JPH0327085B2

JPH0327085B2 -

Info

Publication number: JPH0327085B2
Application number: JP59000045A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Baba; Hiroyuki Imataki; Masayuki Usui; Takashi Serizawa; Hiroyasu Nose
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-01-05
Filing date: 1984-01-05
Publication date: 1991-04-12
Also published as: JPS60144703A; US4712882A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、単レンズ自身の屈折力を変動可能に
した可変焦点距離レンズに関する。

従来、この種の可変焦点距離レンズとして、レ
ンズを構成する弾性体の変形や、弾性膜中に封納
された液体の液圧変化により屈折面の形状を変化
させるもの、液晶等を用いてレンズ媒質自体の屈
折率を変化させるもの等が知られている。しかし
上記の屈折面の形状を変化させるものは、形状の
変化が複雑でその制御が困難であり、また、レン
ズ媒質の屈折率を変化させるものは、屈折力の可
変量が小さいという欠点がある。

本発明は、上記のような欠点を改良し、屈折力
を可変量が大きく、かつ制御が容易な可変焦点距
離レンズを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の可変焦点距
離レンズは、光軸である中心軸線から、前記中心
軸線と直交する方向に屈折率が増加あるいは低下
する長尺状、かつ光透過性の弾性体と、前記弾性
体を前記中心軸線と直交する方向に変形させる手
段とを有することを特徴をする。

以下に図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明
する。

一般に、屈折率が場所によつて異なる媒質を不
均一媒質と称し、そのレンズ体に例として、第１
図に示すように、集束性ロツドレンズＡがあり、
そのロツドガラスの断面における屈折率ｎの分布
は、軸線対称にほぼ放物線状の二乗分布をなすも
のがある。

第２図により、本発明に係る可変焦点距離レン
ズの原理を説明する。第２図ａにおいて、１は円
筒状の透明な弾性体であり、図示にように中心軸
線方向をｘ、動径方向をｒとして、この弾性体内
部の位置を表わすとき、例えば第２図ｂに示すよ
うに、弾性体内部の点（ｘ，ｒ）における屈折率
ｎは、軸線方向には一定で、ｒのみに依存し、一
般にｎ（ｒ）＝n₀（１−Ａ／２r²）であらわされるような不均一な屈折率分布（２次曲線近似）があらか
じめ形成されている。ここにn₀は中心軸線上にお
ける屈折率で、Ａは定数である。（Ａ＞０）このような屈折率分布は、異種分子やイオンの
拡散や、合成ゴム材等の場合には、成形時の温度
分布等の制御により分子量の分布を不均一にする
等の方法を用いて得られる。

第２図ａの如く弾性体１の表面ａを図示しない
手段により、矢印方向にa′の位置まで引つ張り、
図の破線で示すように変形させる。

このように変形された状態における弾性体内部
の屈折率分布n′（ｘ，ｒ）は、第２図ｂの破線で
示すような分布となり、近似的に、 n′（ｘ，ｒ）＝n₀′（１−A′／２r²）と表わすことができる。

弾性体１のｘ方向の変形面の長さをｄ、変形後
の長さをd′とすれば、良く知られるように、この
ような不均一な屈折率分布をもつ媒質は屈折力を
もち、Ａ，A′が正のとき、変形前の屈折力は、＝√n₀sin（√ｄ）
変形後は屈折力′は、′＝√′n₀′sin（√′d
′）で
与えられる。第２図ａの破線で示すような変形に
より、屈折率の勾配はゆるくなるから、A′＜Ａ
であり、またd′＜ｄとなるから、′＜となり、
図示のような変形により屈折力が低下する。なお
図から判るように、弾性体１の側面ｂも破線のよ
うな変形を受けて凹面状の側面b′を形成するが、
これはこの弾性体１の屈折力をさらに低下させる
方向に作用するから、屈折力の可変量はさらに大
きくなる。また後述するような方法によれば、こ
のような二次的な面変形による影響を解消するこ
とも可能である。

第２図ａのように、弾性体１の動径方向に張力
を加えた場合には、長さｄの変化よりも屈折率の
勾配Ａの変化の方が大きいが、逆に、弾性体１の
軸線方向に張力または圧力を加えた場合には、長
さｄの変化が屈折力の変化を与える原因となる。

面の二次的変形による影響を補正する最も簡単
な方法は、いわゆる液浸法を用いることであり、
弾性体１をそれが有する屈折率と同一の屈折率を
もつた液体中に浸漬すれば良い。このようにすれ
ば、弾性体１が不均一な屈折率分布をもつている
ため、面の変形の影響は、完全には除去できない
が大巾に軽減できる。

以下に、本発明の実施例を説明する。

第３図は、本発明の第１実施例の断面図を示
し、１は、光軸である中心軸線から、前記中心軸
線と直交する方向に屈折率が増加あるいは低下す
る長尺状、かつ光透過性の弾性体である。２は弾
性体１の周囲をとりまく円筒形のピエゾ素子であ
り、ピエゾ素子２に電圧を印加することにより、
その内径を変化させることができる。例えば内径
が小さくなつたときには、円筒形ピエゾ素子の開
口端にある弾性体１の表面ｂは、図示の状態より
さらに強い凸面になるとともに、前述のように、
あらかじめ弾性体１に形成された屈折率分布が正
の屈折力をもつとすると、さらに正の屈折力が強
くなり、全体して大きく屈折力が変化する。前記
ピエゾ素子２は、弾性体１をその中心軸線と直交
する方向に変形させる手段である。

第４図は、本発明の第２実施例の断面図を示
し、前述の所定の屈折力分布を有する長尺状、か
つ光透過性の弾性体１は、その両端を２枚のガラ
ス板３，４に接着されている。６は円筒形の容器
であり、ガラス板４は容器６に固定され、ガラス
板３はその上に接着されたリング状の強磁性体５
とともに、容器６の内壁にそつて動くことができ
る。７は電磁石をなすコイルである。

コイル７に電流を流すと、その電流量に従つ
て、強磁性体５付近の磁場勾配が変化し、強磁性
体５とガラス板３は、ともに紙面左右方向に移動
する。このようなガラス板３の移動により、弾性
体１にその中心軸線と直交する方向の変形を与
え、屈折力を変化させることができる。前記２枚
のガラス板３，４、強磁性体５およびコイル７等
により、弾性体１をその中心軸線と直交する方向
に変形させる手段が構成されている。弾性体１に
変形を与えるその他の手段としては、ネジやカム
等の機械的手段や、ステツピングモータ、熱膨張
等の体積変化等、あらゆるものが可能である。

本実施例に用いる弾性体としては、いわゆる高
弾性をもつものが望ましく、例えばシリコンゴ
ム、エチレンプロピレンゴムなどが透明度の点か
らも最適である。このような高弾性ゴムでは、ポ
アソン比が0.45〜0.49と高く、体積変化が少な
い。従つて、弾性体内部の各点における屈折率は
変形の前後でほとんどかわらず、各点の変形よる
移動のみによつて屈折率がきまり、例えば前出の
n₀，Ａ，n₀′，A′はn₀′≒n₀，A′n₀′r₀′²≒An₀r₀ ²
の
関係にある。ここでr₀，r₀′は変形前後の弾性体の
半径である。

このような近似式から、本発明の可変焦点距離
レンズにおいては、焦点距離可変時の色収差の変
動を極めて小さくできることがわかる。

例えば、ｄ線に対する変形前の屈折率分布がｎ（ｒ）＝n₀（１−Ａ／２r²）ｇ線に対する変形前の屈折率分布が n〓（ｒ）＝n〓₀（１−A〓／２r²）で表わされるとする。n₀，n〓₀は弾性体の分散特性
によつて定まる異なる値になるが、屈折率勾配の
係数Ａ，A〓は、弾性体中に拡散ないしは交換する
イオンや分子の種類によつてある程度制御できる
ことが知られている。レンズ長ｄが小さいとする
と、変形前のｄ線、ｇ線に対する屈折力d，g
は、d≒n₀Ad，g≒n〓₀A〓dと表わされる。従つ
て、n₀A≒n〓₀A〓となるようA〓を制御することによ
り、変形前に状態では色消しにできる。

このような状態から弾性体に変形を与えると、
ｄ線、ｇ線に対する屈折率分布が各々 n′（ｒ）＝n₀′（１−A′／２r²） n〓′（ｒ）＝n〓′₀（１−A〓′／２r²）となるが、n₀′≒n₀，n〓′₀≒n〓₀′ A′n₀′r₀′²≒An₀r₀ ²，AA〓′n〓′₀r₀′²≒A〓n〓₀r₀ ²により、
d′≒n₀′A′d′≒n〓′₀A〓′d′≒g′となる。こ
こで、
d′，g′はｄ線、ｇ線に対する変形後の屈折力で
あり、変形後も色消し状態を保つことがわかる。
これは液体レンズ等の面形状可変のレンズでは、
可変な面が最低２面なければえられない効果であ
る。

このような弾性体に屈折率分布を形成させるに
は、Y.Ohtsuka，T.Sugano，Applied Optics，
22，413−417頁（1983年）のように、架橋密度の
低いゲル状態で周囲の異種分子蒸気と重合させる
方法が有効である。また、ゲル状態では弾性率が
低く、小さな力で大きな変形を得ることが可能で
ある。

第５図は、本発明を光メモリデイスクのピツク
アツプ用対物レンズとして応用した場合の構成例
を示す。

８は固定焦点距離レンズ、１０は本発明におけ
る可変焦点距離レンズであり、図には第３図の構
成が用いられている。９は光記録媒体の記録面を
示し、紙面左方向より入射したレーザ光は、レン
ズ１０，８により記録面９上に集光され、記録面
９により反射されたレーザ光は、入射光と同様な
経路を逆行し、記録面９に記録された情報に従つ
た偏光状態の変化を検出することにより、記録を
読み出す。このとき記録面９の位置が振動等によ
り変化すると、正しい情報が読みとれない。この
ため、通常、記録面９の位置を検出し、常にレー
ザ光が記録面上に正しく集光されるよう自動焦点
調節を行なう必要があるが、従来は対物レンズ全
体の機械的移動によつて自動焦点調節を行なつて
いたため、時間応答性が悪くまた高価なものであ
つた。

本実施例においては、図のような構成により、
検出した焦点距離ズレ信号に従つて、円筒形のピ
エゾ素子２に印加する電圧を制御することによ
り、レンズ１０，８により構成される対物レンズ
自体の焦点距離を変化させ、焦点調節を行なうこ
とができるために、簡易な構成により高速応答が
可能な自動焦点距離調節機構が得られる。

また、本実施例における弾性体表面の変形によ
る二次的な影響を積極的に活用する方法として
は、表面の変形による屈折力変化と、屈折率分布
の変化による屈折力変化とが逆方向になるよう構
成する方法がある。例えば第２図で、あらかじめ
弾性体に形成されている屈折率分布の屈折力を負
（Ａ＜０）としておく。このような構成により、
屈折力の変化量は小さくなるが、球面収差や色収
差の変動を大巾に低減することができる。

本発明は、以上述べたように、弾性体の屈折率
分布の変化を利用して屈折力を変動させるように
構成されているので、従来実施されている媒質の
屈折率を均一に変化させる機構よりも屈折力の可
変容量が大きく、屈折面の形状の変化が簡単でそ
の制御が容易である可変焦点距離レンズが得られ
る効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、既知のロツドガラス型レンズ体とそ
の断面における屈折率分布図、第２図は、本発明
の基本的な原理の説明図であり、ａは弾性体の変
形具合いの説明図、ｂは前記変形に伴なう屈折率
分布の変化を示すグラフ、第３図および第４図
は、本発明による可変焦点距離レンズの第１およ
び第２実施例それぞれを示す断面図、第５図は、
本発明による可変焦点距離レンズを光メモリデイ
スクのピツクアツプ用対物レンズとして応用した
場合の構成例を示す。１……弾性体、２……ピエゾ素子、３，４……
ガラス板、５……強磁性体、６……容器、７……
コイル、８……固定焦点距離レンズ、９……記録
面、１０……可変焦点距離レンズ。

Claims

【特許請求の範囲】

１光軸である中心軸線から、前記中心軸線と直
交する方向に屈折率が増加あるいは低下する長尺
状、かつ光透過性の弾性体と、前記弾性体を前記
中心軸線と直交する方向に変形させる手段とを有
することを特徴とする可変焦点距離レンズ。