JPH06230298A

JPH06230298A - 回折光学素子

Info

Publication number: JPH06230298A
Application number: JP1546593A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Matsuzawa; 良紀松澤
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-02-02
Filing date: 1993-02-02
Publication date: 1994-08-19

Abstract

(57)【要約】【目的】光学系の小型化に寄与し、入射光量の低下を招
くことなく光学系の焦点距離等を変更自在とする高精度
の回折光学素子を提供すること。【構成】加えられる応力に基づいて弾性体１と、該弾性
体１上に形成されたディフラクティヴ・オプチカル・エ
レメント・パターン部２と、上記弾性体１を変形させる
ためのアクチュエータ３とで構成されており、上記アク
チュエータ３の作用による上記弾性体１の変形に応じ
て、上記ディフラクティヴ・オプチカル・エレメント・
パターン部２による波面変換特性が可変される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばカメラ等の撮影
光学系に使用される光学素子に係り、特に波面変換特性
により焦点距離等を変更自在とする回折光学素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、光線の方向を変化させるための光
学素子としては、光に対する屈折率を用いるレンズ型や
光の反射を用いるミラー型、波面変換を用いる回折格子
型等が知られている。

【０００３】そして、これらの光学素子を例えばカメラ
等の撮影光学系に用いて焦点距離の変更や焦点の移動を
行う場合、光学素子の間隔を変更する手法が一般的であ
る。即ち、図９に示すように、従来のカメラの撮影光学
系は、凸レンズからなるプラスのパワーを有する第１群
１０１と、マイナスのパワーを有する第２群１０２と、
結像の為のプラスのパワーを有する第３群１０３とで構
成され、この第１群１０１を光軸方向に前後させること
で焦点調節を行っている。尚、図９（ａ）は被写体が無
限距離の場合、図９（ｂ），（ｃ）は被写体が有限距離
にある場合の焦点位置をそれぞれ示す図である。この
他、液晶レンズを用いて電気的にレンズの特性を変更
し、焦点距離を変更する技術も提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
カメラ等の光学機器において変倍や焦点調節を行うため
に光学素子の間隔を変更する場合、十分な効果を得るた
めには数ｍｍから数十ｍｍの移動が必要になり、これに
より光学系の大型化を伴ってしまう。

【０００５】また、液晶レンズを用いた技術では、この
ような機構は必要ないので、光学系の小型化には寄与す
るが、単一の変更光線を必要とする事からレンズを透過
する光線の量が半分以下に制限され、光量の低下を伴っ
てしまう。また、その液晶のパターンの大きさにより十
分な解像が得られないといった問題も生じる。

【０００６】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、光学系の小型化に寄与
し、入射光量の低下を招くことなく光学系の焦点距離等
を変更自在とする高精度の回折光学素子を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の回折光学素子では、加えられる応力に基づ
いて変形する弾性体と、上記弾性体上に形成され波面変
換特性を有するディフラクティヴ・オプチカル・エレメ
ント・パターン手段と、上記弾性体を変形させるための
アクチュエータ手段とを有し、上記アクチュエータ手段
の作用による上記弾性体の変形に応じて、上記ディフラ
クティヴ・オプチカル・エレメント・パターン手段によ
る波面変換特性が可変されることを特徴とする。

【０００８】

【作用】即ち、本発明の回折光学素子は、アクチュエー
タ手段の作用による弾性体の変形に応じて、弾性体上に
形成されたディフラクティヴ・オプチカル・エレメント
・パターン手段による波面変換特性が可変される。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例に係る回折光
学素子の構成を示す図である。

【００１０】同図に示すように、本実施例に係る回折光
学素子は、弾性体１と、この弾性体１の表面上に形成さ
れたディフラクティヴ・オプチカル・エレメント（D.O.
E;Diffractive Optical Element)パターン部２と、上記
弾性体１に対して外力を加えて該弾性体１を変形させる
アクチュエータ３とで構成されている。そして、上記ア
クチュエータ３の作用による上記弾性体１の変形に応じ
て、上記Ｄ．Ｏ．Ｅパターン部２による波面変換特性を
可変することができる。

【００１１】以下、図２を参照して、本実施例が採用し
た波面変換の原理について詳細に説明する。先ず、図２
（ａ）に示すように、一般的な回折格子１００は、遮蔽
部１００ａと間隙部１００ｂとが所定の周期Ｔで繰り返
し形成された構造となっている。そして、この回折格子
１００の放線方向に対する入射角をθin、射出角をθou
t とし、更に入射光の波長をλ、Ｎを整数とすると次式
（１）の関係が成立する。Ｔ・｛ｓｉｎ（θout ）−ｓｉｎ（θin）｝＝Ｎ・λ …（１）さらに、第１次の回折光に着目し、簡略化のためにθin
＝０とすると、次式（２），（３）の関係が成立する。Ｔ・ｓｉｎ（θout ）＝λ …（２） θout ＝ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｔ） …（３）そして、初期状態でＴ＝２・λとし、そのときの射出角
度をθout0とすると、 θout0＝３０度となる。上記θout を３１度にする場合の周期Ｔ´は、Ｔ´＝λ／ｓｉｎ（３１度）＝１．９４１６・λ となり、Ｔ´／Ｔ＝０．９７１であり、約３％の周期間隔Ｔの変更で光線の射出方向を
１度変更する事が可能である。

【００１２】本実施例では、このような一般的な回折格
子１００の代りに、Ｄ．Ｏ．Ｅの一種であるブレーズド
グレーティングを用いることで回折効率を向上してい
る。即ち、入射光線の波長は可視光量域では数１００ｎ
ｍであるので、数ｎｍから数十ｎｍの格子周期Ｔの変更
により数度の射出角度の変更が可能となる。

【００１３】例えば、図２（ｂ）に示すように、Ｄ．
Ｏ．Ｅパターン部２を弾性体１の上に一体に形成してお
き、アクチュエータ３により所定量だけ格子の周期が変
化するように弾性体１を変形させる事で、Ｄ．Ｏ．Ｅパ
ターン部２の波面変換特性を容易に変更することができ
る。

【００１４】また、図２（ｃ），（ｄ）に示す光学素子
の変形には、従来より光学系の焦点変更に用いられるＤ
Ｃモータやボイスコイルのような電磁型のアクチュエー
タも使用することができる。また、光学素子の変形が該
光学素子の数％から十数％の変形であり比較的小さな駆
動量で済むため、駆動量が比較的小さな圧電素子等の電
歪素子や希土類元素と鉄との合金からなる磁歪素子など
の電気機械エネルギー変換素子からなる回折光学素子駆
動アクチュエータを用いて駆動する事も可能である。

【００１５】同様に、図２（ｅ）に示すように、弾性体
１内に電極構造を持たせる事で、その電極間に働く静電
力を用いて弾性体１を変形させることも可能である。こ
の場合、Ｄ．Ｏ．Ｅパターン部２と電極４の構造の周期
を一致させることで、静電アクチュエータ５の電極間の
変位が数ｎｍから数１０ｎｍであっても十分な射出角度
の変更が可能になる。さらに、上記弾性体１や電極を透
明な材質で形成する事で、透過型の回折光学素子を作る
ことができる。また、Ｄ．Ｏ．Ｅパターン部２と反射面
を組み合わせる事で反射型の回折格子とする事も可能で
ある。次に、本発明の回折光学素子を実際にカメラ用の
撮影光学系に採用した第２の実施例について説明する。

【００１６】図３（ａ），（ｂ）は第２実施例に係る回
折光学素子の構成を示す図である。同図に示すように、
第２の実施例は、Ｄ．Ｏ．Ｅパターン部を有しプラスの
パワーを有する第１群２１と、マイナスのパワーを有す
る第２群２２と、結像の為のプラスのパワーを有する第
３群２３とで構成されている。尚、図３（ａ）は被写体
が無限距離にある場合、図３（ｂ）は被写体が有限距離
にある場合の各焦点位置を示している。

【００１７】この第１群２１の詳細な構成は図４に示す
通りである。即ち、第１群２１は透明なレンズ用の弾性
体１と、被写体光を回折するためのＤ．Ｏ．Ｅパターン
部２と、レンズ用の弾性体１に装着されるリング２４と
で構成されている。そして、このレンズ用の弾性体１は
平行な平面から構成されており、このレンズ用の弾性体
１の片面には、いわゆるゾーン・プレートと呼ばれる円
環状に配されたブレーズドグレーティングからなるＤ．
Ｏ．Ｅパターン部２が一体に構成されている。さらに、
このゾーン・プレートは入射する光線の光軸からの距離
に応じたＤ．Ｏ．Ｅパターン部２の格子間隔密度を持
つ。つまり、光線の距離が離れるほど格子間隔が密にな
り、光線の回折量が増えるので、光線の高さによらず１
点に結像を結ぶ通常の凸レンズと同様の作用を持つこと
になる。

【００１８】このレンズ用の弾性体１の回りに取り付け
られたリング２４は開いた円状の形状となっており、そ
の解放部の一端には固定部３０ａがあり、リング２４は
該固定部３０ａにより固定される。そして、解放部の他
端にはネジ部３０ｂがあり雌ネジが切られている。そし
て、このネジ部３０ｂには、駆動モータ２５の軸に固着
された駆動ネジ２６が螺着される。駆動モータ２５には
駆動制御部２７が接続されており、その回転が制御され
る。

【００１９】このような構成において、駆動制御部２７
の指示により駆動モータが回転すると、それ伴って駆動
ネジ２６も回転する。この駆動ネジ２６の回転によりリ
ング２４上のネジ部３０ｂが駆動ネジ２６の回転方向に
移動する。これによりリング２６の内周の長さが変更さ
れる。つまりリング２６の半径が変更される。

【００２０】そして、リング２６の半径が小さくなった
場合、リング２６が装着されたレンズ用の弾性体１が外
周より押され径方向に縮む。このレンズ用弾性体１の径
方向の縮みによりレンズ用弾性体１上のＤ．Ｏ．Ｅパタ
ーン部２の回折格子間隔も減少し、被写体光の回折率が
増大し、レンズとしてのパワーが大きくなる。つまり、
駆動モータ２５の回転により第１群２１の焦点距離が変
化し、この第１群２１の焦点距離の変化が焦点調節に利
用される。

【００２１】図５に示すように、被写体が近距離にある
場合には、第１群２１の焦点距離が短くなる事で焦点調
節が可能である。このように、焦点調節の為に第１群２
１の回折による光線の射出方向の変更を利用する事で、
第１群２１にあった光軸方向の移動がなくなり至近距離
における光学系の大きさの増加がなくなる。さらに、図
６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、上記第１群２１とし
て焦点調節の為に圧電アクチュエータを用いることもで
きる。

【００２２】即ち、図６（ａ）に示すように、第１の実
施例と同様にリング３３の内周を減らすようにリング３
３の外周に沿った形で積層型圧電アクチュエータ３４を
配し、圧電アクチュエータ印加電圧制御部３５に印加さ
れる電圧に応じて積層型圧電アクチュエータ３４の長さ
を伸縮させることで、リング３３の半径を変化させるこ
とができる。

【００２３】さらに、図６（ｂ）に示すように、リング
３６の外周数箇所に径方向に伸縮する圧電アクチュエー
タ３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄをそれぞれ配置し、
直接レンズ用弾性体１の半径方向に駆動する事もでき
る。

【００２４】また、図６（ｃ）に示すように、レンズ用
弾性体１を取り付けるリングをバイモルフ型圧電アクチ
ュエータ３８で構成し、印加する電圧に応じてレンズ用
弾性体１を直接変形させる事も可能である。

【００２５】このような駆動量を小さくできるといった
利点に着目して、変形量が小さいが変形の速度が早い圧
電型アクチュエータを駆動源に用いた場合、超高速の焦
点調節が可能になる。これは、圧電型アクチュエータ以
外にも鉄−ディスプロシューム−テルビューム系の合金
等のように超磁歪特性を有する磁歪型アクチュエータを
用いても同様の効果を得ることができる。次に、レンズ
用の弾性体内にアクチュエータを内蔵させた第３の実施
例について説明する。図７は、Ｄ．Ｏ．Ｅパターン部４
３を静電アクチュエータ用電極４０ａ，４０ｂで構成し
た第３の実施例の構成を示す図である。

【００２６】同図に示すように、レンズ用弾性体４１の
片側表面に透明導電体からなる静電アクチュエータ用電
極４０ａへの透明導電体からなる配線部４２ａが配され
ている。そして、他方の表面には、同様に静電アクチュ
エータ用電極４０ｂへの透明導電体からなる配線部４２
ｂが配されている。さらに、配線部４２ｂにはＤ．Ｏ．
Ｅパターン部４３が構成されている。

【００２７】この静電アクチュエータ電極４０ａ，ｂの
間隔は、静電力が十分に働くように数１０μｍ以下にさ
れている。そして、この２つの電極間に電圧差を生じさ
せる事で電極間に引力が働き各電極間隔は短くなる。こ
れにより、レンズ用弾性体４１が径方向に収縮する。そ
して、この収縮に伴って、Ｄ．Ｏ．Ｅパターン部４３の
格子間隔も減少し、Ｄ．Ｏ．Ｅによる波面変換特性が変
化し射出光線の射出角度が変化する。

【００２８】さらに、図８に示すように、電極を非透明
にして、その電極間隔周期をＤ．Ｏ．Ｅに必要な１μｍ
程度にすれば更に簡単な構造とすることができる。つま
り、電極がそのままＤ．Ｏ．Ｅパターン部となり、波面
変換を行いレンズとしての特性を有し、また印加する電
圧に応じた波面変換特性が得られる。

【００２９】尚、前述した実施例では、光学要素として
の構造を透明体から構成し透過型の光学要素への本発明
の適用例を示してきたが、Ｄ．Ｏ．Ｅの特性はこのよう
な透過型光学要素に限られるものではなく反射型の波面
変換も行える。更に、本発明は反射型のＤ．Ｏ．Ｅ特性
を損なうものではないため反射型の光学要素への適用も
可能である。この他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で
種々の改良・変更が可能であることは勿論である。

【００３０】以上詳述したように、本発明の可変回折特
性を有する回折光学素子では、波面変換型の光学素子を
変形させ、射出角度の特性を変化させるため、光量の低
下を招くことなく、比較的小さな駆動量で焦点調節等の
動作を行わせることができるので、光学系や撮影装置の
小型化が達成される。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、光学系の小型化に寄与
し、入射光量の低下を招くことなく光学系の焦点距離等
を変更自在とする高精度の回折光学素子を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る回折光学素子の構
成を示す図である。

【図２】（ａ）は一般的な回折格子による回折現象を説
明するための図であり、（ｂ）乃至（ｅ）は本実施例の
回折現象について説明するための図である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の回折光学素子を
カメラ用の撮影光学系に採用した第２の実施例の構成を
示す図である。

【図４】（ａ）乃至（ｃ）は、第１群２１の詳細な構成
を示す図である。

【図５】被写体が近距離にある場合の、第１群２１によ
る焦点調節について説明するための図である。

【図６】（ａ）乃至（ｃ）は、第１群２１として焦点調
節の為に圧電アクチュエータを用いた改良例を示す図で
ある。

【図７】Ｄ．Ｏ．Ｅパターン部４３を静電アクチュエー
タ用電極４０ａ，４０ｂで構成した第３の実施例の構成
を示す図である。

【図８】第３の実施例の電極を非透明にして、その電極
間隔周期をＤ．Ｏ．Ｅに必要な１μｍ程度にすることで
構造を簡単にした例を示す図である。

【図９】（ａ）乃至（ｃ）は、従来のカメラの撮影光学
系の構成を示す図である。

【符号の説明】

１…弾性体、２…Ｄ．Ｏ．Ｅパターン部、３…アクチュ
エータ、４…電極、５…静電アクチュエータ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加えられる応力に基づいて変形する弾性
体と、上記弾性体上に形成され波面変換特性を有するディフラ
クティヴ・オプチカル・エレメント・パターン手段と、上記弾性体を変形させるためのアクチュエータ手段と、
を具備し、上記アクチュエータ手段の作用による上記弾性体の変形
に応じて、上記ディフラクティヴ・オプチカル・エレメ
ント・パターン手段による波面変換特性が可変されるこ
とを特徴とする回折光学素子。