JPS60151603A

JPS60151603A - 光学素子

Info

Publication number: JPS60151603A
Application number: JP777484A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Baba; 健馬場; Hiroyuki Imataki; 今滝　寛之; Takashi Serizawa; 芹沢　高; Hiroyasu Nose; 博康能瀬; Masayuki Usui; 臼井　正幸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-01-18
Filing date: 1984-01-18
Publication date: 1985-08-09
Also published as: JPH0327086B2

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】不発８／Ｊはカメラ、ビデオ等の光学機４や光通信、レ
ーザーディスクをはじめとするエレクトフ０ロオプテイ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り、焦点距離及び光
軸の方向あるいは位置を変化させうるような光学素子に
関する。

従来、可変無点レンズとしては、特開昭５５−５６８５
７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５６−１１０４
０３、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
、その可変量があまシ大きくとれない欠点を有する。

また、従来の光学素子を用いて、焦点距離が可変でしか
も光軸の位置が変えられる装置を製作しようとすると、
装置全体が複雑で大型化し、このためコスト高となる等
の欠点があった。

本発明は、上記の実情に鑑みてなさ比だもので、簡単な
構成で焦点距離の変化量が大きく、しかも光軸の位置を
変えることができる光学素子を提供することを目的とす
るものである。

本発明の光学稟序は、弾性体および該弾性体を突出又は
沈降させて光学表面を変形できる開口を有する開口部材
からなシ、前記開口部材のとかで舞る構成にしたことを
特徴とする特許ある。

すなわち、本発明による光学素子は、塊状の弾性体自体
を部材の開口から凸状に突出又は凹状に沈降させること
によって、その開口で弾性体が形成する光学表面を変形
し、その曲率を変化させることにより所望の焦点距離を
得、かつ開口の方向あるいは位置を変化させることによ
って、光学表面の光軸の方向あるいは位置を可変とした
ものである。

本発明に用いる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シ（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。　− 通常の固体でに、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１００
０に近くになる。

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連室使用されるが
、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、弾性高（Ｇ）け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オたはゴム弾性と呼ばれ、
従って本発明では特にこの種の弾性体が好ましく利用で
きることにガる。

このようなゴム弾性体としては一般に６ゴム″と知られ
ている天然ゴム、例えばスチレンブタ（１！：ＰＭ、Ｉ
ＰＤＭ　）、ブチルゴＡ　（ＴＴＲ）、りａｏプレンゴ
ム（ＯＲ）アクリロニトリル−ブタジェンゴム（ＮＢＲ
）、＋７レタンゴム（Ｕ）　、シリコーンゴム（Ｓｌ）
、ふっ素ゴム（勾ＰＭ）、多硫化ゴム（Ｔ）、ポリエー
テルゴｌ−（ＰＯＲ，ＯＨＲ，ＯＨＯ）などの合成ゴム
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
ン運動の種変によって、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本発明の弾性体
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暢によって決
定され、従って、例えば、天然ゴムＶＣおける加硫は弾
性率を決める処理に他ならない。

本発明では使用する弾性体としては、小さい応力で大き
な変形を得る事が望オしく、その為の架橋状弓の調整は
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。真向）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、光学素子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。

本発明に用いる弾性体としては、通常の固体での弾性率
１０”　〜１０”　１ｙｎｅ／ｃｍ”よりも小さく、ゴ
ム弾性体の１　ｏ’　ａｙｎｅ／ｃｐＦ以下が適当で、
好ましくけ１０’　ａｙｎｅ／ｃｍ’以下、特に好オし
くけ５Ｘ’１０’　ｄｙｎｅ／ｃｒｔＦ以下であシ、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
は異なや、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素子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′肥その弾性に依存スル。

ＪＩＳ　Ｋ６５０１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、簡便に知ることが出来る。

しかしながら、弾性率が１０’　ａｙｎ／ｃｍ”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ＪＴＳＫ２８０８にょる１！４インチミクロ稠度計
を用いてその針入度で評価すふ。

又、弾性率が小さい場合、その測定方法として”引張り
一伸び”では池１定が困＠なので圧縮（５に変形）によ
りその値をめ、先の針入度との対応をめることができる
。

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ＡＢ−Ａ型ゲ
タジエン−スチレンブロック共重合体などのように加硫
を必要としないもの、又餉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って得るこ
とが出来る。

これらはいずれもその架橋状態、フ゛σツク共重合体に
於る分子の組合せ、ゲル状４などを８１刈節しながらそ
の弾性率の制到が行われる。

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ってもその特
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；Ｋｍ１０４（
商品名））と触媒（商品名；入’Ｉ’−１０４、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−ゲル変化
などによる体積変化を利用することもできる。

開口板に設ける開口の形状は要求される光学効果によっ
て異なるが、一般的には円形に開口し焦点距離可変な凸
、４凹レンズを形成するのが一般的である。

又、矩形のスリット状に開口を設ける事によシ、７リン
ドリカルレ／ズ及びトーリックレンズを形成することが
でき、また多数の開口を設ける事によりアレイレンズを
形成することもできる。

これら開口によって形成される光学素子はその弾性体に
加える外力又は弾性体の体積変化によって、その形状を
任意に変化させる事ができ、その種度はその効果を検出
しながらフィードｌ（ツクしてコントロールする事が可
能である。

弾性体に外力を与える手段は、従来知られている全ぺて
の方法で行う卓が可能である７５１、その弾性体の変形
を、光学効果を検出しながらフィードバック機構で行う
事が望しく、この為には電磁石やステッピングモーター
、圧電素子等の纜気的々制御が可能な方法が好ましい。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説
明する。

第１図は、本発明による光学素子の一列を示す断面図で
、容器１内には弾性体４が充填されていて１弾性体４の
上部には開口部材６が配置されている。開口部材３には
開口゛２が形成されている。

この状態で弾性体４に圧力が加えられると、開口２から
弾性体４が突出する。第１図に示す本発明の光学素子に
おいては、平常状態でも弾性体°４に圧力が加えられる
ようになっている。

従って、開口２内の弾性体の表面５（以下、開口内表面
１ｊゆるい凸形状となシ、光学表面を形成する。

第１図に示す本発明の光学素子では、容器１の底板１ａ
が圧電素子でできていで、底板１ａに電圧を加えると、
第２図に示すＸうに底板１ａは容器１内側＆ｌ＆起して
弾性体４に圧力を加える。すると、開口内表面５は＠１
図に示す形状よりも曲率半径の小さい凸形状となる。

その結果、本発明の光学素子は、第１図の場合よりも焦
点距離が短かくなる。図示例においては、底板１ａによ
って弾性体４に圧力が加えられるようになっているが、
開口部材６あるいけ容器１の側面によって弾性体４に圧
力を加えるように構成してもかまわない。

さて、本発明の光学素子では開口部材６を任意に移動さ
せることができる。第３図に示す本発明の光学素子では
、開口部材３の開口２が容器１の側面１ｂ方向に移動し
ている。従って、本発明の光学素子の光軸には、開口部
材３の移動とともに平行移動する。一方、開口内表面５
０表面形状は９弾性体４にかかる圧力（張力）を変化さ
せない限りかわらない。

第１図〜第３図においては、弾性体４として透明なもの
を用い、本発明による光学素子をレンズとして用いた。

図中、点Ｐに点光源をおいだ場合、第１図の状態におい
ては、開口内表面５０弱い正の屈折力によ、す、点心に
光束が結像間の光学素子は圧電素子の底板１ａに印加す
る電圧と、開口３の位置により、結像位置を任意に変え
ることができ１本発明における光学素子は５次元光走査
機能を有する。開口内表面５は屈折面としてばかシでな
く、反射面として用いることもできる。

第４図は、本発明による光学素子の他の例を示すもので
、開口９を有する開口部材７が球面形状をしている。こ
のため、開口部材７は球面上を移動することになる。第
４図に示す本発明の光学素子では、容器８の底板８ＩＬ
が上下に移動可能に構成され、弾性体６には、底板８ａ
によって圧力（張力）が加えられる。

第４図は、底板ａａＶＣｔＥ力を加えない状態を示した
ものである。第５図では開口９が左方に移動するととも
に、底板８ａが上昇して弾性体６に圧力が加えられてい
る。従って、開口内表面１６は凸形状となり、光軸ｔは
開口部材７の移動とともに回転する。第６図では、開口
９が右方に移動するとともに、底板８ａが下降して弾性
体６に負圧が加えられている。従って、開口内表面１６
け凹形状となり、光軸ｔは開口部材７の移動とともに回
転する。

この例においては、第１図の例と異なシ、開館７図は本
発明による光学素子のさらに他の例を示すもので、開口
１７を有する開口部材１゜上に２つの永久磁石１１．１
１’が配置されている。

１８は弾性体、１９は平行平板ガラスの底板である。底
板１９の下方には、２つの電磁石１２゜１２′が配置さ
れている。、２つの電磁石１２．１２’の電流量を独立
に制御することにより、！磁石１２．１２’と永久磁石
１１．１１’の間に働く引力あるいけ斥力を変化させ、
開口内表面２０の形状及び光軸の位置を自由に変えるこ
とができる。

第７図は電磁石１２　、１２’に電流を流さない場合第
８図は永久磁石１１と電磁石１２の間に強い引力、永久
磁石１１′と！磁石１２′の間に弱い引力が働くようｔ
流を流した場合、第９図は永久磁石１１と゛或磁石１２
の間に強い斥力、永久磁石１１′と電磁石１２′の間に
弱い斥力が働くように電流を流した場合を示す。

次に、本発明の光学素子を実際のレンズ系に使用した例
を示す。

本発明の光学素子は、例えば光ディスクのピンクアップ
用対物レンズ系に使用することができる。第１０図及び
第１１図は、本発明の光学素子を用Ａた光ディスクのピ
ックアップ用対物レンズ系の構成例で、１３は第７図に
示した本発明の光学素子、１４は対物レンズ、１５は光
ディスクの記録面である。

図面左方よ妙入射した平行レーザビームは、本発明の光
学素子１３、対物レンズ１４によって光ディスクの記録
面１５上に結像される。結像されたレーザビームは、そ
の結像点に書きこオれている情報に従って、偏光状態に
変化を受けて反射される。反射されたレーザービームは
入射時と同じ光路を逆行し、検出器によってその偏光状
態が検出され、清報が読み出される。

このような光学系においては、光ディスクの所定位置に
、小さいスポットとしてレーザビームを集光する必袈が
あり、振動や光ディスクの偏芯、面のうねり等の影響を
除去しなければならない。このため、光ディスクのビッ
クアンプＶＣは自動調節機構すなわち記録面１５が対物
レンズ系の光Ｊ４７ｇ方向に移動しても常に記録面１５
上にビームを桔ｆ象する機構を、トラッキング機構す々
わち記録面１５が光軸ｍに対して垂直方向に移動しても
常に記＠可１５の同一円周上にビームを結像する機構が
必要である。

このため、従来の光ディスクのピンクアップでは対物レ
ンズ全体を機械的に移動させたり、あるいはガルヴアノ
メータの光偏向等の手段を用いてこれらの機構を設けて
いたが、装置の小型化や応答速度の点に問題があった。

しかし、第１０図及び第１１図に示すように、本発明の
光学素子、１３を使用すれば、開口部材１０′Ｊｋ光軸
ｍ方向に移動させることによって、付物レンズ系全体の
焦点距離を変化させることができる。また、開口部材１
０の底板１９に対する角度を変化させることによって、
プリズム１乍用でレーザビームｆ偏向させることができ
る。

つまシ、本発明の光学素子によれば、自動焦点調節機構
とトラッキング機構を同時に得ることができる。

すなわち、記録面１５上の特定の１．’Ｊ　Ｒが光軸ｍ
方向あるいけ光に対して垂直方向に移動しても、本発明
による光学素子１３によ粋レーザビームは常に点Ｒに結
像することができる。

本発明による光学素子の他の応用としては、レーザ加工
機やレーデメス等の集光レンズ等の種々の照明、投光光
学系あるいは立体形状の読みとり装置等が考えられる。

本発明の光学素子は、以上説明したような非常に部組な
構成によって、焦点距離を大きく変えることができると
ともに、光軸の位置も自由に変更することができ大変有
効である。このため、本発明の光学素子を用いれば光学
装置全体がシンプルになり小壁化することができる。

【図面の簡単な説明】

・弯１図は本発明の光学素子の一例を示す断面図、第２
図は第１図に示す光学素子で焦点距離を変化させた例を
示す断面図、第３図は第２図に示す光学素子で光軸を平
行移動させた例を示す断面図、第４図は不発明による光
学素子の他の例を示す断面図、第５図は第４図に示す光
学素子の開口内表面を凸形状とするとともに光軸の向き
を変化させた例を示す断面図、第６図は第４図に示す光
学素子の開口内表面を凹形状にするとともに光軸の向き
を変化させた例を示す断面図、第７図は本発明（てよる
光学素子のさらに他の例を示す断面図、第８図は第７図
に示す光学素子の開口内表面を凸形状にするとともに光
軸の向きを変化させた例を示す断面１ス、第９図＃−ｉ
第７図に示す光学素子の開口内表面を凹形状にするとと
もに光軸の向きを変化させた例を示す断面図、第１０図
及び第１１図は第７図に示す本発明の光学素子を光ディ
スクのピックアップ用対物レンズ系に使用した例を示す
断面図である。１．８・・・・容器２．９．１７・・・・開口５．７．１０・・・・開口部材４．６．１８・・・・弾性体５．１Ｓ、２０・・・・開口内表面１１．１１’・・・・永久磁石１２　、１２’・・・・電磁石１３・・・・光学素子１４、・・・対物レンズ１５・・・・記録面１９・・・・底板出願人　キャノン株式会社第７図　第２霞　第２図第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

弾性体および該弾性体を突出又は沈降させて光学表面を
変形できる開口を有する開口部材からなり、前記開口部
材の位置を自由に変更できるようにして、前記光学表面
の焦点距離と光軸の位置を任意に変えることができる構
成にしたことを特徴とする光学素子。