JPS60114805A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
ーディスクをはじめとするエレクトロオグテイクス機器
に用いられる光学素子に関し、特に光学表面形状を変化
させることによシ、焦点距離を変化させうるような可変
焦点光学素子に関する。

従来、可変焦点レンズとしては、特開昭５５−３６８５
７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５６−１１０４
０３、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シ、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。

本発明の目的は、上述の如き欠点を解決し、焦点距離の
変化量が大きく、構成が簡単な可変焦点光学素子を提供
するものである。

本発明による光学素子は弾性体および該弾性体を突出又
は沈降させて光学表面を変形できる開口を対向して有し
、該対向する開口の閾に該弾性体の分離部材を有するこ
とを特徴とするものである。

本発明による光学素子は、弾性体および該弾性体を突出
又は沈降させて光学表面を変形できる開口を有する部材
からなることを特徴とするものでちる。即ち、本発明に
よる光学素子社、塊状の弾性体自体を部材の開口から凸
状に突出又は凹状に沈降させることによって、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のである
。

従って弾性体に対して外力を印加するだけで、ある−へ
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。

また、本発明による光学素子は、対向する開口の間に弾
性体の分離部材を介在させであることから、対向する開
口のそれぞれに形成される光学表面を独立に所望の形状
にすることができるため、よシ高度な焦点の可変が可能
な光学素子として用いることができるものである。

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、加えた力があまシ大きくない限シ（弾性限界内
で）、力を取シ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１０
００％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力監適宜使用される
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シ均質になるようにするため弾
性率が小さいもの力ｌ好ましい。

なお、弾性率（Ｇ）はＧ＝σ／ｒ（σ＝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、
従っ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６ゴム”と知られ
ている天然ゴムや、スチレンブタジェンゴム（ＳＤＲ）
、ブタジェンゴム（ＢＲ）、（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）、クロログレンゴム
（ＣＲ）アクリロニトリル−ブタジェンゴム（ＮＢＲ）
、ウレタンゴム（Ｕ）、シリコーンゴム（Ｓｔ）、ふっ
素コム（ＦＰＭ）、多硫化ゴム（Ｔ）、ポリエーテルゴ
ム（ＰＯＲ、Ｃ）ｉＲ、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
程度によって、ガラス状態、ゴム状態又は溶融状態のい
ずれかをとる。従って、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って決定され、
従って、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、引張シ、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
１０”　〜１０”　ｄｙｎｅ／ｄよシも小さく、ゴム弾
性体の１０’　ｄｙｎｅ／ｃｄ　以下が適当で、好まし
くは１０’　ｄｙｎｅ／ｃｄ以下、特に好ましくは５　
Ｘ　１０’ｄｙｎｅ／ｄ以下で、１）、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、軟さけある程度その弾性に依存する。Ｊ
　Ｉ　ＳＫ６３０１では試料表面にスプリングによシ微
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１０’　ｄｙｎ／ｃＩＩｌ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”引張シ
ー伸び”では測定が困難なので圧縮（５チ変形）によシ
その値をめ、先の針入度との対応をめることができる。

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
ブタジェン−スチレンブロッ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って得る
ことが出来る。

これらはいずれもその架橋状態、ブロック共重合体に於
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ょシ、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ってもその特
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　
ＧＥＬ（商品名））と触媒（商品名；　Ｃａｔａｌｙｓ
ｔ−１０４９信越化学工業製）に希釈剤（商品名：ＲＴ
Ｖシンナー、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、引張シ強さは低下し、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−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だ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って異
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、矩形のスリット状に開口を設ける事によシ、シリン
ドリカルレンズ及びトーリックレンズを形成することも
できる。

これら開口によっ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って、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
しながらフィードバッ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
も可能でラシ、これにょシ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ィードバック機構で行う事が
望しく、この為には電磁石やステッピングモーター、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
られたヒーターをもって行うことができる。次に、本発
明による光学素子の代表的な構成を図面にょシ説明する
。

第１図〜第３図は、本発明の光学素子の基本原理を説明
するための光学素子の断面を示すもので、１は円形開口
部２を有する円筒形の容器、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
であシ、この場合加えた圧力の大きさにしたがって、弾
性体の一部が開口部よシ凸しンズ状に突出する。第３図
は、可動部４を通じて弾性体に負圧を加えた状態で、こ
の場合弾性体は開口部において凹レンズ状になる。

このようにして、容器の可動部に印加する外力の大きさ
によって弾性体の一部によシ開ロ部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。

第１図〜第４図に示されるように弾性体は開口によって
、光学表面を形成できるのであるが、本発明では特に、
複数の光学表面形状を独立に変化させることを実現する
ために弾性体の分離部材を設けるものであシ、第５図は
その代表的な１態様を示す。Ｍ５図の光学素子は弾性体
３が円筒状の容器８内に円板状の分離部材１１で分離し
て収容されているものでアシ、対向する開口部材ｌｏお
よび１３には対向する開口部９および１２が位置する。

開口部９および１２に形成される弾性体の光学表面は開
口部材１０と１３又は１１或いは開口部材と分離部材の
両者を開口と直角方向に移動させることによって所望の
形状に変形させることができる。例えば、分離部材１工
を固定し、開口部材１０および１３を分離部材に近ずけ
るように動かすことによって、開口部９と１２に形成さ
れる光学表面を凸状にすることができるし、また、分離
部材から離すように移動させることによって、開口部９
と１２に形成される光学表面を凹状にすることができる
。また、開口部材１０と１３を同一方向に移動させるこ
とによって、または、開口部材を固定して分離部材１１
を移動させることによって、開口部９と１２に形成され
る光学表面の一方を凸状に他方を凹状にすることができ
る。開口部材又は分離部材を駆動して弾性体３に圧力を
加える方法は、いかようなものも可動であシ、簡単な方
法としては、容器８にネジを切っておき開口部材又は分
離部材をネジ込む方法や、電磁石を用いて開口部材又は
分離部材を制御する方法などがあるが、それらの方法に
よって本発明が限定されるものではない。なお、分離部
材１１は一般には、光学的に透明な部材である。

第６図に示す光学素子は、本発明の他の態様の断面図で
あシ、弾性体３が容器に収容されていないものである。

この場合には必要に応じて、弾性体の円周側面は硬化処
理されていてもよい。硬化処理は、例えば弾性体を架橋
硬化剤を溶解した溶液中に、ディップしその表面にのみ
架橋を行わせる事や紫外線硬化形の樹脂に浸漬し、その
樹脂の硬化を紫外線照射して行う。

また、本発明による他の光学素子の例としては、第７図
に示すように、円筒形のピエゾ素子１４および１５を用
いて、その径方向の伸縮によシ、ピエゾ素子の内部に充
填した弾性体３を円筒の開口部１６および１７から突出
・沈降させて光学表面を形成することもできる。１８は
固定された円板状の分離部材でアシ、ピエゾ素１４およ
び１５を独立して作動させることによって、開口部１６
および１７に異なる光学表面を形成することができる。

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８図に示したように、矩形状の開
口部１８を有する容器１９を用いれば、加圧によシ突出
・沈降した弾性体の形状をシリンドリカル又はトーリッ
ク状にすることが可能である。２０は分離部材である。

また、２つの対向する開口部が同一の大きさ、あるいは
形状である必要はない。

また、分離部材を平板で構成する必要もなく、レンズ形
状をしたものを用いることも、光学設計上有用である。

また、不透明な分離部材に開口を設け、絞シとして用い
ることも有用であシ、その場合、弾性体は分離部材によ
シ完全には分離されないので、第５図のような例と比べ
て、弾性体を一度に成形できる。

実施例 第９図は、本実施例で製造した光学素子の断面図である
。まず、真ちゅう製の固締容器２１（内径５０１１　＊
深さ４５寵）の内部中央に１厚さ１　ｍｒｔｇのガラス
板２４を分離部材として固定し、その両側にシリコーン
ゴム（商品名：　ＫＥＩＱ４　Ｇｅｌ、信越化学工業製
）に対して、触媒（商品名：　Ｃａｔａｌｙｓｔ１０４
、信越化学工業１！りを１２重量％添加した混合液を収
容し、５０℃で４８時間放置し、透明な弾性体２６．２
６’とした。この弾性体の弾性率は約２　Ｘ　１０’　
ｄｙｎ／ｄである。次に、この弾性体２６．２６’上に
、直径約１５ｍｍの開口部２３．２３’を有する鉄板２
２１２２’を、各々弾性体２６．２６’と接触する面に
予めプライマー処理（商品名ニプライマーＡ。

信越化学工業製）を行ない、鉄板２２．２２’と弾性体
２６．２６’を接着させた。

との容器２１の周囲に２つの電磁石２５．２５’を配置
し、その電□流量によって鉄板２２＄２２’にかかる圧
力を独立に制御し、開口部２３．２３’より突出するシ
リコーンゴムの形状を種々変化させた。なお、鉄板２２
．２２’に圧力を加えない状態においては、シリコーン
ゴムの表面２３と２３′間の距離は約１５ａｍで６Ｄ、
鉄板２２，２２’に圧力を加えた場合でも、シリコーン
ゴム□の表面２３と２３’の頂点間の距離はほとんど変
わらなかった。

電磁石２５によシ鉄板２２に＋２１／ｃｄ、＋４０＆／
ｃｄの圧力を印加したとき、シリコーンゴムの表面２３
は近軸曲率半径が各々、約３００＋＋ａ。

約１５０ｍｍの凸面となシ、−２０９／Ｃｌｌの圧力を
印加したときは、近軸曲率半径約３１０朋の凹面となっ
た。

鉄板２２′に圧力を印加したときの、シリコーンゴムの
表面２３′も同様である。

シリコーンゴム２６．２６’、ガラス板２４＋２）屈ｆ
ｒ率〜はいずれも約１．４であシ、従って鉄板２２．２
２’各々に＋４（Ｒｉ／／＋Ｉの圧力を同時に印加した
状態では焦点距離的ｉ　９０　ａｒｍ’の両凸レンズ、
鉄板２２に＋４０ｇ／ｃＩＩｔ、鉄板２２′に一２１／
ｄを印加した状態では焦点距１ｍ約７００朋のメニスカ
スレンズ、鉄板２２．２２’各々に一２１／ｄの圧力を
印加した状態では焦点距離的−３７０１１！の両凸レン
ズが得られた。

また、鉄板２２に＋２０ｇ／ｃｄ、鉄板２２’に一２０
ｇ／−の圧力を印加した状態（実質的に鉄板２２゜２２
′を容器２工に固定し、分離部材であるガラス板２４を
下向きに圧力４０．！ｉ’／ｉの力で移動させた場合と
等価）においては、＃１とんど焦点距離ωのメニスカス
レンズとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明による光学素子の
原理を説明するための光学素子の断面図であり、第１図
は外力を印加していない状態、第２図は外力を上方に印
加した状態および第３図は外力を下方に印加した状態を
示す。 第４図は、本発明による光学素子の原理を説明するため
の光学素子の断面図である。 第５図、第６図および第７図は、それぞれ本発明の光学
素子の１態様の断面図である。 第８図は、本発明によるさらに他の光学素子の斜視図で
ある。 第９図は、本発明の実施例の光学素子の断面図である。 １．５および８，２１・・・・・・・・・容器３　・・
・・・・・・・弾性体 ２．７，９，１２，１６．１７および１８　・・曲間口
部４および６　・・・・・・・・・可動部１１．１８お
よび２０　・・・・・・・・・分離部材１４および１５
　・凹曲　ピエゾ素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体および該弾性体を突出又は沈降させて光学
   表面を変形できる開口を対向して有し、該対向する開口
   の藺に該弾性体の分離部材を有することを特徴とする光
   学素子。