WO2010143449A1 - 可変焦点レンズおよび顕微鏡 - Google Patents

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WO2010143449A1
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anode
cathode
electro
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light
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PCT/JP2010/003908
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今井欽之
笹浦正弘
宮津純
八木生剛
豊田誠治
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日本電信電話株式会社
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    • G02B13/0055—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras employing a special optical element
    • G02B13/0075—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras employing a special optical element having an element with variable optical properties
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    • G02F1/294—Variable focal length devices

Definitions

  • the present invention relates to a variable focus lens and a microscope, and more particularly to a variable focus lens whose focal length can be changed by using an optical material having an electro-optic effect, and a microscope including the same.
  • optical components such as optical lenses and prisms are optical devices such as cameras, microscopes, and telescopes, electrophotographic recording devices such as printers and copiers, optical recording devices such as DVDs, optical devices for communication, industrial use, etc. It is used for.
  • a normal optical lens has a fixed focal length.
  • a lens that can adjust the focal length according to the situation a so-called variable focus lens may be used in the above-described devices and apparatuses.
  • the conventional variable focus lens mechanically adjusts the focal length by combining a plurality of lenses.
  • such a mechanical variable focus lens has a limit in extending the application range from the viewpoint of response speed, manufacturing cost, miniaturization, power consumption, and the like.
  • variable focus lens in which a material capable of changing the refractive index is applied to the transparent medium constituting the optical lens, a variable focus lens that mechanically deforms the shape of the optical lens, instead of moving the position of the optical lens, etc. It was issued.
  • a variable focus lens using liquid crystal as an optical lens As the former variable focus lens, a variable focus lens using liquid crystal as an optical lens has been proposed.
  • This variable focus lens contains liquid crystal in a container made of a transparent material, for example, a glass plate. The inside of this container is processed on a spherical surface, and the liquid crystal is formed into a lens shape. Further, a transparent electrode is provided inside the container, and the electric field applied to the liquid crystal can be controlled by changing the voltage applied to the electrode. Accordingly, the refractive index of the liquid crystal can be controlled by voltage, and the focal length can be variably controlled (see, for example, Patent Document 1).
  • variable focus lens liquid is often used as the material of the deformable lens.
  • the variable focus lens described in Non-Patent Document 1 has a structure in which a liquid such as silicon oil is enclosed in a space sandwiched between glass plates. The glass plate is thinly processed. By applying pressure to the glass plate from the outside with a lead zirconate titanate (PZT) piezo actuator, the lens composed of the oil and the entire glass plate is deformed, and the focal position is adjusted. Control.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the microscope is a device that can be expected to be applied practically by introducing a variable focus lens. Since the microscope uses an objective lens with a high NA (numerical aperture), the depth of field is very shallow. Therefore, when a three-dimensional object is observed as a measurement target, only a partial region of the three-dimensional object that matches the focal height can be observed simultaneously. In order to obtain an overall image of the three-dimensional object, it is necessary to observe the lens system or the stage on which the measurement object is placed while moving it up and down little by little. In addition, a technique has been established in which an image is captured at a certain height while moving the stage, a plurality of captured images are processed, and a stereoscopic image is synthesized.
  • the range of use of confocal microscopes has expanded among microscopes.
  • the principle of the confocal microscope will be described with reference to FIG.
  • the light emitted from the measuring object 1 is converted into parallel rays by a lens 3 (usually called an objective lens), and further condensed by a lens 4.
  • a pinhole 5 having a diameter approximately equal to the spot diameter is placed at the position of the condensed point, and the power of the transmitted light is measured by the photodetector 6.
  • the measurement object 2 is directly below the measurement object 1.
  • the light emitted from the measuring object 2 is condensed below the position of the pinhole 5 after passing through the lenses 3 and 4 as shown by the broken line in FIG.
  • the light emitted from the measuring object 2 spreads again when it reaches the height of the pinhole, and the light component transmitted through the pinhole 5 is remarkably reduced. That is, in this system, only an optical signal emitted from the position of the measuring object 1 can be detected.
  • variable focus lens a variable focus lens that mechanically adjusts the focal length
  • a variable focus lens that controls the refractive index by applying an electric field to liquid crystal a variable focus lens that controls the refractive index by applying an electric field to liquid crystal
  • a variable focus lens that deforms the lens by a PZT piezo actuator are used as a variable focus lens.
  • the response speed required to change the focal length is limited, and cannot be applied to a high-speed response of 1 ms or less, and it is difficult to capture a high-speed phenomenon.
  • An object of the present invention is to provide a variable focus lens that can change the focal length at high speed, and thereby provide a microscope that can measure a three-dimensional object including information in the height direction at high speed. There is to do.
  • an embodiment of a variable focus lens according to the present invention is formed on an electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry and a first surface of the electro-optic material.
  • the first anode, the first cathode formed on the second surface facing the first surface, and formed on the first surface at a position facing the first anode, and formed on the first surface
  • a second electrode consisting of the second anode and the second cathode after passing between one electrode pair
  • the optical axis is set so that light is emitted from the fourth surface opposite to the third surface.
  • the focal point of the light emitted from the fourth surface of the electro-optic material is variable.
  • One embodiment of the microscope according to the present invention is a microscope including a variable focus lens in an optical system, and the variable focus lens includes a first basic unit element, a half-wave plate, and a second basic unit element.
  • the first basic unit element and the second basic unit element Arranged in series along the optical axis direction, the first basic unit element and the second basic unit element apply an electric field perpendicular to the optical axis, and the application directions of the electric fields are 90 degrees to each other.
  • the half-wave plate is disposed at an angle of 45 degrees with respect to the direction of application of the electric field of the first basic unit element and the second basic unit element, and the half-wave plate is disposed at an angle of 45 degrees.
  • Each of the first and second basic unit elements includes an electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry, a first anode formed on a first surface of the electro-optic material, and the first Formed on a second surface opposite to the first surface and facing the first anode A first cathode formed on the first surface; a second cathode spaced apart from the first anode; and formed on the second surface; A second anode formed at a position facing the second cathode and spaced from the first cathode, and allows light to enter from a third surface orthogonal to the first surface; Between the first electrode pair consisting of the first anode and the first cathode, and then passing between the second electrode pair consisting of the second anode and the second cathode. The optical axis is set such that light is transmitted from the fourth surface opposite to the third surface, and the applied voltage between the first and second electrode pairs is changed, whereby the electric The focal point of the light emitted from the fourth surface of the optical material
  • an electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry and 2N electrodes formed on the surface of the electro-optic material are provided.
  • a variable focus lens capable of changing the focal length at high speed can be realized.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of a conventional confocal microscope
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a variable focus lens according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the variable focus lens according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of optical path length modulation of the variable focus lens according to the first embodiment
  • FIG. 5 is a diagram showing the electrode spacing dependency of the focal length of the variable focus lens according to the first embodiment
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a variable focus lens according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a variable focus lens according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a microscope according to one embodiment of the present invention.
  • variable focus lens of this embodiment is composed of an electro-optic material and an electrode attached thereto. By utilizing the electro-optic effect, a much faster response speed can be obtained as compared with a conventional variable focus lens.
  • FIG. 2 shows the configuration of the variable focus lens according to the first embodiment of the present invention.
  • Four strip-shaped electrodes are formed on the upper surface (first surface) and the lower surface (second surface) of the substrate 11 obtained by processing the electro-optic material into a plate shape.
  • An anode 12 (first anode) is disposed as an upper electrode on the light incident side
  • a cathode 13 (first cathode) is disposed as a lower electrode across the substrate 11.
  • another pair of electrodes is arranged on the light emission side with a distance from these electrode pairs, the upper electrode is the cathode 14 (second cathode), and the lower electrode is the anode 15 (second anode).
  • the four strip-shaped electrodes have a shape in which all the sides in the longitudinal direction are parallel.
  • a voltage is applied between the anode and the cathode.
  • the direction of applying a voltage is opposite between the light incident side electrode pair and the light emission side electrode pair.
  • the potentials of the anode 12 and the anode 15 may be different, and the potentials of the cathode 13 and the cathode 14 are the same.
  • the lower potential of the anodes 12 and 15 is set to be higher than the higher potential of the cathodes 13 and 14.
  • the element shown in FIG. 2 is a cylindrical variable focus lens, and is a basic unit constituting various lenses.
  • the material of the substrate 11 is characterized by using a material made of a crystal having inversion symmetry among materials having an electro-optic effect, and the reason will be described later.
  • FIG. 3 shows a state in which the side surface of the variable focus lens shown in FIG. 2 is viewed from the y-axis direction.
  • the substrate 11 has a uniform refractive index when no voltage is applied to the four electrodes, so that the light is transmitted without being modulated. Therefore, there is no lens function.
  • the wavefront of the light emitted from the substrate 11 remains a plane, and it can be regarded as a lens with an infinite focal length considering that the radius of curvature is infinite.
  • FIG. 3 schematically shows a refractive index modulation curve 17 representing a distribution of refractive index change.
  • the vertical axis of the refractive index modulation curve is the z-axis coordinate, and the horizontal axis is the refractive index change ⁇ n from when no voltage is applied.
  • FIG. 3 shows that the refractive index changes in the negative direction as a whole, but the modulation is large in the vicinity of the surface of the substrate 11, and therefore the refractive index change ⁇ n is small.
  • the modulation is small in the vicinity of the central portion, and thus the refractive index change ⁇ n is larger than that in the vicinity of the surface.
  • the speed of light near the surface is higher than the speed of light at the center of the substrate 11, so that it functions as a convex lens. That is, the focal point moves from an infinite focal length when no voltage is applied to a finite focal length.
  • the electro-optic effect includes several different-order electro-optic effects, but generally, a first-order electro-optic effect (hereinafter referred to as Pockels effect) is used.
  • a first-order electro-optic effect hereinafter referred to as Pockels effect
  • the refractive index change is proportional to the electric field. 2 and 3, the direction of the electric field is reversed between the anode 12 and the cathode 13, and between the cathode 14 and the anode 15, and the refractive index distribution is also reversed. Therefore, when the Pockels effect is used, when light passes between these two electrode pairs, the deflection of the light due to the refractive index distribution is canceled out between positive and negative, and the function as a lens is not achieved.
  • the refractive index change is proportional to the square of the electric field. Therefore, even if the direction of the electric field is reversed between the anode 12 and the cathode 13 and between the cathode 14 and the anode 15, the refractive index distribution is the same, so that the light deflection is canceled out. We will strengthen each other.
  • electro-optic materials do not have inversion symmetry and exhibit the Pockels effect.
  • some electro-optic materials have inversion symmetry, do not exhibit the Pockels effect, and the Kerr effect is dominant. Accordingly, it is important to use a material having inversion symmetry as the electro-optic material constituting the substrate 11 of the present embodiment.
  • a single crystal having inversion symmetry refers to a crystal that has the same arrangement as the original arrangement of atoms when the arrangement of atoms is reversed in the x, y, z coordinate system around a certain origin.
  • a crystal having spontaneous polarization is inverted on the coordinate axis, the direction of spontaneous polarization is inverted, so that such a crystal cannot be said to have inversion symmetry. Therefore, since the ferroelectric has spontaneous polarization, it does not have inversion symmetry.
  • the perovskite type single crystal material becomes a cubic crystal having a reversal symmetry in the crystal structure in the use state if the use temperature is appropriately selected.
  • the Pockels effect is not expressed and the Kerr effect is dominant.
  • the most well-known barium titanate (BaTiO 3 , hereinafter referred to as BT) undergoes a phase transition from a tetragonal phase to a cubic phase at around 120 ° C. If the temperature exceeds the phase transition temperature (hereinafter referred to as the phase transition temperature), the crystal structure of BT becomes cubic and exhibits the Kerr effect.
  • a single crystal material mainly composed of potassium tantalate niobate (KTN: KTa 1-x Nb x O 3 , 0 ⁇ x ⁇ 1) has more preferable characteristics.
  • BT has a predetermined phase transition temperature
  • KTN can select a phase transition temperature depending on the composition ratio of tantalum and niobium.
  • the phase transition temperature can be set near room temperature.
  • KTN has a cubic phase at a temperature higher than the phase transition temperature, has inversion symmetry, and has a large Kerr effect. Even in the same cubic phase, the Kerr effect becomes overwhelmingly closer to the phase transition temperature. For this reason, setting the phase transition temperature around room temperature is very important for easily realizing a large Kerr effect.
  • the main component of the crystal is composed of periodic group Ia group and Va group, group Ia is potassium, and group Va includes at least one of niobium and tantalum. Materials can be used. Moreover, 1 or multiple types of periodic table group Ia except potassium as an additional impurity, for example, lithium, or IIa group can also be included.
  • a cubic phase KLTN K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 , 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1) crystal may be used.
  • optical path length modulation The optical path length modulation will be described in detail for the case of KTN.
  • the refractive index modulation [Delta] n y and [Delta] n z where light feel, It becomes different.
  • n 0 is a refractive index before modulation
  • s 11 and s 12 are electro-optic coefficients.
  • s 11 whereas a positive value, s 12 has a negative value, it has larger s 11 absolute value.
  • the characteristic of the lens is evaluated by an optical path length modulation ⁇ s obtained by integrating the change in refractive index over the light traveling path (length L) as in the following equation.
  • FIG. 4 shows an example of optical path length modulation of the variable focus lens according to the first embodiment.
  • the distribution of the optical path length modulation ⁇ s y and ⁇ s z is obtained by numerical calculation.
  • the relative dielectric constant is 20,000
  • the length L of the substrate 11 is 7 mm
  • the thickness of the substrate in the z-axis direction is 4 mm
  • the width of the four electrodes is 0.8 mm
  • the distance between the electrodes on the same plane is 4 mm
  • the voltage is It was calculated as 1000V.
  • the horizontal axis in FIG. 4 indicates the z coordinate shown in FIG. 2, and the origin is at the center of the substrate 11.
  • the distribution of ⁇ s y has a downwardly convex curve, which indicates that this element functions as a cylindrical concave lens.
  • the distribution of ⁇ s z forms an upwardly convex curve, indicating that this element functions as a cylindrical convex lens.
  • this element may become a convex lens or a concave lens depending on the polarization.
  • the anode 12 and the cathode 14 are disposed on the upper surface of the substrate 11, and the cathode 13 and the anode 15 are disposed on the lower surface.
  • the upper electrode is an anode and the lower electrode is both a cathode is conceivable.
  • This configuration also functions as a variable focus lens, but the first embodiment is superior in the following points.
  • the limit where the electrode interval is narrowed does not cause the electrodes to be integrated. If the electrode interval is reduced in the first embodiment, the electric field increases, so that the lens effect increases.
  • FIG. 5 shows the electrode spacing dependency of the focal length of the variable focus lens according to the first embodiment.
  • the focal length obtained by numerical calculation is plotted as a function of electrode spacing.
  • the length of the substrate 11 was increased or decreased by the same amount simultaneously with the increase or decrease of the electrode interval.
  • the electric field of light is in the z-axis direction.
  • the smaller the focal length of the vertical axis the stronger the degree of light collection and the greater the effect.
  • the plots with squares indicate that both the upper electrodes are anodes and the lower electrodes are both cathodes, and the effect deteriorates when the electrode spacing is small. Plots in the case of the first embodiment are more effective when the electrode spacing is small.
  • the configuration of the first embodiment is advantageous when the electrode interval is smaller than 1.5 times the thickness (6 mm).
  • KTN when used, it can be used as a convex lens or a concave lens as long as the polarization is changed.
  • an electric field is applied to an electro-optic crystal, its physical shape changes due to a piezoelectric effect or an electrostrictive effect.
  • the piezoelectric effect is a phenomenon in which strain is proportional to the applied electric field
  • the electrostrictive effect is a phenomenon in which strain is proportional to the square of the applied electric field.
  • the change in the physical shape is represented by the sum of the piezoelectric effect and the electrostrictive effect.
  • an electro-optic material having inversion symmetry has only an electrostrictive effect because a piezoelectric effect does not occur. Due to this electrostrictive effect, the refractive index distribution may slightly deviate from the distribution obtained from the above-described calculation of the electric field distribution.
  • ⁇ n z (or optical path length s z ) is less shifted between the calculated value and the actual value than ⁇ n y (or optical path length s y ). That is, according to the electrode configuration of the first embodiment, the z component of the electric field increases as a whole, but the refractive index distribution as calculated is better when the oscillating electric field of light is aligned parallel to the z axis. It is suitable because it is easy to match. Of course, the x component of the electric field also increases, but the oscillating electric field of the light cannot be made parallel to the x axis in the optical axis setting of the first embodiment.
  • Electrode material When a high voltage is applied to the electro-optic material, charges are injected from the electrodes, and space charges can be generated in the crystal. This space charge causes a gradient in the magnitude of the electric field in the direction in which the voltage is applied. Therefore, in order to obtain a desired refractive index distribution for causing the electro-optic material to function as a lens, or to prevent the light transmitted through the electro-optic material from being deflected, when a voltage is applied to the substrate 11, It is better that no space charge is formed inside the substrate 11.
  • the carrier injection efficiency injected from the electrode should be small.
  • the electrode is preferably a material that forms a Schottky junction with the electro-optic material.
  • the work function of the electrode material is preferably 5.0 eV or more.
  • an electrode material having a work function of 5.0 eV or more Co (5.0), Ge (5.0), Au (5.1), Pd (5.12), Ni (5.15), Ir (5.27), Pt (5.65), Se (5.9) can be used.
  • the parentheses indicate work functions, and the unit is eV.
  • the work function of the electrode material is preferably less than 5.0 eV in order to suppress the injection of holes.
  • Ti (3.84) or the like can be used as an electrode material having a work function of less than 5.0 eV. Since the Ti single-layer electrode is oxidized and becomes high resistance, generally, the Ti layer and the electro-optic crystal are bonded using an electrode in which Ti / Pt / Au are sequentially laminated. Furthermore, transparent electrodes such as ITO (Indium Tin Oxide) and ZnO can also be used.
  • FIG. 6 shows a variable focus lens according to a second embodiment of the present invention.
  • This is a configuration in which the basic units described above are arranged in series along the optical axis direction.
  • a plurality of electrodes 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b,... are arranged on one substrate 21, and opposite voltages are applied to electrode pairs adjacent to each other.
  • the number of electrode pairs may be even or odd as long as it is two or more.
  • the polarization direction In order to function normally as a spherical lens, the polarization direction must also be rotated by 90 degrees in accordance with this element before entering the second basic unit element. Therefore, a structure is adopted in which a polarization rotation element is inserted between the first basic unit element and the second basic unit element. There are various polarization rotation elements, but a half-wave plate is most commonly used.
  • the half-wave plate is an optical element that generates a phase shift corresponding to half the wavelength, that is, a phase shift of only ⁇ radians, between two polarized waves orthogonal to each other.
  • it consists of a birefringent material processed into a plate shape.
  • a single crystal material having inversion symmetry such as KTN usually does not have birefringence.
  • birefringence occurs in a direction parallel to the electric field and in a direction perpendicular thereto. .
  • a half-wave plate can be formed by KTN.
  • FIG. 7 shows the configuration of a variable focus lens according to the third embodiment of the present invention.
  • a first basic unit element 31 a KTN half-wave plate 32, and a second basic unit element 33 are arranged in series along the optical axis direction (x-axis).
  • the first basic unit element 31 and the second basic unit element 33 are arranged such that an electric field is applied perpendicularly to the optical axis, and the direction in which the electric field is applied makes an angle of 90 degrees with each other (FIG. 7).
  • z-axis and y-axis The shape of the KTN half-wave plate 32 is a rectangular parallelepiped shape, and an electrode film is formed over almost the entire surface on two surfaces facing each other.
  • an electric field perpendicular to these two surfaces is uniformly formed.
  • the direction of the electric field is arranged so as to form an angle of 45 degrees with respect to the direction of application of the electric field of the first basic unit element 31 and the second basic unit element 33.
  • the polarization of the light transmitted through the first basic unit element 31 is rotated by 90 degrees.
  • the half-wave plate is also made of KTN like the cylindrical variable focus lens that is the basic unit element described above, a substrate made of two electro-optic materials is integrally molded, and an electrode for the first basic unit element 31; An electrode for the KTN half-wave plate 32 and an electrode for the second basic unit element 33 are attached in order. In this way, an integrated spherical variable focus lens can be configured.
  • the half-wave plate may be KTN, or may be made of general quartz, mica, resin, or the like.
  • FIG. 8 shows a configuration of a microscope according to an embodiment of the present invention.
  • the microscope converts light emitted from the measurement object 41 into parallel rays by the lens 43 (objective lens), adjusts the focus by the biaxial variable focus lens 47, and collects the light again by the lens 44.
  • a pinhole 45 having a diameter approximately equal to the spot diameter is placed at the position of the condensed point, and the power of the transmitted light is measured by the photodetector 46.
  • the light beam When there is no biaxial variable focus lens, the light beam is almost a parallel light beam as shown in FIG. 1, and the measurement object 41 in the lower black circle is the observation position. Even if the biaxial varifocal lens 47 is inserted, in the off state (voltage is zero), the parallel light beam is transmitted as it is as a parallel light beam, so that the measurement object 41 of the lower black circle is also the observation position.
  • the biaxial variable focus lens 47 when a voltage is applied to the biaxial variable focus lens 47, the light beam changes as indicated by the broken line in FIG. 8 due to the condensing action of this lens, and as a result, the observation position moves to the upper measurement object 42. To do.
  • this embodiment is not limited to a confocal microscope, You may insert a variable focus lens in the optical system of a normal microscope.
  • the photodetector and the pinhole in FIG. 8 are unnecessary, and the lens 44 may be an optical system such as an eyepiece.
  • the description has been made on the assumption that the biaxial variable focus lens is a convex lens, but naturally, it may be used as a concave lens by changing the polarization.
  • the anode 12, the cathode 13, the cathode 14, and the anode 15 are formed on the upper and lower surfaces of the substrate 11 obtained by processing the electro-optic material into a plate shape.
  • the four electrodes have a strip shape of 0.8 mm ⁇ 7 mm, and the distance between the electrodes on the same plane is 4 mm.
  • the two electrode pairs are formed by evaporating platinum (Pt) on a 7 mm ⁇ 7 mm surface of the substrate 11. Each side of the electrode is parallel to the side of the substrate 11.
  • the collimated laser light is incident on the variable focus lens while the temperature is controlled at 40 ° C.
  • the polarization of light is a straight line, and the direction of the oscillating electric field is the z-axis direction.
  • the focal length is 72 cm.
  • the applied voltage is 500 V
  • the light condensing effect is reduced and the focal length is 290 cm.
  • the focal length can be changed from infinity to 72 cm by changing the applied voltage from 0V to 1000V. Since changing the focal length only changes the applied voltage, the response time is 1 ⁇ s or less, which is an improvement of three orders of magnitude or more compared to the response time of the conventional variable focus lens.
  • the measurement is performed by rotating the polarized light by 90 degrees while maintaining the traveling direction of the light. That is, the direction of the oscillating electric field of light is the y-axis direction. In this case, it functions as a concave lens.
  • the applied voltage is 1000 V
  • the focal length is 93 cm. Therefore, the focal length can be changed from infinity to 93 cm by changing the applied voltage from 0V to 1000V.
  • the two variable focus lenses and the half-wave plate are combined as shown in FIG. 7 to form a biaxial variable focus lens.
  • a half-wave plate made of quartz is used.
  • the two varifocal lenses have the same characteristics, and are arranged close to each other with a half-wave plate interposed therebetween, so that the same voltage is applied to the two varifocal lenses, thereby collecting the same as a normal spherical lens. Light is possible.
  • this biaxial variable focus lens is incorporated into the microscope of the optical system shown in FIG.
  • the focal length of the lens 43 was 25 mm.
  • the focused position moves upward.
  • the applied voltage was 1500 V
  • the observation position of the measurement object moved upward by 1.5 mm from the original position.
  • the time required to move the focal point position by 1.5 mm can also be realized at 1 ⁇ s or less.

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Abstract

　焦点距離の変更を高速に行うことができる可変焦点レンズを提供する。反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極および前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極および前記第２の陰極と向かい合う位置に形成された第１の陰極および第２の陽極とを備え、前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、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、前記第４の面から出射された光の焦点を可変する。

Description

可変焦点レンズおよび顕微鏡
　本発明は、可変焦点レンズおよび顕微鏡に関し、より詳細には、電気光学効果を有する光学材料を用いて、焦点距離を変更可能とした可変焦点レンズと、これを備えた顕微鏡とに関する。
　従来、光学レンズ、プリズムなどの光学部品は、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等に用いられている。通常の光学レンズは、焦点距離が固定されているが、上述の機器、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、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適用した可変焦点レンズ、光学レンズの位置を動かすのではなく、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などが考え出された。前者の可変焦点レンズとして、光学レンズとして液晶を利用した可変焦点レンズが提案されている。この可変焦点レンズは、透明物質でできた容器、例えばガラス板により液晶を封じ込めている。この容器の内側は球面上に加工されており、液晶はレンズ形状に成形されている。さらに容器の内側には、透明電極が設けられており、この電極に印加する電圧を変えることにより、液晶にかかる電界を制御することができる。これにより液晶の屈折率を電圧で制御することができ、焦点距離を可変制御することができる（例えば、特許文献１参照）。
　後者の可変焦点レンズとして、変形するレンズの材料は、液体が用いられることが多い。例えば、非特許文献１に記載された可変焦点レンズは、ガラス板に挟まれた空間に、シリコンオイルなどの液体を封入した構造を有している。ガラス板は、薄く加工されており、外部からチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ピエゾアクチュエータによって、ガラス板に圧力をかけることにより、オイルとガラス板全体で構成されるレンズを変形させ、焦点位置を制御する。この可変焦点レンズの動作原理は、眼球の水晶体と同じである。
　上述の光学機器の中でも、顕微鏡は、可変焦点レンズの導入により、実用的な応用が期待できる機器である。顕微鏡は、高いＮＡ（開口数）の対物レンズを用いるため、被写界深度が非常に浅い。そのため、測定対象として立体物を観測する場合には、焦点高さに合う、立体物の一部の領域のみしか同時に観測することができない。立体物の全体像を得るためには、レンズ系または測定対象を乗せたステージを上下に少しずつ動かしながら観測することが必要である。また、ステージを動かしながら、一定の高さごとに画像を撮影し、撮影された複数の画像を処理して、立体像を合成する技術も確立されつつある。
　近年、顕微鏡の中でも、共焦点顕微鏡の利用範囲が拡大してきている。図１を参照して、共焦点顕微鏡の原理を説明する。この系では、測定対象１から発する光を、レンズ３（通常、対物レンズと呼ぶ）により平行光線にし、さらにレンズ４により再び集光する。集光した点の位置に、そのスポット径と同程度の直径のピンホール５をおき、透過した光のパワーを光検出器６で測定する。このとき、測定対象１の真下に測定対象２がある場合を考える。測定対象２から発した光は、図１の破線で示したように、レンズ３，４を透過した後、ピンホール５の位置よりも下に集光される。測定対象２から発した光は、ピンホールの高さに達したときには再び広がっており、ピンホール５を透過する光成分は、著しく少なくなる。すなわち、この系では測定対象１の位置から発した光信号のみを検出できるようになっている。
　通常の顕微鏡では、測定対象の上下に光を発する別の物体がある場合、それらの物体からの光が、測定対象からの光にノイズとして重畳されるため、測定対象のみの情報を引き出すことは困難である。一方、共焦点顕微鏡では、光学系の配置を調整することにより、測定対象の情報のみを効率的に採取することが可能となる。ただし、同時に採取できる情報は、図１の測定対象１の位置にある物体のみであるため、物体の全体像を得るためには、物体を上下左右に少しずつ移動しながら３次元のデータ収集する必要がある。左右の移動については、ガルバノミラーのような、光線の向きを高速に偏向する部品（光偏向器）を使って、測定対象の物体自体を動かさずに測定する装置が存在する。しかし、上下の移動については、測定対象の物体を機械的に動かすことが一般的であった。
　しかしながら、共焦点顕微鏡を含む従来の顕微鏡において、測定対象物を乗せたステージを上下に機械的に動かしながら一連の測定を行う場合、全てのデータを取得するには、時間がかかった。そこで、ステージを動かす代わりに、可変焦点レンズで焦点を電気的に制御できれば、計測の精度は上がり、さらに、走査速度の向上も期待できる。
　可変焦点レンズとして、従来から、機械的に焦点距離を調整する可変焦点レンズ、液晶に電界をかけて屈折率を制御する可変焦点レンズ、およびＰＺＴピエゾアクチュエータによりレンズを変形させる可変焦点レンズなどを用いることができた。しかし、いずれも、焦点距離を変更するのに要する応答速度には限界があり、１ｍｓ以下の高速応答には適用することができず、高速な現象を捕らえることが困難であった。
　本発明の目的は、焦点距離の変更を高速に行うことができる可変焦点レンズを提供し、それによって、高さ方向の情報を含めた立体物の測定を、高速に行うことができる顕微鏡を提供することにある。
特開平１１－０６４８１７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
　このような目的を達成するために、本発明にかかる可変焦点レンズの一実施態様は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、前記第２の面上に形成され、前記第２の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陽極とを備え、前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、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、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする。
　本発明にかかる顕微鏡の一実施態様は、光学系に可変焦点レンズを含む顕微鏡であって、該可変焦点レンズは、第１の基本単位素子と半波長板と第２の基本単位素子とが、光軸方向に沿って直列に配置され、前記第１の基本単位素子と前記第２の基本単位素子とは、光軸に対して垂直に電界を印加し、電界の印加方向が互いに９０度の角度をなすように配置され、前記半波長板は、前記第１の基本単位素子と前記第２の基本単位素子の電界の印加方向に対して、４５度の角度をなすように配置され、前記第１および第２の基本単位素子の各々は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、前記第２の面上に形成され、前記第２の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陽極とを備え、前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、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、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする。
　以上説明したように、本発明によれば、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、電気光学材料の表面に形成された２Ｎ個の電極とを備え、互いに隣り合う電極対には反対の電圧を印加し、電極対の間の印加電圧を変えることにより、焦点距離の変更を高速に行うことができる可変焦点レンズを実現することができる。
　この可変焦点レンズを顕微鏡の光学系に備えることにより、測定対象物を載せたステージを上下に機械的に動かす必要がなくなるため、立体像の測定に要する時間を短縮することが可能になる。また、測定対象物が高速に動的に変化する場合には、その高速な現象を捉えることが可能となる。
図１は、従来の共焦点顕微鏡の原理を説明するための図、 図２は、本発明の第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図、 図３は、第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの原理を説明するための図、 図４は、第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの光路長変調の例を示す図、 図５は、第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの焦点距離の電極間隔依存性を示す図、 図６は、本発明の第２の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図、 図７は、本発明の第３の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図、 図８は、本発明の一実施形態にかかる顕微鏡の構成を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の可変焦点レンズは、電気光学材料と、これに取付けた電極から構成される。電気光学効果を利用することにより、従来の可変焦点レンズと比較して、はるかに高速な応答速度を得ることができる。
　図２に、本発明の第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板１１の上面（第１の面）および下面（第２の面）に、帯状の電極４つが形成されている。光の入射側の上部電極として陽極１２（第１の陽極）、基板１１を挟んで下部電極として陰極１３（第１の陰極）が配置されている。さらに、これら電極対とは間隔を置き、光の出射側にもう一対の電極が配置されおり、上部電極が陰極１４（第２の陰極）であり、下部電極が陽極１５（第２の陽極）である。帯状の４つ電極は、長手方向の辺がすべて平行となる形状を有している。
　光は、電極を配置した面と直交する面（第３の面）から入射され、基板１１の内部をｘ軸方向に進行し、陽極１２と陰極１３の間を、これらの帯状電極の長手方向とは垂直な方向に透過する。次いで、光は、陰極１４と陽極１５との間を透過してから、入射した面と対向する面（第４の面）から空気中へと出射する。
　このような構成において、陽極と陰極との間に電圧を印加する。光の入射側の電極対と光の出射側の電極対とは、電圧をかける向き（ｚ軸方向）が互いに逆になっている。陽極１２と陽極１５との電位は異なっていてもよく、陰極１３と陰極１４の電位も同様である。なお、陽極１２，１５の低いほうの電位は、陰極１３，１４の高いほうの電位よりも高くなるように設定する。
　このとき、これら電極の間には電界の分布が発生し、基板１１の有する電気光学効果によって屈折率が変調される。屈折率の変調された部分を光が透過する時、この屈折率分布によって光は屈曲させられ、その結果、光は集光あるいは発散させられる。集光される場合、図２の構造によれば、シリンドリカル凸レンズとして機能し、発散される場合は、シリンドリカル凹レンズとして機能する。また、印加する電圧によって光の屈曲の度合いが変化するので、焦点距離を電圧によって制御することができる。
　電気光学効果は、電圧の印加から遅く見積もっても１μｓ以下の時間で応答するので、従来の可変焦点レンズよりも著しく高速に応答する可変焦点レンズを実現することができる。以上説明したように、図２に示した素子はシリンドリカル可変焦点レンズであり、様々なレンズを構成する基本単位となる。通常の球面レンズを実現するためには、この基本単位である素子を２つ組み合わせればよい。すなわち、２つの基本単位素子を、光軸を中心に互いに９０度の角度をなすように配置することにより、球面レンズと等価な機能を実現することができる。なお、本実施形態では基板１１の材料として、電気光学効果を有する材料の中でも、特に反転対称性を有する結晶からなる材料を用いることを特徴としており、その理由については後述する。
　以下、図３を参照して、屈折率の変調の様子とレンズとしての機能を詳述する。図３は、図２に示した可変焦点レンズの側面をｙ軸方向から見た様子を示している。基板１１は、４つの電極に電圧を印加しない時には、屈折率が均一であるため、光はそのまま変調を受けずに透過する。従って、レンズの機能はない。しかし、平面波を入射したときには、基板１１から出射される光の波面は平面のままで、曲率半径は無限大であることを考慮すると、焦点距離無限大のレンズとみなすこともできる。
　４つの電極に電圧を印加した時には、これらの電極の間に、図３に示したような電気力線１６が発生する。電気力線１６は、陽極１２と陰極１３との間、陰極１４と陽極１５との間のみならず、これらの電極の外側にも大きく広がって生成される。電気力線が生成されているということは、言い換えると電界が発生している。このとき、基板１１が電気光学効果を有するため、基板１１内部の電界が発生している箇所では屈折率が変調される。基板１１の内部において、４つの電極の付近、すなわち基板１１の表面付近では、電界が大きく、屈折率変化が大きい。これに対して基板１１の中央部分（すべての軸方向における中央付近）では、電界が比較的小さく、屈折率変化が小さい。
　図３の右側には、屈折率変化分の分布を表す屈折率変調曲線１７を模式的に示している。屈折率変調曲線の縦軸は、ｚ軸の座標、横軸は電圧をかけないときからの屈折率の変化分Δｎである。図３においては、屈折率は、全体的にマイナス方向に変化している様子が示されているが、基板１１の表面付近では変調が大きく、したがって屈折率変化分Δｎとしては小さくなる。一方、中央部付近では変調が小さく、したがって屈折率変化分Δｎとしては、表面付近と比較して大きくなっている。このような屈折率分布の中を光が透過すると、基板１１の中央部の光の速度に比べて表面付近の光の速度が速いため、凸レンズとして機能する。すなわち、電圧をかけていない場合の無限大の焦点距離から、有限の焦点距離へと、焦点が移動する。
　　（電気光学材料）
　電気光学効果には、いくつかの次数の異なる電気光学効果が含まれるが、一般的には、１次の電気光学効果（以下、ポッケルス効果という）が利用されている。ポッケルス効果は、屈折率変化が電界に比例する。図２、３に示した構成においては、陽極１２と陰極１３との間と、陰極１４と陽極１５との間では、電界の向きが逆になり、屈折率分布も逆になる。従って、ポッケルス効果を利用すると、光がこれら２つの電極対の間を透過すると、屈折率分布による光の偏向が正負で相殺されてしまい、レンズとしての機能を奏さない。
　これに対して、２次の電気光学効果（以下、カー効果という）を利用すると、屈折率変化は電界の二乗に比例する。従って、陽極１２と陰極１３との間と、陰極１４と陽極１５との間とで、電界の向きが逆になっても、屈折率分布は同じになるので、光の偏向が相殺されることなく、強めあう。
　多くの電気光学材料は、反転対称性を有しておらず、ポッケルス効果を発現する。これに対して、一部の電気光学材料は、反転対称性を有しており、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。従って、本実施形態の基板１１を構成する電気光学材料としては、反転対称性を有する材料を用いることが重要である。
　一般に誘電体は、外部から電界を印加すると、それに比例した分極が発生するが、電界を取り去ると、分極はゼロに戻る。しかし、電界を取り去っても有限の分極が残る物質が存在する。外部電界がなくても存在する分極を自発分極という。この自発分極を、外部電界によって向きを反転させることができる物質が存在し、これを強誘電体という。これに対して、強誘電体ではない誘電体を常誘電体と呼ぶことがある。
　反転対称性を有する単結晶とは、原子の配列を、ある原点を中心としてｘ，ｙ，ｚ座標系で反転したとき、元の原子の配列と完全に同じ配列となる結晶をいう。自発分極を有する結晶を、座標軸上で反転すると、自発分極の向きが反転するので、このような結晶は反転対称性を有するとはいえない。従って、強誘電体は自発分極を有するので、反転対称性を有していない。
　一方、自発分極を有していても、それを外部電界で反転することができない物質も存在する。このような物質は、反転対称性を有していないが、強誘電体でもないので、反転対称性を有していない物質が全て強誘電体であるわけではない。また、強誘電体であって、かつ反転対称性を有するということは、ありえない。
　反転対称性を有する電気光学材料としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料がある。ペロブスカイト型単結晶材料は、使用温度を適切に選択すれば、使用状態において、結晶構造が反転対称性を有する立方晶となる。立方晶相においては、ポッケルス効果を発現せず、カー効果が支配的となる。例えば、最もよく知られたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３、以下ＢＴという）は、１２０℃付近において正方晶相から立方晶相へ相転移する。相転移する温度（以下、相転移温度という）を超えた温度であれば、ＢＴの結晶構造は、立方晶となり、カー効果を発現する。
　また、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ１－ｘＮｂｘＯ３、０＜ｘ＜１）を主成分とする単結晶材料は、より好適な特徴を有する。ＢＴ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により、相転移温度を選択することができる。これにより、室温付近に相転移温度を設定することができる。ＫＴＮは、相転移温度よりも高い温度であれば立方晶相となり、反転対称性を有し、大きなカー効果を有する。同じ立方晶相にあっても、より相転移温度に近い方が、カー効果が圧倒的に大きくなる。このため、室温付近に相転移温度を設定することは、大きなカー効果を簡便に実現する上で、非常に重要である。
　さらに、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。また、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。例えば、立方晶相のＫＬＴＮ（Ｋ１－ｙＬｉｙＴａ１－ｘＮｂｘＯ３、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。
　　（光路長変調）
　ＫＴＮの場合について、光路長変調を詳述する。図３の構成において、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種類がある。それぞれの場合に、光が感じる屈折率変調ΔｎｙとΔｎｚとは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 となって異なる。ここで、ｎ０は変調前の屈折率であり、ｓ１１とｓ１２は電気光学係数である。ｓ１１は正の値であるのに対して、ｓ１２は負の値を有し、絶対値はｓ１１の方が大きい。レンズの特性は、下記の式のように、この屈折率変化分を光の進行経路（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。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　図４に、第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの光路長変調の例を示す。光路長変調ΔｓｙとΔｓｚとの分布を、数値計算で求めたものである。比誘電率は２０，０００、基板１１の長さＬを７ｍｍ、ｚ軸方向の基板の厚さを４ｍｍ、４つの電極の幅を０．８ｍｍ、同一面上の電極の間隔を４ｍｍ、電圧を１０００Ｖとして計算した。図４の横軸は、図２に示したｚ座標を示し、原点を基板１１の中央にとっている。Δｓｙの分布は、下に凸の曲線を成しており、この素子がシリンドリカル凹レンズとして機能することを表す。一方、Δｓｚの分布は上に凸の曲線を成しており、この素子がシリンドリカル凸レンズとして機能することを表す。このＫＴＮの例のように、偏光によって凸レンズになったり、凹レンズになることもある。
　　（電極の配置）
　第１の実施形態では、基板１１の上面に陽極１２と陰極１４を配置し、下面に陰極１３と陽極１５とを配置している。これと類似した構成として、上面の電極を双方ともに陽極とし、下面の電極を双方ともに陰極にする構成が考えられる。この構成でも可変焦点レンズとして機能するが、以下の点で第１の実施形態の方が優れている。
　素子の小型化を考えた場合に、図３の構成において、基板１１をｚ軸方向に小さくする、すなわち基板１１の厚さを薄くしようとしても、基板１１を透過する光ビームの大きさによって制限されてしまう。そこで、ｘ軸方向に小さくしようとすると、上面の両電極を陽極、下面の両電極を陰極とする構成では、電極の間隔を詰めると、レンズの効果が小さくなってしまう。電極間隔を詰めた極限は、間隔がゼロになって上面の両電極、下面の両電極ともに一体化した電極となる。この場合には、基板１１の内部の電界は均一になり、屈折率分布も均一になって、レンズ効果はほとんどなくなってしまう。
　一方、第１の実施形態では、上面の陽極１２と陰極１４とは印加する電位が異なるため、電極間隔を詰めた極限は、両電極が一体になることにはならない。第１の実施形態において電極間隔を詰めると、電界が大きくなるため、逆にレンズ効果は大きくなる。
　図５に、第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの焦点距離の電極間隔依存性を示す。数値計算で求めた焦点距離を、電極の間隔の関数としてプロットしている。図４の計算条件と同様の条件で、電極間隔の増減と同時に、基板１１の長さも同じ分だけ増減して計算した。光の電界は、ｚ軸方向である。縦軸の焦点距離は、小さいほど集光度合いが強く、効果が大きいことを示す。□のプロットは、上面の両電極がともに陽極、下面の両電極がともに陰極の場合であり、電極間隔が小さいと効果が劣化していくことがわかる。○のプロットは、第１の実施形態の場合で、電極間隔が小さいと逆に効果が強くなっている。電極間隔が広がっていくと、２つの電極対の間の相互作用が弱くなっていくので、どちらの構成でも同じような効果に収束していく。基板１１の厚さが４ｍｍなので、図５を参照すると、厚さの１．５倍（６ｍｍ）よりも、電極間隔が小さい場合に、第１の実施形態の構成が有利である。
　上述したように、ＫＴＮを用いると、偏光を変えて使い分ければ、凸レンズとして使用することもできるし、凹レンズとして使用することもできる。一方、電気光学結晶に電界を印加すると、圧電効果や電歪効果により、その物理的形状が変化することが知られている。圧電効果とは、歪が印加電界に比例する現象であり、電歪効果とは、歪が印加電界の二乗に比例する現象である。その物理的形状の変化は、圧電効果と電歪効果との和で表される。一般的に、反転対称性を有する電気光学材料においては、圧電効果が生じないため、電歪効果のみとなる。この電歪効果により、屈折率の分布が、上述したような電界分布の計算から求めた分布から、若干ずれが生じることがある。
　この点では、Δｎｚ（または光路長ｓｚ）の方が、Δｎｙ（または光路長ｓｙ）よりも計算値と実際の値とのずれが少ない。すなわち、第１の実施形態の電極構成によれば、全体的に電界のｚ成分が大きくなるが、光の振動電界を、そのｚ軸に平行に合わせた方が、計算通りの屈折率分布に合致しやすいので好適である。もちろん、電界のｘ成分も大きくなるが、第１の実施形態の光軸設定では、光の振動電界をｘ軸に平行にすることはできない。
　　（電極材料）
　電気光学材料に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じる。従って、電気光学材料をレンズとして機能させるための所望の屈折率分布を得るため、または、電気光学材料を透過する光が偏向しないようにするためには、基板１１に電圧を印加した際に、基板１１の内部に空間電荷が形成されない方がよい。
　空間電荷の量は、キャリアの注入効率に依存する量であるため、電極から注入されるキャリアの注入効率は小さい方がよい。電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数が大きくなるにつれて、電極と基板との間はショットキー接合に近づき、キャリアの注入効率は減少する。従って、電極は、電気光学材料とショットキー接合が形成される材料であることが好ましい。具体的には、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ以上の電極材料として、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。（）内は仕事関数を示し、単位はｅＶである。
　一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、正孔の注入を抑えるために、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｔｉ（３．８４）等を用いることができる。なお、Ｔｉの単層電極は酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順に積層した電極を用いて、Ｔｉの層と電気光学結晶とを接合させる。さらに、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯなどの透明電極を用いることもできる。
　　（応用例）
　以上、様々なレンズを構成する基本単位となるシリンドリカル可変焦点レンズについて述べた。次に、この基本単位を用いた応用例について説明する。図６に、本発明の第２の実施形態にかかる可変焦点レンズを示す。上述した基本単位を、光軸方向に沿って直列に配置した構成である。１つの基板２１に複数の電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ・・・を配置し、互いに隣り合う電極対には反対の電圧を印加する。このように素子を構成すれば、より低い電圧でも、大きなレンズ効果を得ることができる。電極対の数は、２つ以上あれば、偶数でも奇数でもよい。
　　（２軸可変焦点レンズ）
　上述したように、通常の球面レンズを実現するには、２つの基本単位素子を、光軸方向（ｘ軸）に沿って直列に配置し、電界の印加方向が互いに９０度の角度をなすように配置すればよい。しかし、ＫＴＮのような反転対称性を有する単結晶材料の場合、図４に示したように、偏光によって凸レンズから凹レンズへとレンズ効果が全く逆転する場合がある。球面レンズを実現するために、ｚ軸方向に電界が振動する光を第１の基本単位素子に入射し、ｚ軸方向に集光したのちに、この光をそのまま、９０度回転した第２の基本単位素子に入射する。しかしながら、この構成によれば、ｙ軸方向には発散されてしまい、球面レンズとして機能しない。
　球面レンズとして正常に機能させるためには、第２の基本単位素子に入射する前に、この素子に合わせて偏光方向も９０度回転さなければならない。そこで、第１の基本単位素子と第２の基本単位素子との間に、偏光回転素子を挿入した構造とする。偏光回転素子としては様々なものがあるが、半波長板がもっとも一般的に用いられる。
　半波長板は、互いに直交する２つの偏波の間に、波長の半分に相当する位相ずれ、すなわちπラジアンだけの位相ずれを生じさせる光学素子である。典型的には、複屈折性の材料を板状に加工したものからなる。ＫＴＮのような反転対称性を有する単結晶材料は、通常、複屈折はないが、電界を一方向に印加することにより、電界に平行な方向と、これに直交する方向とで複屈折が生じる。この性質を利用して、ＫＴＮによって半波長板を構成することができる。
　図７に、本発明の第３の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。２軸可変焦点レンズは、第１の基本単位素子３１とＫＴＮ半波長板３２と第２の基本単位素子３３とが、光軸方向（ｘ軸）に沿って直列に配置されている。第１の基本単位素子３１と第２の基本単位素子３３とは、光軸に対して垂直に電界を印加し、電界の印加方向が互いに９０度の角度をなすように配置される（図７ではｚ軸とｙ軸）。ＫＴＮ半波長板３２の形状は、直方体状であり、互いに対向する２面の面上に、ほぼ全面にわたって電極膜が形成されている。この電極対に電圧を印加することにより、これら２面に垂直な電界が均一に形成される。この電界の向きが、第１の基本単位素子３１と第２の基本単位素子３３の電界の印加方向に対して、４５度の角度をなすように配置する。これにより、第１の基本単位素子３１を透過した光の偏光が９０度回転する。
　半波長板も、上述した基本単位素子であるシリンドリカル可変焦点レンズと同じくＫＴＮで構成する場合、２つの電気光学材料からなる基板を一体に成型し、第１の基本単位素子３１用の電極と、ＫＴＮ半波長板３２用の電極と、第２の基本単位素子３３用の電極とを順に並べて取り付ける。このようにして、一体化した球面可変焦点レンズを構成することもできる。
　　（顕微鏡）
　以上、本実施形態にかかる可変焦点レンズについて説明したが、顕微鏡の光学系には、図７に示した２軸可変焦点レンズを用いるのが好適である。半波長板は、ＫＴＮであっても、一般的な水晶製、雲母製、樹脂製などであってもよい。
　図８に、本発明の一実施形態にかかる顕微鏡の構成を示す。顕微鏡は、測定対象４１から発する光を、レンズ４３（対物レンズ）により平行光線にし、２軸可変焦点レンズ４７により焦点を調整し、さらにレンズ４４により再び集光する。集光した点の位置に、そのスポット径と同程度の直径のピンホール４５をおき、透過した光のパワーを光検出器４６で測定する。
　２軸可変焦点レンズがない場合は、図１に示したのと同じく、光線はほぼ平行光線となっており、下の黒丸の測定対象４１が観測位置となっている。２軸可変焦点レンズ４７が挿入されていても、オフの状態（電圧がゼロの状態）では、平行光線はそのまま平行光線として透過するため、同じく下の黒丸の測定対象４１が観測位置となる。ここで２軸可変焦点レンズ４７に電圧をかけると、このレンズの集光作用のため、光線は図８の破線に示したように変化し、その結果、観測位置は上方の測定対象４２に移動する。
　これにより、共焦点顕微鏡の高さ方向の走査につき、走査速度が向上し、機械的な操作と比較すると最大５桁程度の改善が期待できる。必要に応じて、２軸可変焦点レンズ４７とレンズ４４との間、またはレンズ４３と２軸可変焦点レンズ４７との間に、２次元ビーム偏向器を挿入すれば、高速な３次元の操作が可能となる。
　なお、本実施形態は、共焦点顕微鏡に限定されるものではなく、通常の顕微鏡の光学系に可変焦点レンズを挿入しても良い。通常の光学系の場合、図８の光検出器とピンホールは不要であり、レンズ４４には接眼レンズなどの光学系を用いればよい。
　また、上記の顕微鏡の説明では、２軸可変焦点レンズを凸レンズと仮定した説明を行ったが、当然、偏光を変えるなどして、凹レンズとして用いても良い。
　図２に示したように、電気光学材料を板状に加工した基板１１の上面および下面に、陽極１２，陰極１３を，陰極１４，陽極１５を形成する。基板１１は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、７ｍｍ×７ｍｍ×（厚さＴ＝）４ｍｍの形状に成形する。基板１１の６面とも、結晶の（１００）面に平行とし、光学研磨を行っている。このＫＴＮ単結晶は、相転移温度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。４つの電極は、０．８ｍｍ×７ｍｍの帯状で、同一面上の電極の間隔は４ｍｍとする。２つの電極対は、基板１１の７ｍｍ×７ｍｍの面上に、白金（Ｐｔ）を蒸着して形成されている。電極の各辺は、基板１１の辺に平行である。
　この可変焦点レンズを、４０℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｚ軸方向である。上下電極間に１０００Ｖの電圧を印加すると、基板１１から出射する光は、ｚ軸方向に集光され、シリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は７２ｃｍである。ここで、印加電圧を５００Ｖにすると、集光効果は小さくなり、焦点距離は２９０ｃｍになる。また、電圧を印加しない場合は、当然集光効果はなく、焦点距離は無限大である。従って、印加電圧を０Ｖから１０００Ｖまで変化させることにより、焦点距離を無限大から７２ｃｍまで変化させることができる。焦点距離の変更は、印加電圧を変更するだけなので、応答時間は１μｓ以下であり、従来の可変焦点レンズの応答時間と比較して、３桁以上改善されている。
　また、光の進行方向はそのままに、偏光を９０度回転させて測定を行う。つまり、光の振動電界の方向をｙ軸方向とする。この場合は、凹レンズとして機能する。印加電圧が１０００Ｖのとき、焦点距離は９３ｃｍである。従って、印加電圧を０Ｖから１０００Ｖまで変化させることにより、焦点距離を無限大から９３ｃｍまで変化させることができる。
　この可変焦点レンズを２個と半波長板とを、図７に示したように組み合わせて、２軸可変焦点レンズを構成する。半波長板には、水晶製のものを用いる。２個の可変焦点レンズは同じ特性であり、また、半波長板を挟んで近接して配置することにより、２個の可変焦点レンズに同じ電圧をかけることにより、通常の球面レンズと同様な集光が可能である。
　さらに、この２軸可変焦点レンズを図９に示した光学系の顕微鏡に組み込む。レンズ４３（対物レンズ）の焦点距離は、２５ｍｍであった。２個の可変焦点レンズに電圧をかけない状態で焦点を合わせ、そこから電圧をかけていくと、ピントが合う位置は上方に移動する。印加電圧が１５００Ｖのとき、測定対象の観測位置が元の位置から１．５ｍｍ上方に移動した。また、焦点の位置を１．５ｍｍ移動するのに要する時間も、１μｓ以下を実現することができた。

Claims (18)

  1. 　反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
    　該電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、
    　前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、
    　前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、
    　前記第２の面上に形成され、前記第２の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陽極とを備え、
    　前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、
    　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、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする可変焦点レンズ。
  2. 　前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料であることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
  3. 　前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ１－ｘＮｂｘＯ３、０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項２に記載の可変焦点レンズ。
  4. 　前記電気光学材料は、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つを含むことを特徴とする請求項２に記載の可変焦点レンズ。
  5. 　前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族またはＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項４に記載の可変焦点レンズ。
  6. 　前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極は、前記電気光学材料とショットキー接合が形成される材料からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
  7. 　前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極は、帯状の形状を有し、その長手方向の辺は、すべて平行であることを特徴とする請求項６に記載の可変焦点レンズ。
  8. 　前記第１の陽極と前記第２の陰極との間の間隔Ｇ、前記電気光学材料の厚さＴとすると、Ｇ＜１．５Ｔであることを特徴とする請求項６または７に記載の可変焦点レンズ。
  9. 　反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
    　該電気光学材料の表面に形成された２Ｎ個の電極とを備え、
    　１≦ｋ≦Ｎ－１の時、前記電気光学材料の第１の面上に形成され、光の入射側からｋ番目の電極をｋ番目の陽極とし、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記ｋ番目の陽極と向かい合う位置に形成された電極をｋ番目の陰極とし、
    　前記第１の面上に形成され、前記ｋ番目の陽極とは間隔をおいて配置された電極をｋ＋１番目の陰極とし、前記第２の面上に形成され、前記ｋ＋１番目の陰極と向かい合う位置に形成され、前記ｋ＋１番目の陰極とは間隔をおいて配置された電極をｋ＋１番目の陽極とし、
    　前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記ｋ番目の陽極および前記ｋ番目の陰極からなる電極対の間と、Ｎ番目の陽極およびＮ番目の陰極からなる電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、
    　前記ｋ番目およびＮ番目の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする可変焦点レンズ。
  10. 　光学系に可変焦点レンズを含む顕微鏡であって、
    　該可変焦点レンズは、第１の基本単位素子と半波長板と第２の基本単位素子とが、光軸方向に沿って直列に配置され、前記第１の基本単位素子と前記第２の基本単位素子とは、光軸に対して垂直に電界を印加し、電界の印加方向が互いに９０度の角度をなすように配置され、前記半波長板は、前記第１の基本単位素子と前記第２の基本単位素子の電界の印加方向に対して、４５度の角度をなすように配置され、
    　前記第１および第２の基本単位素子の各々は、
    　　反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
    　　該電気光学材料の第１の面上に形成された第１の陽極と、
    　　前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の陽極と向かい合う位置に形成された第１の陰極と、
    　　前記第１の面上に形成され、前記第１の陽極とは間隔をおいて配置された第２の陰極と、
    　　前記第２の面上に形成され、前記第２の陰極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の陽極とを備え、
    　　前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、
    　　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、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする顕微鏡。
  11. 　前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料であることを特徴とする請求項１０に記載の顕微鏡。
  12. 　前記電気光学材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ１－ｘＮｂｘＯ３、０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１１に記載の顕微鏡。
  13. 　前記電気光学材料は、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つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の顕微鏡。
  14. 　前記電気光学材料は、さらに、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族またはＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項１３に記載の顕微鏡。
  15. 　前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極は、前記電気光学材料とショットキー接合が形成される材料からなることを特徴とする請求項１０ないし１４のいずれかに記載の顕微鏡。
  16. 　前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極は、帯状の形状を有し、その長手方向の辺は、すべて平行であることを特徴とする請求項１５に記載の顕微鏡。
  17. 　前記第１の陽極と前記第２の陰極との間の間隔Ｇ、前記電気光学材料の厚さＴとすると、Ｇ＜１．５Ｔであることを特徴とする請求項１５または１６に記載の顕微鏡。
  18. 　前記第１および第２の基本単位素子の各々は、前記電気光学材料の表面に形成された２Ｎ個の電極を備え、
    　１≦ｋ≦Ｎ－１の時、前記電気光学材料の第１の面上に形成され、光の入射側からｋ番目の電極をｋ番目の陽極とし、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記ｋ番目の陽極と向かい合う位置に形成された電極をｋ番目の陰極とし、
    　前記第１の面上に形成され、前記ｋ番目の陽極とは間隔をおいて配置された電極をｋ＋１番目の陰極とし、前記第２の面上に形成され、前記ｋ＋１番目の陰極と向かい合う位置に形成され、前記ｋ＋１番目の陰極とは間隔をおいて配置された電極をｋ＋１番目の陽極とし、
    　前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記ｋ番目の陽極および前記ｋ番目の陰極からなる電極対の間と、Ｎ番目の陽極およびＮ番目の陰極からなる電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、
    　前記ｋ番目およびＮ番目の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする請求項１０ないし１７のいずれかに記載の顕微鏡。
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