JPH01230017A

JPH01230017A - 光学素子

Info

Publication number: JPH01230017A
Application number: JP63056766A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shibakuchi; 芝口　孝
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-03-10
Filing date: 1988-03-10
Publication date: 1989-09-13
Also published as: US5020885A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は光学素子、詳しくは電気光学媒体を用い、電気
的にレンズ作用を実現する光学素子に関する。

（従来技術）光情報処理技術の発展にともない、これまでにない新た
な機能をもった光学素子の開発が要請されている。例え
ば焦点距離を高速で変化させうるレンズ等である。焦点
距離を単に変えるだけなら従来の可変焦点レンズを用い
れば良いが、従来の可変焦点レンズのような機械的な操
作による焦点距離変化では、光情報処理に要請される高
速性を到底満足させることが出来ない。

電気的に高速で焦点距離を変化させる方法は。

従来、電気光学結晶の板に微小な屈折率分布型の平板マ
イクロレンズを作製し、電気光学効果により上記マイク
ロレンズにおける屈折率分布を変化させる方法が１９８
５年電気学会電磁界理論研究会資料（Ｅ　Ｍ　Ｔ　−８
５，Ｎｏ１Ｂ−２０，Ｐ２５〜３３）により知られてい
る。

しかし、この方法は第一に平板マイクロレンズの作製が
容易ではなく、第二に焦点距離の変化量が２００μｍ程
度と小さい、という問題がある。

（目　　的）本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、
請求項１の発明は１方向的なレンズ作用を電気的な操作
で実現できる新規な光学素子の提供を目的とし、請求項
２，３の発明は、互いに直交する２方向的なレンズ作用
を電気的な操作で実現できる新規な光学素子の提供を目
的とする。

（構　　成）以下、本発明を特徴する請求項１の発明は、電気光学・媒体と１対以上の電極と
、これら電極に電圧を印加する手段とを有する。＠気光
学媒体には直線偏光した究ビームが入射され、この光ビ
ームに対してレンズ作用が作用される。１対以上の電極
１よ、この電気光学媒体の光ビーム透過方向を挟むよう
に電気光学媒体に形成される。上記１対以上の電極の記
数位置及び形状は、電圧を印加する手段により上記電極
に電圧を印加したとき、電気光学媒体に、上記光ビーム
を所定の一方向へ集束もしくは発散させるレンズ機能が
与えられるように定められる。

請求項２の発明は複合的な光学素子であり、上記請求項
１の光学素子を２個、光ビームの透過方向に１／２波長
板を介して配列し、各光学素子におけるレンズ機能の方
向が互いに直交するようにした点に特徴がある。

請求項３の発明は、電気光学媒体と、１対以上の電極と
、これとは別の他の１対以上の電極と、これら電極に電
圧を印加する手段とを有する。

電気光学媒体には直線偏光した光−、ビームが入射され
レンズ作用はこの光ビームに作用する。１対以上の電極
は、電気光学媒体の光ビーム透過方向を挾むように電気
光学媒体に形成され、他の１対以上の電極は、上記１対
以上の電極の後方に形成される。即ち、１対以上の電極
と、これとは別の他の１対以上の電極とは、ともに光ビ
ームの透過方向を挟む様に、且つ光ビーム透過方向に相
前後して形成さ九る。上記１対以上の電極の配設位置及
び形状は、これら電極に電圧を印加したとき、電気光学
媒体に、上記光ビームを所定の一方向へ集束もしくは発
散させるレンズ機能が与えられるように定められ、上記
他の一対以上の電極の配役位置及び形状は、これら電極
に電圧を印加したとき、電気光学媒体に、上記光ビーム
を上記所定の一方向と上記光ビーム透過方向とに直交す
る方向へ集束もしくは発散させるレンズ機能が与えられ
るように定められる。

電気光学媒体としてはＰＬＺＴ電気光学緒品ほか、種々
の電気光学材料を用いることができる。

電気光学媒体は、これに電界を作用させると電界の大き
さに応じて屈折率が変化する。そこで本発明では、電気
光学媒体に設けられる電極の配置と形状とを通電にする
ことにより、電気光学媒体内部の電界により変化した屈
折率の分布が、直線偏光した光ビームにレンズ作用を及
ぼす様にするのである。このレンズ作用は、電極への電
圧印加のオン・オフで発生・消去させることができ、且
つ電圧の大きさによりレンズ作用の強弱を変化させるこ
とができる。

（実施例）以下、具体的な実施例に即して説明する。

請求項１の発明の１実施例を示す第１＠に於いて、符号
１は電気光学媒体、符号２は電極、符号３は電圧電源を
示している。

電気光学媒体１は、　ＰＬＺＴ（９／６５／３５）電気
光学結晶を材料として直方体形状に形成さ汎ている。図
の如＜Ｘ？３’ｌＺ方向をとるとＸ方向は光ビームＬＢ
の透過方向である。電極２は斜線を施した如き形状を有
し、電気光学媒体１の２方向に直交する２面に形成され
ている。第１図（Ｉ）では、電極２は一つだけが図示さ
れているが、図示された電極２と対をなす電極は図に現
れていない面（Ｘ方向に直交する）に、電極２と同一形
状に形成され、これら一対の電極の形状をＸ方向から見
ると、互いにぴったりと重なり合う。

′な圧電源３は、これら１対の電極に電圧を印加する手
段である。

さて、電気光学媒体１のＸ方向に電界Ｅｚを印加すると
、電気光学効果により屈折率が低下する。

即ち、電界Ｅｚの作用している部分の屈折率をＮｚとし
、電界の作用の無いときの屈折率をＮｏとすると２ン／
′電気光学係数のマトリックス成分をＲ３３として、Ｎ
ｚはＮｚ＝Ｎｏ（１（１／２）Ｎ郭ｘユＥｚ）で与えられ、
電界Ｅｚの作用している部分の屈折率は電界の作用の無
い状態に比して低下し、その低下の程度は、電界Ｅｚの
２乗に比例する。

さて、第１図（丁）に示す様に、電気光学媒体１にＸ方
向にｉｆｆ、線傷光した光ビームＬＢを平行光束として
入射させると、光ビームＬｆ３は、電極２およびこれと
対をなす電極間に電圧が印加されていないときは、とく
に光学的な影響を受けることなく平行光束としてＸ方向
へ透過するが、電極間に電圧を印加すると、電極の対向
部分では電気光学媒体１に電界が作用するので、この部
分では屈折率が相対的に低下する。第１図（ＩＩ）を冬
用（すると、電極２の形状を示すハツチを施した部分で
は、他の部分に比して屈折率が低くなるのであるから、
電気光学媒体１に電極対で電界を印加した状態では、相
対的に屈折率の高い部分（断面半円形の部分）によりＸ
方向にパワーを持つシリンダーレンズ２つが形成された
と同じことにとなる。これらシリンダーレンズはともに
その凸面を対向させた状態であるが、ともにＸ方向にパ
ワーをもつので、このように電界の作用した状態では、
光ビームＬＢはＸ方向に集束傾向を与えられて、第１図
（ＩＩ）に示す様に、Ｘ方向において集束する。このと
きの焦点距離ｆは電極対の形状が定まれば、あとは、印
加電圧により一義的に定まる。

この実施例に於いて、電極対を構成する各＝ｔｉの形状
を、第１図（ＩＩ）でハツチの施されていない半円形の
部分の形状とし、電圧を印加したときハツチを施された
部分の屈折率が相対的に高くなる様にすると、この場合
の屈折率分布によっては、上記ハツチを施した部分の形
状に近似した断面形状で負のパワーを持つシリンダーレ
ンズが形成されるので、光ビームＬＢに対して、Ｘ方向
の発散傾向をレンズ作用として与えることができる。

第２図は、請求項１の発明に対する別実施例を示してい
る。この実施例でも、電気光学媒体は第１図におけると
同一の電気光学媒体１が用いられてい、る。一対の電極
を構成する電極２Ａ、２Ｂは、同一形状であって、電気
光学媒体１の２方向に直交する２つの面に互いに対向し
て形成されている。

勿論Ｘ方向から見ると、これら電極２Ａ、２Ｂは、互い
に重なりあう。

ハツチを施した部分がｆｆ　横部分であるが、これると
、第１図の実施例と同様、２方向に直線偏光した光ビー
ムＬＢは、Ｘ方向に於いて凍束する。即ち、このとき電
気光学媒体１はＸ方向にパワーを持つシリンダーレンズ
として作用する。焦点距ｍｔｆは印加電圧の大きさによ
り変化させることができる。第２図（ＩＩ）でハツチの
施されていない円形状部分を電極形状とすると、レンズ
作用は、光ビームＬＢをＸ方向に発散させる様に作用す
る。

第３図には、請求項１の発明のさらに別の実施例を示す
。電気光学媒体ＩＡは、上述した第１．第２図の実施例
のものと同一の材料で、Ｘ方向に長い直方体形状に形成
され、その２方向に直交する２つの面には、Ｘ方向に細
長い、細輻短柵状の１対の電極２Ｃ，２Ｄが、Ｘ方向か
ら見て互いに重なり合うように形成されている。

電圧印加手段としての電圧電源３でこれら＝ｉ２Ｃ，２
０間に電圧を印加すると、電気光学媒体ＩＡに作用する
電界の状態は第３図（ＩＩ）に示すように。

なり、電極２Ｃ，２Ｄの近傍では電界が大きく（破線で
示す電気力線の密度が高い）作用し、電極間の中央部で
は電界が小さく（電気力線、の密度が低い）作用する。

従って、電界が作用しているとき、電極２Ｃ，２Ｄの近
傍は屈折率が低く、電極間の中央部では屈折率が相対的
に高いので、これに、２方向に直線偏光した平行光ビー
ムＬＢをＸ方向へ透過させるとき、電気光学媒体ＩＡは
、あたかも２方向に正のパワーを持つシリンダーレンズ
の如きレンズ作用を及ぼし、光ビームＬＢは２方向に於
いて集束する。

このときの焦魚距離ｆは、電極２Ｃ，２Ｄの幅ｄ、長さ
１、電圧Ｖによって定まるが、電圧■が大きいほど、ま
た上記長さｌが長い程、レンズ作用が大きく、従って焦
点路！ｉｆｉよ小さくなる。

第４図には、請求項１の発明の他の実施例を示す。この
実施例では、＠気光学媒体は第３図の実施例と同様、Ｘ
方向に長い直方体形状の電気光学媒体ＩＢが用いられて
いる。その材料は上記各実施例の場合と同じである。

電極は２対設けられている。即ち、この実施例では、Ｘ
方向に細長い短柵状の４つの電極２Ｅ、２Ｆ。

２Ｇ、２Ｈが用いられている。電極２６，２Ｆは、電気
光学媒体ＩＢの２方向に直交する一方の面に、第４図（
Ｉ）に示す様に互いに平行に設けられ、電極２Ｇ、２＋
１は、電気光学媒体１ＢのＸ方向に直交する他方の面に
、互いにＸ方向に平行に形成されている。これら電極を
Ｘ方向から見ると、電極２Ｅ、２Ｇが互いに重なって電
極対を構成し、電極２Ｆ、２１４が互いに重なって、他
の電極対を構成する。電極２Ｅ、２Ｆは互いに接続され
、電極２Ｇ、２＋１も互いに接続されている。これら電
極対に電圧電源３で電圧を印加すると、電気光学媒体Ｉ
Ｂ中の電気方線の様子は第４図（Ｈ）に示す如くになり
、レンズ作用は、Ｘ方向に正のパワーを持つシリンダー
レンズと等価なものになる。したガって、この状態で２
方向に直線偏光した光ビームＬＢをＸ方向へ透過させれ
ば光ビームは第４図（Ｉ）に示す様にＸ方向に於いて集
束する。焦点路間は電極２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈの長さ
が長い程短く、電圧が高い程短くなる。

第３図に示した実施例の場合の電圧印加手段たる電圧電
源３による電界と焦点距離との関係を第５図に示す。こ
の場合、電極の長さｌは８■、幅ｄは０．５ｍｖ１であ
る。

また、第４図に示した実施例の場合の電圧印加手段たる
電圧電源３による電界と焦点距離との関係を第６図に示
す。この場合、電極の長さｌは８■。

惨棲輪ｉミ電極２Ｅ、２Ｆ間＋７）９１ｒｆ、は１．５
ｍｍである。

電界が小さい領域では焦点距離ｆは直線的に変化するが
、４０Ｖ／ａｎ以上の高電界領域では曲線的な変化を示
す。

第７図は、第２図に示す実施例における電界と焦魚距離
との関係を示している。但し、電極２Ａ、２Ｂにおける
円形のあな状部分の大きさは２ｍｍφである。

第８図乃至第１１図を参照して、請求項２の発明の具体
的実施例を４例説明する。この請求項２の発明は複合的
な光学素子であり、請求項１の光学素子２個を１７２波
長板を介して組合せた構成となっている。

第８図に示す実施例は、第２図に示したのと同じ型の光
学素子ＩＱ、１２を、１ノ２波長版１１を介してＸ方向
に配列したものであるが、光学素子１２では、電極対は
、Ｘ方向に直交する２面に形成されている。図の如く、
２方向に直線偏光した光ビームＬＢをＸ方向へ入射させ
、各電極対に電圧を印加すると、光学素子１０を透過す
る光ビームＬＢには、光学素子１０のレンズ作用により
Ｘ方向の集束傾向が与えられる。かくして、Ｘ方向への
集束傾向を与えられた光ビームＬＢは続いて１７２波長
板１１を透過すると、その直ｍ偏先の方向が２方向がら
Ｘ方向へ変換し、したがって光学素子１２を透過する際
、光学素子１２のレンズ作用により２方向への集束傾向
を与えられる。かくして光学素子１２から射出した光ビ
ームＬＢはｘ、ｚの２方向への集束傾向を有する。従っ
て、各電極対に印加する電圧の大きさを調整すれば、第
８図に示す様に光ビームＬＢを一点に集束させることが
出来るし、あるいは非点収差を発生させることも出来る
し、あるいは一方の電極対にのみ電圧を印加することに
よりｘ、Ｘ方向の一方のみの集束傾向を選択的に与える
こともできる。

第９図は第１図に示したのと同じ型の光学素子１４．１
６を光ビームＬＢの透過方向即ちＸ方向へ、Ｉ／２波長
板１５を介して組合せた複合的な光学素子を示す。電圧
印加によるレンズ作用は、光学素子１４ではＸ方向の集
束作用、光学素子１６では２方向の集束作用である。従
って、第８図の実ｆｆｆ、ＰＡ同様、光学素子１４．１
６の各電圧印加の調整により究ビームＬＢをスポット状
に集束させたり、非点収差を与えたり、１方向性の集束
傾向の方向を選択的に切り替えたりすることができる。

第１０図の実施例は、第３図の実施例の光学素子と同じ
型の光学素子１８．２０をＸ方向へ、１７２波長板１９
を介して組合せた複合的な光学素子を示す、＠圧印加に
よるレンズ作用は、光学素子１８ではＺ方向の集束作用
、光学索子２ｏではＸ方向の倭束作朋である。従って、
第８図の実施例同様、光学素子１８．２０の各電圧印加
のｖ３整により光ビームＬＢをスポット状に集束させた
り、非点収差を与えたり、１方向性の集束傾向の方向を
選択的に切り替えたりすることができる。

光学素子１８に於ける電極の長さに比して、光学素子２
０における電極の長さを大きくすれば（これは、光学素
子２０のレンズ作用を光学素子１８のレンズ作用に比し
て大きくすることを箔：味する）、光学素子１８．２０
の電極対に同一１ｕ圧を印カロして、しかも光ビームを
１点に集束させることも可能である。

第１１図の実施例は、第４図の実施例の光学素子と同じ
型の光学素子２２．２４をＸ方向へ、１７２波長板２３
を介して組合せた複合的な光学素子である。電圧印加に
よるレンズ作用は、光学素子１８ではＸ方向の集束作用
、光学素子２ｏでは２方向の集束作用である。従って、
第８図の実施例同様、光学素子１８．２０の各電圧印加
の調整により光ビームＬＢをスポット状に集束させたり
、非点収差を与えたり、１方向性の集束傾向の方向を選
択的に切り替えたりすることができる。光学素子２４に
於ける電極の大きさに比して、光学素子２２における電
極の長さを大きくすれば、第１０図の実施例と同様、光
学素子２２．２４の電極対に同一電圧を印加して、しか
も光ビームを１点に集束させることも可能である。

これら、請求項２の発明に対する４実施例は、いずれも
２つの光学素子と１ノ２波長板とを一体化しているが、
これに限らず、それぞれを別体のまま組合せても良く、
その場合、各光学素子の間隔を可変にして、この間隔に
より各光学素子の集束位置の関係を調整する様にするこ
ともできる。

請求項３の発明の実施例を第１２図および第１３図に２
例示す。この、請求項３の光学素子は一つの光学素子が
２方向のレンズ機能を持つものである。

第１２図に示す実施例では、直方体形状の電気光学媒体
５０の２方向に直交する２面に３対の電極対が形成され
ている。即ち、Ｘ方向に於いて、光ビームＬＢ（Ｘ方向
に偏光している）の入射側には、第３図に示したのと同
様の１対の短冊状電極対（−方は図示されていない）５
１が形成され、光ビームの射出側には第４図に示したの
と同様２対の電極対５２が形成さ九ている（対の一方は
図示されていない）。これら電極対は形成面毎に共通化
され同一の電圧が印加される様になっている。電極対５
１に基づくレンズ機能はＺ方向の集束作用、電極対５２
に基づくレンズ機能はＸ方向の襲策作用であり、この実
施例ではこれらのレンズ作用にまり光ビームＬＢが１点
に條束するようにした。

第１３図に示す実施例では、２対の電極対が直方体形状
の電気光学媒体６０のＺ方向に直交する２面に形成され
ている。即ち、Ｘ方向に於いて、乙方向に直線偏光した
光ビームＬＢの入射側には、第３図に示したのと同様の
短冊状電極対（一方は図示されていない）６１が形成さ
れ、光ビームの射出側には第２図に示したのと同様の電
極対６２が形成されている（対の一方は図示されていな
い）、これら電極対は形成面毎に共通化され同一の電圧
が印加される様になっている。電極対６１に基づくしン
ズ機能は２方向の集束作用、電極対６２に几づくレンズ
機能はＸ方向の集束作用であり、この実施例でもこれら
のレンズ作用により光ビームＬＢが１点に集束するよう
にした。勿論前後の電極対への電圧印加を独立に行う様
にしても良く、その様にすれば一方向的なレンズ作用を
選択的に実況できる。

以上、請求項２の発明に関する４実施例、請求項３の発
明に関する２実施例を説明した。これらの実施例ではレ
ンズ機能をいずれも集束作用として説明したが、勿論１
発散性のレンズ機能の組合せや、集束作用と発散作用と
の組合りせを、電極対の選択で任意に組合せうろことは
いうまでもない。

さらに、本発明の光学素子は、第１４図に示す様に光学
レンズと組み合わせることができる。同図に於いて、符
号ｌＯＯは光学素子、符号２００は光学レンズを示す。

光学素子１００は、Ｗ求項１，３の光学素子、あるいは
請求項２の複合的な光学素子で有りうる。また、光学レ
ンズ２００は図示の如く集束レンズでも良いし発散性の
レンズでても良く。

シリンダーレンズでも良い。この様に本発明の光学素子
１００と光学レンズ２００とを組合せると、光学素子１
００に電圧を印加しないときは、光ビームＬＢは光学レ
ンズ２００のみのレンズ作用を受けるが、光学素子１０
０に電圧を印加すると光ビームＬ８は光学レンズ２と光
学素子１００とのレンズ作用をうけることになる。例え
ば、光学素子１００として、第１２図のものを用い、光
学レンズ２００として集束レンズを用いると、光学素子
１００に電圧の印加がなされないときは、輩ビームしｎ
は光学レンズ２００の焦点Ｆに集束するが、電圧の印加
とともに光学素子１００のレンズ作用により、例えばＦ
ｌの位置に集光するので、光学レンズ２００の焦点距離
を見掛は上変化させることができる。

光学素子を光学レンズと組合せる代わりに、電気光学媒
体の入射面及び／又は射出面をレンズ面として電気光学
媒体自体にも光学レンズとしての機能を付与しても良い
。

（効　　果）以上、本発明によれば新規な光学素子を提供できる０本
発明の光学素子は請求項１，２．３の光学素子とも電気
的にレンズ作用を発住・消滅させることができ、尚且つ
レンズ作用の強弱を調整できる。レンズ作用の発生・消
滅、強弱調整は電気的に行われるので、これを極めて高
速に実行でき。

光情報処理に求められる高速操作性を満足できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図は、請求項１の発明の詳細な説明する
ための図、第８図乃至第１１図は請求項２の発明の詳細
な説明するための図、第１２図乃至第１３図は請求項３
の発明の詳細な説明するための図、第１４図は１本発明
の光学素子の使用の１例を説明するための図である。１００．電気光学媒体、　２．、、電極、３００．電圧
電源。１０．１２．、、光学素子、１１．、．１／２波長板、
５０．、、電気ち０口（Ｉ）る４圀ろ７０形δ口

Claims

【特許請求の範囲】１、直線偏光した光ビームを入射される電気光学媒体と
、この電気光学媒体の光ビーム透過方向を挟むように電
気光学媒体に形成された１対以上の電極と、これらの電
極に電圧を印加する手段とを有し、上記１対以上の電極の配設位置及び形状を、これら電極
に電圧を印加したとき、電気光学媒体に、上記光ビーム
を所定の一方向へ集束もしくは発散させるレンズ機能が
与えられるように定めたことを特徴とする光学素子。２、請求項１記載の光学素子を２個、光ビームの透過方
向に１／２波長板を介して配列し、各光学素子における
レンズ機能の方向が互いに直交するようにしたことを特
徴とする複合光学素子。３、直線偏光した光ビームを入射される電気光学媒体と
、この電気光学媒体の光ビーム透過方向を挟むように電
気光学媒体に形成された１対以上の電極と、この１対以
上の電極の後方に形成された他の１対以上の電極と、こ
れらの電極に電圧を印加する手段とを有し、上記１対以
上の電極の配設位置及び形状を、これら電極に電圧を印
加したとき、電気光学媒体に、上記光ビームを所定の一
方向へ集束もしくは発散させるレンズ機能が与えられる
ように定めるとともに、上記他の一対以上の電極の配設
位置及び形状を、これら電極に電圧を印加したとき、電
気光学媒体に、上記光ビームを上記所定の一方向と上記
光ビーム透過方向とに直交する方向へ集束もしくは発散
させるレンズ機能が与えられるように定めたことを特徴
とする光学素子。