JPS6138902A - 光学素子 - 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】 ［技術分野］ 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
器に用いられる光学素子に関し、特に光学表面形状を変
化させることによってその焦点距離を変化させ得るよう
な可変焦点光学素子に関する。

［従来技術］ 従来、可変焦点レンズとしては、特開昭５５−３６８５
７号に見られるような弾性体の容器に液体を詰め、その
液圧を変化させて形状を変化させるものや、特開昭５６
−１１０４０３号、特開昭５８−８５４１５号に開示さ
れているような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
めや加圧装置等が必要であり、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ず、駆
動電圧も高いという欠点がある。

［発明の目的］ 本発明の目的は、上述の欠点を解決し、焦点距離の変化
量が大きく、構造が簡単である可変焦点レンズを提供す
ることにある。

［発明の要旨］ 本発明によれば、上記の目的′は、レンズとして作用す
る弾性体と、この弾性体に連結した操作手段と、この操
作手段に力を加え、したがって前記弾性体を変形させる
駆動手段とを包含する光学素子により達成される。

［発明の実施例］ 以下、添付図面を参照しながら本発明の詳細な説明する
。

まず、第１．２図を参照して、ここに示す光学素子は、
内筒１と、この内筒から外側に隔たって配置した外筒２
とを包含し、これら内、外筒は相対的にそ゛れらの長手
軸線方向に移動できるようになっている。

内筒１の頂縁には、その円周方向に等しい間隔で４つの
ローラ３が回転自在に取付けてあり、各ローラ３は外筒
２の頂縁に同様に一端を取付けたワイヤ４を受けている
。４木のワイヤ４の反対端は対応する操作部材５にそれ
ぞれ結合しである。

これらの操作部材５は、第１図で最も良くわかるように
、内筒ｌの上方開口部のほぼ中央に位置するレンズ６の
周縁にその円周方向に等間隔で取付けである。このレン
ズ６は、後に詳しく説明するような透明弾性材料で作っ
てあり、外方に凸の２つの背中合わせの光学表面を有す
る。本明細書では、このレンズをしばしば弾性体と呼ぶ
。

以上の配置において、たとえば、内筒ｌを固定しである
ものとして、外筒２を下方、すなわち第２図に矢印で示
す方向に移動させると（この場合、外筒２とワイヤ４が
駆動手段となる）、弾性体６が半径方向外方に引っ張ら
れて変形し、その光学表面が変位し、所望の光学特性、
たとえば、焦点距離を得ることができる。外筒２の移動
距離を変えること、すなわち、弾性体６に加わる外力を
変えることによって、焦点距離の変化量を変えることが
できることは明らかであろう。レンズ、すなわち、弾性
体６の変化のいくつかの段階が第３図に示してあり、（
ａ）→（ｂ）→（ｃ）の順序で加わる外力が大きくなっ
ている。

なお、操作部材５は、弾性体６に接着剤によって接合し
てもよいし、弾性体を製造する際に弾性体に操作部材５
の一部を埋め込んでもよい。また、操作部材５の数は、
必要とする光学表面の形状および収差等の光学特性によ
って適宜選択する。たとえば、操作部材５を弾性体中心
を挟む２箇所に付着させ、相反する方向に引っ張ること
によって凸状の光学表面形状をトーリック状にすること
もできる。さらに、弾性体をその半径方向外方に引っ張
る駆動手段は、第１図の構成に限るものではなく、ワイ
ヤ４の各々に対して巻取用プーリとモータを設け、ワイ
ヤを巻取ることによって弾性体６を変形させるようにし
てもよい。

次に第４．５図を参照して、ここに示す光学素子のレン
ズ、すなわち、弾性体１０は、第１図に示すものと同様
であるが、その円周方向に等間隔で取付けた操作部材１
１は、それぞれ、磁性を有する材料で作ってあり、たと
えば、鉄片である。

各操作部材１１は、外方に突出する延長部１２を有し、
この延長部１２はそれに対応して配置した駆動装置１３
内に突入している。

各駆動装置１３は、弾性体１０に向って開いた開口１４
を有する継鉄ハウジング１５とこのハウジング１５内に
配置したコイル１６とからなり、電磁石を構成している
。各操作部材１１の延長部１２は開口１４を通してそれ
ぞれのハウジング１５内に突入している。これらの電磁
石に等しい電流を流すと、操作部材１１が同時に等しい
量だけ　゛電磁石に吸引され、したがって弾性体１０が
その円周方向の４箇所で等しい量だけ半径方向外方に引
っ張られ、その光学表面が変位して光学特性、すなわち
、焦点距離が変化する。

電磁石に流す電流を制御すれば、弾性体１０を半径方向
外方に引っ張る力を変化させ、第３図に示すような種々
の変形を行なうことができることはもちろんである。な
お、操作部材１１の数も第１実施例と同様に目的に応じ
て変えることができるし、また、操作部材、電磁石の形
状寸法も第４．５図に示すものに限らず、自由に変更可
部である。

第６．７図は本発明の第３実施例を示しており、この実
施例では、レンズ、すなわち、弾性体２０は第１．２実
施例のものと同様であるが、レンズ２０と同様な透明弾
性材料で作った膜状の第２弾性体２１．２２で挟まれ、
包まれている。各第２弾性体２１．２２は、変形方向外
方に延びる複数の延長部２１Ａ、２２Ａを有し、これら
の延長部はそれぞれ他方の第２弾性体の対応する延長部
と結合してあり、各結合した延長部２１Ａ、２２Ａには
第７図に矢印で示すように外力を加え得るようになって
いる。この外力を加える駆動手段としては、先の第１．
２実施例で用いたものを利用してもよいし、まったく別
の形式の駆動手段を用いてもよい。

本発明に用いる弾性体としては、力を加えられたときに
変形し、加えた力があまり大きくない限り（弾性限界内
で）、力を取り去ると形状が元にもどる性質、すなわち
、弾性を有するものを用いる。

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、あるいは変
形後の状態が光学的に一層均質になるようにするため、
弾性率が小さい方が好ましい。

なお、弾性率（Ｇ）はＧ＝σ／γ（σは応力、γは弾性
ひずみ）として表わされる。また、小さい応力で大きな
変形を生じるような弾性は高弾性あるいはゴム弾性と呼
ばれる。したがって、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」として
知られている天然ゴムや、たとえば。

スチレンブタジェンゴム（ＳＢＲ）、ブタジェンゴム（
ＢＲ）、イソプレンゴム（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−ブタジェ
ンゴム（ＮＢＲ）、ウレタンゴム（Ｕ）、シリコーンゴ
ム（Ｓｉ）、ふっ素ゴム（ＦＰＭ）、多硫化ゴム（Ｔ）
、ポリエーテルゴム（ＦＯＲ，ＣＨＲ，ＣＨＣ）等の合
成ゴムを挙げることができる。これらの材料はいずれも
室温でゴム状態を示す、しかしながら、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、
ゴム状態または溶融状態のいずれかをとる。したがって
、光学素子の使用温度においてゴム状態を示す高分子物
質は広く未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、したがって、たとえば
、天然ゴムにおける加硫は弾性率を決める処理にほかな
らない。

本発明では、使用する弾性体としては、小さな応力で大
きな変形を得ることが望ましく、そのため、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。また、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、たｋえば、引張り、曲げ
、圧縮等の方法から選んで行なわれる。

本発明に用いる弾性体としては、通常の固体での弾性率
１０１’〜１０１８ｄ　ｙ　ｎ　ｅ／　ｃｒｎ’よりも
小さく、ゴム弾性体（７）１０８ｄｙｎｅ／ｃ、ｒｎ’
以下が適当であり、好ましくは１０６ｄｙｎｅ／ｃピ以
下、特に好ましくは５Ｘ１０５　ｄｙｎｅ／ｃｒｎ’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、特に高温また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、軟かさはある程度その弾性に依存する。

ＪＩＳＫ６３０１では、試料表面にスプリングによって
微小なひずみを与え、その針入度によりゴムの硬質を評
価する方法を規定しており、簡便に知ることができる。

しかしながら、弾性率が１０６ｄｙｎｅ／ｃｒｎ’以下
の低い値になると、上述の方法では、測定ができない。

その場合、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。

また、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（架橋）によるもの
の他にエチレン−酢酸ビニル共重合体やＡ−Ｂ−Ａｆｉ
ブタジェン−スチレンブロック共重合体等のように加硫
を必要としないもの、また、鎖状高分子等を適当（架橋
点間の分子鎖長を制！（１）にゲル化することによって
得ることができる。

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、ゲル状態等を調節しながらその弾
性率の制御が行なわれる。

また、弾性体自身の構造により、その弾性体を制御する
場合の他に稀釈剤や充填剤を加えることによってその特
性を変化調節することができる。

たとえば、シリコーンゴム（信越化学工業部の商品名：
ＫＥ１０４）と触媒（信越化学工業部の商品名：ＣＡＴ
−１０４）に稀釈剤（信越化学工業部の商品名：　ＲＴ
Ｖシンナー）を加えた場合、その添加量の増大と共に硬
さ、引張り強さは低下し、逆に伸びは増大する。

［発明の効果］ 本発明によれば、弾性体を半径方向外方に引っ張られる
ことによって、その光学表面が変位して所望の光学特性
、たとえば、焦点距離を得ることができる。したがって
、弾性体に対して外力を加えるだけで、光学表面が可逆
的に変化し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となり、かつ、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学素子の平面図である。 第２図は第１図のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 第３図は本発明による弾性体の変形状態を示す図である
。 第４図は本発明による光学素子の別の実施例を示す平面
図である。 第５図は第４図のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 第６図は本発明による光学素子のまた別の実施例を示す
平面図である。 第７図は第６図のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 １・・・内筒、２拳・・外筒、３拳・・ローラ、４・・
・ワイヤ、５・・・操作部材、６・・参弾性体、１０・
・・弾性体、１１・・参操作部材、１２・・・延長部、
１３・・・駆動用電磁石、２０−拳・弾性体、２１．２
２◆・・第２弾性体。 Ｏ 第２図 第３図 （ａ）　　　　　　　　（ｂ）　　　　　　　　（ｃ）
第４し） １ス 第５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レンズとして作用する弾性体と、この弾性体に連
   結した操作手段と、この操作手段に力を加え、したがっ
   て前記弾性体を変形させる駆動手段とを包含することを
   特徴とする、光学素子。
2. （２）前記操作手段が前記弾性体の周縁に結合した複数
   の操作部材を包含し、前記駆動手段が前記操作部材の各
   々に連結したワイヤと、これらのワイヤを引っ張る駆動
   装置とを包含する、特許請求の範囲第１項記載の光学素
   子。
3. （３）前記操作手段が前記弾性体の周縁に結合した複数
   の、磁性材料からなる操作部材を包含し、前記駆動手段
   がこれら操作部材に磁力を作用させて弾性体の変形を行
   なわせる電磁石装置を包含する、特許請求の範囲第１項
   記載の光学素子。
4. （４）前記操作手段が前記レンズとして作用する弾性体
   と同様の透明な膜状の第２弾性体からなり、この第２弾
   性体が前記レンズとして作用する弾性体を挟み込むよう
   に包んでおり、前記駆動手段が前記第２弾性体を引っ張
   ることによって前記レンズとして作用する弾性体の変形
   を行なわせるようになっている、特許請求の範囲第１項
   記載の光学素子。