JPH04145415A

JPH04145415A - 電気光学レンズ及びその駆動方法

Info

Publication number: JPH04145415A
Application number: JP26801390A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Funato; 広義船戸
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1992-05-19

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、焦点距離可変レンズとして用いられる電気光
学レンズ及びその駆動方法に関する。

〔従来の技術〕

光学レンズを組合せたズームレンズと呼ばれる焦点距離
可変の光学レンズ系に代えて、結晶の電気光学効果を利
用した焦点距離可変レンズが提案されている（例えば、
特開昭５８−１１２６号公報等）。

上記公報記載の焦点距離可変レンズは、−次元のレンズ
作用を有し互いのレンズ作用の方向が直交するように配
置された第１及び第２のレンズを備え、これら第１及び
第２のレンズは、夫々外部電界の印加により光の複屈折
効果を起こす電気光学結晶素子（ＫＤＰ結晶）と、この
電気光学結晶素子に光の入射方向と垂直な面内で所定の
方向に沿って傾いた強度分布を持つ電界を印加して一次
元のレンズ作用を有する屈折率分布を与える手段と、印
加電界を変化させてレンズ作用の焦点距離を変化させる
手段とからなっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術においては、電気光学結晶としてＫＤＰ　
（ＫＨ，ＰＯ２）を用い、結晶面に格子状の電極を形成
して、各々の電極に夫々異なった電圧を印加し、結晶内
に電界強度の傾斜を作り、屈折率分布によりレンズ作用
を持たせている。

このため、電圧を分圧して印加する分圧回路が必要とな
り、回路が複雑になると同時に必然的にＲＣが増加し、
応答特性が悪くなるという問題がある。

また、ポッケルス効果による屈折率変化を利用している
ため、印加電圧として数ｋＶの高電圧を必要とし、実用
上の問題となっている。

さらに、電気光学結晶として強誘電体を使用しているた
め温度変化の影響を受けやすく、焦点距離が温度変化に
伴い変化してしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、上述
の欠点を解消しつる新規な電気光学レンズ及びその駆動
方法を提供することを目的とし、さらに、本発明の電気
光学レンズ及びその駆動方法を適用することにより、低
電圧駆動が可能で高速応答性を持ち、且つ、温度変動に
対して安定に動作する焦点距離可変レンズを実現するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明による電気光学レンズ
は、電気光学媒体とこの電気光学媒体の光ビーム透過方
向を挾むように形成された一対以上の電極対とからなる
電気光学レンズ素子と、上記電極対に直流バイアス電圧
を印加する電源と、交流駆動電圧を印加する電源とを有
し、上記各電源による電圧印加時に電気光学レンズ素子
を透過する光ビームを少なくとも一方向へ収束若しくは
発散させるレンズ作用を持つ電気光学レンズであって、
電気光学レンズ素子出射後のビームを分割する手段と、
分割されたビームの一方側を検出する焦点位置検出手段
と、該焦点位置検出手段からの信号に基づいて上記各印
加電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする
。

また、本発明による電気光学レンズの駆動方法は、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挾む
ように形成された一対以上の電極対とからなる電気光学
レンズ素子と、上記電極対に直流バイアス電圧を印加す
る電源と、交流駆動電圧を印加する電源とを有し、上記
各電源による電圧印加時に電気光学レンズ素子を透過す
る光ビームを少なくとも一方向へ収束若しくは発散させ
るレンズ作用を持つ電気光学レンズにおいて、電気光学
レンズ素子出射後のビームを分割し、分割されたビーム
の一方に焦点位置検出手段を設けてモニターし、モニタ
ー信号に基づいて上記各印加電圧を制御することにより
電気光学レンズの焦点距離可変範囲を温度によらず一定
になるように制御したことを特徴とする。

〔作　　用〕

本発明の電気光学レンズ及びその駆動方法においては、
電気光学レンズ出射後のビームをビーム分割手段により
分割し、分割されたビームの一方を焦点位置検出手段に
よりモニターし、焦点位置検出手段からのモニター信号
に基づいて制御手段により電気光学レンズ素子への印加
電圧を制御することにより電気光学レンズ素子の焦点距
離可変範囲を温度によらず一定に制御することができ、
電気光学レンズの周辺温度が変化しても常に一定の集光
特性を持たせることができ、温度変動に対しても安定に
動作する電気光学レンズを提供することができる。

〔実　施　例〕

先ず、本願で基本となる電気光学レンズについて説明す
る。

第１図（ａ）、　（ｂ）に本発明の電気光学レンズの一
実施例を示す。

本実施例による電気光学レンズは、電気光学媒体１０の
対向する面上に電極膜１１．１２を形成した電気光学レ
ンズ素子１と、このレンズ素子１に電圧を印加して焦点
距離を可変にする電源部とからなる。この電源部は、バ
イアス用のＤＣ電源と交流電源から構成されている。ま
た、制御部１９より出力された制御電圧はバイアス用の
ＤＣ電源の出力をｆＭ８ＩＪするようになっている。

上記電気光学媒体１０としては、この実施例ではＰＬＺ
Ｔを使用し、その組成は９．０／６５／３５　テあるが
、他の組成のものでもよい。

また第１図（ｂ）に示すように、電極膜１１．１２は、
電気光学媒体１０の対向する面に、光路の上下に沿って
直線状に真空蒸着法により形成する。

次に、電気光学レンズの動作について説明する。

電気光学レンズ素子ｌの電極に電圧が印加されていない
と、入射光ビームは変化を受けずにそのまま出射し、レ
ンズ作用を持たない。

また、電圧を印加すると、電気光学媒体１０内に第２図
に示すような電界分布が生じ、電極付近で強く中心付近
で弱くなる。このため、電気光学媒体１０を構成するＰ
ＬＺＴ電気光学結晶の電気光学効果により結晶中に屈折
率分布が生じる。

ここで、電圧印加方向をｙ、入射光ビームの方向を２１
人射光ビームがＸ方向に偏光しているとすると、電界中
での屈折率のｙ成分ｎ、は、ｎ、”ｎｏ（１ｎａ”Ｒ１
５Ｅｙ”）　　　　”’（１）となる。

尚、ｎｏはＥ＝ＯでのＰＬＺＴ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、による屈折率変化量は、Δｎ１ｎｏ”　Ｒ３３Ｅ　、！・＝（２）となり、電界強度の２乗に比例する。

従って、電界が強いところが屈折率が小さくなり、電極付近で屈折
率が低く、中心付近で高くなる。その結果、レンズ作用
はＸ方向に中心に向かって起こる。また、レンズ作用は
電極長２が長い程その作用が強くなる。

次に、直流バイアス法による焦点距離可変動作について
説明する。

第３図に印加電圧と焦点距離の実測例を示す。

尚、この実測値は室温において測定したものである。

電気光学レンズの焦点距離可変動作は、第１図に示した
ように、バイアス用の直流電源を高抵抗Ｒを通してＰＬ
ＺＴ電気光学媒体１０の電極１１に接続し、これに交流
電源をコンデンサＣを通して接続し、可変動作を行う。

第３図はその動作例を示したもので、直流バイアス電圧
を２７０■と設定し、±３５Ｖの交流電圧を印加すると
、焦点距離は２０ｃｍ〜４０ｃｍの範囲で変えることが
できる。

次に、第４図は、電気光学レンズのレンズ素子１の焦点
距離と印加電圧の関係を温度を変えて実測したものであ
る。

第４図に示すように、温度が上がると焦点距離は長くな
り、下がると短くなり、はぼ横軸に平行移動している。

以上のように、電気光学レンズのレンズ素子１は周囲温
度により集束特性が変化するため、これは実用上大きな
問題であり、温度依存性を如何に補正するかが重要なポ
イントである。

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１゜第１図の実施例では、電気光学レンズ素子１出射後の集
光ビームをハーフミラ−１５で２光路Ａ。

Ｂに分割する。ここで、光路Ａは可変焦点動作を行わせ
る対象への光路、光路Ｂは集束状態をモニターするため
の光路である。

光路Ｂでは電気光学レンズ素子１の集光の基準位置にス
リット１６が配置されている。このスリット１６の後方
には光検出器１７が配置されており、スリット１６を透
過してきた光を光検出器１７により光電変換し、その出
力を増幅器１８を経て制御回路１９に送るようになって
いる。

ここで、周囲温度変化に対する集光特性の安定化方法と
しては以下のとおりである６まず、電気光学レンズの動作前にレーザを第５図（ａ）
のように変調する。また、スリット１６の幅は電気光学
レンズ素子１による集光ビーム幅より小さく設定しビー
ムの中心付近の光のみを通すようにする。スリット１６
透過後の光検出器１７の出力は第５図（ｂ）のようにな
る。この時、光検出器１７のフォトダイオード出力のパ
ルスの振幅ａに着目する制御回路１９より電流電源へラ
ンプ波を入力しバイアス電圧■８を連続的に変える。こ
の時のフォトダイオード出力パルスの振幅ａとバイアス
電圧■３の関係は第５図（ｃ）のようになり、振幅ａは
バイアス電圧■８゜のとき最大値となる。この時がスリ
ット上に最も鮮鋭な集光ビームが得られていることにな
る。従って、この時のバイアス電圧■８゜をもとに、電
気光学レンズ素子１を動作させると、周囲温度が変化し
て集光特性が変わっても常にその温度に合った、バイア
ス電圧を印加でき、集光位置を安定化できる。すなわち
、光検出器１７からの出力パルスの振幅ａが最大となる
ように制御回路１９で印加電圧を制御することにより、
温度変化によらず焦点距離可変範囲を安定化することが
できる。

尚、第１図で示した光路分割のためのハーフミラ−１５
としては、実際使用する光路Ａの光量を多くするため、ハーフミラ−反射率〈ハーフミラ−透過率となることが
好ましい。

実施例２゜次に、第９図に本発明の別の実施例を示す。

この実施例２では、第９図に示すようにハーフミラ−１
５で分割後、モニター光路Ｂにおいては更にハーフミラ
−２０で２光路ｃ、ｄに分割する。

各光路ｃ、ｄには、夫々、スリット２１と光検出器２３
、及びスリット２２と光検出器２４を配置する。

この時、電気光学レンズ素子１の集光基準位置（動作基
準設定のため）ＦＯに対応したモニタ光路中の集光基準
位置Ｆ１．Ｆ２について、スリット２１は距離△だけＦ
ｌより前側に、スリット２２は距離ΔだけＦ、より後側
に配置する。そしてこれらスリットを透過した光を各々
の光検出器２３．２４で検出し、出力ＰＬ、　Ｐ２を得
る。そしてこの出力を減算器２５で差動増幅し、その出
力Ｆ＝ＰＬ−Ｐ２を得る。

尚、両スリット２１．２２のスリット幅はビーム幅より
狭く設定されており、電気光学レンズ素子１の集光位置
が基準位置Ｆ。にあるときＰＬ　＝　Ｐ２となってＦ＝
Ｏとなる。また、集光位置が前側のときＰＬ　＞　Ｐ２
となりＦ＞Ｏとなる。また、集光位置が後側のときＰＬ
　＜　Ｐ２となりＦ＜Ｏとなる。

よってＦ＝０となるとなるように制御回路１９より直流
電源へバイアス信号をフィードバックして温度が変化し
ても最適なバイアス電圧■８が設定されるようにすれば
、温度変化に対しても焦点距離可変範囲を安定化できる
。

実施例３゜次に、第１０図に本発明の別の実施例を示す。

この実施例では、第１０図に示すように、モニター光路
Ｂ中にシリンドリカルレンズ２６を配置して非点光束を
発生させ、その最小錯乱円のところに４分割の光検出器
２７を配置する。そして、その光検出器２７の出力をａ
、ｂ、ｃ、ｄとしたときの焦点誤差信号Ｆを、Ｆ−（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）とする。

この場合、集束ビームが基準の集束状態のとき光検出器
１７上のビーム形状は図中Ｎのようになり、ａ＝ｂ＝ｃ
＝ｄとなり、Ｆ＝Ｏとなる。

また、集光が前側のときはビームの形状はＭのようにな
り、（ａ十ｃ）＞（ｂ＋ｄ）となり、Ｆ＞０となる。

また、集光が後側のときはビーム形状はＮｏのようにな
り、（ａ＋ｃ）＜（ｂ十ｄ）となり、Ｆ＜０となる。

従って、制御回路１９によりＦ＝Ｏとなるようにバイア
ス電圧を制御することにより、温度変化に対しても常に
良好な集光状態を設定することができ、焦点距離可変範
囲を安定化できる。

尚、この実施例の他、モニター光路中には公知の任意の
焦点誤差検出法（例えば、ナイフェツジ法、フーコー法
、臨界角法等）が適用でき、同様の効果を発揮すること
ができる。

さて、以上の各実施例においては、電気光学レンズ素子
１として第１図に示したものを使用した例を示したが、
他の電気光学レンズ素子を使用しても同様に実施するこ
とができる。

ここで、第７図（ａ）、　（ｂ）は本発明が適用される
電気光学レンズ素子１０１の別の実施例を示したもので
、電極膜１０３に電圧を印加することによりＸ方向に収
束作用を持たせ、電極膜１０５でＸ方向に収束作用を持
たせて同一の点ｐにスポット結像をさせることができる
ようにした電気光学レンズ素子の例である。

また、第８図（ａ）、　（ｂ）は本発明が適用される電
気光学レンズ素子２０１のさらに別の実施例を示したも
のであり、この例では電極膜２０３に電圧を印加するこ
とによりＸ方向にのみ収束作用を持たせたものである。

また、第６図は第１図に示すものと同様の電気光学レン
ズ素子と固定レンズ７０とを組合せてビームの集光と可
変焦点を行わせるもΦであるが、この例においても本発
明を同様に適用することができる。

〔発明の効果〕

以上、図示の実施例に基づいて説明した通り、本発明の
電気光学レンズ及びその駆動方法においては、電気光学
レンズ素子出射後のビームをビーム分割手段により分割
し、分割されたビームの一方側を焦点位置検出手段によ
りモニターし、モニター信号に基づいて制御手段により
電気光学レンズ素子への印加電圧を制御することにより
、電気光学レンズ素子の焦点距離可変範囲を温度によら
ず一定にすることができ、電気光学レンズ素子の周辺温
度が変化しても常に一定の集光特性を持たせることがで
き、温度変動に対しても安定に動作する電気光学レンズ
を提供することができる。

従って、本発明によれば電気光学レンズの温度制御等も
不要となり、実用性を大幅に向上することができ、光情
報機器や光走査装置等への応用が容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す電気光学レンズ
の概略構成図、同図（ｂ）は（ａ）図に示す電気光学レ
ンズ素子をＸ方向から見たときの平面図、第２図は電気
光学レンズ素子内の電界分布の説明図、第３図は電気光
学レンズ素子の焦点距離と印加電圧の関係の実測例を示
す図、第４図は電気光学レンズ素子の焦点距離と印加電
圧の関係を温度を変えて実測したときの実測例を示す図
、第５図は本発明による電気光学レンズの駆動方法の説
明図、第６図は電気光学レンズ素子と固定レンズとの組
合せ例を示す図、第７図（ａ）、　（ｂ）は本発明が適
用される電気光学レンズ素子の別の例を示す図、第８図
（ａ）、　（ｂ）は本発明が適用される電気光学レンズ
素子のさらに別の例を示す図、第９図は本発明の別の実
施例を示す電気光学レンズの概略構成図、第１０図は本
発明のさらに別の実施例を示す電気光学レンズの概略構
成図である。１　、１０１．２０１・・・・電気光学レンズ素子、１
ｏ・・・・電気光学媒体、１１．１２．１０３．１０５
．２０３・・・・電極膜、１５・・・・ハーフミラ−１
１６，２１，２２，２６・・・・スリット、１７．２３
．２４．２７・・・・光検出器、１９・・・・制御回路
。

Claims

【特許請求の範囲】１、電気光学媒体とこの電気光学媒体の光ビーム透過方
向を挾むように形成された一対以上の電極対とからなる
電気光学レンズ素子と、上記電極対に直流バイアス電圧
を印加する電源と、交流駆動電圧を印加する電源とを有
し、上記各電源による電圧印加時に電気光学レンズ素子
を透過する光ビームを少なくとも一方向へ収束若しくは
発散させるレンズ作用を持つ電気光学レンズであつて、
電気光学レンズ素子出射後のビームを分割する手段と、
分割されたビームの一方側を検出する焦点位置検出手段
と、該焦点位置検出手段からの信号に基づいて上記各印
加電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする
電気光学レンズ。２、電気光学媒体とこの電気光学媒体の光ビーム透過方
向を挾むように形成された一対以上の電極対とからなる
電気光学レンズ素子と、上記電極対に直流バイアス電圧
を印加する電源と、交流駆動電圧を印加する電源とを有
し、上記各電源による電圧印加時に電気光学レンズ素子
を透過する光ビームを少なくとも一方向へ収束若しくは
発散させるレンズ作用を持つ電気光学レンズにおいて、
電気光学レンズ素子出射後のビームを分割し、分割され
たビームの一方に焦点位置検出手段を設けてモニターし
、モニター信号に基づいて上記各印加電圧を制御するこ
とにより電気光学レンズ素子の焦点距離可変範囲を温度
によらず一定になるように制御したことを特徴とする電
気光学レンズの駆動方法。