JP6259360B2

JP6259360B2 - 可変焦点レンズ

Info

Publication number: JP6259360B2
Application number: JP2014121863A
Authority: JP
Inventors: 宗範川村; 小林　潤也; 潤也小林; 坂本　尊; 尊坂本; 今井　欽之; 欽之今井; 純宮津
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-06-12
Also published as: JP2016001288A

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物質の単結晶を用いた可変焦点レンズにおいて、焦点距離を変更可能とした可変焦点レンズに関する。

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。通常の光学レンズは、焦点距離が固定されているため、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る。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、こ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以下の高速応答を実現している。

特開平１１−０６４８１７号公報特開２０１４−０２６２２９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に記載の可変焦点レンズにおいて、焦点距離をさらに短くするためには、さらに、大きな電圧を印加する必要がある。しかし、印加電圧が大きくなるほど、高速動作は難しくなる。また、レンズの性能として重要な波面収差は、印加電圧の増大に伴い劣化するという問題があった。このため、特許文献２に記載の可変焦点レンズにおいて使用される印加電圧において、レンズとしての性能、具体的には焦点距離を改善することができれば、高速応答を維持しながら、より高性能の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印加電圧と同程度の電圧により、可変焦点距離を改善し、高速応答を維持しながら、より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、可変焦点レンズの一実施態様は、電気光学効果を有する単結晶基板と、該単結晶基板に光が入射する面、前記光が入射する面と直交する第１の面、および該第１の面に対向する第２の面とに形成された第１の電極対であって、第１の陽極は、前記第１の面と前記光が入射する面とが接する辺をまたいで前記第１の面と前記光が入射する面とに連続して形成され、第１の陰極は、前記第２の面と前記光が入射する面とが接する辺をまたいで前記第２の面と前記光が入射する面とに連続して形成された第１の電極対と、前記単結晶基板から光が出射する面、前記光が出射する面と直交する前記第１の面および前記第２の面とに形成された第２の電極対であって、第２の陽極は、前記第２の面と前記光が出射する面とが接する辺をまたいで前記第２の面と前記光が出射する面とに連続して形成され、第２の陰極は、前記第１の面と前記光が出射する面とが接する辺をまたいで前記第１の面と前記光が出射する面とに連続して形成された第２の電極対とを備え、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、前記単結晶基板を透過する光の焦点を可変することを特徴とする。

本発明によれば、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において、光の入射面および出射面の一部にも連続して電極を形成したことにより、従来の可変焦点レンズと比較して、同じ印加電圧でありながら、結晶内部の屈折率変化を大きくすることができるので、焦点距離をより小さくすることができる。

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内部の電気力線と屈折率変調量を示す図である。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。本実施形態の可変焦点レンズ内部の電気力線と屈折率変調量を示す図である。焦点距離と電極間距離との相関を比較した図である。本実施形態の可変焦点レンズの焦点距離と電極間距離との相関を示す図である。本実施形態の可変焦点レンズの波面収差と電極間距離との相関を示す図である。

はじめに、電気光学効果と光路長変調について説明し、次に、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に、従来の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１において、光４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ｙ軸に平行な対向する２面に、２対の電極対が間隔をあけて形成されている。光の入射側に第１の電極対２ａ，２ｂ、光の出射側に第２の電極対３ａ，３ｂが形成されており、電極２ａ，３ａが陽極、電極２ｂ，３ｂが陰極である。

図２に、従来の可変焦点レンズ内部の電気力線と屈折率変調量を示す。単結晶基板１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。

（電気光学効果）
電気光学効果については、特許文献２に記載の通り、いくつかの次数が異なる電気光学効果が含まれる。可変焦点レンズには、一般的、１次の電気光学効果（以下、ポッケルス効果という）、または、２次の電気光学効果（以下、カー効果という）を示す単結晶材料が用いられる。ポッケルス効果を利用する場合、屈折率変化は印加した電界に比例する。そのため、図１に示した単結晶基板１に、ポッケルス効果を有する物質を用いた場合、電気力線の向きが逆のため、屈折率変化は相殺されて、レンズとしての機能を果たさない。

一方、カー効果を利用する場合、屈折率変化は印加した電界の二乗に比例する。したがって、電気力線の向きが逆であっても、屈折率変化は等しくなり、レンズとして機能する。図２に示すように、電気力線の曲率が電気光学結晶中の場所によって異なるため、結晶内部に電界の分布が発生し、これによって屈折率変化の分布が発生し、レンズとして機能する。この屈折率分布は、ｚ−ｘ平面において放物線を描き、放物線が上に凸のとき、凸レンズとして機能し、下に凸のとき、凹レンズとして機能する。図２には、単結晶基板１に入射される光４の電界振幅の向きがｚ軸方向の場合における、ｚ−ｘ平面における屈折率変化Δｎを模式的に示している。各電極対に印加される電圧が０のときは、屈折率変化は０であり、電圧を印加した際の屈折率変化は放物線を描き、レンズとして機能する。

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り、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可能である。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により、大きなカー効果を簡便に発現させることができる。

また、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。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。例とば、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）
図２において、レンズの特性は、下記の式のように、屈折率変調量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、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。

（本発明の実施形態）
図３に、本実施形態の可変焦点レンズ内部の電気力線と屈折率変調量を示す。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１１において、光１４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ｙ軸に平行な第１の面と、第１の面に対向する第２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１２ａ，１２ｂ、光の出射側に第２の電極対１３ａ，１３ｂが形成されており、電極１２ａ，１３ａが陽極、電極１２ｂ，１３ｂが陰極である。

第１の電極対１２ａ，１２ｂは、光１４が入射する面にも連続して形成されており、第２の電極対１３ａ，１３ｂは、光が出射する面にも連続して形成されている。すなわち、第１の電極対１２ａ，１２ｂは、光が入射する面、光が入射する面と直交する第１の面、および第１の面に対向する第２の面とに形成され、第１の陽極１２ａは、第１の面と光が入射する面とが接する辺をまたいで第１の面と光が入射する面とに形成され、第１の陰極１２ｂは、第２の面と光が入射する面とが接する辺をまたいで第２の面と光が入射する面とに形成されている。

第２の電極対１３ａ，１３ｂは、光が出射する面と、光が出射する面と直交する第１の面および第２の面とに形成され、第２の陽極１３ａは、第２の面と光が出射する面とが接する辺をまたいで第２の面と光が出射する面とに形成され、第２の陰極１３ｂは、第１の面と光が出射する面とが接する辺をまたいで第１の面と光が出射する面とに形成されている。

図４に、本実施形態の可変焦点レンズ内部の電気力線と屈折率変調量を示す。単結晶基板１１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１１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。

図５は、焦点距離と電極間距離との相関を比較した図である。図２に示した従来の可変焦点レンズにおいて、単結晶基板１の厚さｈ（ｚ軸方向）は４．０ｍｍ、長さＬ（ｙ軸方向）は６．６ｍｍ、幅（ｙ軸方向）も６．６ｍｍである。第１および第２の電極対２，３のそれぞれの電極の大きさは、入射面または出射面からｘ軸方向に０．８ｍｍ、ｙ軸方向に６．６ｍｍである。従って、電極間距離ｄは２．４ｍｍとなる。このような構造において、ｘ軸方向の単結晶基板１の長さを変化させ、それに伴って電極間距離が変化したときの焦点距離を示す。

一方、図４に示した本実施形態の可変焦点レンズにおいて、単結晶基板１１の厚さｈ（ｚ軸方向）は４．０ｍｍ、長さＬ（ｙ軸方向）は６．６ｍｍ、幅（ｙ軸方向）も６．６ｍｍである。第１および第２の電極対１２，１３のそれぞれの電極の大きさは、ｘ軸およびｙ軸に平行な対向する２面において、入射面または出射面からｘ軸方向に０．８ｍｍ、ｙ軸方向に６．６ｍｍである。従って、電極間距離ｄは２．４ｍｍとなる。光の入射面および出射面においては、電極面からｚ軸方向に０．５ｍｍ、ｙ軸方向に６．６ｍｍである。このような構造において、ｘ軸方向の単結晶基板１の長さを変化させ、それに伴って電極間距離が変化したときの焦点距離を示す。

このとき、いずれも第１および第２の電極対に印加する電圧は１ｋＶ、比誘電率は２０，０００として、数値計算により焦点距離をプロットした。入射光の偏光は直線で、振動電界の方向はｚ軸方向である。図５から明らかなように、どの電極間距離においても、従来の可変焦点レンズと比較して、本実施形態の可変焦点レンズは、焦点距離が約１／２以下になっていることがわかる。

図６に、本実施形態の可変焦点レンズの焦点距離と電極間距離との相関を示す。図４に示した本実施形態の可変焦点レンズにおいて、単結晶基板１１の厚さｈ（ｚ軸方向）は４．０ｍｍ、長さＬ（ｙ軸方向）は６．６ｍｍ、幅（ｘ軸方向）も６．６ｍｍである。第１および第２の電極対１２，１３のそれぞれの電極の大きさは、ｘ軸およびｙ軸に平行な対向する２面において、入射面または出射面からｘ軸方向に０．８ｍｍ、ｙ軸方向に６．６ｍｍである。従って、電極間距離ｄは２．４ｍｍとなる。光の入射面および出射面においては、電極面からｚ軸方向に０．５ｍｍ、ｙ軸方向に６．６ｍｍである。このような構造において、第１および第２の電極対１２，１３のそれぞれの電極の大きさを、ｘ軸方向に０．８ｍｍ〜２．８ｍｍに変化させることにより、電極間距離ｄを１ｍｍ〜５ｍｍに変化させた場合の焦点距離を示す。

このとき、第１および第２の電極対１２，１３に印加する電圧は１ｋＶ、比誘電率は２０，０００として、数値計算により焦点距離をプロットした。入射光の偏光は直線で、振動電界の方向はｚ軸方向である。図６から明らかなように、電極間距離の減少に伴って焦点距離が小さくなることがわかる。

図７に、本実施形態の可変焦点レンズの波面収差と電極間距離との相関を示す。図６に示した焦点距離の計算と同じ条件で、電極間距離と波面収差の相関を数値計算によりプロットした。入射光の偏光は直線で、振動電界の方向はｚ軸方向である。レンズの結像における、ぼけを示す波面収差は、電極間距離２．５ｍｍ〜３．５ｍｍとしたときに極小値をとることがわかる。これを、ｘ軸方向の電極幅Ｘ（光軸方向の電極の幅、単位ｍｍ）と、ｚ軸方向の電極幅Ｚ（光軸に垂直で光の振動電界に平行な方向の幅、単位ｍｍ）とを用いて一般化する。図４に示した電極間距離ｄ（ｍｍ）は、図７に示した計算結果から、２．５＜ｄ＜３．５の間で波面収差が極小となる。単結晶基板１１の、ｘ軸方向の幅が６．６ｍｍであることから、ｘ軸方向の電極幅を（６．６−３．５）／２＜Ｘ＜（６．６−２．５）／２の間で設定した場合、やはり波面収差は極小値となる。すべての辺を、図７を計算した際のｚ方向の電極幅Ｚ＝０．５ｍｍで割ると、（６．６−３．５）／２／０．５＜（Ｘ／Ｚ）＜（６．６−２．５）／２／０．５において、波面収差が極小値となる。小数点以下を四捨五入すると、電極幅ＸとＺとの比は、
３＜（Ｘ／Ｚ）＜４
の場合に、波面収差が極小値をとる。

（実施例）
図４に示したように、電気光学効果を有する単結晶から、直方体に加工した基板を切り出す。単結晶基板１１は、ＫＴＮ単結晶からブロックを切り出し、光の入射面および出射面の寸法をｙ軸方向に６．６ｍｍ、ｚ軸方向に４．０ｍｍにする。ｘ−ｙ平面に平行な２つの面はｘ軸方向に６．６ｍｍ、ｙ軸方向に６．６ｍｍにする。ｘ−ｚ平面に平行な２つの面の寸法はｚ軸方向に４．０ｍｍ、ｘ軸方向に６．６ｍｍ、ｘ−ｙ平面に平行な２つの面はｙ軸方向に６．６ｍｍ、ｘ軸方向に６．６ｍｍとする。

第１および第２の電極対１２，１３のそれぞれの電極の大きさは、ｘ軸およびｙ軸に平行な対向する２面において、入射面または出射面からｘ軸方向に１．８ｍｍ、ｙ軸方向に６．６ｍｍである。従って、電極間距離ｄは３．０ｍｍとなる。光の入射面および出射面においては、電極面からｚ軸方向に０．５ｍｍ、ｙ軸方向に６．６ｍｍである。

単結晶基板１１の全ての面は、光学研磨されており、基板の面はすべて（１００）面に平行である。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。

この可変焦点レンズを、４０℃で温度制御した状態で、ｚ軸方向に３ｍｍにコリメートした波長６３３ｎｍのレーザー光を、単結晶基板１１の入射面に入射させる。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｚ軸方向である。第１および第２の電極対１２，１３のそれぞれに１ｋＶの電圧を印加すると、単結晶基板１１から出射される光は、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５１ｃｍ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、焦点距離は５１ｃｍである。図５に示したように、従来の可変焦点レンズの焦点距離１００ｃｍから約半分にまで短くすることができる。また、波面収差は１５０ｎｍであり、従来の可変焦点レンズの波面収差３００ｎｍから約半分に改善することができる。

１，１１単結晶基板
２，１２第１の電極対
３，１３第２の電極対
４，１２光

Claims

電気光学効果を有する単結晶基板と、
該単結晶基板に光が入射する面、前記光が入射する面と直交する第１の面、および該第１の面に対向する第２の面とに形成された第１の電極対であって、第１の陽極は、前記第１の面と前記光が入射する面とが接する辺をまたいで前記第１の面と前記光が入射する面とに連続して形成され、第１の陰極は、前記第２の面と前記光が入射する面とが接する辺をまたいで前記第２の面と前記光が入射する面とに連続して形成された第１の電極対と、
前記単結晶基板から光が出射する面、前記光が出射する面と直交する前記第１の面および前記第２の面とに形成された第２の電極対であって、第２の陽極は、前記第２の面と前記光が出射する面とが接する辺をまたいで前記第２の面と前記光が出射する面とに連続して形成され、第２の陰極は、前記第１の面と前記光が出射する面とが接する辺をまたいで前記第１の面と前記光が出射する面とに連続して形成された第２の電極対とを備え、
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、前記単結晶基板を透過する光の焦点を可変することを特徴とする可変焦点レンズ。
前記第１および第２の電極対のそれぞれの陽極および陰極の前記第１および第２の面上における光軸方向の電極の幅Ｘとし、前記光が入射する面および前記光が出射する面における前記光軸方向に垂直で前記光の振動電界に平行な方向の幅Ｚとすると、
３＜（Ｘ／Ｚ）＜４
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
前記単結晶基板は、ぺロブスカイト構造を有する単結晶材料であり、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の可変焦点レンズ。
前記単結晶基板は、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単結晶材料からなることを特徴とする請求項３に記載の可変焦点レンズ。