JP4042825B2 - 偏光依存性屈折型装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光依存性屈折型装置およびそのような装置を製造する方法に関する。このような装置は、光学記憶、オプティカルコンピューティング、ビームの方向操作、印刷、および表示の分野における使用に適している。
【０００２】
【従来の技術】
D.C. O'Brieｎ、T.D. Wilkinson、R.J. Mears、およびW.A. Crosslandは、1993年３月にパームスプリングスで開催されたＯＳＡミーティング、光変調素子およびその応用、に提出された「空間光変調素子を用いた一般化ダイナミックホログラフィック接続」と題された論文において、２値位相変調を提供するために強誘電性液晶空間光変調素子（ＳＬＭ）を用いることを開示している。ＳＬＭは平行光ビームを照射され、ＳＬＭから発した光はレンズを用いて変換されて、ホログラムを再生する。ＳＬＭによる位相変化がホログラムを形成する。ホログラムは、光ビームの方向を操作するために用いられ得る。
【０００３】
また、比較的複雑なリターダパターンを形成するために偏光感応型感光性高分子が用いられ得ることが、以下の文献において報告されている。M. Schadt、K. Schmitt、V. Kozinkov、およびV. Chigrinovによる「線状重合された感光性高分子による液晶の表面誘起平行配向」、Jap Journal of Applied Physics、Vol. 31(1992)、2155-2164頁、およびD.A Yakolev、G.V. Simonenko、V.M. Kozenkov、V.G. Chigrinov、およびM. Schadtがストラスブールで開催されたユーロディスプレイ93に提出された論文における「線状光重合(ＬＰＰ)されたＬＣＤ基板によりカラーＬＣＤを得るための新しい概念」。リターダパターンの光学的書き込みは、高解像度を得るために用いられ得る。
【０００４】
Y. Shi、W.H. Steier、L.Y. Mai Chen、およびL.R. Daltonは、「光学的非線状ポリエステル系高分子における大きな光誘起複屈折」Applied Physics letters 59(23)、1991年12月、2935-2937頁において、ポリエステル系高分子材料中のトランスシス光異性化性色素における複屈折格子の形成について記載している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＳＬＭを用いたシステムによって、比較的複雑なホログラム、特に不規則なドットパターンを有するホログラムを再生するためには、ＳＬＭの各素子は並列にアドレスされる必要がある。したがって、ＳＬＭから多数の端子を取り出すために、システムが大規模になるという問題があった。
【０００６】
また、上記の偏光感応型感光性高分子を用いて、比較的複雑なリターダパターンを形成することが可能であるが、このパターンを再構成することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、入射光の偏光方向に依存して屈折率が変化する単純な構成の屈折型素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光依存性屈折型装置の製造方法は、配向された感光性液晶単量体または高分子のセルに、空間的に変化する強度を有する光を照射して、該セルを部分的に重合または架橋させるとともに、該重合または架橋の程度を変化させて、液晶の配向を変化させる工程と、その後、前記セルを完全に重合または架橋させるために、該セルに均一な強度の光を照射する工程と、を含む。
【０００９】
前記液晶の配向を変化させる工程が、該液晶を等方相になるまで加熱することにより行われてもよい。
【００１０】
前記液晶の配向を変化させる工程が、前記セルに電界を印加することにより行われてもよい。
【００１１】
前記セルに均一な強度の光を照射する工程は、前記液晶材料を完全に重合または完全に架橋してもよい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の局面によると、第１の方向に沿って偏光された光に対する第１の屈折率と第２の方向に沿って偏光された光に対する第２の屈折率とを有し、第１の屈折率が第１の位置の関数として変化し、第２の屈折率が第１の関数とは異なる第２の位置の関数である、複屈折素子を有する偏光依存性屈折型装置が提供される。
【００３４】
したがって、入射光の偏光に応じて特性が変化する光学素子を提供することが可能である。ここで用いられる用語「光学」および「光」は、電磁スペクトルのうちの赤外線、可視光、および紫外線領域を含む意味で広く用いられる。
【００３５】
好適には、複屈折素子に入射する光の偏光を第１の方向と第２の方向とに切り換える液晶素子（ＬＣＤ）が設けられる。したがって、ＬＣＤに入射する光の偏光は、ＬＣＤによって選択されるかまたは回転され得、電気制御可能な装置を提供する。好適には、第１および第２の方向は直交する。
【００３６】
第１の方向に沿って偏光された光に対する屈折率の空間的変化は、複屈折素子がレンズとして作用できるようになされ得る。他方、第２の方向に沿って偏光された光に対しては、屈折率の空間的変化は実質的に均一であり得、そのため、複屈折素子は第２の方向に沿って偏光された光に対しては集束効果を実質的にもたらさない。
【００３７】
複屈折効果の大きさは、光が装置を複数回通過するように構成することにより向上され得る。例えば、装置は、反射モードで動作するように構成され得、複屈折素子の表面において、または表面に隣接してリフレクタを有し得る。このようにして、複屈折素子に入射する光は、素子を２回通過する。
【００３８】
好適には、複屈折素子は、複数の個々の領域に分割される。ＬＣＤが設けられる場合、ＬＣＤは複屈折素子の少なくとも１領域がＬＣＤの１以上の画素と連動するように、画素分割される。
【００３９】
好適には、複屈折素子の、または素子が複数の領域に分割されている場合は各領域の第１および第２の方向の一方に沿って偏光された光に対する屈折率の変化は、滑らかに変化する位置の関数である。さらに好適には、屈折率は連続的に変化する。
【００４０】
空間的に変化する複屈折率を有する複屈折素子は、Schadtらが開示しているポリビニル−４−メトキシケイ皮酸（ＰＶＭＣ）のような感光性偏光感応型高分子中において、またはShiらが開示しているＰＥ−ＤＲ１９のような光異性化性色素をドープされた高分子中において、複屈折を光学的に誘起することにより製造され得る。空間的に変化する複屈折率は、感光性材料を、偏光方向が空間的に変化する、実質的に均一な強度を有する偏光された記録光で照射するすることにより達成され得る。また、偏光方向は一定に維持され得、記録光の照射強度は、空間的に振幅変調され得る。
【００４１】
また、ニオブ酸リチウムのような中心対称性を有さない結晶内においてイオン交換を行うことによって、複屈折率の変化を規定することもできる。
【００４２】
素子はまた、配向された感光性液晶単量体または高分子のセルまたはフィルムに光を照射して液晶を部分的に重合または架橋することにより製造され得る。重合または架橋の程度が変化するように、空間的に変化する強度を有する光を照射する。その後、液晶材料の配向は、例えば、液晶を等方相になるまで加熱することにより、または、セルに電圧を印加することにより変更される。いずれの場合も、その後、材料を完全に重合または架橋するために、セルに均一な強度の光を照射する。
【００４３】
したがって、平面を有する偏光依存性屈折型光学装置を提供することが可能である。装置は平面的なので、複数の装置を積層することが可能である。
【００４４】
本発明の第２の局面によると、光誘起複屈折を示す感光性材料を、所定のパターンに応じて空間変調された偏光で露光することを含む、偏光依存性屈折型装置を製造する方法が提供される。
【００４５】
本発明の第３の局面によると、イオン濃度の関数として複屈折を示す材料内において空間的に変化するイオン濃度を形成することを含む、偏光依存性屈折型装置を製造する方法が提供される。
【００４６】
好適には、材料は中心対称性を有さない結晶である。さらに好適には、材料はニオブ酸ニチウムまたはタンタル酸リチウムである。
【００４７】
高温における横方向拡散によって、異なる濃度を有する層が形成され得る。また、材料は、イオンに対して空間的に変化する浸透性を有するマスクを用いてマスキングされ得る。イオン交換は、材料の表面を酸とを接触させることにより行われ得る。
【００４８】
本発明のさらなる局面によると、配向された感光性液晶単量体または高分子のセルに、空間的に変化する強度を有する光を照射することにより液晶の配向を変化させ、その後セルに均一な強度の光を照射して、好適には完全に液晶材料を固定させることを含む、偏光依存性屈折型装置を製造する方法が提供される。
【００４９】
この方法はさらに、少なくとも液晶を再配向してセルを照射する工程を含む。この工程は、液晶の配向を変化させて、その結果セルを均一な強度で照射する工程に先だって行われる。
【００５０】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
【００５１】
図1（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、装置の表面３に平行であり、且つ、各々互いに直交するＸおよびＹで示された２方向に沿って偏光された光に対する、パターン化された複屈折素子２の屈折率の空間的変化を模式的に示す。素子の各矢印の長さは、矢印の先端に対応する素子２内の点における屈折率の大きさを示す。素子２の屈折率は、Ｙ方向に沿って偏光された光に対しては連続的に空間的に変化するが、Ｘ方向に沿って偏光された光に対しては実質的に変化しない。
【００５２】
素子２は、ＰＶＭＣのような感光性高分子を、その感光性高分子中で誘起されるべき屈折率変化のパターンに応じて強度が変調される直線偏光の記録光で露光することによって製造される。感光性高分子に、矢印４で示すようなＸ方向に偏光した記録光を照射することにより、材料のＹ方向の屈折率が変化する。この変化は、記録光の強度分布に関連する。Ｘ方向の屈折率は、実質的に影響を受けない。Ｘ方向とＹ方向との両方に直交するＺ方向の屈折率は、実質的に変化しない。異なる材料が用いられた場合には、Ｙ方向に沿って偏光された光をその材料に照射することにより、その材料に書き込まれるべきＹ方向に沿って偏光された光に対する屈折率が変化する。
【００５３】
素子２はまた、配向された感光性液晶単量体または高分子のセルまたはフィルムに対して光照射を行うことによっても製造され得る。照射光強度は、セルの各点において液晶単量体が重合される程度、または液晶高分子が架橋される程度が変化するように、空間的に変化する。その後、セルまたはフィルムの、完全に重合または架橋されていない領域の屈折率を変化させるために、セルは等方相になるまで加熱される。その後、液晶は、完全に重合または架橋されるまで均一に照射される。また、セルを加熱する代わりに、液晶の、完全に架橋または重合されていない部分の配向を変化させ、それにより屈折率を変化させるために、セルに電界が印加され得る。この配置において、液晶を完全に重合または架橋するために、セルは均一に照射される。このようにして製造された素子は、紫外線の影響を受けず、光誘起複屈折を示す材料によって達成されるよりも大きな複屈折率が誘起され得るという利点を有する。
【００５４】
収束レンズのような偏光依存性屈折素子を形成するために、連続的に変化する屈折率を有する領域が素子２内に形成される。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す素子１２の屈折率ｎ_yおよびｎ_xの、Ｘ方向におけるｐ−ｑ線に沿った変位に対する変化を示す。Ｙ方向に沿って偏光された光に対する屈折率ｎ_yは、Ｘ方向の変位に対して、素子１２の一方の端部１４の位置ｐにおける最小ｎ_y(ｍｉｎ)から、素子の中央15における最大ｎ_y（ｍａｘ）を経て素子１２の他方の端部１６の位置ｑにおける最小ｎ_y(ｍｉｎ)まで滑らかに変化する。このようなレンズの焦点距離は、素子の幅Ｄ、素子の厚みｄ、およびｎ_y(ｍａｘ)の値とｎ_y（ｍｉｎ）の値との差に依存する。このようなレンズの焦点距離Ｆ_yは、概して以下の式（１）で表される。
【００５５】
Ｆ_y＝Ｄ²／（８・Δｎ_y・ｄ） （１）
ここで、Δｎ_y＝ｎ_y（ｍａｘ）−ｎ_y（ｍｉｎ）
このようにして、幅Ｄ＝０．１ｍｍ、厚み５ミクロン、最大屈折率ｎ_y（ｍａｘ）＝１．５５、および最小屈折率ｎ_y(ｍｉｎ)＝１．５０を有する素子により、焦点距離５ｍｍのレンズが形成される。
【００５６】
Ｘ方向に沿って偏光された光に対する屈折率ｎ_xは、実質的に一定であり、Ｘ方向に沿って偏光された光に対する集束作用はない。
【００５７】
各素子１２は、複屈折素子２内に形成された複数の屈折素子のうちのレンズ（収束または発散レンズ）、あるいは他の屈折素子であり得る。屈折素子は、マイクロプリズムまたはマイクロピラミッド（あるいはマイクロプリズムまたはマイクロピラミッドに近似の光学特性を有するもの）、あるいはフレネルレンズの素子であり得る。
【００５８】
図３（ａ）および（ｂ）は、ビーム操作装置の動作を示す。偏光子２０と液晶素子２２とが、パターン化された複屈折素子２４に入射する光の偏光を改変するように配置されている。素子２４は図２を参照して上記したタイプの素子であり、Ｙ方向に沿って（図３（ａ）に示すように）偏光された光を焦平面２６に集束するように配置されている。偏光子２０は、入射光をＹ方向に偏光するように配置されている。偏光子からの光は、ＬＣＤ２２を透過してパターン化された複屈折素子２４に達する。ＬＣＤ２２は、電圧が印加されたときに、透過する光の偏光の状態が変化しないように配置されている。しかし、ＬＣＤに電圧が印加されていないとき、ＬＣＤは偏光の偏光面を９０度回転させて光がＸ方向に沿って偏光されるようにする。したがって、電極（図示せず）を介してＬＣＤ２２に電圧が印加されると、素子２４を透過する光は、Ｙ方向に沿って偏光され、その結果、焦平面２６上で集束する。ＬＣＤ２２に電圧が印加されていないとき（図３（ｂ））、素子２４を透過する光は、Ｘ方向に沿って偏光され、したがって、焦平面２６上で集束しない。
【００５９】
図４（ａ）および（ｂ）は、リフレクタを含む、さらなるビーム操作装置を示す。装置の基本的動作は、図３（ａ）および（ｂ）を参照して上記したものに類似であり、同様の部分には同様の参照符号を付す。
【００６０】
液晶素子２２とパターン化された複屈折素子２４との間にビームスプリッタ２６が介されている。複屈折素子２４を透過した光が素子２４方向に反射されるように、ミラー２８が複屈折素子に隣接して設けられている。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、液晶素子２２がオンされると、Ｙ方向に沿って偏光された光は部分的に透過し、ビームスプリッタ２６を介してパターン化された複屈折素子２４に達する。光は、素子２４内に形成された屈折素子と作用して、素子２４から発した光がミラー２８により反射して再び素子２４を透過する。光は、複屈折素子２４内に形成された屈折素子とさらに作用する。その後、光はビームスプリッタ２６により部分的に焦平面３０に向けられる。
【００６２】
液晶素子２２がオフされると、液晶素子２２は、Ｙ方向に沿って偏光された入射光の偏光面を９０度回転させて、透過光が図４（ｂ）に示すようにＸ方向に沿って偏光されるようにする。Ｘ方向に沿って偏光された光は、複屈折素子２４内に形成された集束素子に合わず、そのため、集束作用を受けることなくミラー２８に達する。同様に、ミラー２８により反射された光は、複屈折素子２４を介して、集束することなくビームスプリッタ２６に達する。したがって、光は焦平面３０内で集束しない。
【００６３】
このようにして、１以上の方向に沿って偏光された光に対して空間的に変化する屈折率を有する複屈折素子を提供することが可能である。このような素子は、光ビームを操作するための電気的制御装置に含まれ得る。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の偏光依存性屈折型装置は、上述したように構成されているので、単純な構成で、比較的複雑なパターンを有するホログラム再生することができる。したがって、本発明の偏光依存性屈折型装置は、ビーム走査に用いることができる。
【００６５】
また、本発明によると、偏光依存性を有するレンズやプリズムを提供することができる。これらの光学素子と液晶素子等とを組み合わせることによって、スイッチング可能な屈折型装置を提供することができる。
【００６６】
さらに、光重合可能な液晶高分子を用いて屈折型装置を製造する方法によると、パターンを再構成することが可能となる。
【００６７】
本発明の偏光依存性屈折型装置は、光記録、オプティカルコンピューティング、印刷、および表示などに広く適用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施態様を構成する複屈折素子における、互いに直交する第１および第２の方向に沿って偏光された光に対する屈折率の空間的変化を示す模式図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施態様を構成する複屈折素子の一部分の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す素子内における、ｘ方向におけるｐ−ｑ線に沿った変位に対する、屈折率ｎ_xおよびｎ_yの空間的変化を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施態様の動作を模式的に示す図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明の他の実施態様の動作を模式的に示す図である。
【符号の説明】
２、１２、２４ 複屈折素子
２２ 液晶素子
２８ リフレクタ

Claims (4)

1. 配向された感光性液晶単量体または高分子のセルに、空間的に変化する強度を有する光を照射して、該セルを部分的に重合または架橋させるとともに、該重合または架橋の程度を変化させて、液晶の配向を変化させる工程と、
   その後、前記セルを完全に重合または架橋させるために、該セルに均一な強度の光を照射する工程と、
   を含む、偏光依存性屈折型装置の製造方法。
2. 前記液晶の配向を変化させる工程が、該液晶を等方相になるまで加熱することにより行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記液晶の配向を変化させる工程が、前記セルに電界を印加することにより行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記セルに均一な強度の光を照射する工程は、前記液晶材料を完全に重合または完全に架橋する、請求項１から３のいずれかに記載の方法。

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