(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の進行方向と印加される電界の方向とが一致する縦型の電気光学効果を利用した電気光学レンズであり、
基板と、該基板の前記光の入射面及び該入射面の裏面にそれぞれ積層形成され、電圧の印加によって、前記基板内部に屈折率分布を与える電界を形成し、光軸に対して対称かつ中心部に電極が存在しない形状のパターン電極とを有し、前記基板が奇数次の縦型電気光学効果を示すことを特徴とする電気光学レンズ。
【請求項２】
請求項１記載の電気光学レンズにおいて、前記基板がシレナイト構造の複酸化物で形成されていることを特徴とする電気光学レンズ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電気光学レンズにおいて、前記基板の表裏両面に形成される前記リング形状のパターン電極が光軸を中心に表裏同形状で各々４分割され、前記基板の表裏で同位置にある透明電極間に各々独立して電圧を印加可能にしたことを特徴とする電気光学レンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学効果を利用した電気光学レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
応用物理第６３巻第１号（１９９４）：分布屈折率型焦点可変ＥＯレンズ（芝口他）には、直方体形状の（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 電気光学セラミック（ＰＬＺＴ電気光学セラミック）の光軸に平行な対向面に、光軸に沿ってストライブ状電極を形成した構造の分布屈折率型１次元電気光学レンズが開示されている。
【０００３】
この電気光学レンズでは、対向するストライブ電極に電圧を印加すると、ＰＬＺＴ電気光学セラミック内部に電界が発生し、電気光学効果によって電界に応じた屈折率分布が生じる。そして、印加される電圧、ＰＬＺＴ電気光学セラミックのサイズ、及びストライブ電極の幅と長さを選択することによって、ＰＬＺＴ電気光学セラミックの内部に屈折率の二乗分布を設定し、レンズの焦点を変化させることが可能になる。
【０００４】
■
この開示に係る電気光学レンズでは、横型電気光学効果を利用しているので、電界の方向と光軸（ｚ軸）が直交しており、ｘ軸方向とｙ軸方向の２次元で同時に焦点を変化させるには、ｘ軸方向の焦点が可変な１次元電気光学レンズと、ｙ軸方向の焦点が可変な１次元電気光学レンズとを２枚重ねて使用することが必要である。
【０００５】
一方、特開平３−２６９５１６号公報には、電気光電効果を有する基板上で、焦点位置に対して負の寄与をする偶数フレネルゾーン上に、線状のＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）の透明電極を多数設け、透明電極に印加する電圧を位相シフトがπとなるように選択して、この透明電極群を透過する光に対する負の寄与効果を正の寄与効果に転換する電気光学レンズが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
応用物理第６３巻第１号（１９９４）に開示の電気光学レンズでは、ｘ軸方向とｙ軸方向の２次元で同時に焦点を変化させるには、１次元電気光学レンズを２枚重ねた構成を取る必要があり、レンズの移動機構と非点収差を除くための精密電圧制御機構とが付加されて全体が大型化し、電圧がレンズの面方向に印加されるので、レンズ面が大きくなると、高電圧を印加しなくてはならず機構が複雑なものとなる。
【０００７】
また、特開平３−２６９５１６号公報に開示の電気光学レンズでは、透明電極が波長に対して無視できない有限な厚さを持つため、付随的な回折光や散乱光、フレア光が生じてレンズ効果が劣化することになる。また、この電気光学レンズでは、分布屈折型動作をさせても、各電極の電位は同電位で、屈折率の空間分布は階段状になり、このために回折や散乱が生じることにもなる。さらに、光源の波長と焦点距離とから、フレネルゾーンのピッチが設定されるので、連続的に焦点を可変させることはできず、２ステップ動作に限定されてしまう。
【０００８】
本発明は、前述したようなこの種の電気光学レンズの現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、全体が小型化され、回折光、散乱光、フレア光によるレンズ効果の劣化がなく、２次元焦点の焦点距離を連続可変な電気光学レンズを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光の進行方向と印加される電界の方向とが一致する縦型の電気光学効果を利用した電気光学レンズであり、基板と、該基板の前記光の入射面及び該入射面の裏面にそれぞれ積層形成され、電圧の印加によって、前記基板内部に屈折率分布を与える電界を形成し、光軸に対して対称かつ中心部に電極が存在しないリング状の形状のパターン電極とを有し、前記基板が奇数次の縦型電気光学効果を示すことを特徴とするものである。
【００１０】
同様に前記目的を達成するために、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記基板がシレナイト構造の複酸化物で形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、同様に前記目的を達成するために、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記基板の表裏両面に形成される前記リング形状のパターン電極が光軸を中心に表裏同形状で各々４分割され、前記基板の表裏で同位置にある透明電極間に各々独立して電圧を印加可能にしたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態を、図１及び図２を参照して説明する。
図１は本実施の形態の構成を示す説明図、図２は本実施の形態の屈折率の分布を示す特性図である。
【００１３】
図１は本実施の形態の構成を示し、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
本発明においては、縦型の電気光学効果を示す基板として、シレナイト構造複酸化物（Ｂｉ12ＳｉＯ20，Ｂｉ12ＧｅＯ20，Ｂｉ12ＴｉＯ20など）、ＡＤＰ，ＫＤＰ，ＤＡＤＰ，ＤＫＤＰ，α水晶、ＺｎＳ，ＺｎＴｅ，Ｂｉ4 Ｇｅ3 Ｏ12等の下記〔数１〕で示される結晶点群など中心対称性を持たない単結晶や多結晶の基板を使うことができる。
【００１４】
【数１】
0003734563.tif 000002
【００１５】
本実施の形態では、図１に示すように、サイズが１５ｍｍ平方で厚みが１ｍｍのシレナイト構造複酸化物の基板１の表裏両面に、内径６ｍｍ、外径１２ｍｍのリング状のＩＴＯからなる透明電極２が、基板１の中心に中心を一致させてそれぞれ積層形成されている。基板１としては、例えばＢｉ12ＳｉＯ20の単結晶のように、一次の電気光学効果が大きい高感度の電気光学結晶が使用される。
【００１６】
本実施の形態では、基板１の表裏両面に形成されている透明電極２間に電圧を印加すると、基板１内には厚み方向（ｚ軸方向）に電界が形成され、この電界は透明電極２の近傍で強く、基板１の中心近傍では、比較的弱くなり、基板１内には電気光学効果によって、電界分布に対応した屈折率分布が生じる。このようにして生じる透過光に対する屈折率分布は、ｚ軸方向の電界強度の大きい透明電極２の直下では、透過光に対する屈折率が小さくなり、透明電極２が存在しない中心部分で屈折率の低下は少なく、全体として図２に示すように周辺部から光軸方向に屈折率が連続的に上昇する分布となる。
【００１７】
このために、本実施の形態では、基板１の表裏両面の透明電極２間に電圧を印加すると、基板１内に凸レンズの屈折率分布が形成され、基板１を透過した光は、透明電極２に印加される電圧により定まる焦点距離の位置に集束する。
発明者等は、本実施の形態において、基板１の直前にアクロマートレンズを配置し、基板１の中心に光軸を一致させて、波長６３３ｎｍ、ビーム径１ｍｍのＨｅ−Ｎｅレーザを、アクロマートレンズを介して基板１に入射し、透過光をスポット径２０μｍで一点に集光させた。この場合の焦点位置の検出には、直径２５μｍのアパーチャを使用し、このアパーチャを、光軸上のレンズ焦点付近から前後に移動させ、透過光強度が最大になった時のアパーチャの位置から焦点距離を求めた。
そして、基板１の表裏両面の透明電極２間に１．６ＫＶの電圧を印加すると、この状態から焦点位置が手前にほぼ１ｍｍ移動し、本実施の形態の電気光学レンズの基本動作が確認された。
【００１８】
このように、本実施の形態によると、基板１の表裏両面に、基板１を透過する透過光の光軸を中心に、リング状の透明電極２がそれぞれ形成され、表裏両面の透明電極２間に所定の電圧が印加されて、基板１内に形成される電界によって、透過光に対する基板１の屈折率は、透明電極２が存在する位置で低下し、光軸方向に連続的に上昇する分布を取るので、透過光を、面積が大型化された一つのレンズによつて、透明電極２間に印加される電圧に応じて、二次元的に所定の焦点位置に、回折光や散乱光なしに集束することが可能になり、基板１として例えばＢｉ12ＳｉＯ20の単結晶のように、一次の電気光学効果が大きい高感度の電気光学結晶を使用することにより、低電圧で焦点距離を大きく変化させることが可能になると共に、凹レンズから凸レンズまで焦点を広範囲に変化させることが可能になる。
【００１９】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態を、図３を参照して説明する。
図３は本実施の形態の構成を示す説明図である。
【００２０】
図３は、本実施の形態の構成を示し、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は背面図であり、本実施の形態は、これらに示すように、すでに説明した第１の実施の形態に対して、基板１の裏面には、第１の実施の形態のリング状の透明電極２に代えて、正方形状の電極５が形成されている。
本実施の形態のその他の部分の構成は、すでに説明した第１の実施の形態と同一なので、重複する説明は行わない。
【００２１】
本実施の形態では、電極５を透明電極２と同様に例えばＩＴＯなどの透明材質で作成すると、第１の実施の形態と同様の透過型の電気光学レンズが得られる。この場合の透過型の電気光学レンズの動作及び効果は、すでに説明した第１の実施の形態と同一である。
本実施の形態において、電極５にアルミニウム蒸着電極などの光反射材質を使用すると、入射光を、電気光学レンズによって、入射側に反射させて使用する反射型の電気光学レンズが得られる。
【００２２】
このように、本実施の形態によると、第１の実施の形態で得られる効果に加えて、基板１の光の入射面の裏面に形成される電極５を光反射材質で形成することにより、入射光を、電気光学レンズによって、入射側に反射させて使用することが可能になる。
【００２３】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態を、図４を参照して説明する。
図４は本実施の形態の構成を示す説明図である。
【００２４】
図４は本実施の形態の構成を示し、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は背面図であり、本実施の形態では、図４に示すように、すでに説明した第１の実施の形態に対して、基板１の表裏両面に形成されるリング状の透明電極２Ａが、光軸を中心に、ｘ軸方向の透明電極２ｂ１、２ｂ２とｙ軸方向の透明電極２ａ１、２ａ２とに４分割され、基板１の表面の透明電極２ｂ１と基板１の裏面の透明電極２ｂ１との間に第１のｘ軸電圧が、基板１の表面の透明電極２ｂ２と基板１の裏面の透明電極２ｂ２との間に第２のｘ軸電圧がそれぞれ印加され、基板１の表面の透明電極２ａ１と基板１の裏面の透明電極２ａ１との間に第１のｙ軸電圧が、基板１の表面の透明電極２ａ２と基板１の裏面の透明電極２ａ２との間に第２のｙ軸電圧が、それぞれ印加されるように構成されている。
本実施の形態のその他の部分の構成は、すでに説明した第１の実施の形態と同一なので、重複する説明は行わない。
【００２５】
本実施の形態では、第１のｘ軸電圧と第２のｘ軸電圧とを互いに等しく設定し、且つ第１のｙ電圧と第２のｙ電圧とを互いに等しく設定した状態では、入射光をｘ軸方向とｙ軸方向において、それぞれのｘ軸電圧或いはｙ軸電圧に基づいて、独立に焦点距離を変化させることが可能になる。
また、第１のｘ軸電圧と第２のｘ軸電圧を異ならせると、焦点位置をｘ軸方向に移動させ、第１のｙ軸電圧と第２のｙ軸電圧を異ならせると、焦点位置をｙ軸方向に移動させて光の偏向を行うことが可能になる。
【００２６】
また、本実施の形態で、第１のｘ軸電圧、第２ｘ軸電圧、第１のｙ軸電圧、第２のｙ軸電圧を全て等しく設定した場合の動作及び効果は、すでに説明した第１の実施の形態と同一になる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、基板の光の入射面及び該入射面の裏面に、光軸に対して対称かつ中心部に電極が存在しないリング形状のパターン電極がそれぞれ積層形成され、光の進行方向と印加される電界の方向とが一致する縦型の電気光学効果が与えられ、電極に電圧を印加することによって、基板内部に光軸方向に屈折率が高まる滑らかな屈折率分布が形成されるので、一つのレンズによって二次元的に焦点距離を連続的に変化可能で、回折光や散乱光が発生せず、光学特性が優れ占有体積が低減された電気光学レンズが得られる。さらに、基板が奇数次の縦型電気光学効果を示すので、正負の電界印加によって、凹レンズ特性から凸レンズ特性にわたって、レンズの焦点距離を連続的に変化させることが可能になる。
【００２８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明で得られる効果に加えて、基板がシレナイト構造の複酸化物で形成されているので、低電圧の印加でレンズの焦点距離を大きく変化させることが可能になる。
【００２９】
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明で得られる効果に加えて、入射光をｘ軸方向とｙ軸方向において、それぞれのｘ軸電圧或いはｙ軸電圧に基づいて、独立に焦点距離を変化させることが可能になる。また、第１のｘ軸電圧と第２のｘ軸電圧を異ならせると、焦点位置をｘ軸方向に移動させ、第１のy軸電圧と第２のｙ軸電圧を異ならせると、焦点位置をｙ軸方向に移動させて光の偏向を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示す説明図である。
【図２】同実施の形態の屈折率の分布を示す特性図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の構成を示す説明図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１  基板
２  透明電極
２ａ１、２ａ２  透明電極
２ｂ１、２ｂ２  透明電極
５  電極
【図１】
0003734563.tif 000003
【図２】
0003734563.tif 000004
【図３】
0003734563.tif 000005
【図４】
0003734563.tif 000006