JPH11505335A - レンズの赤道直径の微少な変化による可変焦点レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 弾性変形が可能なレンズ(102,202,302,402,502)の赤道直径における微少な変化をつくることにより、可変焦点レンズが構成される。前記レンズ(102,202,302,402,502)は、光軸に対してほぼ垂直な平面内において作用する半径方向の張力により変形させることができる。前記の半径方向の張力は、半径方向に作動する機械的な手段、または、レンズの赤道に組み込まれているか、もしくは取り付けられているリング(206,306,406,506)（このリングの直径は加熱するかまたは電場もしくは磁場におくことにより変化させることができる）により作用させる。

Description

【発明の詳細な説明】 レンズの赤道直径の微少な変化による可変焦点レンズ 本発明の背景 １．本発明の分野 本発明は可変焦点レンズ、より詳しくは、その赤道直径の微少な変化により光 学倍率を変化させることができる弾性変形が可能なレンズに関する。 ２．従来技術の簡単な説明 可変焦点レンズおよびレンズ系は、応用光学において頻繁に現れる問題に対す る都合のよい解決策を提供するので、広範囲に使用されるようになった。このよ うなレンズを取り入れている光学系は、例えば、レンズと像平面の間の距離を変 化させることなく、この像平面上に、レンズからさまざまな距離にある物体の、 焦点のあっている像を与えることができる。それらは、レンズを交換せずに倍率 変更をする光学系においても使用することができる。 多くの種類の可変焦点レンズが考案されている。しかしながら、カメラ、望遠 鏡、双眼鏡および顕微鏡のような光学器械において、現時点でもっとも広く使用 されている設計は、光軸に沿って１つ以上の素子の内部空間を変化させることに より、焦点距離を変化させる多素子レンズである。 可変焦点レンズのもう１つの種類は、屈折面の曲率またはレンズの材料の屈折 率の変化により影響される単一のレンズ素子の屈折力における変化に基づいてい る。 このような単一素子の可変焦点レンズのある種類は、曲率を変化させることが できる軟らかいウェブで形成され、流体で満たされているチャンバーを使用する 。Gordonの米国特許第 1,269,422号は、例えば、周縁部で接合されて、透明な液 体で満たされているチャンバーを形成する薄いガラスで形成されている１対の光 学表面を含む眼鏡レンズを開示している。各々のレンズは、微動ねじを締め付け て縁金の円周を短くすることにより、より小さくすることができる縁金に取り付 けられている。このような締め付けにより前記レンズの屈折力を増大させること が開示されている。 可変焦点レンズのもう１つの設計は、チャンバー内に含まれている流体の量を 調整することにより壁体の曲率を変化させることができる軟らかい壁体を有し、 流体で満たされているチャンバーを使用する。このようなレンズは、適正な屈折 率の液体で膨張されている透明な材料でつくられている簡素な風船または袋（bl adder ）を含むことができる。 レンズ本体内の流体の体積および／または圧力を変化させることによりその曲 率が調整される軟らかい屈折面を有する他の構造もまた考案されている。この種 類のレンズは、例えば、Wrightの米国特許第 3,598,479号およびBarneaの米国特 許第 4,913,536号において開示されている。 他の可変焦点レンズは、さまざまな周辺構造により変形されて光学表面の曲率 を変化させる弾性変形が可能な材料を使用する。このようなレンズは、例えば、 Imataki 他の米国特許第 4,783,155号、Baba他の米国特許第 4,802,746号および Sudaの米国特許第 4,859,041号において開示されている。 弾性変形が可能な可変焦点距離のレンズは、Ford他の米国特許第 4,444,471号 においても開示されている。Fordは、光学表面の曲率 が減少し、それによりレンズの屈折力もまた減少するのに十分な量だけ、前記レ ンズを半径方向に伸張させることにより、弾性的な両凸レンズの焦点距離を変化 させることを開示している。しかしながら、その直径のほんの 2〜 3パーセント だけ半径方向に伸張させる場合の、弾性的なレンズにおいて起こる光学倍率にお ける変化については、Fordは開示または議論を行ってはいない。 Baba他の米国特許第 4,712,882号は、半径方向に伸張させることにより屈折力 が減少し、屈折率が半径方向に変化する、透明で弾性的な円柱状の本体を含む可 変焦点レンズを開示している。このレンズの半径方向の伸張は、レンズの円柱状 の本体の周囲に接着されている圧電素子により達成される。Babaは、このような 半径方向の伸張が、前記円柱の端部において屈折光学表面の正の曲率を減少させ るか、または負の曲率を増大させることを開示している。Babaの可変焦点レンズ においては、半径方向の伸張は、一般的に、前記円柱の軸全体に沿って均一に行 われる。 可変焦点レンズをつくるための他の方法は、レンズをつくっている材料の屈折 率を制御することを含む。例えば、液晶から形成されているレンズにおいては、 この液晶レンズを通過する電流を変化させることで、可変倍率のレンズをつくる ことができる。電気的または機械的な手段により屈折率を連続的に変化させるこ とができる他の結晶も、可変焦点レンズの製造において使用することができる。 可変焦点レンズのこれらの構成方法は、各々の技術に独特なある欠点を有して いる。例えば、多素子レンズ系内でのレンズ素子の移動は、比較的大きく、重く 、かつ精密に構成されている機械的なレンズセル、軌道およびリンク仕掛けを必 要とする。可変屈折率を有する材料でつくられているレンズにおいては、適正な 光学的透明度を維持するために、その大きさは制限されなければならなかった。 これまでに開示された、流体で満たされている風船または袋を使用するあらゆる 可変焦点レンズは、非実用的で複雑な、液溜および液をレンズに出し入れするた めの手段を必要としてきた。さらに、連続的に変化させることができるレンチキ ュラー非点収差をつくるためには、既知のレンズは、傾けられているか、または 変わった形状をしていなければならなかった。 従って、大きな機械的な可動部、変わった形状、材料の屈折率の変更または液 溜を有する風船レンズの使用を必要とせずに、レンズの球面および非点の光学倍 率を変化させることができる可変焦点レンズをつくる方法への要求が存在し続け てきた。 本発明の概要 直径の 2〜 3パーセントにわたってレンズを半径方向に伸張させることにより 光学倍率を変化させる、弾性変形が可能な可変焦点レンズがここに考案されてい る。前記レンズは、光軸に交差する２つの対向する光学的な屈折面および前記光 軸を取り巻く周縁部を有し、前記屈折面の間にわたる透明で弾性的な本体、並び に、前記光軸に対してほぼ垂直な平面内において緩和直径の約5%を超えない量だ け前記の弾性的な本体の周縁部を伸張させるための手段を含む。本発明は、レン ズの光軸に対してほぼ垂直な平面内において、緩和直径の約5%を超えない量だけ 、レンズの周縁部を伸張させることにより、弾性変形が可能なレンズの光学倍率 を増大させる方法をも包含する。 従って、可変焦点レンズを提供することが、本発明の目的である。 さらなる目的は、弾性変形が可能なレンズの赤道直径における微少な変化を誘 起することによりレンズの光学倍率が変化する可変焦 点レンズを提供することである。 さらなる目的は、弾性変形が可能なレンズの赤道直径における微少な増大を誘 起することによりレンズの光学倍率が変化する可変焦点レンズをつくる方法を提 供することである。 さらなる目的は、弾性変形が可能なレンズの赤道直径における微少な減少を誘 起することによりレンズの光学倍率が変化する可変焦点レンズをつくる方法を提 供することである。 さらなる目的は、弾性変形が可能なレンズの赤道直径における微少な変化を誘 起することにより所定のメリジアンにおけるレンズの非点倍率が変化する可変焦 点レンズをつくる方法を提供することである。 本発明のさらなる目的は、電気的な手段によりレンズの赤道直径における微少 な変化を生じる可変焦点レンズをつくる方法を提供することである。 本発明のさらなる目的は、磁気的な手段によりレンズの赤道直径における微少 な変化を生じる可変焦点レンズをつくる方法を提供することである。 本発明のさらなる目的は、磁気ひずみ的な手段によりレンズの赤道直径におけ る微少な変化を生じる可変焦点レンズをつくる方法を提供することである。 本発明のさらなる目的は、熱的な手段によりレンズの赤道直径における微少な 変化を生じる可変焦点レンズをつくる方法を提供することである。 本発明のさらなる目的は、機械的な手段によりレンズの赤道直径における微少 な変化を生じる可変焦点レンズをつくる方法を提供することである。 本発明のさらなる目的は、化学的な手段によりレンズの赤道直径 における微少な変化を生じる可変焦点レンズをつくる方法を提供することである 。 本発明のさらなる目的は、可変焦点非点レンズを提供することである。 本発明のさらなる目的は、以下の本発明の説明から明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の実験的な可変焦点レンズの前面の正面図を示しており、その 作動原理を説明している。 図２は、図３の線２−２に沿って描かれている図１の可変焦点レンズの前面の 断面図を示している。 図３は、図１の可変焦点レンズの側面図を示している。 図４は、図１の線４−４に沿って描かれている図１の可変焦点レンズの側面の 横断面図を示している。 図５は、本発明の可変焦点レンズのもう１つの態様の前面の正面図を示してお り、ここでは、作動装置としての電気的な発熱体により加熱される金属のリング を取り入れている。 図６は、線６−６に沿った、図５の可変焦点レンズの側面の断面図を示してい る。 図７は、本発明の可変焦点レンズのもう１つの態様の前面の正面図を示してお り、ここでは、調整ねじを取り入れている半径方向の伸張手段を使用してレンズ の焦点距離を変化させる。 図８は、線８−８に沿った、図７の可変焦点レンズの側面の断面図を示してい る。 図９は、本発明の可変焦点レンズのもう１つの態様の前面の正面図を示してお り、ここでは、半径方向に動く電気的に作動されるソ レノイドを使用してレンズの焦点距離を変化させる。 図１０は、本発明の可変焦点レンズのもう１つの態様の前面の正面図を示して おり、ここでは、熱的に伸張可能な金属のリングが弾性的なレンズの周縁部に埋 め込まれている。 図１１は、線１１−１１に沿った、図１０の可変焦点レンズの側面の断面図を 示している。 図１２ａ、１２ｂおよび１２ｃは、実施例において説明されているように、本 発明にかかる３種の風船レンズについての試験の実験結果を示している。 本発明の詳細な説明および好ましい態様 本発明は、光軸に対してほぼ垂直な平面内において、半径方向に微少な量だけ 、周縁部を伸張させる場合の、弾性変形が可能な光学レンズの光学表面の曲率に おける変化に関する発見に基づいている。このような弾性的なレンズの半径方向 の伸張はレンズの中心部の厚みを減少させ、結果として光学的な屈折面の曲率半 径における増大を招き、レンズの光学倍率を減少させると仮定することは自然な ことである。現実に、Fordの米国特許第 4,444,471号において教示され、説明さ れているように、過酷に伸張されている場合は、弾性的なレンズにおいて、光学 倍率における減少を観察することができる。しかしながら、驚くべきことに、予 想されるものおよびFordの開示により示唆されるものに反して、弾性変形が可能 なレンズをその直径の 2〜 3パーセントの半径方向の伸張に付す場合、その光学 倍率は実は増大し、その増大はかなり大きなものである。光軸に対してほぼ垂直 な平面内において、レンズの緩和直径の約5%を超えない微少な量だけ、弾性変形 が可能なレンズの赤道直径を伸張させることが、レンズの周縁領域のレンズ曲率 を平らにし、中心領域の曲 率を増大させ、結果として、レンズの中心領域の光学倍率を増大させるというこ とがここに見いだされた。 それゆえに、本発明は、光軸に対してほぼ垂直な平面内において、周縁部の緩 和直径の約5%を超えない量だけ、レンズ本体の周縁部を伸張させることにより、 光軸に交差する２つの屈折面およびこの光軸を取り巻く周縁部を有する透明で弾 性変形が可能なレンズ本体を含むレンズの光学倍率を増大させる方法を包含する 。 本発明は、その赤道直径における微少な変化によりその光学倍率が変化する弾 性変形が可能なレンズをも含む。このようなレンズは、光軸に交差する２つの屈 折面およびこの光軸を取り巻く周縁部を有する弾性変形が可能で透明なレンズ本 体、並びに、前記周縁部の緩和直径の約5%を超えない量だけ前記レンズ本体の周 縁部を伸張させるための手段を含む。 本発明は、屈折面が、球面、非球面、円柱状、円環状などであろうとなかろう と、従来からあるレンズの形状、つまり、両凸、両凹、平凸、平凹、凹凸または 平平レンズにおける弾性変形が可能なすべてのレンズに適用できる。つまり、本 発明は、均質な光学材料、勾配屈折率光学材料（GRINレンズ）、壁厚が一定か可 変かにかかわらずすべての形状および壁厚の、流体で満たされているレンズ、フ レネルレンズおよび回折性光学素子（DOE ）からつくられるものを含む、すべて の種類および厚みの、正、負およびゼロ倍率のレンズにまで拡張する。 本発明によれば、その赤道直径における微少な変化により、弾性変形が可能な レンズの焦点距離または光学倍率が変化する。概して、弾性変形が可能なレンズ はセル中に取り付けられ、このレンズを支えるのに十分な張力を初めに作用され 、静止位置または安定位置において安定化される。前記の取り付け素子および張 力を作用する 素子は、たいていは、前記レンズの周縁部または赤道部分の辺りに配置して使用 され、前記レンズの光軸に対してほぼ垂直に配向されている平面内において張力 を作用させる。たいていは、初期の安定化張力は比較的小さく、レンズの自然な 形状の実質的なひずみを生じない。本出願において、張力がほとんどまたはまっ たく無いこの状態におけるレンズの配座をレンズの緩和状態と称する。このレン ズの赤道直径がわずかに（その緩和直径の5%以下、好ましくは、その緩和直径の 2〜3%以下）増大する値まで半径方向の張力を増大し、レンズの焦点距離または 光学倍率を変化させる。赤道直径がこの微少な増大をうけるに従って、レンズの 一方または両方の光学的な屈折面は独特の様式で変化する。この屈折面は周縁部 の近くでは平らになり、レンズの中心領域、つまり、光軸のすぐ近くを取り巻く 領域においては、結果として生じる急峻な曲率を有している。この結果は、赤道 直径におけるこのような微少な増大については、前記レンズの中心領域の光学倍 率は、予想されるように減少するのではなく、増大するということである。相応 じて、前記レンズの中心領域の焦点距離は短くなる。 弾性変形が可能な本発明のレンズは、本発明にかかるレンズの光学倍率におけ る変化を示すのに十分な大きさの弾性変形をうけることができる、光学的に適切 なあらゆる材料で構成してもよい。この材料は、レンズにより集束しようとする 波長に対してほぼ透明でなければならない。従って、スペクトルの可視領域にお いて使用しようとするレンズは、可視波長においてほぼ透明でなければならず、 赤外領域において使用しようとするレンズは、可視光に対しては透明である必要 はないけれども、赤外線に対してほぼ透明でなければならない。当然、重要でな い用途において使用しようとする場合は、電磁線の散乱および光学的な欠陥は、 前記レンズにおいて許容さ れる。しかしながら、一般には、重要な波長領域においては、前記材料はできる だけ透明であるべきである。 本発明にかかるレンズにおいて使用される弾性変形が可能なレンズ素子は、静 止状態のレンズ素子の形状に成形される固体の弾性的な材料でつくることができ る。この固体の弾性的なレンズは、例えば、シリコーンゴム、ポリエチレン、ポ リプロピレン、改質ポリスチレン、透明なポリウレタンエラストマーなどのよう な合成ポリマーでつくることができる。使用する材料が高い透明性、つまり、重 要な波長における低い光学的な吸収度および低い光散乱を示すことが望ましいこ とは、当業界における熟練者により明確に理解されるであろう。さまざまな弾性 的な光学的な材料の性質は、よく知られているか、または測定可能である。それ ゆえに、実施者が所定のレンズの適用のための適切な材料を選択するにあたって は、まったく困難はないであろう。このようなレンズは、従来からある手順によ り、両凸、平凸、両凹、平凹、平平またはメニスカスレンズなどの形状に成形ま たはキャストしてもよい。前記レンズは、このような材料を機械加工するための 従来からある手順、つまり、冷却により前記材料を硬化させ、その状態において 機械加工操作を施すことにより、透明で弾性的な本体上に光学表面を機械加工す ることにより成形してもよい。 本発明の用途のためのレンズ本体は、流体もしくはゲルで満たされている袋ま たは風船であってもよい。この種類のレンズは透明な材料、例えば、ポリエチレ ンテレフタレートで風船または袋を成形し、流体材料、例えば、液体または気体 または透明で低散乱の変形可能なゲルでこの風船を満たすことにより構成しても よい。風船レンズを満たすための適切な材料は、水、水溶性の無機および有機固 体の水溶液、有機液体、水に対して相溶性のある有機液体と水との 混合物並びにシリコーンオイルを含む。有機液体、並びに、共有結合されている か、またはイオンの形態にある塩素、臭素およびヨウ素のようなハロゲンを含む 可溶性の無機塩は、比較的高い屈折率の充填材料として有用である。グリコール およびポリエチレングリコールのような水に対して相溶性のある有機化合物と水 との混合物は有用な充填材料である。 次に、前記風船または袋を光軸上の位置に取り付け、レンズの周縁部に結合さ れている手段により懸架し、レンズ本体を通る平面内において半径方向で外向き の張力を作用させる。低い張力を作用させる場合は、取り付け手段の中で、レン ズは安定な形状をとる。つまり、このレンズは、本出願においてレンズの緩和状 態として定義されている安定化状態にある。流体またはゲルで満たされているこ のレンズの周縁部上へのさらなる半径方向の張力によって、このレンズの周縁部 を5%以下だけ伸張させると、その光学表面が形状における本発明に特徴的な変化 を受け、レンズの中心領域の曲率が増大し、これにより、このレンズの光学倍率 が増大する。 レンズの周縁部もしくは赤道部上の半径方向の張力を作用させることができる あらゆる方法または手順を使用して、本発明にかかる弾性変形が可能なレンズの 光学倍率を変化させることができる。この張力を作用させるための手段それ自身 が、レンズの光軸について半径方向の張力を直接に作用させる必要はない。レン ズの周縁部に作用するすべての張力の合力が前記レンズの周縁部の直径を増大さ せることで十分である。 従って、赤道直径を伸張させるためにレンズの周縁部に付与する力は、半径方 向に配向しているねじ、水圧または空気圧シリンダー、電気的なソレノイド、ア イリス絞り機構において使用されるもののようなカムおよびカム従動節などのよ うな直接的な機械的手段に より付与してもよい。 前記機構は、締め付け、接着などのような従来からある手段によりレンズの周 縁部に固定することができる。この張力機構は、レンズの周縁部の辺りに、一般 的に半径方向で外向きの力を作用させることができるべきである。前記レンズ本 体上の張力は、その光軸に対してほぼ垂直な平面内において、外向きに作用しな ければならないけれども、この張力の源である前記の機械的な装置は、レンズ本 体の半径方向の伸張が起こる平面内以外に設置してもよい。それにもかかわらず 、張力源は通常はレンズの近くに配置され、直接または作動素子により発生され る力をレンズ本体上の半径方向で外向きの張力に変換する機械的な結合素子を通 して、半径方向で外向きの力をレンズ本体に作用させる。特に、前記作動素子は 光軸に平行に作動してもよく、張力機の軸方向の動きにより発生される張力は、 テンドン（tendon）および滑車、クランクなどにより、レンズ本体上の半径方向 で外向きの張力に変換してもよい。好ましい態様においては、レンズ本体の周縁 部から半径方向に伸びている軟らかいフランジをつくり、このレンズ本体の周縁 部よりもやや大きな直径を有する円形のアンビル（anvil ）越しに、その光軸に 平行な方向にこのフランジを引くことにより、レンズ本体上の半径方向の張力を 発生させてもよい。この柔らかいフランジ上の軸方向の牽引力は、レンズの周縁 部上で半径方向の張力に変換され、直径を増大させ、それによりレンズの光学倍 率を増大させることができる。 本発明にかかる好ましい可変焦点レンズは、金属もしくは他の材料の作動リン グがレンズ本体の周縁部に接着されているか、またはその周縁部に近接している レンズ本体に埋め込まれている弾性変形が可能なレンズ本体を含む。この作動リ ングは、物理的または化学的環境における変化に対応してその直径を伸張させ、 このリングの 平面内のレンズ本体の直径を変えることができる材料で構成される。もしも金属 の作動リングを使用する場合、このリングの直径は、リングを加熱することによ り伸張させることができ、それによりレンズ本体の周縁部が伸張し、このレンズ の光学倍率が増大する。前記リングは、従来からあるあらゆる加熱方法により加 熱することができる。例えば、金属のリングに近接しているか、または取り囲む ように配置されている電気的な発熱体からの熱伝導により、リングを加熱するこ とができる。このような設備における作動リングの温度は、前記発熱体中の電流 を調整することにより制御することができる。あるいは、前記リングの中に絶縁 部分を差し込み、このリングの導電性の部分の端部に電極を通して電流を供給す るか、または、交流電磁場の外部発生源を使用する電磁誘導により金属のリング の中に渦電流を発生させ、それ自身の中に電流を流すことにより、リングを加熱 することができる。電磁線、例えば、赤外線の外部発生源から注がれる放射熱に より、金属の作動リングを加熱することもできる。伸張可能な金属の作動リング の温度の連続的な変化は、本発明にかかるレンズの光学倍率における連続的な変 化を生じる。加熱または冷却される際に、所定の温度においてその直径が変化す る形状記憶合金で作動リングをつくることにより、あらかじめ決めておいた温度 において、光学倍率における比較的急な変化をつくることも可能である。もしも 前記リングが磁気ひずみ材料でつくられている場合は、それを磁場に付すことに より、その直径を変化させることができる。この作動リングは、電場に付される と、その寸法が変化する圧電材料でつくってもよい（例えば、電場を付与するた めの電極がリングの両面に貼られているか、またはメッキされている圧電セラミ ックでつくられている方形断面のリング）。 前記の作動リングは、温度が変化する際に前記レンズ本体の周縁 部に外向きの力を作用するように準備されているバイメタル要素を含んでもよい 。当然、このような素子は、温度の上昇または低下に従って、レンズ本体の赤道 直径を増大させるように準備することができる。 前記の作動リングは、その化学的な環境における変化に応じて直径が変化する ことによりレンズ本体の直径を増大させる材料を含んでもよい。 本発明の可変焦点レンズの多数の態様を図面において説明する。 図１〜４は、測定するために使用される実験装置 100を説明しており、本発明 のレンズおよび方法を説明している。壁体 114および赤道周囲のリップまたは縁 金 110を有し、水 112で満たされている、両凸の弾性変形が可能なレンズ 102、 例えば、透明な袋でつくられているレンズ、は、剛直な取り付けリング 104内に 取り付けられる。図１は、この装置の前面の正面図を示し、図２は、前記レンズ 102の周縁部または赤道1...の平面を通して描かれている前面の断面図を示して いる。図３は、図１の線１−１に垂直に見る場合の、装置 100の側面図を示して おり、図４は、図１の線４−４に沿って描かれている横断面図を示している。前 記取り付けリング 104は無回転スピンドルを有する８つのマイクロメーター 106 （止めねじ 107などにより取り付けリング 104に固定されている）を支持してい る。マイクロメーター 106のこのスピンドルは、それらのシンブルが回されるの に従って、半径方向の内および外に動くように配置されている。各々のマイクロ メーターの内側の端部には、レンズ 102の縁金 110をしっかりと締め付けるクラ ンプ 108が存在する。従来からある固定手段（示されていない）により、光学台 （示されていない）の上に、前記の装置全体 100を固定し、レンズ 102の赤道直 径の増大により生じる焦点距離における変化を測定することができ る。いったんレンズ 102が装置 100の中央の場所に締め付けられると、マイクロ メーター 106を調整し、レンズの周縁部のリップまたはフランジ 110に初期の安 定化張力を加え、初期状態を確立することができる。赤道直径における増大の効 果の測定において、初期状態におけるレンズの焦点距離を、従来からある手段に より測定する。次に、マイクロメーター 106を調整して、レンズ 102の周縁部の 縁金 110に、微少で対称的な外向きの変位を与えて、再び焦点距離を測定する。 このような装置内の弾性変形が可能なレンズについては、5%以下の赤道直径の増 大に従ってレンズの光学倍率が増大するということが見いだされた。 本発明に係る可変焦点レンズにおいては、他の装置を使用して、半径方向の張 力を作用させ、赤道直径における微少な増大を与えてもよい。 本発明のもう１つの可変焦点レンズ 200を図５および６において説明する。弾 性変形が可能なレンズ 202は、レンズの縁金 204内の赤道 205の近くに、環状の 電気抵抗発熱コイル 206を埋め込まれている。このコイル 206は、その中を通る 電流により発熱し、それにより直径を増大し、付随してレンズの赤道直径を増大 させる。図５は、レンズ 202を示している前面の正面図であり、発熱コイル 206 が制御可能な熱源として埋め込まれている。図６は、図５の線６−６に沿った、 図５の可変焦点レンズの側面の断面図を示している。 本発明の可変焦点レンズの態様 500を図１０および１１において説明する。本 発明のこの態様は、レンズ 502の縁金 504内に埋め込まれているか、または接着 されている金属のリング 506を使用する。この金属のリング 506は加熱されると 伸張し、それによりレンズ 502の赤道直径を増大させ、その光学倍率を増大させ る。この金属のリング 506は、図５および６において説明されている種類の近接 している発熱コイルにより加熱することができる。この金属のリングは、他の手 段により加熱することもできる。例えば、このリングは強磁性材料でつくること ができ、前記レンズを交流を通しているコイルで取り巻き、電磁誘導によりこの リングを加熱することができる。リングは放射エネルギーにより加熱することも できる。 本発明のもう１つの態様が図７および８において説明され、ここでは、張力ね じにより半径方向の張力を付与し、弾性変形が可能なレンズの周縁部をアンビル 越しに伸張させ、半径方向の直径を増大させる。この装置 300において、弾性変 形が可能なレンズ 302は、調整ねじ 310により作動される締付けリング 308によ り張力セル 304内に取り付けられている。初めに、調整ねじ 310を調整し、レン ズ 302に初期の安定化張力を加える。次に、調整ねじ 310を引き締めることによ り環状のアンビル 306越しにレンズ 302の周縁部 312を引き、それによりレンズ 302の半径方向の赤道直径を増大させる。赤道直径が 2〜 3パーセントだけ増大 する場合は、光学倍率の増大という結果になる。 図９は本発明の態様 400の概要を説明しており、ここでは、弾性変形が可能な レンズ 402がクランプ 408によりソレノイド 406に固定されている。このソレノ イド 406は、従来からあるあらゆる支持構造（示されていない）に交互に取り付 けられる。このソレノイドが作動すると、レンズ 402の赤道直径が増大し、それ によりレンズの光学倍率が増大する。 本発明の弾性変形が可能なレンズの赤道リングは、電圧の付与下で伸張する圧 電材料または磁場中に置かれると伸張する磁気ひずみリングであってもよい。加 熱されると直径を変化させるバイメタルリングもまた使用してもよい。このリン グは、特定の転移温度において直径を変化させる形状記憶合金でつくってもよい 。このリング は、レンズの全円周にわたって連続している必要はなく、２つ以上の部分を含ん でもよい。例えば、これらの大きさが加熱により変化する際の各部分の総合作用 が、結果としてレンズの赤道直径における変化を生じるのであれば十分である。 一般に、金属、プラスチック、混成材料など、いくらかの操作量の付与によりそ の直径を変化させることができるあらゆる材料を使用することができる。このよ うに、機械的な調整装置により直径を変化させることができるリングは、本発明 の可変焦点レンズにおける用途に適している。好ましくは、このようなリングは レンズの赤道の周りに対称的な張力を加えて、対称的なレンズをつくるべきであ る。特定の化学的な環境に付すことにより直径が変化する材料、例えば、環境の pHにおける変化により機械的な直径が変化するポリマーのリングでさえ、本発明 の可変焦点レンズにおいて使用してもよい。 本発明のレンズの赤道直径における変化を与える張力リングは、レンズそのも のの中に、好ましくは、レンズの赤道の近くに埋め込んでもよく、または、レン ズの外にあって、締め付け、接着、粘着固定などのようなあらゆる適切な手段に よりレンズの赤道に固定してもよいということは、当業界における熟練者により 理解されるであろう。 本発明の方法は、可変焦点非点レンズの製造における有用性をも有している。 弾性変形が可能なレンズの赤道直径の微少な変位の量をメリジアン毎にさまざま に変化させることにより、レンズの光学倍率をメリジアン毎に制御することがで きる。 以上の議論において示されているように、本発明の可変焦点レンズにおいて使 用する張力リングは、風船レンズまたは弾性変形が可能な軟らかいレンズの赤道 直径の部分に結合され、または連接され、または埋め込まれ、または一体となっ ていてもよい。前記リング は、レンズの赤道上に力を作用して微少な変位を誘起するのに十分に剛直である だけでよい。このような材料はよく知られており、適切な金属、バイメタル要素 、形状記憶金属、合金、セラミックス、合成樹脂、ガラス質材料、磁器、ガラス 繊維、ホウ素繊維、炭素繊維、アルミナ繊維、複合材料などを含む。 本発明の可変焦点レンズは、機械加工、射出成形、真空成形、加圧成形、加熱 成形、圧縮二次成形、圧搾などの、使用する材料に適する従来からあるあらゆる 技術により製造してもよい。 実施例 この実施例は、レンズの赤道直径における微少な変化をつくることにより達成 することができる、弾性変形が可能なレンズの光学倍率の変化を説明している。 図１〜４において説明されている種類の実験装置を構成し、弾性変形が可能な レンズの赤道直径における微少な変化をつくり、光学倍率における変化を測定し た。 2.4〜 4.1GPa のヤング率および1.50〜1.55の屈折率を有するポリ塩化ビニル で、３種の透明なプラスチックの風船を構成した。これらの風船は、約 0.5mmの 厚みのポリ塩化ビニル材料の２つのウェブをヒートシールしてつくり、いずれも 風船の全円周にわたってレンズの赤道から半径方向の外向きに伸びている約 3mm 幅のリップを残した。次に、これらの風船を水で満たし、密封した。１，２，３ と番号をつけたこれらの風船は、以下の表１に示すような寸法を有していた。こ の厚みは、光軸に沿って、前後方向で測定した。 装置は図１〜４において説明されたものと本質的に同じである。無回転スピン ドルを有する等間隔に対向している８つのマイクロメーター（L.S．Starrett Co .，Athol，MA）のスピンドルに赤道リップを締め付けることにより、この装置内 にこれらのレンズを取り付けた。風船レンズの赤道面がこの光学台の観測軸に対 して垂直であることを保証するために、二重アークゴニオーメーターを使用して 、精密光学台（Model L-360-N，Gaertner Scientific，Chicago，IL ）に、取り 付けリングを配置した。この光学台に取り付けたコリメーターからの平行な光を 、 9.5mmの開度の仕切板を通し、次に前記の試験用のレンズに通した。像は光軸 上に配置した顕微鏡で観察した。鮮明な像を得るまで前記マイクロメーターを調 整することにより、試験用のレンズの初期の直径を測定した。次に、スピンドル が外向きに 0.127mm± 0.005mmの増分ずつ動くようにマイクロメーターを回した 。赤道直径の各増分について、±0.12ジオプターの精度で、この試験用のレンズ の有効焦点距離（節点の位置から測定した）を測定した。さらなる増分が、有効 光学倍率において約１ジオプターの増大しか生じなくなるまで、赤道直径におけ る増大を続けた。次に、前記マイクロメーターを 0.127mmの増分ずつ内向きに回 し、風船レンズが初期の赤道直径に戻るまで、有効光学倍率を測定した。伸張と 緩和を３回繰り返して、各々のレンズを試験した。赤道直径における微少な増大 （＜2%）に伴う有効光学倍率における増大は完全に可逆的であり、再現性を有し ていた。 前記の３種のレンズについての試験結果を以下の表２に示す。 前記実験結果を、図１２ａ、１２ｂおよび１２ｃにおいて、グラフに示す。こ れらの図において、前記レンズが伸張されていた間に取られたデータ点は円形で 表し、前記レンズが緩和されていた間に取られたものは正方形で表す。この結果 は、光学倍率における変化は大きく、一般的に、赤道直径における微少な変化に 対して直線的であるということを示している。 ここに十分に説明された本発明は、その真意または不可欠な特徴から離れるこ となく、他の特定の形態または変種において具体化してもよいということを理解 するべきである。従って、以上に説明されている態様は、すべての点において、 例証であって制限ではなく、本発明の範囲は、先述の説明ではなく、請求項によ って示されており、請求項と同等の意味および範囲内でのすべての変更は、その 中に包含されると解釈される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光軸に交差し、前記光軸を取り巻く弾性的に伸張が可能な周縁部において 接する２つの透明なウェブを含み、前記のウェブおよび前記周縁部はキャビティ ーを規定し、前記キャビティーは透明な流体または変形可能な固体媒体で満たさ れている、弾性変形が可能な合成のレンズ本体、並びに、 前記周縁部を前記光軸に対してほぼ垂直な平面内において伸張させるための伸張 手段 を含む可変焦点レンズ。 ２．前記のウェブが合成ポリマーから構成される、請求項１記載の可変焦点レ ンズ。 ３．前記合成ポリマーが、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（メタクリ ル酸メチル）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ（４フッ 化エチレン）およびシリコーン樹脂からなる群より選ばれる、請求項２記載の可 変焦点レンズ。 ４．前記キャビティーが気体で満たされている、請求項１記載の可変焦点レン ズ。 ５．前記気体が、空気、二酸化炭素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプト ン、キセノンおよび６フッ化硫黄からなる群より選ばれる、請求項４記載の可変 焦点レンズ。 ６．前記キャビティーが液体で満たされている、請求項１記載の可変焦点レン ズ。 ７．前記液体が、水、水溶性の無機および有機固体の水溶液、有機液体、水に 対して相溶性のある有機液体と水との混合物並びにシリコーンオイルからなる群 より選ばれる、請求項６記載の可変焦点レンズ。 ８．前記水溶液が、ハロゲンの陰イオンを有する水溶性の無機塩の溶液からな る群より選ばれる、請求項７記載の可変焦点レンズ。 ９．前記有機液体が、炭化水素、ハロゲンで置換されている炭化水素、グリコ ールおよびポリエチレングリコールからなる群より選ばれる、請求項７記載の可 変焦点レンズ。 １０．前記の水に対して相溶性のある有機液体と水との混合物が、グリコール またはポリエチレングリコールと水の混合物からなる群より選ばれる、請求項７ 記載の可変焦点レンズ。 １１．前記液体がシリコーンオイルである、請求項７記載の可変焦点レンズ。 １２．前記伸張手段が、前記周縁部に光軸から半径方向の外向きに張力を作用 させるために前記周縁部に結合されている張力装置を含む、請求項１記載の可変 焦点レンズ。 １３．前記張力装置が、前記光軸から半径方向の外向きに配向されているねじ を含む、請求項１２記載の可変焦点レンズ。 １４．前記張力装置が、前記光軸から半径方向の外向きに配向されているソレ ノイドを含む、請求項１２記載の可変焦点レンズ。 １５．前記張力装置が、前記光軸から半径方向の外向きに配向されている水圧 シリンダーを含む、請求項１２記載の可変焦点レンズ。 １６．前記張力装置が、前記光軸から半径方向の外向きに配向されている空気 圧シリンダーを含む、請求項１２記載の可変焦点レンズ。 １７．前記張力装置が、少なくとも１つのカムおよびカム従動節を含む、請求 項１２記載の可変焦点レンズ。 １８．前記周縁部に光軸から半径方向の外向きに張力を作用させるために前記 周縁部に結合されている前記張力装置が、半径方向の 外向き以外の方向に張力を作用させ、この張力を前記周縁部に半径方向の外向き に作用するように向け直すための手段に機能的に結合されている手段を含む、請 求項１２記載の可変焦点レンズ。 １９．半径方向の外向き以外の方向に張力を作用させるための前記手段が、ね じ、ソレノイド、水圧シリンダー、空気圧シリンダー、並びに、カムおよびカム 従動節からなる群より選ばれる、請求項１８記載の可変焦点レンズ。 ２０．前記張力を前記周縁部に半径方向の外向きに作用するように向け直すた めの前記手段が、滑車上ではたらくテンドン、クランク、並びに、前記レンズと 一体式の周縁部のフランジおよびアンビルからなる群より選ばれる、請求項１８ 記載の可変焦点レンズ。 ２１．前記伸張手段が、前記周縁部に結合されている伸張可能なリングを含む 、請求項１記載の可変焦点レンズ。 ２２．前記リングが、前記周縁部に接着されている、請求項２１記載の可変焦 点レンズ。 ２３．前記リングが、前記周縁部に近接する前記レンズ本体に埋め込まれてい る、請求項２１記載の可変焦点レンズ。 ２４．前記リングが、熱的に伸張可能な金属のリングである、請求項２１記載 の可変焦点レンズ。 ２５．前記の熱的に伸張可能な金属のリングと熱伝導性をもって結合されてい る電気的な発熱体をさらに含む、請求項２４記載の可変焦点レンズ。 ２６．前記の伸張可能なリングが、少なくとも１つのバイメタル板を含む、請 求項２１記載の可変焦点レンズ。 ２７．前記のバイメタル板と熱伝導性をもって結合されている電気的な発熱体 をさらに含む、請求項２６記載の可変焦点レンズ。 ２８．前記の伸張可能なリングが、形状記憶合金から構成される 、請求項２１記載の可変焦点レンズ。 ２９．形状記憶合金から構成される前記の伸張可能なリングと熱伝導性をもっ て結合されている電気的な発熱体をさらに含む、請求項２８記載の可変焦点レン ズ。 ３０．前記の伸張可能なリングが、不連続であり、その中に電流を通すための 電極を備えている、請求項２１記載の可変焦点レンズ。 ３１．前記の伸張可能なリングが、コイルの形状をしている、請求項３０記載 の可変焦点レンズ。 ３２．前記の伸張可能なリングが、圧電材料から構成される、請求項２１記載 の可変焦点レンズ。 ３３．前記の伸張可能なリングが、磁気ひずみ材料から構成される、請求項２ １記載の可変焦点レンズ。 ３４．光軸に交差する２つの光学表面および前記光軸を取り巻く周縁部を有し 、前記表面の間にわたる、弾性変形が可能な合成の透明屈折体、並びに、 前記光軸に対してほぼ垂直な平面内において、前記周縁部の微少な変位を誘起す る、前記周縁部と一体式の伸張手段 を含む可変焦点レンズ。 ３５．前記伸張手段が、前記周縁部に結合されている伸張可能なリングを含む 、請求項３４記載の可変焦点レンズ。 ３６．前記リングが、前記周縁部に接着されている、請求項３５記載の可変焦 点レンズ。 ３７．前記リングが、前記周縁部に近接する前記レンズ本体に埋め込まれてい る、請求項３４記載の可変焦点レンズ。 ３８．前記リングが、熱的に伸張可能な金属のリングである、請求項３５記載 の可変焦点レンズ。 ３９．前記の熱的に伸張可能な金属のリングと熱伝導性をもって結合されてい る電気的な発熱体をさらに含む、請求項３８記載の可変焦点レンズ。 ４０．前記の伸張可能なリングが、少なくとも１つのバイメタル板を含む、請 求項３５記載の可変焦点レンズ。 ４１．前記のバイメタル板と熱伝導性をもって結合されている電気的な発熱体 をさらに含む、請求項４０記載の可変焦点レンズ。 ４２．前記の伸張可能なリングが、形状記憶合金から構成される、請求項３５ 記載の可変焦点レンズ。 ４３．形状記憶合金から構成される前記の伸張可能なリングと熱伝導性をもっ て結合されている電気的な発熱体をさらに含む、請求項４２記載の可変焦点レン ズ。 ４４．前記の伸張可能なリングが、不連続であり、その中に電流を通すための 電極を備えている、請求項３５記載の可変焦点レンズ。 ４５．前記の伸張可能なリングが、コイルの形状をしている、請求項４４記載 の可変焦点レンズ。 ４６．前記の伸張可能なリングが、圧電材料から構成される、請求項３５記載 の可変焦点レンズ。 ４７．前記の伸張可能なリングが、磁気ひずみ材料から構成される、請求項３ ５記載の可変焦点レンズ。 ４８．光軸に交差する２つの光学表面および前記光軸を取り巻く周縁部を有し 、前記表面の間にわたる、弾性変形が可能な合成の透明屈折体、並びに、初期の 緩和状態において緩和赤道直径を有する前記周縁部をつくること、並びに、 前記光軸に対してほぼ垂直な平面内において前記の緩和赤道直径の5%を超えない 量だけ前記周縁部の前記赤道直径を増大させること を含む、弾性変形が可能なレンズの光学倍率を高めるための方法。 ４９．前記屈折体が、流体で満たされている袋である、請求項４８記載の方法 。 ５０．前記の流体で満たされている袋が、風船である、請求項４９記載の方法 。 ５１．前記屈折体が、固体のエラストマー材料である、請求項４８記載の方法 。 ５２．前記屈折体が、両凸、平凸、両凹、平凹、平平およびメニスカスレンズ からなる群より選ばれる、請求項４８記載の方法。 ５３．前記赤道直径を、前記光軸に対してほぼ垂直な平面内において、光軸か ら半径方向の外向きに力を作用させることにより増大させる、請求項４８記載の 方法。 ５４．前記の力を、前記屈折体の前記周縁部に結合されているねじにより作用 させる、請求項５３記載の方法。 ５５．前記の力を、前記屈折体の前記周縁部に結合されているソレノイドによ り作用させる、請求項５３記載の方法。 ５６．前記の力を、前記屈折体の前記周縁部に結合されている水圧シリンダー により作用させる、請求項５３記載の方法。 ５７．前記の力を、前記屈折体の前記周縁部に結合されている空気圧シリンダ ーにより作用させる、請求項５３記載の方法。 ５８．前記の力を、前記屈折体の前記周縁部に固定されている伸張可能なリン グにより作用させる、請求項５３記載の方法。 ５９．前記の伸張可能なリングが、前記屈折体の前記周縁部に接着されている 、請求項５８記載の方法。 ６０．前記の伸張可能なリングが、前記屈折体の前記周縁部に近接する前記屈 折体に埋め込まれている、請求項５８記載の方法。 ６１．前記の伸張可能なリングが、熱的に伸張可能な金属のリン グである、請求項５８記載の方法。 ６２．前記の伸張可能なリングが、少なくとも１つのバイメタル板を含む、請 求項５８記載の方法。 ６３．前記の伸張可能なリングが、形状記憶合金から構成される、請求項５８ 記載の方法。 ６４．前記の伸張可能なリングが、電気的な発熱体により加熱される、請求項 ５８記載の方法。 ６５．前記の伸張可能なリングが、その中に電流を通すことにより加熱される 、請求項５８記載の方法。 ６６．前記の伸張可能なリングが、電磁誘導により加熱される、請求項５８記 載の方法。 ６７．前記の伸張可能なリングが、電磁放射により加熱される、請求項５８記 載の方法。 ６８．前記の伸張可能なリングが磁気ひずみ材料を含んでなり、前記リングが 磁場に付すことにより伸張される、請求項５８記載の方法。 ６９．前記の伸張可能なリングが圧電材料を含んでなり、前記リングが電場に 付すことにより伸張される、請求項５８記載の方法。 ７０．前記電場が、前記圧電材料に接触している電極により付与される、請求 項６９記載の方法。