JP2012042900A - Polarization independent variable focus lens - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a variable focus lens capable of changing a focal length at high speed without depending on polarized light of incident light.SOLUTION: A polarization independent variable focus lens includes an electrooptical material including a single crystal having inversion symmetry, multiple electrode pairs each of which is formed on a first surface of the electrooptical material and a second surface opposed to the first surface and formed at positions facing each other, a first basic unit element, in which a cylindrical variable focus lens that varies a focal point of light to be passed through the electrooptical material by changing applied voltages between the electrode pairs is defined as a unit element, a polarization rotating element which rotates linearly polarized light of light which has been passed through the first basic unit element by 90 degrees, and a second basic unit element which is arranged such that light which has been passed through the polarization rotating element is converged in the same direction with the first basic unit element.

Description

本発明は、可変焦点レンズに関し、より詳細には、電気光学効果を有する光学材料を用いて、焦点距離を変更可能とした可変焦点レンズに関する。   The present invention relates to a variable focus lens, and more particularly to a variable focus lens that can change a focal length using an optical material having an electro-optic effect.

従来、光学レンズ、プリズムなどの光学部品は、カメラ、顕微鏡、望遠鏡などの光学機器、プリンタ、コピー機など電子写真方式の記録装置、DVDなどの光記録装置、通信用、工業用の光デバイス等に用いられている。通常の光学レンズは、焦点距離が固定されているが、上述の機器、装置の中には、状況に応じて焦点距離を調整することのできるレンズ、いわゆる可変焦点レンズを用いる場合がある。従来の可変焦点レンズは、複数のレンズを組み合わせて、機械的に焦点距離を調整する。しかしながら、このような機械式の可変焦点レンズは、応答速度・製造コスト・小型化・消費電力などの点から、適用範囲を広げることには限界があった。   Conventionally, optical components such as optical lenses and prisms are optical devices such as cameras, microscopes, and telescopes, electrophotographic recording devices such as printers and copiers, optical recording devices such as DVDs, optical devices for communication, industrial use, etc. It is used for. A normal optical lens has a fixed focal length. However, a lens that can adjust the focal length according to the situation, a so-called variable focus lens may be used in the above-described devices and apparatuses. The conventional variable focus lens mechanically adjusts the focal length by combining a plurality of lenses. However, such a mechanical variable focus lens has a limit in extending the application range from the viewpoint of response speed, manufacturing cost, miniaturization, power consumption, and the like.

そこで、光学レンズを構成する透明媒質に、屈折率を可変できる物質を適用した可変焦点レンズ、光学レンズの位置を動かすのではなく、機械的に光学レンズの形状を変形させる可変焦点レンズなどが考え出された。前者の可変焦点レンズとして、光学レンズとして液晶を利用した可変焦点レンズが提案されている。この可変焦点レンズは、2枚のガラス板で液晶を挟み込むなどして、透明物質でできた容器に液晶を封じ込めている。この容器の内側を球面上に加工して、液晶をレンズ形状に成形すると、可変焦点レンズを構成することができる。この容器の内側には透明電極が設けられ、液晶に電界をかけることによって屈折率を制御し、焦点距離を可変制御する(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, a variable focus lens in which a material capable of changing the refractive index is applied to the transparent medium constituting the optical lens, a variable focus lens that mechanically deforms the shape of the optical lens, instead of moving the position of the optical lens, etc. It was issued. As the former variable focus lens, a variable focus lens using liquid crystal as an optical lens has been proposed. This variable focus lens encloses the liquid crystal in a container made of a transparent material by sandwiching the liquid crystal between two glass plates. When the inside of the container is processed into a spherical surface and the liquid crystal is molded into a lens shape, a variable focus lens can be configured. A transparent electrode is provided inside the container, and the refractive index is controlled by applying an electric field to the liquid crystal, and the focal length is variably controlled (see, for example, Patent Document 1).

後者の可変焦点レンズとして、変形するレンズの材料は、液体が用いられることが多い。例えば、非特許文献1に記載された可変焦点レンズは、ガラス板に挟まれた空間に、シリコンオイルなどの液体を封入した構造を有している。ガラス板は、薄く加工されており、外部からチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)ピエゾアクチュエータによって、ガラス板に圧力をかけることにより、オイルとガラス板全体で構成されるレンズを変形させ、焦点位置を制御する。   As the latter variable focus lens, liquid is often used as the material of the deformable lens. For example, the variable focus lens described in Non-Patent Document 1 has a structure in which a liquid such as silicon oil is sealed in a space sandwiched between glass plates. The glass plate is thinly processed. By applying pressure to the glass plate with a lead zirconate titanate (PZT) piezo actuator from the outside, the lens composed of the oil and the entire glass plate is deformed, and the focal position is adjusted. Control.

特開平11−64817号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-64817

金子卓他、「可変焦点レンズを用いた長焦点深度視覚機構」、デンソーテクニカルレビュー、Vol.3, No.1, p.52-58, 1998Takashi Kaneko et al., "Long focal depth visual mechanism using variable focus lens", Denso Technical Review, Vol.3, No.1, p.52-58, 1998

しかしながら、従来の可変焦点レンズは、機械的に焦点距離を調整する可変焦点レンズ、液晶に電界をかけて屈折率を制御する可変焦点レンズ、およびPZTピエゾアクチュエータによりレンズを変形させる可変焦点レンズのいずれも、焦点距離を変更するのに要する応答速度に限界があり、1ms以下の高速応答に適用することができないという問題があった。   However, the conventional variable focus lens includes any one of a variable focus lens that mechanically adjusts the focal length, a variable focus lens that controls the refractive index by applying an electric field to liquid crystal, and a variable focus lens that deforms the lens by a PZT piezoelectric actuator. However, the response speed required to change the focal length is limited, and there is a problem that it cannot be applied to a high-speed response of 1 ms or less.

本発明の目的は、入射光の偏光に依存せず、焦点距離の変更を高速に行うことができる可変焦点レンズを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a variable focus lens that can change the focal length at high speed without depending on the polarization of incident light.

このような目的を達成するために、本発明の一実施態様は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の第1の面と、該第1の面に対向する第2の面とにそれぞれ向かい合う位置に形成された複数の電極対とを備え、該電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過する光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズを基本単位素子とし、第1の基本単位素子と、該第1の基本単位素子を透過した光の直線偏光を90度回転させる偏光回転素子と、該偏光回転素子を透過した光を、前記第1の基本単位素子と同一方向に集光するように配置された第2の基本単位素子とを備えたことを特徴とする。   In order to achieve such an object, an embodiment of the present invention is directed to an electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry, a first surface of the electro-optic material, and facing the first surface. A plurality of electrode pairs formed at positions facing each of the second surfaces, and changing the applied voltage between the electrode pairs to change the focal point of the light transmitted through the electro-optic material. Using the focal lens as a basic unit element, a first basic unit element, a polarization rotating element that rotates the linearly polarized light of the light transmitted through the first basic unit element by 90 degrees, and light transmitted through the polarization rotating element, And a second basic unit element arranged so as to collect light in the same direction as the first basic unit element.

前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料が好適であり、典型的にはタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN:KTa1-xNbx3、0<x<1)を用いることができる。また、前記電気光学材料は、結晶の主成分が、周期律表Ia族とVa族から構成されており、Ia族はカリウムであり、Va族はニオブ、タンタルの少なくとも1つを含むことができ、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ia族、例えばリチウム、またはIIa族の1または複数種を含むこともできる。 The electro-optic material is preferably a perovskite single crystal material, typically potassium tantalate niobate (KTN: KTa 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1). In the electro-optic material, the main component of the crystal is composed of groups Ia and Va in the periodic table, group Ia is potassium, and group Va can contain at least one of niobium and tantalum. Furthermore, it is also possible to include one or more members of Group Ia of the periodic table excluding potassium as an additive impurity, for example, lithium, or Group IIa.

以上説明したように、本発明によれば、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、電気光学材料の表面に形成された2組の電極とを備え、電極対の間の印加電圧を変えることにより、出射された光の焦点を可変することができる可変焦点レンズを構成し、この可変焦点レンズを1対または2対と半波長板を配置することにより、偏光の向きによらない可変焦点レンズを実現することが可能となる。   As described above, according to the present invention, an electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry and two sets of electrodes formed on the surface of the electro-optic material, the applied voltage between the electrode pair By configuring the variable focus lens, the focal point of the emitted light can be varied, and by arranging one or two pairs of this variable focus lens and a half-wave plate, it does not depend on the direction of polarization. A variable focus lens can be realized.

本発明の第1の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the variable focus lens concerning the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施形態にかかる可変焦点レンズの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the variable focus lens concerning 1st Embodiment. 第1の実施形態にかかる可変焦点レンズの光路長の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the optical path length of the variable focus lens concerning 1st Embodiment. 可変焦点レンズの偏光無依存化の例を示す図である。It is a figure which shows the example of polarization independence of a variable focus lens. 2つの数値計算法による可変焦点レンズの光路長分布の違いを示す図である。It is a figure which shows the difference in the optical path length distribution of the variable focus lens by two numerical calculation methods. 本発明の第2の実施形態にかかる偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the polarization independent variable focus lens concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態にかかる2軸化偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the biaxial polarization independent variable focus lens concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態にかかる偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the polarization independent variable focus lens concerning the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the variable focus lens concerning the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第8の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the variable focus lens concerning the 8th Embodiment of this invention. 本発明の第9の実施形態にかかる偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the polarization independent variable focus lens concerning the 9th Embodiment of this invention. 実施例3にかかる2軸化偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す図である。6 is a diagram illustrating a configuration of a biaxial polarization-independent variable focus lens according to Example 3. FIG.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の可変焦点レンズは、電気光学材料と、これに取付けた電極から構成される。電気光学効果を利用することにより、従来の可変焦点レンズと比較して、はるかに高速な応答速度を得ることができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The variable focus lens of this embodiment is composed of an electro-optic material and an electrode attached thereto. By utilizing the electro-optic effect, a much faster response speed can be obtained as compared with a conventional variable focus lens.

本発明は、偏光依存の可変焦点レンズを2つ以上組み合わせて、偏光に依存しない可変焦点レンズを提供する。最初に、構成単位である偏光依存の可変焦点レンズについて説明する。   The present invention provides a variable focus lens independent of polarization by combining two or more polarization dependent variable focus lenses. First, a polarization-dependent variable focus lens that is a structural unit will be described.

(シリンドリカル可変焦点レンズの構成)
図1に、本発明の第1の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板1の上面(第1の面)および下面(第2の面)に、帯状の電極4つが形成されている。光の入射側の上部電極として陽極2(第1の陽極)、基板1を挟んで下部電極として陰極3(第1の陰極)が配置されている。さらに、これら電極対とは間隔を置き、光の出射側にもう一対の電極が配置されおり、上部電極が陰極4(第2の陰極)であり、下部電極が陽極5(第2の陽極)である。帯状の4つ電極は、長手方向の辺がすべて平行となる形状を有している。
(Configuration of cylindrical variable focus lens)
FIG. 1 shows the configuration of a variable focus lens according to the first embodiment of the present invention. Four strip-shaped electrodes are formed on the upper surface (first surface) and the lower surface (second surface) of the substrate 1 obtained by processing the electro-optic material into a plate shape. An anode 2 (first anode) is disposed as an upper electrode on the light incident side, and a cathode 3 (first cathode) is disposed as a lower electrode across the substrate 1. Further, another pair of electrodes is disposed on the light emission side, with a distance from these electrode pairs, the upper electrode being the cathode 4 (second cathode), and the lower electrode being the anode 5 (second anode). It is. The four strip-shaped electrodes have a shape in which all the sides in the longitudinal direction are parallel.

光は、電極を配置した面と直交する面(第3の面)から入射され、基板1の内部をx軸方向に進行し、陽極2と陰極3の間を、これらの帯状電極の長手方向とは垂直な方向に透過する。次いで、陰極4と陽極5との間を透過してから、入射した面と対向する面(第4の面)から空気中へと出射するように設定する。   Light enters from a surface (third surface) perpendicular to the surface on which the electrodes are arranged, travels in the x-axis direction inside the substrate 1, and between the anode 2 and the cathode 3, the longitudinal direction of these strip electrodes Transmits in the vertical direction. Next, after passing between the cathode 4 and the anode 5, it is set so as to be emitted into the air from the surface (fourth surface) opposite to the incident surface.

このような構成において、陽極と陰極との間に電圧を印加する。光の入射側の電極対と光の出射側の電極対とは、電圧をかける向き(z軸方向)が互いに逆になっている。陽極2と陽極5との電位は異なっていてもよく、陰極3と陰極4の電位も同様である。なお、陽極2,5の低いほうの電位は、陰極3,4の高いほうの電位よりも高くなるように設定する。   In such a configuration, a voltage is applied between the anode and the cathode. The direction of applying a voltage (z-axis direction) is opposite between the light incident side electrode pair and the light emission side electrode pair. The potentials of the anode 2 and the anode 5 may be different, and the potentials of the cathode 3 and the cathode 4 are the same. The lower potential of the anodes 2 and 5 is set to be higher than the higher potential of the cathodes 3 and 4.

このとき、これら電極の間には電界の分布が発生し、基板1の有する電気光学効果によって屈折率が変調される。屈折率の変調された部分を光が透過する時、この屈折率分布によって光は屈曲させられ、その結果、光は集光あるいは発散させられる。集光される場合、図1の構造によれば、シリンドリカル凸レンズとして機能し、発散される場合は、シリンドリカル凹レンズとして機能する。このようにして、光は、1軸方向に集光または発散されるので、1軸変調という。また、印加する電圧によって光の屈曲の度合いが変化するので、焦点距離を電圧によって制御することができる。   At this time, an electric field distribution is generated between these electrodes, and the refractive index is modulated by the electro-optic effect of the substrate 1. When light is transmitted through the refractive index modulated portion, the light is bent by this refractive index distribution, and as a result, the light is condensed or diverged. When condensed, according to the structure of FIG. 1, it functions as a cylindrical convex lens, and when diverged, it functions as a cylindrical concave lens. In this way, the light is condensed or diverged in the uniaxial direction, and thus is called uniaxial modulation. Further, since the degree of bending of light changes depending on the applied voltage, the focal length can be controlled by the voltage.

電気光学効果は、電圧の印加から遅く見積もっても1μs以下の時間で応答するので、従来の可変焦点レンズよりも著しく高速に応答する可変焦点レンズを実現することができる。以上説明したように、図1に示した素子はシリンドリカル可変焦点レンズであり、様々なレンズを構成する基本単位となる。通常の球面レンズを実現するためには、基本単位素子として、2つのシリンドリカル可変焦点レンズと、その間に挿入された半波長板とを組み合わせ、2つの基本単位素子を、光軸を中心に互いに90度の角度をなすように配置する。このようにして、光は、2軸方向に集光または発散されるので、2軸変調という。なお、本実施形態では基板1の材料として、電気光学効果を有する材料の中でも、特に反転対称性を有する結晶からなる材料を用いることを特徴としており、その理由については後述する。   The electro-optic effect responds in a time of 1 μs or less even if it is late estimated from the application of the voltage. Therefore, it is possible to realize a variable focus lens that responds significantly faster than the conventional variable focus lens. As described above, the element shown in FIG. 1 is a cylindrical variable focus lens and is a basic unit constituting various lenses. In order to realize a normal spherical lens, two cylindrical variable focus lenses and a half-wave plate inserted between them are combined as basic unit elements, and the two basic unit elements are 90.degree. Arrange them at an angle of degrees. In this way, the light is condensed or diverged in the biaxial direction, which is called biaxial modulation. In the present embodiment, the material of the substrate 1 is characterized by using a material made of a crystal having inversion symmetry, among materials having an electro-optic effect, and the reason will be described later.

以下、図2を参照して、屈折率の変調の様子とレンズとしての機能を詳述する。図2は、図1に示した可変焦点レンズの側面をy軸方向から見た様子を示している。基板1は、4つの電極に電圧を印加しない時には、屈折率が均一であるため、光はそのまま変調を受けずに透過する。従って、レンズの機能はない。しかし、平面波を入射したときには、基板1から出射される光の波面は平面のままで、曲率半径は無限大であることを考慮すると、焦点距離無限大のレンズとみなすこともできる。   Hereinafter, the state of refractive index modulation and the function as a lens will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 shows a side view of the variable focus lens shown in FIG. 1 as viewed from the y-axis direction. The substrate 1 has a uniform refractive index when no voltage is applied to the four electrodes, so that light passes through without being modulated. Therefore, there is no lens function. However, when a plane wave is incident, the wavefront of the light emitted from the substrate 1 remains a plane, and it can be regarded as a lens with an infinite focal length considering that the radius of curvature is infinite.

4つの電極に電圧を印加した時には、これらの電極の間に、図2に示したような電気力線6が発生する。電気力線6は、陽極2と陰極3との間、陰極4と陽極5との間のみならず、これらの電極の外側にも大きく広がって生成される。電気力線が生成されているということは、言い換えると電界が発生している。このとき、基板1が電気光学効果を有するため、基板1内部の電界が発生している箇所では屈折率が変調される。基板1の内部において、4つの電極の付近、すなわち基板1の表面付近では、電界が大きく、屈折率変化が大きい。これに対して基板1の中央部分(すべての軸方向における中央付近)では、電界が比較的小さく、屈折率変化が小さい。   When voltages are applied to the four electrodes, electric lines of force 6 as shown in FIG. 2 are generated between these electrodes. The electric lines of force 6 are generated not only between the anode 2 and the cathode 3 and between the cathode 4 and the anode 5 but also widely spread outside these electrodes. The generation of electric lines of force means that an electric field is generated. At this time, since the substrate 1 has an electro-optic effect, the refractive index is modulated at a portion where an electric field is generated inside the substrate 1. Inside the substrate 1, in the vicinity of the four electrodes, that is, in the vicinity of the surface of the substrate 1, the electric field is large and the refractive index change is large. On the other hand, in the central part of the substrate 1 (near the center in all axial directions), the electric field is relatively small and the refractive index change is small.

図2の右側には、屈折率変化分の分布を表す屈折率変調曲線7を模式的に示している。屈折率変調曲線の縦軸は、z軸の座標、横軸は電圧をかけないときからの屈折率の変化分Δnである。図2においては、屈折率は、全体的にマイナス方向に変化している様子が示されているが、基板1の表面付近では変調が大きく、したがって屈折率変化分Δnとしては小さくなる。一方、中央部付近では変調が小さく、したがって屈折率変化分Δnとしては、表面付近ほどには小さくなっていない。このような屈折率分布の中を光が透過すると、基板1の中央部の光の速度に比べて表面付近の光の速度が速いため、凸レンズとして機能する。すなわち、電圧をかけていない場合の無限大の焦点距離から、有限の焦点距離へと、焦点が移動する。   The right side of FIG. 2 schematically shows a refractive index modulation curve 7 representing a distribution of refractive index change. The vertical axis of the refractive index modulation curve is the z-axis coordinate, and the horizontal axis is the refractive index change Δn from when no voltage is applied. FIG. 2 shows that the refractive index changes in the negative direction as a whole, but the modulation is large in the vicinity of the surface of the substrate 1, and therefore the refractive index change Δn is small. On the other hand, the modulation is small in the vicinity of the central portion, and therefore the change in refractive index Δn is not as small as the vicinity of the surface. When light passes through such a refractive index distribution, it functions as a convex lens because the speed of light near the surface is higher than the speed of light at the center of the substrate 1. That is, the focal point moves from an infinite focal length when no voltage is applied to a finite focal length.

(電気光学材料)
電気光学効果には、いくつかの次数の異なる電気光学効果が含まれるが、一般的には、1次の電気光学効果(以下、ポッケルス効果という)が利用されている。ポッケルス効果は、屈折率変化が電界に比例する。図1、2に示した構成においては、陽極2と陰極3との間と、陰極4と陽極5との間では、電界の向きが逆になり、屈折率分布も逆になる。従って、 ポッケルス効果を利用すると、光がこれら2つの電極対の間を透過すると、屈折率分布による光の偏向が正負で相殺されてしまい、レンズとしての機能を奏さない。
(Electro-optic material)
The electro-optic effect includes several different-order electro-optic effects, but generally, a first-order electro-optic effect (hereinafter referred to as Pockels effect) is used. In the Pockels effect, the refractive index change is proportional to the electric field. In the configuration shown in FIGS. 1 and 2, the direction of the electric field is reversed and the refractive index distribution is also reversed between the anode 2 and the cathode 3 and between the cathode 4 and the anode 5. Therefore, when the Pockels effect is used, when light passes between these two electrode pairs, the deflection of the light due to the refractive index distribution is canceled out between positive and negative, and the lens function is not achieved.

これに対して、2次の電気光学効果(以下、カー効果という)を利用すると、屈折率変化は電界の二乗に比例する。従って、陽極2と陰極3との間と、陰極4と陽極5との間とで、電界の向きが逆になっても、屈折率分布は同じになるので、光の偏向が相殺されることなく、強めあう。   On the other hand, when the secondary electro-optic effect (hereinafter referred to as the Kerr effect) is used, the refractive index change is proportional to the square of the electric field. Therefore, even if the direction of the electric field is reversed between the anode 2 and the cathode 3 and between the cathode 4 and the anode 5, the refractive index distribution is the same, so that the light deflection is canceled out. We will strengthen each other.

多くの電気光学材料は、反転対称性を有しておらず、ポッケルス効果を発現する。これに対して、一部の電気光学材料は、反転対称性を有しており、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。従って、本実施形態の基板1を構成する電気光学材料としては、反転対称性を有する材料を用いることが重要である。   Many electro-optic materials do not have inversion symmetry and develop a Pockels effect. On the other hand, some electro-optic materials have inversion symmetry, do not exhibit the Pockels effect, and the Kerr effect is dominant. Therefore, it is important to use a material having inversion symmetry as the electro-optic material constituting the substrate 1 of the present embodiment.

一般に誘電体は、外部から電界を印加すると、それに比例した分極が発生するが、電界を取り去ると、分極はゼロに戻る。しかし、電界を取り去っても有限の分極が残る物質が存在する。外部電界がなくても存在する分極を自発分極という。この自発分極を、外部電界によって向きを反転させることができる物質が存在し、これを強誘電体という。   In general, when an electric field is applied from the outside to a dielectric, polarization proportional to the electric field is generated, but when the electric field is removed, the polarization returns to zero. However, there are substances that retain finite polarization even when the electric field is removed. Polarization that exists even without an external electric field is called spontaneous polarization. There exists a substance capable of reversing the direction of this spontaneous polarization by an external electric field, which is called a ferroelectric.

反転対称性を有する単結晶とは、原子の配列を、ある原点を中心としてx,y,z座標系で反転したとき、元の原子の配列と完全に同じ配列となる結晶をいう。自発分極を有する結晶を、座標軸上で反転すると、自発分極の向きが反転するので、このような結晶は反転対称性を有するとはいえない。従って、強誘電体は自発分極を有するので、反転対称性を有していない。   A single crystal having inversion symmetry refers to a crystal that has the same arrangement as the original arrangement of atoms when the arrangement of atoms is inverted in the x, y, z coordinate system around a certain origin. When a crystal having spontaneous polarization is inverted on the coordinate axis, the direction of spontaneous polarization is inverted, so that such a crystal cannot be said to have inversion symmetry. Therefore, since the ferroelectric has spontaneous polarization, it does not have inversion symmetry.

一方、自発分極を有していても、それを外部電界で反転することができない物質も存在する。このような物質は、反転対称性を有していないが、強誘電体でもないので、反転対称性を有していない物質が全て強誘電体であるわけではない。また、強誘電体であって、かつ反転対称性を有するということは、ありえない。   On the other hand, there are substances that have spontaneous polarization but cannot be inverted by an external electric field. Such a material does not have inversion symmetry, but is not a ferroelectric material. Therefore, not all materials that do not have inversion symmetry are ferroelectric materials. Further, it cannot be a ferroelectric and has inversion symmetry.

反転対称性を有する電気光学材料としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料がある。ペロブスカイト型単結晶材料は、使用温度を適切に選択すれば、使用状態において反転対称性を有する立方晶相となる。立方晶相においては、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。例えば、最もよく知られたチタン酸バリウム(BaTiO3、以下BTという)でも、120℃付近において正方晶相から立方晶相へ相転移する温度(以下、相転移温度という)を超えた温度であれば、立方晶相となり、カー効果を発現する。 As an electro-optic material having inversion symmetry, there is a single crystal material having a perovskite crystal structure. The perovskite single crystal material becomes a cubic phase having inversion symmetry in the use state if the use temperature is appropriately selected. In the cubic phase, the Pockels effect is not expressed and the Kerr effect is dominant. For example, even the most well-known barium titanate (BaTiO 3 , hereinafter referred to as BT) may exceed the temperature at which the phase transition from the tetragonal phase to the cubic phase (hereinafter referred to as the phase transition temperature) occurs at around 120 ° C. For example, it becomes a cubic phase and exhibits the Kerr effect.

また、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN:KTa1-xNbx3、0<x<1)を主成分とする単結晶材料は、より好適な特徴を有する。BTは相転移温度が決まっているのに対し、KTNは、タンタルとニオブの組成比により、相転移温度を選択することができる。これにより、室温付近に相転移温度を設定することができる。KTNは、相転移温度よりも高い温度であれば立方晶相となり、反転対称性を有し、大きなカー効果を有する。同じ立方晶相にあっても、より相転移温度に近い方が、カー効果が圧倒的に大きくなる。このため、室温付近に相転移温度を設定することは、大きなカー効果を簡便に実現する上で、非常に重要である。 A single crystal material mainly composed of potassium tantalate niobate (KTN: KTa 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1) has more preferable characteristics. BT has a predetermined phase transition temperature, whereas KTN can select a phase transition temperature depending on the composition ratio of tantalum and niobium. Thereby, the phase transition temperature can be set near room temperature. KTN has a cubic phase at a temperature higher than the phase transition temperature, has inversion symmetry, and has a large Kerr effect. Even in the same cubic phase, the Kerr effect becomes overwhelmingly closer to the phase transition temperature. For this reason, setting the phase transition temperature around room temperature is very important for easily realizing a large Kerr effect.

さらに、KTNに関連する単結晶材料として、結晶の主成分が、周期律表Ia族とVa族から構成されており、Ia族はカリウムであり、Va族はニオブ、タンタルの少なくとも1つを含む材料を用いることができる。また、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ia族、例えばリチウム、またはIIa族の1または複数種を含むこともできる。例えば、立方晶相のKLTN(K1-yLiyTa1-xNbx3、0<x<1、0<y<1)結晶を用いることもできる。 Further, as a single crystal material related to KTN, the main component of the crystal is composed of periodic group Ia group and Va group, group Ia is potassium, and group Va includes at least one of niobium and tantalum. Materials can be used. Moreover, 1 or multiple types of periodic table group Ia except potassium as an additional impurity, for example, lithium, or IIa group can also be included. For example, a cubic phase KLTN (K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1, 0 <y <1) crystal may be used.

(光路長変調)
ここでは、光路長変調について詳述する。図2の構成においてレンズの特性は、下記の式のように、屈折率変化分Δnを光の進行経路(長さL)にわたって積分した光路長変調Δsによって評価する。
(Optical path length modulation)
Here, the optical path length modulation will be described in detail. In the configuration of FIG. 2, the characteristics of the lens are evaluated by an optical path length modulation Δs obtained by integrating the refractive index change Δn over the light traveling path (length L) as in the following equation.

Figure 2012042900
Figure 2012042900

ただし、図2の構成において、偏光は、光電界の向きがy軸方向の場合と、z軸方向の場合の2種類がある。それぞれの場合に、光が感じる屈折率変調Δnは異なるので、光路長変調Δsも異なる。 However, in the configuration of FIG. 2, there are two types of polarized light, when the direction of the optical electric field is the y-axis direction and when the direction is the z-axis direction. In each case, the refractive index modulation Δn felt by the light is different, so the optical path length modulation Δs is also different.

図3に、第1の実施形態にかかる可変焦点レンズの光路長の例を示す。縦軸は、光電界の向きがz軸方向の場合について、光路長変調Δsを数値計算により求めたものである。比誘電率は20,000、基板1の長さLを7mm、z軸方向の基板の厚さを4mm、4つの電極の幅を0.8mm、同一面上の電極の間隔を4mm、電圧を1000Vとして計算した。図3の横軸は、図2に示したz座標における基板1の中央を原点とし、原点からの変位を示す。Δsの分布は、上に凸の曲線を成しており、この素子がシリンドリカル凸レンズとして機能することを表す。この例では凸レンズであるが、前述のように偏光によって光路長変調が異なるので、凹レンズになることもある。   FIG. 3 shows an example of the optical path length of the variable focus lens according to the first embodiment. The vertical axis represents the optical path length modulation Δs obtained by numerical calculation when the direction of the optical electric field is the z-axis direction. The relative dielectric constant is 20,000, the length L of the substrate 1 is 7 mm, the thickness of the substrate in the z-axis direction is 4 mm, the width of the four electrodes is 0.8 mm, the distance between the electrodes on the same plane is 4 mm, and the voltage is It was calculated as 1000V. The horizontal axis of FIG. 3 shows the displacement from the origin with the center of the substrate 1 in the z coordinate shown in FIG. 2 as the origin. The distribution of Δs forms an upward convex curve, and this element functions as a cylindrical convex lens. In this example, the lens is a convex lens. However, since the optical path length modulation differs depending on the polarization as described above, the lens may be a concave lens.

(偏光無依存可変焦点レンズ)
反転対称性のある単結晶材料は、等方性であってレンズ効果も偏光に依存しないように思われがちであるが、以上述べてきたように、印加電圧によって生成される電界成分と、光の電界成分とが平行であるかどうかによって、レンズ効果は異なり、偏光に依存した可変焦点レンズとなる。レンズ効果が偏光に依存しないようにするためには、光を、振動電界の方向が互いに直交する2つの偏光に分けて、それぞれについて偏光依存の可変焦点レンズによって変調を行い、しかる後にもう一度2つの偏光を合成する必要がある。
(Polarization-independent variable focus lens)
Single crystal materials with inversion symmetry tend to be isotropic and the lens effect does not depend on polarization, but as described above, the electric field component generated by the applied voltage and the light Depending on whether or not the electric field component is parallel, the lens effect differs, resulting in a variable focus lens depending on polarization. In order to make the lens effect independent of the polarization, the light is divided into two polarizations whose directions of the oscillating electric field are orthogonal to each other, and each of them is modulated by a polarization-dependent variable focus lens, and then, two times again. It is necessary to synthesize polarized light.

図4に、可変焦点レンズの偏光無依存化の例を示す。偏光無依存化のための光学系では、入射光8を、偏向ビームスプリッタ(以下、PBSと略記する)11によって、2つの互いに直交する偏光成分に分波する。透過する分枝20は、紙面と平行な光電界を有し、反射する分枝21は、紙面に垂直な光電界を有する。分枝20は、鏡12で反射して、図1,2にて説明した可変焦点レンズの基本単位素子13に入射する。このとき、分枝20は、光電界が基本単位素子13において電極が形成されている2つの面に対して垂直であるため、図3と同じ光路長分布の変調を受ける。   FIG. 4 shows an example of making the variable focus lens polarization independent. In the optical system for making polarization independent, the incident light 8 is demultiplexed into two mutually orthogonal polarization components by a deflecting beam splitter (hereinafter abbreviated as PBS) 11. The penetrating branch 20 has an optical electric field parallel to the paper surface, and the reflecting branch 21 has an optical electric field perpendicular to the paper surface. The branch 20 is reflected by the mirror 12 and enters the basic unit element 13 of the variable focus lens described with reference to FIGS. At this time, the branch 20 is modulated in the same optical path length distribution as that in FIG. 3 because the optical electric field is perpendicular to the two surfaces on which the electrodes are formed in the basic unit element 13.

一方の分枝21は、鏡14で反射して、直接、基本単位素子15に入射すると、光電界は、基本単位素子15の電極面に対して平行になるため、分枝20とは偏光関係が異なり、したがって異なる光路長分布の変調を受けることになる。分枝21の変調を分枝20と等しくするためには、半波長板16を用いて光電界方向を90度回転させる必要がある。これにより、分枝20と分枝21とは、同じ光路長分布の変調を受けるので、もう一つのPBS17で合波して出射光22とすれば、両偏光とも同等の変調を受けることになり、偏光無依存可変焦点レンズとして機能する。   When one of the branches 21 is reflected by the mirror 14 and directly enters the basic unit element 15, the optical electric field is parallel to the electrode surface of the basic unit element 15, so that it has a polarization relationship with the branch 20. Are thus different and thus subject to modulation of different optical path length distributions. In order to make the modulation of the branch 21 equal to that of the branch 20, it is necessary to rotate the optical electric field direction by 90 degrees using the half-wave plate 16. As a result, the branch 20 and the branch 21 are subjected to the modulation of the same optical path length distribution, so if they are combined by another PBS 17 to be the outgoing light 22, both polarizations are subjected to the same modulation. It functions as a polarization-independent variable focus lens.

ただし、分枝21の光は、偏光の状態により、PBS17に入射した後、そのまま直進するので、分枝20の光と合波するためには、分枝20の光をPBS17で反射させる必要がある。このために、半波長板18を用いて、偏光を90度回転させる。または、半波長板18を挿入せず、分枝20の光を、PBS17をそのまま直進透過させ、基本単位素子15とPBS17との間に半波長板を挿入し、分枝21の偏光をもう一度90度回転させてして元に戻す。分枝21の光は、PBS17で反射するので、分枝20の光と合波することができる。   However, since the light of the branch 21 enters the PBS 17 depending on the state of polarization, it travels straight as it is, so that the light of the branch 20 needs to be reflected by the PBS 17 in order to be combined with the light of the branch 20. is there. For this purpose, the half-wave plate 18 is used to rotate the polarized light by 90 degrees. Alternatively, the half-wave plate 18 is not inserted, and the light of the branch 20 is transmitted straight through the PBS 17 as it is, the half-wave plate is inserted between the basic unit element 15 and the PBS 17, and the polarization of the branch 21 is once again 90. Rotate it back and put it back. Since the light of the branch 21 is reflected by the PBS 17, it can be combined with the light of the branch 20.

以上説明したように、単純な方法では、各偏光の変調を分担する可変焦点レンズの基本単位素子2個以外に、PBS・波長板・鏡をそれぞれ2つずつ組み合わせることが必要であり、高コストであるとともに小型化も困難である。また、図4を用いて説明した偏光無依存可変焦点レンズは、シリンドリカル動作である。通常の球面レンズと同様な2軸集光を実現するためには、さらに光学系が複雑となる。   As described above, in the simple method, it is necessary to combine two PBSs, two wavelength plates, and two mirrors in addition to the two basic unit elements of the variable focus lens that shares the modulation of each polarization. However, it is difficult to reduce the size. The polarization-independent variable focus lens described with reference to FIG. 4 has a cylindrical operation. In order to realize biaxial focusing similar to that of a normal spherical lens, the optical system is further complicated.

しかし、本発明によれば、この光学系は著しく単純化することが可能で、部品点数を減らし、小型で低コストな偏光無依存可変焦点レンズを実現することができる。以下、その理由と光学系について説明する。   However, according to the present invention, this optical system can be remarkably simplified, and the number of parts can be reduced, and a small and low-cost polarization-independent variable focus lens can be realized. The reason and the optical system will be described below.

本発明の原理は、前述の通り、KTNに代表される反転対称性を持つ単結晶材料の有するカー効果によって、電界分布から屈折率分布を発生させてレンズとして機能させることにある。このカー効果による屈折率変調は、従来、電界ベクトルの成分の二乗の線形結合によって、下記のように表わされてきた。   As described above, the principle of the present invention is to generate a refractive index distribution from an electric field distribution and to function as a lens by the Kerr effect of a single crystal material having inversion symmetry represented by KTN. The refractive index modulation by the Kerr effect has conventionally been expressed as follows by the linear combination of the squares of the components of the electric field vector.

Figure 2012042900
Figure 2012042900

ここで、屈折率変調Δnyは、光電界の向きがy軸方向の場合、Δnzは、光電界の向きがz軸方向の場合である。また、n0は変調前の屈折率であり、s11とs12は電気光学係数である。 The refractive index modulation [Delta] n y, if the direction of the optical electric field in the y-axis direction, [Delta] n z is the direction of the optical field is the case of the z-axis direction. N 0 is a refractive index before modulation, and s 11 and s 12 are electro-optic coefficients.

しかし、反転対称性を有する単結晶材料は、電界を印加したときに、カー効果と同時に電歪効果も発現する。電歪効果とは、電界を印加すると結晶材料が歪む現象であり、歪(ひずみ)は電界の二乗に比例する。さらに、反転対称性を有する単結晶材料に限らず、物質は一般に、歪を発生させると、その歪に比例した屈折率変化を生ずる、いわゆる光弾性効果を発現する。このために、反転対称性を有する単結晶材料に電界を印加すると、電歪効果によって歪みが発生し、さらにその結果、光弾性効果によって屈折率が変化する。歪が電界の二乗に比例し、屈折率は歪に比例するので、原因と結果だけをみると、単純なカー効果と等価である。つまり、見かけのカー効果は、実は電歪効果と光弾性効果の合成による成分を含んでいるのが常である。   However, a single crystal material having inversion symmetry exhibits an electrostrictive effect simultaneously with the Kerr effect when an electric field is applied. The electrostrictive effect is a phenomenon in which a crystalline material is distorted when an electric field is applied, and the strain (strain) is proportional to the square of the electric field. Furthermore, not only a single crystal material having inversion symmetry but also a substance generally exhibits a so-called photoelastic effect in which when a strain is generated, a refractive index change is proportional to the strain. For this reason, when an electric field is applied to a single crystal material having inversion symmetry, distortion occurs due to the electrostrictive effect, and as a result, the refractive index changes due to the photoelastic effect. Since the strain is proportional to the square of the electric field and the refractive index is proportional to the strain, only the cause and the result are equivalent to the simple Kerr effect. That is, the apparent Kerr effect usually includes a component obtained by combining the electrostrictive effect and the photoelastic effect.

さらに、この電歪効果と光弾性効果の成分は、見かけのカー効果の支配的成分であることも分かった。支配的である電歪効果と光弾性効果による成分以外の成分を無視すると、KTNの屈折率変化は、下記のようにあらわされる。   Furthermore, it has been found that the components of the electrostrictive effect and the photoelastic effect are dominant components of the apparent Kerr effect. If components other than the dominant electrostrictive effect and photoelastic effect are ignored, the change in the refractive index of KTN is expressed as follows.

Figure 2012042900
Figure 2012042900

ここで、p11とp12は光弾性係数である。exx、eyy、ezzの3つは、歪みテンソルの成分であるが、それぞれ、x軸方向、y軸方向、z軸方向の線膨張係数と等価である。電界が均一にかかっている場合、電歪効果によれば、これら歪は次の式のように、電界成分の二乗であるEx 2とEz 2との線形結合で表わされる。 Here, p 11 and p 12 are photoelastic coefficients. Three of e xx , e yy , and e zz are distortion tensor components, which are equivalent to linear expansion coefficients in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction, respectively. When the electric field is applied uniformly, according to the electrostrictive effect, these distortions are expressed by a linear combination of E x 2 and E z 2 which are the squares of the electric field components as in the following equation.

Figure 2012042900
Figure 2012042900

この(3)式を(2)式に代入すると、結局(1)式と等価な式が現れ、その性質は、前の電気光学材料の性質に関する記述と全く矛盾しない。ところが、本発明の可変焦点レンズの基板1の内部のように、電界に分布がある場合、歪は結晶の弾性にも強く影響される。このため、(2)式は成り立っても(3)式は成り立たず、したがって(1)式は成り立たない。 Substituting this equation (3) into equation (2) eventually yields an equation equivalent to equation (1), whose properties are completely consistent with the previous description of the properties of the electro-optic material. However, when the electric field is distributed as in the substrate 1 of the variable focus lens of the present invention, the strain is strongly influenced by the elasticity of the crystal. For this reason, even if equation (2) holds, equation (3) does not hold, and therefore equation (1) does not hold.

図5に、2つの数値計算法による可変焦点レンズの光路長分布の違いを示す。単純なカー効果による計算と、歪の数値計算による計算の結果の違いを示している。実線は、光電界がy軸に平行な場合(y偏光)、破線はz軸に平行な場合(z偏光)である。○プロットは、従来の単純なカー効果の(1)式に従って計算した光路長分布、□プロットは弾性を考慮した歪を数値計算して(2)式に従って計算した光路長分布を示す。z偏光の場合は、歪計算による場合の方が、若干レンズ効果が強いものの、両者同様に凸レンズ機能を示している。一方y偏光の場合、従来のカー効果による計算結果は下に凸の形状であり、凹レンズ機能を示しているのに対して、歪計算によればレンズとしての効果が非常に小さいことが現れている。言い換えると、より正しい計算によれば、y偏光はほとんど変調を受けず、素通りすることが分かる。   FIG. 5 shows the difference in the optical path length distribution of the variable focus lens by the two numerical calculation methods. It shows the difference between the calculation result of the simple Kerr effect and the numerical calculation of strain. A solid line indicates a case where the optical electric field is parallel to the y axis (y polarization), and a broken line indicates a case where the optical field is parallel to the z axis (z polarization). The plot shows the optical path length distribution calculated according to the conventional simple Kerr effect equation (1), and the square plot shows the optical path length distribution calculated according to equation (2) by numerically calculating the strain taking elasticity into consideration. In the case of z-polarized light, although the lens effect is slightly stronger in the case of distortion calculation, the convex lens function is shown in the same manner as in both cases. On the other hand, in the case of y-polarized light, the calculation result by the conventional Kerr effect is a downward convex shape and shows a concave lens function, whereas the distortion calculation shows that the effect as a lens is very small. Yes. In other words, according to a more correct calculation, it can be seen that y-polarized light is hardly modulated and passes.

(偏光無依存可変焦点レンズの構成)
図6に、本発明の第2の実施形態にかかる偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す。前述の知見を用いれば、以下に説明する簡単な構成により、偏光無依存可変焦点レンズを実現することができる。偏光無依存可変焦点レンズは、図1,2を用いて説明したシリンドリカル可変焦点レンズの基本単位素子31と、半波長板32と、もう一つの基本単位素子33とを、光軸をそろえて直列に配置した単純な構造である。「シリンドリカル可変焦点レンズの構成」で説明した球面レンズでは、2つの基本単位素子と半波長板を組み合わせ、光軸を中心に互いに90度の角度をなすように配置した。一方、図6の構成では、2つの基本単位素子を回転させず、同じ方向に集光するように配置する。いずれの構成でも、2つの基本単位素子と半波長板を組み合わせる点で同じだが、基本単位素子の配置が異なり、球面レンズでは2軸変調を行っているが、偏光無依存可変焦点レンズでは1軸変調を行う点で異なる。
(Configuration of polarization-independent variable focus lens)
FIG. 6 shows the configuration of a polarization-independent variable focus lens according to the second embodiment of the present invention. Using the above knowledge, a polarization-independent variable focus lens can be realized with a simple configuration described below. The polarization-independent variable focus lens has a basic unit element 31, a half-wave plate 32, and another basic unit element 33 of the cylindrical variable focus lens described with reference to FIGS. This is a simple structure. In the spherical lens described in “Configuration of Cylindrical Variable Focus Lens”, two basic unit elements and a half-wave plate are combined and arranged so as to form an angle of 90 degrees with respect to the optical axis. On the other hand, in the configuration of FIG. 6, the two basic unit elements are arranged so as to collect light in the same direction without rotating. In any configuration, the two basic unit elements and the half-wave plate are the same, but the arrangement of the basic unit elements is different. The spherical lens performs biaxial modulation, but the polarization-independent variable focus lens has one axis. It differs in that it modulates.

図4の場合と同様に、入射光34は、任意の偏光成分を持ち、y偏光とz偏光の2つの成分に分離して考えてもよい。両成分は、一緒に基本単位素子31に入射するが、y偏光は、図5を用いて説明したように、変調を受けずに素通りする。一方、z偏光は、基本単位素子31の凸レンズ機能により、集光するように変調されて出射される。基本単位素子31を透過した両成分は、やはり一緒に半波長板32に入射する。半波長板32を透過すると、光電界方向は90度回転させられるので、入射前のy偏光はz偏光に、z偏光はy偏光に入れ替わり、その後に第2の基本単位素子33に入射される。基本単位素子33で集光するよう変調された光成分は、y偏光へと変わっているので、今度は基本単位素子33を素通りする。基本単位素子31で変調を受けなかった光成分は、今度はz偏光になっているので、集光するように変調を受ける。このために、入射光34を構成していた2つの偏光成分は、両方とも同様に集光変調を受けて出射光35として出射されるので、入射光の偏光にかかわらず、同様に集光変調することができる。   As in the case of FIG. 4, the incident light 34 has an arbitrary polarization component, and may be considered as being separated into two components, y-polarization and z-polarization. Both components enter the basic unit element 31 together, but the y-polarized light passes through without being modulated, as described with reference to FIG. On the other hand, the z-polarized light is modulated and emitted so as to be condensed by the convex lens function of the basic unit element 31. Both components transmitted through the basic unit element 31 are incident on the half-wave plate 32 together. When the light passes through the half-wave plate 32, the direction of the optical electric field is rotated by 90 degrees. . Since the light component modulated so as to be condensed by the basic unit element 33 is changed to y-polarized light, it passes through the basic unit element 33 this time. Since the light component that has not been modulated by the basic unit element 31 is now z-polarized light, it is modulated so as to be condensed. For this reason, both of the two polarization components constituting the incident light 34 are similarly subjected to the condensing modulation and emitted as the outgoing light 35, so that the condensing modulation is similarly performed regardless of the polarization of the incident light. can do.

以上、図6を用いて説明した偏光無依存可変焦点レンズは、偏光無依存のシリンドリカルレンズであるが、これを、球面レンズと同様の機能を持つ、2軸動作のレンズに拡張することは、簡単にできる。当然のことながら、図6の構成を、光軸上に2つ直列に置き、光軸に関して互いに90度の角度をなすように配置すれば、2軸動作の偏光無依存可変焦点レンズを構成することができる。   As described above, the polarization-independent variable focus lens described with reference to FIG. 6 is a polarization-independent cylindrical lens, but expanding this to a biaxially operated lens having the same function as a spherical lens is Easy to do. As a matter of course, if the two configurations in FIG. 6 are placed in series on the optical axis and arranged so as to form an angle of 90 degrees with respect to the optical axis, a polarization-independent variable focus lens of two-axis operation is configured. be able to.

図7に、本発明の第3の実施形態にかかる2軸化偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す。電圧の印加方向、すなわち電極面の法線が、光軸に対して互いに90度の角度をなすように配置した2つの基本単位素子と、半波長板と、もう一組の基本単位素子とを組み合わせる。このようにして、波長板を1枚減らすこともできる。以下、光変調を、順を追って説明する。   FIG. 7 shows the configuration of a biaxial polarization-independent variable focus lens according to the third embodiment of the present invention. Two basic unit elements, a half-wave plate, and another set of basic unit elements, which are arranged such that the direction of voltage application, that is, the normal of the electrode surface forms an angle of 90 degrees with respect to the optical axis, combine. In this way, one wave plate can be reduced. Hereinafter, light modulation will be described step by step.

図6と同様に、入射光46をy偏光成分とz偏光成分とに分割して考える。このときのy偏光成分を光成分1とし、z偏光成分を光成分2とする。光成分1はy偏光であるので、基本単位素子41によって変調を受けない。しかし、その後に基本単位素子42に入射すると、y軸方向の集光変調を受ける。続いて半波長板43に入射すると、z偏光に変わる。さらに続いて基本単位素子44に入射すると、z偏光であるので、z軸方向にも集光変調を受け、先の変調と併せて2軸の集光変調がかかる。z偏光であるので、最後の基本単位素子45は素通りし、結果的に2軸の集光変調がかかった状態で出射される。   As in FIG. 6, the incident light 46 is considered divided into a y-polarized component and a z-polarized component. The y-polarized component at this time is referred to as a light component 1, and the z-polarized component is referred to as a light component 2. Since the light component 1 is y-polarized light, it is not modulated by the basic unit element 41. However, when the light then enters the basic unit element 42, it undergoes condensing modulation in the y-axis direction. When the light subsequently enters the half-wave plate 43, it changes to z-polarized light. When the light then enters the basic unit element 44, since it is z-polarized light, it undergoes condensing modulation in the z-axis direction, and biaxial condensing modulation is applied together with the previous modulation. Since it is z-polarized light, the last basic unit element 45 passes through, and as a result, the light is emitted in a state of being subjected to biaxial condensing modulation.

一方の光成分2を考える。この成分はz偏光であるので、最初の基本単位素子41でz軸方向の集光変調がかかるが、次の基本単位素子42は素通りする。次いで、半波長板43にてy偏光へ変換されてから、基本単位素子44に入射する。ここでは、変調を受けない。最後に基本単位素子45に進むと、y偏光であるので、ここでy軸方向の集光変調が追加される。このため、最終的には2軸両方の集光変調を受けた状態で出射される。総合すると、光成分1、光成分2ともに2軸両方の集光変調を受けて、出射光47として出射されるので、偏光無依存の2軸の可変焦点レンズとして機能する。   Consider one light component 2. Since this component is z-polarized light, the first basic unit element 41 performs light-gathering modulation in the z-axis direction, but the next basic unit element 42 passes through. Next, the light is converted into y-polarized light by the half-wave plate 43 and then enters the basic unit element 44. Here, no modulation is applied. Finally, when proceeding to the basic unit element 45, since it is y-polarized light, condensing modulation in the y-axis direction is added here. For this reason, the light is finally emitted in a state where it has undergone both-axis condensing modulation. In summary, both the light component 1 and the light component 2 are subjected to two-axis condensing modulation and are emitted as the emitted light 47, so that it functions as a polarization-independent biaxial variable focus lens.

なお、この構成で重要なのは、光を同じ方向に集光する基本単位素子41と44が半波長板43を挟んで両側に配置され、この集光方向とは異なる方向ではあるが、やはり同じ方向に集光する基本単位素子42と45とが半波長板43を挟んで両側に配置されていることである。したがって、基本単位素子41と42は、図中の左右を入れ替えても良く、基本単位素子44と45の左右を入れ替えても良い。   In this configuration, what is important is that the basic unit elements 41 and 44 that condense light in the same direction are arranged on both sides of the half-wave plate 43 and are different from this condensing direction, but are also in the same direction. In other words, the basic unit elements 42 and 45 that condense light are disposed on both sides of the half-wave plate 43. Therefore, the basic unit elements 41 and 42 may be interchanged in the left and right in the drawing, and the basic unit elements 44 and 45 may be interchanged.

図8に、本発明の第4の実施形態にかかる偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す。第2の実施形態のもう一つの応用例である。この光学系では、入射光55は、ビームスプリッタ51を透過したのちに基本単位素子52に入射する。次に、4分の1波長板53を透過し、鏡54で反射して、元の経路を戻る。4分の1波長板53、基本単位素子52を順に透過して、最終的に、ビームスプリッタ51で反射され、出射光56として出力される。光は、4分の1波長板53を2度透過するので、半波長板を透過するのと同じく、偏光が90度回転した状態で基本単位素子52に再度入射する。これより、図6と同じ効果が得られることが分かる。ビームスプリッタ51は、偏光に依存しないものが好適である。ビームスプリッタ51による光パワーの損失が、この構成の欠点であるが、基本単位素子の数を半分に減らせることが特長である。なお、当然のことながら、基本単位素子をもう一つ追加すれば、2軸の集光が可能となる。   FIG. 8 shows a configuration of a polarization-independent variable focus lens according to the fourth embodiment of the present invention. It is another application example of the second embodiment. In this optical system, incident light 55 passes through the beam splitter 51 and then enters the basic unit element 52. Next, the light passes through the quarter-wave plate 53, is reflected by the mirror 54, and returns to the original path. The light passes through the quarter-wave plate 53 and the basic unit element 52 in order, and is finally reflected by the beam splitter 51 and output as outgoing light 56. Since the light is transmitted through the quarter-wave plate 53 twice, the light is incident again on the basic unit element 52 with the polarization rotated by 90 degrees as in the case of transmitting through the half-wave plate. From this, it can be seen that the same effect as in FIG. 6 can be obtained. The beam splitter 51 is preferably one that does not depend on polarization. The loss of optical power due to the beam splitter 51 is a disadvantage of this configuration, but is characterized in that the number of basic unit elements can be reduced to half. As a matter of course, if another basic unit element is added, two axes of light can be condensed.

(電極の配置)
ここまでで説明した可変焦点レンズの実施形態では、基本単位素子は、基板1の上面に陽極2と陰極4を配置し、下面に陰極3と陽極5とを配置している。しかし、この基本単位素子において、上面の電極を双方ともに陽極とし、下面の電極を双方ともに陰極にした構成とすることもできる。レンズ効果は、第1の実施形態の可変焦点と比較して小さいが、機能は同じである(第5の実施形態)。
(Place electrode)
In the embodiments of the variable focus lens described so far, the basic unit element has the anode 2 and the cathode 4 arranged on the upper surface of the substrate 1 and the cathode 3 and the anode 5 arranged on the lower surface. However, the basic unit element may have a configuration in which both the electrodes on the upper surface are anodes and the electrodes on the lower surface are both cathodes. The lens effect is small compared to the variable focus of the first embodiment, but the function is the same (fifth embodiment).

図9に、本発明の第6の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電極の配置は、図1の第1の実施形態と同じであるが、光の入射、出射方向が異なる。図9に示すように、光は、基板1の上面の陽極2と陰極4との間から入射され、基板1の内部をz軸方向に進行し、下面の陰極3と陽極5との間から空気中へと出射するように設定する。さらに、第6の実施形態においても、上面の電極を双方ともに陽極とし、下面の電極を双方ともに陰極にしてもよく、逆に上面を陰極・下面を陽極とする構造でも良い(第7の実施形態)。   FIG. 9 shows the configuration of a variable focus lens according to the sixth embodiment of the present invention. The arrangement of the electrodes is the same as that of the first embodiment of FIG. 1, but the light incident and emission directions are different. As shown in FIG. 9, light is incident between the anode 2 and the cathode 4 on the upper surface of the substrate 1, travels in the substrate 1 in the z-axis direction, and from between the cathode 3 and the anode 5 on the lower surface. Set to emit into the air. Furthermore, in the sixth embodiment, both of the upper electrodes may be anodes and the lower electrodes may be both cathodes, and conversely, the upper surface may be a cathode and the lower surface may be an anode (seventh embodiment). Form).

図10に、本発明の第8の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。第1の実施形態の基本単位素子のさらなる応用であり、光軸方向に沿って直列に配置した構成である。1つの基板61に複数の電極対62a,62b,63a,63b,64a,64bを配置し、互いに隣り合う電極対には反対の極性の電圧を印加する。第5の実施形態と同様に、上面の全ての電極対に同じ極性の電圧を印加し、下面の全ての電極対に同じ極性の電圧を印加する構成としてもよい。もちろん、任意のパターンで電圧を印加してもよい。このように素子を構成すれば、より低い電圧でも、大きなレンズ効果を得ることができる。電極対の数は、偶数でも奇数でもよい。   FIG. 10 shows the configuration of a variable focus lens according to the eighth embodiment of the present invention. This is a further application of the basic unit element of the first embodiment, and is configured in series along the optical axis direction. A plurality of electrode pairs 62a, 62b, 63a, 63b, 64a, 64b are arranged on one substrate 61, and voltages having opposite polarities are applied to electrode pairs adjacent to each other. Similarly to the fifth embodiment, a voltage having the same polarity may be applied to all electrode pairs on the upper surface, and a voltage having the same polarity may be applied to all electrode pairs on the lower surface. Of course, the voltage may be applied in an arbitrary pattern. By configuring the element in this way, a large lens effect can be obtained even at a lower voltage. The number of electrode pairs may be even or odd.

(偏光回転素子)
図6や図7の構成では、半波長板が重要な役割を果たしているが、この半波長板は、もっと一般的には、偏光を90度回転させる、偏光回転素子である。偏光を90度回転させる素子であれば何でも良く、代表例である半波長板以外にも、ファラデー回転素子なども代わりに用いることができる。
(Polarization rotation element)
6 and 7, the half-wave plate plays an important role. This half-wave plate is more generally a polarization rotation element that rotates polarized light by 90 degrees. Any element that rotates the polarized light by 90 degrees may be used. In addition to a half-wave plate as a representative example, a Faraday rotation element or the like can be used instead.

半波長板は、互いに直交する2つの偏波の間に、波長の半分に相当する位相ずれ、すなわちπラジアンだけの位相ずれを生じさせる光学素子である。典型的には、複屈折性の材料を板状に加工したものからなる。KTNのような反転対称性を有する単結晶材料は、通常、複屈折はないが、電界を一方向に印加することにより、電界に平行な方向と、これに直交する方向とで複屈折が生じる。この性質を利用して、KTNによって半波長板を構成することができる。   The half-wave plate is an optical element that generates a phase shift corresponding to half the wavelength, that is, a phase shift of π radians, between two polarized waves orthogonal to each other. Typically, it consists of a birefringent material processed into a plate shape. A single crystal material having inversion symmetry such as KTN usually does not have birefringence. However, when an electric field is applied in one direction, birefringence occurs in a direction parallel to the electric field and in a direction perpendicular thereto. . By utilizing this property, a half-wave plate can be formed by KTN.

図11に、本発明の第9の実施形態にかかる偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す。図6に示した第2の実施形態の応用として、第1の基本単位素子71とKTN半波長板72と第2の基本単位素子73とが、光軸方向に沿って直列に配置されている。KTN半波長板72の形状は、直方体状であり、互いに対向する2面の面上に、ほぼ全面にわたって電極膜が形成されている。この電極対に電圧を印加することにより、これら2面に垂直な電界が均一に形成される。この電界の向きが、第1の基本単位素子71と第2の基本単位素子73の電圧の印加方向、すなわち電極面の法線に対して、それぞれ45度の角度をなすように配置する。これにより、第1の基本単位素子71を透過した光の偏光が90度回転する。   FIG. 11 shows the configuration of a polarization-independent variable focus lens according to the ninth embodiment of the present invention. As an application of the second embodiment shown in FIG. 6, a first basic unit element 71, a KTN half-wave plate 72, and a second basic unit element 73 are arranged in series along the optical axis direction. . The shape of the KTN half-wave plate 72 is a rectangular parallelepiped shape, and an electrode film is formed over almost the entire surface on two surfaces facing each other. By applying a voltage to the electrode pair, an electric field perpendicular to these two surfaces is uniformly formed. The direction of the electric field is arranged so as to form an angle of 45 degrees with respect to the voltage application direction of the first basic unit element 71 and the second basic unit element 73, that is, the normal line of the electrode surface. As a result, the polarization of the light transmitted through the first basic unit element 71 is rotated by 90 degrees.

半波長板も、上述した基本単位素子であるシリンドリカル可変焦点レンズと同じくKTNで構成する場合、3つの電気光学材料からなる基板を一体に成型し、第1の基本単位素子71用の電極と、KTN半波長板72用の電極と、第2の基本単位素子73用の電極とを順に並べて取り付ける。このようにして、一体化した偏光無依存可変焦点レンズを構成することもできる。また、図7に示した第3の実施形態の応用として、可変焦点レンズの基本単位素子4つと半波長板とを一体成型することも可能である。   When the half-wave plate is also composed of KTN as in the case of the cylindrical variable focus lens that is the basic unit element described above, a substrate made of three electro-optic materials is integrally molded, and an electrode for the first basic unit element 71 is formed. An electrode for the KTN half-wave plate 72 and an electrode for the second basic unit element 73 are sequentially arranged and attached. In this way, an integrated polarization-independent variable focus lens can be configured. Further, as an application of the third embodiment shown in FIG. 7, it is possible to integrally mold the four basic unit elements of the variable focus lens and the half-wave plate.

(電極材料)
電気光学材料に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じる。従って、電気光学材料をレンズとして機能させるための所望の屈折率分布を得るため、または、電気光学材料を透過する光が偏向しないようにするためには、基板1に電圧を印加した際に、基板1の内部に空間電荷が形成されない方がよい。
(Electrode material)
When a high voltage is applied to the electro-optic material, charges are injected from the electrodes, and space charges can be generated in the crystal. This space charge causes a gradient in the magnitude of the electric field in the direction in which the voltage is applied, so that a gradient also occurs in the modulation of the refractive index. Therefore, in order to obtain a desired refractive index distribution for causing the electro-optic material to function as a lens, or to prevent light transmitted through the electro-optic material from being deflected, when a voltage is applied to the substrate 1, It is better that no space charge is formed inside the substrate 1.

空間電荷の量は、キャリアの注入効率に依存する量であるため、電極から注入されるキャリアの注入効率は小さい方がよい。電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、電極と基板との間はショットキー接合に近づき、キャリアの注入効率は減少する。従って、電極は、電気光学材料とショットキー接合が形成される材料であることが好ましい。具体的には、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、5.0eV以上であることが好ましい。例えば、仕事関数が5.0eV以上の電極材料として、Co(5.0)、Ge(5.0)、Au(5.1)、Pd(5.12)、Ni(5.15)、Ir(5.27)、Pt(5.65)、Se(5.9)を用いることができる。()内は仕事関数を示し、単位はeVである。   Since the amount of space charge depends on the carrier injection efficiency, the carrier injection efficiency injected from the electrode should be small. When the carriers contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal are electrons, as the work function of the electrode material increases, the electrode and the substrate approach a Schottky junction and the carrier injection efficiency decreases. Therefore, the electrode is preferably a material that forms a Schottky junction with the electro-optic material. Specifically, when the carrier contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal is an electron, the work function of the electrode material is preferably 5.0 eV or more. For example, as an electrode material having a work function of 5.0 eV or more, Co (5.0), Ge (5.0), Au (5.1), Pd (5.12), Ni (5.15), Ir (5.27), Pt (5.65), Se (5.9) can be used. The parentheses indicate work functions, and the unit is eV.

一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、正孔の注入を抑えるために、電極材料の仕事関数は、5.0eV未満であることが好ましい。例えば、仕事関数が5.0eV未満の電極材料として、Ti(3.84)等を用いることができる。なお、Tiの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ti/Pt/Auを順に積層した電極を用いて、Tiの層と電気光学結晶とを接合させる。さらに、ITO(Indium Tin Oxide)、ZnOなどの透明電極を用いることもできる。   On the other hand, when the carriers contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal are holes, the work function of the electrode material is preferably less than 5.0 eV in order to suppress the injection of holes. For example, Ti (3.84) or the like can be used as an electrode material having a work function of less than 5.0 eV. Since the Ti single-layer electrode is oxidized and becomes high resistance, generally, the Ti layer and the electro-optic crystal are bonded using an electrode in which Ti / Pt / Au are sequentially laminated. Furthermore, transparent electrodes such as ITO (Indium Tin Oxide) and ZnO can also be used.

第1の実施形態(図1)に示したように、電気光学材料を板状に加工した基板1の上面および下面に、陽極2、陰極3、陰極4、陽極5を形成する。基板1は、KTN単結晶から、ブロックを切り出し、7mm×7mm×(厚さT=)4mmの形状に成形する。基板1の6面とも、結晶の(100)面に平行とし、光学研磨を行っている。このKTN単結晶は、相転移温度35℃であったので、これを少し上回る40℃で使用する。この温度での比誘電率は20,000である。4つの電極は、0.8mm×7mmの帯状で、同一面上の電極の間隔は4mmとする。2つの電極対は、基板1の7mm×7mmの面上に、白金(Pt)を蒸着して形成されている。電極の各辺は、基板1の辺に平行である。   As shown in the first embodiment (FIG. 1), the anode 2, the cathode 3, the cathode 4, and the anode 5 are formed on the upper and lower surfaces of the substrate 1 obtained by processing the electro-optic material into a plate shape. The substrate 1 is cut out from a KTN single crystal and formed into a shape of 7 mm × 7 mm × (thickness T =) 4 mm. All six surfaces of the substrate 1 are parallel to the (100) plane of the crystal and optical polishing is performed. Since this KTN single crystal had a phase transition temperature of 35 ° C., it is used at 40 ° C., which is slightly higher than this. The relative dielectric constant at this temperature is 20,000. The four electrodes have a strip shape of 0.8 mm × 7 mm, and the distance between the electrodes on the same plane is 4 mm. The two electrode pairs are formed by depositing platinum (Pt) on the 7 mm × 7 mm surface of the substrate 1. Each side of the electrode is parallel to the side of the substrate 1.

このシリンドリカル可変焦点レンズを、40℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はz軸方向である。上下電極間に1000Vの電圧を印加すると、基板1から出射する光は、z軸方向に集光され、シリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は59cmである。   Collimated laser light is incident on the cylindrical variable focus lens while the temperature is controlled at 40 ° C. The polarization of light is a straight line, and the direction of the oscillating electric field is the z-axis direction. When a voltage of 1000 V is applied between the upper and lower electrodes, the light emitted from the substrate 1 is condensed in the z-axis direction and functions as a cylindrical convex lens. The focal length is 59 cm.

この偏光依存型の可変焦点レンズを基本単位素子とし、2つ同じ仕様のものを作製し、水晶製半波長板と組み合わせて、第2の実施形態(図6)の光学系を作製した。前述の実験と同じく、2つの基本単位素子を40℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はz軸方向である。上下電極間に1000Vの電圧を印加すると、基板1から出射する光は、z軸方向に集光され、シリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は、先ほどと同じく59cmである。ここで、印加電圧を500Vにすると、集光効果は小さくなり、焦点距離は290cmになる。また、電圧を印加しない場合は、当然集光効果はなく、焦点距離は無限大である。従って、印加電圧を0Vから1000Vまで変化させることにより、焦点距離を無限大から59cmまで変化させることができる。焦点距離の変更は、印加電圧を変更するだけなので、応答時間は1μs以下であり、従来の可変焦点レンズの応答時間と比較して、3桁以上改善されている。以上の特性は、入射レーザ光の偏光方向を回転しても、回転角によらず、一定であった。   Using this polarization-dependent variable focus lens as a basic unit element, two of the same specifications were produced, and combined with a quartz half-wave plate to produce the optical system of the second embodiment (FIG. 6). As in the previous experiment, collimated laser light is incident with the temperature of the two basic unit elements controlled at 40 ° C. The polarization of light is a straight line, and the direction of the oscillating electric field is the z-axis direction. When a voltage of 1000 V is applied between the upper and lower electrodes, the light emitted from the substrate 1 is condensed in the z-axis direction and functions as a cylindrical convex lens. The focal length is 59 cm as before. Here, when the applied voltage is 500 V, the light condensing effect is reduced and the focal length is 290 cm. In addition, when no voltage is applied, there is naturally no light collecting effect and the focal length is infinite. Therefore, the focal length can be changed from infinity to 59 cm by changing the applied voltage from 0V to 1000V. Since changing the focal length only changes the applied voltage, the response time is 1 μs or less, which is an improvement of three orders of magnitude or more compared to the response time of the conventional variable focus lens. The above characteristics are constant regardless of the rotation angle even when the polarization direction of the incident laser beam is rotated.

さらに、上記の基本単位素子を同じ仕様で4個作製し、水晶製半波長板と組み合わせて、第3の実施形態(図7)の光学系を作製した。前述の実験と同じく、4つの基本単位素子を40℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はz軸方向である。上下電極間に1000V前後の電圧を印加すると、基板1から出射する光は、y軸z軸の両方向に集光され、球面凸レンズと同様に機能する。基本単位素子の光軸状の位置が等しくはないため、各個に印加する電圧は±50Vの範囲内で調整した。焦点距離は、先ほどと同じく59cmである。従って、印加電圧を0Vから1000Vまで変化させることにより、焦点距離を無限大から72cmまで変化させることができ、入射レーザ光の偏光方向を回転しても、回転角によらず、同様に変化させることができる。   Further, four basic unit elements having the same specifications were produced and combined with a quartz half-wave plate to produce the optical system of the third embodiment (FIG. 7). As in the previous experiment, collimated laser light is incident with the temperature of the four basic unit elements controlled at 40 ° C. The polarization of light is a straight line, and the direction of the oscillating electric field is the z-axis direction. When a voltage of about 1000 V is applied between the upper and lower electrodes, the light emitted from the substrate 1 is condensed in both the y-axis and z-axis directions and functions in the same manner as a spherical convex lens. Since the optical axis positions of the basic unit elements are not equal, the voltage applied to each element was adjusted within a range of ± 50V. The focal length is 59 cm as before. Therefore, by changing the applied voltage from 0 V to 1000 V, the focal length can be changed from infinity to 72 cm, and even if the polarization direction of the incident laser light is rotated, it is similarly changed regardless of the rotation angle. be able to.

実施例1において作製した基本単位素子において、第5の実施形態に示したように、上面の電極を双方ともに陽極とし、下面の電極を双方ともに陰極として使用する。このシリンドリカル可変焦点レンズを、40℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はz軸方向である。上下電極間に1000Vの電圧を印加すると、基板1から出射する光は、z軸方向に集光され、シリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は115cmである。   In the basic unit element fabricated in Example 1, as shown in the fifth embodiment, both the upper surface electrodes are used as anodes and the lower surface electrodes are both used as cathodes. Collimated laser light is incident on the cylindrical variable focus lens while the temperature is controlled at 40 ° C. The polarization of light is a straight line, and the direction of the oscillating electric field is the z-axis direction. When a voltage of 1000 V is applied between the upper and lower electrodes, the light emitted from the substrate 1 is condensed in the z-axis direction and functions as a cylindrical convex lens. The focal length is 115 cm.

この基本単位素子を4個使用して、実施例1と同様に、第3の実施形態(図7)の光学系を作製した。焦点距離は、先ほどと同じく115cmであり、レンズ効果は多少小さかったが、偏光状態を変えても焦点制御機能が変わらない点は、実施例1と同じであった。   Using the four basic unit elements, the optical system of the third embodiment (FIG. 7) was produced in the same manner as in Example 1. The focal length was 115 cm as before, and the lens effect was somewhat small, but the focal point control function did not change even when the polarization state was changed, as in Example 1.

実施例1において作製した基本単位素子を、第6の実施形態(図9)に示したシリンドリカル可変焦点レンズとして使用する。このシリンドリカル可変焦点レンズを、40℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はx軸方向である。上下電極間に1000Vの電圧を印加すると、基板1から出射する光は、x軸方向に集光され、シリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は104cmである。   The basic unit element produced in Example 1 is used as the cylindrical variable focus lens shown in the sixth embodiment (FIG. 9). Collimated laser light is incident on the cylindrical variable focus lens while the temperature is controlled at 40 ° C. The polarization of light is a straight line and the direction of the oscillating electric field is the x-axis direction. When a voltage of 1000 V is applied between the upper and lower electrodes, the light emitted from the substrate 1 is condensed in the x-axis direction and functions as a cylindrical convex lens. The focal length is 104 cm.

図12に、実施例3にかかる2軸化偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す。電極が形成されているxy平面を、光軸(z軸)に対して互いに90度の角度をなすように配置した2つの基本単位素子81,82と、半波長板83と、もう一組の基本単位素子84,85とを組み合わせる。y偏光成分とz偏光成分とを有する入射光86は、結果的に2軸の集光変調がかかった状態で出射光87として出射されるので、偏光無依存の2軸の可変焦点レンズとして機能する。   FIG. 12 shows a configuration of a biaxial polarization-independent variable focus lens according to the third embodiment. Two basic unit elements 81 and 82 in which the xy plane on which the electrodes are formed is arranged at an angle of 90 degrees with respect to the optical axis (z axis), a half-wave plate 83, and another set The basic unit elements 84 and 85 are combined. As a result, the incident light 86 having the y-polarized component and the z-polarized component is emitted as the outgoing light 87 in a state where the biaxial condensing modulation is applied, so that it functions as a polarization-independent biaxial variable focus lens. To do.

4つの基本単位素子を40℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はx軸方向である。上下電極間に1000V前後の電圧を印加すると、出射光87は、x軸y軸の両方向に集光され、球面凸レンズと同様に機能する。基本単位素子の光軸状の位置が等しくはないため、各個に印加する電圧は±50Vの範囲内で調整した。焦点距離は104cmである。入射レーザ光の偏光方向を回転しても、回転角によらず、同様に集光させることができる。   Collimated laser light is incident with the temperature of the four basic unit elements controlled at 40 ° C. The polarization of light is a straight line and the direction of the oscillating electric field is the x-axis direction. When a voltage of about 1000 V is applied between the upper and lower electrodes, the emitted light 87 is condensed in both the x-axis and y-axis directions and functions in the same manner as a spherical convex lens. Since the optical axis positions of the basic unit elements are not equal, the voltage applied to each element was adjusted within a range of ± 50V. The focal length is 104 cm. Even if the polarization direction of the incident laser beam is rotated, the incident laser beam can be condensed similarly regardless of the rotation angle.

実施例3において作製した基本単位素子において、第7の実施形態に示したように、上面の電極を双方ともに陽極とし、下面の電極を双方ともに陰極として使用する。この基本単位素子を4個使用して、実施例3と同様に、図12の光学系を作製した。焦点距離は114cmであり、レンズ効果は多少小さかったが、偏光状態を変えても焦点制御機能が変わらない点は、実施例3と同じであった。   In the basic unit element fabricated in Example 3, as shown in the seventh embodiment, both the upper surface electrodes are used as anodes and the lower surface electrodes are both used as cathodes. Using four of these basic unit elements, the optical system of FIG. The focal length was 114 cm, and the lens effect was somewhat small, but the focus control function did not change even when the polarization state was changed, as in Example 3.

1,31,61 基板
2,5,62a,63a,64a 陽極
3,4,62b,63b,64b 陰極
6 電気力線
7 屈折率変調曲線
8,19,34,46,55,86 入射光
11,17 偏光ビームスプリッタ
12,14,54 鏡
13,15,31,33,41,42,44,45,52,71,73,81,82,84,85 基本単位素子
16,18,32,43,53,83 半波長板
20,21 分枝
22,35,47,56,87 出射光
51 ビームスプリッタ
53 4分の1波長板
73 KTN半波長板
1, 31, 61 Substrate 2, 5, 62a, 63a, 64a Anode 3, 4, 62b, 63b, 64b Cathode 6 Electric field lines 7 Refractive index modulation curve 8, 19, 34, 46, 55, 86 Incident light 11, 17 Polarizing beam splitter 12, 14, 54 Mirror 13, 15, 31, 33, 41, 42, 44, 45, 52, 71, 73, 81, 82, 84, 85 Basic unit elements 16, 18, 32, 43, 53,83 half-wave plate 20,21 branch 22,35,47,56,87 outgoing light 51 beam splitter 53 quarter-wave plate 73 KTN half-wave plate

Claims (13)

反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
該電気光学材料の第1の面と、該第1の面に対向する第2の面とにそれぞれ向かい合う位置に形成された複数の電極対とを備え、
該電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過する光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズを基本単位素子とし、
第1の基本単位素子と、
該第1の基本単位素子を透過した光の直線偏光を90度回転させる偏光回転素子と、
該偏光回転素子を透過した光を、前記第1の基本単位素子と同一方向に集光するように配置された第2の基本単位素子と
を備えたことを特徴とする偏光無依存可変焦点レンズ。
An electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry;
A plurality of electrode pairs formed at positions facing the first surface of the electro-optic material and the second surface facing the first surface,
A cylindrical variable focus lens that changes the focus of light transmitted through the electro-optic material by changing an applied voltage between the electrode pair is a basic unit element.
A first basic unit element;
A polarization rotation element that rotates the linearly polarized light of the light transmitted through the first basic unit element by 90 degrees;
A polarization-independent variable focus lens comprising: a second basic unit element arranged so as to collect light transmitted through the polarization rotation element in the same direction as the first basic unit element .
反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
該電気光学材料の第1の面と、該第1の面に対向する第2の面とにそれぞれ向かい合う位置に形成された複数の電極対とを備え、
該電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過する光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズを基本単位素子とし、
前記電極対の電圧の印加方向が、光軸に対して互いに90度の角度をなす第1の基本単位素子および第2の基本単位素子と、
該第2の基本単位素子を透過した光の直線偏光を90度回転させる偏光回転素子と、
前記電極対の電圧の印加方向が、光軸に対して互いに90度の角度をなし、前記偏光回転素子を透過した光を集光する第3の基本単位素子および第4の基本単位素子と
を備えたことを特徴とする偏光無依存可変焦点レンズ。
An electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry;
A plurality of electrode pairs formed at positions facing the first surface of the electro-optic material and the second surface facing the first surface,
A cylindrical variable focus lens that changes the focus of light transmitted through the electro-optic material by changing an applied voltage between the electrode pair is a basic unit element.
A first basic unit element and a second basic unit element in which the voltage application direction of the electrode pair forms an angle of 90 degrees with respect to the optical axis;
A polarization rotation element that rotates the linearly polarized light of the light transmitted through the second basic unit element by 90 degrees;
A third basic unit element and a fourth basic unit element for condensing the light transmitted through the polarization rotation element, in which the voltage application direction of the electrode pair forms an angle of 90 degrees with respect to the optical axis. A polarization-independent variable focus lens, comprising:
前記基本単位素子は、
前記電気光学材料の第1の面上に形成された第1の陽極と、
前記第1の面に対向する第2の面上に形成され、前記第1の陽極と向かい合う位置に形成された第1の陰極と、
前記第1の面上に形成され、前記第1の陽極とは間隔をおいて配置された第2の陰極と、
前記第2の面上に形成され、前記第2の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第1の陰極とは間隔をおいて配置された第2の陽極とを備え、
前記第1の面と直交する第3の面から光を入射させたとき、前記第1の陽極および前記第1の陰極からなる第1の電極対の間を透過してから、前記第2の陽極および前記第2の陰極からなる第2の電極対の間を透過して、前記第3の面に対向する第4の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記第1および第2の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第4の面から出射された光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズであることを特徴とする請求項1または2に記載の偏光無依存可変焦点レンズ。
The basic unit element is:
A first anode formed on a first surface of the electro-optic material;
A first cathode formed on a second surface opposite to the first surface and formed at a position facing the first anode;
A second cathode formed on the first surface and spaced from the first anode;
A second anode formed on the second surface, facing the second cathode, and spaced apart from the first cathode;
When light is incident from a third surface orthogonal to the first surface, the light passes through the first electrode pair composed of the first anode and the first cathode, and then the second The optical axis is set so that light passes through a second electrode pair consisting of an anode and the second cathode, and light is emitted from the fourth surface facing the third surface,
It is a cylindrical variable focus lens that varies the focus of light emitted from the fourth surface of the electro-optic material by changing an applied voltage between the first and second electrode pairs. The polarization independent variable focus lens according to claim 1 or 2.
前記基本単位素子は、
前記電気光学材料の第1の面上に形成された第1の陽極と、
前記第1の面に対向する第2の面上に形成され、前記第1の陽極と向かい合う位置に形成された第1の陰極と、
前記第1の面上に形成され、前記第1の陽極とは間隔をおいて配置された第2の陰極と、
前記第2の面上に形成され、前記第2の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第1の陰極とは間隔をおいて配置された第2の陽極とを備え、
前記第1の陽極と前記第2の陰極との間の前記第1の面に光を入射させたき、前記電気光学材料の内部を透過してから、前記第1の陰極と前記第2の陽極との間の前記第2の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記2つの陽極と前記2つの陰極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第2の面から出射された光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズであることを特徴とする請求項1または2に記載の偏光無依存可変焦点レンズ。
The basic unit element is:
A first anode formed on a first surface of the electro-optic material;
A first cathode formed on a second surface opposite to the first surface and formed at a position facing the first anode;
A second cathode formed on the first surface and spaced from the first anode;
A second anode formed on the second surface, facing the second cathode, and spaced apart from the first cathode;
When light is incident on the first surface between the first anode and the second cathode and passes through the electro-optic material, the first cathode and the second anode The optical axis is set so that light is emitted from the second surface between
It is a cylindrical variable focus lens that varies the focus of light emitted from the second surface of the electro-optic material by changing the applied voltage between the two anodes and the two cathodes. The polarization independent variable focus lens according to claim 1 or 2.
前記基本単位素子は、
前記電気光学材料の第1の面上に形成された第1の陽極と、
前記第1の面に対向する第2の面上に形成され、前記第1の陽極と向かい合う位置に形成された第1の陰極と、
前記第1の面上に形成され、前記第1の陽極とは間隔をおいて配置された第2の陽極と、
前記第2の面上に形成され、前記第2の陽極と向かい合う位置に形成され、前記第1の陰極とは間隔をおいて配置された第2の陰極とを備え、
前記第1の面と直交する第3の面から光を入射させたとき、前記第1の陽極および前記第1の陰極からなる第1の電極対の間を透過してから、前記第2の陽極および前記第2の陰極からなる第2の電極対の間を透過して、前記第3の面に対向する第4の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記第1および第2の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第4の面から出射された光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズであることを特徴とする請求項1または2に記載の偏光無依存可変焦点レンズ。
The basic unit element is:
A first anode formed on a first surface of the electro-optic material;
A first cathode formed on a second surface opposite to the first surface and formed at a position facing the first anode;
A second anode formed on the first surface and spaced from the first anode;
A second cathode formed on the second surface, facing the second anode, and spaced apart from the first cathode;
When light is incident from a third surface orthogonal to the first surface, the light passes through the first electrode pair composed of the first anode and the first cathode, and then the second The optical axis is set so that light passes through a second electrode pair consisting of an anode and the second cathode, and light is emitted from the fourth surface facing the third surface,
It is a cylindrical variable focus lens that varies the focus of light emitted from the fourth surface of the electro-optic material by changing an applied voltage between the first and second electrode pairs. The polarization independent variable focus lens according to claim 1 or 2.
前記基本単位素子は、
前記電気光学材料の第1の面上に形成された第1の陽極と、
前記第1の面に対向する第2の面上に形成され、前記第1の陽極と向かい合う位置に形成された第1の陰極と、
前記第1の面上に形成され、前記第1の陽極とは間隔をおいて配置された第2の陽極と、
前記第2の面上に形成され、前記第2の陽極と向かい合う位置に形成され、前記第1の陰極とは間隔をおいて配置された第2の陰極とを備え、
前記第1の陽極と前記第2の陽極との間の前記第1の面に光を入射させたき、前記電気光学材料の内部を透過してから、前記第1の陰極と前記第2の陰極との間の前記第2の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記2つの陽極と前記2つの陰極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第2の面から出射された光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズであることを特徴とする請求項1または2に記載の偏光無依存可変焦点レンズ。
The basic unit element is:
A first anode formed on a first surface of the electro-optic material;
A first cathode formed on a second surface opposite to the first surface and formed at a position facing the first anode;
A second anode formed on the first surface and spaced from the first anode;
A second cathode formed on the second surface, facing the second anode, and spaced apart from the first cathode;
When light is incident on the first surface between the first anode and the second anode and passes through the electro-optic material, the first cathode and the second cathode The optical axis is set so that light is emitted from the second surface between
It is a cylindrical variable focus lens that varies the focus of light emitted from the second surface of the electro-optic material by changing the applied voltage between the two anodes and the two cathodes. The polarization independent variable focus lens according to claim 1 or 2.
前記の基本単位素子は、
該電気光学材料の表面に形成された2N個の電極とを備え、
1≦k≦N−1の時、前記電気光学材料の第1の面上に形成され、光の入射側からk番目の電極をk番目の陽極とし、前記第1の面に対向する第2の面上に形成され、前記k番目の陽極と向かい合う位置に形成された電極をk番目の陰極とし、
前記第1の面上に形成され、前記k番目の陽極とは間隔をおいて配置された電極をk+1番目の陰極とし、前記第2の面上に形成され、前記k+1番目の陰極と向かい合う位置に形成され、前記k+1番目の陰極とは間隔をおいて配置された電極をk+1番目の陽極とし、
前記第1の面と直交する第3の面から光を入射させたとき、前記k番目の陽極および前記k番目の陰極からなる電極対の間と、N番目の陽極およびN番目の陰極からなる電極対の間を透過して、前記第3の面に対向する第4の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記k番目およびN番目の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第4の面から出射された光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズであることを特徴とする請求項1または2に記載の偏光無依存可変焦点レンズ。
The basic unit element is
2N electrodes formed on the surface of the electro-optic material,
When 1 ≦ k ≦ N−1, a second electrode is formed on the first surface of the electro-optic material, and the second electrode is opposite to the first surface with the kth electrode from the light incident side as the kth anode. The electrode formed on the surface and facing the kth anode is the kth cathode,
The electrode formed on the first surface and spaced apart from the kth anode is the (k + 1) th cathode, and is formed on the second surface and faces the (k + 1) th cathode. And the k + 1th anode is an electrode spaced from the (k + 1) th cathode,
When light is incident from a third surface orthogonal to the first surface, it is formed between the electrode pair composed of the kth anode and the kth cathode, and the Nth anode and the Nth cathode. The optical axis is set so that light is emitted from the fourth surface that passes between the electrode pair and faces the third surface,
The cylindrical variable focus lens according to claim 1, wherein the lens is a cylindrical variable focus lens that changes a focus of light emitted from the fourth surface of the electro-optic material by changing an applied voltage between the kth and Nth. Alternatively, the polarization-independent variable focus lens according to 2.
前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の偏光無依存可変焦点レンズ。   8. The polarization independent variable focus lens according to claim 1, wherein the electro-optic material is a perovskite single crystal material. 前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN:KTa1-xNbx3、0<x<1)であることを特徴とする請求項8に記載の偏光無依存可変焦点レンズ。 The electro-optical material, potassium tantalate niobate (KTN: KTa 1-x Nb x O 3, 0 <x <1) polarization independent variable focus lens according to claim 8, characterized in that a. 前記電気光学材料は、結晶の主成分が、周期律表Ia族とVa族から構成されており、Ia族はカリウムであり、Va族はニオブ、タンタルの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項8に記載の偏光無依存可変焦点レンズ。   The electro-optic material is characterized in that the main component of the crystal is composed of groups Ia and Va in the periodic table, group Ia is potassium, and group Va includes at least one of niobium and tantalum. The polarization-independent variable focus lens according to claim 8. 前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ia族またはIIa族の1または複数種を含むことを特徴とする請求項10に記載の偏光無依存可変焦点レンズ。   The polarization-independent variable focus lens according to claim 10, wherein the electro-optic material further includes one or more of Group Ia or Group IIa of the periodic table excluding potassium as an additive impurity. 前記第1および第2の陽極と前記第1および第2の陰極と前記2N個の電極とは、前記電気光学材料とショットキー接合が形成される材料からなることを特徴とする請求項3ないし7のいずれかに記載の偏光無依存可変焦点レンズ。   4. The first and second anodes, the first and second cathodes, and the 2N electrodes are made of a material that forms a Schottky junction with the electro-optic material. The polarization-independent variable focus lens according to any one of 7. 前記第1および第2の陽極と前記第1および第2の陰極と前記2N個の電極とは、帯状の形状を有し、その長手方向の辺は、すべて平行であることを特徴とする請求項12に記載の偏光無依存可変焦点レンズ。   The first and second anodes, the first and second cathodes, and the 2N electrodes have a strip shape, and all of the longitudinal sides thereof are parallel to each other. Item 13. The polarization independent variable focus lens according to Item 12.
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