JP5432044B2 - Variable focus lens - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a variable focus lens, and more particularly to a polarization-independent variable focus lens that uses an optical material having an electro-optic effect to change the focal length and operates without polarization dependency. .
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。 Conventionally, optical components such as optical lenses and prisms are optical devices such as cameras, microscopes, and telescopes, electrophotographic recording devices such as printers and copiers, optical recording devices such as DVDs, optical devices for communication, industrial use, etc. It is used for. A normal optical lens has a fixed focal length. However, a lens that can adjust the focal length according to the situation, a so-called variable focus lens may be used in the above-described devices and apparatuses. The conventional variable focus lens mechanically adjusts the focal length by combining a plurality of lenses. However, such a mechanical variable focus lens has a limit in extending the application range from the viewpoint of response speed, manufacturing cost, miniaturization, power consumption, and the like.
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)。 Therefore, a variable focus lens in which a material capable of changing the refractive index is applied to the transparent medium constituting the optical lens, a variable focus lens that mechanically deforms the shape of the optical lens, instead of moving the position of the optical lens, etc. It was issued. As the former variable focus lens, a variable focus lens using liquid crystal as an optical lens has been proposed. This variable focus lens encloses the liquid crystal in a container made of a transparent material by sandwiching the liquid crystal between two glass plates. When the inside of the container is processed into a spherical surface and the liquid crystal is molded into a lens shape, a variable focus lens can be configured. A transparent electrode is provided inside the container, and the refractive index is controlled by applying an electric field to the liquid crystal, and the focal length is variably controlled (see, for example, Patent Document 1).
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。
As the latter variable focus lens, liquid is often used as the material of the deformable lens. For example, the variable focus lens described in
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。 However, the conventional variable focus lens includes any one of a variable focus lens that mechanically adjusts the focal length, a variable focus lens that controls the refractive index by applying an electric field to liquid crystal, and a variable focus lens that deforms the lens by a PZT piezo actuator. However, the response speed required to change the focal length is limited, and there is a problem that it cannot be applied to a high-speed response of 1 ms or less.
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。 An object of the present invention is to provide a variable focus lens using an electro-optic effect so that the focal length can be changed at high speed. In addition, since many electro-optic effect devices operate depending on polarization, the object is to provide a polarization-independent variable focus lens while utilizing the electro-optic effect.
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。 In order to achieve such an object, an embodiment of the present invention includes an electro-optic material (1) made of a single crystal having inversion symmetry, and a first surface formed on a first surface of the electro-optic material. One anode (2), a first cathode (3) formed on a second surface facing the first surface and facing the first anode, and the first A second cathode (4) formed on a surface and spaced from the first anode; and formed on the second surface and at a position facing the second cathode. And a second anode (5) spaced apart from the first cathode, and when light is incident from a third surface orthogonal to the first surface, the first anode A second electrode consisting of the second anode and the second cathode is transmitted through the first electrode pair consisting of the anode and the first cathode. The first to fourth unit elements (12, 14, 17, 19) having an optical axis set so as to transmit light between the electrode pairs and emit light from the fourth surface opposite to the third surface. ) And the optical axis of the first unit element (12) and the optical axis of the second unit element (14), and between the first unit element and the second unit element The first half-wave plate (13) disposed on the optical axis, the optical axis of the third unit element (17) and the optical axis of the fourth unit element (19) are made to coincide with each other, A second half-wave plate (18) disposed on the optical axis between the third unit element and the fourth unit element, and the incident light is polarized into the first polarized light and the second polarized light. Polarization separating element (11) that separates the wave, makes the first polarized light incident on the first unit element (12), and makes the second polarized light incident on the third unit element (17) When, The polarization beam combining element (20) for combining the first emitted light emitted from the second unit element (14) and the second emitted light emitted from the fourth unit element (19). The voltage application direction by the first and second electrode pairs of the first unit element and the voltage application direction by the first and second electrode pairs of the second unit element are orthogonal to each other The direction of voltage application by the first and second electrode pairs of the third unit element is orthogonal to the direction of voltage application by the first and second electrode pairs of the fourth unit element. And the focal point of the light emitted from the polarization beam combiner is varied by changing the voltage applied between the first and second electrode pairs of the first to fourth unit elements. And
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。 The electro-optic material is preferably a perovskite single crystal material, typically potassium tantalate niobate (KTN: KTa 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1). In the electro-optic material, the main component of the crystal is composed of groups Ia and Va in the periodic table, group Ia is potassium, and group Va can contain at least one of niobium and tantalum. Furthermore, it is also possible to include one or more members of Group Ia of the periodic table excluding potassium as an additive impurity, for example, lithium, or Group IIa.
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。 It is preferable that the anode and the cathode on the same surface of the first to fourth variable focus lenses have a belt-like shape, and their longitudinal sides are all parallel. Further, when the distance G between the anode and the cathode on the first to fourth coplanar surfaces and the thickness T of the electro-optic material are satisfied, it is preferable that G <1.5T.
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。 As described above, according to the present invention, by arranging a plurality of basic unit elements of a variable focus lens having a desired electrode configuration and an electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry, it depends on polarization. It is possible to realize a variable focus lens that does not.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The variable focus lens of this embodiment is composed of an electro-optic material and an electrode attached thereto. By using the electro-optic effect, it is possible to obtain a much faster response speed than a conventional variable focus lens and to obtain a variable focus lens that does not depend on polarization.
(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。
(Basic unit element of variable focus lens)
FIG. 1 shows a configuration of basic unit elements of a variable focus lens according to the first embodiment of the present invention. Four strip-shaped electrodes are formed on the upper surface (first surface) and the lower surface (second surface) of the substrate 1 obtained by processing the electro-optic material into a plate shape. An anode 2 (first anode) is disposed as an upper electrode on the light incident side, and a cathode 3 (first cathode) is disposed as a lower electrode across the substrate 1. Further, another pair of electrodes is disposed on the light emission side, with a distance from these electrode pairs, the upper electrode being the cathode 4 (second cathode), and the lower electrode being the anode 5 (second anode). It is. The four strip-shaped electrodes have a shape in which all the sides in the longitudinal direction are parallel.
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。
Light enters from a surface (third surface) perpendicular to the surface on which the electrodes are arranged, travels in the x-axis direction inside the substrate 1, and between the
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。
In such a configuration, a voltage is applied between the anode and the cathode. The direction of applying a voltage (z-axis direction) is opposite between the light incident side electrode pair and the light emission side electrode pair. The potentials of the
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。 At this time, an electric field distribution is generated between these electrodes, and the refractive index is modulated by the electro-optic effect of the substrate 1. When light is transmitted through the refractive index modulated portion, the light is bent by this refractive index distribution, and as a result, the light is condensed or diverged. When condensed, according to the structure of FIG. 1, it functions as a cylindrical convex lens, and when diverged, it functions as a cylindrical concave lens. Further, since the degree of bending of light changes depending on the applied voltage, the focal length can be controlled by the voltage.
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。 The electro-optic effect responds in a time of 1 μs or less even if it is late estimated from the application of the voltage. Therefore, it is possible to realize a variable focus lens that responds significantly faster than the conventional variable focus lens. As described above, the basic unit element shown in FIG. 1 is a cylindrical variable focus lens, which is a basic unit constituting various lenses. In order to realize a normal spherical lens, it is only necessary to combine two elements as the basic unit. That is, a function equivalent to a spherical lens can be realized by arranging the two basic unit elements so as to form an angle of 90 degrees with respect to the optical axis. In the present embodiment, the material of the substrate 1 is characterized by using a material made of a crystal having inversion symmetry, among materials having an electro-optic effect, and the reason will be described later.
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。 Hereinafter, the state of refractive index modulation and the function as a lens will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 shows a side view of the basic unit element shown in FIG. 1 as viewed from the y-axis direction. The substrate 1 has a uniform refractive index when no voltage is applied to the four electrodes, so that light passes through without being modulated. Therefore, there is no lens function. However, when a plane wave is incident, the wavefront of the light emitted from the substrate 1 remains a plane, and it can be regarded as a lens with an infinite focal length considering that the radius of curvature is infinite.
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。
When voltages are applied to the four electrodes, electric lines of
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。 The right side of FIG. 2 schematically shows a refractive index modulation curve 7 representing a distribution of refractive index change. The vertical axis of the refractive index modulation curve is the z-axis coordinate, and the horizontal axis is the refractive index change Δn from when no voltage is applied. FIG. 2 shows that the refractive index changes in the negative direction as a whole, but the modulation is large in the vicinity of the surface of the substrate 1, and therefore the refractive index change Δn is small. On the other hand, the modulation is small in the vicinity of the central portion, and therefore the change in refractive index Δn is not as small as in the vicinity of the surface. When light passes through such a refractive index distribution, it functions as a convex lens because the speed of light near the surface is higher than the speed of light at the center of the substrate 1. That is, the focal point moves from an infinite focal length when no voltage is applied to a finite focal length.
(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。
(Electro-optic material)
The electro-optic effect includes several different-order electro-optic effects, but generally, a first-order electro-optic effect (hereinafter referred to as Pockels effect) is used. In the Pockels effect, the refractive index change is proportional to the electric field. In the configuration shown in FIGS. 1 and 2, the direction of the electric field is reversed and the refractive index distribution is also reversed between the
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。
On the other hand, when the secondary electro-optic effect (hereinafter referred to as the Kerr effect) is used, the refractive index change is proportional to the square of the electric field. Therefore, even if the direction of the electric field is reversed between the
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。 Many electro-optic materials do not have inversion symmetry and develop a Pockels effect. On the other hand, some electro-optic materials have inversion symmetry, do not exhibit the Pockels effect, and the Kerr effect is dominant. Therefore, it is important to use a material having inversion symmetry as the electro-optic material constituting the substrate 1 of the present embodiment.
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。 In general, when an electric field is applied from the outside to a dielectric, polarization proportional to the electric field is generated, but when the electric field is removed, the polarization returns to zero. However, there are substances that retain finite polarization even when the electric field is removed. Polarization that exists even without an external electric field is called spontaneous polarization. There exists a substance capable of reversing the direction of this spontaneous polarization by an external electric field, which is called a ferroelectric.
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。 A single crystal having inversion symmetry refers to a crystal that has the same arrangement as the original arrangement of atoms when the arrangement of atoms is inverted in the x, y, z coordinate system around a certain origin. When a crystal having spontaneous polarization is inverted on the coordinate axis, the direction of spontaneous polarization is inverted, so that such a crystal cannot be said to have inversion symmetry. Therefore, since the ferroelectric has spontaneous polarization, it does not have inversion symmetry.
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。 On the other hand, there are substances that have spontaneous polarization but cannot be inverted by an external electric field. Such a material does not have inversion symmetry, but is not a ferroelectric material. Therefore, not all materials that do not have inversion symmetry are ferroelectric materials. Further, it cannot be a ferroelectric and has inversion symmetry.
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。 As an electro-optic material having inversion symmetry, there is a single crystal material having a perovskite crystal structure. The perovskite single crystal material becomes a cubic phase having inversion symmetry in the use state if the use temperature is appropriately selected. In the cubic phase, the Pockels effect is not expressed and the Kerr effect is dominant. For example, even the most well-known barium titanate (BaTiO 3 , hereinafter referred to as BT) may exceed the temperature at which the phase transition from the tetragonal phase to the cubic phase (hereinafter referred to as the phase transition temperature) occurs at around 120 ° C. For example, it becomes a cubic phase and exhibits the Kerr effect.
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。 A single crystal material mainly composed of potassium tantalate niobate (KTN: KTa 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1) has more preferable characteristics. BT has a predetermined phase transition temperature, whereas KTN can select a phase transition temperature depending on the composition ratio of tantalum and niobium. Thereby, the phase transition temperature can be set near room temperature. KTN has a cubic phase at a temperature higher than the phase transition temperature, has inversion symmetry, and has a large Kerr effect. Even in the same cubic phase, the Kerr effect becomes overwhelmingly closer to the phase transition temperature. For this reason, setting the phase transition temperature around room temperature is very important for easily realizing a large Kerr effect.
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。 Further, as a single crystal material related to KTN, the main component of the crystal is composed of periodic group Ia group and Va group, group Ia is potassium, and group Va includes at least one of niobium and tantalum. Materials can be used. Moreover, 1 or multiple types of periodic table group Ia except potassium as an additional impurity, for example, lithium, or IIa group can also be included. For example, a cubic phase KLTN (K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 , 0 <x <1, 0 <y <1) crystal may be used.
(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、
(Optical path length modulation)
The optical path length modulation will be described in detail for the case of KTN. In the configuration of FIG. 2, there are two types of polarization, when the direction of the optical electric field is in the y-axis direction and in the z-axis direction. In each case, the refractive index modulation [Delta] n y and [Delta] n z where light feel,
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。 It becomes different. Here, n 0 is a refractive index before modulation, and s 11 and s 12 are electro-optic coefficients. While s 11 is a positive value, s 12 has a negative value, and s 11 has a larger absolute value. The characteristic of the lens is evaluated by an optical path length modulation Δs obtained by integrating the change in refractive index over the light traveling path (length L) as in the following equation.
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。 FIG. 3 shows an example of optical path length modulation of basic unit elements. The distribution of the optical path length modulation Δs y and Δs z is obtained by numerical calculation. The relative dielectric constant is 20,000, the length L of the substrate 1 is 7 mm, the thickness of the substrate in the z-axis direction is 4 mm, the width of the four electrodes is 0.8 mm, the distance between the electrodes on the same plane is 4 mm, and the voltage is It was calculated as 1000V. The horizontal axis in FIG. 3 indicates the z coordinate shown in FIG. 2, and the origin is at the center of the substrate 1. The distribution of Δs y forms a downwardly convex curve, which indicates that this element functions as a cylindrical concave lens. On the other hand, the distribution of Δs z forms an upwardly convex curve, indicating that this element functions as a cylindrical convex lens. As in this KTN example, the lens may become a convex lens or a concave lens depending on the polarization.
(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。
(Place electrode)
In the basic unit element, the
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。 When considering miniaturization of the element, in the configuration of FIG. 2, even if the substrate 1 is reduced in the z-axis direction, that is, the thickness of the substrate 1 is reduced, it is limited by the size of the light beam transmitted through the substrate 1. Will be. Therefore, when trying to reduce the size in the x-axis direction, in a configuration in which both electrodes on the upper surface are anodes and both electrodes on the lower surface are cathodes, the effect of the lens is reduced if the electrode spacing is reduced. The limit in which the electrode interval is narrowed becomes an electrode in which the interval is zero and both the upper electrode and the lower electrode are integrated. In this case, the electric field inside the substrate 1 becomes uniform, the refractive index distribution becomes uniform, and the lens effect is almost lost.
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。
On the other hand, in the first embodiment, the
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。 FIG. 4 shows the electrode spacing dependence of the focal length of the basic unit element. The focal length obtained by numerical calculation is plotted as a function of electrode spacing. Under the same conditions as the calculation conditions of FIG. 3, the length of the substrate 1 was increased or decreased by the same amount simultaneously with the increase or decrease of the electrode interval. The electric field of light is in the z-axis direction. The smaller the focal length of the vertical axis, the stronger the degree of light collection and the greater the effect. The plots with squares indicate that both the upper electrodes are anodes and the lower electrodes are both cathodes, and the effect deteriorates when the electrode spacing is small. Plots in the case of the first embodiment are more effective when the electrode spacing is small. As the distance between the electrodes increases, the interaction between the two electrode pairs becomes weaker, so that both configurations converge to the same effect. Since the thickness of the substrate 1 is 4 mm, referring to FIG. 4, the configuration of the first embodiment is advantageous when the electrode interval is smaller than 1.5 times the thickness (6 mm).
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。 As described above, when KTN is used, it can be used as a convex lens or a concave lens as long as the polarization is changed. On the other hand, it is known that when an electric field is applied to an electro-optic crystal, its physical shape changes due to a piezoelectric effect or an electrostrictive effect. The piezoelectric effect is a phenomenon in which strain is proportional to the applied electric field, and the electrostrictive effect is a phenomenon in which strain is proportional to the square of the applied electric field. The change in the physical shape is represented by the sum of the piezoelectric effect and the electrostrictive effect. In general, an electro-optic material having inversion symmetry has only an electrostrictive effect because a piezoelectric effect does not occur. Due to this electrostrictive effect, the refractive index distribution may slightly deviate from the distribution obtained from the above-described calculation of the electric field distribution.
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。 At this point, Δn z (or optical path length s z ) is less shifted between the calculated value and the actual value than Δn y (or optical path length s y ). That is, according to the electrode configuration of the first embodiment, the z component of the electric field increases as a whole, but the refractive index distribution as calculated is better when the oscillating electric field of light is aligned parallel to the z axis. It is suitable because it is easy to match. Of course, the x component of the electric field also increases, but the oscillating electric field of the light cannot be made parallel to the x axis in the optical axis setting of the first embodiment.
(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。
(Electrode material)
When a high voltage is applied to the electro-optic material, charges are injected from the electrodes, and space charges can be generated in the crystal. This space charge causes a gradient in the magnitude of the electric field in the direction in which the voltage is applied, so that a gradient also occurs in the modulation of the refractive index. Therefore, in order to obtain a desired refractive index distribution for causing the electro-optic material to function as a lens, or to prevent light transmitted through the electro-optic material from being deflected, when a voltage is applied to the substrate 1, It is better that no space charge is formed inside the substrate 1.
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。 Since the amount of space charge depends on the carrier injection efficiency, the carrier injection efficiency injected from the electrode should be small. When the carriers contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal are electrons, as the work function of the electrode material increases, the electrode and the substrate approach a Schottky junction and the carrier injection efficiency decreases. Therefore, the electrode is preferably a material that forms a Schottky junction with the electro-optic material. Specifically, when the carrier contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal is an electron, the work function of the electrode material is preferably 5.0 eV or more. For example, as an electrode material having a work function of 5.0 eV or more, Co (5.0), Ge (5.0), Au (5.1), Pd (5.12), Ni (5.15), Ir (5.27), Pt (5.65), Se (5.9) can be used. The parentheses indicate work functions, and the unit is eV.
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。 On the other hand, when the carriers contributing to electrical conduction in the electro-optic crystal are holes, the work function of the electrode material is preferably less than 5.0 eV in order to suppress the injection of holes. For example, Ti (3.84) or the like can be used as an electrode material having a work function of less than 5.0 eV. Since the Ti single-layer electrode is oxidized and becomes high resistance, generally, the Ti layer and the electro-optic crystal are bonded using an electrode in which Ti / Pt / Au are sequentially laminated. Furthermore, transparent electrodes such as ITO (Indium Tin Oxide) and ZnO can also be used.
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。
FIG. 5 shows basic unit elements of a variable focus lens according to the second embodiment of the present invention. The basic unit elements described above are arranged in series along the optical axis direction. A plurality of
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。
That is, 2N electrodes are provided on each of the first surface and the second surface of the
(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。
(Polarization-independent variable focus lens)
As described above, in order to realize a normal spherical lens, the optical axes of the two basic unit elements may be arranged in cascade and arranged at an angle of 90 degrees with respect to the optical axis. However, in the case of a single crystal material having inversion symmetry such as KTN, the lens effect may be completely reversed from a convex lens to a concave lens by polarization as shown in FIG. In order to realize a spherical lens, a light whose electric field oscillates in the z-axis direction is incident on the first basic unit element and is condensed in the z-axis direction. Incident on the basic unit element. However, according to this configuration, the light is diverged in the y-axis direction and does not function as a spherical lens.
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。 In order to function normally as a spherical lens, the polarization direction must also be rotated by 90 degrees in accordance with this element before entering the second basic unit element. Therefore, a structure in which a polarization rotation element is inserted between the first basic unit element and the second basic unit element is adopted. There are various types of polarization rotation elements, but a half-wave plate is most commonly used.
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。 The half-wave plate is an optical element that generates a phase shift corresponding to half the wavelength, that is, a phase shift of π radians, between two polarized waves orthogonal to each other. Typically, it consists of a birefringent material processed into a plate shape. A single crystal material having inversion symmetry such as KTN usually does not have birefringence. However, when an electric field is applied in one direction, birefringence occurs in a direction parallel to the electric field and in a direction perpendicular thereto. . By utilizing this property, a half-wave plate can be formed by KTN.
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。
FIG. 6 shows the configuration of a polarization-independent variable focus lens according to Example 1 of the present invention. The first polarized light separated by the polarization beam splitter (PBS) 11 is converted into a first
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。
The first to fourth basic unit elements are basic unit elements according to the first embodiment described above. When a voltage is applied to each of the electrodes of these four basic unit elements, the first set efficiently functions as a variable focus spherical lens, and the first polarized light is used as the first outgoing light. The light enters the polarization beam splitter (PBS) 20 through the
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。 Although PBS is exemplified as the polarization separation / combination element, any element having a 1 × 2 polarization separation function and a 2 × 1 polarization combination function may be used. For example, a commercially available fiber-type polarization separation / combination element can be mentioned.
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。 The half-wave plate can also be formed of KTN, similar to the cylindrical variable focus lens that is the basic unit element described above. Molded integrally with the substrates of the front and rear basic unit elements, and the electrodes for the front and rear basic unit elements and the electrodes for the KTN half-wave plate are sequentially arranged and attached. In this way, an integrated polarization-independent spherical variable focus lens can be configured.
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。
As shown in FIG. 1, each of the first to fourth basic unit elements includes an
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。
A collimated non-polarized laser beam is incident on the varifocal lens with the temperature controlled at 40 ° C. The laser beam that has passed through the
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。
FIG. 7 shows the configuration of a polarization-independent variable focus lens according to Example 2 of the present invention. The first polarized light separated by the polarization beam splitter (PBS) 31 is converted into a first
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。
The first to fourth basic unit elements are basic unit elements according to the second embodiment described above. When a voltage is applied to each of the electrodes of these four basic unit elements, the first set efficiently functions as a variable focus spherical lens, and the first polarized light is used as the first outgoing light. The light enters the polarization beam splitter (PBS) 40 through the
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。 Compared to Example 1, a large lens effect can be obtained even at a lower voltage. The number of electrode pairs may be even or odd as long as it is two or more.
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
1,6
12, 32 First
Claims (9)
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。 An electro-optic material made of a single crystal having inversion symmetry, a first anode formed on the first surface of the electro-optic material, and a second surface facing the first surface. A first cathode formed at a position facing the first anode, a second cathode formed on the first surface and spaced from the first anode, and A second anode formed on a second surface and facing the second cathode, and spaced apart from the first cathode, orthogonal to the first surface When light is incident from the third surface, the light passes through the first electrode pair consisting of the first anode and the first cathode, and then the second anode and the second cathode. The optical axis is set so that light is transmitted through the second electrode pair consisting of the first electrode and the fourth surface facing the third surface. First to fourth unit elements are,
The first unit element is disposed on the optical axis between the first unit element and the second unit element by matching the optical axis of the first unit element with the optical axis of the second unit element. Half-wave plate,
The second unit element is arranged on the optical axis between the third unit element and the fourth unit element by matching the optical axis of the third unit element with the optical axis of the fourth unit element. Half-wave plate,
The incident light is polarized and separated into first polarized light and second polarized light, the first polarized light is incident on the first unit element, and the second polarized light is transmitted to the third unit. A polarization separation element incident on the element;
A polarization beam combining element that combines the first emitted light emitted from the second unit element and the second emitted light emitted from the fourth unit element;
The direction of voltage application by the first and second electrode pairs of the first unit element and the direction of voltage application by the first and second electrode pairs of the second unit element are orthogonal to each other, and The voltage application direction by the first and second electrode pairs of the third unit element and the voltage application direction by the first and second electrode pairs of the fourth unit element are arranged to be orthogonal to each other; A variable focus, wherein the focus of the light emitted from the polarization beam combiner is varied by changing an applied voltage between the first and second electrode pairs of the first to fourth unit elements. lens.
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