JP4435320B2 - 液晶光変調装置およびその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶光変調器に関し、更に詳しくは衛星間や地上衛星間光通信あるいは地上での自由空間光通信において、安定な光通信リンクを維持するために適用する補償光学技術に用いる液晶を用いることが出来る液晶光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ通信の通信速度を増加させるためにはビット当たりの光量を一定に保ち全体の光量を増加することが必要である。このために送信機および受信機のアンテナ利得を高めることが重要となる。地上衛星間などの自由空間光通信においては光の伝送路に大気ゆらぎがあるため、大気中を伝搬するレーザビームの波面が乱れる。波面歪みのためある程度以上にアンテナ口径を増加させてもアンテナの指向性は鋭くならずアンテナ利得もある一定値以上には増加できない。
【０００３】
したがって、自由空間において高速光通信を行うために大気ゆらぎを補償する必要がある。近年、この補償光学技術を用いた光通信技術の開発が進んでいる。これは、大気のゆらぎによって波面歪みを受けて入射した光を、波面歪みを検出するセンサにより実時間測定をおこない波面を元の平面に戻すための演算を行いこの情報で表面の形状を高速に変化できる可変形鏡を制御し、大気ゆらぎの影響のない波面を再生する技術である。
【０００４】
補償光学のシステムにおいては波面歪みを検出することが重要な要素となるが、波面検出センサの一つとしてシャック・ハルトマン型センサがある。
図５にシャック・ハルトマン型センサの原理を示す。入射した波面歪みを持った入射光１０１はマイクロレンズアレイ１０３によって分割されＣＣＤアレイ１０５上に焦点１０７を結ぶ。焦点１０７の位置は強度分布曲線１０９のピーク値から求められる。マイクロレンズアレイ１０３の各焦点１０７の位置のずれは各マイクロレンズの小開口で分割された入射光１０１の各部分の波面の傾きを示す。傾きの情報は波面の一次微分に比例するため演算をおこない波面の再構成に用いる。
ここで、マイクロレンズの直径と焦点距離は波面の再生精度に影響する。焦点距離は測定系の波面の傾きを検出する精度を決める。また、直径は焦点の輝度と測定しようとする波面歪みの空間分解能に影響する。
【０００５】
従来のマイクロレンズアレイは固定焦点型のものが用いられていた。しかし、波面歪みは測定場所と季節に大きく依存することがわかっている。したがって、測定しようとする波面歪みの程度によって複数の固定焦点型マイクロレンズアレイを交換して使用する必要があり、可変焦点型のマイクロレンズアレイが望まれてきた。
【０００６】
処で、焦点を可変するのに機械的な可動部分のないマイクロレンズの候補の一つとして液晶を用いたマイクロレンズがある。従来の液晶マイクロレンズアレイの一つの方式として円形の開口パタンを持った二つの電極で液晶層を挟み液晶層の中にレンズとして機能する放物面状の屈折率分布を電界によって誘起する方式（T. Nose et al. Jap. J. Appl. Phys. 31, pp. 1643-1646, 1992）がある。
【０００７】
この方式を図１７を用いて説明する。図１７において第１のホール付電極１７１０を形成した第１の基板１７２０と第２のホール付電極１７１３を形成した第２の基板１７２３に光変調層となるホモジニアス配向したｐ型の液晶層１７０１が挟持されている。第１のホール付電極１７１０と第２のホール付電極１７１３に所定の電圧を印加すると電極端から電極円形開口部１７３０の中心に向かうほど電界が弱くなる。このため電極円形開口部１７３０の中心の液晶分子に比較し電極近くの液晶分子は立ってくるため液晶層の厚み方向のリターデーションが電極円形開口部１７３０に近づくにつれ小さくなる。したがって電極円形開口部１７３０の液晶層が屈折率変調板として機能する。このとき開口径と液晶層厚および液晶の物性定数を所定の値とすることでレンズとして機能する。
【０００８】
また、多目的の液晶位相変調素子として液晶層を共通電極と多数のストライブ状電極で挟持し、ストライプ状電極の一本一本に所定の駆動電圧を印加して所定の屈折率パタンを実現する方式（P. F. Macmanamon et al.,Proc/ IEEE 84, pp. 268-298, 1996）が提案されている。この方式は図１８に示すように基板１８２０の内面に共通電極１８１３と制御電極アレイ１８１０を形成しその間に液晶層１８０１を挟持した構造としている。ここで液晶層１８０１はホモジニアス配向したネマティック液晶とした。制御電極はストライブ状のアレイで一つ一つが独立に制御可能な駆動回路に接続されている。
【０００９】
さらに、駆動回路の接続本数を減らす方法としてストライプ状電極同士を所定の抵抗膜で接続して所定の電圧分布を実現する方法も提案されている。（N. A. Riza et al.,Opt. Lett. 19, pp. 1013-1015, 1994）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、円形の開口パタンを持った二つの電極で液晶層を挟み液晶層の中にレンズとして機能する放物面状の屈折率分布を電界によって誘起する方式の場合、レンズ径の設計幅が液晶層の厚みに対して制限されることや応答速度が遅いといった問題があった。それにレンズの開口形が円形に限定されてしまうことからアレイ化した場合開口率を大きくできないことが応用範囲を限定してしまうことになっている。
【００１１】
また、多目的の液晶位相変調素子として液晶層を共通電極と多数のストライブ状電極で挟持し、ストライプ状電極の一本一本に所定の駆動電圧を印加して所定の屈折率パタンを実現する方式は位相型の回折格子からレンズまで自由に位相プロファイルを定義できるものの駆動電極の数が非常に多くなりシステムが複雑になってしまうという問題がある。駆動回路の接続本数を減らす方法としてストライプ状電極同士を所定の抵抗膜で接続して所定の電圧分布を実現する方法は、単レンズの場合は良いが多素子でアレイ化する場合に抵抗膜を引き回す場所が限られるために設計の自由度が限られてしまうという問題がある。
以上のことから従来の液晶レンズ方式では特にマイクロレンズアレイを簡単な構造で実現するのは難しいという課題があった。
【００１２】
本発明の目的は上記のような課題を解決し、開口率の大きくできる単純な構造で駆動法も簡単なマイクロレンズアレイ化に適した液晶光変調装置およびその駆動方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、波面センサに適用可能な可変焦点レンズの働きをする液晶光変調装置とその駆動方法を提供することだが、本発明の範囲はここに述べる装置により限定されないで、任意に波面を変換するための液晶光変調装置への応用も可能であることは言うまでもない。
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明における液晶光変調装置は、半円環形状をした多数の導電電極が同心円状に配置されており、且つ、前記同心円状に配置されている当該多数の導電電極が一つ又は複数の、当該導電電極よりも大きな抵抗を有する接続用導電電極で電気的に束ねられており、それによって当該接続用導電電極に電位傾斜を発生させるように構成された複合電極を有する第１の基板と、共通電極を有する第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、前記接続用導電電極は、正方開口部の対角線の位置に２本形成されており、前記接続用導電電極の四隅端部には、制御信号を印加するための信号電極を有する事を特徴とするものであり、より具体的には、本発明における液晶光変調装置は、平行ストライプ形状をした多数の透明導電電極を前記透明導電電極より高いシート抵抗を持った一つ以上の接続用透明導電ストライプ電極で電気的に束ねた複合電極を有する第１の基板と、光学的に透明な共通電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、接続用ストライプ電極には所定の間隔で制御信号を印加するための信号電極を有し、各信号電極に所定の電圧を印加することで各信号電極間の接続用透明導電ストライプ電極に直線上の電位傾斜を発生させ、それによりホモジニアス配向した液晶の電気光学特性の曲線変調領域により液晶分子層に屈折率の変調を生じさせるように構成されている事を特徴とする。
【００１５】
又、本発明に係る他の態様としては、半円環形状をした多数の導電電極を同心円状に配置し、当該同心円状に配置した多数の導電電極を一つ若しくは複数本のの接続用導電電極で電気的に束ねた複合電極を有する第１の基板と、共通電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、接続用透明導電電極の端部には制御信号を印加するための信号電極を有し、各信号電極に所定の電圧を印加することで各信号電極間の接続用導電ストライプ電極に直線上の電位傾斜を発生させ、それによりホモジニアス配向した液晶の電気光学特性の曲線変調領域により液晶分子層に屈折率の変調を生じさせるように構成されている事を特徴とするものであり、より具体的には、半円環形状をした多数の透明導電電極を同心円状に配置し、前記透明導電電極より高いシート抵抗を持った一つ以上の接続用透明導電電極で電気的に束ねた複合電極を有する第１の基板と、光学的に透明な共通電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、接続用透明導電電極の端部には制御信号を印加するための信号電極を有し、各信号電極に所定の電圧を印加することで各信号電極間の接続用透明導電ストライプ電極に直線上の電位傾斜を発生させ、それによりホモジニアス配向した液晶の電気光学特性の曲線変調領域により液晶分子層に屈折率の変調を生じさせるように構成されている事を特徴とする。
【００１６】
該接続用透明導電電極が正方開口部の対角線の位置に２本形成されていることを特徴とする。
【００１７】
液晶分子層のプレティルト角が５度から２０度の所定の値となるように形成したことを特徴とする。スリットラインに直交する向きに液晶分子層のダイレクタ方向を設定することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明における液晶光変調器の駆動方法は駆動波形を印加する所定の信号電極間に２つの１８０度位相の異なる同じ振幅で同じ周波数の駆動波形を印加することを特徴とする。
【００１９】
駆動波形を印加する所定の信号電極間に２つの１８０度位相の異なる同じ振幅で同じ周波数の駆動波形を印加する期間と液晶分子層に交流バイアスを印加する期間を設けることを特徴とすることを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の液晶光変調装置においては直線状あるいは円環状の導電膜からなるストライプ電極束を電極膜で形成する傾斜電位電極で電気的に接続する構成を取るものであり、好ましくは、直線状あるいは円環状の透明導電膜からなるストライプ電極束を当該ストライプ電極の透明導電膜より比抵抗の大きいストライプ状の透明導電膜で形成する傾斜電位電極で電気的に接続する構成を取るものである。
尚、開口率が下がっても良い場合には、不透明な比較的高抵抗の金属材料を傾斜電位電極に使用する事も可能である。
この場合には、通常の金属材料から形成された電極を使用する事が可能であり、例えばチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ或いはβ−Ｔａ等）、チタンタングステン（Ｔｉ−Ｗ）、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、或いは窒素をドープしたチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ或いはβ−Ｔａ等）、チタンタングステン（Ｔｉ−Ｗ）等が使用可能である。
傾斜電位電極に所定の間隔で信号電極を設け隣接する信号電極間に振幅と周波数が等しく位相が１８０度異なる交流パルス信号を印加する。
【００２１】
これにより傾斜電位電極で直線状電位勾配を作り出しストライプ電極束によって液晶光変調器内に線形の傾斜を持った電位分布を生じさせる。
【００２２】
このストライプ電極束に対向するように全面に透明導電膜を形成した共通電極を配置しストライプ電極束からなる複合電極と共通電極の間に５度から２０度のプレティルト角を持ったホモジニアス配向液晶層を挟持する。このホモジニアス配向液晶層は０電圧近傍からら所定の電圧Ｖまで印加電圧に対して位相変調量が２次関数で良く近似できるような特性を持つ。したがって、ストライプ電極部の電位傾斜により空間的に円筒面または球面の屈折率変調分布を実現することができる。本方式によれば２本の制御信号だけで一つの円筒面または球面レンズの焦点距離を可変することが可能であり、特にアレイ化する場合に有効である。
【００２３】
以上の説明で明らかなように本発明の液晶光変調装置およびその駆動方法では、単純な構成で簡便な駆動方法により高機能なアダプティブマイクロレンズアレイを実現できる。
【００２４】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良な形態における液晶光変調装置およびその駆動方法の構成を説明する。
【００２５】
まずはじめに本発明の第１の実施形態における液晶光変調装置の構成を、図を用いて説明する。
図１は本発明の実施形態における液晶光変調装置の構成を説明するための断面図である。
【００２６】
図１に示すように、本発明の液晶光変調装置は、複合電極２１１を形成した第１の基板２０３と共通電極２１３を形成した第２の基板２０５の間にネマティック液晶層２０１を挟持することにより構成している。ネマティック液晶層２０１は第１の基板の複合電極２１１の上と第２の基板の共通電極２１３の上とに形成した配向層２１７によって電界無印加時のｐ型液晶分子のダイレクタ２０７のティルト角２０９が５度から２０度となるようにホモジニアス配向とする。
【００２７】
図１には明示しないがネマティック液晶層２０１が数μｍから数十μｍの所定の一定の厚みを保持するように第１の基板２０３と第２の基板２０５はスペーサを介して固定する。また、図１には示していないが複合電極２１１と共通電極２１３が短絡するのを防ぐために複合電極２１１の上か共通電極２１３の上または両方にＴａ2 Ｏ5 やＳｉＯ2 などの透明絶縁膜を形成しても良い。
第２の基板２０５上に形成する共通電極２１３はＩＴＯ透明導電膜からなる全面電極で良い。
【００２８】
ガラスからなる第１の基板２０３および第２の基板２０５のネマティック液晶層と反対の面には空気と基板界面での反射を防止するため必要に応じて無反射コート２１５を形成する。無反射コート２１５は簡易的には光路長が使用する波長で４分の１波長となるようにしたＭｇＦ2 の一層膜で良い。
【００２９】
次に円筒面レンズを形成するための複合電極２１１の構造について図２を用いて詳しく説明する。図２は第１の円筒面レンズ３５１と第２の円筒面レンズ３６１の２つのレンズ領域を活性領域３７１に持った複合電極２１１の平面図である。図２において第１の円筒面レンズ３５１はＩＴＯなどの低抵抗多結晶透明導電膜により形成した第１のストライブ電極３２１から図２ではＮ＝９であるが、第Ｎのストライプ電極３２９と第２の円筒面レンズの一本目でもある第Ｎ＋１のストライプ電極３３０を第１の傾斜電位電極３０１で接続することにより形成している。第１の傾斜電位電極３０１はＩｎ2 Ｏ3 に不純物を所定量添加した材料などの透明でストライプ電極のＩＴＯより高抵抗のアモルファス導電材料で形成する。また、第１の傾斜電位電極３０１はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３それに信号電極ｃ３１５に接続している。
【００３０】
以上の説明で明らかなように本発明の円筒面レンズを形成する液晶光変調器においては一つの円筒面レンズがＮ本のストライプ電極からなる場合にも駆動回路からの制御信号の数は円筒面レンズの個数をＭとするとＭ＋１本で済む。したがって全てのストライプ電極に駆動信号を接続する場合の本数ＭｘＮ本に対して特にストライプ電極の数が増えた場合、信号電極の数を大幅に削減することが可能となる。
【００３１】
次に円筒面レンズを形成するための複合電極２１１の他の構造について図３を用いて詳しく説明する。図３は第１の円筒面レンズ３５１と第２の円筒面レンズ３６１の２つのレンズ領域を活性領域３７１に持った複合電極２１１の平面図である。図３において第１の円筒面レンズ３５１はＩＴＯなどの低抵抗多結晶透明導電膜により形成した第１のストライブ電極３２１から図２ではＮ＝９であるが、第Ｎのストライプ電極３２９と第２の円筒面レンズの一本目でもある第Ｎ＋１のストライプ電極３３０を第１の傾斜電位電極３０１と第２の傾斜電位電極４０１とで接続することにより形成している。
第１の傾斜電位電極３０１および第２の傾斜電位電極４０１はＩｎ2 Ｏ3 に複数種の不純物元素を所定量添加した材料などの透明でストライプ電極のＩＴＯより高抵抗のアモルファス導電材料で形成する。第１の傾斜電位電極３０１はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３とさらに信号電極ｃ３１５に接続している。また、第２の傾斜電位電極４０１はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる信号電極ａ’４１１と信号電極ｂ’４１３とさらに信号電極ｃ’４１５に接続している。
【００３２】
図３に示した円筒面レンズを形成するための複合電極の構造はストライプ電極が細くまた長くなった場合など液晶層の駆動周波数でのインピーダンスに対してストライプ電極のインピーダンスが大きくなってくる場合に特に有効である。図３の複合電極構造では信号電極ａ３１１と信号電極ａ’４１１、信号電極ｂ３１３と信号電極ｂ’４１３さらに信号電極ｃ３１５と信号電極ｃ’４１５のペアは外部で短絡して駆動する。
【００３３】
次に液晶レンズ１００１の動作原理について説明する。
図１０においてｘ軸に平行な方向にダイレクタ２０７がホモジニアス配向しているｐ型ネマティック液晶を用いた液晶レンズ１００１にｘ軸に平行な方向に振動する直線偏光１０１０がｚ軸方向に入射することを考える。液晶レンズ１００１に入射する前の入射波面１０１３は平面である。液晶レンズ１００１に電界を印加し所定の屈折率分布となるようにダイレクタの面内分布を制御すると入射波面１０１３を焦点ｆ１０３０に収束する球面波の出射波面１０２３に変換することができる。
【００３４】
この条件の導出を図１１を用いて説明する。液晶レンズ１００１の液晶層の出射側の平面をｘ−ｙ平面に取りｘ−ｙ平面の原点Ｏを通るｚ軸上に焦点ｆ１０３０が来るようにする。原点Ｏから測った液晶レンズ１００１の出射側平面上の任意の点ｒ１１０１の距離をｒとすると、光軸Ｏ−ｚ上を進行する光の第１の光路長Ｒ１１１０に対して点ｒ１１０１から焦点ｆ１０３０に向かう光は第２の光路長ｔ１１２０だけ余分な距離を伝搬する必要がある。図１１からわかるように
ｒ2 ＋Ｒ2 ＝（ｔ＋Ｒ）2 （１）
となるからこれをｔについて解くと
ｔ＝（Ｒ2 ＋ｒ2 ）1/2 −Ｒ （２）
となる。ここで、ｒ2 ＝ｘ2 ＋ｙ2 である。
【００３５】
したがって、液晶レンズ１００１の出射側平面に達するまでに液晶レンズ１００１内における入射波が伝搬する光路長を光軸上原点Ｏを通る光に対して点ｒ１１０１では第２の光路長ｔ（ｒ）１１２０だけ短くすることが出来れば入射波面１０１３を焦点ｆ１０３０に収束する球面波に変換できることがわかる。
【００３６】
液晶レンズ１００１が図１１のｘ−ｙ平面において図１２に示すような正方開口１２０１を持つとする。このとき、液晶レンズ１００１の液晶層の出射側の平面から焦点ｆ１０３０までの第２の光路長ｔ（ｒ）１１２０の最大値ｔｍａｘはｒ＝ｒｍａｘのときで
ｔｍａｘ＝（Ｒ2 ＋ｒｍａｘ2 ）1/2 −Ｒ （３）
となる。したがって、ｒｍａｘでの位置での光路長を基準点としたときの液晶レンズ１００１によって補正する相対光路長分布φ（ｒ）は
φ（ｒ）＝ｔｍａｘ−ｔ（ｒ） （４）
となるように決めれば良いことが示された。
（４）式に（２）および（３）式を代入すると
φ（ｒ）＝（Ｒ2 ＋ｒｍａｘ2 ）1/2 −（Ｒ2 ＋ｒ2 ）1/2
＝Ｒ［（１＋ｒｍａｘ2 ／Ｒ2 ）1/2 −（１＋ｒ2 ／Ｒ2 ）1/2 ］（５）
となるここで、（５）式の平方根で囲まれた一項目および二項目を２項展開し展開した二項目までをとって整理しＲを焦点距離ｆで置き換えると（６）式となる。
（近軸近似）
φ（ｒ）＝１／（２ｆ）・（ｒｍａｘ2 −ｒ2 ） （６）
【００３７】
したがって、図１３に示すように液晶レンズ１００１の液晶層の位相曲線１３０１が（６）式を満たすような二次曲線となれば液晶層がレンズとして機能することがわかる。
上記した液晶レンズの動作に関する説明は、球面レンズを形成する場合を前提に説明したものであり、円筒面レンズを形成する場合には、当該焦点は点ではなく線となる。
然しながら、当該円筒面レンズは、上記した説明に於て、一方向に対して変化しない様にしたものであるので、当該円筒面レンズの説明としては、当該球面レンズの特別な例として処理する事が可能である。
【００３８】
次に本発明に用いる液晶層の特性を説明する。入射直線偏光の波面は図８に示すような印加電圧−実効複屈折率特性によって決まる変調を受ける。図８において横軸は液晶層への印加電圧、縦軸は実効複屈折率Δｎを示す。電気光学応答曲線の形状は、使用する液晶の弾性定数、誘電率異方性特性や電界無印加時の配向層によって決められるプレティルト角などから決まる。図８の印加電圧−実効複屈折率特性はメルク社のネマティック液晶材料ＢＬ００７のものである。図８の特性はΔｎｍａｘ＝０．２８７、液晶層厚さ２０μｍとして求めた理論曲線である。図８において横軸は、ホモジニアス配向セルに印加電圧８０１を示し縦軸は液晶分子の実効複屈折率Δｎ８０３を示す。本発明の液晶光変調器をレンズとして用いる場合は２次曲線を近似できる曲線領域８２０近傍を用いる。
図８に於て、グラフ８１０は当該プレティルト角を１５°に設定した場合の電気光学応答曲線を示し、同様にグラフ８１３、８１５、８１７は当該プレティルト角をそれぞれ１０°、５°、１°に設定した場合の電気光学応答曲線をそれぞれ示している。
図８から理解される様に、グラフ８１７に於いては、液晶電圧が０〜１Ｖｒｍｓ迄は、フラットな状態を示し、従って、この電圧範囲内では、球面レンズとして使用する事が困難であるが、その他のグラフに関しては、略液晶電圧が０〜５Ｖｒｍｓの範囲で球面レンズとして使用する事が可能となる。
係るグラフは、液晶の材質、液晶の膜厚等によって変化するが、何れに於いても、グラフ８１７を除けば、特に図８の８２０で示される領域に於いては、好ましい状態で変調処理が実行しえる。
このときのプレティルト角は５度から２０度が望ましい。
【００３９】
次に図２に示す複合電極を持った本発明の液晶光変調装置の信号電極に駆動電圧を印加した場合の動作を説明する。図１５に駆動波形を示す。駆動波形ａ１５０３を信号電極ａ３１１に印加し、駆動波形ｂ１５０３を信号電極ｂ３１３に印加する。駆動波形ａ１５０１と駆動波形ｂ１５０３は互いに周波数と振幅が等しく位相のみが１８０度異なっている。同様に駆動波形ｃ１５０５を信号電極ｃ３１５に印加する。駆動波形ｃ１５０５と駆動波形ａ１５０１は同一波形である。図１５において時間ｔ＝ｔ１においては駆動波形ａ１５０１および駆動波形ｃ１５０５は＋Ｖであり、駆動波形ｂ１５０３は−Ｖである。したがって、線形の抵抗材料で形成した第１の傾斜電位電極３０１によって電位が分割されるため活性領域３７１に形成した第１の円筒面レンズ３５１のストライプ電極にはそれぞれ信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３に印加した電圧が位置によって分割された電位が現れる。また、第２の円筒面レンズ３６１のストライプ電極にはそれぞれ信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５に印加した電圧が分割された電位が現れる。
ここで、ストライプ電極の長手方向についてはストライプ電極が低抵抗材料で形成されるため同電位となる。
【００４０】
図１６に示すようにｔ＝ｔ１においてはｔ＝ｔ１の電位１６０１で示す直線状の電位分布となる。図１５に示すｔ＝ｔ２においては図１６のｔ＝ｔ２の電位１６０３で示す電位分布となる。図１５に示した５０％デューティの矩形波形の場合は図１６で示す２つの電位分布を繰り返すことになる。したがって、共通電極を介して液晶層に印加される電圧はどのストライプ電極の位置においても交番電圧化され液晶層に直流成分が加わることはない。また、ネマティック液晶は実効値応答のため信号電極ａ３１１と信号電極ｃ３１５の間の第１の傾斜電極３０１には実効値で信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３および信号電極ｃ３１５の点でＶだけの電圧となり信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との中点および信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５の中点で０となるように電圧が直線的に変化する。
【００４１】
次に、活性領域中のネマティック液晶層の実効複屈折率の分布を図１４を用いて説明する。
つまり、図１４の横軸は、液晶層にかかる実効値電圧を示し、縦軸は実効複屈折率Δｎを示す。
図２の第１の円筒面レンズ３５１の部分で説明すると、前記した様に信号電極ａ３１１と共通電極２１３の間には、実効値電圧Ｖが印加される。
そして、信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との中点は、実効値で０となる。信号電極ａ３１１から信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との中点までの区間は電圧がＶから０まで直線的に連続で変化するため、図１４の第１のレンズ領域１４０１の矢印で示した向きに実効複屈折率Δｎが変化する。
次に、信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との中点から信号電極ｂ３１３までの区間では、実効値電圧が０からＶまで変化する為、実効複屈折率Δｎは図１４の第２のレンズ領域１４０３で示した矢印の向きに連続的に変化する。
同様に、図２の第２の円筒面レンズ３６１の部分では、信号電極ｂ３１３と共通電極２１３の間には、実効値電圧Ｖが印加される。
そして、信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５との中点は、実効値で０となる。信号電極ｂ３１３から信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５との中点までの区間は電圧がＶから０まで直線的に連続で変化するため、図１４の第１のレンズ領域１４０１の矢印で示した向きに実効複屈折率Δｎが変化する。
次に、信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５との中点から信号電極ｃ３１５までの区間では、実効値電圧が０からＶまで変化する為、実効複屈折率Δｎは図１４の第２のレンズ領域１４０３で示した矢印の向きに連続的に変化する。
その結果、第１の円筒面レンズ３５１と第２の円筒面レンズ３６１においては図９の位相曲線Ａ９０１で示すような位相変調量となり屈折率が一次元で変化する円筒面レンズとして機能する。図９において横軸は電極位置を示し、縦軸は相対位相変調量を示す。相対位相変調量は相対複屈折率Δｎに液晶層の厚みｄを掛けたものである。屈折率分布の曲率変化つまり焦点距離を変更する場合は駆動波形の振幅Ｖを変更することで実現できる。
【００４２】
次に信号電極ａ３１１に駆動波形ａ１５０１を印加し信号電極ｂ３１３は高インピーダンス状態に保持して信号電極ｃ３１５に駆動波形ｂ１５０３を印加した場合を考える。この場合、図９の位相曲線Ｂ９１０で示すような相対位相変調量分布となる。したがって、本発明の円筒面レンズを形成する液晶光変調装置においては同一のパタンを用いても駆動波形を変更するだけでレンズ径を容易に変更することが可能である。
【００４３】
図１９で示す駆動波形ｄ１９０１を信号電極ａ３１１に印加し振幅と周波数は駆動波形ｄ１９０１と同じで位相だけを１８０度＋ψだけずらした駆動波形ｅ１９０３を信号電極ｂ３１３に印加する。このとき期間Ａでは信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３には同相の電圧Ｖが印加される。したがって、第１の傾斜電位電極３０１には傾斜電圧は発生しない。しかし、共通電極と複合電極との間には期間Ａのときに電圧が印加されることになる。また、期間Ｂでは信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との間の第１の傾斜電位電極３０１に傾斜電位が発生する。このように本発明の液晶光変調素子では所定の信号電極に同相電圧を印加する期間Ａを設けることで液晶層に交流バイアス電圧を印加することができる。このことは、期間Ａで交流バイアス電圧を制御し期間Ｂでレンズ動作のための傾斜電圧を独立に制御出来ることを意味する。期間Ａで印加する交流バイアス電圧は特に液晶層のプレティルトが低い場合に曲線動作領域まで動作点をシフトすることが出きるため有効である。
【００４４】
本発明の第１の実施形態においては、円筒レンズとして動作する一次元の液晶光変調器を説明したが本構成においては円筒レンズを多素子化することは容易で、更に複合電極のストライプ電極の向きを直交して液晶分子のダイレクタ方向を平行とした２枚の円筒レンズを重ねることで球面レンズアレイを実現することができる。
【００４５】
つぎに本発明の第２の実施の形態を図１および図４を用いて説明する。
第１の実施の形態は一次元の屈折率変調をおこなう円筒面レンズの構成をとった。第２の実施の形態においては二次元の屈折率変調をネマティック液晶層２０１でおこなう球面レンズの構成を取る。その他については第１の実施の形態と同様である。球面レンズを実現するため図１に示した液晶光変調器の断面図において複合電極２１１の平面構造は図４に示すような構成となる。
【００４６】
図４は円形の開口を持った球面レンズの複合電極２１１の平面図である。図４において中心電極５０９を中心として多数の半円環状のストライプ電極５０１から５０８を一つの傾斜電位電極５１０で電気的に接続する構成を取る。傾斜電位電極５１０の両端部は円形開口を兼ねる第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３にそれぞれ接続される。ストライプ電極および信号電極は第１のスリット５２１および第２のスリット５２３により２つの領域に分離される。
【００４７】
ここで中心電極５０９と各半円環を構成するストライプ電極は多結晶ＩＴＯ透明導電膜で形成し、傾斜電位電極５１０はＩｎ2 Ｏ3 を主成分として複数種の不純物元素をドープしたアモルファス透明導電膜とする。傾斜電位電極５１０のシート抵抗は各ストライプ電極および中心電極５０９のシート抵抗より十分大きくなるように材料を選定する。第１の信号電極５３１および第２の信号電極５３３はＭｏや銀合金などの低抵抗金属膜を用いる。
【００４８】
ストライプ電極は図４では８重に示したが実際は所定のＮ本で構成する。
【００４９】
以上の説明で明らかなように本発明の球面レンズを形成する液晶光変調器においては一つの球面レンズがＮ本のストライプ電極と一つの中心電極からなる場合にも駆動回路からの制御信号の数は第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３に接続する２本で良いため駆動回路が単純化できる。
【００５０】
次に矩形開口の場合に適する球面レンズを形成するための複合電極２１１の他の構造について図６を用いて詳しく説明する。
【００５１】
図６は矩形の開口を持った球面レンズの複合電極２１１の平面図である。図６において中心電極５０９を中心として多数の半円環状のストライプ電極６０１から６０９とセグメントストライプ電極６１０、６１３と６１５を第１の対角傾斜電位電極６２１と第２の対角傾斜電位電極６２３で電気的に接続する構成を取る。第１の対角傾斜電位電極６２１と第２の対角傾斜電位電極６２３の両端部は矩形開口を兼ねる第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３にそれぞれ接続される。ストライプ電極および信号電極は第１のスリット５２１および第２のスリット５２３により２つの領域に分離される。
【００５２】
ここで中心電極５０９と各半円環およびセグメントを構成するストライプ電極は多結晶ＩＴＯ透明導電膜で形成し、傾斜電位電極はＩｎ2 Ｏ3 を主成分として複数種の不純物元素をドープしたアモルファス透明導電膜とする。傾斜電位電極のシート抵抗は各ストライプ電極および中心電極５０９のシート抵抗より十分大きくなるように材料を選定する。第１の信号電極５３１および第２の信号電極５３３はＭｏや銀合金などの低抵抗金属膜を用いる。
【００５３】
図６では３重のセグメントストライプ電極と９重のストライプ電極を示したが実際は所定のセグメントストライプ電極Ｍ本と所定のストライプ電極Ｎ本で構成する。
【００５４】
以上の説明で明らかなように本発明の球面レンズを形成する液晶光変調器においては一つの球面レンズがＭ本のセグメントストライプ電極とＮ本のストライプ電極と一つの中心電極からなる場合にも駆動回路からの制御信号の数は第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３に接続する２本で良いため駆動回路が単純化できる。
【００５５】
特に図６で示した。球面レンズを構成するための複合電極の構成はアレイ化する場合に非常に有効である。図６の複合電極構成においては正方細密充填が容易なためアレイ化したときに１００％に近い開口率を取ることが可能となる。
【００５６】
図６の構成の複合電極構造を用いた場合のアレイ化パタンについて図７を用いて説明する。図７はアレイ化した複合電極構造を示す平面図である。図７においては図６で示したレンズ部６３１を単位レンズ７１０として２ｘ２に正方配列した球面レンズアレイの構成図を示した。各単位レンズ７１０部の第１の対角傾斜電位電極６２１と第２の対角傾斜電位電極６２３を信号ラインａ７０１、信号ラインｂ７０３および信号ラインｃ７０５に接続することで各レンズに駆動波形を印加できるようにする。信号ラインはＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料で形成するためレンズアレイにおいては不活性領域となるが本構成では信号ライン周辺の面積を必要最小限とできるため開口率を１００％に近づけることができる。
【００５７】
本発明の第２の実施の形態においては円筒面レンズと球面レンズという差異はあるものの動作原理と用いる液晶層の特性は第１の実施の形態で述べた内容と同じである。
【００５８】
次に本発明の第２の実施の形態における球面レンズの駆動法を図４に示す複合電極を持った本発明の液晶光変調装置の信号電極に駆動電圧を印加した場合の動作で説明する。図１５に駆動波形を示す。駆動波形ａ１５０１を第１の信号電極５３１に印加し、駆動波形ｂ１５０３を第２の信号電極５３３に印加する。駆動波形ａ１５０１と駆動波形ｂ１５０３は互いに周波数と振幅が等しく位相のみが１８０度異なっている。
【００５９】
図１５において時間ｔ＝ｔ１においては駆動波形ａ１５０１および駆動波形ｃ１５０５は＋Ｖであり、駆動波形ｂ１５０３は−Ｖである。したがって、線形の抵抗材料で形成した傾斜電位電極５１０によって電位が分割されるため第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３で囲まれた円形開口部の半円環状ストライプ電極にはそれぞれ信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３に印加した電圧が位置によって分割された電位が現れる。
【００６０】
ここで、ストライプ電極の円周方向についてはストライプ電極が低抵抗材料で形成されるため同電位となる。
【００６１】
図２０に示すようにｔ＝ｔ１においてはｔ＝ｔ１の電位２０２１で示す直線状の電位分布となる。図１５に示すｔ＝ｔ２においては図２０のｔ＝ｔ２の電位２０２３で示す電位分布となる。図１５に示した５０％デューティの矩形波形の場合は図２０で示す２つの電位分布を繰り返すことになる。したがって、共通電極を介して液晶層に印加される電圧はどのストライプ電極の位置においても交番電圧化され液晶層に直流成分が加わることはない。また、ネマティック液晶は実効値応答のため第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３の間の傾斜電極５１０には実効値で第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３の点でＶだけの電圧となり中心電極５０９で０となるように電圧が直線的に変化する。
【００６２】
次に、図４の第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３２とで囲まれた円形の開口中のネマティック液晶層の実効複屈折率の分布を図１４を用いて説明する。
つまり、図１４の横軸は、液晶層にかかる実効値電圧を示し、縦軸は実効複屈折率Δｎを示す。
前記した様に、第１の信号電極５３１と共通電極２１３の間及び第２の信号電極５３３と共通電極２１３の間には実効値電圧Ｖが印加される。そして、第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３とは傾斜電位電極５１０で接続されているため、中点の中心電極５０９では実効値は０となる。
中心電極５０９から最外周の半円環状ストライプ電極５０１に向かっては径方向に信号電極まで実効電圧は直線的に連続に０からＶまで変化する。
従って、中心電極５０９の位置を中心として外周部まで径方向に図１４の第２のレンズ領域１４０１の矢印で示した向きに実効複屈折率Δｎが変化する。
その結果、中心電極５０９を頂点にした放物面状の位相変調量となり屈折率が２次元で変化する球面レンズとして機能する。屈折率分布の曲率変化つまり焦点距離を変更する場合は駆動波形の振幅Ｖを変更することで実現できる。
【００６３】
図１９で示す駆動波形ｄ１９０１を第１の信号電極５３１に印加し振幅と周波数は駆動波形ｄ１９０１と同じで位相だけを１８０度＋ψだけずらした駆動波形ｅ１９０３を第２の信号電極５３３に印加する。このとき期間Ａでは第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３には同相の電圧Ｖが印加される。したがって、傾斜電位電極５１０には傾斜電圧は発生しない。しかし、共通電極と複合電極との間には期間Ａのときに電圧が印加されることになる。また、期間Ｂでは第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３との間の傾斜電位電極５１０に傾斜電位が発生する。このように本発明の液晶光変調素子では所定の信号電極に同相電圧を印加する期間Ａを設けることで液晶層に交流バイアス電圧を印加することができる。このことは、期間Ａで交流バイアス電圧を制御し期間Ｂでレンズ動作のための傾斜電圧を独立に制御出来ることを意味する。期間Ａで印加する交流バイアス電圧は特に液晶層のプレティルトが低い場合に曲線動作領域まで動作点をシフトすることが出きるため有効である。
【００６４】
また、アレイ化した場合の駆動法を図７を用いて説明すると隣接する信号ラインに振幅と周波数が同じで位相だけが１８０度ことなる駆動波形を印加することで、単個レンズと同様に駆動が可能である。また、隣接する信号ラインに同相信号が印加される期間を設けることで交流バイアス駆動ができることも単個レンズと同様である。
【００６５】
本発明の第２の実施の形態においては複合電極２１１と共通電極２１３の間に挟持するネマティック液晶層２０１のダイレクタの向きは複合電極のスリットラインの方向と直交する向きにした方が良い。これは、駆動波形印加中はスリット近傍では常にスリットラインに直交する向きに強電界がかかるためスリットラインに平行な液晶分子があると平面内で回転するようなトルクがかかりスリット近傍のディスクリネーションの拡大を誘発し位相変調特性に影響するためである。
【００６６】
実施の形態において示した−Ｖ、＋Ｖ等の電位は例えば０．５〜１０ボルトで１〜１０００Ｈｚの交流パルス源を実際の電圧源として使用することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の液晶光変調素子においては、補償光学系に用いられるシャック・ハルトマン型センサ等に適用可能な単純な構造を持ち駆動も単純に制御可能な可変焦点型のアダプティブ液晶レンズおよびレンズアレイを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図４】図４は本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図５】図５は、従来の技術における光変調装置の応用を示す模式断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す特性図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の特性を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す模式図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す模式図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す模式図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す模式図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の動作原理を示す模式図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の駆動波形を示す模式図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の電位分布を説明する模式図である。
【図１７】図１７は、本発明の従来の技術の液晶光変調器の基本原理を示す模式断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の従来の技術の液晶光変調器の基本原理を示す模式断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施形態における液晶光変調器の駆動波形を示す模式図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施形態における液晶光変調器の電位分布を説明する模式図である。
【符号の説明】
１０１ 入射光
１０３ マイクロレンズアレイ
１０５ ＣＣＤアレイ
１０７ 焦点
１０９ 強度分布曲線
２０１ ネマティック液晶層
２０３ 第１の基板
２０５ 第２の基板
２０７ ダイレクタ
２０９ ティルト角
２１１ 複合電極
２１３ 共通電極
２１５ 無反射コート
２１７ 配向層
３０１ 第１の傾斜電位電極
３１１ 信号電極ａ
３１３ 信号電極ｂ
３１５ 信号電極ｃ
３２１．．．３３９ ストライプ電極
３５１ 第１の円筒面レンズ
３６１ 第２の円筒面レンズ
３７１ 活性領域
４０１ 第２の傾斜電位電極
４１１ 信号電極ａ’
４１３ 信号電極ｂ’
４１５ 信号電極ｃ’
５０１．．．５０８ 半円環状ストライプ電極
５０９ 中心電極
５１０ 傾斜電位電極
５２１ 第１のスリット
５２３ 第２のスリット
５３１ 第１の信号電極
５３３ 第２の信号電極
６０１．．．６０９ 半円環状ストライプ電極
６１０．．．６１５ セグメントストライプ電極
６２１ 第１の対角傾斜電位電極
６２３ 第２の対角傾斜電位電極
６３１ レンズ部
７０１ 信号ラインａ
７０３ 信号ラインｂ
７０５ 信号ラインｃ
７１０ 単位レンズ
８０１ 印加実効値電圧
８０３ 実効複屈折率
８２０ 曲線領域
９０１ 位相曲線Ａ
９１０ 位相曲線Ｂ
１００１ 液晶レンズ
１０１０ 直線偏光
１０１３ 入射波面
１０２３ 出射波面
１０３０ 焦点ｆ
１１０１ 点ｒ
１１１０ 第１の光路長Ｒ
１１２０ 第２の光路長ｔ（ｒ）
１２０１ 正方開口
１３０１ 位相曲線
１５０１ 駆動波形ａ
１５０３ 駆動波形ｂ
１５０５ 駆動波形ｃ
１６０１ ｔ＝ｔ１の電位
１６０３ ｔ＝ｔ２の電位
１７０１ 液晶層
１７１０ 第１のホール付電極
１７１３ 第２のホール付電極
１７２０ 第１の基板
１７２３ 第２の基板
１７３０ 電極円形開口部
１８０１ 液晶層
１８１０ 制御電極アレイ
１８１３ 共通電極
１８２０ 基板
１９０１ 駆動波形ｄ
１９０３ 駆動波形ｅ
２００１ 第１の信号電極
２００３ 第２の信号電極
２０２１ ｔ＝ｔ１の電位
２０２３ ｔ＝ｔ２の電位
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶光変調器に関し、更に詳しくは衛星間や地上衛星間光通信あるいは地上での自由空間光通信において、安定な光通信リンクを維持するために適用する補償光学技術に用いる液晶を用いることが出来る液晶光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ通信の通信速度を増加させるためにはビット当たりの光量を一定に保ち全体の光量を増加することが必要である。このために送信機および受信機のアンテナ利得を高めることが重要となる。地上衛星間などの自由空間光通信においては光の伝送路に大気ゆらぎがあるため、大気中を伝搬するレーザビームの波面が乱れる。波面歪みのためある程度以上にアンテナ口径を増加させてもアンテナの指向性は鋭くならずアンテナ利得もある一定値以上には増加できない。
【０００３】
したがって、自由空間において高速光通信を行うために大気ゆらぎを補償する必要がある。近年、この補償光学技術を用いた光通信技術の開発が進んでいる。これは、大気のゆらぎによって波面歪みを受けて入射した光を、波面歪みを検出するセンサにより実時間測定をおこない波面を元の平面に戻すための演算を行いこの情報で表面の形状を高速に変化できる可変形鏡を制御し、大気ゆらぎの影響のない波面を再生する技術である。
【０００４】
補償光学のシステムにおいては波面歪みを検出することが重要な要素となるが、波面検出センサの一つとしてシャック・ハルトマン型センサがある。
図５にシャック・ハルトマン型センサの原理を示す。入射した波面歪みを持った入射光１０１はマイクロレンズアレイ１０３によって分割されＣＣＤアレイ１０５上に焦点１０７を結ぶ。焦点１０７の位置は強度分布曲線１０９のピーク値から求められる。マイクロレンズアレイ１０３の各焦点１０７の位置のずれは各マイクロレンズの小開口で分割された入射光１０１の各部分の波面の傾きを示す。傾きの情報は波面の一次微分に比例するため演算をおこない波面の再構成に用いる。
ここで、マイクロレンズの直径と焦点距離は波面の再生精度に影響する。焦点距離は測定系の波面の傾きを検出する精度を決める。また、直径は焦点の輝度と測定しようとする波面歪みの空間分解能に影響する。
【０００５】
従来のマイクロレンズアレイは固定焦点型のものが用いられていた。しかし、波面歪みは測定場所と季節に大きく依存することがわかっている。したがって、測定しようとする波面歪みの程度によって複数の固定焦点型マイクロレンズアレイを交換して使用する必要があり、可変焦点型のマイクロレンズアレイが望まれてきた。
【０００６】
処で、焦点を可変するのに機械的な可動部分のないマイクロレンズの候補の一つとして液晶を用いたマイクロレンズがある。従来の液晶マイクロレンズアレイの一つの方式として円形の開口パタンを持った二つの電極で液晶層を挟み液晶層の中にレンズとして機能する放物面状の屈折率分布を電界によって誘起する方式（T. Nose et al. Jap. J. Appl. Phys. 31, pp. 1643-1646, 1992）がある。
【０００７】
この方式を図１７を用いて説明する。図１７において第１のホール付電極１７１０を形成した第１の基板１７２０と第２のホール付電極１７１３を形成した第２の基板１７２３に光変調層となるホモジニアス配向したｐ型の液晶層１７０１が挟持されている。第１のホール付電極１７１０と第２のホール付電極１７１３に所定の電圧を印加すると電極端から電極円形開口部１７３０の中心に向かうほど電界が弱くなる。このため電極円形開口部１７３０の中心の液晶分子に比較し電極近くの液晶分子は立ってくるため液晶層の厚み方向のリターデーションが電極円形開口部１７３０に近づくにつれ小さくなる。したがって電極円形開口部１７３０の液晶層が屈折率変調板として機能する。このとき開口径と液晶層厚および液晶の物性定数を所定の値とすることでレンズとして機能する。
【０００８】
また、多目的の液晶位相変調素子として液晶層を共通電極と多数のストライブ状電極で挟持し、ストライプ状電極の一本一本に所定の駆動電圧を印加して所定の屈折率パタンを実現する方式（P. F. Macmanamon et al.,Proc/ IEEE 84, pp. 268-298, 1996）が提案されている。この方式は図１８に示すように基板１８２０の内面に共通電極１８１３と制御電極アレイ１８１０を形成しその間に液晶層１８０１を挟持した構造としている。ここで液晶層１８０１はホモジニアス配向したネマティック液晶とした。制御電極はストライブ状のアレイで一つ一つが独立に制御可能な駆動回路に接続されている。
【０００９】
さらに、駆動回路の接続本数を減らす方法としてストライプ状電極同士を所定の抵抗膜で接続して所定の電圧分布を実現する方法も提案されている。（N. A. Riza et al.,Opt. Lett. 19, pp. 1013-1015, 1994）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、円形の開口パタンを持った二つの電極で液晶層を挟み液晶層の中にレンズとして機能する放物面状の屈折率分布を電界によって誘起する方式の場合、レンズ径の設計幅が液晶層の厚みに対して制限されることや応答速度が遅いといった問題があった。それにレンズの開口形が円形に限定されてしまうことからアレイ化した場合開口率を大きくできないことが応用範囲を限定してしまうことになっている。
【００１１】
また、多目的の液晶位相変調素子として液晶層を共通電極と多数のストライブ状電極で挟持し、ストライプ状電極の一本一本に所定の駆動電圧を印加して所定の屈折率パタンを実現する方式は位相型の回折格子からレンズまで自由に位相プロファイルを定義できるものの駆動電極の数が非常に多くなりシステムが複雑になってしまうという問題がある。駆動回路の接続本数を減らす方法としてストライプ状電極同士を所定の抵抗膜で接続して所定の電圧分布を実現する方法は、単レンズの場合は良いが多素子でアレイ化する場合に抵抗膜を引き回す場所が限られるために設計の自由度が限られてしまうという問題がある。
以上のことから従来の液晶レンズ方式では特にマイクロレンズアレイを簡単な構造で実現するのは難しいという課題があった。
【００１２】
本発明の目的は上記のような課題を解決し、開口率の大きくできる単純な構造で駆動法も簡単なマイクロレンズアレイ化に適した液晶光変調装置およびその駆動方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、波面センサに適用可能な可変焦点レンズの働きをする液晶光変調装置とその駆動方法を提供することだが、本発明の範囲はここに述べる装置により限定されないで、任意に波面を変換するための液晶光変調装置への応用も可能であることは言うまでもない。
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明における液晶光変調装置は、半円環形状をした多数の導電電極が同心円状に配置されており、且つ、前記同心円状に配置されている当該多数の導電電極が一つ又は複数の、当該導電電極よりも大きな抵抗を有する接続用導電電極で電気的に束ねられており、それによって当該接続用導電電極に電位傾斜を発生させるように構成された複合電極を有する第１の基板と、共通電極を有する第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、前記接続用導電電極は、正方開口部の対角線の位置に２本形成されており、前記接続用導電電極の四隅端部には、制御信号を印加するための信号電極を有する事を特徴とするものであり、より具体的には、本発明における液晶光変調装置は、平行ストライプ形状をした多数の透明導電電極を前記透明導電電極より高いシート抵抗を持った一つ以上の接続用透明導電ストライプ電極で電気的に束ねた複合電極を有する第１の基板と、光学的に透明な共通電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、接続用ストライプ電極には所定の間隔で制御信号を印加するための信号電極を有し、各信号電極に所定の電圧を印加することで各信号電極間の接続用透明導電ストライプ電極に直線上の電位傾斜を発生させ、それによりホモジニアス配向した液晶の電気光学特性の曲線変調領域により液晶分子層に屈折率の変調を生じさせるように構成されている事を特徴とする。
【００１５】
又、本発明に係る他の態様としては、半円環形状をした多数の導電電極を同心円状に配置し、当該同心円状に配置した多数の導電電極を一つ若しくは複数本のの接続用導電電極で電気的に束ねた複合電極を有する第１の基板と、共通電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、接続用透明導電電極の端部には制御信号を印加するための信号電極を有し、各信号電極に所定の電圧を印加することで各信号電極間の接続用導電ストライプ電極に直線上の電位傾斜を発生させ、それによりホモジニアス配向した液晶の電気光学特性の曲線変調領域により液晶分子層に屈折率の変調を生じさせるように構成されている事を特徴とするものであり、より具体的には、半円環形状をした多数の透明導電電極を同心円状に配置し、前記透明導電電極より高いシート抵抗を持った一つ以上の接続用透明導電電極で電気的に束ねた複合電極を有する第１の基板と、光学的に透明な共通電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、接続用透明導電電極の端部には制御信号を印加するための信号電極を有し、各信号電極に所定の電圧を印加することで各信号電極間の接続用透明導電ストライプ電極に直線上の電位傾斜を発生させ、それによりホモジニアス配向した液晶の電気光学特性の曲線変調領域により液晶分子層に屈折率の変調を生じさせるように構成されている事を特徴とする。
【００１６】
該接続用透明導電電極が正方開口部の対角線の位置に２本形成されていることを特徴とする。
【００１７】
液晶分子層のプレティルト角が５度から２０度の所定の値となるように形成したことを特徴とする。スリットラインに直交する向きに液晶分子層のダイレクタ方向を設定することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明における液晶光変調器の駆動方法は駆動波形を印加する所定の信号電極間に２つの１８０度位相の異なる同じ振幅で同じ周波数の駆動波形を印加することを特徴とする。
【００１９】
駆動波形を印加する所定の信号電極間に２つの１８０度位相の異なる同じ振幅で同じ周波数の駆動波形を印加する期間と液晶分子層に交流バイアスを印加する期間を設けることを特徴とすることを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の液晶光変調装置においては直線状あるいは円環状の導電膜からなるストライプ電極束を電極膜で形成する傾斜電位電極で電気的に接続する構成を取るものであり、好ましくは、直線状あるいは円環状の透明導電膜からなるストライプ電極束を当該ストライプ電極の透明導電膜より比抵抗の大きいストライプ状の透明導電膜で形成する傾斜電位電極で電気的に接続する構成を取るものである。
尚、開口率が下がっても良い場合には、不透明な比較的高抵抗の金属材料を傾斜電位電極に使用する事も可能である。
この場合には、通常の金属材料から形成された電極を使用する事が可能であり、例えばチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ或いはβ−Ｔａ等）、チタンタングステン（Ｔｉ−Ｗ）、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、或いは窒素をドープしたチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ或いはβ−Ｔａ等）、チタンタングステン（Ｔｉ−Ｗ）等が使用可能である。
傾斜電位電極に所定の間隔で信号電極を設け隣接する信号電極間に振幅と周波数が等しく位相が１８０度異なる交流パルス信号を印加する。
【００２１】
これにより傾斜電位電極で直線状電位勾配を作り出しストライプ電極束によって液晶光変調器内に線形の傾斜を持った電位分布を生じさせる。
【００２２】
このストライプ電極束に対向するように全面に透明導電膜を形成した共通電極を配置しストライプ電極束からなる複合電極と共通電極の間に５度から２０度のプレティルト角を持ったホモジニアス配向液晶層を挟持する。このホモジニアス配向液晶層は０電圧近傍からら所定の電圧Ｖまで印加電圧に対して位相変調量が２次関数で良く近似できるような特性を持つ。したがって、ストライプ電極部の電位傾斜により空間的に円筒面または球面の屈折率変調分布を実現することができる。本方式によれば２本の制御信号だけで一つの円筒面または球面レンズの焦点距離を可変することが可能であり、特にアレイ化する場合に有効である。
【００２３】
以上の説明で明らかなように本発明の液晶光変調装置およびその駆動方法では、単純な構成で簡便な駆動方法により高機能なアダプティブマイクロレンズアレイを実現できる。
【００２４】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良な形態における液晶光変調装置およびその駆動方法の構成を説明する。
【００２５】
まずはじめに本発明の第１の実施形態における液晶光変調装置の構成を、図を用いて説明する。
図１は本発明の実施形態における液晶光変調装置の構成を説明するための断面図である。
【００２６】
図１に示すように、本発明の液晶光変調装置は、複合電極２１１を形成した第１の基板２０３と共通電極２１３を形成した第２の基板２０５の間にネマティック液晶層２０１を挟持することにより構成している。ネマティック液晶層２０１は第１の基板の複合電極２１１の上と第２の基板の共通電極２１３の上とに形成した配向層２１７によって電界無印加時のｐ型液晶分子のダイレクタ２０７のティルト角２０９が５度から２０度となるようにホモジニアス配向とする。
【００２７】
図１には明示しないがネマティック液晶層２０１が数μｍから数十μｍの所定の一定の厚みを保持するように第１の基板２０３と第２の基板２０５はスペーサを介して固定する。また、図１には示していないが複合電極２１１と共通電極２１３が短絡するのを防ぐために複合電極２１１の上か共通電極２１３の上または両方にＴａ2 Ｏ5 やＳｉＯ2 などの透明絶縁膜を形成しても良い。
第２の基板２０５上に形成する共通電極２１３はＩＴＯ透明導電膜からなる全面電極で良い。
【００２８】
ガラスからなる第１の基板２０３および第２の基板２０５のネマティック液晶層と反対の面には空気と基板界面での反射を防止するため必要に応じて無反射コート２１５を形成する。無反射コート２１５は簡易的には光路長が使用する波長で４分の１波長となるようにしたＭｇＦ2 の一層膜で良い。
【００２９】
次に円筒面レンズを形成するための複合電極２１１の構造について図２を用いて詳しく説明する。図２は第１の円筒面レンズ３５１と第２の円筒面レンズ３６１の２つのレンズ領域を活性領域３７１に持った複合電極２１１の平面図である。図２において第１の円筒面レンズ３５１はＩＴＯなどの低抵抗多結晶透明導電膜により形成した第１のストライブ電極３２１から図２ではＮ＝９であるが、第Ｎのストライプ電極３２９と第２の円筒面レンズの一本目でもある第Ｎ＋１のストライプ電極３３０を第１の傾斜電位電極３０１で接続することにより形成している。第１の傾斜電位電極３０１はＩｎ2 Ｏ3 に不純物を所定量添加した材料などの透明でストライプ電極のＩＴＯより高抵抗のアモルファス導電材料で形成する。また、第１の傾斜電位電極３０１はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３それに信号電極ｃ３１５に接続している。
【００３０】
以上の説明で明らかなように本発明の円筒面レンズを形成する液晶光変調器においては一つの円筒面レンズがＮ本のストライプ電極からなる場合にも駆動回路からの制御信号の数は円筒面レンズの個数をＭとするとＭ＋１本で済む。したがって全てのストライプ電極に駆動信号を接続する場合の本数ＭｘＮ本に対して特にストライプ電極の数が増えた場合、信号電極の数を大幅に削減することが可能となる。
【００３１】
次に円筒面レンズを形成するための複合電極２１１の他の構造について図３を用いて詳しく説明する。図３は第１の円筒面レンズ３５１と第２の円筒面レンズ３６１の２つのレンズ領域を活性領域３７１に持った複合電極２１１の平面図である。図３において第１の円筒面レンズ３５１はＩＴＯなどの低抵抗多結晶透明導電膜により形成した第１のストライブ電極３２１から図２ではＮ＝９であるが、第Ｎのストライプ電極３２９と第２の円筒面レンズの一本目でもある第Ｎ＋１のストライプ電極３３０を第１の傾斜電位電極３０１と第２の傾斜電位電極４０１とで接続することにより形成している。
第１の傾斜電位電極３０１および第２の傾斜電位電極４０１はＩｎ2 Ｏ3 に複数種の不純物元素を所定量添加した材料などの透明でストライプ電極のＩＴＯより高抵抗のアモルファス導電材料で形成する。第１の傾斜電位電極３０１はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３とさらに信号電極ｃ３１５に接続している。また、第２の傾斜電位電極４０１はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる信号電極ａ’４１１と信号電極ｂ’４１３とさらに信号電極ｃ’４１５に接続している。
【００３２】
図３に示した円筒面レンズを形成するための複合電極の構造はストライプ電極が細くまた長くなった場合など液晶層の駆動周波数でのインピーダンスに対してストライプ電極のインピーダンスが大きくなってくる場合に特に有効である。図３の複合電極構造では信号電極ａ３１１と信号電極ａ’４１１、信号電極ｂ３１３と信号電極ｂ’４１３さらに信号電極ｃ３１５と信号電極ｃ’４１５のペアは外部で短絡して駆動する。
【００３３】
次に液晶レンズ１００１の動作原理について説明する。
図１０においてｘ軸に平行な方向にダイレクタ２０７がホモジニアス配向しているｐ型ネマティック液晶を用いた液晶レンズ１００１にｘ軸に平行な方向に振動する直線偏光１０１０がｚ軸方向に入射することを考える。液晶レンズ１００１に入射する前の入射波面１０１３は平面である。液晶レンズ１００１に電界を印加し所定の屈折率分布となるようにダイレクタの面内分布を制御すると入射波面１０１３を焦点ｆ１０３０に収束する球面波の出射波面１０２３に変換することができる。
【００３４】
この条件の導出を図１１を用いて説明する。液晶レンズ１００１の液晶層の出射側の平面をｘ−ｙ平面に取りｘ−ｙ平面の原点Ｏを通るｚ軸上に焦点ｆ１０３０が来るようにする。原点Ｏから測った液晶レンズ１００１の出射側平面上の任意の点ｒ１１０１の距離をｒとすると、光軸Ｏ−ｚ上を進行する光の第１の光路長Ｒ１１１０に対して点ｒ１１０１から焦点ｆ１０３０に向かう光は第２の光路長ｔ１１２０だけ余分な距離を伝搬する必要がある。図１１からわかるように
ｒ2 ＋Ｒ2 ＝（ｔ＋Ｒ）2 （１）
となるからこれをｔについて解くと
ｔ＝（Ｒ2 ＋ｒ2 ）1/2 −Ｒ （２）
となる。ここで、ｒ2 ＝ｘ2 ＋ｙ2 である。
【００３５】
したがって、液晶レンズ１００１の出射側平面に達するまでに液晶レンズ１００１内における入射波が伝搬する光路長を光軸上原点Ｏを通る光に対して点ｒ１１０１では第２の光路長ｔ（ｒ）１１２０だけ短くすることが出来れば入射波面１０１３を焦点ｆ１０３０に収束する球面波に変換できることがわかる。
【００３６】
液晶レンズ１００１が図１１のｘ−ｙ平面において図１２に示すような正方開口１２０１を持つとする。このとき、液晶レンズ１００１の液晶層の出射側の平面から焦点ｆ１０３０までの第２の光路長ｔ（ｒ）１１２０の最大値ｔｍａｘはｒ＝ｒｍａｘのときで
ｔｍａｘ＝（Ｒ2 ＋ｒｍａｘ2 ）1/2 −Ｒ （３）
となる。したがって、ｒｍａｘでの位置での光路長を基準点としたときの液晶レンズ１００１によって補正する相対光路長分布φ（ｒ）は
φ（ｒ）＝ｔｍａｘ−ｔ（ｒ） （４）
となるように決めれば良いことが示された。
（４）式に（２）および（３）式を代入すると
φ（ｒ）＝（Ｒ2 ＋ｒｍａｘ2 ）1/2 −（Ｒ2 ＋ｒ2 ）1/2
＝Ｒ［（１＋ｒｍａｘ2 ／Ｒ2 ）1/2 −（１＋ｒ2 ／Ｒ2 ）1/2 ］（５）
となるここで、（５）式の平方根で囲まれた一項目および二項目を２項展開し展開した二項目までをとって整理しＲを焦点距離ｆで置き換えると（６）式となる。
（近軸近似）
φ（ｒ）＝１／（２ｆ）・（ｒｍａｘ2 −ｒ2 ） （６）
【００３７】
したがって、図１３に示すように液晶レンズ１００１の液晶層の位相曲線１３０１が（６）式を満たすような二次曲線となれば液晶層がレンズとして機能することがわかる。
上記した液晶レンズの動作に関する説明は、球面レンズを形成する場合を前提に説明したものであり、円筒面レンズを形成する場合には、当該焦点は点ではなく線となる。
然しながら、当該円筒面レンズは、上記した説明に於て、一方向に対して変化しない様にしたものであるので、当該円筒面レンズの説明としては、当該球面レンズの特別な例として処理する事が可能である。
【００３８】
次に本発明に用いる液晶層の特性を説明する。入射直線偏光の波面は図８に示すような印加電圧−実効複屈折率特性によって決まる変調を受ける。図８において横軸は液晶層への印加電圧、縦軸は実効複屈折率Δｎを示す。電気光学応答曲線の形状は、使用する液晶の弾性定数、誘電率異方性特性や電界無印加時の配向層によって決められるプレティルト角などから決まる。図８の印加電圧−実効複屈折率特性はメルク社のネマティック液晶材料ＢＬ００７のものである。図８の特性はΔｎｍａｘ＝０．２８７、液晶層厚さ２０μｍとして求めた理論曲線である。図８において横軸は、ホモジニアス配向セルに印加電圧８０１を示し縦軸は液晶分子の実効複屈折率Δｎ８０３を示す。本発明の液晶光変調器をレンズとして用いる場合は２次曲線を近似できる曲線領域８２０近傍を用いる。
図８に於て、グラフ８１０は当該プレティルト角を１５°に設定した場合の電気光学応答曲線を示し、同様にグラフ８１３、８１５、８１７は当該プレティルト角をそれぞれ１０°、５°、１°に設定した場合の電気光学応答曲線をそれぞれ示している。
図８から理解される様に、グラフ８１７に於いては、液晶電圧が０〜１Ｖｒｍｓ迄は、フラットな状態を示し、従って、この電圧範囲内では、球面レンズとして使用する事が困難であるが、その他のグラフに関しては、略液晶電圧が０〜５Ｖｒｍｓの範囲で球面レンズとして使用する事が可能となる。
係るグラフは、液晶の材質、液晶の膜厚等によって変化するが、何れに於いても、グラフ８１７を除けば、特に図８の８２０で示される領域に於いては、好ましい状態で変調処理が実行しえる。
このときのプレティルト角は５度から２０度が望ましい。
【００３９】
次に図２に示す複合電極を持った本発明の液晶光変調装置の信号電極に駆動電圧を印加した場合の動作を説明する。図１５に駆動波形を示す。駆動波形ａ１５０３を信号電極ａ３１１に印加し、駆動波形ｂ１５０３を信号電極ｂ３１３に印加する。駆動波形ａ１５０１と駆動波形ｂ１５０３は互いに周波数と振幅が等しく位相のみが１８０度異なっている。同様に駆動波形ｃ１５０５を信号電極ｃ３１５に印加する。駆動波形ｃ１５０５と駆動波形ａ１５０１は同一波形である。図１５において時間ｔ＝ｔ１においては駆動波形ａ１５０１および駆動波形ｃ１５０５は＋Ｖであり、駆動波形ｂ１５０３は−Ｖである。したがって、線形の抵抗材料で形成した第１の傾斜電位電極３０１によって電位が分割されるため活性領域３７１に形成した第１の円筒面レンズ３５１のストライプ電極にはそれぞれ信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３に印加した電圧が位置によって分割された電位が現れる。また、第２の円筒面レンズ３６１のストライプ電極にはそれぞれ信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５に印加した電圧が分割された電位が現れる。
ここで、ストライプ電極の長手方向についてはストライプ電極が低抵抗材料で形成されるため同電位となる。
【００４０】
図１６に示すようにｔ＝ｔ１においてはｔ＝ｔ１の電位１６０１で示す直線状の電位分布となる。図１５に示すｔ＝ｔ２においては図１６のｔ＝ｔ２の電位１６０３で示す電位分布となる。図１５に示した５０％デューティの矩形波形の場合は図１６で示す２つの電位分布を繰り返すことになる。したがって、共通電極を介して液晶層に印加される電圧はどのストライプ電極の位置においても交番電圧化され液晶層に直流成分が加わることはない。また、ネマティック液晶は実効値応答のため信号電極ａ３１１と信号電極ｃ３１５の間の第１の傾斜電極３０１には実効値で信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３および信号電極ｃ３１５の点でＶだけの電圧となり信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との中点および信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５の中点で０となるように電圧が直線的に変化する。
【００４１】
次に、活性領域中のネマティック液晶層の実効複屈折率の分布を図１４を用いて説明する。
つまり、図１４の横軸は、液晶層にかかる実効値電圧を示し、縦軸は実効複屈折率Δｎを示す。
図２の第１の円筒面レンズ３５１の部分で説明すると、前記した様に信号電極ａ３１１と共通電極２１３の間には、実効値電圧Ｖが印加される。
そして、信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との中点は、実効値で０となる。信号電極ａ３１１から信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との中点までの区間は電圧がＶから０まで直線的に連続で変化するため、図１４の第１のレンズ領域１４０１の矢印で示した向きに実効複屈折率Δｎが変化する。
次に、信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との中点から信号電極ｂ３１３までの区間では、実効値電圧が０からＶまで変化する為、実効複屈折率Δｎは図１４の第２のレンズ領域１４０３で示した矢印の向きに連続的に変化する。
同様に、図２の第２の円筒面レンズ３６１の部分では、信号電極ｂ３１３と共通電極２１３の間には、実効値電圧Ｖが印加される。
そして、信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５との中点は、実効値で０となる。信号電極ｂ３１３から信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５との中点までの区間は電圧がＶから０まで直線的に連続で変化するため、図１４の第１のレンズ領域１４０１の矢印で示した向きに実効複屈折率Δｎが変化する。
次に、信号電極ｂ３１３と信号電極ｃ３１５との中点から信号電極ｃ３１５までの区間では、実効値電圧が０からＶまで変化する為、実効複屈折率Δｎは図１４の第２のレンズ領域１４０３で示した矢印の向きに連続的に変化する。
その結果、第１の円筒面レンズ３５１と第２の円筒面レンズ３６１においては図９の位相曲線Ａ９０１で示すような位相変調量となり屈折率が一次元で変化する円筒面レンズとして機能する。図９において横軸は電極位置を示し、縦軸は相対位相変調量を示す。相対位相変調量は相対複屈折率Δｎに液晶層の厚みｄを掛けたものである。屈折率分布の曲率変化つまり焦点距離を変更する場合は駆動波形の振幅Ｖを変更することで実現できる。
【００４２】
次に信号電極ａ３１１に駆動波形ａ１５０１を印加し信号電極ｂ３１３は高インピーダンス状態に保持して信号電極ｃ３１５に駆動波形ｂ１５０３を印加した場合を考える。この場合、図９の位相曲線Ｂ９１０で示すような相対位相変調量分布となる。したがって、本発明の円筒面レンズを形成する液晶光変調装置においては同一のパタンを用いても駆動波形を変更するだけでレンズ径を容易に変更することが可能である。
【００４３】
図１９で示す駆動波形ｄ１９０１を信号電極ａ３１１に印加し振幅と周波数は駆動波形ｄ１９０１と同じで位相だけを１８０度＋ψだけずらした駆動波形ｅ１９０３を信号電極ｂ３１３に印加する。このとき期間Ａでは信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３には同相の電圧Ｖが印加される。したがって、第１の傾斜電位電極３０１には傾斜電圧は発生しない。しかし、共通電極と複合電極との間には期間Ａのときに電圧が印加されることになる。また、期間Ｂでは信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３との間の第１の傾斜電位電極３０１に傾斜電位が発生する。このように本発明の液晶光変調素子では所定の信号電極に同相電圧を印加する期間Ａを設けることで液晶層に交流バイアス電圧を印加することができる。このことは、期間Ａで交流バイアス電圧を制御し期間Ｂでレンズ動作のための傾斜電圧を独立に制御出来ることを意味する。期間Ａで印加する交流バイアス電圧は特に液晶層のプレティルトが低い場合に曲線動作領域まで動作点をシフトすることが出きるため有効である。
【００４４】
本発明の第１の実施形態においては、円筒レンズとして動作する一次元の液晶光変調器を説明したが本構成においては円筒レンズを多素子化することは容易で、更に複合電極のストライプ電極の向きを直交して液晶分子のダイレクタ方向を平行とした２枚の円筒レンズを重ねることで球面レンズアレイを実現することができる。
【００４５】
つぎに本発明の第２の実施の形態を図１および図４を用いて説明する。
第１の実施の形態は一次元の屈折率変調をおこなう円筒面レンズの構成をとった。第２の実施の形態においては二次元の屈折率変調をネマティック液晶層２０１でおこなう球面レンズの構成を取る。その他については第１の実施の形態と同様である。球面レンズを実現するため図１に示した液晶光変調器の断面図において複合電極２１１の平面構造は図４に示すような構成となる。
【００４６】
図４は円形の開口を持った球面レンズの複合電極２１１の平面図である。図４において中心電極５０９を中心として多数の半円環状のストライプ電極５０１から５０８を一つの傾斜電位電極５１０で電気的に接続する構成を取る。傾斜電位電極５１０の両端部は円形開口を兼ねる第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３にそれぞれ接続される。ストライプ電極および信号電極は第１のスリット５２１および第２のスリット５２３により２つの領域に分離される。
【００４７】
ここで中心電極５０９と各半円環を構成するストライプ電極は多結晶ＩＴＯ透明導電膜で形成し、傾斜電位電極５１０はＩｎ2 Ｏ3 を主成分として複数種の不純物元素をドープしたアモルファス透明導電膜とする。傾斜電位電極５１０のシート抵抗は各ストライプ電極および中心電極５０９のシート抵抗より十分大きくなるように材料を選定する。第１の信号電極５３１および第２の信号電極５３３はＭｏや銀合金などの低抵抗金属膜を用いる。
【００４８】
ストライプ電極は図４では８重に示したが実際は所定のＮ本で構成する。
【００４９】
以上の説明で明らかなように本発明の球面レンズを形成する液晶光変調器においては一つの球面レンズがＮ本のストライプ電極と一つの中心電極からなる場合にも駆動回路からの制御信号の数は第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３に接続する２本で良いため駆動回路が単純化できる。
【００５０】
次に矩形開口の場合に適する球面レンズを形成するための複合電極２１１の他の構造について図６を用いて詳しく説明する。
【００５１】
図６は矩形の開口を持った球面レンズの複合電極２１１の平面図である。図６において中心電極５０９を中心として多数の半円環状のストライプ電極６０１から６０９とセグメントストライプ電極６１０、６１３と６１５を第１の対角傾斜電位電極６２１と第２の対角傾斜電位電極６２３で電気的に接続する構成を取る。第１の対角傾斜電位電極６２１と第２の対角傾斜電位電極６２３の両端部は矩形開口を兼ねる第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３にそれぞれ接続される。ストライプ電極および信号電極は第１のスリット５２１および第２のスリット５２３により２つの領域に分離される。
【００５２】
ここで中心電極５０９と各半円環およびセグメントを構成するストライプ電極は多結晶ＩＴＯ透明導電膜で形成し、傾斜電位電極はＩｎ2 Ｏ3 を主成分として複数種の不純物元素をドープしたアモルファス透明導電膜とする。傾斜電位電極のシート抵抗は各ストライプ電極および中心電極５０９のシート抵抗より十分大きくなるように材料を選定する。第１の信号電極５３１および第２の信号電極５３３はＭｏや銀合金などの低抵抗金属膜を用いる。
【００５３】
図６では３重のセグメントストライプ電極と９重のストライプ電極を示したが実際は所定のセグメントストライプ電極Ｍ本と所定のストライプ電極Ｎ本で構成する。
【００５４】
以上の説明で明らかなように本発明の球面レンズを形成する液晶光変調器においては一つの球面レンズがＭ本のセグメントストライプ電極とＮ本のストライプ電極と一つの中心電極からなる場合にも駆動回路からの制御信号の数は第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３に接続する２本で良いため駆動回路が単純化できる。
【００５５】
特に図６で示した。球面レンズを構成するための複合電極の構成はアレイ化する場合に非常に有効である。図６の複合電極構成においては正方細密充填が容易なためアレイ化したときに１００％に近い開口率を取ることが可能となる。
【００５６】
図６の構成の複合電極構造を用いた場合のアレイ化パタンについて図７を用いて説明する。図７はアレイ化した複合電極構造を示す平面図である。図７においては図６で示したレンズ部６３１を単位レンズ７１０として２ｘ２に正方配列した球面レンズアレイの構成図を示した。各単位レンズ７１０部の第１の対角傾斜電位電極６２１と第２の対角傾斜電位電極６２３を信号ラインａ７０１、信号ラインｂ７０３および信号ラインｃ７０５に接続することで各レンズに駆動波形を印加できるようにする。信号ラインはＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料で形成するためレンズアレイにおいては不活性領域となるが本構成では信号ライン周辺の面積を必要最小限とできるため開口率を１００％に近づけることができる。
【００５７】
本発明の第２の実施の形態においては円筒面レンズと球面レンズという差異はあるものの動作原理と用いる液晶層の特性は第１の実施の形態で述べた内容と同じである。
【００５８】
次に本発明の第２の実施の形態における球面レンズの駆動法を図４に示す複合電極を持った本発明の液晶光変調装置の信号電極に駆動電圧を印加した場合の動作で説明する。図１５に駆動波形を示す。駆動波形ａ１５０１を第１の信号電極５３１に印加し、駆動波形ｂ１５０３を第２の信号電極５３３に印加する。駆動波形ａ１５０１と駆動波形ｂ１５０３は互いに周波数と振幅が等しく位相のみが１８０度異なっている。
【００５９】
図１５において時間ｔ＝ｔ１においては駆動波形ａ１５０１および駆動波形ｃ１５０５は＋Ｖであり、駆動波形ｂ１５０３は−Ｖである。したがって、線形の抵抗材料で形成した傾斜電位電極５１０によって電位が分割されるため第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３で囲まれた円形開口部の半円環状ストライプ電極にはそれぞれ信号電極ａ３１１と信号電極ｂ３１３に印加した電圧が位置によって分割された電位が現れる。
【００６０】
ここで、ストライプ電極の円周方向についてはストライプ電極が低抵抗材料で形成されるため同電位となる。
【００６１】
図２０に示すようにｔ＝ｔ１においてはｔ＝ｔ１の電位２０２１で示す直線状の電位分布となる。図１５に示すｔ＝ｔ２においては図２０のｔ＝ｔ２の電位２０２３で示す電位分布となる。図１５に示した５０％デューティの矩形波形の場合は図２０で示す２つの電位分布を繰り返すことになる。したがって、共通電極を介して液晶層に印加される電圧はどのストライプ電極の位置においても交番電圧化され液晶層に直流成分が加わることはない。また、ネマティック液晶は実効値応答のため第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３の間の傾斜電極５１０には実効値で第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３の点でＶだけの電圧となり中心電極５０９で０となるように電圧が直線的に変化する。
【００６２】
次に、図４の第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３２とで囲まれた円形の開口中のネマティック液晶層の実効複屈折率の分布を図１４を用いて説明する。
つまり、図１４の横軸は、液晶層にかかる実効値電圧を示し、縦軸は実効複屈折率Δｎを示す。
前記した様に、第１の信号電極５３１と共通電極２１３の間及び第２の信号電極５３３と共通電極２１３の間には実効値電圧Ｖが印加される。そして、第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３とは傾斜電位電極５１０で接続されているため、中点の中心電極５０９では実効値は０となる。
中心電極５０９から最外周の半円環状ストライプ電極５０１に向かっては径方向に信号電極まで実効電圧は直線的に連続に０からＶまで変化する。
従って、中心電極５０９の位置を中心として外周部まで径方向に図１４の第２のレンズ領域１４０１の矢印で示した向きに実効複屈折率Δｎが変化する。
その結果、中心電極５０９を頂点にした放物面状の位相変調量となり屈折率が２次元で変化する球面レンズとして機能する。屈折率分布の曲率変化つまり焦点距離を変更する場合は駆動波形の振幅Ｖを変更することで実現できる。
【００６３】
図１９で示す駆動波形ｄ１９０１を第１の信号電極５３１に印加し振幅と周波数は駆動波形ｄ１９０１と同じで位相だけを１８０度＋ψだけずらした駆動波形ｅ１９０３を第２の信号電極５３３に印加する。このとき期間Ａでは第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３には同相の電圧Ｖが印加される。したがって、傾斜電位電極５１０には傾斜電圧は発生しない。しかし、共通電極と複合電極との間には期間Ａのときに電圧が印加されることになる。また、期間Ｂでは第１の信号電極５３１と第２の信号電極５３３との間の傾斜電位電極５１０に傾斜電位が発生する。このように本発明の液晶光変調素子では所定の信号電極に同相電圧を印加する期間Ａを設けることで液晶層に交流バイアス電圧を印加することができる。このことは、期間Ａで交流バイアス電圧を制御し期間Ｂでレンズ動作のための傾斜電圧を独立に制御出来ることを意味する。期間Ａで印加する交流バイアス電圧は特に液晶層のプレティルトが低い場合に曲線動作領域まで動作点をシフトすることが出きるため有効である。
【００６４】
また、アレイ化した場合の駆動法を図７を用いて説明すると隣接する信号ラインに振幅と周波数が同じで位相だけが１８０度ことなる駆動波形を印加することで、単個レンズと同様に駆動が可能である。また、隣接する信号ラインに同相信号が印加される期間を設けることで交流バイアス駆動ができることも単個レンズと同様である。
【００６５】
本発明の第２の実施の形態においては複合電極２１１と共通電極２１３の間に挟持するネマティック液晶層２０１のダイレクタの向きは複合電極のスリットラインの方向と直交する向きにした方が良い。これは、駆動波形印加中はスリット近傍では常にスリットラインに直交する向きに強電界がかかるためスリットラインに平行な液晶分子があると平面内で回転するようなトルクがかかりスリット近傍のディスクリネーションの拡大を誘発し位相変調特性に影響するためである。
【００６６】
実施の形態において示した−Ｖ、＋Ｖ等の電位は例えば０．５〜１０ボルトで１〜１０００Ｈｚの交流パルス源を実際の電圧源として使用することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の液晶光変調素子においては、補償光学系に用いられるシャック・ハルトマン型センサ等に適用可能な単純な構造を持ち駆動も単純に制御可能な可変焦点型のアダプティブ液晶レンズおよびレンズアレイを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図４】図４は本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図５】図５は、従来の技術における光変調装置の応用を示す模式断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の構造を示す模式平面図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す特性図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の特性を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す模式図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す模式図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す模式図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の基本原理を示す模式図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の動作原理を示す模式図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の駆動波形を示す模式図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態における液晶光変調装置の電位分布を説明する模式図である。
【図１７】図１７は、本発明の従来の技術の液晶光変調器の基本原理を示す模式断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の従来の技術の液晶光変調器の基本原理を示す模式断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施形態における液晶光変調器の駆動波形を示す模式図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施形態における液晶光変調器の電位分布を説明する模式図である。
【符号の説明】
１０１ 入射光
１０３ マイクロレンズアレイ
１０５ ＣＣＤアレイ
１０７ 焦点
１０９ 強度分布曲線
２０１ ネマティック液晶層
２０３ 第１の基板
２０５ 第２の基板
２０７ ダイレクタ
２０９ ティルト角
２１１ 複合電極
２１３ 共通電極
２１５ 無反射コート
２１７ 配向層
３０１ 第１の傾斜電位電極
３１１ 信号電極ａ
３１３ 信号電極ｂ
３１５ 信号電極ｃ
３２１．．．３３９ ストライプ電極
３５１ 第１の円筒面レンズ
３６１ 第２の円筒面レンズ
３７１ 活性領域
４０１ 第２の傾斜電位電極
４１１ 信号電極ａ’
４１３ 信号電極ｂ’
４１５ 信号電極ｃ’
５０１．．．５０８ 半円環状ストライプ電極
５０９ 中心電極
５１０ 傾斜電位電極
５２１ 第１のスリット
５２３ 第２のスリット
５３１ 第１の信号電極
５３３ 第２の信号電極
６０１．．．６０９ 半円環状ストライプ電極
６１０．．．６１５ セグメントストライプ電極
６２１ 第１の対角傾斜電位電極
６２３ 第２の対角傾斜電位電極
６３１ レンズ部
７０１ 信号ラインａ
７０３ 信号ラインｂ
７０５ 信号ラインｃ
７１０ 単位レンズ
８０１ 印加実効値電圧
８０３ 実効複屈折率
８２０ 曲線領域
９０１ 位相曲線Ａ
９１０ 位相曲線Ｂ
１００１ 液晶レンズ
１０１０ 直線偏光
１０１３ 入射波面
１０２３ 出射波面
１０３０ 焦点ｆ
１１０１ 点ｒ
１１１０ 第１の光路長Ｒ
１１２０ 第２の光路長ｔ（ｒ）
１２０１ 正方開口
１３０１ 位相曲線
１５０１ 駆動波形ａ
１５０３ 駆動波形ｂ
１５０５ 駆動波形ｃ
１６０１ ｔ＝ｔ１の電位
１６０３ ｔ＝ｔ２の電位
１７０１ 液晶層
１７１０ 第１のホール付電極
１７１３ 第２のホール付電極
１７２０ 第１の基板
１７２３ 第２の基板
１７３０ 電極円形開口部
１８０１ 液晶層
１８１０ 制御電極アレイ
１８１３ 共通電極
１８２０ 基板
１９０１ 駆動波形ｄ
１９０３ 駆動波形ｅ
２００１ 第１の信号電極
２００３ 第２の信号電極
２０２１ ｔ＝ｔ１の電位
２０２３ ｔ＝ｔ２の電位
Claims (7)
- 液晶を用いた光変調装置において、半円環形状をした多数の導電電極が同心円状に配置されており、且つ、前記同心円状に配置されている当該多数の導電電極が一つ又は複数の、当該導電電極よりも大きな抵抗を有する接続用導電電極で電気的に束ねられており、それによって当該接続用導電電極に電位傾斜を発生させるように構成された複合電極を有する第１の基板と、共通電極を有する第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、前記接続用導電電極は、正方開口部の対角線の位置に２本形成されており、前記接続用導電電極の四隅端部には、制御信号を印加するための信号電極を有する事を特徴とする液晶光変調装置。
- 前記半円環形状をした同心円状に配置された多数の導電電極群は、その一部にスリット部が設けられており、前記スリット部を介して少なくとも２つの群に区分されている事を特徴とする請求項１に記載の液晶光変調装置。
- 前記スリット部に直交する向きに液晶分子層のダイレクタ方向を設定することを特徴とする請求項２に記載の液晶光変調装置。
- 前記半円環形状をした同心円状に配置された多数の導電電極群は、更にセグメントストライプ状の多数の導電電極を含んでいる事を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の液晶光変調装置。
- 請求項１乃至４の何れかに記載された液晶光変調装置が、複数個二次元的に互いに隣接して配置されている事を特徴とする液晶光変調装置。
- 液晶を用いた光変調装置において、半円環形状をした多数の導電電極が同心円状に配置されており、且つ、前記同心円状に配置されている当該多数の導電電極が一つ又は複数の、当該導電電極よりも大きな抵抗を有する接続用導電電極で電気的に束ねられており、それによって当該接続用導電電極に電位傾斜を発生させるように構成された複合電極を有する第１の基板と、共通電極を有する第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟持した液晶分子層を含む光学要素を備え、前記接続用導電電極は、正方開口部の対角線の位置に２本形成されており、前記接続用導電電極の端部には、制御信号を印加するための信号電極を有する液晶光変調装置の駆動方法であって、同一の前記接続用導電電極における端部に配置されたそれぞれの前記信号電極には、同じ振幅で同じ周波数だが、１８０度位相の異なる駆動波形をそれぞれに印加することを特徴とする液晶光変調装置の駆動方法。
- 前記駆動波形を印加する当該所定の信号電極間に、２つの１８０度位相の異なる同じ振幅で同じ周波数の駆動波形を印加する期間とともに、当該一方の駆動波形の位相をφ（ファイ）だけずらせることによって、液晶分子層に交流バイアスを印加する期間をさらに設けることを特徴とする請求項６に記載の液晶光変調装置の駆動方法。
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