をネ
ジ込む方法や、電磁石を用いて可動部あるいは上
蓋部材を制御する方法などがあるが、それらの方
法に限定されるもではない。また、第６図に示す
ように、円筒形のピエゾ素子４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７図に示したよう
に、矩形状の開口部１７を有する部材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８図、第９図および第１０図は弾性体
に外力を加える具体例の例であり、第８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９図は、電磁石２６により強磁性体から
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。

第１０図は弾性体３０上に上蓋部材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の回転で上蓋部材３
１を上下させ、上蓋部材３１の開口部３２により
弾性体３０を突出又は沈降させる。

さて、開口部内の光学表面形状は、だいたいに
おいて光軸付近の曲率半径が大きく、周辺部の曲
率半径が小さい回転対称非球面となつている（第
１１図参照）。開口部２内の光学表面形状は、弾
性体の厚さや体積、開口部の大きさ、弾性体の弾
性率によつて決まる。

第１２図〜第１９図は開口部内の光学表面形状
を、球面その他所望の形状にするための実施例で
ある。第１２図〜第１９図に示す光学素子は底板
を移動させて弾性体に圧力（張力）を加えるもの
であるが、第８図〜第１０図に示すように上蓋部
材を移動させて弾性体に圧力（張力）を加えるよ
うにしてももちろんかまわない。また、本発明の
光学素子では蒸着等による光学表面を反射面とし
てもかまわない。

第１２図において、１は開口部２を有する円筒
形部材、３は弾性体、４０は弾性体３を加圧する
ための底板で、弾性体３側の面（以下、内側面）
が凸状の球面に形成されている。底板４０を弾性
体３に圧力を加える方向に移動させることによ
り、弾性体３は開口部２より凸レンズ状に突出す
る。その際、底板４０の内側面が球面状になつて
いるために、開口部２の中央部が持ち上げられ
る。その結果、底板４０が平板である場合に比
べ、より望ましい凸球面が得られる。逆に第１３
図に示すように弾性体３に負圧を加えるように底
板４０を移動した場合には弾性体３は開口部２の
内側にくぼみ凹レンズを形成する。その際も、底
板４０は球面状に凸状になつているため、中央部
が大きく凹み、底板４０が平板である場合に比
べ、より望ましい凹球面が得られる。

また、底板の内側面の形状をいろいろと変える
ことにより、弾性体３の開口部２内に形成される
光学表面形状を望ましい形状にすることができ
る。例えば、第１４図は底板４１の内側面に断面
矩形の突部４１ａを設けたもので、第１２図に示
した本発明の光学素子と同様の動作により開口部
２に形成される光学表面形状の中央部を、所望の
凸形状または凹形状にすることができる。突部４
１ａの大きさを変えることにより、光学表面形状
を色々と変化させることが可能である。さらに突
部４１ａの開口部２に対向する面４１ｂは平面で
あるので、本発明の光学素子を透過型で使用する
場合には、透明な底板４１の内側面に形成された
曲面による光学的効果を考慮しなくてもよいとい
う利点がある。

また第１５図は、他のもう一つの実施例で底板
４２の内側面は、光学表面が所望の形状となるよ
うに特定の自由曲面となつている。このような特
定の自由曲面形状は計算機等のシミユレーシヨン
により求めることも可能である。

さらに、内側面が正弦波あるいは矩形波のよう
に凹と凸の組合せで形成されているようにしても
かまわない。

また第１６図は本発明の更に他の実施例で、内
側面の反対側の面４３ｃ（以下、外側面）が凸レ
ンズ状の曲面になつている。この場合底板４３の
屈折率、分散を適当に選んでおけば開口部２にお
ける弾性体表面の変形による色収差の変動を低減
させることができる。

以上の実施例で述べたことは、開口部形状が矩
形のスリツト状の場合でも同様に適用できる。

さらに、第１７図〜第１９図に示すように、底
板４４，４５，４６の内側面を凹状に形成して、
開口部２内の光学表面を所望の形状にすることも
できる。

以上説明したように、本発明の光学素子は光学
表面の曲率をいろいろと変化させることができる
ので、焦点距離を大きく変化させることができ
る。また、光学表面が底板の断面形状に応じた形
状を呈するように構成されているので、底板の断
面形状をいろいろと変化させて成形することによ
つて、光学表面を所望の形状にすることができ
る。本発明の光学素子は、開口部の径が大きい場
合に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１１図は本発明の光学素子の基本原
理を説明するために示した断面図、第１２図及び
第１３図は本発明の光学素子の一例を示す断面
図、第１４図は本発明による光学素子の他の例を
示す断面図、第１５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１６図は内側面及
び外側面が隆起して形成されている本発明の光学
素子の例を示す断面図、第１７図〜第１９図は底
板の内側面が凹状となつている本発明の光学素子
の例を示す断面図である。１……円筒形部材、２……開口部、３……弾性
体、４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６
……底板。

Claims

【特許請求の範囲】

１開口及び前記開口に対向して配した底板を有
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、前記容器内に保持され、かつ前
記開口よりも広い面積の面を持つ弾性体とを有
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透過性あるいは光反射
性の光学表面とし、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、前記底板
の前記開口に向く面を凸状あるいは凹状としたこ
とを特徴とする光学素子。