JP4196448B2 - 位相差制御装置及び光学デバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は位相差制御装置及び光学デバイスに関し、特に光学的な位相差を制御する位相差制御装置及び光学特性を制御する光学デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶パネルは、電気によって光の通しかたを変える可変位相子であり、低電圧動作、低消費電力等の特長を持ち、近年ではOA機器や腕時計、電卓等の表示素子材料として幅広く用いられている。
【0003】
図11は液晶パネルの構造を示す図である。液晶パネル1−1は、2枚の透明基板1a−1、1a−2のそれぞれの片面上にITO(Indium Tin Oxide)などの透明電極1b−1、1b−2を蒸着し、さらに液晶の分子方向を特定するための配向膜1c−1、1c−2をつけて、図のように2枚を対向させ、その間に液晶1dが封入されている。
【0004】
このような構造の液晶パネル1−1に対し、透明電極1b−1、1b−2間に電圧が印加されると、液晶分子の方向が変化して、透過光に作用する屈折率に変化が生じる。
【0005】
一般にベンド型のネマティク液晶を用いると、印加電圧に対して(ここでは液晶パネル面内の)配向方向の屈折率が変化し、それに直交した方向との間に屈折率差が生じる。このため、透過光に対し、印加電圧に応じた位相差の情報を与えることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記で説明したような液晶パネル1−1を用いた従来の可変位相子は、温度特性や経時変化による影響を受けてしまうため、印加電圧と位相差の関係が変化してしまうといった問題があった。
【0007】
図12は液晶の印加電圧と屈折率差を示す図である。縦軸に屈折率差(ΔnLC)、横軸に印加電圧をとる。
一般に屈折率差の最大変化量は0.15〜0.2である。液晶の厚みをdとすると、配向方向とそれに直交した方向に振動する光の間にΔnLC・dの位相差を与えることができる。
【0008】
ところが、図に示すような特性は、使用温度などにより変化してしまう。このため、所望の位相差を発生させ、あらゆる環境下でそれを保持することは困難であった。
【0009】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、外部環境に影響されず、安定して動作する位相差制御装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、外部環境に影響されず、安定して動作する光学デバイスを提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、電気信号によって、通過する光の位相差を可変にする位相差可変素子と、位相差検出用の光を出射する光源と、前記光源から出射されて前記位相差可変素子の一部を通過した光を、互いに直交する2方向の直線偏光に変換して2系統の光として出力する偏光子と、前記偏光子によって偏光方向が変換された2系統の光の光量を検出する光検出器と、前記光検出器によって検出された光量から、前記位相差可変素子を通過した光に与えられる位相差を検出する位相差検出手段と、検出された位相差と、目標の位相差と、が一致するように前記電気信号のフィードバック制御を行う位相差制御手段と、を有することを特徴とする。
【0011】
ここで、位相差可変素子は、電気信号によって位相差を可変にする。位相差検出手段は、位相差を検出する。位相差制御手段は、検出された位相差と、目標の位相差と、が一致するように電気信号をフィードバック制御する。
【0012】
また、光学特性を制御する光学デバイスにおいて、印加電圧を受けて、透過光に前記印加電圧に応じた位相情報を与える位相情報変化素子と、位相情報検出用の光を出射する光源と、前記光源から出射されて前記位相情報変化素子の一部を通過した光を、互いに直交する2方向の直線偏光に変換して2系統の光として出力する偏光子と、前記偏光子によって偏光方向が変換された2系統の光の光量を検出する光検出器と、前記光検出器によって検出された光量から前記位相情報変化素子を通過した光に与えられる位相情報を検出する位相情報検出手段と、検出された位相情報と、目標の位相情報と、が一致するように前記印加電圧をフィードバック制御する位相情報制御手段と、を有することを特徴とする。
【0013】
ここで、位相情報変化素子は、印加電圧を受けて、透過光に印加電圧に応じた位相情報を与える。位相情報検出手段は、位相情報を検出する。位相情報制御手段は、検出された位相情報と、目標の位相情報と、が一致するように印加電圧をフィードバック制御する。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1は本発明の位相差制御装置の原理図である。位相差制御装置10は、光学的な位相差を制御する。
【0015】
位相差可変素子1は、電気信号によって位相差を可変にする。具体的には位相差可変素子1は、液晶パネルに該当する。
位相差検出手段2は、位相差を検出する。位相差制御手段3は、検出された位相差と、目標の位相差と、が一致するように電気信号をフィードバック制御する。なお、以降の説明では、上記の電気信号は印加電圧とする。
【0016】
次に本発明の位相差制御装置10の構成について説明する。図2は位相差制御装置10の構成を示す図である。位相差検出手段2は、位相差検出光学系21と位相差検出回路系22から構成される。位相差制御手段3は、誤差信号検出部31とドライブ回路系32から構成される。
【0017】
液晶パネル1−1の一部に位相差検出光学系21が配置される。また、位相差検出光学系21は、光源、偏光子及び光検出器(図に示さず)から構成される。なお、詳細は後述する。
【0018】
位相差検出回路系22は、位相差検出光学系21で検出された信号から位相差を表す信号Soutを生成する。
誤差信号検出部31は、信号Soutと目標値との誤差信号Erを検出する。ドライブ回路系32は、誤差信号Erが0になるように液晶パネル1−1の印加電圧を制御する。
【0019】
次に位相差制御装置10の第1の実施の形態について説明する。図3は第1の実施の形態の位相差検出光学系の構成を示す図である。
位相差検出光学系21aは、光源として半導体レーザ21a−1、偏光子として偏光ビームスプリッタ21a−2(光をP偏光とS偏光に分岐する)及び光検出器21a−3、21a−4から構成され、液晶パネル1−1の一部に配置される。
【0020】
図4にP、S方向に対する半導体レーザ21a−1と液晶の配置を示す。半導体レーザ21a−1の偏光方向と偏光ビームスプリッタ21a−2の光分割方向とを一致させて、それらを液晶パネル1−1面内で液晶の配向方向と45度をなすように配置する。
【0021】
そして、図3のように、液晶パネル1−1を通過した半導体レーザ光を、偏光ビームスプリッタ21a−2でP偏光成分とS偏光成分に分けて、光検出器21a−3、21a−4のいずれかにそれぞれを導く。
【0022】
このとき半導体レーザ21a−1が出力する光の波長をλ、位相差をφとすると、光検出器21a−3、21a−4が出力する光量IP 、IS はそれぞれ、
【0023】
【数1】
【0024】
【数2】
である。ここで、P0 は光検出器21a−3、21a−4の光量和である。
【0025】
次に第1の実施の形態の位相差検出回路系について説明する。図5は第1の実施の形態の位相差検出回路系の構成を示す図である。
I/V22a−1、22a−2は、光検出器21a−3、21a−4から出力された光量を示す電流信号を電圧に変換して、電圧信号S1、S2を出力する。
【0026】
減算器22a−3は、電圧信号S1、S2を減算して電圧信号S1−S2を出力する。加算器22a−4は、電圧信号S1、S2を加算して電圧信号S1+S2を出力する。
【0027】
演算器22a−5は、電圧信号S1−S2を電圧信号S1+S2で除算して、信号Soutを出力する。
このように、位相差検出回路系22aでは、光検出器21a−3、21a−4の光量差をとって、それを光検出器21a−3、21a−4の光量和で割る。すなわち、
【0028】
【数3】
となり、半導体レーザ21a−1の光量変動を取り除いた形で位相差φの関数として得られる。すなわち、位相差検出回路系22aは式(3)を演算して、電圧に変換する処理を行っている。
【0029】
図6は信号Soutと位相差との関係を示す図である。縦軸に信号Sout、横軸に位相差をとる。図は式(3)にもとづいたグラフである。
図のように例えば、所望の位相差をΦaとすれば、対応する電圧信号はS0である。したがって、誤差信号検出手段31の目標値をS0と設定すればよい。
【0030】
次に位相制御手段3について説明する。位相制御手段3は、図2に示すように、誤差信号検出手段31とドライブ回路系32から構成され、所望の位相差に対応する電圧(目標値:S0)と信号Soutとの差を誤差信号Erとして、これが0になるように液晶パネル1−1の印加電圧を制御するいわゆるサーボループを構成する。
【0031】
ここで、信号Soutは図6に示したように、λを1周期とする周期関数であるため、サーボループの引き込み範囲、あるいは制御範囲は1周期分、すなわちλである。
【0032】
一方、1つのS0に対して、複数の位相差が対応するので、誤った位相差に引き込まれてしまう場合がある。
そこで、あらかじめ所望の位相差がSoutの何周期目のS0に対応するか判っているので、まずサーボループを切って、印加電圧を0から徐々に上げていく。
【0033】
そして、信号Soutの周期を数えて、所望の位相差が存在する引き込み範囲までもっていき、その後サーボループを閉じて、信号SoutとS0との比較を行えば、λを越えた位相差に対しても制御が可能になる。
【0034】
また、図6のように1周期内でも1つのS0に対して2つの対応する位相差が存在するが、ループの極性により区別が可能である。
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。図7は第2の実施の形態の位相差検出光学系の構成を示す図である。
【0035】
位相差検出光学系21bは、第1の実施の形態で用いた偏光ビームスプリッタ21a−2と2つの光検出器21a−3、21a−4の代わりに、2分割偏光子21b−2と2分割光検出器21b−3を用いて構成している。
【0036】
図8は2分割偏光子21b−2の透過偏光方向と、2分割光検出器21b−3上の光スポットを示す図である。
図のように、2分割偏光子21b−2により光ビームの半分は、液晶に入射する偏光方向、残りの部分はそれに直交する方向の偏光成分を、選択的に透過させ、それぞれを2分割された光検出器21b−3で検出する。なお、液晶に入射する偏光方向と液晶の配向方向の関係は図4と同様である。
【0037】
また、2分割された光検出器21b−3を、図5の光検出器21a−3、21a−4に、それぞれ対応させることにより、以降の制御については、第1の実施の形態と同様に行うことができる。
【0038】
次に本発明の第3の実施の形態について説明する。図9は第3の実施の形態の位相差検出光学系の構成を示す図である。
位相差検出光学系21cは、液晶パネル1−1の裏面に反射膜Cを付けて反射型を構成している。また、第2の実施の形態と構成する部品及び偏光に関する方位関係は同様である。
【0039】
ただし、光源である半導体レーザ21c−1と2分割光検出器21c−3の距離をなるべく短くしている。
これは、液晶パネル1−1への入射角及び反射角を垂直に近づけたほうがより正確な位相差が得られるからである。演算方法は、第1の実施の形態と同じであるが、光は液晶内を往復するため、
【0040】
【数4】
となり、Soutはλ/2で1周期である。以降の制御については、第1の実施の形態と同様である。
【0041】
次に本発明の第4の実施の形態について説明する。図10は第4の実施の形態の位相差検出光学系の構成を示す図である。
位相差検出光学系21dは、半導体レーザの代わりにLED21d−1と、偏光子21d−5をあらたに付加した構成をとっている。
【0042】
偏光子21d−5は、第1〜第3の実施の形態のように半導体レーザを用いた時の偏光方向と同じ偏光方向のみを透過させる。その他の構成及び動作は同様である。
【0043】
ただし、LED21d−1の波長の広がりのために、演算により求められる位相差には誤差がのるため、位相差の既知の資料を用いて補正する必要がある。
以上説明したように、本発明の位相差制御装置10は、液晶パネル1−1に位相差検出光学系21を付属させ、液晶パネル1−1の一部分を使って発生する位相差を検出し、目標の位相差となるように、印加電圧のフィードバック制御を行う構成とした。
【0044】
これにより、可変位相子である液晶パネル1−1を外部環境に影響されずに、安定して動作させることが可能になる。
なお、本発明の位相差制御装置10は、光の偏光方向に対する液晶の屈折率差を利用して位相差を制御する光学デバイスであるが、光の偏光方向を液晶の配向方向に一致させて、配向方向の屈折率変化のみを利用して位相を制御する構成としてもよい。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位相差制御装置は、位相差可変素子での位相差を検出し、検出された位相差と、設定した位相差と、が一致するように電気信号をフィードバック制御する構成とした。これにより、外部環境に影響されず、安定した動作を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】位相差制御装置の原理図である。
【図2】位相差制御装置の構成を示す図である。
【図3】第1の実施の形態の位相差検出光学系の構成を示す図である。
【図4】P、S方向に対する半導体レーザと液晶の配置を示す図である。
【図5】第1の実施の形態の位相差検出回路系の構成を示す図である。
【図6】信号Soutと位相差との関係を示す図である。
【図7】第2の実施の形態の位相差検出光学系の構成を示す図である。
【図8】2分割偏光子の透過偏光方向と、2分割光検出器上の光スポットを示す図である。
【図9】第3の実施の形態の位相差検出光学系の構成を示す図である。
【図10】第4の実施の形態の位相差検出光学系の構成を示す図である。
【図11】液晶パネルの構造を示す図である。
【図12】液晶の印加電圧と屈折率差を示す図である。
【符号の説明】
1…位相差可変素子、2…位相差検出手段、3…位相差制御手段、10…位相差制御装置。
Claims (11)
- 電気信号によって、通過する光の位相差を可変にする位相差可変素子と、
位相差検出用の光を出射する光源と、
前記光源から出射されて前記位相差可変素子の一部を通過した光を、互いに直交する2方向の直線偏光に変換して2系統の光として出力する偏光子と、
前記偏光子によって偏光方向が変換された2系統の光の光量を検出する光検出器と、
前記光検出器によって検出された光量から、前記位相差可変素子を通過した光に与えられる位相差を検出する位相差検出手段と、
検出された位相差と、目標の位相差と、が一致するように前記電気信号のフィードバック制御を行う位相差制御手段と、
を有することを特徴とする位相差制御装置。 - 前記位相差検出手段は、前記2系統の光の光量の差を前記光量の和で除算して、前記光源の光量変動を取り除いた形で前記位相差を検出することを特徴とする請求項1記載の位相差制御装置。
- 前記光源から出射される光が直線偏光とされることを特徴とする請求項1又は2記載の位相差制御装置。
- 前記光源が半導体レーザとされることを特徴とする請求項3記載の位相差制御装置。
- 前記光源から出射される光の偏光方向と、前記偏光子により変換される一方の直線偏光の偏光方向とが一致されて成ることを特徴とする請求項3又は4記載の位相差制御装置。
- 前記偏光子が2分割偏光子とされ、
前記光検出器が2分割光検出器とされて、
前記光源から出射される光の偏光方向と、前記2分割偏光子のうち一方により変換される直線偏光の偏光方向とが一致されて成ることを特徴とする請求項3又は4記載の位相差制御装置。 - 前記位相差可変素子の前記光源からの光が通過する領域において出射面側に反射膜が設けられ、
前記光源に隣接して前記偏光子が配置され、
前記反射膜により反射された前記光源からの光が、前記位相差可変素子を再び通過して前記偏光子に入射されることを特徴とする請求項1記載の位相差制御装置。 - 前記位相差制御手段において、
あらかじめ前記位相差可変素子への印加電圧を0から徐々に上げて前記光検出器において検出される光量を変化させることによって、目標とする位相差に対応する目標光量とその変化する範囲が設定され、
前記位相差検出手段で検出された光量が、前記範囲内で前記目標光量に一致するか否かを比較して、前記フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項1記載の位相差制御装置。 - 印加電圧を受けて、透過光に前記印加電圧に応じた位相情報を与える位相情報変化素子と、
位相情報検出用の光を出射する光源と、
前記光源から出射されて前記位相情報変化素子の一部を通過した光を、互いに直交する2方向の直線偏光に変換して2系統の光として出力する偏光子と、
前記偏光子によって偏光方向が変換された2系統の光の光量を検出する光検出器と、
前記光検出器によって検出された光量から前記位相情報変化素子を通過した光に与えられる位相情報を検出する位相情報検出手段と、
検出された位相情報と、目標の位相情報と、が一致するように前記印加電圧をフィードバック制御する位相情報制御手段と、
を有することを特徴とする光学デバイス。 - 前記位相情報変化素子は、光の偏光方向に対する、液晶の配向方向と前記配向方向に直交した方向との間に生じる屈折率差にもとづいて、前記位相情報として位相差を前記透過光に与えることを特徴とする請求項9記載の光学デバイス。
- 前記位相情報変化素子は、光の偏光方向を液晶の配向方向と一致させた際の前記配向方向の屈折率の変化にもとづいて、前記位相情報として位相を前記透過光に与えることを特徴とする請求項9記載の光学デバイス。
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