JP2793225B2

JP2793225B2 - 電気光学レンズ装置

Info

Publication number: JP2793225B2
Application number: JP1043893A
Authority: JP
Inventors: 孝芝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2013-09-03
Also published as: JPH02222922A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、電気光学レンズを用いた光情報記録再生装
置の光学ヘッド等の電気光学レンズ装置に関する。

従来の技術一般に、光学装置においては、電気光学結晶は重要な
素材の一つである。ここに、従来、電気光学結晶を用い
て焦点距離を変える方式は、例えば1985年電気学会電磁
界理論研究会資料（EMT−85,No.16−20,P25〜33）中の
「画像処理用屈折率分布型平板マイクロレンズのアクテ
ィブ伝送特性」に記載されている。これは、LiNbO₃結晶
板に250μｍ以下の微小の屈折率分布型平板マイクロレ
ンズをプロトン交換により作製し、さらに表面に電極を
形成し、この電極に電圧を印加し電気光学効果により屈
折率を変化させて焦点距離を変えるものであり、その理
論解析がなされている。

また、文献（APPLIED OPTICS/Vol.24,NO.9/1,May 198
5）の「Total internal reflection lens」には、電気
光学結晶LiTaO₃を用いた全反射型レンズが記載されてい
る。これは、まず、LiTaO₃結晶のＸ面又はＺ面に微細な
電極列を形成する。入射レーザビームは、Ｘ面又はＺ面
に対して微小角1.4゜で約20μｍのビーム径に絞つて入
射させる。電圧を電極に印加すると、電気光学効果によ
り屈折率が変化し、ビームウエストの位置が変ることに
なる。

発明が解決しようとする課題前者のように電気光学結晶LiNbO₃に微小の屈折率分布
型平板マイクロレンズをプロトン交換により作製したも
のでは、作製が容易でない。

入射ビームが250μｍ以下という制約を受ける。よ
って、適正し得る光学装置も制約を受ける。

論理解析上、200μｍしか焦点位置を変えることが
できない。

現状では、計算結果のみであり、収束性能が不明で
ある。

という欠点がある。

後者の電気光学結晶LiTaO₃を用いた全反射型レンズに
よる場合は、結晶面（反射面）にほぼ平行な角度（1.4゜）でレ
ーザ光を入射させなければならないという制約を受け
る。

反射面での入射ビーム径が例えば20μｍ径に絞られ
ていなくてはならない。

という欠点がある。

そこで、PLZT等の電気光学媒体を挾むように形成した
電極対に電圧を印加することにより、電気光学効果によ
って電気光学媒体中に屈折率分布を生じさせ、レンズ機
能を持たせるようにした電気光学レンズが考えられてい
る。このような電気光学レンズによれば、構造が簡単で
作製が容易であり、入射ビーム条件も厳しくないものと
なる。しかし、収束性能に問題があり、収差を生ずると
いう欠点がある。

課題を解決するための手段直線偏光した光ビームを第１方向に収束させる第１レ
ンズと、この第１レンズから射出する光ビームの光軸上
のビームウエスト位置に配置させた電気光学媒体とこの
電気光学媒体の光ビーム透過方向に沿つて対向する両面
に形成されて電圧印加により前記光ビームを前記第１方
向に直交する第２方向に収束又は発散させるレンズ作用
を付与する大きさ及び形状の電極対とこの電極対に電圧
を印加する電源手段とよりなる第１電気光学レンズと、
前記電気光学媒体から射出する光ビームを前記第１方向
に収束させる第２レンズと、この第２レンズから射出す
る光ビームを前記第２方向に収束させる第３レンズと、
この第３レンズから射出する光ビームの光路上のビーム
ウエスト位置に配置させた電気光学媒体とこの電気光学
媒体の光ビーム透過方向に沿つて対向する両面に形成さ
れて電圧印加により前記光ビームを前記第１方向に収束
又は発散させるレンズ作用を付与する大きさ及び形状の
電極対とこの電極対に電圧を印加する電源手段とよりな
る第２電気光学レンズと、この第２電気光学レンズの前
記電気光学媒体から射出する光ビームを前記第２方向に
収束させる第４レンズとよりなる。

作用電気光学レンズにおいて電源手段により電極対に所定
の電圧を印加すると、電気光学効果により電気光学媒体
結晶中に屈折率分布が生じる。この時、電極対の大きさ
及び形状がこの結晶に光ビームを所定の第２方向に収束
又は発散させるレンズ作用を付与するものであり、直線
偏光にて入射した光ビームはこのレンズ作用を受けて第
２方向に収束又は発散する。よって、使用する光ビーム
は直線偏光であればよく、特に特別な制約を受けない。
この時、このような電気光学レンズの電気光学結晶に入
射する直線偏光した光ビームは、そのままでは、通過位
置による屈折率分布の違いにより収差を生ずるが、第１
レンズにより第１方向、即ち、電気光学レンズにより収
束又は発散される第２方向と直交する第１方向に収束さ
れて扁平化されたものである。よって、電気光学レンズ
によるレンズ作用を受ける際、電気光学媒体中において
光ビームは同じ屈折率分布を感ずる状態となり、収差の
小さいものとなる。この後、第２レンズにより第１方向
に収束を受けてビーム変換されることにより、収差の低
減された収束又は発散光ビームとして射出される。そし
て、第１方向についての焦点距離は電気光学レンズにお
いて電源手段によって電極対に印加する電圧を可変する
ことにより制御し得る。さらに、前述の第１レンズ、第
１電気光学レンズ、第２レンズからなるレンズ系に、同
様の構成であって第1,第２方向の組合せを逆とした第３
レンズ、第２電気光学レンズ、第４レンズからなるレン
ズ系を設けているので、これらの光学系の方向と直交す
る方向についてもその収差を小さくし得る。よって、第
1,2の両方向に収差の低減された収束又は発散光ビーム
として射出される。

実施例本発明の前提となる構造の一例を第１図ないし第５図
に基づいて説明する。

概略的には、矢印Ａで示すように直線偏光して入射す
る光ビーム１の光路（ｙ軸方向）上に、第１レンズとし
てのシリンドリカルレンズ２と電気光学レンズ３と第２
レンズとしてのシリンドリカルレンズ４とを順に設けて
なる。ここに、シリンドリカルレンズ2,4はともに第１
方向なるｘ軸方向に収束作用を持つものである。

また、前記電気光学レンズ３は矩形状の電気光学媒体
５、例えばPLZT電気光学結晶をベースとして形成したも
のである。その組成は、9.0/65/35が適当であるが、他
の組成であってもよい。ここに、電気光学媒体５は前記
シリンドリカルレンズ２による収束光ビームのビームウ
エスト位置に配置され、光ビームが入射及び出射する面
は光学研磨されている。このような電気光学媒体５の光
路（光ビーム透過方向＝ｙ軸方向）に沿って対向するｚ
軸方向の両面には、電極対６が形成されている。ここ
に、電極対６は電極膜6a,6bの対からなるが、これらの
電極膜6a,6bは図示の如く、電気光学媒体５の中央に比
較的細い電極幅d₁、長さl₁にて形成された直線短冊形状
のものであり、これらの電極膜6a,6b間には電圧V₁なる
電源手段７が接続され、図示しない制御系、スイッチン
グ手段により電圧V₁を選択的に印加し得るように構成さ
れている。このような電極材料としては例えば金Auが使
用されるが、他の導電性材料であってもよい。また、電
極膜の形成は真空蒸着法により行われる。

このような構成において、ｚ軸方向に直線偏光した光
ビーム１はシリンドリカルレンズ２によりｘ軸方向に収
束され、収束光ビーム８として電気光学レンズ３の電気
光学媒体５に入射する。この電気光学レンズ３に入射し
た収束光ビーム８は再び発散光ビーム９（ｘ軸方向）と
なって射出される。今、電極対６に電圧が印加されてい
ないとすると、電気光学レンズ３から射出される発散光
ビーム９は、シリンドリカルレンズ４によってｘ軸方向
の収束を受け、平行ビームに変換される。しかるに、電
極対６に電圧が印加されると、電気光学効果により電気
光学媒体５中の屈折率が変化することにより、ｚ軸方向
にレンズ作用（収束作用）を受け、この状態でシリンド
リカルレンズ４を通過すると、第１図（ａ）に示すよう
な収束ビーム10となって焦点位置Ｆに収束する（但し、
収束方向はｚ軸方向のみである）。

ここに、本発明の前提となる構造の一例における電気
光学レンズ３につき、直線偏光状態の光ビーム１は電気
光学媒体５の端面から入射し、電極膜6a,6bの影響の及
ぶ領域内部を通り、他方の端面から射出されることにな
る。今、電極対６に電圧が印加されていない状態では、
電気光学媒体５は単なる光学媒体として存在することに
なり、光ビーム１は何んらかの変化も受けずにそのまま
電気光学媒体５から出射される。よって、レンズ作用等
は持たない。一方、電極対６に電圧V₁を印加すると、電
極対６の影響の及ぶ領域において電気光学媒体５に所定
の屈折率分布が生じ、レンズ作用が付与される。よっ
て、このような電圧印加状況態下に電気光学媒体５に入
射された直線偏光の光ビーム１は所定のレンズ作用を受
けて射出されることになる。

ここに、本発明の前提となる構造の一例の電気光学レ
ンズ２によるレンズ作用を、さらに詳細に説明する。ま
ず、電極対６に電圧V₁を印加すると、電気光学媒体５中
には第２図中に破線E₁で示すような電界分布が生じ、電
極部（電極膜6a,6b）付近で強く電気光学媒体５の中心
部で弱くなる。このような電界分布に基づき、PLZT電気
光学結晶の電気光学効果（２次電気光学効果）により結
晶中に屈折率分布が生じる。今、電界の方向及び直線偏
光方向をｚ軸方向、光ビーム１の進行方向をｙ軸方向と
し、電界中での屈折率のｚ軸成分をn_Zとすると、となる。但し、n₀は電界Ｅ＝０におけるPLZT電気光学結
晶の屈折率、R₃₃は２次電気光学定数のマトリックス成
分である。

（１）式より電界E_Zによる屈折率変化Δn_Zは、となり、電界強度の２乗に比例する。そして、電界の強
いところが屈折率が小さくなるため、PLZT電気光学結晶
中の電極部付近では屈折率が低く結晶中の中心付近で高
くなる屈折率分布となる。よって、レンズ作用が第２方
向となるｚ軸方向に中心に向かって生ずる。そして、こ
のレンズ作用は電極長さl₁が長いほど、その効果の大き
いものとなる。

よって、ｚ軸方向に直線偏光した光ビーム１が電気光
学媒体５に入射すると、電極幅d₁、長さl₁なる大きさの
電極対６に印加された電圧V₁によりｚ軸方向にレンズ作
用を受ける。このようなレンズ作用を受けて焦点位置Ｆ
に収束する。

今、本発明の前提となる構造の一例による電気光学媒
体５中の屈折率分布を、有限要素法により求めた結果を
第３図に示す。第３図は、座標原点０を電気光学媒体５
の中心位置とし、ｘ＝0mm（で示す）、ｘ＝0.25mm
（で示す）、ｘ＝0.5mm（で示す）の各位置におけ
るｚ軸方向の屈折率分布をみたものである。但し、n₀＝
2.5、電界強度E_Z＝1000V/mm、電極幅d₁＝1.1mm、電気光
学媒体のｚ軸方向厚さを1.4mmとした。この結果、屈折
率分布につきで示すような曲線分布となったもの
である。このような屈折率分布を基に、電極長l₁＝8.0m
mとした場合の光線追跡を、ルンゲ・クッタ・ジル法に
より実行し、収束特性を検討したところ、電気光学媒体
５に入射した光ビーム１はの各領域で異なる屈折
率分布により各々収束することにより、収差を生ずるこ
とが判明した。

しかるに、本発明の前提となる構造の一例では直線偏
光した光ビーム１をそのまま電気光学レンズ３の電気光
学媒体５に入射させず、シンドリカルレンズ２によりｘ
軸方向に収束させた収束光ビーム８としてビームウエス
ト位置で入射させている。即ち、第４図に示すようにｘ
軸方向に扁平状態となった収束光ビーム８として電気光
学媒体５に入射する。この結果、電気光学媒体５の中心
付近（ｘ＝0mm）ほど、そのｚ軸方向全体に渡り屈折率
分布が２乗分布に近づくという、第３図に示した屈折率
分布に照らし合わせると、扁平な収束光ビーム８は電気
光学媒体５内でほぼ２乗分布の屈折率を感じて収束され
ることになり、収差が改善される。つまり、シリンドリ
カルレンズ２により収束させた収束光ビーム８の入射位
置ｘと電極幅d₁との関係を適正に設定することにより、
収差の少ない収束特性が得られることになる。

ちなみに、電気光学レンズ３の電界強度と焦点距離f₀
との実測値を第５図に示す。本実測値は、電極幅d₁＝0.
5mm、電極長l₁＝4.5mmと8mmとの２種、収束光ビーム８
のビーム径w₀＝1.2mmの場合の例である。この結果によ
れば、ほぼ電界強度の２乗に反比例して焦点距離f₀が短
くなる。

つづいて、本発明の前提となる構造の他の一例を第６
図ないし第10図により説明する。概略的には、前記実施
例の場合と同様に、矢印Ａで示すように直接偏光して入
射する光ビーム11の光路（ｙ軸方向）上に、第１レンズ
としてのシリンドリカルレンズ12と電気光学レンズ13と
第２レンズとしてのシリンドリカルレンズ14とを順に設
けてなる。

ここに、本発明の前提となる構造の他の一例の電気光
学レンズ３では、ｚ軸方向に収束作用を持たせたが、本
実施例の電気光学レンズ13はｘ軸方向に収束作用を持た
せるようにしたものである。よって、シリンドリカルレ
ンズ12,14は前記実施例の場合と逆にｚ軸方向に収束方
向を持たせてなる。

本発明の前提となる構造の他の一例の電気光学レンズ
13も前述の電気光学レンズ３と同様に、シリンドリカル
レンズ12によるビームウエスト位置に配置させた電気光
学媒体15をベースとし、そのｚ軸方向の両面に電極対16
が形成されている。この電極対16は各々の面においてｘ
軸方向に間隙ｇを持たせて両側に形成した長さl₂で直線
短冊状の２つずつ４片の電極膜16a₁,16a₂,16b₁,16b₂か
らなり、電圧V₂なる電源手段17に接続されている。

このような構成において、ｚ軸方向に偏光した光ビー
ム11はシリンドリカルレンズ12によりｚ軸方向に収束さ
れ、収束光ビーム18としてビームウエスト位置の電気光
学レンズ13に入射する。この電気光学レンズ13に入射し
た収束光ビーム18は再び発散光ビーム19（ｚ軸方向）と
なって射出される。今、電極対16に電圧が印加されてい
ないとすると、電気光学レンズ13から射出される発散光
ビーム19は、シリンドリカルレンズ14によってｚ軸方向
の収束を受け、平行ビームに変換される。しかるに、電
極対16に電圧V₂が印加されると、ｘ軸方向にレンズ作用
を受け、第６図（ｂ）に示すようなｘ軸方向に収束され
た収束光ビーム20となって、焦点位置Ｆに収束する。

即ち、電気光学レンズ13において電極対16に電圧V₂が
印加されると、その電極形状、配置により、電気光学媒
体15には第７図に破線E₂で示すような電界分布が生ず
る。この結果、PLZT電気光学結晶の電気光学効果により
ｘ−ｚ平面でｘ＝０（第７図に示す電気光学媒体15の中
心を原点とする）付近で屈折率が高くなる屈折率分布と
なる。このような屈折率分布は、（１）式により与えら
れる。この結果、レンズ作用がｘ方向に中心に向かって
生ずる。このようなレンズ作用は電極長l₂が長い程大き
くなる。

よって、ｚ軸方向に直線偏光した光ビーム11が電気光
学媒体15に入射すると、電極対16に印加された電圧V₂に
よりｘ軸方向にレンズ作用を受ける。このようなレンズ
作用を受けて焦点位置Ｆに収束する。

今、本発明の前提となる構造の他の一例による電気光
学媒体15中の屈折率分布を、有限要素法により求めた結
果を第８図に示す。第８図は、座標原点０を電気光学媒
体15の中心位置とし、ｚ＝0mm（で示す）、ｚ＝0.3mm
（で示す）、ｚ＝0.6mm（で示す）の各位置におけ
るｘ軸方向の屈折率分布をみたものである。但し、n₀＝
2.5、電界強度E_Z＝1000V/mm、電極間隙ｇ＝1.5mm、電気
光学媒体15のｚ軸方向厚さを1.4mmとした。この結果、
屈折率分布につきで示すような曲線分布となった
ものである。このような曲線率分布を基に、電極長l₁＝
8.0mmとした場合の光線追跡を、ルンゲ・クッタ・ジル
法により実行し、収束特性を検討したところ、電気光学
媒体15に入射した光ビーム11はの各領域で異なる
屈折率分布により各々収束することより、収差を生ずる
ことが判明した。

しかるに、本発明の前提となる構造の他の一例では直
線偏光した光ビーム11をそのまま電気光学媒体15に入射
させず、シリンドリカルレンズ12によりｚ軸方向に収束
させた収束光ビーム18として入射させている。即ち、第
９図に示すようにｚ軸方向に扁平状態となった収束光ビ
ーム18として電気光学媒体15に入射する。この結果、電
気光学媒体15の中心付近（ｚ＝0mm）ほど、そのｘ軸方
向全体に渡り屈折率分布が２乗分布に近づくという、第
８図に示した屈折率分布に照らし合わせると、扁平な収
束光ビーム18は電気光学媒体15内でほぼ２乗分布の屈折
率を感じて収束されることになり、収差が改善される。

ちなみに、本発明の前提となる構造の他の一例の電気
光学レンズ13の電界強度と焦点距離f₀との実測値を第10
図に示す。本実測値は、電極間隙ｇ＝1.5mm、電極長l₂
＝8mm、収束光ビーム18のビーム径w₀＝1.8mm、波長633n
mの場合の例である。この場合も前記実施例と同様に、
ほぼ電界強度の２乗に反比例して焦点距離f₀が短くな
る。

さらに、本発明の一実施例を第11図により説明する。
本実施例は、前述した２つの実施例を組合せて構成した
ものである。即ち、シリンドリカルレンズ（第１レン
ズ）２、電気光学レンズ（第１電気光学レンズ）３、シ
リンドリカルレンズ（第２レンズ）４、シリンドリカル
レンズ（第３レンズ）12、電気光学レンズ（第２電気光
学レンズ）13、シリンドリカルレンズ（第４レンズ）14
を同一光路上に、順に配設させたものである。本実施例
では、ｘ軸方向を第１方向、ｚ軸方向を第２方向とす
る。また、シリンドリカルレンズ４から射出される光ビ
ームが光ビーム11に相当する。

このような構成によれば、前述した本発明の前提とな
る構造による作用がそのまま発揮され、x,z軸両方向に
収束された収束光ビーム21が同一の焦点位置Ｆに結ぶ。
なお、ｘ軸方向及びｚ軸方向の収束位置＝焦点位置Ｆを
同一とするには、電圧V₁,V₂の値を適宜調整設定する
か、又は、これらの電圧V₁,V₂が同一の場合には各々の
電気光学レンズ3,13における電極形状を適切に決めてお
けばよい。また、ｘ軸方向及びｚ軸方向の収束位置＝焦
点位置Ｆを異ならせることにより、任意の扁平なビーム
として収束させることもできる。

発明の効果本発明は、上述したように構成したので、電気光学媒
体、電極対及び電源手段からなる電気光学レンズを用い
て所望方向についてのレンズ作用を持たせているので、
構造が簡単で作製も容易であって、操作位置も印加電圧
によって簡単に可変制御でき、電気光学レンズに入射さ
せる光ビームの条件も直線偏光であればよい状態に緩和
でき、この際、単なる直線偏光なる光ビームの場合には
電気光学媒体中の屈折率分布の違いにより収差を生じ得
るが、第１レンズによって直交する方向に収束させた扁
平な光ビームとして電気光学レンズに入射されるので、
電気光学媒体中で２乗分布に近い屈折率を感ずるビーム
となり、収差の少ない状態に改善でき、特に、第1,2方
向の双方について収差の改善された光ビームとすること
ができ、その焦点距離、光ビーム形状についても印加電
圧等により可変制御し得るものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の前提となる構造を示すもので、同図
（ａ）は光学系側面図、同図（ｂ）はその平面図、第２
図はその電圧印加時における電界状態を示す断面図、第
３図は電気光学媒体中の位置に応じた屈折率分布を示す
特性図、第４図は電気光学媒体に対する入射ビーム形状
を示す正面図、第５図は電界強さに応じた焦点距離を示
す特性図、第６図は本発明の前提となる他の構造を示す
もので、同図（ａ）は光学系側面図、同図（ｂ）はその
平面図、第７図はその電圧印加時における電界状態を示
す断面図、第８図は電気光学媒体中の位置に応じた屈折
率分布を示す特性図、第９図は電気光学媒体に対する入
射ビーム形状を示す正面図、第10図は電界強さに応じた
焦点距離を示す特性図、第11図は本発明の一実施例を示
すもので、同図（ａ）は光学系側面図、同図（ｂ）はそ
の平面図である。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/00 - 1/313

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】直線偏光した光ビームを第１方向に収束さ
せる第１レンズと、この第１レンズから射出する光ビー
ムの光軸上のビームウエスト位置に配置させた電気光学
媒体とこの電気光学媒体の光ビーム透過方向に沿つて対
向する両面に形成されて電圧印加により前記光ビームを
前記第１方向に直交する第２方向に収束又は発散させる
レンズ作用を付与する大きさ及び形状の電極対とこの電
極対に電圧を印加する電源手段とよりなる第１電気光学
レンズと、前記電気光学媒体から射出する光ビームを前
記第１方向に収束させる第２レンズと、この第２レンズ
から射出する光ビームを前記第２方向に収束させる第３
レンズと、この第３レンズから射出する光ビームの光路
上のビームウエスト位置に配置させた電気光学媒体とこ
の電気光学媒体の光ビーム透過方向に沿つて対向する両
面に形成されて電圧印加により前記光ビームを前記第１
方向に収束又は発散させるレンズ作用を付与する大きさ
及び形状の電極対とこの電極対に電圧を印加する電源手
段とより第２電気光学レンズと、この第２電気光学レン
ズの前記電気光学媒体から射出する光ビームを前記第２
方向に収束させる第４レンズとよりなることを特徴とす
る電気光学レンズ装置。