JPH0327084B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はカメラ、ビデオ等の光学機器や光通
信、レーザーデイスクをはじめとするエレクトロ
オプデイクス機器に用いられる光学素子に関し、
特に光学表面形状を変化させることにより、焦点
距離を変化させうるような可変焦点光学素子に関
する。

従来、可変焦点レンズとしては、特開昭55−
36857に見られる様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56−110403、特開昭58−85415のように圧電体
を使用したものが提案されている。

しかし、前者の所謂、液体レンズは、液溜めや
加圧装置などが必要で素子のコンパクト化に問題
があり、後者は、その可変量があまり大きくとれ
ない欠点を有する。

本発明の目的は、上述の如き欠点を解決し、焦
点距離の変化量が大きく、構成が簡単な可変焦点
レンズを提供するものである。

本発明の光学素子は、開口を有し、実質的に変
形しない材料で作られた開口部材と、前記開口よ
りも広い面積の面を持つ光透過性の弾性体とを有
し、前記面を前記開口に対向して配置して前記開
口内の前記弾性体表面を光学表面とし、前記弾性
体に与えられた体積変化を前記開口で解放するこ
とにより前記光学表面を前記開口から突出または
沈降させる構成にして焦点可変とした光学素子
で、前記弾性体表面の全部または一部を、前記内
部よりも硬化した状態にしたことを特徴とするも
のである。

即ち、本発明による光学素子は、塊状の弾性体
自体を部材の開口から凸状に突出又は凹状に沈降
させることによつて、その開口部での弾性体が形
成する光学表面を変形し、所望の光学特性、例え
ば焦点距離を得ることができるものである。従つ
て弾性体に対して外力を印加するだけで、あるい
は、弾性体の体積変化をさせるだけで光学表面を
可逆的に変化させて、所望の光学特性が得られる
ため、光学素子の構成や制御が極めて容易で、且
つ光学表面の形状変化に基く光学特性の変化のた
め光学特性の変化率を極めて大きく設定すること
ができる。

本発明に用いる弾性体としては物体に力を加え
ると変形を起し、加えた力があまり大きくない限
り（弾性限界内で）、力を取り去ると変形も元に
もどる性質（弾性）を有するものを用いることが
できる。

通常の固体では、その弾性限界内での最大ひず
み（限界ひずみ）は１％程度である。また、加硫
された弾性ゴムでは、弾性限界が非常に大きくそ
の限界ひずみは1000％近くになる。

本発明による光学素子においては、形成しよう
とする光学素子の特性に応じた弾性率のものが適
宜使用されるが、一般に大きい弾性変形を容易に
得るため、或いは変形後の状態が光学的より均質
になるようにするため弾性率が小さいものが好ま
しい。

なお、弾性率（Ｇ）はＧ＝σ／γ（σ＝応力、
γ＝弾性ひずみ）として表わされる。また、小さ
い応力で大変形を生じるような弾性は高弾性また
はゴム弾性と呼ばれ、従つて本発明では特にこの
種の弾性体が好ましく利用できることになる。

このようなゴム弾性体としては一般に“ゴム”
と知られている天然ゴムや、スチレンブタジエン
ゴム（SBR）、ブタジエンゴム（BR）、イソプレ
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−ブタジエンゴム
（NBR）、ウレタンゴム（Ｕ）、アリコーンゴム
（Si）、ふつ素ゴム（FPM）、多硫化ゴム（Ｔ）、
ポリエーテルゴム（POR，CHR，CHC）など合
成ゴムを挙げることができる。これらはいずれも
室温でゴム状態を示す。しかし、一般に高分子物
質は分子のブラウン運動の程度によつて、ガラス
状態、ゴム状態又は熔融状態のいずれかをとる。
従つて、光学素子の使用温度においてゴム状態を
示す高分子物質は広く本発明の弾性体として利用
できる。ゴム状態における弾性率は、主にその弾
性体を構成している高分子鎖の架橋状態によつて
決定され、従つて、例えば、天然ゴムにおける加
硫は弾性率を決める処理に他ならない。

本発明では使用する弾性体としては、小さい応
力で大きな変形を得る事が望ましく、その為の架
橋状態の調整は重要である。

しかしながら、弾性率の減少（小さく応力で大
きな変形を示すようになる傾向）は、他方で強度
の低下を招くため、形成しようとする光学素子の
目的に応じた強度を保てるように、使用する弾性
体を適宜選択することが必要である。又、その弾
性率の測定も、光学素子の使用形態による応力の
種類に応じて、例えば、引張り、曲げ、圧縮など
の方法から選んで行われる。

本発明に用いる弾性体としては、通常の固体で
の弾性率10¹¹〜10¹³dyne／cm²よりも小さく、ゴム
弾性体の10⁸dyne／cm²以下が適当で、好ましくは
10⁶dyne／cm²以下、特に好ましくは５×
10⁵dyne／cm²以下であり、下限は弾性体が光学素
子を構成する場合に、通常の液体とは異なり、こ
ぼれない性状の弾性体であれば小さい程好まし
い。なお、光学素子は、多くの場合室温で用いら
れるが、特に高温又は低温で用いられる場合もあ
るので、上記の弾性率の範囲は光学素子の使用温
度におけるものである。

弾性体の硬さ、軟さはある程度その弾性に依存
する。JIS6301では試料表面にスプリングにより
微小なひずみを与え、その針入度によりゴムの硬
質を評価する方法が規定されており、簡便に知る
ことが出来る。

しかしながら、弾性率が10⁶dyne／cm²以下と低
い値になると上述の方法では、測定が出来ずその
場合にはJISK2808による1/4インチミクロ稠度計
を用いてその針入度で評価する。

又、弾性率が小さい場合、その測定方法として
“引張り−伸び”では測定が困難なので圧縮（５
％変形）によりその値を求め、先の針入度との対
応を求めることができる。

ゴム弾性体は従来知られている加硫（橋かけ）
によるものの他にエチレン−酢酸ビニル共重合体
やＡ−Ｂ−Ａ型ブタジエン−スチレンブロツク共
重合体などのように加硫を必要としないもの、又
鎖状高分子などを適当（橋かけ点間の分子鎖長を
制御）にゲル化する事によつて得ることが出来
る。

これらはいずれもその架橋状態、ブロツク共重
合体に於る分子の組合せ、ゲル状態などを調節し
ながらその弾性率の制御が行われる。

又、弾性体自身の構造により、その弾性体を制
御する場合の他にに希釈剤や充てん剤を加える事
によつてもその特性を変化調節する事が可能であ
る。

例えばシリコーンゴム（信越化学工業製；
KE104（商品名））と触媒（商品名；AT−104，
信越化学工業製）に希釈剤（商品名：RTVシン
ナー信越化学工業製）を加えた場合、その添加量
の増大とともに硬さ、引張り強さは低下し、逆に
伸びは増大する。

又、本発明による弾性体は、小さい応力で大き
な変形を得る様に高弾性体である事が好しいが、
この様な弾性体はやわらかくその自己保持性に問
題がある。

本発明では、この点を改良する事とし、該弾性
体の必要な部分での弾性は維持し影響のない外部
を硬化する事によりその問題点を解決するもので
ある。

弾性体は上述した様に種々のタイプが知られて
いるが、加硫等による“橋かけ”によつてその弾
性を示すものは多く、この場合、その弾性の挙動
は“橋かけ”状態に依存する。

“橋かけ”が０％のときは溶液、もしくは粘稠
な液体であり、100％三次元に架橋した場合には、
熱硬化性樹脂に見られるように剛体となる。

橋かけ剤としては、対象とする高分子の構造に
よつて種々のものが用いられ、不飽和高分子（天
然ゴム、ブタジエンゴムなど）にはイオウ、塩化
イオウ、ジチオールなどのイオウ化合物、過酸化
ベンゾイル、アミノアゾベンゼンなど熱分解によ
つてラジカルを生成する物質、キノン、ポリニト
ロベンゼンなど共嗚構造をもつ酸化性物質、芳香
族アミン、フエノール、メルカプタンなど適当な
酸化剤と併用するときラジカルを生成する化合物
などがある。

又、ビニル化合物にはジビニルベンゼン、エチ
レンジメタクリレート、無水メタクリル酸、ジア
リールフタレートなどのジビニルあるいはジアリ
ル化合物、エポキシ樹脂にはモノー、ジー、およ
びポリアミンが、ジ及びポリイソシアナートはア
ルキド樹脂、ポリアミド、ポリウレタンなどが優
れた橋かけ剤である。

又、この触媒として、可視部あるいは紫外部の
光を吸収して容易にラジカル分解し、生成したラ
ジカルが架橋反応を促進するかあるいは光により
励起されそれがモノマーと衝突することにより該
モノマーを活性化し架橋反応を行うものを用いる
事もでき、これにはジアセチル、ベンジル、ベン
ゾフエノン、ベンズアルデヒド、シクロヘキサン
などのカルボニル化合物やアゾビスイソブチロニ
トリル、アゾメタンなどのアゾ化合物、テトラメ
チルチウラムジスルフイド、ベンゾチアゾリルジ
スルフイド、四塩化炭素、有機過酸化物、硝酸ウ
ラニルおよびエオシン、エリスロシン、ニユート
ラルレツドなどの種々の色素が使用される。

又、架橋反応としては、架橋剤によらず放射線
の照射によつても可能である。放射線により架橋
する高分子としては天然ゴム、ポリブタジエンゴ
ム、シリコーンゴム、ネオプレンゴムなどほかに
ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、
ポリ塩化ビニルなどである。

又、任意の架橋状態は熱硬化性樹脂のキユアす
る際の中間状態として得る事も可能である。

本発明は、その弾性体の一部、即ち光学表面を
形成する表面を除く他の表面の全部もしくは一部
を上述の方法でその架橋状態を制御し三次元に架
橋し網目構造とする事により、弾性体の周辺を硬
化し容器化したものである。

すなわち、弾性体としてその内部が開口部より
突出又は沈降してその光学効果を示す変形を可能
とする様な弾性を保ちながら、周辺部のみを硬化
し容器化したものである。

この事は、弾性体と容器とを一体化する事を可
能とし、素子のコンパクト化に大きな貢献を示
す。

弾性体の光学表面を形成するための開口を有す
る部材は平板に開口が設けられているものでも良
いし、また、上述のように開口部以外を架橋反応
によつて硬化しても良い。

又、弾性体表面のみを硬化させる方法としては
前述の架橋剤をその表面のみに分散、吸着、拡散
せしめ、加熱、光照射によつて表面のみに反応を
行わせる。又、この表面の硬い膜は必ずしもゴム
ではなく一般の硬化型の樹脂であつても良い。ま
た、この開口の形状は要求される光学効果によつ
て異なるが、一般的には円形に開口し焦点距離可
変な凸、凹レンズを形成するのが一般的である。

又、矩形のスリツト状に開口を設ける事によ
り、シリンドリカルレンズ及びトーリツクレンズ
を形成することもできる。

これら開口によつて形成される光学素子はその
弾性体に加える外力又は熱膨長・収縮やゾルーゲ
ル変化などによる弾性体の体積変化によつて、そ
の形状を任意に変化させる事ができ、その程度は
その効果を検出しながらフイードバツクしてコン
トロールする事が可能である。

又、この開口を円筒型ピエゾの様に圧電素子で
設ける事も可能であり、これにより著しく素子の
コンパクト化を実現する事ができる。

弾性体に外力を与える手段は、従来知られてい
る全べての方法で行う事が可能であるが、その弾
性体の変形を、光学効果を検出しながらフイード
バツク機構で行う事が望しく、この為には電磁石
やステツピングモーター、圧電素子等の電気的な
制御が可能な方法が好ましい。また、加熱による
体積変化は、弾性体の外部又は内部に設けられた
ヒーターをもつて行うことができる。次に、本発
明による光学素子の代表的な構成を図面より説明
する。

第１図〜第３図は、本発明の光学素子の代表的
な基本構成の断面を示すもので、１は円筒形の弾
性体の硬化表面、３は透明な弾性体、４は開口部
を有する開口板で弾性体を加圧するための可動部
を兼ねている。第１図は、圧力を加えていない状
態である。第２図は開口板４を通じて弾性体３に
圧力を加えた状態であり、この場合加えた圧力の
大きさにしたがつて、弾性体の一部が開口部より
凸レンズ状に突出する。第３図は、開口板４を通
じて弾性体に負圧を加えた状態で、この場合弾性
体は開口部において凹レンズ状になる。

このようにして、容器の可動部に印加する外力
の大きさによつて弾性体の一部により開口部に所
望の光学表面形状を実現することができるもので
ある。また、開口部２を有する開口板４は光学的
に不透明であることが望ましいが、透明である場
合には、二重焦点の光学素子としての利用が可能
になる。また、第１図のような構成の変わりに第
４図のように弾性体自身を硬化して開口板とし、
弾性体３を可動部６で加圧するような構成にする
こともできる。５は硬化表面である。さらに第５
図に示すように、複数の開口部７および８を設
け、加圧によりおのおの曲率を与えることも可能
である。また、複数の開口部の大きさを変えるこ
とにより、それぞれ異つた曲率を与えることもで
きる。

ここで開口板又は可動部を駆動して弾性体３に
圧力を加える方法は、いかようなものも可能であ
り、簡単な方法としては、容器にネジを切つてお
き可動部をネジ込む方法や、電磁石を用いて可動
部を制御する方法などがあるが、それらの方法に
よつて本発明が限定されるものではない。また、
他の光学素子の例としては、第６図に示すよう
に、円筒形のピエゾ素子９を用いて、その径方向
の伸縮により、ピエゾ素子の内部に充填した弾性
体３を円筒の開口部１０から突出・沈降させて光
学表面を形成することもできる。また本発明によ
る光学素子の開口部は円形に限られるものではな
く、例えば第７図に示したように、矩形状の開口
部１１を有する場合には、加圧により突出・沈降
した弾性体の形状をシリンドリカル又はトーリツ
ク状にすることが可能である。

なお、第８図および第９図は弾性体に外力を加
える具体例の例であり、第８図は、円筒形の圧電
体１２の中に周辺を硬化した弾性体３を収容し、
電源１３からスイツチ７を経て電圧を印加するこ
とによつて円板状の可動部１４と開口部１５を有
する駆動部１６を接近させることで開口部１５の
光学表面を変形させるものである。また第９図
は、電磁石１８により強磁性材からなる可動部１
９を深さ方向に移動させることによつて周辺を硬
化した弾性体３の開口部２０における光学表面を
変形させることができるものである。

実施例 １ 弾性体（信越化学工業製，商品名；
KE104GEL）を調整する際に先ず触媒（商品
名；CAT−104，信越化学工業製）を14％添加し
て外側の容器を形成する。序で９％の触媒を添加
した弾性体を収容し、外側が硬く（JISK2808に
よる1/4インチミクロ稠度計にて針入度30）内側
は軟い（同じく針入度80）弾性体を調製した。第
１０図はこの状態を示したもので、周辺を硬化し
た弾性体３に強磁性材かる円形開口部を有する部
材９と電磁石１８を組合せる事により非常にコン
パクトな光学素子を作ることができた。第１１図
は弾性体を電磁石で圧縮し、光学表面を凸状に突
出させた様子を示す。

実施例 ２ 第６図で説明したピエゾ素子の例を試作した。
先ずピエゾ（10ｍ／ｍφ×15ｍ／ｍ）の一端に表
面を研磨したテフロン板でふさぎ上から実施例１
と同じKE104ELに触媒CAT〜104を14％添加し
たものを厚さ３ｍ／ｍ流し込んで硬化する。次い
で、この上にCAT104を９％含むKE104GELの弾
性体を詰め硬化させた。

この結果、一端をガラス板等でふさぐ事なく他
端をピエゾの働きによつて凸状のレンズを作る事
が出来コンパクトな素子を作る事が出来た。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明による光
学素子の断面図であり、第１図は外力を印加して
いない状態、第２図は外力を上方に印加した状態
および第３図は外力を下方に印加した状態を示
す。第４図および第５図は、それぞれ本発明の光
学素子の他の態様の断面図である。第６図は、円
筒形のピエゾ素子を用いた光学素子の例を示す断
面図である。第７図は、本発明によるさらに他の
光学素子の斜視図である。第８図、第９図、第１
０図および第１１図はそれぞれ外力を印加する手
段を配置した本発明による光学素子の断面図であ
る。 １および５……硬化表面、２，７，８，１０，
１１，１５および２０……開口部、３……弾性
体、６，１４および１９……可動部、９……ピエ
ゾ素子、１２……圧電体、１３……電源、１６…
…駆動部、１７……スイツチ、１８……電磁石。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 開口を有し、実質的に変形しない材料で作ら
   れた開口部材と、前記開口よりも広い面積の面を
   持つ光透過性の弾性体とを有し、前記面を前記開
   口に対向して配置して前記開口内の前記弾性体表
   面を光学表面とし、前記弾性体に与えられた体積
   変化を前記開口で解放することにより前記光学表
   面を前記開口から突出または沈降させる構成にし
   て焦点可変とした光学素子で、前記弾性体表面の
   全部または一部を、前記弾性体内部よりも硬化し
   た状態にしたことを特徴とする光学素子。