CN101910914B - 变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够快速改变焦距的变焦透镜。包括电光材料以及形成在该电光材料的光入射面和光出射面上的电极；设定光轴使所述光从所述入射面的未形成有电极的空隙入射并从所述出射面的未形成有电极的空隙出射；连结所述入射面的电极和所述出射面的电极的电力线的一部分在所述空隙中弯曲，从而使所述光透过的部分的电场以所述光轴为中心进行变化；改变所述入射面的电极和所述出射面的电极之间的外加电压，从而使透过所述电光材料的光的焦点发生变化。

Description

变焦透镜

技术领域

本发明涉及变焦透镜，具体涉及其中采用了具有电光效应的光学材料的能够改变焦距的变焦透镜。 

背景技术

以往，光学透镜、棱镜等光学部件应用在相机、显微镜、望远镜等光学设备、打印机、复印机等电子照相式的记录设备、DVD等光记录装置、以及通信用及工业用的光学器件等中。一般的光学透镜焦距是固定的，但是，根据情况需要，有时在上述器械、设备中使用能调节焦距的透镜、即所谓的变焦透镜。现有的变焦透镜通过组合多个透镜并借助于机械手段来调节焦距。但是，这种机械式的变焦透镜在响应速度、制造成本、小型化、功耗等方面都存在不足之处，所以，这些因素限制了其适用范围的扩大。 

因此，例如，人们提出了下述的变焦透镜，即：变焦透镜一，构成光学透镜的透明介质采用折射率可变的物质；变焦透镜二，通过机械手段改变光学透镜的形状，以取代改变光学透镜的位置。作为上述变焦透镜一，有人提出了一种将液晶用作光学透镜而构成的变焦透镜。根据这种变焦透镜的结构，例如，由2片玻璃板夹着液晶，将液晶封入由透明物质制成的容器内。将该容器的内侧加工成球面状，使液晶成形为透镜形状，这样就能构成变焦透镜。在该容器的内侧设置透明电极，通过对液晶施加电场来控制折射率，从而实现焦距的可变控制(例如，参考专利文献1)。 

作为上述变焦透镜二，变形的透镜的材料多使用液体。例如，非专利文献1中记载的变焦透镜具有在玻璃板夹着的空间中封入硅油等液体的结构。玻璃板被加工变薄，由锆钛酸铅(PZT)压电执行器从外部向玻璃板施加压力，以使由硅油和整个玻璃板所构成的透镜变形，从而控制焦点位置。该变焦透镜的工作原理与眼球的水晶体工作原理相同。 

然而，现有的变焦透镜中，无论是通过机械手段调节焦距的变焦透镜， 还是对液晶施加电场来控制折射率的变焦透镜，抑或是通过PZT压电执行器使透镜变形的变焦透镜，在改变焦距所要求的响应速度上存在局限性，因此，均不能适应1ms以下的高速响应。 

本发明的目的在于，提供能够快速改变焦距的变焦透镜。 

专利文献1：日本国专利申请公开公报“特开平11-64817号” 

非专利文献1：“使用变焦透镜的长焦深度视觉机构”，金子卓等著，刊载于“电装技术论文集”，第3卷，第1期，第52-58页，1998年 

发明内容

为了达到以上目的，本发明的一个实施方式的特征在于，包括由具有反演对称性的单晶体构成的电光材料以及形成在该电光材料的光入射面及光出射面上的电极，光轴被设定为使所述光从所述入射面的未形成有电极的空隙入射并从所述出射面的未形成有电极的空隙出射，连结所述入射面的电极和所述出射面的电极的电力线的一部分在所述空隙中弯曲，从而使得所述光透过的部分的电场以所述光轴为中心发生变化，通过改变所述入射面的电极和所述出射面的电极之间的外加电压来使从所述电光材料中透过的光的焦点发生变化。 

所述电光材料适合使用钙钛矿型单晶材料，典型地可使用钽铌酸钾(KTa_1-xNb_xO₃)。此外，所述电光材料中晶体的主要成分包括元素周期表中的IA族和VA族元素，IA族元素是钾，VA族元素是铌和钽中的至少1种，此外，还可包括元素周期表中IA族的除钾以外的元素例如锂，或者，IIA族元素的1种或多种作为添加的杂质。 

优选分别配置所述入射面的电极和所述出射面的电极，使得隔着所述空隙相对的边相互平行。此外，优选所述入射面的电极的所述相对的边和所述出射面的电极的所述相对的边分别平行地设置，其中，所述出射面的电极隔着所述电光材料与所述入射面的电极相对。 

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的变焦透镜的结构的图。 

图2是用于说明本实施方式的变焦透镜的原理的图。 

图3是表示变焦透镜的基板内部的电场分量和折射率分布的图。 

图4是表示实施例1的变焦透镜的结构的图。 

图5A是表示实施例2的变焦透镜的光程调制分布的图。 

图5B是表示实施例2的变焦透镜的光程调制分布的图。 

图6是表示实施例2的变焦透镜中光程调制与理想的二次曲线的偏差的图。 

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。本实施方式中的变焦透镜包括电光材料和安装在该电光材料上的电极。通过利用电光效应，与现有的变焦透镜做比较，能获得很高的响应速度。 

图1中示出本发明的一个实施方式的变焦透镜的结构。在将电光材料加工为片状所获得的基板1的顶面(光入射面)和底面(光出射面)上，分别形成有1对上部电极2a、2b和1对下部电极3a、3b。上部电极2a、2b具有相同电位，下部电极3a、3b也具有相同电位。为使光通过等电位的电极对之间的空隙，在y轴方向上设定光轴。使上部电极2a、2b的隔着透光的空隙相对的边都平行于z轴，该2个边的间隔设为A。下部电极3a、3b也按相同方式形成，其相对的边的位置与上部电极2a、2b的相对的边在x轴方向上一致，即，隔着基板1相一致。这里，将基板1的厚度设为T。可从上部电极2向下部电极3施加电压，或者反向施加。 

电光材料适合采用具有反演对称性的氧化物单晶材料。关于反演对称性，后面会对其进行详细说明。后面还会对电极进行详细说明。 

参照图2，对本实施方式的变焦透镜的原理进行说明。在图1所示的变焦透镜中，上部电极2a、2b被施加正电压，下部电极3a、3b被施加负电压。在这种情况下，与一般的电容器一样，电场都是在上下相对的电极之间从上至下地产生。此外，不仅在上下电极之间，而且还在其周围产生电场，并且在透光的部分也会产生电场。通过该露出的电场，在作为电光材料的基板1中产生电光效应，从而可调制透光部分的折射率。 

对透光的部分中的电场分布和折射率调制进行说明。电光材料的相对介电常数一般都远大于1。因此，基板1内部电场的电力线在表面附近大致 平行于基板表面(符号4a，4b)。从上部电极2a向右侧方向延伸的电力线4a在离开上部电极2a之后，直接与基板1的顶面大致平行地延伸。另外，从上部电极2b向左侧方向延伸的电力线4b也在离开上部电极2b之后，直接与基板1的顶面大致平行地延伸。2条电力线4a，4b在上部电极2a，2b之间的中央位置相遇，并在此处大幅度地变换方向，然后向基板1的下侧方向延伸。之后，电力线4a，4b到达底面，大幅度地变换方向，并彼此相反方向地延伸，然后分别到达下部电极3a，3b。这样，在基板1的内部，在表面附近延伸的电力线在等电位的电极对之间的空隙中会剧烈弯曲，所以电场会在该弯曲部分发生大幅度变化。即，以光轴为中心，电场在透光的部分发生变化，从而调制折射率。 

图3示出基板内部的电场分量和折射率分布。图3(a)表示基板1的顶面附近的x轴方向的电场分量E_x的分布。横轴表示等电位的电极对之间透光部分的x轴方向的位置。以中央部为界，左侧和右侧电力线的方向相差180度，所以会形成这种分布。图3(b)同样表示x轴方向的每个位置上的y轴方向的电场分量E_y的分布。虽然电场分量E_y的符号不变，但是，其绝对值在中央部很小，越靠近电极就会变的越大。通过这种电场分布调制x轴方向的折射率。 

图3(c)表示这种情况下的折射率调制，即：电光材料采用钽铌酸钾(KTa_1-xNb_xO₃，以下称作KTN)，入射光的光电场方向为z方向。在基板1的中央部附近即光轴附近，折射率要小于在x轴方向上远离中央部并靠近电极对的部分的折射率，所以光高速行进，越是远离中央部并靠近电极对的部分，光在其中的行进速度就会越慢。因此，从基板1中透过的光的波面形状为靠近电极对的部分滞后于中央部附近，这种形状能发挥凹透镜的功能。如果将透光部分视为透镜，则可实现具有很好的聚光或散光效果的透镜。在图1和图2的结构中，只在x轴方向上而不在z方向上聚光或散光，所以，实现所谓的柱面透镜而非普通的球面透镜的功能。 

再准备一组具有图1和图2的结构的变焦透镜，将其透光部分的光轴设置为一致。将2个变焦透镜以光轴为中心相互成90°地配置，通过在2个方向上聚光或散光，可以实现与球面透镜等效的功能。 

(电光材料) 

尽管电光效应包括若干种不同次的电光效应。，但是在通常情况下，人们常利用1次电光效应(以下称作泡克耳斯效应)和2次电光效应(以下称作克尔效应)。然而，在电光效应中，适合使用能够发生与电场平方成正比的折射率调制且具有2次电光效应(克尔效应)的材料。这是因为，在利用克尔效应时，如图3所示，折射率分布Δn不依赖电场分量E_x的符号，所以，能够形成适于作为透镜的左右对称的形状。另外，在利用泡克尔斯效应时，折射率调制与电场1次方成正比，根据电场分量E_x获得的折射率变化并不左右对称，所以不能很好地发挥透镜的作用。 

此外，具有反演对称性的单晶体是指这样的晶体，在x，y，z坐标系内以某个原点为中心将原子排列反转之后仍能形成与原来的原子排列完全相同的原子排列。此外，将具有自发极化的材料在坐标轴上反转，则自发极化的方向就会发生反转，因此这种晶体材料不具有反演对称性。另外，具有反演对称性的单晶体不具有泡克尔斯效应，克尔效应就成为最低次的电光效应。因此，在具有电光效应的晶体材料中，优选具有反演对称性的单晶体。 

晶体内部电场的大小与施加到电极上的电压成正比。此外，由于折射率调制与电场的平方成正比，所以折射率调制的大小与电压的平方成正比。由此，凹透镜的焦距可以通过电压来进行控制。此外，这里对电光材料用作凹透镜的情况进行了说明，不过，电光系数的符号因材料、光的偏振的不同而不同，所以，上述电光材料也可以实现凸透镜的功能。 

电光材料适合采用具有钙钛矿型晶体构造的单晶材料。这是因为，钙钛矿型单晶材料如果选择适当的使用温度就能形成在使用状态下具有反演对称性的立方晶相，且该立方晶相不具有泡克尔斯效应。例如，人们熟悉的钛酸钡(BaTiO₃，以下称作BT)，如果超过了晶相在120℃附近由四方晶相向立方晶相发生相变的温度(以下称作相变温度)，就会变为立方晶相并显现克尔效应。 

此外，以KTN为主要成分的单晶材料具有更适合的特征。与BT相变温度固定相比，KTN可以根据钽和铌的组成比来选择相变温度。由此，可以将相变温度设定为接近室温的温度。KTN在温度高于相变温度时变为立 方晶相，具有反演对称性和很好的克尔效应。因此，将相变温度设定为接近室温的温度，对于简便地实现强克尔效应是非常重要的。 

作为具有反演对称性的单晶材料，可以采用晶体的主要成分包括周期表中的IA族和VA族元素且IA族是钾、VA族是铌和钽中的至少1种这样的材料。此外，还可以包括周期表中IA族的除钾以外的元素例如锂，或者，IIA族中的1种或多种元素作为添加的杂质。例如，也可使用具有很强的克尔效应的立方晶相的KLTN(K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃，0＜x＜1，0＜y＜1)的晶体。 

当使用温度接近相变温度时，KTN的介电常数就会急剧增大，从而电光效应就会增强。此外，当介电常数较大时，图2所示的电力线的弯曲就会变得更加剧烈，透镜的效果也会增强。较强的电光效应和剧烈的电力线弯曲，由于这二者的叠加协同效应，例如，当KTN的相对介电常数超过10000并且被施加到KTN基板上的电压超过500V时，焦距就会达到1m以下，从而获得实用上有效的特性。 

此外，与其他电光晶体同样地，KTN的折射率调制根据外加电场的方向和光电场的方向之间的关系发生变化。在图2所示的结构中，偏振分为两种情况，即：光电场的方向为x轴方向的情况以及光电场的方向为z轴方向的情况。在这两种情况下，光受到的折射率调制Δn_x和Δn_z不同，分别为： 

Δn_x＝-1/2n_o ³(s₁₁E_x ²+s₁₂E_y ²) 

Δn_z＝-1/2n_o ³(s₁₂E_x ²+s₁₂E_y ²)。 

这里，n_o表示调制前的折射率。 

此外，s₁₁和s₁₂表示电光系数，s₁₁为正值，s₁₂为负值，s₁₁的绝对值比s₁₂的绝对值大。基于这个特点，电光材料的功能因入射光的偏振状态而完全发生变化，即，当光电场的方向为x方向时为凸透镜，光电场的方向为z方向时为凹透镜。 

(电极材料) 

当向电光材料施加高电压时，就会从电极注入电荷，从而可在晶体内产生空间电荷。由于该空间电荷的作用，在电压的施加方向上产生电场倾斜，由此导致折射率的调制也产生倾斜。 

因此，为了防止为使电光材料发挥透镜作用所不期望的折射率分布，和防止从电光材料中透过的光发生偏转，在对基板1施加了电压后，基板1的内部不产生空间电荷较好。空间电荷量依赖于载流子的注入效率，所以从电极注入的载流子的注入效率为低注入效率较好。随着电极材料的工作函数的增大，电极和基板之间的状态接近于肖特基结，载流子的注入效率降低。当电光晶体中负责导电的载流子是电子时，电极材料的工作函数优选为5.0eV以上。作为工作函数为5.0eV以上的电极材料，例如，可以使用Co(5.0)、Ge(5.0)、Au(5.1)、Pd(5.12)、Ni(5.15)、Ir(5.27)、Pt(5.65)和Se(5.9)。( )内表示工作函数(eV)。 

另外，当电光晶体中负责导电的载流子为空穴时，为了抑制空穴的注入，电极材料的工作函数优选小于5.0eV。作为工作函数在5.0eV以下的电极材料，例如，可以使用Ti(3.84)等。此外，Ti的单层电极氧化后电阻会变高，所以一般情况下使用Ti/Pt/Au的叠层电极来使得Ti层和电光晶体形成结。此外，也可使用ITO(Indium Tin Oxide：铟锡氧化物)、ZnO等的透明电极。 

(实施例1) 

图4示出实施例1的变焦透镜的结构。在将电光材料加工成片状而获得的基板11的顶面和底面上，分别形成有1对上部电极12a，12b和1对下部电极13a，13b。由KTN单晶体切块，形成3mm×3mm×(厚度T＝)1mm的形状而得到基板11。令基板11的6个面都与晶体的(100)面平行，并进行光学研磨。该KTN单晶体的相变温度是35℃，因此，在本实施例中，将其使用温度设定得稍微高于其相变温度，即，使用温度为40℃。该温度下的相对介电常数为20000。 

上部电极12a，12b和下部电极13a，13b均为0.6mm×2.6mm的方形，通过蒸镀铂(Pt)来形成。此外，隔着透光的空隙而相对的边相互平行，并且该2个边之间的间隔A为1.4mm。 

将实施例1中的变焦透镜的温度控制在40℃，并在此状态下将校准后的激光入射到上部电极12a，12b之间的空隙中。光呈线性偏振状态，振荡电场的方向为z轴方向。在上下电极间施加500V的电压时，从下部电极13a，13b之间出射的光就会沿x轴方向发散，因此能够起到柱面凹透镜的 作用。焦距为25cm。这里，如果将外加电压设定为250V，那么发散就会降低，焦距大致为1m。即，可通过外加电压来改变焦距。由于仅通过改变外加电压就能够改变焦距，所以响应时间在1μs以下，与现有的变焦透镜的响应时间相比，提高了3位数以上。 

此外，使光的行进方向保持不变，并使其偏振方向转90度后进行测量。即，将x轴方向设定为光的振荡电场的方向。这时，能够起凸透镜的作用。当外加电压为500V时，焦距为19cm，可通过外加电压来改变焦距。 

(实施例2) 

透镜的特性可由光透过基板1所受到的光程调制来表示。光程调制Δs是在入射光通过电光材料的整个路径上对折射率调制Δn进行积分所得到的。如上所述，折射率调制是x和y的函数，因此，将其设为Δn(x，y)。折射率调制Δn不依赖于z。在本实施方式的变焦透镜中，光在y轴方向上传播，所以光程调制Δs为 

Δs＝∫Δn(x，y)dy 

为不依赖于y只依赖于x的函数。即，只在光聚散的x轴方向上变化，而不在z轴方向上变化。 

图5A和图5B示出实施例2的变焦透镜的光程调制分布。图5A表示上部电极和下部电极的间隔A＝2mm时的光程调制分布，图5B表示间隔A＝1mm时的光程调制分布。在上述任一种情况下，基板1均使用厚度T＝1mm的电光材料。横轴表示x轴方向的位置，并且以透光部分的中央作为原点。纵轴是光程调制Δs。在上述任一种情况下，光电场朝向x轴方向时，光程调制(ΔSx)向上凸起，表明其起凸透镜的作用；光电场朝向z轴方向时，光程调制(ΔSz)向下凸出，表明其起凹透镜的作用。 

图5A和图5B的曲线显示了对二次曲线的拟合结果。理想地，优选与该二次曲线一致，但是，均存在稍许的偏差。此外，与图5B相比，在图5A中二次曲线的偏差要大些。这是因为，从各电极向透光的部分延伸的电力线只在由基板1的厚度T所确定的范围内延伸。即，在上部电极和下部电极之间施加了相同的电压时，如果上部电极和下部电极的间隔A过宽(图5A的情况)，电力线无法到达透光部分的中央，电光效应减弱，折射率调制也降低。 

图6示出实施例2的变焦透镜中光程调制和理想的二次曲线之间的偏差。横轴表示电极对之间空隙的间隔A与基板1的厚度T之比R(＝A/T)。纵轴表示实际的光程调制Δs和理想的二次曲线之间的偏差量的峰-峰值。即，确定间隔A和厚度T来求得实际的光程调制(图5A和图5B的图线○、□)，进行图5A和图5B所示的拟合，在x坐标中空隙的间隔A的整个范围内找到偏差量的最小值和最大值，将偏差幅度以峰-峰值表示。当R很大时，电力线无法到达透光部分的中央，光程调制Δs的偏差量变大，所以，优选在一定程度上将R设定得较小。实际应用中，光程调制Δs的偏差量的标准在光波长左右(大约1μm)，所以优选R在1.5以下。 

在上述实施例1中，虽然上部电极12a，12b显示为独立的电极，只要不给基板11内部的电场分布带来不必要的干扰，也可以采用下述结构，即：在基板11的顶面将二者连接而形成为一个电极，或者，通过其他方法将二者连接而形成为一个电极。同样，下部电极13a，13b只要不给基板11内部的电场分布带来不必要的干扰，也可以结合成一个电极。 

上述实施例1中，上部电极12a，12b的相对的边和下部电极13a，13b的相对的边隔着基扳11在x轴方向上对齐，但也可以无需完全对齐，互相平行即可。 

上述实施例中，上部电极和下部电极表示为方形。但是，除隔着透光的空隙而相对的边以外，其它部分由于不影响透镜功能，因而可以是任意的形状。并且，在z轴方向上离开透光区域的外延区域的距离大于或等于电极的间隔A或基板的厚度T的位置，隔着空隙而相对的边也可以是任意形状。 

Claims (8)

1.变焦透镜，其特征在于，

包括由具有反演对称性的单晶体形成的电光材料以及形成于该电光材料的光入射面和光出射面的电极，其中所述光出射面与所述光入射面相对；

所述变焦透镜的光路被设定成使光从所述光入射面的未形成有所述光入射面的电极的部分入射、透过所述电光材料并从所述光出射面的未形成有所述光出射面的电极的部分出射；

所述光入射面的电极被配置为，使得隔着所述光入射面的未形成有所述光入射面的电极的部分而相对的边相互平行；所述光出射面的电极被配置为，使得隔着所述光出射面的未形成有所述光出射面的电极的部分而相对的边相互平行；

所述光入射面的电极的相对的边和所述光出射面的电极的相对的边分别平行地设置，其中，所述光出射面的电极隔着所述电光材料与所述光入射面的电极相对；

光所透过的所述变焦透镜的焦点能够通过改变被施加在所述光入射面的电极和所述光出射面的电极之间的电压而发生变化。

2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，所述电光材料是钙钛矿型单晶材料。

3.根据权利要求2所述的变焦透镜，其特征在于，所述电光材料是钽铌酸钾。

4.根据权利要求2所述的变焦透镜，其特征在于，所述电光材料的晶体的主成分包括元素周期表中的IA族和VA族元素，IA族元素是钾，VA族元素是铌和钽中的至少1种。

5.根据权利要求4所述的变焦透镜，其特征在于，所述电光材料还包 括元素周期表中IA族的除钾以外的元素或者，IIA族中的1种或多种元素作为添加的杂质。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的变焦透镜，其特征在于，所述电极由与所述电光材料形成肖特基结的材料形成。

7.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，所述光入射面的电极的所述相对的边与所述光出射面的电极的所述相对的边被配置在隔着所述电光材料相一致的位置，该光出射面的电极隔着所述电光材料与所述光入射面的电极相对。

8.根据权利要求1或7所述的变焦透镜，其特征在于，隔着所述光入射面的未形成有所述光入射面的电极的部分而相对的边的间隔A、以及隔着所述光出射面的未形成有所述光出射面的电极的部分而相对的边的间隔A，与所述电光材料的厚度T之比R＝A/T在1.5以下。 

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