JPH01260401A - 高分子ゲルレンズの焦点距離制御方法及びそれを利用した鮮明な映像の結像方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、高分子ゲルよりなるレンズの焦点距離を制御
する方法および、かかる方法を利用して、撮像素子上に
高分子ゲルレンズを通して鮮明な映像を結像するようゲ
ルレンズの焦点距離を自動制御するシステムに関する。

（従来の技術） 従来の光学レンズはガラスまたはプラスチックを成形し
た固定焦点レンズである。焦点可変レンズについては、
電歪材料を用い、材料の屈折率を制御する例が報告され
ている（昭和５９年電気関係学会、東海支部連合大会講
演、講演番号３０３）。しかしながら、高分子ゲルをも
ってレンズを成形し、その形状変化を利用して、レンズ
の焦点距離を制御する方法は、未だ報告されていない。

（発明が解決しようとする課題） 前記固定焦点レンズを用いた各種光学系またはレンズ系
の多（は、組合わされた複合レンズ相互間や物体または
映像との相対位置を調節して焦点距離を変化させ或いは
焦点距離に合わせて機構を調節するものであり、機械的
に極めて複雑且つ精密な構成を必要とするのみならず、
複合レンズを透過する光線の強度低下という問題を抱え
ていた。

従って単レンズによりその位置を変えることなく焦点距
離を変化させる技術の出現はそれらの問題を解決に導く
可能性の故に、当業者の均しく渇仰するところであった
。前記電歪材料の電気的作用により屈折率を変化させる
方法はその期待に応える一つの方向として注目に値する
ものである。

本発明者等はそれとは全く異なったアプローチより問題
の解決を試みた。すなわち、本発明者等は、高分子ゲル
が特定条件により不均一体積相転移を生じて変形する特
性を有するとの知見を得、引き続き、高分子ゲルを以っ
て成形したレンズについてこのような特性を利用し異方
的に変形せしめることにより、レンズの焦点距離を変化
させることに成功し本発明を完成した。

本発明の目的は、電気的または電気化学的作用により変
形し得る焦点距離可変レンズを提供するにある。

別の目的は、かかる焦点距離可変レンズを用いて焦点を
自動制御し、撮像素子上に鮮明な映像を結像させる光学
系を提供するにある。

（課題を解決するための手段） 上述の目的は、レンズ状に成形した透明な高分子ゲルを
その不均一体積相転移によって変形させることよりなる
高分子ゲルレンズの焦点距離制御方法によって達成され
る。

かかる不均一体積相転移は、高分子ゲルに対する電圧の
印加によって生起させることができる。

電圧の印加は高分子ゲルに接続した電極間で行い、その
場合は特に金、白金等の非酸化性貴金属電極を用いるこ
とが好ましい。

又、電圧の印加を、高分子ゲルと接触する電解質水溶液
を介して行なうこともできる。

前記不均一体積相転移は、高分子ゲルを水と接触させて
膨潤させることによっても生起し、更に接触する水性媒
体のｐＨを変化させることによっても生ずる。

高分子ゲルレンズの変形を、それ自体の体積相転移特性
によることなく、該高分子ゲルレンズの周縁に接続して
レンズを枠体に支持する薄膜ゲルの不均一体積相転移の
変形応力を利用して行なうこともできる。

上記レンズ自体と、それと結合一体化された異種の高分
子ゲル層との間における体積相転移特性の差異を利用し
て両者間に歪変形を生ぜしめ焦点距離を変化させること
も可能である。

上述の高分子ゲルレンズ焦点距離の制御方法を利用して
、該高分子ゲルレンズを透過した光を過像素子上に結像
させ、撮像素子からのビデオ信号をゲルレンズにフィー
ドバックして焦点距離を自動制御し、鮮明な結像を得る
ことができる。

以下、本発明を添付図面を参照して詳述する。

本発明に適用するレンズの構成素材である高分子ゲル自
体は公知物質であり、例えばポリメタクリル酸ゲル、ア
クリルアミド−アクリル酸ナトリウム共重合ゲルなどの
しドロゲルが知られており、それらの何れも適用可能で
ある。

この様なゲルを以てレンズを成形するには、ゲルのブロ
ック体より所望の形状に切り出してもよいが、最も好ま
しい方法は、目的とするレンズの曲面に相当する成形面
を有する型内でゲル形成原料を重合させ離型することで
ある。得られた重合体はレンズとしての優れた光学特性
を発揮するため、充分に透明であることを要し、原料素
材の選択、製造過程における不純物、着色物質、気泡等
の混入防止等には特別の配慮が望まれる。

このような高分子ゲルは電気的または電気化学的作用に
よって体積相転移を起こし、変形する特性がある。本発
明方法にあっては、かかる体積相転移を不均一に生起さ
せて、異方的に変形する現象を利用して以下の方式によ
りレンズの焦点距離の制御作用を行なう。

（作　用） （１）ゲルレンズ自体を変形駆動体とする方式（イ）電
圧印加の作用 ゲルレンズの両面に電極を接触または接続し、直流電圧
を印加し、約４００〜７００μへの電流を通電すると、
ゲルレンズの焦点距離は経時的に増加する。

電圧印加を停止して、ゲルレンズを水中に浸漬すると、
ゲルは膨潤し、焦点距離は経時的に減少する。この方式
においては電極酸化の問題を回避するため、金、白金な
どの非酸化性貴金属よりなる電極を用いることが好まし
い。

また電圧印加は電解質水溶液を介して行なうこともでき
、この場合は貴金属以外の電極を適用し得る。すなわち
、ゲルレンズを電解質水溶液中に浸漬し、レンズの両面
に電極を配置して、ＩＯＶ　、１０ｍＡ程度の電圧を印
加すると、ゲルレンズは異方的に変形し、焦点距離は減
少する。

（ロ）ｐＨの作用 ゲルレンズはそれと接触する水性媒体ｐｉを変えるとそ
の体積相転移を示す。従って、例えば平面と曲面とより
なるゲルレンズの平面側をガラス板などに接着固定した
組立レンズを水性媒体中に置き、ｐＨを変化させれば光
軸方向に異方的に変形し焦点距離が変化する。

（２）ゲルレンズを被変形材とする方式（イ）薄膜ゲル
の不均一体積相転移による変形応力の作用 高分子薄膜ゲルを電圧印加、ｐＨ制御によって主として
その拡がり方向に変形し、該薄膜ゲルに接続したゲルレ
ンズに張力を作用させて変形し、焦点を制御する。

この場合のゲルレンズ系は次のような構造となすことが
できる。

ａ）第１図に示すごとく薄膜ゲル１を枠体２に張設し、
薄膜ゲル上の中央部分にレンズ状ゲル３を重ね合わせて
適宜な接着剤４により接着固定する。

ｂ）第２図に示すごとく枠体２に張設される薄膜ゲル１
の中央部に透孔を穿設し、透孔に見合う寸法のゲルレン
ズ３を嵌め込み、レンズ周縁と透孔内周縁とを接着剤４
などにより接合する。

Ｃ）第３図に示すごとく、薄膜ゲル１とレンズ状ゲル３
とを予め一体成形し枠体２に張設固定する。これらの組
立体を液媒中に設置する場合は薄膜ゲルに対して垂直方
向に液媒を流通させるために、薄膜ゲルに透孔５または
切れ目を設けることが良い。

ｄ）第４図は上記の変形例であり、繊維状またはリボン
状ゲル６でレンズ状ゲル３を枠体２に張設してあり、こ
れら繊維状またはリボン状ゲル６は、第１〜３図の例に
おける薄膜ゲル１と同様な挙動を示す。

すなわち、 上記第１〜４図に示したレンズ系において、薄膜ゲルに
、前記の説明に準じ、電圧印加、ｐＨ制御などの手段を
施せば、体積相転移による収縮によって、ゲルレンズは
膜方向に引張られ、変形して焦点距離が長くなる。

電圧印加の方法は円形枠を導体として一方の電極とし、
ゲルを浸漬した液に他方の電極を浸して行なう。

（３）ゲルレンズ自体の変形と被変形とを協働させる方
式 この方式においては、高分子薄膜ゲルを用いることなく
、異種の高分子ゲルよりなる複数のレンズ素材を層状ま
たは同心状に組み合わせて、これら異種素材の体積相転
移の差異を利用し、歪変形を生せしめる。第５図は高分
子ゲルレンズ３とそれと異なった高分子ゲルよりなるレ
ンズ３゛とを層状に積層した例を示し、第６図は異種の
高分子ゲルレンズ３″と３′″とを同心円状に組合せて
一体化したものである。

例えばアクリルアミド−アクリル酸ナトリウム共重合ゲ
ルと、ポリアクリルアミドゲルを比べると、電圧印加、
ｐｉによって共重合ゲルの方が大きな変形を行なうので
層状、または同心円状に接合して作成したゲルレンズの
状態でレンズの焦点距離を制御できる。“次いで、上記
高分子ゲルレンズの焦点距離制御方法を応用した光セン
サーの自動焦点制御システムについて述べる。

第７図において、高分子ゲルレンズ３を透過した透過光
をＣＣＤ撮像素子７上に結像させる。ＣＣＤＣＤ素像素
子７のビデオ信号を信号処理回路８へ転送し、それを微
分処理する。処理信号の高調波成分が最大となるとき焦
点距離が合ったと判定する。従って、処理信号をゲルレ
ンズの焦点可変因子にフィードバックして、焦点距離が
合うまでゲルレンズを前述の方法によって制御し、制御
されたレンズを通してＣＣＤ撮像素子上に鮮明な映像を
結像させる。

（発明の効果） 本発明方法によれば簡単な構造の単レンズの焦点距離を
電気的または電気化学的作用によって制御し得るから、
レンズを利用した各種光学系に応用することにより、そ
の構造を極めて単純化、簡素化することができ、上述の
如く小型映像センサーとして利用可能であるのみならず
、また、焦点可変メガネや、眼内レンズへの応用も期待
される。

また光学系における複合レンズの数を減少せしめ得るか
ら、透過光の強度損失を減らすことができる。

（実施例） 次に本発明を実施例について説明する。実施例中の「％
」および１部」は重量基準である。

実施例■ メタクリル酸１００部に対し１、架橋剤としてＮ、Ｎ　
′−メチレンビスアクリルアミド、ＣＨ２（ＮＨＣＯＣ
ＨＣ）１２）　２．１部の割合で配合し、架橋開始剤、
過硫酸カリウム、Ｋ、Ｓ２０．．１部を加え、内径１７
皿の試験管内で架橋重合させてゲルを作製した。

このゲルをかまぼこ状に切り出し、メシュ状金電極面に
ゲルの平面をのせて直流電圧の陰極に接続した。陽極は
半円面上に金線を直接接触させた。

このような電極配置で、電流を４００−７００　μＡ流
したとき、第８図に示すように、ゲルレンズの焦点距離
が時間と共に増加した。電圧印加を止めて、ゲルレンズ
を水中に入れると、膨潤し、焦点距離は時間と共に減少
した。

実施例２ アクリルアミド−アクリル酸ナトリウム共重合ゲルはア
クリルアミドとアクリル酸ナトリウムをＮ、Ｎ′−メチ
レンビスアクリルアミドで架橋熱重合したものである。

ゲル合成は次の様にして行なった。

七ツマ−； アクリルアミド　　　　　　　　４．９８　ｇアクリル
酸　　　　　　　　　　４．８０　ｍｌイオン化剤； ＮａＯＨ２，８０ｇ 架橋剤； メチレンビスアクリルアミド　　０．２１６ｇ重合開始
剤； 重合促進剤； テトラメチルメチレンジアミン　０．２４０ｍ１以上の
試薬を５０ｍ１の水に溶かし、ろ過した後、ガラス試験
管に移して、３時間６０’Ｃに保ち熱重合させてゲル化
させた。内径１７胴の試験管内で作製したゲルについて
、試験管先端の半球状の部分を切り取り、０．５％食塩
水中に浸し、凸面に正極、平面に負極を配してＩＯＶ、
　１０ｍ八程への電圧を一定時間印加して変形させ、そ
の焦点距離の変化を測定した。その結果焦点距離は、電
圧印加と共に減少するのが見られた。

実施例３ サイエンティフィック・アメリカン、２４４巻、１１０
頁（１９８１年）　　（Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ａｍｅ
ｒｉｃａｎ、　２４Ｃ１１０、（１９８１）　）掲載の
論文「ゲルズＪ　（Ｇｅｔｓ）記載の方法で作成したポ
リアクリルアミドゲルでレンズを作製し、水に浸漬し、
ｐＨ５以上で充分膨潤させた後、円周を固定してｐＨを
３に変化させたところ、その体積が減少し、焦点距離が
増加した。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、本発明方法に用いるゲルレンズ系の
具体例を示す垂直断面図、 第４図は、本発明方法に用いるゲルレンズ系の別の具体
例を示す平面図、 第５図および第６図は本発明方法に用いる更に別の具体
例を示すそれぞ垂直断面図および平面図であり、 第７図は、本発明にがかる撮像素子上の結像方法を示す
説明図、また 第８図は、本発明方法による高分子ゲルレンズの焦点距
離の経時変化を示すグラフである。 １・・・薄膜ゲル　　　　　２・・・枠体３・・・高分
子ゲルレンズ　４・・・接着剤５・・・透孔　　　　　
　　６・・・リボン状ゲル７・・・ＣＣＤ撮像素子　　
８・・・信号回路６一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レンズ状に成形した透明な高分子ゲルをその不均一
   体積相転移によって変形させることよりなる高分子ゲル
   レンズの焦点距離制御方法。 ２、不均一体積相移転を高分子ゲルに対する電圧の印加
   によって生起せしめる請求項１記載の高分子ゲルレンズ
   の焦点距離制御方法。 ３、電圧の印加を高分子ゲルに接続した電極間で行う請
   求項２記載の高分子ゲルレンズの焦点距離制御方法。 ４、電圧の印加を高分子ゲルと接触する電解質水溶液を
   介して行う請求項２記載の高分子ゲルレンズの焦点距離
   制御方法。 ５、不均一体積相転移を高分子ゲルの水による膨潤によ
   って生起せしめる請求項１記載の高分子ゲルレンズの焦
   点距離制御方法。 ６、不均一体積相転移を高分子ゲルと接触する水性媒体
   のｐＨ変化によって生起せしめる請求項１記載の高分子
   ゲルレンズの焦点距離制御方法。 ７、レンズ状に成形した透明な高分子ゲルを、その周縁
   において一体的に結合した薄膜ゲルによって枠体に支持
   し、該薄膜ゲルの不均一体積相転移によって生じた応力
   で高分子ゲルを変形させることよりなる高分子ゲルレン
   ズの焦点距離制御方法。 ８、レンズ状高分子ゲルが薄膜ゲルに積層して接合され
   た請求項７記載の高分子ゲルレンズの焦点距離制御方法
   。 ９、薄膜ゲルが中央部に透孔を有し、該透孔の内周縁が
   レンズ状高分子ゲルの周縁と接合された請求項７記載の
   高分子ゲルレンズの焦点距離制御方法。 １０、レンズ状高分子ゲルと薄膜ゲルとが一体的に成形
   されてなる請求項７記載の高分子ゲルレンズの焦点距離
   制御方法。 １１、薄膜ゲルが繊維状又はリボン状である請求項７記
   載の高分子ゲルレンズの焦点距離制御方法。 １２、レンズ状に成形した透明な高分子ゲルを含む複数
   の高分子ゲルを層状又は同心円状に組み合わせて、それ
   らの体積相転移の差異を利用してレンズ状高分子ゲルを
   変形させることよりなる高分子ゲルレンズの焦点距離制
   御方法。 １３、高分子ゲルンズ透過光を撮像素子上に結像させ、
   撮像素子からのビデオ信号を微分処理し、処理信号を上
   記ゲルレンズにフィードバックして前記処理信号の高調
   波成分が最大となるように請求項１記載の方法により高
   分子ゲルレンズの焦点距離を制御することよりなる高分
   子ゲルレンズを通して撮像素子上に鮮明な映像を結像さ
   せる方法。