JPS60192901A

JPS60192901A - アレイレンズ

Info

Publication number: JPS60192901A
Application number: JP59049574A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Baba; 健馬場; Hiroyuki Imataki; 今滝　寛之; Masayuki Usui; 臼井　正幸; Takashi Serizawa; 芹沢　高; Hiroyasu Nose; 博康能瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-03-14
Filing date: 1984-03-14
Publication date: 1985-10-01
Also published as: US4783141A

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、アレイレンズ及びその応用に関するものであ
る。

従来よりアレイレンズとしては、屈折率分布型のレンズ
を複数個配列したり、バーレンズを同じく複数個配列し
て形成することが周知である。しかしながら、これ等の
アレイレンズは製造の際に、各レンズエレメントを配列
することが困難であり、又、製造コストも高いとい′う
難点を有している。更に、これ等のアレイレンズは、結
像倍率を変化させることが困難である。

又、従来、可変焦点レンズとしては、特開昭５５−３６
８５７号公報に見られる様な弾性体の容器に液体をつめ
、その液圧で容器の形状を変化せしめるものや、特開昭
５６−１１０４０３号、特開昭５８−８５４１５号公報
の様に圧電体を使用したものが提案されている。しかし
ながら、前者のいわゆる液体レンズは、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取れない欠点を有す
る。

本発明の目的は上述した欠点を改良し、製造が容易なア
レイレンズを提供することにある。

本発明の更なる目的は、その焦点距離を変化させるのが
容易で、且つ焦点距離の変化量が大きいアレイレンズを
提供することにある。

本発明の更なる目的は、前記アレイレンズを有効に用い
た複眼光学系を提供することにある。

本発明に係るアレーレンズに於いては、複数の開口より
、弾性体を突出又は沈降させることにより、該開口部で
の弾性体の表面でパワーを有する光学表面を形成するこ
とにより、上記目的を達成せんとするものである。即ち
、本発明のアレーレンズを形成する各光学素子は、体積
形の弾性体自体を、所定の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って、その開口部での弾性
体が形成する光学表面を変形して、所望の光学特性、例
えば焦点距離を得ることが出来るものである。斯様なア
レーレンズは製造が極めて容易に行なえる。

従って、本発明に係るアレーレンズでは、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、前記開口部の光学表面を可逆的に変化
させて、光学表面の持つパワーを変化させることが出来
る。換言すれば、アレイレンズの各光学素子の焦点距離
を変化させることが出来る。斯様なアレーレンズは、構
成及び光学表面の制御が容易で、且つ光学表面の形状変
化に基く光学特性の変化のため、光学表面のパワーの変
化率を極めて大きく設にすることができる。

本発明に係るアレーレンズに於いて、弾性体の光学表面
を形成するための、複数の配列された開口を有する部材
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
器の少くなくとも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、矩形のスリット状に開口を設ける事により、シリン
ドリカルレンズアレイ及びトーリックレンズアレイを形
成することもできる。

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ィードバック機構で行う事が
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Ｏ本発明のアレーレンズ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１００
０％近くＫなる。

本発明によるアレイレンズにおいては、形成しようとす
るレンズ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＝　ｐ／ｒ　（ｐ　＝応力、ｒ
＝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
利用で倉ることになる。

このようなゴム弾性体としては一般に１ゴム”と知られ
ている天然ゴム、例えばスチレンブタジェンゴム（８Ｂ
Ｂ）、ブタジェンゴム（ＢＲ）、イソブロム（ＩＲ）、
エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）　、ブチ
ルゴム（ＩＩＲ）、りｐｉ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（Ｆ
ＰＭ）　、多硫化ゴム（Ｔ）、ポリエーテルゴム（ＰＯ
几、ＣＨＲ。

ＣＨＣ）など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、アレイレン
ズ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、形成しようとするアレイレンズ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、アレイレンズの
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
１０”　〜１０”　ｄｙｎｅ／ｃ１１よりも小さく、ゴ
ム弾性体の１０”　ｄｙｎｅ／ＣＩ＆以下が適当で、好
ましくは１０’　ｄｙｎｅ／ｄ以下、特に好ましくは５
×１０’　ｄｙｎｅ／ｃｆｆｌ以下であり、下限は弾性
体がレンズを構成する場合に、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、アレイレンズは、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
弾性率の範囲はアレイレンズ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。Ｊ
ＩＳＫ６３０１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１０’　ｄｙｎｅ／ｃＩＩ以下
と低い値になると上述の方法では、測定が出来ず又、弾
性率が小さい場合、その測定方法として１引張り一伸び
”では測定が困難なので圧縮（５％変形）によりその値
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より、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（信越化学工業製＋ＫＦ）１０４
（商品名））と触媒（商品名；　ＡＴ　−１０４゜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。

以下に、本発明に係るアレイレンズを詳述するＯ第１図〜第４図は、本発明に係るアレーレンズの一実施
例を説明する為の図である。１は直方体の容器、２は第
２図にその平面図を示す様に、複数の円形開口部２′が
列状に配列された開口板であり、該開口板２は容器１に
固定されている。３は透明な弾性体、４は弾性体を加圧
するための可動部で、光学的に透明な平行半板から成る
。第１図は、可動部４が弾性体３に圧力を加えていない
状態であり、開口部ｒの弾性体の表面は平である。第３
図は可動部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って、弾性体
の一部が各々の開口より凸レンズ状に突出する。第４図
は、可動部４を通じて弾性体に負圧を加えた状態で、こ
の場合弾性体は各々の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
によって弾性体の１部により各々の開口部に所望のレン
ズ表面形状を同時に実現することができるものである。

また、列状に配列された多数の開口部２を有する開口板
τ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、二重焦点のアレイレンズとしての利用が可
能になる。また、可動部と弾性体は必要に応じて接着剤
などにより接着される。また、必要なら弾性体と容器の
内壁面とが全体的に接着される。

第５図は、本発明に係るアレイレンズの他の実施例を示
す図で、光学的に透明な平行平板を底にもつ容器５に入
れた弾性体を、第６図に示す如く、円形開口部７を有す
る可動部６で加圧するものである。尚、第６図に示す可
動部６は、複数列の開口部７を備える開口板であるが、
第２図に示す様な開口板２でも良い。

この様に、弾性体を加圧する可動部を成る状態に固定し
て使用すればアレイレンズは固定の焦点距離のプレイレ
ンズとして使用出来、又可動部の加圧を制御することに
よりアレイレンズは可変の焦点距離のアレイレンズとし
て使用出来る。

又、可動部を駆動する方法としては、容器にネジを切っ
て可動部をねじ込む方法、可動部を強磁性体で形成し、
電磁石により駆動する方法、可動部を圧電体バイモルフ
素子で形成し、その変形を利用する方法などがある。

以下に、本発明におけるアレイレンズを使用した複眼光
学系について述べる。

第７図〜第９図は、本発明に係るアレイレンズを使用し
た正立等倍の複眼光学系を示すもので、特に、本発明に
係るアレイレンズを用いることにより物体面と結像面と
の共役関係を容易に調整出来るものである。複数のレン
ズを通った光束を正しく重ね合わせて画像を得る複眼光
学系に於いては、物体面の位置が何等かの原因で移動し
たとき、結像面を一定に保つよう焦点合わせを行なうに
は、通常の単眼の光学系の様に、レンズ全体を光軸方向
に移動させることによるだけでは不可能である。即ち、
複眼光学系では、結像倍率を正立等倍に保ったまま、物
体面が移動しても結像面を一定に保つよう構成する必要
がある。第７図は、第１図に示す焦点を変化させること
が可能なアレイレンズを用いて複眼光学系を形成した断
面図を示すものである。

１０　、１０’は概略的に描いた第１図に示すアレイレ
ンズ、１１は物体面、１２は結像面、１３はアレイレン
ズ１０による物体面１１の中間結像面である。斯様な光
学系では、物体面１１が何等かの理由で１ｒに示す位置
に変位した場合でも、正立等倍結像を保ったままで、物
体面１ｒを結像面１２の位置に結像することが可能であ
り、以下に、この理由を説明する。

第８図（ａ）　（ｂ）は、第７図に示す複眼光学系に於
いて、物体面と結像面との共役関係がくずれた場合に、
正立等倍結像関係を保ったままで、物体面と結像面とを
共役関係にする為の一つの方法を示す図である。第８図
は、複眼系の中の１組のレンズより成る系を簡略化して
描いたもので、１４は前記アレイレンズｌＯの１つの開
口に形成されるレンズ、１４′は前記アレイレンズ１０
′の１つの開口に形成されるレンズを示している。基準
状態を示す第８図（ａ）に於いては、レンズ１４とレン
ズ１４′のパワーは共にψであり、焦点距離ｆは１／ψ
である。第８図（ａ）に示す如く、物体面１１とレンズ
１４との間隔、レンズ１４と中間結像面１３との間隔、
中間結像面１３とレンズ１４′との間隔、レンズ１４′
と結像面１２との間隔は各々２ｆであり、従って中間結
像面１３には物体面１１の倒立等倍像が、結像面１２に
は°物体面１１の正立等倍像が形成されている。

第８図（ｂ）は、第８図（ａ）に示す系の状態から、物
体面１１が物体面１ｒの位置へ変位した時の状態に於い
て、レンズ１４、レンズ１４′及び結像面１２の位置を
変化きせずに、結像面１２上に正立等倍の像を形成する
様子を示す図である。

１３′は移動した中間結像面を、ａはレンズ１４と物体
面１１′との距離を示している。第８図（ｂ）に示す様
な位置関係で、結像面１２上に正立等倍の像を形成する
為には、ここで、ｂは第ルンズ１４と中間結像面１３′間距離Ｃ
は中間結像面１３’と第２レンズ１４’＃ψ、は第ルン
ズ１４のパワー ψ、は第２レンズ１４′のパワーを満たせばよい。

これより、第２レンズ１４．１４’のパワー９１．ψ、
ををみたすよう、物体面の移動に伴って変化させること
により、王立等倍結像を保ちつつ、結像面位置を一定に
できる。

第９図（ａ）　（ｂ）は、同じく物体面と結像面との共
役関係がくずれた場合に、正文等倍関係を保ったままで
、物体面と結像面とを共役関係に復帰させる他の方法を
示す図である。第９図（ａ）は、第６図（ａ）に示すも
のと全く同じで、基準状態に於けるレンズ配置を示して
いる。第９図（ｂ）は、第９図（ａ）に示す物体面１１
が１１で示す位置に変位した時のレンズ配置を示す図で
ある。第９図に示す方法は、第ルンズ１４と第２レンズ
、１４′のパワーを等しく変化させると共に、レンズ（
１４，１４’）の間隔を保ったまま、レンズ１４とレン
ズ１４′の中間位置が物体面１１′と結像面１２との中
間位置と合致する様にレンズ（１４゜１４′）を移動さ
せる。そして、この中間位置に、レンズ１４による物体
面１ｒの像、即ち中間像が形成される様に、レンズ（１
４，１４’）のパワーを変化させるものであ淋。

第７図に示す複眼光学系を改良し、解像度やレンズの明
るさを向上させた光学系を第１０図に示す。第１０図に
於いて、１５は固定焦点アレイレンズであり、第８図（
ａ）、第９図（ａ）に於ける中間結像面１３の位置の近
傍に配される。斯様な位置に配されるアレイレンズ１５
は、光束の進行方向に影響を及ぼすが、光束の収斂又は
発散には何等影響を及ぼさない、いわゆるフィールドレ
ンズの作用を成すと同時に、アレイレンズ１５の非しン
゛ズ部１５′は非透明化され有害光束を除去する機能を
有する。アレイレンズ１５はフィールドレンズとしての
機能上、常に中間結像面位置に配置される様に移動せし
めることが望ましく、第８図（ｂ）、第９図（ｂ）に於
いては、１３′で示される位置に移動させることが望ま
しい。尚、物体面の変位量が小さい場合には、アレイレ
ンズ１５の位置は固定であっても良いが、その場合はフ
ィールドレンズ１５のパワーカ若干利いてくるので、そ
れを考慮してレンズ（工４゜１４′）のパワーを決める
必要がある。

尚、第８１司（ａ）、第９図（ａ）では、物体面１１の
中間結像面１３に於ける結像倍率が−１である場合を述
べたが、アレイレンズにおける開口部の密度を高め、光
学系の明るさを向上させるには、この結像倍率は縮小で
あることが望ましい。この様な場合にも、第８図、第９
図で示した焦点合わせの為の方法が適用出来ることは明
らかである。要するに、正立等倍結像を保ちつつ、物体
面の焦点を結像面に合わせるには光学的に２つの自由度
があれば良く、その内の少なくとも１つの自由度として
、本発明に係るアレイレンズの可変パワーを用いること
により、複雑な複数のアレイレンズの移動を伴うことな
く、目的が達成される。

また、本発明におけるアレイレンズは、変倍機能を有す
る複眼光学系においても有効である。

この場合には、前述の正立等倍結像ど場合と同様に、結
像倍率を所望の値にし、かつ像面位置を一定に保つため
に光学的に２つの自由度があればよい。またこの場合、
さらに物体面の移動によらず像面位置を一定に保つには
３つの自由度が必要である。ただし、正立等倍の場合と
異なる点は縮小もしくは拡大された正立像を正しく重ね
合わせて画像を得るＫは、複眼光学系を構成する単眼光
学系の光軸を結像倍率に対応して扇状に偏芯して配置す
る必要があり、物体面と結像面間距離は各単眼光学系に
おいて異なったものとなる。

第１１図は、このような変倍機能をもった複眼光学系の
１例を示す。第１１図において、２ｏ。

２０′は本発明における可変焦点アレイレンズであり、
第１１図には弾性体２１−１．２１−２．・・・２ｆ−
ｘ、２ｆ−２，・・・とピエゾ素子よりなる円筒形容器
２２−１　、２２−２　、・−２２’−１、２２’−２
、−・・より個々のレンズを構成する場合を示した。ピ
エゾ素子よりなる容器２１−１・・・に電圧を印加する
ことにより、その径方向の変形による容積変化によって
、図のごとく弾性体２２−１．・・・が容器２２−１．
・・・・・・、の開口より突出し、アレイレンズ２０．
２０’を構成する各レンズの焦点距離を独立に制御する
ことができる。

各レンズを支持する支持体２３．２３’は可撓性を有す
る材料よりなり、周囲よりの圧力によって変曲度を変化
させ、所望の結像倍率に従って各レンズの光軸を扇状に
偏芯させる。このときアレイレンズ２０．２０’を構成
するレンズは各々、物体面１１を結像面１２に所望結像
倍率で結像するよう、その焦点距離を制御することによ
り、変倍機能が得られる。

以上述べた様に、本発明に係るアレイレンズは製造が容
易で、かつ再現性にも優れ、かつその焦点距離を可成り
の範囲で変化させることが可能であり、アレイレンズ単
独の使用に於いても、複眼光学系に適用されるアレイレ
ンズとしても、種々の優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明に係るアレイレンズの構成
の一実施例を示す図、第３図及び第４図は各々、第１図
に示す構成により得られるアレーレンズの状態を示す図
、第５図及び＃！６図は、本発明に係るアレイレンズの
構成の他の実施例を示す図、第７図は本発明に係るアレ
イレンズを使用した複眼光学系の一実施例を示す図、第
８図（ａ）　、　（ｂ）、第９図（ａ）　、　（ｂ）は
それぞれ、物体面と結像面とを正立等倍結像を保持した
状態で、光学的に共役な関係を保持する為の方法を示す
図、８１０図は、本発明に係ろアレイレンズを使用した
複眼光学系の他の実施例を示す図、第１１図は、本発明
に係るアレイレンズを、変倍可能な複眼光学系に使用し
た場合の一実施例を示す概略図。１．５・・・容器、２，６・・・開口板、２′、７・・
・開口部、３・・・弾性体、４．６・・・可動部、１０
　、１０’・・・アレイレンズ、１１・・・物体面、１
２・・・結像面、１３　、１３’・・・中間像面、１４
．１４’・・・レンズ、第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　配列された複数の開口より、弾性体を突出また
は沈降させ、該弾性体の表面でパワーを有する光学表面
を形成することを特徴とするアレイレンズ。
（２）前記開口は一枚の部材上に複数の開口が配列され
て形成されている特許請求の範囲第１項記載のアレイレ
ンズ。
（３）前記開口を有する部材は、共通の弾性体上に設け
られている特許請求の範囲第１項記載のアレイレンズ。
（４）弾性体と、多数の配列した２開口を有する部材と
、該開口より突出または沈降して形成される前記弾性体
の光学表面の形状を変化させる手段より成る事を特徴と
する可変焦点アレイレンズ。
（５）第１のアレイレンズと第２のアレイレンズとを備
えて成る正立等倍複眼光学系に於いて、前記少なくとも
一方のアレイレンズは弾性体と、多数の配列した開口を
有する部材より成り、前記開口より弾性体を突出又は沈
降させて光学表面が形成されている事を特徴とする複眼
光学系。
（６）第１の７レイレンズと第２のアレイレンズとを備
えて成る正立等倍複眼光学系に於いて、前記少なくとも
一方の７レイレンズは弾性体と、多数の配列した開口を
有する部材と、該開口より突出または沈降して形成され
る前記弾性体の光学表面の形状を変化させる手段より成
る事を特徴とするｖＩ眼光学系。