JP2013522668A - らせん構造を有する液晶を含む位相変調器 - Google Patents

Abstract

本発明は所与の波長範囲内で放射する、非偏光の光線位相変調器に関し、それがらせん構造とセルに電圧を加える手段とを有する液晶を含む、少なくとも１つの前記セルを備え、前記液晶が、電圧の点で連続的に安定な挙動を確保するために、その曲げの弾性定数（Ｋ_３３）よりも大きい、ねじりの弾性定数（Ｋ_２２）を有し、前記液晶が十分な巻数を持ち、そこでらせんの軸が、電界の方向に関係なく同一である電界に対して、液晶により生み出される光学的効果を得ることを可能にする、光の伝播方向にあり、前記セルが前記波長範囲内で透明であることを特徴とする。

Description

本発明の分野は、レンズ、波面補正器のような光学装置における用途を有し、そして特に光学ズームレンズ又はカメラ内に組み込まれるための、液晶に基づく装置に関する。一般に、波面補正器は、レーザー光線の収差を修正するため、及びそうすることによって出力において生成される前記出力光線の集束品質を高めるために、パワーレーザー装置においても有利に使用され得る。

図１はレーザー光線Ｆａの一定の収差を補正し、それをレンズ３の焦点において行なうために使用され得る、液晶に基づく位相変調器１を用いた、従来技術からの例示的構成を説明している。この装置は、それゆえ位相測定装置２及び、入射光線の収差を修正し、そして修正された光線Ｆｃを供給するために、入射光線の位相を時折修正できるようにする、フィードバック・ループＢｒにおけるフィードバック手段もまた備える。位相は、光線によって確認される光学指数に直接関係付けられ、これは次の関係で直接的に表わされる。

Φ＝２пｎ（λ）ｚ／λ
ここでｚは媒体中を光線が移動する距離である。

液晶セルの主要な特徴の１つは、電界を加えることによって、媒体の光学指数の変化を起こすことができるという事実にある。確かに、液晶の分子とりわけネマチック分子は、図２に表わされているように、それぞれ配向ベクトルＤに沿った通常の光軸と、前記配向ベクトルＤに直角な特別の光軸とを有する。これらの分子は、加えられた電界の作用及び、それぞれ（分子の方向付けを始め得るために必要な電界未満の）弱電界、平均的電界、及び強電界に関連する、図２に表わされている３つの位置（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の下で方向付けされることができる。

前記分子の向きを変えることにより、媒体を通過する光線によって確認される平均光学指数を変えることが可能となる。一般に、セル内に組み込まれた、より具体的には、入力における偏光子と、その１つが前の表面状態のおかげで分子を初期状態に拘束できるようにする２つの基板とを含む、プラス又はマイナスの誘電異方性の、ねじられていないネマチックが用いられる。

そのような装置は、液晶の配向ベクトル軸の方向に偏向した光で動作する。プラスの誘電異方性の場合、装置の入力における光は、装置が休止状態（ゼロ電圧）にあるとき液晶の特別な指数を見出し、液晶分子が真直ぐになると共に電界が増加するにつれて、光は通常の指数と特別な指数との間の中間指数を見出す。非偏光の位相を修正するために、この移相動作は電界の両方の要素に対して行なわなければならず、このために、Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｆｌｏｒｉｄａ， Ｏｒｌａｎｄ， Ｆｌｏｒｉｄａ， ３２８１６のＹｉ−Ｈｓｉｎ Ｌｉｎ， Ｈｏｎｇｗｅｎ Ｒｅｎ， Ｙｕｎｇ Ｈｓｕｎ Ｗｕ， Ｚｈｉｂｉｎｇ Ｇｅ ａｎｄ Ｓｈｉｎ−Ｔｓｏｎ Ｗｕ、及びＡｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｃｅｎｔｅｒ ａｎｄ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＭａｔｅｒｉａｌｓのＹｕｅ Ｚｈａｏ ａｎｄ Ｊｉｙｕ Ｆａｎｇによる論文：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｈｉｎ ｐｏｌｙｍｅｒ−ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ−ｌａｙｅｒｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅに記述されているように、２つの装置を重ね合わせるか、又はＧｏｒｄｏｎ Ｄ， Ｌｏｖｅ，によるＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ／Ｖｏｌ． ３２， Ｎｏ． １３／１ Ｍａｙ １９９３の論文：Ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｕｎｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔに記載されているように、四分の一波長板及びミラーを用い、こうして光を同じ装置内を２回通過させ、従って電界の２つの成分に作用することが可能である。

第一の場合、重ね合わせは視差の大きな問題を生じ、従って小さな画素を有するマトリックスの重ね合わせが許容されない。第二の場合、光路内での反射器の使用は反射装置となり、従ってそれは従来の光学的部分（例えば撮像装置の光学ズームレンズ）内には組み込まれ得ない。

また、その中に分子が厳密に相互に平行には配置されず、らせん構造を採用している、コレステリック・タイプの液晶セルが知られている。横断面が、らせんのｚ軸に直角な平面に沿った構造内で採られる場合、その平面内の分子のゆがみはネマチック液晶のものと類似であるが、望ましい分子の配向性の方向は、ｚ軸に沿って動く時にゆっくりと回転する。それゆえ周期的らせん構造が、層の平面に直角なｚ方向に沿って得られる。照明の波長及び、らせんのピッチに応じて、そのような構造は、以下の条件が確認される場合、部分的にミラーとして機能し得る。
ｐ＝λ／ｎ
ここでλは光波の波長、そしてｎは液晶媒体の指数である。

一般に、コレステリック・タイプの液晶は、配向ベクトルと呼ばれる、空間の好ましい方向ｎに自然発生的に向けられる。加えられた電界がそれらを一定の向きに拘束したとき、分子は変形に応じて、この状態に戻る傾向を有する。

変形は３つのゆがみへと分解され得る。実際、変形に応じて、液晶分子は全ての分子が整列する状態に復帰するように、それに対抗する効果を持つ一対の力を受ける。さらに、電界が前記分子に加えられるとき、分子はそれらの分極のために、電界に平行に整列する傾向を有する。

そのとき、電界に平行な整列の効果と、媒体の弾性的性質との間に競合が存在する。液晶分子の弾性変形は３タイプから成ると考えられ得る：
― 扇形に展開する変形と、
― ねじり変形と、
― 「曲げ」、また「屈曲」とも呼ばれる曲げ変形。

これら３つの変形タイプは図３に例証されている。

図４の線図は、電界を加えた際及び、電界の印加を徐々に除去した際の、異なったあり得る状態の存在を例証している。

より具体的には：
― いわゆる「平面的」状態Ｐは、分子が垂直軸を有する、らせんの状態に相当する。
― いわゆる「焦点円錐形の」状態ＣＰは、プラスの誘電異方性を有する液晶分子に対し、らせん軸において、電極の平面に直角方向の平均ε（イプシロン）よりも小さい、直角ε（イプシロン）が存在する状態に相当する。電圧のある状態で、変形する前のらせんは横になる傾向を有する。
― いわゆる「ホメオトロピック」状態Ｈは、「平面的」状態から、或いはそれが完全に巻きを解かれるまでピッチが徐々に増加するであろう「焦点円錐形の」状態から直接来る、全ての分子が垂直な状態に相当する。
― 「過渡的平面の」状態ＰＴは、ピッチがその初期ピッチよりも大きい「平面的」状態に相当する。

「平面的」／「ホメオトロピック」の移行は、より詳細に研究されている。液晶分子は、層の平面に直角な、らせん軸を有するらせん構造を形成する。分子がこの軸と共に形成する、いわゆる極角θは、加えられた電界の減少につれて増加する傾向がある。この角度がπ／２に等しいとき、分子はいわゆる平面的構造の状態にある。

このアプローチにおいて、極角θはｚ軸と無関係であり、そして「曲げ」のパラメータが一定であるような方法で、方位角φが、ｚ軸に沿って、らせんの波数ベクトルに対し定数ｑを用いて変化すると考えられ、これらの角度は図５に表わされている。

分子の配向ベクトルｎの成分は、それゆえ次の式によって与えられる：
ｎ_ｘ＝ｓｉｎθｃｏｓ（ｑｚ）、ｎ_ｙ＝ｓｉｎθｓｉｎ（ｑｚ）、及びｎ_ｚ＝ｃｏｓθ

自由エネルギーは次の式によって与えられる：
ｆ＝（１／２）Ｋ_２２（ｑ_０−ｑｓｉｎ^２θ）＋（１／２）Ｋ_３３ｑ^２ｓｉｎ^２θｃｏｓ^２θ＋（１／２）Δεε_０Ｅ^２ｓｉｎ^２θ

ｑ_０はゼロの電界を伴う定数に相当する。
らせんのピッチｐはπ／ｑに等しい。
定数Ｋ_２２及びＫ_３３はねじり及び「曲げ」の弾性定数に相当する。

次のパラメータ：
Ｋ_３＝Ｋ_３３／Ｋ_２２、Ψ＝ｆ／Ｋ_２２ｑ_０ ^２、及びｅ＝Ｅ／Ｅｃ
を用いることにより、次の式が得られる：
Ψ＝（１／２）（１−λｓｉｎ^２θ）＋（１／２）Ｋ３Ψ^２ｓｉｎ^２θｃｏｓ^２θ＋（１／２）（п／２ｅ）^２ｓｉｎ^２θ

パラメータΨを最小化するために探求することにより、以下が得られる：
λ＝１／（ｓｉｎ^２θ＋Ｋ_３ｃｏｓ^２θ）
及びｑ＝ｑ_０／（ｓｉｎ^２θ＋Ｋ_３ｃｏｓ^２θ）

極角θが非常に小さいとき、
ｑ＝ｑ_０／Ｋ_３＝（Ｋ_２２／Ｋ_３３）ｑ_０
従ってらせんのピッチｐ＝（Ｋ_２２／Ｋ_３３）ｐ_０
と考えることができる。

既知の液晶の大部分に関して、比率Ｋ_３３／Ｋ_２２は１よりも大きく、約２にさえもなる。従って、らせんの初期ピッチｐ_０の約２倍の、らせんのピッチが得られる。それに加えて、非常に小さい極角θでは、次の方程式を得ることができる：

円錐らせん構造において安定状態を持つことが可能かどうかを解析するため、関数Ψの第二の導関数が研究される。

角度θ（又はｓｉｎ^２θ）に関係する第二の導関数は、次のように書かれる：

そして効果的に、Ｋ_３３＞Ｋ_２２の場合、角度θにかかわらず１−Ｋはマイナスであり、従ってそのエネルギーは下向きの凹面を有する曲線であり、図６に例証されているように、最小値、それゆえ安定状態を示さない。

出願者はそのような、従ってこのようならせん構造において安定状態を生み出すため、そしてそれは位相変調に関して有効に使用され得る構造を持つことを可能にするため、及びそれゆえ現在らせん構造の液晶変調器で遭遇する双安定の問題を克服するため、その係数Ｋ_３３よりも大きい係数Ｋ_２２を有する液晶を用いることを提案する目的で、この解析から出発した。

より具体的には、本発明の主題は所与の波長範囲内で放射する、非偏光の光線位相変調器であり、それがらせん構造とセルに電圧を加える手段とを有する液晶を含む、少なくとも１つの前記セルを備え、前記液晶が、電圧の点で連続的に安定な挙動を確保するために、その曲げの弾性定数（Ｋ_３３）よりも大きい、ねじりの弾性（ｅｌｅｃｔｒｉｃ）定数（Ｋ_２２）を有し、前記液晶が十分な巻数を持ち、そこでらせんの軸が、電界の方向に関係なく同一であるその電界に対して、液晶により生み出される光学的効果を得ることを可能にする、光の伝播方向にあり、前記セルが前記波長範囲内で透明であることを特徴とする。

従って、先行技術の如く２つのマトリックスを重ね合わせる必要はなく、あるいは反射器を使用する必要はない。十分な巻数を有し、そのらせん軸が光の伝播方向にある、らせん状液晶の使用は、電界の方向にかかわらず同一であるこの電界に対して、液晶により生み出される光学的効果を得ることを可能にする。それゆえ、非偏光は（任意の座標システムの）２つの成分に対して、同じ修正を受ける。

本発明の１つの変形によれば、液晶はコレステリック液晶である。

本発明の１つの変形によれば、液晶はネマチック液晶とコレステリック分子を含む混合物である。

本発明の１つの変形によれば、液晶は塩化コレステリルとミリスチン酸コレステリルの混合物である。

本発明の１つの変形によれば、セルの厚さ及びらせんのピッチは、らせん構造において少なくとも一巻きのらせんを生成するように測られる。

本発明の１つの変形によれば、変調器は空間光変調器を構成するように、液晶セルのマトリックス配置を備える。

本発明の別の主題は、本発明による位相変調器と、前記位相変調器によって変調されることが意図される発光源とを備えることを特徴とする、光学装置である。

さらに本発明の別の主題は、本発明の変調器を備える光学装置を含むことを特徴とする、可変の焦点距離を有するレンズである。

本発明の別の主題は、変位手段に結合された少なくとも１つのレンズと、本発明による可変の焦点距離を有する１つのレンズとを備えることを特徴とする、ズームレンズである。

本発明の最後の主題は、本発明による位相変調器と、前記変調器の出力における位相測定手段と、前記位相変調器に作用するフィードバック手段とを備えることを特徴とする、光線の波面を修正するための装置である。

本発明は、制限されない例として与えられている以下の記述を読み、添付図を用いることによって、より良く理解され、他の利点が明らかになるであろう。

先行技術による位相変調器を含む、例示的な波面修正装置を図解している。 電界の作用下での、液晶分子の向きを図式的に表わしている。 液晶がそれに従う、異なるタイプの弾性変形を例証している。 コレステリック分子の、可能な異なる状態の線図を例証している。 液晶分子の極角及び方位角を図解している。 先行技術による、係数Ｋ_３３よりも小さい係数Ｋ_２２を有する、液晶分子に関する極角θの関数としての、自由エネルギーの傾向を図解している。 本発明による、係数Ｋ_３３よりも大きい係数Ｋ_２２を有する、液晶分子に関する極角θの関数としての、自由エネルギーの傾向を図解している。 本発明の空間変調器における、らせんの巻数の関数としての、入力における直線的な偏光に対して誘起される楕円率の傾向を図解している。

一般に、及び本発明に従って、位相変調器は非偏光モードにおいて動作し、光線によって照らされる、少なくとも１つの液晶セルを含む。液晶は、用途によってカバーされる照射範囲内のブラッグ・ミラー（Ｂｒａｇｇ ｍｉｒｒｏｒ）の如く挙動しないように計算された、らせんのピッチを有する。

典型的には、可視光線における動作に関して、約０．５μｍよりも大きいらせんのピッチが選定され得る。

それは電圧と、有利なことに、液晶分子の事前方向付けを支援出来るようにする表面処理とを加えることを可能にする、少なくとも２つの表面を含む液晶セルを備える。液晶分子は、前記セルに加えられた電界に依存する可変らせんピッチを有する、らせん構造に組織され得るように選ばれる。それはコレステリック分子の存在のおかげで、らせん構造が与えられる、純粋な液晶であっても、ネマチック・タイプの液晶であってもよい。

本発明の位相変調器において適用される原理は次の通りである：

光は、加えられた電界の有無にかかわらず、位相変化Δφ＝Δｎ ｄ／λ пを受けることができ、それが実質的に光の回転効果を受けずに可能な、いわゆる「超ねじれ」らせんとして組織され、十分に薄い分子の構造を有するセルを通過し、それゆえ前記光が十分ならせん巻数を見出す場合、平均指数ｎ_ｅｆｆ＝（１／２）（ｎ_ｅ＋ｎ_ｏ）を体験する。

セルの厚さは、１００％に近い伝送モードの動作を可能にするように選ばれ、それは位相変調される光線の入射角にかかわらず達成される。

液晶セルは、その係数Ｋ_３３よりも大きい係数Ｋ_２２を有する液晶を含む。

典型的には、条件Ｋ_２２＝４・Ｋ_３３において、図７に例証されている曲線が得られ、こうして安定な状態の存在に関係する電位の窪みを伴う曲線を現わす。

生み出され得る遅れは、セルの厚さに比例する。厚さが増加するとき、誘起される楕円率は減少する。しかしながら、より高いアドレス指定電圧が必要である。位相又は遅れの変動範囲を増加させる１つの方法は、適切ならせんピッチを用いていわゆる「超ねじれ」率を増すことである。

典型的には、８μｍの厚さを有するセル１２πでは、通過する光は完全な６巻きのらせんに遭遇する。

これは、約１．２３μｍ〜１．４５μｍの間の、コレステリック構造のピッチを用いて得られ、電極表面はまた従来通り、摩擦によって前記表面の縁における分子の、前もっての向きに影響を与えることを可能にする表面処理を含む。

電圧０Ｖから印加電圧２０Ｖに切り替えることにより、０．１のｄｎ ｅｆｆ及び０．８μｍの波長に対して、２πの位相シフトをそれゆえ生み出すことが可能である。

それでもなお、光が体験すべき巻数とセルに加えられるべき電圧との間に最適値が存在する。実際に、らせんの巻数が多い程、加えられるべき電圧は高くなるが、楕円率はより良好になる。

出願者は、従って５５０ｎｍでスキャンされたセルに対して、図８に例証されているこの観察を明らかにすることが出来た。

液晶セルは、その係数Ｋ_３３よりも大きい係数Ｋ_２２を有する液晶を含む。

可視にて動作するマトリックス位相変調器の例
変調器は従来から、位相変調マトリックスを生成できるように、制御マトリックスによってアドレス指定され得る画素のマトリックスを含む。典型的には、画素は５０μｍ×５０μｍの寸法を有し、その全体は数ｍｍを形成する。電極は従来通り行と列で組織される。有利なことに、画素はトランジスタにより制御され、能動マトリックスを構成する。

液晶セルは、例えば塩化コレステリルとミリスチン酸コレステリルの、比率が１．７５：１の混合液晶を含む、コレステリック・タイプの液晶を備え、従ってその係数Ｋ_３３よりも大きい係数Ｋ_２２を有する。セルの厚さは約８μｍである。

そのような位相変調器は、有利なことに小さいズームレンズ内に、レンズとして組み込まれ得る。

Claims (10)

1. 所与の波長範囲内で放射する、非偏光の光線位相変調器であって、それがらせん構造とセルに電圧を加える手段とを有する液晶を含む、少なくとも１つの前記セルを備え、前記液晶が、電圧の点で連続的に安定な挙動を確保するために、その曲げの弾性定数（Ｋ_３３）よりも大きい、ねじりの弾性定数（Ｋ_２２）を有し、前記液晶が十分な巻数を持ち、そこでらせんの軸が、電界の方向に関係なく同一である前記電界に対して、前記液晶により生み出される光学的効果を得ることを可能にする、光の伝播方向にあり、前記セルが前記波長範囲内で透明であることを特徴とする位相変調器。
2. 前記液晶がコレステリック液晶であることを特徴とする、請求項１に記載の位相変調器。
3. 前記液晶がネマチック液晶とコレステリック分子を含む混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の位相変調器。
4. 前記液晶が塩化コレステリルとミリスチン酸コレステリルの混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の位相変調器。
5. 前記セルの厚さ及び前記らせんのピッチが、前記らせん構造において少なくとも一巻きのらせんを生成するように測られ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位相変調器。
6. 前記変調器が空間光変調器を構成するように、前記液晶セルのマトリックス配置を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の位相変調器。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の位相変調器と、前記位相変調器によって変調されることが意図される発光源とを備えることを特徴とする、光学装置。
8. 請求項７に記載の光学装置を含むことを特徴とする、可変の焦点距離を有するレンズ。
9. 変位手段に結合された少なくとも１つのレンズと、請求項８に記載の可変焦点距離を有する１つのレンズとを備えることを特徴とする、ズームレンズ。
10. 請求項６に記載の位相変調器と、前記変調器の出力における位相測定手段と、前記位相変調器に作用するフィードバック手段とを備えることを特徴とする、光線の波面を修正するための装置。

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