JPH0518084B2

JPH0518084B2 -

Info

Publication number: JPH0518084B2
Application number: JP7479684A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Usui; Hiroyuki Imataki; Takeshi Baba; Takashi Serizawa; Hiroyasu Nose
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-04-12
Filing date: 1984-04-12
Publication date: 1993-03-11
Also published as: JPS60217323A

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、オートフオ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つて機械的
に移動させることにより、フオーカシングを行つ
ている。この様な機械的なフオーカシング機構で
は、フオ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55−36857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。

上記目的は、開口部を有する容器と、前記容器
内に収納された透明な弾性体と、前記弾性体に外
力を与える手段とを有し、前記外力を与える手段
により前記弾性体の形状を変化させ前記弾性体自
体を前記開口部から突出又は沈降させることによ
つて、前記開口部での前記弾性体が形成する光学
表面を変形させる構成にして焦点可変とした光学
部材と、前記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
つ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
点光学装置により達成される。

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1000％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、従つ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
エンゴム（SBR）、ブタジエンゴム（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−ブタジエン
ゴム（NBR）、ウレタンゴム（Ｕ）、シリコーン
ゴム（Si）、ふつ素ゴム（FPM）多硫化ゴム
（Ｔ）、ポリエーテルゴム（POR，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つて、ガラス状
態、ゴム状態又は溶融状態のいずれかをとる。従
つて、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
の架橋状態によつて決定され、従つて、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、
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
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
10¹¹〜10¹³dyne／cm²よりも小さく、ゴム弾性体の
10⁸dyne／cm²以下が適当で、好ましくは10⁶
dyne／cm²以下、特に好ましくは５×10⁵dyne／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。JISK6301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／cm²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−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（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型ブタジエン−スチレンブロツク共
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つて得ることが出来
る。

これらはいずれもその架橋状態、ブロツク共重
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
よつ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（信越化学工業製；
KE104GEL（商品名））と触媒（商品名；Catalyst
−104、信越化学工業製）に希釈剤（商品名RTV
シンナー、信越化学工業製）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・収縮や
ゾルー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つて異なるが、一般
的には円形に開口し焦点距離可能な凸，凹レンズ
を形成するのが一般的である。

又、矩形のスリツ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ツクレンズ
を形成することもできる。

これら開口によつ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
によつて、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イード
バツ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イードバ
ツク機構で行う事が望ましく、この為には電磁石
やステツピングモータ、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
ーターをもつ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
たがつて、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
の大きさによつ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、それぞれ異つ
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
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によつて形成さ
れており、可動部４に外圧を加えることによつて
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、容器にネジを切つてお
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
よつ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１
４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
イツチ２３を経て電圧を印加することによつて円
板状の可動部２０と開口部１８を有する駆動部１
９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２
６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つて弾性体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オーカス光学
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イスクのオートフオーカ
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
ー、３４は例えば第７図で説明したような弾性体
レンズであつ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は光デイス
ク、３６は該光デイスクを回転させるためのモー
タである。弾性体レンズ３４によつて光デイスク
３５面上に集光された光束は該光デイスクで反射
された後再び弾性体レンズ３４を通り、ハーフミ
ラー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、ハーフミラー３８を介して
光束の集光位置の前後のデフオーカス位置に設定
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つて検出さ
れた信号は弾性体レンズ駆動回路４１に導かれ、
該駆動回路によつ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イード
バツ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
す図であつて、同図はカメラ等に用いられるアク
テイブ方式のオートフオ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つて、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わ
す。５４はLEDであつてミラー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CCDであつて、該CCD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５
０の周辺の結像に使用されない部分を通つて被写
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によつ
てCCD５７上に結像される。合焦状態はCCD上
の結像スポツ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へ信号がフイードバツクされ、該信号によ
つ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つてカメラ等に用いられる
オートフオ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つて
オートフオーカス制御を行なう、いわゆるアクテ
イブ方式のオートフオ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オーカスを行なう
パツシブ方式のオートオフオーカス装置も本発明
の主旨に沿つ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。
このような微小変形によつて、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、本発明に係る光学装置においては、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……半導体レーザー、３１……駆動回路、
３２……コリメーターレンズ、３３……ハーフミ
ラー、３４，５０……弾性体レンズ、３７……合
焦状態検知系、４１，５１……弾性体レンズ駆動
回路、５２……像面、５３……被写体、５４……
LED、５７……CCD、５８……合焦状態検出回
路。

Claims

【特許請求の範囲】

１開口部を有する容器と、前記容器内に収納さ
れた透明な弾性体と、前記弾性体に外力を与える
手段とを有し、前記外力を与える手段により前記
弾性体の形状を変化させ前記弾性体自体を前記開
口部から突出又は沈降させることによつて、前記
開口部での前記弾性体が形成する光学表面を変形
させる構成にして焦点可変とした光学部材と、前
記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つて検出さ
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。