JP2013182098A - Optical element - Google Patents

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俊裕 大竹
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element which can modulate a uniform phase difference with a simple configuration.SOLUTION: An optical element 100 includes a pair of substrates 103, a deformation material 105 provided between the pair of substrates 103 and arbitrarily changing a distance between the pair of substrates 103, and an optical area 104 surrounded by the pair of substrates 103 and the deformation material 105 and filled with liquid crystal 112.

Description

本発明は、光学素子に係り、特に位相差を変調するための構造に関する。   The present invention relates to an optical element, and more particularly to a structure for modulating a phase difference.

従来から、液晶の光学異方性を利用した様々な光学素子が提供され、表示体、光ピックアップ装置、記録再生装置が提供されている。例えば光ピックアップ装置において、記録対象領域以外からの反射光による読み取りの不具合を改善するために、任意の領域に、任意の位相差を付与する位相差板が知られている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, various optical elements utilizing the optical anisotropy of liquid crystal have been provided, and a display body, an optical pickup device, and a recording / reproducing device have been provided. For example, in an optical pickup device, a phase difference plate that gives an arbitrary phase difference to an arbitrary region is known in order to improve a reading defect due to reflected light from other than a recording target region (for example, Patent Document 1). reference).

特開2006−344332号公報JP 2006-344332 A

特許文献1では、液晶の電界制御により、位相差を変調することができる光学素子が開示されている。電界制御方式による位相差変調の場合、光学素子内部の液晶の配向が、電極に近い領域と遠い領域で異なっているため、一様でない。このため、光学素子の印加特性(電圧と位相差の関係)を光学素子ごとに予め求めておかねばならず、大幅な工数増加となるという課題がある。   Patent Document 1 discloses an optical element capable of modulating a phase difference by controlling an electric field of a liquid crystal. In the case of phase difference modulation by the electric field control method, the orientation of the liquid crystal inside the optical element is not uniform because it is different in a region close to and far from the electrode. For this reason, the application characteristics (the relationship between the voltage and the phase difference) of the optical element must be obtained in advance for each optical element, resulting in a significant increase in man-hours.

したがって、本発明の目的は、上述した従来技術の課題を解決し、簡便な構造で均一な位相差を変調できる光学素子の提供をすることにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art and provide an optical element capable of modulating a uniform phase difference with a simple structure.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。即ち本発明は、熱、光、電気といった刺激により体積が変化する材料を内蔵することにより、簡便な方法で位相差を変調できる光学素子を形成したことをその要旨とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be realized as the following forms or application examples. That is, the gist of the present invention is that an optical element capable of modulating the phase difference by a simple method is formed by incorporating a material whose volume is changed by stimulation such as heat, light, and electricity.

[適用例1]本適用例に係る光学素子は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられ、前記一対の基板の間の距離を変える変形材料と、前記一対の基板と前記変形材料とに囲まれ、液晶が充填される光学領域と、を備えることを特徴とする。   Application Example 1 An optical element according to this application example includes a pair of substrates, a deformable material that is provided between the pair of substrates and changes a distance between the pair of substrates, the pair of substrates, and the deformation An optical region surrounded by a material and filled with liquid crystal.

本適用例によれば、変形材料が刺激により体積変化を起こし、一対の基板間の容積が変化する。このとき、材料の変形特性(刺激と体積変化の関係)は、材料固有のものであり、この関係を一度求めれば、位相差をΔndにより求めることができ、光学素子を作るごとに位相差と電圧との関係を求める必要がなくなり、簡便な構造で均一な位相差を変調できる。また大幅な工数削減が実現する。   According to this application example, the deformable material undergoes a volume change due to stimulation, and the volume between the pair of substrates changes. At this time, the deformation characteristics of the material (relationship between stimulus and volume change) are unique to the material. Once this relationship is obtained, the phase difference can be obtained by Δnd. It is not necessary to obtain the relationship with the voltage, and a uniform phase difference can be modulated with a simple structure. In addition, significant man-hour reduction is realized.

[適用例2]本適用例に係る光学素子は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられ、前記一対の基板の間の距離を変える変形材料と、前記変形材料と同一平面に設置され、該変形材料と連結している弾性材料と、前記一対の基板と前記変形材料と前記弾性材料との間に囲まれ、液晶が充填される光学領域と、を備えることを特徴とする。   Application Example 2 An optical element according to this application example is provided between a pair of substrates, a deformation material provided between the pair of substrates, and a distance between the pair of substrates, and the same plane as the deformation material. An elastic material installed and connected to the deformable material; and an optical region surrounded by the pair of substrates and the deformable material and the elastic material and filled with liquid crystal. .

本適用例によれば、変形材料が刺激により体積変化を起こし、一対の基板間の容積が変化する。このとき、材料の変形特性(刺激と体積変化の関係)は、材料固有のものであり、この関係を一度求めれば、位相差をΔndにより求めることができ、光学素子を作るごとに位相差と電圧との関係を求める必要がなくなり、簡便な構造で均一な位相差を変調できる。また大幅な工数削減が実現する。さらに、変形材料と弾性材料が一対の基板間に挟まれており、変形材料の変形に合わせて弾性材料も変形することができる。変形材料の製造コストが大きい場合、一部を弾性材料に置き換えることにより、少量の変形材料で光学素子の構成が可能となる。また、体積の大きい変形材料の場合、十分な変形特性が得られないと小さい傷や割れ目が生じ、変形の際に断裂してしまう可能性がある。変形材料の一部を柔軟性の高い弾性材料に置き換えることにより、前述の課題を回避することができる。   According to this application example, the deformable material undergoes a volume change due to stimulation, and the volume between the pair of substrates changes. At this time, the deformation characteristics of the material (relationship between stimulus and volume change) are unique to the material. Once this relationship is obtained, the phase difference can be obtained by Δnd. It is not necessary to obtain the relationship with the voltage, and a uniform phase difference can be modulated with a simple structure. In addition, significant man-hour reduction is realized. Furthermore, the deformable material and the elastic material are sandwiched between the pair of substrates, and the elastic material can be deformed in accordance with the deformation of the deformable material. When the manufacturing cost of the deformable material is high, the optical element can be configured with a small amount of the deformable material by replacing a part with an elastic material. In addition, in the case of a deformable material having a large volume, if sufficient deformation characteristics cannot be obtained, small scratches and cracks may be generated and the material may be torn during deformation. By replacing a part of the deformable material with an elastic material having high flexibility, the above-described problem can be avoided.

[適用例3]上記適用例に記載の光学素子において、前記変形材料は、熱、電気、光の少なくとも一つによって形状と体積を変化させることを特徴とする。   Application Example 3 In the optical element according to the application example described above, the deformable material changes in shape and volume by at least one of heat, electricity, and light.

本適用例によれば、変形材料は、熱、電気、光の外部刺激により、体積変化をする材料であり、例えば、液晶ポリマー、イオン交換樹脂などがある。これらの変形材料を用いることにより、基板を分解して組みなおすといった機械的な操作を経ることなく、基板間の空間の体積を変えることができる。   According to this application example, the deformable material is a material that changes in volume by external stimulation of heat, electricity, and light, and examples thereof include a liquid crystal polymer and an ion exchange resin. By using these deformable materials, the volume of the space between the substrates can be changed without undergoing a mechanical operation such as disassembling and reassembling the substrates.

[適用例4]上記適用例に記載の光学素子において、前記弾性材料は、ゴムあるいはシリコンゴム等の伸縮性のある材料で構成されていることを特徴とする。   Application Example 4 In the optical element according to the application example described above, the elastic material is formed of a stretchable material such as rubber or silicon rubber.

本適用例によれば、変形材料と安価で入手が容易な弾性材料を組み合わせることにより、光学素子の製造コストを大幅に低減することができる。また、変形材料で十分な柔軟性が得られない場合、一部を柔軟性の高い弾性材料に置き換えることにより、変形の際の断裂を回避することができる。   According to this application example, the manufacturing cost of the optical element can be significantly reduced by combining the deformable material and the inexpensive and easily available elastic material. Further, when sufficient flexibility is not obtained with the deformable material, it is possible to avoid tearing during deformation by replacing a part with a highly flexible elastic material.

[適用例5]上記適用例に記載の光学素子において、液晶が充填される液晶供給部と、前記液晶供給部と前記光学領域とを連通する連通部と、を備え、前記液晶供給部は、前記一対の基板内部の体積変化に応じ、液晶を前記光学領域へ供与、受入れをすることを特徴とする。   Application Example 5 In the optical element according to the application example described above, the optical element includes a liquid crystal supply unit filled with liquid crystal, and a communication unit that communicates the liquid crystal supply unit with the optical region. According to a change in volume inside the pair of substrates, liquid crystal is supplied to and received from the optical region.

本適用例によれば、液晶供給部を設けることにより、一対の基板間の体積変化に応じて、液晶を供給、受入れをすることができる。これにより、アクチュエーターの動きに応じて起こる一対の基板間の体積変化に対応して液晶の量を調整することができる。   According to this application example, by providing the liquid crystal supply unit, it is possible to supply and receive liquid crystal according to the volume change between the pair of substrates. Thereby, the amount of liquid crystal can be adjusted in accordance with the volume change between the pair of substrates that occurs according to the movement of the actuator.

[適用例6]上記適用例に記載の光学素子において、前記連通部は、前記変形材料に設けられたことを特徴とする。   Application Example 6 In the optical element according to the application example, the communication portion is provided in the deformable material.

本適用例によれば、変形材料の一部に連通部を設けることにより、液晶供給部と一対の基板間の液晶の移動が自由に行える。   According to this application example, the liquid crystal can be freely moved between the liquid crystal supply unit and the pair of substrates by providing the communication part in a part of the deformable material.

[適用例7]上記適用例に記載の光学素子において、前記連通部には、突起部が設けられていることを特徴とする。   Application Example 7 In the optical element according to the application example described above, the communication portion is provided with a protrusion.

本適用例によれば、連通部内部に突起部を設けることにより、連通部の面積を確保することができるため、変形材料が変形し、連通部をふさいで液晶の移動が止まることを回避することができる。   According to this application example, since the area of the communication portion can be secured by providing the protrusion inside the communication portion, the deformation material is deformed, and the movement of the liquid crystal is stopped by blocking the communication portion. be able to.

[適用例8]上記適用例に記載の光学素子において、前記一対の基板を回転させる回転ステージを有し、前記回転ステージは透明な領域を備え、前記一対の基板を固定しており、前記一対の基板を同一平面内で回転させることを特徴とする。   Application Example 8 In the optical element according to the application example described above, the optical element includes a rotation stage that rotates the pair of substrates, the rotation stage includes a transparent region, and fixes the pair of substrates. The substrate is rotated in the same plane.

本適用例によれば、回転ステージにより、基板全体を同一平面内で自由に回転することができるため、入射する偏光の偏光軸の方向を任意に変えることができる。   According to this application example, since the entire substrate can be freely rotated in the same plane by the rotation stage, the direction of the polarization axis of the incident polarized light can be arbitrarily changed.

[適用例9]上記適用例に記載の光学素子において、前記一対の基板は、前記光学領域のダイレクターが同一方向に配向するように表面処理を施されたことを特徴とする。   Application Example 9 In the optical element according to the application example described above, the pair of substrates is subjected to surface treatment so that directors in the optical region are oriented in the same direction.

本適用例によれば、液晶のダイレクターが、同一方向に配向することによって、液晶が同一方向に配向し、Δndで与えられる位相差が、膜厚のみで決めることができる位相差板を形成することができる。ここでΔnは液晶の屈折率異方性、dは前記一対の基板間に挟まれた液晶の膜厚である。   According to this application example, the liquid crystal directors are aligned in the same direction, so that the liquid crystal is aligned in the same direction, and the phase difference plate that can determine the phase difference given by Δnd only by the film thickness is formed. can do. Here, Δn is the refractive index anisotropy of the liquid crystal, and d is the thickness of the liquid crystal sandwiched between the pair of substrates.

なお、以上述べた各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。   The above-described configurations can be combined with each other without departing from the spirit of the present invention.

第1実施形態に係る光学素子を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the optical element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る位相差変調素子を示す平面図及び断面図。FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view showing the phase difference modulation element according to the first embodiment. 第1実施形態に係る位相差変調素子を示す平面図及び断面図。FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view showing the phase difference modulation element according to the first embodiment. 第1実施形態に係る位相差変調素子の動作を示す断面図。Sectional drawing which shows operation | movement of the phase difference modulation element which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る位相差変調素子を示す平面図及び断面図。The top view and sectional drawing which show the phase difference modulation element which concerns on 2nd Embodiment.

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大又は縮小して表示している。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. Note that the drawings to be used are appropriately enlarged or reduced so that the part to be described can be recognized.

(第1実施形態)
A.本実施形態の構成
図1は、本実施形態に係る光学素子を示す分解斜視図である。本実施形態に係る光学素子100は、図1に示すように、位相差変調素子101と液晶供給部102とを備えている。このうち位相差変調素子101は、一対の基板103と、一対の基板103に挟まれた光学領域104と、刺激により変形可能な変形材料の一例である人工筋肉部105と、連通部106と、連結部107と、回転ステージ108と、を備えている。屈折率に異方性を持った物質中を光が進むとき、振動面の方向によって光の進行速度に差異を生じる。試料から出た光は通過速度の分だけ位相差を生じる。この位相差によって偏光状態が変わり、位相差を変調することは、偏光の状態を変調することに相当する。本発明における位相差変調素子は、光の偏光状態を任意に変調できる機能を有する光学素子である。
(First embodiment)
A. Configuration of this Embodiment FIG. 1 is an exploded perspective view showing an optical element according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the optical element 100 according to the present embodiment includes a phase difference modulation element 101 and a liquid crystal supply unit 102. Among these, the phase difference modulation element 101 includes a pair of substrates 103, an optical region 104 sandwiched between the pair of substrates 103, an artificial muscle portion 105 that is an example of a deformable material that can be deformed by stimulation, a communication portion 106, A connecting portion 107 and a rotary stage 108 are provided. When light travels through a material having an anisotropy in the refractive index, the light traveling speed varies depending on the direction of the vibration surface. The light emitted from the sample has a phase difference corresponding to the passing speed. The polarization state is changed by this phase difference, and modulating the phase difference corresponds to modulating the polarization state. The phase difference modulation element in the present invention is an optical element having a function capable of arbitrarily modulating the polarization state of light.

基板103は、光を透過し、所望の方向に配向した液晶112を薄膜状の形状に保持することができる。基板103は、ガラス、石英、プラスチック等透明な材料を用いれば良い。ただし耐久性を考慮するとガラス若しくは石英基板が望ましい。光学領域104の液晶112は室温で液晶状態であることが望ましく、高い応答性のためには、粘性の低いネマチック液晶が適している。   The substrate 103 transmits light and can hold the liquid crystal 112 aligned in a desired direction in a thin film shape. The substrate 103 may be made of a transparent material such as glass, quartz, or plastic. However, considering durability, a glass or quartz substrate is desirable. The liquid crystal 112 in the optical region 104 is desirably in a liquid crystal state at room temperature, and a nematic liquid crystal with low viscosity is suitable for high response.

人工筋肉とは、外部からの刺激を力学的な力に変換する材料若しくはデバイスであり、異方性形状を持ったゴムへ圧縮空気を注入することにより変形するマッキベン型タイプ、形状記憶ポリマー、形状記憶合金、イオン交換樹脂、導電性ポリマーを用いた材料タイプが挙げられる。特に本実施形態における人工筋肉部105は、電気的なエネルギーを機械的なエネルギーに変換することができる材料であり、一般的には対向する一対の電極間に挟まれた弾性変形材料が、電極間に生じる静電引力により、変形し、筋肉のように振舞うというものである。代表的なものとしてシリコーン樹脂系のエラストマーやアクリル樹脂系のエラストマーが挙げられる。変位量と生じる力は、電極の形状と面積によっても変化するが、印加電圧の2乗に比例することが知られている。例えばこうした材料で0V/m〜440MV/mの範囲の電圧で、約0Pa〜10MPaの変形圧力が生じることが知られている。こうした条件下で約50〜215%の線ひずみが生じる。この材料を用いることにより、液晶112を注入したセルの膜厚を任意に変更することができ、位相差変調素子101として機能させることができる。人工筋肉部105は、イオン交換樹脂にナトリウム塩、若しくはリチウム塩を溶解させたものを用いることができる。イオン交換樹脂であるナフィオン117をナトリウム塩でイオン交換したものに金電極をつけた人工筋肉は、約10%の変位量を示し、無機材料のジルコン酸チタン酸塩(PZT)の変位量が1.6%以下であるのに比べるとより大きな変形が期待できる。電気以外で変形する材料として形状記憶合金がある。チタンとニッケルとの合金が一般的であるが、これは、温度変化により形状を変化させるものである。変位量は5%程度と前述のイオン交換樹脂に比べると小さく、応答性も低いことから実用には適さない。   Artificial muscle is a material or device that converts external stimuli into mechanical force, and is deformed by injecting compressed air into rubber with anisotropic shape, shape memory polymer, shape Examples include a material type using a memory alloy, an ion exchange resin, and a conductive polymer. In particular, the artificial muscle portion 105 in the present embodiment is a material that can convert electrical energy into mechanical energy. Generally, an elastically deformable material sandwiched between a pair of opposing electrodes is an electrode. It is deformed and behaves like a muscle by electrostatic attraction generated between them. Typical examples include silicone resin elastomers and acrylic resin elastomers. It is known that the amount of displacement and the generated force vary with the shape and area of the electrode, but are proportional to the square of the applied voltage. For example, it is known that a deformation pressure of about 0 Pa to 10 MPa is generated in such a material at a voltage in the range of 0 V / m to 440 MV / m. Under these conditions, a line strain of about 50-215% occurs. By using this material, the thickness of the cell into which the liquid crystal 112 is injected can be arbitrarily changed, and the cell can function as the phase difference modulation element 101. As the artificial muscle portion 105, an ion exchange resin in which a sodium salt or a lithium salt is dissolved can be used. An artificial muscle in which a gold electrode is attached to an ion-exchange resin, Nafion 117 ion-exchanged with a sodium salt, shows a displacement of about 10%, and the displacement of the inorganic material zirconate titanate (PZT) is 1. Larger deformation can be expected as compared to less than 6%. There is a shape memory alloy as a material that deforms other than electricity. An alloy of titanium and nickel is generally used, but this changes the shape by changing the temperature. The amount of displacement is about 5%, which is smaller than the above-described ion exchange resin, and the response is low, so it is not suitable for practical use.

上記一対の基板103と人工筋肉部105とで囲まれた領域に液晶112を充填させる構造により、基板103間の膜厚を任意に変更することができ、回転ステージ108により偏光軸の方向を任意に変更することができるため、任意の楕円率と偏光軸を持った偏光を発生させることができる。すなわち、任意の波長に対応することができ、円偏光と直線偏光との両方に対応した位相差板を形成することができる。   With the structure in which the liquid crystal 112 is filled in the region surrounded by the pair of substrates 103 and the artificial muscle portion 105, the film thickness between the substrates 103 can be arbitrarily changed, and the direction of the polarization axis can be arbitrarily determined by the rotary stage 108. Therefore, polarized light having an arbitrary ellipticity and a polarization axis can be generated. That is, an arbitrary wavelength can be accommodated, and a phase difference plate corresponding to both circularly polarized light and linearly polarized light can be formed.

光学領域104の液晶112を一対の基板103で挟持し、密封することで、流動性のある液晶112を板状に固定することができる。   By sandwiching and sealing the liquid crystal 112 in the optical region 104 between the pair of substrates 103, the fluid liquid crystal 112 can be fixed in a plate shape.

光学領域104を挟む基板103を予め、ラビング処理等で配向処理を施しておくと、液晶112を所望の方向に配向させることができ、位相差板を形成することができる。ここでいうラビング処理とは、液晶112の長軸の平均的な方向であるダイレクターをポリイミドなどの膜をコットンでこする処理を施すことによりダイレクターをそろえることである。   When the substrate 103 sandwiching the optical region 104 is previously subjected to an alignment process such as a rubbing process, the liquid crystal 112 can be aligned in a desired direction, and a retardation plate can be formed. The rubbing treatment referred to here is to align the director by subjecting the director, which is the average direction of the major axis of the liquid crystal 112, to rubbing a film of polyimide or the like with cotton.

図2は、本実施形態に係る位相差変調素子101を示す平面図及び断面図である。図2(A)は、位相差変調素子101を示す平面図である。図2(B)は、図2(A)に示す位相差変調素子101のII−II´線に沿う断面図である。一対の基板103を隔てている人工筋肉部105は、同一の材料で光学領域を囲むように構成されている。ただし光学領域104の一部に連通部106が設けられている。   FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view showing the phase difference modulation element 101 according to the present embodiment. FIG. 2A is a plan view showing the phase difference modulation element 101. 2B is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of the phase difference modulation element 101 shown in FIG. The artificial muscle portion 105 that separates the pair of substrates 103 is configured to surround the optical region with the same material. However, the communication part 106 is provided in a part of the optical region 104.

図3は、本実施形態に係る位相差変調素子101を示す平面図及び断面図。図3(A)は、位相差変調素子101を示す平面図である。図3(B)は、図3(A)に示す位相差変調素子101のIII−III´線に沿う断面図である。言い換えると、連通部106付近を示す断面図である。人工筋肉部105の一部は、連通部106が設けられており、位相差変調素子101における液晶112が充填されている光学領域104の空間の体積変化に応じて液晶112の出入りが自由に行える。人工筋肉部105の変形に伴い、連通部106の形状も変化する。例えば、人工筋肉部105の膨張の際は、連通部106の面積が小さくなり、液晶112の移動が十分に行われないことが起きる。そのような場合には、図3(B)に示したように連通部106の内部に小さい突起部109を設けておき、人工筋肉部105の変形を抑制し、一定の開口面積を確保することができる。これによれば、連通部106内部に突起部109を設けることにより、連通部106の断面積を確保することができるため、人工筋肉部105が変形し、連通部106をふさいで液晶112の移動が止まることを回避することができる。図3(A)では、突起部109は円柱で示してあるが、人工筋肉部105が最も膨張しても連通部106が塞がらなければ、この形状に限らない。これ以外にも、連通部106の内部に収縮性のない剛直なリングを設置しておくことにより、人工筋肉部が最大に膨張しても液晶112が連通部106を通過する最小面積は確保することができる。   3A and 3B are a plan view and a cross-sectional view showing the phase difference modulation element 101 according to the present embodiment. FIG. 3A is a plan view showing the phase difference modulation element 101. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line III-III ′ of the phase difference modulation element 101 shown in FIG. In other words, it is a cross-sectional view showing the vicinity of the communication portion 106. A part of the artificial muscle portion 105 is provided with a communication portion 106, and the liquid crystal 112 can freely enter and exit according to the volume change of the space of the optical region 104 filled with the liquid crystal 112 in the phase difference modulation element 101. . With the deformation of the artificial muscle portion 105, the shape of the communication portion 106 also changes. For example, when the artificial muscle portion 105 expands, the area of the communication portion 106 becomes small, and the liquid crystal 112 may not move sufficiently. In such a case, as shown in FIG. 3B, a small protrusion 109 is provided inside the communication portion 106 to suppress the deformation of the artificial muscle portion 105 and ensure a certain opening area. Can do. According to this, since the cross-sectional area of the communication part 106 can be ensured by providing the protrusion 109 inside the communication part 106, the artificial muscle part 105 is deformed and the liquid crystal 112 is moved by blocking the communication part 106. Can be avoided. In FIG. 3A, the protrusion 109 is shown as a cylinder, but the shape is not limited to this shape as long as the communication portion 106 is not blocked even when the artificial muscle portion 105 is expanded most. In addition to this, by installing a rigid ring without contractibility inside the communication portion 106, the minimum area through which the liquid crystal 112 passes through the communication portion 106 is ensured even when the artificial muscle portion is expanded to the maximum. be able to.

液晶供給部102は伸縮性の容器の中に、液晶112が充填されており、連結部107を通じて位相差変調素子101と連結かつ密封されている。この構成により、液晶が液晶供給部102と連結部107の間を自由に移動することができ、異物の混入や気泡の混入がなく、液晶112が位相差変調素子101の外部に漏れることがない。   The liquid crystal supply unit 102 is filled with a liquid crystal 112 in a stretchable container, and is connected and sealed with the phase difference modulation element 101 through the connection unit 107. With this configuration, the liquid crystal can freely move between the liquid crystal supply unit 102 and the connecting unit 107, no foreign matter or bubbles are mixed, and the liquid crystal 112 does not leak outside the phase difference modulation element 101. .

回転ステージ108は、少なくとも位相差変調素子101の動作領域と重なる部分が透明である板から構成されている。   The rotary stage 108 is composed of a plate that is transparent at least in a portion overlapping the operation region of the phase difference modulation element 101.

透明な板を用いることで光を液晶112に透過させることができ、液晶112の光学異方性を用いた偏光の制御を行うことができる。   By using a transparent plate, light can be transmitted through the liquid crystal 112, and polarization control using the optical anisotropy of the liquid crystal 112 can be performed.

回転ステージ108を動かすことにより、一対の基板103間の液晶112の配向方向を任意に変えることができるため、任意の偏光軸を設定することができる。   By moving the rotary stage 108, the alignment direction of the liquid crystal 112 between the pair of substrates 103 can be arbitrarily changed, so that an arbitrary polarization axis can be set.

B.本実施形態の動作
次に本実施形態の動作について説明する。
図4は、本実施形態に係る位相差変調素子101の動作を示す断面図である。
図4に示すように、人工筋肉部105の伸縮により、位相差変調素子101内部の光学領域104の液晶112の膜厚が変化する。これによりΔndで規定される位相差を変えることができる。また、回転ステージ108の動作により、位相差変調素子101内部の液晶112の配向方向と、入射する光線の偏光方向を所望の角度をなすようにすることができる。例えば、図4(A)に示すように、Δndを1/4λにすれば円偏光板、図4(B)に示すように、1/2λにすれば直線偏光板として用いることができる。
B. Operation of the present embodiment Next, the operation of the present embodiment will be described.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the operation of the phase difference modulation element 101 according to this embodiment.
As shown in FIG. 4, the film thickness of the liquid crystal 112 in the optical region 104 inside the phase difference modulation element 101 changes due to the expansion and contraction of the artificial muscle portion 105. Thereby, the phase difference defined by Δnd can be changed. Further, by the operation of the rotary stage 108, the alignment direction of the liquid crystal 112 inside the phase difference modulation element 101 and the polarization direction of the incident light beam can be made to form a desired angle. For example, as shown in FIG. 4A, a circularly polarizing plate can be used when Δnd is set to 1 / 4λ, and as a linearly polarizing plate when it is set to 1 / 2λ as shown in FIG. 4B.

人工筋肉部105の体積が増加することにより、人工筋肉部105、一対の基板103で挟まれた領域の容積が増加する。それに伴い、この領域の圧力が低下し、液晶供給部102より連結部107を介して位相差変調素子101に液晶112が注入される。   As the volume of the artificial muscle portion 105 increases, the volume of the region sandwiched between the artificial muscle portion 105 and the pair of substrates 103 increases. Along with this, the pressure in this region decreases, and the liquid crystal 112 is injected into the phase difference modulation element 101 from the liquid crystal supply unit 102 via the connecting unit 107.

人工筋肉部105の体積の減少により、人工筋肉部105、一対の基板103で挟まれた領域の容積が減少する。それに伴い、この領域の圧力が増加し、液晶供給部102に連結部107を介して位相差変調素子101より液晶112が注入される。   As the volume of the artificial muscle portion 105 decreases, the volume of the region sandwiched between the artificial muscle portion 105 and the pair of substrates 103 decreases. Along with this, the pressure in this region increases, and the liquid crystal 112 is injected from the phase difference modulation element 101 into the liquid crystal supply unit 102 via the connecting unit 107.

(第2実施形態)
図5は、本実施形態に係る位相差変調素子を示す平面図及び断面図である。図5(A)は、位相差変調素子114を示す平面図である。図5(B)は、図5(A)に示す位相差変調素子114のV−V´線に沿う断面図である。以下、光学素子の構造を、図5を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a plan view and a cross-sectional view showing the phase difference modulation element according to this embodiment. FIG. 5A is a plan view showing the phase difference modulation element 114. FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line VV ′ of the phase difference modulation element 114 shown in FIG. Hereinafter, the structure of the optical element will be described with reference to FIG.

本実施形態の位相差変調素子114は、人工筋肉部105を一部弾性材料に置き換えた弾性体部110のような構造体を形成する点が、第1実施形態と異なっている。以下、第1実施形態と同じ構成部材には同一符号を付し、ここではそれらの説明を省略又は簡略化する。   The phase difference modulation element 114 of the present embodiment is different from the first embodiment in that a structure such as an elastic body part 110 in which the artificial muscle part 105 is partially replaced with an elastic material is formed. Hereinafter, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified here.

本実施形態に係る位相差変調素子114は、図5に示すように、人工筋肉部105を一部弾性材料に置き換えた弾性体部110のような構造体を形成することができる。ここで、弾性材料とはシリコンゴムやアクリルゴムであり、通常は5〜10倍の変形特性を有する材料である。これを用いることにより、人工筋肉部105では断裂の可能性があるが、それ以上の変形特性を持つ弾性材料を用いることにより、より大きな変形を伴う場合でも適用が可能である。   As shown in FIG. 5, the phase difference modulation element 114 according to the present embodiment can form a structure such as an elastic body portion 110 in which the artificial muscle portion 105 is partially replaced with an elastic material. Here, the elastic material is silicon rubber or acrylic rubber, and is usually a material having a deformation characteristic of 5 to 10 times. By using this, there is a possibility that the artificial muscle portion 105 may be torn, but by using an elastic material having more deformation characteristics, it is possible to apply even when there is a larger deformation.

これにより、人工筋肉部105の大量生産が困難である場合、あるいは製造コストが掛かる場合に安価な弾性材料で一部を代用することでコストを抑えることができる。また、人工筋肉部105のみでは、十分な変形特性が得られず、大きな歪みが生じると小さい傷等から断裂してしまう可能性があるため、人工筋肉部105を小さいサイズで形成し、柔軟性の高い弾性材料と連結させることで、断裂を回避しつつ十分な変形特性を得ることができる。   Thereby, when mass production of the artificial muscle part 105 is difficult, or when manufacturing cost is high, cost can be suppressed by substituting a part with an inexpensive elastic material. In addition, the artificial muscle portion 105 alone does not provide sufficient deformation characteristics, and if a large distortion occurs, the artificial muscle portion 105 may be torn from a small scratch or the like. By connecting to a high elastic material, sufficient deformation characteristics can be obtained while avoiding tearing.

(第3実施形態)
図2に示す位相差変調素子101において、変形材料として人工筋肉部105に変え、シリコンゴムやアクリルゴム等の弾性材料を置き換え、図1に示す液晶供給部102から供給する液晶の圧力をポンプ等で制御することにより、一対の基板103の間の距離と液晶の厚みを変化させることができる。この構成により、さらに十分な変形特性を得ることができる。
(Third embodiment)
In the phase difference modulation element 101 shown in FIG. 2, the artificial muscle portion 105 is replaced as a deformable material, and an elastic material such as silicon rubber or acrylic rubber is replaced, and the pressure of the liquid crystal supplied from the liquid crystal supply portion 102 shown in FIG. By controlling at, the distance between the pair of substrates 103 and the thickness of the liquid crystal can be changed. With this configuration, further sufficient deformation characteristics can be obtained.

(第4実施形態)
上記の第3実施形態の構成に加え、一対の基板103の上に透明電極(図示せず)を形成し、外部(図示せず)から透明電極に電圧を印加することにより、液晶112に印加する電圧を制御することができる。この構成により、さらに詳細な位相差の制御をすることが可能な位相差変調素子を実現することができる。
(Fourth embodiment)
In addition to the configuration of the third embodiment, a transparent electrode (not shown) is formed on the pair of substrates 103, and a voltage is applied to the transparent electrode from the outside (not shown) to be applied to the liquid crystal 112. The voltage to be controlled can be controlled. With this configuration, it is possible to realize a phase difference modulation element capable of performing more detailed phase difference control.

なお、本発明は上記した実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof.

100…光学素子 101,114…位相差変調素子 102…液晶供給部 103…基板 104…光学領域 105…人工筋肉部(変形材料) 106…連通部 107…連結部 108…回転ステージ 109…突起部 110…弾性体部(弾性材料) 112…液晶。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Optical element 101,114 ... Phase difference modulation element 102 ... Liquid crystal supply part 103 ... Substrate 104 ... Optical area 105 ... Artificial muscle part (deformable material) 106 ... Communication part 107 ... Connection part 108 ... Rotation stage 109 ... Projection part 110 ... elastic body part (elastic material) 112 ... liquid crystal.

Claims (9)

一対の基板と、
前記一対の基板の間に設けられ、前記一対の基板の間の距離を変える変形材料と、
前記一対の基板と前記変形材料とに囲まれ、液晶が充填される光学領域と、
を備えることを特徴とする光学素子。
A pair of substrates;
A deformable material provided between the pair of substrates and changing a distance between the pair of substrates;
An optical region surrounded by the pair of substrates and the deformable material and filled with liquid crystal;
An optical element comprising:
一対の基板と、
前記一対の基板の間に設けられ、前記一対の基板の間の距離を変える変形材料と、
前記変形材料と同一平面に設置され、該変形材料と連結している弾性材料と、
前記一対の基板と前記変形材料と前記弾性材料との間に囲まれ、液晶が充填される光学領域と、
を備えることを特徴とする光学素子。
A pair of substrates;
A deformable material provided between the pair of substrates and changing a distance between the pair of substrates;
An elastic material installed in the same plane as the deformable material and connected to the deformable material;
An optical region surrounded by the pair of substrates, the deformable material, and the elastic material and filled with liquid crystal;
An optical element comprising:
前記変形材料は、熱、電気、光の少なくとも一つによって形状と体積を変化させることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the deformable material changes its shape and volume by at least one of heat, electricity, and light. 前記弾性材料は、ゴムあるいはシリコンゴム等の伸縮性のある材料で構成されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の光学素子。   4. The optical element according to claim 2, wherein the elastic material is made of a stretchable material such as rubber or silicon rubber. 液晶が充填される液晶供給部と、
前記液晶供給部と前記光学領域とを連通する連通部と、
を備え、
前記液晶供給部は、前記一対の基板内部の体積変化に応じ、液晶を前記光学領域へ供与、受入れをすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学素子。
A liquid crystal supply unit filled with liquid crystal;
A communication part for communicating the liquid crystal supply part and the optical region;
With
5. The optical element according to claim 1, wherein the liquid crystal supply unit supplies and receives liquid crystal to the optical region in accordance with a change in volume inside the pair of substrates.
前記連通部は、前記変形材料に設けられたことを特徴とする請求項5に記載の光学素子。   The optical element according to claim 5, wherein the communication portion is provided in the deformable material. 前記連通部には、突起部が設けられていることを特徴とする請求項6に記載の光学素子。   The optical element according to claim 6, wherein the communication portion is provided with a protrusion. 前記一対の基板を回転させる回転ステージを有し、
前記回転ステージは透明な領域を備え、
前記一対の基板を固定しており、前記一対の基板を同一平面内で回転させることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の光学素子。
A rotation stage for rotating the pair of substrates;
The rotating stage comprises a transparent region;
The optical element according to any one of claims 1 to 7, wherein the pair of substrates are fixed, and the pair of substrates are rotated in the same plane.
前記一対の基板は、前記光学領域のダイレクターが同一方向に配向するように表面処理を施されたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の光学素子。   The optical element according to any one of claims 1 to 8, wherein the pair of substrates is subjected to a surface treatment so that directors of the optical region are oriented in the same direction.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018049299A (en) * 2013-01-08 2018-03-29 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー Optical phased array

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