JP5161156B2 - 可変焦点レンズ - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
2,7a,8a,9a,22 陽極
3,7b,8b,9b,23 陰極
Claims (10)
- 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対の辺よりも長く、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。 - 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1に記載の可変焦点レンズ。
- 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、前記第3の面に平行な1対の辺が他の1対の辺よりも長く、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。 - 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3に記載の可変焦点レンズ。
- 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。 - 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ないし5のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
- 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6に記載の可変焦点レンズ。
- 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6に記載の可変焦点レンズ。
- 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8に記載の可変焦点レンズ。
- 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9のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
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