(57)【要約】【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、該電気光学材料の第１の面と、該第１の面に対向する第２の面とにそれぞれ向かい合う位置に形成された複数の電極対と、前記電気光学材料を照明できるように配置された発光素子とを備え、該電極対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する光の焦点を可変する。【選択図】図１
2014026229.tif 000002
【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の面と、該第１の面に対向する第２の面とにそれぞれ向かい合う位置に形成された複数の電極対と、
前記電気光学材料を照明できるように配置された発光素子とを備え、
該電極対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する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】
前記電極対は、
前記電気光学材料の第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の陰極とからなる第１の電極対、および
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の陽極とからなる第２の電極対を含み、
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の電極対の間を透過してから、前記第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の面から光が出射され、
前記第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請求項１に記載の可変焦点レンズ。
【請求項３】
前記電極対は、
前記電気光学材料の第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の陽極とを含み、
前記第１の陽極と前記第２の陰極との間の前記第１の面に光を入射させたき、前記電気光学材料の内部を透過してから、前記第１の陰極と前記第２の陽極との間の前記第２の面から光が出射され、
前記２つの陽極と前記２つの陰極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第２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請求項１に記載の可変焦点レンズ。
【請求項４】
前記電極対は、
前記電気光学材料の第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の陰極とからなる第１の電極対、および
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の陽極と、前記第２の面上に形成され、前記第２の陽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の陰極とからなる第２の電極対を含み、
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の電極対の間を透過してから、前記第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の面から光が出射され、
前記第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請求項１に記載の可変焦点レンズ。
【請求項５】
前記電極対は、
前記電気光学材料の第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の陽極と、
前記第２の面上に形成され、前記第２の陽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の陰極とを含み、
前記第１の陽極と前記第２の陽極との間の前記第１の面に光を入射させたき、前記電気光学材料の内部を透過してから、前記第１の陰極と前記第２の陰極との間の前記第２の面から光が出射され、
前記２つの陽極と前記２つの陰極との間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料の前記第２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請求項１に記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
前記電極対は、前記電気光学材料の表面に形成された２Ｎ個の電極を含み、
１≦ｋ≦Ｎ−１の時、前記電気光学材料の第１の面上に形成され、光の入射側からｋ番目の電極をｋ番目の陽極とし、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記ｋ番目の陽極と向かい合う位置に形成された電極をｋ番目の陰極とし、
前記第１の面上に形成され、前記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、前記第２の面上に形成され、前記ｋ＋１番目の陰極と向かい合う位置に形成され、前記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番目の陽極とし、
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ｋ番目の陽極および前記ｋ番目の陰極からなる電極対の間と、Ｎ番目の陽極およびＮ番目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の面から光が出射され、
前記ｋ番目およびＮ番目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請求項１に記載の可変焦点レンズ。
【請求項７】
前記電気光学材料は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料であ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７に記載の可変焦点レンズ。
【請求項９】
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７に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１０】
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９に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１１】
前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極と前記２Ｎ個の電極とは、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２ないし６のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
【請求項１２】
前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極と前記２Ｎ個の電極とは、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１１に記載の可変焦点レンズ。
【請求項１３】
前記発光素子は、発光ダイオードであること特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
【請求項１４】
前記発光素子は、半導体レーザであること特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
【請求項１５】
前記発光素子は、窒化ガリウムを主成分とすることを特徴とする請求項１３または１４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。
【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、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、該電気光学材料の第１の面と、該第１の面に対向する第２の面とにそれぞれ向かい合う位置に形成された複数の電極対と、前記電気光学材料を照明できるように配置された発光素子とを備え、該電極対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する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。
【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、電気光学材料の表面に形成された複数の電極対とを備え、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制御するので、焦点距離の変更を高速に行うことが可能となる。
【００１２】
また、電気光学材料を照明できる発光素子を備えたことにより、電気光学材料内部に発生した空間電荷を消滅させることができ、所望の焦点距離、集光スポットの形状を常に得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】可変焦点レンズに均一の光を照射する構成の一例を示す図である。
【図５】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６】本発明の第５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６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。無機結晶の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。最初に、基本となる可変焦点レンズについて説明する。
【００１５】
（シリンドリカル可変焦点レンズの構成）
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、それぞれ向かい合う位置に２つの電極対が形成されている。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。
【００１６】
入射光６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、出射光７が出射される。
【００１７】
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。
【００１８】
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。このようにして、光は、１軸方向に集光または発散されるので、１軸変調という。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。
【００１９】
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、基本単位素子として、２つのシリンドリカル可変焦点レンズと、その間に挿入された半波長板とを組み合わせ、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。このようにして、光は、２軸方向に集光または発散されるので、２軸変調という。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。
【００２０】
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、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。
【００２１】
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１１が発生する。電気力線１１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（すべての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。
【００２２】
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１２を模式的に示している。屈折率変調曲線１２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。
【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）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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
（光路長変調）
ここでは、光路長変調について詳述する。図２の構成においてレンズの特性は、下記の式のように、屈折率変化分Δｎ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。  
【００３３】
【数１】
2014026229.tif 000003
【００３４】
ただし、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Δｎは異なるので、光路長変調Δｓも異なる。
【００３５】
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の例を示す。縦軸は、光電界の向きがｚ軸方向の場合について、光路長変調Δｓを数値計算により求めたものである。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座標における基板１の中央を原点とし、原点からの変位を示す。Δｓ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。この例では凸レンズであるが、前述のように偏光によって光路長変調が異なるので、凹レンズになることもある。
【００３６】
（初期化機能）
以上、本実施形態の可変焦点レンズの原理を説明してきたが、この可変焦点レンズには一つの問題がある。ＫＴＮに代表される反転対称性を有する電気光学材料は、電気光学材料に電界を印可すると、内部に空間電荷を発生する場合がある。空間電荷は、電気光学材料内で何らかの原因で発生した自由キャリア（電子または正孔）が、電気光学材料の内部で移動し、そこで局所的な欠陥に捕獲（トラップ）されることにより発生する。空間電荷は、その周囲に電界分布を発生させ、焦点の移動に適した電界分布を乱すことになる。すなわち、所定の電圧を印加した場合でも、所望の焦点距離、集光スポットの形状を得られない場合が生ずる。従って、可変焦点レンズへの応用では、空間電荷を発生させないことが重要である。
【００３７】
自由キャリアは、電極によって外部から注入された場合と、結晶内部で光励起や熱励起によって発生する場合がある。前者については、後述するように電極材料によって発生を抑制することができる。とはいえ、長時間電圧をかけ続けた場合、わずかな漏れ電流で注入されたキャリアの蓄積は無視できない場合がある。後者の発生要因のうち、熱励起は回避することは非常に困難である。光励起も、光の波長によって発生の度合いは変わるものの、光を操る素子である以上発生は避けられない。
【００３８】
そこで本実施形態では、短波長の発光素子を可変焦点レンズ素子の一部として備え、光励起を逆に利用して問題を解決する。電気光学材料に部分的に光を照射すると、その部分で自由キャリアが発生する。発生した自由キャリアは、拡散や電界によるドリフトにより、電気光学材料内の別の場所へ移動し、そこでトラップされる。すなわち、空間電荷となって、不均一な電荷分布を発生させてしまう。
【００３９】
しかし、電気光学材料内に均一に光を照射すると、光励起されたキャリアが別の場所でトラップされたとしても、そこで再び光励起される。電極などを通して外部からキャリアが注入されて、全体的に正または負に偏った荷電状態になっていた場合、この均一な光照射を始めて一定時間以上経過すると、余剰のキャリアは電極から出てゆき、キャリア注入の前の電気的に中性な状態に戻る。また、外部からのキャリア注入がなく、電気光学材料全体の平均では偏った荷電状態でなくとも、部分的な偏りで空間電荷が生じていた場合にも、全体的に均一に中性の荷電状態に戻る。すなわち、空間電荷は消滅して初期化され、所定の電圧を印加した場合に、所望の焦点距離、集光スポットの形状を常に得ることができる。
【００４０】
発光素子としては、白熱電球でも蛍光管でもレーザでもどのようなものでも用いることができる。小型で発光効率がよく、発熱などによる温度変動も小さいものとして、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）が好適に用いることができる。さらに、光源の波長が短い方が光子のエネルギが高く、初期化の効率が高く、初期化の時間を短くすることができる。特に、窒化ガリウムを主成分として、４０５ｎｍ付近の紫外線を発生させるＬＥＤやＬＤが汎用品として製造されており、これらを用いると初期化の効率が高い。これ以上波長が短くなると、光子エネルギがＫＴＮのバンドギャップを超えるため、吸収が非常に強くなり、光はＫＴＮの表面付近ですべて吸収されてしまって内部まで到達しない。このため、均一な光照射ができず、初期化には不適である。
【００４１】
可変焦点レンズを長期間使用していない状態から使用を開始する場合、長時間電圧をかけていた場合、強い光を電気光学材料に不均一強度で照射して使用した場合などに、空間電荷が発生していることが想定される。そこで、可変焦点レンズに備え付けたＬＥＤやＬＤを一定期間照射することによって、空間電荷を消滅させて初期化することが、本実施形態の好適な用い方である。
【００４２】
図４に、可変焦点レンズに均一の光を照射する構成の一例を示す。可変焦点レンズを構成する電気光学結晶の基板１、電極、レンズ効果を受ける光束（入射光６及び出射光７）と、光源２１との関係を示す。基板１の下方向から均一に照明をあてる例を示しているが、この図に限定されるものではなく、どちら向きに均一照明の光源２１を配置してもよい。光源２１は、単一の発光素子でもよいし、複数の発光素子を集積したものでもよい。
【００４３】
（電極の配置）
図１に示した第１の実施形態の可変焦点レンズでは、基本単位素子として、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。しかし、この基本単位素子において、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した構成とすることもできる。レンズ効果は、第１の実施形態の可変焦点と比較して小さいが、機能は同じである（第２の実施形態）。
【００４４】
図５に、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。基板３１に対する電極３２−３５の配置は、図１の第１の実施形態と同じである。入射光３６の入射、出射光３７の出射方向が異なる。図５に示すように、入射光３６は、基板３１の上面の陽極３２と陰極３４との間から入射され、基板３１の内部をｚ軸方向に進行し、下面の陰極３３と陽極３５との間から空気中へ、出射光３７として出射される。図５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。
【００４５】
さらに、第３の実施形態においても、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してもよく、逆に上面を陰極・下面を陽極とする構造でも良い（第４の実施形態）。
【００４６】
図６に、本発明の第５の実施形態にかかる可変焦点レンズの構成を示す。第１の実施形態の基本単位素子のさらなる応用であり、光軸方向に沿って複数の電極を直列に配置した構成である。１つの基板４１に複数の陽極４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、陰極４３ａ，４３ｂ，４３ｃとを配置し、互いに隣り合う電極対には反対の極性の電圧を印加する。入射光４６は、電極を配置した面と直交する面から入射され、基板４１の内部をｘ軸方向に進行し、入射した面と対向する面から空気中へ、出射光４７として出射される。
【００４７】
電気光学材料の表面に２Ｎ個の電極を形成する場合に、基板４１の上面（第１の面）の光の入射側からｋ番目（１≦ｋ≦Ｎ−１）の電極をｋ番目の陽極とし、ｋ番目の陽極とは間隔をおいて配置された電極をｋ＋１番目の陰極とする。基板４１の下面（第２の面）には、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、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番目の陽極とを、それぞれ向かい合う位置に形成する。
【００４８】
第２の実施形態と同様に、上面の全ての電極対に同じ極性の電圧を印加し、下面の全ての電極対に同じ極性の電圧を印加する構成としてもよい。もちろん、任意のパターンで電圧を印加してもよい。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、偶数でも奇数でもよい。
【００４９】
（偏光回転素子）
２軸変調のためには、半波長板が必要であることを前述した。この半波長板は、一般的には、偏光を９０度回転させる、偏光回転素子である。偏光を９０度回転させる素子であれば何でも良く、代表例である半波長板以外にも、ファラデー回転素子なども代わりに用いることができる。
【００５０】
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には、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。
【００５１】
図７に、本発明の第６の実施形態にかかる偏光無依存可変焦点レンズの構成を示す。第１の基本単位素子５１とＫＴＮ半波長板５３と第２の基本単位素子５２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５３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。電圧の大きさを調整すると、直交偏光間にπラジアンの位相差を発生させることができる。この電界の向きが、第１の基本単位素子５１と第２の基本単位素子５２の電圧の印加方向、すなわち電極面の法線に対して、それぞれ４５度の角度をなすように配置する。これにより、第１の基本単位素子５１を透過した光の偏光が９０度回転する。
【００５２】
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、３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５１用の電極と、ＫＴＮ半波長板５３用の電極と、第２の基本単位素子５２用の電極とを順に並べて取り付ける。このようにして、一体化した偏光無依存可変焦点レンズを構成することもできる。
【００５３】
（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する。この空間電荷が屈折率分布を乱し、レンズ機能に悪影響を与えることは、前述のとおりである。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【実施例１】
【００５６】
第１の実施形態（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、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。
【００５７】
また、この可変焦点レンズで変調しようとする光の光路を遮らない位置で、かつ、基板１に近接させて、基板１を照明するためのＬＥＤを設置した。ＬＥＤの発光波長は４０５ｎｍである。
【００５８】
このシリンドリカル可変焦点レンズを、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５９ｃｍである。
【００５９】
このシリンドリカル可変焦点レンズを、１０００Ｖにて長期間使用すると、焦点距離が当初の５９ｃｍから約１００ｃｍにまでずれ、集光スポットの形状も劣化した。そこで、備え付けのＬＥＤに通電し、基板１を５mWの光で１分間照射して初期化を行った。その結果、焦点距離も集光スポットの形状も、元に戻った。
【実施例２】
【００６０】
実施例１において作製した基本単位素子において、第２の実施形態に示したように、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として使用する。このシリンドリカル可変焦点レンズを、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１１５ｃｍである。
【００６１】
このシリンドリカル可変焦点レンズを、同条件にて長期間使用すると、焦点距離が約１６０ｃｍにまでずれ、集光スポットの形状も劣化した。そこで、備え付けのＬＥＤに通電し、基板１を５mWの光で１分間照射して初期化を行った。その結果、焦点距離も集光スポットの形状も、元に戻った。
【実施例３】
【００６２】
実施例１において作製した基本単位素子を、第３の実施形態（図５）に示したシリンドリカル可変焦点レンズとして使用する。このシリンドリカル可変焦点レンズを、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ｘ軸方向である。上下電極間に１０００Ｖの電圧を印加すると、基板３１から出射する光は、ｘ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１０４ｃｍである。
【００６３】
このシリンドリカル可変焦点レンズを、同条件にて長期間使用すると、焦点距離が約１５０ｃｍにまでずれ、集光スポットの形状も劣化した。そこで、備え付けのＬＥＤに通電し、基板３１を５mWの光で１分間照射して初期化を行った。その結果、焦点距離も集光スポットの形状も、元に戻った。
【実施例４】
【００６４】
実施例３において作製した基本単位素子において、第４の実施形態に示したように、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として使用する。実施例３と同じ条件で、焦点距離は１１４ｃｍであった。
【００６５】
このシリンドリカル可変焦点レンズを、同条件にて長期間使用すると、焦点距離が約１６０ｃｍにまでずれ、集光スポットの形状も劣化した。そこで、備え付けのＬＥＤに通電し、基板３１を５mWの光で１分間照射して初期化を行った。その結果、焦点距離も集光スポットの形状も、元に戻った。
【符号の説明】
【００６６】
１，３１，４１  基板
２，５，３２，３５，４２  陽極
３，４，３３，３４，４３  陰極
６，３６，４６  入射光
７，３７，４７  出射光
１１  電気力線
１２  屈折率変調曲線
２１  光源
５１，５２  基本単位素子
５３  ＫＴＮ半波長板
【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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