(57)【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た第１乃至第４の単位素子と、
前記第１の単位素子の光軸と前記第２の単位素子の光軸とを一致させ、前記第１の単位素子と前記第２の単位素子との間の光軸上に配置された第１の半波長板と、
前記第３の単位素子の光軸と前記第４の単位素子の光軸とを一致させ、前記第３の単位素子と前記第４の単位素子との間の光軸上に配置された第２の半波長板と、
入射光を第１の偏波光と第２の偏波光とに偏波分離し、前記第１の偏波光を前記第１の単位素子に入射し、前記第２の偏波光を前記第３の単位素子に入射する偏波分離素子と、
前記第２の単位素子から出射された第１の出射光と、前記第４の単位素子から出射された第２の出射光とを合波する偏波合成素子とを備え、
前記第１の単位素子の第１および第２の電極対による電圧の印加方向と、前記第２の単位素子の第１および第２の電極対による電圧の印加方向とが互いに直交し、前記第３の単位素子の第１および第２の電極対による電圧の印加方向と、前記第４の単位素子の第１および第２の電極対による電圧の印加方向とが互いに直交するように配置し、前記第１乃至第４の単位素子の第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、前記偏波合成素子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】
前記第１乃至第４の単位素子の少なくとも１つは、前記光軸の方向に沿って第１および第２の電極対を一組として、複数組が前記光軸の方向に沿って直列に配置されており、互いに隣り合う電極対は、反対の極性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、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または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、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３に記載の可変焦点レンズ。
【請求項５】
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３に記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
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５に記載の可変焦点レンズ。
【請求項７】
前記陽極と前記陰極とは、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６のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
【請求項８】
前記陽極と前記陰極とは、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７に記載の可変焦点レンズ。
【請求項９】
前記陽極と前記陰極との間の間隔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７または８に記載の可変焦点レンズ。
【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、偏波依存性が無い動作をする偏波無依存型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、特許文献２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１１−１３３２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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ように電気光学効果を用いた可変焦点レンズを提供することにある。また、多くの電気光学効果デバイスは、偏波に依存した動作をするため、電気光学効果を利用しつつも偏波無依存の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】
【０００８】
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（１）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（２）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（３）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（４）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（５）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た第１乃至第４の単位素子（１２，１４，１７，１９）と、前記第１の単位素子（１２）の光軸と前記第２の単位素子（１４）の光軸とを一致させ、前記第１の単位素子と前記第２の単位素子との間の光軸上に配置された第１の半波長板（１３）と、前記第３の単位素子（１７）の光軸と前記第４の単位素子（１９）の光軸とを一致させ、前記第３の単位素子と前記第４の単位素子との間の光軸上に配置された第２の半波長板（１８）と、入射光を第１の偏波光と第２の偏波光とに偏波分離し、前記第１の偏波光を前記第１の単位素子（１２）に入射し、前記第２の偏波光を前記第３の単位素子（１７）に入射する偏波分離素子（１１）と、前記第２の単位素子（１４）から出射された第１の出射光と、前記第４の単位素子（１９）から出射された第２の出射光とを合波する偏波合成素子（２０）とを備え、前記第１の単位素子の第１および第２の電極対による電圧の印加方向と、前記第２の単位素子の第１および第２の電極対による電圧の印加方向とが互いに直交し、前記第３の単位素子の第１および第２の電極対による電圧の印加方向と、前記第４の単位素子の第１および第２の電極対による電圧の印加方向とが互いに直交するように配置し、前記第１乃至第４の単位素子の第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、前記偏波合成素子から出射された光の焦点を可変することを特徴とする。
【０００９】
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。
【００１０】
第１〜第４の可変焦点レンズの同一面上の陽極と陰極とは、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が好ましい。さらに、第１ないし第４の同一面上の陽極と陰極の間隔Ｇ、前記電気光学材料の厚さＴとすると、Ｇ＜１．５Ｔであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
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、所望の電極構成を有する可変焦点レンズの基本単位素子を複数配置することにより、偏波に依存しない可変焦点レンズを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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基本単位要素の構成を示す図である。
【図２】可変焦点レンズの基本単位要素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本単位要素の光路長変調の例を示す図である。
【図４】可変焦点レンズの基本単位要素の焦点距離の電極間隔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基本単位要素の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例１にかかる偏波無依存型可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例２にかかる偏波無依存型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】
【００１３】
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、かつ、偏波に依存しない可変焦点レンズを得ることができる。
【００１４】
（可変焦点レンズの基本単位要素）
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基本単位要素の構成を示す。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２（第１の陽極）、基板１を挟んで下部電極として陰極３（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４（第２の陰極）であり、下部電極が陽極５（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。
【００１５】
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、陽極２と陰極３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、陰極４と陽極５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ように設定する。
【００１６】
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２と陽極５との電位は異なっていてもよく、陰極３と陰極４の電位も同様である。なお、陽極２，５の低いほうの電位は、陰極３，４の高いほうの電位よりも高くなるように設定する。
【００１７】
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。
【００１８】
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に示した基本単位要素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つの基本単位要素を、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。
【００１９】
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に示した基本単位要素の側面をｙ軸方向から見た様子を示している。基板１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。
【００２０】
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２に示したような電気力線６が発生する。電気力線６は、陽極２と陰極３との間、陰極４と陽極５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、４つの電極の付近、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の中央部分（厚み（ｚ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。
【００２１】
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７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。
【００２２】
（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１、２に示した構成においては、陽極２と陰極３との間と、陰極４と陽極５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。
【００２３】
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２と陰極３との間と、陰極４と陽極５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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
（光路長変調）
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、偏波は、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、  
【００３２】
【数１】
0005432044.tif 000002
【００３３】
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。
【００３４】
【数２】
0005432044.tif 000003
【００３５】
図３に、基本単位要素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１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３の横軸は、図２に示したｚ座標を示し、原点を基板１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、偏波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。
【００３６】
（電極の配置）
基本単位要素では、基板１の上面に陽極２と陰極４を配置し、下面に陰極３と陽極５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。
【００３７】
素子の小型化を考えた場合に、図２の構成において、基板１をｚ軸方向に小さくする、すなわち基板１の厚さを薄くしようとしても、基板１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１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。
【００３８】
一方、第１の実施形態では、上面の陽極２と陰極４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。
【００３９】
図４に、基本単位要素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３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１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１の厚さが４ｍｍなので、図４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。
【００４０】
上述したように、ＫＴＮを用いると、偏波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。
【００４１】
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。
【００４２】
（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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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基本単位要素を示す。上述した基本単位要素を、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８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ・・・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。
【００４６】
すなわち、基板６の第１の面と第２の面のそれぞれに２Ｎ個の電極を備える。１≦ｋ≦Ｎ−１の時、光の入射側からｋ番目の電極をｋ番目の陽極とし、第１の面に対向する第２の面上に形成され、ｋ番目の陽極と向かい合う位置に形成された電極をｋ番目の陰極とする。第１の面上に形成され、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、第２の面上に形成され、ｋ＋１番目の陰極と向かい合う位置に形成され、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番目の陽極とする。
【００４７】
（偏波無依存型可変焦点レンズ）
上述したように、通常の球面レンズを実現するには、２つの基本単位素子の光軸を一致させて縦続配置し、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、偏波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。
【００４８】
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波方向も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、偏波回転素子を挿入した構造とする。偏波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。
【００４９】
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。
【実施例１】
【００５０】
図６に、本発明の実施例１にかかる偏波無依存型可変焦点レンズの構成を示す。偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１によって偏波分離された第１の偏波光は、直列に配列された第１の基本単位素子１２と半波長板１３と第２の基本単位素子１４（第１セット）とを透過する。もう一方の偏波分離された第２の偏波光は、光学ミラー１６を介して、直列に配列された第３の基本単位素子１７と半波長板１８と第４の基本単位素子１９（第２セット）とを透過する。第１の基本単位素子１２の電極対による電圧の印加方向と、第２の基本単位素子１４の電極対による電圧の印加方向とが、互いに直交するように配置する。同様に、第３の基本単位素子１７の電極対による電圧の印加方向と、第４の基本単位素子１９の電極対による電圧の印加方向とが、互いに直交するように配置する。
【００５１】
第１乃至第４の基本単位素子は、上述した第１の実施形態にかかる基本単位要素である。これら４個の基本単位要素の各々の電極に電圧を印加すると、第１セットにておいては、効率的に可変焦点球面レンズとして機能し、第１の偏波光は、第１の出射光として光学ミラー１５を介して偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０に入射される。第２セットにおいても、効率的に可変焦点球面レンズとして機能し、第２の偏波光は、第２の出射光としてＰＢＳ２０に入射される。第１および第２の出射光は、ＰＢＳ２０によって偏波合成され、全体として偏波無依存な可変焦点レンズとして機能する。
【００５２】
偏波分離／合成素子としてＰＢＳを挙げたが、１Ｘ２偏波分離機能、２Ｘ１偏波合成機能を有する素子であればなんでもよい。例えば、市販されているファイバ型の偏波分離／合成素子が挙げられる。
【００５３】
半波長板は、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で構成することもできる。前後の基本単位素子の基板と一体に成型し、前後の基本単位素子用の電極と、ＫＴＮ半波長板用の電極とを順に並べて取り付ける。このようにして、一体化した偏波無依存型球面可変焦点レンズを構成することもできる。
【００５４】
第１乃至第４の基本単位素子のそれぞれは、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＝）４ｍｍ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。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。電極の各辺は、基板１の辺に平行である。
【００５５】
この可変焦点レンズを、４０℃で温度制御した状態で、コリメートした無偏波レーザ光を入射する。ＰＢＳ１１を透過したレーザ光は、偏波分離され、直交する２方向の光路にわかれて出射される。一方の偏波光（第１の偏波光）を、第１の基本単位素子１２と半波長板１３と第２の基本単位素子１４に入射する。第１および第２の基本単位素子の上下電極間に電圧を印加すると、第１の出射光は、ｚ軸方向に集光され、球面凸レンズとして機能する。一方、他方の第２の偏波光を、第３の基本単位素子１７と半波長板１８と第４の基本単位素子１９に入射する。第３および第４の基本単位素子の上下電極間に電圧を印加すると、第２の出射光は、ｚ軸方向に集光され、球面凸レンズとして機能する。最後に、ＰＢＳ２０を透過した２つの出射光は偏波合成され、高速動作が可能な偏波無依存型の球面凸レンズとして機能する。
【実施例２】
【００５６】
図７に、本発明の実施例２にかかる偏波無依存型可変焦点レンズの構成を示す。偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１によって偏波分離された第１の偏波光は、直列に配列された第１の基本単位素子３２と半波長板３３と第２の基本単位素子３４（第１セット）とを透過する。もう一方の偏波分離された第２の偏波光は、光学ミラー３６を介して、直列に配列された第３の基本単位素子３７と半波長板３８と第４の基本単位素子３９（第２セット）とを透過する。第１の基本単位素子３２の電極対による電圧の印加方向と、第２の基本単位素子３４の電極対による電圧の印加方向とが、互いに直交するように配置する。同様に、第３の基本単位素子３７の電極対による電圧の印加方向と、第４の基本単位素子３９の電極対による電圧の印加方向とが、互いに直交するように配置する。
【００５７】
第１乃至第４の基本単位素子は、上述した第２の実施形態にかかる基本単位要素である。これら４個の基本単位要素の各々の電極に電圧を印加すると、第１セットにておいては、効率的に可変焦点球面レンズとして機能し、第１の偏波光は、第１の出射光として光学ミラー３５を介して偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０に入射される。第２セットにおいても、効率的に可変焦点球面レンズとして機能し、第２の偏波光は、第２の出射光としてＰＢＳ４０に入射される。第１および第２の出射光は、ＰＢＳ４０によって偏波合成され、全体として偏波無依存な可変焦点レンズとして機能する。
【００５８】
実施例１と比較して、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。なお、電極対の数は、２つ以上あれば、偶数でも奇数でもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１，６  基板
２，５，８ａ，９ａ，１０ａ  陽極
３，４，８ｂ，９ｂ，１０ｂ  陰極
１１，２０，３１，４０  偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１２，３２  第１の基本単位素子
１３，３３，１８，３８  半波長板
１４，３４  第２の基本単位素子
１５，１６，３５，３６  光学ミラー
１７，３７  第３の基本単位素子
１９，３９  第４の基本単位素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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