JP2014026229A - Variable focus lens - Google Patents

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Kaneyuki Imai
欽之 今井
Ikutake Yagi
生剛 八木
Seiji Toyoda
誠治 豊田
Takashi Sakamoto
尊 坂本
Jun Miyatsu
純 宮津
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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 varying a focal length at high speed.SOLUTION: A variable focus lens includes: an electro-optical material comprising a single crystal having inversion symmetry; a plurality of electrode pairs, in which each pair of electrodes is formed on a first surface of the electro-optical material and on a second surface opposing to the first surface, at positions opposing to each other; and a light-emitting element disposed so as to illuminate the electro-optical material. By changing a voltage applied between the electrode pair, the focus of light transmitted through the electro-optical material can be changed.

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 piezo 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、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 capable of changing the focal length at high speed.

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、前記電気光学材料を照明できるように配置された発光素子とを備え、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 a light emitting element arranged to illuminate the electro-optic material, and changing an applied voltage between the electrode pairs The focus of the light transmitted through the electro-optic material is varied.

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-xNb、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, and typically, potassium tantalate niobate (KTN: KTa 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1) can be used. 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複数の電極対とを備え、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制御するので、焦点距離の変更を高速に行うことが可能となる。   As described above, according to the present invention, an electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry and a plurality of electrode pairs formed on the surface of the electro-optic material, the applied voltage between the electrode pairs. Since the focal point of the emitted light is controlled by changing the focal length, the focal length can be changed at high speed.

また、電気光学材料を照明できる発光素子を備えたことにより、電気光学材料内部に発生した空間電荷を消滅させることができ、所望の焦点距離、集光スポットの形状を常に得ることが可能となる。   In addition, since the light-emitting element that can illuminate the electro-optic material is provided, the space charge generated inside the electro-optic material can be eliminated, and the desired focal length and the shape of the focused spot can always be obtained. .

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. 可変焦点レンズに均一の光を照射する構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure which irradiates uniform light to a variable focus lens. 本発明の第3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 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第5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 5th 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.

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。無機結晶の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。最初に、基本となる可変焦点レンズについて説明する。   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 of the inorganic crystal, a much faster response speed can be obtained as compared with the conventional variable focus lens. First, a basic variable focus lens 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、それぞれ向かい合う位置に2つの電極対が形成されている。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. Two electrode pairs 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 at positions facing each other. 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.

入射光6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、出射光7が出射される。   Incident light 6 is incident from a surface (third surface) orthogonal to the surface on which the electrodes are arranged, travels in the x-axis direction inside the substrate 1, and between these anodes 2 and 3, It penetrates in a direction perpendicular to the longitudinal direction. Next, after passing between the cathode 4 and the anode 5, the outgoing light 7 is emitted from the surface (fourth surface) opposite to the incident surface into the air.

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11が発生する。電気力線11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 11 as shown in FIG. 2 are generated between these electrodes. The lines of electric force 11 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12を模式的に示している。屈折率変調曲線12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 12 representing a distribution of refractive index change. The vertical axis of the refractive index modulation curve 12 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 in 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 function as a lens 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(BaTiO、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-xNb、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-yLiTa1-xNb、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 2014026229
Figure 2014026229

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.

(初期化機能)
以上、本実施形態の可変焦点レンズの原理を説明してきたが、この可変焦点レンズには一つの問題がある。KTNに代表される反転対称性を有する電気光学材料は、電気光学材料に電界を印可すると、内部に空間電荷を発生する場合がある。空間電荷は、電気光学材料内で何らかの原因で発生した自由キャリア(電子または正孔)が、電気光学材料の内部で移動し、そこで局所的な欠陥に捕獲(トラップ)されることにより発生する。空間電荷は、その周囲に電界分布を発生させ、焦点の移動に適した電界分布を乱すことになる。すなわち、所定の電圧を印加した場合でも、所望の焦点距離、集光スポットの形状を得られない場合が生ずる。従って、可変焦点レンズへの応用では、空間電荷を発生させないことが重要である。
(Initialization function)
The principle of the variable focus lens of the present embodiment has been described above, but this variable focus lens has one problem. An electro-optic material having inversion symmetry typified by KTN may generate a space charge inside when an electric field is applied to the electro-optic material. The space charge is generated when free carriers (electrons or holes) generated for some reason in the electro-optic material move inside the electro-optic material and are trapped (trapped) by local defects therein. The space charge generates an electric field distribution around the space charge and disturbs the electric field distribution suitable for moving the focal point. That is, even when a predetermined voltage is applied, the desired focal length and the shape of the focused spot may not be obtained. Therefore, it is important not to generate space charges in applications to variable focus lenses.

自由キャリアは、電極によって外部から注入された場合と、結晶内部で光励起や熱励起によって発生する場合がある。前者については、後述するように電極材料によって発生を抑制することができる。とはいえ、長時間電圧をかけ続けた場合、わずかな漏れ電流で注入されたキャリアの蓄積は無視できない場合がある。後者の発生要因のうち、熱励起は回避することは非常に困難である。光励起も、光の波長によって発生の度合いは変わるものの、光を操る素子である以上発生は避けられない。   Free carriers may be generated from the outside by an electrode or generated by photoexcitation or thermal excitation inside the crystal. About the former, generation | occurrence | production can be suppressed with an electrode material so that it may mention later. However, when a voltage is applied for a long time, the accumulation of carriers injected with a slight leakage current may not be ignored. Of the latter factors, it is very difficult to avoid thermal excitation. Although the degree of generation of photoexcitation varies depending on the wavelength of light, it is unavoidable that it is an element that controls light.

そこで本実施形態では、短波長の発光素子を可変焦点レンズ素子の一部として備え、光励起を逆に利用して問題を解決する。電気光学材料に部分的に光を照射すると、その部分で自由キャリアが発生する。発生した自由キャリアは、拡散や電界によるドリフトにより、電気光学材料内の別の場所へ移動し、そこでトラップされる。すなわち、空間電荷となって、不均一な電荷分布を発生させてしまう。   Therefore, in the present embodiment, a light emitting element having a short wavelength is provided as a part of the variable focus lens element, and the problem is solved by using light excitation in reverse. When the electro-optic material is partially irradiated with light, free carriers are generated in that portion. The generated free carriers move to another place in the electro-optic material due to diffusion or drift due to an electric field, and are trapped there. That is, it becomes space charge and generates non-uniform charge distribution.

しかし、電気光学材料内に均一に光を照射すると、光励起されたキャリアが別の場所でトラップされたとしても、そこで再び光励起される。電極などを通して外部からキャリアが注入されて、全体的に正または負に偏った荷電状態になっていた場合、この均一な光照射を始めて一定時間以上経過すると、余剰のキャリアは電極から出てゆき、キャリア注入の前の電気的に中性な状態に戻る。また、外部からのキャリア注入がなく、電気光学材料全体の平均では偏った荷電状態でなくとも、部分的な偏りで空間電荷が生じていた場合にも、全体的に均一に中性の荷電状態に戻る。すなわち、空間電荷は消滅して初期化され、所定の電圧を印加した場合に、所望の焦点距離、集光スポットの形状を常に得ることができる。   However, when the electro-optic material is uniformly irradiated with light, even if the photo-excited carriers are trapped in another place, they are photo-excited again there. When carriers are injected from the outside through an electrode, etc., and the whole is in a charged state that is positively or negatively biased, surplus carriers will leave the electrode after a certain period of time has passed since this uniform light irradiation was started. Return to the electrically neutral state before carrier injection. In addition, even if there is no external carrier injection and the average charge of the entire electro-optic material is not biased, even if space charges are generated due to partial bias, the neutral charge state is uniformly uniform as a whole. Return to. That is, the space charge disappears and is initialized, and when a predetermined voltage is applied, the desired focal length and the shape of the focused spot can always be obtained.

発光素子としては、白熱電球でも蛍光管でもレーザでもどのようなものでも用いることができる。小型で発光効率がよく、発熱などによる温度変動も小さいものとして、発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)が好適に用いることができる。さらに、光源の波長が短い方が光子のエネルギが高く、初期化の効率が高く、初期化の時間を短くすることができる。特に、窒化ガリウムを主成分として、405nm付近の紫外線を発生させるLEDやLDが汎用品として製造されており、これらを用いると初期化の効率が高い。これ以上波長が短くなると、光子エネルギがKTNのバンドギャップを超えるため、吸収が非常に強くなり、光はKTNの表面付近ですべて吸収されてしまって内部まで到達しない。このため、均一な光照射ができず、初期化には不適である。   As the light emitting element, any kind of incandescent bulb, fluorescent tube or laser can be used. A light emitting diode (LED) or a semiconductor laser (LD) can be suitably used as it is small in size, has high luminous efficiency, and has small temperature fluctuation due to heat generation. Furthermore, the shorter the wavelength of the light source, the higher the photon energy, the higher the efficiency of initialization, and the initialization time can be shortened. In particular, LEDs and LDs that contain gallium nitride as a main component and generate ultraviolet rays in the vicinity of 405 nm are manufactured as general-purpose products, and when these are used, initialization efficiency is high. When the wavelength becomes shorter than this, the photon energy exceeds the band gap of KTN, so that the absorption becomes very strong, and the light is completely absorbed near the surface of KTN and does not reach the inside. For this reason, uniform light irradiation cannot be performed and it is unsuitable for initialization.

可変焦点レンズを長期間使用していない状態から使用を開始する場合、長時間電圧をかけていた場合、強い光を電気光学材料に不均一強度で照射して使用した場合などに、空間電荷が発生していることが想定される。そこで、可変焦点レンズに備え付けたLEDやLDを一定期間照射することによって、空間電荷を消滅させて初期化することが、本実施形態の好適な用い方である。   If you start using the varifocal lens from a state where it has not been used for a long time, if you apply voltage for a long time, or if you use a strong light with non-uniform intensity on the electro-optic material, the space charge will be lost. It is assumed that it has occurred. Therefore, it is a preferred usage of the present embodiment that the space charge is erased and initialized by irradiating the LED or LD provided in the variable focus lens for a certain period.

図4に、可変焦点レンズに均一の光を照射する構成の一例を示す。可変焦点レンズを構成する電気光学結晶の基板1、電極、レンズ効果を受ける光束(入射光6及び出射光7)と、光源21との関係を示す。基板1の下方向から均一に照明をあてる例を示しているが、この図に限定されるものではなく、どちら向きに均一照明の光源21を配置してもよい。光源21は、単一の発光素子でもよいし、複数の発光素子を集積したものでもよい。   FIG. 4 shows an example of a configuration for irradiating the variable focus lens with uniform light. The relationship between the light source 21 and the substrate 1 of the electro-optic crystal constituting the variable focus lens, the electrode, the luminous flux (incident light 6 and outgoing light 7) receiving the lens effect is shown. Although the example which illuminates uniformly from the downward direction of the board | substrate 1 is shown, it is not limited to this figure, You may arrange | position the light source 21 of uniform illumination in which direction. The light source 21 may be a single light emitting element or may be an integrated plurality of light emitting elements.

(電極の配置)
図1に示した第1の実施形態の可変焦点レンズでは、基本単位素子として、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2の実施形態)。
(Place electrode)
In the varifocal lens of the first embodiment shown in FIG. 1, the anode 2 and the cathode 4 are arranged on the upper surface of the substrate 1 and the cathode 3 and the anode 5 are arranged on the lower surface as basic unit elements. 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 (second embodiment).

図5に、本発明の第3の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。基板31に対する電極32−35の配置は、図1の第1の実施形態と同じである。入射光36の入射、出射光37の出射方向が異なる。図5に示すように、入射光36は、基板31の上面の陽極32と陰極34との間から入射され、基板31の内部をz軸方向に進行し、下面の陰極33と陽極35との間から空気中へ、出射光37として出射される。図5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。   FIG. 5 shows the configuration of a variable focus lens according to the third embodiment of the present invention. The arrangement of the electrodes 32-35 with respect to the substrate 31 is the same as in the first embodiment of FIG. The incident direction of the incident light 36 and the outgoing direction of the outgoing light 37 are different. As shown in FIG. 5, the incident light 36 is incident from between the anode 32 and the cathode 34 on the upper surface of the substrate 31, travels in the z-axis direction inside the substrate 31, and is formed between the cathode 33 and the anode 35 on the lower surface. It is emitted as emitted light 37 from the space to the air. According to the structure of FIG. 5, it functions as a cylindrical convex lens, and when divergent, it functions as a cylindrical concave lens.

さらに、第3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4の実施形態)。   Further, in the third embodiment, both of the upper electrode may be an anode and both of the lower electrodes may be a cathode, and conversely, the upper surface may be a cathode and the lower surface may be an anode (fourth embodiment). Form).

図6に、本発明の第5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、光軸方向に沿って複数の電極を直列に配置した構成である。1つの基板41に複数の陽極42a,42b,42cと、陰極43a,43b,43cとを配置し、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。入射光46は、電極を配置した面と直交する面から入射され、基板41の内部をx軸方向に進行し、入射した面と対向する面から空気中へ、出射光47として出射される。   FIG. 6 shows a configuration of a variable focus lens according to the fifth embodiment of the present invention. This is a further application of the basic unit element of the first embodiment, in which a plurality of electrodes are arranged in series along the optical axis direction. A plurality of anodes 42a, 42b, 42c and cathodes 43a, 43b, 43c are arranged on one substrate 41, and voltages having opposite polarities are applied to electrode pairs adjacent to each other. Incident light 46 is incident from a surface orthogonal to the surface on which the electrodes are arranged, travels in the x-axis direction inside the substrate 41, and is emitted as emitted light 47 from the surface opposite to the incident surface into the air.

電気光学材料の表面に2N個の電極を形成する場合に、基板41の上面(第1の面)の光の入射側からk番目(1≦k≦N−1)の電極をk番目の陽極とし、k番目の陽極とは間隔をおいて配置された電極をk+1番目の陰極とする。基板41の下面(第2の面)には、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、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番目の陽極とを、それぞれ向かい合う位置に形成する。   When 2N electrodes are formed on the surface of the electro-optic material, the kth (1 ≦ k ≦ N−1) electrode from the light incident side on the upper surface (first surface) of the substrate 41 is the kth anode. And an electrode arranged at an interval from the kth anode is referred to as a (k + 1) th cathode. On the lower surface (second surface) of the substrate 41, an electrode formed at a position facing the kth anode is a kth cathode, and an electrode spaced from the k + 1th cathode is a k + 1th electrode. The anode is formed at a position facing each other.

第2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。   Similarly to the second embodiment, a voltage having the same polarity may be applied to all the electrode pairs on the upper surface, and a voltage having the same polarity may be applied to all the 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)
2軸変調のためには、半波長板が必要であることを前述した。この半波長板は、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)
As described above, a half-wave plate is necessary for biaxial modulation. This half-wave plate is 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には、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. KTN usually does not have birefringence, but 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7に、本発明の第6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1の基本単位素子51とKTN半波長板53と第2の基本単位素子52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53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。電圧の大きさを調整すると、直交偏光間にπラジアンの位相差を発生させることができる。この電界の向きが、第1の基本単位素子51と第2の基本単位素子52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51を透過した光の偏光が90度回転する。   FIG. 7 shows the configuration of a polarization-independent variable focus lens according to the sixth embodiment of the present invention. The first basic unit element 51, the KTN half-wave plate 53, and the second basic unit element 52 are arranged in series along the optical axis direction. The shape of the KTN half-wave plate 53 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. By adjusting the magnitude of the voltage, a phase difference of π radians can be generated between the orthogonal polarizations. 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 51 and the second basic unit element 52, that is, the normal line of the electrode surface. As a result, the polarization of the light transmitted through the first basic unit element 51 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51用の電極と、KTN半波長板53用の電極と、第2の基本単位素子52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。   When the half-wave plate is also made of KTN like 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 51; An electrode for the KTN half-wave plate 53 and an electrode for the second basic unit element 52 are attached in order. In this way, an integrated polarization-independent variable focus lens can be configured.

(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する。この空間電荷が屈折率分布を乱し、レンズ機能に悪影響を与えることは、前述のとおりである。
(Electrode material)
When a high voltage is applied to the electro-optic material, charges are injected from the electrodes, and space charges are generated in the crystal. As described above, this space charge disturbs the refractive index distribution and adversely affects the lens function.

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.

また、この可変焦点レンズで変調しようとする光の光路を遮らない位置で、かつ、基板1に近接させて、基板1を照明するためのLEDを設置した。LEDの発光波長は405nmである。   Further, an LED for illuminating the substrate 1 was installed at a position that does not block the optical path of the light to be modulated by the variable focus lens and in the vicinity of the substrate 1. The emission wavelength of the LED is 405 nm.

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.

このシリンドリカル可変焦点レンズを、1000Vにて長期間使用すると、焦点距離が当初の59cmから約100cmにまでずれ、集光スポットの形状も劣化した。そこで、備え付けのLEDに通電し、基板1を5mWの光で1分間照射して初期化を行った。その結果、焦点距離も集光スポットの形状も、元に戻った。   When this cylindrical variable focus lens was used at 1000 V for a long time, the focal length shifted from the original 59 cm to about 100 cm, and the shape of the focused spot was also deteriorated. Therefore, the initialization was performed by energizing the provided LED and irradiating the substrate 1 with 5 mW light for 1 minute. As a result, the focal length and the shape of the focused spot were restored.

実施例1において作製した基本単位素子において、第2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 second 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.

このシリンドリカル可変焦点レンズを、同条件にて長期間使用すると、焦点距離が約160cmにまでずれ、集光スポットの形状も劣化した。そこで、備え付けのLEDに通電し、基板1を5mWの光で1分間照射して初期化を行った。その結果、焦点距離も集光スポットの形状も、元に戻った。   When this cylindrical variable focus lens was used for a long time under the same conditions, the focal length was shifted to about 160 cm, and the shape of the focused spot was deteriorated. Therefore, the initialization was performed by energizing the provided LED and irradiating the substrate 1 with 5 mW light for 1 minute. As a result, the focal length and the shape of the focused spot were restored.

実施例1において作製した基本単位素子を、第3の実施形態(図5)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31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 third embodiment (FIG. 5). 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 31 is condensed in the x-axis direction and functions as a cylindrical convex lens. The focal length is 104 cm.

このシリンドリカル可変焦点レンズを、同条件にて長期間使用すると、焦点距離が約150cmにまでずれ、集光スポットの形状も劣化した。そこで、備え付けのLEDに通電し、基板31を5mWの光で1分間照射して初期化を行った。その結果、焦点距離も集光スポットの形状も、元に戻った。   When this cylindrical variable focus lens was used for a long time under the same conditions, the focal length was shifted to about 150 cm, and the shape of the focused spot was deteriorated. Therefore, the initialization was performed by energizing the provided LED and irradiating the substrate 31 with 5 mW light for 1 minute. As a result, the focal length and the shape of the focused spot were restored.

実施例3において作製した基本単位素子において、第4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。実施例3と同じ条件で、焦点距離は114cmであった。   In the basic unit element fabricated in Example 3, as shown in the fourth embodiment, both the upper surface electrodes are used as anodes and the lower surface electrodes are both used as cathodes. Under the same conditions as in Example 3, the focal length was 114 cm.

このシリンドリカル可変焦点レンズを、同条件にて長期間使用すると、焦点距離が約160cmにまでずれ、集光スポットの形状も劣化した。そこで、備え付けのLEDに通電し、基板31を5mWの光で1分間照射して初期化を行った。その結果、焦点距離も集光スポットの形状も、元に戻った。   When this cylindrical variable focus lens was used for a long time under the same conditions, the focal length was shifted to about 160 cm, and the shape of the focused spot was deteriorated. Therefore, the initialization was performed by energizing the provided LED and irradiating the substrate 31 with 5 mW light for 1 minute. As a result, the focal length and the shape of the focused spot were restored.

1,31,41 基板
2,5,32,35,42 陽極
3,4,33,34,43 陰極
6,36,46 入射光
7,37,47 出射光
11 電気力線
12 屈折率変調曲線
21 光源
51,52 基本単位素子
53 KTN半波長板
1, 31, 41 Substrate 2, 5, 32, 35, 42 Anode 3, 4, 33, 34, 43 Cathode 6, 36, 46 Incident light 7, 37, 47 Emitted light 11 Electric field lines 12 Refractive index modulation curve 21 Light source 51, 52 Basic unit element 53 KTN half-wave plate

Claims (15)

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、
前記電気光学材料を照明できるように配置された発光素子とを備え、
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ことを特徴とする可変焦点レンズ。
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 opposite to the first surface;
A light emitting element arranged to illuminate the electro-optic material,
A variable focus lens, wherein a focus of light transmitted through the electro-optic material is varied by changing an applied voltage between the electrode pair.
前記電極対は、
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の陰極とからなる第1の電極対、および
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の陽極とからなる第2の電極対を含み、
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の電極対の間を透過してから、前記第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ことを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ。
The electrode pair is
A first anode formed on the first surface of the electro-optic material and a second surface formed on a second surface opposite to the first surface and facing the first anode. A first electrode pair composed of one cathode, a second cathode formed on the first surface and spaced from the first anode, and on the second surface A second electrode pair formed with a second anode formed at a position 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 and then passes through the second electrode pair, so that the third Light is emitted from the fourth surface opposite to the surface of
The focus of light emitted from the fourth surface of the electro-optic material is varied by changing an applied voltage between the first and second electrode pairs. Variable focus lens.
前記電極対は、
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の陽極とを含み、
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ことを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ。
The electrode pair 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 Light is emitted from the second surface between
The focus of light emitted from the second surface of the electro-optic material is varied by changing an applied voltage between the two anodes and the two cathodes. Variable focus lens.
前記電極対は、
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の陰極とからなる第1の電極対、および
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の陰極とからなる第2の電極対を含み、
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の電極対の間を透過してから、前記第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ことを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ。
The electrode pair is
A first anode formed on the first surface of the electro-optic material and a second surface formed on a second surface opposite to the first surface and facing the first anode. A first electrode pair comprising a first cathode; a second anode formed on the first surface and spaced apart from the first anode; and on the second surface A second electrode pair formed with a second cathode formed at a position 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 and then passes through the second electrode pair, so that the third Light is emitted from the fourth surface opposite to the surface of
The focus of light emitted from the fourth surface of the electro-optic material is varied by changing an applied voltage between the first and second electrode pairs. Variable focus lens.
前記電極対は、
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の陰極とを含み、
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ことを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ。
The electrode pair 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 and 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 Light is emitted from the second surface between
The focus of light emitted from the second surface of the electro-optic material is varied by changing an applied voltage between the two anodes and the two cathodes. Variable focus lens.
前記電極対は、前記電気光学材料の表面に形成された2N個の電極を含み、
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ことを特徴とする請求項1に記載の可変焦点レンズ。
The electrode pair includes 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. Light is emitted from a fourth surface that passes between the electrode pair and faces the third surface,
2. The variable focus lens according to claim 1, wherein a focus of light emitted from the fourth surface of the electro-optic material is varied by changing an applied voltage between the k-th and N-th voltages. .
前記電気光学材料は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の可変焦点レンズ。   7. The variable focus lens according to claim 1, wherein the electro-optic material is a single crystal material having a perovskite crystal structure. 前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN:KTa1-xNb、0<x<1)であることを特徴とする請求項7に記載の可変焦点レンズ。 The electro-optical material, potassium tantalate niobate (KTN: KTa 1-x Nb x O 3, 0 <x <1) variable focus lens according to claim 7, characterized in that the. 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7に記載の可変焦点レンズ。   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 variable focus lens according to claim 7. 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9に記載の可変焦点レンズ。   10. The variable focus lens according to claim 9, wherein the electro-optic material further includes one or more members 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2ないし6のいずれかに記載の可変焦点レンズ。   3. 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 variable focus lens according to any one of 6. 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11に記載の可変焦点レンズ。   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 12. The variable focus lens according to Item 11. 前記発光素子は、発光ダイオードであること特徴とする請求項1ないし12のいずれかに記載の可変焦点レンズ。   The variable focus lens according to claim 1, wherein the light emitting element is a light emitting diode. 前記発光素子は、半導体レーザであること特徴とする請求項1ないし12のいずれかに記載の可変焦点レンズ。   The variable focus lens according to claim 1, wherein the light emitting element is a semiconductor laser. 前記発光素子は、窒化ガリウムを主成分とすることを特徴とする請求項13または14に記載の可変焦点レンズ。   15. The variable focus lens according to claim 13, wherein the light emitting element is mainly composed of gallium nitride.
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