JP2015018095A - Variable focus mirror - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、焦点距離を調整することができる可変焦点ミラーに関する。 The present invention relates to a variable focus mirror capable of adjusting a focal length.
従来、光学レンズやプリズムなどの光学部品は、光学機器(カメラ、顕微鏡、望遠鏡など)、電子写真方式の記録装置(プリンタ、コピー機など)、DVDなどの光記録装置、通信用および工業用の光デバイス等に用いられている。このような装置では、状況に応じて焦点距離を調整することのできるレンズ、いわゆる可変焦点が用いられることが多い。 Conventionally, optical components such as optical lenses and prisms are optical devices (cameras, microscopes, telescopes, etc.), electrophotographic recording devices (printers, copiers, etc.), optical recording devices such as DVDs, communication and industrial use. It is used for optical devices. Such an apparatus often uses a lens whose focal length can be adjusted according to the situation, so-called variable focus.
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、応答速度や製造コスト、小型化、消費電力などの点から、適用範囲を広げることに限界があった。 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 expanding the application range in terms of response speed, manufacturing cost, miniaturization, power consumption, and the like.
一方、焦点距離を調整できる光学素子として、可変焦点の凹面鏡が考えられる。近年、薄くて変形が可能なミラーの裏面に、複数のアクチュエータを取り付け、このアクチュエータの操作によって、ミラーの曲率を変化させることを可能にした光学素子が開発されている(非特許文献)。ミラーの曲率を変化させることができるので、焦点距離が可変な凹面鏡としても用いることが可能である。ここではこのような素子を可変ミラーと呼ぶ。 On the other hand, a variable focus concave mirror can be considered as an optical element capable of adjusting the focal length. In recent years, an optical element has been developed in which a plurality of actuators are attached to the back surface of a thin and deformable mirror, and the curvature of the mirror can be changed by operating the actuator (non-patent document). Since the curvature of the mirror can be changed, it can also be used as a concave mirror having a variable focal length. Here, such an element is called a variable mirror.
しかしながら、従来の可変ミラーでは、ミラーの曲率を変形させ、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 mirror has a problem that it cannot be applied to a high-speed response of 1 ms or less because there is a limit to the response speed required to change the focal length by changing the curvature of the mirror.
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ミラーを提供することである。 An object of the present invention is to provide a variable focus mirror that can change the focal length at high speed.
上記課題を解決するために、本発明は、電圧が印加されたときに物理的な歪が生ずる結晶材料で形成された基板と、前記基板に電圧を印加するための複数の電極と、前記複数の電極のうちのいずれかの電極上に構成され、入射光を反射するミラーと、を備え、前記基板に前記電圧が印加された場合に、前記結晶材料の物理的な歪により、前記基板の表面を変化させて前記ミラーの曲率を可変させる。 In order to solve the above problems, the present invention provides a substrate formed of a crystal material that causes physical strain when a voltage is applied thereto, a plurality of electrodes for applying a voltage to the substrate, and the plurality of electrodes A mirror configured to reflect incident light, and when the voltage is applied to the substrate, due to physical distortion of the crystal material, The curvature of the mirror is varied by changing the surface.
ここで、前記電極は、前記電気光学材料と、オーミック接合が形成される材料とを含むようにしてもよい。 Here, the electrode may include the electro-optic material and a material in which an ohmic junction is formed.
前記結晶材料は、酸素八面体構造を有するようにしてもよい。 The crystal material may have an oxygen octahedral structure.
前記結晶材料は、反転対称性を有するペロブスカイト型単結晶材料としてもよい。 The crystal material may be a perovskite single crystal material having inversion symmetry.
前記電気光学材料は、結晶の主成分が周期律表のIa族およびVa族で構成され、Ia族はカリウムであり、Va族は、ニオブまたはタンタルの少なくとも1つを含むようにしてもよい。 In the electro-optic material, the main component of the crystal may be composed of Group Ia and Group Va of the periodic table, Group Ia may be potassium, and Group Va may include at least one of niobium or tantalum.
本発明によれば、焦点距離の変更を高速に行うことができる。 According to the present invention, the focal length can be changed at high speed.
以下、本発明の可変焦点ミラーの一実施形態について説明する。この実施形態の可変焦点ミラーは、ピエゾ効果または電歪効果を利用して、従来の可変焦点レンズまたは可変焦点ミラーと比較して、より高速な応答速度を得ることができるようにしている。そのため、例えば100kHz以上の繰り返し周波数でも安定した動作が行うことができる。 Hereinafter, an embodiment of the variable focus mirror of the present invention will be described. The variable focus mirror of this embodiment uses the piezo effect or the electrostrictive effect to obtain a higher response speed than a conventional variable focus lens or variable focus mirror. Therefore, a stable operation can be performed even at a repetition frequency of 100 kHz or more, for example.
図1は、本実施形態における可変焦点ミラー10の構成例を示す図であって、(a)は可変焦点ミラー10の斜視図、(b)は可変焦点ミラー10の断面図を示している。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a
図1に示す可変焦点ミラー10は、基板1と、基板1上面に形成された上部電極2と、基板1下面に形成された下部電極3と、上部電極2上に形成された光反射膜(ミラー)4とを備える。
A
基板1は、例えば電歪効果を有する結晶材料で形成されている。この実施形態では、基板1は、例えば円盤状に形成されているが、基板1として図1に示した形状に限られず、当業者に知られた他の形状を適用することもできる。 The substrate 1 is made of, for example, a crystal material having an electrostrictive effect. In this embodiment, the substrate 1 is formed in a disc shape, for example, but the substrate 1 is not limited to the shape shown in FIG. 1, and other shapes known to those skilled in the art can also be applied.
[可変焦点ミラー10の動作原理]
次に、可変焦点ミラー10の動作原理について説明する。
[Operation Principle of Variable Focus Mirror 10]
Next, the operating principle of the
上記電歪効果によって、物質に印加する電界をE、電界の2乗に比例した歪(ひずみ)をeとすると、Eを印加することによってeの歪が発生する。これは、下記式(1)によって表される。 When the electric field applied to the substance is E and the strain proportional to the square of the electric field is e due to the electrostrictive effect, the application of E causes the distortion of e. This is represented by the following formula (1).
なお、式(1)において、ε:誘電率、D:電束密度、Q:電歪係数、を示す。 In the equation (1), ε: dielectric constant, D: electric flux density, Q: electrostriction coefficient.
一般に、電極に注入する電荷として、電子、正孔、陽子(水素イオン)があるが、この実施形態では、例えば電子とする。 In general, there are electrons, holes, and protons (hydrogen ions) that are injected into the electrode. In this embodiment, for example, electrons are used.
本実施形態の可変焦点ミラー10において、基板1の厚さを例えば1mm、上部電極2を陽極、下部電極3を陰極とし、数100Vの高電圧を印加した場合、下部電極3から電子が注入される。これにより、基板1の内部に空間電荷が形成される。
In the
この空間電荷の形成形態としては様々なものがあり得る。この実施形態では、基板1内に一様な電荷密度ρを有する空間電荷が形成されるものとする。電荷密度ρは、電子による電荷注入を想定しているので、負の値となる。この電荷密度ρより、下記式(2)のガウスの法則に従って、電束密度Dを求めることができる。 There may be various forms of formation of this space charge. In this embodiment, it is assumed that space charges having a uniform charge density ρ are formed in the substrate 1. The charge density ρ assumes a negative value because charge injection by electrons is assumed. From this charge density ρ, the electric flux density D can be obtained according to Gauss's law of the following equation (2).
後述するように、電歪効果を有する結晶材料は、誘電率が非常に大きいことが通例である。この場合には、基板1の内部では電界Eも電束密度Dも電極に垂直となるので、電束密度Dは、電極1に垂直な方向のy軸成分のみを考える。すなわち、上記式(2)は、下記式(3)式で与えられる。 As will be described later, a crystal material having an electrostrictive effect usually has a very large dielectric constant. In this case, since the electric field E and the electric flux density D are both perpendicular to the electrode inside the substrate 1, only the y-axis component in the direction perpendicular to the electrode 1 is considered for the electric flux density D. That is, the above formula (2) is given by the following formula (3).
上記式(3)から、y軸成分の電束密度Dyは、下記式(4)によって表される。 From the above formula (3), the electric flux density D y of the y-axis component is expressed by the following formula (4).
式(4)において、V:上部電極2と下部電極3との間に印加する印加電圧、d:基板1の厚さ、を示す。
In the formula (4), V represents an applied voltage applied between the upper electrode 2 and the
式(4)では、Dyは、位置座標yの関数、すなわち、図1(b)のy方向(上下方法)に沿って変化することになる。 In Expression (4), D y changes along the function of the position coordinate y, that is, the y direction (up and down method) in FIG.
したがって、歪eも、式(1)から下記式(5)によって図1(b)のy方向(上下方法)に沿って変化することになる。 Accordingly, the strain e also changes along the y direction (up and down method) in FIG. 1B according to the following equation (5) from the equation (1).
式(5)において、V:印加電圧、d:基板1の厚さ、を示す。 In the formula (5), V: applied voltage, d: thickness of the substrate 1 are shown.
次に、可変焦点ミラー10に電圧を印加した場合における電束密度Dと電歪効果による歪との関係について図1および図2を参照して説明する。
Next, the relationship between the electric flux density D and the distortion due to the electrostrictive effect when a voltage is applied to the
図2は、電束密度Dと電歪効果による歪との関係を示す図であって、(a)は上記式(4)に示すDyと図1に示すy方向の位置との関係、(b)は歪係数が正の値である場合の歪の様子、を示している。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the electric flux density D and the strain due to the electrostrictive effect, wherein (a) is the relationship between D y shown in the above equation (4) and the position in the y direction shown in FIG. (B) shows the state of distortion when the distortion coefficient is a positive value.
図2において、空間電荷は基板1内部に固定されていて、印加電圧によらずに一定であるものとする。なお、図2(a)および(b)において、横軸は基板1内部の上下方向(図1のy方向)の位置を表してある。ここで、図2(a)および(b)の各種分布(D1〜D3,e1〜e3)の右端は上部電極2の位置、左端は下部電極3の位置とする。
In FIG. 2, the space charge is fixed inside the substrate 1 and is constant regardless of the applied voltage. 2A and 2B, the horizontal axis represents the position in the vertical direction (the y direction in FIG. 1) inside the substrate 1. Here, the right end of the various distributions (D1 to D3, e1 to e3) in FIGS. 2A and 2B is the position of the upper electrode 2, and the left end is the position of the
上記式(4)に示す電束密度Dは、与えられた印加電圧(図2中のV)に応じて、図2(a)に示すような分布をとる。すなわち、電束密度分布D1,D2,D3はすべて、傾きがρとなる直線的な変化を有する。 The electric flux density D shown in the above equation (4) has a distribution as shown in FIG. 2A according to the applied voltage (V in FIG. 2). That is, the electric flux density distributions D1, D2, and D3 all have a linear change whose slope is ρ.
例えば、電束密度分布D3の場合には、V = −d2・ρ / (2ε)(ρが負となっているため、Vは正電圧)が与えられるので、下部電極3の位置では、D=0となる。一方、Vを下げたときには、電束密度分布D3は、D2およびD1に示すように順次、上方へ平行移動する。
For example, in the case of the electric flux density distribution D3, V = −d 2 · ρ / (2ε) (V is a positive voltage because ρ is negative). Therefore, at the position of the
D2の場合、V=0のときには、D2の電束密度分布の中央部でD=0となる。そして、電圧Vをさらに下げて、V =d2・ρ /(2ε)(ρが負となっているため、Vは負電圧)とするときには、電束密度分布D1に示すように、上部電極2の位置でD=0となる。 In the case of D2, when V = 0, D = 0 at the center of the electric flux density distribution of D2. When the voltage V is further reduced to V = d 2 · ρ / (2ε) (where ρ is negative, V is a negative voltage), as shown in the electric flux density distribution D1, the upper electrode At the position of 2, D = 0.
電歪係数が正の値である場合の歪は、図2(b)に示すような値をとる。すなわち、歪分布e3に示すように、V = −d2・ρ / (2ε)のときには、下部電極3付近では、Dの絶対値が小さくなるため、歪も小さくなる。一方、上部電極2に近づくにつれ、歪は大きくなる。
The distortion when the electrostriction coefficient is a positive value takes a value as shown in FIG. That is, as shown in the strain distribution e3, when V = −d 2 · ρ / (2ε), the absolute value of D is small in the vicinity of the
電圧=0のときには、歪分布e2に示すように、e2の中央部で歪=0となり、歪分布は左右対称になる。 When the voltage = 0, as shown in the strain distribution e2, the strain = 0 at the center of e2, and the strain distribution is symmetric.
V = d2・ρ / (2ε)のときには、歪分布e1は、e3の歪分布が左右逆となる分布となる。 When V = d 2 · ρ / (2ε), the strain distribution e1 is a distribution in which the strain distribution of e3 is reversed left and right.
一般に、上述した電歪効果によって、物質は電界の方向に伸び、電歪係数はこの方位によって正の値になることが多い。また、電界の方向に物質が伸びる場合、その方向と垂直な方向に物質は縮むのが、通例である。 In general, due to the above-described electrostrictive effect, the substance extends in the direction of the electric field, and the electrostriction coefficient often has a positive value depending on this orientation. In addition, when a substance extends in the direction of the electric field, the substance usually contracts in a direction perpendicular to that direction.
本実施形態の可変焦点ミラー10において、電界の方向はy方向となるため、基板1はy方向に伸び、図1の紙面の左右方向は縮むことになる。
In the
図2(b)の例では、正の電圧としてV = −d2・ρ / (2ε)を与えたときには、陽極となる上部電極2付近において、図1の紙面の横方向(基板1の面内方向)の収縮率が高くなり、陰極となる下部電極3付近ではほとんど収縮しなくなる。この結果、基板1は反り返り、下方向(y方向の起点の方向)に向かって凸形の曲面状を有するように変形することになる。この場合、光反射膜4は、その変形作用と同時に丸く変形し、凹面鏡となる。
In the example of FIG. 2B, when V = −d 2 · ρ / (2ε) is given as a positive voltage, in the vicinity of the upper electrode 2 serving as the anode, the horizontal direction of the paper surface of FIG. The shrinkage rate in the inward direction becomes high, and the shrinkage hardly occurs near the
図2(b)において、V=0の場合は、歪は左右対称となる。図2において横軸は図1のy方向(上下方向)となるため、この実施形態では、上下対称となる。 In FIG. 2B, when V = 0, the distortion is symmetrical. In FIG. 2, the horizontal axis is the y direction (vertical direction) in FIG.
上部電極2付近は、下部電極3付近と同様に収縮することになるので、基板1が反ることにはならず、通常の形状を保った状態となる。
Since the vicinity of the upper electrode 2 contracts in the same manner as the vicinity of the
ここで、電圧Vを正の方向に大きくしていくと、徐々に上部電極2の収縮が強くなり、下部電極3の収縮が小さくなるため、応力のバランスが崩れ、凹面鏡の曲率が大きくなる。
Here, when the voltage V is increased in the positive direction, the contraction of the upper electrode 2 is gradually increased and the contraction of the
この原理から、可変焦点ミラー10は、基板1に注入された電荷を活用することにより、印加電圧によって光反射膜4の曲率を変えることができる。これにより、例えば凹面鏡として可変焦点ミラー10を機能させて、可変焦点ミラー10の焦点を変えることができる。
From this principle, the
なお、図2(b)に示したように、負の電圧Vを印加した場合は、歪の分布が正の電圧とは逆向きになるので、可変焦点ミラー10は凸面鏡として機能する。この場合にも、凸面鏡として可変焦点ミラー10を機能させて、可変焦点ミラー10の焦点を変えることができる。
As shown in FIG. 2B, when a negative voltage V is applied, the strain distribution is opposite to the positive voltage, so that the
[空間電荷]
電極から物質に電子を注入した時に流れる電流の形態として、空間電荷制限電流というものがある。この電流は、物質に過剰に電子が注入されたときに、この電子によって物質中に流れる電流である。過剰に電子が注入されたときには、電流には制限がないように思われるが、自動的に物質中で電子濃度に空間分布が形成される。これにより、陰極付近の電子濃度が高くなるため、電流が制限される。空間電荷制限電流が流れているときの電荷密度は、下記式(6)によって表される。
[Space charge]
As a form of current that flows when electrons are injected into a substance from an electrode, there is a space charge limited current. This current is a current that flows into the material by the electrons when excessive electrons are injected into the material. When electrons are injected excessively, it seems that there is no limit to the current, but a spatial distribution is automatically formed in the electron concentration in the material. This increases the electron concentration near the cathode, thus limiting the current. The charge density when the space charge limited current flows is expressed by the following formula (6).
式(6)から、電荷密度は、陰極付近(yが小さい)で大きくなることがわかる。上述した原理の説明では、空間電荷が基板1内部に固定されていることを前提に説明したが、空間電荷制限電流のモードの場合、電流に寄与する自由電子によって空間電荷が生成されているため、空間電荷は固定されない。 From equation (6), it can be seen that the charge density increases near the cathode (y is small). In the explanation of the principle described above, the explanation was made on the assumption that the space charge is fixed inside the substrate 1, but in the space charge limited current mode, the space charge is generated by the free electrons contributing to the current. The space charge is not fixed.
ここで、基板1に用いられる結晶材料の中には、電子を捕獲するエネルギー準位を有するものがある。この局所的なエネルギー準位をトラップと呼ぶ。 Here, some of the crystal materials used for the substrate 1 have an energy level for capturing electrons. This local energy level is called a trap.
トラップがある場合、注入された電子のほとんどはトラップに捕獲され、自由電子とならない。トラップは、電子を放出する確率が低く、この場合には、空間電荷はほぼ基板1に固定されると考えられる。 When there is a trap, most of the injected electrons are captured by the trap and do not become free electrons. The trap has a low probability of emitting electrons, and in this case, it is considered that the space charge is substantially fixed to the substrate 1.
電子注入のために高電圧を印加した後、電圧をV=0に戻しても、空間電荷は長期間保存される。トラップを活用する場合は、電荷密度ρを空間的に均一にすることも可能である。前述の原理の説明においては、このモードに基づいている。 Even if the voltage is returned to V = 0 after applying a high voltage for electron injection, the space charge is stored for a long time. When using traps, the charge density ρ can be made spatially uniform. The above description of the principle is based on this mode.
[電歪効果を有する結晶材料]
電界を印加した場合に物質が変形する現象として、ピエゾ効果と電歪効果がある。ピエゾ効果とは、物質が歪んだときにその内部に電気が発生する現象をいうが、このような現象を生じる物質では、電界が印加されると歪が生じる。これは逆ピエゾ効果として知られているが、単にピエゾ効果ということが多い。ピエゾ効果では、歪は印加した電界に比例する。
[Crystal material with electrostrictive effect]
As a phenomenon in which a material is deformed when an electric field is applied, there are a piezo effect and an electrostrictive effect. The piezo effect is a phenomenon in which electricity is generated inside a material when the material is distorted. In a material that generates such a phenomenon, distortion occurs when an electric field is applied. This is known as an inverse piezo effect, but is often simply a piezo effect. In the piezo effect, the strain is proportional to the applied electric field.
電歪効果とは、歪が印加した電界の2乗に比例する現象をいう。これは、2次の効果である。電界によって歪が誘起される物質として、例えば、酸素八面体構造を有する結晶材料が用いられる。 The electrostrictive effect refers to a phenomenon in which strain is proportional to the square of an applied electric field. This is a secondary effect. As a substance whose strain is induced by an electric field, for example, a crystal material having an oxygen octahedral structure is used.
酸素八面体では、正八面体の8つの頂点位置にそれぞれ1つの酸素イオンが配置され、金属元素のイオン1つが、これらの酸素イオンに取り囲まれて微細な構造を有する。八面体は、完全な正八面体ではなく、例えば一方向に伸びているなど、多少の「ゆがみ」があってもよい。 In the oxygen octahedron, one oxygen ion is arranged at each of the eight vertex positions of the regular octahedron, and one metal element ion is surrounded by these oxygen ions to have a fine structure. The octahedron is not a perfect regular octahedron and may have some “distortion”, for example, extending in one direction.
結晶材料の中には、1次の効果を有するものと、2次の効果を有するものがあるが、電界によって歪が誘起される効果を有する材料は概ね、酸素八面体を結晶構造の基本としている。酸素八面体内部の空間は金属元素イオンのサイズよりも大きく、このために、この金属元素イオンが動きやすくなっていることは、電界による歪が大きくなる要因となる。代表的な材料として、例えば、PbTiO3、PZT (PbTiO3とPbZrO3とを混合したPZT)がある。TiまたはZrのイオンは酸素八面体の内部にある。 Some crystalline materials have a primary effect and some have a secondary effect, but materials having an effect of inducing strain by an electric field generally have an oxygen octahedron as the basis of the crystal structure. Yes. The space inside the oxygen octahedron is larger than the size of the metal element ions. For this reason, the fact that the metal element ions are easy to move causes the distortion due to the electric field to increase. Typical examples include PbTiO 3 and PZT (PZT in which PbTiO 3 and PbZrO 3 are mixed). Ti or Zr ions are inside the oxygen octahedron.
上述したピエゾ効果および電歪効果のうち、産業上は、1次の効果であるピエゾ効果が広く活用されているが、この実施形態では、いずれの効果でも利用することができ、結晶材料は、酸素八面体構造を有する材料とすることができる。ただし、実際には、電歪効果を有する材料を使用するのが好ましい。これは、ピエゾ効果を使用する場合、前述の2種類の空間電荷のモードのうち、トラップを活用するモードを使用することができず、空間電荷制限電流のモードでは、その効果が小さくなるためである。 Among the above-described piezo effect and electrostrictive effect, the piezo effect, which is a primary effect, is widely used in the industry, but in this embodiment, any effect can be used, and the crystalline material is A material having an oxygen octahedral structure can be used. However, in practice, it is preferable to use a material having an electrostrictive effect. This is because, when the piezo effect is used, the mode using the trap cannot be used out of the two types of space charge modes described above, and the effect becomes small in the space charge limited current mode. is there.
ピエゾ効果を使用する場合にトラップを活用するモードが使用することができないのは、歪が、電束密度または電界の2乗に比例しないからである。歪は電束密度の1乗に比例するので、図2(b)に示す歪分布は、図2(a)に示した電束密度分布と同じような特性を表すことになる。本実施形態において、基板1の形状が変化して基板1が反るのは、上部電極2側と下部電極3側との歪量に差があるからである。その歪量の差分が光反射面の反りに比例することになる。
The mode that utilizes traps when using the piezo effect cannot be used because the strain is not proportional to the electric flux density or the square of the electric field. Since strain is proportional to the first power of the electric flux density, the strain distribution shown in FIG. 2B represents the same characteristics as the electric flux density distribution shown in FIG. In this embodiment, the shape of the substrate 1 changes and the substrate 1 is warped because there is a difference in strain between the upper electrode 2 side and the
このことから、ピエゾ効果の場合でも、基板1の反りは生じることになる。ピエゾ効果の場合、図2(a)に示したように、印加電圧が変わると、全体的には、電束密度の分布は、上下に変動するものの、上部電極2側と下部電極3側とにおける電束密度の差分は変わらない。つまり、歪量の差分は変化しない。このため、電圧を変えても、基板1の反りの曲率は一定のままとなり、電圧によって高速にその曲率を変化させることはできない。
Therefore, even in the case of the piezo effect, the substrate 1 is warped. In the case of the piezo effect, as shown in FIG. 2A, when the applied voltage is changed, the overall distribution of the electric flux density fluctuates up and down, but the upper electrode 2 side and the
曲率、すなわち焦点距離を決めるのは電荷密度であり、一旦電子を注入して形成された空間電荷の密度は、高速に変えることは困難である。 It is the charge density that determines the curvature, that is, the focal length, and it is difficult to change the density of the space charge once formed by injecting electrons at a high speed.
また、空間電荷制限電流を使うモードの場合、上記式(6)に示したように、空間電荷は誘電率に比例するため、誘電率が高いことが望ましい。ピエゾ効果を有する材料の場合、誘電率は、一般的な誘電体に比べて高いとはいえ、電歪効果を発現する材料が数万に及ぶ比誘電率を有することが多いのに比較すると、十分な誘電率が得られないことが多い。ただし、タングステンブロンズ型結晶構造を有する材料の場合には、ピエゾ効果を有しながら、数万に及ぶ誘電率を示すものもあるので、このような材料であれば好適である。このような材料の例として、SrxBa1-xNb2O6、Ba4Na2Nb10O30、K3Li2Nb5O15、または、これらの構成元素の一部または全部を、結晶構造を変えない範囲で別の元素に置換したものが挙げられる。これらの材料も、Nbイオンを含む酸素八面体を基本構造とする。 In the mode using the space charge limited current, the space charge is proportional to the dielectric constant as shown in the above formula (6), and therefore it is desirable that the dielectric constant is high. In the case of a material having a piezo effect, although the dielectric constant is higher than that of a general dielectric, compared to the material that exhibits an electrostrictive effect often has a relative dielectric constant of tens of thousands, In many cases, a sufficient dielectric constant cannot be obtained. However, in the case of a material having a tungsten bronze type crystal structure, there are some which show a dielectric constant of several tens of thousands while having a piezo effect. Therefore, such a material is preferable. Examples of such materials include Sr x Ba 1-x Nb 2 O 6 , Ba 4 Na 2 Nb 10 O 30 , K 3 Li 2 Nb 5 O 15 , or some or all of these constituent elements, Examples include those substituted with another element within a range in which the crystal structure is not changed. These materials also have an oxygen octahedron containing Nb ions as a basic structure.
一方、電歪効果を有する材料を利用する場合、前述したとおり、トラップを活用するモードが使用できる。 On the other hand, when a material having an electrostrictive effect is used, a mode utilizing a trap can be used as described above.
また、反転対称性を有するペロブスカイト型の結晶材料では、巨大な誘電率を持たせることが可能となり、例えば比誘電率は数万に達する。 Further, a perovskite crystal material having inversion symmetry can have a huge dielectric constant. For example, the relative dielectric constant reaches several tens of thousands.
次に、反転対称性を有するペロブスカイト型構造の材料について説明する。 Next, a material having a perovskite structure having inversion symmetry will be described.
一般に、誘電体は、外部から電界が印加されると、それに比例した分極が発生することになるが、電界を取り去ると、分極は0になる。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。外部電界がない状態で分極を有することを、自発分極という。 In general, when an electric field is applied from the outside to the dielectric, polarization proportional to the electric field is generated. However, when the electric field is removed, the polarization becomes zero. However, there are substances that retain finite polarization even when the electric field is removed. Having polarization in the absence of an external electric field is called spontaneous polarization.
自発分極について、外部電界によってその向きを反転させることが可能な物質が存在する。これを強誘電体という。 For spontaneous polarization, there are substances whose direction can be reversed by an external electric field. This is called a ferroelectric.
反転対称性を有する単結晶とは、原子の配列に関して、ある原点を中心としてx,y,z座標系で反転したときに、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は、上述の座標系で反転させたときに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。このことから、強誘電体は自発分極を有するので、反転対称性を有しない。 A single crystal having inversion symmetry refers to a crystal that has the same arrangement as the original arrangement of atoms when inverted in the x, y, z coordinate system around a certain origin. Since a crystal having spontaneous polarization is inverted in the direction of spontaneous polarization when inverted in the above-described coordinate system, it cannot be said that such a crystal has inversion symmetry. From this, the ferroelectric has spontaneous polarization and therefore 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。 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.
また、強誘電体であり、かつ反転対称性を有する場合というのは、ありえない。前述のPZT、SrxBa1-xNb2O6、Ba4Na2Nb10O30、K3Li2Nb5O15などはすべてが強誘電体であり、反転対称性を有せず、ピエゾ効果を有する。 In addition, it is not possible to be a ferroelectric and have inversion symmetry. The aforementioned PZT, Sr x Ba 1-x Nb 2 O 6 , Ba 4 Na 2 Nb 10 O 30 , K 3 Li 2 Nb 5 O 15 etc. are all ferroelectrics and have no inversion symmetry, Has a piezo effect.
反転対称性を有する材料としては、例えば、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、酸素八面体を基本とする代表的な結晶材料である。この結晶材料は、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、ピエゾ効果を有さず、電歪効果が支配的となる。 As a material having inversion symmetry, for example, there is a single crystal material having a perovskite crystal structure. The perovskite type single crystal material is a typical crystal material based on an oxygen octahedron. This crystal material becomes a cubic phase having inversion symmetry in the use state if the use temperature is appropriately selected. In the cubic phase, there is no piezo effect, and the electrostrictive effect is dominant.
例えば、よく知られたチタン酸バリウム(BaTiO3、以下BTという)の場合において、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)を超えた温度の場合には、立方晶相となり、電歪効果を有する。 For example, in the case of the well-known barium titanate (BaTiO 3 , hereinafter referred to as BT), a temperature exceeding the temperature at which the phase transition from the tetragonal phase to the cubic phase (hereinafter referred to as the phase transition temperature) is around 120 ° C. In some cases, it becomes a cubic phase and has an electrostrictive effect.
また、式(1)に示したように、同じ印加電界に対しても、歪量は誘電率が高いほど大きくなる。ペロブスカイト型結晶材料においては、誘電率の温度依存性がキュリーワイス則という法則に従うことが知られている。キュリーワイス則によると、相転移温度の付近で、誘電率は巨大になる。比誘電率にすると通常、数万に達する。このため、反転対称性を有するペロブスカイト型結晶は、相転移温度付近で使用するのが好ましい。 Further, as shown in Expression (1), the amount of strain increases as the dielectric constant increases even for the same applied electric field. In perovskite crystal materials, it is known that the temperature dependence of the dielectric constant follows the law called the Curie-Weiss law. According to the Curie-Weiss law, the dielectric constant becomes huge near the phase transition temperature. The relative dielectric constant usually reaches several tens of thousands. For this reason, it is preferable to use the perovskite crystal having inversion symmetry near the phase transition temperature.
また、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN:KTa1-xNbxO3、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、上述のように、巨大な電歪効果を簡便に実現することができる。 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, and the giant electrostrictive effect can be easily realized as described above.
さらに、KTNに関連する単結晶材料として、結晶の主成分が、周期律表のIa族とVa族とから構成されるものを用いることができる。この場合、Ia族は例えばカリウムで、Va族は例えばニオブ、タンタルの少なくとも1つを含む材料である。 Furthermore, as the single crystal material related to KTN, a material in which the main component of the crystal is composed of the Ia group and the Va group of the periodic table can be used. In this case, the group Ia is, for example, potassium, and the group Va is a material containing at least one of, for example, niobium and tantalum.
また、添加不純物としてカリウムを除く周期律表のIa族(例えばリチウム)、または、IIa族の1種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-xNbxO3、0<x<1、0<y<1)結晶を用いることもできる。 Moreover, 1 type or multiple types of IIa group (for example, lithium) or IIa group of the periodic table except potassium as an additional impurity 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.
同様に室温付近の温度で反転対称性と高い誘電率との双方を有するような材料として、前述のBTとSrTiO3とを混合した結晶材料、やはり前述のPZTやPZTにLaを添加したPLZTなども、本発明で好適に用いることのできる材料である。 Similarly, as a material having both inversion symmetry and high dielectric constant at a temperature near room temperature, a crystal material in which the above-mentioned BT and SrTiO 3 are mixed, PZT in which La is added to the above-mentioned PZT or PZT, etc. Is also a material that can be suitably used in the present invention.
[電極材料]
本実施形態では、上部電極2と下部電極3との間に高電圧を印加することで、電極2,3から基板1の内部に電荷を注入し、基板1の結晶材料内に空間電荷を生じさせる。この場合には、電極2,3からの電荷の注入が効率良く行われることが必要である。
[Electrode material]
In the present embodiment, by applying a high voltage between the upper electrode 2 and the
基板1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小さくなるにつれ、基板1との界面でのエネルギー障壁が低くなる。これにより、オーミック接合に近づき、その結果、キャリアの注入効率は増加する。したがって、電極2,3は、基板材料と、オーミック接合が形成される材料とで形成されるのが好ましい。具体的には、基板1の結晶において、電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極2,3の材料の仕事関数は、5.0eV未満であることが好ましい。
In the substrate 1, when the carrier contributing to electrical conduction is an electron, the energy barrier at the interface with the substrate 1 becomes lower as the work function of the electrode material becomes smaller. This approaches the ohmic junction, and as a result, the carrier injection efficiency increases. Therefore, the
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。上述した()内の値は仕事関数を示し、単位はeVである。 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. The value in parentheses indicates the work function, and the unit is eV.
なお、Tiの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般には、Ti/Pt/Auを順に積層した電極を用いて、Tiの層と基板結晶とを接合させる。あるいは、ITO(Indium Tin Oxide)、ZnOなどの透明電極を用いることもできる。 Since the Ti single-layer electrode is oxidized and becomes high resistance, generally, the Ti layer and the substrate crystal are bonded using an electrode in which Ti / Pt / Au is sequentially laminated. Alternatively, a transparent electrode such as ITO (Indium Tin Oxide) or ZnO can be used.
基板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。 When the carrier contributing to electrical conduction in the substrate crystal is a hole, the work function of the electrode material is preferably less than 5.0 eV in order to suppress hole injection. 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.
次に、可変焦点ミラー10の作製方法について再度図1を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the
電歪材料を板状に加工した基板1の上面および下面にそれぞれ、上部電極2および下部電極3を形成する。さらに、上部電極2上に、光反射膜4を形成する。
An upper electrode 2 and a
この例では、基板1は、KTN単結晶製とし、基板1の直径を10mm、基板1の厚さを1mmとする。厚さ方向は、結晶の<100>方向とする。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例えば20000とした。電極2,3はともに、Ti/Pt/Auを順に蒸着して形成した。
In this example, the substrate 1 is made of KTN single crystal, the diameter of the substrate 1 is 10 mm, and the thickness of the substrate 1 is 1 mm. The thickness direction is the <100> direction of the crystal. 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 was set to 20000, for example. Both
光反射膜4は、上部電極2の上に、SiO2とTiO2とを交互に積層することで、誘電体多層膜とした。 The light reflecting film 4 was formed as a dielectric multilayer film by alternately laminating SiO 2 and TiO 2 on the upper electrode 2.
このように作製した可変焦点ミラー10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。
Collimated laser light is incident on the
下部電極3および上部電極2に対して、例えば500Vの正電圧を印加すると、この電極を通じて電子が基板1に注入され、引き続いて基板1に反りが生じ、反射膜4からの反射光は集光され、凹面鏡として機能する。この場合の焦点距離は20cmであった。
When a positive voltage of 500 V, for example, is applied to the
一方、電圧を印加しない場合は、集光効果はなく、焦点距離は無限大となる。このことから、印加電圧を0Vから500Vまで変化させることにより、焦点距離は、無限大から20cmまでの範囲で変化させることができる。 On the other hand, when no voltage is applied, there is no light collecting effect and the focal length is infinite. From this, the focal length can be changed in the range from infinity to 20 cm by changing the applied voltage from 0V to 500V.
下部電極3および上部電極2に対して、負電圧を印加すると、可変焦点ミラー10は凸面鏡として機能した。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以下であった。これは、従来の可変焦点ミラーの応答時間よりも、3桁以上改善されていることを示す。
When a negative voltage was applied to the
以上説明したように、本実施形態の可変焦点ミラー10において、基板1は、電圧印加により物理的な歪が生ずる結晶材料で形成されている。この結晶材料の物理的な歪によって、基板1の表面は変化(湾曲)して(例えば、凹凸状など)光反射膜4の曲率が可変する。これにより、光反射膜4に入射して反射した光の焦点を変えることができる。
As described above, in the
1 基板
2 上部電極
3 下部電極
4 光反射膜
10 可変焦点ミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2
Claims (5)
前記基板に電圧を印加するための複数の電極と、
前記複数の電極のうちのいずれかの電極上に構成され、入射光を反射するミラーと、
を備え、
前記基板に前記電圧が印加された場合に、前記結晶材料の物理的な歪により、前記基板の表面を変化させて前記ミラーの曲率を可変させることを特徴とする可変焦点ミラー。 A substrate formed of a crystalline material that undergoes physical strain when a voltage is applied;
A plurality of electrodes for applying a voltage to the substrate;
A mirror configured on any one of the plurality of electrodes to reflect incident light;
With
A variable focus mirror characterized in that, when the voltage is applied to the substrate, the curvature of the mirror is varied by changing the surface of the substrate due to physical strain of the crystal material.
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