(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を備え、前記電気光学材料に、前記複数の電極対に、導電性接着剤を介して接続された外部電極から電圧を印加し、前記電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料から出射された光の焦点を可変する。【選択図】図４
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【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、
前記電気光学材料に、前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極とに、導電性接着剤を介して接続された外部電極から電圧を印加し、
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シリンドリカル可変焦点レンズであることを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項２】
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の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記電気光学材料に、前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極とに、導電性接着剤を介して接続された外部電極から電圧を印加し、
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シリンドリカル可変焦点レンズであることを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項３】
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、
前記電気光学材料に、前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極とに、導電性接着剤を介して接続された外部電極から電圧を印加し、
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シリンドリカル可変焦点レンズであることを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項４】
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の陰極とを備え、
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の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記電気光学材料に、前記第１および第２の陽極と前記第１および第２の陰極とに、導電性接着剤を介して接続された外部電極から電圧を印加し、
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シリンドリカル可変焦点レンズであることを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項５】
前記電気光学材料は、ペロブスカイト型の結晶構造であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
【請求項６】
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５に記載の可変焦点レンズ。
【請求項７】
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５に記載の可変焦点レンズ。
【請求項８】
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７に記載の可変焦点レンズ。
【請求項９】
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４のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
【請求項１０】
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９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、屈折率が可変の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を備え、前記電気光学材料に、前記複数の電極対に、導電性接着剤を介して接続された外部電極から電圧を印加し、前記電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記電気光学材料から出射された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２組の電極とを備え、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可変することができる可変焦点レンズを構成し、１００ｋＨｚの高周波で電圧を印加しても、電気光学材料を破損することなく、安定的に動作し、レンズとしての所望の集光性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】本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】本実施形態にかかる可変焦点レンズの電歪効果を説明するための図である。
【図４】本実施形態にかかる可変焦点レンズの筐体への固定方法を示す図である。
【図５】本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６】本発明の他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】
【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、１００kHz以上の繰り返し周波数でも安定的に動作させることができる。
【００１４】
（シリンドリカル可変焦点レンズの構成）
図１に、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。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】
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。
【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。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。
【００１８】
本発明の可変焦点レンズは、その構造的な特徴により、理想的なシリンドリカルレンズとして機能する。図１に示したように、帯状の電極２〜５のｙ軸方向の長さは、入射光の幅よりも長く、基板１の幅にほぼ等しい。このとき、屈折率は、ｘ軸方向とｚ軸方向には空間的に変化するが、ｙ軸方向には変化しない。すなわち、屈折率は、ｘ座標とｚ座標とが決まっていれば、ｙ軸方向には変化せず、均一である。これは、ｙ軸方向には構造的な変化がないからである。電極２〜５は、ｙ軸方向の基板１の端部においてなくなるので、電極の構造的な変化があり、端部付近でｙ軸方向の均一性がなくなると考えることもできる。しかし、後述する反転対称性を有する電気光学材料は、誘電率が非常に高いため、電界分布は、帯状の電極２〜５が基板１の端部よりも外側にも無限に伸びている状態と実質的に等しくなる。これは、誘電率の高い物質の内部では、表面付近では電界の方向が表面にほぼ平行になるためである。従って、電界分布によって発生する屈折率分布も、実質的にｙ座標にはほとんど依存せず、理想的なシリンドリカルレンズとして機能する。
【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】
（導電性接着剤による電極への給電）
物質に電界を印加すると、その物質に歪が生ずる。すなわち、物質が特定の方向に伸縮する。歪が電界に比例する場合、この現象を逆圧電効果または単に圧電効果と呼ぶ。歪が電界の２乗に比例する場合、この現象を電歪効果と呼ぶ。歪の大きさは物質によって程度の差があるが、本実施形態の可変焦点レンズに用いる電気光学材料は、他の材料と比較して、圧電効果または電歪効果が強い。また、反転対称性を有する結晶からなる材料は、圧電効果を発生せず、電歪効果が主となる。
【００２４】
図３を参照して、本実施形態にかかる可変焦点レンズの電歪効果を説明する。破線８は、電圧を印加していない時、反転対称性を有する電気光学材料からなる基板１を、メッシュ８に表した線である。実線９は、陽極２，５と陰極３，４との間に電圧を印加した時、基板１の変形の様子を、メッシュ状に表した線である。実際には、変形は非常に小さく、肉眼で確認できる大きさではないが、図３では理解の便宜のため、変形による各点の移動量を５０倍に誇張している。
【００２５】
陽極２と陰極３との間には、比較的強い下向きの電界が発生するため、電歪効果によって基板１は上下方向に膨張しているが、電極から離れて基盤中央に近づくほど、電界が小さく、変形も小さいことが読み取れる。一方、陰極４と陽極５との間では、電界の向きは逆に上向きであるが、陽極２と陰極３と同様に、上下方向に膨張している。これは、基板１として、反転対称性を有する基板材料を用いているため、電歪効果によって歪が電界の２乗に比例するからである。なお、反転対称性を有しない材料の場合は、圧電効果によって歪が電界に比例するので、陽極２と陰極３の側で膨張すれば、陰極４と陽極５の間では逆に収縮する。
【００２６】
本実施形態の可変焦点レンズも、通常の電子部品と同様に、基板をむき出しで使用するのではなく、配線などを備えた筐体（パッケージ）の中に固定して収めるのが一般的である。本実施形態の可変焦点レンズの基板は、上述したように電圧を印加すると変形するため、高い周波数で焦点の可変を繰り返すと、機械的に振動する。このとき、基板が筐体に強固に固定されていると、基板にクラックが生じたり、割れてしまう可能性が高い。
【００２７】
筐体の外部のリード線から、筐体内部の基板に通電するため、筐体側に固定した金属電極と基板上の電極（２〜５）とを圧着する場合にも、同様の破損が生じやすい。筐体側に固定した金属電極を、基板上の電極に押さえつける場合には、基板の光弾性効果のため、押さえつけられた部分の近傍において、屈折率のムラが生ずるという問題もある。屈折率のムラは、レンズとしての集光性能を低下させてしまう。電子部品の筐体内での配線手段として、ワイヤボンディングが広く用いられているが、この手段によっても、細いワイヤを電極膜に強く押し付けるため、電極幕の下の基板に屈折率のムラを発生させてしまう。そこで、直流モータに用いられるブラシ電極のような構造を用いて通電する方法も考えられる。ブラシ電極のバネの力を弱くすれば、屈折率のムラを小さくすることができる。しかし、上述したように、高い周波数で繰り返し電圧を印加した場合に振動が発生するため、安定的な接触は困難である。
【００２８】
図４に、本実施形態にかかる可変焦点レンズの筐体への固定方法を示す。上述したように、電極への配線によって発生する「割れ」、「屈折率のムラ」の問題を解決するために、本実施形態においては、導電性接着剤を用いて、筐体側に固定した外部電極と基板上の電極とを接着した構造とする。全体を覆う筐体２１の内部に、銅などの金属製の電極２２ａ〜２２ｄが４つ取り付けられている。これらの４つの電極２２ａ〜２２ｄと基板１の表面に金属膜として形成されている電極（２〜５）とが、導電性接着剤２３ａ〜２３ｄによって接着されている。このようにして、基板１は筐体２１に固定され、窓２４ａ，２４ｂを介して、入射光６を入力し、出射光７を出力する。外部電極から基板上の電極を介して基板１に電圧を印加したとき、図３に示したように基板１が変形したとしても、導電性接着剤２３は柔らかいため、変形に十分に吸収することができる。
【００２９】
電気光学材料のヤング率は、２００ＧＰａ〜４００ＧＰａ程度であるのに対し、導電性接着剤では、硬いものでも１０ＧＰａ以下である。ヤング率が２桁以上異なるため、実質的に、基板１と筐体２１とを機械的に押さえていないに等しい。このため、高周波電圧の印加による「割れ」の確率は著しく減少し、「屈折率のムラ」が生ずることもない。一方、接着剤により導電性は常に確保されているので、上述のブラシ電極のように接触が不安定になることもない。
【００３０】
導電性接着剤としては、どのようなものを用いても良い。導電性接着剤は、バインダーと呼ばれる樹脂の中に、フィラーと呼ばれる導電性材料を分散させている。樹脂としてはエポキシ系、シリコーン系、アクリル系の樹脂、ポリイミド、フェノールなどがある。フィラーは、銀が一般的であるが、金などの他の導電性金属もあり、炭素もある。どの組合せでも効果があるが、シリコーン系の樹脂を用いたものは、柔らかく、ヤング率が１０ＭＰａ程度のであるため、好適に用いることができる。
【００３１】
本実施形態では、筐体２１に電極２２が固定されているとしたが、必ずしも固定されている必要はない。基板１を筐体２１に固定するためには、電極以外の部分で基板１を筐体２１に固定することも考えられる。このとき、基板１と筐体２１とを強固に固定すると、基板１の「割れ」に対しては効果的とはいえない。しかし、「屈折率のムラ」が生ずることもなく、安定的な電気接触を得られるという効果は、本実施形態の導電性接着剤を用いた構造により十分に得ることができる。また、上述したブラシ電極、コンタクトプローブなどを電極２２として用いることもできるが、「屈折率のムラ」をなくすためには、バネを非常に弱くする必要があり、そうすると接触が不安定になる。この場合も、本実施形態の構成に従って、これら電極と、基板１に形成された電極膜とを導電性接着剤で接続することによって、問題を解決することができる。なお、電極２２としては、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）を用いることもできる。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
（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。  
【００４２】
【数１】
2014202786.tif 000003
【００４３】
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。
【００４４】
図５に、本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５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。
【００４５】
（電極の配置）
本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、本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。
【００４６】
図６に、本発明の他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６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。さらに、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。
【００４７】
（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。
【００４８】
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。
【００４９】
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】
【００５０】
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。この構造を基本単位素子とする。
【００５１】
この基本単位素子を、図４に示したように、セラミクス製の筐体２１の中に収容し、銅製の四角注の棒状の電極２２と導電性接着剤２３を用いて固定する。導電性接着剤２３は、シリコーン系の樹脂に銀のフィラーを含む接着剤を用い、１８０℃で熱硬化させる。電極２２は筐体２１に固定しているので、導線との接続も容易である。
【００５２】
筐体に収容された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。印加電圧を５００Ｖにすると、集光効果は小さくなり、焦点距離は２９０ｃｍになる。また、電圧を印加しない場合は、集光効果はなく、焦点距離は無限大である。従って、印加電圧を０Ｖから１０００Ｖまで変化させることにより、焦点距離を無限大から５９ｃｍまで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。なお、この可変焦点レンズに、１００ｋＨｚの周波数で電圧を印加しても、基板１が割れることはなく、電気接触も安定しており、レンズとしての集光性能の劣化もない。
【実施例２】
【００５３】
実施例１において作製した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。この可変焦点レンズに、１００ｋＨｚの周波数で電圧を印加しても、基板１が割れることはなく、電気接触も安定しており、レンズとしての集光性能の劣化もない。
【実施例３】
【００５４】
実施例１において作製した基本単位素子を、図６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。この可変焦点レンズに、１００ｋＨｚの周波数で電圧を印加しても、基板１が割れることはなく、電気接触も安定しており、レンズとしての集光性能の劣化もない。
【符号の説明】
【００５５】
１，３１  基板
２，５，３２，３５  陽極
３，４，３３，３４  陰極
６，３６  入射光
７，３７  出射光
１１  電気力線
１２  屈折率変調曲線
２１  筐体
２２ａ〜２２ｄ  電極
２３ａ〜２３ｄ  導電性接着剤
２４ａ，２４ｂ  窓
【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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