JPS60144703A - 可変焦点距離レンズ - Google Patents
可変焦点距離レンズInfo
- Publication number
- JPS60144703A JPS60144703A JP59000045A JP4584A JPS60144703A JP S60144703 A JPS60144703 A JP S60144703A JP 59000045 A JP59000045 A JP 59000045A JP 4584 A JP4584 A JP 4584A JP S60144703 A JPS60144703 A JP S60144703A
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- JP
- Japan
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- refractive index
- deformation
- elastic material
- elastic body
- focal length
- Prior art date
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
- G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/0087—Simple or compound lenses with index gradient
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
- G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
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。
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、単レンズ自身の屈折力を変動可能にした可変
焦点距離レンズに関する。
焦点距離レンズに関する。
従来、この種の可変焦点距離レンズとして、レンズを構
成する弾性体の変形や、弾性膜中に封納された液体の液
圧変化により屈折面の形状を変化させるもの、液晶等を
用いてレンズ媒質自体の屈折率を変化させるもの等が知
られている。しかし」二記の屈折面の形状を変化させる
ものは、形状の変化が複雑でその制御が困難であり、１
だ、レンズ媒質の屈折率を変化させるものは、屈折力の
可変［ｌが小さいという欠点がある。
成する弾性体の変形や、弾性膜中に封納された液体の液
圧変化により屈折面の形状を変化させるもの、液晶等を
用いてレンズ媒質自体の屈折率を変化させるもの等が知
られている。しかし」二記の屈折面の形状を変化させる
ものは、形状の変化が複雑でその制御が困難であり、１
だ、レンズ媒質の屈折率を変化させるものは、屈折力の
可変［ｌが小さいという欠点がある。
本発明は、上述のような欠点を改良し、屈折力の可変量
が大きく、かつ制御が容易な可変焦点距離レンズを提供
することを目的とし、基本的に、あらかじめ内部に不均
一な屈折率分布を有する透明な弾性体と、該弾性体を変
形させる手段とをもって構成される。
が大きく、かつ制御が容易な可変焦点距離レンズを提供
することを目的とし、基本的に、あらかじめ内部に不均
一な屈折率分布を有する透明な弾性体と、該弾性体を変
形させる手段とをもって構成される。
以下に図面を参照しつつ、本発明の詳細な説明する。
一般に、屈折率が場所によって異なる媒質を不均一媒質
と称し、そのレンズ体の１例として集束性ロンドレンズ
があり、ロッドガラスの断面における屈折率分布は、第
１図に示すように、軸線対称にほぼ放物線状の二乗分布
をなすものがある。
と称し、そのレンズ体の１例として集束性ロンドレンズ
があり、ロッドガラスの断面における屈折率分布は、第
１図に示すように、軸線対称にほぼ放物線状の二乗分布
をなすものがある。
第２図により、本発明に係る可変焦点距離レンズの原理
を説明する。第２図（ａ）において、１は円筒状の透明
弾性体であり、図示のように中心軸線方向をｘ１動径方
向をｒとして、この弾性体内部の位置を表わすとき、例
えば第２図（１））に示すように、弾性体内部の点（ｘ
、ｒ ）における屈折率１１は、軸線方向には一定で、
ｒのみに依存し、一般にｎ（ｒ）＝ｎｏ（１−−ｒ２）
であられされるような２ 不均一な屈折率分布（２次曲線近似）があらかじめ形成
されている。ここにｎ。は中心軸線上における屈折率で
、Ａは定数である。（Ａ＞０）このような屈折率分布は
、異種分子やイオンの拡散や、合成ゴム材等の場合には
、成形時の温度分布等の制御により分子量の分布を不均
一にする等の方法を用いて得られる。
を説明する。第２図（ａ）において、１は円筒状の透明
弾性体であり、図示のように中心軸線方向をｘ１動径方
向をｒとして、この弾性体内部の位置を表わすとき、例
えば第２図（１））に示すように、弾性体内部の点（ｘ
、ｒ ）における屈折率１１は、軸線方向には一定で、
ｒのみに依存し、一般にｎ（ｒ）＝ｎｏ（１−−ｒ２）
であられされるような２ 不均一な屈折率分布（２次曲線近似）があらかじめ形成
されている。ここにｎ。は中心軸線上における屈折率で
、Ａは定数である。（Ａ＞０）このような屈折率分布は
、異種分子やイオンの拡散や、合成ゴム材等の場合には
、成形時の温度分布等の制御により分子量の分布を不均
一にする等の方法を用いて得られる。
このような弾性体１の表面ａを図示しない手段により、
第２図（ａ）の如く矢印方向にａ′の位置捷で引一つ張
り、図の破線で示すように変形させる。
第２図（ａ）の如く矢印方向にａ′の位置捷で引一つ張
り、図の破線で示すように変形させる。
このように変形された状態における弾性体内部の屈折率
分布ｎ’（ｘ、ｒ）は、第２図（１））の破線で示Ｊ−
ような分布となり、近似的に、 と表わＪ−ことができる。
分布ｎ’（ｘ、ｒ）は、第２図（１））の破線で示Ｊ−
ような分布となり、近似的に、 と表わＪ−ことができる。
弾性体１のＸ方向の変形前の長さをｄ１変形後の長さを
ｄ′とすれば、良く知られるように、このような不均一
な屈折率分布をもつ媒質は屈折力をもち、Ａ 、 Ａ／
が正のとき、 変形前の屈折力ψは、ψ＝ Ａｎｏｓｉｎ（Ａｄ ）変
形後の屈折力ψ′は、ψ’−Ａ’ ｎ。’ ５ｉｎ（Ａ
’ｄ’）で与えられる。第２図（ａ）の破線で示すよう
な変形により、屈折率の勾配はゆるくなるから、Ａ’（
Ａであり、またｄ’（ｄとなるから、ψ′〈ψとなり、
図示のような変形により屈折力が低下する。なお図から
判るように、弾性体１の側面すも破線のような変形を受
けて凹面を形成するが、これはこの弾性体の屈折力をさ
らに低下さぜる方向に作用するから、屈折力の可変量は
さらに大きくなる。捷だ後述するような方法によれば、
このような二次的な面変形による影響を解消することも
可能である。
ｄ′とすれば、良く知られるように、このような不均一
な屈折率分布をもつ媒質は屈折力をもち、Ａ 、 Ａ／
が正のとき、 変形前の屈折力ψは、ψ＝ Ａｎｏｓｉｎ（Ａｄ ）変
形後の屈折力ψ′は、ψ’−Ａ’ ｎ。’ ５ｉｎ（Ａ
’ｄ’）で与えられる。第２図（ａ）の破線で示すよう
な変形により、屈折率の勾配はゆるくなるから、Ａ’（
Ａであり、またｄ’（ｄとなるから、ψ′〈ψとなり、
図示のような変形により屈折力が低下する。なお図から
判るように、弾性体１の側面すも破線のような変形を受
けて凹面を形成するが、これはこの弾性体の屈折力をさ
らに低下さぜる方向に作用するから、屈折力の可変量は
さらに大きくなる。捷だ後述するような方法によれば、
このような二次的な面変形による影響を解消することも
可能である。
第２図（ａ）のように、弾性体１の動径方向に張力を加
えた場合には、長さｄの変化よりも屈折率の勾配Ａの変
化の方が太きいが、逆に、弾性体１の軸線方向に張力ま
たは圧力を加えた場合には、長さｄの変化が屈折力の変
化を与える原因となる。
えた場合には、長さｄの変化よりも屈折率の勾配Ａの変
化の方が太きいが、逆に、弾性体１の軸線方向に張力ま
たは圧力を加えた場合には、長さｄの変化が屈折力の変
化を与える原因となる。
面の二次的変形による影響を補正する最も簡単な方法は
、いわゆる液浸法を用いることであり、弾性体１をそれ
が有する屈折率と同一の屈折率をもった液体中に浸漬す
れば良い。このようにすれば、伸性体１が不均一な屈折
率分布をもっているため、面の変形の影響は、完全には
除去できないが犬１１］に軽減できる。
、いわゆる液浸法を用いることであり、弾性体１をそれ
が有する屈折率と同一の屈折率をもった液体中に浸漬す
れば良い。このようにすれば、伸性体１が不均一な屈折
率分布をもっているため、面の変形の影響は、完全には
除去できないが犬１１］に軽減できる。
以下に、本発明の詳細な説明する。
第６図１は、本発明の第１実施例の断面図を示し、１は
前述のあらかじめ屈折率分布の形成された弾性体、２は
弾性体１の周囲をとり甘く円筒形のピエゾ素子であり、
ピエゾ素子２に電圧を印加することにより、その内径を
変化させることができる。
前述のあらかじめ屈折率分布の形成された弾性体、２は
弾性体１の周囲をとり甘く円筒形のピエゾ素子であり、
ピエゾ素子２に電圧を印加することにより、その内径を
変化させることができる。
例えば内径が小さくなったときには、円筒形ピエゾ素子
の開に１端にある弾性体１の表面６は、図示の状態より
さらに強い凸面になるととも′に、前述のように、あら
かじめ弾性体１に形成された屈折率分布が正の屈折力を
もつとすると、さらに正の屈折力が強くなり、全体とし
て大きく屈折力が変化する。
の開に１端にある弾性体１の表面６は、図示の状態より
さらに強い凸面になるととも′に、前述のように、あら
かじめ弾性体１に形成された屈折率分布が正の屈折力を
もつとすると、さらに正の屈折力が強くなり、全体とし
て大きく屈折力が変化する。
第４図は、本発明の第２実施例の断面図を示し、前述の
あらかじめ屈折力を形成された弾性体１は、その両端を
２枚のガラス板６，４に接着されている。６は円筒形の
容器であり、ガラス板４は容器６に固定され、ガラス板
６はその−にに接着されたリング状の強磁性体５ととも
に、容器６の内壁にそって動くことができる。７は電磁
石をなすコイルである。
あらかじめ屈折力を形成された弾性体１は、その両端を
２枚のガラス板６，４に接着されている。６は円筒形の
容器であり、ガラス板４は容器６に固定され、ガラス板
６はその−にに接着されたリング状の強磁性体５ととも
に、容器６の内壁にそって動くことができる。７は電磁
石をなすコイルである。
コイル７に電流を流すと、その電流計に従って、強磁性
体５付近の磁場勾配が変化し、強磁性体５とガラス板６
は、ともに紙面左右方向（（移動する。
体５付近の磁場勾配が変化し、強磁性体５とガラス板６
は、ともに紙面左右方向（（移動する。
このようなガラス板６の移動により、弾性体１に変形を
与え、屈折力を変化させることができる。
与え、屈折力を変化させることができる。
弾性体に変形を与えるその他の手段としては、ネジやカ
ム等の機械的手段や、ステッピングモータ、熱膨張等の
体積変化等、あらゆるものが可能である。
ム等の機械的手段や、ステッピングモータ、熱膨張等の
体積変化等、あらゆるものが可能である。
本発明に用いる弾性体としては、いわゆる市弾性をもつ
ものが望１しく、例えばシリコンゴム、エチレンプロピ
レンゴムなどが透明度の点からも最適である。このよう
な高弾性ゴムでは、ボアソン比が０．４５〜０．４９
と高く、体積変化が少ない。
ものが望１しく、例えばシリコンゴム、エチレンプロピ
レンゴムなどが透明度の点からも最適である。このよう
な高弾性ゴムでは、ボアソン比が０．４５〜０．４９
と高く、体積変化が少ない。
従って、弾性体内部の各点における屈折率は変形の前後
でほとんどかわらず、各点の変形による移動のみによっ
て屈折率がきまり、例えば前出のＩＩｏ。
でほとんどかわらず、各点の変形による移動のみによっ
て屈折率がきまり、例えば前出のＩＩｏ。
Δ＋ ＋１０’ ＋ Ａ’ はｎ ｏＺキｎｏ、 Ａ−
’ ｎｏ’ ｒｏ’ ” ＝＝Ａ、ｎｏｒ６ ”の関係
にある。ここでｒ。＋ｒＯ’ は変形前後の弾性体の半
径である。
’ ｎｏ’ ｒｏ’ ” ＝＝Ａ、ｎｏｒ６ ”の関係
にある。ここでｒ。＋ｒＯ’ は変形前後の弾性体の半
径である。
このような近似式から、本発明の可変焦点距離レンズに
おいては、焦点距離可変時の色収差の変動を極めて小さ
くできろことがわかる。
おいては、焦点距離可変時の色収差の変動を極めて小さ
くできろことがわかる。
例えば、ｄ線に対する変形前の屈折率分布がｎ （ｒ）
＝ｎ、 （１−−ｒ２） ｇ線に対する変形前の屈折率分布が で表わされるとする。１］。＋ｎＯは弾性体の゛分散特
性によって定寸る異なる値になるが、屈折率勾配の係数
Ａ、Ａは、弾性体中に拡散ないしは交換するイオンや分
子の種類によっである程度制御できることが知られてい
る。レンズ長ｄが小さいとすると、変形＾１５のｄ線２
ｇ線に対する屈折力ψｄ、ψｇは、ψｄ十ｎ。Ａｄ、ψ
ｇ十Ｗ。τｄと表わされる。従って、ｎｏＡ＝＝ｎｏＡ
となるようＡを制御することにより、変形前の状態では
色消しにできる。
＝ｎ、 （１−−ｒ２） ｇ線に対する変形前の屈折率分布が で表わされるとする。１］。＋ｎＯは弾性体の゛分散特
性によって定寸る異なる値になるが、屈折率勾配の係数
Ａ、Ａは、弾性体中に拡散ないしは交換するイオンや分
子の種類によっである程度制御できることが知られてい
る。レンズ長ｄが小さいとすると、変形＾１５のｄ線２
ｇ線に対する屈折力ψｄ、ψｇは、ψｄ十ｎ。Ａｄ、ψ
ｇ十Ｗ。τｄと表わされる。従って、ｎｏＡ＝＝ｎｏＡ
となるようＡを制御することにより、変形前の状態では
色消しにできる。
このような状態から弾性体に変形を与えると、ｄ線、ｇ
線に対する屈折率分布が各々 〜Ｉ＋＋３ となるが、ｎｏ′中ｎ。＋ｎＯ中ｎ。
線に対する屈折率分布が各々 〜Ｉ＋＋３ となるが、ｎｏ′中ｎ。＋ｎＯ中ｎ。
Ａ・。。・、。・・中Ａｎｏｒ。・、Ｘ′πユ、。・・
−Ｘｎ、 ｒ 。” より、ｇｏｄ−＝ｎ。Ａ ｄ−８
：ｎｏＡ ｄ 中９’ｇとなる。ここで、ψｄ′、ψｇ
′ はｄ線２ｇ線に対する変形後の屈折力であり、変形
後も色消し状態を保つことがわかる。
−Ｘｎ、 ｒ 。” より、ｇｏｄ−＝ｎ。Ａ ｄ−８
：ｎｏＡ ｄ 中９’ｇとなる。ここで、ψｄ′、ψｇ
′ はｄ線２ｇ線に対する変形後の屈折力であり、変形
後も色消し状態を保つことがわかる。
これは液体レンズ等の面形状可変のレンズでは、可変な
面が最低２面なければえられない効果である。
面が最低２面なければえられない効果である。
このような弾性体に屈折率分布を形成させるには、Ｙ、
０ｈｔｓｕｋａ、Ｔ、Ｓｕｇａｎｏ、Ａｐｐｌ ｉｅｄ
０ｐｔｉｃｓ 、２２゜４１５−４１７頁（１９８３
年）のように、架橋密度の低・いゲ′ル状態で周囲の異
種分子蒸気と重合させる方法が有効である。寸だ、ゲル
状態では弾性率が低く、小さな力で大きな変形を得るこ
とが可能である。
０ｈｔｓｕｋａ、Ｔ、Ｓｕｇａｎｏ、Ａｐｐｌ ｉｅｄ
０ｐｔｉｃｓ 、２２゜４１５−４１７頁（１９８３
年）のように、架橋密度の低・いゲ′ル状態で周囲の異
種分子蒸気と重合させる方法が有効である。寸だ、ゲル
状態では弾性率が低く、小さな力で大きな変形を得るこ
とが可能である。
第５図は１本発明を光メモリディスクのピックアップ用
対物レンズとして応用した場合の構成例を示す。
対物レンズとして応用した場合の構成例を示す。
８は固定焦点距離レンズ、１０は本発明における可変焦
点距離レンズであり、図には第６図の構成が用いられて
いる。９は光記録媒体の記録面を示し、紙面左方向より
入射したレーザ光は、レンズ１０，８により記録面９上
如集光され、記録面９により反射されたレーザ光は、入
射光と同様な経録を逆行し、記録面に記録された情報に
従った偏光状態の変化を検出することにより、記録を読
み出す。このとき記録面９の位置が振動等により変化す
ると、正しい情報が読みとれな・い。このため、通常、
記録面の位ｊべを検出し、常にレーザ光が、、１２録面
上に正しく集光されるよう自動焦点調節を行なう必要が
あるが、従来は対物レンズ全体の機織的移動によって自
動焦点調節を行なっていたため、時間応答性が悪くまた
高価なものであった。
点距離レンズであり、図には第６図の構成が用いられて
いる。９は光記録媒体の記録面を示し、紙面左方向より
入射したレーザ光は、レンズ１０，８により記録面９上
如集光され、記録面９により反射されたレーザ光は、入
射光と同様な経録を逆行し、記録面に記録された情報に
従った偏光状態の変化を検出することにより、記録を読
み出す。このとき記録面９の位置が振動等により変化す
ると、正しい情報が読みとれな・い。このため、通常、
記録面の位ｊべを検出し、常にレーザ光が、、１２録面
上に正しく集光されるよう自動焦点調節を行なう必要が
あるが、従来は対物レンズ全体の機織的移動によって自
動焦点調節を行なっていたため、時間応答性が悪くまた
高価なものであった。
本発明においては、図のような構成により、検出した焦
点距離ズレ信号に従って、円筒形のピエゾ素子２に印加
する電圧を制御することにより、レンズ１０，８により
構成される対物レンズ自体の焦点距離を変化させ、焦点
調節を行なうことができるために、簡易な構成により高
速応答が可能な自動焦点距離調節機構が得られる。
点距離ズレ信号に従って、円筒形のピエゾ素子２に印加
する電圧を制御することにより、レンズ１０，８により
構成される対物レンズ自体の焦点距離を変化させ、焦点
調節を行なうことができるために、簡易な構成により高
速応答が可能な自動焦点距離調節機構が得られる。
また、本発明における弾性体表面の変形による二次的な
影響を積極的に活用する方法としては、表面の変形によ
る屈折力変化と、屈折率分布の変化による屈折力変化と
が逆方向になるよう構成する方法がある。例えば第２図
で、あらかじめ弾Ｖｊ巳体て形成されている屈折率分布
の屈折力を負（Ａ〈０）としておく。このような構成に
より、屈折力の変化量は小さくなるが、球面収差や色収
差の変動を大巾に低減することができる。
影響を積極的に活用する方法としては、表面の変形によ
る屈折力変化と、屈折率分布の変化による屈折力変化と
が逆方向になるよう構成する方法がある。例えば第２図
で、あらかじめ弾Ｖｊ巳体て形成されている屈折率分布
の屈折力を負（Ａ〈０）としておく。このような構成に
より、屈折力の変化量は小さくなるが、球面収差や色収
差の変動を大巾に低減することができる。
本発明は、以上述べたように、レンズ媒質の屈折率分布
の変化を利用して屈折力を変動させるように構成されて
いるので、従来実施されている媒質の屈折率を均一に変
化させる機構よりも屈折力の可変計が大きく、屈折面の
複雑な変形による悪影響も容易に除去すること７５ｊで
きる可変焦点距離レンズが得られる。
の変化を利用して屈折力を変動させるように構成されて
いるので、従来実施されている媒質の屈折率を均一に変
化させる機構よりも屈折力の可変計が大きく、屈折面の
複雑な変形による悪影響も容易に除去すること７５ｊで
きる可変焦点距離レンズが得られる。
第１図は、既知のロントガラス型レンズ体とその断面に
おける屈折率分布図、第２図は、本発明の基本的な原理
の説明図、第６図および第４図は、本発明による可変焦
点距離レンズの第１および第２実施例それぞれを示す断
面図、第５図は、本発明による可変焦点距離レンズを光
メモリディスクのピックアップ用対物レンズとして応用
した場合の構成例を示す。 １ 弾性体 ２ ピエゾ素子 ６．４ ガラス板 ５・強磁性体 ６・・容器 ７ コイル ８・固定焦点距離レンズ ９・・・光記録面１０ ・可
変焦点距離レンズ
おける屈折率分布図、第２図は、本発明の基本的な原理
の説明図、第６図および第４図は、本発明による可変焦
点距離レンズの第１および第２実施例それぞれを示す断
面図、第５図は、本発明による可変焦点距離レンズを光
メモリディスクのピックアップ用対物レンズとして応用
した場合の構成例を示す。 １ 弾性体 ２ ピエゾ素子 ６．４ ガラス板 ５・強磁性体 ６・・容器 ７ コイル ８・固定焦点距離レンズ ９・・・光記録面１０ ・可
変焦点距離レンズ
Claims (1)
- あらかじめ、内部に不均一な屈折率分布が形成された透
明な弾性体と、該弾性体を変形させる手段とよりなるこ
とを特徴とする可変焦点距離レンズ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59000045A JPS60144703A (ja) | 1984-01-05 | 1984-01-05 | 可変焦点距離レンズ |
| US06/686,756 US4712882A (en) | 1984-01-05 | 1984-12-27 | Variable focal length lens |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59000045A JPS60144703A (ja) | 1984-01-05 | 1984-01-05 | 可変焦点距離レンズ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60144703A true JPS60144703A (ja) | 1985-07-31 |
| JPH0327085B2 JPH0327085B2 (ja) | 1991-04-12 |
Family
ID=11463310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59000045A Granted JPS60144703A (ja) | 1984-01-05 | 1984-01-05 | 可変焦点距離レンズ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4712882A (ja) |
| JP (1) | JPS60144703A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH06167646A (ja) * | 1991-02-26 | 1994-06-14 | Tesco:Kk | レンズ焦点距離の調節方式及び同方式を用いたバーコード読み取り方式 |
Families Citing this family (18)
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