JP2744050B2

JP2744050B2 - 液晶セル窓

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Publication number: JP2744050B2
Application number: JP1050961A
Authority: JP
Inventors: ダニエル・ピー・レスラー
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 1989-03-02
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: DE68911338D1; EP0331462B1; DE68911338T2; EP0331462A1; JPH027022A; US4882235A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は一般に光学システムに関し、さらに詳しく
は、光学的位相調整式アレイのビーム方向制御システム
で光学的時間遅延器として使われる、選択可能な光路長
を与えるための装置に関する。

（従来の技術）目標検出の分野では、マイクロ波レーダシステムが障
害物の回避、地形地図の形式及び入江の検出の目的で長
年使われている。さらに最近、赤外波長でのレーダシス
テムが一層短い波長の光を利用して、極めて正確な地図
形式や物体識別のため、目標表面の高解像度の描写を与
えている。マイクロ波レーダシステムで確立された技術
を光学システムで利用するためには、類似のサブシステ
ムを開発する必要があった。

近年、マイクロ波レーダアンテナシステムは、機械的
に方向制御される回転アンテナによって与えられる遅い
移動と対照的に、高速ビーム移動用の位相調整式アレイ
を用いた電子方向制御にますます依存してきている。位
相調整式アレイはそのビーム指向性を、共通の信号源か
らアレイの各放射エレメントに至る時間遅延を変えるこ
とに依存している。各エレメントの遅延は、視準方向
（ボアサイト）からずれた目標に向かって放射される波
面が位相、振幅及び方向において、視準軸に沿って発生
される平行な光線をシミュレートするように電子的に同
調される。ダイオード移相ネットワークが各エレメント
と組み合わされ、必要な時間遅延を与えて、放射ビーム
の方向及びパルス輪郭を制御するのによく使われてい
る。

現在利用可能な技術は、光ビーム、特に大径で回折の
制限された二酸化炭素（CO₂）レーザレーダビームの高
速、広角な指向及び走査の必要性を満たすほど充分に発
達していない。多くのシステムは現在、光ビームの方向
制御が回転する光学素子を用いて行われている。そこ
で、マイクロ波のレーダシステムで今広く使われている
汎用性位相調整式アレイアンテナの光学版が強く望まれ
ている。

電気的に同調可能な光学的移相器の基本要素は時間遅
延器で、これによって例えば１ナノ秒の持続時間を有す
る赤外線光エネルギーのショートバーストが例えば1/4
ナノ秒遅延され、アンテナアレイの表面を横切る遅延さ
れた及び遅延されなかったバーストの複合光が、視準軸
からの角度で方向制御される波面となる。このような時
間遅延器の時間遅延は、ビームの方向制御を行うため電
気的に選択可能でなければならない。

（発明が解決しようとする課題）従って本発明の主な目的は、電気的に同調可能な光学
的移相器で使われる時間遅延器を提供することにある。

本発明の別の目的は、光通過用の電気的に選択可能な
通路を与える時間遅延器を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の前記及びその他の目的は一般に、光源からの
光ビームに応答し、光源と利用手段との間で光ビームの
選択可能な遅延時間を与える装置を提供することによっ
て得られる。本装置は、光ビームの偏光方向を選択的に
変える手段；光源と利用手段との間に複数の光路を与え
る手段で、複数光路の各々が異なる長さを有する；及び
光ビームの偏光方向に応じ、複数の光路の一つに沿って
光ビームを差し向ける手段；を備える。

本発明の好ましい実施例によれば、前記偏光方向を変
える手段は、電気制御信号の第１の値がセル窓に与えら
れたとき、入射ビームの偏光方向に90度の正味回転を与
える一方、制御信号の第２の値に応答してゼロ度の正味
回転を与えるネマチック相の液晶エルを含む。

好ましい実施例において、複数の光路の一つに沿って
光ビームを差し向ける手段は、光ビームに対して斜めに
配置された２つのブリュースタ板を含み、これらのブリ
ュースタ板がそこに入射する第１の偏光方向の光を実質
上すべて反射し、そこに入射する第２の偏光方向の光を
実質上すべて通過させる。

好ましい実施例において、複数の光路を与える手段
は、ブリュースタ板によって反射された光用の第１の光
路を与える第１の反射手段と、ブリュースタ板を通過し
た光用の第２の光路を与える第２の反射手段とを含み、
これら第１及び第２の反射手段の一方が固定して装着さ
れ、他方が、２つの光路の長さの差が調整可能なよう
に、移動可能に装着されている。

さらに本発明の原理によれば、光位相調整式アレイに
よる光ビーム方向制御システムは、所定偏光方向の実質
上平行な光のビームを発生する光源手段；及び光ビーム
の選択可能な遅延時間を与える複数の手段で、該遅延時
間を与える複数手段の各々が光ビームの断面積の別個の
区分に応答し、また前記遅延時間を与える手段が光ビー
ムの選択可能に遅延された断面積の区分を射出光ビーム
へと再結合し、さらに前記遅延時間を与える複数手段の
各々が本発明の好ましい実施例による装置からなる。

本発明の別の特徴によれば、液晶セルの窓がセル電極
を備える。セル窓は導電性にされると同時に、イオン注
入の利用により赤外線スペクトルの範囲で光学的に透明
なままとされる。

本発明の上記以外の特徴及び利点は、添付の図面、好
ましい実施例の詳細な説明、及び特許請求の範囲の記載
からより完全に理解されよう。

（実施例）まず第１図を参照すると、マイクロ波位相調整式アレ
イ（マイクロウェーブ・フェーズド・アレイ）の構造と
類似した基本構造を持つ光ビームスキャナが示してあ
る。第１図の光ビームスキャナは、９〜11.5μｍの範囲
の特有波長、例えば10.6μｍの波長を有し、一般に赤外
スペクトル内の平行光ビームを与える光源及びビーム形
成ネットワーク30を含む。光ビームは、本発明が実施さ
れた複数の時間遅延器32に向かって差し向けられる。時
間遅延器32は各々、ネットワーク30から受け取ったビー
ムに選択可能な遅延を与える。各時間遅延器32を通過し
た光は、それぞれ複数の位相器36からなるサブアレイ34
に導かれる。各移相器36は、サブアパーチャ38を横切っ
てビーム方向制御を与えるように、０から２πラジアン
の間で移相する。従って、個々の時間遅延器32によって
駆動されるとき、サブアレイ34のサブアパーチャ38全体
が、高出力レーザレーダビームの高速方向制御のため
に、単一の大径アパーチャをエミュレート可能なことが
明らかであろう。

第１図の光ビームスキャナは、４つの移相器36からな
るサブアレイ34に各々光を与える４つの時間遅延器32を
有するものとして示してある。但し、これらの図示は理
解を容易にするために過ぎないことが理解されるべきで
ある。実際上、各サブアセンブリ34は一般に数千、例え
ば直線1cm当たり2000の移相器36からなり、サブアパー
チャのスパン38として示したサブアレイの直径は、普通
の方向制御、例えば±30゜で30cm（12インチ）程度、信
号の帯域幅はほぼ1GHzである。

次に第２図を参照すると、第１図に時間遅延器32とし
て示したものとし得る、本発明による光学的時間遅延器
10が示してある。時間遅延器10は、切り換え可能な偏光
回転体12と14、ブリュースタ板16と18、鏡20と22、及び
偏光回転体12と14を制御する回路24で構成される。制御
信号26が、制御回路24から偏光回転体12と14に発生され
る。第１の状態では、制御信号26が両偏光回転体12と14
を通過する光の偏光方向を回転させ、また制御信号26の
第２状態では、両偏光回転体12と14を通過する光の偏光
方向が影響されない。

（外向き矢印で示すように）第２図の図面用紙から外
へ出る方向の任意に選ばれた偏光ベクトルを有し、中心
線11で表された入射光ビームが、偏光回転体12に与えら
れる。制御信号26の状態に応じ、偏光回転体12から現れ
る光は、（図面平面内の上向き矢印で示すように）回転
された外向き偏光ベクトルを有するか、あるいは影響さ
れないそのままの偏光ベクトルを有する。偏光回転体1
2、14として使用可能な素子は第3A−3E図に示してあ
り、これらの図面に関連して詳述する。

第２図に戻ると、偏光回転体12から現れた光は、入射
光に対して斜めに、一般にはブリュースタ板16の材料の
ブリュースタ角βをなして位置されたブリュースタ板16
に入射する。ブリュースタ板16はセレン化亜鉛で作製で
き、この場合ブリュースタ角は約67度である。あるい
は、ブリュースタ板16は、米国ペンシルバニア州サクソ
ンバーグ所在のTwo−Six社から市販されている薄膜偏光
子など、１以上の薄膜コーティングを含む強化型として
もよい。ブリュースタ板は、そこに入射する光の偏光方
向に応じて作用する光学装置である。図示例では、（入
射平面内で）上向きの偏光ベクトルを含む光ビームがブ
リュースタ板16を通過する一方、（入射平面に直角な）
外向きの偏光ベクトルを含む光ビームは表面16aで反射
される。ブリュースタ板16と18を通過する光の屈折は、
本発明の理解にとって必要ないので図面に示してない。

ブリュースタ板16で反射された光は鏡20の反射面20a
に向かい、そこから鏡22の反射面22aに向かい、そこか
らさらにブリュースタ板18の表面18aへと反射される。
鏡20と22は光の伝播方向に対して斜めに位置し、一般に
は、鏡22からブリュースタ板18へ反射された光がブリュ
ースタ板18を通過するビームと一致するように、表面20
a及び22aは表面16a及び18aとそれぞれ平行である。

ブリュースタ板18はブリュースタ板16と同じで、外向
きの偏光ベクトルを持つ光をより効率的に反射する一
方、上向きの偏光ベクトルを持つ光を透過する膜コーテ
ィングを表面18aに施してもよい。ブリュースタ板18は
そこへ入射する２つの光ビームに対して斜めに、一般に
はブリュースタ板18の材料のブリュースタ角βをなして
位置され、表面18aからの光はブリュースタ板16に向か
った光と同軸状である。

最後に、ブリュースタ板18からの光は、偏光回転体12
と同じで、同一の制御信号26に応答する偏光回転体14を
通過する。この結果、偏光回転体14から現れる出射光ビ
ームは、入射ビームと同じ偏光方向を有する。尚、偏光
回転体14の唯一の機能は、最初の偏光ベクトルを出射光
に復元することにある。本発明の特定の用途でこの機能
が必要なければ、偏光回転体14は省いてもよい。

要約すれば、偏光回転体12と14を通過する光の偏光方
向を回転させる制御信号26の第１状態では、時間遅延器
10に与えられる光は各要素12,16,18及び14を通る第１の
光路を辿る。偏光回転体12と14を通過する光の偏光変更
に影響を及ぼさない制御信号26の第２状態では、時間遅
延器10に与えられる光は要素12を通り、各要素16,20,22
及び18で反射され、要素14を通る第２の光路を辿る。第
２図において、この遅延は光路28a,28b及び28cの各長さ
の和から光路29の長さを引いたものに等しい。

第3A及び3B図を参照すると、第２図の実施例の切り換
え可能な偏光回転体12,14として使える液晶電気−光学
的セル40の側面図が示してある。セル40は、導電性層44
と反射防止層46,47を含むセル窓42を有する。両側のセ
ル窓42（及びそれらの被覆層）は、セルスペーサ48によ
って離間されている。セル40内の液晶分子50は、いわゆ
る“ネマチック”相の長く、細く、ロッド状の有機分子
である。

セル窓42は、CO₂レーザから発せられる波長、一般に
は10.6μｍを有する赤外線光に対して低い吸収を示さな
ければならない。セル窓42として使える一般的な選択候
補の中には、セレン化亜鉛、ヒ化ゲルマニウム及びガリ
ウム、塩化カリウムなどのハロゲン化塩が含まれ、これ
らは全てCO₂レーザ光に対して比較的透明である。ま
た、セル窓42を横切って電気導電性を与える層44も、上
記波長に対して光学的に透明でなければならない。

透明材料のプレート表面上に、酸化インジウム−スズ
（ITO）や酸化インジウム（In₂O₃）などの薄膜導体を被
着することによって、光学的に透明な電極を形成するこ
とは当業者にとって周知である。これらの導電膜は本質
的に、高い電子濃度と低いキャリヤ移動度のため、赤外
線領域においてロスを生じる、すなわち赤外線エネルギ
ーを吸収する。厚さ数千オングストロームの酸化インジ
ウム−スズ膜は、可視スペクトル範囲で約80〜90％を透
過し、200オングストローム厚の同膜10.6μｍの波長で
約50％を透過する。酸化インジウムは20〜50オーム／ス
クウェアの膜シート抵抗の場合、８〜12μｍの間の波長
で65〜80％を透過することが報告されている。

また、液晶セルを横切って一様な電場を確立するため
の赤外線透過基板として、ゲルマニウムなど一部の半導
体材料が使えることも当業者にとって周知である。真性
ゲルマニウムにおける赤外線エネルギーの吸収は、酸化
インジウムを含む膜での吸収より著しく少ない。真性ゲ
ルマニウムは一般に、赤外線エネルギーに対して0.03cm
^-1の吸収係数を有し、従って２ミリ厚のゲルマニウム性
セル窓は入射エネルギーのうち0.6％だけを吸収する。

このような透明電極の一つの欠点は、単一基板上に電
極パターン、つまり複数電極のパターンを作製するのが
困難なことである。つまり、材料の表面抵抗率のため、
表面を横切る漏れ電流が許容できないほど高くなる。複
数電極の場合、電気絶縁は、ｐ形基板にｎ形電極を注入
形成するなど、電極を相互に絶縁分離するための背中合
わせのダイオードを用いる標準的な方法によって達成で
きる。本特定例において、上記の絶縁方法は、ダイオー
ドを安全に逆バイアスするのに必要な電位が液晶内に望
ましくない反応を誘起するという理由で問題がある。ま
た、接合を形成するのに必要なドーパントが光エネルギ
ーをさらに吸収する。

あるいは、絶縁性の透明基板上に、KClなどの透明な
半導体材料を必要な電極パターンで被着してもよい。し
かしその後、基板に反射防止材料を被覆する際に、半導
体電極と基板の間でほとんどの光学的屈折率が一致しな
いことから困難が生じる。

本発明の好ましい実施例によれば、光学的に透明な電
極がイオン注入プロセスによってセル窓42に設けられ
る。図示のセル窓は、代表例として１インチ（2.54cm）
の直径と1mmの厚さを有する、ヒ化ガリウムなど光学的
に透明な半絶縁結晶性材料の小スラブから作製されてい
る。かかる厚さのヒ化ガリウムは、ここで対象とする赤
外帯域の光エネルギーに対し非常に低い吸収を呈する。
また、ヒ化ガリウムは107オーム−cm程度の高い抵抗率
を有する。結晶性スラブの半絶縁特性は、例えば液相シ
ール・ツォクラルスキー（LEC）法など周知の成長技術
によって得られる。あるいは、その他周知の技術を用い
てクロムをドープしてもよい。スラブはその後の工程前
に、化学−機械的に研磨される。

次いで、スラブの片面が、光感知性ポリマーとし得る
フォトレジストで被覆される。本例では、マサチューセ
ッツ州ニュートン所在のShipley社から市販されている
ポジティブフォトレジスト、タイプ1400−31をスラブに
施した後、90℃で３分間加熱工程が行われる。その後被
覆スラブは少なくとも10分間水和され、この間に冷え
て、水蒸気を吸収する。

次いで、電極を構成すべく被覆表面の部分をフォトマ
スクで覆ってから、表面を約3.5秒間紫外線光に露出す
る。露光後、90℃で20〜30分間加熱工程を施した後、約
１分間アルカリ溶液中でフォトレジストパターンを現像
し、この工程で（マスクで被覆しなかった）露光フォト
レジストが溶解する。その後、スラブは約１分間水で洗
浄される。

次の工程はイオン注入プロセスで、イオン、一般には
²⁹Siが100KeVのエネルギー及び線量で、準備された表面
にボンバードされる。周知のように、ボンバードイオン
は、フォトレジストで被覆されていない領域だけに注入
される。上記の線量はアニール処理後に、約100〜300オ
ーム／スクウェアのシート抵抗率を与えるべきである。
イオン注入後、残っているフォトレジストがアセトン内
で除された後、酸素プラズマによる除去がなされる。

イオン注入工程後のアニール工程は、注入イオンを電
気的に活性化し導電性とする。本例では、半絶縁材料の
イオン注入スラブが約２時間にわたり最大900℃の温度
へと傾斜加熱された後、冷却される。アニール処理は、
過圧状態のヒ素を含む密閉器内で行われる。

液晶セルの窓で使われる電極を、イオン注入によって
製造するプロセスの最後の工程はメタライゼーション工
程を含み、金属がスラブ上に被着されてイオン注入領域
と電気接触され、例えば超音波ボンディングによる電位
源への電気接続用のボンディングパッドを形成する。メ
タライゼーション工程は、例えばニッケル、金ゲルマニ
ウム及び金など通常の材料、並びに当業者にとって周知
なプロセスを用いて達成される。

上記のプロセスによって、電極を形成するのにイオン
注入を用いた光学的に透明な半絶縁結晶性材料のシート
上に光学的に透明な電極が設けられる。つまり、結晶性
材料のシート全面よりも小さい電極領域が、対象とする
赤外線波長の範囲、例えば９〜11μｍの放射エネルギー
に対して、シートの非注入領域と実質上同等の透過特性
を呈する。

上記のプロセスは例示に過ぎず、制限を意図するもの
でない。ゲルマニウムイオンも注入で行える。また、一
部の半絶縁結晶性材料及び注入イオンでは、注入イオン
によるスラブのボンバードによって生じる損傷で導電性
とするのに充分でアニールの必要がないので、アニール
工程を行わなくともよいことが理解されよう。

ここで説明する本発明の適用例では各セル窓に１つの
電極を設けるだけでよいが、前記のプロセスは任意の数
の電極及びパターンにも適用可能であることが容易に理
解されよう。複雑な電極の幾何形状も、最新の半導体リ
ソグラフィによってのみ制限される特徴解像度で形成で
きる。

ほとんどの場合、セル窓の一方上にイオン注入電極を
設けるだけでよく、残りのセル窓は真性ゲルマニウムな
どの導電性材料で構成し得る。一般に、一方のセル窓上
のイオン注入電極パターンだけで、２つのセル窓間で適
切な電場を確立するのに充分である。

反射防止層46と47は、光が一方の光学的に透明な媒体
から他方の媒体へ通過するときの反射を減じる。単層及
び複数層の反射防止コーティングが当該分野で周知で、
反射を効率的に取り除くのに使われている。単層の反射
防止コーティングを、２つの媒体の屈折率の幾何平均に
等しい屈折率を持つ材料で構成するのが理想的である。
一例として、ゲルマニウム（ｎ＝4.0）製セル窓42外面
の反射防止層46は、硫化亜鉛（ｎ＝2.2）の1/4波長コー
ティングとし得る。また一例として、セル窓42内面の反
射防止層47は、液晶膜（ｎ＝1.7）との整合のためセレ
ン化亜鉛（ｎ＝2.4）で構成し得る。ハロゲン化物の窓
のように一部の例では、窓42と液晶分子50の両屈折率が
充分に接近するので、反射防止層47が必要なくなる。

液晶ネマチイック層の有機分子は、液状態でロングレ
ンジの（長く延びた）分子秩序を呈する。この秩序配向
が、第3A及び3B両図のセル40の分子50によって示してあ
る。第3A図では、光ビーム52が分子50の長手分子軸を横
切るｚ軸に沿って伝播し、また第3B図では、光ビーム54
が長手分子軸の縦軸に沿って伝播する。

ロッド状の形状と組み合わされたロングレンジの分子
秩序が、異方性の光学的特性を与える。第3B図に示すよ
うに、分子軸の長手縦方向に沿って伝播する光は、その
偏光方向に係わりなく屈折率n₀、いわゆる常屈折率を受
ける。一方第3A図に示すように、長手分子軸を横切って
伝播する光は、偏光方向が長手分子軸に直角のときは同
じく屈折率n₀を受けるが、偏光方向が長手分子軸に沿っ
ている場合には屈折率n_e、いわゆる異常屈折率を受け
る。中間の偏光方向の場合、実効屈折はn₀とn_eの間とな
る。

n₀とn_eの差が、複屈折率△＝n₀−n_eと呼ばれる。厚さ
ｔの液晶薄層を通って伝播する波長λの光は、φ（２π
／λ）ntで与えられる移相を受ける。但し、ｎは特定の
偏光及び伝播方向に該当する屈折率である。従って、整
列状態の液晶を通って伝播する常及び異常偏光に対する
移相の差は、δφ＝（２π／λ）ntとなる。量δφは遅
延量（retardance）としばしば称される。

この種の液晶は、遅延量δφを有する光学的遅延体つ
まり波長板として機能する。遅延体の“速い軸”、すな
わち低い方の屈折率従って最も速い波長速度を有する偏
光の向きは、液晶分子の配向方向によって決まる。多く
のネマチック液晶では、n₀よりn_eの方がが大きく、速い
軸が分子の配向軸と直交している。セルの厚さと複屈折
が、δφ＝（2i＋１）π、但しｉは任意の整数、となる
ように選ばれれば、セルは半波長板となり、直線偏光の
偏光面を回転するのに使える。第２図のセル12と14は上
記構成に基づいて選定され、偏光回転体として機能可能
である。

再び第3A及び3B図を参照すれば、装置全体で所望の複
屈折を呈するようにするため、液相は正しく、一様に整
列されねばならない。これは通例、セル窓42上のコーテ
ィング最内面47aを特殊処理するこによってなされる。
窓42上のコーティング最内面47aを、例えば微細な研磨
粉末で一方向に擦ることによって“調整処理”つまり溝
付けし、極めて微細で平行な溝を生ぜしめれば、最内面
47aに隣接した液晶分子50はそれらの微小溝に沿い且つ
それらの内部で自ら整列しようとし、従って優先選択的
に整列される。セル40が通常の場合のように薄く、また
本例のようにセル窓42上のコーティング最内面47aの溝
を平行にすれば、この位置配向は、相互に平行に整列し
ようとする分子50の固有の傾向によってセル全体に伝達
される。溝の一般的な深さは、液晶分子50の実効直径と
整合するように、わずか数オングストロームである。最
内面47aを調整処理する別の手段は、グレージング（限
界見通し）角に近い角度で誘電物をイオンビームによっ
て被着し、最内面47a上に小さい平行リブルを形成する
ことである。この浅い角度での被着技術は、現在におい
て好ましい技術である。何れの方法でも、溝は波長より
はるかに小さいので、可視スペクトルにおいても無視で
きる散乱しか生じず、従って赤外線域における散乱は極
めて微々たるものである。

液晶の分子50に電場を印加すると電気双極モーメント
が誘起され、液晶分子50はその内部構造に依存して、並
列または直角な電場によって整列し直そうとする。角セ
ル窓42の表面に透明で導電性の材料44が被覆され、電圧
源56からの電圧がセル40を横切って印加されと、本例の
ネマチック液晶の場合、分子50はセル面42に対して直角
に整列しようとする。これが、最内面47aの調整処理に
よって与えられていた配向の異方性を破壊する。つま
り、分子50は伝播の方向に沿って整列され、屈折率の差
ｘとｙ量偏光方向間で生じなくなる結果、遅延がスイッ
チオフされる。一般には、50μｍ厚のセル両端に数ボル
トを印加すれば、遅延量をその公称値からゼロへと減じ
るのに充分である。電圧源56からの電圧が取り除かれる
と、液体内の粘弾性力が最内面構造47aに従って分子50
を再整列しようとし、複屈折が復元される。光学的特性
は、電圧の循環印加と共に非常に反復性が高い。一般的
な全サイクルのスイッチング時間は、液晶材料及びセル
の幾何形状に応じ、数ミリ−多ミリ秒である。

第3A及び3B図の例の入／出射光ビームの偏光ベクトル
が、液晶セル40の偏光回転を示している。第3A図の例で
は、入射光ビーム52がｚ軸に沿って伝播し、横偏光ベク
トル53を有する。ベクトル53は角度α_ｉが45度となるよ
うに選ばれているので、ｘ軸方向のベクトル成分53xと
ｙ軸方向のベクトル成分53yは等しい。

セル窓42間に電場が存在しないと、分子50は優先選択
的に整列され、ｘ軸が遅い軸でｙ軸が速い軸となる。従
って、所定波長の光ビーム52と所定厚さのセル40（スペ
ーサ48の長さ）で、出射ベクトルのｘ成分55_xは入射ベ
クトルのｘ成分55_xと等しい。また同じ厚さのセル40の
場合、出射ベクトルのｙ成分55yは入射ベクトルのｙ成
分53_yと等しいが、180度位相がずれている。出射ベクト
ルのｘ成分55_xとｙ成分53_yは大きさが等しいので、合成
出射ベクトル55は135度の角度α_ｏを有し、大きさは合
成入射ベクトル53と等しい。つまり、入射ビーム52の横
偏光ベクトル53が分子50の優先選択整列から45度ずれて
いる本例の半波長板では、分子50を横切る電場の不在時
における液晶セル40の作用によって、出射光ビーム52′
の横偏光ベクトル55は入射光ビーム52の横偏光ベクトル
53に対して90度回転される。かかる半波長板の一般的な
セル厚は、British Drug House社から市販されているBH
D E7など一般的な液晶組成での赤外線領域における動作
の場合、26μｍとし得る。

第3B図を参照すると、電圧源56が導電性の両コーティ
ング44間に電位を与え、セル窓42間に電場Ｅを生じるこ
とによって、図示のごとく分子50を電場Ｅの方向に整列
させる。前述したように、分子50のこの配列構成では、
遅延量が生じない。つまり、横偏光ベクトル57（相互に
等しいｘ成分57_xとｙ成分57_yを含む）を有する入射光ビ
ーム54の場合、同じ所定波長の光ビーム54と同じ所定厚
のセル40で、出射光ビーム54′は入射光ビーム54と大き
さ及び偏光方向が等しい横偏光ベクトル59（ｘ成分59_x
とｙ成分59_yを含む）を有する。従って本例では、光ビ
ーム54の伝播方向に沿って分子50を整列させる電場Ｅの
存在下における液晶セル40の作用により、出射光ビーム
54′の横偏光ベクトル59は入射光ビーム54の横偏光ベク
トル57に対して影響されない。

要約すると、第3A及び3B図を参照して第２図を考慮す
れば、制御回路24からの偏光制御信号26セル12（及びセ
ル14）の分子を横切って電場を生じない場合、入射光ビ
ーム11の偏光方向はセル12によって90度回転され、得ら
れた光ビームがブリュースタ板16と18を透過してセル14
に至り、そこでさらに偏光方向が最初の状態へと回転さ
れる。一方、セル12（及びセル14）の分子を横切って電
場を生じさせる制御信号26の場合、入射光ビーム11の偏
光方向はセル12によって影響されず、得られた光ビーム
がブリュースタ板16と18で反射されてセル14に至り、光
は偏光方向に影響を受けずにそこを通過する。

n_e＞n₀で、その整列が“ホモジニアス（表面に平
行）”と称される上記したネマチック液晶の他、n_e＜n₀
で、印加電場と直角に整列し、その整列が“ホメオトロ
ピック（表面に垂直）”と称される上記以外のネマチッ
ク液晶も使える。つまり、ホメオトロピック配向用にセ
ル窓の表面を調整処理して、表面に直角な優先選択配向
を確立することもでき、この場合には印加電場が結晶を
表面に対して平行な向きとする。ホメオトロピック配向
結晶による偏光方向の回転も、ホモジニアス整列による
偏光方向の回転と類似していることは容易に理解されよ
う。

本発明の光学的時間遅延器で用いるのに適した他の形
態の液晶セルを、第3C図に示す。このセルはよく知られ
たねじりネマチック液晶セルで、液晶ディスプレイにお
いて広く使われている。この構成では、セル窓142の内
面142a上の整列溝がセル窓144の内面144a上の整列溝に
対して直角である。

第3C図の実施例においては、第3D及び3E図がそれぞれ
内面142aと144aの正面を示している点に留意されたい。
第3D図では、垂直の整列溝148がセル窓142の内面142aに
示してあり、一方第3E図はセル窓144の内面144a上の水
平な整列溝150を示している。

この整列溝“ねじり”配向の効果は、第3C図のセル14
0内の分子146を図示のように整列させる点にある。つま
り、内面142aに隣接した分子146は垂直方向に整列さ
れ、内面144aに隣接した分子146は（図面の用紙平面に
垂直な）水平方向に整列される。中間の分子146は、こ
れら２つの両極配向の間の中間配向を一様に取る。伝播
方向を横切る任意の方向に偏光された光の偏光方向は、
液晶分子の逐次ねじりをたどり、従って第3C図に示した
ねじりネマチック液晶セル140によって90度回転された
偏光方向になることは周知である。

第3C図のセル140は、第3A図のセル40と同じように両
セル窓142と144間の電位差に応答する。つまり、両窓間
に電場が存在すると、第3C図の実施例の分子146は第3B
図の分子50と全く同じように自らを整列しようとする。
従って、両セル窓142と144間に電位差が存在すれば、伝
播方向を横切る方向に偏光された光は、セル140を通っ
て伝播する間に伝播方向の変化を受けないことが容易に
明らかであろう。要約すれば、両セル窓142と144間に電
位差が存在しない場合、光の横偏光方向はセル140内で9
0度回転されるが、両セル窓142と144間に電位差が存在
する場合、偏光方向の回転は生じない。すなわち、セル
140は切り換え可能な偏光回転体として機能し、従って
第１図の実施例の要素12及び14として用いるのに適する
ことが明らかである。

第２図に概略的に示した時間遅延器10の基本実施例の
一つの欠点は、両光路の長さ間での遅延差をゼロ近くに
調整できないことである。ある決まったビーム幅の場合
には、ビームがビリュースタ板16と18から外れてそれる
ように、光路28aと28cの長さには下限がある。この点を
解消した時間遅延器60としての好ましい実施例を、第４
図に概略的に示す。

時間遅延器60は第２図の時間遅延器10と同等の要素を
用いているが、ブリュースタ板16と18を通る透過路の光
学的長さを調整する要素が付け加えられている。第４図
中、第２図に示したものと同じ要素は同じ指示番号で示
してある。

第４図を参照すると、ブリュースタ板16と18の間の上
向きベクトルを含む偏光が辿る光路内に、位置固定の２
つの鏡62,64と、矢印72で示した方向に調整可能に並行
移動台70上に装着された２つの鏡66,68とが介在されて
いる。ブリュースタ板16を通過した光が鏡62の反射表面
62aで反射され、鏡66の反射表面66aから鏡68の反射表面
68aへと向かい、さらに鏡64の反射表面64aに至る。表面
62aからブリュースタ板18へと反射されたビームは、ブ
リュースタ板16から現れたビームと同軸状である。

この実施例においては、２つの光路間の遅延差が、各
光路28a,28b及び28cの和と各光路74a,74b,74c,74d及び7
3eの和との差に等しい。従って、矢印72の方に沿った並
行移動台70の位置調整により、光路長さの遅延差をゼロ
を含む正負両方の範囲で与えられることが容易に明らか
であろう。

第５図を参照すると、例えば第７図に示すアレイのよ
うなビーム形成アレイで用いるのに特に適した、第４図
の実施例の各要素の特定構成が示してある。第５図の構
成は、光ビーム86を発する開口84を有したCO₂レーザ82
を含む。さらに第５図は、切り換え可能な偏光回転体12
と14、ブリュースタ板146と18、鏡20,22と62−68、並行
移動台70、及び制御信号26を発生する偏光制御回路24を
示している。これらの各要素は、前出の図面に関連して
すでに説明した同じ指示番号を持つ要素と同等である。
図中、偏光ベクトルを表す矢印が光ビームに沿って繰り
返し示してある。

第５図の構成において、鏡62は、各要素16,20,22及び
18で反射される光と異なる平面に光を反射するような角
度で配置されている。また鏡64は、鏡68から反射された
光が他方の光路の平面へと戻るような角度で配置されて
いる。第５図中、２つの遅延路の平面は直交するように
示してあるが、これは本発明にとって必要な制限ではな
い。

第６図は、さまざまな時間遅延の選択を与える光学的
時間遅延器の縦続構成を示す。装置151は、入射光ビー
ム154と一致して整列された複数（図示例では３つ）の
時間遅延器152a,b及びｃからなる。各々の時間遅延器15
2a,b及びｃは、第２図の実施例の時間遅延器10と同様で
ある。

代表として時間遅延器152aは、第２図の偏光回転体12
と同様な偏光回転体156aと、第２図の実施例の各要素1
6,18,20及び22と同様な光学要素で構成し得る遅延路光
学装置158aとを含む。第２図の時間遅延器10は出射光ビ
ームを最初の偏光ベクトルに戻すための偏光回転体14を
含むが、第６図の縦続構成では、最終段152cの後に位置
した１つのリセット用偏光回転体160だけが必要であ
る。

偏光制御回路162は複数の制御信号162a,b,c及びｄを
偏光回転体152a,b,c及び160にそれぞれ与え、縦続接続
された時間遅延装置151と通る光路の全長を形成する。
制御信号162a,b及びｃを時間遅延器152a,b及びｃへ適切
に加えることで、一般に2ⁿ個の異なる遅延のうち任意の
一つを、装置151を介して形成できる。但し、ｎは時間
遅延器の数である。第６図の実施例の各時間遅延器152
a,b及びｃはリセット用の偏光回転体を含んでいないの
で、制御信号162b,c及びｄによって与えられる機能は先
行する制御信号の状態に依存し、制御信号16dの状態は
制御信号162a,b及びｃのパリティの関数でなければなら
ない。

第７図は、第５図の好ましい実施例の４つの時間遅延
器80を含む構成の簡略図である。第７図は、2x2のアレ
イで配置された光ビーム方向制御システムを表してい
る。軸方向グループA102として示したアレイエレメント
は、光源及び出射光ビームと同軸状の時間遅延器の全光
学的要素、すなわち第５図に示したような切り換え可能
な偏光回転体12と14、ブリュースタ板16と18、及び鏡62
と64を含む。第７図中、固定遅延路A110として示した要
素は、第５図の実施例の鏡20と22を含む。さらに、第７
図中調整可能な遅延路A112として示した要素は、第５図
の実施例で並行移動第70に装着された鏡66と68を含む。

同様に、第７図のB,C及びＤの各軸方向グループ104〜
108と遅延路は、第５図に示したような他の３つの時間
遅延器80の対応する光学的要素で構成されている。第７
図の構成がビーム方向制御システムとして機能するため
には、一般にCO₂レーザである光源からの光が各アレイ
エレメント102〜108を照明するように第７図の図面用紙
に垂直な光軸に沿って差し向けられ、これらの各アレイ
エレメントはビームの断面積114の個別区分によってそ
れぞれ照明される。各軸方向グループからなるアレイエ
レメント、並びに対応した固定及び／又は調整可能な遅
延路を通過した後、各ビーム区分はそれぞれ、第１図の
スキャナでサブアレイ34として示したような移相器のサ
ブアレイに差し向けられる。４つの軸方向グループ102
〜108に対応した偏光制御信号を適切に選択することに
よって、（第１図に示したような）サブアレイ34からの
合成出射光ビームは、図面用紙に対して上、下、左、右
または垂直の方向に差し向けることができる。

第8A〜8C図は、各サブアレイが３つの移相器からな
る、３つのサブアレイの一次元アレイを用いたビーム方
向制御の簡略化した一例を示す。第8A,8B及び8C図の各
々において、各サブアレイの移相器（不図示）は、０と
２πラジアンの間の選定移相を与えることができる。各
サブアレイには、ビームに選択可能な遅延を与える時間
遅延器（不図示）から光が供給される。第8A、8B及び8C
図において、光のパルスは寸法Ｄだけ相互に離れたビー
ム中心を有する３つのコヒーレントな光源から発せられ
る。第8A図において、３つのサブアレイビーム120,121
及び122は同時に発生され、各バーストからの波面が、
アレイの表面に直角な、すなわち視準軸上の目標へ同時
に達する。

第8B図において、ビーム125のバーストはビーム124の
対応するバーストに対してt₁秒だけ遅延され、またビー
ム126のバーストはビーム125のバーストからさらにt₁秒
だけ遅延されている。この場合には、各バーストからの
波面が、視準軸の上方にθ₁sin^-1（ct₁/D）の角度で配
置された目標へ同時に達する。但し、ｃはt₁及びＤと適
合する単位の光速である。

同じく第8C図は、ビーム128の対応するバーストに対
してt₂秒だけ遅延されたビーム129のバーストと、ビー
ム129のバーストからさらにt₂秒だけ遅延されたビーム1
30のバーストとを示している。この場合には、各バース
トからの波面が、視準軸の下方にθ_２＝sin^-1（ct₂/D）
の角度で配置された目標へ同時に達する。

数値例について考えると、合成ビームを視準軸から10
度外れて差し向けるのが望ましく、且つサブアレイエレ
メントの各中心が相互に10cm離れているとすれば、一方
のバーストを他方のバーストに対してｔ＝Dsinθ/c＝0.
06ナノ秒遅延することによって、該当のビームを形成で
きる。これは、約0.7インチ（1.7cm）の光路長差に対応
する。

以上、本発明の原理を特に図面に例示した構造につい
て具体的に説明したが、発明に実施に際して、そのよう
な例示構造からの各種変更を行えることが理解されよ
う。例えば、第５図の実施例の２つの光路の平面間の角
度を変え、一例を第７図に示したアレイの構成を変化さ
せたり、2x2エレメントよりはるかに大きいアレイを構
成することは、当業者の能力内に充分含まれるものと考
えられる。さらに、例えば反射または屈折によって（第
７図のように）ビーム114を複数のサブビームに分割
し、前記教示した原理を用いて各サブビームに選択可能
な遅延を与えた後、各サブビームをそれぞれ複数のサブ
アレイへ差し向けるように光学装置を構成することも、
当業者の通常技術に含まれるものと考えられる。従っ
て、本発明の範囲は以上開示した構造に制限されず、特
許請求の範囲の記載によって判断されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される光位相調整式アレイのビー
ム方向制御システムのブロック図；第２図は本発明の第
１実施例の概略ブロック図；第3A−3E図は第２図の実施
例で用いるのに適した液晶セルを示す；第４図は本発明
の第２実施例の簡略ブロック図；第５図は光位相調整式
アレイで使われるように構成された第４図の実施例を示
す；第６図は縦続構成された複数の光学的時間遅延装置
を示す；第７図は2x2アレイの第４図の実施例における
各エレメントの端面配置を示す簡略ブロック図；及び第
8A−8C図は位相調整式アレイのビーム方向制御能力を実
証するタイミングチャートである。 10,23,60,80,152a−ｃ……時間遅延器， 12,14……偏光回転体,40,140……液晶セル， 42,44……セル窓（シート）,44……導電層， 50,146……液晶分子， 56……電位差印加手段（電圧源）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】相互に離間した第１及び第２の光学的に透
明なセル窓であって、該第１のセル窓がイオンの注入さ
れた表面領域を含み、第２のセル窓が真性半導体材料か
らなる第１及び第２セル窓と、前記両セル窓間のスペース内の液晶分子と、前記第１のセル窓のイオン注入表面領域と前記第２のセ
ル窓との間に電位差を印加する手段と、を備えた液晶セル。
【請求項２】前記第１のセル窓が結晶性材料からなり、
前記第１のセル窓がイオン注入後前記注入イオンを電気
的に活性化するようにアニールされた請求項１記載の液
晶セル。
【請求項３】前記電位差印加手段が、前記イオン注入表
面領域に被着された金属のボンディングパッドを含む請
求項１記載の液晶セル。
【請求項４】前記第１のセル窓がヒ化ガリウムからな
り、前記注入イオンがシリコンイオンからなる請求項１
記載の液晶セル。
【請求項５】前記第２のセル窓が真性ゲルマニウムから
なる請求項１記載の液晶セル。
【請求項６】前記第１のセル窓がその表面上に複数の離
間したイオン注入領域を含む請求項１記載の液晶セル。
【請求項７】前記第１のセル窓が結晶性材料からなり、
前記第１のセル窓がイオン注入後前記注入イオンを電気
的に活性化するようにアニールされた請求項６記載の液
晶セル。
【請求項８】前記電位差印加手段が複数の金属ボンディ
ングパッドを含み、該パッドの各々が前記複数のイオン
注入表面領域の少なくとも１つの上に被着された請求項
６記載の液晶セル。