KR101332355B1 - 가변초점렌즈 및 현미경 - Google Patents

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KR101332355B1 KR1020117027763A KR20117027763A KR101332355B1 KR 101332355 B1 KR101332355 B1 KR 101332355B1 KR 1020117027763 A KR1020117027763 A KR 1020117027763A KR 20117027763 A KR20117027763 A KR 20117027763A KR 101332355 B1 KR101332355 B1 KR 101332355B1
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마사히로 사사우라
쥰 미야즈
쇼고 야기
세이지 토요다
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니폰덴신뎅와 가부시키가이샤
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Abstract

초점거리를 고속으로 변경할 수 있는 가변초점렌즈를 제공한다. 반전대칭성을 가지는 단결정으로 이루어지는 전기광학재료와, 상기 전기광학재료의 제1 면 위에 형성된 제1 양극 및 상기 제1 양극과 간격을 두고 배치된 제2 음극과, 상기 제1 면과 마주보는 제2 면 위에 형성되고, 상기 제1 양극 및 상기 제2 음극과 마주보는 위치에 형성된 제1 음극 및 제2 양극을 구비하고, 상기 제1 면과 직교하는 제3 면으로부터 광을 입사시켰을 때, 상기 제3 면과 마주보는 제4 면으로부터 광이 출사하도록 광축이 설정되고, 상기 제1 및 제2 전극쌍 사이의 인가전압을 바꿈으로써, 상기 제4 면으로부터 출사된 광의 초점을 가변한다.

Description

가변초점렌즈 및 현미경{VARIABLE FOCUSING LENS AND MICROSCOPE}
본 발명은 가변초점렌즈 및 현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전기광학효과를 가지는 광학재료를 이용하여 초점거리를 바꿀 수 있게 한 가변초점렌즈와, 이것을 구비한 현미경에 관한 것이다.
종래, 광학렌즈, 프리즘 등의 광학부품은, 카메라, 현미경, 망원경 등의 광학기기, 프린터, 복사기 등 전자사진방식의 기록장치, DVD 등의 광기록장치, 통신용, 공업용 광디바이스 등에 사용되고 있다. 통상의 광학렌즈는 초점거리가 고정되어 있는데, 상술한 기기, 장치 중에는 상황에 따라 초점거리를 조정할 수 있는 렌즈, 이른바 가변초점렌즈를 이용하는 경우가 있다. 종래의 가변초점렌즈는 복수의 렌즈를 조합하여 기계적으로 초점거리를 조정하였다. 하지만, 이와 같은 기계식 가변초점렌즈는 응답속도·제조비용·소형화·소비전력 등의 면에서 적용범위를 넓히는데 한계가 있었다.
그래서, 광학렌즈를 구성하는 투명매질에 굴절율을 가변할 수 있는 물질을 적용한 가변초점렌즈, 광학렌즈의 위치를 움직이는 것이 아니라, 기계적으로 광학렌즈의 형상을 변형시키는 가변초점렌즈 등이 생각되었다. 전자의 가변초점렌즈로는, 광학렌즈로서 액정을 이용한 가변초점렌즈가 제안되고 있다. 이 가변초점렌즈는 투명매질로 만들어진 용기, 예를 들어, 글라스판에 의해 액정을 봉입(封入)하고 있다. 이 용기의 안쪽은 구면형상으로 가공되어 있고, 액정은 렌즈형상으로 성형되어 있다. 더욱이 용기의 안쪽에는 투명전극이 설치되어 있고, 이 전극에 인가하는 전압을 바꿈으로써 액정에 실리는 전계를 제어할 수 있다. 이에 의해, 액정의 굴절율을 전압으로 제어할 수 있으며, 초점거리를 가변제어할 수 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
후자의 가변초점렌즈로서, 변형하는 렌즈의 재료에는 액체가 사용되는 경우가 많다. 예를 들어, 비특허문헌 1에 기재된 가변초점렌즈는, 글라스판에 끼워진 공간에 실리콘 오일 등의 액체를 봉입한 구조를 가지고 있다. 글라스판은 얇게 가공되어 있고, 외부로부터 티탄산 지르콘산연(PZT) 피에조 액츄에이터에 의해 글라스판에 압력을 가함으로써, 오일과 글라스판 전체에 구성되는 렌즈를 변형시켜서 초점위치를 제어한다. 이 가변초점렌즈의 동작원리는 안구의 수정체와 같다.
상술한 광학기기 중에서도, 현미경은 가변초점렌즈의 도입에 의해 실용적인 응용을 기대할 수 있는 기기이다. 현미경은 높은 NA(개구수)를 가지는 대물렌즈를 이용하기 때문에, 피사계 심도가 매우 얇다. 그 때문에, 측정대상으로서 입체물을 관측하는 경우, 초점높이에 맞는 입체물의 일부 영역밖에 동시에 관측할 수 없다. 입체물의 전체상을 얻기 위해서는, 렌즈계 또는 측정대상을 올려놓은 스테이지를 상하로 조금씩 움직이면서 관측해야 한다. 또한, 스테이지를 움직이면서 일정한 높이마다 화상을 촬영하고, 촬영된 복수의 화상을 처리하여 입체상을 합성하는 기술도 확립되고 있다.
근래, 현미경 중에서도, 공초점(confocal) 현미경의 이용범위가 확대되고 있다. 도 1을 참조하여, 공초점 현미경의 원리를 설명한다. 이 계에서는, 측정대상(1)으로부터 발하는 광을 렌즈(3)(통상, 대물렌즈라고 함)에 의해 평행광선으로 하고, 또한 렌즈(4)에 의해 다시 집광한다. 집광한 점의 위치에 그 스폿직경과 같은 정도의 직경을 가지는 핀홀(5)을 두고, 투과한 광의 힘을 광검출기(6)로 측정한다. 이 때, 측정대상(1)의 바로 아래에 측정대상(2)이 있는 경우를 생각한다. 측정대상(2)으로부터 발한 광은, 도 1의 파선으로 나타낸 바와 같이, 렌즈(3, 4)를 투과한 후, 핀홀(5)의 위치보다 아래에 집광된다. 측정대상(2)으로부터 발한 광은, 핀홀의 높이에 도달하였을 때 다시 퍼지고, 핀홀(5)을 투과하는 광 성분은 현저히 작아진다. 즉, 이 계에서는 측정대상(1)의 위치로부터 발한 광신호만 검출할 수 있게 되어 있다.
통상의 현미경에서는, 측정대상의 상하에 광을 발하는 다른 물체가 있는 경우, 그 물체들로부터의 광이 측정대상으로부터의 광에 노이즈로서 겹치기 때문에, 측정대상의 정보만 끌어내기는 어렵다. 한편, 공초점 현미경에서는, 광학계의 배치를 조정함으로써 측정대상의 정보만 효율적으로 채취하는 것이 가능해진다. 단, 동시에 채취할 수 있는 정보는 도 1의 측정대상(1)의 위치에 있는 물체뿐이기 때문에, 물체의 전체상을 얻기 위해서는, 물체를 상하좌우로 조금씩 이동시키면서 3차원 데이터를 수집할 필요가 있다. 좌우이동은 갈바노 미러(Galvanometer mirror)와 같은 광선의 방향을 고속으로 편향하는 부품(광편향기)을 사용하여 측정대상의 물체 자체를 움직이지 않고 측정하는 장치가 있다. 하지만, 상하이동은 측정대상 물체를 기계적으로 움직이는 것이 일반적이다.
하지만, 공초점 현미경을 포함하는 종래의 현미경에서, 측정대상물을 올려놓은 스테이지를 상하로 기계적으로 움직이면서 일련의 측정을 하는 경우, 모든 데이터를 취득하기 위해서는 시간이 걸렸다. 그래서, 스테이지를 움직이는 대신, 가변초점렌즈로 초점을 전기적으로 제어할 수 있으면, 계측 정밀도는 올라가고, 또한 주사속도의 향상도 기대할 수 있다.
가변초점렌즈로서, 종래부터 기계적으로 초점거리를 조정하는 가변초점렌즈, 액정에 전계를 걸어서 굴절율을 제어하는 가변초점렌즈, 및 PZT 피에조 액츄에이터에 의해 렌즈를 변형시키는 가변초점렌즈 등을 이용할 수 있었다. 하지만, 모두 초점거리를 변경하는데 필요한 응답속도에 한계가 있고, 1ms 이하의 고속응답에는 적용할 수 없어서, 고속 현상을 포착하기가 어려웠다.
특허문헌 1: 일본특허공개공보 H11-064817호
비특허문헌 1: 카네코 스구루 외 저, '가변초점렌즈를 이용한 장초점 심도시각 기구', 덴소 테크니컬 리뷰, Vol.3, No.1, p52-58, 1998
본 발명의 목적은 초점거리를 고속으로 변경할 수 있는 가변초점렌즈를 제공하고, 그에 의해, 높이방향의 정보를 포함한 입체물을 고속으로 측정할 수 있는 현미경을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가변초점렌즈의 일실시예는, 반전대칭성을 가지는 단결정으로 이루어지는 전기광학재료와, 상기 전기광학재료의 제1 면 위에 형성된 제1 양극과, 상기 제1 면과 마주보는 제2 면 위에 형성되고, 상기 제1 양극과 마주보는 위치에 형성된 제1 음극과, 상기 제1 면 위에 형성되고, 상기 제1 양극과 간격을 두고 배치된 제2 음극과, 상기 제2 면 위에 형성되고, 상기 제2 음극과 마주보는 위치에 형성되며, 상기 제1 음극과 간격을 두고 배치된 제2 양극을 구비하고, 상기 제1 면과 직교하는 제3 면으로부터 광을 입사시켰을 때, 상기 제1 양극 및 상기 제1 음극으로 이루어지는 제1 전극쌍 사이를 투과하고 나서, 상기 제2 양극 및 상기 제2 음극으로 이루어지는 제2 전극쌍 사이를 투과하여, 상기 제3 면과 마주보는 제4 면으로부터 광이 출사하도록 광축이 설정되고, 상기 제1 및 제2 전극쌍 사이의 인가전압을 바꿈으로써, 상기 전기광학재료의 상기 제4 면으로부터 출사된 광의 초점을 가변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 현미경의 일실시예는, 광학계에 가변초점렌즈를 포함하는 현미경으로서, 상기 가변초점렌즈는, 제1 기본단위소자와 반파장판과 제2 기본단위소자가 광축방향에 따라 직렬로 배치되고, 상기 제1 기본단위소자와 상기 제2 기본단위소자는 광축에 대하여 수직으로 전계를 인가하고, 전계의 인가방향이 서로 90도의 각도를 이루도록 배치되며, 상기 반파장판은 상기 제1 기본단위소자와 상기 제2 기본단위소자의 전계의 인가방향에 대하여 45도의 각도를 이루도록 배치되고, 상기 제1 및 제2 기본단위소자는 각각, 반전대칭성을 가지는 단결정으로 이루어지는 전기광학재료와, 상기 전기광학재료의 제1 면 위에 형성된 제1 양극과, 상기 제1 면과 마주보는 제2 면 위에 형성되고, 상기 제1 양극과 마주보는 위치에 형성된 제1 음극과, 상기 제1 면 위에 형성되고, 상기 제1 양극과 간격을 두고 배치된 제2 음극과, 상기 제2 면 위에 형성되고, 상기 제2 음극과 마주보는 위치에 형성되며, 상기 제1 음극과 간격을 두고 배치된 제2 양극을 구비하고, 상기 제1 면과 직교하는 제3 면으로부터 광을 입사시켰을 때, 상기 제1 양극 및 상기 제1 음극으로 이루어지는 제1 전극쌍의 사이를 투과하고 나서, 상기 제2 양극 및 상기 제2 음극으로 이루어지는 제2 전극쌍의 사이를 투과하여, 상기 제3 면과 마주보는 제4 면으로부터 광이 출사하도록 광축이 설정되고, 상기 제1 및 제2 전극쌍 사이의 인가전압을 바꿈으로써, 상기 전기광학재료의 상기 제4 면으로부터 출사된 광의 초점을 가변하는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 반전대칭성을 가지는 단결정으로 이루어지는 전기광학재료와, 전기광학재료의 표면에 형성된 2N개의 전극을 구비하고, 서로 인접하는 전극쌍에는 반대의 전압을 인가하고, 전극쌍 사이의 인가전압을 바꿈으로써, 초점거리를 고속으로 변경할 수 있는 가변초점렌즈를 실현할 수 있다.
이 가변초점렌즈를 현미경의 광학계에 구비함으로써, 측정대상물을 올려놓은 스테이지를 상하로 기계적으로 움직일 필요가 없어지기 때문에, 입체상의 측정에 필요한 시간을 단축할 수 있게 된다. 또한, 측정대상물이 고속으로 동적으로 변하는 경우, 그 고속현상을 포착할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 공초점 현미경의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변초점렌즈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 제1 실시예에 따른 가변초점렌즈의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 가변초점렌즈의 광로길이 변조의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 제1 실시예에 따른 가변초점렌즈의 초점거리의 전극간격 의존성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변초점렌즈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변초점렌즈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 현미경의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 실시예의 가변초점렌즈는, 전기광학재료와, 이것에 설치한 전극으로 구성된다. 전기광학효과를 이용함으로써, 종래의 가변초점렌즈와 비교하여 훨씬 빠른 응답속도를 얻을 수 있다.
도 2에 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변초점렌즈의 구성을 나타낸다. 전기광학재료를 판형상으로 가공한 기판(11)의 상면(제1 면) 및 하면(제2 면)에 띠형상의 전극 4개가 형성되어 있다. 광 입사측의 상부전극으로서 양극(12)(제1 양극), 기판(11)을 사이에 끼우고 하부전극으로서 음극(13)(제1 음극)이 배치되어 있다. 더욱이, 이 전극쌍들과 간격을 두고 광의 출사측에 또 한쌍의 전극이 배치되어 있으며, 상부전극이 음극(14)(제2 음극)이고, 하부전극이 양극(15)(제2 양극)이다. 띠형상의 4개의 전극은 길이방향의 변이 모두 평행한 형상을 가지고 있다.
광은 전극을 배치한 면과 직교하는 면(제3 면)으로부터 입사되고, 기판(11)의 내부를 x축방향으로 진행하여, 양극(12)과 음극(13) 사이를 이것들의 띠형상 전극의 길이방향과 수직한 방향으로 투과한다. 이어서, 광은 음극(14)과 양극(15) 사이를 투과하고 나서, 입사한 면과 마주보는 면(제4 면)으로부터 공기중으로 출사된다.
이와 같은 구성에 있어서, 양극과 음극 사이에 전압을 인가한다. 광 입사측의 전극쌍과 광 출사측의 전극쌍은, 전압을 거는 방향(z축방향)이 서로 반대로 되어 있다. 양극(12)과 양극(15)의 전위는 서로 달라도 되고, 음극(13)과 음극(14)의 전위도 마찬가지이다. 한편, 양극(12, 15)이 낮은 쪽의 전위는 음극(13, 14)이 높은 쪽의 전위보다 높게 설정한다.
이 때, 이 전극들의 사이에는 전계의 분포가 발생하고, 기판(11)이 가지는 전기광학효과에 의해 굴절율이 변조된다. 굴절율이 변조된 부분을 광이 투과할 때, 이 굴절율 분포에 의해 광이 굴곡되고, 그 결과 광은 집광 혹은 발산된다. 집광되는 경우, 도 2의 구조에 따르면, 원주(cylindrical) 볼록렌즈로서 기능하고, 발산되는 경우에는, 원주 오목렌즈로서 기능한다. 또한, 인가하는 전압에 따라 광의 굴곡 정도가 변하기 때문에, 초점거리를 전압에 의해 제어할 수 있다.
전기광학효과는, 전압의 인가로부터 늦게 개산하여도 1㎲ 이하의 시간에 응답하기 때문에, 종래의 가변초점렌즈보다 현저히 빠르게 응답하는 가변초점렌즈를 실현할 수 있다. 이상 설명한 바와 같이, 도 2에 나타낸 소자는 원주 가변초점렌즈이며, 여러가지 렌즈를 구성하는 기본단위가 된다. 통상의 구면렌즈를 실현하기 위해서는, 이 기본단위인 소자를 2개 조합하면 된다. 즉, 2개의 기본단위소자를 광축을 중심으로 서로 90도의 각도를 이루도록 배치함으로써, 구면렌즈와 등가의 기능을 실현할 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 기판(11)의 재료로서 전기광학효과를 가지는 재료 중에서도, 특히 반전대칭성을 가지는 결정으로 이루어지는 재료를 이용하는 것을 특징으로 하고 있으며, 그 이유는 후술한다.
이하, 도 3을 참조하여, 굴절율의 변조모습과 렌즈로서의 기능을 상술한다. 도 3은 도 2에 나타낸 가변초점렌즈의 측면을 y축방향에서 본 모습을 나타내고 있다. 기판(11)은 4개의 전극에 전압을 인가하지 않을 때에는 굴절율이 균일하기 때문에, 광은 그대로 변조를 받지않고 투과한다. 따라서, 렌즈의 기능은 없다. 하지만, 평면파를 입사하였을 때는, 기판(11)으로부터 출사되는 광의 파면이 평면 그대로이고, 곡률반경은 무한대인 것을 고려하면, 초점거리가 무한대인 렌즈로 볼 수도 있다.
4개의 전극에 전압을 인가하였을 때, 이들 전극의 사이에 도 3에 나타낸 바와 같은 전기력선(16)이 발생한다. 전기력선(16)은 양극(12)과 음극(13) 사이, 음극(14)과 양극(15) 사이 뿐만 아니라, 이들 전극의 바깥쪽으로도 크게 퍼져서 생성된다. 전기력선이 생성되어 있다는 것은, 바꾸어 말하면 전계가 발생하고 있다는 것이다. 이 때, 기판(11)이 전기광학효과를 가지기 때문에, 기판(11) 내부의 전계가 발생하고 있는 부분에서는 굴절율이 변조된다. 기판(11)의 내부에서 4개의 전극 부근, 즉 기판(11)의 표면 부근에서는 전계가 크고, 굴절율 변화가 크다. 이에 대하여, 기판(11)의 중앙부분(모든 축방향에서의 중앙 부근)에서는 전계가 비교적 작고, 굴절율 변화가 작다.
도 3의 오른쪽에는, 굴절율 변화분의 분포를 나타내는 굴절율 변조곡선(17)을 모식적으로 나타내고 있다. 굴절율 변조곡선의 세로축은 z축의 좌표, 가로축은 전압을 걸지 않았을 때부터의 굴절율의 변화분(Δn)이다. 도 3에서는 굴절율이 전체적으로 마이너스 방향으로 변하고 있는 모습이 나타나 있는데, 기판(11)의 표면 부근에서는 변조가 크고, 따라서 굴절율 변화분(Δn)으로서는 작아진다. 한편, 중앙부 부근에서는 변조가 작고, 따라서 굴절율 변화분(Δn)으로서는 표면 부근과 비교하여 크다. 이와 같은 굴절율 분포의 안을 광이 투과하면, 기판(11) 중앙부의 광 속도에 비하여 표면 부근의 광 속도가 빠르기 때문에, 볼록렌즈로서 기능한다. 즉, 전압을 걸지않은 경우의 무한대의 초점거리로부터 유한의 초점거리로 초점이 이동한다.
(전기광학재료)
전기광학효과에는 몇가지 차수(次數)가 다른 전기광학효과가 포함되는데, 일반적으로는 1차 전기광학효과(이하, 포켈스 효과(Pockels effect)라고 함)가 이용되고 있다. 포켈스 효과는 굴절율 변화가 전계에 비례한다. 도 2, 도 3에 나타낸 구성에서는, 양극(12)과 음극(13) 사이와, 음극(14)과 양극(15) 사이에서는 전계의 방향이 반대가 되고, 굴절율 분포도 반대가 된다. 따라서, 포켈스 효과를 이용하면, 광이 이들 2개의 전극쌍 사이를 투과하면, 굴절율 분포에 의한 광의 편향이 음양으로 상쇄되어 버려서 렌즈로서의 기능을 나타내지 않는다.
이에 대하여, 2차 전기광학효과(이하, 커 효과(Kerr effect)라고 함)를 이용하면, 굴절율 분포는 전계의 2승에 비례한다. 따라서, 양극(12)과 음극(13) 사이와, 음극(14)과 양극(15) 사이에서 전계의 방향이 반대가 되어도, 굴절율 분포는 같아지기 때문에, 광의 편향이 상쇄되지 않고 강해진다.
많은 전기광학재료는 반전대칭성을 가지지 않고, 포켈스 효과를 발현한다. 이에 대하여, 일부 전기광학재료는 반전대칭성을 가지고 있으며, 포켈스 효과를 발현하지 않고, 커 효과가 지배적이 된다. 따라서, 본 실시예의 기판(11)을 구성하는 전기광학재료로는, 반전대칭성을 가지는 재료를 이용하는 것이 중요하다.
일반적으로 유전체는 외부로부터 전계를 인가하면, 그에 비례한 분극(分極)이 발생하는데, 전계를 제거하면, 분극은 '0'으로 돌아간다. 하지만, 전계를 제거하여도 유한 분극이 남는 물질이 존재한다. 외부전계가 없어도 존재하는 분극을 자발분극이라고 한다. 이 자발분극을 외부전계에 의해 방향을 반전시킬 수 있는 물질이 있으며, 이것을 강유전체라고 한다. 이에 대하여, 강유전체가 아닌 유전체를 상유전체(paraelectrics)라고 부르는 경우가 있다.
반전대칭성을 가지는 단결정이란, 원자의 배열을 어느 원점을 중심으로 하여 x, y, z 좌표계에서 반전하였을 때, 원래 원자의 배열과 완전히 같은 배열이 되는 결정을 말한다. 자발분극을 가지는 결정을 좌표축 상에서 반전시키면, 자발분극의 방향이 반전되기 때문에, 이와 같은 결정은 반전대칭성을 가진다고 할 수 없다. 따라서, 강유전체는 자발분극을 가지기 때문에, 반전대칭성을 가지지 않는다.
한편, 자발분극을 가지고 있어도, 그것을 외부전계로 반전할 수 없는 물질도 존재한다. 이와 같은 물질은 반전대칭성을 가지지 않지만, 강유전체도 아니기 때문에, 반전대칭성을 가지지 않는 물질이 모두 강유전체인 것은 아니다. 또한, 강유전체이며, 또한 반전대칭성을 가진다는 것은 있을 수 없다.
반전대칭성을 가지는 전기광학재료로는, 페로브스카이트형 결정구조를 가지는 단결정 재료가 있다. 페로브스카이트형 단결정 재료는 사용온도를 적절히 선택하면 사용상태에서 결정구조가 반전대칭성을 가지는 입방정이 된다. 입방정상에서는 포켈스 효과를 발현하지 않고, 커 효과가 지배적이 된다. 예를 들면, 가장 잘 알려진 티탄산 바륨(BaTiO3, 이하 BT라고 함)은 120℃ 부근에서 정방정상(正方晶相)으로부터 입방정상(立方晶相)으로 상전이한다. 상전이하는 온도(이하, 상전이온도라고 함)를 넘은 온도이면, BT의 결정구조는 입방정이 되고, 커 효과를 발현한다.
또한, 탄탈산 니오브산 칼륨(KTN:KTa1-xNbxO3, 0＜x＜1)을 주성분으로 하는 단결정 재료는, 보다 바람직한 특징을 가진다. BT은 상전이온도가 정해져 있는데 대하여, KTN은 탄탈과 니오브의 조성비에 의해 상전이온도를 선택할 수 있다. 이에 의해, 실온 부근으로 상전이온도를 설정할 수 있다. KTN은 상전이온도보다 높은 온도이면 입방정상이 되어, 반전대칭성을 가지고, 큰 커 효과를 가진다. 같은 입방정상이어도, 보다 상전이온도에 가까운 쪽이 커 효과가 압도적으로 커진다. 이 때문에, 실온 부근으로 상전이온도를 설정하는 것은 큰 커 효과를 간편하게 실현하기 때문에 매우 중요하다.
더욱이, KTN에 관련된 단결정 재료로서, 결정의 주성분이 주기율표 Ia족과 Va족으로 구성되고, Ia족은 칼륨이고, Va족은 니오브, 탄탈 중 적어도 1개를 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 또한, 첨가불순물로서 칼륨을 제외한 주기율표 Ia족, 예를 들어, 리튬, 또는 IIa족의 하나 또는 복수종을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 입방정상의 KLTN(K1-yLiyTa1-xNbxO3, 0＜x＜1, 0＜y＜1) 결정을 이용할 수도 있다.
(광로길이 변조)
KTN의 경우에 대하여, 광로길이 변조를 상세히 설명한다. 도 3의 구성에서 편광은 광전계의 방향이 y축방향인 경우와, z축방향인 경우 2가지 종류가 있다. 각각의 경우에 광이 느끼는 굴절율 변조 Δny와 Δnz은,
[수 1]
Figure 112011092280052-pct00001
로 다르다. 여기서, n0은 변조전의 굴절율이고, s11과 s12는 전기광학계수이다. s11은 정의 값인데 대하여, s12는 음의 값을 가지고, 절대값은 s11이 크다. 렌즈의 특성은 아래의 식과 같이 이 굴절율 변화분을 광의 진행경로(길이(L))에 걸쳐서 적분한 광로길이 변조(Δs)에 의해 평가한다.
[수 2]
Figure 112011092280052-pct00002
도 4에 제1 실시예에 따른 가변초점렌즈의 광로길이 변조의 예를 나타낸다. 광로길이 변조 Δsy와 Δsz의 분포를 수치계산으로 구한 것이다. 비유전율은 20,000, 기판(11)의 길이(L)를 7mm, z축방향의 기판 두께를 4mm, 4개의 전극의 폭을 0.8mm, 동일면 상의 전극 간격을 4mm, 전압을 1000V로 하여 계산하였다. 도 4의 가로축은 도 2에 나타낸 z좌표를 나타내고, 원점을 기판(11)의 중앙으로 하고 있다. Δsy의 분포는 아래로 볼록한 곡선을 이루고 있으며, 이 소자가 원주 오목렌즈로서 기능하는 것을 나타낸다. 한편, Δsz의 분포는 위로 볼록한 곡선을 이루고 있으며, 이 소자가 원주 볼록렌즈로서 기능하는 것을 나타낸다. 이 KTN의 예와 같이, 편광에 의해 볼록렌즈가 되거나, 오목렌즈가 되는 경우도 있다.
(전극의 배치)
제1 실시예에서는 기판(11)의 상면에 양극(12)과 음극(14)을 배치하고, 하면에 음극(13)과 양극(15)을 배치하였다. 이와 유사한 구성으로서, 상면의 전극을 쌍방 모두 양극으로 하고, 하면의 전극을 쌍방 모두 음극으로 하는 구성을 생각할 수 있다. 이 구성에서도 가변초점렌즈로서 기능하는데, 아래의 점에서 제1 실시예가 더 뛰어나다.
소자의 소형화를 생각하였을 경우, 도 3의 구성에 있어서, 기판(11)을 z축방향으로 작게 하는, 즉 기판(11)의 두께를 얇게하려고 하여도, 기판(11)을 투과하는 광 빔의 크기에 따라 제한되어 버린다. 그래서, x축방향으로 작게 하려고 하면, 상면의 양 전극을 양극, 하면의 양 전극을 음극으로 하는 구성에서는, 전극의 간격을 좁히면 렌즈 효과가 작아져 버린다. 전극 간격을 좁힌 극한은 간격이 제로가 되어, 상면의 양 전극, 하면의 양 전극이 모두 일체화된 전극이 된다. 이 경우, 기판(11) 내부의 전계는 균일해지고, 굴절율 분포도 균일해져서, 렌즈 효과가 거의 없어져 버린다.
한편, 제1 실시예에서는, 상면의 양극(12)과 음극(14)은 인가하는 전위가 서로 다르기 때문에, 전극 간격을 좁힌 극한은 양 전극이 일체가 되지 않는다. 제1 실시예에서 전극 간격을 좁히면, 전계가 커지기 때문에 반대로 렌즈 효과는 커진다.
도 5에 제1 실시예에 따른 가변초점렌즈의 초점거리의 전극간격 의존성을 나타낸다. 수치계산으로 구한 초점거리를 전극 간격의 함수로서 플롯하였다. 도 4의 계산조건과 같은 조건으로, 전극 간격의 증감과 동시에, 기판(11)의 길이도 같은 정도 증감하여 계산하였다. 광의 전계는 z축방향이다. 세로축의 초점거리는 작을수록 집광 정도가 강하고, 효과가 큰 것을 나타낸다. □의 플롯은 상면의 양 전극이 모두 양극, 하면의 양 전극이 모두 음극인 경우이고, 전극 간격이 작으면 효과가 열화하는 것을 알 수 있다. ○의 플롯은 제1 실시예의 경우로, 전극 간격이 작으면 반대로 효과가 강해지고 있다. 전극 간격이 넓어지면, 2개의 전극쌍 사이의 상호작용이 약해지기 때문에, 어느 구성에서도 같은 효과로 수속되어 간다. 기판(11)의 두께가 4mm이기 때문에, 도 5를 참조하면, 두께의 1.5배(6mm)보다 전극 간격이 작은 경우에 제1 실시예의 구성이 유리하다.
상술한 바와 같이, KTN을 사용하면, 편광을 바꾸어 구별하여 사용하면, 볼록렌즈로서 사용할 수도 있고, 오목렌즈로서 사용할 수도 있다. 한편, 전기광학결정에 전계를 인가하면, 압전효과나 전왜효과(electrostrictive effect)에 의해 그 물리적 형상이 변하는 것이 알려져 있다. 압전효과란, 비틀림이 인가전계에 비례하는 현상이고, 전왜효과란, 비틀림이 인가전압의 2승에 비례하는 현상이다. 이 물리적 형상의 변화는 압전효과와 전왜효과의 합으로 나타내어진다. 일반적으로 반전대칭성을 가지는 전기광학재료에서는 압전효과가 일어나지 않기 때문에, 전왜효과만 있게 된다. 이 전왜효과에 의해, 굴절율의 분포가 상술한 바와 같은 전계분포의 계산으로부터 구한 분포로부터 약간 어긋남이 발생하는 경우가 있다.
이러한 점에서는 Δnz(또는 광로길이(Sz))가 Δny(또는 광로길이(Sy))보다 계산값과 실제값의 어긋남이 적다. 즉, 제1 실시예의 전극 구성에 따르면, 전체적으로 전계의 z성분이 커지는데, 광의 진동전계를 그 z축으로 평행하게 합한 쪽이 계산대로의 굴절율 분포와 일치하기 쉽기 때문에 바람직하다. 물론, 전계의 x성분도 커지는데, 제1 실시예의 광축 설정에서는 광의 진동전계를 x축에 평행하게 할 수가 없다.
(전극재료)
전기광학재료에 높은 전압을 인가하면, 전극으로부터 전하가 주입되어 결정 내에 공간전하가 발생할 수 있다. 이 공간전하에 의해 전압의 인가방향으로 전계 크기의 경사가 발생하기 때문에, 굴절율의 변조에도 경사가 발생한다. 따라서, 전기광학재료를 렌즈로서 기능하게 하기 위한 원하는 굴절율 분포를 얻기 위하여, 또는 전기광학재료를 투과하는 광이 편향하지 않도록 하기 위해서는, 기판(11)에 전압을 인가하였을 때, 기판(11) 내부에 공간전하가 형성되지 않는 것이 좋다.
공간전하의 양은 캐리어의 주입효율에 의존하는 양이기 때문에, 전극으로부터 주입되는 캐리어의 주입효율은 작은 것이 좋다. 전기광학결정에서 전기전도에 기여하는 캐리어가 전자인 경우에는, 전극재료의 일함수가 커짐에 따라, 전극과 기판 사이는 쇼트키 접합에 가까워지고, 캐리어의 주입효율은 감소한다. 따라서, 전극은 전기광학재료와 쇼트키 접합이 형성되는 재료인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 전기광학결정에서 전기전도에 기여하는 캐리어가 전자인 경우, 전극재료의 일함수는 5.0eV 이상인 것이 바람직하다. 예를 들어, 일함수가 5.0eV 이상인 전극재료로서 Co(5.0), Ge(5.0), Au(5.1), Pd(5.12), Ni(5.15), Ir(5.27), Pt(5.65), Se(5.9)을 이용할 수 있다. 괄호 안은 일함수를 나타내고, 단위는 eV이다.
한편, 전기광학결정에서 전기전도에 기여하는 캐리어가 정공(正孔)인 경우에는, 정공의 주입을 억제하기 위하여, 전극재료의 일함수는 5.0eV 미만인 것이 바람직하다. 예를 들어, 일함수가 5.0eV 미만인 전극재료로서, Ti(3.84) 등을 이용할 수 있다. 한편, Ti의 단층전극은 산화하여 고저항이 되기 때문에, 일반적으로는 Ti/Pt/Au을 차례로 적층한 전극을 이용하여 Ti의 층과 전기광학결정을 접합시킨다. 더욱이, ITO(Indium Tin Oxide), ZnO 등의 투명전극을 이용할 수도 있다.
(응용예)
이상, 여러가지 렌즈를 구성하는 기본단위가 되는 원주 가변초점렌즈에 대하여 설명하였다. 이어서, 이 기본단위를 이용한 응용예에 대하여 설명한다. 도 6에 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변초점렌즈를 나타낸다. 상술한 기본단위를 광축방향에 따라 직렬로 배치한 구성이다. 1개의 기판(21)에 복수개의 전극(22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, …)을 배치하고, 서로 인접하는 전극쌍에는 반대 전압을 인가한다. 이와 같이 소자를 구성하면, 보다 낮은 전압으로도 큰 렌즈 효과를 얻을 수 있다. 전극쌍의 수는 2개 이상이면 짝수이어도 홀수이어도 된다.
(2축 가변초점렌즈)
상술한 바와 같이, 통상의 구면렌즈를 실현하기 위해서는, 2개의 기본단위소자를 광축방향(x축)에 따라 직렬로 배치하고, 전계의 인가방향이 서로 90도의 각도를 이루도록 배치하면 된다. 하지만, KTN과 같은 반전대칭성을 가지는 단결정 재료의 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이, 편광에 의해 볼록렌즈로부터 오목렌즈로 렌즈 효과가 완전히 역전하는 경우가 있다. 구면렌즈를 실현하기 위하여, z축방향으로 전계가 진동하는 광을 제1 기본단위소자에 입사하고, z축방향으로 집광한 후에 이 광을 그대로 90도 회전한 제2 기본단위소자에 입사한다. 하지만, 이 구성에 따르면, y축방향으로는 발산되어 버려서 구면렌즈로서 기능하지 않는다.
구면렌즈로서 정상적으로 기능하게 하기 위하여, 제2 기본단위소자에 입사하기 전에 이 소자에 맞추어 편광방향도 90도 회전시켜야 한다. 그래서, 제1 기본단위소자와 제2 기본단위소자 사이에 편광회전소자를 삽입한 구조로 한다. 편광회전소자로는 여러가지 것이 있는데, 반파장판이 가장 일반적으로 사용된다.
반파장판은 서로 직교하는 2개의 편파 사이에 파장의 절반에 상당하는 위상 어긋남, 즉 π라디안 만큼의 위상 어긋남을 일으키는 광학소자이다. 전형적으로는 복굴절성 재료를 판형상으로 가공한 것으로 이루어진다. KTN과 같은 반전대칭성을 가지는 단결정 재료는 통상 복굴절은 아닌데, 전계를 일방향으로 인가함으로써 전계에 평행한 방향과 이것과 직교하는 방향에서 복굴절이 발생한다. 이러한 성질을 이용하여 KTN에 의해 반파장판을 구성할 수 있다.
도 7에 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변초점렌즈의 구성을 나타낸다. 2축 가변초점렌즈는 제1 기본단위소자(31)와 KTN 반파장팡(32)과 제2 기본단위소자(33)가 광축방향(x축)에 따라 직렬로 배치되어 있다. 제1 기본단위소자(31)와 제2 기본단위소자(33)는 광축에 대하여 수직으로 전계를 인가하고, 전계의 인가방향이 서로 90의 각도가 되도록 배치된다(도 7에서는 z축과 y축). KTN 반파장판(32)의 형상은 직육면체 형상이며, 서로 마주보는 2면의 면 위에 거의 전면에 걸쳐서 전극막이 형성되어 있다. 이 전극쌍에 전압을 인가함으로써, 이들 2면에 수직한 전계가 균일하게 형성된다. 이 전계의 방향이 제1 기본단위소자(31)와 제2 기본단위소자(33)의 전계의 인가방향에 대하여 45도의 각도를 이루도록 배치한다. 이에 의해, 제1 기본단위소자(31)를 투과한 광의 편광이 90도 회전한다.
반파장판도 상술한 기본단위소자인 원주 가변초점렌즈와 같게 KTN으로 구성하는 경우, 2개의 전기광학재료로 이루어지는 기판을 일체로 성형하고, 제1 기본단위소자(31)용 전극과 KTN 반파장판(32)용 전극과, 제2 기본단위소자(33)용 전극을 차례로 나열하여 설치한다. 이와 같이 하여 일체화한 구면 가변초점렌즈를 구성할 수도 있다.
(현미경)
이상, 본 실시예에 따른 가변초점렌즈에 대하여 설명하였는데, 현미경의 광학계에는 도 7에 나타낸 2축 가변초점렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 반파장판은 KTN이어도 되고, 일반적인 수정제, 운모제, 수지제 등이어도 된다.
도 8에 본 발명의 일실시예에 따른 현미경의 구성을 나타낸다. 현미경은 측정대상(41)으로부터 발하는 광을 렌즈(43)(대물렌즈)에 의해 평행광선으로 하고, 2축 가변초점렌즈(47)에 의해 초점을 조정하며, 더욱이 렌즈(44)에 의해 다시 집광한다. 집광한 점의 위치에 그 스폿직경과 같은 정도의 직경을 가지는 핀홀(45)을 두고, 투과한 광의 힘을 광검출기(46)로 측정한다.
2축 가변초점렌즈가 없는 경우에는, 도 1에 나타낸 것과 마찬가지로, 광선은 거의 평행광선으로 되어 있고, 아래의 검은 점의 측정대상(41)이 관측위치가 된다. 2축 가변초점렌즈(47)가 삽입되어 있어도, 오프인 상태(전압이 제로인 상태)에서는 평행광선은 그대로 평행광선으로서 투과하기 때문에, 마찬가지로 아래의 검은 점의 측정대상(41)이 관측위치가 된다. 여기서 2축 가변초점렌즈(47)에 전압을 걸면, 이 렌즈의 집광작용 때문에 광선은 도 8의 파선으로 나타낸 바와 같이 변하고, 그 결과 관측위치는 위쪽 측정대상(42)으로 이동한다.
이에 의해, 공초점 현미경의 높이방향의 주사에 대하여 주사속도가 향상되고, 기계적인 조작과 비교하면 최대 5자릿수 정도의 개선을 기대할 수 있다. 필요에 따라, 2축 가변초점렌즈(47)와 렌즈(44) 사이, 또는 렌즈(43)와 2축 가변초점렌즈(47) 사이에 2차원 빔 편향기를 삽입하면, 고속 3차원 조작이 가능해진다.
한편, 본 실시예는 공초점 현미경으로 한정되지 않고, 통상의 현미경의 광학계에 가변초점렌즈를 삽입하여도 된다. 통상의 광학계인 경우, 도 8의 광검출기와 핀홀은 필요하지 않고, 렌즈(44)에는 접안렌즈 등의 광학계를 사용하면 된다.
또한, 상기 현미경 설명에서는 2축 가변초점렌즈를 볼록렌즈라고 가정하여 설명하였는데, 당연히, 편광 변경 등에 의해 오목렌즈로 하여 사용하여도 된다.
실시예
도 2에 나타낸 바와 같이, 전기광학재료를 판형상으로 가공한 기판(11)의 상면 및 하면에 양극(12), 음극(13)을, 음극(14), 양극(15)을 형성한다. 기판(11)은 KTN 단결정으로부터 블록을 잘라내고, 7mm×7mm×(두께T=)4mm의 형상으로 성형한다. 기판(11)의 6면 모두 결정의 (100)면과 평행하게 하고, 광학연마를 한다. 이 KTN 단결정은 상전이온도가 35℃이었기 때문에, 이것을 조금 웃도는 40℃에서 사용한다. 이 온도에서의 비유전율은 20,000이다. 4개의 전극은 0.8mm×7mm의 띠형상이며, 동일면 상의 전극의 간격은 4mm로 한다. 2개의 전극쌍은 기판(11)의 7mm×7mm 면 위에 백금(Pt)을 증착하여 형성되어 있다. 전극의 각 변은 기판(11)의 변에 평행하다.
이 가변초점렌즈를 40℃로 온도제어한 상태에서, 평행하게 한(collimated) 레이저광을 입사한다. 광의 편광은 직선이고, 진동전계의 방향은 z축방향이다. 상하전극 사이에 1000V의 전압을 인가하면, 기판(11)으로부터 출사하는 광은 z축방향으로 집광되고, 원주 볼록렌즈로서 기능하다. 초점거리는 72cm이다. 여기서, 인가전압을 500V라고 하면, 집광효과는 작아지고, 초점거리는 290cm가 된다. 또한, 전압을 인가하지 않는 경우, 당연히 집광효과는 없고, 초점거리는 무한대이다. 따라서, 인가전압을 0V에서 1000V까지 바꿈으로써, 초점거리를 무한대에서 72cm까지 변화시킬 수 있다. 초점거리의 변경은 인가전압을 바꾸기만 하면 되기 때문에, 응답시간은 1㎲ 이하이고, 종래의 가변초점렌즈의 응답시간과 비교하여 3자릿수 이상 개선되었다.
또한, 광의 진행방향은 그대로 두고, 편광을 90도 회전시켜서 측정한다. 결국, 광의 진동전계 방향을 y축방향으로 한다. 이 경우, 오목렌즈로서 기능한다. 인가전압이 1000V일 때, 초점거리는 93cm이다. 따라서, 인가전압을 0V에서 1000V까지 변화시킴으로써, 초점거리를 무한대에서 93cm까지 변화시킬 수 있다.
이 가변초점렌즈 2개와 반파장판을 도 7에 나타낸 바와 같이 조합하여 2축 가변초점렌즈를 구성한다. 반파장판에는 수정제인 것을 사용한다. 2개의 가변초점렌즈는 같은 특성을 가지며, 또한 반파장판을 사이에 두고 근접하여 배치함으로써, 2개의 가변초점렌즈에 같은 전압을 가함으로써 통상의 구면렌즈와 마찬가지의 집광이 가능하다.
더욱이, 이 2축 가변초점렌즈를 도 9에 나타낸 광학계의 현미경에 조립한다. 렌즈(43)(대물렌즈)의 초점거리는 25mm이었다. 2개의 가변초점렌즈에 전압을 가하지 않은 상태에서 초점을 합하고, 그것에서부터 전압을 걸어가면, 핀트가 맞는 위치는 위쪽으로 이동한다. 인가전압이 1500V일 때, 측정대상의 관측위치가 원래의 위치로부터 1.5mm 위쪽으로 이동하였다. 또한, 초점의 위치를 1.5mm 이동하는데 필요한 시간도 1㎲ 이하를 실현할 수 있었다.
1, 2: 측정대상 3, 4: 렌즈
5: 핀홀 6: 광검출기
11: 기판 12, 15 : 양극
13, 14: 음극 16: 전기력선
17: 굴절율 변조곡선 21: 기판
22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b: 전극
31: 제1 기본단위소자 32: KTN 반파장판
33: 제2 기본단위소자 41, 42: 측정대상
43, 44:렌즈 45: 핀홀
46: 광검출기 47: 2축 가변초점렌즈

Claims (18)

  1. 반전대칭성을 가지는 단결정으로 이루어지는 전기광학재료와,
    상기 전기광학재료의 제1 면 위에 형성된 제1 양극과,
    상기 제1 면과 마주보는 제2 면 위에 형성되고, 상기 제1 양극과 마주보는 위치에 형성된 제1 음극과,
    상기 제1 면 위에 형성되고, 상기 제1 양극과 간격을 두고 배치된 제2 음극과,
    상기 제2 면 위에 형성되고, 상기 제2 음극과 마주보는 위치에 형성되며, 상기 제1 음극과 간격을 두고 배치된 제2 양극을 구비하고,
    상기 제1 면과 직교하는 제3 면으로부터 광을 입사시켰을 때, 상기 제1 양극 및 상기 제1 음극으로 이루어지는 제1 전극쌍 사이를 투과하고 나서, 상기 제2 양극 및 상기 제2 음극으로 이루어지는 제2 전극쌍 사이를 투과하여, 상기 제3 면과 마주보는 제4 면으로부터 광이 출사하도록 광축이 설정되고,
    상기 제1 및 제2 양극과 상기 제1 및 제2 음극은, 띠모양 형상을 가지고, 상기 제3 면과 평행한 길이방향의 변은 서로 모두 평행하며,
    상기 제1 및 제2 전극쌍 사이의 인가전압의 전압값을 바꿈으로써, 상기 전기광학재료의 상기 제4 면으로부터 출사된 광의 초점을 가변하는 것을 특징으로 하는 가변초점렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기광학재료는 페로브스카이트(Perovskite)형 단결정 재료인 것을 특징으로 하는 가변초점렌즈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기광학재료는 탄탈산 니오브산 칼륨(KTN:KTa1-xNbxO3, 0＜x＜1)인 것을 특징으로 하는 가변초점렌즈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기광학재료는 결정의 주성분이 주기율표 Ia족과 Va족으로 구성되어 있고, Ia족은 칼륨이고, Va족은 니오브, 탄탈 중 적어도 1개를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변초점렌즈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기광학재료는 또한 첨가불순물로서 칼륨을 제외한 주기율표 Ia족 또는 IIa족의 하나 또는 복수종을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변초점렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 양극과 상기 제1 및 제2 음극은, 상기 전기광학재료와 쇼트키 장벽접합(schottky barrier junction)이 형성되는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변초점렌즈.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 양극과 상기 제2 음극 사이의 간격을 G, 상기 전기광학재료의 두께를 T라고 하면, G＜1.5T인 것을 특징으로 하는 가변초점렌즈.
  9. 반전대칭성을 가지는 단결정으로 이루어지는 전기광학재료와,
    상기 전기광학재료의 표면에 형성된 2N개의 전극을 구비하고,
    1≤k≤N-1일 때, 상기 전기광학재료의 제1 면 위에 형성되고, 광의 입사측으로부터 k번째 전극을 k번째 양극으로 하고, 상기 제1 면과 마주보는 제2 면 위에 형성되고, 상기 k번째 양극과 마주보는 위치에 형성된 전극을 k번째 음극으로 하고,
    상기 제1 면 위에 형성되고, 상기 k번째 양극과 간격을 두고 배치된 전극을 k+1번째 음극으로 하고, 상기 제2 면 위에 형성되고, 상기 k+1번째 음극과 마주보는 위치에 형성되고, 상기 k+1번째 음극과 간격을 두고 배치된 전극을 k+1번째 양극으로 하고,
    상기 제1 면과 직교하는 제3 면으로부터 광을 입사시켰을 때, 상기 k번째 양극 및 상기 k번째 음극으로 이루어지는 전극쌍의 사이와, N번째 양극 및 N번째 음극으로 이루어지는 전극쌍의 사이를 투과하여, 상기 제3 면과 마주보는 제4 면으로부터 광이 출사하도록 광축이 설정되고,
    N개의 양극 및 N개의 음극은, 띠모양 형상을 가지고, 상기 제3 면과 평행한 길이방향의 변은 서로 모두 평행하며,
    상기 k번째 및 N번째 사이의 인가전압의 전압값을 바꿈으로써, 상기 전기광학재료의 상기 제4 면으로부터 출사된 광의 초점을 가변하는 것을 특징으로 하는 가변초점렌즈
  10. 광학계에 가변초점렌즈를 포함하는 현미경으로서,
    상기 가변초점렌즈는, 제1 기본단위소자와 반파장판과 제2 기본단위소자가 광축방향에 따라 직렬로 배치되고, 상기 제1 기본단위소자와 상기 제2 기본단위소자는 광축에 대하여 수직으로 전계를 인가하고, 전계의 인가방향이 서로 90도의 각도를 이루도록 배치되며, 상기 반파장판은 상기 제1 기본단위소자와 상기 제2 기본단위소자의 전계의 인가방향에 대하여 45도의 각도를 이루도록 배치되고,
    상기 제1 및 제2 기본단위소자는 각각,
    반전대칭성을 가지는 단결정으로 이루어지는 전기광학재료와,
    상기 전기광학재료의 제1 면 위에 형성된 제1 양극과,
    상기 제1 면과 마주보는 제2 면 위에 형성되고, 상기 제1 양극과 마주보는 위치에 형성된 제1 음극과,
    상기 제1 면 위에 형성되고, 상기 제1 양극과 간격을 두고 배치된 제2 음극과,
    상기 제2 면 위에 형성되고, 상기 제2 음극과 마주보는 위치에 형성되며, 상기 제1 음극과 간격을 두고 배치된 제2 양극을 구비하고,
    상기 제1 면과 직교하는 제3 면으로부터 광을 입사시켰을 때, 상기 제1 양극 및 상기 제1 음극으로 이루어지는 제1 전극쌍의 사이를 투과하고 나서, 상기 제2 양극 및 상기 제2 음극으로 이루어지는 제2 전극쌍의 사이를 투과하여, 상기 제3 면과 마주보는 제4 면으로부터 광이 출사하도록 광축이 설정되고,
    상기 제1 및 제2 양극과 상기 제1 및 제2 음극은, 띠모양 형상을 가지고, 상기 제3 면과 평행한 길이방향의 변은 서로 모두 평행하며,
    상기 제1 및 제2 전극쌍 사이의 인가전압의 전압값을 바꿈으로써, 상기 전기광학재료의 상기 제4 면으로부터 출사된 광의 초점을 가변하는 것을 특징으로 하는 현미경.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기광학재료는 페로브스카이트형 단결정 재료인 것을 특징으로 하는 현미경.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전기광학재료는 탄탈산 니오브산 칼륨(KTN:KTa1-xNbxO3, 0＜x＜1)인 것을 특징으로 하는 현미경.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 전기광학재료는 결정의 주성분이 주기율표 Ia족과 Va족으로 구성되어 있고, Ia족은 칼륨이고, Va족은 니오브, 탄탈 중 적어도 1개를 포함하는 것을 특징으로 하는 현미경.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전기광학재료는 또한 첨가불순물로서 칼륨을 제외한 주기율표 Ia족 또는 IIa족의 하나 또는 복수종을 포함하는 것을 특징으로 하는 현미경.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 양극과 상기 제1 및 제2 음극은, 상기 전기광학재료와 쇼트키 장벽접합이 형성되는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 현미경.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 양극과 상기 제2 음극 사이의 간격을 G, 상기 전기광학재료의 두께를 T라고 하면, G＜1.5T인 것을 특징으로 하는 현미경.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기본단위소자는 각각, 상기 전기광학재료의 표면에 형성된 2N개의 전극을 구비하고,
    1≤k≤N-1일 때, 상기 전기광학재료의 제1 면 위에 형성되고, 광의 입사측으로부터 k번째 전극을 k번째 양극으로 하고, 상기 제1 면과 마주보는 제2 면 위에 형성되고, 상기 k번째 양극과 마주보는 위치에 형성된 전극을 k번째 음극으로 하고,
    상기 제1 면 위에 형성되고, 상기 k번째 양극과 간격을 두고 배치된 전극을 k+1번째 음극으로 하고, 상기 제2 면 위에 형성되고, 상기 k+1번째 음극과 마주보는 위치에 형성되고, 상기 k+1번째 음극과 간격을 두고 배치된 전극을 k+1번째 양극으로 하고,
    상기 제1 면과 직교하는 제3 면으로부터 광을 입사시켰을 때, 상기 k번째 양극 및 상기 k번째 음극으로 이루어지는 전극쌍의 사이와, N번째 양극 및 N번째 음극으로 이루어지는 전극쌍의 사이를 투과하여, 상기 제3 면과 마주보는 제4 면으로부터 광이 출사하도록 광축이 설정되고,
    N개의 양극 및 N개의 음극은, 띠모양 형상을 가지고, 상기 제3 면과 평행한 길이방향의 변은 서로 모두 평행하며,
    상기 k번째 및 N번째 사이의 인가전압의 전압값을 바꿈으로써, 상기 전기광학재료의 상기 제4 면으로부터 출사된 광의 초점을 가변하는 것을 특징으로 하는 현미경.
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