JP5069266B2 - 可変焦点レンズ - Google Patents

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、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）。

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。この可変焦点レンズの動作原理は、眼球の水晶体と同じである。

特開平１１−６４８１７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

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、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。

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、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、その電気光学材料の光の入射面と光の出射面とに形成された電極を備える。光を入射面の電極が形成されていない空隙から入射し、出射面の電極が形成されていない空隙から出射するように光軸を設定する。入射面の電極と出射面の電極を結ぶ電気力線の一部が空隙で屈曲することにより、光軸を中心に光が透過する部分の電界を変化させることが可能である。本発明は、入射面の電極と出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、電気光学材料を透過した光の焦点が可変である可変焦点レンズであって、さらに、電極への電圧の印加に起因して発生する電気光学材料の膨張を押さえ込む構造を有することを特徴とする可変焦点レンズである。

本発明の一実施形態は、さらに、入射面の空隙に光を入射し、出射面の空隙からの光を出射する貫通穴を有し、電気光学材料を光軸方向に沿って挟み込む２枚の板を備えることができる。

さらに、本発明の一実施形態では、板の一方にネジ穴を有し、板の他方にネジ溝を切ることにより、ネジを締結してこの２枚の板を固定することができる。

本発明の別の実施形態では、
（ａ）入射面の空隙に光を入射し、出射面の空隙からの光を出射する貫通穴を有し、電気光学材料を光軸方向に沿って挟み込む２枚の板と
（ｂ）電気光学材料の厚さと厚さが等しく、光軸方向に垂直な面に電気光学材料を収納する貫通穴を有する、電気光学材料の周囲を取り囲むスペーサと
（ｃ）電気光学材料・スペーサ・板の間に流し込まれて、これらを互いに接着する接着剤と
を備えることができる。

本発明の一実施形態では、電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料であってもよい。

本発明の一実施形態では、電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）であってもよい。

本発明の一実施形態では、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つを含んでもよい。

本発明の一実施形態では、入射面の電極および出射面の電極の各々は、空隙を挟んで対向する辺が平行に配置されている。

本発明の一実施形態では、電気光学材料の膨張を押さえ込む構造のバネ係数ｋ_ｍは、電気光学材料のバネ係数ｋ_ｓよりも大きい。

本発明の一実施形態では、電気光学材料を挟む板の材料は、セラミック系材料であってもよい。

本発明によれば、入射面の電極と出射面の電極とを結ぶ電気力線の一部が、電極の形成されていない空隙で屈曲し、光軸を中心に光が透過する部分の電界が変化させられ、入射面の電極と出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、電気光学材料を透過した光の焦点を変化させることができる。電気光学効果は高速な応答が可能であるため、この可変焦点レンズでは、１μsをきる高速応答が可能になる。

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。 本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。 可変焦点レンズの基板内部における電界成分と屈折率の分布とを示す図である。 実施例２にかかる可変焦点レンズの光路長変調分布を示す図である。 実施例２にかかる可変焦点レンズにおいて光路長変調と理想的な二次曲線とのずれを示す図である。 本発明の実施形態にかかる可変焦点レンズの電界印加による基板の変形を説明するための図である。 本発明の実施形態にかかる可変焦点レンズの変形を押さえ込む構造を示す図である。 変形を押さえ込む構造が変形する様子を示す図である。 実施例１にかかる可変焦点レンズの基板部分の構成を示す図である。 変形を押さえ込む構造の有無による、本発明の実施形態にかかる可変焦点レンズの光路長変調分布の違いを説明する図である。 本発明の実施例２にかかる可変焦点レンズを説明する図である。 本発明の実施例２にかかる可変焦点レンズの変形を押さえ込む構造において、力の関係を説明する図である。 本発明の実施形態にかかる可変焦点レンズの変形を押さえ込む構造を示す図である。

本発明は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の光の入射面と光の出射面とに形成された電極とを備え、前記光を前記入射面の電極が形成されていない空隙から入射し、前記出射面の電極が形成されていない空隙から出射するように光軸が設定され、前記入射面の電極と前記出射面の電極とを結ぶ電気力線の一部が前記空隙で屈曲することにより、前記光軸を中心に前記光が透過する部分の電界が変化させられ、前記入射面の電極と前記出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点が可変であること、および電圧を印加したときに前記電気光学材料において自発的に発生する変形を押さえ込む構造を有することにより、変形の結果として生じる光弾性効果による屈折率の変調を抑えることを特徴とする。

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（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）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。

前記入射面の電極および前記出射面の電極の各々は、前記空隙を挟んで対向する辺が平行に配置されていることが好ましい。さらに、前記入射面の電極の前記対向する辺と、前記電気光学材料を挟んで対向する前記出射面の電極の前記対向する辺のそれぞれは、平行に配置されていることが好ましい。

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。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。

図１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。電気光学材料を板状に加工した基板１の上面（光の入射面）および下面（光の出射面）に、それぞれ１対の上部電極２ａ，２ｂおよび下部電極３ａ，３ｂが形成されている。上部電極２ａ，２ｂの各々は等しい電位とし、下部電極３ａ，３ｂの各々も等しい電位とする。光は、同電位の電極対の間の空隙を通過するように、ｙ軸方向に光軸を設定する。上部電極２ａ，２ｂのそれぞれは、光が透過する空隙を挟んで対向する辺がｚ軸に平行となるように形成されており、この２つの辺の間隔をＡとする。下部電極３ａ，３ｂも同じ構成であり、その対向する辺の位置は、ｘ軸方向において上部電極２ａ，２ｂの対向する辺と一致、すなわち基板１を挟んで一致している。ここで、基板１の厚さをＴとする。電圧を上部電極２から下部電極対３へ、またはその逆に印加することができる。

電気光学材料は、反転対称性を有する酸化物単結晶材料が好適である。反転対称性については、詳しくは後述する。電極についても詳しくは後述する。

図２を参照して、本実施形態にかかる可変焦点レンズの原理を説明する。図１に示した可変焦点レンズにおいて、上部電極２ａ，２ｂに正の電圧、下部電極３ａ，３ｂに負の電圧をかける。このとき、通常のコンデンサと同様、電界は上下に向かい合った電極同士の間を、上から下に向いた状態で発生する。また、電界は、上下の電極の間だけでなく、その周囲にも発生し、光が透過する部分にも発生する。このはみ出した電界により、電気光学材料である基板１には、電気光学効果が発生し、光が透過する部分の屈折率が変調される。

光が透過する部分の電界分布と屈折率変調について説明する。電気光学材料は、一般的に比誘電率が１より十分に大きい。このため、基板１の内部の電界の電気力線は、表面付近では、基板表面に対して平行に近くなる（符号４ａ，４ｂ参照）。上部電極２ａから右方向へ進む電気力線４ａは、上部電極２ａを出た後、そのまま基板１の上面にほぼ平行に進む。一方、上部電極２ｂから左方向へ進む電気力線４ｂも、上部電極２ｂを出た後、そのまま基板１の上面にほぼ平行に進む。２つの電気力線４ａ，４ｂは、上部電極２ａ，２ｂの中央でぶつかるので、そこから大きく向き変え、基板１の下方向へ進む。電気力線４ａ，４ｂは、その後下面に達し、大きく向きを変えて、互いに反対方向に進み、それぞれ下部電極３ａ，３ｂまで進む。このように、基板１の内部で、表面付近を進む電気力線は、同電位の電極対の間の空隙において急激に屈曲するので、この屈曲部分では電界が大きく変化する。すなわち、光軸を中心に、光が透過する部分で電界が変化して、屈折率が変調される。

図３に、基板内部における電界成分と屈折率の分布とを示す。図３（ａ）は、基板１の上面付近のｘ軸方向の、電界成分Ｅ_ｘの分布を示す。横軸は、同電位の電極対の間にある光が透過する部分のｘ軸方向の位置を表している。中央部を境に、左と右とでは電気力線の向きが１８０度異なるため、このような分布となる。図３（ｂ）は、同じくｘ軸方向の各々の位置におけるｙ軸方向の電界成分Ｅ_ｙの分布を示す。電界成分Ｅ_ｙは、符号は変わらないが、その絶対値は中央部で小さく、電極に近づくほど大きくなる。このような電界分布により、ｘ軸方向の屈折率が変調される。

図３（ｃ）に、電気光学材料としてタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３、以下ＫＴＮという）を用いて、光電界の向きがｚ方向の光を入射したときの屈折率変調を示す。基板１の中央部付近、すなわち光軸付近は、中央部からｘ軸方向に離れて、電極対に近い部分よりも屈折率が低いため、光は高速で進行し、中心部から電極対に近い部分ほど、光の速度は遅くなる。このため、基板１を透過した光の波面は、中央部付近よりも電極対に近い部分で遅れた形となり、凹レンズとして機能する。光が透過する部分をレンズとして考えると、集光または発散の効果の強いレンズを実現することができる。図１および図２の構成では、ｘ軸方向にのみ集光または発散が起こり、ｚ方向での集散は起こらないので、一般的な球面レンズではなく、いわゆるシリンドリカルレンズとして機能する。

結晶内部の電界の大きさは、電極に印加する電圧に比例する。また、屈折率変調は電界の自乗に比例するため、結局、屈折率変調の大きさは電圧の自乗に比例する。これにより、凹レンズの焦点距離は電圧によって制御できる。また、ここでは凹レンズとして機能すると説明したが、電気光学係数の符号は材料や光偏光によって異なるので、凸レンズを実現することもできる。

図１および図２の構成の可変焦点レンズをもう一組用意し、光が透過する部分の光軸を一致させて配置する。２つの可変焦点レンズを、光軸を中心に互いに９０度の角度で配置することにより、２方向で集光または発散を行うことにより、球面レンズと等価な機能を実現することができる。

（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）と２次の電気光学効果（以下、カー効果という）が利用されている。しかし、電気光学効果の中でも、電界の自乗に比例した屈折率変調が起こる、２次の電気光学効果（カー効果）を有する材料が好適である。カー効果の場合は、図３に示したように、屈折率分布Δｎは電界成分Ｅ_ｘの符号に依存しないので、レンズとして好適な左右対称形になるからである。一方、ポッケルス効果の場合は、屈折率変調は電界の１乗に比例し、電界成分Ｅ_ｘによる屈折率変化は左右対称とならないため、レンズとしてうまく機能しない。

また、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。なお、自発分極を有する材料を、座標軸上で反転すると、自発分極の向きが反転するので、このような結晶材料は反転対称性を有していない。一方、反転対称性を有する単結晶は、ポッケルス効果を有さず、カー効果が最低次の電気光学効果となる。従って、電気光学効果を有する結晶材料の中でも、反転対称性を有する単結晶が望ましい。

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が好適である。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り、この立方晶相にてポッケルス効果を有さないためである。例えば、最もよく知られたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３、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。

さらに、ＫＴＮ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。

反転対称性を有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。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。例えば、大きなカー効果を有する立方晶相の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。

ＫＴＮにおいて、使用温度を相転移温度に近づけると、誘電率が急激に高くなるため、
電気光学効果が大きくなる。また、誘電率が高いと、図２に示した電気力線の屈曲が、より急激になり、レンズ効果が大きくなる。大きな電気光学効果と大きな電気力線の屈曲とを合わせた相乗効果により、例えば、ＫＴＮの比誘電率が１０，０００を超え、ＫＴＮ基板に印加する電圧が５００Ｖを超えると、焦点距離が１ｍ以下となり、実用上有効な特性が得られる。

なお、ＫＴＮは、他の電気光学結晶と同様に、印加電界の向きと光電界の向きとの関係により、屈折率変調が変わる。図２の構成において、偏光は、光電界の向きがｘ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_ｘとΔｎ_ｚとは、

となって異なる。ここで、ｎ_０は変調前の屈折率である。

また、ｓ_１１とｓ_１２は電気光学係数であるが、ｓ_１１は正なのに対し、ｓ_１２は負の値を持ち、絶対値はｓ_１１の方が大きい。この特徴のため、光電界の向きがｘ方向の場合は凸レンズ、ｚ方向の場合は凹レンズと、入射光の偏光状態によって機能が全く変わる。

レンズの特性は、基板１を透過することによって光が受ける光路長変調によって表される。光路長変調Δｓとは、電気光学材料を透過する間の経路にわたって、屈折率変調Δｎを積分したものである。上述したように、屈折率変調はｘとｙとの関数であるため、これをΔｎ（ｘ，ｙ）とする。屈折率変調Δｎはｚには依存しない。本実施形態にかかる可変焦点レンズは、ｙ軸方向に光が伝搬するので、光路長変調Δｓは、

となり、ｙには依存せずｘのみの関数となる。すなわち、光を集散させるｘ軸方向でのみ変化し、ｚ軸方向には変化しない。

図４に、実施例２にかかる可変焦点レンズの光路長変調分布を示す。図４（ａ）は、上部電極および下部電極の間隔Ａ＝２ｍｍの場合の光路長変調分布を示し、図４（ｂ）は、間隔Ａ＝１ｍｍの場合の光路長変調分布を示す。基板１は、いずれの場合も厚さＴ＝１ｍｍの電気光学材料を使用している。横軸は、ｘ軸方向の位置を表し、光が透過する部分の中央を原点としている。縦軸は、光路長変調Δｓである。いずれも、光電界がｘ軸方向に向いている場合の光路長変調（Δs_ｘ）は上に凸であり、凸レンズとして機能していることを表している。なお、光電界がｚ軸方向に向いている場合の光路長変調（Δs_ｚ）は下に凸であり、凹レンズとして機能していることを表す。

図４の曲線は、二次曲線へのフィッティングの結果を示している。理想的には、この二次曲線に従うことが望ましいが、いずれの場合もわずかにずれが存在している。さらに、図４（ａ）は、図４（ｂ）と較べて二次曲線からのずれが大きい。これは、各電極から光が透過する部分へ広がる電気力線は、基板１の厚さＴによって決定される範囲内しか広がらないからである。すなわち、上部電極と下部電極との間に同じ電圧を印加したとき、上部電極および下部電極の間隔Ａが広すぎる（図４（ａ）の場合）と、光が透過する部分の中央に電気力線が届かず、電気光学効果が小さくなり、屈折率変調も小さくなるからである。

図５に、可変焦点レンズにおいて光路長変調と理想的な二次曲線とのずれを示す。横軸は、電極対の間の空隙の間隔Ａと基板１の厚さＴとの比Ｒ（＝Ａ／Ｔ）を示す。縦軸は、実際の光路長変調Δｓと理想的な二次曲線とのずれ量のピーク・ピーク値を示す。すなわち、間隔Ａと厚さＴとを決めて実際の光路長変調（図４（ａ），（ｂ）のプロット○、□）を求めて、図４（ａ），（ｂ）に示したフィッティングを行い、ｘ座標が空隙の間隔Ａの範囲にわたって、ずれ量の最小値と最大値を求め、そのふれ幅をピーク・ピーク値として示している。Ｒが大きい場合は、光が透過する部分の中央に電気力線が届かず、光路長変調Δｓのずれ量が大きくなるので、Ｒをある程度小さく設定しておくことが望ましい。実用上、光路長変調Δｓのずれ量の目安は、光波長程度（およそ１μｍ）であることから、Ｒを１．５以下にすることが望ましい。

（電界による歪の抑制）
以上、本発明の可変焦点レンズの実施形態を説明したが、電界の分布と電気光学効果のみを考慮して設計しても、設計どおりに機能しないことが多い。問題は、電界印加による基板１の変形にある。以下、この問題を詳述する。

電気光学材料は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、以下ＬＮという）や上述のＢＴを含め、電界を印加した時に歪を生じ、変形するものが多い。ＬＮのようなポッケルス効果を有する単結晶電気光学材料は、自発分極を有するので、印加する電界に比例した歪を生ずる。これは圧電効果と呼ばれている。室温におけるＢＴも同様の効果を有する。一方、立方晶相のＫＴＮは、自発分極を有せず、カー効果と同様に、印加する電界の自乗に比例した歪を生ずる。これは電歪効果と呼ばれている。相転移温度以上に加熱した立方晶相ＢＴも同様の効果を有する。

立方晶相のＫＴＮの電歪効果では、結晶の<００１>、<０１０>、<１００>軸方位にそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸をとると、それぞれの軸方向の膨張率e_xx、e_yy、e_zzと、その他にe_yz、e_zx、e_xyを合わせ６つの歪量が発生する。電界のｘ軸方向成分をＥ_ｘ、ｙ軸方向成分をＥ_ｙ、ｚ軸方向成分をＥ_ｚと書いた時、この６つの歪量は、Ｅ_ｘＥ_ｘ、Ｅ_ｙＥ_ｙ、Ｅ_ｚＥ_ｚ、Ｅ_ｙＥ_ｚ、Ｅ_ｚＥ_ｘ、Ｅ_ｘＥ_ｙの６つの量の線形結合により、求められる。したがって、正確にはこれら全てのパラメータを考慮する必要があるが、単純化して、概ね、電界と平行な方向に結晶が伸張し、電界と垂直な方向には収縮する、と考えても良い。

図６に、図１の構造の可変焦点レンズに電圧を印加したときの、基板１の変形の様子を説明する図を示す。電極２ａと２ｂを同電位、電極３ａと３ｂとを同電位とし、これらの２つの電極対の間に電圧をかけたとする。電界が強いため基板が大きく歪む部分は、電極２ａと３ａとの間および電極２ｂと３ｂとの間であり、この部分にｙ軸方向の大きい応力が発生する。一方、光の透過する空隙の部分は、厚みを伸長させようとする応力は、小さい。このため、理解の便宜のために、変形を全体的に誇張して描くと、概ね図６のような形に変形する。しかし、この変形後の全体形状あるいは歪は、電歪効果のみで決まらずに、電歪効果による応力と、歪に対して反発して発生する電気光学材料の弾性応力との釣り合いで決まる。また、変形の結果として、光弾性効果による屈折率の変調が発生する。この屈折率変調が電気光学効果による屈折率変調に重畳されると、電界分布と電気光学効果のみを考慮して計算した屈折率変調からずれることになる。

そこで、本発明の可変焦点レンズでは、電歪効果による基板１の変形を押さえるため、基板１を高い剛性の材料で囲み、これにより電界分布と電気光学効果のみを考慮して計算した屈折率変調からのずれの問題を解決する。より具体的には、２枚の高剛性板により、電気光学材料を光軸方向に沿って挟み込むことで電歪効果による基板の変形を押さえる。

図７に、電歪効果による変形を押さえ込むことを可能にする、本発明の一実施形態を説明する図を示す。基板１をｙ軸方向に沿って、２枚の高剛性板５ａ、５ｂで挟む構造である。高剛性ネジ６ａ、６ｂのネジ頭に接していないほうの高剛性板５ｂにはネジが切られており、２枚の高剛性板５ａ、５ｂは、光透過のための穴７ａ、７ｂを有し高剛性ネジ６ａ、６ｂによって固定されている。この構造において、高剛性板５ａ、５ｂと高剛性ネジ６ａ、６ｂの剛性が十分であれば、電界印加によって電歪応力が発生して電極間の厚さが伸長しようとしても、高剛性板５ａ、５ｂによって押さえ込まれているため、基板１は伸長することができず、したがって、図６のような変形が発生することもなく、光弾性効果による望ましくない屈折率変調が誘起されることもない。

本発明である、基板１を押さえ込む構造において重要な条件は、例えば図７のように高剛性板５ａ、５ｂと高剛性ネジ６ａ、６ｂとの組み合わせによる構造を一種のバネと考え、他方、基板１も一種のバネと考えたとき、前者のバネのバネ係数ｋ_ｍが、後者のバネのバネ係数ｋ_ｓと比較して大きいことである。

以下、上述のバネについて説明する。高剛性板５ａ、５ｂも高剛性ネジ６ａ、６ｂも、バネの形状を呈してはいないものの、これらの部品の材料固有のヤング率・剛性率・ポアソン比で特徴付けられる弾性を有する。つまり、外部から力が加わると、微小量であるが変形し、力が取り払われると元の形状に戻る。

図８に、図７の構造において電歪効果によって基板１にｙ軸方向に伸張する力Ｆが発生した場合の、全体の変形の様子を誇張して描いたものを示す。このとき、高剛性ネジ６ａ、６ｂの長さが伸びるだけでなく、図８に示されるように、高剛性板５ａ、５ｂの中央部がｙ軸方向に沿って外側に向けてたわむ。基板１を置かない状態を想定し、２枚の高剛性板５ａ、５ｂの中央部に、この中央部の間隔ｄ_ｍを増加させるよう、力Ｆを２枚の高剛性板５ａ、５ｂに加えた時、ｄ_ｍの増加分Δｄ_ｍはＦに比例する。

このときの比例定数をバネ係数ｋ_ｍとおく。一方、基板１自体も単独で弾性体であるので、ｙ軸方向に膨張させるようにかける力Ｆに対する膨張量Δｄ_ｓは、

のようにＦに比例する。このときの比例定数をバネ係数ｋ_ｓとおく。これらの組み合わせである、基板１を高剛性板５ａ、５ｂと高剛性ネジ６ａ、６ｂで押さえ込んだ状態では、電歪効果による力Ｆが発生した場合の高剛性板５ａ、５ｂの中央部の間隔ｄ_ｍの増加分Δｄ_ｍは、やはり

のようにＦに比例するが、比例係数ｋ_ｔは、ｋ_ｍとｋ_ｓとを用いて、

と表される。ｋ_ｍ＜ｋ_ｓの場合は、ｋ_ｔはｋ_ｓに近くなるため、高剛性板５ａ、５ｂと高剛性ネジ６ａ、６ｂとからなる押さえ込み構造は効率的に機能しない。押さえ込み構造は、ｋ_ｍ＞ｋ_ｓとなって初めて効率的に機能する。

以上説明したように、本発明のポイントは、押さえ込み構造のバネ係数ｋ_ｍが基板１のバネ係数ｋ_ｓよりも大きいことであり、高剛性板５ａ、５ｂと高剛性ネジ６ａ、６ｂとからなる構造のみに限定されるものではない。

図７にて説明した構造で、本発明を実施した。また、図７において可変焦点レンズの主要部をなす電気光学材料の基板１１について、より具体的な構造を図９に示す。電気光学材料を板状に加工した基板１１の上面および下面に、それぞれ１対の上部電極１２ａ、１２ｂおよび下部電極１３ａ、１３ｂが形成されている。基板１１は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、３ｍｍ×３ｍｍ×（厚さＴ＝）１ｍｍの形状に成形した。基板１１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℃で使用することとした。この温度での比誘電率は２０，０００である。

上部電極１２ａ，１２ｂ、下部電極１３ａ，１３ｂのそれぞれは、０．６ｍｍ×２．６ｍｍの方形で、白金（Ｐｔ）を蒸着して形成されている。そして、光が透過する空隙を挟んで対向する辺を平行に配置してあり、この２つの辺の間隔Ａは１．４ｍｍである。

高剛性板５ａ、５ｂの形状はそれぞれ、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍである。図7に示すように、高剛性板５ａの３０ｍｍ×３０ｍｍの面２０が基板１１の入射面（あるいは出射面）と、高剛性板５ｂの３０ｍｍ×３０ｍｍの面２１が基板１１の出射面（あるいは入射面）と対向する。高剛性板５ａ、５ｂの３０ｍｍ×３０ｍｍの面の中央の光透過のための穴７ａ、７ｂは、直径１．５ｍｍとした。材料は鋼鉄で、ヤング率は２００ＧＰａである。高剛性ネジ６ａ、６ｂも同じ材料とした。

図９に示すように、図７の構造の全体を４０℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を、上部電極１２ａ、１２ｂの間の空隙に入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｘ軸方向である。図１０に、上下電極間に５００Ｖの電圧を印加したとき、下部電極１３ａ、１３ｂの間から出射する光の波面を、光路長変調分布として示す。横軸は、ｘ軸方向の位置を表し、光が透過する部分の中央を原点としている。縦軸は、光路長変調Δｓである。○のプロットがシミュレーション結果で、上に凸の波面であることから、シリンドリカル凸レンズとして機能する設計であることを示している。これに対し、破線の曲線は本発明の押さえ込みを行わない状態で動作させたときの光路長変調分布の実験結果である。グラフの左右両端付近で、大きくマイナス方向に光路長が変調されているものの、その内側では波面は平坦で、さらに中央部でわずかに下に凸の形状を呈しており、シミュレーション結果と大きく異なる。この光路長変調分布において、上に凸の形状の極大付近における曲率半径がレンズの焦点となるため、押さえ込みを行わない場合は、ほとんどレンズとして機能しないことがわかる。

一方、実線の曲線は、本発明の高剛性板５ａ、５ｂと高剛性ネジ６ａ、６ｂによって押さえ込んだ状態で測定した実験結果である。こちらは本発明の効果により、基板１が十分に押さえ込まれているため、シミュレーション結果と凡そ一致しており、凸レンズとして機能することがわかる。ここで、押さえ込みを行わない場合には、５００Ｖ電圧印加時の、基板１１の電極部分の厚み変化は、１μｍ程度であったのに対し、本実施例において、押さえ込みを行った場合は、半分の５００ｎｍ以下となった。なお、高剛性板５ａ、５ｂの材料は、セラミック系材料（ＡＬＮ−Ｂｎ系やＡｌ_２Ｏ_３系、ＺｒＯ_２系、ＭｇＯ系等）であっても同様の効果を得ることができる。

図１３に、図７の構造において更に、高剛性板５ａ、５ｂと基板１との間に、光を透過させてかつ剛性の強い板３１、３２を挟んだ本発明の一実施形態を説明する図を示す。高剛性板５ａ、５ｂの中央の光透過のための穴は、それが存在することによって高剛性板５ａ、５ｂの剛性が弱くなり、バネ係数が小さくなることもある。その場合は、剛性を高めるために、高剛性板５ａ、５ｂと基板１との間に、光を透過させてかつ剛性の強い板を挟んでもよい。ガラスの他、よりヤング率が高い、サファイア(コランダム)やジルコニアに代表される酸化物・窒化物の単結晶や、透明焼結体(セラミック)、ダイヤモンドなどを好適に用いることができる。

図１１は、本発明の実施例２を説明する図である。実施例２では、可変焦点レンズの主要部をなす基板１１の周囲を、スペーサ８で取り囲む構造をとる。図１１に示されるように、スペーサ８は、基板１１と厚さが等しい板状の構造物であり、中央に基板１１を収納するための四角い穴を有する。この穴に基板１１を挿入し、さらに、基板１１とスペーサ８の上下に、スペーサ８の外形と同程度の板状構造物９ａ、９ｂを重ねる。このとき、基板１１ならびにスペーサ８と、板状構造物９ａ、９ｂとの間に、樹脂などの接着剤を流し込み、基板１１・スペーサ８・板状構造物９ａ、９ｂを接着する。

この構造において、電極１２ａなどを用いて基板１１に電界を印加すると、やはり電歪効果により、基板１１は厚み方向に膨張する力が働く。図１２は、このときの力の作用の関係を説明する図である。基板１１は、接している接着剤１０を押し上げようとする。基板１１に押し上げられた接着剤１０は、さらに上の板状構造物９ａを押し上げようとする。板状構造物９ａは全体的に上昇しようとするので、スペーサ８の直上の部分では接着剤１０を引っ張り上げようとする。その結果、スペーサ８も引っ張り上げられる。以上の一連の力の作用と同時に、反作用も起こる。また、同じことが下面の方でも対称的に起こる。このため、電歪効果により、スペーサ８は上下に膨張し、同様にスペーサ８の上下の接着剤１０も上下に膨張する。板状構造物９ａ（９ｂ）は、基板１１の直上(直下)では持ち上げられ(押し下げられ)、スペーサ直上(直下)では引き下げられ(引き上げられ)るので、せん断歪が発生する。接着剤１０は、基板１１の上下では、スペーサ８の上下の部分とは逆に上下に圧縮される。

従って、基板１１を押さえ込む構造全体のバネ係数ｋ_ｍは、
（ａ）スペーサ８
（ｂ）接着剤１０のうちのスペーサの上下の部分
（ｃ）板状構造物９ａ、９ｂ
（ｄ）接着剤１０のうちの基板１１の上下の部分
などによって決定される（接着剤１０は、基板１１とスペーサ８との間をも埋めており、バネ係数ｋ_ｍにも多少は寄与するが、簡単のために影響は無視する）。

スペーサ８と板状構造物９ａ、９ｂについては、例えば金属・酸化物・窒化物の焼結体や単結晶など、基板１１と同等以上の高い剛性の材料を用いることができる。さらにスペーサ８については、図１１の上面図にも示されるように、基板１１よりも十分に面積が広ければ十分に大きいばね係数を実現することができる。板状構造物９ａ、９ｂは、単純に厚さ方向に伸縮するバネとみなせるスペーサ８などとは異なって、図７における高剛性板５ａ、５ｂと同様に中央部が押されたときにたわむ種類のバネであり、厚くすれば、ばね係数を大きくすることができる。

残る接着剤１０については、物性値として高いヤング率を実現することは容易ではなく、例えばエポキシ系やアクリル系の樹脂接着剤であれば、基板１１を構成する電気光学材料の一般的なヤング率よりも、２桁程度小さいヤング率となる。しかし、基板１１と比べて厚さを３桁以上薄くすることも可能であり、その場合、バネ係数は凡そヤング率×断面積／長さ(または厚さ)であることから、同じ断面積ならば基板１１よりも高いバネ係数を実現することができる。もちろん、より高いヤング率を有する樹脂として、ナイロンやポリイミドなども好適に用いることができる。

本実施例では、基板１１としてはＫＴＮ単結晶を７ｍｍ×７ｍｍ×厚さ４ｍｍに加工したブロックを用いた。スペーサ８としては、同じくＫＴＮ単結晶を用いた。厚さは基板１１と同じ４ｍｍで、面積は基板１１の８倍であった。また、板状構造物９ａ、９ｂにはそれぞれ１ｍｍ厚のサファイア(コランダム)単結晶を用いた。接着剤１０の層の厚さを薄くするためには、基板１１ならびにスペーサ８と、板状構造物９ａ、９ｂとの間の隙間を厳密に制御する必要がある。

このため、これらの表面の面精度が重要となる。これら４つの全てを光学研磨したが、特に基板１１とスペーサ８とは、予め接着して一体化し、それを一体で光学研磨することにより、基板１１とスペーサ８との段差をなくした。研磨で成形した後に、２枚の板状構造物９ａ、９ｂを、基板１１とスペーサ８との上下面に接着剤によって接着した。接着剤層の厚さは２μｍであった。接着剤はエポキシ系で、ヤング率は１ＧＰａ程度であったが、ＫＴＮ単結晶からなる基板１１の２０００分の１の厚さであるため、基板１１よりも一桁大きいバネ係数を実現することができた。

さらに、接着剤１０によって基板１１・スペーサ８・板状構造物９ａ、９ｂを一体化したものを、図７と同様に高剛性板５ａ、５ｂと高剛性ネジ６ａ、６ｂとで押さえつけた。電歪効果による変形自体は、スペーサ８・板状構造物９ａ、９ｂ・接着剤１０で押さえ込んでいるので、高剛性板５ａ、５ｂと高剛性ネジ６ａ、６ｂは、電歪効果による変形で接着剤が剥離することを防ぐためだけに用いている。

以上のようにして作製した可変焦点レンズは、電圧を印加したときの基板１１の変形を十分に押さえ込むことができ、その結果、光弾性効果による望ましくない屈折率変調も起こらなかった。このため、光路長変調分布は、図１０のグラフの実線と同様に、中央部の凹みのないものとなり、凸レンズとして機能した。

１，１１ 基板
２，１２ 上部電極
３，１３ 下部電極
４ 電気力線
５ 高剛性板
６ 高剛性ネジ
７ 光透過のための穴
８ スペーサ
９ 板状構造物
１０ 接着剤
２０ 高剛性板５ａの面
２１ 高剛性板５ｂの面
３１ 高剛性板
３２ 高剛性板

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と、該電気光学材料の光の入射面と光の出射面とに形成された電極とを備え、
   前記光を前記入射面の電極が形成されていない空隙から入射し、前記出射面の電極が形成されていない空隙から出射するように光軸が設定され、
   前記入射面の電極と前記出射面の電極とを結ぶ電気力線の一部が前記空隙で屈曲することにより、前記光軸を中心に前記光が透過する部分の電界が変化させられ、
   前記入射面の電極と前記出射面の電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点が可変である可変焦点レンズにおいて、
   前記電極への電圧の印加に起因して発生する前記電気光学材料の膨張を押さえ込む構造を有することを特徴とする可変焦点レンズ。
2. 前記入射面の空隙に光を入射し、または前記出射面の空隙からの光を出射する貫通穴を有し、前記電気光学材料を光軸方向に沿って挟み込む２枚の板を備え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. 前記板の一方にネジ穴を有し、前記板の他方にネジ溝を切ることにより、ネジを締結して前記板を固定することを特徴とする請求項２に記載の可変焦点レンズ。
4. 請求項２に記載の可変焦点レンズにおいて、
   前記電気光学材料の厚さと厚さが等しく、光軸方向に垂直な面に前記電気光学材料を収納する貫通穴を有する、前記電気光学材料の周囲を取り囲むスペーサと
   前記電気光学材料・前記スペーサ・前記板の間に流し込まれ、前記電気光学材料・前記スペーサ・前記板を互いに接着する接着剤と
   を備えることを特徴とする可変焦点レンズ。
5. 前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料であることを特徴とする請求項１ないし４に記載の可変焦点レンズ。
6. 前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）であることを特徴とする請求項５に記載の可変焦点レンズ。
7. 前記電気光学材料は、結晶の主成分は、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５に記載の可変焦点レンズ。
8. 前記入射面の電極および前記出射面の電極の各々は、前記空隙を挟んで対向する辺が平行に配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
9. 請求項８に記載の可変焦点レンズにおいて、
   前記電気光学材料の膨張を押さえ込む構造のバネ係数ｋ_ｍは、前記電気光学材料のバネ係数ｋ_ｓよりも大きいことを特徴とする可変焦点レンズ。
10. 請求項９に記載の可変焦点レンズにおいて、前記板材料は、セラミック系材料であることを特徴とする可変焦点レンズ。

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