JPH0327088B2

JPH0327088B2 -

Info

Publication number: JPH0327088B2
Application number: JP59032999A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Baba; Takashi Serizawa; Masayuki Usui; Hiroyuki Imataki; Hiroyasu Nose
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-02-23
Filing date: 1984-02-23
Publication date: 1991-04-12
Also published as: JPS60176017A; US4781445A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、２つの光学表面の相対的位置が変化
可能な光学素子に関する。

このような、２つの光学表面の相対位置が可変
な光学素子、例えば可変頂角プリズム、可変厚平
行平板等は、焦点合わせや防振光学系等に有用で
あるが、従来、この種の素子として知られていた
ものは、２枚の平行平板ガラスの間に液体を封入
したもの、ゴム膜中に液体を封入し、それを２枚
の平行平板ガラスではさんで加圧変形するもの等
である。しかし、これらはいずれも液体を用いて
おり、液溜めや加圧装置が必要であるため、小型
化や製造の点で問題が多い。

また、媒体として圧電素子を用いるものもある
が、変形量が小さい欠点がある。

本発明の目的は、これら欠点を解消し、簡易な
構成で変化量の大きな、２つの光学表面の相対的
位置が変化可能な光学素子を提供することにあ
る。

本発明の光学素子は、レンズあるいは平板状光
学部材から選ばれた一対の光学部材と、前記一対
の光学部材で挾持される光透過性の弾性体とを有
し、前記一対の光学部材がつくる頂角を変動可能
にして、前記頂角の変化に対応して前記一対の光
学部材の光軸同士によりつくられる角度が変化す
る構成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、一対のレンズと、
前記一対のレンズで挾持される光透過性の弾性体
とを有し、少なくとも一方の前記レンズを光軸と
直交方向に移動可能に構成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、順に配置された
いずれも平板状の第１光学部材、第２光学部材及
び第３光学部材と、前記第１光学部材と前記第２
光学部材に挾持される光透過性の第１弾性体と、
前記第２光学部材と前記第３光学部材に挾持され
る光透過性の第２弾性体とを有し、前記第１光学
部材と前記第２光学部材との間隔、及び前記第２
光学部材と前記第３光学部材との間隔がそれぞれ
可変で、かつ前記第１弾性体の分散特性と前記第
２弾性体の分散特性とが互いに異なることを特徴
とするものである。

さらに、本発明の光学素子は、いずれも平板状
の第１光学部材及び第３光学部材と、前記第１光
学部材と前記第３光学部材の間に配された湾曲状
の第２光学部材と、前記第１光学部材と前記第２
光学部材に挾持される光透過性の第１弾性体と、
前記第２光学部材と前記第３光学部材に挾持され
る光透過性の第２弾性体とを有し、前記第１光学
部材と前記第２光学部材との間隔、及び前記第２
光学部材と前記第３光学部材との間隔がそれぞれ
可変で、かつ前記第１弾性体の分散特性と前記第
２弾性体の分散特性とが互いに異なることを特徴
とするものである。

以下に図面を用いて本発明を詳述する。

第１図は弾性体の変形によつて、２つの光学表
面が形成する頂角が変化可能である光学素子の例
である。

１は弾性体、２，３は光学部材である平行平板
ガラスであり、その端点２′，３′は固定され、他
方の端点２″，３″は外力による加圧で移動可能で
ある。

第１図ａは点２″，３″に加圧しない状態、第１
図ｂは点２″，３″を矢印方向に加圧した状態を示
す。このように、端点２″，３″を加圧することに
より、弾性体１が変形し、プリズムの頂角がθ₀か
らθに変化する。このとき弾性体１として後述の
ような材料を使用することにより、わずかの外力
でプリズム頂角の大きな変化量を得ることが可能
である。

本発明による光学素子は、弾性体を挾む２つの
光学表面の位置を相対的に変化させることで、結
像位置を可変とすることができる。光学表面の位
置の変動方向は任意に行ないうる。例えば光軸と
平行又は垂直あるいは平行と垂直の両方向成分を
持つように変動させることができる。

第２図はその一例である。４，５は光学部材で
あるレンズであり、レンズ５は光軸と直交方向に
移動可能である。

第２図ａはレンズ５が移動しない状態、第２図
ｂはレンズ５が光軸と直交方向に移動した状態を
示す。図に示すように、レンズ５の移動により、
レンズ４，５による像を光軸と直交方向に移動さ
せることができるため、このような素子はTVカ
メラ等のゆれによる画像の移動を防止する防振光
学系等に有用である。

次に、本発明に使用される弾性体として有効な
材料について説明する。

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る均
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＝ｐ／ｒ（ｐ＝応力、ｒ＝
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”
として知られている天然ゴムや合成ゴム、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。中でも可視光で透明なエチレンプロピレンゴ
ムやシリコーンゴムはその使用効果が高い。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10¹〜10¹³dyne／cm²より小さく、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JISK2008による１／４インチミクロ稠
度計を用いて針入度で評価する。

又、弾性率が小さい場合、その測定方法として
“引張り一伸び”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
合体に於ける分子の組合せ、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。

このような材料は、その架橋密度のちがいによ
り種々の弾性率を得ることが可能で、特に大きな
変形量を得たい場合には、架橋密度の低いゲル状
態で使用することが有効である。また種々の物質
の混合により、その屈折率や分散を変化させるこ
とも可能である。

次に、本発明における光学素子に有用な製法に
ついて説明する。

第１の方法は、あらかじめ外力を加えないとき
に近い形状に弾性体を成形し、その後第１図又は
第２図のごとく、平行平板ガラスないしはレンズ
を接着する方法である。

第２には、レンズあるいは平行平板ガラスを鏡
筒、もしくは適当な容器内にあらかじめ配置して
おき、その空隙に液体状のモノマーを流しこみ、
キヤステイング成形する方法も可能である。

第３に、所定形状の弾性体の表面近傍を硬化さ
せ、光学表面として用いる方法がある。例えば、
所定形状の容器内にモノマーを注入し、キヤステ
イング成形を行なつてある程度重合させた後、表
面付近に紫外線照射等の硬化処理を行なう。ま
た、初めに容器の内壁にそつて硬化層を形成し、
その硬化層内部でキヤステイング成形することも
できる。

次に、本発明における光学素子の駆動方法につ
いて説明する。本発明における光学素子は、基本
的にその光学表面、あるいは光学表面以外の他の
表面、あるいは弾性体の内部に外力を加えること
で容易に駆動される。

第１の方法は、ネジやカム等により機械的に力
を加える方法で、例えば後述の第３図に示す光学
系等で有効に活用される。

第２には、ピエゾ素子を用いる方法が挙げら
れ、この例としては第６図で後述される。

第３の方法は、電磁石を用いる方法であり、こ
の例は第７図〜第９図で後述される。

また、他の方法としてはステツピングモータや
熱膨脹・温度やPH変化によるゾル−ゲル転移の際
の体積変化、あるいは形状記憶合金なども利用で
きる。

次に、本発明における光学素子を有効に活用し
た他の光学系の態様について説明する。

第３図および第４図は弾性体を挾む光学表面の
間隔を変動させることによつて写真レンズ等のフ
オーカシング、あるいはズームレンズの変倍時に
おける色収差変動の補正への応用を示す。

第３図ａおよび第３図ｂにおいて、６は写真レ
ンズ等の通常のレンズ系、７はレンズ系６と像面
間に配置された本発明における光学素子であり、
本発明における光学素子７は、光学部材である平
行平板ガラス８，９，１０及び異なる分散特性を
もつ弾性体１１，１２よりなり、平行平板ガラス
８，１０はレンズ鏡筒に固定され、平行平板ガラ
ス９は光軸方向に移動可能であり、その光軸方向
の位置はヘリコイド、あるいはカム等によつて、
レンズ系６の繰り出しによるフオーカシング機
構、あるいはカムによるズーム機構と連動して最
適位置に定められる。例えば、弾性体１１，１２
の基準波長（例えばｄ線）に対する屈折率は等し
くＮ、副波長（例えばｇ線）に対する屈折率は
各々N′₁，N′₂で異なつているとする。そうする
と第３図ａから第３図ｂのように、平行平板ガラ
ス９が移動したとき、基準波長に対する光路長は
かわらずに、副波長に対する光路長のみ変化し、
これを利用して軸上色収差の補正を行なうことが
できる。

また、用途によつては、平行平板ガラス８ある
いは１０を可動とするか、または弾性体１１，１
２の基準波長に対する屈折率を異なつたものとし
ておくことにより、基準波長に対するフオーカシ
ング機能も同時にもたせることもできる。また、
第４図の９′のごとく、平行平板ガラス９に曲率
をもたせることにより、高次の色収差に対する補
正を行なうことも可能である。

第５図は、弾性体を挾持した一対のレンズから
なる光学素子をフオーカシングに用いた例であ
る。６は前述のように写真レンズ等のレンズ系、
１３は光学素子であり、外側に平面を向けた２枚
の平凸ないしは平凹レンズ１４，１５とその間の
弾性体１６よりなり、第５図ａから第５図ｂのご
とく、弾性体１６が変形し、２枚のレンズの間隔
を変化させることにより、結像位置を可変にでき
るものである。このとき、弾性体１６とレンズ１
４，１５の屈折率が近ければ、光学素子１３によ
るフオーカシング機能は、平行平板ガラスの厚さ
の変化による光路長の変化であると考えることが
でき、２つのレンズ１４，１５の曲率、レンズ１
４，１５と弾性体１６の屈折率、分散等の選択に
よりフオーカシング時の収差変動を補正できる。

第６図に示す光学素子１３′は第５図に示した
素子のレンズ１４，１５の両面に曲をつけた例で
ある。第６図において、１４′，１５′は外側の面
に曲率を有するレンズ、１７はポリフツ化ビニル
デン等の圧電体膜であり、電圧の印加によつて第
６図ｂのごとく変形し、レンズ１５′を光軸方向
に移動させ、レンズ１４′，１５′の合成系の焦点
距離を可変とするものである。

ズームレンズはレンズ間の空気間隔を変化させ
ることにより、レンズ系の焦点距離を変えるもの
であるが、空気間隔のみでなく、レンズの肉厚自
体も可変であることが光学設計上望ましい。なぜ
なら、空気間隔の変化は急激な収差変動を伴い、
また色収差補正の点からも、分散を有するレンズ
媒質自身の肉厚変化が有効に利用できる。これら
の点から、第６図に示したような素子はズームレ
ンズ等の構成要素としても有用である。

第７図は、第１図に示した可変頂角プリズムを
用いた、光デイスクのピツクアツプ用対物レンズ
系の構成例である。１８は本発明における可変頂
角プリズムであり、平行平板ガラス２０，２１と
弾性体２２よりなる、１９は対物レンズであり、
入射したレーザビームを光デイスクの記録面２５
上に結像する。結像されたレーザビームはその位
置の記録面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、入射時と同様な光
路を逆行し、検出器によつてその偏光状態を検出
することにより記録されていた情報が読みだされ
る。第７図ａはレーザビームの結像面が記録面の
上方に第７図ｂは下方に移動したときの状態を示
す。このような光デイスクは情報が同心円状に記
録されており、光デイスクの回転によつてその記
録を読み出すものであるため、振動や光デイスク
の偏芯によらず、つねに同一円周上にレーザビー
ムを結像するよう、トラツキングを行なう必要が
あるが、従来、トラキツングのための手段として
は、対物レンズ全体の機械的移動や、ガルヴアノ
メータによる光偏向が用いられており、応答速度
や装置の小型化の点でで問題があつた。

第７図に示した例においては、検出したトラツ
キング誤差に応じて、可変頂角プリズムの頂角を
図のごとく変化させることにより、きわめて容易
にトラツキングを行なうことができる。

第７図において、弾性体２２をはさむ平行平板
ガラス２０は対物レンズ１９に対して固定されて
おり、平行平板ガラス２１は光デイスクの動径方
向である紙面内で回転可能であり、対物レンズ１
９の入射瞳近傍に配置される。図のごとく、平行
平板ガラス２１の回転による可変頂角プリズムの
頂角が変わり、入射レーザビームが偏向され、常
に同一の円周上に対物レンズ１９により結像する
ことができる。第７図に示す光学系は、光磁気デ
イスク、光によるヒートモード記録など、従来の
各種の記録部材への記録用および読み出し用とし
て使用できるものである。

第８図は第７図における可変頂角プリズム１８
の構成例であり、第８図ａはその正面図、ｂは裏
面図である。２３，２３′は２つの独立した電磁
石、２４，２４′は鉄板等の強磁性体であり、電
磁石２３，２３′各々に流す電流に従つて、２３
−２４間、２３′−２４′間に働く引力を制御する
ことにより、容易にプリズム頂角の制御を行なう
ことができる。また、第９図のごとく、電磁石と
強磁性体を３組設けることにより、入射光を２次
元的に偏向することも可能で円周方向の結像位置
制御、いわゆるジツター補正も同時に行なうこと
が可能である。また、第９図に示した素子はマイ
クロフイルム等の微小物体の２次元光走査にも有
効である。

また、第７図において、平行平板ガラス２１を
紙面内の回転だけでなく、光軸方向にも平行移動
可能とし、入射ビームを平行でなく、集束ないし
は発散光とすることにより光軸方向の結像位置制
御、即ち自動焦点調節機能も付加することができ
る。

第１０図ａおよびｂは、第７図における平行平
板ガラス２１を光学部材であるレンズ２７に置き
換えた素子２６を用いた場合である。この場合
も、第７図の例と同様に、レンズ２７の紙面内に
おける回転によりトラツキングを行なうことが可
能であり、またレンズ２７の光軸方向への平行移
動により図のごとく焦点調節を行なうことができ
る。

第１１図は本発明を防振光学系へ用いた例であ
り、本発明における光学素子２８はレンズ２９，
３１と弾性体３０よりなり、３２は鏡筒、３３は
撮像管等のセンサー面であり、３１と３３は鏡筒
３２に固定されている。第１１図ａのごとく物体
がセンサー面３３上に結像しているとき振動によ
り鏡筒３２が第１１図ｂのごとく傾いたとする。
このとき、もしレンズ２９も同様に傾くと、図の
点線のようにセンサー面上の像位置が第１１図ａ
と大きくずれ、見苦しい画像のゆれが生じる。し
かし、本発明においては、前述したような材料を
弾性体３０として用いることにより、急激な振動
に対してはレンズ２９はあまり位置を変えない。
これは、前述の材料がいわゆる粘弾性を有するた
めであり、その粘弾性のために急激な変形が妨げ
られる。したがつて第１１図ｂの実線のごとく、
センサー面上の像位置の急激な変動が緩和され
る。さらに第１１図ｂのように傾いた状態である
程度時間が経過すると、弾性体の弾性によつて
徐々にレンズ２９の位置は図の点線に近ずく。従
つて光学系の急激な振動や移動に対しても、セン
サーより得られる画像は常にゆつくりと動くこと
になり、安定した画像が得られる。

なお、以上、相対位置が変化可能な光学表面が
２つの場合を説明したが、ペンタプリズム等、多
数の光学表面を有する場合にも本発明が適用され
るのは明らかである。

上述のように、本発明によれば簡易な構成で２
つの光学表面の相対位置に大きな変化を与えるこ
とが可能で、種々の光学系に有効に活用できる。

実施例第１２図に示すように、厚さ２mm、外径50mmの
ガラス板３５を底面に入れたアルミ製容器３４
に、弾性体として厚さ７mmのシリコーンゴム３６
（商品名：KE104GEL，信越化学製）を収容し、
その上に厚さ２mm、外径40mmのガラス板３７を載
置した。なお、シリコーンゴム３６とガラス板３
５及び３７とは、シランカツプリング剤により接
着した。ガラス板３５，３７の屈折率は1.52、シ
リコーンゴム３６の屈折率は1.40であつた。ガラ
ス板３７の上に第１３図のごとく、３つの永久磁
石３８，３８′，３８″を接着し、各々に対向して
ガラス板３５の下方に３つの電磁石を設け、各電
磁石に流す電流を変化させることにより、ガラス
板３７を0゜〜±10゜の範囲で傾かすことができた。
この状態で第１２図の下方より底面のガラス板３
５に垂直に光線を入射させると、ガラス板３７よ
り出射した光線のふれ角を0゜〜±4゜の範囲で変え
ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図ａおよび第１図ｂは本発明における光学
素子の１例の断面図、第２図ａおよび第２図ｂは
本発明による光学素子の他の例の断面図、第３図
ａと第３図ｂおよび第４図はそれぞれ本発明にお
ける光学素子を応用をした光学系の断面図、第５
図ａおよび第５図ｂは弾性体を挾持した一対のレ
ンズからなる光学素子を応用した他の光学系の断
面図、第６図ａおよび第６図ｂは弾性体を挾持し
た一対のレンズからなる光学素子の他の例の断面
図、第７図ａおよび第７図ｂは本発明による光学
素子を応用した他の光学系の断面図、第８図ａと
第８図ｂおよび第９図ａと第９図ｂは第７図の本
発明による光学素子を説明する図であり、第８図
ａおよび第９図ｂはその正面図、第８図ｂおよび
第９図ｂはその裏面図、第１０図ａ，ｂは第７図
に示す光学系の変形例の断面図および第１１図
ａ，ｂは本発明による光学素子を応用した他の光
学系の断面図である。第１２図および第１３図は
実施例に挙げた光学素子の断面図および平面図で
ある。１，１１，１２，１６，２２，３０……弾性
体、２，３……平行平板ガラス、４，５……レン
ズ、８，９，１０……平行平板ガラス、１４，１
５……レンズ、１７……圧電体膜、２０，２１…
…平行平板ガラス、１９……対物レンズ、２５…
…記録面、２３，２３′，２３″……電磁石、２
４，２４′，２４″……強磁性体、２９，３１……
レンズ、３２……鏡筒、３３……センサー面、３
４……容器、３５，３７……ガラス板、３６……
シリコーンゴム、３８，３８′，３８″……永久磁
石。

Claims

【特許請求の範囲】１レンズあるいは平板状光学部材から選ばれた
一対の光学部材と、前記一対の光学部材で挾持さ
れる光透過性の弾性体とを有し、前記一対の光学
部材がつくる頂角を変動可能にして、前記頂角の
変化に対応して前記一対の光学部材の光軸同士に
よりつくられる角度が変化する構成にしたことを
特徴とする光学素子。２一対のレンズと、前記一対のレンズで挾持さ
れる光透過性の弾性体とを有し、少なくとも一方
の前記レンズを光軸と直交方向に移動可能に構成
したことを特徴とする光学素子。３順に配置されたいずれも平板状の第１光学部
材、第２光学部材及び第３光学部材と、前記第１
光学部材と前記第２光学部材に挾持される光透過
性の第１弾性体と、前記第２光学部材と前記第３
光学部材に挾持される光透過性の第２弾性体とを
有し、前記第１光学部材と前記第２光学部材との
間隔、及び前記第２光学部材と前記第３光学部材
との間隔がそれぞれ可変で、かつ前記第１弾性体
の分散特性と前記第２弾性体の分散特性とが互い
に異なることを特徴とする光学素子。４いずれも平板状の第１光学部材及び第３光学
部材と、前記第１光学部材と前記第３光学部材の
間に配された湾曲状の第２光学部材と、前記第１
光学部材と前記第２光学部材に挾持される光透過
性の第１弾性体と、前記第２光学部材と前記第３
光学部材に挾持される光透過性の第２弾性体とを
有し、前記第１光学部材と前記第２光学部材との
間隔、及び前記第２光学部材と前記第３光学部材
との間隔がそれぞれ可変で、かつ前記第１弾性体
の分散特性と前記第２弾性体の分散特性とが互い
に異なることを特徴とする光学素子。