JPS60114818A - 光変調方法 - 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】 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
に用いられる光変調素子に関し、特に光学表面形状を変
化させることにょシ、透過する光束を変化させうるよう
な光変調方法に関する。

従来可変絞りとしては金属羽根を組合せた機械的なもの
が主流であった。

本発明の目的は、これらとは全く異なシ、可変絞り等と
して応用可能な弾性体を可逆的に加圧変形する事によシ
、光束を制御する光変調方法を提案するものである。

本発明による光変調方法は弾性体の加圧変形によル、そ
の光束を制御する事を特徴とするものである。

即ち本発明による光変調方法は弾性体自体の加圧変形に
よシその形状を変えることにより、入射光束を絞ったシ
１．遮断したり、あるいは反射による偏向などによって
光束を制御するもので・ある。

従っ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弾比体表面を可逆的
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ある。

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＃）（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俤程度である。また、加硫された弾性ゴム
では、弾性限界が非常に太きくその限界ひずみは１００
０　％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
後の状態が光学的によシ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＝６／γ（ｆｆ＝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
、従っ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１と知られ
ている天然ゴムや、例えばスチレンブタジェンゴム（Ｓ
ＢＲ）、ブタジェンゴム（ＢＲ）、インプレンゴム（Ｉ
　Ｒ）　、エチレンプロビレ／ゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ
）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）
アクリｔ’ｌ　＝　）　リルーブタジエンゴム（ＮＢＲ
）、　ウレタンゴム（Ｕ　）　Ｓ　シリコーンゴム（Ｓ
ｉ）、ふっ素ゴム（ＦＰＭ）、多硫化ゴム（Ｔ）、ポ９
−ｒ−−チルゴム（ＦＯＲ，ＣＨＲ，ＣＩ（Ｃ’）など
の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って、ガラス状態、ゴム状態
又は溶融状態のいずれかをとる。従って、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一架橋状態
によって決定され、従って、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（小さい応力で大きな変形
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０本発明に用いる弾性体として
は、通常の固体での弾性率１０”〜１０”ｄｙｎｅ／ｓ
ｌよシも小さく、ゴム弾性体の１０＠ｄｉｎｅ／ｃｄ以
下が適当で１好ましくは１０’　ｄｙｎｅ／−以下、特
に好ましくは５×１０’　ｄｙｎｅ／ａ１以下でアシ、
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０ 弾性体の硬さ、軟さはある程度その弾性に依存する。Ｊ
ＩＳＫ６３０１では試料表面にスプリングによシ微小な
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シ、簡便に知ることが出来る。

しかしながら、弾性率が１０’　ｄｙｎ／ｃｄ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
−伸びゝでは測定が困難なので圧縮（５チ変形）によシ
その値をめ、先の針入度との対応をめることができる。

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
ブタジェン−スチレンブロッ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って得る
ことが出来る。

これらはいずれもその架橋状態、ブロック共重合体に於
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ょシ、その弾性体を制御する場
合の他に希釈剤や充てん剤を加える事によってもその特
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！ＩＩ！！；ＫＥ
　１０４　Ｇｅｔ（商品名））と触媒（商品名；ＣａＴ
ａｔｙｓｔ−１０４を信越化学工業１１）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石、引張シ強さは低下し
、逆に伸びは増大する。

弾性体の表面を変形させる方法は、外力の他、上記材料
を用いて熱膨張・収縮やゾル−ゲル変化などによる体積
変化を利用することもできる。

弾性体を開口部から突出又は沈降させて光束を制御する
場合は、表面を形成するだ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よいし、また、弾性体
を容器に収容して使用する場合には、収容する容器の少
なくとも１つの壁に開口が設けられているものでもよい
。

また、この開口は要求される光学効果によって異なるが
、一般的には円形に開口するの°が一般的である。

又、矩形のスリット伏に開口を設ける事もできる。

これら開口によって形成される光学素子はその弾性体に
加える外力又は弾性体の体積変化によって、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
出しながらフィードバッ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
も可能であシ、これによシ著しく素子のコンパクト化を
実現する事ができる０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ィード
バック機構で行う挙が望しく、この為には電磁石やステ
ッピングモーター、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って行うこと
、ができる。次に、本発明による光学素子の代表的な構
成を図面によシ説明する。

第１〜２図は本発明に用いる光変調素子の１態様を示す
図である。

同図において１は弾性体、２は透明な支持板である。令
弟１図に於る様に少くとも２枚の支持板２にはさまれた
ドーナツ伏の弾性体１はその支持板２に力が加えられ押
しつぶされる時第２図に示すように偏平に変形し、その
ドーナツ伏に囲まれた開口部３は第１図に較べ縮小し、
開口部の絞シとして作用する。

本発明に使用さ九る弾性体ｌは光束を遮光するように不
透明である事が望ましく、光を吸収。

散乱１反射する染料、顔料、添加物等を弾性体の中に分
散、添加あるいは塗付蒸着等による表面処理することに
よシネ透明弾性体が調整される。

弾性体をはさむ支持板２はそれ自身が光の媒体となるの
で光学的に透明であシ、シかも弾性体の加圧変形に際し
、その弾性体表面の離型性の良いことが必要である。

この為支持板２としては光学材料でおるガラス、光学結
晶、ポリメチルメタアクリレート、ジエチレングリコー
ルビスアリルカーボネートなどの光学プラスチックが適
当であり、しかもその表面が離型性の良い高い表面エネ
ルギーを持つ様な表面処理、例えばテフロンの蒸着やフ
ラン系モノマー（例えばＣ２Ｆ＜　、Ｃ５Ｆａ　）によ
るプラズマ重合などがなされている事が好しい。

又、この支持板は、単にガラス板の様な平行平板だけで
なく６伏あるいは凹状のレンズもしくは何らかの光学効
果を持つものであっても良い０ 第３〜４図は別の光変調素子の例を示すものである。

同図において、弾性体ｌが円筒形の容器４の中に設置さ
れた例で、可動板５を加圧する事によシ弾性体１は変形
し、その開口部が縮小して可変絞シとして作用する。

この場合、第１〜２図で示される例と比較してその加圧
に対する変形量、即ち光束の遮光量は前者がその変形が
対称に起るのに対し、後者が光を遮光するその開口部方
向のみへ変形が起る為に後者の方が効率的に制御が可能
となる。

第５図は第３図の変形で弾性体１の一部を硬化し不必要
部分の変形を押えよシ効率的な変形を行わせた例を示す
。

図中１は弾性体、６はその一部を硬化処理した面、２は
支持板を示す。

第６〜７図は別の光変調素子の例を示すものである。同
図において弾性体ｌが支持板２にその一部を接着（接着
部ニア）されておシ、その開口部３が加圧によシ縮小す
るだけでなく、支持板に負圧をかける事によシその開口
部を増大させる例を示したものである。

図中第６図は圧がかからない状態を、第７図は負圧をか
けて開口部３を増大させた例を示している。

第８図（ａ）及び（ｂ）は本発明に用いる他の光変調素
子を示す図である。

同図（ａ）は斜視図、同図ｏ：１）は側面図をあられす
。

同図において１は弾性体、８はスリット伏の開口を有す
る平板、５はそれぞれ弾性体１に圧力を加えるための可
動板、９は開口部を有する板をあられす。弾性体１の平
板８のスリット開口部に露出している表面は、可動板５
に圧力が加えられていない場合にはほぼ平坦な形状を示
すが、可動板５にほぼ等しい圧力が加えられると図に示
すように凸面状に突出する。平板８のスリット開口の位
置は弾性体１が突出したとき突出部が互に接触しないよ
うにずれた位置に設置されているものとする。可動板に
圧力が加えられていない場合には、図中に矢印で示す入
射光束は９の開口部から入射してそのまま直進し平板９
の開口部から出射する。一方、可動板に圧力が加えられ
ている場合、入射光束が弾性体１の突出部で吸収又は散
乱されて出射する光束は遮断又は減衰される。従って弾
性体１の表＋ｎｊ形状な変化させることによって光束の
変調を行なうことが可能になる。光の変調が出射光束の
単なるオン・オフ制御である場合羨は、弾性体１は不、
透明な材料を用い光を完全に吸収させることが望ましい
。出。射光量を段階的に制御する場合には弾性体１の突
出部の間を光束が部分的に通過するように２つの突出部
の間隔を制御するか、あるいは弾性体を透明体にしてお
き、突出部による光束の屈折あるいは散乱の度合を制御
することが可能である。

第９図は本発明に用いる光変調素子の実施例を示す図で
ある。この光変〃４素子の構成は第８図に示した実施例
とほぼ同様であり、第８図の光変調素子と異なるところ
は平板８のスリット開口部が互いに対向した位置に設置
され、弾性体１が突出した時にその頂部が接触する構造
になっていることである。この光変調素子の機構は第８
図のものと同様であるが、上述のように弾性体の突出部
が互いに接触するようにすることによって光の遮断が完
全に行われるようになシ変調器としてのＳ／／Ｎ特性が
向上するという利点を有する。

なお、弾性体突出部の互いに接触する部分が粘着性を有
し該粘着性によって弾性体の突出１沈降の応答性が制限
されるような場合には、弾性体の表面をごく薄い表面だ
け硬膜処理を行う事で問題を解決できる。

第１０図（ａ）および（ｂ）は本発明のさらに他の態様
を説明する図である。

同図において１は弾性体、８は開口を有する平板、５は
弾性体１に圧力を加える為の可動板、９は開口部を有す
る板、１０は上板をあられす。

弾性体１の平板８の開口部に露出している表面は、同図
（ａ）に示す如く可動板５に圧力が加えられていない場
合にははは平坦な形犬であり、そのとき図中に矢印で示
す光束は平板９の開口部から入射してそのまま直進し平
板９の開口部から出射する。次に同図（ｂ）の如く可動
板５に圧力を加えると弾性体１は平板８の開口部から突
出して入射光束を遮るので後方には出射しない。

従って弾性体１を突出変形させることによシ光の変調を
行なうことができる。この際、変調効率を上ける為に弾
性体１の表面又は全体が光吸成性の部材であることが望
ましい。また、第９図に示したものと同様、弾性体の粘
着性によって応答性が制限される場合には上板１０の弾
性体１の突出部との接触部分にテフロン加工などを施す
ことによシ、その影響を除去することができる。

第１１図は本発明のさらに他の態様を示す図であって、
その構成要素は第１０図に示したものとほぼ同様であシ
、第１０図と同一部番は同一部材をあられすものとする
。第１０図に示した光変調素子との異なるところは、第
１図に示すものの場合、弾性体１の開口部に露出してい
る表面が光反射性を有する鏡面になっていることである
。このように弾性体の表面を鏡面にすることによって、
該弾性体が突出した場合に該突出部によって入射光束を
反射させて光束の進行方向を変え、上板１０で吸収させ
るか、あるいは上板１０を透明体にしておき該上板を透
過させることによシ光束の変調を行うことが可能となる
。

第１２図は本発明の更に他の態様を示す図である。

同図に示された部材の部番は第１〜第４と同一部番が同
一部材に対応している。

第１２図に示す光変調素子が第１〜第４図に示す光変調
素子と異なるところは、弾性体１が透明体であって、光
束は該弾性体内部を透過する構造になっていることであ
る。光の変調を行なう場合には可動板５を引張為ことに
よって弾性体１の開口部から露出した部分を沈降させ、
沈降によって出来た凹面状の界面を光束の通過部分まで
到達させる。光束は該界面によって全反射し、図中に矢
印で示すように下方に進光方向を曲げられ従って光束の
変調を行なうことができる。

本実施例においては光の変調は弾性体沈降部の界面にお
ける全反射を利用して行うので、弾性体表面に光反射膜
等の処理を行う必要がなく、製作が容易であるという利
点を有するものである０ 上述のように、本発明によれば簡易な構成による光変調
素子が可能で、可変開口絞シや、多数の素子を配列し独
立に駆動することにより光シヤツタアレイや画像表示装
置等として用いることができる。

実施例１ 弾性体としてシリコーンゴム（商品名；ＫＥ１０４Ｇｅ
ｔ、信越化学工業製）に対し触媒（商品名：　ＣａＴａ
ｔｙｓｔ　１０４信越化学工業製）を８重量％と黒色カ
ラーペースト（商品名：　Ｘ９３−０３５゜信越化学工
業製）を１２重量％を加え良く攪拌して半径２０　ｍ１
ｍの太さ８ψのドーナツ伏の型に注入し５０Ｃで４８時
間放置し不透明な弾性体１を形成する。

支持体として光学研摩したガラス製の支持板２（半径５
０　ｍ、７ｍ　、厚み２　ｍ／ｍ　）を用意しその内面
にプラズマ重合にょシ離型性の高いフッソ系のプラズマ
重合膜をコートする。プラズマ重合の膜形成には平行平
板型のプラズマ重合装置を用いｓ　１３．５６ＭＨｚの
高周波電力にょシ成膜する。

モノマーはＣ，Ｆ、ガスで重合条件は放電々力１００”
モノマー流３１８０ｓｅｃＭ、放電圧力０．２　Ｔｏｒ
ｒで２０分重合する。この時の膜厚は約５００（ＩＡで
あった。

先に作製した弾性体１を前述の処理をした２枚の支持板
２に挾持する。

次に第１３図に示されるように支持板２を底にもつ真ち
ゅう製の円筒容器（内径５０咽）に該弾性体１を設置し
、その上に前述の処理した支持板を載置する。この支持
板をおさえ環１２でおさえる。

ここでおさえ環１２は円筒容器１１に対してねじ込める
ようになっており、おさえ環１２の回転で支持板２を上
下させ、弾性体ｌを加圧変形し、その開口部３の面積、
即ち光束の透過量を制御する。

本実施例によればおさえ環１２の回転により加える圧力
Ｏ〜１００　ｆ／ｃａｌの範囲でその開口部面積を１〜
１／４を連続的に調整する事ができた。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明に用いる光変調素子の断面
図である。 第３図および第４図は本発明に用いる光変調素子の断面
図である。 第５図は本発明に用いる光変調素子の断面図である。 第６図および第７図は本発明に用いる光変調素子の断面
図である。 第８図（ａ）および（ｂ）は本発明による光変調方法の
１態様を示寸説明図である。 第９図は本発明による光変調方法の他の１態様を示す説
明図である。 第１０図（ａ）および（ｂ）は本発明による光変調方法
の他の１態様を示す説明図である。 第１１図は本発明による光変調方法の他の１態様を示す
説明図である。 第１２図は本発明による光変調方法の他の１態様を示す
説明図でるる。 第１３図は本発明の実施例でんいた光変調素子の断面図
である０ １・・・弾性体 ２・・・支持板 ３・・・開口部 ４・・・容器 ５・・・可動板 ６・・・硬化処理面 ７・・・接着部 ８・・・平板 ９・・・平板 １０・・・上板 １１・・・容器 １２・・・押え環 第９回 １ 尤１０図（α） 馬ｙＯ図（’ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）゛弾性体を可逆的に加圧変形することにょ多光束
   を制御することを特徴とする光変調方法。