JPS6334501A - 可変焦点光学素子の製造方法 - 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の製造方法に関する。

［従来の技術］ 従来、可変焦点レンズとしては、特開昭５５−３６８７
５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５８−８５４１５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、液溜や加圧装置か必要で小型化が
難しく、また重力や煽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６Ｏ−８
４５０２）。

第１図に、このような可変焦点光学素子の一例を示す。

第１図に示す例において、２１が弾性体であり、２４は
開口部２４ａを有する変形部材としての開口板、２１ａ
は開口板４の開口部２４ａ内の弾性体２１の表面である
。２２はおよび２３は、それぞれ必要に応じて設けられ
る底板および側壁である。

ここで第１図（ａ）は変形前の状態を示し、開口部２４
ａ内の弾性体表面２１ａはあらかじめ平面もしくは球面
等の所望形状に成形されている。今、第１図（ａ）の状
態より第１図（ｂ）の如く開口板４を図の矢印Ａ方向に
移動させて弾性体２１を加圧すると、開口部２４ａ内よ
り弾性体２１が突出し、開口部２４ａ内の弾性体表面２
１ａは第１図（ａ）の状態より曲率の強い面形状に変化
する。従って開口部２４ａ内の弾性体表面２１ａをレン
ズ面として用いることにより可変焦点光学素子として使
用でき、しかも小型かつ小さな外力で大きな焦点距離の
可変量が得られる可変焦点光学素子とすることができる
のである。

このような可変焦点光学素子においては、その動作原理
から分る通り、光学面を構成する弾性体の表面を面精度
よく形成することが所望される。

特に、本出願人が先に特願昭６０−８０８６３として提
唱した第２図に例示の如き弾性率の異なる複数の弾性体
１−１および１−２を積層した構成の弾性体１を用いる
複層構成の可変焦点光学素子にあっては、これら複数の
弾性体の光学表面をそれぞれ精度よく形成することが、
該素子に優れた光学性能を発揮させる上で重要である。

次に、上記第２図に例示の如き複層構成の可変焦点光学
素子を作成する場合を例として、この種の可変焦点光学
素子の製造方法について述べる。

尚、前述の第１図に例示の単層構成の場合も含め、弾性
体の成形方法としては金型を用いる鋳型成形が一般的で
ある。

まず、第３図（ａ）に例示の如く上型１３、下型１４お
よび側型１５の間で弾性体ｋｌを成形する。次いで、弾
性体１−１を硬化させた後、第３図（ｂ）の如くに上型
１３を取り去る。

次に、第３図（Ｃ）の如くガラス等の底板を置き、底板
２と、既に成形されている弾性体１−１の間で第２図の
弾性体１−２を成形する。この際、弾性体ｌ−２の原料
は側型１５あるいは底板２等に設けた注入口より注入す
る。

次いで、弾性体ｌ−２を硬化させた後、下型１４と側板
１５を取り去り、第３図（ｄ）の如くに変形部材として
の側壁１６を人れ可変焦点光学素子を完成するのである
。

このようにして可変焦点光学素子を製造する訳であるが
、この際、弾性体表面を高蹟度に仕上げるためには型離
れがよいことが要求される。すなわち、型離れが良くな
ければ型をはずす際に応力が剥離面に集中して弾性体に
歪を与え、可変焦点光学素子の光学特性を劣化させてし
まう。弾性体が柔かい場合には、回復不能な歪を生じて
十分な面精度が得られないこともある。特に、第３図（
ｂ）に例示したような上型１３の離型と第３図（Ｃ）に
例示したような下型１４の離型といったように複数型の
離型操作を要する複層構成の可変焦点光学素子にあって
は、このような離型の問題は重要である。

離型促進のため、例えば樹脂成形の分野で一般的なフッ
素系界面活性剤をはじめとする種々の離型剤を用いるこ
とも考えられるが、上記金型を用いる方法では、このよ
うな離型剤を用いたにしても弾性体に歪を与えずに離型
を行なうのは極めて困難であった。

［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、上記の如き可変焦点光学素子を精度よく容易に製造
する方法を提供することを目的とする。

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

弾性体および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を備えた可
変焦点光学素子を製造するに際して、前記弾性体を鋳型
成形し、該鋳型成形用の鋳型を水溶性無機材料で構成す
ることを特徴とする可変焦点光学素子の製造方法。

［作用］ 本発明の方法では、弾性体の成形を行なう鋳型を水溶性
無機材料で構成し、この鋳型を溶解除去することによっ
て離型を行なうため、金型を用いる従来法におけるが如
くに離型時に弾性体に歪を与えることなく、光学面が精
度よく成形された可変焦点光学素子を容易に得ることか
できるものである。

以下、前述した第２図に例示の如き複層構成の可変焦点
光学素子を製造する場合を例として、本発明の詳細な説
明する。

まず、この光学素子の動作原理について説明する。第１
図の例と異なる点は弾性体１が、弾性率の異なる２つの
弾性体１−１および１−２より構成されている点である
。そして、この素子においては、複数の弾性体からなる
弾性体１のうち、突出側の第１の弾性体ｉｆの弾性率Ｅ
、が第１の弾性体１−１と隣り合う第２の弾性体１２の
弾性率Ｅ２よりも大きくなるように構成されている。こ
こで、「突出側」とは変形部材により弾性体１を加圧し
ていくに従って、弾性体１の光学表面が光軸りに沿って
突出していく側をいう。

上記素子においてはＥ、＞Ｅ２であるから、第１図にお
いて開口板４を下方に移動させたとき、弾性体２−１の
ほうが大きく変形しようとする。前述した通り、この変
形は弾性体１−２と弾性体１−１の界面を周辺で曲率の
強い非球面形状にしようとする。これに伴なって弾性体
１−１には、弾性体ｌ−２の中央部が盛り上がることに
よって弾性体１−１を曲げようとする力と、弾性体１１
の弾性体１２との界面の面積を増そうとする力が働くこ
とになる。弾性体１１が薄いときにはその主たる剛性は
膜の伸び剛性である。従ってこのときには弾性体１１は
、できるだけ表面積を小さくしようとし、おおよそ放物
面状に変形しようとする。また弾性体１−１が比較的厚
いときには、その曲げ剛性によって急激な曲率変化を妨
げようとする。

このため弾性体１−１はいずれの場合にも弾性体１−２
とは逆に、周辺部で曲率の弱い非球面形状に変形しよう
とする。従って、弾性体１−１を周辺部で曲率の強い非
球面にしようとする効果と、周辺部で曲率の弱い非球面
にしようとする効果がつりあえば、弾性体１−１の開口
部４ａ内の表面１ａは球面に近い形状を保ったまま変形
する。

また、弾性体１−１の弾性率を大きくするか、あるいは
厚くしていけば変形時に周辺で曲率の弱い非球面が得ら
れるし、逆に弾性率を小さくするか、あるいは薄くして
いけば周辺で曲率の強い非球面が得られることになる。

従って、弾性体１−１と弾性体１−２の初期形状と弾性
率を適当に選択すれば常に球面あるいは所望の非球面形
状を保ったまま変形する可変焦点光学素子とすることが
できるのである。

ここで、突出側の第１の弾性体ｌ−１の開口部４ａ内の
表面１ａの変形時の形状は、第１の弾性体１−１および
第２の弾性体１２各々の初期形状とポアソン比、それに
第１の弾性体１−１および第２の弾性体１−２の弾性率
の比Ｅｌ／Ｅ２により定まる。

第１の弾性体ｌ−１、第２の弾性体１−２のポアソン比
をともに通常のゴム弾性体のポアソン比０．４５〜０．
４９程度とした場合、開口部４ａ内の表面１ａの変形時
の形状を球面に保つためには、５＜Ｅ＋　ｔ＋　／Ｅ２
　ｔ２　＜１００　　・・・（Ｉ）であることが望まし
い。ここで、１．．１．はそれぞれ第１の弾性体１−１
および第２の弾性体１２の光軸り上の肉厚である。ただ
し、第１の弾性体１−１の厚さが均一でなく、周辺部で
厚い場合には、Ｅ＋ｔ＋／Ｅ２ｔ２の望ましい範囲は（
１）式に示す範囲よりもやや狭く、逆に周辺部で薄く中
央部で厚い場合にはＥ　ｒ　ｔ　ｔ　／　Ｅ　２　ｔ　
２の望ましい範囲は（１）式に示す範囲よりもやや広く
なる。

１、．１．の値は、ｔ１≦ｔ２であることが望ましい。

１．＞１２であると弾性体１−１の変形に要する力が増
大する。また、この可変焦点光学素子を通常のレンズに
使用する場合の望ましい範囲は、２ｍｍ≦１．＋１２≦
３０ｍｍ程度である。

本発明においては、上記の如き可変焦点光学素子を製造
するに際して、従来の如き金型の代りに水溶性無機材料
で構成した鋳型を用いるものであり、このような鋳型を
用いる以外は、従来法におけると特に異なることなく可
変焦点光学素子を作成することが可能である。

以下、前述の第３図（ａ）乃至（ｄ）に例示の方法に準
じ、複層構成の可変焦点光学素子を製造する場合を例と
して本発明について更に説明する。

すなわち、本発明の基本的な態様においては、例えば第
３図（ａ）に例示の如き上型１３、下型１１および側型
１５等の鋳型をまず用意する。これら鋳型は所望する可
変焦点光学素子の形状に応じたものとすることができ、
その形状や数など特に制限はないが、水溶性無機材料で
構成することが必要である。もちろん、型のすべてを水
溶性無機材料で構成する必要はないが、複層構成の弾性
体を所望するのであれば、少なくとも弾性体の光学面を
構成する部分、例えば上記第３図（ａ）であれば上型１
３および下型１４の少なくとも一方は水溶性無機材料で
構成することが好ましい。本例では側型１５のみを従来
と同様の金型とし、上型１３と下型１４を水溶性無機材
料で構成した。

上記鋳型を構成する水溶性無機材料としては、例えばＮ
ａＣ１，ＫＩ：１１！、ＮａＢｒ、　にＢｒ等のアルカ
リ金属のハロゲン塩、　に、ＣＯ３、Ｎ　ａ２Ｃ０３等
の炭酸塩などが挙げられる。中でも、ＮａＣ１，ＫＣｌ
、ＮａＢｒ、　に［ｌｒは水で容易に溶解除去すること
ができ、しかも型形成に容易な板状結晶が人手しやすく
、かつ高面精度の光学面を容易に形成することができる
ので、特に好ましい。

次に、第３図（ａ）に例示の如くに鋳型を配した後、弾
性体ｌ−１を構成する弾性材料を鋳型に注入する。弾性
材料としては周知のものを広く用いることかできるが、
本発明においては鋳型を水にて溶解除去する関係上、非
水性もしくは親水性を有しない弾性材料か好ましく用い
られる。このような弾性材料としてはポリシロキサンや
ジエン系ゴム等が好ましいものとして挙げられる。これ
らポリシロキサンやジエン系ゴムは、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
る可逆性を有し、しかも弾性率の異なるものを容易に人
手することができ、透明性なとの光学特性にも優れ、更
には熱、光などによる種々の硬化性状を発揮する点で特
に好ましいものである。

次いで、鋳型注入した弾性材料を光もしくは熱等によっ
て硬化させた後、第３図（ｂ）の如くに上型１３の溶解
除去を行なう。この際、下型１４を従来同様の金型で構
成した場合には、上型１３を水洗する等により上型１３
の除去を行なえばよく、また本例の如く上型１３および
下型１４ともに水溶性無機材料で構成した場合には、上
型１３のみを水に浸漬する等により溶解除去を行なうと
よい。

次いで、上記のようにして上型１３を溶解除去した後、
第３図（Ｃ）の如くにガラス等の底板を置き、その後弾
性体１−２を形成すべく、該弾性体１−２を構成する弾
性材料を底板２と、既に成形されている弾性体ｌ−１の
間に注入する。この注入は、側型１５あるいは底板２に
注入口を設けることにより行なうとよい。

次いで、上記弾性材料を硬化させた後、下型１４の溶解
除去を行ない、更に側型１５を取り去った後、第３図（
ｄ）に例示の如き側板１６を配して可変焦点光学素子を
完成させる。

上記の如くに弾性体の成形を行なう鋳型を水溶性無機材
料で構成した本発明の方法では、この鋳型を溶解除去す
ることによって離型を行なうため、金型を用いる従来法
におけるが如くに離型時に弾性体に歪を与えることなく
、光学面が精度よく成形された可変焦点光学素子を容易
に得ることができるのである。

尚、上記においては特に説明しなかったが、本発明にお
ける型材料は水溶性であるので、高面精度の弾性体を得
るためには、湿度約３０％以下程度の低湿環境下で作業
を行なうことが好ましく、熱硬化性の弾性材料を用いる
場合には乾燥窒素を満たした加熱容器を用いて弾性体の
硬化形成を行なう等のことも高面精度の弾性体を得る上
で好ましい方法である。また、上記においては、複層構
成の可変焦点光学素子を製造する場合を主として本発明
を説明したが、本発明はこのような複層構成のものにの
み限定されるものではなく、前述の第１図に例示の如き
単層構成のものにも適用し得るものである。

［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３図（ａ）乃至（ｄ）に例示の方法に準じて、複層構
成の可変焦点光学素子を以下のように作成した。

まず、直径２０ｍｍφのＮａＣ１板を研磨粒子を含んた
鉱物油で研磨し、凸部が曲率半径３０．２ｃｍの球面形
状を有する第３図（ａ）に例示の如き上型１３を作成し
た。この上型の面精度はニュートン１本以下、アスク上
０．５本以下であった。

この上型１３を第３図（ａ）の如くにあらかじめ配した
下型１４および側型１５に重ねた。尚、下型１４および
側型１５は従来構成の金型（材質ステンレス）とし、下
型１４の凹部の曲率半径は上型１３と同様に３０．２ｃ
ｍ、側型１５は内径２０［＋１［［１φのものを用いた
。

次いで、弾性体１−１を形成すべく、上記型間に硬化剤
を混合して脱泡したポリシロキサン（東芝シリコーン■
、ＹＥ５Ｂ２２）を流し込んだ後、Ｎ２雰囲気中で６０
℃、５時間の条件でこれを硬化させた。

次いで、上記硬化処理を終了した型を５０℃の温水を循
環した水槽に浸漬し、ＮａＣ１製の上型を溶解除去した
。こうして第３図（ｂ）の如くに上型１３を除去した型
をアセトンとエーテルの混合溶媒で洗浄した後、Ｎ２雰
囲気下で乾燥した。

次いで、弾性体１−２を形成すへく、上記弾性体１−１
とは弾性率の異なるポリシロキサン（東芝シリコーン■
製、ＹＥ５８１８）を硬化剤と混合して脱泡した後、第
３図（Ｃ）のようにガラス板２と弾性体！−１および側
型１５に形成された空間にこれを流し込み、４０℃で３
６時間放置してこれを硬化させた。こうして得られた弾
性体１−１の光軸り上における厚さは１ｍｍ、弾性体１
−２の厚さは４ｍｍであった。また、弾性体１−１およ
び１−２の弾性率は、弾性体！＋が１　ｘ　１０６ｄｙ
ｎｅ／ｃｒｎ’、弾性体１−２が８×＋０４ｄｙｎｅ／
ｃｒｎ２であった。

最後に、下型１４および側型１５を取り去った後、第３
図（ｄ）のように上記弾性体をガラス板２とともに変形
部材としての側壁１６に収容して可変焦点光学素子を完
成した。

こうして得られた可変焦点光学素子のガラス板２を光軸
り方向に移動させて弾性体１−１の表面１ａ形状を変化
させたところ、この光学素子は曲率半径３５〜５０ｍｎ
＋の間でほぼ球面形状を保ったまま変化する面精度に優
れたものであることが分つた。

［発明の効果コ 以上に説明した如く、本発明によって、光学面が精度よ
く形成された可変焦点光学素子を得ることができるよう
になった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至（ｂ）および第２図（ａ）乃至（ｂ）
は、それぞれ従来例の可変焦点光学素子の断面模式図、
第３図（ａ）乃至（ｄ）はそれぞれ従来の可変焦点光学
素子の製造方法を説明するための断面模式図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体および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を備
   えた可変焦点光学素子を製造するに際して、前記弾性体
   を鋳型成形し、該鋳型成形用の鋳型を水溶性無機材料で
   構成することを特徴とする可変焦点光学素子の製造方法
   。