JP4717087B2 - Optical deflection device - Google Patents

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Description

本発明は、光偏向装置に関し、さらに詳しくは、レーザ光の光を偏向させる光偏向装置に関する。   The present invention relates to an optical deflecting device, and more particularly to an optical deflecting device that deflects laser light.

今日レーザ光の光偏向の技術は、様々な分野で応用されている。たとえば自由空間光通信用の光行差補正・レーザレーダ用の走査系などが例として挙げられる。   Today, the technique of optical deflection of laser light is applied in various fields. For example, an optical path difference correction for free space optical communication and a scanning system for laser radar can be cited as examples.

従来、レーザ光の光偏向器やポインティング用光学系として、ジンバルミラー(gimballed mirror)が多く用いられている。このジンバルミラーを用いる方法は、ミラーを機械的に動かしてレーザ光の光方向制御をおこなうため、直接的でかつ簡単な方法である。   Conventionally, a gimballed mirror is often used as an optical deflector for laser light or a pointing optical system. This method using a gimbal mirror is a direct and simple method because the direction of the laser beam is controlled by mechanically moving the mirror.

また、液晶層をプリズム形状にした液晶プリズムに関する先行技術が存在する(たとえば、特許文献1、特許文献2参照。)。   Further, there is a prior art related to a liquid crystal prism in which a liquid crystal layer has a prism shape (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

特開平6−194695号公報JP-A-6-194695 特開平7−92507号公報JP 7-92507 A

しかしながら、上記従来の方法にあっては、比較的大きなミラーを大きな物理的動作を伴って制御する必要があることから、軽量・小型化が必要なシステムや、低消費電力を必要とする用途には適していないという問題点があった。   However, in the above conventional method, since it is necessary to control a relatively large mirror with a large physical operation, it is necessary for a system that requires a light weight and a small size and an application that requires low power consumption. There was a problem that was not suitable.

また、液晶層をプリズム形状にした液晶プリズムにあっては、製造工程が複雑になるだけでなく、その制御が難しいといった問題点があった。   Further, in the liquid crystal prism having the liquid crystal layer in the prism shape, there is a problem that not only the manufacturing process is complicated, but also its control is difficult.

この発明は、上記課題(問題点)を解決するためになされたものであり、小型・軽量化に適した単純な構造にできる高品位で高偏向角化が可能な光偏向装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems (problems), and provides an optical deflecting device capable of achieving a high-quality and high-deflection angle with a simple structure suitable for miniaturization and weight reduction. With the goal.

上記課題を解決するために、この発明にかかる光偏向装置は、液晶を用いて、入射された光を偏向して出射する液晶光位相変調素子と、前記液晶光位相変調素子を駆動する駆動手段と、前記液晶光位相変調素子の出射側に配置され、前記液晶光位相変調素子から出射された光を入射する入射面と、当該入射面から入射された光が出射される出射面とが所定の角度を有するウェッジ型プリズムと、を備え、前記液晶光位相変調素子は、平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極を有する第1の透明基板と、前記透明導電体からなる共通電極を有する第2の透明基板と、前記第1の透明基板および前記第2の透明基板の間に挟持された液晶層と、を備え、前記駆動手段は、前記液晶層に屈折率の変調を生じさせるように、前記個別電極に所定の電圧を印加し、前記液晶光位相変調素子を少なくとも2つ並べて配置し、前段の液晶光位相変調素子から出射された光を後段の液晶光位相変調素子に入射し、前記ウェッジ型プリズムは、前記後段の液晶光位相変調素子の出射側に配置され、前記後段の液晶光位相変調素子から出射された光を入射する入射面と、当該入射面から入射された光が出射される出射面とが所定の角度を有し、前記前段の液晶光位相変調素子の個別電極の方向と、前記後段の液晶光位相変調素子の個別電極の方向が略直交となり、かつ、前記前段の液晶光位相変調素子の液晶層の配向方向と、前記後段の液晶光位相変調素子の液晶層の配向方向とが略同一となるように配置することを特徴とする。   In order to solve the above problems, an optical deflection apparatus according to the present invention includes a liquid crystal optical phase modulation element that deflects and emits incident light using liquid crystal, and a driving unit that drives the liquid crystal optical phase modulation element. A light incident surface on which light emitted from the liquid crystal light phase modulation element is incident and a light emission surface from which light incident from the light incident surface is emitted are predetermined. The liquid crystal optical phase modulation element includes a first transparent substrate having a plurality of individual electrodes made of transparent conductors arranged in parallel stripes, and the transparent conductor. A second transparent substrate having a common electrode; and a liquid crystal layer sandwiched between the first transparent substrate and the second transparent substrate, and the driving means modulates the refractive index of the liquid crystal layer. Said to produce A predetermined voltage is applied to another electrode, and at least two of the liquid crystal optical phase modulation elements are arranged side by side, and light emitted from the previous liquid crystal optical phase modulation element is incident on the subsequent liquid crystal optical phase modulation element, and the wedge The mold prism is disposed on the emission side of the latter-stage liquid crystal optical phase modulation element, and has an incident surface on which light emitted from the latter-stage liquid crystal optical phase modulation element is incident, and light incident from the incident surface is emitted. And the direction of the individual electrodes of the preceding liquid crystal optical phase modulation element and the direction of the individual electrodes of the subsequent liquid crystal optical phase modulation element are substantially orthogonal, and The liquid crystal optical phase modulation element is arranged so that the alignment direction of the liquid crystal layer is substantially the same as the alignment direction of the liquid crystal layer of the subsequent liquid crystal optical phase modulation element.

また、この発明にかかる光偏向装置は、上記の発明において、所定数ごとの前記個別電極によって構成される各個別電極群に対応し、当該個別電極群の各個別電極に共通に接続された集電極と、前記集電極の両端に接続された一対の信号電極と、を備えたことを特徴とする。   The optical deflecting device according to the present invention corresponds to each individual electrode group constituted by a predetermined number of the individual electrodes in the above invention, and is a collection connected in common to each individual electrode of the individual electrode group. An electrode and a pair of signal electrodes connected to both ends of the collector electrode are provided.

この本発明によれば、小型・軽量化に適した単純な構造にできる高品位で高偏向角化が可能な光偏向装置が得られるという効果を奏する。   According to the present invention, there is an effect that an optical deflecting device capable of achieving a high-definition and high-deflection angle that can have a simple structure suitable for reduction in size and weight can be obtained.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光偏向装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。   Exemplary embodiments of an optical deflection apparatus according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.

1−1.光偏向装置の構成
まず、本発明の実施の形態にかかる光偏向装置の構成を、図1〜図3を用いて説明する。図1および図2は、本発明の実施の形態における光偏向装置100の構成を示す模式断面図である。
1-1. Configuration of Optical Deflection Device First, the configuration of an optical deflection device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 are schematic cross-sectional views showing the configuration of an optical deflecting device 100 in an embodiment of the present invention.

図1に示すように、本発明の光偏向装置100は、液晶光位相変調素子101と、所定の傾斜角γ傾いた出射面161を持つくさび状のウェッジ型プリズム121とによって構成している。さらに、液晶光位相変調素子101には駆動装置141が接続されている。   As shown in FIG. 1, an optical deflecting device 100 according to the present invention includes a liquid crystal optical phase modulation element 101 and a wedge-shaped wedge prism 121 having an emission surface 161 inclined at a predetermined inclination angle γ. Further, a driving device 141 is connected to the liquid crystal optical phase modulation element 101.

ここで、ウェッジ型プリズム121の出射面161は空気層と接触する。そのため、空気と基板界面での反射を防止するように必要に応じて無反射コートを形成する。無反射コートは、たとえば五酸化タンタル(Ta25)と二酸化シリコン(SiO2)の誘電体多層膜からなるコーティングを用いる。 Here, the exit surface 161 of the wedge prism 121 is in contact with the air layer. Therefore, a non-reflective coating is formed as necessary so as to prevent reflection at the interface between air and the substrate. As the non-reflective coating, for example, a coating made of a dielectric multilayer film of tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) and silicon dioxide (SiO 2 ) is used.

1−2.液晶光位相変調素子およびウェッジ型プリズムの配置
このウェッジ型プリズム121は、図1に示すように、液晶光位相変調素子101の出射側に当接させて配置する。液晶光位相変調素子101とウェッジ型プリズム121とを接着剤などを用いて固定する。また、図2に示すように、液晶光位相変調素子101から出射される光の偏向角から外れない程度に間隔102を空けて配置しても本発明と同じ効果を得ることができる。間隔102を開けることによって、光の種類によっては、通過する光によって発せられる熱が、液晶光位相変調素子101とウェッジ型プリズム121とを固定した接着剤などを溶かすといった問題を回避することができる。また、この場合のウェッジ型プリズム121の出射面161または入射面103は空気層と接触するため、上記構成と同様に必要に応じて無反射コートを形成するとよい。
1-2. Arrangement of Liquid Crystal Optical Phase Modulation Element and Wedge Type Prism As shown in FIG. 1, the wedge type prism 121 is arranged in contact with the emission side of the liquid crystal optical phase modulation element 101. The liquid crystal optical phase modulation element 101 and the wedge prism 121 are fixed using an adhesive or the like. In addition, as shown in FIG. 2, the same effect as that of the present invention can be obtained even if the gaps 102 are arranged so as not to deviate from the deflection angle of the light emitted from the liquid crystal optical phase modulation element 101. By opening the interval 102, depending on the type of light, it is possible to avoid the problem that the heat generated by the passing light melts the adhesive or the like that fixes the liquid crystal optical phase modulation element 101 and the wedge prism 121. . In this case, since the exit surface 161 or the entrance surface 103 of the wedge-shaped prism 121 is in contact with the air layer, a non-reflective coating may be formed as necessary as in the above configuration.

2−1.ウェッジ型プリズムの原理
図3は、本発明の実施の形態における光偏向装置の原理を示す説明図である。図3に示すように、液晶光位相変調素子101は、入射光151を所定の角度±θだけ偏向する作用をおこなう。両矢印で示したP偏光171は、図3に示した断面図に対して平行な偏光の方向を模式的に示している。図3ではウェッジ型プリズム121の出射面161に対するP偏光171を入射光151の偏光状態として示している。なお、S偏光を入射光151として使うようにしてもよい。これは、液晶光位相変調素子101の一部構成を変えることで対応可能である。S偏光を入射光151として使うことについての詳細は後述する。
2-1. Principle of Wedge Type Prism FIG. 3 is an explanatory diagram showing the principle of the optical deflection apparatus in the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the liquid crystal optical phase modulation element 101 performs an action of deflecting the incident light 151 by a predetermined angle ± θ. A P-polarized light 171 indicated by a double arrow schematically shows a direction of polarized light parallel to the cross-sectional view shown in FIG. In FIG. 3, the P-polarized light 171 with respect to the emission surface 161 of the wedge prism 121 is shown as the polarization state of the incident light 151. Note that S-polarized light may be used as the incident light 151. This can be dealt with by changing a part of the configuration of the liquid crystal optical phase modulation element 101. Details of using S-polarized light as incident light 151 will be described later.

図3において、θを反時計方向に大きくする場合をプラス方向として、θの可変範囲の最大値をθmaxとすると、γ>θmaxとなるように傾斜角γを決める。すなわち、傾斜角γを、γ>θmaxを満たす所定の値に選択することで、液晶光位相変調素子101の偏向角θmaxが小さくても、ウェッジ型プリズム121によって偏向角θmaxを拡大することが可能となる。   In FIG. 3, when θ is increased counterclockwise, the inclination angle γ is determined so that γ> θmax, where θmax is the maximum value of the variable range of θ. That is, by selecting the tilt angle γ to a predetermined value that satisfies γ> θmax, the deflection angle θmax can be expanded by the wedge prism 121 even if the deflection angle θmax of the liquid crystal optical phase modulation element 101 is small. It becomes.

図3において、液晶光位相変調素子101が+θだけ入射光151を偏向した場合、第1の出射光153は、スネルの法則にしたがって、式(1)のような角度β1として出射する。 In FIG. 3, when the liquid crystal light phase modulation element 101 deflects the incident light 151 by + θ, the first outgoing light 153 is emitted as an angle β 1 as shown in Equation (1) according to Snell's law.

g・sinα1=n0・sinβ1
ここで、ngは、ウェッジ型プリズム121の屈折率であり、n0は空気の屈折率である。
ng · sin α 1 = n 0 · sin β 1
Here, ng is the refractive index of the wedge-type prism 121, and n 0 is the refractive index of air.

また、液晶光位相変調素子101が入射光151を偏向しない場合、第2の出射光155は、角度β2としてスネルの法則にしたがって出射する。この場合、傾斜角γの定義から傾斜角γと角度α2は等しい値となる。液晶光位相変調素子101が入射光151を−θ偏向した場合、第3の出射光157は、角度β3としてスネルの法則にしたがい出射する。ここで、出射面161における、入射角である角度αと液晶光位相変調素子101の偏向角θとの関係をまとめると以下の(1)〜(3)のようになる。 Further, when the liquid crystal optical phase modulator 101 does not deflect the incident light 151, the second outgoing light 155, as the angle beta 2 is emitted in accordance with Snell's law. In this case, from the definition of the inclination angle γ, the inclination angle γ and the angle α 2 are equal. When the liquid crystal light phase modulation element 101 deflects the incident light 151 by −θ, the third emitted light 157 is emitted according to Snell's law as an angle β 3 . Here, the relationship between the angle α which is the incident angle on the emission surface 161 and the deflection angle θ of the liquid crystal optical phase modulation element 101 is summarized as follows (1) to (3).

θ=+θのとき、α=γ−θ (1)
θ=0のとき、 α=γ (2)
θ=−θのとき、α=γ+θ (3)
When θ = + θ, α = γ−θ (1)
When θ = 0, α = γ (2)
When θ = −θ, α = γ + θ (3)

屈折角である角度βがπ/2以上のときは、全反射条件となり、出射光が無くなる。ここで、一例としてウェッジ型プリズム121の材料としてBK7を用いると、屈折率ngは約1.507となるので式(4)を用いて計算すると臨界角αcは、
sinαc=n0/ng・sin(π/2)
=1/1.507 (4)
から、αcは約0.726ラジアン(41.57度)となる。
When the angle β, which is the refraction angle, is π / 2 or more, the total reflection condition is satisfied, and the emitted light is lost. Here, as an example, when BK7 is used as the material of the wedge-type prism 121, the refractive index ng is about 1.507, so that the critical angle α c is calculated by using Equation (4),
sin α c = n 0 / ng · sin (π / 2)
= 1 / 1.507 (4)
Therefore, α c is about 0.726 radians (41.57 degrees).

臨界角αcを考慮すると、α3はαcより小さく設定した方が入射光151を有効に活用できるため、
θmax<γ<αc−θmax (5)
を満たすように傾斜角γを選ぶ必要がある。
Considering the critical angle α c , the incident light 151 can be used more effectively if α 3 is set smaller than α c .
θmax <γ <α c −θmax (5)
It is necessary to select the inclination angle γ so as to satisfy.

2−2.入射角度と出射角度との関係
つぎに、ウェッジ型プリズム121の出射面161への入射角度αと、その出射面161からの出射角度βとの関係を示すグラフを図4を用いて説明する。図4に示すように、角度αが臨界角αc近傍で角度βの変化率が急速に大きくなることがわかる。このことをさらに詳しく説明するために、角度αと角度増加率dβ/dαとの関係を示すグラフを図5に示す。角度増加率dβ/dαは角度αに対する角度βの微分として定義した。図5から角度増加率dβ/dαは、臨界角αc近傍で急速に大きくなることが確認できる。したがって、図3の構成においてウェッジ型プリズム121の傾斜角γは、臨界角αcより小さいが臨界角に近い領域に設定した方が偏向角θmaxが小さい場合には有効である。
2-2. Relationship Between Incident Angle and Exit Angle Next, a graph showing the relationship between the incident angle α to the exit surface 161 of the wedge prism 121 and the exit angle β from the exit surface 161 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, it can be seen that the rate of change of the angle β rapidly increases when the angle α is in the vicinity of the critical angle α c . In order to explain this in more detail, a graph showing the relationship between the angle α and the angle increase rate dβ / dα is shown in FIG. The angle increase rate dβ / dα was defined as the derivative of the angle β with respect to the angle α. Angle increase rate d.beta / d [alpha] Figures 5, it can be confirmed that grow rapidly in near the critical angle alpha c. Therefore, the inclination angle γ of the wedge-type prism 121 in the configuration of FIG. 3 is more effective when the deflection angle θmax is smaller than the critical angle α c but in a region close to the critical angle.

ここで、偏向角θが0の場合の角度αを動作点角度αaと定義すると、前述の通り、
αa=γ (6)
となるので、動作点角度αaを傾斜角γで決めることができる。
Here, when the angle α when the deflection angle θ is 0 is defined as the operating point angle α a , as described above,
α a = γ (6)
Therefore, the operating point angle α a can be determined by the inclination angle γ.

ここで、液晶光位相変調素子101の最大偏向角θmaxを1.5度とし、さらに、図4に示すように動作点角度αaを40[度]とすると、図4のグラフから入力角度範囲(入射角度範囲)301よりも出力角度範囲(出射角度範囲)303が大きくなることがわかる。図4に示した入力角度範囲301と出力角度範囲303の要部を変数変換して再プロットしたグラフを図6に示す。 Here, assuming that the maximum deflection angle θmax of the liquid crystal optical phase modulation element 101 is 1.5 degrees and the operating point angle α a is 40 degrees as shown in FIG. 4, the input angle range from the graph of FIG. It can be seen that the output angle range (exit angle range) 303 is larger than the (incident angle range) 301. FIG. 6 shows a graph obtained by re-plotting the main parts of the input angle range 301 and the output angle range 303 shown in FIG.

ここで、角度αの原点を置き換えて変数を入力角φとおき、そのとき(φ=0)での角度βを原点とみなして、変数を出力角Φとする。図6より、入力角φの入力角度範囲3[度]に対して出力角Φの出力角度範囲は約17[度]となり、約3倍に角度可変範囲を広げられることがわかる。   Here, the origin of the angle α is replaced with a variable as the input angle φ, the angle β at that time (φ = 0) is regarded as the origin, and the variable is set as the output angle Φ. FIG. 6 shows that the output angle range of the output angle Φ is about 17 degrees with respect to the input angle range of 3 degrees of the input angle φ, and the angle variable range can be expanded about three times.

3−1.液晶光位相変調素子の構造
つぎに、液晶光位相変調素子101の構造を図7を用いて説明する。図7は、本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の構造を示す断面図である。図7において、液晶層の一例として示すネマティック液晶層501は、液晶光位相変調素子101の第1の透明基板201の複合電極211の上と第2の透明基板203の共通電極213の上とに形成した配向層217によって電場無印加時のp型(ポジ型)液晶分子のダイレクタ207のティルト角209が5度以下となるようにホモジニアス配向させる。図7で示す液晶光位相変調素子101の場合、入射直線偏光511は、図7に示した断面図に対して平行な成分となるようにする。この入射直線偏光511はウェッジ型プリズム121の出射面161からみるとP偏光となる。
3-1. Next, the structure of the liquid crystal optical phase modulation element 101 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the liquid crystal optical phase modulation element in the embodiment of the present invention. In FIG. 7, the nematic liquid crystal layer 501 shown as an example of the liquid crystal layer is formed on the composite electrode 211 of the first transparent substrate 201 of the liquid crystal optical phase modulation element 101 and on the common electrode 213 of the second transparent substrate 203. The formed alignment layer 217 is homogeneously aligned so that the tilt angle 209 of the director 207 of p-type (positive-type) liquid crystal molecules when no electric field is applied is 5 degrees or less. In the case of the liquid crystal optical phase modulation element 101 shown in FIG. 7, the incident linearly polarized light 511 has a component parallel to the cross-sectional view shown in FIG. The incident linearly polarized light 511 is P-polarized light when viewed from the exit surface 161 of the wedge prism 121.

図7には明示しないが、ネマティック液晶層501が数μmから数十μmの所定の一定厚みを保持するように、第1の透明基板201と第2の透明基板203はスペーサを介して固定する。また、図7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の上および共通電極213の上の少なくとも一方に五酸化タンタル(Ta25)や二酸化シリコン(SiO2)などの透明絶縁膜を形成してもよい。また、透明絶縁膜を高屈折率膜と低屈折率膜からなる多層膜化して透過率を向上することも望ましい。第2の透明基板203上に形成する共通電極213は透明導電膜からなる全面電極であってよい。なお、複合電極211の構造については後述する。 Although not explicitly shown in FIG. 7, the first transparent substrate 201 and the second transparent substrate 203 are fixed via a spacer so that the nematic liquid crystal layer 501 maintains a predetermined constant thickness of several μm to several tens of μm. . Although not shown in FIG. 7, in order to prevent the composite electrode 211 and the common electrode 213 from being short-circuited, tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) or carbon dioxide is formed on at least one of the composite electrode 211 and the common electrode 213. A transparent insulating film such as silicon (SiO 2 ) may be formed. It is also desirable to improve the transmittance by making the transparent insulating film a multilayer film composed of a high refractive index film and a low refractive index film. The common electrode 213 formed on the second transparent substrate 203 may be a full-surface electrode made of a transparent conductive film. The structure of the composite electrode 211 will be described later.

複合電極211の光路部分および共通電極213を形成する透明導電膜に酸化インジウムスズ(ITO)を用いるときは、膜厚を50nm以下として、さらに、利用する波長が近赤外域の場合、透過率を向上するために、成膜時に酸素濃度を多くしたシート抵抗数百Ωから1kΩ程度の膜を使用することが望ましい。   When using indium tin oxide (ITO) for the transparent conductive film forming the optical path portion of the composite electrode 211 and the common electrode 213, the film thickness should be 50 nm or less, and if the wavelength used is in the near infrared region, the transmittance should be In order to improve, it is desirable to use a film having a sheet resistance of several hundred Ω to about 1 kΩ with an increased oxygen concentration during film formation.

ITOのほかに透明導電膜としては、酸化インジウム(In23)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)などの薄膜が使用可能である。この場合も、膜厚は50nm以下として、シート抵抗は数百Ωから1kΩ程度の膜を使うことが望ましい。 In addition to ITO, thin films such as indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), and zinc oxide (ZnO) can be used as the transparent conductive film. In this case as well, it is desirable to use a film with a film thickness of 50 nm or less and a sheet resistance of about several hundred Ω to 1 kΩ.

ガラスからなる第1の透明基板201または第2の透明基板203のネマティック液晶層501と反対の面のうちの空気層と接触する面には、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、たとえば五酸化タンタル(Ta25)と二酸化シリコン(SiO2)の誘電体多層膜からなるコーティングを用いることができる。 Necessary for preventing reflection at the interface between air and the substrate on the surface of the first transparent substrate 201 or the second transparent substrate 203 made of glass opposite to the nematic liquid crystal layer 501 in contact with the air layer. In response to this, an anti-reflection coat 215 is formed. As the non-reflective coating 215, for example, a coating made of a dielectric multilayer film of tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) and silicon dioxide (SiO 2 ) can be used.

なお、図3で示した入射光151または図7の入射直線偏光511はウェッジ型プリズム121の出射面161からみてP偏光171となる場合の構成を代表して示したが、入射直線偏光511が後段のウェッジ型プリズム121の出射面161からみてS偏光となる場合の液晶光位相変調素子101の構造を図8に示す。ネマティック液晶層501のダイレクタ207の向きを入射直線偏光511のS偏光と平行にすること以外は、図7と同様の構造である。   In addition, although the incident light 151 shown in FIG. 3 or the incident linearly polarized light 511 in FIG. 7 is shown as a representative configuration in the case of becoming the P polarized light 171 when viewed from the exit surface 161 of the wedge prism 121, FIG. 8 shows the structure of the liquid crystal optical phase modulation element 101 when it is S-polarized light as viewed from the exit surface 161 of the wedge-shaped prism 121 at the subsequent stage. The structure is the same as that shown in FIG. 7 except that the director 207 of the nematic liquid crystal layer 501 is parallel to the S-polarized light of the incident linearly polarized light 511.

3−2.液晶光位相変調素子の動作原理
つぎに、液晶光位相変調素子101の動作原理について説明する。図9は、本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の動作の基本原理を示す模式図である。x−z面内に平行な方向にダイレクタ207がホモジニアス配向した状態で外部電場を印加した場合に、ダイレクタ207の長軸方向が電場方向に平行になるように配向するp型(ポジ型)ネマティック液晶を用いた液晶光位相変調素子101に、x軸に平行な方向に振動する直線偏光1110がz軸方向に入射することを考える。液晶光位相変調素子101に入射する前の入射波面1113は平面である。その液晶光位相変調素子101に電場を印加し所定の屈折率分布となるようにダイレクタ207の面内分布を制御すると、入射波面1113を所定の角度θだけ偏向した平面波の出射波面1123に変換させることができる。
3-2. Operation Principle of Liquid Crystal Optical Phase Modulation Element Next, the operation principle of the liquid crystal optical phase modulation element 101 will be described. FIG. 9 is a schematic diagram showing the basic principle of operation of the liquid crystal optical phase modulation element in the embodiment of the present invention. A p-type (positive-type) nematic that is oriented so that the major axis direction of the director 207 is parallel to the electric field direction when an external electric field is applied in a state where the director 207 is homogeneously oriented in a direction parallel to the xz plane. Consider that linearly polarized light 1110 oscillating in a direction parallel to the x-axis is incident on the liquid crystal optical phase modulation element 101 using liquid crystal in the z-axis direction. The incident wavefront 1113 before entering the liquid crystal optical phase modulation element 101 is a plane. When an in-plane distribution of the director 207 is controlled so that an electric field is applied to the liquid crystal optical phase modulation element 101 and a predetermined refractive index distribution is obtained, the incident wavefront 1113 is converted into a plane wave outgoing wavefront 1123 deflected by a predetermined angle θ. be able to.

この現象をさらに詳細に図10を用いて説明する。図10は、本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の動作原理を示す説明図である。図10において、液晶光位相変調素子101のネマティック液晶層501の出射側の平面をx−y平面とし、液晶は、x−z平面に平行となるように配向させる。このとき、入射直線偏光1201がネマティック液晶層501に垂直に入射される。このネマティック液晶層501内には位置xの関数である異常光屈折率ne(x)の分布1211が要素格子のピッチPにおけるa−b間で直線的に変化するように予め動作点を決めておく。 This phenomenon will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 10 is an explanatory diagram showing the operation principle of the liquid crystal optical phase modulation element in the embodiment of the present invention. In FIG. 10, the plane on the emission side of the nematic liquid crystal layer 501 of the liquid crystal optical phase modulation element 101 is the xy plane, and the liquid crystal is aligned so as to be parallel to the xz plane. At this time, the incident linearly polarized light 1201 enters the nematic liquid crystal layer 501 perpendicularly. In this nematic liquid crystal layer 501, the operating point is determined in advance so that the distribution 1211 of the extraordinary refractive index ne (x), which is a function of the position x, linearly changes between a and b at the pitch P of the element grating. Keep it.

また、ネマティック液晶層501の厚みdは一定であるが、屈折率ne(x)がピッチPで直線的に変化しているため、ネマティック液晶層501中を伝搬する入射直線偏光1201は、場所によって異なるリターデーションΔn(x)・dの変調を受けることになる。ここで、n0を液晶の常光屈折率とおくと、
Δn(x)=ne(x)−n0 (7)
である。
Further, although the thickness d of the nematic liquid crystal layer 501 is constant, the refractive index n e (x) changes linearly with the pitch P, so that the incident linearly polarized light 1201 propagating in the nematic liquid crystal layer 501 is Depending on the retardation Δn (x) · d. Here, when n 0 is an ordinary refractive index of liquid crystal,
Δn (x) = n e ( x) -n 0 (7)
It is.

入射直線偏光1201はネマティック液晶中、つまり誘電体媒質中を伝搬する場合、リターデーションが大きいところでは遅く、逆にリターデーションが小さい個所では速く伝搬する。このため、ネマティック液晶層501を出射した出射直線偏光1203は、波面が
tanθ=δΔn・d/P (8)
だけ傾くことになる。
When the incident linearly polarized light 1201 propagates in a nematic liquid crystal, that is, in a dielectric medium, the incident linearly polarized light 1201 propagates slowly when the retardation is large, and conversely propagates quickly when the retardation is small. Therefore, the output linearly polarized light 1203 emitted from the nematic liquid crystal layer 501 has a wavefront of tan θ = δΔn · d / P (8)
Will just lean.

ここで、δΔnは、a点とb点でのリターデーションΔn(x)の差を式(9)のように計算した値である。
δΔn=Δn(a)−Δn(b) (9)
Here, δΔn is a value obtained by calculating the difference between the retardations Δn (x) at point a and point b as in equation (9).
δΔn = Δn (a) −Δn (b) (9)

このように、光偏向装置のネマティック液晶層501における異常光屈折率ne(x)の分布1211が直線的であれば、入射直線偏光1201と同様に出射直線偏光1203の波面も平面となり、結果的に入射直線偏光1201に対して出射直線偏光1203はθだけ偏向させることができる。 Thus, if the distribution 1211 of the extraordinary light refractive index ne (x) in the nematic liquid crystal layer 501 of the optical deflecting device is linear, the wavefront of the outgoing linearly polarized light 1203 is also flat as in the case of the incident linearly polarized light 1201, and the result Thus, the outgoing linearly polarized light 1203 can be deflected by θ with respect to the incident linearly polarized light 1201.

つぎに、本発明に用いるネマティック液晶層501の異常光屈折率ne(x)が直線近似できる条件について考察した。入射直線偏光は図11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11において、横軸はネマティック液晶層501への印加電圧の実効値、縦軸は液晶分子の実効複屈折率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場無印加時の配向膜層によって決まるプレティルト角などのパラメータから決まる。この印加電圧−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(商品名)のものである。 Next, the conditions under which the extraordinary refractive index n e (x) of the nematic liquid crystal layer 501 used in the present invention can be linearly approximated were considered. The incident linearly polarized light undergoes modulation determined by applied voltage-effective birefringence characteristics as shown in FIG. In FIG. 11, the horizontal axis represents the effective value of the voltage applied to the nematic liquid crystal layer 501 and the vertical axis represents the effective birefringence Δn of the liquid crystal molecules. The shape of the electro-optic response curve is determined by parameters such as the elastic constant of the liquid crystal to be used, the dielectric anisotropy characteristics, and the pretilt angle determined by the alignment film layer when no electric field is applied. This applied voltage-effective birefringence characteristic is that of a nematic liquid crystal material BL007 (trade name) manufactured by Merck.

またこの特性はΔnmax=0.287、液晶層厚さ20μmとして求めた理論曲線である。図11には、プレティルト角が0.5度、2度、5度および10度の場合の特性を示した。後述する図16に示す複合電極211aを持つ液晶光位相変調素子101として用いる場合は、図10の作用を得るために1次曲線を近似できる直線領域1520近傍を用いる必要がある。よって、前記ネマティック液晶のプレティルト角は直線領域1520を広く取るため5度以下、さらに好ましくは2度以下が望ましいことがわかる。   This characteristic is a theoretical curve obtained by assuming that Δnmax = 0.287 and the thickness of the liquid crystal layer is 20 μm. FIG. 11 shows the characteristics when the pretilt angles are 0.5 degree, 2 degrees, 5 degrees, and 10 degrees. When used as a liquid crystal optical phase modulation element 101 having a composite electrode 211a shown in FIG. 16 to be described later, it is necessary to use the vicinity of a linear region 1520 that can approximate a linear curve in order to obtain the operation of FIG. Accordingly, it can be understood that the pretilt angle of the nematic liquid crystal is preferably 5 degrees or less, more preferably 2 degrees or less in order to take a wide linear region 1520.

3−3.複数個の液晶光位相変調素子を備えた場合
以上の説明にあっては、液晶光位相変調素子は一つであったが、この液晶光位相変調素子を複数個備えるようにしてもよい。ここでは、液晶光位相変調素子を2つ設けた場合の3つの例を説明する。
3-3. In the case where a plurality of liquid crystal light phase modulation elements are provided In the above description, the number of liquid crystal light phase modulation elements is one, but a plurality of liquid crystal light phase modulation elements may be provided. Here, three examples when two liquid crystal optical phase modulation elements are provided will be described.

3−3−1.液晶セルの配向方向:平行、液晶セルの個別電極:平行
図12は、2つの液晶光位相変調素子を示す断面図である。図12において、入射光に対して、前段の液晶光位相変調素子101A(図面左)と、後段の液晶光位相変調素子101B(図面右)を、並べて配置する。この際、前段の液晶光位相変調素子101Aと後段の液晶光位相変調素子101Bの互いの液晶セルの配向方向は略平行である。また、互いの液晶セルの個別電極211A,211Bも同様に略平行である。したがって、同一の液晶光位相変調素子を同一方向に2つ並べた状態である。
3-3-1. Orientation direction of liquid crystal cell: parallel, individual electrode of liquid crystal cell: parallel FIG. 12 is a cross-sectional view showing two liquid crystal light phase modulation elements. In FIG. 12, a front-stage liquid crystal optical phase modulation element 101A (left in the drawing) and a rear-stage liquid crystal optical phase modulation element 101B (right in the drawing) are arranged side by side with respect to incident light. At this time, the alignment directions of the liquid crystal cells of the front-stage liquid crystal optical phase modulation element 101A and the rear-stage liquid crystal optical phase modulation element 101B are substantially parallel to each other. Similarly, the individual electrodes 211A and 211B of the liquid crystal cells are also substantially parallel. Therefore, two identical liquid crystal optical phase modulation elements are arranged in the same direction.

このような構成とすることで、図12の断面図に対して平行な振動面を持つ入射偏光は、前段の液晶光位相変調素子101Aおよび後段の液晶光位相変調素子101Bよって断面図に平行な面内(x−z面内)に偏向される。したがって、位相変調量が、一つの液晶光位相変調素子の場合の2倍となり、これによって大きな偏向を実現することができる。なお、並べて配置する液晶光位相変調素子の数を3以上に増加させることによって、より大きな偏向を実現することができる。   With such a configuration, incident polarized light having a vibration plane parallel to the cross-sectional view of FIG. 12 is parallel to the cross-sectional view by the front-stage liquid crystal light phase modulation element 101A and the back-stage liquid crystal light phase modulation element 101B. It is deflected in the plane (in the xz plane). Therefore, the amount of phase modulation is twice that of a single liquid crystal optical phase modulation element, thereby realizing a large deflection. A larger deflection can be realized by increasing the number of liquid crystal optical phase modulation elements arranged side by side to 3 or more.

3−3−2.液晶セルの配向方向:直交、液晶セルの個別電極:平行
図13は、2つの液晶光位相変調素子を示す断面図である。図13において、入射光に対して、前段の液晶光位相変調素子101A(図面左)と、後段の液晶光位相変調素子101B(図面右)を、並べて配置する。この際、前段の液晶光位相変調素子101Aと後段の液晶光位相変調素子101Bの互いの液晶セルの配向方向は略直交である。また、互いの液晶セルの個別電極211A,211Bは、略平行である。
3-3-2. Liquid crystal cell orientation direction: orthogonal, liquid crystal cell individual electrode: parallel FIG. 13 is a cross-sectional view showing two liquid crystal light phase modulation elements. In FIG. 13, a front-stage liquid crystal optical phase modulation element 101A (left in the drawing) and a rear-stage liquid crystal optical phase modulation element 101B (right in the drawing) are arranged side by side with respect to incident light. At this time, the alignment directions of the liquid crystal cells of the front-stage liquid crystal optical phase modulation element 101A and the rear-stage liquid crystal optical phase modulation element 101B are substantially orthogonal to each other. Further, the individual electrodes 211A and 211B of the liquid crystal cells are substantially parallel.

このような構成とすることで、図13の断面図に対して平行な振動面を持つ入射偏光は、後段の液晶光位相変調素子101Bによって変調されるとともに、図13の断面図に対して垂直な振動面を持つ入射偏光は、前段の液晶光位相変調素子101Aによって変調される。したがって、入射偏光に依存することがない入射偏光無依存型の光偏向装置を実現することができる。また、前段の液晶光位相変調素子101Aと後段の液晶光位相変調素子101Bは、入射する直線偏光に対して順番を入れ替えてもよい。   With such a configuration, incident polarized light having a vibration plane parallel to the cross-sectional view of FIG. 13 is modulated by the subsequent liquid crystal optical phase modulation element 101B and perpendicular to the cross-sectional view of FIG. Incident polarized light having an oscillating surface is modulated by the liquid crystal optical phase modulation element 101A in the previous stage. Therefore, it is possible to realize an optical polarization device that does not depend on incident polarized light and does not depend on incident polarized light. Further, the order of the liquid crystal light phase modulation element 101A at the front stage and the liquid crystal light phase modulation element 101B at the rear stage may be switched with respect to the incident linearly polarized light.

3−3−3.液晶セルの配向方向:平行、液晶セルの個別電極:直交
図14は、2つの液晶光位相変調素子を示す断面図である。また、図15は本発明の実施の形態における光偏向装置を2次元光偏向装置として用いる場合の構成を説明するための模式図である。
3-3-3. Orientation direction of liquid crystal cell: parallel, individual electrode of liquid crystal cell: orthogonal FIG. 14 is a cross-sectional view showing two liquid crystal optical phase modulation elements. FIG. 15 is a schematic diagram for explaining a configuration when the optical deflecting device according to the embodiment of the present invention is used as a two-dimensional optical deflecting device.

図14において、入射光に対して、前段の液晶光位相変調素子101A(図面左)と、後段の液晶光位相変調素子101B(図面右)を、並べて配置する。この際、前段の液晶光位相変調素子101Aと後段の液晶光位相変調素子101Bの互いの液晶セルの配向方向は略平行である。また、互いの液晶セルの個別電極211A,211Bは略垂直である。   In FIG. 14, a front-stage liquid crystal optical phase modulation element 101A (left in the drawing) and a rear-stage liquid crystal optical phase modulation element 101B (right in the drawing) are arranged side by side with respect to incident light. At this time, the alignment directions of the liquid crystal cells of the front-stage liquid crystal optical phase modulation element 101A and the rear-stage liquid crystal optical phase modulation element 101B are substantially parallel to each other. Further, the individual electrodes 211A and 211B of the liquid crystal cells are substantially vertical.

また図15に示すように、本発明の光偏向装置100は、前段の液晶光位相変調素子101Aと後段の液晶光位相変調素子101Bおよび3角錐状の2次元ウェッジ型プリズム123より構成している。   As shown in FIG. 15, the optical deflecting device 100 of the present invention includes a front-stage liquid crystal light phase modulation element 101A, a rear-stage liquid crystal light phase modulation element 101B, and a triangular pyramid-shaped two-dimensional wedge-type prism 123. .

2次元ウェッジ型プリズム123は、x−z平面傾斜角γ1とy−z平面傾斜角(γ2)とで特徴付けられる。図15のように座標を取った場合、
tanγ1=wz/wx (10)
tanγ2=wz/wy (11)
となる。
The two-dimensional wedge-type prism 123 is characterized by an xz plane tilt angle γ 1 and a yz plane tilt angle (γ 2 ). When coordinates are taken as shown in FIG.
tanγ 1 = wz / wx (10)
tanγ 2 = wz / wy (11)
It becomes.

ここで、x軸に平行な方向に振動する直線偏光1110がz軸方向に入射することを考える。液晶光位相変調素子101Bは、個別電極をx軸に平行となるように予め設定する。また、液晶の配向方向はx―z面内に平行とする。さらに、液晶光位相変調素子101Aの個別電極は、y軸と平行とし、液晶の配向方向はx−z面内に平行とする。   Here, consider that linearly polarized light 1110 that vibrates in a direction parallel to the x-axis is incident in the z-axis direction. In the liquid crystal optical phase modulation element 101B, the individual electrodes are set in advance so as to be parallel to the x-axis. The alignment direction of the liquid crystal is parallel to the xz plane. Further, the individual electrodes of the liquid crystal optical phase modulation element 101A are parallel to the y axis, and the alignment direction of the liquid crystal is parallel to the xz plane.

このような構成とすると、液晶光位相変調素子101Bは、入射した直線偏光1110の進行方向をy−z面内で角度θy偏向する作用をおこない、液晶光位相変調素子101Aは、x−z面内で角度θx偏向する作用をする。また、2次元ウェッジ型プリズム123は、角度θxを傾斜角γ1で決まるように拡大し、角度θyを傾斜角γ2で決まるようにそれぞれ独立に拡大する。このような構成とすることで、2次元光偏向装置を実現することが可能である。また、前段の液晶光位相変調素子101Aと後段の液晶光位相変調素子101Bは、入射する直線偏光1110に対して順番を入れ替えてもよい。 With such a configuration, the liquid crystal optical phase modulation element 101B performs an action of deflecting the traveling direction of the incident linearly polarized light 1110 by an angle θ y in the yz plane, and the liquid crystal optical phase modulation element 101A includes the xz It acts to deflect the angle θ x in the plane. Further, two-dimensional wedge prism 123, the angle theta x expanded to determined by the tilt angle gamma 1, to enlarge the angle theta y each independently as determined by the tilt angle gamma 2. With such a configuration, a two-dimensional light deflection apparatus can be realized. Further, the order of the liquid crystal light phase modulation element 101A in the front stage and the liquid crystal light phase modulation element 101B in the rear stage may be switched with respect to the incident linearly polarized light 1110.

4−1.第1の複合電極の構造
つぎに液晶光位相変調素子101のブレーズド型回折格子を形成するための第1の複合電極211aの構造について図16を用いて詳細に説明する。図16は第1の要素格子751と第2の要素格子761の2つの回折格子領域を第1の活性領域671を有する第1の複合電極211aの平面図である。
4-1. Next, the structure of the first composite electrode 211a for forming the blazed diffraction grating of the liquid crystal optical phase modulation element 101 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 16 is a plan view of a first composite electrode 211a having a first active region 671 with two diffraction grating regions of a first element grating 751 and a second element grating 761. FIG.

図16において、第1の要素格子751は第1の個別電極721から第Nの個別電極730を有する。また、第2の要素格子761は第N+1の個別電極731から、第2Nの個別電極740を有する。この第1の複合電極211aでは、説明を容易とするために便宜上N=10とした。また、第1の個別電極721から第2Nの個別電極740は上述の膜厚と抵抗値を有するITOなどの透明導電膜により形成する。   In FIG. 16, the first element lattice 751 includes the first individual electrode 721 to the Nth individual electrode 730. The second element lattice 761 includes the (N + 1) th individual electrode 731 to the 2Nth individual electrode 740. In this first composite electrode 211a, N = 10 is set for convenience for ease of explanation. The first to second N individual electrodes 740 to 740 are formed of a transparent conductive film such as ITO having the above-described film thickness and resistance value.

また、第1の個別電極721から第Nの個別電極730は、第1の活性領域671の外部で複数の群(図16では2つの群)にまとめられ、各群内における各個別電極を、個別電極と同じ材料であるITOなどの共通の集電極によって接続する。図16においては、第1の個別電極721から第Nの個別電極730を第1の活性領域671の外部で第1の集電極701で接続し、第N+1の個別電極731から第2Nの個別電極740は、同様にして第2の集電極703で接続する。   The first individual electrode 721 to the Nth individual electrode 730 are grouped into a plurality of groups (two groups in FIG. 16) outside the first active region 671, and the individual electrodes in each group are They are connected by a common collector electrode such as ITO, which is the same material as the individual electrodes. In FIG. 16, the first individual electrode 721 to the Nth individual electrode 730 are connected by the first collector electrode 701 outside the first active region 671, and the (N + 1) th individual electrode 731 to the second Nth individual electrode are connected. Similarly, 740 is connected by the second collector electrode 703.

また、第1の集電極701の両端にMoやAg合金などの低抵抗金属材料からなる第1の信号電極711と第2の信号電極713をそれぞれ接続し、第2の集電極703に、第3の信号電極715と第4の信号電極717をそれぞれ接続している。なお、前記集電極をシート抵抗数百〜1kΩの膜だけでなく、膜厚をさらに薄くしたり、その電極幅を狭くして電極の長辺方向に線形の抵抗を有するように構成してもよい。   In addition, a first signal electrode 711 and a second signal electrode 713 made of a low-resistance metal material such as Mo or Ag alloy are connected to both ends of the first collector electrode 701, respectively, and the second collector electrode 703 is connected to the first collector electrode 703. The third signal electrode 715 and the fourth signal electrode 717 are connected to each other. In addition, the collector electrode is not only a film having a sheet resistance of several hundred to 1 kΩ, but may be configured to have a linear resistance in the long side direction of the electrode by further reducing the film thickness or reducing the electrode width. Good.

図16では便宜上、第1の要素格子751と第2の要素格子761の2つの回折格子領域だけを示したが、実際の液晶光位相変調素子101においては、第1の活性領域671に入射ビーム径に応じた所定の数の要素格子を形成する必要がある。入射光として850nm帯を用いるときの具体的な設計例として、第1の活性領域671に半導体レーザからの光をコリメータにより平行光として、入射する場合を仮定する。   In FIG. 16, for convenience, only two diffraction grating regions of the first element grating 751 and the second element grating 761 are shown. However, in the actual liquid crystal optical phase modulation element 101, the incident beam is incident on the first active region 671. It is necessary to form a predetermined number of element lattices according to the diameter. As a specific design example when the 850 nm band is used as incident light, it is assumed that light from a semiconductor laser is incident on the first active region 671 as parallel light by a collimator.

このとき、平行光のガウシアンビーム径を300μmとした場合、第1の活性領域671の幅Lを400μmから1.5mmとする。また、各要素格子の個別電極は、入射光の波長を考慮して2μm以下のラインアンドスペースが望ましく、要素格子のピッチP0を30μmから100μmとしたとき第1の複合電極211aの幅Wは、800μmから2mm程度が望ましい。したがって、ピッチP0を30μmとしたとき要素格子の数は、27個から67個となり、ピッチP0を100μmとしたときは、要素格子の数は、8個から20個となる。 At this time, when the Gaussian beam diameter of the parallel light is set to 300 μm, the width L of the first active region 671 is set to 400 μm to 1.5 mm. In addition, the individual electrodes of each element grating preferably have a line and space of 2 μm or less in consideration of the wavelength of incident light, and when the pitch P 0 of the element grating is 30 μm to 100 μm, the width W of the first composite electrode 211a is About 800 μm to 2 mm is desirable. Therefore, when the pitch P 0 is 30 μm, the number of element lattices is 27 to 67, and when the pitch P 0 is 100 μm, the number of element lattices is 8 to 20.

上記の説明で明らかなように、ブレーズド型回折格子を形成する液晶光位相変調素子101においては一つの回折格子領域がN本の個別電極からなる場合にも、駆動回路からの制御信号に接続する信号電極の数は、集電極701,703の両端に接続することにより、要素格子の個数(M個)に対し2M本で済む。特に個別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という利点を有する。   As apparent from the above description, in the liquid crystal optical phase modulation element 101 forming the blazed diffraction grating, even when one diffraction grating region is composed of N individual electrodes, it is connected to the control signal from the drive circuit. The number of signal electrodes is 2M with respect to the number of element lattices (M) by connecting to both ends of the collector electrodes 701 and 703. In particular, when the number of individual electrodes increases, there is an advantage that the number of signal electrodes can be greatly reduced.

4−2.液晶光位相変調素子の駆動方法
つぎに前記第1の複合電極211aを持った液晶光位相変調素子101の駆動方法について説明する。初めに、第1の要素格子751の部分を取り出して説明する。図17に駆動波形を示す。第1の駆動波形1601を第1の信号電極711に印加し、第2の駆動波形1603を第2の信号電極713に印加する。第1の駆動波形1601と第2の駆動波形1603は互いに周波数と位相が等しく電圧のみが異なっており、第2の駆動波形1603の方が第1の駆動波形1601より電圧を大きくする。
4-2. Next, a method of driving the liquid crystal optical phase modulation element 101 having the first composite electrode 211a will be described. First, a part of the first element lattice 751 is taken out and described. FIG. 17 shows drive waveforms. A first drive waveform 1601 is applied to the first signal electrode 711, and a second drive waveform 1603 is applied to the second signal electrode 713. The first drive waveform 1601 and the second drive waveform 1603 have the same frequency and phase and differ only in voltage, and the second drive waveform 1603 has a larger voltage than the first drive waveform 1601.

また、期間t1においては第1の駆動波形1601は+V1[V]であり、第2の駆動波形1603は+V2[V]である。ここで、共通電極213を0[V]とする。したがって、透明導電膜など線形の抵抗材料で形成した第1の集電極701によって電位が分割されるため、第1の活性領域671に形成した第1の要素格子751の個別電極には、それぞれ第1の信号電極711と第2の信号電極713に印加した電圧が配置位置によって直線的に分割されることとなる。ここで、個別電極の長手方向については個別電極がネマティック液晶層501のインピーダンスと比較して低抵抗材料で形成されるためほぼ同電位とすることができる。さらに、必要に応じて共通電極213にバイアス交流電圧を印加する期間を期間1および期間2と別に設けてもよい。 In the period t1, the first drive waveform 1601 is + V 1 [V], and the second drive waveform 1603 is + V 2 [V]. Here, the common electrode 213 is set to 0 [V]. Therefore, since the potential is divided by the first collector electrode 701 formed of a linear resistance material such as a transparent conductive film, each individual electrode of the first element lattice 751 formed in the first active region 671 has a first electrode. The voltage applied to the first signal electrode 711 and the second signal electrode 713 is linearly divided depending on the arrangement position. Here, in the longitudinal direction of the individual electrode, the individual electrode is formed of a low resistance material as compared with the impedance of the nematic liquid crystal layer 501, so that the potential can be substantially the same. Furthermore, a period for applying a bias AC voltage to the common electrode 213 may be provided separately from the period 1 and the period 2 as necessary.

4−3.集電極の電位勾配の発生現象
つぎに、前記第1の複合電極211a(図16)における第1の集電極701上の電位勾配と、各個別電極の電位との関係を詳細に説明する。図17に示す期間t1においては第1の信号電極711と第2の信号電極713とを接続する第1の集電極701の電位分布は、前述の説明したように、図18の第1の電位分布1801で示す直線状の電位分布となる。図17に示す期間t2においては、第1の集電極701の電位分布は、図18の第2の電位分布1803で示す電位分布となる。
4-3. Next, the relationship between the potential gradient on the first collector electrode 701 in the first composite electrode 211a (FIG. 16) and the potential of each individual electrode will be described in detail. In the period t1 shown in FIG. 17, the potential distribution of the first collector electrode 701 that connects the first signal electrode 711 and the second signal electrode 713 is the first potential shown in FIG. A linear potential distribution indicated by a distribution 1801 is obtained. In the period t2 shown in FIG. 17, the potential distribution of the first collector electrode 701 is the potential distribution indicated by the second potential distribution 1803 in FIG.

ここで、図18において、a点は、第1の信号電極711に接続される個別電極位置に対応し、b点は、第2の信号電極713に接続される個別電極位置に対応している。図17に示した駆動波形が50%デューティの矩形波の場合は、図18で示す2つの第1および第2の電位分布1801、1803を交互に時間的に繰り返すことになる。したがって、0[V]に維持した共通電極213を介してネマティック液晶層501に印加される電圧はどの個別電極の位置においても交番電圧化され、ネマティック液晶層501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711側には、実効値で常時V1[V]が印加され、第2の信号電極713には、V2[V]の電圧が印加され、さらに第1の集電極701で分割された電位が各個別電極に印加されると考えればよい。 Here, in FIG. 18, point a corresponds to the position of the individual electrode connected to the first signal electrode 711, and point b corresponds to the position of the individual electrode connected to the second signal electrode 713. . When the drive waveform shown in FIG. 17 is a rectangular wave with a 50% duty, the two first and second potential distributions 1801 and 1803 shown in FIG. 18 are alternately repeated in time. Therefore, the voltage applied to the nematic liquid crystal layer 501 through the common electrode 213 maintained at 0 [V] is changed to an alternating voltage at any individual electrode position, and no DC component is applied to the nematic liquid crystal layer 501. Since nematic liquid crystal has an effective value response, V 1 [V] is always applied as an effective value to the first signal electrode 711 side, and a voltage of V 2 [V] is applied to the second signal electrode 713. It can be considered that the potential applied and further divided by the first collector electrode 701 is applied to each individual electrode.

4−4.集電極に発生する位相分布
つぎに、前記集電極に発生する位相分布について説明する。図19に液晶にBL007(メルク・ジャパン社製:商品名)を使用してプレティルト角を1度に設定したときの液晶に印加する電圧[Vrms]と相対位相差Δとの関係のグラフを示す。特性曲線1711は1.4〜1.8[V]近傍で直線近似領域1701を持つことがわかる。液晶層の厚さdは20[μm]として、波長λは850[nm]のときを考える。
4-4. Next, the phase distribution generated in the collector electrode will be described. FIG. 19 is a graph showing the relationship between the voltage [Vrms] applied to the liquid crystal and the relative phase difference Δ when BL007 (trade name, manufactured by Merck Japan Ltd.) is used as the liquid crystal and the pretilt angle is set to 1 degree. . It can be seen that the characteristic curve 1711 has a linear approximation region 1701 in the vicinity of 1.4 to 1.8 [V]. It is assumed that the thickness d of the liquid crystal layer is 20 [μm] and the wavelength λ is 850 [nm].

なお、相対位相差Δは、実効複屈折率をΔnとおいて、
Δ=Δn・d/λ (12)
で定義する。
The relative phase difference Δ is set such that the effective birefringence is Δn.
Δ = Δn · d / λ (12)
Define in.

図19の相対位相差Δの直線近似領域1701から、λ=850nmにおいて直線可変調範囲1705が波長λで2波長以上、つまり位相で4π程度取れることがわかる。このように、プレティルト角によって異常光屈折率の直線近似ができると同時にそのプレティルト角の範囲内における、直線近似領域1701内で動作する動作電圧範囲1703以内の電圧を印加すれば、第1の複合電極211aの第1の活性領域671に、個別電極の位置に比例する位相分布を実現することができる。   It can be seen from the linear approximation region 1701 of the relative phase difference Δ in FIG. 19 that at λ = 850 nm, the linear modulatable range 1705 can take two wavelengths or more, that is, about 4π in phase. As described above, if a linear approximation of the extraordinary refractive index can be performed by the pretilt angle, and a voltage within the operating voltage range 1703 operating in the linear approximation region 1701 within the range of the pretilt angle is applied, the first composite A phase distribution proportional to the position of the individual electrode can be realized in the first active region 671 of the electrode 211a.

4−5.液晶光位相変調素子の別の駆動方法
つぎに、複合電極211aを持つ液晶光位相変調素子101で任意の偏向角を実現する他の方法について説明する。
4-5. Next, another method for realizing an arbitrary deflection angle with the liquid crystal optical phase modulation element 101 having the composite electrode 211a will be described.

4−5−1.他の駆動方法(その1)
図20は、本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の位相分布を示す模式図である。この場合、要素格子のピッチをP0とし、最大偏向角θmaxを、
tanθmax=λ/P0 (13)
と定義する。
4-5-1. Other driving methods (1)
FIG. 20 is a schematic diagram showing the phase distribution of the liquid crystal optical phase modulation element in the embodiment of the present invention. In this case, the pitch of the element lattice is P 0 , and the maximum deflection angle θmax is
tan θmax = λ / P 0 (13)
It is defined as

このときのθmaxの位相変調曲線2001(一点鎖線)のときの最大位相変調量は、要素格子のピッチP0の距離で一波長分つまり2πとなる。前記第1の複合電極211aの場合、第1、第2の信号電極の位置が予め決められているので、位相を変えるために任意の電極位置で、2πだけのリセットをかけることが不可能である。そこで、所定の位置でリセットをかけるために、まずθmaxより少し小さい角度θpを高次光の発生無く振る場合を考える。このとき、θpの位相変調曲線2003(実線)においては、λ〜2λの間でリセットをかける必要がある。このように、第1の複合電極211を用いる場合は、所定の要素格子のうち、位相変調量がλ以上2λ未満に入る要素格子ごとにリセットをかける駆動方法を用いるようにしてもよい。 At this time, the maximum phase modulation amount for the phase modulation curve 2001 (the one-dot chain line) of θmax is one wavelength, that is, 2π at the distance P 0 of the element grating. In the case of the first composite electrode 211a, since the positions of the first and second signal electrodes are determined in advance, it is impossible to reset by 2π at any electrode position in order to change the phase. is there. Therefore, in order to reset at a predetermined position, first consider a case where the angle θ p slightly smaller than θmax is swung without generation of high-order light. At this time, in the phase modulation curve 2003 (solid line) of θ p , it is necessary to reset between λ and 2λ. As described above, when the first composite electrode 211 is used, a driving method of resetting each element grating whose phase modulation amount falls within the range of λ to less than 2λ among the predetermined element gratings may be used.

4−5−2.他の駆動方法(その2)
つぎに、前記第1の複合電極211aを持った液晶光位相変調素子101の別の駆動方法について説明する。図21は、一つの要素格子に配置した信号電極端子への波形印加期間を示した図である。この駆動方法においては、1フレームを期間1と期間2に分けて駆動する。具体的には、ネマティック液晶層501の劣化を防ぐため、平均値が0となるような交番電圧の駆動信号2101を第1の信号電極711に印加し、第2の信号電極713を共通電極213と同電位となるように0[V]とする期間1と、第2の信号電極713に交番電圧の駆動信号2101を印加し、第1の信号電極711を共通電極213と同電位となるように0[V]とする期間2を交互に設けた駆動方法である。
4-5-2. Other driving methods (part 2)
Next, another driving method of the liquid crystal optical phase modulation element 101 having the first composite electrode 211a will be described. FIG. 21 is a diagram showing a waveform application period to signal electrode terminals arranged in one element lattice. In this driving method, one frame is divided into period 1 and period 2 for driving. Specifically, in order to prevent the deterioration of the nematic liquid crystal layer 501, an alternating voltage drive signal 2101 having an average value of 0 is applied to the first signal electrode 711, and the second signal electrode 713 is connected to the common electrode 213. A period 1 in which the potential is 0 [V] so as to be the same potential, and a drive signal 2101 having an alternating voltage is applied to the second signal electrode 713 so that the first signal electrode 711 has the same potential as the common electrode 213. This is a driving method in which periods 2 of 0 [V] are alternately provided.

このような駆動方法を用いることで期間1と期間2を足した1フレームに要素格子に生じる液晶電位分布は、それぞれの期間の実効値に近い値をとる。期間1および期間2の印加波形は、任意でよく、たとえば振幅の異なる2つの波形を印加できる。また、パルス幅変調により、実効値を制御した波形でもよい。さらに、必要に応じて共通電極にバイアス交流電圧を印加してもよい。   By using such a driving method, the liquid crystal potential distribution generated in the element lattice in one frame obtained by adding the period 1 and the period 2 takes a value close to the effective value of each period. The applied waveforms in the period 1 and the period 2 may be arbitrary. For example, two waveforms having different amplitudes can be applied. Further, a waveform whose effective value is controlled by pulse width modulation may be used. Furthermore, a bias AC voltage may be applied to the common electrode as necessary.

4−6.複合電極の他の構造(その1)
つぎにブレーズド型回折格子を形成するための複合電極の他の構造について図22を用いて詳細に説明する。先に説明した第1の複合電極211a(図16)の構造に加えて、第2の複合電極211bは、第1の活性領域671の外部で複数の個別電極の群の両端に集電極を配する構成を採用する。
4-6. Other structure of composite electrode (1)
Next, another structure of the composite electrode for forming the blazed diffraction grating will be described in detail with reference to FIG. In addition to the structure of the first composite electrode 211a (FIG. 16) described above, the second composite electrode 211b has collector electrodes arranged on both ends of a group of individual electrodes outside the first active region 671. Adopt the configuration to do.

図22においては、第1の活性領域671の外部で第1の集電極701と対向する位置に第3の集電極801を、第1の活性領域671の外部で第2の集電極703と対向する位置に第4の集電極803を配する。さらに、第3の集電極801はMoやAg合金などの低抵抗金属材料からなる第5の信号電極811と第6の信号電極813に接続し、第4の集電極803は第7の信号電極815と第8の信号電極817に接続している。   In FIG. 22, the third collector electrode 801 is opposed to the first collector electrode 701 outside the first active region 671, and the second collector electrode 703 is opposed to the outside of the first active region 671. A fourth collector electrode 803 is disposed at a position where the second collector electrode 803 is located. Further, the third collector electrode 801 is connected to the fifth signal electrode 811 and the sixth signal electrode 813 made of a low resistance metal material such as Mo or Ag alloy, and the fourth collector electrode 803 is connected to the seventh signal electrode. 815 and the eighth signal electrode 817 are connected.

この第2の複合電極211bの構造では、第1の信号電極711と第5の信号電極811、第2の信号電極713と第6の信号電極813、第3の信号電極715と第7の信号電極815、および第4の信号電極717と第8の信号電極817のペアは外部で短絡して駆動する。なお、第2の複合電極211bを用いた光偏向装置の駆動方法は、先に説明した駆動方法をそのまま適用することができる。   In the structure of the second composite electrode 211b, the first signal electrode 711 and the fifth signal electrode 811, the second signal electrode 713 and the sixth signal electrode 813, the third signal electrode 715 and the seventh signal are included. The electrode 815 and the pair of the fourth signal electrode 717 and the eighth signal electrode 817 are driven by being short-circuited outside. In addition, the drive method demonstrated previously can be applied as it is to the drive method of the optical deflection | deviation apparatus using the 2nd composite electrode 211b.

図22に示した、光偏向装置を形成するための第2の複合電極211bの構造は、個別電極が細くまた長くした場合などに、ネマティック液晶層の駆動周波数でのインピーダンスに比較して個別電極のインピーダンスが、無視できなくなる程大きくなる場合に特に有効である。   The structure of the second composite electrode 211b shown in FIG. 22 for forming the optical deflecting device is different from the impedance at the driving frequency of the nematic liquid crystal layer when the individual electrode is thin or long. This is particularly effective when the impedance of the signal becomes so large that it cannot be ignored.

4−7 複合電極の他の構造(その2)
つぎに高速応答が必要な応用の場合に特に有効である他の構成の第3の複合電極211cについて説明する。図23はブレーズド型回折格子を実現するための第1の活性領域671と第3の複合電極211cの関係を示す平面図である。図23において第3の複合電極211cは、複合電極を構成するITOなどの透明導電膜により形成した第1の個別電極621から便宜上N=20とし、第Nの個別電極640により形成している。
4-7 Other structures of composite electrode (Part 2)
Next, the third composite electrode 211c having another configuration that is particularly effective in the case of an application requiring a high-speed response will be described. FIG. 23 is a plan view showing the relationship between the first active region 671 and the third composite electrode 211c for realizing a blazed diffraction grating. In FIG. 23, the third composite electrode 211c is formed of the Nth individual electrode 640, for convenience, N = 20 from the first individual electrode 621 formed of a transparent conductive film such as ITO constituting the composite electrode.

光偏向をおこなうためのブレーズド型回折格子を第1の活性領域671に実現するために第3の複合電極211cには所定の電圧をそれぞれの個別電極621〜640に印加する必要がある。電圧パターンへの印加手段は、第1の個別電極621から第Nの個別電極640を図23に示すように別々に形成して各個別電極を独立にICなどの駆動回路で駆動して、各個別電極に段階的な電位差を生じさせる。   In order to realize a blazed diffraction grating for performing light deflection in the first active region 671, it is necessary to apply a predetermined voltage to each of the individual electrodes 621 to 640 in the third composite electrode 211c. The voltage pattern applying means includes first to N-th individual electrodes 621 to 640 separately formed as shown in FIG. 23, and each individual electrode is independently driven by a driving circuit such as an IC. A stepwise potential difference is generated in the individual electrodes.

その第3の複合電極211cを用いた液晶光位相変調素子101を用いて任意の偏向角を実現する方法を図24を用いて説明する。第3の複合電極211cにおいては、各個別電極は独立に直接駆動回路により任意の電圧を印加できる。したがって、可変調量が最小で2π(一波長)まで取れる場合、任意の偏向角を実現することが可能となる。たとえば、第1の位相変調波形1901を、第1の活性領域671に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ1は、
tanθ1=λ/P1 (14)
で与えられる値を取る。
A method for realizing an arbitrary deflection angle using the liquid crystal optical phase modulation element 101 using the third composite electrode 211c will be described with reference to FIG. In the third composite electrode 211c, each individual electrode can independently apply an arbitrary voltage by a direct drive circuit. Therefore, an arbitrary deflection angle can be realized when the modifiable amount can be as small as 2π (one wavelength). For example, when a voltage that realizes the first phase modulation waveform 1901 in the first active region 671 is applied to each individual electrode, the deflection angle θ 1 is
tan θ 1 = λ / P 1 (14)
Takes the value given by.

ここで、λは一波長分の相対位相差を示す。また、x軸方向を個別電極に直交する方向とした。本構成を用いることで、所定の個別電極を束ねたピッチP1において、位相を一波長分リセットすることにより、回折効率を100パーセントに近づけることが可能となる。 Here, λ represents a relative phase difference for one wavelength. In addition, the x-axis direction was a direction orthogonal to the individual electrode. By using this configuration, it is possible to bring the diffraction efficiency closer to 100% by resetting the phase by one wavelength at the pitch P 1 where predetermined individual electrodes are bundled.

つぎに、第2の位相変調波形1903を、第1の活性領域671に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ2は、
tanθ2=λ/P2 (15)
で与えられる値を取る。このように、位相をリセットする所定のピッチP1を変更することで、任意の偏向角θを容易に実現することが可能となる。
Next, when a voltage that realizes the second phase modulation waveform 1903 in the first active region 671 is applied to each individual electrode, the deflection angle θ 2 is
tan θ 2 = λ / P 2 (15)
Takes the value given by. In this way, it is possible to easily realize an arbitrary deflection angle θ by changing the predetermined pitch P 1 for resetting the phase.

さらに、第3の複合電極211cを用いた液晶光位相変調素子101の場合、たとえば、図19に示す直線近似領域1701だけでなく、特性曲線1711の全域を利用することが可能となる。液晶セルの電場印加から電場無印加時の応答速度はセル厚の2乗に比例することが知られているため、液晶セルの厚みを薄くして高速応答化をする上で有利である。これは、各個別電極に任意の電圧を印加できるため特性曲線1711の非線形性を印加電圧の重み付けにより吸収することが可能なためである。   Furthermore, in the case of the liquid crystal optical phase modulation element 101 using the third composite electrode 211c, for example, not only the linear approximation region 1701 shown in FIG. 19 but also the entire characteristic curve 1711 can be used. Since it is known that the response speed from the application of an electric field to the application of no electric field in a liquid crystal cell is proportional to the square of the cell thickness, this is advantageous in reducing the thickness of the liquid crystal cell and achieving a high-speed response. This is because an arbitrary voltage can be applied to each individual electrode, so that the nonlinearity of the characteristic curve 1711 can be absorbed by weighting of the applied voltage.

以上の説明から明らかなように、本発明の光偏向装置においては、単純な構造を持ち、駆動も単純に、大きな角度の偏向が可能な自由空間光通信やレーザレーダまたは、光スキャナに適する機械的な可動部の無い、軽量小型化の光偏向装置を実現することができる。   As is apparent from the above description, the optical deflection apparatus of the present invention has a simple structure, can be driven easily, and can be used for free space optical communication, laser radar, or an optical scanner capable of large-angle deflection. It is possible to realize a light and small-sized optical deflecting device that does not have a movable part.

すなわち、本実施の形態にあっては、光偏向装置において、平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極721〜740を有する第1の透明基板201と、透明導電体からなる共通電極213を有する第2の透明基板203との間に挟持したネマティック液晶層501を備え、第1の透明基板201上に形成された各個別電極721〜740に所定の電圧を印加することにより、ネマティック液晶層501に屈折率の変調を生じさせるように構成した液晶光位相変調素子101の光出射側に、液晶光位相変調素子101から出射した光の偏向角を拡大する機能を有するウェッジ型プリズム121を配置した構成となっている。また、本実施の形態にあっては、上記液晶光位相変調素子101を、複数枚構成するようにしてもよい。   That is, in the present embodiment, in the optical deflecting device, the first transparent substrate 201 having a plurality of individual electrodes 721 to 740 made of transparent conductors arranged in parallel stripes and the common made of transparent conductors. By including a nematic liquid crystal layer 501 sandwiched between the second transparent substrate 203 having the electrode 213 and applying a predetermined voltage to each individual electrode 721 to 740 formed on the first transparent substrate 201, A wedge-shaped prism having a function of expanding the deflection angle of the light emitted from the liquid crystal light phase modulation element 101 on the light emission side of the liquid crystal light phase modulation element 101 configured to cause the refractive index modulation in the nematic liquid crystal layer 501. 121 is arranged. Further, in the present embodiment, a plurality of the liquid crystal optical phase modulation elements 101 may be configured.

また、本実施の形態にあっては、複数の個別電極721〜740が、複数の群にまとめられ、各群内における各複数の個別電極721〜740を共通の集電極701,703で接続するとともに、その集電極701,703の両端に一対の信号電極711,713,715,717を接続する構成となっている。また、本実施の形態にあっては、少なくとも一つの前記群に配した一対の信号電極(たとえば711,713)に、それぞれ異なる電圧の駆動波形を印加する。また、少なくとも一つの前記群に配した一対の信号電極(たとえば711,713)の一方に交番電圧を印加し、他方を0[V]とする期間と、該他方に交番電圧を印加し、該一方を0[V]とする期間を交互に設けるようにしてもよい。また、前記交番電圧が、パルス幅変調した電圧であってもよい。また、本実施の形態にあっては、共通電極203側からネマティック液晶層501に交流バイアスを印加する期間を設けるようにしてもよい。   In this embodiment, a plurality of individual electrodes 721 to 740 are grouped into a plurality of groups, and the plurality of individual electrodes 721 to 740 in each group are connected by common collector electrodes 701 and 703. In addition, a pair of signal electrodes 711, 713, 715, and 717 are connected to both ends of the collector electrodes 701 and 703. In the present embodiment, drive waveforms having different voltages are applied to a pair of signal electrodes (for example, 711 and 713) arranged in at least one of the groups. Further, an alternating voltage is applied to one of a pair of signal electrodes (for example, 711, 713) arranged in at least one of the groups, the other is set to 0 [V], an alternating voltage is applied to the other, Periods in which one of them is 0 [V] may be alternately provided. The alternating voltage may be a pulse width modulated voltage. In this embodiment, a period in which an AC bias is applied to the nematic liquid crystal layer 501 from the common electrode 203 side may be provided.

このように、本実施の形態にあっては、直線状の透明導電膜からなる複数の個別電極211を持ち複数の個別電極721〜740と共通電極213とでネマティック液晶層501を挟んだ液晶光位相変調素子101と液晶光位相変調素子101に隣接するように配置する偏向角を拡大するウェッジ型プリズム121を配置する構成を取ることによって、液晶光位相変調素子101で入射直線偏光のウェッジ型プリズム121に入射する入射角を制御する。つまりウェッジ型プリズム121は、入射角の偏角量を拡大する働きをする。   As described above, in the present embodiment, the liquid crystal light having a plurality of individual electrodes 211 made of a linear transparent conductive film and sandwiching the nematic liquid crystal layer 501 between the plurality of individual electrodes 721 to 740 and the common electrode 213. By adopting a configuration in which the wedge-shaped prism 121 that expands the deflection angle is disposed so as to be adjacent to the phase modulation element 101 and the liquid crystal optical phase modulation element 101, the liquid crystal optical phase modulation element 101 uses a wedge-type prism that is incident linearly polarized light. The incident angle incident on 121 is controlled. That is, the wedge-type prism 121 functions to increase the amount of deviation of the incident angle.

さらに、液晶光位相変調素子101は、第1の透明基板201に形成された複数の個別電極721〜740に所定の電圧を印加することで、ネマティック液晶層501に空間的な屈折率変調領域を誘起して、ブレーズド型回折格子を実現する作用をする。液晶光位相変調素子101の複数の個別電極721〜740は、各個別電極721〜740を複数の群にまとめられ各群内における各複数の個別電極721〜740を共通の集電極701、703によって束ねる構成とすることで駆動電極本数を大幅に減らす構成としてもよい。この場合、各集電極701,703に設けた一対の信号電極711,713,715,717に所定の電位差を与えることで集電極701,703には、直線状の電位勾配が誘起され、各個別電極211(721〜740)に所定の電位が分配される。   Further, the liquid crystal optical phase modulation element 101 applies a predetermined voltage to the plurality of individual electrodes 721 to 740 formed on the first transparent substrate 201, thereby forming a spatial refractive index modulation region in the nematic liquid crystal layer 501. It induces and realizes a blazed diffraction grating. The plurality of individual electrodes 721 to 740 of the liquid crystal optical phase modulation element 101 are grouped into a plurality of groups, and the plurality of individual electrodes 721 to 740 in each group are shared by common collector electrodes 701 and 703. It is good also as a structure which reduces a drive electrode number significantly by setting it as the structure to bundle. In this case, a linear potential gradient is induced in the collector electrodes 701 and 703 by applying a predetermined potential difference to the pair of signal electrodes 711, 713, 715, and 717 provided on the collector electrodes 701 and 703. A predetermined potential is distributed to the electrodes 211 (721 to 740).

各個別電極211に所定の電位差を誘起する駆動方法としてたとえば、一対の信号電極711,713に、それぞれ異なる電圧の駆動波形を印加する方法を採用する。また、別の駆動方法としては、少なくとも一つの前記群に配した一対の信号電極の第1の信号電極711に交番電圧を印加し、第2の信号電極713を0[V]とする期間と、第2の信号電極713に交番電圧を印加し、第1の信号電極711を0[V]とする期間を交互に繰り返す方法を採用する。   As a driving method for inducing a predetermined potential difference in each individual electrode 211, for example, a method of applying driving waveforms of different voltages to the pair of signal electrodes 711 and 713 is employed. As another driving method, a period in which an alternating voltage is applied to the first signal electrode 711 of the pair of signal electrodes arranged in at least one of the groups and the second signal electrode 713 is set to 0 [V]; Then, a method is adopted in which an alternating voltage is applied to the second signal electrode 713 and the period in which the first signal electrode 711 is set to 0 [V] is alternately repeated.

このように本実施の形態にかかる本発明の光偏向装置では、単純な構成で簡便な駆動方法により高機能な光偏向装置を実現できる。   As described above, in the optical deflecting device of the present invention according to the present embodiment, a highly functional optical deflecting device can be realized with a simple configuration and a simple driving method.

本発明の実施の形態における光偏向装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the optical deflection apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における光偏向装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the optical deflection apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における光偏向装置の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the optical deflection apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるウェッジ型プリズムの入射角度と出射角度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the incident angle and exit angle of the wedge-type prism in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるウェッジ型プリズムの入射角度と角度増加率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the incident angle and angle increase rate of the wedge-type prism in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における光偏向装置の入射角と出射角との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the incident angle and output angle of the optical deflection apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の別の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another structure of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の動作の基本原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic principle of operation | movement of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の動作原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of operation of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の電圧−複屈折特性を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-birefringence characteristic of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における2つの液晶光位相変調素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the two liquid crystal optical phase modulation elements in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における2つの液晶光位相変調素子の別の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another structure of the two liquid crystal optical phase modulation elements in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における2つの液晶光位相変調素子の別の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another structure of the two liquid crystal optical phase modulation elements in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における2次元光偏向装置の基本構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic composition of the two-dimensional optical deflection apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の複合電極の構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the composite electrode of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の駆動波形を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the drive waveform of the liquid crystal optical phase modulation element in the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の電位分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the electric potential distribution of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の電圧−相対位相差特性を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-relative phase difference characteristic of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の位相分布を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows phase distribution of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の駆動波形を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the drive waveform of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の複合電極の構造を示す模式平面図である。It is a schematic plan view which shows the structure of the composite electrode of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の複合電極の構造を示す模式平面図である。It is a schematic plan view which shows the structure of the composite electrode of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の位相分布を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows phase distribution of the liquid crystal optical phase modulation element in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 光偏向装置
101 液晶光位相変調素子
121 ウェッジ型プリズム
123 2次元ウェッジ型プリズム
141 駆動装置
151 入射光
153 第1の出射光
155 第2の出射光
157 第3の出射光
161 出射面
171 P偏光
201 第1の透明基板
203 第2の透明基板
207 ダイレクタ
209 ティルト角
211 複合電極
213 共通電極
301 入射角度範囲
303 出射角度範囲
501 ネマティック液晶層
511 入射直線偏光
621...640 個別電極
671 第1の活性領域
701 第1の集電極
703 第2の集電極
711 第1の信号電極
713 第2の信号電極
715 第3の信号電極
717 第4の信号電極
721...740 個別電極
751 第1の要素格子
761 第2の要素格子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Optical deflecting device 101 Liquid crystal optical phase modulation element 121 Wedge type prism 123 Two-dimensional wedge type prism 141 Driving device 151 Incident light 153 First outgoing light 155 Second outgoing light 157 Third outgoing light 161 Outgoing surface 171 P polarized light 201 First transparent substrate 203 Second transparent substrate 207 Director 209 Tilt angle 211 Composite electrode 213 Common electrode 301 Incident angle range 303 Output angle range 501 Nematic liquid crystal layer 511 Incident linearly polarized light 621. . . 640 Individual electrode 671 First active region 701 First collector electrode 703 Second collector electrode 711 First signal electrode 713 Second signal electrode 715 Third signal electrode 717 Fourth signal electrode 721. . . 740 Individual electrode 751 First element lattice 761 Second element lattice

Claims (2)

液晶を用いて、入射された光を偏向して出射する液晶光位相変調素子と、
前記液晶光位相変調素子を駆動する駆動手段と、
前記液晶光位相変調素子の出射側に配置され、前記液晶光位相変調素子から出射された光を入射する入射面と、当該入射面から入射された光が出射される出射面とが所定の角度を有するウェッジ型プリズムと、
を備え、
前記液晶光位相変調素子は、
平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極を有する第1の透明基板と、
前記透明導電体からなる共通電極を有する第2の透明基板と、
前記第1の透明基板および前記第2の透明基板の間に挟持された液晶層と、
を備え、
前記駆動手段は、前記液晶層に屈折率の変調を生じさせるように、前記個別電極に所定の電圧を印加し、
前記液晶光位相変調素子を少なくとも2つ並べて配置し、
前段の液晶光位相変調素子から出射された光を後段の液晶光位相変調素子に入射し、
前記ウェッジ型プリズムは、前記後段の液晶光位相変調素子の出射側に配置され、前記後段の液晶光位相変調素子から出射された光を入射する入射面と、当該入射面から入射された光が出射される出射面とが所定の角度を有し、
前記前段の液晶光位相変調素子の個別電極の方向と、前記後段の液晶光位相変調素子の個別電極の方向が略直交となり、かつ、前記前段の液晶光位相変調素子の液晶層の配向方向と、前記後段の液晶光位相変調素子の液晶層の配向方向とが略同一となるように配置することを特徴とする光偏向装置。
A liquid crystal light phase modulation element that deflects and emits incident light using liquid crystal; and
Driving means for driving the liquid crystal optical phase modulation element;
An incident surface that is disposed on an emission side of the liquid crystal optical phase modulation element and receives light emitted from the liquid crystal optical phase modulation element, and an emission surface from which light incident from the incident surface is emitted have a predetermined angle. A wedge-shaped prism having
With
The liquid crystal optical phase modulation element is
A first transparent substrate having a plurality of individual electrodes made of transparent conductors arranged in parallel stripes;
A second transparent substrate having a common electrode made of the transparent conductor;
A liquid crystal layer sandwiched between the first transparent substrate and the second transparent substrate;
With
The driving means applies a predetermined voltage to the individual electrodes so as to cause a refractive index modulation in the liquid crystal layer,
Arranging at least two liquid crystal optical phase modulation elements side by side;
The light emitted from the preceding liquid crystal light phase modulation element is incident on the latter liquid crystal light phase modulation element,
The wedge-type prism is disposed on the emission side of the latter-stage liquid crystal light phase modulation element, and has an incident surface on which light emitted from the latter-stage liquid crystal light phase modulation element is incident, and light incident from the incidence surface The exit surface to be emitted has a predetermined angle,
The direction of the individual electrodes of the liquid crystal optical phase modulation element at the front stage and the direction of the individual electrodes of the liquid crystal optical phase modulation element at the rear stage are substantially orthogonal, and the orientation direction of the liquid crystal layer of the liquid crystal optical phase modulation element at the front stage The optical deflecting device is arranged so that the alignment direction of the liquid crystal layer of the latter-stage liquid crystal optical phase modulation element is substantially the same.
所定数ごとの前記個別電極によって構成される各個別電極群に対応し、当該個別電極群の各個別電極に共通に接続された集電極と、
前記集電極の両端に接続された一対の信号電極と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光偏向装置。
Corresponding to each individual electrode group composed of a predetermined number of the individual electrodes, a collector electrode commonly connected to each individual electrode of the individual electrode group,
A pair of signal electrodes connected to both ends of the collector electrode;
The optical deflection apparatus according to claim 1, further comprising:
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