光线位置控制装置的制作方法

本发明涉及一种用于控制光线的位置的技术。

背景技术：

一直以来，已知一种控制照相机的视线和激光的光线(以下，将两者统称为“光线”)的位置和方向的技术。为了高精度地控制光线的位置和方向，装置的分辨率成为重要的要素。

在此，为了使用机械机构进行高分辨率下的控制，要求装置本身的加工精度为高精度。例如，在使用齿轮的情况下，要求缩小齿的尺寸来获得高分辨率。

但是，不仅机械加工精度有限，而且齿轮在特性上也会因齿隙而产生误差，结果是利用机械机构的光线控制装置的分辨率有限。

另外，还已知一种控制施加于光电元件的电压，从而利用光电元件折射率的变化来控制光线角度的技术(参照下述专利文献1)。

然而，该技术因为是对透过光电元件的光线的角度(方向)进行控制，所以若光电元件与光线所朝向的对象之间的距离大，则存在分辨率变差的倾向。因此，在该技术中，存在很难维持稳定的分辨率的问题。

另外，还提出了一种将感应弹性体用作被电压控制的促动器的技术(下述专利文献2及非专利文献1)。根据该技术，通过利用感应弹性体驱动光学元件，从而能够控制光线。然而，在该技术中，存在不得不分别准备感应弹性体和光学元件的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-224003号公报(说明书0030段)

专利文献2：日本特开2006-50856号公报

非专利文献

非专利文献1：m.bozlar,etal，"dielectricelastomeractuatorswithelastomericelectrodes"，appliedphysicsletters，101.9(2012)(参考用中文译文：m.波兹拉尔等，《具有弹性电极的介电弹性体致动器》，应用物理学快报，101.9(2012))

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

本发明是鉴于前述状况而做出的。本发明的主要目的之一在于，提供一种将感应弹性体本身用作光学元件来控制光线的位置的技术。本发明的另一目的在于，提供一种通过控制光线的位置，从而即使在对象处于远方的情况下也能够维持高分辨率的技术。

用于解决技术问题的手段

解决前述技术问题的手段可记载为以下项目。

<项目1>

一种光线位置控制装置，其特征在于，具备主体和供电部，

所述主体由感应弹性体构成，

所述感应弹性体对作为控制对象的光线而言实质上透明，

所述感应弹性体存在于所述主体的周围，并且被设为与所述光线所通过的介质的折射率不同的折射率，

所述供电部为通过向所述主体施加电压而使所述主体的厚度变化的结构。

<项目2>

如项目1所述的光线位置控制装置，其中，所述供电部具备电源和电极，所述电极安装于所述主体的表面，所述电源为经由所述电极向所述主体施加电压的结构。

<项目3>

如项目2所述的光线位置控制装置，其中，所述电极配置在所述光线所通过的位置的周围，由此，所述光线能够通过所述主体而不通过所述电极。

<项目4>

如项目2或3所述的光线位置控制装置，其中，所述电源为在所述电极上的多个位置向所述主体施加电压的结构。

<项目5>

如项目1～4中任一项所述的光线位置控制装置，其中，所述光线位置控制装置还具备光线粗调部，所述光线粗调部为使向所述主体入射前或通过所述主体后的所述光线的位置或方向变化的结构。

<项目6>

如项目1～5中任一项所述的光线位置控制装置，其中，所述供电部还具备存储部，所述存储部存储有向所述主体施加的电压值与所述主体的变形量的对应信息，所述供电部为基于所述对应信息确定相对于所希望的所述变形量的电压值并从所述电源向所述主体进行供电的结构。

<项目7>

如项目1～6中任一项所述的光线位置控制装置，其特征在于，

所述光线位置控制装置还具备第二主体和第二供电部，

所述第二主体由感应弹性体构成，

所述第二主体的感应弹性体对通过了所述第一主体的光线而言实质上透明，

所述第二主体的感应弹性体存在于所述第二主体的周围，并且被设为与所述光线所通过的介质的折射率不同的折射率，

所述第二供电部为通过向所述第二主体施加电压而使所述第二主体的厚度变化的结构。

<项目8>

一种光线位置控制方法，该光线位置控制方法使用具备主体和供电部的光线位置控制装置，其中，

所述主体由感应弹性体构成，

所述感应弹性体对作为控制对象的光线而言实质上透明，

所述感应弹性体存在于所述主体的周围，并且被设为与所述光线所通过的介质的折射率不同的折射率，

所述供电部为通过向所述主体施加电压而使所述主体的厚度变化的结构，

所述光线位置控制方法具备：

利用所述供电部向所述主体施加电压的步骤；

通过使所述光线透过因施加所述电压而发生了变形的所述主体，使所述光线从所述主体的出射位置在所述变形的前后变化的步骤。

发明效果

根据本发明，不依赖于机械机构，能够将感应弹性体本身用作光学元件来控制光线的位置。另外，根据本发明，通过控制光线的位置，从而即使在对象处于远方的情况下也能够维持高分辨率。

附图说明

图1是用于说明本发明的第一实施方式的光线位置控制装置的简要结构的说明图。

图2是用于说明图1的装置中的光线的方向的说明图。

图3是用于说明施加了电压的情况下的光线的位置变化的说明图。

图4是本发明的第二实施方式的光线位置控制装置所用的主体在俯视状态下的说明图。

图5是图4的简要截面图。

图6是本发明的第三实施方式的光线位置控制装置所用的光线粗调部的说明图。

图7是本发明的第四实施方式的光线位置控制装置所用的光线粗调部的说明图。

图8是用于说明本发明的第五实施方式的光线位置控制装置所用的多个主体的配置状态的俯视图。

图9是图8的装置在正面观察状态下的说明图。

图10是用于说明本发明的第六实施方式的光线位置控制装置所用的多个主体的层叠配置状态的俯视图。

图11是图10的装置在正面观察状态下的说明图。

图12是本发明的第七实施方式的光线位置控制装置所用的主体在俯视状态下的说明图。

图13是沿图12的a-a线的简要截面图。

图14是沿图12的b-b线的简要截面图。

图15是本发明的第八实施方式的光线位置控制装置所用的主体在俯视状态下的说明图。

图16是沿图15的c-c线的简要截面图。

图17是表示使用第一实施方式的装置的情况下的施加电压(kv)与光线位置的变化量(μm)之间的关系的线图。

具体实施方式

<第一实施方式>

以下，参照附图对本发明的第一实施方式的光线位置控制装置进行说明。

<第一实施方式的结构>

本实施方式的光线位置控制装置具备主体10和供电部20(参照图1)。应予说明，图1示出了主体10的横截面，但在该图中，为了容易理解而夸张地记载了尺寸，故而尺寸比不是正确的。

<主体>

主体10由感应弹性体构成。该感应弹性体对作为控制对象的光线而言实质上透明。

感应弹性体存在于主体10的周围，并且被设为与光线所通过的介质的折射率不同的折射率。在图1的例子中，主体10的周围是空气。

作为本实施方式中能够利用的感应弹性体，可以使用例如3m公司制的vhb4910(折射率1.47)，但是不限于此。

主体10的形状(也就是感应弹性体的形状)在本实施方式中为沿一个方向(更具体而言是与示出图1的纸面垂直的方向)延长的薄壁的带状，但不限于该形状。总之，只要是能够执行光线位置控制的形状即可。

<供电部>

供电部20为通过向主体10施加电压而使主体10的厚度变化的结构。

更具体而言，本实施方式的供电部20具备电源21、电极22和开关23。

电极22分别安装于主体10的表面(在图1中为上下面)。作为电极22，优选对使用对象的波长透明的材质。作为电极22的材质，例如可以使用透明的导电性凝胶，但不限于此。作为透明的导电性凝胶，可以例示出“积水化成品工业株式会社制st-gelg-cr”，但不限于此。

电源21为经由开关23及电极22向主体10施加电压的结构。作为电源21，在该实施方式中使用直流的恒压源。更具体而言，作为电源21，可以使用能够利用适当的计算机在例如0～10kv左右的范围内以16位进行电压控制的电源装置(例如适当的da配电盘)，但这仅是示例而已，并不限于此。作为电源21，总之，只要能够以所需的分辨率供给规定的电压值即可。

开关23切换从电源21向主体10的供电的接通/切断。应予说明，图1示出了开关23的切断状态。作为开关23，可以使用例如机械式开关和电子式开关(例如晶体管和晶闸管)，但不限于此。总之，作为本实施方式的开关23，只要具有切换从电源21的供电的接通/切断的功能即可。

<本实施方式的动作>

接着，对使用所述本实施方式的装置的光线位置控制方法进行说明。

<光学上的原理>

首先，参照图2对作为前提的光学上的原理进行说明。应予说明，在图2中，为了避免记载的复杂而省略了电极22。另外，光线位置也因电极22的折射率而变动，但以下假定电极22极薄，无视其导致的误差而进行说明。不过，如果电极22所导致的光线位置变动量已知(或者如果能够预先通过实验获取)，则可以考虑其影响而控制光线位置。

在以规定的倾斜角i入射到物体的光线通过该物体时，入射光的光轴与出射光之间的位移δ用下述算式表示。

在此，

i：入射光的角度；

i'：折射光的角度；

n：物体(主体)的折射率；

d：物体(主体)的厚度。

另外，在此应注意的是，位移δ为厚度d的函数。应予说明，在此，作为主体周边的介质，假定为空气，其折射率是1。另外，作为倾斜角i所取的范围，在该实施方式中，假定0＜i＜π/2(rad)。

<感应弹性体的性质>

接着，说明感应弹性体的厚度与施加电压之间的关系。

向感应弹性体施加电压u时感应弹性体的机电压力(electromechanicalpressure)peq用下述算式表示。

在此，

ε0：真空中的介电常数；

εr：感应弹性体的介电常数；

u：施加电压。

如果假定peq一定，则存在电压u增加时厚度d减小的关系。

应予说明，因为感应弹性体在施加电压时能够变形，所以实质上能够无视其折射率的变化。

<光线位置控制>

将以上的说明作为前提，对本实施方式的光线位置控制方法进行说明。

首先，在初始状态下，假定电压切断(参照图2)。此时，设所述算式(1)所示的光线位移量为δ0。另外，设此时的主体10的厚度为d0。

接着，使用电源21经由电极22(参照图1)对主体10施加电压。于是，如所述算式(2)所示，主体10的厚度变化为d1(参照图3)。

于是，伴随主体10的厚度d的变化，光线的位移量从δ0变化为δ1(参照图3)。应予说明，如果假定入射侧及出射侧的介质的折射率相等，则可以认为图3中的光线的出射角实质上与图2中的光线的出射角相同。

因此，根据本实施方式的装置，能够不改变光线的方向而仅控制其位置。在改变光线的角度的技术中，在距对象物(或者照相机)的距离远的情况下，存在光线位置的分辨率变差的问题。相比之下，在本实施方式中，因为使光线位置变化，所以存在无论距离如何，都能够以高分辨率进行光线位置控制的优点。

另外，在本实施方式中，不依赖于机械机构，而是能够根据所施加的电压值来控制光线的位置，因此存在能够进行高精度的光线位置控制的优点。

而且，在本实施方式的装置中，通过使用例如由计算机执行的数字控制，能够以高分辨率对供给到主体10的电压值进行控制。因此，存在以下优点：只要已知电压值与主体10的变形量之间的关系，就能够以高分辨率对光线位置进行控制。

应予说明，在本实施方式中，优选的是，预先通过实验求出电压值与光线位置的变化量|δ0－δ1|之间的关系，并将两者的对应关系存储于存储部(未图示)。这样的话，即使电压值与光线位置变化量之间的关系是非线性的，也能够进行高精度的光线位置控制。另外，这样一来，假设即使不能无视电极22对光线位置的影响，也容易进行抑制甚至消除其影响的光线位置控制。

<第二实施方式>

接着，基于图4及图5对本发明的第二实施方式的光线位置控制装置进行说明。应予说明，在该第二实施方式的说明中，对与所述第一实施方式的装置基本通用的要素标注同一附图标记，避免记载的复杂。

在所述第一实施方式的装置中，采用了光线通过供电部20的电极22的一部分的结构。相比之下，第二实施方式的装置中的电极22在主体10的正反两面配置在光线所通过的位置的周围，由此，光线能够通过主体10而不通过电极22。

更详细地说，第二实施方式的电极22在俯视下形成为环状，在其内侧形成有空间s(参照图5)。在第二实施方式的装置中，光线能够在空间s的部分向主体10的正面侧入射，并且从主体10的反面侧的空间s出射。

在第二实施方式的装置中，也是经由电极22向主体10施加电压，从而能够使主体10变形来控制光线位置。

在此，根据第二实施方式的装置，因为光线不需要通过电极22，所以具有能够将电极22对光线的衰减抑制得很低的优点。

另外，电极22通常具有与空气和主体10不同的折射率，但因为是薄壁，所以电极22所导致的光线位置的偏移量(误差)微小。然而，通过采用光线不通过电极22的结构，还具有能够提高光线位置精度的优点。

而且，在电极22与主体10的接触部分容易产生气泡和变形，若光线通过这样的部分，这就成了光线位置误差的原因。通过采用光线不通过电极22的结构，还具有能够避免产生这样的误差的优点。

本实施方式的其他结构及优点与所述第一实施方式基本相同，所以省略更加详细的说明。

<第三实施方式>

接着，基于图6对本发明的第三实施方式的光线位置控制装置进行说明。应予说明，在该第三实施方式的说明中，对与所述第一实施方式的装置基本通用的要素标注同一附图标记，从而避免记载的复杂。

本实施方式的装置还具备光线粗调部30。光线粗调部30为使通过主体10后的光线的位置或方向变化的结构。在本实施方式中，作为光线粗调部30，使用能够控制旋转角的电镜，取而代之，也可以使用光电元件等能够控制光线的方向的其他设备作为光线粗调部。

第一实施方式的装置虽然能够高精度地控制光线位置，但很难扩大位移量|δ0－δ1|。相比之下，根据第三实施方式的装置，不仅控制光线位置，还控制其方向，从而具有容易使光线朝向所需位置的优点。

本实施方式的其他结构及优点与所述第一实施方式基本相同，所以省略更加详细的说明。

<第四实施方式>

接着，基于图7对本发明的第四实施方式的光线位置控制装置进行说明。应予说明，在该第四实施方式的说明中，对与所述第三实施方式的装置基本通用的要素标注同一附图标记，从而避免记载的复杂。

在第三实施方式中，作为光线粗调部30，使用控制光线方向的设备，但在第四实施方式中，使用用于控制光线位置的xy工作台(机械式位置控制装置)。并且，在该实施方式中，能够利用xy工作台使光源100(或者受光元件)的位置沿xy方向大范围地移动。

另外，在第四实施方式中，采用了使向主体10入射前的光线位置移动的结构。

根据第四实施方式的装置，能够使光线位置大幅度地移动，由此，具有容易使光线朝向所需位置的优点。

本实施方式的其他结构及优点与所述第三实施方式基本相同，所以省略更加详细的说明。

<第五实施方式>

接着，基于图8及图9对本发明的第五实施方式的光线位置控制装置进行说明。应予说明，在该第五实施方式的说明中，对与所述第一实施方式的装置基本通用的要素标注同一附图标记，从而避免记载的复杂。

本实施方式的装置还具备第二主体210和第二供电部220(参照图8)。这些第二主体210及第二供电部220构成为分别与上述任一实施方式中的主体10及供电部20(参照图9)相同。

即，本实施方式中的第二主体210由感应弹性体构成，第二供电部220(参照图8)为通过向第二主体210施加电压而改变第二主体210的厚度的结构。本实施方式的第二供电部220相对于供电部20独立地向第二主体210施加电压，从而能够控制第二主体210的厚度。

第二主体210配置在通过主体10的光线所能通过的位置。而且，第二主体210向与主体10不同的方向倾斜。例如，如果主体10以平行于x轴的轴线为中心旋转倾斜，则第二主体210以平行于y轴的轴线为中心旋转倾斜。应予说明，在此，x轴与y轴的交叉角度不必须正交。

根据第五实施方式的装置，具有能够在二维方向上控制光线的位置的优点。

本实施方式的其他结构及优点与所述第一实施方式基本相同，所以省略更加详细的说明。

<第六实施方式>

接着，基于图10及图11对本发明的第六实施方式的光线位置控制装置进行说明。应予说明，在该第六实施方式的说明中，对与所述第一实施方式的装置基本通用的要素标注同一附图标记，从而避免记载的复杂。

本实施方式的装置还具备第二～第四主体210～410和第二～第四供电部220～420(在图11中省略图示)。这些第二～第四主体210～410及第二～第四供电部220～420分别构成为与上述任一实施方式中的主体10及供电部20相同。

即，本实施方式中的第二～第四主体210～410由感应弹性体构成，第二～第四供电部220～420为通过向第二～第四主体210～410施加电压而分别改变第二～第四主体210～410的厚度的结构。

根据第六实施方式的装置，能够利用第一～第四主体10～410使光线依次位移。因此，根据该装置，具有能够增大光线的位移量(可控制范围)的优点。

本实施方式的其他结构及优点与所述第一实施方式基本相同，所以省略更加详细的说明。

<第七实施方式>

接着，基于图12～图14对本发明的第七实施方式的光线位置控制装置进行说明。应予说明，在该第七实施方式的说明中，对与所述第一实施方式的装置基本通用的要素标注同一附图标记，从而避免记载的复杂。

在本实施方式的装置中，在电极22上的多个部位(在图示例中为四处)安装有导电带221(参照图12及图13)，从电源21并联地(也就是以相同电位)向这些导电带221供电。在此，在图12中，用双点划线示意性地示出了导电带221的安装位置。应予说明，在图13及图14中，夸张地记载了电极22的厚度。另外，在这些图中，附图标记222是用于支承主体10的框架，其由非导电性材料、例如塑料构成。本实施方式的电极22向每大致错开90度的方向延伸，即在俯视下向12点、3点、6点及9点的方向延伸。

在电极22有一定程度的电阻的情况下，若仅从电极22的一处进行供电，则对置电极之间的电压产生稍许偏差。于是，主体10的变形量不均匀，离供电部位远的地方的变形量有变小的倾向。

相比之下，根据第七实施方式的装置，因为从多个部位向电极供电，所以能够使因电压施加而产生的主体10的变形量均匀。于是，例如在光线通过主体10的中央附近的情况下(参照图12)，具有能够增大该部分处的主体10的变形量的优点。

本实施方式的其他结构及优点与所述第一实施方式基本相同，所以省略更加详细的说明。

<第八实施方式>

接着，基于图15及图16对本发明的第八实施方式的光线位置控制装置进行说明。应予说明，在该第八实施方式的说明中，对与所述第一实施方式的装置基本通用的要素标注同一附图标记，从而避免记载的复杂。

在本实施方式的装置中，采用了电极22的外周部随着朝向外周而离开主体10，并且利用导电带221(参照图16)对电极22的外周部进行供电的结构。在此，导电带221被配置为包围电极22的整个外周部，由此，能够从电极22的整个外周部进行供电。

在所述第七实施方式中，从四个方向进行供电，但根据第八实施方式的装置，从电极22的整个外周的连续位置向电极进行供电，因此，具有能够使因电压施加而产生的主体10的变形量均匀的优点。

本实施方式的其他结构及优点与所述第一实施方式及第七实施方式基本相同，所以省略更加详细的说明。

<实施例>

使用第七实施方式的装置测定了光线位置的变化量(从初始位置的位移量)|δ0－δ1|。在该实施例中，从对置位置的两个导电带221进行了供电。也就是说，该实施例中的供电部位为两处(例如在图12中为12点和6点的位置)。图17示出了结果。在此，纵轴是光线位置的位移量(μm)。可知光线位置根据施加电压而变化。应予说明，在此，施加电压与位移量之间的关系是非线性的(在该例子中大致为二次曲线)，通过预先获取并存储两者的关系，能够进行高精度的光线位置控制。

应予说明，本发明的内容不限于所述实施方式。本发明能够在权利要求书记载的范围内对具体结构进行各种改变。

例如，在所述各实施方式中，以控制来自发光元件的光线的位置为前提进行了说明，但也能够对朝向照相机的视线(这也是光线的一种)的位置进行控制。

另外，作为光线，例如可以是激光，在该情况下，例如，也可以是利用本发明的装置对在3d打印机中使用的uv激光的位置进行控制的使用方式。

而且，作为供电部中的电极，也可以使用将粒状微细金属真空蒸镀在主体的表面而成的部件。

附图标记说明

10主体

20供电部

21电源

22电极

221导电带

222框架

23开关

30光线粗调部

100光源

210第二主体

220第二供电部