JP2018101109A - 可変焦点レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】シリンドリカル可変焦点レンズを基本単位素子として備えた可変焦点レンズであって、入射光を入射する第１の偏光ビームスプリッタ、第１のファラデーローテータ、前記基本単位素子、第２のファラデーローテータ、および第２の偏光ビームスプリッタが、光軸を共通にして順に配列され、前記第２の偏光ビームスプリッタから出射された光の直交する２つの偏光成分に１８０度の位相差を与え、再度、前記第２の偏光ビームスプリッタに入射させ、前記第２のファラデーローテータ、前記基本単位素子、前記第１のファラデーローテータを順に透過し、前記第１の偏光ビームスプリッタから出射光が出射される。【選択図】図３

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。

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。

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が考え出された。例えば、光学レンズとして液晶を利用した可変焦点レンズが非特許文献１に開示されている。また、光学レンズの形状を機械的に変形させる可変焦点レンズが知られている。例えば、非特許文献２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。しかしながら、これらの可変焦点レンズであっても、焦点距離を変更するのに要する応答速度には限界があり、１ｍｓ以下の高速な応答には適応することができなかった。

図１に、従来の電気光学効果を用いたシリンドリカル可変焦点レンズを示す。例えば、非特許文献３に記載された可変焦点レンズは、電気光学効果を有する基板１の向かい合う２面に、間隔をおいて４本の互いに平行な帯状電極を設けた構造を有する。帯状電極は、陽極２と陰極３とからなる光の入射側の電極対と、陽極５と陰極４とからなる光の出射側の電極対とから構成されている。これらの電極に電圧を印加することにより、基板１の内部で、電極の周囲に電界分布が形成され、その結果、電気光学効果によって屈折率分布が形成される。この屈折率分布が、入射光６を集光または発散する（以下、単に集光という）レンズとなる。

印加する電圧を変化させることにより、出射光７の焦点の移動を行う。このレンズは、基板１の材料として酸化物電気光学結晶を用いており、２μｓよりも高速な動作が確認されている。この可変焦点レンズはシリンドリカルレンズであり、集光は一方向のみについて発生する。

図２に、基本単位素子を２つ組み合わせた２軸可変焦点レンズを示す。図１に示したシリンドリカル可変焦点レンズを基本単位素子８，９とし、半波長板１０を挟み、光軸（ｚ軸）を共通にして図のように配置する。基本単位素子８，９とは、それぞれ電界を印加する方向が９０度の角度を成すように配置しているので、一般的な球面レンズと同様に、２軸の集光を行うことができる。

Bin Wang, Mao Ye, and Susumu Sato, "Lens of electrically controllable focal length made by a glass lens and liquid-crystal layers", Applied Optics 43, 3420 (2004) 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 Tadayuki Imai, Shogo Yagi, Seiji Toyoda, Jun Miyazu, Kazunori Naganuma, Sohan Kawamura, Masahiro Sasaura, and Kazuo Fujiura, "Fast response varifocal lenses using KTa1-xNbxO3 crystals and a simulation method with electrostrictive calculations," Applied Optics 51, 1532 (2012)

しかしながら、一般的な球面レンズと同様の２軸の集光を行う構成は、図２に示したように基本単位素子を２個必要とする。基本単位素子は、材料が電気光学効果を有する単結晶であって、それ自体にコストがかかること、また、基本単位素子を制御するための装置も必要なことから、基本単位素子の個数を減らすことが望ましい。

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。

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、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料、および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を含み、該電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過する光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズを基本単位素子として備えた可変焦点レンズであって、入射光を入射する第１の偏光ビームスプリッタ、第１のファラデーローテータ、前記基本単位素子、第２のファラデーローテータ、および第２の偏光ビームスプリッタが、光軸を共通にして順に配列され、前記第２の偏光ビームスプリッタから出射された光の直交する２つの偏光成分に１８０度の位相差を与え、再度、前記第２の偏光ビームスプリッタに入射させ、前記第２のファラデーローテータ、前記基本単位素子、前記第１のファラデーローテータを順に透過し、前記第１の偏光ビームスプリッタから出射光が出射され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、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。さらに、電気光学材料からなる基本単位素子の個数を、従来の半分に抑えることが可能となる。

従来の電気光学効果を用いたシリンドリカル可変焦点レンズを示す図である。 基本単位素子を２つ組み合わせた２軸可変焦点レンズを示す図である。 本発明の一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。 図３に示した可変焦点レンズの各点における光の状態を示す図である。 基本単位素子であるシリンドリカル可変焦点レンズの応用例を示す図である。

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。図１で説明した可変焦点レンズはシリンドリカルレンズであり、一般的な球面レンズを実現するためには、図２に示したように、基本単位素子を２個必要とする。本実施形態では、基本単位素子１個のみを用いて同等の機能を有する可変焦点レンズを構成する。最初に、基本となる可変焦点レンズの基本単位素子について説明する。

（シリンドリカル可変焦点レンズの構成）
基本単位素子となる可変焦点レンズは、図１に示した構成と同じである。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。

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ｚ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。

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（ｘ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。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。反転対称性を有する電気光学材料を基板として用いた場合は、焦点距離は印加電圧の二乗に反比例する。

この構成の可変焦点レンズの大きな特長は、理想的なシリンドリカルレンズが実現できることである。電気光学効果を発現する単結晶材料は、誘電率が非常に高く、比誘電率にして１，０００を超えることが多い。特に、本実施形態で好適に用いる反転対称性を有する電気光学材料では、比誘電率は１０，０００を超える。このような誘電体内部の電界は、誘電体表面付近において、この表面にほぼ平行となることが、電磁気学の理論から導かれる（電極との界面を除く）。この現象と対称性の考察により、図１の基板１の内部の電界の分布は、ｙ座標に依存しないことを導くことができる。つまり、基板１の屈折率分布はｙ座標に依存せず、ｙ軸上のどの位置から光が入射しても、レンズ効果は変わらず同じである。これは、図１の可変焦点レンズが、ｙ軸方向に関して均一な、理想的なシリンドリカルレンズを実現していることを意味している。

なお、図１の可変焦点レンズは、電気光学効果の異方性のため、偏光によってレンズ効果が異なる。ｙ軸に平行な電界の直線偏光と、ｘ軸に平行な電界の直線偏光とがあるが、ｘ軸に平行な偏光に対しては良好な凸レンズとして働くが、ｙ軸に平行な偏光に対しては、レンズ効果が小さいことが分かっている。

（２軸集光の可変焦点レンズの構成）
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。前記のように、通常の球面レンズを実現するためには、図１のシリンドリカル可変焦点レンズを基本単位素子として、２つの基本単位素子を、光軸（ｚ軸）を中心に互いに９０度の角度を成すように配置する（図２）。このとき、基本単位素子は、上述したように異方性があり、基本単位素子に対する直線偏光の向きによってレンズ効果が変わる。基本単位素子８と基本単位素子９とは、電界を印加する方向が９０度異なるため、同じレンズ効果を発現させるためには、２つの基本レンズ素子の間に波長板などを置き、偏光を９０°回転させる。このような構成で、光は２軸方向に集光または発散することが可能となり、一般的な球面レンズと同様の機能を得ることができる。この動作を２軸変調という。

しかし、シリンドリカル可変焦点レンズは、それ自体と、制御のための装置にもコストがかかり、２軸変調のために２個用いている基本単位素子を１個にするだけでも、効果は大きい。本実施形態では、２軸変調の可変焦点レンズを、基本単位素子１個で実現する。

図３に、本発明の一実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。可変焦点レンズは、基本単位素子１個とファラデーローテータ２個と、偏光ビームスプリッタ２個と、反射鏡３個とを備えた構成を有する。入射光１１の入射側から、偏光ビームスプリッタ１２、ファラデーローテータ１３、基本単位素子１４、ファラデーローテータ１５、偏光ビームスプリッタ１６、およびミラー１７の順に、光軸（ｚ軸）を共通にして配列されている。さらに、ミラー１７に対向してミラー１８、偏光ビームスプリッタ１６に対向してミラー２０を配置し、ミラー１８とミラー２０との間の光路上に半波長板１９を配置している。

入射光１１は、ｘ軸方向から偏光ビームスプリッタ１２に入射し、ｚ軸方向へ反射され、ファラデーローテータ１３、基本単位素子１４、ファラデーローテータ１５を順に透過したのち、偏光ビームスプリッタ１６を透過する。次に、ミラー１７，１８で進行方向を変えた後、半波長板１９を透過し、再びミラー２０で進行方向を変え、偏光ビームスプリッタ１６に入射して、ｚ軸方向へと反射される。この後、ファラデーローテータ１５、基本単位素子１４、ファラデーローテータ１３と、ｚ軸上ではあるが、反対方向に進行したのち、偏光ビームスプリッタ１２に入射し、ここを透過して、出射光２１として外部へ出力される。なお、入射光１１は、ｙ軸に平行な光電界となるような偏光とするのがよい。y軸に垂直な偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１２をそのまま透過し、本実施形態の光学系を透過せずに、光エネルギーの損失となる。

図４に、図３に示した可変焦点レンズの各点における光の状態を示す。図４（ａ）は、図３のａ地点における光の状態を表し、矢印は光電界の方向を示し、円形の実線は光のビーム形状を示す。ｘ軸とｙ軸は図３の座標軸と共通であり、図３の左側（偏光ビームスプリッタ１２の出射面）から右方向（ｚ軸方向）を見た様子である。入射光１１が偏光ビームスプリッタ１２を反射したところなので、光電界はｙ軸方向を向いている。

ファラデーローテータ１３を透過してｂ地点に至ると、偏光が時計回りに４５度回転しているが、光ビームの形状は変わらず円のままである（図４（ｂ））。次に、基本単位素子１４に入射する。基本単位素子１４は、図１におけるｘ軸の向きを、図３の可変焦点レンズのｘ軸に対して４５度傾けて、ｂ地点における偏光の方向に合わせて設置されている。従って、光は、ｘ軸から４５度傾いた偏光の方向に集光されるようなレンズ作用を受ける。図４（ｃ）は、レンズ作用を受けた状態を、その方向に圧縮した楕円形で示している。

続いてファラデーローテータ１５を透過してｄ地点に至ると、偏光はさらに時計回りに４５度回転しており、光電界はｘ軸方向を向いている（図４（ｄ））。光が偏光ビームスプリッタ１６に入射すると、そのまま透過し、ｅ地点に至る（図４（ｅ））。光は、ミラー１７で下向きに反射される。光の進行方向が変わったため、図４（ｆ）では、ｘ軸をｚ軸に変えている。この向きでビーム形状を見ると、図４（ｆ）に示したような楕円形の向きになっている。

光は再度ミラー１８で反射され、−ｚ軸方向へ進む。ｇ地点で、ｅ地点と同様にｚ軸方向に見た様子では、楕円形が図４（ｅ）とは上下反転しており、図４（ｇ）に示したように、楕円形が９０度回転した状態になっている。これは、ミラー１７とミラー１８の反射のためである。ｄ地点からｇ地点までは、偏光の向きは変わっていない。ここで、偏向が９０度回転するように設置された半波長板１９を透過する。ｈ地点では、ビーム形はそのままで、偏光の向きが変わっている（図４（ｈ））。

この光は、引き続きミラー２０で反射したのち、偏光ビームスプリッタ１６に入射する（図４（ｉ））。半波長板１９で偏光が回っているため、光は偏光ビームスプリッタ１６で反射され、ｊ地点に至る。ここは往路のｄ地点と一致するが、光の進行方向が反対であるため、ｊ地点として区別している。ミラー２０と偏光ビームスプリッタ１６とによる反射では、ｈ地点での光の状態からビーム形状に変化はない（図４（ｊ））。

復路において光がファラデーローテータ１５を透過すると、図４（ｋ）の状態となる。ｋ地点はｃ地点と一致するが、ここで図４（ｃ）と比較すると、偏光方向は同一であるものの、ビーム形状を示す楕円の向きが異なる。ｃ地点で偏光方向に円形が圧縮されて楕円形となったように、ｋ地点から基本単位素子１４に入射して透過することにより、偏光方向すなわち楕円形の長軸方向に圧縮される。この結果、ｌ地点では、２軸で圧縮され、ａ地点からは一回り小さな円形に変化している（図４（ｌ））。

続いてファラデーローテータ１３を透過すると、偏光方向は時計回りに４５度回転し、ｘ軸方向になる（図４（ｍ））。光は、偏光ビームスプリッタ１２をそのまま透過して、出射光２１として出力される。以上により、基本単位素子２個を用いた構成の図２と同様の２軸集光が、基本単位素子１個を用いた図３の構成で実現できることが示された。

なお、上記の説明では、偏光ビームスプリッタ１２にｘ軸方向から入射光１１を入射し、偏光ビームスプリッタ１２から−ｚ軸方向へ出射光２１が出射するように設定した。入力と出力とを逆にし、偏光ビームスプリッタ１２にｚ軸方向から入射光１１を入射し、偏光ビームスプリッタ１２から−ｘ軸方向へ出射光２１が出射するように設定することもできる。このとき、適宜、ファラデーローテータ１３，１５と基本単位素子１４の角度を調整すれば、全く同じ作用効果が得られる。

また、半波長板１９は、偏光ビームスプリッタ１６から右側の折り返し光路において、どこに設置してもよい。半波長板は４分の１波長板を２枚重ねたものと等価であることから、半波長板１９の代わりに、４分の１波長板を２枚設置してもよく、例えば、ｅ地点とｇ地点のそれぞれに、４分の１波長板を設置してもよい。さらに、ｅ地点とｇ地点の両者を含む大きな１枚の４分の１波長板を置いてもよい。偏光ビームスプリッタ１６を出射してから、再び偏光ビームスプリッタ１６に入射するまでの間に、直交する２つの偏光成分に１８０度の位相差が与えられればよい。さらにまた、半波長板１９の代わりに、ファラデーローテータを用いて折り返し光路を構成してもよい。

また、基本単位素子１４を挟むｂ地点とｃ地点とに半波長板を置くことにより、基本単位素子１４を透過する光の偏光を回転してもよい。上記の説明では、基本単位素子１４は、図１におけるｘ軸の向きを、図３の可変焦点レンズのｘ軸に対して４５度傾けて設置していた。他の構成要素と光軸を合わせて設置した後、４５度の角度を持たせて回転させる必要があり、設置に不便がある。この場合は、基本単位素子１４を透過する光電界が０度となるように、２つの半波長板の設置角度を調整すればよい。ただし、この場合は、ミラー１７と１８による集光方向の９０度回転がうまくいかない。そこで、偏光ビームスプリッタ１６の透過から３つのミラーと半波長板を経由して偏光ビームスプリッタ１６に再入射するまでの間の光路に、ダブプリズムなどのプリズムを挿入することにより、正常な集光方向の９０度回転を行うこともできる。ダブプリズムは、ガラス製の特殊な構造をしたプリズムであり、入射光の形状を任意角度回転した形状の光を出力する機能を有する光学部品である。

本実施形態では、基本単位素子１４として、図１のシリンドリカル可変焦点レンズを用いた。非特許文献３には、図１のレンズと構造が似ているが、光の進行方向など、構造の異なる３種類の可変焦点レンズも記載されている。これらも、図３の基本単位素子１４として用いることができる。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

反転対称性を有する電気光学材料としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料がある。ペロブスカイト型単結晶材料は、使用温度を適切に選択すれば、使用状態において反転対称性を有する立方晶相となる。立方晶相においては、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。例えば、最もよく知られたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃、以下ＢＴという）でも、１２０℃付近において正方晶相から立方晶相へ相転移する温度（以下、相転移温度という）を超えた温度であれば、立方晶相となり、カー効果を発現する。

また、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、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。

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（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。

（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。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じる。従って、電気光学材料をレンズとして機能させるための所望の屈折率分布を得るため、または、電気光学材料を透過する光が偏向しないようにするためには、基板１に電圧を印加した際に、基板１の内部に空間電荷が形成されない方がよい。

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。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、Ａｕ（５．１）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）などの金属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。

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。電極と基板との間に、ショットキー障壁を生成することにより、電荷の注入を抑えることができる。このためには、電極材料の仕事関数が５．０ｅＶ以上であることが好ましく、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔなどの貴金属が好適である。

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。

このシリンドリカル可変焦点レンズを、４０℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｘ軸方向である。上下電極間に１０００Ｖの電圧を印加すると、基板１から出射する光は、ｘ軸方向に集光され、シリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は５９ｃｍである。レンズパワーは、この逆数の１．７ｍ^-1である。

このシリンドリカル可変焦点レンズを基本単位素子とし、偏光ビームスプリッタ、ファラデーローテータ、およびミラー３個を組み合わせ、図３に示した可変焦点レンズを作製する。基本単位素子の上下電極間に１０００Ｖの電圧を印加すると、偏光ビームスプリッタ１２から出射する光は、２軸の方向に集光され、球面凸レンズとして機能する。レンズパワーは、基本単位素子単体のときと等しく１．７ｍ^-1である。焦点距離も、基本単位素子単体のときと等しく、５９ｃｍである。

次に、図３の入射光と出射光とを入れ替えた。入出力の偏光方向は同様である。ここで、基本単位素子を、光軸を中心として９０度回転して設置し、上記と同様に電圧を印加すると、やはり上記と同様に２軸集光が起こり、レンズパワーは１．７ｍ^-1であり、焦点距離は５９ｃｍであった。

実施例１において作製した２軸変調可変焦点レンズにおいて、基本単位素子の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。上下電極間に１０００Ｖの電圧を印加すると、実施例１と同様に２軸集光が起こり、焦点距離は１１５ｃｍ、レンズパワーは、この逆数の０．８７ｍ^-1であった。入出力を入れ替えても同じ効果が得られるのも、実施例１と同様であった。

実施例１において作製した２軸変調可変焦点レンズにおいて、基本単位素子の向きを、光軸の周りに４５度回転した構造に変更した。このとき、基本単位素子への入射光の偏光方向を合わせるため、図３のｂ地点とｃ地点に半波長板を挿入し、偏光を４５度回転するように、角度を調整した。さらに、ｅ地点にダブプリズムを挿入し、図４に表示した楕円の向きを９０度回転するよう、位置と角度を調整した。この構造で、基本単位素子の上下電極間に１０００Ｖの電圧を印加すると、偏光ビームスプリッタ１２から出射する光は、２軸の方向に集光され、球面凸レンズとして機能する。レンズパワーは１．７ｍ^-1であり、焦点距離は５９ｃｍであった。

図５に、基本単位素子であるシリンドリカル可変焦点レンズの応用例を示す。基本単位素子となる可変焦点レンズは、図１に示した構成と同じである。実施例１の場合と異なる点は、光の入射面を基板１の上面（第１の面）とし、光の出射面を基板１の下面（第２の面）とした点である。陽極２（第１の陽極）と陰極４（第２の陰極）との間の第１の面から入射光６を入射させたき、基板１を透過してから、陰極３（第１の陰極）と陽極５（第２の陽極）との間の第２の面から出射光７が出射される。

陽極と陰極との間に電圧を印加すると、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。実施例１の場合と同様に、集光される場合、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。

また、図５に示したシリンドリカル可変焦点レンズにおいて、基本単位素子の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ともできる。

１ 基板
２，５ 陽極
３，４ 陰極
６，１１ 入射光
７，２１ 出射光
８，９，１４ 基本単位素子
１０，１９ 半波長板
１２，１６ 偏光ビームスプリッタ
１３，１５ ファラデーローテータ
１７，１８，２０ ミラー

Claims (10)

1. 反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料、および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を含み、該電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過する光の焦点を可変するシリンドリカル可変焦点レンズを基本単位素子として備えた可変焦点レンズであって、
   入射光を入射する第１の偏光ビームスプリッタ、第１のファラデーローテータ、前記基本単位素子、第２のファラデーローテータ、および第２の偏光ビームスプリッタが、光軸を共通にして順に配列され、
   前記第２の偏光ビームスプリッタから出射された光の直交する２つの偏光成分に１８０度の位相差を与え、再度、前記第２の偏光ビームスプリッタに入射させ、
   前記第２のファラデーローテータ、前記基本単位素子、前記第１のファラデーローテータを順に透過し、前記第１の偏光ビームスプリッタから出射光が出射されることを特徴とする可変焦点レンズ。
2. 前記基本単位素子は、
   前記電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極とからなる第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。
3. 前記基本単位素子は、
   前記電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、
   前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、
   前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、
   前記第２の面上に形成され、前記第２の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陽極とを含み、
   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。
4. 前記基本単位素子は、
   前記電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極とからなる第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。
5. 前記基本単位素子は、
   前記電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、
   前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、
   前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陽極と、
   前記第２の面上に形成され、前記第２の陽極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陰極とを含み、
   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。
6. 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５のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
7. 前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項６に記載の可変焦点レンズ。
8. 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６に記載の可変焦点レンズ。
9. 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８に記載の可変焦点レンズ。
10. 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５のいずれかに記載の可変焦点レンズ。