CN1886691B

CN1886691B - 使用具有光学上各向同性的液晶的光学元件

Info

Publication number: CN1886691B
Application number: CN2004800348207A
Authority: CN
Inventors: 大井好晴; 野村琢治; 小柳笃史
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: JP2005157109A; JP4075781B2; CN1886691A

Abstract

提供一种能实现与以往等同或超过以往的高速响应而不依赖入射偏振的光学元件。具有透明衬底(5、6)；用各向同性折射率材料形成在透明衬底(5)上，并且截面结构具有周期性凹凸的栅格(2A)；填充在具有周期性凹凸的栅格(2A)的凹部，并且折射率各向同性地变化的蓝相液晶(2B)；以及对蓝相液晶(2B)施加电压用的透明电极(3、4)，利用由栅格(2A)和蓝相液晶(2B)组成的衍射光栅(1)构成衍射元件(10)，并且构成衍射元件(10)的蓝相液晶(2B)的折射率随通过透明电极(3、4)施加的电压进行变化。

Description

使用具有光学上各向同性的液晶的光学元件

技术领域

本发明涉及使用具有光学上各向同性的液晶的光学元件，尤其涉及在衍射光栅的一部分使用所述液晶，并通过对液晶施加电压控制液晶的实质折射率，而且使入射光衍射成0次衍射光(透射光)的光量受控制的衍射元件、光衰减器、有选择且可变地从波分复用光信号取出希望波长的光信号的波长可变滤光器、波面控制元件、控制所述波面控制元件中用的液晶的有效折射率使液晶呈现透镜效应的液晶透镜、以及补偿使出射光的波面相对于入射光变化以补偿光学系统波面像差的像差补偿元件。

背景技术

以往，例如美国专利4767194号公报揭示的技术所涉及的衍射元件，利用含有凯拉尔材料且折射率各向同性的蓝相胆甾醇液晶(下文，称为蓝相液晶)，使折射率随施加电压的大小各向同性地进行变化。作为这种衍射元件，图17示出美国专利4767194号公报揭示的液晶元件200的组成例和光学系统的概念性剖视图。已有的液晶元件200中，用对透明电极203、204制作图案的2块玻璃衬底204、205和它们之间的密封件206夹持蓝相液晶201。

在对置的透明电极202、203之间施加电源208输出的电压。从光源210出射并直穿液晶元件200地到达投射屏220的0次衍射光的光量随施加电压的大小变化。认为这种组成的液晶元件200可作高速切换，用液晶元件200能获得相位光栅(即相位衍射光栅)。

这里，由于仅在1℃～5℃的温度范围呈现折射率各向同性的蓝相，在玻璃衬底204上形成透明发热体的发热透明片207，并进行温度控制，以维持蓝相。然而，由于如上所述，仅在极小的温度范围呈现蓝相，需要准确且困难的温度控制。因此，为了解决这种温度控制问题，开发了一种技术，通过液晶中混合单基物，并且在呈现蓝相液晶的温度区折射紫外线，使单基物高分子化，可将蓝相液晶显现的温度范围从1℃～5℃扩大到60℃或更高。下文，将上述扩大温度范围的蓝相液晶称为高分子稳定化蓝相液晶。《天然材料(NatureMaterials)》(卷1，2002年9月，第64页)中，确认通过使用高分子稳定化蓝相液晶能获得1msec或更短的高速响应。然而，至今尚未揭示利用光学上各向同性的不依赖入射偏振状态的开关元件的组成例。

又，在波分复用通信中，需要从多波长光脉冲中有选择地仅选出希望的波长的光的波长可变滤光器。以往，一直在研究液晶标准型波长可变滤光器等各种波长可变滤光器。其中，例如日本国专利公开平5-45618号公报揭示的那样，液晶标准型波长可变滤光器，具有在公知的标准腔体内填充向列液晶的组成，并通过对液晶施加电压，使液晶的实质折射率变化，从而使作为标准光路长度的光学缝隙变化。

然而，由于向列液晶的偏振依赖性，液晶标准型波长可变滤光器的用途受到限制。又，对向列液晶施加电压时的响应速度为几10msec左右，为了瞬时切换并选择希望波长的光，进一步高速则更好。

作为改善液晶标准型波长可变滤光器的偏振依赖性用的措施，例如提出做成液晶标准型波长可变滤光器中的液晶分子的螺旋轴与玻璃衬底垂直的方案。然而，液晶分子的螺旋轴与玻璃衬底垂直，则施加电压时的液晶驱动中，变化到螺旋轴与衬底平行的焦锥状态，成为散射体，因而不能选出希望波长的光。关于液晶的响应速度，例如日本国专利公开平6-148692号公报揭示的那样，与已有向列液晶相同，也为几10msec左右，不能期望1msec或更短。

又，提出构成使用偏振分束器或分束镜等将入射光分成2束线偏振光，穿透填充向列液晶的液晶标准型波长可变滤光器后，重新组合分离的2个偏振光分量。然而，例如《光子技术快报(Photonic Technology Letters)》(卷3，第12期，第1091页，1991年)所揭示那样，需要偏振分束器或分束镜等附加光学元件，难以小型化，而且由于液晶标准型波长可变滤光器的光学缝隙的面内存在偏差，技术上难以构成透射频带宽度小的液晶标准型的波长可变滤光器。

又，美国专利4767194号公报揭示上述液晶元件200是能利用上述蓝相液晶使有效折射率随施加的电压各向同性地进行变化的光调制元件的例子。

在具有上述组成的液晶元件200的光学系统中，从光源210出射并穿透液晶元件200后到达投射屏220的主光线，其强度随施加的电压进行变化，可获得能高速切换的相位光栅。这里，在呈现向列相或近晶状相的液晶中，试验开发用液晶构成作为透镜起作用的透镜元件、用液晶构成控制波面以补偿光学系统的波面像差的像差补偿元件等光学元件。

然而，在上述已有光学元件中，使用具有偏振依赖性的向列液晶或近晶状液晶，因而存在偏振依赖性引起的各种问题。具体如下。

首先，为了将元件构成适合向列液晶等的偏振依赖性，存在元件制作工序烦杂的问题。对已有的衍射元件和光衰减器而言，需要具有以制作图案方式形成的电极的2块衬底，电极结构复杂，对置的电极的位置偏移，则得不到具有适应施加电压的期望折射率等性能的相位衍射元件，因而还需要对位精度高。尤其是为了获得以大角度效率良好地衍射入射光，需要以10微米以内的精度对相邻的电极间隔进行图案制作和对位，难以取得实用的光学元件。

又，在没有电极的液晶区也产生对置电极对产生的电场，并且液晶的折射率随该电场变化，因而不能获得具有期望特性的相位衍射元件，存在衍射效率变差的问题。

作为向列液晶等的偏振依赖性引起的其它问题，存在为了消除偏振依赖性而不得不增加零部件数量从而不能小型化的问题。已有的液晶标准型波长可变滤光器中，如上文所述，由于向列液晶的偏振依赖性，无附加光学元件就不能实现没有偏振依赖性的波长可变滤光器，而且难以实现小型化。

又，使用已有的向列液晶等的元件中，由于响应速度慢，为了改善响应性，即使采用近晶状液晶，也存在作用随入射光偏振状态不同的问题。具体而言，采用向列液晶和近晶状液晶的上述光学元件(透镜元件和像差校正元件)中，例如利用向列相的元件中，响应速度慢，采用近晶状相强介电液晶改善响应性的元件的作用随入射光偏振状态不同。这两点都成为付诸实用上的问题。本发明是为解决上述问题而完成的，本发明提供能用蓝相液晶等具有各向同性折射率的液晶实现与以往等同或超过以往的高速响应而不依赖入射偏振的衍射元件、光衰减器、波长可变滤光器、波面控制元件、液晶透镜以及像差校正元件等光学元件。

尤其是对衍射元件和光衰减器而言，提供能用蓝相液晶等具有各向同性折射率的液晶，稳定实现与以往等同或超过以往的高速光切换和消光比而不依赖入射偏振的元件等。

又，对波长可变滤光器而言，提供不用滤光器以外的附加光学零部件而能选出期望波长的光的无偏振依赖性的元件。

再者，对波面控制元件、液晶透镜和像差校正元件而言，使用蓝相液晶等具有各向同性折射率的液晶提供不依赖入射偏振的可高速光切换的波面控制元件，同时还提供使用该波面控制元件的液晶透镜和像差校正元件。

发明内容

考虑上述各点，本发明第1方面的一种衍射元件，具有对置的1对透明衬底；配置在1对所述透明衬底之间的、具有光学上各向同性的液晶；以及形成在所述液晶与至少一个所述透明衬底之间以便对所述液晶施加电压的透明电极，所述液晶的折射率随通过所述透明电极施加的电压进行变化，所述液晶，是因含有规定的高分子材料而所述胆甾醇蓝相的呈现温度范围扩大的高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶，所述衍射元件具有栅格，该栅格用折射率为各向同性的固体材料形成在一个所述透明衬底上，该栅格剖面结构具有周期性凹凸，所述液晶被填充在所述具有周期性凹凸的栅格的至少凹部，所述液晶的折射率随通过所述透明电极施加的电压进行变化。

本发明第2方面的一种液晶透镜元件，具有对置的1对透明衬底；配置在1对所述透明衬底之间的、具有光学上各向同性的液晶；以及形成在所述液晶与至少一个所述透明衬底之间以便对所述液晶施加电压的透明电极，所述液晶的折射率随通过所述透明电极施加的电压进行变化，所述液晶，是因含有规定的高分子材料而所述胆甾醇蓝相的呈现温度范围扩大的高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶，在至少一个所述透明衬底上形成的凹凸结构具有等同于期望相位分布的形状，并且焦距随通过所述透明电极对所述胆甾醇蓝相液晶施加的电压进行变化。

本发明第3方面的一种像差校正元件，具有对置的1对透明衬底；配置在1对所述透明衬底之间的、具有光学上各向同性的液晶；以及形成在所述液晶与至少一个所述透明衬底之间以便对所述液晶施加电压的透明电极，所述液晶的折射率随通过所述透明电极施加的电压进行变化，所述液晶，是因含有规定的高分子材料而所述胆甾醇蓝相的呈现温度范围扩大的高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶，在至少一个所述透明衬底上形成的凹凸结构具有对应于所处理波面形状的形状，并且根据通过所述透明电极对所述胆甾醇蓝相液晶施加的电压，对入射到所述胆甾醇蓝相液晶的入射光的波面，施加包含球面像差、彗形像差和像散中的至少1种的像差分量的调制，以修正波面像差。

利用这种组成，由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现能获得与以往同等或超过以往的高速响应的光学元件。

在上述光学元件为衍射元件时，该衍射元件，用各向同性折射率固体材料形成在所述透明衬底上，并设置截面结构具有周期性凹凸的栅格，将具有光学上各向同性的所述液晶填充在所述具有周期性凹凸的栅格的至少凹部，并且该液晶是呈现胆甾醇蓝相的胆甾醇蓝相液晶，由所述栅格和所述胆甾醇蓝相液晶构成衍射光栅，构成所述衍射光栅的所述胆甾醇蓝相液晶的折射率随通过所述透明电极施加的电压进行变化。

利用这种组成，由于将胆甾醇蓝相液晶填充在栅格的凹部，并按照施加的电压的大小，控制胆甾醇蓝相液晶的折射率，可不依赖入射偏振而能实现能稳定地获得高速光切换和消光比的衍射元件。

在上述衍射元件中，最好所述胆甾醇蓝相液晶是因含有规定的高分子材料而所述胆甾醇蓝相的呈现温度范围扩大的高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶。

利用这种组成，除具有上述效果外，还由于将高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶用作胆甾醇蓝相液晶，可在大温度范围实现不依赖入射偏振而能获得稳定高消光比同时还能高速光切换的衍射元件。

上述衍射元件，最好将所述透明电极设置在所述衍射光栅与各所述透明衬底之间。

利用这种组成，除具有作为衍射元件的上述效果外，还由于在衍射光栅与各透明衬底之间设置透明电极，可实现不必根据栅格形状对透明电极进行图案制作和图案对位的衍射元件。

上述衍射元件，最好将所述透明电极设置在所述透明衬底与所述栅格之间，并通过所述透明电极对所述胆甾醇蓝相液晶施加电压。

利用这种组成，除具有作为衍射元件的上述效果外，还由于仅在形成由各向同性折射率固体材料组成的衍射光栅的衬底面方制作图案并形成透明电极即可，对置的衬底面上不需要透明电极，且不必进行对位，所以可实现能使元件制成工序比以往简化的衍射元件。

又，光学元件是光衰减器时，该光衰减器，具有上述光学元件；以及将因通过所述衍射元件的透明电极施加电压而产生的入射光的高次衍射光，与直穿所述衍射元件的入射光的0次衍射光分开，并提取所述0次衍射光的分离部件，根据通过所述透明电极施加的电压，调整所述0次衍射光的光量。

利用这种组成，可实现具有与作为衍射元件的效果相同的效果的光衰减器。

在光学元件是波长可变滤光器时，该波长可变滤光器，具有实质上平行地配置在1对所述透明衬底上，并形成光谐振器的1对反射镜，所述液晶是配置在1对所述反射镜形成的光谐振器中的各向同性折射率液晶，并且折射率随通过所述透明电极施加的电压进行变化。

利用这种组成，由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可实现不依赖入射偏振而能获得与以往同等或超过以往的高速响应的波长可变滤光器。而且，将各向同性折射率的液晶配置在光谐振器中，以施加电压的方式改变折射率，能实现不用滤光器以外的附近光学元件而能选出期望波长的光的波长可变滤光器。

在上述波长可变滤光器中，最好构成所述各向同性折射率液晶，是呈现胆甾醇蓝相的胆甾醇蓝相液晶。

利用这种组成，除具有上述效果外，还由于将各向同性折射率液晶取为胆甾醇蓝相液晶，可实现能比使用已有胆甾醇液晶快速响应的不依赖偏振的波长可变滤光器。

在上述波长可变滤光器中，最好所述胆甾醇蓝相液晶被形成为由胆甾醇液晶和高分子物质组成的复合体，是因含有规定的高分子材料而所述胆甾醇蓝相的呈现温度范围扩大的高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶。

利用这种组成，除具有上述效果外，还由于将高分子稳定化胆甾醇相液晶用作胆甾醇蓝相液晶，可在大温度范围实现能进行不依赖入射偏振的稳定运作的无偏振依赖性的波长可变滤光器。

又，在光学元件是波面控制元件时，该波面控制元件，具有通过所述透明电极对所述液晶施加电压的电源，所述液晶，是呈现胆甾醇蓝相的胆甾醇蓝相液晶，在所述透明衬底的至少1个面上，均匀地设置或以划分的方式设置所述透明电极，所述胆甾醇蓝相液晶的折射率随通过所述透明电极施加的电压进行变化，并且使穿透所述胆甾醇蓝相液晶的光的波面随所述施加的电压进行变化。

利用这种组成，由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现高速响应的波面控制元件。

在上述波面控制元件中，最好所述透明电极具有在其电极面内产生电位分布用的多个供电电极。

利用这种组成，除具有上述效果外，还由于对胆甾醇蓝相液晶施加电压用的透明电极在其电极面内产生电位分布用的多个供电电极，能取得适应供电电极之间的电位的相位分布，可实现用简易的电压控制部件也能达到高精度波面控制的波面控制元件。

又，在上述波面控制元件中，最好所述胆甾醇蓝相液晶，是光聚合高分子在内部分散或网络化成网格的高分子稳定化蓝相液晶。

利用这种组成，除具有上述效果外，还由于使用高分子蓝相液晶，液晶中形成的高分子网络使蓝相的温度范围扩大，可实现能在大温度范围进行不依赖入射偏振的波面控制的波面控制元件。

又，在光学元件是液晶透镜时，该液晶透镜，是使用上述波面控制元件的液晶透镜，并且焦距随通过所述透明电极对所述胆甾醇蓝相液晶施加的电压进行变化。

利用此组成，除上述波面控制元件取得的效果外，还可实现能使透射光的焦距随施加电压进行变化的液晶透镜。

又，光学元件是像差校正元件时，该像差校正元件，是使用上述波面控制元件的像差校正元件，根据通过所述透明电极对所述胆甾醇蓝相液晶施加的电压，对入射到所述胆甾醇蓝相液晶的入射光的波面，施加包含球面像差、彗形像差和像散中的至少1种的像差分量的调制。

利用此组成，由于能根据施加电压将入射波面调制成包含球面像差、彗形像差、像散的波面，可实现能补偿光学系统的波面像差的像差校正元件。

本发明由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可提供具有不依赖入射偏振而能实现与以往同等或超过以往的高速响应的效果的光学元件。

又，通过使用蓝相液晶或高分子稳定化蓝相液晶，可提供具有不依赖入射偏振状态而能稳定地取得与以往同等或超过以往的高速光切换和消光比的效果的衍射元件和光衰减器。

又，通过将由各向同性折射率液晶组成的液晶层配置在光谐振器中，以施加电压的方式改变折射率，可提供不用滤光器以外的附加光学零部件而能选出期望波长的光的无偏振依赖性的波长可变滤光器。

又，由于使用蓝相液晶，可提供根据施加电压值能高速且不依赖入射偏振地进行波面控制的波面控制元件、液晶透镜和像差校正元件。

附图说明

图1是概念性示出本发明实施方式1的衍射元件截面结构的图。

图2是说明一例本发明实施方式1的衍射元件电压响应用的说明图。

图3是概念性示出将凸透镜聚光元件和开口光阑用作分离部件的组成的剖视图。

图4是概念性示出使用各向同性折射率固体材料的截面形状为锯齿波状的衍射光栅的衍射元件截面结构的图。

图5是说明一例图4所示衍射元件的运作用的说明图。

图6是概念性示出在透明衬底与透明电极膜之间设置光反射膜的组成的衍射元件截面结构的图。

图7是概念性示出一例使用图6所示衍射元件的光衰减器截面结构的图。

图8是概念性示出本发明实施方式2的衍射元件截面结构的图。

图9是概念性示出图8所示衍射元件的平面结构的图。

图10是概念性示出本发明实施方式3的液晶标准型波长可变滤光器的组成例的侧视图。

图11是本发明实施方式4的波面控制元件的剖视图。

图12(A)是使图12所示波面控制元件产生作为液晶透镜的透镜作用的驱动部件的模式图，为划分型电极图案的例子；(B)是该划分型电极图案取得的相位差分布图。

图13(A)是使图12所示波面控制元件产生作为液晶透镜的透镜作用的驱动部件的模式图，为供电型电极图案的例子；(B)是该供电型电极图案取得的相位差分布图。

图14(A)是对像差校正元件产生球面像差的驱动部件的模式图，为划分型电极图案的例子；(B)是该划分型电极图案取得的相位差分布图。

图15(A)是对像差校正元件产生球面像差的驱动部件的模式图，为供电型电极图案的例子；(B)是该供电型电极图案取得的相位差分布图。

图16是本发明实施方式5的波面控制元件的剖视图。

图17是已有液晶元件200的组成例和光学系统的概念性剖视图。

标号说明

1、21是衍射光栅，2A、22A是栅格，2B、22B、51是各向同性折射率液晶，3、3A、3B、4、52A、52B、65、66、115、116是透明电极，5、6、56A、56B、61、62、111、112是透明衬底，7、63、113是密封件，8、59、68、118是电压控制部件，9是光反射膜，10、20、30、40是衍射元件，11是凸透镜，12是开口光阑，13、13A、13B是光纤传光部，50是波长可变滤光器，53A、53B是反射镜，54A、54B是粘接材料，55A、55B隔离件，57A、57B是防反射膜，58是固体光学媒质层，60、110是波面控制元件，64、114是蓝相液晶，67、117是取向膜，71～75、91～95是划分电极，81、101是均匀电极，82～84、102～104是供电电极，70是液晶透镜用驱动部件(划分型电极图案时)，80是液晶透镜用驱动部件(供电型电极图案时)，90是像差校正元件用驱动部件(划分型电极图案时)，100是像差校正元件用驱动部件(供电型电极图案时)，200是液晶元件(光学调制元件)，210是光源，201是蓝相液晶，202、203是电极，204、205是玻璃衬底，206是密封件，207是发热透明片，208是交流电源，220是投射屏，500、510是涂覆衬底，520是带媒质层的衬底。

具体实施方式

下面，用附图说明本发明的实施方式。

实施方式1

在本发明的实施方式1中，提出衍射元件和光衰减器作为光学元件进行说明。图1是概念性示出本发明实施方式1的衍射元件的截面结构图。图1中，衍射元件10构成为：在透明衬底5、6的一个面上分别形成透明电极3、4的膜，并且在透明电极3、4之间周期性地并行排列实质上长方体的各向同性折射率固体材料，形成栅格2A，并且形成栅格2A的各向同性折射率固体材料之间的区域，形成由各向同性折射率液晶2B占用的衍射光栅1，由透明衬底5、6和密封件7密封各向同性折射率液晶2B。

这里，各向同性折射率固体材料是指无论入射光偏振方向如何，折射率n_s均恒定且无双折射性的透明材料。作为各向同性折射率固体材料，可用SiO₂和SiN等无机材料，也可用聚酰亚胺和紫外线硬化树脂等有机材料。用光刻制板和干蚀刻等微细加工技术，对成膜为1微米至100微米左右的期望厚度d的各向同性折射率固体材料进行加工，从而取得构成衍射光栅1的栅格2A和各向同性折射率液晶2B的周期性排列图案(下文，称为衍射光栅图案)。将感光性聚酰亚胺等感光性材料用作栅格2A(各向同性折射率固体材料)时，仅用与衍射光栅图案对应的掩模进行曝光和显像就能加工成栅格形状，因而衍射光栅图案制作工序能简化并且较佳。

接着，与以往的液晶元件相同，通过在对透明电极4层膜的透明衬底6的一个面上印刷涂敷密封件7，将密封材料压贴在透明衬底5上并加以固化，使各向同性折射率液晶2B的封装单元化。然后，从设在密封件的一部分上的注入口(未图示)注入折射率n(V)随施加电压V的大小各向同性地变化的各向同性折射率液晶2B，将各向同性折射率液晶2B填充到栅格2A的各向同性折射率固体材料之间的区域后，密封注入口，从而完成衍射元件10。这里，栅格2A的各向同性折射率固体材料的与透明衬底5垂直的方向的厚度d规定各向同性折射率液晶2B的厚度，因而可以不用已有液晶元件中用的间隙控制材料。

用作各向同性折射率液晶2B的液晶，只要是对入射光的折射率随施加电压V的大小各向同性变化的材料，任何液晶均可。将蓝相液晶用作各向同性折射率液晶2B时，实现1msec或更短的高速响应性，因而较佳。将高分子稳定化蓝相液晶用作各向同性折射率液晶2B时，扩大呈现蓝相的温度范围，因而使各向同性折射率液晶2B保持蓝相用的温度控制容易，更好。《天然材料(NatureMaterials)》(卷1，2002年9月，第64页)等中，已揭示高分子稳定化蓝相液晶中用的材料和制造方法，省略其说明。下文中，除特别说明时外，取为对具有凹凸状周期性的栅格2A填充包含呈现胆甾醇蓝相的高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶的蓝相液晶。

将电压控制部件8输出的电压V通过透明电极3、4，施加到各向同性折射率液晶2B，控制各向同性折射率液晶2B的取向性，从而用于控制折射率。

下面，说明本发明实施方式1的衍射元件10的电压响应的例子。图2是说明一例本发明实施方式1的衍射元件10的电压响应用的说明图。图2(a)和图2(b)分别是对施加电压V＝0时和施加±1次衍射光成为最大(即0次衍射光(透射光)最小时)的电压Vm时说明电压响应的例子用的说明图。下文中，将0次衍射光以外的衍射光，称为高次衍射光。

在具有图1所示那样周期性地交替排列实质上长方体的栅格2A和各向同性折射率液晶2B的结构的衍射光栅1中，栅格2A的宽度与各向同性折射率液晶2B的宽度之比形成1∶1时，以η₀＝cos²(π×Δn×d/λ)近似描述表示波长λ的入射光直穿衍射元件10的比率的衍射效率η₀。其中，Δn为构成衍射光栅1的各向同性折射率液晶2B的折射率n(V)与栅格2A的折射率n_s之差，即Δn＝|n(V)-n_s|。

因此，选定栅格2A的各向同性折射率固体材料和各向同性折射率液晶2B，使不施加电压时，n(0V)＝n_s，从而如图2(a)所示，0次衍射效率η₀为100％，入射光直穿，能使产生高次衍射光带来的光量损失实质上消除。另一方面，通过加大施加电压，使n(V)与n_s之差(Δn)增加，因而0次衍射效率η₀减小，形成Δn×d＝λ/2的施加电压Vm中，如图2(b)所示，0次衍射效率η₀能实质上为0，可使±1次衍射光最大。

作为将直穿衍射元件的0次衍射光和不直穿的衍射光(高次衍射光)分开并仅提取直穿透射光的分离部件，有例如透镜和聚光镜等聚光元件。用透镜和聚光镜等聚光元件将光源辐射的光汇聚到光检测器的感光部的光学系统中，通过将本发明的衍射元件配置在光源与聚光元件的聚光点之间的光路上，形成能根据衍射元件内的电极之间施加的电压值调整聚光点上汇聚的光量的光衰减器。在聚光点的位置上偏振例如光检测器的感光面，检测出光信号的光量。

即，根据衍射元件内的电极之间施加的电压的大小产生的高次衍射光(例如±1次衍射光)不被聚光元件汇聚到光检测器的感光面，但衍射光栅将不衍射的0次衍射光汇聚到光检测器的感光面。结果，0次衍射光量随电极间施加的电压的大小变化，因而形成光检测器的信号光量可变的光衰减器。

这里，为了取得大的消光比，需要将直穿透射光(0次衍射光)与高次衍射光分开，最好构成使用反射方向性尖锐的光束的光源和将直穿衍射元件的光汇聚到光检测器的微小感光面的聚光元件。可以在光源与衍射元件之间或光检测器与衍射元件之间介入光纤和光波导等光传输线路。

图3示出将聚光元件凸透镜11和开口光阑12用作上述分离部件的组成例的剖视图。衍射元件10的直穿透射光(0次衍射光)通过位于凸透镜聚光点的开口光阑12的开口部，高次衍射光则被汇聚在开口光阑12的开口部周边，不能通过开口部，因而获得受到强度调制的出射光。

即，通过将施加电压从0切换到Vm或从Vm切换到0，能实现具有大的消光比的高速响应光开关。而且，通过施加0至Vm之间的电压，能实现0次衍射效率η₀从100％变化到0％的光衰减器。

接着，图4示出使用各向同性折射率固体材料的截面形状为锯齿波中的衍射光栅21的衍射元件20的剖视图。这里，将构成衍射光栅21的栅格22A的各向同性折射率固体材料的锯齿最厚的部分的膜厚取为d，将栅格间距取为P。衍射元件20除衍射光栅截面形状与衍射元件10不同外，其它组成与衍射元件10相同。因此，与图1的组成部分相同的组成部分标注相同的标号。

这时，以η₀＝{sin(π×Δn×d/λ)/(π×Δn×d/λ)}²近似描述表示波长λ的入射光直穿衍射元件20的比率的0次衍射效率η₀。又，以η₁＝{sin(π×Δn×d/λ)/(π-π×Δn×d/λ)}²近似描述以sinθ＝λ/P规定衍射角度θ的1次衍射光的衍射效率η₁。因此，Δn＝0时，η₀＝100％，Δn×d＝λ时，η₁＝100％。即，通过切换形成n(V1)＝n_s的电压V1和形成n(V2)＝n_s+λ/d或形成n(V2)＝n_s-λ/d的电压V2，能将衍射元件20的出射光的行进方向切换到与入射光的方向倾斜θ角度的方向。

例如图5所示截面那样，在衍射元件20的光出射方偏振凸透镜11，汇聚衍射元件20的透射光，同时还在0次衍射光的聚光点位置和1次衍射光的聚光点位置偏振光纤传光部13A、13B，并且在V1与V2之间切换透明电极3与4之间的施加电压，从而能切换光传输线路。

衍射元件10和衍射元件20是使入射光透射的衍射元件的例子，但也可通过在构成衍射元件的透明衬底的一个面形成光反射膜，做成反射型衍射元件。

图6示出在透明衬底5与透明电极3之间设置光反射膜9(即在透明电极5的一个面形成光反射膜后，进而在该膜上形成透明电极3的膜)的组成的衍射元件30的剖视图。衍射元件30除在透明衬底5与透明电极3之间形成光反射膜9外，其它组成与衍射元件10相同，但形成以反射方式使入射光衍射的反射型衍射元件。即，与图1中相同的组成部分标注相同的标号。

光反射膜9可以是铝和金等的金属膜，也可以是将高折射率电介体与低折射率电介体交替叠积成各膜的光学厚度为入射光的1/4波长左右的光学多层膜组成的光反射膜。将金属反射膜用作光反射膜时，也作为对各向同性折射率液晶2B施加电压用的电极膜起作用，因而可省略透明电极3。使用光学多层反射膜时，可在透明衬底5上形成的透明电极3上形成光学多层反射膜作为光反射膜9。

做成这种反射型衍射元件30时，由于入射光往返于衍射光栅1，与图1和图4所示的透射型衍射元件相比，±1次衍射光为最大、0次衍射效率η₀为实质上0所需的折射率差Δn为其一半即可，因而带来施加电压Vm减小。或者将衍射光栅1的栅格2A的厚度d减半，0次衍射效率η₀的电压依赖性也与透射型衍射元件相同，所以能缩短衍射元件的制作时间。

图7是示出使用衍射元件30的光衰减器的组成例的剖视图。图7中，偏振成光纤传光部13出射的光由凸透镜11变换成平行光后，垂直入射到衍射元件30。不受衍射元件30衍射而出射的反射光再次穿透凸透镜11，汇聚到原来的光纤传光部13，在光纤内传播。另一方面，受衍射元件30衍射并出射的反射光不再次穿透凸透镜11并汇聚到原来的光纤传光部13，所以不在光纤内传播。因此，可实现能根据施加电压的大小调整返回光纤的光量的光衰减器。

此外，在上述衍射光栅中，为了更有效地消除施加电压时的偏振依赖性，最好将具有正介电各向异性的液晶分子用作蓝相液晶。

如上文所说明，本发明实施方式1的光学元件由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现根据施加电压调整0次衍射光的光量的衍射元件和光衰减器等光学元件。

而且，本发明实施方式1的衍射元件由于做成将胆甾醇蓝相液晶填充到栅格的凹部，并由施加的电压的大小控制胆甾醇蓝相液晶的折射率，可不依赖入射偏振而稳定地取得高速光切换和消光比。

又，由于将高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶用作胆甾醇蓝相液晶，能在大温度范围获得不依赖入射偏振的稳定的高消光比，同时还能高速光切换。

又，由于做成在衍射光栅与各透明衬底之间设置透明电极，不必根据栅格形状对透明电极制作图案和图案对位。

实施方式2

本发明实施方式2中，提出与实施方式1的衍射元件和光衰减器不同的组成的元件作为光学元件进行说明。图8是本发明实施方式2的衍射元件的剖视图，图9是该衍射元件的俯视图。本发明实施方式2的衍射元件40，从本发明实施方式1的衍射元件10去除透明电极4，并设置制作图案的透明电极3A、3B，以代替透明电极3。

这里，形成透明电极3A、3B，使其夹在透明衬底5与栅格2A之间。其它组成部分与本发明实施方式1的衍射元件10相同，省略其说明。因此，与图1的组成部分相同的组成部分标注相同的标号。

如图8所示，将形成在衍射光栅1的线状的各透明电极3A、3B分为隔开1个相连的2个电极组。具体而言，分成隔开1个地形成的例如透明电极3A构成的组和透明电极3B构成的组，并且在形成这些组的电极之间施加电压，从而在相邻电极之间施加电压。这样在相邻电极之间施加电压时，衍射光栅1的各向同性折射率液晶2B中产生Y轴方向的电场，因而液晶2B的折射率随电压V的大小各向同性地变化。结果，获得与本发明实施方式1的衍射元件中说明的电压响应性相同的响应性。上述衍射光栅中，为了有效消除施加电压时的偏振依赖性，最好将负介电各向异性的液晶分子用作蓝相液晶。

图8所示的衍射元件40，是仅在栅格2A与透明衬底5连接的部分(下文，称为栅格2A)的底面形成透明电极3A。3B的例子，但也可构成在栅格2A的连接各向同性折射率液晶2B的侧面形成透明电极膜，并与形成在栅格2A的底面的透明电极膜导通。通过做成这种电极结构，即使栅格2A的层厚d大时，也能产生各向同性折射率液晶2B的厚度方向上均匀的Y方向电场，可缩短栅格间距P，加大产生的电场强度，因而能以较低的电压取得大光路差Δn×d(栅格2A的光路长度与各向同性折射率液晶2B的光路长度之差)，达到垂直透射的0次衍射光变化大。

通过在形成上述光学多层膜作为光反射膜的透明衬底5上形成透明电极3A和3B，也能与图6所示的衍射元件30相同，获得作为反射型衍射元件的电压响应性。

通过与发明实施方式2相关的衍射元件的组成，仅在透明衬底5上加工形成电极和衍射光栅即可，因而能减少构件数量，简化制作工序。本发明实施方式1和2的衍射元件中，通过空间上划分衍射光栅图案，或做成除直线外还分布空间上弯曲的形状和栅格间距的“全息栅格图案”，又能产生多衍射光，又能变换衍射光的波面，因而在将衍射光用于信号光检测等时有效。

如上文所说明，本发明实施方式2的衍射元件可仅在形成由各向同性折射率固体材料组成的栅格的衬底面方以制作图案的方式形成电极，因而对置的衬底面上不需要电极，不必对位，能使元件制作工序比以往简化。

又，本发明实施方式2的光衰减器由于仅在衬底面方设置对电极制作图案的衍射元件和分离部件，可不依赖入射偏振状态而稳定地获得与以往同等或超过以往的高速光切换和消光比，同时还能使液晶制作工序简化。

实施方式3

本发明实施方式3中，提出波长可变滤光器作为光学元件进行说明。图10是示出本发明实施方式3的波长可变滤光器的概念性侧截面结构的图。图10中，波长可变滤光器50是称为“液晶标准型波长可变滤光器”的滤光器，其具有的结构为：设置对置的1对透明衬底56A和56B、实质上平行地配置在透明衬底56A和56B上并形成光谐振器的1对反射镜53A和53B、折射率各向同性地变化的各向同性折射率液晶51、以及透明电极52A和52B，并且在1对反射镜53A与53B之间的光谐振器中夹持各向同性折射率液晶51和透明且为固体的光学媒质层58(下文，称为固体光学媒质层)。

将反射镜53A、53B设置在1对对置的衬底56A、56B的对置面，使各向同性折射率液晶51夹在中间，并且在各向同性折射率液晶51与反射镜53A之间设置透明电极52A，在各向同性液晶51与固体光学媒质层58之间设置透明电极52B。通过这样进行组成，能实现无偏振依赖性的液晶标准型波长可变滤光器。

这里，可在与衬底56A、56B的设有反射镜53A、53B的面相反方的面上，以抑制入射光和透射光的反射为目的，根据需要，形成防反射膜57A、57B。又，将包含各向同性折射率液晶51和透明电极52A、52B的组成部夹在反射镜53A与固体光学媒质层58之间，因而反射镜53A与固体光学媒质层58之间，连同隔离件55A、55B一起，夹有粘接材料54A、54B，使包含各向同性折射率液晶51和透明电极52A、52B的组成部得到保持。

可将In₂O₃中添加SnO₂的ITO等的氧化物膜和Au、Al等的金属膜用作透明电极52A、52B。ITO膜比金属膜光透射性好且机械耐久性优良，因而较佳。

反射镜53A、53B对例如波长1470nm～1630nm等工作波长区的入射光具有等于或大于80％的反射率，并且透射率非零，使部分光透射。作为反射镜53A、53B，可用例如金属薄膜、将高折射率电介体和低折射率电介体以波长级的光学厚度交替叠积的电介体多层膜。尤其是该电介体多层膜，由于能利用膜组成控制分光反射率，而且光吸收小，用作反射镜较佳。

可将例如Ta₂O₅、TiO₂、Nb₂O₅、Si等用作构成此电介体多层膜的高折射率电介体。可将例如SiO₂、MgF₂、Al₂O₃等用作低折射率电介体多层膜。将交替叠积例如Si和SiO₂的电介体多层膜用作反射镜时，通过掺入杂质授给Si膜层导电性，也能使其作为透明电极起作用。通过将Au和Ag等金属制成薄膜后使用，虽然光吸收大，但能具有反射镜和电极两者的功能。这时，可不形成透明电极52A、52B。

本发明实施方式3中，在反射镜53B与各向同性折射率液晶51之间设置固体光学媒质层58，但设置该层和不设置均可；设置时，在反射镜53B与各向同性折射率液晶51之间或反射镜53A与各向同性折射率液晶51之间的一方或双方均可实施，通过在反射镜53B与各向同性折射率液晶51设置固体光学媒质层58，可得如下各点。通过做成这种组成，能使波长可变滤光器的透射光峰半值宽度减小，并能调节透射光峰的波长间隔。这里，作为固体光学媒质层58，可用例如玻璃衬底、丙烯和聚碳酸脂等的塑料衬底，Si和LiNbO₃等无机晶体组成的无机材料衬底等。固体光学媒质层58是玻璃衬底时，耐久性优良，较好；是石英玻璃衬底，则热膨胀和光吸收小且透射率高，因而更好。

作为各向同性折射率液晶51，只要是对入射光的折射率随施加电压大小各向同性地变化的材料即可。通过使用蓝相液晶消除偏置依赖性，能实现1msec或更短的高速响应，因而较好。从便于进行呈现蓝相用的温度调整的角度看，呈现蓝相的温度最好在35℃至65℃左右内的规定温度范围呈现蓝相。可在例如波长可变滤光器的内部以ITO膜等形成温度控制用的发热层，用于取得蓝相用的温度控制。通过使用高分子稳定化蓝相液晶扩大呈现蓝相的温度范围，不需要使各向同性折射率液晶51保持蓝相用的温度调整，因而更好。在《分子技术快报(Photonic Technology Letters)》(卷3，第12号，第1091页，1991年)中记述高分子稳定化蓝相液晶用的材料和制作方法的例子，因而省略说明。

在夹持各向同性折射率液晶51的衬底500、520的表面，作为使液晶分子取向的膜，可用水平取向膜、垂直取向膜，但也可不必使用取向膜。制造工序上，不使用取向膜的工序数量少，作业效率高，因而较好。

如上文所说明，本发明实施方式3的光学元件由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现能实现与以往同等或超过以往的高速响应的光学元件。

如上文所说明，本发明实施方式3的波长可变滤光器由于将各向同性折射率液晶配置在光谐振器中并且以施加电压的方式改变折射率，能不用滤光器以外的附加光学零部件而选出期望波长的光。

又，由于将各向同性折射率液晶取为胆甾醇蓝相液晶，能使响应速度比以往使用向列液晶的波长可变滤光器提高。

而且，由于将高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶用作胆甾醇蓝相液晶，能在大温度范围实现不依赖入射偏振的稳定运作。

实施方式4

本发明实施方式4中，提出波面控制元件、液晶透镜和像差校正元件作为光学元件进行说明。图11是概念性示出本发明实施方式4的波面控制元件截面结构的图。图11中，波面控制元件60具有一对透明衬底61和62、夹在该透明衬底61与62之间的密封件63、填充在透明衬底61与62之间的空间的蓝相液晶64、固定在各透明衬底61、62朝向该蓝相液晶64的一个面的透明电极65、66和取向膜67、以及电压控制部件68。

一对透明衬底61、62利用密封件63构成单元。该单元中填充蓝相液晶64。只要对穿透波面控制元件60的光透明，透明衬底61、62可用玻璃，也可用有机材料，但玻璃耐热性、耐久性等方面优良，因而较好。

使玻璃纤维等隔离件以几％的程度混入环氧树脂等热硬化型高分子树脂或紫外线硬化型树脂等中，并利用网板印刷法在透明衬底61或62上印刷密封件63。然后，叠合透明衬底61、62并加以压接，使密封材料固化后，形成单元作为密封件63。

蓝相液晶64以向列液晶材料等中添加作为光激活物质的凯拉尔材料等后得到的材料作为基础，在室温下为胆甾醇相。该胆甾醇相的螺旋周期为小于等于几百纳米时，在胆甾醇相-各向同性相的相转移温度附近呈现的相具有蓝相的奇异3维周期结构。

在该相中，液晶分子取向成周期性3维螺旋结构，在波长规模上可当作各向同性折射率体。因此，通常的液晶材料中有效折射率因偏振而不同，但使用监相液晶时，不依赖偏振，因而在使用半导体激光器的偏振光学系统中，尤其是较佳的材料。再者，蓝相液晶的电压响应速度比通常的向列液晶快，能获得1msec或更短的响应速度，因而在波面希望高速变化的用途中，尤其是较佳材料。

另一方面，典型蓝相温度范围为等于小于1℃，已有的各种光学系统等的应用中需要高精度的温度调整装置。然而，“背景技术”栏目中说明的那样，近年来开发的技术使液晶中混入几％～几拾％的光聚合高分子，在蓝相温度范围进行光聚合，从而使蓝相在等于高于60℃的温度范围热稳定。参考《天然材料(Nature Materials)》(卷1，2000年9月，第64页)。因此，本发明在波面控制元件60中，使用上述高分子稳定化蓝相液晶，不需要高精度的温度调整装置，能在大温度范围维持蓝相，因而很好。

透明电极65、66用于对蓝相液晶施加电压，并通过取向膜67固定在透明衬底61、62的表面。与外部的电压控制部件68相连，施加电压。图11中，将该透明电极65、66表示为无划分的一对均匀电极，但本实施方式中将其划分成多个电极，或设置供电电极，以便在电极面内产生电位分布，从而构成获得适应期望波面控制的相位分布的电极图案。

取向膜67用于获得蓝相液晶64的取向，固定在透明衬底61、62的朝向蓝相液晶64的表面上。此取向膜67用于规定蓝相液晶64的取向，通过研磨聚酰亚胺膜或蒸镀氧化硅膜，能进行垂直取向处理或水平取向处理。为了在光束有效范围取得均匀的蓝相，最好使用水平取向膜。

下面，作为本发明实施方式4的波面控制元件60的应用例，对具有透镜作用的组成的元件(液晶透镜)和具有波面像差调制作用的组成的元件(像差调制元件)说明电极图案与透射光相位分布的关系。

(I)液晶透镜

图12(A)是对液晶透镜的产生透镜作用的部件(下文，称为“液晶透镜用驱动部件70”)的模式图，具体是划分型电极图案的例子；(B)是该划分型电极图案(A)取得的相位分布。另一方面，图13(A)是对液晶透镜产生透镜作用的驱动部件80的模式图，具体是供电型电极图案的例子；(B)是该供电型电极图案(A)取得的相位分布。

图12(A)所示的液晶透镜用驱动部件70的划分型电极图案利用蚀刻等将均匀电极划分成划分电极71～75，并且连接未图示的外部电压控制部件，以便能分别施加不同的电压。另一方面，图13(A)所示的液晶透镜用驱动部件80的供电型电极图案在均匀电极81上用电阻小的材料形成供电电极82～84。将供电电极82～84与未图示的外部电压控制部件连接，从而能施加各自不同的电压。于是，均匀电极81(整个斜线部)内产生适应供电电极82～84之间的电压差的电压降，因而电位分布在电极面内连续变化。

蓝相液晶64的有效折射率的电压特性依赖液晶材料的介电各向异性。即，介电各向异性为正，则无施加电压时液晶分子进行水平取向，有效折射率随着施加电压加大而减小。反之，介电各向异性为负，则无施加电压时液晶分子进行垂直取向，有效折射率随着施加电压加大而加大。在向列液晶时，有效折射率的电压依赖性对初始取向和光源偏振依赖强。这是因为光波长将液晶分子的双折射当作适应初始取向的各向异性发生关系。然而，蓝相液晶时，液晶双折射按光波长的程度变化，不取决于初始取向，所以能实质上当作不取决于入射偏振的各向同性媒质，可根据施加电压各向同性地控制有效折射率。

因此，适当取划分电极71～75或供电电极82～84，则可获得图12(B)或图13(B)所示的2次曲线状的相位分布。结果，考虑由波面控制元件60(即液晶透镜用驱动部件70或80)将光的透射波面调制成规定的相位分布后，光线垂直于波面地行进，则能使光汇聚、发散。

也就是说，通过取得上述那样的组成的液晶透镜用驱动部件70或80，能使波面控制元件作为不依赖入射偏振的高速焦点可变透镜起作用。

(II)像差校正元件

接着，作为本发明实施方式4的波面控制元件60的另一应用例，示出波面控制元件的具有波面像差调制作用的组成例(像差校正元件)。此像差校正元件能将入射波面调制成规定的波面像差，因而能用于补偿光学系统波面形成的目的等。

图14(A)是对像差校正元件产生球面像差的像差校正元件用驱动部件90的模式图，具体是划分型电极图案的例子，(B)是该划分型电极图案(A)取得的相位差分布。另一方面，图15(A)是对像差校正元件产生球面像差的像差校正元件用驱动部件100的模式图，具体是导电型电极图案的例子，(B)是该供电型电极图案(A)取得的相位差分布。

图14(A)所示的像差校正元件用驱动部件90的划分电极91～95的形成方法和功能、图15(A)所示的像差校正元件用驱动部件100的具有的机101、供电电极102～104的形成方法和功能与上述液晶透镜用驱动部件70和80相同，其详细说明割爱。这里，适当取像差校正元件用驱动部件90的划分电极91～95或像差校正以驱动部件100的供电电极102～104的形状和施加电压，则也能取得图14(B)、图15(B)所示的相位分布。

在上述例子中，根据应补偿的球面像差部件划分电极91～95或供电电极102～104的形状和施加电压，因而将本像差校正用驱动部件90或100的透射波面调制成包含适应图14(B)或图15(B)的相位分布的球面像差的波面。因此，能利用此已调球面像差抵消光学系统具有的球面像差，则能补偿光学系统的像差。利用同样的方法设定电极形状和施加电压，则能补偿彗形像差和像散等其它像差。

为了减小波面控制元件的相位分布与作为目的相位分布之差，可增多驱动部件的划分电极和供电电极的数量，但电极数量过分增多时，结构和控制复杂，欠佳。因此，与图12(A)或图14(A)示例的划分型电极相比，使用图13(A)或图15(A)示例的供电型电极能形成连续的电压分布，因而能用较少的电极取得接近作为目的相位分布，较佳。

如上文所说明，本发明实施方式4的光学元件由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现高速响应的光学元件。

本发明实施方式4的波面控制元件由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现高速响应。

又，由于对胆甾醇蓝相液晶施加电压用的透明电极在电极面内具有产生电位分布用的多个供电电极，能取得适应供电电极之间的电位差的相位分布，即使用简易的电压控制部件也能达到高精度的波面控制。

由于使用高分子蓝相液晶，能利用液晶中形成的高分子网络扩大蓝相的温度范围，在大温度范围进行不依赖入射偏振的波面控制。

又，本发明实施方式4的液晶透镜，由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现高速响应，同时还能使透射光的焦距随施加电压进行变化。

而且，本发明实施方式4的像差校正元件由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现高速响应，同时还能根据施加电压将入射波面调制成包含球面像差、彗形像差、像散的波面，从而可补偿光学系统的波面像差。

实施方式5

本发明实施方式5中，提出波面控制元件作为光学元件进行说明。图16是示出本发明实施方式5的波面控制元件的概念性侧剖视图结构的图。图16中，波面控制元件110构成以得到透镜作用为目的液晶透镜。

波面控制元件110，具有透明衬底111和112、夹在该透明衬底111与112之间的密封件113、填充在透明衬底111与112之间的空间的蓝相液晶114、固定在朝向该蓝相液晶114的各透明衬底111、112的一个面的透明电极115、116以及取向膜117，并且由电压控制部件118控制对蓝相液晶114施加的电压。

将透明衬底112的一个面按等同于期望相位分布的形状形成凹凸。在该透明衬底112上形成此凹凸，可用蚀刻法、冲压法注射模塑成形法等。在透明衬底112形成凹凸后，形成透明电极115、取向膜117。透明衬底111可用具有截面实质上矩形的平板。

本发明实施方式4的透明电极65、66设置划分电极或供电电极，但本发明实施方式5的透明电极115、116中只要是均匀电极即可。通过这样进行组成，具有电极组成和电压控制简便的优点。

由电压控制部件118对蓝相液晶114施加均匀电压时，蓝相液晶114的有效折射率随该电压进行变化，因而将波面调制成透明衬底112上形成的凹凸形状。本实施方式中，如图16所示，凹凸形状是与光轴对称的2次曲面，则能使透射光汇聚、发散。

因此，利用上述组成的波面控制元件110，能实现不依赖入射偏振状态的高速焦点可变透镜。

利用同样的组成，将透明衬底上形成的凹凸形状做成作为目的波面形状，则能将波面调制成任意形状。例如为了授给补偿波面像差的功能，可在透明衬底(例如图16所示的本实施方式中为透明衬底112)的表面形成与应补偿的波面像差函数相同的凹凸形状。

采用这样组成，则能将波面调制成与透明衬底上的凹凸一致的形状，因而能利用优化凹凸形状将波面误差抑制到最小，较佳。产生的相位分布与透明衬底112的折射率(n_s)和蓝相液晶114的有效折射率(n_L)之差成正比。图16中，n_s＞n_L，则作为凹透镜起作用；n_s＜n_L，则作为凸透镜起作用。如果n_s＝n_L，则形成均匀相位分布，所以不产生透镜功能。

如上文所说明，本发明实施方式5的光学元件由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现能实现高速响应的光学元件。

又，本发明实施方式5的光学元件由于具有光学上各向同性的液晶的折射率随通过透明电极施加的电压进行变化，可不依赖入射偏振而实现高速响应。

下文所示的实施例中，更具体地说明本发明的衍射元件、光衰减器、波长可变滤光器、波面控制元件、液晶透镜和像差校正元件等光学元件的进一步特征。

实施例

实施例1

作为本发明实施例1，说明图1所示的截面结构的衍射元件10。图1是概念性示出本发明实施例1的衍射元件10的侧截面结构的图。在用玻璃做成的透明衬底5、6的1个面形成ITO组成的透明电极3、4的膜。进而，在透明衬底(玻璃)5的形成透明电极膜(ITO)3的面上以旋镀方式涂覆聚酰亚胺，然后，对旋镀后的聚酰亚胺进行烧结，使其固化，从而形成波长633nm的折射率n_s为1.54且厚度d为7微米的各向同性折射率层。利用对形成为各向同性折射率层的聚酰亚胺膜进行光刻制板和干蚀刻，形成栅格2A。将栅格2A形成为：把实质上长方体排列成平行且周期性凹凸状，并且对透明衬底(玻璃)5垂直的方向(图1所示的Z方向)上厚度为7微米，实质上长方体的排列周期最短的方向(图1所示的Y方向)的各向同性折射率固体材料的宽度与各向同性折射率液晶2B的宽度之比为1∶1，作为实质上长方体的排列周期的栅格间距P为20微米。

接着，用密封材料在形成透明衬底(玻璃)6的透明电极膜(ITO)4的面上印刷涂覆密封件7，将其压接在透明衬底(玻璃)5上加以固化后进行单元化。由单元化制成密封件7，则从设在密封件7的一部分的注入口(未图示)将具有正介电各向异性的向列液晶中混合凯拉尔材料、液晶单体和聚合启动材料后得到的液晶注入并填充到具有周期性的栅格2A的凹部，从而形成各向同性折射率液晶2B。

与《天然材料(Nature Materials)》(卷1，2000年9月，第64页)记述的材料和制造方法相同，也在温度调整成液晶相为蓝相的状态下，对注入液晶的单元照射紫外线，使单基物高分子化，形成呈现蓝相的温度范围为室温至50℃的高分子稳定化蓝相液晶，作为各向同性折射率液晶2B。进而，用粘接剂密封设在密封件7的一部分的注入口，形成衍射元件10。

用形成在透明电极间隔10微米的单元内的仅由高分子稳定化蓝相液晶组成的试验用元件测量性能的结果为：高分子稳定化蓝相液晶的折射率n(V)随着1kHz的矩形波状施加电压，从n(0V)＝1.54变化到n(150V＝1.49)，折射率各向同性地变化约0.05，试验元件的响应速度为约1msec。液晶的折射率一般随施加电压的大小变化，因而电极间隔越小，用越低的电压获得相同的折射率变化。响应速度实质上与电极的间隔成正比，电极间隔越小，速度越高。

即，构成本发明实施例1的衍射元件10的电极间隔为构成栅格2A的各向同性折射率固体材料的厚度(等于各向同性折射率液晶2B的厚度)d(＝7微米)，因而实现试验用元件的折射率用的施加电压为上述试验用元件的7/10左右，响应速度也按电极间的间隔变小的份额加快，为1msec或更短。

填充到栅格2A凹部的各向同性折射率液晶的折射率n(V)与栅格2A的折射率n_s之差Δn在不施加电压时为n(0V)＝n_s，因而Δn＝0，但施加105V时，Δn＝0.05，产生栅格2A的光路长度与各向同性折射率2B的光路长度的光路长度差Δn×d＝0.35微米。结果，使波长λ＝633nm的激光入射到衍射元件10时，在V＝0时，如图2a所示，仅获得垂直透射的0次衍射光，并且随着电压V的增加，产生高次衍射光，垂直透射光减少。接着，在Δn×d为1/2λ的Vm(等于或小于100V)时，如图2(b)所示，垂直透射光为实质上零。

因此，如图3所示，将开口光阑的开口部12配置在凸透镜11的聚光点位置，切断垂直透射的0次衍射光以外的高次衍射光，从而获得根据施加电压的大小加以强度调制的出射光。栅格2A和各向同性折射率液晶2B都具有不依赖入射光偏振的各向同性折射率，因而获得呈现不依赖入射光偏振的电压响应性的衍射元件，同时还由于出射光的偏振方向没有变化，能实现适合广泛用途的衍射元件。

实施例2

作为本发明实施例2，说明图8所示的截面结构的衍射元件40。图8是概念性示出本发明实施例2的衍射元件40的侧截面结构的图。图8所示的衍射元件40中，在已制作图案的透明电极3A、3B上交替叠积16层SiO₂膜(作为低折射率电介体)和Ta₂O₅膜(作为高折射率电介体)，使各膜的光学厚度(折射率×膜厚)相对于波长λ＝633nm为λ/4，从而做成反射型衍射元件。由于入射光对形成栅格2A和各向同性折射率液晶2B的层来回往返，栅格2A的厚度d取为本发明实施例1所示的值的一半，即3.5微米。由于用低电压对各向同性折射率液晶2B有效施加大电场，将栅格间距P取为10微米，并加工成相邻透明电极3A与3B的间隔为5微米。在具有负介电各向异性的向列液晶中混合凯拉尔材料、单基物和聚合启动材料后用作各向同性折射率液晶2B。上述组成部分以外的组成部分与本发明实施方式2中说明的衍射元件40和本发明实施例1中说明的衍射元件10的相应组成部分相同。

这样形成的本发明实施例2的衍射元件，其电极间隔d相当于本发明实施例1说明的试验用元件的一半，即5微米，因而能使施加电压为实质上一半，响应速度也为1msec或更短。

具体而言，不施加电压时，n(0V)＝n_s，因而折射率差Δn＝0，但施加75V时，Δn＝0.05，并且由于是反射型，产生2×Δn×d＝0.35微米的光路长度差。结果，使波长λ＝633nm的激光入射到衍射元件时，在V＝0时，仅为介电体多层反射膜上按照常规反射法则反射的0次衍射光(下文，称为正规反射光，并将该反射称为正规反射)，但随着电压V的增加，产生高次衍射光，正规反射光减少。接着，形成Δn×d为λ/4的Vm(75V左右)，正规反射光为实质上零。

因此，图7所示的组成中，使用本发明实施例2的衍射元件代替反射型衍射元件30，并且在凸透镜11的聚光点位置配置光纤13的光入射出射端，用光纤13仅传送本发明实施例2的衍射元件上正规反射的0次衍射光，从而根据施加电压加以强度调制的反射光返回光纤13，在光纤13中进行回归传播。

实施例3

作为本发明实施例3，说明图10所示的截面结构的波长可变滤光器50。图10是概念性示出本发明实施例3的波长可变滤光器50的侧截面结构的图。

预先在衬底(石英玻璃)56A、56B的背面形成防反射膜57A、57B后，形成波长1500nm至1600nm的光下反射率为95％、透射率为5％的电介体多层膜，作为反射镜53A、53B，从而制作涂覆衬底500、510。接着，用折射率与石英玻璃实质上相等的粘接材料(未图示)将厚40微米的石英玻璃粘接到涂覆衬底510的反射镜53B的面上，作为固体光学媒质层58，从而制成带媒质层的衬底520。

接着，在涂覆衬底500的反射镜53A的面上和带媒质层的衬底520的固体光学媒质层58的面上形成厚度7nm的ITO膜的透明电极52A、52B。接着，在带媒质层的衬底520的固体光学媒质层58上，将用粘接材料54A、54B包围液晶显示器用的直径10微米的隔离件55A、55B而成的部分作为密封材料，形成密封图案层，并以密封图案层为中介，将带媒质层的衬底520粘合到设置ITO膜透明电极52A的涂覆衬底500。

然后，将混合凯拉尔材料、单基物、聚合启动材料和向列液晶后得到的材料填充到ITO膜透明电极52A与透明电极52B之间。与《光子技术快报(PhotonicTechnology Letters)》(卷3，第12号，第1091页，1991年)揭示的材料和制造方法相同，也在温度调整层液晶为蓝相的状态下，对注入的液晶的单元照射紫外线，使单基物高分子化，形成蓝相温度范围为室温至约50℃的高分子稳定化蓝相液晶的各向同性折射率液晶51。

在从液晶标准型波长可变滤光器50去除反射镜53A、53B后得到的试验用元件中，采用透明电极间隔10微米的单元内填充高分子稳定化蓝相液晶的元件进行测量的结果为：通过施加1kHz矩形波外加电压V，高分子稳定化蓝相液晶的折射率n(V)从n(0V)＝1.54至n(150V)＝1.49，各向同性地变化约1.05，并且折射率变化的响应速度为1msec或更短。

因此，作为本发明实施例3的液晶标准型可变滤光器50，是一种相邻透射峰波长间隔为约16nm并且透射峰波长随电压控制部件59施加的矩形波电压最大变化约10nm的波长可变滤光器，取得无偏振依赖性且响应速度为1msec或更短的效果。

实施例4

作为本发明实施例4，说明具有液晶透镜用驱动部件70的波面控制元件60。图11是概念性示出本发明实施例4的波面控制元件60的侧截面结构的图，图12(A)是概念性示出本发明实施例4的液晶透镜用驱动部件70的电极图案的图。首先，用图11和图12说明实施例4的具有液晶透镜用驱动部件70的波面控制元件60的制造方法。

(1)首先，在透明衬底61、62的一个面上制作透明电极65、66。实施例4中该透明衬底61、62采用玻璃。

(2)接着，对透明电极65、66，在透明衬底的一个面上利用喷镀法形成ITO膜后，用光刻制板技术和蚀刻法将该透明衬底62上的透明电极65划分成图12(A)的划分电极71～75。

(3)连接划分电极71～75，使其能由外部的电压控制部件68施加不同的电压。

(4)接着，在形成透明电极65、66的面上旋镀聚酰亚胺，并进行烧结，使其固化后，利用研磨法感生液晶取向力，从而做成取向膜67。

(5)接着，在透明衬底61的形成透明电极66的面上印刷涂覆混入5％直径10微米的玻璃纤维隔离件的热硬化型粘接材料，并叠合透明衬底62，加以压接、固化，从而做成单元。

(6)于是，从设在密封件63的一部分上的注入口(未图示)注入向列液晶中混合凯拉尔材料、单基物和聚合启动材料而成的蓝相液晶64，使其填充到单元中。

该蓝相液晶64采用蓝相温度范围为室温至50℃的高分子稳定化蓝相液晶，并且与上述“背景技术”中引用的《天然材料(Nature Materials)》(卷1，2002年9月，第64页)揭示的材料和制造方法相同，也在温度调制成液晶相为蓝相的状态下，对注入液晶的单元照射紫外线，使单基物高分子化，从而形成该液晶。

(7)最后，用粘接剂密封注入口，则形成具有液晶透镜用驱动部件70的波面控制元件60。

实施例4的波面控制元件60的液晶层厚度为10微米。蓝相液晶64的折射率随施加电场变化。上述蓝相液晶64的折射率电压依赖性n(Vrms)在施加1kHz的矩形交流电压时，n(0Vrms)＝1.54，并且n(150Vrms)＝1.49，由于施加150Vrms的电压，折射率变化约0.05。又，折射率电压依赖性不取决于入射偏振，因而该折射率变化为各向同性。而且，响应速度为约1msec或更短。

接着，说明实施例4的具有液晶透镜用驱动部件70的波面控制元件60的作用。使波长633nm的准直激光入射到具有液晶透镜用驱动部件70的控制元件60，并对电极71～75适当施加0Vrms～150Vrms的电压，则透射波面形成图12(B)所示的分布，作为焦距约500mm的凸透镜起作用。通过使对透明电极65、66施加的电压进行变化，能使聚光位置在光轴方向上移动。

这样利用实施例4的具有液晶透镜用驱动部件70的波面控制元件60，可制作不依赖入射偏振状态而能高速控制的焦距可变透镜。

实施例5

作为本发明实施例5，说明具有液晶透镜用驱动部件100的波面控制元件60。图11是概念性示出本发明实施例4的波面控制元件60的侧截面结构的图，图15(A)是概念性示出本发明实施例5的液晶透镜用驱动部件100的电极图案的图。首先，用图11和图15说明实施例5的具有液晶透镜用驱动部件100的波面控制元件60的制造方法。

(1)首先，在透明衬底61、62的一个面上制作透明电极65、66。该透明电极65、66分别在透明衬底61、62的一个面，利用喷镀法形成ITO膜。

(2)进而，对透明衬底的透明电极65利用光刻制板技术和蚀刻法形成图15(A)的均匀电极。

(3)然后，又用喷镀法形成铬膜，从而如图15(A)所示，形成供电电极102～104。连接该供电电极102～104，使其能由外部的电压控制部件68施加任意电压。

(4)接着，在透明衬底61、62的分别形成透明电极65和66、均匀电极107的面上，旋镀聚酰亚胺，并进行烧结加以固化后，利用研磨法感生液晶取向力，从而做成取向膜67。

(5)然后，在透明衬底61的形成透明电极66的面上印刷涂覆混入5％直径10微米的玻璃纤维隔离件的热硬化型粘接材料，并叠合透明衬底62，加以压接、固化，从而做成单元。从设在密封件63的一部分上的注入口(未图示)注入向列液晶中混合凯拉尔材料、单基物和聚合启动材料而成的蓝相液晶，使其填充到单元中。

这里，该蓝相液晶64采用蓝相温度范围为室温至50℃的高分子稳定化蓝相液晶，并且与上述“背景技术”中引用的《天然材料(Nature Materials)》(卷1，2002年9月，第64页)揭示的材料和制造方法相同，也在温度调制成液晶相为蓝相的状态下，对注入液晶的单元照射紫外线，使单基物高分子化，从而形成该液晶。

(6)最后，用粘接剂密封注入口，则形成具有液晶透镜用驱动部件100的波面控制元件60。

本发明实施例5的波面控制元件60的液晶层厚度为10微米，与实施例4相同。上述蓝相液晶64的折射率电压依赖性n(Vrms)在施加1kHz的矩形交流电压时，n(0Vrms)＝1.54，并且n(150Vrms)＝1.49，由于施加150Vrms的电压，折射率变化约0.05。又，折射率电压依赖性不取决于入射偏振，因而该折射率变化为各向同性。而且，响应速度为约1msec或更短。

接着，说明本发明实施例5的具有液晶透镜用驱动部件100的波面控制元件60的作用。使波长633nm的准直激光入射到具有液晶透镜用驱动部件100的控制元件60，并对供电电极102～104适当施加0Vrms～150Vrms的电压，则透射波面形成图15(B)相同的形状，产生下面的公式所示的3次球面像差W(r)，该公式中，r为离开光轴的距离。

W(r)＝6r⁴-6r²+1

这里，通过使对供电电极102～104施加的电压进行变化，能连续产生-0.2λrms～0.2λrms的球面像差。因此，利用本发明实施例5的具有液晶透镜用驱动部件100的波面控制元件60，能不依赖入射偏振且高速地补偿光学系统具有的球面像差。

工业上的实用性

本发明的具有光学上各向同性的液晶的光学元件，可用于能不依赖入射偏振而实现与以往同等或超过以往的高速响应的效果有用的衍射元件、光衰减器、波长可变滤光器、波面控制元件、液晶透镜、以及像差校正元件等光学元件的用途。

Claims

1.一种衍射元件，其特征在于，具有

对置的1对透明衬底；

配置在1对所述透明衬底之间的、具有光学上各向同性的液晶；以及

形成在所述液晶与至少一个所述透明衬底之间以便对所述液晶施加电压的透明电极，

所述液晶的折射率随通过所述透明电极施加的电压进行变化，

所述液晶，是因含有规定的高分子材料而所述胆甾醇蓝相的呈现温度范围扩大的高分子稳定化胆甾醇蓝相液晶，

所述衍射元件具有栅格，该栅格用折射率为各向同性的固体材料形成在一个所述透明衬底上，该栅格剖面结构具有周期性凹凸，

所述液晶被填充在所述具有周期性凹凸的栅格的至少凹部，

所述液晶的折射率随通过所述透明电极施加的电压进行变化。

2.如权利要求1中所述的衍射元件，其特征在于，

将所述透明电极设置在形成了所述栅格的所述透明衬底与所述栅格之间。

3.一种光衰减器，其特征在于，具有权利要求1或2所述的衍射元件；以及

将因通过所述衍射元件的透明电极施加电压而产生的入射光的高次衍射光，与直穿所述衍射元件的入射光的0次衍射光分开，并提取所述0次衍射光的分离部件，

根据通过所述透明电极施加的电压，调整所述0次衍射光的光量。

4.一种液晶透镜元件，其特征在于，具有

对置的1对透明衬底；

在至少一个所述透明衬底上形成的凹凸结构具有等同于期望相位分布的形状，并且

焦距随通过所述透明电极对所述胆甾醇蓝相液晶施加的电压进行变化。

5.一种像差校正元件，其特征在于，具有

对置的1对透明衬底；

在至少一个所述透明衬底上形成的凹凸结构具有对应于所处理波面形状的形状，并且

根据通过所述透明电极对所述胆甾醇蓝相液晶施加的电压，对入射到所述胆甾醇蓝相液晶的入射光的波面，施加包含球面像差、彗形像差和像散中的至少1种的像差分量的调制，以修正波面像差。