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】電気光学材料と、該電気光学材料の光の入射面および出射面に垂直な向かい合った２つの平行の面の各々の面に形成された入射面側電極と出射面側電極とを備え、前記光を前記入射面から入射し、前記出射面から出射するように光軸が設定され、前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺に対向する辺は互いに平行に配置され、前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する前記辺と、前記電気光学材料を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する辺は、各々、平行に配置され、前記入射面側電極と前記出射面側電極との間に形成された電界が、前記光軸を中心に前記光が透過する部分において変化させられ、前記入射面側電極と前記出射面側電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点が可変となる。
【解決手段】電気光学材料と、該電気光学材料の光の入射面および出射面に垂直な向かい合った２つの平行の面の各々の面に形成された入射面側電極と出射面側電極とを備え、前記光を前記入射面から入射し、前記出射面から出射するように光軸が設定され、前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺に対向する辺は互いに平行に配置され、前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する前記辺と、前記電気光学材料を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する辺は、各々、平行に配置され、前記入射面側電極と前記出射面側電極との間に形成された電界が、前記光軸を中心に前記光が透過する部分において変化させられ、前記入射面側電極と前記出射面側電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点が可変となる。
【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１１−６４８１７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、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】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、可変焦点レンズにおいて、反転対称性を有する電気光学材料１と、該電気光学材料１の光の入射面および出射面に垂直な向かい合った２つの平行の面の各々の面に形成された入射面側電極２ａ、２ｂと出射面側電極３ａ、３ｂとを備え、前記光を前記入射面から入射し、前記出射面から出射するように光軸が設定され、前記入射面側電極２ａの辺のうち前記出射面側電極３ａの辺と対向する辺１０、２０は互いに平行に配置され、前記入射面側電極２ａの辺のうち前記出射面側電極３ａの辺と対向する前記辺１０，２０と、前記電気光学材料１を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極２ｂの辺のうち前記出射面側電極３ｂの辺と対向する辺３０，４０は、各々、平行に配置され、前記入射面側電極２ａ、２ｂと前記出射面側電極３ａ、３ｂとの間に形成された電界が、前記光軸を中心に前記光が透過する部分において変化させられ、前記入射面側電極２ａ、２ｂと前記出射面側電極３ａ、３ｂとの間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料１を透過した光の焦点が可変であることを特徴とする。
【００１０】
前記電気光学材料１は、ペロブスカイト型単結晶材料が好適であり、前記電気光学材料１は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）を用いることができる。また、前記電気光学材料１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、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。
【００１１】
前記電極は、前記電気光学材料１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。また、前記入射面側電極２ａの辺のうち前記出射面側電極３ａの辺と対向する前記辺１０，２０と、前記電気光学材料１を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極２ｂの辺のうち前記出射面側電極３ｂの辺と対向する前記辺３０，４０は、各々、前記光軸方向において一致した位置に配置されることができる。
【００１２】
また、前記入射面側電極２ａと前記出射面側電極３ａとの間に溝を形成し、前記電気光学材料１を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極２ｂと前記出射面側電極３ｂとの間に溝を形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電気光学材料の光の入射面および出射面に垂直な２つの向かい合った平行の面の各々の面に形成された入射面側電極と出射面側電極との間に形成された電界が、光軸を中心に光が透過する部分において変化させられ、電極間の印加電圧を変えることにより、電気光学材料を透過した光の焦点を変化させることができる。電気光学効果は高速な応答が可能であるため、この可変焦点レンズでは、１μｓをきる高速応答が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一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】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】可変焦点レンズの基板内部における電界成分と屈折率の分布とを示す図である。
【図４】実施例１にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図５】実施例２にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図６】実施例３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】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。図１（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる可変焦点レンズの正面図、図１（ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる可変焦点レンズの立体図を示す。図１（ａ）を参照すると、電気光学材料を板状に加工した基板１の上面（光の入射面）および下面（光の出射面）に垂直な側面に、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａが形成されている。入射面側電極２ａと出射面側電極３ａが形成された側面と対向する側面に、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂが形成されている。以下、図を参照して、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａが形成された側面を左側面、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂが形成された側面を右側面と呼ぶ。ここで、左側面と右側面は、互いに平行である。入射面側電極２ａと入射面側電極２ｂは等しい電位とし、出射面側電極３ａと出射面側電極３ｂも等しい電位とする。光は、同電位の電極対の間を通過するように、ｙ軸方向に光軸を設定する。入射面側電極２ａの辺のうち出射面側電極３ａの辺と対向する辺１０，２０は互いにｚ軸に平行となるように形成されている。ここで、電極の辺とは、電極の周囲を囲う辺を示すものとする。図１（ｂ）を参照すると、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂも同じ構成であり、その対向する辺３０，４０の位置は、ｙ軸方向において入射面側電極２ａの辺のうち出射面側電極３ａの辺と対向する辺１０，２０と一致、すなわち、基板１を挟んで一致している。電圧を入射面側電極２ａから出射面側電極３ａへ、またはその逆に印加することができる。同様に、電圧を入射面側電極２ｂから出射面側電極３ｂへ、またはその逆に印加することができる。
【００１７】
電気光学材料は、反転対称性を有する酸化物単結晶材料が好適である。反転対称性については、詳しくは後述する。電極についても詳しくは後述する。
【００１８】
図２を参照して、本実施形態にかかる可変焦点レンズの原理を説明する。図１に示した可変焦点レンズにおいて、入射面側電極２ａと入射面側電極２ｂに正の電圧、出射面側電極３ａと出射面側電極３ｂに負の電圧をかける。このとき、電界は、入射面側電極２ａから出射面側電極３ａへ向かうように生じる。また、電界は、入射面側電極２ｂから出射面側電極３ｂへ向かうように生じる。電界は、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａとの間及び入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂとの間だけでなく、その周囲にも発生し、光が透過する部分にも発生する。図２に示す矢印は、電気力線の一例である。光が透過する部分において電界は空間依存性を有するため、電気光学材料である基板１には、電気光学効果が発生し、光が透過する部分の屈折率が変調される。
【００１９】
光が透過する部分の電界分布と屈折率変調について説明する。電気光学材料は、一般的に比誘電率が１より十分に大きい。このため、基板１の内部の電界の電気力線は、表面付近では、基板表面に対して平行に近くなる。入射面側電極２ａから右方向に進む電気力線は、基板１の上面にほぼ平行に進む。入射面側電極２ｂから左方向に進む電気力線も、基板１の上面にほぼ平行に進む。この２つの電気力線は、左側面と右側面との中央でぶつかるので、そこから大きく向きを変え、ｙ軸方向に進む。そして、この２つの電気力線は、その後、下面に達し、大きく向きを変えて、互いに反対方向に進み、それぞれ出射面側電極３ａ，３ｂまで進む。このように、基板１の内部で、表面付近を進む電気力線は、同電位の電極対の間の空隙において急激に屈曲するので、この屈曲部分では電界が大きく変化する。すなわち、光軸を中心に、光が透過する部分で電界が変化して、屈折率が変調される。
【００２０】
図３は、基板内部における電界成分と屈折率の分布とを示す。図３（ａ）は、図２に示した位置ｙ＝ｙ0における電界成分Ｅxのｘ軸方向の分布を示す。横軸は、同電位の電極対の間にある光が透過する部分のｘ軸方向の位置を表している。左側面と右側面との中央部を境に、左側と右側とでは電気力線の向きが１８０度異なるため、このような分布となる。図３（ｂ）は、同じく位置ｙ＝ｙ0における電界成分Ｅyのｘ軸方向の分布を示す。電界成分Ｅyは、符号は変わらないが、その絶対値は中央部で小さく、電極に近づくほど大きくなる。このような電界分布により、ｘ軸方向に、屈折率が変調される。
【００２１】
図３（ｃ）は、電気光学材料としてタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、以下、ＫＴＮという）を用いて、光電界の向きがｚ方向の光を入射したときの屈折率変調を示す。基板１の中央部付近、すなわち光軸付近は、中央部からｘ軸方向に離れて、電極対に近い部分よりも屈折率が低いため、光は高速で進行し、中央部から電極対に近い部分ほど、光の速度は遅くなる。このため、基板１を透過した光の波面は、中央部付近よりも電極対に近い部分で遅れた形となり、凹レンズとして機能する。光が透過する部分をレンズとして考えると、集光または発散の効果の強いレンズを実現することができる。図１および図２の構成では、ｘ軸方向にのみ集光または発散が起こり、ｚ方向での集散は起こらないので、一般的な球面レンズではなく、いわゆるシリンドリカルレンズとして機能する。
【００２２】
図１および図２の構成の可変焦点レンズをもう一組用意し、光が透過する部分の光軸を一致させて配置する。光軸に関して一方の可変焦点レンズが他方の可変焦点レンズに対して９０度回転するように２つの可変焦点レンズを配置して、２方向で集光または発散を行うことにより、球面レンズと等価な機能を実現することができる。
【００２３】
（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）と２次の電気光学効果（以下、カー効果という）が利用されている。しかし、電気光学効果の中でも、電界の自乗に比例した屈折率変調が起こる、２次の電気光学効果（カー効果）を有する材料が好適である。カー効果の場合は、図３に示したように、屈折率分布Δｎは電界成分Ｅxの符号に依存しないので、レンズとして好適な左右対称形になるからである。一方、ポッケルス効果の場合は、屈折率変調は電界の１乗に比例し、電界成分Ｅxによる屈折率変化は左右対称とならないため、レンズとしてうまく機能しない。
【００２４】
また、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。なお、自発分極を有する材料を、座標軸上で反転すると、自発分極の向きが反転するので、このような結晶材料は反転対称性を有していない。一方、反転対称性を有する単結晶は、ポッケルス効果を有さず、カー効果が最低次の電気光学効果となる。従って、電気光学効果を有する結晶材料の中でも、反転対称性を有する単結晶が望ましい。
【００２５】
結晶内部の電界の大きさは、電極に印加する電圧に比例する。また、屈折率変調は電界の自乗に比例するため、結局、屈折率変調の大きさは電圧の自乗に比例する。これにより、凹レンズの焦点距離は電圧によって制御できる。また、ここでは凹レンズとして機能すると説明したが、電気光学係数の符号は材料や光偏光によって異なるので、凸レンズを実現することもできる。
【００２６】
電気光学材料は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料が好適である。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り、この立方晶相にてポッケルス効果を有さないためである。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】
さらに、ＫＴＮ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】
反転対称性を有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。さらに、反転対称性を有する単結晶材料は、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もできる。例えば、大きなカー効果を有する立方晶相のＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。
【００２９】
ＫＴＮにおいて、使用温度を相転移温度に近づけると、誘電率が急激に高くなるため、電気光学効果が大きくなる。例えば、ＫＴＮの比誘電率が１０，０００を超え、ＫＴＮ基板に印加する電圧が５００Ｖを超えると、焦点距離が１ｍ以下となり、実用上有効な特性が得られる。
【００３０】
なお、ＫＴＮは、他の電気光学結晶と同様に、印加電界の向きと光電界の向きとの関係により、屈折率変調が変わる。図２の構成において、偏光は、光電界の向きがｘ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ΔｎxとΔｎzとは、
【００３１】
【数１】
【００３２】
となって異なる。ここで、ｎ0は変調前の屈折率である。
【００３３】
また、ｓ11とｓ12は電気光学係数であるが、ｓ11は正なのに対し、ｓ12は負の値を持ち、絶対値はｓ11の方が大きい。この特徴のため、光電界の向きがｘ方向の場合は凸レンズ、ｚ方向の場合は凹レンズと、入射光の偏光状態によって機能が全く変わる。
【００３４】
レンズの特性は、基板１を透過することによって光が受ける光路長変調によって表される。光路長変調Δｓとは、電気光学材料を透過する間の経路にわたって、屈折率変調Δｎを積分したものである。屈折率変調はｘとｙとの関数であるため、これをΔｎ（ｘ，ｙ）とする。屈折率変調Δｎはｚには依存しない。本実施形態にかかる可変焦点レンズは、ｙ軸方向に光が伝搬するので、光路長変調Δｓは、
【００３５】
【数２】
【００３６】
となり、ｙには依存せずｘのみの関数となる。すなわち、光を集散させるｘ軸方向でのみ変化し、ｚ軸方向には変化しない。
【００３７】
（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傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じる。
【００３８】
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が得られなかったり、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。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。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（ｅＶ）を示す。
【００３９】
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以上の電極材料として、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。
【００４０】
（実施例１）
図４は、実施例１にかかる可変焦点レンズの構成を示す。図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は立体図である。基板１は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、６ｍｍ×６ｍｍ×６ｍｍの形状に成形した。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。図４の電気光学材料の基板１の左側面に、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａが形成されている。同様に右側面に、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂが形成されている。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℃で使用することとした。この温度での比誘電率は２０，０００である。
【００４１】
入射面側電極２ａ、出射面側電極３ａ、入射面側電極２ｂ、出射面側電極３ｂのそれぞれは、０．６ｍｍ×５ｍｍの方形で、白金（Ｐｔ）を蒸着して厚さ約２０００Åで形成されている。そして、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａの間隔は４ｍｍである。同様に、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂの間隔は４ｍｍである。
【００４２】
実施例１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、上面より入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｚ軸方向である。入射面側電極２ａと出射面側電極３ａとの間に５００Ｖの電圧を印加し、同様に、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂとの間に５００Ｖの電圧を印加すると、下面から出射する光は、ｘ軸方向に広がり、シリンドリカル凹レンズとして機能する。焦点距離は２５ｃｍである。ここで、印加電圧を２５０Ｖにすると、広がりは小さくなり、焦点距離は約１ｍになる。すなわち、印加電圧により、焦点距離を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。
【００４３】
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ｘ軸方向とする。この場合は、凸レンズとして機能する。印加電圧が５００Ｖのとき、焦点距離は１９ｃｍであり、印加電圧によって焦点距離を変化させることができる。
【００４４】
上記実施例１においては、入射面側電極２ａの辺のうち出射面側電極３ａの辺に対向する辺１０，２０と、入射面側電極２ｂの辺のうち出射面側電極３ｂの辺に対向する辺３０，４０は、基板１を挟んでｙ軸方向において一致しているが、完全に一致している必要はなく、互いに平行であればよい。
【００４５】
（実施例２）
図５は、実施例２にかかる可変焦点レンズの構成を示す。実施例１と同様の構成で左側面および右側面の電極間に溝を形成した。溝の形状としては深さ０．５ｍｍ、幅１ｍｍ〜２ｍｍ、長さ５ｍｍとした。溝を形成することで、電界分布が変化し、レンズ性能が改善した。
【００４６】
（実施例３）
図６は、実施例３にかかる可変焦点レンズの構成を示す。この実施例では、実施例１の構成の可変焦点レンズをもう一組用意し、光が透過する部分の光軸を一致させて配置する。光軸に関して一方の可変焦点レンズが他方の可変焦点レンズに対して９０度回転するように２つの可変焦点レンズを配置する。実施例１と同様に、コリメートしたレーザ光を、上面より入射する。２方向で集光または発散を行うことにより、球面レンズと等価な機能を実現することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 基板
２ａ 入射面側電極
２ｂ 入射面側電極
３ａ 出射面側電極
３ｂ 出射面側電極
１０ 出射面側電極３ａと対向する辺
２０ 入射面側電極２ａと対向する辺
３０ 出射面側電極３ｂと対向する辺
４０ 入射面側電極２ｂと対向する辺
【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１１−６４８１７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、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】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、可変焦点レンズにおいて、反転対称性を有する電気光学材料１と、該電気光学材料１の光の入射面および出射面に垂直な向かい合った２つの平行の面の各々の面に形成された入射面側電極２ａ、２ｂと出射面側電極３ａ、３ｂとを備え、前記光を前記入射面から入射し、前記出射面から出射するように光軸が設定され、前記入射面側電極２ａの辺のうち前記出射面側電極３ａの辺と対向する辺１０、２０は互いに平行に配置され、前記入射面側電極２ａの辺のうち前記出射面側電極３ａの辺と対向する前記辺１０，２０と、前記電気光学材料１を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極２ｂの辺のうち前記出射面側電極３ｂの辺と対向する辺３０，４０は、各々、平行に配置され、前記入射面側電極２ａ、２ｂと前記出射面側電極３ａ、３ｂとの間に形成された電界が、前記光軸を中心に前記光が透過する部分において変化させられ、前記入射面側電極２ａ、２ｂと前記出射面側電極３ａ、３ｂとの間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料１を透過した光の焦点が可変であることを特徴とする。
【００１０】
前記電気光学材料１は、ペロブスカイト型単結晶材料が好適であり、前記電気光学材料１は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）を用いることができる。また、前記電気光学材料１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、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。
【００１１】
前記電極は、前記電気光学材料１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。また、前記入射面側電極２ａの辺のうち前記出射面側電極３ａの辺と対向する前記辺１０，２０と、前記電気光学材料１を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極２ｂの辺のうち前記出射面側電極３ｂの辺と対向する前記辺３０，４０は、各々、前記光軸方向において一致した位置に配置されることができる。
【００１２】
また、前記入射面側電極２ａと前記出射面側電極３ａとの間に溝を形成し、前記電気光学材料１を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極２ｂと前記出射面側電極３ｂとの間に溝を形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電気光学材料の光の入射面および出射面に垂直な２つの向かい合った平行の面の各々の面に形成された入射面側電極と出射面側電極との間に形成された電界が、光軸を中心に光が透過する部分において変化させられ、電極間の印加電圧を変えることにより、電気光学材料を透過した光の焦点を変化させることができる。電気光学効果は高速な応答が可能であるため、この可変焦点レンズでは、１μｓをきる高速応答が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一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】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】可変焦点レンズの基板内部における電界成分と屈折率の分布とを示す図である。
【図４】実施例１にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図５】実施例２にかかる可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図６】実施例３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】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。図１（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる可変焦点レンズの正面図、図１（ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる可変焦点レンズの立体図を示す。図１（ａ）を参照すると、電気光学材料を板状に加工した基板１の上面（光の入射面）および下面（光の出射面）に垂直な側面に、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａが形成されている。入射面側電極２ａと出射面側電極３ａが形成された側面と対向する側面に、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂが形成されている。以下、図を参照して、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａが形成された側面を左側面、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂが形成された側面を右側面と呼ぶ。ここで、左側面と右側面は、互いに平行である。入射面側電極２ａと入射面側電極２ｂは等しい電位とし、出射面側電極３ａと出射面側電極３ｂも等しい電位とする。光は、同電位の電極対の間を通過するように、ｙ軸方向に光軸を設定する。入射面側電極２ａの辺のうち出射面側電極３ａの辺と対向する辺１０，２０は互いにｚ軸に平行となるように形成されている。ここで、電極の辺とは、電極の周囲を囲う辺を示すものとする。図１（ｂ）を参照すると、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂも同じ構成であり、その対向する辺３０，４０の位置は、ｙ軸方向において入射面側電極２ａの辺のうち出射面側電極３ａの辺と対向する辺１０，２０と一致、すなわち、基板１を挟んで一致している。電圧を入射面側電極２ａから出射面側電極３ａへ、またはその逆に印加することができる。同様に、電圧を入射面側電極２ｂから出射面側電極３ｂへ、またはその逆に印加することができる。
【００１７】
電気光学材料は、反転対称性を有する酸化物単結晶材料が好適である。反転対称性については、詳しくは後述する。電極についても詳しくは後述する。
【００１８】
図２を参照して、本実施形態にかかる可変焦点レンズの原理を説明する。図１に示した可変焦点レンズにおいて、入射面側電極２ａと入射面側電極２ｂに正の電圧、出射面側電極３ａと出射面側電極３ｂに負の電圧をかける。このとき、電界は、入射面側電極２ａから出射面側電極３ａへ向かうように生じる。また、電界は、入射面側電極２ｂから出射面側電極３ｂへ向かうように生じる。電界は、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａとの間及び入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂとの間だけでなく、その周囲にも発生し、光が透過する部分にも発生する。図２に示す矢印は、電気力線の一例である。光が透過する部分において電界は空間依存性を有するため、電気光学材料である基板１には、電気光学効果が発生し、光が透過する部分の屈折率が変調される。
【００１９】
光が透過する部分の電界分布と屈折率変調について説明する。電気光学材料は、一般的に比誘電率が１より十分に大きい。このため、基板１の内部の電界の電気力線は、表面付近では、基板表面に対して平行に近くなる。入射面側電極２ａから右方向に進む電気力線は、基板１の上面にほぼ平行に進む。入射面側電極２ｂから左方向に進む電気力線も、基板１の上面にほぼ平行に進む。この２つの電気力線は、左側面と右側面との中央でぶつかるので、そこから大きく向きを変え、ｙ軸方向に進む。そして、この２つの電気力線は、その後、下面に達し、大きく向きを変えて、互いに反対方向に進み、それぞれ出射面側電極３ａ，３ｂまで進む。このように、基板１の内部で、表面付近を進む電気力線は、同電位の電極対の間の空隙において急激に屈曲するので、この屈曲部分では電界が大きく変化する。すなわち、光軸を中心に、光が透過する部分で電界が変化して、屈折率が変調される。
【００２０】
図３は、基板内部における電界成分と屈折率の分布とを示す。図３（ａ）は、図２に示した位置ｙ＝ｙ0における電界成分Ｅxのｘ軸方向の分布を示す。横軸は、同電位の電極対の間にある光が透過する部分のｘ軸方向の位置を表している。左側面と右側面との中央部を境に、左側と右側とでは電気力線の向きが１８０度異なるため、このような分布となる。図３（ｂ）は、同じく位置ｙ＝ｙ0における電界成分Ｅyのｘ軸方向の分布を示す。電界成分Ｅyは、符号は変わらないが、その絶対値は中央部で小さく、電極に近づくほど大きくなる。このような電界分布により、ｘ軸方向に、屈折率が変調される。
【００２１】
図３（ｃ）は、電気光学材料としてタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、以下、ＫＴＮという）を用いて、光電界の向きがｚ方向の光を入射したときの屈折率変調を示す。基板１の中央部付近、すなわち光軸付近は、中央部からｘ軸方向に離れて、電極対に近い部分よりも屈折率が低いため、光は高速で進行し、中央部から電極対に近い部分ほど、光の速度は遅くなる。このため、基板１を透過した光の波面は、中央部付近よりも電極対に近い部分で遅れた形となり、凹レンズとして機能する。光が透過する部分をレンズとして考えると、集光または発散の効果の強いレンズを実現することができる。図１および図２の構成では、ｘ軸方向にのみ集光または発散が起こり、ｚ方向での集散は起こらないので、一般的な球面レンズではなく、いわゆるシリンドリカルレンズとして機能する。
【００２２】
図１および図２の構成の可変焦点レンズをもう一組用意し、光が透過する部分の光軸を一致させて配置する。光軸に関して一方の可変焦点レンズが他方の可変焦点レンズに対して９０度回転するように２つの可変焦点レンズを配置して、２方向で集光または発散を行うことにより、球面レンズと等価な機能を実現することができる。
【００２３】
（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）と２次の電気光学効果（以下、カー効果という）が利用されている。しかし、電気光学効果の中でも、電界の自乗に比例した屈折率変調が起こる、２次の電気光学効果（カー効果）を有する材料が好適である。カー効果の場合は、図３に示したように、屈折率分布Δｎは電界成分Ｅxの符号に依存しないので、レンズとして好適な左右対称形になるからである。一方、ポッケルス効果の場合は、屈折率変調は電界の１乗に比例し、電界成分Ｅxによる屈折率変化は左右対称とならないため、レンズとしてうまく機能しない。
【００２４】
また、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。なお、自発分極を有する材料を、座標軸上で反転すると、自発分極の向きが反転するので、このような結晶材料は反転対称性を有していない。一方、反転対称性を有する単結晶は、ポッケルス効果を有さず、カー効果が最低次の電気光学効果となる。従って、電気光学効果を有する結晶材料の中でも、反転対称性を有する単結晶が望ましい。
【００２５】
結晶内部の電界の大きさは、電極に印加する電圧に比例する。また、屈折率変調は電界の自乗に比例するため、結局、屈折率変調の大きさは電圧の自乗に比例する。これにより、凹レンズの焦点距離は電圧によって制御できる。また、ここでは凹レンズとして機能すると説明したが、電気光学係数の符号は材料や光偏光によって異なるので、凸レンズを実現することもできる。
【００２６】
電気光学材料は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料が好適である。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り、この立方晶相にてポッケルス効果を有さないためである。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】
さらに、ＫＴＮ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】
反転対称性を有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。さらに、反転対称性を有する単結晶材料は、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もできる。例えば、大きなカー効果を有する立方晶相のＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。
【００２９】
ＫＴＮにおいて、使用温度を相転移温度に近づけると、誘電率が急激に高くなるため、電気光学効果が大きくなる。例えば、ＫＴＮの比誘電率が１０，０００を超え、ＫＴＮ基板に印加する電圧が５００Ｖを超えると、焦点距離が１ｍ以下となり、実用上有効な特性が得られる。
【００３０】
なお、ＫＴＮは、他の電気光学結晶と同様に、印加電界の向きと光電界の向きとの関係により、屈折率変調が変わる。図２の構成において、偏光は、光電界の向きがｘ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ΔｎxとΔｎzとは、
【００３１】
【数１】
【００３２】
となって異なる。ここで、ｎ0は変調前の屈折率である。
【００３３】
また、ｓ11とｓ12は電気光学係数であるが、ｓ11は正なのに対し、ｓ12は負の値を持ち、絶対値はｓ11の方が大きい。この特徴のため、光電界の向きがｘ方向の場合は凸レンズ、ｚ方向の場合は凹レンズと、入射光の偏光状態によって機能が全く変わる。
【００３４】
レンズの特性は、基板１を透過することによって光が受ける光路長変調によって表される。光路長変調Δｓとは、電気光学材料を透過する間の経路にわたって、屈折率変調Δｎを積分したものである。屈折率変調はｘとｙとの関数であるため、これをΔｎ（ｘ，ｙ）とする。屈折率変調Δｎはｚには依存しない。本実施形態にかかる可変焦点レンズは、ｙ軸方向に光が伝搬するので、光路長変調Δｓは、
【００３５】
【数２】
【００３６】
となり、ｙには依存せずｘのみの関数となる。すなわち、光を集散させるｘ軸方向でのみ変化し、ｚ軸方向には変化しない。
【００３７】
（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傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じる。
【００３８】
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が得られなかったり、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。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。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（ｅＶ）を示す。
【００３９】
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以上の電極材料として、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。
【００４０】
（実施例１）
図４は、実施例１にかかる可変焦点レンズの構成を示す。図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は立体図である。基板１は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、６ｍｍ×６ｍｍ×６ｍｍの形状に成形した。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。図４の電気光学材料の基板１の左側面に、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａが形成されている。同様に右側面に、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂが形成されている。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℃で使用することとした。この温度での比誘電率は２０，０００である。
【００４１】
入射面側電極２ａ、出射面側電極３ａ、入射面側電極２ｂ、出射面側電極３ｂのそれぞれは、０．６ｍｍ×５ｍｍの方形で、白金（Ｐｔ）を蒸着して厚さ約２０００Åで形成されている。そして、入射面側電極２ａと出射面側電極３ａの間隔は４ｍｍである。同様に、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂの間隔は４ｍｍである。
【００４２】
実施例１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、上面より入射する。光の偏光は直線で、振動電界の方向はｚ軸方向である。入射面側電極２ａと出射面側電極３ａとの間に５００Ｖの電圧を印加し、同様に、入射面側電極２ｂと出射面側電極３ｂとの間に５００Ｖの電圧を印加すると、下面から出射する光は、ｘ軸方向に広がり、シリンドリカル凹レンズとして機能する。焦点距離は２５ｃｍである。ここで、印加電圧を２５０Ｖにすると、広がりは小さくなり、焦点距離は約１ｍになる。すなわち、印加電圧により、焦点距離を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。
【００４３】
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ｘ軸方向とする。この場合は、凸レンズとして機能する。印加電圧が５００Ｖのとき、焦点距離は１９ｃｍであり、印加電圧によって焦点距離を変化させることができる。
【００４４】
上記実施例１においては、入射面側電極２ａの辺のうち出射面側電極３ａの辺に対向する辺１０，２０と、入射面側電極２ｂの辺のうち出射面側電極３ｂの辺に対向する辺３０，４０は、基板１を挟んでｙ軸方向において一致しているが、完全に一致している必要はなく、互いに平行であればよい。
【００４５】
（実施例２）
図５は、実施例２にかかる可変焦点レンズの構成を示す。実施例１と同様の構成で左側面および右側面の電極間に溝を形成した。溝の形状としては深さ０．５ｍｍ、幅１ｍｍ〜２ｍｍ、長さ５ｍｍとした。溝を形成することで、電界分布が変化し、レンズ性能が改善した。
【００４６】
（実施例３）
図６は、実施例３にかかる可変焦点レンズの構成を示す。この実施例では、実施例１の構成の可変焦点レンズをもう一組用意し、光が透過する部分の光軸を一致させて配置する。光軸に関して一方の可変焦点レンズが他方の可変焦点レンズに対して９０度回転するように２つの可変焦点レンズを配置する。実施例１と同様に、コリメートしたレーザ光を、上面より入射する。２方向で集光または発散を行うことにより、球面レンズと等価な機能を実現することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 基板
２ａ 入射面側電極
２ｂ 入射面側電極
３ａ 出射面側電極
３ｂ 出射面側電極
１０ 出射面側電極３ａと対向する辺
２０ 入射面側電極２ａと対向する辺
３０ 出射面側電極３ｂと対向する辺
４０ 入射面側電極２ｂと対向する辺
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反転対称性を有する電気光学材料と、該電気光学材料の光の入射面および出射面に垂直な向かい合った２つの平行の面の各々の面に形成された入射面側電極と出射面側電極とを備え、
前記光を前記入射面から入射し、前記出射面から出射するように光軸が設定され、
前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する辺は互いに平行に配置され、
前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する前記辺と、前記電気光学材料を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する辺は、各々、平行に配置され、
前記入射面側電極と前記出射面側電極との間に形成された電界が、前記光軸を中心に前記光が透過する部分において変化させられ、
前記入射面側電極と前記出射面側電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点が可変であ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（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）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であ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】
前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する前記辺と、前記電気光学材料を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する前記辺は、各々、前記光軸方向において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】
前記入射面側電極と前記出射面側電極との間に溝を形成し、前記電気光学材料を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極と前記出射面側電極との間に溝を形成したことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１】
反転対称性を有する電気光学材料と、該電気光学材料の光の入射面および出射面に垂直な向かい合った２つの平行の面の各々の面に形成された入射面側電極と出射面側電極とを備え、
前記光を前記入射面から入射し、前記出射面から出射するように光軸が設定され、
前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する辺は互いに平行に配置され、
前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する前記辺と、前記電気光学材料を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する辺は、各々、平行に配置され、
前記入射面側電極と前記出射面側電極との間に形成された電界が、前記光軸を中心に前記光が透過する部分において変化させられ、
前記入射面側電極と前記出射面側電極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料を透過した光の焦点が可変であ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（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）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であ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】
前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する前記辺と、前記電気光学材料を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極の辺のうち前記出射面側電極の辺と対向する前記辺は、各々、前記光軸方向において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】
前記入射面側電極と前記出射面側電極との間に溝を形成し、前記電気光学材料を挟んで対向する面上に形成された前記入射面側電極と前記出射面側電極との間に溝を形成したことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の可変焦点レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２２４０４５（Ｐ２０１０−２２４０４５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６８８０８（Ｐ２００９−６８８０８）
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（０００１０６２２１）サンクス株式会社 (578)
【出願人】（０００１０２７３９）エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社 (265)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（０００１０６２２１）サンクス株式会社 (578)
【出願人】（０００１０２７３９）エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社 (265)
【Ｆターム（参考）】
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