JPS62276503A - 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の位置を
可変とした可変焦点光学素子に関し、特に光学表面の所
望の形状を良好に維持しつつ再現性良く焦点距離を変化
させることができる可変焦点光学素子に関する。

〔従来の技術〕

焦点距離を可変とした可変焦点レンズとしては、例えば
特開昭５５−３８８７５号公報により開示された、液圧
でその形状を変化せしめるものや、例えば特開昭５６−
１１０４０３号公報や特開昭５８−８５４１５号公報に
開示された圧電体を使用したものなどが従来より知られ
ている。しかし、前者のいわゆる液体レンズでは、液溜
や加圧装置が必要で小型化が困難であり、また重力や振
動による面変形が大きいという欠点があり、更に後者に
おいては焦点距離の可変措が小さいという欠点があった
。

一方、これらの欠点を解決するものとして、透光性を有
する弾性体を変形させて、具体的には、開口部から透光
性を有する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の形状で変形さ
せて、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８０−８４５０２号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、現在知られている構成の弾性体を用いた可変
焦点光学素子においては、弾性体の変形の際に、開口部
周辺における応力の集中などにより、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形状を生じて、弾性体に
必ずしも所望とする面変化を得ることができなかったり
、また変形に際して、例えば球面形状を維持させつつ変
形させたいにも拘らず、その表面形状が球面状から非球
面形状に変化してしまうなど所望とする光学表面の形状
が維持できなかったり、その形状変化を再現性良く得ら
れないなどの問題があり、所望の光学特性を得るには未
だ不十分なものであった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、
焦点の位置を変化させる際の弾性体の変形時の面形状を
常に例えば球面状あるいは所望の非球面状に保持でき、
かつ変形操作の繰返しに際して応答性及び再現性の良い
一可変焦点光学素子を提供することをその目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は以下の本発明によって達成することができ
る。

本発明の可変焦点光学素子は、異なる弾性率を有する透
光性弾性材料の２以上を光軸方向に積層してなり、これ
ら弾性材料のＡＳＴＭ　Ｄ−４０８５に基づいて測定さ
れた貯蔵弾性率及び損失弾性率が５×１０２〜１×１０
８ｄｙｎｅ／ｃＩ１１２の範囲にあり、かつ力学損失率
が周波数０．１ｒａｄ／ｓ　〜ＩＸ　１０３ｒａｄ／ｓ
の範囲において１以下である弾性体と、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と
を有してなるものであることを特徴とする。

すなわち、本発明は、透光性を有しかつ異なる弾性率を
有する２以上の弾性材料を積層してなる弾性体を有して
構成された可変焦点光学素子であり、前記弾性材料とし
て、上記のような範囲の弾性特性を有するものを適宜組
合せて使用することによって、光学素子の所望に機能に
応じた弾性体からる光学表面の変形状態を容易に得るこ
とができ、かつその変形の際の光学表面の形状を所望の
ものに維持でき、しかも応答性及び再現性の良い形状変
化を得ることを特徴とするものである。

以下、図面を参照しつつ本発明の可変焦点光学素子を詳
細に説明する。

第１図は１本発明の可変焦点光学素子の一例の模式的断
面図である。

この可変焦点光学素子は、基本的に、異なる弾性率を有
し、かつそこを透過させる光に対して透光性を有するり
ｌ性材料を光軸り方向に積層した２層構造（ｌ−１、１
−２）からなるりｎ性体１と、図面し＋：礒、１１日４
欣小出、１城ムＩダロμＴｌ！ｌ　ｉ卸Ａ、乞＋斗る円
板状の開口板４と、底板２及び側壁３とから構成され、
開口部４ａ内に位置する弾性体１の表面１ａと底板２の
外表面２ａとが光学表面を形成したものである。なお、
底板２及び側壁３は必要に応じて設けられるものであり
、これらはなくても良い。

開口板４及び側壁３は、金属、樹脂、ガラス等の比較的
硬い材料から構成され、開口板４は、所望の開口部４ａ
を有する例えば円板状に成形してなるものであり、これ
らはともに不透明でも良いし、透明でも良い。

開口板４とともに弾性体１を挟持する底板２は、透光性
を有し、比較的硬い材料であるガラス、樹脂等からなる
。

なお、底板２と開口板４とは少なくともその一方が光軸
り方向に添って移動できるように配置されている。

この可変焦点光学素子は、開口板４及び／または底板２
を光軸りの方向に添って移動させ、開口部４ａに位置す
る弾性体１の部分を突出または沈降させて、弾性体表面
１ａの曲率を変化させて所望の焦点距離を得るものであ
る。

例えば、弾性体１の開口部４ａに位置する表面１ａを含
む部分を突出させたい（光学表面１ａの曲率を小さくす
る）場合には、開口板４の位置を光軸り方向に添って底
板２方向に移動させ、弾性体１を加圧すれば良いし、ま
た１弾性体１の開口部４ａに位置する部分を沈降させた
い（光学表面１ａの曲率を大きくする）場合にはその逆
の方向に開口板４の位置を移動させ、弾性体１に負圧を
加えれば良い。

弾性体１の暦数、各層の層厚及び弾性体内での弾性率の
分布等の構成は、所望とする光学表面の形状に応じて適
宜選択される。

例えば、第１図の例でいえば、層１−１の弾性率（Ｅｌ
）を層１−２の弾性率（Ｅ２）よりも適当な値で大きく
することによって、弾性体１の変形に際しての光学表面
１ａの球面形状の維持が可能である。また、Ｅ、＞Ｅ２
の関係において、ＥｌとＥ２の比を球面形状を得る場合
の値（Ｅｌ／Ｅ２＝ａ１）よりも大きくなるように、Ｅ
ｌを大きくしたり、層１−１の層厚を厚くしていけば、
開口部４ａの縁部で曲率の弱い非球面形状を変形の際に
維持することができる。また、Ｅ、とＥ２の比が前記ａ
ｌ　よりも小さくなるようにＥｌの弾性率を小さくした
り、層ｉｔの層厚を薄くしていけば、開口部４ａの縁部
で曲率の強い非球面形状を変形の際に維持することがで
きる。

このような本発明の効果は、以下のような原理によって
得られるものと推定できる。

すなわち、Ｅ、＞Ｅ２である場合を例とすると、例えば
開口板４を底板２方向に移動させたときに、層１２の方
が大きく変形しようとする。この変形は、層１−１と層
１−２の界面を周辺で曲率の強い非球面形状にしようと
する。これにともなって、層１−１には１層１−２の中
央部が盛り上がることによって層１−１を曲げようとす
る力と、層ｌ−１と層！−２との界面の面積を増そうと
する力とが（動くことになる０層１−１が薄いときには
、その主たる剛性は、層の伸び剛性である。従って、こ
のときには層ｉｔはできるだけ表面積を小さくしようと
し、およそ放物面状に変形しようとする。また層１−１
比較的厚いときには、その曲げ剛性によって急激な曲率
変化を妨げようとようとする。このため層１−１はいず
れの場合にも層１−２とは逆に、周辺部で曲率の弱い非
球面状に変形しようとする。従って、層１−１を周辺部
で曲率の強い非球面状に変形しようとする効果と、周辺
部で曲率の弱い非球面状に変形しようとする効果がつり
合あえば、すなわちＥ＋／Ｅ２＝ａ＋となるように弾性
率を選択することによって、層１−１の開口部４ａ内の
表面１ａはほぼ球面状に保たれたまま変形可能であり、
Ｅｌ／Ｅ２の値をａ、以外の値に種々変化させれば、上
述のような非球面形状に維持したまま変形可能である。

このような本発明によれば、例えば、弾性体ｌとして、
その内部の弾性率が均一なりＦ外体を用いた従来の可変
焦点光学素子においては、開口部４ａの縁部においてよ
り強い変形を生じ易く、光軸り付近では、余り大きな変
形を生じないため、弾性体１の表面が開口部４ａの縁部
で曲率の強い非球面状となり、常に光学表面１ａに球面
形状を維持したいにも拘らず、球面形状を保ったまま弾
性体からなる光学表面の曲率を変化させることができな
かったのに対して、常に所望の光学表面１ａの形状を維
持しつつそれを変形可能な可変焦点光学素子を得ること
が可能となった。

なお、弾性体１を３層以上の構成とする場合でも上述の
２層構成におけるような弾性率の分布で各層を配置すれ
ば、同様な効果を得ることができる。

更に、本発明の可変焦点光学素子の弾性体１を構成する
弾性材料には、ＡＳＴＭ　０−４０８５に基づいて測定
された貯蔵弾性率及び損失弾性率が５Ｘ１０２〜１Ｘ１
０’ｄｙｎｅ／ａＩ１１２０）ａ囲にあり、かつ力学損
失率（ｔａｎδ）が周波数０．１ｒａｄ／ｓ　〜ＩＸ　
ｔｏ３ｒａｄ／ｓの範囲において１以下であるものが用
いられる。

このようなりｉ性材料を用いることにより、弾性体１に
良好な応答性及び再現性での変形を得ることができる。

すなわち、弾性体１に良好な応答性及び再現性での変形
を得るには、 ａ）加えた力により変形が確実に生じる、ｂ）力を除い
た際に変形が回復する、 Ｃ）力を加える周波数によって変形量及び歪の応答性に
変化が生じない、若しくはそれが無視できる程度に小さ
い という動的挙動上の特性が要求される。

そこで、本発明らは、このような動的挙動上の特性を満
足する弾性材料について弾性体の弾性率に着目し種々検
討したところ、弾性率を下記式の複素弾性率として表し
た場合に、通常可変焦点光学素子の弾性体に加えられる
応力を代表する周波数０．１ｒａｄ／ｓ　〜ｌＸｌ０３
ｒａｄ／ｓの範囲において、貯蔵弾性率（Ｇ′）、損失
弾性率（Ｇ”）が上記の範囲となるように選択した弾性
体によって上記の要求特性が満足され得ることをみいだ
すに至った。

０本　＝Ｇ’＋ｉＧ” （この式においてＧ′は、貯蔵弾性率を表し、内部エネ
ルギーとして貯えられる通常の静的弾性率に対応する項
であり、Ｇ　”は損失弾性率を表し、粘性に依存する項
の和である。また、Ｇ”／Ｇ’＝　　ｔａｎδによって
応力を加えた際の歪の位相遅れを示す力学損失（損失角
）が表される。この損失角は、１周期に加えられた振動
エネルギーの一部が熱損失として消散する程度を示して
いる。）すなわち、ｔａｎδが１を越えると、変形に時
間の遅れが生じ、また回復も遅くなるという現象が現わ
れる。つまり、応答性が低下することを意味する０分子
論的には、加えた力によって、樹脂などからなる弾性体
内部に流動に伴なう変形が生じることになる。

また、Ｇ′″及びＧ′が上記範囲からずれると、上記の
ような特性を得ることができない。

例えば、Ｇ′が上記範囲を越えた値であると。

一般的には弾性体材料のガラス転移温度が高くなり、変
形を生じるに要する力が大きくなりすぎて、変形が不可
能になる。一方、Ｇ′が上記範囲よりも低い値となると
、タヤ外体自体がその形態を維持できなくなり、動力変
形をうけ面の形状を保てないなどの欠点を生じる。

更に１弾性体１を構成できる弾性材料としては、そのＧ
′及びＧ　”が上記応力の周波数に対する依存性が小さ
く、かつｔａｎδが上記応力の周波数の範囲内でピーク
を有さす、最大周波数で０．１以下であるものがより好
ましい。

なお、本発明におけるＧ′及びＧ　”は、例えばメカニ
カルスペクトルメ−ター ス社製）等を用いて測定できる。

本発明の可変焦点光学素子の弾性体ｌを形成する材料と
しては、上記のような弾性体としての特性を有し，かつ
光学素子に透過させる光に対して十分な透光性を有した
ものであれば、どのようなものでも使用可能である。

なかでも、ター性体ｌに分光透過率として、波長３５０
ｎｍで８０％以上、５００〜７００ｍｍの波長領域で、
９２％以上、マツハツエンダ−干渉計で測定した屈折率
の均一性、精密歪計で測定した複屈折性が、入／４（入
＝光の波長）以下であることが要求される場合には、ポ
リシロキサンが弾性体を構成するためのりｉ性材料とし
て好適である。

本発明の可変焦点光学素子に用いることのできるポリシ
ロキサンとして好適なものとしては、下記一般式（Ｉ）
で示されたポリシロキサンを挙げることができる。

（）：記式中において、Ｒ１及びＲ２はそれぞれ独立し
て、メチル基、エチル基またはフェニル基を表わし、か
つｎは２５以上の整数である．）このようなポリシロキ
サンの具体例としては。

ポリジメチルシロキサン、ポリ（ジメチル−ジフェニル
）シロキサン、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、
及びこれらのメチル基の一部あるいは全部がエチル基で
置換されたポリシロキサン等挙げることができる。

これらポリシロキサンの弾性率は、その重合度やその架
橋化の程度によって２ｇ１節できる。

ポリシロキサンの架橋化は、ポリマーの主鎖中、その末
端及び／または側鎖に、ビニル基、水素化シリル基、ア
ミン基、カルボキシル基、アルコキシ基、エポキシ基等
の有機官能基が存在することによって得られるものであ
り、架橋化を行なう際には、付加反応に基づく架橋化に
よるものが、架橋した際に副生成物が発生せず好ましい
が、縮合反応に基づくものでも、架橋化の条件を好□適
に設定することによって良好な、架橋体が得られるので
それに限定されるものではない、また、光や放射線等の
電磁波を用いて架橋化を行なうこともできる。

具体的には、ビニル基に対する水素化シリル基の付加反
応を、白金、パラジウム、ルテニウム等の金属を含む錯
体化合物触媒を用いて行なうハイドロリレーションを好
適に適用できる。

架橋化によって弾性率をＵ！４ｆ！ｉする場合には、例
えば架橋点間の分子鎖長をより等しくすることによって
高りｌ性率を得ることができる。なお、該分子鎖長をよ
り長くすることによってその強度を高めることもできる
。

ポリシロキサンに良好なウド性率を得るには、例えば重
合度を２５以上、好ましくは８０以上とするのが良い。

更に、ポリシロキサンの剛性を調整したい場合には、あ
る一定置上の架橋度を有するポリシロキサンに同一構造
単位を有するポリシロキサンを、その分子量や混合量を
適宜選択して混合する方法が適用できる。

一方、ポリシロキサンの屈折率は、フェニル基やハロゲ
ン基などの導入によっても高めることが可能である。

しかしながら、高濃度のフェニル基の導入は、ポリシロ
キサンの結晶化を招き、また低濃度であっても、複屈折
率や導入フェニル基の密度の不均一性による屈折率の乱
れが生じる場合がある。

これは、フェニル基の環状構造の間に生じるファンデル
ワース力等による分子の配向やポリマーの流動性などに
よって生じるものと推定できる。

また、ジフェニルシロキサンなどのフェニル基置換シロ
キサンとジメチルシロキサン等のアルキル基置換シロキ
サンとを共重合してフェニル基を導入する場合、フェニ
ル基置換シロキサンよりも反応性に富むアルキル基置換
シロキサンが連鎖してブロックを形成し易く、フェニル
基置換シロキサンの量を多くしすぎると、屈折率の均一
性や複屈折を悪化させる。

従って、ポリシロキサンにフェニル基を導入する場合に
は、その濃度や導入の際の反応の条件などを適当なもの
に設定する必要があり、例えばフェニル基の導入量を重
合体中３０〜３５ｍａ　１％程度とするのが良い、なお
、この場合１．５５程度の屈折率を得ることができる。

本発明の可変焦点光学素子のりＲ外体は、以上のような
ポリシロキサン等の弾性材料を用いて、キャスティング
やインジェクション等の成形方法によって、前述した弾
性特性を満たした２層以上の構成となり、かつ所望とす
る光学素子の機能等に応じた所定の形状を大きさ等を有
するように成形して得ることができる。

〔実施例〕

実施例１ ２液型ポリジメチルシロキサン（商品名、　ＫＥ１０６
、信越化学工業社製）を混合し、攪拌した後真空脱泡し
てなる混合物を、第２図（ａ）に示す上型１３、下型１
４及び側型１５の間に注入後、５０℃で１２時間硬化さ
せ、弾性体層６−１を形成した。

−なお、側型１５の内径は２５ｍｍ、上型１３及び下型
１４の曲率のある部分の径はともに２０ｍｍ、その曲率
半径は、５０ｍｍであった。得られた弾性体Ｂ５−１の
光軸り上での層厚は１ｍａ＋であった。

次に、第２図（ｂ）に示すように上型１３を硬化後の弾
性体層８−１上から取り除き、更に第２図（ｃ）に示す
ように２液型ポリジメチルシロキサン（商品名；　ＫＥ
１０４　、信越化学工業社製）を混合し、攪拌した後真
空脱泡してなる混合物を、ガラス板２、りｉ性体層６−
１及び側型１５の間の空隙内に注入後、５０°Ｃで７２
時間放置し、これを硬化させて弾性体層８−２を形成し
た。得られたター性体層８−２の光軸り上での層厚は４
■であった・ 次に、下型１４及び側型１５を取り去り、第２図（ｄ）
に示すように、弾性体６を形成した部分を側壁１６内に
収容し、本発明の可変焦点光学素子を得た。

得られた光学素子においてガラス板２を光軸りの方向に
移動させて、弾性体層６−１の開口部ｌｅａ内での形状
変化を゛測定した。ガラス板２を弾性体６に加圧する方
向に０．４鵬脂移動させた場合では、弾性体層６−１の
表面６ａは重力変形もほとんどなく球面形状を維持した
ままその曲率は、５０〜３５ｍｍの間で、応答性、再現
性良く変化した。

なお、上記光学素子の製造における条件と同一条件で硬
化して得たポリシロキサン（ＫＥ１０４　。

ＫＥｌｏＢ　）の貯蔵弾性率（Ｇ’）、損失弾性率（Ｇ
″）及び力学損失率（ｔａｎδ）をＡＳＴＭ　Ｄ−４０
８５に基づいて、メカニカルスペクトルメーターＲＤＳ
７７００　（レオメトリックス社製）の平行平板型粘度
計を装着し、歪３％を与えて、２２℃の温度条件下で測
定した結果を第３図に示す。

実施例２ ２液型ポリジメチルジフエニルシロキサン（商品名：　
Ｘ−１４−９０？、東芝シリコーン■社製）を用いて弾
性体層６−１を成形すること以外は、実施例１と同様に
して本発明の可変焦点光学素子を得た。

実施例１と同様にして、ガラス板２を０．４■移動させ
たところ、弾性体層６−１の表面６ａは重力変形もほと
んどなく球面形状を維持したままその曲率は、５０〜３
５ａｍの間で応答性良く、再現性良く変化した。

なお、上記光学素子の製造における条件と同一条件で硬
化して得たポリシロキサン（Ｘ−１４−９０７、ＫＥＩ
Ｑ４　）の貯蔵弾性率（Ｇ’）、損失弾性率（Ｇ″）及
び力学損失率（ｔａｎδ）を実施例１と同様にして測定
した結果を第４図に示す。

比較例１ 弾性体層６−１の成形に、２液型ポリジメチルシロキサ
ン（商品名、　ＫＥ１０４　、信越化学工業社製）を用
い、かつ弾性体層６−２の形成に、ｚ液型ポリジメチル
シロキサン（商品名；　Ｘ−３２−７３０、信越化学工
業社製）のＡ液とＢ液を６：４の割合で混合したものを
用いる以外は、実施例１と同様にして可変焦点光学素子
を得た。

実施例１と同様にして、ガラス板２を３．４ｓｍ移動さ
せたところ１弾性体層８−１の表面６ａは実施例１及び
実施例２はどの球面形状が得られず、用途が限られたも
のとなってしまった。

なお、上記光学素子の製造における条件と同一条件で硬
化して得たポリシロキサン（ＫＥ１０４　、　Ｘ−３２
−７３０）の貯蔵弾性率（Ｇ’）、損失弾性率（Ｇ″）
及び力学損失率（ｔａｎδ）を実施例１と同様にして測
定した結果を第５図に示す。

〔発明の効果〕

本発明によれば、？＃性外体して所定の弾性特性を有し
、かつ弾性率の異なる２以上を適宜組合せて積層した多
層構成のものを用いることによって、焦点の位置を変化
させる際の弾性体の変形時の面形状を常に例えば球面状
あるいは所望の非球面状に保持でき、かつ変形操作の繰
返しに際して応答性及び再現性の良い可変焦点光学素子
を提供することが可能となった。

【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示す模式的
断面図、第２図（ａ）〜第２図（ｄ）は可変焦点光学素
子の形成方法の一例を示す断面図で表わした工程図、第
３図〜第５図は、実施例１、実施例２及び比較例１で形
成したポリシロキサンの貯蔵弾性率（Ｇ’）、損失弾性
率（Ｇ”）及び力学損失率（ｔａｎδ）の測定結果を示
すグラフである。 １．６：弾性体 １−１　、　！−２、８−１、８−２：弾性体層２：底
板　　３：側壁　　４．１Ｂ＝開口板４ａ、１６ａ：開
口部　　ｈ：光軸　　１３：上型１４：下型　　　１５
：側型 特許出願人　　キャノン株式会社 代　　理　　人　　　若　　　林　　　　忠第１図 （ａ）　　　　　　（ｂ） ＋ｏ−’　　　　　１．ｏ　　　　　＋ｏ’　　　　　
１０２＋ｏ３ｒａｄ／ｓ 第５図 Ｇ’、Ｇ’　ｄｙｎｅ／ｃｍ２ ｔａｎろ ｔａｎ　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）異なる弾性率を有する透光性弾性材料の２以上を光
   軸方向に積層してなり、これら弾性材料のＡＳＴＭ　Ｄ
   −４０６５に基づいて測定された貯蔵弾性率及び損失弾
   性率が５×１０＾２〜１×１０＾８ｄｙｎｅ／ｃｍ＾２
   の範囲にあり、かつ力学損失率が周波数０．１ｒａｄ／
   ｓ〜１×１０＾３ｒａｄ／ｓの範囲において１以下であ
   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とを有してなるものであるこ
   とを特徴とする可変焦点光学素子。 ２）前記弾性体材料が下記一般式（ I ）で示されたポ
   リシロキサンである特許請求の範囲第１項記載の可変焦
   点光学素子。 ▲数式、化学式、表等があります▼（ I ） （上記式中において、Ｒ＾１及びＲ＾２はそれぞれ独立
   して、メチル基、エチル基またはフェニル基を表わし、
   かつｎは２５以上の整数である。）