WO2017064942A1 - 光線位置制御装置 - Google Patents

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dielectric elastomer
voltage
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正俊 石川
立輝 王
智彦 早川
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国立大学法人東京大学
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    • G03B2205/0053—Driving means for the movement of one or more optical element
    • G03B2205/0084—Driving means for the movement of one or more optical element using other types of actuators

Definitions

  • the present invention relates to a technique for controlling the position of a light beam.
  • beam techniques for controlling the position and direction of the camera's line of sight and laser beam
  • this technique controls the angle (direction) of the light beam that passes through the electro-optical element, the resolution tends to deteriorate as the distance between the electro-optical element and the target to which the light beam is directed increases. is there. For this reason, this technique has a problem that it is difficult to maintain stable resolution.
  • Patent Document 2 a technique using a dielectric elastomer as an actuator controlled by voltage has been proposed (Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 below).
  • the light beam can be controlled by driving the optical element with a dielectric elastomer.
  • this technique has a problem that the dielectric elastomer and the optical element must be prepared separately.
  • JP2010-224033 (paragraph 0030) JP 2006-50856 A
  • the present invention has been made in view of the above situation.
  • One of the main objects of the present invention is to provide a technique for controlling the position of a light beam by using the dielectric elastomer itself as an optical element.
  • Another object of the present invention is to provide a technique capable of maintaining a high resolution even when an object is far away by controlling the position of a light beam.
  • a main body and a power feeding unit The main body is made of a dielectric elastomer, The dielectric elastomer is substantially transparent to the light beam to be controlled, The dielectric elastomer has a refractive index different from the refractive index of the medium that exists around the body and through which the light beam passes,
  • the power supply unit is configured to change the thickness of the main body by applying a voltage to the main body.
  • the power supply unit includes a power source and an electrode.
  • the electrode is attached to a surface of the main body, and the power source is configured to apply a voltage to the main body through the electrode.
  • Item 2 A light position control device according to item 1.
  • Item 4 The light beam position control device according to Item 2 or 3, wherein the power source is configured to apply a voltage to the main body at a plurality of positions on the electrode.
  • a light beam coarse movement unit is provided, and the light beam coarse movement unit is configured to change the position or direction of the light beam before being incident on the main body or after passing through the main body.
  • the power feeding unit further includes a storage unit, the storage unit records correspondence information between a voltage value to the main body and a deformation amount of the main body, and the power feeding unit is based on the correspondence information. 6.
  • the light beam position control device according to any one of items 1 to 5, wherein a voltage value with respect to a desired deformation amount is specified and power is supplied from the power source to the main body.
  • the second body is made of a dielectric elastomer, The dielectric elastomer of the second body is substantially transparent to light rays that have passed through the first body; The dielectric elastomer of the second body has a refractive index different from the refractive index of the medium that exists around the second body and through which the light beam passes,
  • a light beam position control method using a light beam position control device including a main body and a power feeding unit,
  • the main body is made of a dielectric elastomer,
  • the dielectric elastomer is substantially transparent to the light beam to be controlled,
  • the dielectric elastomer has a refractive index different from the refractive index of the medium that exists around the body and through which the light beam passes,
  • the power supply unit is configured to change the thickness of the main body by applying a voltage to the main body, Applying a voltage to the body by the power supply unit;
  • a light beam position control method comprising: changing the emission position of the light beam from the main body before and after the deformation by transmitting the light beam through the main body deformed by the application of the voltage.
  • the position of the light beam can be controlled using the dielectric elastomer itself as an optical element without depending on the mechanical mechanism. Further, according to the present invention, by controlling the position of the light beam, it is possible to maintain a high resolution even when the object is far away.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of FIG. 4. It is explanatory drawing of the light ray coarse movement part used for the light beam position control apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. 12.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view along the line BB in FIG. 12.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 15. It is a graph which shows the relationship between the applied voltage (kV) at the time of using the apparatus of 1st Embodiment, and the variation
  • the light beam position control device includes a main body 10 and a power feeding unit 20 (see FIG. 1).
  • FIG. 1 shows a cross section of the main body 10, the dimensions are exaggerated for easy understanding, and the dimensional ratio is not accurate.
  • the main body 10 is made of a dielectric elastomer. This dielectric elastomer is substantially transparent to the light beam to be controlled.
  • the dielectric elastomer has a refractive index different from the refractive index of the medium that exists around the main body 10 and through which light passes.
  • the periphery of the main body 10 is air.
  • VHB4910 reffractive index: 1.457 manufactured by 3M can be used, but is not limited thereto.
  • the shape of the main body 10 (that is, the shape of the dielectric elastomer) is a thin strip extending in one direction (more specifically, the direction perpendicular to the paper surface shown in FIG. 1). There are no particular restrictions on the shape. In short, any shape that can execute the light beam position control may be used.
  • the power feeding unit 20 is configured to change the thickness of the main body 10 by applying a voltage to the main body 10.
  • the power supply unit 20 of the present embodiment includes a power source 21, an electrode 22, and a switch 23.
  • the electrodes 22 are respectively attached to the surface of the main body 10 (upper and lower surfaces in FIG. 1).
  • the electrode 22 is preferably made of a material that is transparent to the wavelength to be used.
  • a transparent conductive gel can be used, but is not limited thereto.
  • Examples of the transparent conductive gel include “Technogel G-CR manufactured by Sekisui Plastics Co., Ltd.”, but are not limited thereto.
  • the power source 21 is configured to apply a voltage to the main body 10 via the switch 23 and the electrode 22.
  • a DC constant voltage source is used in this embodiment.
  • a power source device for example, a suitable DA board
  • the power supply 21 may be any power supply that can supply a predetermined voltage value with a necessary resolution.
  • the switch 23 switches on / off the power supply from the power source 21 to the main body 10.
  • FIG. 1 shows the switch 23 in the off state.
  • a mechanical switch or an electronic switch for example, a transistor or a thyristor
  • the switch 23 of the present embodiment may be any switch having a function of switching on / off the power supply from the power source 21.
  • the electrode 22 is omitted in order to avoid the complicated description.
  • the position of the light beam also varies depending on the refractive index of the electrode 22, the following description will be made on the assumption that the electrode 22 is very thin and ignore the error caused by it.
  • the fluctuation amount of the light beam position by the electrode 22 is known (or if it can be acquired experimentally in advance), it is possible to control the light beam position by taking the influence into consideration.
  • i angle of incident light
  • i ′ angle of refracted light
  • N Refractive index of the object (main body)
  • d The thickness of the object (main body).
  • the displacement ⁇ is a function of the thickness d.
  • air is assumed as a medium around the main body, and its refractive index is 1.
  • 0 ⁇ i ⁇ / 2 (rad) is assumed as the range that the inclination angle i takes.
  • the electromechanical pressure P eq in the dielectric elastomer when the voltage U is applied to the dielectric elastomer is expressed by the following equation.
  • ⁇ 0 dielectric constant in vacuum
  • ⁇ r dielectric constant of dielectric elastomer
  • U Applied voltage
  • the dielectric elastomer can be deformed when a voltage is applied, the change in the refractive index can be substantially ignored.
  • the voltage is off in the initial state (see FIG. 2).
  • the amount of light displacement represented by the equation (1) is ⁇ 0 .
  • the thickness of the body 10 at this time is d 0.
  • a voltage is applied to the main body 10 through the electrode 22 (see FIG. 1) using the power source 21. Then, as shown by the formula (2), the thickness of the main body 10 changes to d 1 (see FIG. 3).
  • the amount of light displacement changes from ⁇ 0 to ⁇ 1 (see FIG. 3).
  • 3 may be considered to be substantially the same as the emission angle of the light beam in FIG. 2, assuming that the refractive indices of the medium on the incident side and the emission side are equal.
  • the apparatus of the present embodiment it is possible to control only the position without changing the direction of the light beam.
  • the technique of changing the angle of the light beam there is a problem that the resolution of the light beam position deteriorates when the distance to the object (or camera) is long.
  • the light beam position is changed in this embodiment, there is an advantage that the light beam position control can be performed with high resolution regardless of the distance.
  • the position of the light beam can be controlled according to the voltage value to be applied without depending on the mechanical mechanism, so that there is an advantage that the light beam position control can be performed with high accuracy.
  • the voltage value supplied to the main body 10 can be controlled with high resolution by using digital control by a computer, for example. Therefore, if the relationship between the voltage value and the deformation amount of the main body 10 is known, there is an advantage that the light beam position can be controlled with high resolution.
  • is experimentally obtained in advance, and the correspondence between the two is recorded in a storage unit (not shown). It is preferable to keep it. In this way, even if the relationship between the voltage value and the amount of change in the light beam position is non-linear, accurate light beam position control is possible. In this way, even if the influence of the electrode 22 on the light beam position cannot be ignored, the light beam position control that suppresses or eliminates the influence becomes easy.
  • the light beam passes through a part of the electrode 22 of the power feeding unit 20.
  • the electrode 22 in the apparatus of the second embodiment is disposed around the position where the light beam passes on both the front and back surfaces of the main body 10. 10 can be passed.
  • the electrode 22 of the second embodiment is formed in an annular shape in plan view, and a space S (see FIG. 5) is formed inside thereof.
  • the light beam is incident on the front surface side of the main body 10 in the space S and can be emitted from the space S on the back surface side of the main body 10.
  • the main body 10 by applying a voltage to the main body 10 via the electrode 22, the main body 10 can be deformed to control the light beam position.
  • the electrode 22 generally has a refractive index different from that of air or the main body 10, but since the electrode 22 is thin, the amount of deviation (error) of the light beam position by the electrode 22 is very small. However, the configuration in which the light beam does not pass through the electrode 22 has an advantage that the accuracy of the light beam position can be improved.
  • the apparatus of this embodiment further includes a light beam coarse movement unit 30.
  • the light beam coarse movement unit 30 is configured to change the position or direction of the light beam after passing through the main body 10.
  • a galvanometer mirror that can control the rotation angle is used as the light beam coarse movement unit 30, but instead of this, other devices that can control the direction of the light beam, such as an electro-optical element, are used. It can also be used as a part.
  • the position of the light beam can be controlled with high accuracy, but it is difficult to increase the displacement
  • the apparatus of the third embodiment there is an advantage that it becomes easy to direct a light beam to a necessary position by further controlling not only the light beam position but also its direction.
  • a device that controls the light beam direction is used as the light beam coarse movement unit 30, but in the fourth embodiment, an XY table (mechanical position control device) for controlling the light beam position is used.
  • the position of the light source 100 (or the light receiving element) can be moved greatly in the XY direction by the XY table.
  • the light beam position before being incident on the main body 10 is moved.
  • the position of the light beam can be greatly moved, and this has the advantage that it is easy to direct the light beam to a required position.
  • the apparatus of the present embodiment further includes a second main body 210 and a second power feeding unit 220 (see FIG. 8). These 2nd main body 210 and the 2nd electric power feeding part 220 are respectively comprised similarly to the main body 10 and the electric power feeding part 20 (refer FIG. 9) in any above-mentioned embodiment.
  • the second main body 210 in the present embodiment is configured by a dielectric elastomer, and the second power feeding unit 220 (see FIG. 8) applies a voltage to the second main body 210 to thereby increase the thickness of the second main body 210. It is the composition which changes the height.
  • the second power feeding unit 220 of this embodiment can control the thickness of the second main body 210 by applying a voltage to the second main body 210 independently of the power feeding unit 20.
  • the second main body 210 is disposed at a position where the light beam that has passed through the main body 10 can pass. Further, the second main body 210 is inclined in a direction different from the main body 10. For example, if the main body 10 is inclined to rotate about an axis parallel to the X axis, the second main body 210 is inclined to rotate about an axis parallel to the Y axis.
  • the intersection angle between the X axis and the Y axis does not necessarily have to be orthogonal.
  • the position of the light beam can be controlled in a two-dimensional direction.
  • the apparatus of the present embodiment further includes second to fourth main bodies 210 to 410 and second to fourth power feeding units 220 to 420 (not shown in FIG. 11).
  • the second to fourth main bodies 210 to 410 and the second to fourth power feeding units 220 to 420 are respectively configured in the same manner as the main body 10 and the power feeding unit 20 in any of the above-described embodiments.
  • the second to fourth main bodies 210 to 410 in the present embodiment are made of dielectric elastomer, and the second to fourth power feeding units 220 to 420 apply a voltage to the second to fourth main bodies 210 to 410.
  • the thicknesses of the second to fourth main bodies 210 to 410 are changed.
  • the light beam can be sequentially displaced by the first to fourth main bodies 10 to 410. Therefore, according to this apparatus, there is an advantage that the amount of displacement (controllable range) of the light beam can be increased.
  • conductive tapes 221 are attached to a plurality of locations (four locations in the illustrated example) of the electrodes 22, and these conductive tapes 221 are connected in parallel from the power source 21 ( In other words, power is supplied at the same potential.
  • the attachment position of the conductive tape 221 is schematically shown by a two-dot chain line.
  • the thickness of the electrode 22 is exaggerated.
  • reference numeral 222 denotes a frame for supporting the main body 10, which is made of a non-conductive material, for example, plastic.
  • the electrode 22 of the present embodiment extends in a direction shifted approximately every 90 degrees, that is, in the direction of 12 o'clock, 3 o'clock, 6 o'clock, and 9 o'clock in plan view.
  • the electrode 22 has a certain resistance, if the power is supplied from only one part of the electrode 22, the voltage between the counter electrodes is slightly biased. Then, the deformation amount of the main body 10 becomes non-uniform, and the deformation amount in a place far from the feeding point tends to be small.
  • the apparatus of the seventh embodiment since the electrode is fed from a plurality of places, the deformation amount of the main body 10 due to voltage application can be made uniform. Then, for example, when a light beam passes near the center of the main body 10 (see FIG. 12), there is an advantage that the deformation amount of the main body 10 at that portion can be increased.
  • the outer peripheral portion of the electrode 22 is separated from the main body 10 toward the outer periphery, and power is supplied to the outer peripheral portion of the electrode 22 by the conductive tape 221 (see FIG. 16). Yes.
  • the conductive tape 221 is disposed so as to surround the entire outer peripheral portion of the electrode 22, and thus power can be supplied from the entire outer peripheral portion of the electrode 22.
  • power is supplied from four directions.
  • power is supplied to the electrode from a continuous position on the entire outer periphery of the electrode 22, so There is an advantage that the amount of deformation can be made uniform.
  • the change amount of the light beam position (the displacement amount from the initial position)
  • power was supplied from the two conductive tapes 221 at the opposing positions. That is, there are two power supply locations in this embodiment (for example, the positions at 12:00 and 6 o'clock in FIG. 12).
  • the vertical axis represents the displacement amount ( ⁇ m) of the light beam position. It can be seen that the position of the light beam changes according to the applied voltage.
  • the relationship between the applied voltage and the amount of displacement is non-linear (in this example, approximately a quadratic curve). Is possible.
  • the light beam can be, for example, laser light.
  • the position of the UV laser light used in the 3D printer is controlled by the apparatus of the present invention is also possible.

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Abstract

本発明は、誘電エラストマ自体を光学素子として用いて光線の位置を制御するための技術に関するものである。光線の位置を制御することにより、対象が遠方にある場合においても、高い分解能を維持することができる。本発明の光線位置制御装置の本体（１０）は、誘電エラストマにより構成されている。この誘電エラストマは、制御対象となる光線に対して実質的に透明とされている。誘電エラストマは、本体（１０）の周囲に存在し、かつ光線が通過する媒質の屈折率とは異なる屈折率とされている。給電部（２０）は、本体（１０）に電圧を印加することにより、本体（１０）の厚さを変化させる構成となっている。

Description

光線位置制御装置
　本発明は、光線の位置を制御するための技術に関するものである。
　従来から、カメラの視線やレーザの光線（以下両者を総称して「光線」と称する）の位置や方向を制御する技術が知られている。光線の位置や方向を高精度で制御するためには、装置の分解能が重要な要素となる。
　ここで、機械的な機構を用いて、高分解能での制御を行うためには、装置自身の加工精度が高精度であることが要求される。例えば、ギアを用いる場合には、歯のサイズを縮小させて高分解能とすることが求められる。
　しかし、機械加工精度には限界があるだけでなく、ギアは特性上バックラッシによる誤差を生じ、結果として機械的な機構による光線制御装置の分解能には限界があった。
　また、電気光学素子に印加された電圧を制御することにより、電気光学素子における屈折率の変化を用いて、光線の角度を制御する技術も知られている（下記特許文献１参照）。
　しかしながら、この技術は、電気光学素子を透過する光線の角度（方向）を制御しているので、電気光学素子と、光線が向けられる対象との間の距離が大きくなると、分解能が劣化する傾向がある。このため、この技術では、安定した分解能の維持が難しいという問題があった。
　また、誘電エラストマを、電圧で制御されるアクチュエータとして用いる技術も提案されている（下記特許文献２及び非特許文献１）。この技術によれば、誘電エラストマによって光学素子を駆動することにより、光線を制御することができる。しかしながら、この技術では、誘電エラストマと光学素子とを個別に準備しなければならないという問題がある。
特開２０１０－２２４００３号公報（明細書００３０段落） 特開２００６－５０８５６号公報
M. Bozlar, et al, "Dielectric elastomer actuators with elastomeric electrodes," Applied Physics Letters, 101.9 (2012)
　本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的の一つは、誘電エラストマ自体を光学素子として用いて光線の位置を制御する技術を提供することである。本発明の他の目的は、光線の位置を制御することにより、対象が遠方にある場合においても、高い分解能を維持可能な技術を提供することである。
　前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
　（項目１）
　本体と、給電部とを備えており、
　前記本体は、誘電エラストマにより構成されており、
　前記誘電エラストマは、制御対象となる光線に対して実質的に透明とされており、
　前記誘電エラストマは、前記本体の周囲に存在し、かつ前記光線が通過する媒質の屈折率とは異なる屈折率とされており、
　前記給電部は、前記本体に電圧を印加することにより、前記本体の厚さを変化させる構成となっている
　ことを特徴とする光線位置制御装置。
　（項目２）
　前記給電部は、電源と、電極とを備えており、前記電極は、前記本体の表面に取り付けられており、前記電源は、前記電極を介して前記本体に電圧を印加する構成となっている、項目１に記載の光線位置制御装置。
　（項目３）
　前記電極は、前記光線が通過する位置の周囲に配置されており、これによって、前記光線は、前記電極を通過せずに前記本体を通過可能とされている、項目２に記載の光線位置制御装置。
　（項目４）
　前記電源は、前記電極上の複数の位置において、前記本体に電圧を印加する構成となっている、項目２又は３に記載の光線位置制御装置。
　（項目５）
　さらに光線粗動部を備えており、前記光線粗動部は、前記本体への入射前又は前記本体を通過後の前記光線の位置又は方向を変化させる構成となっている、項目１～４のいずれか１項に記載の光線位置制御装置。
　（項目６）
　前記給電部は、さらに記憶部を備えており、前記記憶部は、前記本体への電圧値と前記本体の変形量との対応情報を記録しており、前記給電部は、前記対応情報に基づいて、所望の前記変形量に対する電圧値を特定して、前記電源から前記本体への給電を行う構成となっている、項目１～５のいずれか１項に記載の光線位置制御装置。
　（項目７）
　さらに第２本体と第２給電部とを備えており、
　前記第２本体は、誘電エラストマにより構成されており、
　前記第２本体の誘電エラストマは、前記第１本体を通過した光線に対して実質的に透明とされており、
　前記第２本体の誘電エラストマは、前記第２本体の周囲に存在し、かつ前記光線が通過する媒質の屈折率とは異なる屈折率とされており、
　前記第２給電部は、前記第２本体に電圧を印加することにより、前記第２本体の厚さを変化させる構成となっている
　ことを特徴とする、項目１～６のいずれか１項に記載の光線位置制御装置。
　（項目８）
　本体と給電部とを備える光線位置制御装置を用いた光線位置制御方法であって、
　前記本体は、誘電エラストマにより構成されており、
　前記誘電エラストマは、制御対象となる光線に対して実質的に透明とされており、
　前記誘電エラストマは、前記本体の周囲に存在し、かつ前記光線が通過する媒質の屈折率とは異なる屈折率とされており、
　前記給電部は、前記本体に電圧を印加することにより、前記本体の厚さを変化させる構成となっており、
　前記給電部により前記本体に電圧を印加するステップと、
　前記電圧の印加により変形した前記本体に前記光線を透過させることにより、前記本体からの前記光線の出射位置を、前記変形の前後において変化させるステップと
　を備える光線位置制御方法。
　本発明によれば、機械的な機構に依存せず、誘電エラストマ自体を光学素子として用いて光線の位置を制御することができる。また、本発明によれば、光線の位置を制御することにより、対象が遠方にある場合においても、高い分解能を維持することが可能となる。
本発明の第１実施形態に係る光線位置制御装置の概略的な構成を説明するための説明図である。 図１の装置における光線の方向を説明するための説明図である。 電圧を印加した場合の光線の位置変化を説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態に係る光線位置制御装置に用いられる本体を平面視した状態での説明図である。 図４の概略的な断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光線位置制御装置に用いられる光線粗動部の説明図である。 本発明の第４実施形態に係る光線位置制御装置に用いられる光線粗動部の説明図である。 本発明の第５実施形態に係る光線位置制御装置に用いられる複数の本体の配置状態を説明するための平面図である。 図８の装置を正面から見た状態の説明図である。 本発明の第６実施形態に係る光線位置制御装置に用いられる複数の本体の積層的な配置状態を説明するための平面図である。 図１０の装置を正面から見た状態の説明図である。 本発明の第７実施形態に係る光線位置制御装置に用いられる本体を平面視した状態での説明図である。 図１２のＡ－Ａ線に沿う概略的な断面図である。 図１２のＢ－Ｂ線に沿う概略的な断面図である。 本発明の第８実施形態に係る光線位置制御装置に用いられる本体を平面視した状態での説明図である。 図１５のＣ－Ｃ線に沿う概略的な断面図である。 第１実施形態の装置を用いた場合の、印加電圧（ｋＶ）と光線位置の変化量（μｍ）との関係を示すグラフである。
　（第１実施形態）
　以下、本発明の第１実施形態に係る光線位置制御装置を、添付の図面を参照しながら説明する。
　（第１実施形態の構成）
　本実施形態に係る光線位置制御装置は、本体１０と給電部２０とを備えている（図１参照）。なお、図１は本体１０の横断面を示しているが、この図では、理解の容易のために寸法を誇張して記載しており、寸法比は正確ではない。
　（本体）
　本体１０は、誘電エラストマにより構成されている。この誘電エラストマは、制御対象となる光線に対して実質的に透明とされている。
　誘電エラストマは、本体１０の周囲に存在し、かつ光線が通過する媒質の屈折率とは異なる屈折率とされている。図１の例では、本体１０の周囲は空気とされている。
　本実施形態で利用可能な誘電エラストマとしては、例えば、スリーエム社製ＶＨＢ４９１０（屈折率１．４７）を用いることができるが、これに制約されるものではない。
　本体１０の形状（つまり誘電エラストマの形状）は、本実施形態では、一方向（より具体的には図１を示す紙面に垂直の方向）に延長された薄肉の帯状とされているが、その形状に特段の制約はない。要するに、光線位置制御を実行可能な形状であればよい。
　（給電部）
　給電部２０は、本体１０に電圧を印加することにより、本体１０の厚さを変化させる構成となっている。
　より具体的には、本実施形態の給電部２０は、電源２１と電極２２とスイッチ２３とを備えている。
　電極２２は、本体１０の表面（図１において上下の面）にそれぞれ取り付けられている。電極２２としては、使用対象の波長に対して透明な材質であることが望ましい。電極２２の材質としては、例えば透明な導電性ゲルを用いることができるが、これには制約されない。透明な導電性ゲルとしては、「積水化成品工業株式会社製　テクノゲルG-CR」を例示できるが、これに制約されるものではない。
　電源２１は、スイッチ２３及び電極２２を介して本体１０に電圧を印加する構成となっている。電源２１としては、この実施形態では直流の定電圧源が用いられている。より具体的には、電源２１としては、適宜なコンピュータにより、例えば０～１０ｋＶ程度の範囲で、１６ビットで電圧制御可能な電源装置（例えば適宜のＤＡボード）を用いることができるが、これはあくまで例示であって、これに制約されるものではない。電源２１としては、要するに、必要な分解能で所定の電圧値を供給できるものであればよい。
　スイッチ２３は、電源２１から本体１０への給電のオン／オフを切り替えるものである。なお、図１はスイッチ２３のオフ状態を示している。スイッチ２３としては、例えば、機械的スイッチや電子的スイッチ（例えばトランジスタやサイリスタ）を用いることができるが、これらには制約されない。要するに、本実施形態のスイッチ２３としては、電源２１からの給電のオン／オフを切り替える機能を有するものであればよい。
　（本実施形態の動作）
　次に、前記した本実施形態の装置を用いた光線位置制御方法について説明する。
　（光学上の原理）
　まず、前提となる光学上の原理を、図２を参照しながら説明する。なお、図２においては、記載の煩雑を避けるため、電極２２を省略している。また、電極２２の屈折率によっても光線位置は変動するが、以降においては、電極２２はごく薄いものであると仮定して、それによる誤差は無視して説明する。ただし、電極２２による光線位置の変動量が既知であれば（あるいは実験的に事前に取得可能であれば）、その影響を考量して光線位置を制御することは可能である。
　物体に所定の傾斜角ｉで入射した光線がその物体を通過するとき、入射光の光軸と出射光との間の変位δは下記の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　ここで
ｉ：入射光の角度、
ｉ'：屈折光の角度、
Ｎ：物体（本体）の屈折率、
ｄ：物体（本体）の厚さ
である。またここで、変位δは厚さｄの関数になっている点に注意する。なお、ここで、本体周辺の媒質としては空気を想定しており、その屈折率は１である。また、傾斜角ｉが取る範囲としては、この実施形態では、０＜ｉ＜π／２（rad）を想定している。
　（誘電エラストマの性質）
　次に、誘電エラストマの厚さと印加電圧との関係を説明する。
　誘電エラストマに電圧Ｕを印加したときの、誘電エラストマにおける電気機械的圧力（electromechanical pressure）Ｐeqは下記の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　ここで、
ε0：真空中の誘電率、
εr：誘電エラストマの誘電率、
Ｕ：印加電圧
である。Ｐeqが一定であると仮定すれば、電圧Ｕが増えると厚さｄが減少するという関係がある。
　なお、誘電エラストマは、電圧印加時において変形可能なので、その屈折率の変化は実質的に無視できる。
　（光線位置制御）
　以上の説明を前提として、本実施形態の光線位置制御方法について説明する。
　まず、初期状態では、電圧オフであると仮定する（図２参照）。このときの、前記式（１）で示される光線変位量をδ０とする。また、このときの本体１０の厚さをｄ０とする。
　ついで、電源２１を用いて、電極２２（図１参照）を介して、本体１０に電圧を印加する。すると、前記式（２）で示されるように、本体１０の厚さがｄ１に変化する（図３参照）。
　すると、本体１０の厚さｄの変化に伴い、光線の変位量がδ０からδ１に変化する（図３参照）。なお、図３における光線の出射角は、入射側及び出射側の媒質の屈折率が等しいと仮定すれば、図２における光線の出射角と実質的に同じと考えてよい。
　したがって、本実施形態の装置によれば、光線の方向を変えずに、その位置のみを制御することが可能になる。光線の角度を変更する技術では、対象物（又はカメラ）までの距離が遠い場合、光線位置の分解能が劣化するという問題がある。これに対して、本実施形態では、光線位置を変化させるので、距離に関わらず高い分解能での光線位置制御が可能になるという利点がある。
　また、本実施形態では、機械的機構によらずに、印加する電圧値に応じて光線の位置を制御することができるので、高精度な光線位置制御が可能になるという利点がある。
　さらに、本実施形態の装置では、例えばコンピュータによるデジタル制御を用いることにより、本体１０に供給する電圧値を高い分解能で制御することができる。したがって、電圧値と本体１０の変形量との関係が既知であれば、光線位置を高い分解能で制御することができるという利点がある。
　なお、本実施形態では、電圧値と光線位置の変化量｜δ０－δ１｜との関係を予め実験的に求めておき、両者の対応関係を記憶部（図示せず）に記録しておくことが好ましい。このようにすれば、電圧値と光線位置変化量との関係が非線形であったとしても、精度のよい光線位置制御が可能になる。また、このようにすると、仮に電極２２による光線位置への影響が無視できないとしても、その影響を抑制ないし解消するような光線位置制御が容易となる。
　（第２実施形態）
　つぎに、本発明の第２実施形態に係る光線位置制御装置を、図４及び図５に基づいて説明する。なお、この第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、記載の煩雑を避ける。
　前記した第１実施形態の装置では、給電部２０の電極２２の一部を光線が通過する構成となっていた。これに対して、第２実施形態の装置における電極２２は、本体１０の表裏両面において、光線が通過する位置の周囲に配置されており、これによって、光線は、電極２２を通過せずに本体１０を通過可能とされている。
　より詳しくは、第２実施形態の電極２２は、平面視して環状に形成されており、その内側に空間Ｓ（図５参照）が形成されている。第２実施形態の装置においては、光線は、空間Ｓの部分において本体１０の表面側に入射し、かつ本体１０の裏面側の空間Ｓから出射できるようになっている。
　第２実施形態の装置においても、電極２２を介して本体１０に電圧を印加することにより、本体１０を変形させて、光線位置を制御することができる。
　ここで、第２実施形態の装置によれば、光線が電極２２を通過する必要がないので、電極２２による光線の減衰を低く抑えることが可能になるという利点がある。
　また、電極２２は、空気や本体１０とは一般に異なる屈折率を持つが、薄肉であるために、電極２２による光線位置のずれ量（誤差）は微小である。しかしながら、電極２２を光線が通過しない構成とすることにより、光線位置の精度を向上させることができるという利点もある。
　さらに、電極２２と本体１０との接触部分には、気泡や変形を生じやすく、このような部分を光線が通過すると、光線位置の誤差の原因となる。電極２２を光線が通過しない構成とすることにより、このような誤差発生を回避できるという利点もある。
　本実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（第３実施形態）
　つぎに、本発明の第３実施形態に係る光線位置制御装置を、図６に基づいて説明する。なお、この第３実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、記載の煩雑を避ける。
　本実施形態の装置は、さらに光線粗動部３０を備えている。光線粗動部３０は、本体１０を通過後の光線の位置又は方向を変化させる構成となっている。本実施形態では、光線粗動部３０として、回転角を制御できるガルバノミラーが用いられているが、これに代えて、電気光学素子等の、光線の方向を制御できる他の機器を光線粗動部として用いることもできる。
　第１実施形態の装置では、光線位置を精度よく制御できるものの、変位量｜δ０－δ１｜を大きくとることが難しい。これに対して、第３実施形態の装置によれば、光線位置だけでなく、その方向をさらに制御することにより、必要な位置に光線を向けることが容易になるという利点がある。
　本実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（第４実施形態）
　つぎに、本発明の第４実施形態に係る光線位置制御装置を、図７に基づいて説明する。なお、この第４実施形態の説明においては、前記した第３実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、記載の煩雑を避ける。
　第３実施形態では、光線粗動部３０として、光線方向を制御する機器を用いたが、第４実施形態では、光線位置を制御するためのＸＹテーブル（機械的位置制御デバイス）を用いている。そして、この実施形態では、ＸＹテーブルにより光源１００（又は受光素子）の位置をＸＹ方向に大きく動かすことができるようになっている。
　また、第４実施形態では、本体１０への入射前の光線位置を動かす構成となっている。
　第４実施形態の装置によれば、光線位置を大きく移動させることができ、これにより、必要な位置に光線を向けることが容易になるという利点がある。
　本実施形態における他の構成及び利点は、前記した第３実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（第５実施形態）
　つぎに、本発明の第５実施形態に係る光線位置制御装置を、図８及び図９に基づいて説明する。なお、この第５実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、記載の煩雑を避ける。
　本実施形態の装置は、第２本体２１０と第２給電部２２０（図８参照）とをさらに備えている。これらの第２本体２１０及び第２給電部２２０は、それぞれ、前記したいずれかの実施形態における本体１０及び給電部２０（図９参照）と同様に構成されている。
　すなわち、本実施形態における第２本体２１０は、誘電エラストマにより構成されており、第２給電部２２０（図８参照）は、第２本体２１０に電圧を印加することにより、第２本体２１０の厚さを変化させる構成となっている。本実施形態の第２給電部２２０は、給電部２０とは独立に、第２本体２１０に電圧を印加することにより、第２本体２１０の厚さを制御できるようになっている。
　第２本体２１０は、本体１０を通過した光線が通過できる位置に配置されている。さらに、第２本体２１０は、本体１０とは異なる方向に傾斜させられている。例えば、本体１０がＸ軸に平行な軸線を中心として回転するように傾斜しているとすれば、第２本体２１０は、Ｙ軸に平行な軸線を中心として回転するように傾斜している。なお、ここでＸ軸とＹ軸との交差角度は必ずしも直交していなくともよい。
　第５実施形態の装置によれば、光線の位置を、二次元方向で制御することができるという利点がある。
　本実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（第６実施形態）
　つぎに、本発明の第６実施形態に係る光線位置制御装置を、図１０及び図１１に基づいて説明する。なお、この第６実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、記載の煩雑を避ける。
　本実施形態の装置は、第２～第４本体２１０～４１０と、第２～第４給電部２２０～４２０（図１１では図示省略）とをさらに備えている。これらの第２～第４本体２１０～４１０及び第２～第４給電部２２０～４２０は、それぞれ、前記したいずれかの実施形態における本体１０及び給電部２０と同様に構成されている。
　すなわち、本実施形態における第２～第４本体２１０～４１０は、誘電エラストマにより構成されており、第２～第４給電部２２０～４２０は、第２～第４本体２１０～４１０に電圧を印加することにより、第２～第４本体２１０～４１０の厚さをそれぞれ変化させる構成となっている。
　第６実施形態の装置によれば、光線を、第１～第４本体１０～４１０によって順次変位させることができる。したがって、この装置によれば、光線の変位量（制御可能範囲）を増大させることができるという利点がある。
　本実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（第７実施形態）
　つぎに、本発明の第７実施形態に係る光線位置制御装置を、図１２～図１４に基づいて説明する。なお、この第７実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、記載の煩雑を避ける。
　本実施形態の装置では、電極２２における複数個所（図示例では４か所）に導電テープ２２１（図１２及び図１３参照）が取り付けられており、これらの導電テープ２２１に電源２１から並列で（つまり同電位で）給電されるようになっている。ここで、図１２では、導電テープ２２１の取付位置を、二点鎖線により模式的に示している。なお、図１３及び図１４では、電極２２の厚さを誇張して記載している。また、これらの図において符号２２２は、本体１０を支持するためのフレームであり、これは、非導電性材料、例えばプラスチックから構成されている。本実施形態の電極２２は、ほぼ９０度ごとにずれた方向、すなわち平面視すると、１２時、３時、６時及び９時の方向に延出されたものとなっている。
　電極２２にある程度の抵抗がある場合、電極２２の一個所からのみ給電すると、対向電極間の電圧に若干の偏りを生じる。すると、本体１０の変形量が不均一になり、給電個所から遠い場所での変形量が小さくなる傾向がある。
　これに対して、第７実施形態の装置によれば、複数個所から電極に給電しているので、電圧印加による本体１０の変形量を均一化することができる。すると例えば、本体１０の中央付近を光線が通過する場合（図１２参照）、その部分での本体１０の変形量を増大させることができるという利点がある。
　本実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（第８実施形態）
　つぎに、本発明の第８実施形態に係る光線位置制御装置を、図１５及び図１６に基づいて説明する。なお、この第８実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、記載の煩雑を避ける。
　本実施形態の装置では、電極２２の外周部が、外周に向かうにつれて本体１０から離間されており、電極２２の外周部に対して導電テープ２２１（図１６参照）により給電される構成となっている。ここで、導電テープ２２１は、電極２２の外周部全体を囲むように配置されており、これにより、電極２２の外周部全体から給電を行えるようになっている。
　前記した第７実施形態では、４方向から給電していたが、第８実施形態の装置によれば、電極２２の外周全体の連続的な位置から電極に給電するので、電圧印加による本体１０の変形量を均一化することができるという利点がある。
　本実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態及び第７実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（実施例）
　第７実施形態の装置を用いて、光線位置の変化量（初期位置からの変位量）｜δ０－δ１｜を測定した。ただし、この実施例では、対向位置における二つの導電テープ２２１から給電した。つまり、この実施例での給電個所は２箇所（例えば図１２において１２時と６時の位置）である。結果を図１７に示す。ここで縦軸は光線位置の変位量（μｍ）である。印加電圧に応じて光線位置が変化することがわかる。なお、ここでは、印加電圧と変位量との関係が非線形（この例ではほぼ２次曲線）であるが、予め両者の関係を取得して記録しておくことにより、高精度の光線位置制御が可能である。
　なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。
　例えば、前記した各実施形態においては、発光素子からの光線の位置を制御することを前提として説明したが、カメラへの視線（これも光線の一種）の位置を制御することも可能である。
　また、光線としては、例えばレーザ光とすることができ、この場合、例えば、３Ｄプリンタにおいて用いられるＵＶレーザ光の位置を本発明の装置により制御するという利用形態も可能である。
　さらに、給電部における電極として、粒状微細金属を本体の表面に真空蒸着したものを用いることも可能である。
　１０　本体
　２０　給電部
　２１　電源
　２２　電極
　２２１　導電テープ
　２２２　フレーム
　２３　スイッチ
　３０　光線粗動部
　１００　光源
　２１０　第２本体
　２２０　第２給電部

Claims (8)

  1. 　本体と、給電部とを備えており、
    　前記本体は、誘電エラストマにより構成されており、
    　前記誘電エラストマは、制御対象となる光線に対して実質的に透明とされており、
    　前記誘電エラストマは、前記本体の周囲に存在し、かつ前記光線が通過する媒質の屈折率とは異なる屈折率とされており、
    　前記給電部は、前記本体に電圧を印加することにより、前記本体の厚さを変化させる構成となっている
    　ことを特徴とする光線位置制御装置。
  2. 　前記給電部は、電源と、電極とを備えており、
    　前記電極は、前記本体の表面に取り付けられており、
    　前記電源は、前記電極を介して前記本体に電圧を印加する構成となっている
    　請求項１に記載の光線位置制御装置。
  3. 　前記電極は、前記光線が通過する位置の周囲に配置されており、これによって、前記光線は、前記電極を通過せずに前記本体を通過可能とされている
    　請求項２に記載の光線位置制御装置。
  4. 　前記電源は、前記電極上の複数の位置において、前記本体に電圧を印加する構成となっている
    　請求項２又は３に記載の光線位置制御装置。
  5. 　さらに光線粗動部を備えており
    　前記光線粗動部は、前記本体への入射前又は前記本体を通過後の前記光線の位置又は方向を変化させる構成となっている
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の光線位置制御装置。
  6. 　前記給電部は、さらに記憶部を備えており、
    　前記記憶部は、前記本体への電圧値と前記本体の変形量との対応情報を記録しており、
    　前記給電部は、前記対応情報に基づいて、所望の前記変形量に対する電圧値を特定して、前記電源から前記本体への給電を行う構成となっている
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の光線位置制御装置。
  7. 　さらに第２本体と第２給電部とを備えており、
    　前記第２本体は、誘電エラストマにより構成されており、
    　前記第２本体の誘電エラストマは、前記第１本体を通過した光線に対して実質的に透明とされており、
    　前記第２本体の誘電エラストマは、前記第２本体の周囲に存在し、かつ前記光線が通過する媒質の屈折率とは異なる屈折率とされており、
    　前記第２給電部は、前記第２本体に電圧を印加することにより、前記第２本体の厚さを変化させる構成となっている
    　ことを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の光線位置制御装置。
  8. 　本体と給電部とを備える光線位置制御装置を用いた光線位置制御方法であって、
    　前記本体は、誘電エラストマにより構成されており、
    　前記誘電エラストマは、制御対象となる光線に対して実質的に透明とされており、
    　前記誘電エラストマは、前記本体の周囲に存在し、かつ前記光線が通過する媒質の屈折率とは異なる屈折率とされており、
    　前記給電部は、前記本体に電圧を印加することにより、前記本体の厚さを変化させる構成となっており、
    　前記給電部により前記本体に電圧を印加するステップと、
    　前記電圧の印加により変形した前記本体に前記光線を透過させることにより、前記本体からの前記光線の出射位置を、前記変形の前後において変化させるステップと
    　を備える光線位置制御方法。
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