JP2005024917A

JP2005024917A - 機能可変光学素子及びそれを用いた光学機器

Info

Publication number: JP2005024917A
Application number: JP2003190508A
Authority: JP
Inventors: Takenao Ishihara; 武尚石原
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】１つの素子で複数の光学的機能を可変できる光学素子を提供すること。
【解決手段】光透過型のアクティブマトリックス液晶表示部と、前記表示部に表示するための複数のパターンデータを格納する記憶部と、記憶部から任意のパターンデータを選択する選択部と、選択されたパターンデータに対応するパターンを前記表示部に表示させる描画回路とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レンズやプリズムのような光学的機能を電気的に可変できる光学素子およびそれを用いた光学機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この発明に関連する技術としては、次のようなものが知られている。
（１）対向配置された２枚の平板状基板の一方に透明導電膜を、他方に輪帯状電極を形成し、その基板間に液晶物質を充填して輪帯状電極に電圧を印加することにより、フレネルレンズを形成するようにしたもの（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
（２）２枚の基板の内表面に電極を形成し、少なくとも一方の電極が軸対称の多重輪状構造を持ち、その径方向の電極幅が、中心から周囲に向かって減少し、両基板間に液晶を挟持し、電界を印加したときに液晶分子が斜めに立ち上がりながらねじれ配向してレンズとして機能する液晶レンズを用いた光ヘッド装置（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１００２０１号公報
【特許文献２】
特開平９−３０４７４８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記（１），（２）では、輪帯状電極の形状が基板ごとに一定であるため、基板ごとに光軸の位置および焦点距離が固定されており、１つの基板でそれらを任意に可変できない。
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、光軸の位置および焦点距離を任意に可変できるレンズ、および偏光角を任意に可変できるプリズムとして使用可能な機能可変素子を実現すると共に、それを用いた各種光学機器を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、光透過型のアクティブマトリックス液晶表示部と、前記表示部に表示するための複数のパターンデータを格納する記憶部と、記憶部から任意のパターンデータを選択する選択部と、選択されたパターンデータに対応するパターンを前記表示部に表示させる描画回路とを備えた機能可変光学素子を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明において、外部からの指令を受けて選択部に選択すべきパターンデータを指示する入力部、又は手動操作によって選択部に選択すべきパターンデータを指示する選択スイッチのような入力部をさらに備えてもよい。
表示部は、第１基板と、第１基板上に平行に設けられた複数の第１信号線と、第１基板上に第１信号線に直交する方向に平行に設けられた複数の第２信号線と、第１基板上で第１および第２信号線により区画される各部分に設けられた画素電極と、第１および第２信号線の各交差部にそれぞれ配置され第１信号線から信号を受けてオン・オフするスイッチ素子と、画素電極に対向して設けられ対向面に共通電極を有する第２基板と、第１および第２基板間に挿入されたネマティック液晶を備え、スイッチ素子を介して第２信号線が画素電極に接続されるように構成できる。
スイッチ素子は結晶性シリコンＴＦＴからなることが好ましい。ここで、ＴＦＴは、薄膜トランジスタ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を表す。
【０００８】
この発明は、別の観点から、前記機能可変光学素子と演算部とを備え、記憶部は焦点距離と光軸位置の異なる複数のレンズパターンデータを格納し、演算部は外部信号をうけて焦点距離と光軸位置を算出し、算出した焦点距離と光軸位置を有するレンズパターンを機能可変素子の表示部に表示させるレンズアクチュエータを提供するものである。
【０００９】
この発明は、別の観点から、光源と、光源からの光ビームを可変光学素子を介して記録媒体へ案内する前記レンズアクチュエータと、記録媒体からの反射光を受光する受光部と、記録媒体に対する可変光学素子の焦点距離および光軸の誤差をそれぞれ検出する光センサとを備え、レンズアクチュエータは、検出された誤差を補正するための焦点距離および光軸位置を有するレンズパターンデータを演算部で決定し、対応するレンズパターンを表示部に表示させる情報記録再生装置を提供するものである。
【００１０】
この発明は、別の観点から、第１の光ファイバと、第２の光ファイバとを光学的に接続する接続部を備え、その接続部が前記機能可変光学素子からなるファイバ接続装置を提供するものである。
この発明は、別の観点から、光を発光又は受光する光素子と複数の光ファイバとを選択的に接続する光路切換部を備え、その光路切換部が、前記機能可変光学素子からなる光スイッチを提供するものである。
【００１１】
［実施例］
以下、図面に示す実施例を用いてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。
実施例１
図１は実施例１の機能可変光学素子の上面図である。同図において、機能可変光学素子１は、光透過型アクティブマトリックス液晶表示部２と、液晶表示部２に表示するための複数のパターンデータを予め格納した記憶部３と、入力部４と、入力部４からの指令に基づいて記憶部３のパターンデータを選択する選択部５と、選択されたパターンデータに対応するパターンを液晶表示部２に表示させる描画回路６を備える。
【００１２】
図２は液晶表示部２の断面図を示す。同図において、ＩＴＯ膜からなる共通電極５と液晶分子を配向させる配向膜とを積層した第１ガラス基板１０と、透明画素電極７と液晶分子にねじれを与える配向膜とを積層した第２ガラス基板８が、図示しないスペーサにより一定間隔で配置され、その間にネマティック液晶９が封入され封止部材１１で封止されている。
【００１３】
図３は液晶表示部２を上面から見た場合の構成説明図であり、複数の平行な信号線Ｘ_１，Ｘ_２…Ｘ_ｍと、それらに直交する方向に平行に配列された複数の信号線Ｙ_１，Ｙ_２…Ｙ_ｎとが区切る各小面積部に設けられた画素電極７とＴＦＴ（スイッチ素子）８を示す。ＴＦＴは光を透過しないため、その面積は小さいほど、液晶表示部２の光の透過効率（開口率）は高くなる。なお、各小面積部において、ＴＦＴ８のソースは信号線Ｙ_１〜Ｙ_ｎの１つに、ドレインは画素電極７に、ゲートは信号線Ｘ_１〜Ｘ_ｍの１つにそれぞれ接続され、また、画素電極７および共通電極５とその間に存在する液晶９とによって等価的に構成されるコンデンサ１０が示されている。
【００１４】
ＴＦＴ８は結晶性シリコンで構成される。結晶性シリコンはａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）に比較して電子の移動度が２桁以上高いためにＴＦＴ特性が大幅に向上する。したがって，ＴＦＴのゲート幅を小さく微細化しても回路動作に必要な電流値を十分確保できる。高精細のために画素寸法を微細化してもＴＦＴ８が小さいために画素内での光が通過する割合を表す開口率も高くなり光の透過効率は高くなる。さらにＴＦＴ８の動作速度を１００ＭＨｚへと２桁以上の高速化が可能となるため，画素を駆動する周辺回路を第２ガラス基板８（図２）上にモノリシックに一体化することができる。
なお、結晶性シリコンの作製には、例えば特開平７−１６１６３４号公報に示されるような技術やその他のポリシリコンなどの結晶性シリコン技術を用いることができる。
【００１５】
コンデンサ１０は、共通電極５と画素電極７との間に液晶が介在することにより等価的に構成される。そこで、描画回路６は、信号線線Ｘ_１〜Ｘ_ｍに順番に走査パルス電圧を印加して各行方向のＴＦＴ８のゲートをＯＮにし、各走査パルス電圧に同期して信号線線Ｙ_１〜Ｙ_ｎに制御パルス電圧Ｅを印加し、いわゆる線順次駆動を行う。電圧Ｅの大きさに応じて各画素の液晶分子が旋回し、入射光に対する屈折率が変化して任意の光学的パターンが描画される。
【００１６】
従って、液晶に加えられた電圧は、コンデンサ１０に電荷として蓄えられ、コンデンサ１０は記憶装置として働く。しかしながら、液晶分子に含まれる不純物などによるリーク電流により、やがて電荷が失われる。描画回路６は、電荷が失われる時間よりも十分に短い周期で同じ描画動作（リフレッシュ動作）をくり返し行い、常にコンデンサ１０が電荷を蓄えた状態を維持するようにしている。また、必要に応じて、共通電極５と画素電極７との間に別途コンデンサを付加してもよい。
【００１７】
次に、この発明の機能可変素子１によって構成されるフレネルレンズとプリズムについて説明する。
図４は一般的なガラスや透明樹脂で形成される軸対称のフレネルレンズの正面図であり、図５は図４のＡ−Ａ矢視断面図である。このようなフレネルレンズにおいては、図５に示すように中心（光軸）０からｎ番目に位相が１周期だけ変化する半径Ｒｎと焦点距離ｆと波長λとの関係は次式で与えられることが知られている。
ｆ＝｛Ｒｎ^２−（ｎλ／２）^２｝／（ｎλ） …（１）
【００１８】
そこで、機能可変素子１は液晶表示部２において、図５に対応した同心円のフレネルレンズパターンを描画する、つまり、各画素電極７に図６に示すような大きさの電圧Ｅを印加し、入射光に対する液晶の屈折率を変えて図５に等価な位相分布を形成する。それによって、所望の焦点距離ｆを有するフレネルレンズを液晶表示部２に形成することができる。さらに、同心楕円のフレネルレンズパターンを描画すれば、斜めの光軸を有するフレネルレンズを液晶表示部２に形成できる。
【００１９】
また、図７は一般的なフレネルプリズムの正面図であり、図８は図７のＢ−Ｂ断面図である。
液晶表示部２において、図８に対応したプリズムパターンを描画する、つまり、各画素電極７に図９に示すような大きさの電圧Ｅを印加し、入射光に対する液晶の屈折率を変えて図８に対応する位相分布を形成する。それによって、所望の偏向角（入射角に対する屈折角）を有するプリズムを液晶表示部２に形成することができる。
【００２０】
次に、図１に示す機能可変光学素子１の動作を説明する。記憶部３には、焦点距離の異なる種々のフレネルレンズ（斜めの光軸を有するフレネルレンズを含む）を描画するための複数のパターンデータおよび偏向角の異なる種々のフレネルプリズムを描画するための複数のパターンデータが予め格納されている。入力部４は手動操作によって選択指令信号を出力する選択スイッチ回路、又は外部から選択指令信号を受入れるＩ／Ｏポートから構成される。
【００２１】
選択部５は入力部４からの選択指令信号を受けて記憶部３から対応するパターンデータを選択する。描画回路６は選択されたパターンデータに対応するパルス電圧を表示部２の信号電極Ｘ_１，Ｘ_２…Ｘ_ｍと、Ｙ_１，Ｙ_２…Ｙ_ｎとに印加し、フレネルレンズ又はプリズムパターンを表示部２に表示する。
このようにして、機能可変光学素子１は、任意の角度の光軸と焦点距離を有するフレネルレンズおよび任意の偏向角を有するプリズムとして機能することができる。
【００２２】
実施例２
図１０は、この発明の実施例２の情報記録再生装置を示す構成説明図である。同図において、レーザ素子１２から出射されたレーザビームは、ホログラム素子１３を介してレンズアクチュエータ１４に入射され、さらにレンズアクチュエータ１４によって光ディスク１１上に集光されビームスポットを形成する。
【００２３】
そして、光ディスク１１からの反射したレーザビームはレンズアクチュエータ１４とホログラム１３を介して光センサ１５に入射する。光センサ１５は光ディスク１１上に形成されるビームスポットの大きさと位置を検出し、いわゆるフォーカシングセンサおよびトラッキングセンサとして働くようになっている。
【００２４】
図１１はレンズアクチュエータ１４の構成を示すブロック図である。同図に示すようにレンズアクチュエータ１４は図１に示す機能可変光学素子１と演算部１６を備える。
【００２５】
ここでは、入力部４は、演算部１６からの信号を受入れるためのＩ／Ｏポートにより構成される。なお、演算部１６はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭからなるマイクロコンピュータにより構成されるが、演算部１６と記憶部３と入力部４と選択部５を一体的にマイクロコンピュータで構成し機能可変光学素子１に搭載してもよい。
【００２６】
そこで、機能可変光学素子１は、演算部１６からの信号により記憶部３から選択されたパターンデータに基づいてフレネルレンズ（対物レンズ）を表示部２に形成し、ホログラム１３からのレーザビームを光ディスク上に集光し、ビームスポットを形成する。光センサ１５はフォーカシングエラーおよびトラッキングエラーを検出する。演算部１６は検出されたフォーカシングエラーとトラッキングエラーを受けて、それらを補正するために必要な焦点距離と光軸位置を算出し、算出された焦点距離と光軸位置を有するフレネルレンズパターンを選択する指令信号を入力部４へ入力する。
【００２７】
選択部５は入力部４からの指令信号に対応するパターンデータを記憶部３から選択し、描画回路６によって表示部１のレンズパターンを正しいレンズパターンに書き換える。
このようにしてフォーカシングエラーおよびトラッキングエラーが補正される。
【００２８】
実施例３
図１２は、図１１のレンズアクチュエータ１４を用いたファイバ接続装置を示す。同図に示すように、ファイバ接続装置２１は、筒状のハウジング２２の一端に発光素子２３を備え、他端の受け入れ部２４に光ファイバ２５に固着した接続端子２６が離脱可能に接続される。そして、素子２３と接続端子２６との間の光路中にレンズアクチュエータ１４が設置されている。発光素子２３から出た光は機能可変素子１を通って集光され、光ファイバ２５に入射する。
【００２９】
その際、光ファイバ２５への入射光量を光ファイバ２５の受光口で図示しない光センサによって検出し、その光量が最大になるように、表示部２が描画するフレネルレンズの焦点距離と、フレネルレンズのパターン位置（光軸）を調整する。これにより発光素子２３と光ファイバ２５とを効率よく光接続させることが可能となる。
【００３０】
実施例４
図１３は、図１に示す機能可変素子１と同等の素子１ａ，１ｂ，１ｃを３つ積層し、光ファイバ３１から出た光を光ファイバ３２と光ファイバ３３に接続切り替え可能な光スイッチ３４を示す。素子１ａ，１ｂ，１ｃにそれぞれフレネルレンズパターン，プリズムパターンおよび楕円フレネルレンズパターンを描画する。
【００３１】
まず、光ファイバ３１からの出射光を素子１ａのフレネルレンズパターンにより平行光線とし、次に素子１ｂのプリズムパターンにより偏向する。偏向された光は次の素子１ｃに斜めに入射するため、素子１ｃのフレネルレンズパターンを楕円として描画し、光を集光させて光ファイバ３２に入射させる。また、光ファイバ３２に入射させる場合には素子１ｂと１ｃのパターンを書き換える。
【００３２】
実施例５
図１４は、図１３の光スイッチ３４にプリズムパターンを描画する機能可変素子１ｄを追加したことにより、光ファイバ３２と３３を光ファイバ３１に平行に配置することを可能とした例である。この場合も、素子１ｂ，１ｃ，１ｄに描画するパターンを変化させることによって、光ファイバ３１からの出射光を光ファイバ３２と３３へ選択的に入射することができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によれば、予め複数のパターンデータを記憶した記憶部からパターンデータを選択し、選択したパターンデータによって所望のパターンを表示部に表示させることができるので、表示部は任意の光学特性を有するフレネルレンズやプリズムのような様々な光学素子を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１を示す構成説明図である。
【図２】実施例１の要部断面図である。
【図３】実施例１の要部の回路図である。
【図４】フレネルレンズの上面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図６】実施例１の表示部に印加される電圧波形例を示す波形図である。
【図７】プリズムの上面図である。
【図８】図７のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図９】実施例１の表示部に印加される電圧波形例を示す波形図である。
【図１０】実施例２の構成説明図である。
【図１１】実施例２に用いるレンズアクチュエータを示すブロック図である。
【図１２】実施例３の構成を示す断面図である。
【図１３】実施例４を示す構成説明図である。
【図１４】実施例５を示す構成説明図である。
【符号の説明】
１機能可変光学素子
２表示部
３記憶部
４入力部
５選択部
６描画回路
７画素電極
８第２ガラス基板
９液晶
１０第１ガラス基板

Claims

光透過型のアクティブマトリックス液晶表示部と、前記表示部に表示するための複数のパターンデータを格納する記憶部と、記憶部から任意のパターンデータを選択する選択部と、選択されたパターンデータに対応するパターンを前記表示部に表示させる描画回路とを備えた機能可変光学素子。
外部からの指令を受けて選択部に選択すべきパターンデータを指示する入力部をさらに備える請求項１記載の機能可変光学素子。
表示部は、第１基板と、第１基板上に平行に設けられた複数の第１信号線と、第１基板上に第１信号線に直交する方向に平行に設けられた複数の第２信号線と、第１基板上で第１および第２信号線により区画される各部分に設けられた画素電極と、第１および第２信号線の各交差部にそれぞれ配置され第１信号線から信号を受けてオン・オフするスイッチ素子と、画素電極に対向して設けられ対向面に共通電極を有する第２基板と、第１および第２基板間に挿入されたネマティック液晶を備え、スイッチ素子を介して第２信号線が画素電極に接続されてなる請求項１記載の機能可変光学素子。
スイッチ素子が結晶性シリコンＴＦＴからなる請求項３記載の機能可変光学素子。
請求項２記載の機能可変光学素子と演算部とを備え、記憶部は焦点距離と光軸位置の異なる複数のレンズパターンデータを格納し、演算部は外部信号をうけて焦点距離と光軸位置を算出し、算出した焦点距離と光軸位置を有するレンズパターンを機能可変素子の表示部に表示させるレンズアクチュエータ。
光源と、光源からの光ビームを可変光学素子を介して記録媒体へ案内する請求項５記載のレンズアクチュエータと、記録媒体からの反射光を受光する受光部と、記録媒体に対する可変光学素子の焦点距離および光軸の誤差をそれぞれ検出する光センサとを備え、レンズアクチュエータは、検出された誤差を補正するための焦点距離および光軸位置を有するレンズパターンデータを演算部で決定し、対応するレンズパターンを表示部に表示させる情報記録再生装置。
第１の光ファイバと、第２の光ファイバとを光学的に接続する接続部を備え、その接続部が請求項１記載の機能可変光学素子からなるファイバ接続装置。
光を発光又は受光する光素子と複数の光ファイバとを選択的に接続する光路切換部を備え、その光路切換部が、請求項１記載の機能可変光学素子からなる光スイッチ。