JPS60217323A - 自動焦点光学装置 - 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、弾性体から成る光学表面を変形させることに
より、オートフォーカス機能を達成する光学装置に関す
るものである。

従来より、自動焦点機能を備えた装置は、カメラ、光デ
イスク装置、光学的測定装置等に広く用いられている。

斯様な光学装置においては、結像レンズの一部又は全部
を光軸方向に沿って機械的に移動させることにより、フ
ォーカシングを行っている。この様な機械的なフォーカ
シング機構では、フォーカシングの為に移動させるレン
ズの駆動機構が大型化し易く、又、非常に速い応答性を
得ることが困難である。

又、従来より、レンズ又はミラーの如き光学部材を移動
させることなく、結像光学素子焦点距離を変化させるも
のとしては、特開昭５５−３８８５７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、上述した欠点を解決し、簡易な構成で
応答性も良い可変焦点機構を備えた光学装置を提供する
ことにある。

本発明に係る光学装置においては、光学装置内に設けら
れる結像光学系内の少なくとも一部の光学部材として、
弾性体および該弾性体の光学表面の形状を制御可能な手
段より成る弾性体光学部材を配し、該光学部材の表面形
状を変化させることにより前記結像光学系自身の焦点位
置を可変としている。更に、前記光学装置内に、前記結
像光学系の焦点位置を検出する手段を設け、該手段から
の情報に基づいて前記光学部材の表面形状を制御するも
のである。前記弾性光学部材は、体積形の弾性体自体を
開口を有する部材の開口部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、所望焦点距離を得ることができ
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光学
表面を可逆的に変化させて、所望の焦点距離が得られる
ため、光学部材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づく焦点距離の変化のため焦点距離
の変化率を極めて大きく設定することができる。

本発明の光学装置に用いる前記光学部材の弾性体として
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％近くになる。

前記弾性体は、適用される光学装置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＝ρ／γ（ρ＝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、
従って本発明の装置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、例えばスチレンブタジェンゴム（Ｓ
ＢＲ）、ブタジェンゴム（Ｂ　Ｒ）、インプレンゴム（
ＩＲ）、エチレンプロピレンゴム（Ｅ　ＰＭ　、Ｅ　Ｐ
ＤＭ）、ブチルゴム（Ｉ　Ｉ　Ｒ）　、クロロプレンゴ
ム（ＣＲ）、アクリロニトリル−ブタジェンゴム（ＮＢ
Ｒ）、ウレタンゴム（Ｕ）、シリコーンゴム（Ｓｔ）、
ふっ素ゴム（ＦＰＭ）、多硫化ゴム（Ｔ）、ポリエーテ
ルゴム（ＦＯＲ，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、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光学装置に適用される弾
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。

前記弾性体としては、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、１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、光学部材の使用形態による応
力の種類に応じて、例えば、引張り、曲　３げ、圧縮な
どの方法から選んで行われる。

前記弾性体としては、通常の固体での弾性率１０”　−
１０ｄｙｎｅ／ｃｍ２よりも小さく、ゴム弾性体の１．
０８ｄｙｎｅ／　ａｍ２以下が適当で、好ましくは１０
６ｄｙｎｅ／　ｃｍ２以下、特に好ましくは５×１０５
ｄｙｎｅ／　ｃｍ２以下であり、下限は弾性体が光学部
材を構成する場合に、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゛
学装置は、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
囲は光学部材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、簡便に知ることができる。

しかしながら、弾性率が１０６ｄｙｎｅ／　ｃ＋ｎ２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
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お
ける分子の組合わせ、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（信越化学工業型；ＫＥ１０４Ｇ
ＥＬ（商品名））と触媒（商品名；Ｃａｔ　ａｌｙｓｔ
−１０４，信越化学工業型）に希釈剤（商品名ＲＴＶシ
ンナー、信越化学工業型）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。

弾性体の開口部での光学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Φ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
ドリカルレンズ及びトーリックレンズを形成することも
できる。

これら開口によって形成される弾性体光学部材はその弾
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、この開口を円筒型の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
ましく、この為には電磁石やステッピングモータ、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出来る。弾性体光学部
材は、弾性体レンズ或いは弾性体ミラーのいずれの構成
をもとれることは言うまでもないが、以下の説明では、
弾性体レンズを用いて説明する。

第１図〜第３図は、本発明に係る光学装置に使用される
弾性体レンズの代表的な基本構成の断面を示すもので、
１は円形開口部２を有する円筒形の容器、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
明な平行平板からなる。第１図は、圧力を加えていない
状態である。

第２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
性体の一部が開口部より凸レンズ状に突出する。第３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２′は光学的に不透明であることが望まし
い。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。また、第１図のような構成の変
わりに第４図のように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３を円形開口部７を有する可動
部６で加圧するような構成にすることもできる。さらに
第５図に示すように、複数の開口部７および９を設け、
加圧によりおのおの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
ぞれ異った曲率を与えることもできる。また、第６図に
示すように、弾性体３は開口部１３が容器の内部に形成
されているような容器１０に収容されていて１ もよい。この開口部１３は、容器の光学的に透明な上蓋
１１に固定された円筒１２によって形成されており、可
動部４に外圧を加えることによって弾性体による光学表
面が開口部１３に形成される。

ここで可動部４又は６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、容器にネジを切っ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
、それらの方法によって本発明が限定されるものではな
い。また、本発明に用いられる他の弾性体レンズの例と
しては、第７図に示すように、円筒形のピエゾ素子１４
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１５から突出・沈降
させて光学表面を形成することもできる。

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２１の中に弾
性体３を収容し、電源２２からス２ イッチ２３を経て電圧を印加することによって円板状の
可動部２０と開口部１８を有、する駆動部１９を接近さ
せることで開口部１８の光学表面を変形させるものであ
る。また第１０図は、電磁石２６により強磁性材からな
る可動部２５を容器２７の深さ方向に移動させることに
よって弾性体３の開口部２４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。

以上説明した弾性体レンズを用いれば機械的な可動部を
ほとんど用いずにオートフォーカス光学装置を実現する
ことができる。以下、図面を用いて本発明の光学装置を
説明する。

第１０図は本発明の光学装置の１実施例を示す図で同図
は本発明を光ディスクのオートフォーカス光学装置に適
用した例である。同図において、３０は光源である半導
体レーザ、３１は該半導体レーザを駆動する駆動回路、
３２は半導体レーザ３０より出射した光束をコリメート
するコリメーターレンズ、３３は該コリメートされた光
束を後述する光デイスク面上に導くためのハーフミラ−
１３４は例えば第７図で説明したような弾性体レンズで
あって前記コリメートされた光束を集光する集光レンズ
の働きをする。３５は光ディスク、３６は該光ディスク
を回転させるためのモータである０弾性体レンズ３４に
よって光デイスク３５面上に集光された光束は該光ディ
スクで反射された後再び弾性体レンズ３４を通り、ハー
フミラ−３３を透過して合焦状態検出系３７に導かれる
。該合焦状態検出系としては公知の手段、例えば同図に
示すように、ハーフミラ−３８を介して光束の集光位置
の前後のデフォーカス位置に設定された光量センサ３９
及び３９′と、該光量センサ（３９，３９’）の出力信
号にもとづき合焦状態を判別する合焦状態判別回路４０
の組合せ等を用いることができる。合焦状態検出系によ
って検出された信号は弾性体レンズ駆動回路４１に導か
れ、該駆動回路によって弾性体レンズのパワーが制御さ
れるので、このようにして構成されたフィードバック系
により弾性体レンズによる光束の集光位置は正しく光デ
イスク３５面上に保たれる。

第１１図は本発明の光学装置の他の実施例を示す図であ
って、同図はカメラ等に用いられるアクティブ方式のオ
ートフォーカス光学装置の基本原理を示す図である。同
図において５０は本発明に適用する弾性体レンズであっ
て、該弾性体レンズの駆動は例えば第７図で説明したよ
うにピエゾ素子を用いて行なわれるものとする。５１は
□弾性体レンズを駆動する為の駆動回路、５２は弾性体
レンズの像面、５３は撮影すべき被写体をあられす。５
４はＬＥＤであってミラー５５に対して像面５２と鏡映
関係の位置に設置されている。５７はＬＥＤ５４より出
射し、被写体５３で反射した光を検出するＣＯＤであっ
て、該ＣＯＤの位置はミラー５６に対して像面５２と鏡
映関係の位置に設置されているものとする。ＬＥＤ５４
よる出射した光束はミラー５５で反射され、弾性体レン
ズ５０の周辺の結像に使用されない部分を通って被写体
５３に到達し、該被写体で反射されて再び弾性体レンズ
５０の周辺部を通り、ミラー５６によってＣＣＤ５７上
に結像される。合焦状態は５ ＣＣＤ上の結像スポットのボケを合焦状態検出回路５８
で検出することにより判別される。該合焦状態検出回路
からは合焦状態に応じて弾性体レンズ駆動回路５１へ信
号がフィードバックされ、該信号によって弾性体レンズ
のパワーが制御される。以上説明したような方法によっ
てカメラ等に用いられるオートフォーカス制御装置を実
現することが可能となる。

上記の例はＬＥＤ等により投光した光によってオートフ
ォーカス制御を行なう、いわゆるアクティブ方式のオー
トフォーカス装置であるが、被写体自体の光を利用して
オートフォーカスを行なうパッシブ方式のオートオフオ
ーカス装置も本発明の主旨に沿って容易に実現できるこ
とはいうまでもない。

上述した光学装置に用いる弾性体レンズの駆動法として
は、次の様な方法も有効である。即ち、弾性体レンズ駆
動回路の発生する信号に、常に微小な高周波信号をのせ
ておき、弾性体レンズが常に高周波で微小変形をくり返
すようにしておく。

１に のような微小変形によって、焦点位置が微小量前後する
ことになるが、合焦状態検出回路によりこの焦点位置の
ズレを検出し、合焦状態にするには弾性体レンズを焦点
が前後いずれの方向へ移動するよう駆動すべきを判断す
ることができる。通常の焦点検出の方法では、合焦・非
合焦の状態の判別はつくが、いずれの方向に焦点ずれが
あるかを判断することが困難なため、敏速な駆動ができ
ないが、このような方法により高速応答が可能である。

このような駆動法は、弾性体レンズを用いた本発明の１
つの効果であり、通常のレンズ全体の移動によるもので
はこのような高周波駆動は困難である。

以上１本発明に係る光学装置におい七は、光学装置に用
いられる光学系は、光軸方向への変位を伴うことなく光
学系の焦点制御をすることが可能で、且つ、高い応答特
性で焦点制御が可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図、第２図、第３図、第４図、第５図、第６図、第
７図、第８図及び第９図は各々、本発明の光学装置に適
用される弾性体レンズを説明する□　図、第１０図及び
第１１図は各々、本発明の光学装置の一実施例を、示す
図。 ３０−ｍ−半導体レーザー、３１−ｍ−駆動回路、３２
−ｍ−コリメーターレンズ、３３−ｍ−ハーフミラー、
３４．５０−ｍ−弾性体レンズ、３７−−−合焦状態検
知系、４１．５１−−一弾性体レンズ駆動回路、５２−
ｍ−像面、５３−−一被写゛体、５４−一−ＬＥＤ、５
７−−−ＣＣＤ、５８−ｍ−合焦状態検出回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体および該弾性体を突出又は沈降させて光学
   表面を変形できる開口を有する部材から成る弾性体光学
   部材と、該弾性体光学部材の合焦状態を検知する合焦状
   態検知手段とを備え、該合焦状態検出手段によって検出
   された信号に応じて、前記光学部材の光学表面の形状を
   制御することを特徴とする自動焦点光学装置。