JP4442061B2 - 回折光学素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回折光学素子に関し、特に液晶を用いた回折光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、液晶を用いた能動型の回折光学素子が知られている。このような従来の回折光学素子の例として、特開平２−４０６１５号公報に開示された素子の構成を図２３に示す。
【０００３】
図２３において、この回折光学素子は透明基板１０１の片面に形成した透明電極１０２の上に凹凸材料１０３によって凹凸構造を形成したものと、もう１枚の透明基板１０１に透明電極１０２を形成したものとで、液晶１０４を挟んで構成される。この場合、液晶層の厚さは６μｍ程度としている。
【０００４】
この凹凸構造は振幅５０ｎｍ程度の周期的な平行縞状である。この凹凸構造によって、液晶層の厚さに僅かな差が生じ、その結果、２つの透明電極１０２に電圧を印加した時の電界強度に周期的な差が生じる。ここで用いる液晶はコレステリック−ネマティック相転移型で、印加電圧の上昇と共にコレステリック相からネマティック相へ変化する。
【０００５】
いま、印加電圧を減少させてネマティック相からコレステリック相へ転移する場合を考える。ネマティック相ではこの素子に入射する光がこの素子を透過し、回折されない。コレステリック相になると、基板の凹部、すなわち電界が弱い部分で選択的に液晶分子が基板に平行に並ぶ。その結果、周期的な屈折率分布が生じて、位相回折格子が形成される。
【０００６】
特開平２−４０６１５号公報には、これと類似の構成として、予め凹凸構造を形成した透明基板に透明電極を形成した構成、平坦な透明基板の表面に凹凸構造をもつ透明電極を形成した構成についても開示されている。いずれの構成も、液晶を挟む両方の透明基板の全面に透明電極を設け、片方の透明基板側に周期的な凹凸構造を設けることによって、液晶層の電界分布に僅かな強弱を形成する点が共通している。
【０００７】
また、これとは異なる構成の液晶を用いた能動型の回折光学素子が、特開平５−７２５０９号公報に開示されている。この構成を図２４に示す。図２４において、透明電極１１２を設けた透明基板１１１を２枚用いて液晶１１４を挟む点は上記の素子と同様だが、図２４では、周期的に配置した矩形状の透明固体材料１１３を用いて液晶１１４を分離している点が特徴的である。
【０００８】
尚、図には示していないが、液晶を確実に配向させるには、透明電極に配向処理を施すことが望ましいとしている。具体的には、ポリイミド等の高分子材料を形成してラビング処理を施す、あるいはＳｉＯ等の材料を斜方蒸着する等の方法がある。
【０００９】
その動作は以下の通りである。液晶に入射する光が感じる液晶の屈折率は、２つの透明電極への電圧印加の有無によって、矩形状の透明固体材料１１３の屈折率に一致した状態と異なる状態とを切替えることができる。両者の屈折率が一致した状態では光がこの素子を透過し、回折光は生じない。屈折率が周期的に異なる状態では位相回折格子として動作するので、光が回折する。これによって、電圧印加の有無によってＯＮ／ＯＦＦを切替えられるフィルタ等の光装置を形成することができる。
【００１０】
さらに、これに類似の回折光学素子が、Ｓａｋａｔａらの論文“Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ ｚｅｒｏ−ｏｒｄｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｅ−ｐｉｔｃｈ ｐｈａｓｅ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ”（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９，２０００，ｐｐ．１５１６−１５２１．）に紹介されている。
【００１１】
この論文に記載の構造を図２５に示す。やはり、透明電極１２２を設けた透明基板１２１を２枚用いて液晶１２４を挟んだ構成であるが、ここでは、周期的に配置した透明固体材料１２３の断面が台形である点が特徴的である。
【００１２】
上記の素子と同様に、この素子に入射する光が電圧印加時には透過し、電圧無印加時には回折するように、透明固体材料と液晶との屈折率を選択する。透明固体材料の断面を矩形ではなく、台形とすることによって、可視範囲の広いスペクトラム領域においてＯＮ／ＯＦＦ可能な光の強度比（消光比）を改善することができるとしている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の液晶を用いた回折光学素子では、透明基板の全面に透明電極材料を成膜する工程と、透明電極としての電極領域や端子部を形成するためのパターン化工程とを、２枚の透明基板の両方に施す必要がある。それに加えて、周期的な凹凸構造または透明固体材料を形成するための工程が必要である。その断面を台形等の形状に制御するためには、例えばレジスト材料を加熱して軟化させるといった工程が追加される。
【００１４】
また、液晶分子を所望の方向に配向させるためには、ラビング処理や斜方蒸着のような配向処理の工程を透明電極の表面に施すことが好ましい。これらの事情によって、従来の液晶を用いた能動型の回折光学素子においては、その製造コストを低減することが困難である。
【００１５】
さらに、回折角度を大きくするためには、凹凸構造または透明固体材料の周期構造のピッチを細かくする必要がある。このとき、凹凸構造または透明固体材料の表面からの影響によって、配向変化が困難になる液晶の領域が相対的に増加する。表面に強く“アンカリング”された液晶の配向を変えるには長い時間が必要になるため、周期構造の細ピッチ化は液晶の配向変化の速度低下に寄与する。すなわちち、従来の液晶を用いた能動型の回折光学素子においては、応答速度を犠牲にすることなく、回折角度を大きくすることが困難である。
【００１６】
さらにまた、多数の回折光学素子を配列して多チャンネルの光装置を形成することに関して、従来の技術には何ら教唆がない。その場合に、単位チャネル当たりの製造コストを低減する手法に関しても従来の技術は何ら教唆がない。
【００１７】
このような回折光学素子の応用装置として、可変光減衰器、偏光分離器、光スイッチ、フィルタ、等の光装置がある。これらの光装置では、回折光学素子に光を入射させ、回折光学素子からの出力光を外部へ導くために光ファイバを使用する場合が多い。多数の回折光学素子を配列して光装置を多チャンネル化した場合には、光ファイバの数が増えてその位置決め等の実装のための手間が増加する。光ファイバの有効な実装方法に関して、従来の技術には教唆がない。
【００１８】
例えば、液晶の温度特性や光ファイバへの機械的な負荷の変動等のように、予め制御することが困難な何らかの原因によって、回折光学素子に入射する光量あるいは出力である回折光の強度が変動する場合があり得る。仮に、これらの変動量を検出して、それに応じて回折光学素子へ印加する電圧を調整すれば、外的な変動要因に依存しない回折光学素子及びそれを用いた光装置を提供することができると考えられる。しかしながら、従来の技術には、回折光の強度を検出するという発想及びそのための手法について何ら教唆がない。
【００１９】
回折光の強度のみでなく、仮に回折角度も切替えることができると、様々な光装置への応用において自由度が大きくなる。しかしながら、従来の技術では、凹凸構造または透明固体材料の配列ピッチが固定されており、回折角度を切替えることはできない。
【００２０】
そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる回折光学素子を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明による回折光学素子は、第一及び第二の透明基板間に液晶層を配置して構成される回折光学素子であって、
前記第一及び第二の透明基板のうちの少なくとも一方の透明基板の前記液晶層に対向する側の表面に設けられかつ互いに対向する１組の櫛歯状の透明電極と、前記１組の櫛歯状の透明電極の間に配置された第三の透明電極と、前記透明電極の電位を設定する制御手段とを備えている。
【００２８】
本発明は、回折光学素子において、透明電極の電位を制御するための回路を、薄膜トランジスタを用いて同一の透明基板上に形成することを特徴とする。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の主な構成要素を示す説明図であり、図２は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【００４０】
図１の右側の分解斜視図に示すように、この回折光学素子１０はその表面に互いに対向する一対の櫛歯状の透明電極１２が形成された透明基板１８と、もう１枚の透明基板１１とで液晶１５を挟んで構成される。また、図２の断面図に示すように、これらの透明基板１１，１８の液晶１５に接する表面には配向膜１６が形成されている。
【００４１】
さらに、図１に示すように、透明電極１２にはパッド部１７が設けられて外部へ電気的に接続される。透明基板１８にはシール材料１３、液晶封入口１４が配設されるが、図１に示すように、シール材料１３は矩形の一部分を切断した形状に形成され、液晶封入口１４はその矩形状のシール材料１３の切断部分に形成される。
【００４２】
図３は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図であり、図４は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の製作に用いた部材を示す図であり、図５は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の製作工程を示す図である。
【００４３】
また、図６は参考本発明の第一の参考例における回折光学素子の特性を示す説明図であり、図７は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の特性を示す説明図である。これら図２〜図７を参照しながら、この回折光学素子の動作について説明する。
【００４４】
図２では、通常の液晶の動作説明で一般的に行われるように、液晶分子を楕円体で模式的に表している。すなわち、液晶分子には屈折率の異方性があり、異常光に対する屈折率ｎe を楕円の長軸で、常光に対する屈折率ｎo を楕円の短軸でそれぞれ表す。もちろん、液晶分子は透明電極１２に比べてはるかに小さく、この図は実際の液晶分子の大きさや形状を表すものではない。ここでは、透明電極１２に電圧を印加しない時に、液晶分子が配向膜１６に垂直に配向するように、配向膜１６の材料を選択するものとする。
【００４５】
次に、透明電極１２に電圧を印加しない場合の動作について説明する。この場合には、液晶分子は配向膜１６に対して一様に垂直に配向している。したがって、この素子に垂直に入射する光は透明電極１２の有無によって、その光路長に僅かな差が生じる。透明電極１２は周期的に配列しているので、入射光には周期的な位相差Δφ＝２πｎｔ／λが生じることになる。但し、λは光の波長、ｎは透明電極材料の屈折率、ｔは透明電極材料の厚さとする。
【００４６】
このような位相差Δφを持つ周期構造は回折格子として動作するが、この位相差Δφの値は小さいため、後に詳しく説明するが、その場合の回折光の強度は非常に小さく、殆どが０次回折光（すなわち、透過光）となる。
【００４７】
また、透明電極１２に電圧Ｖppを印加した場合の動作について説明する。この場合には、液晶分子の配向は電圧Ｖppに依存して変化し、位置ｘにも依存する。すなわち、透明電極１２に電圧を印加すると、透明電極１２の周囲の空間に電界が形成され、大部分の液晶分子は電気力線に沿って配向する。
【００４８】
図２に示す液晶分子の表記は電気力線の分布を示しており、液晶１５は透明電極１２の上部の領域では透明基板１１，１８に垂直に配向し、透明電極１２の間の領域では透明基板１１，１８に平行に配向する。配向膜１６の近傍の液晶分子は垂直に配向したままだが、印加電圧を増加させると、より配向膜１６に近い場所にある液晶分子まで電界の方向へ配向するようになる。
【００４９】
ここで、図３に示すように、この液晶１５に垂直に入射する波長λの光について考える。まず、電場の振幅方向が透明電極１２の配列方向に平行な偏光成分は、液晶１５が透明基板１１に平行に配向している領域では屈折率ｎe を感じ、透明基板１１に垂直に配向している領域では屈折率ｎo を感じる。
【００５０】
液晶１５の屈折率分布をｎ（ｘ、Ｖpp）、厚さをｄとすると、光が液晶１５を透過する時の位相シフトは２πｎ（ｘ、Ｖpp）ｄ／λとなる。この時、液晶１５の配向方向が異なる領域が周期的に繰り返されるため、位相分布は位置ｘの周期関数になる。このような液晶１５の配向変化に起因する周期的な位相分布は、上述した透明電極１２による位相分布に重畳されて、大きな位相差を持つ周期構造が実現される。
【００５１】
これは位相回折格子として動作し、図３に模式的に示すように、透過光の他に多数の回折光が生じる。ここで、位相分布は印加電圧Ｖppに依存して変化するので、外部からその回折特性を制御できる能動型の回折格子として機能する。この制御性については、後に具体的な数値例を挙げて詳しく説明する。
【００５２】
以上の動作は、回折光学素子１０に入射する光が、電場の振幅方向が透明電極１２の配列方向に平行な偏光成分の場合である。もう一方の偏光成分の入射光については、印加電圧の有無に関わらず、この光が感じる液晶１５の屈折率は常にｎo であるので、回折光は生じない。したがって、この回折光学素子１０は偏光依存性を持つことになり、例えば特定の偏光成分のみを透過する偏光分離器として動作させることができる。
【００５３】
但し、この偏光依存性は液晶１５の特性から直接に帰結する一般的な性質である。従来技術においてもこの事実は良く認識されており、偏光依存性があると不都合な用途、例えば上述した特開平５−７２５０９号公報等に開示されているように、偏光依存性を持つ素子２つを互いに直交させて積層させることによって、偏光依存性を取り除くことができる。
【００５４】
本参考例においても、公報記載の技術と同様にして、２つの回折光学素子１０を互いに直交させて積層させることによって、偏光依存性があると不都合な用途にも適用することができる。
【００５５】
以下では、本参考例の回折光学素子１０の製造方法とその特性について、具体的な数値例を挙げながら詳細に説明する。本参考例の回折光学素子１０の製作に用いた主な部材を図４に示す。ここで用いた液晶１５はネマチック液晶、透明基板１１，１８は無アルカリのガラス基板で、いずれも液晶ディスプレイの製造に一般的に用いられている部材である。
【００５６】
櫛歯状の電極は透明基板１８に厚さ１００ｎｍのＩＴＯ（インジウム錫酸化物）を成膜し、フォトリゾグラフィによってパターン化して形成している。本実施例の回折光学素子１０では電極の幅と配列ピッチとがそれぞれ５μｍ、１０μｍとしている。使用した基板の面積は１５０ｍｍ角で、一枚当たりに同一の電極パターンを９個形成し、後に９素子を分離することができるようにしている。
【００５７】
本参考例の回折光学素子１０の製作工程を図５にまとめて示す。ここでは、配向膜１６の材料を選択し、電圧無印加時において液晶１５が配向膜１６に対して垂直に配向するように配慮している。
【００５８】
図５において、＃１の「配向膜形成」の工程では、電極基板と対向基板の両方にポリイミドをスピン塗布し、焼成する。本参考例では、これに続く＃２の「ラビング処理」の工程は不要となる。
【００５９】
さらに、＃３の「シール剤塗布」の工程では、直径６μｍのロッド状のスペーサを含むシール剤を電極基板に塗布し、仮焼成する。＃４の「スペーサ剤散布」の工程では、直径６μｍのスペーサを対向基板に散布する。＃５の「張り合せ」の工程では、電極基板と対向基板を張り合わせ、荷重を加えて加熱する。
【００６０】
＃６の「基板間距離測定」の工程では、基板中央のセルで５μｍ、周辺部で６μｍとなる。＃７の「基板切断」の工程では、一基板から９素子を分離する。＃８の「液晶注入」の工程では、液晶を注入口から毛細管現象によって注入する。＃９の「封入口のシール」の工程では、ＵＶ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｙ：紫外線）硬化樹脂を使用する。＃１０の「リード線接続」の工程では、超音波半田によってパッド部に半田付けする。
【００６１】
これによって、従来は必要とされたラビング処理あるいはＳｉＯ等の材料の斜方蒸着といった表面処理が不要となる。シール材料１３に混入するスペーサと透明基板１１，１８に散布するスペーサとを選択し、２枚の透明基板１１，１８間の距離、すなわち、後に液晶１５を注入した時の液晶層の厚さを６μｍに設定している。これらの工程の一つ一つは、いずれも液晶ディスプレイの製造に用いられる一般的なものである。
【００６２】
以上の手順にしたがって製作した回折光学素子１０の特性を、以下の方法により評価する。つまり、光源としてレーザダイオードを用い、この回折光学素子１０に垂直に波長６７０ｎｍの単色光を入射する。光源と素子との間には偏光子を挿入し、一方の偏光成分のみを入射するようにする。
【００６３】
電場の振幅方向が櫛歯状の透明電極の配列方向に垂直な成分の偏光を入射した場合には、電極に電圧を印加すると、図３に模式的に示すように、多数の回折光が生じる。電極に印加する電圧を変化させ、これらの回折光の強度をパワーメータで測定した結果を図６に示す。
【００６４】
図６において、０次回折光（すなわち、回折せずに透過する成分）の強度は印加電圧の増加と共に減少し、最小値に達した後に増加することが確認できる。一方、１次回折光は全くこれとは逆の振る舞いを示し、はじめは増加して最大値に達した後に減少する。言い換えれば、０次回折光と１次回折光との強度の比は、印加電圧の増加と共に最大値から最小値まで単調に減少する。また、ある特定の印加電圧において両者は一致することになる。
【００６５】
この現象は以下のようにして理解することができる。まず、印加電圧が小さい間、液晶分子の大部分は一様に透明基板１１，１８に垂直に配向したままである。したがって、光が液晶層を通過する時に生じる位相の遅れも、場所に依存せず一様である。但し、透明電極１２の有無による位相の遅れの差が周期的に存在するので、弱い回折光が発生することになる。図６において、印加電圧が０の時に０次回折光の約１／１５０の強度の１次回折光が観察されたのは、この周期的に配置された透明電極１２の影響である。
【００６６】
次に、印加電圧を増加していくと、透明電極１２の間の領域に十分な強度の電界が存在するようになり、この領域の液晶分子が電界の方向へ配向する。透明電極１２の真上の領域では電界強度が弱く、液晶分子は垂直配向のままである。また、配向膜１６の近傍の領域では仮に電界が十分大きくても、液晶分子は配向膜１６からの影響を強く受けてその配向を変えることはできない。
【００６７】
印加電圧の増加と共に、透明電極１２のある領域を透過する光と、そうでない領域を透過する光との位相差が増加し、ある印加電圧の値においてこの位相差がπに等しくなる。一方、デューティ比が５０％の矩形状の位相差分布を仮定して回折光強度を位相差の関数として計算すると、０次回折光の強度は位相差と共に減少し、位相差がπの時に完全に０になることが証明される。１次、３次等の奇数次回折光の強度は位相差と共に増加し、位相差πの時に最大になる。偶数次の回折光は存在しない。この傾向は図６に良く現れている。
【００６８】
ところが、実際には、図２に模式的に示したように、液晶分子の配向分布、すなわちこれを透過する光に生じる位相遅れの分布は完全な矩形状にはならない。そのため、大部分の領域で位相差がπになる印加電圧においても、図６に示すように、０次回折光は完全には消えない。換言すれば、位相差の分布をデューティ比が５０％の矩形状に近づけることができれば、位相差がπとなる印加電圧において０次回折光の強度は０に近づくことになる。
【００６９】
０次回折光の強度が最小になった後に更に印加電圧を上げていくと、電界強度が更に増加して、透明電極１２の真上の領域や配向膜１６に近い場所の液晶分子まで電界方向へ配向するようになる。その結果、この素子を透過する光の位相差も更に増大する。上述した矩形状の位相差分布を仮定した解析では、位相差がπから増加するに連れて０次回折光の強度は増加し、位相差２πで最大値に達する。
【００７０】
奇数次の回折光は位相差と共に減少し、位相差２πで０になる。波長λ＝６７０ｎｍの光に対して、今回製作した素子で可能となる最大の位相差の値を計算すると、液晶層の厚さｄ＝６μｍ、異常光と常光の屈折率差はΔｎ＝ｎe −ｎo ＝０．１９なので、最大の位相差は、２π×Δｎ×ｄ／λ〜３．４πとなる。これは２πより大きいので、理論的には０次回折光が最大値を示す印加電圧が存在することになる。しかしながら、電界強度が十分に大きい状況では透明電極１２の上部の液晶１５も配向するので、矩形状の位相差分布という理論解析の仮定からのずれが大きくなり、実際には、図３に示したように、最大値には達しないと考えられる。
【００７１】
最後に、この回折光学素子１０が偏光依存性を持つことを確認することを目的として、偏光子を９０度回転して同様の実験を行った結果を図７に示す。図６と比較すると、その差は一目瞭然で、この場合には回折現象は殆ど起こらず、透過光強度の印加電圧依存性も殆ど認められない。もっとも、図７を良く見ると、若干の回折光とその印加電圧依存性とが認められる。印加電圧依存性の傾向は図６に示す場合と一致している。この原因は光源として用いたレーザダイオードが両方の成分の偏光を出力しており、ここで用いた偏光子が完全でないために、電場の振幅方向が透明電極の配列方向に垂直な成分の偏光が混在していたためである。
【００７２】
以上に説明したように、本参考例の構成では、電極材料を一方の透明基板１８にのみ形成すればよい。また、基板に凹凸構造を設けたり、柱状の構造物を形成して液晶層を分離したりする必要もない。したがって、２枚の基板に透明電極を形成する必要があり、基板の凹凸構造あるいは柱状の構造物を形成する必要のある従来の方法に比較して、製造工程を簡略化することができる。
【００７３】
また、従来は、液晶分子を所望の方向に配向させるためにラビング処理や斜方蒸着といった配向処理の工程を透明電極の表面に施している。しかしながら、本参考例では、配向膜１６に何ら処理を施すことなく、液晶１５を垂直配向させて動作させることができる。以上の製造工程の簡略化によって、回折光学素子１０の製造コストを低減することができるという効果が得られる。
【００７４】
さらに、基板の凹凸構造や柱状の構造物が不要なので、表面に強く“アンカリング”された液晶の占める割合が従来の構造に比べて低い。これは、回折角度を大きくするために周期構造のピッチを細かくする場合に大きな利点となる。周期構造のピッチを細かくするには透明電極１２の配列ピッチを小さくすればよく、凹凸構造または柱状構造物の場合とは異なり、表面に“アンカリング”されて配向変化が困難になる液晶の領域は変わらない。すなわち、本参考例の構成は、従来の方法に比べて、回折角度を大きくするのが容易である。これは本構成を後述の様々な光装置への応用する場合に、主に小型化に有利であるという効果をもたらす。
【００７５】
以上に説明した参考発明の第一の参考例においては、電圧を印加しない状態において液晶１５を透明基板１１，１８に垂直に配向する例を挙げたが、液晶１５の配向方向はこの例に限られるものではない。従来の例で一般に行われているように、電圧無印加時に液晶分子が透明基板に平行になるように配向させ、電圧印加時に垂直になるようにしてもよい。あるいは、最初、電極の配列方向に平行に配向させておき、電圧印加時に電極の配列方向と直行する方向に配向するようにしてもよい。
【００７６】
このような液晶の配向方向は、例えばラビング処理の方向を選択することによって自由に設定することができる。もちろん、この場合にはラビング処理や斜方蒸着といった配向処理の工程が必要になるので、配向処理工程の分の製造コストは従来と同様である。しかしながら、この点を除けば、以上に述べた効果の全てを実現することができる。したがって、このような垂直配向以外の配向方向を採用する構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【００７７】
また、参考発明の趣旨を損なうことなく、本参考例における様々な構成要素の寸法、材料の種類、実装の形態等の選択が可能である。例えば、電極や液晶層の寸法は設計事項であり、この実施の形態に限るものではない。また、液晶１５の注入方法は塗布法のように毛細管現象を利用しない方法もあるし、ポリマー性の液晶をスピン・コーティング法によって形成してもよい。その場合にはシール材料は不要である。このように、参考発明の趣旨を損なうことなく、様々な構成要素の設計、材料や実装形態の選択が可能である。よって、上記のような構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【００７８】
図８は参考発明の第二の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図であり、図９は参考発明の第二の参考例における回折光学素子の構成を示す説明図である。図８において、参考発明の第二の参考例では上記のような回折光学素子１０を複数個配列して形成し、複数の入射光をそれぞれ独立に制御する構成である。図８にはこれらの回折光学素子１０ｂの構成とその動作との概要を示している。図９の分解斜視図に示すように、この回折光学素子１０ｂは複数の独立した透明電極１２ｂを形成した透明基板１８ｂと、もう一方の透明基板１１ｂとで液晶１５ｂを挟んで構成される。
【００７９】
参考発明の第二の参考例では、参考発明の第一の参考例と同様に、透明電極１２ｂを形成した透明基板１８ｂの上に配向膜を形成し、さらにその上に液晶１５ｂの封入のための液晶封入口１４ｂを備えたシール材料１３ｂを予め形成しておく。透明基板１１ｂの表面にも配向膜を形成し、これら両方の透明基板１１ｂ，１８ｂを張り合わせて固定し、液晶１５ｂを注入する。
【００８０】
透明電極１２ｂに設けられたパッド部１７ｂはそれぞれ外部の制御回路（図示せず）に接続される。複数の透明電極１２ｂを、図８に示すように、回折光が互いに干渉しない方向に形成することによって、隣り合う素子間の距離を小さく設定することができる。すなわち、複数の回折光学素子を高密度に配列することができる。実装密度の限度は回折光の干渉が起こらない範囲である。
【００８１】
これは入射光の大きさ、広がり、光を回折光学素子１０ｂに入射するために光ファイバを用いる場合はその被覆の大きさ、等の要因に依存し、例えば１００μｍ以下のピッチで配列することは容易に可能である。後述するように、０次回折光のみを出力として利用する場合、あるいは高密度に実装する必要がない用途に関しては、透明電極の配列方向即ち回折光の広がる方向をどのように設定しても構わない。
【００８２】
参考発明の第二の参考例の構成において特徴的なのは、共通の透明基板１８ｂの上に複数の透明電極１２ｂのパターンを備え、同時に液晶１５ｂを注入して封止する点である。これによって、個々の独立した素子を実装する構成に比べて高密度に回折光学素子を配列することが可能になる。これは後述する多チャンネルの可変光学減衰器等の様々な光装置の小型化に有利である。またこれに加えて、一チャネル当たりの製造コストを低減することができるという効果が得られる。
【００８３】
参考発明の第一の参考例及び第二の参考例においては、回折光学素子のみを透明基板上に形成したが、透明電極の電位を制御するための回路の一部を同じ透明基板上に形成することが可能である。参考発明の第三の参考例においては、例えば低温ポリシリコン技術による薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）によって、この種の制御回路を透明基板上に形成する。
【００８４】
図１０は参考発明の第三の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図であり、図１１は参考発明の第三の参考例における回折光学素子の構成を示す説明図であり、図１２及び図１３は参考発明の第三の参考例における回折光学素子のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。
【００８５】
図１１に示すように、この回折光学素子１０ｃは透明電極１２ｃを形成した透明基板１８ｃの上に、低温ポリシリコンＴＦＴで構成したＴＦＴ回路１９を備える点が特徴的である。ここに使用するＴＦＴ回路１９の構成を図１２に示す。図１２において、１次元に配列されたｎ個の回折光学素子には、ＤＯＥ＃１〜ＤＯＥ＃ｎの記号が付されている。それ以外の回路要素は全てＴＦＴ回路１９内部に含まれるものとする。すなわち、ｎ番目の回折光学素子ＤＯＥ＃ｎには静電容量Ｃ＃ｎと薄膜トランジスタＴｒ＃ｎとが、図１２に示すように接続される。
【００８６】
薄膜トランジスタＴｒ＃ｎのゲート電極にはシフトレジスタの出力ＣＬＭ＃ｎが、ソース電極には共通のデータ配信用の配線が接続され、これに信号ＤＡＴＡが入力される。シフトレジスタに制御信号ＳＴＲＴ，ＣＬＫ１，ＣＬＫ２を入力すると、出力ＣＬＭ＃１，ＣＬＭ＃２，・・・の順に、矩形の電圧信号がそれぞれ薄膜トランジスタＴｒ＃１，Ｔｒ＃２，・・・のゲート電極に供給される。この時の入力信号ＤＡＴＡの電位が静電容量Ｃ＃１，Ｃ＃２，・・・に記憶される。その瞬間に回折光学素子１０ｃの特性は決定され、入射光を所望の強度で回折する。
【００８７】
次に、これらの薄膜トランジスタＴｒのゲート電極に別の信号が供給されるまでは、静電容量Ｃに記憶された電圧は変化しないので、回折光学素子１０ｃの特性も不変である。このようにして、入力信号ＤＡＴＡを静電容量Ｃ＃１，Ｃ＃２，・・・に書込むことによって、全ての回折光学素子の特性を思い通りに設定することができる。
【００８８】
ＴＦＴ回路１９によって制御回路の一部を同一の透明基板上に形成することの第一の利点は、実装の簡略化と小型化である。図８に示す構成では回折光学素子の数に比例した数のパッド部が存在し、その一つ一つをワイヤボンディング等の手法によって外部のプリント基板等に接続する必要がある。ところが、図１０〜図１２に示す構成では、パッド部の数は劇的に減少する。接続数の減少は接続の信頼性を向上させる。
【００８９】
第二の利点は、ＴＦＴ回路１９で搭載した回路は外部の集積回路には不要となり、外部の集積回路の規模が減少し、応用装置の小型化と低コスト化とが実現されるという点である。
【００９０】
尚、図１１及び図１２において回折光学素子１０ｃは１次元に配列された例を挙げたが、２次元に配列してもよい。この場合には、図１３に示す回路構成とする。すなわち、回折光学素子ＤＯＥ、静電容量Ｃ、薄膜トランジスタＴｒを単位とするセルを２次元に配列し、垂直方向及び水平方向の２種のシフトレジスタを図１３に示すように接続し、入力信号電圧ＤＡＴＡを保持するためのサンプル・ホールド回路を追加した構成とする。
【００９１】
この回路の動作は以下の通りである。まず、入力信号電圧ＤＡＴＡをサンプル・ホールド回路の静電容量に保持する。１行分の入力信号が静電容量に保持された段階で、薄膜トランジスタＴｒのゲート電極に接続された配線を共有する１行分の回折光学素子ＤＯＥの静電容量Ｃに、これらの電圧値を同時に書込む。この操作を全ての行について繰り返すことで、全ての回折光学素子の特性を設定することができる。回折光学素子を２次元に配列することによって、より多くの素子を小さな体積で実現することができるという効果が得られる。但し、高密度に実装することで、回折光が干渉してクロストークの原因になることがあるので、回折光学素子の設計やその他の構成要素の配置に留意する。
【００９２】
また、回折光学素子の配列ピッチは一定である必要はなく、用途に応じて自由に配列することができる。本参考例の趣旨は、制御回路の一部を透明基板上に形成することによって、実装コストの低減、小型化等の効果をもたらすことである。したがって、このような構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【００９３】
上述したような回折光学素子の応用として、可変光減衰器、偏光分離器、光スイッチ、フィルタ等の光装置がある。以下では、本発明の回折光学素子を用いた光装置について説明する。
【００９４】
図１４は参考発明の第四の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。図１４において、開口２１を有するストップ２０を設置することによって、０次回折光のみを出力として外部へ導き、高次の回折光はストップによって遮断されるようにする。
【００９５】
図３と図６と図７とに示すように、この回折光学素子は印加電圧によって０次回折光の強度を調整することができるので、図１４に示す構成の素子は可変光学減衰器として動作する。図３に示す例では最小値と最大値との比は約５０だが、上述した通り、電界分布の設計や液晶材料の選択によってこの比を大きく設定することができる。
【００９６】
上記の説明では０次回折光のみを出力とする構成について述べたが、開口２１の位置を調整することによって、任意の次数の回折光を出力として選択することができる。いずれの次数の回折光も印加電圧によってその強度を制御することができるので、このような構成も可変光学減衰器として動作する。
【００９７】
また、複数個の開口をストップ２０に設けることによって、複数の回折光を出力として選択すれば、光スイッチあるいは分岐機能を併せ持つ可変光学減衰器として動作することになる。
【００９８】
上述したように、この回折光学素子は一方の偏光成分のみを選択して減衰させたり、回折させたりすることができる。すなわち、一方の偏光成分を回折させ、もう一方の偏光成分を透過する機能を持つので、偏光分離器としても動作する。
【００９９】
入射光が異なる波長の光を含む場合を考えると、ストップ２０に長方形の開口を設けて高次の回折光を透過させることによって、これらの異なる波長の光を分離して取出すことができる。これは回折角度が波長に依存することを利用しており、分波器あるいは特定の波長の光を取出すフィルタとして動作する。
【０１００】
上述した参考発明の第四の参考例においては、回折光学素子のある特定の次数の回折光を選択する目的で開口を設けたストップ２０を用いたが、これ以外の手段を用いても同様の光装置を実現することができる。
【０１０１】
図１５は参考発明の第五の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。この図１５には光ファイバを使用する構成を示している。図１５に示すように、出力として選択する回折光が入射する位置に出力用光ファイバ３０を設置することによって、回折光学素子１０のある特定の次数の回折光を選択することができる。したがって、上記と同様にして、可変光学減衰器、光スイッチ、フィルタ等の光装置を構成することができる。
【０１０２】
また、開口を設けたストップや光ファイバの他の光学手段、例えばミラーやプリズムを配置することによって、ある次数の回折光を選択してその進路を変更してもよい。したがって、これらの構成も参考発明の光装置の変形参考例と見なすことができる。
【０１０３】
以上に説明したように、特定の次数の回折光を出力として選択する時には様々な光学手段を用いることができる。特に、光通信用の光装置は光ファイバと共に用いる場合が多いため、回折光学素子と光ファイバとをどのように結合するかが重要である。参考発明の第二の参考例及び第三の参考例において説明した多チャンネルの回折光学素子の場合には、入出力に使用される光ファイバの本数が多くなるため、光ファイバの実装形態はさらに重要になる。そこで、以下では、回折光学素子を光ファイバへ効率良く接続する構成について説明する。
【０１０４】
図１６は参考発明の第六の参考例による回折光学素子を用いた光装置の断面を示す説明図である。図１６において、回折光学素子１０ｄの構成要素である透明基板１１ｄ、透明基板１８ｄにそれぞれ凹部３２を設け、入力用光ファイバ３１と出力用光ファイバ３０とを対応する凹部３２に挿入し、接着剤３３で固定する。
【０１０５】
例えば、直径１００μｍの光ファイバと、透明基板１１ｄとして厚さ０．７ｍｍのガラス基板とを使用する場合、凹部３２は以下のようにして形成することができる。
【０１０６】
まず、回折光学素子１０ｄを構成する前に、透明基板１１ｄの片面にフォトレジストを塗布し、リソグラフィで凹部３２となる領域のフォトレジストを除去する。
【０１０７】
次に、ケミカル・ポリシングの手法によって、フォトレジストを除去したガラス基板の領域を指定の厚みになるまで溶融して薄くすることによって、凹部３２が形成される。この手法ではガラス基板の表面の鏡面を維持しながら溶融されるので、後に凹部３２の底部を研磨する必要がない。出力側の透明基板１８ｄと出力用光ファイバ３０についても同様にして凹部３２を形成する。
【０１０８】
これらの凹部３２が形成された透明基板１１ｄ，１８ｄを用いて回折光学素子１０ｄを組立てた後に、光ファイバを挿入して接着する。光ファイバを挿入する際には、多数の光ファイバを同時に取り扱うことのできる装置を用いることが望ましい。尚、図１６では入力用光ファイバ３１と出力用光ファイバ３０とが対向する位置に配置されているが、上述したように、高次の回折光を利用する光装置においてはこの限りではない。
【０１０９】
以上に説明したようにして、入力用光ファイバ３１と出力用光ファイバ３０とを回折光学素子１０ｄに実装すれば、位置決め等の実装のための手間を軽減することができる。特に、回折光学素子の設計やそれを搭載する光装置の用途によっては、回折光学素子の液晶層から少し距離をおいた場所に出力ファイバを設置したい場合がある。
【０１１０】
図１７は参考発明の第六の参考例による回折光学素子を用いた光装置の断面を示す説明図である。上記のような場合には、この図１７に示すように、出力側の光ファイバを保持するための光ファイバホルダ３４を回折光学素子１０ｅの出力側に接着材３３ｅによって固定すればよい。
【０１１１】
光ファイバホルダ３４は、上述した手順と同様にして、ガラス基板等に凹部３２ｅを形成した後に、出力用光ファイバ３０ｅを挿入して固定することで形成される。この場合にも、上記と同様に、実装の手間を軽減することができるので、参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【０１１２】
以上に説明した回折光学素子及びそれを用いた光装置において、例えば液晶の温度特性や光ファイバへの機械的な負荷の変動等のように、予め制御することが困難な何らかの原因によって、回折光学素子に入射する光量あるいは出力の回折光の強度が変動する場合があり得る。仮に、これらの変動量を検出して、それに応じて回折光学素子へ印加する電圧を調整すれば、外的な変動要因に依存しない回折光学素子およびそれを用いた光装置を提供することができる。
【０１１３】
図１８は参考発明の第七の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。図１８においては、上記のような光量モニタを備えた光装置の構成例を示している。この例では、回折光学素子１０の±１次の回折光を透過する位置に開口２１ｆを設けたストップ２０ｆを用いている。すなわち、これは強度の等しい±１次の回折光を出力とする光装置である。
【０１１４】
ここで、フォトダイオード等の光検出器で構成する光量モニタ４０によって、例えば−１次の回折光の強度を検出する。光量モニタ４０の出力が一定となるように、常時あるいは一定の周期で回折光学素子１０に印加する電圧を補正することによって、何らかの原因で回折光強度が変動した場合にも安定した動作を得ることができる。こうして、外的な変動要因に依存しない回折光学素子及びそれを用いた光装置を提供することができる。
【０１１５】
図１８では開口２１ｆを設けたストップ２０ｆを用いたが、上記と同様にして、ストップの代わりに光ファイバ、ミラー等の光学部品を用いた構成でも同じ効果が得られる。また、必ずしも、図１８に示す例のように、符号の異なる同じ次数の回折光をモニタする必要はない。これは回折光強度と印加電圧との関係が一意的に決まるので、モニタするのは別の次数の回折光でも構わない。したがって、これらの類似の構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【０１１６】
参考発明の第七の参考例においては、独立したフォトダイオード等の光検出器を光量モニタとして用いたが、この考えを図１０に示す多チャンネルの回折光学素子及びそれを用いた光装置の場合に適用しようとすると、素子数と同じ数の独立した光検出器を配置することになる。これでも正常に動作するので、機能上は問題がないが、部品点数が多くて組立てに手間がかり、部材の費用もかさむという課題がある。この課題を解決するためには、薄膜半導体プロセスを用いて回折光学素子と同一の基板上に光検出手段を形成すれば良い。
【０１１７】
図１９は参考発明の第八の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。図１９において、回折光学素子１０ｇはＴＦＴ回路１９ｇに光量モニタ４１ｇを含む点が特徴的である。光量モニタ４１ｇを含むＴＦＴ回路１９ｇの構成については後述する。
【０１１８】
回折光学素子１０ｇの下方には、開口２１ｇと反射領域２２ｇとが形成されたストップ２０ｇを配置する。この時、強度をモニタすべき回折光が反射領域２２ｇによって反射されて光量モニタ４１ｇに入射し、また出力となる回折光が開口２１ｇを透過するようにこれらの構成要素を配置する。
【０１１９】
図２０は参考発明の第八の参考例による回折光学素子を用いた光装置のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。図２０においては、光量モニタ４１ｇを含むＴＦＴ回路１９ｇの構成を示している。
【０１２０】
このＴＦＴ回路１９ｇが図１２に示すＴＦＴ回路１９と異なるのは、個々の回折光学素子ＤＯＥに対応して、光検出器であるフォトダイオードＰＤ＃１，ＰＤ＃２，・・・，ＰＤ＃ｎと、これらのフォトダイオオードの出力を外部へ送るための薄膜トランジスタＴｒ＃１ｂ，Ｔｒ＃２ｂ，・・・，Ｔｒ＃ｎｂとを有する点である。
【０１２１】
このようなフォトダイオード配列はアモルファスシリコンを用いた密着型イメージセンサで一般に用いられており、低温ポリシリコン技術による薄膜トランジスタの製造工程とも親和性が高い。すなわち、同様の大面積対応の薄膜半導体プロセスを用いて、図２０に示す回路を透明基板上に製造することができる。
【０１２２】
ここで、回折光学素子ＤＯＥ＃１に電圧を書込むための薄膜トランジスタＴｒ＃１ａのゲート電極と、薄膜トランジスタＴｒ＃１ｂのゲート電極とは、シフトレジスタ回路の同一の出力が接続されている。この構成によって、回折光学素子ＤＯＥ＃１への電圧の書込みと、以前に書込まれた電圧値に対応した回折光強度の検出結果の出力とを同時に行うことができる。シフトレジスタ回路を共有することで、回路規模を低減することができ、その結果、素子の製造コストを低減することができる。
【０１２３】
本参考例においても、ストップの代わりに光ファイバやミラーを使用したり、光ファイバを使用する場合に図１５または図１６に示す実装形態を採用する等のこれまで示した様々な構成が可能である。したがって、これらの構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【０１２４】
以上の実施の参考形態では、回折光学素子を構成する透明電極が、図１に示すような１組の互いに対向する櫛歯状の形状としている。これらの参考例の回折角度は透明電極の配列ピッチによって決定され、製造後に回折角度を切替えることはできない。この事情は、従来の凹凸構造や柱状物体を周期的に配列した回折光学素子においても同様である。
【０１２５】
本発明の第一の実施例においては、透明電極の形状を工夫することによって、外部から電気的に回折角度を切替えることができる回折光学素子を提供する。すなわち、回折光学素子を形成する他の構成要素は全て図１に示す構成と同一で、透明電極の形状のみが異なるものとする。
【０１２６】
図２１は本発明の第一の実施例による回折光学素子の構成要素を示す説明図であり、図２２は本発明の第一の実施例における回折光学素子の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。図２１において、互いに対向する１組の櫛歯状の透明電極１２ｈａ，１２ｈｃの間に、第三の透明電極１２ｈｂが配置される。また、これらの透明電極１２ｈａ，１２ｈｂ，１２ｈｃの電位を独立に設定することができるように、それぞれの電極に対応したパッド部１７ｈａ，１７ｈｂ，１７ｈｃを設けている。
【０１２７】
次に、本実施例の動作について説明する。透明電極１２ｈａと透明電極１２ｈｃとを共に接地し、透明電極１２ｈｂに電圧を印加する場合を考える。液晶層に形成される電界分布、すなわち、液晶分子の配向は図２に示す構成と同様になる。したがって、この時に得られる回折角度や回折光強度は前回と全く同様である。
【０１２８】
透明電極１２ｈａのみに電圧を印加して、他の透明電極１２ｈｂ，１２ｈｃを接地する場合、液晶分子の配向は図２２に模式的に示すようになる。すなわち、透明電極１２ｈａとその隣の透明電極１２ｈｂとの間には電界が存在して液晶分子はそれに沿って配向するが、透明電極１２ｈｂと透明電極１２ｈｃとの間の電界は０なので、液晶分子は垂直に配向したままである。したがって、液晶分子の配向状態、すなわち、これを透過する光の位相遅れは、図２２に示すように、透明電極１２ｈａ，１２ｈｂ，１２ｈｃの３つの配列を一単位として繰り返される。
【０１２９】
一方、図２では繰り返しの単位は透明電極２つ分である。回折角度は液晶分子の配列周期にほぼ反比例するので、図２２の場合の回折角度は、図２の場合の約２／３になる。このように、透明電極１２ｈａ，１２ｈｂ，１２ｈｃの電位を制御することによって、回折角度を切替えることができる。
【０１３０】
尚、図２２や図２において、隣り合う２つの透明電極間の距離と透明電極の幅とが同じように描かれているが、これは上述した製作例との対応を考慮したためである。実際には、これらは回折格子の設計パラメータであり、所望の回折特性を得るために設計時に最適化されるべきものである。
【０１３１】
上記の説明では第３の透明電極１２ｈｂを設け、それに電圧を印加するか否かによって、回折角度を２通りに切替える例を挙げたが、それに対して様々な変形実施が可能である。
【０１３２】
例えば、第４の透明電極、第５の透明電極等を追加し、それらの電位を独立に設定する制御手段を備えることによって、切替え可能な回折パターンの数を増やすことができる。
【０１３３】
また、上記の説明では一方の透明基板のみに複数の透明電極を設けたが、もう一方の透明基板にも同様の透明電極を設けてそれらの電位を制御すれば、液晶分子の配向パターンをより精密に制御することができる。このような場合にも、切替え可能な回折角度のパターンが増加する。その場合、両方の透明基板に透明電極を形成する手間は必要だが、その見返りとして切替え可能な回折角度の数が増すという効果がある。
【０１３４】
上述した例は、複数の透明電極を設けてその電位を制御することによって、液晶分子の配向パターンを切替えるという趣旨に基づくものであるので、これは本発明の第九の実施例の変形実施例と見なすことができる。
【０１４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、第一及び第二の透明基板間に液晶層を配置して構成される回折光学素子において、第一及び第二の透明基板のうちの少なくとも一方の透明基板の液晶層に対向する側の表面に複数の透明電極を設け、制御手段を通して透明電極の電位を設定することによって、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の主な構成要素を示す説明図である。
【図２】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図３】 参考発明の第一の参考実施例における回折光学素子の動作を示す説明図である。
【図４】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の製作に用いた部材を示す図である。
【図５】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の製作工程を示す図である。
【図６】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の特性を示す説明図である。
【図７】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の特性を示す説明図である。
【図８】 参考発明の第二の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図である。
【図９】 参考発明の第二の参考例における回折光学素子の構成を示す説明図である。
【図１０】 参考発明の第三の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図である。
【図１１】 参考発明の第三の参考例における回折光学素子の構成を示す説明図である。
【図１２】 参考発明の第三の参考例における回折光学素子のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。
【図１３】 参考発明の第三の参考例における回折光学素子のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。
【図１４】 参考発明の第四の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。
【図１５】 参考発明の第五の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。
【図１６】 参考発明の第六の参考例による回折光学素子を用いた光装置の断面を示す説明図である。
【図１７】 参考発明の第六の参考例による回折光学素子を用いた光装置の断面を示す説明図である。
【図１８】 参考発明の第七の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。
【図１９】 参考発明の第八の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。
【図２０】 参考発明の第八の参考例による回折光学素子を用いた光装置のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。
【図２１】 本発明の第一の実施例による回折光学素子の構成要素を示す説明図である。
【図２２】 本発明の第一の実施例における回折光学素子の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図２３】 従来の回折光学素子の構成を示す説明図である。
【図２４】 従来の回折光学素子の構成を示す説明図である。
【図２５】 従来の回折光学素子の構成を示す説明図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は回折光学素子に関し、特に液晶を用いた回折光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、液晶を用いた能動型の回折光学素子が知られている。このような従来の回折光学素子の例として、特開平２−４０６１５号公報に開示された素子の構成を図２３に示す。
【０００３】
図２３において、この回折光学素子は透明基板１０１の片面に形成した透明電極１０２の上に凹凸材料１０３によって凹凸構造を形成したものと、もう１枚の透明基板１０１に透明電極１０２を形成したものとで、液晶１０４を挟んで構成される。この場合、液晶層の厚さは６μｍ程度としている。
【０００４】
この凹凸構造は振幅５０ｎｍ程度の周期的な平行縞状である。この凹凸構造によって、液晶層の厚さに僅かな差が生じ、その結果、２つの透明電極１０２に電圧を印加した時の電界強度に周期的な差が生じる。ここで用いる液晶はコレステリック−ネマティック相転移型で、印加電圧の上昇と共にコレステリック相からネマティック相へ変化する。
【０００５】
いま、印加電圧を減少させてネマティック相からコレステリック相へ転移する場合を考える。ネマティック相ではこの素子に入射する光がこの素子を透過し、回折されない。コレステリック相になると、基板の凹部、すなわち電界が弱い部分で選択的に液晶分子が基板に平行に並ぶ。その結果、周期的な屈折率分布が生じて、位相回折格子が形成される。
【０００６】
特開平２−４０６１５号公報には、これと類似の構成として、予め凹凸構造を形成した透明基板に透明電極を形成した構成、平坦な透明基板の表面に凹凸構造をもつ透明電極を形成した構成についても開示されている。いずれの構成も、液晶を挟む両方の透明基板の全面に透明電極を設け、片方の透明基板側に周期的な凹凸構造を設けることによって、液晶層の電界分布に僅かな強弱を形成する点が共通している。
【０００７】
また、これとは異なる構成の液晶を用いた能動型の回折光学素子が、特開平５−７２５０９号公報に開示されている。この構成を図２４に示す。図２４において、透明電極１１２を設けた透明基板１１１を２枚用いて液晶１１４を挟む点は上記の素子と同様だが、図２４では、周期的に配置した矩形状の透明固体材料１１３を用いて液晶１１４を分離している点が特徴的である。
【０００８】
尚、図には示していないが、液晶を確実に配向させるには、透明電極に配向処理を施すことが望ましいとしている。具体的には、ポリイミド等の高分子材料を形成してラビング処理を施す、あるいはＳｉＯ等の材料を斜方蒸着する等の方法がある。
【０００９】
その動作は以下の通りである。液晶に入射する光が感じる液晶の屈折率は、２つの透明電極への電圧印加の有無によって、矩形状の透明固体材料１１３の屈折率に一致した状態と異なる状態とを切替えることができる。両者の屈折率が一致した状態では光がこの素子を透過し、回折光は生じない。屈折率が周期的に異なる状態では位相回折格子として動作するので、光が回折する。これによって、電圧印加の有無によってＯＮ／ＯＦＦを切替えられるフィルタ等の光装置を形成することができる。
【００１０】
さらに、これに類似の回折光学素子が、Ｓａｋａｔａらの論文“Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ ｚｅｒｏ−ｏｒｄｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｅ−ｐｉｔｃｈ ｐｈａｓｅ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ”（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９，２０００，ｐｐ．１５１６−１５２１．）に紹介されている。
【００１１】
この論文に記載の構造を図２５に示す。やはり、透明電極１２２を設けた透明基板１２１を２枚用いて液晶１２４を挟んだ構成であるが、ここでは、周期的に配置した透明固体材料１２３の断面が台形である点が特徴的である。
【００１２】
上記の素子と同様に、この素子に入射する光が電圧印加時には透過し、電圧無印加時には回折するように、透明固体材料と液晶との屈折率を選択する。透明固体材料の断面を矩形ではなく、台形とすることによって、可視範囲の広いスペクトラム領域においてＯＮ／ＯＦＦ可能な光の強度比（消光比）を改善することができるとしている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の液晶を用いた回折光学素子では、透明基板の全面に透明電極材料を成膜する工程と、透明電極としての電極領域や端子部を形成するためのパターン化工程とを、２枚の透明基板の両方に施す必要がある。それに加えて、周期的な凹凸構造または透明固体材料を形成するための工程が必要である。その断面を台形等の形状に制御するためには、例えばレジスト材料を加熱して軟化させるといった工程が追加される。
【００１４】
また、液晶分子を所望の方向に配向させるためには、ラビング処理や斜方蒸着のような配向処理の工程を透明電極の表面に施すことが好ましい。これらの事情によって、従来の液晶を用いた能動型の回折光学素子においては、その製造コストを低減することが困難である。
【００１５】
さらに、回折角度を大きくするためには、凹凸構造または透明固体材料の周期構造のピッチを細かくする必要がある。このとき、凹凸構造または透明固体材料の表面からの影響によって、配向変化が困難になる液晶の領域が相対的に増加する。表面に強く“アンカリング”された液晶の配向を変えるには長い時間が必要になるため、周期構造の細ピッチ化は液晶の配向変化の速度低下に寄与する。すなわちち、従来の液晶を用いた能動型の回折光学素子においては、応答速度を犠牲にすることなく、回折角度を大きくすることが困難である。
【００１６】
さらにまた、多数の回折光学素子を配列して多チャンネルの光装置を形成することに関して、従来の技術には何ら教唆がない。その場合に、単位チャネル当たりの製造コストを低減する手法に関しても従来の技術は何ら教唆がない。
【００１７】
このような回折光学素子の応用装置として、可変光減衰器、偏光分離器、光スイッチ、フィルタ、等の光装置がある。これらの光装置では、回折光学素子に光を入射させ、回折光学素子からの出力光を外部へ導くために光ファイバを使用する場合が多い。多数の回折光学素子を配列して光装置を多チャンネル化した場合には、光ファイバの数が増えてその位置決め等の実装のための手間が増加する。光ファイバの有効な実装方法に関して、従来の技術には教唆がない。
【００１８】
例えば、液晶の温度特性や光ファイバへの機械的な負荷の変動等のように、予め制御することが困難な何らかの原因によって、回折光学素子に入射する光量あるいは出力である回折光の強度が変動する場合があり得る。仮に、これらの変動量を検出して、それに応じて回折光学素子へ印加する電圧を調整すれば、外的な変動要因に依存しない回折光学素子及びそれを用いた光装置を提供することができると考えられる。しかしながら、従来の技術には、回折光の強度を検出するという発想及びそのための手法について何ら教唆がない。
【００１９】
回折光の強度のみでなく、仮に回折角度も切替えることができると、様々な光装置への応用において自由度が大きくなる。しかしながら、従来の技術では、凹凸構造または透明固体材料の配列ピッチが固定されており、回折角度を切替えることはできない。
【００２０】
そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる回折光学素子を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明による回折光学素子は、第一及び第二の透明基板間に液晶層を配置して構成される回折光学素子であって、
前記第一及び第二の透明基板のうちの少なくとも一方の透明基板の前記液晶層に対向する側の表面に設けられかつ互いに対向する１組の櫛歯状の透明電極と、前記１組の櫛歯状の透明電極の間に配置された第三の透明電極と、前記透明電極の電位を設定する制御手段とを備えている。
【００２８】
本発明は、回折光学素子において、透明電極の電位を制御するための回路を、薄膜トランジスタを用いて同一の透明基板上に形成することを特徴とする。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の主な構成要素を示す説明図であり、図２は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【００４０】
図１の右側の分解斜視図に示すように、この回折光学素子１０はその表面に互いに対向する一対の櫛歯状の透明電極１２が形成された透明基板１８と、もう１枚の透明基板１１とで液晶１５を挟んで構成される。また、図２の断面図に示すように、これらの透明基板１１，１８の液晶１５に接する表面には配向膜１６が形成されている。
【００４１】
さらに、図１に示すように、透明電極１２にはパッド部１７が設けられて外部へ電気的に接続される。透明基板１８にはシール材料１３、液晶封入口１４が配設されるが、図１に示すように、シール材料１３は矩形の一部分を切断した形状に形成され、液晶封入口１４はその矩形状のシール材料１３の切断部分に形成される。
【００４２】
図３は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図であり、図４は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の製作に用いた部材を示す図であり、図５は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の製作工程を示す図である。
【００４３】
また、図６は参考本発明の第一の参考例における回折光学素子の特性を示す説明図であり、図７は参考発明の第一の参考例における回折光学素子の特性を示す説明図である。これら図２〜図７を参照しながら、この回折光学素子の動作について説明する。
【００４４】
図２では、通常の液晶の動作説明で一般的に行われるように、液晶分子を楕円体で模式的に表している。すなわち、液晶分子には屈折率の異方性があり、異常光に対する屈折率ｎe を楕円の長軸で、常光に対する屈折率ｎo を楕円の短軸でそれぞれ表す。もちろん、液晶分子は透明電極１２に比べてはるかに小さく、この図は実際の液晶分子の大きさや形状を表すものではない。ここでは、透明電極１２に電圧を印加しない時に、液晶分子が配向膜１６に垂直に配向するように、配向膜１６の材料を選択するものとする。
【００４５】
次に、透明電極１２に電圧を印加しない場合の動作について説明する。この場合には、液晶分子は配向膜１６に対して一様に垂直に配向している。したがって、この素子に垂直に入射する光は透明電極１２の有無によって、その光路長に僅かな差が生じる。透明電極１２は周期的に配列しているので、入射光には周期的な位相差Δφ＝２πｎｔ／λが生じることになる。但し、λは光の波長、ｎは透明電極材料の屈折率、ｔは透明電極材料の厚さとする。
【００４６】
このような位相差Δφを持つ周期構造は回折格子として動作するが、この位相差Δφの値は小さいため、後に詳しく説明するが、その場合の回折光の強度は非常に小さく、殆どが０次回折光（すなわち、透過光）となる。
【００４７】
また、透明電極１２に電圧Ｖppを印加した場合の動作について説明する。この場合には、液晶分子の配向は電圧Ｖppに依存して変化し、位置ｘにも依存する。すなわち、透明電極１２に電圧を印加すると、透明電極１２の周囲の空間に電界が形成され、大部分の液晶分子は電気力線に沿って配向する。
【００４８】
図２に示す液晶分子の表記は電気力線の分布を示しており、液晶１５は透明電極１２の上部の領域では透明基板１１，１８に垂直に配向し、透明電極１２の間の領域では透明基板１１，１８に平行に配向する。配向膜１６の近傍の液晶分子は垂直に配向したままだが、印加電圧を増加させると、より配向膜１６に近い場所にある液晶分子まで電界の方向へ配向するようになる。
【００４９】
ここで、図３に示すように、この液晶１５に垂直に入射する波長λの光について考える。まず、電場の振幅方向が透明電極１２の配列方向に平行な偏光成分は、液晶１５が透明基板１１に平行に配向している領域では屈折率ｎe を感じ、透明基板１１に垂直に配向している領域では屈折率ｎo を感じる。
【００５０】
液晶１５の屈折率分布をｎ（ｘ、Ｖpp）、厚さをｄとすると、光が液晶１５を透過する時の位相シフトは２πｎ（ｘ、Ｖpp）ｄ／λとなる。この時、液晶１５の配向方向が異なる領域が周期的に繰り返されるため、位相分布は位置ｘの周期関数になる。このような液晶１５の配向変化に起因する周期的な位相分布は、上述した透明電極１２による位相分布に重畳されて、大きな位相差を持つ周期構造が実現される。
【００５１】
これは位相回折格子として動作し、図３に模式的に示すように、透過光の他に多数の回折光が生じる。ここで、位相分布は印加電圧Ｖppに依存して変化するので、外部からその回折特性を制御できる能動型の回折格子として機能する。この制御性については、後に具体的な数値例を挙げて詳しく説明する。
【００５２】
以上の動作は、回折光学素子１０に入射する光が、電場の振幅方向が透明電極１２の配列方向に平行な偏光成分の場合である。もう一方の偏光成分の入射光については、印加電圧の有無に関わらず、この光が感じる液晶１５の屈折率は常にｎo であるので、回折光は生じない。したがって、この回折光学素子１０は偏光依存性を持つことになり、例えば特定の偏光成分のみを透過する偏光分離器として動作させることができる。
【００５３】
但し、この偏光依存性は液晶１５の特性から直接に帰結する一般的な性質である。従来技術においてもこの事実は良く認識されており、偏光依存性があると不都合な用途、例えば上述した特開平５−７２５０９号公報等に開示されているように、偏光依存性を持つ素子２つを互いに直交させて積層させることによって、偏光依存性を取り除くことができる。
【００５４】
本参考例においても、公報記載の技術と同様にして、２つの回折光学素子１０を互いに直交させて積層させることによって、偏光依存性があると不都合な用途にも適用することができる。
【００５５】
以下では、本参考例の回折光学素子１０の製造方法とその特性について、具体的な数値例を挙げながら詳細に説明する。本参考例の回折光学素子１０の製作に用いた主な部材を図４に示す。ここで用いた液晶１５はネマチック液晶、透明基板１１，１８は無アルカリのガラス基板で、いずれも液晶ディスプレイの製造に一般的に用いられている部材である。
【００５６】
櫛歯状の電極は透明基板１８に厚さ１００ｎｍのＩＴＯ（インジウム錫酸化物）を成膜し、フォトリゾグラフィによってパターン化して形成している。本実施例の回折光学素子１０では電極の幅と配列ピッチとがそれぞれ５μｍ、１０μｍとしている。使用した基板の面積は１５０ｍｍ角で、一枚当たりに同一の電極パターンを９個形成し、後に９素子を分離することができるようにしている。
【００５７】
本参考例の回折光学素子１０の製作工程を図５にまとめて示す。ここでは、配向膜１６の材料を選択し、電圧無印加時において液晶１５が配向膜１６に対して垂直に配向するように配慮している。
【００５８】
図５において、＃１の「配向膜形成」の工程では、電極基板と対向基板の両方にポリイミドをスピン塗布し、焼成する。本参考例では、これに続く＃２の「ラビング処理」の工程は不要となる。
【００５９】
さらに、＃３の「シール剤塗布」の工程では、直径６μｍのロッド状のスペーサを含むシール剤を電極基板に塗布し、仮焼成する。＃４の「スペーサ剤散布」の工程では、直径６μｍのスペーサを対向基板に散布する。＃５の「張り合せ」の工程では、電極基板と対向基板を張り合わせ、荷重を加えて加熱する。
【００６０】
＃６の「基板間距離測定」の工程では、基板中央のセルで５μｍ、周辺部で６μｍとなる。＃７の「基板切断」の工程では、一基板から９素子を分離する。＃８の「液晶注入」の工程では、液晶を注入口から毛細管現象によって注入する。＃９の「封入口のシール」の工程では、ＵＶ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｙ：紫外線）硬化樹脂を使用する。＃１０の「リード線接続」の工程では、超音波半田によってパッド部に半田付けする。
【００６１】
これによって、従来は必要とされたラビング処理あるいはＳｉＯ等の材料の斜方蒸着といった表面処理が不要となる。シール材料１３に混入するスペーサと透明基板１１，１８に散布するスペーサとを選択し、２枚の透明基板１１，１８間の距離、すなわち、後に液晶１５を注入した時の液晶層の厚さを６μｍに設定している。これらの工程の一つ一つは、いずれも液晶ディスプレイの製造に用いられる一般的なものである。
【００６２】
以上の手順にしたがって製作した回折光学素子１０の特性を、以下の方法により評価する。つまり、光源としてレーザダイオードを用い、この回折光学素子１０に垂直に波長６７０ｎｍの単色光を入射する。光源と素子との間には偏光子を挿入し、一方の偏光成分のみを入射するようにする。
【００６３】
電場の振幅方向が櫛歯状の透明電極の配列方向に垂直な成分の偏光を入射した場合には、電極に電圧を印加すると、図３に模式的に示すように、多数の回折光が生じる。電極に印加する電圧を変化させ、これらの回折光の強度をパワーメータで測定した結果を図６に示す。
【００６４】
図６において、０次回折光（すなわち、回折せずに透過する成分）の強度は印加電圧の増加と共に減少し、最小値に達した後に増加することが確認できる。一方、１次回折光は全くこれとは逆の振る舞いを示し、はじめは増加して最大値に達した後に減少する。言い換えれば、０次回折光と１次回折光との強度の比は、印加電圧の増加と共に最大値から最小値まで単調に減少する。また、ある特定の印加電圧において両者は一致することになる。
【００６５】
この現象は以下のようにして理解することができる。まず、印加電圧が小さい間、液晶分子の大部分は一様に透明基板１１，１８に垂直に配向したままである。したがって、光が液晶層を通過する時に生じる位相の遅れも、場所に依存せず一様である。但し、透明電極１２の有無による位相の遅れの差が周期的に存在するので、弱い回折光が発生することになる。図６において、印加電圧が０の時に０次回折光の約１／１５０の強度の１次回折光が観察されたのは、この周期的に配置された透明電極１２の影響である。
【００６６】
次に、印加電圧を増加していくと、透明電極１２の間の領域に十分な強度の電界が存在するようになり、この領域の液晶分子が電界の方向へ配向する。透明電極１２の真上の領域では電界強度が弱く、液晶分子は垂直配向のままである。また、配向膜１６の近傍の領域では仮に電界が十分大きくても、液晶分子は配向膜１６からの影響を強く受けてその配向を変えることはできない。
【００６７】
印加電圧の増加と共に、透明電極１２のある領域を透過する光と、そうでない領域を透過する光との位相差が増加し、ある印加電圧の値においてこの位相差がπに等しくなる。一方、デューティ比が５０％の矩形状の位相差分布を仮定して回折光強度を位相差の関数として計算すると、０次回折光の強度は位相差と共に減少し、位相差がπの時に完全に０になることが証明される。１次、３次等の奇数次回折光の強度は位相差と共に増加し、位相差πの時に最大になる。偶数次の回折光は存在しない。この傾向は図６に良く現れている。
【００６８】
ところが、実際には、図２に模式的に示したように、液晶分子の配向分布、すなわちこれを透過する光に生じる位相遅れの分布は完全な矩形状にはならない。そのため、大部分の領域で位相差がπになる印加電圧においても、図６に示すように、０次回折光は完全には消えない。換言すれば、位相差の分布をデューティ比が５０％の矩形状に近づけることができれば、位相差がπとなる印加電圧において０次回折光の強度は０に近づくことになる。
【００６９】
０次回折光の強度が最小になった後に更に印加電圧を上げていくと、電界強度が更に増加して、透明電極１２の真上の領域や配向膜１６に近い場所の液晶分子まで電界方向へ配向するようになる。その結果、この素子を透過する光の位相差も更に増大する。上述した矩形状の位相差分布を仮定した解析では、位相差がπから増加するに連れて０次回折光の強度は増加し、位相差２πで最大値に達する。
【００７０】
奇数次の回折光は位相差と共に減少し、位相差２πで０になる。波長λ＝６７０ｎｍの光に対して、今回製作した素子で可能となる最大の位相差の値を計算すると、液晶層の厚さｄ＝６μｍ、異常光と常光の屈折率差はΔｎ＝ｎe −ｎo ＝０．１９なので、最大の位相差は、２π×Δｎ×ｄ／λ〜３．４πとなる。これは２πより大きいので、理論的には０次回折光が最大値を示す印加電圧が存在することになる。しかしながら、電界強度が十分に大きい状況では透明電極１２の上部の液晶１５も配向するので、矩形状の位相差分布という理論解析の仮定からのずれが大きくなり、実際には、図３に示したように、最大値には達しないと考えられる。
【００７１】
最後に、この回折光学素子１０が偏光依存性を持つことを確認することを目的として、偏光子を９０度回転して同様の実験を行った結果を図７に示す。図６と比較すると、その差は一目瞭然で、この場合には回折現象は殆ど起こらず、透過光強度の印加電圧依存性も殆ど認められない。もっとも、図７を良く見ると、若干の回折光とその印加電圧依存性とが認められる。印加電圧依存性の傾向は図６に示す場合と一致している。この原因は光源として用いたレーザダイオードが両方の成分の偏光を出力しており、ここで用いた偏光子が完全でないために、電場の振幅方向が透明電極の配列方向に垂直な成分の偏光が混在していたためである。
【００７２】
以上に説明したように、本参考例の構成では、電極材料を一方の透明基板１８にのみ形成すればよい。また、基板に凹凸構造を設けたり、柱状の構造物を形成して液晶層を分離したりする必要もない。したがって、２枚の基板に透明電極を形成する必要があり、基板の凹凸構造あるいは柱状の構造物を形成する必要のある従来の方法に比較して、製造工程を簡略化することができる。
【００７３】
また、従来は、液晶分子を所望の方向に配向させるためにラビング処理や斜方蒸着といった配向処理の工程を透明電極の表面に施している。しかしながら、本参考例では、配向膜１６に何ら処理を施すことなく、液晶１５を垂直配向させて動作させることができる。以上の製造工程の簡略化によって、回折光学素子１０の製造コストを低減することができるという効果が得られる。
【００７４】
さらに、基板の凹凸構造や柱状の構造物が不要なので、表面に強く“アンカリング”された液晶の占める割合が従来の構造に比べて低い。これは、回折角度を大きくするために周期構造のピッチを細かくする場合に大きな利点となる。周期構造のピッチを細かくするには透明電極１２の配列ピッチを小さくすればよく、凹凸構造または柱状構造物の場合とは異なり、表面に“アンカリング”されて配向変化が困難になる液晶の領域は変わらない。すなわち、本参考例の構成は、従来の方法に比べて、回折角度を大きくするのが容易である。これは本構成を後述の様々な光装置への応用する場合に、主に小型化に有利であるという効果をもたらす。
【００７５】
以上に説明した参考発明の第一の参考例においては、電圧を印加しない状態において液晶１５を透明基板１１，１８に垂直に配向する例を挙げたが、液晶１５の配向方向はこの例に限られるものではない。従来の例で一般に行われているように、電圧無印加時に液晶分子が透明基板に平行になるように配向させ、電圧印加時に垂直になるようにしてもよい。あるいは、最初、電極の配列方向に平行に配向させておき、電圧印加時に電極の配列方向と直行する方向に配向するようにしてもよい。
【００７６】
このような液晶の配向方向は、例えばラビング処理の方向を選択することによって自由に設定することができる。もちろん、この場合にはラビング処理や斜方蒸着といった配向処理の工程が必要になるので、配向処理工程の分の製造コストは従来と同様である。しかしながら、この点を除けば、以上に述べた効果の全てを実現することができる。したがって、このような垂直配向以外の配向方向を採用する構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【００７７】
また、参考発明の趣旨を損なうことなく、本参考例における様々な構成要素の寸法、材料の種類、実装の形態等の選択が可能である。例えば、電極や液晶層の寸法は設計事項であり、この実施の形態に限るものではない。また、液晶１５の注入方法は塗布法のように毛細管現象を利用しない方法もあるし、ポリマー性の液晶をスピン・コーティング法によって形成してもよい。その場合にはシール材料は不要である。このように、参考発明の趣旨を損なうことなく、様々な構成要素の設計、材料や実装形態の選択が可能である。よって、上記のような構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【００７８】
図８は参考発明の第二の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図であり、図９は参考発明の第二の参考例における回折光学素子の構成を示す説明図である。図８において、参考発明の第二の参考例では上記のような回折光学素子１０を複数個配列して形成し、複数の入射光をそれぞれ独立に制御する構成である。図８にはこれらの回折光学素子１０ｂの構成とその動作との概要を示している。図９の分解斜視図に示すように、この回折光学素子１０ｂは複数の独立した透明電極１２ｂを形成した透明基板１８ｂと、もう一方の透明基板１１ｂとで液晶１５ｂを挟んで構成される。
【００７９】
参考発明の第二の参考例では、参考発明の第一の参考例と同様に、透明電極１２ｂを形成した透明基板１８ｂの上に配向膜を形成し、さらにその上に液晶１５ｂの封入のための液晶封入口１４ｂを備えたシール材料１３ｂを予め形成しておく。透明基板１１ｂの表面にも配向膜を形成し、これら両方の透明基板１１ｂ，１８ｂを張り合わせて固定し、液晶１５ｂを注入する。
【００８０】
透明電極１２ｂに設けられたパッド部１７ｂはそれぞれ外部の制御回路（図示せず）に接続される。複数の透明電極１２ｂを、図８に示すように、回折光が互いに干渉しない方向に形成することによって、隣り合う素子間の距離を小さく設定することができる。すなわち、複数の回折光学素子を高密度に配列することができる。実装密度の限度は回折光の干渉が起こらない範囲である。
【００８１】
これは入射光の大きさ、広がり、光を回折光学素子１０ｂに入射するために光ファイバを用いる場合はその被覆の大きさ、等の要因に依存し、例えば１００μｍ以下のピッチで配列することは容易に可能である。後述するように、０次回折光のみを出力として利用する場合、あるいは高密度に実装する必要がない用途に関しては、透明電極の配列方向即ち回折光の広がる方向をどのように設定しても構わない。
【００８２】
参考発明の第二の参考例の構成において特徴的なのは、共通の透明基板１８ｂの上に複数の透明電極１２ｂのパターンを備え、同時に液晶１５ｂを注入して封止する点である。これによって、個々の独立した素子を実装する構成に比べて高密度に回折光学素子を配列することが可能になる。これは後述する多チャンネルの可変光学減衰器等の様々な光装置の小型化に有利である。またこれに加えて、一チャネル当たりの製造コストを低減することができるという効果が得られる。
【００８３】
参考発明の第一の参考例及び第二の参考例においては、回折光学素子のみを透明基板上に形成したが、透明電極の電位を制御するための回路の一部を同じ透明基板上に形成することが可能である。参考発明の第三の参考例においては、例えば低温ポリシリコン技術による薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）によって、この種の制御回路を透明基板上に形成する。
【００８４】
図１０は参考発明の第三の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図であり、図１１は参考発明の第三の参考例における回折光学素子の構成を示す説明図であり、図１２及び図１３は参考発明の第三の参考例における回折光学素子のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。
【００８５】
図１１に示すように、この回折光学素子１０ｃは透明電極１２ｃを形成した透明基板１８ｃの上に、低温ポリシリコンＴＦＴで構成したＴＦＴ回路１９を備える点が特徴的である。ここに使用するＴＦＴ回路１９の構成を図１２に示す。図１２において、１次元に配列されたｎ個の回折光学素子には、ＤＯＥ＃１〜ＤＯＥ＃ｎの記号が付されている。それ以外の回路要素は全てＴＦＴ回路１９内部に含まれるものとする。すなわち、ｎ番目の回折光学素子ＤＯＥ＃ｎには静電容量Ｃ＃ｎと薄膜トランジスタＴｒ＃ｎとが、図１２に示すように接続される。
【００８６】
薄膜トランジスタＴｒ＃ｎのゲート電極にはシフトレジスタの出力ＣＬＭ＃ｎが、ソース電極には共通のデータ配信用の配線が接続され、これに信号ＤＡＴＡが入力される。シフトレジスタに制御信号ＳＴＲＴ，ＣＬＫ１，ＣＬＫ２を入力すると、出力ＣＬＭ＃１，ＣＬＭ＃２，・・・の順に、矩形の電圧信号がそれぞれ薄膜トランジスタＴｒ＃１，Ｔｒ＃２，・・・のゲート電極に供給される。この時の入力信号ＤＡＴＡの電位が静電容量Ｃ＃１，Ｃ＃２，・・・に記憶される。その瞬間に回折光学素子１０ｃの特性は決定され、入射光を所望の強度で回折する。
【００８７】
次に、これらの薄膜トランジスタＴｒのゲート電極に別の信号が供給されるまでは、静電容量Ｃに記憶された電圧は変化しないので、回折光学素子１０ｃの特性も不変である。このようにして、入力信号ＤＡＴＡを静電容量Ｃ＃１，Ｃ＃２，・・・に書込むことによって、全ての回折光学素子の特性を思い通りに設定することができる。
【００８８】
ＴＦＴ回路１９によって制御回路の一部を同一の透明基板上に形成することの第一の利点は、実装の簡略化と小型化である。図８に示す構成では回折光学素子の数に比例した数のパッド部が存在し、その一つ一つをワイヤボンディング等の手法によって外部のプリント基板等に接続する必要がある。ところが、図１０〜図１２に示す構成では、パッド部の数は劇的に減少する。接続数の減少は接続の信頼性を向上させる。
【００８９】
第二の利点は、ＴＦＴ回路１９で搭載した回路は外部の集積回路には不要となり、外部の集積回路の規模が減少し、応用装置の小型化と低コスト化とが実現されるという点である。
【００９０】
尚、図１１及び図１２において回折光学素子１０ｃは１次元に配列された例を挙げたが、２次元に配列してもよい。この場合には、図１３に示す回路構成とする。すなわち、回折光学素子ＤＯＥ、静電容量Ｃ、薄膜トランジスタＴｒを単位とするセルを２次元に配列し、垂直方向及び水平方向の２種のシフトレジスタを図１３に示すように接続し、入力信号電圧ＤＡＴＡを保持するためのサンプル・ホールド回路を追加した構成とする。
【００９１】
この回路の動作は以下の通りである。まず、入力信号電圧ＤＡＴＡをサンプル・ホールド回路の静電容量に保持する。１行分の入力信号が静電容量に保持された段階で、薄膜トランジスタＴｒのゲート電極に接続された配線を共有する１行分の回折光学素子ＤＯＥの静電容量Ｃに、これらの電圧値を同時に書込む。この操作を全ての行について繰り返すことで、全ての回折光学素子の特性を設定することができる。回折光学素子を２次元に配列することによって、より多くの素子を小さな体積で実現することができるという効果が得られる。但し、高密度に実装することで、回折光が干渉してクロストークの原因になることがあるので、回折光学素子の設計やその他の構成要素の配置に留意する。
【００９２】
また、回折光学素子の配列ピッチは一定である必要はなく、用途に応じて自由に配列することができる。本参考例の趣旨は、制御回路の一部を透明基板上に形成することによって、実装コストの低減、小型化等の効果をもたらすことである。したがって、このような構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【００９３】
上述したような回折光学素子の応用として、可変光減衰器、偏光分離器、光スイッチ、フィルタ等の光装置がある。以下では、本発明の回折光学素子を用いた光装置について説明する。
【００９４】
図１４は参考発明の第四の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。図１４において、開口２１を有するストップ２０を設置することによって、０次回折光のみを出力として外部へ導き、高次の回折光はストップによって遮断されるようにする。
【００９５】
図３と図６と図７とに示すように、この回折光学素子は印加電圧によって０次回折光の強度を調整することができるので、図１４に示す構成の素子は可変光学減衰器として動作する。図３に示す例では最小値と最大値との比は約５０だが、上述した通り、電界分布の設計や液晶材料の選択によってこの比を大きく設定することができる。
【００９６】
上記の説明では０次回折光のみを出力とする構成について述べたが、開口２１の位置を調整することによって、任意の次数の回折光を出力として選択することができる。いずれの次数の回折光も印加電圧によってその強度を制御することができるので、このような構成も可変光学減衰器として動作する。
【００９７】
また、複数個の開口をストップ２０に設けることによって、複数の回折光を出力として選択すれば、光スイッチあるいは分岐機能を併せ持つ可変光学減衰器として動作することになる。
【００９８】
上述したように、この回折光学素子は一方の偏光成分のみを選択して減衰させたり、回折させたりすることができる。すなわち、一方の偏光成分を回折させ、もう一方の偏光成分を透過する機能を持つので、偏光分離器としても動作する。
【００９９】
入射光が異なる波長の光を含む場合を考えると、ストップ２０に長方形の開口を設けて高次の回折光を透過させることによって、これらの異なる波長の光を分離して取出すことができる。これは回折角度が波長に依存することを利用しており、分波器あるいは特定の波長の光を取出すフィルタとして動作する。
【０１００】
上述した参考発明の第四の参考例においては、回折光学素子のある特定の次数の回折光を選択する目的で開口を設けたストップ２０を用いたが、これ以外の手段を用いても同様の光装置を実現することができる。
【０１０１】
図１５は参考発明の第五の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。この図１５には光ファイバを使用する構成を示している。図１５に示すように、出力として選択する回折光が入射する位置に出力用光ファイバ３０を設置することによって、回折光学素子１０のある特定の次数の回折光を選択することができる。したがって、上記と同様にして、可変光学減衰器、光スイッチ、フィルタ等の光装置を構成することができる。
【０１０２】
また、開口を設けたストップや光ファイバの他の光学手段、例えばミラーやプリズムを配置することによって、ある次数の回折光を選択してその進路を変更してもよい。したがって、これらの構成も参考発明の光装置の変形参考例と見なすことができる。
【０１０３】
以上に説明したように、特定の次数の回折光を出力として選択する時には様々な光学手段を用いることができる。特に、光通信用の光装置は光ファイバと共に用いる場合が多いため、回折光学素子と光ファイバとをどのように結合するかが重要である。参考発明の第二の参考例及び第三の参考例において説明した多チャンネルの回折光学素子の場合には、入出力に使用される光ファイバの本数が多くなるため、光ファイバの実装形態はさらに重要になる。そこで、以下では、回折光学素子を光ファイバへ効率良く接続する構成について説明する。
【０１０４】
図１６は参考発明の第六の参考例による回折光学素子を用いた光装置の断面を示す説明図である。図１６において、回折光学素子１０ｄの構成要素である透明基板１１ｄ、透明基板１８ｄにそれぞれ凹部３２を設け、入力用光ファイバ３１と出力用光ファイバ３０とを対応する凹部３２に挿入し、接着剤３３で固定する。
【０１０５】
例えば、直径１００μｍの光ファイバと、透明基板１１ｄとして厚さ０．７ｍｍのガラス基板とを使用する場合、凹部３２は以下のようにして形成することができる。
【０１０６】
まず、回折光学素子１０ｄを構成する前に、透明基板１１ｄの片面にフォトレジストを塗布し、リソグラフィで凹部３２となる領域のフォトレジストを除去する。
【０１０７】
次に、ケミカル・ポリシングの手法によって、フォトレジストを除去したガラス基板の領域を指定の厚みになるまで溶融して薄くすることによって、凹部３２が形成される。この手法ではガラス基板の表面の鏡面を維持しながら溶融されるので、後に凹部３２の底部を研磨する必要がない。出力側の透明基板１８ｄと出力用光ファイバ３０についても同様にして凹部３２を形成する。
【０１０８】
これらの凹部３２が形成された透明基板１１ｄ，１８ｄを用いて回折光学素子１０ｄを組立てた後に、光ファイバを挿入して接着する。光ファイバを挿入する際には、多数の光ファイバを同時に取り扱うことのできる装置を用いることが望ましい。尚、図１６では入力用光ファイバ３１と出力用光ファイバ３０とが対向する位置に配置されているが、上述したように、高次の回折光を利用する光装置においてはこの限りではない。
【０１０９】
以上に説明したようにして、入力用光ファイバ３１と出力用光ファイバ３０とを回折光学素子１０ｄに実装すれば、位置決め等の実装のための手間を軽減することができる。特に、回折光学素子の設計やそれを搭載する光装置の用途によっては、回折光学素子の液晶層から少し距離をおいた場所に出力ファイバを設置したい場合がある。
【０１１０】
図１７は参考発明の第六の参考例による回折光学素子を用いた光装置の断面を示す説明図である。上記のような場合には、この図１７に示すように、出力側の光ファイバを保持するための光ファイバホルダ３４を回折光学素子１０ｅの出力側に接着材３３ｅによって固定すればよい。
【０１１１】
光ファイバホルダ３４は、上述した手順と同様にして、ガラス基板等に凹部３２ｅを形成した後に、出力用光ファイバ３０ｅを挿入して固定することで形成される。この場合にも、上記と同様に、実装の手間を軽減することができるので、参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【０１１２】
以上に説明した回折光学素子及びそれを用いた光装置において、例えば液晶の温度特性や光ファイバへの機械的な負荷の変動等のように、予め制御することが困難な何らかの原因によって、回折光学素子に入射する光量あるいは出力の回折光の強度が変動する場合があり得る。仮に、これらの変動量を検出して、それに応じて回折光学素子へ印加する電圧を調整すれば、外的な変動要因に依存しない回折光学素子およびそれを用いた光装置を提供することができる。
【０１１３】
図１８は参考発明の第七の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。図１８においては、上記のような光量モニタを備えた光装置の構成例を示している。この例では、回折光学素子１０の±１次の回折光を透過する位置に開口２１ｆを設けたストップ２０ｆを用いている。すなわち、これは強度の等しい±１次の回折光を出力とする光装置である。
【０１１４】
ここで、フォトダイオード等の光検出器で構成する光量モニタ４０によって、例えば−１次の回折光の強度を検出する。光量モニタ４０の出力が一定となるように、常時あるいは一定の周期で回折光学素子１０に印加する電圧を補正することによって、何らかの原因で回折光強度が変動した場合にも安定した動作を得ることができる。こうして、外的な変動要因に依存しない回折光学素子及びそれを用いた光装置を提供することができる。
【０１１５】
図１８では開口２１ｆを設けたストップ２０ｆを用いたが、上記と同様にして、ストップの代わりに光ファイバ、ミラー等の光学部品を用いた構成でも同じ効果が得られる。また、必ずしも、図１８に示す例のように、符号の異なる同じ次数の回折光をモニタする必要はない。これは回折光強度と印加電圧との関係が一意的に決まるので、モニタするのは別の次数の回折光でも構わない。したがって、これらの類似の構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【０１１６】
参考発明の第七の参考例においては、独立したフォトダイオード等の光検出器を光量モニタとして用いたが、この考えを図１０に示す多チャンネルの回折光学素子及びそれを用いた光装置の場合に適用しようとすると、素子数と同じ数の独立した光検出器を配置することになる。これでも正常に動作するので、機能上は問題がないが、部品点数が多くて組立てに手間がかり、部材の費用もかさむという課題がある。この課題を解決するためには、薄膜半導体プロセスを用いて回折光学素子と同一の基板上に光検出手段を形成すれば良い。
【０１１７】
図１９は参考発明の第八の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。図１９において、回折光学素子１０ｇはＴＦＴ回路１９ｇに光量モニタ４１ｇを含む点が特徴的である。光量モニタ４１ｇを含むＴＦＴ回路１９ｇの構成については後述する。
【０１１８】
回折光学素子１０ｇの下方には、開口２１ｇと反射領域２２ｇとが形成されたストップ２０ｇを配置する。この時、強度をモニタすべき回折光が反射領域２２ｇによって反射されて光量モニタ４１ｇに入射し、また出力となる回折光が開口２１ｇを透過するようにこれらの構成要素を配置する。
【０１１９】
図２０は参考発明の第八の参考例による回折光学素子を用いた光装置のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。図２０においては、光量モニタ４１ｇを含むＴＦＴ回路１９ｇの構成を示している。
【０１２０】
このＴＦＴ回路１９ｇが図１２に示すＴＦＴ回路１９と異なるのは、個々の回折光学素子ＤＯＥに対応して、光検出器であるフォトダイオードＰＤ＃１，ＰＤ＃２，・・・，ＰＤ＃ｎと、これらのフォトダイオオードの出力を外部へ送るための薄膜トランジスタＴｒ＃１ｂ，Ｔｒ＃２ｂ，・・・，Ｔｒ＃ｎｂとを有する点である。
【０１２１】
このようなフォトダイオード配列はアモルファスシリコンを用いた密着型イメージセンサで一般に用いられており、低温ポリシリコン技術による薄膜トランジスタの製造工程とも親和性が高い。すなわち、同様の大面積対応の薄膜半導体プロセスを用いて、図２０に示す回路を透明基板上に製造することができる。
【０１２２】
ここで、回折光学素子ＤＯＥ＃１に電圧を書込むための薄膜トランジスタＴｒ＃１ａのゲート電極と、薄膜トランジスタＴｒ＃１ｂのゲート電極とは、シフトレジスタ回路の同一の出力が接続されている。この構成によって、回折光学素子ＤＯＥ＃１への電圧の書込みと、以前に書込まれた電圧値に対応した回折光強度の検出結果の出力とを同時に行うことができる。シフトレジスタ回路を共有することで、回路規模を低減することができ、その結果、素子の製造コストを低減することができる。
【０１２３】
本参考例においても、ストップの代わりに光ファイバやミラーを使用したり、光ファイバを使用する場合に図１５または図１６に示す実装形態を採用する等のこれまで示した様々な構成が可能である。したがって、これらの構成も参考発明の変形参考例と見なすことができる。
【０１２４】
以上の実施の参考形態では、回折光学素子を構成する透明電極が、図１に示すような１組の互いに対向する櫛歯状の形状としている。これらの参考例の回折角度は透明電極の配列ピッチによって決定され、製造後に回折角度を切替えることはできない。この事情は、従来の凹凸構造や柱状物体を周期的に配列した回折光学素子においても同様である。
【０１２５】
本発明の第一の実施例においては、透明電極の形状を工夫することによって、外部から電気的に回折角度を切替えることができる回折光学素子を提供する。すなわち、回折光学素子を形成する他の構成要素は全て図１に示す構成と同一で、透明電極の形状のみが異なるものとする。
【０１２６】
図２１は本発明の第一の実施例による回折光学素子の構成要素を示す説明図であり、図２２は本発明の第一の実施例における回折光学素子の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。図２１において、互いに対向する１組の櫛歯状の透明電極１２ｈａ，１２ｈｃの間に、第三の透明電極１２ｈｂが配置される。また、これらの透明電極１２ｈａ，１２ｈｂ，１２ｈｃの電位を独立に設定することができるように、それぞれの電極に対応したパッド部１７ｈａ，１７ｈｂ，１７ｈｃを設けている。
【０１２７】
次に、本実施例の動作について説明する。透明電極１２ｈａと透明電極１２ｈｃとを共に接地し、透明電極１２ｈｂに電圧を印加する場合を考える。液晶層に形成される電界分布、すなわち、液晶分子の配向は図２に示す構成と同様になる。したがって、この時に得られる回折角度や回折光強度は前回と全く同様である。
【０１２８】
透明電極１２ｈａのみに電圧を印加して、他の透明電極１２ｈｂ，１２ｈｃを接地する場合、液晶分子の配向は図２２に模式的に示すようになる。すなわち、透明電極１２ｈａとその隣の透明電極１２ｈｂとの間には電界が存在して液晶分子はそれに沿って配向するが、透明電極１２ｈｂと透明電極１２ｈｃとの間の電界は０なので、液晶分子は垂直に配向したままである。したがって、液晶分子の配向状態、すなわち、これを透過する光の位相遅れは、図２２に示すように、透明電極１２ｈａ，１２ｈｂ，１２ｈｃの３つの配列を一単位として繰り返される。
【０１２９】
一方、図２では繰り返しの単位は透明電極２つ分である。回折角度は液晶分子の配列周期にほぼ反比例するので、図２２の場合の回折角度は、図２の場合の約２／３になる。このように、透明電極１２ｈａ，１２ｈｂ，１２ｈｃの電位を制御することによって、回折角度を切替えることができる。
【０１３０】
尚、図２２や図２において、隣り合う２つの透明電極間の距離と透明電極の幅とが同じように描かれているが、これは上述した製作例との対応を考慮したためである。実際には、これらは回折格子の設計パラメータであり、所望の回折特性を得るために設計時に最適化されるべきものである。
【０１３１】
上記の説明では第３の透明電極１２ｈｂを設け、それに電圧を印加するか否かによって、回折角度を２通りに切替える例を挙げたが、それに対して様々な変形実施が可能である。
【０１３２】
例えば、第４の透明電極、第５の透明電極等を追加し、それらの電位を独立に設定する制御手段を備えることによって、切替え可能な回折パターンの数を増やすことができる。
【０１３３】
また、上記の説明では一方の透明基板のみに複数の透明電極を設けたが、もう一方の透明基板にも同様の透明電極を設けてそれらの電位を制御すれば、液晶分子の配向パターンをより精密に制御することができる。このような場合にも、切替え可能な回折角度のパターンが増加する。その場合、両方の透明基板に透明電極を形成する手間は必要だが、その見返りとして切替え可能な回折角度の数が増すという効果がある。
【０１３４】
上述した例は、複数の透明電極を設けてその電位を制御することによって、液晶分子の配向パターンを切替えるという趣旨に基づくものであるので、これは本発明の第九の実施例の変形実施例と見なすことができる。
【０１４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、第一及び第二の透明基板間に液晶層を配置して構成される回折光学素子において、第一及び第二の透明基板のうちの少なくとも一方の透明基板の液晶層に対向する側の表面に複数の透明電極を設け、制御手段を通して透明電極の電位を設定することによって、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の主な構成要素を示す説明図である。
【図２】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図３】 参考発明の第一の参考実施例における回折光学素子の動作を示す説明図である。
【図４】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の製作に用いた部材を示す図である。
【図５】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の製作工程を示す図である。
【図６】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の特性を示す説明図である。
【図７】 参考発明の第一の参考例における回折光学素子の特性を示す説明図である。
【図８】 参考発明の第二の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図である。
【図９】 参考発明の第二の参考例における回折光学素子の構成を示す説明図である。
【図１０】 参考発明の第三の参考例における回折光学素子の動作を示す説明図である。
【図１１】 参考発明の第三の参考例における回折光学素子の構成を示す説明図である。
【図１２】 参考発明の第三の参考例における回折光学素子のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。
【図１３】 参考発明の第三の参考例における回折光学素子のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。
【図１４】 参考発明の第四の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。
【図１５】 参考発明の第五の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。
【図１６】 参考発明の第六の参考例による回折光学素子を用いた光装置の断面を示す説明図である。
【図１７】 参考発明の第六の参考例による回折光学素子を用いた光装置の断面を示す説明図である。
【図１８】 参考発明の第七の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。
【図１９】 参考発明の第八の参考例による回折光学素子を用いた光装置の構成と動作を示す説明図である。
【図２０】 参考発明の第八の参考例による回折光学素子を用いた光装置のＴＦＴ回路の構成を示す説明図である。
【図２１】 本発明の第一の実施例による回折光学素子の構成要素を示す説明図である。
【図２２】 本発明の第一の実施例における回折光学素子の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図２３】 従来の回折光学素子の構成を示す説明図である。
【図２４】 従来の回折光学素子の構成を示す説明図である。
【図２５】 従来の回折光学素子の構成を示す説明図である。
Claims (5)
- 第一及び第二の透明基板間に液晶層を配置して構成される回折光学素子であって、
前記第一及び第二の透明基板のうちの少なくとも一方の透明基板の前記液晶層に対向する側の表面に設けられかつ互いに対向する１組の櫛歯状の透明電極と、前記１組の櫛歯状の透明電極の間に配置された第三の透明電極と、前記透明電極の電位を設定する制御手段とを有することを特徴とする回折光学素子。 - 前記１組の櫛歯状の透明電極を互いに異なる電位に設定することを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
- 前記制御手段は、前記第一及び第二の透明基板のうちの少なくとも一方の透明基板の前記液晶層に対向する側の表面に薄膜トランジスタを用いて形成されたスイッチング素子を含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載の回折光学素子。
- 前記制御手段は、前記第一及び第二の透明基板のうちの少なくとも一方の透明基板の前記液晶層に対向する側の表面に薄膜トランジスタを用いて形成された周辺駆動回路を含むことを特徴とする請求項３記載の回折光学素子。
- 前記液晶層が垂直に配向されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか記載の回折光学素子。
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