DE68919208T2

DE68919208T2 - Lichtablenkendes element.

Info

Publication number: DE68919208T2
Application number: DE68919208T
Authority: DE
Inventors: Junichi Asada; Seiji Nishiwaki; Yoshinao Taketomi; Takaaki Tomita; Shinji Uchida
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-08-05
Filing date: 1989-08-02
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2009-08-03
Also published as: US5193130A; DE68919208D1; KR900702402A; EP0387354A4; EP0387354B1; KR940004570B1; WO1990001722A1; EP0387354A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Ändern einer Lichtrichtung, insbesondere eine Steuervorrichtung zum Verschieben eines Fokussierpunktes von Licht.

RELEVANTER STAND DER TECHNIK

Der Stand der Technik wird erläutert auf Grundlage von beispielsweise einer einen LiNbO&sub3;-Wellenleiterpfad verwendenden opto-akustischen Bragg-Zelle, die offenbart ist in "Hikari Shuseki Kairo" von H. Nishihara et al., veröffentlicht von OHM Co., Seite 328, und einer SAW- Lichtablenkvorrichtung, die offenbart ist in der Abhandlung über die 35. OYO BUTSURI GAKU KANKEI RENGO KOENKAI 28a-ZQ-4. Fig. 1 zeigt den Aufbau der Lichtablenkvorrichtung nach dem Stand der Technik. In Fig. 1 ist eine Ti-diffundierte Wellenleiterschicht 28 auf einem LiNbO&sub3;-Substrat 27 gebildet. Auf ein Eingangsprisma 29 einfallendes Licht 30 wird zu durch die Wellenleiterschicht 28 fortschreitendem Wellenleiterlicht 31 und das Wellenleiterlicht wird von einer SAW- Lichtablenkvorrichtung 32 aufgetrennt in durchgelassenes Wellenleiterlicht 33 und gebeugtes Wellenleiterlicht 34. Beide Arten von Wellenleiterlicht werden als durchgelassenes Licht 36 beziehungsweise als gebeugtes Licht 37 von einem Ausgangsprisma 35 abgestrahlt. Der Beugungswinkel des gebeugten Wellenleiterlichts 34 hängt von der Teilung einer von der SAW-Lichtablenkvorrichtung 32 erzeugten elastischen Welle 38 ab, und der Beugungswinkel des gebeugten Wellenleiterlichtes 34 und daher die Strahlungsrichtung des gebeugten Lichts 37 kann mittels eines an die SAW- Lichtablenkvorrichtung 32 angelegten elektrischen Signals geändert werden.
Die Lichtablenkvorrichtung nach dem Stand der Technik hat jedoch die folgenden Nachteile: Eine von der SAW- Lichtablenkvorrichtung 32 hervorgebrachte Änderung des Beugungswinkels ist gering, so daß es unmöglich war, das gebeugte Licht mit der SAW-Lichtablenkvorrichtung 32 stark abzulenken. Das bedeutet, daß es bei Verwendung einer herkömmlichen Lichtablenkvorrichtung zum Verschieben eines Fokussierpunktes von Licht unmöglich war, eine große Änderung der Position des Fokussierpunktes des Lichtes zu erreichen. Weiterhin war das abgelenkte Licht gebeugtes Licht, so daß der Energieausnutzungswirkungsgrad für das einfallende Licht 30 gering war.
Aus der DE-A-2543469 ist eine Steuervorrichtung zum Ändern der Lichtrichtung bekannt, die aufweist ein Substrat, einen auf dem Substrat gebildeten leitenden Dünnfilm, eine unter Zwischenschaltung einer transparenten dielektrischen Schicht auf dem Film gebildeten Wellenleiterschicht, eine Flüssigkristallschicht sowie eine zweite Elektrode und eine Abdeckplatte. Der Wellenleiter weist innerhalb des Wellenleiters oder an seiner Oberfläche periodische Riffelungen auf. Durch Variation der an der Flüssigkristallschicht anliegenden Spannung wird der effektive Brechungsindex geändert, um dadurch die Richtung des abgelenkten Strahls zu ändern.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Überwindung der Nachteile im Stand der Technik und der Schaffung einer Vorrichtung variablen Fokussierpunkts, der die Verwirklichung einer großen Änderung der Position des Fokussierpunktes von Licht durch eine starke Ablenkung des Lichtes möglich ist und die einen hohen Lichtenergie-Ausnutzungswirkungsgrad aufweist. Die oben angegebene Aufgabe wird mit einer Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine eine herkömmliche Lichtablenkvorrichtung darstellende perspektivische Ansicht.
Fig. 2 ist eine den Aufbau eines Teils der Vorrichtung variablen Fokussierpunkts gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellende Schnittansicht.
Fig. 3a und 3b sind der Erläuterung dienende Darstellungen zum Veranschaulichen der in der Lichtablenkvorrichtung nach Fig. 2 eingesetzten Amplitudenmodulation der Signalwelle.
Fig. 4a bis 4c sind der Erläuterung dienende Darstellungen zum Veranschaulichen von Veränderungen der Richtung der Molekülausrichtungen der Flüssigkristallschicht und der Verteilung des Brechungsindex.
Fig. 5a und 5b sind Grafiken zum Darstellen der Beziehung zwischen der Amplitude v eines amplitudenmodulierten Signals und der Äquivalentdicke Teff der Wellenleiterschicht sowie zwischen der Äquivalentdicke Teff der Wellenleiterschicht und des Äquivalentbrechungsindex N bei der Erfindung.
Fig. 6a und 6b sind der Erläuterung dienende Darstellungen zum Veranschaulichen des Einflusses des Anisotropie des Brechungsindexes des Flüssigkristalls auf die Lichtpolarisation.
Fig. 7 ist eine den Aufbau eines Teils der Vorrichtung variblen Fokussierpunktes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellende Schnittansicht.
Fig. 8 ist eine der Erläuterung dienende Darstellung zur schematischen Veranschaulichung des Aufbaus der Vorrichtung variablen Fokussierpunkts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9 ist eine der Erläuterung dienende Schnittansicht zum Veranschaulichen des Aufbaus der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der das Wellenleiterlicht sich vom Zentrum der Vorrichtung in der Abstrahlrichtung ausbreitet, und
Fig. 10 ist eine der Erläuterung dienende Darstellung zur schematischen Veranschaulichung des Aufbaus der Vorrichtung variablen Fokussierpunkts gemäß der dritten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bezugnehmend auf die Figuren 2 bis 10 werden nachfolgend einige Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
Fig. 8 ist eine der Erläuterung dienende Darstellung zur schematischen Veranschaulichung des Aufbaus der Vorrichtung variablen Fokussierpunkts gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Gemäß Fig. 8 besitzt das Beugungsgitter 3G bei dieser ersten Ausführungsform die Form um ein Zentrum O angeordneter konzentrischer Kreise. Beim Betrieb dieser Ausführungsform breitet sich durch eine Wellenleiterschicht durchgelassenes Wellenleiterlicht 8 in der Richtung senkrecht zum Beugungsgitter 3G aus. Das vom Wellenleiterlicht 8 abgestrahlte Licht wird mit dem Beugungsgitter 3G, das mit einer modulierten Gitterkonstanten ausgebildet ist, auf einen außerhalb der Wellenleiterschicht liegenden Fokussierpunkt F fokussiert. Dann gibt die Ablenkung des abgestrahlen Lichtes 9 Anlaß zu einer Verschiebung des Fokussierpunktes F entlang einer Linie OF.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel des Aufbaus zum Bewirken der Ausbreitung des Wellenleiterlichtes 8 in der Richtung senkrecht zum bei der ersten Ausführungsform in Form konzentrischer Kreise angeordneten Beugungsgitter 3G. Beim Betrieb davon wird das von einem Halbleiterlaser 19 emittierte Ausgangslicht mittels einer Fokussierlinse 2 in paralleles Licht umgewandelt und dann wird das parallele Licht zu zirkular polarisiertem Licht 22, sobald das parallele Licht eine Viertelwellenlängenplatte 21 durchläuft. Die Wellenleiterschicht 4 ist unter Zwischenschaltung des leitenden Dünnfilms 2 und der transparenten Schicht 3 auf dem Substrat 1 gebildet, wobei die Wellenleiterlicht 4 einen größeren Brechungsindex aufweist als die transparente Schicht 3. Eine rillenförmige Rauhigkeit in Form eines Beugungsgitters 23, die unter Verwendung eines Fotoresists oder dergleichen gebildet und in Form konzentrischer Kreise angeordnet ist, ist auf der Oberfläche der Wellenleiterlicht 4 ausgebildet. Das zirkular polarisierte Licht 22 wird mit dem als Koppler dienenden Gitter 23 als Eingabe in die Wellenleiterschicht 4 eingekoppelt, wodurch das zirkular polarisierte Licht 22 zu sich in radialer Richtung ausbreitendem Licht 8 wird.
Fig. 2 ist eine den Aufbau eines Teils der Vorrichtung variablen Fokussierpunkts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellende Schnittansicht. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind auf einem Substrat 1 aufeinanderfolgend gebildet ein leitender Dünnfilm 2, eine transparente Schicht 3 und eine weitere transparente Schicht 4, die einen größeren Brechungsindex aufweist als die transparente Schicht 3. Das Beugungsgitter 3G in Form konzentrischer Kreise oder in Form einer Spirale ist auf der transparenten Schicht 3 gebildet und das sich in der Richtung senkrecht zum Beugungsgitter 3G ausbreitende Wellenleiterlicht 8 wird über das Beugungsgitter 3G an der Ausgangsseite der Wellenleiterschicht abgestrahlt. Auf der Oberfläche der transparenten Schicht 4 ist ein aus einem Polyimid o.dgl. gebildeter transparenter Ausrichtungsfilm 4P und so weiter zum Ausrichten der Moleküle eines Flüssigkristalls 5 gebildet. Eine aus der transparenten Schicht 4 und dem transparenten Ausrichtungsfilm 4P zusammengesetzte Verbundschicht dient als Wellenleiterlicht. Der auf der Oberfläche eines transparenten Substrats 7 gebildete, aus ITO und so weiter hergestellte, transparente, leitende Dünnfilm 6 wird unter Zwischenschaltung eines Flüssigkristalls 5 in feststehender Beziehung zum transparenten, leitenden Film 4P gehalten. Die zum Ausrichten des Flüssigkristalls 5 dienenden Mittel können auf der Oberfläche des transparenten, leitenden Dünnfilms 6 ausgebildet sein. Durch die Anwesenheit des Beugungsgitters 3G wird das sich durch die Wellenleiterschicht (4,4 P) ausbreitende Wellenleiterlicht 8 aufgetrennt in das in Richtung auf den Flüssigkristall 5 abgestrahlte Licht 9 und das in Richtung auf das Substrat 1 abgestrahlte Licht 9'. Das abgestrahlte Licht 9' wird von der Oberfläche des leitenden Dünnfilms 2 oder der Oberfläche des Substrats 1 reflektiert, so daß es das abgestrahlte Licht 9 überlappt. Der Beugungswinkel des abgestrahlten Lichtes 9 (ein Winkel, den das abgestrahlte Licht 9 mit einer senkrecht zur Substratoberfläche verlaufenden Normalenlinie 10 einschließt, genauer gesagt ein Winkel, den das abgestrahlte Licht 9 mit der Normalenlinie 10 einschließt, wenn das abgestrahlte Licht 9 schließlich in eine Luftschicht abgestrahlt wird) kann ausgedrückt werden durch
sin θ = N + qλ/Λ, (1)
wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts ist, N ein Äquivalentbrechungsindex eines Wellenleiterpfades ist, Λ eine Gitterkonstante des Beugungsgitters 3G ist und q eine Kopplungsordnungszahl ist (im Fall der Kopplung des Wellenleiterlichts zu zwei abgestrahlten Strahlen: q = -1).
Weil die Gitterkonstante Λ des Beugungsgitters 3G so ausgebildet ist, daß sie fortlaufend von der inneren Begrenzung des Beugungsgitters bis zur äußeren Begrenzung des Beugungsgitters moduliert ist, ändert sich der Beugungswinkel Θ des abgestrahlten Lichts 9 ebenfalls fortlaufend auf Grundlage der Gleichung (1). Als Ergebnis wird die Fokussierung des abgestrahlten Lichtes 9 auf den außerhalb der Wellenleiterschicht liegenden Fokussierpunkt F ermöglicht.
Der Ausrichtungsfilm 4P wird in der Ausbreitungsrichtung des Wellenleiterlichtes 8 oder in der Richtung senkrecht dazu einem Schleifvorgang unterzogen und die Richtung der Ausrichtung des Flüssigkristalls 5 in der Nähe der Oberfläche des Ausrichtungsfilm fällt mit der Schleifrichtung zusammen. Eine von einer Signalwellen-Erzeugungseinrichtung 11 erzeugte Signalwelle wird mit einer Amplitudenmodulations-Einrichtung 12 amplitudenmoduliert und das so erzeugte Signal wird zwischen dem leitenden Dünnfilm 2 und dem transparenten leitenden Dünnfilm 6 angelegt.
Weil eine Änderung der Ausrichtung des Flüssigkristalls 5 von dem zwischen dem leitenden Dünnfilm 2 und dem transparenten, leitenden Dünnfilm 6 zur Änderung des Äquivalentbrechungsindexes N in der Gleichung (1) angelegte Spannungssignal hervorgerufen wird, wird der Beugungswinkel Θ des abgestrahlten Lichts 9 geändert. Daher gibt die Ablenkung des abgestrahlten Lichts 9 Anlaß zur Verschiebung des Fokussierpunktes F.
Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Signalwelle 13 und ein durch Amplitudenmodulation der Signalwelle 13 erzeugtes amplitudenmoduliertes Signal 14. Wie aus Fig. 3b ersichtlich, schwingt die Einhüllende des amplitudenmodulierten Signals 14 um den Amplitudenpegel VA. Es sollte angemerkt werden, daß, obwohl ein an die Elektroden anzulegendes Spannungssignal im Hinblick auf die Hydrolyse des Flüssigkristalls wie bei dieser Ausführungsform vorzugsweise amplitudenmoduliert ist, die Signalwelle 13 auch direkt an die Elektroden angelegt werden kann.
Die Fig. 4a bis 4c zeigen Änderungen der Ausrichtungsrichtung und der Brechungsindexverteilung in Richtung der Normalenlinie, die durch das Anlegen des amplitudenmodulierten Signals 14 hervorgerufen werden. (Die Abszisse n bezeichnet einen Brechungsindex.) Im allgemeinen zeigt der Flüssigkristall 5 eine Anisotropie des Brechungsindex, das heißt, daß der Brechungsindex n&sub0; für gewöhnliches Licht kleiner ist als der Brechungsindex nE für außergewöhnliches Licht, und in einer die Normalenlinie 10 (der x-Achsen-Richtung) bezüglich des Substrats und die Schleifrichtung (die z-Achsenlinie) enthaltenden Ebene tritt eine Änderung der Ausrichtungsrichtung auf. Fig. 4a zeigt einen Fall, bei dem die Amplitude des amplitudenmodulierten Signals 14 klein ist und die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle 5A parallel zur Oberfläche des Ausrichtungsfilms 4P verläuft. Daher ist der Brechungsindex des Flüssigkristalls 5 für das Wellenleiterlicht 8 gleich dem Brechungsindex n&sub0; für gewöhnliches Licht, wenn das Wellenleiterlicht 8 im TM-Mode sich in der Schleifrichtung (der z-Achsen-Richtung) oder in der Richtung senkrecht dazu (der y-Achsen-Richtung, das heißt der Richtung senkrecht zur Papierebene) ausbreitet. Daher ist die Verteilung des Brechungsindex des Flüssigkristalls 5 in der x-Richtung im wesentlichen gleich n&sub0; und wird durch die Verteilung 18a dargestellt. Unter der Annahme, daß die Filmdicke der transparenten Schicht 4 tF beträgt, wird eine äquivalente Dicke Teff der Wellenleiterschicht ausgedrückt durch die Summe von tF und den Breiten der beiden Strahlen abgegebenen Lichtes. Unter der Annahme, daß die Breite der abgegebenen Lichtstrahlen beim Heraustreten des Wellenleiterlichtes 8 aus der Wellenleiterschicht in den Flüssigkristall 5 ta beträgt und die Breite des abgegebenen Lichtstrahls beim Austreten des Wellenleiterlichtes in die transparente Schicht 3 to beträgt, ergibt sich nämlich Teff = t&sub0; + tF + ta. Zusätzlich, obwohl der Ausbreitungsverlust des sich durch einen Flüssigkristall ausbreitenden Wellenleiterlichtes im allgemeinen groß ist, das heißt, 20 bis 30 dB/cm beträgt, ist das Verhältnis der Menge sich im Flüssigxristall 5 ausbreitenden abgegebenen Lichtes zur Gesamtmenge des Wellen1eiterlichtes klein, so daß der Ausbreitungsverlust des Wellenleiterlichts insgesamt klein ist.
Auf der anderen Seite, wenn das Wellenleiterlicht 8 im TE-Mode sich in der Richtung (der y-Achse) senkrecht zur Ausrichtungsrichtung ausbreitet, ist der Brechungsindex des Flüssigkristalls 5 für das Wellenleiterlicht 8 gleich dem Brechungsindex nE für außergewöhnliches Licht. Daher wird die Verteilung des Brechungsindex des Flüssigkristalls in der Richtung der Normalenlinie (der x-Richtung) so, wie durch die Verteilung 18a' dargestellt. In diesem Fall wird angenommen, daß die Breite des abgegebenen Lichtstrahls beim Austreten des Wellenleiterlichtes 8 aus der Wellenleiterschicht in den Flüssigkristall 5 t'a beträgt und die Breite des abgegebenen Lichtstrahls beim Austreten des Wellenleiterlichts 8 in die transparente Schicht 3 t'0 beträgt.
Fig. 4b zeigt einen Fall, bei dem die Amplitude des amplitudenmodulierten Signals 14 erhöht ist. Wie durch 5B' bezeichnet, wird die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle auf die Richtung (die x-Achsen- Richtung) senkrecht zur Oberfläche des Ausrichtungsfilms 4P zu geändert, aber Flüssigkristallmoleküle 5B in der Nähe des Ausrichtungsfilms 4P sind nicht genügend in der Richtung der Normalenlinie ausgerichtet, aufgrund einer von dem Ausrichtungsfilm 4P hervorgerufenen starken die Aufrechterhaltung der Orientierung bewirkenden Kraft. Daher liegt der Brechungsindex des Flüssigkristalls 5 für das Wellenleiterlicht in der Nähe des Brechungsindex nE für außergewöhnliches Licht an einer Stelle in der Nähe des transparenten, leitenden Dünnfilms 6, während er in der Nähe des Brechungsindex n&sub0; für gewöhnliches Licht liegt an einer Stelle in der Nähe der Oberfläche des Ausrichtungsfilms 4P, wenn sich das Wellenleiterlicht 8 im TM-Mode in Richtung der z-Achse oder in Richtung der y-Achse ausbreitet. Demgemäß wird die Verteilung des Brechungsindex des Flüssigkristalls 5 in der Richtung der Normalenlinie (der x-Richtung) durch die Verteilung 18b dargestellt. Unter der Annahme, daß die Breite des abgegebenen Lichtstrahls beim Austritt des Wellenleiterlichts aus der Wellenleiterschicht in den Flüssigkristall tb beträgt, ergibt sich in diesem Fall dann tb > ta. Auf der anderen Seite, wenn sich das Wellenleiterlicht 8 im TE-Mode in der Richtung der y-Achse ausbreitet, ist der Brechungsindex des Flüssigkristalls 5 für das Wellenleiterlicht an einer in der Nähe des transparenten, leitenden Films 6 liegenden Stelle etwa gleich dem Brechungsindex n&sub0;, während er an einer in der Nähe der Oberfläche des Ausrichtungsfilms 4P liegenden Stelle ungefähr gleich dem Brechungsindex nE ist. Daher wird die Verteilung des Brechungsindex des Flüssigkristalls 5 in der Richtung der Normalenlinie (der x-Richtung) durch die Verteilung 18b' dargestellt. Unter der Annahme, daß die Breite des abgegebenen Lichtstrahls beim Austreten des Wellenleiterlichts aus der Wellenleiterschicht in den Flüssigkristall 5 tb' beträgt, ergibt sich dann tb' < ta'.
Fig. 4c zeigt einen Fall, bei dem die Amplitude des amplitudenmodulierten Signals 14 weiter erhöht wird. Die Verteilungen 18b und 18b' des Brechungsindex konvergieren zu den Verteilungen 18c bzw. 18c' und die Breiten tb und tb' des abgegebenen Lichtstrahls konvergieren zu den Breiten tc bzw. tc' und es gilt tc > tb und tc' < tb'.
Wenn das Wellenleiterlicht 8 im TE-Mode sich in der Richtung der y-Achse ausbreitet ist als Ergebnis die Beziehung zwischen der Amplitude V des amplitudenmodulierten Signals 14 und der Äquivalentdicke Teff der Wellenleiterschicht so, wie durch die graphische Darstellung nach Fig. 5a gezeigt. Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich, gilt, wenn die Amplitude V des amplitudenmodulierten Signals 14 klein ist (v < v&sub0;), daß die Äguivalentdicke Teff gleich t&sub0; + tf + ta' ist, während, wenn die Amplitude v den Wert v&sub1; überschreitet sich ergibt: Teff = t&sub0; + tF + tc'. Im Fall v&sub0; < v < v&sub1; fällt Teff monoton mit einem Anstieg der Amplitude v ab. Wenn die Amplitude V so gebildet wird, daß sie um die Amplitude VA als Zentrum schwingt, wie durch die Wellenform 14 dargestellt, wird daher Teff dargestellt durch die Wellenform 15, die sich um ein Zentrum t&sub0; + tF + tb' ändert.
Fig. 5b ist eine die Beziehung zwischend der Äquivalentwellenleiterschichtdicke Teff und dem Äquivalentbrechungsindex N zeigende graphische Darstellung. Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich, wird der Äquivalentbrechungsindex N durch eine Kurve 16 dargestellt, die mit einem Anstieg der Äquivalentwellenleiterschichtdicke Teff einen monotonen Anstieg von n&sub0; auf nF zeigt. (Wenn der Brechungsindex nB der transparenten Schicht 3 größer ist als n&sub0;, dann wird n&sub0; durch nB ersetzt.) Wie vorstehend erwähnt, wird der Äquivalentbrechungsindex durch eine um ein Zentrum NA schwingende Wellenform dargestellt, wenn sich die Äquivalentdicke Teff, wie durch die Wellenform 15 dargestellt, um ein Zentrum t&sub0; + tF + tb' ändert.
Wie Gleichung (1) zu entnehmen ist ergibt eine Änderung des Äquivalentbrechungsindex N eine Änderung des Beugungswinkels Θ, so daß eine Änderung des Beugungswinkels abgestrahlten Lichts durch eine Änderung des Wertes Teff hervorgerufen wird, woraus hervorgeht, daß eine Änderung der Amplitude v des amplitudenmodulierten Signals 14 eine Änderung des Beugungswinkels Θ des abgestrahlten Lichts hervorrufen kann. Diese Änderung des Beugungswinkels Θ gibt Anlaß zu einer Änderung der Position des Fokussierpunktes, wenn das Beugungsgitter die Form konzentrischer Kreise besitzt. Eine Änderung des Äquivalentbrechungsindex N, die durch eine Änderung der Amplitude V des Amplitudensignals 14 hervorzurufen ist, wird in einer Größenordnung von etwa (nF - n&sub0;) x (0,1 bis 0,3) erwartet. Unter der Annahme, daß eine Änderung von 0,1 des Äquivalentbrechungsindex N erhalten wurde, kann der Beugungswinkel Θ um ein bei Θ = 45º liegendes Zentrum um etwa 10º abgelenkt werden, was einer Verschiebung der Position des Fokussierpunktes um etwa 1,1 mm zum Ergebnis hat, für eine Beugungsgitterkoppler in Form konzentrischer Kreise mit einem Durchmesser von 5 mm. Es ist auch ein schnelles Ansprechen der Verschiebung der Position des Fokussierpunktes möglich, weil eine Änderung der Ausrichtungsrichtung des Flüssigkristalls 5 in der Nähe der Oberflächenschicht, wo die der Aufrechterhaltung der Orientierung bewirkende Kraft stark ist, benutzt wird.
Weiterhin, obwohl die Fig. 5a und 5b in Verbindung mit einem beispielhaften Fall erläutert wurden, bei dem das Wellenleiterlicht 8 im TE-Mode sich in der Richtung senkrecht zur Ausrichtungsrichtung (der Richtung der y-Achse ausbreitet) trifft die vorstehende Erläuterung auch auf den Fall zu, in dem das Wellenleiterlicht im TM-Mode sich in der Ausrichtungsrichtung (der Richtung der z-Achse) oder in der Richtung senkrecht dazu (der Richtung der y-Achse) ausbreitet. Insbesondere gilt Teff = t&sub0; + tF + ta ähnlich wie bei der Darstellung nach Fig. 5a, wenn die Amplitude v des amplitudenmodulierten Signals 14 im Bereich v < v&sub0; liegt. Wenn die Amplitude v den Wert v&sub1; überschreitet, gilt Teff = t&sub0; + tF + tc. Wenn gilt v&sub0; < v < v&sub1;, steigt Teff monoton mit einem Anstieg der Amplitude v an und wenn die Amplitude v, wie dargestellt, mit der um ein Zentrum vA schwingenden Wellenform 14 geändert wird, ändert sich Teff mit einer der um ein Zentrum ta + tF + tb schwingenden Wellenform 15 ähnlichen Wellenform. Daher kann die Ablenkung des abgestrahlten Lichts genauso durch Steuern der Amplitude des amplitudenmodulierten Signals verwirklicht werden.
Zusätzlich gilt im allgemeinen: je höher ein Verhältnis der Menge des abgegebenen Lichte zur Menge des Wellenleiterlichtes ist, desto größer wird eine Änderungsrate beim Äquivalentbrechungsindex. Daher wird in den Fig. 4a, 4b und 4c der Äquivalentbrechungsindex für das Wellenleiterlicht auf einfache Weise geändert, wenn gilt n&sub0; > nB.
Insbesondere wird die Änderung des Äquivalentbrechungsindex am deutlichsten bewirkt, wenn gilt nE > nF.
Die Fig. 6a und 6b veranschaulichen den Einfluß der Brechungsindexanisotropie des Flüssigkristalls auf die Polarisation des Wellenleiterlichtes und des abgestrahlten Lichtes. In Fig. 6a verläuft der Wellenleiterlichtstrahl, wie durch 8G dargestellt und tritt als abgegebenes Licht (die Lichtwelle 8E) in den Flüssigkristall aus. Das abgestrahlte Licht 9 ist im allgemeinen ein Lichtstrahl, der den Flüssigkristall schräg durchläuft. In Fig. 6b sind 5D, 5E und 5G jeweils die Brechungsindexanisotropie des Flüssigkristalls darstellende Brechungsindexellipsenkörper und sie entsprechen jeweils den Flüssigkristallmolekülen 5A, 5B' bzw. 5B in Fig. 4. Diese Ellipsenkörper werden durch eine eine Länge nE aufweisende große Achse und senkrecht zur großen Achse und eine Länge von n&sub0; aufweisende kleine Achsen dargestellt und die große Achse liegt in der x-z-Ebene. Der elektrische Feldvektor des Wellenleiterlichtes liegt in Richtung der y- Achse (senkrecht zur Papierebene) oder in Richtung der x- Achse, wenn das Wellenleiterlicht in der Richtung der z-Achse verlaufendes TE-Mode-Licht bzw. TM-Mode-Licht ist. Auch liegt der elektrische Feldvektor des Wellenleiterlichtes in der Richtung der z-Achse oder in der Richtung der x-Achse, wenn das Wellenleiterlicht in Richtung der y-Achse verlaufendes TE- Mode-Licht oder TM-Mode-Licht ist. Im allgemeinen hängt der Einfluß auf die Polarisation des sich durch ein eine Brechungsindexanisotropie aufweisendes Medium ausbreitenden linear polarisierten Licht von der Postionsbeziehung zwischen dem Schnittende der Ellipsenform bei Schneiden des Brechungsindexellipsenkörpers entlang einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des linear polarisierten Lichts und der Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts ab. Insbesondere wenn die Schwingungsebene und die große Achse der Schnittendenellipsenform parallel oder senkrecht zueinander sind, bleibt das Licht linear polarisiertes Licht, ohne daß es von der Anisotropie des Flüssigkristalls beeinflußt wird. Wenn diese von der obigen Positionsbeziehung abweichen, wird das Licht jedoch zu elliptisch polarisiertem Licht. In dem Fall, in dem der Brechungsindexellipsenkörper durch 5D in Fig. 6b dargestellt ist, liegt die Schwingungsebene des Wellenleiterlichtes im TM-Mode, daß sich in Richtung der z- Achse oder der y-Achse ausbreitet oder diejenige des sich in Richtung der z-Achse ausbreitenden TE-Modes senkrecht zur großen Achse der Schnittendenellipsenform, so daß das davon abgegebene Licht (die in dem Flüssigkristall austretende Lichtwelle 8e) die Eigenschaften linear polarisierten Lichts behält. Die Schwingungsebene des ich in Richtung der y-Achse ausbreitenden Wellenleiterlichts im TM-Mode ist parallel zur großen Achse der Schnittendenellipsenform, so daß davon abgegebenes Licht ebenfalls die Eigenschaften linear polarisierten Lichts behält. Daher behält das die Flüssigkristallschicht durchlaufende und zur Wellenleiterschicht zurückkehrende abgegebene Licht den ursprünglichen Mode und wird nicht von der Anisotropie des Flüssigkristalls beinflußt. Ebenso werden auch die Eigenschaften linear polarisierten Lichts des vom sich in Richtung der z-Achse oder der y-Achse ausbreitenden Wellenleiterlichts im TM-Mode abgestrahlten Lichts 9 oder diejenigen des sich in Richtung z-Achse ausbreitenden TE-Modes beibehalten und die Eigenschaften linear polarisierten Lichts des vom sich in Richtung der y-Achse ausbreitenden Wellenleiterlichts im TE-Mode abgestrahlten Lichtes werden ebenfalls beibehalten.
Auf der anderen Seite, in dem Fall, in dem der Brechungsindexellipsenkörper wie bei 5G in Fig. 6b bezüglich der z-Achse in der x-z-Ebene geneigt ist, behält das aufgrund des sich in der Richtung der z-Achse ausbreitenden Wellenleiterlichts abgegebenen Licht die Eigenschaften linear polarisieren Lichtes ohne Rücksicht auf den TE- oder TM-Mode. Das sowohldas vom TE-Mode abgegebene Licht als auch das vom TM-Mode abgegebene Licht, das sich in Richtung der y-Achse ausbreitet, wird jedoch von der Anisotropie des Flüssigkristalls beeinflußt und wird zu elliptisch polarisiertem Licht und wird nach Rückkehr zur Wellenleiterschicht aufgetrennt in die TE-Mode-Komponente und die TM-Mode-Komponente. Ebenso behält das vom sich in Richtung der z-Achse ausbreitenden Wellenleiterlicht abgestrahlte Licht die Eigenschaften linearer Polarisation unabhängig vom TE- oder TM-Mode, während das vom Wellenleiterlicht abgestrahlte Licht von sowohl dem TE-Mode als auch dem TM-Mode, die sich in Richtung der y-Achse ausbreiten von der Anisotropie des Flüssigkristalls beeinflußt wird und im allgemeinen zu elliptisch polarisiertem Licht wird.
Daher wird das Wellenleiterlicht aufgetrennt in TE- und TM-Mode-Komponenten, wenn die große Achse des Brechungsindexellipsenkörpers bezüglich der z-Achse geneigt ist und sich das Wellenleiterlicht in Richtung der y-Achse ausbreitet, und gleichzeitig werden Strahlen elliptisch polarisierten Lichts mit unterschiedlichen Beugungswinkeln aus dem Wellenleiterlicht der jeweiligen Moden erzeugt.
Wie unter Bezugnahme auf Fig. 5a erläutert fällt im TE-Mode unter der Voraussetzung, daß gilt v&sub0; < v < v&sub1;, Teff monoton mit einem Anstieg der Amplitude V ab, während im TM- Mode Teff monoton ansteigt. Das bedeutet, selbst wenn das gleiche Signal angelegt wird, unterscheidet sich das Vorzeichen der Änderung von Teff im TE-Mode von demjenigen im TM-Mode und daher unterscheiden sich auch die Ablenkungsrichtungen des abgestrahlten Lichts. Daher werden zwei abgestrahlte Lichtstrahlen mit engen Abstrahlwinkeln erzeugt, wenn das Wellenleiterlicht in den TE-Mode und den TM- Mode aufgetrennt wird und trotz des Anlegens desselben Spannungssignals sind die Ablenkungsrichtungen dieser abgestrahlten Lichtstrahlen einander entgegengesetzt, was für die Lichtablenkvorrichtung unerwünscht ist. Es ist wünschenswert, daß die Ausbreitungsrichtung des Wellenleiterlichtes in der Ausrichtungsrichtung (der Richtung der z-Achse) liegt. Zusätzlich bleibt der Brechungsindex des Flüssigkristalls für das sich in Richtung der z-Achse ausbreitende Wellenleiterlicht im TE-Mode bei n&sub0;, selbst wenn sich die Ausrichtungsrichtung des Flüssigkristalls in der x-z- Ebene ändert, wodurch die Ablenkung des abgestrahlten Lichtes unmöglich wird. Daher muß das Wellenleiterlicht im TM-Mode vorliegen.
Fig. 7 ist eine den Aufbau einer Vorrichtung variablen Fokussierpunktes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellende Schnittansicht. In Fig. 7 werden für den Elementen in Fig. 2 entsprechende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist auf dem Substrat 1 ein Beugungsgitter 1G mit einer in Form konzentrischer Kreise angeordneten rillenförmigen Rauhigkeit gebildet und auf dem Beugungsgitter 1G sind aufeinanderfolgend ausgebildet der leitende Film 2, die transparente Schicht 3 und die Wellenleiterschicht 4, die einen höheren Brechungsindex aufweist als die transparente Schicht 3. Der auf der Oberfläche des transparenten Substrats 7 gebildete, aus ITO oder dergleichen hergestellte, transparente, leitende Dünnfilm 6 wird über die Flüssigkristallschicht 5 in feststehender Beziehung zur Wellenleiterschicht 4 gehalten. Weil die Dicke der Einarbeitung des leitenden Dünnfilms 2, der transparenten Schicht 3 und der Wellenleiterschicht 4 sehr klein ist, wird ein dem Beugungsgitter 1G entsprechendes Beugungsgitter 4G auf der Oberfläche der Wellenleiterschicht 4 gebildet und dieses Beugungsgitter 4G dient zum Abstrahlen des sich durch die Wellenleiterschicht 4 ausbreitenden Wellenleiterlichts 8 und auch zum Ausrichten der Flüssigkristallmoieküle in der Flüssigkristallschicht 5. Diese Ausführungsform entspricht einem Fall bei dem sich das Wellenleiterlicht in der Richtung senkrecht zur Ausrichtungsrichtung ausbreitet und daher gibt es Probleme hinsichtlich der Modentrennung des Wellenleiterlichtes, des Einflusses der Polarisation auf das abgestrahlte Licht usw.. Weil das Mittel zum Abstrahlen des Wellenleiterlichtes bildende Beugungsgitter 4G ebenfalls als Mittel zum Ausrichten der Flüssigkristallschicht dient, ist jedoch kein Ausrichtungsmittel, wie etwa Polyimid o. dgl., erforderlich, so daß der Aufbau der Lichtablenkvorrichtung vereinfacht werden kann. Zusätzlich kann bei dieser zweiten Ausführungsform die rillenförmige Rauhigkeit in Form eines Beugungsgitters auf der Oberfläche des leitenden Dünnfilms 2, der transparenten Schicht 3 oder dergleichen angeordnet sein.
Fig. 10 ist eine der Erläuterung dienende Darstellung zum Erläutern der Vorrichtung variabelen Fokussierpunkts gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Auch bei dieser Ausführungsform ist das Beugungsgitter 3G in Form um ein Zentrum O angeordneter konzentrischer Kreise gebildet. Während des Betriebs davon, breitet sich das Wellenleiterlicht 8 in der Richtung senkrecht zum Beugungsgitter 3G aus und das von der Wellenleiterschicht abgestrahlte Licht wird auf einen außerhalb der Wellenleiterschicht liegenden Fokussierpunkt F fokussiert. Der leitende Dünnfilm 2 oder der transparente, leitende Dünnfilm 6 ist in radialer (Radius) Richtung in eine Anzahl von Abschnitte, wie etwa 24A, 24B, 24C, 24D usw. unterteilt und an die jeweiligen Abschnitte können einzelne Spannungssignale getrennt angelegt werden. Wenn die Amplitude der an die jeweiligen Abschnitte angelegten Spannungssignale unter Verwendung einen Hohlzylinders, dessen Bodenfläche von der Oberfläche des Beugungsgitters 3G gebildet ist, dargestellt wird, stellt die Höhe eines jeweiligen Punktes auf der Umfangslinie einer Schnittendenebene 95, die durch Schneiden des Hohlzylinders entlang einer Ebene erhalten wird, gemessen von der Oberfläche des Beugungsgitters 3G (z. B. unter der Annahme, daß die Punkte 26A und 26B Fußpunkte von auf der Bodenfläche 3G errichteten Lotrechten sind, die jeweiligen Entfernungen zwischen Punkten 25A und 26A und zwischen Punkten 25B und 26B) die Amplitude v eine amplitudenmodulierten Signals dar, das an einen jeweiligen, dem jeweiligen Punkt auf der obigen Umfangslinie entsprechenden Abschnitt angelegt wird. Eine gerade Linie, die so gezogen ist, daß sie durch die Punkte 25A und 25B verläuft, durchläuft das Zentrum der Schnittendenebene 25 und schneidet eine gerade Schnittlinie zwischen der Schnittendebene 25 und der Bodenfläche 3G unter einem rechten Winkel. Wenn die Schnittendebene 25 abhängig von der Amplitude der an die jeweiligen Abschnitte angelegten einzelnen Spannungssignale nicht parallel zur Bodenf läche 3G wird, wird der Fokussierpunkt in der die Punkte 25A, 25B und 26A sowie 26B enthaltenden Ebene vom Punkt F zum Punkt F' verschoben. Das bedeutet, daß die Höhe der Schnittendebene 25 die Verschiebung des Fokussierpunktes in Richtung der optischen Achse OF darstellt, während der Neigungsgrad der Schnittendebene 25 die Verschiebung des Fokussierpunkts in Richtung senkrecht zur optischen Achse OF darstellt. Trotz der Tatsache, daß bei der ersten Ausführungsform der Fokussierpunkt lediglich entlang der Linie der optischen Achse OF verschoben werden kann, kann daher bei dieser dritten Ausführungsform der Fokussierpunkt auf jede wählbare Position verschoben werden durch getrenntes Anlegen einzelner Spannungssignale an eine derartige Anzahl von Abschnitten 24A, 24B, 24C sowie 24D usw.. Zusätzlich ist der leitende Dünnfilm 2 oder der transparente leitende Dünnfilm 6 nicht notwendigerweise in radialer Richtung unterteilt sondern kann auch in anderer Weise unterteilt sein.

GEBIET INDUSTRIELLER ANWENDUNG

Wie aus der vorstehenden Erläuterung zu verstehen ist, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung variablen Fokussierpunkts so aufgebaut, daß das zwischen dem leitenden Dünnfilm und dem transparenten leitenden Dünnfilm angelegte Spannungssignal die Ausrichtungsrichtung von Molekülen des Flüssigkristalls in der Nähe der Oberfläche der Wellenleiterschicht ändert, wodurch der Brechungsindex des Flüssigkristalls für das Wellenleiterlicht geändert wird, um dadurch den Äquivalentbrechungsindex des Wellenleiterpfades zu ändern und als Ergebnis wird der Beugungswinkel des von der Wellenleiterschicht abgestrahlten Lichtes geändert. Demgemäß ist es der Vorrichtung durch Ausbildung der Wellenleiterschicht mit einer zyklischen Struktur in Form konzentrischer Kreise, bei der sich das Wellenleiterlicht in der Richtung senkrecht zur zyklischen Struktur ausbreitet und das resultierende abgestrahlte Licht von der Wellenleiterschicht auf einen außerhalb der Wellenleiterschicht liegenden Punkt fokussiert wird, möglich, so zu arbeiten, daß eine Verschiebung der Position des Fokussierpunktes des abgestrahlten Lichtes mit einem breiten Änderungsbereich versehen werden kann. Ferner, weil eine Änderung der Ausrichtungsrichtung der Moleküle des Flüssigkristalls in der Nähe der Oberfläche der Wellenleiterschicht mit einer starken der Aufrechterhaltung der Orientierung hervorbringenden Kraft zum Ablenken des abgestrahlten Lichts verwendet wird, kann ein rasches Ansprechen der Verschiebung der Position des Fokussierpunkts erreicht werden. Ferner, weil das gesamte Wellenleiterlicht sowohl auf die Flüssigkristallseite als auch auf die Substratseite abgestrahlt wird und das auf die Substratseite abgestrahlte Licht von dem leitenden Dünnfilm auf der Oberfläche des Substrats reflektiert wird und das auf die Flüssigkristallseite abgestrahlte Licht überlappt, wird die Menge des auf die Flüssigkristallseite abgestrahlten Lichtes erhöht und als Ergebnis wird der Lichtenergie- Nutzungswirkungsgrad erhöht. Insbesondere, wenn der leitende Dünnfilm oder der transparente leitende Dünnfilm in einer Anzahl von Abschnitte unterteilt wird und einzelne Spannungssignale getrennt an die jeweiligen Abschnitte angelegt werden, kann der Fokussierpunkt auf jeden wählbaren Punkt verschoben werden. Daher ist es mit dieser Erfindung möglich, eine in der Praxis äußerst wirksame neue Vorrichtung als neue Vorrichtung variablen Fokussierpunkts bereitzustellen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Substrat
2 leitender Dünnfilm
3 transparente Schicht
3G Beugungsgitter
4 Wellenleiterschicht
5 Flüssigkristall
6 transparenter leitender Dünnfilm
7 transparentes Substrat
8 Wellenleiterlicht
9, 9' abgestrahltes Licht
10 Normalenlinie
11 Signalwellengenerator
12 Amplitudenmodulator

Claims

1. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts mit einem Substrat (1), einem leitenden Dünnfilm (2) auf dem Substrat (1), einer zum Übertragen von Wellenleiterlicht (8) dadurch dienenden Wellenleiterschicht (4), die auf dem leitenden Dünnfilm (2) direkt oder unter Zwischenlage einer transparenten Schicht (3) dazwischen ausgebildet ist, und einem transparenten Substrat (7), auf dessen Oberfläche ein transparenter leitfähiger Dünnfilm (6) ausgebildet ist, und zwar mit einer zwischen dem transparenten leitfähigen Dünnfilm (6) und der Wellenleiterschicht (4) eingelegten Flüssigkristallschicht (5), wobei die Wellenleiterschicht (4) ein Beugungsgitter (3G) in der Form konzentrischer Kreise oder einer Spirale aufweist, das auf ihrer Oberfläche entlang der Fortpflanzungsrichtung des Wellenleiterlichts (8) ausgebildet ist, wodurch das Wellenleiterlicht (8) von dem Beugungsgitter abgestrahlt und auf einem oder mehreren Fokussierpunkten (F) außerhalb der Wellenleiterschicht (4) fokussiert wird und die Positionen der Fokussierpunkte (F) durch Anlegen eines Spannungssignals zwischen dem leitenden Dünnfilm (2) und dem transparenten leitenden Dünnfilm (6) verändert werden.

2. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (3G) als rillenförmige Rauhigkeit auf der Oberfläche eines ausgewählten Elementes aus der Gruppe Substrat (1), leitender Dünnfilm (2), transparente Schicht (3) und Wellenleiterschicht (4) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 1, bei der ein Brechungsindex der Wellenleiterschicht (4) größer als derjenige der Flüssigkristallschicht (5) ist, und zwar für normal polarisiertes Licht.

4. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 1, bei der der Brechungsindex der Flüssigkristallschicht (5) für das normal polarisierte Licht größer als derjenige der transparenten Schicht (3) ist.

5. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 1, bei der das Spannungssignal eine amplitudenmodulierte Welle ist.

6. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 1, bei der eine Ausrichteinrichtung zum Ausrichten von Molekülen der Flüssigkristallschicht (5) auf einer Oberfläche eines ausgewählten Elements der Gruppe Wellenleiterschicht (4) und transparenter leitfähiger Dünnfilm (6) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (3G) als eine Riffelung auf einer Oberfläche der Wellenleiterschicht (4) ausgebildet ist und das Beugungsgitter (3G) als Ausrichteinrichtung zum Ausrichten von Molekülen der Flüssigkristallschicht (5) verwendet wird.

8. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Richtung der von der Ausrichteinrichtung bewirkten Ausrichtung der Moleküle der Flüssigkristallschicht (5) ein ausgewähltes Element aus der Gruppe Parallelrichtung und senkrechte Richtung zu der Richtung der Fortpflanzung des Wellenleiterlichts (8) ist.

9. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 8, bei der dann, wenn die Richtung der von der Ausrichteinrichtung bewirkten Ausrichtung der Moleküle der Flüssigkristall schicht (5) parallel zu der Richtung der Fortpflanzung des Wellenleiterlichts (8) liegt, das Wellenleiterlicht (8) in einem TM-Modus ist.

10. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 1, bei der ein ausgewählt es Element aus der Gruppe leitender Dünnfilm (2) und transparenter leitender Dünnfilm (6) in eine Anzahl Abschnitte geteilt ist und die Positionen der Fokussierpunkte (F) durch Anlegen von individuellen Spannungssignalen an die jeweiligen Abschnitte verändert werden.

11. Vorrichtung variablen Fokussierpunkts nach Anspruch 10, bei der die Abschnitte die Form von Sektoren haben, welche durch Aufteilen des ausgewählten Elements aus der Gruppe leitender Dünnfilm (2) und transparenter leitender Dünnfilm (6) entlang der Linien in der Richtung der Fortpflanzung des Wellenleiterlichts (8) ausgebildet sind.