JPH0729524U - 可変焦点レンズ及び可変焦点レンズ系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一般に、電気光学材料を用いた可変焦点レン
ズは、レンズの厚さが数１００μｍから数ｍｍになるこ
とから、充分な電気光学効果を出すには１００〜数１０
０ボルトという高い電圧の印加が必要であり、それが利
用上の難点となっていた。本考案は、上記難点を解消し
た可変焦点レンズを提供する。 【構成】 光を透過する透明基板上に第一の透明・導電
性薄膜を形成し、その上に電気光学材料の薄膜をその表
面形状がフレネルレンズ・パターン又は同パターンを階
段状波形で近似したものとなるように形成し、更にその
薄膜の上に第二の透明・導電性薄膜を形成し、上記第一
及び第二の透明・導電性薄膜を介して電気光学材料の薄
膜に電気信号が加えられるような構成とした。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は電気光学効果を有する材料に電気信号を印加し、焦点距離や光ビーム の形状を連続的に変化させることができる光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来、電気光学材料を利用した可変焦点レンズには次のようなものがある。

【０００３】 例えば、図７に示すようにＰＬＺＴのような電気光学材料の基板１５の両面に 周期的な配置で金属や透明・導電性膜による複数組の電極１６、１７を設け、各 電極に印加する電圧に変化を与えるもの、図８に示すように上記と同様な基板の 両面に電極間隔及び電極幅をフレネルゾーン・プレート型となるように複数組の 電極を配置し、各電極が同一電圧で操作できるようにしたもの等がある。前者は 屈折率分布型レンズ、後者はフレネルゾーン・プレートレンズとして機能するも のであり、印加する電圧に変化を与えることにより焦点距離を変化させることが できる。

【０００４】 また、図９に示すように、電気光学材料を成形して作った屈折レンズ１８の両 面に、それぞれ透明・導電成膜による電極１６及び１７を形成したものがある。 これらの電極間に電圧を加えると、肉厚の薄い部分では電界強度が大きいので屈 折率が大きく増大、これに伴い光路長が大きく増大し、一方肉厚の厚い部分では 電界強度が小さいので屈折率の増大は小さく、光路長は僅かしか増大しなくなる 。これはレンズの曲率半径を変えたことに相当し焦点距離が変化する。

【０００５】 また、図１０に示すように、電気光学材料のブロック１９の上下に、単に平面 型の電極１６及び１７を設け、左右方向に光を透過するようにしたものがある。 この電極間に電圧を加えると、同ブロック内には縁効果による電界分布の不均一 を生じ、それに伴って電界強度を変数として二次式で近似できる屈折率分布を生 じるため、電極間を通る光ビーム２０は次第に曲げられ、図のように縦方向に収 束される。この場合、紙面に垂直方向には収束されない。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

上記のような従来の可変焦点レンズは、その構成から一般に電気光学材料の厚 さが数１００μｍ〜数ｍｍになるので、充分な電気光学効果を出すのには１００ 〜数１００ボルトの高い電圧を印加する必要があり、それが利用上の一つの大き い難点となっていた。また、図７に示したような屈折率分布型のレンズでは電極 が回折格子としての作用をし、余分な回折を生じる欠点があった。

【０００７】 また、図８のフレネルゾーン・プレート型のものは、回折効率が低くて結像に 利用される光の量が少なく、図１０のようなブロック型のものでは、形状が単純 なことから高い結像特性を得るための充分な屈折率分布を得ることができないと いう欠点があった。

【０００８】 本考案は、上記問題を解消し、高い光利用効率と高い結像特性を有し、低電圧 で制御できる可変焦点レンズ及び可変焦点レンズ系を提供すること目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本考案の可変焦点レンズは、レンズ本体である電 気光学材料のレンズの形状を、屈折型レンズの部分面を輪帯上に配列した構成の 薄型集光レンズ、いわゆるフレネルレンズの形状パターンとすることにより、肉 厚の薄い膜状に形成し、同時に電圧を印加するための電極を透明・導電性薄膜で 形成し、それらを光透過性の基板状に設けた。本考案の主要部の構成は以下のと おりである。

【００１０】 すなわち、光を透過する透明基板上に第一の透明・導電性薄膜を形成し、その 上に電気光学材料よりなる薄膜をその表面形状がフレネルレンズ・パターン又は その断面形状を階段状波形で近似したフレネルレンズ・パターンとなるように形 成し、更にその薄膜の上に第二の透明・導電性薄膜を形成し、上記第一及び第二 の透明・導電性薄膜を介して電気光学材料よりなる薄膜に電気信号が加えられる ような構成とした。

【００１１】 また、上記構成の可変焦点レンズの変形型として、上述と同様に透明基板、第 一の透明・導電性薄膜、電気光学材料薄膜を積層・形成したものにおいて、第二 の透明・導電性薄膜を上記電気光学材料薄膜のフレネルレンズ・パターンの各輪 帯部上に、互いに電気的に絶縁されるようにそれぞれ独立に形成し、上記各輪帯 部にそれぞれ独立の電気信号を印加できる構成のものにした。

【００１２】

【実施例】

図１及び図２に本考案の請求項１に対応する可変焦点レンズの実施例の断面図 を示す。以下、図中における同一符号は、同一又は相当するものを示す。

【００１３】 これらの図において、１は光透過性の透明基板、２及び７はそれぞれ透明・導 電性薄膜で実質上、可変焦点レンズの電極の役目をするものである。３及び４は それぞれ電気光学材料よりなるフレネルレンズ型のレンズで、３は通常の部分球 面よりなる複数の輪帯部を有するもの、４はその各輪帯部の断面形状を階段状波 形で近似したものである。５は絶縁膜を示す。

【００１４】 図１の実施例の可変焦点レンズは以下のようにして作られる。まず、たとえば ガラス、石英のような板厚１００μｍ程度の透明な基板１の表面に、ＩＴＯ等の 透明・導電性薄膜２を数１０〜数１００ｎｍスパッタ等の方法で被着させ、更に その上に電気光学材料として、たとえばＰＬＺＴ、ＰＺＴのような材料の膜（１ μｍ程度）を同じくスパッタ等の方法で被着した後、ホットプレス法により、フ レネルレンズのパターンを刻んだ金型を上記電気光学材料の膜に高温・高圧で押 しあて、そのパターンを転写しフレネルレンズ３を作る。同レンズ３形成後、そ の周辺の第一の透明・導電性薄膜２の上に酸化膜等の絶縁膜５をスパッタ等によ り数１００ｎｍ程度被せ、更にフレネルレンズ３および絶縁膜５の上面に第二の 透明・導電性薄膜７を被せる。透明・導電性薄膜２及び７からそれぞれの電極端 子への電極引き出し用のアルミニウム配線を蒸着等により行い、当可変焦点レン ズの主要部分のプロセスを完了する。

【００１５】 図２に示す実施例は、図１の実施例のフレネルレンズ３の各輪帯部の断面形状 を階段状波形で近似し、フレネルレンズ４としたものである。このように階段状 波形で近似した形状のものでは半導体加工技術の応用が可能であり、ホットプレ ス法等の場合のようにコストの張る金型、高温・高圧を必要としない利点がある 。

【００１６】 この階段状フレネルレンズ４は、例えばスパッタ法とリフトオフ法を交互に繰 り返し、不要な部分をフォトレジストと共に除去するか、又は逆にエッチングに よる不要部分の除去を繰り返すことにより所定の近似パターンのものに形成され 、その後で加熱焼成して得られる。

【００１７】 階段状波形で近似したパターンについては、理論的には各輪帯を１６段以上で 理想形の曲線を近似すれば９９％以上の光が収束し、散乱される部分は１％以下 となり、殆ど無視できる。１６段を得るには、リソグラフィ工程としては４回の 繰り返しで済むので比較的容易に製作できる。

【００１８】 なお、フレネルレンズの基本パターンの各輪帯部は部分球面より成っているが 、非球面形状よりなるものも、上記のように近似パターンを用いて製作できるこ とはいうまでもない。又、膜厚については１波長以上あれば可能なので、例えば 近赤外線から可視光で使用するものの場合、数１００ｎｍ程度で充分である。

【００１９】 上記実施例の可変焦点レンズを動作させるには、電極端子間に制御電圧を加え 透明・導電性薄膜２及び７間に電界を与える。その電界の強さに応じてレンズの 屈折率が増大する。図４は、その様子を説明するためのグラフであり、横軸には レンズ中心からの距離、縦軸にはフレネルレンズの光路長（屈折率ｎ×レンズの 肉厚）をとっている。実線８が電圧を加えない場合の光路長分布、二点鎖線９が 電圧を印加した場合の光路長分布を示す。電圧を加えた場合、肉厚の薄い部分は 電界強度が大きくなるので屈折率の増加、即ち光路長の増加が大きくなり、一方 肉厚の厚い部分では電界強度が小さくなるので逆に光路長の増加が少なくなる。 結果として、電圧を加えない場合に比べ、レンズの曲率半径が増加した場合と等 価となり、実質的に焦点距離が長くなる。レンズの焦点距離は、このように印加 電圧に従って制御される。

【００２０】 なお、上述したように、レンズ部の膜厚は光の波長程度で済むことから制御に 必要な電圧は、数ボルトから数１０ボルト（従来のものに比べ、数１０分の１か ら１０分の１程度）で充分となる。

【００２１】 図３に、本考案の請求項２に対応する実施例の断面図を示す。本実施例は、上 述のような電気光学材料よりなるレンズの各輪帯部に独立の透明・導電性薄膜を 設け、各輪帯部ごとに独立の電圧を印加できるようにしたものである。

【００２２】 同図において、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、それぞれ電気光学材料よりなるレンズ ４の輪帯部を示す。輪帯部Ｂ、ＣおよびＤの各最上段には隣接する輪帯部間を絶 縁するための絶縁膜６ｂ、６ｃおよび６ｄが被せられ、これらの絶縁膜の被せら れていない各輪帯部の表面には、それぞれ第二の透明・導電性薄膜７ａ、７ｂ、 ７ｃおよび７ｄが被せられる。本実施例の場合、電極引き出しは、これらの透明 ・導電性薄膜に蒸着等によるアルミニウムの電極パッドを設け、これに配線する ことにより行う。

【００２３】 このように各輪帯部に独立の電圧を印加できるようにしたものでは、各輪帯部 の光路長を細かく制御できるため結像に最適な光路長分布を得ることができる。 なお、各輪帯部を更に分割して、より細かい制御ができる構造とすることもでき る。

【００２４】 図５に本考案の請求項３及び請求項４に対応する実施例を示す。上述の実施例 は円形レンズ型のフレネルレンズを想定して説明してきたが、本実施例は円柱状 の屈折面を持ち一方向のみ収束する、いわゆるシリンドリカルレンズ型のフレネ ルレンズを用いた場合の例である。図中１０及び１１は、同上シリンドリカルレ ンズ型のフレネルレンズをもつ可変焦点レンズを示す。図示していないが、各可 変焦点レンズは、上述の実施例と同様、透明基板、電気光学材料よりなるレンズ 、第一、第二の透明・導電性薄膜、絶縁膜等により構成される。図示したように この両レンズを同一光軸上に、収束方向が互いに直行するように配列したレンズ 系とすることにより円形レンズ型のものと同様な収束効果を得ることができる。 上述の図３の実施例では電極引き出し用の配線が光路を遮る欠点があるが、本例 のようなシリンドリカルレンズ型のフレネルレンズの場合、電極パッドをレンズ の周縁部に設けることができるので、その欠点がなく実用上の便が大きい。なお 、本例では同レンズ２個を組み合わせた場合を示したが、いうまでもなく更にレ ンズを増した構成も可能である。

【００２５】 また、例えばレンズ１１において帯状電極に印加する焦点制御用の電圧を、中 央から右方向に離れた電極ほど高く、逆に左方向に離れた電極ほど低くなるよう に傾斜させると、それに伴って屈折率分布が傾き、丁度レンズ全体を傾けた場合 と同様な効果を得ることができる。この機能は、ＣＤやレーザーディスク・プレ ーヤーのように高速のトラッキングが必要な場合、特に有効であり、従来のよう に電磁力でレンズを駆動する場合と比べ、より高速の応答が可能となる。

【００２６】 図６に本考案の請求項５に対応する実施例を示す。図中、１２は可変偏向角・ 回折格子、又、１３及び１４は、それぞれ偏向角制御電圧を印加しない場合及び 印加した場合の光路を示す。

【００２７】 可変偏向角・回折格子１２は図示していないが透明基板上に、一定のブレーズ 角を持つ直線状パターンの電気光学材料よりなる回折格子、これに偏向制御電圧 を加えるための透明・導電性薄膜及び必要な絶縁膜を設けたものである。この回 折格子１２は上述の可変焦点レンズのフレネルレンズ・パターンを回折格子パタ ーンに置換したものに相当するので上述と同様な方法で製作される。回折格子１ ２は、図示したように、図５のものと同様なシリンドリカルレンズ型の可変焦点 レンズ１０、１１からなるレンズ系と同一光軸上に配置する。一定のブレーズ角 を持つ回折格子は、プリズムと同様に光を一方向に効率良く偏向することができ るものであるが、回折格子１２にその透明・導電性薄膜を介して制御電圧を加え 、これを変化させると、各帯状部のブレーズ角を変化させるのと同一の効果を生 じるので、光の偏向角度が変えられる。図５の実施例で説明したようなレンズ全 体を傾ける効果を出すような制御を行う場合、制御回路が複雑になるとか、傾き 角が大きくなると理想的な屈折率分布からはずれ結像に影響が出るなどの問題が あるが、本実施例のような可変偏向角・回折格子を用いると、光の偏向を独立し て制御でき、上記問題を解消できる。なお、本例では、可変偏向角・回折格子を シリンドリカルレンズ型の可変焦点レンズ系と組み合わせたものについて示した が、それ以外の上述の可変焦点レンズと組み合わせて有効に利用できることはい うまでもない。

【００２８】 なお、上述の各実施例の説明では、全てフレネルレンズ・パターンや回折格子 パターンは透明基板の片面のみに形成した場合について述べたが、いうまでもな く両面にこれらを形成したものの利用も可能である。

【００２９】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案の可変焦点レンズは、電気光学材料よりなるレン ズ本体をフレネルレンズ・パターンの薄膜とし、これを透明基板上に設け、かつ レンズに電圧を加えるための実質上の電極を第一、第二の透明・導電性薄膜で構 成したことにより、レンズ全体の厚さを従来に比べて数分の１から１０数分の１ に薄くすることができるようになった。そのため本考案の可変焦点レンズは、高 い結像特性と光利用効率をもつと共に、従来に比べ数１０分の１から１０分の１ 程度の低い電圧での制御が可能なものとなった。また、上記のフレネルレンズ・ パターンを階段状波形で近似したものでは、半導体加工技術を利用しての製造が できるので低コストでの大量生産が可能となる。

【００３０】 また、上述の構成で、第二の透明・導電性薄膜を各輪帯部上にそれぞれ独立に 形成し、それぞれ独立の電気信号を印加できるようにしたものでは、各輪帯部の 光路長を細かく制御できるため結像に最適な光路長分布を得ることができる。

【００３１】 また、上述のフレネルレンズ・パターン又はその断面形状を階段状波形で近似 したパターンをシリンドリカルレンズ型のパターンとしたものでは、電極パッド をレンズの周縁部に設けることができるので電極引き出し用の配線が光路を遮る ことがなく、光利用効率、結像特性が高められる。このシリンドリカルレンズ型 のパターンを用いた可変焦点レンズは、光を一方向にしか収束しないが、同レン ズを複数個、同一光軸上に光の収束方向が互いに直行するように配置したレンズ 系とすることにより、円形レンズと同様な収束効果を得ることができる。

【００３２】 また、透明基板上に電気光学材料よりなる薄膜をその断面形状が一定のブレー ズ角を有する回折格子となるように形成し、かつ電圧を加えるための実質上の電 極を第一、第二の透明・導電性薄膜で構成した可変偏向角・回折格子を設け、こ れを上述の可変焦点レンズ又は可変焦点レンズ系と組み合わせたレンズ系とする ことにより、光の偏向角度を結像特性を崩すことなく独立して電気的に制御でき る可変焦点レンズ系を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の可変焦点レンズの一実施例の断面図で
ある。

【図２】本考案の可変焦点レンズの別の実施例の断面図
である。

【図３】同じく本考案の可変焦点レンズの別の実施例の
断面図である。

【図４】本考案の可変焦点レンズの動作説明図である。

【図５】本考案の可変焦点レンズ系の一実施例の説明図
である。

【図６】本考案の可変焦点レンズ系の別の実施例の説明
図である。

【図７】可変焦点レンズの一従来例の説明図である。

【図８】可変焦点レンズの別の従来例の説明図である。

【図９】同じく可変焦点レンズの別の従来例の説明図で
ある。

【図１０】同じく可変焦点レンズの別の従来例の説明図
である。

【符合の説明】

１ 透明基板 ２ 第一の透明・導電性薄膜 ３、４ 電気光学材料よりなる薄膜レンズ ５、６ｂ、６ｃ、６ｄ 絶縁膜 ７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 第二の透明・導電性薄膜 ８ 電圧を加えない場合の光路長分布 ９ 電圧を加えた場合の光路長分布 １０、１１ シリンドリカルレンズ型の可変焦点レンズ １２ 可変偏向角・回折格子 １３ 電圧を加えない場合の光路 １４ 電圧を加えた場合の航路 １５ 電気光学材料よりなる基板 １６、１７ 電極 １８ 電気光学材料よりなる屈折レンズ １９ 電気光学材料よりなるブロック ２０ 光ビーム

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を透過する透明基板上に第一の透明・
   導電性薄膜を形成し、該透明・導電性薄膜上に、電気光
   学材料よりなる薄膜をその表面形状がフレネルレンズ・
   パターン又はその断面形状を階段状波形で近似したフレ
   ネルレンズ・パターンとなるように形成し、該薄膜の上
   に第二の透明・導電性薄膜を形成し、前記第一および第
   二の透明・導電性薄膜を介して前記電気光学材料よりな
   る薄膜に電気信号を印加できるようにしたことを特徴と
   する可変焦点レンズ。
2. 【請求項２】 光を透過する透明基板上に第一の透明・
   導電性薄膜を形成し、該透明・導電性薄膜上に、電気光
   学材料よりなる薄膜をその表面形状がフレネルレンズ・
   パターン又はその断面形状を階段状波形で近似したフレ
   ネルレンズ・パターンとなるように形成し、該薄膜の各
   輪帯部上に、互いに電気的に絶縁されるようにそれぞれ
   独立の第二の透明・導電性薄膜を形成し、前記第一の透
   明・導電性薄膜および第二の透明・導電性薄膜を介して
   前記各輪帯部にそれぞれ独立の電気信号を印加できるよ
   うにしたことを特徴とする可変焦点レンズ。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２の可変焦点レンズ
   において、フレネルレンズ・パターン又はその断面形状
   を階段状波形で近似したフレネルレンズ・パターンを、
   シリンドリカルレンズ型のフレネルレンズ・パターン又
   はその断面形状を階段状波形で近似したシリンドリカル
   レンズ型のフレネルレンズ・パターンとしたことを特徴
   とする可変焦点レンズ。
4. 【請求項４】 請求項３の可変焦点レンズを、同一光軸
   上に、光の収束方向が互いに直角になるように、複数個
   配置したことを特徴とする可変焦点レンズ系。
5. 【請求項５】 光を透過する透明基板上に第一の透明・
   導電性薄膜を形成し、該透明・導電性薄膜上に、電気光
   学材料よりなる薄膜をその断面形状が一定のブレーズ角
   を有する回折格子となるように形成し、該電気光学材料
   よりなる薄膜の上に第二の透明・導電性薄膜を形成し、
   前記第一及び第二の透明・導電性薄膜を介して前記電気
   光学材料よりなる薄膜に電気信号を印加できるようにし
   た可変回折格子を設け、該可変回折格子と請求項１、請
   求項２若しくは請求項３の可変焦点レンズ又は請求項４
   のレンズ系とを、互いに同一光軸上に配置して組み合わ
   せたことを特徴とする可変焦点レンズ系。