JPS62239106A - 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】 １亙豆ｊ 本発明は、弾性体に絶えず所定値以上の外力を付与する
ことにより、焦点距離のコントロールの精度を向上させ
た可変焦点光学素子に関する。

１１且３ 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プティクス機器に用いら
れる光学素子として、光学表面形状を変化させることに
より、焦点距離を可変とした光学素子が本出願人により
提案されている（特開昭６０−１１１２０１号公報）。

この可変焦点光学素子は１弾性体と、開口部を有し、該
弾性体に接触する比較的硬い開口部材とからなり、上記
弾性体を変形させて、開口部材の開口部から露出した弾
性体の光学表面（以下「開口表面」という）の形状を変
化させることにより、比較的小さな外力の変化で大きな
焦点距離の変化を得ることを可能としたものである。

このような可変焦点光学素子として、本出願人は、単一
の弾性体層からなる単層弾性体を利用したもの（上記特
開昭６０−１１１２０１号公報）、および異なる弾性率
を有する複数の弾性体層を光軸方向に積層してなる、改
良された変形特性を有する積層弾性体を利用したもの（
特願昭６０−８０８６３号）を提案しているが、これら
の可変焦点光学素子においては１弾性体の変形量が比較
的小さい領域で、焦点距離が不規則に変化する傾向があ
り、（この領域において）所望の焦点距離を得るための
精密なコントロールが必ずしも容易でなかった。

ｌ１立１」 本発明の主要な目的は、弾性体の変形量に対して、焦点
距離を規則的に変化させることにより、焦点距離のコン
トロールの精度を向上させるとともに、光学表面の精度
自体をも向上させた可変焦点光学素子を提供することに
ある。

え豆立１１ 本発明者は研究の結果、可変焦点光学素子の弾性体にバ
イアス的な外力を絶えず印加することが、弾性体の変形
量（ないし弾性体に印加される外力）に対する焦点距離
の規則的変化を実現させ、上記目的の達成に極めて効果
的であることを見出した。

本発明の可変焦点光学素子はこのような知見に基づくも
のであり、より詳しくは、弾性体と、開口部を有し、且
つ該弾性体に接触する比較的硬い開口部材と、弾性体に
外力を印加し、上記開口部から露出した弾性体光学表面
（開口表面）の形状を変化させる外力付与手段とからな
り、該外力付与手段が、一定以上の外力を絶えず弾性体
に印加する手段であることを特徴とするものである。

本発明の可変焦点光学素子においては、弾性体にバイア
ス的な外力を絶えず印加し、該弾性体と開口部材との接
触状態を、開口表面曲率の規則的変化に適した状態に維
持しているため、弾性体の変形量と、開口表面の曲率変
化に基づく焦点距離（ないし屈折力）変化との良好な規
則的関係（例えば比例関係）が得られるのみならず、成
形時に生じる弾性体開口表面の不均一性（アス、クセ等
）が除去され、その結果、焦点距ｆａ（ないし屈折力）
の精密な制御が容易で、しかも上記不均一性の除去によ
り弾性体開口表面の光学精度が改善された可変焦点光学
素子が得られる。

更に１弾性体開口表面の初期形状（外力を加えていない
状態の形状）を凸面ないし凹面とする場合、成形型から
の離型時に生ずる弾性体の変形に起因して、雌型後の弾
性体開口表面の曲率が成形型成形面の曲率（設計値）よ
りも若干小さくなる傾向が見られることがあるが、この
ような開口表面の曲率のズレも、本発明における所定の
外力印加により、実質的に除去されることとなる。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ１本発明を更に詳
細に説明する。以下の記載において量比を表わす「％」
および「部」は、特に断らない限り重量基準とする。

、；］ 本発明の光学素子の４に要は前述した通りであるが、本
発明の特徴をより詳細に説明するために、本発明とは異
なり、弾性体に絶えず一定の力を印加する外力付与手段
を具備しない光学素子（本出願人が特願昭６０−８０８
６３号において提案した光学素子）の概略について、ま
ず説明する。

このような光学素子１ａの、弾性体層厚さ方向模式断面
図である第１図を参照して、光学素子１ａは、光軸Ｚ方
向に沿って、りｉ性体の開口表面側から、開口部２ａを
有する開口部材２と、第１弾性体層３１と第２弾性体層
３２とを積層してなる弾性体３と、底板４とから構成さ
れる。

第２図は、この光学素子１ａにおける弾性体３の初期状
態（外力を加えていない状態）からの変形量ΔＺ（光軸
Ｚ方向に沿った底板４の移動量で示す）と、光学素子１
ａの初期状態からの屈折力（焦点距離の逆数）の変化Δ
Ｃ（ディオプタ一単位）との関係を示すグラフである。

一方、本発明の光学素子の好ましい実施態様における弾
性体層の厚さ方向模式断面図である第３図を参照して、
本発明の光学素子１は、光軸Ｚに沿って図面上方（９１
ｔｌ性体開口表面側）から、中心に円形開口部２ａを有
し、比較的硬い材料からなる円筒状の開口部材２と、該
開口部材２に接触する第１弾性体層３１に、これと異な
る弾性率を有する第２弾性体層３２を積層してなる円柱
状の積層弾性体３と、透明で比較的硬い材料からなり、
積層弾性体３を上記開口部材２とともに挾持する形で該
弾性体３に接触する円形底板４と、該円形底板４を介し
て積層弾性体３に絶えず一定の外力を印加する外力付与
手段たる円筒状の押え環５とから構成される装 上記構成において、積層弾性体３に必要な変形を加える
ために、円形底板４は開口部材２に対して光軸Ｚ方向に
沿って移動可能に配置される。また、弾性体３を加圧し
て変形する場合においては、押え環５は開口部材２に対
して接着・固定化される。

本発明において、積層弾性体３に外力を全く加えない状
態（押え環５を配置しない状態）における光学′素子１
ｂを示す第４図を参照して、円柱状の積層弾性体３を構
成する材料としては、光学素子の使用温度において、エ
ラストマーたる性質を示す天然ないし合成の高分子物質
を特に制限なく使用することができるが、この材料の（
光学素子使用温度における）弾性率Ｅ（Ｅ＝σ／γ、σ
は応力、γは弾性ひずみ）は、１０２〜１０”Ｎ／ｄ、
特に１０’　〜１０・Ｎ／ｄが好ましい、これらの弾性
率Ｅは、例えばＪＩＳ　Ｋ　６３０１ないしＪＩＳＫ２
８０８に規定する針入度によって測定することができる
。

上記弾性率Ｅが１０２Ｎ／ｍ未満では重力や振動等の影
響による弾性体の変形が大きくなり、また、柔軟性が増
大するために弾性体を成形した際に、初期形状（外力が
加えられていない場合の弾性体の形状）を精度よく出す
ことが困難となる。

一方１弾性率Ｅが１０８Ｎ／ｍ”を越えると、弾性体の
変形に要する力が大きくなり過ぎて好ましくない。

このような弾性体としては、本発明の光学素子をレンズ
として使用する場合には、（少なくとも使用する波長の
光に対して）透明度の高いものを用いることが好ましい
。

本発明において用いられる弾性体材料としては、具体的
には、一般に“ゴム”として知られている天然ゴムや合
成ゴム、例えば、スチレンブタジェンゴム（ＳＢＲ）、
ブタジェンゴム（ＢＲ）、インプレンゴム（ｉＲ）、エ
チレンプロピレンゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）、ブチルゴ
ム（ｉｉＲ）、クロロプレンゴム（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）、ふっ素ゴム（ＦＰＭ）
、多硫化ゴム（Ｔ）、ポリエーテルゴム（ＰＯＲ，ＣＨ
Ｒ，ＣＨＣ）等が挙げられる。

以上に列挙したような弾性体材料は必要に応じて架橋さ
れるが、例えばこの架橋の程度を制御することによって
、前述の弾性率Ｅを変化させることができる。この架橋
は、例えば、イオウやパーオキサイド等からなる架橋剤
を用いて行えばよい。

本発明において第１９Ｆｉ性体層３１ないし第２弾性体
層３２を構成する材料としては、上述したような種々の
エラストマーが用いられるが、好ましい力学的特性（弾
性率等）、あるいは好ましい光学的特性（透明度、屈折
率等）が容易に得られる点からは、シリコーンゴム、エ
チレン−プロピレンゴム等が特に好ましく用いられる。

上述したような弾性体材料から構成される第１弾性体層
３１および第２弾性体層３２の弾性率をう それぞれＥｌおよびＥｌ、第１弾性体層、８１および第
２弾性体層孕２の光軸Ｚ上の層厚をそれぞれｔｌ・　ｔ
２とすると、Ｅｌ＞Ｅｌであることが好ましく、更には
、このようなＥ□、Ｅｌの関係においては、Ｌｌ≦ｔ２
であることが好ましい。この場合、１．＞１２では積層
弾性体３の変形に要する力が増大することとなる。

また、積層弾性体３を変形させる場合に、該弾性体３の
開口表面３ａを球面に近い形状に維持しつつ変形させる
点からは、 ５＜（ＥＩＸ　ｔ　ｌ）／（Ｅｌ　　Ｘ　ｔ　２）＜　
１００　　−（１）の関係があることが好ましい。

第１弾性体層３１と、第２弾性体層３２とは、同種の材
料を用いて形成してもよく、また異種の材料を用いて形
成してもよいが、第１弾性体と第２弾性体との屈折率の
差を比較的小さくして、優れた光学特性を有するａ層弾
性体３を容易に得る点、あるいは第１弾性体層３１と第
２弾性体層３２との接着性を好ましい範囲に維持する点
からは、同種の材料（例えばシリコーンゴム）ヲ用いて
これらのりを性体層３１および３２を構成することが好
ましい。

上述した積層弾性体３を収容する開口部材２は、金属、
ガラス、樹脂等の比較的硬い材料からなる好ましくは厚
さ１〜２ｍｍ程度の板を、円形の開口部２ａを有する円
筒状に形成してなる。

この開口部材２は不透明の材料から構成されることが好
ましい。

上述した開口部材２とともに積層弾性体３を挾持する円
形底板４は、透明で比較的硬い材料であるガラス、樹脂
等からなり、その厚さは１〜５ｍｍ程度であることが好
ましい。

第３図を参照して、上記底板４を介して、積層弾性体３
に一定の外力を印加する外力付与手段たる押え環５は、
前述した開口部材２と同様の材料からなるが、この押え
環５が開口部材２に対して接着・固定化されることによ
り、弾性体３に全く外力が印加されていない状Ｂ（第４
図〕から、弾性体３に一定の外力が印加された状態（第
３図）の本発明の光学素子１となる。屈折力（ないし焦
点距ｇＩ）変化と弾性体変形量の変化との規則的関係を
実°現するために、この押え環５から弾性体３に印加さ
れる一定の外力は、この外力が印加されることによって
生ずる夕１性体３の（第４図の状態から第３図の状態に
至る）変形量によって好適に決定できる。

この第４図の状態から第３図の状態にするための、円形
底板４の光軸Ｚ方向に沿った移動量（ΔＺｏ）は、第１
／Ｊ性体層３１ないし第２弾性体層３２の弾性率Ｅ！な
いしＥ２、あるいは、これらの弾性体層の光軸Ｚ上の厚
さく１＋ないしｔ２）によっても若干具なるが、このΔ
Ｚ０は、積層弾性体３の光軸Ｚ上の全厚（Ｔ＝ｔ□＋ｔ
２）に対して、１〜２０％程度、更には２〜１０％程度
であることが好ましい。

上記ΔＺ０がＴの１％未満では、弾性体３の（第３図の
状態からの）変形量（ΔＺ）と、光学素子１の（第３図
の状態からの）屈折力変化（ΔＣ）との良好な規則的関
係（例えば比例関係）を得ること、あるいは、開口表面
３ａのアスやクセを除去することは困難である。一方、
ΔＺｏがＴの２０％を越えると、このようなΔＺｏを得
るために押え環５から弾性体３に印加する外力が大きく
なり過ぎて好ましくない。

本発明において、上述したような一定の外力の印加によ
って得られる屈折力（ないし焦点距ｊｌｌ＆）の変化と
、弾性体３変形量との規則的関係は、一定の数式によっ
て表わされる関数的関係（例えば、比例関係、反比例関
係、指数関数関係、等）であることが好ましいが、屈折
力の精密なコントロールがより容易な点からは、比例関
係（ないし直線関係）であることが、更に好ましい。

なお、開口表面３ａのアスやクセを除去する点からは、
押え環５から底板４に印加する外力は、開口表面３ａの
表面積を増大させる方向に作用させることが好ましい、
すなわち、第４図に示すように、外力を印加する前の開
口表面３ａの形状（初期形状）が凸面である場合は、底
板４を図面上方に移動させ、弾性体３を加圧する方向に
外力を作用させる（第３図）ことが好ましい。一方、開
口表面３ａの初期形状が凹面である場合（図示せず）に
は、底板４を図面下方に移動させ、弾性体３に負圧を加
える方向に外力を作用させることが好ましい０弾性体３
に負圧を加える場合、第１弾性体層３１（開口表面３ａ
側）は、開口部材２に強固に接着しておく必要がある。

上述したような一定の外力を印加する外力付与手段とし
ては、光学素子１の光学特性を害することなく（レンズ
の場合は、所望の光線の透過を阻害することなく）、弾
性体３に定常的な外力を印加できる公知の外力付与手段
（例えば、ヘリコイド、バネ等）を特に制限なく用いる
ことが可能であるが、精密に制御された外力を安定に弾
性体３に印加する点からは、上記押え環５等の固定的手
段を用いることが好ましい。

上述した構成を有する光学素子１は、その全体が第３図
に示すような円筒形状に形成されるが、本発明において
１例えば、直方体状に形成した弾性体と、矩形の開口部
を有する直方体状の開口部材とを用いて光学素子を構成
してもよい。このような光学素子の矩形状の開口表面は
、シリンドリカルレンズ、トーリックレンズ等として用
いることが可能である。

また、弾性体３の開口表面３ａに金属を蒸着させる等の
方法により、この開口表面を反射面として利用すること
も可能である。このような態様においては、弾性体を構
成する材料は透明である必要はなく、また、該弾性体中
に金属粉末等の充填剤が分散されていてもよい。

次に、上述した構成を有する本発明の光学素子１の使用
方法について説明する。

第５図を参照して、モータ、ヘリコイド等からなる駆動
手段（図示せず）に接続し、光軸Ｚ方向に移動可能とし
た円筒状の駆動部材６を、円形底板４の押え環５対向面
に接触させて配置する。

この駆動部材６を図面上方に移動させて、弾性体３に圧
力を印加すると、該圧力の大きさに応じて弾性体３の開
口表面３ａが開口部材２の円形開口部２ａから（第３図
の状態より更に）凸レンズ状に突出する０弾性体３に加
える上記圧力の大きさを制御することにより、上記凸レ
ンズ状の形状は可逆的に変化させることができ、所望の
焦点距離を得ることができる。

本発明においては、押え環５により、弾性体３に絶えず
所定の外力を印加している（第３図）ため、上記駆動部
材６による（第３図の状態からの）弾性体３の変形量（
ΔＺ）と、光学素子ｌの（第３図の状態からの）屈折力
変化（ΔＣ）とは良好な規則的関係（例えば比例関係）
を示し、上記変形量をコントロールすることにより、所
望の屈折力（ないし所望の焦点圧ａ）を精度よく得るこ
とができる。

一方、上記とは逆に、弾性体３に負圧を印加した場合（
この際、押え環５は、底板４に接着しておくが、開口部
材２とは接着しないでおく、）、弾性体３の開口表面３
ａは可逆的に変化しうる凹レンズ形状（図示せず）を与
えるが、この際にも、上記ΔＺとΔＣとは良好な規則的
関係を示す。

上述したような光学素子ｌの動作の様子は、例えば有限
要素法による構造解析プログラムを用いて容易に解析す
ることができる。

なお、上記においては、可変の外力付与手段たる駆動部
材６を、一定の外力付与手段たる押え環５と別個の部材
としているが、これら２つの部材の機能を１つの部材（
例えば駆動部材６）で兼用させてもよい。

更に、これとは別に、上述した光学素子ｌにおいて用い
た積層弾性体３（開口表面３ａを球面等の所望の形状に
維持しつつ変形させる点では有利である。）に代えて、
単一の弾性体層からなる単層弾性体（図示せず）を用い
る場合にも、前述のΔＺとΔＣとの良好な規則的関係等
の効果を同様に得ることができる。

１１立亘］ 上述したように本発明によれば、弾性体に絶えず一定の
外力を印加する手段を設けてなり、弾性体開口表面のア
スやクセを排除するとともに、弾性体の変形量と屈折力
（ないし焦点圧ｆｉ）変化とが良好な規則的関係を示す
ことにより、屈折力（ないし焦点圧＃）の精密なコント
ロールを容易とした可変焦点光学素子が提供される。

以下、実施例により、本発明を更に具体的に説明する。

実ｊＬ例 第４図を参照して、シリコーンゴム（ＫＥＩＯ６、信越
化学工業社製）１００部に硬化触媒（Ｃａｔａｌｙｓｔ
　ＲＧ、信越化学工業社製）１０部を添加し、攪拌、真
空脱泡してなる混合物を、６５℃で４時間放置して硬化
させた材料からなる透明な第１弾性体層３１（光軸Ｚ上
の肉厚ｔ１がｌ　ｍｌ＋）上に、シリコーンゴムＫＥ１
０６と、硬化触媒ＣａｔａｌｙｓｔＲＧと、シリコーン
ゴムＫＥ１０４Ｇｅｌと、硬化触媒Ｃａｔａｌｙｓｔ　
１０４　（いずれも信越化学工業社製）とを重量比１０
：１：１００：１０で混合し、真空脱泡した混合物を４
０℃で７２時間放置し、硬化させた材料からなる透明な
第２弾性体層３２（光軸Ｚ上の肉厚ｔ２が４　ａｍ）を
積層し、曲率半径が５０＋ａ■の球面状の開口表面３ａ
を有し、且つ、底面（底板４対向面）が直径２５ｍｍφ
の円柱形状を有する積層弾性体３を得た。

この積層弾性体３を直径３０ｍｍφの円形底板４と、直
径２０＋ｓｍφの円形開口部２ａを有する内径３０ｍｍ
φの円筒状開口部材２とで挾持させて、第４図の光学素
子１ｂを得た（なお、この光学素子１ｂの形成方法のよ
り詳細については、本出願人の特願昭６０−８０８６３
号を参照することができる）。

次いで、この光学素子ｉｂに、第３図に示すように、内
径２５履■φの円筒状押え環５（アルミ製）を、開口部
材２に接着して配置することにより、第４図の光学素子
１ｂの状態から、底板４を光軸Ｚ方向に沿ってΔＺｏ−
０，２ｍｍ図面上方（弾性体３に加圧する方向）に移動
させ１本発明の光学素子１とした。この第３図の光学素
子１の開口表面３ａにおいては、弾性体３の成形時に生
じるアスやクセは消失しており、良好な光学表面精度が
得られた。

この光学素子ｌに、第５図に示すように内径２３ｍｍφ
の円筒状駆動部材６を用いて、ガラス底板４を、弾性体
３を加圧する方向に、（第３図の状態から更に）光軸Ｚ
方向にΔＺ　＝Ｏ−０，４＋＊ｍの移動量で移動させた
ところ、積層弾性体３の開口表面３ａの形状は、はぼ球
面形状を保持しつつ変形し、該開口表面３ａの曲率半径
は４５〜３０ｓｒｓの間で可逆的且つ連続的に変化させ
ることができた。この際、上記ΔＺに対して、光学素子
１の屈折力を、８．８〜１３．３デイオプターの範囲で
ほぼ直線的に変化させることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図ないし第５図はいずれも可変焦点光学素
子の弾性体層の厚さ方向模式断面図であり、第１図は本
出願人の先の出願に記載した光学素子を示す図、第３図
は本発明の光学素子を示す図、第４図は押え環配置前の
光学素子を示す図、第５図は本発明の光学素子の使用方
法を説明するための図であり、第２図は第１図の光学素
子における弾性体変形量と屈折力変化との関係を示すグ
ラフである。 １・・・可変焦点光学素子 ２・・・開口部材 ２ａ・・・開口部 ３・・・ａ層弾性体 ３ａ・・・開口表面 ３１・・・第１弾性体層 ３２・・・第２弾性体暦 ４・・・底板 ５・・・押え環 ６・・・駆動部材 ΩＪ：第３図、第５図 ０、ｌＯ，４０，６ 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 弾性体と、開口部を有し、且つ該弾性体に接触する比較
   的硬い開口部材と、弾性体に外力を印加し、上記開口部
   から露出した弾性体光学表面の形状を変化させる外力付
   与手段とからなり、該外力付与手段が、一定の外力を絶
   えず弾性体に印加する手段であることを特徴とする可変
   焦点光学素子。