JP4196448B2

JP4196448B2 - 位相差制御装置及び光学デバイス

Info

Publication number: JP4196448B2
Application number: JP30467198A
Authority: JP
Inventors: 敦福本; 慎一甲斐
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: JP2000131659A

Description

【０００１】
【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（Δｎ_LC）、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Δｎ_LC・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Ｉ_P、Ｉ_S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

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。