JP2016102958A - 可変焦点レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】焦点距離の短距離化と波面収差の劣化とが改善する。【解決手段】電気光学効果を有する単結晶材料からなる基板であって、略四角形の第１の面に直交する面のうち、前記断面において直線となる入射面から光を入射させたとき、前記入射面に対向する出射面から光が出射される、基板と、前記入射面に接する一方の第３の面上に形成された第１の陽極と、前記第３の面に対向する第４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の電極対と、前記第３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４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の電極対を備えた。【選択図】図７

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単結晶材料を用いた可変焦点レンズであって、焦点距離を変更可能とした可変焦点レンズに関する。

光学レンズ、プリズムといった光学部品は、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などに用いられている。例えば、ガラス材料からなる光学レンズは、焦点距離が固定されている。一方、上記の機器、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。

そこで、特許文献１に記載されているように、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使用した可変焦点レンズが知られていた。また、非特許文献１に記載されているように、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が提案されている。

しかしながら、上記のような可変焦点レンズは、いずれも焦点距離を変化させるのに要する応答時間に限界があり、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。

そこで、特許文献２に記載されているように、電気光学効果を有する光学材料を用いた可変焦点レンズが提案され、１ｍｓ以下の高速応答が可能な可変焦点レンズが実際に使用されている。

特開平１１−０６４８１７号公報 特開２０１４−２６２２９号公報

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, 1998

しかしながら、特許文献２に記載された構造の可変焦点レンズにおいては、焦点距離を短くするためには、大きな電圧を電気光学材料に印加する必要があった。印加電圧が大きくなるほど、高速動作は難しくなるとともに、レンズの性能として重要な波面収差が、劣化するという問題があった。

特許文献２に記載された可変焦点レンズの制御電圧と、同程度の電圧で制御することができ、焦点距離の短距離化と波面収差の劣化とを改善することができれば、高速応答を保ちつつ、より高性能の可変焦点レンズを実現することができる。

本発明の目的は、従来の可変焦点レンズの制御電圧と、同程度の電圧で制御することができ、焦点距離の短距離化と波面収差の劣化とが改善され、高速応答が可能な高性能の可変焦点レンズを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、電気光学効果を有する単結晶材料からなる基板であって、断面が対向する２つの直線と対向する２つの円弧とを有する略四角形の形状を有し、略四角形の第１の面に直交する面のうち、前記断面において直線となる入射面から光を入射させたとき、前記入射面に対向する出射面から光が出射される、基板と、前記入射面に接する一方の第３の面上に形成された第１の陽極と、前記第３の面に対向する第４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の電極対と、前記第３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４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の電極対を備え、前記入射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、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、前記出射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。

以上説明したように、本発明によれば、電気光学効果を有する単結晶材料からなる基板は、断面が対向する２つの直線と対向する２つの円弧とを有する略四角形の形状を有し、上記した電極配置により、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、基板から出射された光の焦点を可変することができる。従来の直方体の可変焦点レンズと等しい電圧により、焦点距離の短距離化と波面収差の劣化とが改善され、１ｍｓ以下の高速応答が可能となる。

従来の可変焦点レンズの構成を示す図である。 従来の可変焦点レンズの原理を説明するための図である。 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。 本発明の第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。 本発明の第２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。 本発明の第２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。 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。 本発明の第３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。 本発明の第３の実施形態にかかる可変焦点レンズの光路長変調を示す図である。 可変焦点レンズの焦点距離の接線角度依存性を示す図である。 可変焦点レンズの波面収差の接線角度依存性を示す図である。

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。最初に、従来の可変焦点レンズを参照して、電気光学効果と光路長変調について説明する。

（電気光学効果）
図１に、従来の可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を直方体に加工した基板１の上面および下面に、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、基板１を挟んで下部電極として陰極３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であり、下部電極が陽極５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。

入射光６は、電極を配置した面と直交する面から入射され、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から空気中へ、出射光７が出射される。

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。

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。

電気光学効果については、特許文献２に記載されているように、いくつかの次数が異なる電気光学効果が含まれる。一般的には、１次の電気光学効果（以下、ポッケルス効果）、または２次の電気光学効果（以下、カー効果）を示す物質が用いられる。ポッケルス効果を用いる場合、屈折率変化は印加した電界に比例する。そのため、上記の可変焦点レンズにおいては、入射側の電極対と出射側の電極対の間の電気力線の向きが逆のため、ポッケルス効果を有する材料を用いた場合、屈折率変化は相殺され、レンズとしての機能を果たさない。一方、カー効果を有する材料を用いた場合、屈折率変化は電界の二乗に比例する。従って、電気力線の向きが逆であっても、屈折率変化は等しくなるので、レンズとして機能する。

特許文献２に記載されているように、カー効果を有する物質として、ぺロブスカイト構造を有する単結晶材料がある。使用温度を適切に選択すれば、カー効果を発現する立方晶相に相転移させることができる。例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）は、１２０℃付近において正方晶相から、カー効果を発現する立方晶相へと相転移する。

また、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３、０＜ｘ＜１）を主成分とする単結晶材料は、電気光学効果を利用した素子の観点から、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）よりも好適な特徴を有する。チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）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、つまり化学式におけるｘの値により、相転移温度を選択することができる。ＫＴＮは相転移温度よりも高い温度であれば、大きなカー効果を発現する立方晶相となり、また、相転移温度に近いほどカー効果は大きくなる。このため、タンタルとニオブの組成比を変えることで、相転移温度を室温付近に選択することは、大きなカー効果を簡便に発現させるうえで、非常に重要である。

さらに、特許文献２に記載されているように、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。例として、立方晶のＫＬＴＮ（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。

（光路長変調）
次に、光路長変調について説明する。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。

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。

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。

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。

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種類があり、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。

（第１の実施形態）
図３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。直方体に切り出された電気光学効果を有する単結晶基板２１において、光２６が入射する面および出射する面と直交する面のうち、ｘ軸およびｚ軸に平行な面を第１の面、第１の面に対向する面を第２の面と規定する。第１および第２の面の形状は四角形である。ｘ軸およびｙ軸に平行な第３の面と、第３の面に対向する第４の面とに、２対の電極対が間隔をあけて、それぞれ向かい合う位置に形成されている。光の入射側に第１の電極対２２，２３、光の出射側に第２の電極対２４，２５が形成されており、電極２２，２５が陽極、電極２３，２４が陰極である。

第１の電極対２２，２３は、光２６が入射する面（入射面）にも連続して形成されており、第２の電極対２４，２５は、光２７が出射する面（出射面）にも連続して形成されている。すなわち、第１の電極対２２，２３は、入射面、入射面と直交する第３の面、および第３の面に対向する第４の面とに形成され、第１の陽極２２は、第３の面と入射面とが接する辺をまたいで第３の面と入射面とに形成され、第１の陰極２３は、第４の面と光が入射面とが接する辺をまたいで第４の面と光が入射面とに形成されている。

第２の電極対２４，２５は、出射面と、出射面と直交する第３の面および第４の面とに形成され、第２の陽極２５は、第４の面と出射面とが接する辺をまたいで第４の面と出射面とに形成され、第２の陰極２４は、第３の面と出射面とが接する辺をまたいで第３の面と出射面とに形成されている。

図４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４は、単結晶基板２１をｙ軸方向から見たときの結晶内部の電気力線の形状を示し、その右側に、ｚ軸方向の屈折率変調量Δｎを、模式的に示す。第１および第２の電極対は、ｙ軸方向から見た断面電形状がＬ字型になっており、単結晶基板２１の四隅を囲った構造になっている。レンズ機能の原理は、従来の可変焦点レンズと同じである。図２と図４とを比較すると、電気力線の曲率が、本実施形態の可変焦点レンズの方が大きいことがわかる。電気力線の曲率が大きくなると、結晶内部の電界分布が大きくなり、その結果、光入射面の中心部の屈折率変化に比べて、電極付近の屈折率変化が大きくなる。つまり、ｚ−ｘ平面において、ｚ＝０での屈折率変化と電極付近の屈折率変化との差が大きくなる。その結果として、放物線の曲率が従来と比較して大きくなり、より大きなレンズ効果を発現する。

（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２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は、電気光学効果を有する単結晶材料からなり、ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面が八角形である八角柱の形状を有している。ｘ軸およびｚ軸に平行な八角形の面を第１の面、第１の面に対向する面を第２の面と規定する。八角形の第１および第２の面に直交する面のうち入射面から入射光３６を入射させたとき、入射面に対向する出射面から出射光３７が出射される。入射面に接する一方（図中では上側）の第３の面上に形成された陽極３２（第１の陽極）、および入射面に接する他方（図中では下側）の第４の面上に形成された陰極３３（第１の陰極）とからなる第１の電極対と、出射面に接する一方の第５の面上に形成された陰極３４（第２の陰極）、および出射面に接する他方の第６の面上に形成された陽極３５（第２の陽極）とからなる第２の電極対とを備える。

入射光３６を、入射面から入射させたとき、第１の電極対の間を透過してから、第２の電極対の間を透過し、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、出射面から出射された出射光３７の焦点を可変することができる。

図６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６は、図５に示した可変焦点レンズの第１の面（八角柱の断面）をｙ軸方向から見た様子を示している。基板３１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３１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。

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６に示したような電気力線４１が発生する。電気力線４１は、陽極３２と陰極３３との間、陰極３４と陽極３５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。図２の従来例と比較すると、第２の実施形態では、電気力線の曲率が大きくなっていることがわかる。電気力線の曲率が大きくなることによって、基板３１内部の電界分布が大きくなり、その結果、入射面の中心部の屈折率変化に比べて、電極面（第３および４の面）付近の屈折率変化が大きくなる。

図６の右側には、屈折率変化分の分布を表す屈折率変調曲線４２を模式的に示している。屈折率変調曲線４２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の従来例と比較すると、第２の実施形態では、ｚ＝０（基板３１の中心線（光軸）近傍）での屈折率変化と、電極付近の屈折率変化との差が大きくなっている。その結果、屈折率変化分Δｎの放物線の曲率が大きくなり、より大きなレンズ効果を発現することができる。

基板３１の断面において、光軸に対して第３〜６の面が成す角を、電極面角度θとする（図６参照）。電極面角度θの増加とともに焦点距離が大きくなるが、従来の可変焦点レンズと比較しても焦点距離が短くなり、レンズの性能として改善していることがわかる。また、電極面角度θが２０°〜３０°の間で波面収差が極小となるので、焦点距離の短距離化と波面収差の劣化とが改善された可変焦点レンズを得るためには、電極面角度θは２０°〜３０°が好適である。

（第３の実施形態）
図７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５１は、電気光学効果を有する単結晶材料からなり、ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面が、対向する２つの直線と対向する２つの円弧とを有する略四角形の形状を有している。ｘ軸およびｚ軸に平行な略四角形の面を第１の面、第１の面に対向する面を第２の面と規定する。略四角形の第１および第２の面に直交する面のうち、ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面において直線となる入射面から入射光５６を入射させたとき、入射面に対向する出射面から出射光５７が出射される。

ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面において円弧となる上面（第３の面）および下面（第４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５２（第１の陽極）、基板５１を挟んで下部電極として陰極５３（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５４（第２の陰極）であり、下部電極が陽極５５（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。

入射光５６を、入射面から入射させたとき、第１の電極対の間を透過してから、第２の電極対の間を透過し、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、出射面から出射された出射光５７の焦点を可変することができる。

図８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８は、図７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５１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。平面波を入射したときには、基板５１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。

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８に示したような電気力線６１が発生する。電気力線６１は、陽極５２と陰極５３との間、陰極５４と陽極５５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。図２の従来例と比較すると、第３の実施形態では、電気力線の曲率が大きくなっていることがわかる。電気力線の曲率が大きくなることによって、基板５１内部の電界分布が大きくなり、その結果、光の入射面の中心部の屈折率変化に比べて、電極面付近の屈折率変化が大きくなる。

図８の右側には、屈折率変化分の分布を表す屈折率変調曲線６２を模式的に示している。屈折率変調曲線６２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の従来例と比較すると、第３の実施形態では、ｚ＝０（基板５１の中心線（光軸）近傍）での屈折率変化と、電極付近の屈折率変化との差が大きくなっている。その結果、屈折率変化分Δｎの放物線の曲率が大きくなり、より大きなレンズ効果を発現することができる。

図９に、本発明の第３の実施形態にかかる可変焦点レンズの光路長変調を示す。式１を用いて光電界がｚ軸方向の場合の光路長変調Δｓ_ｚをプロットしたものである。ｚ＝０（光軸）を中心に光路長変調の曲線が放物線（二次関数）とほぼ一致しており、理想的な凸レンズとして機能していることがわかる。図９には、図１に示した従来の可変焦点レンズの光路長変調も合わせて示してある。第１および第２の電極対に印加する印加電圧を１ｋＶ、基板の比誘電を２０，０００として計算した光路長変調を比較したものである。

従来技術と比較して、第３の実施形態の可変焦点レンズは、曲率が大きいことがわかる。これは電極付近と結晶中心部の屈折率の差が従来技術よりも大きくなり、その結果、ｚ軸と平行な偏波に対して大きな凸レンズ効果を持つことを示している。

図１０に、可変焦点レンズの焦点距離の接線角度依存性を示す。図８に示したように、ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面において、第３の面を構成する円弧がなす接線の光軸に対する角度を、接線角度θとする。図９の計算と同じ条件のもと、第３の面の接線角度θを変化させたときの焦点距離の変化を数値計算によりプロットした。なお、接線角度θが大きくなるに従い、基板５１の厚さが厚くなる。

このとき、第１および第２の電極対に印加する電圧は１ｋＶ、基板５１の比誘電率は２０，０００である。光の入射面及び出射面は、互いに平行であり、ｚ軸方向に３ｍｍ、ｙ軸方向に４．５ｍｍの大きさである。入射面と出射面との間の間隔は、ｘ軸方向に４．５ｍｍである。４つの電極５２〜５５は、ｘ軸に射影したときの長さが１．５ｍｍ、ｙ軸方向に４．５ｍｍの帯状の電極面であり、湾曲している。図１０に示すように、光軸に対する接線の角度が小さくなるほど、焦点距離が小さくなり従来技術よりも焦点距離を小さくすることができる。

図１１に、可変焦点レンズの波面収差の接線角度依存性を示す。図１０の計算と同じ条件のもと、接線角度の変化と波面収差の関係を数値計算により算出し、プロットしたものである。どの角度においても波面収差は１５０ｎｍ以下であるが、接線角度θが５０°付近で極小値をとり、約６０ｎｍとなることがわかる。図１０および図１１を参照すると、波面収差の最大値が小さく、かつ、焦点距離も小さくできる接線角度θは、４０°〜６０°が好適である。

（第３の実施形態の実施例１）
図７および図８に示したように、電気光学効果を有する単結晶材料としてＫＴＮを用いて、断面が略四角形の四角柱に加工した基板５１を切り出す。基板５１の光の入射面および光の出射面の寸法を、ｙ軸方向に４．５ｍｍ、ｚ軸方向に３．０ｍｍとする。基板５１の最大の厚さ、すなわちｙ軸方向から見た光軸に平行な断面のｚ軸上の最大距離は、４．５ｍｍである。ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面において、第３の面となる円弧がなす接線の光軸に対する接線角度θを、２６．５°となるように加工する。ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面において円弧となる上面（第３の面）および下面（第４の面）に、入射面および出射面に接する４つの電極を形成する。電極の幅、すなわちｘ軸に射影したときの長さが１．５ｍｍとなるように、Ｐｔを蒸着して電極を形成する。

基板の全ての面が光学研磨されており、電極面以外の面はすべて（１００）面に平行である。使用したＫＴＮ単結晶は、相転移温度が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。

実施例１の可変焦点レンズを、４０℃で温度制御した状態で、コリメートした波長６３３ｎｍのレーザー光を、入射光５６として入射面から入射させる。入射光の偏光は直線であり、振動電界の方向はｚ軸方向である。陽極５２と陰極５３の第１の電極対、および陽極５５と陰極５４の第２の電極対のそれぞれに、１ｋＶの電圧を印加する。出射面からの出射光５７は、集光されてシリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は３０ｃｍである。また、電圧を印加しない場合は、集光効果は無く、焦点距離は無限大である。

従って、１ｍｓ以下の高速応答が可能な印加電圧において、従来の可変焦点レンズと比較すると、図１０に示したように、焦点距離の短距離化を図ることができるとともに、図１１に示したように、波面収差を小さくすることができる。

（第３の実施形態の実施例２）
実施例１と同じ略四角柱に加工した基板５１を用いて、第１の電極対（光の入射面に接する２つの電極）の双方を陽極とし、第２の電極対（光の出射面に接する２つの電極）の双方を陰極として、１ｋＶの電圧を印加する。このとき、出射面からの出射光５７は、集光されシリンドリカル凸レンズとして機能する。このときの、焦点距離は４０ｃｍであり、実施例１と比較すると長くなっているものの、従来と比較すると優れており、波面収差も７０ｎｍまで小さくすることができる。

（第３の実施形態の実施例３）
上述した第３の実施形態では、ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面（第１および第２の面）が、対向する２つの直線と対向する２つの円弧とを有する略四角形の形状である場合について述べた。ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面において円弧となる上面（第３の面）および下面（第４の面）において、電極が形成されていない部分を直線状にしてもよい。すなわち、ｙ軸方向から見た光軸に平行な断面は、４つの辺と、これらを接続する４つの円弧からなる形状、すなわち四角形の４つの角を円弧状に変形した形状を有することになる。

１，２１，３１，５１ 基板
２，５，２２，２５，３２，３５，５２，５５ 陽極
３，４，２３，２４，３３，３４，５３，５４ 陰極
６，２６，３６，５６ 入射光
７，２７，３７，５７ 出射光

Claims (6)

1. 電気光学効果を有する単結晶材料からなる基板であって、断面が対向する２つの直線と対向する２つの円弧とを有する略四角形の形状を有し、略四角形の第１の面に直交する面のうち、前記断面において直線となる入射面から光を入射させたとき、前記入射面に対向する出射面から光が出射される、基板と、
   前記入射面に接する一方の第３の面上に形成された第１の陽極と、前記第３の面に対向する第４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の電極対と、
   前記第３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４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の電極対を備え、
   前記入射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、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、前記出射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可変焦点レンズ。
2. 前記第１の電極対の印加電圧の印加方向と前記第２の電極対の印加電圧の印加方向とが逆向きであることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
3. 電気光学効果を有する単結晶材料からなる基板であって、断面が対向する２つの直線と対向する２つの円弧とを有する略四角形の形状を有し、略四角形の第１の面に直交する面のうち、前記断面において直線となる入射面から光を入射させたとき、前記入射面に対向する出射面から光が出射される、基板と、
   前記入射面に接する一方の第３の面上に形成された第１の陽極と、前記第３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１の陰極とからなる第１の電極対と、
   前記入射面に接する他方の第４の面上に形成された第２の陽極と、前記第４の面上に形成され、前記第２の陽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の電極対とを備え、
   前記入射面から光を入射させたとき、前記第１および第２の陽極の間を透過してから、前記第１および第２の陰極の間を透過し、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、前記出射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可変焦点レンズ。
4. 前記基板の前記第１の面において、前記第３および第４の面を構成する円弧がなす接線の光軸に対する角度は、４０°〜６０°であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の可変焦点レンズ。
5. 前記単結晶材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３、０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
6. 前記単結晶材料は、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つを含み、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１ないし４のいずれかに記載の可変焦点レンズ。