JP4696283B2 - High precision control method for a liquid crystal beam deflector considering wavefront curvature - Google Patents

High precision control method for a liquid crystal beam deflector considering wavefront curvature

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雅之 服部
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本発明は、例えば光宇宙通信や光無線通信などの空間光通信を行う場合に光アンテナの光学系に適用することができるもので、光アンテナの光学系に適用して光ビームの偏向を制御する波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法に関しており、特に、液晶の電圧と透過光位相の間の非線型性による偏向角と共に変動する位相歪がある場合でも、偏向角によらずそれらの液晶の非線型性による位相歪を抑え、高効率でビームの偏向を可能にする制御方法に関している。 The present invention, for example those which can be applied to an optical system of the optical antenna when performing spatial optical communication such as optical space communication or optical radio communication, controlling the deflection of the light beam applied to the optical system of the optical antenna directed to high precision control method for a liquid crystal beam deflector considering wavefront curvature which, in particular, even if there is a phase distortion that varies with deflection angle due to non-linearity between the liquid crystal voltage and the transmitted light phase, the deflection angle suppress phase distortion due to nonlinearity of their liquid crystal regardless, it concerns a control method that allows the deflection of the beam at high efficiency.

図1は、(a)衛星と地上局との光宇宙通信や(b)建物間の光無線通信などの、空間光通信の様子を示している。 Figure 1 shows (a) a light space communications between satellites and ground stations and (b) such as optical wireless communication between buildings, a space optical communication state. このような通信方法で、送信局あるいは受信局が移動してしまう場合は、光アンテナをその移動にあわせて制御する必要がある事は、既によく知られている。 In such a communication method, when transmitting station or the receiving station will move, it is necessary to control together the optical antenna to the mobile is already well known. また、このための制御には、液晶光ビーム偏向器が簡便なものとして用いられる場合がある。 The control for this, there is a case where the liquid crystal light beam deflector is used as a simple. このような液晶光ビーム偏向器は、図1に示す空間光通信用の光デバイスとして、また、通信用途に限らず、レーザ光学やその応用など、より一般の能動光学部品としても利用されている。 The liquid crystal light beam deflector as an optical device for space optical communication shown in FIG. 1, also is not limited to communications applications, such as laser optics and its applications, it is also used as a more active optical components of the general .

従来、非特許文献1あるいは2に記載されている様に、液晶を用いた光偏向装置でこれまでに提案されたものの多くは、液晶の屈折率変化により境界面での屈折や反射を2値的に変化させるものであり、連続的な偏向を目的としたものではなくスイツチングを目的としたものが多い。 Conventionally, as disclosed in Non-Patent Document 1 or 2, many of those proposed so far by the optical deflecting device using a liquid crystal, binary refraction and reflection at the boundary surface by the refractive index change of the liquid crystal manner is intended to be changed, many intended switching-not for the purpose of continuous deflection. それら2値的な偏向を想定したものにおいては、その屈折率勾配分布の位相折り返しは固定されており、位相の動的なブレージング(接続)は考慮されず、そのため、連続的な偏向への拡張は不可能となっていた。 In assumes their binary deflection, phase folding of the refractive index gradient distribution is fixed, dynamic brazing (connection) of the phase is not considered, therefore, extended to a continuous deflection It had become impossible. ここで、位相のブレージンクとは、その波面位相が隣接する電極に印加した電圧によって偏向された波面位相と滑らかに繋がることを意味する。 Here, the phase of Burejinku, means that the wavefront phase is smoothly connected to the wavefront phase deflected by a voltage applied to the adjacent electrodes.

また、特許文献1「光偏向器と光走査装置と情報読み取り装置」には、透明電極間に電圧を印加して液晶内に平行縞を現させる装置が開示されている。 Patent Document 1 "light deflector and the optical scanning device and an information reading device", a device by applying a voltage between the transparent electrodes causes revealed parallel stripes in the liquid crystal is disclosed. これは、その平行縞を回折格子として使い、回折により偏向させるものである。 This use that parallel stripes as a diffraction grating, is intended to deflect the diffraction. これは、後に説明するように、本発明に係る偏向器とは作動原理が相違する。 This is because, as described later, the deflector according to the present invention operating principle is different.

また、特許文献2「屈折率分布型光偏向器及び光偏向方法」には、印加電圧による電位勾配を使って屈折率勾配を制御する方法が開示されている。 Patent Document 2 "gradient index type optical deflector and an optical deflection method", a method of controlling the refractive index gradient with a potential gradient due to the applied voltage is disclosed. しかしこれには、非線形性を考慮した波面曲率の微調すなわち焦点調整まではできない、という特徴があり、この点で本発明とは相違する。 But this is not possible until the fine i.e. focusing the wavefront curvature with Nonlinear, it is characterized in that, different from the present invention in this respect.

液晶光ビーム偏向器のひとつである抵抗電極型液晶光ビーム偏向器のうち、特に、梯子型電極付液晶光ビーム偏向器の(a)正面図と(b)側面図を図2に示す。 Of the liquid crystal beam deflector which is one resistor electrode type liquid crystal optical beam deflector, in particular, show ladder-type electrode with a liquid crystal beam deflector (a) a front view and a (b) side view in FIG. このタイプの液晶偏向器は、図3(a)に示すように、液晶パネルにストライブ状に形成した電極面を抵抗率を持った材料で作り、電極セルの両端にかけた駆動電圧がセル面に電位勾配をつくり、それに合わせた形でホモジニアス配向の液晶層に、電位勾配のある電圧を印加し、屈折率勾配を発生させるものである。 Liquid crystal deflector of this type, as shown in FIG. 3 (a), made into an electrode surface formed in stripe shape on the liquid crystal panel resistivity of a material having the cell surface drive voltage obtained by multiplying the both ends of the electrode cell to create a potential gradient, the liquid crystal layer in homogeneous alignment in the combined form with it, by applying a voltage with a potential gradient, it is intended to generate a refractive index gradient. ここで、ホモジニアス配向(Homogeneous alignment)とは、2枚の基板間に挟まれた液晶分子群の長軸方向が基板面に平行である配向である。 Here, the homogeneous alignment (Homogeneous alignment), the long axis direction of liquid crystal molecules group sandwiched between the two substrates are oriented parallel to the substrate surface. これは、並列配向とも言われている。 This is also referred to as a parallel orientation. この結果、図3(b)に示すように、液晶パネルに屈折率の分布ができ、入射したレーザ光は、この屈折率の分布に従って偏向される。 As a result, as shown in FIG. 3 (b), it is the distribution of the refractive index in the liquid crystal panel, the incident laser light is deflected according to the distribution of the refractive index.

その場合に、液晶に印加された電圧と透過光波面位相との間の非線形性により、偏向角と共に変動する位相波面曲率歪みを生ずる。 In that case, the non-linearity between the applied voltage to the liquid crystal and the transmission wavefront phase produces a phase front curvature distortion that varies with deflection angle. 高効率で光ビームの偏向を可能にするためには、偏向角の大きさに無関係に、その液晶の非線形性に起因する位相波面曲率歪みを抑える必要があった。 To enable deflection of the light beam with high efficiency, regardless of the magnitude of the deflection angle, it is necessary to suppress the phase front curvature distortion due to nonlinearity of the liquid crystal.

また、従来、液晶デバイスにおいては、連続的な偏向が可能であるが、液晶層の厚みは一定として屈折率の変化を作るために、透過波面の精度は液晶の持つ当該液晶への印加電圧と当該液晶を透過する光の位相シフトとの間の非線形性の影響を受けることになる。 Conventionally, in a liquid crystal device, it is possible continuous deflection, for the thickness of the liquid crystal layer to make a change in the refractive index is constant, the accuracy of the transmitted wavefront and the voltage applied to the liquid crystal with the liquid crystal It will be affected by non-linearity between the phase shift of light transmitted through the liquid crystal.

そこで、液晶分子のプレティルト角を最適設計することにより、液晶分子の立ち上り部分での線形動作領域の拡大を行なわなければならないと言う問題を残すことになった。 Therefore, by optimally designing the pretilt angle of the liquid crystal molecules, it had to leave the problem that must be made to expand the linear operating region of the rising portion of the liquid crystal molecules. ここで、プレティルト角とは、液晶に電圧印加する前に液晶分子が予め配向している角度を言い、縦型液晶では液晶層に垂直な直線に対する角度で、横型液晶では液晶層面に対する角度である。 Here, the pretilt angle means an angle at which liquid crystal molecules are aligned in advance before the voltage applied to the liquid crystal, the vertical liquid crystal at an angle relative to a straight line perpendicular to the liquid crystal layer is at an angle with respect to the liquid crystal layer surface in the lateral liquid crystal .

さらに、残された微小ながらも光学部品としては無視できない非線型誤差及び飽和曲線部をどのように処理するかに関しては制御方法を工夫しなければ、波面精度への影響の改善を図れないと言った問題を残すことになった。 Furthermore, said unless respect to either handles to how the non-linear error and saturation curve portion which can not be ignored as a remaining optical components while small devising a control method, can not be achieved to improve the impact of the wavefront accuracy and I had to leave the problem. たとえば、波晶レンズによる光線の収束及び梯子型電極を用いた光ビームの偏向などはそれぞれ個別の課題として存在していた。 For example, such a light beam deflection with convergence and ladder type electrode of the light beam by NamiAkira lens had respectively exist as individual problems.
特開平7−261203号公報 JP-7-261203 discloses 特開平7−64123号公報 JP 7-64123 discloses

図12は、液晶パネルに印加する電圧に対する液晶開口面での波面位相の状態(リターデーション)を示す。 Figure 12 shows the state of the wavefront phase of the liquid crystal aperture plane (retardation) with respect to the voltage applied to the liquid crystal panel. この図から液晶の非線形性、すなわち、印加電圧と透過光波面位相が非線形関係に有ることが分かる。 Nonlinearity of the liquid crystal from the figure, i.e., the applied voltage and the transmittance wavefront phase is found to be in the non-linear relationship.

一般に、液晶層の厚みは一定として、連続的な偏向が可能であるようにするように屈折率を変化させると、透過波面の精度は液晶の非線形性の影響を受ける事が知られている。 Generally, a constant thickness of the liquid crystal layer, varying the refractive index so as to as to be continuous deflection, the accuracy of the transmitted wavefront is known to affected by the nonlinearity of the liquid crystal. そのため、通常は、液晶分子のプレティルト角の最適設計により液晶分子の立ち上り部分での線形動作領域の拡大が行われている。 Therefore, usually, the expansion of the linear operating region of the rising portion of the liquid crystal molecules is performed by optimal design of the pretilt angle of the liquid crystal molecules. しかし、微小な非線型誤差及び飽和曲線部が残されており、これをどのように処理するかが問題である。 However, non-linear error and saturation curve portion minute has been left, or to process it how is a problem.

本発明では、上記の残された微小な非線型誤差及び飽和曲線部をどのよう処理するかに関して、その屈折率の制御法の工夫により波面精度への影響の改善を図っている。 In the present invention, with respect to how to handle the small non-linear error and saturation curve portion left of the, and Improving the impact of the wavefront accuracy by devising a method of controlling the refractive index. この改善により、波面の収束と偏向とを統合し、さらに、変更角や波面の収束率に関わらず連続的な動作を可能にする液晶波面変調器を実現するものである。 This improvement integrates the deflection and convergence of the wavefront, further realizes a liquid crystal wavefront modulator to enable continuous operation irrespective of the change angle and wavefront rate of convergence.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、液晶光ビーム偏向器の動作を制御する方法において、波晶光ビーム偏向器の透過光線の波面歪みを低減し、任意の偏向角度に対して高効率のビーム偏向を可能にする液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, a method of controlling the operation of the liquid crystal beam deflector, reducing wavefront distortion of the transmitted light of NamiAkirahikari beam deflector, for any deflection angle and to provide a highly accurate method of controlling the liquid crystal light beam deflector that enables the beam deflection of the high efficiency Te.

位相波面曲率歪みを抑制することにより、偏向時のビーム制御精度の向上が図れると同時に、液晶の電気光学特性を非線形領域まで利用できるようなる。 By suppressing the phase front curvature distortion, at the same time it can be improved deflection when the beam control accuracy, so as to be available electrooptic properties of liquid crystals to non-linear region. また前記の抑制の結果として、光ビーム偏向器単体で波面曲率の補正、すなわちフォーカス装置を兼ねることが可能となり、液晶のもつ軽便性と合わせることで、小型高精度化を図ることができるレーザ偏向光学系を提供できるようになる。 As also a result of the suppression, correction of wavefront curvature in the optical beam deflector alone, that it is possible to also serve as a focusing device, by matching the portability of having the liquid crystal, the laser deflection can be reduced in size and high accuracy it becomes possible to provide the optical system.

また、位相波面曲率歪みを抑制するために、本発明においては、位相波面曲率の2次微分の導出により、液晶の非線形性によって生ずる波面曲率歪の量を事前にリアルタイムで算出できるようにした。 In order to suppress the phase front curvature distortion, in the present invention, the derivation of the second order derivative of the phase front curvature was set to the amount of wavefront curvature distortion caused by the nonlinearity of the liquid crystal can be calculated beforehand in real time. これにより、偏向を目的として波面傾斜を与えたときに液晶の変調範囲に対して傾斜が急な場合など、2パイ周期での位相折り返しが必要な際にも、波面歪みを最小とする最良な折り返し方法の算出が可能となる。 Thus, for example, when the deflection inclined with respect to the liquid crystal modulation range when given the wavefront slope purposes steep, when required phase folding in two pie period also, a best of the wavefront distortion minimizing calculation of the turn-back method is possible. さらにこれを評価関数として逐次的に電極毎の位相を計算するアルゴリズムを構成する。 Further configuring the algorithm for calculating the sequentially phase of each electrode as the evaluation function the same. すなわち、光強度の強い開口中心へ優先的に最良値を与えて初期値にし、波面の曲率となるよう最適の条件でブレージング(接続)を施しながら周辺部へ位相面を延長する。 That is, giving priority to the best value to the strong opening center light intensity to the initial value, to extend the phase plane in an optimum condition so that the curvature of the wavefront to the peripheral portion while applying a brazing (connection). その際、波面曲率の評価にバイアス値を与えることで、波面曲率の微調整が可能となる。 At that time, by giving a bias value to the evaluation of the wavefront curvature, it is possible to finely adjust the wavefront curvature.

上記の特徴をもつ本発明は、 ホモジニアス配向の液晶層を介してストライプ紋様を持った梯子型電極の複数が光を通すことのできる他の電極と対向配置された液晶パネルにおいて、 The present invention having the above characteristics, in addition to the electrodes and oppositely disposed liquid crystal panel in which a plurality of ladder-type electrodes having a stripe A pattern through the liquid crystal layer of the homogeneous orientation can be passed through the light,
それぞれの上記梯子型電極と光を通すことのできる上記電極間に電圧を印加すると共に、前記梯子型電極のストライプ横断方向で、且つ、前記液晶層内に電位差勾配を作るべく、前記ストライプ間に電圧を印加することにより、前記液晶層内で、且つ、前記梯子型電極のストライプ横断方向に沿って屈折率勾配を発生させる際に、 Each applies a voltage between the electrodes capable of passing the ladder electrode and the light, a stripe transversely of the ladder type electrode, and, to make a potential difference gradient in the liquid crystal layer, between the stripes by applying a voltage, in the liquid crystal layer, and, when generating the refractive index gradient along the stripe transversely of the ladder type electrode,
それぞれの前記梯子型電極のストライプ横断方向変位に対する、前記屈折率勾配のある液晶層を透過する光ビームの波面位相の二次微分、を導出して、波面曲率歪み量をリアルタイムで算出し、 For stripe transverse displacement of each of the ladder type electrode, the second derivative of the wavefront phase of the light beam passing through the liquid crystal layer with the refractive index gradient, and derive to calculate a wavefront curvature distortion amount in real time,
上記梯子型電極における順次隣接する波面位相の位相差については、算出された該波面曲率歪み量を小さくする前記梯子型電極の波面位相を、光強度が強い開口中心に近い電極から周辺部へと順次選択して、前記波面位相が全体として滑らかになるようにするブレージングを行う The phase difference between successively adjacent wavefront phase at the ladder electrode, a wavefront phase of the ladder electrode to reduce the wave surface curvature distortion amount calculated, from the electrode closer to the optical intensity is high opening center to the peripheral portion are sequentially selected, perform brazing of the wavefront phase is made to be smooth as a whole.

波面傾斜が緩慢である場合は、連続な波面を用いることが最良であるのは明らかであるが、波面傾斜が急になるにつれて液晶の非線型性の影響は増大する。 If wavefront slope is slow, although the it is best to use a continuous wave front is clear, the influence of non-linearity of the liquid crystal as wavefront slope becomes steeper increases. また一方では、調整する波面位相が液晶の位相変調範囲に収まらなくなる場合があるが、その場合は、光振動の周期性を利用して2パイ周期で位相の折り返しを行う。 On the other hand, the adjustment wavefront phase there is a case where not fit into the phase modulation range of the liquid crystal, in which case, performs the return of the phase 2 pi period by utilizing the periodicity of the light vibrations. 上記のような場合にも目的とする波面傾斜に応じて液晶の非線型性を加味しながら最適な位相の折り返しを行うことが可能となる。 It is possible to perform wrapping optimum phase while adding the non-linearity of the liquid crystal in accordance with the wavefront slope of interest in the case as described above.

また、上記の様に、前記位相シフトを計算する際に、(1)前記液晶パネルの光ビームの強い部分へ優先的に波面位相の境界条件を与えて初期値にし、(2)上記位相シフトによる等位相面が波面の曲率となるように上記ブレージングを施しながら液晶パネルの光ビームの弱い部分へ波面位相を延長するようにする。 Further, as described above, in calculating the phase shift, and the initial value given (1) the boundary conditions of the preferentially wavefront phase into the light portion having strong light beam of the liquid crystal panel, (2) the phase shift is equiphase plane so as to extend the wavefront phase into a weak part of the light beam of the liquid crystal panel while applying the brazing so that the curvature of the wavefront due.

また、上記のようにブレージングを施す際に、適宜、 上記梯子型電極に与える電圧の計算値にバイアス値を与えることで、波面曲率の微調整をする。 Further, when performing the brazing, as described above, as appropriate, to provide a bias value to the calculated value of the voltage applied to the ladder electrode, the fine adjustment of the wavefront curvature. この処置により同一デバイス単体で、焦点調整することができるようになる。 In the same single device by this treatment, it is possible to focus adjustment.

また、上記のような液晶パネル2枚、第1と第2の液晶パネル、が光ビームを連鎖して入射するように配置され、第1の液晶パネルのストライプ方向が第2の液晶パネルのストライプ方向に直交あるいは斜交するように配置されている場合に、第1の液晶パネルと第2の液晶パネルのいずれかの液晶パネルを上記の方法で制御することで、上記の課題を解決できる。 Further, the liquid crystal panel two as described above, first and second liquid crystal panel, but is arranged to be incident to the light beam chained, stripe direction of the first liquid crystal panel is of the second liquid crystal panel stripe when disposed in orthogonal or obliquely intersect the direction, one of the liquid crystal panel of the first liquid crystal panel and the second liquid crystal panel by controlling the above-described method can solve the above problems.

本発明では、液晶デバイスのうち抵抗電極型のビーム偏向器に関して、その制御方法を工夫して、液晶の非線形性による残留波面誤差を改善した。 In the present invention, with respect to resistance electrode type beam deflector of the liquid crystal device, by devising the control method, improved residual wavefront errors due to the nonlinearity property of the liquid crystal. この改善は、位相のブレージングを行なう過程に最適処理を加えることで波面の曲率を制御し、理論値に迫る高精度化を実現することによるものである。 This improvement is due to controlling the curvature of the wavefront by adding the optimal treatment in the process of performing the brazing phase, to achieve high accuracy approaching the theoretical value. また、ビーム偏向器本来の機能である高精度化に加え、波面曲率の制御により同じデバイス単体で焦点調整の実現も可能となる。 In addition to high precision in the beam deflector original functions, it is possible to realize the focusing on the same single device under the control of the wavefront curvature.

一般に、液晶を用いて連続的にビーム偏向を行う場合、液晶の非線形歪みもそれにしたがって変化してしまい、単純な位相補正板による補正などが行いにくいことがある。 In general, when performing continuous beam deflection using the liquid crystal, non-linear distortion of the liquid crystal also causes changes accordingly, it may be difficult to perform such correction by a simple phase correction plate. 本発明を適用した場合は、偏向方向などのパラメータが連続的に変化した場合でも有効であることである。 When applying the present invention is that it is effective even when parameters such as deflection direction is continuously changed.

具体的な例として、図4〜図6に、前述の位相がブレージングされた様子を示す。 As a specific example, in FIGS. 4-6, showing the manner in which the foregoing phases are brazed. 図4は、波面位相が偏向器全体として中央が凹面になるように左右対称に収束する場合である。 Figure 4 is a case where the wavefront phase to converge symmetrically so that the center is a concave as a whole deflector. また、図5は、波面位相が偏向器全体として一方に勾配をもって偏向する場合である。 Further, FIG. 5 is a case where the wavefront phase is deflected with a gradient in one whole deflector. また、図6は、波面位相が偏向器全体として凹面を形成しながら一方に偏向する場合である。 6 is a case where the wavefront phase is deflected to one while forming a concave as a whole deflector. いずれも波面位相はブレージングされているため、位相シフトは生じている Since both the wavefront phase is brazed, the phase shift occurs. また、いずれの位相誤差も士0.1ラジアン以内に収まっているのが分かる。 In addition, it is seen that any of that phase error also falls within Judges 0.1 radians.

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 It will be described below in detail with reference to the embodiment of the invention with reference to the drawings. 以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いる。 In the following description, the device having the same function or a similar function, if there is no special reason for using the same reference numerals.

本発明を実施するための最良の形態であるレーザ光の発振から検出までの光学系を図7に示す。 An optical system to detect the oscillation of the laser beam is the best mode for carrying out the present invention shown in FIG. 図7(a)は、無限遠へのビーム偏向の場合のブロック図であり、図7(b)は、液晶開口面を観察する際のビーム偏向の場合のブロック図である。 7 (a) is a block diagram of a case of beam deflection infinite to the far, FIG. 7 (b) is a block diagram of a case of beam deflection at the time of observation of the liquid crystal aperture plane.

図7(a)には、4分の1波長板3を介して、図3に示すものと同じ構造のX軸方向の偏向を制御する液晶パネル2とY軸方向の偏向を制御する液晶パネル4が光軸方向に順に並び、これを1つのユニットとしている。 In FIG. 7 (a), the liquid crystal panel through the wave plate 3 of 4 minutes, controlling the deflection of the liquid crystal panel 2 and the Y-axis direction to control the deflection of the X-axis direction of the same structure as that shown in FIG. 3 4 is ordered by the optical axis direction, and this as a single unit. 図7(a)では、入射方向から偏光角90゜の偏光子1、前記ユニット、レンズ5の順序に配置されている。 In FIG. 7 (a), the polarization angle 90 ° polarizer 1 from the incident direction, said unit being arranged in the order of the lens 5. また、図2(b)では、同様に偏光角45゜の偏光子7、前記ユニット、偏光角45゜の検光子8、レンズ5の順序に並べた光学系が示されている。 Further, in FIG. 2 (b), similarly polarized angle of 45 ° polarizer 7, the unit, the polarization angle 45 ° analyzer 8, an optical system arranged in the order of the lens 5 is shown.

さらに、図7(b)では、前記レンズによって結んだ像を受光器6のCCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)で受光し、その結果をパーソナルコンピュータ(PC)10で信号処理しDAC9(ディジタルアナログコンバータ)アレイを介して、前記2つの液晶パネルを制御していることを示している。 Further, in FIG. 7 (b), CCD optical receiver 6 an image connecting by said lens: receiving at (Charge Coupled Device), signal processing the result by a personal computer (PC) 10 DAC 9 (Digital via analog converter) array, which indicates that by controlling the two liquid crystal panels. ここで、CCDによる受光結果の出力は、ビームプロファイラ12にも切り替えて記録可能である。 Here, the output of the light receiving result by the CCD can be recorded by switching to the beam profiler 12. DACアレイは、PCからの偏向用ディジタル信号をアナログ信号に変換し、このアナログ信号を液晶パネルに電圧として印加している。 DAC array is applied to deflection digital signal from the PC into an analog signal, as a voltage the analog signal to the liquid crystal panel.

図7(a)に示すビーム偏向光学系におけるビーム偏向の結果、結んだ像を図8(a)に示す。 FIGS. 7 (a) to a beam deflection results in the beam deflection optical system shown illustrates an image connecting in FIG 8 (a). また、焦点調整の結果、結んだ像を図8(b)に示す。 Also shows the result of the focus adjustment, the image connecting in Figure 8 (b). 図8(c)は各像の相対強度を示す。 FIG. 8 (c) shows the relative intensity of each image.

図9(a)に焦点パラメータに対する結像の状態を、また、図9(b)に焦点パラメータに対するピーク強度を示す。 The state of the imaging to the focal parameters in FIG. 9 (a), also shows the peak intensity to the focus parameters in Figure 9 (b).

図10にビーム偏向光学系における液晶開口面での波面の位相の遅れ(Phase Retardation : リターデーション)を示す。 Figure 10 of the wavefront phase of the liquid crystal opening face in the beam deflecting optical system delay: indicates (Phase Retardation Retardation). 図10(a)は、ビームが直進した場合の液晶開口面での波面位相の状態を示す。 10 (a) shows the state of the wavefront phase of the liquid crystal opening surface when the beam is straight. 何の縞模様も現れていない。 It does not appear anything of stripes. また、図10(b)は、ビームが収束した場合の液晶開口面での波面位相の状態を示す。 Further, FIG. 10 (b) shows the state of the wavefront phase of the liquid crystal opening surface when the beam is converged. 同心円状の縞模様が形成されているが、中心はビームの軸上から逸れていない。 Concentric stripes are formed, but the center is not deviated from the axis of the beam. また、図10(c)は、ビームが偏向した場合の液晶開口面での波面位相の状態を示す。 Further, FIG. 10 (c) shows the state of the wavefront phase of the liquid crystal opening surface when the beam is deflected. 波の側面の軌跡のような縞が現れている。 Stripes have appeared, such as the trajectory of the side of the wave. また、図10(d)は、ビームが偏向し、且つ、収束した場合の液晶開口面での波面位相の状態を示す。 Further, FIG. 10 (d) the beam is deflected, and shows the state of the wavefront phase of the liquid crystal aperture plane in the case of convergence. 中心がビームの軸上から逸れている同心円状の縞模様が形成されている。 Center is concentric stripes deviates from the axis of the beam is formed.

なお、これらが連続的な波面変化(偏向、収束、発散)に対しても働き得ることは、数式及び計算機シミュレーションでも確認された。 Note that these continuous wave changes (deflection, converging, diverging) be may act against, was confirmed in formulas and computer simulation.

また、図7(b)で、パーソナルコンピュータ(PC)10からの信号処理の結果をDAC9アレイを介して、前記2つの液晶パネルを制御する際には、図11に示すように、それぞれの梯子型電極の受け持つ位相差を2π以内に計算処理することができる。 Further, in FIG. 7 (b), the result of signal processing from the personal computer (PC) 10 via a DAC9 array, in controlling the two liquid crystal panels, as shown in FIG. 11, each of the ladder a phase difference allotted to type electrode can be calculated processed within 2 [pi. 例えば、図11(a)に示すように、該波面位相に隣接する波面位相が2πを超える位相差である場合に、図11(b)に示すように、それぞれの梯子型電極の受け持つ位相差を2π以内にして、その総和が、擬似的に上記の総合的な位相差に等しくなるようにする。 For example, as shown in FIG. 11 (a), when the wavefront phase adjacent to the wave surface phase is a phase difference of more than 2 [pi, as shown in FIG. 11 (b), the phase difference allotted to each of the ladder type electrode the was within 2 [pi, the sum is artificially set to be equal to the overall phase difference between the. これは、光波の周期性から容易に理解でき、この処理により、印加電圧を低下させ、液晶の非線形性による残留波面誤差を改善することができる。 This can be readily understood from the periodicity of light waves by the process, the applied voltage is lowered and can you to improve residual wavefront errors due to the nonlinearity property of the liquid crystal.

本発明は、空間光通信における、光アンテナの光学系補正用に用いることで、ビーム指向性の高精度な偏向及び焦点(フォーカス)の調整を小型の液晶素子一つで実現できることになり、低駆動電力で超小型の光アンテナの実現が期待できる。 The present invention, in the space optical communication, by using the optical system correction of optical antenna, it becomes possible to realize the adjustment with high accuracy deflection and focus of the beam directivity (focus) in the liquid crystal element one small, low realization of ultra-small optical antenna drive power is expected. また、宇宙用の光デバイスとしても、通信用途に限らず、レーザ光学やその応用など、より一般の能動光学部品としても利用できる。 Further, even if the optical devices for space, not limited to communications applications, such as laser optics and their applications, can be utilized as a more active optical components in general.

また、ビーム偏向精度の向上が図れると同時に、液晶の電気光学特性を非線形領域まで利用するように制御パラメータを設定すれば、波面曲率を制御することも可能となる。 Also, at the same time can be improved beam deflection accuracy, by setting the control parameters to use electrooptic properties of liquid crystals to non-linear region, it is possible to control the wavefront curvature. 結果として、ビーム偏向器単体で波面曲率の補正、すなわちフォーカス装置を兼ねることが可能となり、液晶のもつ軽便性と合わせれば、レーザ偏向光学系の小型高精度化を図ることができる。 As a result, correction of wavefront curvature in the beam deflector alone, that it is possible to also serve as a focusing device,, combined with portability of having a liquid crystal, it is possible to reduce the size precision of the laser deflection optical system.

液晶パネルを用いたビーム偏向デバイスは、電源を含めた全システムでも腕時計サイズ並みの構成を可能にする。 Beam deflecting device using a liquid crystal panel allows the construction of a comparable watches sizes in all systems, including power. したがって、通信用システムであれば、複雑になりがちな光アンテナの構造を簡略化できる。 Therefore, if the communication system can be simplified the structure of the tend optical antenna complex.

空間光通信(衛星と地上局との光宇宙通信や、地上のビル間の光無線通信)概念図である。 Space optical communication is a conceptual view (or light space communications between satellites and ground stations, optical wireless communication between the ground of the building). 梯子型電極忖液晶光ビーム偏光器の(a)正面図と(b)側面図である。 A ladder electrode 忖 liquid crystal optical beam deflectors (a) front view and (b) a side view. 梯子型電極付液晶光ビーム偏向器の(a)平面図と(b)断面図である。 It is a ladder-type electrode with a liquid crystal beam deflector (a) plan view and (b) cross-section. 電極に対応する波面位相および位相誤差(収束)を示す図である。 It is a diagram illustrating a wavefront phase and the phase error corresponding to the electrode (convergence). 電極に対応する波面位相および位相誤差(偏向)を示す図である。 It is a diagram illustrating a wavefront phase and the phase error corresponding to the electrode (deflection). 電極に対応する波面位相および位相誤差(偏向と収束)を示す図である。 It is a diagram illustrating a wavefront phase and the phase error corresponding to the electrode (deflection and convergence). レーザ光の発振から検出までのビーム偏向光学系を示す概略模式断面図で、(a)無限遠へのビーム偏向を示す図、(b)液晶開口面を観察する際のビーム偏向を示す図、である。 In schematic sectional view showing a beam deflecting optical system to detect the oscillation of the laser light, (a) shows a beam deflection infinite to the far, shows a beam deflection when observing the (b) liquid crystal opening surface, it is. ビーム偏向光学系による結像を示す図で、(a)ビーム偏向の結像図、(b)焦点調整の結像図、(c)各像の相対強度を表す図、である。 A diagram showing an image by the beam deflecting optical system, a diagram, representing: (a) imaging view of the beam deflection, (b) imaging view of a focus adjustment, (c) the relative intensity of each image. 焦点パラメータによる結像と強度を示す図で、(a)焦点パラメータに対する結像図、(b)焦点パラメータに対するピーク強度を表す図、である。 In view showing the imaging and intensity of the focus parameter is a diagram, which represents the peak intensity for imaging view, (b) focus parameters for (a) the focus parameter. ビーム偏向光学系における液晶開口面での波面位相の状態を示す図で、(a)直進、(b)収束、(c)偏向、(d)偏向と収束(右下図)、の場合を示す図である。 In view showing a state of a wavefront phase of the liquid crystal opening face in the beam deflecting optical system, it shows the (a) straight, (b) convergence, (c) deflection, (d) deflecting the convergent (lower right), in the case of it is. 該波面位相に隣接する波面位相が2πを超える位相差である場合に、それぞれ2π未満の位相差になるように位相シフトして擬似的に等しくすることを説明するための図である。 When the wavefront phase adjacent to the wave surface phase is a phase difference of more than 2 [pi, it is a diagram for explaining be equal in a pseudo manner by phase-shifted so that the phase difference of less than 2 [pi. ビーム偏向光学系における液晶印加電圧に対する液晶開口面でのリターデーションを示す図である。 It is a diagram showing a retardation of the liquid crystal aperture plane to the liquid crystal application voltage in the beam deflection optics.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 偏光子 2 液晶パネル 3 4分の1波長板 4 液晶パネル 5 レンズ 6 撮像器 7 偏光子 8 検光子 9 ディジタルアナログコンピュータ 10 パーソナルコンピュータ 11 スイッチ 12 ビームプロファイラ 1 polarizer 2 liquid crystal panel 3 the quarter wave plate 4 liquid crystal panel 5 lens 6 imager 7 polarizer 8 analyzer 9 digital analog computer 10 the personal computer 11 switch 12 beam profiler

Claims (4)

  1. ホモジニアス配向の液晶層を介してストライプ紋様を持った梯子型電極の複数が光を通すことのできる他の電極と対向配置された液晶パネルにおいて、 In other electrodes and oppositely disposed liquid crystal panel in which a plurality of ladder-type electrodes having a stripe A pattern through the liquid crystal layer of the homogeneous orientation can be passed through the light,
    それぞれの上記梯子型電極と光を通すことのできる上記電極間に電圧を印加すると共に、前記梯子型電極のストライプ横断方向で、且つ、前記液晶層内に電位差勾配を作るべく、前記ストライプ間に電圧を印加することにより、前記液晶層内で、且つ、前記梯子型電極のストライプ横断方向に沿って屈折率勾配を発生させる際に、 Each applies a voltage between the electrodes capable of passing the ladder electrode and the light, a stripe transversely of the ladder type electrode, and, to make a potential difference gradient in the liquid crystal layer, between the stripes by applying a voltage, in the liquid crystal layer, and, when generating the refractive index gradient along the stripe transversely of the ladder type electrode,
    それぞれの前記梯子型電極のストライプ横断方向変位に対する、前記屈折率勾配のある液晶層を透過する光ビームの波面位相の二次微分、を導出して、波面曲率歪み量をリアルタイムで算出し、 For stripe transverse displacement of each of the ladder type electrode, the second derivative of the wavefront phase of the light beam passing through the liquid crystal layer with the refractive index gradient, and derive to calculate a wavefront curvature distortion amount in real time,
    上記梯子型電極における順次隣接する波面位相の位相差については、算出された該波面曲率歪み量を小さくする前記梯子型電極の波面位相を、光強度が強い開口中心に近い電極から周辺部へと順次選択して、前記波面位相が全体として滑らかになるようにするブレージングを行うことを特徴とする波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法。 The phase difference between successively adjacent wavefront phase at the ladder electrode, a wavefront phase of the ladder electrode to reduce the wave surface curvature distortion amount calculated, from the electrode closer to the optical intensity is high opening center to the peripheral portion are sequentially selected, high precision control method for a liquid crystal beam deflector in which the wavefront phase is considering wavefront curvature and performing blazing to make smooth as a whole.
  2. 請求項1に記載の波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法において、 In the high precision control method for a liquid crystal beam deflector considering wavefront curvature of claim 1,
    逐次、前記梯子型電極毎に前記波面位相を計算し、該波面位相に隣接する波面位相が2πを超えるものから選択することで、擬似的に2π未満の位相差になるように2パイ周期で位相の折り返しを行って位相シフトを行うものであって、 Sequentially, the wavefront phase calculated for each of the ladder electrode, a wavefront phase adjacent to the wave surface phases by selecting from those of more than 2 [pi, pseudo 2 pi periodically so that the phase difference of less than 2 [pi be one that performs phase shift carried out the return of the phase,
    前記位相シフトを行う際に、 In carrying out the phase shift,
    (1)前記液晶パネルの光ビームの強い部分へ優先的に波面位相の境界条件を与えて初期値にし、 (1) preferentially to the initial value by applying the boundary conditions of the wavefront phase into the light portion having strong light beam of the liquid crystal panel,
    (2)上記位相シフトによる等位相面が波面の曲率となるように上記ブレージングを施しながら液晶パネルの光ビームの弱い部分へ波面位相を延長することを特徴とする波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法。 (2) the phase shift liquid crystal light beam in consideration of the wavefront curvature, characterized in that to extend the equiphase plane wave front phase to weak portions of the light beam of the liquid crystal panel while applying the brazing so that the curvature of the wavefront by high precision control method of the deflector.
  3. 請求項2に記載の波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法において、 In the high precision control method for a liquid crystal beam deflector considering wavefront curvature according to claim 2,
    前記ブレージングを施す際に、上記梯子型電極に与える電圧の計算値にバイアス値を加減して波面曲率の調整を行い、 In making the brazing, to adjust the wavefront curvature by adjusting the bias value to the calculated value of the voltage applied to the ladder-type electrode,
    同一デバイス単体で、焦点調整することを特徴とする波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法。 In the same single device, high precision control method for a liquid crystal beam deflector considering wavefront curvature, characterized in that the focusing.
  4. ホモジニアス配向の液晶層を介してストライプ紋様を持った梯子型電極が他の光を通すことのできる電極と対向配置された液晶パネルである、第1の液晶パネルと第2の液晶パネルとが光ビームを連鎖して入射するように配置され、 An electrode arranged to face the liquid crystal panel capable of ladder electrode having a striped A pattern through the liquid crystal layer of homogeneous orientation is passed through the other light, the first liquid crystal panel and the second liquid crystal panel is light is disposed a beam to be incident to the chain,
    第1の液晶パネルのストライプ方向が第2の液晶パネルのストライプ方向に直交あるいは斜交するように配置されている場合に、 When the stripe direction of the first liquid crystal panel are disposed orthogonally or obliquely intersect the stripe direction of the second liquid crystal panel,
    請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法を、第1の液晶パネルと第2の液晶パネルのいずれかの液晶パネルに適用することを特徴とする波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法。 Highly accurate method of controlling the liquid crystal light beam deflector Considering wavefront curvature according to any one of claims 1 to 3, in any of the liquid crystal panel of the first liquid crystal panel and the second liquid crystal panel high precision control method for a liquid crystal beam deflector considering wavefront curvature, characterized in that to apply.
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