可変焦点レンズ
【課題】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。
【解決手段】反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の互いに対向する第１の面および第２の面上に形成された１対の電極を備え、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１対の電極の間を透過して、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１対の電極は、前記第３の面に平行な１対の辺が他の１対の辺よりも長い形状であり、前記１対の電極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。
【解決手段】反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の互いに対向する第１の面および第２の面上に形成された１対の電極を備え、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１対の電極の間を透過して、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１対の電極は、前記第３の面に平行な１対の辺が他の１対の辺よりも長い形状であり、前記１対の電極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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点レンズに関し、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、２枚のガラス板で液晶を挟み込むなどして、透明物質でできた容器に液晶を封じ込めている。この容器の内側を球面上に加工して、液晶をレンズ形状に成形すると、可変焦点レンズを構成することができる。この容器の内側には透明電極が設けられ、液晶に電界をかけることによって屈折率を制御し、焦点距離を可変制御する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−０６４８１７号公報
【特許文献２】特開平１０−０３３１８９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の可変焦点レンズは、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のいずれも、焦点距離を変更するのに要する応答速度に限界があり、１ｍｓ以下の高速応答に適用することができないという問題があった。
【０００８】
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することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明の一実施態様は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の互いに対向する第１の面および第２の面上に形成された１対の電極を備え、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１対の電極の間を透過して、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１対の電極は、前記第３の面に平行な１対の辺が他の１対の辺よりも長い形状であり、前記１対の電極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。
【００１０】
前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料が好適であり、典型的にはタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）を用いることができる。また、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つを含むことができ、さらに、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。
【００１１】
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の厚さＴの１０分の１を超え、前記電気光学材料の光軸方向の長さＬとすると、Ｄ＝Ｌ−Ｔを超えないことが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
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１対の帯状の電極とを備え、電極対の間の印加電圧を変えることにより、出射された光の焦点を可変することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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である。
【図２】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である。
【図３】第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの光路長の例を示す図である。
【図４】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幅依存性を示す図である。
【図５】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である。
【図６】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である。
【図７】本発明の第４の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１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１の上面（第１の面）および下面（第２の面）に、帯状の電極２および電極３が形成されている。電極２および電極３は、基板１を挟んで対向して配置されている。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１の内部をｘ軸方向に進行し、電極２と電極３の間を透過して、入射した面と対向する面（第４の面）から空気中へと出射される。電極２および電極３は、光の入射面（第３の面）と平行する辺（ｙ軸方向）を長手方向とする帯状電極であり、光は、長手方向とは垂直な方向に透過する。
【００１６】
このような構成において、電極２と電極３との間に電圧を印加する。このとき、これら電極の間には電界の分布が発生し、基板１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１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。
【００１７】
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１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１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。
【００１８】
以下、図２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２は、図１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１は、電極２，３の間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１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。
【００１９】
電極２，３の間に電圧を印加した時には、これらの電極の間に、図２に示したような電気力線４が発生する。この図では、下部電極３に対して、上部電極２に正の電圧を印加した状態が示されており、電気力線は上から下の方に向いている。電気力線４は、電極２，３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１が電気光学効果を有するため、基板１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１の内部において、電極２，３の付近、すなわち基板１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１の 厚み（ｚ軸）方向の中央部分では、電界が比較的小さく、屈折率変化が小さい。
【００２０】
図２の右側には、屈折率変化分の分布を表す屈折率変調曲線５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２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１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、表面付近ほどには小さくなっていない。このような屈折率分布の中を光が透過すると、基板１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。
【００２１】
（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。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。
【００２２】
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。後ほど詳しく述べるように、本実施形態の基板１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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、使用状態において反転対称性を有する立方晶相となる。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）でも、１２０℃付近において正方晶相から立方晶相へ相転移する温度（以下、相転移温度という）を超えた温度であれば、立方晶相となり、カー効果を発現する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
例えば、特許文献２には、強誘電体材料を基板として用いた可変焦点レンズが記載されている。上述したように、強誘電体材料はポッケルス効果を有しているのに対して、反転対称性を有する結晶材料は、ポッケルス効果は有せず、カー効果を有している。構造的に類似していても、可変焦点レンズの基板として強誘電体材料を用いるか、反転対称性を有する結晶材料を用いるかにより、効果は大きく異なるので、以下にその詳細を説明する。
【００３０】
屈折率の変調によってレンズ効果を発現すると述べたが、もう少し詳しく述べると、レンズの特性は、光路長分布で評価できる。光路長ｓとは、光の進行経路の実際の長さに屈折率を乗算したものである。屈折率が進行経路に沿って連続的に変化している場合は、光の進行経路（長さＬ）にわたって屈折率を積分したものであり、以下の式で表される。
【００３１】
【数１】
【００３２】
さらに、電圧を印加しないときの光路長ｓ0は、基板１の中で均一なので、ここからの変化分のみを取ると、以下のようになる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
電気光学効果が１次のポッケルス効果である場合、以下の式に示すように、Δｎは電界Ｅに比例する。
【００３５】
【数３】
【００３６】
ここで、ｎ0は電界印加前の屈折率、ｒは電気光学係数である。
【００３７】
電界Ｅの大きさは電気力線の密度に比例するため、｜Δｎ｜も電気力線の密度に比例する。ここで｜Δｎ｜はΔｎの絶対値、すなわち屈折率変調の大きさである。言い換えると、｜Δｎ｜は電気力線の広がる幅に反比例する。図２を参照すると、電極２の付近と電極３の付近で電気力線が集中しているため、｜Δｎ｜が大きい。これに対して、電極対の中間点付近では電気力線が左右に広がっているため、｜Δｎ｜が小さい。しかし、電極付近では、電気力線が集中しているだけに、実際に屈折率の変調されている領域は狭く、中間点付近では逆に左右に幅広い領域で屈折率が変調されている。このため、光路長を計算するとき、電気力線の広がり幅に反比例するΔｎと、電気力線の広がり幅を掛け算するため、基板１の上下面付近でも中央部付近でも、ｚ座標に関わりなく、ほぼ一定の光路長となる。
【００３８】
別の見方をすると、光路長は、入射面から出射面までの光路の途中で交差する電気力線の数に比例する。図２から明らかなように、ｚ座標に関わりなく、交差する電気力線の数は等しく、したがって光路長もほとんど変わらない。つまり、レンズとしての機能は非常に小さい。この原因は、電気光学効果が１次のポッケルス効果であるためである。２次のカー効果であれば、以下に示すように、Δｎは電界Ｅの自乗に比例する。
【００３９】
【数４】
【００４０】
Ｋは２次の電気光学係数である。この場合、ｚ座標において、電気力線の広がり幅の変化よりも、電界Ｅの自乗に比例するΔｎのほうが大きく変化するため、光路長分布も大きくなる。したがって、カー効果によるレンズ効果は、ポッケルス効果よりもはるかに効果的となる。
【００４１】
ＫＴＮの場合について、光路長変調を詳述する。図２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、
【００４２】
【数５】
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
【数６】
【００４６】
図３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。光電界の向きがｙ軸方向の場合に、Δｎyが積分された光路長変調Δｓyの分布と、光電界の向きがｚ軸方向の場合に、Δｎzが積分された光路長Δｓzの分布とを、数値計算で求めたものである。比誘電率は２０，０００、基板１の長さＬを７ｍｍ、ｚ軸方向の基板の厚さを４ｍｍ、電極２，３の幅を１．６ｍｍ、電圧を２０００Ｖとして計算した。図３のｘ軸は、図２に示したｚ座標における基板１の中央からの変位を示す。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。
【００４７】
（電極の構成）
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。
【００４８】
この点では、Δｎz（または光路長変調Δｓz）の方が、Δｎy（または光路長変調Δｓy）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。
【００４９】
次に、基板１の長さと電極２，３の幅との関係について述べる。図２に示した可変焦点レンズにおいて、基板１の長さＬ（光軸方向、ｘ軸の結晶の長さ）は、電極２，３の幅ｗ（ｘ軸方向の辺）と比較して、十分に大きいことが望ましい。上述したように、ｚ軸座標において、基板１の中央部付近で、電気力線が基板１内で大きく横に広がることが重要である。基板１の材料は、上述したように電気光学材料である。電気光学材料は、比誘電率が非常に高く、そのために電気力線は基板１の中に閉じ込められ、ほとんど基板１の外部に出ていかない。電極の幅ｗが基板１の長さＬに近い場合には、電気力線が電極２，３の左右に広がる余裕がなくなり、このため、上下方向での電界の変動が小さくなり、屈折率あるいは光路長の分布も小さくなり、レンズ効果が弱くなる。
【００５０】
極端な場合には、Ｌ＝ｗであれば、電気力線は左右に広がらず、互いに平行な上下に延びる直線状になる。ｚ軸座標において、上下のどこでも電気力線の密度は一定になるため、電界・屈折率・光路長は均一になり、レンズ効果はゼロになる。レンズとして十分に機能させるためには、基板１の厚さをＴとすると、Ｌ＞ｗ＋Ｔであることが望ましい。他方、電極幅は狭すぎても効果的ではなく、Ｔ／１０以上であることが望ましい。
【００５１】
図４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幅依存性を示す。図３の場合と同様に数値計算により、焦点距離ｆの計算値を、電極幅ｗの関数としてプロットしたものである。基板１の長さＬ＝１４ｍｍ、電圧は１０００Ｖである。電極幅を変化させたこと以外の計算条件は、図３の場合と同じである。図４の縦軸の焦点距離ｆは、電圧を印加しない時に無限大となるので、小さいほうが集光の効果が強く、良好であることを示す。図４からわかるように、電極幅ｗが、Ｌ−Ｔの１０ｍｍを超えたところで劣化が大きくなっており、Ｔ／１０の０．４ｍｍよりも小さくなった場合も性能が劣化する。
【００５２】
（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１に電圧を印加した際に、基板１の内部に空間電荷が形成されない方がよい。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（応用例１）
図５に、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。電気光学材料を板状に加工した基板２１の上面および下面に、帯状の電極２２および電極２３が形成されている。図１，２に示した第１の実施形態の応用例であり、ｘ軸方向の中央で、基板を半分に切った構造を有している。この場合、基板１の長さＬ、厚さＴ、電極幅ｗの間の関係は、第１の実施形態の場合の半分になるため、Ｔ／２０＜ｗ＜Ｌ−Ｔ／２であることが望ましい。
【００５６】
（応用例２）
第１の実施形態では、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。図６に、本発明の第３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６に複数の電極７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ・・・を配置し、互いに隣り合う電極対の間隔は、基板の厚さＴ以上を有するが望ましい。基板１の厚み（ｚ座）方向の中央部付近において、電気力線の広がり幅が大きい方が好適だからである。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。
【００５７】
（応用例３）
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、光軸を中心に互いに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３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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
図７に、本発明の第４の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。第１の基本素子１１とＫＴＮ半波長板１２と第２の基本単位素子１３とが、光軸方向に沿って直列に配置されている。ＫＴＮ半波長板１２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の基本素子１１と第２の基本単位素子１３の光軸に対して、４５度の角度をなすように配置する。これにより、第１の基本素子１１を透過した光の偏光が９０度回転する。
【００６１】
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１１用の電極と、ＫＴＮ半波長板１２用の電極と、第２の基本単位素子１３用の電極と
を順に並べて取り付ける。このようにして、一体した球面可変焦点レンズを構成することもできる。
【実施例】
【００６２】
図１に示したように、電気光学材料を板状に加工した基板１の上面および下面に、陽極２，陰極３を，陰極４，陽極５を形成する。基板１は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、７ｍｍ×７ｍｍ×（厚さＴ＝）２ｍｍの形状に成形する。基板１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。電極２，３は、２ｍｍ×７ｍｍの帯状で、基板１の７ｍｍ×７ｍｍの面上に、白金（Ｐｔ）を蒸着して形成されている。電極２，３の各辺は、基板１の辺に平行である。
【００６３】
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１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１１ｃｍ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４４ｃｍ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１１ｃｍ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。
【００６４】
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１４ｃｍ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１４ｃｍまで変化させることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１，６，２１ 基板
２，７ａ，８ａ，９ａ，２２ 陽極
３，７ｂ，８ｂ，９ｂ，２３ 陰極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点レンズに関し、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、２枚のガラス板で液晶を挟み込むなどして、透明物質でできた容器に液晶を封じ込めている。この容器の内側を球面上に加工して、液晶をレンズ形状に成形すると、可変焦点レンズを構成することができる。この容器の内側には透明電極が設けられ、液晶に電界をかけることによって屈折率を制御し、焦点距離を可変制御する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−０６４８１７号公報
【特許文献２】特開平１０−０３３１８９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の可変焦点レンズは、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のいずれも、焦点距離を変更するのに要する応答速度に限界があり、１ｍｓ以下の高速応答に適用することができないという問題があった。
【０００８】
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することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明の一実施態様は、反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、該電気光学材料の互いに対向する第１の面および第２の面上に形成された１対の電極を備え、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１対の電極の間を透過して、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１対の電極は、前記第３の面に平行な１対の辺が他の１対の辺よりも長い形状であり、前記１対の電極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。
【００１０】
前記電気光学材料は、ペロブスカイト型単結晶材料が好適であり、典型的にはタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）を用いることができる。また、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つを含むことができ、さらに、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。
【００１１】
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の厚さＴの１０分の１を超え、前記電気光学材料の光軸方向の長さＬとすると、Ｄ＝Ｌ−Ｔを超えないことが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
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１対の帯状の電極とを備え、電極対の間の印加電圧を変えることにより、出射された光の焦点を可変することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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である。
【図２】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である。
【図３】第１の実施形態にかかる可変焦点レンズの光路長の例を示す図である。
【図４】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幅依存性を示す図である。
【図５】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である。
【図６】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である。
【図７】本発明の第４の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１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１の上面（第１の面）および下面（第２の面）に、帯状の電極２および電極３が形成されている。電極２および電極３は、基板１を挟んで対向して配置されている。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１の内部をｘ軸方向に進行し、電極２と電極３の間を透過して、入射した面と対向する面（第４の面）から空気中へと出射される。電極２および電極３は、光の入射面（第３の面）と平行する辺（ｙ軸方向）を長手方向とする帯状電極であり、光は、長手方向とは垂直な方向に透過する。
【００１６】
このような構成において、電極２と電極３との間に電圧を印加する。このとき、これら電極の間には電界の分布が発生し、基板１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１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。
【００１７】
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１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１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。
【００１８】
以下、図２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２は、図１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１は、電極２，３の間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１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。
【００１９】
電極２，３の間に電圧を印加した時には、これらの電極の間に、図２に示したような電気力線４が発生する。この図では、下部電極３に対して、上部電極２に正の電圧を印加した状態が示されており、電気力線は上から下の方に向いている。電気力線４は、電極２，３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１が電気光学効果を有するため、基板１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１の内部において、電極２，３の付近、すなわち基板１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１の 厚み（ｚ軸）方向の中央部分では、電界が比較的小さく、屈折率変化が小さい。
【００２０】
図２の右側には、屈折率変化分の分布を表す屈折率変調曲線５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２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１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、表面付近ほどには小さくなっていない。このような屈折率分布の中を光が透過すると、基板１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。
【００２１】
（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。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。
【００２２】
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。後ほど詳しく述べるように、本実施形態の基板１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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、使用状態において反転対称性を有する立方晶相となる。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）でも、１２０℃付近において正方晶相から立方晶相へ相転移する温度（以下、相転移温度という）を超えた温度であれば、立方晶相となり、カー効果を発現する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
例えば、特許文献２には、強誘電体材料を基板として用いた可変焦点レンズが記載されている。上述したように、強誘電体材料はポッケルス効果を有しているのに対して、反転対称性を有する結晶材料は、ポッケルス効果は有せず、カー効果を有している。構造的に類似していても、可変焦点レンズの基板として強誘電体材料を用いるか、反転対称性を有する結晶材料を用いるかにより、効果は大きく異なるので、以下にその詳細を説明する。
【００３０】
屈折率の変調によってレンズ効果を発現すると述べたが、もう少し詳しく述べると、レンズの特性は、光路長分布で評価できる。光路長ｓとは、光の進行経路の実際の長さに屈折率を乗算したものである。屈折率が進行経路に沿って連続的に変化している場合は、光の進行経路（長さＬ）にわたって屈折率を積分したものであり、以下の式で表される。
【００３１】
【数１】
【００３２】
さらに、電圧を印加しないときの光路長ｓ0は、基板１の中で均一なので、ここからの変化分のみを取ると、以下のようになる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
電気光学効果が１次のポッケルス効果である場合、以下の式に示すように、Δｎは電界Ｅに比例する。
【００３５】
【数３】
【００３６】
ここで、ｎ0は電界印加前の屈折率、ｒは電気光学係数である。
【００３７】
電界Ｅの大きさは電気力線の密度に比例するため、｜Δｎ｜も電気力線の密度に比例する。ここで｜Δｎ｜はΔｎの絶対値、すなわち屈折率変調の大きさである。言い換えると、｜Δｎ｜は電気力線の広がる幅に反比例する。図２を参照すると、電極２の付近と電極３の付近で電気力線が集中しているため、｜Δｎ｜が大きい。これに対して、電極対の中間点付近では電気力線が左右に広がっているため、｜Δｎ｜が小さい。しかし、電極付近では、電気力線が集中しているだけに、実際に屈折率の変調されている領域は狭く、中間点付近では逆に左右に幅広い領域で屈折率が変調されている。このため、光路長を計算するとき、電気力線の広がり幅に反比例するΔｎと、電気力線の広がり幅を掛け算するため、基板１の上下面付近でも中央部付近でも、ｚ座標に関わりなく、ほぼ一定の光路長となる。
【００３８】
別の見方をすると、光路長は、入射面から出射面までの光路の途中で交差する電気力線の数に比例する。図２から明らかなように、ｚ座標に関わりなく、交差する電気力線の数は等しく、したがって光路長もほとんど変わらない。つまり、レンズとしての機能は非常に小さい。この原因は、電気光学効果が１次のポッケルス効果であるためである。２次のカー効果であれば、以下に示すように、Δｎは電界Ｅの自乗に比例する。
【００３９】
【数４】
【００４０】
Ｋは２次の電気光学係数である。この場合、ｚ座標において、電気力線の広がり幅の変化よりも、電界Ｅの自乗に比例するΔｎのほうが大きく変化するため、光路長分布も大きくなる。したがって、カー効果によるレンズ効果は、ポッケルス効果よりもはるかに効果的となる。
【００４１】
ＫＴＮの場合について、光路長変調を詳述する。図２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、
【００４２】
【数５】
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
【数６】
【００４６】
図３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。光電界の向きがｙ軸方向の場合に、Δｎyが積分された光路長変調Δｓyの分布と、光電界の向きがｚ軸方向の場合に、Δｎzが積分された光路長Δｓzの分布とを、数値計算で求めたものである。比誘電率は２０，０００、基板１の長さＬを７ｍｍ、ｚ軸方向の基板の厚さを４ｍｍ、電極２，３の幅を１．６ｍｍ、電圧を２０００Ｖとして計算した。図３のｘ軸は、図２に示したｚ座標における基板１の中央からの変位を示す。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。
【００４７】
（電極の構成）
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。
【００４８】
この点では、Δｎz（または光路長変調Δｓz）の方が、Δｎy（または光路長変調Δｓy）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。
【００４９】
次に、基板１の長さと電極２，３の幅との関係について述べる。図２に示した可変焦点レンズにおいて、基板１の長さＬ（光軸方向、ｘ軸の結晶の長さ）は、電極２，３の幅ｗ（ｘ軸方向の辺）と比較して、十分に大きいことが望ましい。上述したように、ｚ軸座標において、基板１の中央部付近で、電気力線が基板１内で大きく横に広がることが重要である。基板１の材料は、上述したように電気光学材料である。電気光学材料は、比誘電率が非常に高く、そのために電気力線は基板１の中に閉じ込められ、ほとんど基板１の外部に出ていかない。電極の幅ｗが基板１の長さＬに近い場合には、電気力線が電極２，３の左右に広がる余裕がなくなり、このため、上下方向での電界の変動が小さくなり、屈折率あるいは光路長の分布も小さくなり、レンズ効果が弱くなる。
【００５０】
極端な場合には、Ｌ＝ｗであれば、電気力線は左右に広がらず、互いに平行な上下に延びる直線状になる。ｚ軸座標において、上下のどこでも電気力線の密度は一定になるため、電界・屈折率・光路長は均一になり、レンズ効果はゼロになる。レンズとして十分に機能させるためには、基板１の厚さをＴとすると、Ｌ＞ｗ＋Ｔであることが望ましい。他方、電極幅は狭すぎても効果的ではなく、Ｔ／１０以上であることが望ましい。
【００５１】
図４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幅依存性を示す。図３の場合と同様に数値計算により、焦点距離ｆの計算値を、電極幅ｗの関数としてプロットしたものである。基板１の長さＬ＝１４ｍｍ、電圧は１０００Ｖである。電極幅を変化させたこと以外の計算条件は、図３の場合と同じである。図４の縦軸の焦点距離ｆは、電圧を印加しない時に無限大となるので、小さいほうが集光の効果が強く、良好であることを示す。図４からわかるように、電極幅ｗが、Ｌ−Ｔの１０ｍｍを超えたところで劣化が大きくなっており、Ｔ／１０の０．４ｍｍよりも小さくなった場合も性能が劣化する。
【００５２】
（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１に電圧を印加した際に、基板１の内部に空間電荷が形成されない方がよい。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（応用例１）
図５に、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。電気光学材料を板状に加工した基板２１の上面および下面に、帯状の電極２２および電極２３が形成されている。図１，２に示した第１の実施形態の応用例であり、ｘ軸方向の中央で、基板を半分に切った構造を有している。この場合、基板１の長さＬ、厚さＴ、電極幅ｗの間の関係は、第１の実施形態の場合の半分になるため、Ｔ／２０＜ｗ＜Ｌ−Ｔ／２であることが望ましい。
【００５６】
（応用例２）
第１の実施形態では、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。図６に、本発明の第３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６に複数の電極７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ・・・を配置し、互いに隣り合う電極対の間隔は、基板の厚さＴ以上を有するが望ましい。基板１の厚み（ｚ座）方向の中央部付近において、電気力線の広がり幅が大きい方が好適だからである。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。
【００５７】
（応用例３）
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、光軸を中心に互いに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３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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
図７に、本発明の第４の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。第１の基本素子１１とＫＴＮ半波長板１２と第２の基本単位素子１３とが、光軸方向に沿って直列に配置されている。ＫＴＮ半波長板１２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の基本素子１１と第２の基本単位素子１３の光軸に対して、４５度の角度をなすように配置する。これにより、第１の基本素子１１を透過した光の偏光が９０度回転する。
【００６１】
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１１用の電極と、ＫＴＮ半波長板１２用の電極と、第２の基本単位素子１３用の電極と
を順に並べて取り付ける。このようにして、一体した球面可変焦点レンズを構成することもできる。
【実施例】
【００６２】
図１に示したように、電気光学材料を板状に加工した基板１の上面および下面に、陽極２，陰極３を，陰極４，陽極５を形成する。基板１は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、７ｍｍ×７ｍｍ×（厚さＴ＝）２ｍｍの形状に成形する。基板１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。電極２，３は、２ｍｍ×７ｍｍの帯状で、基板１の７ｍｍ×７ｍｍの面上に、白金（Ｐｔ）を蒸着して形成されている。電極２，３の各辺は、基板１の辺に平行である。
【００６３】
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１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１１ｃｍ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４４ｃｍ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１１ｃｍ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。
【００６４】
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１４ｃｍ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１４ｃｍまで変化させることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１，６，２１ 基板
２，７ａ，８ａ，９ａ，２２ 陽極
３，７ｂ，８ｂ，９ｂ，２３ 陰極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
該電気光学材料の互いに対向する第１の面および第２の面上に形成された１対の電極を備え、
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１対の電極の間を透過して、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１対の電極は、前記第３の面に平行な１対の辺が他の１対の辺よりも長い形状であり、
前記１対の電極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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項６】
前記１対の電極は、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。
【請求項７】
前記１対の電極は、前記電気光学材料を挟んで一致した位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の可変焦点レンズ。
【請求項８】
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の光軸方向の長さＬと厚さＴとの差Ｄ＝Ｌ−Ｔを超えない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。
【請求項９】
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の厚さＴの１０分の１を下回らないことを特徴とする請求項６、７または８に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１０】
前記１対の電極は、前記電気光学材料に光が入射する面または光が出射する面に近接して配置されており、
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の光軸方向の長さＬと厚さＴとから計算される値Ｄ＝Ｌ−Ｔ／２を超えない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。
【請求項１１】
前記１対の電極は、前記電気光学材料に光が入射する面または光が出射する面に近接して配置されており、
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の厚さＴの２０分の１を下回らないことを特徴とする請求項６、７または１０に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１２】
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Ｎ個の陽極と、
前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記Ｎ個の陽極と向かい合う位置に形成されたＮ個の陰極とを備え、
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Ｎ個の陽極および前記Ｎ個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Ｎ個の陽極および前記電極Ｎ個の陰極は、前記第３の面に平行な１対の辺が他の１対の辺よりも長い形状であり、
前記電極対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。
【請求項１３】
前記電極対の互いに隣り合う陽極および陰極の間隔は、基板の厚さＴ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１】
反転対称性を有する単結晶からなる電気光学材料と、
該電気光学材料の互いに対向する第１の面および第２の面上に形成された１対の電極を備え、
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１対の電極の間を透過して、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１対の電極は、前記第３の面に平行な１対の辺が他の１対の辺よりも長い形状であり、
前記１対の電極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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項６】
前記１対の電極は、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。
【請求項７】
前記１対の電極は、前記電気光学材料を挟んで一致した位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の可変焦点レンズ。
【請求項８】
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の光軸方向の長さＬと厚さＴとの差Ｄ＝Ｌ−Ｔを超えない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。
【請求項９】
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の厚さＴの１０分の１を下回らないことを特徴とする請求項６、７または８に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１０】
前記１対の電極は、前記電気光学材料に光が入射する面または光が出射する面に近接して配置されており、
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の光軸方向の長さＬと厚さＴとから計算される値Ｄ＝Ｌ−Ｔ／２を超えない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。
【請求項１１】
前記１対の電極は、前記電気光学材料に光が入射する面または光が出射する面に近接して配置されており、
前記１対の電極の光軸方向の幅は、前記電気光学材料の厚さＴの２０分の１を下回らないことを特徴とする請求項６、７または１０に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１２】
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Ｎ個の陽極と、
前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記Ｎ個の陽極と向かい合う位置に形成されたＮ個の陰極とを備え、
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Ｎ個の陽極および前記Ｎ個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Ｎ個の陽極および前記電極Ｎ個の陰極は、前記第３の面に平行な１対の辺が他の１対の辺よりも長い形状であり、
前記電極対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。
【請求項１３】
前記電極対の互いに隣り合う陽極および陰極の間隔は、基板の厚さＴ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の可変焦点レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２８６７３０（Ｐ２０１０−２８６７３０Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４１４９０（Ｐ２００９−１４１４９０）
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年３月３０日 社団法人応用物理学会発行の「２００９年（平成２１年）春季 第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 Ｎｏ．３」に発表
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年３月３０日 社団法人応用物理学会発行の「２００９年（平成２１年）春季 第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 Ｎｏ．３」に発表
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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