CN102449536B - 变焦透镜及显微镜 - Google Patents

Abstract

提供能够快速地改变焦距的变焦透镜。包括：由具有反演对称性的单晶构成的电光材料；形成于该电光材料的第一面上的第一阳极和第二阴极，该第二阴极与所述第一阳极之间形成有间隔；以及形成于与所述第一面相对的第二面上并且形成于与所述第一阳极和所述第二阴极相对的位置处的第一阴极和第二阳极。并且，光轴被设定为：在光从与所述第一面正交的第三面入射后，从与所述第三面相对的第四面出射。通过改变向所述第一电极对和所述第二电极对之间施加的电压，来改变从所述第四面出射的光的焦点。

Description

变焦透镜及显微镜

技术领域

本发明涉及变焦透镜及显微镜，尤其涉及使用了具有电光效应的光学材料的能够改变焦距的变焦透镜以及具有该变焦透镜的显微镜。

背景技术

以往，光学透镜、棱镜等光学元件用于照相机、显微镜、望远镜等光学设备、打印机、复印机等电子照相方式的记录装置、DVD等光记录装置，通信用、工业用光学器件等。通常的光学透镜的焦距是固定的，但是，上述设备、装置中有时要使用能够根据情况调整焦距的透镜，即，所谓的变焦透镜。现有的变焦透镜是通过组合多个透镜并以机械方式调整焦距的。然而，从响应速度、制作成本、小型化、功耗等方面来看，这种机械方式的变焦透镜的应用存在局限性。

对此，例如，有人就提出了在构成光学透镜的透明介质中使用能够改变折射率的物质的变焦透镜、以及通过机械方式使光学透镜的形状发生变形而非移动光学透镜位置的变焦透镜。作为前者的变焦透镜，有人提出了一种将液晶用作光学透镜的变焦透镜。该变焦透镜例如以玻璃板等由透明物质形成的容器封装液晶。该容器的内侧被加工成球面状从而使液晶成型为透镜形状。而且，容器的内侧设置有透明电极，通过改变向该电极施加的电压，能够控制向液晶施加的电场。由此，可以通过电压控制液晶的折射率，从而对焦距实施可变控制(例如，参考专利文献1)。

作为后者的变焦透镜，变形透镜的材料大多采用液体。例如，在非专利文献1中记载的变焦透镜中，具有在由玻璃板夹持的空间中封装有硅油等液体的结构。玻璃板被加工得较薄，利用锆钛酸铅(PZT)压电致动器向玻璃板施加压力，从而使以油和玻璃板整体构成的透镜发生变形，由此控制焦点位置。该变焦透镜的动作原理和眼球的水晶 体相同。

在上述的光学设备中，显微镜是一种可望通过引进变焦透镜来实现实际应用的设备。由于显微镜中使用NA(数值孔径)较大的物镜，因此景深非常浅。因此，将立体物作为测量对象而进行观察时，仅可以同时观测立体物中与焦点高度一致的一部分区域。若要得到立体物的全像，需要在观察时上下慢慢移动透镜系统或者搭载有测量对象的载物台。另外，正在逐步确立这样一种立体图像合成技术，即：移动载物台并对每一定高度进行图像拍摄，通过对所拍摄的多个图像进行处理以合成立体图像。

近年来，在显微镜中，共聚焦显微镜的使用范围得以扩大。参考图1来说明共聚焦显微镜的原理。在该系统中，通过透镜3(通常称为物镜)将测量对象1发出的光变为平行光线，然后再通过透镜4对其进行会聚。在会聚的点的位置上放置具有与该光斑直径相同程度直径的针孔5，以光检测器6测量透过的光的功率。此时，考虑在测量对象1的正下方有测量对象2的情况。如图1的虚线所示，从测量对象2发出的光在透过透镜3、透镜4之后的会聚位置比针孔5所处的位置还要低。当测量对象2发出的光到达针孔5的高度时发生再次扩散，从而导致由针孔5透过的光成分显著减少。即，在该系统中仅能检测出从测量对象1的位置发出的光信号。

在通常的显微镜中，若测量对象的上、下位置存在其他发光物体，来自那些物体的光将作为噪声而重叠于来自测量对象的光，因此，很难仅仅提取测量对象的信息。另一方面，在共聚焦显微镜中，通过调整光学系统的设置，可以仅对测量对象的信息进行有效的提取。但是，能够同时提取的信息仅限于处于图1的测量对象1位置处的物体，因此，若要得到物体的全像，需要在上下左右方向上慢慢移动物体来收集三维数据。关于左右移动，有一种利用诸如电流计镜那样可使光线的方向发生快速偏转的部件(偏光器)而无需移动测量对象的物体本身就进行测量的装置。但是，关于上下移动，一般通过机械方式移动测量对象。

然而，包括共聚焦显微镜在内的现有的显微镜中，通过机械方式 使搭载有测量对象的载物台在上下方向移动来进行一系列测量的情况下，若要得到所有的数据，则需要较长时间。对此，若能够通过变焦透镜对焦点进行电气控制来代替移动载物台，则可望提高计量的精度并且还可以提高扫描速度。

以往，作为变焦透镜，可以采用通过机械方式调整焦距的变焦透镜、通过对液晶施加电场来控制折射率的变焦透镜、以及通过PZT压电致动器使透镜变形的变焦透镜等。但是，由于焦距变动所需的响应速度存在限制，不能适用于1ms以下的快速响应的情况，从而很难捕捉到快速现象。

本发明的目的在于提供能够快速改变焦距的变焦透镜以及通过该透镜能够快速测量包括高度方向信息在内的立体物体的显微镜。

现有技术文献

专利文献1：日本国专利申请公开公报“特开1999-064817号公报”

非专利文献1：“使用变焦透镜的焦深扩展光学机构”，金子卓等，Denso technical review，Vol.3，No.1，p.52-58，1998.

发明内容

为了实现上述目的，本发明的变焦透镜的一个实施方式的其特征在于，包括：由具有反演对称性的单晶构成的电光材料；形成于该电光材料的第一面上的第一阳极；形成于与所述第一面相对的第二面上并且形成于与所述第一阳极相对的位置处的第一阴极；形成于所述第一面上并且设置为与所述第一阳极之间相互隔开的第二阴极；以及形成于所述第二面上并且形成于与所述第二阴极相对的位置处、且设置为与所述第一阴极之间相互隔开的第二阳极，光轴被设定为：光从与所述第一面正交的第三面入射后，透过由所述第一阳极和所述第一阴极构成的第一电极对之间，之后，透过由所述第二阳极和所述第二阴极构成的第二电极对之间，之后，从与所述第三面相对的第四面出射；通过改变向所述第一电极对和所述第二电极对之间施加的电压，可以改变从所述电光材料的所述第四面出射的光的焦点。

本发明的显微镜的一个实施方式为在光学系统中包括变焦透镜的 显微镜，：在该变焦透镜中，第一基本单位元件、半波片以及第二基本单位元件沿着光轴方向进行串列式配置，所述第一基本单位元件和所述第二基本单位元件相对于光轴垂直地施加电场且电场的施加方向互相成90度角度，所述半波片相对于所述第一基本单位元件和所述第二基本单位元件的电场施加方向成45度角度，所述第一基本单位元件和所述第二基本单位元件分别包括：由具有反演对称性的单晶构成的电光材料；形成于该电光材料的第一面上的第一阳极；形成于与所述第一面相对的第二面上并且形成于与所述第一阳极相对的位置处的第一阴极；形成于所述第一面上并且与所述第一阳极之间相互隔开的第二阴极；以及形成于所述第二面上并且形成于与所述第二阴极相对的位置处、且与所述第一阴极之间相互隔开的第二阳极；其中，光轴被设定为：光从与所述第一面正交的第三面入射后透过由所述第一阳极和所述第一阴极构成的第一电极对之间，之后，透过由所述第二阳极和所述第二阴极构成的第二电极对之间后从与所述第三面相对的第四面出射；通过改变向所述第一电极对和所述第二电极对之间施加的电压，可以改变从所述电光材料的所述第四面出射的光的焦点。

如上所述，根据本发明，能够实现这样一种变焦透镜，即：包括由具有反演对称性的单晶构成的光电材料、以及形成于电光材料表面的2N个电极，向相邻的电极对施加相反的电压，通过改变向电极对之间施加的电压，能够快速改变焦距。

通过在显微镜的光学系统中配置上述变焦透镜，不再需要通过机械方式上下移动搭载有测量对象的载物台，因此，能够缩短测量立体像时所需的时间。另外，当测量对象发生快速的动态变化时，能够捕捉其快速现象。

附图说明

图1为用于说明现有的共聚焦显微镜的原理的图；

图2为表示本发明第一实施方式的变焦透镜的结构的图；

图3为用于说明第一实施方式的变焦透镜的原理的图；

图4为表示第一实施方式的变焦透镜的光路长度调制示例的图；

图5为表示第一实施方式的变焦透镜的焦距对电极间隔的依赖性的图；

图6为表示本发明第二实施方式的变焦透镜的结构的图；

图7为表示本发明第三实施方式的变焦透镜的结构的图；

图8为表示本发明一实施方式的显微镜的结构的图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明的实施方式进行详细说明。本实施方式的变焦透镜由电光材料和安装于该电光材料的电极构成。通过利用电光效应，所实现的响应速度远远高于现有的变焦透镜的响应速度。

图2图示了本发明第一实施方式的变焦透镜的结构。基板11的上面(第一面)及下面(第二面)形成有四个条状电极，其中，基板11是通过将电光材料加工成板状所得到的基板。设置有在光入射侧作为上部电极的阳极12(第一阳极)和夹持着基板11并且作为下部电极的阴极13(第一阴极)。另外，在光的出射侧设置有与上述电极相隔开的另一对电极，上部电极为阴极14(第二阴极)，下部电极为阳极15(第二阳极)。四个条状电极具有在长度方向的边均相互平行的形状。

光从与设置有电极的面正交的面(第三面)入射后在基板11的内部沿着X轴方向传播，并沿着与上述条状电极的长度方向垂直的方向从阳极12和阴极13之间透过。然后，光从阴极14和阳极15之间透过后从与入射面相对的面(第四面)出射至空气中。

在这种结构中，向阳极和阴极之间施加电压。向光入射侧的电极对与光出射侧的电极对所施加的电压的方向(Z轴方向)互相相反。阳极12和阳极15的电位可以不同，阴极13和阴极14的电位也可以不同。另外，将阳极12和阳极15中电位较低一方的电极的电位设定为高于阴极13和阴极14中电位较高一方的电极的电位。

此时，这些电极之间产生电场的分布，因此，由于基板11具有的电光效应，折射率得以调制。当光从折射率被调制后的部分中透过时，光因上述折射率分布而发生折射现象，其结果，光得以聚光或者发散。在聚光的情况下，根据图2的结构，起到柱面凸透镜的功能，在发散 的情况下起到柱面凹透镜的功能。另外，由于光的折射率根据所施加的电压而不同，因此能够通过电压来控制焦距。

根据电光效应，在施加电压后最迟也会在1μs以内的时间内做出响应。因此，能够实现响应速度显著快于现有的变焦透镜的变焦透镜。如上所述，图2所示的元件为柱面变焦透镜，其成为构成多种透镜的基本单位。若要实现一般的球面透镜，对两个作为该基本单位的元件进行组装即可。即，通过将两个基本单位元件设置成以光轴为中心互相成90度角，可以实现与球面透镜等效的功能。另外，本实施方式的特征在于，基板11的材料在具有电光效应的材料中尤其采用了由具有反演对称性的晶体形成的材料。其理由详见后述。

下面，参照图3，详细说明折射率的调制情况和作为透镜的功能。图3表示了从y轴方向观看图2所示的变焦透镜侧面的状态。在基板11中，在未向四个电极施加电压时，折射率相同，因此，光未发生调制而直接透过基板11。所以，不起到透镜的功能。但是，当入射平面波时，从基板11出射的光的波面也是平面，若考虑到曲率半径为无穷大，则还可以看作是焦距为无穷大的透镜。

当向四个电极施加电压时，在这些电极之间生成如图3所示的电力线16。电力线16不仅生成于阳极12和阴极13之间、阴极14和阳极15之间，还扩散到这些电极的外侧。换言之，生成了电力线意味着生成了电场。此时，由于基板11具有电光效应，因此，折射率在基板11内部生成电场的位置处得以调制。在基板11的内部，在四个电极的附近、即在基板11的表面附近的电场较大，折射率的变化较大。而在基板11的中央部分(所有轴方向中的中央附近)，电场较小，折射率的变化也较小。

图3的右侧示意地图示了表示折射率变化量的分布的折射率调制曲线17。折射率调制曲线的纵轴为Z轴的坐标、横轴为自未施加电压开始时的折射率的变化量Δn。图3图示了折射率在整体上向负方向发生变化的状态，在基板11的表面附近的调制较大，因此，折射率变化量Δn较小。另一方面，在中央部附近的调制较小，因此，折射率变化量Δn较表面附近要大。当光透过呈现这种折射率分布的物体中时， 基板11的表面附近的光速大于基本11的中央部的光速，因此起到凸透镜的功能。即，焦点自未施加有电压时的无穷大的焦距移动至有限的焦距上。

(电光材料)

电光效应包括不同次数的电光效应，一般利用一次电光效应(下面，称为普克尔斯效应)。在普克尔斯效应中，折射率的变化与电场成正比。在图2、图3所示的结构中，阳极12和阴极13之间、阴极14和阳极15之间，电场的方向相反，并且折射率分布也相反。从而，若利用普克尔斯效应，则当光通过上述两个电极对之间时，由折射率分布引起的光的偏转正负相互抵消，从而不能起到作为透镜的功能。

若利用二次电光效应(下面，称为克尔效应)，则折射率变化与电场的平方成正比。因此，即使在阳极12和阴极13之间、阴极14和阳极15之间电场方向相反，折射率分布也相同，因此，光的偏转不会抵消而是相互加强。

多数电光材料不具有反演对称性而表现出普克尔斯效应。一部分电光材料则具有反演对称性，从而不表现普克尔斯效应，而是克尔效应占据优势。因此，将具有反演对称性的材料用作构成本实施方式的基板11的电光材料，显得尤为重要。

一般而言，当由外部向电介质施加电场时，将会发生与所述电场成正比的极化，当电场移去时极化变为0。但是，存在这样一种物质，在该物质中，即使电场移去后也会残留有限的极化。在无外电场作用下存在的极化被称为自发极化。可以因外电场而反向这种自发极化的方向，具有这种自发极化性质的物质被称为铁电体。有时将非铁电体的电介质称为顺电体。

具有反演对称性的单晶是指，在x、y、z坐标系中原子排列以某原点为中心进行反演动作后与原来的原子排列完全重合的晶体。当具有自发极化性质的晶体在坐标轴上进行反演动作时，自发极化的方向发生反演，因此，这种晶体不能被称为具有反演反演对称性。因此，由于铁电体具有自发极化性质，因此不具有反演对称性。

另一方面，还存在即使具有自发极化性质也不能在外电场作用下 发生反演的物质。这种物质虽然不具有反演对称性，但是也不是铁电体，因此，并非所有不具有反演对称性的物质都是铁电体。另外，不可能存在既是铁电体又具有反演对称性的物质。

作为具有反演对称性的电光材料，有具有钙钛矿型晶体结构的单晶材料。若适当地选择使用温度，则钙钛矿型单晶材料在使用状态下将变为晶体结构具有反演对称性的立方晶体。在立方晶相中不表现普克尔斯效应，而是克尔效应占据优势。例如，以人们最熟知的钛酸钡(BaTiO₃，下面称为BT)为例，其晶相在120℃左右由正方晶相向立方晶相转变。若温度超过了晶相转变的温度(下面，称为晶相转变温度)，则BT晶体结构变为立方晶体，从而表现出克尔效应。

另外，以钽铌酸钾(KTN：KTa_1-XNb_XO₃，0＜x＜1)为主成分的单晶材料具有更加适合的特征。BT的晶相转变温度是固定的，而KTN的晶相转变温度却可以根据钽和铌的组成比例来选择。由此，可以将晶相转变温度设定在室温左右。若温度高于晶相转变温度，则KTN成为立方晶相，具有反演对称性，具有较大的克尔效应。即使同为立方晶相，温度越接近室温，克尔效应就越明显。因此，为简单地实现较大的克尔效应，将晶相转变温度设定在接近室温的温度就变得非常重要。

并且，作为与KTN相关的单晶材料，可以使用晶体的主成分由化学元素周期表中的IA族和Va族构成的材料，其中，IA族为钾，VA族包括铌、钽中的至少一个。另外，作为添加的杂质，可以包括化学元素周期表中除了钾以外的IA族元素，例如锂，或者IIA族的一个或多个。例如，还可以使用立方晶相的KLTN(K_1-yLi_yTa_1-XNb_XO₃，0＜x＜1、0＜y＜1)晶体。

(光路长度调制)

对采用KTN时的光路长度调制进行详细说明。在图3的结构中，光的偏振包括光电场方向为y轴方向的情况和z轴方向的情况。在这两种情况下光所感到的折射率调制ΔN_y和ΔN_z分别为如下：

[数1]

ΔN_y和ΔN_z不同。其中，n₀为调制前的折射率，S₁₁、S₁₂为电光系数。S₁₁为正值，S₁₂则为负值，并且S₁₁的绝对值大于S₁₂的绝对值。如下式所述，利用光路长度调制Δs来评价透镜的特性，所述光路长度调制Δs通过在光的传播路径(长度L)对上述折射率变化量进行积分所得。

[数2]

${\mathrm{\Δs}}_y=\underset{0}{\overset{L}{\∫}}{\mathrm{\Δn}}_y\mathrm{dx}$

${\mathrm{\Δs}}_z=\underset{0}{\overset{L}{\∫}}{\mathrm{\Δn}}_z\mathrm{dx}$

图4图示了第一实施方式的变焦透镜的光路长度调制的示例，表示通过数值计算求出光路长度调制Δs_y和Δs_z的分布。其中，将相对介电常数设为20,000、将基板11的长度L设为7mm、将在z轴方向的基板的厚度设为4mm、将四个电极的宽度设为0.8mm、将同一面上的电极的间隔设为4mm、将电压设为1000V。图4的横轴表示图2所示的z坐标，原点在基板11的中央。Δs_y的分布构成向下凸出的曲线，表示上述元件起到柱面凹透镜的功能。另一方面，Δs_z的分布构成向上凸出的曲线，表示上述元件起到柱面凸透镜的功能。如上述KTN的示例所示，由于光的偏振，可成为凸透镜，或者，也可以成为凹透镜。

(电极的设置)

第一实施方式中，在基板11的上面设置有阳极12和阴极14，在下面设置有阴极13和阳极15。作为与此类似的结构，可以考虑将上面的两个电极都设为阳极，将下面的两个电极都设为阴极。这种结构也能够起到变焦透镜的功能，但是从下述的角度考虑，第一实施方式更为优良。

在考虑到元件的小型化的情况下，在图3的结构中，即使要缩小基板11在z轴方向上的尺寸，即，减小基板11的厚度，但也会受到透过基板11的光束大小的限制。如果要缩小在x轴方向上的尺寸，则根据上面的两个电极为阳极、下面的两个电极为阴极的结构，当电极 的间隔缩短时，透镜的效果则降低。电极间隔的缩短极限即电极间隔为0，从而导致上面的两个电极和下面的两个电极都成为一体化电极。在这种情况下，基板11的内部的电场变得均匀，折射率分布也变得均匀，导致透镜效果几乎全部消失。

另一方面，在第一实施方式中，由于向上面的阳极12和阴极14施加的电位不同，因此，电极间隔的缩短极限不允许两个电极成为一体化电极。在第一实施方式中，若缩短电极间隔，则电场变大，因此，透镜效果反而增强。

图5图示了第一实施方式的变焦透镜的焦距对电极间隔的依赖性。将通过数值计算求得的焦距标绘为电极间隔函数。在与图4的计算条件相同的条件下，增减电极间隔，并同时使基板11的长度进行相同程度的增减，从而进行计算。光的电场方向为z轴方向。纵轴的焦距越小，聚光度越强，效果越好。由“□”曲线可知：上面的两个电极都为阳极、下面的两个电极都为阴极的情况下，若电极间隔小，则效果降低。“○”曲线表示：在第一实施方式的情况下，当电极间隔小时效果反而变大。当电极间隔变大时，两个电极对之间的相互作用减弱，因此，无论哪一种结构都将收敛为相同的效果。基板11的厚度为4mm。如图5所示，当电极间隔小于基板11的厚度的1.5倍(6mm)时，第一实施方式的结构更有利。

如上所述，在使用KTN时，如果通过改变偏振进行区分使用，则既可以用作凸透镜，也可以用作凹透镜。另一方面，已知在向电光晶体施加电场时其物理形状根据压电效应或者电致伸缩效应而发生变化。压电效应是指应变与所施加的电场成正比的现象，电致伸缩效应是指应变与所施加的电场的平方成正比的现象。其物理形状的变化由压电效应与电致伸缩效应之和表示。一般而言，由于在具有反演对称性的电光材料中不产生压电效应，因此，仅有电致伸缩效应。由于该电致伸缩效应，在折射率的分布与通过上述电场分布计算所得到的分布之间，有时会存在若干偏差。

从这一点考虑，相比Δn_y(或者光路长度S_y)，Δn_z(或者光路长度S_z)的计算值和实际值之间的偏差较小。即，根据第一实施方式的 电极结构，在整体上电场的z分量变大，但是，光的振动场与上述z轴平行的结构更加易于使得与所计算出的折射率分布吻合，因此优选之。当然，电场的x分量也变大。但是，根据第一实施方式的光轴设定，不能与x轴平行地设置光的振动场。

(电极材料)

当向电光材料施加高电压时，电荷从电极注入，从而在晶体内会生成空间电荷。在该空间电荷的作用下，电场的大小在电压的施加方向上产生倾斜，因此，折射率的调制也会产生倾斜。因此，为了得到用于使电光材料起到透镜功能的所希望的折射率分布，或者，为了使透过电光材料的光不发生偏转，优选为：在向基板11施加电压后，在基板11的内部不会生成空间电荷。

空间电荷的量取决于载流子的注入效率，因此，从电极注入的载流子优选较低的注入效率。如果在电光晶体中参与导电的载流子为电子，那么，随着电极材料的功函数变大，电极和基板之间接近于肖特基结，因此，载流子的注入效率减小。因此，电极优选为由与电光材料形成有肖特基结的材料形成。具体而言，在电光晶体中参与导电的载流子为电子的情况下，电极材料的功函数优选为在5.0eV以上。作为功函数在5.0eV以上的电极材料，例如，可以使用Co(5.0)、Ge(5.0)、Au(5.1)、Pd(5.12)、Ni(5.15)、Ir(5.27)、Pt(5.65)、Se(5.9)。括号内的数值表示功函数，单位为eV。

另一方面，在电光晶体中参与导电的载流子为空穴的情况下，为了抑制注入空穴，电极材料的功函数优选为小于5.0eV。作为功函数小于5.0eV的电极材料，例如可以使用Ti(3.84)等。并且，由于Ti的单层电极发生氧化后变为高电阻体，因此，使用Ti、Pt、Au依次叠层所得的电极，并使Ti层和电光晶体相互接合。另外，还可以使用ITO(Indium Tin Oxide)、ZnO等的透明电极。

(应用示例)

以上，对成为构成各种透镜的基本单位的柱面变焦透镜进行了说明。接下来，对使用该基本单位的应用示例进行说明。图6图示了本发明第二实施方式的变焦透镜，其为将上述的基本单位沿着光轴方向 串列式排列的结构。在一个基板21上设置多个电极22a、22b、23a、23b、24a、24b...，向相邻的电极对施加相反的电压。根据这种元件结构，能够以更低的电压得到较大的透镜效果。关于电极对的数量，只要在2个以上，则既可以为偶数，也可以为奇数。

(2轴变焦透镜)

如上所述，实现通常的球面透镜时，将两个基本单位元件沿着光轴方向(x轴)串联且使施加电场的方向互相成90度角度即可。但是，如果采用KTN等具有反演对称性的单晶材料，那么，如图4所示，由于偏振的影响，透镜效果有时会完全从凸透镜变成凹透镜。为了实现球面透镜，向第一基本单位元件入射电场在z轴方向发生振动的光，在z轴方向会聚之后，将该光直接入射至旋转90度的第二基本单位元件。然而，根据该结构，光向y轴方向发散，因此不起到球面透镜的功能。

为了正常起到球面透镜的功能，在向第二基本单位元件入射之前，必须与该元件相应地使偏振方向旋转90度。因此，成为在第一基本单位元件和第二基本单位元件之间插入有偏振旋转元件的结构。偏振旋转元件有多种，但是，最普遍使用的是半波片。

半波片是使两个互相正交的偏振波之间产生相当于半波长的相位差、即、π弧度的相位差的光学元件。典型的半波片由将双折射材料加工成的板状物构成。如KTN等具有反演对称性的单晶材料中通常不会发生双折射现象，但是，通过向一方向施加电场，就会在与电场平行的方向和与该方向正交的方向上产生双折射。可利用该性质由KTN构成半波片。

图7图示了本发明第三实施方式的变焦透镜的结构。在2轴变焦透镜中，沿着光轴方向(x轴)串列式设置有第一基本单位元件31、KTN半波片32以及第二基本单位元件33。第一基本单位元件31和第二基本单位元件33被设置为：沿着与光轴垂直的方向施加电场，并且，电场的施加方向互相成90度角度(在图7中，y轴、z轴)。KTN半波片32的形状为长方体形状，在相对的两个面的几乎整个面上形成有电极膜。通过向该电极对施加电压，从而均匀地形成垂直于上述两个 面的电场。该电场的方向与第一基本单位元件31和第二基本单位元件33的电场的施加方向成45度角度。由此，从第一基本单位元件31中透过的光的偏振旋转90度。

在半波片与作为上述基本单位元件的柱面变焦透镜同样地也由KTN构成的情况下，将两个由电光材料构成的基板成型为一体，并将用于第一基本单位元件31的电极、用于KTN半波片32的电极、用于第二基本单位元件33的电极依次排列并进行安装。由此，也能够构成一体化的球面变焦透镜。

(显微镜)

以上，对本实施方式的变焦透镜进行了说明。在显微镜的光学系统中，适合使用如图7所示的2轴变焦透镜。半波片既可以由KTN制成，还可以由普通的石英、云母、树脂等制成。

图8图示了本发明一实施方式的显微镜的结构。在显微镜中，通过透镜43(物镜)使测量对象41所发出的光变成平行光，并通过2轴变焦透镜47进行调焦，并通过透镜44使光线再度进行会聚。在会聚的点的位置上设置直径大致与光斑直径相同的针孔45，并通过光检测器46对透过的光的功率进行测量。

在没有2轴变焦透镜的情况下，与如图1所示的相同，光线变为近似平行的光线，下部的黑点所示的测量对象41成为观测位置。即使插入有2轴变焦透镜47，在断电状态(电压为0的状态)下，平行光线直接作为平行光线透过，因此，同样地，下部的黑点所示的测量对象41成为观测位置。其中，当向2轴变焦透镜47施加电压时，由于该透镜的聚光作用，光线如图8的虚线所示那样发生变化，其结果，观测位置移动至上方的测量对象42。

由此，可望提高共聚焦显微镜在高度方向上的扫描速度，与机械式的操作相比，最多可带来5位数程度的改善。若根据需求，在2轴变焦透镜47和透镜44之间，或者，在透镜43和2轴变焦透镜47之间插入2维光束偏向器，则能够进行快速的3维操作。

另外，本实施方式并不限于共聚焦显微镜，还可以在通常的显微镜的光学系统中插入变焦透镜。在通常的光学系统的情况下，不需要 图8所示的光检测器和针孔，透镜44采用目镜等光学系统即可。

另外，在上述的显微镜的说明中，假设2轴变焦透镜为凸透镜而进行了说明，但是，还可以通过改变偏振等而用作凹透镜。

实施例

如图2所示，在由电光材料加工成板状的基板11的上面及下面形成阳极12和阴极13以及阴极14和阳极15。由KTN单晶切割出块，并成型为7mm×7mm×(厚度T＝)4mm的形状从而得到基板11。基板11的六个面都与晶体的(100)面平行，并进行了光学抛光。由于该KTN单晶的晶相转变温度为35℃，因此使用稍微超过该温度的40℃。在该温度下的介电常数为20,000。四个电极为0.8mm×7mm的条状，将同一面上的电极的间隔设为4mm。两个电极对通过在基板11的7mm×7mm面上沉积铂(Pt)来形成。电极的各边与基板11的边平行。

在将温度控制在40℃的状态下，向上述变焦透镜入射准直的激光。光的偏振为直线偏振且振动场的方向为z轴方向。当向上下电极之间施加1000V电压时，从基板11出射的光在z轴方向会聚，从而起到柱面凸透镜的功能。焦距为72cm。其中，若施加的电压设为500V，则会聚效果变小，焦距变为290cm。另外，在未施加电压的情况下，当然不存在会聚效果，且焦距为无穷大。因此，通过使施加的电压在0V至1000V之间变化，从而能够使焦距从无穷大变为72cm。焦距的改变仅通过改变施加电压来实现，因此，响应时间在1μs以下，与现有的变焦透镜的响应时间相比，改善了3位数以上。

另外，在光的传播方向不变、使偏振旋转90度的情况下进行测量。即，将光的振动场的方向设为y轴方向。在该情况下起到凹透镜的功能。当施加的电压为1000V时，焦距为93cm。因此，通过使施加的电压在0V至1000V之间变化，能够使焦距从无穷大变为93cm。

如图7所示，通过组合两个上述变焦透镜和半波片来构成2轴变焦透镜。半波片采用由石英制成的半波片。两个变焦透镜具有相同的特性，通过相邻地设置所述两个变焦透镜并使其夹持半波片，当向两个变焦透镜施加相同的电压时，就能够实现与通常的球面透镜相同的 会聚效果。

进而，将上述2轴变焦透镜编入图8所示的光学系统的显微镜中。透镜43(物镜)的焦距为25mm。在未向两个变焦透镜施加电压的状态下进行对焦，在施加电压后，点对焦的位置向上方移动。施加的电压为1500V时，测量对象的观测位置从原来的位置向上方移动了1.5mm。另外，将焦点位置移动1.5mm所需的时间也不超过1μs。

Claims (17)

1.一种变焦透镜，包括：

电光材料，由具有反演对称性的单晶构成；

第一阳极，形成于所述电光材料的第一面上；

第一阴极，形成于与所述第一面相对的第二面上并且形成于与所述第一阳极相对的位置处；

第二阴极，形成于所述第一面上并且与所述第一阳极之间相互隔开；以及

第二阳极，形成于所述第二面上并且形成于与所述第二阴极相对的位置处、且与所述第一阴极之间相互隔开，

其中，

光轴被设定为：当光从与所述第一面正交的第三面入射后，所述光从由所述第一阳极和所述第一阴极构成的第一电极对之间透过，之后，从由所述第二阳极和所述第二阴极构成的第二电极对之间透过，之后，从与所述第三面相对的第四面出射，

所述第一阳极和所述第二阳极以及所述第一阴极和所述第二阴极具有条状形状，其长度方向的边全部平行，

通过改变向所述第一电极对和所述第二电极对之间施加的电压，从而改变从所述电光材料的所述第四面出射的光的焦点。

2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中：

所述电光材料为钙钛矿型单晶材料。

3.根据权利要求2所述的变焦透镜，其中：

所述电光材料为钽铌酸钾(KTN：KTa_1－XNb_XO₃，0<X<1)。

4.根据权利要求2所述的变焦透镜，其中：

所述电光材料中，晶体的主成分由化学元素周期表中的IA族和VA族构成，其中，IA族为钾，VA族包括铌、钽中的至少一个。

5.根据权利要求4所述的变焦透镜，其中：

所述电光材料还含有作为添加杂质的、化学元素周期表中除钾以外的IA族或IIA族中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中：

所述第一阳极和所述第二阳极以及所述第一阴极和所述第二阴极由与所述电光材料形成肖特基结的材料形成。

7.根据权利要求6所述的变焦透镜，其中：

将所述第一阳极和所述第二阴极之间的间隔设为G、所述电光材料的厚度设为T时，G<1.5T。

8.一种变焦透镜，包括：

电光材料，由具有反演对称性的单晶构成；以及

2N个电极，形成于所述电光材料的表面，

其中，

当1≤k≤N-1时，将形成于所述电光材料的第一面上且从光的入射侧开始的第k个电极设为第k个阳极，将形成于与所述第一面相对的第二面上且形成于与所述第k个阳极相对的位置处的电极设为第k个阴极；

将形成于所述第一面上且与所述第k个阳极之间相互隔开的电极设为第k+1个阴极，将形成于所述第二面上并形成于与所述第k+1个阴极相对的位置处且与所述第k+1个阴极之间相互隔开的电极设为第k+1个阳极；

光轴被设定为：在光从与所述第一面正交的第三面入射后，所述光从由所述第k个阳极和所述第k个阴极构成的电极对之间以及由第N个阳极和第N个阴极构成的电极对之间透过，之后，从与所述第三面相对的第四面出射；以及

所述第N个阳极和所述第N个阴极具有条状形状，其平行于所述第三面的长度方向的边全部平行，

通过改变向所述第k个电极和第N个电极之间施加的电压，能够改变从所述电光材料的所述第四面出射的光的焦点。

9.一种显微镜，其中的光学系统包括变焦透镜，其中：

在所述变焦透镜中，第一基本单位元件、半波片以及第二基本单位元件沿着光轴方向进行串列式配置，所述第一基本单位元件和所述第二基本单位元件相对光轴垂直地施加电场且设置为电场施加方向互相成90度角度，所述半波片相对于所述第一基本单位元件和所述第二基本单位元件的电场施加方向成45度角度；

所述第一基本单位元件和所述第二基本单位元件分别包括：

电光材料，由具有反演对称性的单晶构成；

第一阳极，形成于所述电光材料的第一面上；

第一阴极，形成于与所述第一面相对的第二面上并且形成于与所述第一阳极相对的位置处；

第二阴极，形成于所述第一面上并且与所述第一阳极之间相互隔开；以及

第二阳极，形成于所述第二面上并且形成于与所述第二阴极相对的位置处、且与所述第一阴极之间相互隔开，

光轴被设定为：当光从与所述第一面正交的第三面入射后，所述光从由所述第一阳极和所述第一阴极构成的第一电极对之间透过，之后，从由所述第二阳极和所述第二阴极构成的第二电极对之间透过，之后，从与所述第三面相对的第四面出射，

通过改变向所述第一电极对和所述第二电极对之间施加的电压，从而改变从所述电光材料的所述第四面出射的光的焦点。

10.根据权利要求9所述的显微镜，其中：

所述电光材料为钙钛矿型单晶材料。

11.根据权利要求10所述的显微镜，其中：

所述电光材料为钽铌酸钾(KTN：KTa_1－XNb_XO₃，0<X<1)。

12.根据权利要求10所述的显微镜，其中：

在所述电光材料中，晶体的主成分由化学元素周期表中的IA族和VA族构成，其中，IA族为钾，VA族包括铌、钽中的至少一个。

13.根据权利要求12所述的显微镜，其中：

所述电光材料还含有作为添加杂质的、化学元素周期表中除钾以外的IA族或IIA族的一种或多种。

14.根据权利要求9所述的显微镜，其中：

所述第一阳极和所述第二阳极以及所述第一阴极和所述第二阴极由与所述电光材料形成肖特基结的材料形成。

15.根据权利要求14所述的显微镜，其中：

所述第一阳极和所述第二阳极以及所述第一阴极和所述第二阴极具有条状形状，其长度方向的边全部平行。

16.根据权利要求14所述的显微镜，其中：

将所述第一阳极和所述第二阴极之间的间隔设为G、所述电光材料的厚度设为T时，G<1.5T。

17.根据权利要求9所述的显微镜，其中：

所述第一基本单位元件和所述第二基本单位元件分别包括形成于所述电光材料的表面的2N个电极；

当1≤k≤N-1时，将形成于所述电光材料的第一面上且从光的入射侧开始第k个电极设为第k个阳极，将形成于与所述第一面相对的第二面上且形成于与所述第k个阳极相对的位置处的电极设为第k个阴极；

将形成于所述第一面上且与所述第k个阳极之间相互隔开的电极设为第k+1个阴极，将形成于所述第二面上并形成于与所述第k+1个阴极相对的位置处且与所述第k+1个阴极之间相互隔开的电极设为第k+1个阳极；

光轴被设定为：光从与所述第一面正交的第三面入射后从透过由所述第k个阳极和所述第k个阴极构成的电极对之间以及由第N个阳极和第N个阴极构成的电极对之间透过，之后，从与所述第三面相对的第四面出射；

通过改变向所述第k个电极和所述第N个电极之间施加的电压，能够改变从所述电光材料的所述第四面出射的光的焦点。