JPS62148903A - 可変焦点光学素子 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光学表面を変形させることにより、焦点距離
を可変にした可変焦点光学素子に関する。

［従来の技術］ 従来、可変焦点レンズとしては、特開昭５５−３Ｅｉ８
７５に見られるよう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５６−１
１０４０３あるいは特開昭５１１−８５４１５のように
圧電体を使用したものが知られている。しかし、前者の
いわゆる液体レンズは、液溜や加圧装置が必要で小型化
が難しく、また重力や振動による面変形が大きい欠点が
あり、また後者においては焦点距離の可変量が小さいと
いう欠点があった。

これらの欠点を克服したものとして、開口部から弾性体
を突出または沈降させることにより、開口部で弾性体が
形成する光学表面を任意に変形し、所望の焦点距離を得
る可変焦点光学素子が提案されている（特開昭ＥＩＯ−
８４５０２）。

しかしながら、これにおいても、弾性体を変形する際に
、開口部周辺における応力集中などにより、開口部周辺
の方が開口部中心付近よりも変形が大きくなり易く、こ
のため開口部周辺に曲率の強い非球面変形を生じて１弾
性体に必ずしも所望の面変化を得ることができず、所望
の光学特性を得るには未だ不十分であった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、このような問題点に鑑み成されたものであっ
て、本発明の主要な目的は、変形時の面形状を常に球面
あるい所望の非球面形状に保持し得る新規な可変焦点光
学素子を提供することにある。

［問題点を解決するための手段コ 本発明の上記目的は、以下の本発明によって達成される
。

その内部に光軸方向に沿った弾性率の勾配を有する弾性
体と、該弾性体を突出または沈降させて該弾性体の表面
を変形できる開口部を有する変形部材とから成る可変焦
点光学素子。

本発明の可変光学素子における弾性体は、光軸方向に弾
性率の勾配を有することが必要である。

弾性率の勾配は、弾性率が光軸方向に沿って弾性体内で
徐々に連続的に変化する弾性率の連続変化であることが
好ましいが、例えば光軸方向の微小部分では均一な弾性
率を有し、その微小部分が互いに弾性率を異にするよう
な非連続分布であってもよい。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の詳細な
説明する。

第１図は、本発明の可変焦点光学素子の一例の基本構成
を説明する図である。尚、第１図には該素子の断面図が
示されている。

第１図において、２はガラス等で形成され、必要に応じ
て設けられる底板、３は弾性体１を変形させる変形部材
としての開口板である。４は開口板３に設けられた開口
部、５は光軸中心である。

１が本発明に言うところの光軸３方向に弾性率の勾配を
有する弾性体であり、本例ではその勾配は、開口部４の
弾性率が最も大きく、それから底板２方向に下るにつれ
、徐々に弾性率が低下する連続分布をしている。弾性体
１は、予め凸レンズ状に形成されているが、その形状は
特に限定されるものではなく、上記の他、平板状あるい
は凹レンズ状等の任意の形状であってよい。また、弾性
率の勾配は、所望とする可変焦点光学素子の形状等によ
っても異なるが、本例の如くに光軸５に沿って一方向に
向って連続的に変化するように設けてもよいし、また、
例えば光軸５方向に弾性体Ｉを間に挟んで、その両側に
開口板３をそれぞれ有するような可変焦点光学素子を所
望の場合には、両開口板付近の弾性率が大きく、弾性体
の中心部が小さくなるような分布としてもよい。この場
合、両開口板付近の弾性率は同じであってもよいし、異
なっていてもよい。

第１図の可変焦点光学素子は、弾−性体１として、上述
したような弾性率の勾配を有するものを用いる以外は、
先に説明した特開昭８０−８４５０２に開示の可変焦点
光学素子と同様のものである。

その動作原理は、開口板３を光軸５方向に沿って移動さ
せ、弾性体ｌを開口板３の開口部４から突出または沈降
させて弾性体ｌの表面形状を変化させることにより、所
望の焦点距離を得るものである。例えば弾性体１を突出
させたいのであれば、開口板３を光軸５に沿って底板２
方向に移動させ、弾性体１を加圧すればよいし、また弾
性体２を沈降させたいのであれば、開口板３を光軸５に
沿って上方に移動させ、弾性体ｌに負圧を加えればよい
。

ところで、このような弾性体の変形に際し、上記のよう
な弾性率の勾配を有せず、その内部の弾性率が均一な弾
性体を用いる従来の可変焦点光学素子では、前述の如く
に開口部４の周辺において強い変形を生じ易く、光軸５
付近では余り大きな変形を生じないために、弾性体１の
表面が開口部４周辺で曲率の強い非球面形状になり、所
望の曲率を有する球面形状を得られないという問題を生
じていた。

これに対し、本発明の可変焦点光学素子では、このよう
な問題を生じることがない。その理由は必ずしも定かで
はないが、以下のように考えられる。本発明の可変焦点
光学素子では、例えば第１図に例示の如くに、弾性体ｌ
の弾性率が開口部４に近づくにつれて大きくなるが如き
弾性率の勾配を有しており、変形に際して弾性体１の開
口部４に近い表面付近の部分の自由エネルギーをできる
だけ小さくする方が、全体としてのエネルギーを小さく
できる。このため、弾性体１を開口板３で加圧するか、
または負圧をかけた場合に、弾性体１の表面付近の部分
は、面積の大きな開口部４の周辺部では小さな変形、面
積の小さな開口部４の光軸５付近では大きな変形を起そ
うとする。その結果、弾性体１には弾性体１内の弾性率
の勾配に基づいて、弾性体１の表面を周辺部で曲率が弱
く、光軸５付近で曲率の強い非球面形状に変化させるよ
うに変形が生じ、これによって従来例の可変焦点光学素
子におけるような弾性体全体として周辺部で曲率の強い
非球面形状に変化しようとする変形が打消され、結果と
して、球面あるいは所望の非球面形状を保持しつつ変形
する可変焦点光学素子を得ることができるものと思われ
る。

尚、弾性率の勾配は、それが小さい場合には、開口部４
の周辺部の曲率を大きく、また、勾配が大きい場合には
周辺部の曲率を小さくするように作用するので、弾性体
全体として曲率の大きな球面あるいは非球面形状を得た
い場合には、弾性率の勾配を小さく、また、曲率の小さ
な球面あるいは非球面を得たい場合には弾性率゛の勾配
を大きくする等、弾性率の勾配を適宜選択することによ
り、球面あるいは所望の非球面形状を保持しつつ変形す
る可変焦点光学素子を得ることができるものである。

このような光軸方向に弾性率の勾配を有する弾性体には
、従来例の可変焦点光学素子に用いる弾性体と同様に、
与えられた応力によって歪が生じて形状変化を生じるこ
とはもちろんのこと、応力を除去した時には歪が回復し
形状が元に復帰、する可逆性を有することが必要である
。このような弾性体は、例えば光学的に透明な弾性物質
と、光学的に透明である無機物質とを混合し、無機物質
の濃度勾配を設けることによって容易に作成することが
できる。無機物質の濃度勾配は、例えば沈降あるいは遠
心力などを利用して設けるとよい。

無機物質としては、シリカゲル、透明アルミナ等の光学
的に透明なものが好ましいものとして挙げられる。中で
も、煙霧状シリカ、沈殿シリカ、シリカゲル等のシリカ
が特に好ましく用いられる。これらシリカは、必ずしも
二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）単独で形成されている必要は
なく、含水物の形態であってもよいし、あるいはアルカ
リ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、稀土類金属等を
含有しているものであってもよい。また、上記シリカゲ
ルなどに一般的に見られるシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）
を親油化処理したものなども好適に使用できるものであ
る。更には、例えばトリメチルクロルシラン、ビニルト
リメトキシシラン、γ−グリシドキシプロビルトリメト
キシシラン等で代表されるシランカップリング剤と称さ
れる一連の有機シラン化合物、あるいはチタネートカッ
プリング剤と称される有機チタン化合物等で、シリカ表
面に有機官能基を導入したものであってもよい。

このような無機物質は、球状、破砕体状等の所望の形状
で用いることができる。一般には上記のような種々形状
の粒子を含む粉粒体であることが好ましく、光の散乱を
防止する点から考慮すると、平均粒径が５０μｓ以下で
あることが好ましい。

また、弾性物質への混合量は、所望とする弾性率の勾配
などによっても異なるが、弾性物質１００重量部当り、
無機物質０．５〜３０重量部程度が適当である。

弾性物質としては、与えられた応力によって歪が生じて
形状変化を生じることはもちろんのこと、応力を除去し
た時には歪が回復し形状が元に復帰する可逆性を有する
ポリシロキサン等の高分子物質やゴム等の粘弾性を示す
弾性物質を広く用いることができる。中でもポリシロキ
サンは、高弾性はもとより透明性などの光学特性にも優
れ、また上記のような無機物質、特にシリカを配合する
ことにより、引張強度や引裂強度などの機械的強度を向
上させることもでき、本発明に用いる弾性物質としては
特に好ましいものである。用いるシリカの形状、平均粒
径、粒径分布、混合条件等によっても異なるが、ポリシ
ロキサンにシリカを混合して得られる弾性体は、ポリシ
ロキサン単独の場合に比し、引張強度が約〜５０倍程度
迄、引裂強度が約６〜７倍程度迄、伸び（破断時伸び）
が約〜５倍程度迄に向上し、弾性率も５×１０３ｄｙｎ
ｅ／ｃｒｎ’　〜１０９ｄｙｎｅ／ｃｎｆ程度の広範囲
に亘る優れた物性を有するものである。

このようなポリシロキサンとしては、例えばポリジメチ
ルシロキサン、ポリ（ジメチルシロキサン−ポリジフェ
ニルシロキサン）共重合体、ポリメチルフェニルシロキ
サン、ポリ（ジメチル−ジフェニル−メチルフェニル）
シロキサン共重合体などのポリシロキサン化合物が代表
的なものとして挙げられる。もちろん、これら化合物の
２種以上の組合わせからなる混合体などであっても一向
に差しつかえない。また、上記ポリシロキサンは、カル
ボキシル、アミン、ビニル等の有機官能基で変性された
ものであってもよい。このような有機官能基で変性した
ポリシロキサンは、熱、光などによる種々の硬化性状を
発揮して、弾性体の成形性を豊富にし得る点で好ましい
ものである。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を示し、本発明を更に詳しく説明
する。

実施例 第１図に例示の可変焦点光学素子を作成した。

弾性体１は、以下のようにして作成した。まず、ポリジ
メチルシロキサン（信越化学■製、ＫＥ１０８）　１０
０重量部と、シリカゲル（富士デウ′イソン■製、サイ
ロイド）２０重量部を室温で十分に混合した後、これを
第１図に例示の弾性体形状を有する鋳型に注入した。鋳
型は、光軸中心の厚さが１０’ｍｍで、縦５０ＩＩＩ１
１、横１０）のものを用いた。この鋳型を、弾性体１の
開口部４が遠心分離器の回転中心の外方向に位置するよ
うに遠心分離器にセットし、１２００Ｏｒｐｍで回転さ
せてシリカゲルの濃度勾配を弾性体ｌ内につけ、１２０
°Ｃでこれを硬化させたることにより弾性体ｌを得た。

これとは別に、上記同様の操作で弾性率測定用の弾性体
ｌを作成し、この弾性体ｌを液体窒素で冷却後、光軸方
向に開口部４から底板２の方に向かって等間隔に、上、
中、下の３層にミクロストームで切断して、それぞれ厚
さ２０μｓのフィルムを得た。このフィルムのそれぞれ
を、引っ張り試験機にかけ、弾性率を算出した。上、中
、下層の各層の弾性率は、それぞれ２．４Ｘ　１０７　
、６　Ｘ１０６、１．ＩＸ　１０Ｂｄｙｎｅ／ｃゴであ
った。

このようにして得られた弾性体１に、底板２としてのガ
ラス板および開口板３を取付けて、第１図に例示の可変
焦点光学素子を完成した。

尚、弾性体ｌの開口部４の表面は、曲率半径５ｈｍの球
面とし、素子径ａは２５ｍｍ、開口径すは２０ｍｍとし
た。

このようにして得られた光学素子のガラス板をを押し込
むことにより、弾性体ｌの表面形状を変化させたところ
、弾性体１を曲率半径２５ｍｍ〜１１０■の範囲で正確
に球面状に変化させることができた。

比較例 弾性体１としてシリカを混合せず、弾性体ｌ内に弾性率
の勾配を設けない以外は、実施例１と全く同様にして、
第１図に例示の可変焦点光学素子を得た。ガラス板を押
し込んで弾性体１の表面形状を変化させたところ、開口
部周辺の曲率が強くなって、きれいな球面が得られなか
った。

［発明の効果］ 以上に説明した如く、本発明によって、変形時の面形状
を常に球面あるい所望の非球面形状に保持し得る新規な
可変焦点光学素子を提供することができるようになった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の可変焦点光学素子の一例を説明する
図である。 １−ｍ−弾性体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）その内部に光軸方向に沿った弾性率の勾配を有す
   る弾性体と、該弾性体を突出または沈降させて該弾性体
   の表面を変形できる開口部を有する変形部材とから成る
   可変焦点光学素子。
2. （２）前記弾性体が無機物質を混合した弾性物質から成
   り、前記弾性率の勾配が、該弾性物質中の無機物質に前
   記光軸方向に沿った濃度勾配を設けて得られるものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の可変
   焦点光学素子。